KR20220046241A

KR20220046241A - 연속 가변 밸브 타이밍 장치

Info

Publication number: KR20220046241A
Application number: KR1020200129418A
Authority: KR
Inventors: 장순길
Original assignee: 장순길
Priority date: 2020-10-07
Filing date: 2020-10-07
Publication date: 2022-04-14
Also published as: WO2022075651A1

Abstract

본 발명은 내연 기관에서 사용되는 밸브의 타이밍을 연속적인 값으로 변경시킬 수 있는 장치에 관한 것이다.
본 발명에 의한 연속 가변 밸브 타이밍 장치는 유성 기어 장치의 선 기어, 링 기어, 유성 기어, 및 캐리어를 포함하며 선 기어, 링 기어, 및 캐리어를 캠 축, 크랭크 축, 및 제어 장치에 하나씩 연결하고 제어 장치를 조종하여 밸브의 타이밍을 변경하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 연속 가변 밸브 타이밍 장치는 자동차의 성능, 연료 절감, 환경 오염 물질 배출 절감 등에 기여할 것이다.

Description

연속 가변 밸브 타이밍 장치 {Continuous variable valve timing apparatus}

내연 기관의 밸브를 캠으로 열고 닫을 때 밸브의 타이밍을 제어하는 기술.

내연 기관의 성능 개선과 연료 소모량 감소 및 배출 가스의 공해 성분 감소 등을 위해 내연 기관 밸브의 동작을 잘 제어할 필요가 있는 것이 확인되었다.

내연 기관의 운전 상태에 따라 내연 기관 제어 장치가 밸브를 여는 시각, 닫는 시각, 여는 시간 및 여는 정도를 조정하려고 할 때 그것을 잘 뒷받침할 수 있는 좋은 기계 장치가 필요하다.

VVT(Variable Valve Timing), VVD(Variable Valve Duration), 및 VVL(Variable Valve Lift)은 그러한 문제들을 해결하는 기계 장치와 관련된 기술들이었다. VVT는 밸브를 열고 닫는 시각을 조정할 수 있는 것이고, VVD는 밸브를 여는 시각과 닫는 시각을 따로 조정할 수 있어서 결국 밸브가 열려 있는 시간까지 변경할 수 있는 것이며, VVL은 밸브를 열 때 밸브의 열림 정도를 조정할 수 있는 기술이며, 이러한 변경의 정도를 연속적인 값으로 할 수 있는 것에는 연속적이라는 의미의 Continuous를 앞에 붙여 각각 CVVT, CVVD, CVVL이라고 하였다.

이러한 기술들의 구현 방법은 차동차 제조업체들에 따라 조금씩 달랐는데 혼다는 VTEC(Valve Timing Electronic Control)이라는 이름으로 VVT를 만들었고, 저속 캠과 고속 캠이 내연 기관의 회전속도에 따라 구분되어 사용되었고 각기 다른 타이밍과 리프트를 만들었다. 아우디는 Valvelift라는 이름으로 VVT와 VVL을 동시에 구현하였다. 고속, 저속, 초저속에서 리프트가 각기 다르게 움직였다. BMW는 Valvetronic이라는 이름으로 CVVL(Continuous Variable Valve Lift)을 만들었는데 밸브 리프트 정도를 연속적으로 변경시킬 수 있는 것이 특징이다. 이 밖에도 닛산이 만든 VVEL(Variable Valve Event and Lift), 토요타 밸브매틱(Valvematic), 피아트가 만든 멀티에어 등이 있었다.

대한민국 등록번호 10-1655688 CVVT 시스템. US 2018/0163642 A1 METHOD OF CONTROLLING VALVE TIMING AND VALVE DURATION USING CVVT APPARATUS AND CVVD APPARATUS.

내연 기관의 제어 장치가 내연 기관의 운전 상태에 따라 흡기 밸브와 배기 밸브의 타이밍을 조정하려고 할 때 그것을 잘 뒷받침할 수 있는 좋은 기계 장치를 필요로 하게 되는데 좋은 기계 장치에 대한 방법을 제공하는 것이 본 발명이 해결하고자 하는 과제이다.

좋은 기계 장치는 비용이 적게 들고, 구조가 간단하고 튼튼하여 제작이나 유지보수가 쉽고, 부피가 크지 않고, 가능하면 여러 요소를 독립적으로 운용할 수 있고, 기존의 장치에 수정을 덜 요구한다는 등의 특징을 가진 것이다.

차동 장치에서 베벨 기어들의 운동을 이용한다. 차동 장치에서는 3개의 축이 서로 연결되어 있어서 회전력을 합치거나 분배하는 작용이 수행된다. 임의의 1개 축을 회전시키면 그 회전은 나머지 2개 축의 회전으로 나타나는데 그 분배 방법은 2개 축에 달려있고, 임의의 2개 축을 회전시키면 나머지 하나에 2개 축의 회전이 합쳐져서 나타나는 것이다.

차동 장치를 곧바로 사용해도 되겠지만 전체의 부피를 줄일 수 있는 모델을 만들 수 있다. 예를 들면 중앙의 축 둘레에 베벨 기어가 설치될 수 있는 돌기 형태의 축을 만들고, 그 돌기 형태의 축에 베벨 기어를 설치하여, 그 베벨 기어가 중앙의 축과 함께 회전하여 축의 둘레를 회전하도록 한다. 그렇게 회전하는 베벨 기어의 양쪽에 중공 형태의 축이 중앙의 축 위에 설치되는데 각 중공 형태의 축의 일단에는 베벨 기어가 형성되어 있어 각각 돌기 축에 설치된 베벨 기어와 맞물린다. 그렇게 되면 중앙의 축과 중앙의 축 위에 설치된 두 중공 형태의 축은 차동 장치의 3개 축과 같은 운동을 한다.

상기 3개 축이 연결된 장치의 3축을 임의로 하나는 구동축, 다른 하나는 피동축, 나머지 하나는 제어축으로 지정하였을 때 구동축의 회전으로 피동축이 회전하고 있거나 구동축이 정지하여 피동축이 정지해 있는 중에도 제어축을 움직여 피동축을 앞이나 뒤로 더 돌리는 것이 가능하다. 구동축과 제어축의 회전이 피동축에서 합쳐져 나오기 때문에 가능한 일이다. 즉 제어축을 피동축의 각도를 앞이나 뒤로 조금 돌려놓는 제어 기능을 맡기고 피동축을 캠 축에 연결하고 구동축을 크랭크 축에 연결하면 제어 기능을 이용하여 캠 축의 타이밍을 조종할 수 있게 된다.

내연 기관을 새로 개발하거나 기존의 내연 기관의 성능을 개선하려고 할 때, 특히 밸브의 타이밍을 잘 제어하려고 할 때 기계 장치 부분에 본 발명에 의한 연속 가변 밸브 타이밍 장치를 적용할 수 있을 것이다. 사용하기 쉽고 필요에 알맞게 밸브를 잘 제어할 수 있기 때문에 높은 성과를 거둘 수 있게 해줄 것이다.

본 발명에 의한 연속 가변 밸브 타이밍 장치를 사용하는 내연 기관을 장착한 자동차는 성능이 개선되고 연료 소모량은 줄고 배출 가스의 공해 성분은 감소하며, 간단한 구조로 인하여 제조와 유지보수가 간단하고 비용 부담도 높지 않아 제조 업체와 사용자의 요구 사항을 둘 다 만족시켜 줄 것이다.

도 1에는 중심 축(1)의 돌기 축(5)에 돌기 축 베벨 기어(4)가 설치되고, 중심 축(1) 위에 설치된 제1 중공 축(2)과 제2 중공 축(3)이 돌기 축 베벨 기어(4)와 맞물려 있는 장치의 단면을 간략하게 보이고 있다.
도 2에는 도 1에 보인 장치를 분해하였을 때의 모습으로 일부는 단면도 형태로 일부는 사시도 형태로 보이고 있다. 중심 축(1)의 둘레에는 복수의 돌기 축(5)을 볼 수 있는데 그 숫자에 제한이 있는 것은 아니다. 각 돌기 축(5)에는 돌기 축 베벨 기어(4)가 설치된다. 제1 중공 축(2)과 제2 중공 축(3)의 일단에는 베벨 기어(6, 7)가 형성되어 있다. 각 돌기 축 베벨 기어(4)는 제1 중공 축(2)과 제2 중공 축(3)에 기어 접속을 하고 있다.
도 3은 도 1과 도 2에 보인 장치를 캠 축(11)과 미도시된 크랭크 축 사이에 설치하고, 미도시된 제어 장치를 연결하고 나서 크랭크 축의 회전을 캠 축(11)으로 전달하면서 미도시된 밸브의 타이밍을 제어하는 방법들의 예를 표로 만들어 보인 것이다.
도 3의 구조난에는 캠 축(11)에 연결된 본 발명에 의한 연속 가변 밸브 타이밍 장치의 단면도를 보이고 있으며, 캠 축난에는 상기 장치 중 피동축으로서 캠 축(11)에 연결된 부분, 구동난에는 상기 장치 중 구동축으로서 크랭크 축에 연결된 부분, 제어난에는 상기 장치 중 제어축으로서 미도시된 제어 장치가 연결된 부분을 각각 나타내고 있다.
도 3의 변속난에는 상기 장치에서 구동난에 표시된 구동축 부분으로 회전력을 전달받아 캠 축난에 표시된 피동축 부분으로 회전력이 전달될 때 변속이 되는 정도를 나타내고 있다. 예를 들어 2는 구동축으로 전달받은 회전력의 같은 방향으로 1/2배의 속도로 캠 축난에 표시된 피동축 부분을 회전시킨다는 것이다.
도 3의 입력난에는 캠 축(11)의 회전을 위하여 구동난에 표시된 구동축 부분이 필요한 회전 속도를 나타내고 있다. 이를테면 1/4은 구동난에 표시된 구동축 부분이 크랭크 축의 회전 속도에 비해 1/4 속도로 회전시키는 것이 필요하다는 것이다.
도 3의 각도난에는 캠 축(11)을 앞으로 1도 앞서 돌리기 위해 제어난에 표시된 제어축 부분을 앞으로 돌려야 하는 각도를 표시한 것이다.

첨부한 도면에 나타난 본 발명의 실시 예를 통해 본 발명의 구체적인 내용을 상세히 설명하도록 한다. 그러나 도면에 나타난 내용으로 본 발명의 내용이 한정되지는 않는다.

도 1은 본 발명에 의한 연속 가변 밸브 타이밍 장치의 예를 보인 것이며, 도 2는 그것을 분해한 모습을 보인 것이다. 중심 축(1)이 회전하면 중심 축(1)의 둘레에 설치된 돌기 축(5)도 함께 회전하며, 돌기 축(5)에 설치된 돌기 축 베벨 기어(4)도 함께 회전한다. 중심 축(1)의 위에 설치된 제1 중공 축(2)과 제2 중공 축(3)은 중심 축(1)의 위에서 헛돌며 돌기 축 베벨 기어(4)와 기어 접속을 한다. 제1 중공 축(2)과 제2 중공 축(3)의 일단에는 베벨 기어(6, 7)가 형성되어 있다. 제1 중공 축(2)이 중심 축(1)에 대하여 상대적으로 회전하면 돌기 축 베벨 기어(4)가 회전하고 따라서 제2 중공 축(3)이 회전하게 된다. 제1 중공 축(2)과 제2 중공 축(3)의 회전 방향은 서로 반대 방향이 된다.

예를 들어 중심 축(1)의 일단이 캠 축(11)에 연결되어 있고, 제1 중공 축(2)이 미도시된 크랭크 축에 연결되어 있고, 제2 중공 축(3)이 미도시된 제어 장치에 연결되어 있다면, 제2 중공 축(3)이 정지해 있고 제1 중공 축(2)이 회전할 때 제1 중공 축 베벨 기어(6)에 맞물린 돌기 축 베벨 기어(4)가 회전하게 되는데, 돌기 축 베벨 기어(4)는 한쪽이 정지해 있는 제2 중공 축 베벨 기어(7)에 맞물려 있고, 맞물린 부분이 움직일 수 없기 때문에 돌기 축 베벨 기어(4)가 구르는 형태로 움직이게 되고, 그 축인 돌기 축(5)은 제1 중공 축(2)의 1/2만큼 회전하게 된다. 이런 상황에서 제어 장치가 제2 중공 축(3)을 2도 회전시키면, 제2 중공 축(3)의 회전은 돌기 축 베벨 기어(4)로 전달되어 제1 중공 축(2)을 2도 회전시키려고 하게 되는데, 제1 중공 축(2)은 크랭크 축에 의해 구동되고 있어서 별도의 회전은 허용되지 않으므로, 그 대신 돌기 축(5)이 1도 회전하게 된다. 제어 장치를 통해 돌기 축(5)을 회전시킨 부분은 중심 축(1)과 캠 축(11)을 일정 부분 더 돌려 놓게 되는 것이다. 이렇게 하여 밸브의 타이밍이 조종될 수 있다.

같은 식으로 중심 축(1), 제1 중공 축(2), 및 제2 중공 축(3) 중 어느 하나는 캠 축(11), 다른 하나는 크랭크 축, 나머지 하나는 제어 장치에 연결되어 밸브 타이밍을 조종하는 데 사용될 수 있다.

도 3은 본 발명에 의한 연속 가변 밸브 타이밍 장치의 가능한 구성을 정리한 표이다. 구조난에는 중심 축(1), 제1 중공 축(2), 및 제2 중공 축(3)이 캠 축(11), 크랭크 축, 또는 제어 장치와 연결되었을 때의 대략적인 구조를 보이고 있으며, 캠 축난에는 캠 축(11)에 연결된 부분, 구동난에는 크랭크 축에 연결된 부분, 제어난에는 제어 장치에 연결된 부분을 나타내고 있다. 변속난에는 구동 부분과 캠 축 사이의 변속비, 입력난에는 캠 축(11)의 적절한 회전을 위해 구동 부분이 필요한 회전 속도로서 크랭크 축의 회전에 대비한 속도, 각도난은 캠 축(11)을 1도 앞으로 돌리는 데 필요한 제어 부분의 회전 각도를 각각 나타낸다. 도 3은 예시이며 본 발명에 의한 연속 가변 밸브 타이밍 장치의 가능한 구성이 도 3에 표시된 것으로 제한되는 것은 아니다.

미도시된 제어 장치는 전기 모터, 유압 모터, 솔레노이드, 및 액츄에이터를 포함한 어떠한 장치라도 연결된 제어축을 필요한 만큼 돌릴 수 있으면 가능할 것이다. 특별한 제한은 없고, 연결 방식에도 제한이 있는 것은 아니다.

중심 축(1), 제1 중공 축(2), 및 제2 중공 축(3) 중 어느 하나를 크랭크 축에 연결하는 방법이나 제어 장치에 연결하는 방법은 벨트, 체인, 또는 웜을 포함한 기어 등을 사용하는 여러 가지 방법이 다 가능하고 특별한 제한은 없다. 또 캠 축(11)에 중심 축(1) 또는 제1 중공 축(2) 중 어느 하나를 연결하는 방법은 도 3의 예에 보인 것과 같이 직접 연결할 수도 있고, 캠 축(11)이 중심 축(1)과 떨어져 있는 별도의 축이라고 하면 제1 중공 축 외부 둘레(8)에 기어를 형성하거나 중심 축(1)의 외부 둘레에 기어를 형성하여 기어 접속을 하거나 체인을 걸어 사용될 수도 있다.

자동차의 중요한 품질의 하나로서 성능을 꼽을 수 있다. 본 발명에 의한 연속 가변 밸브 타이밍 장치는 자동차에 사용되는 내연 기관에 적용하여 사용될 수 있다. 적은 비용과 간단한 구조로 자동차의 성능 향상을 위해 쉽게 이용 가능할 것이다.

1: 중심 축. 2: 제1 중공 축. 3: 제2 중공 축. 4: 돌기 축 베벨 기어. 5: 돌기 축. 6: 제1 중공 축 베벨 기어. 7: 제2 중공 축 베벨 기어. 8: 제1 중공 축 외부 둘레. 9: 제2 중공 축 외부 둘레. 11: 캠 축.

Claims

둘레에 돌기 축이 형성된 중심 축;
상기 중심 축에 설치되며 일단에 베벨 기어가 형성된 2개의 중공 축; 및
상기 돌기 축에 설치되며 상기 2개의 중공 축의 베벨 기어와 맞물리는 돌기 축 베벨 기어;를 포함하되, 상기 중심 축 또는 상기 2개의 중공 축 중 어느 하나는 캠 축과 연결되고 다른 하나는 크랭크 축과 연결되고 나머지 하나는 제어 장치와 연결되는 것을 특징으로 연속 가변 밸브 타이밍 장치.