KR100189342B1 - 다면 캠을 구비한 차량의 밸브 구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진 회전수에 따라서 흡기밸브의 개도량을 가변적으로 제어하여 엔진 회전수의 모든 구간에서 연료 소모량을 줄임과 동시에, 출력을 증대시킨 다면 캠을 구비한 차량의 밸브 구동장치에 관한 것으로, 이것은 구동풀리(24)에 의해 회전되며 제1캠 기어(26)가 설치된 제1캠축(22), 제1캠 기어(26)에 의해 회전되는 제2캠 기어(28)가 설치되며, 일단에는 피스톤(36)이 장착된 제2캠축(35)과, 제2캠축(35)에 설치된 다수의 단면 캠(32)과, 제2캠축(35)상에서 상기 단면 캠(32)과 인접하게 배치되고, 밸브 리프터(64)를 개재하여 흡기밸브(70)를 개방시키는 것으로 3개의 접촉면(30a, 30b, 30c)이 형성된 다수의 다면 캠(30)과, 상기 다면 캠(30)과 상기 밸브 리프터(64) 사이에 설치되며, 상기 다면 캠(30)에 형성된 접촉면(30a, 30b, 30c)과 대향으로 배치되는 3개의 접촉면(60a, 60b, 60c)을 갖는 조정 심(60)과, 피스톤(36)이 미끄럼 이동 가능하게 장착되는 유압실린더(34)와, 전자제어유닛(42)에 의해 작동되어 오일펌프(58)에서 압송된 오일을 유압실린더(34)로 공급하는 솔레노이드(54)로 구성된다.

Description

다면 캠을 구비한 차량의 밸브 구동장치

제1도는 종래의 밸브 구동장치를 나타내는 사시도,

제2도는 종래의 밸브 구동장치의 동작원리를 나타내는 단면도로, (a)는 저속시, (b)는 고속시의 작동상태를 보인 회로도,

제3도는 본 발명의 다면 캠을 구비한 차량의 밸브 구동장치를 나타내는 개략도,

제4도는 본 발명의 다면 캠을 나타내는 사시도,

제5도는 본 발명의 다면 캠을 구비한 차량의 밸브 구동장치의 회로도,

제6도는 본 발명의 조정 심과 흡기밸브의 장착상태를 나타내는 단면도,

제7도는 다면 캠의 접촉면에 따른 밸브 단속시간과 밸브 리프트의 관계를 나타내는 것으로, (a)는 다면 캠과 조정 심의 접촉을 보인 단면도, (b)는 시간변화에 따른 밸브의 리프팅량을 보인 그래프,

제 8 도는 엔진 회전수에 따른 흡기밸브의 개도를 나타내는 것으로, (a)는 저속시, (b)는 중속시, (c)는 고속시의 밸브의 개도량을 나타내는 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

22 : 제1캠축 24 : 구동풀리

26,28 : 제1캠 기어 30 : 다면 캠

32 : 단면 캠 34 : 유압실린더

35 : 제2캠축 36 : 피스톤

42 : 전자제어유닛 54 : 솔레노이드

58 : 오일펌프 60 : 조정 심

64 : 밸브 리프터 66 : 흡기포트

70 : 흡기밸브

본 발명은 차량의 밸브 구동장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 엔진 회전수에 따라서 흡기밸브의 개도량을 가변적으로 제어하며 밸브의 단속 시간을 가변시켜 엔진 회전수의 모든 구간에 걸쳐서 연료 소모량울 줄임과 동시에, 출력을 증대시킬 수 있는 다면 캠을 구비한 차량의 밸브 구동장치에 관한 것이다.

내연기관에서 밸브기구는 홉입공기를 홉입하는 시점과 흡입기간을 제어함과 동시에, 연소 후에는 배기가스를 배출하는 시점과 배출기간을 제어하여 엔진의 회전수를 조절하는 장치이다.

밸브기구는 밸브의 위치에 따라 여러형태로 구분할 수 있으며, 이 중에서, 오버헤드 캠샤프트 밸브기관은 실린더 헤드의 상부에 캠축이 설치되는 형식으로 푸시로드가 없으며, 연소실의 체적이 콤팩트하고 밸브의 운동에 필요한 최소 공간이 작기 때문에 압축비를 크게 할 수 있으므로, 소형 승용차량에서 널리 채용하고 있다. 최근에는 차량의 고출력화 추세에 따라 캠축이 2개가 설치된 더블 오버헤드 캠샤프트 밸브기관을 장착한 차량이 늘어나고 있다.

오버헤드 캠샤프트 밸브기관의 구성요소를 보면, 공기를 흡입하는 횹기밸브 및 배기가스를 배출시키는 배기밸브와, 캠축의 캠에 의해 작동되면서 밸브를 개폐하는 밸브 리프터와, 탄성력에 의해 밸브를 닫는 밸브 스프링 및 밸브 리프터의 상하왕복이동을 밸브의 상하 왕복이동으로 변환시켜 주는 로커암과 캠축과 함께 회전하면서 흡, 배기밸브의 개폐시기를 제어하는 캠등으로 이루어진다. 제 1 도는 종래의 밸브 구동장치를 나타내는 사시도 이며, 제 2 도는 그에 대한 동작원리를 나타내는 단면도로, (a)는 저속시, (b)는 고속시의 작동상태를 보인 회로도이다.

먼저, 제 1 도에 도시한 바와 같이, 종래의 밸브 구동장치에 있어서, 캠축(1)에는 그와 일체로 회전하면서 제 1 로커암(9)을 작동시켜 제 1 흡기밸브(12)를 개방하는 제 1 캠(3)과, 제 2 로커암(10)을 작동시켜 제 2 흡기밸브(13)를 개방하는 제 2 캠(5)이 설치되어 있으며, 이들 제 l 캠(3)과 제 2 캠(5)사이에는 센터 로커암(l1)을 구동시키는 센터 캠(7)이 설치되어 있다.

여기에서, 제 1 캠(3)의 로브가 제 2 캠(5)의 로브에 비해 크게 형성되어 있으므로, 제 1 흡기밸브(12)의 개도량이 제 2 흡기밸브(13)의 개도량이 크다. 또한, 센터 캠(7)은 제 2 도에서 설명하는 원리에 의해서, 엔진의 회전수에 따라 제 1 캠(3) 및 제 2 캠(5)과 분리되어 별도로 회전하거나, 이들 제 1 캠(3) 및 제 2 캠(5)과 일체로 회전하는 구조를 지닌다.

제 2 도에 단면하여 나타낸 바와 같이, 로커암(9∼11)을 회동 가능하게 지지하는 중공축(14)내에는 유로가 형성되어 있으며, 중공축(14)내의 유로를 통해 유입되는 오일은 이들 로커암(9∼11)내에 형성된 유압챔버(16)로 유입되어 제 1 동기 피스톤(20) 및 제 2 동기 피스톤(18)을 차례로 가압함으로써, 센터 로커암(11)과 제 1 및 제 2 로커암(9),(10)을 일체로 회전시킨다. 또한, 전자제어유닛(C)은 엔진회전수에 따라 솔레노이드(S)를 작동시켜 펌프(P)를 통해 공급되는 오일을 유압챔버(16)로 선택적으로 공급하여 이들 로커암을 연결시킨다.

먼저, (a)에 도시한 바와 같이, 엔진의 저속구간에서는 솔레노이드(S)가 오프 상태를 유지하게 되어 유로를 차단함으로써. 유압챔버(16)에는 오일이 공급되지 않게 되며, 이때에는 제 1 로커암(9)과 제 2 로커암(10)에 의해 제 1 및 제 2 흡기밸브(제 1 도의 12),(제 1 도의 13)가 각기 구동되어 흡기량을 제어한다.

다음에, (b)에 도시한 바와 같이, 엔진의 고속구간에서는 전자제어유닛(C)의 제어를 통해 밧데리(B)에서 전달되는 전류에 의해 솔레노이드(S)가 개방됨에 됨으로써, 펌프(P)에 의해 압송되는 탱크(T)내의 오일은 화살표 방향을 따라 유압챔버(16)로 공급된다 유입된 오일은 리턴 스프링(19)의 탄성력을 극복하고 제 1 동기 피스톤(20) 및 제 2 동기 피스톤(18)을 차례로 가압함으로써, 센터 로커암(7)과 제 1 및 제 2 로커암(9),(10)을 일체로 회전하면서, 제 1 및 제 2 흡기밸브(제 1 도의 12), (제 1 도의 13)는 센터 로커암(7)의 로브에 의해 제어된다.

이러한 구성을 갖는 종래의 밸브 구동장치에서는 전체적인 구조가 복잡하며 독립적으로 운용됨으로써 부가적인 많은 장치를 필요로 한다.

이와 같은 문제점올 감안하여 창출한 본 발명은 다면 캠을 채용하여 저속 및 중속구간에서의 엔진의 출력을 증대시킬 수 있는 간단한 구조의 다면 캠을 구비한 차량의 밸브 구동장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 본 발명의 목적은 구동풀리에 의해 회전되며 제 1 캠 기어가 설치된 제 1 캠축과; 제 1 캠 기어에 의해 회전되는 제 2 캠 기어가 설치되며, 일단에는 피스톤이 장착된 제 2 캠축과; 제 2 캠축에 설치된 다수의 단면 캠과; 상기 제 2 캠축상에서 상기 단면 캠과 인접하게 배치되고, 밸브 리프터를 개재하여 흡기밸브를 개방시키는 것으로 3개의 접촉면이 형성된 다수의 다면 캠과; 상기 다면 캠과 상기 밸브 리프터 사이에 설치되며, 상기 다면 캠에 형성된 접촉면과 대향으로 배치되는 3개의 접촉면을 갖는 조정 심과; 상기 피스톤이 미끄럼 이동 가능하게 장착되는 유압 실린더와, 전자제어유닛에 의해 작동되어 오일펌프에서 압송된 오일을 상기 유압실린더로 공급하는 솔레노이드로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다면 캠을 구비한 차량의 밸브 구동장치에 의해 달성된다.

다음에는 첨부한 제 3 도 내지 제 8 도를 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다면 캠을 구비한 차량의 밸브 구동장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

제 3 도는 본 발명의 다면 캠을 구비한 차량의 밸브 구동장치를 나타내는 개략도이고, 제 4 도는 본 발명의 다면 캠을 나타내는 사시도이다.

먼저, 제 3 도에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 다면 캠을 구비한 밸브 구동장치의 전체적인 구성을 보면, 벨트에 의해 전달되는 크랭크축의 회전에 따라 구동되는 구동풀리(24)가 설치되어 있으며, 제 1 캠 기어(26)가 장착된 것으로 가상선으로 도시한 배기캠축인 제 1 캠축(22)과, 이 제 1 캠축(22)에 설치된 제 1 캠 기어(26)와 치합되어 있는 제 2 캠 기어(28)가 설치된 흡기 캠축인 제 2 캠축(35)과, 이 제 2 캠축(35)에 설치되어 흡기밸브를 개방하는 다수의 단면 캠(32) 및 다면 캠(30)으로 이루어져 있으며, 이들 다면 캠(30)은 유압실린더(34)에 의해 이동되어 흡기밸브의 개도량 및 시간 변화를 제어한다.

여기에서, 제 2 캠축(35)의 일단에는 유압실린더(34)의 내벽을 따라 미끄럼 이동하는 피스톤(26)이 고정되어 있으며, 로터 스냅 조인트(38)를 설치하여 위치 감지센서(40)에 의해 제 2 캠축(34)의 이동량을 측정한다.

본 발명에서 다면 캠은 2면 이상의 캠을 의미하나 3면 캠이 구조의 단순성과 제어의 효율성면에서 바람직하다.

다음에, 제 4 도에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제 2 캠축(34)상에는 단면캠(32)과,3개의 접촉면(30a,30b,30c)을 갖는 3면 캠(30)이 설치되어 있어, 엔진 회전수에 따라 흡기밸브의 개도량 및 단속 시간을 제어함으로써 엔진의 출력을 증대시킨다.

제 5 도는 본 발명의 다면 캠을 구비한 차량의 밸브 구동장치의 회로도로, 여기에는 엔진 회전수에 따라 제 2 캠축(35)을 이동시키는 요소들이 도시되어 있다.

여기에서, 전자제어유닛(42)에는 엔진 회전수 센서에서 감지한 신호(S3)만 입력되거나 엔진 회전수와 함께 냉각수 온도센서에서 감지한 냉각수 온도신호(S1), 드로틀 포지션센서에서 감지한 드로틀 밸브의 위치신호(S2), 차속센서에서 전달되는 차속신호(S4) 및 맵 센서에서 전달되는 흡기다기관 압력신호(S5)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 신호가 입력된다.

그리고 전자제어유닛(42)은 입력되는 이들 신호를 바탕으로 제 2 캠축(35)을 이동시켜 엔진의 출력을 제어하게 되며, 제 2 캠축(35)의 이동량은 위치 감지센서 (40)에 의해 감지되어 전자제어유닛(42)으로 전달된다.

또한 전자제어유닛(42)에서 전달되는 신호에 따라 비례 제어되는 솔레노이드(54)가 온/오프(on/off)되면서 오일펌프(58)에 의해 오일탱크(56)로부터 압송된 오일을 유압실린더(34)로 공급하여 피스톤(36)을 가압시킨다.

따라서 피스톤(36)의 이동으로 제 2 캠축(35)이 이동되면서 다면 캠(30)의 접촉면이 변화되어 밸브의 개도량이 제어되는 바, 이를 다음의 제 6 도 내지 제 8 도를 참고로 설명한다.

제 6 도는 본 발명의 조정 심과 흡기밸브의 장착상태를 나타내는 단면도이다. 도시한 바와 같이, 본 발명의 다면 캠(30)과 접촉하면서 가이드 벽(62)에 지지되어 있는 밸브 리프터(64)를 개재하여 흡기밸브(70)를 개방하는 조정 심(60)(adjust shim)에는 다수의 접촉면(60a, 60b, 60c)이 형성되어 있다. 흡기포트(66)에 설치된 통상의 흡기밸브(70)는 밸브 리프터(64)에 의해 개방되어 화살표를 따라 유입되는 흡기량을 제어하게 된다.

여기에서, 다면 캠(30)과 조정 심(60)은 선접촉과 함께 면접촉을 하게 되는데, 이를 평면상태로 도시하였다. 즉, 다면 캠(30)과 조정 심(60)에 형성된 다수의 접촉면(60a, 60b, 60c)과 접촉하는 면접촉 영역(60a, 60b, 60c)은 빗금친 부분과 같이 나타낼 수 있으며, 접촉면(60a, 60b, 60c)을 잇는 선접촉 영역(61a, 61b, 61c)은 이들 면접촉 영역(60a, 60b, 60c)사이에서 연속으로 형성된다.

따라서, 다면 캠(30)의 이동시에 조정 심(60)은 밸브 리프터(64)의 상단에서 회전하면서 베어링 작용을 하게된다. 이러한 조정 심(60)의 베어링 작용에 의해 다면 캠(30)과 조정 심(60)의 접촉에 따른 편심이나 마모를 방지하는 효과를 얻게 된다.

다음에, 제 7 도는 다면 캠의 접촉면에 따른 밸브 단속시간과 밸브 리프트의 관계를 나타내는 것으로, (a)는 다면 캠과 조정 심의 접촉을 보인 단면도, (b)는 시간변화에 따른 밸브의 리프팅량을 보인 그래프이다.

먼저, (a)를 참조하면, 여기에는 다면 캠(30)과 조정 심(60)간의 접촉관계가 단면 도시되어 있다. 다면 캠(30)의 제 1 내지 제 3 접촉면(30a, 30b, 30c)이 모두 접촉한 상태는 점선으로 나타내었으며, 다면 캠(30)의 제 l 접촉면(30a)과 제 2 접촉면(30b)이 접촉된 상태는 이점쇄선으로 나타태었고, 제 1 접촉면(30a)만 접촉되어 있는 상태는 실선으로 도시하였다.

다음에, (b)를 참조하면, 좌측선도(G)는 배기밸브의 개도시간에 따른 밸브 리프트를 나타낸 것이다. 또한, 우측은 흡기 밸브의 개도시간에 따른 밸브 리프트를 나타낸 것으로서 제 1 선도(Gl)는 (a)에서 점선으로 도시한 상태의 시간(T)과 밸브 리프트(l)관계를 나타내고, 제 2 선도(G2)는 (a)에서 이점쇄선으로 도시한 상태의 시간과 밸브 리프트 관계를 나타낸 것이며, 제 3 선도(G3)는 (a)에서 실선으로 도시한 상태의 시간과 밸브 리프트 관계를 나타낸 것으로, 다면 캠(30)과 조정 심(60)의 접촉면적의 증대에 따라 흡기밸브(70)의 개방시간(T)과 밸브리프트(1)가 비례적으로 변화함을 알 수 있다.

제 8 도는 엔진 회전수에 따른 흡기밸브의 개도를 나타내는 것으로, (a)는 저속시, (b)는 중속시, (c)는 고속시의 밸브의 개도량을 나타내는 단면도이다.

먼저, (a)에 도시한 바와 같이, 엔진 회전수가 낮은 저속구간에 있어서, 다면 캠(30)의 모든 접촉면(30a,30b,30c)이 조정 심(60)과 접촉하게 되며, 이러한 상태에서는 흡기포트(66)에 설치된 흡기밸브(70)의 리프트량(Dl)이 작게 되어 흡기량은 작다.

다음에,(b)에 도시한 바와 같이, 엔진 회전수가 중속구간인 경우에는 솔레노이드(타}가 약간 개방되어 유압실린더(34)내의 피스톤(36)이 제 2 캠축(35)을 이동시켜 다면 캠(30)의 제 1 접촉면(30a)과 제 2 접촉면(30b)이 조정 심(60)과 접촉하게 된다.

따라서, 흡기프트(66)에 설치된 흡기밸브(70)의 리프팅량(D2)이 증가되면서, 많은 공기가 흡입된다. 다음에, (c)에 엔진 회전수가 고속구간인 경우에는 솔레노이드(54)가 완전 개방되어 유압실린더(34)내에는 다량의 오일이 공급되면서 피스톤(36)을 가압하여 제 2 캠축(35)을 이동시킴으로써, 다면 캠(30)의 제 1 접촉면(30a)만이 조정 심(60)과 접촉하게 된다. 따라서, 흡기포트(66)에 설치된 흡기밸브(70)의 리프팅량(D3)이 증가되면서, 더 많은 공기가 흡입되어 엔진의 출력을 최대로 높이게 된다.

이상으로 설명한 본 발명에 따른 다면 캠을 구비한 차량의 밸브 구동장치는3단계에 걸쳐서 엔진의 회전수를 제어할 수 있으므로 고속에서는 엔진의 고출력에 따른 고성능화가 가능하며, 저속에서는 높은 토오크를 제공할 수 있는 한편, 엔진 회전수의 모든 영역에 걸쳐 낮은 연료 소모량과 함께, 높은 출력을 얻을 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (4)

1. 구동풀리(24)에 의해 회전되며 제1캠 기어(26)가 설치된 제 1 캠축(22)과; 상기 제 1 캠 기어(26)에 의해 회전되는 제2캠 기어(28)가 설치되며, 일단에는 피스톤(36)이 장착된 제 2 캠축(35)과; 상기 제2캠축(35)에 설치된 다수의 단면 캠(32)과; 상기 제 2 캠축(35)상에서 상기 단면 캠(32)과 인접하게 배치되고, 밸브 리프터(64)를 개재하여 흡기밸브(70)를 개방시키는 것으로 3개의 접촉면(30a, 30b, 30c)이 형성된 다수의 다면 캠(30)과; 상기 다면 캠(30)과 상기 밸브 리프터(64) 사이에 설치되며, 상기 다면 캠(30)에 형성된 접촉면(30a, 30b, 30c)과 대향으로 배치되는 3개의 접촉면(60a, 60b, 60c)을 갖는 조정 심(60)과; 상기 피스톤(36)이 미끄럼 이동 가능하게 장착되는 유압실린더(34)와; 전자제어유닛(42)에 의해 작동되어 오일펌프(58)에서 압송된 오일을 상기 유압실린더(34)로 공급하는 솔fp노이드(54)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다면 캠을 구비한 차량의 밸브 구동장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2캠축(35)상에 설치된 로터 스냅 조인트(38)의 이동량을 감지하는 위치 감지센서(40)를 추가로 포함하는 다면 캠을 구비한 차량의 밸브 구동장치
3. 제1항에 있어서, 전자 제어 유닛(42)은, 엔진 회전수를 바탕으로 제 2 캠축(35)를 이동시켜 흡기 밸브의 개도량을 제어하는 다면 캠을 구비한 차량의 밸브 구동 장치.
4. 제1항에 있어서, 전자 제어 유닛(42)은 냉각수온, 드로틀 밸브의 위치, 차속 및 흡기다기관 압력으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상과 엔진 회전수를 바탕으로 제 2 캠축(35)을 이동시켜 흡기 밸브의 개도량을 제어하는 다면 캠을 구비한 차량의 밸브구동장치.