WO2020130446A1 - 엔진의 밸브 제어 장치 - Google Patents

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한영덕
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강동명
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김정호
변종욱
이영훈
김태섭
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Definitions

  • the present invention relates to a valve control device for controlling opening and closing of an exhaust valve and an intake valve of an engine.
  • valve control device of the engine includes a camshaft in which a cam for opening and closing the exhaust valve and the intake valve of each cylinder is coupled to one shaft.
  • the engine cycle consists of four piston strokes: intake, compression, explosion, and exhaust. That is, one cycle is completed between two revolutions of the crankshaft.
  • an intake valve and an exhaust valve for each cylinder are mounted on the cylinder head of the engine, and opening and closing of the intake valve and the exhaust valve is performed by rotation of a camshaft that rotates in conjunction with a crankshaft.
  • the camshaft is connected with a crankshaft and a timing chain to rotate, and while the crankshaft rotates two times, the camshaft rotates one revolution.
  • crankshaft and the camshaft rotate according to the four-stroke cycle operation of each cylinder, and the intake valve and the exhaust valve open and close according to the rotation of the camshaft, thereby enabling continuous operation of the engine.
  • a general camshaft is designed to open the intake valve and the exhaust valve once.
  • the intake valve is designed in such a way that the fresh air enters the cylinder well to increase the volumetric efficiency
  • the exhaust valve is designed to allow the exhaust gas to escape.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • SCR selective catalytic reduction
  • An embodiment of the present invention improves the torque of the engine by increasing the volumetric efficiency of the engine's cylinder, improves the fuel efficiency of the engine, lowers the temperature of the exhaust gas of the engine, and also reduces nitrogen oxide emissions. It provides a valve control device for the engine.
  • the valve control device of the engine that opens and closes the exhaust valve and the intake valve of the engine in conjunction with the crankshaft of the engine includes an exhaust valve opening and closing device that opens and closes the exhaust valve during the first exhaust valve opening period, And an intake valve opening and closing device for opening and closing the intake valve during the first intake valve opening period.
  • the exhaust valve opening and closing device further opens and closes the exhaust valve during a second exhaust valve opening period that is relatively shorter than the first exhaust valve opening period within the first intake valve opening period, and the intake valve opening and closing device is the And configured to open and close the intake valve during the second intake valve valve opening period relatively shorter than the first intake valve opening period within the first exhaust valve opening period.
  • the valve control device of the engine further includes a camshaft that is connected to the crankshaft and is rotationally driven, the exhaust valve opening and closing device includes an exhaust cam formed in the camshaft, and the intake valve opening and closing device is the camshaft. It may include an intake cam formed in.
  • the exhaust cam has a first exhaust cam nose for opening and closing the exhaust valve during the first exhaust valve opening period and a second exhaust cam nose for opening and closing the exhaust valve during the second exhaust valve opening period.
  • the intake cam includes a first intake cam nose for opening and closing the intake valve during the first intake valve opening period and a second intake cam nose for opening and closing the intake valve during the second intake valve opening period.
  • the second exhaust cam nose and the second intake cam nose may be formed to be relatively smaller in size than the first exhaust cam nose and the first intake cam nose, respectively.
  • the ratio of the opening period of the second exhaust valve by the second exhaust cam nose of the exhaust cam compared to the opening period of the first exhaust valve by the first exhaust cam nose of the exhaust cam is within the range of 0.32 to 0.36
  • the profile of the exhaust cam can be formed.
  • the ratio of the opening period of the second intake valve by the second intake cam nose of the intake cam compared to the opening period of the first intake valve by the first intake cam nose of the intake cam is within the range of 0.34 to 0.38
  • the profile of the intake cam can be formed.
  • the piston reciprocating inside the cylinder of the engine is located at the top dead center when the rotation angle of the crankshaft is 0 degrees, 360 degrees, and 720 degrees, and is located at the bottom dead center when the rotation angles of the crank shaft are 180 degrees and 540 degrees,
  • the maximum opening time of the exhaust valve in the second exhaust valve opening period may fall within a range of 487 to 507 degrees based on the rotation angle of the crankshaft.
  • the first intake valve opening period may fall within a range of 310 degrees to 590 degrees based on the rotation angle of the crankshaft.
  • the piston reciprocating inside the cylinder of the engine is located at the top dead center when the rotation angle of the crankshaft is 0 degrees, 360 degrees, and 720 degrees, and is located at the bottom dead center when the rotation angles of the crank shaft are 180 degrees and 540 degrees,
  • the maximum opening time of the intake valve may fall within a range of 216 degrees to 236 degrees based on the rotation angle of the crankshaft.
  • the first exhaust valve opening period may be within a range of 120 degrees to 390 degrees based on the rotation angle of the crankshaft.
  • the maximum lift of the exhaust valve in the second exhaust valve opening period and the maximum lift of the intake valve in the second intake valve opening period may be 0.8 mm or more.
  • the valve control device of the engine increases the volumetric efficiency of the cylinder of the engine to improve the torque of the engine, improves the fuel efficiency of the engine, and also lowers the temperature of the exhaust gas of the engine. In addition, nitrogen oxide emissions can be reduced.
  • FIG. 1 is a perspective view of a valve control device of an engine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a profile of the intake cam of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a view showing a profile of the exhaust cam of FIG. 1.
  • FIG. 4 shows a lift diagram of an intake valve and an exhaust valve operated by the valve control device of the engine of FIG. 1.
  • FIG. 5 shows the operating states of the intake valve and the exhaust valve at the point P1 in FIG. 4.
  • FIG. 6 shows the operating states of the intake valve and the exhaust valve at point P2 in FIG. 4.
  • FIG. 9 is a view for explaining a numerical limit for the profile of the valve control device of the engine of FIG. 1.
  • FIG. 10 is a graph showing experimental results according to the operation of the intake valve when the engine to which the valve control device of the engine of FIG. 1 is applied is operating in a low speed region.
  • FIG. 11 is a graph showing experimental results according to the operation of the intake valve when the engine to which the valve control device of the engine of FIG. 1 is applied is operating in a high speed region.
  • FIG. 12 is a graph showing experimental results according to the operation of the exhaust valve when the engine to which the valve control device of the engine of FIG. 1 is applied is operating in a low speed region.
  • FIG. 13 is a graph showing experimental results according to the operation of the exhaust valve when the engine to which the valve control device of the engine of FIG. 1 is applied is operating in a high speed region.
  • the embodiments of the present invention specifically represent ideal embodiments of the present invention. As a result, various variations of the illustration are expected. Therefore, the embodiment is not limited to a specific form of the illustrated area, and includes, for example, modification of the form by manufacturing.
  • the valve control device 101 may control opening and closing of the intake valve 710 and the exhaust valve 720 of the engine.
  • the engine is a four-stroke engine, which may be a diesel engine, and may include a crankshaft.
  • the crankshaft is a device that converts the reciprocating motion of the piston 400 into rotational motion. Since the crankshaft is well known to those skilled in the art, detailed description of the crankshaft is omitted.
  • one cycle is completed in four piston strokes: intake, compression, explosion, and exhaust. That is, in the intake stroke, the piston 400 descends, in the compression stroke, the piston 400 rises, in the combustion stroke, the piston 400 descends, and in the exhaust stroke, the piston 400 rises. In this way, since the piston 400 reciprocates twice in one cycle, the crankshaft is rotated twice.
  • the intake valve 710 and the exhaust valve 720 are mounted on each cylinder 500 in the cylinder head of the engine.
  • the valve control device 101 is for opening and closing the intake valve 710 and the exhaust valve 720 every cycle, and the valve control device 101 is an intake valve opening and closing device and an exhaust valve for opening and closing the intake valve 710 ( 720) may be included to open and close the exhaust valve.
  • the intake valve opening and closing device and the exhaust valve opening and closing device may be configured mechanically or electronically.
  • the electronic intake valve opening and closing device and the exhaust valve opening and closing device are connected to each of the intake valve 710 and the exhaust valve 720 to be driven by electromagnetic force, or a power transmission device such as a motor to drive the camshaft 100 to be described later. It can be configured to open and close the intake valve 710 and the exhaust valve 720 by driving to.
  • the mechanical intake valve opening and closing device and the exhaust valve opening and closing device may include a camshaft 100 that opens and closes the intake valve 710 and the exhaust valve 720 by being interlocked with the crankshaft of the engine.
  • the camshaft 100 is provided to open and close the intake valve 710 and the exhaust valve 720 by one revolution per cycle, so that the crankshaft and the crankshaft are transmitted through a power transmission means such as a timing chain so as to rotate once when the crankshaft rotates two times. Can be connected.
  • the camshaft 100 controls the intake valves 710 and the exhaust valves 720 with one camshaft 100 having a plurality of cams, or a plurality of cams has a plurality of camshafts 100 It is distributedly installed in the plurality of camshaft 100 can share control of the opening and closing of the intake valves 710 and the exhaust valves 720.
  • the above-described electronic valve control device and the mechanical valve control device may control the opening/closing timing, cycle, and valve lift of the intake valve 710 and the exhaust valve 720 equally.
  • a mechanical valve control device using one camshaft 100 which can be called a universal structure, will be described as an example.
  • the camshaft 100 of the valve control apparatus 101 of the engine includes an intake cam 200 and an exhaust cam 300.
  • the intake cam 200 opens and closes the intake valve 710 while rotating
  • the exhaust cam 300 opens and closes the exhaust valve 720 while rotating.
  • the intake cam 200 may include a first intake cam nose 210 and a second intake cam nose 220.
  • the second intake cam nose 220 is formed to be relatively smaller in size than the first intake cam nose 210.
  • the second intake cam nose 220 is formed on the opposite side of the first intake cam nose 210, but the second intake cam nose 220 and the first intake cam nose 220 must be formed at an angle of 180 degrees It is not.
  • the first intake cam nose 210 of the intake cam 200 opens and closes the intake valve 710 during the first intake valve opening period
  • the second intake cam nose 220 of the intake cam 200 is the second intake valve
  • the intake valve 710 is further opened and closed.
  • the second intake valve opening period is relatively shorter than the first intake valve opening period.
  • the second intake valve opening period falls within the first exhaust valve opening period, which will be described later. That is, the intake valve 710 is opened and closed by the second intake cam nose 220 for a time during which the exhaust valve 720 is opened by the first exhaust cam nose 310.
  • the exhaust cam 300 may include a first exhaust cam nose 310 and a second exhaust cam nose 320.
  • the second exhaust cam nose 320 is formed to be relatively smaller in size than the first exhaust cam nose 310.
  • the second exhaust cam nose 320 is formed on the opposite side of the first exhaust cam nose 310, but the second exhaust cam nose 320 and the first exhaust cam nose 31 must be formed at an angle of 180 degrees. It is not.
  • the first exhaust cam nose 310 of the exhaust cam 300 opens and closes the exhaust valve 720 during the first exhaust valve opening period
  • the second exhaust cam nose 320 of the exhaust cam 300 is the second exhaust valve
  • the exhaust valve 720 is further opened and closed.
  • the second exhaust valve opening period is relatively shorter than the first exhaust valve opening period.
  • the second exhaust valve opening period falls within the first intake valve opening period described above. That is, the exhaust valve 720 is opened and closed by the second exhaust cam nose 320 for a time during which the intake valve 710 is opened by the first intake cam nose 210.
  • the intake valve 710 may be opened in advance by a preset crank rotation angle before the exhaust valve 720 is closed.
  • the section in which the intake valve 710 and the exhaust valve 720 are simultaneously opened is referred to as an overlap section, and overlaps within the range of 35 degrees to 40 degrees based on the crank rotation angle in this embodiment.
  • the angle between the start of opening and the piston top dead center is formed larger than the angle between the exhaust valve 720 closed and the piston top dead center.
  • the piston top dead center is 360 degrees based on the crank rotation angle.
  • the time point at which the intake valve 710 starts to open for the above-described overlap may be set faster within the range of 24 degrees to 28 degrees based on the crank rotation angle than the piston top dead center, and the exhaust valve 720 may be The fully closed timing may be set to be later within the range of 10 degrees to 16 degrees based on the crank rotation angle than the piston top dead center. Accordingly, the intake valve 710 and the exhaust valve 730 may be simultaneously opened in a total of three sections up to the simultaneous open section in two sections to be described later.
  • FIG. 4 is a graph showing when the intake valve 710 and the exhaust valve 720 are opened and closed by rotation of the camshaft 100 of the valve control device 101 of the engine.
  • FIGS. 5 to 8 show the opening and closing states of the intake valve 710 and the exhaust valve 720 at points P1, P2, P3, and P4 in FIG. 4, respectively.
  • connection structure of the camshaft 100 of the engine valve control device 101 and the intake valve 710 and the exhaust valve 720 is not specifically illustrated, this is applicable in various ways. It is known to those skilled in the art.
  • the intake cam 200 and the exhaust cam 300 may directly contact and open and close the intake valve 710 and the exhaust valve 720, respectively.
  • the intake cam 200 and the exhaust cam 300 may open and close the intake valve 710 and the exhaust valve 720 through mechanisms such as a push rod, a tappet, and a rocker arm.
  • the engine is a valve or side valve (SV) method, over-head valve (OHV) method, overhead according to the position of the valve or the camshaft 100 of the valve control device 101 of the engine It may be divided into an over-head camshaft (OHC) method, and a dual over-head camshaft (DOHC) method.
  • the valve control device may open and close the valves using an electronic control method.
  • the first exhaust cam nose 310 of the exhaust cam 300 rotates while the camshaft 100 of the valve control device 101 of the engine interlocking with the crankshaft rotates. Will open the exhaust valve 720.
  • the exhaust valve 720 opened by the first exhaust cam nose 310 is opened during the first exhaust valve opening period.
  • the intake valve 710 is opened by the second intake cam nose 220 of the intake cam 200 within the first exhaust valve opening period.
  • the intake valve 710 is opened during the exhaust stroke, a part of the exhaust gas in the combustion chamber of the cylinder 500 is discharged through the intake valve 710, and the exhaust gas discharged through the intake valve 710 is subsequently In the intake stroke, the new air is introduced into the combustion chamber of the cylinder 500 again.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • the intake valve 710 is first closed, and exhaust gas is exhausted through the exhaust valve 720 to complete the exhaust stroke.
  • the camshaft 100 of the valve control device 101 of the engine interlocking with the crankshaft rotates
  • the first intake cam nose 210 of the intake cam 200 opens the intake valve 710.
  • the intake valve 710 opened by the first intake cam nose 210 is opened during the first intake valve opening period.
  • exhaust gas discharged through the intake valve 710 in the exhaust stroke flows into the combustion chamber of the cylinder together with fresh air.
  • the exhaust valve 720 is opened by the second exhaust cam nose 320 of the exhaust cam 300 within the first intake valve opening period. Then, a part of the new air introduced into the combustion chamber of the cylinder 500 through the intake valve 710 is immediately discharged through the exhaust valve 720. Due to this phenomenon, as the residual gas inside the cylinder 500 decreases, the internal pressure of the cylinder 500 decreases, and more new air enters through the intake valve 710. That is, the volumetric efficiency of the cylinder 500 is improved. In addition, new air that flows into the exhaust valve 720 immediately after entering the intake valve 710 also has an effect of lowering the overall temperature of the exhaust gas. That is, the temperature of the exhaust gas discharged from the engine can be reduced.
  • the valve control device 101 of the engine increases the volumetric efficiency of the cylinder 500 to improve the torque of the engine and improves the fuel efficiency of the engine.
  • the internal pressure of the cylinder 500 and the pressure on the exhaust valve 720 side must be higher than the pressure on the intake valve 710 side, and the pressure fluctuates depending on the operating conditions of the engine.
  • the timing and duration of opening and closing of the intake valve 710 should be determined in consideration of both when the engine is operating in the low speed region and when the engine is operating in the high speed region.
  • opening the intake valve 710 during the exhaust stroke and opening the exhaust valve 720 during the intake stroke are distinctly different technologies and have different purposes, so it is not possible to simply apply these two techniques in combination.
  • both the opening of the intake valve 710 and the opening of the exhaust valve 720 during the intake stroke are applied simultaneously, a problem occurs in that the performance of the engine is rather deteriorated. For example, when the engine is operating in a low-speed region, the amount of air filled in the cylinder 500 is rather reduced, so that the engine torque can be reduced.
  • valve control device 101 of the engine according to an embodiment of the present invention is made to an optimum value in consideration of all the above-mentioned matters.
  • the piston 400 reciprocating inside the cylinder 500 of the engine to which the valve control device 101 of the engine according to an embodiment of the present invention is applied has a crankshaft rotation angle of 0 degrees, 360 degrees, 720 degrees When it is located at the top dead center, when the rotation angle of the crankshaft is 180 degrees and 540 degrees, it may be located at the bottom dead center.
  • the first exhaust valve opening period A1 may fall within a range of 120 degrees to 390 degrees based on the rotation angle of the crankshaft.
  • the first exhaust valve opening period A1 may be from 140 degrees to 375 degrees based on the rotation angle of the crankshaft.
  • the second exhaust valve opening period A2 falls within the first intake valve opening period B1, but the maximum opening time A3 of the exhaust valve 720 in the second exhaust valve opening period A2 is the rotation of the crankshaft. It can be in the range of 487 degrees to 507 degrees based on the angle. That is, the exhaust valve 720 can be opened to the maximum later than the piston bottom dead center in the first intake valve opening period B1.
  • the second exhaust valve opening period by the second exhaust cam nose 320 of the exhaust cam 300 compared to the first exhaust valve opening period (A1) by the first exhaust cam nose 310 of the exhaust cam 300 may be formed in the profile of the exhaust cam 300 so as to fall within the range of 0.32 to 0.36.
  • the first intake valve opening period B1 may fall within a range of 310 degrees to 590 degrees based on the rotation angle of the crankshaft.
  • the first intake valve opening period B1 may be from 330 degrees to 580 degrees.
  • the second intake valve opening period B2 falls within the first exhaust valve opening period A1, but the maximum opening time B3 of the intake valve 710 in the second intake valve opening period B2 is the rotation of the crankshaft. It can be within the range of 216 degrees to 236 degrees based on the angle. That is, the intake valve 710 can be opened to the maximum after the piston bottom dead center in the first exhaust valve opening period A1.
  • the second intake valve opening period by the second intake cam nose 220 of the intake cam 200 compared to the first intake valve opening period (B1) by the first intake cam nose 210 of the intake cam 200 may be formed in the profile of the intake cam 200 so as to fall within the range of 0.34 to 0.38.
  • the maximum lift (A4) of the exhaust valve 720 in the second exhaust valve opening period (A2) and the maximum lift (B4) of the intake valve 710 in the second intake valve opening period (B2) are 0.8 mm or more.
  • the profile of the exhaust cam 200 and the intake cam 300 may be formed as much as possible.
  • the maximum lift A4 of the exhaust valve 730 may be set to 10% or less of the maximum lift B5 of the intake valve 710, and the second intake valve opening In the period B2, the maximum lift B4 of the intake valve 710 may be set to 10% or less of the maximum lift A5 of the exhaust valve 720.
  • the maximum lift A4 of the exhaust valve 720 in the second exhaust valve opening period A2 is relative to the maximum lift B4 of the intake valve 710 in the second intake valve opening period B2. It can be largely formed.
  • the maximum lift A4 of the exhaust valve 720 in the second exhaust valve opening period A2 is 15 than the maximum lift B4 of the intake valve 710 in the second intake valve opening period B2. % To 25%.
  • the maximum lift time (A3) of the exhaust valve 720 in the second exhaust valve opening period (A2) and the maximum lift time (B3) of the intake valve 710 in the second intake valve opening period (B2) are It may be formed to have a first phase difference (T1) of 260 degrees to 280 degrees based on the rotation angle of the crankshaft.
  • the maximum lift time of the exhaust valve 720 in the first exhaust valve opening period A1 and the maximum lift time of the intake valve 710 in the first intake valve opening period B1 are based on the rotation angle of the crankshaft. Since it may be formed to have a second phase difference T2 of 190 degrees to 210 degrees, the first phase difference T1 may be formed by 30% or more larger than the second phase difference T2.
  • the fourth phase difference T4 between the maximum lift timing A3 of the exhaust valve 720 and the maximum lift timing of the intake valve 710 in the first intake valve opening period B1 is the first exhaust valve opening period.
  • a third phase difference T3 between the maximum lift time B3 of the intake valve 710 and the maximum lift time point of the exhaust valve 720 in (A1) may be formed.
  • the third phase difference T3 may be formed from 20 degrees to 28 degrees
  • the fourth phase difference T4 may be formed from 38 degrees to 48 degrees.
  • the first intake cam nose 210 and the second intake when processing the camshaft 100 of the valve control device 101 of the engine as well as improving the volumetric efficiency of the cylinder and purifying the exhaust gas It is possible to prevent poor processing and durability due to interference between the cam nose 220, the first exhaust cam nose 310, and the second exhaust cam nose 320.
  • the results of the experiment were divided into when the engine was operating in the low speed region and when the engine was operating in the high speed region, and again marked the intake valve 710 and the exhaust valve 720 separately.
  • the low speed region and the high speed region may be variously changed according to the type and performance of the engine. In this experiment, the low speed region is 800 rpm, and the high speed region is 1800 rpm.
  • FIG. 10 is a graph showing the results of experiments according to the operation of the intake valve 710 when the engine is operating in the low-speed region
  • FIG. 11 is according to the operation of the intake valve 710 when the engine is operating in the high-speed region
  • FIG. 10 shows a change in pressure inside the cylinder 500 when the engine to which the valve control device 101 of the engine is applied is operating in a low speed region, a change in intake pressure, and an exhaust pressure according to an embodiment of the present invention. Changes, and the degree to which the intake valve 710 is opened, and FIG.
  • FIG. 11 shows the inside of the cylinder 500 when the engine to which the valve control device 101 of the engine according to an embodiment of the present invention is applied is operating in a high-speed region It represents the change in pressure, the change in intake pressure, the change in exhaust pressure, and the degree to which the intake valve 710 is opened.
  • the internal pressure of the cylinder 500 and the pressure on the exhaust valve 720 side must be set in a section higher than the pressure on the intake valve 710 side.
  • the pattern in which the pressure inside the cylinder 500 fluctuates in the high speed region and the low speed region varies according to the operating conditions of the engine.
  • both fluctuation patterns of the intake pressure and the exhaust pressure may be different.
  • the second intake valve opening period B2 should always be set in a section in which the internal pressure of the cylinder 500 and the pressure on the exhaust valve 720 side are higher than the pressure on the intake valve 710 side even if the operating conditions of the engine change. . That is, the section S1 in FIG. 10 and the section S2 in FIG. 11 should be considered to determine the section in which the intake valve 710 opens during the exhaust stroke.
  • FIG. 12 is a graph showing the result of the experiment according to the operation of the exhaust valve 720 when the engine is operating in the low-speed region
  • FIG. 13 is an experiment according to the operation of the exhaust valve 720 when the engine is operating in the high-speed region It is a graph showing the results. That is, FIG. 12 is a pressure change inside the cylinder 500 when the engine to which the valve control device 101 of the engine is applied is operating in a low speed region, a change in intake pressure, and an exhaust pressure according to an embodiment of the present invention. , And the exhaust valve 720 is raised to show the degree of opening, and FIG.
  • 11 is a cylinder 500 when the engine to which the valve control device 101 of the engine according to the present invention is applied is operating in a high-speed region ) Indicates a change in the internal pressure, a change in the intake pressure, a change in the exhaust pressure, and the degree to which the exhaust valve 720 is raised and opened.
  • the timing at which the exhaust valve 720 is opened during the intake stroke should be determined at a time when the internal pressure of the cylinder 500 and the intake valve 710 side pressure are higher than the exhaust valve 720 side pressure. That is, a part of new air introduced through the intake valve 710 may be discharged out of the cylinder 500 directly through the exhaust valve 720 by a pressure difference.
  • the pattern in which the pressure inside the cylinder 500 fluctuates in the high speed region and the low speed region varies according to the operating conditions of the engine.
  • both fluctuation patterns of the intake pressure and the exhaust pressure may be different.
  • the second exhaust valve opening period A2 should always be determined at a time when the internal pressure of the cylinder 500 and the pressure on the intake valve 710 are higher than the pressure on the exhaust valve 720 even if the operating conditions of the engine change. . That is, the section S3 in FIG. 12 and the section S4 in FIG. 13 should be considered to determine the section in which the exhaust valve 720 opens during the intake stroke.
  • the maximum lift (A4) of the exhaust valve 720 in the second exhaust valve opening period (A2) and the maximum lift (B4) of the intake valve 710 in the second intake valve opening period (B2) are 8 mm. It was confirmed that the effect appeared only when it was abnormal. That is, the intake valve 710 and the exhaust valve 720 must be lifted and opened at least 8 mm or more to increase the volumetric efficiency of the cylinder 500 to improve the engine torque, improve the fuel efficiency of the engine, It was confirmed that not only can the temperature of the exhaust gas be lowered, but also the effect of reducing the amount of nitrogen oxide emission was greatly exhibited.
  • the valve control device of the engine increases the volumetric efficiency of the cylinder of the engine to improve the torque of the engine, improves the fuel efficiency of the engine, can lower the temperature of the exhaust gas of the engine as well as nitrogen It can be used to reduce oxide emissions.

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Abstract

본 발명은 엔진의 크랭크 샤프트와 연동하여 회전하면서 엔진의 배기 밸브와 흡기 밸브를 개폐하는 엔진의 밸브 제어 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 밸브 제어 장치는 상기 배기 밸브를 제1 배기 밸브 개방 기간 동안 열었다 닫는 배기 밸브 개폐 장치와 상기 흡기 밸브를 제1 흡기 밸브 개방 기간 동안 열었다 닫는 흡기 밸브 개폐 장치를 포함한다.

Description

엔진의 밸브 제어 장치
본 발명은 엔진의 배기 밸브와 흡기 밸브의 개폐를 제어하는 밸브 제어 장치에 관한 것이다.
일반적으로 엔진의 밸브 제어 장치는 각 실린더의 배기 밸브와 흡기 밸브를 개폐하기 위한 캠을 하나의 샤프트에 결합시킨 캠샤프트(camshaft)를 포함한다.
4행정 기관인 엔진을 예로 들어 설명하면, 엔진의 사이클은 흡기, 압축, 폭발, 및 배기라는 네 가지 피스톤 행정(行程)으로 이루어진다. 즉, 크랭크 샤프트가 2회전하는 사이에 1회의 사이클이 완료된다. 그리고 엔진의 실린더 헤드에는 각 실린더 별 흡기 밸브와 배기 밸브가 장착되며, 흡기 밸브와 배기 밸브의 개폐는 크랭크 샤프트와 연동하여 회전하는 캠샤프트의 회전에 의해 이루어진다. 이때, 캠샤프트는 크랭크 샤프트과 타이밍 체인 등으로 연결되어 회전하는데, 크랭크 샤프트가 2회전하는 동안 캠샤프트는 1회전하게 된다.
따라서 각 실린더의 4행정 사이클 동작에 따라 크랭크 샤프트와 캠샤프트가 회전하고, 캠샤프트의 회전에 의해 따라 흡기 밸브와 배기 밸브가 개폐되면서 엔진의 연속적인 작동이 가능해진다.
그런데, 일반적인 캠샤프트는 흡기 밸브와 배기 밸브를 한번씩 열도록 설계된다. 흡기 밸브는 신기가 실린더 내에 잘 들어와 체적 효율(Volumetric Efficiency)을 높이는 방향으로 설계가 되고 배기 밸브는 배기가스가 잘 빠져나갈 수 있도록 설계된다.
한편, 강화되는 환경 규제를 만족시키기 위해 디젤 엔진에 여러 신기술들이 적용되고 있는데, 배기가스의 질소산화물을 저감 시키기 위한 방법으로 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 시스템과 선택적 촉매 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 시스템이 주로 사용되고 있다.
하지만, 배기가스의 질소산화물을 저감시키기 위해 배기가스 재순환 시스템과 선택적 촉매 환원 시스템을 엔진에 적용하게 되면, 엔진을 제조하는데 소모되는 비용이 크게 상승할 뿐만 아니라 엔진의 구조가 상당히 복잡해지는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 엔진의 실린더의 체적 효율(Volumetric Efficiency)을 증대시켜 엔진의 토크를 향상시키고, 엔진의 연비도 개선하며, 엔진의 배기가스의 온도도 낮출 수 있을 뿐만 아니라 질소산화물 배출량도 저감시킬 수 있는 엔진의 밸브 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 엔진의 크랭크 샤프트와 연동하여 엔진의 배기 밸브와 흡기 밸브를 개폐하는 엔진의 밸브 제어 장치는 상기 배기 밸브를 제1 배기 밸브 개방 기간 동안 열었다 닫는 배기 밸브 개폐 장치와, 상기 흡기 밸브를 제1 흡기 밸브 개방 기간 동안 열었다 닫는 흡기 밸브 개폐 장치를 포함한다. 그리고 상기 배기 밸브 개폐 장치는 상기 제1 흡기 밸브 개방 기간 내에서 상기 제1 배기 밸브 개방 기간 보다 상대적으로 짧은 제2 배기 밸브 개방 기간 동안 상기 배기 밸브를 추가로 열었다 닫고, 상기 흡기 밸브 개폐 장치는 상기 제1 배기 밸브 개방 기간 내에서 상기 제1 흡기 밸브 개방 기간 보다 상대적으로 짧은 제2 흡기 밸브 밸브 개방 기간 동안 상기 흡기 밸브를 추가로 열었다 닫도록 구성된다.
상기한 엔진의 밸브 제어 장치는 상기 크랭크 샤프트에 연결되어 회전 구동되는 캠샤프트를 더 포함하며, 상기 배기 밸브 개폐 장치는 상기 캠샤프트에 형성된 배기캠을 포함하고, 상기 흡기 밸브 개폐 장치는 상기 캠샤프트에 형성된 흡기캠을 포함할 수 있다. 그리고 상기 배기캠은 상기 제1 배기 밸브 개방 기간 동안 상기 배기 밸브를 열었다 닫기 위한 제1 배기캠 노즈(nose)와 상기 제2 배기 밸브 개방 기간 동안 상기 배기 밸브를 열었다 닫기 위한 제2 배기캠 노즈를 포함하고, 상기 흡기캠은 상기 제1 흡기 밸브 개방 기간 동안 상기 흡기 밸브를 열었다 닫기 위한 제1 흡기캠 노즈와 상기 제2 흡기 밸브 개방 기간 동안 상기 흡기 밸브를 열었다 닫기 위한 제2 흡기캠 노즈를 포함하며, 상기 제2 배기캠 노즈 및 상기 제2 흡기캠 노즈는 각각 상기 제1 배기캠 노즈 및 상기 제1 흡기캠 노즈보다 상대적으로 작은 크기로 형성될 수 있다.
상기 배기캠의 상기 제1 배기캠 노즈에 의한 상기 제1 배기 밸브 개방 기간 대비 상기 배기캠의 상기 제2 배기캠 노즈에 의한 상기 제2 배기 밸브 개방 기간의 비율은 0.32 내지 0.36 범위 내에 속하도록 상기 배기캠의 프로파일이 형성될 수 있다.
상기 흡기캠의 상기 제1 흡기캠 노즈에 의한 상기 제1 흡기 밸브 개방 기간 대비 상기 흡기캠의 상기 제2 흡기캠 노즈에 의한 상기 제2 흡기 밸브 개방 기간의 비율은 0.34 내지 0.38 범위 내에 속하도록 상기 흡기캠의 프로파일이 형성될 수 있다.
상기 엔진의 실린더 내부에서 왕복 운동하는 피스톤은 상기 크랭크 샤프트의 회전 각도가 0도, 360도, 720도일 때 상사점에 위치하고, 상기 크랭크 샤프트의 회전 각도가 180도, 540도일 때 하사점에 위치하고, 상기 제2 배기 밸브 개방 기간에서 상기 배기 밸브의 최대 개방 시점은 상기 크랭크 샤프트의 회전 각도를 기준으로 487도 내지 507도 범위 내에 속할 수 있다.
상기 제1 흡기 밸브 개방 기간은 상기 크랭크 샤프트의 회전 각도를 기준으로 310도 내지 590도 범위 내에 속할 수 있다.
상기 엔진의 실린더 내부에서 왕복 운동하는 피스톤은 상기 크랭크 샤프트의 회전 각도가 0도, 360도, 720도일 때 상사점에 위치하고, 상기 크랭크 샤프트의 회전 각도가 180도, 540도일 때 하사점에 위치하고, 상기 제2 흡기 밸브 개방 기간에서 상기 흡기 밸브의 최대 개방 시점은 상기 크랭크 샤프트의 회전 각도를 기준으로 216도 내지 236도 범위 내에 속할 수 있다.
상기 제1 배기 밸브 개방 기간은 상기 크랭크 샤프트의 회전 각도를 기준으로 120도 내지 390도 범위 내에 속할 수 있다.
상기 제2 배기 밸브 개방 기간에서 상기 배기 밸브의 최대 리프트와 상기 제2 흡기 밸브 개방 기간에서 상기 흡기 밸브의 최대 리프트는 0.8mm이상일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 엔진의 밸브 제어 장치는 엔진의 실린더의 체적 효율(Volumetric Efficiency)을 증대시켜 엔진의 토크를 향상시키고, 엔진의 연비도 개선하며, 엔진의 배기가스의 온도도 낮출 수 있을 뿐만 아니라 질소산화물 배출량도 저감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 밸브 제어 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 흡기캠의 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 배기캠의 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1의 엔진의 밸브 제어 장치에 의해 동작하는 흡기 밸브와 배기 밸브의 리프트 선도를 나타낸다.
도 5는 도 4의 P1 지점에서 흡기 밸브와 배기 밸브의 동작 상태를 나타낸다.
도 6은 도 4의 P2 지점에서 흡기 밸브와 배기 밸브의 동작 상태를 나타낸다.
도 7은 도 4의 P3 지점에서 흡기 밸브와 배기 밸브의 동작 상태를 나타낸다.
도 8은 도 4의 P4 지점에서 흡기 밸브와 배기 밸브의 동작 상태를 나타낸다.
도 9는 도 1의 엔진의 밸브 제어 장치의 프로파일에 대한 수치 한정을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 1의 엔진의 밸브 제어 장치가 적용된 엔진이 저속 영역에서 운전 중일 때 흡기 밸브의 동작에 따른 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 도 1의 엔진의 밸브 제어 장치가 적용된 엔진이 고속 영역에서 운전 중일 때 흡기 밸브의 동작에 따른 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12은 도 1의 엔진의 밸브 제어 장치가 적용된 엔진이 저속 영역에서 운전 중일 때 배기 밸브의 동작에 따른 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 도 1의 엔진의 밸브 제어 장치가 적용된 엔진이 고속 영역에서 운전 중일 때 배기 밸브의 동작에 따른 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면들은 개략적이고 축척에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 축소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 도 1 내지 도 13을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 밸브 제어 장치(101)를 설명한다. 밸브 제어 장치(101)는 엔진의 흡기 밸브(710)와 배기 밸브(720)를 개폐를 제어할 수 있다. 여기서, 엔진은 4행정 기관으로 디젤 엔진일 수 있고, 크랭크 샤프트를 포함할 수 있다. 크랭크 샤프트는 피스톤(400)의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하는 장치이다. 크랭크 샤프트는 해당 기술분야에 종사하는 자에게 널리 공지되어 있으므로, 크랭크 샤프트에 대한 자세한 설명은 생략한다.
구체적으로, 4행정 기관에서는 흡기, 압축, 폭발, 및 배기라는 네 가지 피스톤 행정(行程)으로 1회의 사이클이 완료된다. 즉, 흡기 행정에서 피스톤(400)은 하강하며, 압축 행정에서 피스톤(400)은 상승하고, 연소 행정에서 피스톤(400)은 하강하며, 배기 행정에서 피스톤(400)은 상승한다. 이와 같이, 한 사이클에서 피스톤(400)은 2번 왕복 운동하므로, 크랭크 샤프트는 2회전을 하게 된다. 흡기 밸브(710)와 배기 밸브(720)는 엔진의 실린더 헤드에 각 실린더(500)마다 장착된다. 밸브 제어 장치(101)는 한 사이클마다 흡기 밸브(710)와 배기 밸브(720)를 개폐시키기 위한 것이며, 밸브 제어 장치(101)는 흡기 밸브(710)를 개폐시키는 흡기 밸브 개폐 장치 및 배기 밸브(720)를 개폐시키는 배기 밸브 개폐 장치를 포함할 수 있다. 흡기 밸브 개폐 장치 및 배기 밸브 개폐 장치는 기계식, 전자식으로 구성될 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면 전자식 흡기 밸브 개폐 장치 및 배기 밸브 개폐 장치는 흡기 밸브(710), 배기 밸브(720) 각각에 연결되어 전자기력으로 구동되거나, 후술될 캠샤프트(100)를 모터 등의 전동 장치로 구동시킴으로써 흡기 밸브(710)와 배기 밸브(720)를 개폐시키는 구조로 구성될 수 있다. 한편, 기계식 흡기 밸브 개폐 장치 및 배기 밸브 개폐 장치는 엔진의 크랭크 샤프트와 연동 회전 되어 흡기 밸브(710)와 배기 밸브(720)를 개폐시키는 캠샤프트(100)를 포함할 수 있다. 이러한 캠샤프트(100)는 한 사이클마다 1회전하여 흡기 밸브(710)와 배기 밸브(720)를 개폐하도록 마련되어 크랭크 샤프트가 2회전할때 1회전하도록 타이밍 체인 등과 같은 동력 전달 수단을 통해 크랭크 샤프트와 연결될 수 있다. 또한, 캠샤프트(100)는 복수의 캠을 구비한 하나의 캠샤프트(100)로 흡기 밸브들(710)과 배기 밸브들(720)을 제어하거나, 복수의 캠이 복수의 캠샤프트(100)에 분산 설치되어 복수의 캠샤프트(100)가 흡기 밸브들(710)과 배기 밸브들(720)의 개폐를 분담 제어할 수 있다. 상술한 전자식 밸브 제어 장치와 기계식 밸브 제어 장치는 흡기 밸브(710)와 배기 밸브(720)의 개폐 시기, 주기, 및 밸브 리프트를 상호 동일하게 제어할 수 있을 것이다. 이하에서는 이해의 편의를 위해 보편적인 구조라 할 수 있는 하나의 캠샤프트(100)를 이용하는 기계식 밸브 제어 장치를 일례로 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 밸브 제어 장치(101)의 캠샤프트(100)는 흡기캠(200) 및 배기캠(300)을 포함한다. 흡기캠(200)은 회전하면서 흡기 밸브(710)를 개폐하고, 배기캠(300)은 회전하면서 배기 밸브(720)를 개폐한다.
구체적으로, 흡기캠(200)은, 도 2에 도시한 바와 같이, 제1 흡기캠 노즈(nose)(210)와 제2 흡기캠 노즈(220)를 포함할 수 있다. 제2 흡기캠 노즈(220)는 제1 흡기캠 노즈(210)보다 상대적으로 작은 크기로 형성된다. 그리고 제2 흡기캠 노즈(220)는 제1 흡기캠 노즈(210)의 반대편에 형성되지만, 제2 흡기캠 노즈(220)와 제1 흡기캠 노즈(220)가 반드시 180도의 각도를 두고 형성되는 것은 아니다.
흡기캠(200)의 제1 흡기캠 노즈(210)는 제1 흡기 밸브 개방 기간 동안 흡기 밸브(710)를 열었다 닫고, 흡기캠(200)의 제2 흡기캠 노즈(220)는 제2 흡기 밸브 개방 기간 동안 흡기 밸브(710)를 추가로 열었다 닫는다. 이때, 제2 흡기 밸브 개방 기간은 제1 흡기 밸브 개방 기간 보다 상대적으로 짧다. 그리고 제2 흡기 밸브 개방 기간은 후술할 제1 배기 밸브 개방 기간 내에 속하게 된다. 즉, 제1 배기캠 노즈(310)에 의해 배기 밸브(720)가 열려 있는 시간 동안 제2 흡기캠 노즈(220)에 의해 흡기 밸브(710)가 열렸다 닫히게 된다.
배기캠(300)은, 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 배기캠 노즈 (310)와 제2 배기캠 노즈(320)를 포함할 수 있다. 제2 배기캠 노즈(320)는 제1 배기캠 노즈(310)보다 상대적으로 작은 크기로 형성된다. 그리고 제2 배기캠 노즈(320)는 제1 배기캠 노즈(310)의 반대편에 형성되지만, 제2 배기캠 노즈(320)와 제1 배기캠 노즈(31)가 반드시 180도의 각도를 두고 형성되는 것은 아니다.
배기캠(300)의 제1 배기캠 노즈(310)는 제1 배기 밸브 개방 기간 동안 배기 밸브(720)를 열었다 닫고, 배기캠(300)의 제2 배기캠 노즈(320)는 제2 배기 밸브 개방 기간 동안 배기 밸브(720)를 추가로 열었다 닫는다. 이때, 제2 배기 밸브 개방 기간은 제1 배기 밸브 개방 기간 보다 상대적으로 짧다. 그리고 제2 배기 밸브 개방 기간은 전술할 제1 흡기 밸브 개방 기간 내에 속하게 된다. 즉, 제1 흡기캠 노즈(210)에 의해 흡기 밸브(710)가 열려 있는 시간 동안 제2 배기캠 노즈(320)에 의해 배기 밸브(720)가 열렸다 닫히게 된다.
흡기 밸브(710)는 배기 밸브(720)가 닫히기 전에 기 설정된 크랭크 회전 각도만큼 미리 열릴 수 있다. 이렇게 흡기 밸브(710)와 배기 밸브(720)가 동시에 개방되는 구간을 오버랩(Overlap) 구간이라고 하며, 본 실시예에서는 크랭크 회전 각도를 기준으로 35도 내지 40도 범위 내로 중첩되며, 흡기 밸브(710)가 열리기 시작하는 시점과 피스톤 상사점 사이의 각도가 배기 밸브(720)가 닫힌 시점과 피스톤의 상사점 사이의 각도보다 크게 형성된다. 여기서, 피스톤 상사점은 크랭크 회전 각도를 기준으로 360도이다. 예를 들어, 전술한 오버랩을 위해 흡기 밸브(710)가 열리기 시작하는 시점은 피스톤 상사점보다 크랭크 회전 각도 기준으로 24도 내지 28도 범위 내에서 더 빠르게 설정될 수 있고, 배기 밸브(720)가 완전히 닫히는 시점은 피스톤 상사점보다 크랭크 회전 각도 기준으로 10도 내지 16도 범위 내에서 더 늦도록 설정될 수 있다. 이에 따라, 흡기 밸브(710)와 배기 밸브(730)는 후술될 2개의 구간에서의 동시 개방 구간까지 총 3개의 구간에서 동시에 개방될 수 있다.
이하, 도 4 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 밸브 제어 장치(101)의 캠샤프트(100)의 동작 과정 및 작용 효과를 예시적으로 설명한다.
도 4는 엔진의 밸브 제어 장치(101)의 캠샤프트(100)의 회전에 의해 흡기 밸브(710)와 배기 밸브(720)가 개폐되는 시기와 개폐되는 정도를 나타낸 그래프이다. 그리고 도 5 내지 도 8은 각각 도 4의 P1, P2, P3, P4 지점에서의 흡기 밸브(710)와 배기 밸브(720)의 개폐 상태를 나타낸다.
다만, 도 5 내지 도 8에서는, 엔진의 밸브 제어 장치(101)의 캠샤프트(100)와 흡기 밸브(710) 및 배기 밸브(720)의 연결 구조를 구체적으로 도시하지 않았으나, 이는 다양한 방식으로 해당 기술분야의 종사자에게 공지되어 있다. 예를 들어, 흡기캠(200) 및 배기캠(300)은 각각 흡기 밸브(710) 및 배기 밸브(720)와 직접 접촉하여 이들을 개폐할 수 있다. 또한, 흡기캠(200)과 배기캠(300)은 푸시 로드, 태핏(tappet), 및 로커암과 같은 기구를 통해 흡기 밸브(710)와 배기 밸브(720)를 개폐할 수도 있다. 구체적으로, 엔진은 밸브 또는 엔진의 밸브 제어 장치(101)의 캠샤프트(100)의 위치에 따라 옆구리 밸브(side valve, SV) 방식, 머리 위 밸브(over-head valve, OHV) 방식, 머리 위 캠샤프트(over-head camshaft, OHC) 방식, 및 머리 위 쌍 캠샤프트(dual over-head camshaft, DOHC) 방식 등으로 구분될 수 있다. 또한, 앞서 설명된 바와 같이, 밸브 제어 장치는 전자식 제어 방법으로 밸브들을 개폐시킬 수 있다.
먼저, 피스톤(400)이 상승하면서 배기 행정이 시작되면 크랭크 샤프트와 연동하는 엔진의 밸브 제어 장치(101)의 캠샤프트(100)가 회전하면서 배기캠(300)의 제1 배기캠 노즈(310)가 배기 밸브(720)를 열게 된다. 여기서, 제1 배기캠 노즈(310)에 의해 열린 배기 밸브(720)는 제1 배기 밸브 개방 기간 동안 열리게 된다.
다음, 도 4의 P1 지점 및 도 5에 도시한 바와 같이, 제1 배기 밸브 개방 기간 내에서 흡기캠(200)의 제2 흡기캠 노즈(220)에 의해 흡기 밸브(710)가 열린다. 이와 같이, 배기 행정 중에 흡기 밸브(710)가 열리면, 실린더(500)의 연소실 내 배기가스의 일부가 흡기 밸브(710)를 통해 배출되며, 이렇게 흡기 밸브(710)를 통해 배출된 배기가스는 이후 흡기 행정에서 새로운 공기와 함께 다시 실린더(500)의 연소실로 유입된다. 이와 같이, 배기 행정에서 배기가스의 일부가 흡기 밸브(710)를 통해 배출되었다가 흡기 행정에서 다시 실린더(500)로 유입되면, 종래의 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 시스템과 유사한 효과를 얻을 수 있게 된다.
이어서, 도 4의 P2 지점 및 도 6에 도시한 바와 같이, 흡기 밸브(710)가 먼저 닫히고, 배기 밸브(720)를 통해 배기가스의 배출되면서 배기 행정이 마무리된다.
다음, 도 4의 P3 지점 및 도 7에 도시한 바와 같이, 피스톤(400)이 하강하면서 흡기 행정이 시작되면 크랭크 샤프트와 연동하는 엔진의 밸브 제어 장치(101)의 캠샤프트(100)가 회전하면서 흡기캠(200)의 제1 흡기캠 노즈(210)가 흡기 밸브(710)를 열게 된다. 여기서, 제1 흡기캠 노즈(210)에 의해 열린 흡기 밸브(710)는 제1 흡기 밸브 개방 기간 동안 열리게 된다. 이와 같이, 흡기 밸브(710)가 열리면 배기 행정에서 흡기 밸브(710)를 통해 배출된 배기가스가 새로운 공기와 함께 실린더의 연소실로 유입된다.
다음, 도 4의 P4 지점 및 도 8에 도시한 바와 같이, 제1 흡기 밸브 개방 기간 내에서 배기캠(300)의 제2 배기캠 노즈(320)에 의해 배기 밸브(720)가 열린다. 그러면, 흡기 밸브(710)를 통해 실린더(500)의 연소실로 유입된 새로운 공기의 일부가 바로 배기 밸브(720)를 통해 빠져나가게 된다. 이러한 현상에 의해, 실린더(500) 내부의 잔류 가스가 줄어들면서 실린더(500)의 내부 압력이 낮아져 오히려 흡기 밸브(710)를 통해 새로운 공기가 더 많이 들어오게 된다. 즉, 실린더(500)의 체적 효율(Volumetric Efficiency)이 향상된다. 또한, 흡기 밸브(710)로 유입된 후 바로 배기 밸브(720)로 빠져나가는 새로운 공기가 배기가스의 전체적인 온도를 낮춰는 효과도 있다. 즉, 엔진에서 배출되는 배기가스의 온도를 저감시킬 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 밸브 제어 장치(101)는 실린더(500)의 체적 효율(Volumetric Efficiency)을 증대시켜 엔진의 토크를 향상시키고, 엔진의 연비도 개선하며, 엔진의 배기가스의 온도도 낮출 수 있을 뿐만 아니라 질소산화물 배출량도 저감시킬 수 있다.
특히, 엔진에 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 시스템 및 선택적 촉매 환원 시스템을 적용하기 위해 복잡한 장비들을 설치하지 않고도 질소산화물 배출량을 저감시킬 수 있다.
그런데, 배기 행정 중에 흡기 밸브(710)를 열때에는 실린더(500)의 내부 압력 및 배기 밸브(720) 쪽 압력이 흡기 밸브(710) 쪽 압력보다 높아야 하며, 엔진의 운전 조건에 따라 압력이 변동되므로 엔진이 저속 영역에서 운전 중일때와 고속 영역에서 운전 중일 때를 모두 고려하여 흡기 밸브(710)의 개폐 시기와 기간을 결정하여야 한다.
또한, 흡기 행정 중에 배기 밸브(720)를 열때에도 엔진의 회전 속도에 따른 압력의 변화와 실린더(500)의 체적 효율(Volumetric Efficiency)를 고려하여 배기 밸브(720)의 개폐 시기와 기간을 결정하여야 한다.
즉, 배기 행정 중에 흡기 밸브(710)를 여는 것과 흡기 행정 중에 배기 밸브(720)를 여는 것은 엄연히 다른 기술이며 목적도 상이하므로, 이 두가지 기술을 단순히 조합하여 용이하게 적용할 수 있는 것은 아니다.
배기 행정 중에 흡기 밸브(710)를 여는 것과 흡기 행정 중에 배기 밸브(720)를 여는 것을 섣불리 동시에 적용하게 되면 엔진의 성능이 오히려 저하되는 문제점이 발생된다. 예를 들어, 엔진이 저속 영역에서 운전 중일 때 실린더(500)에 채워지는 공기의 양이 오히려 줄어들어 엔진의 토크가 감소될 수 있다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 밸브 제어 장치(101)는 전술한 사항들을 모두 고려하여 최적의 수치로 만들어진다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 밸브 제어 장치(101)에 포함된 흡기캠(200)과 배기캠(300)의 프로파일을 도 9에 도시한 리프트 선도를 참고하여 설명한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 밸브 제어 장치(101)가 적용된 엔진의 실린더(500) 내부에서 왕복 운동하는 피스톤(400)은 크랭크 샤프트의 회전 각도가 0도, 360도, 720도일 때 상사점에 위치하고, 크랭크 샤프트의 회전 각도가 180도, 540도일 때 하사점에 위치할 수 있다.
제1 배기 밸브 개방 기간(A1)은 크랭크 샤프트의 회전 각도를 기준으로 120도 내지 390도 범위 내에 속할 수 있다. 일례로, 제1 배기 밸브 개방 기간(A1)은 크랭크 샤프트의 회전 각도를 기준으로 140도부터 375도까지일 수 있다.
제2 배기 밸브 개방 기간(A2)은 제1 흡기 밸브 개방 기간(B1) 내에 속하되, 제2 배기 밸브 개방 기간(A2)에서 배기 밸브(720)의 최대 개방 시점(A3)은 크랭크 샤프트의 회전 각도를 기준으로 487도 내지 507도 범위 내에 속할 수 있다. 즉, 제1 흡기 밸브 개방 기간(B1)에서의 피스톤 하사점보다 늦게 배기 밸브(720)가 최대로 개방될 수 있게 된다. 그리고 배기캠(300)의 제1 배기캠 노즈(310)에 의한 제1 배기 밸브 개방 기간(A1) 대비 배기캠(300)의 제2 배기캠 노즈(320)에 의한 제2 배기 밸브 개방 기간(A2)의 비율은 0.32 내지 0.36 범위 내에 속하도록 배기캠(300)의 프로파일이 형성될 수 있다.
제1 흡기 밸브 개방 기간(B1)은 크랭크 샤프트의 회전 각도를 기준으로 310도 내지 590도 범위 내에 속할 수 있다. 일례로, 제1 흡기 밸브 개방 기간(B1)은 330도부터 580도까지일 수 있다.
제2 흡기 밸브 개방 기간(B2)은 제1 배기 밸브 개방 기간(A1) 내에 속하되, 제2 흡기 밸브 개방 기간(B2)에서 흡기 밸브(710)의 최대 개방 시점(B3)은 크랭크 샤프트의 회전 각도를 기준으로 216도 내지 236도 범위 내에 속할 수 있다. 즉, 제1 배기 밸브 개방 기간(A1)에서의 피스톤 하사점보다 늦게 흡기 밸브(710)가 최대로 개방될 수 있게 된다. 그리고 흡기캠(200)의 제1 흡기캠 노즈(210)에 의한 제1 흡기 밸브 개방 기간(B1) 대비 흡기캠(200)의 제2 흡기캠 노즈(220)에 의한 제2 흡기 밸브 개방 기간(B2)의 비율은 0.34 내지 0.38 범위 내에 속하도록 흡기캠(200)의 프로파일이 형성될 수 있다.
또한, 제2 배기 밸브 개방 기간(A2)에서 배기 밸브(720)의 최대 리프트(A4)와 제2 흡기 밸브 개방 기간(B2)에서 흡기 밸브(710)의 최대 리프트(B4)는 0.8mm이상이 되도록 배기캠(200)과 흡기캠(300)의 프로파일이 형성될 수 있다.
또한, 제2 배기 밸브 개방 기간(A2)에서 배기 밸브(730)의 최대 리프트(A4)는 흡기 밸브(710)의 최대 리프트(B5)의 10% 이하로 설정될 수 있으며, 제2 흡기 밸브 개방 기간(B2)에서 흡기 밸브(710)의 최대 리프트(B4)는 배기 밸브(720)의 최대 리프트(A5)의 10% 이하로 설정될 수 있다. 한편, 제2 배기 밸브 개방 기간(A2)에서의 배기 밸브(720)의 최대 리프트(A4)는 제2 흡기 밸브 개방 기간(B2)에서의 흡기 밸브(710)의 최대 리프트(B4)에 비해 상대적으로 크게 형성될 수 있다. 일례로, 제2 배기 밸브 개방 기간(A2)에서의 배기 밸브(720)의 최대 리프트(A4)는 제2 흡기 밸브 개방 기간(B2)에서의 흡기 밸브(710)의 최대 리프트(B4)보다 15% 내지 25% 범위 내에서 더 높게 형성될 수 있다.
또한, 제2 배기 밸브 개방 기간(A2)에서의 배기 밸브(720)의 최대 리프트 시점 (A3)와 제2 흡기 밸브 개방 기간(B2)에서의 흡기 밸브(710)의 최대 리프트 시점(B3)은 크랭크 샤프트의 회전 각도를 기준으로 260도 내지 280도의 제1 위상차(T1)를 갖도록 형성될 수 있다. 제1 배기 밸브 개방 기간(A1)에서의 배기 밸브(720)의 최대 리프트 시점과 제1 흡기 밸브 개방 기간(B1)에서의 흡기 밸브(710)의 최대 리프트 시점이 크랭크 샤프트의 회전 각도를 기준으로 190도 내지 210도의 제2 위상차(T2)를 갖도록 형성될 수 있으므로, 제1 위상차(T1)는 제2 위상차(T2) 보다 30% 이상 크게 형성될 수 있다. 아울러, 제1 흡기 밸브 개방 기간(B1)에서의 배기 밸브(720)의 최대 리프트 시점(A3)과 흡기 밸브(710)의 최대 리프트 시점 사이의 제4 위상차(T4)는 제1 배기 밸브 개방 기간(A1)에서의 흡기 밸브(710)의 최대 리프트 시점(B3)와 배기 밸브(720)의 최대 리프트 시점 사이의 제3 위상차(T3)보다 크게 형성될 수 있다. 일례로, 제3 위상차(T3)는 20도 내지 28도로 형성될 수 있고, 제4 위상차(T4)는 38도 내지 48도로 형성될 수 있다.
전술된 위상차들에 의하면 실린더의 체적 효율 향상 및 배기가스 정화에 도움될 뿐만 아니라 엔진의 밸브 제어 장치(101)의 캠샤프트(100)를 가공할 때 제1 흡기캠 노즈(210), 제2 흡기캠 노즈(220), 제1 배기캠 노즈(310), 제2 배기캠 노즈(320) 간 간섭에 의한 가공 불량 및 내구성 저하를 방지할 수 있다.
이하, 도 10 내지 도 13을 참조하여, 전술한 바와 같은 수치에 따라 제작된 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 밸브 제어 장치(101)를 적용한 엔진으로 실험한 결과를 살펴본다.
실험 결과는 엔진이 저속 영역에서 운전 중일때와 고속 영역으로 운전 중일때로 구분하였으며, 다시 흡기 밸브(710)와 배기 밸브(720)를 구분하여 표시하였다. 여기서, 저속 영역과 고속 영역은 엔진의 종류와 성능에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 본 실험에서 저속 영역은 800rpm이며, 고속 영역은 1800rpm이다.
구체적으로, 도 10은 엔진이 저속 영역에서 운전 중일 때 흡기 밸브(710)의 동작에 따른 실험 결과를 나타낸 그래프이고, 도 11은 엔진이 고속 영역에서 운전 중일 때 흡기 밸브(710)의 동작에 따른 실험 결과를 나타낸 그래프이다. 즉, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 밸브 제어 장치(101)가 적용된 엔진이 저속 영역에서 운전 중일때의 실린더(500) 내부의 압력 변화와, 흡기 압력의 변화와, 배기 압력의 변화, 그리고 흡기 밸브(710)가 열린 정도를 나타내고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 밸브 제어 장치(101)가 적용된 엔진이 고속 영역에서 운전 중일때의 실린더(500) 내부의 압력 변화와, 흡기 압력의 변화와, 배기 압력의 변화, 그리고 흡기 밸브(710)가 열린 정도를 나타낸다.
배기 행정 중에 흡기 밸브(710)가 열리는 시기는 실린더(500)의 내부 압력 및 배기 밸브(720) 쪽 압력이 흡기 밸브(710) 쪽 압력보다 높은 구간에서 설정되어야 한다.
그런데, 엔진의 운전 조건에 따라, 고속 영역과 저속 영역에서 실린더(500) 내부의 압력이 변동하는 패턴이 달라진다. 또한, 흡기 압력과 배기 압력의 변동 패턴도 모두 달라질 수 있다.
따라서, 제2 흡기 밸브 개방 기간(B2)은 엔진의 운전 조건이 변하더라도 항상 실린더(500)의 내부 압력 및 배기 밸브(720) 쪽 압력이 흡기 밸브(710) 쪽 압력보다 높은 구간에서 설정되어야 한다. 즉, 도 10에서 S1 구간과 도 11에서 S2 구간을 고려하여 배기 행정 중에 흡기 밸브(710)가 열리는 구간을 결정하여야 한다.
결론적으로, 제2 흡기 밸브 개방 기간(B2)에서 흡기 밸브(710)의 최대 개방 시점(B3)은 크랭크 샤프트의 회전 각도를 기준으로 216도 내지 236도 범위 내에 속하는 것이 최적의 조건임을 도 10 및 도 11을 통해 확인할 수 있다.
또한, 도 12는 엔진이 저속 영역에서 운전 중일 때 배기 밸브(720)의 동작에 따른 실험 결과를 나타낸 그래프이고, 도 13은 엔진이 고속 영역에서 운전 중일 때 배기 밸브(720)의 동작에 따른 실험 결과를 나타낸 그래프이다. 즉, 도 12은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 밸브 제어 장치(101)가 적용된 엔진이 저속 영역에서 운전 중일때의 실린더(500) 내부의 압력 변화와, 흡기 압력의 변화와, 배기 압력의 변화, 그리고 배기 밸브(720)가 올려져 열린 정도를 나타내고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 밸브 제어 장치(101)가 적용된 엔진이 고속 영역에서 운전 중일때의 실린더(500) 내부의 압력 변화와, 흡기 압력의 변화와, 배기 압력의 변화, 그리고 배기 밸브(720)가 올려져 열린 정도를 나타낸다.
엔진의 특성상 흡기 압력에 비해 배기 압력의 변화가 상대적으로 크다. 따라서 배기 압력의 변동에 따라 일시적으로 배기 압력이 흡기 압력 및 실린더 내부의 압력보다 작은 구간이 있다. 즉, 흡기 행정 중에 배기 밸브(720)가 열리는 시기는 실린더(500)의 내부 압력과 흡기 밸브(710) 쪽 압력이 배기 밸브(720) 쪽 압력보다 높은 시점에서 결정되어야 한다. 그래야 흡기 밸브(710)를 통해 유입된 새로운 공기의 일부가 압력 차에 의해 바로 배기 밸브(720)를 거쳐 실린더(500) 밖으로 배출될 수 있다.
그런데, 엔진의 운전 조건에 따라, 고속 영역과 저속 영역에서 실린더(500) 내부의 압력이 변동하는 패턴이 달라진다. 또한, 흡기 압력과 배기 압력의 변동 패턴도 모두 달라질 수 있다.
따라서, 제2 배기 밸브 개방 기간(A2)은 엔진의 운전 조건이 변하더라도 항상 실린더(500)의 내부 압력 및 흡기 밸브(710) 쪽 압력이 배기 밸브(720) 쪽 압력보다 높은 시점에서 결정되어야 한다. 즉, 도 12에서 S3 구간과 도 13에서 S4 구간을 고려하여 흡기 행정 중에 배기 밸브(720)가 열리는 구간을 결정하여야 한다.
결론적으로, 제2 배기 밸브 개방 기간(A2)에서 배기 밸브(720)의 최대 개방 시점(A3)은 크랭크 샤프트의 회전 각도를 기준으로 487도 내지 507도 범위 내에 속하는 것이 최적의 조건임을 도 12 및 도 13을 통해 확인할 수 있다.
또한, 실험을 통해 제2 배기 밸브 개방 기간(A2)에서 배기 밸브(720)의 최대 리프트(A4)와 제2 흡기 밸브 개방 기간(B2)에서 흡기 밸브(710)의 최대 리프트(B4)는 8mm이상이 되어야 효과가 나타남을 확인하였다. 즉, 흡기 밸브(710)와 배기 밸브(720)를 최소 8mm이상 들어올려 열어야 실린더(500)의 체적 효율(Volumetric Efficiency)을 증대시켜 엔진의 토크를 향상시키고, 엔진의 연비도 개선하며, 엔진의 배기가스의 온도도 낮출 수 있을 뿐만 아니라 질소산화물 배출량도 저감시킬 수 있는 효과가 크게 나타남을 확인할 수 있었다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 엔진의 밸브 제어 장치는 엔진의 실린더의 체적 효율을 증대시켜 엔진의 토크를 향상시키고, 엔진의 연비도 개선하며, 엔진의 배기가스의 온도도 낮출 수 있을 뿐만 아니라 질소산화물 배출량을 저감시키는데 사용될 수 있다.

Claims (9)

  1. 엔진의 크랭크 샤프트와 연동하여 엔진의 배기 밸브와 흡기 밸브를 개폐하는 엔진의 밸브 제어 장치에 있어서,
    상기 배기 밸브를 제1 배기 밸브 개방 기간 동안 열었다 닫는 배기 밸브 개폐 장치; 및
    상기 흡기 밸브를 제1 흡기 밸브 개방 기간 동안 열었다 닫는 흡기 밸브 개폐 장치
    를 포함하며,
    상기 배기 밸브 개폐 장치는 상기 제1 흡기 밸브 개방 기간 내에서 상기 제1 배기 밸브 개방 기간 보다 상대적으로 짧은 제2 배기 밸브 개방 기간 동안 상기 배기 밸브를 추가로 열었다 닫고,
    상기 흡기 밸브 개폐 장치는 상기 제1 배기 밸브 개방 기간 내에서 상기 제1 흡기 밸브 개방 기간 보다 상대적으로 짧은 제2 흡기 밸브 밸브 개방 기간 동안 상기 흡기 밸브를 추가로 열었다 닫는 것을 특징으로 하는 엔진의 밸브 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 크랭크 샤프트에 연결되어 회전 구동되는 캠샤프트를 더 포함하며,
    상기 배기 밸브 개폐 장치는 상기 캠샤프트에 형성된 배기캠을 포함하고,
    상기 흡기 밸브 개폐 장치는 상기 캠샤프트에 형성된 흡기캠을 포함하며,
    상기 배기캠은 상기 제1 배기 밸브 개방 기간 동안 상기 배기 밸브를 열었다 닫기 위한 제1 배기캠 노즈(nose)와 상기 제2 배기 밸브 개방 기간 동안 상기 배기 밸브를 열었다 닫기 위한 제2 배기캠 노즈를 포함하고,
    상기 흡기캠은 상기 제1 흡기 밸브 개방 기간 동안 상기 흡기 밸브를 열었다 닫기 위한 제1 흡기캠 노즈와 상기 제2 흡기 밸브 개방 기간 동안 상기 흡기 밸브를 열었다 닫기 위한 제2 흡기캠 노즈를 포함하며,
    상기 제2 배기캠 노즈 및 상기 제2 흡기캠 노즈는 각각 상기 제1 배기캠 노즈 및 상기 제1 흡기캠 노즈보다 상대적으로 작은 크기로 형성된 것을 특징으로 하는 엔진의 밸브 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배기캠의 상기 제1 배기캠 노즈에 의한 상기 제1 배기 밸브 개방 기간 대비 상기 배기캠의 상기 제2 배기캠 노즈에 의한 상기 제2 배기 밸브 개방 기간의 비율은 0.32 내지 0.36 범위 내에 속하도록 상기 배기캠의 프로파일이 형성된 것을 특징으로 하는 엔진의 밸브 제어 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 흡기캠의 상기 제1 흡기캠 노즈에 의한 상기 제1 흡기 밸브 개방 기간 대비 상기 흡기캠의 상기 제2 흡기캠 노즈에 의한 상기 제2 흡기 밸브 개방 기간의 비율은 0.34 내지 0.38 범위 내에 속하도록 상기 흡기캠의 프로파일이 형성된 것을 특징으로 하는 엔진의 밸브 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 엔진의 실린더 내부에서 왕복 운동하는 피스톤은 상기 크랭크 샤프트의 회전 각도가 0도, 360도, 720도일 때 상사점에 위치하고, 상기 크랭크 샤프트의 회전 각도가 180도, 540도일 때 하사점에 위치하고,
    상기 제2 배기 밸브 개방 기간에서 상기 배기 밸브의 최대 개방 시점은 상기 크랭크 샤프트의 회전 각도를 기준으로 487도 내지 507도 범위 내에 속하는 것을 특징으로 하는 엔진의 밸브 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 흡기 밸브 개방 기간은 상기 크랭크 샤프트의 회전 각도를 기준으로 310도 내지 590도 범위 내에 속하는 것을 특징으로 하는 엔진의 밸브 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 엔진의 실린더 내부에서 왕복 운동하는 피스톤은 상기 크랭크 샤프트의 회전 각도가 0도, 360도, 720도일 때 상사점에 위치하고, 상기 크랭크 샤프트의 회전 각도가 180도, 540도일 때 하사점에 위치하고,
    상기 제2 흡기 밸브 개방 기간에서 상기 흡기 밸브의 최대 개방 시점은 상기 크랭크 샤프트의 회전 각도를 기준으로 216도 내지 236도 범위 내에 속하는 것을 특징으로 하는 엔진의 밸브 제어 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 배기 밸브 개방 기간은 상기 크랭크 샤프트의 회전 각도를 기준으로 120도 내지 390도 범위 내에 속하는 것을 특징으로 하는 엔진의 밸브 제어 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 배기 밸브 개방 기간에서 상기 배기 밸브의 최대 리프트와 상기 제2 흡기 밸브 개방 기간에서 상기 흡기 밸브의 최대 리프트는 0.8mm이상인 것을 특징으로 하는 엔진의 밸브 제어 장치.
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