KR101558384B1

KR101558384B1 - 리턴 스프링과 캠샤프트-인-캠샤프트를 포함하는 밸브 트레인 레이아웃 구조

Info

Publication number: KR101558384B1
Application number: KR1020140039327A
Authority: KR
Inventors: 김형현
Original assignee: 현대자동차 주식회사
Priority date: 2014-04-02
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2015-10-07
Anticipated expiration: 2034-04-02
Also published as: US20150285107A1; US9494059B2

Abstract

엔진 타이밍과 연동하는 체인 스프라켓에 연결되고 밸브 개폐 타이밍을 변화 시키지 않도록 된 비제어 캠샤프트와, 아우터 샤프트, 아우터 샤프트에 고정되는 제1캠, 아우터 샤프트에 회전 가능하게 삽입되는 이너 샤프트, 그리고 이너 샤프트에 고정되는 제2캠을 포함하며 제1캠 및 제2캠 사이의 위상을 변화시켜 제1캠에 의하여 개폐되는 밸브와 제2캠에 의하여 개폐되는 밸브 중 적어도 하나의 밸브 개폐 타이밍을 변화시키도록 된 제어 캠샤프트와, 서로 상대 회전 가능한 로우터와 스테이터를 포함하고 로우터와 스테이터 중 어느 하나는 아우터 샤프트에 작동적으로 결합되며 로우터와 스테이터 중 다른 하나는 이너 샤프트에 작동적으로 결합되어 제1캠과 제2캠 사이의 위상을 변화시키도록 된 캠 페이져와, 엔진 시동 오프 시 제1캠과 제2캠 사이의 위상을 미리 설정된 초기 위치로 되돌리기 위한 복원력을 제공하는 리턴 스프링을 포함하는 밸브 트레인 레이아웃 구조가 개시된다.

Description

리턴 스프링과 캠샤프트-인-캠샤프트를 포함하는 밸브 트레인 레이아웃 구조 {Valve Train Layout Structure Including Return Spring and Camshaft-In-Camshaft}

본 발명은 밸브 트레인 레이아웃 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리턴 스프링과 캠샤프트-인-캠샤프트를 포함하는 밸브 트레인 레이아웃 구조에 관한 것이다.

내연기관은 연소실에 연료와 공기를 받아들여 이를 연소함으로써 동력을 발생시킨다. 공기를 흡입할 때에는 캠축의 구동에 의해 흡기밸브가 열리게 되고, 흡기밸브가 열려있는 동안 공기가 연소실에 흡입된다. 또한 연소 발생 후 캠축의 구동에 의해 배기밸브가 열리게 되고 배기밸브가 열려있는 동안 연소 가스가 연소실에서 배출된다.

최적의 흡기밸브 및 배기밸브의 동작은 엔진의 회전속도에 따라 조절된다. 적절한 밸브 리프트 또는 밸브 개폐 시기가 엔진 회전속도의 변화에 따라 달라지기 때문이다. 이와 같이 일반적인 엔진의 단점을 보완하여 엔진이 느리게 회전할 때와 빠르게 회전할 때 각각 상태에 맞게 흡기 또는 배기 밸브의 개폐 시점을 조절하는 것을 가변 밸브 타이밍(Variable Valve Timing; VVT) 방식이라고 한다.

캠샤프트-인-캠샤프트는 종래의 캠샤프트와는 달리, 하나의 샤프트로 이루어져 있는 것이 아니라 중공의 캠샤프트, 즉 아우터 샤프트와 그 내부에 회전 가능하도록 끼워지는 또 다른 캠샤프트, 즉 이너 샤프트로 구성된다. 캠샤프트-인-캠샤프트의 캠 로우브(cam lobe)에는 아우터 샤프트에 고정되는 제1캠, 이너 샤프트에 고정되고 아우터 샤프트 상에서 회전 가능한 제2캠의 두 종류가 있다. 캠샤프트-인-캠샤프트는 캠샤프트에 연결된 2종의 밸브에 대해 그 중 하나는 별다른 제어 없이 엔진 타이밍에만 연동시키고, 다른 하나만을 제어하여 위상(phase)이 상기 하나와 달라지도록 고안된 것이다. 제1캠과 제2캠 사이의 위상을 변화시키는 제어 장치가 캠 페이져(cam phaser)이다. 상기 캠샤프트-인-캠샤프트와 캠 페이져를 활용함으로써 연속적인 가변 밸브 타이밍(Continuous Variable Valve Timing; CVVT)이 구현될 수 있다. 캠 페이져에 의해 제1캠과 제2캠의 위상이 가변되는 캠샤프트-인-캠샤프트를 일반적으로 제어 캠샤프트라고 부른다.

흡기밸브 또는 배기밸브를 밸브 개폐 타이밍에 있어 진각 또는 지각(이하 가변이라 칭함) 시키기 위하여 캠 페이져를 가변하려는 캠축, 즉 제어 캠샤프트에 직접 장착하는 것이 일반적이다. 그러나, 엔진이 차량에 장착될 경우 레이아웃 구조에 의해 제어 캠샤프트에 직접 캠 페이져를 장착할 수 없는 경우가 발생한다. 이를 극복하기 위해서는 레이아웃을 제약하는 부품들에 대한 대폭적인 변경이 필요하게 되나, 그러한 변경은 엔진뿐만 아니라 차량의 전체 패키지까지 변경해야 하는 매우 큰 과제로서 신규 엔진 개발에 버금가는 것이다. 개조 엔진의 경우 상기 문제에 대응하는 것이 거의 불가능한 실정이다. 따라서, 캠 페이져의 구조 및 설치 위치 또는 방법의 변경이 요구되고 이에 관한 연구가 펼쳐지고 있다.

한편, 엔진 시동 오프 시 캠 페이져의 구조적 특성 및 관성으로 인해 일반적으로 상기 제어 캠샤프트는 지각된 상태로 멈추게 된다. 이에 따라 냉간 시동 시 스월(swirl)이 과다하게 발생하여 초기 엔진 연소가 불안정해지는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 캠 페이져의 구조 및 위치의 변경에 따른 여러 유형의 가변 밸브 타이밍 시스템에 있어서 시동성과 시동 초기 연소의 안정성을 확보할 수 있는 밸브 트레인 레이아웃 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 엔진 타이밍과 연동하는 체인 스프라켓에 연결되고 밸브 개폐 타이밍을 변화 시키지 않도록 된 비제어 캠샤프트와, 아우터 샤프트, 상기 아우터 샤프트에 고정되는 제1캠, 상기 아우터 샤프트에 회전 가능하게 삽입되는 이너 샤프트, 그리고 상기 이너 샤프트에 고정되는 제2캠을 포함하며 상기 제1캠 및 제2캠 사이의 위상을 변화시켜 상기 제1캠에 의하여 개폐되는 밸브와 상기 제2캠에 의하여 개폐되는 밸브 중 적어도 하나의 밸브 개폐 타이밍을 변화시키도록 된 제어 캠샤프트와, 서로 상대 회전 가능한 로우터와 스테이터를 포함하고 상기 로우터와 스테이터 중 어느 하나는 아우터 샤프트에 작동적으로 결합되며 상기 로우터와 스테이터 중 다른 하나는 이너 샤프트에 작동적으로 결합되어 상기 제1캠과 상기 제2캠 사이의 위상을 변화시키도록 된 캠 페이져를 포함하는 밸브 트레인 레이아웃 구조가 제공될 수 있다.

이 때, 엔진 시동 오프 시 상기 제1캠과 제2캠 사이의 위상을 미리 설정된 초기 위상으로 되돌리기 위한 복원력을 제공하는 리턴 스프링을 더 포함하는 밸브 트레인 레이아웃 구조가 제공될 수 있다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 상기 로우터는 엔진 타이밍으로 구동되고 상기 스테이터는 상기 로우터에 대하여 상대 회전이 가능하도록 되어 있을 수 있다. 또는 상기 스테이터가 엔진 타이밍으로 구동되고 상기 로우터는 상기 스테이터에 대하여 상대 회전이 가능하도록 되어 있을 수도 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 밸브 트레인 레이아웃 구조에서는 상기 아우터 샤프트의 일측부에는 제1피동 기어가 장착되고, 상기 이너 샤프트의 일측부에는 제2피동 기어가 장착되며, 상기 로우터에는 상기 제1,2피동 기어 중 하나와 기어 결합하는 제1구동 기어가 장착되고, 상기 스테이터에는 상기 제1,2피동 기어 중 다른 하나와 기어 결합하는 제2구동 기어가 장착될 수 있다.

이 때, 상기 로우터 또는 상기 스테이터 중 엔진 타이밍으로 구동되는 어느 하나는 상기 체인 스프라켓에 고정되고, 상기 제1구동 기어는 제2피동 기어에 기어 결합하며, 제2구동 기어는 제1피동 기어에 기어 결합할 수 있다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서, 상기 리턴 스프링은 서로 짝을 이루는 상기 제1구동 기어와 제2구동 기어 사이 공간 또는 서로 짝을 이루는 상기 제1피동 기어와 제2피동 기어 사이 공간에 설치되는 것을 특징으로 하는 밸브 트레인 레이아웃 구조가 제공될 수 있다. 이 때, 상기 리턴 스프링의 일단은 상기 제1구동 기어, 상기 제2구동 기어, 상기 제1피동 기어, 또는 상기 제2피동 기어 중 상대 회전이 가능하도록 되어 있는 어느 하나의 기어에 형성되는 제1지지부에 의해 지지되고, 타단은 서로 짝을 이루는 기어들 중 엔진 타이밍으로 구동되는 나머지 하나의 기어, 상기 비제어 캠샤프트, 또는 상기 아우터 샤프트 또는 상기 이너 샤프트 중 엔진 타이밍으로 구동되는 어느 하나에 형성되는 제2지지부에 의해 지지될 수 있다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서, 상기 제1지지부 및 상기 제2지지부는 홀, 돌기, 핀 또는 볼트 머리부인 것을 특징으로 할 수 있다.

위에 설명된 경우와는 달리, 본 발명의 다른 실시 예에서는 상기 로우터 또는 상기 스테이터 중 엔진 타이밍으로 구동되는 어느 하나는 상기 체인 스프라켓에 고정되고, 상기 제1구동 기어는 제1피동 기어에 기어 결합하며, 제2구동 기어는 제2피동 기어에 기어 결합하는 밸브 트레인 레이아웃 구조가 제공될 수 있다.

단, 이 경우에도 상기 리턴 스프링은 서로 짝을 이루는 상기 제1구동 기어와 제2구동 기어 사이 공간 또는 서로 짝을 이루는 상기 제1피동 기어와 제2피동 기어 사이 공간에 설치될 수 있는 점은 동일하다. 또한, 상기 리턴 스프링의 일단은 상기 제1구동 기어, 상기 제2구동 기어, 상기 제1피동 기어, 또는 상기 제2피동 기어 중 상대 회전이 가능하도록 되어 있는 어느 하나의 기어에 형성되는 제1지지부에 의해 지지되고, 타단은 서로 짝을 이루는 기어들 중 엔진 타이밍으로 구동되는 나머지 하나의 기어, 상기 비제어 캠샤프트, 또는 상기 아우터 샤프트 또는 상기 이너 샤프트 중 엔진 타이밍으로 구동되는 어느 하나에 형성되는 제2지지부에 의해 지지될 수 있는 점도 같다.

이 때, 상기 제1지지부 및 상기 제2지지부는 홀, 돌기, 핀 또는 볼트 머리부인 것을 특징으로 할 수 있다

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 차체 레이아웃 또는 엔진 룸 패키지 변경 등으로 인해 캠 페이져를 제어 캠샤프트에 직접 장착할 수 없는 경우에도 변경된 밸브 트레인 레이아웃 구조에 의해 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 엔진의 시동성과 시동 초기 연소의 안정성을 확보할 수 있다.

도1은 캠 페이져(cam phaser)의 구성도이다.
도2는 본 발명의 실시 예에 따른 제1 밸브 트레인 레이아웃 구조(아우터 샤프트 페이징)를 나타낸 도면이다.
도3은 본 발명의 실시 예에 따른 제2 밸브 트레인 레이아웃 구조(이너 샤프트 페이징)를 나타낸 도면이다.
도4는 리턴 스프링이 구동기어들 사이에 장착되는 일 실시 예를 나타낸 도면들이다.
도5는 리턴 스프링이 피동기어들 사이에 장착되는 일 실시 예를 나타낸 도면들이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이러한 실시 예는 본 발명에 따른 일 실시 예로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현할 수 있으므로, 본 발명의 권리범위는 이하에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다 할 것이다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 구성요소의 이름이 해당 구성요소의 기능을 한정하지 않는다.

도1은 캠 페이져(cam phaser)의 구성도이다.

캠 페이져(10, 도2 내지 도3 참조)는 일반적으로 로우터(15, 도2 내지 도3 참조), 스테이터(16, 도2 내지 도3 참조, 캠 페이져 하우징이라고 함), 그리고 베인(vane)을 포함하여 구성된다. 캠 페이져(10)에는 기어 또는 체인 스프라켓(11, sprocket)이 장착될 수 있다. 체인 스프라켓(11)은 엔진 크랭크축을 구동축으로 하는 체인에 맞물려 엔진 타이밍으로 동력을 전달한다.

캠 페이져(10)를 구성하는 로우터(15) 또는 스테이터(16) 중 어느 하나는 체인 스프라켓(11)에 고정되어 엔진 타이밍으로 구동되면서 로우터(15) 또는 스테이터(16) 중 다른 하나는 나머지 하나에 대해 상대 회전 가능하도록 구성된다. 유압식 제어 장치에 의해 오일이 공급됨으로써 또는 전기식 구동 제어 장치에 의해 로우터(15) 또는 스테이터(16)가 구동됨으로써 상기 상대 회전 운동이 발생된다. 로우터(15)와 스테이터(16) 중 어느 하나는 아우터 샤프트(20, 도2 내지 도3 참조)에 작동적으로 결합되며, 로우터(15)와 스테이터(16) 중 다른 하나는 이너 샤프트(25, 도2 내지 도3 참조)에 작동적으로 결합됨으로써 캠 페이져(10)는 제어 캠샤프트(2, 도2 내지 도5 참조, 캠샤프트-인-캠샤프트)와 작동적으로 연결될 수 있다. 이로써 제1캠(23, 도2,3 참조)과 제2캠(24, 도2,3 참조)의 상대 회전이 발생할 수 있고, 가변 밸브 타이밍이 실현된다.

도2는 본 발명의 실시 예에 따른 제1 밸브 트레인 레이아웃 구조(아우터 샤프트 페이징)를 나타낸 도면이다.

본 발명의 실시 예에 따른 제1 밸브 트레인 레이아웃 구조는 비제어 캠샤프트(1), 제어 캠샤프트(2), 캠 페이져(10), 그리고 체인 스프라켓(11)을 포함하여 구성된다.

상기 비제어 캠샤프트(1)는 엔진 타이밍과 연동하는 상기 체인 스프라켓(11)에 고정 연결되고 밸브 개폐 타이밍을 변화 시키지 않도록 고정 타이밍으로 작동된다.

상기 제어 캠샤프트(2)는 캠샤프트-인-캠샤프트이고, 아우터 샤프트(20), 상기 아우터 샤프트(20)에 고정되는 제1캠(23), 상기 아우터 샤프트(20)에 회전 가능하도록 삽입되는 이너 샤프트(25), 그리고 상기 이너 샤프트(25)에 고정되고 상기 아우터 샤프트(20) 상에서 회전 가능한 제2캠(24)을 포함하여 구성된다. 상기 제어 캠샤프트(2)는 상기 제1캠(23) 및 제2캠(24) 사이의 위상을 변화시켜 상기 제1캠(23)에 의해 개폐되는 밸브와 상기 제2캠(24)에 의해 개폐되는 밸브 중 적어도 하나의 밸브 개폐 타이밍을 변화시킬 수 있다.

상기 캠 페이져(10)는 로우터(15)와 스테이터(16)를 포함하여 구성된다. 상기 로우터(15)와 상기 스테이터(16)는 서로 상대 회전 가능하며 상기 로우터(15)와 스테이터(16) 중 어느 하나는 상기 아우터 샤프트(20)에 작동적으로 결합되며, 상기 로우터(15)와 스테이터(16) 중 다른 하나는 상기 이너 샤프트(25)에 작동적으로 결합된다.

도2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에서 상기 결합은 기어 결합에 의한 것이다. 즉, 상기 캠 페이져(10)는 상기 비제어 캠샤프트(1)와 고정 결합되고, 상기 로우터(15)에는 제1구동 기어(12)가 장착되며 상기 스테이터(16)에는 제2구동 기어(13)가 장착된다. 상기 로우터(15)와 상기 제1구동 기어(12)는 고정핀(30)에 의해 회전 방향으로 고정 결합되어 있음을 알 수 있다. 따라서 상기 로우터(15)와 상기 제1구동 기어(12)는 회전 방향으로 같은 위상을 갖게 된다. 상기 제1구동 기어(12)와 상기 제2구동 기어(13)는 각각 상기 이너 샤프트(25)의 일측부에 장착된 제2피동 기어(22)와 상기 아우터 샤프트(20)의 일측부에 장착된 제1피동 기어(21)에 기어 결합되어 있다. 이로써 상기 로우터(15)는 기어 결합에 의해 상기 이너 샤프트(25)와 작동적으로 결합되고, 상기 스테이터(16)는 기어 결합에 의해 상기 아우터 샤프트(20)와 작동적으로 결합된다.

상기 체인 스프라켓(11)은 캠 페이져 볼트(31)에 의해 상기 로우터(15), 상기 비제어 캠샤프트(1)에 고정 결합되며 체인 스프라켓 볼트(27)에 의해 상기 제1구동 기어(12)와 고정 결합된다. 상기 체인 스프라켓(11)은 체인에 의해 구동되며 엔진 타이밍과 연동된다. 따라서 상기 로우터(15), 상기 비제어 캠샤프트(1), 그리고 상기 제1구동 기어(12)는 엔진 타이밍으로 고정되어 구동된다.

이하, 도2를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 제1 밸브 트레인 레이아웃 구조가 상기 제어 캠샤프트(2)의 밸브 개폐 타이밍을 가변시키는 작동 원리를 설명한다.

상기 스테이터(16)는 상기 고정핀(30)에 의해 엔진 타이밍으로 연동되면서도 상기 로우터(15)에 대해 상대 회전 가능하도록 설치되어 있으므로 상기 캠 페이져 볼트(31)에 형성된 오일홀(32)을 통해 유입되는 오일의 압력에 의해 상기 로우터(15)에 대해 상대 회전하게 되고 이에 따라 상기 로우터(15)와 상기 스테이터(16) 간 위상 변화가 발생한다.

상기 로우터(15)는 상기 제1구동 기어(12) 및 상기 제2피동 기어(22)의 기어 결합에 의해 상기 이너 샤프트(25)와 작동적으로 결합되므로 상기 이너 샤프트(25)는 엔진 타이밍으로 고정되어 구동된다. 따라서, 상기 아우터 샤프트(20)가 상기 제2구동 기어(13) 및 상기 제1피동 기어(21)의 기어 결합에 의해 상기 스테이터(16)와 작동적으로 결합되고, 상기 스테이터(16)가 유압식 제어 장치에 의해 작동됨에 따라 상기 아우터 샤프트(20)의 위상이 변화됨으로써 상기 제어 캠샤프트(2)의 밸브 개폐 타이밍이 가변된다. 즉, 상기 밸브 타이밍 가변 방식은 아우터 샤프트(20)에 의한 페이징(phasing) 방식이다.

한편, 앞서 설명한 바와 같이 상기 로우터(15)가 상기 스테이터(16)에 대해 상대 회전 가능하도록 설치되는 또 다른 실시 예에서는, 상기 밸브 타이밍 가변 방식은 동일한 구조에서 이너 샤프트(25)에 의한 페이징 방식이 될 것임이 자명하므로 자세한 설명은 생략한다.

도3은 본 발명의 실시 예에 따른 제2 밸브 트레인 레이아웃 구조(이너 샤프트 페이징)를 나타낸 도면이다.

제2 밸브 트레인 레이아웃 구조에서 구성요소는 제1밸브 트레인 레이아웃 구조와 동일하다. 다만, 비제어 캠샤프트(1)의 일측부에 위치하는 제1구동 기어(12)와 제2구동 기어(13)의 순서가 뒤바뀌도록 캠 페이져(10) 및 기어가 구성되어 있다. 캠샤프트-인-캠샤프트의 특성 상 제어 캠샤프트(2)의 일측부에 장착되는 제1피동 기어(21)와 제2피동 기어(22)의 순서는 제1 밸브 트레인 레이아웃 구조에서와 동일하다.

이하, 도3을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 제2 밸브 트레인 레이아웃 구조가 제어 캠샤프트(2)의 밸브 개폐 타이밍을 가변시키는 작동 원리를 설명한다.

스테이터(16)는 고정핀(30)에 의해 엔진 타이밍으로 연동되면서도 로우터(15)에 대해 상대 회전 가능하도록 설치되어 있으므로 캠 페이져 볼트(31)에 형성된 오일홀(32)을 통해 유입되는 오일의 압력에 의해 상기 로우터(15)에 대해 상대 회전하게 되고 이에 따라 상기 로우터(15)와 상기 스테이터(16) 간 위상 변화가 발생한다. 다만, 상기 제1구동 기어(12)와 상기 제2구동 기어(13)의 순서만 역전되어 있다.

상기 로우터(15)는 상기 제1구동 기어(12) 및 상기 제1피동 기어(21)의 기어 결합에 의해 상기 아우터 샤프트(20)와 작동적으로 결합되므로 상기 아우터 샤프트(20)는 엔진 타이밍으로 고정되어 구동된다. 따라서, 상기 이너 샤프트(25)가 상기 제2구동 기어(13) 및 상기 제2피동 기어(22)의 기어 결합에 의해 상기 스테이터(16)와 작동적으로 결합되고, 상기 스테이터(16)가 유압식 제어 장치에 의해 작동됨에 따라 상기 이너 샤프트(25)의 위상이 변화됨으로써 상기 제어 캠샤프트(2)의 밸브 개폐 타이밍이 가변된다. 즉, 상기 밸브 타이밍 가변 방식은 이너 샤프트(25)에 의한 페이징(phasing) 방식이다.

한편, 앞서 설명한 바와 같이 상기 로우터(15)가 상기 스테이터(16)에 대해 상대 회전 가능하도록 설치되는 또 다른 실시 예에서는, 상기 밸브 타이밍 가변 방식은 동일한 구조에서 아우터 샤프트(20)에 의한 페이징 방식이 될 것임이 자명하므로 자세한 설명은 생략한다.

도4는 리턴 스프링이 구동기어들 사이에 장착되는 일 실시 예를 나타낸 도면들이다.

도5는 리턴 스프링이 피동기어들 사이에 장착되는 일 실시 예를 나타낸 도면들이다.

도4와 도5를 참조하여 본 발명의 다수의 실시 예에서 리턴 스프링(35)을 장착하는 방식을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 리턴 스프링(35)을 설치하는 이유는 엔진 시동 오프 시에는 상기 제어 캠샤프트(2)를 구성하는 상기 아우터 샤프트(20)와 상기 이너 샤프트(25)의 상대 위상이 지각되는 것이 거의 일반적이기 때문이다. 이는 시동 오프와 동시에 캠 페이져(10) 내의 유압이 신속히 빠져나가면서 회전 관성력이 역방향으로 작용하기 때문이다. 물론 상기 아우터 샤프트(20)와 상기 이너 샤프트(25)의 상대 위상이 진각되는 경우도 발생할 수 있다. 이는 결국 엔진 시동 오프 직전에 상기 제1캠(23)과 상기 제2캠(24)이 서로 진각 상태였는지 또는 지각 상태였는지 여부에 달려있다. 실제 주행 상황에서는 전자인 경우가 대부분이며, 따라서 일반적으로 시동이 오프되면 상기 제어 캠샤프트(2)는 위상이 지각된 상태에 있게 된다.

따라서 상기 리턴 스프링(35)은 지각되어 있는 상기 제어 캠샤프트(2)의 위상을 디폴트 상태로 진각시키기 위해 장착된다. 물론 엔진 시동 오프 시 위상이 진각되어 있는 경우에는 상기 리턴 스프링(35)은 위상을 디폴트 상태로 지각시키는 역할을 한다.

이 때, 상기 리턴 스프링(35)은 엔진 시동 오프에 의해 캠 페이져(10) 내에 유압 등의 작용이 없어지는 경우 상기 제1캠(23)과 상기 제2캠(24)의 상대 각위치(angular position)가 0도가 되도록 하는 회전 강성을 가지도록 설계될 수 있다. 이를 통해 상기 리턴 스프링(35)은 상기 제1캠(23)과 상기 제2캠(24)을 서로의 디폴트 위상인 0도로 되돌릴 수 있는 복원력을 가진다. 또는 디폴트 위상이 +10도, +20도, -10도, 또는 -20도 등이 되도록 임의로 설정될 수도 있다. 위상의 부호가 +인 경우는 진각 상태, -인 경우는 지각 상태를 나타낸다. 따라서 본 발명의 실시 예에 따른 리턴 스프링(35)은 설계자가 원하는 미리 설정된 초기 위상으로 상기 제1캠(23)과 상기 제2캠(24)을 복원시킬 수 있도록 하는 임의의 회전 강성을 보유할 수 있다.

상기 리턴 스프링(35)의 장착 방법은 도4에서 보는 바와 같이 구동기어들 사이에 위치시키는 방법(점선 박스 부분)과 도5에서 보는 바와 같이 피동기어들 사이에 위치시키는 방법(점선 박스 부분)이 있다. 이들 방법을 활용하면 체인 스프라켓(11) 제작 공법의 변경이나 별도의 필요 공간의 추가 없이도 기존 공간만을 이용하여 상기 리턴 스프링(35)을 장착할 수 있다.

도4와 도5의 상단 그림은 도3의 제2 밸브 트레인 레이아웃 구조 중 제1,2구동 기어(12, 13)와 제1,2피동 기어(21, 22)의 연결에 의해 상기 로우터(15)와 상기 아우터 샤프트(20)가 작동적으로 결합하고, 상기 스테이터(16)와 상기 이너 샤프트(25)가 작동적으로 결합한 모습을 보여주고 있다. 도4에 의한 실시 예에서는 상기 로우터(15)가 엔진 타이밍으로 고정되어 구동되는 것을 상정하고 있으므로 상기 스테이터(16)에 의해 이너 샤프트 페이징이 구현되는 모습이다.

도4의 하단 그림들을 참조하면, 상기 리턴 스프링(35)은 그 일단이 제1지지부(36)에 의해 지지되고 그 타단은 제2지지부(37)에 의해 지지된다. 도4의 하단 좌측에는 상기 제1구동 기어(12)가 도시되고 내부에 설치된 상기 리턴 스프링(35)은 점선으로 표시되었으며, 도4의 하단 우측에는 상기 제1구동 기어(12)가 도시되지 않고 상기 리턴 스프링(35)이 실선으로 표시되었다. 상기 제1지지부(36)는 상기 제2구동 기어(13)에 형성된 홀, 돌기, 압입된 핀 또는 볼트 머리부일 수 있으며 도4에 의한 실시 예에서는 머리부가 형성된 돌기, 압입 핀 또는 볼트인 경우이다. 상기 제2지지부(37)는 상기 제1구동 기어(12)와 상기 제2구동 기어(13)의 사이 공간에 위치하고 상기 비제어 캠샤프트(1) 상에 형성되는 홀, 돌기, 압입된 핀 또는 볼트 머리부일 수 있으며 도4에 의한 실시 예에서는 홀인 경우이다.

또는 상기 제1지지부(36)가 상기 제2구동 기어(13)에 형성된 것과 같이 상기 제2지지부(37)도 상기 제1구동 기어(12)에 형성될 수도 있다. 즉, 상기 리턴 스프링(35)의 양단은 마주하고 있는 제2구동 기어 및 제1구동 기어에 각각 형성되는 두 개의 홀들, 머리부를 가지는 돌기들, 두 개의 압입 핀들 또는 두 개의 볼트들에 각각 장착될 수 있다.

상기 제1지지부(36)와 상기 제2지지부(37)는 도4의 실시 예에 한정되지 않는다. 일반적으로 상기 제1지지부(36)는 엔진 타이밍으로 고정되지 않고 위상 가변 타이밍으로 구동되는 구조체에 형성될 수 있다. 반대로 상기 제2지지부(37)는 엔진 타이밍으로 고정되어 구동되는 구조체에 형성될 수 있다. 예를 들어 구동 기어들 중에서 위상 가변 타이밍으로 구동되는 구동 기어에는 제1지지부(36)가 형성되고 구동 기어들 중 엔진 타이밍으로 고정되어 구동되는 나머지 하나의 구동 기어에는 제2지지부(37)가 형성될 수 있다. 또한, 제2지지부(37)는 나머지 하나의 고정 타이밍 구동 기어가 아니라 도4의 실시 예의 경우와 같이 고정 타이밍으로 구동되는 비제어 캠샤프트(1) 상에 형성될 수도 있다.

도5의 하단 그림들을 참조하면, 상기 리턴 스프링(35)은 이 경우에도 그 일단이 제1지지부(36)에 의해 지지되고 그 타단은 제2지지부(37)에 의해 지지된다. 도5의 하단 좌측에는 상기 제1피동 기어(21)가 도시되고 내부에 설치된 상기 리턴 스프링(35)은 점선으로 표시되었으며, 도5의 하단 우측에는 상기 제1피동 기어(21)가 도시되지 않고 상기 리턴 스프링(35)이 실선으로 표시되었다. 상기 제1지지부(36)는 가변 타이밍으로 구동되는 상기 제2피동 기어(22)에 형성된 홀, 돌기, 압입된 핀 또는 볼트 머리부일 수 있으며 도5에 의한 실시 예에서는 머리부가 형성된 돌기, 압입 핀 또는 볼트인 경우이다. 상기 제2지지부(37)는 상기 제1피동 기어(21)와 상기 제2피동 기어(22)의 사이 공간에 위치하고 상기 제어 캠샤프트(2) 중 고정 타이밍으로 구동되는 아우터 샤프트(20) 상에 형성되는 홀, 돌기, 압입된 핀 또는 볼트 머리부일 수 있으며 도5에 의한 실시 예에서는 홀인 경우이다.

또는 상기 제1지지부(36)가 상기 제2피동 기어(22)에 형성된 것과 같이 상기 제2지지부(37)도 상기 제1피동 기어(21)에 형성될 수도 있다. 즉, 상기 리턴 스프링(35)의 양단은 마주하고 있는 제2피동 기어 및 제1피동 기어에 각각 형성되는 두 개의 홀들, 머리부를 가지는 돌기들, 두 개의 압입 핀들 또는 두 개의 볼트들에 각각 장착될 수 있다.

상기 제1지지부(36)와 상기 제2지지부(37)는 도5의 실시 예에 한정되지 않는다. 일반적으로 상기 제1지지부(36)는 엔진 타이밍으로 고정되지 않고 위상 가변 타이밍으로 구동되는 구조체에 형성될 수 있다. 반대로 상기 제2지지부(37)는 엔진 타이밍으로 고정되어 구동되는 구조체에 형성될 수 있다. 예를 들어 피동 기어들 중에서 위상 가변 타이밍으로 구동되는 피동 기어에는 제1지지부(36)가 형성되고 피동 기어들 중 엔진 타이밍으로 고정되어 구동되는 나머지 하나의 피동 기어에는 제2지지부(37)가 형성될 수 있다. 또한, 제2지지부(37)는 나머지 하나의 고정 타이밍 피동 기어가 아니라 고정 타이밍으로 구동되는 상기 제어 캠샤프트(2), 즉 도5의 실시 예의 경우와 같이 상기 아우터 샤프트(20) 상에 형성될 수도 있다.

도4 및 도5에서 가이드핀(38)은 상기 리턴 스프링(35)이 반경 방향으로 불필요한 간섭을 받지 않도록 하는 역할을 담당한다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

1: 비제어 캠샤프트 2: 제어 캠샤프트
10: 캠 페이져(cam phaser) 11: 체인 스프라켓
12: 제1구동 기어 13: 제2구동 기어
15: 로우터 16: 스테이터
20: 아우터 샤프트 21: 제1피동 기어
22: 제2피동 기어 23: 제1캠
24: 제2캠 25: 이너 샤프트
26: 비제어캠 27: 체인 스프라켓 볼트
30: 고정핀 31: 캠 페이져 볼트
32: 오일홀 35: 리턴 스프링
36: 제1지지부 37: 제2지지부

Claims

체인 스프라켓이 일측부에 고정 장착됨으로써 엔진 타이밍으로만 회전하는 비제어 캠샤프트;
아우터 샤프트, 상기 아우터 샤프트에 고정되는 제1캠, 상기 아우터 샤프트에 회전 가능하게 삽입되는 이너 샤프트, 그리고 상기 이너 샤프트에 고정되는 제2캠을 포함하며, 상기 제1캠에 의하여 개폐되는 밸브와 상기 제2캠에 의하여 개폐되는 밸브 중 적어도 하나의 밸브 개폐 타이밍을 변화시키도록 된 제어 캠샤프트; 그리고
서로 상대 회전 가능한 로우터와 스테이터를 포함하고, 상기 로우터와 스테이터 중 어느 하나는 상기 아우터 샤프트에 작동적으로 결합되며, 상기 로우터와 스테이터 중 다른 하나는 상기 이너 샤프트에 작동적으로 결합되어 상기 제1캠과 상기 제2캠 사이의 위상을 변화시키도록 된 캠 페이져;
를 포함하며,
상기 캠 페이져는 상기 비제어 캠샤프트에 장착되고,
상기 아우터 샤프트와 상기 이너 샤프트 중 어느 하나는 상기 캠 페이져와의 기어 결합에 의해 엔진 타이밍으로 기본 구동되고, 나머지 하나는 상기 로우터와 상기 스테이터의 상대 회전에 의해 상기 어느 하나와 위상이 달라지도록, 상기 아우터 샤프트, 상기 이너 샤프트, 상기 로우터, 그리고 상기 스테이터 각각에 기어가 장착되는 것을 특징으로 하는 밸브 트레인 레이아웃 구조.
제1항에 있어서,
엔진 시동 오프 시 상기 제1캠과 제2캠 사이의 위상을 미리 설정된 초기 위상으로 되돌리기 위한 복원력을 제공하는 리턴 스프링을 더 포함하는 벨브 트레인 레이아웃 구조.
제1항에 있어서,
상기 로우터는 엔진 타이밍으로 구동되고 상기 스테이터는 상기 로우터에 대하여 상대 회전이 가능하도록 되어 있는 밸브 트레인 레이아웃 구조.
제1항에 있어서,
상기 스테이터는 엔진 타이밍으로 구동되고 상기 로우터는 상기 스테이터에 대하여 상대 회전이 가능하도록 되어 있는 밸브 트레인 레이아웃 구조.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 아우터 샤프트의 일측부에는 제1피동 기어가 장착되고, 상기 이너 샤프트의 일측부에는 제2피동 기어가 장착되며,
상기 로우터에는 상기 제1,2피동 기어 중 하나와 기어 결합하는 제1구동 기어가 장착되고, 상기 스테이터에는 상기 제1,2피동 기어 중 다른 하나와 기어 결합하는 제2구동 기어가 장착된 것을 특징으로 하는 밸브 트레인 레이아웃 구조.
제5항에 있어서,
상기 로우터 또는 상기 스테이터 중 엔진 타이밍으로 구동되는 어느 하나는 상기 체인 스프라켓에 고정되고, 상기 제1구동 기어는 상기 제2피동 기어에 기어 결합하며, 상기 제2구동 기어는 상기 제1피동 기어에 기어 결합하는 것을 특징으로 하는 밸브 트레인 레이아웃 구조.
제6항에 있어서,
엔진 시동 오프 시 상기 제1캠과 제2캠 사이의 위상을 미리 설정된 초기 위상으로 되돌리기 위한 복원력을 제공하는 리턴 스프링을 더 포함하고,
상기 리턴 스프링은 서로 짝을 이루는 상기 제1구동 기어와 제2구동 기어 사이 공간 또는 서로 짝을 이루는 상기 제1피동 기어와 제2피동 기어 사이 공간에 설치되는 것을 특징으로 하는 밸브 트레인 레이아웃 구조.
제7항에 있어서,
상기 리턴 스프링의 일단은 상기 제1구동 기어, 상기 제2구동 기어, 상기 제1피동 기어, 또는 상기 제2피동 기어 중 상대 회전이 가능하도록 되어 있는 어느 하나의 기어에 형성되는 제1지지부에 의해 지지되고, 타단은 서로 짝을 이루는 기어들 중 엔진 타이밍으로 구동되는 나머지 하나의 기어, 상기 비제어 캠샤프트, 또는 상기 아우터 샤프트 또는 상기 이너 샤프트 중 엔진 타이밍으로 구동되는 어느 하나에 형성되는 제2지지부에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 밸브 트레인 레이아웃 구조.
제8항에 있어서,
상기 제1지지부 및 상기 제2지지부는 홀, 돌기, 핀 또는 볼트 머리부인 것을 특징으로 하는 밸브 트레인 레이아웃 구조.
제5항에 있어서,
상기 로우터 또는 상기 스테이터 중 엔진 타이밍으로 구동되는 어느 하나는 상기 체인 스프라켓에 고정되고, 상기 제1구동 기어는 상기 제1피동 기어에 기어 결합하며, 상기 제2구동 기어는 상기 제2피동 기어에 기어 결합하는 것을 특징으로 하는 밸브 트레인 레이아웃 구조.
제10항에 있어서,
엔진 시동 오프 시 상기 제1캠과 제2캠 사이의 위상을 미리 설정된 초기 위상으로 되돌리기 위한 복원력을 제공하는 리턴 스프링을 더 포함하고
상기 리턴 스프링은 서로 짝을 이루는 상기 제1구동 기어와 제2구동 기어 사이 공간 또는 서로 짝을 이루는 상기 제1피동 기어와 제2피동 기어 사이 공간에 설치되는 것을 특징으로 하는 밸브 트레인 레이아웃 구조.
제11항에 있어서,
상기 리턴 스프링의 일단은 상기 제1구동 기어, 상기 제2구동 기어, 상기 제1피동 기어, 또는 상기 제2피동 기어 중 상대 회전이 가능하도록 되어 있는 어느 하나의 기어에 형성되는 제1지지부에 의해 지지되고, 타단은 서로 짝을 이루는 기어들 중 엔진 타이밍으로 구동되는 나머지 하나의 기어, 상기 비제어 캠샤프트, 또는 상기 아우터 샤프트 또는 상기 이너 샤프트 중 엔진 타이밍으로 구동되는 어느 하나에 형성되는 제2지지부에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 밸브 트레인 레이아웃 구조.
제12항에 있어서,
상기 제1지지부 및 상기 제2지지부는 홀, 돌기, 핀 또는 볼트 머리부인 것을 특징으로 하는 밸브 트레인 레이아웃 구조.