가변 밸브 타이밍
Variable valve timing
내연기관에서 가변 밸브 타이밍(VVT)은 밸브 리프트 사건의 타이밍을 변경하는 과정으로, 성능, 연비 또는 배기가스 개선에 자주 사용된다. 가변 밸브 리프트 시스템과 결합하여 점점 더 많이 사용되고 있다. 이를 달성할 수 있는 방법에는 기계장치부터 전기유압 및 캠리스 시스템에 이르기까지 여러 가지가 있다. 점점 더 엄격한 배출가스 규제로 인해[citation needed] 많은 자동차 회사들이 VVT 시스템을 사용하고 있다.
2행정 엔진은 VVT와 유사한 결과를 얻기 위해 파워 밸브 시스템을 사용한다.
배경 이론
내연기관 내 밸브는 연소실로 유입되고 배출되는 가스의 흐름을 제어하는 데 사용된다. 이러한 밸브 이벤트의 타이밍, 지속시간 및 리프트는 엔진 성능에 상당한 영향을 미친다. 가변 밸브 타이밍 또는 가변 밸브 리프트가 없는 경우, 밸브 타이밍은 모든 엔진 속도 및 조건에서 동일하므로 절충이 필요하다.[1] 가변 밸브 타이밍 작동 시스템이 장착된 엔진은 이 제약조건에서 벗어나 엔진 작동 범위에 걸쳐 성능이 개선될 수 있다.
피스톤 엔진은 일반적으로 캠축에 의해 구동되는 밸브를 사용한다. 캠은 각 흡기 및 배기 사이클 동안 일정 시간(기간) 동안 밸브를 연다(리프트). 크랭크축의 위치에 비례하는 밸브 개폐 타이밍이 중요하다. 캠축은 타이밍 벨트, 기어 또는 체인을 통해 크랭크축에 의해 구동된다.
엔진은 고속으로 작동할 때 많은 양의 공기를 필요로 한다. 그러나 각 연소실에 충분한 공기가 들어오기 전에 흡기 밸브가 닫힐 수 있으므로 성능이 저하된다. 반면에 캠샤프트가 레이싱 캠과 마찬가지로 밸브를 장시간 개방 상태로 유지하면 낮은 엔진 속도에서 문제가 발생하기 시작한다. 배기 밸브가 여전히 열려 있는 상태에서 흡기 밸브를 열면 연소되지 않은 연료가 엔진에서 빠져나와 엔진 성능이 저하되고 배기 가스 배출량이 증가할 수 있다. 엔지니어 데이비드 비저드의 저서 '빌딩 마력'에 따르면 두 흡기와 배기가스가 동시에 열리면 훨씬 높은 압력의 배기가스가 실린더 밖으로 흡입 전하를 밀어내 배기가스로 흡기다기관을 오염시킨다.
연속 대 이산형
초기 가변 밸브 타이밍 시스템은 이산(스텝) 조정을 사용했다. 예를 들어, 한 타이밍은 3500rpm 이하에서, 다른 타이밍은 3500rpm 이상에서 사용된다.
보다 진보된 "연속 가변 밸브 타이밍" 시스템은 밸브 타이밍의 연속적인 (무한한) 조정을 제공한다. 따라서 타이밍은 모든 엔진 속도와 조건에 적합하도록 최적화될 수 있다.[1][2]
캠 페이징 대 가변 지속 시간
VVT의 가장 간단한 형태는 캠 페이징으로 캠축의 위상 각도가 크랭크축에 비례하여 앞이나 뒤로 회전한다. 따라서 밸브는 더 일찍 또는 이후에 열리고 닫히지만 캠 페이싱 시스템만으로 캠축 리프트와 지속시간을 변경할 수 없다.
VVT 시스템에서 가변 지속 시간을 달성하려면 다중 캠 프로필이나 진동 캠과 같은 복잡한 시스템이 필요하다.
타이밍 조정의 일반적인 효과
LIVC(후기 흡기 밸브 닫힘) 연속 가변 밸브 타이밍의 첫 번째 변동은 기존 엔진보다 흡기 밸브를 약간 더 길게 열어놓는 것을 포함한다. 그 결과 피스톤은 압축 행정 중에 실제로 실린더에서 공기를 밖으로 밀어내고 흡기 매니폴드로 다시 밀어 넣게 된다. 배출되는 공기는 다지관을 더 높은 압력으로 채우고, 이후 흡입할 때 흡입되는 공기는 더 높은 압력에 있다. 후기 흡입 밸브 폐쇄는 부분 부하 조건에서 펌핑 손실을 40% 감소시키고, 질소산화물(NOx) 배출량을 24% 감소시키는 것으로 나타났다. 피크 엔진 토크는 1% 감소에 그쳤고, 탄화수소 배출량은 변동이 없었다.[2]
조기 흡기 밸브 폐쇄(EIVC) 낮은 엔진 속도와 관련된 펌핑 손실을 줄이는 또 다른 방법, 높은 진공 상태는 흡기 밸브를 정상보다 일찍 닫는 것이다. 이것은 흡입 행정의 중간에 있는 흡입 밸브를 닫는 것을 포함한다. 저부하 조건에서 공기/연료 수요는 매우 낮고 실린더 충전에 필요한 작업은 상대적으로 높기 때문에 조기 흡기 밸브 폐쇄는 펌핑 손실을 크게 줄인다.[2] 조기 흡기 밸브 폐쇄는 펌핑 손실을 40% 감소시키고 연비를 7% 증가시킨다는 연구 결과가 나왔다. 부분 부하 조건에서 질소산화물 배출량도 24% 줄였다. 조기 흡기 밸브 폐쇄의 가능한 단점은 연소실 온도를 크게 낮춰 탄화수소 배출량을 증가시킬 수 있다는 점이다.[2]
조기 흡기 밸브 개방 조기 흡기 밸브 개방은 배기 가스를 감소시킬 수 있는 상당한 잠재력을 지닌 또 다른 변화다. 전통적인 엔진에서, 밸브 오버랩이라고 불리는 공정이 실린더 온도를 조절하는데 도움을 주기 위해 사용된다. 흡기 밸브를 조기에 열면 일부 불활성/결합 배기 가스가 흡기 밸브를 통해 실린더 밖으로 역류하여 흡기 매니폴드에서 순간적으로 냉각된다. 이 불활성 가스는 이후 흡입 행정에서 실린더를 채우며, 이는 실린더와 질소산화물 배출의 온도를 조절하는 데 도움이 된다. 또한 배기 스트로크에서 배출되는 배기 가스가 적기 때문에 체적 효율도 향상된다.[2]
조기/후기 배기 밸브 닫기 조기 및 후기 배기 밸브 닫기 타이밍을 조정하여 배기 가스 배출량을 줄일 수 있다. 전통적으로 배기 밸브가 열리고, 배기 가스가 실린더 밖으로 밀려나 피스톤에 의해 배기 매니폴드로 들어가 위로 이동한다. 엔지니어는 배기 밸브의 타이밍을 조작해 실린더에 남아 있는 배기 가스의 양을 제어할 수 있다. 배기 밸브를 약간 더 길게 열면 실린더를 더 비우고 흡입 행정에서 더 큰 공기/연료 충전량을 채울 준비가 된다. 밸브를 약간 일찍 닫으면 실린더에 더 많은 배기 가스가 남아 연비를 높인다. 이를 통해 모든 조건에서 보다 효율적인 운영을 할 수 있다.
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과제들
이 기술이 생산 자동차에서 광범위하게 사용되는 것을 막는 주된 요인은 엔진 내부의 조건에서 밸브 타이밍을 제어하는 비용 효율적인 수단을 생산하는 능력이다.[citation needed] 분당 3000회전으로 작동하는 엔진은 캠축을 초당 25회 회전시키므로 밸브 타이밍 이벤트는 성능상의 이점을 제공하기 위해 정확한 시간에 발생해야 한다. 전자기 및 공압 캠리스 밸브 액추에이터는 정밀 밸브 타이밍의 최대 제어를 제공하지만, 2016년에는 생산 차량에 비용 효율적이지 않다.
역사
증기기관
가변 밸브 개방 기간 방법에 대한 검색 기록은 밸브 개방 기간을 "스팀 컷오프"라고 불렀던 증기 엔진 시대로 거슬러 올라간다. 초기 증기 기관차에 사용되는 스티븐슨 밸브 기어는 가변 컷오프를 지지했다. 즉, 동력 행정 중 실린더로의 증기 입력이 차단되는 시간으로 변화한다.
가변 컷오프 결합형 입구 컷오프 변동에 대한 초기 접근방식과 배기 컷오프 변화. 코리스 밸브의 개발로 입구와 배기가스 컷오프가 분리되었다. 이러한 엔진은 정속 가변 부하 정지 엔진에 널리 사용되었으며, 승인 컷오프가 있고, 따라서 토크가 원심 도관과 트립 밸브에 의해 기계적으로 제어된다.
포핏 밸브가 사용되면서 캠축을 이용한 간이 밸브 기어가 사용됐다. 이러한 엔진에서는 주지사가 캠축을 따라 이동한 가변 프로필 캠으로 가변 컷오프를 달성할 수 있었다.[3] Serpollet 증기차는 매우 뜨거운 고압 증기를 생산하여 포핏 밸브를 필요로 했고, 이는 특허받은 슬라이딩 캠축 메커니즘을 사용했는데, 이 메커니즘은 흡기 밸브 컷오프를 변화시켰을 뿐만 아니라 엔진을 역전시킬 수 있었다.[4]
항공기
1910년대의 초기 실험 200 hp Clerget V-8은 슬라이딩 캠축으로 밸브 타이밍을[citation needed] 변경했다. 1920년대 초의 브리스톨 목성 방사형 엔진의 일부 버전에는 가변 밸브 타이밍 기어가 포함되었는데, 주로 높은 압축 비율과 관련하여 흡기 밸브 타이밍을 변화시켰다.[5] 리커밍 R-7755 엔진은 조종사가 선택할 수 있는 2개의 캠으로 구성된 가변 밸브 타이밍 시스템을 갖추고 있었다. 하나는 이륙, 추격, 탈출용이고 다른 하나는 경제적인 순항용이다.
자동차
엔진의 회전 속도에 맞춰 밸브 개방 지속시간을 변경할 수 있다는 만족도는 일반적으로 최대 허용 RPM 한계가 상승하기 시작한 1920년대에 처음으로 명백해졌다. 이 무렵까지는 엔진의 공회전 RPM과 작동 RPM이 매우 유사했는데, 이는 가변 밸브 지속 시간이 거의 필요하지 않다는 것을 의미한다. 가변 밸브 타이밍의 최초 사용은 앨런슨 파트리지 브러시 특허 "INLET VALVE GUARE FOR INTERNATION INS"가 1903년 8월 3일에 출원하여 1904년 8월 16일에 허가한 1903 CADillac Runabout and Tonneau에 관한 것이었다.[6] 1919년 이전, 보크홀의 수석 디자이너인 로렌스 포머로이는 H-Type이라고 불릴 기존 30-98 모델의 대체용으로 4.4 L 엔진을 설계했다.[7] 이 엔진에서 단일 오버헤드 캠축은 다른 캠축 로브가 결합될 수 있도록 종방향으로 이동해야 한다. 가변 지속 밸브 개방에 대한 첫 번째 특허가 등장하기 시작한 것은 1920년대였습니다. 예를 들어 미국의 특허권인 152만7,456이 그것이다.
1958년 포르쉐는 독일특허를 출원했고, 1959년 영국특허 GB861369로 출원, 출판되기도 했다. 포르쉐 특허는 밸브 리프트와 지속시간을 늘리기 위해 진동 캠을 사용했다. 편심 축 또는 스플래시 플레이트에서 푸시/풀 로드를 통해 구동되는 탈모드 캠 작동하는 시제품이 만들어졌는지는 알려지지 않았다.
Fiat는 가변 리프트가 포함된 기능성 자동차 가변 밸브 타이밍 시스템에 특허를 낸 최초의 자동차 제조사였다. 1960년대 후반 Giovanni Torazza에 의해 개발된 이 시스템은 유압을 사용하여 캠 팔로워의 범위를 변화시켰다(미국 특허 3,641,988).[8] 엔진 속도와 흡기 압력에 따라 유압이 변화했다. 대표적인 오프닝 변동은 37%이다.
알파 로미오는 생산차(미국 특허 4,231,330)에 가변 밸브 타이밍 시스템을 사용한 최초의 제조사였다.[9] 1980년형 알파 로미오 스파이더 2000의 연료 주입 모델은 기계식 VVT 시스템을 갖추고 있었다. 이 시스템은 1970년대에 잉그 지암파올로 가르체아에 의해 설계되었다.[10] 1983년 이후의 모든 알파 로미오 스파이더 모델은 전자 VVT를 사용했다.[11]
1989년에 Honda는 VTEC 시스템을 출시했다.[12] 이전 닛산 NVCS는 캠축의 페이징을 변경하는 반면, VTEC는 피크 출력을 개선하기 위해 높은 엔진 속도에서 별도의 캠 프로필로 전환한다. 혼다가 처음 생산한 VTEC 엔진은 일본과 유럽에서 사용 가능한 Integra, CRX, Civil 해치백에 설치된 B16A이다.[citation needed]
1992년 포르쉐는 VarioCam을 처음 도입하였는데, 이 시스템은 연속적인 조정을 제공하는 최초의 시스템이었다(기존의 모든 시스템은 이산 조정을 사용했다). 이 시스템은 포르쉐 968에서 출시되었고 흡기 밸브에서만 작동되었다.
오토바이
가변 밸브 타이밍은 모터사이클 엔진에 적용됐지만, 시스템의 무게 때문에 2004년 말까지는 쓸모없는 "기술 쇼피스"로 여겨졌다.[13] 이후 VVT 등 오토바이에는 가와사키 1400GTR/콘쿠르 14(2007년), 두카티 멀티스트라다 1200(2015년), BMW R1250GS(2019년), 야마하 YZF-R15 V3.0(2017년), 스즈키 GSX-R1000R 2017 L7 등이 포함됐다.
마린
가변 밸브 타이밍이 해양 엔진으로 흘러가기 시작했다. Volvo Penta의 VVT 해양 엔진은 ECM에 의해 제어되는 캠 페이저를 사용하여 캠축 타이밍의 전진 또는 지연을 지속적으로 변화시킨다. [14]
디젤
캐터필러는 2002년 EPA 요건 이후 EGR 사용을 피하기 위해 VVT 기술을 사용해 NOx 배출량을 줄이는 C13 및 C15 Acert 엔진을 개발했다.[15][16]
미쓰비시는 2010년 가변 밸브 타이밍 시스템을 탑재한 세계 최초의 승용차 디젤 엔진인 4N13 1.8 L DOHC I4를 개발해 양산을 시작했다.[17][18]
자동차명칭
제조업체는 다양한 유형의 가변 밸브 타이밍 시스템의 구현을 설명하기 위해 많은 다른 이름을 사용한다. 이러한 이름에는 다음이 포함된다.
- AVCS(Subaru)
- AVLS(스바루)
- CPS(프로턴)
- CVTCS(닛산, 인피니티)
- CVVT(현대자동차, 기아차 개발)가 있지만, 질리, 이란 호드로, 볼보에도 설립할 수 있다.
- DCVCP - 듀얼 연속 가변 캠 페이싱(General Motors)
- DVT(Desmodromic variable timing, Ducati)
- DVVT(다이하쓰, 페로두아, 우링)
- FSI, TFSI, TSI, SI(Volkswagen Group)
- MIVEC (미쓰비시)
- 멀티에어(FCA)
- VCT(포드)
- N-VCT(닛산)
- S-VT(마즈다)
- Ti-VCT(포드)
- VANOS - VAriable NOckenwellenSteuerung '캠축 타이밍' 밸브트로닉(BMW) 미포함
- VCT(Variatore di fase Alfa Romeo)상변동기 Alfa Romeo는 시리즈 생산차(ALFA ROMO 스파이더 듀엣 to 1980)에 최초로 사용된 알파 로미오가 설계한 밸브 타이밍 변이 시스템이다.
- 바리오캠(포르쉐)
- VTEC, i-VTEC(혼다, 아쿠라)
- VTi, (시트로엔, 푸조, BMW 그룹)
- VVC(MG Rover)
- VVL(닛산)
- 발레리프트 (아우디)
- VVA (야마하)
- VVEL(닛산, 인피니티)
- VVT(크라이슬러, 제너럴 모터스, 프로토, 스즈키, 마루티, 이수즈, 폭스바겐 그룹, 도요타)
- VVT-i, VVTL-i(토요타, 렉서스)
- VTVT(현대)
가변 밸브 제어(VVC) 구현 방법
캠 스위칭
이 방법은 두 개의 캠 프로파일을 사용하며, (일반적으로 특정 엔진 속도에서) 프로파일 간에 교환할 액추에이터가 있다. 캠 스위칭은 가변 밸브 리프트와 가변 지속시간을 제공할 수 있지만, 조정은 연속이 아니라 이산이다.
이 시스템의 첫 번째 생산 용도는 혼다의 VTEC 시스템이었다. VTEC는 유압을 변경하여 높은 리프트, 높은 지속 시간 로커 암을 인접한 낮은 리프트, 낮은 지속 시간 로커 암에 잠그는 핀을 작동시킨다.
캠 페이징
많은 생산 VVT 시스템은 가변 장치라고 알려진 장치를 사용하는 캠 페이징 유형이다. 이를 통해 캠 타이밍을 지속적으로 조정할 수 있지만(많은 초기 시스템은 이산 조정만 사용했지만), 지속시간과 리프트는 조정할 수 없다.
진동 캠
이러한 설계는 파트의 캠 로브에서 진동 또는 흔드는 동작을 사용하며,[clarification needed] 이는 추종자에게 작용한다. 이 팔로워는 밸브를 열고 닫는다. 일부 진동 캠 시스템은 기존의 캠 로브를 사용하는 반면, 다른 시스템은 편심 캠 로브와 연결봉을 사용한다. 원리는 증기 기관과 유사하며, 원통으로 유입되는 증기의 양이 증기 "차단" 지점에 의해 조절되었다.
이 설계의 장점은 리프트와 지속시간의 조정이 연속적이라는 것이다. 그러나 이러한 시스템에서는 리프트가 지속시간에 비례하므로 리프트와 지속시간을 별도로 조정할 수 없다.
BMW(밸브트로닉),[19] 닛산(VVEL), 토요타(밸브매틱스) 진동 캠 시스템은 흡기 밸브에만 작용한다.
편심 캠 구동
편심 캠 구동 시스템은 편심 디스크 메커니즘을 통해 작동하며, 편심 디스크 메커니즘은 회전하는 동안 캠 로브의 각 속도를 늦추고 속도를 높인다. 개방 기간 동안 로브를 느리게 배열하는 것은 지속시간을 연장하는 것과 같다.
이 시스템의 장점은 지속시간을 리프트와[20] 독립적으로 변경할 수 있다는 것이다(그러나 이 시스템은 리프트를 변경하지 않는다). 단점은 각 실린더(흡기 밸브용 및 배기 밸브용 1개)에 대해 2개의 편심 드라이브와 컨트롤러가 필요한데, 이는 복잡성과 비용을 증가시킨다.
이 시스템을 이용해 엔진을 출시한 제조사는 MG로버가 유일하다.[citation needed]
입체 캠 로브
이[21] 시스템은 길이(콘 모양과 유사하게)에 따라 달라지는 캠 로브로 구성된다. 캠 로브의 한쪽 끝은 짧은 지속시간/낮은 리프트 프로필을 가지며, 다른 쪽 끝은 더 긴 지속시간/더 큰 리프트 프로필을 가진다. 그 사이에, 로브는 이 두 프로파일 사이에서 순조로운 전환을 제공한다. 팔로워와 접촉하는 캠 로브의 영역을 이동함으로써 리프트와 지속시간을 지속적으로 변경할 수 있다. 이는 캠샤프트를 축방향으로 움직여서(엔진 전체에 걸쳐 미끄러짐) 고정 추종자가 다양한 로브 프로파일에 노출되어 서로 다른 양의 리프트와 지속시간을 생성함으로써 달성된다. 이 배치의 단점은 캠과 추종자 프로파일이 접촉 응력을 최소화하도록 신중하게 설계되어야 한다는 것이다.
페라리는 일반적으로 이 시스템과 연관되어 있지만,[22][23] 현재까지 어떤 생산 모델이 이 시스템을 사용했는지는 알려져 있지 않다.
두 개의 샤프트 결합 캠 로브 프로필
이 시스템은 어떤 생산 엔진에도 사용되는 것으로 알려져 있지 않다.
두 개의 (밀접하게 간격을 두고) 병렬 캠축으로 구성되며, 두 개의 로브에 의해 동시에 작용하는 회전식 팔로워가 있다. 각 캠축에는 엔진 크랭크축에 상대적인 각도 위치를 조정할 수 있는 페이싱 메커니즘이 있다. 한 로브는 밸브의 개방을 제어하고 다른 로브는 동일한 밸브의 폐쇄를 제어하므로 이 두 이벤트의 간격을 통해 가변적인 지속시간이 달성된다.
이 설계의 단점은 다음과 같다.
- 긴 지속 시간 설정에서 한 개의 로브는 다른 로브가 여전히 증가함에 따라 리프트가 감소하기 시작할 수 있다. 이것은 전체적인 양력을 감소시키고 역동적인 문제를 일으킬 수 있는 효과를 가지고 있다. 한 회사는 밸브 문제의 균일하지 않은 개방률을 어느 정도 해소하여 풀 리프트에서 오랜 지속시간을 허용했다고 주장한다.[24][25][26]
- 병렬 축, 큰 팔로워 등으로 인한 시스템의 크기
동축 2축 결합 캠 로브 프로필
이 시스템은 어떤 생산 엔진에도 사용되는 것으로 알려져 있지 않다.
작동 원리는 한 팔로워가 한 쌍의 촘촘히 간격을 두고 있는 로브에 걸쳐 있는 것이다. 코 반경의 각도 한계까지 추종자는 두 로브의 결합된 표면을 연속적이고 매끄러운 표면으로 '보고' 있다. 로브가 정확히 정렬되었을 때 지속 시간은 최소(그리고 각 로브의 그것과 동일)이며, 오정렬의 극한 범위일 때 지속 시간은 최대가 된다. 이 방법의 기본 제한은 로브 노즈 참 반지름과 동일한 지속시간 변동(이 값은 캠축 도 또는 크랭크축 도의 두 배)만 가능하다는 것이다. 실제로 이 유형의 가변 캠은 최대 지속시간 변동 범위가 약 40 크랭크축이다.
이것이 1925년(1527456) USPTO 특허 파일에 등장한 최초의 가변 캠 제안으로 보이는 이면의 원칙이다. "Clemson 캠축"은 이러한 유형이다.[27]
헬리컬 캠축
"두 개의 샤프트 동축 결합 프로필과 나선형 이동"이라고도 하며, 이 시스템은 어떤 생산 엔진에서도 사용되지 않는 것으로 알려져 있다.[28][29][30][31]
이전 타입과 원리가 유사하며 동일한 염기 지속시간엽 프로파일을 사용할 수 있다. 그러나 단일 평면에서 회전하는 대신 축과 회전으로 조절하여 그 움직임에 나선적 또는 3차원적 측면을 부여한다. 이 운동은 이전 타입의 제한된 지속시간 범위를 극복한다. 지속 범위는 이론적으로 무한하지만 일반적으로 대부분의 상황을 다루기에 충분한 100도의 크랭크축 순서가 될 것이다.
이 캠은 제작이 어렵고 비용이 많이 들어 매우 정확한 나선 가공과 세심한 조립이 필요한 것으로 알려졌다.
캠리스 엔진
밸브를 작동하는 캠축에 의존하지 않는 엔진 설계는 가변 밸브 타이밍과 가변 밸브 리프트를 달성하는 데 있어 더 큰 유연성을 갖는다. 그러나 아직 도로용 차량용 캠리스 엔진은 출시되지 않았다.
유압시스템
이 시스템은 엔진 튜브 오일을 사용하여 흡기 밸브의 폐쇄를 제어한다. 흡기 밸브 개방 메커니즘은 챔버 내부의 밸브 태핏과 피스톤을 통합한다. 엔진 컨트롤 시스템에 의해 제어되는 솔레노이드 밸브가 있으며, 이 밸브는 캠 리프트 시간 동안 역류 방지 밸브를 통해 오일을 공급하고 오일은 챔버에 채워지며 섬프로 가는 리턴 채널은 밸브 태핏에 의해 차단된다. 캠이 아래로 이동하는 동안 특정 순간 리턴 통로가 열리고 엔진 통로로 오일 압력이 방출된다.
참조
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- ^ "USPTO 6832586". Retrieved 17 January 2012.