KR100590940B1 - 유압식 서모스탯 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유압식으로 작동되는 서모스탯에 관한 것이다.

본 발명은 ECU의 제어신호를 받아 동작하는 유압제어밸브, 유압을 받아 밸브를 직접 개폐시켜주는 유압실린더 등을 이용하여 냉각수온의 변화에 따른 서모스탯의 개폐작동 응답성을 높여줌으로써, 엔진의 상태에 따른 냉각수온의 정밀제어가 가능하여 냉각수온을 엔진의 최적상태로 맞출 수 있으며, 이에 따라 차량의 주행환경에 따라 최적의 냉각효율을 유지할 수 있도록 한 유압식 서모스탯을 제공한다.

냉각수온, 서모스탯, 유압제어밸브, 유압실린더

Description

유압식 서모스탯{Hydraulic thermostat}

도 1은 일반적인 차량 엔진의 냉각회로를 보여주는 개략도

도 2는 본 발명에 따른 유압식 서모스탯에서 유압제어밸브의 구성부품을 보여주는 분해 사시도

도 3은 본 발명에 따른 유압식 서모스탯에서 유압제어밸브와 유압실린더 간의 유압이동경로를 보여주는 단면도

도 4는 본 발명에 따른 유압식 서모스탯의 결합관계를 보여주는 단면도

도 5는 본 발명에 따른 유압식 서모스탯을 이용한 냉각수온 제어방법의 제어로직을 보여주는 블럭도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 유압제어밸브 11 : 서모스탯 본체

12 : 밸브체 13 : 유압실린더

14 : 코일몸체 15 : 플런저

16 : 랜드 17 : 스풀

18 : 오일입구 19 : 오일출구

20 : 슬리브 21 : 요크

22 : 플랜지 23 : 유압파이프

24 : 컨넥터

본 발명은 유압식으로 작동되는 서모스탯에 관한 것이다.

특히, 냉각수온의 변화에 따라 서모스탯의 개폐작동이 즉각적으로 응답할 수 있도록 함으로써, 엔진의 냉각수온을 엔진상태에 따라 더욱더 정밀하게 제어할 수 있고, 이에 따라 엔진 과열에 의한 성능저하(fail)를 충분히 예방할 수 있으며, 또한 냉각수온이 엔진의 분위기 온도를 엔진의 최적상태가 되도록 유도할 수 있기 때문에 차량의 주행환경에 따라 최적의 냉각효율을 유지할 수 있고, 따라서 엔진의 연비효율을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 자동차용 서모스탯(100)은, 도 1에 도시한 바와 같이, 엔진(110)과 라디에이터(120) 사이에 설치되어 있으며, 냉각수의 온도변화에 따라 자동적으로 개폐하여 라디에이터로 흐르는 유량을 조절함으로써, 냉각수의 적정온도를 유지하는 역할을 한다.

이러한 서모스탯은 밸브의 개폐변위에 따른 냉각수 유량을 조절함으로써, 엔 진의 온도를 제어할 수 있다.

현재의 자동차용 서모스탯은 기계식이 대부분이며, 왁스의 팽창에 의한 힘이 피스톤에 전달되어 밸브의 개폐변위를 일으키는 구조로 되어 있다.

이와 같은 기계식 서모스탯은 규정온도로 설정된 개폐온도에 따라 동작하는 방식, 즉 미리 정해진 온도에서만 단순하게 밸브를 개폐하는 방식이기 때문에 점차 차량이 고성능화 및 고효율화되어가는 최근의 추세에 비추어 볼 때, 차량의 주행환경이나 기타 여건 등의 변화에 적극적으로 대처하는데 한계가 있다.

예를 들면, 기계식 서모스탯은 왁스의 팽창으로 개폐되는 방식이므로 응답성이 떨어지는 단점이 있고, 이로 인해 실시간으로 변하는 엔진의 상태에 맞는 냉각수 공급을 기대할 수 없어 최적의 엔진냉각을 기대할 수 없다.

또한, 왁스 재료의 열적 결핍(균열 등)이 발생하는 단점도 있다.

한편, 차량 냉각성능의 설정은 실제 차량의 풀 로드(Full load) 상태, 대기온도 등 모든 조건을 만족할 수 있도록 설계되는데, 그러나 실제 차량의 주행조건은 거의 대부분이 풀로드 상태의 70% 이내 범위에서 이루어지므로, 실제 엔진이 보유하고 있는 최대 냉각능력은 그 일부분밖에 사용되지 못하게 되면서 엔진이 필요 이상으로 과냉되는 현상이 발생하게 되고, 이로 인해 연비의 손실이나 배기가스의 과다 발생이 일어난다.

이에 따라, 기존 부분 로드(Partial load)의 범위에서는 전체 엔진의 냉각수 온도 수준을 올려주고, 풀 로드 또는 차량의 최대속도 범위에서는 엔진의 냉각수 온도 수준을 낮춰 줌으로써, 엔진의 냉각수 온도를 항상 최적의 상태로 유지하는 냉각수 제어방식의 필요성이 요구된다.

이를 위하여, 최근에는 일반적인 기계식 서모스탯이 갖는 단점을 보완하면서 엔진의 냉각수 온도를 최적의 상태로 유지하기 위한 가변제어방식의 전자식 서모스탯에 대한 여러 모델이 제시되고 있는 추세이다.

이러한 전자식 서모스탯은 차량의 부하상태 등과 같은 주행환경에 따라 엔진의 냉각수 온도를 제어함으로써, 항상 최상의 엔진 냉각상태를 유지할 수 있으며, 연비의 개선 효과와 배기가스의 저감 효과를 기대할 수 있다.

예를 들면, 왁스의 팽창과 연계적으로 반응할 수 있는 히터를 포함하는 전자식 서모스탯이 있다.

이러한 전자식 서모스탯은 차량의 속도나 흡입공기의 온도 등과 같은 차량의 주행환경에 따라 히터의 열량을 조절하여 밸브의 개폐시기를 가변적으로 제어하는 방식으로 되어 있다.

그러나, 위와 같은 기존의 전자식 서모스탯은 반응속도가 느리고, 특히 고온에 의한 부품의 수명이 단축되는 단점이 있다.

즉, 기존의 전자식 서모스탯은 부가적인 가열 시스템을 채용함에 따라 구성요소, 예를 들면 왁스 재료의 열적 결핍(균열 등)이 발생하는 단점이 있고, 또 히터의 가열 후 왁스의 팽창시 시간적 지연요소가 발생하므로 응답성이 떨어지는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, ECU의 제어신호를 받아 동작하는 유압제어밸브, 유압을 받아 밸브를 직접 개폐시켜주는 유압실린더 등을 이용하여 냉각수온의 변화에 따른 서모스탯의 개폐작동 응답성을 높여줌으로써, 엔진의 상태에 따른 냉각수온의 정밀제어가 가능하여 냉각수온을 엔진의 최적상태로 맞출 수 있으며, 이에 따라 차량의 주행환경에 따라 최적의 냉각효율을 유지할 수 있도록 한 유압식 서모스탯을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유압식 서모스탯은 냉각수온센서의 검출값을 입력신호로 하는 ECU의 제어신호를 받아 동작되며 오일공급원측에서 제공되어 유압실린더측으로 공급되는 오일의 공급량을 제어해주는 유압제어밸브와, 상기 유압제어밸브로부터 유도되는 오일을 공급받아 동작되며 서모스탯 본체 내에 장착되어 밸브체를 개폐시켜주는 유압실린더를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유압제어밸브는 외부전원 및 ECU측과 연결되는 컨넥터를 갖는 코일몸체와, 상기 코일몸체의 내측에 동심원상으로 배치되어 자력유무에 따라 슬라이드가능한 플런저와, 오일량 단속을 위한 랜드를 갖고 있으며 상기 플런저의 끝에 일체식으로 나란하게 결합되어 함께 슬라이드되면서 오일입구의 개폐량을 조절해주는 스풀과, 반경방향의 오일입구와 축선방향의 오일출구를 가지면서 스풀을 감싸는 형태로 결합되며 플랜지를 이용하여 서모스탯 하우징의 외벽상에 고정되는 슬리브와, 이것들을 수용하는 요크를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유압제어밸브와 유압실린더는 서모스탯 하우징의 외벽과 실린더 본체의 케이스상에 양단 실링구조로 지지되는 유압파이프에 의해 서로 통하는 구조로 되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유압제어밸브는 ECU의 제어에 의한 외부전원의 세기에 따라 플런저의 이동량이 실시간으로 제어되도록 된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유압실린더는 유압제어밸브가 갖는 플런저의 이동량에 따라 가변되는 유압의 세기에 비례하여 밸브체 개폐량이 실시간으로 제어되도록 된 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 유압식 서모스탯을 이용하여 냉각수온을 제어하는 방법은 냉각수온센서로부터 입력받은 측정 온도값과 기 설정되어 있는 기준 온도값을 비교하여 측정 온도값이 기준 온도값인 82℃ 이상이면 ECU는 유압제어밸브의 동작을 위한 제어신호를 출력하는 단계와, 유압제어밸브는 ECU의 제어에 의한 외부전원을 받아 유로의 개폐량을 조절하여 유압실린더측으로 제공되는 유압의 세기를 결정하는 단계와, 유압제어밸브로부터 제공받은 유압을 가지고 유압실린더로 서모스탯의 밸브체 개폐량을 결정하여 라디에이터측으로 흐르는 냉각수량을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유압의 세기를 결정하는 단계는 ECU의 제어신호에 의한 외부전원의 세기에 따라 유로의 개폐량을 조절하여 유압의 세기가 실시간으로 결정되도록 하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 서모스탯의 밸브체 개폐량은 유압제어밸브측에서 제공되는 유압 의 세기에 비례하여 그 개폐량이 실시간으로 제어되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 서모스탯의 밸브체 개폐량은 82℃에서 열리기 시작하여 95℃에서 완전히 열리도록 제어되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 제공하는 유압식 서모스탯은 크게 소정의 압력으로 오일을 공급하는 수단과, 오일의 방향을 전환시켜주는 수단과, 유압에 의해 실질적으로 냉각수량을 조절해주는 유압실린더를 포함하는 서모스탯과, 이때의 해당 구성요소를 제어하는 ECU 및 냉각수온 측정을 위한 센서수단으로 구성된다.

상기 오일공급수단의 경우 별도의 오일탱크 및 오일펌프를 채용할 수 있거나, 또는 기존 차량에 장착되어 있는 오일갤러리로부터 오일을 제공받는 시스템을 채용할 수 있다.

상기 오일의 방향을 전환시켜주는 수단으로는 도 2에 도시한 바와 같은 유압제어밸브(10)가 제공된다.

상기 유압제어밸브(10)는 ECU의 제어신호에 의해 동작되며, 전원공급과 함께 자력을 발생시켜 내부의 플런저(15) 및 스풀(17)을 동작시켜주고, 이때의 스풀(17)의 위치에 따른 슬리브(20)와의 유로관계를 통해 유압실린더(13)측으로 공급되는 오일량을 조절해주는 역할을 하게 된다.
예를 들면, 상기 제어신호는 컨넥터(24)를 통해 공급되는 외부전원의 세기를 조절하기 위하여 ECU에서 출력되는 신호이며, 따라서 ECU의 제어신호에 의해 외부전원의 세기가 조절되고, 이에 따라 코일몸체(14)에 흐르는 전류량이 변화되어 코일몸체(14)에서 생성되는 자기장(자력)의 세기가 조절된다.
결국, 상기 코일몸체(14)에서 생성되는 자기장의 세기가 조절되므로서, 코일몸체(14)의 내측에 구비된 플런저(15) 및 이 플런저(15)에 연결된 스풀(17)의 이동량이 조절되어 슬리브(20)로 유입되는 오일량이 조절될 수 있게 되는 것이다.

이를 위하여, 외부전원을 인가받기 위한 컨넥터(24)를 갖는 코일몸체(14)의 내측으로 플런저(15)가 조립되어 컨넥터(24)에 전원이 공급되면 코일에 의한 자기장이 형성되면서 영구자석을 갖는 플런저(15)가 밖으로 밀려날 수 있게 되고, 상기 플런저(15)의 끝에는 스풀(17)이 일체 조립되어 함께 움직일 수 있게 되며, 상기 스풀(17)의 주위로는 슬리브(20)가 조립되어 스풀(17)의 위치에 따라 오일입구(18)를 통해 슬리브(20)로 들어오는 오일량이 조절될 수 있게 된다.

즉, 상기 스풀(17)에는 랜드(16)가 형성되어 있고, 상기 슬리브(20)에는 오일을 제공받을 수 있는 반경방향의 오일입구(18)와 랜드(16)의 위치에 의해 그 개폐량이 결정되는 축선방향의 오일출구(19)가 형성되어 있어서, 스풀(17)의 이동에 따른 랜드(16)의 위치에 의해 오일입구(18)의 개폐량이 결정될 수 있게 된다.

따라서, 랜드(16)에 의해 그 공급량이 결정된 유압은 오일출구(19)를 통해 유압실린더(13)로 보내지고, 이에 따라 유압실린더(13)가 갖는 피스톤(13c)이 전진되면서 서모스탯 밸브체의 개폐작동이 수행될 수 있게 된다.

이를 위하여, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 유압제어밸브(10)와 유압실린더(13)는 서모스탯 하우징의 외벽과 실린더 본체의 케이스(13b)상에 양단 실링구조로 지지되는 유압파이프(23)에 의해 서로 통하는 구조로 되어 있어서 유압제어밸브(10)측에서 유압실린더(13)측으로 유압이 제공될 수 있게 된다.

또한, 상기 슬리브(20)의 선단부에는 플랜지(22)가 형성되어 있고, 이것이 서모스탯 본체(11)가 설치되어 있는 하우징의 외벽면에 체결 고정되므로서, 유압제어밸브(10) 전체가 지지될 수 있게 된다.

도 4에 도시한 바와 같이, 상기 유압실린더(13)는 서모스탯 본체(11) 내에 장착되어 밸브체(12)를 직접 개폐시켜주는 액추에이터수단으로서, 서모스탯 본체(11)측에 결합되는 피스톤(13c)과, 상기 피스톤(13c)을 지지점으로 하여 하방 이동가능한 가이드(13d) 및 케이스(13b)와, 기밀유지를 위한 시트(13a)로 구성되어 있으며, 상기 가이드(13d)에 밸브체(12)가 연결되어 있어서 유압실린더(13)의 케이스(13b) 내에 유압이 공급되면 상대적으로 가이드(13d) 및 케이스(13b) 전체가 아래쪽으로 이동하게 되면서 밸브체(12)가 열려질 수 있고, 유압소멸과 함께 스프링의 복원력으로 밸브체(12)는 신속히 복귀될 수 있다.

특히, 상기 유압제어밸브(10)는 ECU의 제어신호에 의한 외부전원의 세기에 따라 플런저(15)의 이동량, 즉 스풀(17)의 이동량이 실시간으로 제어되고, 따라서 유압실린더(13)는 유압제어밸브(10)가 갖는 스풀(17)의 이동량에 따라 가변되는 유압의 세기에 비례하여 밸브체 개폐량이 실시간으로 제어된다.

즉, 상기 유압제어밸브(10)의 개폐방식은 ON/OFF 개폐방식의 개념이 아니라, 스풀(17)이 이동하면서 랜드(16)를 이용하여 슬리브(20)의 오일입구(18)를 점차적으로 열어주거나 닫아주는 실시간 개념의 개폐방식이므로, 이에 따라 이러한 동작특성에 의해 제공되는 유압을 공급받아 작동되는 유압실린더(13)에 의해 밸브체(12) 또한 그 개폐량이 실시간으로 제어될 수 있는 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 유압식 서모스탯을 이용한 냉각수온 제어방법의 제어로직을 보여주는 블럭도이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 엔진의 실린더헤드를 빠져나오는 출구측에 설치되어 있는 냉각수온센서가 엔진 내 냉각수온을 측정하고, 이때의 측정값을 ECU측으로 보내면 ECU에서는 입력되는 측정 온도값과 기 설정되어 있는 기준 온도값(82℃)을 비교한 후 측정 온도값이 82℃ 이상일 경우 유압제어밸브에 제어신호를 출력한다.

ECU의 제어신호에 따라 동작을 개시하는 유압제어밸브는 82℃ 시점부터 서서히 열리기 시작하여 95℃를 넘어서는 시점부터는 완전히 개방된 상태가 된다.

즉, 스풀의 랜드가 유압실린더의 IN측과 연결되는 오일입구를 완전히 개방시켜 유압실린더 IN측으로 최대의 유압이 공급될 수 있게 하고, 따라서 유압실린더의 피스톤 로드는 최대 전진상태가 되어 서모스탯의 밸브체가 완전히 열리면서 엔진을 빠져나온 냉각수가 전량 라디에이터측으로 보내질 수 있게 된다.

여기서, ECU의 제어신호에 의한 외부전원의 세기에 따라 유압제어밸브 내의 플런저(스풀)의 이동량이 통재되면서 유압의 세기가 결정되고, 이때 결정된 유압은 서모스탯의 밸브체 열림량을 결정하게 되므로, 냉각수온과 밸브체 열림량은 정비례관계를 가지면서 실시간으로 냉각수량이 제어될 수 있게 되는 것이다.

본 발명에서 제공하는 냉각수온 제어방법을 이용하여 엔진의 냉각수온을 제어하는 일 예를 살펴보면 다음과 같다.

1) 엔진이 가열되는 웜업 상황

서모스탯은 닫혀 있고, 라디에이터로 통하는 유량은 0(zero)이며, 엔진 출구측 냉각수 온도는 82℃ 이하이다.

2) 부분 부하 및 풀 부하 또는 아이들링 상태인 난기 상황

엔진 출구측 냉각수 온도는 82℃ 이상이고, 라디에이터 출구측 냉각수 온도 는 40℃ 이하이다.

만약, 라디에이터 출구측 냉각수 온도가 한계값에 도달하지 않았다면(냉각수 온도 82℃ 이하), 본 발명의 서모스탯은 동작되지 않는다.

① 부분 부하 상태

냉각수 온도가 적정수준에 도달될 때, 서모스탯은 열리기 시작한다.

서모스탯은 가장 높은 온도수준을 제어한다(예를 들면, 낮은 온도에서 높은 온도로 올라갈 때에는 높이 올라왔을 때 가장 높은 수준의 온도를 기준으로 제어하며, 반대의 경우 가장 낮은 수준의 온도를 기준으로 제어한다).

② 풀 부하 상태

서모스탯은 가장 낮은 온도 범위를 제어한다(?).

서모스탯은 열려있다.

유압제어밸브를 통한 유압을 이용하여 서모스탯의 개폐량을 적정상태로 계속해서 유지시킬 수 있다.

라디에이터 출구측 냉각수 온도는 40℃ 이상이다.

③ 아이들링 상태

정상적으로 서모스탯은 가장 낮은 온도범위를 제어한다.

하지만, 라디에이터 출구측 냉각수 온도는 한계온도 이상이다.

서모스탯은 열리기 시작한다.

이상에서와 같이 본 발명은 냉각수온에 따라 비례적으로 변하는 유압을 이용하여 엔진의 냉각수온에 따른 서모스탯 개폐작동의 응답성을 향상시킨 유압식 서모스탯을 제공함으로써, 차량의 주행환경, 기타 여건 등에 따라 항상 최적의 냉각효율을 유지할 수 있으며, 궁극적으로 차량의 연비향상과 배기가스 저감의 효과를 모두 만족시킬 수 있는 장점이 있는 것이다.

Claims (9)

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2. 냉각수온센서의 검출값을 입력신호로 하는 ECU의 제어신호를 받아 동작되며 오일공급원측에서 제공되어 유압실린더측으로 공급되는 오일의 공급량을 제어해주는 유압제어밸브(10)와, 상기 유압제어밸브(10)로부터 유도되는 오일을 공급받아 동작되며 서모스탯 본체(11) 내에 장착되어 밸브체(12)를 개폐시켜주는 유압실린더(13)를 포함하여 구성되는 유압식 서모스탯에 있어서,

   상기 유압제어밸브(10)는 외부전원 및 ECU측과 연결되는 컨넥터(24)를 갖는 코일몸체(14)와, 상기 코일몸체(14)의 내측에 동심원상으로 배치되어 자력유무에 따라 슬라이드가능한 플런저(15)와, 오일량 단속을 위한 랜드(16)를 갖고 있으며 상기 플런저(15)의 끝에 일체식으로 나란하게 결합되어 함께 슬라이드되면서 오일입구의 개폐량을 조절해주는 스풀(17)과, 반경방향의 오일입구(18)와 축선방향의 오일출구(19)를 가지면서 스풀(17)을 감싸는 형태로 결합되며 플랜지(22)를 이용하여 서모스탯 하우징의 외벽상에 고정되는 슬리브(20)와, 이것들(14),(15),(17)을 수용하는 요크(21)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유압식 서모스탯.
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