KR101679016B1

KR101679016B1 - 내연기관의 밸브타이밍 조정장치

Info

Publication number: KR101679016B1
Application number: KR1020150185229A
Authority: KR
Inventors: 장근영; 김성대; 이상호; 강재영; 백성훈; 안수덕
Original assignee: 현대자동차주식회사; 델파이파워트레인 유한회사; 파인엔지니어링유한회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2015-12-23
Filing date: 2015-12-23
Publication date: 2017-01-02
Also published as: US10718239B2; US20170183985A1; CN106907205B; DE102016225110A1; CN106907205A

Abstract

본 발명은 캠 샤프트의 토크와 작업 유체의 압력에 의해 흡기 밸브와 배기 밸브의 적어도 하나의 밸브 타이밍을 조정하는 내연기관의 밸브타이밍 조정 장치를 개시한다. 본 발명은 하우징에 대한 로터의 상대회전을 규제하여 로터와 하우징 사이의 위치변화를 억제하는 회전방지수단을 포함한다. 회전방지수단은, 상기 래칫 플레이트의 표면에 다른 깊이로 연결 형성된 복수의 로킹홈; 과 상기 베인 중의 적어도 하나의 장착구멍에 탄력설치된 중공의 아우터 핀과 이 아우터핀 내부에 탄력설치된 인너 핀을 포함하고, 캠샤프트의 토크에 의해 상기 복수의 로킹홈에 상기 아우터 핀과 인너 핀의 하나 이상이 각각 순차적으로 결합되어 로킹되거나 해제되도록 된 로킹핀 부재를 포함한다. 본 발명은 로킹핀 부재가 캠 샤프트의 토크에 의해 복수의 로킹홈에 순차적으로 결합되면서 로킹작동을 수행하여 위상각도의 조정범위를 확장할 수 있으므로 연비를 향상하고 출력을 증가하여 엔진 성능을 향할 수 있다.

Description

내연기관의 밸브타이밍 조정장치{APPARATUS OF ADJUSTING VALVE TIMING FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연기관의 밸브타이밍 조정장치에 관한 것으로, 특히 위상각도의 조정범위를 확대하여 엔진의 성능을 향상시킬 수 있는 내연기관의 밸브타이밍 조정장치에 관한 것이다.

일반적으로 내연기관(이하 "엔진"이라 함)에는 엔진의 작동상태에 따라 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 타이밍을 변경할 수 있는 밸브타이밍 조정장치가 사용되고 있다. 이러한 밸브타이밍 조정장치는 보통 크랭크 샤프트에 타이밍 벨트나 체인으로 연결하여 회전하는 캠 샤프트의 변위 또는 회전에 따른 위상 각도(Phasing Angle)를 변화시킴으로써 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 타이밍을 조정하고 있고, 다양한 타입의 밸브타이밍 조정장치가 제안되어 있다.

일반적으로 밸브타이밍 조정장치는, 하우징의 내부에서 작업유체에 의해 자유로이 회전하는 복수의 베인(vane)을 갖춘 로터 (rotor)를 포함한 베인식 밸브타이밍 조정장치가 많이 사용된다.

베인식 밸브타이밍 조정장치는 크랭크 샤프트에 대하여 최진각(最進角: full advance phase angle)과 최지각(最遲角: full retard phase angle)사이에서 진각 체임버 또는 지각 체임버로 작업유체의 유압을 공급하여 베인을 매개로 로터를 진각 방향 또는 지각방향으로 상대 회전시켜 발생하는 회전위상의 차이를 이용하여 밸브타이밍을 조정하고, 비상 상황이나 엔진 정지시에는 로킹핀을 매개로 로터를 특정 위치에서 변위를 고정하여 로킹(locking)함으로써 캠 샤프트를 크랭크 샤프트와 동기 회전하도록 하고 있다.

상기 로킹핀의 로킹 방식은, 캠 샤프트에서 발생하는 포지티브 토크 또는 네거티브 토크를 이용하는 래칫(ratchet)을 채용하거나 아니면 별도의 토크 발생장치를 구비한다. 포지티브 토크는 캠이 회전에 따른 마찰에 의해 발생하고 캠의 회전방향과 반대방향으로 작용한다. 한편, 네거티브 토크는 밸브가 닫히기 시작하는 시점에서 밸브 스프링의 복원력에 의해 발생하고 캠의 회전방향과 같은 방향으로 작용하며, 그 크기는 포지티브 토크에 비해 작다.

여기서, 래칫의 구동방식은 유압식 래칫과 기계식 래칫으로 나눌 수 있다. 유압식 래칫은 오일 소모가 적으나 유로 구성이 복잡하고, 기계식 래칫은 유압식 래칫에 비해 오일의 소모가 증가하지만 구조가 비교적 간단하고, 네거티브 토크가 작은 소형 엔진에서도 적용 가능하다.

기계식 래칫은 캠 샤프트에 발생하는 포지티브 토크 또는 네거티브 토크를 이용하여, 하우징에 대한 로터의 최진각 또는 최지각 위치 또는 이들 사이의 범위에서 로킹핀을 매개로 로터를 로킹하여 캠 샤프트를 크랭크 샤프트와 연동하도록 한다. 특히 최진각과 최지각의 중간 위상의 위치에서 로킹작동이 이루어지게 하는 밸브타이밍 조정장치, 즉 중간위상 밸브타이밍 조정장치의 유용성이 알려져 있고, 이에 대한 기술개발이 많이 이루어지고 있다.

그런데 중간위상 밸브타이밍 조정장치에서, 네거티브 토크를 이용하여 로킹핀을 로킹위치에 잠가주기 위해서는 몇 단계의 래칫 작동을 통해 로킹핀을 순차적으로 이동시켜야 한다. 즉, 네거티브 토크에 의해 생기는 회전변위는 엔진의 운전속도 및 오일의 점도에 따라 변화한다. 이와 같은 네거티브 토크를 이용하여 엔진의 시동성 및 위상 각도의 가변영역을 확대하여 출력 특성을 얻을 수 있는 가변 밸브 타이밍 조정기술이 다양하게 제안되어 있다.

예컨대, 일본 특허공개 평9-324613호는 밸브타이밍의 가변영역을 확대할 수 있는 중간위치의 가변 밸브타이밍 기구가 기재되고, 일본 특허공개 평11- 62521호는 구성 부품의 제조 오차 또는 위치 어긋남을 틈새(clearance)로 흡수하여 이음(異音)의 발생을 방지할 수 있는 밸브타이밍 조정장치를 개시한다. 또한, 일본 특허공개 평2001-50016호는 중간위치에서 엔진의 시동을 신속히 개시할 수 있고, 이음 발생을 방지할 수 있는 밸브타이밍 조정장치를 개시한다. 또 일본 특허공개 평2013-155612는 오일에 혼입된 이물질을 외부로 배출시킬 수 있는 밸브타이밍 기구의 로킹구조를 개시한다.

상기와 같은 종래 기술은 복수의, 예컨대 3개 또는 4개인 베인을 구비한 로터가 채용되고, 로킹핀이 구비된 베인은 1개 또는 2개이다. 또한 로킹핀은 통상적으로 단일의(single) 핀을 사용하는 경우와, 단일 핀에 추가적인 부재를 결합한 핀 구조를 사용하는 경우가 있다. 그런데, 일반적으로 베인의 개수가 많을 수록 동일한 사이즈의 장치에서 발생하는 토크가 증가하지만, 한편으로는 변위 각도가 감소하게 되므로 일반적으로 3개 ~ 5개의 베인을 갖는 밸브타이밍 조정 장치가 사용되고 있다.

중간위상을 채택하기 이전의 밸브타이밍 조정장치에서는, 로킹핀의 로킹위치가 최지각 위치이고, 이 최지각 위치가 엔진의 시동이 가능한 지점이었다. 그런데, 엔진의 기술 개발에 따라 시동위치보다 더 지각된(retarded) 위치에서 엔진 제어가 요구되고, 이에 따라 최지각 위치가 아닌 지점에서 엔진을 시동할 필요성이 대두되었고, 이를 위해 여러 기술이 제안되어 있다.

특히, 공간 이용의 제약이 많은 엔진 룸에서 장착문제를 고려할 때, 대부분의 종래의 밸브타이밍 조정 장치는 그 크기가 비교적 큰 편이라서, 점점 소형화 추세인 엔진에서는 보다 컴팩트한 사이즈의 중간위상 밸브타이밍 조정 장치의 개발이 요청되고 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 발명된 것으로, 본 발명의 목적은, 네거티브 토크를 이용하는 로킹작동이 다단계로 이루어지도록 하여로터의 위상각도의 가변영역의 조정범위를 확대함으로써 엔진의 성능을 향상하고 소형화할 수 있는 내연기관의 밸브타이밍 조정장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관의 밸브타이밍 조정장치는, 크랭크 샤프트와 연동하는 캠 샤프트의 어느 하나에 각각 결합되어 캠샤프트의 토크와 작업유체의 압력에 의해 흡기 밸브와 배기 밸브의 적어도 하나의 밸브 타이밍을 조정하는 내연기관의 밸브타이밍 조정 장치에 있어서,

상기 크랭크 샤프트와 연동하도록 된 래칫 플레이트에 구비된 내부 공간을 갖는 하우징;과

상기 캠 샤프트와 연동하면서 상기 하우징의 내부공간에 설치되고, 일정 각도 범위에서 작동유체의 압력에 의해 상기 하우징에 대하여 상대회전하는 복수의 베인을 갖춘 로터;

상기 하우징에 대한 로터의 상대회전을 규제하여 로터와 하우징 사이의 위치변화를 억제하는 회전방지수단; 포함하고서,

상기 회전방지수단이,

상기 래칫 플레이트의 표면에 다른 깊이로 연결 형성된 복수의 로킹홈; 과

상기 베인 중의 적어도 하나의 장착구멍에 탄력설치된 중공의 아우터 핀과 이 아우터핀 내부에 탄력설치된 인너 핀을 포함하고, 캠샤프트의 토크에 의해 상기 복수의 로킹홈에 상기 아우터 핀과 인너 핀의 하나 이상이 각각 순차적으로 결합되어 로킹되거나 해제되도록 된 로킹핀 부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 로킹홈은 상기 로킹홈은 큰 직경의 대경홈과 작은 직경의 소경홈이 소정 깊이로 형성되어 단차부를 형성할 수 있다.

상기 단차부의 폭은 아우터핀의 두께의 2배와 같을 수 있고, 소경홈의 내경은 아우터핀의 외경과 같을 수 있다.

상기 로킹핀 부재는 장착구멍의 일단부를 폐쇄하면서 내부에 제1 오목부가 형성된 상부캡을 추가로 포함할 수 있다.

상기 아우터핀의 일단부에 제2 오목부가 형성되고, 이 제2 오목부와 상기 상부캡의 일단부 사이에 로킹홈 쪽으로 스프링력을 인가하는 아우터 스프링이 탄력설치될 수 있다.

상기 인너핀의 일단부에 제3 오목부가 형성되고, 이 제3 오목부와 상기 상부캡의 제1 오목부 사이에 로킹홈 쪽으로 스프링력을 인가하는 인너 스프링이 탄력설치될 수 있다.

상기 하우징의 내부 공간에 4개의 베인이 구비된 로터가 장착될 수 있다.

상기 하우징의 내주면과 마주보는 각각의 베인의 외주면에 캠 샤프트의 축방향으로 밀봉홈이 형성되고, 이 밀봉홈에 시일이 장착될 수 있다.

상기 로킹핀 부재는 장착구멍의 타단부를 폐쇄하면서 아우터핀의 외주면을 지지하는 하부캡을 추가로 포함할 수 있다.

상기 로터에는 로킹핀 부재가 로킹될 때 로킹홈의 작업유체가 배출되는 도피홈이 연통되게 추가로 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 관점에 따르면, 크랭크 샤프트와 연동하는 캠 샤프트의 어느 하나에 각각 결합되어 캠샤프트의 토크와 작업유체의 압력에 의해 흡기 밸브와 배기 밸브의 적어도 하나의 밸브 타이밍을 조정하는 내연기관의 밸브타이밍 조정 장치에 있어서, 상기 크랭크 샤프트와 연동하도록 내부 공간을 갖는 래칫 플레이트;와 상기 캠 샤프트와 연동하는 하우징이 구비되고 하우징의 내부공간에 설치되며, 일정 각도 범위에서 작동유체의 압력에 의해 상기 하우징에 대하여 상대회전하는 복수의 베인을 갖춘 로터; 상기 하우징에 대한 로터의 상대회전을 규제하여 로터와 하우징 사이의 위치변화를 억제하는 회전방지수단; 포함하고서 상기 회전방지수단이, 상기 로터의 하나의 베인에 다른 깊이로 연결 형성된 복수의 로킹홈; 과 상기 래칫 플레이트의 적어도 하나의 장착구멍에 탄력설치된 중공의 아우터 핀과 이 아우터핀 내부에 탄력설치된 인너 핀을 포함하고, 캠샤프트의 토크에 의해 상기 복수의 로킹홈에 상기 아우터 핀과 인너 핀의 하나 이상이 각각 순차적으로 결합되어 로킹되거나 해제되도록 된 로킹핀 부재를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 관점에 따르면,캠 샤프트와 연동하면서 외주면에 복수의 오일 포트가 형성된 몸체와; 상기 몸체의 내부에, 외주면에 복수의 오일 홈이 형성된 스풀이 스프링에 의해 탄력설치되어 제어신호에 따라 상기 몸체의 오일 포트와 선택적으로 연통하면서 작업유체의 흐름을 제어하는 솔레노이드 밸브; 및 상기 솔레노이드 밸브에 제어신호를 인가하는 제어부;를 포함하고서, 상기 제어부의 제어신호에 의해 하우징에 대한 로터의 상대회전을 규제하여 로터와 하우징 사이의 위치변화를 억제하는 본 발명의 특징적인 회전방지수단; 을 포함할 수 있다.

상기와 같은 구성으로 된 본 발명은, 아우터 핀과 인너 핀으로 구성된 로킹핀 부재가 캠 샤프트의 토크에 의해 복수의 로킹홈에 순차적으로 결합되면서 다단계로 로킹작동을 수행하여 위상각도의 조정범위를 확장할 수 있어, 밸브 타이밍 조정장치를 소형화할 수 있고, 또 연비를 향상하고 출력을 증가하여 엔진 성능을 향상할 수 있게 된다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하면 더욱 명확하게 이해될 것이다:
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브타이밍 조정 장치의 조립 단면도이다.
도 2는 도 1의 II-II선을 따른 정면도이다.
도 3은 도 1의 A부위의 확대 단면도이다.
도 4(a)-4(f)는 본 발명의 일 실시예에 따라 최지각 위치에 위치한 베인의 로킹핀 부재가 네거티브 토크에 의해 로킹홈에 결합되는 작동을 순차적으로 도시한 단면도이다.
도 5(a)-5(c)는 본 발명의 일 실시예에 따라 최진각 위치에 위치한 베인의 로킹핀 부재가 포지티브 토크에 의해 로킹홈에 결합되는 작동을 순차적으로 도시한 단면도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관의 밸브타이밍 조정 장치를 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 동일한 구성부품은 다른 도면에서도 동일한 참조부호를 사용한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브타이밍 조정 장치(100)의 조립 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 밸브타이밍 조정장치(100)는 내연기관의 캠샤프트(1)와 연결되는 몸체(2)가 연장 형성되고, 상기 몸체(2)의 외주에는 크랭크 샤프트(3)와 도시되지 않은 체인이나 타이밍벨트로 연결되는 스프로켓(4)이 회전가능하게 결합되며, 상기 스프로켓(4)의 외부면(4a)에는 디스크 형상의 래칫 플레이트(5)가 결합된다.

상기 캠 샤프트(1)와 연동하는 몸체(2)에는, 외주면에 복수의 오일 홈(6a)이 형성된 스풀(6)이 스프링(7)에 의해 탄력설치되어 제어부(도시 안 됨)의 제어신호에 따라 몸체(2)의 외주에 형성된 복수의 오일 포트(2a)와 선택적으로 연통하면서 작업유체의 흐름을 절환하여 제어하는 솔레노이드 밸브(8)가 내장된다.

한편, 상기 몸체(2)에는 원통 형상의 하우징(10)과, 상기 캠 샤프트(1)와 연동하면서 상기 하우징(10)의 내부공간에서 상대회전 가능하게 결합된 로터 (20) 및, 상기 하우징(10)에 대한 로터(20)의 상대회전을 규제하여 로터(20)가 하우징(10)과 함께 회전하도록 하는 회전방지수단(30)이 결합된다.

상기 하우징(10)의 내주면(11)에는 복수의 돌기부(12)가 미리 정해진 간격으로 돌출 형성된다. 각 돌기부(12)의 상단에는 하우징(10)의 길이방향으로 밀봉홈(13)이 형성되어, 이 밀봉홈(13)에 밀봉 시일(14)이 각각 삽입되어 인접한 돌기부(12)와의 사이에 공간(14)을 각각 형성하도록 된다.

한편, 로터(20)는 도 2에 도시된 바와 같이, 몸체(2)와 결합하는 보스부(21)에 복수의 베인(22)이 하우징(10)의 내주면(11)을 향하여 돌출 형성된다. 각 베인 (22)의 상단에는 로터(20)의 길이방향으로 밀봉홈(23)이 형성되고, 이 밀봉홈(23)에 밀봉 시일(24)이 각각 삽입되어 인접한 하우징(10)의 돌기부(12)와의 사이에 공간(15)을 각각 형성하도록 된다.

상기 공간(15)은, 베인(12)을 중심으로 도 2에 도시된 바와 같이, 캠 샤프트(1)의 회전방향인 화살표 B 방향(즉, 진각 (Advance)방향)의 진각 체임버 (15a)와, 화살표 A의 방향(즉, 지각(Retard)방향)의 지각 체임버(15b)로 구획 된다.

따라서 작업유체가 상기 진각 체임버 (15a)와 지각 체임버(15b)로 선택적으로 공급되어 베인(12)에 작용하는 토크에 의해, 로터(20)가 하우징(10)에 대하여 화살표 B 방향(진각 방향)으로 회전하면서 진각 위상을 조정하거나 이와 반대로 화살표 A 방향(지각 방향)으로 회전하면서 지각 위상을 조정하여, 흡기밸브 또는 배기밸브의 밸브 타이밍을 조정하도록 된다. 이러한 밸브 타이밍의 조정(Phasing)작동은 해당 기술분야에서 잘 알려진 것이므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

한편, 상기 회전방지수단(30)은 로터(20)가 하우징(10)에 대하여 자유롭게 상대회전하며 위상을 조정하는 도중에, 외부 원인에 의해 이들 사이의 상대회전을 방지하고 함께 연동시켜야 하는 비상작동을 위해 구비된다.

즉, 상기 회전방지수단 (30)은 본 발명의 일 실시예에서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 베인(12) 중의 어느 하나에 설치된다. 여기서 설명의 편의를 위하여 회전방지수단(30)이 구비된 베인(22)을 다른 베인(22)과 구분하도록 참조부호 22A로 표기하기로 한다.

상기 회전방지수단(30)은 도 1 또는 도3에 도시된 바와 같이 베인(22A)에 관통형성된 장착구멍(25)에 삽입된 로킹핀 부재(40)와, 상기 로킹핀 부재(40)와 상호 결합하여 로킹 작동되거나 또는 로킹 상태가 해제되도록 래칫 플레이트(5)에 형성된 복수의 로킹홈(50)을 포함한다.

여기서, 로킹핀 부재(40)는 도 3에 상세히 도시된 바와 같이, 상기 베인 (22A)의 장착구멍(25)의 일단부(도 3에서 상단부)를 폐쇄하는 상부캡(41)과, 이 상부캡(41)의 하단부에 아우터 스프링(42)을 매개로 탄력 설치된 중공 실린더 형상의 아우터 핀(43) 및 이 아우터 핀(43)의 내부 공간(43a)에 슬라이딩 가능하게 결합되면서 상부캡(41)의 제1 오목부(41a)에 인너 스프링(44)을 매개로 탄력 설치된 인너 핀(45)을 포함한다.

또한, 로킹핀 부재(40)는 장착구멍(25)의 타단부(도 3에서 하단부)를 폐쇄하면서, 아우터 핀(43)의 외주면을 지지하는 링 형상의 하부캡(46)을 추가로 포함할 수 있다.

여기서, 상기 아우터 스프링(42)의 일단은 아우터 핀(43)의 상부에 계단형상의 제2 오목부(43b)에 지지되고, 타단은 상부캡(41)의 제1 오목부(41a)의 하부에서 연장하는 돌출부(41b)에 지지된다.

또한 상기 인너 스프링(44)의 일단은 인너 핀(45)의 상부 내부에 형성된 제3 오목부(45a)의 바닥면에 지지되고, 타단은 상부캡(41)의 제1 오목부(41a)의 바닥면에 지지된다.

한편, 상기 회전방지수단(30)을 구성하는 래칫 플레이트(5)에 형성된 복수의 로킹홈(50)은 도 3에 상세히 도시된 바와 같이, 베인(22)의 장착구멍(25)과 마주 보도록 직경이 다르고 깊이가 다른 복수 개로 연결 형성될 수 있다.

즉, 로킹홈(50)은 큰 직경의 대경홈(51)과 작은 직경의 소경홈(52)이 단면 형상이 계단형상의 단차부(53)를 이루면서 연결된다. 여기서, 도 3에 도시된 바와 같이, 대경홈(51)은 좌,우측 내벽면(51a, 51b)을 가지면서 소정 깊이로 형성되고, 소경홈(52)은 좌,우측 내벽면(52a, 52b)을 가지면서 소정 깊이로 형성되며, 대경홈(51)의 우측 내벽면(51b)은 소경홈(52)의 우측 내벽면(52b)과 연결되어 동일벽면을 형성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 아우터 핀(43)의 두께를 A라 하고, 인너 핀(45)의 내경을 B, 단차부(53)의 폭을 C, 소경홈(52)의 내경을 D라 하면, C = 2A; D = B + C인 관계가 성립한다. 즉, 소경홈(52)의 내경은 아우터 핀(43)의 외경과 같을 수 있다.

한편, 베인(22A)에는 장착구멍(25)에서 아우터 핀(43)의 주위 공간(26)에 작업유체를 공급하거나 그로부터 배출하는 오일통로(22b)가 경사지게 관통형성되어 솔레노이드 밸브(8)에 연통된다.

다음은 상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 타이밍 장치의 작동을 설명한다.

본 발명의 밸브타이밍 조정장치는, 베인(22A)이 공간(15)에서 최지각 위치와 최진각 위치의 거의 중간위치에서 로킹작동이 이루어지는 중간 위상 타입의 밸브타이밍 조정장치이다.

엔진이 정상작동되는 경우, 로터((20)는 도 2에 도시된 바와 같이,베인 (22A)이 인접한 돌기부(12) 사이의 공간(15)에서 좌,우에 지각 체임버(15b)와 진각 체임버(41a)를 형성하면서 캠 샤프트(1)로부터 전달되는 토크에 대응하여, 하우징(10)에 대하여 진각방향(B 방향) 또는 지각방향(A 방향)으로 자유로이 제어되면서 캠 샤프트(1)를 매개로 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 밸브 타이밍을 조정할 수 있다.

그런데 엔진의 시동시 별도의 제어가 없이 미리 정해진 위치로 밸브 타이밍 조정장치가 작동하여 시동성을 향상하거나 엔진의 작동 도중에 제어불능의 비상상황이 발생하는 경우, 로킹핀 부재(40)가 별다른 제어가 없이 저절로 로킹(self- locking)되어, 하우징(10)에 대한 로터(20)의 상대회전을 방지하여 야 한다.

먼저, 베인(22A)이 공간(15)에서 지각 위치, 즉 지각 체임버(15b) 쪽으로 편향되어 위치된 상태에서 로킹작동을 이루는 것을 도 4를 참조하여 설명한다.

도 4(a)는 베인(22A)에 관통형성된 오일통로(22b)를 통해 작업유체가 공간(26)에 유입된 상태를 도시한다. 이 상태에서, 아우터 핀(43)과 인너 핀(45)은 작업유체의 압력에 의해 스프링(42, 44)를 각각 압축하면서 상부캡(41)에 대하여 최대한 상승된 상태이다. 이때, 인너 핀(45)의 하단부는 인너 스프링(44)의 탄성력에 의해 래칫 플레이트(5)의 표면에 밀착된 상태이다.

도 4(b)는 도 4(a)의 상태에서 오일통로(22b)를 통해 작업유체를 배출시킨 상태이다. 이 상태에서, 아우터 핀(43)과 인너 핀(45)은 작업유체의 가압력이 해제되므로 스프링(42, 44)의 탄성력에 의해 각각 하강한다. 이때, 아우터 핀(43)과 인너 핀(45)의 하단부는 래칫 플레이트(5)의 표면에 밀착된 상태이다.

도 4(b)의 상태에서 캠 샤프트(1)를 통해 네거티브 토크가 로터(20)를 통해 베인(22A)에 전달되어 베인(22A)이 소정각도로 진각방향(B방향)으로 회전하면, 도 4(c)의 상태가 된다. 즉, 인너 핀(45)은 인너 스프링(44)의 탄성력에 의해 하강하여 대경홈(51)에 삽입되어 그 하단부가 대경홈(51)의 좌측 내벽면 (51a)에 걸려지고 단차부(53)에 밀착된다. 이때, 아우터 핀(43)의 하단부는 여전히 래칫 플레이트(5)의 표면에 밀착된 상태이다. 따라서 베인(22A)은 지각방향으로 이동할 수 없는, 래칫작동이 된다.

이어서, 캠 샤프트(1)를 통해 네거티브 토크가 로터(20)를 매개로 베인 (22A)에 추가로 인가되면, 도 4(d)에 도시된 상태로 된다. 즉, 도 4(c)에서의 아우터 핀(43)이 아우터 스프링(42)의 탄성력에 의해 하강하여 대경홈(51)에 삽입된다. 아우터 핀(43)은 그 하단부가 대경홈(51)의 좌측 내벽면 (51a)에 걸려지고, 아우터 핀(43)과 인너 핀(45)이 모두 그 하단부가 단차부(53)에 밀착된 다. 이때에도 베인(22A)은 지각방향으로 이동할 수 없으므로 래칫작동이 된다.

도 4(e)는 도 4(d)의 상태에서, 네거티브 토크가 추가로 베인(22A)에 인가된 상태이다. 즉, 인너 핀(45)은 인너 스프링(44)의 탄성력에 의해 하강하여 소경홈(52)에 삽입되어 그 하단부가 소경홈(52)의 좌측 내벽면 (52a)에 걸려지고 또 소경홈(52)의 바닥에 밀착된다. 이때, 아우터 핀(43)의 하단부는 여전히 래칫 플레이트(5)의 표면에 밀착된 상태이다. 이 경우에도 베인(22A)은 지각방향으로 이동할 수 없는, 래칫작동이 된다.

도 4(e)의 상태에서, 추가로 네거티브 토크가 베인(22A)에 인가되면, 도 4(f)에 도시된 바와 같이, 아우터 핀(43)과 인너 핀(45)이 아우터 스프링(42)과 인너 스프링(44)의 탄성력에 의해 모두 그 하단부가 소경홈(52)의 바닥에 밀착된다. 이때, 아우터 핀(43)의 하단부는 대경홈(51)의 우측 내벽면(51b) 및 소경홈(52)의 좌, 우측 내벽면 (52a, 52b)에 각각 걸려지고 베인(22A)은 지각방향 및 진각방향의 어느 방향으로도 이동할 수 없는 로킹상태가 된다. 따라서 로킹핀 부재(40)는 래칫 플레이트(5)의 로킹홈(50)에 견고하게 되므로, 로터 (20)는 하우징(10)에 대하여 상대회전이 방지되고 함께 회전하게 된다.

이상과 같이 베인(22A)이 지각 위치에 있을 경우, 상대적으로 크기가 작은 네거티브 토크에 의해 로킹핀 부재(40)가 단계적으로 래칫 플레이트(5)의 로킹홈(50)에 로킹되는 작동을 설명하다. 본 발명의 일 실시예에서는 상기에서와 같이 5단계에 걸쳐 로킹작동이 순차적으로 이루어므로 결과적으로 엔진의 시동위치가 지각방향으로 위상변화가 가능해지고, 또 밸브 타이밍 조정장치의 사이즈를 소형화할 수 있으며, 흡기 밸브 또는 배기밸브의 개폐작동을 최적화하여 엔진의 효율을 증대하고 성능을 개선할 수 있게 된다.

다음은, 베인(22A)이 공간(15)에서 진각 위치, 즉 진각 체임버(15a) 쪽으로 편향되어 위치된 상태에서 캠 샤프트의 포지티브 토크를 이용하여 로킹작동을 이루는 것을 도 5를 참조하여 설명한다.

도 5(a)는 베인(22A)에 관통형성된 오일통로(22b)를 통해 작업유체가 공간(26)에 유입된 상태를 도시한다. 아우터 핀(43)은 작업유체의 압력에 의해 아우터 스프링(42)을 압축하면서 상부캡(41)에 대하여 최대한 상승된 상태이다. 이때, 인너 핀(45)의 하단부는 인너 스프링(44)의 탄성력에 의해 래칫 플레이트 (5)의 표면에 밀착된 상태이다.

다음으로, 도 5(a)의 상태에서 오일통로(22b)를 통해 작업유체를 배출시키면 도 5(b)의 상태가 된다. 즉, 아우터 핀(43)에 대한 작업유체의 가압력이 해제되므로 아우터 스프링(42)의 탄성력에 의해 아우터 핀(43)이 하강한다. 따라서 아우터 핀(43)과 인너 핀(45)의 하단부는 스프링(42, 44)의 탄성력에 의해 래칫 플레이트(5)의 표면에 밀착된 상태로 된다.

도 5(b)의 상태에서 캠 샤프트(1)를 통해 포지티브 토크가 로터(20)를 통해 베인(22A)에 전달되면 베인(22A)이 소정각도로 지각방향(A방향)으로 회전하면, 도 5(c)의 상태가 된다. 일반적으로 포지티브 토크는 네거티브 토크에 비해 크기 때문에, 본 발명의 일 실시예에서는 한번에 로킹 작동이 이루어진다.

즉, 도 5(b)의 상태에 있던 아우터 핀(43)과 인너 핀(45)은 스프링(42, 44)의 탄성력에 단번에 로킹홈(50)의 대경홈(51)를 통과하여 소경홈(52)에 삽입된다. 따라서 아우터 핀(43)의 하단부가 대경홈(51)의 우측 내벽면 (51b)과 소경홈(52)의 우측 내벽면(52a) 및 좌측 내벽면(51a)에 각각 걸려 결합된다.

따라서 베인(22A)은 지각방향 및 진각방향의 어느 방향으로도 이동할 수 없는 로킹상태가 된다. 결국, 로킹핀 부재(40)는 래칫 플레이트 (5)의 로킹홈 (50)에 로킹되므로, 로터 (20)는 하우징(10)에 대하여 상대회전이 방지되고 함께 회전하게 된다.

상기 기재는 본 발명의 바람직한 실시예를 기술한 것으로서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 당업자라면 본 발명의 범위 내에서 여러 변경, 수정이 가능함을 이해하여야 한다.

예컨대, 본 발명의 일 실시예에서는 로터(20)에 4개의 베인(22)이 구비된 것을 설명하였으나, 베인(22)의 갯수는 엔진의 타입이나 동작 특성에 따라 3개 또는 다른 갯수로 선택하여 설계할 수 있다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에서는 로킹핀 부재(40)가 구비된 베인(22A)이 하나인 것을 설명하였으나, 로킹핀 부재(40)가 각각 구비된 2개의 베인(22A)을 로터(20)에 구성할 수도 있다.

또한, 로킹홈(50)에 아우터 핀(43) 또는 인너 핀(45)이 하강하여 결합될 때, 로킹 홈(50)내의 작업유체를 배출하도록 베인(22A)과 래칫 플레이트(5)에 도피홈(22c, 5a)이, 로킹 홈(50)에 연통되게 각각 형성될 수 있다(도 4(c) 참조).

한편, 본 발명의 일 실시예에서는 로터(20)에 로킹핀 부재(40)가, 래칫 플레이트(5)에 로킹 홈(50)이 형성된 회전방지수단(30)을 설명하였으나, 이와 반대로 로터(20)에 로킹 홈이 형성되고 래칫 플레이트(5)에 로킹핀 부재(40)가 구성되게 설계할 수도 있다.

5: 래칫 플레이트 10: 하우징
20: 로터 22: 베인
25: 장착구멍 30: 회전방지수단
40: 로킹핀 부재 43: 아우터 핀
45: 인너 핀 50: 로킹 홈
51: 대경홈 52: 소경홈

Claims

크랭크 샤프트와 연동하는 캠 샤프트의 어느 하나에 각각 결합되어 캠샤프트의 토크와 작업유체의 압력에 의해 흡기 밸브와 배기 밸브의 적어도 하나의 밸브 타이밍을 조정하는 내연기관의 밸브타이밍 조정 장치에 있어서,
상기 크랭크 샤프트와 연동하도록 된 래칫 플레이트에 구비된 내부 공간을 갖는 하우징;과
상기 캠 샤프트와 연동하면서 상기 하우징의 내부공간에 설치되고, 일정 각도 범위에서 작동유체의 압력에 의해 상기 하우징에 대하여 상대회전하는 복수의 베인을 갖춘 로터;
상기 하우징에 대한 로터의 상대회전을 규제하여 로터와 하우징 사이의 위치변화를 억제하는 회전방지수단; 포함하고서,
상기 회전방지수단이,
상기 래칫 플레이트의 표면에 다른 깊이로 연결 형성된 복수의 로킹홈; 과
상기 베인 중의 적어도 하나의 장착구멍에 탄력설치된 중공의 아우터 핀과 이 아우터핀 내부에 탄력설치된 인너 핀을 포함하고, 캠샤프트의 토크에 의해 상기 복수의 로킹홈에 상기 아우터 핀과 인너 핀의 하나 이상이 각각 순차적으로 결합되어 로킹되거나 해제되도록 된 로킹핀 부재를 포함하는 내연기관의 밸브타이밍 조정 장치.
제1항에 있어서,
상기 로킹홈은 큰 직경의 대경홈과 작은 직경의 소경홈이 소정 깊이로 형성되어 단차부를 형성하는 내연기관의 밸브타이밍 조정 장치.
제2항에 있어서,
상기 단차부의 폭은 아우터핀의 두께의 2배와 같을 수 있고, 소경홈의 내경은 아우터핀의 외경과 같은 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브타이밍 조정 장치.
제1항에 있어서,
상기 로킹핀 부재는 장착구멍의 일단부를 폐쇄하면서 내부에 제1 오목부가 형성된 상부캡을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브타이밍 조정 장치.
제4항에 있어서,
상기 아우터핀의 일단부에 제2 오목부가 형성되고, 이 제2 오목부와 상기 상부캡의 일단부 사이에 로킹홈 쪽으로 스프링력을 인가하는 아우터 스프링이 탄력설치된 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브타이밍 조정 장치.
제5항에 있어서,
상기 상기 인너핀의 일단부에 제3 오목부가 형성되고, 이 제3 오목부와 상기 상부캡의 제1 오목부 사이에 로킹홈 쪽으로 스프링력을 인가하는 인너 스프링이 탄력설치된 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브타이밍 조정 장치.
제1항에 있어서,
상기 하우징의 내부 공간에 4개의 베인이 구비된 로터가 장착된 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브타이밍 조정 장치.
제7항에 있어서,
상기 하우징의 내주면과 마주보는 각각의 베인의 외주면에 캠 샤프트의 축방향으로 밀봉홈이 형성되고, 이 밀봉홈에 시일이 장착된 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브타이밍 조정 장치.
제6항에 있어서,
상기 로킹핀 부재는 장착구멍의 타단부를 폐쇄하면서 아우터핀의 외주면을 지지하는 하부캡을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브타이밍 조정 장치.
제9항에 있어서,
상기 로터에는 로킹핀 부재가 로킹될 때 로킹홈의 작업유체가 배출되는 도피홈이 연통되게 추가로 형성된 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브타이밍 조정 장치.
크랭크 샤프트와 연동하는 캠 샤프트의 어느 하나에 각각 결합되어 캠샤프트의 토크와 작업유체의 압력에 의해 흡기 밸브와 배기 밸브의 적어도 하나의 밸브 타이밍을 조정하는 내연기관의 밸브타이밍 조정 장치에 있어서,
상기 크랭크 샤프트와 연동하도록 내부 공간을 갖는 래칫 플레이트;와
상기 캠 샤프트와 연동하는 하우징이 구비되고 하우징의 내부공간에 설치되며, 일정 각도 범위에서 작동유체의 압력에 의해 상기 하우징에 대하여 상대회전하는 복수의 베인을 갖춘 로터;
상기 하우징에 대한 로터의 상대회전을 규제하여 로터와 하우징 사이의 위치변화를 억제하는 회전방지수단; 포함하고서
상기 회전방지수단이,
상기 로터의 하나의 베인에 다른 깊이로 연결 형성된 복수의 로킹홈; 과
상기 래칫 플레이트의 적어도 하나의 장착구멍에 탄력설치된 중공의 아우터 핀과 이 아우터핀 내부에 탄력설치된 인너 핀을 포함하고, 캠샤프트의 토크에 의해 상기 복수의 로킹홈에 상기 아우터 핀과 인너 핀의 하나 이상이 각각 순차적으로 결합되어 로킹되거나 해제되도록 된 로킹핀 부재를 포함하는 내연기관의 밸브타이밍 조정 장치.
캠 샤프트와 연동하면서 외주면에 복수의 오일 포트가 형성된 몸체와;
상기 몸체의 내부에, 외주면에 복수의 오일 홈이 형성된 스풀이 스프링에 의해 탄력설치되어 제어신호에 따라 상기 몸체의 오일 포트와 선택적으로 연통하면서 작업유체의 흐름을 제어하는 솔레노이드 밸브; 및
상기 솔레노이드 밸브에 제어신호를 인가하는 제어부;를 포함하고서,
상기 제어부의 제어신호에 의해 하우징에 대한 로터의 상대회전을 규제하여 로터와 하우징 사이의 위치변화를 억제하는 청구항 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 회전방지수단; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브타이밍 조정 장치.