KR101767464B1 - 내연기관의 밸브타이밍 조정장치와 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 캠 샤프트의 토크와 작업 유체의 압력에 의해 흡기 밸브와 배기 밸브의 적어도 하나의 밸브 타이밍을 조정하는 내연기관의 밸브타이밍 조정 장치와 그 방법을 개시한다. 본 발명의 밸브타이밍 조정장치와 방법은 로킹핀 부재를 작동하는 유압제어밸브가 로터에 내장되고, 유압제어밸브가 엔진의 비상ㄹ정지나 시동및 정상작동의 운전상태에 따라 압력유체를 공급하거나 배출하도록 다양한 제어위치를 갖도록 구성하여, 유로를 통한 작업유체 손실이 적어 응답성이 정확하고 신뢰도 높게 로킹 및 해제작동을 구현하고 밸브 타이밍을 조정하여 엔진성능을 향상할 수 있게 된다.

Description

내연기관의 밸브타이밍 조정장치와 그 방법{APPARATUS AND METHOD OF ADJUSTING VALVE TIMING FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관의 밸브타이밍 조정장치와 그 방법에 관한 것으로, 특히 로킹작동의 신뢰성을 증대하여 엔진 성능을 향상할 수 있는 내연기관의 밸브타이밍 조정장치와 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 내연기관(이하 "엔진"이라 함)의 작동상태에 따라 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 타이밍을 변경할 수 있는 밸브타이밍 조정장치가 사용되고 있다. 이러한 밸브타이밍 조정장치는 보통 크랭크 샤프트에 타이밍 벨트나 체인으로 연동하는 캠 샤프트의 변위각도 또는 회전 위상을 변화시킴으로써 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 타이밍을 변경하고 있고, 다양한 타입의 밸브타이밍 조정장치가 제안되어 있다.
종래 하우징의 내부에서 압력유체에 의해 자유로이 회전하는 복수의, 통상적으로 3개 또는 4개의 베인(vane)을 갖춘 로터(rotor)를 포함한 베인식 밸브타이밍 조정장치가 많이 사용된다. 이 중에서 크랭크 샤프트에 대하여 전진 위상각((최진각(最進角)):full advance phase angle)과 지체 위상각(최지각(最遲角):full retard phase angle)사이의 중간 위치에 캠 샤프트가 위치할 때 로킹핀 등을 사용하여 캠 샤프트를 로킹(locking)함으로써 크랭크 샤프트와 연동하도록 하여 엔진을 시동하는 밸브타이밍 조정장치, 즉 중간위상 밸브타이밍 조정장치가 효율 측면에서 많이 사용된다.
그런데 로킹핀의 로킹 방식은 오일로 작동하는 유압식 래칫(ratchet)을 이용하는 방식과 기계식 래칫을 이용하는 방식이 있다. 유압식 래칫은 오일 소모가 적으나 유로 구성이 복잡하고, 기계식 래칫은 유압식에 비해 오일 소모가 많지만 구조가 간단하여 많이 채용되고 있다.
예컨대, 일본 특허공개 평2001-50016호는 중간위치에서 엔진의 시동을 신속히 개시할 수 있고, 이음 발생을 방지할 수 있는 밸브타이밍 조정장치를 개시한다. 그리고 일본 특허공개 평2000-2104호는 이음 발생을 방지할 수 있는 밸브타이밍 조정장치를 개시한다. 일본 특허공개 2002-357105호는 로킹핀이 진각작동을 제어하는 핀과 지각작동을 제어하는 핀으로 구분된 2개의 로킹핀을 갖춘 밸브타이밍 조정장치를 개시한다.
상기와 같은 밸브타이밍 조정장치는 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 타이밍을 증가하거나 늦추기 위하여 로터에 공급하는 압력 유체의 흐름 방향을 조절하는 유압제어 밸브가 실린더 헤드 등에 설치되는 외장식 구조이다.
그런데 외장식 구조의 밸브타이밍 조정장치는 유압제어 밸브와 하우징 내에 로터가 장착된 밸브 타이밍 조정장치 사이의 거리가 길어 짐에 따라 압력유체의 흐름에 유로 저항이 생기거나 누설이 발생하고, 이에 따라 압력유체의 압력저하로 밸브타이밍 조정장치의 응답성이 저하되는 결점이 있다. 또한, 실린더 헤드에 유압제어 밸브를 배치하기 위한 유압회로가 복잡해지는 결점이 있다.
또한, 이러한 외장식 구조에 중간위상 밸브타이밍 조정장치를 적용하게 되면, 경우에 따라 로킹핀의 작동을 제어하기 위하여 추가적인 제어밸브 또는 유압회로가 필요하게 되어 구성 및 작동의 설계에 복잡성을 더하게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 유압제어 밸브가 로터의 고정볼트 내부에 일체로 설치되는 내장식(Center Feed) 밸브타이밍 조정장치가 개발되어 있고, 이는 밸브타이밍 조정장치의 전체 구성이 컴팩트하고 외부 배관도 간단하다.
예컨대, 일본 특허공개 평2010- 285986호는 유압제어 밸브의 작동 구조를 개선하여 밸브 타이밍을 신속하게 조정할 수 있는 밸브타이밍 조정장치를 개시한다. 그런데 상기 일본 특허공개 평2010- 285986호의 밸브타이밍 조정장치는 작동유체의 맥동현상이 로킹작동에 주는 악영향을 제거하여 밸브타이밍을 신속하게 제어할 수 있으나, 2개의 로킹 핀을 채용하는 구조로서 로터의 구성이 복잡해지고 부품의 증가에 따른 작동의 신뢰도 향상에 한계가 있다는 결점이 있다.
따라서 간단한 구성으로 응답성도 좋고 신뢰도 높게 로킹 및 해제작동이 구현되어 효율적으로 밸브타이밍을 조정하여 엔진성능을 개선할 수 있는 다양한 내연기관의 밸브타이밍 조정장치가 개발되고 있다.
본 출원인은 특허출원 제10-2015-0185229호와 제10-2016-0001689호로 내연기관의 밸브타이밍 조정장치를 제안하였고, 바람직하기에는 이러한 밸브타이밍 조정장치의 작동의 응답성을 개선하고 신뢰성을 증대할 수 있도록 하는 유압 제어기술의 개발이 요청되고 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 발명된 것으로, 본 발명의 하나의 목적은, 작업유체 손실이 적은 구성을 채택하여 신뢰도 높게 로킹 및 해제작동을 구현하고 또 밸브타이밍을 조정하여 엔진성능을 개선할 수 있는 내연기관의 밸브타이밍 조정장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 응답성이 정확하고 신뢰도 높게 로킹 및 해제작동을 구현하여 엔진 성능을 개선할 수 있는 내연기관의 밸브타이밍 조정방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 관점에 따른 내연기관의 밸브타이밍 조정장치는, 크랭크 샤프트와 연동하면서 내부 공간을 갖는 하우징;과
캠 샤프트와 연동하면서 상기 하우징의 내부공간에 설치되어 전진 위상각을 조정하는 방향의 진각 체임버와 지체 위상각을 조정하는 방향의 지각 체임버를 각각 형성하는 복수의 베인을 갖춘 로터;
상기 베인에 형성된 로킹 체임버에 탄력설치된 중공의 아우터 핀과 상기 아우터 핀 내부에 탄력설치된 인너 핀을 포함하고, 로터의 최진각 위치와 최지각 위치 사이의 중간위치에서 밸브타이밍을 조정하면서 캠 샤프트로부터 전달되는 토크에 의해 하우징과 결합하여 로터의 회전을 방지하는 로킹핀 부재;
상기 로터의 내부에 설치되어, 엔진의 운전상태에 따라 상기 진각 체임버 ,지각 체임버 또는 로킹 체임버로 압력유체를 공급하거나 그로부터 배출하고, 또 로킹핀 부재의 작동을 제어하도록 작업유체 펌프에 연결된 유압제어밸브;를 포함할 수 있다.
본 발명의 하우징은, 로킹핀 부재가 결합하도록 다른 깊이로 연결 형성된 복수의 로킹 홈을 포함할 수 있다.
또한 상기 로킹 홈은 큰 직경의 대경홈과 작은 직경의 소경홈이 소정 깊이로 형성되어 단차부를 형성할 수 있다.
본 발명에는 로킹핀 부재의 위상각 조정 작동시에는 차단되고 로킹 시에는 로킹 홈의 작업유체를 외부로 배출하는 드레인 통로가 구비될 수 있다.
여기서, 상기 드레인 통로는 베인을 관통하여 외부로 연결된 제1 드레인 구멍과, 이 제1 드레인 구멍과 연통하면서 로킹 홈에 연결된 제2 드레인 구멍을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 채용된 유압제어밸브는 진각 체임버와 지각 체임버 또는 로킹 체임버에 각각 연결되는 유로를 통해 압력유체를 선택적으로 공급 또는 배출하는 5포트 5위치 밸브를 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 유압제어 밸브와 작업유체 펌프 사이에 역류를 방지하는 체크 밸브를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명은 아우터 핀이 상부 링과 하부 링으로 분할된 구성을 채택할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 내연기관의 밸브타이밍 조정방법은, 크랭크 샤프트와 연동하면서 내부 공간을 갖는 하우징; 캠 샤프트와 연동하면서 상기 하우징의 내부공간에 설치되어 전진 위상각을 조정하는 방향의 진각 체임버와 지체 위상각을 조정하는 방향의 지각 체임버를 각각 형성하는 복수의 베인을 갖춘 로터; 및 상기 베인의 로킹 체임버에 탄력설치된 중공의 아우터 핀과 상기 아우터 핀 내부에 탄력설치된 인너 핀을 포함하고, 로터의 최진각 위치와 최지각 위치 사이의 중간위치에서 밸브타이밍을 조정하면서 캠 샤프트로부터 전달되는 토크에 의해 하우징에 형성된 로킹 홈과 결합하여 로터의 회전을 방지하는 로킹핀 부재; 를 포함하고서,
엔진의 정지 상태에서는 상기 진각 체임버와 지각 체임버 및 로킹 체임버의 압력유체를 배출하는 단계;
엔진의 아이들링 회전 상태에서는 상기 진각 체임버와 지각 체임버에 압력유체를 공급하고 로킹 체임버의 압력유체를 배출하는 단계; 및
엔진의 정상운전 상태에서는 로킹 체임버에 압력유체를 공급하고, 진각 체임버 또는 지각 체임버에 선택적으로 압력유체를 공급하는 단계; 를 포함할 수 있다.
본 발명은 엔진의 정상운전 상태에서, 진각 체임버와 지각 체임버에 압력유체의 공급을 차단하고, 로킹 체임버에만 압력유체를 공급하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 조정방법에 채용된 유압제어밸브는 진각 체임버와 지각 체임버 또는 로킹 체임버에 각각 연결되는 유로를 통해 압력유체를 선택적으로 공급 또는 배출하는 5포트 5위치 밸브를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 엔진의 정상운전 상태에서, 캠 샤프트로부터 전달되는 네거티브 토크에 의해 아우터 핀과 인너 핀이 순차적으로 이동하여 대경홈과 소경홈에 선택적으로 결합하여 로킹될 수 있다.
한편, 본 발명은 엔진의 정상운전 상태에서, 캠 샤프트로부터 전달되는 포지티브 토크에 의해 아우터 핀과 인너 핀이 한번에 이동하여 로킹 홈에 결합하여 로킹될 수도 있다.
상기와 같은 구성으로 된 본 발명은, 로터의 베인 및 로킹핀 부재에 작업유체를 공급하여 위상각 제어작동을 하는 유압제어 밸브가 로터에 내장되어 작업유체 손실이 적어 응답성이 정확하고, 유압제어밸브가 엔진의 운전 상태에 따라 다양한 위치로 절환되어 압력유체의 공급 및 배출을 제어함으로써 신뢰도 높게 로킹 및 해제작동을 구현하고 밸브 타이밍을 조정하여 엔진성능을 향상할 수 있게 된다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하면 더욱 명확하게 이해될 것이다:
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브타이밍 조정 장치의 개락적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 II-II선을 따른 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브타이밍 조정 방법을 설명하는 개략도이다.
도 4(a)-4(c)는 본 발명의 일 실시예에 따라 최지각 위치에 위치한 베인의 로킹핀 부재가 네거티브 토크에 의해 로킹 홈에 결합되는 작동을 도시한 단면도이다.
도 5(a)는 최진각 위치에 위치한 베인의 로킹핀 부재의 로킹상태가 해제되어 위상각 제어작동이 가능한 상태를 도시한 단면도이다
도 5(b)는 도 5(a)와 유사한 것으로 최진각 위치에 위치한 베인의 로킹핀 부재의 로킹상태가 해제되어 위상각 제어작동이 가능한 상태를 도시한 단면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관의 밸브타이밍 조정 장치와 그 방법을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 동일한 구성부품은 다른 도면에서도 동일한 참조부호를 사용한다. 또한, 구성부품의 상대적인 치수 및 위치관계는, 설명의 편의를 위하여 인위적으로 조합하거나 확대 또는 과장되어 도시된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브타이밍 조정 장치(100)의 개락적인 구성을 도시한다.
밸브타이밍 조정장치(100)는 내연기관의 캠샤프트(1)와 연결되는 밸브 몸체(2)가 연장 형성되고, 상기 밸브 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 밸브 몸체(2)에는, 외주면에 복수의 오일 홈(6a)이 형성된 스풀(6)이 스프링(7)에 의해 탄력설치되어 제어부(도시 안 됨)의 제어신호가 솔레노이드(V)에 인가됨에 따라 작업유체의 흐름을 절환하여 제어하는 유압제어밸브(8)가 내장된다.
상기 유압제어밸브(8)는, 도 1, 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이, 유체펌프(P)와 드레인 탱크(T) 사이에서 공급유로(S)와 드레인 유로(D1, D2)를 매개로 연결되어 본 발명의 밸브타이밍 조정장치(100)로 작업유체의 공급 및 배출을 제어하는 5 포트 5위치 밸브이다.
도 3에서, 1위치는 엔진이 정지되거나 시동할 때의 작업유체를 제어하는 위치, 2위치는 엔진의 아이들링 운전 상태의 작업유체를 제어하는 위치, 3, 4, 5 위치는 엔진이 정상적으로 작동하는 동안에 밸브 타이밍의 위상제어를 하도록 작업유체를 제어하는 위치이다. 3위치는 진각작동 제어, 4위치는 로킹상태가 완전히 해제된 홀드(hold)제어, 5위치는 지각작동 제어를 각각 나타낸다.
한편, 스풀(6)의 외주면과 인접한 밸브 몸체(2)에는 유체펌프(P)와 공급유로(S)를 매개로 연결되는 유입포트(2a)와, 드레인 유로(D1, D2)를 매개로 드레인 탱크(T)에 연결되는 배출포트(2b)가 형성된다, 또한, 밸브 몸체(2)에는 후술하는 진각 체임버 또는 지각 체임버와 각각 연결되는 진각 포트(2c)와 지각 포트(2d) 및 후술하는 로킹 체임버와 연통하는 로킹 포트(2e)가 각각 형성된다.
한편, 상기 밸브 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.
한편, 상기 보스부(21)에는 진각 포트(2c) 및 진각 체임버(15a)와 연통하여 압력유체를 공급하는 진각 유체통로(21a)와, 지각 포트(2d) 및 지각 체임버 (15b)와 연통하여 압력유체를 공급하는 지각 유체통로(21b), 및 로킹 포트(2e) 및 후술하는 로킹 체임버와 연통하여 압력유체를 공급하는 로킹 통로(21c)가 각각 형성된다.
따라서 작업유체가 진각 유체통로(21a) 또는 지각 유체통로(21b)를 통해 진각 체임버 (15a)또는 지각 체임버(15b)로 선택적으로 공급되어 베인(12)에 유체압력을 작용하면, 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.
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 도 2에 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 로킹 홈(50)을 포함한다.
여기서, 로킹핀 부재(40)는, 상기 베인(22A)의 장착구멍(25)의 일단부(도 1에서 좌측 단부)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 내부에 슬라이딩 가능하게 결합되면서 상부캡(41)에 대하여 인너 스프링(44)에 의해 탄력 설치된 인너 핀(45)을 포함한다.
로킹핀 부재(40)는 장착구멍(25)의 타단부(도 1에서 우측 단부)를 폐쇄하면서, 아우터 핀(43)의 외주면을 지지하는 링 형상의 하부캡(46)을 추가로 포함할 수 있다.
그리고 상기 베인(22A)에는 장착구멍(25)에서 아우터 핀(43) 주위의 로킹 체임버(26)에 작업유체를 공급하거나 그로부터 배출하는 로킹 통로(22b)가 관통형성된다.
한편, 상기 회전방지수단(30)을 구성하는 래칫 플레이트(5)에 형성된 복수의 로킹 홈(50)은 도 4에 도시된 바와 같이, 베인(22A)의 장착구멍(25)과 마주 보도록 직경이 다르고 깊이가 다른 복수 개로 연결 형성될 수 있다. 즉, 로킹 홈 (50)은 큰 직경의 대경홈(51)과 작은 직경의 소경홈(52)이 단면 형상이 계단형상의 단차부(53)를 이루면서 연결된다. 하지만, 본 발명의 변형예로서 대경홈 (51)과 소경홈(52)으로 이루어진 상기 로킹 홈(50)은 하우징(10)에 형성될 수도 있다.
한편, 상기 로킹핀 부재(40)의 위상조정 작동시에는 차단되고 로킹 시에는 로킹 홈(50)의 작업유체를 외부로 배출하는 드레인 통로(60)가 구비된다. 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 드레인 통로(60)는 로킹 홈(50)에 연통하도록 래칫 플레이트(5)에 형성된 제1 드레인 구멍(61)과, 이 제1 드레인 구멍(61)과 연결되면서 베인(22A)을 관통하여 외부로 연결되는 제2 드레인 구멍(62)을 포함할 수 있다.
그런데 도 1과 도 4, 5에 도시된 로킹 홈(50)과 제1 드레인 구멍(61) 및 제2 드레인 구멍(62)의 크기 및 상대위치는, 실제 장치의 축척 또는 단면도와는 달리, 로킹핀 부재(40)의 작동에 따른 상호 간의 연통관계에 대한 설명의 편의를 위하여 인위적으로 조합하여 확대하거나 과장되어 도시되어 있다.
다음은 상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 타이밍 조정장치의 작동을 설명한다.
엔진이 정지된 상태이거나 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 방지하여야 한다.
엔진이 정지되거나 또는 비상 정지하여야 하는 경우 제어부(도시 안 됨)의 제어신호에 의해 유압제어밸브(8)는 도 2에서 1위치에 위치한다. 따라서, 유체펌프(P)의 공급유로(S)는 차단되고, 진각 체임버(15a)와 지각 체임버(15b) 및 로킹 체임버(26)는 모두 포트(21a, 21b, 21c)를 통해 압력유체가 드레인 유로 (D1, D2)를 매개로 드레인 탱크(T)로 연결된다.
예컨대, 베인(22A)이 최지각에 위치된 상태에서 유압제어밸브(8)가 도 2에서 1위치로 변경되면, 캠 샤프트(1)로부터의 네거티브 토크에 의해 베인(22A)이 소정 각도로 회전한다.
이때, 진각 체임버15a)와 지각 체임버(15b)에 잔류하는 압력유체가 저항으로 작용하게 되어 로킹 성능이 저하된다. 추가로 네거티브 토크가 인가되면 지각 체임버(15b)에 충전된 압력유체는 저항으로 작용하고 진각 체임버(15a)에 있는 압력유체에는 정압이 걸리면서 저항으로 작용한다.
이 상태에서, 유압제어밸브(8)가 도 2에서 1위치로 절환되면, 진각 체임버 (15a)와 지각 체임버(15b)가 드레인 탱크(T)로 연결된다. 이에 따라, 외부 공기가 지각 체임버(15b)에 유입되어 부압이 제거되고, 진각 체임버(15a)에 걸리던 정압은 작업유체의 배출로 제거된다. 이 상태가 도 4(a)이다.
즉, 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 상태로서, 셀프 로킹작동이 시작될 수 있는 위치가 된다.
도 4(a)의 상태에서, 캠 샤프트(1)를 통해 네거티브 토크가 로터(20)를 통해 베인(22A)에 전달되면, 베인(22A)이 소정각도로 진각 방향(B방향)으로 회전한다. 따라서 인너 핀(45)만이 인너 스프링(44)의 탄성력에 의해 하강하거나 또는 아우터 핀(43)도 함께 아우터 스프링(42)의 탄성력에 의해 하강하여 대경홈(51)에 삽입되어, 그 하단부가 단차부(53)에 밀착되고, 도 4(b)의 상태로 된다.
따라서 아우터 핀(43)과 인너 핀(45)은 모두 그 하단부가 대경홈(51)의 좌측 벽부위에 걸려져 베인(22A)은 지각방향으로 이동할 수 없는, 래칫작동이 된다.
이러한 작동과정에서, 로킹 홈(50)에 충전되어 있던 작업유체의 일부는 드레인 통로(60), 즉 제1,2 드레인 구멍(61, 62)이 일부 연통됨에 따라 외부로 배출되므로 로킹작동에 저항으로 작용하지 않는다.
이어서, 캠 샤프트(1)를 통해 추가적인 네거티브 토크가 로터(20)를 매개로 베인(22A)에 인가되면, 인너 핀(45)만이 인너 스프링(44)의 탄성력에 의해 하강하거나 또는 아우터 핀(43)도 함께 아우터 스프링(42)의 탄성력에 의해 하강하여 소경홈(52)에 삽입된다. 이때, 로킹 홈(50) 내부의 작업유체는, 도 2에 도시된 상태와 같이 제1,2 드레인 구멍(61, 62)이 완전히 서로 연통됨에 따라 외부로 배출되게 된다. 따라서 아우터 핀(43)의 하단부가 소경홈(52)의 바닥부에 밀착되고, 도 4(c)의 상태로 된다.
여기서, 아우터 핀(43)의 하단부는 대경홈(51)의 우측 벽 부위 및 소경홈 (52)의 좌, 우측 벽 부위에 각각 걸려지고, 베인(22A)은 지각 방향 및 진각 방향의 어느 방향으로도 이동할 수 없는 로킹상태가 된다. 따라서 로킹핀 부재 (40)는 래칫 플레이트(5)의 로킹 홈(50)에 견고하게 결합되므로, 로터(20)는 하우징(10)에 대하여 상대 회전이 방지되고 함께 회전하게 된다.
다음은, 베인(22A)이 공간(15)에서 진각 위치, 즉 진각 체임버 (15a) 쪽으로 편향되어 위치된 상태에서 캠 샤프트(1)의 포지티브 토크를 이용하여 셀프 로킹작동을 이루는 경우를 설명한다.
그런데 포지티브 토크는 네거티브 토크에 비해 크기 때문에, 본 발명의 일 실시예에서는 한번에 셀프 로킹작동이 이루어지고, 베인(22A)에 작용하는 포지티브 토크의 인가방향은 A방향으로서 네거티브 토크의 경우(B방향)와 반대 방향이다. 즉, 포지티브 토크가 인가되어 베인(22A)이 A방향으로 소정 각도로 회전하면, 로킹핀 부재(40)의 아우터 핀(43)과 인너 핀(45)은 스프링(42, 44)의 탄성력에 단번에 로킹 홈(50)의 대경홈(51)를 통과하여 소경홈(52)에 삽입되어 로킹되어, 도 4(c)의 상태가 된다.
한편, 엔진이 시동된 후 소정시간이 경과하여 엔진이 아이들링 회전하는 경우, 제어부의 제어신호에 의해 유압제어밸브(8)는 도 3에서 2위치로 절환된 다. 이는 초기의 안정화 구간으로서 엔진 시동 후 최소한의 시간 동안 이 상태가 유지되도록 설정된다. 즉, 엔진의 초기 시동상태에서는 진각 체임버(15a)와 지각 체임버(15b)에 작업유체가 완전히 충전되어 있지 않으므로, 완전 충전시까지 소정의 시간이 필요하다.
이때, 유압제어밸브(8)는 도 3의 2위치에 위치되어 있으므로, 유체펌프 (P)로부터 압력유체가 진각 체임버(15a)와 지각 체임버(15b)에 공급되지만, 로킹 체임버(26)는 드레인 유로(D1, D2)를 매개로 드레인 탱크(T)로 연결되므로, 로킹핀 부재(40)는 도 4(c)의 로킹 상태로 유지된다.
한편, 엔진이 시동되어 정상작동하는 경우, 흡기밸브 또는 배기밸브의 밸브 타이밍을 조정하여야 하므로, 도 4(c)에 도시된 로킹핀 부재(40)의 로킹상태를 해제하여여야 한다.
이를 위하여, 제어부의 제어신호에 의해 유압제어밸브(8)는 도 3에서 홀드 상태인 4위치로 절환된다. 따라서, 유체펌프(P)로부터 진각 체임버(15a)와 지각 체임버(15b)로의 작업유체의 공급은 차단되고, 작업유체는 로킹포트(2e)와 로킹통로(21c) 및 오일통로(22b)를 차례로 통과하여 로킹 체임버(26)로 공급된다.
이에 따라, 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 상태로서, 도 5(a) 또는 도 5(b)의 상태이다.
여기서, 도 5(a)는 로킹핀 부재(40)가 구비된 베인(22A)이 최진각 위치에 위치한 경우이고, 도 5(b)는 로킹핀 부재(40)가 구비된 베인(22A)이 최지각 위치에 위치한 상태를 각각 도시한다.
따라서 로킹핀 부재(40)가 구비된 베인(22A)은 진각 체임버(15a)와 지각 체임버(15b) 사이에서 회전하면서 캠 샤프트(1)로부터 베인(12)에 작용하는 토크에 의해 흡기밸브 또는 배기밸브의 밸브 타이밍을 조정할 수 있게 된다.
먼저, 제어부의 제어신호에 의해 유압제어밸브(8)가 도 3에서 3위치로 절환되면, 진각(Advance)제어 작동이 개시된다.
즉, 유체펌프(P)로부터 로킹 체임버(26)로 작업유체가 공급된 상태에서, 지각 체임버(15b)에 작업유체가 공급되고, 진각 체임버(15a)는 드레인 탱크(T)로 연결되어 압력유체가 배출된다. 따라서 캠 샤프트(1)를 통해 네거티브 토크 또는 포지티브 토크에 대응하여 베인(22)은 하우징(10)에 대하여 진각 방향(B 방향) 또는 지각 방향(A 방향)으로 자유로이 제어되면서 캠 샤프트(1)를 매개로 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 밸브 타이밍을 조정할 수 있다.
한편, 제어부의 제어신호에 의해 유압제어밸브(8)가 도 3에서 5위치로 절환되면, 지각(Retard)제어 작동이 개시된다.
즉, 유체펌프(P)로부터 로킹 체임버(26)에 작업유체가 공급된 상태에서, 진각 체임버(15a)로 작업유체가 공급되고, 지각 체임버(15b)는 드레인 탱크(T)로 연결되어 압력유체가 배출된다. 따라서 캠 샤프트(1)를 통해 네거티브 토크 또는 포지티브 토크에 대응하여 베인(22)은 하우징(10)에 대하여 진각 방향(B 방향) 또는 지각 방향(A 방향)으로 자유로이 제어되면서 캠 샤프트(1)를 매개로 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 밸브 타이밍을 조정할 수 있다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 유압제어밸브를 로터에 내장하여 작업유체 손실을 감소하고, 다양한 제어위치를 갖는 유압제어밸브를 채용하여 응답성이 정확하고 신뢰도 높게 로킹 및 해제작동을 구현하고 밸브 타이밍을 조정하여 엔진성능을 향상할 수 있게 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, 본 발명의 변형예로서 도 5(b)에 도시한 바와 같이, 아우터 핀의 상.하부를 분리하여 상부 링(43a)과 하부 링(43b)로 분할하여, 누적공차가 상부링(43a)의 외주면에 작용하게 하여, 로킹핀 부재(40)의 공차관리를 완화할 수도 있다.
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) 또는 하우징(10)에 로킹핀 부재(40)가 구성되게 설계할 수도 있다.
10: 하우징 20: 로터
22, 22A: 베인 30: 회전방지수단
40: 로킹핀 부재 43: 아우터 핀
45: 인너 핀 50: 로킹 홈
60: 드레인 통로 61,62: 제1,2드레인 구멍

Claims (13)

  1. 크랭크 샤프트와 연동하면서 내부 공간을 갖는 하우징;과
    캠 샤프트와 연동하면서 상기 하우징의 내부공간에 설치되어 전진 위상각을 조정하는 방향의 진각 체임버와 지체 위상각을 조정하는 방향의 지각 체임버를 각각 형성하는 복수의 베인을 갖춘 로터;
    상기 베인에 형성된 로킹 체임버에 탄력설치된 중공의 아우터 핀과 상기 아우터 핀 내부에 탄력설치된 인너 핀을 포함하고, 로터의 최진각 위치와 최지각 위치 사이의 중간위치에서 밸브타이밍을 조정하면서 캠 샤프트로부터 전달되는 토크에 의해 하우징과 결합하여 로터의 회전을 방지하는 로킹핀 부재;
    상기 로터의 내부에 설치되어, 엔진의 운전상태에 따라 상기 진각 체임버 ,지각 체임버 또는 로킹 체임버로 압력유체를 공급하거나 그로부터 배출하고, 또 로킹핀 부재의 작동을 제어하도록 작업유체 펌프에 연결된 유압제어밸브;를 포함하고,
    상기 로킹핀 부재의 위상각 조정 작동시에는 차단되고 로킹시에는 로킹 홈의 작업유체를 외부로 배출하는 드레인 통로가 구비되며,
    상기 드레인 통로는 베인을 관통하여 외부로 연결된 제1 드레인 구멍과, 이 제1 드레인 구멍과 연통하면서 로킹 홈에 연결된 제2 드레인 구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브타이밍 조정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은, 로킹핀 부재가 결합하도록 다른 깊이로 연결 형성된 복수의 로킹 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브타이밍 조정 장치
  3. 제2항에 있어서,
    상기 로킹 홈은 큰 직경의 대경홈과 작은 직경의 소경홈이 소정 깊이로 형성되어 단차부를 형성하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브타이밍 조정 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유압제어밸브는 진각 체임버와 지각 체임버 또는 로킹 체임버에 각각 연결되는 유로를 통해 압력유체를 선택적으로 공급 또는 배출하는 5포트 5위치 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브타이밍 조정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유압제어 밸브와 작업유체 펌프 사이에 역류를 방지하는 체크 밸브를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브타이밍 조정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 아우터핀은 상부 링과 하부 링으로 분할된 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브타이밍 조정 장치.
  9. 크랭크 샤프트와 연동하면서 내부 공간을 갖는 하우징; 캠 샤프트와 연동하면서 상기 하우징의 내부공간에 설치되어 전진 위상각을 조정하는 방향의 진각 체임버와 지체 위상각을 조정하는 방향의 지각 체임버를 각각 형성하는 복수의 베인을 갖춘 로터; 및 상기 베인의 로킹 체임버에 탄력설치된 중공의 아우터 핀과 상기 아우터 핀 내부에 탄력설치된 인너 핀을 포함하고, 로터의 최진각 위치와 최지각 위치 사이의 중간위치에서 밸브타이밍을 조정하면서 캠 샤프트로부터 전달되는 토크에 의해 하우징에 형성된 로킹 홈과 결합하여 로터의 회전을 방지하는 로킹핀 부재; 를 포함하고서,
    엔진의 정지 상태에서는 상기 진각 체임버와 지각 체임버 및 로킹 체임버의 압력유체를 배출하는 단계;
    엔진의 아이들링 회전 상태에서는 상기 진각 체임버와 지각 체임버에 압력유체를 공급하고 로킹 체임버의 압력유체를 배출하는 단계; 및
    엔진의 정상운전 상태에서는 로킹 체임버에 압력유체를 공급하고, 진각 체임버 또는 지각 체임버에 선택적으로 압력유체를 공급하는 단계; 를 포함하고,
    엔진의 정상운전 상태에서 캠 샤프트로부터 전달되는 네거티브 토크에 의해 아우터 핀과 인너 핀이 순차적으로 이동하여 대경홈과 소경홈에 선택적으로 결합하여 로킹되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브타이밍 조정방법.
  10. 제9항에 있어서,
    엔진의 정상운전 상태에서 진각 체임버와 지각 체임버에 압력유체의 공급을 차단하고, 로킹 체임버에만 압력유체를 공급하는 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브타이밍 조정방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 크랭크 샤프트와 연동하면서 내부 공간을 갖는 하우징; 캠 샤프트와 연동하면서 상기 하우징의 내부공간에 설치되어 전진 위상각을 조정하는 방향의 진각 체임버와 지체 위상각을 조정하는 방향의 지각 체임버를 각각 형성하는 복수의 베인을 갖춘 로터; 및 상기 베인의 로킹 체임버에 탄력설치된 중공의 아우터 핀과 상기 아우터 핀 내부에 탄력설치된 인너 핀을 포함하고, 로터의 최진각 위치와 최지각 위치 사이의 중간위치에서 밸브타이밍을 조정하면서 캠 샤프트로부터 전달되는 토크에 의해 하우징에 형성된 로킹 홈과 결합하여 로터의 회전을 방지하는 로킹핀 부재; 를 포함하고서,
    엔진의 정지 상태에서는 상기 진각 체임버와 지각 체임버 및 로킹 체임버의 압력유체를 배출하는 단계;
    엔진의 아이들링 회전 상태에서는 상기 진각 체임버와 지각 체임버에 압력유체를 공급하고 로킹 체임버의 압력유체를 배출하는 단계; 및
    엔진의 정상운전 상태에서는 로킹 체임버에 압력유체를 공급하고, 진각 체임버 또는 지각 체임버에 선택적으로 압력유체를 공급하는 단계; 를 포함하고,
    엔진의 정상운전 상태에서 캠 샤프트로부터 전달되는 포지티브 토크에 의해 아우터 핀과 인너 핀이 한번에 이동하여 로킹 홈에 결합하여 로킹되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브타이밍 조정방법.
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