KR102169214B1 - 3단계 가변밸브타이밍장치 - Google Patents

3단계 가변밸브타이밍장치 Download PDF

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KR102169214B1
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김동연
김동훈
정대열
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현대중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 엔진의 밸브 밀폐 타이밍을 조절할 수 있는 가변밸브타이밍장치에 관한 것으로서, 특히 3단계로 밸브 타이밍을 제어할 수 있게 구성한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3단계 가변밸브타이밍장치는 하부 푸시로드와 상부 푸시로드를 연결하는 하우징과, 하우징에 형성된 중공에 위치하며 하부 푸시로드와 연결된 하부 플런저와, 하우징에 형성된 중공에 위치하고 상부 푸시로드와 연결되며 하부 플런저의 상단과 접하거나 이격되는 상부 플런저와, 하우징의 중공을 상부 챔버와 하부 챔버로 구획하며 코일스프링의 탄성력에 의해 상향 이동하고 하향으로 이동하는 상부 플런저와의 간섭에 의해 하향으로 이동하는 논 리턴 밸브와, 하우징의 중공 내에 위치하며 상부 플런저의 하단과 하부 플런저의 상단을 감싸고 하부 챔버와 연통하는 스필 포트가 형성된 슬리브와, 일단은 상부 챔버에 연통하고 타단은 하부 챔버에 연통하도록 하우징에 형성된 우회유로와, 우회유로를 개방하거나 폐쇄하며 하사점에 위치하는 논 리턴 밸브를 가압하여 고정하는 제어부를 포함하며, 우회유로의 타단은 논 리턴 밸브의 이동범위 내에 위치하여 하사점에 위치한 논 리턴 밸브에 의해 폐쇄되고 논 리턴 밸브가 상사점에 위치하면 개방되며, 우회유로의 일단은 논 리턴 밸브의 이동범위 밖에 위치하여 항상 개방된 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

3단계 가변밸브타이밍장치{THREE STEP VARIABLE VALVE TIMING APPARATUS}
본 발명은 엔진의 밸브 밀폐 타이밍을 조절할 수 있는 가변밸브타이밍장치에 관한 것으로서, 특히 3단계로 밸브 타이밍을 제어할 수 있게 구성한 것이다.
일반적으로 엔진은 연료의 연소시 발생하는 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 장치이다. 즉, 엔진은 선박, 자동차 등과 같은 이동수단에 추진력을 발생시키는 장치이다.
이러한 엔진은 엔진블록 상에 다수의 실린더가 설치되고, 각각의 실린더 내에는 흡기밸브 및 배기밸브(이하 통칭하여 '밸브'라 함)가 설치된다. 밸브는 로커암(Rocker Arm), 푸시로드(Push Rod), 스윙암(Swing Arm), 캠(Cam) 등을 통해 실린더를 개방시키거나 밀폐시킨다.
한편, 최근에는 친환경 고효율 엔진에 대한 요구가 증대하면서 다양한 엔진의 성능 개선에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 특히, 엔진 성능 향상에 있어 최적의 흡기 또는 배기 조건이 큰 영향을 미치고 있기 때문에 엔진의 속도에 따른 상이한 밸브 타이밍 조절을 통해 엔진 내의 밸브의 개폐시기를 최적화하기 위한 기술들이 연구되고 있다.
이와 같이 엔진의 속도와 부하 등의 조건에 따라 밸브의 개폐 타이밍을 조절하여 열효율을 높이고, 스모크(Smoke)를 저감하며, 연비를 향상시키는 것이 엔진의 가변밸브 타이밍 장치이다.
종래 기술에 따른 가변밸브 타이밍 장치는 캠의 위상을 변화시켜 밸브가 실린더를 밀폐하는 시기를 앞당기거나 지연시킨다. 이에 따라, 종래 기술에 따른 가변밸브 타이밍 장치는 다음과 같은 문제가 있다.
그 첫 번째로, 종래 기술에 따른 가변밸브 타이밍 장치는 캠을 바꾸지 않는 이상 밸브의 밀폐 시기를 조절하는 것이 불가능할 뿐만 아니라, 밀폐 시기를 능동적으로 제어할 수 없으므로 엔진의 부하에 따른 밸브 타이밍을 최적화할 수 없는 문제가 있다.
두 번째로, 종래 기술에 따른 가변밸브 타이밍 장치는 엔진의 부하에 따른 밸브 타이밍을 조절할 수 없으므로, 엔진의 열효율이 낮아 연비가 좋지 않을 뿐만 아니라 질소산화물(NOx)의 배출량을 증가시켜 환경을 오염시키는 문제가 있다.
대한민국 공개특허공보 특1997-0011281호(1997.03.27)
본 발명은 앞에서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 컨트롤 밸브로 우회유로를 폐쇄하여 밸브의 닫힘을 지연하는 1단계와, 컨트롤 밸브로 우회유로를 개방하여 밸브의 닫힘을 지연하되 1단계보다 지연 시간을 단축하는 2단계 및 지연 없이 밸브가 닫히는 3단계로 구분하여 밸브 닫힘을 제어할 수 있게 구성한 3단계 가변밸브타이밍장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3단계 가변밸브타이밍장치는 하부 푸시로드와 상부 푸시로드를 연결하는 하우징과, 하우징에 형성된 중공에 위치하며 하부 푸시로드와 연결된 하부 플런저와, 하우징에 형성된 중공에 위치하고 상부 푸시로드와 연결되며 하부 플런저의 상단과 접하거나 이격되는 상부 플런저와, 하우징의 중공을 상부 챔버와 하부 챔버로 구획하며 코일스프링의 탄성력에 의해 상향 이동하고 하향으로 이동하는 상부 플런저와의 간섭에 의해 하향으로 이동하는 논 리턴 밸브와, 하우징의 중공 내에 위치하며 상부 플런저의 하단과 하부 플런저의 상단을 감싸고 하부 챔버와 연통하는 스필 포트가 형성된 슬리브와, 일단은 상부 챔버에 연통하고 타단은 하부 챔버에 연통하도록 하우징에 형성된 우회유로와, 우회유로를 개방하거나 폐쇄하며 하사점에 위치하는 논 리턴 밸브를 가압하여 고정하는 제어부를 포함하며, 우회유로의 타단은 논 리턴 밸브의 이동범위 내에 위치하여 하사점에 위치한 논 리턴 밸브에 의해 폐쇄되고 논 리턴 밸브가 상사점에 위치하면 개방되며, 우회유로의 일단은 논 리턴 밸브의 이동범위 밖에 위치하여 항상 개방된 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제어부는, 전후진 이동하면서 우회유로를 개폐하는 컨트롤밸브와, 전후진 이동하며 논 리턴 밸브를 고정하거나 고정 해제하는 컨트롤 피스톤을 포함한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 하우징에는 제1챔버가 형성되고, 제1챔버에 위치한 컨트롤 밸브는 제1챔버에 가해지는 압력과 스프링의 탄성력에 의해 직선 왕복운동하면서 우회유로를 개방하거나 폐쇄한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1챔버에는 제1에어라인이 연결되고 제1에어라인을 통해 공급된 에어에 의해 컨트롤 밸브가 전진하며 우회유로를 폐쇄하고, 제1에어라인을 통해 공급되는 에어가 차단되면 컨트롤 밸브에 장착된 코일스프링의 탄성력에 의해 우회유로를 개방하는 방향으로 이동한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 하우징에는 제2챔버가 형성되고, 제2챔버에 위치한 컨트롤 피스톤은 제2챔버에 가해지는 압력에 의해 전진하여 논 리턴 밸브를 가압 고정한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2챔버에는 제2에어라인이 연결되고 제2에어라인을 통해 공급된 에어에 의해 컨트롤 피스톤이 전진하면서 논 리턴 밸브의 측면을 가압하고, 제2에어라인을 통해 공급되는 에어가 차단되면 가압 해제되면서 논 리턴 밸브가 상하방향으로 이동 가능하다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상부 플런저의 외주면에 단차가 형성되고, 논 리턴 밸브의 내주면에 단차가 형성되며, 하향으로 이동하는 상부 플런저의 단차가 아래에 위치하는 논 리턴 밸브의 단차와 접하여 하향으로 이동하고, 논 리턴 밸브의 아래에서 받쳐주는 코일스프링에 의해 상향으로 이동 가능하다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 우회유로가 컨트롤 밸브에 의해 폐쇄된 상태에서, 상사점에서 하향으로 이동하는 상부 플런저의 단차와 논 리턴 밸브의 단차가 접하여 하부 챔버가 폐쇄되면 상부 플런저의 하향 이동이 작동유의 유압에 의해 지연되고, 하부 챔버의 작동유가 슬리브의 스필 포트를 통해 하향 이동한 하부 플런저와 상부 플런저 사이의 공간과 상부 플런저의 길이방향으로 형성된 유로를 통해 상부 챔버로 유입되면서 작동유의 유압이 해제되어 상부 플런저가 하향으로 이동하다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 우회유로가 컨트롤 밸브에 의해 개방된 상태에서, 상사점에서 하향으로 이동하는 상부 플런저의 단차와 논 리턴 밸브의 단차가 접하여 하부 챔버가 폐쇄되면 상부 플런저의 하향 이동이 작동유의 유압에 의해 지연되고, 개방된 우회유로를 통해서만 하부 챔버의 작동유가 상부 챔버로 유입되면서 상부 플런저의 하향 이동의 지연을 단축한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 컨트롤 피스톤이 논 리턴 밸브의 측면을 가압하여 고정함에 따라 캠의 회전에 따라 상부 플런저와 하부 플런저가 함께 상하 이동한다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 3단계 가변밸브타이밍장치는 엔진의 부하에 따라 밸브 타이밍을 지연하도록 구현됨으로써, 부하에 따라 밸브 타이밍 최적화를 구현할 수 있는 밸브트레인을 구현할 수 있어 엔진의 효율을 증대시킬 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 3단계 가변밸브타이밍장치가 설치된 상태를 나타낸 사시도이고,
도 2는 도 1에 도시된 가변밸브타이밍장치를 나타낸 단면도이다.
도 3a는 도 2에 도시된 가변밸브타이밍장치에 있어서, 우회유로를 컨트롤 밸브로 폐쇄한 상태에서 캠에 의해 플런저들이 상승하는 과정을 나타낸 단면도이고,
도 3b는 도 3a에 도시된 단계 이후에 유압에 의해 상부 플런저의 하향 이동이 지연된 상태를 나타낸 단면도이며,
도 3c는 도 3b에 도시된 단계 이후에 유압이 해제되면서 상부 플런저가 하향 이동하는 관계를 나타낸 단면도이고,
도 3d는 도 3a 내지 도 3c의 단계에 따른 크랭크 앵글과 밸브 리프트 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4a는 도 3a에 도시된 단계 이후에 유압에 의해 상부 플런저의 하향이동 시에, 우회유로가 개방되고 스필포트가 차단된 상태에서의 작동유 유동관계를 나타낸 단면도이고,
도 4b는 도 4a에 도시된 단계 이후에 스필포트가 개방된 상태에서의 작동유 유동 관계를 나타낸 단면도이다.
도 4c는 도 4a 내지 도 4b의 단계에 따른 크랭크 앵글과 밸브 리프트 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5a는 논 리턴 밸브를 가압하여 고정시킨 상태를 나타낸 단면도이고,
도 5b는 도 5a에 도시된 상태에서의 크랭크 앵글과 밸브 리프트 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 엔진의 부하에 따른 컨트롤 밸브 및 컨트롤 피스톤의 작동관계를 나타낸 개념도이다.
아래에서는 본 발명에 따른 3단계 가변밸브타이밍장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도면에서, 도 1은 본 발명에 따른 3단계 가변밸브타이밍장치가 설치된 상태를 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 가변밸브타이밍장치를 나타낸 단면도이다. 그리고 도 3a는 도 2에 도시된 가변밸브타이밍장치에 있어서, 우회유로를 컨트롤 밸브로 폐쇄한 상태에서 캠에 의해 플런저들이 상승하는 과정을 나타낸 단면도이고, 도 3b는 도 3a에 도시된 단계 이후에 유압에 의해 상부 플런저의 하향이동이 지연된 상태를 나타낸 단면도이며, 도 3c는 도 3b에 도시된 단계 이후에 유압이 해제되면서 상부 플런저가 하향 이동하는 관계를 나타낸 단면도이고, 도 3d는 도 3a 내지 도 3c의 단계에 따른 크랭크 앵글과 밸브 리프트 관계를 나타낸 그래프이다. 또한 도 4a는 도 3a에 도시된 단계 이후에 유압에 의해 상부 플런저의 하향이동 시에, 우회유로가 개방되고 스필포트가 차단된 상태에서의 작동유 유동관계를 나타낸 단면도이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 단계 이후에 스필포트가 개방된 상태에서의 작동유 유동 관계를 나타낸 단면도이며, 도 4c는 도 4a 내지 도 4b의 단계에 따른 크랭크 앵글과 밸브 리프트 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5a는 논 리턴 밸브를 가압하여 고정시킨 상태를 나타낸 단면도이고, 도 5b는 도 5a에 도시된 상태에서의 크랭크 앵글과 밸브 리프트 관계를 나타낸 그래프이다. 도 6은 엔진의 부하에 따른 컨트롤 밸브 및 컨트롤 피스톤의 작동관계를 나타낸 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 3단계 가변밸브타이밍장치(100)는 엔진의 부하에 따라 밸브(9)가 연소실을 밀폐하는 타이밍을 조절하기 위한 것으로서, 밸브(9)의 개폐에 따른 구조는 아래에서 설명하는 바와 같다.
엔진이 작동하면서 크랭크축과 연동하여 캠(1)이 회전하게 되고, 캠(1)에 접한 스윙암(3)이 상하방향으로 선회하게 된다.
이때 스윙암(3)에 장착된 푸시로드(5H, 5L)가 스윙암(3)을 따라 상하방향으로 이동하면서, 푸시로드(5H, 5L)의 상단에 연결된 로커암(7)의 일단을 선회시키며, 선회하는 로커암(7)의 타단에 장착된 밸브(9)는 로커암(7)의 선회에 따라 상하방향으로 이동하면서 엔진 내부의 연소실을 개폐하도록 구성된다.
한편, 푸시로드의 길이 중간에는 본 발명에 따른 3단계 가변밸브타이밍장치(100)가 장착되는데, 3단계 가변밸브타이밍장치(100)는 하부 플런저(130L)가 상향으로 이동함에 따라 밀려 상부 플런저(130H)가 상향으로 이동한 후 하부 플런저(130L)가 하향으로 이동함에 있어서, 도 3a 내지 도 3d에 도시된 바와 같이, 유압에 의해 상부 플런저(130H)가 하향으로 이동하는 것을 지연시킴에 따라 밸브의 닫힘을 지연하는 1단계, 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이 우회유로(111)를 개방하여 작동유의 유압을 일부 해제함으로써 밸브(9)의 닫힘을 지연하는 1단계에 비해 상대적을 지연을 단축시키는 제2단계, 도 5a 내지 도 5b에 보이듯이 논 리턴 밸브(140)를 고정함으로써 캠(1)에 의해 상부 플런저(130H)와 하부 플런저(130L)가 함께 상하방향으로 이동하며 지연이 발생하지 않는 3단계로 제어 가능하다.
여기에서, 흡기밸브가 엔진의 연소실을 개방함으로써 연소실 내로 공기가 주입되며, 흡기밸브가 연소실을 폐쇄함으로써 공기의 주입이 차단된다. 흡기밸브가 연소실을 밀폐시키는 타이밍에 따라 연소실에 공급되는 공기량이 달라질 수 있다. 예컨대, 흡기밸브가 연소실을 폐쇄시키는 타이밍이 빠르면, 연소실을 폐쇄시키는 타이밍이 느린 경우에 비해 연소실에 주입되는 공기량이 적을 수 있다. 반대로 흡기밸브가 연소실을 폐쇄시키는 타이밍이 지연되어 느려지면, 연소실을 폐쇄시키는 타이밍이 빠른 경우에 비해 연소실에 주입되는 공기량이 많을 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 3단계 가변밸브타이밍장치(100)를 통해 하부 푸시로드(5L)에서 전달되는 동력을 상부 푸시로드(5H)로 바로 전달한 후에 하부 푸시로드(5L)가 하향으로 이동함에 따른 작동유의 유동을 제어하여 상부 푸시로드(5H)가 하향으로 이동하는 것을 지연시킬 수 있게 구성함으로써, 밸브(9)의 듀레이션을 원하는 구간으로 지연시켜 연소실에 주입되는 공기량을 제어할 수 있다.
아래에서는 이와 같이 구성된 3단계 가변밸브타이밍장치에 대해 구체적으로 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 3단계 가변밸브타이밍장치(100)의 하우징(110)의 내부에는 하부에서 상향으로 진입하여 위치하며 하부 푸시로드(5L)와 연결되는 하부 플런저(120L)와, 상부 푸시로드(5H)와 연결되며 하부 푸시로드(5L)의 상단에 접하여 위치한 상부 플런저(120H)와, 상부 플런저(120H)의 둘레에 위치한 논 리턴 밸브(Non-Return Valve)(140)와, 상부 플런저(130H)와 하부 플런저(130L)가 접하는 지점의 둘레를 감싸며 하우징(110)에 형성된 하부 챔버(160L)와 연통되는 스필 포트(151)가 형성된 슬리브(150)와, 상부 플런저(130H)의 상단 둘레에 형성된 상부 챔버(160H)에 대응하여 일단이 형성되고 논 리턴 밸브(140)의 측면에 대응하여 타단이 형성되도록 하우징(110) 내에 형성된 우회유로(111)와, 우회유로(111)의 중간을 개폐하는 컨트롤 밸브(121)와 논 리턴 밸브(140)를 고정하는 컨트롤 피스톤(123)을 구비한 제어부(120)를 포함한다.
여기에서 제어부(120)에는 2개의 에어라인(125a, 125b)이 연결되며 제1에어라인(125a)에서 공급된 압축공기에 의해 컨트롤 밸브(121)가 이동하면서 우회유로(111)를 개폐하며, 제2에어라인(125b)에 공급되는 압축공기에 의해 컨트롤 피스톤(123)이 전방으로 이동하면서 논 리턴 밸브(140)의 측면을 가압함으로써, 논 리턴 밸브(140)를 고정한다. 그리고 제2에어라인(125b)을 통해 공급되는 압축공기를 차단하면 논 리턴 밸브(140)을 가압하던 컨트롤 피스톤(123)이 후진하며 논 리턴 밸브(140)가 작동유의 유동에 의해 상하방향으로 이동 가능하게 된다.
아래에서는 각 구성요소에 대해 구체적으로 설명한다.
3단계 가변밸브타이밍장치(100)의 하우징(110)은 그 내부에 중공이 형성되며, 중공의 상부에는 상부 플런저(130H) 그리고 중공의 하부에는 하부 플런저(130L)가 위치하며, 상부 플런저(130H)와 하부 플런저(130L)가 접하는 지점의 둘레에는 슬리브(150)가 위치한다. 즉 슬리브(150)의 하단으로 하부 플런저(130L)가 삽입되고, 슬리브(150)의 상단으로 상부 플런저(130H)가 삽입되며 슬리브(150)의 길이 중간쯤에서 상부 플런저(130H)와 하부 플런저(130L)가 상호 접한다. 그리고 슬리브(150)에는 상부 플런저(130H)와 하부 플런저(130L)가 접하는 지점에 대응하여 스필 포트(151)가 형성된다.
또한 하우징(110)의 내부에는 스필 포트(151)와 대응하여 하부 챔버(160L)가 형성된다.
한편, 논 리턴 밸브(140)의 내주면에 형성된 단차(141)와 상부 플런저(130H)의 외주면 길이 중간에 형성된 단차(131)는 상호 접하게 되며, 상부 플런저(130H)가 상향으로 이동하여 단차(131, 141)간에 간격이 형성되면 간격을 통해 작동유가 유동하게 된다.
그리고 상부 플런저(130H)의 단차(131) 상부로 상부 챔버(160H)가 형성되며, 상부 챔버(160H)에 대응하여 우회유로(111)의 상단이 형성된다. 여기에서 상부 플런저(130H)가 하사점에 위치할 경우 단차(131)에 걸려 논 리턴 밸브(140) 또한 하사점에 위치하게 되는데, 이때 논 리턴 밸브(140)는 우회유로(111)의 하단을 폐쇄한다.
그리고 상부 플런저(130H)가 상향으로 이동하면 단차(131, 141)의 간섭이 해제되면서 논 리턴 밸브(140)는 둘레를 감싸는 코일스프링(140S)의 탄성력에 의해 상승하게 된다. 여기에서 논 리턴 밸브(140)가 상향으로 상승하더라도 우회유로(111)의 상단을 폐쇄하지는 않는다. 즉 우회유로(111)의 하단은 논 리턴 밸브(140)의 이동범위에 내에 위치하고 하사점에 위치한 논 리턴 밸브(140)에 의해 우회유로(111)의 하단은 폐쇄되고, 논 리턴 밸브(140)가 상승하면 우회유로(111)의 하단은 개방되지만, 우회유로(111)의 상단은 논 리턴 밸브(140)의 이동범위 밖에 위치하여 개방된 상태를 유지한다.
하사점에 위치한 논 리턴 밸브(140)의 측방향으로 컨트롤 밸브(121)와 컨트롤 피스톤(123)이 장착된다.
아래에서는 컨트롤 밸브와 컨트롤 피스톤에 대개 구체적으로 설명한다.
하우징(110)에는 논 리턴 밸브(140)의 측방향으로 제1에어챔버(113a)와 제2에어챔버(113b)가 형성된다.
제1에어챔버(113a)에는 컨트롤 밸브(121)가 장착되고, 제2에어챔버(113b)에는 컨트롤피스톤(123)이 장착된다. 제1에어챔버(113a)의 후방에 제1에어라인(125a)이 연결되고, 제2에어챔버(113b)의 후방에 제2에어라인(125b)이 연결된다.
따라서 제1에어챔버(113a)에 에어가 공급되면 공압에 의해 컨트롤 밸브(121)가 전진하고, 에어 공급이 차단되면 컨트롤 밸브(121)에 내장된 코일스프링(121S)의 탄성력에 의해 컨트롤 밸브(121)가 후진하게 된다. 컨트롤 밸브(121)는 우회유로(111)에 장착되어 전진함에 따라 우회유로(111)가 폐쇄되고, 후진함에 따라 우회유로(111)가 개방된다. 즉 제1에어챔버(113a)에 에어가 공급되면 우회유로(111)는 차단되고, 에어공급이 차단되면 우회유로(111)는 개방된다.
그리고 컨트롤피스톤(123) 또한 제2에어라인(125b)을 통해 공급된 에어에 의해 전방으로 전진하여 논 리턴 밸브(140)의 측면을 가압하고, 에어 공급이 차단되면 가압이 해제되어 논 리턴 밸브(140)가 상하방향으로 이동 가능하게 된다.
여기에서 논 리턴 밸브(140)가 상향으로 이동하는 것은 내장된 코일스프링(140S)에 의한 것으로 논 리턴 밸브(140)가 하사점에 위치한 상태에서, 컨트롤피스톤(123)이 논 리턴 밸브(140)의 측면을 가압하여 발생하는 마찰력이 코일스프링(140S)의 탄성력보다 크면 논 리턴 밸브(140)는 상부 플런저(130H)가 상향으로 이동하여 단차(131, 141)의 간섭이 해제되더라도 컨트롤 피스톤(123)의 가압에 의해 고정되면서 우회유로(111)의 하단을 폐쇄한다.
아래에서는 이와 같이 구성된 3단계 가변밸브타이밍장치의 작동관계에 대해 설명한다.
도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, 제1에어라인(125a)에 에어를 공급하면 컨트롤 밸브(121)가 전진하여 우회유로(111)를 차단한다. 이 상태에서, 캠(1)의 회전에 의해 하부 플런저(130L)가 상승하면 하부 플런저(130L)와 접한 상부 플런저(130H) 또한 하부 플런저(130L)에 밀려 상승하게 된다. 상부 플런저(130H)가 상승하게 되면 단차(131, 141) 간섭이 해제되고 논 리턴 밸브(140)는 코일스프링(140S)의 탄성력에 의해 상부 플런저(130H)를 따라 상승하게 되며, 논 리턴 밸브(140)의 상사점보다 상부 플런저(130H)가 더 높게 상승하게 되면 상부 플런저(130H)의 외측 단차(131)와 논 리턴 밸브(140)의 내측 단차(141) 사이에 간격이 발생하게 되고, 상부 챔버(160H)의 작동유는 간격을 통해 하부 챔버(160L) 쪽으로 유동 가능하게 개방되지만, 슬리브(150)의 스필 포트(151)가 하부 플런저(130L)에 의해 폐쇄됨에 따라 작동유는 폐쇄된 상태가 된다. 따라서 상부 플런저(130H)가 상승함에 따라 밸브(9)는 개방된다.
이후 캠(1)의 회전에 의해 하부 플런저(130L)가 하향으로 이동함에 있어서, 상부 플런저(130H)는 밸브(9)에 장착된 코일스프링(미도시) 또는 로커암에 장착된 코일스프링(미도시)에 의해 하향 이동하게 되는데, 상부 플런저(130H)의 단차(131)와 논 리턴 밸브(140)의 단차(141)가 간섭되면 작동유가 폐쇄되면서 논 리턴 밸브(140) 및 상부 플런저(130H)가 하향으로 이동함에 대해 작동유의 유압이 저항하게 된다.
작동유의 유압에 의해 도 3b에 도시된 바와 같이 하부 플런저(130L)는 하향으로 이동하지만 상부 플런저(130H)는 유압에 의해 하향 이동이 지연되면서 상부 플런저(130H)와 하부 플런저(130L)의 사이에 공간(S)이 형성된다.
이후 하부 플런저(130L)가 하향 이동하며 슬리브(150)의 스필 포트(151)와 상부 플런저(130H)의 중심에 형성된 유로(133)가 연통되면, 도 3c에 도시된 바와 같이, 하부 챔버(160L)에 채워진 작동유가 스필 포트(151)와 상부 플런저(130H)의 유로(133)를 통해 상부 챔버(160H)로 유입된다.
따라서 논 리턴 밸브(140) 및 상부 플런저(130H)에 가해지던 작동유의 유압이 해제되고, 논 리턴 밸브(140) 및 상부 플런저(130H)는 밸브(9)에 장착된 코일스프링(미도시) 또는 로커암에 장착된 코일스프링(미도시)의 탄성력에 의해 하향으로 이동하게 되고, 논 리턴 밸브(140)는 코일스프링(140S)의 압축과 함께 원위치(하사점)로 복귀하며, 상부 플런저(130H) 또한 하향 이동하여 하부 플런저(130L)와 접하게 됨으로써, 1사이클이 완료된다.
이와 같이 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, 상부 플런저(130H)가 하부 플런저(130L)에 밀려 상향으로 이동한 후 하부 플런저(130L)가 하향으로 이동함에도 작동유의 유압에 의해 바로 하향 이동하지 않고 지연됨에 따라 도 3d에 도시된 바와 같이, 밸브(9)의 닫힘을 지연시킬 수 있게 된다.
아래에서는 컨트롤 밸브(121)를 제어하여 우회유로(111)를 개방한 상태에서 3단계 가변밸브타이밍장치의 작동관계에 대해 설명한다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 제1에어라인(125a)을 통해 공급하던 에어를 차단하면 컨트롤 밸브(121)는 코일스프링(121S)에 의해 후진하여 우회유로(111)를 개방한다. 여기에서 에어의 차단을 제어함에 따라 컨트롤 밸브(121)가 우회유로(111)를 개방하는 정도에 차이를 둘 수 있다.
이 상태에서, 도 3a에 도시된 바와 같이, 캠(1)의 회전에 의해 하부 플런저(130L), 논 리턴 밸브(140), 상부 플런저(130H)가 상향으로 이동한다. 그러면 도면에는 도시하지 않았으나, 단차(131, 141) 사이의 간격과 더불어 개방된 우회유로(111)를 통해 상부 챔버(160H)에 위치한 작동유는 하부 챔버(160L)로 유동하고, 이후 도 4a에 도시된 바와 같이, 캠(1)의 회전에 의해 하부 플런저(130L)는 하향으로 이동하게 된다.
그리고 하부 챔버(160L)와 연통된 스필 포트(151)가 하부 플런저(130L)에 의해 폐쇄되어 논 리턴 밸브(140)와 상부 플런저(130H)가 하향으로 이동함에 따라 작동유의 유압을 받게 되지만, 우회유로(111)가 개방됨에 따라 논 리턴 밸브(140)와 상부 플런저(130H)가 하향 이동함에 따라 발생하는 작동유의 유압 저항이 도 3b에 도시된 것과 같이 우회유로(111)가 완전 폐쇄된 경우에 비해 작은 유압으로 저항하게 된다. 따라서 우회유로(111)가 완전히 폐쇄된 경우에 비해 상대적으로 빠른 속도로 논 리턴 밸브(140)와 상부 플런저(130H)가 하향 이동하게 되며, 도 4b에 도시된 바와 같이 하부 플런저(130L)가 스필 포트(151)를 개방하면 하부 챔버(160L)의 작동유는 스필 포트(151)와 상부 플런저(130H)의 유로를 통해 상부 챔버(160H)로 유입되어 논 리턴 밸브(140)와 상부 플런저(130H)가 하향으로 이동하게 되고, 상부 플런저(130H)는 하부 플런저(130L)와 접하게 된다.
이와 같이 컨트롤 밸브(121)가 우회유로(111)를 개방하면, 우회유로(111)를 폐쇄함에 따른 논 리턴 밸브(140)와 상부 플런저(130H)의 하향 이동 지연시간보다 신속하게 논 리턴 밸브(140)와 상부 플런저(130H)가 하향 이동하게 되며, 따라서 도 4c에 도시된 바와 같이, 밸브(9) 닫힘의 지연 시간이 단축된다.
한편 도 5a에 도시된 바와 같이, 제2에어라인(125b)에 에어를 공급하면 컨트롤피스톤(123)이 전진하여 논 리턴 밸브(140)를 가압하여 고정한다. 이때 논 리턴 밸브(140)는 하사점에 위치한 상태로 우회유로(111)의 하단을 폐쇄한다.
이와 같이 논 리턴 밸브(140)가 고정된 상태에서는 캠(1)의 회전에 의해 하부 플런저(130L)와 상부 플런저(130H)가 상하방향으로 이동함에 있어 함께 이동하게 된다. 즉, 상부 플런저(130H)의 하단과 하부 플런저(130L)의 상단이 상호 접한 상태로 이동하되, 상부 플런저(130H)가 하부 플런저(130L)에 의해 상향으로 이동하는 순간부터 상부 챔버(160H)와 하부 챔버(160L)는 단차의 간격에 의해 개방된 상태로 상부 플런저(130H)가 하향으로 이동함에 있어 작동유의 저항을 받지 않는다. 따라서 상부 플런저(130H)는 하부 플런저(130L)와 함께 상하 이동하게 되고, 밸브 타이밍 지연은 발생하지 않게 된다.
따라서 도 5c에 도시된 바와 같이, 컨트롤 피스톤(123)으로 논 리턴 밸브(140)를 하사점에서 고정하게 되면, 크랭크 앵글에 따라 밸브 리프트 또한 일치하게 된다.
이와 같이 본 발명에 따른 3단계 가변밸브타이밍장치는 밸브 타이밍을 제어함에 있어서, 컨트롤 밸브(121)로 우회유로(111)를 폐쇄하여 밸브(9)의 닫힘을 지연하는 1단계(도 6의 (a))와, 컨트롤 밸브(121)로 우회유로(111)를 개방하여 밸브(9)의 닫힘을 지연하되 1단계보다 지연 시간을 단축하는 2단계(도 6의 (b)) 및 지연 없이 밸브가 닫히는 3단계(도 6의 (c))로 구분하여 밸브 닫힘을 제어할 수 있다.
1 : 캠
3 : 스윙암
5H : 상부 푸시로드
5L : 하부 푸시로드
7 : 로커암
9 : 밸브
100 : 가변밸브타이밍장치
111 : 우회유로
113a, 113b : 에어챔버
120 : 제어부
121 : 컨트롤 밸브
123 : 컨트롤 피스톤
125a, 125b : 에어라인
130H : 상부 플런저
130L : 하부 플런저
131 : 단차
133 : 유로
140 : 논 리턴 밸브
141 : 단차
150 : 슬리브
151 : 스필 포트
160H : 상부 챔버
160L : 하부 챔버

Claims (10)

  1. 하부 푸시로드와 상부 푸시로드를 연결하는 하우징과,
    하우징에 형성된 중공에 위치하며 하부 푸시로드와 연결된 하부 플런저와,
    하우징에 형성된 중공에 위치하고 상부 푸시로드와 연결되며 하부 플런저의 상단과 접하거나 이격되는 상부 플런저와,
    하우징의 중공을 상부 챔버와 하부 챔버로 구획하며 코일스프링의 탄성력에 의해 상향 이동하고 하향으로 이동하는 상부 플런저와의 간섭에 의해 하향으로 이동하는 논 리턴 밸브와,
    하우징의 중공 내에 위치하며 상부 플런저의 하단과 하부 플런저의 상단을 감싸고 하부 챔버와 연통하는 스필 포트가 형성된 슬리브와,
    일단은 상부 챔버에 연통하고 타단은 하부 챔버에 연통하도록 하우징에 형성된 우회유로와,
    우회유로를 개방하거나 폐쇄하며 하사점에 위치하는 논 리턴 밸브를 가압하여 고정하는 제어부를 포함하며,
    우회유로의 타단은 논 리턴 밸브의 이동범위 내에 위치하여 하사점에 위치한 논 리턴 밸브에 의해 폐쇄되고 논 리턴 밸브가 상사점에 위치하면 개방되며, 우회유로의 일단은 논 리턴 밸브의 이동범위 밖에 위치하여 항상 개방되며,
    상부 플런저의 외주면에 단차가 형성되고, 논 리턴 밸브의 내주면에 단차가 형성되며, 하향으로 이동하는 상부 플런저의 단차가 아래에 위치하는 논 리턴 밸브의 단차와 접하여 하향으로 이동하고,
    논 리턴 밸브의 아래에서 받쳐주는 코일스프링에 의해 상향으로 이동 가능하며,
    우회유로가 컨트롤 밸브에 의해 폐쇄된 상태에서, 상사점에서 하향으로 이동하는 상부 플런저의 단차와 논 리턴 밸브의 단차가 접하여 하부 챔버가 폐쇄되면 상부 플런저의 하향 이동이 작동유의 유압에 의해 지연되고, 하부 챔버의 작동유가 슬리브의 스필 포트를 통해 하향 이동한 하부 플런저와 상부 플런저 사이의 공간과 상부 플런저의 길이방향으로 형성된 유로를 통해 상부 챔버로 유입되면서 작동유의 유압이 해제되어 상부 플런저가 하향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 가변밸브타이밍장치.
  2. 제1항에 있어서,
    제어부는, 전후진 이동하면서 우회유로를 개폐하는 컨트롤밸브와, 전후진 이동하며 논 리턴 밸브를 고정하거나 고정 해제하는 컨트롤 피스톤을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변밸브타이밍장치.
  3. 제2항에 있어서,
    하우징에는 제1챔버가 형성되고, 제1챔버에 위치한 컨트롤 밸브는 제1챔버에 가해지는 압력과 스프링의 탄성력에 의해 직선 왕복운동하면서 우회유로를 개방하거나 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 가변밸브타이밍장치.
  4. 제3항에 있어서,
    제1챔버에는 제1에어라인이 연결되고 제1에어라인을 통해 공급된 에어에 의해 컨트롤 밸브가 전진하며 우회유로를 폐쇄하고, 제1에어라인을 통해 공급되는 에어가 차단되면 컨트롤 밸브에 장착된 코일스프링의 탄성력에 의해 우회유로를 개방하는 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 가변밸브타이밍장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    하우징에는 제2챔버가 형성되고, 제2챔버에 위치한 컨트롤 피스톤은 제2챔버에 가해지는 압력에 의해 전진하여 논 리턴 밸브를 가압 고정하는 것을 특징으로 하는 가변밸브타이밍장치.
  6. 제5항에 있어서,
    제2챔버에는 제2에어라인이 연결되고 제2에어라인을 통해 공급된 에어에 의해 컨트롤 피스톤이 전진하면서 논 리턴 밸브의 측면을 가압하고, 제2에어라인을 통해 공급되는 에어가 차단되면 가압 해제되면서 논 리턴 밸브가 상하방향으로 이동 가능한 것을 특징으로 하는 가변밸브타이밍장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 하부 푸시로드와 상부 푸시로드를 연결하는 하우징과,
    하우징에 형성된 중공에 위치하며 하부 푸시로드와 연결된 하부 플런저와,
    하우징에 형성된 중공에 위치하고 상부 푸시로드와 연결되며 하부 플런저의 상단과 접하거나 이격되는 상부 플런저와,
    하우징의 중공을 상부 챔버와 하부 챔버로 구획하며 코일스프링의 탄성력에 의해 상향 이동하고 하향으로 이동하는 상부 플런저와의 간섭에 의해 하향으로 이동하는 논 리턴 밸브와,
    하우징의 중공 내에 위치하며 상부 플런저의 하단과 하부 플런저의 상단을 감싸고 하부 챔버와 연통하는 스필 포트가 형성된 슬리브와,
    일단은 상부 챔버에 연통하고 타단은 하부 챔버에 연통하도록 하우징에 형성된 우회유로와,
    우회유로를 개방하거나 폐쇄하며 하사점에 위치하는 논 리턴 밸브를 가압하여 고정하는 제어부를 포함하며,
    우회유로의 타단은 논 리턴 밸브의 이동범위 내에 위치하여 하사점에 위치한 논 리턴 밸브에 의해 폐쇄되고 논 리턴 밸브가 상사점에 위치하면 개방되며, 우회유로의 일단은 논 리턴 밸브의 이동범위 밖에 위치하여 항상 개방되며,
    상부 플런저의 외주면에 단차가 형성되고, 논 리턴 밸브의 내주면에 단차가 형성되며, 하향으로 이동하는 상부 플런저의 단차가 아래에 위치하는 논 리턴 밸브의 단차와 접하여 하향으로 이동하고,
    논 리턴 밸브의 아래에서 받쳐주는 코일스프링에 의해 상향으로 이동 가능하며,
    우회유로가 컨트롤 밸브에 의해 개방된 상태에서, 상사점에서 하향으로 이동하는 상부 플런저의 단차와 논 리턴 밸브의 단차가 접하여 하부 챔버가 폐쇄되면 상부 플런저의 하향 이동이 작동유의 유압에 의해 지연되고, 개방된 우회유로를 통해서만 하부 챔버의 작동유가 상부 챔버로 유입되면서 상부 플런저의 하향 이동의 지연을 단축하는 것을 특징으로 하는 가변밸브타이밍장치.
  10. 제1항 또는 제9항에 있어서,
    컨트롤 피스톤이 논 리턴 밸브의 측면을 가압하여 고정함에 따라 캠의 회전에 따라 상부 플런저와 하부 플런저가 함께 상하 이동하는 것을 특징으로 하는 가변밸브타이밍장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20160149931A (ko) * 2015-06-19 2016-12-28 현대중공업 주식회사 가변 밸브 타이밍장치
KR20170121766A (ko) * 2016-04-25 2017-11-03 현대중공업 주식회사 엔진용 가변밸브 타이밍 장치

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