KR20050118681A - 내연 기관의 가변동 밸브 장치와 그 제어 방법 및 유압액튜에이터 - Google Patents

내연 기관의 가변동 밸브 장치와 그 제어 방법 및 유압액튜에이터 Download PDF

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Abstract

유압 피스톤과 유압 실린더와 유압원을 구비하고, 유압 피스톤은 유압 실린더의 급유실측에 대해 제어실측이 큰 유압 면적을 갖는 유압 액튜에이터에 있어서, 유압 피스톤은 그 외주부에 급유실측으로부터 제어실측에 대해 축방향으로 연통하여 이루어지고, 또한 유압 피스톤의 축방향 변위에 따라서 축방향 홈 단면적이 변화하는 슬롯을 구비하고, 또한 제어실은 파일럿 밸브를 구비하는 것으로 하고, 내연 기관의 흡배기 밸브 등의 작동 밸브의 개폐를, 커플링 및 작동 밸브용 스프링을 거쳐서 상기 유압 액튜에이터에 의해 행하고, 작동 밸브의 개폐 타이밍, 개폐 시간, 리프트량을 가변 제어함으로써 무캠 또한 무센서이며 소비 동력의 저감과 응답 속도의 향상 및 원활한 착석 속도 제어를 가능하게 한 내연 기관의 가변 작동 밸브 장치와 그 제어 방법 및 유압 액튜에이터를 제공할 수 있다.

Description

내연 기관의 가변동 밸브 장치와 그 제어 방법 및 유압 액튜에이터{VARIABLE VALVE SYSTEM OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND CONTROL METHOD THEREOF, AND HYDRAULIC ACTUATOR}
본 발명은 유압 액튜에이터 및 내연 기관의 흡기 밸브 또는 배기 밸브 등의 작동 밸브의 개폐를, 상기 유압 액튜에이터에 의해 행하는 내연 기관의 가변동 밸브 장치와 그 제어 방법에 관한 것이다.
상기 유압 액튜에이터는 공작 기계 등의 일반 산업용에 이용되는 것 외에, 내연 기관의 흡배기 밸브의 구동 장치 등에도 사용되고 있다. 상기 내연 기관의 흡기와 배기를 담당하는 작동 밸브는, 종래 크랭크 샤프트에 의해 구동되어 있으므로 자유롭게 흡기와 배기의 타이밍이나 개방도를 제어할 수는 없었다.
최근, 대체 엔진으로서 기대되는 LPG 기관이나 CNG(Compression Natural Gas) 기관에 있어서는 특히 고속 회전시에 노킹이 심하며, 이를 해결하기 위해서는 엔진 피스톤의 압축 압력을 자유롭게 제어하는 방법이 유효하고, 이를 실현하기 위해서는 흡기 밸브의 개폐 타이밍을 자유롭게 전기적으로 제어하는 기구가 필요해진다. 이 기구를 채용하면, 통상의 가솔린 엔진이나 디젤 엔진이라도 폭 넓은 회전수 영역으로 흡기 효율을 향상시킬 수 있어 연료 소비율을 향상시킬 수 있다. 또한, 저속용과 고속용에서는 밸브의 개구 면적을 바꾸어 연소 성능을 바꾸는 것이 요청되고, 이 경우에는 밸브의 리프트량을 가변으로 하는 것도 필요해진다.
최근의 일부 고성능 엔진에서는 캠 샤프트를 진각시키거나 지각시켜, 밸브의 개폐 타이밍을 바꾸거나 저속용과 고속용 2 종류의 형상의 캠을 구비하여 밸브의 캠으로의 바꿔 타기에 의해 밸브 개방량을 변화시키는 것도 있지만, 이 경우에는 단계적인 제어만이 가능하다. 또한, 상기한 바와 같이 캠을 이용하지 않는 무캠 엔진용 작동 밸브로서는 전자(電磁)식으로 작동하는 작동 밸브나 전자식과 유압식을 조합한 타입의 작동 밸브도 제안되어 있다. 그러나, 이들 방식은 치수 중량이 과대해져 실용성이 부족하다(예를 들어, 특허 문헌 1 및 2 참조).
또한, 무캠이며 비교적 치수 중량이 작은 방식으로서 전기 신호에 의해 조작력이 큰 유압 서보 기구를 작동시키는 내연 기관의 작동용 전기 유압 서보 기구도 제안되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 3 및 비특허 문헌 1 참조).
특허 문헌 3의 도1에 개시된 작동 밸브 구동 장치의 구성의 일예를 도11에 도시한다. 단, 도11에 있어서는 특허 문헌 3에 기재된 번호를 일부 변경하여 나타낸다. 도11에 도시한 장치는 특허 문헌 3의 기재에 따르면 하기와 같이 작동한다.
즉,「엔진 내에 넣어져 있는 엔진 윤활유 저장부(12)의 엔진 윤활용 오일을 유압 펌프(11)에 의해 가압하여 흡기와 배기 밸브(1a)의 헤드부까지 송유한다. 각각의 전자식 솔레노이드(14)의 움직임에 의해 흡기와 배기 밸브(1a) 헤드부의 유압 작동 피스톤(2a)을 작동시켜 흡기와 배기 밸브(1a)의 개폐를 행한다. 흡기와 배기 밸브(1a)의 개폐 타이밍·개폐 시간의 결정은 엔진 회전수·스로틀 개방도·부하 등 기본 조건의 엔진 등의 각종 센서(7a)로부터의 신호와 현재의 엔진에도 사용되고 있는 연료 제어용 제어 컴퓨터(8a)의 신호를 흡기와 배기 밸브 개폐 장치용 제어 컴퓨터(6a)에 있어서 종합 판단하여, 특허 문헌 3의 표 1에 기재된 바와 같이 개폐 타이밍과 시간을 결정하여 전자식 솔레노이드(14)에 의해 유압력의 개폐를 행한다.」 또한, 도11에 있어서 부호 3a는 유압 제어 밸브, 5a는 전원용 배터리, 9a는 유압 축압용 어큐뮬레이터, 10a는 압력 설정용 릴리프 밸브, 13은 제어용 릴레이이다.
비특허 문헌 1에 기재된 작동 밸브용 상기 유압 서보 기구는, 본건 출원의 발명자에 의해 제안된 것으로 유압 피스톤과, 2단형 서보 밸브(노즐 플랩 밸브와 스풀 밸브)와, 피스톤의 위치를 전기적으로 계측하기 위한 변위계를 구비하는 구성을 채용하고 있다.
그런데, 상기 특허 문헌 3이나 비특허 문헌 1에 개시된 종래의 작동 밸브용 상기 유압 서보 기구는 실용상 하기와 같은 문제점이 있었다.
상기 종래 장치의 경우에는, 예를 들어 상기 비특허 문헌 1의 경우, 단순한 유압 피스톤을 이용하여 이에 전기적인 위치 센서용 변위계를 탑재하고, 또한 제어에 동력 효율이 고작 33 ％로 낮은 상기 서보 밸브(2단형, 노즐 플랩 밸브와 스풀 밸브)를 이용하고 있었으므로, 서보 기구의 소비 동력이 크고 또한 응답성의 한계로부터 엔진 회전수로 하여 2000 rpm 정도까지밖에 대응할 수 없었다. 또한, 전기적 센서의 존재는 큰 진동과 높은 온도 환경하에서의 작동의 신뢰성에 문제가 있어, 이 문제는 특히 실용상의 문제가 되고 있었다.
또한, 내연 기관의 작동 밸브의 개폐 제어에 있어서는 진동이나 라이프의 관점으로부터, 밸브 폐쇄시의 기계적 충격이 가능한 한 적어지는 것이 요망된다. 즉, 밸브의 착석 속도가 감속되는 원활한 착석 제어가 요청된다.
[특허 문헌 1]
일본 특허 공개 평7-34833호 공보(제3 - 5페이지, 도1)
[특허 문헌 2]
일본 특허 공표 평11-511828호 공보(제11 - 12페이지, 도5, 6)
[특허 문헌 3]
일본 특허 공개 평11-173125호 공보(제2 - 4페이지, 도1, 2)
[비특허 문헌 1]
다나까 히로히사 저「유공압의 디지털 제어와 응용」근대 도서 가부시끼가이샤 출판, 쇼와 62년 10월 25일 발행, 제83 내지 84페이지
본 발명은 상기한 점에 비추어 이루어진 것으로, 본 발명의 과제는 무캠 또한 무센서이며, 소비 동력의 저감과 응답 속도의 향상 및 원활한 착석 속도 제어를 가능하게 한 내연 기관의 가변동 밸브 장치 및 유압 액튜에이터를 제공하는 데 있다.
도1은 본 발명의 내연 기관의 가변동 밸브 장치 및 유압 액튜에이터의 작동 원리를 설명하는 모식적 구성도.
도2는 도1에 있어서의 피드백 슬롯의 홈 폭을 현저하게 확대하여 도시한 유압 피스톤의 실시예의 부분도.
도3은 도2와는 다른 유압 피스톤의 실시예의 부분도.
도4는 파일럿 밸브 개방도에 대한 피스톤 변위의 전달 함수의 블록선도.
도5는 본 발명의 유압 액튜에이터의 본드 그래프 모델선도.
도6은 작동 밸브 변위의 시험 결과와 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
도7은 피드백 슬롯의 유량 계수를 저하시킨 조건으로 해석한 작동 밸브 변위의 시뮬레이션 결과의 일예를 나타낸 도면.
도8은 작동 밸브의 응답성에 미치는 작동 밸브 질량의 영향의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
도9는 밸브의 리프트량의 가변 제어에 관계되는 실험 결과를 나타낸 도면.
도10은 2 펄스 착석 제어를 행한 경우의 작동 밸브 변위의 시뮬레이션 결과의 일예를 나타낸 도면.
도11은 특허 문헌 3에 개시된 작동 밸브 구동 장치의 구성의 일예를 나타낸 도면.
[부호의 설명]
1 : 작동 밸브
2, 2a, 2b : 유압 피스톤
3 : 유압 실린더
4, 4a, 4b : 피드백 슬롯
5 : 파일럿 밸브
6 : 스프링
7 : 커플링
8 : 유압 펌프
9 : 어큐뮬레이터
10 : 드레인
20 : 유압 액튜에이터
21 : 급유실
22 : 제어실
30 : 내연 기관의 실린더 헤드
전술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 왕복 운동 유압 피스톤과 유압 실린더와 유압원을 구비하고, 상기 유압 피스톤은 상기 유압 실린터의 급유실측에 대해 제어실측이 큰 수압 면적을 갖는 유압 액튜에이터에 있어서, 상기 유압 피스톤은 그 외주부에 상기 급유실측으로부터 제어실측에 대해 축방향으로 연통하여 이루어지고, 또한 유압 피스톤의 축방향 변위에 따라서 상기 축방향의 홈 단면적이 변화하는 슬롯을 구비하고, 또한 상기 제어실은 유압 개방 제어 밸브를 구비하는 것으로 한다(청구범위 제1항의 발명).
상기 구성에 따르면, 상세한 것은 후술하는 바와 같이 유압 피스톤의 축방향 변위에 따른 유량이 상기 슬롯을 통해 흐르고, 유압 개방 제어 밸브가 배출하는 오일 유량에 따라서 유압 피스톤의 위치가 자유롭게 제어 가능해진다. 즉, 상기 슬롯은 위치 센서가 없어도 위치 피드백 슬롯으로서 기능하고, 또한 상기 유압 개방 제어 밸브는 위치 결정의 파일럿 밸브로서 기능한다.
상기 청구범위 제1항의 발명에 있어서의 유압 개방 제어 밸브의 실시 형태로서는, 단순한 온 오프만의 전자 개폐 제어 밸브로 할 수도 있고(청구범위 제2항의 발명), 또한 후술하는 밸브 리프트량의 가변 제어에 관련하여 상기 유압 비례 제어 밸브로 할 수도 있다(청구범위 제3항의 발명). 어느 쪽이든, 상기 실시 형태에 따르면 유압 피스톤의 위치가 전기 신호에 의해 자유롭게 제어 가능해진다.
다음에, 상기 유압 액튜에이터를 내연 기관의 가변동 밸브 장치에 적용한 발명으로서는, 하기 청구범위 제4항 내지 제7항의 발명이 바람직하다. 즉, 내연 기관에 흡기하는 흡기 밸브 또는 연소 가스를 배기하는 배기 밸브 등의 작동 밸브의 개폐를, 커플링 및 작동 밸브용 스프링을 거쳐서 유압 액튜에이터에 의해 행하고, 또한 상기 작동 밸브의 개폐 타이밍, 개폐 시간을 가변 제어하는 내연 기관의 가변동 밸브 장치에 있어서 상기 유압 액튜에이터로서 상기 청구범위 제1항 또는 제2항에 기재된 유압 액튜에이터를 이용하여, 상기 유압 개방 제어 밸브의 제어에 의해 상기 작동 밸브의 가변 제어를 행하는 구성을 구비하는 것으로 한다(청구범위 제4항의 발명). 이 구성에 따르면, 무캠이고 또한 무센서이며 종래 장치와 비교하여 소비 동력의 저감과 응답 속도의 향상이 도모된, 상기 작동 밸브의 가변 제어가 가능해진다.
또한 상기 작동 밸브의 가변 제어로서, 상기 작동 밸브의 개폐 타이밍, 개폐 시간 외에 또한 밸브의 리프트량의 가변 제어를 추가할 필요가 있는 경우에는, 하기 청구범위 제5항의 발명이 바람직하다. 즉, 내연 기관에 흡기하는 흡기 밸브 또는 연소 가스를 배기하는 배기 밸브 등의 작동 밸브의 개폐를, 커플링 및 작동 밸브용 스프링을 거쳐서 유압 액튜에이터에 의해 행하고, 또한 상기 작동 밸브의 개폐 타이밍, 개폐 시간 및 리프트량을 가변 제어하는 내연 기관의 가변동 밸브 장치에 있어서 상기 유압 액튜에이터로서 상기 청구범위 제3항에 기재된 유압 액튜에이터를 이용하여, 상기 유압 개방 제어 밸브의 제어에 의해 상기 작동 밸브의 가변 제어를 행하는 구성을 구비하는 것으로 한다(청구범위 제5항의 발명).
또한, 상기 청구범위 제4항 또는 제5항에 기재된 가변동 밸브 장치에 있어서, 상기 유압 피스톤이 상기 작동 밸브가 폐쇄되는 방향으로 변위함에 따라서, 상기 슬롯은 그 축방향의 홈 단면적이 점차 감소하는 구성을 구비하는 것으로 한다(청구범위 제6항의 발명). 이에 의해, 밸브의 착석 속도가 감속 완화되어 원활한 착석 제어가 가능해진다. 상세는 후술한다.
또한, 상기 청구범위 제6항에 기재된 가변동 밸브 장치에 있어서, 상기 슬롯의 홈 단면적이 점차 감소하는 구성은 홈 폭 일정하고 또한 홈 깊이를 점차 변화시키는 구성으로 한다(청구범위 제7항의 발명). 이에 의해, 슬롯의 구성이 심플해져 상기 슬롯을 구비한 유압 피스톤의 제작이 용이해진다.
또한, 상기 가변동 밸브 장치의 제어 방법의 발명으로서는, 하기 청구범위 제8항의 발명이 바람직하다. 즉, 상기 청구범위 제4항 또는 제5항에 기재된 가변동 밸브 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 작동 밸브의 폐쇄 동작시에 상기 유압 개방 제어 밸브를 개방으로부터 폐쇄로 한 후, 다시 유압 개방 제어 밸브의 개폐 동작을 적어도 1회 행함으로써 상기 작동 밸브를 폐쇄하는 제어를 행하는 것으로 한다(청구범위 제8항의 발명). 이에 의해, 상세한 것은 후술하지만 작동 밸브의 착석 속도를 더욱 느리게 한 감속 착석 제어가 가능해져, 밸브 동작의 저소음화를 한층 더 도모할 수 있다.
도면을 기초로 하여 본 발명의 실시 형태 및 실시예에 대해 이하에 서술한다. 도1은 본 발명의 내연 기관의 가변동 밸브 장치 및 유압 액튜에이터의 작동 원리를 설명하는 모식적 구성도이고, 도2는 도1에 있어서의 피드백 슬롯의 홈 폭을 설명의 편의상, 현저하게 확대하여 나타낸 유압 피스톤의 실시예의 부분도를 도시하고, 도3은 도2와는 다른 유압 피스톤의 실시예의 부분도를 도시한다.
도1에 있어서, 부호 1은 작동 밸브(엔진 흡기, 배기 제어를 행하는 주요한 밸브), 2는 유압 피스톤[상기 작동 밸브(1)를 작동하는 유압 피스톤], 3은 유압 실린더[유압 피스톤(2)과 끼워 맞추어지는 실린더], 4는 피드백 슬롯(피스톤 변위에 따라서 오일 유량을 제어하는 유로), 5는 파일럿 밸브(피드백 슬롯으로부터 흘러 나오는 유량을 제어하는 전자 개폐 밸브 또는 비례 밸브), 6은 작동 밸브용 스프링[비작동시에 작동 밸브를 내연 기관의 실린더 헤드(30)에 확실하게 폐쇄하기 위한 스프링], 7은 커플링[작동 밸브(1)와 유압 피스톤(2)을 결합하는 기계 요소], 8은 유압 펌프[유압 피스톤(2)을 작동시키기 위해 고압의 오일을 공급하는 유압 펌프], 9는 어큐뮬레이터[유압 피스톤(2)이 작동시에 유압의 압력이 저하 또는 맥동하지 않도록 하는 평활용 유압 기기]이다.
또한, 도1에 있어서 부호 10은 오일의 드레인이다. 또한, 부호 20은 상기 유압 피스톤(2)이나 유압 실린더(3) 및 그 밖의 상기 주변 기기(4, 5, 8, 9, 10 등)로 이루어지는 유압 액튜에이터, 21은 급유실, 22는 제어실을 나타낸다.
상기 피드백 슬롯(4)은, 예를 들어 도2의 (a) 내지 도2의 (c)에 도시한 바와 같은 구성을 갖고 있다[또한, 도2의 (d)나 도3의 변형예에 대해서는 후술함]. 도2의 (b)는 도2의 (a)의 A-A 단면도이며 도1에 나타낸 것과 동일한 부분도, 도2의 (c)는 도2의 (b)의 B-B 단면도를 도시한다. 도2의 (a) 내지 도2의 (c)에 도시한 바와 같이, 상기 피드백 슬롯(4)은 유압 피스톤(2)이 작동 밸브가 폐쇄되는 방향으로 변위함에 따라서, 그 축방향의 홈 단면적이 점차 비례적으로 감소하는 직사각 형상의 홈을 구비하고, 홈 폭 일정하고 또한 홈 깊이를 경사각(θ)에 의해 점차 변화하는 구성을 구비한다. 상기 경사각(θ)을 구비하는 홈의 급유실(21)측에는, 경사각을 갖지 않는 연통용 스트레이트 홈부를 구비한다.
또한, 도2에 있어서의 홈 폭은 설명의 편의상 실제보다 현저하게 확대하여 나타내고 있다. 또한 역학적 밸런스의 관점에서는, 홈은 축대상에 2군데로 분산하여 마련하는 것이 바람직하지만, 홈 폭을 근소하게 하는 경우에는 도시한 바와 같이 1군데라도 좋다.
다음에, 도1에 도시한 가변동 밸브 장치 및 유압 액튜에이터의 작동 원리에 대해 서술한다. 유압 피스톤은, 도시한 바와 같이 급유실(21)측[수압 면적(As)]에 대해 제어실(22)측[수압 면적(Ac)]이 큰 수압 면적을 갖는 이형 피스톤(예를 들어, Ac/As = 1.2)이고, 또한 전술한 바와 같이 급유실측으로부터 피스톤 변위에 따라서 개구 면적을 가변으로 하는 피드백 슬롯(4)을 구비한다.
작동 밸브(1)를 폐쇄하는 동작은, 파일럿 밸브(5)를 폐쇄하고 파일럿 밸브 통과 유량(Qp) = 0으로 한다. 피드백 슬롯(4)은 작동 밸브(1)가 폐쇄된 상태라도 약간 개방되도록 설정되어 있으므로, 이에 의해 제어실(22)측의 유압(Pc)은 유압 펌프(8)에 의해 급유실(21)에 공급되는 고압의 유압 압력(Ps)과 동일해져, 면적의 대소 관계로부터 유압 피스톤(2)은 상향(작동 밸브를 폐쇄하는 방향)으로 작동하여, 강한 힘[F = Ps(As - Ac) < 0]으로 작동 밸브를 폐쇄하는 상태를 유지한다.
다음에 작동 밸브를 개방하는 동작은, 파일럿 밸브(5)를 개방하여 Qp를 흐르게 하면, 제어실(22)의 압력(Pc)이 저하하여 유압 피스톤(2)에는 하향의 힘(F = AsPs - AcPc > 0)이 작용하여 유압 피스톤(2)은 하방으로 움직인다. 하방으로 움직이면, 변위에 비례한 유량(Qc)이 피스톤의 피드백 슬롯(4)으로부터 제어실로 유입되어, 파일럿 유량(Qp)과 밸런스한 점(Qc = Qp)에서 피스톤은 정지한다. 이 때의 제어실(22)의 압력(Pc)은 유압 피스톤(2)의 상기 면적차와 작동 밸브(1)에 부착되어 있는 스프링(6)의 스프링력에 의해 일의적으로 정해지는 압력이 되어, 유압 피스톤(2)을 위치 제어한다.
상기 유압 피스톤(2)의 변위는 파일럿 밸브(5)의 개구 면적으로 일의적으로 정해지므로, 파일럿 밸브(5)로서 상기 신호로 가변으로 개방되는 비례 밸브를 이용하면 작동 밸브의 개방도, 즉 밸브의 리프트량은 전기 신호에 의해 자유롭게 제어할 수 있게 된다.
상기 동작의 이론적 설명 및 실험 결과의 일예에 관해서는, 이후에 상세하게 서술하지만 그 전에 도2의 (d)나 도3에 도시한 피드백 슬롯의 변형예(4a, 4b)에 대해 이하에 서술한다. 도2의 (d)의 변형예는, 상기 도2의 (b)에 도시한 경사각(θ)을 갖는 홈 바닥면의 직선적 구배를, 곡선적 구배를 갖는 것으로 한 예를 도시한다. 또한, 도3은 슬롯의 축방향 홈 단면적의 변화를 홈 깊이 일정하고 홈 폭 가변으로 한 변형예이며, 도3의 (a)에 도시한 각도(β)에 의해 가변으로 하는 것이다. 또한, 도3의 (b)는 도3의 (a)의 C-C 단면을 도시한다. 이들 변형예에 의해서도, 상기 도2의 (a) 내지 도2의 (c)에 도시한 실시예와 동일한 작용 효과가 얻어지지만, 도2의 (a) 내지 도2의 (c)에 도시한 홈의 경우에는 홈 형상이 심플하여, 예를 들어 밀(mill) 가공에 의해 용이하게 가공할 수 있다는 이점이 있다.
다음에, 도1에 도시한 장치의 동작의 이론적 설명 및 실험 결과의 일예에 대해 서술한다. 또한, 동작 해석의 수학식 등에 있어서 나타내는 각종 기호는, 이하와 같다.
Ac : 제어실측 수압 면적
Ap : 파일럿 밸브 개구 면적
As : 급유실측 수압 면적
ax : 피드백 슬롯 경사
b : 주밸브 감쇠비
Cdc : 유량 계수(피드백 슬롯)
Cdp : 유량 계수(파일럿 밸브)
K : 작동 유체의 체적 탄성 계수
ks : 밸브 스프링의 스프링 정수
m : 작동 밸브 가동 질량
Pc : 제어실 압력
Ps : 공급 압력
Qc : 피드백 슬롯 통과 유량
Qp : 파일럿 밸브 통과 유량
Qs : 공급 유량
V : 제어실 체적
Wc : 피드백 슬롯 폭
x : 작동 밸브 변위
xl : 언더랩량
xp : 파일럿 밸브 개방도
p : 작동 유체의 밀도
우선, 파일럿 밸브 개방도(xp)에 대한 작동 밸브 변위(x)의 제어 특성을 조사한다. 작동 밸브(1)의 운동 방정식은, 하기[수학식 1]에 나타낸 바와 같다.
[수학식 1][수학식 2]d는 실린더 내압에 의해 피스톤을 밀어 올리려고 하는 외력으로 한다.
다음에, 파일럿 밸브 통과 유량(Qp)은 다음[수학식 2]로 표시된다.
[수학식 2]
피스톤의 피드백 슬롯(4)은 변위에 대해 비례적으로 깊어지는 것으로 하고, 그 경사를 ax(ax = tanθ)로 하고 홈 폭을 Wc로 두면, 그 유로 면적(Sx)은 다음[수학식 3]과 같아진다.
[수학식 3]
이를 이용하여, 홈으로부터의 유량(Qc)은 다음[수학식 4]에서 부여된다.
[수학식 4]
제어실(22)에 있어서의 유량의 연속식은 하기[수학식 5]와 같다.
[수학식 5]
상기한 유량의 식을 선형 표시하면, 하기[수학식 6]및[수학식 7]로 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
[수학식 7]
이 관계를 상기[수학식 5]에 대입하면, 하기[수학식 8]이 얻어진다.
[수학식 8]
이[수학식 8]의 라플러스 변환식은 다음[수학식 9]가 된다.
[수학식 9]
한편, 피스톤의 운동 방정식의 라플러스 변환식은 공급 압력 일정하에서는, 하기[수학식 10]과 같다.
[수학식 10]
파일럿 밸브 개방도(xp)에 대한 피스톤 변위(x)의 전달 함수의 블록선도는, 도4로 표시된다. 여기서, 각 계수를 이하[수학식 11]과 같이 치환하었다.
[수학식 11]
이 시스템의 안정 한계는, 다음[수학식 12]로 나타낼 수 있다.
[수학식 12]
여기서, α = kskce/kqcAc, Tv = V/Kkce, Tc = Ac/kqc를 나타낸다.
상기[수학식 12]를 피스톤의 감쇠비(ζs)에 관해 풀면, 하기[수학식 13]이 된다.
[수학식 13]
단, 상기 식에 있어서의 A는 다음[수학식 14]로 두었다.
[수학식 14]
본 액튜에이터의 설계치를 각 항에 대입하여 Tv, Tc를 구하면, 각각 Tv = 1.31 × 10-9, Tc = 5.56 × 10-3이 된다. 따라서, Tc/Tv > 1이 되어 식[수학식 13]의 제곱근부는 A보다도 작아지는 것을 알 수 있다. 환언하면,[수학식 13]의 우변은 마이너스가 되어, 감쇠비(ζs)가 0 이상이고 어떠한 상식적인 값이라도 이 시스템은 안정적이라고 할 수 있다.
전자 유압 구동에 의한 작동 밸브는, 전술한 바와 같이 그 소비 동력의 저감과 응답성, 착석 속도의 제어성이 과제가 된다. 그래서 본 액튜에이터의 스텝 응답과 과도적으로 요구되는 유압 동력을 본드 그래프에 의해 해석을 행하였다.
본드 그래프라 함은, 유체 저항·탱크·유체의 관성으로 이루어지는 유체계나 저항·콘덴서·인덕터 등으로 이루어지는 상기 회로나, 강체(剛體)·스프링·댐퍼 등으로 이루어지는 구성되는 역학계 등이, 구성 요소가 에너지의 흐름에 의해 결합되어 있는 시스템이라 하는 공통의 시점으로 파악되는 것에 주목한 시스템의 그래프(선도) 표현이다. 메사추세츠 공과 대학의 Henry M. Paynter에 의해 제안된 것으로, 요소에 있어서의 에너지의 출입구를「포트」라 하고, 포트 사이의 에너지의 전달 경로를「본드」라 하는 선분으로 나타내고, 에너지의 흐름의 합류, 분기를 「1접점」,「0접점」이라 하는 기호로 나타낸다.
일반적으로, 많은 요소로 구성되는 시스템의 전체적인 거동은 각각의 요소의 고유의 성질과 그들 요소의 결합 형태와의 상승 효과로서 나타나는 것이다. 본드 그래프는, 상술한 바와 같이 시스템의 물리적 특징을 잘 파악한 것이므로, 대상으로 하는 시스템을 본드 그래프로 표현하는 것은 용이하며, 본드 그래프에 따르면 요소의 특성과 결합 형태가 시각에 작용하기 쉬운 형상으로 표현되므로, 시스템의 구성을 이해하여 그 거동을 해석하는 데 유효하다.
또한, 전용 소프트웨어에 의해 본드 그래프를 직접 입력하여 시스템 거동의 시뮬레이션을 실행할 수 있도록 되어 있다. 본 액튜에이터의 본드 그래프 모델은 도5에서 도시된다.
본드 그래프 해석을 기초로 하여 제작한 프로토 타입의, 작동 밸브 변위의 시험 결과를 도6의 ①의 커브로 나타내지만, 본드 그래프 해석한 시뮬레이션 결과도 병기하여, ②의 커브로 나타낸다. 도6에 있어서, 종축은 작동 밸브 변위[x(mm)]를, 횡축은 시간(ms)을 나타낸다. 도6의 시험 조건은 Ps = 14 MPa, 반복 주파수를 6 Hz로 하였다. 작동 밸브는 완전 폐쇄(x = 0 mm) 상태로부터 완전 개방(x = - 12 mm)되고, 감속 착석하면서 스프링력과 유압력에 의해 밀폐되어 있다. 이 감속 착석에 의해 착석음은 거의 나지 않는다.
도6의 결과에 따르면 응답 시간은 20 ms로 약간 느린데, 그 이유는 작동 밸브, 피스톤, 결합기를 합한 전체 질량이 430 g으로 무거운 것, 고속 전자 밸브의 전류의 상승에 5 ms 정도의 지연이 있는 것 등에 의한 것이라 생각되며, 이는 작동 밸브계의 경량화와 드라이버의 개량에 의해 개선할 수 있다. 또한, 도6에 따르면 실험치 ①과 해석치 ②는 대개 일치하고 있어, 본드 그래프에 의한 시뮬레이션 해석과 실제의 양호한 정합성이 확인되었다.
다음에, 도7에 대해 서술한다. 도7은 도6의 실험치에 대해, 피드백 슬롯의 유량을 이론적으로 나타내는「유량 계수」에 관한 고찰을 행한 것으로, 피드백 슬롯의 유량 계수를 저하시킨 조건에 의해 해석한 작동 밸브 변위의 시뮬레이션 결과의 일예를 나타낸다.
상기 도6의 작동 밸브의 착석시의 거동에 착안하면, 도6의 실험치 ①과 해석치 ②에서는 약간의 어긋남이 있고, 실험치 ①의 경우 x = - 0.5 mm 부근에서 작동 밸브에 강한 감속 효과가 나타나 있다. 이 이유는, 착석 부근에서의 피드백 슬롯의 개구 면적의 저하에 의해, 유량 계수가 저하되어 있기 때문이라 생각된다. 도7은, x = - 0.5 mm로 유량 계수를 0.7로부터 0.2로 감소시켜 계산한 경우의 본드 그래프 해석 결과를 나타내지만, 도6의 실험치와 도7의 해석치는 비교적 잘 일치하고 있다.
다음에, 도8에 대해 서술한다. 도8은 파일럿 밸브를 개폐 신호로 나타낸 바와 같이 스텝 형상으로 개폐하였을 때의 작동 밸브의 응답성에 미치는 작동 밸브 질량(m)의 영향을 조사한 결과를 나타낸다. 도8에 있어서도, 종축은 작동 밸브 변위[x(mm)]를, 횡축은 시간(ms)을 나타낸다. x = 0 mm가 밸브 완전 폐쇄 상태를 나타낸다. 작동 밸브의 가동 질량은, ① 430 g, ② 300 g, ③ 200 g의 3 종류로 하고, 이들 시뮬레이션 결과를 비교하여 도8에 나타낸다.
도8에 따르면, 작동 밸브의 가동 질량을 430 g으로부터 200 g으로 저감시키면, 작동 밸브의 개구시, 폐쇄시 모두 5 msec 정도의 고속화가 가능한 것을 알 수 있다. 또한, 착석시의 거동을 보면 유압 피스톤의 피드백 슬롯에 마련한 경사에 의해 제어실로의 유로가 축소되고, 작동 밸브에 감속 효과가 나타나 순조롭게 착석하는 모습을 도8의 결과로부터도 볼 수 있다.
다음에, 도9에 대해 서술한다. 도9는 밸브의 리프트량의 가변 제어에 관계되는 실험 결과를 나타내는 도면이다. 본 액튜에이터는, 전술한 바와 같이 유체 위치 제어 기능을 갖고 있으므로, 밸브 리프트량을 가변으로 하기 위해서는 압력을 바꿀 필요가 있다. 그래서, 도9는 공급 압력을 10 MPa로부터 14 MPa까지 단계적(⑤ 내지 ①)으로 증가시켰을 때의 실험 결과를 나타낸다.
도9에 따르면, ⑤의 6·8 mm(10 MPa)로부터 ①의 12 mm(14 MPa)까지 작동 밸브 최대 변위가 거의 비례적으로 커져 있고, 이로부터 밸브 리프트량의 가변 제어는 압력에 의해 행할 수 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 전술한 바와 같이 도1에 있어서의 유압 개방 제어 밸브로서의 파일럿 밸브(5)로서 상기 유압 비례 제어 밸브를 이용함으로써, 밸브 리프트량의 가변 제어를 행할 수 있다. 또한, 제어 유압이 큰 경우에는 제어 밸브의 밸브 시트 부근의 유속 증대에 수반되는 부압의 발생에 의한 밸브의 개방 동작 불능의 문제가 발생되므로, 상기 유압 비례 제어 밸브로서는 부압을 보상하기 위한 오일 유입구를 구비한 공지의 비례 제어 밸브를 이용하는 것이 바람직하다.
다음에, 도10에 대해 서술한다. 도10은 상기 청구범위 제8항의 발명에 관한 제어 방법, 즉「2 펄스 착석 제어」라 호칭하는 착석 제어 방법을 행한 경우의 작동 밸브 변위의 시뮬레이션 결과의 일예를 나타낸다.
도10에 도시한 바와 같이, 작동 밸브의 폐쇄 동작시에 유압 개방 제어 밸브를 개방으로부터 폐쇄로 한 후, 다시 유압 개방 제어 밸브의 개폐 동작(도10에 있어서, 32 ms 부근의 스텝 형상의 2차 제어 펄스에 의해 개폐 동작)을 행하여, 상기 작동 밸브를 폐쇄하는 제어를 행함으로써 작동 밸브의 착석 속도를 0.1 mm/s로 할 수 있다. 상기와 같은 착석 제어를 행하는 것은 제어의 복잡화를 초래하지만, 작동 밸브의 착석 속도를 보다 감속하고, 또한 밸브 동작의 저소음화를 도모할 수 있는 점에서 매우 유효해진다.
또한, 상기와 같은 착석 제어를 안정적으로 행하기 위해서는 작동 밸브의 변위를 검출하고, 이를 기초로 하여 상기 2차 제어 펄스를 적시의 타이밍으로 출력할 필요가 있지만, 미리 실험적으로 출력 타이밍을 정해 변위계를 마련하지 않도록 하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면 왕복 운동 유압 피스톤과 유압 실린더와 유압원을 구비하고, 상기 유압 피스톤은 상기 유압 실린더의 급유실측에 대해 제어실측이 큰 수압 면적을 갖는 유압 액튜에이터에 있어서, 상기 유압 피스톤은 그 외주부에 상기 급유실측으로부터 제어실측에 대해 축방향으로 연통하여 이루어지고, 또한 유압 피스톤의 축방향 변위에 따라서 상기 축방향의 홈 단면적이 변화하는 슬롯을 구비하고, 또한 상기 제어실은 유압 개방 제어 밸브를 구비하는 것으로 하고,
또한, 상기 유압 액튜에이터를 내연 기관의 가변동 밸브 장치에 적용한 발명으로서는, 내연 기관에 흡기하는 흡기 밸브 또는 연소 가스를 배기하는 배기 밸브 등의 작동 밸브의 개폐를, 커플링 및 작동 밸브용 스프링을 거쳐서 유압 액튜에이터에 의해 행하고, 또한 상기 작동 밸브의 개폐 타이밍, 개폐 시간을 가변 제어하는 내연 기관의 가변동 밸브 장치에 있어서, 상기한 유압 액튜에이터를 이용하여 상기 유압 개방 제어 밸브의 제어에 의해 상기 작동 밸브의 가변 제어를 행하는 구성을 구비하는 것으로 하였으므로,
무캠 또한 무센서이며, 소비 동력의 저감과 응답 속도의 향상을 도모한 내연 기관의 가변동 밸브 장치 및 유압 액튜에이터를 제공할 수 있다.
또한, 상기 유압 개방 제어 밸브로서 상기 유압 비례 제어 밸브를 이용함으로써, 상기 작동 밸브의 개폐 타이밍, 개폐 시간 외에 또한 밸브의 리프트량의 가변 제어를 추가한 작동 밸브의 가변 제어가 가능해진다.
또한, 상기 슬롯을 유압 피스톤이 작동 밸브가 폐쇄되는 방향으로 변위함에 따라서, 그 축방향의 홈 단면적이 점차 감소하는 구성을 구비하는 것으로 함으로써, 밸브의 착석 속도가 감속 완화되어 원활한 착석 제어가 가능해진다. 또한, 상기 2 펄스 착석 제어 방법을 채용하면 착석 속도가 보다 감속되어 밸브 동작의 저소음화를 도모할 수 있다.
상기 본건 발명의 구성을 내연 기관, 특히 상기 LPG 기관이나 CNG 기관에 적용한 경우, 고속, 고부하 동작점에서 현행의 기계 캠 엔진에서는 노킹이 심하여 실용할 수 없었던 문제가 있었지만, 흡기 작동 밸브의 개폐 타이밍을 자유롭게 제어할 수 있으므로 압축비를 자유롭게 제어할 수 있어 상기 문제가 해결된다. 또한, 현행의 가솔린 엔진이나 디젤 엔진에서도 흡기 효율이 향상되므로 연료 소비율이 5 내지 10 ％ 향상될 것이라 추측되며, 또한 본건 유압 액튜에이터는 공작 기계 등의 일반 산업용에의 적용도 기대할 수 있다.

Claims (8)

  1. 왕복 운동 유압 피스톤과 유압 실린더와 유압원을 구비하고, 상기 유압 피스톤은 상기 유압 실린더의 급유실측에 대해 제어실측이 큰 수압 면적을 갖는 유압 액튜에이터에 있어서,
    상기 유압 피스톤은 그 외주부에 상기 급유실측으로부터 제어실측에 대해 축방향으로 연통하여 이루어지고, 또한 유압 피스톤의 축방향 변위에 따라서 상기 축방향의 홈 단면적이 변화하는 슬롯을 구비하고, 또한 상기 제어실은 유압 개방 제어 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 유압 액튜에이터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유압 개방 제어 밸브는 전자 개폐 제어 밸브로 하는 것을 특징으로 하는 유압 액튜에이터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유압 개방 제어 밸브는 상기 유압 비례 제어 밸브로 하는 것을 특징으로 하는 유압 액튜에이터.
  4. 내연 기관에 흡기하는 흡기 밸브 또는 연소 가스를 배기하는 배기 밸브 등의 작동 밸브의 개폐를, 커플링 및 작동 밸브용 스프링을 거쳐서 유압 액튜에이터에 의해 행하고, 또한 상기 작동 밸브의 개폐 타이밍, 개폐 시간을 가변 제어하는 내연 기관의 가변동 밸브 장치에 있어서, 상기 유압 액튜에이터로서 상기 청구범위 제1항 또는 제2항에 기재된 유압 액튜에이터를 이용하여 상기 유압 개방 제어 밸브의 제어에 의해 상기 작동 밸브의 가변 제어를 행하는 구성을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 가변동 밸브 장치.
  5. 내연 기관에 흡기하는 흡기 밸브 또는 연소 가스를 배기하는 배기 밸브 등의 작동 밸브의 개폐를, 커플링 및 작동 밸브용 스프링을 거쳐서 유압 액튜에이터에 의해 행하고, 또한 상기 작동 밸브의 개폐 타이밍, 개폐 시간 및 리프트량을 가변 제어하는 내연 기관의 가변동 밸브 장치에 있어서, 상기 유압 액튜에이터로서 상기 청구범위 제3항에 기재된 유압 액튜에이터를 이용하여 상기 유압 개방 제어 밸브의 제어에 의해 상기 작동 밸브의 가변 제어를 행하는 구성을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 가변동 밸브 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 유압 피스톤이 상기 작동 밸브가 폐쇄되는 방향으로 변위함에 따라서, 상기 슬롯은 그 축방향의 홈 단면적이 점차 감소하는 구성을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 가변동 밸브 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 슬롯의 홈 단면적이 점차 감소하는 구성은 홈 폭 일정하고 또한 홈 깊이를 점차 변화시키는 구성으로 하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 가변동 밸브 장치.
  8. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 작동 밸브의 폐쇄 동작시에 상기 유압 개방 제어 밸브를 개방으로부터 폐쇄로 한 후, 다시 유압 개방 제어 밸브의 개폐 동작을 적어도 1회 행함으로써 상기 작동 밸브를 폐쇄하는 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 가변동 밸브 장치의 제어 방법.
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