KR20060128911A - 다수 슬레이브 밸브를 작동하는 시스템 - Google Patents

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브라이언 루지로
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자콥스 비히클 시스템즈, 인코포레이티드.
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Abstract

유압식 밸브 작동 시스템을 이용하여 엔진 밸브를 작동시키는 방법 및 시스템이 개시된다. 밸브 작동 시스템은 하우징내의 보어내에 활주가능하게 배치된 두개의 슬레이브 피스톤 및 마스터 피스톤을 포함한다. 마스터 피스톤 및 두개의 슬레이브 피스톤은 유압 회로에 의해 서로 연결된다. 마스터 피스톤에 인가되는 선형 운동이 유압 회로를 통해 두개의 슬레이브 피스톤에 전달된다. 이어서, 두개의 슬레이브 피스톤은 하나 이상의 엔진 밸브를 직접적으로 또는 중간의 밸브 브릿지를 경유하여 작동시킬 것이다. 가변식 밸브 작동을 제공하기 위해 밸브 작동 시스템이 적용되는 실시예에서 엔진 밸브를 시팅시키는 것을 보조하기 위해 밸브 시팅 장치가 제공될 수도 있다.

Description

다수 슬레이브 밸브를 작동하는 시스템{MULTIPLE SLAVE PISTON VALVE ACTUATION SYSTEM}
본 발명은 내연기관의 밸브를 작동시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 엔진 밸브를 유압식으로 작동시키는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
내연기관에서의 밸브 작동은 엔진이 순방향 출력(positive power)을 생성하는데 있어서 필요할 것이고 또 그리고 엔진 브레이크를 제공하기 위해서 이용될 수 있을 것이다. 통상적으로, 엔진 밸브는 캠의 회전에 응답하여 작동될 것이다. 캠상의 하나 이상의 로브(lobe)가 엔진 밸브를 직접적으로 변위시키거나, 또는 캠을 엔진 밸브에 연결하는 푸시 튜브, 로커 아암, 또는 기타 기계적 요소와 같은 하나 이상의 밸브 트레인 요소에 작용할 것이다. 순방향 출력중에, 흡기 밸브가 개방되어 공기와 연료(항상 유입되는 것은 아니다)가 실린더내로 유입되어 연소될 수 있을 것이다. 흡기 밸브는 또한 흡기 매니폴드로의 배기 가스 재순환(EGR)을 허용하도록 개방될 수도 있다. 주(main) 배기 중에 또는 EGR 및 엔진 브레이킹 이벤트(event) 중에, 배기 밸브가 개방되어 연소 가스가 실린더로부터 배출될 수 있게 허용할 것이다.
엔진 브레이킹 중에, 배기 밸브들이 선택적으로 개방되어 압축-분사 타입의 내연기관을 적어도 일시적으로 공기 압축기로 변환시킨다. 이러한 공기 압축기 효과는 압축-방출 타입 브레이킹을 위해 피스톤 상사점 위치에 인접하여 하나 이상의 배기 밸브를 균열 개방(cracking open)함으로써, 또는 브리더(breeder) 타입 브레이킹을 위해 모든 또는 대부분의 피스톤 운동 중에 하나 이상의 배기 밸브를 균열 개방 상태로 유지함으로써 달성될 수 있다. 이 경우, 차량의 감속을 돕기 위한 지연 마력(retarding horsepower)을 생성한다. 이를 통해, 운전자는 차량을 보다 양호하게 제어할 수 있고 차량 브레이크의 마모를 상당히 줄일 수 있게 된다. 적절하게 디자인되고 조절된 엔진 브레이크는 순방향 출력 중에 엔진에 의해 생성되는 작동 마력의 상당한 부분에 해당하는 지연 마력을 생성할 수 있을 것이다.
순방향 출력 및 엔진 브레이킹 용도 모두를 위해, 엔진 실린더 흡기 밸브 및 배기 밸브는 엔진의 고정(fixed; 정해진) 프로파일 캠에 의해 개방되고 폐쇄될 수 있을 것이며, 보다 구체적으로는 각 캠의 일체형 부분일 수 있는 하나 이상의 고정 로브에 의해 개방되고 폐쇄될 수 있을 것이다. 고정 프로파일 캠을 이용하면, 여러가지 상이한 속도와 같은 다양한 엔진 작동 상태에서 밸브의 개방 및 상승을 최적화하는데 있어서 필요한 엔진 밸브 상승량 및 상승 타이밍을 조정하기가 곤란할 것이다.
고정 캠 프로파일의 경우에, 밸브 타이밍 및 상승을 조절하기 위한 하나의 방법은 밸브와 캠 사이의 밸브 트레인 연결부내의 "로스트 모션(lost motion)" 장치를 포함한다. 로스트 모션은 가변적인 길이의 기계식, 유압식, 또는 기타의 연 결 수단을 이용하여 캠 프로파일에 의해 미리 규정된 밸브 운동을 변경하기 위한 기술적 해결책의 한 분류에 적용되는 용어이다. 일부 로스트 모션 시스템은 엔진 사이클 마다(cycle-by-cycle basis) 로스트 모션량을 선택적으로 변경시키도록 구성되고 및/또는 엔진 작동중에 둘 이상의 밸브 작동 레벨을 제공하도록 구성되고, 이는 가변 밸브 작동(Variable Valve Actuation; VVA) 시스템이라 한다.
VVA 시스템일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있는 일부 로스트 모션 유압 밸브 작동 시스템은 두개의 유압식으로 연결된 피스톤; 즉 마스터 피스톤 및 슬레이브 피스톤을 포함할 수 있다. 마스터 피스톤 및 슬레이브 피스톤은 두개의 보어(bore)를 연결하는 유압 통로를 구비하는 공통 하우징내의 보어들 내외로 활주되도록 구성된 긴 원통형 구조물일 수 있다. 캠 운동과 같이 엔진 밸브를 작동시키기 위한 운동이 마스터 피스톤으로 입력된다. 캠 로브에 의한 마스터 피스톤의 변위는 마스터 피스톤과 슬레이브 피스톤을 연결하는 유압 연결부를 경유하여 슬레이브 피스톤으로 전달된다. 충분한 양의 마스터 피스톤 운동이 슬레이브 피스톤으로 전달되었을 때, 슬레이브 피스톤에 연결된 엔진 밸브(들)가 작동될 것이다.
솔레노이드 밸브가 마스터 피스톤과 슬레이브 피스톤 사이의 유압 연결부에 연결될 것이다. 솔레노이드 밸브는 선택적으로 개방되어 유압 연결부로부터 유체를 배출할 수 있으며, 그러한 유체 배출은 마스터 피스톤 운동이 슬레이브 피스톤으로 전달되는 것을 방지할 것이다. VVA와 비(non)-VVA 로스트 모션 시스템간의 주요 차이점 중 하나는 솔레노이드 밸브가 마스터 피스톤과 슬레이브 피스톤 사이의 유압 연결부에서 유체를 배출하는 속도 및 유체를 재충진하는 속도에 있다. VVA 시스템은 종종 엔진 사이클마다 밸브 타이밍을 조절할 수 있도록 허용하는 "고속" 트리거 밸브를 구비한다.
일부 로스트 모션 유압 밸브 작동 시스템에서, 슬레이브 피스톤은 한번에 하나 이상의 엔진 밸브를 개방하는데 사용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 많은 엔진들은 실린더마다 둘 이상의 배기 밸브 및 둘 이상의 흡기 밸브를 채용하고 있다. 하나의 슬레이브 피스톤을 이용하여 밸브 브릿지를 통해 작동시킴으로써 다수의 배기 밸브 또는 다수의 흡기 밸브를 작동시킬 수 있을 것이다. 엔진 밸브를 개방하는데 필요한 힘은 상당히 클 수가 있는데, 특히 압축-방출 타입 엔진 브레이킹의 경우에 배기 밸브가 개방될 때 그러하다. 엔진 밸브의 개방을 위해 필요한 마스터 피스톤과 슬레이브 피스톤 사이의 유압 연결부내의 압력은 슬레이브 피스톤의 직경과 관련된다. 슬레이브 피스톤의 직경이 클 수록, 주어진 밸브 작동력을 발휘하는데 필요한 유압 연결부내의 유압이 작아진다. 마스터 피스톤과 슬레이브 피스톤 사이의 유압 연결부내의 높은 압력은 보다 두껍고 무거운 하우징 벽을 요구하고, 밸브 작동 시스템 부품에 대해 보다 큰 응력을 인가하고, 연결부내에 보다 큰 압력 요동을 초래하며, 및/또는 시스템의 누설 및 고장이 보다 잘 일어나게 만들 것이다.
따라서, 보다 낮고 및/또는 보다 안정된 압력을 시스템 유압 회로내에 생성할 수 있는 유압 밸브 작동 시스템이 요구되고 있다. 이론적으로, 유압 회로내의 보다 낮고 보다 안정한 압력은 슬레이브 피스톤 직경을 크게 함으로써 얻어질 수 있다. 그러나, 유압 밸브 작동 시스템에 이용될 수 있는 슬레이브 피스톤의 크기 에 제한이 있다. 이러한 제한은 최근 엔진의 공간적인 제약에 의해 부여된다. 따라서, 시스템 유체 회로내에서 보다 낮고 및/또는 보다 안정한 압력을 생성할 수 있고 동시에 엔진에 대한 부품 크기 제한을 충족시킬 수 있는 유압 밸브 작동 시스템이 요구되고 있다.
전술한 바와 같이, 많은 엔진들이 실린더마다 다수의 흡기 밸브 및 배기 밸브를 채용하고 있다. 하나의 슬레이브 피스톤을 이용하는 공지된 유압 밸브 작동 시스템은 밸브 작동 운동을 다수의 엔진 밸브에 전달하기 위해 밸브 브릿지의 이용을 필요로 한다. 밸브 브릿지의 필요성으로 인해, 밸브 작동 시스템이 복잡해지고, 비용이 많이 소요되며, 공간적으로 제약을 받게 된다. 따라서, 밸브 브릿지 없이도 슬레이브 피스톤 작동이 하나 이상의 엔진 밸브에 전달될 수 있는 밸브 작동 시스템이 요구되고 있다.
상술한 문제점의 해결을 위해, 본 출원의 발명자들은 혁신적인 엔진 밸브 작동 시스템을 개발하였으며, 그러한 엔진 밸브 작동 시스템은: 제 1 슬레이브 피스톤 보어, 제 2 슬레이브 피스톤 보어, 및 상기 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤 보어로 유압 유체를 제공하기 위한 통로를 포함하는 하우징; 상기 제 1 슬레이브 피스톤 보어내에 활주가능하게 배치된 제 1 슬레이브 피스톤 및 상기 제 2 슬레이브 피스톤 보어내에 활주가능하게 배치된 제 2 슬레이브 피스톤; 상기 하우징 통로에 작동 연결(operatively connected)된 마스터 피스톤; 및 상기 하우징 통로에 작동 연결된 유압 유체 제어 밸브를 포함한다.
본 출원의 발명자들은 둘 이상의 슬레이브 피스톤에 유압식으로 연결된 마스터 피스톤을 구비하는 시스템을 이용하여 내연기관에서 둘 이상의 엔진 밸브를 작동시키는 혁신적인 방법을 개발하였으며, 그 방법은: 선형 운동을 마스터 피스톤에 전달하는 단계; 마스터 피스톤 운동에 응답하여 선형 운동을 둘 이상의 슬레이브 피스톤으로 전달하는 단계; 둘 이상의 슬레이브 피스톤의 운동에 응답하여 둘 이상의 엔진 밸브를 작동시키는 단계; 및 엔진 밸브가 밸브 시트(seat)에 접근함에 따라 상기 둘 이상의 슬레이브 피스톤의 선형 운동을 유압적으로 방해함으로써 둘 이상의 엔진 밸브를 시팅(seating; 안착)시키는 단계를 포함한다.
본 출원의 발명자들은 또한 혁신적인 엔진 밸브 작동 시스템을 개발하였는 바, 그 엔진 밸브 작동 시스템은: 밸브 트레인 요소; 상기 밸브 트레인 요소와 작동적으로 접촉하는 마스터 피스톤; 유압 회로에 의해 상기 마스터 피스톤에 연결된 다수의 슬레이브 피스톤; 유압 회로에 작동적으로 연결된 가변식 밸브 작동 트리거 밸브; 및 상기 다수의 슬레이브 피스톤에 작동적으로 연결된 하나 이상의 엔진 밸브 요소를 포함한다.
이상의 개략적인 설명 및 이하의 보다 상세한 설명 모두는 단지 예시적인 것이며, 청구범위에 기재된 본 발명을 제한하는 것이 아니다.
본 발명의 이해를 돕기 위해, 첨부 도면을 참조할 수 있을 것이며, 상기 첨부 도면에서 유사한 도면부호는 유사한 요소를 나타낸다. 첨부 도면은 예시적인 것으로서 본원 발명을 제한하는 것이 아니다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시예에 따라 구성된 밸브 작동 시스템의 개략도이다.
도 2 는 본 발명의 제 2 실시예에 따라 구성된 가변식 밸브 작동 시스템의 개략도이다.
도 3 은 본 발명의 제 3 실시예에 따라 구성된 밸브 작동 시스템의 개략도이다.
도 4 는 본 발명의 제 4 실시예에 따라 구성된 밸브 작동 시스템의 개략도이다.
도 5 는 도 3 에 도시된 밸브 작동 시스템과 함께 사용되는 요크의 평면도이다.
이하에서는 본 발명의 여러 실시예들을 참조하여 본원 발명을 설명할 것이며, 실시예들 중 하나의 예가 도 1 에 도시되어 있다. 도 1 을 참조하면, 유압식 밸브 작동 시스템(10)이 도시되어 있다. 공지된 유압식 밸브 작동 시스템의 일 예가 Cummins 에게 허여된 미국 특허 제 3,220,392 호에 개시되어 있다. 도 1 을 다시 참조하면, 밸브 작동 시스템(10)은 운동 전달 수단(30)(예를 들어, 캠, 로커 아암, 푸시 튜브 등) 및 둘 이상의 엔진 밸브(40)에 작동적으로 연결된다. 둘 이상의 엔진 밸브(40)는 동일한 엔진 실린더와 관련될 것이고 동일한 타입의 밸브일 것이다. 예를 들어, 엔진 밸브(40)들은 모두 공통의 엔진 실린더와 관련된 배기 밸브들일 수 있고, 또는 엔진 실린더와 관련된 흡기 밸브들일 수 있다.
밸브 작동 시스템(10)은 하나 이상의 내부 유압 통로(14)를 구비하는 하우징(12)을 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤(16 및 18)이 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤 보어내에 활주가능하게 각각 배치되며, 상기 보어들은 상기 하우징(12)내에 제공된다. 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤(16 및 18)은 하우징(12)과의 유압 밀봉을 유지하면서 각 보어내에서 전후로 활주될 수 있을 것이다. 마스터 피스톤(20)이 하우징(12)내에 제공된 마스터 피스톤 보어내에 활주가능하게 배치되는데, 이때 상기 마스터 피스톤(20)은 하우징(12)과의 유압 밀봉을 유지하면서 보어내에서 전후로 활주될 수 있을 것이다. 시스템의 정장 삭동 중에, 비교적 적은 양의 유압 유체가 슬레이브 및 마스터 피스톤을 통해 빠져나갈 것임을 알 수 있을 것이다. 슬레이브 피스톤 보어 및 마스터 피스톤 보어는 유압 통로(14)를 통해 서로 유체 연통될 수 있을 것이다. 유압 유체가 포트(15)를 통해 유압 통로(14)로 제공될 수 있고, 일부 실시예에서는 포트(15)를 통해 유압 통로(14)로부터 선택적으로 배출될 수 있을 것이다. 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤(16 및 18)은 엔진 밸브(40)들 사이에서 연장하는 밸브 브릿지(42)와 접촉할 것이다. 밸브 브릿지(42)는 "부유식(floating)" 브릿지로 도시되어 있지만; 다른 실시예에서 브릿지는 가이드 구조물을 포함할 수도 있을 것이다.
밸브 작동 시스템(10)은 운동 전달 수단(30)으로부터 엔진 밸브(40)로 밸브 개방 운동을 선택적으로 전달하기 위해 사용될 것이다. 유압 통로(14)가 저압 유체로 충진되도록 포트(15)를 통해 시스템으로 유압 유체를 제공함으로써, 밸브 작동 시스템(10)의 이용이 시작도리 것이다. 유압 통로(14)를 저압 유체로 충진하면 슬레이브 피스톤(16 및 18) 및 마스터 피스톤(20)이 외측으로 이동하고 밸브 브릿지(42) 및 운동 전달 수단(30)과 각각 접촉할 것이다. 유압 통로(14)가 저압 유체로 충진된 후에, 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤(16 및 18) 사이에 존재할 수 있는 래시(lash) 공간이 없어지거나 감소될 것이다. 유압 통로(14)가 일단 충진되면, 마스터 피스톤(20) 및 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤(16 및 18)은 유압적으로 록킹(locked)될 것이다. 운동 전달 수단(30)에 의해 마스터 피스톤(20)에 전달되는 상향 운동은 통로(14)내의 유압 유체를 통해 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤(16 및 18)으로 전달될 것이다. 결과적으로, 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤(16 및 18)이 밸브 브릿지(42) 및 엔진 밸브(40)에 대항하여 하향으로 가압됨으로써 엔진 밸브들이 개방될 것이다. 마스터 피스톤(20)의 운동으로 인해 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤(16 및 18)이 서로 동일한 양만큼 함께 하향 이동하도록 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤의 형상 및 크기가 결정될 것이다.
해당 보어내의 마스터 피스톤의 선형 변위를 각각의 해당 보어내의 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤의 대응하는 선형 변위와 연관시키는 희망 유압 비율을 제공하기 위해, 마스터 피스톤(20)과 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤(16 및 18)의 상대적인 직경들이 선택될 수 있을 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 여전히 오버헤드(overhead)에 용이하게 패키지화될 수 있는 증대된 슬레이브 피스톤 영역을 시스템이 포함할 수 있을 것이다. 보다 넓은 슬레이브 피스톤 영역은 보다 넓은 마스터 피스톤 영역을 필요로 할 것이고 및/또는 정확한 밸브 이벤트 상승 프로파일을 유지하기 위해 운동 전달 수단(30)으로부터의 상승 량을 보다 증대시킬 것 을 요구할 것이다.
본 발명의 제 2 실싱예가 도 2 에 도시되어 있으며, 상기 도 2 에서도 유사한 요소에는 유사한 도면부호를 부여하였다. 도 2 에 도시된 밸브 작동 시스템(10)은 가변 밸브 작동을 제공하도록 구성되고, 도 1 과 관련하여 이상에서 설명한 구성요소들에 더하여, 내부 밸브 시팅(seating) 장치(60), 유압 유체 제어 밸브(바람직하게, 트리거 밸브)(70), 및 축압기(80)를 포함한다. (슬레이브 피스톤 장치를 제외하고) 도 2 에 도시된 것과 유사한 가변식 밸브 작동 시스템이 2003년 4월 8일자로 출원된 미국 특허 출원 제 10/408,254 호에 상세하게 설명되어 있다.
도 2 를 참조하면, 유압 통로(14)로부터 유압 유체를 선택적으로 배출하도록 트리거 밸브(70) 및 축압기(80)가 구성된다. 통로(14) 내외로 유압 유체를 선택적으로 배출 및/또는 부가함으로써, 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤(16 및 18)의 운동이 통로(14)가 완전히 채워졌을 때와는 달라질 것이다. 유압 유체의 선택적인 배출 및 부가로 인해 유압 통로(14)가 완전히 채워졌을 때 보다 늦게 또는 보다 빨리 엔진 밸브(40)가 개방될 것이다.
여전히 도 2 를 참조하면, 운동 전달 수단(30)은 캠(32), 푸시 튜브(34), 및 로커 아암(36)을 포함할 것이다. 캠(32)의 회전에 의해, 캠상의 하나 이상의 로브가 로커 아암(36), 푸시 튜브(34), 및 마스터 피스톤(20)을 차례로 변위시킬 것이다. 마스터 피스톤(20)의 변위에 의해, 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤(16 및 18)이 하향 변위되어 엔진 밸브(40)들을 개방한다. 미리-정해진 엔진 밸브(40)의 개방 및 폐쇄를 제공하도록, 운동 전달 수단(30)의 요소들이 디자인될 수 있을 것이 다. 미리-정해진 폐쇄 운동은 캠(32)상의 로브의 형상에 의해 규정될 수 있을 것이다. 가변식 밸브 작동 시스템(10)이 캠에 직접적으로 응답하는 동안에 엔진 밸브(40)들이 비교적 부드럽게 시팅될 수 있도록, 이러한 로브들이 밸브 시팅(seating) 프로파일을 포함하게 성형될 수 있을 것이다.
그러나, 미리-정해진 개방 및/또는 폐쇄 시간을 변경하기 위해 트리거 밸브(70) 및 축압기(80)가 이용될 때, 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤은 캠(32)의 밸브 시팅 프로파일을 가지지 않을 것이다. 이러한 경우에, 밸브 시팅 장치(60)는 엔진 밸브(40)의 시팅을 보조할 것이다. 특히, 밸브(40)들이 개방되었을 때 유체가 하나 이상의 통로(14)로부터 축압기(80)로 유동하는 것을 허용하도록 트리거 밸브(70)가 작동되었다면, 엔진 밸브(40)들은 밸브 스프링(41)의 영향하에서 각각의 시트를 향해 신속하게 진행할 것이다. 엔진 밸브(40)들이 해당 시트를 향해 이동할 때, 슬레이브 피스톤(16 및 18)은 위쪽으로 가압되고, 유체는 슬레이브 피스톤 보어의 외측으로 그리고 하나 이상의 통로내로 가압되고, 트리거 밸브(70)를 경유하여 축압기(80)로 가압될 것이다. 엔진 밸브(40)와 해당 시트간의 충격을 줄이기 위해, 밸브 시팅 장치(60)는 슬레이브 피스톤 보어로부터 하나 이상의 통로(14)로 유동하는 유체에 대해 스로틀링(throttle) 작용을 (바람직하게는 점진적으로) 가할 수 있을 것이다.
엔진 밸브들의 시팅을 보조하는데 이용될 수 있는 밸브 시팅 장치가, 예를 들어 Vanderpoel 등에게 허여된 미국 특허 제 6,474,277 호, Schwoerer 등에게 허여된 미국 특허 제 6,302,370 호, 2002년 9월 23일자로 출원된 미국 특허 출원 제 10/251748 호(공개번호 제 20030098000 호), 및 2003년 4월 8일자로 출원된 미국 특허 출원 제 10/408,254 호에 개시되어 있다.
밸브 시팅 장치(60)는 엔진 밸브(40)가 해당 밸브 시트에 접근함에 따라 통과하는 유압 유체 유동을 점진적으로 폐쇄할 것이다. 유압 유체 유동의 폐쇄는 제 1 슬레이브 피스톤이 위쪽으로 이동함에 따라 밸브 시팅 장치(60)의 일부를 위쪽으로 이동시키는 제 1 슬레이브 피스톤(16)에 응답할 것이다. 밸브 시팅 장치(60)가 통과하는 유체 유동을 폐쇄함으로써, 슬레이브 피스톤 보어내의 유압이 높아지게 된다. 슬레이브 피스톤 보어내의 압력 증가는 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤(16 및 18)의 상향 이동을 방해하고, 그에 따라 엔진 밸브의 상향 이동을 방해하여, 엔진 밸브들이 보다 부드럽게 안착될 수 있게 한다.
도 2 에 도시된 실시예에서, 단일 밸브 시팅 장치(60)가 제공되어 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤(16 및 18) 모두에 대해 작용한다. 밸브 시팅 장치(60)는 제 1 슬레이브 피스톤(16)의 위쪽에 위치되고, 밸브 시팅 장치네는 제 1 슬레이브 피스톤이 접촉한다. 단일 밸브 시팅 장치가 다수의 슬레이브 피스톤 중 하나에 의해 작동되는 실시예에서, 밸브 시팅 장치를 작동시키지 않는 슬레이브 피스톤을 밸브 시팅 장치를 작동시키는 슬레이브 피스톤 보다 더 무겁게(massive)하는 것이 바람직할 것이다. 예를 들어, 제 1 슬레이브 피스톤(16)은 중공형 내측부를 포함할 것이고, 제 2 슬레이브 피스톤(18)은 중실(solid) 재료로 구성될 수 있을 것이다.
도 2 를 계속 참조하면, 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤(16 및 18)을 서로 밀접하게 위치시키는 것이 바람직할 것이다. 슬레이브 피스톤들을 서로 밀접하게 위 치시키는 것은 엔진 밸브들을 작동시키는데 필요한 고압의 유압 유체 회로의 체적을 감소시킬 것이다. 상대적으로 작은 고압 회로는 유압 컴플라이언스(compliance) 및 밸브 시팅 장치(60)의 성능을 개선할 것이다. 밸브 브릿지(42)를 포함하는 본 발명의 바람직한 실시예에서, 슬레이브 피스톤의 축방향 중심은 엔진 밸브 스템의 위쪽에 또는 두개의 엔진 밸브 스템 사이의 밸브 브릿지상의 위치에 배치될 것이다. 밸브 브릿지를 포함하지 않는 본 발명의 바람직한 실시예에서, 슬레이브 피스톤들의 축방향 중심은 대응하는 엔진 밸브 스템들의 바로 위쪽에 위치될 것이다.
본 발명의 제 3 실시예가 도 3 에 도시되어 있으며, 도 3 에서도 유사한 요소에는 유사한 참조부호를 부여하였다. 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤(16 및 18)은 각각의 엔진 밸브(40)에 직접 작용할 것이다. 또한, 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤(16 및 18)은 각각 둘레 쇼울더 또는 플랜지(19)를 포함할 수 있다. 요크(yoke)(50)(도 5 에 평면 도시됨)는 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤(16 및 18)의 플랜지(19)들과 결합되도록 구성된다. 밸브 시팅 장치(60)는 요크(50)와 하우징(12) 사이에 배치될 수 있다. 밸브 시팅 장치(60)는 임의의 기계식(예를 들어, 스프링), 유압식, 전자-기계식, 자석식, 공압식, 또는 해당 시트에 접근함에 따라 엔진 밸브를 느려지게(slowing)할 수 있는 기타 장치를 포함할 수 있다.
제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤(16 및 18)의 상향 이동에 응답하여 밸브 시팅 장치(60)를 작동시키는 수단을 요크(50)가 제공할 수 있다. 밸브 시팅 장치(60)는 요크(50)로부터 위쪽으로 연장될 수 있고(도시된 바와 같다), 또는 하우징(12)으로 부터 아래쪽으로 연장될 수 있다(도시 안 됨). 어떠한 경우든 간에, 밸브 시팅 장치(60)는 요크(50)와 하우징(12) 사이에 배치된다. 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤(16 및 18)이 위쪽으로 이동하고 엔진 밸브(40)가 해당 시트에 접근함에 따라, 요크(50)도 위쪽으로 이동하고, 그에 따라 밸브 시팅 장치(60)가 하우징(12)과 결합되고 슬레이브 피스톤의 상향 이동을 방해한다. 슬레이브 피스톤의 상향 이동에 대한 방해로 인해, 엔진 밸브(40)가 보다 부드럽게 안착될 것이다.
본 발명의 제 4 실시예가 도 4 에 도시되어 있으며, 도 4 에서도 유사한 요소에는 유사한 참조부호를 부여하였다. 밸브 브릿지(42)로부터 하우징(12)내의 가이드 보어내로 상향 연장하는 밸브 브릿지 가이드 부분(44)을 포함한다는 점에서 도 4 에 도시된 밸브 작동 시스템(10)과 도 1 에 도시된 밸브 작동 시스템이 서로 상이하다. 엔진 밸브들의 작동이 균형을 이루도록, 가이드 부분(44)이 밸브 브릿지(42)의 수직 이동을 가이드하는 것을 보조할 수 있다. 밸브 시팅 장치(60)가 가이드 부분(44)의 상단부와 가이드 보어의 단부 사이에 제공될 수 있다. 엔진 밸브(40)가 시트를 향해 위쪽으로 이동할 때, 밸브 브릿지(42) 및 가이드 부분(44)도 위쪽으로 이동된다. 엔진 밸브들이 해당 시트에 접근함에 따라, 밸브 시팅 장치(60)는 가이드 보어내의 유압을 높이며, 그에 따라 밸브 브릿지(42)가 엔진 밸브들의 폐쇄 운동을 방해하고 엔진 밸브들을 원하는 대로 안착시키게 된다.
도 1 내지 도 4 에 도시된 밸브 작동 시스템(10)은 흡기 밸브, 배기 밸브, 또는 보조 엔진 밸브(40)를 작동시켜, 예를 들어 배기 가스 재순환, 주요 흡기, 주요 배기, 압축 방출 브레이킹, 및/또는 브리더 브레이킹과 같은 여러 엔진 밸브 이 벤트를 만들 수 있다. 밸브 작동 시스템(10)은 유압 통로(14)내외로의 유압 유체 공급 및 배출에 응답하여 엔진 밸브로 운동을 전달하는 모드와 운동을 전달하지 않는 모드 사이에서 스위칭 될 수 있다. 도 1 내지 도 4 에 도시된 바와 같이, 밸브 작동 시스템(10)내외로 유압 유체를 공급 및 배출하는 것을 제어하는 방법 및 장치가 공지되어 있다. 그러한 방법 및 장치가 Yang 등에게 허여된 미국 특허 제 6,647,954 호, Vorih 등에게 허여된 미국 특허 제 6,550,644 호, Vorih 등에게 허여된 미국 특허 제 6,510,824 호, Janak에게 허여된 미국 특허 제 6,415,752 호, Vorih 등에게 허여된 미국 특허 제 6,321,701 호, 및 Vorih 등에게 허여된 미국 특허 제 6,257,183 호 등에 개시되어 있다.
또한, 본 명세서에서 설명된 본 발명의 여러 실시예들과 관련하여, 운동 전달 수단(30)이 밸브 작동 시스템(10)내에서 마스터 피스톤(20)으로 운동을 전달하도록 구성된 캠(들), 푸시 튜브(들), 및/또는 록커 아암(들), 및 기타 균등체의 임의 조합을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 밸브 작동 시스템(10)가 동일한 엔진 실린더 또는 다른 엔진 실린더의 엔진 밸브 또는 엔진 밸브들에 대해 작용하는 둘 이상의 슬레이브 피스톤을 포함하고 운동 전달 수단(30)을 엔진 밸브(40)에 유압적으로 연결하도록 구성된 임의 구조물을 포함할 수도 있을 것이다.
또한, 밸브 작동 시스템(10)은 시스템내외로 유압 유체를 공급하기 위한 임의 수단에 작동적으로 연결될 수 있을 것이다. 공급 수단은 회로내의 유체, 유체의 양, 유체의 압력을 조절하기 위한 수단, 예를 들어, 회로로부터 유압 유체를 배 출하는데 사용되거나, 회로로 유압 유체를 부가하는데 사용되거나, 또는 회로내의 유체의 유동을 제어하는데 사용되는 트리거 밸브(들), 제어 밸브(들), 축압기(들), 체크 밸브(들), 유체 공급원(들), 및/또는 기타 장치를 포함할 수 있을 것이다. 또한, 밸브 작동 시스템(10)은 어떠한 내연 기관에도 사용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 밸브 작동 시스템(10)은 디젤 엔진, 가솔린 엔진, 듀얼 연료 엔진, 및/또는 천연 가스 엔진에 사용될 수 있을 것이다.
도면에 도시된 본 발명의 각각의 실시예는 다수의 슬레이브 피스토에 대한 하나의 밸브 시팅 장치만을 포함하고 있다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예에서 밸브 시팅 장치가 소정 수의 슬레이브 피스톤에 대해 하나씩 제공될 수도 있을 것이다.
특허청구범위의 권리 범위 및 본 발명의 사상내에서도, 본 명세서에서 설명된 본 발명의 실시예를 변형 및 변화시킬 수 있다는 것을 소위 당업자는 이해할 것이다. 예를 들어, 마스터 피스톤, 슬레이브 피스톤, 밸브 시팅 장치 및 기타 밸브 작동 부품들의 형상, 크기, 디자인 및 배열을 특허청구범위내에서 변경할 수 있을 것이다.

Claims (28)

  1. 엔진 밸브 작동 시스템으로서:
    제 1 슬레이브 피스톤 보어, 제 2 슬레이브 피스톤 보어, 및 상기 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤 보어로 유압 유체를 제공하기 위한 통로를 포함하는 하우징;
    상기 제 1 슬레이브 피스톤 보어내에 활주가능하게 배치된 제 1 슬레이브 피스톤 및 상기 제 2 슬레이브 피스톤 보어내에 활주가능하게 배치된 제 2 슬레이브 피스톤;
    상기 하우징 통로에 작동적으로 연결(operatively connected)된 마스터 피스톤; 및
    상기 하우징 통로에 작동적으로 연결된 유압 유체 제어 밸브를 포함하는 엔진 밸브 작동 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, (ⅰ) 상기 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤과 (ⅱ) 제 1 및 제 2 엔진 밸브 사이에 배치된 밸브 브릿지를 더 포함하는 엔진 밸브 작동 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 하우징 통로내에 배치된 밸브 시팅 장치를 더 포함하는 엔진 밸브 작동 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 밸브 시팅 장치는:
    (ⅰ) 상기 하우징 통로와 (ⅱ) 상기 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤 보어 사이에서 유압 소통을 제공하는 유압 유체 개방부; 및
    상기 유압 유체 개방부를 선택적으로 폐쇄하는 수단을 포함하는 엔진 밸브 작동 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 밸브 시팅 장치는 상기 제 1 슬레이브 피스톤의 실질적으로 바로 위쪽에 배치되는 엔진 밸브 작동 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 2 슬레이브 피스톤은 상기 제 1 슬레이브 피스톤 보다 더 무거운 엔진 밸브 작동 시스템.
  7. 제 3 항에 있어서, 하나 이상의 슬레이브 피스톤이 전체적으로 중실(solid)형인 엔진 밸브 작동 시스템.
  8. 제 3 항에 있어서, (ⅰ) 상기 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤과 (ⅱ) 제 1 및 제 2 엔진 밸브 사이에 배치된 밸브 브릿지를 더 포함하는 엔진 밸브 작동 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 슬레이브 피스톤과 제 2 슬레이브 피스톤 사이에서 연장하는 요크; 및
    상기 요크와 상기 하우징 사이에 배치된 밸브 시팅 장치를 더 포함하는 엔진 밸브 작동 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤은 상기 슬레이브 피스톤들이 상기 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤 보어내로 활주될 때 상기 요크와 결합되는 결합 수단을 포함하는 엔진 밸브 작동 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 밸브 시팅 장치는 상기 요크에 연결되는 엔진 밸브 작동 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 밸브 시팅 장치는 상기 하우징에 연결되는 엔진 밸브 작동 시스템.
  13. 제 2 항에 있어서, 상기 밸브 브릿지와 상기 하우징 사이에 배치된 밸브 시팅 장치를 더 포함하는 엔진 밸브 작동 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 밸브 시팅 장치는 상기 밸브 브릿지에 연결되는 엔진 밸브 작동 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 밸브 시팅 장치는 상기 하우징에 연결되는 엔진 밸브 작동 시스템.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 밸브 브릿지로부터 위쪽으로 연장하는 가이드 부재; 및
    상기 하우징내에 제공되고, 단부 벽을 구비하며, 상기 가이드 부재를 수용하도록 구성된 가이드 보어를 더 포함하며,
    상기 밸브 시팅 장치는 상기 가이드 부재와 상기 가이드 보어 단부 벽 사이에 배치되는 엔진 밸브 작동 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 밸브 시팅 장치는 상기 가이드 부재에 연결되는 엔진 밸브 작동 시스템.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 밸브 시팅 장치는 상기 가이드 보어 단부 벽에 연결되는 엔진 밸브 작동 시스템.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 슬레이브 피스톤은 제 1 엔진 밸브 위쪽에서 축방향으로 정렬되고, 상기 제 2 슬레이브 피스톤은 제 2 엔진 밸브 위쪽에서 축방향으로 정렬되는 엔진 밸브 작동 시스템.
  20. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 슬레이브 피스톤은 상기 밸브 브릿지가 제 1 및 제 2 엔진 밸브와 접촉하는 위치들에 대한 중심 위치에서 상기 밸브 브 릿지의 위쪽에 배치되는 엔진 밸브 작동 시스템.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브 작동 시스템은 가변식 밸브 작동 시스템인 엔진 밸브 작동 시스템.
  22. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브 작동 시스템은 고정 타이밍 밸브 작동 시스템인 엔진 밸브 작동 시스템.
  23. 둘 이상의 슬레이브 피스톤에 유압식으로 연결된 마스터 피스톤을 구비하는 시스템을 이용하여 내연기관에서 둘 이상의 엔진 밸브를 작동시키는 방법으로서:
    선형 운동을 마스터 피스톤에 전달하는 단계;
    마스터 피스톤 운동에 응답하여 선형 운동을 둘 이상의 슬레이브 피스톤으로 전달하는 단계;
    둘 이상의 슬레이브 피스톤의 운동에 응답하여 둘 이상의 엔진 밸브를 작동시키는 단계; 및
    엔진 밸브가 밸브 시트에 접근함에 따라 상기 둘 이상의 슬레이브 피스톤의 선형 운동을 유압적으로 방해함으로써 둘 이상의 엔진 밸브를 시팅시키는 단계를 포함하는 엔진 밸브 작동 방법.
  24. 엔진 밸브 작동 시스템으로서:
    밸브 트레인 요소;
    상기 밸브 트레인 요소와 작동적으로 접촉하는 마스터 피스톤;
    유압 회로에 의해 상기 마스터 피스톤에 연결된 다수의 슬레이브 피스톤;
    유압 회로에 작동적으로 연결된 가변식 밸브 작동 트리거 밸브; 및
    상기 다수의 슬레이브 피스톤에 작동적으로 연결된 하나 이상의 엔진 밸브 요소를 포함하는 엔진 밸브 작동 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 하나 이상의 엔진 밸브 요소는 밸브 브릿지를 포함하는 엔진 밸브 작동 시스템.
  26. 제 24 항에 있어서, 상기 하나 이상의 엔진 밸브 요소는 엔진 밸브 스템을 포함하는 엔진 밸브 작동 시스템.
  27. 제 24 항에 있어서, 상기 다수의 슬레이브 피스톤은 셋 이상의 슬레이브 피스톤을 포함하는 엔진 밸브 작동 시스템.
  28. 제 3 항에 있어서, 상기 밸브 시팅 장치는 상기 제 1 슬레이브 피스톤에 통합되는 엔진 밸브 작동 시스템.
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