KR20080103074A - 액추에이터 피스톤 제동 방법 및 공압식 액추에이터 - Google Patents
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Abstract
고압부와 저압부를 갖는 가압 유체 순환로(6)에 연결된 공압식 액추에이터는, 액추에이터 실린더(8, 9)와, 상기 액추에이터 실린더(8, 9) 내에 제공되고, 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동 가능한 액추에이터 피스톤(10, 11)과, 상기 액추에이터 실린더(8, 9) 및 상기 액추에이터 피스톤(10, 11)에 의해 범위가 정해지고, 상기 액추에이터 피스톤(10, 11)이 상기 제2 위치에서 상기 제1 위치로 이동할 때에 체적이 감소하는 액추에이터 챔버(12, 13)와, 상기 액추에이터 피스톤(10, 11)을 상기 제2 위치에서 상기 제1 위치로 구동하기 위해 제공된 스프링 수단과, 상기 액추에이터 피스톤(10, 11)이 상기 제2 위치에서 상기 제1 위치를 향해 이동하는 동안, 상기 저압부와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통(communication)을 유지하거나 구축하며, 이와 동시에 상기 고압부와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통을 차단 상태로 유지하기 위해 제공된 수단(25)을 포함한다. 공압식 액추에이터는, 액추에이터 피스톤(10, 11)이 제1 위치에 도달하기 전에, 저압부와 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 상기 연통을 차단하기 위해 제공된 수단(25)을 포함한다.
액추에이터 챔버, 피스톤, 가압 유체 순환로, 유입 밸브, 유출 밸브
Description
본 발명은 고압부와 저압부를 포함하는 가압 유체 순환로에 연결된 공압식 액추에이터의 액추에이터 피스톤의 제동 방법에 관한 것으로, 공압식 액추에이터는, 액추에이터 실린더와, 액추에이터 실린더 내에 제공되고, 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동 가능한 액추에이터 피스톤과, 액추에이터 실린더 및 액추에이터 피스톤에 의해 범위가 정해지고, 액추에이터 피스톤이 제2 위치에서 제1 위치로 이동할 때에 체적이 감소하는 액추에이터 챔버와, 액추에이터 피스톤을 제2 위치에서 제1 위치로 구동하기 위해 제공된 스프링 수단을 포함하며, 액추에이터 피스톤이 제2 위치에서 제1 위치를 향해 이동하는 동안, 저압부와 액추에이터 챔버 간의 연통(communication)이 구축되거나 유지되며, 이와 동시에 고압부와 액추에이터 챔버 간의 연통이 차단 상태로 유지되는 액추에이터 피스톤의 제동 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한 고압부와 저압부를 갖는 가압 유체 순환로에 연결된 공압식 액추에이터에 관한 것으로, 공압식 액추에이터는, 액추에이터 실린더와, 액추에이터 실린더 내에 제공되고, 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동 가능한 액추에이터 피스톤과, 액추에이터 실린더 및 액추에이터 피스톤에 의해 범위가 정해지고, 액추에이터 피스톤이 제2 위치에서 제1 위치로 이동할 때에 체적이 감소하는 액추에이 터 챔버와, 액추에이터 피스톤을 제2 위치에서 제1 위치로 구동하기 위해 제공된 스프링 수단과, 액추에이터 피스톤이 제2 위치에서 제1 위치를 향해 이동하는 동안, 저압부와 액추에이터 챔버 간의 연통(communication)을 구축하거나 유지하며, 이와 동시에 고압부와 액추에이터 챔버 간의 연통을 차단 상태로 유지하기 위해 제공된 수단을 포함하는 공압식 액추에이터에 관한 것이다.
본 발명은 또한 하나 이상의 엔진 밸브가 본 발명에 따른 공압식 액추에이터에 의해 구동되는 연소 엔진에 관한 것이다.
가압 유체 순환로 내의 가압 유체는 가스 또는 가스 혼합물, 예컨대 공기인 것이 바람직하다.
스프링 수단으로는 기계식, 유압식, 또는 공압식 스프링 등이 가능하며, 액추에이터 피스톤과의 직접 또는 간접 접촉으로 제공될 수 있다.
저압부와 액추에이터 챔버 간의 연통은, 액추에이터 피스톤이 제1 위치에서 제2 위치로의 이전의 움직임 동안 제2 위치에 도달하기 전에 이미 구축될 수 있으며, 이러한 경우에, 연통은 제2 위치에서 제1 위치로의 움직임 동안 구축된 것이라기 보다는 유지된 것으로 간주된다. 이와 달리, 연통은 제2 위치에 도달된 것과 관련하여 또는 바람직하게는 제2 위치에 도달된 직후에, 또한 액추에이터 피스톤이 제1 위치로 복귀하도록 허용될 때에 구축된다.
연소 엔진의 가압 유체 작동 밸브는 예컨대 본 출원인의 이전의 몇몇 특허 출원을 통해 이미 알려져 있다. 이러한 연소 엔진은, 적어도 하나의 실린더 및 이 실린더에 왕복 운동 방식으로 배치된 피스톤과, 실린더 및 피스톤에 의해 범위가 정해지는 연소 챔버와, 연소 공기를 연소 챔버에 유입시키기 위한 적어도 하나의 유입구와, 연소 챔버로부터 배기 가스를 배출하기 위한 적어도 하나의 유출구를 포함하며, 이 유입구 또는 유출구 중의 적어도 하나에 가압 유체를 통해 구동되는 적어도 하나의 자유 작동 밸브(freely operable valve)가 제공된다. 이 밸브는 전술한 유형의 공압식 액추에이터에 의해 구동된다.
통상적으로, 가압 유체 작동 엔진 밸브(pressure fluid-operated engine valve)는, 폐쇄 위치에서는 실린더 헤드 내의 시트(seat)에 머무르고, 개방되도록 지시된 상태에서는 밸브 스프링의 작용에 대항하여 연소 챔버 내에 위치되는 밸브이다. 개방 동작에 관련하여, 에너지가 밸브 스프링에 의해 흡수될 것이다. 밸브가 개방될 때, 공압식 액추에이터의 고압부는 통상적으로 추후에 상승 압력을 발생하기 위해 액추에이터 챔버와 연통하게 될 것이다. 이에 의해, 액추에이터 피스톤에 관련된 엔진 밸브가 폐쇄 위치에서 개방 위치로 이동되는 동안, 액추에이터 피스톤이 제1 위치에서 제2 위치로 이동된다.
후속하여, 가압 유체 작동 엔진 밸브가 폐쇄 위치로 복귀될 때, 공압식 액추에이터의 고압부와 액추에이터 챔버 간의 연통이 차단되거나 차단된 상태로 유지되고, 공압식 액추에이터의 저압부와 액추에이터 챔버 간의 연통이 구축된다. 엔진 밸브를 폐쇄 위치로 복귀시키기 위해 또한 그와 동시에 액추에이터 피스톤을 제1 위치 또는 개시 위치로 복귀시키기 위해 프리스트레인드 스프링(pre-strained spring)의 에너지가 사용된다. 밸브의 개방 및 폐쇄는 신속하게 이루어지며, 그에 따라 밸브는 그 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동할 때에 가장 높은 속도를 가질 것이다. 밸브가 시트를 그와 같이 높은 속도로 때리게 되어, 그 결과 밸브 및/또는 시트가 손상되거나 또는 기능이 저하되는 위험에 처할 수 있다는 문제점이 있다. 따라서, 바람직하게는 공압식 액추에이터의 액추에이터 피스톤의 제동 방법을 통해 또한 이 방법에 적합화된 공압식 액추에이터의 구축을 통해서와 같은 밸브 움직임에 대한 어떠한 종류의 제동이 요구된다.
본 발명의 목적은 앞에서 언급한 종류의 공압식 액추에이터의 액추에이터 피스톤의 제동 방법을 제공하는 것이며, 상기 방법은 공압식 액추에이터에 의해 구동된 밸브를 상기 밸브의 폐쇄와 관련하여 상기 밸브의 시트에 소프트 랜딩시킨다.
본 발명의 목적은, 액추에이터 피스톤이 제1 위치에 도달하기 전에, 공압식 액추에이터의 저압부와 액추에이터 챔버 간의 연통이 차단되는 것을 특징으로 하는 전술한 방법에 의해 달성된다. 이에 의해, 제1 위치를 향한 액추에이터 피스톤의 연속된 움직임 동안, 액추에이터 챔버 내의 압력의 증가가 있을 것이다. 압력의 증가는 액추에이터 피스톤의 움직임에 대한 제동 및 그에 따라 상기 액추에이터 피스톤에 연결된 엔진 밸브의 움직임에 대한 제동을 초래할 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 액추에이터 피스톤이 제1 위치에 도달하는 시점까지의 상기 액추에이터 챔버의 체적의 연속된 감소가, 피스톤의 연속된 움직임 시의 액추에이터 챔버에서 발생되는 압력의 증가가 액추에이터 피스톤이 제1 위치에 도달하기 전에 액추에이터 피스톤의 속도를 실질적으로 감소시키기에 충분하게 되도록 하는 크기로 될 때에, 공압식 액추에이터의 저압부와 액추에이터 챔버 간의 연통이 차단된다.
바람직하게는, 액추에이터 피스톤이 제1 위치에 도달하는 시점까지의 액추에이터 챔버의 체적의 연속된 감소가, 피스톤의 연속된 움직임 시의 액추에이터 챔버에서 발생되는 압력의 증가가 액추에이터 피스톤이 제1 위치에 도달하기 전에 액추에이터 피스톤의 속도를 영(0)으로 감소시키기에 충분하게 되도록 하는 크기로 될 때에, 공압식 액추에이터의 저압부와 액추에이터 챔버 간의 연통이 차단된다.
액추에이터 위치를 제2 위치에서 제1 위치로 가장 신속하게 바꿀 수 있게 하고, 이에 대응하여 액추에이터 피스톤에 관련된 엔진 밸브를 개방 위치에서 폐쇄 위치로 바꿀 수 있도록 하기 위해서는, 제동이 가능한 한 늦게 개시되는 것이 바람직하다. 그러므로, 공압식 액추에이터의 저압부와 액추에이터 챔버 간의 연통은, 액추에이터 피스톤이 제2 위치와 제1 위치 사이의 주행 거리의 절반을 이동한 후에, 바람직하게는 상기 주행 거리의 1/3을 이동한 후에, 더욱 바람직하게는 상기 주행 거리의 1/4을 이동한 후에, 차단되는 것이 바람직하다.
제동 동안의 액추에이터 챔버 내의 압력의 증가가 고압부 상에 존재하는 압력을 초과하는 크기로 될 수도 있다. 에너지의 재순환을 제공하기 위해, 본 발명은, 저압부와 액추에이터 챔버 간의 연통이 차단될 때에, 액추에이터 챔버 내의 압력이 고압부 상의 압력을 초과한다면, 고압부와 액추에이터 챔버 간의 연통이 구축되도록 하는 것을 포함한다. 또한, 액추에이터 챔버 내의 압력이 고압부의 압력보다 낮은 경우에도, 고압부와 액추에이터 챔버 사이의 연통이 구축되게 하는 것도 가능하다. 그러므로, 액추에이터 챔버 내의 압력의 더욱 신속한 증가가 달성되며, 추후의 단계에서 제동이 개시될 수 있다.
액추에이터 피스톤이 제1 위치에 도달하는 것을 보장하기 위해, 액추에이터 피스톤이 제1 위치에 도달하기 전에 액추에이터 피스톤의 움직임이 중지하거나 또는 중지 상태에 근접할 때에, 저압부와 액추에이터 챔버 간의 연통이 본 발명에 따라 재구축되어야 한다.
제1 위치를 향한 액추에이터 피스톤의 움직임이 중단되는 순간에 저압부와 액추에이터 챔버 간의 연통이 전반적으로 다시 구축되는 것이 바람직하다. 이에 의해 액추에이터 피스톤이 제1 위치에 도달하기 전에 제2 위치를 향한 방향으로의 리턴 바운스(return bounce)가 방지된다. 이루어질 수 있는 가장 부드러운 제동이 바람직하며, 제안된 방법에 의해 달성될 것이다. 바람직하게는, 제동, 즉 저압부와 액추에이터 챔버 간의 연통의 차단의 타이밍의 선택은, 추후의 단계에서, 액추에이터 피스톤의 움직임이 가능한 한 제1 위치에 근접하여 또는 적어도 제1 위치의 아주 인접한 곳에서 중지하도록 설정되어야 한다.
제동 동안, 고압부와 액추에이터 챔버 간의 연통이 구축되면, 이 연통은 저압부와 액추에이터 챔버 간의 연통의 재구축에 관련하여 바람직하게는 이러한 재구축과 동시에 차단된다.
또한, 본 발명의 목적은, 액추에이터 피스톤이 제1 위치에 도달하기 전에 저압부와 액추에이터 챔버 간의 연통을 차단하도록 배치된 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전술한 공압식 액추에이터에 의해 달성된다.
또한, 공압식 액추에이터는, 액추에이터 피스톤이 제2 위치로부터 제1 위치를 향해 주행하는 동안 소정의 위치에 도달할 때에 저압부와 액추에이터 챔버 간의 소통을 차단하기 위해 제공된 수단과, 소정의 조건 하에서 저압부와 액추에이터 챔버 간의 연통을 재구축하기 위해 제공된 수단을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 소정의 조건은 제2 위치에서부터 제1 위치까지의 액추에이터 피스톤의 움직임을 위한 소정의 시간에 대응하는 위치일 수도 있다.
바람직하게는, 또한, 공압식 액추에이터는, 액추에이터 챔버 내의 압력이 고압부 상의 압력을 초과하는 경우, 저압부와 액추에이터 챔버 간의 연통의 차단 후에 고압부와 액추에이터 사이의 연통을 구축하기 위해 제공된 수단을 포함한다. 이러한 수단은, 고압부를 향한 방향으로는 개방하고 액추에이터 챔버를 향한 방향으로는 폐쇄하도록 제공된 비복귀형 밸브(non-return valve)를 포함할 수 있다. 이러한 비복귀형 밸브는 고압부와 액추에이터 챔버 사이에 연장하는 채널에 평행한 브랜치(branch) 또는 채널로 제공되는 것이 적합하다.
바람직하게, 상기 수단은, 액추에이터 실린더 내의 액추에이터 챔버의 움직임과 위치 중의 하나 또는 양자, 및/또는 시트 내에의 추후의 랜딩 동안 발생된 엔진 밸브의 잡음 또는 진동을 감지하기 위한 하나 이상의 센서와, 상기 센서로부터의 신호에 기초하여 고압부와 액추에이터 간의 연통 및 저압부와 액추에이터 챔버 간의 연통의 각각에 대하여 구축 및 차단을 제어하도록 배치된 수단을 포함하며, 구축 및 차단을 제어하도록 배치된 수단은 전기적으로 바람직하게는 전자기적으로 작동되는 적어도 하나의 밸브 부재를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 적어도 하나의 실린더 및 그 안에서 왕복 운동을 행하는 피스톤과, 상기 실린더와 상기 피스톤에 의해 범위가 정해지는 연소 챔버와, 연소 공기를 연소 챔버에 유입시키기 위한 하나 이상의 유입구와, 연소 챔버로부터의 배기 가스의 배출을 위한 하나 이상의 유출구를 포함하며, 상기 유입구와 상기 유출구 중의 적어도 하나에, 자유롭게 작동 가능한 하나 이상의 가압 유체 작동 밸브가 제공되는 연소 엔진으로서, 상기 연소 엔진이 상기 하나 이상의 밸브의 조작을 위해 본 발명에 따른 공압식 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 연소 엔진에 관한 것이다.
본 발명의 추가의 특징 및 장점은 이하의 상세한 설명 및 특허청구의 범위에서 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 연소 엔진의 일부분의 개략도이다.
도 2는 제1 실시예에 따른 공압식 액추에이터의 일부분의 부분 절단 개략 평면도이다.
도 3은 제2 실시예에 따른 공압식 액추에이터의 일부분의 부분 절단 개략 평면도이다.
도 4는 제3 실시예에 따른 공압식 액추에이터의 일부분의 부분 절단 개략 평면도이다.
도 5는 제4 실시예에 따른 공압식 액추에이터의 일부분의 부분 절단 개략 평면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 방법의 실시예의 단계에 대한 타임 스케줄을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 방법의 제2 실시예의 단계에 대한 타임 스케줄을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 설명하며, 이러한 설명은 단지 예시를 목적으로 하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 연소 엔진의 일부분을 개략적으로 나타내고 있다. 연소 엔진은, 실린더(1), 실린더 내에 왕복 운동 방식으로 배치된 피스톤(2), 실린더와 피스톤에 의해 범위가 정해지는 연소 챔버(3), 유입 밸브(4), 및 유출 밸브(5)를 포함한다. 유출 밸브(5)가 설치되는 유출구에는 배기 가스 시스템 등이 연결될 수도 있다.
도 1에서, 피스톤(2)은 2-행정 사이클의 압축 행정 또는 4-행정 사이클의 흡입 행정 중의 움직임 상태에 있으며, 공기가 가능하게는 연료와 함께 개방된 유입 밸브(4)를 통해 연소 챔버 내로 흘러들어가게 될 것이다.
연소 엔진은 밸브(4, 5)의 조작을 위한 밸브 액추에이터(6)를 형성하는 공압식 액추에이터를 포함한다. 밸브 액추에이터(6)는 가압 유체 순환로(7)를 포함하거나 또는 가압 유체 순환로(7)에 연결되며, 각각의 밸브(4, 5)에 관련된 액추에이터 실린더(8, 9) 및 각각의 액추에이터 실린더(8, 9)에 설치된 액추에이터 피스톤(10, 11)을 포함한다. 순환로(7)는 개방되거나 폐쇄될 것이다. 고압부의 높은 압력은 압축기에 의해 생성될 수도 있다. 액추에이터 실린더(8, 9) 및 액추에이터 실린더에 관련된 액추에이터 피스톤(10, 11)은, 액추에이터 실린더(8, 9)에 속하는 실린더 헤드와 함께, 액추에이터 챔버(12, 13)의 범위를 정한다. 액추에이터 챔버(12, 13)에 대한 액추에이터 피스톤(10, 11)의 반대측에는, 기계식 스프링, 이 경우에는 나선형 스프링에 의해 형성된 스프링 수단(14)(도 2를 참조)이 제공되어 있다. 액추에이터 챔버(12, 13)의 팽창은 스프링 수단(14)의 압축 및 그에 따라 프리스트레이닝(pre-straining)을 발생할 것이다.
밸브 액추에이터 또는 밸브(4, 5) 중의 하나에 관련된 밸브 액추에이터(6)의 일부만을 도시하고 있는 도 2에 가장 명확히 도시되어 있는 바와 같이, 가압 유체 순환로(7)는 고압부(H) 및 저압부(L)를 포함한다. 각각의 액추에이터 챔버(12, 13)는 적어도 하나의 제1 채널(15)을 통해 가압 유체 순환로(7)의 고압부에 연결되고, 제2 채널(16)을 통해 고압 유체 순환로(7)의 저압부에 연결된다. 이곳에는 하나 이상의 파일로트 밸브(pilot valve)(17, 18)가 제공되며, 이 파일로트 밸브는 전자기 방식으로 작동되는 것이 바람직하고, 각각 제1 및 제2 채널의 연통을 개방 및 차단하도록 배치된다. 도 2에 따른 실시예에서, 제1 파일로트 밸브(17)는 저압부(L)와 액추에이터 챔버(12 또는 13) 사이를 개방하면서 그와 동시에 고압부(H)와 액추에이터 챔버(12 또는 13) 사이를 폐쇄하도록 제공되는 한편, 제2 파일로트 밸브(18)는 저압부(L)와 액추에이터 챔버(12 또는 13) 간의 연통을 개방 및 차단하도록만 배치되며, 여기서 후자의 밸브는 제2 채널에서 저압부에 가장 인접하게 위치된 밸브(17, 18) 중의 하나이다. 제2 파일로트 밸브(18)가 제2 채널(16)에서의 연 통을 차단하면, 도 2에 도시된 위치에 제1 파일로트 밸브를 위치시킴으로써 저압부(L)와 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통이 발생되지 않을 것이다. 도 2는 저압부(L)와 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통을 위해 파일로트 밸브(17, 18)가 개방되는 위치에서의 공압식 액추에이터(6)를 도시하고 있다. 그러므로, 스프링(14)은 액추에이터 피스톤을 제1 위치를 향해 푸시하거나 또는 제1 위치에 유지할 것인 한편, 공압식 액추에이터에 관련된 밸브(4, 5)는 그에 따라 폐쇄 위치를 향해 푸시되거나 또는 폐쇄 위치에 유지될 것이다.
엔진 밸브(4, 5)가 폐쇄 위치에 있다가 개방되려고 하는 경우, 이러한 움직임은 도 2에 도시된 위치로부터 이동되어 있는 파일로트 밸브(17)에 의해 개시될 것이며, 여기서 제1 파일로트 밸브(17)는 고압부(H)와 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통을 위해 개방되는 위치로 이동된다. 이에 의해, 고압부(H)의 압력에 대응하는 상승 압력이 액추에이터 챔버(12, 13)에 구축될 것이며, 이 압력이 스프링(14)의 스프링 힘에 비하여 충분한 크기이면, 액추에이터 피스톤이 엔진 밸브(4, 5)의 최종 하단(lower dead end)에 대응하는 제2 위치를 향해 이동될 것이다. 제2 최종 위치의 절대 위치, 즉 엔진 밸브의 승강 높이는, 엔진 속도 또는 요구된 토크와 같은 엔진의 조작 파라미터에 대하여 적합하게 이루어질 수 있으며, 고압부(H)와 액추에이터 챔버(12, 13) 사이의 연통을 차단하는 타이밍의 결정을 통해 조절될 것이다. 이에 의해, 파일로트 밸브(17)는 저압부(L)와 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통을 구축하는 위치에 있게 될 것이다.
한편, 제2 파일로트 밸브(18)는 액추에이터 챔버(12, 13)와 저압부(L) 간의 연통을 위해 개방된다. 후속하여, 스프링(14)에 저장된 에너지는 액추에이터 피스톤(10, 11)을 정지시키고, 후속하여 제1 위치를 향한 방향으로 이동시키는데 기여할 것이다. 밸브 액추에이터(6)에 의해 구동된 엔진 밸브(4, 5)가 너무 높은 속도로 자신의 시트를 때려, 밸브(4, 5) 또는 시트를 손상시키거나 또는 밸브(4, 5)의 리바운스(rebounce)를 초래하는 것을 방지하기 위해, 제1 위치를 향한 액추에이션 피스톤(10, 11)의 움직임 및 폐쇄 위치를 향한 엔진 밸브(4, 5)의 움직임이 본 발명에 따라 제동되어야 한다. 여기서, 이것은 제2 파일로트 밸브(18)가 저압부(L)와 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통을 차단하도록 제어될 때에 달성된다. 이에 의해, 액추에이터 피스톤(10, 11)이 제1 위치를 향한 방향으로 연속적으로 움직이는 동안, 액추에이터 챔버(12, 13) 내의 압력이 증가될 것이다. 제동은, 추가의 방안이 취해지지 않는다면, 액추에이터 피스톤(10, 11)이 제1 위치에 도달하기 전에 액추에이터 피스톤의 움직임이 완전히 정지되는 정도의 크기의 액추에이터 챔버(12, 13) 내의 압력을 생성하기에 충분한 정도로 일찍 개시되는 것이 바람직하다. 그러나, 실제로는, 액추에이터 피스톤은 추후에 설명되는 바와 같이 제1 위치에 도달하기 전에 정지하도록 허용되어서는 안된다.
또한, 제동을 가능한 한 늦게 개시하여, 액추에이터 피스톤(10, 11)이 제1 위치에 매우 근접할 때까지, 액추에이터 피스톤의 움직임이 정지되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
액추에이터 피스톤(10, 11)이 폐쇄 위치를 향해 움직이는 동안, 그 속도가 영(0)에 근접하게 되는 것으로 가정될 수 있을 때, 저압부(L)와 액추에이터 챔 버(12, 13) 간의 연통은 제2 파일로트 밸브(18)가 개방 위치로 이동함으로써 다시 개방된다. 이에 의해, 액추에이터 챔버(12, 13) 내의 압력은 급속하게 감소할 것이며, 스프링(14)에 남아있는 에너지는 액추에이터 피스톤이 제1 위치를 향한 움직임을 지속하도록 할 것이다. 이 단계가 제1 위치를 향한 액추에이터 피스톤(10, 11)의 복귀 움직임 동안 충분히 늦게 수행되면, 엔진 밸브 시트에의 엔진 밸브(4, 5)의 소프트 랜딩이 달성될 것이다. 이에 의해, 전술한 순서의 단계가 반복될 수 있다. 액추에이터 피스톤(10, 11)이 제2 위치에서 제1 위치로 움직이는 동안 취해진 단계는 도 6에 도시되어 있다.
액추에이터 피스톤(10, 11)의 제동 동안, 액추에이터 챔버(12, 13) 내의 압력이 고압부(H)에 존재하는 압력을 초과하는 정도로 증가할 때에, 특별한 경우가 발생할 수도 있다. 밸브 액추에이터(6)는 고압부(H)와 액추에이터 챔버(12, 13) 사의 연통을 위해 개방되도록 배치되는 수단이 제공될 수도 있다. 이러한 수단은, 제1 채널(15)의 브랜치이거나 또는 제1 채널에 평행하고 또한 고압부(H)를 액추에이터 챔버(12, 13)에 연결시키는 채널에 제공된 비복귀형 밸브를 포함할 수 있다. 이로써, 특정한 정도의 에너지의 재순환이 발생한다. 임의의 비복귀형 밸브의 폐쇄에 관련하여, 엔진 밸브(4, 5)가 자신의 시트에 소프트 랜딩하도록 하기 위해, 저압부(L)와 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통이 재구축되어야 한다. 이 순서는 도 7에 나타내어져 있다.
도 3은, 제1 채널(15)이 고압부(H)를 액추에이터 챔버(12, 13)에 연결시키고, 2개의 파일로트 밸브(17, 18)의 각각이 제1 채널의 각각에서의 연통을 개방 및 차단하기 위해 제공되는 실시예를 도시하고 있다. 또한, 파일로트 밸브(17, 18)의 각각은 제2 채널(16)에서의 연통을 차단 및 개방하기 위해 제공되며, 여기서 제2 파일로트 밸브(18)는 상기 밸브(17, 18) 중의 저압부에 가장 근접한 밸브이다. 도 3에서, 액추에이터 피스톤(10, 11)은 제1 위치에 있거나 또는 제1 위치 부근에 있다. 액추에이터 피스톤(10, 11)이 제2 위치로 이동될 때, 제1 파일로트 밸브(17)(또는, 어느 것이 먼저 이동되어도 상관없기 때문에, 제2 파일로트 밸브일 수도 있음)는 고압부(H)와 액추에이터 챔버(12, 13) 사이를 개방하도록 이동된다. 이에 의해, 저압부(L)와 액추에이터 챔버(12, 13) 사이의 제2 채널(16)에서의 연통을 차단할 것이다. 제2 위치에 도달할 때 또는 제2 위치에 도달하기 전에, 제1 파일로트 밸브는 도 3에 도시된 위치로 다시 이동되어, 저압부(L)와 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통을 개방한다. 또한, 제2 파일로트 밸브(18)가 아직 대응하는 위치로 이동되지 않았다면, 제2 파일로트 밸브(18)는 대응하는 위치로 이동될 것이다. 바람직한 실시예에서, 제2 파일로트 밸브는, 이전에 액추에이터 피스톤(10, 11)이 제1 위치에 위치된 이후로 상기 위치에 유지된다. 그 후, 액추에이터 피스톤(10, 11)은 액추에이터 챔버(12, 13) 외부로의 공기의 배출 동안 제1 위치를 향해 다시 한번 이동된다. 액추에이터 피스톤이 제2 위치와 제1 위치 사이의 간격의 소정의 부분에 위치될 때, 또는 소정 기간의 시간이 경과될 때, 제2 파일로트 밸브(18)는 도 3에 도시된 위치로부터 고압부(H)와 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통을 허용하는 위치를 향해 이동된다. 이에 의해, 고압부(H)가 액추에이터 챔버(12, 13) 내의 압력의 신속한 증가에 기여하도록 허용되므로, 이전의 실시예보다 제동 효과가 더욱 강력할 것이다. 또한, 고압부(H)의 압력보다 높은 압력이 액추에이터 챔버에서 발생되도록 하기 위해, 제2 파일로트 밸브가 저압부(L)와 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통을 차단하고 고압부(H)와 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통을 개방할 때의 순간 사이에 경과하는 단기간의 시간 동안 액추에이터 챔버 내의 압력의 증가가 충분히 짧게 되도록 할 수도 있다. 이에 의해, 이전에 설명한 바와 같이, 가압 공기의 펄스가 액추에이터 챔버로부터 고압부를 향하는 방향으로 흐르게 될 것이며, 이것은 에너지 절감의 관점에서 바람직하다.
액추에이터 피스톤(10, 11)의 속도가 소정의 값으로 감소될 때, 또는 예컨대 제2 파일로트 밸브(18)가 그 제동 위치로 이동되는 순간으로부터 소정 기간의 시간이 경과될 때, 상기 파일로트 밸브는 저압부(L)와 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통을 허용하는 위치로 다시 이동된다. 이에 의해, 액추에이터 피스톤(10, 11)은, 스프링(14)의 작용 하에서, 최종 유지 위치에서 도 3에 도시된 위치인 제1 위치로 이동될 것이다. 도 3에 따른 실시예는 파일로트 밸브를 저압부(L)에 관해서는 직렬로 연결되고 고압부(H)에 관해서는 병렬로 연결된 것으로서 도시하고 있다. 그러나, 파일로트 밸브가 고압부에 관해서는 직렬로 연결되고 저압부에 관해서는 병렬로 연결되거나 또는 고압부와 저압부 모두에 관해 병렬로 연결되는 실시예 또한 가능하다.
도 4는 공압식 액추에이터(6)의 다른 설계를 도시하고 있다. 이것은 본 출원인의 이전의 특허 출원에서 개시된 설계이지만, 본 특허 출원에 의해 제안된 파일로트 밸브의 제어에 의해 추가로 개선된 설계이다. 2개의 파일로트 밸브(19, 20)와는 별도로, 액추에이터(6)는 또한 2개의 슬레이브 밸브(slave valve)(21, 22)를 포함한다. 각각의 슬레이브 밸브(21, 22)는 각각의 파일로트 밸브(19, 20)에 관련된다. 제1 슬레이브 밸브(21)는, 그 일측면 상의 저압부(L)와 직접 연통하고, 또한 제1 슬레이브 밸브에 관련된 제1 파일로트 밸브(19)의 위치에 따라 저압부(L) 또는 그 타측면 상의 고압부(H) 중의 하나와 연통하는 공간에 제공된다. 제1 파일로트 밸브(19)가 저압부와 제1 파일로트 밸브에 관련된 슬레이브 밸브(21)의 상기 제2 측면 간의 연통을 위해 개방될 때, 슬레이브 밸브(21)는 저압부(L)와 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통을 허용할 것이다. 파일로트 밸브가 고압부와 상기 제2 측면 간의 연통을 허용할 때, 슬레이브 밸브(21)는 액추에이터 챔버(12, 13)와 저압부(L) 간의 어떠한 연통도 허용하지 않을 것이다.
제2 슬레이브 밸브(22)는, 그 일측면 상의 고압부(H)와 직접 연통하고 또한 제2 슬레이브 밸브와 관련된 파일로트 밸브(20)의 위치에 따라 저압부(L) 또는 타측면 상의 고압부(H) 중의 하나와 연통되는 공간에 제공된다. 제2 파일로트 밸브(20)가 저압부(L)와 제2 파일로트 밸브에 관련된 슬레이브 밸브(22)의 상기 제2 측면 간의 연통을 위해 개방될 때, 제2 슬레이브 밸브는 고압부(H)와 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통을 허용할 것이다. 반대의 경우에는, 액추에이터 챔버(12, 13) 내의 압력이 고압부(H) 상의 압력을 특정한 정도로 초과하도록 상승하지 않는다면, 고압부(H)와 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통이 허용되지 않는다. 액추에이터 챔버를 향해 돌려지는 슬레이브 밸브의 표면의 크기를 상기 제1 측면에 관련하여 적합하게 채용함으로써, 해당 슬레이브 밸브의 비복귀형 밸브의 기능을 달 성할 수 있다. 먼저 개방되는 밸브인 제2 슬레이브 밸브에서 비복귀형 밸브 기능이 나타나도록, 제2 슬레이브 밸브(22)의 설계는 제1 슬레이브 밸브(21)의 설계에 적합화된다.
또한, 직접 작동하는 밸브(directly acting valve)가 본 발명에 사용되기에 충분한 성능을 갖는다면, 파일로트 밸브 및 슬레이브 밸브 전부를 이들 직접 작동하는 밸브로 대체하는 것도 가능하다. 도 5는 이러한 실시예의 예를 도시하고 있으며, 이 실시예에서 밸브(23, 24)는 전기적으로, 바람직하게는 전자기적으로 조작되고, 각각 저압부(L)와 액추에이터 챔버(12, 13) 사이 및 고압부(H)와 액추에이터 챔버(12, 13) 사이를 직접적으로 차단 및 개방하도록 제공된다.
파일로트 밸브, 슬레이브 밸브 및 전술한 직접 작동하는 밸브는 고압부(H)와 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통 저압부(L)와 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통의 구축 및 차단을 위한 수단을 형성할 것이다. 또한, 상기 수단은 제어 유닛(25), 바람직하게는 이러한 순서에 따라 상기 파일로트 밸브의 개방 및 폐쇄에 대한 제어에 적합하고 또한 본 발명에 따른 방법을 구현하게 하는 이러한 선결 조건(precondition)에 적합한 컴퓨터 프로그램을 포함하는 컴퓨터 프로그램 캐리어를 포함한다. 파일로트 밸브의 제어는 소위 맵핑을 통해 구현될 수 있으며, 여기서 상기 밸브의 개방 및 폐쇄는 예컨대 가장 인접한 이전 단계로부터의 경과 시간에 기초하여 이루어진다. 다른 방안으로는, 액추에이터 피스톤의 위치를 실시간으로 감지하고, 그에 기초하여 제어하는 방안이 있다.
최종적으로, 도 1에 따른 연소 엔진은 예컨대 토크 명령(torque order)을 제 공할 목적으로 제어 유닛(25)에 동작적으로 연결된 가스 페달(gas pedal)과 같은 부재(26)를 또한 포함한다. 엔진 샤프트(28) 상에 제공된 단차 디스크(graded disc)(29)의 반대측의 센서(27)는 제어 유닛(25)에 동작적으로 연결되고, 엔진 속도 및 크랭크 샤프트 위치 및/또는 실린더(1) 내의 피스톤(2)의 위치에 관한 연속적인 정보를 제어 유닛(25)에 제공한다. 제어 유닛(25) 또는 더욱 정확하게는 제공되어 있는 소프트웨어 등은 작동 가능한 밸브(4, 5)가 개방되거나 또는 폐쇄될 때를 결정할 것이다.
본 발명은 일례를 통해 설명되었으며, 당업자에 의해 다른 실시예도 가능하다. 따라서, 본 발명의 보호의 범위는 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조하여 청구범위에서 한정된 것에 의해 정해져야 한다.
구체적으로, 파일로트 밸브로서 설명한 밸브는 회전이 다른 파일로트 밸브에 의해 제어되는 슬레이브 밸브에 의해 형성될 수도 있다. 또한, 전술한 2개의 파일로트 밸브(17, 18)는 개별적인 이용이 가능하다면 하나의 파일로트 밸브로 대체될 수도 있다. 예컨대, 도 2 및 도 3의 제2 파일로트 밸브(18)가 제외될 수도 있다. 그러나, 나머지 하나의 파일로트 밸브(17)가, 전술한 2개의 밸브의 각각의 밸브의 개개의 동작을 위해 요구된 시간과 동일한 시간 동안, 엔진 밸브를 개방하고 엔진 밸브를 제동하기 위해 2배로 이동되어야 하기 때문에, 대응하는 동작 조건 및 동작을 위해 나머지 하나의 파일로트 밸브(17)의 더욱 신속한 기능이 요구될 것이다.
Claims (16)
- 고압부(H)와 저압부(L)를 포함하는 가압 유체 순환로(6)에 연결된 공압식 액추에이터(6)의 액추에이터 피스톤(10, 11)의 제동 방법으로서,상기 공압식 액추에이터는,액추에이터 실린더(8, 9)와,상기 액추에이터 실린더(8, 9) 내에 제공되고, 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동 가능한 액추에이터 피스톤(10, 11)과,상기 액추에이터 실린더(8, 9) 및 상기 액추에이터 피스톤(10, 11)에 의해 범위가 정해지고, 상기 액추에이터 피스톤(10, 11)이 상기 제2 위치에서 상기 제1 위치로 이동할 때에 체적이 감소하는 액추에이터 챔버(12, 13)와,상기 액추에이터 피스톤(10, 11)을 상기 제2 위치에서 상기 제1 위치로 구동하기 위해 제공된 스프링 수단(14)을 포함하며,상기 액추에이터 피스톤(10, 11)이 상기 제2 위치에서 상기 제1 위치를 향해 이동하는 동안, 상기 저압부(L)와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통(communication)이 구축되거나 유지되며, 이와 동시에 상기 고압부(H)와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통이 차단 상태로 유지되며,상기 액추에이터 피스톤(10, 11)이 상기 제1 위치에 도달하기 전에, 상기 저압부(L)와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 상기 연통이 차단되는,액추에이터 피스톤의 제동 방법.
- 제1항에 있어서,상기 액추에이터 피스톤(10, 11)이 상기 제1 위치에 도달하는 시점까지의 상기 액추에이터 챔버(12, 13)의 체적의 연속적인 감소가, 상기 액추에이터 피스톤의 연속적인 움직임 동안 상기 액추에이터 챔버(12, 13)에 생성되는 압력의 증가가 상기 액추에이터 피스톤(10, 11)이 상기 제1 위치에 도달하기 전에 상기 액추에이터 피스톤(10, 11)의 속도를 실질적으로 감소시키기에 충분하게 되도록 하는 크기로 될 때에, 상기 저압부(L)와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 상기 연통이 차단되는, 액추에이터 피스톤의 제동 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 액추에이터 피스톤(10, 11)이 상기 제1 위치에 도달하는 시점까지의 상기 액추에이터 챔버(12, 13)의 체적의 연속적인 감소가, 상기 액추에이터 피스톤의 연속적인 움직임 동안 상기 액추에이터 챔버(12, 13)에 생성되는 압력의 증가가 상기 액추에이터 피스톤(10, 11)이 상기 제1 위치에 도달하기 전에 상기 액추에이터 피스톤(10, 11)의 속도를 영(0)으로 감소시키기에 충분하게 되도록 하는 크기로 될 때에, 상기 저압부(L)와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통이 차단되는, 액추에이터 피스톤의 제동 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제2 위치와 상기 제1 위치 사이의 상기 액추에이터 피스톤(10, 11)의 주행 거리의 절반이 지난 후에, 바람직하게는 상기 주행 거리의 1/3이 지난 후에, 더욱 바람직하게는 상기 주행 거리의 1/4이 지난 후에, 상기 저압부(L)와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통이 차단되는, 액추에이터 피스톤의 제동 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 저압부(L)와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통이 차단에 후속하여, 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 내의 압력이 상기 고압부(H) 상의 압력 이상으로 되면, 상기 고압부(H)와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통이 구축되는, 액추에이터 피스톤의 제동 방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,상기 액추에이터 피스톤(10, 11)이 상기 제1 위치에 도달하기 전에 상기 액추에이터 피스톤(10, 11)의 움직임이 중단되거나 또는 거의 중단될 때에, 상기 저압부(L)와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통이 재구축되는, 액추에이터 피스톤의 제동 방법.
- 제6항에 있어서,상기 제1 위치를 향한 상기 액추에이터 피스톤(10, 11)의 움직임이 중지되는 순간에, 상기 제1 상기 저압부(L)와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통이 전 반적으로 재구축되는, 액추에이터 피스톤의 제동 방법.
- 제6항 또는 제7항에 있어서,상기 저압부(L)와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통의 재구축과 관련하여 상기 고압부(H)와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통이 차단되는, 액추에이터 피스톤의 제동 방법.
- 고압부(H)와 저압부(L)를 갖는 가압 유체 순환로(6)에 연결된 공압식 액추에이터로서,상기 공압식 액추에이터는,액추에이터 실린더(8, 9)와,상기 액추에이터 실린더(8, 9) 내에 제공되고, 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동 가능한 액추에이터 피스톤(10, 11)과,상기 액추에이터 실린더(8, 9) 및 상기 액추에이터 피스톤(10, 11)에 의해 범위가 정해지고, 상기 액추에이터 피스톤(10, 11)이 상기 제2 위치에서 상기 제1 위치로 이동할 때에 체적이 감소하는 액추에이터 챔버(12, 13)와,상기 액추에이터 피스톤(10, 11)을 상기 제2 위치에서 상기 제1 위치로 구동하기 위해 제공된 스프링 수단(14)과,상기 액추에이터 피스톤(10, 11)이 상기 제2 위치에서 상기 제1 위치를 향해 이동하는 동안, 상기 저압부(L)와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연 통(communication)을 유지하거나 구축하며, 이와 동시에 상기 고압부(H)와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통을 차단 상태로 유지하기 위해 제공된 수단(18, 25)을 포함하며,상기 공압식 액추에이터는, 상기 액추에이터 피스톤(10, 11)이 상기 제1 위치에 도달하기 전에, 상기 저압부(L)와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 상기 연통을 차단하기 위해 제공된 수단(18, 25)을 포함하는,공압식 액추에이터.
- 제9항에 있어서,상기 액추에이터 피스톤(10, 11)이 상기 제2 위치에서 상기 제1 위치로 이동하는 동안 소정의 위치에 도달할 때에 상기 저압부(L)와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통을 차단하도록 배치되는 수단(18, 25)을 포함하는, 공압식 액추에이터.
- 제9항 또는 제10항에 있어서,소정의 조건 하에서 상기 저압부(L)와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통을 재구축하도록 배치되는 수단(18, 25)을 포함하는, 공압식 액추에이터.
- 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,상기 저압부(L)와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통의 차단에 관련하 여 또한 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 내의 압력이 상기 고압부(H) 상의 압력 이상으로 되면, 상기 고압부(H)와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통을 구축하도록 배치된 수단(17, 25)을 포함하는, 공압식 액추에이터.
- 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,상기 액추에이터 실린더(8, 9) 내의 상기 액추에이터 피스톤(10, 11)의 움직임 및 위치를 감지하기 위한 센서; 및상기 센서로부터의 신호에 기초하여, 각각 상기 고압부(H)와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통과 상기 저압부(L)와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통의 구축 및 차단을 제어하도록 배치되는 수단(17, 25; 18, 25)을 포함하는 공압식 액추에이터.
- 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,엔진 밸브가 자신의 밸브 시트(valve seat)에 진입할 때에 생성되는 잡음 또는 진동을 감지하기 위한 센서; 및상기 센서로부터의 신호에 기초하여, 각각 상기 고압부(H)와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통과 상기 저압부(L)와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통의 구축 및 차단을 제어하도록 배치되는 수단(17, 25; 18, 25)을 포함하는 공압식 액추에이터.
- 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,전기적으로 바람직하게는 전자기적으로 작동되며, 각각 상기 고압부(H)와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통과 상기 저압부(L)와 상기 액추에이터 챔버(12, 13) 간의 연통의 구축 및 차단을 제어하도록 배치되는, 하나 이상의 밸브 부재(17, 18; 19, 20)를 포함하는, 공압식 액추에이터.
- 하나 이상의 실린더(1), 상기 실린더를 왕복 운동하는 피스톤(2), 상기 실린더(1) 및 상기 피스톤(2)에 의해 범위가 정해지는 연소 챔버(3), 상기 연소 챔버(3) 내에 연소 공기를 유입시키기 위한 하나 이상의 유입구, 및 상기 연소 챔버(3)로부터 배기 가스를 배출하기 위한 하나 이상의 유출구를 포함하며, 상기 유입구 및 상기 유출구 중의 하나 이상에, 가압 유체를 통해 구동되는 하나 이상의 자유 작동 밸브(freely operable valve)(4, 5)가 제공되는 연소 엔진으로서,상기 하나 이상의 자유 작동 밸브(4, 5)의 조작을 위해 청구항 9 내지 청구항 15 중의 어느 하나의 청구항에 따른 공압식 액추에이터(6)를 포함하는,연소 엔진.
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