KR20090049999A - 유압 가변 밸브 트레인을 구비한 내연기관의 실린더 헤드용유압 유닛 - Google Patents

유압 가변 밸브 트레인을 구비한 내연기관의 실린더 헤드용유압 유닛 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유압 가변 밸브 트레인(1)을 구비한 내연기관의 실린더 헤드(2)용 유압 유닛(5)을 제안한다. 상기 유압 유닛(5) 내에는 고압 챔버(11)와, 중간 압력 챔버(12)와, 추가로 유압 매체 저장소로 사용되는 저압 챔버(16)가 형성된다. 저압 챔버(16)는 스로틀 개구(17)를 통해서만 중간 압력 챔버와 통하며, 이 스로틀 개구는 저압 챔버와 중간 압력 챔버 사이에 형성된 분리벽(18)을 관통한다.
유압 가변 밸브 트레인, 유압 유닛, 고압 챔버, 중간 압력 챔버, 저압 챔버

Description

유압 가변 밸브 트레인을 구비한 내연기관의 실린더 헤드용 유압 유닛 {HYDRAULIC UNIT FOR A CYLINDER HEAD OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH HYDRAULIC VARIABLE VALVE TRAIN}
본 발명은 유압 가변 밸브 트레인을 구비한 내연기관의 실린더 헤드를 위한 유압 유닛에 관한 것이다. 이 유압 가변 밸브 트레인은,
- 적어도 1개의 입력측 마스터 유닛과,
- 가스 교환 밸브를 구동하는 적어도 1개의 출력측 슬레이브 유닛과,
- 적어도 1개의 제어 가능한 유압 밸브와,
- 적어도 1개의 중간 압력 챔버와,
- 관련 마스터 유닛과 관련 슬레이브 유닛 사이의 동력 전달 방향(transmission direction)으로 배치되어 관련 유압 밸브를 통해 관련 중간 압력 챔버와 연결될 수 있는 적어도 1개의 고압 챔버와,
- 하우징 하부 및 하우징 상부로 구성된 유압 하우징을 포함한다. 여기서 적어도 마스터 유닛, 슬레이브 유닛, 고압 챔버, 유압 밸브 및 중간 압력 챔버는 유압 하우징과 결합된 상태로, 실린더 헤드에 장착될 수 있는 유압 유닛에 종속된다.
전술한 유형의 유압 유닛은 카테고리를 정의하는(category-defining) 특허로서 간주되는 DE 10 2006 008 676 A1으로부터 이미 공지되어 있다. 여기에 제안된 유압 유닛의 경우, 캠 로브(cam lobe)로부터 가스 교환 밸브로의 유압 가변 동력 전달을 위해 필수적으로 필요한 모든 부품이 1개의 공통 유압 하우징 내에 집결되어 있다. 상기 공통 유압 하우징은, 도입부에 언급한 부품들이 수용되어 있고 압력 챔버들이 형성되어 있는 하우징 하부 그리고 상기 하우징 하부를 밀폐하는 하우징 상부로 구성된다. 하우징 하부는 매우 콤팩트한 구조로 설계되며, 하우징 상부는 그와 더불어 거의 평평한 판으로 형성됨으로써, 중간 압력 챔버들 각각이 모두 그에 상응하는 작은 부피로 제한된다.
그러나 부피가 작은 중간 압력 챔버는 내연기관의 시동 과정에서, 특히 외부 온도가 낮을 때 그리고 내연기관이 비교적 오랫동안 정지해 있은 다음에 시동 과정이 실시되는 경우에 문제가 될 수 있다. 그 원인은, 시동 과정 동안 내연기관의 유압 매체 공급원이 중간 압력 챔버로 충분한 유압 매체 흐름을 추가로 공급하지 못하고, 중간 압력 챔버에 잔존하는, 게다가 저온에서 압축된 유압 매체 부피만으로는 시동 시 팽창되는 고압 챔버를 완전히 다시 채우기에 불충분하다는 데 있다. 이러한 문제는 짧은 주기로 반복되는 시동 과정의 경우에 더욱 증폭되는데, 그 이유는 그러한 경우 중간 압력 챔버의 유압 매체 소비량이 내연기관의 유압 매체 공급원으로부터 추가로 공급된 부피보다 더 클 수 있기 때문이다. 그러한 반복 시동 과정은 예컨대 택시 승차장에 있는 택시 차량들에서 전형적으로 나타난다.
도입부에서 인용한 문서에 근거하여, 이러한 문제는 적절한 공동들이 구비될 하우징 상부의 방향으로 중간 압력 챔버를 확장하는 방법으로는 단지 제한적으로만 완화될 수 있다. 왜냐하면 이러한 경우에도 중간 압력 챔버 내에 기포가 형성되어 이 기포가 팽창된 고압 챔버 내로 흡입되는 현상의 확실한 예방이 불가능할 수 있기 때문이다.
본 발명의 과제는, 전술한 단점들이 간단하게 제거되도록 도입부에 언급한 유형의 유압 유닛을 개선하는 것이다. 그럼으로써 적절하게 부피가 제한된 중간 압력 챔버를 포함하는 콤팩트한 구조의 유압 하우징에서도 내연기관의 시동 시 팽창하는 고압 챔버에 유압 매체가 확실하고 완전하게 재충전될 수 있어야 한다.
상기 과제는 청구항 제1항의 특징부에 기술된 특징들을 통해 해결되고, 본 발명의 바람직한 실시예 및 개선예는 종속 청구항들에 제시되어 있다. 즉, 하우징 상부에 유압 매체 저장소로 사용되는 저압 챔버가 형성되고, 이 저압 챔버는 적어도 1개의 스로틀 개구를 통해서만 중간 압력 챔버와 통하며, 이 스로틀 개구는 저압 챔버와 중간 압력 챔버 사이에 형성된 분리벽을 관통한다.
하우징 상부에 형성되어 있는 저압 챔버에 의해, 한 편으로는 내연기관의 시동 과정 동안 필요한 고압 챔버용 유압 매체 저장소가 확장되고, 다른 한 편으로는 도입부에 언급한 기포 흡입의 위험이 전반적으로 제거된다. 기포 흡입 위험의 제 거 작용은 중간 압력 챔버로부터 저압 챔버를 분리하는 분리벽에 의해 구현되며, 그 결과 내연기관의 정지 상태 동안 유압 매체가 냉각되어 압축된 경우 저압 챔버로부터 유압 매체가 재흡입됨으로써 중간 압력 챔버 내에 기포가 형성되는 현상이 방지된다.
또한, 유압 유닛이 중력에 대해 기울어지도록 내연기관 내부에 설치된 경우 및/또는 내연기관과 조립된 경우, 스로틀 개구가 분리벽의 측지학상 낮은 지점에 형성된다. 그럼으로써, 경우에 따라 예컨대 외부 온도가 매우 낮아서 그에 상응하게 상당히 압축된 유압 매체로 인해 저압 챔버가 덜 채워진 경우에도, 유압 매체가 저압 챔버로부터 중간 압력 챔버로 기포 형성 없이 재흡입되는 것이 보장된다.
본 발명의 또 다른 한 실시예에서는, 하우징 상부에 실린더 헤드로 통하는 적어도 1개의 저압 챔버용 배기구가 제공된다. 그럼으로써 내연기관이 동작하는 동안 중간 압력 챔버로부터 스로틀 개구를 통해 저압 챔버로 증착되는 기포가 유압 유닛으로부터 영구적으로 누출되어 실린더 헤드 내부로 유입될 수 있다.
고압 챔버의 완전한 재충전 과정의 보장성은 특히 짧은 주기로 실시되는 반복 시동 과정의 관점에서 (VL+VM)/VH≥2 (VL=저압 챔버의 부피, VM=중간 압력 챔버의 부피, VH=고압 챔버의 부피)인 압력 챔버들의 부피비에 의해 증대될 수 있다. 즉, 고압 챔버의 재충전에 이용되는 유압 매체 저장소가 고압 챔버에 비해 적어도 2배 더 커야 하고, 이는 2개의 가스 교환 밸브의 동시 작동을 위해 2개의 슬레이브 유닛이 단일 마스터 유닛과 연결되어 있는 밸브 트레인의 경우에도 물론 중요하다.
본 발명의 구조적으로 바람직한 한 실시예에서는, 분리벽이 하우징 부분들에 의해 샌드위치형 구조로 구성된 유압 하우징의 하우징 중간 부분으로서 형성된다. 또는 그 대안으로, 하우징 상부에 일체로 형성된 분리벽이 제공될 수도 있으며, 이 경우 그러한 하우징 상부는 예컨대 내부 고압 성형(internal high pressure forming)을 통해 제조될 수 있다.
전술한 유압 하우징의 샌드위치형 구조의 경우, 하우징 상부는 적어도 하우징 중간부와의 접촉 영역에서 탄성 중합체 재료로 된 밀봉제로 코팅된다. 저압 챔버의 공회전을 저지하는 밀봉제는 하우징 상부의 밀봉면 위에 국부적으로 압착되거나 분사된 탄성 중합체 씰이거나, 하우징 상부에 전체 면에 걸쳐서 도포된 탄성 중합체 코팅층일 수 있다. 그 대안으로, 하우징 상부와 하우징 중간부 사이에 예컨대 페이퍼 가스킷(paper gasket) 형태의 별도의 씰이 제공될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 한 실시예에서는, 하우징 상부가 알루미늄 재료 또는 강 재료로부터 딥 드로잉(deep drawing) 공정을 통해 제조되거나, 플라스틱 재료로부터 사출성형 공정을 통해 제조될 수 있다.
전술한 본 발명의 특징들과 실시예들은, 가능한 한 그리고 바람직한 경우에 한해, 서로 임의로 조합될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 특징들은, 하기의 상세한 설명 및 본 발명의 한 실시예를 설명하는 도면들로부터 파악할 수 있다. 특별한 언급이 없는 한, 동일한 또는 동일한 작용을 하는 특징들이나 부품들에는 동일한 도면 부호가 기재되어 있다.
본 발명을 통해, 적절하게 부피가 제한된 중간 압력 챔버를 포함하는 콤팩트한 구조의 유압 하우징에서도 내연기관의 시동 시 팽창하는 고압 챔버에 유압 매체가 확실하고 완전하게 재충전될 수 있는 유압 유닛이 제공된다.
도1에는 유압 가변 밸브 트레인(1)의 기본 구조 및 본 발명에 속하는 특징들이 개략적으로 공개되어 있다. 본 발명을 이해하는 데 필수적인, 캠 샤프트의 캠(3) 및 폐쇄 방향으로 스프링에 의해 힘이 가해지는 가스 교환 밸브(4)를 구비한 내연기관의 실린더 헤드(2)의 한 섹션이 도시되어 있다. 밸브 트레인(1)의 가변성은 캠(3)과 가스 교환 밸브(4) 사이에 배치된 유압 유닛(5)에 의해 구현되며, 상기 유압 유닛은,
- 캠(3)에 의해 구동되는 펌프 플런저(pump plunger)(7) 형태의 입력측 마스터 유닛(6),
- 가스 교환 밸브(4)를 직접 구동하는 슬레이브 피스톤(9) 형태의 출력측 슬레이브 유닛(8),
- 전자기식 2-2-웨이 컨트롤 밸브 형태의 컨트롤 유압 밸브(10),
- 마스터 유닛(6)과 슬레이브 유닛(8) 사이에 형성되고, 유압 밸브(10)가 열리면 그로부터 유압 매체가 중간 압력 챔버(12)로 방출될 수 있는 고압 챔버(11),
- 스프링에 의해서 힘이 가해지는 균형 피스톤(balance piston)(14)을 구비한, 중간 압력 챔버(12)에 접속된 압력 저장 장치(13),
- 유압 유닛(5)을 내연기관의 유압 매체 회로에 접속시키는, 중간 압력 챔 버(12)의 방향으로 열리는 체크 밸브(15), 및
- 본 발명에 따라 유압 매체 저장소로 사용되는 저압 챔버(16)를 포함하며, 상기 저압 챔버(16)는 자신과 중간 압력 챔버(12) 사이에 형성된 분리벽(18) 내의 스로틀 개구(17)를 통해서만 중간 압력 챔버(12)에 연결된다.
이미 공지되어 있는 유압 밸브 트레인(1)의 작용 방식을 요약하자면 다음과 같다. 즉, 고압 챔버(11)가 마스터 유닛(6)과 슬레이브 유닛(8) 사이에서 유압 연동장치로서 작용하고, 이때 -누출을 방치한 경우- 캠(3)의 행정에 비례하여 펌프 플런저(7)에 의해 배출된 유압 매체량은 유압 밸브(10)의 개방 시점 및 개방 지속 시간에 따라 슬레이브 피스톤(9)에 작용하는 제1 부분량 및 압력 저장 장치(13)를 포함하여 중간 압력 챔버(12)로 방출되는 제2 부분량으로 나뉜다. 그럼으로써 가스 교환 밸브(4)의 제어 시간 뿐 아니라 행정 높이도 매우 가변적으로 조정될 수 있다.
하기에 기술되는 도2와 도3에서 명백히 알 수 있듯이, 유압 유닛(5)이 또 다른 필수 구성품으로서 공통 유압 하우징(19)을 가짐으로써, 상기 유압 유닛(5)은 경우에 따라 미리 유압 매체로 충전된 선조립형 유닛으로서 내연기관의 실린더 헤드(2) 내에 장착될 수 있다. 도2에 4기통 직렬 엔진용으로 설계된 유압 유닛(5)의 전체 모습이 도시되어 있다. 샌드위치형 구조로 구성된 유압 하우징(19)은 하우징 하부(20)와, 하우징 중간부(21)로서 형성된 분리벽(18)과, 하우징 상부(22)로 구성되어 있다. 상기 하우징 부분들(20, 21, 22)이 여러 나사 연결 지점들(23)에서 유체학적으로 밀폐되도록 나사 연결 방식으로 서로 결합되는 한편, 하우징 하부(20) 는 내연기관의 실린더 헤드(2) 내에 전체 유압 유닛(5)이 고정되도록 하기 위한 별도의 나사 연결 지점들(24)을 갖는다.
4개의 마스터 유닛(6)은 각각 하우징 하부(20)에 수용된 지지 부재(25)와, 상기 지지 부재 상에 선회 운동을 하도록 지지되면서 마찰이 적은 캠 접촉을 위한 롤러(27)가 회전 가능하게 장착된 캠 종동부(cam follower)(26)와, 캠 종동부(26)에 의해 구동되며 귀환 행정 방향으로 스프링에 의해 힘이 가해지는 펌프 플런저(7)를 포함한다. 하우징 중간부(21)로부터 형성되어 돌출되는 브래킷(28)은 유압 유닛(5)이 실린더 헤드(2) 내에 장착되지 않은 경우에 캠 종동부(26)의 분실 방지 장치로 사용된다. 상기 유압 유닛(5)은 또한, 마스터 유닛들(6) 각각이 2개의 슬레이브 유닛(8)과 상호 작용을 하도록 설계되어 있다. 다시 말해, 동일 작용을 하는 각각의 가스 교환 밸브 쌍(4)을 위해, 즉 내연기관의 실린더의 유입 밸브들 또는 배출 밸브들을 위해 단 1개의 캠(3) 및 1개의 마스터 유닛(6)만 필요하며, 이때 펌프 플런저(7)에 의해 배출된 유압 매체량은 2개의 슬레이브 유닛(8)에 동시에 작용한다. 유압 유닛(5)에서 마스터 유닛들(6)의 맞은편에 는 각각 1개의 마스터 유닛(6)과 2개의 슬레이브 유닛(8)에 할당된, 전기 접속 플러그(29)를 구비한 유압 밸브들(10)이 보이며, 이때 전류 없이 개방되는 유압 밸브(10)는 본 도면에는 도시되지 않은 이미 공지된 방식으로 하우징 하부(20)의 밸브 수용부에 고정되어 있다.
도2에서 이미 하우징 상부(22) 내 융기부로써 알아볼 수 있는 저압 챔버들(16)은 도3에 도시된 유압 유닛(5)의 횡단면에 명백하게 나타나 있다. 이 횡단면에는 중간 압력 챔버(12)에 연결된, 스프링에 의해 힘이 가해지는 압력 저장 장 치(13)도 도시되어 있다. 저압 챔버(16)를 중간 압력 챔버(12)와 연결하는 스로틀 개구(17)는, 중력(g)에 대해 기울어지도록 내연기관 내부에 설치된 그리고/또는 내연기관과 조립된 유압 유닛(5)의 하우징 중간부(21)의 측지학적으로 낮은 지점에 형성되도록 배치된다. 그로 인해, 도입부에서 설명한 것처럼, 저압 챔버(16)로부터 유압 매체가 기포를 형성하지 않으면서 중간 압력 챔버(12)로 재흡입되는 것이 보장된다. 도3에는 1개의 스로틀 개구(17)만 도시되어 있으나, 중간 압력 챔버들(12) 각각이 2개 이상의 스로틀 개구(17)를 통해 관련 저압 챔버(16)와 통할 수 있다. 역으로, 각각의 중간 압력 챔버(12)에 서로 분리된 2개 이상의 저압 챔버(16)가 할당되는 것도 고려해볼 수 있다.
내연기관이 작동되는 동안 스로틀 개구(17)를 통해 중간 압력 챔버(12)로부터 저압 챔버(16)로 도달하는 기포는, 하우징 상부(22)에 형성되어 실린더 헤드(2)로 통하는 배기구(30)를 통해 실린더 헤드(2)의 내부에 증착될 수 있다.
특히 내연기관의 정지 상태 동안 저압 챔버(16)로부터의 유압 매체 손실을 방지하기 위해, 본원에는 상세히 도시되지 않은 탄성 중합체 재료로 이루어진 밀봉제로 하우징 상부(22)가 코팅된다. 도시된 실시예에서 상기 코팅층의 도포는 하우징 중간부와의 접촉 영역으로만 제한되는 것이 아니라, 본원의 경우 강판으로부터 딥 드로잉 기법으로 제조된 하우징 상부(22)의 전체 표면에 실시된다.
결과적으로, 도1의 개요도를 토대로 설명한 것처럼 "VL"로 표시된 저압 챔버(16)의 부피는 한 편으로는 실린더 헤드(2) 내에 제공된 설치 공간의 고려 하에, 다른 한 편으로는 항상 충분한 유압 매체 저장소와 관련하여 최대한 크게 설계되어야 한다. 이는 유압 밸브(10)와, 압력 저장 장치(13)와, 분리벽(18)과 체크 밸브(15)에 의해 한정되는 중간 압력 챔버(12)의 부피를 "VM"이라 하고, 마스터 유닛(6)과, 슬레이브 유닛(들)(8)과 유압 밸브(10)에 의해 한정되는 고압 챔버(11)의 부피를 "VH"라 할 때, VH에 대한 (VL+VM)의 부피비 값이 적어도 2임을 의미한다.
도1은 유압 가변 밸브 트레인의 개략도이다.
도2는 본 발명에 따른 유압 유닛의 사시도이다.
도3은 도2의 유압 유닛의 횡단면도이다.
<도면 부호 리스트>
1: 밸브 트레인 2: 실린더 헤드
3: 캠 4: 가스 교환 밸브
5: 유압 유닛 6: 마스터 유닛
7: 슬레이브 유닛 9: 슬레이브 피스톤
10: 유압 밸브 11: 고압 챔버
12: 중간 압력 챔버 13: 압력 저장 장치
14: 균형 피스톤 15: 체크 밸브
16: 저압 챔버 17: 스로틀 개구
18: 분리벽 19: 유압 하우징
20: 하우징 하부 21: 하우징 중간부
22: 하우징 상부 23: 나사 연결 지점
24: 나사 연결 지점 25: 지지 부재
26: 캠 종동부 27: 롤러
28: 브래킷 29: 유압 밸브의 접속 플러그
30: 배기구

Claims (8)

  1. 유압 가변 밸브 트레인(1)을 구비한 내연기관의 실린더 헤드(2)용 유압 유닛(5)이며, 상기 유압 가변 밸브 트레인은,
    - 적어도 1개의 입력측 마스터 유닛(6)과,
    - 가스 교환 밸브(4)를 구동하는 적어도 1개의 출력측 슬레이브 유닛(8)과,
    - 적어도 1개의 제어 가능한 유압 밸브(10)와,
    - 적어도 1개의 중간 압력 챔버(12)와,
    - 관련 마스터 유닛(6)과 관련 슬레이브 유닛(8) 사이의 동력 전달 방향(transmission direction)으로 배치되어 관련 유압 밸브(10)를 통해 관련 중간 압력 챔버(12)와 연결될 수 있는 적어도 1개의 고압 챔버(11)와,
    - 하우징 하부(20) 및 하우징 상부(22)로 구성된 유압 하우징(19)을 포함하고,
    적어도 상기 마스터 유닛(6), 슬레이브 유닛(8), 고압 챔버(11), 유압 밸브(10) 및 중간 압력 챔버(12)는 유압 하우징(19)과 결합된 상태로 실린더 헤드(2)에 장착될 수 있는 유압 유닛(5)에 종속되는, 실린더 헤드용 유압 유닛에 있어서,
    하우징 상부(22)에는 유압 매체 저장소로 사용되는 저압 챔버(16)가 형성되고, 이 저압 챔버(16)는 적어도 1개의 스로틀 개구(17)를 통해서만 중간 압력 챔버(12)와 통하며, 이 스로틀 개구(17)는 저압 챔버(16)와 중간 압력 챔버(12) 사이에 형성된 분리벽(18)을 관통하는 것을 특징으로 하는, 실린더 헤드용 유압 유닛.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유압 유닛(5)이 중력에 대해 기울어지도록 내연기관 내부에 설치된 경우 및/또는 내연기관과 조립된 경우, 스로틀 개구(17)가 분리벽(18)의 측지학상 낮은 지점에 형성되는 것을 특징으로 하는, 실린더 헤드용 유압 유닛.
  3. 제1항에 있어서, 하우징 상부(22)에 실린더 헤드(2)로 통하는 적어도 1개의 저압 챔버(16)용 배기구(30)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 실린더 헤드용 유압 유닛.
  4. 제1항에 있어서, 저압 챔버(16)는 부피 "VL"을, 중간 압력 챔버(12)는 부피 "VM"을, 그리고 고압 챔버(11)는 부피 "VH"를 가지며, 이들의 부피비는 (VL+VM)/VH≥2인 것을 특징으로 하는, 실린더 헤드용 유압 유닛.
  5. 제1항에 있어서, 분리벽(18)이 하우징 부분들(20, 21, 22)에 의해 샌드위치형 구조로 구성된 유압 하우징(19)의 하우징 중간부(21)로서 형성된 것을 특징으로 하는, 실린더 헤드용 유압 유닛.
  6. 제5항에 있어서, 하우징 상부(22)는 적어도 하우징 중간부(21)와의 접촉 영 역에서 탄성 중합체 재료로 된 밀봉제로 코팅된 것을 특징으로 하는, 실린더 헤드용 유압 유닛.
  7. 제1항에 있어서, 하우징 상부(22)는 알루미늄 재료 또는 강 재료로부터 딥 드로잉(deep drawing) 공정을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는, 실린더 헤드용 유압 유닛.
  8. 제1항에 있어서, 하우징 상부(22)는 플라스틱 재료로부터 사출성형 공정을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는, 실린더 헤드용 유압 유닛.
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