KR20150036226A - 일체형 배출 스풀을 구비한 5방향 오일 제어 밸브 - Google Patents

일체형 배출 스풀을 구비한 5방향 오일 제어 밸브 Download PDF

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KR20150036226A
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마이클 알. 베레즈니
가렛 알. 홈즈
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보르그워너 인코퍼레이티드
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Abstract

유체 유동 제어 밸브(10)는 하나의 종방향으로 연장된 개구(14a) 및 복수의 종방향으로 이격되며 반경방향으로 연장된 포트들(14b)이 형성되어 있는 세장형 밸브 몸체(14)를 구비한다. 밸브 몸체(14)는 2개의 인접한 반경방향으로 연장된 포트들(14b) 사이에 위치하는 언더컷부(14c)를 포함한다. 밸브 몸체(14)의 종방향으로 연장된 개구(14a) 내의 밸브 스풀(12)이 제1 및 제2 이동 단부 제한선 사이에서 이동될 수 있다. 밸브 스풀(12)은 밸브 몸체(14) 내의 밸브 스풀(12)의 종방향 위치에 따라 밸브 몸체(14)의 선택적인 반경방향으로 연장된 포트들(14b)과 유체 소통되도록 유체 유로들(18)을 한정하는 복수의 랜드들(12a) 및 직경 감소부들(12b)을 구비한다. 종방향으로 연장된 유로(12c) 및 반경방향으로 연장된 유로(12d)가 밸브 스풀(12) 내에 형성된다. 반경방향으로 연장된 유로(12d)는 밸브 몸체(14)의 언더컷부(14c)와 유체 소통되도록 밸브 스풀(12)의 하나의 랜드(12a)에서 끝난다.

Description

일체형 배출 스풀을 구비한 5방향 오일 제어 밸브{FIVE-WAY OIL CONTROL VALVE WITH INTEGRATED VENTING SPOOL}
본 발명은 캠 샤프트 제어 및 조작을 가능하게 하는 페이저 챔버들 사이의 유체 유동의 제어에 관한 것으로, 특히 포트 구조(porting structure)가 오일 유동을 제어하기 위해 하우징과 베어링 내에 위치하는 경우에 관한 것이다.
가변 캠샤프트 타이밍(VCT) 시스템을 위한 제어 밸브가 일반적으로 알려져있다. 예컨대, 미국 특허 제7,841,310호; 미국 특허 제7,584,728호; 미국 특허 제6,941,913호; 미국 특허 제6,374,787호; 미국 특허 제6,247,434호; 및 미국 특허 제5,497,738호를 참조한다. 임박한 현실로서의 더 작은 엔진 및 더 엄격한 연비 요건으로 인해, 중량은 이제 많은 자동차 제조업자들에 의해 매우 민감한 것으로 고려되어, 새롭고 전망있는 기술의 개발을 필요로 한다. 이러한 요건에 부합하기 위해, 더 짧은 패키지 길이 및 감소된 중량을 가진 제어 밸브를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
일체형 배출 스풀 밸브를 구비한 5방향 오일 제어 밸브(OCV)는 유압 제어 장치이다. 본 기술은 사실상 기초적인 것이며 다양한 분야들에 걸쳐 적용 가능하지만, 주로 자동차 응용에서 사용된다.
OCV는 페이저 챔버들 사이의 오일을 제어하여, 캠 샤프트 제어 및 조작을 가능하게 한다. 이 특정한 5방향 OCV는 스풀 밸브를 통한 배출의 고유 포트 구조로 인해, 다른 경우에서라면 다수의 밸브들을 필요로 했을 작업을 하나의 밸브에 의해 달성한다. 이러한 구조는 실용적이며 실현 가능한 제조력 및 조립을 가능하게 하는 한편, 현재 자동차 서브-시스템 내로의 통합을 가능하게 한다. 스풀 밸브를 통한 배출의 고유 포트 구조 없이, 밸브는 비교하자면 훨씬 길었을 것이다.
배출 스풀 밸브 개념은, 개시된 구조가 더 짧은 패키지 및 감소된 중량을 초래한다는 점에서, 다른 밸브들에 비해 뚜렷한 이점을 가진다. 더 작은 엔진 및 더 엄격한 연비 요건이라는 임박한 현실로 인해, 중량은 이제 많은 자동차 제조업자들에 의해 매우 민감한 것으로 고려되어, 새롭고 전망있는 기술의 개발을 필요로 한다.
본 발명의 다른 응용들은, 본 발명을 실시하기 위해 고려된 최선의 방식에 대한 후술하는 설명을 첨부 도면을 참조하여 숙독할 때, 당업자들에게 명백해질 것이다.
본원의 설명은 여러 도면들에 걸쳐 유사한 도면부호들이 유사한 구성요소들을 나타내는 첨부 도면을 참조한다.
도 1은 하우징 및 베어링 내의 포트 위치들을 도시하는 솔레노이드 작동식 오일 제어 밸브(OCV)의 단면도이다.
도 2는 도 1의 언더컷 배출 구조의 세부 단면도이다.
도 3은 도 1의 언더컷 배출된 스풀 밸브의 세부 단면도이다.
도 4는 도 1의 오일 제어 밸브의 유압부의 세부 단면도이다.
도 5는 도 1 내지 도 4의 액추에이터의 개선된 구성과 비교할 때, 적절한 기능을 위해 더 긴 유압 길이를 필요로 하는 오일 제어 밸브를 도시하는 종래의 액추에이터의 단면도이다.
내연기관의 가변 캠샤프트 타이밍(VCT) 페이저는 내연기관의 구동 크랭크샤프트에 대한 피동 캠샤프트의 각도 배향을 조절하기 위해 구동 스테이터와 피동 로터 사이의 유체 결합을 한정하는 복수의 확장 가능한 유체 챔버들을 포함한다. 오일 제어 밸브(OCV; 10)는 밸브 몸체(14)에 대한 밸브 스풀(12)의 종방향 위치에 응답하여 확장 가능한 유체 챔버들 안으로 및 밖으로 유압 오일과 같은 가압 유체 유동을 제어한다. 밸브 스풀(12)은 엔진 제어 유닛(ECU)의 신호에 응답하여 솔레노이드 작동식 액추에이터(16)와 같은 액추에이터에 의해 구동된다.
이제 도 1 내지 도 4를 참조하면, 유체 제어 밸브(10)는 하나의 종방향으로 연장된 개구(14a) 및 복수의 반경방향으로 연장된 포트들(14b)이 형성되어 있는 세장형 밸브 몸체(14)를 포함한다. 밸브 몸체(14)는 2개의 인접한 반경방향으로 연장된 포트들(14b) 사이에 위치하는 적어도 하나의 언더컷부(14c)를 포함한다. 밸브 스풀(12)이 제1 및 제2 이동 단부 제한선 사이의 밸브 몸체(14)의 종방향으로 연장된 개구(14a) 내에서 왕복운동하도록 위치한다. 밸브 스풀(12)은 밸브 몸체(14) 내의 밸브 스풀(12)의 종방향 위치에 따라 선택적인 반경방향으로 연장된 포트들(14b)과 유체 소통되도록 유체 유로들(18)을 한정하는 복수의 랜드들(12a) 및 직경 감소부들(12b)을 포함한다. 밸브 스풀(12)은 종방향으로 연장된 유로(12c) 및 반경방향으로 연장된 유로(12d)를 구비한다. 반경방향으로 연장된 유로(12d)는 밸브 몸체(14)의 언더컷부(14c)와 유체 소통되도록 밸브 스풀의 랜드(12a)에서 끝난다.
밸브 몸체(14)의 언더컷부(14c)는, 밸브 스풀(12)이 밸브 몸체(14)의 인접한 반경방향으로 연장된 포트들(14b) 중 하나에 대해 유체 소통되도록 종방향으로 위치할 때, 밸브 스풀(12)의 종방향으로 연장된 유로(12c)를 통한 유체의 배출을 가능하게 한다. 밸브 스풀(12)의 랜드(12a)는, 랜드(12a)에서 끝나는 적어도 하나의 반경방향으로 연장된 유로(12d)가 밸브 몸체(14) 내의 밸브 스풀(12)의 종방향 위치에 따라 밸브 몸체(14)의 인접한 반경방향으로 연장된 포트들(14b) 중 어느 하나와 유체 소통될 수 있게 하기에 충분한 크기의 종방향 길이를 가진다. 밸브 스풀(12)의 종방향으로 연장된 유로(12c)는 개방된 종방향 단부(12e), 및 밸브 스풀(12)의 감소 직경부(12b)에서 끝나는 반경방향으로 연장된 유로(12f)를 포함할 수 있다.
스프링(20)이 밸브 몸체(14)에 대해 제1 및 제2 이동 단부 제한선 중 하나를 향해 밸브 스풀(12)을 편향시킨다. 솔레노이드 액추에이터(16)가 스프링(20)의 작용(urging)에 반하여 밸브 몸체(14) 내에서 종방향으로 이동되도록 밸브 스풀(12)을 구동한다.
작동 중에, 밸브 몸체(14) 및 밸브 스풀(12)은 일체형 배출 스풀(12)을 구비한 5방향 제어 밸브(10)를 한정한다. 도 2에 가장 잘 도시된 바와 같이, 밸브 스풀(12)은 밸브 몸체의 언더컷부(14c)에 대해 세 위치에 배치될 수 있다. 첫째로, 밸브 스풀(12)은, 반경방향으로 연장된 유로(12d)가 밸브 몸체(14)의 언더컷부(14c)와 유체 소통되고, 밸브 몸체의 인접한 반경방향으로 연장된 포트들(14b) 중 어느 것과도 유체 소통되지 않도록 밀봉되도록, 위치할 수 있다. 이는 중립 또는 비배출 영점(null) 위치로 지칭될 수 있다. 둘째로, 밸브 스풀(12)은, 반경방향으로 연장된 유로(12d)가 밸브 몸체(14)의 언더컷부(14c)의 우측에 위치하는 반경방향으로 연장된 포트(14b)와 유체 소통되도록, 도 2에 도시된 바와 같은 영점 위치로부터 우측으로 이동될 수 있다. 이는 "우측" 반경방향으로 연장된 포트(14b)와 소통된 페이저의 확장 가능한 유체 챔버가 밸브 스풀(12)의 종방향으로 연장된 유로(12c)를 통해 배출될 수 있게 한다. 셋째로, 밸브 스풀(12)은, 반경방향으로 연장된 유로(12d)가 밸브 몸체(14)의 언더컷부(14c)의 좌측에 위치하는 반경방향으로 연장된 포트(14b)와 유체 소통되도록, 영점 위치로부터 도 2에 도시된 위치의 좌측으로 이동될 수 있다. 이는 "좌측" 반경방향으로 연장된 포트(14b)와 소통된 페이저의 확장 가능한 유체 챔버가 밸브 스풀(12)의 종방향으로 연장된 유로(12c)를 통해 배출될 수 있게 한다.
이제 도 5를 참조하면, 63.24㎜의 길이를 가진 도 1 내지 도 4의 액추에이터의 개선된 구성과 비교할 때, 적절한 기능을 위해 70.55㎜의 더 긴 유압 길이를 필요로 하는 오일 제어 밸브를 나타내는 종래의 액추에이터(10a)가 도시되어 있다. 이러한 치수들은 오일 제어 밸브를 위한 개시된 구성과 관련하여 예로써 그리고 제한 없이 주어진 것이라는 점을 인식해야 한다.
본 발명은 가변 캠샤프트 타이밍 페이저를 위한 제어 밸브와 관련하여 개시되었다는 것을 인식해야 한다. 그러나, 개시된 제어 밸브 구성은 개시된 가변 캠샤프트 타이밍 페이저 구성에 제한됨 없이 다른 응용들 및 다른 유체 제어 시스템들에 적용될 수 있다. 제어 밸브 구성은 제어 밸브의 밸브 스풀 내에 배출 유로들을 일체로 통합함으로써, 요구된 기능을 위해 기존에 사용 가능했던 종방향 치수보다 감소된 종방향 치수를 제공한다. 개시된 제어 밸브 구성은 제어 밸브의 밸브 스풀 내에 배출 유로들을 일체로 통합함으로써, 요구된 기능을 위해 기존에 사용 가능했던 중량보다 감소된 중량을 제공한다.
본 발명이 현재 가장 실용적이며 바람직한 구현예로 여겨지는 구현예와 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 구현예들에 한정되는 것이 아니라, 오히려 첨부된 청구항들의 정신 및 범위 내에 포함되는 다양한 변경들 및 등가의 장치들을 포괄하도록 의도된 것이며, 그 범위는 법이 허용하는 모든 변경들 및 등가의 구조들을 포함하도록 가장 광범위한 해석에 의해 결정되어야 한다는 것을 이해해야 한다.

Claims (15)

  1. 내연기관의 구동 크랭크샤프트에 대한 피동 캠샤프트의 각도 배향을 조절하기 위해 페이저의 확장 가능한 유체 챔버들 사이에서 가압 유동 유체를 제어하기 위한 밸브(10)에 있어서,
    하나의 종방향으로 연장된 개구(14a) 및 복수의 반경방향으로 연장된 포트들(14b)이 형성되어 있는 세장형 밸브 몸체(14)로, 2개의 인접한 반경방향으로 연장된 포트들(14b) 사이에 위치하는 적어도 하나의 언더컷부(14c)를 포함하는 밸브 몸체(14);
    제1 및 제2 이동 단부 제한선 사이에서 이동되도록 상기 밸브 몸체(14)의 상기 종방향으로 연장된 개구(14a) 내에 위치하는 밸브 스풀(12)로, 상기 밸브 스풀(12)은 상기 밸브 몸체(14) 내의 상기 밸브 스풀(12)의 종방향 위치에 따라 상기 밸브 몸체(14)의 선택적인 반경방향으로 연장된 포트들(14b)과 유체 소통되도록 유체 유로들(18)을 한정하는 복수의 랜드들(12a) 및 직경 감소부들(12b)을 구비하며, 종방향으로 연장된 유로(12c) 및 반경방향으로 연장된 유로(12d)를 구비하고, 상기 반경방향으로 연장된 유로(12d)는 상기 밸브 몸체(14)의 상기 언더컷부(14c)와 유체 소통되도록 상기 밸브 스풀(12)의 하나의 랜드(12a)에서 끝나는 밸브 스풀(12)을 포함하는, 밸브(10).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 몸체(14)의 상기 언더컷부(14c)는, 상기 밸브 스풀(12)의 상기 반경방향으로 연장된 유로(12d)가 상기 밸브 몸체(14)의 상기 인접한 반경방향으로 연장된 포트들(14b) 중 하나에 대해 유체 소통되도록 종방향으로 위치할 때, 상기 밸브 스풀(12)의 상기 종방향으로 연장된 유로(12c)를 통한 배출을 가능하게 하는, 밸브(10).
  3. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 스풀(12)의 상기 랜드(12a)는, 상기 랜드(12a)에서 끝나는 상기 반경방향으로 연장된 유로(12d)가 상기 밸브 몸체(14) 내의 상기 밸브 스풀(12)의 종방향 위치에 따라 상기 밸브 몸체(14)의 상기 2개의 인접한 반경방향으로 연장된 포트들(14b) 중 어느 하나와 유체 소통될 수 있게 하며, 영점 위치일 때 상기 반경방향으로 연장된 유로(12d)가 상기 밸브 몸체(14)의 상기 2개의 인접한 반경방향으로 연장된 포트들(14b) 중 어느 것과도 유체 소통되지 않도록 밀봉하는 종방향 길이를 가지는, 밸브(10).
  4. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 스풀(12)의 상기 종방향으로 연장된 유로(12c)는 개방된 종방향 단부(12e), 및 상기 밸브 스풀(12)의 감소 직경부(12b)에서 끝나는 반경방향으로 연장된 유로(12f)를 포함하는, 밸브(10).
  5. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 몸체(14)에 대해 상기 제1 및 제2 이동 단부 제한선 중 하나를 향해 상기 밸브 스풀(12)을 편향시키기 위한 스프링(20)을 더 포함하는, 밸브(10).
  6. 제5항에 있어서,
    상기 밸브 몸체(14) 내에서 상기 스프링(20)에 반하여 종방향으로 이동되도록 상기 밸브 스풀(12)을 구동하기 위한 솔레노이드 액추에이터(16)를 더 포함하는, 밸브(10).
  7. 제어 밸브(10)를 통해 공급된 가압 유체 유동으로 내연기관의 구동 크랭크샤프트에 대한 피동 캠샤프트의 각도 배향을 조절하기 위해 복수의 확장 가능한 유체 챔버들을 구비한 페이저를 포함하는 가변 캠샤프트 타이밍 시스템에 있어서,
    하나의 종방향으로 연장된 개구(14a) 및 복수의 반경방향으로 연장된 포트들(14b)이 형성되어 있는 세장형 밸브 몸체(14)로, 2개의 인접한 반경방향으로 연장된 포트들(14b) 사이에 위치하는 적어도 하나의 언더컷부(14c)를 포함하는 밸브 몸체(14);
    제1 및 제2 이동 단부 제한선 사이에서 이동되도록 상기 밸브 몸체(14)의 상기 종방향으로 연장된 개구(14a) 내에 위치하는 밸브 스풀(12)로, 상기 밸브 스풀(12)은 상기 밸브 몸체(14) 내의 상기 밸브 스풀(12)의 종방향 위치에 따라 상기 밸브 몸체(14)의 선택적인 반경방향으로 연장된 포트들(14b)과 유체 소통되도록 유체 유로들(18)을 한정하는 복수의 랜드들(12a) 및 직경 감소부들(12b)을 구비하며, 종방향으로 연장된 유로(12c) 및 반경방향으로 연장된 유로(12d)를 구비하고, 상기 반경방향으로 연장된 유로(12d)는 상기 밸브 몸체(14)의 상기 언더컷부(14c)와 유체 소통되도록 상기 밸브 스풀(12)의 하나의 랜드(12a)에서 끝나는 밸브 스풀(12)을 포함하는, 개선.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 밸브 몸체(14)의 상기 언더컷부(14c)는, 상기 밸브 스풀(12)의 상기 반경방향으로 연장된 유로(12d)가 상기 밸브 몸체(14)의 상기 인접한 반경방향으로 연장된 포트들(14b) 중 하나에 대해 유체 소통되도록 종방향으로 위치할 때, 상기 밸브 스풀(12)의 상기 종방향으로 연장된 유로(12c)를 통한 배출을 가능하게 하는, 개선.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 밸브 스풀(12)의 상기 랜드(12a)는, 상기 랜드(12a)에서 끝나는 상기 반경방향으로 연장된 유로(12d)가 상기 밸브 몸체(14) 내의 상기 밸브 스풀(12)의 종방향 위치에 따라 상기 밸브 몸체(14)의 상기 2개의 인접한 반경방향으로 연장된 포트들(14b) 중 어느 하나와 유체 소통될 수 있게 하며, 영점 위치일 때 상기 반경방향으로 연장된 유로(12d)가 상기 밸브 몸체(14)의 상기 2개의 인접한 반경방향으로 연장된 포트들(14b) 중 어느 것과도 유체 소통되지 않도록 밀봉하는 종방향 길이를 가지는, 개선.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 밸브 스풀(12)의 상기 종방향으로 연장된 유로(12c)는 개방 종방향 단부(12e), 및 상기 밸브 스풀(12)의 감소 직경부(12b)에서 끝나는 반경방향으로 연장된 유로(12f)를 포함하는, 개선.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 밸브 몸체(14)에 대해 상기 제1 및 제2 이동 단부 제한선 중 하나를 향해 상기 밸브 스풀(12)을 편향시키기 위한 스프링(20)을 더 포함하는, 개선.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 밸브 몸체(14) 내에서 상기 스프링(20)에 반하여 종방향으로 이동되도록 상기 밸브 스풀(12)을 구동하기 위한 솔레노이드 액추에이터(16)를 더 포함하는, 개선.
  13. 유체 유동 제어 밸브(10)에 있어서,
    하나의 종방향으로 연장된 개구(14a) 및 복수의 종방향으로 이격되며 반경방향으로 연장된 포트들(14b)이 형성되어 있는 세장형 밸브 몸체(14)로, 2개의 인접한 반경방향으로 연장된 포트들(14b) 사이에 위치하는 언더컷부(14c)를 포함하는 밸브 몸체(14);
    제1 및 제2 이동 단부 제한선 사이에서 이동되도록 상기 밸브 몸체(14)의 상기 종방향으로 연장된 개구(14a) 내에 위치하는 밸브 스풀(12)로, 상기 밸브 스풀(12)은 상기 밸브 몸체(14) 내의 상기 밸브 스풀(12)의 종방향 위치에 따라 상기 밸브 몸체(14)의 선택적인 반경방향으로 연장된 포트들(14b)과 유체 소통되도록 유체 유로들(18)을 한정하는 복수의 랜드들(12a) 및 직경 감소부들(12b)을 구비하며, 종방향으로 연장된 유로(12c) 및 반경방향으로 연장된 유로(12d)를 구비하고, 상기 반경방향으로 연장된 유로(12d)는 상기 밸브 몸체(14)의 상기 언더컷부(14c)와 유체 소통되도록 상기 밸브 스풀(12)의 하나의 랜드(12a)에서 끝나는, 밸브 스풀(12)을 포함하는, 밸브(10).
  14. 제13항에 있어서,
    상기 랜드(12a)에서 끝나는 상기 반경방향으로 연장된 유로(12d)가 상기 밸브 몸체(14) 내의 상기 밸브 스풀(12)의 종방향 위치에 따라 상기 밸브 몸체(14)의 상기 2개의 인접한 반경방향으로 연장된 포트들(14b) 중 어느 하나와 유체 소통될 수 있게 하며, 영점 위치일 때 상기 반경방향으로 연장된 유로(12d)가 상기 밸브 몸체(14)의 상기 2개의 인접한 반경방향으로 연장된 포트들(14b) 중 어느 것과도 유체 소통되지 않도록 밀봉하는 종방향 길이를 가진 상기 밸브 스풀(12)의 상기 랜드(12a)를 더 포함하는, 밸브(10).
  15. 제13항에 있어서,
    상기 밸브 스풀(12)의 상기 반경방향으로 연장된 유로(12d)가 상기 밸브 몸체(14)의 상기 인접한 반경방향으로 연장된 포트들(14b) 중 하나에 대해 유체 소통되도록 종방향으로 위치할 때, 상기 밸브 스풀(12)의 상기 종방향으로 연장된 유로(12c)를 통한 배출을 가능하게 하는 상기 밸브 몸체(14)의 상기 언더컷부(14c)를 더 포함하는, 밸브(10).
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