내연기관 내 가스 교환 밸브의 밸브 타이밍을 가변조정하기 위한 장치용 제어 밸브 document_id A220623023112

내연기관에서 가스 교환 밸브들을 작동시키기 위해 캠축들이 이용된다. 내연기관에서 캠축들은, 캠축 자체에 장착되는 캠들이 캠 종동자들에, 예컨대 버킷 타입 태핏(bucket type tappet), 핑거 타입 로커(finger type rocker), 또는 로커 암(rocker arm)에 인접하는 방식으로 장착된다. 캠축들이 회전하며 변위 되면, 캠들은 캠 종동자들에서 구름 운동하며, 그에 따라 캠 종동자들은 가스 교환 밸브들을 작동시킨다. 그러므로 캠들의 위치 및 그 형태에 의해, 가스 교환 밸브들의 개방 기간뿐 아니라 개방 진폭과, 그 개방 및 폐쇄 시점이 결정된다. 가스 교환 밸브들의 작동이 이루어지는 동안, 밸브 스프링들은 캠축의 캠들에 힘을 인가함으로써 캠축 상에는 교번 모멘트가 작용한다. 현대의 엔진 개념은 밸브 구동 장치를 가변의 방식으로 설계하는 것에 있다. 한편으로는 개별 실린더들이 완전하게 작동 중지할 때까지, 밸브 양정 및 밸브 개방 기간은 가변적으로 구현되어야 한다. 이를 위해 전환 가능한 캠 종동자나, 또는 전기 유압식 밸브 작동 장치나, 또는 전기식 밸브 작동 장치와 같은 개념들이 제공된다. 또한, 내연기관이 작동하는 동안, 가스 교환 밸브들의 개방 및 폐쇄 시간에 영향을 줄 수 있도록 하는 점이 바람직한 것으로서 확인되었다. 이와 관련하여, 예컨대 정의된 밸브 오버랩을 의도한 바대로 조정하기 위해, 흡기 밸브들, 또는 배기 밸브들의 개방 및 폐쇄 시점에 각각 개별적으로 영향을 미칠 수 있도록 하는 것이 특히 바람직하다. 엔진의 실제 특성 영역에 따라, 예컨대 실제 회전 속도 또는 실제 부하에 따라 가스 교환 밸브들의 개방 또는 폐쇄 시점들을 조정함으로써, 고유의 연료 소모량을 감소시키고, 배기가스 거동에 긍정적인 영향을 미치고, 엔진 효율, 최대 토크 및 최대 출력을 상승시킬 수 있다. 가스 교환 밸브의 밸브 타이밍에 대해 기술한 가변성은 크랭크축에 상대적으로 캠축의 위상 위치를 변경함으로써 달성된다. 이와 관련하여 캠축은 대개 체인 구동 장치, 벨트 구동 장치, 톱니 기어 구동 장치, 또는 동일한 작용을 하는 구동 개념들을 통해 구동되는 방식으로 크랭크축과 연결된다. 크랭크축에 의해 구동되는 체인 구동 장치, 벨트 구동 장치, 또는 톱니 기어 구동 장치와, 캠축 사이에는, 내연기관 내 가스 교환 밸브들의 밸브 타이밍을 가변 조정하기 위한 장치가 장착되는데, 그 장치는 이하에서 캠축 조정 장치로서 지칭된다. 이런 캠축 조정 장치는 대개 회전 토크를 크랭크축으로부터 캠축에 전달한다. 이와 관련하여, 내연기관이 작동되는 동안 크랭크축과 캠축 사이의 위상 위치는 고정되어 유지되고, 필요에 따라서는 캠축이 소정의 각도 영역에서 크랭크축에 대향하여 회전될 수 있는 방식으로, 상기 가변 조정용 장치가 구성된다. 흡기 밸브들 및 배기 밸브들을 위해 각각의 캠축을 구비한 내연기관에서, 상기 캠축들은 각각의 캠축 조정 장치를 구비할 수 있다. 그렇게 함으로써 흡기 및 배기 가스 교환 밸브들의 개방 및 폐쇄 시점들이 일시적으로 상호 간에 상대적으로 변경될 수 있으며, 그리고 밸브 오버랩은 목표한 바대로 조정될 수 있다. 현대의 캠축 조정 장치의 안착부(seat)는 대개 캠축의 구동측 단부에 위치한다. 그러나 캠축 조정 장치는 중간축, 비회전형 구조 부재, 또는 크랭크축에 배치될 수도 있다. 캠축 조정 장치는, 크랭크축에 의해 구동되면서 그 크랭크축에 대한 고정된 위상 관계를 유지하는 구동 휠, 구동되는 방식으로 캠축과 연결된 피동 부재와, 그리고 구동 휠의 회전 토크를 피동 부재에 전달하는 조정 기구로 구성된다. 구동 휠은, 캠축 조정 장치가 크랭크축에 배치되지 않는 경우, 체인 휠, 벨트 휠 또는 치형 휠로서 형성될 수 있으며, 그리고 체인 구동 장치, 벨트 구동 장치, 또는 톱니 기어 구동 장치를 이용하여 크랭크축에 의해 구동된다. 조정 기구는 전기식, 유압식, 혹은 공압식으로 작동될 수 있다. 유압식으로 조정 가능한 캠축 조정 장치의 바람직한 2가지 실시예는 이른바 액시얼 피스톤 조정 장치와 회전식 피스톤 조정 장치이다. 액시얼 피스톤 조정 장치의 경우, 구동 휠은 헬리컬 기어를 통해 피스톤과 연결되며, 그리고 그 피스톤도 또한 헬리컬 기어를 통해 피동 부재와 연결된다. 피스톤은 피동 부재 및 구동 휠에 의해 형성된 중공 챔버를 상호 간에 축방향으로 배치되는 2개의 압력 챔버로 분리한다. 그에 따라 일측의 압력 챔버가 압력 매체를 공급받고, 그에 반해 타측의 압력 챔버는 탱크와 연통된다면, 피스톤은 축방향으로 변위된다. 피스톤의 축방향 변위는 헬리컬 기어들을 통해 피동 부재에 상대적으로 구동 휠을 회전시키고, 그에 따라 크랭크축에 상대적으로 캠축 역시 회전시킨다. 유압식 캠축 조정 장치의 제2 실시예는 이른바 회전식 피스톤 조정 장치이다. 이 경우, 구동 휠은 스테이터와 회전 불가능하게 체결된다. 스테이터와 구동 부재(로터)는 상호 간에 동심으로 배치되고, 로터는 예컨대 압입 끼워 맞춤, 나사 또는 용접 체결을 이용하여, 강제 결합식, 형태 결합식, 또는 재료 결합식으로 캠축, 캠축의 연장부, 또는 중간축과 체결된다. 스테이터 내에는 원주 방향으로 이격되어 배치되는 복수의 리세스부가 형성된다. 이들 리세스부들은 로터로부터 출발하여 반경 방향에서 외부 방향을 향해 연장된다. 리세스부들은 축방향에서 측면 덮개부에 의해 고압 밀폐 방식으로 범위 한정된다. 로터와 연결된 날개부가 연장됨으로써 상기 리세스부들 각각의 내부로는 두 개의 압력 챔버가 분배된다. 이에 의해, 2개 그룹의 압력 챔버가 형성된다. 일측 그룹의 압력 챔버는 유압 펌프와, 그리고 타측 그룹의 압력 챔버는 탱크와 목표한 바대로 연통시킴으로써, 크랭크축에 상대적인 캠축의 위상이 조정되거나, 또는 고정될 수 있다. 날개부들은 예컨대 로터와 일체형으로 형성될 수 있거나, 또는 로터의 외부면에서 축방향으로 연장되는 날개 그루브 내에 배치되어 스프링 부재를 이용하여 반경 방향에서 외부 방향을 향해 밀착되는 별도의 구조 부재로서 형성될 수도 있다. 캠축 조정 장치를 제어하기 위해, 센서들은 예컨대 크랭크축에 대한 캠축의 실제 위상 위치, 부하 상태, 그리고 회전 속도와 같은 엔진의 특성 데이터를 검출한다. 상기 데이터는 전자 제어 유닛에 공급되며, 이 전자 제어 유닛은 내연기관의 특성 데이터 필드와 상기 데이터를 비교한 후에 다양한 압력 챔버들에 대한 압력 매체의 공급 및 배출을 제어한다. 크랭크축에 대향하여 캠축의 위상 위치를 조정하기 위해, 유압식 캠축 조정 장치에서는, 상호 작용하는 두 압력 챔버들 중 일측의 압력 챔버가 유압 펌프와 연통되며, 그리고 타측의 압력 챔버는 탱크와 연통된다. 타측의 챔버로부터 이루어지는 압력 매체의 배출과 결부하여 일측의 챔버로 이루어지는 압력 매체의 공급은 압력 챔버들을 분리하는 피스톤/날개부를 변위시키며, 그럼으로써 액시얼 피스톤 조정 장치에서는 피스톤의 축방향 변위를 통해 헬리컬 기어들을 이용하여 캠축이 크랭크축에 상대적으로 회전된다. 회전식 피스톤 조정 장치의 경우에는, 일측 그룹의 압력 챔버에 압력을 인가하고, 타측 그룹의 압력 챔버에는 압력을 감압함으로써, 날개부의 원주방향 변위가 야기되며, 그에 따라 직접적으로 크랭크축에 대한 캠축의 회전이 야기된다. 위상 위치를 고정하기 위해, 두 압력 챔버는 유압 펌프와 연통되거나, 또는 유압 펌프뿐 아니라 탱크로부터도 분리된다. 압력 챔버들에 대한 압력 매체 흐름의 제어는 제어 밸브를 이용하여, 대개 4/3 프로포셔닝 밸브를 이용하여 이루어진다. 이런 제어 밸브는 본질적으로 중공 원통형으로 형성된 밸브 하우징, 제어 피스톤, 그리고 작동 유닛으로 구성된다. 밸브 하우징은 동일한 작용을 하는 압력 챔버들의 각각의 그룹을 위한 각각의 연결부(작업 연결부), 유압 펌프로 향하는 연결부, 그리고 탱크로 향하는 적어도 하나의 연결부를 구비하고 있다. 이런 연결부들은 대개 밸브 하우징의 외부면에 환형 그루브들로서 형성되고, 이들 환형 그루브들은 반경 방향 개구부들을 통해 제어 피스톤의 내부와 연통된다. 밸브 하우징의 내부에는 제어 피스톤이 축방향으로 변위 가능하게 배치된다. 제어 피스톤은, 대개 전자기식 또는 유압식으로 작동되는 작동 유닛을 이용하여, 스프링 부재의 탄성력에 대항하여, 축방향에서 두 곳의 정의된 최종 위치 사이의 각각의 위치에 위치 결정될 수 있다. 제어 피스톤의 외부면은 본질적으로 밸브 하우징의 내경에 부합하고, 환형 그루브들과 제어 에지부들을 구비한다. 작동 유닛을 제어함으로써, 개별 연결부들은 상호 간에 유압식으로 연통될 수 있으며, 그럼으로써 개별 압력 챔버들은 교호적으로 유압 펌프 또는 탱크와 연결될 수 있게 된다. 마찬가지로 압력 매체 챔버들이 유압 펌프뿐 아니라 압력 매체 탱크로부터 분리되는 제어 피스톤의 위치도 제공될 수 있다. 상기 제어 밸브는 JP 07-229408A호로부터 공지되었다. 이런 경우, 밸브 하우징의 외부면에는, 축방향에서 상호 간에 이격되는 5개의 환형 그루브들이 형성되고, 그 각각의 환형 그루브는 밸브의 연결부로서 이용된다. 환형 그루브들의 각각의 그루브 바닥부에는 반경 방향 개구부가 형성된다. 이 반경 방향 개구부는 밸브 하우징의 내부로 합류한다. 이때 인접한 그루브 바닥부들의 개구부들은 원주 방향에서 상호 간에 180°만큼 오프셋 되어 있다. 밸브 하우징의 내부에는, 고형물(solid)로 형성된 제어 피스톤이 배치된다. 이 제어 피스톤은 전자기식 작동 유닛을 이용하여 밸브 하우징 내부의 스프링의 힘에 대항하여 축방향으로 두 말단 정지부 사이에서 위치 결정될 수 있다. 제어 피스톤의 외경은 밸브 하우징의 내경에 부합한다. 또한, 제어 피스톤에는 3개의 환형 그루브가 형성되는데, 밸브 하우징에 상대적인 제어 피스톤의 위치에 따라 상기 환형 그루브들을 통해 인접한 연결부들이 상호 간에 연통될 수 있다. DE 198 53 670 A1호로부터는 상기 제어 밸브의 추가 실시예가 공지되었다. 이런 제어 밸브는, 제어 피스톤이 중공으로 형성되어 있다는 점에서 JP 07-229408A호에 도시한 실시예와 구분된다. 또한, 밸브 하우징의 외부면에는 단지 3개의 연결부만이 형성되고, 제4 연결부는 밸브 하우징의 축방향으로 형성된다. 압력 매체는 밸브 하우징에 상대적인 제어 피스톤의 각각의 위치에 따라 축방향 공급 연결부를 통해 두 작업 연결부 중 일측의 작업 연결부로 안내될 수 있다. 동시에 각각의 타측 작업 연결부는 제어 피스톤의 외부면에 형성된 환형 그루브를 통해 탱크 연결부와 연통된다. 이런 제어 밸브의 실시예의 경우, 공급 연결부 및 탱크 연결부의 위치가 교체될 수 있다. 밸브 구동 장치의 캠 종동자 상에서 캠축의 캠들을 구름 접촉 상태로 운동하게 함으로써, 주기적인 교번 모멘트가 캠축에 작용한다. 이런 교번 모멘트는 캠축 조정 장치의 로터 상에 전달되며, 그럼으로써 압력 챔버들 내에는 압력 피크가 발생한다. 그런 압력 피크가 압력 매체 라인들 및 제어 밸브를 통해 내연기관의 압력 매체 순환계로 전달되는 것을 억제하기 위해, 제어 밸브와 유압 펌프 사이에는 체크 밸브들이 제공된다. 이와 관련하여 별도의 체크 밸브가 제공되거나, 또는 제어 밸브 내에 통합된 체크 밸브가 제공될 수 있다. 제어 밸브 내에 통합된 체크 밸브는 예컨대 EP 1 291 563 A2호에 도시되어 있다. 이런 실시예의 경우, 밸브 하우징에 형성된 환형 그루브 내부에, 링으로 만곡된 밴드로 이루어진 밀폐 부재가 배치된다. 환형 그루브는 반경 방향에서 슬리브에 의해 범위 한정된다. 슬리브에 뿐 아니라, 환형 그루브의 그루브 바닥부에는 개구부들이 형성되며, 이들 개구부들을 통해 압력 매체는 밸브 하우징의 내부에 도달할 수 있다. 또한, 밴드는 스프링 강으로 이루어지고, 반경 방향에서 외부 방향을 향해 예압된다. 만일 밸브 하우징 내부의 압력이 슬리브의 개구부에 존재하는 압력 매체의 압력을 초과한다면, 밴드는 슬리브의 내부면에 인접하고, 그에 따라 밸브 하우징의 내부로부터 슬리브의 개구부로 압력 매체가 흐르는 것을 억제하게 된다. 그 반대의 경우라면, 밴드는 슬리브의 개구부에 존재하는 압력 매체에 의해 내부 방향으로 밀착되며, 그럼으로써 압력 매체는 슬리브의 개구부로부터 밸브 하우징의 내부로 안내될 수 있다. 이와 같이 구성 공간을 절감하는 체크 밸브의 변형예는, 인접 부품에서의 조립이, 반경 방향에서 외부 방향을 향하는 밴드의 예압을 바탕으로, 매우 복잡하고 쉽게 고장 나게 할 수 있는 단점과 결부된다. 환형 그루브들은 인접 부품에 대향하여 조립된 상태에서 밀폐되어야 하기 때문에, 밸브 하우징의 외경은 인접 부품의 내경에 부합하고, 밸브 하우징은 헐거운 끼워맞춤(clearance fit)을 이용하여 인접 부품 내에 통합된다. 이와 관련하여 반경 방향에서 외부 방향을 향해 예압된 밴드는 외부 방향을 향해 확장되려고 하며, 그럼으로써 그 밴드는 환형 그루브로부터 돌출된다. 조립 동안 상기 밴드는 손상될 수 있거나, 또는 인접 부품과 밸브 하우징 사이에 끼일 수 있다. 그럼으로써 체크 밸브 또는 전체 제어 밸브의 기능 안전성이 문제가 될 수 있게 된다. 대체되는 실시예에 따라, 밀폐 몸체를 형성하는 밴드는 밸브 하우징의 내부면에 형성되는 환형 그루브 내부에 배치된다. 이와 관련하여 밴드는 반경 방향에서 외부 방향을 향해 예압된다. 유압 매체가 밸브 하우징 내부로 유입될 시에, 상기 밴드는 반경 방향에서 내부 방향을 향해 만곡되며, 그렇지 않으면 상기 밴드는 환형 그루브의 그루브 바닥부에 인접하고, 그에 따라 외부 방향으로 향하는 압력 매체 흐름을 차단한다. 그러나 이런 실시예의 경우 밀폐 몸체의 복잡한 조립이 바람직하지 못하게 작용한다. 또한, 밴드가 밸브 하우징 내부에서 변위 가능하게 배치되는 제어 피스톤의 영역에 걸리고 그로 인해 제어 피스톤의 위치 결정을 억제하는 위험이 존재한다.