하나의 챔버와 2방 밸브를 이용한 2단 가변 오일펌프

하나의 챔버와 2방 밸브를 이용한 2단 가변 오일펌프{2-STAGE VARIABLE DISPLACEMENT OIL PUMP USING ONE CHAMBER AND ONE TWO-WAY VALVE}

본 발명은 하나의 챔버와 2방 밸브를 이용한 2단 가변 오일펌프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하나의 챔버·2방 밸브·3방 솔레노이드밸브를 이용하여 가변 오일펌프의 회전 속도에 따라 갤러리에서 배출하는 오일 압력을 2단으로 가변할 수 있게 함으로써, 구조가 간단하여 쉽게 제작할 수 있을 뿐만 아니라 회전 속도에 따라 회전 부위에서 요구하는 유량에 맞게 오일을 적절하게 제공하여 냉각과 윤활 작용을 향상할 수 있게 한 것이다.

일반적으로 차량의 엔진에서 냉각과 윤활을 위해 요구되는 오일을 공급하기 위해 가변 오일펌프가 많이 이용되고 있다. 가변 오일펌프는 속도(RPM)가 저속 구간일 때는 그 RPM에 비례하여 오일을 공급하고 중고속구간일 때에는 불필요한 유량을 줄여 오일펌프에 가해지는 부하를 줄여준다. 아래의 특허문헌 1 내지 특허문헌 3에는 이러한 가변 방식의 오일펌프가 개시되어 있다.

특허문헌 1의 이러한 가변 오일펌프는, 피벗이 구비된 펌프 하우징과; 상기 피벗을 중심으로 회전할 수 있게 상기 피벗과 연결되는 아웃 링과; 상기 아웃 링에 복원력을 제공하는 탄성체와; 상기 아웃 링의 내부에 설치되는 로터와; 상기 로터의 외주에 방사상으로 설치되는 다수의 베인과; 상기 펌프 하우징을 밀폐하는 커버;가 구비되고, 상기 아웃 링의 내주 일측의 저압부에서 흡입된 엔진 오일이 아웃 링의 내주 중앙의 압축구간을 거쳐 아웃 링의 내주 타측의 고압부로 송출되며, 상기 아웃 링의 내주 면에 그루브가 마련되는 동시에 커버에 고압부에 대응되는 인벌류트 홀이 마련되는 차량의 가변오일펌프를 구성함에 있어서, 상기 아웃 링의 그루브의 일측에 저압부의 흡입 단까지 연장되는 연장부를 마련한 것을 특징으로 한다.

특허문헌 2는 엔진 오일용 기계식 다단 가변 베인 펌프에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 베인 펌프의 가변 유량을 기계적으로 여러 단계로 할 수 있도록 구조를 개선한 엔진 오일용 기계식 다단 가변 베인 펌프에 관한 것이다.

특허문헌 3의 가변 오일펌프에는 오일유입과 토출 체적을 변화시키도록 그 위치가 변하는 캠 링의 연장 단에 위치되고, 엔진회전수에 따른 오일압력을 이용하여 오일 토출 유량을 산출하는 ECU의 제어신호를 입력받아 상기 연장 단을 들어올리거나 내려주는 압전소자가 더 구비됨으로써, 오일펌프가 엔진 유압대비 엔진 요구 유압에 맞춰 최적 유압에 일치되도록 엔진의 회전영역에 대해 끊어짐 없이 연속적인 가변제어를 구현할 수 있고, 이를 통해 다른 방식의 다단제어타입 오일펌프 대비 최대 약 3% 연비가 향상된다.

하지만, 이러한 특허문헌 1 내지 특허문헌 3에 따른 기존 가변 오일펌프는 다음과 같은 문제가 발생한다.

(1) 통상적으로 가변 오일펌프는 1단 타입으로, 그 회전수(속도)가 저중속 구간에서는 비례해서 유량이 증가하다가 중고속 구간에서는 미리 정해진 압력으로 일정 유량을 제공하게 한다.

(2) 하지만, 가변 오일펌프는, 차량의 오일펌프와 같이, 차량이 주행 중일 때는 중고속의 속도에서 계속 동작하는 데, 1단 방식으로 오일 압력을 제어하는 경우 이 중고속 구간에서는 많은 오일이 필요하지 않음에도 실제로는 필요한 유량 이상으로 제공한다. 이에 1단 방식의 가변 오일펌프는 이처럼 중고속 구간에서는 오일 압력을 적절하게 제어하는 데 한계가 있다.

(3) 특히, 가변 오일펌프는 중고속 구간에서, 실질적으로 오일 압력을 조절하기 위한 챔버의 체적을 가변시키는데 그 가변 유량에 한계가 있으므로, 특히 가변 오일펌프가 고속으로 갈수록 가변 오일펌프 내에서 발생하는 오일압력을 제어하는데 한계가 있다.

(4) 이에 챔버를 하나 이상 구성하여 오일 압력을 제어하기도 한다. 하지만, 이처럼 여러 개의 챔버를 구성하는 경우 오일펌프의 내부 구성이 복잡해질 뿐만 아니라 가변 오일펌프를 제조하는 데에도 어려움이 따른다.

(5) 이처럼 가변 오일펌프는 중고속 구간에서 필요 이상의 오일 압력에 견디어야 하므로 이러한 상황에 장시간 사용하면 가변 오일펌프의 내구성 저하로 가변 오일펌프의 파손으로 오일을 공급할 수 없는 상황에 부닥칠 우려가 있었다.

본 발명은 이러한 점을 고려하여 발명한 것으로, 가변 오일펌프에 하나의 챔버·2방 밸브 그리고 3방 솔레노이드밸브를 구성하고, 미리 설정한 2개의 설정 압력에서 2단으로 압력 변화가 이루어지게 함으로써, 오일펌프의 속도(회전 속도)에 따라 고속에서도 엔진 등에서 요구하는 적절한 유량을 공급할 수 있게 하여 가변 오일펌프에 과부하가 걸리지 않으면서도 안정적으로 오일을 공급할 수 있게 한 하나의 챔버와 2방 밸브를 이용한 2단 가변 오일펌프를 제공하는 데 그 목적이 있다.

특히, 본 발명은 이처럼 통상의 기술로 제작할 수 있는 하나의 챔버·2방 밸브·3방 솔레노이드밸브를 통해 가변 오일펌프를 2단으로 압력을 조절할 수 있게 함으로써, 가변 오일펌프의 구조가 간단하면서도 정확하게 2단으로 압력을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 저비용으로 쉽게 제조하여 사용할 수 있게 한 하나의 챔버와 2방 밸브를 이용한 2단 가변 오일펌프를 제공하는 데 다른 목적이 있다.

차량의 속도 변화에 따라 미리 다르게 설정한 제1 설정압력(P1)과 제2 설정압력(P2)으로 2단으로 가변시킨 오일을 갤러리(200)로 송출하는 가변 오일펌프에 있어서, 가변하는 로터(110)·이 로터(110)를 감싸며 탄성 지지를 받아 내부 용적을 변화시켜 주는 슬라이더(120)·오일을 공급받아 슬라이더(120)를 회전시켜 펌핑 공간을 변화시켜 주는 챔버(130)를 가진 가변 펌핑실(100); 제1 내지 제 4포트(W1~W4)를 가진 2방 밸브(300); 및 제1 내지 제3포트(P,A,T)를 가진 3방 솔레노이드밸브(400)를 포함하되;, 상기 제1 포트(P,W1)에는 갤러리(200)와 연결하고, 상기 제2 포트(A,W2)는 서로 연결하며, 상기 제3 포트(T)는 가변 오일펌프 외부로 오일을 노출할 수 있게 하고, 상기 제3 및 제4 포트(W3,W4)는 챔버(130)와 연결하며;, 상기 각 포트는, 가변 오일펌프에서 송출하는 압력이 0~제1설정압력 사이이면 P→A→W2→W3→챔버로 연결하여 압력이 높아지게 하고, 그 압력이 제1 설정압력 구간이면 P→A→W2→W3→챔버로 연결하여 압력이 제1 설정압력(P1)을 유지하게 하며, 그 압력이 제1 설정압력(P1)과 제2설정압력(P2) 사이이면 챔버(130)→W3→W2→A→T→외부로 연결하여 제1 설정압력(P1)보다 높아지게 하고, 그 압력이 제2 설정압력(P2) 구간이면 W1→W4→챔버(130)로 연결하여 제2 설정압력(P2)을 유지하게 하는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 가변 펌핑실(100)과 갤러리(200) 사이에는 이 갤러리(200)의 내부 압력이 미리 설정한 압력 이상으로 올라가지 않게 하기 위한 체크 밸브(210)를 갖춘 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 하나의 챔버와 2방 밸브를 이용한 2단 가변 오일펌프는 다음과 같은 효과가 있다.

(1) 가변 오일펌프가 그 회전 속도에 따라 2단으로 오일 압력을 조절할 수 있으므로 회전 부분에서 요구하는 유량에 맞게 적절하게 공급을 할 수 있다.

(2) 이에 특히 중고속에서 적은 양의 오일이 필요한 경우 이에 맞게 유량을 조절할 수 있으므로, 중고속에서 가변 오일펌프가 오랫동안 작동하더라도 가변 오일펌프의 내구성이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.

(3) 통상의 2방 밸브와 3방 솔레노이드밸브로 가변 오일펌프의 오일 송출 압력을 2단으로 조절할 수 있다. 이에 가변 오일펌프의 제조 비용을 크게 높이지 않으면서도 쉽게 제조하여 사용할 수 있다.

(4) 하나의 갤러리를 이용하여 필요한 오일을 공급하고, 또한 이런 2단으로 제어할 수 있게 구성하므로, 가변 오일펌프의 내부 구성을 간단하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라 가변 오일펌프의 한정된 공간 내에서의 공간 활용도를 높일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 가변 오일펌프의 전체 구성을 보여주기 위한 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 가변 오일펌프에서 오일 압력을 생성하는 가변 펌핑실의 구성을 보여주기 위한 확대도.
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 가변 오일펌프를 구동하여 2단으로 오일 압력을 제어하는 상태를 보여주기 위한 개념도 및 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 최고의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 따라 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형례가 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

(구성)

본 발명에 따른 2단 가변 오일펌프(10)는, 도 1 및 도 2와 같이, 오일 압력을 생성하기 위한 가변 펌핑실(100), 이 가변 펌핑실(100)에서 압송한 오일이 안정적으로 회전 부분에 공급할 수 있도록 갤러리(200)에서 송출하는 오일 압력을 이용하여 가변 오일펌프(10)의 속도(회전 속도)에 따라 2단으로 변속시켜 주기 위한 2방 밸브(300) 및 3방 솔레노이드밸브(400)를 포함한다.

여기서, 갤러리(200)는, 도 1과 같이, 가변 오일펌프(10)와 구분되어 있으며, 가변 펌핑실(100)의 출구 측과 연결되어 이 가변 펌핑실(100)에서 생성한 오일을 회전 부분에 안정적으로 압송할 수 있게 미리 정해진 유량을 저장할 수 있는 일종의 챔버이다. 이러한 갤러리(200)는, 예를 들어, 엔진 커버와 같이 가변 오일펌프(10)와 전혀 상관없는 곳에 형성하며, 이 가변 오일펌프(10)의 출구 측에서 공급받은 오일을 안정적으로 회전 부분에 공급하는 역할을 담당한다.

또한, "회전 부분"이란 엔진의 경우, 샤프트나 크랭크 샤프트 캠 샤프트와 같이 엔진이 구동할 때 윤활과 냉각을 위한 오일이 필요한 구성요소를 의미한다.

이하, 이러한 구성에 대하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

가변 펌핑실(100)은, 도 1 및 도 2와 같이, 내부에 회전하는 로터(110)가 설치되며, 이 로터(110)의 회전으로 오일을 압축하기 위한 일종의 공간이다. 로터(110)는, 예를 들어, 엔진의 속도로 함께 회전하며 체적이 가변할 수 있는 가변 오일펌프에 사용하는 통상의 로터이다.

특히, 이 가변 펌핑실(100)에는 로터(110)를 감싸 오일을 압축하기 위한 실질적인 공간을 가변시켜 주는 슬라이더(120)가 설치된다. 슬라이더(120)는, 도 2와 같이, 가변 오일펌프(10)를 구성하는 하우징 한쪽을 중심으로 가변 펌핑실(100) 내에서 회전할 수 있게 설치하며, 이때 탄성 스프링(121)의 탄성 지지를 받게 설치한다.

그리고, 상기 가변 펌핑실(100)의 내측 면과 상기 슬라이더(120) 사이에는, 도 1 및 도 2와 같이, 챔버(130)가 형성된다. 특히, 이 챔버(130)에는 후술할 갤러리(200)의 내부 압력에 따라 유출입하는 오일을 공급받으며, 이 오일은 상기 슬라이더(120)를 회전시켜 로터(110)를 둘러싼 가변 펌핑실(100)의 체적을 가변시킨다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 갤러리(200)와 가변 펌핑실(100) 사이에는 실제 가변 오일펌프(10) 외부로 오일을 배출하는 통로 이외에 갤러리(200)의 내부 압력이 설정한 압력 이상이면 설정 압력으로 유지할 수 있도록 체크 밸브(210)를 더 구성하는 것이 바람직하다. 체크 밸브(210)는 설정 압력보다 높은 갤러리(200)의 이상 압력을, 도 1과 같이, 가변 오일펌프(10)에 오일을 공급하는 오일 팬(500) 등으로 리턴 할 수 있게 한다. 도 1에서, 체크 밸브(210)는 예시적으로 볼 체크 밸브를 예로 보여준다.

이러한 가변 펌핑실(100)의 구성은 통상의 가변 오일펌프(10)에 이미 구성된 것과 같으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

2방 밸브(300)는, 도 1과 같이, 갤러리(200)의 내부 압력을 선택적으로 챔버(130)에 인가하거나 챔버(130) 내의 압력을 제거하기 위한 밸브이다. 특허, 본 발명에서는 2방 밸브(300)로서 네 개의 제1 내지 제4 포트(W1~W4)를 가진 밸브를 사용한다. 이때, 제1 포트(W1)는 갤러리(200)와 연결하여 제4 포트(W4)에 선택적으로 오일을 공급할 수 있게 구성하고, 제2 포트(W2)는 후술할 3방 솔레노이드밸브(400)와 연결하여 내부적으로 제3 포트(W3)와 통하게 구성한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 2방 밸브(300)는 통상의 기술로 제작하는 전환 밸브로서, 본 발명에 따른 가변 오일펌프의 하우징 등에 장착하여 구성할 수도 있고, 가변 오일펌프 내에 임베이드 타입으로서 일체로 형성할 수도 있다.

3방 솔레노이드밸브(400)는, 도 1과 같이, 세 개의 제1 내지 제3 포트(P,A,T)를 가진 통상의 기술로 제작한 것을 사용한다. 이때, 제1 포트(P)는 갤러리(200)와 연결하고, 제2 포트(A)는 상술한 2방 밸브(300)의 제2 포트(W2)와 연결하며, 제3 포트(T)는 제2 포트(A)와 선택적으로 연결되어 제2 포트(W2)를 통해 공급받은 오일을 본 발명에 따른 가변 오일펌프의 외부로 배출할 수 있게 구성한다.

(작동)

이하, 본 발명에 따른 하나의 챔버와 2방 밸브를 이용한 2단 가변 오일펌프(10)의 작동에 대하여, 도 3 내지 도 6을 참조하여 2방 밸브(300)와 3방 솔레노이드밸브(400)를 중심으로 설명하면 다음과 같다.

여기서, 작동은 로터(110)의 회전 속도에 따라 갤러리(200)로 송출하는 압력이 달라지는 데, 이때의 압력이 미리 정해진 제1 설정압력(P1)과 제2 설정압력(P2)의 2단으로 가변할 수 있게 다음과 같이 4개 구간으로 나눠서 설명한다.

첫 번째 구간은, 도 3의 그래프와 같이, 송출 압력이 "0"과 제1 설정압력(P1) 사이 구간이다. 즉, 로터(110)가 처음 회전하면 압력이 "0"에서 점차 올라가게 되며, 이때의 압력은 로터(110)의 회전 속도와 비례한다.

이에, 가변 펌핑실(100)에서 생성한 오일은 갤러리(200)로 압송되며, 필요한 회전 부분에 공급하여 냉각과 윤활 작용을 한다. 이때, 갤러리(200)에 공급한 오일 일부는 챔버(130)에 공급한다. 즉, 이 오일은 3방 솔레노이드밸브(400)의 제1 포트(P)와 제2 포트(A)를 통해 2방 밸브(300)의 제2 포트(W2) 및 제3 포트(W3)를 통해 챔버(130)에 공급한다. 이렇게 공급한 오일은 갤러리(200)의 압력 상승과 더불어 점차 올라기지만, 슬라이더(120)를 지지하는 탄성 스프링(121)의 탄성력을 이기지 못하므로 챔버(130)의 체적에 변화가 없어 도 3의 그래프와 같이 실선 형태로 압력이 증가한다.

여기서, 2방 밸브(300)의 제1 포트(W1)에도 갤러리(200)와 같은 압력이 작용하나 그 압력이 약하여 제4 포트(W4)로는 공급되지 않는다.

두 번째 구간은, 도 4의 그래프에서 실선으로 표시한 바와 같이, 송출 압력이 제1 설정압력(P1)과 같아지는 구간이다. 즉, 로터(110)가 회전하는 속도가 빨라짐에 따라 갤러리(200)로 송출하는 압력도 높아지는데, 이때의 압력은 상기 탄성 스프링(121)의 탄성력보다 커서 슬라이더(120)를 회전시킨다.

이처럼 슬라이더(120)가 회전하면 가변 펌핑실(100)의 체적이 작아지고, 이에 비례하여 갤러리(200)로 송출하는 압력의 상승을 막으면서 제1 설정압력(P1)을 유지한다.

즉, 이 구간에서는 로터(110)의 속도가 빨라짐에 따라 그 압력이 제1 설정압력(P1)보다 높아져야 하나, 슬라이더(120)의 회전 때문에 가변 펌핑실(100)의 체적이 작아지면서 압력이 상승하지 않고 제1 설정압력(P1)을 유지한다.

이때의 오일은, 도 4 및 상술한 첫 번째 구간과 마찬가지로, 3방 솔레노이드밸브(400)의 제1 포트(P)와 제2 포트(A)를 통해 2방 밸브(300)의 제2 포트(W2) 및 제3 포트(W3)를 통해 챔버(130)에 공급한다. 그리고, 첫 번째 구간과의 차이점은 상술한 바와 같이 탄성 스프링(121)의 탄성력을 이기며 슬라이더(120)를 회전시키는 데 있다.

세 번째 구간은, 도 5와 같이, 압력이 제1 설정압력(P1)과 제2 설정압력(P2) 사이를 유지하게 하는 단계이다. 이는 두 번째 구간보다 더 빠른 속도로 로터(110)가 회전함에 따라 갤러리(200)의 오일 압력을 높이기 위해, 반대로 챔버(130)의 내부 압력을 줄인다. 즉, 챔버(130) 내의 압력을 줄여 탄성 스프링(121)의 탄성력보다 약하게 하면, 탄성 스프링(121)이 슬라이더(120)를 회전시켜 가변 펌핑실(100)의 체적을 넓혀줌에 따라 오일 압력을 높여준다.

이때의 오일 흐름은 챔버(130)→2방 밸브(300)의 제3 포트(W3)→제2 포트(W2)→3방 솔레노이드밸브(100)의 제3 포트(T)→외부로 배출한다. 여기서, "외부"란 본 발명에 따른 가변 오일펌프 밖을 의미하며, 바람직하게는 오일을 저장하는 오일 팬(500)으로 복귀시키는 것이 좋다.

이처럼 챔버(130) 내의 압력을 제거함에 따라 탄성 스프링(121)의 탄성력으로 슬라이더(120)가 원래 위치로 되돌아가면서 가변 펌핑실(100)의 체적을 넓혀 도 5의 그래프에서 실선 부분과 같이 오일 압력을 높인다.

네 번째 구간은, 도 6과 같이, 제2 설정압력(P2)을 유지하는 구간이다. 이는 갤러리(200)의 오일을 챔버(130)에 공급함에 따라 이루어진다. 즉, 세 번째 구간에서 오일 압력이 높아짐에 따라 이 오일 압력이 2방 밸브(300)의 제1 포트(W1)에 가해져서 제4 포트(W4)를 연결해 준다.

이에 갤러리(200)에서 챔버(130)로 오일이 공급되어 탄성 스프링(121)의 탄성력보다 커지면서 슬라이더(120)를 회전시켜 가변 펌핑실(140)의 체적 변화를 통해 제2 설정압력(P2) 상태를 유지한다.

이상과 같이 본 발명은 구조가 간단하면서도 미리 설정한 2단 압력 변화를 통해 안정적이면서도 회전 부분에서의 원활한 윤활과 냉각이 이루어질 수 있게 되는 것이다.

100 : 가변 펌핑실
200 : 갤러리
210 : 체크 밸브
300 : 2방 밸브
400 : 3방 솔레노이드밸브