KR101016191B1 - 차량용 바이패스 밸브 - Google Patents

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문국찬
김성준
김윤수
이경민
이지용
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Abstract

본 발명은 배기가스의 흐름을 효과적으로 제어할 수 있고, 밸브의 내부 공간을 효과적으로 활용할 수 있으며, 플랩과 샤프트의 내구성이 우수한 차량용 바이패스 밸브에 관한 것으로, 이지알 쿨러의 배기가스 출구에 결합되는 밸브하우징과, 상기 밸브하우징의 일측면에 형성되고 상기 이지알 쿨러의 냉각유로와 연결되는 제1흡기구와, 상기 밸브하우징의 일측면에 형성되며 상기 이지알 쿨러의 바이패스유로와 연결되는 제2흡기구와, 상기 밸브하우징의 타측면에 형성되는 배기구와, 상기 밸브하우징의 내부에 형성되고 상기 제1흡기구와 상기 배기구를 연결하는 제1이송로와, 상기 밸브하우징의 내부에 형성되며 상기 제2흡기구와 상기 배기구를 연결하는 제2이송로와, 상기 제1이송로에 회전 가능하게 설치되는 제1플랩과, 상기 제2이송로에 회전 가능하게 설치되는 제2플랩을 포함한다.
상술한 구성의 차량용 바이패스 밸브는, 상기 제1플랩과 상기 제2플랩이 상기 제1이송로와 상기 제2이송로를 선택적으로 개폐함으로써 배기매니폴드를 통해 배출되는 배기가스의 일부를 직접 흡기매니폴드로 재순환시키거나 배기가스의 일부를 일정 온도로 냉각시켜 흡기매니폴드로 재순환시킨다.

Description

차량용 바이패스 밸브{BYPASS VALVE FOR VEHICLE}
본 발명은 차량용 바이패스 밸브에 관한 것으로, 보다 자세하게는 배기가스의 흐름을 효과적으로 제어할 수 있고, 밸브의 내부 공간을 효과적으로 활용할 수 있으며, 플랩과 샤프트의 내구성이 우수한 차량용 바이패스 밸브에 관한 것이다.
일반적으로, 배기가스(emission)는 혼합기의 연소 시 발생하여 배기관을 통해 외부로 배출되는 가스이며, 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOX), 미연소 탄화수소(HC) 등의 유해물질을 포함한다.
이러한 배기가스에 포함된 유해물질 중 질소산화물은 일산화탄소 및 탄화수소와 반비례적인 인과관계를 갖고 있다. 즉, 연료가 완전히 연소되어 일산화탄소 및 탄화수소가 가장 적게 배출되는 시점에서 질소산화물은 가장 많이 발생한다.
따라서 질소산화물을 포함하는 오염물질의 허용량을 관계 법률로서 규제함에 따라 배기가스의 오염물질을 줄이기 위한 다양한 기술이 개발되고 있으며, 그 중 하나가 배기가스 재순환 시스템(Exhaust Gas Recirculation; EGR)이다.
상술한 배기가스 재순환 시스템은, 배기가스의 일부를 재순환시켜 출력이 저하되는 것을 최소화함과 동시에 최고연소온도를 낮춰 질소산화물의 발생량을 저감시키기 위한 시스템이다. 이를 좀 더 상세히 설명하면, 질소(N2)에 비해 열용량이 큰 이산화탄소(CO2)를 함유한 배기가스를 혼합기에 적절한 비율로 혼입할 경우 엔진의 최고연소온도를 낮출 수 있으며 이에 따라 질소산화물의 발생량을 저감시킬 수 있다.
도 12는 일반적인 배기가스 재순환 시스템을 도시하는 개략도이며, 도 12를 참조하여 배기가스 재순환 시스템을 살펴보면 다음과 같다.
배기가스 재순환 시스템(10)은, 배기매니폴드(20)를 통하여 배출되는 배기가스의 일부를 흡기매니폴드(30)로 재순환시키기 위한 재순환 파이프(42,44)와, 재순환 파이프(42,44) 상에 설치되어 재순환된 배기가스를 냉각하는 이지알 쿨러 어셈블리(50)를 포함한다.
재순환 파이프(42,44)는, 이지알 쿨러 어셈블리(50)의 일단에 연결되어 고온의 배기가스가 유입되는 인렛 파이프(42)와, 이지알 쿨러 어셈블리(50)의 타단에 연결되어 이지알 쿨러 어셈블리(50)를 통해 냉각된 배기가스를 배출하는 아웃렛 파이프(44)로 구성된다. 또한, 인렛 파이프(42) 상에는 배기가스를 재순환시키는 이지알 밸브(미도시)와, 인렛 파이프(42)를 통해 유입된 배기가스를 선택적으로 유입하는 바이패스 밸브(미도시)가 설치된다.
이지알 쿨러 어셈블리(50)는 셀 앤 튜브(shell & tube) 타입의 열교환기로, 엔진(60)의 냉각수를 이용하여 인렛 파이프(42)를 통해 유입된 고온의 배기가스를 냉각한다. 이를 위하여 이지알 쿨러 어셈블리(50)에는 냉각수가 유입되는 유입관(52)과 냉각수가 배출되는 배출관(54)이 마련된다.
그러나 종래의 배기가스 재순환 시스템(10)에 적용되는 바이패스 밸브는 구조가 복잡하여 배기가스의 흐름을 효과적으로 제어할 수 없고, 그로 인해 밸브하우징 내부의 공간 활용도가 매우 낮은 단점이 있다. 또한, 바이패스 밸브를 장기간 작동시킬 경우 배기가스를 선택적으로 배출하는 플랩 및 플랩을 작동시키기 위한 관련 부품의 내구성이 현저하게 저하된다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 배기가스의 흐름을 효과적으로 제어할 수 있고, 밸브의 내부 공간을 효과적으로 활용할 수 있으며, 플랩과 샤프트의 내구성이 우수한 차량용 바이패스 밸브를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 차량용 바이패스 밸브는, 이지알 쿨러의 배기가스 출구에 결합되는 밸브하우징과, 상기 밸브하우징의 일측면에 형성되고 상기 이지알 쿨러의 냉각유로와 연결되는 제1흡기구와, 상기 밸브하우징의 일측면에 형성되며 상기 이지알 쿨러의 바이패스유로와 연결되는 제2흡기구와, 상기 밸브하우징의 타측면에 형성되는 배기구와, 상기 밸브하우징의 내부에 형성되고 상기 제1흡기구와 상기 배기구를 연결하는 제1이송로와, 상기 밸브하우징의 내부에 형성되며 상기 제2흡기구와 상기 배기구를 연결하는 제2이송로와, 상기 제1이송로에 회전 가능하게 설치되는 제1플랩과, 상기 제2이송로에 회전 가능하게 설치되는 제2플랩을 포함한다.
상술한 구성의 차량용 바이패스 밸브는, 상기 제1플랩과 상기 제2플랩이 상기 제1이송로와 상기 제2이송로를 선택적으로 개폐함으로써 배기매니폴드를 통해 배출되는 배기가스의 일부를 직접 흡기매니폴드로 재순환시키거나 배기가스의 일부를 일정 온도로 냉각시켜 흡기매니폴드로 재순환시킨다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 한 쌍의 플랩을 이용하여 이지알 쿨러를 통해 유입되는 배기가스의 흐름을 효과적으로 제어할 수 있고, 원형의 플랩을 사용함으로써 밸브의 내부 공간을 효과적으로 활용할 수 있다. 또한, 플랩의 회전이 원활하여 장기간 사용에도 오작동이나 변형의 우려가 없다.
도 1과 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 바이패스 밸브의 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 바이패스 밸브의 내부를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 바이패스 밸브 중 샤프트와 플랩을 도시한 도면.
도 5와 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 바이패스 밸브 중 샤프트의 결합구조를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 바이패스 밸브 중 밸브하우징의 후면을 도시한 도면.
도 8과 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 바이패스 밸브와 이지알 쿨러가 결합 및 분해 상태를 도시한 도면.
도 10과 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 바이패스 밸브의 작동과정을 도시한 도면.
도 12는 일반적인 배기가스 재순환 시스템을 도시하는 개략도.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이하, 본 발명에 따른 실시예를 설명함에 있어, 그리고 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 부가하였다.
도 1과 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 바이패스 밸브의 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 바이패스 밸브의 내부를 도시한 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 바이패스 밸브 중 샤프트와 플랩을 도시한 도면이다. 또한, 도 5와 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 바이패스 밸브 중 샤프트의 결합구조를 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 바이패스 밸브 중 밸브하우징의 후면을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 본 실시예에 따른 차량용 바이패스 밸브(100)를 살펴보면, 밸브하우징(110)과, 밸브하우징(110)의 내부에 설치되는 샤프트(120) 및 플랩(130)과, 밸브하우징(110)의 외부에 설치되어 플랩(130)이 고정된 샤프트(120)를 회전시키는 구동수단(140)을 포함한다.
밸브하우징(110)은 일측면에 배기가스가 유입되는 흡기구(112a,112b)가 형성되고, 타측면에 유입된 배기가스가 배출되는 배기구(114)가 형성된다. 또한, 밸브하우징(110)의 내부에는 상술한 흡기구(112a,112b)와 배기구(114)를 연결하는 이송로(116a,116b)가 형성된다.
이 중에서 흡기구(112a,112b)는, 이지알 쿨러(도 8 및 도 9의 200)의 냉각유로(도 8 및 도 9의 210)와 연결되는 제1흡기구(112a) 및 이지알 쿨러(200)의 바이패스유로(도 8 및 도 9의 220)와 연결되는 제2흡기구(112b)를 포함한다. 또한, 이송로(116a,116b)는, 제1흡기구(112a)와 배기구(114)를 연결하는 제1이송로(116a) 및 제2흡기구(112b)와 배기구(114)를 연결하는 제2이송로(116b)를 포함한다.
이때, 제1 및 제2이송로(116a,116b) 중단에는 제1 및 제2흡기구(112a,112b)를 통해 유입된 배기가스 중 하나를 선택적으로 배출하기 위한 플랩(130)이 설치된다. 즉, 플랩(130)을 이용하여 제1 및 제2이송로(116a,116b) 중 어느 하나를 개방하면 개방된 이송로(116a 또는 116b)와 연결된 흡기구(112a 또는 112b)를 통해서만 배기가스가 유입된다. 예를 들어, 제1이송로(116a)를 개방하면 이지알 쿨러(200)의 냉각유로(210)를 경유하며 냉각된 배기가스가 제1흡기구(112a)를 통해 유입되고, 제2이송로(116b)를 개방하면 이지알 쿨러(200)의 바이패스유로(220)를 경유하며 바이패스된 배기가스가 제2흡기구(112b)를 통해 유입된다.
도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 샤프트(120)는 제1 및 제2이송로(116a,116b)를 관통하여 밸브하우징(110)에 설치될 수 있도록 소정 길이를 갖는 봉 형상으로 형성된다.
플랩(130)은, 제1이송로(116a) 상에 위치되는 제1플랩(132)과, 제2이송로(116b) 상에 위치되는 제2플랩(134)을 포함한다. 그 형상을 살펴보면 얇은 두께를 갖는 원형(원판형상)으로 형성되고, 중단에는 장착홈(132a,134a)이 형성되며 장착홈(132a,134a)에는 접합홀(132b,134b)이 형성된다.
이때, 제1플랩(132)과 제2플랩(134)은, 제1이송로(116a) 개방시 제2이송로(116b)가 폐쇄되도록, 그리고 제1이송로(116a) 폐쇄시 제2이송로(116b)가 개방될 수 있도록 직각으로 배치된다.
상술한 형상의 제1 및 제2플랩(132,134)은 종래의 사각 플랩에 비해 밸브하우징(110)의 내부에서 차지하는 공간이 작다. 특히, 제1 및 제2이송로(116a,116b) 상에 각각 설치되므로 하나의 플랩을 사용할 때에 비해 배기가스의 흐름을 효과적으로 제어할 수 있다. 또한, 회전 중심축인 샤프트(120)가 제1 및 제2플랩(132,134)의 중단에 결합되므로 종래의 스윙 타입의 플랩에 비해 회전 반경이 작아 밸브하우징(110)의 내부 공간을 효과적으로 활용할 수 있다.
한편, 제1 및 제2플랩(132,134)은 장착홈(132a,134a)과 접합홀(132b,134b)을 통해 샤프트(120)에 고정된다. 즉, 샤프트(120)가 장착홈(132a,134a)에 삽입된 상태에서 접합홀(132b,134b)을 레이저 용접하여 접합, 고정한다. 이와 같이 제1 및 제2플랩(132,134)과 샤프트(120)를 레이저 용접할 경우 샤프트(120)에 플랩 안착면을 가공하지 않아도 되므로 제작이 용이하고, 응력이 집중되는 것을 방지하여 샤프트(120)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 3, 도 5 내지 도 7을 참조하여 샤프트(120)의 결합구조를 살펴보면 다음과 같다.
샤프트(120)의 양단에는 드라이 베어링(152,154)이 결합된다. 밸브하우징(110)의 전면과 후면에 형성된 제1 및 제2장착공(118a,118b)에는 드라이 베어링(152,154)이 삽입, 고정된다. 그리고 샤프트(120)의 이탈을 방지함과 동시에 배기가스가 누설되는 것을 방지하기 위해 제1장착공(118a)에는 샤프트 씰(156a)과 씰 플레이트(156b)가 설치되고, 제2장착공(118b)에는 멈춤링(158a)과 록킹캡(158b)이 설치된다.
이때, 록킹캡(158b)은 밸브하우징(110)과 동일한 재질, 즉 알루미늄 합금인 것이 바람직하다. 이는 밸브하우징(110)과 록킹캡(158b)의 서로 다른 재질로 제작할 경우 열팽창률이 달라 밸브하우징(110)과 록킹캡(158b)에 틈이 발생하여 배기가스가 누출될 수 있기 때문이다.
또한, 록킹캡(158b)은 제2장착공(118b)에 삽입된 상태에서 펀칭에 의해 고정된다. 특히, 도 7에 도시된 바와 같이 펀칭 포인트를 록킹캡(158b)의 둘레를 따라 방사상으로 형성할 경우 록킹캡(158b)을 효과적으로 고정할 수 있다.
한편, 샤프트(120)의 일단은 제1장착공(118a)을 통해 밸브하우징(110)의 외부로 노출된다. 외부로 노출된 샤프트(120)의 일단에는 회전판(142)이 결합된다. 이 회전판(142)은 태핏(144)을 통해 구동수단(140)과 연결되어, 구동수단(140) 작동시 회전하여 샤프트(120)를 회전시킨다.
이때, 구동수단(140)은 엔진의 부압에 의해 작동하는 일반적인 형태의 액추에이터로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 8과 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 바이패스 밸브와 이지알 쿨러가 결합 및 분해 상태를 도시한 도면이고, 도 10과 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 바이패스 밸브의 작동과정을 도시한 도면이다.
도 8과 도 9에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 차량용 바이패스 밸브(100)는 이지알 쿨러(200)의 배기가스 출구 측에 설치된다. 즉, 차량의 엔진의 부압에 따라 제1 및 제2이송로(116a,116b) 중 어느 하나를 선택적으로 개방하여 배기매니폴드(미도시)의 배기가스가 이지알 쿨러(200)의 냉각유로(210)를 경유하거나 바이패스유로(220)를 경유하도록 한다.
이를 좀 더 상세히 설명하면, 엔진의 부압에 의해 구동수단(140)이 작동하면 태핏(144)이 이동하며 회전판(142)을 회전시키고, 회전판(142)의 회전에 의해 샤프트(120)가 회전하며 제1 및 제2플랩(132,134)을 회전시킨다.
이때, 제1 및 제2플랩(132,134)은 제1 및 제2이송로(116a,116b) 중 어느 하나를 선택적으로 개방한다. 예를 들어, 제1이송로(116a)가 개방되면 제2이송로(116b)가 폐쇄되고, 배기가스가 이지알 쿨러(200)의 냉각유로(210)를 경유하며 냉각된 상태로 제1흡기구(112a)를 통해 유입된다. 반면, 제2이송로(116b)가 개방되면 제1이송로(116a)가 폐쇄되며, 배기가스가 이지알 쿨러(200)의 바이패스유로(220)를 경유하며 냉각되지 않은 상태로 제2흡기구(112b)를 통해 유입된다.
상술한 과정을 통해 배기가스의 흐름을 제어할 경우 차량용 바이패스 밸브(100)의 배기구(114)를 통해 배출되는 배기가스의 온도를 항상 일정하게 유지할 수 있다.
한편, 도 10과 도 11에 기재된 230과 240은 이지알 쿨러(200)의 냉각유로(210)를 따라 이송되는 배기가스를 냉각하기 위한 냉각수가 유입되는 유입구(230)와 냉각수가 배출되는 배출구(240)이다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 차량용 바이패스 밸브 110: 밸브하우징
112a: 제1흡기구 112b: 제2흡기구
114: 배기구 116a: 제1이송로
116b: 제2이송로 118a: 제1장착공
118b: 제2장착공 120: 샤프트
130: 플랩 132: 제1플랩
134: 제2플랩 132a, 134a: 장착홈
132b, 134b: 접합홀 140: 구동수단
142: 회전판 144: 태핏
152, 154: 베어링 156a: 샤프트 씰
156b: 씰 플레이트 158a: 멈춤링
158b: 록킹캡 200: 이지알 쿨러
210: 냉각유로 220: 바이패스유로
230: 유입구 240: 배출구

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 이지알 쿨러의 배기가스 출구에 결합되는 밸브하우징;
    상기 밸브하우징의 일측면에 형성되고 상기 이지알 쿨러의 냉각유로와 연결되는 제1흡기구;
    상기 밸브하우징의 일측면에 형성되며 상기 이지알 쿨러의 바이패스유로와 연결되는 제2흡기구;
    상기 밸브하우징의 타측면에 형성되는 배기구;
    상기 밸브하우징의 내부에 형성되고 상기 제1흡기구와 상기 배기구를 연결하는 제1이송로;
    상기 밸브하우징의 내부에 형성되며 상기 제2흡기구와 상기 배기구를 연결하는 제2이송로;
    상기 제1이송로에 회전 가능하게 설치되는 제1플랩;
    상기 제2이송로에 회전 가능하게 설치되는 제2플랩;
    상기 제1 및 제2이송로를 관통하도록 상기 밸브하우징에 설치되고, 상기 제1 및 제2플랩이 결합되는 샤프트; 및
    상기 샤프트에 일단에 설치되고, 상기 제1 및 제2플랩을 회전시키는 구동수단을 포함하고, 상기 제1 및 제2플랩은 원형이며 상기 샤프트가 삽입될 수 있도록 장착홈이 형성되고, 상기 제1플랩과 상기 제2플랩이 직각으로 배치되어 상기 제1이송로 개방시 상기 제2이송로가 폐쇄되고 상기 제1이송로 폐쇄시 상기 제2이송로가 개방되도록 함으로써 상기 제1플랩과 상기 제2플랩이 상기 제1이송로와 상기 제2이송로를 선택적으로 개폐하는 것을 특징으로 하는 차량용 바이패스 밸브.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 및 제2플랩은 레이저 용접을 통해 상기 샤프트에 고정되는 것을 특징으로 하는 차량용 바이패스 밸브.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 밸브하우징의 전면과 후면에 제1 및 제2장착공이 형성되고, 상기 장착공에 드라이 베어링이 설치되며, 상기 샤프트의 양단이 상기 드라이 베어링에 결합되어 회전 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 차량용 바이패스 밸브.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1장착공에 설치되는 샤프트 씰과 씰 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 바이패스 밸브.
  8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 제2장착공에 설치되는 멈춤링과 록킹캡을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 바이패스 밸브.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 록킹캡은 상기 제2장착공에 삽입되어 펀칭에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 차량용 바이패스 밸브.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 록킹캡은 상기 밸브하우징과 동일한 열팽창률을 갖는 재질인 것을 특징으로 하는 차량용 바이패스 밸브.
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