KR101387627B1 - 배기가스 재순환 밸브 - Google Patents

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Abstract

배기가스 재순환 밸브가 개시된다. 본 발명의 배기가스 재순환 밸브는, 캠 프로파일(16)이 형성된 캠 부재(14)를 구비하며 회전축(18) 둘레에서 회전 가능한 밸브 부재(20)의 작동을 가능케 하는 로터리 드라이브(12)를 포함하며, 캠 부재(14)의 회전에 의해 회전축(18)이 회전되는 배기가스 재순환(EGR) 밸브(10)에 있어서, 닫힘 운동 도중에, 배기가스 재순환 밸브는 닫힘 운동의 마지막 시점에서 밸브 시트(22)를 통한 흐름(A)의 방향에 평행한 방향(A)으로 밸브 시트(22)를 향해 이동 가능한 것을 특징으로 한다.
배기가스, 재순환, 밸브, 캠, 드라이브, 회전축, 탭, EGR

Description

배기가스 재순환 밸브{Exhaust-Gas Recirculation Valve}
본 발명은 청구항 1의 서문에 따른 배기가스 재순환 밸브(Exhaust-Gas Recirculation Valve)에 관한 것이다.
본 발명은 청구항 1의 서문에 따른 배기가스 재순환 밸브(Exhaust-Gas Recirculation Valve; EGR)에 관한 것이다.
자동차 공학 분야에서, 특히 내연 기관에 구비되는 배기 밸브의 개선과 관련하여 그리고 연료 소비의 감소와 관련하여, 내연 기관에 신선한 공기를 공급하기 위해 배기가스 재순환 시스템이 제공되어야 한다는 것은 잘 알려져 있다.
EGR 밸브에 관하여, 밸브를 열고 닫기 위한 다양한 형태의 작동이 알려진다. 밸브 시트(valve seat)로부터 밸브 부재(valve member)를 개방시키는 운동 및 밸브를 닫기 위한 반대 방향의 운동으로 이루어지는 밸브 부재의 운동에 관하여, 병진 운동(translational movement)에 의해 밸브 시트로부터 밸브 디스크(valve disk)와 같은 밸브 부재를 개방시키는 것은 잘 알려져 있다. 이와 관련하여 유럽특허등록공보 EP0856657B1로부터, 드라이브 기구(drive mechanism)에 의해 회전 구동되며, 병진 운동 가능한 밸브 태핏(valve tappet)에 결합되는 캠(cam)이 구비되어야 한다는 것이 알려진다. 이때, 캠이 회전하면 밸브 태핏은 병진 운동하며, 캠이 밸브 태핏을 밸브 시트로부터 해방시키면 밸브가 열리게 된다.
유럽특허공개공보 EP1245820A1에 다른 EGR 밸브가 개시되어 있다. 여기서는, 적절한 전달 수단에 의해 회전 운동이 밸브 부재에 전달되며, 이러한 밸브 부재는 예로써 열림 및 닫힘 위치 사이에서 회전 운동하는 접는 방식의 밸브 디스크(fold-down valve disk)를 들 수 있다.
독일특허공개공보 DE2703687A1은 배기가스 재순환 시스템을 제어하기 위한 장치에 관한 것이며, 이러한 배기가스 재순환 시스템에서는 플랩(flap)이 흡기 다기관(intake manifold) 안에 배치되며 흡기 다기관 안으로 돌출된 EGR 라인(EGR line)이 닫힘 위치에서 닫혀진다.
유럽특허공개공보 EP1526272A1에서는 청구항 1의 서문에 따른 EGR 밸브가 명확히 보여진다. 이러한 EGR 밸브에서, 밸브 부재는 닫힘 운동이 거의 종료되는 시점에 밸브 시트에 대해 대략 접선방향으로 즉, 밸브 시트를 통한 흐름의 방향에 대해 수직으로 운동하는 형태의 궤도를 갖는다.
본 발명은 저압의 EGR 시스템에 사용될 때 향상된 성능을 제공하는 배기가스 재순환 밸브를 마련하는 목적에 기초한다.
상기 목적은 청구항 제1항에 따른 배기가스 재순환 밸브에 의해 달성된다.
그에 따라, 상기 밸브는 캠 프로파일(cam profile)이 형성된 캠 부재(cam member)를 갖는 로터리 드라이브(rotary drive)를 구비한다. 이때 로터리 드라이브는 회전축 주위에서 회전될 수 있는 밸브 부재의 작동을 가능하게 한다. 유럽특허공개공보 EP1526272A1는 이러한 유형의 드라이브에 관하여 명세서의 전반에서 주제로 다루고 있다. 새로운 EGR 밸브는, 밸브 부재가 닫힘 운동하는 도중 닫힘 운동이 거의 끝나는 시점에 밸브 시트를 통한 흐름(flow)의 방향에 평행한 방향으로 밸브 시트를 향해 이동할 수 있다는 점에 특징이 있다. 다시 말해서, 밸브 부재는 닫힘 운동이 거의 끝나는 시점에 밸브 시트를 향해 접선 방향으로 이동하지 않는다. 즉, 밸브 부재는 흐름의 방향에 대해 수직으로 이동하지 않고 또한 밸브 시트를 향해 직각인 방식의 플랩(flap) 방식으로 밸브를 향해 이동하지 않으며, 밸브 부재는 밸브 시트를 통하여 흐르는 흐름의 방향에 평행하게 이동한다. 이러한 플랩은 또한 "트럼펫 밸브(trumpet valve)"로 불려진다. 그리하여, 밸브 부재 자체의 구성과 그것의 궤적이 매우 단순해지며 동시에 배기가스 재순환 라인의 닫힘의 신뢰성이 보장될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 EGR 밸브는 압력의 차이(differentials)가 작은 소위 저압의 EGR 시스템에 적합하다. 캠 부재의 회전에 의해 회전축이 회전된다. 다시 말해서, 회전축은 "물리적으로" 핀 또는 축과 같은 일정한 방식으로 지지 되는 수단으로 구비된다. 회전축은 밸브 부재 및(또는) 회전축의 지지조립체와는 별개의 부재인 것이 바람직하다. 밸브 부재는 별개의 부재로 형성될 수 있는 탭에 의해 회전축에 결합될 수 있다.
본 발명에 따른 EGR 밸브의 바람직한 실시예들은 다른 청구항들로 기술된다.
회전축은 연속적으로 마련되는 것이 바람직하며, 회전축 주위로 밸브 부재가 회전될 수 있다. 이에 의해 회전축이 매우 단순한 형태로 마련될 수 있다. 게다가 밸브 부재가 회전축의 일측에 지지될 수 있다는 것은 자명하다.
마찬가지로 매우 단순한 구조로 마련될 수 있는 적어도 하나의 탭(tab)에 의해 밸브 부재가 회전축에 연결되는 것이 바람직하다.
비록 밸브 부재는 난류 지역(turbular portion) 밖에 구비될 수 있다 하더라도, 밸브 시트는, 단부에 밸브 시트가 형성되는 난류 지역 내에서 어퍼츄어(aperture)로서 구비되는 것이 바람직하다. 밸브 부재가 접촉될 수 있는 밸브 시트는 난류 지역 안에서 형성된다.
이와 관련하여, 밸브 부재는 난류 지역 내에 마련되는 것이 더욱 바람직하다. 특히 밸브 부재는 난류 지역의 가장자리에서 적합한 리세스(recesses) 내에 배치될 수 있으며, 그러한 경우 밸브 부재는 난류 지역을 통한 흐름에 미치는 영향이 최소가 되도록 열려진 상태가 된다. 전술한 난류 지역은 예를 들어 EGR 라인일 수 있다. 마찬가지로, 본 발명에 따른 밸브는 또한 흡기 채널의 일부분, 다시 말해서 재순환된 배기가스와 신선한 공기가 혼합되는 내연기관의 흡기로(intake path)의 일부분일 수 있다.
또한 밸브 부재에는, 밸브 부재가 밸브 시트로부터 분리되기 전에 열림 운동 동안 열릴 수 있는 적어도 하나의 어퍼츄어(aperture)가 마련될 수 있다. 어퍼츄어를 마련하는 이유는 본 발명에 따른 EGR 밸브가, 열림 프로세스가 반대방향의 압력을 극복하면서 일어날 수 있는 저압 EGR 시스템에 유용하게 사용되기 때문이다. 이때 열림 프로세스는 "유체흐름과 함께" 일어나서 그 흐름에 의해 도움받게 된다. 마찬가지로 열림 부재가 흐름에 "대응하여" 열리도록 하는 것도 착안될 수 있다. 이러한 경우, 밸브 부재 안의 어퍼츄어는 먼저 열리고 그 후에 열림 운동이 일어나며, 밸브-열림 프로세스를 방해할 수 있는 압력의 차이가 감소될 수 있다.
무엇보다도, 밸브 부재가 탄력적이고 유연한 방식으로 탭(tab)에 결합되는 것이 유리함이 판명되었다. 밸브 부재가 어퍼츄어를 가지는 이러한 실시예들의 경우, 밸브 부재의 열림 운동과 무관하게 어퍼츄어의 해방에 관하여 상술한 이점들을 제공한다.
또한, 밸브 부재 상의 어퍼츄어를 위한 닫힘 부재(closing member)를 마련하는 것이 바람직하며, 이러한 닫힘 부재는 밸브 부재가 결합하는 탭과는 별개의 부재로 마련되는 것이 바람직하다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더 상세하게 기술하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배기가스 재순환 밸브의 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 배기가스 재순환 밸브의 닫혀진 상태를 도시하는 분해 사시도이 며, 도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기가스 재순환 밸브의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 배기가스 재순환 밸브의 개략적인 측면도이다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 재순환(EGR) 밸브(10)는, 캠 부재(14)를 갖는 로터리 드라이브(12, rotary drive)를 구비한다. 이때 캠 부재(14)는 캠 프로파일(16, cam profile)을 구비한다. 본 실시예에서, 캠 부재(14)는 외주 상에 톱니를 가지며, 이러한 톱니에 의해 캠 부재(14)는 드라이브(52)에 의해 회전 구동된다. 이때 드라이브(52)는 전기 모터일 수 있다. 캠 부재(14)의 축은 참조 번호 "32"이다. 유럽특허공개공보 EP 1526272A1에 상세하게 기술된 바와 같이, 롤러(34)는 캠 프로파일(16)에 삽입되며, 롤러(34)는 밸브 부재(20)의 회전축(18)에 설치된 레버(50, lever) 상에 지지된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 캠 프로파일(16)은, 원주 방향에서, 회전축(32)에 가까운 지점으로부터 캠 부재(14)의 톱니 모양인 외주에 가까운 지점까지 연장되어 있다. 결과적으로, 캠 부재(14)의 회전은 레버(50)의 회전을 발생시키며, 이로 인하여 밸브 부재(20) 회전축(18)도 회전하게 된다. 본 실시예에서, 밸브 부재(20)는 탭(24, tab, 도 2 참조)에 의해 회전축(18)에 연결된다. 여기서 탭(24)은 도 2에서 더 잘 보여진다. 밸브 부재(20)는 원형일 수 있으며, 또한 중심에서 탭(24)에 결합될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 탭(24)에 의해 밸브 부재(20)는 회전축(18)에 연결될 수 있으며, 탭(24)은 에서 회전축(18) 주위를 감쌀 수 있다(도 1의 50 부분).
도 1에서 도시된 바와 같은 밸브 부재(20)의 열림 상태에서는, 밸브 부재(20)는 난류 지역(26, tubular portion)의 리세스(36, recess) 안에 적절하게 수 용된 경우에는 난류 지역(26)을 통한 흐름에 영향을 주지 않게 된다. 밸브 시트(22, valve seat)는 난류 지역(26) 안에서 설치될 수 있고 또한 테이퍼 형태를 가질 수 있다.
도 1에서처럼 닫힘 운동(closing movement) 동안에, 밸브 부재(20)는 1/4회전함으로써 "수평한" 열림 위치를 벗어나 밸브 시트(22)를 향하여 이동한다. 따라서 밸브 부재(20)는, 닫힘 운동의 시작점에서, 밸브 시트(22)를 통한 유체흐름의 방향에 대해 수직으로 이동한다. 도 1을 기준으로, 흐름의 방향은 상측의 오른쪽에서 왼쪽이거나 또는 그 반대이다. 닫힘 운동의 끝에서, 밸브 부재(20)는 흐름의 방향과 평행하게 움직인다. 하지만 밸브 부재가 대략 피봇 운동을 수행할 수 있다는 것은 자명하며, 그 결과 중요한 특정 위치에서 피봇 운동의 접선방향으로 상술한 "직선" 방향의 움직임이 적용될 수 있다.
이러한 내용은 도 1에 도시된 EGR 밸브(10)의 닫힘 상태를 도시하는 도 2에서 좀 더 명백해진다. 우선 도 2를 도 1과 비교하면, 캠 부재(14)가 시계 방향으로 이동함에 따라 레버(50, lever)도 동일 방향으로 회전되어 있고, 이에 따라 밸브 부재(14)가 닫힘 위치에 있음을 알 수 있다. 밸브 부재(20)를 회전축(18)에 대해 연결하게 하는 탭에는 도 2에서 부재 번호 "24"로 지정된다. 도 1 및 도 2에서 보여지는 바와 같이, 난류 지역(26)의 단면은 가급적 원형인 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명에 따른 배기가스 재순환 밸브의 제2 실시예의 사시도이다. 도 3에의 상세 내용은 도 1 및 도 2에 의해 나타내어진 실시예들에 또한 적용될 수 있다. 도 3의 실시예는, 구형 캡(circular cap, 미도시) 및 스프링(미도시)에 의해 밸브 부재(20)가 탭(24)에 이동 가능하도록 결합된다는 점에서 본질적으로 도 1 및 도 2에서의 실시예와 다르다. 밸브 부재(20)는 스크류(screw)에 의해 탭(24)에 연결되며, 여기서 스크류는 헤드(42, head)를 가지며 탭(24) 내에 슬라이딩 가능하게 지지된다. 밸브 부재(20)는 구형 캡에 의해 탭(24)에 대하여 대략적으로 경사를 가지도록 마련될 수 있다. 흐름 A1의 방향에서의 배기가스의 압력에 의해 야기되는 열림을 방지하기 위해, 상기 스프링은 상기 스크류에 의해 적절하게 조절된다. 본 실시예에서, 밸브 부재(20)는 별개의 부재로 마련된 닫힘 부재(30, closing member)에 의해 닫혀질 수 있는 어퍼츄어(28, aperture)를 구비한다. 이러한 닫힘 부재(30)는 구형 단부를 갖는다. 열림 운동 중에 탭(24)을 구동하기 위한 제1 드라이브 캐치(44, first drive catch)와 닫힘 운동 중에 탭(24)을 구동하기 위한 제2 드라이브 캐치(46, second drive catch)가, 추가적으로 닫힘 부재(30)에 구비된다. 드라이브(미도시)는 닫힘 부재(30)에 의해 작동된다. 밸브 부재(20)의 각각의 동작 방향에서, 상기 드라이브 캐치들(44, 46)에 의해 닫힘 부재(30)가 구동되며 또한 닫힘 부재(30)에 지지된 탭(24)이 닫힘 부재(30)와 같이 "구동"된다. 그리고, 유지 스프링(38, retained spring)이 탭(24)에 구비된다.
"A1"은 밸브 시트(22)를 통한 흐름의 방향을 나타낸다. EGR 밸브(10)가 저압의 배기가스 재순환 시스템에 사용되는 것이라면, A1 방향의 가스의 흐름에도 불구하고, 밸브 부재(20)의 열림 운동을 차단하는 도 3에서 우측인 반대측 압력이 우세할 수 있다. 이러한 압력은, 열림 동작 중에 닫힘 부재(30)를 우측으로 이동시켜 어퍼츄어(28)가 열려지면 감소될 수 있다. 그러면, 밸브 부재(20) 좌측 및 우측의 압력 차이가 없어지게 되며 밸브 부재(20)는 최소한의 힘으로 열려지게 된다. 더욱이, 밸브 부재(20)의 분리된 어퍼츄어(28)를 통해 작은 EGR 흐름을 조절하는 것이 가능하다. 흐름 A1의 방향과 달리, 흐름은 또한 반대방향 즉 A2 방향으로 밸브를 통과할 수 있다. 마찬가지로, 닫힘 부재(30)에 의해 적은 유량에 대해서도 유용하게 조절할 수 있다. 게다가, 압력 감소가 일어날 수 있고 따라서 흐름 방향에 반대되는 열림 작동을 위해 "더 약한(weaker)" 드라이브를 사용할 수 있다. 밸브가 닫힐 때, 누설(leaks)을 최소량으로 하기 위해 밸브의 접촉력을 지지하는데 흐름 A2방향의 압력은 유용하게 사용된다.
마지막으로, 도 4는 또 다른 실시예의 EGR 밸브를 도시한다. 본 실시예에서도 또한 밸브 부재(20)는 어퍼츄어(28)를 구비한다. 이러한 경우, 어퍼츄어(28)는 대략적으로 밸브 부재(20)의 중심에 위치한다. 본 실시예에서, 밸브 부재(20)는 헤드(42)를 구비하는 핀(40)에 의해 탭(24)에 결합된다. 그리고 어퍼츄어(28)를 위한 닫힘 부재(30)는, 핀(40) 상에 구비되며 모자(hat) 형상 또는 U-자 형상일 수 있다. 닫힘 부재(30)는 원주 방향을 따라 적어도 하나의 어퍼츄어(48)를 구비한다. 도 4에 도시된 위치로부터 시작하여 닫힘 부재(30)가 우측으로 이동하기 시작하면, 닫힘 부재(30)의 어퍼츄어(48) 및 밸브 부재(20)의 어퍼츄어(28)에 의해 밸브 부재(20)의 양측면은 서로 연통된다. 그 결과, 도 3의 실시예에서 기술된 것과 같은 방식으로, 압력 차이가 감소될 수 있고 동시에 적은 유량에 대해서도 적절하게 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배기가스 재순환 밸브의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 배기가스 재순환 밸브의 닫혀진 상태를 도시하는 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기가스 재순환 밸브의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 배기가스 재순환 밸브의 개략적인 측면도이다.

Claims (8)

  1. 캠 프로파일(16)이 형성된 캠 부재(14)를 구비하며 회전축(18) 둘레에서 회전 가능한 밸브 부재(20)의 작동을 가능케 하는 로터리 드라이브(12)를 포함하며, 상기 캠 부재(14)의 회전에 의해 상기 회전축(18)이 회전되는 배기가스 재순환(EGR) 밸브(10)에 있어서,
    닫힘 운동 도중에, 상기 EGR 밸브는 상기 닫힘 운동의 마지막 시점에서 밸브 시트(22)를 통한 흐름(A)의 방향에 평행한 방향(A)으로 상기 밸브 시트(22)를 향해 이동 가능한 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 밸브.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 회전축(18)은 연속적으로 마련되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 밸브.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 밸브 부재(20)는 적어도 하나의 탭(24)에 의해 상기 회전축(18)에 연결되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 밸브.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 밸브 시트(22)는 난류 지역(26) 내의 어퍼츄어로 구비되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 밸브.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 밸브 부재(20)는 상기 난류 지역(26) 내에 구비되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 밸브.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 밸브 부재(20)는,
    상기 밸브 부재(20)가 상기 밸브 시트(22)로부터 분리되기 전에, 열림 운동 도중에 열릴 수 있는 적어도 하나의 어퍼츄어(28);를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 밸브.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 밸브 부재(20)는 상기 탭(24)에 대해 탄력적이며 유연한 방식으로 연결되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 밸브.
  8. 제 3항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기가스 재순환 밸브는,
    상기 밸브 부재(20) 내의 상기 어퍼츄어(28)를 위해 구비되며 상기 탭(24)과는 별도의 부재로 마련된 닫힘 부재(30);를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순 환 밸브.
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