KR101428952B1

KR101428952B1 - 바이패스 밸브를 구비한 배기가스 터보 차저

Info

Publication number: KR101428952B1
Application number: KR1020137005875A
Authority: KR
Inventors: 옌스 퀼마이어; 디르크 하겔슈타인; 에두아르트 립퍼르트
Original assignee: 폭스바겐 악티엔 게젤샤프트
Priority date: 2010-09-08
Filing date: 2011-09-05
Publication date: 2014-08-08
Also published as: WO2012031727A1; RU2013115289A; RU2535468C1; EP2614235A1; EP2614235B1; US8844283B2; CN103097689A; US20130186085A1; KR20130037729A; DE102010044683A1; CN103097689B

Abstract

본 발명은 내연 기관(3)용 배기가스 터보 차저(1)에 관한 것이다. 배기가스 터보 차저(1)는 배기가스 터보 차저(1)의 터빈(5)을 바이패스하기 위한 바이패스 덕트(4)을 갖는다. 터빈(5)의 배출 단면(6)과 배기가스 압력 라인(10) 사이에서, 바이패스 덕트(4) 내에는 바이패스 밸브(2)가 제공된다. 바이패스 밸브(2)는 밸브 스템에 의해 축방향으로 이동 가능하게 유지되고, 바이패스 밸브(2)의 밸브 헤드는 바이패스 밸브(2)의 폐쇄 상태에서 밸브 시트에 대해 인가 가능하며, 밸브 스템과 연결된 밸브 헤드 측은 배기가스 압력 라인(10)을 향한다. 또한, 바람직하게 바이패스 밸브에는 압력판이 형성되고, 이러한 압력판은 배기가스 터보 차저(1)의 하우징(13)의 리세스 내에서 이동 가능하다.

Description

바이패스 밸브를 구비한 배기가스 터보 차저{EXHAUST-GAS TURBOCHARGER HAVING A BYPASS VALVE}

본 발명은 바이패스 밸브를 갖도록 형성되는 내연 기관용 배기가스 터보 차저에 관한 것이며, 이러한 바이패스 밸브는 배기가스 터보 차저의 터빈의 배출 단면과 배기가스 압력 라인 사이에서, 터빈의 바이패스 덕트 내에 제공된다. 바이패스 밸브는 바이패스 덕트를 통한 배기가스 유량을 제어하기 위해 전기식 및/또는 공압식으로 작동 가능한 제어 수단과 연결되고, 밸브 헤드 및 밸브 스템으로 구성된다. 바이패스 밸브를 통해 배기가스의 부분 흐름이 필요에 따라 터빈을 거치지 않을 수 있다. 밸브 스템은 슬라이딩 안내부 내에서 축방향으로 이동 가능하게 유지된다. 바이패스 덕트를 가스 흐름이 새지 않도록 폐쇄하기 위해, 밸브 헤드는 바이패스 밸브의 폐쇄 상태에서 밸브 시트에 대해 인가 가능하다.

배기가스 터보 차저를 갖는 내연 기관의 작동시, 배기가스 터보 차저의 터빈을 위한 바이패스 덕트를 통해 배기가스의 부분 흐름이 선택적으로 터빈을 거치지 않는다. 이를 위해, 바이패스 덕트 내에는 바이패스 덕트의 개방 및 폐쇄를 위한, 웨이스트 게이트 밸브로도 불리는 바이패스 밸브가 배치된다. 이러한 바이패스 밸브는 밸브 헤드 및 밸브 스템으로 구성된다. 밸브 헤드는 바이패스 밸브의 폐쇄 상태에서 밸브 시트에 대해 가압된다. 내연 기관에 부하 요구가 존재할 때, 바이패스 밸브는 폐쇄되고, 사전 설정된 힘에 의해 밸브 시트에 대해 가압되며, 이러한 힘은 부하 요구가 존재하는 동안 바이패스 덕트가 내연 기관의 배기가스 압력에 대하여 가스 흐름과 압력이 새지 않게 폐쇄되도록 선택된다.

배기가스 터보 차저의 터빈을 위한 바이패스 덕트를 갖는 배기가스 터보 차저는 공보 WO 2006/046810 A1호와, US 4,171,936 A호와, GB 1,049,656 A호 및 GB 2 033 007 A호에 공지되어 있다. 이러한 공보들에는 바이패스 덕트 내에 배치된 바이패스 밸브를 갖는 배기가스 터보 차저가 기재되어 있다. 선행 기술에 공지된 바이패스 밸브에는 기계식 및/또는 공압식으로 작동하는 제어 수단이 작용한다. 이러한 제어 수단은 공압식 제어를 위해, 밸브 스템과 연결된 압력 피스톤 또는 압력 격막이며, 이러한 압력 격막은 바이패스 덕트로부터 분리된 작동 챔버 내에 이동 가능하게 배치된다. 이러한 작동 챔버는 압력 라인을 통해 과급 공기 측 흡입관과 연결된다.

공보 US 2002/0078934 A1호에는 전기식으로 또는 전기 기계식으로 구동되는 제어 수단이 공지되어 있다.

전기식 제어 수단의 사용을 통한 바이패스 밸브의 구동은 더욱 정확하면서 배기가스 터보 차저 내의 압력 조건과 무관하지만, 언제나 내연 기관의 부하 요구 및 작동 범위에 좌우되도록 구성된다. 전기식 제어 수단은 배기가스 터보 차저의 공압력을 활용할 수 없기 때문에, 충분한 고성능을 갖도록 구성되어야 한다. 이러한 고성능 전기식 제어 수단은 많은 에너지를 필요로 할 뿐만 아니라, 이에 상응하게 큰 부피와 더불어 이로 인해 야기되는 비용과 큰 공간도 필요로 한다.

배기가스 압력에 대한 제어 수단의 힘의 필요 크기를 감소하기 위해, 바이패스 밸브가 밸브 헤드 및 밸브 스템을 구비한 디스크 밸브 형태를 갖도록 구성되는 것이 공지되어 있다. 이 경우, 배기가스 압력은 밸브가 폐쇄된 상태에서 밸브 헤드에 대해 작용하고, 이러한 밸브 헤드를 밸브 시트 내로 가압함으로써, 가스 흐름과 압력이 새지 않도록 보조된다.

이러한 배경으로부터, 본 발명의 과제는 바이패스 밸브를 위해 배기가스 터보 차저의 터빈의 바이패스 덕트 내에 출력 요구량이 낮고, 특히 구조 공간이 작고 그리고/또는 부피가 작은, 비용면에서 유리한 제어 수단이 제공될 수 있도록, 도입부에 언급된 유형의 배기가스 터보 차저를 구성하는 것이다.

상기 과제는 독립 청구항 제1항의 특징을 갖는 배기가스 터보 차저에 의해 해결된다. 종속 청구항들은 본 발명의 특히 바람직한 개선예들에 관련된다.

본 발명에 따라, 밸브 스템과 연결된 밸브 헤드 측이 배기가스 압력 라인을 향하므로, 바이패스 밸브의 개방을 위해 밸브 헤드가 배출 단면의 방향으로 이동하는 배기가스 터보 차저가 제공된다. 특히, 밸브 스템과 연결된 밸브 헤드 측은 가스와 유체 접촉한다. 바람직한 방식으로, 배기가스 터보 차저 내의 본 발명에 따른 장치에 의해서 낮은 출력 요구량이 달성되는데, 이는 개방 상태에 있는 밸브 헤드가 폐쇄 방향으로 가스의 힘을 받지 않기 때문이다.

이 경우, 특히 바람직한 일 실시예에서 바이패스 밸브에는 배기가스 터보 차저의 하우징의 리세스 내에서 이동 가능한 압력판이 형성된다. 압력판을 사용함으로써 바이패스 밸브의 요구 조정력을 감소하는 것이 가능하다. 배기가스 압력 라인으로부터의 바이패스 밸브의 접근 유동이 정확히 밸브 헤드와 압력판 사이에서 실행되도록 바이패스 밸브에 압력판이 배치된다. 특히, 밸브 헤드에 대향 배치된 압력판 측이 가스와 유체 접촉한다. 따라서, 가스의 힘은 밸브 헤드와 압력판에 동시에 작용한다. 바람직하게, 가스에 노출되는 압력판 측의 면적은 가스에 노출되는 밸브 헤드 측의 면적 이하이다. 밸브 헤드와 압력판에 대한 가스의 힘은 반대 방향으로 작용하므로, 이러한 힘들은 거의 서로 상쇄된다. 매니폴드로도 불리는 배기가스 압력 라인은 내연 기관과 배기가스 터보 차저 사이의 연결부이며, 이러한 연결부 내에서 고압 상태의 배기가스는 내연 기관의 실린더로부터 배기가스 터보 차저의 터빈으로 이동한다.

바람직하게 리세스는 압력판의 하나 이상의 밀봉 부재에 의해 바이패스 덕트에 대해 거의 가스 흐름이 새지 않도록 폐쇄된다. 이와 같이, 가스 압력이 압력판 뒤로 유동 가능한 상태가 충분히 방지된다. 가스 압력은 거의 동일하지만 서로 반대 방향인 힘으로, 즉 서로 반대 방향으로 평행하게 방향 설정된 힘들로 밸브 헤드뿐만 아니라 압력판에도 작용한다. 압력판이 밸브 스템을 통해 밸브 헤드와 연결되므로, 이러한 힘들은 거의 완전히 서로 상쇄된다. 바이패스 덕트를 통한 배기가스의 유량을 제어하기 위한 바이패스 밸브의 제어 수단은 실질적으로 밀봉부의 마찰 저항만을 극복하면 된다. 이는 특히 배기가스 가압 상태가 심하게 맥동할 때 유리하다. 바람직하게 제어 수단은 전기식 및/또는 공압식으로 작동 가능하다.

그러나 밸브 시트를 통과하는 밸브 조립을 위해, 압력판의 직경이 밸브 헤드의 직경보다 약간 더 작은 것이 특히 바람직하며, 경우에 따라서는 필요하기도 하다. 따라서, 제어 수단은 바이패스 밸브의 위치 변화를 위한 힘만을 제공하면 되고, 이러한 힘은 밀봉부의 마찰력과, 압력판과 밸브 헤드의 배기가스 압력을 위해 작용하는 단면의 비율로부터 유지되는 잔여력만으로 구성된다. 밸브 헤드의 압력이 작용하는 단면적이 조립 상의 이유로 압력판의 압력이 작용하는 단면적보다 크므로, 얻어지는 배기가스의 힘은 항상 바이패스 밸브의 개방 방향으로 작용한다. 얻어지는 배기가스의 힘이 밀봉부의 극복될 마찰력보다 크므로, 제어 수단의 고장 시 바이패스 밸브의 자동 개방이 보장된다.

바이패스 밸브의 이동 시 리세스 내에서 압력판 뒤에 배압이 형성될 수 없도록, 리세스가 특히 배기가스 터보 차저의 하우징 내에 형성된 보상 라인을 통해 터빈의 배출 단면과 연결되는 것이 바람직하다. 따라서, 바이패스 밸브의 안내 및 밀봉을 위해 제공된 슬라이딩 안내부에 터빈 이후의 낮은 배기가스 압력이 항상 인가되는 것이 동시에 보장된다. 이러한 압력 수준은 밀봉 기술에 있어 터빈 이전의 배기가스 압력 라인 내에 존재하는 압력보다 더 간단하게 형성될 수 있다. 높은 압력은 압력판의 훨씬 더 큰 밀봉부에만 인가된다.

본 발명에 따른 배기가스 터보 차저의 개선된 바람직한 일 실시예에서는 마스킹부가 배치된 밸브 시트가 제공된다. 이러한 마스킹부는 배기가스 유동률 특성 곡선을 요구에 따라 모델링 가능하도록 한다. 이러한 마스킹부는 브릿지형 돌출부로서 형성되며, 이러한 돌출부는 밸브 시트를 따라 배출 단면의 방향으로 인접 주변부에 대해 상승되어 있다. 이로 인해, 바이패스 밸브의 요구에 따른 개방 양정에 이르기까지 밸브 헤드와 밸브 시트 사이의 개방 간극의 면적은 마스킹부의 연장에 상응하게 제한된다. 이러한 마스킹부를 통해, 작은 개방 양정시 바이패스 밸브를 통한 배기가스 흐름은, 밸브 시트의 전체 원형 단면을 통해 흘러나가는 것이 방지될 수 있다. 예를 들어 밸브 시트에 대해 일 밀리미터 상승되어 밸브 시트의 원주의 육분의 일을 덮는 마스킹부에서, 배기가스 흐름은 최대 일 밀리미터의 밸브 양정이 실행될 때는 단지 원주의 육분의 오에 걸쳐 그리고 일 밀리미터를 초과하는 밸브 양정이 실행될 때는 전체 원주에 걸쳐 바이패스 밸브를 관류한다. 또한, 마스킹부의 위치 선택을 통해 배기가스의 배출 흐름 방향은 영향을 받을 수 있다.

선행 기술에 비해 훨씬 감소한 조정력과, 마스킹부에 의해 배기가스의 유량 특성을 유연하게 형성할 수 있는 가능성에 의해, 본 발명에 따른 바이패스 밸브는 2단 조절 밸브 또는 다단 조절 밸브로서 사용될 수도 있다.

본 발명은 복수의 실시예를 허용한다. 특히, 이러한 실시예들은 개별 특징, 복수의 특징, 또는 본 도면에 도시된 모든 특징들을 포함할 수 있다. 본 발명의 기본 원리를 추가로 설명하기 위해 2개 실시예들이 도면에 도시되고 하기에 설명된다.

도 1은 배기가스 터보 차저의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 폐쇄 상태에 있는 제1 실시예의 바이패스 밸브를 도시한 부분도이다.
도 3은 개방 상태에 있는 제1 실시예의 바이패스 밸브를 도시한 부분도이다.
도 4는 폐쇄 상태에 있는 제2 실시예의 바이패스 밸브를 갖는 배기가스 터보 차저의 배출 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 폐쇄 상태에 있는 제2 실시예의 바이패스 밸브를 도시한 부분도이다.
도 6은 부분 개방 상태에 있는 제2 실시예의 바이패스 밸브를 도시한 부분도이다.
도 7은 완전 개방 상태에 있는 제2 실시예의 바이패스 밸브를 도시한 부분도이다.
도 8은 배기가스 터보 차저의 바이패스 밸브의 확대 부분도와 함께 배기가스 터보 차저의 추가 변형예를 도시한 부분도이다.

도 1에는 내연 기관(3)의 배기가스 터보 차저(1)가 도시되어 있다. 배기가스 터보 차저(1)는 과급 공기 측에 압축기(9)를 갖고 배기가스 측에 터빈(5)을 갖는다. 배기가스 터보 차저(1)의 하우징(13) 내에는 터빈(5)을 바이패스하기 위해 바이패스 덕트(4)가 제공된다. 바이패스 덕트(4)는 배기가스 압력 라인(10)을 터빈(5)의 배출 단면(6)과 연결시킨다. 바이패스 덕트(4) 내에는 바이패스 덕트(4)를 폐쇄하기 위한 바이패스 밸브(2)가 배치된다. 도시된 실시예에서 바이패스 덕트(4)는 바이패스 밸브(2) 및 배기가스 압력 라인(10)에 의해 경계가 형성된 섹션을 갖고, 이러한 섹션은 배기가스 압력 라인(10)의 분기부로도 불릴 수 있다. 보상 라인(8)은 바이패스 밸브(2)의 영역 내의 리세스와 배출 단면(6)을 연결하므로, 리세스 내에는 항상 배출 단면(6) 내에서와 동일한 압력이 존재한다.

도 2 및 도 3에는 바이패스 밸브(2)의 확대 부분도가 도시되어 있다. 바이패스 덕트(4) 내에 배치된 바이패스 밸브(2)는 밸브 헤드(12) 및 압력판(14)으로 구성되고, 이 둘은 밸브 스템(15)과 연결되어 공통적으로 밸브 스템(15)에 의해 이동 가능하다. 배기가스 터보 차저의 하우징(13) 내에는 리세스(11)가 제공되고, 이러한 리세스 내에 압력판(14)이 이동 가능하게 배치된다. 압력판(14)은 리세스(11)를 바이패스 덕트(4)에 대해 가스 흐름과 압력이 새지 않도록 폐쇄하는 하나 이상의 밀봉 부재(17)를 갖는다. 바이패스 밸브(2)는 밸브 스템(15)에 의해 슬라이딩 안내부(16) 내에서 축방향으로 이동 가능하게 유지된다. 또한, 슬라이딩 안내부(16)는 주변 환경으로부터 리세스(11)를 밀봉하는데 사용된다. 바이패스 밸브(2)에서, 밸브 스템(15)과 연결된 밸브 헤드(12) 측은 도 1에 도시된 배기가스 압력 라인을 향한다. 바이패스 밸브(2)는 제어 수단(7)에 의해 이동한다. 리세스(11)는 보상 라인(8)을 통해 배출 단면(6)과 연결된다.

도 2에는 폐쇄 상태에 있는 바이패스 밸브(2)가 도시되어 있다. 이 경우, 밸브 헤드(12)는 밸브 시트(18)에 접한다. 밸브 스템(15)과 연결된 제어 수단(7)은 이와 같이 바이패스 덕트(4)를 가스와 압력이 새지 않도록 폐쇄하기 위한 폐쇄 압력을 형성한다.

도 3에는 개방 상태에 있는 바이패스 밸브(2)가 도시되어 있다. 밸브 헤드(12)는 밸브 시트(18)에 대해 간격을 갖고, 이러한 간격은 환형 간극으로서 형성된다. 압력판(14)은 리세스(11) 내에서 동일한 밸브 양정 높이만큼 이동하였다.

도 4, 도 5, 도 6, 및 도 7에는 선행하는 도면들에서 설명된 바이패스 밸브(2)의 제2 실시예가 도시되어 있다. 이러한 실시예에서 밸브 시트(18)에는 마스킹부(19)가 배치된다. 마스킹부(19)는 브릿지형 돌출부로서 형성되며, 이러한 돌출부는 밸브 시트(18)를 따라 배출 단면(6)의 방향으로 인접 주변부에 대해 상승되어 있다. 이로 인해, 바이패스 밸브(2)의 요구에 따른 개방 양정에 이르기까지 밸브 헤드(12)와 밸브 시트(18) 사이의 개방 간극의 면적은 마스킹부(19)의 연장에 상응하게 제한된다. 이러한 마스킹부(19)를 통해, 작은 개방 양정시 바이패스 밸브(2)를 통한 배기가스 흐름은, 밸브 시트(18)의 전체 원형 단면을 통해 흘러나가는 것이 방지될 수 있다.

도 4에는 배기가스 터보 차저의 배출 단면(6)이 개략적으로 도시되어 있다. 바이패스 밸브로부터는 배출 단면(6)을 향한 밸브 헤드(12) 측과, 보상 라인(8)과, 밸브 시트(18)와, 밸브 시트(18)에 배치된 마스킹부(19)와, 터빈의 배출 흐름 개구(20)가 나타난다.

도 5에는 폐쇄 상태에 있는 바이패스 밸브가 도시되어 있다. 이 경우, 밸브 헤드(12)는 밸브 시트(18)에 접한다. 마스킹부(19)는 바이패스 밸브(2)의 이러한 상태에서 작용하지 않는다.

도 6에는 부분 개방 상태에 있는 바이패스 밸브가 도시되어 있다. 밸브 헤드(12)는 밸브 시트(18)에 대해 간격을 갖는다. 이러한 간격을 통해 간극이 형성되지만, 이러한 간극은 마스킹부(19)에 의해 경계가 형성된다. 마스킹부(19)의 영역에서 밸브 헤드(12)는 밸브 시트(18)에 대해 간격을 갖기는 하지만, 밸브 헤드(12)가 마스킹부(19)에 접하므로 이 경우 국부적으로 간극이 형성되지 않는다.

도 7에는 완전 개방 상태에 있는 바이패스 밸브가 도시되어 있다. 밸브 헤드(12)는 밸브 시트(18) 뿐만 아니라 마스킹부(19)에 대해서도 간격을 갖는다. 밸브 헤드(12)와, 밸브 시트(18) 또는 마스킹부(19) 사이의 간격은 밸브 헤드(12)의 전체 둘레에 걸쳐 형성된다.

도 8에는 마스킹부(19)가 하우징(13)의 표면(21)의 바람직한 입체 형상부를 통해 형성되는 배기가스 터보 차저의 추가 실시예가 도시되어 있다.

Claims

바이패스 밸브(2)를 갖도록 형성되는 배기가스 터보 차저(1)이며, 상기 바이패스 밸브는 배기가스 터보 차저(1)의 터빈(5)의 배출 단면(6)과 배기가스 압력 라인(10) 사이에서, 터빈(5)의 바이패스 덕트(4) 내에 제공되고, 바이패스 덕트(4)를 통한 배기가스 유량을 제어하기 위한 제어 수단(7)과 연결되며, 바이패스 밸브(2)를 통해 배기가스의 부분 흐름이 터빈(5)을 거치지 않을 수 있으며, 바이패스 밸브(2)는 밸브 헤드(12) 및 밸브 스템(15)을 갖고, 바이패스 밸브(2)는 밸브 스템(15)에 의해 축방향으로 이동 가능하게 유지되며, 바이패스 덕트(4)를 가스와 압력이 새지 않도록 폐쇄하기 위해 밸브 헤드(12)는 바이패스 밸브(2)의 폐쇄 상태에서 밸브 시트(18)에 대해 인가 가능하며, 밸브 스템(15)과 연결된 밸브 헤드(12) 측은 배기가스 압력 라인(10)을 향하는, 배기가스 터보 차저(1)에 있어서,
바이패스 밸브(2)에는 배기가스 터보 차저(1)의 하우징(13)의 리세스(11) 내에서 이동 가능한 압력판(14)이 형성되는 것을 특징으로 하는, 배기가스 터보 차저(1).
삭제
제1항에 있어서, 가스에 노출되는 압력판(14) 측의 면적은 가스에 노출되는 밸브 헤드(12) 측의 면적 이하인 것을 특징으로 하는, 배기가스 터보 차저(1).
제1항에 있어서, 압력판(14)은 밸브 스템(15)에서 수용되는 것을 특징으로 하는, 배기가스 터보 차저(1).
제1항에 있어서, 밸브 스템(15)은 슬라이딩 안내부(16) 내에서 축방향으로 이동 가능하게 유지되는 것을 특징으로 하는, 배기가스 터보 차저(1).
제1항에 있어서, 제어 수단(7)은 전기식과 공압식 중 어느 한 방식 또는 이 두 가지 방식 모두로 작동 가능한 것을 특징으로 하는, 배기가스 터보 차저(1).
제1항에 있어서, 리세스(11)는 압력판(14)의 밀봉 부재(17)에 의해 바이패스 덕트(4)에 대해 가스 흐름이 새지 않도록 폐쇄되는 것을 특징으로 하는, 배기가스 터보 차저(1).
제1항에 있어서, 리세스(11)는 보상 라인(8)을 통해 터빈(5)의 배출 단면(6)과 연결되는 것을 특징으로 하는, 배기가스 터보 차저(1).
제8항에 있어서, 보상 라인(8)은 배기가스 터보 차저(1)의 하우징(13) 내에 형성되는 것을 특징으로 하는, 배기가스 터보 차저(1).
제1항에 있어서, 밸브 시트(18)에는 마스킹부(19)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 배기가스 터보 차저(1).
제1항에 있어서, 상기 배기가스 터보 차저(1)는 내연 기관(3)용 배기가스 터보 차저(1)인 것을 특징으로 하는, 배기가스 터보 차저(1).