KR101446946B1

KR101446946B1 - 전자식 터보차져 액츄에이터

Info

Publication number: KR101446946B1
Application number: KR1020130071662A
Authority: KR
Inventors: 이한구
Original assignee: 주식회사 인팩
Priority date: 2013-06-21
Filing date: 2013-06-21
Publication date: 2014-10-06

Abstract

본 발명은 전자식 터보차져 액츄에이터에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시 예에 의하면, 하우징, 상기 하우징의 내부 일측에 설치되는 구동모터, 상기 구동모터의 모터축 단부에 구비되는 피니언 기어 및 상기 피니언 기어와 직교하는 링 기어로 이루어지는 베벨 기어, 상기 링 기어의 중앙을 관통하도록 나사 결합되는 리드 스크류, 상기 리드 스크류의 하부에 탄성 지지되는 마그넷 바 조립체, 상기 마그넷 바 조립체를 감싸도록 상기 하우징의 하부에 결합되는 마그넷 하우징 및 상기 마그넷 하우징의 일측에 설치되는 홀 센서를 포함하며, 상기 링 기어의 하부에 유격 보상용 플레이트가 설치되어, 상기 구동모터의 작동에 의해 상기 리드 스크류가 상하이동 하는 것을 특징으로 하는 전자식 터보차져 액츄에이터가 제공된다.

Description

전자식 터보차져 액츄에이터 {ELECTRONIC TYPE TURBO CHARGER ACTUATOR}

본 발명은 전자식 터보차져 액츄에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마그넷 바의 위치 변화에 따른 자속밀도를 측정하여, 구동모터의 작동을 정밀 제어할 수 있는 전자식 터보차져 액츄에이터에 관한 것이다.

터보차져는 내연기관에서 발생되는 배기가스를 이용하여 엔진의 성능을 향상시키기 위한 과급기로써, 강제로 압축한 공기를 연소실로 보내 더 많은 연료가 연소될 수 있도록 하여 엔진의 출력을 높이는 장치이다.

즉, 상기 터보차져는 일종의 송풍기이며, 첨부한 도 1에 도시한 바와 같이, 배기가스의 압력에 의해 회전되는 터빈(11)과, 상기 터빈(11)과 저널(13)로 연결되어 상기 터빈(11)과 일체로 회전됨으로써 흡입공기를 압축하는 컴프레서(12)와, 상기 터빈(11)과 상기 컴프레서(12) 및 상기 저널(13)을 보호하는 터보차져 하우징(14)으로 구성되어 있다.

상기 터보차져(10)는 배기 매니폴드(21)를 통해 흐르는 배기가스의 유동 압력으로 상기 터빈(11) 및 상기 컴프레서(12)를 회전시키고, 흡입공기를 압축한 후, 가압공기를 흡기 매니폴드(22)를 통해 실린더(20)에 공급하게 된다.

즉, 상기 배기 매니폴드(21)를 통해 흐르는 배기가스는 터보차져 하우징(14)으로 들어가 상기 터빈(11)을 회전시킨 후 배기파이프로 빠져나가게 된다.

상기 터빈(11)이 회전되면 상기 저널(13)에 의해 상기 터빈(11)과 일체로 형성된 상기 컴프레서(12)가 회전되고, 상기 컴프레서(12)가 회전되면 흡입공기가 압축되어 상기 흡기 매니폴드(22)를 통해 상기 실린더(20)에 전해진다.

그러나 상기 터보차져(10)는 엔진의 저속에서도 일정량의 공기가 연소실에 공급되어야 하나, 배기가스의 배출량이 상대적으로 줄어들면서 상기 터빈(11) 및 상기 컴프레서(12)를 충분히 회전시키지 못하는 단점이 있다.

이와 같은 단점을 해결하기 위해, 상기 터보차져(10)의 효율을 높일 수 있도록 상기 터빈(11) 출구 쪽의 단면적을 줄여서 엔진의 저속 영역에서도 충분한 회전력이 얻어지도록 하고, 또한 고속 영역에서 상기 터보차져(10)의 내구성 문제를 해결하기 위해 웨이스트 게이트(32)를 설치한다.

상기 웨이스트 게이트(32)는 엔진의 고속 영역에서 상기 터보차져(10)의 과도한 과급을 막기 위해 설치되는 것으로서, 다이어프램(30) 및 로드(31)의 이동으로 상기 터빈(11) 입구에서 분기된 바이패스 통로(23) 입구를 상기 웨이스트 게이트(32)가 개방하여 배기가스압력을 줄이게 된다.

이때, 상기 터빈(11)의 회전속도가 저감되고 동시에 상기 컴프레서(12)의 회전속도도 저감되어 공기의 공급은 일정량 이하로 줄어들게 된다.

공기의 유입량을 감소시키기 위해서는 저속 영역에서도 상기 터빈(11)의 회전속도를 일정 정도 저감시켜 상기 컴프레서(12)의 회전속도를 저감시켜야 한다.

그러나, 종래의 상기 웨이스트 게이트(32) 작동구조에서는 상기 컴프레서(12) 출구 쪽의 흡기 매니폴드(22) 압력에 따라 상기 웨이스트 게이트(32)의 개도량이 결정되는데, 상기 개도량에 따라 상기 터빈(11)의 회전속도를 일정 정도 저감할 수 없고 따라서, 공기의 과도한 유입을 최적 상태로 감소시킬 수 없는 문제점이 있다.

상기 문제점을 해결하기 위해, 최근에는 엔진 상태를 입력 받은 전자제어 유니트 즉, ECU가 게이트 작동수단을 통해 웨이스트 게이트의 개도량을 능동적으로 조절하여, 엔진의 회전수 및 부하에 따른 터보차져에 의한 공기 유입량을 최적 상태로 유지하는 방식을 사용하고 있다.

이러한 전자제어 유니트를 이용한 터보차져 웨이스트 게이트와 관련하여 한국특허공보 제10-2011-0076832호(특허문헌1), 한국특허공보 제10-2003-0028029호(특허문헌 2)가 개시되어 있다.

상기 특허문헌 1은 차량용 터보차져 웨이스트 게이트 밸브 액츄에이터에 관한 것으로, 하우징부, 복수개의 기어로 구성된 기어부, 상기 기어부에서 치형이 형성되지 않는 부분에서 자석이 배치되어 상기 하우징 내부에서 홀 센서를 통해 자속밀도를 측정하는 센서부, 상기 기어부와 연결되어 상기 기어부의 동작에 따라 움직이는 연결부, 상기 연결부와 연결되어 있는 웨이스트 게이트 밸브를 포함한다. 배기압에 대한 변동에 상관없이 안정적으로 구동력을 웨이스트 게이트 밸브와 연결된 연결부재에 전달하여 상기 웨이스트 게이트 밸브의 개폐상태를 용이하게 유지시킬 수 있는 장점이 있으나, 많은 부품수로 인해 제조공정 시간이 길어지는 단점이 있다.

상기 특허문헌 2는 배기가스의 배출압력을 이용하여 흡입공기를 가압하는 터보차져가 장착되는 디젤엔진의 최고 출력구간에서 인터쿨러의 저항에 의해 과급압력이 떨어지는 것을 보상하기 위한 디젤엔진의 흡입공기 과급장치 및 제어방법에 관한 것으로, 인터쿨러, 서지탱크, 흡배기 매니폴드, 제1압력측정기, 제2압력측정기, 제3압력측정기, 부압 라인, 솔레노이드 밸브, ECU를 포함한다. 최고출력구간에서 흡입공기의 압력보상으로 인한 출력향상 및 연비향상이란 장점이 있으나, 솔레노이드 밸브로부터 액츄에이터에 공급되는 공기압이 오차를 가지고 작동되기 때문에 정확하게 지정된 값으로 웨이스트 게이트가 개폐 되었는지 확인할 수 없는 단점이 있다.

한국공개특허공보 제10-2011-0076832호 (2011.07.06 공개) 한국공개특허공보 제10-2003-0028029호 (2003.04.08 공개)

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 일 실시 예는 간단한 구조로서 제조시간과 비용 절감의 효과가 있고, 높은 정밀도 제어와 고출력 확보가 가능한 전자식 터보차져 액츄에이터의 제공을 목적으로 한다.

본 발명의 바람직한 일 실시 예에 의하면, 전자식 터보차져 액츄에이터에 있어서, 하우징과 상기 하우징의 내부 일측에 설치되는 구동모터, 상기 구동모터의 모터축 단부에 구비되는 피니언 기어 및 상기 피니언 기어와 직교하는 링 기어로 이루어지는 베벨 기어, 상기 링 기어의 중앙부를 관통하도록 나사 결합되는 리드 스크류, 상기 리드 스크류의 하부에 탄성 지지되는 마그넷 바 조립체, 상기 마그넷 바 조립체를 감싸도록 상기 하우징의 하부에 결합되는 마그넷 하우징, 상기 마그넷 하우징의 일측에 설치되는 홀 센서를 포함하며, 상기 링 기어의 하부에 유격 보상용 플레이트가 설치된다.

삭제

이때, 상기 리드 스크류는 상기 하우징의 상부에 형성되는 다각형 형태의 회전 방지 홈을 관통하여 상부로 연장되며, 상기 리드 스크류의 외주 면이 상기 회전방지 홈에 걸려서 회전이 방지된다.

또한, 상기 마그넷 바 조립체는 상기 리드 스크류의 하부에 탄성 지지되는 승강부재와, 상기 승강부재 내에 수용되는 마그넷 바를 포함한다.

이때, 상기 마그넷 바의 상단에 비자성 스프링이 개재된다.

또한, 상기 비자성 스프링의 상단이 상기 승강부재의 일측에 고정되고, 하단이 상기 마그넷 하우징 내부의 단턱에 지지된다.

한편, 상기 마그넷 바 조립체의 외주면 일측에 길이방향으로 가이드 홈이 형성되고, 상기 마그넷 하우징의 일측에 상기 가이드 홈에 대응 결합되는 가이드 돌기가 돌출 형성된다.

아울러, 상기 홀 센서는 상기 리드 스크류의 상하이동으로 인해 발생하는 상기 마그넷 바 조립체의 위치변화에 따른 자속밀도를 측정하여, 상기 구동모터의 작동을 제어한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 전자식 터보차져 액츄에이터에 의하면, 모터의 회전축에 구비되는 피니언 기어가 링 기어와 치합하고, 링 기어를 관통하여 리드 스크류가 나사 결합되므로, 피니언 기어와 링 기어 및 리드 스크류의 기어비를 조절함으로써 고출력을 확보할 수 있다.

또한, 리드 스크류 하단에 배치되는 마그넷 바의 상하이동을 홀 센서로 감지하고 이를 구동모터의 제어에 이용함으로써, 액츄에이터의 제어 정밀성이 향상되는 효과가 있다.

아울러, 리드 스크류가 링 기어에 나사 결합되어 있으므로, 구동모터에 전원이 인가되지 않는 상태에서도 리드 스크류의 잠금을 위한 별도의 잠금장치를 필요로 하지 않는다.

도 1은 종래의 터보차져용 웨이스트 게이트 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자식 터보차져 액츄에이터의 사시도.
도 3은 도 2의 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마그넷 바 조립체의 사시도.

이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

참고로, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자식 터보차져 액츄에이터의 사시도이고, 도 3은 도 2의 단면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마그넷 바 조립체의 사시도이다.

도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자식 터보차져 액츄에이터는 하우징(100), 하우징(100)의 내부 일측에 설치되는 구동모터(200), 구동모터의 모터축(210) 단부에 구비되는 피니언 기어(310) 및 피니언 기어(310)와 직교하는 링 기어(320)로 이루어지는 베벨 기어(300), 링 기어(320)의 중앙부를 관통하도록 나사 결합되는 리드 스크류(400), 리드 스크류(400)의 하부에 탄성 지지되는 마그넷 바 조립체(500), 마그넷 바 조립체(500)를 감싸도록 하우징(100)의 하부에 결합되는 마그넷 하우징(600), 마그넷 하우징(600)의 일측에 설치되는 홀 센서(700)를 포함한다.

여기서, 하우징(100)은 구동모터(200), 구동모터(200)의 모터축(210)에 구비되는 피니언 기어(310), 피니언 기어(310)와 직교하는 링 기어(320), 링 기어(320)에 나사 결합되는 리드 스크류(400)를 내부에 수용한다.

구동모터(200)는 모터축(210)과, 모터축(210)을 감싸는 모터케이스(220)를 포함하며, 하우징(100)의 일측에 설치되는데 ECU(미도시)로부터 신호를 받아 작동하여 웨이스트 게이트 밸브(미도시)를 개폐한다.

베벨 기어(300)는 구동모터(200)의 모터축(210) 단부에 구비되는 피니언 기어(310)와 피니언 기어(310)와 직교형태로 설치되는 링 기어(320)를 포함한다.

링 기어(320)는 베어링(310)에 의해 회전 가능하게 지지되며, 피니언 기어(310)와 치합한다.

또한, 베어링(310)의 하단에는 유격방지용 플레이트(340)가 설치되어, 구동모터 작동시 리드 스크류(400)의 상하이동으로 인해 발생하는 링 기어(320)의 유격과 진동을 방지하는 역할을 한다.

리드 스크류(400)는 링 기어(320)의 중앙부를 관통하여 나사 결합되며, 하우징(100)의 상단에 형성되는 다각형 형태의 회전방지 홈(410)을 통해 상부로 연장된다.

이때, 리드 스크류(400)가 링 기어(320)의 중앙부에 나사 결합함으로써 종래 슬라이더와 커플러를 삭제할 수 있어 부품수가 감소되는 효과가 있다.

회전방지 홈(410)은 하우징(100)의 상부에 다각형 형태로 형성되며, 구동모터(200) 작동시 리드 스크류(400)의 외주면이 회전방지 홈(410)에 걸려서 회전이 구속된다. 이때, 리드 스크류(400)는 회전이 구속된 상태로 링 기어(320)의 회전에 따라 상하방향으로 슬라이드 이동하게 된다.

마그넷 바 조립체는(500)는 후술하는 마그넷 하우징(600)의 내부에 설치되는 것으로, 승강부재(510)와 마그넷 바(520)를 포함하고 마그넷 바 조립체(500)의 상부에 반구형으로 형성된 헤드부가 리드 스크류(400)의 하단을 지지하는 구조로 되어있으며, 구동모터(200) 작동시 리드 스크류(400)의 상하이동에 따라 리드 스크류(400)와 함께 상하이동을 하게 된다.

이때, 본 발명의 일 실시 예에서는 승강부재(510) 내부에 마그넷 바(520)를 수용하지만, 이와 달리 마그넷 바(520)를 승강부재(510) 내부에 수용하지 않고 승강부재(510) 자체를 마그넷 바로 제작하여 사용할 수 있다.

승강부재(510)의 외주면에는 길이방향으로 가이드 홈(530)이 길게 형성된다.

가이드 홈(530)은 후술하는 마그넷 하우징(600)의 가이드돌기(미도시)가 대응 결합하는 것으로, 마그넷 하우징(600)의 가이드돌기(미도시)가 승강부재(510)의 가이드 홈(530)에 결합함으로써, 마그넷 바 조립체(500)의 상하이동은 가능하나 회전은 방지된다.

이에 따라, 후술하는 홀 센서(700)로 마그넷 바 조립체(500)의 상하이동에 따른 마그넷 바(520)의 자속밀도를 검출할 때, 마그넷 바 조립체(500)의 회전에 의한 홀 센서(700)의 검출 오류를 방지할 수 있으며, 마그넷 바 조립체(500)의 위치변화에 따른 마그넷 바(520)의 자속밀도 변화를 정확하게 측정할 수 있다.

더욱 상세하게는 승강부재(510)의 상단부에 비자성 스프링(540)이 개재되는데, 이 비자성 스프링(540)은 플라스틱 계열로 제작되는 것이 바람직하다. 이때, 비자성 스프링(540)의 상단은 승강부재(510)의 상단 일측에 고정되고, 비자성 스프링(540)의 하단은 마그넷 하우징(600)의 내부에 형성되는 단턱(550)에 지지된다. 이에 따라, 마그넷 바 조립체(500)는 비자성 스프링(540)에 의해 리드 스크류(400)의 하단에 탄성 지지된다.

홀 센서(700)는 마그넷 하우징(600)의 일측에 마그넷 바 조립체(500)와 대향하도록 설치되며, 리드 스크류(400)의 상하이동시 승강부재(510) 내부에 수용된 마그넷 바(520)의 위치변화에 따른 자속밀도 변화를 측정한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 전자식 터보차져 액츄에이터는 다음과 같이 작동될 수 있다. 초기에 홀 센서(700)가 마그넷 바(520)의 자속밀도를 측정하여 ECU(미도시)에 전달한다. ECU(미도시)는 압력측정기(미도시)에서 측정된 압력값과 홀 센서(700)에서 측정된 자속밀도를 바탕으로 웨이스트 게이트 밸브 개폐여부를 결정한 후, 구동모터(200)에 신호를 전달하여 작동시킨다. ECU의 신호에 의해 구동모터(200) 작동시 구동모터(200)의 단부에 설치된 피니언 기어(310)를 통해 피니언 기어(310)과 직교하는 링 기어(320)로 동력이 전달되고, 링 기어(320)에 나사 결합된 리드 스크류(400)가 상하이동 하게 된다.

이때, 리드 스크류(400)의 상단에는 웨이스트 게이트와 연결된 연결링크가 결합되어 있으며, 리드 스크류(400)의 상하이동시 연결링크를 통해 작동력을 전달받은 웨이스트 게이트가 개폐되는 것이다.

한편, 리드 스크류(400) 하강시 마그넷 바 조립체(500)가 리드 스크류(400)에 밀려서 하강하며, 리드 스크류(400)가 상승할 때에는 비자성 스프링(540)의 탄성력에 의해 마그넷 바 조립체(500)도 상승한다.

이때, 홀 센서(700)는 마그넷 바 조립체(500)의 상하이동에 따른 자속밀도 변화를 검출하여 마그넷 바 조립체(500)의 상하이동을 측정하게 되며, 측정된 값은 ECU로 전달되어 구동모터(200)의 작동 제어를 위한 데이터로 이용된다.

100 : 하우징 200 : 구동모터
210 : 모터축 220 : 모터 케이스
300 : 베벨 기어 310 : 피니언 기어
320 : 링 기어 330 : 베어링
340 : 유격 보상용 플레이트 400 : 리드 스크류
410 : 회전방지 홈 500 : 마그넷 바 조립체
510 : 승강부재 520 : 마그넷 바
530 : 가이드 홈 540 : 비자성 스프링
550 : 단턱 600 : 마그넷 하우징
700 : 홀 센서

Claims

자동차 터보차져에 장착되는 액츄에이터에 있어서,
하우징;
상기 하우징의 내부 일측에 설치되는 구동모터;
상기 구동모터의 모터축 단부에 구비되는 피니언 기어 및 상기 피니언 기어와 직교하는 링 기어로 이루어지는 베벨 기어;
상기 링 기어의 중앙을 관통하도록 나사 결합되는 리드 스크류;
상기 리드 스크류의 하부에 탄성 지지되는 마그넷 바 조립체;
상기 마그넷 바 조립체를 감싸도록 상기 하우징의 하부에 결합되는 마그넷 하우징; 및
상기 마그넷 하우징의 일측에 설치되는 홀 센서를 포함하며,
상기 링 기어의 하부에 유격 보상용 플레이트가 설치되는 것을 특징으로 하는 전자식 터보차져 액츄에이터.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 리드 스크류는, 상기 하우징의 상부에 형성되는 다각형 형태의 회전방지 홈을 관통하여 상부로 연장되며, 상기 리드 스크류의 외주면이 상기 회전방지 홈에 걸려서 회전이 방지되는 것을 특징으로 하는 전자식 터보차져 액츄에이터.
청구항 1에 있어서,
상기 마그넷 바 조립체는 상기 리드 스크류의 하부에 탄성 지지되는 승강부재와, 상기 승강부재 내에 수용되는 마그넷 바를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식 터보차져 액츄에이터.
청구항 4에 있어서,
상기 승강부재의 상단에 비자성 스프링이 개재되는 것을 특징으로 하는 전자식 터보차져 액츄에이터.
청구항 5에 있어서,
상기 비자성 스프링의 상단이 상기 승강부재의 일측에 고정되고, 하단이 상기 마그넷 하우징 내부의 단턱에 지지되는 것을 특징으로 하는 전자식 터보차져 액츄에이터.
청구항 1에 있어서,
상기 마그넷 바 조립체의 외주면 일측에 길이방향으로 가이드 홈이 형성되고, 상기 마그넷 하우징의 일측에 상기 가이드 홈에 대응 결합되는 가이드 돌기가 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 전자식 터보차져 액츄에이터.
청구항 1에 있어서,
상기 홀 센서는 상기 리드 스크류의 상하이동으로 인해 발생하는 상기 마그넷 바 조립체의 위치변화에 따른 자석밀도를 측정하여, 상기 구동모터의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 전자식 터보차져 액츄에이터.