KR101628387B1 - 차량 엔진용 버터플라이 밸브 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량 엔진용 버터플라이 밸브 장치에 관한 것으로, 서로 다른 형상의 제1,2밸브판(22,23)을 구비한 플랩밸브(20)에 의해 저속 및 중속 구간에서의 스월(swirl)이 활발히 발생함으로써 연소효율의 향상 및 엔진의 출력성능의 향상을 도모할 수 있을 뿐만 아니라 배기가스를 저감시킬 수 있게 되고, 저속 구간에서는 부드러운 주행이 가능하게 되고, 중, 고속 구간에서는 가속성능 향상을 이룩할 수 있어서 운전성을 크게 향상시킬 수 있도록 된 것이다.

Description

차량 엔진용 버터플라이 밸브 장치{Butterfly valve device for vehicle engines}

본 발명은 차량 엔진용 버터플라이 밸브 장치에 관한 것으로, 연비향상과 배기가스 저감 및 운전성 향상을 도모할 수 있는 차량 엔진용 버터플라이 밸브 장치에 관한 기술이다.

일반적으로, 밸브축을 중심으로 플랩밸브를 회전시킴으로써 개폐동작을 하는 버터플라이 밸브 장치는 가솔린 직접 분사 엔진에서 흡기매니폴드의 출구측 흡기포트에 설치되는 가변 차지 모션 밸브(Variable Charge Motion Valve) 장치, 그리고 스로틀 바디에 설치되는 스로틀 밸브(Throttle Valve) 장치 등이 있다.

상기 버터플라이 밸브 장치는 도 1에 도식된 바와 같이 밸브축(1)과, 상기 밸브축(1)에 일체로 결합되어서 상기 밸브축(1)과 함께 회전하는 플랩밸브(2)를 포함한 구성이다.

여기서, 상기 플랩밸브(2)는 상기 밸브축(1)이 관통하는 가운데의 몸통부(2a)와, 상기 몸통부(2a)를 중심으로 180도(°) 간격으로 배치되도록 상기 몸통부(2a)와 일체로 형성된 반원모양의 얇은 판인 제1밸브판(2b) 및 제2밸브판(2c)을 구비한 형상이다.

한편, 상기 버터플라이 밸브 장치가 가변 차지 모션 밸브 장치로 사용될 경우 상기 밸브축(1)은 흡기매니폴드의 출구측 흡기포트를 일직선의 형태로 가로질러 설치되고, 상기 플랩밸브(2)는 상기 흡기포트마다 한 개씩 배치되도록 설치되며, 상기 밸브축(1)은 밸브모터로부터 동력을 전달받아 축 회전할 수 있도록 구성되고, 상기 밸브모터는 엔진제어유니트(ECU)로부터의 제어신호에 의해 구동하도록 구성된다.

여기서, 상기 가변 차지 모션 밸브 장치는 흡기 유동을 스월 타입으로 연소실에 공급하기 위한 스월 컨트롤 밸브(Swirl Control Valve; SCV), 텀블 타입으로 공급하기 위한 텀블 컨트롤 밸브(Tumble Control Valve; TCV)를 통칭하는 명칭으로, 연소효율의 향상을 도모함으로써 배기가스(HC)의 발생을 최소화시킬 수 있도록 분사가스의 완전연소를 이룩하기 위한 밸브이다.

그리고, 스로틀 밸브 장치로 사용될 경우 상기 밸브축(1)은 링키지나 와이어를 매개로 엑셀페달과 연결된 구성으로, 상기 엑셀페달의 밟는 양에 따라 상기 플랩밸브(2)의 개도량이 결정되는 구성으로 되어 있다.

그런데, 상기와 같이 두께가 동일한 제1,2밸브판(2b,2c)을 구비한 상기 플랩밸브(2)를 가변 차지 모션 밸브 장치에서 사용하게 되면, 저속 및 중속 구간에서의 스월(swirl) 발생이 미비하여 연소효율의 향상 및 배기가스의 저감 효과를 기대할 수 없는 단점이 있다.

즉, 도 2는 플랩밸브(2)의 개도에 따른 스월 계수(swirl coefficient)의 변화를 보여주기 위한 그래프 선도인 바, 도시된 바와 같이 플랩밸브(2)가 포트를 완전히 개방시킨 상태인 0도(°) 상태에서 40도(°) 상태까지는 스월 발생이 미비한 관계로 인해 스월 계수도 거의 변화가 없는 상태임을 알 수 있다.

따라서, 제1,2밸브판(2b,2c)의 두께가 동일한 종래의 플랩밸브(2)를 가변 차지 모션 밸브 장치에서 사용할 경우, 저속 및 중속 구간(플랩밸브(2)의 개도 각이 0도 에서 40도인 상태)에서는 스월 발생이 미비하여 스월 계수도 거의 변화가 없는 바, 이에 따라 연소효율의 향상 및 배기가스의 저감 효과를 기대할 수 없는 단점이 있었던 것이다.

또한, 상기와 같은 종래의 플랩밸브(2)를 스로틀 밸브 장치에서 사용하게 되면, 저속 구간에서의 부드러운 주행 및 중, 고속 구간에서의 가속성능 향상 등 운전성 향상을 도모할 수 없는 단점도 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 포트(통로)속에 설치된 플랩밸브의 개도 변화에 따라 스월 계수의 변화가 선형적으로 변화할 수 있도록 함으로써, 저속 및 중속 구간에서의 연소효율의 향상과 배기가스의 저감 효과를 도모할 수 있도록 하고, 동시에 저속 구간에서의 부드러운 주행 및 중, 고속 구간에서의 가속성능 향상 등 운전성능 향상에도 크게 기여할 수 있도록 하는 차량 엔진용 버터플라이 밸브 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시에는, 밸브축이 관통하는 가운데의 몸통부와, 상기 몸통부를 사이에 두고 서로 반대방향을 향하도록 상기 몸통부와 일체로 형성된 제1밸브판 및 제2밸브판을 구비한 플랩밸브를 포함하는 차량 엔진용 버터플라이 밸브 장치에 있어서, 상기 제1밸브판은 단면의 두께가 전체적으로 동일하게 형성되고; 상기 제2밸브판은 상기 몸통부와 연결된 일단에서부터 타단에 이르기까지 단면의 두께가 점차적으로 증가하는 부채꼴 모양으로 형성된 것을 특징한다.

여기서, 상기 몸통부와 연결된 상기 제2밸브판의 일단 단면 두께는 상기 제1밸브판의 단면 두께와 동일하게 형성된다.

그리고, 상기 제1밸브판의 단면 두께와 상기 제2밸브판의 단면 두께를 동시에 양분하면서 상기 몸통부의 중심을 통과하는 수직 중심선(C1)에 대해 상기 제2밸브판의 일측면 사이각(θ1)과 타측면 사이각(θ2)은 동일 각도로 형성되고; 상기 사이각(θ1,θ2)의 총 합은 5도(°) 내지 40도(°) 이내인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 플랩밸브가 공기 또는 혼합기가 통과하는 포트(통로)속에 설치될 때 상기 제2밸브판이 공기 또는 혼합기가 통과하는 방향을 따라 회전하면서 상기 포트(통로)를 개방시킬 수 있도록 설치된다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예는, 밸브축이 관통하는 가운데의 몸통부와, 상기 몸통부를 사이에 두고 서로 반대방향을 향하도록 상기 몸통부와 일체로 형성된 제1밸브판 및 제2밸브판을 구비한 플랩밸브를 포함하는 차량 엔진용 버터플라이 밸브 장치에 있어서, 상기 제1밸브판과 상기 제2밸브판은 상기 제1밸브판의 바깥 테두리에서 상기 제2밸브판의 바깥 테두리에 이르기까지 단면의 두께가 점차적으로 증가하는 모양으로 형성되면서; 상기 제2밸브판은 상기 몸통부와 연결된 일단에서부터 바깥 테두리인 타단까지의 단면 형상이 부채꼴 모양으로 형성된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 몸통부가 원형으로 표현되게 상기 플랩밸브를 수직하게 절단한 단면상태에서 상기 몸통부의 중심을 통과하는 수직 중심선(C2)에 대해 상기 제1,2밸브판의 일측면 사이각(θ3)과 타측면 사이각(θ4)은 동일 각도로 형성되고; 상기 사이각(θ3,θ4)의 총 합은 5도(°) 내지 40도(°) 이내인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 플랩밸브가 공기 또는 혼합기가 통과하는 포트(통로)속에 설치될 때 상기 제2밸브판이 공기 또는 혼합기가 통과하는 방향을 따라 회전하면서 상기 포트를 개방시킬 수 있도록 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 버터플라이 밸브 장치에 의하면, 서로 다른 형상의 제1,2밸브판을 구비한 플랩밸브에 의해 저속 및 중속 구간에서의 스월(swirl)이 활발히 발생함으로써 연소효율의 향상 및 엔진의 출력성능의 향상을 도모할 수 있을 뿐만 아니라 배기가스를 저감시킬 수 있게 되고, 저속 구간에서는 부드러운 주행이 가능하게 되고, 중, 고속 구간에서는 가속성능 향상을 이룩할 수 있어서 운전성 향상에 큰 도움이 되는 효과가 있다.

도 1은 종래의 버터플라이 밸브 장치를 설명하기 위한 도면,
도 2는 종래의 밸브 장치를 사용하였을 때 플랩밸브의 개도에 따른 스월 계수의 변화를 보여주기 위한 그래프 선도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 버터플라이 밸브 장치를 설명하기 위한 도면,
도 4는 도 3의 밸브 장치가 포트(통로)에 설치된 상태의 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 버터플라이 밸브 장치를 사용하였을 때 플랩밸브의 개도에 따른 스월 계수의 변화를 보여주기 위한 그래프 선도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 버터플라이 밸브 장치가 포트(통로)에 설치된 상태의 단면도이다.

이하 본 발명의 실시예에 대해 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따라 가변 차지 모션 밸브 장치 또는 스로틀 밸브 장치 등의 구성품으로서 사용되는 버터플라이 밸브 장치는 도 3에 도식된 바와 같이 밸브축(10)과, 상기 밸브축(10)에 일체로 결합되어서 상기 밸브축(10)과 함께 회전하는 플랩밸브(20)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 플랩밸브(20)는 상기 밸브축(10)이 관통하는 가운데의 몸통부(21)와, 상기 몸통부(21)를 사이에 두고 서로 반대방향을 향하도록 상기 몸통부(21)와 일체로 형성된 제1밸브판(22) 및 제2밸브판(23)을 구비한 형상이다.

상기 버터플라이 밸브 장치가 가변 차지 모션 밸브 장치로 사용될 경우 상기 밸브축(10)은 흡기매니폴드의 출구측 흡기포트를 일직선의 형태로 가로질러 설치되고, 상기 플랩밸브(20)는 상기 흡기포트마다 한 개씩 배치되도록 설치되며, 상기 밸브축(10)은 밸브모터로부터 동력을 전달받아 축 회전할 수 있도록 구성되고, 상기 밸브모터는 엔진제어유니트(ECU)로부터의 제어신호에 의해 구동하도록 구성된다.

여기서, 상기 가변 차지 모션 밸브 장치는 흡기 유동을 스월 타입으로 연소실에 공급하기 위한 스월 컨트롤 밸브(Swirl Control Valve; SCV), 텀블 타입으로 공급하기 위한 텀블 컨트롤 밸브(Tumble Control Valve; TCV)를 통칭하는 명칭이다.

그리고, 스로틀 밸브 장치로 사용될 경우 상기 밸브축(10)은 링키지나 와이어를 매개로 엑셀페달과 연결된 구성으로, 상기 엑셀페달의 밟는 양에 따라 상기 플랩밸브(20)의 개도량이 결정된다.

한편, 상기 몸통부(21)가 원형으로 표현되도록 상기 플랩밸브(20)를 도 4와 같이 수직하게 절단하였을 때 본 발명 일 실시예에 따른 상기 플랩밸브(20)는, 상기 제1밸브판(22)은 단면의 두께가 전체적으로 동일하게 형성되고, 상기 제2밸브판(23)은 상기 몸통부(21)와 연결된 일단에서부터 바깥 테두리인 타단에 이르기까지 단면의 두께가 점차적으로 증가하는 부채꼴 모양으로 형성된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 몸통부(21)와 연결된 상기 제2밸브판(23)의 일단의 단면 두께는 상기 제1밸브판(22)의 단면 두께와 동일하게 형성된 구조이다.

그리고, 상기 제1밸브판(22)의 단면 두께와 상기 제2밸브판(23)의 단면 두께를 동시에 양분하면서 상기 몸통부(21)의 중심을 통과하는 수직 중심선(C1)에 대해 상기 제2밸브판(23)의 일측면(23a) 사이각(θ1)과 타측면(23b) 사이각(θ2)은 서로 동일 각도로 형성되는 바, 상기 사이각(θ1,θ2)의 총 합은 5도(°) 내지 40도(°) 이내인 것을 특징으로 한다.

만약, 상기 사이각(θ1,θ2)의 총 합이 5도(°)보다 작거나 또는 40도(°)보다 크게 형성되면, 플랩밸브(20)의 개도에 따른 포트(31)의 개구 단면적이 저속 및 중속 구간에서 도 1을 참조로 설명한 종래의 플랩밸브(2)와 동일한 상태가 되며, 이로 인해 저속 및 중속 구간에서의 스월 발생이 미비하게 발생하기 때문에, 상기 사이각(θ1,θ2)의 총 합이 5도(°) 내지 40도(°) 이내로 형성되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 플랩밸브(20)가 도 4와 같이 공기 또는 혼합기가 통과하는 포트(31;통로)속에 설치될 때에는 상기 제2밸브판(23)이 공기 또는 혼합기가 통과하는 방향(화살표 M1의 방향)을 따라 상기 밸브축(10)과 함께 회전하면서 상기 포트(31)를 개방시킬 수 있도록 설치된다.

만약, 상기 제2밸브판(23)이 공기 또는 혼합기가 통과하는 방향(화살표 M1의 방향)과 마주 대하는 방향으로 회전하게 설치되면, 연소실로 유입되는 공기 또는 혼합기의 흡입 저항이 발생하게 되며, 이럴 경우 엔진의 출력 성능을 감소시키게 되므로, 이러한 설치구조는 바람직하지 않다.

상기와 같은 본 발명의 실시예에 따라 플랩밸브(20)의 제2밸브판(23)이 제1밸브판(22)보다 큰 두께(혹은 단면적)를 갖도록 형성되면, 저속 및 중속 구간에서의 스월(swirl)이 활발히 발생하므로, 결국 연소효율의 향상을 통해 엔진의 출력성능을 향상시킬 수 있게 되고, 이와 동시에 배기가스의 저감 효과를 도모할 수 있는 장점이 있게 된다.

이에 대한 실험 결과는 도 5에 도시된 그래프를 통해서 알 수 있는 바, 도 5는 본 발명 플랩밸브(20)의 개도에 따른 스월 계수(swirl coefficient)의 변화를 보여주기 위한 그래프 선도로서, 도시된 바와 같이 플랩밸브(20)가 포트를 완전히 개방시킨 상태인 0도(°) 상태에서 완전히 밀폐시킨 상태인 90도(°) 상태가 될 때까지 스월 발생이 선형적으로 증가하는 형태임을 알 수 있다.

즉, 제1,2밸브판의 형상이 동일한 종래의 플랩밸브를 사용하였을 때에는 저속 및 중속 구간(플랩밸브의 개도 각이 0도 에서 40도인 상태)에서 스월 발생이 미비하여 스월 계수도 거의 변화가 없었으며, 이로 인해 연소효율의 향상과 엔진의 출력성능을 향상 및 배기가스의 저감 효과를 기대할 수 없었다.

하지만, 형상이 다른 제1,2밸브판(22,23)을 구비한 본 발명의 플랩밸브(20)를 사용하게 되면, 저속 및 중속 구간 뿐만 아니라 고속 구간까지 스월 발생이 선형적으로 증가하게 되는 바, 이에 따라 연소효율의 향상을 통해 엔진의 출력성능을 향상시킬 수 있게 되고, 이와 동시에 배기가스의 저감 효과를 도모할 수 있게 되는 것이다.

또한, 상기와 같은 본 발명의 플랩밸브(20)를 스로틀 밸브 장치에서 사용하게 되면, 저속 구간에서 고속 구간까지 전체적인 구간에서 스월 발생이 선형적으로 증가하는 특성에 의해 연소효율이 높아지게 됨으로써, 저속 구간에서는 부드러운 주행이 가능하게 되고, 중, 고속 구간에서는 가속성능 향상을 이룩할 수 있어서 운전성 향상에 큰 도움이 되는 장점도 있다.

한편, 도 6에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플랩밸브(50)가 도시되어 있는 바, 상기 플랩밸브(50)는 밸브축(40)이 관통하는 가운데의 몸통부(51)와, 상기 몸통부(51)를 사이에 두고 서로 반대방향을 향하도록 상기 몸통부(51)와 일체로 형성된 제1밸브판(52) 및 제2밸브판(53)을 구비한 상태에서, 상기 제1밸브판(52)과 상기 제2밸브판(53)은 상기 제1밸브판(52)의 바깥 테두리에서 상기 제2밸브판(53)의 바깥 테두리에 이르기까지 단면의 두께가 점차적으로 증가하는 모양으로 형성됨과 동시에, 상기 제2밸브판(63)은 상기 몸통부(51)와 연결된 일단에서부터 바깥 테두리인 타단까지의 단면 형상이 부채꼴 모양으로 형성된 구조가 특징이다.

그리고, 상기 몸통부(51)가 원형으로 표현되게 상기 플랩밸브(50)를 수직하게 절단한 단면상태에서 상기 몸통부(51)의 중심을 통과하는 수직 중심선(C2)에 대해 상기 제1,2밸브판(52,53)의 일측면 사이각(θ3)과 타측면 사이각(θ4)은 동일 각도로 형성되고, 상기 사이각(θ3,θ4)의 총 합은 5도(°) 내지 40도(°) 이내인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기와 같이 구성된 본 발명 다른 실시예의 플랩밸브(50)가 도 6과 같이 공기 또는 혼합기가 통과하는 포트(31;통로)속에 설치될 때에는 상기 제2밸브판(53)이 공기 또는 혼합기가 통과하는 방향(화살표 M1의 방향)을 따라 상기 밸브축(40)과 함께 회전하면서 상기 포트(31)를 개방시킬 수 있도록 설치된 구성을 갖는다.

상기 플랩밸브(50)에 의해 나타나는 효과는 도 3과 도 4를 참조로 전술한 일 실시예의 플랩밸브(20)와 동일하기 때문에 이에 대한 설명은 생략한다.

10,40 - 밸브축 20,50 - 플랩밸브
21,51 - 몸통부 22,52 - 제1밸브판
23,53 - 제2밸브판

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 밸브축이 관통하는 가운데의 몸통부와, 상기 몸통부를 사이에 두고 서로 반대방향을 향하도록 상기 몸통부와 일체로 형성된 제1밸브판 및 제2밸브판을 구비한 플랩밸브를 포함하는 차량 엔진용 버터플라이 밸브 장치에 있어서,
   상기 제1밸브판과 상기 제2밸브판은 상기 제1밸브판의 바깥 테두리에서 상기 제2밸브판의 바깥 테두리에 이르기까지 단면의 두께가 점차적으로 증가하는 모양으로 형성되면서;
   상기 제2밸브판은 상기 몸통부와 연결된 일단에서부터 바깥 테두리인 타단까지의 단면 형상이 부채꼴 모양으로 형성된 것을 특징으로 하는 차량 엔진용 버터플라이 밸브 장치.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 몸통부가 원형으로 표현되게 상기 플랩밸브를 수직하게 절단한 단면상태에서 상기 몸통부의 중심을 통과하는 수직 중심선(C2)에 대해 상기 제1,2밸브판의 일측면 사이각(θ3)과 타측면 사이각(θ4)은 동일 각도로 형성되고;
   상기 사이각(θ3,θ4)의 총 합은 5도(°) 내지 40도(°) 이내인 것을 특징으로 하는 차량 엔진용 버터플라이 밸브 장치.
7. 청구항 5에 있어서, 상기 플랩밸브가 공기 또는 혼합기가 통과하는 포트(통로)속에 설치될 때 상기 제2밸브판이 공기 또는 혼합기가 통과하는 방향을 따라 회전하면서 상기 포트를 개방시킬 수 있도록 설치되는 것을 특징으로 하는 차량 엔진용 버터플라이 밸브 장치.

Images