KR101781648B1

KR101781648B1 - 액츄에이터 및 상기 액츄에이터를 포함하는 배기가스 재순환 밸브, 웨이스트 게이트 또는 터보차저의 가변 터빈 구조 장치

Info

Publication number: KR101781648B1
Application number: KR1020110080891A
Authority: KR
Inventors: 번하드 클리프펠; 크리스토프 티에리
Original assignee: 한온시스템 주식회사
Priority date: 2010-08-12
Filing date: 2011-08-12
Publication date: 2017-09-25
Also published as: US9670833B2; US20120037825A1; KR20120016031A; CN102400818A; EP2418373A1

Abstract

드라이브, 적어도 하나의 회전가능한 나사 부재(18) 및 그에 따라 병진운동으로 구동될 수 있는 적어도 하나의 출력 부재를 포함하는 액츄에이터가 기재되고, 상기 나사 부재(18)는 서로 다른 피치의 적어도 2개의 영역들을 갖고, 상기 나사 부재(18)의 회전축(10)은 상기 출력 부재의 병진운동축에 대해 경사진 것을 특징으로 한다.

Description

액츄에이터 및 상기 액츄에이터를 포함하는 배기가스 재순환 밸브, 웨이스트 게이트 또는 터보차저의 가변 터빈 구조 장치{ACTUATOR AND EXHAUST GAS RECIRCULATION VALVE, WASTEGATE OR VARIABLE TURBINE GEOMETRY DEVICE OF A TURBOCHARGER COMPRISING AN ACTUATOR}

본 발명은 액츄에이터 및 배기가스 재순환 밸브, 웨이스트 게이트 또는 이러한 종류의 액츄에이터를 포함하는 터보차저의 가변 터빈 구조 장치에 관한 것이다.

내연기관 분야에서 연료 소비를 줄이고 유해 배출물을 저감하기 위해 작동 상태의 기능에 따라 대기측으로의 배기가스를 재순환하는 것이 공지되어 있다. 이와 관련하여, 상기 액츄에이터가 로터리 드라이브를 갖는 것이 유리한 데 비해, 상기 관련 밸브가 병진운동으로 대체될 수 있는 태핏 또는 레버에 의해 구동되는 플랩에 제공될 수 있다. 이는 웨이스트 게이트 및/또는 병진운동으로 대체될 수 있는 태핏에 의해 조정가능한 배기가스 터보차저의 가변 터빈 구조 장치에 같은 방식으로 적용된다.

유럽공개특허 1 111 227 A2에는, 드라이브의 회전 운동이 상기 밸브 부재의 병진 운동으로 전환되는 배기가스 재순환 밸브가 공지되어 있다. 적어도 개방 동작의 시작점(start)에서 회전 운동이 상기 밸브 부재에 전해진다.

유럽공개특허 1 526 271 A1은 드라이브의 상기 회전 운동이 상기 밸브 부재의 왕복운동으로 전환되는 배기가스 재순환 밸브에 관한 것이다. 여기서 상기 밸브 부재는 상기 개방 동작 중 상기 드라이브 부재와 회전할 수 있지만 강제로 회전되지는 않는다. 기본적으로, 고정되지만 회전가능한 휠과 결합하는 나사산(thread)을 포함하는 구동“스크류”에 의해 상기 회전운동이 왕복운동으로 전환된다.

본 발명은 작동 특성이 개선된 액츄에이터, 특히 작동 특성이 개선된 액츄에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 문제점은 청구항 1에 기재된 액츄에이터에 의해 해결된다.

후자의 액츄에이터는 드라이브, 적어도 하나의 회전가능한 나사 부재와 병진운동으로 구동되는 적어도 하나의 출력 부재를 포함한다. 상기 액츄에이터의 드라이브는 바람직하게 로터리 드라이브로 디자인되었지만 그에 제한되지는 않는다. 상기 회전가능한 나사 부재는, 예를 들어 나사산(thread) 또는 나사산의 일부분 또는 또 다른 나사 부재를 포함하는 스크류일 수 있다. 또한, 상기 스크류는 “웜(worm)”이라고 할 수 있다. 병진운동으로 구동되는 상기 출력 부재는 상기 스크류의 회전이 상기 출력부재의 병진운동에 이르는 방식으로 상기 스크류와 체결된다. 상기 출력 부재는, 예를 들어 상기 밸브 태핏으로부터 돌출되는 부분, 그것으로부터 돌출되고 상기 스크류와 결합하는 휠 또는 롤러, 또는 메이팅(mating) 나사산을 포함하는 부재일 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 나사 부재는 서로 다른 피치의 적어도 2개의 영역들을 갖는다. 다시 말하면, 상기 나사산은 다른 곳보다 일부 영역에서 더 미세하거나 더 굵을 수 있다. 미세한 피치는 보다 큰 회전 이동을 동반하여, 보다 큰 개방력이 전달되도록 한다. 예를 들어 밸브의 개방 동작의 시작점에서, 예컨대 결합된(bonded) 조인트를 해제하기 위해 특별히 큰 힘을 인가하기 위하여 이런 종류의 상대적으로 큰 힘이 사용될 수 있다. 이것들이 해제되자마자, 상기 나사산이 이 영역에서 더 굵어짐에 따라 상기 힘은 줄어들 수 있다. 예시를 통해 언급되어야 하는 것은, 예컨대 밸브 스트로크(stroke)의 첫 번째 밀리미터(millimetres)에 대하여 400 N과 250 N~300 N 사이의 힘이 발생될 수 있고, 이 힘은 밸브 스트로크의 나머지 영역에서 200 N과 300 N 사이를 움직이게 된다. 더 미세한 영역은 예를 들어 40°~ 70°회전에 대응될 수 있다. 또한 굵은 영역으로의 전환은 반드시 벤드(bend) 형태일 필요는 없지만, 예컨대 90°~ 100°의 각에 걸쳐 연장하는 완만한 커브 형태일 수 있다. 다시 말하면, 영역은 상기 피치가 미세한 영역의 그것에서 굵은 영역의 그것으로 연속적으로 증가하는 방식 또는 그 반대 방향으로 감소하는 방식으로 제공된다. 상기 나사 부재의 전체 회전 영역은, 예를 들어 300°~ 500°또는 그 이상일 수 있다.

상기 나사 부재의 회전축이 상기 출력 부재의 병진운동 축에 대하여 경사진다. 기하학적 측면에서 두 축은 서로에 대해 비스듬하다. 이것은 기본적으로 상기 나사 부재와 상기 출력 부재 사이에, 상기 나사 부재의 접촉면에 대해 경사지지 않은 방향으로 또는 적어도 종전과 같이 그러한 큰 범위까지는 되지 않도록, 힘들이 전달됨을 의미한다. 상기 나사 부재의 회전축과 상기 출력 부재의 병진운동축이 서로 평행하다면, 종래와 같이 힘들은 상기 스크류에서 상기 출력 부재의 병진운동축에 대해 경사진 표면을 거쳐 상기 출력 부재로 전달된다. 이것은, 예컨대 가스 압력에 결과로 상기 출력 부재에 의해 인가된 직선 힘(rectilinear force)이 결과적으로 상기 나사 부재를 회전으로 이르게 할 수 있다는 것을 의미하고, 그에 의해 비의도적인 밸브 부재의 이동을 야기한다. 본 발명에 따른 액츄에이터에서는, 상기 출력 부재의 병진운동축과 상기 나사 부재의 회전축 사이의 이러한 종류의 경사는 줄어들어, 상기 나사 부재의 회전에는 더 큰 힘들이 필요하다. 실제로, 이것은 실질적으로 밸브가 의도치 않게 가스 힘에 의해 이동되는 것을 방지할 수 있다.

바람직한 실시예는 후술하는 청구항에서 설명된다.

언급된 바와 같이, 상기 나사산이 다른 영역에서보다 시작점(start)에서 더 미세한 피치를 갖는다면, 본 발명의 기본 개념은 특히 유리한 방식으로 사용될 수 있다. 상기 나사산의 시작점은 개방 동작의 시작점에 유리하게 대응될 수 있으므로, 특별히 큰 힘이 여기서 발생될 수 있다.

특히, 바람직하게는 상기 나사 부재는, 예컨대 전술한 돌출부 또는 작은 휠와 같은 상기 출력 부재의 적어도 한 부분이 접촉하는 표면을 갖고, 적어도 상기 나사산의 시작점에서, 이 표면은 상기 출력 부재의 병진운동축에 실질적으로 수직이다. 이러한 정렬에 의해서, 상기 출력 부재에 의해 인가되는 임의의 힘은, 상기 나사 부재 상에서 상기 표면에 실질적으로 수직인 방향으로 동작하게 되고, 그 결과 그것의 임의의 비의도적인 회전을 야기할 수 없게 된다. 따라서, 이것은 대응되는 배기가스 배압(back pressure)의 경우에도, 특히 상기 나사산이 그것의 시작점에서 상대적으로 미세하다는 사실과 결부해 볼 때, 배기가스 재순환 밸브의 비의도적인 개방이 없다는 것을 유리하게 보장한다.

또한, 본 발명에 따른 액츄에이터는 바람직하게 병진운동만 하고 회전운동은 할 수 없는 밸브 부재와 결합된다. 따라서, 상기 개방 운동에 대한 반응 지연과 장애는 유리한 방식으로 저감될 수 있다.

또한, 상기 출력 부재의 부분이 상기 나사 부재와 접촉하는 지점(point)는 병진이동하는 밸브 부재의 축과 적어도 실질적으로 정렬되는 것이 바람직하다. 따라서, 병진 이동하는 상기 밸브 부재와 그것에 가동적으로 연결되는(operatively connected) 상기 출력부재로 구성된 배열체 내에서, 어떠한 횡방향 또는 측방향 힘도 상기 출력 부재와 그것의 가이드에 인가되지 않는다. 이는 상기 밸브의 연속적인 동작의 관점에서 유리한 이점을 제공한다. 지금까지 기재된 수단과 관련되어, 전술한 병진운동축에 대한 회전축의 경사가 없이도 여전히 유리한 이점을 보여주고, 결과적으로 이것과 관계없이 본 출원의 기술적 특징으로서 간주되어야 한다는 것이 언급되어야 한다. 그러나, 설명된 상기 밸브 부재의 병진운동축에 대한 상기 나사 부재 상의 접촉점의 방향은 지금까지 설명된 특징들 및 앞으로 구체화될 모든 특징들과 유리하게 결합될 수 있다.

또한, 상기 밸브 부재는 상기 배기가스 압력에 반대로 연장하는 방향으로 개방하는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 배기가스 배압은 상기 밸브의 폐쇄를 도와주는 데에 유리하게 이용될 수 있고, 그에 따라 폐쇄 상태에서 누출량을 최소화할 수 있다.

바람직하게 일단 기어링(Single-stage gearing)이 상기 드라이브와 상기 나사 부재 사이에 제공된다. 이러한 종류의 단일 감속 기어링은, 특히 마찰의 감소 및 낮아진 질량 관성의 결과로서 상기 밸브의 반응 특성을 향상시킨다. 선택적으로, 상기 기어링은 또한 2단 또는 다단 기어링일 수도 있고, 그에 따라 큰 힘의 발생을 허용할 수 있다.

또한, 바람직하게는 상기 나사 부재는 적어도 간접적으로 스프링 부재, 예를 들어 오직 회전만 되는 스파이럴 스프링에 연결된다. 이러한 종류의 스프링 부재는 전기 시스템의 오작동 또는 중단의 경우에도 상기 밸브가 닫히는 것을 보장해 주는 “안전”장치(“failsafe”device)로서 유리하게 동작한다.

또한, 상기 밸브 부재가 구비되는 밸브 하우징이 예컨대 캐스트 하우징(cast housing)과 같이 하나의 피스(one piece)로 설계되는 것이 유리하다는 것이 입증되었다. 따라서, 이용되는 부품의 수가 유리하게 감소될 수 있다.

마지막으로, 적어도 하나의 냉각 덕트를 갖는 상기 밸브 하우징을 제공하는 것이 바람직하다. 따라서, 특히 밸브 태핏의 부근에서, 상기 밸브 하우징은 냉각될 수 있고, 그 결과 상기 밸브 태핏, 상기 태핏 시일(seal) 및 가이드와, 이에 따라 상기 배기가스 재순환 밸브 전체의 내구성이 향상될 수 있다.

배기가스 재순환 밸브에 덧붙여, 웨이스트 게이트 및/또는 터보차저의 가변 터빈 구조 장치와 본 발명에 따른 적어도 하나의 액츄에이터의 결합 또한 개시된다. 이와 관련하여, 배기가스 재순환 밸브와의 결합과 터보차저의 부품과의 결합 모두와 관련하여, 상기 액츄에이터의 상세한 구성을 개시하고 있는 유럽공개특허 2 172 682 A1을 참고하여야 한다. 상기 배기가스 재순환 밸브 및/또는 거기서 나사 부재로 언급된 상기 나사 부재는 이로서 본 출원의 기술적 특징에 포함된다. 웨이스트 게이트 및/또는 터보차저의 가변 터빈 구조 장치와 관련하여, 이는 특히 본 출원인의 이름으로 동일한 날짜에 출원된, 발명의 명칭이“웨이스트 게이트 또는 가변 터빈 구조 장치용 액츄에이터 및 가변 터빈 구조 장치용 액츄에이터의 용도”(“Actuator for a wastegate or a variable turbine geometry device and use of an actuator for a wastegate or a variable turbine geometry device”)인 출원에 적용된다. 다시 말하면, 웨이스트 게이트, 가변 터빈 구조 장치 및/또는 액츄에이터와 관련하여 거기에 기재된 모든 내용은, 밸브 특히 배기가스 재순환 밸브에 사용되는 경우에도 본 출원에 따른 액츄에이터에 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 액츄에이터의 나사 부재의 측면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 나사 부재의 나사산의 전개도이다.

이하의 도면에서 예시로 도시된 실시예에 의해 본 발명을 더 상세히 설명한다.

도 1은 축(10)에 대해 회전가능한 본 발명에 따른 액츄에이터의 나사 부재(18)의 측면도이다. 도시된 바와 같이, 상기 나사 부재(18)는, 예컨대 롤러가 설치된 상태에서 위치하는 거의 완전한 나사산(12)을 갖고, 상기 롤러는 밸브 태핏의 상단에 제공된다. 상기 밸브 태핏이 축 방향으로 가이드되고, 이런 점에서 축(10)에 대해 회전할 수 없으면, 상기 나사 부재(18)가 상기 축(10)에 대해 회전하는 한편, 상기 나사 부재(18)의 회전운동은 태핏의 병진운동(왕복운동)으로 전환된다.

도 2는 상기 나사 부재(18)의 나사산의 피치가 몇몇 영역에서 어떻게 다른지를 도시한다. 시작 영역(20)에서는, 그것이 상대적으로 미세하므로, 특히 큰 힘이 예컨대 개방 운동의 시작점에서 발생될 수 있다. 이것은 연속적으로 증가하는 피치를 갖는 중간 영역(22)으로 이어지고, 이는 상기 시작 영역(20)보다 일반적으로 더 굵은 말단 영역(24)으로 이른다. 이는 더 적은 힘이 전달될 수 있음을 의미함에도 불구하고, 이 영역에서 왕복운동은 더 빠르게 발생한다. 상기 나사 부재(18)는 도 1에 도시된 거의 완전한 나사산과 다름 없는 나사산을 가질 수 있다는 것도 언급되어야 한다. 또한 영역들(20~24)의 치수는 도 2에 도시된 것들로부터 다양할 수 있다.

Claims

드라이브;
외주부에 나사산이 형성되는 적어도 하나의 회전가능한 나사 부재(18); 및
그에 따라 병진운동으로 구동될 수 있는 적어도 하나의 출력 부재를 포함하고,
상기 나사 부재(18)는 서로 다른 피치의 적어도 2개의 영역들(20,22,24)을 갖고, 상기 나사 부재(18)의 회전축(10)은 상기 출력 부재의 병진운동축에 대해 경사지며,
상기 나사산은 다른 영역들(22,24)에서 보다 미세한 피치를 갖는 시작 영역(20), 상기 시작 영역으로부터 연속적으로 증가하는 피치를 갖는 중간 영역(22) 및 상기 중간 영역보다 더 굵은 피치를 갖는 말단 영역(24)을 포함하고, 상기 시작 영역 및 중간 영역은 상기 나사산의 전체 길이의 절반 미만인 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 나사 부재(18)는 상기 출력 부재의 적어도 하나의 부분이 접촉하고, 상기 나사산의 시작점(20)에서 상기 출력 부재의 병진운동축에 실질적으로 수직인 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
청구항 1에 있어서,
회전하지 않고 오직 병진운동만 하는 밸브 부재와 결합하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
청구항 4에 있어서,
상기 출력 부재의 적어도 하나의 부분이 상기 나사 부재(18)와 접촉하는 지점(point)은, 병진운동되는 상기 밸브 부재의 병진운동축에 적어도 실질적으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
청구항 5에 있어서,
상기 밸브 부재는 배기가스 압력과 반대 방향으로 연장되는 방향으로 개방되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
청구항 6에 있어서,
일단 감속 기어링(single-reduction gearing)을 갖는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
청구항 5에 있어서,
상기 나사 부재(18)는 상기 밸브의 작동시 회전하는 스프링 부재에 연결되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
청구항 1에 있어서,
일체형 밸브 하우징을 더 포함하는 액츄에이터.
청구항 9에 있어서,
상기 밸브 하우징은 적어도 하나의 냉각 덕트를 갖는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
청구항 1에 있어서,
웨이스트 게이트 또는 터보차저의 가변 터빈 구조 장치와 결합하는 액츄에이터.
청구항 1에 따른 적어도 하나의 액츄에이터를 포함하는 배기가스 재순환 밸브, 웨이스트 게이트 또는 배기가스 터보차저의 가변 터빈 구조 장치.