KR101786470B1 - 웨이스트 게이트 또는 가변 터빈 구조 장치용 액츄에이터 - Google Patents

웨이스트 게이트 또는 가변 터빈 구조 장치용 액츄에이터 Download PDF

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Abstract

액츄에이터(10)는, 로터리 드라이브(12) 및 상기 로터리 드라이브(12)의 회전운동을, 힌지 웨이스트 게이트 및/또는 배기가스 터보차저의 가변 터빈 구조 장치에 연결되는 태핏(22)의 왕복운동으로 전환하는 나사 부재(18)를 포함하고, 상기 태핏(22), 및/또는 상기 태핏(22)과 나사 부재(18) 사이의 액슬(40)은, 적어도 하나의 웹(46)을 포함하고 상기 태핏(22)의 적어도 한 방향(A)으로 적어도 미세한 틸팅 또는 피봇 이동을 허용하는 적어도 하나의 가이드(24,42) 내에 수용되고, 상기 웹과, 상기 태핏(22) 및/또는 상기 액슬(40) 상의 적어도 하나의 확장부(44,48) 사이에 동작(play)이 존재한다. 뿐만 아니라, 로터리 드라이브(12) 및 배기가스 터보차저의 가변 터빈 구조 장치를 작동시키기 위해 상기 로터리 드라이브(12)의 회전운동을 태핏(22)의 왕복운동으로 전환하는 나사 부재(18)를 포함하는 액츄에이터(10)의 용도가 예상된다.

Description

웨이스트 게이트 또는 가변 터빈 구조 장치용 액츄에이터{ACTUATOR FOR A WASTEGATE OR A VARIABLE TURBINE GEOMETRY DEVICE}
본 발명은 웨이스트 게이트(wastegate) 또는 가변 터빈 구조 장치(variable turbine geometry device)용 액츄에이터에 관한 것이다.
일반적으로 배기가스 터보차저는, 특정 상황에서 부스트 압력(boost pressure)을 적절히 조절하기 위하여 뜨거운 배기가스가 상기 터보차저의 터빈으로 공급되지 않도록 하는 웨이스트 게이트를 구비한다. 또한, 상기 웨이스트 게이트는, 예컨대 촉매변환장치를 가열하고 그로 인해 방출되는 오염물질을 줄이기 위하여, 상기 뜨거운 배기가스의 방향을 전환하는데 사용될 수 있다. 또한 상기 배기가스 터보차저의 특징은 가변 터빈 구조 장치를 조절함으로써 조절될 수 있다.
그런 이유로 지금까지는 공압 서보 드라이브가 액츄에이터로 일반적으로 사용되고 있다.
본 발명은 배기가스 터보차저의 가변 터빈 구조 장치용의 개선된 액츄에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 문제점은 청구항 1에 기재된 액츄에이터에 의하여 일차적으로 해결된다.
본 발명에 따른 액츄에이터 또는 서보 드라이브는, 필요한 경우 적절한 기어링(gearing)의 개재로, 일차적으로 나사 부재를 차례로 구동하는 로터리 드라이브를 갖는다. 태핏(tappet)은 상기 나사 부재와 함께 동작하고, 상기 태핏은 상기 나사 부재의 회전 운동이 상기 태핏의 왕복운동으로 전환되는 방식으로 상기 나사 부재와 체결된다. 상기 태핏은 차례로 힌지 웨이스트 게이트(hinged wastegate) 및/또는 배기가스 터보차저의 가변 터빈 구조 장치에 연결된다. 따라서, 예를 들면 상기 태핏에서 발생된 스트로크(stroke)은 상기 웨이스트 게이트를 개폐하는데 사용된다.
힌지 웨이스트 게이트 또는 가변 터빈 구조 장치에 연결되는 태핏 및/또는 상기 태핏과 상기 나사 부재 사이의 액슬(axle)은, 적어도 하나의 웹(web)을 포함하고 적어도 한 방향으로 상기 태핏의 적어도 미세한 틸팅 또는 피봇 동작을 허용하는 적어도 하나의 가이드 내에 수용된다. 상기 웹과, 상기 태핏 및/또는 상기 액슬 상의 확장부 사이에는 동작(play)이 존재한다. 다시 말하면, 상기 가이드는 하나 이상의 웹을 포함하여 이루어지고, 적어도 하나의 확장부가 상기 태핏 및/또는 상기 액슬에 제공된다. 이러한 종류의 확장부는 두 개의 웹 사이에서 가이드되거나 및/또는 하나의 웹이 두 개의 확장부 사이에 수용될 수 있다. 상기 태핏이 적어도 미세하게 틸팅되거나 피봇될 수 있도록 유격(play), 즉 가동성(movability)이 이러한 가이드/리시버의 영역에 존재한다.
그런 이유로, 대개 웨이스트 게이트가 그 작동 중에 피봇되거나 스윙 개폐되는 동안, 전술한 서보 드라이브의 작동 원리가 병진운동하는 밸브 부재들의 경우, 다시 말하면 포펫(poppet) 밸브들의 경우에 지금까지 주로 사용되어 왔음에 주목하여야 한다. 그리하여 상기 웨이스트 게이트측을 향하는, 상기 웨이스트 게이트의 적절한 레버에 연결된 상기 태핏의 종점(end point)은 원형 경로를 형성한다. 전술한 수단은 상기 태핏의 상응하는 적어도 미세한 편향(휨)을 유리하게 허용한다. 따라서, 상기 나사 부재의 회전운동을 왕복운동을 전환하는 상기 태핏이 상기 나사 부재와 체결되는 점(point)은 기본적으로 피봇으로 동작한다. 결과적으로 이는 힌지 웨이스트 게이트로 설명되어지는 상기 작동 원리의 유리한 양립 가능성을 입증한다. 상기 가능한 편향(휨)은, 예컨대 양방향으로 대략 2mm 및/또는 대략 ±3°일 수 있다. 이 원칙은 일차적으로 가이드 부싱 내 상기 태핏의 동작을 이용할 수 있다. 그러나, 상기 밸브측의 상기 태핏의 종점이 상기 웨이스트 게이트 또는 상기 가변 터빈 구조 장치에의 결합(coupling)에 의하여 한정되기 때문에, 이러한 종류의 가이드 부싱이 엄격하게 필요한 것은 아니다. 이러한 점에서, 상기 태핏 상에 가이브 부싱을 생략하는 것이 가능하고, 단순히 벨로우즈(bellows)가 여기에 제공될 수 있다. 또한, 상기 태핏은, 상기 태핏과 상기 나사 부재 사이의 영역, 특히 상기 태핏에 설치되는 액슬의 영역으로 가이드될 수 있고, 바람직하게는 상기 태핏 상에 상기 나사 부재와 함께 동작하는 롤러가 제공된다. 상기 액슬 및/또는 상기 태핏은, 예컨대 적절한 스텝(steps), 홈(recesses), 돌출부(projections) 또는 그 밖의 유사한 것들에 의하여 병진적인(translational) 가이드로 상호보완적인 윤곽으로 함께 동작할 수 있다. 이하에서 도면을 참조하여 더 상세히 기술되는 것과 같이, 이러한 가이딩은 축방향 및/또는 반경방향으로 이루어질 수 있고, 전술한 바와 같은 틸팅 또는 피봇 동작을 허용할 수 있도록 모든 방향으로의 동작이 이루어질 수 있다.
전술한 액츄에이터는, 다양한 분야에서 시도되고 테스트되었지만, 지금까지는 오직 배기가스 재순환 밸브와의 관계에서만 사용되어 온 작동 원리를 갖는 이점을 제공한다. 이와 관련하여 그것의 열저항, 특별한 적용분야(applications)에 대한 상기 스트로크(stroke)의 문제없는 적응성(problem-free adaptation), 비선형 힘 특성의 획득 가능성을 포함한 높은 구동력의 생산, 일반적인 저마찰 및 저마모 설계 및 신규한 적용분야에서 입증된 개별 파트(individual parts)와 컴포넌트(components)의 사용가능성 면에서 특별히 유리하다. 또한 본 발명과 관련되어 비용을 저감할 수 있는 다른 가능한 방법들이 이용될 수 있다. 배기가스 재순환 밸브와 사용되는 것과 대비할 때, 예컨대 리턴스프링(return spring)을 생략할 수 있다. 특정 시일즈(seals)는 배기가스 재순환 밸브의 경우에 필요한 신뢰할만한 시일(seal)을 제공할 필요가 없다. 그리고 재순환된 특히 뜨거운 배기가스와 비교할 때, 낮아진 온도로 인해 특정 지점에서는 보다 비용 효율적인 재료가 사용될 수 있다. 또한 본 발명에 따른 액츄에이터는 모든 선형적으로 조정가능한 제어 부재들에 사용될 수 있고, 그로 인해 특히 공압 및/또는 진공 액츄에이터 또는 그와 유사한 액츄에이터를 대체할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 액츄에이터에 의하여 개선된 제어 퀄러티가 획득될 수 있다.
본 발명에 따른 액츄에이터의 상세한 디자인와 관련하여, 본 출원인의 유럽특허출원 No.08 165 906.2와 유럽특허공개 1526271 A1가 참조되어야 하고, 서보-드라이브의 디자인과 관련한 이들의 개시내용은 본 출원의 기술적 특징과 완전히 병합된다. 또한 상기 참조특허에 기재된 모든 수단은 본 출원에 기재된 액츄에이터에 유리하게 사용될 수 있다. 대략 10mm~12mm의 스트로크, 특히 대략 11mm의 스트로크가 웨이스트 게이트와 사용될 때 유리하다는 것이 입증되었다. 더욱이 구조적인 조건은, 상기 웨이스트 게이트에 대해 예를 들어 개방각도 20°~25°, 특히 대략 22°가 얻어지도록 할 수 있다. 로드(rod)로도 일컬어질 수 있는 상기 태핏의 위치는, 예를 들어 홀(Hall) 센서와 같은 특별히 정확한 비접촉 위치 센서에 의하여 유리하게 감지될 수 있다.
본 발명에 따른 액츄에이터의 바람직한 실시상태는 후술하는 청구항에서 설명된다.
상기 나사 부재는, 비선형 힘 특성이 유리하게 획득될 수 있도록 바람직하게 적어도 2개의 서로 다른 피치의 영역을 갖는다. 예를 들어, 초기 테스트에서 80°~120°의 각도 범위, 특히 대략 100°의 각도에 대한 3mm~4mm의 피치, 바람직하게는 3.5mm~4mm의 피치, 특히 대략 3.6mm의 피치가 유리한 것으로 입증되었다. 이러한 상대적으로 미세한 피치는 특별히 높은 작동력(actuating force)이 개방 작동의 시작단계에서 발생될 수 있음을 의미한다. 이 후 10mm~12mm의 피치, 특히 대략 11mm의 피치를 갖는 대략 360°의 영역이 뒤따를 수 있다.
만약 상기 태핏이 상기 나사 부재의 축에 대하여 상대적으로 경사지거나 혹은 바람직하게 상기 태핏과 상기 나사 부재 사이의 결합이 상기 나사 부재의 유효 표면에 대하여 실질적으로 수직인 방향으로 이루어진다면, 이는 상기 태핏에 인가된 힘이 상기 나사 부재의 비의도적인 회전을 이끌어 낼 수 없는 이점을 제공한다.
게다가 마찰의 방지와 관련하여, 상기 태핏이 적어도 하나의 롤러 수단에 의하여 상기 나사 부재와 함께 동작하는 것이 유리하다는 것이 입증되었다. 바람직하게는 유리한 틸팅 또는 피봇 동작이 상기 롤러의 축 뿐만 아니라 거기에 수직하게 발생할 수 있도록 상기 롤러는 크라운드(crowned)된다. 상기 롤러는 이 경우 볼조인트(ball joint)로 유리하게 동작할 수 있다.
또한 본 발명은 회전 부재와, 배기가스 터보차저의 가변 터빈 구조 장치를 구동하기 위해 상기 나사 부재의 회전 운동을 태핏의 왕복운동으로 전환하는 나사 부재를 포함하는 액츄에이터 또는 서보-드라이브의 새로운 용도(use)에 관련된 것이다. 따라서, 전술한 바와 같이, 새로운 본 출원은 광범위한 이점을 활용할 수 있다.
또한, 전술 및 후술할 모든 수단이 밸브 태핏과 같이 병진운동되는 다른 제어 부재들을 위한 액츄에이터에 있어 유리한 방식으로 이용될 수 있다는 점을 언급해야 한다. 상기 밸브측의 상기 밸브 태핏의 종점은 한정된 위치를 갖는다. 이러한 관점에서 본 발명은 터보차저 분야의 액츄에이터에 한정되지 않고, 예를 들어 배기가스 재순환밸브 또는 또 다른 밸브의 경우에 있어서도 이점을 보여준다.
도 1은 본 발명에 따른 액츄에이터의 투시 단면도이다.
도 2는 액츄에이터에 연결된 웨이스트 게이트를 포함한 본 발명에 따른 액츄에이터의 투시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 액츄에이터의 상세도이다.
도 4는 본 발명에 따른 액츄에이터의 제2 실시상태의 단면도이다.
이하의 도면에서 예시로 도시된 본 발명의 일 실시상태를 통해 상세히 설명한다.
도 1로부터 분명한 바와 같이, 본 발명에 따른 액츄에이터(10)는 로터리 드라이브(12)를 갖고, 그것의 회전 운동은 피니언(14)과 기어(16)를 포함하는 적절한 기어링을 거쳐 나사 부재(18)로 일컬어지는 것으로 전달된다. 이것은 기본적으로‘웜(worm)’으로 일컬어질 수도 있는 스크류이다. 이 스크류는 상기 로터리 드라이브(12)가 수용되는 하우징과 동일한 하우징 내에 유리하게 가이드되고 지지될 수 있다. 독립된 베어링은 유리하게 생략될 수 있다. 도시된 경우에서는, 상기 나사 부재(18)는 대략 1과 2분의 1의 나사산(threads)을 갖고, 태핏(22)의 상단에서 액슬(40) 상에 회전가능하게 설치된 롤러(20)와 함께 동작한다. 도면으로부터 분명한 바와 같이, 상기 나사 부재(18)의 회전은 상기 태핏(22)의 병진운동, 즉 도 1의 정렬에 따른 수직 왕복운동을 야기한다. 도 1에 도시된 액츄에이터는 특히 힌지 웨이스트 게이트의 구동에 적합하다. 예를 들어, 상기 기어(16)는 특별한 재료, 바람직하게 적절한 플라스틱 또는 금속으로 만들어진다. 리턴 스프링은 생략될 수 있다. 배기가스 재순환밸브의 액츄에이터 또는 서보-드라이브와 비교하면, 상기 나사 부재(18) 상에 존재하는 상기 볼 베어링을 실링할 필요가 없다(도 1의 정렬에 따를 때). 상기 롤러(20)의 근방에 부싱을 할 필요가 없다. 플라스틱은 상기 태핏(22)에 제공되는 상기 가이드 부싱(24)을 위한 재료로 사용될 수 있다. 상기 웨이스트 게이트 측을 향하는 상기 가이드 부싱(24)의 끝단에서 비교적 단순한 와셔(washer, 26)에 의하여 실링이 제공될 수 있다. 상기 와셔(26) 및/또는 상기 가이드 부싱(24)에 덧붙여 벨로우즈(도 3 및 도 4와 비교)가 제공될 수 있다.
또한, 도 1은 상기 액슬(40)의 영역 내 가이드(42)를 도시하고, 상기 액슬(40) 상에 상기 롤러(20)가 지지된다. 상기 액슬(40)은 상기 롤러(20)의 반대쪽 단부에 확장부(44)를 가지며, 그로 인해 버섯 모양을 갖게 된다. 상부 영역에서 상기 가이드(42)는 병진운동 축의 방향, 즉 실질적으로 상기 태핏(22)에 평행한 방향으로 연장되는 웹(46)에 제공된다(도 1의 도시된 바에 따르면). 상기 웹은, 상기 확장부(44)와 상기 태핏(22)의 연결부에 위치하는 더 큰 확장부(48) 사이에 배치된다.도 2를 참조하면, 상기 두 개의 확장부(44, 48) 사이의 간격은 상기 웹(46)의 두께 보다 크게 설정된다. 이로 인해서, 확장부들과 웹 사이에 유격이 형성되고, 이는 상기 태핏(22)은 상기 웹(46)에 의해서 축방향 이동이 어느 정도의 유격을 가지면서 가이드되도록 한다. 또 다른 웹(도 1에 잘라내어진)이 상기 웹(46) 반대측에 위치하고 있다.
상기 가이드(42)는 전체적으로 플라스틱으로 만들어질 수 있음이 추가적으로 언급되어야 한다. 상기 태핏(22)은 또한 상기 확장부(48)를 형성하는 슬리브 형상(sleeve-shaped)의 허브까지 연장할 수 있는데, 상기 허브는 도 1에 도시된 바와 같이 기본적으로 상기 태핏(22)과 상기 확장부(48) 사이에 존재해야하는 거울-역 L 형상(mirror-inverted L)인 연결 피스(connecting piece) 없이 상기 확장부(48)를 형성한다.
도 2는 상기 태핏(22)이 허브(30)를 거쳐, 상기 힌지 웨이스트 게이트(34)가 설치되는 또 다른 레버(32)에 연결된 레버(28)에 어떻게 연결되는지를 도시한다. 2개의 레버(28,32), 웨이스트 게이트(34) 및 상기 허브(30)로 이루어진 기재된 배열체는 상기 회전축(36)에 대하여 피봇되거나 힌지될 수 있다. 이는 기본적으로 상기 웨이스트 게이트(34)를 향하는 상기 태핏(22)의 종점(38)이 적어도 미세하게 측면 방향, 즉 실질적으로 그것의 길이방향 정도의 범위에 수직하게, 그리고 도 2의 정렬에 따라 위, 아래로 움직이는 것을 의미한다. 이 동작은 유리하게 상기 웨이스트 게이트(34)측으로 확장된 상기 가이드 부싱(24)의 적절한 설계에 의하여 가능해질 수 있다. 상기 가이드 부싱(24)의 확장은 특히 타원형일 수 있다. 상기 롤러(20)는 유리하게 이러한 미세한 틸팅 동작, 예를 들어 약 ± 3°(도 1 참고)을 위한 피봇으로서 동작한다.
도 3에서는 상기 가이드(42)가 상세히 도시된다. 더욱이 화살표 A로 표시된 방향으로 틸팅 또는 피봇 운동을 허용하기 위하여, 예를 들어 약간의 10분의 얼마 정도, 특히 약 10분의 3 밀리미터의 동작(play)이 상기 웹(46)과 상기 인접한 확장부(44, 48) 사이에 유리하게 존재하는 것이 명확하다. 또한 도 3에 추가적으로 도시된 바와 같이, 이는 바람직하게 상기 롤러(20)의 크라운드 윤곽(crowned contour)에 의하여 가능해진다. 상기 액슬(40)의 영역에서 반경방향 동작은 반드시 필요한 것은 아니다. 여기서, 상기 액슬(40) 자체는 상기 틸팅과 피봇 동작을 위한 회전축으로서 동작한다. 상기 구체적인 액슬(40)의 영역에서 도 3에 따른 수평축에 관하여 틸팅 또는 피봇 동작이 가능함에 따라, 상기 롤러(20)가 일반적으로 볼 조인트로서 동작하는 것이 추가적으로 언급되어야 한다. 또한, 상기 하우징을 실링하기 위해 제공되는 상기 벨로우즈(50)에 의하여 그에 상응하는 자유도가 가능해질 수 있고, 도시된 실시상태에서 이들은 도 1에 예시된 동작(play)에 제공되는 가이드 슬리브(24)를 대신한다. 또한, 도 3은 상기 밸브 태핏(20)이 허브로서 동작하는 상기 확장부(48)를 거쳐 상기 액슬(40)에 직접 연결되는 것을 보여준다. 그 결과로서 도 1에 도시된 상기 확장부(48)와 상기 태핏(22) 사이의 상기 연결 피스는 생략될 수 있다.
도 4에 도시된 추가적인 실시상태는 기본적으로 전술한 실시상태에 대응된다. 그러나, 이 실시상태에서는 상기 로터리 드라이브(12)의 회전축이 상기 밸브 태핏(22)에 수직하게 연장하는 정렬로 제공된다. 상기 기어(16)(도 1 참고)는 결과적으로 그것의 아랫면에 제공된다(상기 태핏(22) 측 방향). 상기 기어(16)는 상기 로터리 드라이브(12)의 피니언(52)과 함께 동작하는 고리 형상의 이를 갖는다.

Claims (5)

  1. 로터리 드라이브(12); 및
    상기 로터리 드라이브(12)의 회전운동을, 힌지 웨이스트 게이트(34) 및 배기가스 터보차저의 가변 터빈 구조 장치에 연결되는 태핏(22)의 왕복운동으로 전환하는 나사 부재(18)를 포함하고,
    상기 태핏(22),은 두 개의 확장부(44, 48) 사이에서 연장되는 액슬(40)을 포함하고, 적어도 하나의 웹(46)이 상기 두 개의 확장부(44, 48) 사이에 끼워져서 상기 태핏의 왕복운동 및 피봇 이동을 가이드하되
    상기 두 개의 확장부(44, 48) 사이의 간격은 상기 웹의 폭 보다 큰 것을 특징으로 하는 액츄에이터(10).
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 나사 부재(18)는 서로 다른 피치의 적어도 두 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 액츄에이터(10).
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 태핏(22)은 상기 나사 부재(18)의 축에 대해 경사진 것을 특징으로 하는 액츄에이터(10).
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 태핏(22)은 적어도 하나의 크라운드(crowned) 롤러(20)에 의하여 상기 나사 부재(18)와 함께 동작하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터(10).
  5. 삭제
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