KR101827342B1

KR101827342B1 - 고온 내구성 및 기밀성이 강화된 웨이스트 게이트 밸브

Info

Publication number: KR101827342B1
Application number: KR1020170167606A
Authority: KR
Inventors: 박석배; 설동철
Original assignee: 주식회사 태양기전
Priority date: 2017-12-07
Filing date: 2017-12-07
Publication date: 2018-03-22

Abstract

상기의 목적을 이루기 위한 본 발명의 고온 내구성 및 기밀성이 강화된 웨이스트 게이트 밸브는, 파이프의 사이에 설치되어 유체의 흐름을 제어하는 밸브로서, 바디(1); 유체가 흐르는 유로; 상기 바디(1) 내부에 설치되어 상기 유로를 수직 관통하는 샤프트(5); 상기 샤프트(5)에 설치되어 상기 유로를 회전하며 열고 닫아 상기 유체의 유량을 조절하는 디스크(4); 상기 바디(1)와 상기 디스크(4)의 사이에 설치되어 상기 디스크(4)를 지지하는 바디 시트(2); 상기 샤프트(5)의 일부를 감싸 완충역할을 하는 슬리브(11); 및 상기 디스크(4)의 둘레에 설치되어 기밀유지가 되도록 하는 기밀 유지부(100);를 포함하고, 상기 기밀 유지부(100)는 상기 바디(1)와 상기 바디 시트(2) 사이에 서로 간격을 둔 복수의 스프링(9)이 설치되어 상기 바디 시트(2)가 상기 디스크(4)에 항상 일정한 힘으로 가압되게 하는 것을 특징으로 한다.

Description

고온 내구성 및 기밀성이 강화된 웨이스트 게이트 밸브 {Waste Gate Valve with improved High-temperature durability and airtightness}

본 발명은 선박의 엔진 구동 시 배기가스의 바이패스관에 장착되는 장치로서 연료 사용 시 엔진의 출력 향상을 위해 배기가스의 우회가 가능토록 터보차저(과급기) 부위에 적용되는 중요 역할을 하는 밸브이며, 또한, 엔진의 가스 연료 구동 시에 터보차저로 들어가는 배기가스의 압력을 조절하여 차지의 성능이 극대화 되도록 하는 기능을 갖고 있으며 밸브 바디의 시트면과 디스크 시트면의 면 접촉으로 동작하는 방식으로서 기밀성에 유리한 웨이스트 게이트 밸브에 관한 것이다.

과급기는 차저(Charger)라고 하며, 통틀어서 수퍼차저(Superchareger)라고 칭하기도 하지만 터보차저와 수퍼차저를 구분하기 위하여 차저라고 통칭하는 경향이 있다. 과급기는 엔진에 많은 산소를 한꺼번에 넣어주어 연소 과정을 돕는 장치이다.

과급기의 역사는 1860년에 이미 특허가 등록된 적이 있는데, 이때의 것은 엔진에 쓰이는 것이 아닌 용광로에 쓰이는 과급기였다.

최초의 내연기관을 위한 과급기를 개발한 것은 독일의 엔진 및 자동차 개발자로 유명한 고틀리에프 다임러다. 이후 프랑스에서 처음으로 원심식 압축기를 과급기가 등장하였고 이는 경주용 차에 쓰이게 되었다. 가솔린 터보차저의 경우 1960년대에 올즈모빌이 당시 준 중형차였던 커틀라스에 가장 먼저 적용하였고, 그 다음에는 쉐보레 코르베어, 그리고 1978년의 사브 99 순으로 적용했다. 디젤은 38년도에 트럭용 엔진에 적용이 되었다.

수퍼차저는 그 이전부터 사용됐는데, 이는 연료시스템 기술력이 부족하여 그런 것이다. 상대적으로 가솔린 엔진에는 수퍼차저가 적용되기 쉬운 편이다.

과급기의 작동방식으로는 공기를 압축하여 공기의 밀도를 높여 산소의 양이 많아지게 되고 이로 인해 연소 효율이 높아지고 이를 이용하여 출력을 높이거나 연료소비를 줄여 연비향상과 이산화탄소 감소라는 장점을 얻을 수 있다.

일반적인 과급기 차량의 경우 가솔린 엔진은 보통 0.8~1.2bar, 디젤 엔진은 2bar까지 과급하는데, 과급압이 1bar만 되더라도 배기량이 원래 엔진의 두 배가 되는 효과가 나타난다. 다만 과급압은 계속 변동하기에 늘 동일한 배기량 향상효과를 얻지 못하는 단점이 있다.

과급기를 거친 공기는 압축되면서 온도가 올라가는데 이는 열 엔진의 효율 측면에서 좋지 않다. 열 엔진은 열 저장체(연료와 혼합된 기체)가 저온부(외부)에서 고온부(챔버)로 오가며 온도차로 인해 팽창할 때 운동에너지를 생산하는 방식이기 때문에 저온부의 온도가 올라가면 고온부와의 온도차가 적어지고 열 엔진의 효율이 급감하기 때문이다.

또한, 과급기는 로터리기관에서는 실린더 대신 연소공간 안으로 외기를 밀어넣는다. 기관의 크랭크축에 톱니바퀴를 물려서 기계적으로 구동하는 슈퍼차저, 배기 터빈으로 구동되는 터보차저(터보과급기)가 있다. 기계식은 기관의 동력 일부를 과급기를 운전하는 데 사용하므로, 터보과급기보다 효율이 떨어진다. 이밖에 배기계의 압력파(壓力波)를 사용한 것도 있다. 과급기를 처음으로 적용한 것은 1920년대 경주용 자동차들로, 이때 과급기는 기계식이었다. 제2차 세계대전 이후로 실용화되었는데, 군용기에 기계식 과급기를 사용하였다. 터보과급기가 미국에서 실용화되면서 비행기가 더 높은 고도에서 날 수 있게 되었다.

그 뒤로 디젤기관에서 터보과급기를 사용하였으며, 선박용 기관에서 터보과급기를 사용하면서 기존보다 3∼4배 출력이 높아졌다. 그러나 이러한 선박용 과급기의 입구 및 출구(TI, CO)에는 배기가스나 소기의 유동을 단속 및 제어하기 위한 일종의 게이트 밸브를 장착해야 한다. 그러나 종래 공지된 상당수의 과급기용 밸브들이 대부분 자동차에 적합한 형태이어서 그대로 대형 선박용 엔진에 적용하기에는 무리가 있었으므로 선박용 엔진의 구조에 적합하도록 과급기용 단속 밸브를 개선 내지는 개발할 필요가 생기게 되었다.

KR 10-1276544 B1 KR 10-1471306 B1 KR 10-2007-0060754 A

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 선박용 엔진에 사용하는 과급기의 터빈 입구측이나 압축기 출구 측 유로에 장착하기 용이하고, 밸브의 개폐 동작이 신속 및 정확하며, 방열핀과 스프링을 적절히 이용하여 고온 내구성 및 기밀성을 향상시킨, 고온 내구성 및 기밀성이 강화된 웨이스트 게이트 밸브를 제공함에 있다.

본 발명은 고온 내구성과 기밀성을 향상 시킨 게이트 밸브가 적용된 과급기를 사용함에 따라 선박 엔진의 효율 향상과 유해 배기가스 성분의 감축으로 이어지는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명인 고온 내구성 및 기밀성이 강화된 웨이스트 게이트 밸브의 정면도이다.
도 2는 본 발명인 고온 내구성 및 기밀성이 강화된 웨이스트 게이트 밸브의 평면도이다.
도 3은 본 발명인 고온 내구성 및 기밀성이 강화된 웨이스트 게이트 밸브의 측면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 기밀 유지부의 측면 확대도와 정면 확대도 및 측면 조립도이다.
도 5는 본 발명에 따른 고온 저감부와 누설 저감부의 측면 확대도이다.

이하에서는, 본 발명의 실시 예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "... 부"의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

도 1은 본 발명인 고온 내구성 및 기밀성이 강화된 웨이스트 게이트 밸브의 정면도가 도시되어 있고, 도 2는 본 발명인 고온 내구성 및 기밀성이 강화된 웨이스트 게이트 밸브의 평면도가 도시되어 있고, 도 3은 본 발명인 고온 내구성 및 기밀성이 강화된 웨이스트 게이트 밸브의 측면도가 도시되어 있고, 도 4는 본 발명에 따른 기밀 유지부의 측면 확대도와 정면 확대도 및 측면 조립도가 도시되어 있고, 도 5는 본 발명에 따른 고온 저감부와 누설 저감부의 측면 확대도가 도시되어 있다.

도 1내지 도 5를 참고하여 본 발명에 따른 고온 내구성 및 기밀성이 강화된 웨이스트 게이트 밸브에 대해 설명한다.

선박용 엔진의 입구측이나 출구측에 장착하여 배기 또는 소기를 단속하기 위한 게이트 밸브로서, 유체의 흐름을 제어할 수 있도록 파이프들 사이에 설치되게 된다. 도 3에서 확인할 수 있는 본 발명의 구성요소로는 바디(1, Body). 바디 시트(2, Body Seat), 시트 리테이너 (3, Seat Retainer), 디스크 (4, Disc) 샤프트 (5, Shaft), 글랜드 플렌지 (6, Gland Flange), 플러그 (7, Plug) 테이퍼 핀 (8, Taper Pin), 스프링 (9, Spring), 글랜드 부시 (10, Gland Bush), 슬리브 (11, Sleeve), 셋 스크루 (13, Set Screw), 글랜드 패킹 (14, Gland Packing), 스터드 볼트 (19, Stud Bolt), 헥스 너트 (20, Hex. Nut), 디스크 스프링 (21, Disc Spring), 스러스트 칼라 (22, Thrust Collor), 키 (23, Key)로 이루어져 있다.

또한, 상기 바디(1)는 상부에 복수의 방열핀을 구비하여, 상기 유로에서 전달되어 오는 열이 상부로 전달되는 것을 저감시킬 수 있는 고온 저감부(200)를 포함할 수 있다.

여기에 더하여서 스터드 볼트(19), 헥스 너트(20), 글랜드 플렌지(6), 및 디스크 형상의 디스크 스프링(21)을 장착하여 자동압축되어 자연누설을 저감시키는 누설 저감부(300);를 더 포함할 수 있다.

다음으로, 도 4를 참조하여 기밀 유지부(100)에 대해 좀 더 상세히 설명하자면, 바디 시트(2)상에 다수의 스프링(9)을 장착하여 바디 시트(2)가 디스크(4)에 항상 일정한 힘으로 가압되어 체결되는 구조를 지니게 할 수 있다. 이 경우 디스크(4)와 바디 시트(2)가 오랜 사용에 마모되더라도 기밀유지가 가능토록 해 줄 것이다.

도 5를 참조하여 고온 저감부(200)에 대해 좀 더 상세히 설명하자면, 밸브 내부의 고온 유체가 통과하면 내부의 열이 발생하게 되는데 그 열이 전도되어 상부의 패킹부 및 밸브가 구동하도록 하는 구동부에 영향을 주게된다. 이를 해소하기위해 몸체(1)의 상단부에 방열핀을 구비하여 밸브의 내부에서 발생하는 고온의 열을 방열핀에서 방출하여 상부로 전달되는 고온의 영향을 저감시킬 수 있게 된다.

누설 저감부(300)에 대해 좀 더 상세히 설명하자면, 밸브 스템부의 장기간 동작으로 인하여 글랜드 패킹(14)이 마모되어 자연누설이 발생하게 되는데, 헥스 너트(20)의 하부에 다수의 디스크 형상의 디스크 스프링(21)을 장착하면, 디스크 스프링(21) 장착을 통해 일정 하중으로 자동압축이 되게 함으로서 앞서 발생한 자연누설의 발생을 저감시키는 효과가 있다.

본 발명의 실시 예로 적층 디스크형 및 Triple Offset을 적용한 밸브 타입을 변경 할 수 있을 것이다. 이로 인해 종래의 기술 보다 기밀성 및 내구성이 향상 되는 효과를 얻을 수 있다. 또한 배기가스의 압력조절 및 과급기(터보차저)의 성능을 유지하기 위해 디스크 방식으로의 역설계도 가능하다. 또한, 강한 압력을 도출하도록 전기전자 기술의 적용을 강화하여 3D모델링 기반 실린더를 구현하여 고성능 액츄에이터를 구현할 수도 있다.

더 나아가서 가솔린 터보 차저를 위한 웨이스트 게이트 밸브(WGV)의 조립은 일반적으로 정밀 주조에 의하여 제조된다. 그러나, 인코넬(Inconel) 713C 합금을 이용하여 금속 주입 몰딩(MIM)에서 제조하면 1.6L 직접 분사 가솔린 엔진에서 시험한 열 충격 내구성 시험에서 300시간을 버텨낼 수도 있다. 그 결과로 엔진 흡입구 부스트 압력과 터빈 휠스피드 및 일시적 흡입 압력에 관하여 정밀함을 얻을 수도 있을 것이다.

또한, 예를 들어, 압축기 배출 압력(예컨대, 과급압)과 흡기 매니폴드 압력 간의 압력 차이(예컨대, 리저브)가 단독으로 웨이스트게이트밸브를 제어하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 압력 차이는 전자 제어 알고리즘(예컨대, 비선형 매개변수 방정식)에서 단독 입력의 역할을 할 수 있다. 간단한 전자 제어 알고리즘은 이득 스케줄링 없이 매우 낮거나 높은 스로틀 리저브에 응답하여 웨이스트게이트를 조정에 빠르게 반응할 수 있고, 또한 원하는 동작 윈도우 내에서 더욱 안정적인 엔진 동작을 제공할 수 있다. 또한, 간단한 전자 제어 알고리즘은 교정을 선택할 때 구성 오류를 제거한다. 이것은 또한 학습 알고리즘에 대한 필요성 및 연관된 복잡성을 방지하게 된다.

실시 예들의 기술적 효과는 간단한 전자 제어 알고리즘(예컨대, 단일 입력 및 단일 출력을 구비함)으로 웨이스트게이트밸브 상태를 제어하기 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것을 포함한다. 압축기 배출 압력과 흡기 매니폴드 압력 사이의 압력 차이가 단독으로 웨이스트게이트를 제어하는데 이용될 수도 있는 것이다. 예를 들어, 압력 차이는 전자 제어 알고리즘에서 단독 입력의 역할을 할 수 있다. 간단한 전자 제어 알고리즘은 이득 스케줄링 없이 매우 낮거나 높은 스로틀 리저브에 응답하여 웨이스트게이트를 조정에 빠르게 반응할 수 있고, 또한 원하는 동작 윈도우 내에서 더욱 안정적인 엔진 동작을 제공할 수 있다. 또한, 간단한 전자 제어 알고리즘은 교정을 선택할 때 구성 오류를 제거한다. 이것은 또한 학습 알고리즘에 대한 필요성 및 연관된 복잡성을 방지하고, 어떠한 하드웨어의 추가 없이도 실시가 가능하다. 전반적으로, 간단한 전자 제어 알고리즘은 엔진 시스템의 효율을 개선시켜 덜 복잡하지만 더 효율적인 웨이스트게이트밸브 제어 시스템을 적용할 수 있을 것이다.

이상 본 발명의 실시 예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

1 : 몸체(Body)
2 : 몸체 시트(Body Seat)
3 : 시트 리테이너 (Seat Retainer)
4 : 디스크 (Disc)
5 : 샤프트 (Shaft)
6 : 글랜드 플렌지 (Gland Flange)
7 : 플러그 (Plug)
8 : 테이퍼 핀 (Taper Pin)
9 : 스프링 (Spring)
10 : 글랜드 부시 (Gland Bush)
11 : 슬리브 (Sleeve)
13 : 셋 스크루 (Set Screw)
14 : 글랜드 패킹 (Gland Packing)
19 : 스터드 볼트 (Stud Bolt)
20 : 헥스 너트 (Hex. Nut)
21 : 디스크 스프링 (Disc Spring)
22 : 스러스트 칼라 (Thrust Collor)
23 : 키 (Key)
100 : 기밀 유지부
200 : 고온 저감부
300 : 누설 저감부

Claims

파이프들 사이에 설치되어 유체의 흐름을 제어하는 밸브로서,
바디(1);
유체가 흐르는 유로;
상기 바디(1) 내부에 설치되어 상기 유로를 수직 관통하는 샤프트(5);
상기 샤프트(5)에 설치되어 상기 유로를 회전하며 열고 닫아 상기 유체의 유량을 조절하는 디스크(4);
상기 바디(1)와 상기 디스크(4)의 사이에 설치되어 상기 디스크(4)를 지지하는 바디 시트(2);
상기 샤프트(5)의 일부를 감싸 완충역할을 하는 슬리브(11); 및
상기 디스크(4)의 둘레에 설치되어 기밀유지가 되도록 하는 기밀 유지부(100);를 포함하고,
상기 기밀 유지부(100)는 상기 바디(1)와 상기 바디 시트(2) 사이에 서로 간격을 둔 복수의 스프링(9)이 설치되어 상기 바디 시트(2)가 상기 디스크(4)에 항상 일정한 힘으로 가압되게 하는 것을 특징으로 하는 고온 내구성 및 기밀성이 강화된 웨이스트 게이트 밸브.
청구항 1에 있어서,
상기 바디(1)는 상부에 복수의 방열핀을 구비하여, 상기 유로에서 전달되어 오는 열이 상부로 전달되는 것을 저감시키는 것을 특징으로 하는 고온 내구성 및 기밀성이 강화된 웨이스트 게이트 밸브.