KR101866853B1 - 회전 가능한 전환 밸브 - Google Patents

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Abstract

터보 과급기(30)의 터빈(32) 섹션은 터빈 하우징(33) 내에 배치된 터빈 휠(37)을 포함하고, 터빈 하우징(33)은 가스 유입구(34), 가스를 유입구(34)로부터 터빈(32) 휠로 지향시키도록 구성된 와류부, 및 가스 배출구를 포함한다. 회전 전환 밸브(100, 200)가 와류부 상류에서 가스 유입구(34) 내에 배치되고, 터보 과급기(30)에 관한 배기 가스 유동을 제어하는 3개의 모드를 제공한다.

Description

회전 가능한 전환 밸브
(해당 사항 없음)
정상 흡입 구성에서 가능할 수 있는 것 보다 높은 밀도로 공기를 엔진 흡기부에 전달하기 위해서, 터보 과급기가 엔진에 제공된다. 이는 보다 많은 연료가 연소될 수 있게 하고, 그에 따라 엔진 중량을 상당히 증가시키지 않고도 엔진의 마력을 증대시킬 수 있게 한다.
일반적으로, 터보 과급기는 엔진 배기 매니폴드로부터의 배기 유동을 이용하고, 그러한 배기 유동은 터빈 하우징 유입구에서 터보 과급기의 터빈 스테이지로 진입하고, 그에 의해서 터빈 하우징 내에 위치되는 터빈 휠을 구동한다. 터빈 휠은, 베어링 하우징 내에서 회전 가능하게 지지되는 샤프트의 일 단부에 부착된다. 샤프트는 샤프트의 타 단부 상에 장착된 압축기 임펠러를 구동시킨다. 따라서, 터빈 휠은 압축기 임펠러를 구동하기 위한 회전 동력을 제공하고, 그에 의해서 터보 과급기의 압축기 스테이지를 구동시킨다. 공기가 압축기 스테이지 내에서 압축되고, 이어서 전술한 바와 같이 엔진 흡기부에 제공된다.
(해당 사항 없음)
일부 양태에서, 유체 통로를 통한 유체 유동을 제어하도록 원통형 회전 밸브가 구성된다. 그러한 밸브는 제1 단부, 제1 단부에 대향되는 제2 단부, 및 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되는 측면 표면을 포함한다. 밸브는 측면 표면 내에 형성된 제1 유입구 개구부, 측면 표면 내에 형성된 제1 배출구 개구부, 및 제1 유입구 개구부를 제1 배출구 개구부에 연결하는 제1 밸브 통로를 포함한다. 또한, 밸브는 측면 표면 내에 형성된 제2 유입구 개구부, 측면 표면 내에 형성된 제2 배출구 개구부, 및 제2 유입구 개구부를 제2 배출구 개구부에 연결하는 제2 밸브 통로를 포함한다. 제2 밸브 통로는 제1 밸브 통로로부터 분리되고, 제1 유입구 개구부, 제1 배출구 개구부, 및 제2 유입구 개구부는 각각 밸브의 제1 단부와 중간 부분 사이에 배치되고, 제2 배출구 개구부는 중간 부분과 제2 단부 사이에 배치된다.
밸브가 이하의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 제1 유입구 개구부 및 제1 배출구 개구부가 밸브의 대향 측면들 상에 위치된다. 제1 유입구 개구부는 일반적으로 제2 유입구 개구부와 축방향으로 정렬되고 제2 유입구 개구부로부터 원주방향으로 이격된다. 제2 유입구 개구부는 제2 배출구 개구부로부터 원주방향으로 이격된다. 밸브는 측면 표면 내에 형성된 제3 유입구 개구부, 측면 표면 내에 형성된 제3 배출구 개구부, 및 제3 유입구 개구부를 제3 배출구 개구부에 연결하는 제3 통로를 포함하고, 제3 유입구 개구부 및 제3 배출구 개구부는 밸브의 제1 단부와 중간 부분 사이에 배치된다. 제1 유입구 개구부 및 제2 유입구 개구부의 적어도 하나가 일반적으로 직사각형 형상이다.
일부 양태에서, 터보 과급기는 터빈 하우징 및 터빈 하우징 내에 배치된 터빈 휠을 포함하는 터빈 섹션을 포함하고, 터빈 하우징은 가스 유입구, 가스를 유입구로부터 터빈 휠로 지향시키도록 구성된 와류부, 및 가스 배출구를 형성한다. 터보 과급기는 또한, 밸브의 회전 축이 유입구를 통한 가스 유동의 방향에 횡방향으로 연장되는 방식으로 가스 유입구 내에 배치된 회전 밸브를 포함한다. 밸브는 제1 단부, 제1 단부에 대향되는 제2 단부, 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되는 측면 표면, 그리고 제1 및 제2 단부를 통해서 연장되고 밸브의 회전 축과 일치되는 길이방향 축을 포함한다. 밸브는 측면 표면 내에 형성된 제1 유입구 개구부, 측면 표면 내에 형성된 제1 배출구 개구부, 및 제1 유입구 개구부를 제1 배출구 개구부에 연결하는 제1 밸브 통로를 포함한다. 밸브는 또한 측면 표면 내에 형성된 제2 유입구 개구부, 측면 표면 내에 형성된 제2 배출구 개구부, 및 제2 유입구 개구부를 제2 배출구 개구부에 연결하는 제2 통로를 포함한다. 제2 통로는 제1 통로로부터 분리되며, 제1 유입구 개구부, 제1 배출구 개구부, 및 제2 유입구 개구부 각각은 밸브의 특정 회전 배향에서 가스 유입구와 연통되도록 배치되며, 제2 배출구 개구부는 밸브의 특정 회전 배향에서 가스 배출구와 연통될 수 있도록 배치된다.
터보 과급기가 이하의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 밸브는, 모든 배기 가스가 밸브를 통해서 터빈 휠로 유동되는, 밸브의 제1 회전 배향에 상응하는 완전 개방 모드, 배기 가스의 일부가 터빈 휠을 돌아서 배기 배출구로 재지향되는, 밸브의 제2 회전 배향에 상응하는 웨이스트게이트 모드(wastegated mode), 및 배기 유입구가 적어도 부분적으로 막히는, 밸브의 제3 회전 배향에 상응하는 배압 모드(backpressured mode)를 포함하는, 터보 과급기의 3개의 동작 모드를 제공하도록 구성된다. 밸브가 제1 회전 배향에 있을 때, 제1 유입구 개구부가 가스 유입구와 정렬되고 가스 유동 방향에 대한 상류 방향을 향해서 대면되며, 제1 배출구 개구부는 가스 유입구와 정렬되고 가스 유동 방향에 대한 하류 방향을 향해서 대면되며, 제2 유입구 개구부는 막힌다. 밸브가 제2 회전 배향에 있을 때, 제2 유입구 개구부가 가스 유입구와 정렬되고 가스 유동 방향에 대한 상류 방향을 향해서 대면되며, 제2 배출구 개구부는 가스 배출구와 정렬되고, 제1 유입구 개구부는 적어도 부분적으로 막힌다. 터보 과급기는, 밸브 제1 단부에 연결되고 길이방향 축을 중심으로 하는 밸브의 회전 위치를 제어하도록 구성되는 작동기를 더 포함한다. 제1 유입구 개구부 및 제1 배출구 개구부가 밸브의 대향 측면들 상에 위치된다. 제1 유입구 개구부는 일반적으로 제2 유입구 개구부와 축방향으로 정렬되고 제2 유입구 개구부로부터 원주방향으로 이격된다. 제2 유입구 개구부는 제2 배출구 개구부로부터 원주방향 및 축방향으로 이격된다. 밸브는 측면 표면 내에 형성된 제3 유입구 개구부, 측면 표면 내에 형성된 제3 배출구 개구부, 제3 유입구 개구부를 제3 배출구 개구부에 연결하는 제3 통로를 포함하고, 제3 유입구 개구부 및 제3 배출구 개구부는 밸브의 제1 단부와 중간 부분 사이에 배치된다.
터빈 속력을 조절하기 위해서, 이어서 압축기의 회전 속력을 조절하기 위해서, 배기 가스의 일부를 터빈 휠로부터 멀리 전환시키는 것이 바람직한 특정 엔진 동작 조건이 있다. 다른 동작 조건에서, 터빈 휠에 도달하기 전에 고압 배기 가스 유동의 일부를 엔진으로부터 취하고, 그 유동의 일부를 터보 과급기의 압축기 섹션으로부터의 가압 공기와 함께 엔진 공기 흡기부로 재지향시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 배기 가스 재순환(EGR)이 엔진의 NOx 배출가스(예를 들어, NO(일산화질소) 및 NO2(이산화질소))를 줄일 수 있다. 또한, 또 다른 동작 조건에서, 엔진 제동을 유도하기 위해서 엔진 실린더에 걸친 압력을 증가시키는 것이 바람직하다. 터빈 유입구 압력 제어, EGR 및/또는 엔진 제동을 달성하기 위해서, 배기 가스 터보 과급기는 터빈의 배기 가스 유입구 내에 배치된 전환 밸브를 포함한다. 전환 밸브는 복수의 터보 과급기 동작 모드들을 허용하도록 구성되고, 그러한 모드는 배기 가스 유입구 내의 밸브의 회전 배향에 의해서 결정된다. 도시된 실시예에서, 전환 밸브는 3개의 동작 모드를 제공한다.
제1 모드는 전환 밸브의 제1 회전 배향에 상응하고, 그러한 제1 회전 배향에서 배기 가스 유입구가 완전히 개방되고, 그에 의해서 엔진으로부터 방출되는 모든 배기 가스가 터보 과급기 터빈의 배기 가스 유입구 내로 그리고 터빈 휠을 향해서 지향된다.
제2 모드는 전환 밸브의 제2 회전 배향에 상응하고, 그러한 제2 회전 배향에서 배기 가스 유입구가 적어도 부분적으로 폐쇄되고, 엔진으로부터 방출되는 배기 가스의 적어도 일부가 터빈 휠을 우회하고 터보 과급기 터빈의 배기 가스 배출구 내로 지향된다. 이러한 모드에서, 전환 밸브는 터보 과급기 웨이스트게이트 밸브로서 동작된다.
제3 모드는 전환 밸브의 제3 회전 배향에 상응하고, 그러한 제3 회전 배향에서 배기 가스 유입구는 적어도 부분적으로 폐쇄되고 배기 가스는 밸브를 통과하지 못하거나 거의 통과하지 못한다. 이러한 모드에서, 배압이 배기 라인 내에서 생성된다. 전환 밸브가 부분적으로 폐쇄될 때, 엔진 배기 가스 재순환(EGR)을 구동하기 위한 배압의 충분한 증가가 있게 된다. 전환 밸브가 더 완전히 폐쇄되거나 완전 폐쇄될 때, 엔진 제동을 달성하기 위한 충분한 배압이 엔진 실린더 내에 있게 된다.
그에 따라, 배기 가스 유입구 내의 전환 밸브의 회전 배향은 터보 과급기의 동작 모드를 결정한다. 각각의 모드에서, 전환 밸브의 회전 배향의 증분적인 변화를 이용하여 완전 개방 위치, 완전 폐쇄 위치, 그리고 완전 개방 위치와 완전 폐쇄 위치 중간의 임의의 개방량 사이에서 배기 유동의 양을 정확하게 제어할 수 있다. 또한, 밸브의 주어진 회전 배향에서, 전환 밸브 개구부의 크기 및 형상을 변화시키는 것에 의해서, 개구부를 통한 유량이 변화될 수 있고, 그에 따라 배기 가스 유동 특성의 최적화를 가능하게 할 수 있다.
유사한 참조 번호가 유사한 부분을 나타내는 첨부 도면에서 실시예가 예로서 그리고 비제한적으로 도시되어 있다.
도 1은 터보 과급기에 연결된 엔진에 대한 엔진 시스템의 개략도이다.
도 2는 터보 과급기의 유입구로부터 격리된 회전 전환 밸브의 사시도이다.
도 3은 도 2의 회전 전환 밸브의 횡단면도이다.
도 4는 터빈 유입구 내에 배치된 회전 전환 밸브를 도시하고 완전 개방 위치에서 회전 전환 밸브를 보여주는 터보 과급기의 횡단면도이다.
도 5는 완전 개방 위치에서 회전 전환 밸브를 도시한 터보 과급기의 유입구 단부도이다.
도 6은 터빈 유입구 내에 배치된 회전 전환 밸브를 도시하고 완전 폐쇄된 웨이스트게이팅 위치에서 회전 전환 밸브를 보여주는 터보 과급기의 횡단면도이다.
도 7은 완전 폐쇄된, 웨이스트게이팅 위치에서 회전 전환 밸브를 도시한 터보 과급기의 유입구 단부도이다.
도 8은 엔진 제동에 상응하는 완전 폐쇄 위치에서 회전 전환 밸브를 도시한 터보 과급기의 유입구 단부도이다.
도 9는 완전 개방 위치에서 대안적인 회전 전환 밸브를 도시한 터보 과급기의 유입구 단부도이다.
도 10은 부분적 개방 위치에서 도 9의 대안적인 회전 전환 밸브를 도시한 터보 과급기의 유입구 단부도이다.
도 11은 웨이스트게이팅 위치에서 대안적인 회전 전환 밸브를 도시한 터보 과급기의 유입구 단부도이다.
도 1을 참조하면, 터보 과급형 내연 엔진(12)을 위한 엔진 시스템(10)은, 엔진(12) 하류의 배기 통로(20) 내에서 배기 가스의 압력을 조정 가능하게 제어하는 회전 전환 밸브(100)를 포함하고, 그에 의해서 통로(20) 내의 배기 가스 유동 및 압력이 정확하게 제어될 수 있다. 엔진 실린더(14)의 하나 이상이 배기 매니폴드(16)에 연결되도록, 엔진(12)이 배열된다. 엔진(12)의 하류에서, 배기 매니폴드(16)는, 고온, 고압 배기 가스를 터보 과급기(30)의 배기 가스 터빈(32)에 공급하는 배기 통로(20)로 배기 가스를 지향시킨다. 터빈(32) 내에서 팽창된 후에, 감소된-압력의 배기 가스는, 대기로 방출되기에 앞서서, 배기 가스 배출구 통로(36)를 통해서 촉매 변환기, 특히 트랩(trap), 및 NOx 트랩과 같은 하나 이상의 후-처리 장치(60)로 지향된다.
엔진(12)의 공기 전달 측면 상에서, 과급 공기가 터보 과급기(30)의 압축기 섹션(48) 내에서 생성되고, 엔진(12)의 공기 흡기 매니폴드(18)에 연결된 공기 전달 라인(46)을 통해서 엔진 실린더(14)에 공급된다. 인터쿨러 장치(50)가 공기 전달 라인(46) 내에 배치되어, 실린더(14)로 전달하기에 앞서서, 과급 공기를 냉각시킨다. 배기 가스 재순환은, 배기 통로(20)를 공기 전달 라인(46)에 연결하는 EGR 통로(52)를 통해서 달성된다. EGR 냉각기(54)가 EGR 통로(52) 내에 제공되어, 공기 전달 라인(46)으로의 전달에 앞서서, 배기 가스의 재순환되는 부분을 냉각시킨다. 시스템(10)에서, 전환 밸브(100)가 터빈(32)의 배기 가스 유입구 내에 배치되어, 이하에서 구체적으로 설명되는 바와 같이, 터빈 및 배기 통로(20) 내의 배기 가스 유동 및 압력을 제어한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 전환 밸브(100)가 원통형이고, 제1 단부(102) 및 제1 단부(102)에 대향되는 제2 단부(104)를 포함한다. 전환 밸브(100)는, 전환 밸브(100)의 회전 축과 일치되고 제1 단부(102) 및 제2 단부(104) 모두를 통해서 연장되는 길이방향 축(106)을 포함한다. 제1 및 제2 단부(102, 104) 각각은 길이방향 축(106)에 횡방향인 평면을 형성한다. 전환 밸브(100)는 제1 단부(102)와 제2 단부(104) 사이에서 연장되는 측면 표면(108)을 포함한다. 길이방향 축(106)이 가스 유동의 방향에 횡방향으로 연장되는 방식으로, 전환 밸브가 터보 과급기(30)의 배기 가스 터빈(32)의 유입구(34) 내에서 지지된다. 또한, 전환 밸브(100)의 일부 회전 배향에서, 배기 가스 유입구(34)가 완전히 막히도록 그리고 배기 가스가 배기 가스 유입구(34)를 통해서 유동하지 않도록, 전환 밸브(100)의 치수가 결정된다.
전환 밸브(100)는 관통하는 내부 통로(110, 120)를 포함하고, 그러한 내부 통로는, 전환 밸브(100)의 일부 회전 배향에서, 전환 밸브(100)를 통한 가스 유동을 허용한다. 도시된 실시예에서, 전환 밸브(100)는 제1, 또는 메인 밸브 통로(110), 및 제2, 또는 우회 밸브 통로(120)를 포함하고, 제2, 또는 우회 밸브 통로(120)는 메인 밸브 통로(110)와 분리되고 메인 밸브 통로(110)와 연통되지 않는다.
메인 밸브 통로(110)는, 측면 표면(108) 내에 형성된, 제1 유입구 개구부(112)와 제1 배출구 개구부(114) 사이에서 연장된다. 메인 밸브 통로(110)는 대체로 선형인 경로를 따르고 길이방향 축(106)에 횡방향인 방향으로 연장되며, 그에 의해서 제1 유입구 개구부(112) 및 제1 배출구 개구부(114)가 전환 밸브(100)의 대향 측면들 상에 위치된다. 메인 밸브 통로(110)는 대체로 직사각형 형상이고, 밸브 제2 단부(104)와 전환 밸브(100)의 중간 부분(103) 사이에서 축방향으로 배치된다.
우회 밸브 통로(120)는, 측면 표면(108) 내에 형성된, 제2 유입구 개구부(122)와 제2 배출구 개구부(124) 사이에서 연장된다. 우회 밸브 통로(120)는 전환 밸브(100)를 통해서 완곡한 경로(circuitous path)를 따르고, 그에 의해서 제2 유입구 개구부(122) 및 제2 배출구 개구부(124)가 축방향 및 원주방향으로 이격된다. 도시된 실시예에서, 제2 유입구 개구부(122) 및 제2 배출구 개구부(124)는 전환 밸브(100)의 외주를 따라서 약 120도의 간격을 갖는다. 또한, 제2 유입구 개구부(122)는 밸브 제2 단부(104)와 중간 부분(103) 사이에서 축방향으로 배치된다. 즉, 제2 유입구 개구부(122)는 대체로 제1 유입구 개구부(112)와 축방향으로 정렬되고 제1 유입구 개구부(112)로부터 원주방향으로 이격된다. 도시된 실시예에서, 제2 유입구 개구부(122) 및 제1 유입구 개구부(112)는 전환 밸브(100)의 외주를 따라서 약 90도의 간격을 갖는다.
제2 배출구 개구부(124)는 중간 부분(103)과 밸브 제1 단부(102) 사이에서 축방향으로 배치되고, 그에 의해서 제2 유입구 개구부(122)는 제2 배출구 개구부(124)에 대해서 중간 부분(103)의 축방향-대향 측면 상에 배치된다. 제2 유입구 개구부(122) 및 제2 배출구 개구부(124)가 원주방향으로 이격되기 때문에, 우회 밸브 통로(120)는 간접적이다. 특히, 우회 밸브 통로(120)는, 측면 표면(108) 내에 형성된 함몰된, 평면형 랜드(132)에 상응하는 제1 부분(130)을 포함한다. 제2 유입구 개구부(122)는, 랜드(132)와 원형 측면 표면(108) 사이에 형성된 축방향으로-대면되는 쇼울더(134) 내에 형성된다. 우회 밸브 통로(120)는 제1 부분(130)과 연통되는 제2 부분(140)을 포함하고, 전환 밸브(100)의 내부에서 축방향으로 연장된다. 도시된 실시예에서, 제2 부분(140)은 길이방향 축(106)에 대해서 약간 각도를 이루고, 그에 의해서 제2 부분(140)은 제1 단부(102)에 인접하여 길이방향 축(106)에 가장 근접한다. 우회 밸브 통로(120)는, 제2 부분(140)을 제2 배출구 개구부(124)에 연결하는 제3 부분(150)을 포함한다. 제3 부분(150)은 길이방향 축(106)에 횡방향인 방향으로 연장되고, 제2 배출구 개구부(124)의 형상에 상응하는 형상을 갖는다. 도시된 실시예에서, 제2 배출구 개구부(124) 및 제3 부분(150)의 형상이 대체로 원형이다.
메인 밸브 통로(110) 및 우회 밸브 통로(120)의 횡단면적의 크기는 특정 적용예의 요건에 의해서 결정된다. 도시된 실시예에서, 메인 밸브 통로(110)는 우회 밸브 통로(120)의 횡단면적에 비해서 큰 횡단면적을 갖는다. 그에 따라, 이러한 예시적인 실시예에서, 전환 밸브(100)는, 우회 밸브 통로(120)를 통해서 지향시키고자 하는 배기 가스의 양이 메인 밸브 통로(110)를 통해서 지향시키고자 하는 배기 가스의 양에 비해서 적은 적용예에 적합하다. 그러나, 통로 크기들이 도시된 크기 및 비율로 제한되지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
메인 밸브 통로(110) 및 우회 밸브 통로(120)의 형상은 또한 특정 적용예의 요건에 의해서 결정된다. 도시된 실시예에서, 메인 밸브 통로(110)는 대체로 직사각형 형상을 가지는 반면, 우회 밸브 통로(120)의 형상은 우회 밸브 통로(120)의 길이를 따라서 가변적이다. 밸브 통로(110, 120)의 형상 및/또는 제1 및 제2 유입구 개구부(112, 122)의 형상이 변화될 수 있고, 희망 가스 유동 특성 및 특성의 최적화를 기초로 선택된다. 가능한 형상에는, 비제한적으로, 원형, 직사각형, 눈물 방울 형상, 및 삼각형이 포함된다.
사용시에 열 팽창과 관련된 문제를 회피할 수 있도록, 전환 밸브(100)는 터빈 하우징을 형성하기 위해서 이용된 것과 같은 또는 유사한 재료로 제조될 수 있다. 그러나, 전환 밸브(100)를 형성하기 위해서 이용되는 재료는 이러한 것으로 제한되지 않고, 전환 밸브(100)가 엔진 배기 통로(20) 및 터빈 배기 가스 유입구(34)의 고온, 고압 및 부식성 환경에서 이용하기에 적합한 임의의 다른 재료(들), 예컨대 세라믹 재료로 형성될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 특정 적용예의 요건을 기초로, 재료에 대해서 주조, 단조, 소결, 코팅, 등이 이루어질 수 있다.
전환 밸브 측면 표면(108)은, 직사각형적으로 성형되고 피스톤 링(87, 88)(도 4 및 도 6)을 수용하기 위한 치수를 가지는 2개의 원주방향-연장 홈(162, 164)을 포함하고, 피스톤 링은 측면 표면(108)과 배기 가스 유입구(34)에 상응하는 터빈 하우징의 부분 사이에 밀봉을 형성한다. 홈(160, 162)은 밀접하게 측방향으로 이격되고, 밸브 제1 단부(102)와 제2 배출구 개구부(124) 사이에 배치된다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 전환 밸브(100)는 터빈(32) 내의 가스 유동의 방향과 관련한 터빈 와류부(turbine volute)(38) 바로 상류의 위치에서 터빈(32)의 배기 가스 유입구(34) 내에 배치된다. 전환 밸브(100)를 수용하기 위해서, 터빈 하우징(33)은 배기 가스 유입구(34)와 교차되는 중공형의 대체로 원통형인 밸브 하우징(80)을 포함한다. 전환 밸브(100)가 배기 가스 유입구(34)를 통과하는 배기 가스의 유동 경로 내에 배치되는 방식으로, 그리고 밸브 길이방향 축(106)이, 터빈 휠(37), 압축기 임펠러, 및 상호 연결 샤프트를 포함하는 터보 과급기 회전 조립체(미도시)의 회전 축에 대체로 평행하도록, 밸브 하우징(80)은 전환 밸브(100)의 길이방향 축(106)을 중심으로 회전되게 전환 밸브(100)를 지지한다.
밸브 하우징(80)은 폐쇄 단부(82)를 가지고, 밸브 제2 단부(104)가 최소 간격으로 폐쇄 단부(82)에 대면되도록 전환 밸브(100)가 밸브 하우징(80) 내에 배치된다. 또한, 밸브 하우징(80)의 원통형 내부 표면(84)이 최소 간격으로 밸브 측면 표면(108)을 둘러싸도록, 밸브 하우징(80)의 치수가 결정된다.
밸브 하우징(80)은 개방 단부(86)를 가지고, 밸브 제1 단부(102)가 밸브 하우징 개방 단부(86) 내에 위치된다. 이러한 배열에 의해서, 밸브 제1 단부(102)가 대기에 노출된다. 전술한 바와 같이, 제1 단부(102)에 인접하여 밸브 측면 표면(108) 상에 제공된 피스톤 링(87, 88)이 밀봉을 제공하고, 그에 따라 배기 가스가 밸브 하우징 개방 단부(86)를 통해서 빠져 나가는 것이 방지된다. 유리하게, 밸브 제1 단부(102)를 노출시키는 것에 의해서, 밸브 제1 단부(102)가 작동기 막대(72)를 통해서 작동기(70)에 연결될 수 있다. 작동기(70)를 이용하여 밸브 하우징(80) 내의 그리고 터빈 배기 가스 유입구(34)에 대한 전환 밸브(100)의 회전 배향을 제어한다.
본원에서 설명된 바와 같이 터보 과급기 동작의 복수의 모드를 허용하도록 전환 밸브(100)가 구성되고, 그러한 동작 모드는 작동기(70)에 의해서 제어되는 바와 같은 터빈 배기 가스 유입구(34) 내의 전환 밸브(100)의 회전 배향에 의해서 결정된다. 특히, 전환 밸브(100)는 터보 과급기 동작의 이하의 3개 모드를 제공하도록 구성된다: 완전-개방 동작; 웨이스트게트 동작; 및 배압 동작.
제1, 또는 완전-개방 동작 모드는, 배기 가스 유입구(34)가 완전 개방되는(도 4 및 도 5) 전환 밸브(100)의 제1 회전 배향에 상응한다. 이러한 모드에서, 제1 유입구 개구부(112)가 상류 방향으로(예를 들어, 엔진(12)을 향해서) 개방되게 배기 가스 유입구(34) 내에 배치되도록, 제1 배출구 개구부(114)가 하류 방향으로(예를 들어, 엔진(12)으로부터 멀리 그리고 터빈 와류부(38)를 향해서) 개방되게 배기 가스 유입구(34) 내에 배치되도록, 그리고 제1 내부 통로(110)가, 배기 가스 유입구(34)의 인접 부분과 대체로 연속적인 배기 가스 유입구(34)의 부분을 형성하도록, 전환 밸브(100)가 배향된다. 이러한 구성에 의해서, 엔진(12)으로부터 방출되는 모든 배기 가스가 터보 과급기 터빈의 배기 가스 유입구(34) 내로 그리고 터빈 휠(37)을 향해서 매끄럽게 지향된다. 완전-개방 동작 모드에서, 제2 유입구 개구부(122) 및 제2 배출구 개구부(124)는 밸브 하우징 내부 표면(84)과 대면되며, 그에 의해서 가스는 제2 내부 통로(120)를 통해서 유동되지 않는다.
제2, 또는 웨이스트게트 동작 모드는 전환 밸브(100)의 제2 회전 배향에 상응하고, 그러한 제2 회전 배향에서 배기 가스 유입구가 적어도 부분적으로 폐쇄되고, 엔진(12)으로부터 방출되는 배기 가스의 적어도 일부가 터보 과급기 터빈(32)의 배기 가스 배출구(36) 내로 지향되고 터빈 휠(37)을 우회한다. 이러한 모드에서, 제2 유입구 개구부(122)가 상류 방향으로(예를 들어, 엔진(12)을 향해서) 개방되게 배기 가스 유입구(34) 내에 배치되도록, 그리고 제2 배출구 개구부(124)가 우회 포트(40)와 정렬되도록, 전환 밸브(100)가 배향된다. 우회 포트(40)는 밸브 하우징(80) 및 배기 가스 배출구(36)에 공통되는 터빈 하우징 벽의 부분 내에 형성된다. 그에 따라, 제2 배출구 개구부(124)는 우회 포트(40)를 통해서 배기 가스 배출구(36)와 연통되고, 배기 가스를 하류로(예를 들어, 엔진(12)으로부터 멀리 그리고 후처리 장치(60)를 향해서) 지향시킨다. 이러한 구성에 의해서, 제2 내부 통로(120)가 터빈 우회 통로(도 6 및 도 7)를 형성하고, 전환 밸브(100)는 터보 과급기 웨이스트게트 밸브로서 동작된다.
웨이스트게트 동작 모드에서, 전환 밸브(100)는, 제1 유입구 개구부(112) 및 제1 배출구 개구부(114)가 밸브 하우징 내부 표면(84)과 대면되도록, 그에 의해서 가스가 제1 내부 통로(110)를 통해서 유동되지 않도록(도 6 및 도 7) 배향될 수 있거나, 제1 유입구 및 배출구 개구부(112, 114)의 부분 만이 배기 가스 유입구(34)와 연통되도록, 그에 의해서 터빈 휠(37)로의 일부 가스 유동이 허용되도록(미도시) 배향될 수 있다. 터빈 휠(37)로의 가스 유동의 양이 전환 밸브(100)의 회전 배향을 제어하는 것에 의해서, 그에 따라 또한 배기 가스 유입구(34)에 대한 제1 유입구 및 배출구 개구부(112, 114)의 노출량을 제어하는 것에 의해서 제어된다.
제3, 또는 배압 동작 모드는 전환 밸브(100)의 제3 회전 배향에 상응하고, 그러한 제3 회전 배향에서 배기 가스 유입구(34)는 적어도 부분적으로 폐쇄되고, 감소된 배기 가스의 양이 전환 밸브(100)를 통과한다. 이러한 모드에서, 제1 유입구 개구부(112)가 상류 방향으로(예를 들어, 엔진(12)을 향해서) 개방되게, 기껏해야, 부분적으로 배기 가스 유입구(34) 내에 배치되도록, 제1 배출구 개구부(114)가 하류 방향으로(예를 들어, 엔진(12)으로부터 멀리 그리고 터빈 와류부(38)를 향해서) 개방되게, 기껏해야, 부분적으로 배기 가스 유입구(34) 내에 배치되도록, 그리고 제1 내부 통로(110)가 배기 가스 유입구(34)의 부분을 형성하도록, 전환 밸브(100)가 배향된다. 하나의 배압 동작 모드에서, 전환 밸브(100)는 부분적으로 폐쇄된다. 결과적으로, 하나의 유형의 엔진 배기 가스 재순환(EGR)을 달성하기에 충분한 배압 증가가 존재하고, 배압은 배기 통로(20, 52) 내에서 생성되고, 배기 가스 유동이 공기 흡기 매니폴드(18)를 통해서 엔진 실린더(14)로 지향된다.
다른 배압 동작 모드에서, 전환 밸브(100)는 부분적으로 폐쇄되거나 완전히 폐쇄된다(도 8). 이러한 경우에, 배기 유동을 엔진 배기 매니폴드(16)로 직접적으로 역으로 지향시키고 엔진 제동을 제공하는 다른 유형의 EGR을 달성하기 위한 충분한 배압이 엔진 실린더(14) 내에 존재한다.
배압 동작 모드에서, 제2 유입구 개구부(122) 및 제2 배출구 개구부(124)는 밸브 하우징 내부 표면(84)과 대면되며, 그에 의해서 가스는 제2 내부 통로(120)를 통해서 유동되지 않는다.
그에 따라, 배기 가스 유입구(34) 내의 전환 밸브(100)의 회전 배향을 제어하여 터보 과급기(30)의 동작 모드를 결정한다. 각각의 모드에서, 전환 밸브(100)의 회전 배향의 증분적인 변화를 이용하여 완전 개방, 완전 폐쇄, 그리고 완전 개방과 완전 폐쇄 중간의 임의의 개방량 사이에서 배기 유동의 양을 정확하게 제어할 수 있다. 또한, 전환 밸브(100)의 주어진 회전 배향에서, 전환 밸브 개구부(112, 114, 122, 124, 132)의 크기 및 형상을 변화시키는 것에 의해서, 개구부를 통한 유량이 변화될 수 있고, 그에 따라 배기 가스 유동 특성의 최적화를 가능하게 할 수 있다.
도 9 내지 도 11을 참조하면, 트윈 와류부 설계를 가지는 터보 과급기 터빈(32')에서 사용되도록 대안적인 회전 전환 밸브(200)가 구성된다. 도 9 내지 도 11에 도시된 전환 밸브(200)는 전술한 전환 밸브(100)와 실질적으로 유사하고, 공통 요소는 공통 참조 번호로 표시되었다. 이전 실시예에서와 같이, 터빈 휠(37)로의 가스 유동량은 전환 밸브(200)의 회전 배향을 제어하는 것에 의해서 제어된다.
그러나, 트윈 와류부 설계를 수용하기 위해서, 그리고 각각의 와류부로의 유동의 개별적인 제어를 허용하기 위해서, 전환 밸브(100)의 하나의, 큰 메인 밸브 통로(110)가 2개의 상대적으로 작은 관통 통로(210a 및 210b)로 대체되고, 각각의 관통 통로는 상응하는 유입구 개구부(212a 및 212b) 및 배출구 개구부(214a 및 214b)를 갖는다. 제1 관통 통로(210a)는 제2 관통 통로(210b)로부터 분리되고, 제2 관통 통로(210b)와 연통되지 않는다. 전환 밸브(200)의 특정 회전 배향에서, 제1 관통 통로(210a)는 제1 와류부(38a)와 연통되고, 제2 관통 통로(210b)는 제2 와류부(38b)와 연통된다.
터보 과급기(30)의 완전-개방 동작 중에, 제1 관통 통로(210a)가 제1 와류부(38a)와 정렬되도록, 그리고 제2 관통 통로(210b)가 제2 와류부(38b)와 정렬되도록, 그에 의해서 배기 가스 유입구(34)가 완전히 개방되고 양 와류부(38a, 38b) 내로의 완전한 배기 가스 유동이 존재하도록(도 9), 전환 밸브(200)가 배기 가스 유입구(34)에 대해서 밸브 하우징(80) 내에서 회전 배향된다. 이러한 모드에서, 제2 유입구 개구부(122) 및 제2 배출구 개구부(124)는 밸브 하우징 내부 표면(84)과 대면되며, 그에 의해서 가스는 제2 내부 통로(120)를 통해서 유동되지 않는다.
터보 과급기(30)의 배압 동작 중에, 제1 관통 통로(210a)가 제1 와류부(38a)와 부분적으로 정렬되도록, 그리고 제2 관통 통로(210)가 제2 와류부(38b)와 부분적으로 정렬되도록, 그에 의해서 양 와류부(38a, 38b) 내로의 배기 가스 유동이 감소되도록(도 10), 전환 밸브(200)가 밸브 하우징(80) 내에서 배기 가스 유입구(34)에 대해서 회전 배향된다. 이러한 모드에서, 제2 유입구 개구부(122) 및 제2 배출구 개구부(124)는 밸브 하우징 내부 표면(84)과 대면되며, 그에 의해서 가스는 우회 통로(120)를 통해서 유동되지 않는다.
터보 과급기(30)의 웨이스트게트 동작 중에, 제2 와류부(38b)가 완전히 폐쇄되고 제1 와류부(38a)가 우회되는 방식으로, 전환 밸브(200)가 회전 배향된다. 이러한 모드에서, 제2 유입구 개구부(122)가 엔진(12)을 향해서 상류 방향으로 개방되게 제1 와류부(38a)에 상응하는 배기 가스 유입구(34)의 부분 내에 배치되도록, 제2 배출구 개구부(124)가 후처리 장치(60)를 향해서 하류 방향으로 개방되게 배기 가스 배출구(36)의 우회 포트(40)와 정렬되도록, 그리고 제2 내부 통로(120)가 터빈 우회 통로를 형성하도록(도 11), 전환 밸브(200)가 배향된다. 이러한 모드에서, 관통 통로(210a, 210b)의 각각의 유입구 개구부(212a, 212b) 및 배출구 개구부(214a, 214b)는 밸브 하우징 내부 표면(84)과 대면되며, 그에 의해서 가스는 관통 통로(210a, 210b)를 통해서 유동되지 않는다. 이러한 구성에서, 전환 밸브(200)는 터보 과급기 웨이스트게이트 밸브로서 동작된다. 특히, 제2 와류부(38b)가 완전히 폐쇄되고, 제1 와류부(38a)를 우회하도록 우회 통로(120)가 이용된다. 이러한 모드에서, 배기 가스는 터빈 휠(37)로 진입하지 않을 것이고, EGR 또는 엔진 제동을 위해서 이용될 수 있는 배압이 생성된다.
비록 각각의 개별적인 와류부로의 배기 가스 유동을 제어하는 하나의 원통형 요소로서 전환 밸브(200)를 본원에서 설명하였지만, 전환 밸브(200)는 이러한 구성으로 제한되지 않는다. 에를 들어, 일부 실시예에서, 전환 밸브(200)는 밸브 하우징(80) 내에서 길이방향 축(106)을 따라서 동축적으로 직렬로 배열된 둘 이상의 원통형 요소로 형성될 수 있고, 개별적으로 제어되도록 구성될 수 있다. 결과적으로, 배기 가스 압력은 다른 와류부와 독립적으로 각각의 와류부 내에서 선택적으로 증가 또는 감소될 수 있다.
도시된 실시예에서, 전환 밸브(100, 200)는 작동기 막대(72)를 포함하는 연계 조립체를 통해서 작동기(70)에 연결된다. 그러나, 전환 밸브(100)와 작동기(70) 사이의 연결은 이러한 배열로 제한되지 않는다. 예를 들어, 다른 실시예에서, 회전 작동기 또는 전자 작동기가 전환 밸브(100)에 직접적으로 연결되어, 연계 조립체의 필요성을 제거할 수 있다.
본원에서 설명된 양태의 사상이나 본질적인 특성으로부터 벗어나지 않고도 본원에서 설명된 양태가 다른 형태로 구현될 수 있다. 실시예가, 단지 예로서 주어진, 본원에서 설명된 특정의 구체적인 내용으로 제한되지 않다는 것 그리고 이하의 청구항의 범위 내에서 다양한 수정 및 대안이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 터보 과급기(30)로서,
    터빈 하우징(33) 및 상기 터빈 하우징(33) 내에 배치된 터빈 휠(37)을 포함하는 터빈 섹션으로서, 상기 터빈 하우징(33)은 가스 유입구(34), 가스를 상기 유입구(34)로부터 상기 터빈 휠(37)로 지향시키도록 구성된 와류부(38), 및 가스 배출구(36)를 포함하는, 터빈 섹션; 및
    밸브(100, 200)의 회전 축이 상기 유입구(34)를 통한 가스 유동의 방향에 횡방향으로 연장되는 방식으로 상기 가스 유입구(34) 내에 배치된 회전 밸브(100, 200)를 포함하고,
    상기 밸브(100, 200)는:
    제1 단부(102),
    상기 제1 단부(102)에 대향되는 제2 단부(104),
    상기 제1 단부(102)와 상기 제2 단부(104) 사이에서 연장되는 측면 표면(108),
    상기 제1 및 제2 단부(102, 104) 사이에서 연장되고 상기 밸브(100, 200)의 회전 축과 일치되는 길이방향 축(106),
    상기 측면 표면(108) 내에 형성된 제1 유입구 개구부(112, 212a),
    상기 측면 표면(108) 내에 형성된 제1 배출구 개구부(114, 214a),
    상기 제1 유입구 개구부(112, 212a)를 상기 제1 배출구 개구부(114, 214a)에 연결하는 제1 밸브 통로(110, 210a),
    상기 측면 표면(108) 내에 형성된 제2 유입구 개구부(122),
    상기 측면 표면(108) 내에 형성된 제2 배출구 개구부(124),
    상기 제2 유입구 개구부(122)를 상기 제2 배출구 개구부(124)에 연결하는 제2 통로(120)를 포함하고,
    상기 제2 통로(120)는 상기 제1 밸브 통로(110)로부터 분리되고, 그리고
    상기 제1 유입구 개구부(112), 상기 제1 배출구 개구부(114), 및 상기 제2 유입구 개구부(122) 각각은 상기 밸브(100, 200)의 특정 회전 배향에서 상기 가스 유입구(34)와 연통되도록 배치되며, 상기 제2 배출구 개구부(124)는 상기 밸브(100, 200)의 특정 회전 배향에서 상기 가스 배출구(36)와 연통될 수 있도록 배치되고,
    상기 밸브(100, 200)는 상기 터보 과급기(30)의 3개의 동작 모드를 제공하도록 구성되고,
    상기 3개의 동작 모드는,
    모든 배기 가스가 상기 밸브를 통해서 상기 터빈 휠(37)로 유동되는, 상기 밸브(100, 200)의 제1 회전 배향에 상응하는 완전 개방 모드,
    상기 배기 가스의 일부가 상기 터빈 휠(37)을 우회해서 상기 가스 배출구(36)로 재지향되는, 상기 밸브(100, 200)의 제2 회전 배향에 상응하는 웨이스트게트 모드, 및
    상기 가스 유입구(34)가 적어도 부분적으로 막히는, 상기 밸브(100, 200)의 제3 배향에 상응하는 배압 모드를 포함하는, 터보 과급기(30).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 밸브(100, 200)가 상기 제1 회전 배향에 있을 때, 상기 제1 유입구 개구부(112)가 상기 가스 유입구(34)와 정렬되고 가스 유동 방향에 대한 상류 방향을 향해서 대면되며, 상기 제1 배출구 개구부(114)는 상기 가스 유입구(34)와 정렬되고 상기 가스 유동 방향에 대한 하류 방향을 향해서 대면되며, 상기 제2 유입구 개구부(122)가 막히는, 터보 과급기(30).
  3. 제1항에 있어서,
    상기 밸브(100, 200)가 제2 회전 배향에 있을 때, 상기 제2 유입구 개구부(122)가 상기 가스 유입구(34)와 정렬되고 가스 유동 방향에 대한 상류 방향을 향해서 대면되며, 상기 제2 배출구 개구부(124)는 상기 가스 배출구(36)와 정렬되고, 상기 제1 유입구 개구부(112)가 적어도 부분적으로 막히는, 터보 과급기(30).
  4. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 제1 단부(102)에 연결되고 상기 길이방향 축(106)을 중심으로 하는 상기 밸브(100, 200)의 회전 위치를 제어하도록 구성되는 작동기(70)를 더 포함하는, 터보 과급기(30).
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유입구 개구부(112) 및 상기 제1 배출구 개구부(114)가 상기 밸브(100, 200)의 대향 측면들 상에 위치되는, 터보 과급기(30).
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유입구 개구부(112)는 상기 제2 유입구 개구부(122)와 축방향으로 정렬되고 상기 제2 유입구 개구부(122)로부터 원주방향으로 이격되는, 터보 과급기(30).
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 유입구 개구부(122)는 상기 제2 배출구 개구부(124)로부터 원주방향 및 축방향으로 이격되는, 터보 과급기(30).
  8. 제1항에 있어서,
    상기 밸브(100, 200)는
    상기 측면 표면(108) 내에 형성된 제3 유입구 개구부(212b),
    상기 측면 표면(108) 내에 형성된 제3 배출구 개구부(214b),
    상기 제3 유입구 개구부(212b)를 상기 제3 배출구 개구부(214b)에 연결하는 제3 통로(210b)를 포함하고,
    상기 제3 유입구 개구부(212b) 및 상기 제3 배출구 개구부(214b)가 상기 밸브(100, 200)의 제1 단부(102)와 중간 부분(103) 사이에 배치되는, 터보 과급기(30).
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