KR20010033323A - 터빈 배기가스 재순환 제어밸브 및 배기가스바이패스밸브와 일체로 된 터보차저 - Google Patents

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Abstract

터보차저는 통상의 배기가스 바이패스 또는 웨이스트게이트 시스템과 함께 캐스팅되는 터빈 하우징내에서 포함되어있는 일체로 되어있는 배기가스 재순환(EGR)챔버(26) 및 밸브(40)를 구비하고 있다. 배기가스 배압 제어밸브(12)는 또한 EGR 흐름제어를 위한 배기가스 출구와 일체로 구비되어있다.

Description

터빈 배기가스 재순환 제어밸브 및 배기가스 바이패스밸브와 일체로 된 터보차저{TURBOCHARGER WITH INTEGRAL TURBINE EXHAUST GAS RECIRCULATION CONTROL VALVE AND EXHAUST GAS BYPASS VALVE}
가솔린 및 디젤내연기관용 터보차저는 엔진을 나가는 배기가스의 열과 용적유량을 사용하므로써, 엔진의 연소실에 전달되는 흡기스트림을 부스팅하거나 가압하기위해 종래에 사용된 잘 알려진 장치이다. 특히, 엔진을 나가는 배기가스는 배기가스로 구동되는 터빈이 하우징내에서 선회하는 방식으로 터보차저의 터빈 하우징내로 전달된다. 배기가스로 구동되는 터빈은 샤프트의 한끝에 장착되는데 이것은 샤프트의 대향끝에 장착되는 레이디얼 에어 컴프레서와 공통이다. 그러므로, 터빈의 회전작용은 역시 배기 하우징으로부터 분리된 터보차저의 컴프레서 하우징내에서 에어 컴프레서가 회전하게 한다. 에어 컴프레서의 회전작용은 흡기가 컴프레서 하우징으로 들어오게하고 그리고 연료와 혼합되기전에 원하는 양으로 가압되거나 부스트되고 그리고 엔진 연소실내에서 연소된다.
흡기가 부스트되거나 가압되는 양은 배기 바이패스시스템 또는 웨이스트게이트에 의해 터빈 하우징을 통과하는 배기가스의 양을 조절하므로써 제어된다. 웨이스트게이트는 부스트압력이 최대의 원하는 압력에 접근할 때 터보차저 작동동안에 작동되어, 터보차저 터빈 하우징으로부터 멀리 배기의 양을 전환시켜서, 터빈의 회전속도를 감소시키고, 그리고 이에따라, 에어 컴프레서의 회전속도를 감소시키고 또한 흡기 공기가 가압되는 양을 감소시킨다.
EGR은 내연기관에서 NOX 배기의 감소를 위한 알려진 방법이다. 효과적인 사용을 위해, EGR시스템은 엔진, 예를들면 작동범위의 적어도 일부분에서 고효율의 현재의 디젤엔진을 가로질러 포지티브 압력 기울기에 의해 만들어진 역의 압력 기울기를 극복해야 한다. 종래의 EGR시스템은 흡기 공기와 혼합되어 결과적인 연소를 위해 엔진 배기 매니폴드로부터 취해져서 엔진 유도시스템으로 복귀하는 배기가스의 양을 조절하는 제어밸브로 구성되어있다. EGR제어밸브는 엔진과 터보차저 양자로부터 분리된 보조장치이다. 종래의 EGR시스템은 또한 펌프를 포함하고 있는데, 이것은 터보차저와 엔진으로부터 분리되어 EGR 제어밸브에 의해 유도시스템까지 전달되는 복귀 배기가스의 압력을 증가시켜, 터보차저를 나가는 흡기 공기의 차지 또는 부스트압력에 맞추어 엔진을 가로질러 포지티브 압력 기울기를 극복한다.
현대의 엔진 콤파트먼트, 특히 터보차지된 내연기관의 콤파트먼트는 분리된 제어밸브, 펌프, 그리고 흡기 및 배기 매니폴드 바이패스의 구성, 매니폴드작업 및 배관작업을 어렵게 만들고 그리고 가끔은 불가능하게 만든다. 그러므로, 터보차지된 내연기관의 현존하는 구성품의 통합부재로서 EGR시스템의 하나이상의 장치를 구성하여, 현대의 엔진 콤파트먼트의 한정공간내에서 EGR시스템의 사용을 가능하게 하는 것이 바람직하다. 또한, 엔진 콤파트먼트의 성능을 희생시키지않고 그리고 EGR시스템 작동을 강화한 방식으로, 터보차지된 내연기관의 콤파트먼트가 EGR시스템의 적어도 하나의 장치에 통합하는 것이 바람직하다.
본 발명은 일반적으로 터보차저분야에 관한 것이고 그리고 배기가스 개선을 위해 내연기관 배기가스 재순환(EGR)시스템에 관한 것이며, 더욱 상세히는, 터보차저의 일체로된 부분으로서 통합된 EGR 제어밸브 및 배기가스 바이패스밸브 또는 웨이스트게이트밸브로 이루어진 터보차저에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 원리에 따라 구성된 터보차저 터빈 하우징 엘보우 캐스팅의 제 1측면 사시도; 그리고
도 2는 본 발명의 원리에 따라 구성된 터보차저 터진 하우징의 측면도;
본 발명의 원리에 따라 구성된 터보차저는 터빈 하우징 엘보우 캐스팅으로서 통상 알려진 터보차저의 배기가스 출구 캐스팅내에 배치된 배기밸브, 터보차저 터빈 하우징내에 배치된 EGR제어밸브, 그리고 터보차저 터빈 하우징내에 역시 배치된 배기 바이패스 또는 웨이스트게이트 밸브를 포함하고 있다. 배기밸브는 터빈 하우징에서 배기 배압의 양을 제어하도록 작동되어 EGR 제어밸브가 작동될 때 터보차저 터빈 하우징으로부터 그리고 EGR 제어밸브를 통해서 원하는 배기가스를 제공한다. 배기 바이패스밸브는 터빈 하우징을 통해서 이송되는 배기가스의 양을 제어하도록 작동되어, 터보차저가 엔진 흡입공기를 원하는 양만큼 가압하거나 부스트한다. EGR 제어밸브와 배기가스 바이패스 또는 웨이스트게이트 밸브 양자를 일체의 유니트로서 터보차저에 조합하는 것은 본원과 동일자로 출원하고 그리고 본 발명의 양수인에게 양도된 일체로 된 터빈 배기가스 재순환 제어밸브라는 특허출원 일람번호 900-97-013P에 개시된 본 발명의 다른 실시예에 있다.
도 1을 참조하면, 터보차저 터빈 엘보우 캐스팅(10)은 엘보우 캐스팅의 통해 뻗어있는 배기가스 출구(14)내에 회전가능하게 배치된 배기밸브(12)를 통합하고 있다. 배기밸브(12)는 통상의 설계이고, 그리고 바람직하게 출구(14)의 직경과 유사한 다이어프램 직경을 가진 버터플라이 밸브의 형태이고, 직경방향으로 배치되어있다. 배기밸브(12)는 출구내에서 작동되어 공압, 전기 또는 진공액추에이터와 같은 통상의 작동수단(16)에 의해 통과하는 배기가스의 흐름을 제한한다. 바람직한 실시예에서, 작동수단(16)은 진공 액추에이터의 형태인데, 이것은 배기밸브(12)로부터 방사상으로 뻗어있는 스템(20)에 한끝에서 부착되어있는 작동피스톤(18)에 의해 배기밸브에 연결되어있다. 작동수단(16)은 적절한 장착플레이트(22)에 의해 터빈 엘보우 캐스팅에 부착되어있다.
터빈 엘보우 캐스팅(10)은 결합면(24)을 따라 터보차저 터빈하우징의 상보적인 표면에 부착되어있다. 터빈 엘보우 캐스팅 결합면(24)은 통합된 EGR챔버(26)를 포함하고, 그리고 이것은 벽(27)에 의해 배기가스 출구(14)로부터 분리되어있다. EGR챔버(26)는 EGR 제어밸브의 운동을 허용하기에 충분한 크기와 깊이를 가진 형상으로 되어있다. 터빈 엘보우 캐스팅은 EGR 도관 또는 장치(도시생략)를 EGR챔버(26)에 부착하는 것을 돕는, 그리고 EGR챔버로부터 뻗어있는 EGR 통로(28)를 포함하는 외면 또는 배면(도시생략)을 포함하고 있다.
터빈 엘보우 캐스팅(10)은 또한 통합된 배기 바이패스 챔버(30)를 포함하고 있는데 이것은 배기가스 출구(14)로부터 방사상으로 뻗어서 연통되어있다. 바이패스 챔버(30)는 바이패스 밸브의 운동을 허용하도록 충분한 크기와 깊이를 가진 형상으로 되어있다.
도 2는 본 발명의 원리에 따라 구성된 터보차저 터빈 하우징(32)을 예시하고 있다. 터빈 하우징(32)은 내연기관 배기 매니폴드에 부착을 위해 플랜지가 있는 하우징을 통해 방사상으로 뻗어있는 배기가스 입구(도시생략)를 포함하고 있다. 터빈 하우징(32)은 축방향으로 뻗은 중앙개구부(34)를 포함하고 있다. 예시하지않았지만, 터빈 하우징은 터보차저 배기가스 구동 터빈을 포함하고 있다. 터빈은 터빈 하우징 소용돌이내에 배치되는 그리고 터빈 하우징 배기가스 입구로 들어가는 배기가스와 접촉하는 방사상으로 뻗은 블레이드를 포함하고 있다. 터빈 하우징은 참고로 그리고 명확하게 하기 위해서 그안에 터빈이 배치되어있지않은 것으로 예시되어있다. 하지만, 본 발명의 터보차저 터빈하우징은 터보차저의 통상의 부품과 함께 사용된다.
터빈 하우징(32)은 터빈 엘보우 캐스팅(10)의 보충형상 결합면(24)과 결합되는, 그리고 그 안에 배치된 EGR 챔버(38)를 포함하는 결합면(36)을 포함하고 있다. EGR 챔버(38)는 EGR 제어밸브(40)를 통합하기에 충분한 크기와 깊이를 가지고 있는 형상이다. EGR 챔버(38)는 벽(42)에 의해 터빈 하우징 중앙개구부(34)로부터 분리되어있다. EGR 챔버(38)는 EGR 챔버의 벽면(46)을 통해서 뻗어있는 그리고 터빈 하우징 소용돌이를 통과하는 배기가스 통로(44)를 포함하고 있다.
EGR 제어밸브(40)는 비작동상태에 있을 때 배기가스의 흐름을 방지하도록 배기가스 통로(44)에 대하여 자리잡는 방식으로 EGR 챔버(38)내에 배치되어있다. EGR 제어밸브는 통상의 타입을 수 있고, 그리고 바람직한 실시예에서는 배기가스의 통과를 방지하도록 배기가스 통로상에 위치하는 포핏 또는 다이어프램(48)으로 구성된 플래퍼(flapper)밸브의 형태이다. 액추에이터 아암(50)은 끝들중의 하나에서 다이어프램(48)에 부착되어있고 그리고 EGR 챔버(38)의 벽섹션(54)에서 개구부(52)를 통과한다. 액추에이터 아암(50)은 다이어프램(48)에 대향한 한끝(56)에서 상기한 바와같이 배기밸브를 작동시키기위해 유용한 적절한 작동수단(도시생략)의 부착하는 형상으로 되어있다. 바람직한 실시예에서, 액추에이터 아암(50)은 작동 끝(56)에 의해서 야기되는 개구부(52)내의 작동 아암의 회전운동에 의해 배기가스 통로를 개폐하도록 EGR 제어밸브 다이어프램(48)의 작동하게 하는 형상으로 되어있다.
배기가스 통로(44)상에 EGR 밸브 다이어프램(48)의 위치 또는 자리잡음은 터보차저의 작동동안에 터빈 하우징 용돌이내에서 배기가스가 나가는 것을 방지한다. EGR 밸브(40)는 예를들면 EGR 제어기등으로부터 EGR 제어밸브 작동수단(16)까지 보내지는 제어신호에 응답하여 작동된다. EGR 제어밸브(40)는 중앙개구부(34)로부터 배기가스 출구(14)를 경유해서 터빈 하우징(32)을 통해 나가는 배기가스의 흐름통로를 억제하도록 배기밸브(12)가 작동된 후 작동된다. 원하는 배압이 터빈 하우징(32)과 터빈 소용돌이내에서 달성된 후, EGR 제어밸브(40)는 작동되어 다이어프램(48)은 배기가스 통로(44)로부터 멀리 움직여서, 터빈 소용돌이로부터 터빈 하우징 EGR 챔버(38)를 통해서, 터빈 엘보우 캐스팅 EGR 챔버(26)를 통해서, 그리고 터빈 엘보우 캐스팅 배면에 부착된 EGR 장치 또는 EGR 시스템 배관까지 배기가스가 이송되는 것을 허용한다. 터보차저로부터 제거된 배기가스는 내연기관의 흡입공기흐름내로 도입을 위해 가압되고 그리고 정확한 연료 공기비를 조절하도록 적절히 취급된다.
터빈 하우징(32)은 또한 터빈 하우징 중앙개구부(34)로부터 방사상 멀리 뻗은 그리고 배기 연통흐름하는 배기 바이패스 챔버(58)를 포함하고 있다. 바이패스 챔버(58)는 배기 바이패스 밸브(60)를 통합하기에 충분한 크기와 깊이를 가지고 있다. 바이패스 챔버(58)는 벽(42)에 의해 EGR 챔버(38)로부터 분리되어있다. 바이패스 챔버(58)는 터빈 하우징 소용돌이와 연통을 위해 터빈 하우징과 바이패스 챔버의 벽면(64)을 통해 뻗은 배기가스 통로(62)를 포함하고 있다.
바이패스 밸브(60)는 비작동상태에 있을 때 배기가스의 흐름을 방지하도록 배기가스 통로(62)에 대하여 자리잡기위해 바이패스 챔버(58)내에 배치되어있다. 바이패스 밸브는 통상의 타입을 수 있고, 그리고 바람직한 실시예에서 배기가스의 통과를 방지하도록 배기가스 통로상에 위치된 포핏 또는 다이어프램(66)으로 구성된 플래퍼밸브의 형태이다. 액추에이터 아암(68)은 그 끝들중의 하나에서 바이패스 밸브 다이어프램(66)에 부착되고 그리고 EGR 챔버(38)의 벽섹션(54)에서 개구부(70)를 통과한다. 바이패스 밸브 액추에이터 아암(68)은 벽섹션(44)으로부터 벽섹션(54)까지 EGR 챔버를 통해서 뻗어있는 슬리브(72)를 통과한다. 액추에이터 아암(68)은 바이패스 밸브 다이어프램(66)에 대향한 한끝(74)에서 상기한 바와같이 배기 및 EGR 제어밸브를 작동시키는데 유용한 적절한 작동수단(도시생략)의 부착을 위한 형상으로 되어있다. 바람직한 실시예에서, 액추에이터 아암(68)은 바이패스 밸브 다이어프램(66)의 작동을 허용하는 형상으로 되어있어서, 작동 끝(74)에 의해 야기된 슬리브(72)와 개구부(70)내에서 작동 아암의 회전운동에 의해 배기가스 통로(62)를 개폐한다.
배기가스 통로(62)상의 배기 바이패스 밸브 다이어프램(66)의 위치 또는 자리잡음은 터빈 하우징 소용돌이내에서 배기가스가 나가는 것을 방지한다. 바이패스 밸브(60)는 예를들면 흡기공기 압력이 원하는 것보다 크게 되는 터보차저 작동상태동안에 흡기 매니폴드 압력센서로부터 바이패스 밸브 작동수단까지 보내는 제어신호에 응답하여 작동된다. 바이패스 밸브(60)는 작동되면, 터빈 소용돌이로부터 배기가스 통로(62)를 통해서 터빈 하우징 중앙개구부(34)내로 배기가스의 통과를 허용하는데, 중앙개구부(34)에서 터빈 엘보우 캐스팅 배기가스 출구(14)를 경유하여 터보차저를 나간다. 터보차저의 작동동안 터빈 하우징 소용돌이로부터의 배기가스의 제거는 소용돌이를 통해서, 그리고 터빈 블레이드에 배기가스의 체적유량을 감소시켜서, 터빈의 회전속도를 감소시키고, 그러므로 에어 컴프레서의 회전속도를 감소시키고 그리고 터보차저의 연소 하우징을 떠나는 흡입공기가 가압되는 양을 감소시킨다. 일단, 원하는 흡입공기 압력 상태가 회복되면, 배기 바이패스 밸브는 작동되어 배기가스 통로(60)가 덮이는 양을 조절하거나 밀봉하도록 작동될 수 있다.
본 발명의 원리에 따라 구성된 터보차저 터빈 하우징과 터빈 엘보우 캐스팅은 터보차저와 통상 관련된 다른 부품과 조합할 수 있어서 배기밸브, EGR 제어밸브, 그리고 배기 바이패스 또는 웨이스트게이트 밸브와 통합된 내연기관용 터보차저를 제공한다. 본 발명의 특징은 EGR 제어밸브와 배기 바이패스 밸브양자가 엔진 및 터보차저에 보조적인 개별 장치이기 보다는 터보차저 자체의 구성에 통합되는 것이고, 이에 따라 엔진 콤파트먼트내에서 추가적인 공간의 필요성을 피하고, 그리고 현대의 엔진 콤파트먼트내에서 이용가능한 제한된 공간을 최대화한다. 추가적으로, 본 발명의 원리에 따라 구성된 터보차저 터빈 하우징과 터빈 엘보우 캐스팅은 터보차저 또는 EGR 제어밸브의 성능에 악영향을 미치지않는 방식으로 EGR 제어밸브와 배기 바이패스 밸브를 통합한다.
도면에 도시된 실시예에서, EGR 제어밸브와 바이패스 제어밸브는 터빈 하우징에 장착되어있고 그리고 EGR 챔버 및 바이패스 챔버는 밸브의 작동을 협력적으로 허용하는 크기로 되어있고 그리고 필요한 흐름통로를 제공한다. 대체 실시예에서, 하나 또는 양 밸브는 엘보우 캐스팅에 장착되어있고 그리고 터빈 하우징과 엘보우 캐스팅의 EGR 챔버와 바이패스 챔버는 따라서 크기가 조절된다.
본 발명을 특허법령에 맞게 상세히 설명하였는데, 당업자는 여기에 설명된 특정 실시예에 변경 및 수정을 가할 수 있을 것이다. 이러한 수정은 첨부된 청구범위에 한정된 바와같이 본 발명의 범위 및 의도내에 있다.

Claims (2)

  1. 하우징의 배기가스 출구로부터 분리되어 배치되고, 터빈 하우징내에서 EGR 챔버로부터 소용돌이까지 뻗어있는 배기가스 통로를 포함하는 EGR 챔버; 및 EGR 챔버로부터 분리되고, 그리고 하우징의 배기가스 출구와 배기흐름 연통하여 바이패스 챔버가 터빈 하우징내에서 바이패스 챔버로부터 소용돌이까지 뻗어있는 바이패스 배기가스 통로를 갖추고 있는 배기 바이패스 챔버;를 포함하는 터빈 하우징;
    EGR 챔버내에 배치되고 그리고 소용돌이에서부터 그리고 터빈 하우징에서 배기가스의 통로를 제어하도록 배기가스 통로상에 위치하는 EGR 제어밸브;
    바이패스 챔버내에 배치되고 그리고 소용돌이에서부터 그리고 터빈 하우징에서 배기가스의 통로를 제어하도록 배기가스 통로상에 위치하는 배기 바이패스 밸브; 그리고
    EGR 챔버로부터 EGR 가스를 위한 흐름통로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관을 위한 터보차저.
  2. 제 1 항에 있어서, 터빈 하우징에 부착된 터빈 엘보우 캐스팅은 캐스팅을 통해 뻗어있고 그리고 터빈 하우징 배기가스 출구에 인접하여 배치된 배기가스 출구; 터빈 엘보우 캐스팅 배기가스 출구내에 배치된 배기밸브;를 가지고 있고, 그리고
    여기에서 EGR 가스 흐름통로는,
    터빈 하우징 EGR 챔버에 대향하여 그리고 터빈 엘보우 캐스팅내에 배치되어 터빈 엘보우 캐스팅 EGR 챔버가 터빈 엘보우 캐스팅 배기가스 출구로부터 분리되는 EGR 챔버; 그리고
    터빈 하우징 바이패스 챔버와 대향하여 그리고 터빈 엘보우 캐스팅내에 배치되어 터빈 엘보우 캐스팅 바이패스 챔버가 터빈 엘보우 캐스팅 EGR 챔버로부터 분리되고 그리고 터빈 엘보우 캐스팅 배기가스 출구와 배기 흐름연통되는 배기 바이패스 챔버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저.
KR10-2000-7006773A 1997-12-18 1998-12-16 터빈 배기가스 재순환 제어밸브 및 배기가스바이패스밸브와 일체로 된 터보차저 KR100531603B1 (ko)

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