KR20010041436A - 체적측정흐름에 비례하는 통합피드백을 갖는 배기가스재순환 밸브 - Google Patents

체적측정흐름에 비례하는 통합피드백을 갖는 배기가스재순환 밸브 Download PDF

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Abstract

배기가스 재순환(EGR)시스템의 제어밸브(26)는 배기가스 재순환(EGR) 흐름(98)을 측정하기 위한 밸브에 연결되는 가변 압력 엑츄에이터(106)와 상기 엑츄에이터에 작동압력을 공급토록 연결되는 차동 압력 밸브(differential pressure valve)를 사용한다.
상기 차동 압력 밸브(126)는 한쪽의 배기가스 재순환 압력과 반대쪽의 배기 흐름압력을 수용하는 압련 균형 피스톤(97)에 연결된 비례 솔레노이드(94)와 결합한다. 상기 피스톤(97)은 제 1 위치에서의 압력원(104)과 제 2 위치에서의 압력벤트(108)에 인접하여 위치되는 샤프트(130)에 연결되고, 상기 오리피스의 출구는 상기 압력 엑츄에이터에 통한다. 배기가스 재순환(EGR) 제어는 피스톤(97)의 압력 균형 상태를 조정하는 상기 비례 작동 솔레노이드에 신호를 제공함으로서 완료된다.

Description

체적측정흐름에 비례하는 통합피드백을 갖는 배기가스 재순환 밸브{EXHAUST GAS RECIRCULATION VALVE WITH INTEGRAL FEEDBACK PROPORTIONAL TO VOLUMETRIC FLOW}
배기가스재순환(EGR)은 내연기관에서 질소산화물(NOX)방출을 줄이기 위한 방법으로 알려져 있다. 효과적인 사용을 위해서, 배기가스 재순환(EGR)시스템은 적어도 작동범위에서 통상적인 현대식 고효율 디젤엔진을 가로질러 정압력변화에 의해서 창출되는 불리한 압력변화를 극복해야만 한다. 배기가스 재순환(EGR)을 설치하기 위한 다양한 접근은 배기매니폴드로부터 흡입 매니폴드까지 배기가스 일부분의 펌핑 작동을 포함하였다. 펌핑 작동은 엔진상에 설치된 종래의 터보차져(TURBOCHARGER) 또는 과급기(SUPERCHARGER )의 압축 입구내로 배기가스를 유입시키는 도입하는 것으로 수행될수 있고, 선택적으로 배기가스를 수용하는 분리 압축기을 제공하고, 엔진상의 공기공급 부스팅 시스템(BOOSTING SYSTEM)의 공기공급 하류측으로 유입시키기 위하여 적당한 압력으로 압축하는 것으로 수행될수 있다. 다소의 연료소비에 따른 불리함은 이러한 시스템에 의해서 일반적으로 초래된다.
또한 배기가스 재순환(EGR)은 성능감소를 피하기 위하여 그리고, 부가적인 연료소비의 불리함을 피하도록 혼합감소를 줄이기 위하여 유입되는 신선한 공기의 공급으로 재순환된 배기가스의 충분한 혼합을 요구한다. 더구나 상기 재순환 배기가스의 긍극적인 제어는 다양한 작동조건하에서 엔진 흡입매니폴드로 공급되는 유입공기혼합에 적당한 비례를 보장하도록 요구되어진다. 덧붙여서, 배기가스 재순환(EGR)시스템의 구성요소와 특징은 최신 엔진구획(COMPARTMENT)으로 배치하기 위해서는 유용한 제한체적의 환경(CONSTRAINT)내로 설비되어야만 한다.
따라서, 터보차져와 같이 현재 엔진시스템구성요소로 물리적이고, 기능적인 협력으로 배기가스를 재순환하기 위한 펌핑요소를 채용한 통합 배기가스 재순환(EGR) 시스템을 제공하는 것이 바람직하다. 더구나 배기가스 재순환(EGR) 흐름경로를 배치하고, 실린더로부터 실린더로 배기가스비율의 변화를 최소화하기 위하여 엔진에 의해서 흡기(ASPIRATION)용 에어공급으로 혼합하고, 배기가스흐름율이상으로 필요제어를 허락하기 위하여 새로운 제어구성요소를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명은 이미션(EMISSIONS)개선을 위한 내연기관 배기가스 재순환(EGR)(EXHAUST GAS RECIRCULATION)에 관한 것이다. 보다 상세히는 본 발명은 분리형 디퓨져(A SEPARATE DIFFUSER)와 펌프로부터의 배기가스 재순환(EGR)흐름 출력용 소용돌이(VOLUTE)와 상기 배기가스 재순환(EGR) 펌프로의 분리형 스크롤 입구(SEPARATE SCROLL INLET)와 엔진용 유입 공기내로 순환된 배기가스를 유입시키기 위한 혼합기와 함께 배기가스 재순환(EGR)펌프로서 작용하기 위하여 압축기 임펠러의 일측 반대편상에 장착되는 임펠러 날개(VANES)을 갖는 임펠러 휠을 갖춘 터보차져와 결합하기 위하여 재순환되는 배기가스를 측정하기 위한 제어밸브를 제공한다.
도 1은 엔진과 본 발명의 결합과 구성요소를 채용한 배기가스 재순환(EGR)시스템의 개략적인 다이아그램이다.
도 2는 터보차져로 통합한 본 발명의 실시예에 채용된 배기가스 재순환(EGR)펌프의 단면도이다.
도 3은 배기가스 재순환(EGR) 펌프에서 재순환된 배기가스와 본 발명의 개시된 실시예에 갖추어지는 터보차져 압축기에서 신선한 공기용 혼합기의 단면도이다.
도 4는 재순환된 배기가스제어를 위하여 도면에 도시된 본 발명의 실시예에서 사용되는 밸브의 상세 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 밸브의 작동과 요소들의 개략적인 다이아그램이다.
도 6은 혼합기의 제 2실시예를 도시한 단면도이다.
내연기관의 배기가스 재순환(EGR) 시스템용 제어밸브는 배기흐름라인으로부터 배기가스 재순환(EGR) 흐름라인으로 배기가스 재순환(EGR)흐름을 측정하도록 밸브포핏(A VALVE POPPET)을 작동하기 위해서 다양한 압력엑츄에이터를 갖는 배기가스 재순환(EGR)밸브로 구성된다. 상기 압력엑츄에이터는 압력포트를 가지며, 상기 압력포트에서의 압력에 반응하는 것이다. 차동 압력제어기(A DIFFERENTIAL PRESSURE CONTROLLER)는 상기 배기가스 재순환(EGR) 시스템에 부착되고, 배기흐름라인과 연결되는 제 1압력포트와 상기 배기가스 재순환(EGR)시스템과 연결되는 제 2압력포트를 갖는다. 비례전기솔레노이드는 상기 제 1압력포트와 통하는 피스톤의 제 1사이드상의 제 1쳄버와 상기 제 2압력포트와 통하는 피스톤의 제 2사이드상의 제 2쳄버를 형성하는 실린더내의 피스톤과 연결되어진다. 더구나 상기 피스톤은 제 2압력포트보다 상기 제 1압력포트에서 더 낮은 압력에 의해서 야기된 상기 피스톤의 제 1위치에서 압력원에 인접하게 위치되는 입구와 상기 제 2압력포트보다 상기 제 1압력포트에서 더 높은 압력에 의해서 야기된 압력벤트(VENT)에 인접하게 위치되는 오리피스의 입구를 갖는 가동오리피스를 지지하는 샤프트에 연결된다. 상기 오리피스의 출구는 상기 엑츄에이터 압력포트와 연결된다. 상기 배기가스 재순환(EGR)흐름의 제어는 비례전기솔레노이드에 제어신호를 제공하기 위하여 수행되어진다.
본 발명은 상세한 설명과 첨부된 도면에 의해서 보다 상세히 설명한다.
도시한 바와같이, 도 1은 흡입매니폴드 12 와 배기매니폴드를 갖는 엔진 10을 도시하고 있다. 터보차져 16는 상기 흡입매니폴드내로 도입하기 전에 유입공기냉각기 20로 일정기압으로 유지된(PRESSURIZED) 공기를 제공하는 압축기 로터(ROTOR)에 의해 압축용 흡입공기를 받기 위한 유입공기추진(BOOST)을 위해서 제공되어진다. 상기 압축기 로터는 상기 엔진의 배기매니폴드에서 배기가스를 받는 터빈 24과 연결된 샤프트 22에 의해서 구동되어진다.
재순환용 배기가스는 제어밸브 26를 통해서 상기 배기매니폴드의 밖으로부터 배기가스 재순환(EGR) 냉각기 28로 전환되어진다. 상기 배기가스 재순환(EGR) 냉각기로부터의 가스는 도면에 도시된 실시예의 재순환(EGR) 펌프의 입구로 제공되며, 이는 상기 터빈에 의해서 구동되어지는 터보차져 샤프트에 장착되는 압축기 축자 30이다. 상기 배기가스 재순환(EGR)펌프흐름으로부터 혼합기 32까지 일정기압으로 유지된 배기가스는 상기 흡입매니폴드내로 도입하기 위한 동일한 흐름을 창출하기 위하여 유입공기와 재순환배기흐름을 결합한다.
도 2는 본 발명에 따른 통합 배기가스 재순환(EGR) 압축기를 채용한 터보차져를 도시한 상세도이다. 상기 터빈은 도면에 도시된 실시에에서의 같이 두갈래로 나누어진 소용돌이(BIFURCATED VOLUTE) 38을 급송하는 래디얼(RADIAL) 배기가스입구 36를 포함하는 주조 터빈 하우징 38내에 수용되어진다. 상기 터빈을 통한 가스흐름은 터빈출구 40에서 존재한다. 샤프트 22는 윤활채널 52을 포함하는 센터하우징 50내로 운반된 베어링 48을 갖는 트러스트 칼라(TRUST COLLAR)와 스페이서(SPACER) 44에 의해서 분리된 저어널 베어링 42을 포함하는 베어링시스템에 의해서 지지된다. 상기 유입공기압축기는 에어입구 56, 디퓨져 58 및 압축유입공기용 소용돌이 60를 제공하는 주조 압축기 하우징 54내에 포함되어진다.
상기 배기가스 재순환(EGR) 펌프는 상기 압축기 휠의 후방에 임펠러 날개 62를 부가하는 것으로서 터보차져의 존재하는 로터그롭내에 포함되어진다. 스크롤 입구 64는 재순환용 배기가스를 제공하고 분리디퓨저 66는 일정기압이 유지된 배기가스를 소용돌이 68로 이송한다. 상기 배기가스 재순환(EGR) 펌프 입구, 디퓨저 및 소용돌이는 터보차져용 종래 압축기 백플레이트(BACK PLATE)를 대신하는 캐스팅 70에 결합되며, 이것에 의해서 총괄적으로 로터그룹과 터보차져에서 단지 작은 증가를 요구한다. 상기 압축기에서의 유입공기흐름의 분리(SEGREGATION)와 상기 재순환 EGR펌프에서의 재순환된 배기가스는 상기 압축기 하우징과 배기가스 재순환(EGR)펌프캐스팅사이를 억제하는 배플(BAFFLE) 72에 의해서 유지되어진다. 상기 배기가스 재순환(EGR)펌프캐스팅은 보유링 74과 상기 압축기 하우징에 수용되는 볼트 76을 사용하는 압축기 하우징에 장착되어진다.
상기 배기가스 재순환(EGR)펌프로부터의 일정기압이 유지된 배가가스와 상기 터보차져 압축기로부터 일정기압이 유지된 유입공기와 유입공기냉각기는 도 3에 상세히 도시한 혼합기 32에 결합되어진다. 상기 펌프로부터의 배기가스는 상기 유입공기냉각기에서 입구 82를 통해 들어오는 신선한 주공기흐름유로에 대해서 완곡하게 분배되는 소용돌이 80에 입구 78을 통해서 상기 혼합기로 도입되어진다. 상기 소용돌이는 상대적으로 작은 직경으로 맞추어진 상류립(LIP) 86과 중심흐름내로 양쪽 침입을 증진시키기 위하여 배기가스 재순환(EGR) 흐름에 대한 3차원 각도를 제공하도록 상대적으로 큰 직경을 갖는 하류립 88과 상기 하류흐름을 더욱 혼합하기 위한 스월(SWIRL)을 갖는 슬롯 84을 통하여 신선한 공기흐름경로의 원주에 대해서 동일하게 배기가스를 도입한다.
신선한 공기흐름 경로의 상기 내벽 90은 상기 신선한 공기유입속도를 증가시키고, 상기 흐름의 정압(static pressure)을 감소시키며, 상기 신선한 공기유입에 배기가스 재순환(EGR) 흡기능력(entrainment)을 높이는 수렴/발산(convergent/divergent) 노즐효과(nozzle effect)를 제공하도록 형성된다. 상기 혼합된 흐름은 출구 92를 통하여 배출한다.
추가로 상기 배기가스 재순환(EGR)과 신선한 유입 공기의 혼합력을 높이고 상기 흐름내에 혼합하는 속도를 추가로 높이기 위한 발산 노즐부 91를 합친 혼합기의 제 2 실시예가 도 6에서 도시된다.
도 1은 매니폴드 흡입구 근처에 위치되는 각각의 구성요소로서 혼합기를 도시한다. 그러나 특정 실시예에서 그리고 배기가스 재순환(EGR) 냉각기가 사용되는 경우 상기 혼합기의 위치는 변하며, 상기 혼합기는 유입 공기 냉각기 근처 또는 그 내부에 일체로 위치되거나 혹은, 엔진의 흡입 매니폴드의 주조부분 또는 장치부분의 일부분이 된다. 이러한 배기가스 냉각기(EGR)가 사용되지 않는 본 출원에서, 상기 혼합기는 압축기(compressor) 하우징 출구 또는 유입 공기 냉각기 입구 근처에 위치되거나 또는 그 내부에 일체로 부착된다.
재순환용 배기가스는 제어밸브26를 통하여 배기가스 재순환(EGR) 펌프에 제공된다. 도 4 및 도 5는 상기 밸브의 일시예의 기계적인 형상 및 작동을 도시한다. 비례 전기작동 솔레노이드 94는, 상기 분리된 배기가스 재순환밸브 98을 거치는 흐름에 의하여 발생되는 차동압력(differential pressure)으로 순차로 작동되는 피스톤 또는, 다이어프램 97에 의하여 제공되는 반발력을 갖는 3-방향(way) 공압 또는 유압밸브 96 를 작동시킨다. 상기 차동 압력은 포트 100 및 102를 통하여 측정된다. 상기 3-방향 밸브는 라인 104에서부터 상기 배기가스 재순환(EGR) 밸브까지 또는 벤트(vent) 108을 통한 엑츄에이터 공기 벤트까지 공기 공급을 제공한다. 상기 피스톤의 힘이 솔레노이드의 힘과 균형을 이루는 것이 충분하지 않을 때, 상기 3-방향 밸브는 엑츄에이터에 공기를 공급토록 개방되고, 따라서 상기 배기가스 흐름 라인 112내부로 상기 배기가스 재순환(EGR) 밸브를 통한 초기 배기가스 흐름 라인 110에서 부터의 배기가스 흐름이 증가하고, 상기 밸브 반대쪽의 차동 압력은 증가하며, 힘의 균형은 평형을 이룬다. 반대로, 피스톤의 힘이 상기 솔레노이드의 힘보다 크면, 상기 3-방향 밸브는 상기 배기가스 재순환(EGR) 밸브 엑츄에이터에서부터 공기벤트까지 개방시키고, 따라서 상기 배기가스 재순환(EGR) 흐름과 상기 밸브의 반대편 차동 압력은 감소하고, 재차 힘의 균형은 평형을 이룬다. 이때 상기 배기가스 재순환(EGR)의 제어량은 엔진 제어시스템에서부터 상기 비례 전기작동 솔레노이드에 제어신호를 제공함으로서 완료된다.
도 4에서 도시된 실시예로서 도시된 상기 배기가스 재순환(EGR) 밸브 엑츄에이터는 배기가스 재순환(EGR)흐름을 측정토록 시트 124상의 밸브 피폿 122을 제어하기 위한 샤프트가 위치하는 압력 케이스118내에 밀봉된 다이어프램 114와 스프링 116을 사용한다. 상기 3-방향 밸브는 상기 솔레노이드와 피스톤을 단속하는 샤프트 130 위에 지지된 이동 가능한 오리피스 128를 갖는 공급 및 벤트라인과 통하는 다단형 포트 몸체(body)126를 사용한다. 상기 센터링 스프링 132는 솔레노이드와 압력 피스톤의 반발력이 균형을 이루도록 한다.
본 발명은 상세하게 설명되고 도시되었지만, 본 발명이 속하는 당업계의 통상의 지식을 자는 본 발명에서 개시된 특정 실시예들에 대한 개조와 변화를 용이하게 알수 있을 것이다. 이와 같은 개조와 변화는 이하의 청구범위에서 마련된 발명의 정신이나 분야내에 속하는 것이다.

Claims (6)

  1. 배기가스 입구와 터빈 출구를 포함하는 터빈 하우징을 갖춘 터보차져 (turbocharger);
    상기 배기가스 입구를 통하여 유입된 배기가스에 의하여 구동되고 회전샤프트와 연결된 터빈(turbine);
    상기 회전샤프트를 내장하는 베어링 조립체(assembly)를 지지하고, 상기 터빈 하우징에 연결되는 연결수단을 포함하는 센터 하우징(center housing);
    공기 입구와 유입 공기 출구를 갖춘 압축기(compressor);
    상기 압축기 하우징 입구를 통하여 공기를 유입시키고 상기 유입 공기 출구에 압력 공기를 유입시키는 제 1 날개 세트(first vane set)와, 상기 제 1 날개세트의 반대측에 로터에 일체로 장착되고, 상기 배기가스 재순환(EGR) 입구로부터 배기 가스를 유입시키고 상기 배기가스 출구까지 디퓨저를 통하여 가압된 배기가스를 유입하는 제 2 날개세트를 갖추고, 상기 회전샤프트에 부착되어 있으며, 상기 배기가스 출구와 유입 공기 출구는 별도의 흐름경로를 포함하는, 가압 로터(compressed rotor);
    배기가스와 유입공기의 흐름 경로들을 분리토록 상기 로터 주변에서 흐름 경로(paths)들을 분리하기 위한 분리수단;
    상기 배기가스와 유입 공기를 수용하고 출구를 갖는, 터보차져의 혼합기 하류(mixer downstream)
    상기 터보차져의 제 2 날개세트까지 재순환되는 배기 가스의 양을 제어토록 상기 배기 매니폴드와 배기가스 재순환(EGR) 출구사이에 위치되는 전기적으로 작동되는 비례 제어밸브;
    상기 혼합기에 배기 가스출구를 부착하기 위한 가스출구 부착수단;
    상기 혼합기에 유입 공기 출구를 부착하기 위한 공기출구 부착수단; 및,
    상기 엔진용 입구 매니폴드에 상기 혼합기를 부착하기 위한 혼합기 부착수단;으로구성된 내연기관용 배기가스 재순환(EGR) 시스템.
  2. 배기흐름 라인에서부터 배기가스 재순환(EGR) 흐름라인까지의 배기가스 재순환(EGR) 흐름을 측정토록 밸브 포핏(poppet)을 작동시키고, 압력 포트를 갖추며, 상기 압력포트내의 압력에 대해 반응하는 가변 압력 엑츄에이터를 구비한 배기가스 재순환 밸브;
    배기가스 흐름라인에 연결되는 제 1 압력 포트와 배기가스 재순환(EGR) 흐름 라인에 연결되는 제 2 압력포트와,
    상기 제 1 및 제 2 압력포트에 연결되고, 상기 압력 측정수단(sensing means)에 연결되는 비례 전기작동 솔레노이드(solenoid) 및,
    상기 제 2 압력포트 보다 제 1 압력포트에서 더 낮은 압력으로 감소되는 엑츄에이터의 제 1 위치에서 압력원(pressure source)에 인접하고, 상기 제 2 압력포트 보다 상기 제 1 압력포트에서 더 높은 압력으로 감소되는 상기 제 2 엑츄에이터의 제 2 위치에서 압력벤트에 인접한 오리피스 입구와, 상기 가변 압력 엑츄에이터의 압력 포트에 연결된 오리피스의 출구의 위치를 정하도록 상기 압력측정수단에 대해 반응하는 제 2 엑츄에이터(second actuator)를 구비하는 차동 압력 제어기(differential pressure controller); 및,
    상기 비례 전기작동 솔레노이드에 제어신호를 제공하는 신호 제공수단;으로 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 재순환(EGR) 시스템용 제어밸브.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 압력 측정수단은 제 1 압력포트와 통하는 피스톤의 제 1 측면상에 제 1 쳄버(chamber)를 형성시키고, 상기 제 2 압력포트와 통하는 피스톤의 제 2 측면상에 제 2 쳄버를 형성시키는 실린더내의 피스톤 및, 상기 피스톤에 연결되고 이동 가능한 오리피스를 지지하는 샤프트를 포함하는 제 2 엑츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환(EGR) 시스템용 제어밸브
  4. 제 3항에 있어서, 상기 샤프트에 연결되는 전기작동 솔레노이드와 피스톤의 균형을 유지시키는 균형수단(balancing means)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환(EGR) 시스템용 제어밸브
  5. 제 4항에 있어서, 상기 균형수단은 샤프트에 장착되는 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환(EGR) 시스템용 제어밸브
  6. 제 2항에 있어서, 상기 개비가스 재순환(EGR) 밸브는, 배기가스 흐름 라인에 연결된 배기가스 재순환(EGR) 입구와 상기 배기가스 재순환 흐름 라인에 연결되는 배기가스 재순환(EGR) 출구를 갖는 밸브 몸체를 포함하고,
    상기 압력포트와 엑츄에이터에 연결되는 쳄버를 추가로 구비하는 상기 몸체는, 상기 쳄버내에 부착되고 상기 압력포트의 압력에 반응하도록 변형되는 다이어프램(diaphragm)에 연결되는 샤프트 및, 상기 샤프트에 연결되고 배기가스 재순환 (EGR) 입구와 출구사이로 상기 밸브 몸체내에 있는 시트(seat)를 단속하는 밸브 피폿(poppet)을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환(EGR) 시스템용 제어밸브
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