KR20040026968A

KR20040026968A - 형상기억합금을 이용한 이지알 밸브

Info

Publication number: KR20040026968A
Application number: KR1020020058634A
Authority: KR
Inventors: 두재균
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2004-04-01

Abstract

본 발명은 형상기억합금을 이용한 EGR 밸브에 관한 것으로서,

종래의 EGR 밸브는 다수의 부품들에 의해 복잡한 구조로 이루어져 있기 때문에 장시간 구동시 각 마찰부품이 쉽게 마모될 뿐만 아니라 윤활 및 내구성이 나빠지는 문제점을 갖고 있으며, 상기 도 4 에 제시된 솔레노이드 타입의 EGR 밸브 이외에도 DC 모터 타입, 스텝모터 타입 등 여러가지 EGR 밸브가 제공되고 있으나 대부분의 종래 EGR 밸브들이 복잡한 구조를 이루고 있어서 내마모성이 떨어지는 문제점을 가지고 있으며, 수 ㎛ 단위의 정밀제어가 불가능하여 고정밀 및 고성능의 EGR 밸브를 제공하지 못하는 문제점이 발생하고 있었다.

따라서, 상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 EGR 밸브의 밸브체를 구동시키는 수단으로서 형상기억합금으로 제조되고, 온도변화에 따라 수축 및 팽창하는 특성을 가지는 가동스프링을 적용하므로서, EGR 밸브의 개도량을 수 ㎛ 까지 변위제어 가능하여 EGR 가스의 피드백 량을 엔진의 운전조건에 대응하여 정밀하게 제어할 수 있고, 제품의 응답성 및 히스테리시스를 줄여 안정성을 높일 수 있도록 한 형상기억합금을 이용한 EGR 밸브에 관한 것이다.

Description

형상기억합금을 이용한 이지알 밸브{EGR valve using SMA}

본 발명은 형상기억합금을 이용한 EGR 밸브에 관한 것으로서, 특히 EGR 밸브의 밸브체를 구동시키는 수단으로서 형상기억합금으로 제조되고, 온도변화에 따라 수축 및 팽창하는 특성을 가지는 가동스프링을 적용하므로서, EGR 밸브의 개도량을 수 ㎛ 까지 변위제어 가능하여 EGR 가스의 피드백 량을 엔진의 운전조건에 대응하여 정밀하게 제어할 수 있고, 제품의 응답성 및 히스테리시스를 줄여 안정성을 높일 수 있도록 한 형상기억합금을 이용한 EGR 밸브에 관한 것이다.

일반적으로 EGR(Exhaust Gas Recirculation)은 배기가스의 일부를 다시 흡기로 환류시키는 것으로, 배기가스의 일부를 다시 흡기측으로 환류 시킴에 따라 혼합기 중에서 비열이 큰 CO₂농도가 증가하게 되므로 연소시의 온도 저감에 의해 NOx 의 발생량을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

이러한 EGR 가스 제어는 연소실로 피드백되는 EGR 가스에 의해 산소농도가 감소하게되므로 공기가 충분하지 않은 고부하영역에서 사용할 경우 매연농도 및 HC 의 발생량이 증가하는 문제점이 발생하게되므로 EGR 가스 제어는 대부분 중부하영역 또는 저부하영역에서 주로 사용된다.

따라서, EGR 효과를 충분히 높이기 위해서는 전자 제어등에 의한 부하, 회전수에 따른 EGR 가스량을 정밀하게 제어해야만 하며, 이의 구현을 위해서 정밀제어가 가능한 EGR 밸브가 사용된다.

도 4 는 종래의 EGR 밸브를 도시한 것으로서,

밸브하우징(40)의 하단에 배기매니폴드로부터 EGR가스가 유입되기 위한 입구(45)와 EGR가스를 흡기매니폴드 측으로 배출하기 위한 출구(46)가 각각 형성되고, 이 밸브하우징(40)의 중앙부에 상하 연동가능한 로드(43)를 수직 설치하되, 이 로드(43)의 상부에 플런저(42)를 형성하고, 하측에는 상기 출구(46)를 선택적으로 개폐하기 위한 밸브체(47)를 형성하여 구성하며,

상기한 밸브하우징(40)의 상단부 외주연에 입력되는 전압에 의해 자화되어 플런저(42)를 강제 하강시켜 밸브체(47)가 개방되도록 하는 솔레노이드(41)가 형성되고, 밸브하우징(40)의 상측 끝단에는 미도시된 ECU의 제어신호에 따라 솔레노이드(41)로 구동전압을 공급하는 전압공급부(49)가 형성되어 있다.

이러한 종래의 EGR 밸브는 엔진의 운전상태, 즉, 온도, 압력, 주행속도, 부하 등을 감안한 ECU의 엔진 운전상태 판단결과에 따른 제어신호가 전압공급부(49)로 입력되면, 상기 전압공급부(49)는 입력되는 제어신호에 대응하는 구동전압을 솔레노이드(41)로 공급하고, 이 솔레노이드(41)는 입력된 전압에 의해 자화되어 플런저(42)를 하강시킴으로서 로드(43)의 하측 끝단에 형성되어 있는 밸브체(47)가 출구(46)를 개방시키게되어 EGR가스가 흡기매니폴드 측으로 재공급되는 것이다.

그러나, 종래의 EGR 밸브는 다수의 부품들에 의해 복잡한 구조로 이루어져 있기 때문에 장시간 구동시 각 마찰부품이 쉽게 마모될 뿐만 아니라 윤활 및 내구성이 나빠지는 문제점을 갖고 있으며, 상기 도 4 에 제시된 솔레노이드 타입의 EGR밸브 이외에도 DC 모터 타입, 스텝모터 타입 등 여러가지 EGR 밸브가 제공되고 있으나 대부분의 종래 EGR 밸브들이 복잡한 구조를 이루고 있어서 내마모성이 떨어지는 문제점을 가지고 있으며, 수 ㎛ 단위의 정밀제어가 불가능하여 고정밀 및 고성능의 EGR 밸브를 제공하지 못하는 문제점이 발생하고 있었다.

따라서, 상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 EGR 밸브의 밸브체를 구동시키는 수단으로서 형상기억합금으로 제조되고, 온도변화에 따라 수축 및 팽창하는 특성을 가지는 가동스프링을 적용하므로서, EGR 밸브의 개도량을 수 ㎛ 까지 변위제어 가능하여 EGR 가스의 피드백 량을 엔진의 운전조건에 대응하여 정밀하게 제어할 수 있고, 제품의 응답성 및 히스테리시스를 줄여 안정성을 높일 수 있도록 한 형상기억합금을 이용한 EGR 밸브를 제공함을 목적으로 한다.

상기 목적달성을 위한 본 발명은,

내부가 구동실과 밸브실로 구획 형성되고, 상기 밸브실의 일측과 저면에 각각 입구와 출구가 형성되는 밸브하우징과;

상기 구동실의 내부 상하측에 각각 형성되는 음극판및 양그판과;

형상기억합금으로 제조되는 코일형 스프링으로서 상측 끝단과 하측 끝단이 각각 음극판과 양극판에 접촉 결합되고, 이 음극판과 양극판을 통해 공급되는 전류량에 따라 수축 또는 팽창하는 가동스프링과;

상기 음극판의 하측에 결합되는 절연판과;

일정길이의 밸브로드 하측 끝단에 출구를 선택적으로 개폐하기 위한 밸브체가 형성되고, 밸브로드의 상측 끝단에 절연판의 저면에 결합되기 위한 결합부가 형성되어 가동스프링의 수축 정도에 따라 출구를 개방시키는 밸브부재; 로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 구동실의 내벽면에는 가동스프링에 공급되는 전류의 절연을 위한 절연러버가 형성된 것을 특징으로 하며, 상기 음극판과 양극판은 각각 전류증폭부의 출력단과 연결되며, 상기 전류증폭부는 엔진의 운전상태에 따른 ECU의 제어신호에 따라 음극판과 양극판으로 출력되는 전류값을 조절하는 것을 특징으로 한다.

상기 구동실과 밸브실은 상호 연결하는 원통형의 부싱을 밸브하우징 내부에 수직방향으로 설치하여 이 부싱에 의해 밸브로드의 직진성이 보장되도록 한 것을 특징으로 한다.

도 1 은 본 발명의 EGR 밸브를 보인 단면도.

도 2 는 본 발명의 EGR 밸브 제어 시스템을 보인 단면도.

도 3 은 본 발명에 적용된 가동스프링의 작동환경을 보인 그래프.

도 4 는 종래의 EGR 밸브를 보인 단면도.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 밸브하우징 2 : 구동실

3 : 밸브실 4 : 입구

5 : 출구 6 : 음극판

7 : 양극판 8 : 가동스프링

9 : 절연판 10 : 절연러버

11 : 부싱 20 : 밸브부재

21 : 밸브로드 22 : 밸브체

23 : 결합부 30 : 전류증폭부

31 : ECU 32 : 엔진

33 : 흡기매니폴드 34 : 배기매니폴드

이하, 첨부된 도면 도 1 내지 도 3 을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도면부호 1 은 밸브하우징을 나타내는데, 이 밸브하우징(1)의 내부는 크게 구동실(2)과 밸브실(3)로 나누어지며, 배기매니폴드(34)로부터 EGR 가스를 공급받기 위한 입구(4)가 밸브실(3)의 일측에 형성되고, EGR 가스를 흡기매니폴드(33) 측으로 공급하기 위한 출구(5)가 밸브실(3)의 저면에 형성된다.

상기 구동실(2)과 밸브실(3)을 관통하도록 수직으로 세워져 밸브부재(20)가 설치되는데, 이 밸브부재(20)는 구동실(2)과 밸브실(3)을 수직으로 세워져 설치되는 밸브로드(21)의 하측 끝단에 상기 출구(5)를 선택적으로 개폐하기 위한밸브체(22)가 형성되고, 밸브로드(21)의 상측 끝단에는 후설하는 절연판(9)에 결합 고정되기 위한 결합부(23)를 형성하여 구성한다.

상기 밸브로드(21)의 상하 직진운동은 구동실(3)과 밸브실(3)의 중앙에 수직으로 세워져 설치되는 원통형의 부싱(11)에 의해 이루어진다.

즉, 상기 부싱(11) 내측으로 밸브로드(21)의 몸체 부분이 삽입되므로서, 밸브로드(21)의 상하 직진운동이 보장되는 것이다.

본 발명에서는 상기 밸브부재(20)를 구동시키기 위한 수단으로서 음극판(6)과 양극판(7)을 구동실(2)의 내부 상하측에 각각 설치하고, 상기 음극판(6)과 양극판(7)의 사이에 형상기억합금(SMA: Shape Memory Alloy)으로 제조된 코일형상의 가동스프링(8)을 설치하여 구현한다.

즉, 도 1 에 도시된 바와같이 구동실(2)의 내부 상단에 전류증폭부(30)의 마이너스(-) 출력단과 접촉되기 위한 음극판(6)을 설치하고, 구동실(2)의 내부 하단에 전류증폭부(3)의 플러스(+) 출력단과 접촉되기 위한 양극판(7)을 설치하며, 가동스프링(8)은 그 상측과 하측 끝단에 상기 음극판(6)과 양극판(7)에 각각 접촉된 상태로 결합되도록 설치하는 것이다.

일반적으로 형상기억합금이라 함은 온도의 변화에 따라 열 탄성형 마르텐사이트 재료들이 저온에서 나타나는 진동 흡수 능력과 일정온도에서 변형한 재료를 특정 천이온도 이상으로 가열하면 원래의 형상으로 되돌아가는 형상기억효과와 특정온도, 예를들면 오스테나이트의 피니싱(Austenite finishing) 온도보다 10~20℃ 높은 온도 범위 내에서 신축할 수 있는 초탄성의 성질을 지닌 합금을 말하는 것으로서, 본 발명에서는 오스테나이트의 피니싱 온도보다 일정온도 높였을때 신축할 수 있는 초탄성의 성질을 이용하여 밸브부재(20)를 구동시킨다.

도면부호 30 은 전류증폭부를 나타내는 것으로서, 이 전류증폭부(30)는 음극판(6)과 양극판(7)으로 전류를 출력하여 각각의 극판(6,7)에 접촉되어 있는 가동스프링(8)의 온도가 필요에 따라 상승되도록 하는 것이며, 이 전류증폭부(30)는 ECU(31)로부터 공급되는 제어신호에 따라 출력전압을 가변시킨다.

상기 ECU(31)는 엔진의 운전상태에 따라 상기 전류증폭부(30)로 공급되는 제어신호를 가변하는 것으로서, 온도, 압력, 속도, 부하 등을 각종 센서들을 통해 수집하여 현재의 엔진(32) 구동상태를 판단한 후 전류증폭부(30)의 출력을 제어하기 위한 제어신호를 출력한다.

즉, 엔진 운전상태를 판단한 ECU(31)의 제어신호에 의해 전류증폭부(30)가 음극판(6)과 양극판(7)으로 출력되는 전류값을 가변시킴에 따라 가동스프링(8)의 온도가 증감되므로서 가동스프링(8)이 수축되거나 팽창되면서 밸브부재(20)를 상하 방향으로 구동시키는 것이다.

상기 구동실(2)의 내벽면에는 가동스프링(8)으로 공급된 전류의 절연을 위한 절연러버(10)가 균일하게 도포되어 있으며, 이 절연러버(10)는 부싱(11)의 외주에도 형성하는 것이 바람직하다.

그리고 도면부호 9 는 음극판(6)의 저면에 형성되어 음극판(6)으로 공급된 전류가 밸브부재(20)의 결합부(23)로 전이되지 않도록 차단하는 역할을 한다.

이와같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.

엔진(32)이 구동하면, ECU(31)는 각종 센서들을 통해 냉각수온도, 배기압력, 주행속도, 부하 등에 대한 정보를 수집하여 엔진(32)의 작동환경을 판단하고, 그에 대응하여 EGR가스 공급량을 제어하기 위한 제어신호를 출력한다.

상기 제어신호를 입력받은 전류증폭부(30)는 제어신호에 대응하는 전류를 음극판(6)과 양극판(7)으로 출력하고, 이 전류는 각각의 극판(6,7)을 통해 형상기억합금으로 제조된 가동스프링(8)으로 공급된다.

상기 가동스프링(8)은 음극판(6)과 양극판(7)으로 공급되는 전류에 비례하여 온도가 상승하게되고, 그 온도 상승정도에 따라 수축량이 증대된다.

가동스프링(8)의 입력전류에 대한 수축량은 도 3 에 도시한 바와같이 전류가 증가할수록 가동스프링(8)의 수축량도 점차 증가함을 알 수 있다.

상기 설명과같이 입력전류에 의해 가동스프링(8)이 수축하게되면, 상측의 음극판(6)이 하강하게되고, 이에의해 절연판(9)에 결합되어 있는 밸브부재(20)의 밸브로드(21) 또한 하강하게되면서 밸브체(22)가 출구(5)를 개방하게되는 것이며, 가동스프링(8)의 수축량이 증가할수록 밸브체(22)의 개도량이 증가하게되므로 EGR 가스량을 제어할 수 있게되는 것이다.

그리고, 엔진의 운전환경이 고부하영역일경우에는 EGR 가스가 흡기측으로 공급되지 않도록 하기위해 전류증폭부(30)에서는 전류를 출력하지 않게되고, 이에의해 가동스프링(8)은 원래의 상태로 팽창되면서 밸브부재(20)를 상승시켜 밸브체(22)가 출구(5)를 닫도록 한다.

상기 설명된 가동스프링(8)은 온도변화에 따라 미세한 변위(수축, 팽창)를나타내게 되므로, 상기 가동스프링(8)으로 공급되는 전류값을 미세하게 조정함에 따라 밸브부재(20)의 개도량을 수 ㎛ 단위로 미세하게 조정할 수 있게된다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명은 EGR 밸브의 밸브체를 구동시키는 수단으로서 형상기억합금으로 제조되고, 온도변화에 따라 수축 및 팽창하는 특성을 가지는 가동스프링을 적용하므로서, EGR 밸브의 개도량을 수 ㎛ 까지 변위제어 가능하여 EGR 가스의 피드백 량을 엔진의 운전조건에 대응하여 정밀하게 제어할 수 있고, 제품의 응답성 및 히스테리시스를 줄여 안정성을 높일 수 있도록 한 형상기억합금을 이용한 EGR 밸브를 제공하는 효과를 기대할 수 있다.

Claims

내부가 구동실(2)과 밸브실(3)로 구획 형성되고, 상기 밸브실(3)의 일측과 저면에 각각 입구(4)와 출구(5)가 형성되는 밸브하우징(1)과;

상기 구동실(2)의 내부 상하측에 각각 형성되는 음극판(6)및 양그판(7)과;

형상기억합금으로 제조되는 코일형 스프링으로서 상측 끝단과 하측 끝단이 각각 음극판(6)과 양극판(7)에 접촉 결합되고, 이 음극판(6)과 양극판(7)을 통해 공급되는 전류량에 따라 수축 또는 팽창하는 가동스프링(8)과;

상기 음극판(6)의 하측에 결합되는 절연판(9)과;

일정길이의 밸브로드(21) 하측 끝단에 출구(5)를 선택적으로 개폐하기 위한 밸브체(22)가 형성되고, 밸브로드(21)의 상측 끝단에 절연판(9)의 저면에 결합되기 위한 결합부(23)가 형성되어 가동스프링(8)의 수축 정도에 따라 출구(5)를 개방시키는 밸브부재(20); 로 구성된 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 EGR 밸브.
제 1 항에 있어서,

상기 구동실(2)의 내벽면에는 가동스프링(8)에 공급되는 전류의 절연을 위한 절연러버(10)가 형성된 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 EGR 밸브.
제 1 항에 있어서,

상기 음극판(6)과 양극판(7)은 각각 전류증폭부(30)의 출력단과 연결되며, 상기 전류증폭부(30)는 엔진의 운전상태에 따른 ECU(31)의 제어신호에 따라 음극판(6)과 양극판(7)으로 출력되는 전류값을 조절하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 EGR 밸브.
제 1 항에 있어서,

상기 구동실(2)과 밸브실(3)은 상호 연결하는 원통형의 부싱(11)을 밸브하우징(1) 내부에 수직방향으로 설치하여 이 부싱(11)에 의해 밸브로드(21)의 직진성이 보장되도록 한 것을 특징으로하는 형상기억합금을 이용한 EGR 밸브.