KR20110060934A - 가변 흐름 웨이스트게이트 - Google Patents

Abstract

호른이 밸브에 구비되어, 일반적인 편평한 웨이스트게이트 밸브의 경우보다 더 점진적이고, 최적으로는 거의 직선형인 터보차저 부스트 대 밸브 개방 곡선을 제공하는 터보차저용 웨이스트게이트가 개시된다. 유로에 3차원적인 호른을 추가하는 것은, 선형 흐름을 얻기 위한 해결책으로서 밸브 위치의 매우 한정적이고 정밀한 제어에 관련된 접근보다 훨씬 더 비용 효율적이다.

Description

가변 흐름 웨이스트게이트{VARIABLE FLOW WASTEGATE}

본 발명은 더 점진적인 밸브의 변위를 위한 고정 및 동적 밸브 구성요소로 이루어진 오리피스를 통해 더 점진적인 (일정하며 가장 최적으로는 거의 직선인) 흐름 곡선을 생성하도록 한 웨이스트게이트 유로의 설계에 관한 것이다.

터보차저는 일종의 강제식 유도 시스템이다. 터보차저는 압축 공기를 엔진 흡기구로 전달하여 더 많은 연료가 연소되게 함으로써 엔진 중량을 크게 증가시키지 않으면서도 엔진의 마력을 증가시킨다. 이로 인해 더 소형의 터보차저 엔진을 사용하게 되어, 물리적 크기가 더 큰 자연 흡기 엔진을 대체하고 따라서 차량의 질량 및 공기역학적인 전면 면적을 감소시킬 수 있다.

터보차저는 엔진 배기 매니폴드로부터의 배기 흐름을 사용하여 터빈 하우징에 위치한 터빈 휠을 구동한다. 터빈 휠은 샤프트의 일단에 견고히 부착된다. 압축기 휠은 샤프트의 타단에 장착되며 압축기 너트로부터의 클램프 하중에 의해 적소에 고정된다. 터빈 휠의 주요 기능은 회전력을 제공하여 압축기를 구동하는 것이다. EGR 타입 엔진 시스템에서 터빈 스테이지의 기능은 배기 시스템 내의 배압을 조절하여 EGR 흐름이 배기 시스템으로부터 엔진 흡기 시스템 내로 공급될 수 있도록 하는 것이다.

터빈 스테이지에 의해 발생한 동력은 터빈 스테이지 전체에 걸친 팽창비의 함수이다. 즉, 터빈 입구에서 터빈 익스듀서(exducer)로의 팽창비이다.

압축기 스테이지는 휠과 그 하우징으로 구성된다. 여과된 공기는 압축기 휠(21)의 회전에 의해 압축기 커버(20)의 입구 내로 축방향으로 인입된다. 터빈 스테이지에 의해 샤프트로 전달된 동력은 압축기 휠을 구동하여 열 및 일부 잔여 운동 에너지와 정압의 조합을 생성한다.

터보차저 엔진 시스템에는 엔진 출력과 터보차저 출력 간에 근본적인 미스매칭이 존재한다. 내연기관(IC engine)은 양의 변위 장치이므로, 유속이 엔진 속도(N_e)에 대략 비례한다. 터보차저는 간단한 스로틀과 유사한 특성의 회전체 동력학 장치이므로 유속은 그 속도(N_t)와 매우 무관하다. 터보차저 전체에 걸친 팽창비는 유속의 제곱으로 증가한다. 이 때문에 터보차저는 실제로 하나의 작동점에서 엔진에 이상적으로 매칭될 뿐이다.

매칭의 관점에서, 예를 들어 엔진 용도가 고속도로 상의 트럭인 경우, 매칭의 최적점(sweet spot)은 아마도 엔진 정격점에 있을 것이다. 매칭의 최적점이 정격점에 있는지를 결정하는 것은, 예를 들어 낮은 엔진 속도의 작동점에서 매칭을 덜 유리하게 할 것이다. 이는 낮은 엔진 속도 범위에서 제조업자가 (배기 규정을 충족시키기 위해) 원하는 것보다 엔진이 더 많은 입자들을 생성하기 쉽고 엔진이 운전자에게 반응을 보이지 않게 된다는 것을 의미할 것이다. 한편 터보차저가 낮은 엔진 속도의 작동점으로 매칭될 경우, N_e에서 엔진 성능은 더 좋아지고, 터보차저-엔진 조합은 일시적으로 성능이 향상되며 입자 방출이 감소할 것이다. 그러나 N_e에서 터보차저는 엔진을 오버부스트시키게 된다. N_e 오버부스트 문제를 해결하기 위해서, 웨이스트게이트를 사용하여 압축기로의 터빈 동력을 감소시키고 따라서 이러한 엔진 작동점에서의 부스트 압력을 감소시킨다.

도 2는 일반적인 압축기 스테이지의 맵을 도시한다. Y축(25)은 압력비를 나타내고 X축(26)은 질량 유속(kg/초)을 나타낸다. 좌측 경계는 서지선(surge line, 21)을 나타낸다. 이는 테스트에 의한(test-generated) 선이다. 각 속도선에서 서지점을 검출하고 기록한 후, 전체 맵에 대해 보간하였다. 서지점에서 진동하는 흐름 거동은 흐름 차단을 일으킨다. 서지 상태에서 흐름은 흐름의 불안정을 초래하는 블레이드의 흡입면으로부터 분리되는데, 이러한 흐름은 블레이드에 부착 및 그로부터 분리됨에 따라 진동한다. 서지 상태는 장착 조건에 따라 달라지고 따라서 이는 각 장착 파라미터 세트에 대해 테스트되어야 한다. 서지 상태에서 터보차저는 격렬하게 반응하며 이러한 작동 체계에 영향을 받지 말아야 한다.

우측 경계는 초크선(choke line, 24)을 나타낸다. 이 선은, 음속에 도달한 공기 흐름에 의해 효율성이 급격히 저하되는 영역의 각 속도선 상에서 최소 효율값(종종 65%)을 선택함으로써 생성된다. 초크 체계에서, 터보차저는 원활하게 작동하지만 압력비와 효율성은 떨어지고 온도는 상승한다. 거의 수평인 선(23)은 동일한 터보차저 속도의 선들이다.

선(27)은 예시적인 엔진 작동선을 나타낸다. 이 선은 주어진 조건 세트에 대해서, 맵이 엔진 작동 체계의 공기 요건에 부합하는 곳을 보여준다. 도 2는 엔진 작동선이 표시된 터보차저 맵을 나타낸다. 이는 고정식 터보차저의 경우에 해당된다. 고정식이란, 터보차저가 휠 및 하우징의 선택에 의해서만 설정된 매칭 한계를 가지며 제어 장치가 없다는 것을 의미한다. 도 3은 동일한 기본 맵을 보여주되, 예시된 경우에는 3.43의 압력비로 부스트를 제한하는 웨이스트게이트가 터보차저에 구비된다. 이러한 경우 도 3의 엔진 작동선(28)은 웨이스트게이트가 개방될 때까지 도 2의 엔진 작동선(27)을 따르고, 그 후 엔진 작동선은 웨이스트게이트의 개방 지점에서 더 수평인 선으로 만곡되는데, 이는 압력비가 제한되는 것을 나타낸다.

터빈 스테이지의 설계는, 터빈이 큰 부분을 차지하는 압축기를 구동하는 데에 요구되는 동력, 스테이지의 공기 동력학적인 설계, 회전 어셈블리의 관성; 설계의 구조적 재료적 측면에 영향을 끼치는 터보차저 작동 사이클; 및 블레이드 여기에 대한 터빈 휠의 상류 및 하류 양쪽의 근접장 사이에서 절충된다.

엔진 부스트 요건은 압축기 스테이지 선택의 주 요인이다. 압축기의 선택 및 설계는, 엔진의 부스트 압력 요건; 엔진에 요구되는 질량 유량; 용도에 요구되는 효율성, 엔진 및 용도에 요구되는 맵 폭; 엔진의 고도 및 듀티 사이클; 엔진의 실린더 압력 한계; 등의 사이에서 절충된다.

터보차저를 제한할 수 있는 많은 세부 사항들이 터보차저 외부에 존재한다. 실린더 압력 한계와 같은 엔진의 한계들은, 엔진 작동 체계의 어느 지점에서도 부스트 레벨이 최대 허용 압력 미만으로 유지될 필요가 있다는 것을 의미한다. 고도 한계는 구조적인 이유로 터보차저 속도를 조절할 필요가 있게 한다. 마케팅력이 변경 가능한 부스트 레벨을 조절할 필요성을 가져올 수 있다.

연소시 내연 및 외연 둘 다의 경우에 연소 챔버에 대한 엔진 제한 요인들이 있다. 이들 중 몇몇 요인은 다음과 같다: 공기 충전 흡입구; 공기 충전의 압축; 엔진의 팽창 및 배기 행정; 압축비; 연료 주입; 주입 플럼의 형상, 타이밍 및 성질; 연료 점화; 및 압축 또는 발화 장치에 의해 시작되는 점화의 특성; 밀봉 링의 위치 및 설계; 피스톤 크라운 및 실린더 헤드의 설계; 수반(basin), 볼 범프, 편평함, 반구형, 스월 개시(swirl initiating), 비스월형(non swirl), 층상, 균일함; 공기-연료 비; 등. 실린더 압력 한계는 보통 배기 밀봉 방법 및 재료, 밸브, 및 밸브 시트 재료, 피스톤 설계, 피스톤 링 설계, 실린더 온도, 실린더 헤드 냉각 및, 점화 엔진의 구조적 제한, 열, 전달율 및 노크(knock) 등의 엔진 설계의 특징들에 의해 제어된다. 상기에 언급한 바와 같이, 실린더 압력 한계들은 웨이스트게이트에 대한 필요성의 주 요인이다.

회전 어셈블리의 관성은 대부분 터빈 휠의 관성이다. 관성 모멘트는 부품을 통해 별개의 부분들에서 취해진 개별적인 관성들의 합이다.

관성 모멘트 I= ∑ M.R²

여기에서, M은 해당 부분의 질량이며, R은 그 부분의 반경이다.

이는 터빈 스테이지에 웨이스트게이트를 추가함으로써 더 작은 터빈 휠 및 하우징으로 낮은 속도 범위로 매칭을 가능하게 하고 따라서 웨이스트게이트의 추가로 관성의 감소에 대한 선택을 가져온다는 점에서 터보차저 작동에 중요하다. 회전 어셈블리의 관성 감소로 인해 일반적으로 입자상 물질(PM)이 감소하는 결과를 가져온다. 웨이스트게이트는 고속도로 상의 차량들에서는 흔히 볼 수 있게 되었다. 문제는 대부분의 웨이스트게이트가 그 동작시 다소 이원적이고 이는 엔진 출력과 엔진 속도 간의 선형 관계에는 부합하지 않다는 점에 있다.

상술한 바와 같이 웨이스트게이트를 통합시키려는 데에는 많은 이유가 있다:

1. 최대 실린더 압력을 제한하기 위해, 웨이스트게이트는 부스트와 연소 챔버에 공급되는 공기의 질량 유량을 간단하게 제한하는 간단한 장치일 수 있다.

2. 최대 실린더 온도를 제한하기 위해, 웨이스트게이트는 공기 질량 유량 흡입 및 A/F비 및 연소 온도를 제한하기 위한 간단한 장치로서 사용될 수 있다.

3. 마케팅으로 엔진의 동력 설정을 변경하도록 한다. 터보차저의 조립시 단지 엑추에이터 스프링의 시트 압력을 변경함으로써, 최소한의 부품 수 변화로 웨이스트게이트의 개방 시작점을 비교적 쉽게 변경할 수 있다.

4. 엔진의 동력 설정을 미세 조정한다. 엔진이 조립될 때 엔진의 모든 부품에서 공차 축적으로 인한 다양한 변수들이 존재하고, 이는 엔진에 의해 생성되는 동력을 변화시킨다. 디젤 엔진은 예를 들어 112kW, 130kW, 142kW, 149kW의 단편적인 동력 등급들로 판매되므로, 웨이스트게이트로 이용 가능한 설정점의 무한한 변화를 이용하는 것은 강력한 미세 조정 도구가 된다. 예를 들어 엔진이 처음 생산에 들어가면, 원형 부품과 구별되는 모든 생산 부품들의 공차가 종종 상이한 동력과 토크를 가진 엔진을 생산하게 된다. 목표 설정을 위해 부품들을 변경해야 하는 대신, 웨이스트게이트 설정이 신속히 변경될 수 있고 따라서 품질 보증된 엔진의 생산이 지연되지 않는다. 이러한 "용이한 해결"의 문제는 간단하고 편평한 면의 밸브 및 시트 설계가 밸브 개방 각도로 흐름을 잘 조절하지 못하기 때문에 웨이스트게이트의 작동이 조잡하다는 것이다.

웨이스트게이트는 포핏 밸브 및 스윙 밸브 타입의 두 가지 기본 구성으로 이루어질 수 있다. 도 4는 일반적인 스윙 밸브 웨이스트게이트를 도시한 것으로, 밸브(31)가 밸브 암(33)에 부착되어 밸브가 하우징(30) 내에 가공된 시트(32) 상을 씰링하도록 자유 이동한다. 하우징은 일반적으로 주조 철 또는 스틸 터빈 하우징 또는 배기 매니폴드이며 이를 통해 배기가스(35)가 터빈 휠의 상류로 흐른다. 하우징 내에는 피봇(34)이 가공되어 있으며 밸브 암(33)이 이를 중심으로 회전할 수 있다. 웨이스트게이트가 폐쇄되도록 명령 받으면, 밸브 암(33)은 그에 기계적으로 연결된 액추에이터에 의해 폐쇄 위치로 구동되어 밸브(31)가 시트(32) 상에서 씰링하고 배기가스는 하우징(30)으로부터 빠져나갈 수 없게 된다.

웨이스트게이트가 개방되도록 명령 받으면, 밸브 암(33)이 위치(33A)로 회전하여 배기가스(35)가 밸브 오리피스를 통해 하우징(30) 밖의 방향(35B)으로 흐르게 하고 잔류 배기가스(35A)는 계속 하우징(30) 내에서 자유 이동하도록 액추에이터가 이동한다. 따라서 웨이스트게이트 밸브가 폐쇄된 하우징을 통한 배기가스(35)의 유량은 웨이스트게이트 밸브가 개방된 하우징을 통한 배기가스(35A)의 유량보다 크다. 이는 터빈 휠을 구동하기 위해 이용 가능한 에너지를 감소시킨다.

도 5는 일반적인 포핏 밸브 웨이스트게이트를 도시한 것으로, 밸브(41)는 하우징(48) 내에서 슬리브(47)에 의해 가이드되어 밸브는 하우징(40) 내에 가공된 시트(42) 시트 상에서 씰링하도록 시트에 대해 수직으로 자유 이동한다. 하우징은 일반적으로 주조 철 또는 스틸 터빈 하우징 또는 배기 매니폴드이며 이를 통해 배기가스(45)가 터빈 휠의 상류로 흐른다. 웨이스트게이트 하우징(48)은 일반적으로 엔진 선택에 따라 압력 또는 진공에 의해 밸브(41)를 구동할 수 있는 공압 다이어프램을 장착한다. 웨이스트게이트가 폐쇄되도록 명령 받으면, 밸브(41)가 그에 기계적으로 연결된 액추에이터에 의해 폐쇄 위치로 구동되어 밸브(41)는 시트(42) 상에서 씰링하고 배기가스는 하우징(40)으로부터 빠져나갈 수 없다.

웨이스트게이트가 개방되도록 명령 받으면, 밸브(41)가 시트(42)에서 위치(41A)로 상승되어 배기가스(45)가 하우징 내에 절개된 오리피스(47)를 통해 하우징(48) 밖의 방향(45B)으로 밸브 막을 통해 흐르게 하여, 가스(46)가 대기로 빠져나가고, 잔류 배기가스(45A)는 계속 하우징(40) 내에서 자유 이동하도록 액추에이터가 이동한다. 따라서 웨이스트게이트 밸브가 폐쇄된 하우징을 통한 배기가스(45) 유량은 웨이스트게이트 밸브가 개방된 하우징을 통한 배기가스(45A) 유량보다 크다. 이는 터빈 휠을 구동시키기 위해 이용 가능한 에너지를 감소시킨다. 빠져나가는 배기가스는 밸브 헤드와 밸브 시트 사이의 원통형 오리피스를 통해서만 흐를 수 있으므로, 소정의 밸브 변위에 대한 흐름 변화는 매우 선형이 아니다.

도 11에 있어서, 일반적인 터빈 하우징(2)이 일반적인 스윙 밸브 웨이스트게이트 장치(31, 33A)에 결합된다. 이러한 경우 웨이스트게이트는 터빈 휠(1)로부터 떨어진 볼류트의 측부에 장착된다. 이는 터빈 하우징 또는 배기 매니폴드 상의 어느 위치에도 있을 수 있다. 가장 일반적인 두 개의 위치가 도시되어 있으며 또는 이에 수직인 위치에 있을 수 있다. 보통은 간단한 패키징의 이유로 덜 까다로운 환경에서 액추에이터를 수용하기 위한 선택이 이루어진다. 본 발명은 웨이스트게이트의 유형 또는 위치의 선택과는 관련이 없다. 어떠한 경우에라도 엔진으로부터의 배기 흐름(3)은 덕트 또는 터빈 하우징 볼류트로 진입하여 이를 통해 흐른다. 웨이스트게이트 밸브(31)가 개방 위치(33A)에 있으면 흐름(3)은 소정의 비율로 흐름(35B)과 흐름(35A)으로 분할된다. 볼류트 내의 흐름(35A)은 터빈 휠(1)로 이동하고, 거기에서 터빈 하우징(2)으로부터 익스듀서(4)를 통해 차량 수직 파이프 및 대기로 배기된다. 바이패스 흐름(35B)은 밸브 오리피스를 통해 이동하여, 흐름(35A)이 터빈 휠(1)을 통과하여 터빈 휠(1)을 우회한 후 터빈 휠(1)을 통한 흐름으로 재합류한다.

밸브 위치 상에 스마트 제어 및 피드팩을 통합함으로써, 이러한 조잡한 움직임이 더 미세한 조절로 조정될 수 있다. 그러나 전자장치는 대략 860℃ 내지 1050℃에서 까다로운 배기가스 환경 및 진동 내에 놓여야 하며 이는 둘 다 전자장치에는 어려운 환경이기 때문에 엔진에 상당한 비용이 추가된다. 따라서 더 간단하고 미세하게 조정되는 배기 가스 제어가 필요하다.

본 발명은, 일반적인 웨이스트게이트 밸브의 경우보다 더 점진적인 (일정하고, 가장 최적으로는 거의 직선인) 터보차저 부스트 대 밸브 개방의 곡선을 생성한다. 밸브를 통해 덕트로부터의 유로에 3차원 형상을 추가하는 것은, 선형 흐름을 얻기 위한 해결책으로서 밸브 위치의 매우 한정적이고 정밀한 전기 제어보다 훨씬 더 비용 효율적이다.

본 발명은 첨부된 도면과 함께 예시적으로 그리고 비제한적으로 설명될 것이며 도면에서 동일한 참조 부호는 유사한 요소를 나타낸다.
도 1은 일반적인 터보차저의 단면을 도시한다.
도 2는 일반적인 엔진 작동선이 표시된 일반적인 압축기 맵이다.
도 3은 웨이스트게이트를 결합함으로써 변형된 일반적인 엔진 작동선이 표시된 일반적인 압축기 맵이다.
도 4는 스윙 밸브 타입 웨이스트게이트가 장착된 터빈 하우징 또는 매니폴드의 유로의 단면도로, 상측 이미지에서는 밸브가 폐쇄되어 있고, 하측 이미지에서는 밸브가 개방되어 있다.
도 5는 포핏 밸브 타입 웨이스트게이트가 장착된 터빈 하우징 또는 매니폴드의 유로의 단면도로, 상측 이미지에서는 밸브가 폐쇄되어 있고, 하측 이미지에서는 밸브가 개방되어 있다.
도 6은 일반적인 스윙 밸브 주위를 상세하게 보여주는 확대 단면도이다.
도 7은 일반적인 스윙 밸브 구성에 호른이 부착된 본 발명을 상세하게 보여주는 확대 단면도이다.
도 8은 본 발명의 한 쌍의 실시형태를 도시하는 것으로, 도 8a는 추가적인 내부 유로를 보여주고, 도 8b는 추가적인 외부 유로를 보여준다.
도 9는 본 발명의 한 쌍의 실시형태를 도시하는 것으로, 이들 도면 중 도 9a는 비대칭으로 완곡된 포물선 모양의 호른을 보여주고, 도 9b는 대칭의 포물선 모양의 호른을 보여준다.
도 10은 본 발명의 세 가지 실시형태를 더 도시하는 것으로, 도 10a는 볼록한 포물선 형상(male parabolic shape), 도 10b는 원뿔형 단부를 가진 원통형, 도 10c는 원뿔형 호른을 보여준다.
도 11은 일반적인 터빈 하우징에 장착된 일반적인 웨이스트게이트의 위치를 도시한다.

본 발명은 스윙 밸브 및 포핏 밸브 타입 웨이스트게이트 둘 다에 대한 신규의 변경에 대한 것이다. 스윙 밸브가 대량으로 제조하기에 더 비용 효율적이며 더 일반적인 웨이스트게이트의 유형이므로, 이러한 용도에서는 그러한 유형을 다룰 것이다. 당업자라면 스윙 밸브를 참조하여 설명된 원리들을 포핏 밸브 타입 웨이스트게이트 또는 다른 어떤 타입의 웨이스트게이트에라도 용이하게 적용할 것이다.

밸브의 표면 상에 3차원의 호른을 통합함으로써 저도 및 고도의 개방 둘 다에서 더 정밀한 방식으로 배기가스 흐름을 조절하도록 밸브가 개방될 수 있다.

도 6은 일반적인 스윙 밸브 웨이스트게이트의 구성을 도시한다. 밸브 헤드(31)는 일반적으로 편평한 표면(36)을 나타내며, 씰링면(32)으로의 유효 직경(36A)은 그 자체로 가장 비용 효율적인 제조 해결책이다. 밸브가 개방되는 경우(도 4의 33A), 배기가스는 포트(37)를 통해 방향(35)으로 밸브의 표면(36)을 향해 덕트 밖으로 흐른다. 웨이스트게이트 밸브 및 그 피봇의 기본적인 형상은, 피봇(34)을 중심으로 한 밸브 암(33)의 이동이 밸브 표면을 시트에서 상승시키기 전에 표면(32) 상에서 밸브 헤드(31)가 약간 미끄러지는 것을 의미한다. 편평한 시트의 주된 이유는 터빈 하우징 내에서 웨이스트게이트 형상의 주조시 중심 이동이 허용되어야 한다는 데에 있다. 웨이스트게이트는 적어도 두 개의 상이한 중심 상에서의 형상들을 이용하여 형상들은 보통의 주조 관행에서 1/16" 내지 1/8" 의 상대적 이동을 할 수 있다. 이러한 이동을 처리하기 위해, 충분히 중첩되는 편평한 면의 밸브가 비용 효율적인 해결책이다.

도 7은 본 발명을 가장 단순한 형태로 도시한다. 밸브가 밸브 암(33)에 부착되는 밸브 상부(31)는 이전과 같다. 밸브(90)의 하부는 호른 형태로 변형된다. 밸브는 이전과 동일한 방식(도 6)으로 개방되지만, 여기에서는 덕트로부터의 기류가 호른(90) 주위에서 방향(35)으로 흘러, 빠져나가는 공기가 호른(90)의 외부 표면과 포트(37)의 내부 표면 사이의 환상의 오리피스 내에서 흐른다.

호른은 오리피스와 동일한 치수를 가지는 기저부를 포함한다. 오리피스는 사각형, 타원형, 장원형 또는 원형 또는 임의의 형일 수 있다. 호른의 기저부 직경은 위치 중심을 지나는 최소 단면으로, 따라서 직사각형 기저부의 경우 폭(w)으로, 또는 원형 기저부의 경우 직경(d)으로 측정된다. 호른의 고도(e)는 밸브가 폐쇄 방향으로 이동하는 방향으로 측정된다. 고도는 특별히 제한되지 않으나, 적어도 폭의 절반인 것이 바람직하며, 폭 이상인 것이 가장 바람직하다.

도 8 내지 도 10에 도시된 호른 형상은 호른이 반드시 단순한 형상, 예를 들어 피라미드 형상 또는 원뿔형 형상일 필요는 없다는 것을 보여준다. 대안적인 표면 및 구성을 이용하여 간단하게 작동되는 웨이스트게이트를 위한 더 관리 가능한 부스트 곡선을 생성할 수 있다.

도 8a의 실시형태에서, 하나 이상의 흡입 포트 홀(91)에 상호 연결된 복수의 배기 포트(92)가 호른(90) 내에 형성되어 밸브 시스템을 통한 질량 유량을 증가시킨다. 배기 포트는 밸브 호른이 포트로부터 상승함에 따라 더 많은 배기 포트가 개방되도록 하나 이상의 평면 상에 형성될 수 있다.

도 8b의 실시형태에서, 내부 포트들이 호른(90)의 외벽 내에 형성된 압입부(95)로 대체된다. 압입부는 비용 감소의 이유로 호른 내에 주조될 수 있다. 압입부는 전체 길이 또는 부분 길이로 이루어질 수 있다. 압입부의 개수, 형상, 깊이는 다양할 수 있다.

도 9의 실시형태에서, 오목한 포물선 형상(inside parabolic shape)을 이용하여 호른을 형성한다. 하나의 형태(101)에서, 포물선 형상은 호른의 중심선을 따르고, 이 실시형태의 다른 형태에서 포물선 형상은 이전의 밸브 평면(36)에 수직인 중심선을 따른다.

도 10의 실시형태들에서, 호른은 볼록한 포물선 형상(111), 원통형(112)의 원뿔형 또는 뾰족한 단부, 또는 원뿔형(113)의 형상을 취할 수 있다.

호른은 속이 차 있거나 또는 비어 있을 수 있다. 액추에이터는 종래에 이용되는 임의의 전기 또는 공압 또는 기계적 액추에이터일 수 있다. 작동 방법은 당업자의 기술 범위 내에 있다. 본 발명은 종래의 편평한 밸브보다 더 점진적으로 오리피스의 제한을 해제하는(흐름 통과 단면을 감소시키는) 호른의 추가라는 점에서 종래 기술과 다르다.

비록 본원에서 자동차 또는 트럭 산업에 적합한 실시형태를 참조하여 웨이스트게이트를 매우 상세하게 설명하였으나, 웨이스트게이트 및 그 제조 공정은 증기 기관 및 연료 전지 차량과 같은 다른 다수의 용도로 이용하기에 적합하다는 것이 명백할 것이다. 본 발명은 웨이스트게이트 밸브를 참조하여 소정의 바람직한 형태로 설명되었지만, 바람직한 형태의 본 개시는 오직 예시로 이루어진 것이며, 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않으면서 구조의 세부사항 및 조합의 조성에 있어서 다수의 변화가 이루어질 수 있다.

Claims (16)

1. 터보차지 내연기관 시스템용 웨이스트게이트로,
   입구단에서 출구단으로 배기가스 유로를 한정하는 통로를 가지는 웨이스트게이트 하우징;
   통로에 장착된 밸브(31)로, 오리피스(32) 내에 안착되어 통로를 통한 배기가스 흐름을 차단하는 폐쇄 위치 및 통로를 통해 배기가스가 흐르게 하는 개방 위치 사이의 이동을 위한 밸브; 및
   밸브의 이동을 제어하는 액추에이터를 포함하고,
   밸브(31)는 밸브 폐쇄 방향으로 연장된 호른(90)을 포함하며, 상기 호른은 기저부 직경 및 상기 기저부로부터 측정된 고도를 가지며, 밸브 폐쇄 방향으로 측정된 호른(90)의 고도는 기저부 직경의 절반 이상이고, 상기 폐쇄 위치에서 상기 개방 위치로의 상기 호른의 이동은 상기 오리피스의 제한을 점진적으로 해제하는 것인, 웨이스트게이트.
2. 제1항에 있어서, 상기 호른(90)은 상기 기저부로부터 외부 방향으로 테이퍼진 것인 웨이스트게이트.
3. 제1항에 있어서, 밸브 폐쇄 방향으로 측정된 호른(90)의 고도는 기저부 직경 이상인 것인 웨이스트게이트.
4. 제1항에 있어서, 상기 호른(90)은 적어도 하나의 관통 보어를 포함하는 것인 웨이스트게이트.
5. 제1항에 있어서, 상기 호른(90)은 호른의 이동 방향을 향해 호른 표면의 적어도 일부에 걸쳐 홈 또는 돌출부를 포함하는 것인 웨이스트게이트.
6. 제1항에 있어서, 상기 오리피스에서 측정된 흐름의 단면적은 상기 밸브가 상기 폐쇄 위치에서 상기 개방 위치를 향해 점진적으로 이동함에 따라 점진적으로 증가하는 것인 웨이스트게이트.
7. 제1항에 있어서, 상기 호른은 상기 밸브가 상기 폐쇄 위치에서 상기 개방위치로 이동함에 따라 상기 오리피스의 제한을 점진적으로 해제하는 것인 웨이스트게이트.
8. 제1항에 있어서, 상기 웨이스트게이트 하우징의 입구단은 터보차저의 상류로 배기가스 흐름과 연통되고, 상기 하우징의 상기 출구단은 상기 터보차저의 하류로 배기가스 흐름과 연통되는 것인 웨이스트게이트.
9. 터보차지 내연기관 시스템용 웨이스트게이트로,
   입구단에서 출구단으로 배기가스 유로를 한정하는 통로를 가지는 웨이스트게이트 하우징;
   통로를 통한 배기가스의 흐름을 차단하는 폐쇄 위치와 통로를 통해 배기가스가 흐르도록 하는 개방 위치 사이의 이동을 위해 통로에 피봇 장착된 스윙 게이트; 및
   스윙 게이트의 이동을 제어하기 위해 웨이스트게이트 하우징에 장착된 액추에이터를 포함하고,
   스윙 게이트는 상기 스윙 게이트로부터 대략 밸브 폐쇄 방향으로 연장된 호른을 포함하며, 상기 호른은 기저부 직경 및 상기 기저부로부터 측정된 고도를 가지고, 상기 기저부에 수직인 호른의 고도는 기저부 직경의 절반 이상이며, 상기 폐쇄 위치에서 상기 개방 위치를 향한 상기 호른의 이동은 상기 오리피스의 제한을 점진적으로 해제하는 것인 웨이스트게이트.
10. 내연기관용 웨이스트게이트 배기가스 제어 시스템으로, 상기 내연기관은 흡기 매니폴드 및 배기 매니폴드를 포함하고,
    상기 배기 매니폴드에 연결되며 분기점에서 제1 및 제2 분기로 갈라지는 배기 덕트로, 상기 덕트의 상기 제1 분기는 터보차저에 연결되고, 상기 덕트의 상기 제2 분기는 선택적으로 배기 정화기를 통해 대기에 연결되는 것인 배기 덕트;
    상기 분기점에서 상기 배기 덕트에 배치된 웨이스트게이트; 및
    상기 덕트의 상기 제1 및 제2 분기 사이에서 상기 배기 매니폴드의 가변비를 조절하기 위해 상기 웨이스트게이트를 제어하는 수단을 더 포함하며,
    상기 웨이스트게이트는 개방 위치 및 폐쇄 위치 사이에서 이동 가능한 밸브(31) 및 상기 밸브가 폐쇄 위치에 있는 경우 이를 수용하도록 구성된 시트(32)에 의해 한정된 오리피스를 포함하며, 상기 밸브는 상기 밸브가 폐쇄 위치에 있을 때 상기 오리피스 내로 연장되는 호른(90)을 포함하는 것인, 시스템.
11. 제10항에 있어서, 상기 호른은 기저부 직경 및 상기 기저부로부터 측정된고도를 가지며 상기 호른은 상기 기저부로부터 외부 방향으로 테이퍼진 것인 시스템.
12. 제10항에 있어서, 상기 호른은 기저부 직경 및 상기 기저부로부터 측정된고도를 가지며 오리피스에 수직인 호른의 고도는 기저부 직경 이상인 것인 시스템.
13. 제10항에 있어서, 상기 호른은 기저부 직경 및 상기 기저부로부터 측정된고도를 가지며 기저부에 수직인 호른의 고도는 기저부 직경의 절반 이상인 것인 시스템.
14. 제10항에 있어서, 상기 오리피스에서 측정된 흐름의 단면적은 상기 밸브가 상기 폐쇄 위치에서 상기 개방 위치로 점진적으로 이동함에 따라 점진적으로 증가하는 것인 시스템.
15. 제10항에 있어서, 상기 호른은 상기 밸브가 상기 폐쇄 위치에서 상기 개방 위치로 이동됨에 따라 상기 오리피스의 제한을 점진적으로 해제하는 것인 시스템.
16. 내연기관에 연결되며 엔진의 흡기 매니폴드에 연결된 공기 출구, 배기가스 입구 및 배기가스 출구를 가지는 터보차저의 터보차징 압력을 제어하는 장치로,
    배기가스 입구를 배기가스 출구에 연결하는 배기가스 배이패스 도관;
    상기 배기가스 바이패스 도관 내에 배치되며, 상기 배기가스 바이패스 도관을 통한 배기가스 흐름을 조절하도록 작동 가능한 흐름 조절 부재;
    흡기 매니폴드와 유체 연통되는 흡기 포트 및 배기 포트를 가지며, 상기 흡기 포트 및 상기 배기 포트 사이에 복수의 공기 유로를 정의하고 상기 복수의 공기 유로 중 적어도 하나는 이를 통해 상기 배기 포트로 계속적인 공기 흐름을 제공하며, 상기 복수의 공기 유로 중 적어도 다른 하나는 이를 통한 상기 배기 포트로의 공기 흐름을 조절하는 수단을 내부에 포함하는 것인, 기압 조절 장치; 및
    상기 기압 조절 장치의 상기 배기 포트에 연결된 흡기 포트 및 상기 기압조절 장치에 의해 상기 흡기 포트로 제공된 기압에 따라 상기 흐름 조절 부재를 작동시키는 수단을 가지는 흐름 조절 액추에이터를 포함하는 장치.

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