KR20150040311A - 2-셔터 3방향 밸브 - Google Patents

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egr
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KR20157004865A
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사무엘 레룩스
로랑 알버트
세바스티엥 아데노트
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발레오 시스템므 드 꽁트롤르 모뙤르
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Abstract

2개의 셔터(5, 6)를 가진 3방향 밸브(1)로서, 2개의 셔터(5, 6)는 밸브의 3개의 통로(2, 3) 중 2개에 각각 배치되고, 통로(2, 3)가 개방 및 폐쇄된 2개의 위치 중 하나의 위치로부터 다른 위치로 셔터(5, 6)를 선회하게 하기 위해 셔터(5, 6)를 제어 및 작동시키는 수단(7 내지 12)을 포함하는 3방향 밸브(1)가 제공된다. 단일 제어 수단(7)이 양쪽 셔터(5, 6)를 위해 제공되고, 단일 제어 수단(7, 8)에 의해 제어되도록 그리고 2개의 셔터(5, 6)를 시간 차이를 두고 작동시키도록 배열된 작동 수단(9 내지 12)이 존재한다.

Description

2-셔터 3방향 밸브{TWO-SHUTTER THREE-WAY VALVE}
본 발명은 2개의 플랩을 가진 3방향 밸브에 관한 것이다.
본 발명은 첨부 도면의 도 7을 참조하여 엔진(21), 연소 가스 배기 매니폴드(22), 터보차저(turbocharger)(24), 터빈(25), 배기 가스 재순환(exhaust gas recirculation, EGR) 루프(28) - 냉각기(29) 및 저압 3방향 밸브(30)를 갖고, 3방향 밸브(30)는 터보차저(24) 압축기(26)의 상류에 배치되어 출구에 의해서 연결되며, 혼합물 상태의 신선한 공기와 냉각된 배기 가스를 받아들이는 2개의 입구를 포함함 - , 및 압축기로부터 배기 가스와 공기를 받아들이는 엔진 흡기 매니폴드(23)를 포함하는 자동차 내연 기관의 EGR 루프의 문제를 감안하여 안출되었다.
3방향 밸브는 엔진의 저온측 상에 똑같이 위치될 수 있으며, 터보차저 압축기의 하류의 입구 및 2개의 출구는 배기부 및 EGR 루프의 냉각기에 각각 연결된다.
EGR 루프의 목적은 연소 온도를 저감하고, 옥시던트(oxidant) 혼합물의 연소를 늦추며, 에너지의 일부를 흡수함으로써 이산화질소의 배출을 감소시키는 것이다. EGR 루프 내의 냉각기는 연소 온도를 고속(고부하)으로 강하시키기 위한 것이다.
저온측인 흡기 매니폴드측에 배치된 3방향 밸브에 다시 주의를 기울이면, 3방향 밸브 및 따라서 엔진을 작동시키는 생각할 수 있는 다수의 모드가 존재하며, 엔진은 어떠한 재순환된 배기 가스 없이 신선한 공기만을 받아들일 수 있다. 엔진은 배기 가스의 일부와 혼합된 신선한 공기를 받아들일 수 있고, 엔진의 흡기측과 배기부 사이의 압력차는 배기 가스를 재순환시키기에 충분하다. 압력차가 배기 가스를 재순환시키고 적절한 EGR 비를 제공하기에 충분히 높지 않은 경우, 따라서 배기 가스의 일부를 엔진 흡기 경로를 향해 강제하기 위해 EGR 루프의 하류의 배기 경로의 흐름을 억제함으로써 배압이 형성될 수 있다.
그러나, 이 해법은 복잡함 때문에 매우 만족스럽지 않으며, EGR 루프를 다음의 방식으로 사용하는 것이 바람직하다.
- EGR 밸브의 공기 입구 경로 내의 신선한 공기 유량을 최대로 설정하고,
- 밸브 내의 EGR 가스의 경로가 점차 개방되고,
- 밸브 내의 EGR 가스 유량이 더 증가하기 전에,
- 계속하여 EGR 가스 유량이 증가 단조 곡선으로 증가하게 하기 위해 신선한 공기 입구 경로가 점차 폐쇄됨.
본 발명은 먼저, 그러나 비배타적으로 EGR 루프가 위에서 규정된 방식으로 사용될 수 있고 가능한 한 가격 효율적이고 컴팩트한 2개의 플랩을 가진 3방향 밸브에 관한 것이다. 당연히, 본 출원인은 본 발명의 밸브의 적용을 위에서 설명된 EGR 루프의 사용으로 한정하려는 의도는 없으며, 이것은 본 발명이 일반적으로 일시적인 상 차이(phase shift)를 두고 작동되어야 하는 2개의 플랩 또는 셔터를 가진 임의의 3방향 밸브에 관련될 것이라는 이유이다. 전술된 경우인 이 경우, 2개의 플랩은 밸브의 2개의 입구 경로 또는 2개의 출구 경로에 배치된다.
따라서, 본 발명은 2개의 플랩을 가진 3방향 밸브로서, 2개의 플랩은 밸브의 3개의 경로 중 2개에 각각 배치되고, 경로가 개방 또는 폐쇄된 2개의 위치 중 하나의 위치로부터 다른 위치로 플랩을 선회시키도록 플랩을 제어 및 작동시키는 수단을 포함하는, 3방향 밸브에 있어서, 양쪽 플랩을 위해 단일 제어 수단이 제공되고, 단일 제어 수단에 의해 제어되도록, 그리고 일시적인 상 차이(phase shift)를 두고 2개의 플랩을 작동시키도록 설계된 작동 수단이 존재하는 것을 특징으로 하는 3방향 밸브에 관한 것이다.
바람직하게, 제어 수단은 DC 모터를 포함하고,
- 작동 수단은 동력 전달 장치를 포함하고, 동력 전달 장치로의 입력은 제어 모터의 샤프트의 치형부가 형성된 피니언으로부터 나오며, 동력 전달 장치는 각각 상이한 기어비를 갖는 2개의 동축 치형부 세트를 가진 원통형의 중간 기어휠과 맞물리며,
- 중간 기어는 2개의 플랩과 하나로서 회전하는 2개의 환형 기어와 협력한다.
본 발명의 밸브의 바람직한 실시예에서, 플랩은 2개의 입구 경로에 배치되고, 밸브는 저온측의 EGR 루프 밸브이며, 자동차 내연 기관의 흡기 매니폴드에 연결된다.
첨부 도면을 참조하여, 이하의 본 발명의 3방향 밸브의 사용 모드 및 3방향 밸브 자체의 설명으로부터 본 발명이 더 잘 이해될 것이다.
도 1a, 도 1b, 도 1c 및 도 1d는 EGR 루프의 3방향 밸브의 4개의 사용 모드를 예시하는 도면으로서, 그것의 특수한 사용이 아래에서 설명됨,
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 대응 플랩의 각방향 위치(α)의 함수로서의, 공기 유량(da), EGR 배기 가스의 자연 유량(dgn), 및 EGR 배기 가스의 본 발명의 사용 방법에 따라 강제된 유량(dgf)의 곡선을 나타내는 도면,
도 3은 공기 플랩은 개방되고 가스 플랩은 폐쇄된 본 발명에 따른 2개의 플랩을 가진 3방향 밸브의 동력 전달 장치의 사시도,
도 4는 가스 플랩이 일부 개방 위치에 있는 도 3의 밸브의 도면,
도 5는 가스 플랩이 개방되고 공기 플랩이 폐쇄된 도 3의 밸브의 도면,
도 6은 가스 플랩의 개방에 관하여 공기 플랩의 폐쇄를 일시적으로 상 차이를 발생시키는 기구의 대안 형태에 따른 3방향 밸브의 동력 전달 장치의 일부 사시도,
도 7은 도 1에 도시된 모드에 따라 사용된 EGR 루프의 개략도.
도 1a, 도 1b 및 도 1c의 EGR 밸브(1)는 개략적으로 공기 입구(2)와, 재순환 배기 가스 입구(3)와, 공기 및 가스 출구(4)를 포함한다.
여기서 밸브(1)는 2개의 플랩을 가진 밸브로서, 하나의 플랩(5)은 공기 입구 경로(2)에 위치하고, 하나의 플랩(6)은 가스 입구 경로(3)에 위치한다.
무엇보다도 먼저, 공기 플랩(5)은 경로(2)를 통한 최대 공기 유량을 허용하는 각방향 위치(0°)에 있고, 가스 입구 플랩(6)은 경로(3)를 차단하는 각방향 위치(90°)에 있다.
그 다음, 공기 플랩(5)이 선회하는 일 없이, 경로(3)를 EGR 배기 가스에 점차 개방하기 위해 가스 입구 플랩(6)이 선회하기 시작한다(도 1a). 이것은 곡선 2의 영역 Ⅰ이다. 다음, 공기 입구(3)가 크게 개방된 동일 위치에 공기 플랩(5)이 머물러 있는 상태에서, 가스 유로(6)를 크게 개방하기 위해 가스 플랩이 선회한다(도 1b). 이것은 곡선 2의 영역 Ⅱ이다. 가스 플랩(6)이 소정의 각방향 위치 - 이 경우, 35°- 에 있을 때, 즉 가스 플랩(6)이 55°에 걸쳐 회전된 후, 유로(3) 내의 가스의 유량은 실질적으로 더 증가하지 않고, 계속하여 가스 플랩(6)을 선회시키는 동안, 공기 입구 경로(2)를 폐쇄하기 위해 공기 플랩(5)은 대응하는 일시적인 오프셋(offset)을 갖고 선회되기 시작하여, 엔진이 더 많은 EGR 가스를 받아들이도록 강제한다(도 1c).
이것은 곡선 2의 영역 Ⅲ의 시작이고, 배기 가스 유량 곡선은 변곡점을 통과하여 계속하여 상승한다.
이 영역 Ⅲ은, 가스 플랩(6)이 가스 입구 경로(3)가 크게 개방된 각방향 위치(0°)에 도달하고, 공기 플랩이 공기 입구 경로(2)가 차단된 각방향 위치(90°)에 있을 때까지 계속된다.
3방향 EGR 밸브를 위에서 규정한 방식으로 구동하기 위해, 이 3방향 밸브는 도 3 내지 도 5를 참조하여 이제 설명될 동력 전달 장치를 갖는다.
3방향 밸브(1)의 동력 전달 장치는, 여기서 DC 모터(7)와 공기 플랩(5) 및 가스 플랩(6)을 각각 회전시키는 2개의 샤프트(51, 61)의 사이에서 연장하는 기어 세트를 포함한다.
주변 치형부 세트(10) 및 중앙 치형부 세트(11)를 보유하는 중간 기어 휠(9)을 구동하는 구동 피니언(8)이 모터(7)의 샤프트(14)에 고정된다.
중간 휠의 주변 치형부 세트(10)는 공기 플랩(5)의 회전을 구동하는 환형 기어(12)와 맞물린다. 환형 기어(12)는 플랩(5)의 스핀들(51)에 관해서 자유롭게 회전한다. 이 플랩(5)은 그 자체가 플랩(5)의 스핀들(51)과 함께 하나로서 회전하는 구동 핀(15)을 통해 환형 기어(12)에 의해 회전 구동된다. 이 핀(15)은 정지 위치에 있을 때 밸브 본체(도시되지 않음)에 고정된 조정 가능한 엔드 스톱(end stop)(16)에 기대어 놓인다. 환형 기어(12)는 환형 기어(12)가 핀(15), 즉 플랩(5)을 구동하는 일 없이 한정된 각방향 구역에 걸쳐 자유롭게 회전하게 하도록 설계된 각방향 컷아웃(cutout)(17)을 포함한다. 컷아웃(17)의 에지가 그 다음에 핀(15)을 구동하는 것은, 환형 기어(12)가 이 각방향 구역을 넘어서 일 방향 또는 다른 방향으로 회전될 때이다.
중간 휠(9)의 중앙 치형부 세트(11) 자신만은 가스 플랩(6)의 회전을 구동하는 환형 기어(13)와 맞물린다. 환형 기어(13)는 플랩(6)의 스핀들(61)과 함께 하나로서 회전한다.
플랩(6)은 따라서 환형 기어(13)의 회전에 의해 직접 회전 구동되고, 플랩(5)은 환형 기어(12)가 핀(15)의 회전을 구동하는 중일 때만 회전 구동된다.
고려된 예에서, 반시계 방향으로 구동된 모터(7)는 피니언(8)을 통해 중간 휠(9)의 회전을 시계 방향으로 구동한다. 다음에는 휠(9)이 치형부 세트(10, 11)를 통해 2개의 환형 기어(12, 13)를 반시계 방향으로 구동하고, 이들 2개의 환형 기어는 따라서 동일 중간 휠(9)에 의해 그러나 상이한 2개의 치형부 세트(10, 11)를 통해 회전된다. 여기서 모터(7)의 샤프트(14)와 가스 플랩(6) 사이의 기어비는 15.67이고, 공기 플랩(5)이 구동중일 때 공기 플랩(5)과 샤프트(14) 사이의 기어비는 6.67이다.
공기 플랩(5)의 폐쇄를 상 차이를 발생시키는 기구가 이제 설명될 것이다.
도 3, 도 4 및 도 5는 피니언(8)의 회전시 다양한 단계에 있는 환형 기어 및 기어휠을 도시한다.
도 3 및 도 4에서, 환형 기어(12, 13)는 반시계 방향으로 구동되어 플랩(6)이 개방되게 하며, 플랩(5)은 각방향 컷아웃(17) 때문에 움직일 수 없는 상태로 남아 있다. 도 4의 위치에서, 이 컷아웃(17)의 에지 중 하나가 핀(15)과 접촉한다.
환형 기어(12)는 따라서 도 5에 도시된 위치의 방향으로 계속하여 회전하고, 핀(15)[따라서 플랩(5)]은 따라서 회전된다. 플랩(5)은 따라서 컷아웃(17)에 의해 허용된 일시적인 오프셋을 갖고 폐쇄된다.
상 차이 발생 기구의 변형 실시예가 도 6에 도시된다. 이 변형예에서, 2개의 반경방향 아암(arm)(52, 53)을 가진 크로스멤버(crossmember)(50)가 플랩(5)의 샤프트(51) 상에 장착된다. 아암(52, 53) 각각은 샤프트(51)에 사실상 평행하게 연장하는 구동 핀(54, 55)을 단부에 갖는다.
핀(54, 55)을 원형 병진 운동으로 구동하는 2개의 원형 슬롯(56, 57)이 환형 기어(12) 안에 형성된다. 핀(54, 55)은 이들 2개의 슬롯(56, 57) 안에서 각각 움직인다.
핀(54, 55)이 슬롯(56, 57)의 단부 벽(58) 중 하나에 부딪치어 정지되어 있지 않는 한, 샤프트(51) 및 공기 플랩(5)은 회전될 수 없다. 핀(54, 55)이 2개의 슬롯(56, 57)의 각각의 단부 벽에 부딪치어 접하자마자, 환형 기어(12)는 그것과 함께 샤프트(51) 및 공기 플랩(5)을 구동하여, 플랩(5)이 회전하게 한다.
3방향 밸브의 정확한 작동을 보장하기 위해, 슬롯에 의해 경계를 이룬 각도가 180° 미만인 것이 필요하다. 만약 αg가 가스 플랩(6)이 회전하는 각도이고, αa가 공기 플랩(5)이 회전하는 각도라면, 방정식 (1)이 만족되어야 한다.
Figure pat00001
만약 αg = 90°라면(도 2b), 공기 플랩(5)이 회전하는 각도 αa는 방정식 (2)를 만족해야 한다.
Figure pat00002
그 다음에 기어비
Figure pat00003
는 방정식 (3)을 만족해야 한다.
Figure pat00004
전술된 예에서, 고려된 파라미터는 다음과 같다.
Figure pat00005
원형 슬롯(56, 57)이 환형 기어(12)의 치형부 구역에 관해서 환형 기어(12) 안에 형성되어, 공기 플랩(5)이 회전하기 시작하기 전에 가스 플랩(6)이 회전하는 각도의 크기에 대한 적절한 고려를 제공한다.
방금 설명된 밸브는 오직 DC 모터(7)에 의해서만 제어되는 제어의 단일성을 통해 주목할 만하고, 이것은 더 가격 효율적이고 컴팩트하게 만든다.
이 제어는 직렬의 2쌍의 스위치를 가진 당업자에게 잘 알려진 H-브릿지를 사용하여 달성될 수 있으며, 제어될 부품 - 이 경우에서는, 모터 - 은 2쌍의 스위치의 2개의 중간점에 연결되고, 2쌍의 스위치는 배터리 전압과 접지 사이에 연결된다.

Claims (5)

  1. 공기 유입 경로(2), 가스 유입 경로(3) 및 유출 경로(4)를 구비하고, 제 1 플랩(5) 및 제 2 플랩(6)이 상기 공기 유입 경로(2) 및 가스 유입 경로(3)에 각각 배치된, EGR 루프 3방향 밸브(1)로서, 상기 공기 유입 경로(2)와 상기 가스 유입 경로(3)가 개방 또는 폐쇄된 2개의 위치 중 하나의 위치로부터 다른 위치로 상기 제 1 및 제 2 플랩(5, 6)을 선회시키도록 상기 제 1 및 제 2 플랩(5, 6)을 제어 및 작동시키는 수단(7 내지 12)을 포함하는, EGR 루프 3방향 밸브(1)에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 플랩(5, 6)을 위해 단일 제어 수단(7)이 제공되고,
    상기 단일 제어 수단(7)에 의해 제어되도록, 그리고 일시적인 상 차이(phase shift)를 두고 2개의 상기 제 1 및 제 2 플랩(5, 6)을 작동시키도록, 설계된 작동 수단(9 내지 12)이 존재하여, 상기 가스 유입 경로(3)를 개방하기 위한 제 2 플랩(6)의 선회 계속 중, 제 1 플랩(5)이 상기 공기 유입 경로(2)를 폐쇄하기 위해서 선회하기 시작하고,
    상기 밸브는 자동차 내연 기관의 흡기 매니폴드에 연결되며,
    상기 작동 수단에 의해 사용되는 상기 일시적인 상 차이는 EGR 가스의 유동율이 고르게 되는 것(levelling out)을 억제시키며, 그에 따라 엔진이 더 많은 EGR 가스를 받아들이게 하는
    EGR 루프 3방향 밸브.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 수단은 DC 모터를 포함하는
    EGR 루프 3방향 밸브.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 작동 수단은 동력 전달 장치(9 내지 12)를 포함하고, 상기 동력 전달 장치로의 입력은 상기 DC 모터의 샤프트의 치형부가 형성된 피니언으로부터 나오며, 상기 동력 전달 장치는 2개의 동축 치형부 세트(10, 11)를 가진 원통형의 중간 기어휠(9)과 맞물리는
    EGR 루프 3방향 밸브.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 중간 기어휠(9)은 2개의 상기 제 1 및 제 2 플랩(5, 6)과 하나로서 회전하는 2개의 환형 기어(12, 13)와 협력하는
    EGR 루프 3방향 밸브.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브는 저온측의 EGR 루프 밸브인
    EGR 루프 3방향 밸브.
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