KR20170034796A - 터보과급 시스템용 흡인식 릴리프 밸브 - Google Patents

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제임스 에이치. 밀러
키이쓰 햄튼
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Abstract

밸브 어셈블리가 개시되며, 이는 배출기와 릴리프 밸브를 포함한다. 배출기는 진공을 선택적으로 가하는 흡입 포트를 포함한다. 릴리프 밸브는 개방 위치와 폐쇄 위치를 가지며, 입구, 출구, 챔버 내부에서 이동하는 피스톤, 및 가압 챔버를 포함한다. 피스톤은 제1 단부와 제2 단부를 포함한다. 가압 챔버는 배출기의 흡입 포트에 유체 연결되어 있고 부분적으로 피스톤의 제1 단부에 의해 형성된다. 진공이 가압 챔버에 가해지면 피스톤이 그 가압 챔버 내부에서 개방 위치로 이동하게 된다.

Description

터보과급 시스템용 흡인식 릴리프 밸브{ASPIRATED RELIEF VALVE FOR A TURBOCHARGING SYSTEM}
본 출원은 2014년 7월 17일에 출원된 미국 가출원 제 62/025,548 호의 이익을 주장한다.
본 출원은 일반적으로 릴리프 밸브에 관한 것으로, 이 릴리프 밸브를 개방 위치로 작동시키는 진공을 제공하기 위해 배출기(evacuator)가 사용된다.
내연 엔진은 예컨대 승용차와 산업용 차량, 선박, 정치(stationary)용 및 항공 우주용과 같은 다양한 용례에서 사용될 수 있다. 일반적으로 크게 2종류의 점화 사이클이 있는데, 이는 보통 가스 사이클과 디젤 사이클, 보다 공식적으로는, 불꽃 점화(SI) 사이클과 압축 점화(CI) 사이클이라고 한다.
내연 엔진의 파워 출력 및 전체 효율을 개선하기 위해 배기 구동식 터보 과급기가 사용될 수 있다. 구체적으로, 배가 가스 에너지를 사용하여 터빈을 구동시킬 수 있다. 터보 과급기는 압축기와 터빈을 포함하고, 압축기는 터빈의 맞은 편에서 터보 과급기의 축에 장착된다. 터빈은 엔진 배기 가스를 기계적 에너지로 변환시키고, 이 기계적 에너지는 압축기를 구동시키는데에 사용된다. 압축기는 공기를 끌어들여 압축한다. 그런 다음 압축 공기는 내연 엔진의 흡기 매니폴드에 보내진다.
압축기 배출 밸브 또는 블로우-오프(blow-off) 밸브와 같은 릴리프(relief) 밸브가 스로틀(throttle) 앞에서 터보 과급기의 하류에 위치되어 있는 흡기 관에 장착될 수 있다. 구체적으로, 압축기 배출 밸브는 압축 공기를 다시 압축기의 입구 안으로 배출시키기 위해 사용될 수 있다. 블로우-오프 밸브는 압축기 재순환 밸브와 유사하지만, 다시 압축기의 입구에 배출하는 것이 아니라 대기에 배출하게 된다. 릴리프 밸브는, 스로틀이 닫힐 때(즉, 작동자가 가스 페달에서 발을 갑자기 떼어 스로틀이 닫힐 때) 발생할 수 있는 압력의 갑작스런 서지(surge) 또는 스파이크(spike)를 완화시키기 위해 사용될 수 있다.
공기 브레이크에 동력을 공급하기 위해 공기 압축 시스템이 반(semi) 트럭 및 다른 종류의 상업용 차량에 사용되고 있다. 이 공기 압축 시스템은 압축 공기를 저장 탱크에 공급하기 위해 사용되는 공기 압축기를 포함할 수 있다. 공기 압축기는 크랭크축 풀리 또는 내연 엔진의 타이밍 기어에 의해 동력을 공급받을 수 있다. 저장 탱크 내의 압축 공기는 공기 브레이크를 위해 사용될 수 있다. 압축 공기는 공기 브레이크 외에도 릴리프 밸브(즉, 압축기 배출 밸브 또는 블로우-오프 밸브)를 작동시키기 위해서도 사용될 수 있다. 구체적으로, 진공 펌프가 저장 탱크 내의 압축 공기가 선택적으로 릴리프 밸브로 흐르게 해줄 수 있다. 진공 펌프는 전기 모터에 의해 구동되거나 내연 엔진의 크랭크축 또는 다른 회전 축으로 구동될 수 있다. 그러나, 진공 펌프로 인해 시스템의 비용과 복잡성이 상당히 증가될 수 있다. 따라서, 특히 반 트럭 및 다른 종류의 상업용 차량에 있는 터보 과급기 시스템 내의 릴리프 밸브를 작동시키는 더 간단하고 비용 효과적인 방안이 당 업계에서 필요하다.
개시된 밸브 어셈블리는 릴리프 밸브와 배출기를 포함한다. 배출기는 릴리프 밸브의 가압 챔버 내에서 진공을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 배출기에 의해 생성된 진공은, 릴리프 밸브를 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 작동시키는 비교적 간단하고 저렴한 방안이다.
일 양태에서, 개시된 밸브 어셈블리는 배출기와 릴리프 밸브를 포함한다. 배출기는 진공을 선택적으로 가하는 흡입 포트를 포함한다. 릴리프 밸브는 적어도 개방 위치와 폐쇄 위치를 가지며, 입구, 출구, 챔버 내부에서 이동하는 피스톤, 및 가압 챔버를 포함한다. 피스톤은 제1 단부와 제2 단부를 포함한다. 가압 챔버는 배출기의 흡입 포트에 유체 연결되어 있고 부분적으로 상기 피스톤의 제1 단부에 의해 형성된다. 진공이 상기 가압 챔버에 가해지면 피스톤이 챔버 내부에서 개방 위치로 이동하게 된다.
다른 양태에서, 배기 구동식 터보 과급기를 포함하는 시스템이 개시되는데, 이 시스템은, 압축 공기를 포함하는 저장 탱크, 저장 탱크 내의 압축 공기가 흐를 수 있도록 선택적으로 열리는 제어 밸브, 배출기, 및 릴리프 밸브를 포함한다. 배출기는 제어 밸브 및 배기 구동식 터보 과급기의 압축기 입구에 유체 연결된다. 배출기는, 상기 제어 밸브가 열리면 진공을 가하는 흡입 포트를 포함한다. 릴리프 밸브는 적어도 개방 위치와 폐쇄 위치를 갖는다. 릴리프 밸브는 상기 배출기에 유체 연결된다. 진공이 배출기에 의해 가해지면 상기 릴리프 밸브가 개방 위치로 작동된다.
도 1은 릴리프 밸브와 배출기를 포함하는 내연 엔진 터보 시스템의 일 실시예의 유동 경로와 유동 방향을 포함하는 다이어그램이다.
도 2는 도 1에 나타나 있는 릴리프 밸브와 배출기의 다이어그램으로, 릴리프 밸브는 폐쇄 위치에 있다.
도 3은 도 1에 나타나 있는 릴리프 밸브와 배출기의 다이어그램으로, 릴리프 밸브는 개방 위치에 있다.
도 4는 도 1에 나타나 있는 배출기의 다이어그램이다.
도 5는 도 1에 나타나 있는 배출기와 가변 릴리프 밸브의 일 대안적인 실시예의 다이어그램이다.
도 6 및 7은 폐쇄 위치에 있는 가변 릴리프 밸브의 일 실시예를 도시한다.
도 8은 도 6에 나타나 있는 가변 릴리프 밸브가 부분 개방 위치에 있는 것을 도시한다.
도 9는 도 6에 나타나 있는 가변 릴리프 밸브가 개방 위치에 있는 것을 도시한다.
다음의 상세한 설명은 본 발명의 전반적인 원리를 예시하며, 본 발명의 실시예가 첨부 도면에 추가로 도시되어 있다. 도면에서, 유사한 참조 번호는 동일하거나 기능적으로 유사한 요소를 나타낸다.
이제 도 1을 참조하면, 내연 엔진(12)을 위한 터보 시스템(10)의 예시적인 개략도가 도시되어 있다. 일 실시예에서, 내연 엔진(12)은 차량(1)의 압축 점화("CI") 엔진 또는 디젤 엔진이지만, 불꽃 점화(SI) 엔진 또는 가스 엔진과 같은 다른 종류의 엔진도 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 터보 시스템(10)은, 터빈부(22)와 압축기부(24)를 갖는 배기 구동식 터보 과급기("EDT")(20), 터빈 우회 밸브 또는 웨이스트게이트(wastegate)(26), 및 릴리프 밸브(30)를 포함할 수 있다. EDT(20)의 배기 하우징(18)은 터빈 휠(32)을 내장한다. 터빈 휠(32)은 배기 에너지를 이용하고 이를 공통 축(34)을 통해 기계적 작업으로 전환시켜 압축기 휠(35)을 회전시키게 된다. 압축기 휠(35)은 공기를 받아서 압축하여 높은 작동 압력으로 내연 엔진(12)의 흡기 매니폴드(36) 안으로 공급한다.
상기 웨이스트게이트(26)는 내연 엔진(12)의 배기 매니폴드(40)에서 나가는 배기분(37)을 계량하기 위해 사용되는 제어 밸브이며, 터빈 휠(32)에 동력을 공급하는데에 이용가능한 에너지의 양을 제어한다. 웨이스트게이트(26)는 우회 관(42)에 연결되어 있는 밸브(나타나 있지 않음)를 열어 작동한다. 웨이스트게이트(26)의 밸브를 열면, 배기가 터빈 휠(32)로부터 멀어지게 흐를 수 있다. 그래서, 웨이스트게이트(26)는 EDT(20)의 속도 및 내연 엔진(12)의 흡기 매니폴드(36)의 결과적인 작동 압력을 직접 제어할 수 있다. 웨이스트게이트(26)는 본 출원인의 미국 특허 제 8,469,333 호(전체적으로 본 명세서에 참조로 통합되어 있음)에 개시되어 있는 실시예를 포함하여 어떤 수의 실시예라도 가질 수 있다.
이제 EDT(20)의 작동을 설명한다. EDT 압축기 입구(50), 내연 엔진(12)의 흡기 매니폴드(36)와 흡기 매니폴드 관(52), 내연 엔진(12)의 배기 매니폴드(40)와 흡기 매니폴드 관(54), EDT(20)의 배기 입구(58) 및 EDT(20)의 배기 출구(59)에는 작동 압력이 존재함을 알 것이다. 구체적으로, EDT 압축기 입구(50)는 공기 흡기 시스템(60)으로부터 압축기부(24)의 입구(64)까지의 통로로 규정될 수 있다. 내연 엔진(12)의 흡기 매니폴드(36)는 ETD 압축기 배출부(66)와 내연 엔진(12)의 하나 이상의 흡기 밸브(68) 사이의 통로로 규정될 수 있다. 내연 엔진(12)의 배기 매니폴드(40)는 하나 이상의 배기 밸브(70)와 EDT의 배기 입구(58) 사이의 통로로 규정될 수 있다. 배출부는 EDT(20)의 배기 출구(59) 뒤에 위치하는 통로일 수 있다.
고압 공기 또는 압축 공기를 저장하기 위해 저장 탱크(86)가 사용될 수 있다. 이 저장 탱크(86) 내에 있는 압축 공기를 공급하기 위해 보조 공기 압축기(미도시)가 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 압축 공기는 차량(1)에 있는 공기 브레이크(미도시)에 동력을 공급하기 위해 사용될 수 있다. 공기 탱크(86)에 저장되어 있는 압축 공기는, 공기 브레이크 외에도 배출기(88)(아래에서 더 상세히 설명함)에 압축 공기를 공급하기 위해서도 사용될 수 있다.
상기 릴리프 밸브(30)는, 흡기 매니폴드 관(52)에서 EDT(20)의 압축기부(24)의 압축기 배출부(66)와 내연 엔진(12)의 흡기 매니폴드(36) 사이에 위치되는 조절 밸브일 수 있다. 도 1에 나타나 있는 바와 같은 실시예에서, 릴리프 밸브(30)는, EDT 압축기 입구(50)에 유체 연결되어 있고 압축 공기를 그 입구에 배출하는 압축기 재순환 밸브이다. 그러나, 다른 실시예에서는 터보 시스템(10)은 블로우-오프(blow-off) 밸브도 이용할 수 있음에 유의해야 한다. 블로우-오프 밸브는 압축기 재순환 밸브와 유사하지만, EDT의 압축기 입구에 배출하는 것이 아니라 대기에 배출하게 된다. 온/오프 밸브 또는 제어 밸브(38)가 배출기(88)의 상류에 유체 연결될 수 있고, 저장 탱크(86) 내의 압축 공기가 선택적으로 배출기(88)를 통과해 흐를 수 있게 해주기 위해 사용된다. 일 실시예에서, 제어 밸브(38)는 솔레노이드 밸브일 수 있다. 머플러 또는 소음 감쇠기(89)가 배출기(88)의 하류에서 제어 밸브(38)와 EDT 압축기 입구(50) 사이에 위치될 수 있다.
저장 탱크(86)를 배출기(88)에 유체 연결하기 위해 고압 관(90)이 사용될 수 있다. 배출기(88)는 저장 탱크(86)와 EDT 압축기 입구(50) 사이에 위치될 수 있다. 배출기(88)는 제어 밸브(38), 릴리프 밸브(30) 및 EDT 압축기 입구(50)와 유체 연통할 수 있다. 배출기(88)는 릴리프 밸브(30)에서 진공을 생성하기 위한 비교적 간단하고 비용 효과적인 방안일 수 있다. 배출기(88)에 의해 생성된 진공은 릴리프 밸브(30)를 개방 위치(아래에서 더 상세히 설명함)로 작동시키기 위해 사용될 수 있다. 일 대안적인 실시예에서, 배출기(88)는 저장 탱크와 대기 사이에 위치될 수 있다.
도 1에 나타나 있는 바와 같은 예시적인 실시예에서, 릴리프 밸브(30)는 스로틀 플레이트(80)와 함께 사용될 수 있다. 내연 엔진(12)의 임의의 주어진 작동 범위에서, EDT(20)의 축(34)은 200,000 RPM까지 회전할 수 있다. 스로틀(80)이 갑자기 폐쇄되더라도 EDT(20)의 RPM이 즉시 감속되지는 않는다. 그러므로, 이 폐쇄로 인해, 폐쇄된 스로틀(80)과 EDT 압축기부(24)(즉, 흡기 매니폴드 관(52)) 사이의 통로에서 갑작스런 압력 증가가 일어나게 된다. 릴리프 밸브(30)는, 스로틀(80)의 갑작스런 폐쇄로 인해 요구되는 것 보다 큰 압축기 출력 압력을 경감시키거나 우회시키기 위해 사용될 수 있다.
릴리프 밸브(30)가 열리면, EDT(20)가 자유롭게 회전할 수 있어 그 EDT(20)의 관성이 보존될 수 있다. 릴리프 밸브(30)가 생략되어 있는 경우, 스로틀(80)이 폐쇄되면 EDT(20)는 실속(stall)하거나 정지될 것이다. 이 실속 또는 정지는 EDT 수명과 스로틀 응답에 나쁜 영향을 줄 수 있다. 당업자는, EDT(20)는 회전하고 있어야 하고 또한 스로틀 플레이트(80)가 열리자 마자 부스트를 발생시킬 준비가 되어 있어야 함을 알 것이다. 릴리프 밸브(30)가 열리면 배압(back pressure)이 존재하지 않기 때문에, 릴리프 밸브(30)는 EDT(20)가 압축기 부하가 없을 때의 속도까지 증속(즉, 스풀업(spool up))할 수 있게 하여 터보 래그(turbo lag)를 감소시킬 수 있다.
일 실시예에서, 릴리프 밸브(30)는 가변 릴리프 밸브이다. 이 가변 릴리프 밸브는 도 5에 도시되어 있으며, 아래에서 또한 더 상세히 설명한다. 가변 릴리프 밸브는 압축기 서지(surge)를 실질적으로 방지하기 위해 요구되는 우회량만 허용할 수 있다. 압축기 서지는, 압축기 휠(35) 뒤에서의 공기 압력이 그 압축기 휠(35)이 유지할 수 있는 것 보다 실제로 높을 때로 정의될 수 있다. 이 조건으로 인해, 압축기 휠(35)에서 공기 유동이 백업되거나, 압력을 형성하거나 실속된다. 그래서, 압축기 서지는 시끄럽고 EDT 수명에 영향을 주고 또한 터보 시스템(10)의 성능을 저하시킬 수 있다.
도 2 및 3은 릴리프 밸브(30), 제어 밸브(38), 배출기(88), 저장 탱크(86), 소음 감쇠기(89), 및 제어기(92)의 개략도이다. 일 실시예에서, 제어기(92)는 엔진 또는 동력 전달 장치 제어 모듈이다. 엔진 제어기는 내연 엔진(12)(도 1)의 하나 이상의 기능을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 제어기(92)는 제어 밸브(38)와 신호 연통할 수 있다. 제어기(92)는 특정 용도형 집적 회로(ASIC), 전자 회로, 프로세서(공유 프로세서, 전용 프로세서 또는 그룹 프로세서), 및 하나 이상의 소프트웨어 또는 펌웨어(firmware) 프로그램을 실행하는 메모리, 조합형 논리 회로, 또는 설명하는 상기 기능을 제공하는 다른 적절한 요소를 말하는 것일 수 있다.
릴리프 밸브(30)는 밸브 몸체(100)를 포함할 수 있고, 이 밸브 몸체는 입구 포트(102), 출구 포트(104) 및 가압 챔버(106)를 형성한다. 도 2 및 3에 나타나 있는 바와 같은 비제한적인 실시예에서, 릴리프 밸브(30)의 입구 포트(102)는 EDT 압축기 배출부(66)(도 1)와 유체 연결되어 있고 출구 포트(104)는 EDT 압축기 입구(50)(도 1)와 유체 연결되어 있다. 릴리프 밸브(30)는 또한 피스톤(108), 밸브 요소(110), 및 편향 요소(112)를 포함할 수 있다. 상기 밸브 몸체(100)는 또한 챔버(120)를 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 챔버(120)는 대체로 원통형일 수 있다. 피스톤(106)은 제1 단부(122)와 제2 단부(124)를 포함할 수 있고, 밸브 몸체(100)의 챔버(120) 내부에서 선형적인 방향으로 이동할 수 있는 크기로 되어 있을 수 있다. 도 2는 폐쇄 위치에 있는 밸브(30)를 도시하고 도 3은 개방 위치에 있는 밸브(30)를 도시한다. 구체적으로, 피스톤(108)은 밸브 몸체(100)의 챔버(120) 내부에서 상기 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 위아래로 이동하거나 움직일 수 있다. 도 2 및 3은 챔버(120)를 밸브 몸체(100)의 일체적인 부분인 것으로 나타내지만(즉, 챔버(120)와 밸브 몸체(100)는 단일체형 부품임), 챔버(120)는 릴리프 밸브(30)에 장착되는 별개의 요소일 수도 있음을 이해할 것이다.
나타나 있는 바와 같은 비제한적인 실시예에서, 밸브 요소(110)는 밸브 스템(130)을 포함하는 포펫형(poppet-style) 밸브이다. 밸브 스템(130)은 제1 단부(132)와 제2 단부(134)를 포함한다. 밸브 스템(130)의 제1 단부(132)는 피스톤(108)의 제2 단부(124)에 연결될 수 있고 밸브 요소(110)의 헤드(138)는 밸브 스템(130)의 제2 단부(134)에 위치될 수 있다. 도 2를 참조하면, 릴리프 밸브(30)가 폐쇄 위치에 있으면, 밸브 요소(110)의 헤드(138)를 사용하여, 일반적으로 출구 포트(104)를 밀폐시키거나 차단할 수 있다. 그러므로, 일반적으로 밸브 요소(110)의 헤드(138)는 유체가 입구 포트(102)로부터 출구 포트(104)로 흐르는 것을 차단하거나 방지할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 유체는 액체, 콜로이드, 가스, 플라즈마 또는 이것들의 조합물을 포함할 수 있다.
릴리프 밸브(30)의 가압 챔버(106)에 진공이 가해지면, 피스톤(108)은 위쪽 방향으로 도 3에 나타나 있는 바와 같은 개방 위치로 이동할 수 있다. 릴리프 밸브(30)가 개방 위치에 있으면, 밸브 요소(110)의 헤드(138)가 출구 포트(104)로부터 멀어지게 이동하여 더 이상 그 출구 포트를 차단하거나 밀폐시키지 않을 수 있다. 그래서, 릴리프 밸브(30)가 개방 위치에 있을 때에는, 밸브 요소(110)의 헤드(138)에 의한 어떠한 실질적인 방해 또는 차단도 없이 유체가 릴리프 밸브(30)의 입구 포트(102)로부터 출구 포트(104)로 흐를 수 있게 된다.
다시 도 2를 참조하면, 편향 요소(112)는 제1 단부(140)와 제2 단부(142)를 포함할 수 있다. 편향 요소(112)의 제1 단부(140)는 피스톤(108)의 제1 단부(122)에 접할 수 있다. 편향 요소(112)의 제2 단부(142)는 릴리프 밸브(30)의 마개(146)에 접할 수 있다. 편향 요소(112)는 피스톤(108)의 제1 단부(122)에 편향력을 가할 수 있다. 구체적으로, 그 편향력은 릴리프 밸브(30)의 출구 포트(104)를 향해 아래쪽 방향으로 가해질 수 있다. 터보 시스템(10)(도 1) 내의 높은 부스트 압력으로 인해 피스톤(108)이 릴리프 밸브(30)의 챔버(120) 내부에서 개방 위치로 이동하는 것을 방지하기 위해 상기 편향력을 사용할 수 있다. 일 예시적인 실시예에서, 상기 편향 요소는 압축 스프링일 수 있다.
계속 도 2를 참조하면, 상기 마개(146)는 릴리프 밸브(30)의 밸브 몸체(100)에 고정되거나 부착될 수 있다. 마개(146)는 개구(150)를 형성할 수 있다. 마개(146)의 개구(150)는 배출기(88)와 릴리프 밸브(30)의 가압 챔버(106)를 유체 연결하기 위해 사용될 수 있다. 가압 챔버(106)는 마개(146), 챔버(120)의 일 부분, 및 피스톤(108)의 제1 단부(122)에 의해 형성될 수 있다. 편향 요소(112) 및 피스톤(108)의 제1 단부(122)와 제2 단부(124)에 작용하는 압력의 차에 의해 피스톤(108)에 작용하는 힘들의 합이 릴리프 밸브(30)의 입구 포트(102)와 출구 포트(104) 사이의 압력차로 인해 밸브 요소(110)의 헤드(138)에 가해지는 힘 보다 크면, 피스톤(108)은 챔버(120) 내부에서 마개(146)를 향해 위쪽으로 이동하게 된다. 제어 밸브(38)는 통상적으로 폐쇄 위치에 있을 수 있고, 그래서, 저장 탱크(86)(도 1)에서 오는 압축 공기가 배출기(88)를 통해 흐르는 것을 방지할 수 있다. 그러나, 제어 밸브(38)가 열리면, 저장 탱크(86) 내에 있는 압축 공기는 배출기(88)를 통해 흐를 수 있다. 배출기(88)를 통과하는 압축 공기 또는 고압 공기의 유동은 진공을 생성할 수 있다. 배출기(88)에 의해 생성된 진공은 릴리프 밸브(30)의 가압 챔버(106)에 전달될 수 있다. 진공이 릴리프 밸브(30)의 가압 챔버(106)에 전달되면, 그 가압 챔버(106) 내의 압력이 감소하게 된다. 가압 챔버(106) 내의 압력 감소에 의해, 편향 요소(112)에 의해 가해지는 하향 편향력을 극복하기에 충분한 힘이 발생된다. 그리고 이 힘에 의해 피스톤(108)이 밸브 몸체(100)의 챔버(120) 내부에서 위쪽으로 움직이게 되고, 이제 릴리프 밸브(30)는 도 3에 나타나 있는 바와 같은 개방 위치에 있게 된다.
대체로 도 1 ∼ 3을 참조하면, 내연 엔진(12)이 작동하고 있지 않거나 처음 시동되었을 때, 제어기(92)는 제어 밸브(38)에 제어 신호를 보내어 이 제어 밸브가 폐쇄 상태로 유지되게 하여, 저장 탱크(86)(도 1)로부터 압축 공기가 배출기(88)로 가는 것을 차단한다. 제어기(92)는 내연 엔진(12)과 터보 시스템(10)의 다양한 작동 파라미터를 모니터링하여, 릴리프 밸브(30)를 열 필요가 있는지를 판단하게 된다. 제어기(92)는 제어 신호를 보내어 제어 밸브(32)를 개방 위치로 작동시키고, 그리하여, 저장 탱크(86) 내에 있는 압축 공기가 배출기(88)를 통과해 흘러 진공을 생성할 수 있다. 위에서 설명한 바와 같이, 진공은 릴리프 밸브(30)를 도 3에 나타나 있는 바와 같은 개방 위치로 작동시키기 위해 사용될 수 있다.
도 2 ∼ 4를 참조하면, 배출기(88)는, 저장 탱크(86)로부터 나와 통로(160)를 통과하는 고압 공기의 유동에 의해 릴리프 밸브(30)의 가압 챔버(106)에 제공되는 진공을 생성한다. 배출기(88)의 통로(160)는 일반적으로 배출기(88)의 길이를 따라 연장되어 있고 벤튜리(Venturi) 효과를 발생시키도록 구성되어 있다. 배출기(88)는 저장 탱크(86)(도 1)에서 오는 고압 공기와 유체 연통하는 원동 포트 또는 고압 포트(162), 릴리프 밸브(30)의 가압 챔버(106)에 연결되는 흡입 포트(164), 및 소음 감쇠기(89)에 연결되는 배출기 출구 또는 저압 포트(166)를 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 배출기(88)는 대체로 "T-형"일 수 있고 중심 축선(A-A)을 따르는 통로(160)를 형성한다. 이 통로(160)는 제1 테이퍼형 부분 또는 원동 원추(172)를 포함할 수 있고, 이는 제2 테이퍼형 부분 또는 배출 원추(174)에 연결되어 있다. 나타나 있는 바와 같은 실시예에서, 제1 테이퍼형 부분(172)은 테이퍼형 수렴 프로파일을 포함하고, 제2 테이퍼형 부분(174)은 발산 프로파일을 포함한다. 제1 테이퍼형 부분(172) 및 제2 테이퍼형 부분(174)은 단부들이 서로 대향하도록 정렬되어 있으며, 원동 원추(172)의 원동 출구 단부(176)가 배출 원추(174)의 배출 입구(178)와 대향하고 있어, 이들 단부 사이에는 벤튜리 틈(180)이 형성되어 있다. 본 명세서에서 사용되는 벤튜리 틈(180)은 원동 출구 단부(176)와 배출 입구(178) 사이의 선형적인 거리를 의미한다. 배출기(88)에 대한 일부 예시적인 구성이, 2014년 6월 3일에 출원되어 공동 계류 중인 미국 특허 출원 제 14/294,727 호(전체적으로 본 명세서에 참조로 통합되어 있음)의 도 4 ∼ 6에 나타나 있다.
도 1 ∼ 4를 참조하면, 작동 중에 제어 밸브(38)가 열리면, 저장 탱크(86) 내에 있는 압축 공기가 배출기(88)의 고압 포트(162)에 들어갈 수 있다. 압축 공기가 고압 포트(162)(면적이 감소하는 수렴 프로파일을 포함함)를 통과해 흐름에 따라, 그 압축 공기의 속도가 증가할 수 있다. 그 이유는, 유체 역학의 법칙에 따라, 유체 속도가 증가함에 따라 정압이 감소하기 때문이다. 원동 원추(172)의 원동 출구 단부(176)는 벤튜리 틈(180)에 접할 수 있다. 이 벤튜리 틈(180)은 흡입 포트(164)에 유체 연결될 수 있고, 그래서, 그 흡입 포트(164) 내의 압축 공기는 고압 포트(162)와 저압 포트(166) 사이를 지나가는 공기에 존재하는 동일한 낮은 정압에 노출되며, 릴리프 밸브(30)의 가압 챔버(106)에 제공되는 진공이 생성된다.
위에서 설명하였고 또한 도 2 및 3에 나타나 있는 바와 같은 실시예에서, 릴리프 밸브(30)는 완전히 열리거나 완전히 닫히는 개방/폐쇄 밸브로서 작동한다. 그러나, 도 5에 나타나 있는 바와 같은 대안적인 실시예에서는, 가변 릴리프 밸브(230)가 제공될 수 있다. 도 5는 릴리프 밸브(230), 제어 밸브(38), 배출기(88), 저장 탱크(86), 제어기(92), 위치 센서(202), 및 배출 밸브(204)의 개략도이다. 위치 센서(202)와 배출 밸브(204)는 제어기(92)와 신호 연통되어 있다. 위치 센서(202)는, 피스톤(108)이 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 작동될 때 밸브 몸체(100)의 챔버(120) 내부의 피스톤(108)의 위치를 검출하기 위해 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 배출 밸브(204)는 제어기(92)에 연결되지 않을 수 있고, 대신에 대기에 연결되는 단순한 제한 요소이다.
위치 센서(202)는 위치 측정이 가능한 어떤 장치라도 될 수 있다. 일 실시예에서, 위치 센서(202)는 밸브 몸체(100)의 챔버(120) 내부의 피스톤(108)의 이동에 근거하는 상대 위치 센서(변위 센서)이다. 위치 센서(202)는 용량성 트랜스듀서, 와전류 센서, 격자 센서, 홀(Hall) 효과 센서, 유도형 비접촉식 위치 센서, 레이저 도플러 진동계(광학식), 선형 가변 차동 변압기(linear variable differential transformer; LVDT), 다축 변위 트랜스듀서, 광다이오드 어레이, 압전 트랜스듀서(압전식), 전위차계, 근접 센서(광학식), 지진 변위 픽업, 스트링(string) 전위차계(스트링 전위차계, 스트링 인코더, 케이블 위치 트랜스듀서라고도 함), 또는 이것들의 조합물일 수 있다.
일 실시예에서, 위치 센서(202)는, 자석(212)의 변위를 감지하는 칩/홀 효과 위치 센서(210)를 포함하는 홀 효과 센서이다. 자석(212)은 피스톤(108)과 함께 이동하도록 그 피스톤에 연결될 수 있다. 구체적으로, 자석(212)은 피스톤(108)에 장착되거나 그 피스톤의 내부에 배치될 수 있다. 칩/홀 효과 위치 센서(210)는 피스톤(108)의 내부에 위치되어 있는 자석(212)의 이동을 감지하기에 충분히 근접하여 밸브 몸체(100)의 내부에 위치될 수 있고, 밸브 몸체(100)의 챔버(120) 내부의 피스톤(108)의 특정 위치를 결정할 수 있다. 도 5에 나타나 있는 바와 같은 실시예에서, 칩/홀 효과 위치 센서(210)는 자석(212) 상방의 위치에서(즉, 자석(212)에 대해 축방향으로) 수평으로 배향되어 있다. 다른 실시예에서 칩/홀 효과 위치 센서(210)는 자석(212)으로부터 반경 방향 외측의 위치에서 수직으로 배향될 수 있다.
배출 밸브(204)는 밸브 몸체(100)의 가압 챔버(106)와 유체 연통할 수 있고, 가압 챔버(106)를 대기에 연결한다. 배출 밸브(204)는 가압 챔버(106) 내의 진공을 배출시키거나 그 진공의 양을 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 구체적으로, 제어 밸브(38)가 열리면, 저장 탱크(86) 내에 있는 압축 공기가 배출기(88)를 통과해 흘러 진공이 생성될 수 있다. 배출 밸브(204)는 가압 챔버(106) 내의 진공의 양을 변화시키기 위해 사용될 수 있다. 가압 챔버(106) 내에 있는 진공의 양을 변화시켜, 밸브 몸체(100)의 챔버(120) 내부의 피스톤(108)의 위치를 제어할 수 있다. 다시 말해, 피스톤(108)은 가압 챔버(106)에 가해지는 진공의 미리 정해진 양에 근거하여 복수의 부분 개방 위치들 중의 하나에 위치될 수 있다.
일 실시예에서, 가압 챔버(106)에 가해지는 진공의 양은, 펄스 폭 변조(PWM) 제어를 사용하여 변화될 수 있다. 구체적으로, 제어기(92)는 배출 밸브(204)에 전류 신호를 보낼 수 있다. 이 전류 신호는 배출 밸브(204)를 온/오프 조정하기 사용될 수 있다. 피스톤(108)을 밸브 몸체(100)의 챔버(120) 내부의 부분 개방 위치들 중의 하나에 위치시키기 위해 전류 신호의 듀티 사이클을 변화시킨다.
도 6 ∼ 9는 가변 릴리프 밸브(310)의 일 예시적인 대안예를 도시한다. 구체적으로, 도 6 및 7은 폐쇄 위치에 있는 밸브(310)를 도시하고, 이 폐쇄 위치에서 피스톤(312)은 밸브(310)의 입구(314)와 출구(316) 사이의 유동을 차단한다. 도 8은 부분 개방 위치에 있는 밸브(310)를 도시하고, 도 9는 완전 개방 위치에 있는 밸브(310)를 도시한다. 도 2 ∼ 5에 도시되어 있는 바와 같은 실시예에서는, 포펫 밸브를 사용하여 유동을 차단할 수 있다. 이와는 달리, 밸브(310)는 피스톤(312)을 사용하여 입구(314)와 출구(316) 사이의 유체 유동을 차단할 수 있다. 도 6을 참조하면, 밸브(310)는 피스톤(312), 내측 하우징(320), 외측 하우징(322), 부싱(324), 편향 요소(326), 위치 센서(328), 및 제어 포트(330)를 포함할 수 있다. 제어 포트(330)는 (도 4에 나타나 있는) 배출기(88)의 흡입 포트(164)에 유체 연결될 수 있다. 밸브(310)는 챔버(332) 하우징(340) 내부에 위치될 수 있다.
내측 하우징(320)과 외측 하우징(322)은 서로 협동하여 그들 사이에 공간부를 형성할 수 있다. 내측 하우징(320)과 외측 하우징(322) 사이의 공간부는 가압 챔버(342)를 생성할 수 있다. 나타나 있는 바와 같은 실시예에서, 피스톤(312)의 몸체(344) 역시 공간부 또는 챔버(346)를 형성할 수 있으며, 이는 내측 하우징(320)과 외측 하우징(322) 사이에 있는 상기 공간부와 유체 연결된다. 더욱이, 내측 하우징(320)은 통로(346)와 내부 챔버(350)를 생성할 수 있다. 통로(346)는 내측 하우징(320)의 내부 챔버(350)와 밸브(310)의 가압 챔버(342)를 유체 연결하기 위해 사용될 수 있다. 도시되어 있는 바와 같은 실시예에서, 내측 하우징(320)의 내측 챔버(350)는 대체로 원통형일 수 있고 피스톤(312)의 대응하는 돌출부(352)를 수용하도록 구성되어 있다. 피스톤(312)의 돌출부(352)도 대체로 원통형일 수 있다. 부싱(324)은 내측 하우징(320)의 내측 챔버(350)의 내면(360)과 피스톤(312)의 돌출부(352)의 외면(362) 사이에 배치될 수 있다. 피스톤(312)의 돌출부(352)는 중공(hollow)으로 되어 있어 그 피스톤 안에는 대체로 원통형인 공간부 또는 공동부(364)가 형성될 수 있다.
나타나 있는 바와 같은 실시예에서, 피스톤(312)의 공간부(364)는 위치 센서(328)의 자석(366)을 수용할 수 있다. 칩/홀 효과 위치 센서(368)가 내측 하우징(322)의 상면(369)을 따라 배치될 수 있다. 위치 센서(368)는, 피스톤(320)이 내측 하우징(322)의 상면(369)에 대해 하우징(340) 내부에서 상하로 이동할 때 자석(366)의 변위를 감지하기 위해 사용될 수 있다.
제어 포트(330)는 가압 챔버(342)와 유체 연통하여, 배출기(88)(도 4)로부터 진공이 제어 포트(330)를 통해 가압 챔버(342)에 공급될 수 있다. 구체적으로, 진공이 밸브(310)의 가압 챔버(342)에 가해짐에 따라, 피스톤(312)이 하우징(340) 내부에서 위쪽 방향으로 부분 개방 위치(도 8에 나타나 있음) 또는 완전 개방 위치(도 9에 나타나 있음)로 이동할 수 있다.
나타나 있는 바와 같은 비제한적인 실시예에서, 편향 부재(326)는 코일 스프링이다. 편향 요소(326)는 제1 단부(370)와 제2 단부(372)를 포함할 수 있다. 편향 요소(372)의 제1 단부(370)는 내측 하우징(320)에 의해 형성되어 있는 어깨부(374)에 접해 위치될 수 있다. 마찬가지로, 편향 요소(326)의 제2 단부(372)는 피스톤(312)에 의해 형성되어 있는 어깨부(376)에 접해 위치될 수 있다. 편향 요소(326)는 피스톤(312)의 제1 단부(378)에 편향력을 가할 수 있다. 구체적으로, 그 편향력은 릴리프 밸브(310)의 입구 포트(314)를 향해 아래쪽 방향으로 가해질 수 있다. 위에서 논의하였고 또한 도 2 ∼ 5에 도시되어 있는 실시예와 유사하게, 터보 시스템(10)(도 1) 내의 높은 부스트 압력으로 인해 피스톤(312)이 하우징(340)의 내부에서 개방 위치로 이동하는 것을 방지하기 위해 상기 편향력이사용될 수 있다.
피스톤(312)의 외면(384)을 따라 위치되어 있는 환형 오목부(382)에 제1 시일(380)이 수용될 수 있다. 구체적으로, 제1 시일(380)은 피스톤(312)의 제1 단부(378)에 위치될 수 있다. 제1 시일(380)은 예컨대 O-링일 수 있다. 제1 시일(380)은 밸브(310)의 입구(314)의 개구(384)에 접할 수 있다. 상기 제1 시일(380)은 밸브(310)가 폐쇄 위치에 있을 때 피스톤(312)과 하우징(340) 사이에 대체로 유밀한(fluid-tight) 시일을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 피스톤(312)의 외면(384)을 따라 위치되어 있는 환형 오목부(392)에는 제2 시일(390)이 수용될 수 있다. 제2 시일(390)도 0-링일 수 있고 피스톤(312)의 제2 단부(394)에 위치된다. 제2 시일(390)은, 피스톤(312)이 하우징(340) 내부에서 이동할 때 피스톤(312)과 외측 하우징(320)의 내면(396) 사이의 시일링을 제공하도록 구성되어 있다.
전반적으로 도면을 참조하면, 개시된 배출기는 릴리프 밸브에 진공을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 현재 이용가능한 일부 다른 종류의 시스템은, 릴리프 밸브를 작동시키는데에 필요한 진공을 공급하기 위해 진공 펌프를 사용할 수 있다. 상기 진공 펌프는 전기 모터 또는 내연 엔진의 크랭크축으로 구동될 수 있다. 상기 배출기는 릴리프 밸브에 진공을 공급하기 위한 더 간단하고 비용 효과적인 대안을 제공한다.
도면에 나타나 있고 위에서 설명한 본 발명의 실시예는 첨부된 청구 범위에서 이루어질 수 있는 많은 실시예들 중의 예시적인 것이다. 개시된 방안을 이용하여 본 개시의 많은 다른 구성이 창안될 수 있음을 알 것이다. 요컨대, 본 출원인의 의도는, 본 특허의 범위가 첨부된 청구 범위에 의해서만 한정될 것이라는 것이다.

Claims (20)

  1. 밸브 어셈블리에 있어서,
    진공을 선택적으로 가하는 흡입 포트를 갖는 배출기; 및
    적어도 개방 위치와 폐쇄 위치를 갖는 릴리프 밸브를 포함하고,
    상기 릴리프 밸브는,
    입구와 출구;
    가압 챔버 내부에서 이동할 수 있고 제1 단부와 제2 단부를 포함하는 피스톤; 및
    상기 배출기의 흡입 포트에 유체 연결되어 있는 가압 챔버를 포함하고,
    상기 가압 챔버는 부분적으로 상기 피스톤의 제1 단부에 의해 형성되며, 진공이 상기 가압 챔버에 가해지면 피스톤이 그 가압 챔버 내부에서 개방 위치로 이동하게 되는, 밸브 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 피스톤의 제2 단부에 연결되는 밸브 요소를 포함하고, 이 밸브 요소는 유체가 상기 입구로부터 출구로 흐르는 것을 선택적으로 차단하는 헤드를 포함하는, 밸브 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 릴리프 밸브는 제1 단부와 제2 단부를 갖는 밸브 스템을 포함하는 포펫형(poppet-style) 밸브이고, 밸브 스템의 제1 단부는 피스톤의 제2 단부에 연결되어 있고 밸브 스템의 제2 단부는 헤드를 포함하는, 밸브 어셈블리.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 릴리프 밸브가 폐쇄 위치에 있는 경우 상기 밸브 스템의 헤드는 일반적으로 릴리프 밸브의 출구를 밀폐시키는, 밸브 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제1 단부와 제2 단부를 갖는 편향 요소를 포함하고, 이 편향 요소의 제 1단부는 릴리프 밸브의 마개에 접하며 편향 요소의 제2 단부는 피스톤의 제1 단부에 편향력을 가하는, 밸브 어셈블리.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 편향력은 릴리프 밸브의 출구 쪽으로 가해지는, 밸브 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 배출기는 수렴 원동부(motive section)와 발산 배출부, 흡입 포트, 및 벤튜리(Venturi) 틈을 형성하고, 벤튜리 틈은 상기 흡입 포트에 유체 연결되어 있는, 밸브 어셈블리.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 릴리프 밸브는 가변 릴리프 밸브인, 밸브 어셈블리.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 가압 챔버 내부의 피스톤의 위치를 검출하기 위한 위치 센서를 포함하는, 밸브 어셈블리.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 가압 챔버에 유체 연결되어 있는 배출 밸브를 포함하고, 이 배출 밸브는 가압 챔버 내의 진공의 양을 변화시켜 그 가압 챔버 내부의 피스톤의 위치를 제어하는, 밸브 어셈블리.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 피스톤은 릴리프 밸브의 입구와 출구 사이의 유체 유동을 차단하는, 밸브 어셈블리.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 배출기의 흡입 포트와 상기 가압 챔버를 유체 연결하는 제어 포트를 포함하는, 밸브 어셈블리.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 릴리프 밸브는 내측 하우징과 외측 하우징을 포함하고, 이들 내측 하우징과 외측 하우징은 서로 협동하여 그 사이에 상기 가압 챔버를 형성하는 공간을 생성하는, 밸브 어셈블리.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 피스톤은 피스톤 챔버를 형성하는 몸체를 포함하고, 피스톤 챔버는 내측 하우징과 외측 하우징 사이의 상기 공간에 유체 연결되어 있는, 밸브 어셈블리.
  15. 배기 구동식 터보 과급기를 포함하는 시스템으로서,
    압축 공기를 포함하는 저장 탱크;
    상기 저장 탱크 내의 압축 공기가 흐를 수 있도록 선택적으로 열리는 제어 밸브; 및
    상기 제어 밸브 및 배기 구동식 터보 과급기의 압축기 입구에 유체 연결되고, 상기 제어 밸브가 열리면 진공을 가하는 흡입 포트를 포함하는 배출기; 및
    적어도 개방 위치와 폐쇄 위치를 가지며, 상기 배출기에 유체 연결되는 릴리프 밸브를 포함하고,
    진공이 상기 배출기에 의해 가해지면 상기 릴리프 밸브가 개방 위치로 작동되는, 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 릴리프 밸브는, 배기 구동식 터보 과급기의 압축기 입구에 유체 연결되고 압축 공기를 다시 그 압축기 입구 안으로 배출하는 압축기 재순환 밸브인, 시스템.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 릴리프 밸브는 압축 공기를 대기에 배출하는 블로우-오프(blow-off) 밸브인, 시스템.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 릴리프 밸브는 가변 릴리프 밸브인, 시스템.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어 밸브는 솔레노이드 밸브인, 시스템.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어 밸브는 통상적으로 폐쇄 위치에 있어, 저장 탱크에서 오는 압축 공기가 배출기를 통과해 흐르는 것을 방지하는, 시스템.
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