KR20170078402A - 정밀 유량제어의 차압 제어 밸브 - Google Patents

정밀 유량제어의 차압 제어 밸브 Download PDF

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Abstract

본 발명은 EGR율에 따라 엔진 실린더로 유입되는 흡입 공기량을 정밀하게 조절 할 수 있는 차압 제어 밸브에 관한 것으로 EGR율에 따라 흡입 공기량을 정밀하게 제어 할 수 있어 흡입 공기량이 갑자기 증가하는 것을 방지하여 EGR가스가 흡입 공기량에 맞게 실린더 내부로 유입되도록 할 수 있는 효과가 있다.

Description

정밀 유량제어의 차압 제어 밸브{Differential Pressure Control Valve For Precise Flow Control}
본 발명은 EGR율에 따라 엔진 실린더로 유입되는 흡입 공기량을 정밀하게 조절 할 수 있는 차압 제어 밸브에 관한 것이다.
최근에 출시되고 있는 자동차들은 차량을 경량화하고 배출가스를 줄이기 위해 엔진을 다운사이징하고 있다. 또한 다운사이징 엔진의 부족한 출력을 증가시키기 위해 엔진에 터보차저를 장착하여 엔진의 출력을 증가시키고 있다.
하지만 터보차저를 통해 엔진출력이 증가하면서 실린더로 흡입되는 공기의 양이 많아져 엔진의 연소온도가 증가하게 되고 이에 따라 질소산화물이 많이 배출되는 등의 문제가 발생하고 있다. 최근에는 엔진의 연소온도를 낮추기 위해 배기가스의 일부를 엔진의 흡입공기와 섞어 연소실에 주입해주는 EGR밸브를 통해 질소산화물 배출을 줄이고 있다.
이를 위해 연소실로 주입되는 배기가스의 양을 제어할 필요가 있으며, 연료 분사량에 따른 EGR율(흡입공기량과 배기가스 재순환량의 합에 대한 배기가스 재순환량의 비율)에 따라 EGR 밸브가 제어되도록 한다.
그러나, 터보차저를 통해 흡입 공기량이 증가하면 흡기 통로부의 압력차로 인해 배기가스가 실린더 내부로 유입되지 못하게 되어 연료 분사량에 따른 적절한 양의 배기가스가 실린더 내부로 유입되지 않는 문제가 발생된다.
터보차저를 통해 흡입 공기량이 증가할 경우 연료 분사량에 따라 흡입 공기량의 비율을 조절하는 스로틀 밸브만 가지고는 배기가스가 실린더 내부로 원활히 유입되도록 흡기 통로부 내부의 압력을 조절할 수 없으며, 흡기 통로부의 압력을 제어 하기 위해 터보차저가 장착된 차량에서는 DCV(차압제어 밸브)가 흡기 통로부에 필수적으로 장착되고 있다.
차압 제어 밸브(5)는 도 1에 도시된 바와 같이 흡기통로(10)에서 회전축(20)에 의해 플랩(30)이 회전되면서 통로를 개폐하도록 구성될 수 있다. 즉, 도 1에 보이는 바와 같이 플랩(30)이 θ1 만큼 개방되면 공기는 a와 a' 방향으로 흐르게 되는 구조일 수 있다.
그런데, 이와 같은 차압 제어 밸브(5)의 경우, 플랩(30)이 단일 피스(piece)로서 일체로 형성되어 있기 때문에 그 회전에 따른 개방도의 변화가 일정하게 이루어지며, 이로 인해 정밀한 제어를 달성하지 못하는 단점이 있다.
본 발명은 전술한 문제 또는 단점을 해결하기 위해 안출된 것으로 EGR율에 따라 실린더 내부로 유입되는 흡입 공기량을 정밀하게 조절할 수 있는 차압 제어 밸브를 제공하는데 그 목적이 있다.
차량의 설정된 EGR율에 따라 엔진 실린더 내부의 압력을 제어하기 위한 차압 제어 밸브는 하우징을 포함한다.
하우징은 흡기통로부를 가지며 흡기통로부 내부에는 제1플랩밸브와 제2플랩밸브를 포함한다.
제1플랩밸브는 액추에이터에 의해 회전됨에 따라 흡기통로부의 통로의 일부를 개폐할 수 있다.
제1플랩밸브는 흡기통로부 내벽 일측에 회전 가능하게 연결된 제1회전축과 제1회전축과 연결된 제1플랩을 포함한다.
제1회전축은 일측에 길이방향으로 돌출 형성되어 제1회전축의 중공부 내부로 노출되는 제1걸림부를 포함한다.
제1회전축은 반경방향으로 제1플랩결합홈이 형성된다.
그리고, 제1플랩은 제1플랩결합홈에 삽입되어 체결되는 제1플랩결합돌기를 포함한다.
제1회전축은 제1나사에 의해 제1회전축과 제1플랩이 체결되도록, 제1나사홀이 형성된다.
제2플랩밸브는 제1플랩밸브가 회전됨에 따라 흡기통로부의 나머지 부분을 개폐한다.
그리고, 제2플랩밸브는 설정된 상대 회전각 범위 내에서는 제1플랩밸브와 자유롭게 회전하다가 상대 회전각 이상의 범위에서는 상기 제1플랩밸브와 함께 회전되도록 제1플랩밸브와 연결된다.
제2플랩밸브는 흡기통로부 내벽 중 상기 제1회전축이 연결된 상기 일측의 반대측에 연결된 제2회전축과 제2회전축과 연결된 제2플랩을 포함한다.
제2회전축은 일단이 개방된 중공부를 가지며, 중공부 내주면에서 반경방향으로 돌출 형성된 제2걸림부를 포함한다.
제2회전축은 반경방향으로 제2플랩결합홈이 형성되고, 제2플랩은 제2플랩결합홈에 삽입되어 체결되는 제2플랩결합돌기를 포함한다.
제2회전축은 제2나사에 의해 제2회전축과 제2플랩이 체결되도록 제2나사홀이 형성될 수 있다.
또한, 제1플랩과 제2플랩은 반원 플레이트 형상일 수 있다.
액추에이터는 EGR율에 따라 흡기통로부의 통로의 개방도를 조절하도록 제1플랩밸브 또는 제2플랩밸브를 회전시킬 수 있다.
액추에이터는 모터, 제1기어, 컴파운드기어, 제4기어를 포함한다.
모터는 회전샤프트를 포함하고, 제1기어는 회전샤프트에 체결된다.
컴파운드기어는 제1기어와 치합되도록 직경이 큰 제2기어와 제2기어보다 동일한 축상에 위치되고, 제2기어보다 직경이 작은 제3기어를 포함한다.
제4기어는 제1회전축 또는 제2회전축과 회전 연결되며, 제3기어와 치합되어 모터의 회전력을 제1회전축 또는 제2회전축에 전달할 수 있다.
그리고, 제4기어와 하우징 사이에는 리턴스프링이 설치될 수 있다. 리턴스프링은 제4기어와 연결되어 제1회전축 또는 제2회전축의 회전을 복원시키는 역할을 한다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 정밀 유량 조절이 가능한 차압 제어 밸브 에 따르면, EGR율에 따라 흡입 공기량을 정밀하게 제어 할 수 있어 흡입 공기량이 갑자기 증가하는 것을 방지하여 EGR가스가 흡입 공기량에 맞게 실린더 내부로 유입되도록 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 차압제어밸브에 설치된 플랩 밸브를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 차압제어밸브에 설치된 제1플랩밸브와 제2플랩밸브가 분리된 모습의 정면부를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 차압제어 밸브에 설치된 제1플랩밸브와 제2플랩밸브가 분리된 모습의 후면부를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 차압제어밸브가 제1플랩밸브와 제2플랩밸브가 결합된 모습을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 차압제어밸브가 분해된 모습을 도시한 분해도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 제1플랩밸브와 제2플랩밸브가 차압 제어 밸브에 장착된 모습을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 차압제어 밸브의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 제1, 2플랩밸브가 닫혀있는 상태를 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 제1플랩밸브가 개방되는 모습을 도시한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 본 발명의 실시 예에 따른 제1플랩밸브에 의해 제2플랩밸브가 개방되는 모습을 도시한 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 정밀 유량 조절이 가능한 차압 제어 밸브에 대하여 살펴본다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 차압제어밸브에 설치된 제1플랩밸브(110)와 제2플랩밸브(120)가 분리된 모습의 정면부를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 차압제어 밸브에 설치된 제1플랩밸브(110)와 제2플랩밸브(120)가 분리된 모습의 후면부를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 차압제어밸브가 제1플랩밸브(110)와 제2플랩밸브(120)가 결합된 모습을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 차압제어밸브가 분해된 모습을 도시한 분해도이다.
도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한다. 먼저 정밀 유량 조절이 가능한 차압 제어 밸브(90)는 제1플랩밸브(110)와 제2플랩밸브(120)를 포함한다.
제1플랩밸브(110)는 흡기통로부(100) 내벽 일측에 회전 가능하게 연결된 제1회전축(130)과 제1회전축(130)과 연결된 제1플랩(150)으로 구성된다.
제1플랩밸브(110)는 액추에이터(275)에 의해 회전됨에 따라 흡기통로부(100)에 형성된 통로의 일부를 개폐할 수 있다.
제1회전축(130)은 도 3을 참조하면 일측에 길이방향으로 돌출 형성되어 제1회전축(130)의 중공부 내부로 삽입되는 제1걸림부(180)를 포함한다. 제1걸림부(180)는 반달형상일 수 있다.
제1플랩(150)은 도 5에 도시된 바와 같이 반원 플레이트 형상이며, 제1플랩결합홈(200)에 삽입되어 체결되는 제1플랩결합돌기(220)를 포함한다.
제1회전축(130)은 제1플랩결합홈(200)이 반경방향으로 형성되며, 제1플랩결합홈(200)의 삽입구는 직사각형 형상을 가진다. 제1플랩결합홈(200)에는 제1플랩(150)에 형성된 제1플랩결합돌기(220)가 삽입된다.
그리고, 제1회전축(130)은 제1나사(240)에 의해 제1회전축(130)과 제1플랩(150)이 체결되도록, 제1나사홀(260)이 형성된다.
제2플랩밸브(120)는 도 2에 도시된 바와 같이 흡기통로부(100) 내벽 중 내벽 일측의 반대측에 연결된 제2회전축(140)과 제2회전축(140)과 연결된 제2플랩(160)을 포함한다.
제2회전축(140)은 일단이 개방된 중공부(170)를 가지며, 중공부(170) 내주면에서 반경방향으로 돌출 형성된 제2걸림부(190)를 포함한다.
제2회전축은 도 5를 참조하면 반경방향으로 제2플랩결합홈(210)이 형성되고, 제2플랩(160)은 제2플랩결합홈(210)에 삽입되어 체결되는 제2플랩결합돌기(230)를 포함한다.
제2회전축(140)은 제2나사(250)에 의해 제2회전축(140)과 제2플랩(160)이 체결되도록 제2나사홀(270)이 형성될 수 있다.
또한, 제2플랩(160)은 제1플랩(150)과 동일하게 반원 플레이트 형상일 수 있다.
제1나사(240) 및 제2나사(250)는 본 실시 예에서 조임부가 별 모양으로 된 것이 사용되나 이에 한정하지 않고 십자 또는 일자모양의 나사가 사용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 제1플랩밸브(110)와 제2플랩밸브(120)가 차압 제어 밸브에 장착된 모습을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 차압제어 밸브의 단면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하여 설명한다. 정밀 유량 조절이 가능한 차압 제어 밸브는 하우징(360)과 하우징커버(370)를 포함한다.
하우징(360)은 흡기통로부(100)를 가지며 흡기통로부(100) 내부에는 제1플랩밸브(110)와 제2플랩밸브(120)가 설치되고, 흡기통로부(100) 일측에 액추에이터(275)가 설치될 수 있다.
하우징(360)에 설치된 액추에이터(275)는 하우징커버(370)를 통해 밀폐된다. 하우징커버(370)는 하우징(360)과 나사 결합될 수 있다.
액추에이터(275)는 EGR율에 따라 흡기통로부(100)에 형성된 통로의 개방도를 조절하도록 제1플랩밸브(110) 또는 제2플랩밸브(120)를 회전시킬 수 있다.
EGR율은 흡입공기량과 배기가스 재순환량의 합에 대한 배기가스 재순환량의 비율이며, 아래의 <수식 1>로 EGR율이 계산될 수 있다.
Figure pat00001
------------ <수식 1>
액추에이터(275)는 흡기통로부(100) 외주면에 위치될 수 있고, 액추에이터(275)의 위치에 따라 제1플랩밸브(110)가 연결될 수 있고, 제2플랩밸브(120)가 액추에이터(275)와 연결될 수 있다. 실시 예에 따라 액추에이터(275)가 제1플랩밸브(110)에 연결되면 제1플랩밸브(110)가 회전하였을 때 제2플랩밸브(120)가 일정각도 이상에서 회전하고, 반대로 제2플랩밸브(120)가 액추에이터(275)와 연결되면 제2플랩밸브(120)가 일정각도 이상으로 회전할 시 제1플랩밸브(110)가 같이 회전하게 된다. 제1플랩밸브(110)와 제2플랩밸브(120) 의 회전관계에 대한 설명은 후술한다.
액추에이터(275)는 모터(280), 제1기어(300), 컴파운드기어(330), 제4기어(340)를 포함한다.
모터(280)는 회전샤프트(290)를 포함하고, 제1기어(300)는 회전샤프트(290)에 체결된다.
컴파운드기어(330)는 동일한 축상에 제2기어(310)와 제3기어(320)를 가지며, 제3기어(320)는 제2기어(310)보다 지름이 작을 수 있다.
제4기어(340)는 제1회전축(130) 또는 제2회전축(140)과 회전 가능하게 연결되며, 제3기어(320)와 치합되어 모터(280)의 회전력을 제1회전축(130) 또는 제2회전축(140)에 전달할 수 있다.
그리고, 제1플랩밸브(110) 또는 제2플랩밸브(120)가 폐쇄상태로 돌아올 수 있도록 제4기어(340)와 하우징 사이에는 리턴스프링(350)이 설치될 수 있다. 리턴스프링(350)은 제4기어(340)와 연결되어 제1회전축(130) 또는 제2회전축(140)의 회전을 복원시키는 역할을 한다.
실시 예에 따라 리턴스프링(350) 대신 모터(280)의 회전방향을 제1플랩밸브(110) 또는 제2플랩밸브(120)가 개방되는 방향과 반대되는 방향으로 회전시켜 제1플랩밸브(110) 또는 제2플랩밸브(120)를 개폐시킬 수도 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 제1, 2플랩밸브(110, 120)가 닫혀있는 상태를 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 제1플랩밸브(110)가 개방되는 모습을 도시한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 본 발명의 실시 예에 따른 제1플랩밸브(110)에 의해 제2플랩밸브(120)가 개방되는 모습을 도시한 단면도이다.
도8 내지 도10을 참조하여 제1플랩밸브(110) 또는 제2플랩밸브(120)가 동작되는 원리를 설명하고자 한다.
도 8을 참조하면 제1플랩밸브(110)와 제2플랩밸브(120)는 흡기통로부(100)를 폐쇄한 상태이다. 이때에는 공기가 흡기통로부(100)를 지나가지 못하는 상태이다.
ERG율을 높이기 위해 공기의 유입양을 적게 공급해야 할 경우에는 도 9에 도시된 바와 같이 제1플랩밸브(110)가 개방된다.
이때 제1플랩밸브(110)가 θ2 만큼 개방될 때에는 제1회전축(130)에 형성된 제1걸림부(180)가 제2회전축(140)에 형성된 제2걸림부(190)에 걸리지 않아 제2회전축(140)은 개방되지 않는다. 결국, 유체는 b방향으로만 흐르게 된다. 이 때문에 도 1에 도시된 바와 같이 플랩(30) 이 개방되었을 때 a, a' 방향으로 공기가 유입되어 공기의 유입량이 갑자기 증가하는 문제가 발생되지 않는 효과가 있다.
대량의 공기가 엔진내부로 유입되어야 하는 상황이 발생되면 도 10에 도시된 바와 같이 제1회전축(130)에 형성된 제1걸림부(180)가 제2회전축(140)에 형성된 제2걸림부(190)에 걸리면서 제1플랩밸브(110)와 함께 제2플랩밸브(120)가 개방된다. 즉, 제1플랩밸브(110)와 제2플랩밸브(120)가 함께 개방되면서 공기는 c와 c'방향으로 유입되고 대량의 공기가 엔진으로 유입될 수 있다.
본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
90: 차압 제어 밸브
100: 흡기통로부
110: 제1플랩밸브
120: 제2플랩밸브
130: 제1회전축
140: 제2회전축
150: 제1플랩
160: 제2플랩
170: 중공부
180: 제1걸림부
190: 제2걸림부
200: 제1플랩결합홈
210: 제2플랩결합홈
220: 제1플랩결합돌기
230: 제2플랩결합돌기
240: 제1나사
250: 제2나사
260: 제1나사홀
270: 제2나사홀
275: 액추에이터
280: 모터
290: 회전샤프트
300: 제1기어
310: 제2기어
320: 제3기어
330: 컴파운드기어
340: 제4기어
350: 리턴스프링
360: 하우징
370: 하우징커버

Claims (8)

  1. 질소산화물의 발생을 저감하기 위해 흡입공기량과 배기가스 재순환량의 합에 대한 배기가스 재순환량의 비율인 EGR율에 따라 흡입구로 유입된 배기가스가 엔진 실린더 내부로 유입되도록 흡입 공기의 압력을 제어하는 차압 제어 밸브에 있어서,
    상기 실린더 내부로 유입되는 공기가 흐르는 통로를 제공하는 흡기통로부;
    회전됨에 따라 상기 흡기통로부의 상기 통로의 일부를 개폐하는 제1플랩밸브;
    회전됨에 따라 상기 흡기통로부의 상기 통로의 나머지 부분을 개폐하며, 설정된 상대 회전각 범위 내에서는 상기 제1플랩밸브와 자유롭게 회전하다가 상기 상대 회전각 이상의 범위에서는 상기 제1플랩밸브와 함께 회전되도록 상기 제1플랩밸브와 연결된 제2플랩밸브; 및
    상기 EGR율에 따라 상기 흡기통로부의 상기 통로의 개방도를 조절하도록 상기 제1플랩밸브 또는 상기 제2플랩밸브를 회전시키는 액추에이터;
    를 포함하는 EGR율에 따른 차압 제어 밸브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1플랩밸브는 상기 흡기통로부 내벽 일측에 회전 가능하게 연결된 제1회전축과 상기 제1회전축과 연결된 제1플랩을 포함하고,
    상기 제2플랩밸브는 상기 흡기통로부 내벽 중 상기 내벽 일측의 반대측에 연결된 제2회전축과 상기 제2회전축과 연결된 제2플랩을 포함하는 것을 특징으로 하는 EGR율에 따른 차압 제어 밸브.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1회전축은 일측에 길이방향으로 돌출 형성되어 상기 제2회전축의 상기 중공부 내부로 노출되는 제1걸림부를 가지고, 상기 제2회전축은 일단이 개방된 중공부를 가지며, 상기 중공부 내주면에서 반경방향으로 돌출 형성된 제2걸림부를 포함하는 것을 특징으로 하는 EGR율에 따른 차압 제어 밸브.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1플랩과 상기 제2플랩은 반원 플레이트 형상인 것을 특징으로 하는 EGR율에 따른 차압 제어 밸브.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1회전축은 반경방향으로 제1플랩결합홈이 형성되고, 상기 제1플랩은 상기 제1플랩결합홈에 삽입되어 체결되는 제1플랩결합돌기를 포함하며,
    상기 제2회전축은 반경방향으로 제2플랩결합홈이 형성되고, 상기 제2플랩은 상기 제2플랩결합홈에 삽입되어 체결되는 제2플랩결합돌기를 포함하는 것을 특징으로 하는 EGR율에 따른 차압 제어 밸브.
  6. 제5항에 있어서,
    제1나사에 의해 상기 제1회전축과 상기 제1플랩이 체결되도록, 상기 제1회전축은 제1나사홀이 형성되고,
    제2나사에 의해 상기 제2회전축과 상기 제2플랩이 체결되도록 상기 제2회전축은 제2나사홀이 형성된 것을 특징으로 하는 EGR율에 따른 차압 제어 밸브.
  7. 제1항에 있어서, 상기 액추에이터는:
    회전샤프트를 포함하는 모터;
    상기 회전샤프트에 체결된 제1기어;
    상기 제1기어와 치합되는 제2기어 및 제3기어를 가지는 컴파운드기어; 및
    상기 제3기어와 치합되고, 상기 제1회전축 또는 상기 제2회전축과 회전 연결된 제4기어
    를 포함하는 EGR율에 따른 차압 제어 밸브.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제4기어와 연결되어 상기 제1회전축 또는 제2회전축의 회전을 복원시키는 리턴스프링을 추가로 포함하는 EGR율에 따른 차압 제어 밸브.
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