KR20170082434A - 작동 부재들을 동작시키기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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미르코 브레조스키
카르스텐 오렘
피터 딜
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Abstract

작동 부재들을 동작시키기 위한 장치 및 방법과 관련이 있는 본 발명의 과제는, 부품들의 복잡성, 수 및 중량 그리고 필요한 소요 면적과 비용이 감소되는 해결책을 제시하는 것을 기본으로 한다. 장치 측면에서 볼 때, 상기 과제는 상기 제어 수단(3)이 적어도 제 1 제어 중심부(5)와 제 2 제어 중심부(6)를 갖고, 이 경우 상기 제 1 제어 중심부(5)는 상기 제 1 작동 부재(10)와, 그리고 상기 제 2 제어 중심부(6)는 제 2 작동 부재(11)와 적어도 간접적으로 연결됨으로써 해결된다. 방법 측면에서 볼 때, 상기 과제는 상기 제어 수단(3)이 제 1 제어 중심부(5)와 제 2 제어 중심부(6)를 갖고, 이 경우 상기 제 1 제어 중심부(5)는 제 1 작동 부재(10)를, 그리고 상기 제 2 제어 중심부(6)는 제 2 작동 부재(11)를 동시에 제어하며, 이때 제어는, 상기 제 1 및 제 2 작동 부재(10, 11)가 동시에 폐쇄되는 적어도 제 1 상태 그리고 상기 제 1 작동 부재(10)가 폐쇄되고, 상기 제 2 작동 부재(11)는 개방되거나, 또는 상기 제 1 작동 부재(10)가 개방되고, 상기 제 2 작동 부재(11)는 폐쇄되는 제 2 상태가 제어될 수 있는 방식으로 실행됨으로써 해결된다.

Description

작동 부재들을 동작시키기 위한 장치 및 방법{ARRANGEMENT AND METHOD FOR OPERATING ACTUATING ELEMENTS}
본 발명은 드라이브와 연결된 제어 수단(control means)을 구동시키기 위한 드라이브를 포함하는, 작동 부재(actuating element)들을 동작시키기 위한 장치에 관한 것이며, 이 경우 상기 제어 수단은 작동 부재와 적어도 간접적으로 연결되어 있다.
본 발명은 또한 작동 부재들을 동작시키기 위한 방법과도 관련이 있으며, 이 경우 드라이브와 연결된 제어 수단이 제공되고, 상기 제어 수단은 상기 드라이브에 의해 구동되는 방식으로 작동 부재를 제어한다.
상기와 같은 작동 부재들을 동작시키기 위한 장치 및 방법은 예를 들면, 설비 공학(plant engineering), 기계 공학(mechanical engineering) 및 차량 제조와 같은 다수의 기술 분야에서 사용된다. 비록 하기의 설명이 빈번히 차량 제조와 관련한 발명 사용과 관련되더라도, 본 발명의 적용예가 상기와 같은 자동차 제조 분야로 국한되는 것은 아니다.
예컨대, 차량 제조 분야에서는 내연 기관 그리고 다른 부품들의 기능이 밸브 및/또는 플랩에 의해 제어되는 경우가 많다. 이러한 밸브 또는 플랩은 제어 장치 또는 조절기 회로에서 사용되는 작동 부재를 의미한다. 본 발명은 제어 시뿐만 아니라 조절 시에도 사용될 수 있기 때문에, 밸브 또는 플랩과 같이 조절 기술과 관련한 작동 부재의 제어 또는 조절 개념들 사이에는 차이가 없다. 작동 부재의 일반적인 동작 개념은 조절 분야에서 사용되는 적용예들뿐만 아니라 제어 분야에서 사용되는 적용예들도 포함해야 한다.
상이한 기능들을 제어 또는 조절하기 위해서는 통상적으로 밸브 또는 플랩이 액추에이터로도 표기되는 드라이브와 연결될 수 있다. 상기와 같은 액추에이터는 예를 들면, 제어 전압과 같은 전기적 입력 변수를 회전 운동과 같은 기계적 운동으로 변환한다. 통상적으로는 또한, 밸브 또는 플랩과 드라이브 사이에 기어 장치 또는 이와 유사한 기계 부품이 배치될 수도 있으며, 이러한 기계 부품에 의해서는 예컨대, 드라이브에 의해 발생된 회전 운동이 더 낮은 회전 속도를 갖는 회전 운동 또는 밸브나 플랩을 바람직하게 제어할 수 있는 선형 운동으로 조정된다.
공지된 바에 따르면, 내연 기관의 배기가스 배출과 관련하여, 예를 들면 질소산화물(NOx), 탄화수소(HC)로 이루어진 휘발성 유기 물질, 매연 입자 및 이산화탄소 배기가스(CO2)와 관련하여, 법적으로 지정된 규정을 준수하기 위해서는, 배기가스를 냉각하여 새 연소에 공급하기 위해 내연 기관 밖에서 배기가스가 배기가스 라인 밖으로 인출된다. 특히, 상기와 같은 배기가스 재순환(EGR: exhaust gas recirculation) 영역들에서는 배기가스 재순환 밸브 및 바이패스 밸브로도 표기되는 상기와 같은 밸브 및 플랩이 사용된다.
배기가스 재순환 시스템들 영역에서는 디젤 엔진 배기가스 재순환 시스템들뿐만 아니라 가솔린 엔진 배기가스 재순환 시스템들도 공지되어 있다. 상기와 같은 시스템들 내에서는 각각 소위 고압 배기가스 재순환 시스템들과 저압 배기가스 재순환 시스템들이 구분되고, 그리고 배기가스 후처리 이전 샘플 추출(sampling), 예를 들면 배기가스 정화 장치 또는 디젤 입자 필터 또는 디젤 매연 입자 필터(DPF)에 의한 배기가스 후처리 이전 추출과 상기와 같은 후처리 이후 샘플 추출이 구분된다.
공지된 바에 따르면 또한, 예를 들어 과급 내연 기관의 경우 고압 시스템과 저압 시스템이 차량 내에 함께 설치될 수 있다.
상기와 같은 배기가스 재순환 시스템은 예를 들면 배기가스 재순환 쿨러, 예컨대 포핏 밸브(poppet valve)로 형성된 배기가스 재순환 밸브, 바이패스 라인, 전동 드라이브 또는 공압 드라이브를 구비한 플랩 밸브 또는 포핏 밸브로 형성된 바이패스 밸브와 같은 부품들을 포함할 수 있다.
선행 기술에는 예를 들면 자체 제어 유닛을 구비한 플랩 및 밸브를 포함하는 부품들도 공지되어 있다. 따라서 배기가스 재순환 모듈 내에는 예컨대 전동 드라이브를 구비한 배기가스 재순환 밸브 그리고 공압 드라이브를 구비한 바이패스 플랩 또는 제 2 밸브가 배치될 수 있다.
대안적으로는 단 하나의 밸브가 2개의 상이한 기능을 갖는 배기가스 재순환 모듈들도 공지되어 있다. 따라서 상기와 같은 배기가스 재순환 모듈들에서 입력측 밸브에 의해 제어되는 방식으로, 바이패스 경로 기능과 대안적으로는 냉각 경로 내 배기가스 흐름의 냉각 사이에서 전환이 이루어질 수 있다. 이와 같이 모듈에서는 냉각 기능뿐만 아니라 대안적으로 바이패스 기능도 실현된다.
공지된 선행 기술에 따르면, 작동 부재들을 동작시키기 위한 장치들은, 각 하나의 드라이브가 하나의 작동 부재를 동작시키는 방식으로 형성되어 있으며, 이 경우 작동 부재로는 밸브 또는 플랩이 사용된다.
선행 기술에 따른 과급 내연 기관의 경우, 배기가스 재순환 시스템에서는 예컨대, 하기 열거된 부품들이 사용될 수 있다:
- 고압 EGR 쿨러
- 고압 EGR 밸브(액추에이터 포함)
- 고압 바이패스 라인
- 고압 바이패스 밸브(액추에이터 포함)
- 저압 EGR 쿨러
- 저압 EGR 밸브(액추에이터 포함)
- 저압 바이패스 라인
- 저압 바이패스 밸브(액추에이터 포함)
- 웨스트 게이트 밸브(wastegate valve)(액추에이터 포함)
- 재순환 공기 밸브(recirculation air valve)(액추에이터 포함)
이와 같이 상기 적용 옵션들에 있어서는 6개의 상이한 부품이 주어지며, 이러한 부품들은 각각 설치 공간을 필요로 하고, 중량이 자동차에 포함되며 그리고 비용을 야기한다.
밸브로 형성된 6개의 부품은 또한 예를 들면 밸브를 제어하기 위한 전동 드라이브를 각각 필요로 한다. 이러한 부품들은 상당한 복잡성, 소요 면적 및 비용을 야기한다.
선행 기술에는 또한 액추에이터에 의해 구동되는 축 상에 2개의 플랩이 설치되어 있는 해결책도 공지되어 있는데, 이 경우 상기 플랩들은 분기된 가스 채널의 각기 다른 섹션들에 할당되어 있다. 이러한 실시예에서는, 제 1 플랩을 이용해 채널의 제 1 분기를 폐쇄하고, 반면에 제 2 플랩을 이용해 제 2 분기를 완전히 개방하는 것이 가능하며, 이러한 개방 및 폐쇄 과정은 반대로도 가능하다. 회전축 상에 2개의 플랩을 고정 배치함으로써 2개의 플랩이 폐쇄되거나 2개의 플랩이 개방되는 상태가 이루어지지 않을 수 있다. 따라서 이러한 배치의 사용은 예컨대 2개의 경로 사이에서 유동 매체 분할이 이루어져야 하는 경우로만 국한된다.
본 발명의 과제는, 부품들의 복잡성, 수 및 중량 그리고 필요한 소요 면적과 비용이 감소되는, 작동 부재들을 동작시키기 위한 장치 및 방법을 제시하는 것이다.
상기 과제는 독립 특허 청구항들 중 청구항 1에 따른 특징들을 갖는 대상에 의해서 해결된다. 개선예들은 종속 특허 청구항 2 내지 7에 기재되어 있다.
본 발명에서는, 드라이브를 이용해 밸브 또는 플랩과 같이 2개 또는 다수의 작동 부재를 동시에 또는 서로 독립적으로 제어하는 것이 제안된다. 이 경우 드라이브에 의해 작동되는 제어 수단이 사용되고, 상기 제어 수단은 2개의 제어 중심부(control center part)를 가지며, 이 경우 제 1 제어 중심부는 제 1 작동 부재를 동작시키기 위해 그리고 제 2 제어 중심부는 제 2 작동 부재를 동작시키기 위해 제공되었다.
상기 제어 중심부들은 각 하나의 캠 디스크(cam disk), 캠(cam) 또는 캠 트랙(cam track) 상의 섹션에 의해 형성된다. 이 경우 제어 중심부들의 형태 및 곡선 또는 트랙 프로파일은 동일하게 또는 서로 상이하게 설계될 수 있다. 서로 다른 곡선 또는 트랙 프로파일은, 제어 중심부에 의해 작동되는 작동 부재들이 상이하게 제어 또는 조절되도록 한다. 작동 부재로는 예컨대, 적어도 2개의 밸브, 적어도 2개의 플랩 또는 적어도 하나의 밸브 그리고 적어도 하나의 플랩이 사용될 수 있으며, 이들은 각각 동시에 또는 서로 독립적으로 작동된다.
캠 트랙 사용 시, 이러한 캠 트랙은 적어도 2개의 섹션을 갖는데, 이러한 섹션들은 제 1 및 제 2 제어 중심부를 형성한다. 각각의 섹션 내에서 캠 트랙에 상에는, 관련된 작동 부재를 작동시키거나 편향시키기 위해 적어도 하나의 융기부가 제공되어 있다. 상기와 같은 융기부는 직선 트랙 프로파일에 대한 편차를 의미한다. 이러한 실시예에서는 또한 각각의 제어 중심부가 관련된 작동 부재를 제어함으로써, 결과적으로 하나의 캠 트랙 상에 있는 2개의 섹션에 의해 2개의 작동 부재가 작동될 수 있다.
상기와 같은 캠 트랙은 직선 라인을 따라서 또는 가상의 원형 경로를 따라서 연장될 수 있다. 한 대안적 실시예에서는 하나 또는 다수의 작동 부재의 제어가 홈(groove)에 의해 이루어진다. 이러한 홈은 길이 방향으로 또는 원형으로 연장되는, 몸체 표면에 적합하게 새겨 넣어질 수 있다. 홈 프로파일 내에는 마찬가지로 적어도 2개의 섹션이 형성되고, 이러한 섹션들은 각각 적어도 2개의 제어 중심부에 할당된다.
또한, 상기 홈들은 각각의 섹션에서 소위 편향들을 갖는데, 이러한 편향들은 직선 홈 프로파일과의 편차를 의미하고, 2개의 방향에서 홈의 길이 방향 프로파일에 대해 횡 방향으로 발생할 수 있다. 상기와 같은 편향들은 예컨대, 핀과 같은 적합한 스캐닝 수단을 이용해 홈 프로파일을 스캐닝하고, 그리고 상기 스캐닝 수단의 위치 또는 편향을 최종 제어 수단에 전달함으로써 제어 또는 조절될 수 있다. 이러한 경우에는 대개 홈이 형성된 몸체가 홈 설계에 따라 드라이브에 의한 길이 방향 운동 또는 회전 운동 시 이동한다.
본 발명에 의해서는, 예컨대 밸브 또는 플랩 등과 같은 다양한 작동 부재들이 제어 또는 조절될 수 있다. 하나의 드라이브에 의해 적어도 2개의 밸브 또는 플랩이 동시에 또는 서로 독립적으로 작동될 수 있다. 한 특수한 실시예에서는, 하나의 드라이브에 의해 적어도 하나의 밸브 및 적어도 하나의 플랩이 동시에 또는 서로 독립적으로 작동된다. 상기와 같은 밸브 또는 플랩은 특히 내연 기관의 배기가스 후처리 영역에서 사용될 수 있다.
바람직하게 드라이브와 제 1 및 제 2 제어 중심부 사이에는 기어 장치가 배치될 수 있다. 이와 같이 드라이브의 상대적으로 높은 회전 속도는 기어 장치의 출력부에서 더 낮은 회전 속도로 전환될 수 있다. 기어 장치의 출력부에는 샤프트가 설치될 수 있으며, 이러한 샤프트는 제어 중심부들에 회전 운동을 전달한다. 상기와 같은 회전 속도 감소는 작동 부재들이 작동할 때 정확도를 향상시킨다.
상기와 같은 기어 장치의 출력부 또는 상기 기어 장치의 위치에는 회전 운동을 길이 방향 운동으로 변환하기 위한 수단도 배치될 수 있다. 이러한 경우 제어 중심부들은 회전되지 않고 제한된 변조 범위(modulation range) 내 가상 라인 상에서 이동된다.
한 실시예에서, 제어 중심부와 제어될 또는 조절될 관련된 작동 부재 사이에는 편향 수단이 배치되어 있다. 이러한 편향 수단은 제어 중심부들에 의해 생성될 수 있는 운동 방향을 변경하고, 그리고 이러한 운동 방향을 작동 부재에 필요한 운동 방향에 적합하게 조정할 수 있다. 한 예에서, 상기 편향 수단은 회전점(pivot point)을 갖는 로커(rocker)이고, 이러한 회전점은 예를 들면 로커(rocker)의 센터에 배치되어 있다. 대안적으로 상기 회전점은 센터 밖에도 놓일 수 있으며, 이와 같이 상기와 같은 로커는 더 큰 힘을 전달할 수 있는 레버로 형성된다.
본 발명의 상기 과제는 독립 특허 청구항들 중 청구항 8에 따른 특징들을 갖는 방법에 의해서 해결된다. 개선예들은 종속 특허 청구항 9 및 10에 기재되어 있다.
본 발명의 사용에 의해서는, 예컨대 2개의 밸브 또는 플랩 제어 시에, 2개의 밸브 또는 플랩이 폐쇄되어 있는 적어도 제 1 상태 그리고 제 1 밸브 또는 제 1 플랩이 개방되어 있는 반면에, 제 2 밸브 또는 제 2 플랩은 폐쇄되어 있는, 또는 상기 밸브들과 플랩들이 반대 방식으로도 개방 및 폐쇄될 수 있는 제 2 상태가 제어될 수 있다.
따라서 밸브가 이러한 밸브와 함께 제어 수단에 의해 드라이브와 적어도 간접적으로 연결되어 있더라도, 각각의 밸브 또는 플랩은 제 2 밸브 또는 제 2 플랩과 무관하게 개방될 수 있다. 밸브들 또는 플랩들의 이러한 개별적인 제어 가능성에 의해, 필요한 드라이브의 수가 감소될 수 있다. 이와 같은 필요한 드라이브의 수 감소에 의해서는 또한, 제조와 관련한 비용, 복잡성, 필요한 설치 공간 그리고 부품의 중량이 감소된다.
제어는 바람직하게 2개의 밸브 또는 플랩이 적어도 부분적으로 개방되는 제 3 상태도 이루어질 수 있도록 설계된다.
이러한 옵션에 의해서는 작동 부재들을 동작시키기 위한 본 발명에 따른 장치의 제어 및 조절 범위 그리고 사용 가능성이 확대된다.
또한, 제 1 및 제 2 제어 중심부는 제 3 상태 동안 밸브들 또는 플랩들의 개방 또는 폐쇄 정도가 변경될 수 있도록 설계될 수 있다. 이 경우에는 제 1 밸브 또는 제 1 플랩이 추가로 개방되고, 제 2 밸브 또는 제 2 밸브가 추가로 폐쇄되며, 이는 반대 방식으로도 이루어질 수 있다.
대안적으로 제어 중심부들은, 상기와 같은 제 3 상태 동안에 제 1 밸브가 자신의 적어도 부분적으로 개방된 상태에서 개방 또는 폐쇄 제어되는 반면에, 제 2 밸브는 자신의 적어도 부분적으로 개방된 상태로 지속되는 제어 또는 조절 범위가 설계되는 방식으로도 형성될 수 있다.
이러한 상황은 본 발명에 의해 실현될 수 있는 제어 및 조절 가능성을 현저히 확대시키며, 따라서 본 발명의 사용 가능성을 확대시킨다.
본 발명의 다수의 사용 가능성 중 하나의 가능성으로서, 예를 들어 엔진 개발자에게는 기술된 시스템의 적용예에 의해, 콤팩트한 시스템과 함께 다양한 기능을 제시하고 엔진 개발에 반영할 수 있는 가능성이 주어진다. 이러한 가능성은 엔진 개발자로 하여금 EGR 측면에서 엔진 특성 필드를 더 우수하게 조정하고 연료 소비와 배기가스 배출과 관련하여 엔진을 더욱 효율적으로 작동시킬 수 있도록 한다. 비용과 관련한 이유로 각 하나의 고압 시스템 또는 저압 시스템이 사용되는 경우가 많다. 이러한 시스템 사용으로 인한 비용 감소는 일련의 엔진 개발 시 전술한 가능성을 반영하고, 따라서 엔진 용적을 더욱 친환경적으로 형성할 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 실시예들의 또 다른 세부 사항들, 특징들 및 장점들은 관련 도면을 참조해서 이루어지는 실시예들에 대한 하기의 설명으로부터 드러난다.
도 1은 작동 부재를 동작시키기 위한 선행 기술에 공지된 장치이고,
도 2는 2개의 기능이 통합된, 선행 기술에 따른 배기가스 재순환 모듈의 부분 단면도이며,
도 3a 내지 도 3c는 작동 부재들을 동작시키기 위한 본 발명에 따른 장치의 제 1 예를 여러 개략도로 도시한 도면이고,
도 4는 회전각에 따라, 도 3에 따른 장치의 작동 부재들의 행정 기능의 프로파일을 도시한 다이어그램이며,
도 5는 도 3에 따른 작동 부재들의 상태를 나타낸 표이고,
도 6은 작동 부재들을 동작시키기 위한 본 발명에 따른 장치의 제 2 예를 도시한 도면이고,
도 7은 선형 드라이브의 편향에 따라, 도 6에 따른 장치의 작동 부재들의 행정 기능의 프로파일을 도시한 다이어그램이며,
도 8은 작동 부재들을 동작시키기 위한 본 발명에 따른 장치의 추가 실시예이고,
도 9는 캠 트랙으로서 제어 수단의 실시예를 가정 가능한 2개의 변형예로 도시한 도면이며, 그리고
도 10은 내연 기관의 영역에 있는 작동 부재들을 동작시키기 위한 본 발명에 따른 장치의 사용 옵션에 대한 예시적 개요이다.
도 1에는 작동 부재들을 동작시키기 위한 선행 기술에 공지된 장치(1)가 도시되어 있다. 상기 장치(1)는 샤프트(7)를 구동시키는 드라이브(2)로 구성되어 있다. 상기 샤프트(7) 상에는 제어 수단(3)이 배치되어 있고, 상기 제어 수단은 작동 부재(10)를 동작시킨다. 상기 작동 부재(10)는 도 1의 도시에서 밸브로 예시되어 있으며, 이 경우 상기 밸브와 함께 연소실(combustion chamber), 유동 채널 또는 유체 흐름의 유량이 조절되어야 하는 기타 유사 장치들의 실링인, 밸브 시트(valve seat)의 도시가 생략되었다.
상기 제어 수단(3)은 상기 예에서 캠 디스크로 설계되어 있으며, 이러한 캠 디스크는 회전할 경우, 자신의 캠 프로파일에 따라 밸브(10)를 상응하게 개방 및 폐쇄 제어한다. 이와 같이 밸브(10)는 전기 모터로 형성된 드라이브(2)에 제어 전압을 적합하게 인가함으로써 제어될 수 있다. 제어 수단(3)에 의해 제어되는 밸브(10) 대신 작동 부재(10)로서 플랩도 배치될 수 있다.
이러한 원리에 따라, 각 작동 부재(10)에 별도의 드라이브(2)를 제공하는 것이 필수적이다.
도 2에는 2개의 기능이 통합된 선행 기술의 배기가스 재순환 모듈의 부분 단면도가 도시되어 있다. 이러한 장치는 입구측에 배치된 밸브(10)에 의해, 유입되는 배기가스가 소위 바이패스 경로를 통해서 출구로 직접 가이드 되거나, 또는 상응하게 형성된 냉각 경로를 통해서 모듈의 출구로 가이드 되도록 한다. 유입되는 배기가스는 상기 냉각 경로를 관류할 때 냉각되어 감소된 온도로 모듈을 벗어난다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c에는 작동 부재들을 동작시키기 위한 본 발명에 따른 장치의 제 1 예가 각기 다른 뷰로 도시되어 있다. 도 3a, 도 3b 및 도 3c는 단지 장치(1)의 개략도이다. 그러므로 상기 도면들에는 장치의 주요 부재들만 제한적으로 도시되어 있으며, 이때 도시는 척도에 맞는 것으로 간주되어서는 안 된다.
도 3a는 드라이브(2)를 도시하며, 상기 드라이브는 예를 들면, 전기 모터일 수 있고 샤프트(7)에 의해 제어 수단(3)과 연결되어 있다. 본 발명에 따르면, 제어 수단(3)은 적어도 제 1 제어 중심부(5)와 제 2 제어 중심부(6)로 구성되어 있다. 도 3a의 예에서, 상기 두 제어 중심부(5 및 6)는 동일한 또는 서로 다른 곡선 프로파일을 가질 수 있는 캠 디스크로 형성되어 있다. 선택적으로 드라이브(2)와 두 제어 중심부(5 및 6) 사이에는 회전 속도를 조정하기 위한 기어 장치(4)가 배치될 수 있다.
도 3b는 직전에 설명한 장치(1)를 오른쪽에서 본 뷰로 도시한다. 2개의 제어 중심부(5 및 6)를 갖는, 샤프트(7) 상에 배치된 제어 수단(3)이 도시되어 있다. 2개의 캠 디스크의 실시예는 예시로서, 달성해야 할 제어 과제에 따라 당업자에 의해 상응하게 조정될 수 있다.
도 3c의 제 3의 부분 도면에서도 마찬가지로 도 3a의 장치(1)에 대한 오른쪽에서 본 뷰가 선택되었다. 전술한 부품들에 추가로, 각각 자신의 센터 회전점을 갖는 제 1 편향 수단(8), 제 2 편향 수단(9) 그리고 제 1 작동 부재(10)와 제 2 작동 부재(11)가 도시되어 있다. 상기 작동 부재(10 및 11)들은 밸브로서, 이러한 밸브들은 예컨대 가스와 같은 유체 흐름의 유량에 영향을 준다. 도 1에서는 이러한 유체 흐름을 위한 채널들 그리고 각 하나의 밸브 시트가 도시되지 않았다.
드라이브(2)가 전기 제어 전압에 의해 제어되면, 상기 드라이브(2)는 샤프트(7)를 회전시키며, 이 경우 회전 운동은 기어 장치(4)에 의해 감속된다. 샤프트(7) 상에 배치된 제어 중심부(5 및 6)들은 제어 전압에 의해 지정된 방향으로 회전된다. 이러한 회전 운동은 캠 디스크(5 및 6)들의 각각의 프로파일을 통해 편향 수단(8 및 9)들의 편향을 야기하고, 이러한 편향은 밸브(10 및 11)들에 전달된다. 이와 같은 방식으로 드라이브(2)에 의해 2개의 밸브(10 및 11)가 작동되거나, 또는 상기 밸브들의 위치가 변경될 수 있다.
바람직한 한 실시예에서 제어 수단(3)은 마찬가지로 3개 또는 그 이상의 제어 중심부를 가질 수 있으며, 따라서 예를 들면 3개 또는 그 이상의 밸브를 제어할 수 있다. 본 발명에 의해서는 제어되는 밸브들 대신 다수의 플랩도 제어될 수 있다.
도 4에는 샤프트(7)의 회전각(?)에 따라, 도 3a 내지 도 3c에 따른 장치(1)의 캠 디스크(5 및 6)들의 행정 기능의 프로파일이 다이어그램으로 도시되어 있다. 상기 예에서 파선으로 도시된 행정 프로파일은 캠 디스크(5)에 관련된 것으로서, 제 1 밸브(10)를 제어하는 반면에, 실선으로 도시된 행정 프로파일은 캠 디스크(6)에 관련된 것으로서, 이는 제 2 밸브(11)를 제어한다. 도면에 기재된 회전각 도수들은 예로서 당연히 당업자에 의해 변경될 수 있으며, 따라서 본 발명이 어떠한 기술 분야에 사용되든지 그 여하에 상관없이 필요에 따라 적합하게 조정될 수 있다.
회전각이 0 °일 때는 두 밸브(10 및 11)가 제어되지 않으며, 그리고 상기 예에서는 폐쇄된 상태로 존재하는 것을 알 수 있다. 대안적으로는, 실제 적용에 바람직할 경우, 상기와 같은 회전각에서 밸브(10 및 11)들이 개방될 수도 있다. 회전각이 증가하는 방식으로 샤프트(7)가 회전하면, 제 1 캠 디스크(5)의 외부 구조에 의해 야기되는 행정 프로파일의 변조가 증가하고, 이로 인해 제 1 밸브(10)가 개방 제어된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 0°와 지점 A의 영역, 예를 들어 약 90°에서는, 제 1 밸브(10)가 제 1 캠 디스크(5)에 의해 점점 더 개방되는 반면에, 제 2 밸브(11)는 완전히 폐쇄된 상태로 지속된다. 이러한 영역에서 제 2 캠 디스크(6)는 제 2 밸브(11)가 변조되지 않는 방식으로 형성되어 있다. 제 1 밸브(10)가 거의 완전히 개방되어 있는 지점 A부터는 회전각이 추가로 증가할 경우, 제 2 캠 디스크(6)에 의해 제어되는 제 2 밸브(11)가 개방되기 시작한다. 지점 A와 B 사이 영역에서는 제 1 밸브(10)가 완전히 개방되어 있는 것으로 가정된다.
대략 B로 도시된 지점에서부터는 제 1 밸브(10)의 폐쇄 과정이 시작되고, 반면에 회전각이 추가로 증가할 경우 제 2 밸브(11)가 약 190°의 회전각에서 거의 완전히 개방될 때까지 상기 제 2 밸브가 추가로 개방된다. 지점 C에서는 제 1 밸브(10)가 완전히 폐쇄되고, 제 2 밸브(11)가 최대로 개방되는 상태가 달성된다. 지점 D에서부터는 제 2 밸브(11)가 폐쇄 과정을 시작하는데, 이러한 폐쇄 과정은 지점 E까지 연장된다. 지점 E와 360° 사이 영역에서는 어떠한 밸브(10 및 11)도 자체 캠 디스크(5 또는 6)에 의해 제어되지 않으며, 상기 밸브(10 및 11)들은 폐쇄 상태로 지속된다.
드라이브(2)를 적합하게 제어함으로써, 즉 0°내지 360°의 회전각을 시작하는 전술한 과정이 실행될 수 있다. 드라이브(2)의 대안적인 제어에 의해서는 또한 밸브(10 및 11)들의 제어 과정을 360°에서 0°로 반대 방향으로 실행할 수도 있다.
또한, 모든 임의의 위치에서 드라이브(2)를 정지시킬 수 있고, 상기 드라이브의 회전 방향으로 방향 전환할 수도 있다. 도면에는 도시되지 않은 적합한 센터 제어 유닛에 의해서는, 예를 들면 적합한 센서의 측정값에 따라 2개 또는 그 이상의 밸브 또는 플랩에 필요한 밸브 제어가 실현될 수 있다. 따라서 본 발명은 예를 들면 내연 기관을 제어하기 위한 배기가스 후처리 및/또는 배기가스 재순환 영역에서 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 장치에 의해서는 두 작동 부재(10 및 11)가 폐쇄되어 있는 제 1 상태가 제어될 수 있다. 이러한 제 1 상태는 0°또는 지점 E와 360? 사이 영역에서 행해진다.
계속해서, 제 1 작동 부재(10)가 폐쇄되어 있고, 제 2 작동 부재(11)는 개방되어 있는, 또는 제 1 작동 부재(10)가 개방되어 있고, 제 2 작동 부재(11)는 폐쇄되어 있는 제 2 상태가 제어될 수 있다. 이러한 제 2 상태는 예를 들면 지점 A 또는 C에서 행해진다.
더 나아가, 제 1 작동 부재(10)와 제 2 작동 부재(11)가 적어도 부분적으로 개방되어 있는 제 3 상태는 예컨대 약 170°의 회전각에서 달성될 수 있다.
작동 부재(10 및 11)들이 적어도 부분적으로 개방되어 있는 상기 제 3 상태 동안에는, 제 1 작동 부재(10)가 자신의 적어도 부분적으로 개방된 상태에서 폐쇄 제어되는 반면에, 이와 동시에 제 2 작동 부재(11)는 자신의 적어도 부분적으로 개방된 상태에서 추가로 개방 제어되거나, 또는 상기 제 1 및 제 2 작동 부재가 이와 반대로 개방 및 폐쇄 제어되는 방식으로 제어가 실행될 수 있다. 이러한 변동은 예를 들면 지점 B와 약 190°의 회전각 영역에서 가능하다. 이 경우 샤프트(7)의 회전 방향에 의해 그리고 이와 더불어 제어 중심부(5 및 6)들의 회전 또는 운동 방향에 의해서는, 어떠한 작동 부재(10 또는 11)가 더 개방 또는 폐쇄되어야 하는지 결정된다.
도 5는 도 3a 내지 3c에 따른 작동 부재들의 상태를 표로 도시한다. 각각 90도(90?) 범위를 충족시키는 4개의 회전각 도시되어 있다. 또한, 표에는 제 1 및 제 2 밸브(10 및 11)의 상태 또는 동작이 간단히 기술되어 있으며, 이러한 것은 도 3 및 도 4의 설명에서 이미 자세히 언급되었다.
예를 들어 상기 표에서 추론할 수 있는 바에 따르면, 0°에서 90°까지의 회전각 영역에서 제 1 밸브(10)는 이러한 제 1 밸브(10)가 완전히 폐쇄되어 있는 출발 위치에서 상기 제 1 밸브(10)가 완전히 개방되어 있는 위치로 이동하는 반면, 0°에서 90°까지의 회전각 범위에서 제 2 밸브(11)는 그가 완전히 폐쇄된 상태로 지속된다. 표에 열거된 회전각들은 단지 본 발명의 특수한 실시예와만 관련된 것이며, 다른 조건 또는 사용 영역에 적합하게 조정될 수 있다.
도 6은 작동 부재들을 동작시키기 위한 본 발명에 따른 장치(1)의 제 2 실시예를 도시한다. 도 6은 기어 장치(4)와 연결될 수 있는, 이미 공지된 드라이브(2)를 보여준다. 상기 기어 장치(4)는 변조 범위(15) 내에서 제어 수단(3)의 선형 운동을 가능하게 하는 방식으로 형성되어 있다. 대안적으로 상기 드라이브(2)는 선형 드라이브일 수 있으며, 상기 기어 장치(4) 없이도 제어 수단(3)의 이러한 선형 운동을 구현할 수 있다.
다수의 제어 중심부(5, 6 및 14)는 제어 수단(3)을 따라서 캠 트랙(13)의 형태로 서로 나란히 배치되어 있다. 다른 변형예에서는 또한 하나의 캠 트랙(13)이 하나의 연속하는 단일 부재로 사용될 수도 있다. 이러한 경우 제어 중심부(5, 6 및 14)들은 상기 캠 트랙(13) 상에 섹션들로 형성된다. 따라서 상기 캠 트랙(13)의 제 1 섹션은 예를 들면 제 1 제어 중심부(5)를 형성하는 반면, 상기 제 1 섹션에 후속하는 제 2 섹션은 제 2 제어 중심부(6)를 형성하고, 그 다음 제 2 섹션에 후속하는 제 3 섹션은 제 3 제어 중심부(14)를 형성한다.
캠 트랙(13) 또는 제어 중심부(5, 6 및 14)들의 표면 프로파일을 적합하게 형성함으로써, 도시된 밸브(10, 11 및 12)들이 필요한 경우에 맞게 제어될 수 있다. 도 6의 예에서 보면, 제어 수단(3)이 변조 범위(15) 내에서 도시된 위치에 있을 때 제 1 밸브(10)는 완전히 개방된 상태로 있고, 반면에 제 2 밸브(11)는 개방되기 시작하며, 그리고 제 3 밸브(12)는 완전히 폐쇄된 상태로 있다. 제어 수단(3)의 위치가 오른쪽으로 변경되면, 밸브(11) 및 후속해서 밸브(12)도 완전히 개방될 수 있다.
도 6에는 예시적으로 제어 중심부(5, 6 및 14)들의 형성이 거의 동일하게 도시되어 있다. 물론 상기 제어 중심부(5, 6 및 14)들은 다른 형상을 가질 수도 있으며, 상기와 같이 각각 달성해야 할 제어 또는 조절 과제에 적합하게 조정될 수 있다.
도 7에는 변조 범위(15) 내에서 선형 드라이브의 편향에 따라, 도 6에 따른 장치의 작동 부재(10, 11 및 12)들의 행정 기능의 프로파일이 다이어그램으로 도시되어 있다.
이 경우 섹션 Ⅰ에 실선으로 도시된 행정 프로파일은 제 1 작동 부재(10)에 할당된다. 섹션 Ⅱ에 파선으로 도시된 행정 프로파일은 제 2 작동 부재(11)에 할당되며, 그리고 섹션 Ⅲ에 점선으로 도시된 행정 프로파일은 제 3 작동 부재(12)에 할당된다.
상기 도면은, 0%에서 시작하여 100%의 최대 변조 방향으로 변조 범위(15) 통과 시, 제일 먼저 제 1 밸브(10)가 개방되고, 반면에 밸브(11 및 12)들은 폐쇄된 상태로 지속되는 것을 보여준다. 섹션 Ⅰ에 도시된 행정 프로파일에 따르면, 제 1 밸브(10)는 0%의 변조 범위에서는 완전히 폐쇄되어 있다. 변조가 증가하면, 밸브(10)는 개방되기 시작하고, 섹션 Ⅰ의 중간에서 완전히 개방되며, 그 다음 제 1 섹션Ⅰ의 말단에서 다시 완전히 폐쇄될 때까지 다시 폐쇄되기 시작한다.
후속하는 제 2 섹션 Ⅱ에서는, 제 2 밸브(11)의 관련된 변조 범위(15) 통과 시 전술한 개방 및 폐쇄 과정이 반복된다. 이러한 섹션 Ⅱ에서는 제 2 밸브(11)가 완전히 개방된 상태에 도달하고, 반면에 제 1 밸브(10)와 제 3 밸브(12)는 완전히 폐쇄된 상태로 지속된다.
그 다음 제 3 섹션 Ⅲ의 중간 영역에서는 제 3 밸브(12)가 완전히 개방되고, 반면에 제 1 밸브(10)와 제 2 밸브(11)는 폐쇄 상태로 지속된다.
당업자는 예를 들면 캠 트랙(13)을 변경하거나 또는 제어 수단(3) 상에서 제어 중심부(5, 6 및 14)들을 이동시킴으로써, 밸브(10, 11 및 12)들의 시점 및/또는 개구 폭을 상응하게 변경할 수 있고, 그리고 당면한 제어 또는 조절 과제에 적합하게 조정할 수 있다. 드라이브(2)에 의해 제어되는 밸브 및/또는 플랩의 수는 2개 또는 3개로 제한되지 않는다. 또한, 드라이브(2)에 의해 하나 또는 다수의 밸브 그리고 하나 또는 다수의 플랩을 동시에 또는 서로 독립적으로 동작시킬 수 있는 가능성도 존재한다.
도 8은 작동 부재(10)를 동작시키기 위한 본 발명에 따른 장치(1)의 추가 실시예를 도시한다.
상기 실시예는 이미 공지된 부품들, 즉 드라이브(2), 기어 장치(4), 샤프트(7) 그리고 길이 방향으로 운동 가능한 제어 수단(3)을 포함한다. 도 6에 따른 실시예와 달리, 변조 범위(15) 내에서 제어 수단(3)의 길이 방향 운동이 기어 장치(4)에 의해 달성되지 않고, 웜 드라이브(16)의 삽입에 의해 달성된다. 본 실시예에서도 마찬가지로 제어 수단(3)을 따라서 다수의 제어 중심부(5, 6 및 14)가 배치되어 있다. 대안적으로 상기 제어 중심부(5, 6 및 14)들은 도면에 도시되지 않은 캠 트랙(13)의 형태로도 형성될 수 있다. 상기 제어 중심부(5, 6 및 14)들에 의한 밸브(10, 11 및 12)들 제어는 도 7에 묘사된 방식에 상응한다. 도 8에는, - 도 7의 섹션 Ⅱ과 비교 - 제 2 밸브(11)의 행정이 최대치인 상태가 도시되어 있다. 이러한 상태에서는 제 2 밸브(11)가 개방되어 있고, 밸브(10 및 12)들은 폐쇄되어 있다.
도 8은 가정 가능한 본 발명의 또 다른 대안예를 도시한다. 실시예는 상기 기술된 2개의 실시예로 한정되지 않는데, 그 이유는 당업자에게는 액추에이터의 입력측 제어 변수를 다수의 제어 중심부(5, 6 및 14)의 기계적 운동으로 전환하여 다수의 작동 부재(10, 11 및 12)를 동작시키기 위한 추가 가능성들이 공지되어 있기 때문이다.
도 9에는 캠 트랙(13)의 부분으로서 다수의 제어 중심부를 갖는 제어 수단(3)의 2개의 실시예가 가정 가능한 2개의 변형예로 도시되어 있다.
도 9의 상부 부분에는 원형 트랙(17)을 따라서 연장되는 캠 트랙(13)이 도시되어 있다. 이 경우 상기 원형 트랙(17)은 도 9에 예시적으로 도시된 바와 같이, 원주의 일부분을 따라서 연장될 수 있다.
원형 트랙(17)은 다수의 융기부(18)를 가지며, 이 경우 상기 각각의 융기부(18)가 제어 중심부에 할당된다. 따라서 제 1 융기부(18)가 제 1 제어 중심부(5)에 할당될 수 있고, 제 2 융기부(18)가 제 2 제어 중심부(6)에 할당될 수 있다. 또한, 제어 수단(3)은 도면에 도시되지 않은 드라이브(2)에 의해 회전축(21)을 중심으로 움직일 수 있다. 양방향 화살표로 표시된 상기와 같은 회전 운동에 의해서는, 예에 도시된 제 1 작동 부재(10)는 위치가 수평으로 변경되어 밸브(10) 또는 플랩(10)이 작동된다. 도 9에 도시되지 않은 제 2 작동 부재(11)는 임의의 각으로, 예를 들면 30?, 45?, 90? 또는 180°로 제 1 작동 부재(10)에 대해 오프셋 되는 방식으로 배치될 수 있다. 그러므로 적어도 2개의 작동 부재(10 및 11)가 회전축(21)을 중심으로 한 제어 수단(3)의 회전에 의해 제어된다. 상세한 설명에 언급된 각도의 도수는 이러한 값으로 제한됨을 의미하지 않으며, 요구 조건에 상응하게 변경될 수 있다.
대안적인 실시예에서 작동 부재(10, 11 및 12)들을 동작시키기 위한 캠 트랙(13)은 또한 제어 수단(3) 내에 홈(19)으로도 형성될 수 있다. 상기와 같은 홈은 길이 방향 연장부를 갖거나, 또는 도 9의 하부 부분에 도시된 바와 같이, 원형으로 연장될 수 있다. 홈(19)은 다수의 편향(20)을 갖는데, 이러한 편향들은 다수의 제어 중심부(5 및 6)를 형성한다. 제어 수단(3)이 회전축(21)을 중심으로 회전되면, 도시된 제 1 작동 부재(10)는 위치가 홈(19)을 따라서 수평으로 변경되며, 따라서 밸브(10) 또는 플랩(10)이 작동된다. 본 실시예에서도 마찬가지로, 적어도 제 2 작동 부재(11)가 제 1 작동 부재(10)에 대한 각도만큼 오프셋 되어 배치될 수 있으며, 따라서 적어도 2개의 작동 부재(10 및 11)가 동시에 작동될 수 있다.
도 10에는 공기 처리(air treatment) 영역, 배기가스 후처리 영역 그리고 배기가스 재순환의 저압 영역과 고압 영역을 갖는 내연 기관의 개략도가 도시되어 있다. 도 10에서는 본 발명의 사용이 3개의 각기 다른 위치에서 예시적으로 제시된다. 각 하나씩의 제 1 작동 부재(10)와 제 2 작동 부재(11)를 구비하는 다수의 작동 부재를 동작시키기 위한 본 발명에 따른 장치(1)의 드라이브(2)가 각각 도시되어 있으며, 이때 상기 제 1 및 제 2 작동 부재는 드라이브(2)에 의해 제어되는 제 1 및 제 2 제어 중심부(4 및 5)를 통해서 작동된다.
상기 예에 도시된 바와 같이, 필요한 드라이브 수가 절반으로, 즉 6개의 밸브를 제어하기 위해 필요한 선행 기술에 따른 6개의 드라이브 수의 절반인 3개의 드라이브로 감소될 수 있다. 따라서 작동 부재들을 동작시키기 위한 장치들에 대한 비용, 필요한 설치 공간 및 중량이 현저히 줄어든다.
1: 작동 부재들을 동작시키기 위한 장치
2: 드라이브/모터/액추에이터
3: 제어 수단
4: 기어 장치
5: 제 1 제어 중심부/캠 디스크/캠
6: 제 2 제어 중심부/캠 디스크/캠
7: 샤프트
8: 제 1 편향 수단
9: 제 2 편향 수단
10: 제 1 작동 부재/밸브
11: 제 2 작동 부재/밸브
12: 제 3 작동 부재/밸브
13: 캠 트랙
14: 제 3 제어 중심부/캠 디스크/캠
15: 변조 범위
16: 웜 드라이브
17: 원형 트랙
18: 융기부
19: 홈
20: 편향
21: 회전축

Claims (10)

  1. 드라이브(2)와 연결된 제어 수단(control means)(3)을 구동시키기 위한 드라이브(2)를 포함하고, 상기 제어 수단(3)은 작동 부재(10)와 적어도 간접적으로 연결되어 있는, 작동 부재(10)들을 동작시키기 위한 장치(1)로서,
    상기 제어 수단(3)이 적어도 제 1 제어 중심부(first control center part)(5)와 제 2 제어 중심부(second control center part)(6)를 갖고, 상기 제 1 제어 중심부(5)는 상기 제 1 작동 부재(10)와, 그리고 상기 제 2 제어 중심부(6)는 제 2 작동 부재(11)와 적어도 간접적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 작동 부재들을 동작시키기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 제어 중심부(5)와 제 2 제어 중심부(6)를 위해 각 하나의 캠 디스크(cam disk)가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 작동 부재들을 동작시키기 위한 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 제어 중심부(5)와 제 2 제어 중심부(6)를 위해 적어도 2개의 섹션을 갖는 캠 트랙(cam track)(13)이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 작동 부재들을 동작시키기 위한 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 캠 트랙(13)이 적어도 2개의 융기부(18) 또는 편향(20)을 갖는 선형으로 연장되거나 원형인 트랙(17) 또는 홈(groove)(19)인 것을 특징으로 하는, 작동 부재들을 동작시키기 위한 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 작동 부재(10) 및/또는 제 2 작동 부재(11)가 밸브 또는 플랩인 것을 특징으로 하는, 작동 부재들을 동작시키기 위한 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 드라이브(2)와 상기 제 1 및 제 2 제어 중심부(5, 6) 사이에 기어 장치(4) 및 샤프트(7)가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 작동 부재들을 동작시키기 위한 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및/또는 제 2 제어 중심부(5, 6)와 관련된 작동 부재(10, 11) 사이에 편향 수단(8, 9)이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 작동 부재들을 동작시키기 위한 장치.
  8. 드라이브(2)와 연결된 제어 수단(3)이 제공되고, 상기 제어 수단(3)은 상기 드라이브(2)에 의해 구동되는 방식으로 작동 부재(10)를 제어하는, 작동 부재(10)들을 동작시키기 위한 방법으로서,
    상기 제어 수단(3)이 제 1 제어 중심부(5)와 제 2 제어 중심부(6)를 갖고, 상기 제 1 제어 중심부(5)는 제 1 작동 부재(10)를, 그리고 상기 제 2 제어 중심부(6)는 제 2 작동 부재(11)를 동시에 제어하며, 이때 제어는, 상기 제 1 및 제 2 작동 부재(10, 11)가 동시에 폐쇄되는 적어도 제 1 상태 그리고 상기 제 1 작동 부재(10)가 폐쇄되고, 상기 제 2 작동 부재(11)는 개방되거나, 또는 상기 제 1 작동 부재(10)가 개방되고, 상기 제 2 작동 부재(11)는 폐쇄되는 제 2 상태가 제어될 수 있는 방식으로 실행되는 것을 특징으로 하는, 작동 부재들을 동작시키기 위한 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 작동 부재(10)와 제 2 작동 부재(11)가 적어도 부분적으로 동시에 개방되는 제 3 상태가 제어될 수 있는 방식으로 제어가 실행되는 것을 특징으로 하는, 작동 부재들을 동작시키기 위한 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 3 상태 동안에는, 상기 제 1 작동 부재(10)가 자신의 적어도 부분적으로 개방된 상태에서 폐쇄 제어되는 반면에, 이와 동시에 상기 제 2 작동 부재(11)는 자신의 적어도 부분적으로 개방된 상태에서 추가로 개방 제어되거나, 또는 상기 제 1 및 제 2 작동 부재가 이와 반대로 개방 및 폐쇄 제어되는 방식으로 제어가 실행되는 것을 특징으로 하는, 작동 부재들을 동작시키기 위한 방법.
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