KR20140028120A

KR20140028120A - 내연기관 배가스 조절 밸브장치

Info

Publication number: KR20140028120A
Application number: KR1020147002162A
Authority: KR
Inventors: 한스 제라드; 해럴드 블로메리우스
Original assignee: 피어불그 게엠베하
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2014-03-07
Also published as: DE102011106744B3; US20140117267A1; ES2535829T3; CN103620190A; EP2726719A1; KR101576403B1; JP2014520993A; WO2013000643A1; CN103620190B; US9217377B2; EP2726719B1

Abstract

유체가 흐르는 채널(4)을 형성하는 하우징(2) 내부에서 축선(16)을 중심으로 회전되게 설치된 축(8); 및 축(8)에 연결되고, 채널(4)의 유동 단면적을 조절할 수 있으며, 제1 원주를 갖는 2개의 단단한 지지판(18,20) 사이에 더 큰 원주를 갖는 탄성 플랩바디(22)가 배치되어 있는 플랩(6)을 갖는 내연기관 배가스 조절 밸브장치들이 알려져 있지만, 이런 밸브장치는 높은 밀봉을 위해 큰 작동력이 필요하다. 본 발명은 탄성 플랩바디(22)의 가장자리와 지지판(18,20)의 가장자리 사이의 간격이 축선(16) 영역에서 최대이고 축선(16)에 직각에서는 최소인 밸브장치를 제공한다. 축에 가까울수록 탄성력이 커진다. 작은 레버아암 때문에, 닫힌 상태에서 낮은 토크로도 플랩을 압박할 수 있다.

Description

내연기관 배가스 조절 밸브장치{VALVE DEVICE FOR CONTROLLING AN EXHAUST GAS FLOW OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연기관 배가스 조절 밸브장치에 관한 것으로, 이 밸브장치는 유체가 흐르는 채널을 형성하는 하우징 내부에서 축선을 중심으로 회전되게 설치된 축과, 이 축에 연결된 플랩을 포함하는데, 플랩은 채널의 유동 단면적을 조절할 수 있으며 제1 원주를 갖는 2개의 단단한 지지판 사이에 더 큰 원주를 갖는 탄성 플랩바디가 배치되어 있는 구조이다.

이런 종류의 밸브장치는 배가스 복귀플랩이나 배가스 플랩에 사용되고, 특히 이런 플랩은 공기배관의 쓰로틀 플랩으로 사용되는 것으로 알려졌다. 이런 밸브장치를 배가스 복귀플랩으로 사용할 때는, 플랩이 닫힌 상태에서는 채널을 가능한 최대로 밀봉하는 한편, 유동량의 조절능력이 아주 좋아야 한다. 또, 고온 배가스의 유동에서도 충분한 내열성이 있어야 한다.

닫힌 상태에서 밀봉성을 개선하고자 하는 멀티파트 플랩 디자인들은 많이 공지되어 있다.

예컨대 EP 1 455 124 A1에 소개된 플랩 밸브는 기체나 액체 도관용으로서, 편심으로 지지되며 출구쪽에 배치된 단단한 요소와, 입구쪽에 배치된 탄성 스프링판으로 이루어진다. 닫힌 상태에서, 하우징에 형성된 단턱부에 스프링판이 맞물린다. 이런 구조에서, 스프링판의 절반은 단단한 요소와 같은 크기이고, 단단한 요소 반대쪽 방향으로 힘을 받으므로, 맞물려있는 상태의 스프링판이 단턱부에 대해 힘을 받는다. 스프링판의 나머지 반쪽은 단단한 요소보다 크기가 커서, 가장자리가 채널 내부의 반대쪽으로 형성된 단턱부에 맞닿는다. 스프링판의 변형은 단단한 요소의 맞물림에 의해 제한된다.

또, EP 1 489 285 A2에 소개된 플랩밸브는 쓰로틀 플랩으로 사용되는 것으로, 2개의 지지판 사이에 탄성판이 배치되어 있으며, 이 탄성판의 모든 원주변은 지지판의 원주변보다 돌출되어 있고, 닫힌 상태에서 탄성판의 외주변이 채널 내벽면에 맞닿는다. 그러나, 이런 플랩은 탄성판이 필요한 내열성을 갖고있지 않아 배가스용으로는 사용할 수 없다.

기존의 모든 디자인에서는, 닫힌 상태에서 밸브장치의 충분한 밀봉성을 보장하는데 비교적 큰 작동력이 필요하다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 가능한 작은 작동력으로도 누설을 최소화할 수 있는 밸브장치를 제공하는데 있다. 이런 밸브장치는 생산이 저렴하면서도 조절성능이 우수해야 한다.

본 발명의 이런 목적은 탄성 플랩바디의 가장자리와 지지판의 가장자리 사이의 간격이 축선 영역에서 최대이고 축선에 직각에서는 최소인 밸브장치에 의해 달성된다. 탄성은 축에 가까울수록 최대인데, 이는 작은 레버아암 때문이고, 하우징 벽에 플랩바디를 압박하는데 최대 토크가 작용해야만 한다. 그 결과, 비교적 작은 작동력이 필요하면서도 압박력에 의해 기밀상태의 닫힘이 이루어진다.

탄성 플랩바디의 가장자리와 지지판의 가장자리 사이의 간격은 축선과 채널 축선의 교차점에서 채널 축선에 대한 각도가 클수록 작아지는 것이 바람직한데, 이렇게 되면 축선에서 멀어질수록 탄성력이 감소되어, 원주부 전체에 지속적인 압박력을 가할 수 있다.

채널과 플랩바디는 원형이고 지지판은 원을 길게 늘인 타원형인 것이 바람직하다. 이런 형상은 생산과 설치가 쉽다.

또, 플랩바디가 스프링강으로 이루어지면 좋다. 스프링강은 내열성이 높아, 배가스 채널에서 사용할 수 있다.

또, 플랩이 닫힌 상태에서 플랩바디의 외연부를 지지하는 단턱부가 하우징에 형성되면, 생산과 조립과정에서의 허용오차 민감도가 떨어져도 양호한 밀봉상태를 이룰 수 있다.

또, 플랩을 중심으로 채널의 하류구간과 상류구간이 축선 높이에서 반경방향으로 서로 어긋난 것이 바람직하다. 이렇게 되면 채널 안에 단턱부를 형성해도 유동 단면적이 동일해져, 개방 상태에서 상하류에서의 유동특성의 변화가 전혀 생기지 않는다.

또, 축선이 플랩바디를 제1 반쪽과 제2 반쪽으로 나누고, 제1 반쪽은 유동방향을 향한 단턱부 표면에 걸리며, 제2 반쪽은 유동방향 반대쪽을 향하는 단턱부 표면에 걸리도록 하는 것이 좋다. 이 경우, 중앙에 지지되는 플랩을 저렴하게 생산할 수 있으면서도, 외주변을 표면에 맞물리게 하여 밀봉을 할 수 있다.

또, 단턱부의 2 표면 사이의 축방향 간격이 플랩바디의 두께보다 작도록 하는 것이 좋다. 이 경우, 플랩바디가 채널내에서 수직으로 있을 때 플랩바디에 의해 표면에 추가 압력이 작용하여, 닫힌 상태에서의 밀봉성이 개선된다. 축에 가까운 부분에서의 높은 탄성력 때문에, 낮은 작동력으로도 누설 없는 밀봉을 이룰 수 있다. 채널내에서의 플랩의 떨림도 방지된다.

또, 플랩이 닫힌 상태에서, 플랩바디가 채널의 벽에서 떨어지도록 한다. 이렇게 되면, 온도차로 인한 팽창에 대비한 허용오차를 갖는 부품들을 생산할 수 있어, 저렴한 생산과 조립이 보장된다. 또, 이런 간격에 따라, 작은 개방각도를 사용하면서도 유동특성의 변화가 가능하다.

단턱부 표면에 작용하는 압력이 플랩바디의 가장자리를 통해 완벽히 작용할 수 있도록, 지지판 전체가 단턱부의 원주면 안쪽에 배치되도록 한다. 따라서, 작용하는 압력에 제한이 없다.

이런 구성에 의하면, 작은 토크로도 플랩의 가장자리 전체를 따라 밀봉결합이 이루어지는 밸브장치가 구현된다. 허용오차를 작게할 필요가 없으므로 플랩을 저렴하게 생산 및 설치할 수 있다. 이런 밸브장치는 막히지도 끼이지도 않는다.

이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 밸브장치의 평면도;
도 2는 도 1의 II-II선 단면도.

본 발명의 밸브장치의 하우징(2) 안에 배가스 채널(4)이 형성된다. 채널(4) 내부에 유량 흐름을 조절하는 플랩(6)이 배치되고, 이 플랩은 액튜에이터(도시 안됨)가 조절한다. 이를 위해, 액튜에이터는 하우징(2)내 지지부(14)에 지지된 축(8)에 연결된다.

채널(4) 양쪽에 있는 하우징(2)의 벽(12)에 형성된 축공(10)을 관통해 축(4)이 지지부(14) 안으로 뻗는데, 플랩(6)의 회전중심인 축선(16)에 의해 채널(4)이 2 부분으로 나누어진다.

채널(4) 내부에 배치된 플랩(6)은 내열성 스프링강으로 된 탄성 플랩바디(22) 양쪽에 2개의 단단한 지지판(18,20)이 배열된 것이다. 2개의 지지판(18,20)과 플랩바디(22)는 서로 붙은채 축(8)의 슬롯(24) 안에 나사(26)로 조여져있다.

플랩(6)이 닫힌 상태에서는 플랩바디(22)의 외연부(28)가 하우징(2)에 형성된 단턱부(30)에 걸린다. 플랩(6)은 축선(16)에 의해 제1 반쪽(32)과 제2 반쪽(34)으로 나누어지고, 제1 반쪽(32)은 채널(4)의 하류구간(38)을 향하는 단턱부(30)의 제1 표면(36)에 가장자리가 걸려있으며, 제2 반쪽(34)은 채널의 상류구간(42)을 향하는 단턱부(30)의 제2 표면(40)에 가장자리가 걸려있다. 상류구간(42)과 하류구간(38)은 축선(16) 높이에서 반경방향으로 서로 어긋나 있지만, 양쪽 채널구간의 단면적은 동일하다. 채널(4)의 벽(12)과 플랩바디의 외연부(28) 사이에 약간의 틈새가 있는데, 단턱부(30)에 플랩바디(22)가 맞물려 누설방지 밀봉이 보장되기 때문에 가능한 것이다. 한편, 2개의 지지판(18,20)은 닫힌 상태에서 전체 표면적이 채널의 하류구간(38)과 상류구간(42)의 유동단면적 안에 완전히 노출될 수 있을 정도의 크기를 가져, 반경 방향으로 지지판(18,20)은 단턱부(30)의 표면(36,40)에 미치지 못한다.

단턱부(30)의 표면(36,40) 사이의 축방향 간격이 플랩바디(22)의 두께보다 작고, 2 표면(36,40)에서 축선(16)까지의 간격은 서로 동일하므로, 축선(16)에 직각으로 배열된 상태에서는, 플랩의 플랩바디(22)의 외연부(28)가 표면(36,40)에 걸려 탄성에 의해 휘어지므로, 닫힌 상태에서 밀봉력이 더 강력해진다.

채널(4)과 플랩바디(22)는 원형이지만, 지지판(18,20)은 도 1에서 알 수 있듯이 원을 길게 늘인 형상의 타원형이고, 타원의 장축은 축선(16)에 직교하며 단축은 축선(16)과 같은 높이에 있다. 이때문에, 플랩바디(22)의 가장자리와 지지판(18,20)의 가장자리 사이의 간격은 축선(16) 방향으로 최대이고 축선(16)에 직각 방향으로 최소로 된다. 또, 플랩바디(22)의 표면의 노출부가 축선(16)에서 지지판(18,20)의 단부로 갈수록 점점 작아진다. 즉, 플랩바디(22)의 가장자리와 지지판(18,20)의 가장자리 사이의 간격이 축선(16)과 채널 축선 사이의 교차점에서 채널 축선에 대한 각도가 증가할수록 작아지고, 이때문에 플랩(6)의 탄성도 이 각도가 커질수록 작아진다.

즉, 플랩(6)의 탄성은 축선(16)에 가까울수록 높다. 따라서, 축선에 가까운 부분의 짧은 레버 때문에, 플랩바디(22)는 단턱부(30)의 표면(36,40)에 맏닿았을 때 비교적 작은 비틀림 모멘트로 변형되어, 낮은 작동력으로도 높은 기밀도를 유지할 수 있다. 이 상황에서, 밸브몸체의 원주부 전체가 표면(36,40)에 맞닿게 되어, 밸브장치의 누설이 최소화된다. 그와 동시에, 이렇게 꽉 맞물리기 때문에 압력진동으로 인해 채널(4) 내부에서의 플랩(6)의 떨림도 방지된다. 채널(4)의 벽(12)으로부터의 플랩바디(22)의 간격을 조절하여, 작은 받음각(angles of attack) 범위에 맞게 유량특성을 조절할 수 있다. 기존의 디자인에 비해, 허용오차 감도가 현저히 낮아지므로 밸브장치를 저렴하게 생산할 수 있다.

이상의 설명은 어디까지나 예를 든 것일 뿐이고, 당업자라면 다양한 변형이나 변경을 할 수 있을 것이다. 예컨대, 지지판의 표면이나 특정 형상의 상호 간격을 고려해 다양한 변형을 할 수 있다. 또한, 플랩을 비원형 채널에서 사용하는 것도 고려할 수 있다.

Claims

유체가 흐르는 채널(4)을 형성하는 하우징(2) 내부에서 축선(16)을 중심으로 회전되게 설치된 축(8); 및 축(8)에 연결되고, 채널(4)의 유동 단면적을 조절할 수 있으며, 제1 원주를 갖는 2개의 단단한 지지판(18,20) 사이에 더 큰 원주를 갖는 탄성 플랩바디(22)가 배치되어 있는 플랩(6)을 갖는 내연기관 배가스 조절 밸브장치에 있어서:
탄성 플랩바디(22)의 가장자리와 지지판(18,20)의 가장자리 사이의 간격이 축선(16) 영역에서 최대이고 축선(16)에 직각에서는 최소인 것을 특징으로 하는 내연기관 배가스 조절 밸브장치.
제1항에 있어서, 탄성 플랩바디(22)의 가장자리와 지지판(18,20)의 가장자리 사이의 간격이 축선(16)과 채널 축선의 교차점에서 채널 축선에 대한 각도가 클수록 작아지는 것을 특징으로 하는 내연기관 배가스 조절 밸브장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 채널(4)과 플랩바디(22)가 원형이고 지지판(18,20)은 원을 길게 늘인 타원형인 것을 특징으로 하는 내연기관 배가스 조절 밸브장치.
제1항 내지 제3항 중의 어느 하나에 있어서, 플랩바디(22)가 내열성 스프링강으로 이루어진 것을 특징으로 하는 내연기관 배가스 조절 밸브장치.
제1항 내지 제4항 중의 어느 하나에 있어서, 플랩(6)이 닫힌 상태에서 플랩바디(22)의 외연부(28)를 지지하는 단턱부(30)가 하우징(2)에 형성된 것을 특징으로 하는 내연기관 배가스 조절 밸브장치.
제5항에 있어서, 플랩(6)을 중심으로 채널(2)의 하류구간(42)과 상류구간(38)이 축선(16) 높이에서 반경방향으로 서로 어긋난 것을 특징으로 하는 내연기관 배가스 조절 밸브장치.
제6항에 있어서, 축선(16)이 플랩바디(22)를 제1 반쪽(32)과 제2 반쪽(34)으로 나누고, 제1 반쪽(32)은 유동방향을 향한 단턱부 표면(36)에 걸리며, 제2 반쪽(34)은 유동방향 반대쪽을 향하는 단턱부(30) 표면(40)에 걸리는 것을 특징으로 하는 내연기관 배가스 조절 밸브장치.
제6항에 있어서, 단턱부(30)의 2 표면(36,40) 사이의 축방향 간격이 플랩바디(22)의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 내연기관 배가스 조절 밸브장치.
제1항 내지 제8항 중의 어느 하나에 있어서, 플랩(6)이 닫힌 상태에서, 플랩바디(22)가 채널(2)의 벽(12)에서 떨어진 것을 특징으로 하는 내연기관 배가스 조절 밸브장치.
제1항 내지 제9항 중의 어느 하나에 있어서, 지지판(18,20) 전체가 단턱부(30)의 원주면 안쪽에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연기관 배가스 조절 밸브장치.