KR19990054588A - 트로틀 밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 엔진의 흡기계에 사용되는 트로틀 밸브에 관한 것이다. 본 발명에 따른 트로틀 밸브는, 서로 맞물려 서로 반대방향으로 회전하는 제1샤프트 및 제2샤프트와, 이들에 각각 고정되어 90도 각도 범위 내에서 회전 가능하도록 형성된 두 개의 반원판형 회전 날개를 구비함으로써, V자형으로 접혀지는 동작으로 공기 유량을 조절하므로 공기 유동의 불균형이 없어 밸브의 떨림이 적고, 공기의 저항을 적게 받으며, 공기 역류 발생시 역류를 효과적으로 막아준다.

Description

트로틀 밸브

본 발명은 자동차 엔진의 흡기계에 사용되는 트로틀 밸브에 관한 것이다.

트로틀 밸브는 도 1에 도시된 바와 같은 자동차 엔진의 흡입계에 배치된 트로틀 몸체(Throttle Body)(10)에서 연료 가스와 함께 연소실로 흡입되는 공기의 양을 조절하는 밸브이다. 트로틀 몸체(10)는 흡입계에서 공기의 유량을 측정하는 공기 흐름계(Air Flow Meter)(20) 뒤에 위치하며 연소실(30)로 흡입되는 공기량을 조절한다. 이 몸체(Body)(10)는 알루미늄으로된 몸체와 트로틀 밸브(Throttle valve)(1), 트로틀(throttle) 위치 센서(2), 아이들 속도(idle speed) 조절부(3) 등으로 이루어져 있다. 이 중 통상적인 트로틀 밸브(Throttle Valve)(1)는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 원형의 판으로 된 나비 밸브(Butterfly valve)로 잘 알려져 있으며, 운전석의 액셀레이터(Accelerator)(미도시)에 의해 0°에서 90°까지 움직이면서 공기 흡입구를 개폐한다.

일반적으로 공기와 연료 혼합비(A/F Ratio)는 이론적으로 완전 연소를하는 14.7:1을 이론 공연비로 하여 연소하게 되어 있다. 이 이론 공연비를 λ=1(λ:excess-air factor 또는 air ratio, 즉 A/F Ratio가 이론 공연비에서 벗어난 정도를 나타냄)로도 부르는데, λ<1 일 때는 공기 부족 또는 연료 과잉(Rich mixture)으로 출력이 증가하고, λ>1 일 때는 공기 과잉 또는 연료 부족(Lean mixture)으로 낮은 출력을 낸다.

트로틀 밸브(Throttle valve)가 도 3a에 도시된 바와 같이 닫혔을 때에는 밸브 날개(1)가 수직으로 배치되어 공기가 연소실로 흡입되지 못하고 공기유로를 막는다. 이 때는 도 1에 도시된 바와 같은 아이들 속도(idle speed) 조절부(3)에서 엔진이 아이들(idle) 상태를 유지하도록 공기량을 조절해준다.

다음은 엔진의 속도를 높일 경우인데 부분 트로틀(Part-throttle) 상태가 되고, 운전석의 액셀레이터(Accelerator)에 의해 트로틀 밸브의 열린정도가 조절되어 속도가 조절된다. 즉, 도 3b에 도시된 바와 같이, 트로틀 밸브의 날개(1)가 부분적으로 열렸을 때(Part-throttle 동작)는 트로틀 밸브(Throttle valve)의 열린 각도에 따라 출력이 조절되며, 이 때 공기와 연료의 혼합비는 λ=1이 되도록 동작한다.

그리고 엔진의 최대 속도 또는 힘이 필요할 때 풀-트로틀(Full-throttle) 상태가 된다. 이 때는 밸브 날개(1)가 수평을 유지하여 흡입 공기량이 최대가 된다. 즉, 트로틀 밸브(Throttle valve)가 도 3c에 도시된 바와 같이, 완전히 열렸을 때(Full-throttle 동작)는 엔진 최대 토오크(Torque)와 출력을 내도록 공기와 연료가 최대로 주입된다. 가속(Acceleration)시에 순간적으로 이와 같은 풀-트로틀(full-throttle) 동작을 하게 된다. 이와 같이 트로틀 밸브는 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이 밸브가 운전석의 액셀레이터 패달(Accelerator pedal)에 의해 수직에서 수평으로 최대 90°의 움직임을 갖는다. 이 열린 각도로 공기량이 결정되고 자동차 엔진의 회전수, 즉 속도가 정해지게 된다.

그러나 기존의 1자형 나비 밸브(트로틀 밸브)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 닫힌 상태(수직)에서 밸브가 열릴 때 윗부분은 오른쪽 방향으로 열리고 아래 부분은 왼쪽 방향으로 열리게 되므로, 아래 부분은 공기의 방향과 반대 방향이 열리게 된다. 따라서, 밸브 오픈시 공기의 저항을 많이 받게 되어 제어가 쉽지않게 되고, 저항으로 인한 공기 흡입량도 줄어들게 된다. 특히, 도시된 바와 같이 비스듬히 열렸을 때 아래위의 비대칭으로 인하여 공기의 흐름이 불규칙하게 되고 떨림이 발생하게 된다.

또한, 연소실 내의 불완전 연소에 의해 역화(Backfire)가 발생할 때 역류가 발생하게 되는 경우, 이 역류에 의해 트로틀 몸체(throttle body) 앞부분에 위치한 공기유량측정장치(Air Flow Meter)에 오차가 발생하게 된다. 공기유량측정장치는 방향성없이 단지 흐르는 공기량만 측정하기 때문에 역방향 공기의 흐름도 정방향으로 인식하여 오차를 발생시킨다. 이는 연소실 앞부분에 위치한 트로틀 밸브(throttle valve)의 구조에 어느 정도 기인한다고 할 수 있는데, 도 4에 도시된 바와 같이, 트로틀 밸브가 역방향의 유량도 순방향의 유량과 같이 동일한 비율로 통과시키기 때문이다.

또한, 현재 자동차 부품은 집적(Integration)화가 추진되고 있는 상황이다. 이는 여러 가지 부품을 집적화함으로서 많은 유리한 점이 있기 때문이다. 흡기계 쪽에 대해서도 공기유량측정장치(Air Flow Meter)와 트로틀 몸체(throttle Body)의 집적화가 진행되고 있다. 이와 같이 집적화를 추진함에 따라서 부품의 가격이 낮아지고 신뢰성도 향상되는 등의 많은 장점이 있다. 이러한 집직화의 추진 단계에서 볼 때, 기존의 트로틀 밸브는 1자형으로 되어있기 때문에, 도 5에 도시된 바와 같이 완전히 열렸을 경우, 동작 공간이 2t 만큼 필요하게 되어, 앞서 언급한 불규칙한 유동과 구조상의 제한으로 공기유량측정장치(Air Flow Meter)와 최소한 t 만큼의 일정 거리 이상을 이격시켜야 하는 어려움이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 밸브 개폐시 밸브가 V자로 동작하도록 개선하여 밸브의 일정한 개폐 정도에 따른 역방향의 공기 흐름을 순방향의 공기 흐름 보다 어렵게함으로써, 엔진의 성능을 향상시키고 주변 부품과의 집적화도 용이하도록 개선된 트로틀 밸브(throttle valve)를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 자동차 엔진의 흡기계를 보여주는 단면도,

도 2a 및 도 2b는 각각 도 1의 흡기계에서 종래의 트로틀 밸브의 닫힌 상태와 열린 상태의 모습을 보여주는 개략적 사시도,

도 3a 내지 도 3c는 각각 도 2a 및 도 2b의 트로틀 밸브의 동작을 보여주는 도면,

도 4는 도 3b의 부분-트로틀 상태에서 순방향 및 역방향의 공기의 흐름을 보여주는 도면,

도 5는 도 3c의 풀-트로틀 상태에서 트로틀 밸브가 차지하는 영역을 나타내는 도면,

도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명에 따른 트로틀 밸브(제1실시예)의 개략적 구성을 보여주는 측면도 및 정면도,

도 7은 도 6a 및 도6b의 트로틀 밸브가 부분적으로 열린 모습을 보여주는 개략적 사시도,

도 8a 및 도 8b는 각각 본 발명에 따른 또 다른 트로틀 밸브(제2실시예)의 개략적 구성을 보여주는 측면도 및 정면도,

도 9a 내지 도 9c는 각각 상기 본 발명에 따른 두 트로틀 밸브의 동작을 보여주는 도면들,

도 10은 도 9b의 부분-트로틀 상태에서 정방향 및 역방향의 공기 흐름을 보여주는 도면,

그리고 도 11은 도 9c의 풀-트로틀 상태에서 트로틀 밸브가 차지하는 영역을 보여주는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1. 트로틀 밸브 날개 2. 트로틀 위치 센서

3. 아이들 속도 조절부

10. 트로틀 몸체 20. 공기유량측정장치

30. 연소실

100a. 트로틀 밸브 윗날개 100b. 트로틀 밸브 아래날개

101a. 제1샤프트 101b. 제2샤프트

102. 케이스 150. 액셀레이터

151. 선

200a. 트로틀 밸브 윗날개 200b. 트로틀 밸브 아래날개

201a. 제1샤프트 201b. 제2샤프트

202. 케이스 203. 기어

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 트로틀 밸브는, 자동차의 흡기계에 위치하여 공기유량을 조절하는 트로틀 밸브에 있어서, 서로 반대방향으로 회전하는 제1샤프트 및 제2샤프트; 상기 제1샤프트 및 제2샤프트에 각각 고정되어 상기 제1샤프트 및 제2샤프트의 회전에 따라 각각 90도 각도 범위 내에서 회전 가능하도록 형성된 두 개의 반원판형 회전 날개;를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제1샤프트 및 제2샤프트는 하나의 원통형 케이스에 내장되고, 상기 제1샤프트 및 제2샤프트에는 서로 맞물려 회전하는 기어가 적어도 한 쌍 이상 형성된 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 트로틀 밸브를 상세하게 설명한다.

도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명에 따른 트로틀 밸브(제1실시예)의 개략적 구성을 보여주는 측면도 및 정면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 트로틀 밸브는, 케이스(102) 내에서 서로 반대방향으로 돌아가는 두 개의 샤프트(101a, 101b)에 각각 고정된 반원형 날개(100a, 100b)로 구성되어, V자형으로 접히도록 작동된다. 즉, V자형으로 접히도록 동작하기 때문에 단순히 하나의 샤프트(Shaft)에 날개를 연결하지 않고 두 개의 작은 샤프트를 이용하여 위쪽 날개(100a)와 아래쪽 날개(100b)를 따로 동작되게 한다. 이는 두 날개(100a, 100b)가 서로 반대 방향으로 회전을 해야되기 때문이다. 도 6a 및 도 6b의 제1실시예를 보면 윗날개(100a)는 제1샤프트(Shaft1)(101a)에 고정되어 있고, 아래날개(100b)는 제2샤프트(Shaft2)(101b)에 고정되어 있다. 그리고 두 개의 샤프트는 케이스(case)(102)로 감싼다. 이 케이스(102)는 두 개의 샤프트 사이로 공기가 통과하는 것을 막고 공기저항을 감소시키기 위한 것이다. 이 트로틀 밸브에서 양 날개(100a, 100b)의 개폐 동작은 액셀레이터(Accelerator)(150)에 의해 조정되는데, 액셀레이터(150)를 밟았을 때 윗날개(100a)는 시계방향으로 아래쪽날개(100b)는 반시계방향으로 회전하도록 액셀레이터(150)와 샤프트(101a, 101b)를 연결하는 선(151)이 배치된다. 따라서, 트로틀 밸브의 양 날개가 액셀레이터의 동작에 의해, 도 7에 도시된 바와 같이, V자형 동작을 하게 된다.

도 8a 및 도 8b는 각각 본 발명에 따른 또 다른 트로틀 밸브(제2실시예)의 개략적 구성을 보여주는 측면도 및 정면도이다. 제1실시예와 다른 점은 두 샤프트에 기어(203)가 설치되어 있는 점이다. 기어(203)에 의해 서로 맞물려 있으므로 회전시 윗날개(200a)와 아래날개(200b)의 회전각이 정확히 일치하게 되며, 한 쪽 샤프트의 회전만으로 두 개의 날개(200a, 200b)를 동시에 동작시킬 수 있는 장점이 있다.

이와 같이 구성된 트로틀 밸브는, 도 9a 내지 도 9c에 도시된 바와 같은 원리로 동작한다.

본 발명은 기존의 트로틀 밸브가 1자형으로 동작시에 비대칭으로 발생되는 문제와 공기 저항이 커지는 문제, 역류 문제등을 해결하고자, 도 7에 도시된 바와 같이, V자형으로 동작하는 트로틀 밸브를 도입한 점에 특징이 있다. 즉, 도 9a에 도시된 바와 같이, 닫힌상태는 기존의 트로틀 밸브와 동일하게 보이지만, 도 9b에 도시된 바와 같이, 부분 트로틀(Part-throttle)일 때는 윗날개(200a)와 아래날개(200b)가 동시에 동일한 각도로 V자형으로 접혀 흡입공기를 통과시킨다. 이렇게 V자형으로 접힘으로서 1자형이 갖는 단점을 해결할 수 있게 된다. 즉, 기존의 트로틀 밸브는, 도 4에 도시된 바와 같이, 정방향의 유동이 한곳으로 몰리게 되고 이로 인해 유동의 흔들림이 심하게 된다. 또 밸브의 열리는 방향이 아래쪽 날개는 공기흐름과 반대 방향이고 윗쪽 날개는 정방향으로 밸브의 떨림 현상이 심하다. 그러나, 본 발명의 트로틀 밸브는, 도 9b에 도시된 바와 같이, 윗날개(200a)와 아래날개(200b)가 대칭적으로 V자로 열림으로 비대칭에 의한 떨림과 유동의 집중이 없이 공급되고, 공급되는 유량도 크게된다.

역방향의 유동에 대해 기존의 트로틀 밸브는 정방향과 역방향의 유동을 모두 동일하게 통과시키고 있는데 반하여, 본 발명의 트로틀 밸브는 도 10에 도시된 바와 같이, 트로틀 밸브가 V자형으로 접혀서 역방향의 유동을 막아주게 된다. 풀 트로틀(Full-throttle)의 경우에는 도 9c에 도시된 바와 같이, 윗날개와 아래날개가 완전히 겹쳐져 종래의 트로틀 밸브와 마찬가지로 모두 수평으로 흡입공기를 최대한 공급하게 된다. 이 때 종래의 트로틀 밸브는 차지 영역이 도 5에 도시된 바와 같이 2t이지만, 본 발명의 트로틀 밸브는 윗날개와 아래날개가 겹쳐지므로 도 11에 도시된 바와 같이 t만큼의 영역만 차지한다. 따라서, 흡기계의 집적화로 공기유량측정장치(Air Flow Meter)와 트로틀 몸체(Throttle body)를 집적화 할 경우에 문제가 되는 공기유량측정장치(Air Flow Meter)와 트로틀 몸체(Throttle body) 사이의 거리를 절반으로 좁힐 수 있게 된다. 즉, 기존의 트로틀 밸브가 1자형으로 90°회전 동작을 하기 때문에 V자형으로 동작하는 본 발명의 트로틀 밸브 보다 t만큼의 공간이 더 필요하고, 공기유량측정장치(Air Flow Meter)와 트로틀 밸브를 가까이 위치시켰을 때 기존 트로틀 밸브의 비대칭적 동작에 의해 앞단의 공기유량측정장치(Air Flow Meter)의 동작에 영향을 주게 되어 더욱 넓은 공간이 필요하게 된다. 그러나 본 발명의 트로틀 밸브는 V자형 접혀짐으로써 유동이 균일하게 흐르기 때문에 기존의 트로틀 밸브의 문제점이 개선된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 트로틀 밸브는, 서로 맞물려 서로 반대방향으로 회전하는 제1샤프트 및 제2샤프트와, 이들에 각각 고정되어 90도 각도 범위 내에서 회전 가능하도록 형성된 두 개의 반원판형 회전 날개를 구비함으로써, 첫째 V자형으로 접혀지는 동작으로 공기 유량을 조절하므로 공기 유동의 불균형이 없어 밸브의 떨림이 적고, 둘째 동작시 공기의 저항을 적게 받으며, 세째 공기 역류 발생시 역류를 효과적으로 막아주며, 네째 공기 유량 조절 동작에 필요한 영역이 작아 흡기계의 집적화가 용이한 장점이 있다.

Claims (4)

1. 자동차의 흡기계에 위치하여 공기유량을 조절하는 트로틀 밸브에 있어서,

   서로 반대방향으로 회전하는 제1샤프트 및 제2샤프트;

   상기 제1샤프트 및 제2샤프트에 각각 고정되어 상기 제1샤프트 및 제2샤프트의 회전에 따라 각각 90도 각도 범위 내에서 회전 가능하도록 형성된 두 개의 반원판형 회전 날개;를

   구비한 것을 특징으로 하는 트로틀 밸브.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1샤프트 및 제2샤프트는 하나의 원통형 케이스에 내장된 것을 특징으로 하는 트로틀 밸브.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1샤프트 및 제2샤프트에는 서로 맞물려 회전하는 기어가 적어도 한 쌍 이상 형성된 것을 특징으로 하는 트로틀 밸브.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제1샤프트 및 제2샤프트는 하나의 원통형 케이스에 내장된 것을 특징으로 하는 트로틀 밸브.