KR20170093155A - 트윈 스크롤 터보차저를 제어하기 위한 모노 또는 듀얼 동축 슬라이더 밸브 - Google Patents

Abstract

매우 유해한 환경에서 긴 서비스 수명을 제공할 수 있는 소형의 흐름 제어 밸브가 제공된다. 밸브는, 적어도 하나의 기능이 점진적으로 제어되는 2개의 상이한 기능을 순차적으로 제어할 수 있는 모노 또는 듀얼 동축 슬라이더 밸브이다. 흐름 제어 밸브는 터보차저의 터빈 하우징(2)의 2개의 볼류트(6,7) 간의 유체 연결뿐만 아니라, 터보차저의 터빈 하우징(2)의 2개의 볼류트(6, 7)와 웨이스트게이트 포트(9) 간의 유체 연결도 제어한다.

Description

트윈 스크롤 터보차저를 제어하기 위한 모노 또는 듀얼 동축 슬라이더 밸브{MONO OR DUAL COAXIAL SLIDER VALVE FOR CONTROLLING A TWIN SCROLL TURBOCHARGER}

본 발명은 매우 유해한 환경에서 긴 서비스 수명을 제공할 수 있는 소형의 흐름 제어 밸브에 관한 것이다. 상기 밸브는, 적어도 하나의 기능이 점진적으로 제어되는, 2개의 상이한 기능을 순차적으로 제어할 수 있는 모노 또는 듀얼 동축 슬라이더 밸브이다.

밸브는 가스의 흐름을 제어하는 데 사용된다. 밸브의 특히 가혹한 환경은 터보차저이다. 과거에 다양한 밸브가 개발되고 사용되어 다양한 성공을 거두었지만, 엔진 요구가 진전함에 따라, 밸브에 대한 요구가 더 커지고 있다.

예를 들면, 차량 연비를 개선하기 위해서는, 차량의 공기역학적 정면 영역(aerodynamic frontal area)을 가능한 한 작게 유선형으로 유지하는 것이 바람직하다. 엔진 컴파트먼트의 소형화는 터보차저 액추에이터와 같은 보조 장비를 배치하고 배향하기 위한 자유도를 감소시킨다. 공간의 사용을 최적화하기 위해서, 밸브는 작고, 경량이며, 임의의 배향으로 자유롭게 조립되어야 하며, 밸브가 하나보다 많은 기능을 제어하는 것이 특히 유리할 것이다.

터보차저는 배기 가스에 의해 구동된다. 터빈 하우징의 외측은 대기 온도와 직면하는 한편, 볼류트 표면은 엔진의 연소 유형에 따라 740 내지 1050 범위의 배기 가스와 접촉한다. 배기 가스로 작동하는 밸브는 고온 및 부식성 산뿐만 아니라, 터보차저의 내부면 상에 축적될 수 있는 매연 입자(soot particle)에 노출된다. 임의의 밸브는 매연 또는 오일 축적으로 인한 부식 또는 걸림(jamming) 없이, 기밀한 밀봉부 및 제어가능 개구부를 제공할 수 있어야 한다. 걸림에 덜 민감한 밸브를 설계하는 것이 유리할 것이다.

터빈 시스템 내부의 배압은 500kPa까지의 범위 내일 수 있다. 높은 시스템 압력에 의해 악영향을 받지 않으면서 최소한의 작동력에 의해, 높은 정밀도로 제어될 수 있도록 웨이스트게이트(wastegate)와 같은 밸브의 설계를 개선하는 것이 유리할 것이다.

웨이스트게이트형 터보차저에서, 터빈 볼류트는 우회 덕트에 의해 엑스듀서(exducer)의 하류에 있는 터빈 유출부에 유체 연결된다. 우회 덕트를 통한 흐름은 웨이스트게이트로서 알려진 밸브에 의해 제어된다. 웨이스트게이트를 작동시키기 위해서, 작동 또는 제어력이 터빈 하우징 외측으로부터 터빈 하우징을 통해 터빈 하우징 내측의 웨이스트게이트로 전달되어야 한다. 예를 들면, 웨이스트게이트 피봇 샤프트가 터빈 하우징을 통해 연장될 수도 있다. 터빈 하우징 외측에서는, 액추에이터가 연결 장치(linkage)를 통해 웨이스트게이트 아암에 연결되고, 웨이스트게이트 아암은 웨이스트게이트 피봇 샤프트에 연결된다. 터빈 하우징 내측에서는, 피봇 샤프트가 웨이스트게이트에 연결된다. 액추에이터로부터의 작동력은 터빈 하우징 내측의 웨이스트게이트를 피봇시키는 피봇 샤프트의 회전으로 변환된다. 웨이스트게이트 피봇 샤프트는 원통형 부싱(bushing) 내에서 회전하거나, 또는 터빈 하우징과 직접 접촉한다. 배기 가스가 압력 하에 있고, 샤프트와 이 샤프트가 배치되는 부싱의 보어 사이에 환형 갭이 존재하기 때문에, 이러한 클리어런스(clearance)를 통해, 가압된 터빈 하우징으로부터 고온의 유독성 배기 가스 및 매연의 배출이 가능하다. 이것은 감소되어야 하는 탄화수소 배출원이다. 터보차저 내부로부터 터보차저를 둘러싸는 주위의 맑은 공기로의 가스 또는 매연 누출은 엔진 제조사에게 허용되지 않는다. 터보차저 배기 가스의 더 양호한 억제가 바람직하다.

또한, 통상의 웨이스트게이트에서, 웨이스트게이트가 개방하기 시작하는 압력("리프트 오프 압력(lift off pressure)")은 그의 작동에 중요하다. 웨이스트게이트는 유압식 액추에이터 및 웨이스트게이트 어셈블리가 터보차저에 조립될 때에 매우 주의해서 설정되어야 한다. 다이어프램이 이동하기 시작하는 정밀한 액추에이터 캔 압력은 사용되는 스프링의 예압(preload)에 따라 달라진다. 스프링의 제조 공차의 변화는, 하나의 스프링으로부터 다음의 스프링으로의 스프링 레이트(spring rate)의 변화가 있을 수 있음을 의미하며, 각 터보차저를 개별적으로 교정하여 리프트 오프 압력을 결정할 필요가 있다. 정밀하게 제어 가능하고 이러한 제조 변화가 없는 웨이스트게이트와 같은 밸브를 가지는 것이 바람직하다.

이중(dual) 기능을 위해 단일 액추에이터를 사용하기 위한 시도가 이루어져 왔다. 미국 특허 제4,893,474호는, 터빈에 대한 배기 가스 유입부 통로의 흐름 면적 또는 종횡비(aspect ratio)를 변화시키는 피봇팅 날개를 제어하고, 또한 웨이스트게이트 밸브도 제어하는 단일의 공압식 액추에이터가 제공된 배기 가스 구동형 터보차저를 교시하고 있다. 예압 스프링 및 벨크랭크 레버(bellcrank lever)를 포함하는 연결 기구가 웨이스트게이트 밸브 및 피봇팅 날개를 제어하는 레버를 작동시킨다. 그러나, 이러한 설계는 다소 복잡해서 실패하기 쉽고, 소형이 아니며, 다수의 기능을 제어하기 위해 다수의 밸브를 필요로 한다.

미국 특허 제8196403호(Caterpillar)는, 밸런스 밸브, 웨이스트게이트, 및 밸런스 밸브와 웨이스트게이트 밸브 양쪽에 공통인 액추에이터를 가지는 터보차저를 교시하고 있다. 밸브 어셈블리가 터빈과 관련되어 EGR 회로 내부의 배기 압력을 조절할 수도 있다. 밸브 어셈블리는 특히 밸런스 밸브, 웨이스트게이트 밸브 및 공통 액추에이터를 포함할 수 있다. 밸런스 밸브는 제1 볼류트로부터의 배기 가스가 선택적으로 제2 볼류트로 통과할 수 있도록 구성될 수 있다. 웨이스트게이트 밸브는 제2 볼류트로부터의 배기 가스가 선택적으로 터빈의 터빈 휠을 우회할 수 있도록 구성될 수 있다. 공통 액추에이터는, 밸런스 밸브와 웨이스트게이트 밸브 양쪽을 흐름 통과 위치와 흐름 차단 위치 사이에서 이동시키도록 제어될 수 있다. 밸브 어셈블리는 터빈과 일체형일 수 있고, 터빈의 터빈 하우징에 장착하는 밸브 하우징에 의해 적어도 부분적으로 에워싸일 수 있다. 그러나, 상기 시스템은 폐쇄하기 위해 상당한 액추에이터 힘을 필요로 하는 다수의 플랩 밸브를 사용한다. 로터리 샤프트는 막히고 걸릴 수 있다.

단일 액추에이터로 다수의 기능을 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 단일의 밸브 또는 밸브 어셈블리(이하, 밸브라 함)로 다수의 기능을 작동시킬 수 있게 할 필요가 있다. 또한, 최소한의 작동력으로 작동될 수 있는 밸브가 필요하다. 마지막으로, 단부 위치에 충돌하지 않는 밸브가 필요하다.

본 발명에 따르면, 제1 실시형태는 듀얼 순차 동축 슬라이더 밸브의 형태로 제공된다.

간단히 말하자면, 2개의 컵 형상 피스톤이 원통형 공간에서 동축으로 슬라이딩한다. 웨이스트게이트 개구부가 실린더의 측면 내에 제공된다. 돌출부가 실린더의 상단부로부터 내측 피스톤의 컵 내로 연장된다. 돌출부는 제1 볼류트와 연통하는 개구부를 포함하고 있다. 실린더 벽 내의 제2 개구부는 제2 볼류트와 연통한다. 양쪽 피스톤이 연장될 때, 내부 컵은 돌출부 내의 제1 볼류트 개구부 및 실린더 벽 내의 제2 볼류트 개구부를 덮어서, 볼류트가 서로 연통하는 것을 방지하고, 외측 피스톤은 웨이스트게이트 개구부를 덮는다. 내측 피스톤이 부분적으로 후퇴될 때, 제1 및 제2 볼류트로의 개구부는 차단 해제되고, 볼류트는 "크로스토크(cross-talk)"될 수 있다. 그런 다음, 내측 피스톤이 더욱 후퇴됨에 따라, 외측 피스톤을 후퇴시켜서, 웨이스트게이트 개구부를 차단 해제하여, 제1 및 제2 볼류트와 웨이스트게이트 사이의 연통을 가능하게 한다.

보다 구체적으로, 제1 실시형태에서, 밸브 어셈블리는, 바람직하게는 터보차저 터빈 하우징 내에 포함되지만, 별도의 추가 유닛일 수도 있는 밸브 하우징 내에 수용된다. 밸브 하우징은 길이방향 축을 가지는 적어도 하나의 원통형 공간을 정의하며, 제1 가스 통로(예컨대, 제1 볼류트)와 연통하는 제1 개구부, 제2 가스 통로(예컨대, 제2 볼류트)와 연통하는 제2 개구부, 및 제3 가스 통로(예컨대, 웨이스트게이트)와 연통하는 제3 개구부를 적어도 가지고 있다. 내측 피스톤 또는 슬리브가 완전 폐쇄 위치와 완전 개방 위치 사이의 원통형 공간 내부에서 슬라이딩할 수 있다. 내측 피스톤은 피스톤 샤프트를 통해 변위 수단, 예를 들어 공압식 또는 유압식 액추에이터 또는 스테퍼 모터에 연결된다. 변위 수단은 완전 폐쇄(연장) 위치와 완전 개방(후퇴) 위치 사이에서 내측 피스톤의 선택적인 선형 변위를 수행하기 위해 제공된다.

외측 피스톤은 내측 피스톤과 동축으로 제공된다. 이것을 가능하게 하기 위해서, 외측 피스톤에는 길이방향 중심축을 통해 연장되는 보어(bore)가 제공된다. 내측 피스톤의 피스톤 샤프트는 외측 피스톤 내의 보어를 통해 연장된다. 외측 피스톤은 완전 폐쇄 위치와 완전 개방 위치 사이에서 슬라이딩할 수 있다. 외측 피스톤의 스트로크 또는 이동은 내측 피스톤의 것보다도 짧다. 외측 피스톤을 그의 완전 폐쇄 위치를 향해 부세하기 위해 스프링 수단이 설치된다.

양쪽 피스톤이 완전 폐쇄 위치에 있을 때, 제1 및 제2 개구부는 내측 피스톤에 의해 폐쇄되고, 제3 개구부는 외측 피스톤에 의해 폐쇄된다.

내측 피스톤이 완전 폐쇄(완전 연장) 위치로부터 완전 개방(후퇴) 위치의 방향으로 후퇴되기 시작함에 따라:

- 처음에, 내측 피스톤은 외측 피스톤과 독립적으로 이동하고 점진적으로 제1 및 제2 개구부를 차단 해제하고,

- 제1 및 제2 개구부를 차단 해제한 후, 내측 피스톤은 외측 피스톤에 인접하고 스프링 수단의 힘에 대항하여 외측 피스톤을 함께 이동시키기 시작하며,

- 마지막으로, 내측 피스톤의 후퇴가 외측 피스톤을 외측 피스톤의 완전 개방 위치까지 후퇴시켜서, 제3 개구부가 완전히 차단 해제되어, 제1, 제2 및 제3 개구부 사이의 연통을 가능하게 한다.

듀얼 순차 동축 슬라이더 밸브가 터보차저 터빈 하우징 내에 제공되는 경우, 제1 개구부는 제1 볼류트와 연통될 수 있고, 제2 개구부는 제2 볼류트와 연통될 수 있으며, 제3 개구부는 웨이스트게이트 통로와 연통될 수 있다. 터빈 하우징의 2개의 볼류트는 트윈 볼류트형 또는 듀얼 볼류트형일 수도 있다.

분리된 배기 흐름이 터빈 유입부 내로 유입되고 분리된 상태로 유지되어, 터빈 휠 효율은 펄스를 이용함으로써 증가될 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 개구부의 내측 피스톤 차단 해제는 필요에 따라 실린더들 사이의 흐름을 크로스토크하거나 밸런싱할 수 있게 할 것이다.

대체적으로, 단일의(혼합된) 배기 흐름은 배기 질량 흐름(exhaust mass flow)이 낮은 경우에 엔진으로부터 터빈 유입부로 흐르고 단일의 볼류트로 유도될 수 있고, 이에 따라 터빈은 소형 터빈처럼 작동한다. 배기 질량 흐름이 예컨대 엔진의 가속으로 인해 증가함에 따라, 내측 피스톤은 제1 및 제2 개구부를 차단 해제하도록 이동될 수 있어, 배기 흐름이 제1 볼류트를 나와서 2개의 볼류트 사이에서 공유될 수 있고, 이에 따라 터빈 하우징은 대형 터빈 하우징처럼 작동한다. 배기 질량 흐름이 터빈의 과구동 위험이 있는 범위로 더욱 더 증가하는 경우, 내측 피스톤은 완전 개방 위치를 향해 이동되어, 외측 피스톤을 대동하여 제2 위치를 개방 위치로 이동시킬 수 있고, 이에 따라 웨이스트게이트 개구부는 필요에 따라 점진적으로 차단 해제된다.

듀얼 순차 동축 슬라이더 밸브 설계가 미학적 아름다움을 가지고 있지만, 자신의 형상, 배향 및 방향을 고려한, 밸브, 개구부, 볼류트, 우회로의 압력, 극한 온도 및 온도 구배, 및 입자 피착과 같은 요인의 광범위한 평가에만 이르렀다. 매우 복잡한 하나의 부품의 기하학적 끼워맞춤부를 내부에 가지는 밸브 본체가 있다는 사실과 볼류트 내의 방해받지 않는 흐름에 대한 요구사항에도 불구하고, 거의 일정한 두께의 벽을 가지는 터보차저를 설계하기 위해서는 많은 작업, 복잡한 흐름 모델링, 및 구조 분석이 필요하였다. 보통 사람에게는 사소한 것으로 보이는 세부사항이 광범위한 작업, 테스팅, 수정으로부터 기인하였고, 궁극적으로 제1 실시형태의 설계에 이르렀다.

본 발명에 따른 슬라이더 밸브는 중요한 측면에서 통상적인 플래퍼 웨이스트게이트 밸브와는 다르다: 통상적으로, 웨이스트게이트는 배기 가스 통로로부터 웨이스트게이트 시트로 연장되는 웨이스트게이트 통로, 및 회전가능 웨이스트게이트 암으로부터 연장되며 웨이스트게이트 시트와 접촉하여 웨이스트게이트 통로를 덮기 위한 프로파일을 가는 웨이스트게이트 플러그를 포함하고 있다. 웨이스트게이트 플러그를 시트에 누르고, 배기 가스 통로 내의 배기 가스의 압력에 대항하여 이러한 폐쇄 위치로 유지하기 위해서는 상당한 힘이 요구될 수 있다. 대조적으로, 본 발명에서는, 슬라이드 밸브의 이동 방향에 수직으로 (즉, 밸브 실린더의 측벽 상에) 배기 가스 압력을 도입하는 개구부에 의해, 배기 압력은 슬라이드 밸브의 이동 방향에 수직으로 작용할 것이고, 이에 따라 개방 방향 또는 폐쇄 방향으로의 슬라이드 밸브의 이동에 거의 또는 전혀 영향을 주지 않을 것이다. 따라서, 밸브 액추에이터는 더 작고, 덜 강력한 액추에이터 모터를 사용하도록 설계될 수 있고, 밸브의 반응 시간은 더 빠를 수 있다. 마지막으로, 배기 가스 압력이 어느 이동 방향으로도 밸브 상에 작용하지 않기 때문에, 밸브가 단부 위치에 충돌할 가능성이 감소된다.

본 발명에 따르면, 제2 실시형태는 단일의 컵 형상 피스톤 슬라이더 밸브 형태로 제공된다.

간단히 말하자면, 원통형 밸브 하우징이 2개의 볼류트 사이의 분할 벽에 배치될 수 있다. 단일의 컵 형상 피스톤이 완전 연장 위치에 있을 때, 볼류트들 사이의 연통은 차단된다. 돌출부가 실린더의 단부로부터 피스톤의 컵 내로 연장된다. 2개의 분리된 웨이스트게이트 포트가 돌출부 내부에 제공된다. 제1 및 제2 개구부가, 제1 및 제2 볼류트와 각각 연통하는 실린더 벽 내에 제공된다. 컵 형상 피스톤이 완전 연장 위치에 있을 때, 모든 개구부는 차단된다. 컵 형상 피스톤이 수 mm 후퇴될 때, 독립적인 웨이스트게이트 개구부들은 부분적으로 개방되어, 배기 가스가 볼류트들 사이의 어떠한 연통도 없이 볼류트로부터 웨이스트게이트로 빠져나갈 수 있게 한다. 볼류트들 사이에서 전달되는 가스를 차단하는 립(lip)이 제공된다. 피스톤이 더욱 뒤로 당겨짐에 따라, 피스톤은 립을 통과하여, 가스가 웨이스트게이트로만 흐를뿐만 아니라 볼류트들 사이에서 크로스토크될 수도 있다.

더욱 구체적으로 말하자면, 이 제2 실시형태에서는 단일의 슬라이딩 밸브가 사용된다. 제1 실시형태에서와 같이, 이 제2 실시형태에서, 원통형 밸브 하우징에는 제1 볼류트, 제2 볼류트와 연통할 수 있는 개구부, 및 하나 이상의 웨이스트게이트 개구부가 제공된다. 개구부의 위치에 따라서, 밸브가 개방 위치로부터 후퇴됨에 따라, (a) 처음에 과잉 가스를 제1 및 제2 볼류트로부터 제1 및 제2 웨이스트게이트 개구부를 통해 독립적으로 빼내고, 그 후에 볼류트들 사이의 크로스토크를 가능하게 하는 것, 또는 (b) 처음에 볼류트를 상호 연결하고, 이어서 과잉 가스를 웨이스트게이트를 통해 빼내는 것, 또는 (c) 모든 3개의 개구부를 동시에 점진적으로 차단 해제하는 것이 가능해진다. 단일의 밸브는 공압식 또는 전기식으로 작동될 수도 있고, 밸브를 폐쇄 위치로 부세하기 위한 스프링을 포함할 수도 그렇지 않을 수도 있다.

종래 기술의 듀얼 볼류트 웨이스트게이트는 단순히 배기 가스를 빼낸다는 것이 문제점이다. 볼류트들은 웨이스트게이트를 통해 연결되지만, 배기 가스가 질량 관성을 가지고 웨이스트게이트 채널의 출구를 향해 유도되기 때문에, 볼류트들 사이로 흐르지 않아, 가능한 압력 차로 이어질 것이다. 놀랍게도, 현재 배기 가스가 이미 빼내어진 경우에도, 볼류트들을 상호 연결하는 것이 유리하다는 것이 밝혀졌다. 즉, 일반적인 통념과 대조적으로, 처음에 과잉 가스를 빼낸 다음에 볼류트들을 상호 연결하는 것을 제공하는 시스템에 이점이 있다.

본 발명의 결정적인 특징은 밸브 또는 밸브들을 회전 밸브 또는 플래퍼 밸브가 아닌 컵 형상 슬라이딩 밸브로서 설계하는 것이다. 배기 가스 압력이 밸브의 이동 방향에 수직으로 밸브 상에 작용하기 때문에, 작동 압력이 낮게 유지될 수 있어, 밸브가 단부 위치에 충돌하는 것이 회피될 수 있고, 밸브 사전 조정이 필요하지 않을 수 있다.

본 발명은, 같은 참조 번호가 유사한 부분을 표시하는 첨부 도면에 한정이 아닌 예시로서 도시되어 있다.
도 1A는 터빈 유입부에서 듀얼 순차 동축 슬라이더 밸브를 가지는, 미도시의 베어링 하우징과 대향하는 측면으로부터의 배기 매니폴드 및 터보차저 터빈을 도시하고 있고;
도 1B는 공압식 액추에이터가 전기식 액추에이터로 대체되는 것을 제외하고는 도 1A에 대응하고;
도 2는 터빈 유출부의 측면으로부터의 도 1A의 터보차저 터빈을 도시하고 있고,
도 3은 터빈 하우징을 통한 단면을 도시하는 것으로, 제1 및 제2 볼류트와 연통하는 제1 및 제2 개구부, 웨이스트게이트 개구부인 제3 개구부, 및 밸브를 수용하는 원통형 공간을 도시하고 있고;
도 4는 완전 폐쇄 위치에서 밸브의 내측 및 외측 피스톤의 구성을 길이방향 축을 따른 단면으로 도시하고 있고;
도 5는 제1 및 제2 볼류트가 연통하고 있는 부분 개방 위치에 있는 내측 피스톤을 도시하고 있고;
도 6은 양쪽 피스톤이 완전 개방 위치에 있고 웨이스트게이트 개구부가 제1 및 제2 볼류트와 연통하고 있는 밸브를 단면으로 도시하고 있고;
도 7은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 모노 순차 슬라이더 밸브의 제1 도면을 도시하고 있고;
도 8은 90° 회전된 도 7의 슬라이더 밸브에 대응하고;
도 9는 단일의 슬라이더에서의 립의 역할을 도시하고 있고;
도 10은 슬라이더 밸브가 생략된 모노 슬라이더 밸브용 터보차저 터빈 하우징을 통한 단면을 도시하고 있고;
도 11은, 모노 슬라이더 밸브가 제자리에 있고, 슬라이더 밸브가 볼류트들 간의 크로스토크를 가능하게 하는 위치에 있는 도 10의 터빈 하우징의 단면의 입면 경사도이고;
도 12A 및 도 12B는 듀얼 또는 트윈 볼류트 터빈 하우징의 분할 벽 내의 밸브의 위치를 도시하는 것으로, 채널을 노출시키기 위해 후퇴된 밸브를 도시하고 있고;
도 13은 밸브가 제거된 모노 슬라이더 밸브용 터빈 하우징의 일 측면의 확대도로, 2개의 웨이스트게이트 개구부 중 하나와 볼류트 크로스토크 개구부를 도시하고 있고;
도 14는 슬라이더 밸브가 웨이스트게이트 개구부를 부분적으로 개방하기에 충분할 정도로만 후퇴되어 있는 터보차저 터빈 하우징의 평면도이다.

도 1A는 배기 가스가 엔진(미도시)으로부터 트윈 볼류트형 또는 듀얼 볼류트형 터보차저 터빈 하우징(2)의 유입부로 흐르는 배기 매니폴드(1)의 일반적인 구성을 도시하고 있다. 본 발명의 제1 실시형태에 따르면, 듀얼 순차 동축 슬라이더 밸브 하우징(3)이 터빈 유입부에서 터빈 하우징에 일체화된다. 단일의 공압식 액추에이터(4a)가 듀얼 순차 동축 슬라이더 밸브의 2개의 동축 피스톤의 이동을 제어한다. 도 1B는 공압식 액추에이터(4a)가 전기식 액추에이터(4b)로 대체되는 것을 제외하고는 도 1A와 동일하다. 도 1B에서는, 특히, 스프링(15)이 생략될 수도 있다. 터보차저 베어링 하우징 및 압축기는 터빈 하우징(2)의 우측에 부착될 것이다.

도 2는 터빈 유출부의 측면으로부터 도 1의 터보차저 터빈을 도시하고 있다. 웨이스트게이트 포트(5)가 터보차저 터빈 휠 공간의 하류에서 보여질 수 있다. 단일의 공압 캔식 액추에이터(single pneumatic can type actuator)가 도 1 및 도 2에 도시되어 있지만, 하나보다도 많은 액추에이터를 사용할 수 있음은 물론이다. 보다 바람직하게는, 전기식 액추에이터가 캔 대신에 사용된다. 이러한 전기식 액추에이터는 잘 알려져 있으므로 본 명세서에서는 상세히 설명될 필요가 없다. 액추에이터(들)는 엔진 CPU가 p1 또는 p2를 무시할 수 있는지를 확인하기 위한 전기 밸브에 의해 제어될 수 있다.

도 3은 밸브 피스톤이 생략된 밸브 하우징 및 터빈 하우징을 통한 단면을 도시하는 것으로, 제1 및 제2 볼류트(6, 7)와 연통하는 제1 및 제2 개구부(10, 11)를 도시하고 있다. 웨이스트게이트 포트 개구부(9)가 또한 도시되어 있다. 모든 3개의 개구부는 밸브의 원통형 공간과 연통한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 모든 개구부가 슬라이더 밸브의 반경방향의 외측으로, 밸브 하우징(3)의 밸브 실린더의 측벽 상에 제공될 필요는 없다. 오히려, 내측 피스톤의 헤드가 솔리드 피스톤 헤드가 아닌 오목형(recessed) 피스톤 헤드를 가지는 "컵" 형상으로 형성되는 경우, 액추에이터에 대향하는 밸브 실린더의 단부에는, 내측 피스톤 밸브 헤드 내의 오목부의 직경에 대응하는 직경을 가지고, 예를 들어 제1 볼류트(6)로의 제1 개구부(10)에 연결하는 통로를 내부에 가지는 원통형 돌출부(3a)가 제공될 수도 있다. 이 경우, 밸브에 전달되는 배기 가스 압력의 방향은 제2 및 제3 개구부의 경우에서와 같이 반경방향의 내측이 아닌 반경방향의 외측일 수 있지만, 그 압력이 여전히 밸브의 슬라이딩 방향에 수직이기 때문에, 밸브의 개방 또는 폐쇄에 의해 배기 가스 압력의 영향이 거의 또는 전혀 없는 경우가 남아 있다.

도 4는, 길이방향 축을 가지는 적어도 하나의 원통형 공간(8)을 정의하며, 제1 개구부(10), 제2 개구부(11), 및 제3 개구부(9)를 적어도 가지는 밸브 하우징 내부의 완전 폐쇄 위치에 있는 밸브의 내측 및 외측 피스톤(12, 13)의 구성을 단면으로 도시하고 있다. 내측 피스톤(12)은 완전 폐쇄 위치와 완전 개방 위치 사이의 원통형 공간 내부에서 슬라이딩 가능하고, 여기서는 그의 완전 폐쇄 위치가 도시되어 있으며, 내측 피스톤은 이 도시된 실시형태에서 제1 및 제2 볼류트와 연통하는 제1 및 제2 개구부(10 및 11)를 덮고 있다. 내측 피스톤의 이 폐쇄 위치에서, 제1 볼류트(6) 및 제2 볼류트(7)는 서로 격리되어 있고, 실린더로부터의 펄스 에너지는 터빈 휠에 종단되거나(트윈 볼류트 터빈 하우징) 또는 모든 배기 흐름은 제1 볼류트로 유도되고 제2 볼류트와는 공유되지 않는다(듀얼 볼류트 터빈 하우징). 제1 및 제2 개구부 모두는 원통형 밸브 본체의 측벽 상에 제공될 수 있거나, 또는 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 개구부(11)는 실린더 측벽(3) 상에 제공될 수 있고, 제1 개구부(10)는 액추에이터에 대향하여 실린더의 단부로부터 연장되고 내측 피스톤(12)의 컵 형상 헤드 내의 대응하는 오목부 내에 수용되도록 치수화되는 돌출부 내에 제공될 수도 있다. 이 실시형태에서, 컵 형상 피스톤 헤드의 내부 벽은 돌출부(3a)의 제1 개구부(10)를 밀봉하고, 컵의 외부 벽은 내측 피스톤이 폐쇄 위치에 있을 때에 제2 개구부(11)를 밀봉한다.

내측 피스톤(12)은 피스톤 샤프트(14)를 가지고 있다. 변위 수단, 예를 들어 공압식 액추에이터(4a) 또는 유압식 액추에이터 또는 스테퍼 모터(4b)는 피스톤 샤프트(14)와 작동 가능하게 관련되어 완전 폐쇄 위치와 완전 개방 위치 사이에서 내측 피스톤의 선택적인 선형 변위를 수행한다. 외측 피스톤(13)은 피스톤 샤프트(22)를 가지고 있고 내측 피스톤과 동축으로 제공된다. 외측 피스톤은 중심축을 가지고 있고, 중심축을 따라 피스톤 헤드 및 샤프트를 통해 연장되는 보어를 가지고 있다. 외측 피스톤(13)은 완전 폐쇄(연장) 위치와 완전 개방(후퇴) 위치 사이에서 슬라이딩 가능하며, 여기서는 그의 완전 폐쇄 위치가 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 외측 피스톤을 완전 폐쇄 위치를 향해 부세하기 위해서 선택사양의 스프링 수단(15)이 제공된다. 특히, 액추에이터가 공압식이 아닌 전기식인 경우, 스프링 수단은 생략될 수 있고, 양쪽 밸브 이동은 전기식 액추에이터에 의해 제어된다. 또 다른 대체예로서, 스프링은 하나의 액추에이터가 2개의 밸브(하나는 능동, 다른 하나는 수동)를 제어하는 간단하고 저가인 방식을 제공하지만, 제1 액추에이터가 내측 피스톤을 제어하고 제2 액추에이터가 내측 피스톤과 독립적으로 외측 피스톤을 제어하는 2개의 액추에이터를 가질 수도 있음은 물론이다.

도 4에 도시된 바와 같이 완전 폐쇄 위치에서, 제1 및 제2 개구부(10, 11)는 내측 피스톤(12)에 의해 차단되고, 제3 개구부(9)는 외측 피스톤(13)에 의해 차단된다.

도 5는, 제1 및 제2 볼류트(6, 7)가 제1 및 제2 개구부(10, 11) 및 원통형 공간(8)을 통해 연통하고 있는, 부분 개방(부분 후퇴) 위치에 있는 내측 피스톤(12)을 도시하고 있다. 이 시점에서, 외측 피스톤은 아직 이동되지 않고, 웨이스트게이트 포트(9)를 계속해서 차단하고 있다.

내측 피스톤(12)이 완전 개방 위치를 향해 계속해서 이동함에 따라, 내측 피스톤(12)은 외측 피스톤과 접촉하고, 스프링 수단(15)의 스프링 힘에 대항하여 외측 피스톤을 함께 이동시키기 시작하여, 웨이스트게이트 포트(9)가 점진적으로 또는 완전히 차단 해제된다. 도 6은, 양쪽 피스톤이 완전 개방 위치에 있고, 웨이스트게이트 개구부가 제1 및 제2 볼류트와 연통하며, 배기 가스 흐름이 화살표로 표시되어 있는 듀얼 동축 슬라이더 밸브를 단면으로 도시하고 있다.

상기로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 단일의 액추에이터에 의해 2가지 기능(펄스의 감소 및 동력의 밸런싱을 위한 볼류트의 크로스 연결; 웨이스트게이트의 개방)을 점진적으로 제어할 수 있게 할 뿐만 아니라, 본 발명은 단일의 소형 듀얼 동축 슬라이더 밸브로 양쪽의 기능을 제어할 수도 있게 한다. 따라서, 본 발명에 따른 밸브는 특히 유리하게는 소형 엔진 컴파트먼트 내에 쉽게 수용된다.

내측 및 외측 피스톤은 다양한 설계를 가질 수 있고, 예컨대, 통상의 연소 엔진 피스톤 설계를 가질 수 있거나, 또는 심지어 솔리드 피스톤 헤드를 가질 수 있다. 그러나, 피스톤을 도시된 중공형 또는 "컵" 설계로 제공함으로써, 최대량의 밀봉 조치가 최소한의 공간 및 중량으로 일어날 수 있다. 적은 중량에 의해, 밸브의 관성이 감소되어, 반응 시간이 더 빨라진다.

또한, 밸브를 통상의 로타리 밸브가 아닌 축방향 변위가능 밸브로 설계함으로써, 매연, 오일 또는 부식성 입자 축적의 문제점이 감소된다. 피스톤, 특히 외측 피스톤의 보어 내의 내측 피스톤 샤프트의 축방향 이동이 자가 세정 방식으로 작용하여 부품을 닦고 끈적이지 않는(non-sticking) 상태로 유지하는 것이라고 여겨진다.

또한, 단일의 액추에이터가 2개의 피스톤을 제어하더라도, 배기 가스의 흐름을 제어하는데 필요한 축방향 이동량이 적고 정밀하게 제어될 수 있다.

본 발명에 따르면, 제2 실시형태는 모노 슬라이더 밸브의 형태로 제공된다.

이 제2 실시형태에서는, 바람직하게는 듀얼 또는 트윈 볼류트를 분할하는 분할 벽에 일체화되는 하나의 슬라이딩 밸브만이 사용된다. 제1 실시형태에서와 같이, 도 7에 도시된 이 제2 실시형태에서, 원통형 밸브 하우징(103)에는, 제1 볼류트(106)와 연통할 수 있는 개구부(110), 제2 볼류트(107)와 연통할 수 있는 개구부(111), 및 트윈 웨이스트게이트 개구부(109a 및 109b)가 제공된다. 밸브 하우징에는 하나의 웨이스트게이트 개구부 또는 트윈 웨이스트게이트 개구부(109a, 109b)가 제공될 수도 있다. 개구부의 위치에 따라서, 트윈 볼류트 터빈 하우징에서는, 엔진이 가속하기 시작하여 밸브 피스톤(112)이 개방 위치로부터 후퇴됨에 따라, 처음에는 웨이스트게이트(도 9에서의 갭 "x" 참조)를 통해 과잉 가스를 빼내면서 터빈 휠로의 펄스 흐름을 유지하는 것(즉, 볼류트들 간의 크로스토크가 없음)이 가능해지고, 펄스 에너지와의 간섭 없이 또는 펄스 에너지의 소멸 없이 볼류트(106)로부터의 과잉 흐름이 웨이스트게이트(109a)로 흐르고 볼류트(107)로부터의 과잉 흐름이 웨이스트게이트(109b)로 흐른다. 이것은, 피스톤(112)의 초기 후퇴 중에, 2개의 볼류트 사이의 연통을 차단하지만, 볼류트(106, 107)와 그들 각각의 웨이스트게이트(109a, 109b)(갭 "x") 사이의 연통을 차단하지 않는 립(lip)(105)의 존재 때문에 가능하다. 이것은, 웨이스트게이트 채널의 출구를 향해 유도되는 질량 관성을 가지는 배기 가스가 볼류트들 사이에서 흐르지 않아서 가능한 압력차로 이어질 수 있는 통상의 듀얼 또는 트윈 볼류트 설계를 뛰어넘는 개선이다.

이어서, 엔진 속도가 더욱 증가함에 따라, 피스톤은 더욱 후퇴되고(도 9에서의 개방 갭 "x" + "y"), 볼류트들은 상호 연결되어, 펄스 에너지를 해제해서 터빈 효율을 감소시키거나(트윈 볼류트) 또는 배기 흐름이 하나의 볼류트에 한정되어 있는 것으로부터 지금 2개의 볼류트로의 흐름으로 변화시키지만(듀얼 볼류트), 이것은 이 스테이지에서 바람직한 결과이다. 마지막으로, 엔진이 심하게 구동되어 과잉의 배기 가스를 생성하는 경우에는, 웨이스트게이트(도 9에서의 갭 "z")를 더욱 개방하여 과잉의 배기 가스를 쏟아내어 터보차저의 과구동을 방지할 수도 있다. 단일의 밸브는 공압식 또는 전기식으로 작동될 수 있고, 밸브를 폐쇄 위치로 부세하기 위해 스프링(115)을 포함할 수도 그렇지 않을 수도 있다.

종래 기술의 듀얼 볼류트 웨이스트게이트는 단순히 배기 가스를 빼낸다는 것이 문제점이다. 볼류트들이 웨이스트게이트를 통해 연결되지만, 배기 가스가 질량 관성을 가지고 있고 웨이스트게이트 채널의 출구를 향해 유도되기 때문에, 볼류트들 사이에서는 흐르지 않아 가능한 압력차로 이어질 것이다. 놀랍게도, 현재 배기 가스가 이미 빼내어진 경우에도, 볼류트들을 상호 연결하는 것이 유리하다는 것이 밝혀졌다. 일반적인 통념과 대조적으로, 처음에 과잉 가스를 빼낸 다음에 볼류트들을 상호 연결하는 경우에도 이점이 있다.

도 7은 볼류트(106, 107)가 립을 가지지 않는 웨이스트게이트 개구부(109a, 109b)와 연통할 수 있는 방법을 도시하고 있지만, 립은 볼류트 대 볼류트 연결의 영역 내에 제공된다. 도 8은 도 7에 대응하며, 90° 회전되고, 볼류트(107) 대 볼류트 연결을 도시하고 있다.

물론, 원하는 경우, 밸브는 처음에 볼류트들을 상호 연결하고, 차후에 배기 흐름이 증가함에 따라 웨이스트게이트를 개방함으로써 터빈 효율을 감소시키도록 설계될 수 있다.

도 10은 밸브의 축에 수직인 단면도로, 볼류트(106, 107)와 원통형 밸브 하우징을 가지는 트윈 스크롤 터빈 하우징을 도시하고 있으며, 상기 원통형 밸브 하우징은 볼류트들을 분할하는 분할 벽에 일체화되고, 웨이스트게이트(109a, 109b)를 가지며, 볼류트들 사이의 연통을 위한 채널(120)을 가지고 있다.

도 11은 밸브의 축에 평행인 단면도로, 웨이스트게이트(109a) 및 볼류트들 사이의 연통을 위한 채널(120)을 도시하고 있다.

도 12A 및 도 12B는 듀얼 또는 트윈 볼류트 터빈 하우징의 분할 벽 내의 밸브의 위치를 나타내는 CAD 유형 도면으로, 채널(120)을 노출시키기 위해 후퇴된 밸브를 도시하고 있다.

도 13은 도 10과 유사한 단면도이지만, 여기서 도 10은 웨이스트게이트 채널(109a, 109b)을 통한 단면도이고, 도 13은 웨이스트게이트 채널을 통한 단면도가 아니며, 컵 형상 피스톤이 제거된, 밸브 하우징(103)의 원통형 공간의 단부로부터 원통형 공간 내로 돌출하는 완전한 3차원 구조를 도시하고 있다.

도 14는 배기 가스의 흐름 방향으로 볼류트(106, 107) 속을 바라보는 CAD 유형 도면으로, 약간 후퇴되어 립(103)을 노출시키고 있는 밸브(112)를 도시하고 있다.

상기 예시적인 실시형태의 변형예에서는, 실린더 벽 이외에 피스톤 자체에 개구부 또는 통로를 형성할 수도 있음은 물론이다. 예를 들면, 거의 원통형의 밸브 하우징은 터빈 분할 벽에 또는 트윈 볼류트 유형의 터보차저 시스템의 2 세트의 매니폴드를 분리하는 벽에 일체로 형성될 수도 있고, 상기 밸브 하우징은 제1 볼류트와 대향하는 제1 개구부 및 제2 볼류트와 대향하는 제2 개구부를 가지고 있다. 피스톤의 제1 위치에서는, 피스톤 내에 개구부 또는 오목부가 없고, 양쪽 개구부는 차단된다. 슬라이딩 피스톤이 전진됨에 따라, 처음에는 제1 및 제2 볼류트가 연통할 수 있게 하는 피스톤을 통한 또는 그에 걸친 통로를 제공한다. 피스톤이 더욱 전진됨에 따라, 한쪽 또는 양쪽 개구부가 웨이스트게이트 통로와 연통하게 된다. 물론, 피스톤은, 볼류트들이 서로 연결되기 전에 웨이스트게이트가 볼류트에 연결되도록 설계될 수 있다.

배기 가스 압력이 내측 및 외측 피스톤 상에 반경방향으로 작용하고 피스톤의 축방향으로는 작용하지 않도록 밸브가 설계된다는 것이 매우 중요하다. 반경방향 힘은 피스톤의 원주 주위에 분포되어 상쇄될 수 있다. 본 발명의 밸브의 2개의 피스톤이 축방향으로 작동하기 때문에, 가스 압력이 반경방향으로 작용한다는 것이 중요하다. 그 결과, 액추에이터는, 로터리 작동에 의한 통상의 플래퍼 밸브의 경우에서와 같이 배기 압력에 대항할 필요가 없다.

단일의 액추에이터 및 단일의 밸브 어셈블리를 사용하는 것의 이점은 미립자 배출의 감소에 있다. 터빈 스테이지 내측의 높은 압력은, 배기 가스가 임의의 구멍 또는 갭을 통해 대기로 빠져나갈 수 있게 한다. 이들 구멍을 통한 배기 가스의 통로는 보통 가스 배출 경로의 출구측 상에 검은 매연 잔류물을 동반하게 된다. 엔진 연소 과정에 의해 발생된 이러한 매연의 퇴적물은 외관상 관점에서 불필요하다. 이것은, 구급차 및 버스와 같은 차량에서 배기 가스 누출이 특히 민감한 사안이 된다. 배출 관점에서, 터빈 스테이지로부터 빠져나가는 매연은 엔진/차량 후처리 시스템에 의해 포획 및 처리되지 않는다. 현재의 밸브가 터보차저 내에 하나의 진입 지점만을 가지기 때문에, 배출은 더욱 쉽게 제어된다.

본 발명에 따른 밸브 시스템은 기능을 위해 다양한 터보차저 설계에 적합하게 될 수 있다. 듀얼 동축 슬라이더 밸브의 길이방향 축은 터보차저 회전 어셈블리 회전축에 평행할 수 있거나, 그에 수직일 수 있거나, 또는 임의의 다른 배향일 수도 있다. 듀얼 동축 슬라이더 밸브 원통형 공간은 터빈 하우징 내에 주조될 수 있거나, 또는 별도의 구성요소로서 제조되고 유입부에서 터빈 하우징 상에 볼트 체결될 수도 있다.

도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 밸브의 구성요소, 즉 피스톤은 밸브 원통형 공간 내에 쉽게 조립되고 도입되며, 솔리드 그로밋(solid grommet)(17)으로 씌어질 수 있다.

2개의 피스톤을 서로에 대하여 이동시킬 수 있게 하기 위해서는, 압력 방출 벤트(20, 21)를 제공하여 압력 또는 증기 잠금에 의해 이동이 방해받지 않게 할 필요가 있다.

피스톤, 밸브 하우징, 개구부의 위치 및 밸브 하우징의 위치의 최종 설계는, 특정 엔진에 맞게 또는 목표 성능을 달성하도록 만들어지는, 터보차저의 유형 및 달성될 배기 가스 흐름의 특정 제어 방식에 따라 달라질 것이다. 2-볼류트 터빈 하우징은 펄스 충전에 사용되는 사실상 동일한 나선형 홈(groove)을 가지는 트윈-채널 또는 트윈 볼류트 터빈 하우징, 또는 압력 충전에 사용되는 바와 같이, 상이한 길이의 축방향 또는 반경방향으로 인접하게 배열된 나선형 채널을 가지는 더블-채널 또는 듀얼 볼류트 터빈 하우징일 수 있다. 하우징은 웨이스트게이트를 가질 수 있거나 그렇지 않을 수도 있다.

기본적으로, 터빈 하우징의 물리적인 설계의 일부는, 볼류트, 또는 볼류트들의 쌍이며, 그 기능은, 유입부 흐름 조건이 최상의 과도 응답 특성과 조합되는, 배기 가스 내의 에너지로부터 터빈 휠에 의해 발전된 동력으로의 가장 효율적인 동력 전달을 제공하도록 터빈 휠로의 유입부 조건을 제어하는 것이다. 이론적으로, 엔진으로부터 인입하는 배기 흐름은 볼류트로부터 터빈 휠 축 상에 중심이 맞춰진 와류(vortex)까지 균일한 방식으로 전달된다. 이렇게 하기 위해서는, 이상적으로 볼류트의 단면적은 흐름 방향에 수직으로 최대가 되고, 그 단면적이 0이 될 때까지 점진적이면서 연속적으로 감소한다. 볼류트의 내부 경계는 기초원으로서 정의되는 완전한 원일 수 있거나, 또는 트윈 볼류트와 같은 소정의 경우에는, 최소 직경이 터빈 휠 직경의 106%보다 작지 않은 나선일 수 있다.

이것을 터보차저, 특히 (예컨대, 정상 속도로 작동하는 발전기와 비교해서) 일정하게 변화하는 부하를 가지는 자동차용 터보차저에 적용할 때, 광범위한 엔진 속도 및 토크를 대처하는 것이 중요하다. 이것을 하나의 터보차저로 대처하기 위해서, 차저의 출력 토크를 맞출 수 있는 가변형 기하학적 구조의 터보차저가 존재한다. 가솔린 엔진의 경우, 이것은, 재질이 매우 높은 온도(디젤 용도에서의 900℃ 대신에 1000℃)에 견딜 수 있게 할 필요가 있기 때문에 매우 고가이다.

따라서, 터빈 조절의 작업 범위를 확장하는 방법을 찾았다. 하나의 저가이고 효율적인 방법은, 터빈 토크가 감소될 필요가 있을 때에 소정의 작업 조건으로 볼류트들을 상호 연결하고, 토크가 더욱 감소될 필요가 있을 때에 터빈을 우회시키도록 터빈의 하류에 있는 한쪽 또는 양쪽 볼류트의 배기 가스를 빼내는 것이다. 본 발명의 모노 및 듀얼 슬라이드 밸브는 이러한 제어된 상호 연결을 제공하는데 사용될 때에 특히 효과적이고, 효율적이며 내구성이 있다. 상호 연결의 제어는 다양한 시스템에 자유롭게 적용될 수도 있다.

대부분의 디젤 터빈 하우징은 터빈 휠에 펄스 에너지를 유지하기 위해 2개의 볼류트를 분리하는 반경방향 분할 벽으로 다양하게 분할되는 것이다. 분할 벽 길이는 통상적으로 내부 경계가 대략 기초원이 되도록 한다. 분할 벽의 선단(tip)이 기초원에 가까울수록, 펄스 에너지의 보존은 더 커지지만 분할벽 내의 주조물의 균열에 대한 경향이 더 커진다. 이러한 균열에 대한 이유는 많지만, 주된 이유는 분할 벽의 선단 근처의 재료의 무결성이 최적인 것보다 적다는 것을 의미하는, 주조 공정에서 패턴을 통해 밀려나는 찌꺼기이고, 두번째 이유는 볼류트 주위의 온도 분포가 주조물을 "풀리게(unwind)" 하려고 한다는 사실이다. 터빈 하우징의 "풀림"을 발생시키는 열적 힘은 수직 분할 벽에 의해 저항을 받으며, 그 결과 벽에 균열이 생긴다. 균열이 거의 물리적 손상을 주지는 않지만, 균열의 다음 단계는 주철 분할 벽의 조각을 주조물로부터 분리하게 하고 터보차저 또는 엔진에 의해 흡입되어 단자 손상을 야기할 수 있다.

특히 불꽃 점화 엔진과 같은 내연 기관의 소위 점화 시퀀스 배기 매니폴드에서, 각각의 경우, 점화 시퀀스에서 직접 연속하지 않는 해당 실린더의 배기 가스는 병합된다. 예를 들면, 4 기통 엔진에서, 1-3-4-2의 실린더 점화 시퀀스의 경우에 실린더 1과 실린더 4 및 또한 실린더 2와 실린더 3이 병합된다. 이것은 처음에, 특히 4 기통 엔진에서, 잔류 가스 내용물의 감소 결과로 충전 교환 중에 실린더의 상호 영향을 감소시킬 수 있어, 신선한 가스 충전의 증가로 이어지며, 두번째로 채널 분리에 의해 흐름 속도를 증가시킬 수 있고, 그 결과 더 큰 비율의 운동 에너지가 내연 기관에 결합되는 터보차저의 터빈 휠에 부여되고, 이에 따라 터빈 동력이 현저하게 증가된다.

일부 터빈 휠은 이 펄스 에너지를 이용하여 회전 속도로 변환하도록 특별히 설계된다. 따라서, 트윈 볼류트 터빈 하우징 내의 펄스 흐름 터빈 휠에 대한 배기 가스로부터의 압력 및 속도의 변환은 정상 상태 배기 흐름으로부터 터빈 휠 속도로의 압력 및 속도의 변환보다도 크다. 이러한 펄스 에너지는, 4000 RPM에서 피크 토크를 가지는, 종종 6000 RPM까지의 매우 높은 회전 속도에서 작동하여 펄스가 잘 정의되지 않는 가솔린 엔진보다는, 1200 내지 1400 RPM에서 피크 토크를 가지는 2200 RPM 부근에서 작동하는 상용의 디젤 엔진에서 더 현저하다.

"펄스 충전(pulse charging)"에서는, 좁은 직경의 배기 파이프가 피스톤의 추력에 의해 후퇴되는 실린더로부터 신선한 배기 가스로부터의 임펄스를 전달하여 터빈 휠의 블레이드 상에 실제로 임펄스를 제공하는데 사용된다. 이러한 유형의 터보차징의 경우, 직경이 비교적 슬림한 볼류트를 가질 필요가 있고, 터빈은 유출부 밸브에 인접하여 배치되어야 한다. 이 시스템은 듀얼 볼류트(원주방향 분할) 및 트윈 스크롤(병렬 볼류트)에 대해 작동할 수 있다. 이 시스템은, 하나의 볼류트가 실린더들의 절반으로부터 터빈 휠로 펄스형 전하를 제공하고, 다른 하나의 볼류트가 나머지 실린더들로부터 펄스형 전하를 제공하는 상태로, 2개의 볼류트가 항상 작동 중이기 때문에 트윈 볼류트라고 지칭된다.

트윈 볼류트의 볼류트들을 연결함으로써, 약간의 상호 연결만 있는 경우에도, 펄스 충전의 효과가 사라지고, 즉 볼류트들의 상호 연결은 펄스 충전의 효과를 제거하여, 차저가 압력 충전으로 설명될 수도 있는 작업 모드에 있게 된다.

배기 가스 처리량 범위를 증가시키기 위해서, "압력 충전" 또는 분할된 볼류트도 존재하고, 여기서 낮은 엔진 속도에서는 하나의 볼류트가 차단되어 터빈의 상류에 있는 배기 가스의 부피 또는 압력을 증가시킬 수 있고, 따라서 하나의 개방된 볼류트 내에 집중된 압력이 터빈 휠을 보다 효과적으로 구동시키는데 사용될 수 있다. 분명히, 이 경우에는, 터보차저가 유출부 밸브로부터 얼마나 멀리 제거되었는지는 매우 중요하지 않다. 낮은 엔진 속도에서는, 볼류트들 중 하나만이 개방되기 때문에, 모든 배기 가스는 하나의 볼류트를 통해 강제되어, 터보차저 터빈이 작은 변위 터보차저처럼 작동하게 한다. 엔진 속도를 증가시킴에 따라, 제2 볼류트는 점진적으로 개방된다. 그 결과, 터빈 효율이 낮은 엔진 속도에서 개선되고, 터빈의 처리량 범위가 증가된다.

가장 간단한 형태의 웨이스트게이트는 포펫 밸브(poppet valve)일 수 있는 밸브, 또는 그 밸브와 유사한 스윙형 밸브일 수 있다. 통상적으로, 이들 밸브는, 밸브에 연결되어, 다이어프램을 활성화시키기 위해 부스트 압력 또는 진공을 감지하고, 엔진 ECU와 특별한 통신 없이 작동하는 "덤(dumb)" 액추에이터에 의해 작동된다. 이러한 방식에서, 웨이스트게이트 밸브의 기능은 전 부하(full load) 부스트 곡선의 최상부를 절단하여, 엔진에 대한 부스트 레벨을 제한하는 것이다. 이것은, 사실상 완전 흐름이 요구될 때에 터빈 휠로의 전체 범위의 터빈 하우징 흐름을 가능하게 하면서, 필요에 따라(예컨대, 터빈의 과구동을 방지하기 위해서) 터빈으로의 효과적인 흐름을 감소시킨다. 웨이스트게이트 구성은 밸브가 개방될 때까지 부스트 곡선의 특성에 영향을 미치지 않는다. 보다 정교한 웨이스트게이트 밸브는 기압(barometric pressure)을 감지하거나 전자 오버라이드(electronic over-ride) 또는 제어할 수도 있지만, 밸브를 개방 또는 폐쇄하도록 작동할 때까지 부스트 곡선에 영향을 미치지도 않는다.

이것이 터보차저 작동에 중요한 이유는, 터빈 스테이지에 웨이스트게이트를 추가하는 것이 더 작은 터빈 휠 및 하우징으로 낮은 속도 범위에 정합할 수 있게 한다는 것이다. 따라서, 웨이스트게이트의 추가는 관성의 감소에 대한 옵션을 제공한다. 회전 어셈블리의 관성의 감소가 통상적으로 미립자 물질(PM)의 감소를 초래하기 때문에, 웨이스트게이트는 고속도로 상의 차량에서 보편화되어 있다. 대부분의 웨이스트게이트가 자신의 작동에서 다소 이원적이어서, 엔진 출력과 엔진 속도 간의 선형 관계와 잘 맞지 않는다는 문제점이 있다.

듀얼 볼류트 터빈 하우징 및 트윈 볼류트 터빈 하우징의 설계 및 작동은 잘 알려져 있고, 본 발명의 일부를 구성하지는 않는다. 미국 특허출원공개 제2011/0302911호 "EGR 이륙을 수반하는 트윈 스크롤 터보차저"(특히 도 1); 미국 특허 제8,196,403호 "밸런스 밸브, 웨이스트 게이지, 및 공통 액추에이터를 갖는 터보차저"; 유럽 특허출원공개 제2 059 663호 "내연기관을 운전하기 위한 방법 및 장치"; 미국 특허 제4,893,474호 "듀얼 기능 액추에이터를 갖는 터보차저"; 미국 특허출원공개 제2014/0271138호 "웨이스트 밸브 및 이를 구비한 터보차저"; 미국 특허 제6,715,288호 "이중관 터빈 하우진을 갖는 제어 가능한 배기가스 터보차저"; 미국 특허출원공개 제2010/0059026호 "내연기관을 작동하기 위한 방법 및 장치"; 및 미국 특허 제7,481,056호에 언급되어 있으며, 이들의 개시는 본 명세서에 참고로 포함된다.

이것은 당업계에 매우 잘 알려져 있지만, 밸브 설계 해결책은 지금까지품격 있게 해결되지 않은 볼류트들을 상호 연결하여 배기 가스를 유출시키기 위한 것이다. 본 듀얼 순차 동축 슬라이더 밸브에 의하면, 상기 문제점이 품격 있게 해결된다고 처음 말할 수 있다. 이것은, 듀얼 볼류트 및 웨이스트게이트 포트를 가지는 터빈 하우징에서 밸브를 사용하는 본 발명의 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다.

이제, 본 발명이 설명되었으므로, 다음과 같이 청구한다:

Claims (10)

1. 제1 볼류트, 제2 볼류트, 및 웨이스트게이트를 적어도 가지는 터빈 하우징을 가지는 터보차저로서,
   길이방향 축을 가지는 적어도 하나의 원통형 공간을 정의하며, 상기 제1 볼류트와 연통하는 제1 개구부, 상기 제2 볼류트와 연통하는 제2 개구부, 및 상기 웨이스트게이트와 연통하는 제3 개구부를 적어도 가지는 밸브 하우징;
   완전 폐쇄 위치와 완전 개방 위치 사이의 상기 원통형 공간 내부에서 슬라이딩 가능하며, 피스톤 샤프트를 가지는 적어도 하나의 피스톤; 및
   상기 완전 폐쇄 위치와 상기 완전 개방 위치 사이에서 상기 적어도 하나의 피스톤의 선택적인 변위를 수행하기에 적합한 변위 수단을 포함하고,
   상기 완전 폐쇄 위치에서, 제1, 제2 및 제3 개구부는 차단되고,
   상기 적어도 하나의 피스톤이 완전 폐쇄 위치로부터 완전 개방 위치의 방향으로 이동됨에 따라, 상기 개구부들은 동시에 또는 순차적으로 차단 해제되어 상기 차단 해제된 개구부들 사이의 연통을 가능하게 하는, 터보차저.
2. 제1항에 있어서, 듀얼 순차 동축 슬라이더 밸브(dual sequential coaxial slider valve)를 포함하며, 상기 터빈 하우징은 제1 볼류트, 제2 볼류트, 및 웨이스트게이트 포트(wastegate port)를 적어도 가지며,
   길이방향 축을 가지는 적어도 하나의 원통형 공간을 정의하며, 상기 제1 볼류트와 연통하는 제1 개구부, 상기 제2 볼류트와 연통하는 제2 개구부, 및 상기 웨이스트게이트 포트와 연통하는 제3 개구부를 가지는 밸브 하우징;
   완전 폐쇄 위치와 완전 개방 위치 사이의 상기 원통형 공간 내부에서 슬라이딩 가능하며, 피스톤 샤프트를 가지는 내측 피스톤;
   상기 완전 폐쇄 위치와 상기 완전 개방 위치 사이의 상기 내측 피스톤의 선택적인 선형 변위를 수행하기에 적합한 변위 수단;
   상기 내측 피스톤과 동축이고, 중심축 및 상기 중심축을 따르는 보어(bore)를 가지며, 완전 폐쇄 위치와 완전 개방 위치 사이에서 슬라이딩 가능한 외측 피스톤; 및
   상기 외측 피스톤을 상기 완전 폐쇄 위치를 향해 부세하기 위한 수단을 포함하며,
   상기 내측 피스톤의 상기 피스톤 샤프트는 상기 외측 피스톤 내의 상기 보어를 통해 연장되고,
   상기 내측 피스톤의 상기 완전 폐쇄 위치에서, 상기 제1 및 제2 개구부는 상기 내측 피스톤에 의해 차단되고, 상기 제3 개구부는 상기 외측 피스톤에 의해 차단되며,
   상기 내측 피스톤은, 상기 완전 폐쇄 위치로부터 상기 완전 개방 위치의 방향으로 이동됨에 따라:
   - 처음에 상기 내측 피스톤은 상기 제1 및 제2 개구부를 차단 해제하고,
   - 상기 제1 및 제2 개구부를 차단 해제한 후, 상기 내측 피스톤은 상기 외측 피스톤과 접촉하고 상기 스프링 수단의 힘에 대항하여 상기 외측 피스톤을 함께 이동시키며,
   - 마지막으로 상기 내측 피스톤의 이동은 상기 외측 피스톤을 상기 제3 개구부와 완전히 차단 해제되는 상기 외측 피스톤의 상기 완전 개방 위치로 이동시켜, 상기 제1, 제2 및 제3 개구부 사이의 연통을 가능하게 하는, 터보차저.
3. 제2항에 있어서, 상기 외측 피스톤을 상기 완전 폐쇄 위치를 향해 부세하기 위한 상기 수단은 기계식 스프링 수단인, 터보차저.
4. 제3항에 있어서, 상기 스프링 수단은 공압식 액추에이터 내에 수용되는, 터보차저.
5. 제2항에 있어서, 상기 외측 피스톤을 상기 완전 폐쇄 위치를 향해 부세하기 위한 상기 수단은 상기 완전 폐쇄 위치와 상기 완전 개방 위치 사이에서 상기 외측 피스톤의 선택적인 선형 변위를 수행하기에 적합한 변위 수단인, 터보차저.
6. 제2항에 있어서, 상기 터빈 하우징은 듀얼 볼류트 하우징(dual volute housing)인, 터보차저.
7. 제1항에 있어서, 상기 터빈 하우징은 트윈 스크롤 하우징(twin scroll housing)인, 터보차저.
8. 제1항에 있어서, 단일의 피스톤이 상기 제1, 제2 및 제3 개구부를 차단하고 점진적으로 차단 해제하는, 터보차저.
9. 제8항에 있어서,
   상기 밸브 하우징은 터빈 하우징의 2개의 볼류트를 분할하는 분할 벽에 일체화되며,
   상기 단일의 피스톤은 컵 형상 피스톤의 형태이고,
   상기 밸브 하우징은, 상기 컵 형상 피스톤이 완전 연장 위치에 있을 때에 상기 변위 수단에 대향하는 단부로부터 상기 컵 형상 피스톤의 컵 공간 내로 돌출하는 원통형 본체를 가지며,
   상기 돌출하는 원통형 본체는 웨이스트게이트를 위한 2개의 채널, 및 2개의 볼류트 사이의 연통을 위한 크로스-채널을 가지는, 터보차저.
10. 제9항에 있어서, 상기 밸브 하우징은, 상기 컵 형상 피스톤의 일차 1-5mm 후퇴 중에 상기 크로스-채널을 차단하는 1-5mm 립(lip)을 포함하고, 상기 립은 상기 웨이스트게이트 채널을 차단하지 않는, 터보차저.

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