KR100324455B1 - 내연기관의배기가스환류시스템 - Google Patents

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하나와 요시카즈
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Abstract

내연 기관의 플라스틱 흡기 다기관이 배기 환류 가스에 의해 제공된 열로부터 보호되도록, 플라스틱 흡기 다기관 및 배기 환류 밸브 사이에 냉각 장치가 배열된다. 냉각 장치는 냉각제에 의해 배기 환류 가스를 냉각시킨다. 냉각 장치의 가스 배출부는 흡기 다기관의 배기 가스 입구 구멍을 관통하는 파이프부를 포함하여, 파이프부의 외벽과 배기 가스 입구 구멍의 내벽 사이에 소정의 공간이 유지된다. 파이프부는 엔진의 배기 시스템으로부터 연장된 배기 환류 파이프의 선단부일 수 있다.

Description

내연기관의 배기가스 환류 시스템 {Exhaust Gas Recirculation System of Internal Combustion Engine}
본 발명은 일반적으로 내연기관의 방출물 제어 시스템에 관한 것으로서, 특히 엔진의 배기가스 환류(EGR) 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 EGR 밸브 또는 EGR 파이프를 내연기관의 플라스틱 흡기 다기관에 연결하는 데있어서의 개선에 관한 것이다.
지금까지, 내연기관에 의해 동력을 받는 자동차 차량에 있어서는, 엔진에 의해 생성된 NOx 방출물을 감소시키기 위해 통상적으로 배기가스 환류(EGR) 시스템이 설치되어 왔다. 공지된 바와 같이, EGR 시스템은 연소실 내의 온도와 그에 따른 NOx 방출물을 감소시키기 위해 연소실 내의 공기 연료 혼합물에 계량된 양의 배기가스를 환류하도록 설계되어 있다. EGR 시스템에서, EGR 밸브는 배기가스 환류량을 조정하도록 EGR 통로 내에 설치된다. 일반적으로, EGR 밸브는 엔진의 흡기 다기관에 연결된다. EGR 시스템의 작동 하에서, 금속제 EGR 밸브는 환류 배기가스의 열을 흡수함으로써 고온으로 가열된다.
따라서, 흡기 다기관이 엔진 시스템의 중량을 감소시키기 위해 또는 다른 이유로 해서 플라스틱(즉, 유리 섬유 강화 플라스틱)으로 제작된다면, 플라스틱 흡기 다기관을 EGR 밸브의 열로부터 보호하기 위해 소정의 조치를 취할 필요가 있다.
이제까지, EGR 밸브의 열로부터 플라스틱 흡기 다기관을 보호하기 위해 다양한 조치들이 제안되었고 실용화되었으며, 그 중 일부가 일본 특허 공개 제5-256217호 및 제6-101587호 공보 및 일본 실용신안 공개 제63-164554호 공보에 개시되어 있다. 상기 공보 제5-256217호에서, EGR 밸브는 주름진 스테인레스강 판으로 된 장착 브래킷을 통해 플라스틱 흡기 다기관에 장착된다. 상기 공보 제6-101587호에서, EGR 밸브는 열 절연체를 개재시켜 플라스틱 흡기 다기관에 연결되고, 열 절연체를 다기관에 고정시키기 위해 제1 볼트가 사용되며, 밸브를 열 절연체에 고정시키기 위해 제2 볼트가 사용된다. 상기 공보 제63-164554호에서, EGR 밸브 및 플라스틱 흡기 다기관 사이의 결합부에는 이 결합부를 냉각시키기 위해 냉각제가 유동하는 환형홈이 형성된다.
전술한 조치들 외에도, 배기가스의 열로부터 플라스틱 흡기 다기관을 보호하기 위한 조치가 일본 실용신안 공개 제1-102465호 공보에 개시되어 있다. 이러한 조치로서는, 에어 클리너로부터의 신선한 공기가 플라스틱 흡기 다기관에 인도된 EGR 가스의 온도를 감소시키기 위해 EGR 파이프로 공급된다. 또한, 고온으로 가열된 배기가스가 플라스틱 흡기 다기관의 내벽과 직접적으로 접촉하는 것을 억제하거나 최소화하기 위해, EGR 파이프의 선단부는 그 내부에 형성된 파이프 통과 개구를 통해 흡기 다기관의 내측으로 돌출되어 있다.
상기 종래의 기술은 다음과 같은 문제를 갖고 있다.
먼저, EGR 밸브를 주름 스텐레스강 판으로 된 장착 브래킷을 통해서 플라스틱 흡기 다기관에 장착한 경우에는, 엔진의 작동 중에 많은 양의 열이 EGR 가스로부터 EGR 밸브로 전달된다. 따라서, EGR 밸브를 냉각시키기 위하여 장착 브래킷에 큰 열교환 면적이 요구된다. 그러나, 이러한 수단은 장착 브래킷을 큰 구조로 만들게 되어서 엔진룸이 제한된 공간을 갖는다는 점에서 바람직하지 않다.
EGR 밸브를 열 절연체를 거쳐서 플라스틱 흡기 다기관에 연결하고, 제1 볼트를 상기 열 절연체를 다기관에 고정시키는 데 사용하고 제2 볼트를 밸브를 열 절연체에 고정시키는 데 사용한 경우에는 적극적인 냉각(positive cooling)방식이 이용되지 못한다. 따라서, 엔진의 작동 하에서 열 절연체 및 제1 볼트가 고온으로 가열되어서, 제1 볼트가 다기관에 연결되는 플라스틱 흡기 다기관 부분의 기계적 강도가 낮아진다.
EGR 밸브와 플라스틱 흡기 다기관 사이의 결합부에 냉각제가 유동하게 되는 환형홈을 형성한 경우에는 적극적인 냉각 방식이 이용한다. 그러나, 환형홈을 구비한 결합부를 제공하기 어려우며 이는 EGR 시스템의 비용 증가로 이어진다.
에어 클리너로부터의 신선한 공기를 EGR 파이프에 공급하여 EGR 가스의 온도를 낮추는 경우에는 엔진에 실제로 공급되는 EGR 가스의 양을 정확하게 제어하기 어렵다.
그러므로, 본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있는 내연기관의 배기가스 환류 시스템을 제공하는 것이다.
도1은 본 발명의 제1 실시예인 배기가스 환류 시스템의 주요부를 도시하는 분해도.
도2는 제1 실시예에 설치된 냉각 하우징을 도시하는 전방도.
도3은 냉각 하우징의 측면도.
도4는 플라스틱 흡기 다기관에 연결된 냉각 하우징의 단면도.
도5는 냉각 하우징의 후방 하우징 부재를 도시하는 전방도.
도6은 본 발명의 제2 실시예의 배기가스 환류 시스템이 실질적으로 적용되는 플라스틱 흡기 다기관을 도시하는 부분 절개 평면도.
도7은 도6의 화살표 VII로 표시된 부분의 확대 단면도.
도8은 플라스틱 흡기 다기관에 형성된 파이프 삽입형 개구와 드로틀 밸브 사이의 위치 관계를 도시하는 도면.
도9는 제2 실시예에 의해 제공된 환형홈의 냉각 효과를 인지하기 위한 시험 장치의 도면.
도10은 실험 결과를 도시하는 그래프.
도11은 드로틀 챔버의 드로틀 밸브에 의해 생성된 소용돌이를 도시하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 흡기 다기관
2 : 수집부
3 : 입구 플랜지
4 : 장착 시트
5 : 원통형 구멍
6 : 냉각 하우징
7 : EGR 밸브
8 : EGR 파이프
11 : 후방 하우징 부재
12 : 전방 하우징 부재
14 : 배기가스 통로
34 : 밀봉 부재
본 발명의 제1 특징에 의하면, 플라스틱 흡기 통로를 갖는 내연기관에 이용되는 배기가스 환류 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 플라스틱 흡기 통로 상에 형성되고, 상기 흡기 통로의 내측과 연결된 배기가스 입구 구멍을 갖는 연결 기부와, 엔진에 의해 생성된 배기가스의 계량된 양이 상기 플라스틱 흡기 통로의 내측으로 다시 공급되게 해주는 배기가스 환류 밸브와, 상기 연결 기부 및 배기가스 환류 밸브 사이에 배열되고, 상기 배기가스 환류 밸브의 출구 개구를 상기 연결 기부의 배기가스 입구 구멍에 연결하는 제1 통로 및 상기 제1 통로를 둘러싸는 형상을 갖고 내부에서 냉각제가 유동되도록 구성된 제2 통로를 상호 분리식으로 구비하는 냉각 장치를 포함한다. 냉각 장치의 제1 통로는 상기 배기가스 입구 구멍을 관통하는 파이프부를 포함하고, 상기 파이프부의 외벽 및 상기 배기가스 입구 구멍의 내벽 사이에 소정의 공간을 유지하도록 구성된다.
본 발명의 제2 특징에 의하면, 플라스틱 흡기 통로를 갖는 내연기관에 이용되는 배기가스 환류 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 플라스틱 흡기 통로 상에 형성되고, 상기 흡기 통로의 내측과 연결된 배기가스 입구 구멍을 갖는 연결 기부와, 엔진에 의해 생성된 배기가스의 계량된 양이 상기 플라스틱 흡기 통로의 내측으로 다시 공급되게 해주는 배기가스 환류 밸브와, 상기 배기가스 입구 구멍을 통과하는 제1 단부와 상기 배기가스 환류 밸브의 출구 개구에 연결된 제2 단부를 구비한 배기가스 환류 파이프를 포함한다. 상기 배기가스 입구 구멍의 내측 단부에 의해 한정된 개구는 상기 배기가스 입구 구멍의 다른 부분에 의해 한정된 개구보다 더 넓게 구성된다.
본 발명의 제3 특징에 의하면, 배기가스 환류 시스템에 이용되는 냉각 장치가 제공된다. 상기 장치는 전방 하우징 부재와, 후방 하우징 부재와, 밀봉 부재와, 하우징 유니트를 구성하도록 상기 밀봉 부재가 개재된 상기 전방 및 후방 하우징 부재를 결합하는 볼트를 포함한다. 상기 하우징 유니트는 상호 분리된 제1 및 제2 통로를 포함하고, 상기 제1 통로는 배기가스 환류를 위해 배기가스가 방출되도록 구성되고, 상기 제2 통로는 상기 제1 통로를 둘러싸는 형상을 갖고 냉각제가 유동되도록 구성된다.
도1 내지 도5를 참조하면, 특히 도1에는 본 발명의 제1 실시예로서 배기가스 환류 (또는 EGR) 시스템이 도시된다.
도1에서, 참조 부호 1은 공지된 방식으로 내연기관의 실린더 헤드(도시되지 않음)에 고정되는 플라스틱 흡기 다기관을 나타낸다. 흡기 다기관(1)은 일반적으로 엔진 실린더(도시되지 않음)의 열(row)을 따라 연장된 신장형 수집부(2)와, 수집부(2)의 한 측면으로부터 실린더 헤드의 각각의 흡입 포트로 연장된 복수의 분기부(도시되지 않음)와, 드로틀 챔버(도시되지 않음)가 장착되는 수집부(2)의 상류측 단부 상에 형성된 입구 플랜지(3)를 포함한다. 플라스틱 흡기 다기관(1)의 전체 구성은 도6을 참조할 때 잘 이해될 수 있다. 흡기 다기관(1)은 유리 섬유 강화 나일론-6 또는 유리 섬유 강화 나일론-66 등으로 제조된다.
도1에 도시된 바와 같이, 수집부(2)에는 입구 플랜지(3) 근방에 직사각형 형상의 장착 시트(4)가 일체로 형성된다. 장착 시트(4)는 그 중심에 수집부(2)의 내측과 연결된 원통형 구멍(5)을 구비한다.
장착 시트(4)에는 금속제 냉각 하우징(6)이 고정된다. 냉각 하우징(6)에는 격판형의 EGR 밸브(7)가 연결된다. EGR 파이프(8)의 한 단부는 EGR 밸브(7)에 연결되고, EGR 파이프(8)의 다른 단부는 엔진의 배기 다기관(도시되지 않음)에 연결됨으로써, 배기 다기관 내의 배기가스의 일부가 EGR 파이프(8)를 통해 EGR 밸브(7)로 인도된다.
냉각 하우징(6)은 알루미늄 다이 캐스트로 구성된다. 냉각 하우징(6)은 일반적으로 흡기 다기관(1)의 장착 시트(4) 상에 배치된 후방 하우징 부재(11)와, EGR 밸브(7)가 연결된 전방 하우징 부재(12)를 포함한다. 도3 및 도4에 도시된 바와 같이, 이러한 2개의 하우징 부재(11, 12)는 그 사이에 밀봉 부재(34)를 개재시켜 3개의 볼트(13)를 통해 합체된다. 밀봉 부재(34)는 액체 가스킷 등일 수 있다.
도3에 도시된 바와 같이, 후방 하우징 부재(11)는 그 후방 측면에서 전술한 장착 시트(4) 상에 밀접하게 배치된 평탄한 접촉면(11a)을 구비하고, 도1 및 도3에 도시된 바와 같이, 전방 하우징 부재(12)는 그 전방 측면에서 EGR 밸브(7)의 본체(7a)가 가스킷(16)을 통해 장착(도1 참조)되는 평탄한 접촉면(12a)을 구비한다. 평탄한 접촉면(12a)은 전방 하우징 부재(12)의 전방 측면의 주 평탄부(12b)로부터 융기되어 있다.
도4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 냉각 하우징(6)은 전방 및 후방 하우징 부재(12, 11)를 직선으로 통과하는 배기가스 통로(14)를 그 내부에 구비한다. 배기가스 통로(14)는 냉각 하우징(6) 내에 한정된 워터 자켓(15)에 의해 덮여져 있거나 둘러싸여 있다. 다음에 상세히 설명되는 바와 같이, 워터 자켓(15) 내에는 냉각수가 유동된다.
도1에 도시된 바와 같이, 배기가스 통로(14)의 전방 단부는 평탄한 접촉면(12a)에 노출되고 EGR 밸브(7)의 출구 포트에 연결된다. 그러나, 도4에 도시된 바와 같이, 배기가스 통로(14)의 후방 단부는 평탄한 접촉면(11a)으로부터 돌출된 일체식 파이프부(17)에 의해 한정된다. 파이프부(17)의 외부 직경은 흡기 다기관(1)의 장착 시트(4)의 원통형 구멍(5)의 직경보다 다소 작다. 조립 시에, 파이프부(17)는 작은 환형 간극을 남기면서 원통형 구멍(5)에 수용된다. 양호하게는, 그 간극은 약 1 mm 내지 2 mm의 두께이다. 간극으로 인해, 소정의 열 절연이 얻어진다. 원한다면, 금속(스테인레스강 등과 같은 것)으로 된 분리형 파이프 부재가 일체식 파이프부(17) 대신에 사용될 수도 있다. 이러한 경우에, 분리형 파이프 부재는 냉각 하우징(6)의 배기가스 통로(14)로 억지 끼워맞춤된다.
도1 및 도2에 잘 도시된 바와 같이, 전방 하우징 부재(12)의 평탄한 접촉면(12a)에는 배기가스 통로(14)의 양측면에 나사식 볼트 구멍(18)이 형성되어 있다.
도4에 도시된 바와 같이, EGR 밸브(7)로부터 연장된 2개의 나사식 볼트는 EGR 밸브(7)를 평탄한 접촉면(12a)에 고정하기 위해 볼트 구멍(18)에 결합되어 있다.
도4에 도시된 바와 같이, 각각의 볼트 구멍(18)은 전방 하우징 부재(12)의 두께 방향으로 연장되고, 그 개방 측면에 카운터 보어부(18a)를 구비한다. 도시된 바와 같이, 각각의 볼트 구멍(18)은 보스부 내에 형성되고, 보스부의 외측면은 워터 자켓(15)에 노출된다. 각각의 볼트 구멍(18)의 카운터 보어부(18a)의 길이는 워터 자켓(15)의 벽두께, 즉 평탄한 접촉면(12a)에서 워터 자켓(15)까지의 거리와 동일하거나 그보다 더 크다. 도시된 실시예에서, 카운터 보어부(18a)의 길이는 워터 자켓(15)의 벽두께와 동일하다. 이러한 것은 각각의 볼트 구멍(18)의 나사 부분이 전체적으로 워터 자켓(15)으로 둘러싸이거나 덮여진 것을 의미한다. 설명을 계속함에 따라 명백해지겠지만, 이러한 워터 자켓(15)에 의한 전체적인 둘러싸임은 볼트 구멍(18)에 대한 보스부의 확실한 냉각을 유도해 낸다. 카운터 보어부(18a)의 제공으로 인해, 각각의 볼트 구멍(18)의 나사부와 볼트의 실제 맞물림부는 워터 자켓(15)에 더 밀접하게 위치됨으로써 워터 자켓(15) 내의 냉각수에 의해 효과적으로 냉각된다. 따라서, 볼트의 바람직하지 못한 느슨해짐이 억제된다.
도1 내지 도3에 도시된 바와 같이, 전방 하우징 부재(12)에는 그 하부에 입구 파이프(19)가 제공되고 그 측부에는 출구 파이프(20)가 제공되며, 이러한 파이프(19, 20)들은 냉각 하우징(6) 내의 워터 자켓(15)에 연결된다. 도면에 도시되지는 않았지만, 워터 파이프들은 입구 및 출구 파이프(19, 20)에 연결되어서, 워터 펌프(도시되지 않음)에 의해 운반된 엔진 냉각수의 일부는 강제적으로 워터 자켓(15) 내로 유동된다.
도1, 도2 및 도4에서 알 수 있는 바와 같이, 냉각 하우징(6)에는 3개의 관통 볼트 구멍(22)들이 제공되는데, 각각의 관통 볼트 구멍은 전방 및 후방 하우징 부재(12, 11) 모두를 통해 연장되어 있다. 각각의 볼트 구멍(22)은 전방 하우징 부재(12)의 주 평탄부(12b)에 노출된 전방 단부를 구비한다.
도4에서 알 수 있는 바와 같이, 나사 볼트(21)는 각각의 관통 볼트 구멍(22)을 통과하고, 흡기 다기관(1)의 장착 시트(4)에 끼워진 각각의 금속 너트(23)와 맞물린다. 이러한 점에 의해, 냉각 하우징(6)은 흡기 다기관(1)의 장착 시트(4)에 견고하게 고정된다. 각각의 볼트(21)는 전방 하우징 부재(12)의 전방 측면의 주 평탄부(12b) 상에 장착된 확대 헤드(21a)를 구비한다. 도시된 바와 같이 각각의 너트(23)는 후방 하우징 부재(11)와 밀접하게 접촉하는 영역을 증대하기 위해 사다리꼴 단면을 갖는다. 원한다면, 장착 시트(4)로부터 연장되는 스터드 볼트들이 전술한 나사 볼트(21) 대신에 이용될 수도 있다. 즉, 이러한 경우에는 각각의 스터드 볼트가 볼트 구멍(22)을 통과하여 주 평탄부(12b) 상에 배치된 너트와 맞물린다.
장착 시트(4)와 후방 하우징 부재(11) 사이에는 장착 시트(4)에 형성된 환형 홈(25) 내에 보유되어 있는 밀봉 링(24)이 배치된다. 장착 시트(4)는 상기 홈(25) 둘레에 열 절연 홈(26)을 구비한다. 즉, 열 절연 홈(26)은 냉각 하우징(6)과 흡기 다기관(1) 사이에 열 절연을 이루어준다.
도2 및 도5에 도시된 바와 같이, 냉각 하우징(6)의 후방 하우징 부재(11)에는 그 하부에 한 쌍의 나사식 볼트 구멍(27)을 갖는 브래킷부(28)가 일체로 형성된다.
도3 및 도5에서 알 수 있는 바와 같이, 후방 하우징 부재(11)의 후방 측면은 3개의 오목부(29)를 구비하고, 3개의 오목부는 후방 및 전방 하우징 부재(11, 12)들을 합체시키는 전술한 볼트(13)의 헤드들을 수용한다.
도1 및 도5에 도시된 바와 같이, 후방 하우징 부재(11)에는 워터 자켓(15)과 연통하는 공기 배출 나사 구멍(30)이 형성되어 있다. 공기 배출 구멍(30)은 분리가능하게 맞물린 공기 배출 플러그(31)(도2 참조)에 의해 밀폐된다.
도5에 도시된 바와 같이, 후방 하우징 부재(11)에는 공기 배출 구멍(30) 근방에 배기가스 통로(14)에 노출되는 센서 장착 보어(32)가 형성되어 있다. 도면에 도시되지는 않았지만, 배기가스 통로(14)에서 유동하는 EGR 가스의 온도를 감지하기 위한 온도 센서가 보어(32) 내에 수용되어 있다.
관련된 엔진의 작동 하에서, 배기 다기관 내의 배기가스의 일부는 NOx 방출물을 감소시키기 위해 전술한 EGR 시스템을 통해 플라스틱 흡기 다기관(1)으로 인도된다. EGR 밸브(7)의 조작에 의해, 흡기 다기관으로 도달된 EGR 가스량이 조절된다.
EGR 시스템의 작동 중에 엔진의 워터 펌프에 의해 운반된 냉각수의 일부가 냉각 하우징(6)의 워터 자켓(15)에서 강제적으로 유동된다.
다음으로, 제1 실시예의 EGR 시스템에 의해 제공되는 이점들에 대해 설명한다.
첫째, 냉각 하우징(6)은 냉각수에 의해 효과적으로 냉각된다. 따라서, 고온으로 가열된 EGR 밸브(7)로부터 플라스틱 흡기 다기관(1)으로 전달된 열량이 상당히 감소된다.
둘째, 배기가스가 플라스틱 흡기 다기관의 내측으로 인도되게 하는 파이프부(17)(도4 참조)를 제공함으로써, 고온으로 가열된 배기가스가 흡기 다기관(1)의 원통형 구멍(5)의 벽 상으로 직접 송풍되는 일이 발생되지 않는다.
셋째, 각각의 볼트 구멍(18)의 나사 부분(도4 참조)이 워터 자켓(15)에 의해 전체적으로 덮여지므로, 나사 부분이 효과적으로 냉각된다. 따라서, 나사 부분의 바람직하지 못한 열 변형이 억제되므로, EGR 밸브(7)를 냉각 하우징(6)에 고정시키는 대응 볼트가 바람직하지 못하게 느슨해지는 것이 억제되거나 또는 적어도 최소화된다.
넷째, 도4에 도시된 바와 같이, 전방 하우징 부재(12)의 평탄한 접촉면(12a) 및 주 평탄부(12b) 사이에 갭이 제공됨으로써, EGR 밸브(7)로부터 볼트(21)로의 열 전달 통로가 실질적으로 증가된다. 따라서, 볼트(21)를 통한 플라스틱 흡기 다기관(1)으로의 열 전달이 최소화된다. 워터 자켓(15) 내의 냉각수에 의해 볼트(21)에 적용된 냉각 효과는 플라스틱 흡기 다기관(1)으로의 열 전달의 최소화를 촉진시킨다.
다섯째, 전방 및 후방 하우징 부재(12, 11) 사이에 개재된 밀봉 부재(34)를 제공함으로써, 냉각 하우징(6)을 통한 열 전달이 어느 정도 차단된다. 냉각 하우징(6)의 분리식 구조는 워터 자켓(15)의 형성을 단순화시킨다.
도6 내지 도10을 참조하면, 특히 도6에서는 본 발명의 제2 실시예인 EGR 시스템이 도시되어 있다.
도6에서, 실질적으로 제2 실시예가 적용되는 인라인(in-line)형 6기통 내연기관(도시되지 않음)용으로 설계된 플라스틱 흡기 다기관(1)이 도시되어 있다. 전술한 제1 실시예에서와 같이, 흡기 다기관(1)은 제1 실시예의 설명 부분에서 기술된 것과 같은 섬유 강화 플라스틱 재료로 성형된다.
도1의 제1 실시예의 경우와 유사하게, 제2 실시예가 적용되는 플라스틱 흡기 다기관(1)은 일반적으로 엔진 실린더들의 열을 따라 연장된 신장형 수집부(2)와, 수집부(2)의 한 측면으로부터 실린더 헤드의 각각의 흡기 포트로 연장된 6개의 분기부(2a)와, 수집부(2)의 상류측 부분을 한정하는 입구부(2b)와, 드로틀 챔버 TC를 장착하도록 입구부(2b) 상에 일체로 형성된 입구 플랜지(3)를 포함한다. 참조 부호 2c로 표시된 것은 입구 플랜지(3) 내에 한정된 원형 입구 개구로서, 이 원형 입구 개구는 입구부(2b)의 내측과 드로틀 챔버 TC를 연결한다. 분기부(2a)는 그 선단부에 실린더 헤드에 볼트로 조여진 일체형 장착 플랜지(2d)를 구비한다.
입구부(2b)는 그 내부에 통로(2e)를 구비하고, 그 통로의 단면적은 실질적으로 길이 방향으로 일정하다. 통로(2e)의 단면 형상은 입구 플랜지(3)로부터 수집부(2)로 위치를 이동함에 따라 점차적으로 원형에서 평탄한 직사각형으로 변화된다.
도6에 도시된 바와 같이, 흡기 다기관(1)의 입구부(2b)에는 다소 융기된 장착 시트(4)가 일체로 형성되어 있다. 장착 시트(4)는 그 중심부에 입구부(2b)의 내측과 연결된 원통형 구멍(5)을 구비한다. 원통형 구멍(5)은 입구부(2b) 내의 흡기 공기가 유동하는 방향에 수직되는 방향으로 연장된다.
원통형 구멍(5)으로 EGR 파이프(8)의 선단부(8a)가 삽입되어 있다. EGR 파이프(8)의 다른 단부는 엔진의 배기 다기관(도시되지 않음)으로 연결되므로, 배기 다기관에서 배기가스의 일부가 EGR 파이프(8)를 통해 입구부(2b)로 인도된다. 도면에 도시되지는 않았지만, EGR 파이프(8)는 작동식으로 연결된 EGR 밸브를 구비한다.
도7은 EGR 파이프(8)의 선단부(8a)가 흡기 다기관(1)의 원통형 구멍(5)에서 견고하게 지지되게 하는 장착 구조를 상세하게 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 원통형 구멍(5) 내에는 금속제 칼라 부재(50)가 배치되어 있고, 이 칼라 부재는 소정의 환형 간극(52)을 한정하도록 EGR 파이프(8)의 선단 부분을 둘러싸는 형상을 갖고 있다. 칼라 부재(50)의 외부 직경은 원통형 구멍(5)의 직경보다 다소 큼으로써 그 사이에 환형 간극(54)을 한정해 준다. 칼라 부재(50)는 EGR 파이프(8)의 선단부(8a)에 인접 배치되어 용접된 직경상으로 감소된 전방단부(50a)를 구비한다. 참조 부호 50b로 표시된 것은 계단부로서, 이 계단부를 통해 감소된 전방 단부(50a)가 칼라 부재(50)의 주요 부분에 연결된다. 도시된 바와 같이, EGR 파이프(8)의 선단부(8a)와 감소된 전방 단부(50a)의 그것과는 상호 동일 평면에 위치한다. 칼라 부재(50)는 그 후방 단부에 장착 판(56)에 용접된 반경 방향 외측으로 연장된 플랜지(50c)를 구비한다. 장착 판(56)에는 EGR 파이프(8)가 통과하는 원형 개구(56a)가 형성된다. 도시된 바와 같이, 원형 개구(56a)의 직경은 EGR 파이프(8)의 직경보다 더 크므로 환형 갭이 그 사이에 한정된다. 이러한 환형 갭을 제공함으로써, EGR 파이프(8)와 칼라 부재(50) 사이에 한정된 환형 간극(52)이 개방 공기와 연통된다.
도6에 도시된 바와 같이, 장착 판(56)은 2개의 나사 볼트(58a, 58b)에 의해 흡기 다기관(1)의 장착 시트(4)에 고정된다.
도7을 다시 참조하면, 칼라 부재(50)의 플랜지(50c)는 따라서 장착 시트(4)와 장착 판(56) 사이에 밀접하게 배치된다. 환형 갭(54)을 격리하기 위해 장착 시트(4)와 장착 판(56) 사이에 밀봉 링(58)이 배치된다.
도6 및 도7에 도시된 바와 같이, 조립 시에 EGR 파이프(8)의 선단부(8a)는 입구부(2b)의 내벽(2f)을 지나 입구부(2b)의 내측으로 약간 돌출된다.
도7에 도시된 바와 같이, 원통형 구멍(5)은 칼라 부재(50)의 감소된 전방 단부(50a)를 둘러싸는 모떼기형 내부 단부(5a)를 구비한다. 따라서, 환형 홈(60)은 도시된 바와 같이 대체로 사다리꼴 단면을 갖고 칼라 부재(50)의 감소된 전방 단부(50a) 둘레에 형성된다. 즉, 도시된 실시예에서, 환형 홈(60)은 실질적으로모떼기형 내부 단부(5a), 칼라 부재(50)의 계단부(50b) 및 감소된 전방 단부(50a)에 의해 한정된다. 그러나, 원한다면 환형 홈(60)은 전술한 형상 이외에 예를 들어 반원형, 직사각형, 지그재그형 단면과 같은 다양한 형상을 취할 수도 있다.
도8은 드로틀 챔버 TC 내의 드로틀 밸브(62)와 장착 시트(4)의 원통형 구멍(5) 사이의 위치 관계를 도시한다. 도8에서 알 수 있는 바와 같이, 드로틀 밸브(62)는 버터플라이 밸브형으로서, 2개의 날개부(62a, 62b)와 이 2개의 날개부(62a, 62b)가 선회하는 피봇 축(62c)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 2개의 날개부(62a, 62b)는 밸브(62)를 개방할 필요가 있을 때에 도시된 위치로부터 소정의 각도로 시계 방향으로 선회하도록 배열된다. 즉, 이러한 필요시에 날개부(62a)는 상류측으로 이동하고 다른 날개부(62b)는 하류측으로 이동한다. 날개부(62a, 62b)를 전술한 방식으로 배열하면, 원통형 구멍(5)이 날개부(62a)의 하류측 지점에 위치됨을 이해하여야 한다. 다시 말해, 원통형 구멍(5)은 밸브(62)의 개방 조작 중에 상류측으로 이동하는 날개부(62a, 62b) 중의 하나의 하류측에 위치된다. 이러한 것은 그러한 위치 선정이 원통형 구멍(5)에 상당한 흡입 효과를 제공하기 때문이다. 실제로, 도11에 도시된 바와 같이, 상방으로 이동하는 날개부(62a)의 후방에 생성된 소용돌이가 하방으로 이동하는 날개부(62b)의 후방에 생성된 소용돌이보다 더 작기 때문에, 날개부(62a)의 하류측 위치에서 더 큰 공기 유동이 얻어진다.
다음으로, 제2 실시예의 EGR 시스템에 의해 제공되는 이점들에 대해 설명한다.
첫째, 흡기 다기관(1)의 원통형 구멍(5) 내에 칼라 부재(50)를 제공함으로써, 원통형 구멍(5)의 내벽이 EGR 파이프(8)에서 방사된 열로부터 효과적으로 보호된다. 즉, 칼라 부재(50)의 존재로 인해, EGR 파이프(8) 및 원통형 구멍(5)의 내벽 사이에 2개의 환형 간극(52, 54)이 한정되고, 그 간극(52, 54)은 우수한 열 절연 수단으로 작용한다. 따라서, 원통형 구멍(5)의 내벽의 바람직하지 못한 열 변형이 억제되거나 또는 적어도 최소화된다.
둘째, 환형 홈(60)(도7 참조)을 제공함으로써, 원통형 구멍(5)의 모떼기형 내부 단부(5a)가 칼라 부재(50)의 감소된 전방 단부(50a)에서 방사된 열로부터 효과적으로 보호된다. 실제로, 감소된 전방 단부(50a)는 EGR 파이프(8)에 용접되기 때문에 상당한 고온으로 가열된다. 모떼기형 내부 단부(5a)가 제공되면 열이 모이는 원통형 구멍(5)의 예각 모서리가 형성되는 것을 방지할 수 있게 된다. 도7에서 알 수 있는 바와 같이, 공기가 내벽(2f)을 따라 화살표 A의 방향으로 유동하는 상태 하에서, 화살표 tf로 표시된 바와 같이 환형 홈(60) 근방에 난류(turbulent flows)가 생성되고, 이러한 난류는 홈(60)의 벽 및 칼라 부재(50)의 감소된 전방 단부(50a)로부터 열을 흡수할 수 있다.
셋째, EGR 파이프(8)의 선단부(8a)가 흡기 다기관(1)의 내측으로 돌출되어 있으므로, 그 단부(8a)로부터 배출된 EGR 가스가 흡기 다기관(1)에서 유동하는 흡기 공기와 즉각적으로 용이하게 혼합된다. 고온으로 가열된 배기가스는 플라스틱 흡기 다기관(1)의 내벽(2f) 상에 직접 송풍되는 것이 억제된다. 이상 설명한 바와 같이 원통형 구멍(5)이 드로틀 밸브(62)의 개방 조작 중에 상류측으로 이동하는 날개부(62a)의 하류측에 위치된다면, EGR 파이프(8)의 선단부(8a)가 노출되는 영역에서 더 큰 흡기 공기 유동이 얻어진다. 이러한 것은 난류 tf에 의해 홈(60)의 벽에 적용된 냉각 효과뿐만 아니라, EGR 가스와 흡기 다기관(1) 내의 흡기 공기의 혼합을 촉진시킨다.
전술한 환형 홈(60)의 냉각 효과를 알기 위해, 본 발명자에 의해 실험이 실시되었다. 도9는 실험 방법을 도시하고, 도10은 실험 결과를 도시한다.
도9에 도시된 바와 같이, 이 실험에는 원통형 구멍(105)이 관통 형성된 플라스틱 흡기 다기관(101)과, 원통형 구멍(105) 내에 이격 수용된 파이프부(108)를 구비한 EGR 가스 공급기(106)를 포함하는 간단한 시험 장치가 제공되었다. 제2 실시예에서와 같이, 파이프부(108)의 선단부(108a)는 흡기 다기관(101)의 내측으로 다소 돌출되어 있다. 도시된 바와 같이, 원통형 구멍(105)의 내부 단부에는 직경상 반대 방향 부분에서 테이퍼형 부분 a와 비테이퍼형 부분 b가 각각 형성되어 있다. 참조 부호 c로 표시된 것은 원통형 구멍(105)의 외부 단부 근방의 부분이다. b 및 c 부분 사이의 거리는 약 26 mm이다. 이 실험에서, 흡기 공기는 강제적으로 흡기 다기관(101)으로 유동되었고, EGR 가스는 파이프부(108)로부터 흡기 다기관(101)으로 인도되었고, 3개 부분 a, b 및 c의 온도가 측정되었다.
실험 결과는 도10의 그래프에 도시되어 있다. 이러한 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, a 부분의 온도(100 ℃)가 b 부분의 온도(125 ℃)와 비교해서 상당히 낮았다. 이러한 점에 의해 환형 홈(60)에 의해 제공된 냉각 효과가 입증된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 그 구성에 의해 다음과 같은 효과 또는 이점을 갖는다.
먼저, 본 발명의 제1 실시예의 EGR 시스템에 의하면, 냉각 하우징이 냉각수에 의해 효과적으로 냉각되므로 고온으로 가열된 EGR 밸브로부터 플라스틱 흡기 다기관으로 전달된 열량이 상당히 감소된다. 배기가스가 플라스틱 흡기 다기관의 내측으로 인도되게 하는 파이프부를 제공함으로써 고온으로 가열된 배기가스가 흡기 다기관의 원통형 구멍의 벽 상으로 직접 송풍되는 일이 발생되지 않고 각각의 볼트 구멍의 나사 부분이 워터 자켓에 의해 전체적으로 덮여지므로 나사 부분이 효과적으로 냉각된다. 나사 부분의 바람직하지 못한 열 변형이 억제되므로 EGR 밸브를 냉각 하우징에 고정시키는 대응 볼트가 바람직하지 못하게 느슨해지는 것이 억제되거나 또는 적어도 최소화된다. 전방 하우징 부재의 평탄한 접촉면 및 주 평탄부 사이에 갭이 제공됨으로써 EGR 밸브로부터 볼트로의 열 전달 통로가 실질적으로 증가되어 볼트를 통한 플라스틱 흡기 다기관으로의 열 전달이 최소화된다. 워터 자켓 내의 냉각수에 의해 볼트에 적용된 냉각 효과는 플라스틱 흡기 다기관으로의 열 전달의 최소화를 촉진시킨다. 전방 및 후방 하우징 부재 사이에 개재된 밀봉 부재를 제공함으로써 냉각 하우징을 통한 열 전달이 어느 정도 차단되고 냉각 하우징의 분리식 구조가 워터 자켓의 형성을 단순화시킨다.
다음으로, 본 발명의 제2 실시예의 EGR 시스템에 의하면, 흡기 다기관의 원통형 구멍 내에 칼라 부재를 제공함으로써 원통형 구멍의 내벽이 EGR 파이프로부터 방사된 열로부터 효과적으로 보호되고, 다시 말해 칼라 부재가 제공됨으로써 EGR파이프 및 원통형 구멍의 내벽 사이에 2개의 환형 간극이 한정되어 그 간극은 우수한 열 절연 수단으로 작용하고, 원통형 구멍의 내벽의 바람직하지 못한 열 변형이 억제되거나 또는 적어도 최소화된다. 환형홈을 제공함으로써 원통형 구멍의 모떼기형 내부 단부가 칼라 부재의 감소된 전방 단부로부터 방사된 열로부터 효과적으로 보호된다. 모떼기형 내부 단부가 제공됨으로써 열이 모이는 원통형 구멍에 예각 모서리가 형성되는 것을 방지할 수 있게 되고, 공기가 내벽을 따라 환형 홈 근방에 난류가 생성되어 이러한 난류에 의해 홈의 벽 및 칼라 부재의 감소된 전방 단부로부터 열이 흡수될 수 있고, EGR 파이프의 선단부가 흡기 다기관의 내측으로 돌출되어 있으므로 그 단부로부터 방출된 EGR 가스가 흡기 다기관에서 유동하는 흡기 공기가 즉각적으로 용이하게 혼합되고 고온으로 가열된 배기가스는 플라스틱 흡기 다기관의 내벽 상에서 직접 송풍되는 것이 억제된다.

Claims (21)

  1. 플라스틱 흡기 통로를 갖는 내연기관에 이용되는 배기가스 환류 시스템에 있어서,
    플라스틱 흡기 통로 상에 형성되고, 상기 흡기 통로의 내측과 연결된 배기가스 입구 구멍을 갖는 연결 기부와,
    엔진에 의해 생성된 배기가스의 계량된 양이 상기 플라스틱 흡기 통로의 내측으로 다시 공급되게 해주는 배기가스 환류 밸브와,
    상기 연결 기부 및 배기가스 환류 밸브 사이에 배열되고, 상기 배기가스 환류 밸브의 출구 개구를 상기 연결 기부의 배기가스 입구 구멍에 연결하는 제1 통로 및 상기 제1 통로를 둘러싸는 형상을 갖고 내부에서 냉각제가 유동되도록 구성된 제2 통로를 상호 분리식으로 구비하는 냉각 장치를 포함하고,
    상기 냉각 장치의 제1 통로는 상기 배기가스 입구 구멍을 관통하는 파이프부를 포함하고, 상기 파이프부의 외벽과 배기가스 입구 구멍의 내벽 사이에 소정의 공간을 유지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배기가스 환류 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 냉각제는 냉각수인 것을 특징으로 하는 배기가스 환류 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 냉각 장치는 제1 통로가 관통하는 방식으로 합체된 전방 및 후방 하우징 부재들을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 환류 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 냉각 장치에는 상기 제2 통로에 의해 둘러싸여진 나사 볼트 구멍이 형성되고, 상기 나사 볼트 구멍은 냉각 장치에 배기가스 환류 밸브를 고정하는 나사 볼트를 내부에 작동식으로 수용하는 것을 특징으로 하는 배기가스 환류 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 나사 볼트 구멍에는 그 개방 측면에 배기가스 환류 밸브가 연결된 상기 냉각 장치의 소정 표면에 노출된 카운터 보어가 형성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 환류 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 카운터 보어의 길이는 상기 소정 표면 및 상기 제2 통로로부터의 거리와 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 배기가스 환류 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 카운터 보어의 길이는 상기 소정 표면 및 상기 제2 통로로부터의 거리보다 더 큰 것을 특징으로 하는 배기가스 환류 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 냉각 장치는 나사 볼트에 의해 상기 연결 기부에 고정되고, 상기 볼트는 상기 냉각 장치 내에 형성된 관통 보어를 통과하여 상기 연결 기부 내에 제공된 나사 볼트 구멍과 맞물리는 것을 특징으로 하는 배기가스 환류시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 냉각 장치의 관통 보어는 상기 배기가스 환류 밸브가 연결되는 표면으로부터 오목하게 들어간 표면으로 노출된 전방 단부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배기가스 환류 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 상기 연결 기부 내에 제공된 나사 볼트 구멍은 상기 연결 기부 내에 끼워진 금속 너트에 의해 한정되고, 상기 금속 너트는 상기 냉각 장치가 접촉하는 영역을 증가시키기 위해 사다리꼴 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 배기가스 환류 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 연결 기부에는 상기 냉각 장치가 연결되는 표면 내에 열 절연 홈이 형성되고, 상기 열 절연 홈은 상기 배기가스 입구 구멍을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 배기가스 환류 시스템.
  12. 플라스틱 흡기 통로를 갖는 내연기관에 이용되는 배기가스 환류 시스템에 있어서,
    플라스틱 흡기 통로 상에 형성되고, 상기 흡기 통로의 내측과 연결된 배기가스 입구 구멍을 갖는 연결 기부와,
    엔진에 의해 생성된 배기가스의 계량된 양이 상기 플라스틱 흡기 통로의 내측으로 다시 공급되게 해주는 배기가스 환류 밸브와,
    상기 배기가스 입구 구멍을 관통하는 제1 단부와 상기 배기가스 환류 밸브의 출구 개구에 연결된 제2 단부를 구비한 배기가스 환류 파이프를 포함하고,
    상기 배기가스 입구 구멍의 내측 단부에 의해 한정된 개구가 상기 배기가스 입구 구멍의 다른 부분에 의해 한정된 개구보다 더 넓게 구성된 것을 특징으로 하는 배기가스 환류 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 배기가스 환류 파이프의 제1 단부는 상기 제1 단부의 외벽과 상기 배기가스 입구 구멍의 내벽 사이에 소정의 공간을 유지하면서 상기 배기가스 입구 구멍 내에 수용되는 것을 특징으로 하는 배기가스 환류 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 배기가스 입구 구멍 내에 상기 제1 단부를 견고하게 보유하도록 상기 소정 공간 내에 금속제 칼라 부재가 배치되고, 상기 칼라 부재는 상기 제1 단부의 선단부에 장착되어 용접된 직경상으로 감소된 제1 단부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배기가스 환류 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 칼라 부재는 상기 연결 기부의 외측면에 고정된 반경 방향으로 확대된 제2 단부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배기가스 환류 시스템.
  16. 제14항에 있어서, 상기 칼라 부재는 상기 제1 단부의 외측면과 상기 칼라 부재의 내벽 사이의 제1 환형 간극과, 상기 칼라 부재의 외측면과 상기 배기가스 구멍의 내벽 사이의 제2 환형 간극의 양자 모두를 한정하는 방식으로 상기 소정 공간 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 환류 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1 환형 간극은 개방 공기에 노출되는 것을 특징으로 하는 배기가스 환류 시스템.
  18. 제14항에 있어서, 상기 칼라 부재의 직경상으로 감소된 제1 단부의 선단부 및 상기 배기가스 환류 파이프의 제1 단부의 선단부는 상호 동일 평면에 위치하는 것을 특징으로 하는 배기가스 환류 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 칼라 부재 및 상기 배기가스 환류 파이프의 동일 평면에 위치한 단부들은 플라스틱 흡기 통로의 내벽을 지나 상기 플라스틱 흡기 통로의 내측으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 배기가스 환류 시스템.
  20. 제12항에 있어서, 상기 연결 기부의 배기가스 입구 구멍은 드로틀 밸브의 개방 조작 중에 상류측으로 이동하는 드로틀 밸브의 하나의 날개부의 하류측에 위치하는 것을 특징으로 하는 배기가스 환류 시스템.
  21. 배기가스 환류 시스템에 이용되는 냉각 장치에 있어서,
    전방 하우징 부재와,
    후방 하우징 부재와,
    밀봉 부재와,
    하우징 유니트를 구성하도록 상기 밀봉 부재가 개재된 상기 전방 및 후방 하우징 부재를 결합시키기 위한 볼트를 포함하고,
    상기 하우징 유니트는 상호 분리된 제1 및 제2 통로를 포함하고, 상기 제1 통로는 배기가스 환류를 위해 배기가스가 통과되도록 구성되고, 상기 제2 통로는 상기 제1 통로를 둘러싸는 형상을 갖고 냉각제가 유동되도록 구성된 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
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