KR100478216B1 - 배기가스 재순환장치용 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배기가스 재순환장치에 의해 재순환되는 배기가스의 온도를 냉각시켜 실린더내에서 혼합기가 연소될 때 연소온도를 낮추어 질소산화물의 생성량을 저감할 수 있는 배기가스 재순환장치용 열교환기에 관한 것이다.

본 발명에 따른 배기가스 재순환장치용 열교환기는, 양측에 냉각수 유입구 (111)와 냉각수 배출구(112)가 설치되는 중공의 몸체(110); 상기 몸체(110)의 양단에 각각 접합되어 배기가스 유입실(121)과 배기가스 배출실(122)을 형성하는 한 쌍의 단부캡(120)(120′); 상기 몸체(110) 내에서, 상기 냉각수 유입구(111)에서 상기 몸체(110)를 길이방향으로 관통하여 상기 냉각수 배출구(112)로 이어지는 적어도 하나 이상의 냉각수 유로(131)와, 상기 배기가스 유입실(121)에서 상기 몸체 (110)를 길이방향으로 관통하여 상기 배기가스 배출실(122)로 이어지는 적어도 하나 이상의 배기가스 유로(132)를 교대로 형성하는 동심원상 직경을 달리하는 다수의 관(130); 및 상기 몸체(110)의 내부 양단에 설치되어, 상기 냉각수 유로(131)의 양단을 밀폐하고 상기 배기가스 유로(132)의 양단은 개방하면서 각 관(130)의 양단을 고정하는 한 쌍의 헤드(140)(140′);를 포함하여 이루진 것을 특징으로 한다.

Description

배기가스 재순환장치용 열교환기{Heat exchanger for exhaust gas recirculation}

본 발명은 배기가스 재순환장치(Exhaust Gas Recirculation : EGR)에 관한 것으로, 특히 배기매니폴더로부터 흡기매니폴더로 재순환되는 배기가스의 온도를 낮추어 실린더에서 연소시 질소산화물을 저감시킬 수 있는 배기가스 재순환장치의 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 배출가스는 연소실의 혼합기나 미연소가스가 엔진의 크랭크케이스로 새어나오는 블로바이 가스(Blow-by Gas), 연료탱크 내의 연료가 증발하여 대기중으로 방출되는 연료증발가스, 그리고 배기계통으로 배출되는 배기가스 등이 있다.

이러한 자동차 배출가스는 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 탄화수소(HC) 등의 유해물질이 포함되어 있는 바, 연소과정에서 발생하는 상기 3원소 중 일산화탄소와 탄화수소에 대하여 질소산화물은 항상 반대의 인과관계를 가지고 있다. 즉, 실용적인 출력범위에서 일산화탄소와 탄화수소가 가장 감소하는 시점에 질소산화물은 가장 많이 발생하는데, 이러한 질소산화물은 연료가 완전 연소할수록 즉, 엔진이 고온일수록 질소산화물의 발생량은 증가하게 된다.

배기가스 재순환장치(EGR)는 상기 배출가스중 배기가스를 흡기계로 재순환시켜 실린더내의 연소온도를 낮추어 질소산화물의 발생을 억제하는 장치이다. 즉, 배기가스중의 질소산화물(NOx)을 저감하는 수단으로 배기가스의 일부를 흡기계통에 되돌려, 혼합기가 연소할 때 최고 온도를 낮게 하여 질소산화물(NOx)의 생성량을 적게 하는 것이다.

이러한 배기가스 재순환장치(EGR)의 구성이 도 1에 도시되어 있다. 도 1은 종래의 배기가스 재순환장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도시된 바와 같이, 종래 배기가스 재순환장치는 배기매니폴더(10)로부터 배출되는 배기가스의 일부가 흡기매니폴더(20)로 재순환되도록 하는 EGR 파이프(30)가 구비되고, 상기 EGR 파이프(30)의 소정위치에는 EGR 파이프(30)를 통해 순환되는 배기가스의 양을 조절하는 컨트롤밸브(40)가 설치되어 이루어진다.

상기와 같이 구성된 배기가스 재순환장치는 배기매니폴더(10)로부터 배출되는 배기가스의 일부가 EGR파이프(30)를 통하여 흡기매니폴더(20)로 재순환되어 혼합기가 연소될 때 최고 온도를 낮추어 질소산화물의 생성량을 저감시킨다.

그러나, 상기와 같이 구성된 종래의 배기가스 재순환장치는, 배기가스를 배기매니폴더로부터 EGR파이프를 통하여 이송시키므로 배기가스의 온도가 저감되기는 하나, 그 온도저감 효과가 만족치 못한 것이어서 질소산화물의 생성을 억제하는데 충분한 효과를 얻을 수 없었다.

이에, 본 발명은 종래 배기가스 재순환장치의 사용에 따른 문제점을 해결하기 위하여, 배기가스 재순환장치에 의해 재순환되는 배기가스의 온도를 냉각시켜 실린더내에서 혼합기가 연소될 때 연소온도를 낮추어 질소산화물의 생성량을 저감할 수 있는 배기가스 재순환장치용 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 배기가스 재순환장치용 열교환기는, 양측에 냉각수 유입구와 냉각수 배출구가 설치되는 중공의 몸체; 상기 몸체의 양단에 각각 접합되어 배기가스 유입실과 배기가스 배출실을 형성하는 한 쌍의 단부캡; 상기 몸체 내에서, 상기 냉각수 유입구에서 상기 몸체를 길이방향으로 관통하여 상기 냉각수 배출구로 이어지는 적어도 하나 이상의 냉각수 유로와, 상기 배기가스 유입실에서 상기 몸체를 길이방향으로 관통하여 상기 배기가스 배출실로 이어지는 적어도 하나 이상의 배기가스 유로를 교대로 형성하는 동심원상 직경을 달리하는 다수의 관; 및 상기 몸체의 내부 양단에 설치되어, 상기 냉각수 유로의 양단을 밀폐하고 상기 배기가스 유로의 양단은 개방하면서 각 관의 양단을 고정하는 한 쌍의 헤드;를 포함하여 이루진 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 배기가스 재순환장치용 열교환기의 바람직한 실시예를 통하여 상술한 바와 같은 구성들의 특징과 그 작용을 보다 구체적으로 설명한다.

첨부된 도면의 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 재순환장치를 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 재순환장치용 열교환기를 나타낸 사시도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 재순환장치용 열교환기의 분해상태를 나타낸 분해사시도이고, 도 5는 도 3의 Ⅴ-Ⅴ 선단면도이며, 도 6은 도 3의 Ⅵ-Ⅵ 선단면도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 재순환장치용 열교환기의 관들을 나타낸 사시도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 재순환장치는, 배기매니폴더(10)로부터 배출되는 배기가스의 일부가 흡기매니폴더(20)로 재순환되도록 하는 EGR 파이프(30); EGR 파이프(30)상에 설치되어 배기매니폴더(10)로부터 흡기매니폴더(20)로 분기되는 배기가스의 양을 조절하는 컨트롤밸브(40); 컨트롤밸브(40) 및 흡기매니폴더(20)와 EGR 파이프(30)로 각각 연결되어 컨트롤밸브(40)를 통해 유입되는 배기가스를 냉각시켜 흡기매니폴더(20)로 보내주는 열교환기(100);를 포함하여 이루어진다.

도 3내지 도 7에 도시된 바와 같이 상기 열교환기(100)는, 중공의 몸체(110); 몸체(110)의 양단에 각각 접합되는 한 쌍의 단부캡(120)(120′); 적어도 하나 이상의 냉각수 유로(131)과 적어도 하나 이상의 배기가스 유로(132)를 교대로 형성하는 동심원상 직경을 달리하는 다수의 관(130); 몸체의 내부 양단에 설치되어 다수의 관(130)의 양단을 고정하는 한 쌍의 헤드(140)(140′);를 포함하여 이루진다.

상기 몸체(110)의 양측에는 냉각수가 유입되는 냉각수 유입구(111)와 냉각수가 배출되는 냉각수 배출구(112)가 각각 설치된다.

상기 각 단부캡(120)(120′)은 몸체(110)의 양단에 각각 접합되어 배기가스 유입실(121)과 배기가스 배출실(122)을 형성하며, 배기가스 유입실(121)과 배기가스 배출실(122)은 EGR 파이프(30)에 의해 각각 컨트롤밸브(40) 및 흡기매니폴더(20)에 연결된다.

상기 각 관(130)은 몸체(110)의 내부에서 동심원상 다른 직경을 갖게 설치되어, 냉각수 유입구(111)에서 몸체(110)의 내부를 관통하여 냉각수 배출구(112)로 이어지는 적어도 하나 이상의 냉각수 유로(131)와, 배기가스 유입실(121)에서 몸체(110)의 내부를 관통하여 배기가스 배출실(122)로 이어지는 적어도 하나 이상의 배기가스 유로(132)를 교대로 형성한다. 이 때, 각 관(130)으로는 직관 및 나선형관 등이 주로 사용되나, 이에 한정되지 않고 표면적이 확장되도록 내, 외주면 모두 파형단면구조를 갖는 관, 표면적이 확장되도록 외주면에 길이방향으로 복수 개의 돌기가 형성된 관 등 다양한 형태로 제작되어 사용될 수 있다.

상기 한 쌍의 헤드(140)(140′)는 몸체(110)의 내부 양단에 설치되어, 냉각수 유로(131)의 양단을 밀폐하고 배기가스 유로(132)의 양단은 개방하면서 각 관(130)의 양단을 고정하는 것으로, 냉각수 유로(131)의 양단을 밀폐하는 다수의 밀폐부(141)와, 상기 각 밀폐부(141)를 연결하는 연결부재(142)를 포함하여 이루어지며, 냉각수 유로(131)의 양단은 각 헤드(140)(140′)의 각 밀폐부(141)를 통해 냉각수 유입구(111) 및 냉각수 배출구(112)와 연결된다.

이 때, 동심원상의 다수의 관(130) 중 가장 바깥쪽에 위치하는 관(130)과 몸체(110) 사이에 냉각수 유로(131)가 형성되는 경우, 이 냉각수 유로(131)를 밀폐하는 밀폐부(141)가 몸체(110)의 단부 내주면에 브레이징(Brazing, 용접)되어 일체화되고, 반대로 배기가스 유로(132)가 형성되는 경우에는, 연결부재(142)의 일단이 몸체(110)의 단부 내주면에 브레이징(Brazing, 용접)되어 일체화된다.

이상과 같이 각 구성들의 작용에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 재순환장치용 열교환기의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 배기매니폴더(10)로부터 분기되는 배기가스는 컨트롤밸브(40)에 의해 그 양이 조절되어 단부캡(120)(120′)을 통해 배기가스 유입실(121)로 유입되고, 배기가스 유입실(121)에 모인 배기가스는 몸체(110) 내의 배기가스 유로(132)를 통과하면서 각 냉각수 유로(131)의 냉각수에 의해 충분히 냉각된 후 배기가스 배출실(122)을 통해 흡기매니폴더(20)로 보내진다.

이와 같이, 동심원상 직경을 달리하는 다수의 관(130) 사이에 적어도 하나 이상의 냉각수 유로(131)와 적어도 하나 이상의 배기가스 유로(132)가 교대로 형성되므로, 배기가스 유로(132)를 통과하는 배기가스의 냉각표면적이 확장되어 배기가스는 충분히 냉각되며, 이처럼 냉각된 배기가스는 흡기매니폴더(20)에서 흡기와 혼합된 후 실린더로 유입되므로 실린더 내의 연소온도를 낮추어 질소산화물의 생성량을 저감시켜준다.

이상과 같이 본 발명에 따른 배기가스 재순환장치용 열교환기를 첨부된 도면을 참조로 설명하였으나, 본 발명의 명세서에 상세히 설명된 실시예와 도면에 한정되지 아니하며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같은 본 발명 배기가스 재순환장치용 열교환기에 따르면, 동심원상의 다수의 관 사이에 적어도 하나 이상의 냉각수 유로와 적어도 하나 이상의 배기가스 유로가 교대로 형성되므로, 배기가스 유로를 통과하는 배기가스의 냉각표면적이 확장되어 배기가스는 충분히 냉각되며, 이처럼 냉각된 배기가스는 흡기매니폴더에서 흡기와 혼합된 후 실린더로 유입되므로 실린더 내의 연소온도를 낮추어 질소산화물의 생성량을 저감할 수 있다.

도 1은 종래의 배기가스 재순환장치를 개략적으로 나타낸 구성도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 재순환장치를 개략적으로 나타낸 구성도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 재순환장치용 열교환기를 나타낸 사시도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 재순환장치용 열교환기의 분해상태를 나타낸 분해사시도.

도 5는 도 3의 Ⅴ-Ⅴ 선단면도.

도 6은 도 3의 Ⅵ-Ⅵ 선단면도.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 재순환장치용 열교환기의 관들을 나타낸 사시도.

<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>

10 : 배기매니폴더 20 : 흡기매니폴더

30 : EGR 파이프 40 : 컨트롤밸브

100 : 열교환기 110 : 몸체

111 : 냉각수 유입구 112 : 냉각수 배출구

120, 120′ : 단부캡 121 : 배기가스 유입실

122 : 배기가스 배출실 130 : 관

131 : 냉각수 유로 132 : 배기가스 유로

140, 140′ : 헤드 141 : 밀폐부

142 : 연결부재

Claims (4)

1. 양측에 냉각수 유입구와 냉각수 배출구가 설치되는 중공의 몸체;

   상기 몸체의 양단에 각각 접합되어 배기가스 유입실과 배기가스 배출실을 형성하는 한 쌍의 단부캡;

   상기 몸체 내에서, 상기 냉각수 유입구에서 상기 몸체를 길이방향으로 관통하여 상기 냉각수 배출구로 이어지는 적어도 하나 이상의 냉각수 유로와, 상기 배기가스 유입실에서 상기 몸체를 길이방향으로 관통하여 상기 배기가스 배출실로 이어지는 적어도 하나 이상의 배기가스 유로를 교대로 형성하는 동심원상 직경을 달리하는 다수의 관; 및

   상기 몸체의 내부 양단에 설치되어, 상기 냉각수 유로의 양단을 밀폐하고 상기 배기가스 유로의 양단은 개방하면서 각 관의 양단을 고정하는 한 쌍의 헤드;를 포함하여 이루진 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환장치용 열교환기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 각 관은 나선형관인 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환장치용 열교환기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 각 관은 표면적이 확장되도록 내, 외주면 모두 파형단면구조를 갖는 관인 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환장치용 열교환기.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 각 관은 표면적이 확장되도록 외주면에 길이방향으로 복수 개의 돌기가 형성된 관인 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환장치용 열교환기.