KR100549979B1 - 엔진 배기가스 재순환 장치 - Google Patents

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미쓰비시 지도샤 고교(주)
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Abstract

본 발명은 배기계에서의 촉매의 설치 상태에 관계 없이, EGR 관로의 연장화나 자유 자재한 이음새의 설치를 요하지 않고, SOF분 제거 후의 EGR 가스를 환류할 수 있어, 그 결과, 제조 비용을 저감한 가운데, 흡기계로의 증착물 퇴적을 방지할 수 있는 엔진의 EGR 장치를 제공한다.
EGR 관로(7)의 한쪽 끝을 배기 매니폴드(2)의 집합 부분에 접속시킴과 동시에 다른 쪽 끝을 엔진 측 설치 플랜지(2a)에 접속시키고, EGR 관로(7)에 EGR 전용 촉매(6)를 설치하여, 배기 매니폴드(2)를 유통하는 배기 가스의 일부를 EGR 가스로서 EGR 관로(7)를 지나 엔진의 흡기계에 환류시켜, 그 때 촉매(6)에 의해 EGR 가스 중의 SOF분량을 제거한다.
배기 매니폴드, EGR 관로, 배기가스, 촉매, 흡기계, EGR 전용 촉매

Description

엔진 배기가스 재순환 장치{Engine EGR apparatus}
도 1은 본 발명의 한 실시예에 관련되는 엔진의 EGR 장치를 도시하는 정면도.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 관련되는 엔진의 EGR 장치를 도시하는 사시도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
2 : 배기 매니폴드 4 : 환형 브래킷(지지부재)
6 : 촉매 7a : 하측 EGR 관로
7b : 상측 EGR 관로 9b : 벨로우즈(가동부재)
10a : EGR 가스 도입구 10b : EGR 가스 도출구
11 : 하류측 EGR 통로
이 발명은 엔진의 EGR(EXHAUST GAS RECIRCULATION) 장치에 관련되며, 상세하게는 EGR 가스 중에 함유되는 SOF분량에 의한 증착물 퇴적을 방지할 수 있는 EGR 장치에 관한 것이다.
엔진에서 배출되는 배기 가스의 일부를 흡기계에 환류하여 연소 온도를 저하시켜, 이로써 NOx(질소 산화물)의 배출량을 저감시키는 EGR 장치가 널리 실시되고 있다. 주지한 바와 같이 배기 가스 중에는 미연 연료나 오일 등을 주성분으로 하는 SOF분량이 함유되며, EGR 가스와 함께 흡기계에 환류된 SOF분량은 증착물을 퇴적시키는 요인이 되기 때문에, 예를 들면 일본 공개 특허 공보 2000-356134호 공보에 기재된 EGR 장치와 같이, 배기 매니폴드에 접속되는 배기관의 배기 매니폴드 측에 설치된 근접 촉매의 하류 측에 EGR 관로의 EGR 가스 도입부를 접속시켜, 이 EGR 가스 도입부에 의해 도입된 배기 가스, 즉 EGR 가스를 EGR 관로를 통해 흡기계에 환류시키고 있다. 이 EGR 장치는 EGR 가스 중의 SOF분량이 근접 촉매에 의해 제거되지만, 상기 근접 촉매를 필요로 한다.
한편, 비용면이나 엔진의 출력면 등에서 근접 촉매를 생략한 차량도 있으며, 이러한 차량의 EGR 장치에서는, 예를 들면 일본 공개 특허 공보 2000-249003호 공보에 기재한 바와 같이, 배기관의 바닥 아래 부분에 배치되는 바닥 아래 촉매의 하류 측으로부터 EGR 가스를 도입하여 환류시키고 있다.
그렇지만, 바닥 아래 촉매는 엔진으로부터 꽤 이격되어 있기 때문에, 필연적으로 EGR 관로를 대폭 연장화할 필요가 생기는 가운데, 엔진의 롤이나 진동의 EGR 관로에의 영향을 피하기 위해, EGR 관로 상에 벨로우즈(bellows)나 구면 이음새 등의 자유 자재한 이음새를 설치할 필요가 생겨, 결과적으로 제조 비용이 급등하는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 배기계에서의 촉매의 설치 상태에 관계 없이, EGR 관로의 연장화나 자유 자재한 이음새 설치를 필요로 하지 않고, SOF분량이 제거된 EGR 가스를 환류할 수 있어, 그 결과, 제조 비용을 저감한 가운데, 흡기계로의 증착물 퇴적을 방지할 수 있는 엔진의 EGR 장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 엔진의 EGR 장치는 엔진으로부터 배출되는 배기 가스의 일부를 EGR 관로를 통해 흡기계에 환류시키는 엔진의 EGR 장치로, 상기 EGR 관로의 한쪽 끝에 설치되고 상기 엔진의 배기 매니폴드에 접속되어, 상기 배기 가스의 일부를 상기 EGR 관로 내에 도입하는 도입부와, 상기 도입부보다도 하류 측에 위치하여 상기 EGR 관로에 배치되어, 상기 도입부에서 도입된 배기 가스를 정화하는 촉매를 갖는다.
이하, 본 발명을 구체화한 엔진의 EGR 장치 제조의 한 실시예를 설명한다.
본 실시예에서는, 본 발명의 EGR 장치를 4기통 가솔린 엔진에 적용하고 있다.
도 1은 본 실시예의 엔진의 EGR 장치를 도시하는 정면도, 도 2는 마찬가지로 EGR 장치를 도시하는 사시도이고, 도면 중의 부호 1은 엔진의 실린더 헤드이다. 실린더 헤드(1)의 배기 측 측면에는 배기 매니폴드(2)가 설치되어 있다. 배기 매니폴드(2)는 실린더 헤드(1)에 볼트(3)에 의해 고정되는 엔진 측 설치 플랜지(2a)와, 각 기통마다 설치되어 각 기통으로부터 배출되는 배기 가스가 유통하는 배기 파이프(2c)와, 도시하지 않은 배기관에 접속되는 배기 측 연결 플랜지(2b)를 가지며, 배기 파이프(2c)는 상단이 엔진 측 설치 플랜지(2a)에 용접되고, 하단이 배기 측 연결 플랜지(2b)에 용접되어 있다. 또한, 각 배기 파이프(2c)는 하류에 있어서 2기통씩 집합되어 있다. 또한, 배기관은 차량의 바닥 아래 부분에 바닥 아래 촉매가 배치되고, 하류 측에 소음기가 배치된다. 더구나, 본 실시예에서는, 배기관의 배기 매니폴드(2)에 근접한 부분에 설치되는 근접 촉매는 구비되어 있지 않다.
복수의 배기 파이프(2c) 중 1개의 배기 파이프(2c)의 중간 정도에는 지지 부재로서의 환형 브래킷(4)이 볼트(5)로 고정되어, 이 환형 브래킷(4)은 통 형상을 이루는 촉매(6)를 내주 부분에서 유지하고 있다. 이 촉매(6)에는 배기 가스 전체를 정화하는 작용은 요구되지 않으며, 후술하는 바와 같이 미연 연료나 오일 등을 주성분으로 하는 SOF분량의 본드를 제거시키는 작용만이 요구된다. 따라서, 보유하는 촉매 종류로서는, 일반적인 산화 촉매에 이용되는 Pt(플라티나), Pd(팔라듐), Rh(로듐) 등에 한하지 않고, 보다 산화 작용이 낮은 촉매 종류, 예를 들면 HC 트랩이나 선택 환원형 NOx 촉매에 이용되는 제올라이트가 보유되어 있어도 된다.
상기 촉매(6)의 하부로부터는 하측 EGR 관로(7a)가 아래쪽으로 연이어 설치되며, 하측 EGR 관로(7a)의 하단(8a)은 상기 배기 파이프(2c)의 한쪽 집합 부분에 용접 고정되어, 이 접속 개소가 EGR 가스 도입부(10a)를 구성하고 있다. 마찬가지로, 촉매(6)의 상부로부터는 상측 EGR 관로(7b)가 위쪽으로 연이어 설치되며, 상측 EGR 관로(7b)의 상단(8b)은 상기 엔진 측 설치 플랜지(2a)의 한쪽에 용접 고정되어, 이 접속 개소가 EGR 가스 도출부(10b)를 구성하고 있다. 이렇게, 하측 EGR 관로(7a)와 상측 EGR 관로(7b)에 의해 EGR 관로(7)가 구성되어, 이 EGR 관로(7)에는 EGR 가스 도입부(1Oa)보다도 하류 측에 촉매(6)가 배치된다.
여기서, 상측 EGR 관로(7b)에는 금속 파이프를 주름 상자형으로 가공한 가동 부재로서의 벨로우즈(9b)가 설치되고, 또한 상기 환형 브래킷(4)은 내경이 촉매(6)의 외경보다 약간 크게 설정되어 촉매(6)의 상대 이동을 허용하고 있기 때문에, 배기 매니폴드(2)에 열 팽창이 생겨 촉매(6)의 위치가 변위하더라도, 촉매(6)는 환형 브래킷(4)에 의해 유지되는 구성으로 되어 있다.
또한, 하측 EGR 관로(7a)는 가능한 한 짧게 구성되어 있으며, 그 결과, 도 1로부터 분명한 바와 같이 촉매(6)는 배기 매니폴드(2)의 집합 부분 근방, 즉, 종래는 이용되지 않았던 데드 스페이스(dead space)에 배치되고, EGR 가스 도입부(10a)에 근접하여 배치되기 때문에 도입 직후의 온도가 높은 EGR 가스가 내부에 도입되게 된다.
한편, 도 2에 파선으로 도시하는 바와 같이, 실린더 헤드(1)의 배기 측 측면에는 상기 엔진 측 설치 플랜지(2a)에 형성된 상측 EGR 관로(7b)의 개구부와 대응하도록 하류 측 EGR 통로(11)의 한쪽 끝이 개구하고 있다. 이 하류 측 EGR 통로(11)는 실린더 헤드(1)를 관통하여 엔진에 배치되며, 다른 쪽 끝이 실린더 헤드(1)의 흡기 측 측면에 개구하여, 도시하지 않은 EGR 밸브를 경유하여 엔진의 흡기 통로에 접속되어 있다.
이상과 같이 구성된 EGR 장치에서는, 엔진의 운전에 따라 배출되는 배기 가스가 배기 매니폴드(2)로부터 배기관 및 배기관에 배치되어 있는 바닥 아래 촉매 및 소음기를 지나 외부로 배출된다. 한편, 배기 가스의 일부는 EGR 가스로서 배기 매니폴드(2)의 집합 부분에 접속된 EGR 가스 도입부(10a)로부터 하측 EGR 관로(7a)에 도입되어, 촉매(6), 상측 EGR 관로(7b), 하류 측 EGR 통로(11) 및 EGR 밸브를 지나 흡기 통로 측으로 환류되어, 이 때의 환류량이 EGR 밸브의 개방도에 따라서 조정되어 엔진으로부터의 NOx 배출량의 저감이 도모된다.
상기 촉매(6)를 통과할 때의 EGR 가스는 촉매 종류의 작용에 의해 함유하는 SOF분량이 제거되어 흡기 통로에 환류된다. 이로써 흡기계를 구성하는 각 부재, 예를 들면 스로틀 밸브나 흡기 밸브 등으로의 증착물 퇴적이 방지된다. 상기와 같이 EGR 가스 도입부(10a)에 근접하여 EGR 관로(7)에 배치된 촉매(6)는 고온의 EGR 가스에 의해 빠르게 승온되기 때문에, 냉간 시동 시 등에도 신속하게 SOF분량의 제거를 개시할 수 있다.
그리고, 이렇게 배기 매니폴드(2)에 접속된 EGR 관로(7)에 EGR 가스 전용 촉매(6)를 배치하고 있기 때문에, 본래의 배기 가스 정화용 촉매의 배기관으로의 설치 상태에 아무런 영향을 받지 않고, EGR 가스 중의 SOF분량을 제거할 수 있다. 구체적으로는, 본 실시예와 같이 배기관의 배기 매니폴드 측에 근접 촉매를 구비하지 않는 경우라도, 엔진으로부터 이격된 바닥 아래 촉매의 하류 측으로부터 EGR 가스를 환류시킬 필요가 없기 때문에, 그를 위한 긴 EGR 관로 및 그에 부수하는 벨로우즈나 구면 이음새 등의 자유 자재한 이음새를 필요로 하지 않아 제조 비용을 저감할 수 있다.
또한, 촉매(6)를 유통하는 EGR 가스량은 전체의 배기 가스량에 비하여 각별히 적기 때문에, 촉매(6) 자체를 소형화할 수 있는 가운데, EGR이 실시되는 것은 주로 저중 부하역에서 촉매(6) 내를 유통하는 EGR 가스는 그다지 고온에 이르지 않기 때문에, 촉매(6)는 열 열화에 대하여 비교적 여유를 갖는다. 따라서, 촉매(6)를 염가로 제조할 수 있으며, 촉매(6) 부가에 의한 제조 비용에의 영향은 경미하고, 전체적으로는 충분히 비용 저감을 달성할 수 있다. 또한, 상기한 바와 같이 촉매(6)가 데드 스페이스에 배치되기 때문에, 촉매(6) 부가에 의한 주변 기기에의 영향도 적어, 엔진 룸 내의 스페이스 효율을 저하시키지 않고 실시할 수 있다.
더불어, 상기한 바와 같이 ERR 관로(7) 및 촉매(6)가 배기 매니폴드(2)에 대하여 일체화하여 구성되어 있기 때문에, 배기 매니폴드(2)를 포함한 이들 부재를 엔진 조립 공정 단계에서 엔진에 설치 가능해진다. 즉, 종래 기술로서 설명한 특개 2000-249003호 공보에 기재한 바와 같이, 바닥 아래 촉매와 엔진을 EGR 관로에서 접속할 경우에는, 엔진 조립 공정 단계에서는 EGR 관로를 설치할 수 없어, 조립 완료한 엔진을 차체에 탑재하는 단계에서 비로소 EGR 관로 설치가 가능해져, 장착 작업이 번잡해진다. 따라서, 본 실시예의 EGR 장치에 의하면, 장착 작업을 합리화할 수 있다는 이점도 얻어진다.
한편, 주지한 바와 같이 배기 매니폴드(2)의 배기 파이프(2c)는 엔진 운전마 다 배기열로 팽창하기 때문에, EGR 관로(7)의 상하단(8a, 8b) 사이의 거리가 변동하거나, 상하단(8a, 8b)이 원주 방향(비트는 방향)으로 각도 변화하거나 하지만, 벨로우즈(9a)가 상기 열 팽창을 흡수하고, 또한, 환형 브래킷(4)에 대하여 촉매(6)가 축 방향으로 이동함으로써 상기 열 팽창의 영향을 받지 않고 촉매(6)를 지지할 수 있기 때문에, 이 때의 응력에 의한 촉매(6) 파손을 미연에 방지할 수 있으며, 나아가서는 내구성을 향상시킬 수 있다.
이상으로 실시예의 설명을 끝내지만, 본 발명의 양태는 이 실시예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 실시예에서는, 4기통 가솔린 엔진용 EGR 장치에 구체화하였지만, 엔진의 형식은 이것에 한하지 않고, 엔진의 기통수를 변경하거나 디젤 엔진용 EGR 장치에 구체화하거나 하여도 된다. 또한, 근접 촉매의 유무도 한정되지는 일은 없으며, 근접 촉매를 구비한 엔진에 적용하여도 되며, 이 경우라도, 상기 장착 작업의 합리화 등의 이점을 얻을 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는, EGR 관로(7)의 엔진 측 설치 플랜지를 배기 매니폴드(2)의 엔진 측 설치 플랜지(2a)와 일체형으로 하였지만, EGR 관로(7)를 위한 전용 엔진 측 설치 플랜지를 배기 매니폴드(2)의 엔진 측 설치 플랜지(2a)와 별체로 설치하여도 된다. 더욱이, EGR 관로(7)는 실린더 헤드(1) 내에 배치된 하류 측 EGR 통로(11)에 접속되는 것에 한하지 않고, 실린더 헤드(1) 밖에 설치한 EGR 통로에 접속되어 있어도 된다. 또한, EGR 통로를 생략하여, EGR 관로에서 흡기 통로로 EGR 가스를 환류하도록 구성하여도 되며, 이 경우에는 EGR 관로에 EGR 밸브가 배치되게 된다.
더욱이, 상기 실시예에서는, 촉매(6)의 외경에 대하여 환형 브래킷(4)의 내경을 크게 함으로써, 촉매(6)의 축 방향으로의 이동을 허용하였지만, 그 구조는 한정되는 것이 아니라, 예를 들면 환형 브래킷(4)은 촉매(6)를 이동할 수 없게 유지하는 한편, 고정용 볼트(5)를 중심으로 하여 환형 브래킷(4)을 요동시킴으로써, 촉매(6)의 축 방향 이동을 허용하여도 되고, 혹은, 환형 브래킷(4) 자체의 휨에 의해 촉매(6)의 이동을 허용하여도 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 엔진의 EGR 장치에 의하면, 엔진으로부터의 배기 가스가 배기 매니폴드 및 배기 통로를 지나 외부로 배출되는 한편, 배기 가스의 일부는 EGR 가스로서 배기 매니폴드로부터 EGR 관로를 지나 엔진의 흡기계에 환류되어, NOx 배출량 저감이 도모된다. 한편, EGR 가스는 EGR 관로에 배치된 촉매에 의해 정화되어 SOF분량이 제거되며, 이로써 흡기계를 구성하는 각 부재로의 증착물 퇴적이 방지된다.
그리고, 이렇게 EGR 관로를 배기 매니폴드에 접속한 구성에 의해, 엔진으로부터 이격된 바닥 아래 촉매의 하류 측으로부터 EGR 가스를 환류시킬 필요가 없어져, 그 때문에 긴 EGR 관로 및 그에 부수하는 벨로우즈나 구면 이음새 등의 자유 자재한 이음새를 필요로 하지 않아 제조 비용이 감소될 수 있다. 또한, EGR 관로에 배치한 EGR 가스 전용 촉매에 의해 EGR 가스 중의 SOF분량의 제거가 행하여진다.
또한, 촉매를 유통하는 EGR 가스량은 전체의 배기 가스 유량에 비하여 각별 히 적기 때문에, 촉매 자체를 소형화할 수 있는 가운데, EGR 가스는 전체의 배기 가스에 비하면 비교적 온도가 낮고, 촉매에 높은 내열성이 요구되지 않기 때문에, 염가인 촉매 종류를 이용할 수 있어, 결과로서 염가인 촉매로 충분한 작용이 얻어진다.
따라서, 배기계에서의 촉매의 설치 상태에 관계 없이, EGR 관로의 연장화나 자유 자재한 이음새 설치를 필요로 하지 않고, SOF분량이 제거된 EGR 가스를 환류할 수 있어, 그 결과, 제조 비용을 저감시킨 가운데, 흡기계로의 증착물 퇴적을 방지할 수 있다.
또한, EGR 관로는 촉매에 의해 정화된 배기 가스를 엔진에 배치된 EGR 통로로 도출하는 도출부를 가지고, 이 도출부가 엔진에 설치되는 엔진 측 설치 플랜지를 갖는 구성으로 하여, 이 엔진 측 설치 플랜지를 엔진에 설치함으로써, EGR 장치를 엔진 조립 공정 단계에서 엔진에 설치할 수 있어, 그 장착 작업을 합리적으로 할 수 있다.
더욱이, EGR 관로의 엔진 측 설치 플랜지를 배기 매니폴드의 엔진으로의 설치부와 일체로 구성함으로써, 배기 매니폴드를 포함한 이들 부재를 엔진 조립 공정 단계에서 엔진에 설치할 수 있어, 그 장착 작업을 보다 합리화 가능해진다.
또한, 촉매를 EGR 관로의 EGR 가스 도입부 근처에 배치함으로써, 촉매는 도입 직후의 온도가 높은 EGR 가스가 도입되어 빠르게 승온되며, 냉간 시동 시 등에도 신속하게 SOF분량의 제거가 개시되며, 따라서, 흡기계로의 증착물 퇴적을 보다 확실하게 방지할 수 있다.
또한, EGR 가스 도입부가 배기 매니폴드의 집합 부분에 접속됨으로써, 촉매는 배기 매니폴드의 집합 부분 근방, 즉, 종래는 이용되지 않았던 데드 스페이스에 배치되기 때문에, 촉매 부가에 의한 주변 기기에의 영향이 없어, 엔진 룸 내의 스페이스 효율을 저하시키지 않고 EGR을 실시할 수 있다.
또한, EGR 관로가 축 방향으로 신축 가능 또는 원주 방향으로 가동 가능한 가동 부재를 갖기 때문에, 배기 매니폴드가 열 팽창하여도 가동 부재의 축 방향의 신축이나 원주 방향의 회전 운동에 의해 열 팽창이 흡수되기 때문에, 이 때의 응력에 의한 촉매 파손이 미연에 방지되어, 그 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 촉매가 상대 이동을 허용하는 지지 부재를 경유하여 배기 매니폴드에 지지되기 때문에, 배기 매니폴드가 열 팽창하여 촉매의 위치가 변위하더라도 지지 부재에 의해 지지되기 때문에, 배기 매니폴드의 열 팽창에 따라 생기는 응력에 의한 촉매 파손이 미연에 방지된다.

Claims (7)

  1. 엔진에서 배출되는 배기 가스의 일부를 EGR 관로를 통해 흡기계(intake air system)에 환류(recirculate)시키는 엔진의 EGR 장치에 있어서,
    상기 EGR 관로(7)의 한쪽 끝에 설치되고 상기 엔진의 배기 매니폴드(2)에 접속되어, 상기 배기 가스의 일부를 상기 EGR 관로 내에 도입하는 도입부(10a)와,
    상기 도입부보다도 하류 측에 위치하여 상기 EGR 관로에 배치되어, 상기 도입부에서 도입된 배기 가스를 정화하는 촉매(6)를 구비하고,
    상기 EGR 관로는 축 방향으로 신축 가능한 또는 원주 방향으로 회전 운동 가능한 가동 부재(9b)를 갖는 것을 특징으로 하는 엔진의 ERG 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 EGR 관로는 상기 촉매에 의해 정화된 배기 가스를 상기 엔진에 배치된 EGR 통로(11)로 도출하는 도출부(1Ob)를 부가로 포함하며,
    상기 도출부는 상기 엔진에 설치되는 엔진 측 설치 플랜지(2a)를 갖는 엔진의 EGR 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 배기 매니폴드는 상기 엔진에 설치되는 설치부를 가지고,
    상기 EGR 관로의 상기 엔진 측 설치 플랜지는 상기 배기 매니폴드의 설치부와 일체로 구성되는 엔진의 EGR 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매는 상기 EGR 관로의 상기 도입부 근처에 배치되는 엔진의 EGR 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 배기 매니폴드는 복수의 배기 파이프(2c)를 집합시켜 형성되며,
    상기 도입부는 상기 배기 매니폴드의 집합 부분에 접속되는 엔진의 EGR 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매는 상대 이동을 허용하는 지지 부재(4, 5)를 사이에 두고 상기 배기 매니폴드에 지지되는 엔진의 EGR 장치.
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