KR100862420B1

KR100862420B1 - 엔진의 이지알（ｅｇｒ） 장치

Info

Publication number: KR100862420B1
Application number: KR1020070067544A
Authority: KR
Inventors: 손영민; 김우태; 이춘우; 김명호; 이승우; 서인기; 이성욱; 김진홍; 황용연
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-07-05
Filing date: 2007-07-05
Publication date: 2008-10-08

Abstract

본 발명은 엔진의 이지알(EGR) 장치에 관한 것으로서, 연소실로 공기가 흡입되도록 실린더 헤드에 마련되고, 일측에 유입공이 형성된 흡기 포트와; 실린더 블록의 워터 재킷의 근처를 지나도록 실린더 블록에 관통 형성되어 배기계에서 배출되는 이지알(EGR) 가스가 유입되는 블록 이지알 유로와, 상기 블록 이지알 유로와 연통되며 상기 실린더 헤드의 워터 재킷의 내부에 형성되어 이지알 가스를 상기 흡기 포트의 유입공으로 안내하는 헤드 이지알 유로를 가지는 이지알(EGR) 유로와; 상기 이지알 유로 상에 마련되어 상기 이지알 유로를 개폐하는 이지알(EGR) 밸브와; 공기압센서의 신호에 기초하여 상기 이지알 유로가 개폐되도록 상기 이지알 밸브를 작동시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이에 의하여, 이지알 쿨러를 삭제하더라도 배기계로부터 흡기계로 재순환되는 이지알 가스를 효과적으로 냉각할 수 있을 뿐만 아니라, 전체적인 중량이 감소되고 설치 공간의 제약을 감소시킬 수 있다.

Description

엔진의 이지알（ＥＧＲ） 장치{Exhaust Gas Recirculation Device Of Engine}

도 1은 본 발명에 따른 엔진의 이지알(EGR) 장치를 도시한 개략도이고,

도 2는 도 1의 헤드 이지알 유로를 나타내기 위해 실린더 헤드를 개략적으로 도시한 평면도이고,

도 3은 엔진 상태에 따라 이지알 밸브가 작동되는 원리를 설명하기 위한 도 2의 B 확대도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

5 : 실린더 10 : 실린더 블록

15, 25 : 워터 재킷 20 : 실린더 헤드

21 : 흡기 포트 22 : 배기 포트

24 : 유입공 13 : 흡기 밸브

30 : 연소실 35 : 배기 밸브

40 : 공기압센서 45 : 오비디용 온도 센서

50 : 제어부 60 : 이지알 밸브

70 : 이지알 유로 71 : 블록 이지알 유로

72 : 헤드 이지알 유로 81 : 제1 유로

82 : 제2 유로 83 : 분리벽

본 발명은 엔진의 이지알(EGR) 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 이지알 가스를 효과적으로 냉각시킬 수 있는 엔진의 이지알 장치에 관한 것이다.

일반적으로 이지알(EGR, Exhaust Gas Recirculation) 장치는 배기가스 중 일부(이하, 이지알 가스라고 칭함)를 배기계에서 흡기계로 재순환시켜, 이지알 가스를 외기와 혼합하여 연료와 함께 연소실에 공급하는 시스템을 말한다. 이와 같이 배기가스를 재순환시키면 연소온도가 낮아지게 되어 질소산화물(NOx)의 생성을 억제시킬 수 있다.

종래의 이지알 장치는 엔진의 연소실에서 연소된 배기가스가 배출되는 배기 매니폴드와 연소실로 흡기를 안내하는 흡기 매니폴드 사이에 마련되어, 배기 매니폴드를 통과하는 배기가스 중 일부(이지알 가스)를 흡입 매니폴드로 재순환시키는 이지알 파이프와, 이지알 파이프 상에 설치되어 이지알 파이프의 유로를 개폐하는 이지알 밸브와, 이지알 파이프 상에 설치되어 이지알 파이프를 통과하는 이지알 가스를 냉각하는 이지알 쿨러로 구성된다.

이지알 쿨러는 이지알 파이프가 양단에 연결되고 그 일측에는 엔진의 냉각수가 유입되는 유입구가 형성되고, 타측에는 이지알 쿨러를 통과하면서 냉각 작용을 완료한 냉각수가 배출되는 배출구가 형성된다.

이에, 이지알 파이프를 통과하는 이지알 가스는 이지알 쿨러에 의해 냉각될 수 있다.

그런데, 종래의 이지알 장치에 있어서, 이지알 가스의 효과적인 냉각을 위해서는 이지알 쿨러의 용량을 증대시켜야 하므로, 배압이 상승하고 중량 및 크기가 증가되어 설치 공간의 제약을 받게 되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 이지알 쿨러를 삭제하더라도 배기계로부터 흡기계로 재순환되는 이지알 가스를 효과적으로 냉각할 수 있을 뿐만 아니라, 전체적인 중량이 감소되고 설치 공간의 제약을 감소시킬 수 있는 엔진의 이지알 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은 본 발명에 따라, 엔진의 이지알(EGR) 장치에 있어서, 연소실로 공기가 흡입되도록 실린더 헤드에 마련되고, 일측에 유입공이 형성된 흡기 포트와; 실린더 블록의 워터 재킷의 근처를 지나도록 실린더 블록에 관통 형성되어 배기계에서 배출되는 이지알(EGR) 가스가 유입되는 블록 이지알 유로와, 상기 블록 이지알 유로와 연통되며 상기 실린더 헤드의 워터 재킷의 내부에 형성되어 이지알 가스를 상기 흡기 포트의 유입공으로 안내하는 헤드 이지알 유로를 가지는 이지알(EGR) 유로와; 상기 이지알 유로 상에 마련되어 상기 이지알 유로를 개폐하는 이지알(EGR) 밸브와; 공기압센서의 신호에 기초하여 상기 이지알 유로가 개폐되도록 상기 이지알 밸브를 작동시키는 제어부에 의해 달성된다.

여기서, 상기 헤드 이지알 유로의 일부 구간은 분리벽에 의해 제1 유로 및 제2 유로로 분기되며, 상기 공기압센서의 신호를 기초로 연산된 제동평균유효압력(BMEP)이 기준치 이하인 저부하 영역인 경우, 상기 이지알 밸브는 상기 제1 유로가 개방되도록 작동되고, 제동평균유효압력(BMEP)이 기준치를 초과하는 고부하 영역인 경우, 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로가 개방되도록 단계적으로 작동되는 것이 바람직하다.

이 때, 제동평균유효압력(BMEP)의 기준치는 4bar인 것이 바람직하다.

한편, 상기 흡기 포트와 상기 이지알 밸브 사이에는 오비디(OBD)용 온도 센서가 마련된 것이 바람직하다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 엔진의 이지알(EGR) 장치를 도시한 개략도이다. 본 발명에 따른 엔진의 이지알(EGR, Exhaust Gas Recirculation) 장치는 연소실(30)로 공기가 흡입되도록 실린더 헤드(20)에 마련된 흡기 포트(21)와, 실린더 블록(10) 및 실린더 헤드(20)에 형성되어 배기계에서 배출되는 배기가스의 일부(이하, 이지알(EGR) 가스(G)라고 칭함)를 흡기 포트(21)의 유입공(24)으로 안내하는 이지알(EGR) 유로(70)와, 이지알 유로(70) 상에 마련되어 이지알 유로(70)를 개폐하는 이지알 밸브(60)와, 공기압센서(40)의 신호에 기초하여 이지알 유로(70)가 개폐되도록 이지알 밸브(60)를 작동시키는 제어부(50)로 이루어진다.

실린더 헤드(20)의 일측에는 흡기 매기폴드(미도시)에 연결된 흡기 포트(21)가 관통 형성되어 있고, 타측에는 배기 매니폴드(미도시)에 연결된 배기 포트(22) 가 관통 형성되어 있다. 이에, 흡기 매니폴드를 통해 유입된 외기(A)가 연료와 함께 흡기 포트(21)를 거쳐 연소실(30)로 공급되면, 혼합기(외기(A)+연료)는 점화 플러그(31)에 의해 점화되어 연소된 후 배기 포트(22)를 통해 배기 매니폴드로 배출된다. 한편, 실린더 헤드(20)에는 후술할 실린더 블록(10)의 워터 재킷(15)과 연통되는 워터 재킷(25, 도 2 참조)이 형성되어 있고, 후술할 실린더 블록(10)의 오일 순환 통로(미도시)와 연통되는 오일 순환통로(미도시)가 형성되어 있다.

흡기 포트(21)에는 이지알 유로(70)를 지나는 이지알 가스(G)가 유입되기 위한 유입공(24)이 형성되어 있다.

흡기 포트(21) 및 배기 포트(22)에는 밸브 리프팅 기구에 의해 상하 이동되어 흡기 포트(21) 및 배기 포트(22)를 각각 개폐하는 흡기 밸브(13) 및 배기 밸브(35)가 설치되어 있다.

배기 매니폴드로 배출된 배기가스는 외부로 배출되기 전에 촉매 변환장치(43)에 의해 무해한 물질로 변환된 후 외부로 배출된다. 이 때, 촉매 변환장치(43)를 거친 배기가스의 일부(이지알 가스(G))는 흡기 포트(21)로 유입된 후 혼합기와 함께 연소실(30)로 재유입되는데, 이를 위해 촉매 변환장치(43)의 일단은 제1 파이프(41)에 의해 배기 매니폴드에 연결되고, 타단은 제2 파이프(42)에 의해 후술할 블록 이지알 유로(71)에 연결된다. 이와 같이, 이지알 가스(G)가 재순환되어 연소실(30) 온도가 낮춰짐으로써 질소 산화물(NOx)의 배출량을 줄일 수 있다.

실린더 블록(10)에는 피스톤(32)이 상하 운동되기 위한 실린더(5)가 형성되어 있다. 그리고, 실린더(5) 주위에는 연소가스에 의해 전달된 열을 외부로 방출하 기 위한 워터 재킷(15)과, 주 운동부분의 윤활을 위한 오일 순환 통로(미도시)가 형성되어 있다.

피스톤(32)은 실린더(5) 안을 왕복 운동하여 동력행정에서 고온, 고압의 가스 압력을 받아 커넥팅 로드(33)를 통해 크랭크 축에 회전력을 발생시키는 일을 한다.

이지알 유로(70)는 크게 실린더 블록(10)에 관통 형성된 블록 이지알 유로(71)와, 실린더 헤드(20)의 워터 재킷(25)의 내부에 형성된 헤드 이지알 유로(72)로 구성된다.

즉, 본 발명의 주요 특징은 이지알 유로(70)가 실린더 블록(10) 및 실린더 헤드(20)를 제작할 때 가공만 추가하는 방법으로 형성됨으로써, 종래의 이지알 유로를 구성하기 위한 파이프가 제거되어 제조 원가가 절감되고 이를 설치하기 위한 공간 제약에 따른 불편함을 해소할 수 있는 점에 있다. 또한, 종래의 경우에는 이지알 유로를 구성하는 파이프가 흡기계에 삽입될 때 어댑터가 필요했으나, 본 발명의 경우에는 별도의 어댑터가 필요없이 이지알 유로(70)의 이지알 가스(G)가 흡기 포트(21)의 유입공(24)으로 바로 유입되므로 제조 원가가 절감되는 이점이 있다.

블록 이지알 유로(71)는 실린더 블록(10)의 워터 재킷(15)에 가까이 형성되어 있으며, 헤드 이지알 유로(72)는 실린더 헤드(20)의 워터 재킷(25)의 내부에 형성되어 있다. 이와 같이, 본 발명에 따르면 종래의 이지알 쿨러와 같은 별도의 냉각장치를 구비하지 않고도 이지알 가스(G)가 각 워터 재킷(15, 25)의 냉각수에 의해 이지알 가스(G)가 냉각될 수 있다. 보다 상세히 설명하면, 배기계에서 배출된 이지알 가스(G)는 블록 이지알 유로(71)의 근처를 지나면서 냉각수에서 전도된 냉기에 의해 1차 냉각이 되고, 헤드 이지알 유로(72)를 지날 때에는 워터 재킷(25)의 내부를 지나게 되므로 블록 이지알 유로(71)보다 냉각 효율이 더 좋아 2차 냉각될 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 의하면 종래의 이지알 쿨러가 삭제됨에 따라 전체 중량이 감소될 뿐만 아니라 제조원가가 절감되고, 또한 이지알 쿨러를 설치하기 위한 설치 공간에 대한 제약을 덜 받게 되는 이점이 있다.

도 2는 도 1의 P점을 기준으로 실린더 헤드(20)에 형성된 헤드 이지알 유로(72)를 나타낸 평면도로서, 헤드 이지알 유로(72)의 일부 구간(도 2의 B)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 분리벽(83)에 의해 제1 유로(81) 및 제2 유로(82)로 분기되어 있다.

여기서, 헤드 이지알 유로(72)는 실린더 헤드(20)의 워터 재킷(25)의 내부에 형성되어 있으며, 4개의 흡기 포트(21)의 유입공(24)과 연통되도록 흡기 포트(21)를 향해 분지된 형상으로 이루어져 있다. 이 때, 헤드 이지알 유로(72)의 형상은 흡기 포트(21)의 개수나 위치 등의 상황에 따라 달리 형성될 수 있음은 물론이다.

이지알 밸브(60)는 헤드 이지알 유로(72) 상에 마련되어 헤드 이지알 유로(72)를 개폐하는데, 이 때 이지알 밸브(60)는 공기압센서(40)의 신호에 따라 제어부(50)에 의해 작동되도록 구성된다.

엔진이 구동되지 않을 경우, 이지알 밸브(60)는 도 3의 (a)와 같이 제1 유로(81) 및 제2 유로(82)가 폐쇄되도록 최대한 하강된 상태에 위치하고 있다.

엔진이 저부하 영역인 경우, 이지알 밸브(60)는 도 3의 (b)와 같이 한 단계 상승하여 제1 유로(81)만을 개방함으로써, 이지알 가스(G)가 흡기 포트(21)로 많이 유입되지 않도록 해야 한다. 그 이유는, 저부하 영역에서는 흡기 매니폴드로 유입되는 공기량이 적으므로, 이지알 가스(G)도 이에 맞는 양이 유입되게 하여 펌핑 저하에 의한 연비를 개선하기 위해서이다.

엔진이 고부하 영역인 경우, 이지알 밸브(60)는 도 3의 (c)와 같이 도 3의 (b)에서 한 단계 더 상승하여 제1 유로(81)와 제2 유로(82) 모두를 개방함으로써, 이지알 가스(G)가 흡기 포트(21)로 많이 유입되도록 해야 한다. 이에, 고부하 영역에서 점화 진각에 의한 연비를 개선하기 위해서이다.

상기와 같이, 이지알 밸브(60)가 제1 유로(81) 및 제2 유로(82)를 개폐하기 위한 구성으로서, 이지알 유로(70)에 대해 수직 방향으로 설치된 밸브 몸체(63)와, 밸브 몸체(63)의 하단 둘레에 돌출 형성되어 제1 유로(81)를 차단하는 제1 유로 차단부(61)와, 제1 유로 차단부(61)의 상측에 돌출 형성되어 제2 유로(82)를 차단하는 제2 유로 차단부(62)로 구성되어 있다. 이 때, 이지알 밸브(60)는 솔레노이드(미도시)에 인가된 전류에 의해 발생하는 자기력에 의해 상하 이동될 수 있다. 이러한 이지알 밸브(60)는 종래의 포텐션미터나 모터를 적용한 이지알 밸브(60)와 달리 저렴하게 구성됨으로써, 제조 원가 절감 측면에서 매우 효과적이다.

공기압센서(40)는 흡기 매니폴드에 장착되어 흡기 매니폴드로 유입되는 공기량을 측정하는데, 이 때 공기압센서(40)에 의해 감지된 신호는 제어부(50)로 송출되고, 제어부(50)는 공기압센서(40)의 신호를 기초로 하여 제동평균유효압력(BMEP, Break Mean Effective Pressure)을 연산한다. 즉, 엔진이 저부하인지 또는 고부하 인지는 제동평균유효압력으로 판단하는데, 제어부(50)는 제동평균유효압력이 4bar 이하이면 저부하로 판단하여 이지알 밸브(60)가 도 3의 (b)와 같이 1단계 상승하도록 이지알 밸브(60)에 신호를 송출한다. 한편, 제어부(50)는 제동평균유효압력이 4bar를 초과하면 고부하로 판단하여 이지알 밸브(60)가 도 3의 (c)와 같이 2단계 상승하도록 이지알 밸브(60)에 신호를 송출한다. 여기서, 이지알 밸브(60)가 1단계 또는 2단계로 상승되는 것은 솔레노이드에 가해지는 전류량에 따라 달리 작동된다.

한편, 본 발명에 따른 이지알 장치는 흡기 포트(21)와 이지알 밸브(60) 사이에 오비디(OBD(On-Board Diagnostics), 배출가스 자기진단장치)용 온도센서(45)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이에, 오비디용 온도센서(45)는 이지알 밸브(60)를 거쳐 흡기 포트(21)로 유입되는 이지알 가스(G)의 온도를 감지하여 그 신호를 제어부(50)로 송출하게 되고, 이에 의해 제어부(50)는 계기판 등과 같은 표시부(55)에 배출가스 관련 부품에 이상이 생겼음을 표시함으로써 탑승자는 관련 부품을 정비할 수 있게 된다.

전술한 실시예에서, 제동평균유효압력의 기준치가 4bar로 설정되어 있으나, 엔진 사양에 따라 약간의 차이가 있을 수 있음은 물론이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 이지알 쿨러를 삭제하더라도 배기계로부터 흡기계로 재순환되는 이지알 가스가 워터 재킷의 냉각수에 의해 효과적으로 냉각될 수 있을 뿐만 아니라, 전체적인 중량이 감소되고 설치 공간의 제약을 감소시킬 수 있는 엔진의 이지알 장치가 제공된다.

또한, 이지알 유로가 흡기 포트에 연결될 때, 별도의 어댑터가 필요없으므로 제조원가가 절감되는 효과를 얻을 수 있다.

Claims

연소실로 공기가 흡입되도록 실린더 헤드에 마련되고, 일측에 유입공이 형성된 흡기 포트와;

실린더 블록에 관통 형성되어 배기계에서 배출되는 이지알(EGR) 가스가 유입되는 블록 이지알 유로와, 상기 블록 이지알 유로와 연통되어 이지알 가스를 상기 흡기 포트의 유입공으로 안내하는 헤드 이지알 유로를 가지는 이지알(EGR) 유로와;

상기 이지알 유로 상에 마련되어 상기 이지알 유로를 개폐하는 이지알(EGR) 밸브와;

공기압센서의 신호에 기초하여 상기 이지알 유로가 개폐되도록 상기 이지알 밸브를 작동시키는 제어부를 포함하며,

상기 블록 이지알 유로는 상기 실린더 블록의 워터 재킷의 근처를 지나고, 상기 헤드 이지알 유로는 상기 실린더 헤드의 워터 재킷의 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 엔진의 이지알(EGR) 장치.
제1항에 있어서,

상기 헤드 이지알 유로의 일부 구간은 분리벽에 의해 제1 유로 및 제2 유로로 분기되며,

상기 공기압센서의 신호를 기초로 연산된 제동평균유효압력(BMEP)이 기준치 이하인 저부하 영역인 경우, 상기 이지알 밸브는 상기 제1 유로가 개방되도록 작동 되고, 제동평균유효압력(BMEP)이 기준치를 초과하는 고부하 영역인 경우, 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로가 개방되도록 단계적으로 작동되는 것을 특징으로 하는 엔진의 이지알(EGR) 장치.
제2항에 있어서,

제동평균유효압력(BMEP)의 기준치는 4bar인 것을 특징으로 하는 엔진의 이지알(EGR) 장치.
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