KR101180940B1 - 배기가스 재순환 장치 및 이를 구비한 차량 - Google Patents

배기가스 재순환 장치 및 이를 구비한 차량 Download PDF

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Abstract

내연 기관의 배기가스 재순환 장치는, 내연 기관의 배기가스 흐름을 제어하기 위한 제어 가능한 배기가스 재순환 밸브, 상기 배기가스 흐름을 냉각하기 위한 배기가스 냉각기, 그리고 상기 배기가스 냉각기와 병렬로 배치되어 있는 바이패스 파이프가 구비되어 있으며, 상기 바이패스 파이프에 의하여 상기 배기가스 흐름이 적어도 부분적으로 상기 배기 가스 냉각기를 지나서 공급될 수 있고, 상기 바이패스 파이프는 상기 배기가스 재순환 밸브의 밸브 하우징의 내부에 배치되어 있는 바이패스 스위치를 포함하는 바이패스 장치를 포함한다.
본 발명은 또한 차량과 관련되어 있다.
배기가스 재순환 장치, 배기가스 재순환 파이프, 배기가스 냉각기

Description

배기가스 재순환 장치 및 이를 구비한 차량{EXHAUST GAS RECIRCULATION DEVICE AND VEHICLE PROVIDED WITH THE SAME}
본 발명은 내연 기관의 배기가스 재순환 장치 및 이를 구비한 차량에 관한 것이다.
본 발명은 내연 기관 내의 배기가스 재순환(Exhaust gas recirculation; EGR) 장치와 내연 기관에 관한 것이다. 배기가스 재순환 분야에서 영어로 "Exhaust Gas Recirculation", EGR은 독일어 AGR과 동일하게 사용된다.
오토 엔진(Otto engine), 디젤 엔진(diesel engine), 가스 터빈 등과 같은 내연 기관의 매우 높은 연소 온도에서는 공기 중에 포함되어 있는 질소(N)는 산소(O)와 결합하여 독성의 질소산화물(NOx)이 생성된다. 독소 배출 제한에 대한 법적 규제를 만족시키기 위하여, 배기가스 재순환 기술은 특히 현대적인 차량에서 이러한 질소산화물을 감소시키기 위하여 사용된다. 배기가스 재순환에서는 질소산화물의 배출량을 줄이기 위하여 내연 기관에서 발생된 배기가스의 일부분이 흡기부로 되돌아가고, 내연 기관에 공급되는 신선한 공기와 혼합된다. 신선한 공기와 배기 가스로부터 생성된 혼합기는 산소 함량이 낮으므로 총 체적에 대한 열 발생율 역시 낮다. 이것은 내연 기관의 연소실의 온도가 질소산화물 생성을 위하여 필요한 높은 온도에 더 이상 도달하지 못하며 이에 따라 적은 질소산화물이 생성됨을 의미한다. 더 나아가, 배기가스 재순환 기술은 내연 기관의 부분 부하 영역(partial load region)에서 연료 소모량을 줄이기 위하여 신중히 사용된다.
배기가스 재순환 기술에서, 배기가스는 파이프 회수 라인을 통하여 신선한 공기에 공급되며, 상기 파이프 회수 라인에는 소위 배기가스 재순환 밸브가 배치되어 있다. 상기 배기가스 재순환 밸브는 내연 기관의 배기부와 흡기부 및 배기가스 재순환 파이프 내의 배기가스 흐름 사이를 연결하는 조절 가능한 밸브이다.
질소산화물의 발생을 더욱 많이 감소시키기 위하여, 내연 기관, 특히 고성능의 엔진들에 의하여 발생된 뜨거운 배기가스는 그것이 신선한 공기에 공급되기 전에 소위 배기가스 재순환 냉각기에 의하여 냉각된다.
이 방법의 단점은, 만일 내연 기관에 공급되는 신선한 공기와 배기 가스 혼합기가 너무 차가우면 연소 과정에서 일산화탄소와 불연소 탄화수소가 많이 발생한다는 것이다. 이러한 이유로 만일 내연 기관이 여전히 차가운 경우 상기 배기가스 재순환 냉각기는 적어도 부분적으로 재순환된 배기가스의 냉각 효과를 감소시키도록 되어 있다.
예를 들어, 도 1은 미국특허 US 4,147,141호에 기재된, 상기와 같은 배기가스재순환 냉각기가 구비된 배기가스 재순환 시스템을 보여준다. 여기서, EGR 파이프(1)는 내연 기관의 배기 측(2)을 그것의 흡기부(3)에 연결하기 위하여 구비된다. 배기가스를 냉각하기 위한 EGR 냉각기(4)는 이러한 EGR 파이프(1)를 따라 구비되고, 바이패스 파이프(5)는 상기 EGR 냉각기(4)와 병렬로 구비되어 있다. 더 나아가, 선택 밸브(6)는 배기가스 흐름을 제어하기 위하여 구비되어 있으며, 상기 선택 밸브는 상기 EGR 냉각기(4)와 상기 EGR 바이패스 파이프(5)에 직렬로 연결되어 있다. 상기 EGR 시스템은 또한 EGR 파이프(1) 상에 배치되어 EGR 파이프(1) 내의 총 배기가스 흐름을 제어하기 위한 EGR 밸브(7)를 포함한다. 상기 EGR 시스템은 낮은 배기가스 온도에서 내연 기관으로부터의 배기가스가 EGR 냉각기(4) 주위로 우회하도록 작동된다. 배기가스 온도가 높으면 배기가스는 상기 선택 밸브(6)에 의하여 EGR 냉각기(4)로 공급되어 그곳에서 냉각된다.
그러나, 이러한 방법은 두 개의 밸브, 예를 들어 그 하나는 배기가스 제어목적의 EGR 밸브이고 다른 하나는 바이패스 기능을 제어하기 위한 선택 밸브(6)인 두 개의 밸브가 상기 EGR 파이프에 필요하다. 따라서, 상기 방법은 두 개의 별개인 부품이 사용되어야 하고 또한 두 개의 별개인 부품이 서로 다른 결합 방법에 의하여 EGR 시스템에 장착되어야 하므로 가격 집약적일 뿐 아니라 두 개의 밸브의 장착에 의하여 마모의 가능성이 증가하므로 EGR 파이프 내에서 대응하는 간섭이 발생될 가능성이 있다는 문제점이 있다. 특히, 두 개의 밸브가 배기가스 재순환 시스템 내의 서로 다른 두 개의 위치에 설치되어야 하므로 엔진 내에 증가된 설치 공간이 필요하게 되었다. 그러나, 현대적인 차량에서는 자연적으로 매우 제한된 공간만을 사용할 수 있으므로 엔진 내에서 부품들이 매우 콤팩트하고 공간을 절약하는 배열을 가지도록 하는 요구가 언제나 있어 왔다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 간소화된 배기가스 재순환 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기와 같은 목적은 청구항 1의 특징을 가지는 배기가스 재순환 장치 및/또는 청구항 15의 특징을 가지는 차량에 의하여 달성된다.
이에 따라 다음과 같은 것이 제공된다.
- 내연 기관의 배기가스 흐름을 제어하기 위한 제어 가능한 배기가스 재순환 밸브, 상기 배기가스 흐름을 냉각하기 위한 배기가스 냉각기, 그리고 상기 배기가스 냉각기와 병렬로 배치되어 있는 바이패스 파이프가 구비되어 있으며, 상기 바이패스 파이프에 의하여 상기 배기가스 흐름이 적어도 부분적으로 상기 배기 가스 냉각기를 지나서 공급될 수 있고, 상기 바이패스 파이프는 상기 배기가스 재순환 밸브의 밸브 하우징의 내부에 배치되어 있는 바이패스 스위치를 포함하는 바이패스 장치,를 포함하는 내연 기관의 배기가스 재순환 장치.
- 배기 출구와 공기 입구를 구비하고 있는 내연 기관, 그리고 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 재순환 장치를 포함하되, 상기 배기가스 재순환 장치는 배기 측에서 상기 배기 출구에 연결되고 공기 측에서 상기 공기 입구에 연결되며, 그리 고 상기 배기가스 재순환 장치는 공기 입구에서 배기 가스를 배기 출구로부터 공기에 더하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 차량.
상기 배기가스 재순환 밸브는 보통 닫힘 위치와 적어도 부분적으로 열림 위치를 가지고 있다. 상기 닫힘 위치에서는 배기가스는 상기 배기가스 재순환 밸브를 통하여 흐르지 않는 반면에, 상기 열림 위치에서는 열림 정도에 따라 다소간의 배기가스가 배기가스 재순환 밸브를 통하여 내연 기관의 신선한 공기 측으로 흘러간다. 반면에, 상기 바이패스 스위치는 배기 가스가 배기가스 재순환 냉각기를 통해서만 흘러가는 제1 열림 위치를 가지고 있다. 또한, 이러한 두 개의 열림 위치의 혼합된 형태, 즉 배기 가스가 바이패스 파이프와 배기가스 냉각기를 모두 통과하는 것도 가능하다. 본 발명의 실시에에 따르면 이러한 기능, 즉 열림 및 닫힘 기능은 통합된 바이패스 스위치를 가지는 하나의 배기가스 재순환 밸브에 의하여 구현된다. 이 요소는, 이후에는 기능적으로 확장된 배기가스 재순환 밸브로 기재되지만, 지금은 종래의 배기가스 재순환 밸브의 기능과 바이패스 기능을 선택하기 위한 선택 스위치 또는 선택 밸브의 기능을 수행한다.
본 발명의 특별한 장점은 하나의 부품만을 제공하는데 있으며, 이에 의하여 배기가스 재순환 기술을 실행하는데 가격적인 장점을 가져온다. 특히, 이러한 가격적인 장점은 본 발명을 위하여 더 작은 개수의 부품이 필요하고 이 부품들을 배기가스 재순환 파이프에 장착하는데 더 작은 가격이 요구된다는 점에 기인한다.
배기가스 재순환 파이프 내의 부품들이 줄었으므로, 차량의 연소실을 설계하 는 설계자에게 추가적인 자유(종래에는 두 개의 기능을 위해 두 개의 부품이 제공되었는데 반하여 두 개의 기능을 가진 단지 하나의 부품만이 배기가스 재순환 파이프에 장착되므로)를 준다.
부품의 수가 줄어들었으므로 차량의 엔진 부품에 필요한 설치 공간이 줄어드는 또 다른 장점이 있으며 이러한 공간의 여유는 차량의 엔진 부품의 다른 요소들을 위하여 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들 및 개선점들은 첨부된 도면을 기준으로 하여 종속 청구항과 발명의 상세한 설명에 더 기술되어 있다.
본 발명의 실시예에서, 적어도 하나의 배기가스 재순환 파이프가 구비되어 있으며, 기능적으로 확장된 배기가스 재순환 밸브와 배기가스 냉각기가 서로 연속해서 상기 배기가스 재순환 파이프에 배치되어 있다. 이 명세서에서 "파이프에 배치된"은 파이프가 배기가스 재순환 밸브와 배기가스 냉각기가 배치된 파이프 부에서 막혀 있으며, 플랜지와 같은 적당한 연결 수단에 의하여 파이프 부에 연결되는 것을 의미한다. 여기서, 배기가스는 먼저 배기가스 재순환 밸브를 통해 흐른 후에 배기가스 냉각기와 대응되는 바이패스 장치를 통해 흐를 수 있다. 물론, 배기가스가 먼저 배기가스 냉각기와 병렬의 바이패스 장치를 통해 흐른 후 배기가스 재순환 밸브를 통하여 내연 기관의 흡기부에 공급되는 것도 생각할 수 있다. 배기가스 냉각기와 관련된 배기가스 재순환 밸브의 배열은 부과된 요구들과 엔진 부품 내의 상태에 의존한다.
그러나, 바람직한 실시예에서 상기 배기가스 냉각기는 기능적으로 확장된 배 기가스 재순환 밸브로부터 하류에 배치될 수 있다. 즉, 뜨거운 배기가스는 먼저 배기가스 재순환 밸브를 통해 흐른 후에 배기가스 냉각기를 통해 흐를 수 있다. 상기 배기가스 재순환 밸브는 적어도 하나의 배기 입구와 적어도 하나의 배기 출구를 구비하는 밸브 하우징을 포함할 수 있으며, 상기 바이패스 스위치는 앞에서 언급한 경우에 상기 밸브 하우징 내, 특히 상기 배기 출구 부근에 구비될 수 있다. 또한, 상기 배기 출구 부근에 상기 바이패스 파이프 역시 연결된다. 여기서, 상기 밸브 하우징은 바람직하게는 두개의 배기 출구를 가지며, 제1 배기 출구는 배기가스 냉각기에 연결되어 있고 제2 배기 출구는 상기 바이패스 파이프에 연결되어 있을 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 바이패스 스위치는 제어 장치에 의하여 제어 가능한 하나의 바이패스 밸브 형태로 구현된 기계적인 스위치로 설계될 수 있다. 상기 바이패스 스위치의 기능은, 물론 바이패스 밸브, 스로틀 또는 그와 동등한 형태로 수행되는 것도 생각할 수 있다.
본 발명의 바람직한 개선 사항에서, 본 발명의 배기가스 재순환 밸브의 기능은 하나의 제어 가능하고 기계적인 스위치에 의하여 수행될 수 있다. 이 기계적인 스위치는 배기가스 재순환 밸브의 밸브 하우징에 배치되어 있다. 이 기계적인 스위치는 배기 가스가 제1 열림 위치에서는 적어도 부분적으로 바이패스 파이프를 통해 흐르고 제2 열림 위치에서는 적어도 부분적으로 배기가스 냉각기를 통해 흐르도록 제어 가능하게 설계되어 있다. 또한, 배기가스가 상기 바이패스 파이프와 상기 바이패스 냉각기를 통해서 흐르지 않는 닫힘 위치도 제공될 수 있다. 이러한 닫힘 위 치는 배기가스의 흐름이 단순히 열림과 닫힘에 의하여 변하는 종래의 배기가스 재순환 밸브의 역할에 대응한다.
바람직한 실시예에서, 액츄에이터는 배기가스 재순환 밸브와 바이패스 스위치의 기계적인 작동을 위하여 구비된다. 이러한 액츄에이터는 배기가스 재순환 밸브의 하우징 안에 구비되거나 직접적으로 배기가스 재순환 밸브의 하우징 상에 구비된다. 제어 장치의 적절한 작동에 의하여 상기 액츄에이터는 배기가스 재순환 밸브를 작동, 즉 열거나 닫을 수 있고, 이에 따라 배기가스 재순환 파이프 내에 흐름의 단면적을 변화시킬 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 액츄에이터는 배기가스 재순환 밸브 및/또는 바이패스 스위치를 작동시키기 위한 적어도 하나의 탄성 부재를 포함한다. 상기 액츄에이터는 적어도 하나의 탄성부재에 의하여 상기 바이패스 스위치에 결합되어 있으며 이에 따라 상기 바이패스 스위치는 탄성력에 의하여 제1 열림 위치, 제2 열림 위치, 및/또는 닫힘 위치로 움직일 수 있다.
특히 바람직한 실시예에서, 배기가스 재순환 밸브의 기능과 바이패스 밸브의기능을 모두 제어하는 하나의 재어 장치가 구비될 수 있다. 상기 배기가스 재순환 밸브는 어떠한 경우에도 제어 장치를 필요로 하며, 상기 제어 장치는 현재 바이패스 스위치를 제어하기 위하여 사용된다.
바람직한 실시예에서, 엔진 제어 시스템 내에 설치되는 전기 제어 장치가 구비될 수 있다. 이러한 전기 제어 장치는 전기적 제어 신호에 의하여 배기가스 재순환 밸브의 기능과 바이패스 스위치의 기능을 제어할 수 있다. 배기가스 재순환 밸 브와 바이패스 스위치와 같은 요소들은 전기적 제어 신호에 기초하여 기계, 공압, 유압 또는 압전 액츄에이터에 의하여 조정된다. 상기 전기 제어 장치는 배기가스 재순환 밸브와 바이패스 스위치의 기능을 제어하기 위하여 바람직하게는 PWM(pulse width modulation) 제어 신호를 발생시킬 수 있다. 물론, 진폭 변조(ASK), 주파수 변조(FSK)와 같은 제어 신호의 다른 변조 역시 가능하다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는, 순수하게 기계적인 제어 장치가 구비된다. 이러한 기계적 제어 장치는 배기가스 재순환 밸브 및/또는 바이패스 스위치의 기능을 바람직하게는 조정 가능한 캠축에 의하여 제어하도록 설계될 수 있다. 이러한 설계는 특히 배기가스가 엔진 블록의 하우징 안 또는 그 근처에 있는 흡기부에 직접 공급되는 소위 내부 배기가스 재순환에 유리하다. 물론 비록 조금 비싸더라도 소위 외부 배기가스 재순환의 경우에도 대응되는 기계적인 액츄에이터를 생각할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 배기가스 재순환 장치는 배기 측에서 직접적으로 차량의 엔진 블록의 배기 매니폴드에 연결될 수 있으며, 공기 측에서 엔진 블록의 흡기 매니폴드의 하류에 연결되어 있는 공통 공기 파이프에 연결될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도면의 그림들에서, 동일하거나 기능적으로 유사한 요소, 특징부 및 신호들 은 다르게 보여지지 않는 한 동일한 도면 부호로 표기하였다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 재순환 장치의 개략도이다.
도 2에서, 배기가스 재순환 시스템은 도면부호 10으로 나타난다. 상기 배기가스 재순환 시스템(10)은 제어 가능한 배기가스 재순환 밸브(11), 배기가스 냉각기(12), 바이패스 장치(13) 그리고 제어 장치(14)를 포함한다. 배기가스 재순환 시스템(10)은 또한 복수개의 파이프부(16, 17, 18, 19)를 구비한 배기가스 재순환 파이프(15)를 포함한다. 실시예에서 보여지는 재순환 밸브(11)는 배기가스 재순환 파이프(15)에서 배기가스 냉각기(12)의 하류에 배치된다. 따라서, 배기가스 재순환 밸브(11)는 입구 측에서는 제1 파이프부(16)에 의하여 배기 입구(20)에 연결되고, 출구 측에서는 제2 파이프부(17)에 의하여 배기가스 냉각기(12)에 연결된다. 배기가스 냉각기(12)는 출구 측에서 제3 파이프부(18)에 의하여 배기 출구(21)에 연결된다. 바이패스 장치(13)는 배기가스 냉각기(12)와 병렬로 배치된 바이패스 파이프(19)를 포함한다. 따라서, 이 바이패스 파이프(19)는 배기가스 재순환 밸브(11)로부터 분기되어 배기가스 냉각기(12)의 상류에 있는 상기 제3 파이프부(18)에 합류된다.
도 2에서, 각 파이프부(16, 17, 18, 19)에서 흘러가는 배기가스 흐름은 도면부호 A1, A2, A3, A4, A5로 나타낸다.
더 나아가, 배기가스 재순환 밸브(11)는 또한 제어 파이프(22)에 의하여 제어 장치(14)에 연결된다. 예를 들어, 이 제어 장치(14)는 외부 제어 장치로 설계될 수 있다. 예를 들어, 제어 장치(14)는 차량의 엔진 제어 시스템에 설치될 수 있다. 예를 들어, 제어 장치(14)는 마이크로 컨트롤러 내에 배치될 수 있다. 제어 장치(14)는 전형적으로 배기가스 측정 신호(XA)를 전달 받으며, 이는 서로 다른 파이프부(16, 17, 18, 19)를 흘러가는 배기가스 흐름(A1, A2, A3, A4, A5)에 대한 정보를 받는 것이다. 제어 장치(14)는 또한 내연 기관의 상태에 관한 정보를 포함하는 신호(XM)를 전달 받는다. 이러한 정보(XA, XM)에 따라 제어 장치는 배기가스 재순환 밸브(11)를 제어하기 위한 제어 신호(XS)를 생성한다.
배기가스 재순환 장치(10)의 작동 모드에 대하여는 다음에 간략하게 설명한다.
배기가스 냉각기(12)는 입구 측에서 그것에 공급되는 배기가스(A2)를 냉각하기 위하여 구비된다. 배기가스 냉각기(12)는 공급된 배기가스(A2)와 대비하여 냉각된 배기가스 흐름(A3)을 출구 측에 생성한다. 이와 같이 냉각된 배기가스 흐름(A3)은 배기가스 흐름(A5)으로 배기 출구(21)를 통해 신선한 공기에 합해지고, 결국 흡기부를 통하여 내연기관에 공급된다. 배기가스(A5)가 너무 차가워진 상태에서 신선한 공기에 합해지는 것을 방지하기 위해, 배기가스(A4)는 바이패스 파이프(19)를 통해 (적어도 부분적으로)상기 배기가스 냉각기(12)를 지나서 공급될 수 있다. 배기가스(A1)의 일부는 배기가스 냉각기(12)를 통해서 공급되고 배기가스(A1)의 다른 일부는 바이패스 파이프(19)를 통해 공급되는 혼합 형태도 가능하다.
상기한 기능을 위하여, 배기가스 재순환 밸브(11)는 배기가스(A1)가 (적어도부분적으로) 배기가스 냉각기(12)를 통해 흐르는 제1 열림 위치가 구비되어 있다. 더 나아가, 배기가스(A4)가 (적어도 부분적으로) 바이패스 파이프(19)를 통해 흐르 는 배기가스 밸브(11)의 제2 열림 위치도 구비되어 있다. 두 가지 경우 모두 배기가스(A1)는 입구 측에서 배기 입구(20)를 통해 배기가스 재순환 밸브(11)에 공급된다.
배기가스 재순환 밸브(11)는 또한 입구 측에 존재하는 배기가스(A1)가 배기가스 재순환 밸브(11)를 통해 공급되지 못하는 닫힘 위치가 구비되어 있다.
또한, 배기가스 재순환 밸브(11)는 각각의 조건들에 의존하여 제어 장치(14)의 제어를 통하여 배기가스 흐름(A1)을 제한하도록 설계될 수 있다. 따라서, 배기가스 재순환 밸브(11)는 어느 정도 스로틀 밸브와 같은 기능을 담당한다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 제1실시예에 따른 통합된 바이패스 스위치를가지는 확장된 배기가스 재순환 밸브를 보여준다. 여기서, 상기 배기가스 재순환 밸브(11)의 세 가지 다른 작동 조건들이 도 3a-3c에 나타난다.
배기가스 재순환 밸브는 하우징(30)을 구비하고 있다. 상기 하우징(30)은 배기가스 흐름(A1)을 공급받는 배기 입구(31)와 배기가스 흐름(A2, A4)을 배출하기 위한 두 개의 배기 출구(32, 33)를 포함한다. 파이프부(16)는 배기 입구(31)와 연결되는 반면에 파이프부(17, 19)는 각각 두 개의 배기 출구(32, 33)에 연결된다.
더 나아가, 상기 하우징(30)에 후술하는 조정 기계에 의하여 연결된 액츄에이터(34)가 구비되어 있다. 예를 들어, 액츄에이터(34)는 제어 장치(14)의 제어 신호(XS)에 의하여 구동되는 스텝 모터일 수 있다. 공압, 유압, 압전 구동 장치도 상기 액츄에이터(34)의 대체품으로 사용될 수 있다.
액츄에이터(34)는 바람직하게 연결 로드(35)에 연결될 수 있다. 연결 로드(35)는 적어도 일부가 상기 하우징(30)의 내부에 배치되어 있고, 액츄에이터(34)에 의하여 하우징(30) 내에서 후술할 두 개의 위치 사이를 직선적으로 움직일 수 있다. 두 개의 캐리어 디스크(36a, 36b) 또한 상기 연결 로드(35)에 고정된다.
더 나아가, 회전하는 하우징 돌출부 형태로 설계된 밸브 시트(37a, 37b)가 하우징(30) 내에 구비되어 있다. 이러한 밸브 시트(37a, 37b)는 후술하는 바와 같이 배기가스 재순환 밸브(11)의 다른 열림과 닫힘 위치를 결정한다. 축 방향으로 움직이는 밸브 플레이트(38a, 38b) 또한 연결 로드(35)의 축 움직임 방향(41)을 따라 배기가스 재순환 밸브(11) 내에 구비된다. 이러한 밸브 플레이트(38a, 38b) 각각은 연결 로드(35)를 위한 축방향 구멍을 구비하고 있다. 이러한 밸브(38a, 38b)는 하우징(30)에 대해 탄성력을 받으며, 탄성부재(39a, 39b)가 이러한 목적을 위해 구비되어 있다. 상기 탄성부재(39a, 39b)는 연결 로드(35) 주위를 감싸도록 배치되어 있으며, 이에 따라 각각의 하우징 월(40)과 각각의 밸브 플레이트(38a, 38b) 사이에서 연결 로드(35)의 축 방향(41)으로 탄성력을 제공한다. 상기 연결 로드(35)에 연결된 캐리어(36a, 36b)는 밸브 플레이트(38a, 38b)를 기준으로 탄성부재(39a, 39b)의 반대쪽에 배치되어 있다. 이러한 방식에 의하여, 밸브 플레이트(38a, 38b)는 각각의 탄성부재의 탄성력에 의하거나 연결 로드(35)에 고정된 캐리어(36a, 36b), 즉 액츄에이터(34)에 의하여 축 방향(41)으로 움직일 수 있다. 하우징 월(40)에 고정된 밸브 시트(37a, 37b)는 여기에서 위치를 제한하기 위하여 사용되고 이에 따라 각각의 열림 및 닫힘 위치를 결정한다.
도 3a-3c에서, 각각이 서로 다른 배기 출구(32, 33)를 위한 두 개의 캐리어(36), 밸브 플레이트(38) 그리고 탄성부재(39)가 각각 구비되어 있으며, 이들을 각각 구별하기 위하여 (a)와 (b)로 나타내었다.
배기가스 재순환 밸브(11)의 작동 모드는 도 3a-3c를 참고로 더욱 상세하게 설명한다.
닫힘 위치
배기가스 재순환 밸브(11)의 닫힘 위치는 그것의 초기 위치이다(도 3a). 예를 들어, 이 위치에서 액츄에이터(34)는 작동하지 않을 수도 있고 중립 위치에 있을 수도 있다. 여기서 상부, 하부 탄성부재(39a, 39b)는 탄성력에 의하여 두 개의 밸브 플레이트(38a, 38b)를 밸브 시트(37a, 37b) 방향으로 민다. 여기서, 캐리어(36a, 36b)는 액츄에이터(34)에 의하여 아무런 힘도 받지 않으므로 아무런 역할도 하지 않는다. 이 상태에서 배기가스(A1)는 배기 출구(32) 또는 배기 출구(33)를 통하여 배기가스 재순환 밸브(11)를 흘러나가지 못한다.
제1 열림 위치(배기가스 냉각기를 위함)
이러한 제1 열림 위치에서는(도 3b) 배기가스(A1)가 제1 배기 출구(32)를 통해 흘러갈 것이고 이에 따라 배기가스 냉각기(32)에 공급될 것이다. 이 경우, 액츄에이터(34)는 연결 로드(35)를 축 방향(41)에 대하여 위쪽으로 움직이고 이에 따라 상부 밸브 플레이트(38a)도 캐리어(36a)에 의하여 상부 탄성부재(39a)의 탄성력을 이기고 위쪽으로 밀린다. 이것은 배기가스(A1)가 배기 출구(32)를 통하여 배기가스 재순환 밸브(11)를 흘러 나가도록 플로우 덕트(42a)를 해방시킨다.
이 경우 하부 탄성부재(39b)가 대응되는 밸브 시트(37b)에 대하여 하부 밸브 플레이트(38b)를 누르고 있으므로 하부 밸브 플레이트(38b)는 열리지 않는다
제2 열림 위치(바이패스를 위함)
제2 열림 위치에서는(도 3c) 액츄에이터(34)가 하부 밸브 플레이트(38b)가 하부 탄성부재(39b)의 탄성력을 이기고 밀리도록 연결 로드(35)를 축 방향(41)으로 민다. 이에 따라 하부 플로우 덕트(42b)가 해방된다. 따라서, 배기가스(A1)는 하부 플로우 덕트(42b)와 제2 배기 출구(33)를 통하여 흘러 나가고 이에 따라 바이패스 파이프(19)를 통하여 배기가스 냉각기(12)를 지나서 공급될 수 있다.
이러한 상태에서 상부 캐리어(36a)가 더 이상 상부 밸브 플레이트(38a)에 힘을 가하지 않으므로 상부 밸브 플레이트(38a)는 다시 놓아진다. 이에 따라 이 상부 밸브 플레이트(38a)는 탄성부재(39a)의 탄성력에 의하여 다시 상부 밸브 시트(37a) 방향으로 밀린다. 이것은 상부 플로우 덕트(42a)를 다시 닫게 된다.
도 3a-3c를 참고로 기술된 상기 제1 실시예에서, 배기가스는 닫힘 위치에서는 배기가스 재순환 밸브(11)를 통해 흘러가지 못하는 것으로 가정하였다. 또한, 제1,2 열림 위치에서는 배기가스는 각각 제1 또는 상부 플로우 덕트(42a) 또는 제2 또는 하부 플로우 덕트(42b)를 통해 모두 흘러가고 각 열림 위치에서 다른 플로우 덕트(42a, 42b)는 닫힌 채로 유지되는 것으로 가정하였다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 배기가스 재순환 밸브(11)는 도 4를 참고로 설명된다. 여기서는 두 개의 상부 밸브 시트(37a)와 두 개의 하부 밸브 시트(37b)가 각각의 내부 하우징 월(40)에 구비되어 있으며, 이 밸브 시트들(37a, 37b)에 할당된 밸브 플레이트들(38a, 38b)은 그 사이에서 움직일 수 있도록 배치되어 있다. 따라서, 두 개의 밸브 시트들(37a, 37b)은 각각의 밸브 플레이트들(38a, 38b)의 상부 및 하부 스토퍼(stopper)로 작용한다. 만약 두 개의 캐리어들(36a 36b)이 연결 로드(35) 상에서 서로 설정 거리(X1)(이것은 필수적으로 상부 및 하부 밸브 시트(37a, 37b) 사이의 거리에 대응되어야 한다.) 만큼 떨어져 배치되어 있으면, 이 경우 배기가스가 상부 및 하부 플로우 덕트(42a, 42b) 모두를 통해 흐를 수 있는 열림 위치가 구비될 수 있다. 이러한 열림 위치(도 4 참조)에서는, 밸브 플레이트(38a, 38b)는 각각의 대응되는 밸브 시트(37a, 37b)에 의하여 닫혀 있지 않아야 한다.
도 5a 및 5b는 바이패스 파이프(19) 및 배기가스 냉각기(12)를 통해 흘러가는 배기가스 흐름이 배기가스 재순환 밸브(11)에 의하여 조정 가능한 본 발명의 제3 실시예에 따른 배기가스 재순환 밸브를 보여준다. 도 3a-3c에 보인 배기가스 재순환 밸브(11)와는 달리, 하부 플로우 덕트(42b)는 여기에서 두 개의 밸브 시트(37b)를 갖는 반면 상부 플로우 덕트(42a)에는 오직 하나의 밸브 시트(37a)만이 구비되어 있다. 도 5a는 제1 열림 위치를 보여 준다. 여기서, 플로우 덕트(42a)를 통한 배기가스 흐름(A2)은 상부 밸브 시트(37a)에 대한 상부 밸브 플레이트(38) 의 스트로크(storke; X4)에 의하여 조정 가능하다. 예를 들어, 입구 측의 전체 배기가스 흐름(A1)은 밸브 플레이트(38a)의 최대 스트로크에서 상부 플로우 덕트(42a)를 통하여 흘러간다. 또한, 보다 적은 스트로크(X4)에 기인하여 보다 적은 배기 가스(A2)가 상부 플로우 덕트(42)를 통해서 흘러간다. 적절한 치수 조절에 의하여 배기가스 흐름(A2)이 밸브 플레이트(38a)의 스트로크(X4)를 조절하는 이 방식에 의하여 특히 제1 열림 위치에서 조정될 수 있다.
원리적으로, 하부 플로우 덕트(42b)를 통한, 이에 따라 바이패스 파이프(19)를 통한 배기가스 흐름(A4)도 유사한 방식으로 제어될 수 있다.
도 5b는 배기가스 흐름을 제어하는 다른 가능성을 보여준다. 여기서, 하부 밸브 플레이트(38b)는 두 개의 밸브 시트(37b) 사이에서 이동 가능하도록 배치되어 있다. 여기서 각각의 밸브 시트(37b)와 관련한 밸브 플레이트(38b)의 위치에 따라서 다소간의 배기가스(A4)는 제2 또는 하부 플로우 덕트(42b)를 통하여 흘러가고 이에 따라 바이패스 파이프(19)를 통해 흘러간다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 재순환 장치의 개략도이다. 도 6은 도면부호 60으로 표기된 내연 기관을 보여준다. 내연 기관(60)은 4개의 실린더를 구비하고 있는 엔진 블록(61)을 가지고 있다. 내연 기관(60)은 흡기부(62)와 배기 매니폴드(63)를 구비하고 있다. 흡기부(62)는, 내연 기관(60)의 공기 측을 나타내는데, 공통 공기 파이프(64)에 연결되어 있다.
본 발명의 실시예에서는, 배기가스 재순환 장치(10)는 배기 매니폴드(63)와 흡기부(62) 사이에 배치되어 있다. 따라서, 배기가스(A1)는 배기 매니폴드(63)를 통해서 직접적으로 배기가스 재순환 장치(10)에 공급된다. 배기가스 재순환 장치(10)는 출구 측에서 파이프 연결 조각(65)에 의하여 공통 공기 파이프(64)에 연결된다. 따라서, 배기 매니폴드(63)으로부터의 배기가스(A1)는 배기가스 재순환 장치(10)에 의하여 공기 파이프(64)에서 신선한 공기(FL)에 더해진다.
비록 본 발명이 주로 바람직한 실시예들을 참고하여 기술되었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 어떠한 방식으로 변경될 수 있다.
도 3a-5b를 참고로 앞에서 기술된 배기가스 재순환 밸브(11)의 예시적인 구조는 예로서만 이해되어야 하고 어떠한 방식에 따라 명백하게 구조적으로 변경될 수 있음은 자명하다. 이것은 각각의 밸브 시트들, 밸브 플레이트들, 탄성 부재들 그리고 캐리어 요소들의 치수 조정에 연관되며, 특히 그들 사이에 상호 거리에 연관되어 있다.
본 발명의 실시예에서, 하우징(30)과 배기가스 재순환 밸브(11)는 거의 원통형인 것으로 설계되어 있다. 따라서, 밸브 플레이트들(38)은 바람직하게 디스크 형상으로 설계되며, 밸브 시트들(37)은 하우징(30)에 환상에 가깝게 배치되어 있다. 그러나, 이러한 원통형, 원형 또는 환상 형상의 설계는 절대적으로 필요한 것은 아니다.
특히, 배기가스 재순환 밸브는 필요적으로 배기가스 냉각기의 하류에 배치될 필요가 없으며, 그것의 뒤에, 즉 배기가스 냉각기의 상류에 배치될 수 있다.
닫힘 위치 또는 제1 및/또는 제2 열림 위치를 실행하기 위한 본 발명의 실시예의 구조적인 예시 또한 단지 예로서 이해되어야 할 것이고, 공지의 지식과 기술 에 의하여 바뀌거나 변경될 수 있다. 특히, 비록 앞에서 언급한 조정 방식이 매우 간단하고 비용이 적게 들며 장착하기 편하지만, 탄성체를 지니고 있는 밸브 플레이트를 대신하여 그들의 기능은 전체적 또는 부분적으로 각각의 액츄에이터와 제어 요소에 의하여 수행될 수 있다.
도 1은 종래 배기가스 재순환 장치의 개략적인 구조를 보인 그림이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 재순환 장치의 개략도이다.
도 3a-3c는 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 재순환 밸브에서 다른 작동 조건 하에서 통합된 바이패스 스위치 장치를 보인 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스 재순환 밸브를 보인 개략도이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 제3실시예에 따른 배기가스 재순환 밸브를 보인 개략도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스 재순환 장치의 개략도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: EGR 파이프 2: 배기 측
3: 흡기부 4: EGR 냉각기
5: 바이패스 파이프 6: 선택 밸브
7: EGR 밸브 10: 배기가스 재순환 장치
11: 배기가스 재순환 밸브 12: 배기가스 냉각기
13: 바이패스 장치 14: 제어 장치
15: 배기가스 재순환 파이프 16-18: 파이프
19: 바이패스 파이프 20: 배기 입구
21: 배기 출구 22: 제어 파이프
30: 밸브 하우징 31: 배기 입구
32, 33: 배기 출구 34: 액츄에이터
35: 연결 로드 36a, 36b: 캐리어
37a, 37b: 밸브 시트 38a, 38b: 밸브 플레이트
39a, 39b: 탄성 부재 40: 내부 하우징 벽
41: 축 방향 42a, 42b: 플로우 덕트
60: 내연 기관 61: 엔진 블록
62: 공기 측 63: 배기 매니폴드
64: 공통 공기 파이프 65: 파이프 연결 조각
X1, X2: 거리 X4: 열림 스트로크
XS: 제어 신호 XM: 신호
XA: 배기가스 흐름 신호 A1-A5: 배기가스 흐름
FL: 공기

Claims (16)

  1. 내연 기관(60)의 배기가스의 흐름(A1)을 제어하고, 일측에 제 1 파이프부(16)가 연결된 배기가스 재순환 밸브(11);
    제 2 파이프부(17)를 통해 상기 배기가스 재순환 밸브(11)와 연결되고 상기 배기가스를 냉각하기 위한 배기가스 냉각기(12); 그리고
    상기 배기가스 재순환 밸브(11)에 연결되고 상기 배기가스 냉각기와 병렬로 배치되어 있는 바이패스 파이프(19)를 포함하는 바이패스 장치(13);
    를 포함하되,
    상기 배기가스 재순환 밸브(11)는
    상기 배기가스의 일부 또는 전부가 상기 배기 가스 냉각기(12)를 거치치 않고 상기 바이패스 파이프(19)를 통해 흐르도록 제어되는 바이패스 스위치 기능을 수행하는 내연 기관(60)의 배기가스 재순환 장치(10).
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 배기가스 재순환 밸브(11)는 상기 제 1 파이프부(16)에 연결되는 적어도 하나의 배기 입구(31)와 상기 제 2 파이프부(17)와 상기 바이패스 파이프(19)에 각각 연결되는 적어도 두 개의 배기 출구(32, 33)를 가지는 밸브 하우징(30)을 포함하는 배기가스 재순환 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 배기가스 재순환 밸브(11)는 바이패스 스위치 기능을 수행하도록 바이패스 플랩(bypass flap), 바이패스 밸브, 그리고 바이패스 스로틀 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치(10).
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 배기가스 재순환 밸브(11)의 바이패스 스위치의 기능은 배기가스 재순환 밸브(11)의 밸브 하우징(30) 내에 배치된 하나의 제어 가능한 기계적인 스위치에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치(10).
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 기계적인 스위치는,
    제1 열림 위치에서 적어도 상기 배기가스의 일부가 상기 바이패스 파이프(19)를 통하여 흐르고,
    제2 열림 위치에서 적어도 상기 배기가스의 일부가 상기 배기가스 냉각기를 통하여 흐르고,
    닫힘 위치에서는 상기 배기가스가 상기 배기가스 재순환 밸브(11)를 통과하지 않도록 제어되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치(10).
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 기계적인 스위치는 액츄에이터(34)에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치(10).
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 기계적인 스위치는 탄성 부재(39a, 39b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치(10).
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 액츄에이터(34)는 상기 기계적인 스위치를 작동시켜, 상기 기계적인 스위치가 상기 탄성 부재의 탄성력에 의하여 상기 제1 열림 위치, 상기 제2 열림 위치 또는 상기 닫힘 위치 중 하나의 위치로 움직이는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치(10).
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 배기가스 재순환 밸브(11)의 바이패스 스위치 기능을 제어하는 적어도 하나의 제어 장치(14)가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치(10).
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 제어 장치는 전기 제어 장치이며, 엔진 제어 시스템에 설치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치(10).
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 전기 제어 장치는 상기 배기가스 재순환 밸브(11)의 바이패스 스위치 기능을 제어하기 위한 PWM 제어 신호(XS)를 생성하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치(10).
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 제어 장치는 기계 제어 장치이며, 상기 기계 제어 장치는 상기 배기가스 재순환 밸브(11)의 상기 바이패스 스위치를 제어하기 위한 조정 가능한 캠축을 구비하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치(10).
  15. 차량에 있어서,
    배기 출구(63)와 공기 입구(62)를 구비하고 있는 내연 기관(60); 그리고
    상기 배기 출구(63)와 상기 공기 입구(62)에 각각 연결되며, 상기 배기 출구의 배기 가스(A1) 중 적어도 일부를 상기 공기 입구의 공기(FL)에 더하여 상기 내연 기관(60)에 공급하도록 되어 있는 배기가스 재순환 장치(10)를 포함하며,
    상기 배기가스 재순환 장치(10)는 상기 제 1항, 제 3항 및 제 5항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 따른 배기가스 재순환 장치(10)인 것을 특징으로 하는 차량.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 배기가스 재순환 장치(10)는 엔진 블록(61)의 배기 매니폴드에 직접 연결되고, 그리고
    상기 배기가스 재순환 장치(10)는 상기 엔진 블록의 흡기 매니폴드의 하류에 연결된 공통 공기 파이프에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 차량.
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