KR20000070559A - 배기 가스 재순환 장치 - Google Patents

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유아사 히로시
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Abstract

본 발명은 흡기용 로커 아암(10)에 의해 배기 가스 재순환용 마스터 피스톤(12)을 작동하여, 이것에 종동하는 슬레이브 피스톤(14)에 의해 동일한 실린더(1)의 배기 밸브(4)를 흡기 행정에서 개방하여, 압력차로 인해 배기 가스를 배기 포트(5)로부터 연소실(2) 안으로 재순환하고, 다음의 폭발 행정에 있어서의 연소실(2) 내에서의 연소 온도를 낮춰서 NOX의 감소를 꾀하도록 한 배기 가스 재순환 장치이다.

Description

배기 가스 재순환 장치{EXHAUST GAS RECIRCULATION APPARATUS}
종래에서의 배기 가스 재순환 장치로서는, 배기 포트와 흡기 포트를 외부 배관에 의해 접속하고, 상기 외부 배관의 중간에 배치한, 평상시에는 닫혀 있는 EGR용 밸브를 흡기 행정 중에 흡기 포트 내의 부압을 이용하여 열어, 상기 외부 배관을 통해서 배기 가스를 재순환시키도록 한 것이 있다.
그러나, 상술한 종래의 배기 가스 재순환 장치에 있어서는, 흡기 행정에서 배기 가스가 항상 연소실 내에 유입되어 희박 연소가 이루어지게 되므로, 원래 공기 과대 상태의 저부하 운전 영역에서 별 어려움 없이 양호한 연소 상태가 얻어졌다고 해도, 연료에 대한 공기의 비율이 적어지는 고부하 운전 영역에서는 연소 상태가 불량하게 되어 그을음이 많은 검은 연기가 발생하기 쉬워지는 문제가 있었다.
더욱이, EGR용 밸브를 설치한 외부 배관이 필요하게 되기 때문에 엔진의 탑재 스페이스가 늘어나고, 게다가 배기 가스의 유통에 의해 고온이 되는 외부 배관의 내열 대책이나 배치상의 제약을 고려하지 않으면 안되는 문제점이 있다.
또한, 터보 과급기(turbocharger)를 장착한 엔진 등으로 부스트 압력(흡기 포트 내의 과급 압력)이 배기 압력보다 높은 운전 영역에서 배기 가스를 양호하게 재순환시킬 수 없다고 하는 문제도 있었다.
본 발명은 상술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 필요한 운전 영역에서만 배기 가스를 연소실로 재순환시킬 수 있고, 게다가 외부 배관을 이용하지 않고 배기 가스를 연소실로 재순환시킬 수 있으며, 더욱이 터보 과급기를 장착한 엔진 등으로 부스트 압력이 배기 압력보다 높은 운전 영역에서도 배기 가스를 양호하게 재순환시킬 수 있는 배기 가스 재순환 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명은 흡입되는 공기와 함께 배기 가스의 일부를 재순환하여 연소실로 보내고, 상기 연소실 내에서의 연소 온도를 낮춰서 NOX(질소 산화물)의 감소를 도모하도록 한 배기 가스 재순환 장치(EGR 장치)에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 형태예를 도시하는 단면도,
도 2는 복수의 실린더에 대한 배치 구성을 도시하는 설명도,
도 3은 도 2의 각 실린더에 있어서의 배기 밸브의 작동 타이밍을 나타내는 그래프,
도 4는 본 발명의 제 2 형태예를 도시하는 설명도,
도 5는 제 2 형태예에 이용하는 슬레이브 피스톤의 일례를 도시하는 상세도,
도 6은 본 발명의 제 3 형태예를 도시하는 설명도,
도 7은 도 6의 각 실린더에 있어서의 배기 가스 재순환 모드에서의 흡기 밸브의 작동 타이밍을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 흡기 행정에서 실린더의 흡기 밸브를 개방하는 흡기용 로커 아암에 의해 작동되는 배기 가스 재순환용 마스터 피스톤과, 상기 배기 가스 재순환용 마스터 피스톤에 대해 오일 통로를 통해서 접속되고, 또한 상기 오일 통로에 상기 배기 가스 재순환용 마스터 피스톤의 작동에 의해 압력이 발생했을 때에 상기 흡기 밸브와 동일한 실린더에 설치한 배기 밸브를 개방하는 슬레이브 피스톤과, 상기 오일 통로의 유압의 유지·해방을 전환하는 작동오일 공급수단을 구비한 것을 특징으로 배기 가스 재순환 장치에 관한 것이다.
그리고, 작동오일 공급수단에 의해 오일 통로의 유압을 유지하면, 흡기 행정에서 흡기용 로커 아암에 의해 배기 가스 재순환용 마스터 피스톤이 작동되어 오일 경로에 압력이 발생하고, 슬레이브 피스톤이 종동되어 동일한 실린더의 배기 밸브가 개방되므로, 압력차로 인해 배기 가스가 배기 포트로부터 연소실 내로 재순환하고, 다음의 폭발 행정에 있어서의 연소실 내에서의 연소 온도가 낮아져서 NOX의 감소를 꾀할 수 있다.
또한, 작동오일 공급수단에 의해 오일 통로의 유압을 해방시키면, 오일 통로 내에는 압력이 발생하지 않으므로, 슬레이브 피스톤이 종동되지 않게 되고, 배기 밸브는 통상의 밸브 조작에 의해 배기 행정에서만 열리고, 흡기 행정에서는 열리지 않게 된다.
또한 본 발명은 배기 행정에서 실린더의 배기 밸브를 개방하는 배기용 로커 아암에 의해 작동되는 배기 가스 재순환용 마스터 피스톤과, 상기 배기 가스 재순환용 마스터 피스톤에 대해 오일 통로를 통해서 접속되고, 또한 상기 오일 통로에 상기 배기 가스 재순환용 마스터 피스톤의 작동에 의해 압력이 발생했을 때에 상기 배기 밸브와 동일한 실린더에 설치한 흡기 밸브를 개방하는 슬레이브 피스톤과, 상기 오일 통로의 유압의 유지·해방을 전환하는 작동오일 공급수단을 구비한 것을 특징으로 하는 배기 가스 재순환 장치에 관한 것이다.
그리고, 작동오일 공급수단에 의해 오일 통로의 유압을 유지하면, 배기 행정에서의 배기용 로커 아암에 의해 배기 가스 재순환용 마스터 피스톤이 작동되어 오일 통로에 압력이 발생하고, 슬레이브 피스톤이 종동되어 동일한 실린더의 흡기 밸브가 열리고, 연소실 내의 배기 가스의 일부가 흡기 포트 측으로 방출되므로, 상기 흡기 포트 측으로 방출된 배기 가스가 다음의 흡기 행정에서 연소실 안으로 다시 흡입되어 재순환하며, 다음의 폭발 행정에 있어서의 연소실 내에서의 연소 온도가 낮아져서 NOX의 감소를 꾀할 수 있다.
또한, 작동오일 공급수단에 의해 오일 통로의 유압을 해방시키면, 오일 통로 내에는 압력이 발생하지 않으므로, 슬레이브 피스톤이 종동되지 않게 되어, 흡기 밸브는 통상의 밸브 조작에 의해 흡기 행정에서만 열리고, 배기 행정에서는 열리지 않게 된다.
이하, 본 발명의 실시의 형태를 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 형태예를 도시하는 것으로, 도 1에 있어서, 부호 1은 실린더, 2는 연소실, 3은 피스톤, 4는 배기 밸브, 5는 배기 포트를 각각 나타내며, 배기 행정에서 배기 푸시 로드(exhaust push rod)(6)(도 2 참조)에 의해 일단이 밀어 올려져서 기울어지는 배기용 로커 아암(7)의 타단에 의해 브릿지(8)를 통해서 양방의 배기 밸브(4)가 밀어 내려져서 열려, 연소실(2)로부터 배기 포트(5)로 배기 가스가 방출되도록 되어 있다.
또한, 부호 9는 도시되어 있는 동일한 실린더(1)의 유입 푸시 로드(inlet push rod), 10은 흡기 행정에서 유입 푸시 로드(9)에 의해 일단이 밀어 올려져서 기울어지는 흡기용 로커 아암이며, 상기 흡기용 로커 아암(10)의 타단에 의해 전술한 바와 같은 브릿지(도시하지 않음)를 통해서 양방의 흡기 밸브(32)(도 2 참조)가 밀어 내려져서 열릴 때에는, 상기 흡기용 로커 아암(10)의 일단이 상방의 하우징(11)에 설치된 배기 가스 재순환용 마스터 피스톤(12)을 밀어 올리고, 상기 하우징(11) 내에 형성된 오일 통로(13)에 압력을 발생시켜서 슬레이브 피스톤(14)을 밀어 내리고, 상기 슬레이브 피스톤(14)에 의해 액츄에이터 핀(15)을 통해서 한쪽 배기 밸브(4)가 단독으로도 밀어 내려지게 되어 있다.
상기 배기 가스 재순환용 마스터 피스톤(12)과 슬레이브 피스톤(14) 사이를 연결하는 오일 통로(13)에는, 상기 오일 통로(13)의 유압의 유지·해방을 전환하기 위한 작동오일 공급수단인 솔레노이드 밸브(16) 및 제어 밸브(17)를 통해서 작동오일(18)(엔진 오일)이 공급되도록 되어 있으며, 솔레노이드 밸브(16)는, 제어 장치(19)로부터의 제어 신호(20)에 의해 작동오일(18)의 공급·차단을 행하며, 제어 밸브(17)는 솔레노이드 밸브(16)가 열린 상태에서 상기 오일 통로(13)의 유압이 유지되도록 역지 밸브로서 기능하며, 또한 솔레노이드 밸브(16)가 닫힌 상태에서는 상기 오일 통로(13)의 유압을 해방시키도록 기능하는 것이다.
즉, 솔레노이드 밸브(16)에서는, 코일(21)이 여자된 상태에서 플레이트(22) 및 철심(23)이 볼(24)을 밀어 내려서 작동오일(18)의 공급이 이루어지고, 코일(21)이 여자되지 않은 상태에서 스프링(25)에 의해 볼(24)이 밀어 올려져서 작동오일(18)의 공급이 차단되게 되어 있으며, 또한 제어 밸브(17)에서는, 솔레노이드 밸브(16)가 열린 상태에서 유압에 의해 스풀(26)이 밀어 올려지고 스풀(26) 안에 설치한 볼(27)에 의해 상기 오일 통로(13)를 향한 방향으로만 작동오일(18)의 유통이 이루어지고, 솔레노이드 밸브(16)가 열린 상태에서 스풀(26)이 스프링(28)에 의해 밀어 내려져서 릴리프 입구(29)로 유압이 해방되도록 되어 있다.
도 2는 직렬 6기통 엔진의 경우에서 예시한 본 형태예의 배치 구성을 도시하는 것으로, 제 1 실린더#1(1), 제 2 실린더#2(1), 제 3 실린더#3(1)만이 도시되어 있고, 제 1 내지 제 3의 어느 실린더(1)에 있어서도, 각 실린더(1)에 설치한 한쪽 배기 밸브(4)가 흡기 행정시에 동일한 실린더(1)의 유입 푸시 로드(9)에 의해 개방되며, 보다 구체적으로는 각 실린더(1)의 유입 푸시 로드(9)에 의한 흡기용 로커 아암(10)(도 2에서는 도시되어 있지 않음)을 통한 배기 가스 재순환용 마스터 피스톤(12)의 작동으로 오일 통로(13)를 통해 동일한 실린더(1)의 슬레이브 피스톤(14)을 종동시켜서 한쪽 배기 밸브(4)를 흡기 행정에서 개방할 수 있도록 되어 있다.
그리고, 제어 장치(19)로부터의 제어 신호(20)에 의해 솔레노이드 밸브(16)를 열어 두면, 제어 밸브(17)가 역지 밸브로서 기능하여 오일 통로(13)가 닫히므로, 도 2의 제 1 실린더#1(1), 제 2 실린더#2(1), 제 3 실린더#3(1)의 각각이, 도 3에 도시하는 바와 같이 다른 타이밍으로 흡기 행정이 되었을 때에, 흡기 밸브(32)를 열기 위해 유입 푸시 로드(9)를 밀어 올림으로써 흡기용 로커 아암(10)이 기울어지고, 이것에 의해 배기 가스 재순환용 마스터 피스톤(12)이 밀어 올려져서 오일 통로(13)에 압력이 발생해, 동일한 실린더(1)의 슬레이브 피스톤(14)이 종동되어 한쪽 배기 밸브(4)가 개방되고, 압력차로 인해 배기 가스가 배기 포트(5)로부터 연소실(2) 내로 재순환하며, 다음의 폭발 행정에 있어서의 연소실(2) 내에서의 연소 온도가 내려가서 NOX(질소 산화물)의 감소를 도모할 수 있게 된다.
또한, 도 3에 있어서는, 세로축을 밸브 조작의 리프트(양정)로 하고, 가로축을 제 1실린더#1의 캠 샤프트의 회전각으로 하고 있으며, 도면 중의 △는 각 실린더(1)에 있어서의 압축 상사점을 나타내고, 실선의 곡선은 각 실린더(1)에 있어서의 배기 밸브(4)의 리프트를 나타내며, 파선의 곡선은 흡기 밸브(32)의 리프트를 각각 나타내고 있다(예를 들어, 제 1 실린더#1에서는 캠 샤프트의 회전각 0。∼180。가 폭발 행정, 180。∼360。가 배기 행정, 360。∼540。가 흡기 행정, 540。∼720。가 압축 행정이며, 제 2 실린더#2 및 제 3 실린더#3은 압축 상사점을 기점으로 하여 위상이 어긋나 있다).
또한, 제어 장치(19)로부터의 제어 신호(20)에 의해 솔레노이드 밸브(16)를 닫아 두면, 제어 밸브(17)에 의해 오일 통로(13)의 유압이 해방되고, 오일 통로(13) 내에는 압력이 발생하지 않기 때문에, 슬레이브 피스톤(14)이 종동되지 않게 되어, 배기 밸브(4)는 통상의 밸브 조작에 의해 배기 행정에서만 열리고, 흡기 행정에서는 열리지 않게 된다.
따라서, 상기 형태예에 따르면, 필요한 운전 영역에서만 배기 가스를 연소실(2)로 재순환시킬 수 있으므로, 저부하 운전 영역에서 배기 가스를 연소실(2)로 재순환시킴으로써 연소 온도를 낮춰서 NOX의 감소를 도모하고, 고부하 운전 영역에서는 배기 가스의 재순환을 정지하여 통상의 밸브 조작에 의해 그을음이 많은 검은 연기의 발생을 방지할 수 있다.
더욱이, 외부 배관을 필요로 하지 않기 때문에, 엔진의 탑재 스페이스가 늘어나는 것을 회피할 수 있음과 동시에, 외부 배관의 내열 대책이나 배치상의 제약을 고려할 필요가 없어지며, 또한, 터보 과급기를 장착한 엔진 등으로 부스트 압력이 배기 압력보다 높은 운전 영역에서도 배기 가스를 양호하게 재순환시킬 수 있게 된다.
또한, 저부하 운전 영역에서 배기 가스를 연소실(2)로 재순환시키고, 고부하 운전 영역에서 배기 가스의 재순환을 정지하도록 제어하기 위해서는, 상기 제어 장치(19)에 대해, 엔진의 운전 상태를 나타내는 신호, 액셀 등의 조작 상태를 나타내는 신호, 운전실의 배기 가스 재순환 스위치의 신호 등을 입력해 두어, 운전실의 배기 가스 재순환 스위치가 온 상태이고, 액셀이 어느 정도 밟혀진 엔진 출력 운전으로 되어 있으며, 또한 고부하도 아닌 상태에서 상기 제어 장치(19)로부터의 제어 신호(20)에 의해 솔레노이드 밸브(16)가 열리도록 해두면 된다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제 2 형태예를 도시하는 것으로, 흡기 행정에서 각 실린더(1) 양쪽의 배기 밸브(4)를 슬레이브 피스톤(14)에 의해 함께 열 수 있도록 한 것으로, 본 형태예에 있어서의 슬레이브 피스톤(14)은, 통상의 밸브 조작으로써 배기 행정에서 각 실린더(1)의 배기용 로커 아암(7)에 의해 밀어 내려지는 브릿지(8)를 흡기 행정에서 밀어 내리도록 되어 있으며, 상기 배기용 로커 아암(7)을 넘어서 배기 행정시에서의 통상의 밸브 작동을 저해하지 않도록 배치되어 있다(도 5 참조).
이와 같이 하면, 흡기 행정에서 양쪽의 배기 밸브(4)를 함께 열어서 배기가스의 재순환 효율을 높일 수 있게 되며, 게다가 흡기 행정에서는 연소실(2) 내의 압력이 내려가 있기 때문에, 양쪽의 배기 밸브(4)를 각별한 어려움 없이 개방할 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 제 3 형태예를 도시하는 것으로, 본 형태예에서는, 배기 가스 재순환용 마스터 피스톤(12)을, 배기 행정에서 실린더(1)의 배기 밸브(4)를 개방하는 배기용 로커 아암(7)에 의해 작동시키도록 하고 있으며, 게다가 이 배기 가스 재순환용 마스터 피스톤(12)의 작동으로 동일한 실린더(1)의 한쪽 흡기 밸브(32)를 슬레이브 피스톤(14)에 의해 배기 행정에서 개방할 수 있도록 되어 있다.
즉, 도 7에 직렬 6기통 엔진의 경우에서 제 1 실린더#1(1), 제 2 실린더#2(1), 제 3 실린더#3(1)에 대해서만 예시하고 있는 바와 같이, 제 1 내지 제 3의 어느 실린더(1)에 있어서도, 각 실린더(1)에 설치한 한쪽의 흡기 밸브(32)는 배기 행정시에 동일한 실린더(1)의 배기 푸시 로드(6)에 의해 개방되며, 보다 구체적으로는 각 실린더(1)의 배기 푸시 로드(6)에 의한 배기용 로커 아암(7)(도 6에서는 도시되어 있지 않음)을 통한 배기 가스 재순환용 마스터 피스톤(12)의 작동으로 오일 통로(13)를 통해 동일한 실린더(1)의 슬레이브 피스톤(14)을 종동시켜 한쪽의 배기 밸브(4)를 흡기 행정에서 개방할 수 있도록 되어 있다.
여기에서, 한쪽의 흡기 밸브(32)를 배기 행정에서 개방하는 슬레이브 피스톤(14)은, 도 1에 도시한 슬레이브 피스톤(14)과 같은 기구를 갖는 것이면 상관없으나, 상술한 도 5와 같은 슬레이브 피스톤(14)을 채용하여 배기 행정에서 양쪽의 배기 밸브(32)를 함께 열도록 해도 된다.
또한, 이 형태예에 있어서의 오일 통로(13)에 대해서도, 상술한 솔레노이드 밸브(16) 및 제어 밸브(17)와 같은 것을 오일 통로(13)의 유압의 유지·해방을 전환하는 작동오일 공급수단으로서 설치해 두는 것은 물론이다.
그리고, 이와 같이 하면, 도 6의 제 1 실린더#1(1), 제 2 실린더#2(1), 제 3 실린더#3(1)의 각각이, 도 7에 도시하는 바와 같이 다른 타이밍으로 배기 행정이 되었을 때에, 배기 밸브(4)를 개방하기 위한 배기 푸시 로드(6)를 밀어 올림으로써 배기용 로커 아암(7)이 기울어지고, 이로써 배기 가스 재순환용 마스터 피스톤(12)이 밀어 올려져서 오일 통로(13)에 압력이 발생하고, 동일한 실린더(1)의 슬레이브 피스톤(14)이 종동되어 한쪽의 흡기 밸브(32)가 개방되어, 연소실(2) 내의 배기 가스의 일부가 흡기 포트(도시하지 않음)측으로 방출되기 때문에, 상기 흡기 포트 측으로 방출된 배기 가스가 다음의 흡기 행정에서 연소실(2) 안으로 다시 흡입되어 재순환하며, 다음의 폭발 행정에서의 연소실(2) 내에서의 연소 온도가 낮아져서 NOX(질소 산화물)의 감소를 도모할 수 있게 된다.
또한, 도 7에 있어서는, 앞서 말한 도 3과 마찬가지로, 세로축을 밸브 조작의 리프트(양정)로 하고, 가로축을 제 1 실린더#1의 캠 샤프트의 회전각으로 하고 있으며, 도면 중의 △는 각 실린더(1)에 있어서의 압축 상사점을 나타내고, 실선의 곡선은 각 실린더(1)에 있어서의 배기 밸브(4)의 리프트를 나타내며, 파선의 곡선은 흡기 밸브(32)의 리프트를 각각 나타내고 있다.
따라서, 이 형태예의 경우에서도, 필요한 운전 영역에서만 배기 가스를 연소실(2)로 재순환시킬 수 있으므로, 저부하 운전 영역에서 배기 가스를 연소실(2)로 재순환시킴으로써 연소 온도를 낮춰서 NOX의 감소를 꾀하고, 고부하 운전 영역에서는 배기 가스의 재순환을 정지하여 통상의 밸브 조작에 의해 그을음이 많은 검은 연기의 발생을 방지할 수 있으며, 게다가 외부 배관을 필요로 하지 않기 때문에, 엔진의 탑재 스페이스가 늘어나는 것을 회피할 수 있음과 동시에, 외부 배관의 내열 대책이나 배치상의 제약을 고려할 필요가 없어지며, 또한 터보 과급기를 장착한 엔진 등으로 부스트 압력이 배기 압력보다 높은 운전 영역에서도 배기 가스를 양호하게 재순환시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 배기 가스 재순환 장치는, 상술한 형태예에만 한정되는 것이 아니라, 각 형태예에서는 직렬 6기통의 경우를 예시하여 설명하였으나, V형 엔진 등의 다른 엔진 형식이고 기통 수를 달리 하는 것에 대해서도 마찬가지로 적용할 수 있으며, 또 그밖에 본 발명의 요지를 일탈하지 않은 범위 내에서 여러 가지로 변형을 가할 수 있음은 물론이다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 배기 가스 재순환 장치는, 자동차 등의 엔진의 배기 가스를 정화시키는 장치로서 유용하며, 특히 탑재 스페이스가 작은 엔진이나 터보 과급기를 장착한 엔진 등에 이용하기에 적합하다.

Claims (2)

  1. 흡기 행정에서 실린더의 흡기 밸브를 개방하는 흡기용 로커 아암에 의해 작동되는 배기 가스 재순환용 마스터 피스톤과,
    상기 배기 가스 재순환용 마스터 피스톤에 대해 오일 통로를 통해 접속되고 또한 상기 오일 통로에 상기 배기 가스 재순환용 마스터 피스톤의 작동에 의해 압력이 발생했을 때에 상기 흡기 밸브와 동일한 실린더에 설치한 배기 밸브를 개방하는 슬레이브 피스톤과,
    상기 오일 통로의 유압의 유지·해방을 전환하는 작동오일 공급수단을 구비한 것을 특징으로 하는 배기 가스 재순환 장치.
  2. 배기 행정에서 실린더의 배기 밸브를 개방하는 배기용 로커 아암에 의해 작동되는 배기 가스 재순환용 마스터 피스톤과,
    상기 배기 가스 재순환용 마스터 피스톤에 대해 오일 통로를 통해 접속되며, 또한 상기 오일 통로에 상기 배기 가스 재순환용 마스터 피스톤의 작동에 의해 압력이 발생했을 때에 상기 배기 밸브와 동일한 실린더에 설치한 흡기 밸브를 개방하는 슬레이브 피스톤과,
    상기 오일 통로의 유압의 유지·해방을 전환하는 작동오일 공급수단을 구비한 것을 특징으로 하는 배기 가스 재순환 장치.
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