KR20010020345A - 배기가스 환류장치 - Google Patents

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다니구찌 이찌로오, 기타오카 다카시
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Abstract

디젤터보차 등의 고온고압의 배기가스라도, 밸브개도를 정밀도 좋게 조정하여 적당하게 배기가스를 자동차용 4 사이클엔진(1)의 연소실(1a)에 환류시킬 수 있는 배기가스 환류장치.
본 배기가스 환류장치(8)에서는, 가동축(23)에 2개의 폐쇄밸브(19),(20)를 설치하는 동시에 이 2개의 폐쇄밸브(19),(20)의 가동범위의 내측에서 가동공간(10a)내로 배기가스를 유입시키도록 구성하였다.
이것에 비해, 배기가스의 압력이 항상 2개의 폐쇄밸브(19),(20)에 작용하여 캔슬되고, 이 배기가스의 높은 압력이 가동축(23)의 이동을 방해하는 일을 없애고, 디젤터보차 등의 고온고압의 배기가스라도 스텝핑모터(17)의 작은 힘으로 정밀도 좋게 가동축을 이동시킬 수 있다.

Description

배기가스 환류장치 {EXHAUST GAS CIRCULATION SYSTEM}
도 1은 예를들어 일본국 특허공개공보 평성 6년 제147025호 등과 같이 다이어프램을 이용한 종래의 배기가스 환류장치의 사용 예를 표시하는 구성도이다.
도면에서, 1은 공기와 연료와의 혼합가스를 연소시켜서 구동력을 출력하는 자동차용 4 사이클엔진이고, 2는 일단이 당해 엔진(1)에 접속되어, 엔진(1)에 상기 혼합가스를 공급하는 흡기관이며, 3은 이 흡기관(2)의 타단에 접속되어 외기에 포함되는 분진등을 제거하여 공기를 흡기관(2)으로 보내는 에어클리너이고, 4는 상기 흡기관(2)의 도중에 설치되고, 당해 흡기관(2)내에 가솔린등의 연료를 분사하는 인젝터이며, 5는 엔진(1)에 흡입되는 혼합가스의 량을 조정하는 스로틀밸브이고, 6은 일단이 엔진(1)에 접속되어 엔진(1)에서 연소된 혼합가스(배기가스)를 배출하는 배기관이며, 7은 배기관(6)의 타단에 배설되어 3원촉매 등에 의해 배기가스를 정화하여 외기로 배출하는 정화장치이다.
또한, 상기 인젝터의 배설위치는, 디젤엔진과 같이 연소실과 부실(副室)내에 직접 연료를 분사하는 경우에는 4'로 표시하는 위치로 된다.
또, 1a는 연소실, 1b는 흡기관(2)와 연소실(1a)과의 연통을 폐쇄하는 흡기밸브, 1c는 배기관(6)과 연소실(1a)과의 연통을 폐쇄하는 배기밸브, 1d는 연소실(1a)내를 상하로 이동하는 피스톤이다.
다음에, 4 사이클 가솔린엔진을 예를들어 동작에 대하여 설명한다.
흡기밸브(1b) 및 배기밸브(1c)가 닫혀진 상태로 부터 설명한다.
자동차용 4 사이클엔진(1)의 흡기밸브(1b)를 여는 동시에 피스톤(1d)이 강하하면 에어클리너(3)로부터 흡기관(2)에 흡인되어있는 공기가 연소실(1a)내에 흡인된다.
이때, 인젝터(4)를 적당히 동작시킴으로써, 연소실(1a)내에는 공기 대신에 상기 혼합가스가 흡인되는 것으로 된다.
또, 스로틀밸브(5)의 개도를 제어함으로써 실제로 연소실(1a)내에 흡인되는 혼합가스의 량을 조정할 수 있다.
다음에, 흡기밸브(1b)를 닫는 동시에 피스톤(1d)을 상승시켜서 혼합가스를 압축한다.
이에따라, 혼합가스의 공기와 연료가 반응하여 연소실(1a)내에 고온, 고압의 연소가스가 생성된다.
이 혼합가스의 연소에 따른 체적팽창력에 의해 피스톤은 강하하고, 이 피스톤(1d)에 작용한 힘을 구동력으로서 출력한다.
또한, 당해 연소시에 점화플러그 등을 이용하여 강제적으로 연소를 유발시키는 경우도 있다.
최후에, 피스톤(1d)이 재상승하는데 맞춰서 배기밸브(1c)를 열어서 연소실(1a)내의 연소가스를 배기관(6) 및 정화장치(7)를 통하여 외기로 배출한다.
그리고, 이 동작을 반복함으로써, 상기 자동차용 4 사이클엔진(1)은 연속적으로 구동력을 출력할 수 있다.
그리고, 이와같은 자동차용 4 사이클엔진(1)에서는, 배기가스를 배기관(6)으로부터 외기로 배출할 때, 정화장치(7)에 설치된 3원촉매에 의해 당해 배기가스에 포함되는 질소산화물(NOX)등의 유해성분을 제거하고 있다.
다음에, 상기 배기가스 환류장치에 대하여 설명한다.
도면에서, 8은 소정의 조건하에서 배기가스를 흡기관으로 환류하는 배기가스 환류장치이고, 15는 배기관(6)으로부터 배기가스 환류장치(8)로 배기가스를 공급하는 배기가스흡기관이며, 16은 배기가스 환류장치(8)로부터 환류되는 배기가스를 흡기관으로 되돌리는 배기가스환류관이다.
또, 배기가스 환류장치(8)에서, 9는 배기가스흡기관(15) 및 배기가스환류관(16)에 고정되는 하우징이고, 10은 배기가스흡기관(15)과, 배기가스환류관 (16)을 연통하도록 하우징(9)내에 개설된 장치환류로이며, 13은 하우징(9)에 형성된 밸브시트이고, 11은 당해 밸브시트(13)에 맞닿서 장치환류로(10)를 폐쇄하는 폐쇄밸브이며, 12는 폐쇄밸브(11)가 고정되고, 이 폐쇄밸브(11)를 밸브시트에 접촉· 이간시키도록 이동가능하게 배설된 가동축이고, 14c는 하우징(9)에 고정되고, 가동축(12)을 소정의 방향으로 가동제어하는 다이어프램이며, 14b는 폐쇄밸브(11)를 밸브폐쇄방향으로 작동하고 있는 스프링이고, 14a는 부압을 도입하는 다이어프램실이며 14d는 부압을 체크하는 체크밸브이다.
다음에 배기환류 동작에 대하여 설명한다.
폐쇄밸브(11)와 밸브시트(13)가 맞닿서 장치환류로(10)가 폐쇄되어있다.
상기 다이어프램실(14a)에 부압을 도입하면, 이 부압에 의해 다이어프램(14c)에 밸브개방방향의 압력 X 면적의 힘이 발생하고, 밸브폐쇄방향으로 작동하고 있는 스프링의 힘보다도 크게 된 때, 가동축(12) 및 그 일단에 고정된 폐쇄밸브(11)가 이동하여 장치환류로(10)는 연통된다.
그러면, 배기가스가 흡기관(2)에 혼입되고, 엔진의 연소실(1a)내에 재유입한다.
그 결과, 자동차용 4 사이클엔진(1)은 그 연소실(1a)내에 혼입된 불연성의 배기가스분 만큼 연소가 억제된다.
이와같이하여, 자동차용 4 사이클엔진(1)의 연소가 억제됨으로써 연료의 공기에 대한 혼합율이 낮은 린번운전시에도 연소가스나 엔진온도의 상승을 억제할 수있다.
그리고, 엔진운전시에 있어서 문제로 되어있던 연소가스나 엔진온도의 상승에 따른 NOX의 증가를 억제할 수 있다.
그러나, 종래의 배기가스 환류장치는 이상과 같이 구성되어 있으므로, 아래와 같은 문제점이 있었다.
첫째로, 디젤터보차등 흡기, 배기의 차압이 큰 경우, 이에 대하여 밸브를 잠그기 위해 스프링(14b)의 하중을 올릴 필요가 있고, 필연적으로 다이어프램(14c)을 대형화할 필요가 있어 장치의 대형화가 문제로 된다.
두번째로, 다이어프램(14c)에 부압을 작용시키기 위하여는 그 부압을 생성할 필요가 있으나, 일반적으로 가솔린엔진의 경우에는 스로틀밸브(5)와 자동차용 4 사이클엔진(1)과의 사이의 흡기관의 압력을 그것에 이용하고 있다.
또, 디젤엔진의 경우에는 차의 브레이크용으로 설치된 브레이크용 진공펌프의 부압을 이용한다.
그 때문에, 가솔린엔진의 경우에서는, 부압이 발생하지 않는 영역에서는 동작시킬 수 없고, 더구나 동작시킬 때에는 부압을 용이하게 조정할 수 없다.
또, 디젤엔진의 경우에서는 브레이크용의 부압을 다른 용도(여기에서는 배기가스 환류장치)와 공용시키게 되며 이점에서 문제가 된다.
그 결과, 배기가스를 지나치게 되돌림으로써 노킹이나 현저한 파워다운 등을 발생하지 않도록 하기 위하여는 배기가스의 환류량은 충분히 낮은 레벨에 설정할 필요가 있고, NOX의 저감효과도 제한되어 버리게 된다.
그래서, 발명자들은 기히 일본국 특허공개공보 평성 7년 제332168호 등에 있어서, 다이어프램 대신에 모터를 사용한 배기가스 환류장치를 제안하고 있다.
도 2는 이와같은 모터를 이용한 종래의 배기가스 환류장치의 한 예를 표시하는 단면도이다.
도면에서, 17은 하우징(9)에 고정되고, 가동축(12)을 소정의 방향으로 가동제어하는 스텝핑모터이다.
스텝핑모터는 내부에서 회전운동을 직선운동으로 변환하는 나사구조를 갖고, 모터의 회전에 의해 가동축(12)을 상하이동시키고 있다.
이 이외의 구성은 도 1에 표시하는 다이어프램식의 배기가스 환류장치와 같으므로 동일부호를 붙여서 설명을 생략한다.
이와같이, 스텝핑모터(17)로 폐쇄밸브(11) 및 가동축(12)을 이동시킴으로서 부압의 도움없이 배기가스를 환류시킬 수 있다.
또, 소형의 스텝핑모터를 채용함으로써 배기가스 환류장치의 소형화를 도모하는 것도 가능하게 된다.
그러나, 이와같이 스텝핑모터(17)를 사용한 경우에는 배기가스의 압력이 높고 또는 배기가스환류량을 크게하는 경우, 폐쇄밸브 직경을 크게하지 않으면 안되며 모터의 출력부족(Lack of thrust force)에 의해 폐쇄밸브(11)를 이동시킬 수 없는 경우가 있다는 다른 문제가 발생한다.
특히, 디젤터보차 등에 있어서는, 배기가스의 최대 압력은 2000mmHg 정도까지 상승하고, 더구나 환류가스량도 대단히 큰 유량이 필요하며 이와같은 경우에는 상기 시스템을 전혀 동작시킬 수 없다.
또, 다이어프램방식의 경우에는 밸브를 일정한 개도로 보존하기 위하여 소정의 부압을 가한후에 체크밸브(14d)에 의해 밀폐하고 있으나, 이때에 배기가스가 맥동하면 그 압력이 변화하여 버린다.
따라서, 밸브에 가해진 압력도 변화하기 때문에 밸브가 슬라이드하게 되고, 밸브개도가 변화하게 되어있었다.
이 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 하게 된 것으로, 폐쇄밸브(11)의 구동기구로서 모터를 사용하였다고 하여도, 당해 폐쇄밸브(11)를 용이하게 이동시킬 수 있고, 나아가서는 디젤터보차 등에서도 종래의 다이어프램방식보다도 높은 NOX의 저감효과를 얻을 수 있는 배기가스 환류장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
[발명의 개시]
본 발명에 관한 배기가스 환류장치는 배기가스의 환류로에 배설가능한 환류장치본체와, 2개의 폐쇄밸브가 형성된 가동부재와, 환류장치본체의 내부에 형성되고, 당해 가동부재가 이동가능하게 배설되는 가동공간과, 상기 환류장치본체의 외면으로부터 가동공간의 중앙부로 연통하도록 개설된 제1의 환류용구멍과, 상기 제1의 환류용구멍과는 다른 환류장치본체의 외면위치로부터 가동공간의 양단부로 연통하도록 개설된 제2의 환류용구멍과, 상기 가동부재가 상기 가동공간의 일방향측에 설정된 때에 상기 각 폐쇄밸브와 맞닿서, 가공공간의 중앙부와 각 양단부와의 연통을 폐쇄하는 2개의 밸브시트를 갖는 배기가스 환류장치에 있어서, 제1의 환류용구멍의 가동공간으로의 연통에 의해 형성되는 제1의 가동공간 개구부 또는 제2의 환류용구멍의 가동공간으로의 연통에 의해 형성되는 2개의 제2의 가동공간 개구부의 양쪽은, 가동공간내의 폐쇄밸브의 이동범위외에 형성되어있는 것이다.
이와같은 배기가스 환류장치라면, 가동공간내의 폐쇄밸브의 이동범위외로되는 가동공간 개구부에 연통하는 환류용구멍을 엔진의 배기측에 접속함으로써 폐쇄밸브의 위치에 관계없이 배기가스의 높은 압력을 2개의 폐쇄밸브에 균등하게 작용시키고 가동부재에 작용하는 배기가스의 압력을 캔슬할 수 있다.
따라서, 가동밸브의 이동범위의 전역에 있어서, 배기가스의 압력에 관계없이 가동부재를 작은 힘으로 이동시킬 수 있고, 2개의 폐쇄밸브의 구동기구로서 모터를 사용하는 동시에 배기가스의 압력이 높은 디젤터보차에 적용하였다 하여도 당해 폐쇄밸브를 용이하게 이동시킬 수 있고, 특히 효과가 크다.
이 발명에 관한 배기가스 환류장치는, 배기가스의 환류로에 배설가능한 환류장치본체와, 2개의 폐쇄밸브가 형성된 가동부재와, 환류장치본체의 내부에 형성되고, 당해 가동부재가 이동가능하게 배설되는 가동공간과, 상기 환류장치본체의 측면으로부터 가동공간이 중앙부에 연통하도록 개설된 제1의 환류용구멍과, 상기 제1의 환류용구멍과는 다른 환류장치본체의 측면위치로부터 가동공간의 양단부에 연통하도록 개설된 제2의 환류용구멍과, 상기 가동부재가 상기 가동공간의 일방향측에 설정된 때에, 상기 각 폐쇄밸브와 맞닿서 가동공간의 중앙부와 각 양단부와의 연통을 폐쇄하는 2개의 밸브시트를 갖는 배기가스 환류장치에 있어서, 2개의 폐쇄밸브는 함께, 제1의 환류용구멍의 가동공간으로의 연통에 의해 형성되는 제1의 가동공간 개구부 또는 제2의 환류용구멍의 가동공간으로의 연통에 의해 형성되는 2개의 제2의 가동공간 개구부의 양쪽과 겹치지않는 범위에서 이동하는 것이다.
이와같은 배기가스 환류장치라면, 가동공간내의 폐쇄밸브의 이동범위와 겹치지않는 가동공간 개구부에 연통하는 환류용구멍을 엔진의 배기측에 접속함으로써 폐쇄밸브의 위치에 관계없이 배기가스의 높은 압력을 2개의 폐쇄밸브에 균등하게 작용시키고, 가동부재에 작용하는 배기가스의 압력을 캔슬할 수 있다.
따라서, 가동밸브의 이동범위의 전역에 있어서, 배기가스의 압력에 관계없이 가동부재를 작은 힘으로 이동시킬 수 있고, 2개의 폐쇄밸브의 구동기구로서 모터를 사용하는 동시에 배기가스의 압력이 높은 디젤터보차에 적용하였다고 하여도 당해 폐쇄밸브를 용이하게 이동시킬 수 있으며 특히 효과도 크다.
이와같은 배기가스 환류장치라면, 폐쇄밸브의 위치에 관계없이 배기가스의 높은 압력을 2개의 폐쇄밸브에 균등하게 작용시켜서 가동부재에 작용하는 배기가스의 압력을 캔슬할 수 있으므로, 가동밸브의 이동범위의 전역에 있어서, 배기가스의 압력에 관계없이 가동부재를 용이하게 이동시킬 수 있다.
따라서, 디젤터보차 등에서도 폐쇄밸브를 용이하게 이동시킬 수 있으며, 종래의 다이어프램식보다도 높은 NOX의 저감효과를 얻을 수 있다.
이 발명에 관한 배기가스 환류장치는, 배기가스는 제1의 환류용구멍으로부터 유입되고, 가동부재는 2개의 폐쇄밸브가 고정배치되는 동시에 환류장치본체를 관통하도록 배설된 가동축을 갖고, 이 가동축의 베어링은 가동축의 폐쇄밸브보다 외측의 양쪽 또는 한쪽에 설치되는 것이다.
이와같은 배기가스 환류장치라면, 가공공간의 중앙부에 연통된 제1의 환류용구멍에 엔진의 배기측을 접속할 수 있는 한편, 가동축의 베어링은 당해 제1의 환류용구멍과는 폐쇄밸브의 반대측에 배치할 수 있으므로, 가동축에 의한 환류장치본체의 관통부위에는 환류동작중 밖에는 배기가스 접속되지 않도록 할 수 있다.
따라서, 이 가동축과 환류장치본체의 관통위치와의 사이에, 배기가스에 포함되는 배기먼지가 가득차기 어렵게되고, 배기가스 환류장치를 장기간에 걸쳐서 연속 사용할 수 있다.
이 발명에 관한 배기가스 환류장치는, 환류장치본체와, 가동공간의 한쪽 끝부분에 2개의 밸브시트의 외형보다도 큰 조립구멍이 개설된 하우징과, 당해 조립구멍을 폐쇄하는 조립구멍 폐쇄부재로 되고, 2개의 밸브시트는 이 조립구멍에 가까운 쪽의 밸브시트가 이 조립구멍으로부터 먼쪽의 밸브시트보다도 외형이 크게 형성되어있는 것이다.
이와같은 배기가스 환류장치라면, 하우징과 2개의 밸브시트를 별체로 형성하고, 그것을 조립함으로써 배기가스 환류장치를 형성할 수 있다.
따라서, 하우징을 주조로 용이하게 형성하면서, 밸브시트를 깍는 등하여 정도좋게 형성함으로써 용이하게 소정의 폐쇄정도를 갖는 배기가스 환류장치를 얻을 수 있다.
또, 2개의 밸브시트를 하우징과 별체로 형성한 후 조립하도록 하였으므로, 2개의 밸브시트의 내경을 정도좋게 일치시킬 수 있고, 더구나 2개의 밸브시트의 부착순서와 2개의 폐쇄밸브의 부착순서를 적당하게 함으로써, 2개의 폐쇄밸브의 외형을 정도좋게 일치시켜서 형성하는 것도 가능하게되며, 2개의 폐쇄밸브에 의한 배기가스의 압력캔슬 효과를 최대한으로 이룰 수 있다.
이 발명은 디젤엔진, 가솔린엔진(예를들어 린번엔진 (leanburn type engine)등)등의 내연기관에서 당해 엔진의 연료실로부터 배출된 배기가스를 다시 연소실로 되돌릴 때에 사용되는 배기가스 환류장치에 관한 것이다.
도 1은 다이어프램을 이용한 종래의 배기가스 환류장치의 사용 예를 표시하는 구성도
도 2는 모터를 이용한 종래의 배기가스 환류장치의 한 예를 표시하는 단면도
도 3은 모터를 이용한 이 발명의 실시의 형태 1에 의한 배기가스 환류장치를 표시하는 구성도
도 4는 모터를 이용한 이 발명의 실시의 형태 1에 의한 배기가스 환류장치를 표시하는 단면도
도 5는 2000mmHg의 배기가스 압력하에서 얻어진 이 발명의 실시의 형태 1에 의한 배기가스 환류장치의 동작특성을 표시하는 단면도
도 6은 이 발명의 실시의 형태 1에 의한 배기가스 환류장치의 메인제어루틴을 표시하는 플로차트
도 7은 이 발명의 실시의 형태 1에 의한 배기가스 환류장치의 EGR 제어처리의 상세한 플로차트
도 8은 이 발명의 실시의 형태 1에 의한 가동부재의 조립공정도
도 9는 이 발명의 실시의 형태 1에 의한 하우징의 조립공정도(1)
도 10은 이 발명의 실시의 형태 1에 의한 하우징의 조립공정도(2)
[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]
이하, 이 발명을 보다 상세하게 설명하기 위하여, 이 발명을 실시하기 위한 최량의 형태에 대하여, 첨부 도면에 따라 설명한다.
실시의 형태 1
도 3은 모터를 이용한 이 발명의 실시의 형태 1에 의한 배기가스 환류장치를 표시하는 구성도이다.
또한, 여기에서는 특히 가솔린엔진과 디젤엔진에 대하여 설명한다.
도면에서, 1은 공기와 연료와의 혼합가스를 연소시켜서 구동력을 출력하는 자동차용 4 사이클 가솔린엔진이고, 2는 일단이 당해 엔진(1)에 접속되어 엔진(1)에 상기 혼합가스를 공급하는 흡기관이며, 3은 이 흡기관(2)의 타단에 접속되어 외기에 포함되는 분진등을 제거하여 공기를 흡기관(2)으로 보내는 에어클리너이고, 4는 상기 흡기관(2)의 도중에 설치되고, 당해 흡기관(2)내에 가솔린을 분사하는 인젝터이며(여기서, 디젤엔진의 경우에는 인젝터는 연소실 또는 부실(副室)에 직접분사하므로, 4'와 같이 설치된다), 5는 엔진(1)에 흡입되는 혼합가스의 량을 조절하는 스로틀밸브(디젤엔진의 경우에는 이 스로틀밸브를 설치하지 않는 경우도 있다)이고, 6은 일단이 엔진(1)에 접속되어 엔진(1)에서 연소된 혼합가스(배기가스)를 배출하는 배기관이며, 7은 배기관(6)의 타단에 배설되어 3원촉매 등에 의해 배기가스를 정화하여 외기로 배출하는 정화장치이고, 8은 흡인한 배기가스를 배기하는 배기가스 환류장치이며, 15는 배기관(6)으로부터 배기가스 환류장치(8)로 배기가스를 공급하는 배기가스흡기관이고, 16은 배기가스 환류장치(8)로부터 배기되는 배기가스를 스로틀밸브(5)와 엔진(1)과의 사이의 흡기관(2)로 되돌리는 배기가스환류관이며, 18은 주행상태에 따라서 배기가스 환류장치(8)에 대하여 밸브리프트 제어신호를 출력하는 컨트롤유닛이다.
또한, 자동차용 4 사이클 가솔린엔진(1)에 있어서, 1a는 연소실, 1b는 흡기관(2)과 연소실(1a)과의 연통을 폐쇄하는 흡기밸브, 1c는 배기관(6)과 연소실 (1a)과의 연통을 폐쇄하는 배기밸브, 1d는 연소실(1a)내를 상하로 이동하는 피스톤이다.
도 4는 모터를 이용한 이 발명의 실시의 형태 1에 의한 배기가스 환류장치(8)를 표시하는 단면도이다.
도면에서, 9는 배기가스흡기관(15) 및 배기가스환류관(16)이 고정되는 하우징이고, 17은 이 하우징(9)에 고정된 스텝핑모터이며, 27은 하우징(9)과 스텝핑모터(17)와의 사이에 배설되는 스페이서이다.
또, 스텝핑모터(17)는 스페이서(27)와 함께 고정나사(28)에 의해 하우징(9)에 고정되어있다.
17a는 스텝핑모터의 회전자이다.
10은 배기가스흡기관(15)와 배기가스환류관(16)을 연통하도록 하우징(9)내에 개설된 장치환류로이고, 이 장치환류로(10)는, 상기 스텝핑모터의 회전자(17a)의 축방향으로 높이를 갖는 대략 원주형상의 가동공간(10a)과, 배기가스흡기관 (15)이 고정되는 하우징측면으로부터 이 가동공간(10a)의 중앙부로 연통하도록 개설된 유입구멍(10b)과, 배기가스환류관(16)이 고정되는 하우징측면으로부터 가동공간(10a)의 양단부에 연통하도록 개설된 유출구멍(10c)으로 구성되어있다.
또, 10d는 유입구멍(10b)의 가동공간(10a)으로의 연통에 의해 가동공간(10a)의 중앙부측면에 형성되는 유입개구부이고, 10e는 각각 유출구멍(10c)의 가동공간(10a)으로의 연통에 의해 가동공간(10a)의 양단부 측면에 형성되는 유출개구부이다.
23은 스텝핑모터의 회전자(17a)에 접속되는 동시에 가동공간(10a)내까지 뻗도록 형성된 원주형상으로 되고, 이 회전자의 이동에 따라 회전자(17a)의 회전축방향으로 이동하는 가동축이고, 9a는 하우징(9)에 개설되어 이 가동축(23)이 슬라이드 가능하게 관통하는 가동축용 관통구멍이며, 24는 이 가동축용 관통구멍(9a)의 가동공간(10a)측에 고정되고, 당해 가동축용 관통구멍(9a)으로의 배기가스의 유입을 억제하는 필터부재이며, 20은 가동축(23)의 회전자(17a)와는 반대측의 선단근처에 고정된 대략 원판형상의 제1의 폐쇄밸브이고, 19는 이 제1 폐쇄밸브(20)보다도 회전자(17a)에 가까운 위치에 고정되고, 제1 폐쇄밸브(20)와 같은 외경의 대략 원판형상으로 형성된 제2 폐쇄밸브이다.
또, 22는 가동축(23)이 회전자(17a)측으로 이동한 때에 제1 폐쇄밸브(20)에 맞닿도록 하우징(9)에 고정된 제1 밸브시트이고, 21은 가동축(23)이 회전자(17a)측으로 이동한 때에 제2 폐쇄밸브(19)에 맞닿도록 하우징(9)에 고정된 제2 밸브시트이며, 이들 2쌍의 밸브시트(21),(22)와 폐쇄밸브(19),(20)가 맞닿으면, 가동공간(10a)의 중앙부와 양단부와의 연통은 차단되고, 유입구멍(10b)과 유출구멍(10c)은 분리된다.
30은 대략 원판형상을 갖고, 가동축(23)의 고정자측단부에 고정배치되는 스프링 받침시트이고, 29는 이 스프링 받침시트(30)와 하우징(9)과의 사이에 배설되고, 폐쇄밸브를 밸브폐쇄방향으로 작동하는 힘을 작용시키는 코일스프링이며, 이 코일스프링(29)에 의해 스프링 받침시트(30) 및 가동축(23)은 회전자(17a)측으로 힘을 작동시킨다.
따라서, 가동공간(10a)의 중앙부와 양단부와의 연통은 통상 차단되는 것으로 되며 유입구멍(10b)과 유출구멍(10c)이 분리된 상태로 될 때 시스템은 정지상태로 된다.
10f는 가동공간(10a)의 스텝핑모터(17)와는 반대측의 단부에서 하우징(9)에 개설된 조립용구멍이고, 25는 이 조립용구멍(10f)에 끼워맞추는 조립구멍 폐쇄부재이며, 26은 이 조립구멍 폐쇄부재(25)를 하우징(9)에 고정하는 고정나사이다.
그리고, 하우징(9)에 고정되는 스텝핑모터(17)는 이 코일스프링(29)의 힘에 반하여 모터축(17b)에서 스프링 받침시트(30)을 누름으로써 가동축(23)을 이동시키고, 유입구멍(10b)과 유출구멍(10c)를 연통시킬 수 있다.
그리고, 이때 자동차용 4 사이클엔진(1)이 동작하고 있으면, 배기가스의 압력이 흡기의 압력보다도 높으므로 배기관(6)으로부터 흡기관(2)으로 배기가스가 환류하게 된다.
도 5는 이와같은 스텝핑모터(17)의 스텝수와 밸브개도와의 관계의 한 예를 표시하는 밸브개도특성도이다.
이 도면에 표시하는 바와 같이, 스텝수의 증가에 따라서 밸브개도가 커지게 되고, 이와같이 밸브개도가 크게되면 배기가스의 환류량도 증가한다.
또한, 제2 폐쇄밸브(19)는 밸브개도가 최대로 되는 48번째의 스텝수에서도 유입개구부(10d)에 겹치지 않는 범위내에서 이동한다.
다음에 동작에 대하여 설명한다.
흡기밸브(1b) 및 배기밸브(1c)가 닫혀진 상태로 부터 설명한다.
자동차용 4 사이클엔진(1)의 흡기밸브(1b)를 여는 동시에 피스톤(1d)이 강하하면, 에어클리너(3)로부터 흡기관(2)에 흡인되어있는 공기가 연소실(1a)내에 흡인된다.
이때, 인젝터(4)를 적당히 동작시킴으로써 연소실(1a)내에는 공기 대신에 상기 혼합가스가 흡인되게 된다.
또, 스로틀밸브(5)의 개도를 제어함으로써, 실제로 연소실(1a)내에 흡인되는 혼합가스의 량을 조정할 수 있다.
다음에, 흡기밸브(1b)를 닫는 동시에 피스톤(1d)을 상승시켜서 혼합가스를 압축한다.
이에따라, 혼합가스의 공기와 연료가 반응하여 연소실(1a)내에 고온의 연소가스가 생성된다.
이 혼합가스의 연소에 따른 체적팽창력에 의해 피스톤(1d)은 강하하고, 이 피스톤(1d)에 작용한 힘을 구동력으로서 출력한다.
또한, 당해 연소시에 점화플러그 등을 이용하여 강제적으로 연소를 유발시키는 경우도 있다.
최후로, 피스톤(1d)가 재상승하는데 맞추어서 배기밸브(1c)를 열어서 연소실(1a)내의 연소가스를 배기관(6) 및 점화장치(7)를 통하여 외기로 배출한다.
그리고, 이 동작을 반복함으로써 상기 자동차용 4 사이클엔진(1)은 연속하여 구동력을 출력할 수 있다.
또한, 이와같은 엔진에서는 배기가스를 배기관(6)으로부터 외기로 배출할 때에 정화장치(7)에 설치된 3원촉매에 의해 이 배기가스에 포함되는 NOX 등의 유해성분을 제거하고 있다.
이와같이 자동차용 4 사이클엔진(1)의 운전기간에 있어서, 엔진냉각수의 온도, 엔진회저수, 인젝터의 개도(연료분사량)등에 따라서 컨트롤유닛(18)은 예를들어 도 6의 플로차트에 표시하는 바와 같이, 배기가스환류용의 메인제어루틴을 반복하여 실행한다.
도면에서, ST1은 스텝핑모터(17)의 초기위치등을 결정하는 초기화 처리스텝이고, ST2는 상기 각종의 조건에 따라 밸브리프트 제어신호를 출력하는 배출가스 재순환 제어처리(exhaust gas recirculation control process)(EGR 제어처리)스텝이며, 이 밸브리프트 제어신호에 따라 상기 스텝핑모터(17)는 소정의 스텝수만큼 회전하고, 배기가스 환류장치(8)의 밸브개도가 소정의 개도에 설정된다.
도 7은 이와같은 EGR 제어처리 스텝 ST2의 상세한 제어수순을 표시하는 플로차트의 한 예이다.
도면에서, ST3는 초기화처리 스텝 ST1이 완료하였는지 여부를 판단하는 초기화처리 완료판별스텝이며, 이 스텝 ST3에서 완료하였다고 판단된 경우에는 이하의 스텝 ST4로 진행하고, 그 이외에서는 EGR 제어처리 스텝 ST2를 종료한다.
ST4는 엔진회전수, 흡기관의 압력을 판독하는 기본데이터 판독스텝이고, ST5는 이들 엔진회전수, 흡기관의 압력으로부터 기본적인 스텝핑모터(17)에 의한 기본밸브개도를 산출하는 기본개도산출스텝이며, ST6은 엔진냉각수의 온도를 판독하는 보정데이터 판독스텝이고, ST7은 이 냉각수온도에 따라서 밸브개도의 보정계수를 산출하는 목표스텝핑모터개도 수온보정계수 산출스텝이며, ST8은 상기 기본밸브개도와 상기 보정계수를 승산하여 스텝핑모터(17)에 의한 목표밸브개도를 연산하는 목표스텝핑 모터개도 연산스텝이고, 이 목표밸브개도에 따라 상기 밸브리프트 제어신호가 생성된다.
그리고, 이 일련의 EGR 제어처리스텝 ST2에서는, 예를들어 엔진회전수가 소정회전수 이상이고, 흡기관(2)의 압력이 낮은 경우에는 더욱 많은 배기가스를 환류할 수 있게 밸브개도가 크게 되도록 상기 연산처리를 설정할 수 있다.
또, 엔진의 냉각수의 온도가 높게 될수록, 상기 보정계수를 크게 하도록 설정할 수도 있다.
또, 스텝핑모터(17)를 사용하고 있으므로 오픈루프제어로 정밀도좋게 밸브개도를 제어할 수 있고, 아이들링 상태에서도 미량의 배기가스를 환류하도록 밸브개도를 정밀도 좋게 제어할 수도 있다.
따라서, 실시의 형태 1에 의한 배기가스 환류장치를 사용하면 정상속도주행시나 아이들링시에 있어서, 배기가스 환류장치(5)의 폐쇄밸브를 개방함으로써 배기가스를 엔진의 연소실(1a)로 환류시킬 수 있다.
이 제어의 결과, 엔진(1)은 그 연소실(1a)내에 혼입한 불연성의 배기가스분만큼 연소가 억제되므로 모든 주행상태에 따라서 최적으로 배기가스를 환류시킬 수 있고, 연소에 기인하는 연소가스의 온도상승을 억제할 수 있으며 NOX를 저감할 수 있다.
또, 아이들링시에서도, 엔진(1)의 난기상태(warming-up condition)에 따라서 최적인량의 배기가스를 환류시킬 수 있으므로, 마찬가지로 열소가스의 온도상승을 억제하여 NOX를 저감할 수 있다.
또, 스텝핑모터(17)을 사용하여 폐쇄밸브의 개도를 제어하고 있으므로, 엔진(1)의 성능은 손상하지 않는 범위에서 정밀도 좋게 대량으로 배기가스를 환류시킬 수 있게 되고, 종래의 다이어프램을 이용한 배기가스 환류장치에서는 도저히 얻을 수 없었던 정도의 NOX의 저감효과를 얻을 수 있다.
또, 제2 폐쇄밸브(19)를 유입개구부(10d)에 겹치지않는 범위내에서 이동시키고 있으므로 환언하면, 유입개구부(10d)가 제2 폐쇄밸브(19)의 이동범위외에 형성되어 있으므로, 제2 폐쇄밸브(19)에는 그 밸브개도에 따른 위치에 관계없이 배기가스에 의한 압력을 적절하게 작용시킬 수 있다.
즉, 제2 폐쇄밸브의 가로방향으로부터의 배기가스유입을 방지하고, 제2 폐쇄밸브(19)의 전면에 배기가스를 대도록 할 수 있으며, 제2 폐쇄밸브(19)로의 압력인가를 확실하게 할 수 있다.
이와동시에, 이 제2 폐쇄밸브(19)와는 반대방향의 힘으로서 배기가스에 의한 압력이 작용하는 제1 폐쇄밸브(20)를 가동축에 설치하고 있으므로, 배기가스의 압력에 의해 가동축(23)의 이동을 방해하는 힘은 2개의 폐쇄밸브(19),(20)에 작용하는 힘에 의해 캔슬된다.
또, 2개의 폐쇄밸브(19),(20)에 작용하는 힘은, 밸브개도에 관계없이 안정되어 있으므로, 2개의 폐쇄밸브에는 그 밸브개도에 관계없이 배기가스압력을 반대방향으로 또한 균등하게 작용시킬 수 있고, 밸브개도에 관계없이 작은 힘으로 가동축(23)을 이동시킬 수 있다.
그 결과, 배기가스의 최대압력이 2000mmHg 정도까지 상승하는 디젤터보차등에 이 배기가스 환류장치(8)를 이용하였다고 하여도, 비교적 소출력(예를들어 4kgf출력)의 스텝핑모터(17)에서 폐쇄밸브(19),(20)를 개폐시킬 수 있고, 나아가서도 디젤터보차 등에서도 종래의 다이어프램방식보다도 높은 NOX의 저감효과를 얻을 수 있다.
또, 가동공간(10a)의 중앙부에 연통된 개구부(10b)에 배기가스흡기관(15)을 접속하는 동시에, 정지상태에서는 2개의 폐쇄밸브(19),(20)에 의해 가동공간(10a)의 중앙부와 양단부와의 연통을 차단하도록 하고 있으므로, 정지상태에서 배기가스가 가동축용 관통구멍(9a)에 불필요하게 접촉하여 버리는 일은 없다.
따라서, 이 가동축용 관통구멍(9a)과 가동축(23)과의 사이에 배기가스에 함유되는 배기먼지가 가득차기 어렵게되고, 배기가스 환류장치(8)를 분해청소 등을 하는 일없이 장기간에 걸쳐서 연속하여 사용할 수 있다.
다음에 이 배기가스 환류장치의 제조공정에 대하여 설명한다.
도 8은 이 발명의 실시의 형태 1에 의한 가동부재의 조립공정도이다.
동도면(a)는 분해도, 동도면(b)는 조립완료도이다.
도면에서, 19a는 제2 폐쇄밸브(19)의 중앙부에 개설된 제2 가동축용 관통구멍이고, 20a는 제1 폐쇄밸브(20)의 중앙부에 있어서, 제2 가동축용 관통구멍(19a)보다도 크게 개설된 제1 가동축 관통구멍이며, 23a는 대략 원주형상으로 형성된 가동축본체이고, 23b는 가동축본체(23a)의 중앙부에 있어서, 제2 가동축용 관통구멍(19a)과, 끼워맞추는 크기로 형성된 제2 밸브받침부이며, 23c는 가동축본체(23a)의 일단부에 형성되어 제1 가동축용 관통구멍(20a)과, 끼워맞추는 크기로 형성된 제1밸브받침부이고, 23d는 제2 밸브받침부(23b)의 제1 밸브받침부(23c)측에 인접하는 위치에 형성되며, 제2 밸브받침부(23b)보다도 크고, 또한 제1 밸브받침부(23c)보다도 작은 외형으로 형성된 제2 밸브스토퍼이며, 23e는 제1 밸브받침부(23c)의 단부측에 인접하여 형성되고, 제1 밸브받침부(23c)보다도 큰 외형으로 형성된 제1 밸브 스토퍼이다.
그리고, 이들의 각 부재는 제1 밸브시트(22) 및 제2 밸브시트(21)를 포함하여 상호의 정밀도를 내기 위하여 깍아내서 형성되어있다.
또, 이 제1의 밸브시트(22) 및 제2의 밸브시트(21)는 함께 대략 원판형상의 외경형상으로 형성되어있고, 제1 밸브시트(22)의 외경은 제2 밸브시트(21)의 외경보다도 크게 형성되어있다.
우선, 제1 가동축용 관통구멍(20a)에 가동축본체(23a)를 삽입하고, 제1 밸브스토퍼(23e)에 맞닿을 때까지 제1 밸브받침부(23c)에 제1 폐쇄밸브(20)을 압입하여 끼워맞추게 한다.
이 상태에서 제1 밸브받침부(23c)의 제2 밸브받침부(23b)측의 부위를 코킹(caulking)하여 제1 폐쇄밸브(20)를 가동축에 고정한다.
다음에, 제1 밸브시트(22)를 가동축에 삽입한후, 제2 가동축용 관통구멍(19a)에 가동축본체(23a)를 삽입하고, 제2 밸브스토퍼(23d)에 맞닿을 때까지 제2 밸브받침부(23b)에 제2 폐쇄밸브(19)를 압입하여 끼워맞추게 한다.
이 상태에서, 제2 밸브받침부(23b)의 제1 밸브받침부(23c)와는 반대측의 부위를 코킹하여 제2 폐쇄밸브(19)를 가동축(23)에 고정한다.
이와같이하여 이 실시의 형태 1에 의한 가동부재는 형성될 수 있다.
도 9 및 도 10은 이 발명의 실시의 형태 1에 의한 하우징의 조립공정도이다.
도 9(a)는 일부분해 단면도, 도 9(b) 및 도 10(a)에서 (c)는 조립공정의 조립공정 단면도이다.
도면에서, 9b는 가동축용 관통구멍(9a)에 가까운 유출개구부(10e)와 유입개구부(10d)와의 사이의 가동공간(10a)에서 제2 밸브시트(21)의 외경과 끼워맞추도록 형성된 제2 밸브시트끼워맞춤부이고, 9d는 이 제2 밸브시트끼워맞춤부(9b)의 가동축용 관통구멍(9a)측에 인접하는 위치에서 제2 밸브시트끼워맞춤부(9b)보다도 가동공간(10a)내측으로 돌출하도록 형성된 제2 밸브시트스토퍼이며, 9c는 조립용구멍(10f)에 가까운 개구부(10e)와 개구부(10d)와의 사이의 가동공간(10a)에서 제1 밸브시트(22)의 외경과 끼워맞추도록 형성된 제1 밸브시트끼워맞춤부이고, 9e는 이 제1 밸브시트끼워맞춤부(9c)의 제2 밸브시트끼워맞춤부(9b)측에 인접한 위치에서, 제1 밸브시트끼워맞춤부(9c)보다도 가동공간(10a)내측으로 돌출하며 또한, 제2 밸브시트끼워맞춤부(9b)보다도 큰 내경을 형성하도록 형성된 제1 밸브시트스토퍼이다.
그리고, 이 실시의 형태 1에서는 하우징(9)은 주조로서 형성되어있다.
또, 디젤엔진의 경우에는, 알루미늄은 배기가스에 의해 부식되어 버리므로, 철, 스테인레스 등으로 형성한 것이 바람직하다.
그리고, 제2 밸브시트(21)를 조립용구멍(10f)에서 가동공간(10a)으로 삽입 하고, 제2 밸브시트스토퍼(9d)에 맞닿을 때까지 제2 밸브시트끼워맞춤부(9b)에 제2 밸브시트(21)을 압입하여 끼워맞춘다.
이 상태에서, 제2 밸브시트끼워맞춤부(9b)의 조립용구멍(10f)측의 부위를 코팅하여 제2 밸브시트(21)를 하우징에 고정한다(도9(b)참조). 다음에, 이 조립된 가동부재를 조립용구멍(10f)로 부터 가동공간(10a)으로 삽입하고, 이 가동부재에 조립된 제1 밸브시트(22)를 제1 밸브시트스토퍼(9e)에 맞닿을 때까지 제1 밸브시트끼워맞춤부(9c)에 압입하여 끼워 맞춘다.
이 상태에서, 제1 밸브시트끼워맞춤부(9e)의 조립용구멍(10f)측의 부위를 코킹하여 제1 밸브시트(22)를 하우징(9)에 고정한다(도10(a)를 참조). 또, 가동축용관통구멍(9a)으로부터 가동축(23)을 돌출시킨후, 하우징(9)과의 사이에 코일스프링(29)을 압축배치한 상태에서, 가동축(23)의 돌출선단부에 스프링 받침시트(30)을 고정한다(도10(b)를 참조). 최후에, 조립용구멍(10f)에 조립구멍 폐쇄부재(25)를 덮고, 이 조립구멍 폐쇄부재(25)를 고정나사(26)으로 하우징(9)에 고정하고(도 10(c)를 참조). 스페이서(27)와 스텝핑모터(17)를 이 하우징(9)에 고정함으로써 배기가스 환류장치(8)의 조립을 완료한다(도 4를 참조).
이상과 같이 이 실시의 형태 1에 의한 배기가스 환류장치(8)에 의하면, 하우징(9)과 2개의 밸브시트(21),(22)를 별체로 형성하고, 그것을 조립함으로써 배기가스 환류장치(8)를 형성하도록 하고 있으므로, 하우징(9)를 주조로 용이하게 형성하면서, 밸브시트(21),(22)를 깍아내는 등으로 정밀도 좋게 형성할 수 있고, 소정의 폐쇄정밀도를 갖는 배기가스 환류장치를 용이하게 얻을 수 있다.
또, 2개의 밸브시트(21),(22)를 하우징(9)과 별체로 형성한후 조립하도록 하였으므로, 2개의 밸브시트(21),(22)의 내경을 정밀도 좋게 일치시킬 수 있고, 더구나 2개의 밸브시트(21),(22)의 부착순서와 2개의 폐쇄밸브(19),(20)의 부착순서를 적당하게 함으로써 2개의 폐쇄밸브(19),(20)의 외형도, 정밀도 좋게 일치시켜서 형성할 수 있으며, 2개의 폐쇄밸브(19),(20)에 의한 배기가스의 압력캔슬효과를 최대한으로 이룰수 있다.
또, 조립공정의 대부분은 코킹과 압입에 의해 시행할 수 있고, 조립작업을 쉽게 할 수 있으며, 또, 나사, 볼트 등의 부품수를 삭감할 수 있으므로 코스트도 저감시킬 수 있다.
여기서, 상기에서는 스텝핑모터 방식에 있어서, 2중밸브를 사용하는 예에 대하여 설명하였으나, 다이어프램방식에 있어서도 마찬가지로 적용할 수 있다.
이 경우, 특히 배기가스의 맥동에 의한 밸브개도의 변화를 방지하는 것이 가능하다.
이상과 같이, 이 발명에 관한 배기가스 환류장치는 디젤터보차 등의 고압의 배기가스를 배출하는 엔진 등에 있어서도 정밀도 좋게 배기가스를 환류시키는 경우에 적합하다.

Claims (5)

  1. 배기가스의 환류로에 배설가능한 환류장치본체와, 2개의 폐쇄밸브가 형성된 가동부재와, 환류장치본체의 내부에 형성되고, 당해 가동부재가 이동가능하게 배설되는 가동공간과,
    상기 환류장치본체의 외면으로부터 가동공간의 중앙부에 연통하도록 개설된 제1의 환류용구멍과, 상기 제1의 환류용구멍과는 다른 환류장치본체의 외면위치로부터 가동공간의 양단부에 연통하도록 개설된 제2의 환류용구멍과, 상기 가동부재가 상기 가동공간의 일방향측에 설정될 때에, 상기 폐쇄밸브와 맞닿서 가동공간의 중앙부와 각 양단부와의 연통을 폐쇄하는 2개의 밸브시트를 갖는 배기가스 환류장치에 있어서,
    제1의 환류용구멍의 가동공간으로의 연통에 의해 형성되는 제1의 가동공간 개구부 또는 제2의 환류용구멍의 가동공간으로의 연통에 의해 형성되는 2개의 제2의 가동공간개구부의 양쪽은 가동공간내의 폐쇄밸브의 이동범위외에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 환류장치.
  2. 배기가스의 환류로에 배설가능한 환류장치본체와, 2개의 폐쇄밸브가 형성된 가동부재와, 환류장치본체의 내부에 형성되고, 당해 가동부재가 이동가능하게 배설되는 가동공간과,
    상기 환류장치본체의 측면으로부터 가동공간의 중앙부에 연통하도록 개설된 제1의 환류용구멍과, 상기 제1의 환류용구멍과는 다른 환류장치본체의 측면위치로부터 가동공간의 양단부에 연통하도록 개설된 제2의 환류용구멍과, 상기 가동부재가 상기 가동공간의 일방향측이 설정된 때에 상기 각 폐쇄밸브와 맞닿서, 가동공간의 중앙부와 각 양단부와의 연통을 폐쇄하는 2개의 밸브시트를 갖는 배기가스 환류장치에 있어서, 2개의 폐쇄밸브는 함께 제1의 환류용구멍의 가동공간으로의 연통에 의해 형성되는 제1의 가동공간개구부 또는 제2의 환류용구멍의 가동공간으로의 연통에 의해 형성되는 2개의 제2의 가동공간개구부의 양쪽과 겹치지않는 범위에서 이동하는 것을 특징으로 하는 배기가가스 환류장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    가동부재는 모터에 의해 가동제어되는 것을 특징으로 하는 배기가스 환류장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    배기가스는 제1의 환류용구멍으로부터 유입하고, 가동부재는 2개의 폐쇄밸브가 고정배치되는 동시에 환류장치본체를 관통하도록 배설된 가동축을 갖고, 이 가동축의 베어링은 가동축의 폐쇄밸브보다 외측의 양쪽 또는 한쪽에 설치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 환류장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    환류장치본체가, 가동공간의 한쪽의 단부에 2개의 밸브시트의 외형보다도 큰 조립구멍이 개설된 하우징과, 당해 조립구멍을 폐쇄하는 조립구멍 폐쇄부재로 되고, 2개의 밸브시트가 당해 조립구멍에 가까운 측의 것이 당해 조립구멍에 먼측의 것보다도 외형이 크게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 환류장치.
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