KR20030050157A - 내연기관의 배기가스 재순환 시스템 - Google Patents

내연기관의 배기가스 재순환 시스템 Download PDF

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Abstract

배기가스 재순환 루트를 최단 거리화하여 배기가스가 흡기까지 도달하는 시간을 단축시키고, 기통별 균일한 배기가스 재순환율을 유지함으로써, 응답성 향상과 배기가스내의 유해성분을 저감시킬 수 있는 배기가스 재순환 시스템을 제공할 목적으로;
연소실로부터 배출되는 배기가스의 일부가 유입될 수 있도록 실린더 헤드의 배기포트 하류단부에 형성되는 배기가스 수집부와;
상기 배기가스 유입부로부터 공급되는 재순환 가스가 흡기계통으로 유입될 수 있도록 흡기포트 입구부에 형성되는 배기가스 토출부와;
상기 배기가스 유입부와 토출부를 연결하면서 실린더 헤드내에 형성되는 재순환 가스 루트와;
상기 재순환 가스 루트의 일정 위치에 배치되어 운전조건에 따라 재순환 가스 루트를 선택적으로 개폐하는 EGR 밸브수단을 포함하여 이루어지는 내연기관의 배기가스 재순환 시스템을 제공한다.

Description

내연기관의 배기가스 재순환 시스템{EXHAUST GAS RECIRCULATION SYSTEM FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 배기가스 재순환 루트를 실린더 헤드에 직접 형성함으로써, 배기가스 재순환 루트를 최단 거리화하여 배기가스가 흡기까지 도달하는 시간을 단축시켜 이에 따른 제반 효과를 얻을 수 있는 내연기관의 배기가스 재순환시스템에 관한 것이다.
예컨대, 자동차 배기가스는 대기오염의 주원인으로 지목 받게 되면서 공장에서 배출되는 매연, 유해 가스와 함께 엄격한 규제를 받고 있으며, 특히 북미 선진국에서는 자동차의 배출가스 규제 법규를 엄격하게 정하여 이에 적합한 자동차만 생산하거나 판매하도록 허가하고 있다.
이에 따라 각 자동차 생산 메이커에서는 배기가스의 배출을 최소화하면서 연비를 향상시킬 수 있는 엔진을 개발하고 있으며, 이에 부응하는 기술적 수단의 일예로 배기가스중에 포함되어 있는 질소 산화물(NOx)을 감소시키는 수단으로 배가가스 일부를 흡기계통에 다시 유입시켜 혼합기가 연소될 때 최고 온도를 낮추어 질소 산화물의 생성량을 적게하는 EGR 시스템을 적용하고 있다.
이러한 EGR 시스템이 적용되는 디젤 엔진의 흡배기 계통을 살펴보면, 도 1에서와 같이, 흡기는 에어 클리너(2), 흡기 플로우 미터(4) 터보 챠져의 컴프레셔 (6), 인터쿨러(8)를 통해 엔진(10)의 연소실로 유입될 수 있도록 구성되며, 연소실에서 연소된 배기가스는 터보 챠져의 터빈(12), 촉매(14), 소음기(16)를 통해 배출되는 구성을 갖는다.
이와 같은 엔진의 흡배기 계통에 있어서 EGR 시스템은 상기 인터쿨러(8)의하루 부분과 배기 계통의 초입부 사이에 EGR 라인(18)를 형성하고, 이의 EGR 라인(18)상에 EGR 밸브(20)를 배치하여 미도시한 ECU(엔진 제어유닛)에서 엔진의 운전 조건에 따라 상기 EGR 밸브(20)를 제어하여 배기가스의 일부가 연소실로 재순환될 수 있도록 구성되어 있다.
그러나 상기와 같은 EGR 시스템에 있어서는 흡기관에서 재순환 배기가스가 흡입 공기와 섞이기는 하지만 흡기관에서 가까운 실린더의 연소실과 멀리 떨어져 있는 실린더의 연소실간의 거리 차이에 의하여 재순환 가스의 유입이 기통간에 커다란 차이가 발생된다는 문제점을 내포하고 있다.
또한, 재순환 가스의 재순환 루트가 길어 가감속 EGR 응답성이 낮아 실제 주행 및 배기가스 규제 모드 운전에서 빠른 시간내에 재순환 가스가 섞여 연소실로 들어가지 못한다는 문제점을 내포하고 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 배기가스 재순환 루트를 실린더 헤드에 직접 형성함으로써, 배기가스 재순환 루트를 최단 거리화하여 배기가스가 흡기까지 도달하는 시간을 단축시켜 응답성 향상과 배기가스내의 유해성분을 저감시킬 수 있는 배기가스 재순환 시스템을 제공함에 있다.
그리고 각 실린더의 흡기포트로 재순환 가스가 유입됨으로써, 기통별 균일한 배기가스 재순환율을 유지할 수 있으며, 엔진 외부에 배기가스의 재순환을 위한 별도의 파이프를 설치할 필요가 없는 배기가스 재순환 시스템을 제공함에 있다.
도 1은 일반적인 배기가스 재순환 시스템의 계통도.
도 2는 본 발명에 의한 적용 부위를 설명하기 위한 흡배기 포트와 밸브 트레인 부분의 발췌 사시도.
도 3은 본 발명의 배기가스 재순환 시스템의 루트를 나타낸 실린더 헤드의 개략적인 단면도.
도 4는 배기가스 유입 부분을 나타낸 도면으로서,
(A)는 배기포트 부분의 일부 발췌도. (B)는 (A)의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도.
도 5는 재순환 가스의 출구 부분을 나타낸 도면으로서,
(A)는 흡기포트 부분의 일부 발췌도. (B)는 (A) 부분의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도.
도 6은 본 발명에 적용되는 밸브수단의 구성도.
도 7은 밸브의 배치 상태를 보인도.
도 8은 도 7에 의한 밸브의 작동 상태도이다.
이를 실현하기 위하여 본 발명은, 배기가스 일부를 흡기계통으로 재순환시켜 연소토록 하는 내연기관의 배기가스 재순환 시스템에 있어서,
연소실로부터 배출되는 배기가스의 일부가 유입될 수 있도록 실린더 헤드의 배기포트 하류단부에 형성되는 배기가스 수집부와;
상기 배기가스 유입부로부터 공급되는 재순환 가스가 흡기계통으로 유입될 수 있도록 흡기포트 입구부에 형성되는 배기가스 토출부와;
상기 배기가스 유입부와 토출부를 연결하면서 실린더 헤드내에 형성되는 재순환 가스 루트와;
상기 재순환 가스 루트의 일정 위치에 배치되어 운전조건에 따라 재순환 가스 루트를 선택적으로 개폐하는 EGR 밸브수단을 포함하여 이루어지는 내연기관의 배기가스 재순환 시스템을 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 적용 부위를 설명하기 위한 흡,배기 포트와 밸브 트레인 부분의 발췌 사시도 및 실린더 헤드의 개략적인 단면도로서, 배기포트(100)의 하류단부에 재순환 가스 수집부(102)를 형성하고, 흡기포트(104)의 입구부에 재순환 가스 토출부(106)를 형성하되, 이의 수집부(102)와 토출부(106) 사이를 연통시키는 재순환가스 루트(108)를 실린더 헤드(110)내에 형성하였다.
그리고 상기 재순환가스 루트(108)의 일정 부분에는 이의 루트(108)를 선택적으로 개폐할 수 있는 EGR 밸브수단(112)를 배치하였다.
상기 재순환 가스 수집부(102)는 도 4의(A)(B)에서 도시한 바와 같이, 배기포트(100)의 하류단부 둘레에 일정깊이의 둘레홈(114)을 형성하고, 그 내경부에는 안내깃(116)을 형성하여 배출되는 배기가스가 상기 안내깃(116)에 의하여 상기 둘레홈(114)으로 유도될 수 있도록 하였다.
물론 상기 둘레홈(114)은 재순환 가스 루트(108)와 연통되며, 상기 안내깃 (116)은 배기가스의 흐름을 방해하지 않도록 배기포트(100)와 동일면으로 형성하는 것이 바람직하며, 상기 재순환 가스 루트(108)는 실린더 헤드내에 형성되어 있는 미도시한 워터 자켓을 관통하거나 근접되게 하여 재순환 가스의 냉각에 도움을 줄 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
그리고 재순환 가스 토출부(106)는 도 5의 (A)(B)에 도시한 바와 같이, 흡기포트(104)의 입구부에 형성되는데, 상기 흡기포트(104)의 단부에서 연소실측으로 약간 들어온 위치에 상기 재순환 가스 루트(108)와 연통되는 둘레홈(118)을 형성하고, 이 둘레홈(118)의 연소실측 부분이 개구되도록 안내깃(120)을 배치하였다.
또한, 상기 흡기포트(104)는 엔진의 설계상 다양한 형태를 취할 수 있으나, 본 발명에서는 연소실측으로 갈수록 단면적이 작아지는 형태로 도시하였으며, 또한, 연소 성능을 향상시키기 위하여 2개의 포트(122)(124)를 갖는 것으로 도시하고 있다.
이에 따라 2개의 흡기포트(122)(124)의 입구부에는 각각에 상기 둘레홈(118)이 형성되고, 이의 둘레홈(118)은 양 포트(122)(124)를 구획하는 격벽(126) 부분에서 연통됨과 동시에 재순환 가스 루트(108)와 연통될 수 있도록 하였다.
물론 상기 재순환 가스 루트(108)가 반드시 격벽(126)부분에서 연통될 필요는 없으나, 재순환 가스의 균등 분할을 위해서는 이의 구조가 바람직할 것이다.
그리고 상기와 같은 배기가스 재순환 시스템에 있어서는 흡기계통의 부압에 의하여 배기계통의 배기가스가 유입되는 것인 바, 배기포트(100)와 흡기포트(104)가 재순환 가스 루트(108)에 의하여 연통되어 있으면, 배기가스의 재순환에는 별다른 지장은 없으나, 보다 나은 성능을 위하여 상기의 안내깃(116)(120)을 배기포트 (100) 및 흡기포트(104)의 둘레홈(114)(118)의 내경부에 적용한 예를 도시한 것이므로, 반드시 이의 구조에 한정되는 것은 아니다.
상기와 같은 구성은 엔진의 각 실린더마다 적용되는 것이며, 필요에 따라 상기 재순환 가스 루트(108)를 개폐하여 줄 수 있는 EGR 밸브수단은 도 6에서와 같이, 각 실린더의 재순환 가스 루트(108)에 배치된 각각의 밸브체(130)가 하나의 구동축(132)에 연결되어 있으며, 이의 구동축(132)은 미도시한 엔진 제어유닛(ECU)에 의하여 제어되는 제어모터(134)에 의하여 구동된다.
상기 밸브체(130)는 도 7에서 도시한바와 같이, 재순환 가스 루트(108)의 일정 위치에 내장되며, 하나의 원통형 밀폐 구조로 이루어지되, 상호 일정각도를 두고 입구(136)와 출구(138)가 형성되어 있다.
즉, 상기 입구(136)가 수직선을 기준으로 흡기포트(104)측으로 치우치면, 재순환 가스 루트(108)가 폐쇄되고, 도 8에서와 같이, 상기 입구(136)가 수직선을 기준으로 배기포트(104)측으로 향하면, 입구(136)가 열리면서 재순환 가스 루트(108)를 개방시켜 흡기포트(104)의 부압에 의하여 배기포트(100)의 배기가스를 유입할 수 있게 된다.
물론, 이때에는 상기 입구(136) 부분이 어느 위치에 있느냐에 따라 개구면적이 달라짐으로써, 재순환 가스의 유입량이 조절되는데, 이의 조절은 엔진의 운전 조건에 따른 엔진 제어유닛(ECU)의 제어에 의한 제어모터(134) 구동에 따라 결정된다.
상기에서 밸브체(130)의 형상을 원통형 밀폐구조로 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 밸브체의 회전 각도에 따라 그 개구면적의 가변되는 구조이면 만족한다.
이상에서와 같이 본 발명의 배기가스 재순환 시스템은 재순환 가스 루트를 실린더 헤드에 직접 형성함으로써, 배기가스 재순환 루트를 최단 거리화하여 배기가스가 흡기까지 도달하는 시간을 단축시켜 응답성 향상과 배기가스내의 유해성분을 저감시킬 수 있게 된다.
또한, 각 실린더의 흡기포트 마다 재순환 가스가 유입됨으로써, 기통별 균일한 배기가스 재순환율을 유지할 수 있으며, 엔진 외부에 배기가스의 재순환을 위한 별도의 파이프를 설치할 필요가 없게된다.
그리고 배기가스 재순환 루트가 실린더 헤드의 워터자켓에 이웃하여 통과하므로 내기가스의 냉각을 용이하게 할 수 있는 발명인 것이다.

Claims (5)

  1. 배기가스 일부를 흡기계통으로 재순환시켜 연소토록 하는 내연기관의 배기가스 재순환 시스템에 있어서,
    연소실로부터 배출되는 배기가스의 일부가 유입될 수 있도록 실린더 헤드의 배기포트 하류단부에 형성되는 배기가스 수집부와;
    상기 배기가스 유입부로부터 공급되는 재순환 가스가 흡기계통으로 유입될 수 있도록 흡기포트 입구부에 형성되는 배기가스 토출부와;
    상기 배기가스 유입부와 토출부를 연결하면서 실린더 헤드내에 형성되는 재순환 가스 루트와;
    상기 재순환 가스 루트의 일정 위치에 배치되어 운전조건에 따라 재순환 가스 루트를 선택적으로 개폐하는 EGR 밸브수단을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 재순환 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 배기가스 수집부는 배기포트의 하류단부 둘레에 일정깊이로 형성되는 둘레홈과; 상기 둘레홈의 내경부에 배기가스가 둘레홈에 용이하게 유도될 수 있도록 하는 안내깃이 형성됨을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 재순환 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 재순환 가스 토출부는 흡기포트의 입구부에 일정깊이로 형성되는 둘레홈과; 상기 둘레홈의 내경부에 상기 둘레홈이 연소실측 방향으로 개구되도록 배치되는 안내깃을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 재순환 시스템.
  4. 제1항에 있어서, EGR 밸브수단은 각 실린더의 재순환 가스 루트에 배치되는 밸브체와;
    상기 밸브체를 하나의 축으로 연결하는 구동축과;
    상기 구동축을 엔진제어유닛의 제어에 따라 구동시키는 제어모터를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 재순환 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 밸브체는 하나의 원통형 밀폐 구조로 이루어지되, 원주 방향에 대하여 상호 일정각도를 두고 입구와 출구가 형성됨을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 재순환 시스템.
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