KR20050118278A

KR20050118278A - 엔진의 배기 환류 장치

Info

Publication number: KR20050118278A
Application number: KR1020057016690A
Authority: KR
Inventors: 신지 니시무라; 히로키 마스다; 히로유키 후지이
Original assignee: 얀마 가부시키가이샤
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2005-12-16
Also published as: CN1759234A; US20070186899A1; TW200506191A; EP1605153A4; EP1605153A1; WO2004081363A1; CN1759234B; JP2004270632A; US7353783B2

Abstract

배기 가스의 일부를 실린더 헤드의 흡기측으로 환류시키는 기구를 마련한 엔진에 있어서, 상기 실린더 헤드의 배기 포트와 흡기 포트 사이에 배치되는 벽에, 연통 홀을 개구한 엔진의 배기 환류 장치이다. 연통 홀을 상하 대각선 방향으로 천공하여 마련하고, 상기 연통 홀의 흡기측의 개구 방향을, 흡기의 와류 방향을 따르도록 하고 있다. 그리고 상기 흡기 포트에 연통되는 흡기 유로와 배기 포트에 연통되는 배기 유로의 적어도 한편에 쓰로틀(throttle)을 마련하고, 상기 쓰로틀에 의해 흡기 유로 또는 배기 유로의 개구 면적을 조절가능하게 구성하였다.

Description

엔진의 배기 환류 장치{Exhaust gas recirculation device for engine}

이 발명은 배기 가스의 일부를 흡기측으로 환류하는 배기 가스 재순환 기구를 마련한 엔진의 배기 환류 장치의 구성에 관한 것이다.

종래부터, 엔진의 배기 환류 장치에는 흡기 통로와 배기 통로를 연통하여, 배기 가스를 흡기측으로 재순환 가능하게 하는 배기 가스 재순환(이하, ‘EGR’로 기재한다) 기구를 구비한 것이 있다. EGR 기구는, 엔진으로부터 배출된 가스의 일부를 흡기 통로로 환류하고 실린더 내의 연소 가스 온도를 저하함으로써 NOx의 저감을 도모하는 것이다.

그리고 EGR 기구를 구성하기 위하여 예를 들어 일본 특허 공개 평5-18323호 공보에 나타내는 기술에서는 흡기 통로와 배기 통로 사이에 EGR 통로를 형성하고, 상기 EGR 통로에 의해 흡기 통로에 배기 통로를 연통시켜서 배기 가스가 재순환하도록 하고 있다.

그러나 전술한 엔진의 배기 환류 장치에 있어서는 흡기 통로와 배기 통로 사이에 배관을 마련하여 EGR 통로를 형성함으로써 EGR 기구를 구성하고 있기 때문에 EGR 기구가 복잡한 구조가 되어 비용이 높아져 있었다.

도 1은, 본 발명에 따른 엔진의 정면 단면도이다.

도 2는, 본 발명에 따른 엔진의 측면도이다.

도 3은, 조속기 부분의 측면 단면도이다.

도 4는, 조속기 레버 부분의 단면도이다.

도 5는, 엔진 상부의 측면 단면도이다.

도 6은, 실린더 헤드의 평면 단면도이다.

도 7은, 가변 쓰로틀과 리미터 레버의 연동 기구를 나타내는 도면이다.

도 8은, 가변 쓰로틀과 컨트롤 레버의 연동 기구를 나타내는 도면이다.

도 9는, 가변 쓰로틀과 감열 팽창체의 연동 기구를 나타내는 도면이다.

도 10은, 다른 실시예의 가변 쓰로틀과 리미터 레버의 연동 기구를 나타내는 도면이다.

도 11은, 다른 실시예의 가변 쓰로틀과 컨트롤 레버의 연동 기구를 나타내는 도면이다.

도 12는, 다른 실시예의 가변 쓰로틀과 감열 팽창체의 연동 기구를 나타내는 도면이다.

도 13은, 연통 홀에 개폐 수단을 마련한 상태를 나타내는 도면이다.

도 14는, 다른 실시예의 연통 홀의 형상을 나타내는 측면 단면도이다. 도 14a는 대경측을 배기측 통로로 한 상태를 나타내는 도면이다. 도 14b는 대경측을 흡기측 통로로 한 상태를 나타내는 도면이다.

도 15는, 다른 실시예의 연통 홀의 형상을 나타내는 측면 단면도이다.

도 16은, 다른 실시예의 연통 홀의 형상을 나타내는 측면 단면도이다.

본 발명은 배기 가스의 일부를 실린더 헤드의 흡기측으로 환류시키는 기구를 마련한 엔진에 있어서, 상기 실린더 헤드의 배기 포트와 흡기 포트 사이에 배치되는 벽에 연통 홀을 개구하고 있다. 이에 의해, 상기 연통 홀에 의해 간단한 구성으로 EGR 기구를 실현할 수 있고 가스 연소 온도의 상승을 억제하여 NOx를 저감하는 것이 가능하다. 또한, EGR 통로를 실린더 헤드와 일체로 구성할 수 있으므로 배기 가스를 환류하기 위한 배관이 불필요해지고, 비용의 저감화를 도모하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명은 상기 연통 홀을 상하 대각선 방향으로 천공하여 마련하고 있다. 이에 의해, 배기 매니폴드에 연통되는 홀(배기 포트)로부터 홀 천공 가공이 용이하게 가능하다.

또한, 본 발명은 상기 연통 홀의 흡기측의 개구 방향을 흡기의 와류 방향을 따르게 하고 있다. 이에 의해, 배기 가스가 연통 홀의 흡기측의 개구로부터 흡기 포트를 통하여 실린더 내로 들어갈 때에, 연통 홀로부터 유입되는 배기 가스가 와류(스월)를 흐트러뜨리지 않고 상기 스월을 조장하여 에어 클리너로부터 유입되는 공기에 환류된 배기 가스를 혼합할 수 있다. 따라서, NOx를 저감하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명은 상기 흡기 포트에 연통되는 흡기 통로에 쓰로틀(throttle)을 마련하고 상기 쓰로틀에 의해 흡기 통로의 개구 면적을 조절가능하게 구성하고 있다. 이에 의해, 쓰로틀에 의해 EGR률을 변경하는 것이 가능하다. 또한, 고속 시나 고부하 시에 EGR률을 낮추도록 조절하여 외기의 흡입을 많게 함으로써 NOx를 저감할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 쓰로틀을, 연료 분사 펌프의 연료 분사량을 조절하기 위한 컨트롤 레버와 연동연결하고 있다. 이에 의해, 자동으로 저속 시에는 쓰로틀을 닫힘측으로 하여 EGR률을 높게 하고, 고속 시에는 쓰로틀을 열어 EGR률을 낮게 하여 NOx의 저감화를 도모할 수 있다. 또한, 링크를 이용하여 쓰로틀과 컨트롤 레버를 연결하면, 간단한 구조의 연동 기구를 구성할 수 있으며, 또한 상기 연동 기구에 길이 조절 기구를 마련함으로써 배기 가스의 환류량 제어 시기를 변경할 수 있다. 또한, 엔진 동작에 가까운 값으로 EGR률을 제어하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명은 상기 쓰로틀을 레귤레이터와 연동연결하고 있다. 이에 의해, 자동으로 저속 설정 시에는 쓰로틀을 닫힘측으로 하여 EGR률을 높게 하고, 고속 설정 시에는 쓰로틀을 열어 EGR률을 낮게 하여 엔진의 성능을 악화시키는 일없이 NOx를 저감할 수 있다. 또한, 링크를 이용하여 연결하면 간단한 구조의 연동 기구를 구성할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 쓰로틀을 엔진의 온도에 따라 수축하는 감열 팽창체와 연동연결하고 있다. 이에 의해, 엔진 자체의 온도 변화에 따라 자동으로 저온 시에는 쓰로틀을 닫힘측으로 하여 EGR률을 높게 하고, 고온 시에는 쓰로틀을 열어 EGR률을 낮게 하여 엔진의 성능을 악화시키는 일 없이 NOx를 저감할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 배기 포트에 연통되는 배기 유로에 쓰로틀을 마련하고, 상기 쓰로틀에 의해 배기 통로의 개구 면적을 조절가능하게 구성하고 있다. 이에 의해, 상기 쓰로틀에 의해 EGR률을 변경하는 것이 가능하다. 또한, 고속 시나 고부하 시에 EGR률을 낮추도록 조절하여 외기의 흡입을 많게 함으로써 NOx를 저감할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 쓰로틀을, 연료 분사 펌프의 연료 분사량을 조절하기 위한 컨트롤 레버와 연동연결하고 있다. 이에 의해, 자동으로 저속 시에는 쓰로틀을 닫힘측으로 하여 EGR률을 높게 하고, 고속 시에는 쓰로틀을 열어 EGR률을 낮게 하여 NOx의 저감화를 도모하는 것이 가능하다. 또한, 링크를 이용하여 쓰로틀과 컨트롤 레버를 연결하면, 간단한 구조의 연동 기구를 구성할 수 있으며, 또한 상기 연동 기구에 길이 조절 기구를 마련함으로써 배기 가스의 환류량 제어 시기를 변경할 수 있다. 또한, 엔진 동작에 가까운 값으로 EGR률을 제어하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명은 상기 쓰로틀을 레귤레이터와 연동연결하고 있다. 이에 의해, 자동으로 저속 설정 시에는 쓰로틀을 닫힘측으로 하여 EGR률을 높게 하고, 고속 설정 시에는 쓰로틀을 열어 EGR률을 낮게 하여 엔진의 성능을 악화시키는 일 없이 NOx를 저감할 수 있다. 또한, 링크를 이용하여 연결하면 간단한 구조의 연동 기구를 구성할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 쓰로틀을 엔진의 온도에 따라 수축하는 감열 팽창체와 연동연결하고 있다. 이에 의해, 엔진 자체의 온도 변화에 따라 자동으로 저온 시에는 쓰로틀을 닫힘측으로 하여 EGR률을 높게 하고, 고온 시에는 쓰로틀을 열어 EGR률을 낮게 하는 것이 가능하여 엔진의 성능을 악화시키는 일 없이 NOx를 저감할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 연통 홀의 흡기측부와 배기측부의 지름 크기를 다르게 구성하고 있다. 이에 의해, 카본의 축적에 의해 발생하는 연통 홀의 막힘을 방지하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명은 상기 연통 홀의 중간부에 개폐 수단을 마련하고, 상기 개폐 수단에 의해 연통 홀의 개구 면적을 조절가능하게 구성하고 있다. 이에 의해, 상기 개폐 수단에 의해 연통 홀에 있어서의 배기 환류 가스의 유량을 조절하여 EGR률을 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 고속 시나 고부하 시에 배기 환류 가스의 유량을 적게 하여 EGR률을 낮추도록 조절함으로써 NOx를 저감할 수 있다.

먼저, 본 발명에 따른 엔진의 전체구성부터 설명한다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 엔진(1)의 본체는 상부의 실린더 블록(2)과 하부의 크랭크 케이스(5)로 이루어져 있으며, 상기 실린더 블록(2)의 중앙에 실린더(2a)가 상하 방향으로 형성되고, 상기 실린더(2a) 내에 피스톤(4)이 수납되어 있다. 상기 크랭크 케이스(5)에는 크랭크축(3)이 전후 방향으로 축지되고, 상기 크랭크축(3)과 피스톤(4)이 커넥팅 로드(17)에 의해 연결되어 있다.

상기 실린더 블록(2) 위에는 실린더 헤드(6)가 배치되고, 상기 실린더 헤드(6) 위에 본넷 커버(7)가 배치되어 밸드 아암실이 형성되어 있다. 그리고 엔진 상부의 실린더 헤드(6)의 일측(도 1에 있어서 좌측)에 머플러(8)가 배치되고, 타측(도 1에 있어서 우측)에 연료 탱크(9)가 배치되어 있다.

또한, 상기 실린더 블록(2) 하부의 크랭크 케이스(5) 내에는 밸런스 웨이트나 조속기 장치(11) 등이 배치되고, 상기 조속기 장치(11)의 상방에 캠축(13)이나 연료 분사 펌프(12) 등이 배치되어 있다. 연료 분사 펌프(12)는, 캠축(13)의 전후 중앙 상에 마련된 펌프 구동 캠(14)의 회전 구동에 의해 상기 연료 분사 펌프(12)의 플런저를 밀고당겨 연료 탱크(9)로부터의 연료를 흡입하고, 고압관을 통하여 연료 분사 노즐(10)에 소정의 타이밍으로 소정량의 연료를 공급하도록 구성되어 있다. 상기 연료 분사 노즐(10)에 의한 연료 분사량은, 연료 분사 펌프(12)의 컨트롤 레버(16)를 회동하여 플런저의 유효 행정을 변경함으로써 조절가능하게 되어 있다.

상기 캠축(13)은 크랭크축(13)과 평행하게 크랭크 케이스(5)에 축지되고 있으며, 그 일단에 기어(15)가 고정되어 마련되어 있다. 상기 기어(15)에는 크랭크축(3)에 고정되어 마련된 기어(18)가 치합됨과 함께, 도 3에 나타내는 바와 같이, 조속기축(21) 상에 고정되어 마련된 조속기 기어(22)가 치합되어 있다. 이리하여, 크랭크축(3)으로부터 기어(18)와 기어(15)를 통하여 캠축(13)에 구동력이 전달되고, 상기 캠축(13)으로부터 캠 기어(15) 및 조속기 기어(22)를 통하여 조속기축(21)에 구동력이 전달된다.

상기 조속기축(21)은 캠축(13)과 평행하게 상기 캠축(13)의 하방에서 크랭크 케이스(5)에 축지되어 있으며, 그 전후 중앙부에 상기 조속기 기어(22)가 고정되어 마련되어 있다. 상기 조속기축(21)의 크랭크 케이스(5)측(전측) 단부에는 윤활유 펌프(23)가 마련되고, 타측(후측) 단부에 조속기 장치(11)가 배치되어 있다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 조속기 장치(11)는 원심추(24)와 조속기 레버(30)를 구비하고 있으며, 상기 원심추(24)의 중간부는 조속기 기어(22)에 핀에 의해 설치되어, 원심추(24)의 일단이 조속기축(21)의 회전 수가 증가하면 열리도록 되어 있다. 또한, 원심추(24)의 타단은 슬리브(25)와 맞물려 있다. 상기 슬리브(25)는 조속기축(21)에 슬라이딩가능하게 끼워지고, 그 선단이 조속기 레버(30)의 접촉부(31b)와 접촉하도록 배치되어 있다.

도 3 및 도 4에 나타내는 바와 같이, 상기 조속기 레버(30)는 제 1 회동체(31)와 제 2 회동체(32)를 구비하고 있으며, 상기 제 1 회동체(31)는 그 중간부에 마련된 보스부(31a)에서 제 2 회동체(32)의 연결축(32b)에 설치되어 있다. 상기 제 1 회동체(31)의 일단(하단)에는 돌기 모양의 접촉부(31b)가 마련되고, 상기 접촉부(31b)에 상기 슬리브(25)가 접촉되어 있다. 또한, 제 1 회동체(31)의 타단(상단)에는 두 갈래 포크 모양의 맞물림부(31c)가 형성되고, 상기 맞물림부(31c)와 상기 컨트롤 레버(16)의 일단이 맞물려 있다.

이와 같이 하여 상기 조속기 장치(11)와 연료 분사 펌프(12)가 연동연결된 구성에 있어서, 크랭크축(3)의 회전 수가 상승하면, 조속기축(21)의 회전 수도 상승하고, 그 회전 수의 상승에 따라 원심추(24)가 원심력에 의해 열려 슬리브(25)를 밀어 슬라이딩시킨다. 그리고 상기 슬리브(25)의 슬라이딩에 의해 제 1 회동체(31)가 회동되어, 컨트롤 레버(16)가 역방향으로 회동되고, 연료 분사량이 감소되어, 설정 회전수가 되도록 회전 수가 제어된다. 반대로, 회전수가 감소하면, 원심추(24)가 닫혀 컨트롤 레버(16)가 역방향으로 회동되어, 연료 분사량이 증가되고, 설정 회전으로 운전되도록 회전 수가 제어된다. 한편, 설정 회전수의 설정은 후술하는 레귤레이터(39)를 회동하여 행해진다.

또한, 상기 제 2 회동체(32)는 규제 아암(33)과 컨트롤 레버(34)를 구비하고 있으며, 상기 크랭크 케이스(5) 내에 배치된 규제 아암(33)과 크랭크 케이스(5) 바깥에 배치된 컨트롤 레버(34)가 상기 연결축(32a)으로 연결되어 일체로 구성되어 있다. 규제 아암(33)은 그 일단에 마련된 보스부(33a)에서 연결축(32a)의 내측단에 고정되고, 타단으로 절곡하여 형성된 평면에서 보았을 때 ㄷ자 모양의 규제부(33b)에 상기 제 1 회동체(31)를 끼워, 제 1 회동체(31)의 회동을 소정의 범위 내로 규제하도록 구성되어 있다. 그리고 규제 아암(33)의 중간부에서 측방으로 멈춤부(33c)가 돌출하여 마련되고, 상기 멈춤부(33c)와 제 1 회동체(31) 사이에 스프링(35)이 개재되어, 제 1 회동체(31)가 규제부(33b)의 일측에 접촉하도록 바이어스되어 있다.

도 2 및 도 4에 나타내는 바와 같이, 상기 컨트롤 레버(34)는, 엔진(1) 본체의 바깥측에 있어서 상기 연결축(32a)의 외측단에 고정되어 있다. 상기 컨트롤 레버(34)는 그 중앙의 연결축(32a)의 고정부로부터 방사상으로 돌출되는 세 개의 아암(34a·34b·34c)을 구비하고 있으며, 이들 아암(34a·34b·34c) 중 제 1 아암(34a)과 제 2 아암(34b)은 각각 스프링(36·37)을 통하여 레귤레이터(39)와 연결되고, 제 3 아암(34c)은 리미터가 되는 감열 팽창체(40)의 슬라이딩 샤프트(46)의 선단과 접촉되어 있다. 레귤레이터(39)는 엔진(1)의 회전 수를 설정하거나, 엔진(1)을 정지시키거나 하는 것으로서, 레버 가이드(38)를 따라 회동되고 임의의 회동 위치에 유지가능하도록 구성되어 있다. 또한, 감열 팽창체(40)는 엔진(1)의 본체 측면에 착탈가능하고 또한 위치 조정가능하게 부착되어, 엔진(1)의 온도 상승에 따라 조속기 레버(30)의 회동을 규제하도록 되어 있다.

이와 같은 구성에 있어서, 시동 시 등에서 엔진(1)이 데워져 있지 않은 경우, 감열 팽창체(40) 내의 감열재는 팽창하지 않은 채로 있다. 그리고 제 2 회동체(32)의 컨트롤 레버(34)가 스프링(37)에 인장되어 회동하고, 제 3 아암(34c)은 감열 팽창체(40)의 제 2 슬라이딩 샤프트(46)의 선단에 접촉한다. 또한, 회전 수가 낮기 때문에 원심추(24)에 원심력이 작용하지 않으므로, 제 1 회동체(31)가 스프링(35)에 인장되어 회동하여, 상기 제 1 회동체(31)의 접촉부(31b)가 슬리브(25)의 선단에 접촉하고, 상기 제 1 회동체(31)의 맞물림부(31c)가 컨트롤 레버(16)를 증량측으로 회동시킨다.

이때, 제 1 회동체(31)는 제 2 회동체(32)의 규제부(33b·33b) 사이에 위치하여 그 범위 내에서 회동가능하도록 되어 있다. 즉, 시동 시는 레귤레이터(39)의 회동에 의해 연료 공급량이 설정되고, 동시에 상기 레귤레이터(39)의 회동에 의해 제 2 회동체(32)의 컨트롤 레버(34)가 스프링(36)(37)을 통하여 회동되어, 상기 컨트롤 레버(34)의 회동이 설정되고, 상기 컨트롤 레버(34)의 회동 설정에 근거하여 제 1 회동체(31)의 회동이 제 2 회동체(32)의 규제부(33b·33b)에 의해 규제되는 것이다.

그리고, 시동 후에 있어서, 엔진(1)이 데워져 감열 팽창체(4) 내의 감열재가 팽창하면, 슬라이딩 샤프트(46)가 소정의 거리만큼 이동하여, 컨트롤 레버(34)의 아암(34c)을 눌러 제 2 회동체(32)를 감량측으로 회동시킨다. 상기 아암(34c)의 회동에 의해, 연결축(32a)을 통하여 연결된 규제 아암(33)도 규제부(33b)를 제 1 회동체(31)의 측면에 접촉하여 회동하고, 상기 규제 아암(33)과 함께 회동하는 제 1 회동체(31)가 컨트롤 레버(16)를 감량측으로 회동시킨다.

이리하여, 엔진(1)이 설정온도로 데워져 있는지 여부는, 리미터를 구성하는 감열재에 의해 검지되고, 시동 시 등에서 엔진(1)이 냉각되어 있는 상태에서는, 통상보다 연료 공급량이 많아지도록 감열 팽창체(40)를 설정하여 두고, 엔진(1)이 데워지면 감열재가 팽창하여 연료 분사량을 감소시킨다. 그리고 엔진이 설정 온도 이상으로 데워지면, 감열 팽창체(40)의 슬라이딩 샤프트 자체의 구조와 슬라이딩 제한체에 의해 돌출량을 제한하여 연료 분사량을 소정량 감소시켜서 통상의 운전 상태가 되도록 되어 있다.

또한, 도 3에 나타내는 바와 같이, 상기 캠축(13)의 중간부에는 흡기 캠(51)과 배기 캠(52)이 소정 간격으로 마련됨과 함께, 상기 흡기 캠(51)과 배기 캠(52) 사이에 상기 펌프 구동 캠(14)이 마련되어 있다. 흡기 캠(51)과 배기 캠(52)에는 태핏(53)(54)이 각각 접촉되고, 각 태핏(53)(54)에 각각 흡기 푸쉬 로드와 배기 푸쉬 로드의 하단이 연결되어 있다. 한편, 흡기 푸쉬 로드와 배기 푸쉬 로드는 실린더 블록(2)과 실린더 헤드(6)에 상하 방향으로 개구된 로드 홀을 지나 본넷 커버(7) 내의 밸브 아암실까지 연장되어 있다. 그리고 흡기 푸쉬 로드와 배기 푸쉬 로드의 상단은 흡기 밸브 아암(55)과 배기 밸브 아암(56)의 일측 하단에 각각 접촉되고, 도 5에 나타내는 바와 같이, 흡기 밸브 아암(55)과 배기 밸브 아암(56)의 타측의 하단에 각각 흡기 밸브(27)와 배기 밸브(28)의 상단이 접촉되어 있다.

상기 흡기 밸브(27(배기 밸브(28))는, 하단부의 밸브 머리(27a)(28a)와 몸체부의 밸브봉(27b)(28b)을 구비하고 있으며, 상기 피스톤(4)의 상방에 배치되어 있다. 밸브 머리(27a)(28a)는 실린더 헤드(6)에 형성된 흡기 포트(6a)(및 배기 포트(6b)와 실린더 블록(2)에 형성된 실린더(2a)의 연소실을 연통 또는 차단가능하도록, 실린더 헤드(6) 하면에 형성된 밸브 시트에 대하여 안착 또는 이격가능하게 배치되어 있다. 흡기 포트(6a)는 실린더 헤드(6)의 일측면(후면)에 마련된 에어 클리너(19)와 연통되고, 배기 포트(6b)는 일측면(전면)에 마련된 배기 매니폴드(72)를 통하여 머플러(8)와 연통되어 있다.

상기 밸브봉(27b)(28b)은 실린더 헤드(6)를 상방으로 관통하여 본넷 커버(7)측에 슬라이딩가능하게 돌출되고, 그 상단은 밸브 아암(55(56))에 접촉되어 있다. 그리고 밸브 아암실 내에 있어서, 상기 밸브봉(27b)(28b)에 스프링(49)이 끼워지고, 상기 스프링(49)에 의해 밸브 머리(27a)(28a)가 상방으로 슬라이딩 하도록 바이어스되어, 흡기 밸브(27)(및 배기 밸브(28)가 닫히도록 구성되어 있다.

따라서, 크랭크축(3)의 회전 구동으로부터 기어(18)와 기어(15)를 통하여 캠축(13)으로 구동력이 전달되면, 상기 캠축(13)의 흡기 캠(51)과 배기 캠(52)이 회전하여, 흡기 캠(51)과 배기 캠(52)이 태핏(53)(54)을 승강시킨다. 그리고 태핏(53)(54)의 승강에 의해, 각 태핏(53)(54)에 연결된 푸쉬 로드, 밸브 아암(55·56)을 통하여 흡기 밸브(27)와 배기 밸브(28)가 각각 상하로 슬라이딩되어 개폐된다. 즉 흡기 밸브(27)와 배기 밸브(28)의 개폐는 캠축(13)의 흡기 캠(51)과 배기 캠(52)의 회전에 연동하여 행해진다.

또한, 상기 흡기 밸브(27)와 배기 밸브(28) 사이에는 분사 노즐(10)이 배치되어 있다. 상기 분사 노즐(10)은 그 선단부(토출부)가 실린더(2a)의 중심 상방에 위치하도록 실린더 헤드(6)를 관통하여 하방으로 돌출되고, 실린더(2a) 내에 연료 분사 펌프(12)로부터 공급된 연료를 분사가능하도록 구성되어 있다.

상기 흡기 포트(6a)는 실린더(2a) 내에 공기를 보내기 위하여, 실린더 헤드(6)에 마련된 연통 홀부로서, 에어 클리너(19)와 연통되어 있다. 이리하여, 에어 클리너(19)의 하방에 배치된 팬에 의해 팬 케이스(45) 내에 흡입된 공기의 일부가 에어 클리너(19)를 통하여 흡기 포트(6a)에 도입되도록 되어 있다.

도 5 및 도 6에 나타내는 바와 같이, 상기 실린더 헤드(6)의 흡기 포트(6a)와 배기 포트(6b) 사이에 배치된 벽에 EGR 통로로서 연통 홀(6c)이 개구되어 있다. 상기 연통 홀(6c)은 평면에서 보았을 때 실린더 헤드(6)의 대략 중앙부에 개구되고, 상기 연통 홀(6c)을 통하여 흡기 포트(6a)와 배기 포트(6b)가 연통되어 있다. 이에 의해, 배기 밸브 홀(28c)에서 배기 포트(6b)로 배출되는 배기 가스의 일부가 흡기 포트(6a)로 환류가능하게 되어 배기 가스 재순환(EGR) 기구가 구성된다.

그리고 상기 연통 홀(6c)은 배기 매니폴드(72)에 연통되는 홀(배기 포트(6b))로부터 천공 가공이 용이해지도록, 정면 단면에서 보았을 때 상하 대각선 방향으로 경사져 실린더 헤드(6)에 천공되어 마련되어 있다. 본 실시예에 있어서는, 연통 홀(6c)은 배기측의 개구(6e)가 흡기측의 개구(6d)보다 높아지도록 경사져 실린더 헤드(6)에 천공되어 마련되어 있다.

따라서, 간단한 구성으로 EGR 기구를 실현하는 것이 가능하고, 실린더(2a) 내에 유입되는 배기 가스에 의해 연소 가스 온도의 상승을 억제하여 NOx를 저감할 수 있다. 또한, EGR 통로를 실린더 헤드와 일체로 구성가능하므로 종래 필요하였던 배기 가스를 환류하기 위한 배관이 불필요해져 비용의 저감화를 도모할 수 있다.

또한, 상기 연통 홀(6c)은 평면에서 보았을 때 흡기 밸브(27)의 중심과 배기 밸브(28)의 중심을 연결하는 최단거리로 개구하는 것도 가능하나, 본 실시예에서는 도 6에 나타내는 바와 같이, 상기 연통 홀(6c)은 그 흡기측의 개구(6d)와 배기측의 개구(6e)를 수평방향에 있어서 어긋나게 하여 실린더 헤드(6)에 천공하여 마련되어 있다. 즉, 평면에서 보았을 때 흡기 밸브(27)의 중심과 배기 밸브(28)의 중심을 연결하는 가상선에 대하여 대각선으로(교차하도록) 실린더 헤드(6)에 천공하여 마련되어 있다.

이리하여, 연통 홀(6c)의 흡기측의 개구(6d)는 공기가 흡기 밸브 홀(27c)에서 실린더(2a) 내로 유입될 때에 형성되는 스월(와류)을 따르도록 하는 방향으로 개구되어 있다. 즉, 연통 홀(6c)의 흡기측의 개구(6d)는 상기 연통 홀(6c)의 축심이 흡기 밸브 홀(27c)의 대략 접선 방향에 위치하도록 개구되어 있다. 이 때문에, 배기 포트(6b)의 배기 가스가 연통 홀(6c)의 흡기측의 개구(6d)에서 흡기 포트(6a)를 통하여 실린더(2a) 내로 들어갈 때, 환류된 배기 가스는 스월 방향을 따라 유입되므로 스월을 흐트러뜨리지 않고 스월을 조장하여 에어 클리너(19)를 통하여 유입되는 공기에 환류된 배기 가스를 혼합가능하다. 따라서, NOx를 저감할 수 있다.

또한, EGR 통로인 연통 홀(6c)의 다른 실시예로서, 도 14a에 나타내는 바와 같이, 연통 홀(6f)의 배기측부(6g)의 지름을 흡기측부(6h)의 지름 보다 크게 형성하거나, 반대로 도 14b에 나타내는 바와 같이, 연통 홀(6i)의 흡기측부(6j)의 지름을 배기측부(6k)의 지름 보다 크게 형성하거나, 연통 홀(6f)(6i)을 구성하는 것도 가능하다. 이와 같이, 연통 홀(6f)(6i)의 지름을 중간부에서 바꿈으로써, 소경부에서는 통과하는 가스의 유속이 빨라져 카본이 부착되기 어려워져 카본에 의해 발생하는 연통 홀(6f)(6i)의 막힘을 방지하는 것이 가능하다. 한편, 연통 홀(6f)(6i)은 소경측부의 축 방향의 길이를 가능한 한 짧게 하는 편이 막히기 어려워지므로 바람직하다.

또한, 도 15에 나타내는 바와 같이, 연통 홀 6m의 형상을 오리피스와 같이 도중에서 조이는 구성으로 하거나, 도 16에 나타내는 바와 같이, 흡기측부와 배기측부의 양측을 테이퍼 형상으로 하여 축심 방향 중앙부를 가늘게 하여 조이도록 연통 홀(6n)을 구성하거나 해도, 카본의 축적에 의한 연통 홀(6m)(6n)의 막힘을 방지할 수 있다.

이어서, 상기 EGR 기구에 있어서 EGR률을 변경하기 위한 연동 기구에 대하여 설명한다.

도 7에 나타내는 바와 같이, 상술한 EGR 기구를 마련한 엔진(1)에 있어서, 흡기 포트(6a)와 에어 클리너(19)를 연통하는 흡기 유로(29)의 중간부에 가변 쓰로틀(41)이 마련되고, 상기 가변 쓰로틀(41)을 조절함으로써 EGR률을 변경하는 것이 가능하게 되어 있다. 본 실시예의 가변 쓰로틀(41)은, 흡기 유로(29)에 그 단면 형상과 대략 같은 형상의 밸브체(41a)를 내장하고, 상기 밸브체(41a)의 중앙부를 수평 방향(직각 방향도 가능)의 축 주위로 회전하여 흡기 유로(29)의 개폐를 행하도록 구성되어 있으나, 가변 쓰로틀의 구조는 한정되는 것은 아니며, 본 실시예와 같이 버터플라이 밸브를 이용하거나, 셔터를 이용한 구조여도 되며, 밸브체를 회동 또는 슬라이딩시켜서 흡기 유로(29)의 개구 면적을 조절가능한 것이면 된다.

상기 가변 쓰로틀(41)에 있어서는, 밸브체(41a)의 회동축(41b)이 링크(43)에 고정되고, 상기 링크(43)는 링크(44)를 통하여 상기 컨트롤 레버(34)의 제 2 아암(34b)과 연동연결되어 있다. 또한, 상기 제 2 아암(34b)에는 소정의 간격을 두고 복수의 연결 홀(34b·34b)이 마련되어 있으며, 이들 연결 홀(34d·34d)의 하나에 링크(44)의 일단이 접속되어 있다. 그리고 링크(44)를 다른 위치의 연결 홀(34d)에 접속하거나, 링크(43·44)에 턴 버클 등을 이용하거나 하여, 연동 기구에 길이 조절 기구를 마련함으로써, 배기 가스의 환류량의 제어 시기가 변경가능해진다.

이와 같이 구성함으로써, 가변 쓰로틀(41)은 컨트롤 레버(34)의 회동에 따라 자동으로 개폐 조작되어, 흡기 포트(6a)로의 공기 유입량이 조정되어 EGR률이 조절된다.

즉, 저속 시에는 컨트롤 레버(34)는 저속측으로 회동되고, 가변 쓰로틀(41)은 닫힘측으로 회동된다. 이리하여, 에어 클리너(19)측으로부터의 공기의 유입량이 적어져, 연통 홀(6c)을 통한 배기 가스의 환류량이 많아져(EGR률이 높아), 불완전 연소물을 많이 연소시켜 NOx 등이 저감되도록 되어 있다.

또한, 고속 시에는 조속기 장치(11)에 의해 컨트롤 레버(34)는 고속측으로 회동되고, 가변 쓰로틀(41)이 열린다. 이때, 엔진(1)은 대략 완전 연소하여 있으며 에어 클리너(19)측으로부터 많은 공기가 흡입되므로, 연통 홀(6c)로부터의 배기 가스 환류량은 적어진다.

즉, 가변 쓰로틀(41)은 자동으로 저속 시에는 닫힘측이 되어 EGR률이 높아지고, 고속 시에는 열려서 EGR률이 낮아지도록 조정되므로 NOx를 저감할 수 있다. 또한, 가변 쓰로틀(41)을 컨트롤 레버(34)와 링크(43·44)를 이용하여 연동연결하는 구성으로 하고 있으므로 연동 기구를 간단한 구조로 구성할 수 있다.

또한, 후술하는 바와 같이 가변 쓰로틀(41)을 레귤레이터(39)와 연동연결한 경우에 비해, 엔진 동작에 가까운 값으로 EGR률을 제어하는 것이 가능하다.

또한, 상기 가변 쓰로틀(41)을 컨트롤 레버(34)와 연동연결하는 대신, 레귤레이터(39)와 링크(47)(48)를 통하여 연동연결하는 구성으로 하는 것도 가능하다.

이 경우, 도 8에 나타내는 바와 같이, 레귤레이터(39)를 회동하여 엔진(1)의 회전 수를 설정하면, 상기 레귤레이터(39)의 회동에 의해 링크(47)(48)를 통하여 가변 쓰로틀(41)이 설정 위치에 따른 위치로 개폐 조작되어, 에어 클리너(19)로부터 흡기 유로(29)를 통하여 도입되는 공기의 흡기 포트(6a)로의 유입량이 조정되어, 상기와 마찬가지로 EGR률이 조절된다.

즉, 저속 설정 시에는, 레귤레이터(39)의 회동에 의해 가변 쓰로틀(41)은 닫힘측으로 회동하고, 고속 설정 시에는 가변 쓰로틀(41)이 열린다. 따라서, 자동으로 저속 시에는 가변 쓰로틀(41)이 닫힘측이 되어 EGR률이 높아지고, 고속 시에는 가변 쓰로틀(41)이 열려 EGR률이 낮아지도록 조정되므로, 엔진의 성능을 악화시키는 일 없이 NOx를 저감할 수 있다. 또한, 가변 쓰로틀(41)을 레귤레이터(39)와 링크(47)(48)를 통하여 연동연결하는 구성으로 하고 있으므로 연동 기구를 간단한 구조로 구성할 수 있다.

또한, 도 9에 나타내는 바와 같이, 가변 쓰로틀(41)을 상기 감열 팽창체(40)와 연동연결하는 구성으로 하는 것도 가능하다. 감열 팽창체(40)는 전술한 바와 같이 엔진(1)의 온도 변화에 따라 팽창하여 슬라이딩 샤프트(46)를 슬라이딩시킴으로써 컨트롤 레버(34)를 회동시키는 것으로서, 상기 감열 팽창체(40)를 링크(57·58) 등에 의해 가변 쓰로틀(41)과 연동연결함으로써 엔진(1) 자체의 온도 변화에 따라 가변 쓰로틀(41)을 자동으로 개폐하여 EGR률을 조정하는 것이 가능한 것이다.

즉, 상기 감열 팽창체(40)는 저속 시에는 가변 쓰로틀(41)을 닫힘측으로 하고, 고온 시에는 가변 쓰로틀(41)을 연다. 따라서, 자동으로 저속 시에는 가변 쓰로틀(41)이 닫힘측이 되어 EGR률이 높아지고, 고속 시에는 가변쓰로틀(41)이 열려 EGR률이 낮아지도록 조정되므로, 엔진의 성능을 악화시키는 일 없이 NOx를 저감할 수 있다. 한편, 상기 감열 팽창체(40)와는 별도로 배기 포트(6b) 등에 감열 팽창체를 배치하여 상기 감열 팽창체와 가변 쓰로틀(41)을 연동연결하여 EGR률을 조절가능하게 하는 것도 가능하다.

또한, 흡기 유로(29)의 중간부에 가변 쓰로틀(41)을 마련하는 대신, 도 10 내지 도 12에 나타내는 바와 같이, 배기 포트(6b)와 배기 매니폴드(72)를 연통하는 배기 유로(59)의 중간부에 가변 쓰로틀(61)을 마련하고, 상기 가변 쓰로틀(61)을 컨트롤 레버(34)나 레귤레이터(39), 감열 팽창체(40) 등과 연동연결하여 조절함으로써 EGR률을 변경하는 것도 가능하다. 한편, 상기 연동 기구는 링크 등을 이용하여 구성되는 연동 기구는 상기 실시예와 대략 마찬가지의 구성이므로, 그 설명은 생략한다.

또한, 연통 홀(6c)의 중간부에 개폐 수단을 마련하여, 상기 연통 홀(6c)을 흐르는 배기 가스의 유량을 직접 조정함으로써, EGR률을 조절가능하게 구성하는 것도 가능하다. 상기 개폐수단으로서는, 예를 들어, 도 13에 나타내는 바와 같이, 니들 밸드(63)를 이용하는 것이 가능하고, 상기 니들 밸브(63)의 밸브체를 도시하지 않은 링크 기구 등의 연동 기구를 통하여 전술한 실시예와 마찬가지로 컨트롤 레버(34)나 레귤레이터(39), 감열 팽창체(40) 등과 연동연결함으로써 EGR률을 변경하는 것이 가능하다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 엔진의 배기 환류 장치는, 간단한 구조로 EGR 기구를 실현하여, 가스 연소 온도의 상승을 억제하여, NOx를 저감하는 것이 가능하므로, 산업상 유용하다.

Claims

배기 가스의 일부를 실린더 헤드의 흡기측으로 환류시키는 기구를 마련한 엔진에 있어서, 상기 실린더 헤드의 배기 포트와 흡기 포트 사이에 배치되는 벽에 연통 홀을 개구한 것을 특징으로 하는 엔진의 배기 환류 장치.
제 1항에 있어서,

상기 연통 홀을, 상하 대각선 방향으로 천공하여 마련하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기 환류 장치.
제 1항에 있어서,

상기 연통 홀의 흡기측의 개구 방향을, 흡기의 와류 방향을 따르게 하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기 환류 장치.
제 1항에 있어서,

상기 흡기 포트에 연통되는 흡기 유로에 쓰로틀(throttle)을 마련하고, 상기 쓰로틀에 의해, 흡기 유로의 개구 면적을 조절가능하게 구성하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기 환류 장치.
제 4항에 있어서,

상기 쓰로틀을, 연료 분사 펌프의 연료 분사량을 조절하기 위한 컨트롤 레버와 연동연결하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기 환류 장치.
제 4항에 있어서,

상기 쓰로틀을, 레귤레이터와 연동연결하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기 환류 장치.
제 4항에 있어서,

상기 쓰로틀을, 엔진의 온도에 따라 수축하는 감열 팽창체와 연동연결하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기 환류 장치.
제 1항에 있어서,

상기 배기 포트에 연통되는 배기 유로에 쓰로틀을 마련하고, 상기 쓰로틀에 의해, 배기 유로의 개구 면적을 조절가능하게 구성하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기 환류 장치.
제 8항에 있어서,

상기 쓰로틀을, 연료 분사 펌프의 연료 분사량을 조절하기 위한 컨트롤 레버와 연동연결하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기 환류 장치.
제 8항에 있어서,

상기 쓰로틀을, 레귤레이터와 연동연결하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기 환류 장치.
제 8항에 있어서,

상기 쓰로틀을, 엔진의 온도에 따라 수축하는 감열 팽창체와 연동연결하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기 환류 장치.
제 1항에 있어서,

상기 연통 홀의 흡기측부와 배기측부의 지름 크기를 다르게 구성하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기 환류 장치.
제 1항에 있어서,

상기 연통 홀의 중간부에 개폐 수단을 마련하고, 상기 개폐 수단에 의해, 연통 홀의 개구 면적을 조절가능하게 구성하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기 환류 장치.