KR20080067616A - 재순환 가스 분배용 장치, 재순환 가스 냉각용 장치, 및배기 가스 재순환 방법 - Google Patents

재순환 가스 분배용 장치, 재순환 가스 냉각용 장치, 및배기 가스 재순환 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배기 가스 재순환(EGR; exhaust gas recirculation) 시스템의 구성 요소(2)에 재순환 가스를 분배하는 장치(1)에 관한 것으로, 재순환 가스용 입구(e1) 및 출구(s1)와, 구성 요소를 향하는 입구 포트(e2) 및 출구 포트(s2)와, 구성 요소를 통과하여 흐르는 재순환 가스의 흐름을 역전시키는 수단을 구비한다. 본 발명은 또한 배기 가스를 냉각시키기 위한 장치에 관한 것으로, 교환기(4) 내의 재순환 가스의 흐름을 역전시키는 수단을 구비한다. 본 발명은 또한 배기 가스를 재순환시키는 방법에 관한 것으로, 전자 유닛에 의해 개시되고 EGR 냉각 장치를 통과하여 흐르는 EGR 가스의 흐름을 역전시키는 단계를 포함하여 EGR 시스템을 청소하는 단계를 포함한다.

Description

재순환 가스 분배용 장치, 재순환 가스 냉각용 장치, 및 배기 가스 재순환 방법{Device for distributing recirculated gases, device for cooling recirculated gases and method of recirculating exhaust gases}
본 발명은 배기 가스를 재순환하는(이른바 배기 가스 재순환(exhaust gas recirculation; EGR)) 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 EGR 가스 냉각기를 구비하는 EGR 가스 장치에 관한 것이다.
내연기관의 배기 가스의 정화(decontamination)를 향상시키기 위해서는, 일반적으로 EGR 회로로 불리는, 흡기부로의 배기 가스 재순환(exhaust gas recirculation)이 사용된다. 나아가, 이러한 가스를 위한 특별한 냉각기들의 사용은 이와 같은 정화를 더욱 향상시키는 것을 가능하게 한다.
그러나 주된 문제점은 배기 가스 재순환이 이러한 EGR 회로 내에 위치하는 구성 요소들의 상당한 오염을 일으킨다는 점이다. 이는 엔진이 설정된 작동 영역에 있을 때 EGR 밸브를 완전히 개방함으로써 청소/탄소 제거 단계가 이루어질 수 있기 때문이다(EGR 밸브는 흡기부로 분배되는 EGR 가스의 흐름을 조정한다). 프랑스 특허공보 FR2833653호에 기술되어 있는, 이와 같은 방법은 EGR 회로 내에 축적된 퇴적물(deposits)을 열적으로 제거하는 것을 가능하게 한다.
그러나 이와 같은 오염의 문제는 EGR 냉각기(cooler)에 대해서는 완전히 해소되지 않는다. 냉각기는 계속 작동하는데, 다시 말해 교환기(exchanger)를 통과하는 물의 흐름이 항상 존재한다. 이때 발생하는 것은 청소 단계(cleaning phase)가 수행될 때 냉각기가 입구(inlet)에서 완전히 탄소 제거되는 것이지만(decarbonized), 계속해서 냉각되는 EGR 가스는 특별히 EGR 물/가스 교환기의 두 번째 절반 부분에서 EGR 냉각기를 완전히 탄소 제거시키기에는 불충분하다.
문헌 JP20043400099호는 두 개의 독립된 실린더 군들을 구비하는 내연기관의 EGR 시스템에 관한 것이다. 이러한 EGR 시스템은, 제1 실린더 군과 제2 실린더 군의 사이의 배기 가스 압력을 변경함으로써, 덕트(duct) 내에서 또한 그 결과로 인해 냉각기들 내에서의 배기 가스 순환의 흐름을 역전시킬 수 있는 특징을 갖는다. 주된 단점은 배기 가스 압력이 변경될 수 있는 이용 가능한 두 개의 독립된 실린더 군들을 반드시 구비하여야 하는 점이다.
본 발명은 EGR 냉각기들의 오염의 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
이와 같은 목적으로, 본 발명은 EGR 가스 분배용 장치를 제공한다. 분배용 장치는 EGR 가스 입구와, EGR 가스 출구와, EGR 냉각기와 같은 구성 요소로 향하는 입구 포트 및 출구 포트와, 이와 같은 구성 요소 내의 EGR 가스의 흐름을 역전시키는 수단을 제공한다.
본 발명은 또한 열교환기 내에 순환하는 재순환 가스의 흐름을 역전시키는 수단을 구비하는 재순환 가스용 냉각기를 제공한다.
본 발명은 또한 배기 가스 재순환 방법을 제공한다. 재순환 방법은, 전자 유닛에 의해 개시되어 EGR 회로를 청소하는 단계를 포함하고, 청소하는 단계는 EGR 냉매(coolant)를 통과하는 EGR 가스의 흐름을 역전시키는 단계를 포함한다.
제한하기 위한 것이 아니라 일예로서 제시되며 첨부된 도면에 의해 도시된 실시예의 상세한 설명을 읽음으로써 본 발명과 본 발명의 장점이 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 분배 장치의 개략도이다.
도 2는 U-형상의 EGR 냉각기의 개략도이다.
도 3 및 도 4는 재순환 가스의 흐름을 역전시키는 수단을 구비하는 EGR 냉각기의 개략도이다.
도 5 및 도 6은 EGR 냉각기의 실시예들의 변형예이다.
도 7 및 도 8은 냉각기의 유입 챔버들과 배출 챔버들의 개구부들의 실시예의 변형예를 도시한다.
도 1은 재순환 가스를 EGR 회로의 구성 요소(미도시됨)로 분배하는 본 발명에 따른 장치(1)를 도시한다.
장치(1)는 재순환 가스용 입구(e1) 및 출구(s1)와, 구성 요소로 향하는 입구 포트(e2) 및 출구 포트(s2)와, 구성 요소 내에서 순환하는 재순환 가스의 흐름을 역전시키는 수단을 구비한다.
재순환 가스의 흐름을 역전시키는 수단은, 회전 이동 가능한 밸브를 구비할 수 있다. 밸브는 장치(1) 내에 형성된 실린더의 내측에서 그 자체가 피봇 회전 가능한 날개(3)의 형태로 나타날 수 있다. 그러므로 피봇 회전하는 날개(3)는 실린더를 두 개의 독립적인 공간들로 나눈다. 재순환 가스용 입구(e1)는 실린더 내에서 나오고, 재순환 가스용 출구(s1)를 향하도록 배치된다. 구성 요소 내에서 재순환하는 가스용 입구 포트(e2)는 입구(e1)와 출구(s1)의 사이의 실린더 상에서 정해지고, 출구(s2)를 향하도록 배치된다. 날개(3)의 위치는 재순환 가스의 흐름의 순환을 정의한다.
밸브는 두 개의 위치들의 사이에서 회전 운동할 수 있다.
도 1a에 제1 위치가 도시된다. 이와 같은 위치에서 날개는 +45°로 기울어져 있다(가상의 수직 축에 대해 삼각법의 방향으로 취함). 한편으로 연통되는 것은 재순환 가스용 입구(e1) 및 구성 요소를 향하는 입구 포트(e2)이고, 다른 한편으로 연통되는 것은 구성 요소를 향하는 출구 포트(s2) 및 재순환 가스용 출구(s1)이다.
도 1b에 제2 위치가 도시된다. 이와 같은 위치에서, 날개는 -45°로 기울어져 있다. 한편으로 연통되는 것은 재순환 가스용 입구(e1) 및 구성 요소를 향한 출구 포트(s2)이고, 다른 한편으로 연통되는 것은 구성 요소를 향한 입구 포트(e2) 및 재순환 가스용 출구(s1)이다.
도 1c를 참조하면, 회전 운동 가능한 밸브는 또한 구성 요소를 바이패스(bypass) 하는 것을 가능하게 하는 중간 위치를 가질 수 있어서, 장치에 직접적으로 병합되는 보충적인 바이패스 기능을 부여할 수 있다. 날개는 0°에 위치하며, 이 때에 입구로부터 도착하여 포트들(e2, s2)을 통과하지 않고 출구(s1)로 직접 흐르는 재순환 가스의 흐름이 존재한다.
밸브는 또한 비례 밸브 유형(proportional valve type)일 수 있다. 그러므로 도 1d를 참조하면, 예를 들어 구성 요소가 EGR 냉각기에 있을 때에 재순환 가스를 부분적으로 냉각시키기 위하여, 중간 위치들이 (0° 내지 -45° 및 똑같은 방식으로 0° 내지 +45° 의 사이에서) 정의될 수 있다.
본 발명은 또한 냉각기의 열교환기 내에서 순환하는 EGR 가스의 흐름을 역전시키는 수단을 구비하는 EGR 가스 냉각기에 관한 것이다.
한정적이지 않은 실시예에 따르면, 냉각기는 U 자(字)로 형성된다. 도 2를 참조하면, 냉각기(2)는 열교환기(4)를 구비한다. 열교환기(4)는 내부에 재순환 가스가 순환하는 복수 개의 튜브들(5)이 횡단하는 폐쇄 챔버에 대응한다. 튜브들(5)은 폐쇄 챔버 상에 형성된 입구 포트(11)와 출구 포트(12)의 사이에서 재순환 가스와 열교환기 내에 흐르는 냉매를 분리한다. 이와 같은 실시예에서, U-형상을 만들기 위해 교환기(4)의 일측 단부면 상의 공간(7)의 영역 내에 분리 칸막이(8)가 배치된다. 그러므로 칸막이(8)는 재순환 가스를 위한 유입 챔버(9)와 실질적으로 동일한 재순환 가스를 위한 배출 챔버(10)를 형성한다. 회귀하는 가스를 위한 커버(6)는 교환기(4)의 타측 단부 표면에 배치된다. 교환기(4)의 배기 가스용 입구 및 출구는 동일한 평면상에 위치하며, 칸막이(8)에 의해 분리가 이루어진다.
재순환 가스의 흐름을 역전시키는 수단은, 상술한 유형, 즉 도 4를 참조하면 실린더(18)의 내측에서 그 자체가 피봇 회전하는 날개(17)로 이루어지는 밸브를 구비한다. 날개(17)와 실린더(18)의 축들은 동축이다.
도 3을 참조하면, 밸브는 또한 냉각기(2)의 입구 및 출구를 덮는 디스크(13; 또는 플레이트(13))를 구비한다. 디스크(13)는 냉각기(2)의 공간(7)을 폐쇄시킨다. 이러한 디스크는 적어도 두 개의 개구부들(e2, s2)을 형성하며, 일 개구부(e2)는 유입 챔버(9)와 연통하고, 다른 개구부(s2)는 가스 배출 챔버(10)와 연통한다. 이러한 날개(17)의 위치들과 협동하도록 개구부들(e2, s2)은 부채꼴 형(quadrant type)일 수 있다.
본 발명에 따른 냉각기의 최종 조립체를 도시하는 도 4를 참조하면, 날개(17)의 축은 디스크(13)에 수직하다. 실린더(18)는 재순환 가스용 입구(e1) 및 출구(s1)를 형성한다. 실린더(18)의 내에서 회전하는 날개(17)와, 입구(e1) 및 출구(s1)와, 입구 포트(e2) 및 출구 포트(s2)를 고려하면, 도 1의 도움으로 상기 설명된 재순환 가스의 분배를 위한 원리를 다시 알 수 있다. 포트들(e2, s2)은 디스크(13) 상에 형성되므로, 포트들(e2, s2)의 생산에는 차이점이 존재한다. 디스크(13)는 실린더(18)의 바닥을 이루고, 디스크(13)와 실린더(18)가 일체로 함께 제조되는 것을 생각할 수 있다.
도 7 및 도 8은 냉각기의 유입 챔버와 배출 챔버와 개구부들의 실시예의 변형예를 도시한다. 칸막이(8)는 유입 챔버(9')와 배출 챔버(10')를 구획한다. 이러한 챔버들은 가장자리들(109', 110')이 칸막이(8)에 대하여 경사 각도를 갖도록 측면에서 확장된다. 플레이트(13')는 두 개의 챔버들(9', 10')을 덮고, 두 개의 개구부들(e'2, s'2)을 구획한다. 이러한 개구부들은 피봇 회전하는 날개(17)의 길이 의 적어도 반절만큼 측면으로 편이된다. 이러한 변형예는 도 8에 도시된 바와 같이 재순환 가스의 흐름을 촉진시키기 위해 압력 손실을 감소시키는 것을 가능하게 한다. 그러므로 본 변형예는 도 4의 개구부들과 관련하여 개구부 편이를 가지며 도 1의 원리를 반복한다.
보충적인 특징에 따르면, 밸브는, 밸브가 미소 개구되었을 때 재순환되는 가스의 흐름의 분배 정밀도를 증가시키는 수단을 구비할 수 있다. 도 5에 도시된 제1 실시예에 따르면, 날개(17)의 일측 단 위에 날개(17)에 수직한 플레이트(19)를 부가할 수 있다. 플레이트의 만곡은 실린더(18)의 내측 벽의 만곡과 일치한다. 플레이트(19)는, 예를 들어 날개(17) 위에 아치(arch)를 이루는 삼각형 형상을 갖는다. 이러한 플레이트(19)를 날개(17)에 부가하는 장점은, 날개(170)의 제1 및 제2 위치들과 관련하여 미소 개구된 때의 흐름 분배에서의 변동의 정밀도를 증가시키는 것을 가능하게 한다.
도 6에 도시된 다른 실시예가 가정될 수 있다. 삼각형 형상은 동일한 부분들(20)로 나누어질 수 있고, 그리고 각 부분들(20)은 실린더(18)에서 나오는 입구(e1)나 출구(s1)의 단부의 일측에 위치한다.
이러한 두 가지 실시예들은, 바이패스되는 가스 흐름과 냉각되는 가스 흐름(비례형 밸브가 사용되는 경우와 이로 인해 재순환 가스의 온도를 조절이 가능하다)의 사이에서 재순환 가스 흐름의 제어에 대한 더 뛰어난 정밀도와, 가스의 냉각의 변동에 대한 더 훌륭한 제어를 허용한다.
본 발명은 또한 배기 가스 재순환 방법에 관한 것으로, 재순환 방법은 제 어 유닛에 의해 개시되어 EGR 회로를 청소하는 단계를 포함한다. 청소하는 단계는, 예를 들어 재순환 가스의 온도가 그을음 퇴적물(soot deposits)을 제거하기에 충분할 때에 개시될 수 있고, 이러한 정보는 엔진의 온도 센서에 의해 제공될 수 있다. 본 발명에 따르면, 청소하는 단계는 EGR 냉각기를 통과하는 EGR 가스의 흐름을 역전시키는 단계를 포함한다. 역전시키는 단계는 청소하는 단계의 개시로부터 미리 정해진 주기가 종료될 때 개시될 수 있다.
재순환 방법은 재순환 가스 냉각기(2)의 날개(17)를 구동하는 수단에서 직접 작동할 수 있다. 이러한 구동 수단은, 예를 들어 날개(17)의 축이 회전하게 만드는 전기 모터(또는 서보모터)로 이루어질 수 있다. 그러므로 날개(17)가 제1 위치로부터 제2 위치로 피봇 회전하게 하여, 이를 통해 재순환 가스의 흐름을 역전시키기 위해 컴퓨터(미도시됨)가 전기 모터를 제어할 수 있다. 이러한 작용이나, 또는 흐름을 역전시키는 단계는 컴퓨터의 메모리에 저장된 미리 정해진 시간의 종료시에 시작할 수 있다. 예를 들어 온도나 압력 센서들 등을 이용함으로써 청소 단계 동안에 이러한 역전시키는 단계를 개시하는 다른 방법을 이용하기 위해 설비가 제조될 수 있다.
재순환 방법은 또한 재순환 가스 회로를 청소하는 이와 같은 단계 동안에 날개(17)에 의해 나타나는 밸브를 청소하는 단계를 제공할 수 있다. 컴퓨터는 어떤 그을음 퇴적물들을 제거하기 위해 적어도 일회의 완전한 회전을 수행하도록 하기 위해 전기 구동 모터를 제어할 수 있다.
또한 재순환 방법은, 예를 들어 엔진이 다시 시작하는 매순간 제1 위치와 제2 위치의 사이에서 날개의 위치를 교체시킴으로써 청소하는 단계의 외부에서 날개를 제어할 수 있다. 이를 위해 재순환 방법은 엔진이 새로 시작할 때마다 냉각기 내에 재순환 가스의 흐름을 역전시키는 단계를 포함한다. 이러한 특징의 장점은 냉각기의 자연적인 오염이 재순환 가스용 입구의 영역 내와, 또한 출구의 영역 내에 더 균일한 방식으로 분배되는 점이다.
이러한 모든 구성 요소들과 함께, 컴퓨터는 엔진의 작동 주기에 걸쳐 이하의 방식으로 밸브를 제어할 수 있다.
- 엔진이 시작하기 전에 냉각기를 바이패스 위치에 위치시키는 단계.
- 그 이후, 작동 조건들이 도달되면(예를 들어, 엔진의 가열을 나타내는 냉각 유체의 온도에 관한 문턱값이 초과될 때), 날개를 제1 위치나 또는 제2 위치로 회전시키는 단계. 날개의 위치는 컴퓨터에 기록된 두 개의 가능한 위치들의 최종 위치의 기능이다. 또는 날개는 제어된 냉각을 수행하기 위해 중간 위치에 놓일 수 있으나(비례형 밸브의 경우), 여전히 컴퓨터에 의해 기록된 최종 위치(제1 또는 제2)의 반대 방향 위치의 옆에 있다.
- 재순환 가스의 온도가 충분할 때, 또는 다른 조건, 예를 들어 차량의 특정 주행 거리가 충족될 때, 또는 EGR 냉각기의 오염을 나타내는 차압 문턱값이 초과될 때 청소 단계를 개시하는 단계.
- 특정 시간이 종료된 때 냉각기 내의 흐름을 역전시키는 단계를 개시하는 단계.

Claims (10)

  1. 열교환기(4)를 구비하는 EGR 회로의 냉각기(2)에 재순환 가스를 분배하기 위한 장치(1)로서,
    재순환 가스용 입구(e1) 및 출구(s1)와,
    구성 요소(2)로 향하는 입구 포트(e2) 및 출구 포트(s2)와,
    냉각기(2)의 열교환기(4) 내에서 순환하는 재순환 가스의 흐름을 역전시키는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는, 재순환 가스 분배용 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    재순환 가스의 흐름을 역전시키는 수단은, 한편으로는 재순환 가스용 입구(e1)와 구성 요소(2)를 향하는 입구 포트(e2)가 연결되고 다른 한편으로는 구성 요소를 향하는 출구 포트(s2)와 재순환 가스용 출구(s1)가 연결되는 제1 위치와, 한편으로는 재순환 가스용 입구(e1)와 구성 요소(2)를 향하는 출구 포트(s2)가 연결되고 다른 한편으로는 구성 요소를 향하는 입구 포트(e2)와 재순환 가스용 출구(s1)가 연결되는 제2 위치의 사이에서 회전 이동 가능한 것을 특징으로 하는, 재순환 가스 분배용 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    회전 이동 가능한 밸브는 구성 요소(2)가 바이패스되는 것을 가능하게 하 는 중간 위치를 갖는 것을 특징으로 하는, 재순환 가스 분배용 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 밸브는 비례형(proportional type)인 것을 특징으로 하는, 재순환 가스 분배용 장치.
  5. 재순환 가스용 냉각기(2)로서,
    열교환기(4) 내에서 순환하는 EGR 가스의 흐름을 역전시키는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는, 재순환 가스용 냉각기.
  6. 제5항에 있어서,
    냉각기(2)는 U 자(字)로 이루어지고,
    재순환 가스의 흐름을 역전시키는 수단은, 냉각기(2)의 입구와 출구를 덮어, 하나의 개구부(e2)는 가스 유입 챔버(9)와 연통되고 다른 하나의 개구부는 가스 배출 챔버(10)와 연통되는 적어도 두 개의 개구부들(e2, s2)을 형성하는 디스크(13)와, 실린더(18)의 내측에서 디스크(13)에 수직한 축을 중심으로 피봇 회전하는 날개(17)를 구비하고, 실린더(18)는 EGR 가스를 위한 입구 포트(e1)와 출구 포트(s1)를 형성하는 것을 특징으로 하는, 재순환 가스용 냉각기.
  7. 제6항에 있어서,
    밸브는, 밸브의 미소 개구부에서 재순환 가스의 흐름의 분배의 정밀도를 향상시키는 수단(19; 20)을 구비하는 것을 특징으로 하는, 재순환 가스용 냉각기.
  8. 배기 가스를 재순환하는 방법에 관한 것으로,
    재순환 가스의 온도가 그을음 퇴적물(soot deposits)을 제거하기에 충분한 온도일 때 전자 유닛에 의해 개시되어 EGR 회로를 청소하는 단계를 포함하고,
    상기 청소하는 단계는 EGR 냉각기를 통과하는 EGR 가스의 흐름을 역전시키는 단계를 포함하는, 배기 가스 재순환 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 역전시키는 단계는 청소 단계의 개시로부터 미리 정해진 주기가 종료될 때 개시되는, 배기 가스 재순환 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    엔진이 재시작할 때마다 냉각기 내의 재순환 가스의 흐름을 역전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배기 가스 재순환 방법.
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