KR20100018455A - 부분배기기류의 추출장치 및 상기 장치를 포함하는 내연기관 - Google Patents

부분배기기류의 추출장치 및 상기 장치를 포함하는 내연기관 Download PDF

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Abstract

내연기관의 배기관(105)으로부터 부분 배기 기류를 추출하는 장치는 배기관(105) 내로 개구되어 있는 부분 배기관(106)을 포함하며, 그의 입구 부분은, 부분 배기 기류가 부분 배기관(106)의 해당 입구 부분으로 도입될 수 있는 한편 배기 기류의 동압력을 이용할 수 있도록, 실질적으로 배기 기류에 대항해서 배치되어 있다. 상기 장치는 내연기관의 흐름 제어 부재(101; 104)의 바로 근방에 배치되어 있다. 또, 부분 배기 기류의 추출을 최적화하기 위하여 상기 부분 배기관(106)에는 밸브(130)가 설치되어 있다.
부분배기기류의 추출장치, 내연기관, 밸브, 환형 간극

Description

부분배기기류의 추출장치 및 상기 장치를 포함하는 내연기관{DEVICE FOR EXTRACTING A PARTIAL EXHAUST FLOW AND INTERNAL COMBUSTION ENGINE COMPRISING SAID DEVICE}
본 발명은 부분배기기류의 추출장치 및 상기 장치를 포함하는 내연기관에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 배기 재순환 밸브 시스템을 포함하는 내연기관뿐만 아니라 내연기관의 배기관으로부터 부분 배기 기류, 즉, 부분 배기 흐름을 추출하는 장치에 관한 것이다.
내연기관에 있어서, 배기 가스 재순환은 질소 산화물 방출(NOx 방출)량을 저감시키는 데 이용된다. 배기 가스 재순환은 내연기관의 배기관으로부터 부분 배기 기류를 추출하는 단계 및 상기 부분 배기 기류를 내연기관의 입구측 통로 속으로 재순환시키는 단계를 포함한다. 내연기관의 입구에 도입된 배기 가스는 질소의 질소 산화물로의 산화를 저감시키는 불활성 가스로서 작용한다.
부분 배기 기류의 흐름을 얻기 위해서는 특정 압력비가 제공되어야만 한다. 특히 기초로 되는 것은, 입구 위치에서의 부분 배기 기류의 압력이 입구측 통로에 유입되고 있는 공기의 압력과 적어도 동일하다고 하는 점이다. 그러나, 흐름 저항을 극복하고 또한 배기 재순환의 제어의 응답 거동을 개선시키기 위해서는, 부분 배기 기류의 압력이 입구측 통로에서 지배적인 것보다도 어느 정도 높을 필요가 있다.
자연 흡기 엔진으로도 불리는 내연기관에 있어서, 입구측 통로에서 지배적인 압력은 주위 압력(ambient pressure)에 비해서 감소된다. 또한, 출구측 통로에서의 배기 가스의 압력은 주위 압력에 비해서 증가된다. 따라서, 상기 흡기 엔진에 있어서, 부분 배기 기류는 접속부를 설치하여 해당 접속부에서 밸브를 제어함으로써 입구측 통로 속으로 도입된다.
아직까지는 입구측 통로에서의 압력이 주위 압력에 비해서 증가되는 내연기관 시스템이 공지되어 있다. 이러한 내연기관은 예를 들어 2행정 엔진, 특히 2행정 디젤엔진 및 터보과급기(turbocharger) 혹은 압축기에 의해 과급되는 모든 내연기관을 포함한다. 이러한 내연기관에 있어서, 입구측 통로에서 지배적인 압력과 출구측 통로에서 지배적인 압력 간의 압력비는 출구측 통로로부터 입구측 통로까지의 압력차에 의거한 흐름을 불가능하게 하는 것을 초래한다. 이 때문에, 부분 배기 기류를 입구측 통로에 도입하기 위한 각종 기술이 종래 공지되어 있다. 특히 송풍기(blower) 혹은 압축기는 부분 배기 기류의 압력을 입구측 통로에서 지배적인 것보다 증가시키는 데 이용된다.
본 발명의 목적은 부분 배기 기류가 내연기관의 입구측 통로 속으로 간단한 수단에 의해 도입될 수 있는, 내연기관의 배기관으로부터 부분 배기 기류를 추출하는 장치(이하 "부분배기기류의 추출장치"라 약칭할 경우도 있음)를 제공하는 데 있다. 특히, 본 발명의 목적은 출구측 통로와 입구측 통로 사이의 상기 바람직하지 않은 압력비의 문제를 간단한 수단에 의해 극복하도록 적합화되어 있는 배기 재순환 시스템을 포함하는 내연기관을 제공하는 데 있다. 또한, 본 발명의 목적은 상기 부분배기기류의 추출장치를 이용하는 내연기관을 제공하는 데 있다.
본 발명에 의하면, 상기 목적은, 첨부된 특허청구범위의 청구항 제1항에 의한 내연기관의 배기관으로부터 부분 배기 기류를 추출하는 장치에 의해 달성된다. 또, 상기 목적은 본원 청구항 제27항, 제30항 또는 제33항에 의한 내연기관에 의해서 더욱 달성된다. 본 발명의 유리한 추가의 변형들은 종속 청구항들에 규정되어 있다.
본 발명의 제1측면에 의하면, 내연기관의 배기관 내로 개구되어 있는 부분 배기관에 의해 상기 내연기관의 배기관으로부터 부분 배기 기류를 추출하는 장치가 제공되며, 여기서, 상기 부분 배기관의 입구 부분은, 상기 부분 배기 기류가 부분 배기관의 입구 부분에 유입가능한 동시에 해당 배기 기류의 동압력(dynamic pressure)을 이용하도록 상기 배기 기류에 실질적으로 대향해서 배치되어 있는 것 을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치가 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 입구 부분은 상기 배기관의 단면 부분(sectional portion)에 배치되어, 적어도 내연 기관의 소정의 작동 영역에서, 상기 단면 부분에 의해 평균화된 배기 기류의 유량이 총 단면에 의해 평균화된 전체 기류의 유량보다 높게 된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 부분 배기관의 입구 부분은 흐름 제어 부재의 직접 하류의 흐름 방향에 배치되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 입구 부분은 상기 배기관의 일부에 배열되어, 상기 배기관의 총 단면과 관련하여, 적어도 상기 내연기관의 소정의 작동 영역 내에서 상기 흐름 제어 부재의 개방 주기 과정에서 유량의 피크치가 나타난다.
본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따라서, 상기 부분 배기관 내의 압력은, 상기 부분 배기 기류를 추출할 경우, 적어도 상기 내연기관의 소정의 작동 영역 내에서 상기 부분 배기 기류의 추출을 행하지 않은 배기관 내의 압력보다 높게 된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 흐름 제어 부재는 상기 내연기관의 토출 밸브(discharge valve)이다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 흐름 제어 부재는 밸브 헤드 및 밸브 스템(valve stem)을 포함하는 포펫 밸브(poppet valve)이며, 상기 밸브 스템은 상기 부분 배기관의 입구 부분에 의해 둘러싸여 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 부분 배기관 및/또는 상기 부 분 배기관의 입구 부분은 상기 배기관에 대해서 공축으로 배열되어 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따라서, 상기 부분 배기관의 내부 윤곽은 상기 입구 부분 내에 확산기(diffuser)를 형성한다.
본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따라서, 상기 부분 배기관은 상기 입구 부분의 영역에 있는 피토관(Pitot tube)이다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 부분 배기관에는 해당 부분 배기관 내의 흐름을 제어하기 위한 흐름 제어수단이 설치되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 부분 배기관 내의 흐름은 상기 배기관의 흐름 특성(flow characteristics) 및/또는 상기 내연기관의 작동 조건에 응해서 흐름 제어수단에 의해 제어된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 흐름 제어수단은, 상기 부분 배기관과 상기 배기관 사이의 흐름을 허용하거나 억제하도록 작동되는, 상기 부분 배기관 내에 설치된 밸브이다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 흐름 제어수단은 캠 기구에 의해 작동되도록 되어 있는 포펫 밸브이다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 흐름 제어수단은 상기 토출 밸브의 밸브 스템에 배치된 회전식 슬라이드 밸브(rotary slide valve)이다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 회전식 슬라이드 밸브는 대응하는 오리피스(orifice)를 지니는, 고정식 환형 소자 및 해당 고정식 환형 소자에 공축으로 배치된 회전식 환형 소자를 포함하며, 상기 오리피스를 통한 흐름은 상기 고정식 환형 소자에 대해서 상대적으로 회전식 환형 소자를 비트는(twisting) 것에 의해서 허용되거나 억제된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 고정식 환형 소자는 상기 부분 배기관의 입구 부분에 부착되고, 상기 회전식 환형 소자는 상기 밸브 스템에 부착되어, 해당 회전식 환형 소자가 상기 고정식 환형 소자에 대해서 상대적으로 상기 밸브 스템을 비트는 것에 의해서 회전될 수 있도록 되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 흐름 제어수단은 상기 부분 배기관의 입구 부분에 설치된 밸브 시트와 상기 흐름 제어 부재의 밸브 스템에 대해서 공축으로 가동가능한 밸브 본체로 구성되고, 상기 밸브 본체는 상기 부분 배기관의 입구 부분을 개폐시키기 위하여 상기 밸브 시트와 접촉하여 해당 밸브 시트에서 상승되도록 적합화되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 밸브 본체는 상기 부분 배기관의 입구 부분의 하류의 부분 배기 기류의 흐름 방향에 배치되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 흐름 제어수단은 상기 내연기관의 토출 밸브 드라이브에 의해 작동될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 흐름 제어수단은 상기 토출 밸브의 작동과 동기해서 작동될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 배기관 내에는, 해당 배기관 내에서 역압(counter-pressure)이 조절될 수 있도록 스로틀 밸브 작동기(throttle valve actuator)에 의해 조절가능한 스로틀 밸브가 설치되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 스로틀 밸브 작동기는 캠 기구이다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 스로틀 밸브 작동기와, 상기 흐름 제어수단을 위해 설치된 작동기는 운동학적 방식(kinematic way)으로 결합되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 흐름 제어수단은, 특히 상기 내연기관의 속도가 최소값 이하로 떨어질 때, 해당 내연기관의 소정의 작동 상태에서 폐쇄된 채로 유지된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 부분 배기관 내에는, 해당 부분 배기관의 입구 부분에 대해서 역류를 억제하기 위하여 역류 방지 밸브(check valve)가 설치되어 있다.
본 발명의 제2측면에 의하면, 본 발명의 제1측면에 의한 장치를 포함하는 내연기관이 제공되며, 이때 그의 부분 배기관은 해당 내연기관의 적어도 하나의 연소실과 직접 혹은 간접적으로 연통된 배기 재순환관을 구성한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 내연기관은 과급(supercharging) 및/또는 공기 정화 송풍기를 포함하는 2행정 디젤엔진이다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 내연기관은 터보과급된 4행정 주기 엔진(turbocharged four-stroke cycle engine)이다.
본 발명의 제3측면에 의하면, 본 발명의 제1측면에 의한 장치를 포함하는 내연기관이 제공되며, 이때 부분 배기관은 터보과급기 및/또는 보조 수단의 터빈에 접속되어, 상기 터보과급기 및/또는 보조 수단이 상기 부분 배기 기류에 의해 적어도 부분적으로 구동되도록 되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 본 발명의 제3측면에 의한 내연기관에 있어서, 상기 보조 수단은 상기 내연기관에 터빈에 의해 발생된 파워(power), 즉 동력 혹은 전력(이하, 간단히 "동력"이라 칭할 경우도 있음)을 임의선택적으로 공급할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 본 발명의 제3측면에 의한 내연기관에 있어서, 상기 터빈은 기어 시스템을 통해서 상기 내연기관의 크랭크축에 동력을 공급할 수 있다.
본 발명의 제4측면에 의하면, 본 발명의 제1측면에 의한 장치를 포함하는 내연기관으로서, 상기 부분배기기류의 추출장치에 의해 추출된 부분 배기 기류에 의해 구동될 수 있는 압력-조작식 작동기(pressure-operated actuator)를 추가로 포함하는 내연기관이 제공된다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조해서 설명한다. 단, 이하의 각 실시예의 설명은 특허청구범위에 규정된 본 발명의 구체적인 구성을 예시하기 위해 제공되도록 의도된 것이다. 개별의 실시예의 특성은 특허청구범위의 보호 범위 내에 들어오는 본 발명의 추가의 구성이 당업자에게 명료하게 되도록 서로 적절하게 조합될 수 있다.
배기 가스 재순환 시스템의 설명
도 1은 내연기관용의 배기 (가스) 재순환 시스템을 개략적으로 나타내고 있다. 도 1의 배기 재순환 시스템은 예로서 터보-과급된 2행정 디젤엔진에 적용된다.
여기에 나타낸 내연기관은 연소실(3)을 규제하는 피스톤(5)과 실린더(2)를 포함하고 있다. 연소실(3)의 작동 체적은 실린더(2) 내부의 피스톤(5)의 운동에 의해 가변된다.
상기 피스톤(5)은 도시하지 않은 피스톤 로드(piston rod)를 통해서 도시하지 않은 크랭크축에 접속되어 있다. 실린더(2) 내부의 피스톤(5)의 운동은 공지된 방식으로 크랭크축의 회전으로 변환된다. 공기-연료 혼합물의 연소에 의해 생성된 기계력(mechanical power)은 크랭크축을 통해 제거된다.
실린더(2)의 하부 부분에 있어서, 내연기관의 작동 중에 피스톤(5)에 의해 스위핑되는(swept) 공기 흡입 슬릿(air intake slit)(4)이 설치되어 있다. 이와 같이 해서, 실린더(2)의 공기 흡입 슬릿(4)은 입구 밸브로서 제어된다. 피스톤(5)이 소정의 하부 위치에 도달하자 마자, 공기 흡입 슬릿은 공기 및/또는 공기-배기-혼합물이 실린더에 도입될 수 있도록 개방된다.
도시되지 않은 주입 밸브는 실린더에 배치되어 이를 통해 동일한 연료가 연소실(3)로 도입될 수 있게 된다. 대안적인 예로서, 동일 혹은 상이한 특성 또는 제어를 지니는 복수개의 주입 밸브도 설치될 수 있다.
실린더의 상부측에는, 토출 밸브(1)가 설치되어 있다. 상기 토출 밸브(1)는 포펫 밸브이며, 도 2 내지 도 5에 상세히 예시되어 있다. 상기 실시예는 1개의 토 출 밸브를 도시하고 있지만, 본 발명에 의한 설계(디자인)에 있어서 복수개의 토출 밸브가 설치되어 있어도 된다. 대안적인 예로서, 본 발명에 의한 1개 이상의 토출 밸브에 부가해서 1개 이상의 종래의 토출 밸브가 설치되어 있어도 된다.
내연기관은 입구측 매니폴드(inlet manifold)(8)의 형태의 입구측 컬렉터(inlet collector) 및 출구측 매니폴드(9)의 형태의 출구측 컬렉터를 추가로 포함한다. 상기 입구측 매니폴드(8)는 입구측 통로(6)를 통해서 공기 흡입 슬릿(4)에 접속되어 있다. 상기 출구측 매니폴드(9)는, 토출 밸브(1)가 개방된 경우, 상기 연소실(3)이 출구측 통로(7)를 통해 출구측 매니폴드(9)와 연통하도록 출구측 통로(7)를 통해서 토출 밸브(1)에 접속되어 있다.
본 명세서에 예시된 실시예에 있어서, 출구측 매니폴드(9)의 배기 가스는 배기관 요소(24)를 통해서 터보과급기(20)에 공급된다. 상기 터보과급기(20)는 연소엔진의 입구에서 지배적인 압력이 배기 에너지에 의해 증가될 수 있도록 공지의 방식으로 작동된다. 상기 터보과급기(20)는 터빈(21), 압축기(22), 및 상기 터빈(21)과 압축기(22)를 접속하는 터보과급기 샤프트(23)를 포함한다. 주위 압력 이상의 특정 압력을 지닌 배기 가스는 배기관 요소(24)를 통해서 터빈(21)에 공급된다. 배기 가스는, 내포된 에너지가 터보과급기 샤프트(23)에 전달되도록 터빈(21)에서 해방된다. 해방된 배기 가스는 배기관 요소(27)를 통해서 배출(토출)된다.
터보과급기 샤프트(23)에서 제공되는 동력은 입구측 관 요소(26)를 통해 도입된 흡입 공기를 압축시켜 입구측 관 요소(25)를 통해 압축된 흡입 공기를 토출시 키는 압축기(22)를 구동시키는 데 이용된다.
압축 작동에 의해 온도가 증가된 가압된 흡입 공기를 냉각시키기 위하여 충전-공기 냉각기(charge-air cooler)(28)가 제공된다. 따라서, 내연기관의 개량된 충전도가 얻어진다. 냉각된 흡입 공기는 입구측 관 요소(29) 및 입구측 관 요소(17)에 의해 입구측 매니폴드(8)에 공급된다.
상기 나타낸 바와 같이, 내연기관의 입구에서 지배적인 압력은 터보과급기(20)에 의해 증가된다. 그러나, 이 압력은 또한 크랭크축에 인가된 동력 혹은 전기 모터에 의해 구동되는 도시하지 않은 송풍기의 사용에 의해 터보과급기(20) 없이도 증가될 수 있다. 어느 경우에도, 상기 2행정 디젤엔진에 의하면, 입구에서, 특히 공기 흡입 슬릿(4)에서 지배적인 압력은 주위 압력에 대해서 증가되어 높은 소기 효율(scavenging efficiency)을 초래하므로, 연소된 혼합물은 신선한 공기/신선한 가스로 충분히 교체될 수 있다.
내연기관용의 배기 가스 재순환 시스템은 부분 배기관 요소(12), (13), (14), (16)를 구비한 배기 재순환관을 포함한다. 토출 밸브(1)의 영역에 있어서, 부분 배기 기류는 추출되어 부분 배기관 요소(12) 내로 도입된다. 부분 배기관 요소(12)의 하류에는, 재순환 매니폴드(10)가 설치되어 있다. 상기 매니폴드로부터, 부분 배기관 요소(13)는 재순환된 배기 가스를 냉각시키기 위한 재순환 가스 냉각기(11)에 이르게 된다. 재순환 가스는, 부분 배기관 요소(14)를 통해서, 해당 재순환 가스가 토출 밸브의 방향으로 역류되는 것을 방지하는 역류 방지 밸브(15)를 통과한다. 단, 역류 방지 밸브(15)는 절대적으로 필수는 아니고 제외될 수도 있 다.
재순환 가스는, 역류 방지 밸브(15)로부터 부분 배기관 요소(16)를 통해서, 압축된 입구 가스를 입구측 매니폴드(8)로 안내하는 입구측 관 요소(17), (29) 사이의 접속점을 통과하게 된다.
상기 역류 방지 밸브(15)에 부가해서 혹은 이에 대한 대안으로서, 재순환 가스 매니폴드(10)의 상류의 부분 배기관 요소(12) 내에는 역류 방지 밸브(15a)가 설치될 수 있다. 상기 역류 방지 밸브(15a)는, 하나의 실린더에서 추출된 부분 배기 기류가 다른 실린더 내의 재순환 매니폴드(10)를 통해 역류되는 것을 방지하기 위하여 다기통(multi-cylinder) 내연기관에 이용되는 것이 바람직하다. 단, 역류 방지 밸브(15a)는 절대적으로 필수는 아니고, 하나의 실린더만을 지닌 내연기관에서는 특히 고려되지 않을 수도 있다.
게다가, 역류 방지 밸브(15)와 역류 방지 밸브(15a)는 양쪽 모두, 예를 들어, 최적화된 타이밍에 기계식 혹은 전자식 작동기에 의해 작동될 수 있는 능동적으로 제어된 밸브로 교체될 수 있다.
이하에 상세히 설명된 본 발명에 의한 배기 추출장치를 이용하면, 입구측 관 요소(17), (19) 사이의 상기 접속점에서 부분 배기관 요소(16) 속으로 도입된 배기 가스의 압력은 입구측 관 요소(29) 내의 상기 접속점으로 안내된 입구 가스의 압력보다 높게 된다. 따라서, 토출 밸브(1)에서 추출된 부분 배기 기류는 내연기관의 입구측 매니폴드(8) 속으로 도입될 수 있다.
이하, 내연기관의 배기관으로부터 부분 배기 기류를 추출하는 장치를 포함하 는 토출 밸브(1)의 실시예를 설명한다. 상기 부분 배기 기류를 추출하는 장치의 구체적인 구성은 앞서 설명한 바와 같이 도 1에 도시된 시스템의 입구측 매니폴드(8) 내로 부분 배기 기류를 도입하는 것을 허용한다.
상기 부분 배기 기류를 추출하는 장치는 도 7 내지 도 10에 나타낸 내연기관 시스템에 더욱 적용될 수 있다.
제1실시예
도 2는 도 1의 배기 재순환 시스템에 적용가능한 제1실시예에 의한 직접 결합된 환형 슬라이드 밸브를 지닌 약간 개방된 위치에 있는 토출 밸브를 도시하고 있다.
토출 밸브(1)는 밸브 헤드(101)와 밸브 스템(102)을 지닌 소위 포펫 밸브이다. 밸브 스템(102)은 병진 및 회동 방식으로 베어링 부시(bearing bush)(103)에서 선회된다. 베어링 부시(103)는, 예를 들어, 압입(force-fitting)에 의해 실린더 헤드(111) 내의 구멍 속으로 도입된다.
원형 밸브 헤드(101)는, 해당 밸브 헤드(101)가 밸브 시트(104)와 접촉할 때, 토출 밸브(1)를 통한, 특히 밸브 헤드(101)와 밸브 시트(104) 사이의 방사상 간극을 통한 흐름이 억제되고 토출 밸브(1)가 폐쇄되도록 밸브 시트(104)와 상호작용한다.
토출 밸브(1)를 개방하기 위하여, 밸브 스템(102)은 여기에 도시되지 않은 작동 기구, 예컨대, 태핏(tappet), 로커 암(rocker arm) 또는 수압 수단을 비롯한 캠 샤프트에 의해 축방향으로 작동되므로, 밸브 헤드(101)는 도시하지 않은 밸브 스프링, 예를 들어 에어 스프링의 바이어스(bias)에 대항해서 밸브 시트(104)에서 상승된다. 그러나, 토출 밸브(1)는 해당 토출 밸브(1)의 실제 기능이 확보되는 한 어떠한 방식으로든지 작동될 수 있다. 이와 같이 해서, 연소실(3) 내에 설치된 배기 가스는 밸브 헤드(101)와 밸브 시트(104) 사이에 얻어지는 환형상 간극을 통해 흐를 수 있다. 이 위치에서, 토출 밸브는 개방된다.
실린더 헤드(111) 내에는 밸브 시트(104)에 인접해서 출구측 챔버(즉, 토출실)(105)가 설치되어 있다. 상기 출구측 챔버(105)는 개방된 토출 밸브(1)를 통해 흐르는 배기 가스가 통과할 수 있는 공간을 제공한다. 상기 토출실(105)은 도 1에 도시된 출구측 통로(7)에 접속되어 있다. 이와 같이 해서, 토출 밸브(1)가 개방된 경우, 배기 가스는 출구측 챔버(105)를 통해서 출구측 통로(7)로 도입될 수 있다.
이하, 본 발명에 의한 부분 배기 기류의 추출을 가능하게 하는 토출 밸브(1)의 특정 구성을 설명한다. 밸브 스템(102) 둘레에는 배기 추출 통로(106)가 공축 배열로 설치되어 있다. 상기 배기 추출 통로(106)는 실린더 헤드(111)의 외측 공축 요소(112)와 내측 공축 요소(113) 사이에 형성된 환형 간극(120)을 포함한다. 내측 공축 요소(113)는 밸브 스템(102)용의 베어링 부시(103)를 지지하기 위해 동시에 제공된다. 상기 요소(112)와 (113) 사이에 형성된 환형 간극(120)은 배기 추출 통로(106) 속으로 이어진다. 하단부에, 특히, 밸브 헤드(101)와 대면하는 요소(112), (113)의 단부에, 관(107)이 설치되어 있다. 상기 관(107)은, 해당 관(107)이 공축 요소(112)의 축방향 연장부 및 동시에 배기 추출 통로(106)의 입구 부분을 형성한다. 상기 관(107)의 하단부에는, 밸브 스템(102)의 외주부와 관(107) 사이의 간극을 개폐하도록 적합화된 회전식 슬라이드 밸브(130)가 형성되어 있다. 상기 회전식 슬라이드 밸브(130)에 대해서 이하 상세히 설명한다.
상기 관(107)의 하단부의 영역 중의 밸브 스템(102)에는, 이하에 작동부(108)라고도 불리는 확대된 직경부가 형성되어 있다. 상기 작동부(108)에는 내측 환형 간극 슬리브(110)가 장착되어 있다. 상기 작동부(108)의 축방향 외측에는, 상기 내측 공축 요소(113)에 부착된 외측 환형 간극 슬리브(109)가 설치되어 있다. 상기 내측 환형 간극 슬리브(110)는 상기 외측 환형 간극 슬리브(109)에 대해서 밸브 스템(102)을 따라 비틀릴 수 있다.
도 4는 외측 환형 간극 슬리브(109) 및 내측 환형 간극 슬리브(110)의 전개된 평면도 및 단면도를 예시한 것으로, 서로에 대해 이동가능한 중첩된 슬릿을 지닌 슬리브의 설계를 나타내며 그 기능은 이하에 상세히 설명한다.
밸브 스템의 윤활을 향상시키고 밸브 시트의 유입을 방지하기 위하여 이런 유형의 내연기관에 이미 설치되어 이 목적을 위해 제공되는 기구에 의해 밸브 스템(102)의 회전성, 특히 바르게 방향지어진 비틀림(well-directed twisting)이 이용된다.
환형 간극 슬리브(110), (109)는 상보적인 슬릿 혹은 오리피스를 지니며, 두 환형 간극 슬리브(110), (109)의 이들 슬릿 혹은 오리피스가 중첩된 경우 배기 가스의 통과를 허용한다. 환형 간극 슬리브(110), (109)가 비틀린 경우, 통과는 중단된다.
이와 같이 해서, 상기 관(107)과 밸브 스템(102) 사이의 환형 간극 내에, 밸 브 스템(102)을 비틀 때 개폐되도록 적합화된 회전식 슬라이드 밸브(130)가 형성된다.
본 발명의 제1실시예에 의한 토출 밸브(1)의 기능에 대해 도 2 내지 도 4를 참조해서 상세히 설명한다.
2행정 디젤엔진의 연소 행정의 말기에, 토출 밸브(1)는, 배기 가스가 연소실(3)로부터 출구측 챔버(105) 및 출구측 통로(7)를 통해 토출될 수 있도록 공지의 방식으로 개방된다. 이 위치는 도 1에 도시되어 있다. 토출 밸브(1)가 개방되기 직전에, 비교적 높은 압력이 연소실(3)에 여전히 지배적이므로, 밸브 시트(104)에서 밸브 헤드(101)를 승강시킴으로써 토출 밸브(1)가 약간 개방되면, 배기 가스는 얻어지는 좁은 환형 간극을 통해 고속으로 흐르게 된다.
도 2에 있어서, 밸브 헤드(101)가 밸브 시트(104)에서 상승한 직후의 밸브(1)의 환형 간극을 통한 흐름이 개략적으로 표시되어 있다. 밸브(1)의 환형 간극을 통한 배기 가스의 흐름이 밸브 스템(102)을 향해 방사상 안쪽으로 뻗고 있는 것을 볼 수 있다. 연속 방정식을 고려하면, 유선(streamline)이 집중된 곳은 증가된 유량을 의미하는 한편, 방사상 외부 영역에서는 유량이 낮다.
이 상황에서, 즉, 토출 밸브(1)의 개방 직후 혹은 토출 밸브(1)가 여전히 약간 개방된 경우, 배기 가스는 토출실(105) 내로 유입되어, 밸브 스템과 관(107) 사이의 하부 개구부, 즉, 배기 추출 통로(106)의 입구 부분에 충돌한다. 최적화된 타이밍에, 환형 슬라이드 밸브(130)는, 배기 가스가 밸브 스템(102)과 관(107) 사이의 환형 간극으로 도입될 수 있도록 토출 밸브(1)를 비틂으로써 개방된다. 토출 밸브(1)의 작은 개방의 경우의 고속으로 인해, 배기 가스는 환형 슬라이드 밸브(130)가 개방된 경우 상기 환형 간극에 용이하게 도입된다. 이 때문에, 배기 가스의 동압력은, 흐름이 안정하게 된 후 해당 배기 가스의 증가된 총 압력이 배기 추출 통로(106) 내에서 얻어지도록 이용된다.
총 압력의 증가는 그의 높은 유량으로 인한 배기 가스의 동압력의 이용으로부터 기인한다. 부분 단면에 의해 평균화된 배기 가스의 유량이 토출실(105)의 총 단면에 의해 평균화된 유량보다 높게 되는 토출실(105)의 단면적에서의 배기 추출 통로(106)의 입구 부분의 구체적인 구성은 부분 배기 기류로서 추출될 수 있는 배기 가스의 총 압력의 증가를 가져온다.
본 명세서의 본문에서, 배기 추출 통로(106)의 입구 부분이 상기 동압력의 도움으로 총 압력의 증가가 조금이라도 가능한 시간 간격에서만 개방되는 경우 특히 유리하다. 토출 밸브(1)가 약간 개방된 경우, 즉, 배기 가스가 밸브 헤드(101)와 밸브 시트(104) 사이의 환형 간극으로부터 흐르기 시작한 경우, 토출실(105)의 단면적에서의 상기 평균화된 압력비가 배기 추출 통로(106)의 총 압력의 증가를 허용하는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 환형 슬라이드 밸브(130)는 이 시간 간격에서만 개방되고, 그렇치 않으면 후술하는 바와 같이 폐쇄된 상태로 유지된다.
도 3에 있어서, 토출 밸브(1)는 개방된 위치에 있는 것으로 도시되어 있다. 밸브 헤드(101)와 밸브 시트(104) 사이의 환형 간극은, 유선으로 개략적으로 도시된 것으로부터 명백한 바와 같이, 한편으로는 해당 환형 간극의 커다란 단면으로 인해, 다른 한편으로는 연소실 내의 배기 가스의 이전의 해제로 인해 유량이 감소 되도록 확대된다. 이 상황에서, 배기 가스의 동압력은 배기 추출 통로에서 지배적인 총 압력을 증가시키도록 적합화되어 있지 않다. 따라서, 이 위치에서, 환형 슬라이드 밸브는 밸브 스템을 비틂으로써 폐쇄되고, 배기 가스의 주된 부분은 출구측 통로(7)를 통해서 빠져나간다.
결과적으로, 밸브 스템(102)을 비틀어서 환형 간극의 작동 및 밸브 개방의 타이밍뿐만 아니라 환형 간극의 비율을 최적화함으로써, 배기 추출 통로(106)에 지배적인 총 압력은 증가되므로, 입구측 매니폴드(8) 내의 압력에 대해서 충분한 압력차가 제공됨에 따라 부분 배기 기류를 입구측 매니폴드(8) 속으로 도입하는 것이 가능해진다.
제2실시예
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 배기 재순환용의 제어된 추출 밸브 및 출구측 통로(7) 내의 스로틀 밸브에 대한 밸브 드라이브의 결합을 나타낸 토출 밸브(1)의 개략도이다.
본 발명의 제2실시예에 의한 토출 밸브(1)는 밸브 헤드(201) 및 밸브 스템(202)을 포함한다. 본 제2실시예의 토출 밸브(1)는 마찬가지로 도 5에 단순히 개략적으로 도시된 관(207)을 제공한다. 밸브 스템(202)의 지지부와 실린더 헤드(211)의 외측 및 내측 공축 요소의 공축 배열은 제1실시예와 유사한 방식으로 설계된다.
제1실시예와의 차이점은 배기 추출 통로(206)를 통한 배기 기류의 제어에 있다.
밸브 스템(202)과 관(207) 사이의 환형 간극의 하류에는, 배기 추출 통로(206)에 설치된 밸브 시트(valve seat)(210) 및 밸브 헤드(209)를 포함하는 포펫 밸브(230)가 배치되어 있어, 부분 배기 기류는 상기 간극을 통해 관(207)에 도입되게 된다. 밸브 헤드(209)는 배기 추출 통로(206)를 폐쇄하기 위하여 스프링(208b)에 의해 밸브 시트(210)에 대해 가압되도록 적합화되어 있다. 추출 밸브(230)의 밸브 스템(209a)에 연결된 로커 암(208a)이 설치되어 있다.
이와 같이 해서, 밸브 헤드(209)는 도 1에 도시된 재순환 가스관 요소(12)와 배기 추출 통로(206) 사이의 접속부가 확립되도록 로커 암(208a)에 의해 밸브 시트(210)에서 상승될 수 있다. 로커 암(208a)은 동력 전달 요소, 즉, 체인(208d)에 의해 구동되는 캠(208c)에 의해 작동된다. 상기 동력 전달 요소는 토출 밸브(1)를 작동시키는 내연기관의 캠샤프트(208e)에 대해서 직접 혹은 추가의 기어 기구를 통해서 접속되어, 캠샤프트(208e)의 동작과 동시에 배기 추출 밸브(230)가 개폐된다.
제2실시예의 토출 밸브(1)의 작동 모드는 제1실시예의 것과 마찬가지이다. 밸브 헤드(201)와 밸브 시트(204) 사이에 작은 환형 간극이 제공되도록 토출 밸브(1)가 약간 개방되면, 배기 가스가 관(207) 속으로 고속으로 유입되고, 여기서, 배기 추출 밸브(230)는 이 경우 캠샤프트(208e)와 결합된 작동에 의해 개방된다. 토출 밸브(1)가 더욱 개방되면, 배기 추출 밸브(230)는 재차 폐쇄되어, 내연기관의 토출 주기에서 토출 밸브(1)를 약간 개방할 때 증가된 동압력을 이용해서 배기 추출 통로(206)에서 지배적인 총 압력을 증가시킬 수 있다. 또한, 부분 배기 기류의 역류는 배기 추출 밸브(230)를 폐쇄함으로써 방지된다.
이하, 제2실시예의 추가의 변형예에 대해 설명한다.
상기 추가의 변형예에 따르면, 도 5에 도시된 스로틀 밸브(215)가 설치되어 있다. 상기 스로틀 밸브(215)는 출구측 통로(7) 내에 혹은 대안적으로는 출구 관 내의 상이한 위치에서 회전가능하게 배열된 플랩 밸브이다. 체인이나 벨트 등의 전달 요소(216)는 직접 혹은 다른 전달 기구를 통해서 캠샤프트(208e)에 접속되어 있다.
이 변형예의 작동 모드는 도 5를 참조해서 설명한다.
토출 밸브(1)를 개방한 경우, 배기 기류가 관(207) 및 토출실(205)로 도입된다. 토출 밸브(1)를 개방한 직후, 이 변형예에 있어서, 스로틀 밸브(215)가 폐쇄되어, 토출실(205)과 출구측 통로(7) 사이의 통로가 조여지게 된다. 이와 같이 해서, 토출실(205) 내에는 증가된 역압이 발생되므로, 최적화된 타이밍에 의해 더욱 증가된 압력이 관(207) 내에 제공될 수 있다.
토출 밸브(1)를 더욱 개방하면, 스로틀 밸브(215)가 전달 요소(216)와 캠샤프트(208e)를 통한 작동과 관련하여 재차 개방되므로, 감소된, 즉, 정상의 흐름 저항이 출구측 통로에서 생성되어 충분히 신선한 공기 배기가 일어날 수 있게 된다.
제3실시예
본 발명의 제3실시예는, 해당 본 발명의 제3실시예에 따른 환형 간극 내에 배기 재순환 밸브(330)의 공축 배열을 포함하는 토출 밸브(1)를 예시한 도 6을 참조해서 설명한다.
본 제3실시예에 의한 토출 밸브(1)는 밸브 헤드(301), 밸브 시트(304) 및 밸 브 스템(302)을 포함한다. 본 실시예에서도 외측 공축 요소(312)와 내측 공축 요소(313) 사이에 환형 간극이 제공된다. 전술한 다른 실시예들과 마찬가지로, 관(307)은 하향으로 개방되고, 그 내부에 밸브 부재(308)에 의해 폐쇄되도록 적합화된 밸브 시트(309)가 보인다. 밸브 부재(308)는 길이 방향으로 가동가능하도록 밸브 스템(302)에 장착되어 있고, 또한, 도시하지 않은 작동 기구에 의해 밸브 스템(302)의 움직임과는 독립적으로 축방향으로 이동될 수 있으므로, 밸브 면(310)은 밸브 시트(309)와 접촉해서 밸브(330)를 폐쇄할 수 있게 된다.
예컨대, 밸브 시트(304)에서 밸브 헤드(302)를 약간 상승시킴으로써, 토출 밸브(1)가 약간 개방되면, 밸브 부재(308)의 밸브 면(310)은 작동 기구에 의해 밸브 시트(309)에서 상승된다. 토출 밸브(1)가 더욱 개방되면, 즉, 밸브 헤드(301)와 밸브 시트(304) 사이의 환형 간극을 증가시킬 경우, 밸브 부재(308)는 밸브 시트(309)에 접근하게 된다. 소정의 운동학적 조절에 의해, 밸브 면(310)은 토출 밸브의 소정의 개방도가 초과될 경우 밸브 시트(309)과 접촉하게 된다. 따라서, 본 실시예에 있어서는, 토출 밸브가 약간 개방된 경우, 간단한 수단이, 배기 기류가 밸브 헤드(301)와 밸브 시트(304) 사이의 환형 간극을 통해서 입구 부분에 도입되는 것을 허용한다. 토출 밸브의 개방을 증가시키면, 배기 재순환 밸브(330)는 관(307)의 내부에 설치된 밸브 시트(309) 및 밸브 부재(308)에 의해 폐쇄되어, 배기 가스가 오직 출구측 통로(7)를 통해서만 흐르게 된다.
또, 본 제3실시예의 토출 밸브(1)는 배기 추출 밸브(330)에 의해 배기 추출 통로의 개방의 적절한 타이밍에 의해 부분 배기 기류의 동압력을 증가시키는 것을 허용한다.
실시예의 변형예
본 발명의 상기 설명에 있어서는, 부분배기기류의 추출장치를 포함하는 토출 밸브가 배기 재순환 및 터보-과급 2행정 디젤엔진 내에 있는 것이 도시되어 있다. 이 구성에서는, 본 발명에 의한 부분배기기류의 추출장치의 적용이 특히 효과적이다. 그러나, 상기 부분배기기류의 추출장치는 도 7 내지 도 10을 참조하여 이하에 설명된 다른 설계에도 효과적으로 적용될 수 있다.
도 7은 2행정 디젤엔진 형태의 내연기관을 도시하고 있다. 내연기관의 설계는 도 1의 것과 비교해서 변화되지 않았다. 내연기관은 특히 피스톤(5), 공기 흡입 슬릿(4), 실린더(2) 및 해당 실린더(2) 내에 배치된 연소실(3)을 포함한다. 또한, 전술한 실시예에 대응해서 설계된 토출 밸브(1)가 설치되어 있다. 내연기관은 마찬가지로, 압축기(22) 및 터보과급기 샤프트(23)로 이루어진 동시에, 또한 도 1의 시스템과는 대조적으로 저압 터빈(21a) 및 고압 터빈(21b)을 지닌 터보과급기(20)를 포함한다.
부분배기기류의 추출장치의 본 적용예에 의하면, 관 요소는 여전히 배기 추출 통로(106), (206), (306)에 접속되어 있지만, 부분 배기 기류는 배기 재순환을 위해 추가적으로 이용되거나, 또는 터보과급기(20)의 고압 터빈(21b)을 구동하는 데 전용으로 이용된다. 이 목적을 위하여, 도 1에 도시된 배기 가스 냉각기(11)는 제외되는 것이 타당하다. 대안예로서, 상이한 입구 압력이 제공되는 복류(double-flow) 혹은 다류(multi-flow)식 터빈을 설계하는 것이 가능하다. 출구측 통로(7) 를 통과하는 주된 배기 기류는 터빈(21)의 저압부분으로 도입될 수 있고, 상기 부분배기기류의 추출장치에 의해 추출되어 상기 주된 배기 기류에 비해서 증가된 압력을 지니는 부분 배기 기류는 터빈(21)의 고압부분으로 공급될 수 있다. 이 시스템은 터빈의 효율, 따라서 전체 시스템의 효율을 향상시키도록 의도되어 있다.
도 8은 본 발명에 의한 부분배기기류의 추출장치의 다른 적용예를 나타내고 있다. 터보 제너레이터(turbo generator)(50)는 전기 에너지를 발전시키기 위하여 부분 배기 기류를 이용하도록 적합화된 보조 수단으로서 제공된다. 도 8에 도시된 내연기관은 도 1에 도시된 내연기관에 대응한다. 특히, 주된 배기 기류는 출구측 통로(7)를 통해 배출되고, 부분 배기 기류는 도 1에 도시된 배기 냉각기(11)를 통과하는 일없이 관 요소(13), (14)를 통해 터빈(51)에 공급된다. 상기 부분 배기 기류는 터빈(51)에서 해방되어 통로(54)를 통해 배출된다. 본 실시예에 있어서, 발전기(52)는 샤프트(53)를 통해서 터빈(51)에 접속되어 있다. 터빈(51)으로 안내된 부분 배기 기류는 각각의 전력이 발전기(52)에서 나올 수 있도록 도시되지 않은 제어 수단에 의해 제어될 수 있다.
대안적으로는, 터빈(51)의 기계력에 의해 작동되도록 적합화된 어떠한 수단이라도 발전기(52) 대신에 제공될 수 있다.
본 발명에 의한 부분배기기류의 추출장치의 또 다른 적용예가 도 9에 도시되어 있다. 부분배기기류의 추출장치의 상기 대안적인 적용예의 설계는 선행하는 적용예의 것과 유사하다. 그러나, 선행하는 적용예에 있어서는 보조 수단이 터빈(51)에 의해 구동되었으나, 이 대안적인 적용예에서는 내연기관의 작동을 원조하 기 위하여 터빈(51)에 의해 발전된 전력이 이용된다. 특히 터빈(51)의 출력 샤프트(53)는 기어 시스템(55)을 통해서 내연기관의 크랭크축에 연결되고, 따라서, 크랭크축에 동력을 전달가능하게 된다. 이 적용예는 또한 크랭크축에 상기 동력을 전달하거나 도 8에 도시된 터보 제너레이터에 공급하는 옵션을 제공한다. 이 목적을 위하여, 이 크랭크축에의 동력 전달과 발전기(52)에의 동력 전달을 변경할 수 있는 전환 수단이 필요하게 된다.
본 발명에 의한 부분배기기류의 추출장치의 다른 적용예가 도 10에 도시되어 있다. 부분배기기류의 추출장치의 이 대안적인 적용예에 있어서, 배기 추출 통로로부터 추출된 것은 가스-압력 조작식 작동기(60)를 작동시키는 데 이용될 수 있다. 이러한 작동기(60)는, 예를 들어, 터보과급기의 조절 기구나 밸브를 작동시키기 위한 작동기일 수 있다. 상기 작동기(60)에는, 예를 들어 내연기관의 중앙제어에 의해 제어되는 도시하지 않은 피스톤을 작동시키기 위한 제어 밸브가 설치될 수 있다. 한편으로는 압력이 일정하게 이용가능하고, 다른 한편으로는 압력 맥동이 저감되도록 작동기(60)의 상류에 압력 저장기(pressure reservoir)(70)를 삽입할 수 있다. 이 대안적인 적용예는, 예를 들어, 특정 작동기를 작동시키기 위하여 이전에 필요로 하던 진공 혹은 가압된 공기의 발생량이 과잉으로 되는 효과로까지 내연기관 시스템을 향상시키는 것을 상정하고 있다. 대체로, 내연기관 시스템의 총 효율은 향상된다.
이상, 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참조해서 설명하였다. 제1실시예에서는 밸브 스템의 회전에 의해 비틀린 환형 간극 슬리브(109), (110)를 지닌 재순환 밸브(1)가 도시되어 있지만, 이 시스템은 도 5에 예시된 작동 기구에 의해 보충될 수 있다. 특히, 제1실시예의 토출 밸브(1)의 밸브 스템(102)의 회전의 운동학적 결합은 도 5에 있어서의 배기 추출 밸브(230)에 적용함에 따라 제공될 수 있다. 또한, 전술한 모든 실시예에서는, 도 5에 이미 도시된 바와 같이 운동학적 방식으로 캠샤프트에 결합되거나 혹은 별도의 작동 기구에 의해 작동되는 스로틀 밸브가 출구측 통로(7)에 설치될 수 있다.
본 발명은 2행정 디젤엔진과의 사용이 설명된 토출 밸브(1)에 설치된 장치에 관한 것이다. 그러나, 본 발명의 토출 밸브(1)는 토출 밸브를 포함하는 내연기관이면 어떠한 것이라도 적용가능하다. 예를 들어, 상기 토출 밸브는 4행정 연소기관에 이용될 수 있다. 4행정 연소 기관에서 토출 밸브(1)를 이용하는 장점은 입구측 공기를 가압하기 위한 압축기 혹은 터보과급기(20)를 이용할 경우 특히 현저한다.
토출 밸브(1)는 디젤 연료에 의해 구동되지 않고 가스, 가솔린 혹은 기타 연료에 의해 구동되는 2행정 연소 기관에도 더욱 적용될 수 있다.
토출실(105), (205), (305) 내 혹은 배기 추출 통로(106), (206), (306) 내의 적절한 위치에, 부분 배기 기류의 압력이 최적값으로 유지될 수 있도록 각각의 밸브(130), (230), (330)를 제어하기 위한 압력 센서가 설치될 수도 있다. 이 목적을 위하여, 센서에 의해 측정된 압력에 의거해서 작동되는 적어도 밸브(130), (230), (330)의 가변 제어가 유리하다.
상기 실시예에서는, 토출 밸브(1)가 내연기관의 실린더 헤드에 부착되어 도 시되어 있다. 연소실(3)에 대해서는, 하나의 단일 토출 밸브(1)가 내연기관에 도시되어 있다. 그러나, 각 연소실에는 전술한 각 실시예의 설계를 지닌 복수개의 토출 밸브가 설치될 수도 있다. 게다가, 연소실에 설치된 복수개의 토출 밸브 중 오직 1개에만 상기 실시예들에 의한 설계를 부여하는 것도 가능하다. 이어서, 추가의 토출 밸브는 배기 추출 수단이 없는 종래의 구성을 지닐 수도 있다.
상기 실시예에서는 특히 도 5에 있어서 캠샤프트(208e)를 개재한 토출 밸브(1)의 작동이 표시되어 있지만, 토출 밸브(1)는 어떠한 방식으로도 작동될 수 있다. 특히 전자기식, 수압식, 유압식 혹은 기타 유형의 작동방식이 가능하다.
상기 실시예들에 있어서는 입구 부분이 토출 밸브의 밸브 스템 둘레의 공축 배열로 도시되어 있지만, 입구 부분은 밸브 스템에 나란히 배열될 수도 있다. 본문에서의 중대한 것은 개방 토출 밸브의 하류의 실제의 흐름 조건이다. 예를 들어, 밸브 샤프트로부터 반경 거리에서의 배기 가스의 유량이 피크치 혹은 높은 평균화된 값을 보이도록 밸브 스템에 대해서 강하게 구부러진 통로가 배열되는 것도 상정할 수 있다. 본 발명에서 중요한 것은 토출 밸브의 기타 요소에 대해서 상기 배열에 관계없이 특히 높은 유량을 보이는 영역에 있는 상기 입구 부분의 구성이다.
도 1은 본 발명에 의한 부분배기기류의 추출장치가 적용될 수 있는 내연기관용의 배기 재순환 시스템을 도시한 도면;
도 2는 도 1의 배기 재순환 시스템에 적용가능한 제1실시예에 의한 직접 결합된 환형 슬라이드 밸브를 포함하는 약간 개방된 위치에 있는 토출 밸브를 설명하기 위한 도면;
도 3은 도 1의 배기 재순환 시스템에 적용가능한 제1실시예에 의한 직접 결합된 환형 슬라이드 밸브를 포함하는 완전 개방된 위치에 있는 토출 밸브를 설명하기 위한 도면;
도 4는 상기 제1실시예에서 이용되는 환형 슬라이드 밸브의 전개도;
도 5는 도 1의 배기 가스 재순환 시스템에 적용가능한 본 발명의 제2실시예에 의한 배기 가스 재순환용의 제어된 추출 밸브 및 출구측 통로에서 스로틀 수단에 대한 토출 밸브 드라이브의 결합을 포함하는 토출 밸브를 나타낸 도면;
도 6은 도 1의 배기 가스 재순환 시스템에 적용가능한 본 발명의 제3실시예에 의한 출구측 통로에서의 상기 추출용 밸브의 공축 구성을 지닌 토출 밸브를 나타낸 도면;
도 7은 본 발명에 의한 장치가 저압 터빈을 작동시키는 데 이용될 경우의, 도 1의 것에 관하여 변형된 내연기관 시스템을 나타낸 도면;
도 8은 본 발명에 의한 장치가 보조 수단을 작동시키는 데 이용될 경우의, 도 1의 것에 관하여 변형된 내연기관 시스템을 나타낸 도면;
도 9는 본 발명에 의한 장치가 내연기관의 크랭크축을 구동시키는 데 이용될 경우의, 도 1의 것에 관하여 변형된 내연기관 시스템을 나타낸 도면;
도 10은 본 발명에 의한 장치가 압력-조작식 작동기를 구동시키는 데 이용될 경우의, 도 1의 것에 관하여 변형된 내연기관 시스템을 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 토출 밸브 12, 13, 14, 16: 부분 배기관 요소
20: 터보과급기 21, 51: 터빈
21a: 저압 터빈 21b: 고압 터빈
50: 터보 제너레이터 55: 기어 시스템
101, 201, 301: 벨브 헤드 102, 202, 302: 벨브 스템
103: 베어링 부시 104, 204, 304: 밸브 시트
105, 205, 305: 출구측 챔버(토출실) 106, 206, 306: 배기 추출 통로
109: 외측 환형 간극 슬리브 110: 내측 환형 간극 슬리브
120, 220, 320: 환형 간극 130: 회전식 슬라이드 밸브
208: 캠 기구 208e: 캠샤프트
215: 스로틀 밸브 230: 포펫 밸브
308: 밸브 부재 309: 밸브 시트
330: 배기 재순환 밸브

Claims (33)

  1. 내연기관의 배기관(105; 205; 305) 내로 개구되어 있는 부분 배기관(106; 206; 306)을 포함하는, 내연기관의 배기관(105; 205; 305)으로부터 부분 배기 기류를 추출하는 장치에 있어서, 상기 부분 배기관의 입구 부분(120; 220; 320)은, 상기 부분 배기 기류가 해당 부분 배기관(106; 206; 306)의 입구 부분(120; 220; 320)에 유입가능한 동시에 해당 배기 기류의 동압력(dynamic pressure)을 이용하도록 상기 배기 기류에 실질적으로 대향해서 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입구 부분(120; 220; 320)은 배기관(105; 205; 305)의 단면 부분(sectional portion)에 배치되어, 적어도 내연 기관의 소정의 작동 영역에서, 상기 단면 부분에 의해 평균화된 배기 기류의 유량이 총 단면에 의해 평균화된 전체 기류의 유량보다 높게 되는 것을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 부분 배기관의 입구 부분(120; 220; 320)은 흐름 제어 부재(101, 104; 201, 204; 301, 304)의 직접 하류의 흐름 방향에 배열되어 있는 것을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 입구 부분(120; 220; 320)은 상기 배기관(105; 205; 305)의 일부에 배열되어, 상기 배기관(105; 205; 305)의 총 단면과 관련하여, 적어도 상기 내연기관의 소정의 작동 영역 내에서 상기 흐름 제어 부재(101, 104; 201, 204; 301, 304)의 개방 주기 과정에서 유량의 피크치가 나타나는 것을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부분 배기 기류를 추출할 경우, 상기 부분 배기관(106; 206; 306) 내의 압력은, 상기 부분 배기 기류의 추출을 행하지 않은 배기관(105; 205; 305) 내의 압력보다 적어도 상기 내연기관의 소정의 작동 영역 내에서 높게 되는 것을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흐름 제어 부재(101, 104; 201, 204; 301, 304)는 내연기관의 토출 밸브(discharge valve)(1)인 것을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치.
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흐름 제어 부재(101, 104; 201, 204; 301, 304)는 밸브 헤드(101; 201; 301) 및 밸브 스템(valve stem)(102; 202; 302)을 포함하는 포펫 밸브(poppet valve)이며, 상기 밸브 스템(101; 201; 301)은 상기 부분 배기관(106; 206; 306)의 입구 부분(120; 220; 320)에 의해 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부분 배기관(106; 206; 306) 및/또는 상기 부분 배기관(106; 206; 306)의 입구 부분(120; 220; 320)은 상기 배기관(105; 205; 305)에 대해서 공축으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부분 배기관(106; 206; 306)의 내부 윤곽은 상기 입구 부분(120; 220; 320) 내에 확산기(diffuser)를 형성하는 것을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부분 배기관(106; 206; 306)은 상기 입구 부분(120; 220; 320) 내에 있는 피토관(Pitot tube)인 것을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부분 배기관(106; 206; 306)에는 해당 부분 배기관(106; 206; 306) 내의 흐름을 제어하기 위한 흐름 제어수단(130; 230; 330)이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 부분 배기관(106; 206; 306) 내의 흐름은 상기 배기 관(105; 205; 305)의 흐름 특성(flow characteristics) 및/또는 상기 내연기관의 작동 조건에 응해서 흐름 제어수단(130; 203; 330)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 흐름 제어수단(130; 230; 330)은, 상기 부분 배기관(106; 206; 306)과 배기관(105; 205; 305) 사이의 흐름을 허용하거나 억제하도록 작동되는, 부분 배기관(106; 206; 306) 내에 설치된 밸브인 것을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흐름 제어수단(230)은 캠 기구(208)에 의해 작동되도록 되어 있는 포펫 밸브인 것을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치.
  15. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흐름 제어수단(130)은 상기 토출 밸브(1)의 밸브 스템(102)에 배치된 회전식 슬라이드 밸브(rotary slide valve)인 것을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 회전식 슬라이드 밸브(130)는 대응하는 오리피스(orifice)를 지니는, 고정식 환형 소자(109) 및 해당 고정식 환형 소자에 공축으로 배치된 회전식 환형 소자(110)를 포함하며, 상기 오리피스를 통한 흐름은 상기 고정식 환형 소자(109)에 대해서 상대적으로 회전식 환형 소자(110)를 비트는(twisting) 것에 의해서 허용되거나 억제되는 것을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 고정식 환형 소자(109)는 상기 부분 배기관의 입구 부분(120)에 부착되고, 상기 회전식 환형 소자(110)는 상기 밸브 스템(102)에 부착되어, 해당 회전식 환형 소자(110)가 상기 고정식 환형 소자(109)에 대해서 상대적으로 상기 밸브 스템(102)을 비트는 것에 의해서 회전될 수 있도록 되어 있는 것을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치.
  18. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흐름 제어수단(330)은 상기 부분 배기관(306)의 입구 부분(320)에 설치된 밸브 시트(309)와 상기 흐름 제어 부재(301, 304)의 밸브 스템(302)에 대해서 공축으로 가동가능한 밸브 본체(308)로 구성되고, 상기 밸브 본체(308)는 상기 부분 배기관(306)의 입구 부분(320)을 개폐시키기 위하여 상기 밸브 시트(309)와 접촉하여 해당 밸브 시트에서 상승되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 밸브 본체(308)는 상기 부분 배기관(306)의 입구 부분(320)의 하류의 부분 배기 기류의 흐름 방향에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치.
  20. 제11항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흐름 제어수단(130; 230; 330)은 상기 내연기관의 토출 밸브 드라이브(208e)에 의해 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치.
  21. 제11항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흐름 제어수단(130; 230; 330)은 상기 토출 밸브(1)의 작동과 동기해서 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배기관(7) 내의 역압(counter-pressure)을 조절하기 위하여 해당 배기관(7) 내에 스로틀 밸브 작동기(throttle valve actuator)에 의해 조절가능한 스로틀 밸브(215)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 스로틀 밸브 작동기는 캠 기구인 것을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치.
  24. 제22항 또는 제23항에 있어서, 상기 스로틀 밸브 작동기와, 상기 흐름 제어수단(130; 230; 330)을 위해 설치된 작동기는 운동학적 방식(kinematic way)으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치.
  25. 제11항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흐름 제어수단(130; 230; 330)은, 특히 상기 내연기관의 속도가 최소값 이하로 떨어질 때, 해당 내연기관의 소정의 작동 상태에서 폐쇄된 채로 유지되는 것을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치.
  26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부분 배기관(106; 206; 306; 12, 13, 14, 16) 내에는 해당 부분 배기관의 입구 부분(120; 220; 320)에 대해서 역류를 방지하기 위한 역류 방지 밸브(check valve)(15)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 부분배기기류의 추출장치.
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 의한 부분배기기류의 추출장치를 포함하는 내연기관으로서, 부분 배기관(106; 206; 306; 12, 13, 14, 16)은 해당 내연기관의 적어도 하나의 연소실(3)과 직접 혹은 간접적으로 연통된 배기 재순환관을 구성하는 것인 내연기관.
  28. 제27항에 있어서, 상기 내연기관은 특히 터보과급기(turbocharger)(20)에 의한 과급(supercharging) 및/또는 공기 정화 송풍기를 포함하는 2행정 디젤엔진인 것인 내연기관.
  29. 제27항에 있어서, 상기 내연기관은 특히 터보과급기(20)에 의한 과급을 포함하는 4행정 엔진인 것인 내연기관.
  30. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부분 배기관(106; 206; 306; 12, 13, 14, 16)은 터보과급기(20)의 터빈(21; 21a) 및/또는 보조 수단(50; 55)의 터빈(51)에 접속되어, 상기 터보과급기(20) 및/또는 보조 수단(50; 55)이 상기 부분 배기 기류에 의해 적어도 부분적으로 구동되도록 되어 있는 것인 내연기관.
  31. 제30항에 있어서, 상기 보조 수단(55)은 상기 내연기관에 터빈(51)에 의해 발전된 동력(power)을 임의선택적으로 공급할 수 있는 것인 내연기관.
  32. 제31항에 있어서, 상기 터빈(51)은 기어 시스템을 통해서 상기 내연기관의 크랭크축에 동력을 공급할 수 있는 것인 내연기관.
  33. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 의한 부분배기기류의 추출장치를 포함하는 내연기관으로서, 상기 부분배기기류의 추출장치에 의해 작동될 수 있는 압력-조작식 작동기(pressure-operated actuator)(60)를 추가로 포함하는 내연기관.
KR1020090067327A 2008-08-06 2009-07-23 부분배기기류의 추출장치 및 상기 장치를 포함하는 내연기관 KR101586499B1 (ko)

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EP08161916A EP2151569B1 (de) 2008-08-06 2008-08-06 Vorrichtung zur Entnahme eines Abgasteilstroms und Brennkraftmaschine mit dieser Vorrichtung
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