KR20100116181A - 차량 내연 기관 배기 가스 재순환 루프의 사용 모드 - Google Patents

차량 내연 기관 배기 가스 재순환 루프의 사용 모드 Download PDF

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Abstract

배기 가스 재순환 밸브(1)의 공기 흡입 통로(2) 내의 외부 공기 유량이 최대치일 때, 밸브 내의 EGR 가스 통로(3)가 점진적으로 개방되고, 밸브 내의 EGR 가스 유량이 추가로 증가하기 전에, EGR 가스의 유량이 단조로운 증가 곡선으로 계속하여 증가하도록 외부 공기 흡입 통로(2)가 점진적으로 폐쇄되는 차량용 내연 기관 배기 가스 재순환 루프가 제공된다.

Description

차량 내연 기관 배기 가스 재순환 루프의 사용 모드{MOTOR VEHICLE INTERNAL COMBUSTION ENGINE EGR LOOP}
본 발명은 차량 내연 기관의 배기 가스 재순환(exhaust gas recirculation; EGR) 루프에 관한 것으로서, 첨부된 도 7을 참조하면, 이는 엔진(21)과, 연소 가스 배기 매니폴드(22)와, 터보과급기(turbocharger)(24)와, 터빈(25)과, 냉각기(29)를 구비한 배기 가스 재순환(EGR) 루프(28)와, 터보과급기 압축기(26)의 상류측에 배치되고 출구가 압축기(26)에 연결된 저압 3방향 밸브(30)로서, 외부 공기 및 냉각된 배기 가스를 수용하기 위한 2개의 입구를 구비하며, 수용된 외부 공기 및 배기 가스의 혼합물의 압력은 압축기 내에서 증가되는, 저압 3방향 밸브(30)와, 압축기(26)로부터의 공기 및 배기 가스를 수용하기 위한 엔진 흡기 매니폴드(26)를 포함한다.
배기 가스 재순환 루프의 목적은 옥시던트 혼합물의 연소를 늦추고 에너지의 일부를 흡수함으로써 연소 온도를 떨어뜨려서 이산화질소의 배출을 감소시키는 것이다. 그러므로, 배기 가스 재순환 루프 내의 냉각기가 빠른 속도(높은 부하)로 연소 온도를 떨어뜨려야 한다.
3방향 밸브 및 그에 따른 엔진을 작동시키기 위한 수많은 인식 가능한 모드(mode)가 존재하는데, 여기서의 엔진은 임의의 재순환된 배기 가스 없이 오직 외부 공기만을 수용할 수 있다. 엔진은 배기 가스 중 일부와 혼합된 외부 공기를 수용할 수 있으며, 터보과급기 압축기의 입구측과 출구측의 압력차는 배기 가스를 재순환시키기에 충분하다. 압력차가 배기 가스를 재순환시키며 정확한 배기 가스 재순환 비율을 제공하기에 충분히 높지 않은 경우, 배기 가스 재순환 루프의 하류측의 배기 통로를 스로틀링(throttling)하여 배기 가스의 일부를 엔진 흡기 통로 쪽으로 강제함으로써 배압(back pressure)이 생성될 수 있다.
그러나, 이러한 방법은 복잡성으로 인해 매우 만족스럽지 못하며, 본 발명은 정확한 배기 가스 재순환 유량을 보장하기 위해 배압 생성의 문제점에 대한 다른 방법을 제공한다.
본 발명은 상술한 배기 가스 재순환 루프를 사용하는 구체적인 모드에 관한 것으로서, 배기 가스 재순환 밸브의 외부 공기 흡입 통로 내에서의 외부 공기 유량이 최대로 설정되는 경우, 배기 가스 재순환 밸브 내의 EGR 가스 흡입 통로는 점진적으로 개방되며, 배기 가스 재순환 밸브 내에서의 EGR 가스 유량이 추가로 증가하기 전에, 외부 공기 흡입 통로는 EGR 가스 유량이 단조로운 증가 곡선을 따라 계속하여 증가하도록 점진적으로 폐쇄되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 본 발명은 각각 외부 공기용 통로 및 EGR 가스용 통로를 위한 2개의 플랩을 구비한 3방향 밸브를 사용하여 실시된다. 또한, 외부 공기 흡입 밸브의 폐쇄의 위상 시프트는 휠씬 좁은 각도 영역을 수반하는 단일 플랩 3방향 밸브를 사용하여 성취될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 약 55°까지의 대응 플랩의 회전 후에 밸브의 EGR 가스 흡입 통로 내에서의 EGR 가스 유량이 줄어들기 시작하는 경우, EGR 가스 플랩의 각도 위치에서, 외부 공기 흡입 플랩은 배기 가스 재순환 밸브 내의 외부 공기 흡입 통로를 폐쇄하도록 회전하기 시작한다. 외부 공기 흡입 플랩(5)은 90°까지 회전될 때까지 회전할 수도 있다. 이러한 회전은 공기 흡입 통로(2)의 완전한 차단을 야기할 수도 있다. 선택예로서, 직경이 공기 흡입 통로의 직경보다 작은 플랩을 사용하는 예의 경우에 공기 흡입 통로는 부분적으로 차단된다.
미국 특허 공개 공보 제 2005/0193978 호의 엔진에서, 결정된 밸브에 의해 형성된 과압력(overpressure)은 항상 엔진의 작동에 대응하는 수준에 있으며, 과압력이 본 밸브의 결과로서 변화하면, 그 후에 허용된 공기의 양도 변화된다.
본 발명은 3방향 밸브 및 그에 따른 배기 가스 재순환 루프의 사용 모드와 3방향 밸브 자체에 대한 하기의 설명으로부터 첨부 도면을 참조하여 보다 잘 이해될 것이다.
도 1a, 도 1b, 도 1c 및 도 1d는 본 출원에 의해 청구된 배기 가스 재순환 루프의 3방향 밸브의 특수 용도로서, 4가지의 용도의 모드를 나타내는 도면,
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 대응하는 플랩의 각도 위치(α)의 함수로 나타낸 공기 유량(1a)의 곡선, EGR 배기 가스의 자연 상태의 유량(dgn)의 곡선, 및 EGR 배기 가스의 본 발명에 따라 강제된 유량(dgf)의 곡선을 나타내는 도면,
도 3은 2개의 플랩을 갖는 3방향 밸브의 구동 트레인의 공기 플랩 개방 및 가스 플랩 폐쇄 상태에서의 사시도,
도 4는 가스 플랩이 부분적으로 개방된 위치에 있는 상태의 도 3의 3방향 밸브의 도면,
도 5는 가스 플랩 개방 및 공기 플랩 폐쇄 상태에서의 도 3의 3방향 밸브의 도면,
도 6은 가스 플랩의 개방과 관련하여 공기 플랩의 폐쇄를 시간적으로 위상 시프팅하기 위한 메커니즘의 선택적인 형태에 따른 3방향 밸브의 구동 트레인의 부분 사시도,
도 7은 본 발명에 따라 사용된 배기 가스 재순환 루프의 개략도.
도 1a, 도 1b 및 도 1c의 배기 가스 재순환 밸브(1)는 개략적으로 공기 흡입구(2)와, 재순환된 배기 가스 흡입구(3)와, 공기 및 가스 배기구(4)를 포함한다.
여기에서, 밸브(1)는 2개의 플랩을 구비하는데, 하나의 플랩(5)은 공기 흡입 통로(2) 내에 있고, 다른 하나의 플랩(6)은 가스 흡입 통로(3) 내에 있다.
먼저, 공기 플랩(5)은 공기 흡입 통로(2)를 통한 최대 공기 유량을 허용하는 각도 위치(0°)에 있으며, 가스 흡입구 플랩(6)은 가스 흡입 통로(3)를 차단하는 각도 위치(90°)에 있다.
그 후에, 공기 플랩(5)의 피봇 없이, EGR 배기 가스에 대한 통로(3)를 점진적으로 개방시키기 위해 가스 흡입구 플랩(6)이 피봇하기 시작한다(도 1a 참조). 이것이 도 2a 내지 도 2c의 곡선의 영역(Ⅰ)이다. 다음으로, 공기 플랩(5)은 공기 흡입구(2)가 넓게 개방되는 이전과 동일한 위치에 유지되어 있는 상태에서, 가스 플랩(6)은 가스 통로(5)를 상당히 개방시키도록 피봇한다(도 1b 참조). 이것이 도 2a 내지 도 2c의 곡선의 영역(Ⅱ)이다. 가스 플랩(6)이 특정한 각도 위치, 본 예에서는 35°에 있는 경우, 즉, 가스 플랩(6)이 55°까지 회전된 경우, 가스 통로(3) 내의 가스의 유량은 실제적으로 더 이상 증가하지 않으며, 가스 플랩(6)을 계속하여 피봇하는 동안에 공기 플랩(5)이 시간적 오프셋(temporal offset)을 가지고 공기 흡입 통로(2)를 폐쇄하도록 대응하는 피봇되기 시작함으로써, 엔진으로 하여금 보다 많은 EGR 가스를 흡입하게 한다(도 1c 참조).
이것이 도 2a 내지 도 2c의 곡선의 영역(Ⅲ)의 시작점이며, 배기 가스 유량 곡선이 계속적으로 상승하도록 변곡점을 통과한다.
이 영역(Ⅲ)은, 가스 플랩(6)이 가스 흡입 통로(3)를 넓게 개방시키는 각도 위치(0°)에 도달하고 공기 플랩이 공기 흡입 통로(2)를 완전히 또는 부분적으로 차단하는 각도 위치(90°)에 있을 때까지 계속된다.
상기한 바와 같은 방식으로 3방향 배기 가스 재순환 밸브를 구동하기 위해, 이 3방향 밸브는 이제부터 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명할 구동 트레인을 구비한다.
3방향 밸브(1)의 구동 트레인은 각각 공기 플랩(5) 및 가스 플랩(6)을 회전시키는 2개의 샤프트(51, 61)와 직류 모터(7) 사이에서 연장되는 기어 세트를 포함한다. 2개의 샤프트(51, 61)는 서로 평행하게 연장된다.
직류 모터(7)의 샤프트(14)에는 주변 치형부 세트(10) 및 중앙 치형부 세트(11)를 갖는 중간 기어 휠(9)을 구동하는 구동 피니언(8)이 고정되어 있다.
중간 기어 휠의 주변 치형부 세트(10)는 공기 플랩(5)의 회전을 구동시키는 환형 기어(12)와 맞물린다. 환형 기어(12)는 공기 플랩(5)의 스핀들(51)에 대해 회전하는 것이 자유롭다. 공기 플랩(5)은 공기 플랩(5)의 스핀들(51)과 일체로 회전하는 구동 핀(15)을 거쳐 환형 기어(12)에 의해 회전 구동된다. 이 핀(15)은 휴지시에는 밸브 본체(도시 생략)에 고정된 조절 가능한 엔드 스톱(end stop)(16)에 접해 있다. 환형 기어(12)는, 환형 기어(12)가 핀(15), 즉 공기 플랩(5)을 구동하지 않으면서 한정된 각도 섹터에 걸쳐서 자유롭게 회전할 수 있도록 설계된 환형 절결부(17)를 포함한다. 이 절결부(17)의 에지가 핀(15)을 구동하는 것은 환형 기어(12)가 일 방향 또는 그의 반대 방향으로 상기 각도 섹터를 지나도록 회전될 때이다.
중간 기어 휠(9)의 중앙 치형부 세트(11)는 가스 플랩(6)의 회전을 구동하기 위한 환형 기어(13)와 맞물린다. 이 환형 기어(13)는 가스 플랩(6)의 스핀들(61)과 일체로 회전한다.
그러므로, 공기 플랩(5)은 환형 기어(12)가 핀(15)의 회전을 구동하고 있는 경우에만 회전 구동되는데 반하여, 가스 플랩(6)은 환형 기어(13)의 회전에 의해 직접 회전 구동된다.
고려된 예에서, 반시계방향으로 구동된 모터(7)는 구동 피니언(8)을 통해 시계방향으로의 중간 기어 휠(9)의 회전을 구동한다. 중간 기어 휠(9)은 그 후에 그의 치형부 세트(10, 11)를 통해 2개의 환형 기어(12, 13)를 반시계방향으로 구동하며, 따라서 이들 2개의 환형 기어는 동일한 중간 기어 휠(9)에 의해 그러나 상이한 2개의 치형부 세트(10, 11)를 통해 회전된다. 본 명세서에서 모터(7)의 샤프트(14)와 가스 플랩(6) 사이의 기어비는 15.67이며, 공기 플랩(5)이 구동되고 있는 경우의 샤프트(14)와 공기 플랩(5) 사이의 기어비는 6.67이다.
이제, 공기 플랩(5)의 폐쇄를 위상 시프팅(phase shifting)하기 위한 메커니즘에 대하여 설명할 것이다.
도 3, 도 4 및 도 5는 구동 피니언(8)의 회전에 있어서 다양한 스테이지에서의 환형 기어 및 기어 휠을 도시한다.
도 3 및 도 4에서, 환형 기어(12, 13)가 반시계방향으로 구동되어 가스 플랩(6)이 개방되는 반면에, 공기 플랩(5)은 환형 절결부(17)로 인해 움직이지 않는 상태로 유지된다. 도 4의 위치에서, 환형 절결부(17)의 에지 중 하나가 구동 핀(15)에 접촉하게 된다.
따라서, 환형 기어(12)는 도 5에 도시된 위치의 방향으로 계속 회전하며, 그에 따라 구동 핀(15)[그에 따라 공기 플랩(5)]이 회전된다. 따라서, 공기 플랩(5)은 절결부(17)에 의해 허용되는 시간적 오프셋을 가지고 폐쇄된다.
위상 시프팅 메커니즘의 변형 실시예가 도 6에 도시되어 있다. 이 변형예에서, 공기 플랩(5)의 샤프트(51)에는 2개의 반경 방향 아암(52, 53)을 갖는 크로스부재(50)가 장착되어 있다. 각각의 아암(52, 53)의 단부에는 샤프트(51)와 실질적으로 평행하게 연장되는 구동 핀(54, 55)이 구비되어 있다.
환형 기어(12) 내에는 구동 핀(54, 55)을 원형의 병진 운동으로 구동하기 위한 2개의 원형 슬롯(56, 57)이 형성되어 있다. 구동 핀(54, 55)은 각각 이들 2개의 슬롯(56, 57) 내에서 이동한다.
구동 핀(54, 55)이 슬롯(56, 57)의 단부벽(58) 중 하나와 접하고 있지 않은 한, 샤프트(51) 및 공기 플랩(5)은 회전될 수 없다. 구동 핀(54, 55)이 2개의 슬롯(56, 57)의 각각의 단부벽에 접촉하게 되자마자 환형 기어(12)가 그를 따라 구동 핀을 구동함으로써, 공기 플랩(5)이 회전하게 된다.
3방향 밸브의 정확한 작동을 보장하기 위해, 슬롯에 의해 범위에 정해지는 각도가 180°보다 작을 필요가 있다. 가스 플랩(6)이 회전하는 각도를 αg, 공기 플랩(5)이 회전하는 각도를 αa라고 하면, 방정식(1)을 만족해야만 한다.
(αg-αa)×(αg/αa)＜180 (1)
만약 αg=90°라고 가정하면, 공기 플랩(5)이 회전하는 각도 αa는 방정식(2)을 만족해야만 한다.
αa＞30° (2)
그리고, 기어비(R = αg/αa)는 방정식(3)을 만족해야만 한다.
R＜3 (3)
위에 언급한 예에서, 고려된 변수는 하기와 같았다.
R = 15.67/6.67 = 2.35
원형 슬롯(56, 57)은 공기 플랩(5)의 회전이 시작되기 전에 가스 플랩(6)이 회전하는 각도의 크기를 충분히 고려하여 환형 기어의 치형부 섹터에 대해 환형 기어(12)에 내에 형성된다.
상술한 밸브는 오직 직류 모터(7)에 의해서만 제어되는 밸브의 제어의 특성을 통해 주목받을 만하며, 이에 의해 밸브가 비용 효율적이며 컴팩트하게 된다.
이러한 제어는 당업자에게 공지된 H-브리지를 사용하여 달성할 수 있는데, 이 H-브리지는 직렬의 2쌍의 스위치와 2쌍의 스위치의 중간지점에 연결된 피 제어 구성요소(본 예에서는 모터임)를 구비하고, 2쌍의 스위치는 배터리 전압과 접지 사이에 연결된다.

Claims (6)

  1. 엔진(21)과, 연소 가스 배기 매니폴드(22)와, 터보과급기(24)와, 터빈(25)과, 냉각기(29)를 구비한 배기 가스 재순환(exhaust gas recirculation; EGR) 루프(28)와, 터보과급기 압축기(26)의 상류측에 배치되고 출구가 상기 압축기(26)에 연결된 저압 3방향 밸브(30)로서, 외부 공기 및 냉각된 배기 가스를 혼합물의 형태로 수용하기 위한 2개의 입구를 구비하며, 수용된 외부 공기 및 배기 가스의 혼합물의 압력은 상기 압축기 내에서 증가되는, 상기 저압 3방향 밸브(30)와, 상기 압축기(26)로부터의 공기 및 배기 가스를 수용하기 위한 엔진 흡기 매니폴드(23)를 포함하는 차량 내연 기관 배기 가스 재순환 루프의 사용 모드(mode)에 있어서,
    배기 가스 재순환 밸브(1)의 외부 공기 흡입 통로(2) 내에서의 외부 공기 유량이 최대로 설정되는 경우, 상기 배기 가스 재순환 밸브 내의 EGR 가스 흡입 통로(3)는 점진적으로 개방되며,
    상기 배기 가스 재순환 밸브 내에서의 EGR 가스 유량이 추가로 증가하기 전에, 상기 외부 공기 흡입 통로(2)는 EGR 가스 유량이 단조로운 증가 곡선을 따라 계속하여 증가하도록 점진적으로 폐쇄되는 것을 특징으로 하는
    차량 내연 기관 배기 가스 재순환 루프의 사용 모드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기 가스 재순환 밸브는 각각 상기 외부 공기 흡입 통로(2) 및 상기 EGR 가스 흡입 통로(3)를 위한 2개의 플랩(5, 6)을 구비한 3방향 밸브(1)를 포함하는
    차량 내연 기관 배기 가스 재순환 루프의 사용 모드.
  3. 제 2 항에 있어서,
    약 55°까지의 대응 플랩(6)의 회전 후에 상기 3방향 밸브(1)의 EGR 가스 흡입 통로(3) 내에서의 EGR 가스 유량이 줄어들기 시작하는 경우, EGR 가스 플랩(6)의 각도 위치로부터, 외부 공기 흡입 플랩(5)은 상기 배기 가스 재순환 밸브 내의 외부 공기 흡입 통로(2)를 폐쇄하도록 회전하기 시작하며,
    이는 상기 외부 공기 흡입 플랩(5)이 90°까지 회전하여 상기 외부 공기 흡입 통로(2)가 완전히 차단될 때까지 계속되는
    차량 내연 기관 배기 가스 재순환 루프의 사용 모드.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 외부 공기 흡입 플랩(5)은 90°까지 회전될 때까지 회전하는
    차량 내연 기관 배기 가스 재순환 루프의 사용 모드.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 외부 공기 흡입 플랩(5)은 상기 외부 공기 흡입 통로(2)가 완전히 차단될 때까지 회전하는
    차량 내연 기관 배기 가스 재순환 루프의 사용 모드.
  6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 외부 공기 흡입 플랩(5)은 상기 외부 공기 흡입 통로(2)가 부분적으로 차단될 때까지 회전하는
    차량 내연 기관 배기 가스 재순환 루프의 사용 모드.
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