KR20110134538A

KR20110134538A - Ｅｇｒ 밸브

Info

Publication number: KR20110134538A
Application number: KR1020100054133A
Authority: KR
Inventors: 정재윤
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2010-06-09
Filing date: 2010-06-09
Publication date: 2011-12-15

Abstract

본 발명은 EGR 밸브 하우징 내에 발생한 녹이 회전 중심축과 부쉬 사이에 형성되는 틈새를 통해 유입되는 것을 차단하여 플랩 밸브의 회동 작동 방해를 방지하는 구조의 EGR 밸브를 제공하는 데 있으며, 본 발명의 또 하나의 목적은 EGR 밸브 하우징 내에 발생한 녹 등에 의해 플랩 밸브가 닫힌 상태로 고착되더라도 배기 가스의 공급이 가능하여 엔진의 시동 꺼짐을 방지할 수 있는 구조의 EGR 밸브를 제공하는 데 있다. 이를 위해 발명의 EGR 밸브는 밸브 하우징과; EGR 가스의 공급량을 제어하기 위해 상기 밸브 하우징을 개폐하도록 회전 작동되어지는 원판 형상의 플랩 밸브와; 상기 플랩 밸브를 회전 작동시키기 위한 회전 중심축과; 상기 회전 중심축을 밸브 하우징에 대해 회전 가능하게 지지하도록 상기 밸브 하우징의 벽면에 삽입 장착하되 소직경부와 대직경부의 2단 구조로 구성되며, 상기 소직경부가 상기 밸브 하우징의 EGR 가스가 흐르는 통로 측으로 돌출하는 2단 부쉬와; 상기 2단 부쉬의 계단을 이루는 경계부위인 단턱면부를 지지하기 위하여 상기 밸브 하우징의 내벽면으로부터 일체로 연장되는 부쉬 지지 스톱퍼;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

ＥＧＲ 밸브{ＥＧＲ valve}

본 발명은 엔진의 배기가스의 일부를 흡기계에 환류하는 엔진의 배기가스 환류장치에 관한 것으로, 특히 엔진의 배기가스 환류장치에 EGR 가스의 공급을 제어하는 EGR 밸브에 관한 것이다.

일반적으로 디젤엔진은 연료의 경제성 및 효율이 가솔린엔진에 비하여 우수하기 때문에 버스, 트럭 등 상용차량과 산업계 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있으며, 가까운 미래에 대체연료 자동차 및 전기 자동차가 상용 디젤엔진 차량을 대체할 만한 동력 성능을 가지기 어렵기 때문에 디젤엔진에 대한 수요는 줄어들지 않을 것으로 기대되고 있다.

현재, 상용 디젤엔진에는 고압분사시스템 채택 및 다단계 분사법이 적용되어 종래의 기계식 연료분사 시스템에 대하여 매연 및 질소산화물의 배출 농도를 많이 줄이고 있다.

일반적으로 엔진에서 배출되는 배기 가스 중에는 CO, HC, 및 NOx(질소화합물)등과 같은 유해 성분이 다량 포함되어 있는 데, 이중 질소산화물은 산성비, 지구온난화, 인간의 호흡 곤란의 원인 제공 물질로서 그 양의 저감이 강력히 요구되고 있는바, NOx는 연소 온도가 높아지면 NOx의 양도 증가하는 특성을 갖고 있어, 이 NOx양을 줄이기 위해서는 엔진의 연소 온도를 저감시키는 다양한 방법이 실시되고 있다.

이와 같이, 오염물질인 NOx의 양을 줄이기 위해서는 통상 배기 가스 재순환(EGR, Exhaust Gas Recirculation) 시스템을 이용하는 방법이 널리 사용되고 있는 데, 이와 같은 EGR 시스템은 연소 후 배출되는 배기 가스의 일부를 흡입 혼합기에 포함시켜 연소실로 유입시킴으로써, 혼합기의 자체 공연 비는 변화시키지 않으면서 혼합기의 밀도를 저하시켜 연소 온도를 저하시키는 특성을 갖게 된다(이 EGR 장치는 주로 경부하 영역에서 배기가스 중의 유해성분인 NOx 저감책으로서 활용되고 있는바,대표적 기술로 일본국 특개소 59-160052호 공보를 참조할 수 있다).

즉, 상기 EGR은 엔진의 운전 상태에 따라 NOx의 양을 저감시킬 필요가 있을 때, 배기 가스의 일부를 EGR 밸브를 통하여 흡기 매니 폴드에 제공하여 혼합기와 함께 연소 실로 유입시키면, 체적이 변하지 않는 불활성 가스인 배기 가스가 상대적으로 혼합기의 밀도를 저하시켜 화염 전파 속도를 저하시켜 주고, 이는 연소 속도 저하와 더불어 연소 온도 상승을 방지해 NOx의 발생을 억제하게 되는 것이다.

이와 더불어, EGR에는 배기 가스의 온도를 더 저하(약 600℃에서 약 140℃ 정도로 저하 됨)하도록, 배기 가스가 지나는 경로를 감싸 냉각수(Coolant)가 순환하는 EGR 쿨러(Cooler)를 설치해 주게 된다.

하지만, 이와 같이 상용차의 경우 배기 규제에 대응하기 위해 설치되는 EGR는 작동 중 특히, 배기 가스 재순환을 위해 지속적으로 개폐되는 플랩(Flap) 타입(또는 나비형 밸브라고도 한다)의 EGR 밸브는 흡입 공기 내 오염(Mist나 Shoot등)으로 인한 퇴적으로 인해 작동에 문제를 발생시킬 수 있게 된다.

이로 인해 플랩(Flap) 타입 EGR 밸브는 필수적으로 시동 정지(Key-Off) 시, EGR 밸브의 축(Shaft)를 4~5회 흔들어(Chattering)줌으로써 플랩 밸브 주위로 퇴적된 이 물질을 제거하게 되지만, 이러한 클리닝(Cleaning) 방법은 엔진이 오프(Off)될 때만으로 국한될 수밖에 없고 이는 EGR 밸브의 퇴적물 제거 효능이 그리 크지 않다는 취약함이 있게 된다.

이처럼 관련 분야에 따른 배기 가스 재순환 장치는 잘 알려져 있는 데, 이러한 EGR 장치에서는, 엔진의 흡기 통로와 배기 통로가 EGR 통로에 의해 접속되어 있고, 이 EGR 통로의 도중에 배기가스(EGR 가스)의 환류량을 제어하기 위한 상기한 EGR 밸브가 설치되어 있다. 그리고, 엔진의 운전 상태에 따른 원하는 EGR율이 되도록 EGR 밸브의 리프트량이 제어되어 배기 가스의 환류량이 제어된다.

이로써 엔진의 배기 파이프를 통해 유동하는 배기 가스의 일부로서의 배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation:EGR) 가스(즉, EGR 가스)는 흡기 파이프를 통해 유동하는 흡기와 혼합되고 이로써 최대 연소 온도는 감소된다. 따라서, 고온에서 발생량이 증가하는 배기 가스에 포함된 유해 물질(예를 들어, 산화 질소)이 감소된다. 그러나, 배기 가스가 흡기 측에 재순환되면, 엔진 출력이 감소되고 엔진의 구동 성능도 감소된다. 따라서, 흡기 파이프로 재순환되는 재순환 배기 가스량(즉, EGR량)이 제어될 필요가 있다.

앞서도 설명한 바와 같이 관련 분야에 있어서, EGR 장치는 배기 가스 재순환 통로의 개구 면적을 조절하기 위한 재순환 배기 가스량 제어 밸브(EGR 밸브)를 포함하며, 상기 통로는 배기 가스 재순환 장치의 배기 가스 재순환 파이프 내에 형성된다. 여기서, 재순환 배기 가스량 제어 밸브의 밸브 본체로서 나비형 밸브(플랩 밸브)를 사용하는 배기 가스 재순환 장치가 예를 들어, 일본 특허 공개 평11-502582호에 개시되어 있다. 이 경우, 나비형 밸브는 밸브 샤프트를 통해 토크 모터(torque motor)에 의해 회전 방향으로 작동된다. 또한, 배기가스량 제어 밸브의 밸브 본체로서 나비형 밸브를 사용하는 전기 제어형 스로틀 제어 장치가 미국 특허 제5,146,887호에 개시되어 있다. 이 경우, 나비형 밸브는 엔진의 실린더에 연결된 흡기 파이프 내에 배치된 입구 통로의 개구 면적을 조절한다. 따라서, 나비형 밸브는 엔진이 정지된 경우 밸브가 미리 정해진 각도로 회전된 위치에서 정지되므로, 밸브 본체는 침전물에 의해 보어에 점착되는 것이 방지된다.

도1에 도시하는 것처럼 상술된 종래 기술들에서 EGR 밸브(10)로서 많이 사용되는 나비형 밸브(11, 또는 플랩 밸브라고도 한다)는 밸브 샤프트의 중심으로서 회전 중심축(12)을 중심으로 회전하도록 회전 중심축(12) 상에 고정나사(13)를 통해 장착되어 있다. 재순환 배기 가스량 제어 밸브로서의 나비형 밸브(11)는 배기 가스 재순환 통로 내에 수용되고, 상기 통로에서 배기 가스 재순환 가스(즉, EGR 가스)가 유동된다. EGR 가스는 연소 잔여물 또는 탄소와 같은 미세 입자를 포함한다. 따라서, 엔진이 정지된 경우, 나비형 밸브(11)가 밸브 완전 폐쇄 위치에 정지되면, 배기 가스 재순환 가스(즉, EGR 가스) 내의 미세 입자는 나비형 밸브(11)에 점착되어, 미세 입자의 침전이 발생된다. 미세 입자의 침전물이 통로의 내경 표면(14)과 나비형 밸브(11)의 외경 주연부(15) 사이를 가교하도록 침전되면, 나비형 밸브(11)는 토크 모터(16)와 같은 액추에이터(17)에 의해 원활하게 회동 작동되지 않는다.

상기의 경우, 나비형 밸브(11)는 예를 들어 엔진이 개시되는 경우 토크 모터(16)와 같은 액추에이터(17)에 전류 공급됨으로써 작동되더라도, 나비형 밸브(11)는 밸브 완전 폐쇄 위치로 복귀될 수 없다. 이로써, 나비형 밸브(11)는 엔진이 개시된 후 토크 모터(16)와 같은 액추에이터(17)에 의해 원활하게 작동되지 않는다. 따라서, 재순환 배기 가스량(즉, EGR량)이 엔진의 구동 조건에 대응하여 조절될 수 없는 문제점이 있을 수 있다.

또한, 재순환 배기 가스량 제어 밸브의 본체로서 나비형 밸브를 사용한 다른 배기 가스 재순환 장치가 일본 특허 공개 제2003-314377호에 개시되어 있다. 상기 장치에서, 나비형 밸브는 나비형 밸브가 밸브 완전 폐쇄 위치에 위치될 때, 노즐의 내경 표면과 나비형 밸브의 외경 표면 사이의 간극을 밀봉하는 밀봉 링을 갖지 않는다. 따라서, 나비형 밸브가 배기 가스 재순환 통로에 점착되지 않는다. 그러나 재순환 배기 가스량은 나비형 밸브가 밀봉되지 않으므로, 엔진의 구동 조건에 대응하여 정확하게 조절될 수 없다.

한편, 상기 도1에 도시된 회전 중심축(12)은 EGR 밸브 하우징(18)을 관통하여 회전 가능하게 지지됨에 있어서 EGR 밸브 하우징(18)과 회전 중심축(12) 사이에 부쉬(19)를 개재하여 설치하고 있는 데, 상기 회전 중심축(12)과 부쉬(19) 사이에는 회전 중심축(12)의 원활한 회전을 확보하기 위하여 약간의 간격이 확보되도록 설계하고 있다.

그런데 회전 중심축(12)의 원활한 회전을 확보하기 위하여 형성한 간격의 존재로 인해 다음과 같은 부작용을 유발하고 있다.

터보차저 시스템과 EGR 장치는 각기 흡기와 배기가스를 냉각하기 위한 인터쿨러와 EGR 쿨러를 구비하고 있어 고온의 배기가스가 열교환에 의해 냉각될 때 수분의 응축 현상이 발생하여 각종 부품들이 부식을 일으키는 문제가 있다.

특히 EGR 쿨러의 입구에 설치되는 EGR 밸브(10)의 밸브하우징(18)의 경우 주철계 재질을 사용하여 주물 제작되고 있어, 상기에서 발생된 응축수나 배기가스 중의 수분에 의해 녹이 발생하게 되며, 상기 밸브하우징(18) 내에 발생한 녹이 아무런 방해를 받지 않고 내벽면을 타고 그대로 흘러내려 회전 중심축(12)과 부쉬(19) 사이의 좁은 틈새(축의 원활한 회전을 위해 형성한 간격)에 도달하여 그 틈새 사이에 끼게 되면 배압을 제어하기 위한 플랩 밸브(11,나비형 밸브)의 회동 작동을 방해하거나 또는 심한 경우 회전 중심축(12)을 고착시켜 플랩 밸브(11)가 열려지지 않게 방해할 수 있으며, 이 경우 차량의 울컥거림 및 부조 현상, 가속 불량 및 심한 경우 플랩 밸브(11)가 닫힌 상태로 고착 시 배기 가스의 순환 공급을 위한 유동이 완전히 차단되어 시동 꺼짐 등의 심각한 문제를 유발하고 있다.

이에 본 발명은 상기한 점을 감안하여 제안한 것으로서, 그의 목적으로 하는 것은 EGR 밸브 하우징 내에 발생한 녹이 회전 중심축과 부쉬 사이에 형성되는 틈새를 통해 유입되는 것을 차단하여 플랩 밸브의 회동 작동 방해를 방지하는 구조의 EGR 밸브를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 하나의 목적은 EGR 밸브 하우징 내에 발생한 녹에 의해 플랩밸브가 닫힌 상태로 고착되더라도 배기 가스의 최소한의 공급이 가능하여 엔진의 시동 꺼짐을 방지할 수 있는 구조의 EGR 밸브를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 EGR 밸브는 밸브 하우징과; EGR 가스의 공급량을 제어하기 위해 상기 밸브 하우징을 개폐하도록 회전 작동되어지는 원판 형상의 플랩 밸브와; 상기 플랩 밸브를 회전 작동시키기 위한 회전 중심축과; 상기 회전 중심축을 밸브 하우징에 대해 회전 가능하게 지지하도록 상기 밸브 하우징의 벽면에 삽입 장착하되 소직경부와 대직경부의 2단 구조로 구성되며, 상기 소직경부가 상기 밸브 하우징의 EGR 가스가 흐르는 통로 측으로 돌출하는 2단 부쉬와; 상기 2단 부쉬의 계단을 이루는 경계부위인 단턱면부를 지지하기 위하여 상기 밸브 하우징의 내벽면으로부터 일체로 연장되는 부쉬 지지 스톱퍼;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 의하면 상기 플랩 밸브의 몸체 일부가 개방되어 있는 것을 특징으로 한다.

또 바람직하기는 상기 개방부는 플랩 밸브의 원판 외주로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또 상기 개방부는 상기 플랩 밸브의 원판 외주로 2개소에 마련되는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 개방부는 상기 회전 중심축을 따른 상기 플랩 밸브의 원판 외주로 2개소에 마련되는 것을 특징으로 한다.

이 같은 본 발명에 의하면 밸브 하우징 내벽에 발생된 녹이나 수분이 2단 구조의 부쉬에 의해 부쉬의 소직경부와 회전 중심축 사이 및 밸브 하우징 사이로 유입되는 것이 차단되어 플랩 밸브의 원활한 회동 작동이 이물질로 인해 방해받지 않게 되어, 배기가스의 리턴 공급의 부조화에 따른 차량의 울컥거림과 부조 현상 및 가속 불량 현상이 발생하지 않게 되며, 또 플랩 밸브에 개방부를 두어 예기치 않게 플랩 밸브가 고착되어 닫힌 상태에서 열려지지 아니하여도 개방부를 통해 배기가스가 공급되어 배기가스의 유동 차단에 의한 시동 꺼짐 현상이 발생하지 않게 되는 효과가 있다.

도1은 종래 구조의 EGR 밸브를 나타낸 도면이다.
도2는 본 발명의 EGR 밸브를 나타낸 도면이다.
도3은 본 발명에 의한 EGR 밸브의 요부인 A부 확대도이다.
도4는 본 발명의 플랩 밸브의 형상을 나타낸 도면이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명의 EGR 밸브를 상세히 설명한다.

도2에 도시한 본 발명의 EGR 밸브(31)는 배기관로를 통해 배출되는 배기가스의 일부를 흡기계 측에 환류시킬 때 그 공급량을 운전 조건에 적합하게 제어하기 위한 것으로서, 배기가스 재순환 경로의 도중인 터보차저 컴프레서의 전단에 설치되어 진다.

상기한 EGR 밸브(31)는 밸브 하우징(32)을 구비하고 있으며, 그 밸브 하우징(32)을 가로질러 회전 중심축(33)이 회전 가능하게 지지되도록 설치되고, 그 회전 중심축(33)에는 원판형의 플랩 밸브(34)가 나사(35)에 의해 고정 장착되어 있다.

상기 회전 중심축(33)의 일단부에는 모터(36)를 구동원으로 하여 작동하는 액츄에이터(37)가 접속되어 있어 그 액츄에이터(37)의 작동에 의해 상기 회전 중심축(33)이 대략 90°범위에서 회전하여, 상기 플랩 밸브(34)가 상기 밸브 하우징(32)의 통로(38)를 차단하거나 개방하게 된다.

상기 회전 중심축(33)을 지지하는 밸브 하우징(32)의 벽면에는 2단 구조의 원통 형상의 부쉬(39)가 삽입되어 상기 회전 중심축(33)의 원활한 회전을 가능하게 돕게 된다.

상기 2단 부쉬(39)는 각기 외경이 상이한 소직경부(39a)와 대직경부(39b)가 계단을 이루는 단턱면부(39c)를 경계로 일체로 형성된 구조로서, 그의 소직경부(39a)가 상기 밸브 하우징(32)의 EGR 가스가 흐르는 통로(38) 측으로 돌출하고 있으며, 상기 밸브 하우징(32)으로부터 회전 중심축(33)을 향해 돌출하도록 연장되어 도시하는 것과 같이 부쉬 지지 스톱퍼(41)가 상기 단턱면부(39c)를 지지하게 됨으로써 상기 소직경부(39a)의 선단은 상기 부쉬 지지 스톱퍼(41)의 내측단부를 지나 상기 통로(38) 측에 돌출하고 있어, 이로써 상기 회전 중심축(33)과 부쉬(39)를 수용하여 지지하는 밸브 하우징(32) 벽면의 단면 형상은 접촉지지면이 두 갈래로 갈라진 y 자 형상을 이루고 있다.

그리고 상기 플랩 밸브(34)는 도4에 도시하는 것처럼 몸체 일부를 절개하여 형성한 개방부(42)를 구비하고 있으며, 이 개방부(42)는 밸브 몸체의 도중에 형성하여도 되나 도시한 것처럼 밸브의 외주로 내벽면(40)에 접하여 형성하는 바람직하며, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 회전 중심축(33)을 따라 양측에 2개를 형성하고 있으며, 상기 소직경부(39a)는 이 개방부(42)에 수용되는 형태로 돌출한다.

상기 밸브 하우징(32)을 주철로 주물 제작되며, 상기 회전 중심축(33)과 플랩 밸브(34)는 높은 열 안정성을 갖는 스테인레스 강과 같은 열 저항성 재료로 구성하는 것이 바람직하다.

여기서 미설명 부호 43은 플랩 밸브(34)를 원위치로 복귀시키는 탄성력을 가하는 리턴스프링이며, 부호 44는 나사(35) 체결을 위한 구멍이다. 그리고 EGR 밸브의 일반적 구조에 대해서는 종래 기술에서 자세히 상술하였으므로, 발명의 요지와 관련 없는 기타 구성들은 종래 기술을 참조하는 것으로 한다.

이 같은 본 발명의 EGR 밸브(31)는 하우징 내벽면(40)에 수분으로 인해 녹이 발생하더라도 그 녹이 부쉬 지지 스톱퍼(41)의 내측을 따라 흘러 내리다가 돌출한 2단 부쉬(39)의 소직경부(39a)의 외면에 얹히게 되어 회전 중심축(33)에 흘러내리는 것이 도중에 차단되어 지게 되는 것이며, 또 간혹 장치의 작동 이상이나 또는 녹 등의 이물질이 침투하여 회전 중심축(33)이 고착되어 플랩 밸브(34)가 밸브 하우징(32)의 통로(38)를 폐쇄한 채 개방되어지지 아니하게 되는 경우가 발생하더라도 개방부(42)의 존재로 최소한의 EGR 가스의 공급이 가능하여 엔진의 부조나 정지 현상을 방지할 수 있는 것이다.

31:EGR 밸브 32:밸브 하우징
33:회전 중심축 34:플랩 밸브
35:나사 36:모터
37:액츄에이터 38:통로
39:부쉬 39a:부쉬의 소직경부
39b:부쉬의 대직경부 39c:부쉬의 단턱면부
40:내벽면 41:부쉬 지지 스톱퍼 42:개방부

Claims

밸브 하우징과; EGR 가스의 공급량을 제어하기 위해 상기 밸브 하우징을 개폐하도록 회전 작동되어지는 원판 형상의 플랩 밸브와; 상기 플랩 밸브를 회전 작동시키기 위한 회전 중심축과; 상기 회전 중심축을 밸브 하우징에 대해 회전 가능하게 지지하도록 상기 밸브 하우징의 벽면에 삽입 장착하되 소직경부와 대직경부의 2단 구조로 구성되며, 상기 소직경부가 상기 밸브 하우징의 EGR 가스가 흐르는 통로 측으로 돌출하는 2단 부쉬와; 상기 2단 부쉬의 계단을 이루는 경계부위인 단턱면부를 지지하기 위하여 상기 밸브 하우징의 내벽면으로부터 일체로 연장되는 부쉬 지지 스톱퍼;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 EGR 밸브.
제1항에 있어서, 상기 플랩 밸브는 몸체 일부가 개방되어 있는 개방부를 구비하는 것을 특징으로 하는 EGR 밸브.
제2항에 있어서, 상기 개방부는 플랩 밸브의 원판 외주로 형성되는 것을 특징으로 하는 EGR 밸브.
제3항에 있어서, 상기 개방부는 상기 플랩 밸브의 원판 외주로 2개소에 마련되는 것을 특징으로 하는 EGR 밸브.
제4항에 있어서, 상기 개방부는 상기 회전 중심축을 따른 상기 플랩 밸브의 원판 외주로 2개소에 마련되는 것을 특징으로 하는 EGR 밸브.