KR20140012261A - Ｅｇｒ 시스템을 구비한 디젤엔진 - Google Patents

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Abstract

NOx 저감용 EGR 시스템(배기가스 재순환장치)을 구비한 디젤엔진이 개시된다. 본 발명에 따른 EGR 시스템을 구비한 디젤엔진은, 단일의 입구와 여러 개로 분기된 출구를 갖는 흡기매니폴드가 실린더헤드 흡기 측에 설치되고, 상기 흡기매니폴드는 흡기매니폴드 플랜지를 매개로 터보차져로부터 연장되는 도관과 연결되며, 배기가스를 상기 흡기매니폴드 측으로 재유입시키기 위한 리턴 관로를 형성하는 EGR 파이프가 상기 흡기매니폴드 플랜지에 연결된 것을 구성의 요지로 한다.

Description

ＥＧＲ 시스템을 구비한 디젤엔진{Diesel engine with an exhaust gas recirculation system}
본 발명은 디젤을 연료로 사용하는 디젤엔진에 관한 것으로, 상세하게는 대기중으로 방출되는 배기가스 중의 질소산화물(NOx) 저감을 위해 배기가스를 흡기매니폴드 측으로 재순환시키는 수단인 EGR 시스템을 구비한 디젤엔진에 관한 것이다.
농용 작업차량 예컨대, 트랙터(Tractor)의 경우 경작용(耕作用)으로 주로 이용되는 특성상 강력한 힘을 내는 기계식 구조의 디젤엔진을 일반적으로 탑재하고 있으나, 디젤엔진의 경우 유해가스 및 공해물질 배출이 다른 연료를 사용하는 엔진에 비해 심해 환경적 측면에서 불리하다는 단점이 있다. 최근 환경문제로 인해 배기가스를 강하게 규제하는 추세에 있으며, 그 규제를 만족시키기 위한 시도가 활발하게 진행되고 있다.
배기가스 내 NOx(질소산화물) 저감을 위한 시도의 예로서 EGR 시스템의 채택을 예로 들 수 있다. EGR(Exhaust Gas Recircultion) 시스템은 엔진 연소의 배기경로를 통해 배출되는 배기가스 일부를 흡기(吸氣) 측으로 재순환시켜 배기가스에 포함된 NOx를 저감시키고자 한 것으로, 배기가스를 이용한 흡기 측 산소농도 저감을 통해 NOx 증가 요인인 연소온도를 낮추고자 한 시스템이다.
종래 알려진 EGR 시스템은 일반적으로, 흡기매니폴드 입구 측에 연소 후 배출되는 배기가스를 흡기 측으로 리턴시키는 EGR 파이프를 연결시킴으로써, 흡기측으로 재순환되는 배기가스가 흡기매니폴드 입구에서 외기에 혼입된 상태로 각각의 연소실로 도입될 수 있도록 하고 있다. 여기서 중요한 것은 외기에 혼입된 재순환 배기가스의 분배성이며, 이 분배성에 따라 NOx 저감율이 크게 달라진다.
그러나 단순히 흡기매니폴드 입구 측으로 재순환 배기가스를 도입시키는 종래의 구성은, 흡기매니폴드 입구에서 혼입된 배기가스가 각 연소실로 고르게 공급될 수 있을 정도로 외기와 충분히 혼합되지 못해 각 연소실로의 배기가스 도입이 고르지 못한 문제가 있다. 다시 말해 종래 일반적인 EGR 시스템은 재순환 배기가스의 분배성이 고르지 못해 NOx 저감율이 기대에 미치지 못하는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 흡기 측으로 도입되는 재순환 가스의 고른 분배를 도모하고, 이를 통해 보다 향상된 NOx(질소산화물) 저감율을 갖는 디젤엔진을 구현하고자 하는 것이다.
과제 해결을 위한 수단으로서 본 발명은, NOx 저감용 EGR 시스템(배기가스 재순환장치)을 장착한 디젤엔진에 있어서, 단일의 입구와 여러 개로 분기된 출구를 갖는 흡기매니폴드가 실린더헤드 흡기 측에 설치되고, 상기 흡기매니폴드는 흡기매니폴드 플랜지를 매개로 터보차져로부터 연장되는 도관과 연결되며, 배기가스를 상기 흡기매니폴드 측으로 재유입시키기 위한 리턴 관로를 형성하는 EGR 파이프가 상기 흡기매니폴드 플랜지에 연결된 것을 특징으로 하는 EGR 시스템을 구비한 디젤엔진을 제공한다.
이때, 상기 터보차져에서 흡기매니폴드를 향하는 흡기의 진행방향을 기준으로, 상기 EGR 파이프를 통해 배기가스가 도입되는 지점보다 앞선 지점의 흡기 관로 상에 흡기량을 조절하는 흡기조절밸브(Air Control Valve)가 설치될 수 있다.
바람직하게, 흡기조절밸브가 설치되는 상기 배기가스가 도입되는 지점보다 앞선 지점의 흡기 관로는, 흡기매니폴드 플랜지와 도관이 상호 연결되는 접속부일 수 있다.
또한, 상기 흡기매니폴드 플랜지는, 도관과 연결되는 곡관부와, EGR 파이프가 연결되고 배기가스가 도입되는 도입부를 형성한 직관부가 일체로 이루어진 구성일 수 있다.
이 경우 상기 도입부는 곡관부와 직관부가 만나는 경계지점이 되는 직선구간의 시작지점에 형성되도록 함으로써, 곡관부를 지나면서 난류성 유동을 갖는 흡기에 고른 분포로 혼합될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 보다 고른 분포로 흡기와의 혼합을 고려하면, 상기 도입부를 상기 직관부 반경방향에 대한 접선방향으로 형성시키거나, 직관부 반경방향에 대한 접선방향을 따라 하향 경사지게 형성시킬 수도 있다.
한편, 엔진 조립성 및 양산성을 고려한다면, 상기 흡기매니폴드와 흡기매니폴드 플랜지를 하나의 일체형으로 구성되도록 할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 흡기매니폴드 전단에 흡기매니폴드 플랜지가 설치되고, 이 흡기매니폴드 플랜지에 배기가스 재순환을 위한 EGR 파이프가 연결된다. 즉, 흡기매니폴드 플랜지의 설치로 인해 배기가스가 각 연소실로 공급됨에 있어 고른 분배가 이루어질 수 있을 정도로 흡기와 충분히 섞일 수 있으며, 이로 인해 흡기와 함께 재순환 배기가스가 각 연소실로 고르게 제공될 수 있다.
각 연소실로 배기가스의 고른 도입이 이루어지게 되면, NOx(질소산화물) 저감에 중요한 요인이 되는 연소온도 및 산소농도를 연소실 별 편차 없이 고르게 낮출 수 있어, 연소 후 배출되는 배기가스 내 유해성분 즉, NOx(질소산화물) 저감을 극대화시킬 수 있다. 결론적으로는 유해가스 배출량이 극히 적어 환경보호 측면에서 매우 유리하면서 강화된 배기가스 규제를 만족시킬 수 있는 환경 친화적 디젤엔진을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 EGR 시스템을 구비한 디젤엔진의 주요부를 확대 도시한 사시도.
도 2는 도 1에 나타난 디젤엔진 주요부에 대한 절개 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 디젤엔진에 적용된 흡기매니폴드 플랜지의 사시도.
도 4는 도 3에 나타난 흡기매니폴드 플랜지의 종(縱) 단면도.
도 5는 흡기매니폴드의 바람직한 다른 실시예를 나타낸 사시도.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성에 대해서는 그 상세한 설명은 생략하며, 또한 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 소지가 있는 구성에 대해서도 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 EGR 시스템을 구비한 디젤엔진의 주요부를 확대 도시한 사시도이며, 도 2는 도 1에 나타난 디젤엔진 주요부에 대한 절개 단면도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 디젤엔진은 실린더헤드(1) 흡기 측에 설치되는 흡기매니폴드(2)와, 이 흡기매니폴드(2)를 통해 연소실로 도입될 공기를 흡입하고 압축하는 터보차져(6)를 구비한다. 흡기매니폴드(2)는 단일의 입구와 여러 개로 분기된 출구를 형성한 공지된 구성이며, 터보차져(6)에서 흡기매니폴드(2) 측으로 압축 공기가 도입되는 경로 중간에 배기가스 재순환을 위한 EGR 파이프(4)가 설치된다.
EGR 파이프(4)를 통해 상기 압축 공기가 도입되는 경로 상으로 혼입되는 재순환 배기가스의 양은 EGR 파이프(4) 전단에 설치되는 EGR 밸브(8)를 통해 컨트롤되며, EGR 밸브(8)는 상기 흡기매니폴드(2)와 대향되는 실린더헤드(1) 타측(배기 측)에 설치되는 배기매니폴드(7)와 관(pipe, 미도시)을 통해 연결된다. 따라서 연소 후 배출되는 배기가스 중 일부는 상기 관, EGR 밸브(8), EGR 파이프(4)를 거쳐 흡기 측으로 리턴 제공된다.
EGR 파이프(4)를 통해 흡기 측으로 리턴 제공되는 배기가스는 구체적으로, 상기 흡기매니폴드(2)와 터보차져(6)로부터 연장되는 도관(5) 사이를 연결하는 흡기매니폴드 플랜지(3)를 통해 흡기 측으로 리턴 제공된다. 다시 말해, 흡기매니폴드(2)는 상기 흡기매니폴드 플랜지(3)를 매개로 터보차져(6)로부터 연장되는 도관(5)과 연결되며, 배기가스 리턴 관로를 형성하는 EGR 파이프(4)가 상기 흡기매니폴드 플랜지(3)에 연결된다.
이에 따라, 터보차져(6)를 통해 일정 압력으로 압축된 고온의 흡기는 흡기매니폴드 플랜지(3)를 통과하는 과정에서 상기 EGR 파이프(4)를 통해 제공되는 재순환 배기가스와 고르게 섞이게 되고, 배기가스와 혼합된 흡기는 흡기매니폴드(2)를 거쳐 여러 개의 연소실로 균등하게 제공된다. 이때 배기가스와 섞이는 과정에서 흡기의 온도와 흡기에 포함된 산소농도가 떨어지게 되고, 이로 인해 NOx의 저감이 구현된다.
도면부호 9는 흡기 관로 상에 설치되는 흡기조절밸브(Air Control Valve)로서, 흡기조절밸브(9)는 운전자 조작에 따른 엔진 구동상황에 맞게 흡기량을 조절하는 기능을 수행한다. 이와 같은 흡기조절밸브(9)는 흡기의 진행방향 구체적으로는, 터보차져(6)에서 흡기매니폴드(2)를 향하는 흡기 진행방향을 기준으로, 상기 EGR 파이프(4)를 통해 배기가스가 도입되는 지점보다 앞선 지점의 흡기 관로 상에 설치된다.
흡기조절밸브(9)가 설치되는 배기가스 도입부(34)보다 앞선 지점의 흡기 관로는 구체적으로, 도면의 도시와 같이 상기 흡기매니폴드 플랜지(3)와 터보차져(6)에서 연장되는 도관(5)이 상호 연결되는 접속부일 수 있다. 이처럼 흡기매니폴드(2)와 터보차져(6)가 연결되는 접속부에 흡기조절밸브(9)를 설치하면, 고온의 배기가스에 밸브가 노출되는 것을 배제할 수 있어 안정된 밸브 동작을 보장할 수 있다.
도 1 내지 도 2에서 미설명 부호 10과, 11은 각각, 발전을 위한 제너레이터(generator)와 오일 스트레이너(oil strainer)를 가리키며, 12는 연료필터(fuel fillter)를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 디젤엔진에 있어 핵심 구성요소인 흡기매니폴드 플랜지의 사시도이며, 도 4는 도 3의 상기 흡기매니폴드 플랜지의 종(縱) 단면도를 나타내고 있다.
도 3 내지 도 4를 참조하면, 흡기매니폴드 플랜지(3)는 구체적으로, 상기한 도관(5)과 연결되는 곡관부(30)와, EGR 파이프(4)가 연결되고 배기가스가 도입되는 도입부(34)를 형성한 직관부(32)가 일체로 형성된 구성일 수 있다. 특히 직관부(32)에 형성되는 상기 도입부(34)는 도 4의 도시와 같이, 상기 곡관부(30)와 직관부(32)가 만나는 경계지점이 되는 직선구간 시작지점에 형성되도록 구성하는 것이 바람직하다.
곡관부(30)와 직관부(32)가 만나는 경계지점이 되는 직선구간 시작점에 위와 같이 도입부(34)를 형성시키면, 흡기가 상기 곡관부(30)를 지나면서 그 내벽면과 충격 후 방향전환하는 과정에서 난류성 유동을 갖게 되는 점을 적극 활용할 수 있어 배기가스 홉합율을 일층 향상시킬 수 있다. 즉 흡기가 난류성 유동을 갖기 시작하는 지점에서 배기가스가 도입되도록 하면 흡기와 배기가스의 혼합율 및 나아가서는 향상된 NOx 저감율을 기대할 수 있다.
도면을 통해 구체적으로 도시하지는 않았으나, 상기 도입부(34)를 상기 직관부(32) 반경방향에 대해 접선방향으로 형성시키거나, 직관부(32) 반경방향에 대한 접선방향을 따라 하향 경사지게 형성시킬 수도 있다. 이 경우에는 상기 도입부(34)를 통해 흡기매니폴드 플랜지(3)로 도입되는 배기가스에 회전유동(turbulence flow)성을 부여할 수 있어, 보다 고른 흡기와의 혼합을 기대할 수 있다.
미설명 도면부호 36은 흡기매니폴드 플랜지 일체형으로 형성되며 연료필터 설치를 위한 장착면을 제공하는 연료필터 보스를 가리킨다.
한편, 도 5는 흡기매니폴드(2)의 바람직한 다른 실시예로서, 엔진과의 용이한 조립성을 확보하고 및 부품의 양산성을 고려하면, 도면과 같이 흡기매니폴드(2)와 흡기매니폴드 플랜지(3)가 하나의 일체형으로 형성된 구성을 채택할 수도 있다.
이상에서 살펴본 본 발명에 따르면, 흡기매니폴드 전단에 흡기매니폴드 플랜지가 설치되고, 이 흡기매니폴드 플랜지에 배기가스 재순환을 위한 EGR 파이프가 연결된다. 즉, 흡기매니폴드 플랜지의 설치로 인해 배기가스가 각 연소실로 공급됨에 있어 고른 분배가 이루어질 수 있을 정도로 흡기와 충분히 섞일 수 있으며, 이로 인해 흡기와 함께 재순환 배기가스가 각 연소실로 고르게 제공될 수 있다.
각 연소실로 배기가스의 고른 도입이 이루어지게 되면, NOx(질소산화물) 저감에 중요한 요인이 되는 연소온도 및 산소농도를 연소실 별 편차 없이 고르게 낮출 수 있어, 연소 후 배출되는 배기가스 내 유해성분 즉, NOx(질소산화물) 저감을 극대화시킬 수 있다. 결론적으로는 유해가스 배출량이 극히 적어 환경보호 측면에서 매우 유리하면서 강화된 배기가스 규제를 만족시킬 수 있는 환경 친화적 디젤엔진을 구현할 수 있다.
이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
1 : 실린더헤드 2 : 흡기매니폴드
3 : 덕트 4 : EGR 파이프
5 : 도관 6 : 터버차져
7 : 배기매니폴드 8 : EGR 밸브
9 : 흡기조절밸브 10 : 제너레이터
11 : 오일스트레이너 12 : 연료필터
30 : 곡관부 32 : 직관부
34 : 도입부

Claims (8)

  1. NOx 저감용 EGR 시스템(배기가스 재순환장치)을 장착한 디젤엔진에 있어서,
    단일의 입구와 여러 개로 분기된 출구를 갖는 흡기매니폴드가 실린더헤드 흡기 측에 설치되고, 상기 흡기매니폴드는 흡기매니폴드 플랜지를 매개로 터보차져로부터 연장되는 도관과 연결되며, 배기가스를 상기 흡기매니폴드 측으로 재유입시키기 위한 리턴 관로를 형성하는 EGR 파이프가 상기 흡기매니폴드 플랜지에 연결된 것을 특징으로 하는 EGR 시스템을 구비한 디젤엔진.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 터보차져에서 흡기매니폴드를 향하는 흡기의 진행방향을 기준으로, 상기 EGR 파이프를 통해 배기가스가 도입되는 지점보다 앞선 지점의 흡기 관로 상에 흡기조절밸브(Air Control Valve)가 설치되는 것을 특징으로 하는 EGR 시스템을 구비한 디젤엔진.
  3. 제 2 항에 있어서,
    흡기조절밸브가 설치되는 상기 배기가스가 도입되는 지점보다 앞선 지점의 흡기 관로는, 흡기매니폴드 플랜지와 도관이 상호 연결되는 접속부인 것을 특징으로 하는 EGR 시스템을 구비한 디젤엔진.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡기매니폴드 플랜지는,
    도관과 연결되는 곡관부와,
    EGR 파이프가 연결되고 배기가스가 도입되는 도입부를 형성한 직관부로 구성되는 것을 특징으로 하는 EGR 시스템을 구비한 디젤엔진.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 도입부는 곡관부와 직관부가 만나는 경계지점이 되는 직선구간의 시작지점에 형성되는 것을 특징으로 하는 EGR 시스템을 구비한 디젤엔진.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 도입부는 상기 직관부 반경방향에 대한 접선방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 EGR 시스템을 구비한 디젤엔진.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 도입부는 상기 직관부 반경방향에 대한 접선방향을 따라 하향 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 EGR 시스템을 구비한 디젤엔진.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    흡기매니폴드와 흡기매니폴드 플랜지가 하나의 일체형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 EGR 시스템을 구비한 디젤엔진.
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