KR101640379B1 - 내연기관 재순환배기가스 혼합 및 출력 향상장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연기관 재순환배기가스 혼합 및 출력 향상장치에 관한 것으로, EGR 장치를 갖춘 내연기관에 있어서; 상기 내연기관의 흡기다기관으로 외부공기를 도입하는 흡기통로 상에 설치되고, 길이 중앙 둘레면이 외측으로 돌출되어 내부에 가스통로를 형성하며, 돌출된 외주면에는 상기 가스통로와 연통되어 EGR 가스를 공급하는 가스유입구가 형성된 분배하우징; 상기 분배하우징의 내경에 억지끼움되어 고정되고, 상기 가스통로와 연통되는 다수의 슬리브공을 갖는 슬리브; 상기 슬리브의 중앙에 배치되며, 선단은 유선형을 이루되 막혀 있고, 내부에는 후단을 향해 가스배출구가 형성되며, 둘레에는 상기 슬리브공 및 상기 가스배출구를 연통시키는 가스유도유로를 갖는 다수의 와류유도날개를 구비한 와류유도체;를 포함하고, 상기 와류유도날개는 상기 슬리브에 일체로 고정되고, 흡입통로를 통해 관류되는 외부공기가 속도차에 의한 양력의 영향을 받아 와류를 형성하도록 일측단면은 'S' 형상의 굴곡면을 이루고, 타측단면은 호형상의 굴곡면을 이루는 형상을 갖도록 형성되어, 상기 EGR 가스를 도입하여 상기 가스배출구를 통해 배출할 때 배출되는 가스는 상기 흡입통로의 정중앙을 통해 퍼져나가도록 분출되고, 도입된 외부공기는 와류유도날개를 거치면서 EGR 가스를 감싸듯이 휘감는 형태로 흐르면서 혼합되게 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관 재순환배기가스 혼합 및 출력 향상장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 흡기와 재순환배기가스를 고르고 균일하게 혼합하여 연소시킴으로서 질소산화물 생성을 효과적으로 억제함은 물론 흡기통로에서 발생하는 맥동과 난류를 안정화시켜 연소효율을 극대화시키는 효과를 얻을 수 있다.

Description

내연기관 재순환배기가스 혼합 및 출력 향상장치{An internal combustion engine exhaust gas recirculation and mixing improved output device}

본 발명은 내연기관 재순환배기가스 혼합 및 출력 향상장치에 관한 것으로, 특히 디젤엔진에서 NOx 등의 배출을 감소시키기 위해 배기가스 재순환장치(EGR:Exhaust Gas Recirculation)를 사용할 때 재순환배기가스와 흡기를 고르고 균일하게 혼합함은 물론 흡기통로에서 발생하는 맥동과 난류를 안정화시켜 유해배출가스를 줄이고 출력을 향상시킬 수 있도록 개선된 내연기관 재순환배기가스 혼합 및 출력 향상장치에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 차량이 시동됨과 함께 혼합기가 연소되는 과정에서 공해를 유발시키는 유해한 물질들이 생성되어 배기가스를 통해 대기중으로 배출되는데, 이중에서 질소산화물(NOx)은 연소실의 고온에 의해 공기중의 질소와 산소가 반응하여 생성되는 것으로 주로 고온에서 크게 나타나고 연소온도가 높은 고 부하에서 많이 배출된다.

따라서, 질소산화물(NOx)의 배출을 최소화시켜 배기가스의 에미션을 향상시키기 위한 목적으로 배기가스의 일부를 다시 연소실로 순환시켜 재 연소시키는 EGR 장치(Exhaust Gas Recirculation:배기가스 재순환 장치)가 설치되고 있다.

재순환배기가스는 연소과정에서 중요한 역할을 담당하므로, 각 기통간에 고르게 혼합되어 연소실로 흡입되도록 하는 것이 중요하다 할 것이며, 그 이유는 각 기통간 편차가 크면 각 기통에서 배출되는 배기가스가 일정하지 않아 배기가스 규제 대응에 대처하지 못하기 때문이다.

예컨대, EGR 장치는 도 1의 예시와 같이, 엔진의 배기매니폴드로부터 배기되는 배기가스의 일부를 EGR 쿨러(10)로 보내는 EGR 밸브(12)와, 고온의 배기가스를 냉각시키는 EGR 쿨러(10)를 포함하고, EGR 쿨러(10)의 출구로부터 연장된 배기가스 재순환 파이프(14)는 외부 흡입공기를 엔진의 연소실로 공급하는 인테이크 파이프(16)에 연결된다.

이때, 상기 인테이크 파이프(16)에는 혼합기구(20)가 구비되는데, 상기 혼합기구(20)는 공개특허 제2014-0052282호에 개시된 구조이다.

그런데, 개시된 혼합기구(20)는 종래보다 향상된 혼합효과를 가지고 있지만, 재순환을 위해 유입된 배기가스가 인테이크 파이프(16) 안으로 유입되는 유입구 주변에만 주로 분포하기 때문에 인테이크 파이프(16)의 원중심을 관류하는 외부 흡입공기와는 잘 섞이지 못하여 사실상 불균일한 상태로 혼합되는 문제를 여전히 안고 있다.

이것은 결국 엔진의 연소실로 공급될 때 불균일성을 유발하므로 종국적으로는 출력저하를 초래하며, 불균일 혼합 때문에 연소실의 연소온도를 떨어뜨릴 수 없어 질소산화물 발생 억제 효과가 거의 없다.

뿐만 아니라, 흡기통로에서는 흡, 배기가 동시에 이루어지는 오버랩 구간에서는 맥동이 발생하고, 이것은 또 난류 발생에 영향을 미치게 되는데, EGR 배기가스가 균일하게 섞이지 못할 뿐만 아니라, 맥동과 난류 발생을 억제하지 못하여 결국에는 엔진 출력 저하를 초래하는 원인이 된다.

다른 예로, 등록특허 제0820396호, 등록특허 제0580684호, 공개특허 제2006-0058334호가 있으나, 이또한 상술한 공개특허 제2014-0052282호의 기본 개념을 벗어나지 못하고 있어 불균일 혼합의 문제는 여전하다.

또다른 예로, 등록특허 제1084098호가 개시되어 있으나, 여기에 개시된 혼합기구인 관상 혼합 노즐은 구조적 한계로 인해 생산성, 내구성이 결여되며, 이러한 이유로 상용화하기에는 매우 어렵다는 문제를 안고 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, EGR 가스를 도입하여 흡기통로의 정중앙을 통해 전방으로 분사 공급함으로서 흡입되는 외부 공기가 EGR 가스의 반경방향으로 선회되면서 와류를 만들고, 그 과정에서 중앙부터 가장 바깥까지 균일하게 혼합될 수 있도록 하여 혼합 균일성을 극대화시킴으로써 엔진 출력저하를 막고, 연소효율을 증대시킬 수 있도록 한 내연기관 재순환배기가스 혼합 및 출력 향상장치를 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, EGR 장치를 갖춘 내연기관에 있어서;
상기 내연기관의 흡기다기관으로 외부공기를 도입하는 흡기통로 상에 설치되고, 길이 중앙 둘레면이 외측으로 돌출되어 내부에 가스통로를 형성하며, 돌출된 외주면에는 상기 가스통로와 연통되어 EGR 가스를 공급하는 가스유입구가 형성된 분배하우징;
상기 분배하우징의 내경에 억지끼움되어 고정되고, 상기 가스통로와 연통되는 다수의 슬리브공을 갖는 슬리브;
상기 슬리브의 중앙에 배치되며, 선단은 유선형을 이루되 막혀 있고, 내부에는 후단을 향해 가스배출구가 형성되며, 둘레에는 상기 슬리브공 및 상기 가스배출구를 연통시키는 가스유도유로를 갖는 다수의 와류유도날개를 구비한 와류유도체;를 포함하고,
상기 와류유도날개는 상기 슬리브에 일체로 고정되고, 흡입통로를 통해 관류되는 외부공기가 속도차에 의한 양력의 영향을 받아 와류를 형성하도록 일측단면은 'S' 형상의 굴곡면을 이루고, 타측단면은 호형상의 굴곡면을 이루는 형상을 갖도록 형성되어,
상기 EGR 가스를 도입하여 상기 가스배출구를 통해 배출할 때 배출되는 가스는 상기 흡입통로의 정중앙을 통해 퍼져나가도록 분출되고, 도입된 외부공기는 와류유도날개를 거치면서 EGR 가스를 감싸듯이 휘감는 형태로 흐르면서 혼합되게 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관 재순환배기가스 혼합 및 출력 향상장치를 제공한다.

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본 발명에 따르면, 흡기와 재순환배기가스를 고르고 균일하게 혼합하여 연소시킴으로서 질소산화물 생성을 효과적으로 억제함은 물론 흡기통로에서 발생하는 맥동과 난류를 안정화시켜 연소효율을 극대화시키는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 연소효율이 극대화되므로 연료소모량을 줄이고, 엔진 출력을 향상시킬 뿐만 아니라, 균일혼합에 따른 흡기통로내 혼합존에서의 온도를 낮출 수 있어 흡기가기관을 강화 플라스틱으로 제조할 수 있고, 이를 통해 제조비용을 현저히 줄이는 효과도 얻을 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 내연기관 재순환배기가스 혼합장치의 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 내연기관 재순환배기가스 혼합 및 출력 향상장치의 예시적인 사시도이다.
도 3은 도 2의 예시적인 분해도이다.
도 4는 도 2의 예시적인 일부 단면도이다.
도 5는 도 2의 평단면도이다.
도 6은 본 발명 장치에 따른 와류 생성과정을 도식적으로 모식화한 공기흐름도이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 내연기관 재순환배기가스 혼합 및 출력 향상장치는 원통형상의 분배하우징(100)을 포함한다.

상기 분배하우징(100)은 양단에 고정플랜지(110)가 일체로 형성되어, 앞서 설명한 도 1에서 혼합기구(20)가 설치되는 지점, 즉 흡기통로 상에 상기 고정플랜지(110)를 이용하여 접속 고정된다.

특히, 상기 분배하우징(100)은 도 4의 예시와 같이, 고정플랜지(110) 사이의 길이 중앙부가 둘레방향으로 돌출부(120)가 돌출형성되고, 상기 돌출부(120)의 안쪽, 즉 내부에는 가스통로(130)가 형성된다.

때문에, 재순환배기가스, 즉 EGR 가스는 상기 가스통로(130)로 유입될 경우 상기 분배하우징(100)의 둘레방향으로 분산되게 된다.

그리고, 상기 돌출부(120)에는 가스유입구(140)가 형성되는데, 상기 가스유입구(140)는 상기 가스통로(130)와 연통된다.

아울러, 재순환배기가스 즉, EGR 가스는 상기 분배하우징(100)의 외주면, 특히 돌출부(120)에 형성된 가스유입구(140)를 통해 재순환되도록 배관되며, 이는 종래와 동일하다.

덧붙여, 도시하지는 않았으나 상기 가스유입구(140)에 접속플랜지 구조를 갖추면 EGR 가스 회수관과의 도킹을 보다 원활하고 쉽게 진행할 수 있을 것이다. 다만, 이러한 구조는 다양한 변형이 가능하고 선택적인 사항이므로 굳이 본 발명에서는 한정하지 않기로 한다.

또한, 상기 분배하우징(100)은 상기 흡기통로상에 일체로 형성하거나 혹은 플랜지를 이용하여 분해 조립 가능하게 형성될 수 있다.

한편, 상기 분배하우징(100)의 내경에는 슬리브(200)가 끼워진다.

이때, 상기 슬리브(200)는 억지끼움방식으로 끼워 고정됨이 바람직하며, 상기 가스유입구(140)와 대응되게 다수의 슬리브공(210)이 형성된다.

또한, 상기 슬리브(200)의 내부에는 와류 유도체(300)가 삽입되고, 상기 와류유도체(300)의 외주면에는 둘레방향으로 간격을 둔 와류유도날개(310)가 일체로 고정된다.

특히, 상기 와류유도체(300)의 선단은 반구형상으로 라운드 가공되고, 몸체의 둘레에는 상기 와류유도날개(310)가 고정되는데, 상기 와류유도날개(310)는 단순한 송풍형 날개가 아니라 양력을 발생시킬 수 있도록 비행기날개와 같은 형상을 갖되 일측이 평판이 아닌 대략 'S' 형으로 굴곡형성되고, 타측은 완만한 호형상으로 형성된다.

그리하여, 'S' 형 굴곡면의 길이보다 호형상의 곡면 길이가 더 길게 유지되게 하여 호형상의 곡면 측으로 양력이 발생하도록 하는데, 비행기 날개의 경우에는 'S' 형 굴곡면이 아닌 평면이지만 본 발명에서는 'S' 형 굴곡면이 되게 함으로써 양면을 타고 흐르는 공기가 만나는 지점에서 자연스럽게 휘저어지면서 꼬이게 하여 와류를 생성하도록 구성된다.

더구나, 본 발명에 따른 상기 와류유도날개(310)는 송풍기가 아니기 때문에 회전되는 구조가 아니라 고정된 구조를 갖는데, 고정지점은 상기 와류유도날개(310)의 각 끝단이 상기 슬리브(200)의 내주면에 접속되어 일체형 고정구조를 이룬다.

이때, 상기 와류유도날개(310)에는 상기 와류유도체(300)의 몸체 중심을 향해 가스유도유로(320)가 형성되고, 상기 가스유도유로(320)는 상기 슬리브공(210)과 일치되게 배치된다.

아울러, 상기 와류유도체(300)의 몸체에는 일정반경의 가스배출구(330)가 형성된다.

즉, 상기 가스배출구(330)은 후방으로만 EGR 가스를 배출하도록 구성되고, 전방으로는 막혀 있어 배출하지 못하도록 구성된다.

이에 따라, 도 5의 도시와 같이, 가스유입구(140)를 통해 재순환을 위해 유입된 EGR 가스는 가스통로(130), 슬리브공(210)을 통해 가스유도유로(320)로 유입된 후 와류유도체(300)의 중심에 모인 후 가스배출구(330)를 따라 배출되기 때문에 항상 흡입통로의 중심을 통해 분사 배출되는 형태를 갖게 된다.

덧붙여, 균일 혼합성을 더욱 증대시키기 위해 상기 가스유입구(140)와 상기 슬리브공(210)은 서로 연통은 되지만 어긋나게 배치될 수 있다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명은 다음과 같은 작동관계를 갖는다.

본 발명에 따른 내연기관 재순환배기가스 혼합 및 출력 향상장치의 메인 구성인 분배하우징(100)은 흡기통로 상에 설치되고, 재순환배기가스 즉, EGR 가스는 상기 분배하우징(100)의 외주면, 특히 가스유입구(140)를 통해 재순환되도록 배관된다.

이에 따라, 외부공기는 와류유도체(300)의 만곡진 유선형 선단을 통해 반경방향으로 분산되면서 분배하우징(100)의 내부를 관류하게 된다.

동시에, 회수된 EGR 가스는 가스유입구(140)를 통해 가스통로(130)로 유입된 다음 일부는 슬리브공(210)을 통해 곧바로 와류유도날개(310)에 형성된 가스유도유로(320)로 공급되고, 나머지 EGR 가스는 분배하우징(100)의 둘레방향을 따라 이동하면서 나머지 슬리브공(210)을 통해 가스유도유로(320)로 공급된다.

그런 다음, 가스유도유로(320)가 한 지점에 모인 가스배출구(330)로 집중하게 되고, 그 상태에서 압에 의해 밀리면서 가스배출구(330)를 타고 외부공기가 흡입되어 이동하고 있는 방향으로 분출되게 된다.

그런데, 이때 도입된 외부공기는 와류유도날개(310)를 거치면서 독특한 형상과 곡률을 갖고 구현되어 있는 와유유도날개(310)의 영향으로 일정방향으로 선회하는 선회류, 즉 와류를 형성하게 된다.

이러한 와류는 도 6의 예시와 같이, 흡입통로의 중앙을 통해 분출되고 있는 EGR 가스의 바깥쪽을 감는 형태로 나선을 그리게 되어 마치 코어는 EGR 가스가 되고, 이를 감싼 나선은 외부공기인 것처럼 보이게 되며, 이것은 EGR 가스의 분출단으로부터 점점 멀어질 수록 EGR 가스도 코어에서 코어 바깥을 향해 반경방향으로 퍼져나가기 때문에 그 과정에서 나선상으로 와류를 그리면서 진행해오던 외부공기과 거의 고르고 균일하게 완전히 분산된 형태로 상호 혼합되게 된다.

때문에, 디젤기관의 경우는 약 700℃, 가솔린 기관의 경우에는 약 400℃에 이르는 고온의 EGR 가스가 EGR 쿨러를 거치며 150-200℃까지 떨어뜨려야하는 과제를 안고 있으며, 고온의 재순환배기가스가 완전히 균일한 혼합을 이루면서 약 100℃ 정도까지 급격히 온도가 떨어져 흡기다기관을 고강도 플라스틱으로 구성해도 충분히 견딜 수 있는 정도의 온도를 유지하므로 흡기다기관의 재질을 변경하는 것도 충분히 가능하게 된다.

특히, 이러한 균일 혼합은 기존과 완전히 다른 개념, 다시 말해 기존에는 코어가 아닌 사이드에서부터 혼합해 가던 개념이었던 것에 반해, 본 발명에서는 코어로부터 사이드를 향해 혼합해 가는 개념으로 전환함으로써 기존에는 중앙, 즉 코어 쪽에서의 빠른 흐름 때문에 균일한 혼합이 불가능하였지만, 본 발명에서는 중앙-사이드 전체가 완벽하게 균일한 혼합을 이룰 수 있게 되어 EGR 가스 재순환이 목적하는 질소산화물(NOx) 발생을 현저히 억제할 수 있음은 물론 연소효율을 높이기 때문에 그 만큼 연비가 향상되고, 출력도 증가하는 효과를 얻을 수 있게 된다.

100: 분배하우징 200: 슬리브
300: 와류유도체

Claims (3)

1. EGR 장치를 갖춘 내연기관에 있어서;
   상기 내연기관의 흡기다기관으로 외부공기를 도입하는 흡기통로 상에 설치되고, 길이 중앙 둘레면이 외측으로 돌출되어 내부에 가스통로를 형성하며, 돌출된 외주면에는 상기 가스통로와 연통되어 EGR 가스를 공급하는 가스유입구가 형성된 분배하우징;
   상기 분배하우징의 내경에 억지끼움되어 고정되고, 상기 가스통로와 연통되는 다수의 슬리브공을 갖는 슬리브;
   상기 슬리브의 중앙에 배치되며, 선단은 유선형을 이루되 막혀 있고, 내부에는 후단을 향해 가스배출구가 형성되며, 둘레에는 상기 슬리브공 및 상기 가스배출구를 연통시키는 가스유도유로를 갖는 다수의 와류유도날개를 구비한 와류유도체;를 포함하고,
   상기 와류유도날개는 상기 슬리브에 일체로 고정되고, 흡입통로를 통해 관류되는 외부공기가 속도차에 의한 양력의 영향을 받아 와류를 형성하도록 일측단면은 'S' 형상의 굴곡면을 이루고, 타측단면은 호형상의 굴곡면을 이루는 형상을 갖도록 형성되어,
   상기 EGR 가스를 도입하여 상기 가스배출구를 통해 배출할 때 배출되는 가스는 상기 흡입통로의 정중앙을 통해 퍼져나가도록 분출되고, 도입된 외부공기는 와류유도날개를 거치면서 EGR 가스를 감싸듯이 휘감는 형태로 흐르면서 혼합되게 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관 재순환배기가스 혼합 및 출력 향상장치.
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