KR101034288B1

KR101034288B1 - 엔진의 배기가스 재순환 시스템

Info

Publication number: KR101034288B1
Application number: KR1020040111984A
Authority: KR
Inventors: 명재성
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2011-05-16
Also published as: KR20060073124A

Abstract

본 발명은 엔진의 배기가스 재순환 시스템에 관한 것이며, 상세하게는 배기가스를 흡기계에 재순환 할 때 그 재순환율의 향상에 관한 것으로서, 엔진의 각 실린더에서 배출되는 배기가스의 압력파를 동조시켜 그 압력을 증폭하여 EGR 율의 향상을 양호하게 할 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 실린더(10)와; 상기 실린더(10)에 연결하고 흡기도관(13)을 연결한 흡기매니폴드(11)와; 상기 실린더(10)에 연결한 배기매니폴드(12)와; 상기 배기매니폴드(12)와 EGR 밸브(14)를 설치한 흡기도관(13)을 연결하는 재순환 도관(16)을 구비하여 배기가스 중의 일부를 연소실에 유입하는 배기가스 재순환 시스템에 있어서, 상기 배기매니폴드(12)의 배기분기매니폴드(20a)(20b)(20c)(20d)에 일측을 각각 연결하고 길이를 각각 차이지게 형성한 재순환 분기도관(21a)(21b)(21c)(21d)과; 상기 각 재순환 분기도관(21a)(21b)(21c)(21d)의 출구측에 연결하여 상기 재순환 도관(16)에 연결한 EGR 가스 증폭 챔버(22)와; 엔진회전속도, 엔진온도, 흡입공기량, 상기 EGR 가스 증폭 챔버(22)내의 압력, 질소산화물 농도의 출력신호를 입력받아 상기 EGR 밸브(14)를 제어하는 제어기(23)로 구성한 것이다.

배기매니폴드, 흡기도관, EGR 밸브, 재순환 도관, 배기분기매니폴드, 재순환 분기도관, EGR 가스 증폭 챔버, 제어기

Description

엔진의 배기가스 재순환 시스템 {EXHAUST GAS RECIRCULATION SYSTEM OF ENGINE}

도 1은 본 발명의 실시예의 구성도

도 2는 본 발명의 실시예의 배기압력파의 동조그래프

도 3은 배기가스 재순환율을 15% 이상으로 할 때의 흡기 및 배기매니폴드의 압력그래프

도 4는 종래의 것의 구성도

< 도면의 주요부분에 대한 부호설명 >

12 : 배기매니폴드 13 : 흡기도관 14 : EGR 밸브 16 : 재순환 도관

20a,20b,20c,20d : 배기분기매니폴드 21a,21b,21c,21d : 재순환 분기도관

22 : EGR 가스 증폭 챔버 23 : 제어기

본 발명은 엔진의 배기가스 재순환 시스템에 관한 것이며, 상세하게는 배기가스를 흡기계에 재순환 할 때 그 재순환율의 향상에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이, 자동차의 배출가스에 대한 규제가 점차 강화되고 있는 추세에 있으며, 특히 질소산화물(Nox) 저감을 위한 여러 가지 신기술들이 적용 및 개발되고 있는바, 그 중 배기가스 재순환 시스템이 널리 사용되고 있다.

일반적인 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation ; EGR) 시스템(이하 EGR 시스템 이라 함)은 배기가스 중의 일부를 배기매니폴드 하부의 배기관에서 인출하여서 흡기매니폴드에 유입하여 새로운 공기와 혼합시켜 연소실에 유입되게 하는 것이다.

상기와 같이 배기가스의 일부를 연소실에 유입시키면 새 혼합기의 충진효율은 낮아지는 결과가 되고, 재공급된 배기가스는 질소에 비하여 열용량이 큰 탄산가스가 함유되어 있음으로 배기가스는 연소작용을 할 수 없기 때문에 팽창행정시의 연소온도가 낮아지고, 연소온도가 낮아지면 질소산화물의 양은 현저하게 감소되는 것이다.

한편, 배출가스 규제의 강화에 대응하기 위하여서는 고성능 엔진을 채용하여 연비 및 연소효율을 개선하고, 배기가스 재순환율(이하 EGR 율이라 함)을 높여야 하며, 상기 고성능 엔진, 특히 디젤엔진의 경우 연소효율을 개선하기 위하여서는 터보차저의 부스트 압력을 높여야 하지만, 저속운전 영역에서 터보차저의 부스트 압력이 높으면 흡기매니폴드의 압력이 배기매니폴드의 압력보다 높아서 상기한 일반적인 EGR 시스템으로서는 EGR 율을 높이는데 한계가 있게 되는 것이다.

예를 들어 유럽연합(EU)의 경유승용차 배출가스 허용기준의 유로 4(EURO 4)의 질소산화물은 0.25g/Km 인바, 상기 EURO 4의 기준을 충족하기 위하여서는 고성능 디젤엔진의 EGR 율은 15% 이상이 되어야 하지만, 도 3과 같이 저속운전 영역인 800 ∼ 1,600 RPM에서 배기매니폴드내의 압력이 흡기매니폴드내의 압력보다 낮음으로써 실현이 곤란하게 되는 것이다.

상기한 고성능 디젤엔진의 저속운전 영역에서 EGR 율을 개선하기 위한 도 4와 같은 EGR 시스템이 공지되어 있는바, 상기 도 4에서, 10은 실린더, 11은 흡기매니폴드, 12는 배기매니폴드, 13은 흡기도관, 14는 EGR 밸브, 15는 엔진회전속도 등의 출력신호를 입력받아 상기 EGR 밸브(14)를 제어하는 제어기, 16은 재순환 도관이다.

상기 재순환 도관(16)은 배기매니폴드(12)에 연결되는 흡기도관(13)에 연결함과 동시에 재순환 도관(16)에 인터 쿨러(17)와 리드 밸브(Reed Valve)(체크 밸브)(18)를 설치한 것으로서, 상기 리드 밸브(18)는 배기가스의 압력이 흡기압력보다 낮을 때 폐쇄되었다가 순간적으로 배기가스의 압력이 흡기압력보다 높게 될 때 배기가스의 압력파에 의하여 개방되어 배기가스를 흡기도관(13)에 유입하는 것이다.

또한 다른 EGR 시스템으로서 EGR 펌프를 사용하는 것이 알려졌다.

그러나 상기한 리드 밸브를 구비한 EGR 시스템은 EGR 율 15% 정도에는 개선효과가 있지만 흡기압력보다 높은 배기가스의 압력파는 리드 밸브(18)의 개방 후 소멸됨으로서 EGR 율이 15% 이상일 경우에는 그에 부응하는 EGR 율을 높이는데 어려움이 따르고, 또한 EGR 펌프를 사용하는 것은 원가상승, 제어의 복잡성 및 엔진룸의 레이아웃 설정에 어려움이 많은 것이다.

본 발명은 상기한 실정을 감안하여, 엔진의 각 실린더에서 배출되는 배기가스의 압력파를 동조시켜 그 압력을 증폭하여 EGR 율의 향상을 양호하게 할 수 있는 엔진의 배기가스 재순환 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 실린더와; 상기 실린더에 연결하고 흡기도관을 연결한 흡기매니폴드와; 상기 실린더에 연결한 배기매니폴드와; 상기 배기매니폴드와 EGR 밸브를 설치한 흡기도관을 연결하는 재순환 도관을 구비하여 배기가스 중의 일부를 연소실에 유입하는 배기가스 재순환 시스템에 있어서, 상기 배기매니폴드의 배기분기매니폴드에 일측을 각각 연결하고 길이를 각각 차이지게 형성한 재순환 분기도관과; 상기 각 재순환 분기도관의 출구측에 연결하여 상기 재순환 도관에 연결한 EGR 가스 증폭 챔버와; 엔진회전속도, 엔진온도, 흡입공기량, 상기 EGR 가스 증폭 챔버내의 압력, 질소산화물 농도의 출력신호를 입력받아 상기 EGR 밸브를 제어하는 제어기로 구성한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예의 구성도로서, 10은 실린더, 11은 흡기매니폴드, 12는 배기매니폴드, 13은 흡기도관, 14는 EGR 밸브, 16은 재순환 도관, 17은 인터 쿨러이다.

20a,20b,20c,20d는 상기 배기매니폴드(12)에 일체로 형성한 배기분기매니폴드로서, 출구측을 단일화하여 배기관(24)에 연결한 것이다.

21a,21b,21c,21d는 재순환 분기도관으로서, 상기 재순환 분기도관(21a)(21b) (21c)(21d)의 일측은 상기 배기분기매니폴드(20a)(20b)(20c)(20d)에 그 길이는 각 각 다르게 형성하여 연결한 것이며, 그 총 단면적은 상기 재순환 도관(16)의 단면적과 동일하게 형성한 것이다.

또한, 상기 배기분기매니폴드(20a)(20b)(20c)(20d) 및 재순환 분기도관(21a)(21b)(21c)(21d)은 실린더(10)의 수와 동일하게 형성하며, 도면에서는 4 실린더 엔진으로써 4개를 도시한 것이다.

22는 EGR 가스 증폭 챔버로서, 상기 EGR 가스 증폭 챔버(22)는 그 일측에 상기 재순환 분기도관(21a)(21b)(21c)(21d)의 출구측을 집합하여 연결하고, 타측을 상기 재순환 도관(16)에 연결하여서, 각 실린더(10)에서 재순환 분기도관(21a) (21b)(21c)(21d)을 경유하여 유입되는 배기가스의 압력파가 유입될 때 동조되어 그 세기를 증폭하는 것이다.

23은 제어기로서, 상기 제어기(23)는 엔진회전속도, 엔진온도, 흡입공기량 상기 EGR 가스 증폭 챔버(22)내에 설치한 압력센서, 배기관(24)에 설치한 질소산화물 농도센서의 출력신호를 입력받고 그 출력신호를 맵 센서가 제어 연산하여 상기 EGR 밸브(14)를 제어하는 것이다.

상기 재순환 분기도관(21a)(21b)(21c)(21d)의 길이는 다음과 같이 결정한다.

즉 실린더의 수를 L, 엔진의 회전수를 N, 행정체적을 Vs, 압력파의 주파수를 fs, 재순환 분기도관의 길이를 Is라 하면

압력파의 주파수

이고,

재순환 분기도관의 길이

를 만족하는 길이로 형성하는 것이다.

이상과 같은 본 발명은 엔진의 배기행정에서 각 배기분기매니폴드(20a)(20b) (20c)(20d)로 배출되는 배기가스 중의 일부는 각 그 길이차이가 있는 재순환 분기도관(21a)(21b)(21c)(21d)을 경유하여 압력파가 동조하는 위치에 설치한 EGR 가스 증폭 챔버(22)에 유입되면서 배기가스의 압력이 증폭되고, 상기 압력이 증폭된 배기가스는 큰 압력을 형성하게 되는 것이다.

상기와 같이 EGR 가스 증폭 챔버(22)에서 증폭된 배기가스는 엔진회전속도, EGR 가스 증폭 챔버(22)내의 압력, 배기가스 중 질소산화물의 농도 등의 출력신호를 제어기(23)가 입력받아 맵 센서가 제어 연산하여 EGR 밸브(14)의 솔레노이드에 신호를 출력하여 개방함으로써 흡기도관(13)을 경유하여 연소실에 유입되는 것이다.

상기와 같이 배기가스의 일부를 흡기압력보다 크게 증폭하면 배기매니폴드(12)에서 배출되는 배기가스의 압력이 흡기압력보다 낮을 때에도 배기가스의 일부를 연소실에 양호하게 유입함으로써 EGR 율을 획기적으로 높일 수 있는 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예의 배기가스 동조그래프로서, 폭발순서가 1, 3, 4, 2인 4 실린더 엔진에 시험한 결과 배기가스가 동조 증폭하여 그 압력이 증폭되는 것을 확인할 수 있었다.

이상과 같이 본 발명은 각 실린더의 배기분기매니폴드에 재순환 분기도관을 각각 그 길이를 차이지게 형성하여 연결하고, 재순환 분기도관의 출구측에 EGR 가스 증폭 챔버를 연결하여 EGR 가스 증폭 챔버에 유입되는 배기가스의 압력파가 동조하여 배기가스의 압력을 증폭함과 동시에 큰 압력을 형성하도록 하여서 연소실에 유입되도록 하였기 때문에 흡기압력이 높을 때 특히, 디젤엔진의 터보차저의 부스트 압력이 높을 때에도 EGR 율을 획기적으로 향상할 수 있고, EGR 율을 향상함으로써 질소산화물의 발생량을 엔진의 타이밍 리타드(timing retard) 없이 양호하게 저감할 수 있음으로 연비를 개선할 수 있는 것이다.

또한, 본 발명은 종래 EGR 펌프를 사용하는 것과 같이 EGR 펌프를 필요로 하지 않고, 또한 별도의 제어장치도 필요하지 않음으로 원가를 절감할 수 있는 것이다.

Claims

실린더와; 상기 실린더에 연결하고 흡기도관을 연결한 흡기매니폴드와; 상기 실린더에 연결한 배기매니폴드와; 상기 배기매니폴드와 EGR 밸브를 설치한 흡기도관을 연결하는 재순환 도관을 구비하여 배기가스 중의 일부를 연소실에 유입하는 배기가스 재순환 시스템에 있어서, 상기 배기매니폴드의 배기분기매니폴드에 일측을 각각 연결하고 길이를 각각 차이지게 형성한 재순환 분기도관과; 상기 각 재순환 분기도관의 출구측에 연결하여 상기 재순환 도관에 연결한 EGR 가스 증폭 챔버와; 엔진회전속도, 엔진온도, 흡입공기량, 상기 EGR 가스 증폭 챔버내의 압력, 질소산화물 농도의 출력신호를 입력받아 상기 EGR 밸브를 제어하는 제어기로 구성한 엔진의 배기가스 재순환 시스템.
제 1 항에 있어서, 재순환 분기도관의 길이(Is)는 실린더의 수를 L, 엔진의 회전수를 N, 행정체적을 V_S 라 할 때 아래식을 만족하도록 형성한 엔진의 배기가스 재순환 시스템.