KR101683495B1 - 터보차저를 갖는 엔진 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 터보차저를 갖는 엔진 시스템에 의하면, 배기매니폴드의 일측에서 분기되어 연소실에서 배출되는 배기가스를 배출시키는 메인배기라인, 상기 배기매니폴드의 타측에서 분기되어 상기 연소실에서 배출되는 배기가스를 배출하는 보조배기라인, 상기 메인배기라인에 설치되어 배기가스에 포함된 유해물질을 저감시키는 제1촉매유닛, 상기 보조배기라인에 설치되어 배기가스의 유동 에너지에 의해서 작동되는 터보차저터빈, 상기 터빈의 하류측에 설치되어 배기가스에 포함된 유해물질을 저감시키는 제2촉매유닛, 및 상기 메인배기라인에 설치되어 배기가스의 루트를 제어하는 배기루트컨트롤밸브를 포함할 수 있다.

Description

터보차저를 갖는 엔진 시스템{ENGINE SYSTEM HAVING TURBO CHARGER}
본 발명은 터보차저를 이용하고 배기가스를 재순환하여 저속구간에서 출력을 향상시키고 연소효율을 증가시키며 배기가스의 품질을 향상시키는 엔진 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 디젤엔진은 가솔린엔진에 비하여 연료의 소모가 적고 효율이 좋다고 알려져 있다. 통상 40%정도의 효율을 내고 있으며, 이는 디젤엔진의 고압축비에 따른 것이다.
최근의 엔진에서는 보다 큰 출력을 얻을 수 있도록 터보차저(Turbo charge)와 인터쿨러(Inter cooler) 등을 추가로 구비한다.
이와 같이 터보차저를 적용한 엔진은 터보차저의 압축기에 의해 배기가스나 외부공기를 흡입하여 압축시키고, 이때 발생된 과급공기(고온의 압축공기)를 엔진측으로 공급한다.
하지만, 급속히 압축된 공기는 터보차저의 열과 그 압축과정에서 발생하는 열을 흡수하여 밀도가 낮아지게 되고, 결과적으로 엔진 연소실 내의 충전효율을 떨어뜨린다. 이에, 인터쿨러를 사용함으로써 과급공기를 냉각하여 높은 밀도를 얻을 수 있으며, 그 결과 보다 많은 공기를 엔진 연소실 내로 흡입시켜 높은 출력을 얻을 수 있다.
한편, 최근 들어 유럽의 EURO 3 또는 EURO 4와 같은 배기가스 규제 경향에 맞추어 터보 디젤엔진에서 배출되는 배기가스 속의 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx) 등을 포함한 배기가스의 일부를 재순환시켜 그 함량을 더욱 감소시키기 위한 다양한 시스템이 제시되고 있다. 그 중에서 대표적인 것이 배기가스 재순환시스템(Exhaust Gas Recirculation System; EGR System)이다.
아울러, 터보차저를 구비한 엔진에서 엔진회전수가 중저속구간에서 연료소모를 줄이는 동시에 출력토크를 증가시키기 위한 연구가 진행되고 있고, 재순환가스의 공급을 보다 효율적으로 제어하기 위한 연구도 함께 진행되고 있다.
본 발명의 목적은 엔진의 회전수가 중저속구간에서 연료소모를 줄이는 동시에 출력토크를 증가시키고, 배기라인에 설치되는 배기루트컨트롤밸브의 열변형을 줄이고 내구성과 실링성을 향상시키며, 터보차저의 배압을 줄여서 작동효율을 향상시키는 터보차저를 갖는 엔진 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 터보차저를 갖는 엔진 시스템에 의하면, 배기매니폴드의 일측에서 분기되어 연소실에서 배출되는 배기가스를 배출시키는 메인배기라인, 상기 배기매니폴드의 타측에서 분기되어 상기 연소실에서 배출되는 배기가스를 배출하는 보조배기라인, 상기 메인배기라인에 설치되어 배기가스에 포함된 유해물질을 저감시키는 제1촉매유닛, 상기 보조배기라인에 설치되어 배기가스의 유동 에너지에 의해서 작동되는 터보차저터빈, 상기 터빈의 하류측에 설치되어 배기가스에 포함된 유해물질을 저감시키는 제2촉매유닛, 및 상기 메인배기라인에 설치되어 배기가스의 루트를 제어하는 배기루트컨트롤밸브를 포함할 수 있다.
상기 배기루트컨트롤밸브는 상기 제1촉매유닛의 하류측에 설치될 수 있다.
상기 메인배기라인에는 상기 제1촉매유닛의 하류측에 배기가스를 정화하는 제3촉매유닛이 배치될 수 있다.
상기 메인배기라인과 상기 보조배기라인은 합류하여 하나의 싱글배기라인이 형성될 수 있다.
상기 싱글배기라인에 배기가스를 정화하는 제3촉매유닛이 배치될 수 있다.
흡기매니폴드로 외기를 전달하는 메인흡기라인, 상기 메인흡기라인의 상류측에서 분기되어 하류측으로 합류되는 보조흡기라인, 상기 메인흡기라인에서 상기 보조흡기라인과 연결되는 부분 사이에 설치되어흐르는 가스를 제어하는 흡기루트컨트롤밸브, 상기 보조흡기라인에 설치되어 상기 터보차저터빈에 의해서 작동되는 터보차저펌프, 및 상기 터보차저펌프의 하류측에 설치되어 상기 터보차저펌프에 의해서 펌핑되는 가스를 냉각시키는 인터쿨러를 포함할 수 있다.
상기 흡기매니폴드의 입구측에 상기 흡기매니폴드로 공급되는 가스를 제어하는 스로틀밸브가 설치될 수 있다.
상기 메인배기라인과 상기 보조배기라인은 합류되지 않고, 별도로 외부로 배기가스를 배출할 수 있다.
상기 배기루트컨트롤밸브는 상기 제1촉매유닛의 하류측에 설치될 수 있다.
상기 메인배기라인의 상기 배기루트컨트롤밸브와 상기 제1촉매유닛 사이에 배기가스를 정화하는 제3촉매유닛이 배치될 수 있다.
상기 메인배기라인과 상기 보조배기라인은 별도로 외부로 연결되어 배기가스를 외부고 각각 배출시킬 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따라서, 배기루트컨트롤밸브가 제1촉매유닛의 하류측에 배치됨으로서, 고온의 배기가스에 의한 열변형을 줄이고, 실링성과 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 메인배기라인에 설치되는 배기루트컨트롤밸브를 설치하기 위한 파이프 및 플랜지가 상기 메인배기라인의 하류측으로 이동함으로써, 터보차저의 터빈과 간섭이 발생하지 않고, 조립성과 유지보수 용이성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 터보차저를 갖는 엔진 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 터보차저를 갖는 엔진 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 터보차저를 갖는 엔진 시스템의 개략적인 구성도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 터보차저를 갖는 엔진 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 엔진 시스템은 에어크리너(100), 메인흡기라인(110), 흡기루트컨트롤밸브(115), 스로틀밸브(120), 흡기매니폴드(125), 보조흡기라인(160), 터보차저(170)의 컴프레서(174), 인터쿨러(117), 엔진(130), 배기매니폴드(135), 메인배기라인(140), 제1촉매유닛(145), 배기루트컨트롤밸브(150), 보조배기라인(175), 터보차저(170)의 터빈(172), 제2촉매유닛(180), 및 제3촉매유닛(155)을 포함한다.
상기 메인흡기라인(110)에는 상기 에어크리너(100), 상기 흡기루트컨트롤밸브(115), 및 상기 스로틀밸브(120)가 순차적으로 배치되고, 상기 보조흡기라인(160)은 상기 메인흡기라인(110)의 상기 에어크리너(100)에서 분기되어 상기 흡기루트컨트롤밸브(115)와 상기 스로틀밸브(120) 사이의 상기 메인흡기라인(110)으로 합류된다.
상기 보조흡기라인(160)에는 상기 터보차저(170)의 상기 컴프레서(174)와 상기 인터쿨러(117)가 순차적으로 배치되고, 상기 컴프레서(174)는 상기 터보차저(170)의 상기 터빈(172)과 연결되어 상기 터빈(172)과 상기 컴프레서(174)가 함께 회전하는 구조를 갖는다.
상기 엔진(130)의 운전부하가 설정수치 이하 일때, 상기 흡기루트컨트롤밸브(115)가 닫히고, 상기 에어크리너(100) 측으로 공급된 외기는 상기 보조흡기라인(160)의 상기 컴프레서(174)와 상기 인터쿨러(117), 및 상기 스로틀밸브(120)를 거쳐서 상기 흡기매니폴드(125)로 공급된다.
상기 엔진(130)의 운전부하가 설정수치 이상 일때, 상기 흡기루트컨트롤밸브(115)가 열리고, 상기 에어크리너(100) 측으로 공급된 외기는 상기 메인흡기라인(110)의 상기 흡기루트컨트롤밸브(115), 및 상기 스로틀밸브(120)를 거쳐서 상기 흡기매니폴드(125)로 공급된다.
상기 흡기매니폴드(125)로 공급된 가스는 각 흡기포트(미도시)를 통해서 상기 엔진(130)의 연소실로 공급되고, 상기 연소실에서 연료와 혼합되어 연소되면, 상기 연소실에서 연소된 연소가스는 배기포트를 통해서 상기 배기매니폴드(135)로 배출된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 메인배기라인(140)은 상기 배기매니폴드(135)의 일측에서 분기되고, 상기 보조배기라인(175)은 상기 배기매니폴드(135)의 타측에서 분기되고, 그 후단부는 서로 합류되어 하나의 싱글배기라인(190)을 형성한다.
상기 메인배기라인(140)에는 상기 제1촉매유닛(145) 및 상기 배기루트컨트롤밸브(150)가 순차적으로 배치되고, 상기 보조배기라인(175)에는 상기 터보차저(170)의 터빈(172), 및 상기 제2촉매유닛(180)이 순차적으로 배치된다.
그리고, 상기 메인배기라인(140)과 상기 보조배기라인(175)이 합류하는 지점에 상기 제3촉매유닛(155)이 배치된다.
상기 엔진(130)의 운전부하가 설정수치 이하일 때, 상기 배기루트컨트롤밸브(150)가 닫히고, 상기 보조배기라인(175)으로 배기가스가 배출되고, 상기 보조배기라인(175)을 흐르는 배기가스는 상기 터보차저(170)의 터빈(172), 상기 제2촉매유닛(180), 상기 제3촉매유닛(155), 및 상기 싱글배기라인(190)을 통해서 외부로 배출된다.
상기 엔진(130)의 운전부하가 설정수치 이상일 때, 상기 배기루트컨트롤밸브(150)가 열리고, 배기가스는 상기 메인배기라인(140)으로 공급되고, 상기 메인배기라인(140)을 흐르는 배기가스는 상기 제1촉매유닛(145), 상기 배기루트컨트롤밸브(150), 상기 제3촉매유닛(155), 및 상기 싱글배기라인(190)을 거쳐서 외부로 배출된다.
상기 제1촉매유닛(145), 상기 제2촉매유닛(180), 및 상기 제3촉매유닛(155)은 상기 메인배기라인(140) 또는 상기 보조배기라인(175)을 흐르는 배기가스에 포함된 유해물질, 예를 들어, HC, CO, NOx, 및 입자상 물질 등을 저감시키는 기능을 수행한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 배기루트컨트롤밸브(150)가 상기 제1촉매유닛(145)의 하류측에 배치됨으로써, 상대적으로 낮은 온도에서 작동되어 내구성이 향상되고, 반대로 상기 제1촉매유닛(145)은 상기 배기매니폴드(135) 측에 배치되어 활성화온도(LOT: light off time)에 신속하게 도달하여 배기가스의 품질이 향상된다.
아울러, 상기 배기루트컨트롤밸브(150)의 열변형이 줄어 실링성을 향상시키고, 동시에 상기 배기루트컨트롤밸브(150)와 상기 터보차저(170)의 상기 터빈(172)의 간섭이 줄어들고, 설치공간에 대한 제약이 줄어들어, 조립성과 유지보수 용이성이 향상된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 엔진의 운전부하는 회전수와 연료분사량에 의해서 미리 설정될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 터보차저를 갖는 엔진 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 2에서는 도 1과 비교하여 특징적으로 다른 부분에 대해서 설명하고, 동일 또는 유사한 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 2를 참조하면, 상기 제3촉매유닛(155)은 상기 메인배기라인(140)에서 상기 배기루트컨트롤밸브(150)의 하류측에 배치되고, 상기 보조배기라인(175)을 지나는 배기가스는 상기 제3촉매유닛(155)을 지나지 않고, 상기 싱글배기라인(190)을 통해서 외부로 배출된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 엔진(130)의 부하가 설정수치 이하일 때, 상기 배기루트컨트롤밸브(150)가 닫히고, 상기 배기루트컨트롤밸브(150)가 닫힌 상태에서, 배기가스는 상기 보조배기라인(175)을 따라서 흐른다.
그래서, 배기가스는 상기 터보차저(170)의 상기 터빈(172), 상기 제2촉매유닛(180), 및 상기 싱글배기라인(190)을 통해서 흐르게 되어, 상기 터보차저(170)의 상기 터빈(172)의 후단부 배압이 저감되어, 상기 터빈(172)이 상기 컴프레서(174)를 빠르게 회전시킬 수 있다.
아울러, 상기 엔진(130)의 부하가 설정수치 이상일 때, 상기 배기루트컨트롤밸브(150)가 열리고, 상기 배기루트컨트롤밸브(150)가 열린 상태에서, 배기가스는 상기 메인배기라인(140)을 따라서 흐른다.
그래서, 배기가스는 상기 제1촉매유닛(145), 상기 배기루트컨트롤밸브(150), 상기 제3촉매유닛(155), 및 상기 싱글배기라인(190)을 거쳐서 외부로 배출된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 배기루트컨트롤밸브(150)가 열리고, 상기 흡기루트컨트롤밸브(115)가 열린상태에서, 흡기는 상기 인터쿨러(117)를 거치지 않고, 상기 흡기루트컨트롤밸브(115)를 거처서 상기 엔진(130)의 연소실로 공급되고, 상기 연소실에서 배출되는 배기가스는 상기 메인배기라인(140)과 상기 싱글배기라인(190)을 거쳐서 외부로 배출되어, 상기 터보차저(170)는 작동되지 않는다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 터보차저를 갖는 엔진 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 3에서는 도 1 및 도 3과 비교하여 특징적으로 다른 부분에 대해서 설명하고, 동일 또는 유사한 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 3을 참조하면, 상기 제3촉매유닛(155)은 상기 메인배기라인(140)에서 상기 배기루트컨트롤밸브(150)의 상류측에 배치되고, 상기 보조배기라인(175)을 지나는 배기가스는 상기 제3촉매유닛(155)을 지나지 않고, 상기 메인배기라인(140)과 합류되지 않고 외부로 배출된다.
아울러, 상기 메인배기라인을 지나는 배기가스도 상기 보조배기라인과 합류되지 않고, 바로 외부로 배출된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 엔진(130)의 부하가 설정수치 이하일 때, 상기 배기루트컨트롤밸브(150)가 닫히고, 상기 배기루트컨트롤밸브(150)가 닫힌 상태에서, 배기가스는 상기 보조배기라인(175)을 따라서 흐른다.
그래서, 배기가스는 상기 터보차저(170)의 상기 터빈(172), 상기 제2촉매유닛(180)을 통해서 흘러 외부로 배출된다. 따라서, 상기 터보차저(170)의 상기 터빈(172)의 후단부 배압이 저감되어, 상기 터빈(172)이 상기 펌프를 빠르게 회전시킬 수 있다.
아울러, 상기 엔진(130)의 부하가 설정수치 이상일 때, 상기 배기루트컨트롤밸브(150)가 열리고, 상기 배기루트컨트롤밸브(150)가 열린 상태에서, 배기가스는 상기 메인배기라인(140)을 따라서 흐른다.
그래서, 배기가스는 상기 제1촉매유닛(145), 상기 제3촉매유닛(155), 상기 배기루트컨트롤밸브(150)를 거쳐서 외부로 배출된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 배기루트컨트롤밸브(150)가 열리고, 상기 흡기루트컨트롤밸브(115)가 열린상태에서, 흡기는 상기 인터쿨러(117)를 거치지 않고, 상기 흡기루트컨트롤밸브(115)를 거처서 상기 엔진(130)의 연소실로 공급되고, 상기 연소실에서 배출되는 배기가스는 상기 메인배기라인(140)을 거쳐서 외부로 배출되어, 상기 터보차저(170)는 작동되지 않는다.
본 발명의 실시예에서, 기존의 자연 흡기 방식의 가솔린 엔진에서 설정된 회전수 이하(저속구간)에서 터보차저를 이용하여 공기를 추가 주입함으로써 저속구간에서 토크를 증대시켜 연비를 향상시킬 수 있고, 소형 터보차저를 통해서 고속영역에서는 자연흡기방식으로 고토크를 유지하고, 저속영역에서 토크를 상승시키는 효과를 실현할 수 있다.
즉, 최대토크 지점보다 낮은 저속영역에서 상기 터보차저를 이용하여 공기를 과급하고, 고속영역에서 자연 흡기 방식을 유지할 수 있어서, 운전자가 비교적 많이 사용하는 저속영역에서만 터보차저를 사용함으로써 터보차저의 용량을 줄이고, 저속토크를 증가시켜 연료소모를 줄일 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
170100: 에어크리너 110: 메인흡기라인
115: 흡기루트컨트롤밸브 117: 인터쿨러
120: 스로틀밸브 125: 흡기매니폴드
130: 엔진 135: 배기매니폴드
140: 메인배기라인 145: 제1촉매유닛
150: 배기루트컨트롤밸브 155: 제3촉매유닛
160: 보조흡기라인 170: 터보차저
172: 터빈 174: 컴프레서
175: 보조배기라인 180: 제2촉매유닛
190: 싱글배기라인

Claims (11)

  1. 흡기매니폴드로 흡기를 전달하고, 그 일측에는 흡기루트컨트롤밸브가 설치된 메인흡기라인;
    상기 흡기루트컨트롤밸브를 바이패스하고, 그 일측에는 터보차저의 컴프레서가 배치되는 보조흡기라인;
    배기매니폴드의 일측에서 분기되어 연소실에서 배출되는 배기가스가 지나는 메인배기라인;
    상기 배기매니폴드의 타측에서 분기되어 상기 연소실에서 배출되는 배기가스를 배출하고, 상기 메인배기라인과 합류되어 하나의 싱글배기라인을 형성하는 보조배기라인;
    상기 보조배기라인과 상기 메인배기라인이 합류하기 전, 상기 메인배기라인에 설치되어 배기가스에 포함된 유해물질을 저감시키는 제1촉매유닛;
    상기 보조배기라인과 상기 메인배기라인이 합류하기 전, 상기 보조배기라인에 설치되어 배기가스의 유동 에너지에 의해서 작동되어 상기 컴프레서를 회전시키도록 상기 제1촉매유닛의 하류측에 배치되는 터빈;
    상기 보조배기라인의 상기 터빈의 하류측에 설치되어 배기가스에 포함된 유해물질을 저감시키는 제2촉매유닛;
    상기 제1촉매유닛과 상기 제2촉매유닛 사이의 상기 메인배기라인에 설치되어 배기가스가 상기 메인배기라인을 흐르거나, 상기 보조배기라인을 흐르도록 배기가스의 루트를 제어하는 배기루트컨트롤밸브; 및
    배기가스를 정화하도록 상기 싱글배기라인에 배치되는 제3촉매유닛; 을 포함하고,
    상기 터보차저의 용량은 자연 흡기 방식의 엔진의 미리 설정된 저속영역에서 최대 출력토크를 달성할 수 있는 최소값으로 설정되고,
    상기 최대 출력토크에 대응하는 미리 설정된 엔진회전수를 기준으로, 그 미만에서 상기 터보차저가 작동되고, 그 이상에서는 상기 터보차저가 동작하지 않도록 상기 흡기루트컨트롤밸브와 상기 배기루트컨트롤밸브가 제어되는 것을 특징으로 하는 터보차저를 갖는 엔진 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에서,
    상기 컴프레서의 하류측에 설치되어 터보차저펌프에 의해서 펌핑되는 가스를 냉각시키는 인터쿨러;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저를 갖는 엔진 시스템.
  7. 제6항에서,
    상기 흡기매니폴드의 입구측에 상기 흡기매니폴드로 공급되는 가스를 제어하는 스로틀밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 터보차저를 갖는 엔진 시스템.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
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