KR101776312B1 - 과급 엔진의 ｅｇｒ 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 슈퍼차져와 터보차져가 함께 구비된 엔진에서, EGR장치와 슈퍼차져의 작동 사이에 독립성을 향상시켜서 슈퍼차져 및 EGR장치의 제어 자유도 및 다양성을 확보하고, 아울러 엔진 및 배기후처리장치의 신속한 웜업이 가능하도록 한다.

Description

과급 엔진의 ＥＧＲ 장치 및 그 제어방법{Exhaust Gas Recirculation Apparatus for Engine and Control Method thereof}

본 발명은 흡기 과급이 이루어지는 엔진의 EGR장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 슈퍼차져와 터보차져를 함께 구비한 엔진의 EGR장치에 관한 기술이다.

엔진의 과급 장치는 연소실에 보다 많은 양의 공기를 공급함에 따라 엔진의 비출력을 향상시킬 수 있도록 하기 위한 것으로, 크게 엔진 크랭크샤프트의 회전력 등에 의해 직접 구동되는 슈퍼차져(supercharger)와, 엔진 배기가스의 에너지를 이용하여 작동되는 터보차져(turbo charger)로 구분된다.

슈퍼차져는 외부로부터 직접 구동력을 공급받으므로 응답성이 유리하여 터보차져의 전형적 단점인 터보래그(turbo lag)를 해소할 수 있으나, 엔진의 구동력을 사용하여 작동되므로 에너지 효율적인 측면에서 다소 불리하다.

따라서, 상기한 바와 같은 슈퍼차져와 터보차져를 함께 적용함으로써, 터보래그의 해소 및 에너지 효율의 향상을 통한 연비 향상을 함께 도모하려는 엔진의 개발이 이루어지고 있다.

도 1은 종래의 슈퍼차져(500)와 터보차져(502)가 함께 적용된 엔진을 도시한 것으로서, 엔진의 배기매니폴드(504)에 터보차져(502)가 연결되어 있고, 흡기매니폴드(506)에 슈퍼차져(500)가 연결되어 있으며, 흡기는 에너클리너(508)로부터 상기 터보차져(502)의 컴프레셔(C)를 거쳐 상기 슈퍼차져(500)로 공급되도록 되어 있고, 그 사이에는 컴프레셔(C)로부터 토출되는 공기를 냉각시키기 위한 인터쿨러(510)가 구비된 구조이다.

또한, EGR라인(512)이 상기 배기매니폴드(504)의 상기 터보차져(502)의 터빈(T) 전단으로부터 상기 흡기매니폴드(506)로 연결되어 있고, 상기 EGR라인(512)에는 EGR량을 조절하기 위한 EGR밸브(514)가 구비되며, EGR쿨러(516)가 구비되어 EGR가스의 냉각을 도모할 수 있도록 되어 있으며, 냉각수 온도가 낮은 경우를 대비하여 상기 EGR쿨러(516)를 바이패스할 수 있는 바이패스통로(518)와 바이패스밸브(520)가 구비되어 있다.

그런데, 상기한 바와 같이 구성된 엔진에서는 상기 슈퍼차져(500)를 작동시키는 동안에는 원활한 EGR작용을 기대하기 어려운 바, 슈퍼차져(500)에 의해 흡기매니폴드(506)의 압력이 높아지면, EGR가스가 흡기매니폴드(506)로 공급되도록 하기 위한 흡기매니폴드(506)와 배기매니폴드(504) 사이의 압력차 형성이 어렵기 때문이다.

이와 같이 슈퍼차져(500)의 작동과 EGR장치의 작동이 서로 영향을 줌에 따라, 슈퍼차져(500) 및 EGR장치의 제어 자유도 및 다양성이 저하되는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 슈퍼차져와 터보차져가 함께 구비된 엔진에서, EGR장치와 슈퍼차져의 작동 사이에 독립성을 향상시켜서 슈퍼차져 및 EGR장치의 제어 자유도 및 다양성을 확보하고, 아울러 엔진 및 배기후처리장치의 신속한 웜업이 가능하도록 한 과급 엔진의 ＥＧＲ 장치 및 그 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 과급 엔진의 ＥＧＲ 장치는

엔진의 배기매니폴드에 터빈이 연결된 터보차져와;

상기 엔진의 흡기매니폴드에 연결된 슈퍼차져와;

상기 배기매니폴드로부터 상기 흡기매니폴드로 연결되는 EGR라인과;

상기 배기매니폴드로부터 상기 슈퍼차져의 전단으로 연결되는 EGR바이패스라인과;

상기 EGR바이패스라인을 개폐하도록 설치된 EGR바이패스밸브;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 과급 엔진의 ＥＧＲ 장치 제어방법은

엔진속도와 연료량에 따라 설정되는 특정운전영역에서 슈퍼차져를 구동하도록 하는 제1과정과;

냉각수온도와 흡기온도에 따라 엔진의 냉간 및 온간 상태를 구분하여, 냉간시에만 슈퍼차져를 구동하고 EGR바이패스밸브를 개방하는 제2과정;

을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 슈퍼차져와 터보차져가 함께 구비된 엔진에서, EGR장치와 슈퍼차져의 작동 사이에 독립성을 향상시켜서 슈퍼차져 및 EGR장치의 제어 자유도 및 다양성을 확보하고, 아울러 엔진 및 배기후처리장치의 신속한 웜업이 가능하도록 한다.

도 1은 종래 기술에 의한 슈퍼차져와 터보차져가 함께 구비된 엔진의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 과급 엔진의 ＥＧＲ 장치 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 과급 엔진의 ＥＧＲ 장치 제어방법의 일예를 예시한 순서도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명 과급 엔진의 ＥＧＲ 장치의 실시예는, 엔진의 배기매니폴드(1)에 터빈(T)이 연결된 터보차져(3)와; 상기 엔진의 흡기매니폴드(5)에 연결된 슈퍼차져(7)와; 상기 배기매니폴드(1)로부터 상기 흡기매니폴드(5)로 연결되는 EGR라인(9)과; 상기 배기매니폴드(1)로부터 상기 슈퍼차져(7)의 전단으로 연결되는 EGR바이패스라인(11)과; 상기 EGR바이패스라인(11)을 개폐하도록 설치된 EGR바이패스밸브(13)를 포함하여 구성된다.

즉, EGR라인(9)의 EGR쿨러(15)를 바이패스하기 위한 EGR바이패스라인(11)을 종래와 달리 EGR라인(9)과는 별도로 슈퍼차져(7)의 전단으로 연결함으로써, 본래의 EGR라인(9)을 통한 EGR작용과 더불어 상기 EGR바이패스라인(11)을 통한 EGR작용이 독립적으로 이루어질 수 있도록 함으로써, 상기 슈퍼차져(7)의 작동과의 독립성 향상으로, 슈퍼차져(7) 및 EGR장치의 작동 제어 다양성을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

상기 EGR라인(9)에는 EGR쿨러(15)와 EGR량을 조절하는 EGR밸브(17)가 구비되고, 상기 터보차져(3)의 컴프레셔(C)는 상기 슈퍼차져(7)의 전단으로 연결되며, 상기 슈퍼차져(7)의 전단에는 상기 컴프레셔(C)로부터의 공기를 상기 슈퍼차져(7)로 공급하거나 바이패스시키는 슈퍼차져바이패스밸브(19)가 구비된 구조이다.

또한, 상기 터보차져(3)의 컴프레셔(C)와 상기 슈퍼차져(7) 사이에는 공기를 냉각시키기 위한 인터쿨러(21)가 구비되어 있는데, 물론, 이외에도 상기 인터쿨러의 위치 및 수량은 변경될 수 있을 것인바, 예컨대 상기 슈퍼차져(7)의 후단에 인터쿨러가 위치하거나 별도의 인터쿨러가 설치될 수도 있을 것이다.

또한, 상기 슈퍼차져(7)는 클러치에 의해 온오프될 수 있도록 설치됨으로써, 필요시에는 클러치를 온시켜서 슈퍼차져(7)를 작동시킴으로써 과급작동이 이루어지도록 하고, 불필요한 상황에서는 클러치를 오프시켜서 슈퍼차져(7)의 작동을 금지하고, 상기 슈퍼차져바이패스밸브(19)를 통해 흡기는 슈퍼차져(7)를 우회하여 흡기매니폴드(5)로 공급되도록 함으로써, 슈퍼차져(7)에 의한 동력손실을 방지할 수 있도록 되어 있다.

상기한 바와 같이 구성된 엔진은 에어클리너(23)로부터 흡입되는 공기는 터보차져(3)의 컴프레셔(C)에서 가압되고, 상기 인터쿨러(21)에서 냉각된 후 바로 흡기매니폴드(5)로 공급될 수도 있고, 상기 슈퍼차져(7)에서 2차적으로 가압되어 흡기매니폴드(5)로 공급될 수도 있으며, 상기 배기매니폴드(1)의 배기가스는 상기 EGR라인(9)을 통해 흡기매니폴드(5)로 바로 공급되어 EGR작용이 이루어지도록 할 수도 있으며, 상기 EGR바이패스라인(11)을 통해 상기 슈퍼차져(7)를 거친 후 흡기매니폴드(5)로 공급될 수도 있다.

상기한 바와 같이 구성된 과급 엔진을 제어하는 방법을 도 3을 참조하여 살펴보면, 도 3은 엔진속도와 연료량에 따라 설정되는 특정운전영역에서 상기 슈퍼차져(7)를 구동하도록 하는 제1과정(S10)과; 냉각수온도와 흡기온도에 따라 엔진의 냉간 및 온간 상태를 구분하여, 냉간시에만 슈퍼차져(7)를 구동하고 EGR바이패스밸브(13)를 개방하는 제2과정(S20)을 포함하여 구성된다.

상기 제1과정(S10)에서 슈퍼차져(7)를 구동하는 상기 특정운전영역은 차량의 발진시와 같은 저회전수 고부하 운전영역인 바, 엔진속도와 연료량으로 표현되는 운전영역의 맵 등에서 엔진의 속도가 저회전수인 상태에서, 운전자가 가속페달을 깊이 밟아 고부하 상태로서 연료량이 급증하는 경우 등의 상황이라고 판단되면, 상기 슈퍼차져(7)를 터보차져(3)와 함께 작동시켜서 신속히 흡기를 과급함으로써, 신속한 응답성으로 엔진의 출력이 향상될 수 있도록 하는 것이다.

따라서, 엔진의 응답성 향상을 위해, 상기 제1과정(S10)은 상기 제2과정(S20)에 우선하여 수행되는 것이 바람직할 것이다.

상기 제2과정(S20)에서는 엔진의 냉각수온도와 흡기온도에 따라 엔진이 온간 상태, 즉 충분한 웜업이 이루어진 보통의 운행상태라고 판단되면, 상기 슈퍼차져(7)를 작동시키지 않도록 하여, 엔진의 동력을 소모하지 않도록 한다.

한편, 엔진이 냉간 상태라고 판단되면, 상기 슈퍼차져(7)를 작동시켜서, 아직 충분한 배기가스 에너지가 확보되지 않아 터보차져(3)에 의한 과급성능이 부족한 것을 보완하도록 하여 냉간시의 엔진 출력 성능 향상에 기여하도록 함과 아울러, 상기 EGR바이패스밸브(13)를 개방하여, EGR가스가 상기 EGR바이패스라인(11)을 통해 배기매니폴드(1)로부터 상기 터보차져(3)의 전단으로 공급되도록 한다.

즉, 엔진이 냉간 상태이므로 EGR가스는 EGR쿨러(15)를 통과하면서 과냉각될 필요가 없이 상기 EGR바이패스라인(11)을 통해 직접 슈퍼차져(7)의 전단으로 공급됨으로써, 상기 슈퍼차져(7)를 통과하여 흡기매니폴드(5)로 공급되어 냉간시에도 원활한 EGR작용이 가능한 것이다.

다시 말하면, 종래에는 터보차져 전단에서 흡기매니폴드로 연결되는 EGR라인, 즉 고압 EGR라인, 은 슈퍼차져가 작동하는 동안에는 원활한 EGR작용을 위한 압력차가 형성되지 못하여 EGR작용이 불가능했던 것에 비하여, 본 발명에서는 배기매니폴드(1)를 슈퍼차져(7)의 전단으로 연결하는 상기 EGR바이패스라인(11)에 의해 원활한 EGR가스의 공급이 가능하게 되는 것이다.

즉, 엔진 냉간 작동시 슈퍼차져(7)와 EGR장치는 서로 독립적으로 그 작동 제어가 이루어질 수 있어서 제어의 다양성이 확보되는 것이다.

상기와 같이 엔진 냉간시에 EGR바이패스라인(11)과 슈퍼차져(7)를 통해 뜨거운 EGR가스를 흡기매니폴드(5)로 제공하게 되면, 엔진의 웜업이 보다 신속하게 이루어질 수 있도록 하는 효과를 얻을 수 있으며, 상기 EGR가스는 슈퍼차져(7)를 통과하면서 흡기와의 혼합이 보다 잘 이루어져 EGR 분배성이 향상되게 된다.

또한, 특히 엔진의 냉시동시에는 배기후처리장치의 신속한 웜업을 위해 터보차져(3)의 터빈(T)을 개방하는 제어를 수행할 수 있다.

예컨대, 상기 터보차져(3)가 VGT로 이루어진 경우 베인을 조절하여 배기가스가 터빈(T)을 구동하기 보다는 그대로 배출되도록 하여, 배기가스의 열에너지가 배기후처리장치의 촉매 등을 신속히 웜업시키도록 하는 데에 기여하도록 하는 것이다.

참고로, 상기 터빈(T)을 개방한다는 의미는 상기한 바와 같이 배기가스가 터빈(T)의 운동에너지 증가에 활용되기보다는 그대로 통과하여 배기가스의 에너지를 배기후처리장치로 전달할 수 있도록 한다는 것으로, VGT에서는 베인의 각도조절을 통해, WGT의 경우에는 웨이스트게이트를 열어서 이를 구현할 수 있을 것이다.

1; 배기매니폴드
3; 터보차져
5; 흡기매니폴드
7; 슈퍼차져
9; EGR라인
11; EGR바이패스라인
13; EGR바이패스밸브
15; EGR쿨러
17; EGR밸브
19; 슈퍼차져바이패스밸브
21; 인터쿨러
23; 에어클리너
S10; 제1과정
S20; 제2과정

Claims (7)

1. 엔진의 배기매니폴드(1)에 터빈(T)이 연결된 터보차져(3)와;
   상기 엔진의 흡기매니폴드(5)에 연결된 슈퍼차져(7)와;
   상기 배기매니폴드(1)로부터 상기 흡기매니폴드(5)로 연결되는 EGR라인(9)과;
   상기 배기매니폴드(1)로부터 상기 슈퍼차져(7)의 전단으로 연결되는 EGR바이패스라인(11)과;
   상기 EGR바이패스라인(11)을 개폐하도록 설치된 EGR바이패스밸브(13);를 포함하여 구성되고,
   상기 EGR라인(9)에는 EGR쿨러(15)와 EGR량을 조절하는 EGR밸브(17)가 구비되고;
   상기 터보차져(3)의 컴프레셔(C)는 상기 슈퍼차져(7)의 전단으로 연결되며;
   상기 슈퍼차져(7)의 전단에는 상기 컴프레셔(C)로부터의 공기를 상기 슈퍼차져(7)로 공급하거나 바이패스시키는 슈퍼차져바이패스밸브(19)가 구비된 것
   을 특징으로 하는 과급 엔진의 ＥＧＲ 장치.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 터보차져(3)의 컴프레셔(C)와 상기 슈퍼차져(7) 사이에는 공기를 냉각시키기 위한 인터쿨러(21)가 더 구비되고;
   상기 슈퍼차져(7)는 클러치에 의해 온오프될 수 있도록 설치된 것
   을 특징으로 하는 과급 엔진의 ＥＧＲ 장치.
4. 청구항 1 또는 3항 중 어느 한 항의 EGR장치를 제어하는 방법에 있어서,
   엔진속도와 연료량에 따라 설정되는 특정운전영역에서 슈퍼차져(7)를 구동하도록 하는 제1과정(S10)과;
   냉각수온도와 흡기온도에 따라 엔진의 냉간 및 온간 상태를 구분하여, 냉간시에만 슈퍼차져(7)를 구동하고 EGR바이패스밸브(13)를 개방하는 제2과정(S20);을 포함하여 구성되고,
   상기 제1과정(S10)에서 슈퍼차져(7)를 구동하는 상기 특정운전영역은 차량의 발진시와 같은 저회전수 고부하 운전영역이며,
   상기 제2과정(S20)에서는 엔진의 냉시동시 배기후처리장치의 신속한 웜업을 위해 터보차져(3)의 터빈(T)을 개방하는 단계를 더 포함하는 것
   을 특징으로 하는 과급 엔진의 ＥＧＲ 장치 제어방법.
5. 삭제
6. 삭제
7. 청구항 4에 있어서,
   상기 제1과정(S10)은 상기 제2과정(S20)에 우선하여 수행되는 것
   을 특징으로 하는 과급 엔진의 ＥＧＲ 장치 제어방법.

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