KR101776716B1 - 배기가스 재순환 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기가스 재순환 시스템에 관한 것으로, 일단은 배기가스를 배출하는 배기 매니폴드에 연결되고 타단은 흡기 매니폴드에 연결되며 고압의 재순환 배기가스가 순환하는 고압 이지알 라인; 상기 고압 이지알 라인상에 설치되어 선택적으로 고압 또는 저압의 재순환 배기가스를 냉각시키는 이지알 쿨러; 상기 이지알 쿨러의 전단에서 상기 고압 이지알 라인과 합류하며, 상기 이지알 쿨러 후단에서 분기되어 일부가 상기 고압 이지알 라인과 공통되는 저압 이지알 라인; 및 상기 이지알 쿨러의 후단에 설치되어 저압의 재순환 배기가스 유입시 유입된 저압의 재순환 배기가스를 상기 터보 차져로 배출시키는 조절 밸브; 를 포함하는 배기가스 재순환 시스템을 제공하여, 이지알 쿨러의 공용화로 인하여 레이아웃상 유리하고 원가를 절감할 수 있다.

Description

배기가스 재순환 시스템{SYSTEM FOR EXHAUST GAS RECIRCULATION}
본 발명은 배기가스 재순환 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저압 이지알 라인과 고압 이지알 라인을 순환하는 재순환 배기가스의 냉각을 하나의 이지알 쿨러로 냉각시키는 배기가스 재순환 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 엔진에는 배기가스의 일부를 다시 흡기 라인으로 재순환시켜 연소시 최고 온도를 낮춤으로써 NOx의 발생을 억제하여 주는 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation, EGR)시스템이 장착된다.
도 2는 종래의 고압 이지알 시스템(30)의 개략도이고, 도 3은 종래의 저압 이지알 시스템(20)의 개략도이며, 도 4는 종래의 고압 이지알 시스템(30) 및 저압 이지알 시스템(20)을 하나의 시스템으로 구성한 것을 나타낸 것이다.
먼저, 도 2에서는 배기 매니폴드(exhaust manifold)(12)에서 배출되는 배기가스가 고압 이지알 라인(32)으로 유입되어 고압 이지알 쿨러(34a)를 통과한 다음 흡기 매니폴드(intake manifold)(14)로 유입된다. 이때, 고압 이지알 라인(32)에는 고압 이지알 밸브(38)가 설치되어 있어 고압 이지알 쿨러(34a)로 유입되는 재순환 배기가스의 양을 조절할 수 있다. 상기 고압 이지알 쿨러(34a)의 전후단을 잇는 바이패스 라인(36)이 형성되어 있어, 바이패스 밸브(35)를 조절함으로써 재순환 배기가스를 우회시킬 수 있다.
또한, 신기(fresh air)를 용이하게 흡기 매니폴드(14)에 공급함과 동시에 배기가스를 외부로 배출시키는 터보 차져(40)(turbo charger)가 상기 흡기 매니폴드(14) 및 배기 매니폴드(12)에 연결되는데, 상기 터보 차져(40)는 컴프레셔 (compressor)(42)와 터빈(turbine)(44)으로 구성되어 있어 상기 터빈(44)의 에너지를 이용하여 컴프레셔(42)를 작동시킬 수 있도록 되어 있다. 즉, 배출되는 배기가스의 압력차에 의해 터빈(44)이 구동되고 터빈(44)에 의한 일이 컴프레셔(42)에 전달되어 신기가 흡입되어 흡기 매니폴드(14)에 공급된다. 이때, 재사용되지 않는 배기가스는 테일 파이프(60)을 통하여 외부로 버려진다.
상기 컴프레셔(42)는 흡기 라인(46)을 통해 흡입된 신기를 흡기 공급 라인(56)을 통하여 흡기 매니폴드(14)에 공급하고, 상기 흡기 공급 라인(56)상에는 인터쿨러(50)가 설치되어 있어 흡입된 신기를 냉각시킨 후에 흡기 매니폴드(14)에 공급할 수 있도록 되어 있다.
또한, 도 3에서는 종래의 저압 이지알 시스템(20)의 개략도를 도시한 것인데, 터보 차져(40)의 터빈(44)을 통해 배출되는 배기가스의 일부를 재순환시켜 흡기 라인(46)을 통해 유입되는 신기와 함께 흡기 매니폴드(14)에 공급할 수 있도록 되어 있다. 즉, 상기 터보 차져(40)의 양단을 잇는 저압 이지알 라인(22)을 형성하여 저압의 재순환 배기가스를 흡기 매니폴드(14)에 재공급할 수 있도록 되어 있다. 저압 이지알 라인(22) 상에는 저압의 재순환 배기가스를 냉각시키기 위하여 저압 이지알 쿨러(34b)가 형성되어 있다.
그러나, 고압 이지알 시스템(30)이 단독으로 사용되는 경우에는 EGR 분배성이 취약하고, 고부하 영역에서는 고압의 재순환 배기가스의 공급이 불가하다는 단점이 있었는데, EURO 6를 달성하기 위해서는 고부하 영역에서도 EGR 가스를 공급하는 것이 필수적이다. 또한, 저압 이지알 시스템(20) 단독으로 사용되는 경우에는 저부하 영역에서 EGR 가스를 많이 사용할 수가 없어서 에미션(emission)에 나쁜 영향을 미칠 수 있다.
즉, 저압 이지알 시스템(20) 또는 고압 이지알 시스템(30) 단독으로 사용되는 경우는 엔진 부하와 무관하게 사용되므로 효율적이지 못하므로, 엔진 부하에 따라 고부하 영역에서는 저압 이지알 시스템(20)을 사용하고 저부하 영역에서는 고압 이지알 시스템(30)을 사용하면 보다 효율적이다.
이를 위해 종래에는 도 4와 같이 저압 이지알 시스템(20)과 고압 이지알 시스템(30)이 하나로 구성된 이지알 시스템이 도입되었다. 이는 단순히 도 2 및 도 3의 고압 이지알 시스템(30) 및 저압 이지알 시스템(20)을 합한 것에 불과하여, 고압 이지알 시스템(30)에서는 고압 이지알 쿨러(34a)를 사용하고, 저압 이지알 시스템(20)에서는 저압 이지알 쿨러(34b)를 사용하였다. 따라서, 두 개의 이지알 쿨러(34a, 34b)를 사용하므로 원가 및 레이아웃(lay-out)이 복잡해지는 문제가 있었다.
본 발명의 실시예들은 하나의 이지알 쿨러를 사용하여 엔진의 부하 영역에 따라 고압 이지알 시스템 또는 저압 이지알 시스템을 사용할 수 있는 이지알 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 일단은 배기가스를 배출하는 배기 매니폴드에 연결되고 타단은 흡기 매니폴드에 연결되며 고압의 재순환 배기가스가 순환하는 고압 이지알 라인; 상기 고압 이지알 라인상에 설치되어 선택적으로 고압 또는 저압의 재순환 배기가스를 냉각시키는 이지알 쿨러; 상기 이지알 쿨러의 전단에서 상기 고압 이지알 라인과 합류하며, 상기 이지알 쿨러 후단에서 분기되어 일부가 상기 고압 이지알 라인과 공통되는 저압 이지알 라인; 및 상기 이지알 쿨러의 후단에 설치되어 저압의 재순환 배기가스 유입시 유입된 저압의 재순환 배기가스를 상기 터보 차져로 배출시키는 조절 밸브; 를 포함하는 배기가스 재순환 시스템이 제공될 수 있다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 상기 이지알 쿨러는 저부하 운전 영역에서는 고압의 재순환 배기가스를 냉각시키고, 고부하 운전 영역에서는 저압의 재순환 배기가스를 냉각시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 상기 이지알 쿨러의 전단에는 고압 이지알 밸브가 형성되어 재순환되는 고압의 배기가스의 양을 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 상기 저압 이지알 라인을 순환하는 재순환 배기가스의 양은 상기 테일 파이프 상에 설치된 저압 이지알 밸브에 의해 조절되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 상기 컴프레셔는 흡기 공급 라인을 통하여 흡기 매니폴드와 연결되고, 상기 터보 차져를 통과한 재순환 배기가스와 신기는 상기 흡기 공급 라인상에 설치된 인터쿨러에 의해 냉각되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 상기 고압 이지알 라인에는 상기 이지알 쿨러 전후단을 연결하는 바이패스 라인이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 상기 바이패스 라인을 통과하는 재순환 배기가스의 양은 상기 바이패스 라인상에 설치되는 바이패스 밸브에 의해 조절되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 상기 저압 이지알 밸브의 전단에는 매연 필터가 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예들은 저압 이지알 시스템과 고압 이지알 시스템의 장점을 모두 사용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 이지알 쿨러의 공용화로 인하여 레이아웃상 유리하고 원가를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이지알 시스템의 개략도이다.
도 2는 종래의 고압 이지알 시스템의 개략도이다.
도 3은 종래의 저압 이지알 시스템의 개략도이다.
도 4는 종래의 고압 이지알 시스템 및 저압 이지알 시스템이 하나로 구성된 이지알 시스템의 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 위주로 설명하되, 종래기술에서와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 사용한다.
이러한 실시예는 본 발명에 따른 일실시예로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현할 수 있으므로, 본 발명의 권리범위는 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 재순환(EGR) 시스템의 개략도인데, 상기 배기가스 재순환 시스템은 고압의 배기가스가 재순환하는 고압 이지알 라인(32)과 저압의 배기가스가 재순환하는 저압 이지알 라인(22) 및 상기 고압 이지알 라인(32) 또는 저압 이지알 라인(22)을 순환하는 배기가스를 선택적으로 냉각시키는 이지알 쿨러(34)를 포함한다.
상기 고압 이지알 라인(32)은 일측이 배기 매니폴드(12)에 연결되고 타측은 흡기 매니폴드(14)로 연결되어 고압의 배기가스가 재순환하도록 형성되어 있다. 상기 고압 이지알 라인(32) 상에는 재순환 배기가스를 냉각시키는 이지알 쿨러(34)가 형성되어 있는데, 상기 이지알 쿨러(34)의 전단에는 고압 이지알 밸브(38)가 설치되어 있다. 상기 고압 이지알 밸브(38)는 상기 고압 이지알 라인(32)으로 고압의 배기가스가 유입되도록 조절된다.
또한, 저압 이지알 라인(22)은 터보 차져(40)(turbo charger)의 양단 즉, 컴프레셔(42)와 터빈(44)을 각각 연결하면서 형성되는데, 상기 터빈(44)과 연결되어 있는 테일 파이프(60)로부터 분기되어 상기 이지알 쿨러(34)의 전단에서 상기 고압 이지알 라인(32)과 합류하도록 되어 있다. 즉, 상기 고압 이지알 라인(32)와 저압 이지알 라인(22) 일부는 공통되어 있다. 이때, 저압 이지알 라인(22)을 재순환하는 저압의 배기가스의 양은 상기 테일 파이프(60) 상에 설치되어 있는 저압 이지알 밸브(28)에 의해 조절되도록 되어 있다.
또한, 저압 이지알 라인(22)은 이지알 쿨러(34) 후단에 설치된 조절 밸브(39)로부터 분기되어 상기 터보 차져(40)와 연결되는 저압 이지알 분기 라인(24)을 포함한다. 이때, 상기 저압 이지알 분기 라인(24)으로 저압의 재순환 배기가스가 유입되도록 상기 고압 이지알 라인(32)상에는 조절 밸브(39)가 설치되어 있다. 즉, 상기 조절 밸브(39)는 선택적으로 저압의 재순환 배기가스를 저압 이지알 분기 라인(24)으로 공급하거나 고압의 재순환 배기가스를 흡기 매니폴드(14)로 공급할 수 있도록 3방향 밸브가 사용된다.
이때, 상기 조절 밸브(39)와 상기 저압 이지알 라인(22)과 고압 이지알 라인(32)이 합류되는 지점까지는 저압 이지알 시스템(20) 및 고압 이지알 시스템(30)에 공용으로 제공된다. 이는 이지알 쿨러(34), 바이패스 라인(36) 및 바이패스 밸브(35)도 마찬가지다.
상기 터보 차져(40)는 배기가스의 압력차에 의해 에너지를 발생시키는 터빈(44)과 상기 터빈(44)의 에너지를 전달받아 흡기 라인(46)을 통하여 유입된 신기(fresh air)와 저압의 재순환 배기가스를 혼합하여 흡기 매니폴드(14)에 공급하는 컴프레셔(42)를 포함하여 구성된다. 상기 컴프레셔(42)를 통과한 혼합기체는 인터쿨러(50)를 통과하면서 냉각되어 상기 흡기 매니폴드(14)에 공급된다.
상기 이지알 쿨러(34)의 측면에는 상기 이지알 쿨러(34)의 전후단을 잇는 바이패스 라인(36)이 형성되어 있어 냉각되는 배기가스의 양을 조절하도록 한다. 우회하는 배기가스의 양은 상기 바이패스 라인(36) 상에 설치된 바이패스 밸브(35)에 의해 조절되며, 상기 저압 이지알 밸브(28)의 전단의 상기 배기 라인(16) 상에는 DPF(Diesel Particulate Filter)와 같은 매연 필터(26)가 설치되어 있어 재순환되는 배기가스에 수트(soot)가 포함되지 않도록 한다.
본 발명의 실시예에 따르면 고부하 운전 영역에서는 저압 이지알 시스템(20)이 작동되고 저부하 운전 영역에서는 고압 이지알 시스템(30)이 작동된다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 고압 이지알 시스템(30)의 작동 과정에 대하여 설명하기로 한다.
고압 이지알 시스템(30)이 작동하기 위해서는 고압의 재순환 배기가스가 유입되어야 하므로 고압 이지알 밸브(38)를 열어 고압의 재순환 배기가스가 유입되도록 한다. 상기 고압 이지알 밸브(38)를 통과한 고압의 재순환 배기가스는 이지알 쿨러(34)를 통과하면서 냉각된다. 냉각된 고압의 재순환 배기가스는 흡기 매니폴드(14)로 유입된다. 이때, 조절 밸브(39)는 흡기 매니폴드(14)를 향하여 열려 있다. 도 1의 고압 이지알 시스템(30)에서 점선의 화살표는 고압의 재순환 배기가스의 흐름을 나타낸 것이다.
즉, 이때는 고압 이지알 밸브(38)이 열려 있고, 저압 이지알 밸브(28)는 테일 파이프(60) 방향으로 열려 있으며, 조절 밸브(39)는 흡기 매니폴드(14)를 향하여 열려 있어 고압의 배기가스가 고압 이지알 라인(32)을 재순환하여 엔진(10)에 재공급된다.
또한, 고압의 재순환 배기가스 전부의 냉각이 필요하지 않은 경우에는 바이패스 밸브(35)를 열어 소정량의 배기가스가 바이패스 라인(36)으로 순환하도록 할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 저압 이지알 시스템(20)의 작동 과정에 대하여 설명하기로 한다.
배기 매니폴드(12)로부터 배출되는 저압의 배기가스는 터보 차져(40)를 통과하고 이후에는 매연 필터(26)를 통과하면서 입자상 물질(particulate matter, PM)이 제거된다. 입자상 물질이 제거된 배기가스의 일부 또는 전부는 테일 파이프(60)를 통하여 외부로 배출되는데, 배출되지 않는 배기가스는 저압 이지알 라인(22)으로 유입되어 재사용된다.
저압의 배기가스가 저압 이지알 시스템(20)에서 재순환하려면 먼저 배기가스가 저압 이지알 라인(22)으로 유입되도록 저압 이지알 밸브(28)가 저압 이지알 라인(22)을 향하여 열려있어야 한다. 상기 저압 이지알 밸브(28)에 의해 유입된 저압의 배기가스는 이지알 쿨러(34)를 통과하면서 냉각되는데 이를 위해서는 고압 이지알 라인(32) 상에 있는 고압 이지알 밸브(38)가 닫혀 있어야 한다. 만약, 고압 이지알 밸브(38)가 닫혀 있지 않다면 고압의 배기가스가 고압 이지알 라인(32)으로 유입되기 때문이다. 즉, 고압 이지알 밸브(38)와 저압 이지알 밸브(28)를 동시 개방하면 압력이 큰 고압의 배기가스가 흐르게 된다.
저압의 배기가스가 저압 이지알 시스템(20)과 고압 이지알 시스템(30)에 공용되는 부분의 고압 이지알 라인(32)을 지나면서 이지알 쿨러(34)를 통과하여 냉각된다. 냉각된 저압의 재순환 배기가스는 다시 저압 이지알 분기 라인(24)으로 유입된 후 신기와 함께 컴프레셔(42)로 유입되며 흡기 매니폴드로 혼합기체가 공급된다. 이때, 이지알 쿨러(34)를 통과한 저압의 재순환 배기가스는 조절 밸브(39)가 터보 차져(40)를 향하여 개방되어 있어 컴프레셔(42)로 유입된다. 이를 위하여 상기 조절 밸브(39)는 3방향 밸브(3 way valve)를 사용한다.
상기 컴프레셔(42)로 공급된 저압의 재순환 배기가스와 신기의 혼합기체는 흡기 공급 라인(56)을 통하여 흡기 매니폴드(14)로 공급된다. 상기 흡기 공급 라인(56) 상에는 인터쿨러(50)가 형성되어 있어 상기 인터쿨러(50)를 통과하면서 냉각된다.
이때, 상기 인터쿨러(50)의 전후단을 잇는 바이패스 라인(52)이 설치되어 있고, 상기 바이패스 라인(52) 상에는 바이패스 밸브(54)가 설치되어 있어 혼합기체의 냉각이 불필요한 경우에는 바이패스 라인(52)을 통과시킬 수 있다.
또한, 앞서 설명한 고압 이지알 시스템(30)에서와 마찬가지로 저압의 재순환 배기가스가 이지알 쿨러(34)를 통과할 때는 냉각이 불필요한 배기가스를 우회시키기 위하여 바이패스 라인(36)을 통과하는 배기가스의 양을 조절한다.
도 1의 저압 이지알 시스템(20)에서 실선의 화살표는 저압의 재순환 배기가스의 흐름을 나타낸 것이다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
10: 엔진 12: 배기 매니폴드
14: 흡기 매니폴드 16: 배기 라인
20: 저압 이지알 시스템 22: 저압 이지알 라인
24: 저압 이지알 분기 라인 26: 매연 필터
28: 저압 이지알 밸브 30: 고압 이지알 시스템
32: 고압 이지알 라인 34: 이지알 쿨러
34a: 고압 이지알 쿨러 34b: 저압 이지알 쿨러
35: 바이패스 밸브 36: 바이패스 라인
38: 고압 이지알 밸브 40: 터보 차져
42: 컴프레셔 44: 터빈
46: 흡기 라인 50: 인터쿨러
52: 바이패스 라인 54: 바이패스 밸브
56: 흡기 공급 라인 60: 테일 파이프

Claims (9)

  1. 일단은 배기가스를 배출하는 배기 매니폴드에 연결되고 타단은 흡기 매니폴드에 연결되며 고압의 재순환 배기가스가 순환하는 고압 이지알 라인;
    상기 고압 이지알 라인상에 설치되어 선택적으로 고압 또는 저압의 재순환 배기가스를 냉각시키는 이지알 쿨러;
    상기 이지알 쿨러의 전단에서 상기 고압 이지알 라인과 합류하며, 상기 이지알 쿨러 후단에서 분기되어 일부가 상기 고압 이지알 라인과 공통되는 저압 이지알 라인;
    상기 배기 매니폴드와 연결되어 배기가스가 유입되고 유입된 배기가스를 배출시키는 터빈과, 신기를 흡기 매니폴드에 공급하도록 하는 컴프레서를 포함하는 터보 차져;
    상기 이지알 쿨러의 후단에 설치되어 저압의 재순환 배기가스 유입시 유입된 저압의 재순환 배기가스를 상기 터보 차져의 컴프레서로 배출시키는 조절 밸브; 및
    상기 컴프레서를 통과한 저압의 재순환 배기가스 또는 신기를 냉각하여 상기 흡기 매니폴드에 공급하는 인터쿨러;
    를 포함하는 배기가스 재순환 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 터보 차져와 연결되어 외부로 배기가스를 배출하는 테일 파이프를 더 포함하는 배기가스 재순환 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이지알 쿨러는 저부하 운전 영역에서는 고압의 재순환 배기가스를 냉각시키고, 고부하 운전 영역에서는 저압의 재순환 배기가스를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이지알 쿨러의 전단에는 고압 이지알 밸브가 형성되어 재순환되는 고압의 배기가스의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 저압 이지알 라인을 순환하는 재순환 배기가스의 양은 상기 테일 파이프 상에 설치된 저압 이지알 밸브에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 컴프레셔는 흡기 공급 라인을 통하여 흡기 매니폴드와 연결되고, 상기 터보 차져를 통과한 재순환 배기가스와 신기는 상기 흡기 공급 라인상에 설치된 인터쿨러에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고압 이지알 라인에는 상기 이지알 쿨러 전후단을 연결하는 바이패스 라인이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 바이패스 라인을 통과하는 재순환 배기가스의 양은 상기 바이패스 라인상에 설치되는 바이패스 밸브에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 시스템.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 저압 이지알 밸브의 전단에는 매연 필터가 설치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 시스템.
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