KR101897292B1

KR101897292B1 - 전동 보조식 터보차처를 이용한 가솔린 직접 분사 엔진의 2차 공기분사장치

Info

Publication number: KR101897292B1
Application number: KR1020120092799A
Authority: KR
Inventors: 추동호
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2018-09-11
Also published as: KR20140025984A

Abstract

본 발명은 전동 보조식 터보차처를 이용한 가솔린 직접 분사 엔진의 2차 공기분사장치에 관한 것으로, 전동 모터식 터보차저(50)를 구성하는 전동모터(54)를 이용해서 배기계로 공기를 과급할 수 있게 되고, 이를 통해 시동 초기에 촉매 활성화 시간을 크게 단축시켜서 배기가스 정화효율을 크게 향상시킬 수 있도록 된 것이다.

Description

전동 보조식 터보차처를 이용한 가솔린 직접 분사 엔진의 2차 공기분사장치{SECONDARY AIR INJECTION APPARATUS OF GASOLINE DIRECT INJECTION ENGINE}

본 발명은 전동 보조식 터보차처를 이용한 가솔린 직접 분사 엔진의 2차 공기분사장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시동 초기에 촉매 활성화 시간의 단축을 위해 전동 보조식 터보차처를 이용해서 배기계로 공기를 공급할 수 있도록 된 전동 보조식 터보차처를 이용한 가솔린 직접 분사 엔진의 2차 공기분사장치에 관한 기술이다.

최근들어 차량의 경량화 및 연비향상 등을 위해 엔진의 사이즈를 다운시키는 다운 사이징 기술이 점차 부각되고 있고, 엔진을 다운 사이징시켰을 경우 출력 감소를 방지하기 위해 터보차저를 장착한 가솔린 직접 분사 엔진이 점차 증가하고 있는 추세이다.

상기 터보처저(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 압축기(11;컴프레서)와 터빈(12)이 회전축(13)을 매개로 일체로 연결된 구성으로, 상기 압축기(11)는 에어클리너(21)와 인터쿨러(22)사이의 공기흡입파이프(23)에 설치되고, 상기 터빈(12)은 배기매니폴드(24)와 촉매컨버터(25)사이의 배기가스배출파이프(26)에 설치된 구조이다.

도 1에서 미설명 도면부호 27은 엔진이고, 28은 흡기매니폴드이다.

그런데, 상기와 같이 구성된 터보차저(10)를 가솔린 직접 분사 엔진에 장착하게 되면, 배기매니폴드(24)를 통해 배출된 배기가스가 촉매컨버터(25)로 전달되기 전에 먼저 터빈(12)과 접촉하게 되고(배기계의 열용량이 터빈으로 인해 증대된 상태), 이로 인해 촉매컨버터(25)는 터빈(12)에 의해 열손실이 발생한 배기가스를 전달받게 되는 바, 이에 따라 상기 촉매컨버터(25)는 냉시동 초기에 많은 열손실이 발생하여 촉매 활성화 온도가 지연되고, 이 결과 배기가스 정화에 악영향을 주게 되는 단점이 있다.

이를 해결하기 위해 배기계에 공기를 공급할 수 있도록 배기가스배출파이프(26)에 에어파이프(31)를 설치하고, 상기 에어파이프(31)에 에어밸브(32)를 설치하고, 공기를 흡입할 수 있는 에어펌프(33)를 상기 에어파이프(31)와 연결되도록 설치한 2차 공기분사장치(30)가 개발되었다.

따라서, 냉시동 초기에 배기계에 공기를 공급함으로써 후기 연소를 도모하고, 후기 연소시 발생한 열을 이용해 촉매컨버터(25)로 이동하는 배기가스의 온도를 상승시켜서 촉매 활성화 시간을 단축시키고, 이를 통해 배기가스 정화를 개선할 수 있게 되었다.

그런데, 상기와 같은 종래의 2차 공기분사장치(30)는 에어펌프(33)의 부피가 크기 때문에 배기계 주변에 에어펌프(33)를 설치함에 있어 패키지 측면에 불리한 단점이 있고, 특히 에어펌프(33)는 중량이 무겁고 가격이 비싼 단점이 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

대한민국공개실용신안공보 20-1998-0044604호.

이에 본 발명은 상기한 바의 단점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 에어펌프 대신에 전동 보조식 터보차저를 구성하는 전동모터를 시동 초기에 구동시켜서 압축기를 구동시키고, 이를 통해 배기계로 공기를 과급시켜서 촉매 활성화 시간을 단축시킬 수 있는 전동 보조식 터보차처를 이용한 가솔린 직접 분사 엔진의 2차 공기분사장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명 전동 보조식 터보차처를 이용한 가솔린 직접 분사 엔진의 2차 공기분사장치는, 전동 보조식 터보차처를 구성하는 것으로 압축기의 하우징에 고정 설치되고 상기 압축기의 휠과 직결된 모터축을 구비한 전동모터; 인터쿨러 입구부의 흡기계에 일단이 연결되고 터빈 입구부의 배기계에 타단이 연결되도록 설치된 공기공급파이프; 상기 인터쿨러 입구부의 흡기계와 상기 공기공급파이프가 연결되는 부위에 설치된 바이패스밸브; 및 상기 전동모터와 상기 바이패스밸브의 구동을 제어하는 기능을 구비한 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 공기공급파이프에 설치된 것으로 상기 인터쿨러 입구부의 흡기계에서 상기 터빈 입구부의 배기계로 공급되는 공기량을 측정하는 공기센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 인터쿨러 입구부의 흡기계는 상기 압축기와 상기 인터쿨러사이에 존재하는 공기흡입파이프인 것을 특징으로 한다.

상기 터빈 입구부의 배기계는 배기매니폴드이거나 또는 상기 배기매니폴드와 상기 터빈사이에 존재하는 배기가스배출파이프인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 전동 모터식 터보차저를 구성하는 전동모터를 이용해서 배기계로 공기를 과급할 수 있게 됨으로써, 에어펌프를 사용해서 공기를 과급하는 구성에 비해 설치구조에 따른 패키지 측면이 유리해서 차량 탑재성이 우수하고, 중량감소 및 원가절감을 도모할 수 있으며, 시동 초기 신속하게 배기계측으로 공기를 과급할 수 있게 되고, 이를 통해 촉매 활성화 시간을 크게 단축시켜서 배기가스 정화효율을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 가솔린 직접 분사 엔진에서 종래 구조에 따른 2차 공기분사장치의 도면,
도 2는 전동 보조식 터보차처를 이용한 가솔린 직접 분사 엔진에서 본 발명에 따른 2차 공기분사장치를 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전동 보조식 터보차처를 이용한 가솔린 직접 분사 엔진의 2차 공기분사장치에 대해 살펴보기로 한다.

본 발명에 따라 가솔린 직접 분사 엔진에 구비된 전동 보조식 터보차처(50)는 도 2에 도시된 바와 같이 에어클리너(21)와 인터쿨러(22)사이의 공기흡입파이프(23)에 설치된 압축기(51;컴프레서), 배기매니폴드(24)와 촉매컨버터(25)사이의 배기가스배출파이프(26)에 설치된 터빈(52), 상기 압축기(51;컴프레서)와 터빈(52)을 일체로 연결하는 회전축(53), 상기 압축기(51)의 하우징에 고정 설치되고 상기 압축기(51)의 휠과 직결된 모터축을 구비한 전동모터(54)를 포함한 구성이다.

도 2에서 미설명 도면부호 27은 엔진이고, 28은 흡기매니폴드이다.

상기 전동 보조식 터보차처(50)는 전동모터(54)를 이용해서 터보랙(Turbo lag)을 개선하기 위한 구성으로, 터보랙 개선이 필요한 가속구간에서 전동모터(54)에 전력을 인가하여 전동모터(54)를 작동시키고, 상기 전동모터(54)의 동력으로 압축기(51)의 휠을 더 빨리 회전시켜서 엔진의 흡기계로 더 많은 공기를 공급함에 따라 엔진의 출력을 빠른 시간내에 높여서 터보랙을 저감시키는 구성인 것이다.

여기서, 상기 전동모터(54)는 과급이 필요한 가속시에만 사용하는 것이기 때문에, 차량 초기 시동시나 또는 촉매의 히팅이 필요한 때에는 기본적으로 사용하지 않는다.

따라서, 본 발명은 전동 보조식 터보차처(50)를 구비한 가솔린 직접 분사 엔진의 경우 초기 시동시 사용하지 않는 전동모터(54)를 구동시켜서 배기계로 공기를 공급할 수 있도록 하고, 이를 통해 촉매 활성화 시간을 단축시킴으로써 배기가스 정화를 개선할 수 있도록 하는 것이다.

즉, 본 발명에 따른 전동 보조식 터보차처를 이용한 가솔린 직접 분사 엔진의 2차 공기분사장치(60)는 상기 전동 보조식 터보차처(50)를 구성하는 전동모터(54); 인터쿨러(22) 입구부의 흡기계에 일단이 연결되고 터빈(52) 입구부의 배기계에 타단이 연결되도록 설치된 공기공급파이프(61); 상기 인터쿨러(22) 입구부의 흡기계와 상기 공기공급파이프(61)가 연결되는 부위에 설치된 바이패스밸브(62); 상기 전동모터(54)와 상기 바이패스밸브(62)의 구동을 제어하는 기능을 구비한 컨트롤러(63); 및 상기 공기공급파이프(61)에 설치된 것으로 상기 인터쿨러(22) 입구부의 흡기계에서 상기 터빈(52) 입구부의 배기계로 공급되는 공기량을 측정하는 공기센서(64)를 포함하는 구성이다.

한편, 인터쿨러(22) 입구부의 흡기계에서 터빈(52) 입구부의 배기계로 공급되는 공기압력을 이용해서 공기량을 추정하는 방식도 가능하다.

여기서, 상기 콘트롤러(63)는 차량 초기 시동시나 또는 촉매 히팅이 필요한 시기에 제어신호를 보내서 전동모터(54)를 구동시키게 되고, 동시에 제어신호를 보내서 바이패스밸브(62)를 온(ON)시키게 된다.

상기 바이패스밸브(62)가 온(ON)되면 압축기(51)를 통과한 공기의 일부가 공기공급파이프(61)를 통해서 배기계(배기매니폴드)로 공급되고, 이를 통해 후기 연소를 도모할 수 있게 되는 바, 후기 연소시 발생한 열을 이용해서 촉매컨버터(25)로 이동하는 배기가스의 온도를 상승시킬 수 있게 되고, 이를 통해 촉매 활성화 시간을 단축시킬 수 있게 됨으로써 배기가스 정화를 개선할 수 있게 된다.

한편, 상기와 같은 2차 에어 공급시 전동모터(54)와 연결된 압축기(51;컴프레서)의 휠은 회전하여 압축된 공기를 공급하지만, 상기 압축기(51)와 동축에 있는 터빈(52)의 휠은 함께 구동하지 않는다.

차량 초기 시동시가 아니거나 또는 촉매 히팅이 필요한 시기가 아닌 경우에는 전동모터(53)가 구동하더라도 상기 바이패스밸브(62)는 콘트롤러(63)의 제어에 의해 항상 오프(OFF)상태를 유지하게 되며, 이로 인해 공기공급파이프(61)는 밀폐(close) 상태를 유지하고 있게 된다.

상기 공기센서(64)에서 측정된 신호는 컨트롤러(63)로 전달되고, 상기 컨트롤러(63)는 공기센서(64)의 신호를 전달받아서 바이패스밸브(62)의 동작을 제어하게 된다.

한편, 본 발명에서 상기 인터쿨러(22) 입구부의 흡기계는 상기 압축기(51)와 상기 인터쿨러(22)사이에 존재하는 공기흡입파이프(23)이고, 상기 터빈(52) 입구부의 배기계는 배기매니폴드(24)이거나 또는 상기 배기매니폴드(24)와 상기 터빈(52)사이에 존재하는 배기가스배출파이프(26)인 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명에 따른 공기공급파이프(61)는 일단이 압축기(51)와 인터쿨러(22)사이에 존재하는 공기흡입파이프(23)에 연결되는 구조이고, 타단이 배기매니폴드(24)에 직접 연결되거나 또는 상기 배기매니폴드(24)와 터빈(52)사이에 존재하는 배기가스배출파이프(26)에 연결된 구조인 것이다.

따라서, 본 발명은 초기 시동시 전동 모터식 터보차저(50)를 구성하는 전동모터(54)를 구동시켜서 압축기(51)를 구동시키고, 동시에 바이패스밸브(62)를 개방시킨다.

그러면, 외부공기가 흡입되어서 공기공급파이프(61)를 통해 배기계로 공기를 공급되고, 배기계에 공급된 공기를 이용해서 후기 연소를 도모할 수 있게 되며, 후기 연소시 발생한 열을 이용해서 촉매컨버터(25)로 이동하는 배기가스의 온도를 상승시킬 수 있게 되고, 이를 통해 촉매 활성화 시간을 단축시킬 수 있게 됨으로써 배기가스 정화를 개선할 수 있게 된다.

그리고, 터보랙 개선이 필요한 가속구간에서는 전동모터(54)가 작동하더라도 바이패스밸브(62)는 닫힌 상태를 유지하게 되는 바, 이로 인해 공기가 공기공급파이프(61)를 통해 배기계로 공급되는 현상이 차단되고, 엔진의 흡기계로 더 많은 공기를 빠른 시간내에 공급할 수 있게 됨에 따라 엔진의 출력을 빠른 시간내에 높여서 터보랙을 저감시킬 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 실시예는, 시동 초기에 촉매 활성화 온도의 지연을 방지하기 배기계로 공기를 공급할 수 있는 장치로 부피가 크고 중량이 무거우며 단가가 비싼 에어펌프를 사용하지 않고 전동 모터식 터보차저(50)를 구성하는 전동모터(54)를 사용하는 구성으로, 설치구조에 따른 패키지 측면이 유리해서 차량 탑재성이 우수한 장점이 있고, 특히 중량감소 및 원가절감을 도모할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예는 인터쿨러(22) 입구부의 흡기계에서 터빈(52) 입구부의 배기계로 공기를 공급하는 공기공급파이프(61)의 길이를 크게 축소시킬 수 있는 구성으로, 이를 통해 컴팩트한 패키지의 설계가 가능하고, 공기공급파이프(61)를 통과하는 공기의 압력손실이 적음에 따라 시동 초기 신속하게 배기계측으로 공기를 과급할 수 있으며, 이를 통해 촉매 활성화 시간을 크게 단축시킴으로써 배기가스 정화효율을 크게 향상시킬 수 있는 장점도 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

22 - 인터쿨러 50 - 전동 보조식 터보차처
51 - 압축기 52 - 터빈
54 - 전동모터 60 - 2차 공기공급장치
61 - 공기공급파이프 62 - 바이패스밸브
63 - 컨트롤러 64 - 공기센서

Claims

전동 보조식 터보차처(50)를 구성하는 것으로 압축기(51)의 하우징에 고정 설치되고 상기 압축기(51)의 휠과 직결된 모터축을 구비한 전동모터(54);
인터쿨러(22) 입구부의 흡기계에 일단이 연결되고 터빈(52) 입구부의 배기계에 타단이 연결되도록 설치된 공기공급파이프(61);
상기 인터쿨러(22) 입구부의 흡기계와 상기 공기공급파이프(61)가 연결되는 부위에 설치된 바이패스밸브(62); 및
상기 전동모터(54)와 상기 바이패스밸브(62)의 구동을 제어하는 기능을 구비한 컨트롤러(63)를 포함하고;
상기 터빈(52) 입구부의 배기계는 배기매니폴드(24)이거나 또는 상기 배기매니폴드(24)와 상기 터빈(52)사이에 존재하는 배기가스배출파이프(26)인 것을 특징으로 하는 전동 보조식 터보차처를 이용한 가솔린 직접 분사 엔진의 2차 공기분사장치.
청구항 1에 있어서,
상기 공기공급파이프(61)에 설치된 것으로 상기 인터쿨러(22) 입구부의 흡기계에서 상기 터빈(52) 입구부의 배기계로 공급되는 공기량을 측정하는 공기센서(64)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 보조식 터보차처를 이용한 가솔린 직접 분사 엔진의 2차 공기분사장치.
청구항 1에 있어서,
상기 인터쿨러(22) 입구부의 흡기계는 상기 압축기(51)와 상기 인터쿨러(22)사이에 존재하는 공기흡입파이프(23)인 것을 특징으로 하는 전동 보조식 터보차처를 이용한 가솔린 직접 분사 엔진의 2차 공기분사장치.
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