KR101992490B1 - 엔진의 배기가스 재순환 시스템 - Google Patents

엔진의 배기가스 재순환 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엔진의 배기가스 재순환 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템은, 엔진의 실린더 중에서 선택된 실린더로 구성된 제1, 제2 실린더 그룹(12a, 12b); 상기 제1 실린더 그룹(12a)에 연결되고 상기 제1 실린더 그룹(12a)의 실린더에서 배출되는 배기가스를 합류시켜 배출하는 제1 매니폴드(21); 상기 제2 실린더 그룹(12b)에 연결되고 상기 제2 실린더 그룹(12b)의 실린더에서 배출되는 배기가스를 합류시켜 배출하는 제2 매니폴드(22); 상기 제1매니폴드(21)와 상기 제2 매니폴드(22)에 연결되어 양쪽에서 배출되는 배기가스가 합류되는 분기 유닛(100); 일측은 상기 분기 유닛(100)에서 분기되고 타측은 터보차저의 터빈(30)에 쌍으로 연결되어 상기 배기가스의 일부를 상기 터빈(30)에 제공하도록 하는 제1, 제2 배기 라인(23, 24); 및 상기 분기 유닛(100)에서 분기되는 합류 재순환 라인(70);을 포함한다.

Description

엔진의 배기가스 재순환 시스템{Exhaust Gas Recirculation of Engine}
본 발명은 엔진의 배기가스 재순환 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진에서 배출되는 배기가스의 일부를 연소용 공기에 혼합시켜 재순환시키도록 하여 질소 산화물(NOx) 발생을 억제하도록 하는 엔진의 배기가스 재순환 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 엔진은 가솔린 또는 디젤을 연료로 하고, 이러한 연료가 연소하고 배기될 때에 배기가스에는 질소산화물(NOx)가 포함되어 배출된다.
질소산화물은 환경오염을 유발하므로, 질소산화물의 발생을 억제하기 위한 기술이 개발되고 있으며, 그러한 기술로서 배기가스 재순환(EGR, Exhaust Gas Recirculation) 시스템이 있다.
배기가스 재순환 시스템은 배기가스의 일부를 연소용 공기에 혼합시켜 산소 농도를 감소시키고, 급격한 화염 온도의 상승을 방지하여 질소산화물의 생성을 억제하는 기술로 알려져 있다.
한편, 엔진에는 터보차저(Turbocharger)가 설치될 수 있다. 터보차저는 터빈과 압축기가 하나의 축으로 연결되어 있고, 이러한 터보차저는 배출가스의 에너지(온도, 압력)로 터빈을 회전시키고, 그 회전력으로 압축기를 구동시키도록 한다. 압축된 공기는 더 많은 연료와 혼합되도록 하여 엔진의 효율을 높이도록 한다.
다른 한편으로, 실린더의 배기밸브가 열릴 때 전파되는 압력파(Pressure Wave or Pressure Pulse)가 다른 실린더의 배압으로 작용할 수 있다. 이러한 배압간섭 작용은 배기가스 재순환 시스템의 성능을 저하시키는 문제가 있다.
배기 간섭 현상을 억제하기 위해 배기 매니폴드에서 터빈으로 유입되는 부분에 두 개의 독립적인 통로를 가지도록 하는 트윈 엔트리 레이아웃(Twin-entry Layout)을 적용하는 것이 알려져 있다.
배기가스 재순환 시스템에 있어서, 재순환가스를 한 쪽 배기 매니폴드에서만 취하면 터빈으로 유입되는 두 라인 간의 압력 및 유량에 불균형이 유발되고 이는 터빈 및 엔진시스템 전체의 성능을 악화시킨다.
다른 한편으로, 트윈 엔트리 레이아웃이 적용된 터보차저와 배기가스 재순환시스템을 함께 적용하는 경우에, 재순환 가스를 양쪽 배기 매니폴드에서 취하는 것이 일반적이다. 그러나 양쪽의 배기 매니폴드를 통해 배기 압력파가 서로 교환되는 현상을 효과적으로 억제하지 못할 경우, 배압이 증가하여 배기가스 재순환 시스템의 성능이 악화되는 문제점이 있다.
또 다른 한편으로, 배기가스 재순환 시스템에 트윈 엔트리가 적용되고, 재순환 가스를 두 개의 재순환 라인에서 취득하도록 하는 예가 있다. 두 개의 재순환 라인에는 밸브를 각각 설치하여 배압 교환 현상을 억제시킬 수 있다. 그러나 이러한 예는 추가적인 밸브를 설치하고 설계하여야 함으로써 비용이 상승하는 문제점이 있다.
상술한 바와 같은 문제점을 개선하기 위한 또 다른 배기가스 재순환 시스템이 있고, 종래의 배기가스 재순환 시스템은 첨부도면 도 1을 참조하여 설명한다.
엔진(10)에는 복수의 실린더가 배치되고, 그러한 실린더는 제1 실린더 그룹(12a)과 제2 실린더 그룹(12b)으로 지정될 수 있다. 제1 실린더 그룹(12a)과 제2 실린더 그룹(12b)에는 각각 제1, 제2 배기 매니폴드(21, 22)가 연결된다. 제1, 제2 배기 매니폴드(21, 22)는 터보차저의 터빈(30)에 연결된다.
즉, 제1, 제2 실린더 그룹(12a, 12b)에서 배출되는 배기가스는 제1, 제2 배기 매니폴드(21, 22)를 통하여 터빈(30)에 제공되는 것이다.
터빈(30)은 압축기(40)와 연결되어 있고, 배기가스가 가지는 에너지에 의해 터빈이 구동되고, 그 구동력은 압축기(40)를 구동시켜 공기를 압축하게 된다.
한편, 제1 배기 매니폴드(21)와 제2 배기 매니폴드(22)의 각각에는 제1 재순환 라인(51)과 제2 재순환 라인(52)이 연결되어 배기가스의 일부를 취득하게 된다.
제1, 제2 재순환 라인(51, 52)의 다른 한쪽은 펄스 컨버터 유닛(60)에 연결된다. 펄스 컨버터 유닛(60)은 배기 압력파의 역류 및 교환 현상을 차단하는 작용을 한다.
즉, 제1, 제2 재순환 라인(51, 52)에서 순환되는 배기가스는 펄스 컨버터 유닛(60)에서 합류된다.
펄스 컨버터 유닛(60)에는 합류 재순환 라인(70)이 연결되고, 합류 재순환 라인(70)의 다른 한쪽에는 쿨러(90)가 연결되며, 합류 재순환 라인(70) 상에는 밸브(80)가 구비된다. 밸브(80)는 배압 교환 현상을 억제한다. 쿨러(90)는 고온의 배기가스를 냉각시킨다.
쿨러(90)에서 냉각된 배기가스는 공기와 연료가 혼합되는 혼합기 쪽으로 보내진다.
그러나 도 1에 나타낸 종래의 배기가스 재순환 시스템은 구조가 복잡하여 제조원가가 상승하는 문제점이 있다.
또한, 엔진의 효율향상을 위해서는 흡입 공기량을 더욱 증가될 것이 요구되고 연비를 더욱 향상시키도록 개선될 것이 요구된다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 배기가스 재순환 시스템의 구조를 간소화할 수 있도록 하는 엔진의 배기가스 재순환 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 흡입 공기량을 증대시킬 수 있도록 하여 엔진의 출력을 향상시키고, 연비를 더욱 향상시킬 수 있도록 하는 엔진의 배기가스 재순환 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템은, 엔진의 실린더 중에서 선택된 실린더로 구성된 제1, 제2 실린더 그룹(12a, 12b); 상기 제1 실린더 그룹(12a)에 연결되고 상기 제1 실린더 그룹(12a)의 실린더에서 배출되는 배기가스를 합류시켜 배출하는 제1 매니폴드(21); 상기 제2 실린더 그룹(12b)에 연결되고 상기 제2 실린더 그룹(12b)의 실린더에서 배출되는 배기가스를 합류시켜 배출하는 제2 매니폴드(22); 상기 제1매니폴드(21)와 상기 제2 매니폴드(22)에 연결되어 양쪽에서 배출되는 배기가스가 합류되는 분기 유닛(100); 일측은 상기 분기 유닛(100)에서 분기되고 타측은 터보차저의 터빈(30)에 쌍으로 연결되어 상기 배기가스의 일부를 상기 터빈(30)에 제공하도록 하는 제1, 제2 배기 라인(23, 24); 및 상기 분기 유닛(100)에서 분기되는 합류 재순환 라인(70);을 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템은, 상기 합류 재순환 라인(70) 상에 설치되어 배압 교환 현상을 억제하도록 하는 밸브(80);를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템은, 상기 합류 재순환 라인(70)에 연결되어 상기 합류 재순환 라인(70)에서 유입되는 배기가스를 냉각시켜 엔진의 혼합기 쪽으로 냉각된 배기가스를 공급하는 쿨러(90);를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템의 상기 분기 유닛(100)은, 상기 제1 매니폴드(21)와 상기 제2 매니폴드(22)와 상기 합류 재순환 라인(70)이 한 지점에서 상호 연통되는 것일 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템은 배기가스 재순환 시스템의 구조를 간소화함으로써 제조원가를 현저하게 낮출 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템은 흡입 공기량을 증대시킬 수 있어 엔진의 출력을 향상시킬 수 있고, 나아가 연비를 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 엔진의 배기가스 재순환 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템의 효과를 설명하기 위한 비교 그래프로서, 각각 공인연비, 압력파형, 연료소비율을 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭하고, 종래의 기술과 동일한 구성요소에 대하여 동일한 부호를 부여하고 중복된 설명은 생략한다.
한편, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템에 대해서 설명한다.
첨부도면 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템은, 엔진이 실린더에서 배기되는 배기가스를 일부는 터보차저로 보내고, 나머지 일부는 냉각시켜 재순환시키도록 한 것이다.
엔진의 실린더는 복수로 구성되는데, 복수의 실린더 중에서 선택된 몇 몇의 실린더를 각각 제1, 제2 실린더 그룹(12a, 12b)으로 정의한다.
제1, 제2 실린더 그룹(12a, 12b)에는 각각 제1, 제2 매니폴드(21, 22)가 구비된다.
제1 매니폴드(21)는 상술한 제1 실린더 그룹(12a)에 연결되고 제1 실린더 그룹(12a)의 실린더에서 배출되는 배기가스를 합류시켜 배출한다.
또한, 제2 매니폴드(22)는 상술한 제2 실린더 그룹(12b)에 연결되고 제2 실린더 그룹(12b)의 실린더에서 배출되는 배기가스를 합류시켜 배출한다.
상술한 제1매니폴드(21)와 상술한 제2 매니폴드(22)에는 분기 유닛(100)이 배치된다.
분기 유닛(100)은 상술한 제1, 제2 매니폴드(21, 22)에서 배출되는 배기가스가 합류된다.
또한, 분기 유닛(100)에는 제1, 제2 배기 라인(23, 24)이 쌍으로 연결된다. 제1, 제2 배기라인(23, 24)의 다른 한쪽은 터보차저의 터빈(30)에 쌍으로 연결된다.
즉, 제1, 제2 배기 라인(23, 24)은 분기 유닛(100)에서 합류된 배기가스의 일부는 터빈(30)에 제공하도록 하는 것이다.
또한, 상술한 분기 유닛(100)에서 합류 재순환 라인(70)이 연결되어 합류된 배기가스의 일부가 분기되어 배출된다.
상술한 분기 유닛(100)을 좀 더 상세하게 설명하면, 제1 매니폴드(21)와 제2 매니폴드(22)와 합류 재순환 라인(70)이 한 지점에서 상호 연통되는 것일 수 있다.
만약 제 1 매니폴드(21)의 압력이 고압이고, 제 2 매니폴드(22)의 압력이 저압인 경우, 제 1 매니폴드(21)의 고압이 제 2 매니폴드(22)에 배압으로 작용할 수 있지만, 상술한 구성으로 합류 재순환 라인(70)이 연통되어 배압을 낮출 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템은, 상술한 합류 재순환 라인(70) 상에 밸브(80)가 더 설치될 수 있다. 밸브(80)는 배압 교환 현상을 억제하도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템은, 합류 재순환 라인(70)에 쿨러(90)가 더 설치될 수 있다. 쿨러(90)는 합류 재순환 라인(70)에서 유입되는 배기가스를 냉각시켜 엔진의 혼합기 쪽으로 냉각된 배기가스를 공급한다.
상술한 바와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예에 따른 엔진의 배기가스 재순환(EGR) 시스템은, 종래에 알려진 배기가스 재순환 시스템에 비교하여 구성이 간소화되어 제조가 쉬운 이점이 있으며 나아가 제조원가를 낮출 수 있게 된다.
한편, 제1 매니폴드(21)와 제2 매니폴드(22)가 분기 유닛(100)에서 합류됨으로써 배압 간섭현상이 발생할 우려가 있을 수 있지만, 이는 밸브(80)의 조절에 의해 해소될 수 있다.
또한, 배압이 교화되는 부분은 분기 유닛(100)의 연통되는 지점일 수 있지만, 이렇게 연통되는 지점에서 재순환될 배기가스를 취득하기 때문에 배압 간섭 효과가 반감되어 배기가스 재순환 시스템이 안정화된다.
다른 한편으로, 본 발명의 일실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템은 흡입공기량이 증가되고 연비개선의 작용효과가 있으며, 이는 첨부도면 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명한다.
첨부도면 도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템의 효과를 설명하기 위한 비교 그래프로서, 각각 공인연비, 압력파형, 연료소비율을 나타낸 도면이다.
도 3은 신기(fresh air) 흡입 성능의 척도인 공연비(AFR, Air to Fuel Ratio)의 결과이고, 좀 더 상세하게는 종래의 비교예와 본 발명을 비교하여 보인 것이다.
여기서, 공연비가 높을수록 신기 흡입 성능이 우수한 것으로 이해될 수 있다. 신기 흡입 성능이 우수할수록 엔진 성능에 유리하게 작용한다.
또한, 배기가스 중에서 재순환될 배기가스의 량 즉, EGR 비율은 비교예와 본 발명에 동일하게 설정하고 실험한 것이다.
도 3에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 배기가스 재순환 시스템은 공기 흡입 성능에 있어서 비교예보다 우수함을 알 수 있고, 이는 종래의 기술에 비교하여 향상된 엔진 성능을 구현할 수 있음을 의미한다.
또한, 본 발명에 따른 배기가스 재순환 시스템은 엔진회전수가 저속보다는 고속에서 상대적으로 성능이 좋음을 알 수 있다.
또한, 최대 토크 점 부근에서도 비교예와 유사한 신기 흡입 성능을 구현하는 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명은 종래의 기술에 비교하여 구조는 간소화 되었음에도 동일하거나 더 우수한 신기 흡입 성능을 구현할 수 있고, 나아가 엔진 성능이 향상을 기대할 수 있다.
도 4는 흡배기포트에서 압력파형을 측정한 결과이다.
엔진이 구동되면, 크랭크샤프트가 회전하는 변위 각도에 따라, 또한 실린더 개수에 따라 압력이 변화되고, 그러한 압력변화는 도 4처럼 압력파형으로 나타낼 수 있다.
실린더의 개수만큼 압력 파형에서 산과 골이 형성되는데, 이러한 산의 부분에서 파형이 부드러운 형태로 나타날수록 성능이 더욱 우수한 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명은 비교예에 비교하여 살펴보면, 비교예는 일부 구간에서 골이 깊게 나타나 예리한 파형이지만, 본 발명은 상대적으로 골이 깊지 않은 것으로 비교예보다는 부드러운 파형임을 알 수 있습니다.
또한, 본 발명은 비교예보다 전체적으로 배기 압력 값이 크게 나타나고, 이는 동일한 신기 흡입 조건에서 더 많은 유량의 신기를 흡입할 수 있음 의미하며, 나아가 신기 흡입 성능이 향상되는 것으로 이해할 수 있는 것이다.
즉, 본 발명은 종래의 기술에 비교하여 구조는 간소화 되었음에도 동일하거나 더 우수한 신기 흡입 성능을 구현할 수 있고, 나아가 엔진 성능이 향상을 기대할 수 있다.
도 5는 연료소비율을 나타낸 그래프이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명은 비교예에 비교하여 연료 소비율이 상대적으로 낮은 것으로 이는 연비가 더 우수함을 알 수 있는 것이다.
즉, 본 발명은 종래의 기술에 비교하여 구조는 간소화 되었음에도 동일하거나 더 우수한 연비 개선을 구현할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템은 배기가스 재순환 시스템의 구조를 간소화함으로써 제조원가를 현저하게 낮출 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템은 구조를 간소화함에도 흡입 공기량을 증대시킬 수 있어 엔진의 출력을 향상시킬 수 있고, 나아가 연비를 더욱 향상시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템은 질소산화물의 발생을 억제시키도록 하는 데에 이용될 수 있다.
10: 엔진
12a, 12b: 제1, 제2 실린더 그룹
21, 22: 제1, 제2 배기 매니폴드
23, 24: 제1, 제2 배기가스 라인
30: 터빈(turbine)
40: 압축기(compressor)
51, 52: 제1, 제2 재순환 라인
60: 펄스 컨버터 유닛(Pulse Converter)
70: 합류 재순환 라인
80: 밸브
90: 쿨러(cooler)
100: 분기 유닛

Claims (4)

  1. 엔진의 실린더 중에서 선택된 실린더로 구성된 제1, 제2 실린더 그룹;
    상기 제1 실린더 그룹에 연결되고 상기 제1 실린더 그룹의 실린더에서 배출되는 배기가스를 합류시켜 배출하는 제1 매니폴드;
    상기 제2 실린더 그룹에 연결되고 상기 제2 실린더 그룹의 실린더에서 배출되는 배기가스를 합류시켜 배출하는 제2 매니폴드;
    상기 제1 매니폴드와 상기 제2 매니폴드에 연결되어 상기 제1 매니폴드와 상기 제2 매니폴드에서 배출되는 배기가스가 합류되는 분기 유닛;
    각각의 일측은 상기 분기 유닛에 연결되고, 각각의 타측은 터보차저의 터빈에 연결되며, 상기 분기 유닛에서 합류된 후 분기되는 배기가스를 각각 독립적으로 상기 터빈으로 공급하는 제1, 제2 배기 라인; 및
    상기 분기 유닛에서 분기되어 상기 분기 유닛에서 합류된 배기가스의 일부를 안내하여 상기 엔진으로 흡입되는 공기에 혼합시키는 합류 재순환 라인;을 포함하며,
    상기 분기 유닛은, 상기 제1 매니폴드, 상기 제2 매니폴드, 상기 제1 배기 라인, 상기 제2 배기 라인 및 상기 합류 재순환 라인이 한 지점에서 상호 연통되게 형성되고,
    상기 제1 매니폴드 및 제2 매니폴드 각각에서 배출되는 상기 배기가스는 상기 분기 유닛에서 전체 유량이 합류된 후 상기 제1 배기 라인, 상기 제2 배기 라인 및 상기 합류 재순환 라인으로 분산 안내되는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기가스 재순환 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 합류 재순환 라인 상에 설치되어 배압 교환 현상을 억제하도록 하는 밸브;
    를 더 포함하는 엔진의 배기가스 재순환 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 합류 재순환 라인에 연결되어 상기 합류 재순환 라인에서 유입되는 배기가스를 냉각시켜 엔진의 혼합기 쪽으로 냉각된 배기가스를 공급하는 쿨러;
    를 더 포함하는 엔진의 배기가스 재순환 시스템.
  4. 삭제
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