KR102214581B1 - 물 분사 차량의 물 보충 시스템 및 물 보충 시스템의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

에어쿨러 및 엔진의 연소실 안에 고압의 물(Water)을 미립자 형태로 분사하는 물 분사 장치를 포함한 물 분사 차량의 물 보충 시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 물 분사 차량의 물 보충 시스템은, 흡입공기를 냉각시키는 에어쿨러에서 생성된 응축수를 포집하고, 포집된 응축수를 엔진 열을 이용하는 증발기에서 증류 방식으로 정화하여 물 분사 장치를 구성하는 물 탱크에 공급하도록 구성됨으로써, 에어쿨러를 포함하는 저압 EGR 시스템에서 발생하는 응축수 문제를 해결하고, 물 분사 장치에 주기적으로 물을 보충해야 하는 번거로움을 해소할 수 있다.

Description

물 분사 차량의 물 보충 시스템 및 물 보충 시스템의 제어 방법{Water supplement system of Water Injection vehicle and Control method of Water supplement system}

본 발명은 연소실에 물을 분사하는 물 분사 장치를 탑재한 물 분사 차량의 물 보충 시스템에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 흡기를 냉각시키는 과정에서 발생한 수분(응축수)를 회수하고 증류방식으로 정화하여 상기 물 분사 장치의 분사수로 활용할 수 있도록 한 물 분사 차량의 물 보충 시스템 및 물 보충 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.

터보차저는 일반적으로, 배기가스의 압력에 의해서 고속으로 회전하여 공기를 가압하는 압축기와, 배기가스의 열에너지를 회전력으로 변환시키는 터빈과, 터빈축을 지지하는 플로팅 베어링, 그리고 과급 압력이 규정 이상으로 상승되는 것을 방지하는 과급 압력 조절기와, 과급된 공기를 냉각시키는 인터쿨러 및 분사시기를 조절하여 노킹을 방지하는 노킹 방지 장치 등으로 구성된다.

여기서 인터쿨러는 가압 후 고온이 된 공기를 냉각시켜 공기 밀도를 크게 함으로써 실린더로 공급되는 흡입공기의 절대량을 늘려 엔진출력을 향상시키는 장치다. 터보 인터쿨러 엔진을 사용할 경우 자연흡기 엔진에 비해 출력이 30% 가까이 향상되어 탁월한 동력 성능을 발휘하고, 저속에서도 동일 출력을 내며, 연비 측면에서 유리한 장점이 있다.

한편, 자동차용 엔진에 대한 연구는 사회적 변화와 더불어 발전하여 최근에는 연비(燃費), 환경, 안전의 3축으로 발전하고 있다. 이 3축 중 환경문제에서 배기가스는 1980년대 후반부터 전 세계적으로 환경에 관한 관심이 높아지면서 대기오염에 대한 개선방안이 범세계적으로 논의되기 시작했고, 주범이라고 할 수 있는 자동차의 배기가스에 대한 규제가 북미(SULEV, ULEV 등)와 유럽(유로Ⅲ,Ⅳ 등) 및 각국에서 본격적으로 실시되었다.

각국에서 자동차 배출가스 중에서 유해가스로 규제하고 있는 성분은 휘발유 자동차의 경우 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx)이며, 디젤자동차의 경우는 여기에 매연을 포함하는 입자상 물질(Particulate Matters)이 추가되어 있다.

최근 국제적으로 강화되는 규제에 따라 자동차 산업이 생존하기 위해서는 저공해 차에 대한 기술이 가장 핵심적인 기술로 자리매김 되고 있는바, 일산화탄소 및 탄화수소는 고온에서의 완전 연소를 통해 비교적 쉽게 해결할 수 있으나, NOx의 경우 고온에서 발생이 증가하는 특성이 있고, 인체 및 환경에의 악영향이 큰 유해 물질이어서 NOx의 저감이 자동차 공해 방지에 가장 중요한 요소가 되고 있다.

이에 따라, 환경적인 엔진을 지향하는 다양한 배기가스 저감 기술 중에 고온의 연소 과정 중에 생성되는 것으로 알려진 NOx를 효과적으로 제어하기 위하여 최근 배기가스 재순환(EGR, Exhaust Gas Recirculation) 장치를 보편적으로 적용하는 추세에 있다.

배기가스 재순환 장치(이하, 'EGR 시스템'이라 함)는 NOx의 배출을 줄이는 효과적인 방법으로 휘발유 엔진에서 디젤 엔진으로 적용이 확대되고, 정밀한 제어를 위해 기계식에서 전자 제어식으로 진보하고 있다. 또한 고온의 배기가스를 냉각해 재순환시키는 쿨드 EGR로 기술 개발이 이루어지고 있다.

EGR(exhaust gas recirculation) 시스템은 이처럼 NOx 저감을 위한 가장 효과적인 방법의 하나로서, 배기가스의 CO2나 H2O 등과 같은 불활성 가스가 흡기의 일부와 치환되어 혼입됨으로써 혼합기의 열용량이 증대되어 실린더 내 연소가스 온도상승을 억제하며 또한 공기 과잉율을 낮추어 열적(thermal) NOx 생성을 억제함으로써 전체 NOx 발생량을 줄이게 된다.

다른 한편, 디젤엔진의 EGR에 의한 NOx 저감 효과는 휘발유 엔진과는 차이가 있다. 휘발유 엔진에서는 EGR 가스가 연료혼합기와 균일하게 혼합되기 때문에 연소화염을 효율적으로 냉각시킨다. 반면 디젤엔진의 경우는 연료혼합기가 공간적으로 매우 불균일하기 때문에 EGR 가스가 연소화염을 냉각시키는 데는 공간적으로 제한되어 있다.

따라서 디젤엔진에서 EGR에 의한 NOx 저감 메커니즘은, 휘발유 엔진처럼 EGR 가스가 연소온도를 낮춘다는 설명보다는 연소공기의 산소농도를 저감시킴으로서 NOx가 저감된다는 이론이 강하게 제시되어 있으며, 이들을 규명하기 위한 연구가 계속되고 있다.

그런데 앞서 언급한 바와 같이, EGR 시스템을 포함한 터보차저 시스템을 장착한 내연기관의 경우 재순환 공급되는 배기가스의 온도를 낮추거나 터보차저에 의해 과급된 공기의 밀도를 높여 시스템의 효율을 향상시키기 위한 목적으로 열교환기의 일종인 인터쿨러를 보편적으로 장착하는 추세이다.

그러나 인터쿨러는 찬공기와 더운 공기가 만나 열교환을 행하게 될 때 시스템 내부의 수분이 응결되어 응축수가 발생하는 문제가 있다. 특히 저압 EGR 시스템을 탑재한 경우 인터쿨러에서 발생하는 응축수는 배기가스 내에 포함된 황성분으로 인해 높은 산성을 띠게 되어 터보차저의 압축기 휠의 손상과 저압 EGR 밸브의 부식, 저압 EGR 쿨러의 부식, 이멀전시 필터의 막힘, 인터쿨러 자체 부식 및 연소실 부품 손상 등 여러 가지 문제를 일으키는 원인이 된다.

한편, 노킹(Knocking)은 점화에 의해 화염이 전파되기 전에 미연소 혼합가스가 자연발화를 일으켜 압력과 온도가 급격하게 상승하면서 나타나는 현상을 의미한다. 노킹은 내연 기관의 출력 저하나 배기밸브나 피스톤이 고장, 피스톤과 실린더가 녹아 붙는 등의 치명적인 문제의 원인이 되므로 이를 반드시 제어할 필요가 있다.

노킹을 제어하는 기술에는 여러 가지 방식이 있다. 그 중 대표적인 것이 점화 시기 제어를 통한 노킹 제어 기술이다. 이는 노크 센서를 이용하여 노킹 여부 및 노킹 강도를 판단하고, 노킹 강도에 따라 점화 시기를 지각시킴으로써 노킹을 제어하는 기술이다. 그러나 이 방식은 엔진의 토크 및 출력 감소를 수반하는 문제가 있다.

토크 저하를 방지하면서도 효과적인 노킹 제어를 위한 대안 기술로서, 공기 보조 분사 시스템, 연료 분사량 증대(Fuel enrichment)를 적용한 상기 EGR 시스템, 물 분사 시스템 등이 제안된 바 있다. 이 중에서 연비와 에미션(Emission)에 영향을 주지 않으면서 노킹 제어를 효과적으로 할 수 있는 방안이 바로 물 분사 시스템(Water injection system)이다.

물 분사 장치는 필요에 따라 엔진의 연소실 안에 고압의 물(Water)을 미립자 형태로 분사함으로써 연소 후 배출되는 배출 배기가스 및 흡기 온도를 조절하고, 엔진의 연소실 내부의 연소 특성을 향상시켜 노킹(knocking) 등의 불안정한 작동을 방지하며, 과급 압력을 높여 출력 성능을 높일 수 있는 장치를 의미한다.

도 1은 종래 일반적인 물 분사 장치를 개략 도시한 개념도이다.

도 1을 참조하면, 물 분사 장치는 물 분사 인젝터(30)를 포함한다. 물 분사 인젝터(30)는 엔진(40)의 양 측으로 배치되는 흡기계(41)와 배기계(42) 중 흡기계(41)에 설치되며, 물 분사 레일(50)을 통해 물 탱크(10)와 연결된다. 물 탱크(10)의 내부에는 물 분사 펌프(20)가 배치됨으로써, 물 탱크(10) 내부에 채워진 물을 흡입하여 상기 물 분사 레일(50)을 향하여 일정 압력으로 토출한다.

물 분사 인젝터(30)와 물 분사 펌프(20)는 제어부 통제에 따라 개방 및 구동되며, 제어부는 차량 각부에 설치된 센서들이 제공하는 센싱정보를 바탕으로 상기 연소실(43)에 대한 물 분사 타이밍을 결정한다. 그리고 그 결정된 타이밍에 물 분사 인젝터(30)와 물 분사 펌프(10)를 작동시켜 엔진 운전 조건에 맞는 최적의 분사 타이밍에 연소실(43)의 내부에 물이 분사될 수 있도록 제어한다.

미설명 도면부호 100은 상기 물 분사 레일(50)에 장착되어 레일 내 압력을 검출하는 레일압력센서를 가리킨다.

그러나 종래 알려진 물 분사 시스템은 실린더에 분사될 물이 저장된 물 탱크에 물을 주기적으로 보충해야 하는 번거로움이 있다. 물론 탱크 용량에 따라 보충 주기가 달라지기는 하겠지만, 기본적으로 물을 직접 채워 보충해야 하는 구성이므로, 지속적인 관리와 세심한 주의가 요구되고, 물 보충에 따른 불편함이 수반되는 문제가 있다.

이에 종래 에어쿨러를 포함하는 저압 EGR 시스템에서 발생하는 응축수 문제를 해결하고, 물 분사 시스템에서의 물 보충에 따른 번거로움을 해소하고자 본 발명을 안출하게 된 것이다.

한국공개특허 제10-2017-0056195호(2017.05.23 공개)

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 에어쿨러에서 생성된 응축수를 포집하고 정화하여 물 분사 장치의 분사수로 활용할 수 있도록 구성함으로써, 에어쿨러를 포함하는 저압 EGR 시스템에서 발생하는 응축수 문제를 해결하고, 물 분사 장치에 주기적으로 물을 보충해야 하는 번거로움을 해소할 수 있는 물 분사 차량의 물 보충 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

과제의 해결 수단으로서 본 발명의 일 측면에 따른 바람직한 일 실시 예에 따르면,

에어쿨러 및 물 분사 장치를 포함하는 차량에 있어서,

흡입공기를 냉각시키는 상기 에어쿨러에서 생성된 응축수를 포집하고,

포집된 응축수를 엔진 열을 이용하는 증발기에서 증류 방식으로 정화하여 상기 물 분사 장치를 구성하는 물 탱크에 공급하도록 구성된 물 분사 차량의 물 보충 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따른 물 분사 차량의 물 보충 시스템은 바람직하게,

EGR 가스와의 열교환 시 온도 차이에 의해 생성되는 응축수를 포집하도록 에어쿨러 하우징의 하부에 마련되는 리저버;

엔진 상부에 연접 설치되며, 상기 리저버와 응축수 배출배관으로 연결되는 증발기;

보닛이 닫힌 상태에서 상기 증발기의 상단 개구를 밀폐하도록 상기 증발기와 대응되는 위치의 보닛에 설치되는 응축기;

엔진 열에 의해 상기 증발기 내부에서 기화되고 상기 응축기에 의해 응결된 응축수를 집수하도록 상기 증발기 내부에 설치되는 집수통; 및

상기 집수통에서 집수된 응축수를 저장하도록 집수통과 응축수 공급배관으로 연결되는 물 탱크;를 포함하며,

상기 응축수 배출배관을 통해 증발기 내부로 공급된 응축수가 엔진 열에 의해 증발기 내부에서 기화되고, 기화된 증발기 내부의 수증기가 상기 보닛에 장착된 응축기의 냉각작용으로 응결되며, 응결된 응축수가 상기 집수통에 집수되고 응축수 공급배관을 통해 상기 물 탱크로 유입되는 구성일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 측면에 따른 상기 물 분사 차량의 물 보충 시스템은,

상기 리저버에 포집된 응축수를 검출하는 응축수 검출센서;

상기 에어쿨러 내부 압력을 검출하는 압력 검출센서; 및

상기 리저버와 증발기를 연결하는 응축수 배출배관에 설치되는 개폐밸브;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 응축수 검출센서에서 응축수가 설정값 이상 포집된 것으로 검출되고, 상기 압력 검출센서에 의한 에어쿨러 내부 압력이 대기압보다 높으면, 제어부의 통제에 따라 상기 개폐밸브가 개방되고, 대기압보다 높은 에어쿨러 압력에 의해 리저버에 포집된 응축수가 자연스럽게 상기 증발기로 유입될 수 있다.

또한, 상기 증발기가 접하는 엔진의 상부에 고온측 방열판이 설치되며, 상기 고온측 방열판과 증발기가 서멀구리스 또는 히트 파이프로 손실 없이 열이 전달될 수 있도록 연결될 수 있다.

또한, 상기 응축기의 상단에 보닛 외측으로 돌출되거나 보닛의 일면과 접하도록 구성되어 외기에 직간접적으로 노출되는 저온측 방열판이 설치되고, 상기 저온측 방열판과 응축기가 서멀구리스 또는 히트 파이프로 손실 없이 열이 전달될 수 있도록 연결될 수 있다.

또한, 상기 응축기의 외형이 아래로 갈수록 직경이 점진적으로 줄어드는 콘 모양으로 형성되며, 상기 집수통이 상기 응축기의 하단 정점부와 동일 선상에 정렬되도록 응축기 하부의 증발기 내부에 배치될 수 있다.

또한, 보닛 개방에 따라 상기 응축기가 증발기로부터 분리되고, 보닛을 닫으면 상기 응축기가 증발기의 상단 개구에 밀봉적으로 결합되는 구성일 수 있다.

또한, 보닛이 닫힌 상태에서 증발기와 응축기 경계부 틈새를 밀봉하여 수증기 유출이 방지되도록 상기 증발기 또는 응축기에 패킹 부재, 예컨대 고무 패킹이 설치될 수 있다.

또한, 상기 집수통에 집수된 응축수가 높이 차에 의해 상기 물 탱크 측으로 자연스럽게 이동되도록 상기 물 탱크가 집수통보다 적어도 낮게 위치할 수 있다.

과제의 해결 수단으로서 본 발명의 또 다른 측면에 따르면,

전술한 일 측면에 따른 물 보충 시스템의 제어 방법으로서,

a) 응축수 검출센서가 에어쿨러 하부의 리저버에 포집된 응축수를 검출하는 단계;

b) 상기 a) 단계에서 검출된 응축수를 설정값과 비교하는 단계;

c) 압력 검출센서가 상기 에어쿨러 내부 압력을 검출하는 단계;

d) 상기 c) 단계에서 검출된 에어쿨러 내부 압력을 설정압력과 비교하는 단계; 및

e) 상기 b) 단계에서의 비교결과 및 d) 단계에서의 비교결과에 기초하여 제어부가 리저버와 증발기를 연결하는 응축수 배출배관에 설치된 개폐밸브를 제어하는 단계;를 포함하는 물 보충 시스템의 제어 방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 e) 단계에서는, 응축수가 설정값 이상이고 상기 에어쿨러 내부 압력이 대기압력보다 크면, 제어부가 상기 개폐밸브를 개방시키기 위한 신호를 출력하는 물 분사 차량의 물 보충 시스템의 제어 방법.

본 발명의 실시 예에 따르면, 에어쿨러에서 생성된 응축수를 포집(집수)하고 엔진 열을 이용한 증류방식으로 정화한 후 물 탱크에 보내 물 분사 장치의 분사수로 활용할 수 있도록 구성됨으로써, 에어쿨러를 포함하는 저압 EGR 시스템에서 발생하는 응축수 문제를 명확하게 해결할 수 있으며, 또한 물 분사 장치에 주기적으로 물을 보충해야 하는 번거로움을 해소할 수 있다.

도 1은 종래 물 분사 시스템의 장치 개략도.
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 물 보충 시스템을 포함하는 물 분사 차량의 개략도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 물 보충 시스템의 주요부를 개략 도시한 요부 개략도.
도 4는 보닛 개방 시 응축기가 증발기로부터 분리되는 모습을 도시한 도면.
도 5는 전술한 본 발명의 실시 예에 따른 물 보충 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명을 설명함에 있어 이하 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

또한, 본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

더하여, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일한 구성 요소에 대해서는 동일도면 참조부호를 부여하기로 하며 동일 구성에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 물 보충 시스템을 포함하는 물 분사 차량의 개략도로서, 이를 참조하여 물 분사 차량의 구성부터 개략적으로 살펴보기로 한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 물 분사 차량은, 저압 EGR 시스템(S1) 및 물 보충 시스템(S2)을 포함한다. 저압 EGR 시스템(S1)은 고온의 배기가스를 냉각해 흡기 측으로 재순환시킴으로써 연소가스 온도상승을 억제하고 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 것으로, 엔진(16) 배기 측과 흡기 측을 연결하는 저압 EGR 라인(21)을 포함한다.

저압 EGR 라인(21)은 도면의 예시와 같이, 배기가스의 유동방향을 기준으로 배기가스 후처리 장치(19)의 후단과 흡입공기(이하, '흡기'라 함)의 유동방향을 기준으로 엔진 과급기의 압축기(28) 전단을 연결하는 구성일 수 있으며, 라인 중간에 환류 배기가스의 온도를 적정수준으로 냉각시켜 흡기 측으로 공급하는 EGR 쿨러(22)가 배치된다.

EGR 쿨러(22)와 상기 압축기(28) 사이의 상기 저압 EGR 라인(21)에는 흡기 측으로 환류되는 배기가스의 양을 조절하는 전자제어식 솔레노이드 밸브 방식의 저압 EGR 밸브(24)가 설치되며, 환류 배기가스의 유동방향을 기준으로 저압 EGR 밸브(24) 전단과 후단에는, 저압 EGR 밸브(24) 전단과 후단 사이의 압력 차를 측정하여 환류량을 피드백 제어하기 위한 한 쌍의 차압센서(26)가 설치된다.

흡기의 유동방향을 기준으로 상기 압축기(28) 후방에는 에어쿨러(또는 인터쿨러, 1)가 설치된다. 에어쿨러(1)는 압축기(28)를 통한 가압 후 온도가 상승된 공기를 냉각시켜 공기 밀도를 크게 함으로써 실린더로 공급되는 흡입공기의 절대량을 늘려 엔진(16) 출력을 향상시키는 역할을 하는 것으로, 공지된 수랭식 또는 공랭식 구성 중 하나일 수 있다.

도면 부호 15는 실린더에 공급될 흡기량 조절을 위한 스로틀 밸브이며, 18은 고압측 배기라인에 설치되며 상기 엔진 과급기를 구성하는 터빈을 가리킨다. 그리고 30은 흡기의 유동방향을 기준으로 상기 압축기(28) 전방에 배치되는 인렛 스로틀 밸브를 가리키며, 29는 상기 인렛 스로틀 전방에 설치되는 공기질량 계량기를 가리킨다.

이와 같은 저압 EGR 시스템(S1)이 적용된 물 분사 차량에서는, 상기 에어쿨러(1)를 통한 흡기 냉각작용 중 저온 측(에어쿨러(1))과 상대적으로 고온 측(흡기+배기가스) 간 온도 차이로 인하여 응축수가 발생될 수 있다. 응축수는 배기가스 내에 포함된 황성분으로 인해 높은 산성을 띰으로써, 엔진 과급기의 압축기(28) 휠의 손상, 에어쿨러(1) 자체 부식 및 연소실 부품 손상 등 여러 가지 문제의 원인이 된다.

이에 본 발명의 실시 예에서는, 상기 에어쿨러(1)에서 생성된 응축수를 포집하고, 엔진(16) 열을 이용하여 증류 방식으로 정화하며, 정화 처리된 정화수를 물 분사 장치의 분사수로 활용할 수 있도록 시스템을 구성함으로써, 에어쿨러(1)를 포함하는 저압 EGR 시스템(S1)에서 발생하는 응축수 문제를 해결하고, 물 분사 장치의 관리 편의를 제공할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 물 보충 시스템의 주요부를 개략 도시한 요부 개략도이다.

도 2 및 도 3을 참조하여 상기 물 보충 시스템에 대해 좀 더 구체적으로 살펴보기로 하되, 물 보충 시스템을 살펴보기에 앞서 물 분사 장치부터 간단히 살펴보기로 한다.

도 2를 참조하면, 물 분사 장치(부호 생략)는 물 분사 인젝터(11)를 포함한다. 물 분사 인젝터(11)는 엔진(16)의 흡기계에 설치되며, 물 분사 레일(9)을 통해 물 탱크(8)와 연결된다. 물 탱크(8)의 내부에는 물 분사 펌프가 배치되며, 물 분사 펌프는 물 탱크(8) 내부에 채워진 물을 흡입하여 상기 물 분사 레일(9)을 향하여 일정 압력으로 토출한다.

물 분사 인젝터(11)와 물 분사 펌프(P)는 제어부(도시 생략) 통제에 따라 개방 및 구동되며, 제어부는 차량 각부의 센서들이 제공하는 검출정보를 바탕으로 연소실에 대한 물 분사 타이밍을 결정한다. 그리고 그 결정된 타이밍에 물 분사 인젝터(11)와 물 분사 펌프(P)를 작동시켜 엔진(16) 운전 조건에 맞는 최적의 분사 타이밍에 연소실(17)의 내부에 물이 분사될 수 있도록 제어한다.

물 탱크(8)에는 앞서 언급했듯이 연소실(17)에 내부에 분사될 물, 즉 분사수가 저장된다. 그리고 본 발명의 핵심 구성인 후술하게 될 물 보충 시스템(S2)은, 흡입기 냉각을 위한 상기 에어쿨러(1)에서 생성된 응축수를 포집하고, 포집된 응축수를 엔진(16) 열을 이용하는 증발기(5)에서 증류 방식으로 정화한 후 상기 분사수로 활용될 수 있도록 물 탱크(8)로 지속적 또는 간헐적으로 공급한다.

본 발명의 실시 예에 적용된 물 보충 시스템(S2)은 바람직하게, 리저버(2) 및 증발기(5)를 포함한다. 리저버(2)는 EGR 가스와의 열교환 시 온도 차이에 의해 생성되는 응축수를 포집하도록 상기 에어쿨러하우징의 하부에 하우징 바닥면 일부를 구성하도록 설치될 수 있으며, 증발기(5)는 엔진(16) 상부에 연접 설치되며 상기 리저버(2)와 응축수 배출배관(4)으로 연결될 수 있다.

에어쿨러(1)에는 내부 압력 검출의 위한 압력 검출센서(13)가 설치될 수 있으며, 리저버(2)에는 응축수의 수량을 검출하는 응축수 검출센서(12)가 설치될 수 있다. 그리고 리저버(2)와 증발기(5)를 연결하는 상기 응축수 배출배관(4)에는 제어부 통제에 따라 상기 응축수 배출배관(4)을 개방하거나 폐쇄시키기 위해 절환 작동되는 개폐밸브(3)가 설치될 수 있다.

개폐밸브(3)는 솔레노이드 밸브일 수 있으며, 응축수 검출센서(12)에서 응축수가 설정값 이상 포집된 것으로 검출되고, 압력 검출센서(13)에 의한 에어쿨러(1) 내부 압력이 대기압보다 높으면, 제어부의 통제에 따라 개폐밸브(3)가 개방된다. 개폐밸브(3)가 개방되면, 대기압보다 높은 압력을 형성한 에어쿨러(1) 압력에 의해 리저버(2)에 포집된 응축수는 자연스럽게 상기 증발기(5)로 유입될 수 있다.

즉 리저버(2)에 포집된 응축수를 증발기(5)로 유입시키기 위한 펌프와 같은 별도의 추가적인 장치 없이도, 압축기(28)에 의해 상승된 에어쿨러(1) 내부 압력만으로 자연스럽게 응축수가 리저버(2)에서 증발기(5)로 이송되는 매커니즘이 구현될 수 있다.

증발기(5)는 엔진(16) 열을 이용하여 상기 리저버(2)로부터 공급되는 응축수를 기화시키는 역할을 한다. 이러한 증발기(5)는 도 3의 예시와 같이 엔진(16) 상부 연접 설치되되, 증발기(5)가 접하는 엔진(16)의 상부에 고온측 방열판(160)이 설치될 수 있으며, 고온측 방열판(160)과 상기 증발기(5)는 서멀구리스 또는 히트 파이프를 통해 손실 없이 열이 전달될 수 있도록 연결될 수 있다.

증발기(5) 상단에는 응축기(6)가 설치된다. 응축기(6)는 엔진(16) 열에 의해 상기 증발기(5) 내부에서 기화된 수증기를 공랭식 열교환 방식으로 응결시키고, 응결된 응축수가 후술하는 집수통(7) 향해 낙하할 수 있도록 유도한다. 이러한 응축기(6)는 보닛(B)이 닫힌 상태에서 상기 증발기(5)의 상단 개구를 밀폐하도록 상기 증발기(5)와 대응되는 위치의 보닛(B)에 설치될 수 있다.

바람직하게는, 응축기(6)는 그 상단에 보닛(B) 외측으로 돌출되거나 보닛(B)의 일면과 접하도록 구성되어 외기에 직간적접으로 노출되는 저온측 방열판(60)을 구비하는 구성일 수 있으며, 고온측 방열판(160)과 엔진(16) 사이의 연결구조와 마찬가지로, 응축기(6) 상단의 상기 저온측 방열판(60)과 상기 응축기(6)는 서멀구리스 또는 히트 파이프를 통해 손실 없이 열이 전달될 수 있도록 연결될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 물 보충 시스템(S2)은 또한, 증발기(5) 내부에 설치되는 집수통(7)과 물 분사 장치를 구성하는 상기 물 탱크(8)를 포함한다. 집수통(7)은 엔진(16) 열에 의해 상기 증발기(5) 내부에서 기화되고 상기 응축기(6)에 의해 응결된 응축수를 집수하도록 기능하며, 물 탱크(8)는 상기 집수통(7)에서 집수된 응축수를 저장하도록 집수통(7)과 응축수 공급배관(70)으로 연결될 수 있다.

응축기(6)는 도 3의 예시와 같이, 아래로 갈수록 직경이 점진적으로 줄어드는 콘 모양일 수 있으며, 상기 집수통(7)이 상기 응축기(6)의 하단 정점부와 동일 선상에 정렬되도록 응축기(6) 하부의 증발기(5) 내부에 배치될 수 있다. 그리고 집수통(7)에 집수된 응축수가 높이 차에 의해 물 탱크(8) 측으로 자연스럽게 이동되도록 물 탱크(8)는 집수통(7)보다 적어도 낮게 위치할 수 있다.

이와 같은 구성에 따라, 응축수 배출배관(4)을 통해 증발기(5) 내부로 공급된 응축수는 엔진(16) 열에 의해 증발기(5) 내부에서 기화되고, 기화된 증발기(5) 내부의 수증기가 상기 보닛(B)에 장착된 응축기(6)의 냉각작용으로 다시 응결되며, 응결된 응축수는 상기 집수통(7)에 집수되고 응축수 공급배관(70)을 따라 상기 물 탱크(8)로 자연스럽게 유입됨으로써 물 탱크(8)를 채우게 된다.

도 4는 보닛 개방 시 응축기가 증발기로부터 분리되는 모습을 도시한 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 응축기(6)는 보닛(B) 개방 시 상기 증발기(5)로부터 자연스럽게 분리되고, 반대로 보닛(B)을 닫으면 도 3과 같이 증발기(5)의 상단 개구에 밀봉적으로 결합되는 구성일 수 있다. 이때 보닛(B)이 닫힌 상태에서 증발기(5)와 응축기(6) 경계부 틈새를 밀봉하여 수증기 유출이 방지되도록 상기 증발기(5) 또는 응축기(6)에 패킹 부재, 예컨대 고무 패킹(R)이 설치될 수 있다.

도 5는 전술한 본 발명의 실시 예에 따른 물 보충 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도로서, 설명의 편의를 위해 도 2에 도시된 구성은 해당 참조번호를 언급하여 설명하기로 한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 물 보충 시스템의 제어 방법은, 응축수 검출센서가 에어쿨러 하부의 리저버에 포집된 응축수를 검출하는 단계(S100), S100 단계에서 검출된 응축수를 설정값과 비교하는 단계(S200), 압력 검출센서가 상기 에어쿨러 내부 압력을 검출하는 단계(S300), 그리고 S300 단계에서 검출된 에어쿨러 내부 압력을 설정압력과 비교하는 단계(S400)를 포함한다.

또한, S200 단계에서의 비교결과 및 S400 단계에서의 비교결과에 기초하여 제어부가 리저버와 증발기를 연결하는 응축수 배출배관에 설치된 개폐밸브를 제어하는 단계(S500)를 포함한다.

바람직하게는, 상기 S500 단계에서는, 응축수 검출센서(12)를 검출된 응축수가 설정된 설정값 이상이고, 압력 검출센서(13)에 의한 에어쿨러(1) 내부 압력이 대기압보다 높으면, 제어부가 개폐밸브(3)를 개방시키기 위한 신호를 출력함으로써 응축수 배출배관(4)이 개방되며, 이에 따라 응축수 배출배관(4)을 통해 리저버(2)에 포집된 응축수가 증발기(5)로 공급될 수 있다.

종래 저압 EGR 시스템을 탑재한 차량의 경우, 인터쿨러에서 발생한 응축수가 배기가스 내에 포함된 황성분으로 인해 높은 산성을 띰으로써, 터보차저의 압축기 휠의 손상과 저압 EGR 밸브의 부식, 저압 EGR 쿨러의 부식, 이멀전시 필터의 막힘, 인터쿨러 자체 부식 및 연소실 부품 손상 등 여러 가지 문제를 일으키는 원인이 된다.

또한, 종래 알려진 물 분사 시스템은 실린더에 분사될 물이 저장된 물 탱크에 물을 주기적으로 보충해야 하는 번거로움이 있다. 물론 탱크 용량에 따라 보충 주기가 달라지기는 하겠지만, 기본적으로 물을 직접 채워 보충해야 하는 구성이므로, 지속적인 관리와 세심한 주의가 요구되고, 물 보충에 따른 불편함이 수반되는 문제가 있다.

반면, 본 발명은 에어쿨러에서 생성된 응축수를 포집(집수)하고 엔진 열을 이용한 증류방식으로 정화한 후 물 탱크에 보내 물 분사 장치의 분사수로 활용할 수 있도록 구성됨으로써, 에어쿨러를 포함하는 저압 EGR 시스템에서 발생하는 응축수 문제를 명확하게 해결할 수 있으며, 또한 물 분사 장치에 주기적으로 물을 보충해야 하는 번거로움을 해소할 수 있다.

이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

1 : 에어쿨러 2 : 리저버
3 : 개폐밸브 4 : 응축수 배출배관
5 : 증발기 6 : 응축기
7 : 집수통 8 : 물 탱크
9 : 물 분사 레일 11 : 물 분사 인젝터
12 : 응축수 검출센서 13 : 압력 검출센서
15 : 스로틀 밸브 16 : 엔진
17 : 연소실 18 : 터빈
19 : 배기가스 후처리 장치 21 : 저압 EGR 라인
22 : EGR 쿨러 24 : 저압 EGR 밸브
26 : 차압센서 70 : 응축수 공급배관
S1 : 저압 EGR 시스템 S2 : 물 보충 시스템

Claims (12)

1. 삭제
2. 에어쿨러 및 물 분사 장치를 포함하는 차량에 있어서,
   EGR 가스와의 열교환 시 온도 차이에 의해 생성되는 응축수를 포집하도록 에어쿨러 하우징의 하부에 마련되는 리저버;
   엔진 상부에 연접 설치되며, 상기 리저버와 응축수 배출배관으로 연결되는 증발기;
   보닛이 닫힌 상태에서 상기 증발기의 상단 개구를 밀폐하도록 상기 증발기와 대응되는 위치의 보닛에 설치되는 응축기;
   엔진 열에 의해 상기 증발기 내부에서 기화되고 상기 응축기에 의해 응결된 응축수를 집수하도록 상기 증발기 내부에 설치되는 집수통; 및
   상기 집수통에 집수된 응축수를 저장하도록 집수통과 응축수 공급배관으로 연결되는 물 탱크;를 포함하며,
   상기 응축수 배출배관을 통해 증발기 내부로 공급된 응축수가 엔진 열에 의해 증발기 내부에서 기화되고, 기화된 증발기 내부의 수증기가 상기 보닛에 장착된 응축기의 냉각작용으로 응결되며, 응결된 응축수가 상기 집수통에 집수되고 응축수 공급배관을 통해 상기 물 탱크로 유입되되,
   상기 응축기는 아래로 갈수록 직경이 점진적으로 줄어드는 콘 모양으로 형성되고, 상기 집수통이 상기 응축기의 하단 정점부와 동일 선상에 정렬되도록 응축기 하부에 배치되는 물 분사 차량의 물 보충 시스템.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 리저버에 포집된 응축수를 검출하는 응축수 검출센서;
   상기 에어쿨러 내부 압력을 검출하는 압력 검출센서; 및
   상기 리저버와 증발기를 연결하는 응축수 배출배관에 설치되는 개폐밸브;를 더 포함하는 물 분사 차량의 물 보충 시스템.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 응축수 검출센서에서 응축수가 설정값 이상 포집된 것으로 검출되고, 상기 압력 검출센서에 의한 에어쿨러 내부 압력이 대기압보다 높으면,
   제어부의 통제에 따라 상기 개폐밸브가 개방되고, 대기압보다 높은 에어쿨러 압력에 의해 리저버에 포집된 응축수가 자연스럽게 상기 증발기로 이송되는 물 분사 차량의 물 보충 시스템.
   
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 증발기가 접하는 엔진의 상부에 고온측 방열판이 설치되며,
   상기 고온측 방열판과 증발기가 서멀구리스 또는 히트 파이프를 통해 손실 없이 열이 전달될 수 있도록 연결된 물 분사 차량의 물 보충 시스템.
   
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 응축기의 상단에 보닛 외측으로 돌출되거나 보닛의 일면과 접하도록 구성되어 외기에 직간접적으로 노출되는 저온측 방열판이 설치되고,
   상기 저온측 방열판과 응축기가 서멀구리스 또는 히트 파이프를 통해 손실 없이 열이 전달될 수 있도록 연결된 물 분사 차량의 물 보충 시스템.
   
7. 삭제
8. 제 2 항에 있어서,
   보닛 개방에 따라 상기 응축기가 증발기로부터 분리되고,
   보닛을 닫으면 상기 응축기가 증발기의 상단 개구에 밀봉적으로 결합되는 물 분사 차량의 물 보충 시스템.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   보닛이 닫힌 상태에서 증발기와 응축기 경계부 틈새를 밀봉하여 수증기 유출이 방지되도록 상기 증발기 또는 응축기에 패킹 부재가 설치되는 물 분사 차량의 물 보충 시스템.
   
10. 제 2 항에 있어서,
    상기 집수통에 집수된 응축수가 높이 차에 의해 상기 물 탱크 측으로 자연스럽게 이동되도록 상기 물 탱크가 집수통보다 적어도 낮게 위치하는 물 분사 차량의 물 보충 시스템.
    
11. 제 2 항 내지 제 6 항, 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 하나의 항에 기재된 물 보충 시스템의 제어 방법으로서,
    a) 응축수 검출센서가 에어쿨러 하부의 리저버에 포집된 응축수를 검출하는 단계;
    b) 상기 a) 단계에서 검출된 응축수를 설정값과 비교하는 단계;
    c) 압력 검출센서가 상기 에어쿨러 내부 압력을 검출하는 단계;
    d) 상기 c) 단계에서 검출된 에어쿨러 내부 압력을 설정압력과 비교하는 단계; 및
    e) 상기 b) 단계에서의 비교결과 및 d) 단계에서의 비교결과에 기초하여 제어부가 리저버와 증발기를 연결하는 응축수 배출배관에 설치된 개폐밸브를 제어하는 단계;를 포함하는 물 보충 시스템의 제어 방법.
    
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 e) 단계에서는,
    응축수가 설정값 이상이고 상기 에어쿨러 내부 압력이 대기압력보다 크면, 제어부가 상기 개폐밸브를 개방시키기 위한 신호를 출력하는 물 분사 차량의 물 보충 시스템의 제어 방법.
    
    
    

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