KR102247513B1 - 배기가스 온도저감장치가 구비된 엔진 배기시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

배기가스 온도저감장치가 구비된 엔진 배기시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내연기관 엔진의 배기시스템에 관한 것으로, 특히 엔진에서 배출되는 고온 고압의 배기가스를 배기가스 촉매저감장치 내에서 일정수준 이하의 온도 및 압력으로 낮춰 촉매로 공급하도록 함으로써 고온의 배기가스로 인한 촉매 손상을 방지할 수 있는 배기가스 온도저감장치가 구비된 엔진 배기시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 엔진 배기시스템은, 엔진에 구비되는 복수의 실린더; 각 실린더에서 연소된 배기가스가 배출되는 배기 매니폴드; 내부에 체적 확장이 가능한 챔버가 구비되며, 배기가스의 온도가 설정온도 이상일 경우 작동되어, 배기 매니폴드를 통해 배기가스가 챔버로 유입될 경우 챔버의 체적을 확장시켜 배기가스의 온도를 하강시킨 후 배출하는 배기가스 온도저감장치; 및 배기가스 온도저감장치의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

배기가스 온도저감장치가 구비된 엔진 배기시스템 및 그 제어방법{Exhaust system of an engine having device for lowering exhaust gas temperature and method for controlling thereof}
본 발명은 내연기관 엔진의 배기시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엔진에서 배출되는 고온 고압의 배기가스를 배기가스 온도저감장치 내부에서 일정수준 이하의 온도 및 압력으로 낮춰 촉매로 공급하도록 함으로써 고온의 배기가스로 인한 촉매 손상을 방지할 수 있는 배기가스 온도저감장치가 구비된 엔진 배기시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
내연기관은 엔진이 동작함에 따라 배기가스를 배출하게 된다. 즉, 혼합기가 엔진의 실린더 안에서 폭발한 뒤 만들어지는 배기가스는 실린더의 배기밸브가 열리면서 엔진 밖으로 빠져나간 후 배기 매니폴드를 거쳐 촉매변환기로 유입되고, 촉매변환기에서 유해성분이 정화된 상태로 대기 중에 배출된다.
한편, 차량의 운전 중 엔진의 부하가 상승하게 되면 실린더에서 배출되는 배기가스의 온도 역시 상승하게 된다. 이는 엔진 실린더로 분사되는 연료의 양이 증가함에 따라 실린더 내의 폭발 압력이 상승하게 되고, 이로 인해 배기가스의 온도 역시 상승하기 때문이다.
그런데, 이와 같이 엔진의 부하 상승으로 인해 배기가스의 온도가 높아지게 되면 고온의 배기가스는 배기계통 내에서 여러가지 문제를 야기시킬 수 있다. 그 일 예로 엔진의 부하 상승으로 온도가 높아진 배기가스는 일정이상의 온도가 되면 촉매변환기 내에 있는 촉매에 손상을 발생시킬 수 있다.
일반적으로 촉매에 도포된 귀금속류의 환원물질은 약 1000℃ 부근에서 녹기 때문에 기존의 엔진에서는 이러한 고온의 배기가스와 촉매의 접촉으로 인한 촉매의 손상을 방지하고자 높은 온도의 배기가스가 배출될 것이 감지되면, 엔진의 실린더로 더 많은 연료를 분사하여 배기가스의 온도를 낮추게 된다.
그러나, 이와 같이 배기가스의 온도를 낮추기 위해 추가적인 연료분사가 이루어지게 되면 배기가스 중에 포함된 유해물질이 증가하여 대기환경에 악영향을 미칠 수 있다. 또한, 이러한 추가적인 연료분사 방식은 운전자가 고부하 운전을 할 경우에 많은 양의 연료가 추가적으로 분사됨으로써 경우에 따라서는 많은 양의 분사 연료로 인해 후연소가 야기될 가능성이 있는 문제점이 있었다.
대한민국 특허공개 제2004-0105917호(2004.12.17)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 엔진의 각 실린더로부터 배출되는 배기가스의 온도가 촉매 보호를 위해 설정된 일정한 온도 이상으로 상승되면 배기가스 온도저감장치 내에서 배기가스를 단열팽창시켜 온도와 압력을 일정 수준 이하로 낮춘 다음 촉매장치로 유입되도록 함으로써 촉매장치에 고온의 배기가스 유입으로 인한 촉매의 손상을 방지할 수 있는 배기가스 온도저감장치가 구비된 엔진 배기시스템과 그 제어방법을 제공하는 데에 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 엔진 배기시스템은, 엔진에 구비되는 복수의 실린더; 각 실린더에서 연소된 배기가스가 배출되는 배기 매니폴드; 내부에 체적 확장이 가능한 챔버가 구비되며, 배기가스의 온도가 설정온도 이상일 경우 작동되어, 배기 매니폴드를 통해 배기가스가 챔버로 유입될 경우 챔버의 체적을 확장시켜 배기가스의 온도를 하강시킨 후 배출하는 배기가스 온도저감장치; 및 배기가스 온도저감장치의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 배기가스 온도저감장치는, 몸체와; 몸체 내부에 왕복이동 가능하게 설치되며 몸체 내부를 확장 가능한 2개의 독립된 제1챔버와 제2챔버로 구획하는 피스톤과; 제어부로부터 신호를 입력받아 피스톤을 왕복이동시키는 피스톤 구동부;를 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 배기 매니폴드는, 복수의 실린더 중 특정한 2개 이상의 실린더에서 배출되는 배기가스를 상기 제1챔버로 유입시키는 제1 배기 매니폴드와, 제1 배기 매니폴드와 병렬 배치되며 복수의 실린더 중 또 다른 특정한 2개 이상의 실린더에서 배출되는 배기가스를 제2챔버로 유입시키는 제2 배기 매니폴드를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 제1 및 제2 배기 매니폴드의 각 출구 부분에 설치되어 제어부에서 입력된 신호에 의해 배기가스의 흐름을 개폐하는 유입밸브와, 제1 및 제2챔버의 출구 부분에 설치되어 촉매장치로 향하는 배기가스의 흐름을 개폐하는 배출밸브를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 피스톤은 배기가스가 유입되는 챔버의 체적이 확장되는 방향으로 이동하도록 제어부를 통해 구동이 제어될 수 있다.
또한, 피스톤은 엔진 회전수에 동기화되어 구동이 이루어지도록 제어부를 통해 제어될 수 있다.
그리고, 유입밸브는 실린더의 점화순서에 따라 제1챔버 또는 제2챔버로 배기가스를 선택적으로 유입시킬 수 있도록 제어부를 통해 제어될 수 있다.
또한, 제1 및 제2챔버로부터 배출되어 촉매장치를 통해 정화된 배기가스를 한 곳으로 모아주는 제3 배기 매니폴드를 더 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 배출밸브는 폭이 좁은 복수 개의 판이 일측 힌지부위를 중심으로 회동하며 배기가스의 배출을 개폐하는 루버식 밸브를 채용할 수 있다.
한편, 본 발명의 엔진 배기시스템 제어방법은, 배기가스의 온도를 검출하는 단계; 검출된 배기가스의 온도가 촉매 보호를 위해 설정된 설정온도 이상인지 여부를 판단하는 단계; 검출된 배기가스의 온도가 설정온도 이상으로 판단되면, 배기가스 온도저감장치를 작동시켜 배기가스의 온도를 설정온도 이하로 하강시킨 후 배출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 배기가스 저감장치의 작동시 피스톤의 왕복 행정은 엔진 회전수에 동기화되도록 제어될 수 있다.
그리고, 피스톤의 왕복 행정에 따른 챔버의 최소 팽창과 압축의 비는 2.5 : 1 이상의 부피비를 유지하도록 설정하는 것이 바람직하다.
상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 엔진 배기시스템 및 그 제어방법에 따르면, 엔진의 실린더로부터 배출되는 배기가스의 온도를 측정하여 배기가스의 온도가 촉매에 손상을 줄 수 있는 임계치 온도 이상으로 판단될 경우 배기가스 저감장치를 작동시켜 챔버의 체적 확장에 따른 배기가스의 단열팽창으로 인해 온도와 압력을 일정 수준 이하로 낮춘 후 촉매장치로 유입되도록 함으로써 촉매장치에 고온의 배기가스 유입으로 인한 촉매의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 배기가스의 온도를 낮추기 위해 종래와 같이 엔진 실린더에 추가적인 연료분사를 할 필요가 없기 때문에, 연료의 과다한 소비를 줄일 수 있고, 환경오염도 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 배기시스템의 요부 구성을 보여주는 개념도.
도 2는 도 1의 배기가스 온도저감장치의 요부 구성을 상세하게 보여주는 상세도.
도 3은 배기가스 온도저감장치의 일측 챔버로 유입된 고온의 배기가스가 챔버의 체적 확장을 통해 단열팽창이 이루어지는 과정을 보여주는 작동 상태도.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제1 및 제2 배기 매니폴드의 연결구조를 보여주는 예시도.
도 5는 배기가스 온도저감장치의 배출밸브에 적용 가능한 루버식(louver type) 밸브 구조를 보여주는 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 엔진 배기시스템의 제어방법을 순차적으로 보여주는 순서도.
아래에서는 첨부된 도면들을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 국한되지 않는다. 또한, 상세한 설명 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미함을 밝혀둔다.
이하, 본 발명의 엔진 배기시스템 및 제어방법에 대한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 에에 따른 엔진 배기시스템의 요부 구성을 보여주는 개념도이다. 참고로, 본 실시 예에서는 4기통의 실린더로 구성된 엔진의 경우를 일 예로 들어 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 엔진 배기시스템은, 엔진(100)에 구비되는 복수의 실린더(101,102,103,104)와, 각 실린더(101,102,103,104)에서 연소된 배기가스가 배출되는 배기 매니폴드(120)와, 배기 매니폴드(120)를 거쳐 유입된 고온 고압의 배기가스를 단열팽창시켜 온도와 압력을 하강시킨 후 촉매장치(143,144)로 배출하는 배기가스의 온도저감장치(130)와, 배기가스 온도저감장치(130)의 동작을 제어하는 제어부(미도시)를 포함하여 구성된다.
먼저, 배기 매니폴드(120)는 4기통 엔진의 경우 기존에는 각 실린더와 연결된 4개의 배기관이 한 곳으로 모아진 형상을 가지는 하나의 구조물 형태로 되어 있었으나, 본 발명의 배기 매니폴드(120)는 도 1에서 보는 것과 같이 특정한 2개의 실린더로부터 나온 배기가스가 한 곳으로 모아지는 형상을 갖는 2개의 구조물, 즉 제1 배기 매니폴드(120a)와 제2 배기 매니폴드(120b)로 구성된다.
따라서, 제1 배기 매니폴드(120a)는 엔진(100)에 구비된 복수의 실린더 중 어느 특정한 2개의 실린더(101,102)에서 배출되는 배기가스를 한 곳으로 모아 배출할 수 있고, 제2 배기 매니폴드(120b)는 또 다른 특정한 2개의 실린더(103,104)에서 배출되는 배기가스를 한 곳으로 모아 배출할 수 있다. 이때, 제1 배기 매니폴드(120a)와 제2 배기 매니폴드(120b)는 동일한 형상 구조를 가지며 서로 병렬 구조로 배치된다.
실시 예 형태와 같이 4기통으로 구성된 엔진(100)의 경우에는 서로 인접한 1번 실린더(101)와 2번 실린더(102)를 제1 배기 매니폴드(120a)와 연결하고, 3번 실린더(103)와 4번 실린더(104)를 제2 배기 매니폴드(120b)와 연결하는 형태로 구현할 수 있다.
즉, 1번과 2번 실린더(101,102)에서 연소 후 나오는 배기가스는 제1 배기 매니폴드(120a)를 거쳐 배기가스 온도저감장치(130)로 유입되고, 3번과 4번 실린더(103,104)에서 나오는 배기가스는 제2 배기 매니폴드(120b)를 거쳐 배기가스 온도저감장치(130)로 유입된다.
한편, 배기가스 온도저감장치(130)는 내부에 확장 및 수축이 가능한 챔버(chamber)가 구비되어, 상기 챔버 내부로 고온의 배기가스가 유입될 경우 챔버의 체적 확장을 통해 배기가스의 온도와 압력을 일정수준 이하로 떨어뜨린 후 촉매장치(143,144)로 제공하게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 배기가스 온도저감장치(130)의 구성을 구체적으로 보여주는 것으로, 도 2에서 보는 바와 같이, 배기가스 온도저감장치(130)는, 실린더 몸체(137)와, 몸체(137) 내부에 왕복이동 가능하게 구비된 피스톤(133)과, 피스톤(133)을 구동하는 피스톤 구동부(138)를 포함하여 구성된다.
실린더 몸체(137)는 원통 형상으로 이루어지며, 내부에는 제1 배기 매니폴드(120a)와 제2 배기 매니폴드(120b)로부터 각각 유입된 배기가스가 채워지는 공간인 챔버(131,132)가 형성된다.
즉, 실린더 몸체(137)의 내부에는 중앙의 피스톤(133)을 통해 구획된 2개의 독립된 공간인 제1챔버(131)와 제2챔버(132)가 형성되어, 피스톤(133)이 어느 한쪽 방향으로 이동하면 일측의 챔버는 체적이 확장되고 다른 일측의 챔버는 체적이 상대적으로 축소되는 구조로 형성된다.
피스톤 구동부(138)는 제어부에서 입력되는 제어신호에 의해 작동되며, 실린더 몸체(137) 내에서 피스톤(133)을 어느 일측 방향으로 움직이도록 구동하여 배기가스가 유입되는 챔버의 체적 확장을 유도하게 된다.
한편, 제1 및 제2 배기 매니폴드(120a,120b)의 출구 부분에는 배기가스 온도저감장치(130)의 제1 및 제2챔버(132)로 각각 유입되는 배기가스의 흐름을 개폐하는 유입밸브(122,124)가 설치된다. 이들 유입밸브(122,124)는 제어부에서 전송되는 제어신호에 따라 개폐작동이 이루어지게 된다.
이 경우, 제1 배기 매니폴드(120a) 측의 유입밸브(122)가 개방되어 1번 실린더(101) 또는 2번 실린더(102)에서 나온 배기가스가 제1챔버(131) 내부로 유입되면, 제2 배기 매니폴드(120b) 측의 유입밸브(124)는 폐쇄된다. 반면, 제2 배기 매니폴드(120b) 측의 유입밸브(124)가 개방되어 3번 실린더(103) 또는 4번 실린더(104)에서 나온 배기가스가 제2챔버(132) 내부로 유입되면, 제1 배기 매니폴드(120a) 측의 유입밸브(122)는 폐쇄된다.
실시 예와 같은 4기통 엔진의 경우에는 엔진 실린더의 점화순서가 1->3->4->2->1 순서로 점화되기 때문에 상기한 실린더의 점화순서에 따라 배기가스가 온도저감장치(130)의 제1챔버(131)나 제2챔버(132) 내부로 선택적 유입이 이루어질 수 있도록 제어부를 통해 유입밸브(122,124)의 개폐를 제어하게 된다.
그리고, 배기가스 온도저감장치(130)에 있어서 실린더 몸체(137)의 양단에는 제1 및 제2챔버(131,132)로부터 배출되어 촉매장치(143,144)로 향하는 배기가스의 흐름을 개폐하기 위한 배출밸브(141,142)가 설치된다.
상기 배출밸브(141,142)는 유입밸브(122,124)와 마찬가지로 제어부에서 전송된 제어신호에 따라 개폐작동이 이루어지게 되며, 만일, 제1 배기 매니폴드(120a)의 유입밸브(122)가 개방되어 제1챔버(131)로 배기가스가 유입될 경우 제1챔버(131) 측의 배출밸브(141)는 폐쇄되고, 제1챔버(131)의 체적이 확장이 끝나는 시점까지 폐쇄된 상태로 유지된다.
그리고, 피스톤(133)의 일방향 이동에 따라 제1챔버(131)의 체적 확장이 완료되면 제1챔버(131) 측의 배출밸브(141)는 개방되고, 제1챔버(131) 내의 배기가스는 피스톤(133)이 다시 반대방향으로 이동하는 과정에서 개방된 배출밸브(141)를 통해 밀려나가 촉매장치(143)로 유입된다.
이 경우, 제1챔버(131)의 배출밸브(141)가 폐쇄되면 반대편에 위치한 제2챔버(132)의 배출밸브(142)는 개방되어 피스톤(133)의 이동이 가능하도록 하고, 제1챔버(131)의 배출밸브(141)가 개방되면 제2챔버(132)의 체적 확장을 위해 제2챔버(132)의 배출밸브(142)는 다시 폐쇄된다.
상술한 구성으로 이루어진 본 발명의 배기가스 온도저감장치(130)는 배기가스 온도센서(미도시)로부터 측정된 배기가스의 온도가 촉매 보호를 위해 설정된 설정온도(예를 들어, 860℃) 이상일 경우에만 작동하게 되며, 배기가스의 온도가 설정온도 미만일 경우에는 작동하지 않는다.
한편, 도 3은 배기가스 온도가 설정온도 이상일 경우에 배기가스 온도저감장치(130)가 작동하여 챔버의 체적 확장을 통해 배기가스의 온도가 하강되는 과정을 보여주는 것이다.
도 3에서는 편의상 1번 실린더(101)에서 나온 고온의 배기가스가 제1챔버(131)로 유입될 경우에 배기가스 온도저감장치(130)의 각 구동부가 작동되는 과정을 일 예로 들어 설명한다.
먼저, 임계치 이상의 고온 배기가스 배출로 인해 배기가스 온도저감장치(130)가 작동하게 되면, 도 3에서 보는 바와 같이, 1번 실린더(101)에서 나온 고온 고압의 배기가스는 제1 배기 매니폴드(120a)를 통해 배기가스 온도저감장치(130)의 제1챔버(131) 유입하게 된다.
이 경우, 제1챔버(131)로 고온 고압의 배기가스 유입이 이루어지기 전 상태에서는 피스톤 구동부(138)를 통해 피스톤(133)을 제1챔버(131)의 체적이 축소되는 방향으로 이동시켜 피스톤(133)이 A 지점에 위치하게 된다. 이때, 피스톤(133)이 A 지점으로 이동하여 제1챔버(131)의 체적이 축소되는 과정에서는 제1챔버(131)의 유입밸브(122)는 폐쇄되고 배출밸브(141)는 개방된다.
이와 같이 피스톤(133)이 A 지점에 위치한 상태에서 유입밸브(122)가 개방되어 제1챔버(131) 내부로 배기가스가 유입되면 피스톤(133)은 다시 제1챔버(131)의 체적이 확장되는 반대방향으로 이동하여 B 지점에 위치하게 된다. 이 과정에서는 제1챔버(131)의 배출밸브(141)는 폐쇄된다.
이때, 피스톤(133)이 A 지점에서 B 지점까지 짧은 시간 내에 이동하여 제1챔버(131)의 체적이 갑작스럽게 확장되면 제1챔버(131) 내부로 유입된 고온 고압의 배기가스는 갑자기 부피가 커지게 되는 단열팽창이 이루어지게 된다. 그리고 단열팽창 과정에서 배기가스가 가지는 자체 에너지가 소모됨으로써 배기가스의 온도 및 압력은 일정수준 이하로 떨어지게 된다. 이렇게 단열팽창에 의해 온도가 하강된 상태의 배기가스는 촉매장치(143) 내부의 촉매에 손상을 입히지 않을 정도의 온도 수준까지 온도가 떨어지기 때문에 배출밸브(141)의 개방을 통해 배기가스가 촉매장치(143)로 유입되어도 촉매의 손상이 발생하지 않는다.
도 3에서는 1번 실린더(101)에서 나온 고온의 배기가스가 제1챔버(131)로 유입될 경우의 배기가스 온도저감장치(130)의 작동 메커니즘을 일 예로 들어 설명하였으나, 엔진 실린더의 점화순서에 따라 나머지 실린더에서 나오게 되는 배기가스의 경우에도 위와 동일한 메커니즘으로 제어되며 온도 하강을 유도할 수 있다.
즉, 제어부를 통해 유입밸브(122,124), 배출밸브(141,142) 및 피스톤 구동부(138)를 제어하여 피스톤(133)이 엔진 회전수와 동기화된 상태로 실린더 몸체(137) 내부를 왕복 이동하는 행정을 통해 제1챔버(131) 및 제2챔버(132)의 체적을 반복적으로 확장 및 축소시킴으로써 엔진의 각 실린더로부터 배출되는 고온의 배기가스를 배기가스 온도저감장치(130) 내부로 유입시켜 온도를 떨어뜨린 후 촉매장치(143,144) 부분으로 지속적으로 제공할 수 있다.
이 경우, 배기가스 온도저감장치(130) 내에서 피스톤(133)의 왕복 구동 행정에 따른 각 챔버의 최소 팽창과 압축의 비는 배기가스의 온도 하강률을 고려하여 2.5 : 1 이상의 부피비를 유지하도록 설정하는 것이 바람직하다.
한편, 전술된 실시 예에서는 4기통 엔진(100)에 있어서, 제1 배기 매니폴드(120a)를 서로 인접한 1번 실린더(101) 및 2번 실린더(102)와 연결하고, 제2 배기 매니폴드(120b)를 3번 실린더(103) 및 4번 실린더(104)와 연결한 구성을 일 예로 들어 설명하였으나, 도 4에 나타낸 다른 실시 예의 형태와 같이, 제1 배기 매니폴드(120a)를 1번 실린더(101)와 3번 실린더(103)에 연결하고, 제2 배기 매니폴드(120b)를 2번 실린더(102)와 4번 실린더(104)에 연결하여 운용하는 방식도 가능하다.
도 5는 본 발명의 배기가스 온도저감장치(130)에 적용 가능한 배출밸브(141,142) 구조의 일 예를 보여주는 것으로서, 도 5에 도시한 바와 같이 실린더 몸체(137)의 양단에 설치되는 배출밸브(141,142)는 폭이 좁은 복수 개의 판(146)이 링크(147)를 통해 상호 회동 가능하게 결합되어 상부측에 위치한 작동레버(145)의 회전시 하나의 판이 회동하면 링크(147)를 통해 연결된 나머지 판이 연동하여 회동하면서 배기가스의 개폐작동을 수행할 수 있는 루버식(louver type) 밸브로 구성할 수 있다. 이 경우 작동레버(145)의 회전은 제어부를 통해 구동이 제어되는 별도의 작동레버 구동장치(미도시)에 의해 이루어지도록 구성할 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이 배기가스 온도저감장치(130)의 양쪽 출구 부분에서 배출되는 배기가스는 촉매장치(143,144)를 통과하여 대기 오염 물질이 정화된 후 제3 배기 매니폴드(150)를 통해 한 곳으로 모아진 상태로 머플러(미도시) 측으로 배출된다.
도면의 미설명 부호 110, 112, 114, 116, 118은 엔진의 흡기계통 관련 구성으로서, 110은 흡기 매니폴드, 112는 흡기필터, 114는 흡기센서, 116은 흡기관, 118은 스로틀(throttle)을 나타낸다.
한편, 도 6은 상술한 본 발명의 엔진 배기시스템을 제어하는 방법을 순차적으로 설명하는 순서도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 엔진 배기시스템 제어방법은, 먼저 엔진의 시동(S200)이 이루어진 이후, 배기가스 온도센서를 통해 배기가스 온도를 실시간 측정한다.(S210)
그리고 제어부에서는 측정된 배기가스 온도가 촉매장치(143,144)의 촉매 보호를 위해 설정된 설정온도(예를 들어, 860℃) 이상인지의 여부를 판단한다.(S220)
그 결과, 측정된 배기가스 온도가 설정온도 이상인 것으로 판단되면, 제어부는 배기가스 온도저감장치(130)로 제어신호를 출력하여 배기가스 온도저감장치(130)의 작동을 시작하게 된다.(S230)
그리고, 배기가스 온도저감장치(130)의 작동이 시작되면, 제어부는 배기가스 온도저감장치(130)의 유입밸브(122,124)와 배출밸브(141,142) 및 피스톤 구동부(138)의 동작을 위한 제어신호를 출력하여 이들 구동부의 작동을 제어한다. 이때, 엔진 회전수와 피스톤(133)의 왕복 행정이 동기화하여 이루어지도록 제어하게 된다.(S240)
이와 같이 배기가스 온도저감장치(130)가 본격적으로 작동될 경우, 배기가스 온도저감장치(130)의 제1챔버(131) 또는 제2챔버(132)로 유입되는 고온 고압의 배기가스는 챔버 공간 내에서 피스톤(133)의 구동에 따른 체적 확장이 이루어져 단열팽창되고, 배기가스의 단열팽창으로 인해 자체 에너지가 소모되는 과정에서 배기가스의 온도는 촉매에 손상을 주지않는 일정수준 이하의 온도까지 하강된다.(S250)
그리고, 상기와 같은 과정을 통해 온도가 하강된 배기가스는 개방된 배출밸브(141,142)를 통해 촉매장치(143,144) 내부로 유입되어 촉매와 반응하여 유해물질이 처리된 후 제3배기 매니폴드(150)를 통해 한 곳으로 모아져 머플러 측으로 배출된다.
반면, 만일 배기가스 온도센서를 통해 검출된 배기가스 온도가 촉매 보호를 위한 설정온도 미만일 경우에는 배기가스 온도저감장치(130)의 작동은 오프(Off)되며 배기가스는 배기가스 온도저감장치(130)의 개방된 유입밸브(122,124)를 통해 챔버 공간으로 유입된 후 다시 개방된 배출밸브(141,142)를 통해 배출되어 촉매장치(143,144)에서 정화된 후 배출되는 정상 배기 모드 상태로 운용된다.(S260)
상술한 본 발명의 엔진 배기시스템 및 그 제어방법에 따르면, 엔진의 각 실린더에서 배출되는 배기가스를 배기가스 온도저감장치(130)의 내부로 유입시킨 후 챔버 내에서 체적을 단시간에 확장시켜 단열팽창으로 온도와 압력이 낮아진 배기가스를 촉매장치(143,144)로 보내어 정화처리할 수 있기 때문에 촉매장치 내부로 고온의 배기가스 유입으로 인한 촉매의 손상을 방지할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
100 : 엔진 101,102,103,104 : 실린더
120a : 제1 배기 매니폴드 120b : 제2 배기 매니폴드
122,124 : 유입밸브 130 : 배기가스 온도저감장치
131,132 : 제1,2챔버 133 : 피스톤
137 : 실린더 몸체 138 : 피스톤 구동부
141,142 : 배출밸브 143,144 : 촉매장치
145 : 작동레버 146 : 판
147 : 링크 150 : 제3 배기 매니폴드

Claims (12)

  1. 엔진에 구비되는 복수의 실린더;
    상기 각 실린더에서 연소된 배기가스가 배출되는 배기 매니폴드;
    내부에 체적 확장이 가능한 챔버가 구비되며, 배기가스의 온도가 설정온도 이상일 경우 작동되어, 상기 배기 매니폴드를 통해 배기가스가 상기 챔버로 유입될 경우 상기 챔버의 체적을 확장시켜 배기가스의 온도를 하강시킨 후 배출하는 배기가스 온도저감장치; 및
    상기 배기가스 온도저감장치의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 배기가스 온도저감장치는,
    몸체와;
    상기 몸체 내부에 왕복이동 가능하게 설치되며, 상기 몸체 내부를 확장 가능한 2개의 독립된 제1챔버와 제2챔버로 구획하는 피스톤과;
    상기 제어부로부터 신호를 입력받아 상기 피스톤을 왕복이동시키는 피스톤 구동부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 온도저감장치가 구비된 엔진 배기시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 배기 매니폴드는,
    상기 복수의 실린더 중 특정한 2개 이상의 실린더에서 배출되는 배기가스를 상기 제1챔버로 유입시키는 제1 배기 매니폴드; 및
    상기 제1 배기 매니폴드와 병렬 배치되며, 상기 복수의 실린더 중 또 다른 특정한 2개 이상의 실린더에서 배출되는 배기가스를 상기 제2챔버로 유입시키는 제2 배기 매니폴드;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 온도저감장치가 구비된 엔진 배기시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 배기 매니폴드의 각 출구 부분에 설치되어, 상기 제어부에서 입력된 신호에 의해 배기가스의 흐름을 개폐하는 유입밸브와;
    상기 제1 및 제2챔버의 출구 부분에 설치되어, 촉매장치로 향하는 배기가스의 흐름을 개폐하는 배출밸브;
    를 포함하는 배기가스 온도저감장치가 구비된 엔진 배기시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 피스톤은 배기가스가 유입되는 챔버의 체적이 확장되는 방향으로 이동하도록 상기 제어부를 통해 구동이 제어되는 것을 특징으로 하는 배기가스 온도저감장치가 구비된 엔진 배기시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 피스톤은 엔진 회전수에 동기화되어 구동이 이루어지도록 상기 제어부를 통해 제어되는 것을 특징으로 하는 배기가스 온도저감장치가 구비된 엔진 배기시스템.
  7. 제4항에 있어서, 상기 유입밸브는 상기 실린더의 점화순서에 따라 상기 제1챔버 또는 제2챔버로 배기가스를 선택적으로 유입시킬 수 있도록 상기 제어부를 통해 제어되는 것을 특징으로 하는 배기가스 온도저감장치가 구비된 엔진 배기시스템.
  8. 제4항에 있어서, 상기 제1 및 제2챔버로부터 배출되어 상기 촉매장치를 통해 정화된 배기가스를 한 곳으로 모아주는 제3 배기 매니폴드를 더 포함하는 특징으로 하는 배기가스 온도저감장치가 구비된 엔진 배기시스템.
  9. 제4항에 있어서, 상기 배출밸브는 폭이 좁은 복수 개의 판이 일측 힌지부위를 중심으로 회동하며 배기가스의 배출을 개폐하는 루버(louver)식 밸브인 것을 특징으로 하는 배기가스 온도저감장치가 구비된 엔진 배기시스템.
  10. 배기가스의 온도를 검출하는 단계;
    상기 검출된 배기가스의 온도가 촉매 보호를 위해 설정된 설정온도 이상인지 여부를 판단하는 단계;
    상기 검출된 배기가스의 온도가 설정온도 이상으로 판단되면, 몸체와, 상기 몸체 내부를 확장 가능한 2개의 독립된 제1챔버와 제2챔버로 구획하는 피스톤과, 상기 피스톤을 왕복이동시키는 피스톤 구동부를 포함하는 배기가스 온도저감장치를 작동시켜 배기가스의 온도를 설정온도 이하로 하강시킨 후 배출하는 단계;
    를 포함하는 배기가스 온도저감장치가 구비된 엔진 배기시스템의 제어방법.

  11. 제10항에 있어서, 상기 배기가스 온도저감장치의 작동시 상기 피스톤의 왕복 행정은 엔진 회전수에 동기화되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 배기가스 온도저감장치가 구비된 엔진 배기시스템의 제어방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 피스톤의 왕복 행정에 따른 챔버의 최소 팽창과 압축의 비는 2.5 : 1 이상의 부피비를 유지하는 것을 특징으로 하는 배기가스 온도저감장치가 구비된 엔진 배기시스템의 제어방법.



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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20040105917A (ko) 2003-06-10 2004-12-17 현대자동차주식회사 자동차의 배기장치

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