KR102383215B1

KR102383215B1 - 엔진 시스템

Info

Publication number: KR102383215B1
Application number: KR1020160047073A
Authority: KR
Inventors: 최관희; 박종일; 이형복; 이주원; 한동희; 임현준
Original assignee: 현대자동차 주식회사
Priority date: 2016-04-18
Filing date: 2016-04-18
Publication date: 2022-04-05
Also published as: CN207080293U; KR20170119202A

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템은 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 다수의 연소실을 포함하는 엔진;상기 다수의 연소실 중 일부 연소실에 장착되어 상기 일부 연소실을 선택적으로 휴지시키는 CDA(cylinder deactivation) 장치;상기 엔진에서 배출되는 유해성분을 환원시키는 제1차 촉매, 제2차 촉매;를 포함하되, 상기 다수의 연소실은그 압축비가 다른 연소실보다 비교적 높게 설계되는 고압축 연소실; 및 상기 고압축 연소실보다 압축비가 낮게 설계되는 저압축 연소실;을 포함하고, 상기 저압축 연소실에서 배출되는 배기가스는 상기 제1차 촉매와 상기 제2차 촉매를 모두 통과할 수 있다.

Description

엔진 시스템 {ENGINE SYSTEM}

본 발명은 엔진 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량의 운전 영역에 따라 일부 연소실이 선택적으로 휴지되는 CDA 장치에 있어서, 연소실의 압축비에 차이를 두어 엔진의 효율을 증대시키는 엔진 시스템에 관한 것이다.

자동차의 엔진은 외부로부터 유입된 공기를 연료와 적절한 비율로 혼합하여 연소시켜 동력을 발생한다. 이러한 엔진의 효율을 향상시키기 위하여, 엔진의 작동 상태에 따라 일부 연소실이 선택적으로 휴지되고, 일부 연소실만 활성화되는 실린더 비활성화(Cylinder De-Activation; 이하 "CDA") 기술이 적용되고 있다.

CDA 기술은, 엔진의 작동상태가 고출력/가속 조건일 경우 전체 실린더의 연소를 통해 출력을 극대화시키는 한편, 저부하 조건일 경우에는 일부 실린더의 연소를 휴지시켜, 흡기 및 배기 시 필요한 펌프 손실을 저감하는 기술이다. 이 때, 일부 연소실이 휴지되면서 불충분해진 엔진 토크는 휴지되지 않은 다른 연소실에 걸리는 부하를 높임으로써 그 효율을 증진시키도록 되어 있다.

그런데, 위 CDA 기술에 의하면, 가동되는 실린더와 가동되지 않는 실린더 사이에 흡기 및 배기 시스템의 차이가 없기 때문에, 각각의 실린더는 동일한 구조로 설계되어 있다. 따라서, 엔진의 토크 효율이 위 실린더 구조가 가진 최대 효율의 한계를 갖게 되므로, 다른 방법으로 엔진의 토크 효율을 높이는 방안이 요구된다.

엔진의 토크 효율을 증대시키기 위한 하나의 방법으로 연소실의 압축비를 높이는 것이다. 엔진의 열 효율은 연소실의 압축비에 비례하게 되어 있다. 즉, 연소실의 압축비가 높을 경우 열 효율도 함께 높아지게 되어, 엔진의 토크 효율이 향상되고, 연소실의 압축비를 낮추게 되면 열 효율이 감소되어, 연료 소모율이 증가하게 된다.

위와 같이, 실린더의 구조를 변형시키지 않는 상태에서 엔진의 토크 효율을 높이기 위하여는 연소실의 압축비를 높여야 하지만, 연소실의 압축비가 과도하게 증대되면, 이상 연소(Knocking 또는 Pre-ignition)가 발생하게 된다.

이상 연소가 발생하는 주요 원인은 연소실의 내측의 소기가 배기 계통의 배압(back pressure)에 의하여 원활하게 이루어지지 않고, 연소실 내측에 고온의 잔류 가스 비율이 높기 때문인데, 최근에는 이상 연소의 발생을 억제하고, 연소실의 압축비를 증대하기 위하여, 최근 다양한 연구가 진행되고 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 가동 실린더와 휴지 실린더 사이의 압축비의 차이를 두고, CDA 기술에 의하여 가동되는 실린더의 열 효율을 증대시키는 새로운 개념의 엔진 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템은 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 다수의 연소실을 포함하는 엔진;상기 다수의 연소실 중 일부 연소실에 장착되어 상기 일부 연소실을 선택적으로 휴지시키는 CDA(cylinder deactivation) 장치;상기 엔진에서 배출되는 유해성분을 환원시키는 제1차 촉매, 제2차 촉매;를 포함하되, 상기 다수의 연소실은 그 압축비가 다른 연소실보다 비교적 높게 설계되는 고압축 연소실; 및 상기 고압축 연소실보다 압축비가 낮게 설계되는 저압축 연소실;을 포함하고, 상기 저압축 연소실에서 배출되는 배기가스는 상기 제1차 촉매와 상기 제2차 촉매를 모두 통과하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 고압축 연소실에서 배출되는 배기가스는 직접 상기 제2차 촉매를 통과하여 배출되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 제1차 촉매와 상기 제2차 촉매는 분리되어 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 연소실은 순차적으로 제1연소실, 제2연소실, 제3연소실, 및 제4연소실의 4개 연소실을 구비하는 4기통 엔진이고, 상기 제1, 4연소실은 상기 제2, 3연소실보다 압축비가 높으며, 상기 CDA 장치는 제2 연소실, 및 제3 연소실에 장착되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 제2, 3연소실에서 배출되는 배기가스는 상기 제1차 촉매 및 상기 제2차 촉매를 거쳐 배기 라인으로 배출되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 제1, 4연소실에서 배출되는 배기가스는 제1차 촉매를 바이패스하며, 상기 제2차 촉매를 거쳐 배기 라인으로 배출되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 엔진 시스템은 흡기 라인의 입구에서 외기를 필터링하는 에어 클리너; 그리고 상기 에어 클리너의 하류에 배치되며 상기 다수의 연소실로 공급되는 외기량을 조절하는 스로틀 밸브;를 더 포함할 수 있다.

상기 엔진이 온간 저부하 상태일 경우, 상기 저압축 연소실을 휴지시키고, 상기 고압축 연소실에서 배출되는 배기 가스가 상기 제1차 촉매를 바이패스하고 상기 제2차 촉매를 거쳐 배출되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 엔진이 온간 고부하 상태일 경우, 상기 다수의 연소실은 모두 작동되고, 상기 저압축 연소실에서 배출된 배기가스는 상기 제1차 촉매와 상기 제2차 촉매를 모두 경유하고, 상기 고압축 연소실에서 배출된 배기가스는 제2차 촉매만 통과하여 배기 라인으로 배출되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 엔진이 냉간 상태에 있을 경우, 상기 고압축 연소실을 휴지시키고, 상기 저압축 연소실에서 배출되는 배기 가스는 상기 제1차 촉매와 상기 제2차 촉매를 모두 통과하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2실시 예에 의한 냉각 시스템은 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 다수의 연소실을 포함하는 엔진;상기 다수의 연소실 중 일부 연소실에 장착되어 상기 일부 연소실을 선택적으로 휴지시키는 CDA(cylinder deactivation) 장치;상기 엔진에서 배출되는 유해성분을 환원시키는 제1차 촉매, 제2차 촉매;를 포함하되,상기 다수의 연소실은 그 압축비가 다른 연소실보다 비교적 높게 설계되는 고압축 연소실; 및 상기 고압축 연소실보다 압축비가 낮게 설계되는 저압축 연소실;을 포함하고, 상기 저압축 연소실에서 배출되는 배기가스는 상기 제1차 촉매와 상기 제2차 촉매를 모두 통과하고, 상기 고압축 연소실에서 배출되는 배기가스는 직접 상기 제2차 촉매를 통과하여 배출되며, 상기 엔진은 6개의 연소실이 순차적으로 배치되는 6기통 엔진이고, 상기 6개의 연소실은 상기 고압축 연소실과 상기 저압축 연소실로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제3실시 예에 의한 냉각 시스템은 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 다수의 연소실을 포함하는 엔진; 상기 다수의 연소실 중 일부 연소실에 장착되어 상기 일부 연소실을 선택적으로 휴지시키는 CDA(cylinder deactivation) 장치;상기 엔진에서 배출되는 유해성분을 환원시키는 제1차 촉매, 제2차 촉매;를 포함하되, 상기 다수의 연소실은 그 압축비가 다른 연소실보다 비교적 높게 설계되는 고압축 연소실; 및 상기 고압축 연소실보다 압축비가 낮게 설계되는 저압축 연소실;을 포함하고, 상기 저압축 연소실에서 배출되는 배기가스는 상기 제1차 촉매와 상기 제2차 촉매를 모두 통과하고, 상기 고압축 연소실에서 배출되는 배기가스는 직접 상기 제2차 촉매를 통과하여 배출되며, 상기 엔진은 3개의 연소실이 서로 마주보도록 병렬적으로 배치되는 V형 6기통 엔진이고, 상기 V형 6기통 엔진의 일측에 배치되는 3개의 연소실은 고압축 연소실로 이루어지고, 그 타측에 배치되는 3개의 연소실은 저압축 연소실로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제4실시 예에 의한 냉각 시스템은 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 다수의 연소실을 포함하는 엔진; 상기 다수의 연소실 중 일부 연소실에 장착되어 상기 일부 연소실을 선택적으로 휴지시키는 CDA(cylinder deactivation) 장치; 상기 엔진에서 배출되는 유해성분을 환원시키는 제1차 촉매, 제2차 촉매; 를 포함하되, 상기 다수의 연소실은 그 압축비가 다른 연소실보다 비교적 높게 설계되는 고압축 연소실; 및 상기 고압축 연소실보다 압축비가 낮게 설계되는 저압축 연소실;을 포함하고, 상기 저압축 연소실에서 배출되는 배기가스는 상기 제1차 촉매와 상기 제2차 촉매를 모두 통과하고, 상기 고압축 연소실에서 배출되는 배기가스는 직접 상기 제2차 촉매를 통과하여 배출되며, 상기 엔진은 3개의 연소실이 서로 마주보도록 병렬적으로 배치되는 V형 8기통 엔진이고, 상기 V형 8기통 엔진의 일측에 배치되는 4개의 연소실은 고압축 연소실로 이루어지고, 그 타측에 배치되는 나머지 4개의 연소실은 저압축 연소실로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 의한 엔진 시스템에 의하면, 실린더 비활성화 운전 조건에서, 가동되는 실린더의 열 효율이 증대됨으로써, 연소실의 압축비를 향상하게 하는 동시에 엔진의 연비를 향상시킬 수 있다. 또한, 가동되는 실린더 내의 잔류 가스가 감소하게 되고, 노킹 발생을 억제할 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 시스템의 구성을 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 시스템의 제1상태도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 시스템의 제2상태도이며, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 시스템의 제3상태도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시 예에 따른 엔진 시스템의 구성을 도시한 개념도이고, 도 6은 본 발명의 제3실시 예에 따른 엔진 시스템의 구성을 도시한 개념도이며, 도 7은 본 발명의 제4실시 예에 따른 엔진 시스템의 구성을 도시한 개념도이다

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 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 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 엔진 시스템에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 시스템의 구성을 도시한 개념도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 시스템은 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 다수의 연소실을 포함하는 엔진(10), 그리고 위 다수의 연소실 중 일부 연소실을 선택적으로 휴지시키는 CDA(Cylinder De-Activation) 장치(20), 위 엔진(10)에 가깝게 설치되는 제1차 촉매(50), 및 제1차 촉매(50)보다 엔진에서 멀리 떨어진 제2차 촉매(60)를 포함한다.

엔진(10)은 네 개의 연소실을 구비한 4기통 엔진일 수 있다. 다수의 연소실은 순차적으로 제1연소실(11), 제2연소실(12), 제3연소실(13), 및 제4연소실(14)이 배치된다.

CDA장치(20)는 전체 연소실 중 일부 연소실에 장착되며, 위 일부 연소실을 선택적으로 휴지(deactivation)시키는 장치이다. CDA 장치(20)가 작동 중에는 휴지 대상이 되는 연소실로 연료가 공급되지 않고 흡기 밸브 및 배기 밸브의 작동이 정지된다. CDA 장치(20)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 공지된 기술로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

CDA 장치(20)는 위 네 개의 연소실 중에서 제2연소실(12) 및 제3연소실(13)에 장착될 수 있다.

위 다수의 연소실에는 외부 공기가 유입되는 흡기 매니폴드(30)와 배기 가스가 배출되는 배기 매니폴드(40)가 연결된다.

흡기 매니폴드(30)에는 외기가 흡기 라인(33)을 통하여 엔진(10)에 공급될 수 있도록 구비되어 있다. 흡기 매니폴드(30)에는 엔진(10)의 각각의 연소실들(11, 12, 13, 14)과 연통되도록 복수 개의 런너들(30a, 30b, 30c, 30d)이 형성되어 있다.

위 흡기 라인(33)의 입구에는 유입되는 외기를 필터링하기 위한 에어 클리너(35)가 장착되고, 그 하류 측에는 스로틀 밸브(37)가 장착되어 위 연소실들(11, 12, 13, 14)로 공급되는 공기량이 조절된다. 그리고, 도면에는 도시하지 않았지만, 연소실로 과급된 공기를 공급하기 위한 슈퍼차져(Electric Supercharger)와, 외기를 압축하기 위한 컴프레서가 더 구비될 수 있다. 또한, 위 슈퍼차져에 의하여 압축된 공기를 냉각시키는 인터쿨러가 추가적으로 위 흡기 라인(33)에 구비될 수 있다.

배기 매니폴드(40)는 제1런너(21), 제2런너(22), 제3런너(23), 그리고 제4런너(24)를 포함하되, 위 런너들(21, 22, 23, 24)로 배출된 배기는 배기 라인(80)으로 합류된다. 그리고, 위 배기 라인(80)에는 제1, 2차 촉매(50, 60)가 배치된다.

제1차 촉매(50)와 제2차 촉매(60)는 유해성분을 환원시켜 무해성분으로 정화시키기 위한 것으로, 차량의 배기가스에 포함된 NOx, CO, THC 등의 유해성분을 제거시키는 다양한 형태의 촉매 장치이며, 위 배기 매니폴드(40)에 장착될 수 있다.

최근, 각국의 환경규제가 강화되고 있음에 따라, 위 촉매 장치의 용량이 증대되고 있다. 그런데, 앞서 설명한 바와 같이, 종래의 기술에 의하면 단일 촉매 장치를 적용함으로써, 배기 매니폴드(40)의 배압이 상승된다. 이는 결국, 연소실 내측의 소기가 원활하게 이루어지지 않는 요소로 작용하게 되어, 연소실 내측의 이상 연소 발생의 원인이 된다.

반면, 본 발명의 실시 예에 의하면, 단일 촉매 장치를 적용하는 것이 아니라, 비교적 용량이 작은 제1, 2차 촉매(50, 60)를 배기 매니폴드(40)에 분리하여 구비하고, 배기가스가 선택적으로 각각의 촉매(50, 60)를 통과하도록 구성하여, 배기 매니폴드(40)의 배압을 저감하도록 설계한다.

즉, 위 네 개의 연소실 중 CDA장치(20)가 장착된 제2, 3연소실(12, 13)은 제2, 3런너(22, 23)와 각각 연결된다. 또한, 제2, 3런너(22, 23)는 제1차 촉매(50)와 연결되고, 제1차 촉매(50)는 제2차 촉매(60)와 연결된다.

이에 따라, 제2, 3런너(22, 23)에서 배출된 배기는 제1배기 통로(51)를 통하여 제1차 촉매(50)로 전달된다. 그리고, 제1차 촉매(50)를 통과한 배기는 연결 통로(55)를 통하여 제2차 촉매(60)로 전달되고, 제2차 촉매(60)를 통과한 배기는 배기 라인(80)으로 전달된다. 즉, 제2, 3연소실(12, 13)에서 배출된 배기는 위 제1차 촉매(50)와 제2차 촉매(60)를 모두 통과하게 된다.

한편, CDA장치(20)가 장착되지 않은 제1, 4연소실(11, 14)은 제1, 4런너(21, 24)에 각각 연결된다. 또한, 제1, 4런너(21, 24)는 제2차 촉매(60)와 직접 연결된다. 이에 따라, 제1, 4런너(21, 24)에서 배출된 배기는 제2차 촉매(60)로 그대로 전달되고, 제2차 촉매(60)를 통과한 배기는 배기 라인(80)으로 전달된다.

또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 제1차 촉매(50)와 제2차 촉매(60)를 모두 통과하는 제2, 3연소실(12, 13)의 실린더들은 비교적 낮은 압축비를 가지도록 설계되고, 제2차 촉매(60)로 직접 연결되는 제1, 4연소실(11, 14)의 실린더들은 위 제2, 3연소실(12, 13)의 실린더들보다 높은 압축비를 가지도록 설계된다.

제1, 2차 촉매(50, 60)를 모두 통과하는 제2, 3연소실(12, 13)에서 배출된 배기의 경우 상대적으로 배압이 높기 때문에, 제2, 3연소실(12, 13)의 실린더들은 낮은 압축비를 가지도록 설계되어 이상 연소의 발생을 억제하게 된다. 이에 반해, 제2차 촉매(60)만 직접 연결되는 제1, 4연소실(11, 14)에서 배출된 배기의 경우에는 상대적으로 그 배압이 낮기 때문에, 실린더들이 높은 압축비를 가지도록 설계되어도 이상 연소가 발생되지 않는다.

이하에서는, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 시스템의 동작에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 시스템의 제1상태도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 시스템의 제2상태도이다.

도 2는 엔진이 온간 저부하 상태에 있을 때의 엔진 시스템을 나타낸 것이다. 도 2를 참조하면, 엔진이 온간 저부하 상태에서는 CDA 장치(20)가 작동하여 제2, 3연소실(12, 13)을 휴지시킨다. 제2, 3연소실(12, 13)이 휴지되기 때문에, 제2, 3연소실(12, 13)과 연결된 제1차 촉매(50)로는 배기 가스가 배출되지 않고, 제1, 4연소실(11, 14)에서 배기 가스가 제2차 촉매(60)로 배출된다. 압축비가 비교적 낮은 제2, 3연소실(12, 13)의 실린더는 비활성화되고, 압축비가 높은 제1, 4연소실(11, 14)의 실린더만 가동됨으로써, 열 효율을 극대화될 수 있다. 즉, 배기 매니폴드(40)에서 제2차 촉매(60)로 연결되는 연소실들(12, 13)의 압축비를 높이고, 제1차 촉매(50)를 바이패스함으로써, 제1차 촉매(50)에 해당되는 배압을 낮추어 실린더 내측의 잔류 가스를 감소하게 하는 한편, 노킹 현상을 억제하여 열 효율 및 연료 소모율을 개선할 수 있는 것이다.

도 3은 엔진이 온간 고부하 상태에 있을 때의 엔진 시스템을 나타낸 것이다. 도 3을 참조하면, 엔진이 온간 고부하 상태에서는 CDA 장치(20)는 작동하지 않기 때문에, 엔진은 4기통 엔진으로 작동한다. 이 때, 제2, 3연소실(12, 13)에서 배출된 배기가스는 제1차 촉매(50)와 제2차 촉매(60)를 통과하여, 배기라인(80)으로 전달된다. 또한, 제1, 4연소실(11, 14)에서 배출된 배기가스는 제2차 촉매(60)를 거쳐 배기라인(80)으로 전달되며, 제1, 4연소실(11, 14)에서 배출된 배기가스와 합류하게 된다.

이처럼, 본 발명의 실시 예에 의하면, 단일한 촉매 장치가 아닌 복수 개의 촉매들을 분리하여 배치하고, 실린더들 중의 일부를 다른 실린더들보다 상대적으로 압축비가 높은 실린더로 구성하게 된다. 그리고, 위 압축비가 높은 실린더들에서 배출되는 배기 가스는 위 복수 개의 촉매 중에 일부를 통과하게 하고, 압축비가 낮은 실린더들에서 배출되는 배기 가스는 위 복수 개의 촉매를 모두 통과하게 구성한다. 이에 따라, 이상 연소가 현저히 저감되는 동시에 열 효율을 극대화시킬 수 있는 엔진 시스템을 제공할 수 있는 것이다.

한편, 본 발명의 실시 예에 의하면, CDA장치(20)가 제1연소실(11)과 제4연소실(14)에 더 장착될 수 있다. 이처럼, CDA장치(20)가 제1연소실(11)과 제4연소실(14)의 실린더의 작동을 제어함으로써, 엔진이 냉간 상태에 있을 때의 엔진 시스템을 더 구성할 수 있다. 이에 대한 내용은 이하에서 상술하기로 한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 의하여, 엔진이 냉간 상태에 있을 때의 엔진 시스템의 제3상태도이다.

도 4를 참조하면, 엔진이 냉간 상태에 있을 때에는 제1, 4연소실(11, 14)에 장착된 CDA(20)가 작동하여, 제1, 4연소실(11, 14)을 휴지시킨다. 이에 따라, 제2, 3연소실(12, 13)과 연결된 제1차 촉매(50)로 배기 가스가 배출되는 반면, 제1, 4연소실(11, 14)과 연결된 제2차 촉매(60)로는 배기 가스가 배출되지 않는다. 이에 따라, 비교적 압축비가 낮은 제2, 3연소실(12, 13)로부터 배출된 배기 가스는 엔진(10)에 가깝게 설치된 제1차 촉매(50)에 의하여 빠르게 활성화 온도에 도달하게 된다.

따라서, 엔진이 냉간 상태에 있을 때에는 압축비가 비교적 낮은 일부 연소실만 가동되어 배기 가스의 배출양은 감소되는 한편, 이 배기 가스가 제1, 2차 촉매(50, 60)를 모두 통과하며 정화될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 의한 엔진 시스템은 직렬 4기통 엔진으로 나타내었으나, 본 발명의 기술적 사상은 위 4기통 엔진에 한정되지 아니한다. 즉, 직렬 6기통 엔진, V형 6기통 엔진, 그리고 V형 8기통 엔진 등 다양한 엔진에 적용하는 것이 가능하다.

도 5는 본 발명의 제2실시 예에 따른 엔진 시스템의 구성을 도시한 개념도이고, 도 6은 본 발명의 제3실시 예에 따른 엔진 시스템의 구성을 도시한 개념도이며, 도 7은 본 발명의 제4실시 예에 따른 엔진 시스템의 구성을 도시한 개념도이다.

도 5에서는 직렬 6기통 엔진에 적용되는 엔진 시스템을 나타낸 것이고, 도 6은 V형 6기통 엔진에 적용되는 엔진 시스템을 나타낸 것이며, 도 7은 V형 8기통 엔진에 적용되는 엔진 시스템을 나타낸 것이다.

앞서 제2, 3, 4실시 예에 따른 엔진 시스템의 기술적 특징은 유사하며, 본 발명의 실시 예와 동일한 참조 부호를 이용하여 후술하기로 한다.

제2, 3, 4실시 예에 따른 엔진 시스템은 엔진(10), 제1차 촉매(50), 제2차 촉매(60), 및 다수의 연소실 중 일부 연소실을 선택적으로 휴지시키는 CDA 장치(20)를 포함한다.

엔진(10)에는 다수의 연소실이 구비되어 있는데, 위 다수의 연소실 중의 일부 연소실들은 그 압축비가 작게 설계되고, 그 밖에 다른 연소실들은 그 압축비가 높게 설계된다. 즉, 엔진(10)에는 저압축 연소실(110)과 고압축 연소실(120)이 구비될 수 있으며, 위 저압축 연소실(110)과 고압축 연소실(120)은 각각 세 개 이상의 연소실로 구성될 수 있다.

저압축 연소실(110)은 제1차 촉매(50)와 제2차 촉매(60)를 모두 통과하며, 고압축 연소실(120)은 제2차 촉매(60)로 직접 연결된다.

외기는 흡기 매니폴드(30)를 통하여 위 저압축 연소실(110)과 고압축 연소실(120)로 유입되는데, 저압축 연소실(110)에서 배출된 배기 가스는 제1배기 매니폴드(130)를 따라 제1차 촉매(50)와 제2차 촉매(60)를 거쳐 배기 라인(80)으로 배출되고, 고압축 연소실(120)에서 배출된 배기 가스는 제2차 촉매(60)를 통과하여 배기 라인(80)으로 배출된다.

위 CDA 장치(20)는 저압축 연소실(110) 또는 고압축 연소실(120)의 실린더를 비활성화시킬 수 있다.

한편, 제3, 4실시 예에 의한 V형 엔진은 저압축 연소실(110)과 고압축 연소실(120)이 각각 서로 마주보도록 병렬적으로 배치된다. 그리고, 저압축 연소실(110)에서 배출되는 배기 가스는 제1배기 매니폴드(130)를 따라 제1차 촉매(50)를 거쳐 제1배기관(135)을 통과하게 된다. 이 때, 제1배기관(135)은 제2배기 매니폴드(140)의 배기가스를 안내하는 제2배기관(145)과 하나의 배기관으로 합쳐지게 된다. 그리고 위 하나의 배기관은 제2차 촉매(60)를 통과하여 배기 라인(80)으로 배출되는 것이다.

이하에서는, 상기한 바와 같은 본 발명의 제2, 3, 4실시 예에 따른 엔진 시스템의 동작에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

앞서, 본 발명의 실시 예에서 설명한 바와 같이, 엔진이 온간 저부하 상태에 있을 때에는 CDA 장치(20)를 작동하여 압축비가 낮은 저압축 연소실(110)을 휴지시킨다. 이에 따라, 엔진(10)의 배기 가스는 고압축 연소실(120)에서 제2차 촉매(60)로 배출된다. 고압축 연소실(110)의 실린더만 가동되고, 배기 가스가 제1차 촉매(50)를 바이패스함으로써, 열 효율 및 연료 소모율을 개선할 수 있게 된다.

엔진이 온간 고부하 상태에 있을 때에는 CDA 장치(20)는 작동되지 않으며, 전 기통의 연소실에서 연소가 이루어진다. 이 때에는, 저압축 연소실(110)에서 배출된 배기 가스는 제1배기 매니폴드(130)를 따라 제1차 촉매(50)와 제2차 촉매(60)를 거쳐 배기 라인(80)으로 배출된다. 또한, 고압축 연소실(120)에서 배출된 배기 가스는 제2배기 매니폴드(140)를 따라 제2차 촉매(60)로 직접 전달되며, 배기 라인(80)으로 배출된다. 앞서 설명한 바와 같이, V형 엔진의 경우, 제1배기관(135)과 제2배기관(145)은 하나의 배기관으로 만나게 되기 때문에, 제1배기 매니폴드(130)에서 배출된 배기 가스는 제1차 촉매(50)를 통과하고 제2배기 매니폴드(140)에서 배출된 배기 가스와 합류하게 된다. 이 후에, 합류된 배기 가스는 제2차 촉매(60)를 거쳐 배기 라인(80)으로 배출된다.

엔진이 냉간 상태에 있을 때에는 CDA 장치(20)는 고압축 연소실(120)을 휴지시킨다. 이에 따라, 엔진(10)의 배기 가스는 저압축 연소실(110)에서 제1차 촉매(50), 제2차 촉매(60)를 모두 통과하여 배기 라인(80)으로 배출된다.

이에 따라, 이상 연소가 현저히 저감되는 동시에 열 효율을 극대화시킬 수 있는 엔진 시스템을 제공할 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10: 엔진
11: 제1 연소실
12: 제2 연소실
13: 제3 연소실
14: 제4 연소실
20: CDA 장치
21, 22, 23, 24: 제1, 2, 3, 4런너
30: 흡기 매니폴드
40: 배기 매니폴드
50: 제1촉매
60: 제2촉매
80: 배기 라인

Claims

에어 클리너를 통해 필터링되는 외기가 흐르는 흡기 라인;
상기 흡기라인을 통해 유입된 공기를 다수 개의 런너들을 통해 엔진에 공급하는 흡기 매니폴드;
상기 흡기 라인 상에 설치되며, 상기 엔진으로 공급되는 공기량을 조절하는 스로틀 밸브;
상기 다수 개의 런너들과 각각 연통되며, 압축비가 비교적 작은 저압축 연소실과 압축비가 비교적 큰 고압축 연소실을 포함하는 엔진;
상기 저압축 연소실에 장착되어 상기 저압축 연소실을 선택적으로 휴지시키는 CDA(cylinder deactivation) 장치;
상기 엔진에서 배출되는 유해성분을 환원시키는 제1차 촉매, 제2차 촉매;
상기 저압축 연소실의 배기를 상기 제1차 촉매에 배출하는 배기 런너; 그리고
상기 고압축 연소실의 배기를 상기 제2차 촉매에 배출하는 다른 배기 런너;
를 포함하되,
저압축 연소실의 배기는 상기 제1차 촉매를 거쳐 상기 제2차 촉매를 통과하여 배기라인으로 배출되고, 상기 고압축 연소실의 배기는 상기 제2차 촉매를 거쳐 상기 배기라인으로 배출되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 다수의 연소실을 포함하는 엔진;
상기 다수의 연소실 중 일부 연소실에 장착되어 상기 일부 연소실을 선택적으로 휴지시키는 CDA(cylinder deactivation) 장치;
상기 엔진에서 배출되는 유해성분을 환원시키는 제1차 촉매, 제2차 촉매;
를 포함하되,
상기 다수의 연소실은
그 압축비가 다른 연소실보다 비교적 높게 설계되는 고압축 연소실; 및
상기 고압축 연소실보다 압축비가 낮게 설계되는 저압축 연소실;
을 포함하고,
상기 저압축 연소실에서 배출되는 배기가스는 상기 제1차 촉매와 상기 제2차 촉매를 모두 통과하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
제2항에 있어서,
상기 고압축 연소실에서 배출되는 배기가스는 직접 상기 제2차 촉매를 통과하여 배출되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
제3항에 있어서,
상기 제1차 촉매와 상기 제2차 촉매는 분리되어 구비되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
제4항에 있어서,
상기 연소실은 순차적으로 제1연소실, 제2연소실, 제3연소실, 및 제4연소실의 4개 연소실을 구비하는 4기통 엔진이고,
상기 제1, 4연소실은 상기 제2, 3연소실보다 압축비가 높으며,
상기 CDA 장치는 제2 연소실, 및 제3 연소실에 장착되는 엔진 시스템.
제5항에 있어서,
상기 제2, 3연소실에서 배출되는 배기가스는 상기 제1차 촉매 및 상기 제2차 촉매를 거쳐 배기 라인으로 배출되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
제6항에 있어서,
상기 제1, 4연소실에서 배출되는 배기가스는 제1차 촉매를 바이패스하며, 상기 제2차 촉매를 거쳐 배기 라인으로 배출되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
제7항에 있어서,
흡기 라인의 입구에서 외기를 필터링하는 에어 클리너; 그리고
상기 에어 클리너의 하류에 배치되며 상기 다수의 연소실로 공급되는 외기량을 조절하는 스로틀 밸브;
를 더 포함하는 엔진 시스템.
제3항에 있어서,
상기 엔진이 온간 저부하 상태일 경우, 상기 저압축 연소실을 휴지시키고, 상기 고압축 연소실에서 배출되는 배기 가스가 상기 제1차 촉매를 바이패스하고 상기 제2차 촉매를 거쳐 배출되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
제8항에 있어서,
상기 엔진이 온간 고부하 상태일 경우, 상기 다수의 연소실은 모두 작동되고, 상기 저압축 연소실에서 배출된 배기가스는 상기 제1차 촉매와 상기 제2차 촉매를 모두 경유하고, 상기 고압축 연소실에서 배출된 배기가스는 제2차 촉매만 통과하여 배기 라인으로 배출되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
제9항에 있어서,
상기 엔진이 냉간 상태에 있을 경우, 상기 고압축 연소실을 휴지시키고, 상기 저압축 연소실에서 배출되는 배기 가스는 상기 제1차 촉매와 상기 제2차 촉매를 모두 통과하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 다수의 연소실을 포함하는 엔진;
상기 다수의 연소실 중 일부 연소실에 장착되어 상기 일부 연소실을 선택적으로 휴지시키는 CDA(cylinder deactivation) 장치;
상기 엔진에서 배출되는 유해성분을 환원시키는 제1차 촉매, 제2차 촉매;
를 포함하되,
상기 다수의 연소실은
그 압축비가 다른 연소실보다 비교적 높게 설계되는 고압축 연소실; 및
상기 고압축 연소실보다 압축비가 낮게 설계되는 저압축 연소실;
을 포함하고,
상기 저압축 연소실에서 배출되는 배기가스는 상기 제1차 촉매와 상기 제2차 촉매를 모두 통과하고, 상기 고압축 연소실에서 배출되는 배기가스는 직접 상기 제2차 촉매를 통과하여 배출되며,
상기 엔진은 6개의 연소실이 순차적으로 배치되는 6기통 엔진이고, 상기 6개의 연소실은 상기 고압축 연소실과 상기 저압축 연소실로 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 다수의 연소실을 포함하는 엔진;
상기 다수의 연소실 중 일부 연소실에 장착되어 상기 일부 연소실을 선택적으로 휴지시키는 CDA(cylinder deactivation) 장치;
상기 엔진에서 배출되는 유해성분을 환원시키는 제1차 촉매, 제2차 촉매;
를 포함하되,
상기 다수의 연소실은
그 압축비가 다른 연소실보다 비교적 높게 설계되는 고압축 연소실; 및
상기 고압축 연소실보다 압축비가 낮게 설계되는 저압축 연소실;
을 포함하고,
상기 저압축 연소실에서 배출되는 배기가스는 상기 제1차 촉매와 상기 제2차 촉매를 모두 통과하고, 상기 고압축 연소실에서 배출되는 배기가스는 직접 상기 제2차 촉매를 통과하여 배출되며,
상기 엔진은 3개의 연소실이 서로 마주보도록 병렬적으로 배치되는 V형 6기통 엔진이고, 상기 V형 6기통 엔진의 일측에 배치되는 3개의 연소실은 고압축 연소실로 이루어지고, 그 타측에 배치되는 3개의 연소실은 저압축 연소실로 이루어지는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 다수의 연소실을 포함하는 엔진;
상기 다수의 연소실 중 일부 연소실에 장착되어 상기 일부 연소실을 선택적으로 휴지시키는 CDA(cylinder deactivation) 장치;
상기 엔진에서 배출되는 유해성분을 환원시키는 제1차 촉매, 제2차 촉매;
를 포함하되,
상기 다수의 연소실은
그 압축비가 다른 연소실보다 비교적 높게 설계되는 고압축 연소실; 및
상기 고압축 연소실보다 압축비가 낮게 설계되는 저압축 연소실;
을 포함하고,
상기 저압축 연소실에서 배출되는 배기가스는 상기 제1차 촉매와 상기 제2차 촉매를 모두 통과하고, 상기 고압축 연소실에서 배출되는 배기가스는 직접 상기 제2차 촉매를 통과하여 배출되며,
상기 엔진은 3개의 연소실이 서로 마주보도록 병렬적으로 배치되는 V형 8기통 엔진이고, 상기 V형 8기통 엔진의 일측에 배치되는 4개의 연소실은 고압축 연소실로 이루어지고, 그 타측에 배치되는 나머지 4개의 연소실은 저압축 연소실로 이루어지는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
제12항 내지 제13항 중 어느 한 항에 의한 엔진 시스템에 있어서,
상기 저압축 연소실은 상기 제1차 촉매와 연결되고, 상기 제1차 촉매는 상기 제2차 촉매와 연결되며, 상기 고압축 연소실은 상기 제1차 촉매와 상기 제2차 촉매를 연결하는 배기관에 연결되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
제15항에 있어서,
상기 엔진이 온간 고부하 상태일 경우, 상기 저압축 연소실에서 배출된 배기 가스는 상기 제1차 촉매를 통과하여 상기 고압축 연소실에서 배출된 배기 가스와 합류하고, 상기 합류된 배기 가스는 제2차 촉매를 통과하여 배기 라인으로 배출되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 엔진이 온간 저부하 상태일 경우, 상기 저압축 연소실을 휴지시키고, 상기 고압축 연소실에서 배출되는 배기 가스가 상기 제1차 촉매를 바이패스하고 상기 제2차 촉매를 거쳐 배기 라인으로 배출되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
제17항에 있어서,
상기 엔진이 온간 고부하 상태일 경우, 상기 다수의 연소실은 모두 작동되고, 상기 저압축 연소실에서 배출된 배기가스는 상기 제1차 촉매와 상기 제2차 촉매를 모두 경유하고, 상기 고압축 연소실에서 배출된 배기가스는 제2차 촉매만 통과하여 상기 배기 라인으로 배출되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
제18항에 있어서,
상기 엔진이 냉간 상태에 있을 경우, 상기 고압축 연소실을 휴지시키고, 상기 저압축 연소실에서 배출되는 배기 가스는 상기 제1차 촉매와 상기 제2차 촉매를 모두 통과하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.