KR102437227B1

KR102437227B1 - 엔진의 배기가스 재순환 시스템

Info

Publication number: KR102437227B1
Application number: KR1020170093219A
Authority: KR
Inventors: 조자윤
Original assignee: 현대두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2017-07-24
Filing date: 2017-07-24
Publication date: 2022-08-29
Also published as: KR20190010942A; CN110998081B; CN110998081A; WO2019022453A1

Abstract

엔진의 배기가스 재순환 시스템은 엔진에 연결되어 흡기를 공급하는 흡기 라인, 상기 엔진에 연결되어 상기 엔진에서 배출되는 배기가스의 일부를 외부로 배출하는 배기 라인, 상기 배기 라인에 설치된 터빈 및 상기 흡기 라인에 설치된 압축기를 갖는 터보차저, 상기 터빈 하류 측의 상기 배기 라인에 설치되어 상기 배기가스를 후처리하기 위한 후처리 장치, 상기 후처리 장치 하류 측에서 상기 후처리 장치를 통해 배출된 배기가스의 일부를 상기 엔진으로 재순환시키기 위한 저압 EGR 장치, 및 상기 엔진에 연결되어 상기 엔진에서 배출되는 배기가스의 또 다른 일부를 상기 터빈을 경유하지 않고 바이패스 라인을 통해 상기 후처리 장치로 공급하기 위한 배기가스 바이패스 장치를 포함한다.

Description

엔진의 배기가스 재순환 시스템{EXHAUST GAS RECIRCULATION SYSTEM FOR ENGINE}

본 발명은 엔진의 배기가스 재순환 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 듀얼 EGR 장치를 구비한 엔진의 배기가스 재순환 시스템에 관한 것이다.

디젤 엔진의 강화되는 배기 규제에 대응하기 위해 배기가스 재순환(EGR) 장치, 배기가스 후처리 장치 등을 사용할 수 있다.

상기 배기가스 재순환 장치로서 고압-EGR(HP-EGR, High Pressure exhaust gas recirculation)과 저압-EGR(LP-EGR, Low Pressure exhaust gas recirculation)이 있다. 펌핑 손실을 감소시키면서 대용량 EGR을 적용하기 위하여 고압-EGR과 저압-EGR을 모두 사용하는 듀얼 EGR(Dual EGR) 장치를 채용할 수 있다. 한편, 상기 배기가스 후처리 장치의 효율을 높이기 위해서는 상기 후처리 시스템 전단의 온도를 높이는 것이 중요하다.

종래의 듀얼 EGR의 터보 매칭은 대용량 EGR을 적용하기 위해 웨이스트 게이트 터보차저(WGT)나 가변용량 터보차저(VGT) 사양이 적용 되어져 왔다. 이러한 터보차저들은 고정 지오메트리 터보차저(FGT, Fixed Geometry Turbocharger)보다 고가이기 때문에 가격 상승으로 인해 상품성이 저하되는 문제점이 있다.

특허문헌 1: 한국공개특허공보 제10-2014-0083120호 특허문헌 2: 한국공개특허공보 제10-2013-0113098호

본 발명의 일 과제는 펌핑 손실을 줄이면서 대용량 EGR을 적용할 수 있고 배기가스 후처리 장치의 효율을 높일 수 있는 엔진의 배기가스 재순환 시스템을 제공하는 데 있다.

상기 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템은 엔진에 연결되어 흡기를 공급하는 흡기 라인, 상기 엔진에 연결되어 상기 엔진에서 배출되는 배기가스의 일부를 외부로 배출하는 배기 라인, 상기 배기 라인에 설치된 터빈 및 상기 흡기 라인에 설치된 압축기를 갖는 터보차저, 상기 터빈 하류 측의 상기 배기 라인에 설치되어 상기 배기가스를 후처리하기 위한 후처리 장치, 상기 후처리 장치 하류 측에서 상기 후처리 장치를 통해 배출된 배기가스의 일부를 상기 엔진으로 재순환시키기 위한 저압 EGR 장치, 및 상기 엔진에 연결되어 상기 엔진에서 배출되는 배기가스의 또 다른 일부를 외부로 배출하고, 상기 터빈 하류 측과 상기 후처리 장치 상류 측 사이의 상기 배기 라인에 연결된 바이패스 라인을 포함하며 상기 배기가스의 또 다른 일부를 상기 터빈을 경유하지 않고 상기 바이패스 라인을 통해 상기 후처리 장치로 공급하기 위한 배기가스 바이패스 장치를 포함한다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 엔진은 적어도 하나의 제1 실린더로부터 배출되는 배기가스가 합류되어 배출되는 제1 배기 매니폴드 및 적어도 하나의 제2 실린더로부터 배출되는 배기가스가 합류되어 배출되는 제2 배기 매니폴드를 포함하고, 상기 배기 라인은 상기 제1 배기 매니폴드에 연결되고, 상기 바이패스 라인은 상기 제2 배기 매니폴드에 연결될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 배기가스 바이패스 장치는 상기 바이패스 라인과 상기 터빈 상류 측의 상기 배기 라인을 연결하는 연결 라인을 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 배기가스 바이패스 장치는, 상기 연결 라인에 설치되어 상기 바이패스 라인으로부터 분기되어 상기 배기 라인으로 합류되는 상기 배기가스의 양을 제어하는 배기 배압 제어밸브, 및 상기 바이패스 라인에 설치되어 상기 후처리 장치로 공급되는 상기 배기가스의 양을 제어하는 바이패스 밸브를 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 엔진의 배기가스 재순환 시스템은, 상기 제1 배기 매니폴드 및 상기 제2 배기 매니폴드의 출구들에 연결되어 상기 제1 및 제2 배기 매니폴드들로부터 배출되는 배기가스가 합류되는 분기 유닛을 더 포함하고, 상기 배기 라인 및 상기 바이패스 라인의 입구들은 상기 분기 유닛에 각각 연결될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 엔진의 배기가스 재순환 시스템은 고압 EGR 장치를 더 포함하고, 상기 고압 EGR 장치는 상기 터빈 상류 측의 상기 배기 라인 및 상기 흡기 라인을 연결하는 고압 EGR 라인, 및 상기 고압 EGR 라인에 설치되며 상기 재순환 배기가스 양을 조절하는 고압 EGR 밸브를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 고압 EGR 라인은 상기 배기 라인 및 상기 압축기 하류에 설치된 인터 쿨러의 상류 측의 상기 흡기 라인을 연결할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 저압 EGR 장치는 상기 후처리 장치 하류 측의 상기 배기 라인 및 상기 흡기 라인을 연결하는 저압 EGR 라인, 및 상기 저압 EGR 라인에 설치되며 상기 재순환 배기가스 양을 조절하는 저압 EGR 밸브를 포함하는 엔진의 배기가스 재순환 시스템.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 엔진의 배기가스 재순환 시스템은 상기 압축기를 통과한 상기 흡기를 냉각시키는 인터 쿨러를 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 엔진의 배기가스 재순환 시스템은 고압 EGR 장치를 더 포함하고, 상기 고압 EGR 장치는 상기 바이패스 라인 및 상기 흡기 라인을 연결하는 고압 EGR 라인, 및 상기 고압 EGR 라인에 설치되며 상기 재순환 배기가스 양을 조절하는 고압 EGR 밸브를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 배기가스 바이패스 장치는 상기 바이패스 라인과 상기 터빈 상류 측의 상기 배기 라인을 연결하는 연결 라인, 상기 연결 라인에 설치되어 상기 바이패스 라인으로부터 분기되어 상기 배기 라인으로 합류되는 상기 배기가스의 양을 제어하는 배기 배압 제어밸브, 및 상기 배기 라인에 설치되어 상기 후처리 장치로 공급되는 상기 배기가스의 양을 제어하는 바이패스 밸브를 더 포함하며, 상기 고압 EGR 라인은 상기 연결 라인 상류 측의 상기 바이패스 라인에 연결될 수 있다.

예시적인 실시예들에 따르면, 엔진으로부터 배출된 배기가스의 일부는 배기 라인을 통해 터보차저의 터빈을 경유하여 후처리 장치로 공급되고 상기 엔진으로부터 배출된 상기 배기가스의 또 다른 일부는 바이패스 라인을 통해 상기 터빈을 경유하지 않고 상기 후처리 장치로 직접 공급될 수 있다.

상기 터빈을 지나지 않고 곧바로 고온의 배기가스가 상기 후처리 장치에 공급되므로, 후처리 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 배기 배압 제어밸브와 바이패스 밸브를 구비하여 상대적으로 값싼 고정 지오메트리 터보차저(FGT)를 사용하더라도 원하는 성능을 확보할 수 있다.

또한, 상기 바이패스 라인을 통해 연소 후 고온 고압의 배기가스를 상기 후처리 장치로 공급함으로써, 대용량의 저압-EGR을 적용할 수 있다. 이에 따라, 흡기 스로틀 밸브를 적용하지 않기 때문에 펌핑 손실을 최소화할 수 있고, 상기 흡기 스로틀 밸브의 제거도 가능하다.

더욱이, HP-EGR과 LP-EGR를 50% 이상 공급 가능하기 때문에 저온연소 구현이 가능하고, 원하는 EGR 유량과 엔진 출력 영역 모두를 만족시킬 수 있도록 좀 더 작은 용량의 터보차저로 매칭할 수 있고 저속 동특성을 개선할 수 있다.

다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

도 1은 예시적인 실시예들에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템을 나타내는 블록도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.

본 발명의 각 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.

본 발명에서, 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.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.

도 1은 예시적인 실시예들에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템을 나타내는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 엔진의 배기가스 재순환 시스템은 엔진(10)에 흡기를 공급하는 흡기 라인(30), 엔진(10)에서 배출되는 배기가스의 일부를 외부로 배출하는 배기 라인(40), 상기 배기가스의 일부를 이용하여 엔진(10)으로 공급되는 공기를 압축하는 터보차저(60), 터보차저(60)의 터빈(62) 상류의 배기가스의 일부를 엔진(10)으로 재순환시키기 위한 제1 EGR 장치(70, 고압 EGR 장치), 터보차저(60)의 터빈(62) 하류의 배기가스를 정화시키기 위한 후처리 장치(80), 엔진(10)에서 배출되는 배기가스의 또 다른 일부를 터빈(62)을 경유하지 않고 곧바로 후처리 장치(80)로 공급하기 위한 배기가스 바이패스 장치, 및 후처리 장치(80) 하류의 배기가스의 일부를 엔진(10)으로 재순환시키기 위한 제2 EGR 장치(90, 저압 EGR 장치)를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 엔진(10)은 굴삭기와 같은 건설기계의 구동원으로서 디젤 엔진을 포함할 수 있다. 예를 들면, 엔진(10)은 산업용 대형 디젤 엔진일 수 있다. 엔진(10)은 연료 분사 장치(도시되지 않음)로부터 공급되는 연료를 연소시키는 연소실을 갖는 복수 개의 실린더들(12a, 12b)을 포함할 수 있다.

예를 들면, 엔진(10)은 제1 실린더 그룹 및 제2 실린더 그룹을 포함할 수 있다. 상기 제1 실린더 그룹은 적어도 하나의 제1 실린더(12a)를 갖고, 상기 제2 실린더 그룹은 적어도 하나의 제2 실린더(12b)를 가질 수 있다. 상기 제1 실린더 그룹 및 상기 제2 실린더 그룹은 3개의 실린더들을 포함하지만, 이에 제한되지 않으며, 예를 들면, 상기 제1 실린더 그룹은 4개의 실린더들을 포함하고 상기 제2 실린더 그룹은 2개의 실린더들을 포함할 수 있다.

엔진(10)은 제1 및 제2 실린더들(12a, 12b)에 연결되어 흡기를 공급하기 위한 흡기 매니폴드(20)를 포함할 수 있다. 엔진(10)은 제1 실린더들(12a)에 연결되어 제1 실린더들(12a)로부터 배출되는 배기가스를 외부로 배출하기 위한 제1 배기 매니폴드(22a), 및 제2 실린더들(12b)에 연결되어 제2 실린더들(12b)로부터 배출되는 배기가스를 외부로 배출하기 위한 제2 배기 매니폴드(22b)를 포함할 수 있다.

흡기 라인(30)은 엔진(10)의 흡기 매니폴드(12)에 연결되어 흡기를 공급하며, 배기 라인(40)은 엔진(10)의 제1 배기 매니폴드(22a)에 연결되어 엔진(10)에서 배출되는 배기가스의 일부를 외부로 배출할 수 있다.

터보차저(60)는 터빈(62), 압축기(64) 및 이들을 연결하는 축(66)을 포함할 수 있다. 터빈(62)은 배기 라인(40)에 설치되는 한편 압축기(64)는 흡기 라인(30)에 설치될 수 있다. 상기 배기가스의 흐름에 의해 터빈(62)이 구동되면, 터빈(62)은 축(66)을 매개로 하여 압축기(64)를 구동시킬 수 있다. 압축기(64)는 흡입된 공기를 압축시켜 흡입량을 증가시킬 수 있다.

터보차저(30)는 가변 지오메트리 터보차저(VGT, Variable Geometry Turbocharger), 웨이스트 게이트 터보차저(WGT, Wastegate Turbocharger), 고정 지오메트리 터보차저(FGT, Fixed Geometry Turbocharger) 등일 수 있다.

압축기(64)를 통과한 공기는 흡기 라인(30)을 통해 엔진(10)의 흡기 매니폴드(20)에 공급될 수 있다. 압축기(64)의 출구 측의 흡기 라인(30)에는 인터 쿨러(32)가 설치되어 압축기(64)를 통과한 흡입된 신기를 냉각시킨 후 흡기 매니폴드(20)에 공급할 수 있다. 인터 쿨러(32)는 흡입된 공기의 온도를 낮추어 동일한 체적대비 질량을 늘리도록 하여 산소의 량을 증가시키도록 한다. 이로써, 엔진(10)에서 연료와 공기의 적정한 혼합비를 구현하여 연소효율을 높이고, 엔진 출력을 향상시킬 수 있다.

제1 EGR 장치(고압 EGR 장치)(70)는 터빈(62) 상류 측에서 상기 배기가스의 일부를 엔진(10)으로 재순환시킬 수 있다. 제1 EGR 장치(70)는 터빈(62) 상류 측의 배기 라인(40) 및 압축기(64) 출구 측의 흡기 라인(30)을 연결하는 제1 EGR 라인(72), 제1 EGR 라인(72)에 설치되며 상기 재순환 배기가스 양을 조절하는 제1 EGR 밸브(74), 및 제1 EGR 라인(72)에 설치되며 상기 재순환 배기가스를 냉각시키는 제1 EGR 쿨러(76)를 포함할 수 있다.

후처리 장치(80)는 터빈(62) 하류 측의 배기 라인(40)에 설치되어 상기 배기가스를 후처리할 수 있다. 예를 들면, 후처리 장치(80)는 디젤 산화촉매 장치(DOC), 선택적 환원 촉매(SCR) 장치 등을 포함할 수 있다.

상기 디젤 산화 촉매 장치(DOC)는 배기가스에 포함된 일산화탄소, 탄화수소, 및 용해성 유기물질(Soluble organic fraction)을 정화시킬 수 있다. 상기 선택적 환원 촉매(SCR) 장치는 배기가스 중의 질소산화물을 환원제와 촉매 반응시킴으로써 질소산화물을 인체에 무해한 질소와 물로 환원시킬 수 있다.

제2 EGR 장치(저압 EGR 장치)(90)는 후처리 장치(80) 하류 측에서 후처리 장치(80)를 통해 배출된 배기가스의 일부를 엔진(10)으로 재순환시킬 수 있다. 제2 EGR 장치(90)는 후처리 장치(80) 하류 측의 배기 라인(40) 및 압축기(64) 전단 측의 흡기 라인(30)을 연결하는 제2 EGR 라인(92), 제2 EGR 라인(92)에 설치되며 상기 재순환 배기가스 양을 조절하는 제2 EGR 밸브(94), 및 제2 EGR 라인(92)에 설치되며 상기 재순환 배기가스를 냉각시키는 제2 EGR 쿨러(96)를 포함할 수 있다. 제2 EGR 라인(92)은 후처리 장치(80) 하류 측의 배기 라인(40) 및 흡기 스로틀 밸브(34) 상류 측의 흡기 라인(30)을 연결할 수 있다. 따라서, 제2 EGR 장치(90)는 후처리 장치(80) 하류의 배기가스의 일부를 흡기 스로틀 밸브(34) 상류 측의 흡기 라인(30)으로 공급할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 배기가스 바이패스 장치는 엔진(10)에서 배출되는 배기가스의 또 다른 일부를 후처리 장치(80)로 공급하기 위한 바이패스 라인(50)을 포함할 수 있다. 바이패스 라인(50)의 일단은 엔진(10)의 제2 배기 매니폴드(22b)에 연결되고 바이패스 라인(50)의 타단은 터빈(62) 하류 측과 후처리 장치(80) 상류 측 사이의 배기 라인(40)에 연결될 수 있다. 따라서, 제2 배기 매니폴드(22b)를 통해 배출된 배기가스는 바이패스 라인(50)을 통해 터빈(62) 하류 측과 후처리 장치(80) 상류 측 사이의 배기 라인(40)으로 안내되어, 터빈(62)을 경유하지 않고 곧바로 후처리 장치(80)로 공급될 수 있다.

또한, 상기 배기가스 바이패스 장치는 바이패스 라인(50)과 터빈(62) 상류 측의 배기 라인(40)을 연결하는 연결 라인(51)에 설치되어 배기 라인(40)으로 합류되는 상기 배기가스의 양을 제어하는 배기 배압 제어밸브(52), 및 바이패스 라인(50)에 설치되어 후처리 장치(80)로 공급되는 상기 배기가스의 양을 제어하는 바이패스 밸브(54)를 포함할 수 있다.

배기 배압 제어밸브(52)가 폐쇄되고 바이패스 밸브(54)가 개방된 상태에서, 제2 배기 매니폴드(22b)를 통해 엔진(10)으로부터 배출된 배기가스는 터빈(62)을 경유하지 않고 바이패스 라인(50)을 통해 후처리 장치(80)로 공급될 수 있다.

배기 배압 제어밸브(52)가 개방되고 바이패스 밸브(54)가 폐쇄된 상태에서, 제2 배기 매니폴드(22b)를 통해 엔진(10)으로부터 배출된 배기가스는 터빈(62) 상류 측 배기 라인(40)으로 합류되어, 터빈(62)으로 공급될 수 있다. 이 때, 제1 배기 매니폴드(22a)로부터 배출되는 배기가스는, 일부가 제1 EGR 라인(72)으로 공급되고, 나머지 일부는 제2 배기 매니폴드(22b)로부터 배출되는 배기가스와 합류된 후 터빈(62)으로부터 공급될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 엔진의 배기가스 재순환 시스템은 듀얼 EGR 제어를 수행하기 위한 제어부(ECU, engine control unit)(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제어부는 엔진 rpm, 엔진 토크(torque), 차속(velocity), 스로틀 밸브, 공기량 등에 관한 신호들을 수신할 수 있다. 또한, 상기 제어부는 후처리 장치(80) 상류 측 배기 라인(40)에 설치된 온도 센서(82)로부터 후처리 장치(80)로부터 공급되는 배기가스의 온도에 관한 신호를 수신할 수 있다. 또한, 상기 제어부는 후처리 장치(80)의 전후단에 설치된 압력 센서들(83)로부터 압력에 관한 신호를 수신할 수 있다.

상기 제어부는 상기 신호들을 기초로 하여 제1 EGR 밸브(64) 및 제2 EGR 밸브(74)를 조절하여 EGR 가스로서 엔진(10)에 재순환시키는 비율, 즉, EGR율을 제어할 수 있고, 특정 rpm에서의 엔진(10)의 부하%, 즉, 엔진 출력율을 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 신호들을 기초로 하여 배기 배압 제어밸브(52) 및 바이패스 밸브(54)의 개폐를 제어하여, 배기가스 바이패스 제어를 수행할 수 있다. 상기 제어부는 상기 배기가스 바이패스 제어를 수행함으로써, 대용량 듀얼 EGR 제어에 있어서, 복수 개의 실린더들 중에서 하나 이상의 실린더로부터 배출된 배기가스, 즉, 엔진으로부터 배출된 배기가스의 일부를 터빈(62)을 경유하지 않고 후처리 장치(80)로 직접 공급할 수 있다.

상기 제어부는, 온도 센서(82)로부터 검출된 온도가 기 설정값보다 낮아지면, 배기 배압 제어밸브(52)를 폐쇄하고 바이패스 밸브(54)를 개방하여 상기 배기가스 바이패스 제어를 수행할 수 있다. 상기 배기가스 바이패스 제어에 있어서, 제2 배기 매니폴드(22b)를 통해 엔진(10)으로부터 배출된 배기가스의 또 다른 일부는 터빈(62)을 경유하지 않고 바이패스 라인(50)을 통해 후처리 장치(80)로 공급될 수 있다. 터빈(62)을 지나지 않고 곧바로 고온의 배기가스가 후처리 장치(80)에 공급되므로, 후처리 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 바이패스 라인(50)을 통해 연소 후 높은 압력의 배기가스를 후처리 장치(80)로 공급함으로써, 대용량의 LP-EGR을 적용할 수 있다. 이에 따라, 펌핑 손실을 최소화할 수 있고, 흡기 스로틀 밸브(34)의 제거도 가능하다.

더욱이, 고압 EGR(70, 제1 EGR)과 저압 EGR(90, 제2 EGR)을 50% 이상 공급 가능하기 때문에 저온연소 구현이 가능하고, 원하는 EGR 유량과 엔진 출력 영역 모두를 만족시킬 수 있도록 좀 더 작은 용량의 터보차저로 매칭할 수 있고 저속 동특성을 개선할 수 있다. 한편, 상대적으로 저렴한 고정 지오메트리 터보차저(FGT)를 사용하더라고 상술한 기술적 효과를 확보할 수 있다.

도 2는 예시적인 실시예들에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템을 나타내는 블록도이다. 상기 배기가스 재순환 시스템은 분기 유닛을 추가하는 구성을 제외하고는 도 1을 참조로 설명한 배기가스 재순환 시스템과 실질적으로 동일하다. 이에 따라, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 참조부호들로 나타내고, 또한 동일한 구성요소들에 대한 반복 설명은 생략한다.

도 2를 참조하면, 예시적인 실시예들에 있어서, 엔진의 배기가스 재순환 시스템은 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스를 분배하는 분기 유닛(24)을 더 포함할 수 있다.

엔진(10)은 제1 실린더들(12a)로부터 배출되는 배기가스를 외부로 배출하기 위한 제1 배기 매니폴드(22a), 및 제2 실린더들(12b)로부터 배출되는 배기가스를 외부로 배출하기 위한 제2 배기 매니폴드(22b)를 포함할 수 있다.

분기 유닛(24)의 입구는 제1 배기 매니폴드(22a) 및 제2 배기 매니폴드(22b)의 출구에 연결될 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 배기 매니폴드들(22a, 22b)로부터 배출되는 배기가스가 분기 유닛(24)에서 합류될 수 있다.

배기 라인(40) 및 바이패스 라인(50)의 입구는 분기 유닛(24)에 각각 연결될 수 있다. 따라서, 분기 유닛(24)으로 공급된 배기가스의 일부는 배기 라인(40)을 통해 터빈(62)으로 공급된 후 후처리 장치(80)로 공급될 수 있고, 분기 유닛(24)의 공급된 배기가스의 또 다른 일부는 바이패스 라인(50)을 통해 곧바로 후처리 장치(80)로 공급될 수 있다.

배기 라인(40)에는 제1 밸브(46)가 설치되어 배기 라인(40)을 통해 배출되는 배기가스의 양을 조절하고, 바이패스 라인(50)에는 제2 밸브(56)가 설치되어 바이패스 라인(50)을 통해 배출되는 배기가스의 양을 조절할 수 있다. 제1 및 제2 밸브들(46, 56)은 배기 라인(40)과 바이패스 라인(50) 사이의 배압 간섭을 방지할 수 있다. 여기서, 분기 유닛(24)에는 제1 및 제2 밸브들(46, 56) 중 적어도 하나와 유사한 기능을 수행하는 밸브들이 내장될 수 있다. 분기 유닛(24)에 적어도 하나의 밸브가 내장되는 경우, 제1 및 제2 밸브들(46, 56) 중 적어도 하나는 설치가 생략될 수 있다.

도 3은 예시적인 실시예들에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템을 나타내는 블록도이다. 상기 배기가스 재순환 시스템은 제1 EGR 장치의 배치를 제외하고는 도 1을 참조로 설명한 배기가스 재순환 시스템과 실질적으로 동일하다. 이에 따라, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 참조부호들로 나타내고, 또한 동일한 구성요소들에 대한 반복 설명은 생략한다.

도 3을 참조하면, 예시적인 실시예들에 있어서, 제1 EGR 장치(70)의 제1 EGR 라인(72)은 인터 쿨러(32) 후단 측의 배기 라인(30)에 연결되어 터보차저(60)의 터빈(62) 상류의 배기가스의 일부를 인터 쿨러(32)를 거치지 않고 곧바로 엔진(10)으로 재순환시킬 수 있다.

제1 EGR 라인(72)은 터빈(62) 상류 측의 배기 라인(40) 및 인터 쿨러(32) 출구 측의 흡기 라인(30)을 연결할 수 있다. 따라서, 엔진(10)의 제1 배기 매니폴드(22a)로부터 배출된 배기가스의 일부는 제1 EGR 라인(72)을 통해 인터 쿨러(32)를 거치지 않고 엔진(10)의 흡기 매니폴드(20)로 재순환될 수 있다.

제1 EGR 밸브(74)는 제1 EGR 라인(72)에 설치되며 상기 재순환 배기가스 양을 조절할 수 있다. 제1 EGR 쿨러(76)는 제1 EGR 라인(72)에 설치되며 상기 재순환 배기가스를 냉각시킬 수 있다.

도 4는 예시적인 실시예들에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템을 나타내는 블록도이다. 상기 배기가스 재순환 시스템은 제1 EGR 라인이 배기 라인이 아닌 바이패스 라인과 연결되는 점을 제외하고는 도 1을 참조로 설명한 배기가스 재순환 시스템과 실질적으로 동일하다. 이에 따라, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 참조부호들로 나타내고, 또한 동일한 구성요소들에 대한 반복 설명은 생략한다.

도 4을 참조하면, 예시적인 실시예들에 있어서, 제1 EGR 장치(70, 고압 EGR 장치)의 제1 EGR 라인(72)이 바이패스 라인(50)과 연결될 수 있다. 따라서, 제1 배기 매니폴드(22a)를 통해 엔진(10)으로부터 배출된 배기가스의 전량은 터빈(62)을 터빈(62)를 구동시킨 후 후처리 장치(80)로 공급될 수 있다. 한편, 제2 배기 매니폴드(22b)로부터 배출되는 배기가스 중 일부는 순차적으로 제1 EGR 라인(72) 및 연결라인(51)을 통해 분기가 가능하고, 분기되지 않고 남은 배기가스는 후처리 장치(80)의 상류로 공급되어 제1 배기 매니폴드(22a)로부터 배출된 배기가스와 합류될 수 있다. 따라서, 터빈(62)은 제1 EGR 장치(70)로부터 영향을 받지 않은 상태로 구동될 수 있고, 제1 EGR 장치(70)로의 배기가스 분기 시에 터빈(62)으로부터의 영향을 감소시킬 수 있다.

도 5는 예시적인 실시예들에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템을 나타내는 블록도이다. 상기 배기가스 재순환 시스템은 배기가스 바이패스 장치의 연결 라인이 제1 EGR 라인이 연결된 지점의 상류 측의 배기 라인에 연결되는 점을 제외하고는 도 1을 참조로 설명한 배기가스 재순환 시스템과 실질적으로 동일하다. 이에 따라, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 참조부호들로 나타내고, 또한 동일한 구성요소들에 대한 반복 설명은 생략한다.

도 5를 참조하면, 예시적인 실시예들에 있어서, 배기가스 바이패스 장치의 연결 라인(51)이 제1 EGR 라인(72)이 연결된 지점의 상류 측의 배기 라인(40)에 연결될 수 있다. 이와 다르게, 연결 라인(51)이 제1 EGR 라인(72)이 연결된 지점의 배기 라인(40)에 연결될 수 있다.

따라서, 제1 및 제2 배기 매니폴드들(22a, 22b) 모두를 통해 엔진(10)으로부터 배출된 배기가스의 전량 중 일부가 제1 EGR 라인(72)으로 공급될 수 있다. 이에 따라, 고압 EGR 효율을 향상시킬 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 엔진 12a: 제1 실린더
12b: 제2 실린더 20: 흡기 매니폴드
22a: 제1 배기 매니폴드 22b: 제2 배기 매니폴드
24: 분기 유닛 30: 흡기 라인
32: 인터 쿨러 34: 흡기 스로틀 밸브
40: 배기 라인 46: 제1 밸브
50: 바이패스 라인 51: 연결 라인
52: 배기 배압 제어밸브 54: 바이패스 밸브
56: 제2 밸브 60: 터보차저
62: 터빈 64: 압축기
66: 축 70: 제1 EGR 장치
72: 제1 EGR 라인 74: 제1 EGR 밸브
76: 제1 EGR 쿨러 80: 후처리 장치
82: 온도 센서 83: 압력 센서
90: 제2 EGR 장치 92: 제2 EGR 라인
94: 제2 EGR 밸브 96: 제2 EGR 쿨러

Claims

제1 실린더 그룹으로부터 배출되는 배기가스가 합류되어 배출되는 제1 배기 매니폴드 및 제2 실린더 그룹으로부터 배출되는 배기가스가 합류되어 배출되는 제2 배기 매니폴드를 포함하는 엔진에 연결되어 흡기를 공급하는 흡기 라인;
상기 엔진의 상기 제1 배기 매니폴드에 연결되어 상기 엔진의 상기 제1 실린더 그룹에서 배출되는 배기가스를 외부로 배출하는 배기 라인;
상기 배기 라인에 설치된 터빈 및 상기 흡기 라인에 설치된 압축기를 갖는 터보차저;
상기 터빈 상류 측에서 상기 배기 라인을 통해 배출되는 상기 배기가스의 일부는 상기 엔진으로부터 재순환시키고, 상기 터빈 상류 측의 상기 배기 라인 및 상기 흡기 라인을 연결하는 고압 EGR 라인 및 상기 고압 EGR 라인에 설치되며 상기 고압 EGR 라인을 통해 재순환되는 배기가스의 양을 조절하는 고압 EGR 밸브를 포함하는 고압 EGR 장치;
상기 터빈 하류 측의 상기 배기 라인에 설치되어 상기 배기가스를 정화시키기 위한 후처리 장치;
상기 후처리 장치 하류 측에서 상기 후처리 장치를 통해 배출된 배기가스의 일부를 상기 엔진으로 재순환시키기 위한 저압 EGR 장치;
상기 엔진의 상기 제2 배기 매니폴드에 연결되어 상기 엔진의 상기 제2 실린더 그룹에서 배출되는 배기가스를 외부로 배출하고, 일단이 상기 제2 배기 매니폴드에 연결되고 타단이 상기 터빈 하류 측과 상기 후처리 장치 상류 측 사이의 상기 배기 라인에 연결된 바이패스 라인, 상기 바이패스 라인과 상기 터빈 상류 측의 상기 배기 라인을 연결하는 연결 라인, 상기 연결 라인에 설치되어 상기 바이패스 라인으로부터 상기 배기 라인으로 합류되는 상기 배기가스의 양을 제어하는 배기 배압 제어밸브, 및 상기 바이패스 라인에 설치되어 상기 후처리 장치로 공급되는 상기 배기가스의 양을 제어하는 바이패스 밸브를 포함하며, 상기 제2 실린더 그룹에서 배출되는 상기 배기가스를 상기 터빈을 경유하지 않고 상기 바이패스 라인을 통해 상기 후처리 장치로 공급하기 위한 배기가스 바이패스 장치;
상기 바이패스 라인이 연결된 지점의 하류 측과 상기 후처리 장치 상류 측 사이의 상기 배기 라인에 설치된 온도 센서; 및
상기 온도 센서로부터 입력된 신호를 기초로 하여 상기 배기가스 바이패스 장치의 동작을 제어하기 위한 제어부를 포함하고,
상기 제어부는 상기 온도 센서로부터 검출된 온도가 기 설정값보다 낮아지면, 상기 배기 배압 제어밸브를 폐쇄하고 상기 바이패스 밸브를 개방하여 상기 제2 실린더 그룹에서 배출되는 배기가스를 상기 터빈을 경유하지 않고 상기 후처리 장치에 공급하도록 제어하는 엔진의 배기가스 재순환 시스템.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 연결 라인은 상기 바이패스 라인과 상기 터빈 상류 측의 상기 고압 EGR 라인이 연결된 지점의 하류 측 사이의 상기 배기 라인을 연결하는 엔진의 배기가스 재순환 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 연결 라인은 상기 바이패스 라인과 상기 고압 EGR 라인이 연결된 지점의 상류 측의 상기 배기 라인을 연결하는 엔진의 배기가스 재순환 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 제1 배기 매니폴드 및 상기 제2 배기 매니폴드의 출구들에 연결되어 상기 제1 및 제2 배기 매니폴드들로부터 배출되는 배기가스가 합류되는 분기 유닛을 더 포함하고,
상기 배기 라인 및 상기 바이패스 라인의 입구들은 상기 분기 유닛에 각각 연결되는 엔진의 배기가스 재순환 시스템.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 고압 EGR 라인은 상기 배기 라인 및 상기 압축기 하류에 설치된 인터 쿨러의 상류 측의 상기 흡기 라인을 연결하는 엔진의 배기가스 재순환 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 저압 EGR 장치는
상기 후처리 장치 하류 측의 상기 배기 라인 및 상기 흡기 라인을 연결하는 저압 EGR 라인; 및
상기 저압 EGR 라인에 설치되며 상기 저압 EGR 라인을 통해 재순환되는 배기가스의 양을 조절하는 저압 EGR 밸브를 포함하는 엔진의 배기가스 재순환 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 압축기를 통과한 상기 흡기를 냉각시키는 인터 쿨러를 더 포함하는 엔진의 배기가스 재순환 시스템.
삭제
삭제