KR20020049999A - 디젤엔진의 배기가스 재순환장치 - Google Patents

디젤엔진의 배기가스 재순환장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엔진의 출력상승을 위한 기존의 터버차저와는 별도로 엔진 전단의 압력을 높이기 위한 EGR용 터버차저와, 배기가스의 온도를 낮춰서 신기로 흡입시키는 인터쿨러를 구비함으로써, 중고부하시에 NOx의 발생량을 억제할 수 있는 디젤엔진의 배기가스 재순환장치에 관한 것으로, 이 재순환장치는 제 1밸브(26)의 개방에 따라서 메인 터보차저(21)의 제 1압축기(20)로부터 유입된 흡기에 의해 회전되는 제 2터빈(32)과, 제 2샤프트(33)를 통해서 제 2터빈(32)과 연결되어 있으며 제 2밸브(28)의 개방에 따라서 엔진(1)의 배기 매니폴드로부터 유입된 배기가스를 압축하여 엔진으로 유입되는 신기와 혼합시키는 제 2압축기(30)로 이루어진 EGR용 터보차저(31)와, EGR용 터보차저(31)의 제 2압축기(30)에 의해서 압축된 배기가스를 냉각하기 위해 메인 터보차저(21)와 엔진(1)의 흡기 매니폴드 사이에 배치되는 EGR용 인터쿨러(25)와, 엔진 회전수센서(42)에서 입력되는 엔진rpm과, 연료량 감지센서(44)에서 입력되는 연료량을 바탕으로 제 1밸브(26)와 제 2밸브(28)를 개폐하는 제어유닛(40)을 포함하고 있다.

Description

디젤엔진의 배기가스 재순환장치{DIESEL ENGINE HAVING AN EGR TURBOCHARGER AND INTER COOLER}
본 발명은 디젤엔진의 배기가스 재순환장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 엔진 전단의 압력을 높이기 위한 EGR용 터버차저와, 배기가스의 온도를 낮춰서 신기로 흡입시키는 인터쿨러를 추가로 구비한 디젤엔진의 배기가스 재순환장치에 관한 것이다.
차량에는 배기가스의 일부를 흡기계통으로 재순환시켜서 NOx의 발생을 억제하기 위한 배기가스 재순환(exhaust gas recirculation:이하, EGR)장치가 설치되어 있다. 도 1은 종래의 EGR장치를 개략적으로 도시한 구성도이다. 도시된 바와 같이, 엔진(2)의 연소실 내에는 핀(6)에 의해 커넥팅 로드(8)와 연결된 피스톤(4)이 내장되어 있으며, 흡기밸브(V1)의 개방에 따라 유입된 흡기는 연료와 함께 혼합되어 연소된 다음, 배기밸브(V2)의 개방에 따라 배기 배니폴드(12)로 배출된다. 이때, 배기 매니폴드(4)에서 방출되는 배기가스의 일부는 EGR밸브(16)의 개방에 따라 EGR호스(14)를 통해서 흡기 매니폴드(10)로 재순환되는 한편, 나머지 배기가스는 배기관쪽으로 배출된다.
이와 같이, EGR장치는 배기가스의 일부를 엔진의 신기로 유입시켜 실린더 내의 온도를 낮춤으로써 연소시 발생하는 NOx를 줄이는 역할을 하는데, 현재 사용되고 있는 EGR장치에서는 부하가 올라갈수록 압축기 후단의 압력이 증가되므로, 결국 일정부하 이상에서는 EGR 가스의 일부가 역류하게 된다. 따라서 EGR의 적용이 중간부하 이상으로 확대될 수 없는 단점이 있다. 실제 운전영역은 부하가 넓은 지역에 걸쳐져 있으나, EGR적용 영역이 저부하에 치우쳐 있는 것은 배기가스 중에 NOx의 발생량이 많음을 뜻한다. 또한, 현재 유럽지역의 배기가스 규제를 고려해 볼 때 현재의 EGR적용은 반드시 고부하로 확대되어야 하나 종래의 EGR장치의 구조로는 거의 불가능하다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 엔진이 운전되는 보다 넓은 영역에서 EGR을 적용시켜 NOx의 배출량을 큰 폭으로 저감시킬 수 있는 디젤엔진의 배기가스 재순환장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 EGR장치의 구성을 보인 개념도,
도 2는 본 발명에 따른 EGR장치의 구성을 보인 개념도,
도 3은 종래 및 본 발명에 따른 EGR장치에서의 엔진 회전수에 따른 토오크의 변화를 나타내는 그래프,
도 4는 본 발명에서 채용한 밸브의 제어관계를 보인 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 EGR장치의 제어관계를 보인 흐름도,
도 6a 내지 6c는 각각, 1200, 1600, 2000rpm에서의 본 발명에 따른 EGR장치의 NOx제거율을 나타낸 그래프.
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]
1:엔진 20, 30:제 1, 2압축기
22, 32:제 1, 2터빈 23, 33:제 1, 2샤프트
24:인터쿨러 26, 28:제 1, 2밸브
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 디젤엔진의 배기가스 재순환장치는 배기가스에 의해 회전되는 제 1터빈과, 제 1샤프트를 통해서 전달되는 제 1터빈의 회전력으로 흡기를 압축시키는 제 1압축기로 이루어진 메인 터보차저와, 이 메인 터보차저의 제 1압축기에 의해서 압축된 흡기를 냉각하기 위한 메인 인터쿨러를 구비하는 디젤엔진에 있어서, 제 1밸브의 개방에 따라서 메인 터보차저의 제 1압축기로부터 유입된 흡기에 의해 회전되는 제 2터빈과, 제 2샤프트를 통해서 제 2터빈과 연결되어 있으며 제 2밸브의 개방에 따라서 엔진의 배기 매니폴드로부터 유입된 배기가스를 압축하여 엔진으로 유입되는 신기와 혼합시키는 제 2압축기로 이루어진EGR용 터보차저와, EGR용 터보차저의 제 2압축기에 의해서 압축된 배기가스를 냉각하기 위해 메인 터보차저와 엔진의 흡기 매니폴드 사이에 배치되는 EGR용 인터쿨러와, 엔진 회전수센서에서 입력되는 엔진rpm과, 연료량 감지센서에서 입력되는 연료량을 바탕으로 제 1밸브와 제 2밸브를 개폐하는 제어유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 재순환장치에 대하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 EGR장치의 구성을 보인 개념도이다.
도시된 바와 같이, 통상 디젤엔진의 배기가스 재순환장치에는 배기가스에 의해 회전되는 제 1터빈(22)과, 제 1샤프트(23)를 통해서 전달되는 제 1터빈(22)의 회전력으로 흡기를 압축시키는 제 1압축기(20)로 이루어진 메인 터보차저(21)와, 이 메인 터보차저(21)의 제 1압축기(20)에 의해서 압축된 흡기를 냉각하기 위한 메인 인터쿨러(24)가 구비되어 있다.
이러한 구성의 배기가스 재순환장치에 있어서, NOx의 발생량을 저감시키기 위해 엔진이 운전되는 보다 넓은 영역에서 EGR을 적용하기 위한 방안으로 본 발명의 바람직한 실시예에서는 통상의 메인 터보차저(21)와 메인 인터쿨러(24)와는 별도로 EGR용 터보차저(31)와 EGR용 인터쿨러(25)를 구비한 배기가스 재순환장치를 예시하였다.즉, 통상의 메인 터보차저(21)는 공기의 압축 및 밀도를 증가시켜 흡입 공기를 늘림으로써 분사연료량을 늘려 디젤엔진의 출력을 상승시키기 위해 장착하는 반면에, 본 발명의 EGR용 터보차저(31)는 엔진 터빈 전단의 압력을 높이기 위해장착한다.
본 발명의 EGR용 터보차저(31)는 제 1밸브(26)의 개방에 따라서 메인 터보차저(21)의 제 1압축기(20)로부터 유입된 흡기에 의해 회전되는 제 2터빈(32)과, 제 2샤프트(33)를 통해서 제 2터빈(32)과 연결되어 있으며 제 2밸브(28)의 개방에 따라서 엔진(1)의 배기 매니폴드로부터 유입된 배기가스를 압축하여 엔진으로 유입되는 신기와 혼합시키는 제 2압축기(30)로 이루어져 있다.
또한, EGR용 터보차저(31)의 제 2압축기(30)에 의해서 압축된 배기가스를 냉각하기 위해 메인 터보차저(21)와 엔진(1)의 흡기 매니폴드 사이에는 EGR용 인터쿨러(25)가 구비되어 있다.
본 발명의 EGR용 터보차저(31)는 제 1밸브(26)의 개방에 따라 공급되는 흡기에 의해 작동되어 제 2밸브(28)의 개방에 따라 유입되는 배기가스를 압축하게 되며, 이들 제 1밸브(26)와 제 2밸브(28)는 제어유닛(ECU)(40)에 의해서 동시에 개폐된다.
메인 터보차저(21)의 제 1압축기(20)를 통해 유입된 고압의 흡입공기중 일부는 제 1밸브(26)의 개방에 따라 EGR용 터보차저(31)의 제 2터빈(32)을 구동하게 된다. 이때의 흡입공기의 압력은 1.5∼2bar이고 온도는 70∼140℃정도이다. 제 2터빈(32)을 구동한 후에 저압의 흡입공기는 다시 메인 터보차저(21)의 제 1압축기로 유입된다.
한편, 샤프트(33)를 개재하여 제 2터빈(32)에 의해 구동되는 EGR용 터보차저(31)의 제 2압축기(30)는 메인 터보차저(21)의 제 1터빈(22)의 전단에서제 2밸브(28)를 통해 유입된 배기가스를 압축시킨다. 제 2압축기(30)에서 압축된 배기가스는 메인 인터쿨러(24)를 거쳐 엔진으로 흡입되는 흡입공기보다 압력이 높기 때문에 엔진으로 유입되는 것이 가능하며, 이 과정에서 EGR용 인터쿨러(25)에 의해 배기가스의 온도가 저하된 상태에서 메인 신기로 흡입됨으로써 NOx의 발생량을 저감시킬 수 있게 된다.
도 3은 종래 및 본 발명에 따른 EGR장치에서의 엔진 회전수에 따른 토오크의 변화를 나타내는 그래프이다.
그래프에서, 가로축은 엔진의 회전속도(rpm)이고 세로축은 엔진 토오크(N·m)를 나타내며, 타원으로 표시한 하부영역(A1)은 종래의 EGR장치의 EGR영역을 나타내고, 상부영역(A2)은 본 발명의 EGR장치에 의해서 추가된 EGR영역을 나타낸다. 이와 같이, 본 발명에 따른 EGR장치에서는 도 2에서 설명한 EGR용 터보차저(31)를 추가로 구비함으로써, 저속구간뿐만 아니라 중고부하시에도 EGR이 실행되어 NOx의 발생량을 크게 억제할 수 있다.
도 4는 본 발명에서 채용한 밸브의 제어관계를 보인 구성도이다.
엔진 제어유닛(40)은 엔진 회전수센서(42)에서 입력되는 엔진rpm과, 연료량 감지센서(44)에서 입력되는 연료량을 바탕으로 제 1밸브(26)와 제 2밸브(28)를 개폐하게 된다. 즉, 엔진 회전수센서(42)에서 입력되는 엔진 회전수가 2400rpm보다 작고, 연료량 감지센서(44)에서 입력되는 연료량이 15㎣/str보다 크면 제 1밸브(26)와 제 2밸브(28)를 개방하여 EGR용 터보차저(31)를 구동시킨다.
여기에서 보면, 제 1밸브(26)와 제 2밸브(28)의 구동원은 진공이다. 즉, 엔진(1)의 진공펌프에서 형성된 진공 및 대기압의 차를 이용하며, 밸브의 개폐는 제어유닛(40)으로부터 출력되는 듀티신호(12V, 주파수 50㎐)에 의해 제어된다.
다음에, 도 5는 본 발명에 따른 EGR장치의 제어관계를 보인 흐름도이다.
엔진의 기동후에 제어유닛(40)은 각종 센서로부터 에러를 체크하였는지를 판단한다(단계S1). 이때, 단계S1에서 에러가 체크된 경우(YES)에는 에러 메시지를 출력하며(단계S2), 에러가 체크되지 않은 경우(NO)에는 엔진 회전수센서(42)로부터의 엔진rpm을 검출함과 동시에 연료량 감지센서(44)로부터의 연료 분사량을 검출한다(단계S3).
다음에, 검출한 엔진rpm이 설정rpm(가령, 2400rpm)보다 작은지를 판단하여(단계S4), 설정rpm보다 낮으면, 다음 단계S5에서 분사량이 설정분사량(가령, 15㎣/str)보다 큰지를 판단한다(단계S5). 이때, 연료의 분사량이 설정분사량보다 많으면(단계S5에서 YES), 제 1밸브(26)와 제 2밸브(28)를 동시에 개방하여(단계S6), 중고부하 영역에서의 EGR용 터빈을 작동시킨다(단계S7).
도 6a 내지 6c는 각각, 1200, 1600, 2000rpm에서의 본 발명에 따른 EGR장치의 NOx제거율을 나타낸 그래프이다.
이들 그래프는 엔진의 rpm별로 EGR되는 가스의 온도를 열교환기를 통해 낮춘 후에 측정한 NOx의 배출량을 나타낸 것이다. 그래프에서, ◇는 일반 EGR의 시험결과를 나타내고, △ 또는 □는 냉각된 EGR용 인터쿨러(25)를 통과한 EGR의 시험결과를 나타낸 그래프이다.
이들 그래프를 통해서 알 수 있는 바와 같이, 배기가스의 온도를 낮춤으로써배기가스 중의 NOx의 양이 저감되는 것을 확인할 수 있다.
이상으로 설명한 본 발명에 의하면, 엔진의 출력상승을 위한 기존의 터버차저와는 별도로 엔진 전단의 압력을 높이기 위한 EGR용 터버차저와, 배기가스의 온도를 낮춰서 신기로 흡입시키는 인터쿨러를 추가로 구비함으로써, 중고부하시에 NOx의 발생량을 억제할 수 있는 이점이 있다.

Claims (2)

  1. 배기가스에 의해 회전되는 제 1터빈(22)과, 제 1샤프트(23)를 통해서 전달되는 제 1터빈(22)의 회전력으로 흡기를 압축시키는 제 1압축기(20)로 이루어진 메인 터보차저(21)와, 이 메인 터보차저(21)의 제 1압축기(20)에 의해서 압축된 흡기를 냉각하기 위한 메인 인터쿨러(24)를 구비하는 디젤엔진에 있어서,
    제 1밸브(26)의 개방에 따라서 상기 메인 터보차저(21)의 제 1압축기(20)로부터 유입된 흡기에 의해 회전되는 제 2터빈(32)과, 제 2샤프트(33)를 통해서 제 2터빈(32)과 연결되어 있으며 제 2밸브(28)의 개방에 따라서 엔진(1)의 배기 매니폴드로부터 유입된 배기가스를 압축하여 엔진으로 유입되는 신기와 혼합시키는 제 2압축기(30)로 이루어진 EGR용 터보차저(31)와,
    상기 EGR용 터보차저(31)의 제 2압축기(30)에 의해서 압축된 배기가스를 냉각하기 위해 상기 메인 터보차저(21)와 엔진(1)의 흡기 매니폴드 사이에 배치되는 EGR용 인터쿨러(25)와,
    엔진 회전수센서(42)에서 입력되는 엔진rpm과, 연료량 감지센서(44)에서 입력되는 연료량을 바탕으로 상기 제 1밸브(26)와 제 2밸브(28)를 개폐하는 제어유닛(40)을 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스 재순환장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어유닛(40)은 엔진 회전수센서(42)에서 입력되는 엔진 회전수가 2400rpm보다 작고, 연료량 감지센서(44)에서 입력되는 연료량이 15㎣/str보다 크면 상기 제 1밸브(26)와 제 2밸브(28)를 개방하여 EGR용 터보차저(31)를 구동시키는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스 재순환장치.
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