KR20030039009A

KR20030039009A - 디젤 엔진의 흡기 시스템

Info

Publication number: KR20030039009A
Application number: KR1020010069807A
Authority: KR
Inventors: 이태성
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2001-11-09
Filing date: 2001-11-09
Publication date: 2003-05-17

Abstract

본 발명은 디젤 엔진의 흡기 시스템에 관한 것으로서, 기존에 터보챠져와 인터쿨러가 적용된 디젤 엔진의 문제점을 감안하여 발명한 것으로서, 액화산소탱크와 액화산소 기화기 그리고 배기가스 쿨러를 흡기라인에 설치하여, 기화된 액화산소와 냉각된 배기가스가 ECU의 제어에 의한 최적량의 흡기로 제공되도록 함으로써, 대기중으로부터 질소의 유입이 원천적으로 차단되어 질소산화물의 발생을 근본적으로 방지할 수 있고, 엔진은 전체 작동 구간에서 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 한 디젤 엔진의 흡기 시스템을 제공하고자 한 것이다.

Description

디젤 엔진의 흡기 시스템{Intake manifold system for diesel engine}

본 발명은 디젤 엔진의 흡기 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 터보챠져와 인터쿨러를 적용한 기존의 디젤 엔진의 흡기 시스템을 액화산소를 이용한 녹스(NOx) 저감형으로 개선한 디젤 엔진의 흡기 시스템에 관한 것이다.

통상적으로, 디젤 엔진에는 고속 주행시 흡기의 과급으로 고속주행의 용이성을 제공하고, 또한 배기가스 규제 및 CO2규제등에 대응하기 위하여 기본적으로 터보 차져(Turbo Charger)와 인터쿨러(Intercooler)가 설치되고 있다.

상기 터보차져(30)는 일종의 송풍기와 같으며, 첨부한 도 2에 도시한 바와 같이 엔진의 배기 매니폴드로 빠져나가는 배기가스의 유동에너지를 이용한 것이다.

따라서, 상기 배기가스의 유동에너지로 인하여, 터보차져(40)의 터빈(42)이 회전을 하게 되고, 동시에 맞은편에 동축을 이루며 설치된 컴프레서(44)가 회전됨으로써, 이 컴프레서(44)에 의하여 흡기가 흡입 및 가압되어 엔진 실린더의 연소실로 과급으로 공급되어진다.

이때, 상기 터보챠져(40)만 장착한 디젤 엔진의 경우에 흡입 공기의 압력은 증대시킬 수 있으나, 공기를 압축하는 과정에서 공기의 온도가 상승하는 문제로 연소온도 및 배기 온도의 증가와 더불어 실질적인 충진 효율 개선폭의 저하 현상이 문제가 된다.

이에, 흡기라인에 인터쿨러(46)를 설치하여, 과급되는 흡기를 인터쿨러(46)에서 냉각시켜, 과급으로 인한 흡기의 열발생을 차단함과 함께 냉각된 흡기를 연소실로 공급함으로써, 연소실의 충진 효율을 향상시킬 수 있다.

이와 같이, 터보차져와 인터쿨러를 이용한 디젤엔진의 흡기 시스템은 흡기공기량을 증대시켜 배기가스 저감 및 연비향상, 엔진소음 저감, 연비 개선등의 효과를 얻고 있다.

이러한 잇점에도 불구하고, 터보차쳐와 인터쿨러를 이용하는 디젤엔진의 경우 다음과 같은 문제점이 있다.

연소효율 및 펌핑 로스(Pumping Loss)의 개선을 위해 다량의 공기를 흡입하여, 이 중 일부를 순수 연소 반응에 이용하게 되고, 이 경우 대기중의 80 % 정도 함유되어 있는 질소가 필수 불가결하게 흡입되며, 고온/고압의 연소 과정 중에서 산소와 반응하여 디젤 엔진에서 가장 문제가 되는 질소 산화물(Nox)을 생성하게 된다.

연소 조건을 개선하기 위해서는 고온 고압의 연소실 분위기가 필요하나 상대적으로 이 조건에서 질소산화물의 생성이 용이하여 연소개선을 통한 연비 개선 및 스모크(SMOKE)와 같은 배출가스 성분을 줄이는데 한계가 있다.

또한, 터보챠져와 인터쿨러가 적용된 디젤 엔진의 경우, 터버 챠져 시스템을통한 성능 향상은 가능하나, 터보챠져의 특성상 전 사용 영역에 대한 흡기 특성 개선이 불가능하여, 부득이 저속 저부하와 같은 특정 구간에서의 성능저하 현상을 피할 수 없게 된다.

이와 같은 특성을 개선하기 위하여, 최근에는 터보챠져에 웨이스트 게이트밸브(Waste Gate Valve)를 장착하여 부분적인 흡기 성능 개선을 하고 있으나 근본적인 개선은 어려운 상태에 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같이 터보챠져와 인터쿨러가 적용된 디젤 엔진의 문제점을 감안하여 발명한 것으로서, 액화산소탱크와 액화산소 기화기 그리고 배기가스 쿨러를 흡기라인에 설치하여, 기화된 액화산소와 냉각된 배기가스가 ECU의 제어에 의한 최적량의 흡기로 제공되도록 함으로써, 대기중으로부터 질소의 유입이 원천적으로 차단되어 질소산화물의 발생을 근본적으로 방지할 수 있고, 엔진은 전체 작동 구간에서 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 한 디젤 엔진의 흡기 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 디젤 엔진의 흡기 시스템을 나타내는 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 디젤 엔진의 흡기 시스템의 작동 상태를 나타내는 순서도,

도 3은 종래의 디젤 엔진의 흡기 시스템을 나타내는 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 액화산소탱크12 : 흡기라인

14 : 산소믹서16 : 액화산소기화기

18 : 산소공급압력조절밸브20 : 순환라인

22 : 배기가스 쿨러24 : 배기압력조절밸브

25 : 배기라인26 : ECU

28 : 산소압력센서30 : 배기압력센서

32 : O₂센서40 : 터보챠져

42 : 터빈44 : 컴프레서

46 : 인터쿨러

이하, 본 발명을 첨부도면을 참조로 설명한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은:

디젤 엔진의 흡기라인(12)에 설치되는 산소믹서(14)와; 상기 산소믹서(14)에 연결되는 액화산소기화기(16)와; 상기 액화산소기화기(16)에 연결되는 액화산소탱크(10)와; 상기 액화산소기화기(16)의 출구측 라인상에 설치되는 산소공급압력조절밸브(18)와; 디젤 엔진의 배기라인(22)과 상기 산소믹서(14) 사이의 순환라인(20)에 설치되는 배기가스 쿨러(22)와; 디젤 엔진의 배기라인(25)상에 설치되는 배기압력조절밸브(24)와; 상기 산소공급압력조절밸브(18) 및 배기압력조절밸브(24)에 연결되어, 엔진의 상태에 따라 압력조절 제어를 하는 ECU(26)로 구성된 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 흡기 시스템을 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 산소믹서(14)와 산소공급압력조절밸브(18)간의 연결라인상에는 산소압력센서(28)가 설치된 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 배기압력조절밸브(24)의 바로 전 위치로서 상기 순환라인(20)과 갈라지는 지점의 배기라인(25)상에는 배기압력센서(30)가 설치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배기라인(25)의 외측쪽에는 배기압력조절밸브(24)를 통과한 배기의 산소농도를 측정하는 O₂센서(32)가 설치된 것을 특징으로 한다.

여기서 본 발명의 실시예를 첨부한 도 1을 참조로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 디젤 엔진의 흡기 시스템을 나타내는 구성도로서, 기존의 터보챠져 및 인터쿨러를 배제시키고 새롭게 개선된 흡기 시스템을 나타낸다.

통상 엔진 실린더의 연소실에는 각각 흡기라인(12)과 배기라인(25)이 서로 대향되며 연결 설치되어 있는 바, 본 발명의 시스템을 위하여 배기라인(25)과 흡기라인(12)간에 순환라인(20)이 더 형성되어, 배기라인(25)으로 배출되는 배기의 일부가 순환라인(20)으로 재순환되도록 한다.

여기서 상기 순환라인(20)에는 엔진 냉각수가 순환되는 방식의 배기가스 쿨러(22)가 설치되어, 재순환되는 배기를 냉각시키게 된다.

상기 순환라인(20)의 끝단은 흡기라인(12)과 연결되는 바, 순환라인(20)과 연결되는 지점의 흡기라인(12)에는 산소믹서(14)가 설치된다.

특히, 상기 산소믹서(14)는 액화산소기화기(16)와 라인으로 연결되고, 상기 액화산소기화기(16)는 액화산소탱크(10)와 라인으로 연결된다.

따라서, 상기 액화산소탱크(10)로부터 산소가 배출되어, 액화산소기화기(10)에서 기화되고, 기화된 산소는 상기 산소믹서(14)에 이르러서는 상기 배기가스 쿨러(22)를 통과한 배기와 함께 흡기로서 소정의 비율로 혼합되며, 혼합된 흡기는 흡기라인(12)을 따라서 엔진 실린더의 연소실로 공급되어진다.

한편, 상기 산소믹서(14)와 액화산소기화기(16) 사이의 라인상에는 액튜에이터로 그 개폐량이 조절되는 산소공급압력조절밸브(18)가 설치되고, 이 산소공급압력조절밸브(18)와 상기 산소믹서(14) 사이의 라인상에는 산소압력센서(28)가 설치된다.

또한, 상기 배기라인(25)상에서, 순환라인(20)과 갈라지는 지점에 배기압력센서(30)가 설치되고, 배기라인(25)의 외측쪽에는 액튜에이터로 그 개폐량이 조절되는 배기압력조절밸브(24)가 설치되며, 그 바깥쪽에는 배기가스내의 산소 농도를 측정하는 O₂센서(32)가 나란히 설치되어진다.

상기 산소압력센서(28)는 액화산소기화기(16)에서 기화되어 나온 산소의 압력을 감지하는 센서이고, 상기 배기압력센서(30)는 배기라인(25)으로 배출되는 배기의 압력을 감지하는 센서로서, 모두 ECU(26)와 연결되어 그 감지값을 ECU(26)에 전달하게 된다.

또한, 상기 ECU(26)에는 엔진의 기본정보(가속페달값과, 엔진회전수와, 냉각수 온도등)가 입력신호로 전달된다.

따라서, 상기 ECU(26)는 산소압력센서(28)와 배기압력센서(30)의 감지신호, 그리고 엔진의 기본정보를 기반으로, 상기 산소공급압력조절밸브(18)와 배기압력조절밸브(24)에 전류신호를 보내어, 그 밸브 개폐량이 조절됨에 따라, 결국 산소공급량과 연료공급량을 제어하게 되고, 또한 배기의 량을 제어하게 된다.

이와 같은 구성을 이루어진 본 발명의 디젤 엔진의 흡기 시스템의 작동 상태를 첨부한 도 1내지 도 2를 참조로 설명한다.

엔진의 시동과 함께, 상기 액화산소탱크(10)로부터 공급되는 산소가 상기 액화산소기화기(16)를 통과하면서, 기체상태로 전환되어 산소믹서(14)로 공급된다.

상기와 동시에, 배기라인(25)을 따라 배출되는 배기가스의 일부가 상기 순환라인(20)을 따라 배기가스 쿨러(22)를 통과하면서 냉각되고, 냉각된 배기는 상기 산소믹서(14)로 공급된다.

따라서, 상기 산소믹서(14)에서 기체상태로 전환되어 유입된 산소와 냉각된 배기가 소정의 비율로 혼합되어 흡기가 되고, 이 흡기는 흡기라인(12)을 따라서 엔진 실린더의 연소실로 공급되어, 연소가 된다.

이때, 상기 ECU(26)에는 엔진의 기본정보(가속페달값과, 엔진회전수와, 냉각수 온도등)가 신호로서 입력되고, 또한 상기 산소압력센서(28)와 배기압력센서(30)의 감지신호가 입력되는 바, 이를 기반으로 하여 상기 ECU(26)는 상기 산소공급압력조절밸브(18)에 전류신호를 보내어, 개폐정도가 조절된다.

또한, 상기 ECU(26)는 상기 배기압력조절밸브(24)에도 전류신호를 보내어, 그 개폐정도가 조절된다.

즉, 상기 산소압력센서(28)와 배기압력센서(30)의 감지값에 따라, 미리 설정된 산소공급압력과 배기압력으로 유지되도록, 상기 산소공급압력조절밸브(18)와 배기압력조절밸브(24)가 상기 ECU(26)에 의하여 그 개폐량이 제어되는 것이다.

이때, 배기라인(25)으로 배출되는 배기가스는 순환라인(20)으로 빠져나간 일부를 제외하고 외부로 배출되는 바, 배출되는 배기가스내에 포함되어 있는 산소의 농도를 상기 O₂센서(32)에서 측정하게 되고, 이 측정된 값은 ECU(26)에 전달되어 산소공급압력조절밸브(18)의 개폐량 판단에 이용된다. 즉, 측정된 산소 농도가 높으면, 산소공급압력을 낮추는 제어를 하게 된다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 디젤 엔진의 흡기 시스템에 의하면, 엔진 연소를 위하여 외부로부터 공기 유입을 없애줌으로써, 대기중으로부터 질소 유입이 원천적으로 차단되어, 일반적인 연소과정에서 발생하는 질소산화물(NOx)이 전혀 발생되지 않아 환경친화적인 장점이 있다.

또한, 기존에 터보차져로 인한 엔진 성능 저하현상을 본 시스템에서는 터보챠져없이 배기가스를 재순환시켜 과급하고, ECU로부터 계산된 최적량의 산소를 별도로 공급함으로써, 엔진 작동 구간에 관계없이 최적의 성능을 구현할 수 있다.

Claims

디젤 엔진의 흡기라인(12)에 설치되는 산소믹서(14)와;

상기 산소믹서(14)에 연결되는 액화산소기화기(16)와;

상기 액화산소기화기(16)에 연결되는 액화산소탱크(10)와;

상기 액화산소기화기(16)의 출구 라인상에 설치된 산소공급압력조절밸브(18)와;

디젤 엔진의 배기라인(22)과 상기 산소믹서(14) 사이의 순환라인(20)에 설치되는 배기가스 쿨러(22)와;

디젤 엔진의 배기라인(25)상에 설치되는 배기압력조절밸브(24)와;

상기 산소공급압력조절밸브(18) 및 배기압력조절밸브(24)에 연결되어, 엔진의 상태에 따라 압력조절 제어를 하는 ECU(26)로 구성된 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 흡기 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 산소믹서(14)와 산소공급압력조절밸브(18)간의 연결라인상에는 산소압력센서(28)가 설치된 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 흡기 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 배기압력조절밸브(24)의 바로 전 위치로서 상기 순환라인(20)과 갈라지는 지점의 배기라인(25)상에는 배기압력센서(30)가 설치된 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 흡기 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 배기라인(25)의 외측쪽에는 배기압력조절밸브(24)를 통과한 배기의 산소농도를 측정하는 O₂센서(32)가 설치된 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 흡기 시스템.