KR20040031793A - 배기 재순환 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 본 발명은 질소산화물(NOx)의 저감을 위한 차량의 배기 재순환 시스템(EGR; Exhaust Gas Recirculation)에 관한 것이다.

이같은 본 발명은, 실린더헤드의 외부에 EGR공기유입 밴츄리 및 EGR유입 밴츄리 구조를 가지는 EGR유입 플랜지를 설치한 후 그 EGR유입 플랜지에 인터쿨러를 통한 공기와 밴츄리를 통한 EGR과 함께 연소실로 물을 유입하는 물 분무용 핀틀노즐을 설치 구성하므로서, EGR의 분배특성을 개선하는 한편, 핀틀노즐을 통해 분무되는 물이 EGR 및 흡입공기와 잘 섞이도록 하여 연소실내의 연소온도를 낮출수 있도록 하면서 그 연소에 따른 NOx의 저감 효과 즉, 유입 공기량이 축소되지 않고 EGR의 증가효과를 달성하여 NOx의 저감효과를 얻을수 있을뿐만 아니라, 이를 통해 THC는 물론 스모크 및 연비 저감효과를 동시에 얻을수 있는 배기 재순환 시스템 및 그 제어방법을 제공한다.

Description

배기 재순환 시스템 및 그 제어방법{EGR system and control method thereof}

본 발명은 질소산화물(NOx)의 저감을 위한 차량의 배기 재순환 시스템(EGR; Exhaust Gas Recirculation)에 관한 것으로서, 특히 실린더헤드의 외부에 EGR공기유입 밴츄리 및 EGR유입 밴츄리 구조를 가지는 EGR유입 플랜지를 설치한 후 그 EGR유입 플랜지에 인터쿨러를 통한 공기와 밴츄리를 통한 EGR과 함께 연소실로 물을 유입시키는 물 분무용 핀틀노즐을 설치하여 EGR의 분배특성을 개선하는 한편, 핀틀노즐을 통해 분무되는 물이 EGR 및 흡입공기와 잘 섞이도록 하여 연소실내의 연소온도를 낮출수 있도록 하면서 그 연소에 따른 NOx의 저감 효과를 보다 극대화할수 있도록 하는 배기 재순환 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, EGR이란 질소산화물(NOx)의 배출물을 제어하기 위해서 배기가스의 일부를 연소실로 재유입시켜 연소 가능한 신기의 유입을 줄이고, 최고 연소온도를 낮추므로서 NOx의 생성을 줄이는 것이다.

이때, 상기 EGR은 터보차져 입구의 고압 배기가스를 흡기 다기관(intakemanifold)의 입구에 유입시키는 것으로, 이는 배기압과 터보를 경유한 흡기압의 차이에 의해 EGR적용 가능 영역은 중대형 디젤엔진은 일부 영역에 한정되고, 소형 디젤엔진의 경우에는 약 40∼50%의 로드(load)까지 확대 적용이 가능하나, 이 또한 흡배기 압력차 때문에 상당히 제한적으로 적용되었다.

즉, 도 1에 도시된 바와같이, 상기 EGR시스템은 실린더헤드(1)의 상하면으로 배기다기관(2)과 제 1 스로틀밸브(3a)를 가지는 흡기다기관(3)을 형성하고, 상기 배기다기관(2)과 흡기다기관(3)은 EGR밸브(4)가 결합되면서 실린더헤드(1)내에 위치하는 제 1 파이프라인(5)을 통해 연결되며, 상기 흡기다기관(3)에는 압축기(6)에 의해 압축된 공기를 통해 흡기공기를 냉각하도록 제 2 파이프라인(7)을 통해 인터쿨러(8)를 연결시킨 구조로 이루어져 있다.

그러나, 종래의 EGR시스템은 실린더헤드(1)내에 그 설치가 이루어지는 관계로, EGR량 확대가 현실적으로 어렵고, 또한 추가적인 방식을 적용하여 EGR량을 확대할 때 NOx의 저감효과를 볼수 있으나, 동시에 THC 및 연비 악화의 결과를 동반하는 단점을 가지고 있다.

이에 종래에는 디젤연료와 소량의 물을 디젤엔진의 연료계를 통해 동시에 분사하므로서, 연소시의 연소가스 최고온도를 낮추어 NOx의 생성을 억제하고, 동시에 PM과 Co의 저감 및 연비개선의 효과를 얻는 기술을 개발하기에 이르렀다.

그러나, 상기 기술의 경우 EGR쿨러전에 물을 분사하는 관계로, EGR가스가 식혀지면서 그을림(soot) 등이 분사된 물과 함께 EGR쿨러에 누적되어 EGR유입의 단면적이 축소되면서 그 유동이 방해되는 결과를 초래하고, 더불어 EGR이흡기다기관(3)을 통해 각 실린더로 유입될 때 그 분배특성이 균일하게 나타나지 않는 문제점을 갖고 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 실린더헤드의 외부에 EGR공기유입 밴츄리 및 EGR유입 밴츄리 구조를 가지는 EGR유입 플랜지를 설치한 후 그 EGR유입 플랜지에 인터쿨러를 통한 공기와 밴츄리를 통한 EGR과 함께 연소실로 물을 유입하는 물 분무용 핀틀노즐을 설치 구성하므로서, EGR의 분배특성을 개선하는 한편, 핀틀노즐을 통해 분무되는 물이 EGR 및 흡입공기와 잘 섞이도록 하여 연소실내의 연소온도를 낮출수 있도록 하면서 그 연소에 따른 NOx의 저감 효과를 보다 극대화할수 있도록 하는 배기 재순환 시스템 및 그 제어방법을 제공하려는 것이다.

도 1은 종래 배기 재순환 시스템의 구조를 보인 개략도.

도 2는 본 발명의 일실시예로 배기 재순환 시스템의 구조를 보인 개략도.

도 3은 본 발명의 일실시예로 외접기어의 구조를 보인 확대도.

도 4는 본 발명의 일실시예로 EGR유입 플랜지에 설치된 핀틀노즐의 작동상태를 보인 부분 확대도.

도 5는 본 발명의 일실시예로 배기 재순환의 제어방법을 보인 흐름도.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 실린더헤드 2 : 배기다기관

3 : 흡기다기관 3a : 제 1 스로틀밸브

4 : EGR밸브 6 : 압축기

7 : 제 2 파이프라인 8 : 인터쿨러

10 : EGR유입 플랜지 20 : 물탱크

21 : 제 1 라인 30 : 핀틀노즐

40 : EGR쿨러 41 : 제 2 라인

50 : 외접기어 51 : 케이싱

51a: 토출구 51b: 흡입구

52 : 구동기어 53 : 드리븐기어

60 : 제 2 스로틀밸브 70 : 가압유동밸브

100: 전자제어유닛

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일실시예로 배기 재순환 시스템의 구조를 보인 개략도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예로 외접기어의 구조를 보인 확대도이며, 도 4는 본 발명의 일실시예로 EGR유입 플랜지에 설치된 핀틀노즐의 작동상태를 보인 부분 확대도 이다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와같이, 실린더헤드(1)의 상하면으로 배기다기관(2)과 제 1 스로틀밸브(3a)를 가지는 흡기다기관(3)을 형성하고, 상기흡기다기관(3)에는 압축기(6)에 의해 압축된 공기로 흡기공기를 냉각하도록 제 2 파이프라인(7)을 통해 인터쿨러(8)를 연결시킨 통상의 배기 재순환 시스템에 있어서,

상기 실린더헤드(1)의 외부에는 EGR공기유입 밴츄리 및 EGR유입 밴츄리 구조를 가지는 EGR유입 플랜지(10)를 설치하고,

상기 EGR유입 플랜지(10)에는 제 1 라인(21)을 통해 물탱크(20)를 연결하되, 상기 제 1 라인(21)의 일단에는 인터쿨러(8)를 통한 공기와 밴츄리를 통한 EGR과 함께 실린더헤드(1)내의 연소실로 EGR밸브(4)에 의해 EGR가스가 유입될 때 이에 비례하여 EGR가스의 약 10%에 해당하는 맵핑(Mapping)비율로 물을 분무하도록 전자제어유닛(ECU)(100)의 제어에 따라 구동하는 물 분무용 핀틀노즐(30)을 연결하며,

상기 배기다기관(2)과 흡기다기관(3)은 EGR밸브(4)가 결합된 제 2 라인(41)으로 연결하되, 상기 제 2 라인(41)에는 핀틀노즐(30)을 통해 물이 분무될 때 그 분무되는 물의 온도를 저감시키는 EGR쿨러(40)를 설치하고,

상기 물탱크(20)에 저장된 물은 크랭크샤프트의 팬벨트로 구동하는 외접기어(50)에 의해 압축되도록 하며,

상기 물탱크(20)와 연결된 제 1 라인(21)의 타단에는 외접기어(50)에 의해 압축된 물의 분무압력을 일정하게 유지시키도록 전자제어유닛(ECU)(100)의 제어에 따라 개폐각도가 조절되는 제 2 스로틀밸브(60)를 형성하고,

상기 물탱크(20)의 일단에는 제 2 스로틀밸브(60)의 닫힘동작시 분무되지 않은 물을 물탱크(20)로 반송시키도록 일정한 압력에 의해 개방되는가압유동밸브(70)를 설치 구성함을 특징으로 한다.

다른 일면에 따라, 상기 외접기어(50)는,

토출구(51a)와 흡입구(51b)를 가지는 케이싱(51)과, 상기 케이싱(51)내에 위치하여 흡입구(51b)를 통해 흡입된 물을 압축한 후 이를 토출구(51a)를 통해 핀틀노즐(30)로 안내하도록 크랭크샤프트의 팬벨트에 의해 구동하는 구동기어(52) 및, 상기 구동기어(52)의 구동으로 부터 연동하도록 드리븐기어(53)를 서로 맞물리게 구성하였다.

이하, 종래에서와 동일부분에 대하여는 동일부호로 표시하여 그 중복되는 설명을 생략하였다.

한편, 도 5는 본 발명의 일실시예로, 이는 배기 재순환 시스템에 의해 구현되는 배기 재순환 방법을 보인 플로우챠트로서 그 진행은,

공기량을 측정한 후 그 측정된 공기량이 EGR의 적용 영역내인가를 판단하는 단계;

상기 판단결과 EGR의 적용 영역내이면 그 EGR적용량을 계산한 후 핀틀노즐(30)을 통해 실린더헤드(1)의 연소실로 분무되는 물이 EGR가스에 비례하여 EGR가스의 약 10%에 해당하는 맵핑(Mapping)비율로 결정되면서 그 분무압력이 일정하게 유지되도록 제 2 스로틀밸브(60)의 개방각도를 조절하는 단계; 및,

상기 EGR적용량에 따라 물의 분무와 동시에 인터쿨러(8)를 통한 공기와 밴츄리를 통한 EGR이 실린더헤드(1)내의 연소실로 유입되도록 진공펌프를 작동시켜 EGR밸브(4) 및 흡기다기관(3)내에 위치하는 제 1 스로틀밸브(3a)의 개방각도를 조절하는 단계; 로 진행함을 특징으로 한다.

이와같이 구성된 본 발명의 일실시예에 대한 작용을 첨부된 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 흡기다기관(3)을 통해 흡입되는 공기량에 따라 EGR의 공급유량이 설정되면, 상기 흡기다기관(3)에는 EGR밸브(4)에 의해 EGR가스가 유입된다.

이때, 전자제어유닛(100)에서는 상기 흡기다기관(3)으로 유입되는 공기량을 측정한 후 그 측정된 공기량이 EGR의 적용 영역내인가를 판단하게 되는 바,

상기의 판단결과 EGR의 적용 영역내이면 그 EGR적용량을 계산한 후 상기 EGR가스의 약 10%에 해당하는 맵핑비율로 물이 분무되도록 핀틀노즐(30)을 제어하게 된다.

즉, 상기 실린더헤드(1)의 외부에는 EGR공기유입 밴츄리 및 EGR유입 밴츄리 구조를 가지는 EGR유입 플랜지(10)가 설치되고, 상기 EGR유입 플랜지(10)에는 제 1 라인(21)을 통해 물탱크(20)를 연결되며, 상기 제 1 라인(21)의 일단에는 물 분무용 핀틀노즐(30)이 연결되어 있는 바,

상기 핀틀노즐(30)은 전자제어유닛(100)의 제어로 부터 인터쿨러(8)를 통한 공기와 밴츄리를 통한 EGR과 함께 실린더헤드(1)내의 연소실로 EGR가스에 비례하여 EGR가스의 약 10%에 해당하는 맵핑(Mapping)비율로 물을 분무시키게 되는 것이다.

여기서, 상기 배기다기관(2)과 흡기다기관(3)은 EGR밸브(4)가 결합된 제 2 라인(41)으로 연결되고, 상기 제 2 라인(41)에는 EGR쿨러(40)가 설치되어 있으므로, 상기 EGR쿨러(40)는 핀틀노즐(30)을 통해 물이 분무될 때 그 분무되는 물의 온도를 저감시키도록 하였다.

더불어, 상기 물탱크(20)에 저장된 물이 핀틀노즐(30)을 통해 분무가 이루어질 때, 그 분무되는 물은 도 4에서와 같이 크랭크샤프트의 팬벨트로 구동하는 외접기어(50)에 의해 압축되도록 하였다.

즉, 상기 외접기어(50)의 케이싱(51)내에 위치하는 구동기어(52)와 드리븐기어(53)가 서로 맞물려 있는 상태에서, 상기 구동기어(52)가 크랭크샤프트의 팬벨트에 구동하는 바,

상기 구동기어(52)와 맞물려 있는 드리븐기어(53)는 구동기어(52)의 구동으로 연동하게 된다.

따라서, 상기 외접기어(50)의 케이싱(51)에 형성된 흡입구(51b)를 통해 물이 흡입될 때, 그 흡입된 물은 상기 구동기어(52) 및 드리븐기어(53)의 구동으로 부터 압축된 후 상기 케이싱(51)의 토출구(51a)를 통해 핀틀노즐(30)로 토출되는 것이다.

이때, 상기 물탱크(20)와 연결된 제 1 라인(21)의 타단에 형성된 제 2 스로틀밸브(60)는 전자제어유닛(100)의 제어로 부터 그 개방각도가 조절되므로서, 상기 제 2 스로틀밸브(60)의 조절된 개방각도에 의해 외접기어(50)로 부터 압축된 물의 분무압력은 일정하게 유지될수 있는 것이다.

한편, 상기 전자제어유닛(100)은 핀틀노즐(30)을 통한 물의 분무와 동시에 진공펌프를 작동시켜 EGR밸브(4) 및 흡기다기관(3)내에 위치하는 제 1 스로틀밸브(3a)의 개방각도를 조절한다.

그러면, 상기 물의 분무와 동시에 인터쿨러(8)를 통한 공기와 밴츄리를 통한 EGR이 실린더헤드(1)내의 연소실로 유입되므로서, EGR의 분배특성이 개선됨은 물론, 분무되는 물과 EGR 및 흡입공기의 동시 유입으로 부터 연소실내의 연소온도가 낮아지면서 그 연소에 따른 NOx의 저감 효과를 보다 극대화할수 있게 되는 것이다.

여기서, 상기 물탱크(20)의 일단에 설치된 가압유동밸브(70)는 제 2 스로틀밸브(60)의 닫힘동작이 이루어질 때 그 닫힘동작으로 부터 발생하는 압력으로 개방되어 핀틀노즐(30)을 통해 분무되지 않고 남은 물을 다시 물탱크(20)로 반송시키는 작용을 실시하도록 하였다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명 배기 재순환 시스템 및 그 제어방법은 실린더헤드의 외부에 EGR공기유입 밴츄리 및 EGR유입 밴츄리 구조를 가지는 EGR유입 플랜지를 설치한 후 그 EGR유입 플랜지에 인터쿨러를 통한 공기와 밴츄리를 통한 EGR과 함께 연소실로 물을 유입하는 물 분무용 핀틀노즐을 설치 구성하므로서, EGR의 분배특성을 개선하는 한편, 핀틀노즐을 통해 분무되는 물이 EGR 및 흡입공기와 잘 섞이도록 하여 연소실내의 연소온도를 낮출수 있도록 하면서 그 연소에 따른 NOx의 저감 효과를 보다 극대화할수 있는 효과를 제공한다.

즉, 본 발명은 유입 공기량이 축소되지 않고 EGR의 증가효과를 달성하여 NOx의 저감효과를 얻을수 있을뿐만 아니라, 이를 통해 THC는 물론 스모크 및 연비 저감효과를 동시에 얻을수 있는 것이다.

Claims (2)

1. 실린더헤드의 상하면으로 배기다기관과 제 1 스로틀밸브를 가지는 흡기다기관을 형성하고, 상기 흡기다기관에는 압축기에 의해 압축된 공기로 흡기공기를 냉각하도록 제 2 파이프라인을 통해 인터쿨러를 연결시킨 통상의 배기 재순환 시스템에 있어서,

   상기 실린더헤드의 외부에는 EGR공기유입 밴츄리 및 EGR유입 밴츄리 구조를 가지는 EGR유입 플랜지를 설치하고,

   상기 EGR유입 플랜지에는 제 1 라인을 통해 물탱크를 연결하되, 상기 제 1 라인의 일단에는 인터쿨러를 통한 공기와 밴츄리를 통한 EGR과 함께 실린더헤드내의 연소실로 EGR밸브에 의해 EGR가스가 유입될 때 이에 비례하여 EGR가스의 약 10%에 해당하는 맵핑비율로 물을 분무하도록 전자제어유닛의 제어에 따라 구동하는 물 분무용 핀틀노즐을 연결하며,

   상기 배기다기관과 흡기다기관은 EGR밸브가 결합된 제 2 라인으로 연결하되, 상기 제 2 라인에는 핀틀노즐을 통해 물이 분무될 때 그 분무되는 물의 온도를 저감시키는 EGR쿨러를 설치하고,

   상기 물탱크에 저장된 물은 크랭크샤프트의 팬벨트로 구동하는 외접기어에 의해 압축되도록 하며,

   상기 물탱크와 연결된 제 1 라인의 타단에는 외접기어에 의해 압축된 물의 분무압력을 일정하게 유지시키도록 전자제어유닛의 제어에 따라 개폐각도가 조절되는 제 2 스로틀밸브를 형성하고,

   상기 물탱크의 일단에는 제 2 스로틀밸브의 닫힘동작시 분무되지 않은 물을 물탱크로 반송시키도록 일정압력에 의해 개방되는 가압유동밸브를 설치 구성함을 특징으로 하는 배기 재순환 시스템.
2. 공기량을 측정한 후 그 측정된 공기량이 EGR의 적용 영역내인가를 판단하는 단계;

   상기 판단결과 EGR의 적용 영역내이면 그 EGR적용량을 계산한 후 핀틀노즐을 통해 실린더헤드의 연소실로 분무되는 물이 EGR가스에 비례하여 EGR가스의 약 10%에 해당하는 맵핑비율로 결정되면서 그 분무압력이 일정하게 유지되도록 제 2 스로틀밸브의 개방각도를 조절하는 단계; 및,

   상기 EGR적용량에 따라 물의 분무와 동시에 인터쿨러를 통한 공기와 밴츄리를 통한 EGR이 실린더헤드내의 연소실로 유입되도록 진공펌프를 작동시켜 EGR밸브 및 흡기다기관내에 위치하는 제 1 스로틀밸브의 개방각도를 조절하는 단계; 로 진행함을 특징으로 하는 배기 재순환 제어방법.