KR200421745Y1 - 자동차의 배기가스 재순환장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 자동차의 배기가스 중에 포함된 질소산화물(NOx)을 효과적으로 제어할 수 있게 한 자동차의 배기가스 재순환장치(EGR)에 관한 것으로 EGR 쿨러(C)의 냉각수 유입구(40)에 솔레노이드로 작동되는 버트플라이 밸브(V)를 장착하여 EGR 쿨러(C)로 유입되는 냉각수의 유량을 다단으로 조절하여 냉각수 배출구(50)로 배출시키는 핫/콜드 EGR을 가변제어 할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스의 재순환장치.

배기가스 재순환장치,EGR 쿨러,솔레노이드,버트플라이 밸브,질소산화물.

Description

자동차의 배기가스 재순환장치{The Exhaust Gas Recirculation Device of a Vehicle}

도 1 은 본 고안의 전체구조를 도시한 구조 개념도

도 2 는 종래 엔진의 EGR 시스템의 구조 개념도

도 3 은 종래 엔진의 EGR 쿨러 시스템의 구조 개념도

<도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명>

(10) 흡기관 (20) 배기관

(40) 냉각수 유입구 (50) 냉각수 배출구

(A) 배기가스 재순환장치 (C) EGR 쿨러

(E) EGR 밸브 (V) 버트플라이 밸브

본 고안은 자동차의 배기가스 중에 포함된 질소산화물(NOx)을 효과적으로 제어할 수 있게 한 자동차의 배기가스 재순환장치(EGR)에 관한 것으로 더욱 상세하게는 엔진의 흡기관으로 배출되는 배기가스의 일부를 EGR 쿨러(Cooler)를 경유하여 순환시키되 EGR 쿨러의 냉각수 유입량을 조절하여 적정온도의 배기가스를 순환시킬 수 있게 하여 가능한 출력과 연비저하를 최소로 하면서 연소시의 최고온도를 저하시켜 질소산화물의 발생률을 저하시킬 수 있게 한 것이다.

일반적으로 자동차 엔진을 연소효율이 가장 높은 이론 혼합비로 운전시키면 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)의 배출량은 감소하는데 반하여 질소산화물의 배출량은 증가되므로 상기 질소산화물의 배출량을 저감시키기 위해서는 도 3 과 같이 배기관(20)으로 배출되는 배기가스의 일부를 EGR 밸브(E)를 통하여 흡기관(10)의 흡기계통으로 재순환시켜 연소실(30)에서 연소시키는 배기가스 재순환장치가 사용되고 있다.

상기 배기가스 재순환장치(EGR)는 질소산화물을 저감시키기 위한 가장 효과적인 방법으로 배기가스의 이산화탄소(CO2)나 응축수(H2O) 등과 같은 비열이 높은 가스가 흡기의 일부와 치환되어 혼입됨으로 혼합기의 열용량이 증대되어 실린더 내부의 연소가스 온도상승을 억제하며 공기 과잉율을 저하시켜 서멀(Thermal) 질소산 화물 생성을 억제함으로서 전체 질소산화물의 발생량을 줄이는 원리이다.

상기 EGR율 적용의 경우 북미(SULEV,ULEV 등),유럽(EUROⅢ,Ⅳ 등) 및 각국의 규제에 대응하기 위해서는 고부하에서 50%,중속중부하에서 25%,고부하에서 10%까지 적용하여야 할 것으로 예상하고 있으며 또한 저부하에서는 핫(Hot)EGR을 사용하여 점화지연과 공연비를 감소함으로서 질소산화물뿐만 아니라 매연을 포함하는 입자상물질(PM:Particulate Matters)과 탄화수소(HC)도 동시에 저감시키고 중부하에서는 콜드(Cold)EGR 적용이 요구되고 있는 실정이다.

또한 디젤엔진의 배기규제가 엄격해지면서 연비와 PM의 증가 없이 질소산화물을 저감시키는 방법으로 기존의 EGR 밸브에 엔진냉각수를 이용한 열교환장치를 설치함으로서 비교적 적은 투자로 질소산화물 저감에 큰 효과를 얻을 수 있는 쿨드(Cooled)EGR의 필요성이 강조되고 있다.

상기 EGR 쿨러가 효과적으로 작동시키기 위해서는 배기가스의 온도가 700℃까지 올라가는 것을 150-200℃까지 냉각시킬 수 있게 내열재질의 사용과,압력강하가 크면 적절한 EGR 양을 공급하기 어렵기 때문에 압력강하를 최소화하여야 하며,열교환 중 배기가스로부터 응축이 발생하며 연료의 황성분 때문에 응축수에 황산이 포함되어 부식이 발생하기 쉽기 때문에 부식을 방지하여야 하고,배기가스의 맥동영향으로 기계적 부하가 작용하므로 기계적 강도유지가 필요하며,배출가스의 입자상 물질(PM) 등이 관내를 막을 수 있어 오염방지가 가능케 하는 EGR 쿨러가 요구되고 있는 실정이다.

종래의 EGR 쿨러 시스템은 도 3 과 같이 배기관(20)과 흡기관(10)의 사이에 설치되는 EGR 밸브(E)의 흡기관측으로 엔진 냉각수를 이용한 열교환장치인 EGR 쿨러(C)를 설치하고 EGR 쿨러(C)의 입구측 냉각수 유입구(40)로 냉각수를 공급하여 EGR쿨러(C)를 통해 배기가스를 냉각시키고 냉각수 배출구(50)를 통하여 냉각수를 배출시킬 수 있게 구성하여 엔진의 부압을 이용하여 EGR 밸브(E)의 유량을 제어하는 방법을 사용하고 있었다.

상기한 종래의 EGR 쿨러 시스템은 엔진의 부압을 이용하여 EGR 밸브의 유량을 단순 제어하므로 엔진의 운전상태 즉,엔진의 회전속도와 부하에 따른 냉각수 온도의 가변제어는 불가능하여 엔진의 조건에 따른 EGR 쿨러의 내부온도를 정밀하게 제어할 수 없어 실용성이 저하되는 문제점이 있었다.

따라서 본 고안은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 목적으로 안출된 것으로 EGR 쿨러의 냉각수 통로에 버트플라이 밸브를 장착하여 개도를 직접 개방,일부개방 및 폐쇄작동시켜 냉각수의 유량을 제어할 수 있게 구성하여 엔진의 회전속도와 부하 및 냉각수의 온도 등을 감지한 엔진의 작동상태를 파악하여 EGR 온도를 가변 조절하므로 정밀제어가 가능케 하여 엔진의 구동조건에 따른 질소산화물 뿐만 아니라 입자상물질과 탄화수소의 배출을 효과적으로 저감시킬 수 있게 한 배기가스 재순환 장치를 제공할 수 있게 하였다.

이하 고안의 요지를 첨부된 도면에 연계시켜 그 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 고안의 전체구조를 도시한 구조 개념도로로 흡기 매니폴드와 배기 매니폴드를 연결하는 EGR 통로 상에 EGR 밸브와 쿨러를 설치하고 EGR 쿨러의 냉각수 유입구에 솔레노이드로 작동되는 버트플라이 밸브를 설치하여 냉각수 통로의 개도를 개방,일부개방 및 폐쇄의 다단 작동으로 냉각수의 유량을 조절하여 핫 EGR과 콜드 EGR의 가변제어 할 수 있게 한 것을 설명하기 위한 개념을 도시한 것이다.

재순환 통로 상에 EGR 밸브(E)와 EGR 쿨러(C)를 설치하여 엔진상태에 따라 냉각수 유입구(40)로 냉각수를 공급하여 쿨러(C)를 통하여 냉각수 배출구(50)로 배출시킴으로서 EGR 온도를 조절하여 질소산화물 저감시키는 배기가스 재순환장치(A)에 있어서,

상기 EGR 쿨러(C)의 냉각수 유입구(40)에 솔레노이드로 작동되는 버트플라이 밸브(V)를 장착하여 EGR 쿨러(C)로 유입되는 냉각수의 유량을 다단으로 조절하여 냉각수 배출구(50)로 배출시키는 핫/콜드 EGR을 가변제어 할 수 있게 한 구조이다.

상기 냉각수 유입구(40)에 설치되는 버트플라이 밸브(V)는 엔진의 부하,회전속도(RPM) 및 냉각수의 온도에 따라 개도를 개방,일부개방 및 폐쇄 작동시킬 수 있게 하였다.

도면중 미설명 부호 (60)은 EGR 컨트롤러이다.

이와 같이 된 본 고안은 자동차의 배기가스 중에서 유해가스로 규제하고 있는 일산화탄소(CO),탄화수소(HC),질소산화물(NOx) 및 입자상 물질(PM)의 성분을 엔진의 작동조건에 따라 효과적으로 저감시킬 수 있는 친환경적인 엔진을 장착하여 저공해 자동차를 제공하기 위한 것이다.

도 1 에 도시된 바와 같이 엔진의 흡기관(10)에 배기관(20)으로 배출되는 배기가스의 일부를 EGR 밸브(E)와 EGR 쿨러(C)를 경유하여 순환시키되 EGR 쿨러(C)의 냉각수 유입량을 조절하여 적정온도의 배기가스를 순환시킬 수 있게 하는 것이다.

상기 EGR 쿨러(C)를 통하여 흡기관(10)으로 공급되는 배기가스의 온도를 조절하기 위하여 EGR 쿨러(C)의 일측과 타측에 각각 냉각수 유입구(40)와 냉각수 배출구(50)를 설치하고 냉각수를 공급하여 EGR 쿨러(C)의 온도를 조절하기 위하여 냉각수 유입구(40)에 버트플라이 밸브(V)를 장착시킨다.

상기 버트플라이 밸브(V)는 솔레노이드로 작동되고 솔레노이드의 작동은 3단계로 작동시킬 수 있게 하여 솔레노이드를 90˚로 작동시키면 버트플라이 밸브(V)는 냉각수 유입구(40)의 흐름방향으로 수직으로 작동하여 개도를 전면 개방시켜 냉각수를 최대한 공급할 수 있고 솔레노이드를 45˚로 작동시키면 버트플라이 밸브(V)는 냉각수 유입구(40)의 흐름방향으로 45˚ 경사지게 개방 작동되어 개도의 일부를 개방시켜 냉각수를 일부만 공급하며 솔레노이드를 0˚로 작동시키면 버트플라이 밸브(V)는 냉각수 유입구(40)의 흐름방향으로 수평으로 작동하여 개도를 폐쇄시켜 냉각수가 EGR 쿨러(C)로 유입되지 못하게 차단시키는 것이다.

상기 EGR 쿨러(C)의 작동은 다음과 같다.

엔진의 EGR율이 증가하면 매연이 증대되며 연비도 초기에는 향상되었다가 어느 시점에서 급격하게 악화되며 이들 제반인자들을 고려해 엔진 작동점에서 최적의 EGR율을 결정하여야 하며 최적의 EGR율의 결정은 일산화탄소,탄화수소,매연 및 연비가 과도하게 증가하지 않는 범위에서 결정하여야 하는 것이다.

상기 EGR 쿨러(C)는 자동차 엔진의 부하,회전속도 및 냉각수의 온도 정보를 ECU(도시없음)에 의해 전달받아 작동하는 것으로 핫 EGR의 경우 EGR 쿨러(C)의 일측에 장착된 냉각수 유입구(40)에 장착된 버트플라이 밸브(V)를 폐쇄 작동시켜 즉,솔레노이드를 0˚로 작동시켜 개도를 막아버리면 EGR 쿨러(C)의 내부가 열교환이 적어져서 핫 EGR 가스가 엔진으로 유입되게 하는 것이다.

콜드 EGR의 경우는 EGR 쿨러(C)의 일측에 장착된 냉각수 유입구(40)에 장착된 버트플라이 밸브(V)를 개방 작동시켜 즉,솔레노이드를 90˚로 작동시켜 개도를 열어버리면 EGR 쿨러(C)의 내부로 최대유량의 냉각수가 공급되어 열교환이 많아져서 콜드 EGR 가스가 엔진으로 유입되게 하는 것이다.

또한 중간온도의 EGR 가스를 엔진으로 공급하기 위해서는 EGR 쿨러(C)의 일측에 장착된 냉각수 유입구(40)에 장착된 버트플라이 밸브(V)를 일부 개방 작동시켜 즉,솔레노이드를 45˚로 작동시켜 개도를 일부 열어서 EGR 쿨러(C)의 내부로 일정량의 냉각수가 공급되어 열교환이 부분적으로 이루어져 중간온도의 EGR 가스가 엔진으로 유입되게 하는 것이다.

상기한 바와 같이 버트플라이 밸브(V)의 3단계 다단작동으로 냉각수의 유량을 가변제어함으로써 핫/콜드 EGR을 정밀제어가 가능케 하였다.

본 고안은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 고안의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

그러므로 본 고안은 배기가스의 재순환시 엔진의 상태에 따라 적정온도로 가변제어 함으로서 가솔린 엔진의 경우 연소실의 연소온도를 저하시키고 디젤 엔진의 경우에는 연소공기의 산소농도를 저감시킴으로 질소산화물뿐만 아니라 일산화탄소,탄화수소 및 입자상 물질의 배출을 저감시켜 친환경적인 저공해 자동차를 제공할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (2)

1. 재순환 통로 상에 EGR 밸브(E)와 EGR 쿨러(C)를 설치하여 엔진상태에 따라 냉각수 유입구(40)로 냉각수를 공급하여 쿨러(C)를 통하여 냉각수 배출구(50)로 배출시킴으로서 EGR 온도를 조절하여 질소산화물 저감시키는 배기가스 재순환장치(A)에 있어서,

   상기 EGR 쿨러(C)의 냉각수 유입구(40)에 솔레노이드로 작동되는 버트플라이 밸브(V)를 장착하여 EGR 쿨러(C)로 유입되는 냉각수의 유량을 다단으로 조절하여 냉각수 배출구(50)로 배출시키는 핫/콜드 EGR을 가변제어 할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스의 재순환장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 냉각수 유입구(40)에 설치되는 버트플라이 밸브(V)는 엔진의 부하,회전속도(RPM) 및 냉각수의 온도에 따라 개도를 개방,일부개방 및 폐쇄 작동시킬 수 있게 한 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스의 재순환장치.

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