KR200439698Y1 - Ｅｇｒ 장치 - Google Patents

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KR200439698Y1 KR2020070001263U KR20070001263U KR200439698Y1 KR 200439698 Y1 KR200439698 Y1 KR 200439698Y1 KR 2020070001263 U KR2020070001263 U KR 2020070001263U KR 20070001263 U KR20070001263 U KR 20070001263U KR 200439698 Y1 KR200439698 Y1 KR 200439698Y1
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Abstract

본 고안은 엔진으로부터 배기되는 배기가스를 엔진으로 흡기되는 흡기유체로 재순환시키는 재순환유로와, 상기 재순환유로 상에 설치되어 재순환되는 배기가스를 냉각시키는 EGR 쿨러와, 상기 재순환유로 상에 설치되어 재순환되는 배기가스의 유량을 제어하는 액츄에이터를 포함하여 이루어지되, 상기 재순환유로의 유입구는, 엔진으로부터 배기되는 배기가스의 상류를 향하여 개구되는 것을 특징으로 하는 EGR 장치를 제공한다. 바람직하게는, 상기 재순환유로의 유입구는 상기 배기관과 평행하게 형성된다. 또한, 상기 재순환유로의 유입구는 상기 배기관 내에 인입되어 형성된다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 재순환유로의 유출구는, 엔진으로 흡기되는 흡기유체의 하류를 향하여 개구된다. 바람직하게는, 상기 재순환유로의 유출구는 상기 흡기관과 평행하게 형성된다. 또한 상기 재순환유로의 유출구는 상기 흡기관 내에 인입되어 형성된다.

Description

ＥＧＲ 장치{EXHAUST GAS RECIRCULATION DEVICE}
도 1은 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 EGR 장치를 보여주는 도면이다.
도 2는 NO 농도에 대한 예측 계산치와 실측치의 관계를 보여주는 도면이다.
도 3은 배기가스 최고온도와 NO 생성농도의 관계를 보여주는 도면이다.
본 고안은 EGR 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 우수한 응답 특성 및 유해 배기가스 저감 성능을 가지는 EGR 장치에 관한 것이다.
디젤엔진은 가솔린엔진에 비하여 연소 효율이 좋은 것은 대부분의 운전조건에서 공기과잉으로 인하여 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC)는 상대적으로 적게 배출되는 장점이 있지만, 질소 산화물(NOx)과 입자상물질(PM)이 많이 배출되는 단점을 가지고 있다.
입자상물질(PM)은 대기 및 인체에 위험성을 미치는 것으로 알려지고 있고, 질소산화물(NOx)은 지구 온난화에 영향을 미치는 것으로 알려지고 있다.
특히 건설장비, 트럭, 버스 등의 대형 차량에 장착되는 디젤엔진 차량의 경우에는 대기오염도를 높이는 입자상물질과 질소산화물이 일반 디젤엔진 차량에 비하여 다량 배출되고 있으며, 이러한 대형 차량용 디젤엔진의 배기가스 규제가 날로 강화되어 가고 있어 이에 대한 대책이 요구되고 있는 실정이다.
디젤엔진 차량의 유해 배출가스 저감에 대응할 수 있는 기술은 크게 고압 연료시스템과 같은 연료분사계(Common Rail), TCI(Turbo Charger Intercooler)와 같은 흡기계, EGR(Exhaust Gas Recirculation) 장치, 등을 적용한 엔진 기술과 촉매, 필터, 등의 후처리 기술로 크게 구별한다.
여기서 유해 배기가스, 특히 NOx를 저감시키는 기술로는 EGR 장치가 효율적인 것으로 알려지고 있다. EGR 장치는 배기가스 재순환 장치로서, 엔진으로부터 배기되는 배기가스를 엔진으로 흡기되는 흡기유체로 재순환시킴으로써, 유해 배기가스, 특히 NOx를 저감시키는 장치이다.
EGR 장치는 배기가스의 재순환을 위하여 별도의 펌핑 수단을 구비하여 배기가스를 강제적으로 재순환시킬 수도 있으나, 전형적으로는 별도의 펌핑 수단을 두지 않고, 엔진의 배기관 및 흡기관의 압력차에 의하여 배기관 내의 배기가스가 자연적으로 흡기관쪽으로 재순환되도록 하는 구성을 가지고 있다.
따라서 EGR 장치 내에서 배기가스가 자발적이면서도 원활하게 순환될 수 있도록 하는 것은 EGR 장치의 성능을 결정하는 가장 중요한 인자가 된다.
그러나 종래의 EGR 장치에서는 배기가스의 순환 성능이 좋지 못하여, 엔진의 부하 변동에 따른 EGR 장치의 응답 특성이 떨어지고, 요구되는 순환 유량을 얻지 못함으로써 유해 배기가스의 저감 성능이 열악한 문제점을 가지고 있었다.
또한 EGR 장치는 배기가스의 온도를 저하시키기 위하여 쿨러를 구비하는데, 종래의 EGR 장치에서는 엔진의 냉각수를 이용한 수냉식 쿨러가 사용되었다. 그러나 이러한 수냉식 쿨러로 인하여, EGR 장치의 성능이 그다지 좋지 못한 문제점이 있었다.
본 고안은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 고안의 목적은 배기가스의 순환 성능을 높여 엔진의 부하 변동에 따른 EGR 장치의 응답 특성과 유해 배기가스의 저감 성능을 향상시키는데 있다.
또한 본 고안은 EGR 쿨러의 냉각 성능을 향상시켜, EGR 장치의 성능을 향상시키는데 또 다른 목적이 있다.
또한 본 고안은 엔진의 다양한 상태 변화에 대응하여 최적의 조건으로 EGR 장치를 제어함으로써, EGR 장치의 성능을 향상시키는데 또 다른 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 고안은 엔진으로부터 배기되는 배기가스를 엔진으로 흡기되는 흡기유체로 재순환시키는 재순환유로와, 상기 재순환유로 상에 설치되어 재순환되는 배기가스를 냉각시키는 EGR 쿨러와, 상기 재순환유로 상에 설치되어 재순환되는 배기가스의 유량을 제어하는 액츄에이터를 포함하여 이루어지 되, 상기 재순환유로의 유입구는, 엔진으로부터 배기되는 배기가스의 상류를 향하여 개구되는 것을 특징으로 하는 EGR 장치를 제공한다.
바람직하게는, 상기 재순환유로의 유입구는 배기관과 평행하게 형성된다. 또한, 상기 재순환유로의 유입구는 상기 배기관 내에 인입되어 형성된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 재순환유로의 유출구는, 엔진으로 흡기되는 흡기유체의 하류를 향하여 개구된다.
바람직하게는, 상기 재순환유로의 유출구는 흡기관과 평행하게 형성된다. 또한 상기 재순환유로의 유출구는 상기 흡기관 내에 인입되어 형성된다.
바람직하게는, 상기 EGR 쿨러로는 공랭식 쿨러가 사용된다.
바람직하게는, 상기 재순환유로 상에 벤츄리관이 설치된다. 상기 벤츄리관은 상기 액츄에이터의 하류에 구비된다.
바람직하게는, 상기 액츄에이터는 밸브와 컨트롤러를 구비하고, 상기 밸브는 상기 재순환유로 상에 설치되어 재순환되는 배기가스의 유동을 단속하여 재순환되는 배기가스의 유량을 조절하고, 상기 컨트롤러는 엔진의 회전수, 흡기유체의 압력 및 배기가스의 온도 중 적어도 하나 이상의 데이터를 기초로 상기 밸브의 작동을 제어한다.
여기서, 상기 컨트롤러는 엔진의 회전수, 흡기유체의 압력 및 배기가스의 온도 중 적어도 어느 하나 이상이 커지면 상기 밸브를 개방하고, 적어도 어느 하나 이상이 작아지면 상기 밸브를 폐쇄한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 EGR 장치를 보여주는 도면이다.
도시한 바와 같이, 도 1의 EGR 장치는 재순환유로(210)와 EGR 쿨러(220)와 액츄에이터(Actuator)(230)를 포함하여 이루어진다. 이 밖에도 EGR 장치는 벤츄리관(240)을 포함한다.
재순환유로(210)는, 엔진(110)으로부터 배기되는 배기가스(E)가 지나는 배기관(130)에 유입구(210b)가 연결되고, 엔진(110)으로 흡기되는 흡기유체(S)가 지나는 흡기관(120)에 유출구(210a)가 연결되어, 배기가스(E)를 흡기유체(S)로 순환시킨다.
즉 배기가스(E)의 일부를 분기시켜 재순환유로(210)를 거쳐 재순환시키고, 재순환된 배기가스(E)를 엔진(110)으로 공급되는 신기와 혼합하여 엔진(110)에 다시 공급한다.
바람직하게는, 재순환유로(210)의 유입구(210b)는 배기관(130) 내에 인입되어 형성된다. 재순환유로(210)의 유입구(210b)는 엔진(110)으로부터 배기되는 배기가스(E)의 상류를 향하여 개구(Opening)되고, 배기관(130)과 평행하게 형성된다.
따라서 배기관(130) 내의 고압의 배기가스(E)가 압력 손실 없이 자연스럽게 재순환유로(210)의 유입구(210b)로 유입될 수 있어, 배기가스(E)의 순환 성능을 높일 수 있다.
도 1에서는, 재순환유로(210)의 유입구(210b)가 형성되는 끝단이 엘보우(elbow) 형상을 하는 실시예를 보여주고 있다.
바람직하게는, 재순환유로(210)의 유출구(210a)는 흡기관(120) 내에 인입되 어 형성된다. 재순환유로(210)의 유출구(210a)는 엔진(110)으로 흡기되는 흡기유체(S)의 하류를 향하여 개구(Opening)되고, 흡기관(120)과 평행하게 형성된다.
따라서 재순환되는 배기가스(E)가 신기의 압력 저항 없이 자연스럽게 흡기관(120) 내로 유출될 수 있어, 배기가스(E)의 순환 성능을 높일 수 있다.
도 1에서는, 재순환유로(210)의 유출구(210a)가 형성되는 끝단이 엘보우(elbow) 형상을 하는 실시예를 보여주고 있다.
이러한 배기가스(E)의 순환 성능의 향상은 종국적으로 EGR 장치의 성능 향상으로 이어지게 된다.
디젤엔진(110)의 연소 과정에서는 항상 공기 과잉 상태에서 이루어지기 때문에 연소되는 배기가스(E) 중에는 NOx의 유해 가스가 많이 발생한다. 이 NOx는 엔진(110)의 실린더에서 연소할 때 고온에 의하여 공기 중의 질소와 산소가 결합하여 생성된다.
따라서 연소가 끝난 배기가스(E)를 흡기유체(S)로 재순환시켜 혼입시킴으로써, 연소를 완만하게 하여 최고 연소온도를 내리고, NOx를 저감하는 것이다.
NOx의 생성기구를 살펴보면 다음과 같다.
엔진(110)의 연소실 내에서 생성되는 것은 거의 NO이므로 NO에 대하여 생각한다.
NO는 연소에 의한 고온, 고압 하에서 N2와 O2가 반응하여 생성되며, 그 반응의 소반응과 생성인자에 대하여 기술하면 다음과 같이 설명할 수 있다.
연소실 내의 연소반응으로 NO가 생성하는 경우의 소반응식은 확대 Zel' dovich 기구라 불리우는 다음의 세 식에 의하여 대표된다.
O + N2 ↔ NO + N
N + O2 ↔ NO + O
N + OH ↔ NO + H
이 소반응을 기본으로 하여 연소실 내에서의 NO 생성량은 시뮬레이션에 의하여 예측될 수 있으며, 도 2에 도시한 바와 같이, 예측 계산결과와 실측결과는 잘 일치하고 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, NO 생성을 지배하는 큰 인자는 O2 농도 및 연소가NO 생성 시뮬레이션 결과로부터 명확해지고 있다.
도 3으로부터 연소가스 온도가 2500K 부근에서부터 NO 생성이 시작되어, 100K의 온도 상승에 의하여 NO가 1000~2000 ppm까지 증가되고 있다. 이로부터 발열량이 일정하면, 연소가 빠르고 열손실이 적을수록 연소가스 최고온도가 높아지므로, NO 배출 농도가 증대됨을 알 수 있고, 역으로 잔류가스 등에 의하여 연소가 늦어지게 되면 NO는 저감된다.
따라서 본 발명에서는 연소를 완만하게 하여 최고 연소 온도를 내려 연소 초기과정에서 많이 발생하는 NOx를 저감시킨다.
EGR 쿨러(220)는, 재순환유로(210) 상에 설치되어 재순환되는 배기가스(E)를 냉각시킨다.
종래의 EGR 장치에서는 EGR 쿨러(220)로 엔진(110)의 냉각수를 이용하는 수냉식 쿨러(220)를 사용하였다. 따라서 기본적으로 80 ~ 100℃의 온도에서 냉각시키기 시작하므로, 그 냉각 성능이 좋지 못하여 EGR 장치의 성능 향상을 기대하기 힘들었다.
이에 반하여, 본 고안에서는 공랭식 쿨러(220)를 사용하여 대기 상태에서 보다 냉각 효율을 높임으로써, 종국적으로 EGR 장치의 성능 향상을 도모한다. 바람직하게는 본 고안의 EGR 쿨러(220)는 냉각 핀(fin)이 장착되고, 냉각 효과를 높이기 위하여 냉각 팬(fan)을 구비한다.
액츄에이터(230)는 재순환유로(210) 상에 설치되어 재순환되는 배기가스(E)의 유량을 제어한다. 액츄에이터(230)는 밸브(231)와 컨트롤러(233)를 구비한다.
밸브(231)는 재순환유로(210) 상에 설치되어 재순환되는 배기가스(E)의 유동을 개폐 단속하여 재순환되는 배기가스(E)의 유량을 조절한다.
바람직하게 직동식 솔레노이드 밸브(Direct lift type solenoid valve)가 사용된다. 직동식 밸브는 다이어프램(diaphragm)과 플런저(plunger)가 기계적으로 연결되어 있어 밸브 내의 압력에 영향을 받지 않고, 차압이 0인 상태에서도 작동할 수 있다.
밸브(231)는 내열성 시트를 사용하여 고온의 배기가스(E)에도 견딜 수 있도록 한다.
컨트롤러(233)는 엔진 회전수, 흡기유체(S)의 압력 및 배기가스(E)의 온도 데이터를 받아, 이를 기초로 엔진(110)의 부하량을 유추하여, 매핑 데이터에 의해 제어 신호를 밸브(231)에 송출하여, 밸브(231)의 개폐수로 재순환되는 배기가스(E)의 유량을 변화시켜 효과적으로 NOx를 저감시킨다.
종래의 EGR 장치에서는 배기가스(E)의 온도 데이터만을 기초로 밸브(231)의 작동을 제어하였다. 따라서 엔진(110)의 상태에 정확히 부합되는 유량 제어를 하기에 미흡하여 결과적으로 NOx 저감 성능이 좋지 못한 단점이 있었다.
따라서 본 발명에서는 배기가스(E)의 온도뿐 아니라, 엔진 회전수 및 흡기유체(S)의 압력을 변수로 도입하여 종국적으로 효과적인 EGR 장치의 운전을 가능하게 하였다.
엔진의 회전수는 플라이휠의 회전수를 펄스 신호로 검출하는 센서를 이용하여 측정할 수 있다. 엔진의 회전수가 증가하면 엔진(110)에서 연소되고 배기되는 가스의 유량이 증가되므로, 그에 따라 EGR 장치를 순환하는 배기가스(E)의 재순환 유량도 증가시킬 필요가 있다. 따라서 엔진(110)의 회전수가 증가하면 밸브(231)를 개방하고, 엔진(110)의 회전수가 감소하면 밸브(231)를 폐쇄하도록 제어하는 것이다.
또한 흡기유체(S)의 압력이 증가하면, 재순환유로(210)의 유출구(210a)를 통하여 유출되는 배기가스(E)에 배압(back pressure)으로 작용하여 흡기관(120) 내로 배기가스(E)의 유출이 저해되므로, 밸브(231)를 개방하여 재순환 유량이 감소되지 않도록 하는 것이다. 반대로 흡기유체(S)의 압력이 감소하면 밸브(231)를 폐쇄한다.
배기가스(E)의 온도가 증가하면, 그에 따라 배기가스(E) 내에 질소산화물 함량이 증가되므로, 배기가스(E)의 재순환 유량을 증가시킬 필요가 있으므로, 밸브(231)를 개방한다. 반대로 배기가스(E)의 온도가 감소하면 밸브(231)를 폐쇄한다. 따라서 차량의 시동시나 초기 구동시에 엔진 시동성 저하를 방지할 수 있다.
벤츄리관(venturi tube)(240)은 유속을 높여 EGR 장치의 응답 특성을 향상시키고, 배기가스(E)의 순환 성능을 향상시킬 수 있도록 하는데 기여한다. 바람직하게, 벤츄리관(240)은 밸브(231)의 하류에 구비된다.
베루누이(Bernoulli)의 식을 적어보면 다음과 같다.
v (Pe - Pi) + (Ve 2 - Vi 2)/2 + g (Ze - Zi) = 0
여기서 위치 에너지 변화는 없으므로, 세번째 항은 무시할 수 있다.
따라서,
v (Pe - Pi) + (Ve 2 - Vi 2)/2 = 0
으로 정리할 수 있다.
따라서 벤츄리관(240)을 설치하여 유속을 증가시키고 압력을 감소시켜 EGR 장치 내로 배기가스(E)를 흡입하는 흡입력을 높이고 EGR 장치의 신속한 응답 특성의 확보를 가능하게 한다.
상술한 EGR 장치를 디젤엔진(110)에 장착한 디젤엔진 차량은 우수한 NOx저감 성능을 가지게 된다.
지금까지 EGR 장치 및 이를 구비하는 디젤엔진 차량을, 첨부한 도면을 참조하여 설명하였으나, 이는 어디까지나 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 일 실시예를 구체적으로 설명한 것에 불과하며, 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 이하의 청구범위에 기재된 기술적 사상의 범주 내에서 다양하게 변형 실시할 수 있을 것이고, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함되어야 함은 물론이다.
상기한 구성에 따르면, 본 고안은 배기가스의 순환 성능을 높여 엔진의 부하에 따른 EGR 장치의 응답 특성과 유해 배기가스의 저감 성능을 향상시킬 수 있다.
또한 본 고안은 EGR 쿨러의 냉각 성능을 향상시켜, EGR 장치의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한 본 고안은 엔진의 다양한 상태 변화에 대응하여 최적의 조건으로 EGR 장치를 제어함으로써, EGR 장치의 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 엔진으로부터 배기되는 배기가스를 엔진으로 흡기되는 흡기유체로 재순환시키는 재순환유로와,
    상기 재순환유로 상에 설치되어 재순환되는 배기가스를 냉각시키는 EGR 쿨러와,
    상기 재순환유로 상에 설치되어 재순환되는 배기가스의 유량을 제어하는 액츄에이터를 포함하여 이루어지되,
    상기 재순환유로의 유입구는, 엔진으로부터 배기되는 배기가스의 상류를 향하여 개구되고,
    상기 재순환유로의 유입구는, 엔진으로부터 배기되는 배기가스가 지나는 배기관 내에 인입되고, 상기 배기관과 평행하게 형성되는 것을 특징으로 하는 EGR 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 재순환유로의 유출구는, 엔진으로 흡기되는 흡기유체의 하류를 향하여 개구되고, 엔진으로 흡기되는 흡기유체가 지나는 흡기관 내에 인입되며, 상기 흡기관과 평행하게 형성되고,
    상기 EGR 쿨러는 공랭식 쿨러이고,
    상기 재순환유로의 상기 액츄에이터의 하류에 벤츄리관을 추가적으로 구비하고,
    상기 액츄에이터는 밸브와 컨트롤러를 구비하고,
    상기 밸브는 상기 재순환유로 상에 설치되어 재순환되는 배기가스의 유동을 단속하여 재순환되는 배기가스의 유량을 조절하고,
    상기 컨트롤러는 엔진의 회전수, 흡기유체의 압력 및 배기가스의 온도 중 적어도 하나 이상의 데이터를 기초로 상기 밸브의 작동을 제어하되, 엔진의 회전수, 흡기유체의 압력 및 배기가스의 온도 중 적어도 어느 하나 이상이 커지면 상기 밸브를 개방하고, 적어도 어느 하나 이상이 작아지면 상기 밸브를 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 EGR 장치.
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