KR20080017570A

KR20080017570A - 가솔린 엔진의 연료 공급 및 배기 시스템

Info

Publication number: KR20080017570A
Application number: KR1020060078791A
Authority: KR
Inventors: 목종수
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-08-21
Filing date: 2006-08-21
Publication date: 2008-02-27
Also published as: KR101262384B1

Abstract

본 발명은 가솔린 엔진의 연료 공급 및 배기 시스템에 관한 것으로, 연료인 가솔린을 개질화 가스로 생성한 후 가솔린과 함께 혼합해 엔진의 희박 연소 구간을 확대시켜, 질소 산화물의 배출을 줄여 주면서 질소 산화물 정화를 위한 배기계의 촉매사용량을 작게 하면서도 정화 성능을 향상함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 엔진(1)의 일측에 장착된 흡기매니폴드(2)와 함께 형성되어 연소실로 혼합기를 공급하는 혼합기공급부와, 연소실로 유입되는 일부 연료를 개질화 시켜 혼합기쪽으로 공급하는 개질화 연료공급부, 연료 개질화를 위해 요구되는 공기를 배기가스 재순환장치(EGR)를 통해 공급하는 배기가스공급부 및 흡기매니폴드(2)가 장착된 반대쪽 엔진(1)부위에서 연소 후 발생된 배기가스를 배기매니폴드(8)를 통해 집중하면서 개질화 가스 중 일부를 혼합해 촉매컨버터(10)를 거쳐 외부로 배출하는 배기가스정화부로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

가솔린 엔진의 연료 공급 및 배기 시스템{Fuel suppling and Exhaust gas purified system in gasoline engine}

도 1은 본 발명에 따른 가솔린 엔진의 연료 공급 및 배기 시스템의 구성도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 엔진 2 : 흡기매니폴드

3 : 외부공기공급라인 4 : 연료공급라인

5 : 리포머 6 : 개질가스공급라인

6a : 개질가스분기라인 7 : EGR라인

7a : EGR분기라인 8 : 배기매니폴드

9 : 배기가스배출라인 10 : 촉매컨버터

본 발명은 가솔린 엔진에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가솔린 엔진의 연료 공급 및 배기 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 엔진에서 연소된 배기가스는 인체에 유해하고 환경을 오 염시킬 수 있는 성분들을 다량 함유하고 있기 때문에, 외부로 배출 전 반드시 정화처리를 하도록 규제한다.

이러한 배기 가스 중 특히 탄화수소와 일산화탄소 및 질소산화물과 같은 유해한 가스는 배출기준은 강력하게 규제되어, 배기가스의 외부 배출시 특정 규제 조건에 대한 기준을 충족시켜야 함은 물론이다.

그러나, 가솔린 엔진은 연소 영역을 확장시키는데 한계가 있어 더욱 강화되는 배기가스 규제 법규를 만족하기 위해 삼원촉매를 사용하게 되지만, 이는 배기 가스 정화 최적화를 위해 공기와 가솔린의 당량비가 1에서 벗어나지 못하는 한계성을 갖게 되며, 이로 인해 냉 시동 영역에서는 농후한 조건으로 연료를 분사해야 만 되어, 배기 가스 규제의 85%를 차지하는 탄화수소물을 배출하는 악영향을 주게 되는 한계가 있게 된다.

이에 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 것으로, 연료인 가솔린을 개질화 가스로 생성한 후 가솔린과 함께 혼합해 엔진의 희박 연소 구간을 확대시켜, 질소 산화물의 배출을 줄여 주면서 질소 산화물 정화를 위한 배기계의 촉매사용량을 작게 하면서도 정화 성능을 향상함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 목적은 가솔린을 개질화 하기 위한 리포머를 플라즈마 타입으로 하여, 개질화 가스의 연소안정성을 향상하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 가솔린을 개질화 하기 위한 플라즈마 타입 리포머에 공급되 는 공기를 배기가스 재 순환장치(EGR, Exhaust Gas Recirculation)를 통해 공급하여, 배기가스 재 순환량을 최대화하면서 재 순환되는 배기가스를 이용해 질소산화물 발생을 줄여주는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 가솔린 엔진의 연료 공급 및 배기 시스템이 엔진의 일측에 장착된 흡기매니폴드와 함께 형성되어 연소실로 혼합기를 공급하는 혼합기공급부와,

연소실로 유입되는 일부 연료를 개질화 시켜 혼합기쪽으로 공급하는 개질화 연료공급부,

연료 개질화를 위해 요구되는 공기를 배기가스 재순환장치(EGR)를 통해 공급하면서 산화제 역할을 부여하는 배기가스공급부 및

흡기매니폴드가 장착된 반대쪽 엔진부위에서 연소 후 발생된 배기가스를 배기매니폴드를 통해 집중하면서 개질화 가스 중 일부를 혼합해 촉매컨버터를 거쳐 외부로 배출하는 배기가스정화부

로 이루어진 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 혼합기공급부는 외부에서 유입하는 외부 공기를 정화한 후 흡기매니폴드쪽으로 공급하는 외부공기공급라인과, 연료 탱크로부터 배출되는 연료를 외부 흡입공기와 섞어 연소실로 공급하는 연료공급라인, 배기가스 재순환장치(EGR)를 이루어 ECU의 제어에 의해 배기가스를 연료와 외부공기의 혼합기와 함께 연소실로 공급하는 EGR라인으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 개질화 연료공급부는 연료공급라인에서 분기되어 일부 연료를 유 입함과 더불어 EGR라인에서 분기된 EGR분기라인을 통해 배기가스를 유입하여 연료를 개질화 시키도록 전원이 공급되어 작동되는 리포머와, 상기 리포머에서 개질화된 가스를 연료와 외부공기의 혼합기와 함께 연소실로 공급하는 개질가스공급라인으로 구성되어진 것을 특징으로 한다.

이와 더불어, 상기 배기가스공급부는 배기매니폴드에서 배출되는 배기 가스를 연소실쪽으로 재 공급하도록 ECU에 의해 제어되는 배기가스 재순환장치(EGR)를 이루는 EGR라인과, 상기 EGR라인에서 분기되어 연료 개질화를 위해 요구되는 공기대신 배기가스를 공급하는 배기가스분기라인으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배기가스정화부는 엔진에서 배출되는 배기가스를 집중하는 배기매니폴드에서 이어져 EGR이 연결되면서 배기가스를 외부로 배출하는 흐름 통로인 배기가스배출라인과, 연소실로 공급되는 개질 가스 중 일부를 배기가스배출라인으로 유입시키도록 연결된 개질가스분기라인 및 상기 배기가스배출라인상에서 배기 가스 내 유해 성분인 질소 산화물을 정화하는 촉매컨버터로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 가솔린 엔진의 연료 공급 및 배기 시스템의 구성도를 도시한 것인바, 본 발명은 엔진(1)의 일측에 장착된 흡기매니폴드(2)와 함께 형성되어 연소실로 혼합기를 공급하는 혼합기공급부와, 연소실로 유입되는 일부 연료를 개질화 시켜 혼합기쪽으로 공급하는 개질화 연료공급부, 연료 개질화를 위해 요구되는 공기를 배기가스 재순환장치(EGR)를 통해 공급하면서 산화제 역할을 부여하는 배기가스공급부 및 흡기매니폴드(2)가 장착된 반대쪽 엔진(1)부위에서 연소 후 발생된 배기가스를 배기매니폴드(8)를 통해 집중하면서 개질화 가스 중 일부를 혼합해 촉매컨버터(10)를 거쳐 외부로 배출하는 배기가스정화부로 이루어진다.

여기서, 상기 혼합기공급부는 외부에서 유입하는 외부 공기를 필터링(Filtering)한 후 흡기매니폴드(2)쪽으로 공급하는 외부공기공급라인(3)과, 연료 탱크로부터 배출되는 연료를 외부 흡입공기와 섞어 연소실로 공급하는 연료공급라인(4), 배기가스 재순환장치(EGR)를 이루어 ECU의 제어에 의해 배기가스를 연료와 외부공기의 혼합기와 함께 연소실로 공급하는 EGR라인(7)으로 이루어진다.

또한, 상기 개질화 연료공급부는 연료공급라인(4)에서 분기되어 일부 연료를 유입함과 더불어 EGR라인(7)에서 분기된 EGR분기라인(7a)을 통해 배기가스를 유입하여 연료를 개질화 시키도록 전원이 공급되어 작동되는 리포머(5)와, 상기 리포머(5)에서 개질화된 가스를 연료와 외부공기의 혼합기와 함께 연소실로 공급하는 개질가스공급라인(6)으로 구성되어진다.

여기서, 상기 리포머(5)는 플라즈마(Plasma)타입 리포머로서, 이는 빠른 응답성과 다양한 연료의 개질 시 추가적인 개발이 요구되지 않는 성능을 구현하는 특징이 있음은 물론이다.

그리고, 상기 리포머(5)를 작동시키는 전원은 통상적인 연료 개질기를 구성하는 전원 라인을 이용함은 물론이다.

또한, 상기 배기가스공급부는 배기매니폴드(8)에서 배출되는 배기 가스를 연소실쪽으로 재 공급하도록 ECU에 의해 제어되는 배기가스 재순환장치(EGR)를 이루는 EGR라인(7)과, 상기 EGR라인(7)에서 분기되어 연료 개질화를 위해 요구되는 공기대신 배기가스를 공급하는 배기가스분기라인(7a)으로 이루어진다.

여기서, 상기 EGR은 EGR작용 측면에서 통상적인 경우와 같이, 엔진의 배기매니폴드와 흡기매니폴드 사이에 배기가스 흐름 경로인 라인을 연결하고, 상기 라인에 EGR 밸브를 설치하여 ECU나 또는 흡기매니폴드의 부압에 의하여 제어하는 것으로, 이때 상기 ECU는 엔진 회전속도와 엔진 온도, 흡입 공기량, 흡기매니폴드의 진공도 등에 의하여 질소산화물(NOx)의 배출량이 많은 운전 영역에서 EGR 밸브를 개방하여, 배기가스가 외부로 배출되기 전 엔진으로 다시 배기가스를 재 순환시키게 됨은 물론이다.

그리고, 상기 배기가스정화부는 엔진(1)에서 배출되는 배기가스를 집중하는 배기매니폴드(8)에서 이어져 EGR이 연결되면서 배기가스를 외부로 배출하는 흐름 통로인 배기가스배출라인(9)과, 연소실로 공급되는 개질 가스 중 일부를 배기가스배출라인(9)으로 유입시키도록 연결된 개질가스분기라인(6a) 및 상기 배기가스배출라인(9)상에서 배기 가스 내 유해 성분인 질소 산화물을 정화하는 촉매컨버터(10)로 이루어진다.

이때, 상기 개질가스분기라인(6a)은 리포머(5)에서 연소실쪽으로 연결되는 개질가스공급라인(6)에서 분기되어져 배기가스배출라인(9)으로 연결되되, EGR라인(7)과 촉매컨버터(10)사이에 위치되어진다.

그리고, 상기 촉매컨버터(10)는 통상적인 촉매 변환기(CATALYTIC CONVERTER)로서, 그 자신은 변화하지 않으면서 다른 물질의 화학반응을 촉진시켜 주는 물질인 촉매(CATALYST)를 이용하여 자동차의 배기가스 중에서 유해 물질인 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx) 등을 산화(OXIDATION) 또는 환원(REDUCTION) 반응으로 정화시켜 무해한 물질로 변환시켜주는 장치로, 자동차의 배기 장치에 사용됨은 물론이다.

또한, 상기 촉매컨버터(10)는 여러 가지 다양한 종류를 사용하는데 예를 들어, 3원촉매방식(THREE-WAY CATALYST, TWC)을 사용함으로써 상기 언급한 배출가스의 3가지 유해성분 즉, 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx)을 동시에 정화시키는 방식을 사용하고, 유입된 가스의 재혼합을 위해 2단으로 나뉘어져 촉매가 활성화되고 담체 및 촉매의 열적노화현상(이하 열화현상)이 발생하지 않는 400-800℃ 영역에서 정화성능이 활발하게 일어나는 타입을 사용하게 된다.

이하 본 발명의 작동을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.

본 발명은 연료 개질기인 리포머(5)를 플라즈마 타입으로 하여 성능을 최적화함에 따라 보다 많은 양의 개질가스를 연료로부터 추출해 연료인 가솔린과 혼합하므로서, 연소 시 엔진의 희박 연소구간을 확대하여 자동차 평균 운전 구간시 연비 향상에 큰 도움을 주도록 작용하게 된다.

이는, 개질가스의 화학적 특성이 연료와 희석제(Diluents)로 구성 즉, 가솔린 개질하면 연료로 쓰이는 수소 및 일산화탄소와 더불어 희석제(Diluents)로 쓰이 는 일산화탄소와 질소가 생성되는데, 이중 수소는 가솔린 대비 빠른 화염 속도와 공연비 측면에서 희박 구간 확장에 용이하여 수소의 당량비가 약 17정도인 가솔린에 비해 약 32.4까지 2배 증가시키게 된다.

또한, 희석제(Diluents)로 쓰이는 질소는 연소실 온도를 저감을 유도하므로, 수소와 공기 연소 시 발생되는 질소산화물 생성을 억제하는 작용을 하게 됨은 물론이다.

이와 같이, 연소 후 질소산화물의 생성이 상대적으로 줄어듬에 따라 배기가스내 질소산화물을 정화하는 후처리 시스템을, 단순한 3원방식 촉매컨버터(10)을 이용하여도 배기 가스 규제법규를 만족할 수 있게 됨은 물론이다.

이러한 작용을 위해 본 발명은, 엔진(1)운전 시 ECU의 제어에 의해 배기가스 재순환장치(EGR)가 작동되면서 일부 연료를 개질화 하면서 연소실로 공급하게 되는데 즉, 도 1에 도시된 바와 같이 외부공기공급라인(3)을 통해 필터링(Filtering)한 후 흡기매니폴드(2)를 거쳐 공급되는 외부 공기에 연료와 더불어 연료의 개질 가스를 함께 섞어 엔진(1)의 연소실로 공급하게 된다.

즉, 연료 탱크로부터 배출되는 연료의 흐름 통로인 연료공급라인(4)으로 공급되는 연료를 흡기매니폴드(2)부위에서 함께 섞어주면서 동시에 연료 중 일부 연료를 리포머(5)로 유입시키고, 상기 리포머(5)로 배기가스 재순환장치(EGR)의 EGR라인(7)에서 분기된 EGR분기라인(7a)을 통해 배기가스를 유입하여, 전원이 통전되어 작동되는 리포머(5)내에서 배기가스의 산화제 작용을 통해 연료를 개질 가스(수소 및 일산화탄소와 질소)를 생성시켜 주게 된다.

이때, 상기 리포머(5)로 유입되는 배기가스의 높은 고온에 의해 플라즈마 타입의 리포머(5)의 응답성이 크게 향상되는데 이는, 외부 공기를 유입하는 경우에 반드시 요구되는 공기 가열장치가 필요 없음을 의미함은 물론이다.

이어, 상기 리포머(5)에서 발생된 개질 가스는 흡기매니폴드(2)로 연결되는 외부공기공급라인(3)에 연결된 개질가스공급라인(6)으로 보내지고, 이와 같은 개질 가스는 공기와 연료 및 개질 가스가 함께 혼합된 상태로 엔진(1)의 연소실로 공급되어 진다.

이때, 상기 배기가스의 유입을 위한 배기가스 재순환장치(EGR)와 리포머(5)의 작동은 ECU를 통해 이루어짐은 물론이다.

또한, 상기 배기가스 재순환장치(EGR)를 통한 배기가스의 연소실 공급은 ECU에 의해 이루어지며, 이는 ECU의 제어에 따라 함께 섞이는 공기와 연료 및 개질 가스와 더불어 배기 가스도 함께 공급될 수 있음은 물론이다.

그리고, 상기 ECU는 배기가스의 리포머(5)유입량과 개질 가스의 혼합 량을 엔진 상태등에 따라 최적으로 제어되며, 이는 모든 엔진에서 운전 제어를 위해 필수적으로 제어되는 사항임은 물론이다.

이어, 엔진(1)의 연소실로 유입된 혼합기(공기와 연료 및 개질 가스)의 연소 후 발생된 배기가스는, 엔진(1)에서 배출되는 배기가스를 집중하는 배기매니폴드(8)에 연결된 배기가스배출라인(9)을 통해 외부로 배출되며, 이와 같이 배기가스배출라인(9)을 통해 외부로 배출되는 배기 가스는 리포머(5)에서 연소실쪽으로 연결되는 개질가스공급라인(6)에서 분기된 개질가스분기라인(6a)을 통해 개질 가스 중 일부가 함께 섞여지게 된다.

이와 같이, 배기가스배출라인(9)을 흐르는 배기가스는, 배기가스배출라인(9)상에 장착된 촉매컨버터(10)를 지나면서 질소산화물을 중점적으로 제거한 후 외부로 배출되며 이는, 상기 촉매컨버터(10)가 3원촉매방식(THREE-WAY CATALYST, TWC)을 사용함으로써 상기 언급한 배출가스의 3가지 유해성분 즉, 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx)을 동시에 정화시키는 작용을 함은 물론이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 배기가스 재 순환장치를 이용해 배기 가스를 개질기의 산화제로 공급함에 따라 공기 가열기가 요구되지 않으면서도, 개질기로의 공기 공급을 위한 공기 공급 계통의 형성이 요구되지 않아 전체적인 시스템을 간략화 할 수 있는 효과가 있게 된다.

또한, 본 발명은 개질기를 플라즈마 타입으로 하여 응답성을 크게 높이면서도 개질 가스의 연소에 따른 질소 산화물 발생 저감을 통해, 후처리 시스템에서 요구되는 촉매 컨버터의 용량을 크게 하지 않아도 질소 산화물에 대한 규제 법규를 충족할 수 있는 효과가 있게 됨은 물론이다.

Claims

엔진(1)의 일측에 장착된 흡기매니폴드(2)와 함께 형성되어 연소실로 혼합기를 공급하는 혼합기공급부와,

연소실로 유입되는 일부 연료를 개질화 시켜 혼합기쪽으로 공급하는 개질화 연료공급부,

연료 개질화를 위해 요구되는 공기를 배기가스 재순환장치(EGR)를 통해 공급하면서 산화제 역할을 부여하는 배기가스공급부 및

흡기매니폴드(2)가 장착된 반대쪽 엔진(1)부위에서 연소 후 발생된 배기가스를 배기매니폴드(8)를 통해 집중하면서 개질화 가스 중 일부를 혼합해 촉매컨버터(10)를 거쳐 외부로 배출하는 배기가스정화부

로 이루어진 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 연료 공급 및 배기 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 혼합기공급부는 외부에서 유입하는 외부 공기를 정화한 후 흡기매니폴드(2)쪽으로 공급하는 외부공기공급라인(3)과, 연료 탱크로부터 배출되는 연료를 외부 흡입공기와 섞어 연소실로 공급하는 연료공급라인(4), 배기가스 재순환장치(EGR)를 이루어 ECU의 제어에 의해 배기가스를 연료와 외부공기의 혼합기와 함께 연소실로 공급하는 EGR라인(7)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 연료 공급 및 배기 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 개질화 연료공급부는 연료공급라인(4)에서 분기되어 일부 연료를 유입함과 더불어 EGR라인(7)에서 분기된 EGR분기라인(7a)을 통해 배기가스를 유입하여 연료를 개질화 시키도록 전원이 공급되어 작동되는 리포머(5)와, 상기 리포머(5)에서 개질화된 가스를 연료와 외부공기의 혼합기와 함께 연소실로 공급하는 개질가스공급라인(6)으로 구성되어진 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 연료 공급 및 배기 시스템.
청구항 3에 있어서, 상기 리포머(5)는 플라즈마(Plasma)타입인 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 연료 공급 및 배기 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 배기가스공급부는 배기매니폴드(8)에서 배출되는 배기 가스를 연소실쪽으로 재 공급하도록 ECU에 의해 제어되는 배기가스 재순환장치(EGR)를 이루는 EGR라인(7)과, 상기 EGR라인(7)에서 분기되어 연료 개질화를 위해 요구되는 공기대신 배기가스를 공급하는 배기가스분기라인(7a)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 연료 공급 및 배기 시스템.
청구항 5에 있어서, 상기 개질가스분기라인(6a)은 EGR라인(7)과 촉매컨버터(10)사이에서 배기가스배출라인(9)으로 연결되는 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 연료 공급 및 배기 시스템.
청구항 5에 있어서, 상기 촉매컨버터(10)는 3원 촉매 방식인 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 연료 공급 및 배기 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 배기가스정화부는 엔진(1)에서 배출되는 배기가스를 집중하는 배기매니폴드(8)에서 이어져 EGR이 연결되면서 배기가스를 외부로 배출하는 흐름 통로인 배기가스배출라인(9)과, 연소실로 공급되는 개질 가스 중 일부를 배기가스배출라인(9)으로 유입시키도록 연결된 개질가스분기라인(6a) 및 상기 배기가스배출라인(9)상에서 배기 가스 내 유해 성분인 질소 산화물을 정화하는 촉매컨버터(10)로 이루어진 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 연료 공급 및 배기 시스템.