KR20100048570A - 자동차용 배기 가스 재순환 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 자동차용 배기 가스 재순환 장치는, ⅰ)배기 매니폴드로부터 배출되는 배기 가스의 일부를 흡기 매니폴드로 재순환시키기 위한 EGR 루트와, ⅱ)상기 EGR 루트에 각각 설치되는 제1 및 제2 EGR 쿨러와, ⅲ)상기 제1 및 제2 EGR 쿨러 사이에서 상기 EGR 루트에 설치되는 바이패스 밸브와, ⅳ)상기 제1 EGR 쿨러의 가스 배출측 EGR 루트와 상기 바이패스 밸브를 상호 연결하는 바이패스 라인을 포함하여 이루어진다.

배기 가스 재순환, EGR, 루트, 쿨러, 바이패스 밸브, 바이패스 라인

Description

자동차용 배기 가스 재순환 장치 {EXHAUST GAS RECIRCULATION DEVICE FOR VEHICLE}

본 발명의 예시적인 실시예는 자동차용 배기 가스 재순환 장치(Exhaust Gas Recirculation: EGR)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 쿨러 내부의 카본 퇴적을 최소화시면서 EGR 가스의 냉각 효율을 극대화시킬 수 있도록 하는 자동차용 배기 가스 재순환 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차의 배출가스는 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 탄화수소(HC) 등의 유해물질이 포함되어 있는 바, 연소과정에서 발생하는 상기 3원소 중 일산화탄소와 탄화수소에 대하여 질소산화물은 항상 반대의 인과관계를 가지고 있다.

즉, 실용적인 출력범위에서 일산화탄소와 탄화수소가 가장 감소하는 시점에 질소산화물은 가장 많이 발생하는데, 이러한 질소산화물은 연료가 완전 연소할수록 즉, 엔진이 고온일수록 질소산화물의 발생량은 증가하게 된다.

따라서, 상기 질소산화물 등의 배출가스 허용량은 관계 법률로서 규제됨에 따라 배출가스를 줄이는 다양한 기술이 개발되고 있는 바, 그 중 하나가 배기가스 재순환장치(Exhaust Gas Recirculation: EGR)이다.

상기 배기가스 재순환 장치는 다른 유해물질의 급증없이 질소산화물의 발생량을 줄이기 위해서는 혼합비를 이론 공연비로 유지하면서 연소실로 흡입되는 혼합기 중에 기 연소가스(EGR 가스)의 일부를 공급함으로써 신기의 양을 줄임과 동시에 연소가스의 열용량을 증가시켜 화염의 온도를 낮추는 방법으로 사용되는 장치이다.

보다 상세하게는, 상기 배기가스 재순환장치(EGR)는 상기 배출가스중 배기가스를 흡기계로 재순환시켜 실린더내의 연소온도를 낮추어 질소산화물의 발생을 억제하는 장치로서, 배기가스중의 질소산화물(NOx)을 저감하는 수단으로 배기가스의 일부를 흡기계통에 되돌려서, 혼합기가 연소할 때 최고 온도를 낮게 하여 질소산화물(NOx)의 생성량을 적게 하는 장치를 말한다.

특히, 최근 배기 규제가 강화됨에 따라 이를 만족하기 위해서는 EGR에 의한 흡기 온도 상승에 따른 질소 산화물의 추가 배출을 방지하고, 더 많은 EGR을 사용해야 되므로 EGR 가스를 냉각시킬 수 있는 EGR 쿨러 사용도 필수적으로 적용해야 한다.

이를 위해 종래 기술에 따른 배기 가스 재순환장치(EGR)는 도 4에서와 같이, 배기 매니폴드(1)로부터 배출되는 배기 가스(이하에서는 편의상 "EGR 가스"라고 한다)의 일부를 흡기 매니폴드(3)로 재순환시키기 위한 EGR 루트(110)와, EGR 루트(110)에 설치되는 EGR 쿨러(130)와, EGR 쿨러(130)의 입구측 및 출구측 EGR 루트(110)를 연결하는 바이패스 라인(150)과, 이 바이패스 라인(150)에 설치되는 바이패스 밸브(170)로 이루어진다.

이와 같은 배기가스 재순환장치(EGR)의 구성 중에서 상기 EGR 쿨러(130)는 고온의 배기가스를 엔진 냉각수를 냉매로 하여 냉각하는 일종의 열교환기로서, 최근에는 배기 규제가 강화됨에 따라 기존 대비 고용량의 EGR 쿨러가 요구되고 있다.

따라서 종래 기술에서는 엔진의 워엄 이전 조건 즉, EGR 쿨러(130)의 냉각수온 및 EGR 가스의 유량이 작은 경우, 바이패스 밸브(170)는 오픈된 상태를 유지하며, 이에 배기 매니폴드(1)로부터 배출되는 EGR 가스는 EGR 쿨러(130)를 거치지 않고 바이패스 라인(150)을 통해 흡기 매니폴드(3)로 직접 바이패스 된다(도면에서의 실선 화살표 참조).

이 경우는 EGR 가스가 EGR 쿨러(130)를 거치지 않고 바이패스 라인(150)을 통해 흡기 매니폴드(3)로 직접 바이패스 되기 때문에, EGR 가스가 흡기의 온도를 상승시킴으로써 궁극적으로는 배기 가스의 온도를 상승시켜 촉매 활성화를 촉진시킬 수 있게 된다.

한편, 엔진의 워엄 이후 조건 즉, EGR 쿨러(130)의 냉각수온 및 EGR 가스의 유량이 큰 경우, 바이패스 밸브(170)는 폐쇄된 상태를 유지하며, 이에 배기 매니폴드(1)로부터 배출되는 EGR 가스는 EGR 쿨러(130)를 거치며 냉각되고 흡기 매니폴드(3)로 공급된다(도면에서의 점선 화살표 참조).

그런데, 종래 기술에서는 앞서 지적한 바와 같이 더욱 강화된 배기 규제에 대응하기 위하여 고용량의 EGR 쿨러(130)를 필요로 하므로, 쿨러의 용량이 증대됨에 따라 그 쿨러의 크기, 특히 길이가 커지는 것이 불가피 하며, 이에 따라 EGR 쿨러(130)의 차압도 증가하고, 엔진에 장착되는 레이 아웃 등의 제한이 따른다.

또한, 종래 기술에서는 고효율의 EGR 쿨러(130)를 채용함으로써 엔진의 다양한 운전 영역 중 그 고효율의 쿨러가 불필요한 영역, 예를 들면 EGR 가스의 유량이 상대적으로 작거나 EGR 가스의 온도가 낮은 저중속 저부하 영역에서 필요 이상의 냉각으로 말미암아 EGR 가스가 응축되고, 그 가스 성분 중에 포함된 각종 입자성 물질(카본 성분)이 EGR 쿨러(130) 내에 퇴적되어 EGR 쿨러(130)의 막힘에 의한 차압 증대를 야기시키며, 이로 인해 EGR 가스가 흡기 매니폴드(3)로 원하는 유량 만큼 유입되지 못하거나 카본 퇴적에 의한 EGR 쿨러(130)의 효율이 급격하게 저하되어 질소 산화물 배출이 증가하는 문제가 발생된다.

본 발명의 예시적인 실시예는 상기에서와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 쿨러 내부의 카본 퇴적을 최소화시면서 EGR 가스의 냉각 효율을 극대화시킬 수 있도록 하는 자동차용 배기 가스 재순환 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 자동차용 배기 가스 재순환 장치는, ⅰ)배기 매니폴드로부터 배출되는 배기 가스의 일부를 흡기 매니폴드로 재순환시키기 위한 EGR 루트와, ⅱ)상기 EGR 루트에 각각 설치되는 제1 및 제2 EGR 쿨러와, ⅲ)상기 제1 및 제2 EGR 쿨러 사이에서 상기 EGR 루트에 설치되는 바이패스 밸브와, ⅳ)상기 제1 EGR 쿨러의 가스 배출측 EGR 루트와 상기 바이패스 밸브를 상호 연결하는 바이패스 라인을 포함하여 이루어진다.

상기 자동차용 배기 가스 재순환 장치는, 상기 바이패스 밸브가 3-웨이 솔레노이드 밸브로 이루어질 수 있다.

상기 자동차용 배기 가스 재순환 장치에 있어서, 상기 제1 EGR 쿨러는 상기 제2 EGR 쿨러 보다 쿨링 효율이 상대적으로 큰 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 자동차용 배기 가스 재순환 장치에 의하면, 고효율의 제1 EGR 쿨러와 저효율의 제2 EGR 쿨러를 구비하 고, 이들 EGR 쿨러 사이에 바이패스 밸브를 연결하는 구조로서 이루어지므로, EGR 가스의 유량이 작을 경우 저효율의 제2 EGR 쿨러를 통해 EGR 가스의 과냉 조건을 최소화 함으로써 쿨러 내 카본 퇴적을 최소화 할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 EGR 가스의 유량이 큰 경우, 제1 및 제2 EGR 쿨러 모두를 통해 EGR 가스의 냉각 효율을 극대화시킬 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 자동차용 배기 가스 재순환 장치를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 의한 자동차용 배기 가스 재순환 장치(100: EGR)는 자동차의 배기 매니폴드(1)로부터 배출되는 배기 가스의 일부를 흡기 매니폴드(3)로 재순환시켜 그 배기 가스(이하에서는 편의상 "EGR 가스" 라고 통칭한다) 중에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 것이다.

본 실시예에 의한 상기 자동차용 배기 가스 재순환 장치(100)는 기본적으로, EGR 루트(10)와, 제1,2 EGR 쿨러(30, 50)와, 바이패스 밸브(70)와, 바이패스 라인(90)을 포함하여 구성되며, 이를 구성별로 설명하면 다음과 같다.

상기 EGR 루트(10)는 배기 매니폴드(1)와 흡기 매니폴드(3)를 상호 연결하는 파이프로서, 배기 매니폴드(1)로부터 배출되는 EGR 가스의 일부를 흡기 매니폴드(3)로 재순환시키기 위한 것이다.

본 실시예에서, 상기 제1 EGR 쿨러(30)는 EGR 루트(10)에 설치되는 바, EGR 가스가 유입되는 제1 가스 유입부(31)와, EGR 가스가 배출되는 제1 가스 배출부(33)를 형성하고 있다.

즉, 상기 EGR 루트(10)는 제1 가스 유입부(31) 및 제1 가스 배출부(33)에 각각 연결된다.

상기 EGR 루트(10)에 있어, 제1 가스 유입부(31)에 연결되는 부분을 제1 라인(11)으로 정의할 수 있으며, 제1 가스 배출부(33)에 연결되는 부분을 제2 라인(12)으로 정의할 수 있는데, 이 경우 상기 제2 라인(12)은 흡기 매니폴드(3)와 상호 연결된다.

본 실시예에서, 상기 제2 EGR 쿨러(50)는 제1 EGR 쿨러(30)와 상호 이격되게 EGR 루트(10)에 설치되는 바, EGR 가스가 유입되는 제2 가스 유입부(51)와, EGR 가스가 배출되는 제2 가스 배출부(53)를 형성하고 있다.

즉, 상기 EGR 루트(10)는 제2 가스 유입부(51) 및 제2 가스 배출부(53)에 각각 연결된다.

상기 EGR 루트(10)에 있어, 제2 가스 유입부(51)에 연결되는 부분을 제3 라인(13)으로 정의할 수 있는데, 이 경우 상기 제3 라인(13)은 배기 매니폴드(1)와 상호 연결된다.

그리고 상기 제2 가스 배출부(53)는 언급한 바 있는 제1 라인(11)과 상호 연 결되는 바, 제1 라인(11)을 통해 제1 EGR 쿨러(30)의 제1 가스 유입부(31)와 상호 연결된다.

여기서, 상기 제1 EGR 쿨러(30)는 제2 EGR 쿨러(50) 보다 쿨링 효율이 상대적으로 큰 것이 바람직하다. 이 때, 상기 쿨링 효율의 고저는 냉각수에 대한 EGR 가스의 접촉 면적에 따라 결정될 수 있다.

상기한 바와 같은 제1 및 제2 EGR 쿨러(30, 50)는 이의 내부에 냉각수의 스트림을 형성하는 냉각수 통로와, EGR 가스의 스트림을 형성하는 가스 통로를 형성하고 있다.

이러한 제1 및 제2 EGR 쿨러(30, 50)는 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 EGR 쿨러로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 실시예에서, 상기 바이패스 밸브(70)는 제1 및 제2 EGR 쿨러(30, 50) 사이에서 EGR 루트(10)에 설치되는 바, 언급한 바 있는 제1 라인(11)에 설치된다.

그리고 상기 바이패스 라인(90)은 제1 EGR 쿨러(30)의 가스 배출측 EGR 루트(10)와 바이패스 밸브(70)를 상호 연결하는 파이프로서 이루어진다.

즉, 상기 바이패스 라인(90)은 EGR 루트(10)의 제2 라인(12)과 바이패스 밸브(70)를 상호 연결한다.

상기에서, 바이패스 밸브(70)는 전기적인 신호에 따라 3 방향의 유로를 선택적으로 개폐시킬 수 있는 통상적인 구조의 3-웨이 솔레노이드 밸브(71)로서 이루어진다.

즉, 상기 바이패스 밸브(70)는 제1 라인(11)에 있어 제1 EGR 쿨러(30) 쪽과 제2 EGR 쿨러(50) 쪽의 유로를 선택적으로 개폐시키고, 바이패스 라인(90)의 유로를 선택적으로 개폐시킬 수 있는 구조로서 이루어진다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 자동차용 배기 가스 재순환 장치(100)의 작동 과정을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

우선, 엔진의 워엄 전, 도 2에서와 같이 바이패스 밸브(70)는 제1 라인(11)에 있어 제2 EGR 쿨러(50) 쪽의 유로를 개방시키고, 제1 EGR 쿨러(30) 쪽의 유로를 폐쇄시키며, 바이패스 라인(90)의 유로를 개방시킨다.

그러면, 배기 매니폴드(1)로부터 배출되는 EGR 가스는 EGR 루트(10)의 제3 라인(13)을 통해 비교적 저효율의 제2 EGR 쿨러(50)로 유입된다.

이어서, 상기 제2 EGR 쿨러(50)를 거친 EGR 가스는 제2 EGR 쿨러(50) 내부에서 냉각된 상태로 제1 라인(11)을 통해 배출되고, 바이패스 라인(90)을 통해 제2 라인(12)으로 바이 패스되며, 제2 라인(12)을 통해 흡기 매니폴드(3)로 직접 공급된다.

즉, 제1 라인(11)의 제2 EGR 쿨러(50) 쪽 유로, 및 바이패스 라인(90)의 유로가 배이패스 밸브(70)에 의해 개방되고, 제1 EGR 쿨러(30) 쪽의 유로가 상기 바이패스 밸브(70)에 의해 폐쇄되어 있기 때문에, 비교적 저효율의 제2 EGR 쿨러(50)로부터 배출되는 EGR 가스는 비교적 고효율의 제1 EGR 쿨러(30)를 거치지 않고 바이패스 라인(90) 및 제2 라인(12)을 통해 흡기 매니폴드(3)로 직접 공급된다.

또한, 엔진이 워엄되더라도 냉각수온 및 EGR 가스의 유량이 작은 경우, EGR 가스가 상술한 바와 같은 작용을 통해 비교적 고효율의 제1 EGR 쿨러(30)를 거치지 않고 비교적 저효율의 제2 EGR 쿨러(50)를 거치며 냉각되기 때문에, 이 경우는 EGR 가스의 과냉에 의해 그 가스에 포함된 입자성 물질(카본)이 제2 EGR 쿨러(50) 내에 퇴적되는 것을 최소화시킬 수 있게 된다.

그리고, 이 경우는 EGR 가스가 상술한 바와 같은 작용을 통해 비교적 저효율의 제2 EGR 쿨러(50)를 거치며 냉각되고, 비교적 고효율의 제1 EGR 쿨러(30)를 거치지 않고 바이패스 라인(90) 및 제2 라인(12)을 통해 흡기 매니폴드(3)로 직접 바이패스 되기 때문에, 차량의 냉간 시 저효율의 제2 EGR 쿨러(50)를 거친 EGR 가스가 흡기의 온도를 상승시킴으로써 궁극적으로는 배기 가스의 온도를 상승시켜 촉매 활성화를 촉진시킬 수 있게 된다.

즉, 상기 과정에서는 차량 냉간 시 배기 가스의 온도 상승으로 촉매 장치(미도시)의 활성 온도를 상승시켜 EGR 가스에 함유된 질소 산화물과 함께 HC나 CO의 농도를 저감시킬 수 있게 된다.

한편, 엔진의 워엄 후 냉각수온과 EGR 가스의 유량이 상대적으로 큰 경우, 도 3에서와 같이 바이패스 밸브(70)는 제1 라인(11)에 있어 제2 EGR 쿨러(50) 쪽의 유로 및 제1 EGR 쿨러(30) 쪽의 유로를 개방시키고, 바이패스 라인(90)의 유로를 폐쇄시킨다.

그러면, 배기 매니폴드(1)로부터 배출되는 EGR 가스는 EGR 루트(10)의 제3 라인(13)을 통해 비교적 저효율의 제2 EGR 쿨러(50)로 유입된다.

이어서, 상기 제2 EGR 쿨러(50)를 거친 EGR 가스는 제2 EGR 쿨러(50) 내부에서 1차로 냉각되고 제1 라인(11)을 통해 배출되며, 그 제1 라인(11)을 따라서 제1 EGR 쿨러(30)로 유입되어 제1 EGR 쿨러(30)의 내부에서 2차로 냉각되고 제2 라인(12)을 통해 배출되며 흡기 매니폴드(3)로 공급된다.

즉, 이 경우는 상술한 바와 같은 작용을 통해 EGR 가스가 비교적 저효율의 제2 EGR 쿨러(50)를 거쳐 1차적으로 냉각되고, 비교적 고효율의 제1 EGR 쿨러(30)를 거치며 2차적으로 냉각되는 바, 제1 EGR 쿨러(30) 내 입자성 물질(카본)의 퇴적 가능성이 상대적으로 작기 때문에, EGR 가스의 냉각 효율을 증대시키면서 제1 EGR 쿨러(30) 내의 카본 퇴적을 최소화 할 수 있게 된다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 자동차용 배기 가스 재순환 장치를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 자동차용 배기 가스 재순환 장치의 작동 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 종래 기술에 따른 자동차용 배기 가스 재순환 장치를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

Claims (3)

1. 자동차용 배기 가스 재순환 장치(EGR)에 있어서,

   배기 매니폴드로부터 배출되는 배기 가스의 일부를 흡기 매니폴드로 재순환시키기 위한 EGR 루트;

   상기 EGR 루트에 각각 설치되는 제1 및 제2 EGR 쿨러;

   상기 제1 및 제2 EGR 쿨러 사이에서 상기 EGR 루트에 설치되는 바이패스 밸브; 및

   상기 제1 EGR 쿨러의 가스 배출측 EGR 루트와 상기 바이패스 밸브를 상호 연결하는 바이패스 라인

   을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 배기 가스 재순환 장치.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 바이패스 밸브가 3-웨이 솔레노이드 밸브인 것을 특징으로 하는 자동차용 배기 가스 재순환 장치.
3. 제1 항에 있어서,

   상기 제1 EGR 쿨러는 상기 제2 EGR 쿨러 보다 쿨링 효율이 상대적으로 큰 것을 특징으로 하는 자동차용 배기 가스 재순환 장치.

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