KR20110016784A - 디젤 엔진의 녹스 저감장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 디젤 엔진의 녹스 저감장치는, 디젤 엔진의 배기라인과 흡기라인 사이에 터보 차져가 설치되고, 상기 배기라인에 디젤 입자상 물질 필터(DPF: Diesel Particulate matter Filter)가 설치되며, 상기 디젤 입자상 물질 필터의 후단에서 상기 배기라인과 상기 흡기라인을 연결하는 EGR 라인이 구비되며, 상기 EGR 라인에 EGR 쿨러가 설치되고, 상기 배기라인과 상기 EGR 라인을 각각 선택적으로 개폐시키기 위한 제1 밸브가 상기 배기라인과 상기 EGR 라인의 연결 부분에 설치되고, 상기 제1 밸브의 후단에서 상기 배기라인과 연결되고, 상기 EGR 라인과 흡기라인의 연결 부분으로 연결되어 배기가스를 대기 중으로 배출하는 분기라인이 구비되며, 상기 EGR 라인과 상기 흡기라인을 연결하는 연결 부분을 선택적으로 개폐시키기 위한 제2 밸브가 상기 연결 부분에 설치되는 것을 특징으로 한다.

엔진, 배기가스, 저압, 재순환, LP-EGR

Description

디젤 엔진의 녹스 저감장치 {APPARATUS FOR DECREASING NITROGEN OXIDE IN DIESEL ENGINE}

본 발명의 예시적인 실시예는 디젤 엔진의 녹스 저감장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 디젤 엔진에서 배출되는 배기가스 중의 녹스를 저감시키기 위한 엘피-이지알(LP-EGR: Low Pressure Exhaust Gas Recirculation) 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 배기가스 재순환(EGR)은 디젤 엔진에서 연소되어 배출된 배기 가스의 일부를 엔진의 흡기측을 경유하여 연소실로 재유입하도록 함으로써 연소 가능한 신기의 양, 즉 산소농도를 감소시켜 최고 연소온도 저하 및 녹스(NOx: 질소 산화물)을 희석시킬 수 있는 이산화탄소(CO2)의 증가로 녹스의 발생을 억제하는 시스템이다.

이러한 녹스의 저감을 배기가스 재순환 기술로서, LP-EGR(Low Pressure Exhaust Gas Recirculation) 시스템을 예로 들 수 있는데, 종래 기술에 따른 LP-EGR 시스템은 도 3에서와 같이, 디젤 엔진(210)의 배기관(220)과 흡기관(230) 사이에 터보 차져(240)가 설치되고, 배기관(220)에 디젤 입자상 물질 필터(DPF: Diesel Particulate matter Filter)(250)가 설치되며, 디젤 입자상 물질 필터(250)의 후단과 터보 차져(240)의 흡기 측을 연결하는 EGR 파이프(260)가 구비된다.

그리고, 상기 EGR 파이프(260)에는 EGR을 쿨링하기 위한 EGR 쿨러(261)가 설치되고, EGR의 유량을 조절하기 위한 EGR 밸브(265)가 설치된다.

즉, 상기 LP-EGR 시스템은 EGR을 디젤 엔진(210)의 흡기 매니폴드 보다 이전인 터보 차져(240)의 흡기측 전단에 유입시키는 구조로서 이루어진다.

따라서, 상기와 같은 LP-EGR 시스템은 공기와 EGR 가스가 엔진에 유입되기 전에 혼합되어 엔진 기통당 EGR 분배성이 개선되고, 디젤 입자상 물질 필터(250)의 후단에서 배기가스가 유입되어 수트(soot)가 제거된 상태의 배기가스가 순환되며, 터보 차져(240)의 흡기 부압이 고부하로 갈수록 낮아 디젤 입자성 물질 필터(250)의 후단과 터보 차져(240) 흡기 측의 부압 차이를 이용하여 고부하 영역에서의 EGR 유량 증대가 용이하다.

이를 위해 종래 기술에 따른 LP-EGR 시스템은 디젤 입자성 물질 필터(250)의 후단과 터보 차져(240) 흡기 측의 부압 차이를 이용하기 위해 디젤 입자성 물질 필터(250)의 후단에 배압 밸브(290)를 설치하고 있다.

상기 배압 밸브(290)는 디젤 입자성 물질 필터(250)의 후단에서 밸브 조정을 통해 배압을 증가시키거나 터보 차져(240)의 흡기측 부압을 이용하여 EGR의 유량 증대를 도모하게 된다.

이로써, 종래 기술에서는 디젤 엔진(210)의 배기 매니폴드로부터 배출되는 배기 가스가 디젤 입자성 물질 필터(250)를 거치는 과정에 그 배기 가스 중의 입자 상 물질과 녹스가 저감되고, 배압 밸브(290)의 밸브 조정으로서 배기 가스의 일부가 EGR 파이프(260)로 유입되고, EGR 쿨러(261)를 거치며 온도가 저감된 상태로 터보 차져(240)를 통해 디젤 엔진(210)의 흡기 매니폴드로 공급된다.

그런데, 종래 기술에서는 배압 밸브(290) 또는 흡기 쓰로틀 밸브(미도시)를 사용하여 배기가스의 배압 또는 터보 차져(240)의 흡기측 흡압(부압)을 통해 배기가스를 순환시킴에 따라, 이에 따른 손실이 증가하게 되어 연비 향상에 기여하지 못하게 된다는 문제점을 내포하고 있다.

또한, 종래 기술에서는 EGR을 사용하는 경우, 디젤 엔진(210)의 배기 매니폴드로부터 배출되는 배기 가스 전체가 EGR 파이프(260)로 유입되지 못하고 일부 만이 EGR 쿨러(261)를 거치게 되므로, 초기 냉간 시의 냉각수 온도를 빨리 올릴 수 없게 된다.

이는 엔진의 워밍-업 속도를 저감시키는 결과를 가져오게 되므로, DOC의 조기 활성화를 통한 CO, HC량의 저감과 연비 향상에 기여하지 못하게 되는 결과를 초래하게 된다.

본 발명의 예시적인 실시예는 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 배기가스의 흐름에 의한 관성과 터보 차져의 흡기측 흡압(부압)을 이용하여 EGR을 공급하고, 배기가스 전체가 EGR 라인을 통해 EGR 쿨러로 유입될 수 있도록 하는 디젤 엔진의 녹스 저감장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 디젤 엔진의 녹스 저감장치는, 디젤 엔진의 배기라인과 흡기라인 사이에 터보 차져가 설치되고, 상기 배기라인에 디젤 입자상 물질 필터(DPF: Diesel Particulate matter Filter)가 설치되며, 상기 디젤 입자상 물질 필터의 후단에서 상기 배기라인과 상기 흡기라인을 연결하는 EGR 라인이 구비되며, 상기 EGR 라인에 EGR 쿨러가 설치되고, 상기 배기라인과 상기 EGR 라인을 각각 선택적으로 개폐시키기 위한 제1 밸브가 상기 배기라인과 상기 EGR 라인의 연결 부분에 설치되고, 상기 제1 밸브의 후단에서 상기 배기라인과 연결되고, 상기 EGR 라인과 흡기라인의 연결 부분으로 연결되어 배기가스를 대기 중으로 배출하는 분기라인이 구비되며, 상기 EGR 라인과 상기 흡기라인을 연결하는 연결 부분을 선택적으로 개폐시키기 위한 제2 밸브가 상기 연결 부분에 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 디젤 엔진의 녹스 저감장치에 있어서, 상기 제1 밸브가 상기 배기라인을 폐쇄하고 상기 EGR 라인을 개방한 상태에서, 상기 제2 밸브는 상기 EGR 라인과 흡기라인의 연결 부분을 개방할 수 있다.

상기 디젤 엔진의 녹스 저감장치에 있어서, 상기 제1 밸브가 상기 배기라인을 개방하고 상기 EGR 라인을 폐쇄한 상태에서, 상기 제2 밸브는 상기 EGR 라인과 흡기라인의 연결 부분을 폐쇄할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 디젤 엔진의 녹스 저감장치에 의하면, 배기가스의 흐름에 의한 관성과 터보 차져의 흡기측 흡압(부압)을 이용하여 EGR을 공급하고, 배기가스 전체가 EGR 라인을 통해 EGR 쿨러를 거치게 되므로, 초기 냉간 시의 냉각수 온도를 빨리 올릴 수 있다.

이로 인해, 본 실시예에서는 엔진의 워밍-업 속도를 향상시키는 결과를 가져오게 되므로, DOC의 조기 활성화를 통한 CO, HC량 저감과 연비 향상을 도모할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 DPF의 후단에서 밸브 조정을 통해 배기가스의 배압 또는 터보 차져의 컴프레셔 전단의 흡압(부압)을 이용하는 방식의 종래 기술과 달리, 배기가스의 흐름을 통한 관성 또는 배기가스의 동압을 주로 이용하는 방식이므로, 이에 따른 손실을 저감할 수 있어 연비 향상에 크게 기여할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 예시적인 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 여 기에서 설명하는 예시적인 실시예에 반드시 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 디젤 엔진의 녹스 저감장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 디젤 엔진의 녹스 저감장치(100)는 디젤 엔진(10)의 배기 매니폴드에서 배출되는 배기 가스를 흡기 매니폴드로 재순환시켜 배기가스 중의 녹스(NO_X)를 저감시키는 EGR 시스템에 적용된다.

즉, 상기 디젤 엔진의 녹스 저감장치(100)는 EGR을 디젤 엔진(10)의 흡기 매니폴드 보다 이전인 터보 차져(40)의 흡기측 전단에 유입시키는 구조인 LP-EGR 시스템에 적용된다.

여기서, 상기와 같은 LP-EGR 시스템은 공기와 EGR 가스가 엔진에 유입되기 전에 혼합되어 엔진 기통당 EGR 분배성이 개선되고, 디젤 입자상 물질 필터(DPF: Diesel Particulate matter Filter)(50: 이하에서는 편의 상 "DPF" 라고 한다)의 후단에서 배기가스가 유입되어 수트(soot)가 제거된 상태의 배기가스가 순환되고, 터보 차져(40)의 흡기 부압이 고부하로 갈수록 낮아 DPF(50)의 후단과 터보 차져(40) 흡기 측의 부압 차이를 이용하여 고부하 영역에서의 EGR 유량 증대가 용이하다는 잇점이 있다.

이러한 디젤 엔진의 녹스 저감장치(100)는 종래 기술과 같이 DPF(50)의 후단에서 밸브 조정을 통해 배기가스의 배압 또는 터보 차져(40)의 컴프레셔(42) 전단의 흡압(부압)을 이용하여 EGR의 유량 증대를 도모하는 방식이 아니라, 배기가스의 흐름을 통한 관성 또는 배기가스의 동압(dynamic pressure)을 주로 이용하여 전체 배기 가스를 EGR 공급 경로로 공급함으로써 필요한 양만큼의 EGR 만을 사용할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해 상기 녹스 저감장치(100)는 디젤 엔진(10)의 배기라인(20)과 흡기라인(30) 사이에 터보 차져(40)를 설치하여 디젤 엔진(10)의 배기 매니폴드로부터 배출되는 배기가스로 터보 차져(40)의 터빈(41)을 돌려 동축 상의 임펠러를 구동시킴으로써 터보 차져(40)의 컴프레셔(42)를 통해 외기를 압축하여 디젤 엔진(10)의 연소실로 공급하게 된다.

그리고, 상기 배기라인(20)에는 터보 차져(40)의 터빈(41) 후단에 배기 가스 내의 입자상 물질과 녹스를 저감시키기 위한 언급한 바 있는 DPF(50)가 설치된다.

상기에서, DPF(50)의 후단에서 배기라인(20)과 흡기라인(30)을 연결하는 EGR 라인(60)이 구비되고, 그 EGR 라인(60)에는 EGR 쿨러(70)가 설치된다.

본 실시예에서, 상기 배기라인(20)과 EGR 라인(60)의 연결 부분에는 배기라인(20)과 EGR 라인(60)을 각각 선택적으로 개폐시키기 위한 제1 밸브(110)가 장착된다.

상기 제1 밸브(110)는 DPF(50)의 후단에서 배기라인(20)을 개방하고 EGR 라인(60)을 폐쇄하거나 배기라인(20)을 폐쇄하고 EGR 라인(60)을 개방할 수 있다.

그리고, 본 실시예에서는 제1 밸브(110)의 후단에서 배기라인(20)과 연결되고, EGR 라인(60)과 흡기라인(30)의 연결 부분으로 연결되어 배기가스를 대기 중으로 배출하는 분기라인(130)이 구비된다.

즉, 상기 분기라인(130)은 흡기라인(30)과 연결되는 EGR 라인(60)과 상호 연결된다.

또한, 본 실시예에서는 상기 EGR 라인(60)과 흡기라인(30)을 연결하는 연결 부분에는 그 연결 부분을 선택적으로 개폐시키기 위한 제2 밸브(150)가 설치된다.

여기서, 상기 제2 밸브(150)는 제1 밸브(110)가 배기라인(20)을 폐쇄하고 EGR 라인(60)을 개방한 상태에서, EGR 라인(60)과 흡기라인(30)의 연결 부분을 개방한다.

그리고, 상기 제2 밸브(150)는 제1 밸브(110)가 배기라인(20)을 개방하고 EGR 라인(60)을 폐쇄한 상태에서, EGR 라인(60)과 흡기라인(30)의 연결 부분을 폐쇄한다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 디젤 엔진의 녹스 저감장치(100)에 의하면, 우선 도 2a에서와 같이 EGR을 사용하는 경우, 제1 밸브(110)는 배기라인(20)을 폐쇄하고 EGR 라인(60)을 개방하고 있으며, 제2 밸브(150)는 EGR 라인(60)과 흡기라인(30)의 연결 부분을 개방한 상태에 있다.

이 경우, 디젤 엔진(10)에서 발생하는 배기가스는 배기라인(20)을 통해 배출되면서 터보 차져(40)의 터빈(41)을 돌려 동축 상의 임펠러를 구동시키고 DPF(50)를 통과하게 되는 바, 그 DPF(50)에서는 배기가스 중의 입자상 물질 등을 주로 걸러주게 된다.

여기서, 상기 배기가스는 제1 밸브(110)가 배기라인(20)을 폐쇄하고 EGR 라인(60)을 개방하고 있기 때문에, DPF(50)를 거치며 온도가 낮아진 상태로 EGR 라 인(60)으로 공급되며 EGR 쿨러(70)를 거치면서 2차적으로 감온된다.

그리고, 터보 차져(40)의 흡기측 컴프레셔(42)에서는 배기가스가 터빈(41)을 돌려 동축 상의 임펠러를 구동시킴에 따라 흡압(부압)이 발생하게 되고, 이 흡압에 의해서 흡기라인(30)을 통해 외기를 흡입하게 된다.

이로써, 제2 밸브(150)가 EGR 라인(60)과 흡기라인(30)의 연결 부분을 개방하고 있기 때문에, 상기와 같이 순환하는 EGR 가스의 일부는 EGR 라인(60)을 통해 분기라인(130)으로 유입되며 대기 중으로 배출되고, 나머지 EGR은 외기와 함께 흡입라인(30)을 통해 터보 차져(40)의 컴프레셔(42)로 유입되며 압축된 상태로 디젤 엔진(10)의 흡기 매니폴드로 공급된다.

따라서, 본 실시예는 상기 과정에서와 같이 배기가스의 흐름에 의한 관성과 터보 차져(40)의 흡기측 흡압(부압)을 이용하여 EGR을 공급하고, 이 과정에서 배기가스 전체가 EGR 라인(60)을 통해 EGR 쿨러(70)를 거치게 되므로, 초기 냉간 시의 냉각수 온도를 빨리 올릴 수 있게 된다.

이는 엔진의 워밍-업 속도를 향상시키는 결과를 가져오게 되므로, DOC의 조기 활성화를 통한 CO, HC량 저감과 연비 향상을 도모할 수 있게 된다.

또한, 본 실시예에서는 DPF(50)의 후단에서 밸브 조정을 통해 배기가스의 배압 또는 터보 차져(40)의 컴프레셔(42) 전단의 흡압(부압)을 이용하는 방식의 종래 기술과 달리, 배기가스의 흐름을 통한 관성 또는 배기가스의 동압을 주로 이용하는 방식이므로, 이에 따른 손실을 저감할 수 있어 연비 향상에 도움이 된다.

한편, 본 실시예에서는 도 2b에서와 같이 EGR을 사용하지 않을 경우, 제1 밸 브(110)는 배기라인(20)을 개방하고 EGR 라인(60)을 폐쇄하고 있으며, 제2 밸브(150)는 EGR 라인(60)과 흡기라인(30)의 연결 부분을 폐쇄한 상태에 있다.

이 경우, 디젤 엔진(10)에서 발생하는 배기가스는 배기라인(20)을 통해 배출되면서 터보 차져(40)의 터빈(41)을 돌려 동축 상의 임펠러를 구동시키고 DPF(50)를 통과하게 되는 바, 그 DPF(50)에서는 배기가스 중의 입자상 물질 등을 주로 걸러주게 된다.

여기서, 상기 배기가스 전체는, 제1 밸브(110)가 배기라인(20)을 개방하고 EGR 라인(60)을 폐쇄하고 있으며 제2 밸브(150)가 EGR 라인(60)과 흡기라인(30)의 연결 부분을 폐쇄하고 있기 때문에, DPF(50)를 거치며 온도가 낮아진 상태로 분기라인(130)을 통해 대기로 배출된다.

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 디젤 엔진의 녹스 저감장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 디젤 엔진의 녹스 저감장치의 작동 상태를 도시한 도면이다.

도 3은 종래 기술에 따른 디젤 엔진의 녹스 저감장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

Claims (2)

1. 디젤 엔진의 배기라인과 흡기라인 사이에 터보 차져가 설치되고, 상기 배기라인에 디젤 입자상 물질 필터(DPF: Diesel Particulate matter Filter)가 설치되며,

   상기 디젤 입자상 물질 필터의 후단에서 상기 배기라인과 상기 흡기라인을 연결하는 EGR 라인이 구비되며, 상기 EGR 라인에 EGR 쿨러가 설치되고,

   상기 배기라인과 상기 EGR 라인을 각각 선택적으로 개폐시키기 위한 제1 밸브가 상기 배기라인과 상기 EGR 라인의 연결 부분에 설치되고,

   상기 제1 밸브의 후단에서 상기 배기라인과 연결되고, 상기 EGR 라인과 흡기라인의 연결 부분으로 연결되어 배기가스를 대기 중으로 배출하는 분기라인이 구비되며,

   상기 EGR 라인과 상기 흡기라인을 연결하는 연결 부분을 선택적으로 개폐시키기 위한 제2 밸브가 상기 연결 부분에 설치되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 녹스 저감장치.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 제1 밸브가 상기 배기라인을 폐쇄하고 상기 EGR 라인을 개방한 상태에서, 상기 제2 밸브는 상기 EGR 라인과 흡기라인의 연결 부분을 개방하고,

   상기 제1 밸브가 상기 배기라인을 개방하고 상기 EGR 라인을 폐쇄한 상태에 서, 상기 제2 밸브는 상기 EGR 라인과 흡기라인의 연결 부분을 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 녹스 저감장치.

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