KR20110019120A - 볼텍스튜브를 이용한 엔진시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엔진시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 흡입공기의 충진효율을 향상시킴과 더불어 엔진의 출력성능, 연비, 토크 등을 대폭 향상시킬 수 있는 볼텍스튜브를 이용한 엔진시스템에 관한 것이다.
본 발명은, 흡기매니폴더 및 배기매니폴더를 가지고, 상기 흡기매니폴드에는 흡기관이 연결되며, 상기 배기매니폴드에는 배기관이 연결되는 엔진; 상기 흡기관에 연결되는 압축기 및 상기 배기관의 도중에 설치되는 터빈을 가진 터보차저; 입구, 저온출구, 고온출구를 가지고, 상기 흡기관에 설치되는 제1볼텍스튜브; 및 입구, 저온출구, 고온출구를 가지고, 상기 배기관과 소통가능하게 연결되는 제2볼텍스튜브;를 포함한다.
Figure P1020090076707
흡기, 배기, 볼텍스튜브, 저온가스배관, 고온가스배관, 바이패스배관

Description

볼텍스튜브를 이용한 엔진시스템{ENGINE SYSTEM USING VORTEX TUBE}
본 발명은 엔진시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 흡입공기의 충진효율을 향상시킴과 더불어 엔진의 출력성능, 연비, 토크 등을 대폭 향상시킬 수 있는 볼텍스튜브를 이용한 엔진시스템에 관한 것이다.
일반적으로 디젤엔진은 가솔린엔진에 비하여 연료의 소모가 적고 효율이 좋다고 알려져 있다. 통상 40%정도의 효율을 내고 있으며, 이는 디젤엔진의 고압축비에 따른 것이다. 최근의 엔진에서는 보다 큰 출력을 얻을 수 있도록 터보차저(Turbo-charge)와 인터쿨러(Inter cooler) 등을 추가로 구비한다.
이와 같이 터보차저를 적용한 엔진은 터보차저의 압축기에 의해 배기가스나 외부공기를 흡입하여 압축시키고, 이때 발생된 과급공기(고온의 압축공기)를 엔진측으로 공급한다. 하지만, 급속히 압축된 공기는 터보차저의 열과 그 압축과정에서 발생하는 열을 흡수하여 밀도가 낮아지게 되고, 결과적으로 엔진 연소실 내의 충전효율을 떨어뜨린다. 이에, 인터쿨러를 사용함으로써 과급공기를 냉각하여 높은 밀도를 얻을 수 있으며, 그 결과 보다 많은 공기를 엔진 연소실 내로 충진시켜 보다 높은 출력을 얻을 수 있다.
한편, 최근 들어 유럽의 EURO-3 또는 EURO-4와 같은 배기가스 규제 경향에 맞추어 엔진에서 배출되는 배기가스 속의 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx) 등을 포함한 배기가스의 일부를 재순환시켜 그 함량을 더욱 감소시키기 위한 다양한 배기가스 재순환시스템(Exhaust Gas Recirculation System; EGR System)이 제시되고 있다.
하지만, 종래의 엔진시스템은 재순환되는 배기가스의 매연을 저감시키지 못하고, 배기가스의 재순환율(EGR rate)을 엔진의 출력상태, 배기가스의 압력 상태 등에 따라 능동적으로 제어하지 못함에 따라 실질적인 엔진의 출력, 토크, 연비 등을 향상시키지 못하였고, 또한 재순환되는 배기가스의 온도를 저감시키는 데 한계가 있었다.
또한, 종래의 엔진시스템은 인터쿨러에 의해 냉각된 압축공기 즉, 흡입공기의 충전효율이 실질적으로 높지 않고, 이에 엔진의 출력, 토크, 연비 등을 실질적으로 향상시키지 못하는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 배기라인 및 흡기라인 각각에 제1 및 제2 볼텍스튜브를 개별적으로 적용함으로써 흡입공기의 충진효율을 향상시킴과 더불어 엔진의 출력성능, 연비, 토크 등을 대폭 향상시킬 수 있으며, 또한 배출가스를 대폭 저감시킬 수 있는 볼텍스튜브를 이용한 엔진시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 볼텍스튜브를 이용한 엔진시스템은,
흡기매니폴더 및 배기매니폴더를 가지고, 상기 흡기매니폴드에는 흡기관이 연결되며, 상기 배기매니폴드에는 배기관이 연결되는 엔진;
상기 흡기관에 연결되는 압축기 및 상기 배기관의 도중에 설치되는 터빈을 가진 터보차저;
입구, 저온출구, 고온출구를 가지고, 상기 흡기관에 설치되는 제1볼텍스튜브;
상기 제1볼텍스튜브의 고온출구와 소통가능하게 연결되고, 상기 터빈의 하류측으로 연장되는 제1바이패스배관;
입구, 저온출구, 고온출구를 가지고, 상기 배기관과 소통가능하게 연결되는 제2볼텍스튜브;
상기 배기관의 일측에서 연장되고, 상기 제2볼텍스튜브의 입구에 연결되는 제1EGR배관;
상기 제2볼텍스튜브의 저온출구에서 연장되는 저온가스배관;
상기 저온가스배관의 일측지점에서 분기되어 상기 압축기의 상류측으로 연결되는 제2EGR배관;
상기 저온가스배관의 일측지점에서 분기되어 상기 터빈의 하류측으로 연결되는 제2바이패스배관;
상기 제2볼텍스튜브의 고온출구와 소통가능하게 연결되고, 상기 터빈의 하류측으로 연장되는 고온가스배관;
상기 제1EGR배관 상에 설치되는 제1EGR밸브; 및
상기 제2EGR배관 상에 설치되는 제2EGR밸브;를 포함하고,
상기 흡기관은 상기 압축기에 연결되는 제1흡기관 및 상기 흡기매니폴드에 연결되는 제2흡기관으로 구분되고, 상기 제1흡기관은 상기 제1볼텍스튜브의 입구에 연결되며, 상기 제2흡기관은 상기 제1볼텍스튜브의 저온출구에 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1바이패스배관은 상기 터빈의 하류측 배기관으로 연장되고, 상기 제1바이패스배관에는 상기 배기관 내의 배기가스가 상기 제1바이패스배관 내로 역류됨을 방지하는 제1조절밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 고온가스배관은 상기 터빈의 하류측 배기관에 연결되고, 상기 고온가스 배관에는 상기 배기관 내의 배기가스가 상기 고온가스배관 내로 역류됨을 방지하는 제2조절밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2바이패스배관은 상기 터빈의 하류측 배기관에 연결되고, 상기 바이패스배관에는 제3조절밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 및 제2 볼텍스튜브 각각은 케이싱, 제너레이터, 고온가스 튜브를 포함하고, 상기 케이싱은 입구 및 저온출구를 가지며, 상기 고온가스 튜브는 고온출구를 가지고, 상기 고온출구의 단부에는 고온챔버가 설치되며, 상기 고온챔버 내에는 스로틀밸브가 상기 고온출구에 인접하여 이동가능하게 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 및 제2 EGR배관 각각에는 제1 및 제2 서지탱크가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1흡기관 내에는 제1압력센서가 설치되고, 상기 제1EGR배관 내에는 제2압력센서가 설치되며, 상기 제1 및 제2 압력센서, 제1 및 제2 EGR밸브, 상기 제1 및 제2 볼텍스튜브에는 제어기가 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 한다.
상기 저온가스배관의 일측에서 분기되는 제3EGR배관을 더 포함하고, 상기 제3EGR배관은 제2흡기관측으로 연결되며, 상기 제3EGR배관에는 제3EGR밸브가 설치되며, 상기 제3EGR밸브는 제어기에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 한다.
상기 제3EGR배관의 도중에는 제3서지탱크가 설치되는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 흡기관에 제1볼텍스튜브를 설치함으로써 압축기에 의해 압축된 흡입공기는 제1볼텍스튜브에 의해 저온가스가 됨과 더불어 그 저온가스는 볼텍스 상태로 엔진의 실린더 내로 흡입됨에 따라 흡입공기의 충전효율을 대폭 높일 수 있고, 이를 통해 엔진의 출력성능, 연비, 토크 등을 대폭 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 볼텍스튜브의 입구에 인접하여 제1EGR밸브를 설치하고, 압축기의 상류측에 제2EGR밸브를 설치하며, 제1 및 제2 EGR밸브의 개폐작동을 제어기에 의해 개별적으로 제어함으로써 볼텍스튜브 내로 유입되는 재순환가스의 압력을 극대화할 수 있고, 이를 통해 볼텍스튜브는 에너지분리 및 물질분리의 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
그리고, 본 발명은 저온가스배관에서 분기된 제2EGR배관이 압축기의 상류 즉, 압축기의 흡입관에 연결됨에 따라 압축기 및 제2EGR배관 사이에는 높은 압력차이가 발생하며, 이를 통해 배기가스의 높은 재순환율(high EGR rate)을 용이하게 구현할 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 볼텍스튜브를 이용한 배기가스재순환시스템을 도시한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 볼텍스튜브를 이용한 배기가스재순환시스템은, 흡기매니폴드(110) 및 배기매니폴드(120)를 가진 엔진(100), 상기 엔진(100)의 흡기관(141, 142)에 설치된 제1볼텍스튜브(200), 상기 엔진(100)의 배기관(130)과 소통가능하게 설치된 제2볼텍스튜브(300), 터빈(51) 및 압축기(52)를 가진 터보차저(50)를 포함한다.
엔진(100)은 그 내부에 복수의 실린더실을 가지고, 이 실린더실 내에서 연료와 공기의 혼합가스가 연소됨으로써 동력을 발생시킨다. 흡기매니폴드(110)는 엔진(100) 내의 실린더실로 연료와 공기의 혼합가스를 공급하고, 배기매니폴드(120)는 엔진(100) 내에서 연소된 배기가스를 배기계측으로 배출시킨다.
흡기매니폴드(110)에는 흡기관(141, 142)이 연결되고, 흡기관(141, 142)은 압축기(52)에 직접 연결되는 제1흡기관(141)과 흡기매니폴드(110)측에 직접 연결되는 제2흡기관(142)으로 구분된다. 그리고, 제1 및 제2 흡기관(141, 142) 사이에 제1볼텍스튜브(70)가 설치된다.
배기매니폴드(120)에는 배기계의 배기관(130)이 연결되고, 이 배기관(130)을 통해 배기가스가 외부로 배출되며, 배기관(130)에는 배기가스 후처리장치(18; DPF, CPF 등) 등이 설치된다.
터보차저(50)는 터빈(51) 및 압축기(52)를 포함하고, 터빈(51)은 배기관(130)의 도중에 설치되며, 터빈(51)은 배기관(130)을 통과하는 배기가스의 에너지(압력, 온도 등)에 의해 회전 구동한다. 이 터빈(51)에는 샤프트(53)를 매개로 압축기(52)가 연결되고, 압축기(52)는 제1흡기관(141)의 단부에 설치된다. 압축 기(52)에는 외기를 흡입하는 흡입관(52a)이 연결되고, 이 흡입관(52a)의 단부에는 이물질을 여과하는 필터(52b)가 설치된다. 터빈(51)의 회전구동력이 샤프트(53)를 통해 압축기(52)로 전달됨에 따라 압축기(52)는 흡입된 공기를 압축한다.
제1볼텍스튜브(200)는 도 2에 도시된 바와 같이 케이싱(210), 제너레이터(230), 고온가스 튜브(250)를 포함한다.
케이싱(210)은 그 내부에 중공부를 가지고, 그 외주면 일측에 입구(277)가 구비된다. 입구(277)에는 제1흡기관(141)이 연결되고, 입구(277)를 통해 압축기에 의해 압축된 흡입공기가 케이싱(210) 내로 유입된다.
제너레이터(230)는 그 일단에 재순환가스가 통과하는 복수의 노즐(231)을 가지고, 그 중심부에 디퓨저 형상의 중공부(232)를 가진다. 중공부(232)의 일단에는 볼텍스 챔버(233)가 형성되고, 중공부(232)의 타단에는 저온출구(280)가 형성된다. 볼텍스 챔버(233)의 일단개구는 고온가스 튜브(250)와 소통하고, 볼텍스 챔버(233)의 타단개구는 저온출구(280)와 소통한다. 이 제너레이터(230)에 의해 입구(270)를 통해 유입된 흡입공기에는 볼텍스가 생성되고, 이렇게 생성된 볼텍스에 의해 저온가스(LV) 및 고온가스(HV)로 분리되며, 재순환가스 내의 입자상물질 등은 볼텍스의 원심력에 의해 분리될 수 있다. 그리고, 제1볼텍스튜브(200)의 저온출구(280)에는 제2흡기관(142)이 연결되고, 제2흡기관(142)은 흡기매니폴드(110)에 연결된다.
제너레이터(230)의 맞은편에는 슬리브(220)가 배치되고, 이 슬리브(220)는 그 내부에 디퓨저 형상의 중공부(222)를 가진다.
고온가스 튜브(250)는 그 일단이 슬리브(220)의 중공부(222) 및 제너레이 터(230)의 중공부(232)와 소통되게 연결되고, 그 타단에 고온출구(290)가 형성되며, 이 고온출구(290)측에는 고온챔버(260)가 설치된다. 고온챔버(260)는 그 직경이 고온가스 튜브(250) 보다 크게 형성되고, 고온챔버(260)에는 고온출구(290)와 소통가능한 제1바이패스배관(39)이 연결되며, 제1바이패스배관(39)은 터빈(51)의 하류측 배기관(130)으로 연장된다. 이에, 제너레이터(230)에 의해 에너지분리된 고온가스(HV)는 고온챔버(260) 내에 일시 수용된 후에 제1바이패스배관(39)을 통해 배기관(130)으로 이송된다.
그리고, 제1바이패스배관(39)에는 제1조절밸브(36)가 설치된다. 제1조절밸브(36)는 배기관(130) 내의 배기가스가 제1바이패스배관(39) 내로 역류됨을 방지하도록 설치된다. 예컨대, 배기가스의 배출량이 많을 경우 배기가스후처리장치(18)에 의해 배기관(130) 내의 배압이 높아짐에 따라 배기관(130) 내의 배기가스가 제1바이패스배관(39) 내로 역류될 수 있기 때문이다.
고온챔버(260) 내에는 스로틀밸브(261, throttle valve)가 이동가능하게 설치된다. 스로틀밸브(261)는 고온가스 튜브(250)의 고온 출구(290)와 인접하고, 스로틀밸브(261)의 타단에는 액츄에이터(262)가 설치되며, 이 액츄에이터(262)는 제어기(45)측에 전기적으로 접속된다. 제어기(45)에 의해 액츄에이터(262)가 제어됨에 따라 스로틀밸브(261)가 적절히 조절되어 고온출구(290)의 개도량이 제어될 수 있다.
이러한 제1볼텍스튜브(200)의 에너지분리 및 물질분리의 작용을 살펴보면 다음과 같다.
흡입관(52a)을 통해 흡입된 외기는 압축기(52)에 의해 압축된 후에 제1흡기관(141)을 통해 제1볼텍스튜브(200)로 유입된다. 제1볼텍스튜브(200)에 의해 볼텍스로 변환된 흡입공기는 저온가스(LV) 및 고온가스(HV)로 분리되고(에너지 분리작용), 흡입공기 내의 각종 입자상물질(soot, PM 등)은 볼텍스의 원심력에 의해 분리된다(물질 분리작용). 이에 의해, 볼텍스 상태의 저온가스(LV)가 제2흡기관(142)을 통해 엔진(100)의 실린더 내로 흡입되고, 고온가스(HV)는 제1바이패스배관(39)을 통해 터빈(51)의 하류측 배기관(130)으로 이송된다.
이와 같이, 본 발명은 흡기관(141, 142)에 제1볼텍스튜브(200)를 소통가능하게 설치함으로써 압축기(52)에 의해 압축된 흡입공기는 제1볼텍스튜브(200)에 의해 에너지분리됨에 따라 냉각되고, 또한 그 냉각된 저온가스(LV)는 볼텍스 상태로 엔진(100)의 실린더 내로 흡입됨에 따라 흡입공기의 충전효율을 대폭 높일 수 있고, 이를 통해 엔진(100)의 출력성능, 연비, 토크 등을 대폭 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
그리고, 제2흡기관(142)에는 제1압력센서(46)가 설치되고, 제1압력센서(46)는 제어기(45)에 전기적으로 접속되며, 또한 제어기(45)는 제1볼텍스튜브(200)의 액츄에이터(272)에 전기적으로 접속된다. 이에, 제1압력센서(46)가 흡입공기의 압력을 감지하면 제어기(45)는 그 감지된 압력신호에 따라 최적의 에너지 및 물질 분리효율을 갖도록 스로틀밸브(261)의 이동량을 제어하여 고온출구(290)의 개도량을 조절할 수 있다.
배기관(130)의 일측에는 배기가스의 일부(이하, '재순환가스'라 함)를 엔 진(100)의 흡기매니폴드(110)측으로 재순환시키기 위한 제1EGR배관(31)이 연장되고, 이 제1EGR배관(31)은 제2볼텍스튜브(200)에 소통가능하게 연결된다.
그리고, 제1EGR배관(31)에는 제1EGR밸브(41)가 설치되고, 제1EGR밸브(41)는 후술하는 제어기(45)에 전기적으로 접속되며, 제어기(45)에 의해 제1EGR밸브(41)의 개폐작동이 제어된다.
또한, 제1EGR배관(31)의 도중에는 제1서지탱크(61)가 설치되고, 제1서지탱크(61)에 의해 엔진의 급격한 회전수 및 부하 변동 등에 순간적으로 대응할 수 있도록 충분한 재순환가스를 확보할 수 있다.
제2볼텍스튜브(300)는 케이싱(310), 제너레이터(330), 고온가스 튜브(350)를 포함한다.
케이싱(310)은 그 내부에 중공부를 가지고, 그 외주면 일측에 입구(370)가 구비되며, 이 입구(370)에는 제1EGR배관(31)이 소통되게 연결된다. 입구(370)를 통해 배기가스의 일부 즉, 재순환가스가 케이싱(310) 내로 유입된다.
제너레이터(330)는 그 일단에 재순환가스가 통과하는 복수의 노즐(331)을 가지고, 그 중심부에 디퓨저 형상의 중공부(332)를 가진다. 중공부(332)의 일단에는 볼텍스 챔버(333)가 형성되고, 중공부(332)의 타단에는 저온출구(380)가 형성되며, 저온출구(380)에는 저온가스배관(34)이 연결된다. 볼텍스 챔버(333)의 일단개구는 고온가스 튜브(350)와 소통하고, 볼텍스 챔버(333)의 타단개구는 저온출구(380)와 소통한다. 이 제너레이터(330)에 의해 입구(370)를 통해 유입된 재순환가스에는 볼텍스가 생성되고, 이렇게 생성된 볼텍스에 의해 저온가스(LV) 및 고온가스(HV)로 분리되며(에너지분리), 재순환가스 내의 입자상물질 등은 볼텍스의 원심력에 의해 분리(물질분리)될 수 있다.
제너레이터(330)의 맞은편에는 슬리브(320)가 배치되고, 이 슬리브(320)는 그 내부에 디퓨저 형상의 중공부(22b)를 가진다.
고온가스 튜브(350)는 그 일단이 슬리브(320)의 중공부(322) 및 제너레이터(330)의 중공부(332)와 소통되게 연결되고, 그 타단에 고온출구(390)가 형성되며, 이 고온출구(390)측에는 고온챔버(360)가 설치된다. 고온챔버(360)는 그 직경이 고온가스 튜브(350) 보다 크게 형성되고, 제너레이터(330)에 의해 자연재생온도(600~650℃) 이상으로 상승한 고온가스(HV)는 고온챔버(360) 내에 일시 수용된 후에 배기관(130)을 통과하면서 배기가스 후처리장치(18) 등을 거쳐 외부로 배출된다.
이와 같이 재순환가스의 분리된 고온가스(HV)는 제2볼텍스튜브(300)의 제너레이터(330)에 의해 자연재생온도 이상으로 상승함에 따라 별도의 촉매장치, 연료분사에 의한 연소기구 등에 의한 가열없이도 배기가스 내의 입자상 물질을 용이하게 연소(재생)시킬 수 있다.
고온챔버(360) 내에는 스로틀밸브(361, throttle valve)가 이동가능하게 설치된다. 스로틀밸브(361)는 고온가스 튜브(350)의 고온 출구(390)와 인접하고, 스로틀밸브(361)의 타단에는 액츄에이터(362)가 설치되며, 이 액츄에이터(362)는 제어기(45)측에 전기적으로 접속된다. 제어기(45)에 의해 액츄에이터(362)가 제어됨에 따라 스로틀밸브(361)의 이동량이 적절히 조절되어 고온 출구(390)의 개도량이 제어될 수 있다.
이러한 제2볼텍스튜브(300)의 에너지분리 및 물질분리의 작용을 살펴보면 다음과 같다.
배기매니폴드(120)를 통해 배출되는 일부의 배기가스 즉, 재순환가스가 제2볼텍스튜브(300) 내로 유입되면, 제2볼텍스튜브(300)에 의해 볼텍스로 변환된 재순환가스는 저온가스(LV) 및 고온가스(HV)로 분리되고(에너지 분리작용), 재순환가스 내의 각종 입자상물질(soot, PM 등)은 볼텍스의 원심력에 의해 분리된다(물질 분리작용).
제2볼텍스튜브(300)의 저온출구(380)에는 저온가스배관(34)이 연결되고, 저온가스배관(34)은 그 일측지점에서 제2EGR배관(32) 및 제2바이패스배관(33)으로 분기된다. 제2EGR배관(32)은 압축기(52)의 상류측에 연결되고, 특히 압축기(52)의 흡입관(52a)측에 연결됨으로써 볼텍스튜브(20)에 의해 분리된 저온가스는 흡입되는 외기와 함께 압축기(52) 내로 유입된 후에 압축기(53)에 의해 압축되어 흡기관(14) 및 흡기매니폴드(110)를 통해 엔진(100) 내로 유입된다.
이와 같이, 본 발명은 배기가스가 제2볼텍스튜브(300)의 에너지분리 및 물질분리작용에 의해 분리된 저온가스가 압축기(52)의 상류측으로 소통하는 구조로 구성됨에 따라 압축기(52) 및 제2EGR배관(32) 사이에는 높은 압력차이가 발생하며, 이를 통해 배기가스의 높은 재순환율(high EGR rate)을 용이하게 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 제2EGR배관(32)의 도중에는 제2서지탱크(62)가 설치되고, 제2서지탱 크(62)에 의해 엔진의 흡기관(141, 142)에서 발생하는 흡기압력의 변동에 의한 영향을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
한편, 제2볼텍스튜브(300)에 의해 분리된 저온가스의 공급량이 많을 경우, 잉여의 저온가스에 의해 제2볼텍스튜브(300)의 저온출구(380)측에 배압이 발생할 수 있고, 이러한 저온가스의 배압에 의해 제2볼텍스튜브(300)의 에너지분리 및 물질분리의 효율에 영향을 미칠 수 있다. 이에 제2EGR배관(32)에서 분기된 제2바이패스배관(33)은 터빈(51)의 하류측 배기관(130)에 연결되고, 제2바이패스배관(33)을 통해 배기관(130)측으로 바이패스시킴으로써 저온가스의 배압에 의해 제2볼텍스튜브(300)의 에너지분리 및 물질분리 효율이 저하됨을 방지할 수 있다.
또한, 제2바이패스배관(33)에는 제2조절밸브(37)가 설치되고, 제2조절밸브(37)는 배기관(130)에서 제2바이패스배관(33) 내로 배기가스가 역류됨을 방지하도록 설치된다. 예컨대, 배기가스의 재순환량이 상대적으로 적을 경우 배기가스후처리장치(18)에 의해 배기관(130) 내의 배압이 높아지면 배기가스가 바이패스배관(33)으로 역류될 가능성이 있기 때문이다.
제2볼텍스튜브(300)의 고온챔버(360)에는 고온출구(390)와 소통가능한 고온가스배관(35)이 연결되고, 고온가스배관(35)은 터빈(51)의 하류측 배기관(130)으로 연장된다. 고온가스배관(35)에는 제3조절밸브(38)가 설치되고, 제3조절밸브(38)는 배기관(130)에서 고온가스배관(35)으로 배기가스가 역류됨을 방지하도록 설치된다. 예컨대, 재순환가스의 순환량이 상대적으로 적을 경우 배기가스후처리장치(18)에 의해 배기관(130) 내의 배압이 높아짐에 따라 배기관(130) 내의 배기가스가 고온가 스배관(35)으로 역류될 가능성이 있기 때문이다.
제어기(45)에는 제1 및 제2 EGR밸브(41, 42), 제2볼텍스튜브(300)의 액츄에이터(362)가 전기적으로 접속되고, 제1EGR배관(31) 내에는 제2압력센서(47)가 설치되며, 제2압력센서(47)는 제어기(45)에 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 본 발명이 차량의 엔진시스템에 적용될 경우 제어기(45)는 도 1과 같이 차량의 ECU측에 전기적으로 접속될 수도 있다. 한편, 본 발명은 차량용 엔진 이외에도 발전기, 선박 등과 같은 정치형 엔진(stationary engine)에도 적용될 수 있다.
이러한 구성에 의해, 제어기(45)는 외부 신호 또는 내장된 프로그램 등을 통해 배기가스의 재순환작동을 적용할지를 판단하고, 배기가스의 재순환작동을 적용하는 것으로 판단되면 제1 및 제2 EGR밸브(41, 42)를 폐쇄한 상태로 유지한다.
한편, 제어기(45)가 배기가스의 재순환작동을 적용하는 것으로 판단하면, 제1EGR밸브(41)를 개방하고, 이에 제2압력센서(47)는 재순환가스의 압력을 감지한다. 이에, 제어기(45)는 그 감지된 압력신호에 따라 최적의 에너지 및 물질 분리효율을 갖도록 스로틀밸브(361)의 이동량 및 고온출구(390)의 개도량을 조절할 수 있다. 이때, 제1EGR밸브(41)의 개도량을 적절히 조절함으로써 제2볼텍스튜브(300) 내로 유입되는 재순환가스의 압력을 용이하게 극대화시킬 수 있고, 이에 제2볼텍스튜브(300)는 재순환가스의 에너지분리 및 물질분리 효율을 대폭 향상시킬 수 있다.
그런 다음, 제어기(45)는 제2압력센서(47)에 의한 압력신호 및 스로틀밸브(361)의 개도량 등을 적절히 확인하면서 제2EGR밸브(42)의 개도량을 제어함으로써 에너지분리 및 물질분리된 저온가스를 엔진(100)의 조건에 맞도록 엔진(100)측 으로 공급할 수 있다.
그리고, 제2 및 제3 조절밸브(37, 38)는 체크밸브로 구성되어 배기관(130) 내의 배기가스가 고온가스배관(35) 및 바이패스배관(33)으로 역류됨을 방지할 수 있다.
이와 달리, 제2 및 제3 조절밸브(37, 38)는 전자밸브로 이루어지고, 제2 및 제3 조절밸브(37, 38)에 제어기(45)가 전기적으로 접속된 구조로 구성될 수 있다. 이에, 제어기(45)는 고온가스배관(35) 및 제2바이패스배관(33)을 통과하는 유량이 적을 경우 제2 및 제3 조절밸브(37, 38)를 폐쇄하여 배기관(130) 내의 배기가스가 고온가스배관(35) 및 제2바이패스배관(33) 내로 역류됨을 방지할 수 있다.
이상과 같은 본 발명은, 흡기관(141, 142)에 제1볼텍스튜브(200)를 설치함으로써 압축기(52)에 의해 압축된 흡입공기는 제1볼텍스튜브(200)에 의해 에너지분리됨에 따라 냉각됨과 더불어 그 냉각된 저온가스(LV)는 볼텍스 상태로 엔진(100)의 실린더 내로 흡입됨에 따라 흡입공기의 충전효율을 대폭 높일 수 있고, 이를 통해 엔진(100)의 출력성능, 연비, 토크 등을 대폭 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 저온가스배관(34)에서 분기된 제2EGR배관(32)이 압축기(52)의 상류 즉, 압축기(52)의 흡입관(52a)에 연결됨에 따라 압축기(52) 및 제2EGR배관(32) 사이에는 높은 압력차이가 발생하며, 이를 통해 배기가스의 높은 재순환율(high EGR rate)을 용이하게 구현할 수 있는 장점이 있다.
그리고, 본 발명은 제2볼텍스튜브(300)의 입구(370)에 인접하여 제1EGR밸브(41)를 설치하고, 압축기(52)의 상류측에 제2EGR밸브(42)를 설치하며, 제1 및 제 2 EGR밸브(41, 42)의 개폐작동을 제어기(45)에 의해 개별적으로 제어함으로써 제2볼텍스튜브(300) 내로 유입되는 재순환 배기가스의 압력을 극대화할 수 있고, 이를 통해 제2볼텍스튜브(300)는 에너지분리 및 물질분리의 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
도 4는 본 발명의 변형 실시예에 따른 배기가스재순환시스템을 도시한 것으로, 본 실시예는 저온가스배관(34)의 일측에서 분기되는 제3EGR배관(63)을 더 포함하고, 제3EGR배관(63)은 제2흡기관(142)측으로 연결된다. 제3EGR배관(63)에는 제3EGR밸브(65)가 설치되며, 제3EGR밸브(65)는 제어기(45)에 전기적으로 접속되며, 제어기(45)에 의해 제3EGR밸브(65)의 개폐작동이 제어된다.
이에, 엔진의 구동조건에 따라 제3EGR밸브(65)의 개폐작동이 제어됨으로써 볼텍스튜브(20)에서 분리된 저온가스는 압축기(52)측으로 이송되지 않고, 흡기관(142)측으로 직접 바이패스될 수도 있다.
그리고, 제3EGR배관(63)의 도중에는 제3서지탱크(64)가 설치될 수 있고, 제3서지탱크(64)에 의해 엔진의 급격한 회전수 및 부하 변동에 순간적으로 대응할 수 있도록 충분한 재순환가스가 확보될 수 있으며, 또한 엔진의 구동조건에 따라 재순환가스를 압축기(52)의 상류 및 흡기관(142)측으로 분배 공급하여 최적의 엔진 성능을 구현함과 더불어 배출가스의 저감을 도모할 수 있다.
그외 나머지 구성은 도 1 내지 도 3의 실시예와 동일하므로 그 자세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 볼텍스튜브를 이용한 엔진시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 제1볼텍스튜브를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1의 제2볼텍스튜블르 도시한 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 *
100: 엔진 110: 흡기매니폴드
120: 배기매니폴드 200: 제1볼텍스튜브
300: 제2볼텍스튜브

Claims (9)

  1. 흡기매니폴더 및 배기매니폴더를 가지고, 상기 흡기매니폴드에는 흡기관이 연결되며, 상기 배기매니폴드에는 배기관이 연결되는 엔진;
    상기 흡기관에 연결되는 압축기 및 상기 배기관의 도중에 설치되는 터빈을 가진 터보차저;
    입구, 저온출구, 고온출구를 가지고, 상기 흡기관에 설치되는 제1볼텍스튜브;
    상기 제1볼텍스튜브의 고온출구와 소통가능하게 연결되고, 상기 터빈의 하류측으로 연장되는 제1바이패스배관;
    입구, 저온출구, 고온출구를 가지고, 상기 배기관과 소통가능하게 연결되는 제2볼텍스튜브;
    상기 배기관의 일측에서 연장되고, 상기 제2볼텍스튜브의 입구에 연결되는 제1EGR배관;
    상기 제2볼텍스튜브의 저온출구에서 연장되는 저온가스배관;
    상기 저온가스배관의 일측지점에서 분기되어 상기 압축기의 상류측으로 연결되는 제2EGR배관;
    상기 저온가스배관의 일측지점에서 분기되어 상기 터빈의 하류측으로 연결되는 제2바이패스배관;
    상기 제2볼텍스튜브의 고온출구와 소통가능하게 연결되고, 상기 터빈의 하류 측으로 연장되는 고온가스배관;
    상기 제1EGR배관 상에 설치되는 제1EGR밸브; 및
    상기 제2EGR배관 상에 설치되는 제2EGR밸브;를 포함하고,
    상기 흡기관은 상기 압축기에 연결되는 제1흡기관 및 상기 흡기매니폴드에 연결되는 제2흡기관으로 구분되고, 상기 제1흡기관은 상기 제1볼텍스튜브의 입구에 연결되며, 상기 제2흡기관은 상기 제1볼텍스튜브의 저온출구에 연결되는 것을 특징으로 하는 볼텍스튜브를 이용한 엔진시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1바이패스배관은 상기 터빈의 하류측 배기관으로 연장되고, 상기 제1바이패스배관에는 상기 배기관 내의 배기가스가 상기 제1바이패스배관 내로 역류됨을 방지하는 제1조절밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 볼텍스튜브를 이용한 엔진시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고온가스배관은 상기 터빈의 하류측 배기관에 연결되고, 상기 고온가스배관에는 상기 배기관 내의 배기가스가 상기 고온가스배관 내로 역류됨을 방지하는 제2조절밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 볼텍스튜브를 이용한 엔진시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2바이패스배관은 상기 터빈의 하류측 배기관에 연결되고, 상기 바이패스배관에는 제3조절밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 볼텍스튜브를 이용한 엔진시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 볼텍스튜브 각각은 케이싱, 제너레이터, 고온가스 튜브를 포함하고, 상기 케이싱은 입구 및 저온출구를 가지며, 상기 고온가스 튜브는 고온출구를 가지고, 상기 고온출구의 단부에는 고온챔버가 설치되며, 상기 고온챔버 내에는 스로틀밸브가 상기 고온출구에 인접하여 이동가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 볼텍스튜브를 이용한 엔진시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 EGR배관 각각에는 제1 및 제2 서지탱크가 설치되는 것을 특징으로 하는 볼텍스튜브를 이용한 엔진시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1흡기관 내에는 제1압력센서가 설치되고, 상기 제1EGR배관 내에는 제2압력센서가 설치되며, 상기 제1 및 제2 압력센서, 제1 및 제2 EGR밸브, 상기 제1 및 제2 볼텍스튜브에는 제어기가 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 볼텍스튜브를 이용한 엔진시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 저온가스배관의 일측에서 분기되는 제3EGR배관을 더 포함하고, 상기 제3EGR배관은 제2흡기관측으로 연결되며, 상기 제3EGR배관에는 제3EGR밸브가 설치되며, 상기 제3EGR밸브는 제어기에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 볼텍스튜브를 이용한 배기가스재순환시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제3EGR배관의 도중에는 제3서지탱크가 설치되는 것을 특징으로 하는 볼텍스튜브를 이용한 배기가스재순환시스템.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101513587B1 (ko) * 2014-03-17 2015-04-20 동명대학교산학협력단 볼텍스 튜브를 이용하는 유로가변형 흡입공기 냉각장치 및 그 제어방법
CN106337723A (zh) * 2015-07-10 2017-01-18 现代自动车株式会社 用于冷却车辆进气温度的装置及其使用方法
KR20200023752A (ko) * 2018-08-27 2020-03-06 현대자동차주식회사 흡기 매니폴드 및 이를 구비한 엔진

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101553302B1 (ko) * 2014-03-27 2015-09-16 동명대학교산학협력단 볼텍스 튜브를 이용한 듀얼 타입 ｅｇｒ 장치

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002070657A (ja) 2000-08-31 2002-03-08 Hino Motors Ltd Ｅｇｒ装置
US6895752B1 (en) 2003-10-31 2005-05-24 Caterpillar Inc Method and apparatus for exhaust gas recirculation cooling using a vortex tube to cool recirculated exhaust gases
KR100759516B1 (ko) * 2006-12-26 2007-10-15 임석연 이지알 쿨러 대체용 볼텍스 튜브가 장착된 엔진시스템
KR100896488B1 (ko) 2008-02-18 2009-05-08 공주대학교 산학협력단 유량 가변형 볼텍스 튜브 엔진 시스템

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101513587B1 (ko) * 2014-03-17 2015-04-20 동명대학교산학협력단 볼텍스 튜브를 이용하는 유로가변형 흡입공기 냉각장치 및 그 제어방법
CN106337723A (zh) * 2015-07-10 2017-01-18 现代自动车株式会社 用于冷却车辆进气温度的装置及其使用方法
CN106337723B (zh) * 2015-07-10 2019-11-29 现代自动车株式会社 用于冷却车辆进气温度的装置及其使用方法
KR20200023752A (ko) * 2018-08-27 2020-03-06 현대자동차주식회사 흡기 매니폴드 및 이를 구비한 엔진

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