KR20110112091A - 디젤 엔진의 배기가스 재순환 시스템 - Google Patents

디젤 엔진의 배기가스 재순환 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내연 기관의 배기가스 재순환 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디젤 엔진의 배기가스를 적정 단계에서 적정 압력으로 재순환시켜 신기(fresh air)와 함께 엔진으로 유입시킴에 따라 엔진 내부에서 저온 연소를 실행하고 배기가스에 함유된 입자상 물질(PM : particulate matter)과 질소 산화물(NOx : nitrogen oxides)을 감소시키기 위한 디젤 엔진의 배기가스 재순환 시스템에 관한 것이다.
보다 구체적으로는 본 발명의 실시예 1 에 따른 디젤 엔진의 배기가스 재순환 시스템은, 압축 공기와 연료의 혼합물을 내부로 유입시켜 연소시키되, 연소 후 배출된 가스의 일부를 분기하여 다시 내부로 유입시키는 제 1 재순환 과정을 포함하는 디젤 엔진; 상기 디젤 엔진의 연소 후 배출된 가스 중 상기 제 1 재순환 과정으로 분기된 가스를 제외한 나머지 가스의 압력을 동력원으로 하여 회전하는 터빈; 상기 터빈의 회전 동력을 이용하여 대기 중의 공기를 압축시켜 압축 공기를 생성하고 상기 압축 공기를 상기 디젤 엔진으로 유입시키는 압축기; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

디젤 엔진의 배기가스 재순환 시스템{Exhaust gas Recirculation system for Diesel Engine}
본 발명은 내연 기관의 배기가스 재순환 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디젤 엔진의 배기가스를 적정 단계에서 적정 압력으로 재순환시켜 신기(fresh air)와 함께 엔진으로 유입시킴에 따라 엔진 내부에서 저온 연소를 실행하고 배기가스에 함유된 입자상 물질(PM : particulate matter)과 질소 산화물(NOx : nitrogen oxides)을 감소시키기 위한 디젤 엔진의 배기가스 재순환 시스템에 관한 것이다.
도 1 은 종래의 디젤 엔진 시스템에서 배기가스의 배출 과정을 나타낸 구조도이다.
열차, 선박을 비롯한 산업용 차량과 건설 기계 등에서는 디젤 엔진을 사용하는 것이 보편적이며, 최근 디젤 엔진의 연비 향상과 배기가스 저감에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 도 1 을 참조하면 종래의 디젤 엔진 시스템에서는 대기 중의 공기를 공기 유입부(131)를 통해 압축기(130)로 유입시켜 압축 공기를 생성한다. 압축된 공기는 기체상태방정식에 따라 압력이 증가하므로 온도가 상승하게 된다. 따라서 냉각기(140)에서 압축 공기를 적정 온도로 냉각하게 되고, 상기 냉각기(140)에서 냉각된 압축 공기는 밸브(141)를 통해 디젤 엔진(110)으로 유입되며, 피스톤의 상승 운동에 의해 연료의 착화점 이상으로 압축된 연료가 연소실 내로 분사되어 점화 및 연소가 이루어진다. 상기 디젤 엔진(110)의 연소에 의해 배출된 가스의 압력을 동력원으로 터빈(120)을 회전시키고, 가스 배출부(121)를 통해 배기가스를 배출하게 된다.
이러한 디젤 엔진의 사용량 증가에 따라 디젤 엔진으로부터 배출되는 배기가스에 포함된 검댕(soot), 가용성 유기분(SOF : soluble organic fraction) 등의 입자상 물질(particulate matter : PM)과 질소 산화물(NOx : nitrogen oxides)의 배출량이 증가하고, 이는 대기 오염의 주원인으로 지적되고 있어 점차 규제가 강화되고 있는 추세이다. 이를 해결하기 위해 매연여과장치(DPF : Diesel Particulate Filter), 선택적 환원촉매(SCR : Selective Catalytic Reduction) 등 후처리기술에 대한 연구가 진행되고 있으나, 시스템 운영 비용 및 연비의 절감 측면에서 상용 디젤 엔진을 위해 효율적인 것은, 엔진 연소 단계에서 유해 배출물질의 생성 자체를 억제하도록 다량의 배기가스 재순환(EGR : Exhaust Gas Recirculation)을 활용한 저온 연소(LTC : Low-Temperature Combustion) 기술이다.
따라서 디젤 엔진의 출력을 저하하거나 연비 조건을 악화시키지 않으면서, 배출가스 내에 함유된 입자상 물질(PM : particulate matter)과 질소 산화물(NOx : nitrogen oxides)의 발생을 줄이는 저온 연소(LTC : low-temperature combustion)를 넓은 운전영역에서 구현하기 위해 고용량의 배기가스를 안정적으로 재순환시킬 수 있는 디젤 엔진의 배기가스 재순환 시스템의 개발이 요구된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 디젤 엔진의 출력을 저하하거나 연비 조건을 악화시키지 않으면서, 배출가스 내에 함유된 입자상 물질(PM : particulate matter)과 질소 산화물(NOx : nitrogen oxides)을 감소시킬 수 있는 디젤 엔진의 배기가스 재순환 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예 2 에 따른 디젤 엔진의 배기가스 재순환 시스템은, 압축 공기와 연료의 혼합물을 내부로 유입시켜 연소시키되, 연소 후 배출된 가스의 일부를 분기하여 다시 내부로 유입시키는 제 1 재순환 과정(150)을 포함하는 디젤 엔진(110); 상기 디젤 엔진(110)의 연소 후 배출된 가스 중 상기 제 1 재순환 과정(150)으로 분기된 가스를 제외한 나머지 가스의 압력을 동력원으로 하여 회전하는 터빈(120); 상기 터빈(120)의 회전 동력을 이용하여 대기 중의 공기를 압축시켜 압축 공기를 생성하고 상기 압축 공기를 상기 디젤 엔진(110)으로 유입시키는 압축기(130); 를 포함하되, 상기 터빈(120)을 통과하여 배출되는 가스의 일부를 분기하여 상기 압축기(130)로 유입시키는 제 2 재순환 과정(160)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예 3 에 따른 디젤 엔진의 배기가스 재순환 시스템은, 압축 공기와 연료의 혼합물을 내부로 유입시켜 연소시키되, 연소 후 배출된 가스의 일부를 분기하여 다시 내부로 유입시키는 제 1 재순환 과정(150)을 포함하는 디젤 엔진(110); 상기 디젤 엔진(110)의 연소 후 배출된 가스 중 상기 제 1 재순환 과정(150)으로 분기된 가스를 제외한 나머지 가스의 압력을 동력원으로 하여 회전하는 터빈(120); 상기 터빈(120)의 회전 동력을 이용하여 대기 중의 공기를 압축시켜 압축 공기를 생성하고 상기 압축 공기를 상기 디젤 엔진(110)으로 유입시키는 압축기(130); 를 포함하되, 상기 디젤 엔진(110)의 연소 후 배출된 가스 중 상기 제 1 재순환 과정(150)으로 분기된 가스를 제외한 나머지 가스에서 일부를 분기하여, 상기 압축기(130)로 유입시키는 제 3 재순환 과정(170)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 실시예 4 에 따른 디젤 엔진의 배기가스 재순환 시스템은, 상기 디젤 엔진(110)의 연소 후 배출된 가스 중 상기 제 1 재순환 과정(150)으로 분기된 가스를 제외한 나머지 가스에서 일부를 분기하여, 상기 압축기(130)로 유입시키는 제 3 재순환 과정(170)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예 1 에 따른 디젤 엔진의 배기가스 재순환 시스템의 다른 실시예로는, 상기 제 1 재순환 과정(150)에는, 상기 디젤 엔진(110)으로부터 배출된 가스의 일부가 분기 유입되고, 유입된 가스의 유동량을 조절하여 배출할 수 있는 제 1 재순환 밸브(151)와, 상기 제 1 재순환 밸브(151)를 통과한 가스를 냉각시켜 상기 디젤 엔진(110)의 내부로 다시 유입시키는 제 1 재순환 냉각기(152)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예 2 및 실시예 4 에 따른 디젤 엔진의 배기가스 재순환 시스템의 다른 실시예로는, 상기 제 2 재순환 과정(160)에는, 상기 터빈(120)을 통과하여 배출되는 가스의 일부가 분기 유입되고, 유입된 가스의 유동량을 조절하여 배출할 수 있는 제 2 재순환 밸브(161)와, 상기 제 2 재순환 밸브(161)를 통과한 가스를 냉각시켜 상기 압축기(130)로 유입시키는 제 2 재순환 냉각기(162)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예 3 및 실시예 4 에 따른 디젤 엔진의 배기가스 재순환 시스템의 다른 실시예로는, 상기 제 3 재순환 과정(170)에는, 상기 디젤 엔진(110)의 연소 후 배출된 가스 중 상기 제 1 재순환 과정(150)으로 분기된 가스를 제외한 나머지 가스에서 일부가 다시 분기되어 유입되고, 유입된 가스의 유동량을 조절하여 배출할 수 있는 제 3 재순환 밸브(171)와, 상기 제 3 재순환 밸브(171)를 통과한 가스를 냉각시켜 상기 압축기(130)로 유입시키는 제 3 재순환 냉각기(172)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
첫째, 본 발명의 실시예 1 에 따른 디젤 엔진의 배기가스 재순환 시스템은 제 1 재순환 과정을 통해 디젤 엔진에서 연소된 배기가스 중 일부를 분기하여 다시 엔진으로 유입시키므로, 연소에 참여하는 공기의 산소 농도를 줄임과 동시에 가스의 비열을 증가시킨다. 따라서, 연소 최고 온도를 낮추어 질소 산화물(NOx : nitrogen oxides)의 발생을 줄임과 동시에 분사되는 연료의 미립화 및 혼합을 증가시켜 입자상 물질(PM : particulate matter : PM)의 발생을 줄이는 효과가 있다.
둘째, 본 발명의 실시예 2 에 따른 디젤 엔진의 배기가스 재순환 시스템은 실시예 1 의 시스템에서 저압 상태의 재순환 과정인 제 2 재순환 과정이 추가되므로, 터빈에서 배출되는 가스 중 일부를 다시 순환시켜 냉각 및 압축 과정을 통해 엔진으로 유입시켜 배기가스 재순환(EGR : Exhaust Gas Recirculation）비율을 높임으로써 연소 최고 온도를 더욱 낮추어 질소 산화물(NOx : nitrogen oxides)의 발생량을 더욱 줄일 수 있는 효과가 있다.
셋째, 본 발명의 실시예 3 에 따른 디젤 엔진의 배기가스 재순환 시스템은 실시예 1 의 시스템에서 터빈으로 유입되기 전 상대적으로 고압인 상태의 배기가스를 이용하여 순환하는 과정인 제 3 재순환 과정이 추가되므로, 엔진에서 연소된 가스 중 일부를 다시 순환시켜 냉각 및 압축 과정을 통해 엔진으로 유입시켜 배기가스 재순환(EGR : Exhaust Gas Recirculation）비율을 높임으로써 연소 최고 온도를 더욱 낮추어 질소 산화물(NOx : nitrogen oxides)의 발생량을 더욱 줄일 수 있는 효과가 있다. 아울러 상대적으로 양단 사이의 압력 차이가 큰 제 3 재순환 과정을 추가함에 의해 과도(transient) 운전 조건 등에서 응답속도를 빠르게 할 수 있는 장점이 있다.
넷째, 본 발명의 실시예 4 에 따른 디젤 엔진의 배기가스 재순환 시스템은 실시예 1 의 시스템에서, 실시예 2 에서 활용된 제 2 재순환 과정과 실시예 3 에서 활용된 제 3 재순환 과정이 모두 포함되므로, 모두 3회의 배기가스 재순환 과정을 통해 배기가스 재순환(EGR : exhaust gas recirculation）비율을 높임으로써 연소 최고 온도를 더욱 낮추어 질소 산화물(NOx : nitrogen oxides)의 발생을 더욱 줄일 수 있는 효과가 있다. 아울러, 상대적으로 양단 사이의 압력차가 큰 제 3 재순환 과정에 의해 과도(transient) 운전 조건 등에서 응답속도를 빠르게 할 수 있는 장점이 있다.
도 1 은 종래의 디젤 엔진 시스템에서 배기가스의 배출 과정을 나타낸 구조도.
도 2 는 본 발명의 실시예 1 에 따른 단일의 배기가스 재순환 과정을 포함하는 시스템의 구조도.
도 3 은 본 발명의 실시예 2, 실시예 3, 실시예 4 에 따른 다수의 배기가스 재순환 과정을 포함하는 시스템의 구조도.
도 4 는 제 2 재순환 과정이 포함되는 시스템인 실시예 2 와 실시예 4 의 경우, 디젤 엔진의 속도를 달리할 때 제 2 재순환 밸브의 개도율에 따른 최대 배기가스 재순환률의 변화를 나타내는 그래프.
도 5 는 제 3 재순환 과정이 포함되는 시스템인 실시예 3 과 실시예 4 의 경우, 디젤 엔진의 속도를 달리할 때 제 3 재순환 밸브의 개도율에 따른 최대 배기가스 재순환률의 변화를 나타내는 그래프.
일반적으로 디젤 엔진(diesel engine)은 내연 기관의 일종으로 실린더 내로 공기를 흡입하고 압축하여 500 ~ 550 ℃의 압축열이 발생한 고온의 실린더 내부로 고압의 연료를 인젝터에 의해 분사하고 피스톤을 작동시켜 연료를 점화, 연소시키는 엔진이다. 즉, 디젤 엔진은 경유 또는 중유를 연료로 활용하여 압축 및 점화에 따라 작동하는 왕복운동형 내연기관이다. 디젤 엔진은 디젤 기관, 압축점화기관으로 부르기도 한다.
상술한 바와 같이 디젤 엔진의 사용 증가에 따라 대기 오염의 원인이 되는 디젤 엔진의 배출가스에 대한 규제가 강화되고 있으며, 이를 해결하기 위해 다양한 방면으로 연구가 진행되고 있다. 매연여과장치(DPF : Diesel Particulate Filter), 선택적 환원촉매(SCR : Selective Catalytic Reduction) 등 다양한 후처리기술이 널리 적용되고 있으나, 시스템 운영 비용 및 연비 측면에서 상용 디젤 엔진을 위해 효율적인 것은 엔진 연소 단계에서 유해 배출물질의 생성 자체를 억제하도록 다량의 배기가스 재순환(EGR : exhaust gas recirculation)을 활용한 저온 연소(LTC : low-temperature combustion) 기술이다. 따라서, 본 발명에서는 안정적이고 응답속도가 빠른 저온 연소(LTC : low-temperature combustion)를 가능케 하는 배기가스 재순환(EGR : exhaust gas recirculation) 기술과 관련하여 발명을 개진하고자 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 1 은 종래의 디젤 엔진 시스템에서 배기가스의 배출 과정을 나타낸 구조도를, 도 2 는 본 발명의 실시예 1 에 따른 단일의 배기가스 재순환 과정을 포함하는 시스템의 구조도를, 도 3 은 본 발명의 실시예 2, 실시예 3, 실시예 4 에 따른 다수의 배기가스 재순환 과정을 포함하는 시스템의 구조도를, 도 4 는 제 2 재순환 과정이 포함되는 시스템인 실시예 2 와 실시예 4 의 경우, 디젤 엔진의 속도를 달리할 때 제 2 재순환 밸브의 개도율에 따른 최대 배기가스 재순환률의 변화를 나타내는 그래프를, 도 5 는 제 3 재순환 과정이 포함되는 시스템인 실시예 3 과 실시예 4 의 경우, 디젤 엔진의 속도를 달리할 때 제 3 재순환 밸브의 개도율에 따른 최대 배기가스 재순환률의 변화를 나타내는 그래프를 나타낸다.
실시예 1
도 2 를 참조하면 본 발명의 실시예 1 에 따른 배기가스 재순환 시스템(100)은 디젤 엔진(110), 터빈(120), 압축기(130)를 구비하되 배기가스의 제 1 재순환 과정(150)을 포함한다. 도 2 를 참조하여 공기의 순환 과정을 설명하면, 대기 중의 공기가 공기 유입부(131)를 통해 압축기(130)로 유입된다. 상기 압축기(130)에서 압축된 공기는 압력이 증가함에 따라 온도가 상승하게 되고, 고온의 압축 공기는 냉각기(140)로 유동되어 디젤 엔진(110)으로 유입되기 위한 적정 온도로 냉각된다. 상기 냉각기(140)에서 냉각된 압축 공기는 밸브(141)를 통해 유동량이 조절되며 상기 디젤 엔진(110)으로 유입되고, 피스톤의 상승 운동에 의해 연료의 착화점 이상으로 압축된 연소실 내로 연료가 분사되어 점화 및 연소가 이루어진다. 상기 제 1 재순환 과정(150)에 대해서는 후술하기로 한다. 상기 디젤 엔진(110)은 압축 공기와 연료의 혼합물을 내부로 유입시켜 연소시키는 내연기관이다. 상기 터빈(120)은 상기 디젤 엔진(110)의 연소 후 배출된 가스의 압력을 동력원으로 하여 회전하는 장치이다. 상기 디젤 엔진(110)과 상기 터빈(120)은 통상의 경우에 활용되는 디젤 엔진과 동일하므로 보다 구체적인 설명은 생략하기로 한다. 상기 압축기(130)는 상기 터빈(120)의 회전 동력을 이용하여 구동되며, 상기 공기 유입부(131)를 통해 흡입되는 대기 중의 공기를 압축하여 압축 공기를 생성하는 장치이다. 상기 압축기(130)에서 압축된 압축 공기는 상기 냉각기(140)를 거치며 적정 온도로 냉각되고, 상기 밸브(141)의 개도각에 따라 유동량이 조절될 수 있다.
본 발명의 실시예 1 에 따른 배기가스 재순환 시스템(100)은 상기 제 1 재순환 과정(150)을 포함한다. 상기 제 1 재순환 과정(150)은 상기 디젤 엔진(110)에서 연소 후 배출되는 배출 가스에서 일부가 분기되어 순환이 시작된다. 분기된 배출 가스는 제 1 재순환 밸브(151)를 통해 유동량이 조절될 수 있으며, 상기 제 1 재순환 밸브(151)는 상기 밸브(141)와 마찬가지로 개도각에 따라 유동량이 조절되는 것이 바람직하다. 상기 제 1 재순환 밸브(151)를 통해 유동되는 가스는 제 1 재순환 냉각기(152)를 통과하며 적정 온도로 냉각된다. 상기 디젤 엔진(110)에서 배출된 배출 가스는 고온의 연소 과정을 거치게 되므로 다시 상기 디젤 엔진(110)으로 유입되기 위해서는 적정 온도로 냉각되어야 하기 때문이다. 이러한 상기 제 1 재순환 과정(150)에 의해 상기 디젤 엔진(110)에서 배출된 배출 가스가 모두 대기 중으로 방출되지 않고, 일부가 분기되고 재순환되어 활용된다.
실시예 2
도 3 을 참조하면 본 발명의 실시예 2 에 따른 배기가스 재순환 시스템(100)은 실시예 1 에서의 시스템에 제 2 재순환 과정(160)이 추가된 형태이다. 따라서 이하에서는 실시예 1 과 차이점인 상기 제 2 재순환 과정(160)을 중심으로 설명하기로 한다. 상기 제 2 재순환 과정(160)은 상기 제 1 재순환 과정(150)과 달리 상기 디젤 엔진(110)의 연소 후에 배출되는 가스를 활용하지 않고, 상기 터빈(120)을 통과하며 동력원으로 활용된 후 배출되는 가스 즉, 상기 터빈(120)을 통과하여 가스 배출부(121)를 통해 배출되는 가스를 일부 분기하여 순환을 시작한다. 이와 같이 분기된 배출 가스는 제 2 재순환 밸브(161)를 통해 유동량이 조절될 수 있으며, 상기 제 2 재순환 밸브(161)는 상기 제 1 재순환 밸브(151)와 마찬가지로 순환 과정의 가스의 유동량을 조절하고 밸브 각도에 따라 유동량을 조절하는 것이 바람직하다. 상기 제 2 재순환 밸브(161)를 통해 유동되는 가스는 제 2 재순환 냉각기(162)를 통과하며 적정 온도로 냉각될 수 있다. 다만, 실시예 1 의 경우와 달리 상기 터빈(120)을 거치며 압력이 저하된 상태이므로, 직접 상기 디젤 엔진(110)으로 유입되지 않고, 상기 압축기(130)를 통해 압축된 후, 상기 냉각기(140)와 상기 밸브(141)를 거쳐 상기 디젤 엔진(110)으로 유입된다. 즉, 실시예 2 에서 추가되는 상기 제 2 재순환 과정(160)은 실시예 1 에서의 상기 제 1 재순환 과정(150)과 달리 상대적으로 저압인 상기 터빈(120) 후단에서 배기가스가 유입되어 저압인 상기 압축기(130) 전단으로 순환이 이루어지므로, 이를 Low-Pressure Loop 라 하기도 한다. 실시예 2 에서는 상기 제 1 재순환 과정(150) 및 상기 제 2 재순환 과정(160)이 포함되므로, 실시예 1 에 비해 다량의 배기가스를 재순환시키는 데 유리하다.
실시예 3
도 3 을 참조하면 본 발명의 실시예 3 에 따른 배기가스 재순환 시스템(100)은 실시예 1 에서의 시스템에 제 3 재순환 과정(170)이 추가된 형태이다. 따라서 이하에서는 실시예 1 과 차이점인 상기 제 3 재순환 과정(170)을 중심으로 설명하기로 한다. 상기 제 3 재순환 과정(170)은 상기 제 2 재순환 과정(160)과 달리 상기 터빈(120)을 통과하여 배출되는 가스를 이용하지 않고, 상기 제 1 재순환 과정(150)과 마찬가지로 상기 디젤 엔진(110)의 연소 후에 배출되는 가스를 활용하여 순환을 시작한다. 다만, 먼저 상기 제 1 재순환 과정(150)을 위한 가스가 분기되고, 나머지의 가스 중에서 다시 일부가 분기되어 상기 제 3 재순환 과정(170)으로 유입된다. 이와 같이 분기된 배출 가스는 제 3 재순환 밸브(171)를 통해 유동량이 조절될 수 있으며, 상기 제 3 재순환 밸브(171)는 상기 제 1 재순환 밸브(151) 및 상기 제 2 재순환 밸브(161)와 형성위치만 다를 뿐 동일하게 구성되어 작용할 수 있다. 상기 제 3 재순환 밸브(171)를 통해 유동되는 가스는 제 3 재순환 냉각기(172)를 통과하며 적정 온도로 냉각될 수 있다. 다만, 실시예 1 의 경우와 달리 다시 한번 상기 압축기(130)를 통해 압축시킨 후, 상기 냉각기(140)와 상기 밸브(141)를 거쳐 상기 디젤 엔진(110)으로 유입될 수 있다. 즉, 실시예 3 에서 추가되는 상기 제 3 재순환 과정(170)은 실시예 2 에서의 상기 제 2 재순환 과정(160)과 달리 상대적으로 고압의 상태인 상기 터빈(120) 전단에서 배기가스가 유입되어 저압인 상기 압축기(130) 전단으로 순환이 이루어지므로, 이를 Hybrid Loop라 하기도 한다. 실시예 3 에서는 상기 제 1 재순환 과정(150) 및 상기 제 3 재순환 과정(170)이 포함되므로, 실시예 2 와 마찬가지로 배출가스를 2회에 걸쳐 재순환시키게 되어 실시예 1 의 경우에 비해 다량의 배기가스를 재순환 시키는 데 유리하다. 또한, 실시예 3 에 나타낸 시스템은 실시예 2 의 시스템에 비해 과도(transient) 운전 구간 등에서 배기가스 재순환 응답속도가 빠른 장점을 가지나, 고용량의 배기가스를 재순환 시키는데 있어서는 불리하다는 단점도 있다.
실시예 4
도 3 을 참조하면 본 발명의 실시예 4 에 따른 배기가스 재순환 시스템(100)은 실시예 1 에서의 시스템에, 실시예 2 에서의 상기 제 2 재순환 과정(160)과 실시예 3 에서의 상기 제 3 재순환 과정(170)이 모두 추가되는 형태이다. 따라서, 실시예 4 에서는 상기 제 1 재순환 과정(150), 상기 제 2 재순환 과정(160), 상기 제 3 재순환 과정(170)이 포함되므로 배출 가스는 총 3 회에 걸쳐 재순환된다.
실시예 2 의 경우, 상기 터빈(120)을 구동시킨 이후의 배기가스를 재순환 시키므로 상기 압축기(130)에서 공기를 압축 시키는 성능을 저하하지 않고도 다량의 배기가스를 재순환 시킬 수 있는 장점이 있다. 반면, 상기 디젤 엔진(110)으로부터 상대적으로 거리가 멀고 가스 유입부와 가스 유출부 양단 사이의 압력차가 적은 상기 제 2 재순환 과정(160)을 이용하기 때문에, 운전자의 신호에 따라 운전 조건이 변화했을 때 엔진 시스템이 이를 추종하는 응답속도가 상대적으로 늦어지게 되는 문제도 있다. 실시예 3 의 경우, 상기 디젤 엔진(110)으로부터 상대적으로 거리가 가깝고 가스 유입부와 가스 유출부 양단 사이의 압력차가 큰 상기 제 3 재순환 과정(170)을 이용하기 때문에, 운전 조건이 변화했을 때 응답속도가 상대적으로 빠른 장점이 있어 과도(transient) 운전 특성이 좋은 장점이 있다. 반면, 상기 터빈(120) 전단부에서 배기가스를 분기하여 유입시키기 때문에 다량의 배기가스를 재순환 시키는 경우 상기 터빈(120)을 구동하기 위한 동력이 부족하여 상기 압축기(130)의 압축 성능을 저하시키기 쉬운 단점도 있다. 실시예 4 에서는 이러한 실시예 2 의 장점과 실시예 3 의 장점을 결합하여 다량의 배기가스를 재순환시킴과 동시에 빠른 응답속도를 확보할 수 있는 장점을 갖는다. 따라서 디젤 엔진의 출력을 저하하거나 연비 조건을 악화시키지 않으면서 엔진 연소 과정에서 생성되는 입자상 물질(PM : particulate matter)과 질소 산화물(NOx : nitrogen oxides)의 발생 자체를 저감시킬 수 있는 배기가스 재순환을 안정적으로 또한 신속하게 수행하는 시스템이다.
도 4 에서는 상기 제 2 재순환 과정(160)이 포함되는 실시예 2 와 실시예 4 의 시스템의 경우, 디젤 엔진의 구동 속도를 달리할 때 상기 제 2 재순환 밸브(161)의 개도율에 따른 최대 배기가스 재순환률의 변화를 나타내는 그래프이다. X축에서는 상기 제 2 재순환 밸브(161)의 개방 각도를 나타내고, Y축에서는 최대 EGR rate(배기가스 재순환률)를 나타내고 있다. 즉, 상기 제 2 재순환 밸브(161)의 개방 각도를 크게 할수록 상기 디젤 엔진(110)의 연소실 내부로 유입되는 배기가스 재순환량이 증가하게 된다. 이 경우, 상기 터빈(120)의 후단부에서 배기가스를 유입시키기 때문에 배기가스 재순환량이 증가하더라도 상기 터빈(120)의 회전 속도를 유지할 수 있다. 결과적으로 실시예 2 의 시스템의 경우 실시예 1 의 시스템과 비교할 때, 최대 EGR rate는 1.6배 ~ 2.3 배로 증가되어 배기가스의 재순환률이 향상됨을 알 수 있다.
도 5 에서는 상기 제 3 재순환 과정(170)이 포함되는 실시예 3 과 실시예 4 의 시스템의 경우, 디젤 엔진의 구동 속도를 달리할 때 상기 제 3 재순환 밸브(171)의 개도율에 따른 최대 배기가스 재순환률의 변화를 나타내는 그래프이다. X축에서는 상기 제 3 재순환 밸브(171)의 개방 각도를 나타내고, Y축에서는 최대 EGR rate(배기가스 재순환률)를 나타내고 있다. 즉, 도 4 에서 도시하는 실시예 2 와 마찬가지로 상기 제 3 재순환 밸브(171)의 개방 각도를 크게 할수록 상기 디젤 엔진(110)의 연소실 내부로 유입되는 배기가스 재순환량이 증가하게 된다. 그러나, 전술한 바와 같이 상기 제 3 재순환 밸브(171)의 개방 각도를 일정 각도 이상 크게 하는 경우, 상기 터빈(120)을 구동하기 위한 배기가스의 양이 줄어들어 상기 압축기(130)에 의한 압축 성능을 저하시킴으로써 엔진 연소에 참여하는 공기량 자체가 줄어들고, 결국 EGR rate 증가에 있어 한계를 보인다. 실시예 3 의 시스템의 경우 실시예 1 의 시스템과 비교할 때, 최대 EGR rate는 1.3배 ~ 1.4 배로 증가되어 배기가스의 재순환률이 향상됨을 알 수 있다.
본 발명의 상기한 실시예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
100 : 배기가스 재순환 시스템
110 : 디젤 엔진 120 : 터빈
121 : 가스 배출부 130 : 압축기
131 : 공기 유입부 140 : 냉각기
141 : 밸브
150 : 제 1 재순환 과정 151 : 제 1 재순환 밸브
152 : 제 1 재순환 냉각기
160 : 제 2 재순환 과정 161 : 제 2 재순환 밸브
162 : 제 2 재순환 냉각기
170 : 제 3 재순환 과정 171 : 제 3 재순환 밸브
172 : 제 3 재순환 냉각기

Claims (6)

  1. 디젤 엔진의 배기가스를 재순환하는 시스템에 있어서,
    압축 공기와 연료의 혼합물을 내부로 유입시켜 연소시키되, 연소 후 배출된 가스의 일부를 분기하여 다시 내부로 유입시키는 제 1 재순환 과정(150)을 포함하는 디젤 엔진(110);
    상기 디젤 엔진(110)의 연소 후 배출된 가스 중 상기 제 1 재순환 과정(150)으로 분기된 가스를 제외한 나머지 가스의 압력을 동력원으로 하여 회전하는 터빈(120);
    상기 터빈(120)의 회전 동력을 이용하여 대기 중의 공기를 압축시켜 압축 공기를 생성하고 상기 압축 공기를 상기 디젤 엔진(110)으로 유입시키는 압축기(130);
    를 포함하되,
    상기 터빈(120)을 통과하여 배출되는 가스의 일부를 분기하여 상기 압축기(130)로 유입시키는 제 2 재순환 과정(160)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 배기가스 재순환 시스템.
  2. 디젤 엔진의 배기가스를 재순환하는 시스템에 있어서,
    압축 공기와 연료의 혼합물을 내부로 유입시켜 연소시키되, 연소 후 배출된 가스의 일부를 분기하여 다시 내부로 유입시키는 제 1 재순환 과정(150)을 포함하는 디젤 엔진(110);
    상기 디젤 엔진(110)의 연소 후 배출된 가스 중 상기 제 1 재순환 과정(150)으로 분기된 가스를 제외한 나머지 가스의 압력을 동력원으로 하여 회전하는 터빈(120);
    상기 터빈(120)의 회전 동력을 이용하여 대기 중의 공기를 압축시켜 압축 공기를 생성하고 상기 압축 공기를 상기 디젤 엔진(110)으로 유입시키는 압축기(130);
    를 포함하되,
    상기 디젤 엔진(110)의 연소 후 배출된 가스 중 상기 제 1 재순환 과정(150)으로 분기된 가스를 제외한 나머지 가스에서 일부를 분기하여, 상기 압축기(130)로 유입시키는 제 3 재순환 과정(170)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 배기가스 재순환 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 디젤 엔진(110)의 연소 후 배출된 가스 중 상기 제 1 재순환 과정(150)으로 분기된 가스를 제외한 나머지 가스에서 일부를 분기하여, 상기 압축기(130)로 유입시키는 제 3 재순환 과정(170)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 배기가스 재순환 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 재순환 과정(150)에는 상기 디젤 엔진(110)으로부터 배출된 가스의 일부가 분기 유입되고, 유입된 가스의 유동량을 조절하여 배출할 수 있는 제 1 재순환 밸브(151)와,
    상기 제 1 재순환 밸브(151)를 통과한 가스를 냉각시켜 상기 디젤 엔진(110)의 내부로 다시 유입시키는 제 1 재순환 냉각기(152)가 구비되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 배기가스 재순환 시스템.
  5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 재순환 과정(160)에는 상기 터빈(120)을 통과하여 배출되는 가스의 일부가 분기 유입되고, 유입된 가스의 유동량을 조절하여 배출할 수 있는 제 2 재순환 밸브(161)와,
    상기 제 2 재순환 밸브(161)를 통과한 가스를 냉각시켜 상기 압축기(130)로 유입시키는 제 2 재순환 냉각기(162)가 구비되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 배기가스 재순환 시스템.
  6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제 3 재순환 과정(170)에는 상기 디젤 엔진(110)의 연소 후 배출된 가스 중 상기 제 1 재순환 과정(150)으로 분기된 가스를 제외한 나머지 가스에서 일부가 다시 분기되어 유입되고, 유입된 가스의 유동량을 조절하여 배출할 수 있는 제 3 재순환 밸브(171)와,
    상기 제 3 재순환 밸브(171)를 통과한 가스를 냉각시켜 상기 압축기(130)로 유입시키는 제 3 재순환 냉각기(172)가 구비되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 배기가스 재순환 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130049992A (ko) * 2011-11-07 2013-05-15 현대중공업 주식회사 배기가스재순환용 과급 시스템
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008019730A (ja) * 2006-07-11 2008-01-31 Toyota Motor Corp 内燃機関の排気還流装置
JP2008530439A (ja) * 2005-02-21 2008-08-07 ベール ゲーエムベーハー ウント コー カーゲー 排気ターボ過給機付き内燃機関
JP2008202423A (ja) * 2007-02-16 2008-09-04 Toyota Motor Corp 内燃機関の制御装置
KR20100004478A (ko) * 2008-07-04 2010-01-13 한국델파이주식회사 터보 디젤엔진의 배기가스 재순환시스템

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008530439A (ja) * 2005-02-21 2008-08-07 ベール ゲーエムベーハー ウント コー カーゲー 排気ターボ過給機付き内燃機関
JP2008019730A (ja) * 2006-07-11 2008-01-31 Toyota Motor Corp 内燃機関の排気還流装置
JP2008202423A (ja) * 2007-02-16 2008-09-04 Toyota Motor Corp 内燃機関の制御装置
KR20100004478A (ko) * 2008-07-04 2010-01-13 한국델파이주식회사 터보 디젤엔진의 배기가스 재순환시스템

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130049992A (ko) * 2011-11-07 2013-05-15 현대중공업 주식회사 배기가스재순환용 과급 시스템
KR20160095341A (ko) 2015-02-03 2016-08-11 두산인프라코어 주식회사 배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 장치, 배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 방법

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