KR20120140100A - 저압 이지알 시스템 - Google Patents

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KR20120140100A
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turbocharger
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남기훈
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 저압 이지알 시스템에 관한 것으로, 엔진으로부터 배출되는 배기가스가 통과하는 배기 라인; 엔진으로 공기가 유입되는 흡기 라인; 상기 배기 라인과 흡기 라인을 연결하면서 재순환 배기가스를 과급시키는 터보 차져; 상기 배기 라인으로부터 분기되는 재순환 배기가스의 양을 조절하는 저압 이지알 밸브; 상기 저압 이지알 밸브 및 상기 터보 차져와 연결되어 재순환하는 배기가스가 신기와 혼합되어 엔진에 공급되도록 하는 저압 이지알 라인; 상기 터보 차져와 인접하게 연결되어 재순환 배기가스를 과급시키는 수퍼 차져; 를 포함하는 재순환 배기가스의 이중 과급이 가능한 저압 이지알 시스템을 제공한다.

Description

저압 이지알 시스템{LOW PRESSURE EGR SYSTEM}
본 발명은 저압 이지알 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 재순환 배기가스를 충분히 과급할 수 있는 저압 이지알 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 엔진에는 배기가스의 일부를 다시 흡기 라인으로 재순환시켜 연소시 최고 온도를 낮춤으로써 NOx의 발생을 억제하여 주는 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation, EGR)시스템이 장착된다.
엔진은 각각의 운전 영역에 따라 목표 공기량이 설정되고, EGR 듀티비를 제어함으로써 EGR 가스량과 신기(fresh air)의 흡입량을 조절한다. 상기 EGR 가스량은 각 운전 영역별로 미리 결정되어 있고, 현재의 운전 영역을 판정하여 EGR 밸브를 제어하여 재순환되는 배기가스의 양을 조절한다.
또한, 내연기관에서는 실린더의 하강행정에서 생기는 실린더 안의 부압(負壓)으로 혼합기 또는 공기를 빨아들이는데, 이를 내추럴 에스퍼레이션(natural aspiration) 또는 노멀 에스퍼레이션(normal aspiration)이라고 한다. 그러나 밸브가 열려 있는 짧은 시간 안에 충분한 흡기가 어려워, 펌프로 적극적으로 밀어 넣으면 실린더 내의 공기 충진 효율이 증가하고, 이와 함께 폭발압력도 올라가서 출력이 향상된다. 이를 슈퍼차징(supercharging:過給)이라 하고, 이러한 슈퍼차징을 위해 차량에 장착되는 장치를 터보 차져(turbocharger)라고 한다.
도 3은 종래의 이지알 시스템의 개략도인데, 도 3을 참조하면, 저압 이지알 시스템(100)은 엔진(400)에 공급되는 신기(fresh air)를 공급하는 흡기 라인(180)과, 상기 엔진(400)으로부터 발생되는 저온 저압의 배기가스를 외부로 배출하도록 형성된 배기 라인(110)과, 상기 배기 라인(110)으로부터 분기되어 상기 흡기 라인(180)과 연결되어 상기 배기가스가 재순환하도록 통로를 제공하는 저압 이지알 라인(140)과, 상기 저압 이지알 라인(140)의 분기점에 설치되어 재순환하는 배기가스의 양을 조절하는 저압 이지알 밸브(130) 및 상기 흡기 라인(180)과 배기 라인(110)을 연결하는 터보 차져(170)을 포함한다.
또한, 고압 이지알 시스템(200)은 배기 매니폴드(exhaust manifold)(410)으로부터 배출되는 고온 고압의 배기가스 일부를 고압 이지알 밸브(210)를 이용하여 분기시켜 고압 이지알 라인(220)을 통과시키고, 상기 고압 이지알 라인(220)을 통과한 고온 고압의 배기가스는 고압 이지알 쿨러(230)를 통과하면서 냉각되어 흡기 매니폴드(intake manifold)(420)를 거쳐 다시 엔진(400)에 공급된다.
상기의 고압 이지알 시스템(200)에서는 상기 터보 차져(170)의 전단과 흡기 매니폴드(420)의 압력 차이에 의해 배기가스가 공급되기 때문에 수퍼 차져를 통한 과급압이 높아질 경우 차압 감소로 인하여 충분한 재순환 배기가스의 공급이 곤란하여 배기가스 규제를 만족하지 못하는 경우가 있었다.
본 발명의 실시예들은 충분한 양의 재순환 배기가스를 공급할 수 있는 저압 이지알 시스템을 공급하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 재순환 배기가스를 이중 과급할 수 있는 저압 이지알 시스템을 공급하고자 한다.
나아가, 본 발명의 실시예들은 수퍼 차져와 터보 차져가 함께 수용되는 저압 이지알 시스템을 공급하고자 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 엔진으로부터 배출되는 배기가스가 통과하는 배기 라인; 엔진으로 공기가 유입되는 흡기 라인; 상기 배기 라인과 흡기 라인을 연결하면서 재순환 배기가스를 과급시키는 터보 차져; 상기 배기 라인으로부터 분기되는 재순환 배기가스의 양을 조절하는 저압 이지알 밸브; 상기 저압 이지알 밸브 및 상기 터보 차져와 연결되어 재순환하는 배기가스가 신기와 혼합되어 엔진에 공급되도록 하는 저압 이지알 라인; 상기 터보 차져와 인접하게 연결되어 재순환 배기가스를 과급시키는 수퍼 차져; 를 포함하는 재순환 배기가스의 이중 과급이 가능한 저압 이지알 시스템이 제공될 수 있다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 수퍼 차져는 흡입공기를 기준으로 상기 터보 차져의 상류측 또는 하류측에 인접하여 설치될 수 있다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 수퍼 차져 또는 터보 차져의 후단에는 이중 과급된 배기가스를 냉각시키기 위한 인터쿨러가 위치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 저압 이지알 라인의 후단에 설치되어 재순환 배기가스를 냉각시키는 저압 이지알 쿨러를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 수퍼 차져 전단에는 바이패스관이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 터보 차져 또는 수퍼 차져의 전단에서는 항상 흡압이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 배기 라인에는 배기가스 내의 유해물질을 제거하는 촉매가 형성될 수 있다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서의 촉매는 디젤필터촉매 또는 디젤산화촉매인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 저압 이지알 밸브의 후단에는 상기 재순환 배기가스에 포함되어 있는 이물질을 제거하기 위한 에머전시 필터(Emergency filter)가 더 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예들은 흡압이 형성되는 과급기 앞단에서 재순환 배기가스가 이중으로 재순환 배기가스를 과급됨으로써 재순환 배기가스가 충분히 공급될 수 있다.
또한, 터보 차져와 수퍼 차져를 연결하는 저압 이지알 시스템의 레이 아웃을 제공할 수 있다.
또한, 바이패스밸브를 사용함으로써 전 운전영역에서 다량의 재순환 배기가스를 공급할 수 있는 저압 이지알 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 디젤엔진의 경우 에미션 규제를 만족시킬 수 있고 연비를 개선할 수 있는 효과가 있다.
또한, 이중으로 배기가스를 가압하므로 VGT보다 더 응답성이 좋다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 저압 이지알 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 저압 이지알 시스템의 개략도이다.
도 3은 종래의 저압 이지알 시스템의 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 위주로 설명하되, 종래기술에서와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 사용한다.
이러한 실시예는 본 발명에 따른 일실시예로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현할 수 있으므로, 본 발명의 권리범위는 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다 할 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 저압 이지알 시스템(100)은 배기 라인(110), 흡기 라인(180), 터보 차져(170), 저압 이지알 밸브(130), 저압 이지알 라인(140)을 포함하고 있는 점에서 종래의 저압 이지알 시스템(100)과 유사하나 수퍼 차져(500)를 더 포함하는 점에서 상이하다.
상기 터보 차져(170)는 배기 라인(110)과 연결되어 외부로 향하는 배기가스를 통과시켜 에너지를 발생시키는 터빈(171)과 상기 터빈(171)과 연결되고 상기 터빈(171)에 의해 발생된 에너지에 의하여 상기 흡기 라인(180)과 연결되어 재순환되는 배기가스와 신기를 엔진에 공급하기 위하여 압축하는 컴프레서(172)로 구성된다.
상기 수퍼 챠저는 엔진(400)의 크랭크축(미도시)과 수퍼 챠저를 벨트로 연결하여 엔진(400)의 회전을 임펠러(미도시)로 전달하고, 임펠러가 공기를 엔진(400)으로 보냄으로써 과급된다.
이 때, 상기 수퍼 차져(500)는 흡입공기가 흐르는 방향을 기준으로 상기 터보 차져(170)의 상류측 또는 하류측에 바로 인접하여 설치한다. 다른 장치의 개재 없이 바로 인접하도록 설치하는 이유는 다른 장치가 개재되면 상기 터보 차져(170)와 수퍼 차져(500)의 차압이 커지기 때문에 재순환 배기가스의 공급에 지장을 초래하기 때문이다.
상기 배기 라인(110)에는 촉매(120)가 설치될 수 있는데, 상기 촉매(120)는 디젤필터촉매(DPF: diesel particulate filter)와 디젤산화촉매(DOC: diesel oxidation catalyst)를 포함할 수 있으며, 상기 저압 이지알 밸브(130)는 상기 촉매(120) 후단에 설치된다. 상기 DPF는 엔진(400)의 배기 매니폴드(exhaust manifold)(410)에 연결된 배기 라인(110)상에서 가장 상류측에 배치되고 입자상 물질(Particulate Matter, PM)을 포집하는 역할을 하고, 상기 DOC는 상기 DPF의 하류에 설치되고 배기가스에 포함된 유해물질 중 탄화수소, 일산화탄소, 입자상 물질 중의 용해성 유기물질(SOF)을 산화시켜 이산화탄소와 물로 변환시키는 기능을 수행한다.
나아가 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 저압 이지알 밸브(130)를 통해 유입되는 배기가스를 냉각시켜 재순환시키는 저압 이지알 쿨러(160)가 상기 저압 이지알 밸브(130)의 후단에 설치되며, 상기 저압 이지알 밸브(130)의 후단에는 상기 재순환 배기가스에 포함되어 있는 이물질을 제거하기 위한 에머전시 필터(Emergency filter)(150)가 설치되어 있는데, 상기 에머전시 필터(150)는 상기 저압 이지알 쿨러(160)의 전단에 설치된다.
상기 저압 이지알 라인(140)의 후단에는 저압 이지알 라인(140)을 재순환하는 배기가스를 냉각시키기 위하여 저압 이지알 쿨러(160)를 더 포함할 수 있고, 상기 터보 차져(170) 또는 수퍼 차져(500)의 후단에는 이중으로 과급된 배기가스를 냉각시키기 위하여 인터쿨러(300)를 설치할 수 있다.
또한, 상기 수퍼 차져(500)의 전단에는 바이패스밸브(550)가 설치되어 있어 수퍼 차져(500)를 통과하는 배기가스의 양을 조절할 수 있도록 한다. 즉, 재순환 배기가스의 속도(압력)가 큰 경우에는 수퍼 차져(500)를 통과하는 배기가스의 양을 줄이고, 재순환 배기가스의 속도(압력)가 작은 경우에는 상기 수퍼 차져(500)를 통과하는 배기가스의 양을 늘려 이중으로 과급되는 재순환 배기가스의 양을 증가시킴으로써 재순환 배기가스가 용이하게 엔진(400)에 공급될 수 있도록 한다.
본 발명의 실시예에서는 터보 차져(170) 또는 수퍼 차져(500)와 같은 과급기의 전단에서는 흡압이 형성되어 있어야 한다. 이는 배기가스를 과급하기에 더욱 용이하도록 하기 위함이다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 저압 이지알 시스템(100)의 작동 과정에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수퍼 차져(500)-터보 차져(170)의 구조를 갖는 저압 이지알 시스템(100)의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 배기 라인(110)으로부터 저압 이지알 밸브(130)를 거친 재순환 배기가스는 저압 이지알 쿨러(160)를 거쳐 냉각된다. 이 때의 재순환 배기가스는 저온 저압의 상태이다. 바이패스밸브(550)를 조절하여 재순환 배기가스 중 일부를 수퍼 차져(500)로 보낸다. 수퍼 차져(500)로 보내진 재순환 배기가스는 새로 들어오는 신기와 혼합된 채 1차로 과급된다. 상기 과급된 배기가스와 신기는 터보 차져(170)로 보내져 2차로 과급되어 엔진(400)에 공급된다.
이중으로 가압된 배기가스와 신기의 혼합가스는 고온으로 되므로 이를 인터쿨러(300)를 통과시켜 냉각시킨 후 엔진(400)의 흡기 매니폴드(420)로 공급한다.
이 때, 저압 이지알 라인(140)에서의 배기가스가 고속(고압)이라면 별도의 가압이 필요 없으므로 바이패스밸브(550)를 조절하여 수퍼 차져(500)를 통과하는 배기가스의 양을 줄이고 바이패스밸브(550)에 연결된 바이패스관(551)을 통과하는 재순환 배기가스의 양을 늘린다. 반면, 저압 이지알 라인(140)에서의 배기가스가 저속(저압)이라면 수퍼 차져(500)를 통과시키는 배기가스의 양을 증가시켜 재순환 배기가스의 공급이 원활하게 이루어지도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터보 차져(170)-수퍼 차져(500)의 구조를 갖는 저압 이지알 시스템(100)의 개략도이다.
도 2를 참조하면, 상기 수퍼 차져(500)-터보 차져(170)의 구조와 유사하고 그 순서만 바뀐 경우이다. 즉, 종래의 저압 이지알 시스템(100)에 의해 공급되던 재순환 배기가스가 터보 차져(170)를 통과하면서 1차적으로 과급되고, 상기 터보 차져(170)를 통과한 재순환 배기가스는 상기 터보 차져(170)와 바로 인접하여 설치되어 있는 수퍼 차져(500)를 통과하면서 2차적으로 과급된다. 상기와 같이 이중으로 가압함으로써 재순환 배기가스의 공급을 원활하게 할 수 있다. 이중으로 과급된 재순환 배기가스와 신기의 혼합가스는 고온으로 되므로 인터쿨러(300)를 통과시켜 냉각시킨다. 냉각된 혼합가스는 엔진(400)의 흡기 매니폴드(420)를 통하여 엔진(400)의 실린더로 흡입된다.
상기 흡입된 혼합가스는 연소되어 다시 배기 라인(110)을 통하여 외부로 배출된다.
배출되는 배기가스는 외부로 배출될 수도 있지만 다시 저압 이지알 라인(140)으로 유입되어 다시 재순환할 수도 있다.
또한, 상기 수퍼 차져(500)의 전단에 바이패스관(551)이 있는 경우에는 재순환 배기가스의 속도에 따라 수퍼 차져(500)의 작동을 제어할 수 있다. 이 때, 저압 이지알 라인(140)에서의 배기가스의 속도가 큰 경우에는 수퍼 차져(500)는 작동하지 않고 터보 차져(170)가 단독으로 작동할 수 있다.
만약, 바이패스관(551)이 별도로 구비되어 있지 않은 경우라면 수퍼 차져(500)는 상시 작동한다.
상기에서 살펴 보았듯이 저압 이지알 라인(140)을 통과하는 배기가스의 속도(압력 또는 부하)의 크기에 따라 수퍼 차져(500)를 작동시킴으로써 이중으로 가압이 가능하므로 고/저부하의 전 운전영역을 통하여 재순환 배기가스의 공급을 원활하게 할 수 있으며, 다량의 재순환 배기가스를 공급할 수 있기 때문에 디젤엔진(400)의 에미션 규제를 만족시킬 수 있으며 연비를 향상시킬 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 저압 이지알 시스템
110: 배기 라인
120: 촉매
130: 저압 이지알 밸브
140: 저압 이지알 라인
150: 에머전시 필터
160: 저압 이지알 쿨러
170: 터보차져
171: 터빈
172: 컴프레서
180: 흡기 라인
200: 고압 이지알 시스템
210: 고압 이지알 밸브
220: 고압 이지알 라인
230: 고압 이지알 쿨러
300: 인터쿨러
400: 엔진
410: 배기 매니폴드
420: 흡기 매니폴드
500: 수퍼 차져
550: 바이패스밸브
551: 바이패스관

Claims (9)

  1. 엔진으로부터 배출되는 배기가스가 통과하는 배기 라인;
    엔진으로 공기가 유입되는 흡기 라인;
    상기 배기 라인과 흡기 라인을 연결하면서 재순환 배기가스를 과급시키는 터보 차져;
    상기 배기 라인으로부터 분기되는 재순환 배기가스의 양을 조절하는 저압 이지알 밸브;
    상기 저압 이지알 밸브 및 상기 터보 차져와 연결되어 재순환하는 배기가스가 신기와 혼합되어 엔진에 공급되도록 하는 저압 이지알 라인;
    상기 터보 차져와 인접하게 연결되어 재순환 배기가스를 과급시키는 수퍼 차져;
    를 포함하는 재순환 배기가스의 이중 과급이 가능한 저압 이지알 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수퍼 차져는 흡입공기를 기준으로 상기 터보 차져의 상류측 또는 하류측에 인접하여 설치되는 것을 특징으로 하는 재순환 배기가스의 이중 과급이 가능한 저압 이지알 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수퍼 차져 또는 터보 차져의 후단에는 이중 과급된 배기가스를 냉각시키기 위한 인터쿨러가 위치하는 것을 특징으로 하는 재순환 배기가스의 이중 과급이 가능한 저압 이지알 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 저압 이지알 라인의 후단에 설치되어 재순환 배기가스를 냉각시키는 저압 이지알 쿨러를 더 포함하는 재순환 배기가스의 이중 과급이 가능한 저압 이지알 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 수퍼 차져 전단에는 바이패스관이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 재순환 배기가스의 이중 과급이 가능한 저압 이지알 시스템.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 터보 차져 또는 수퍼 차져의 전단에서는 항상 흡압이 형성되는 것을 특징으로 하는 재순환 배기가스의 이중 과급이 가능한 저압 이지알 시스템.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 배기 라인에는 배기가스 내의 유해물질을 제거하는 촉매가 형성되는 것을 특징으로 하는 재순환 배기가스의 이중 과급이 가능한 저압 이지알 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 촉매는 디젤필터촉매 또는 디젤산화촉매인 것을 특징으로 하는 재순환 배기가스의 이중 과급이 가능한 저압 이지알 시스템.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 저압 이지알 밸브의 후단에는 상기 재순환 배기가스에 포함되어 있는 이물질을 제거하기 위한 에머전시 필터(Emergency filter)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 재순환 배기가스의 이중 과급이 가능한 저압 이지알 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN104653342A (zh) * 2013-11-17 2015-05-27 徐敏 依靠排气压力调节的蝶阀系统
US9726090B2 (en) 2015-05-07 2017-08-08 Hyundai Motor Company Engine having low pressure EGR system and control method thereof

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