KR20130040326A - 이지알 쿨러 - Google Patents

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KR20130040326A
KR20130040326A KR1020110105006A KR20110105006A KR20130040326A KR 20130040326 A KR20130040326 A KR 20130040326A KR 1020110105006 A KR1020110105006 A KR 1020110105006A KR 20110105006 A KR20110105006 A KR 20110105006A KR 20130040326 A KR20130040326 A KR 20130040326A
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이준희
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 이지알 쿨러를 개시한다. 본 발명은 엔진냉각수 유입구와 유출구를 갖는 냉각수 셀; 이 냉각수 셀의 내부에 일정간격으로 설치되어 재순환 배기가스가 통과하는 다수의 가스튜브; 다수의 가스튜브를 복수의 가스유입역역과 1개의 가스유출영역으로 구획하는 복수의 격벽; 냉각수 셀의 일단을 차폐하면서 배기매니폴드와 흡기매니폴드에 각각 연결되는 바이패스 유로; 냉각수 셀의 타단을 차폐하면서 가스유입영역의 배기가스를 가스유출영역으로 안내하는 가이드 베인; 및 바이패스 유로에 설치되고, 배기매니폴드로부터 유입되는 재순환 배기가스를 흡기매니폴드로 바이패스 시키거나, 복수의 가스유입영역 각각으로 유도하는 가스제어밸브;를 포함한다.
본 발명은 엔진의 부하에 따라 재순환 배기가스의 쿨링 용량을 조절함으로써 과냉에 의한 파울링 현상을 최소화하여 쿨링 효율 저하를 억제하고 NOx 배출량을 저감시킬 수 있게 된다.

Description

이지알 쿨러{EGR COOLER}
본 발명은 배기 매니폴드에서 흡기 매니폴드 쪽으로 배기가스의 일부를 공급해주는 자동차의 배기가스 재순환장치(EGR : Exhaust Gas Reciculation)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 흡기 매니폴드로 재공급되는 배기가스를 엔진 냉각수를 이용하여 냉각시켜주는 이지알 쿨러에 관한 것이다.
근래, 환경오염방지를 위해 자동차의 배기가스, 특히 디젤엔진 차량의 배기가스 규제가 엄격해지면서 연비와 PM의 증가 없이 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 방안이 다각도로 강구되고 있다.
NOx는 엔진 연소과정에서 공기 중의 질소가 고온에서 산화됨으로써 발생되는데, 특히 디젤엔진의 경우 압축착화방식으로 연소를 일으키고 실린더의 재질 발달로 인해 압축비가 점점 더 높아져 연소실의 온도가 높아짐에 따라 NOx의 발생량도 증대되고 있다. 이러한 NOx는 지구환경을 파괴하는 주요 유해물질로써, 산성비, 광학스모그, 호흡기 장애 등을 일으키는 것으로 알려져 있다.
EGR 장치는 배기가스의 일부를 적절히 냉각한 후 다시 흡기계로 재순환시켜 흡입공기 중의 불활성가스(수증기, 이산화탄소 등) 농도를 증대시킴으로써 연소실의 온도를 낮추어 주고, 희박연소에 의해 NOx의 생성분위기를 억제함으로써 NOx를 저감시키는 디젤엔진의 배기가스 저감을 위한 대표적인 기술이다.
도 1에 이와 같은 EGR 장치의 일반적인 구성을 개략적으로 도시하였다.
EGR 장치(D)는 엔진냉각수에 의해 배기가스를 냉각할 수 있도록 셀 앤 튜브(shell & tube)형 냉각기(1)가 배기가스 재순환경로 상에 설치되어, 가스유입관(P1) 및 가스유출관(P2)을 통해 배기매니폴드(M1)와 흡기매니폴드(M2)에 각각 연결된다.
쿨러(1)는 도 2에 도시한 바와 같이, 냉각수 유입구(2a)와 유출구(2b)를 갖는 냉각수 셀(2)의 내부에 다수의 가스튜브(3)를 일정간격으로 구비하고, 가스튜브(3)가 격벽(4)에 의해 유입 및 유출 가스영역으로 구획된다. 쿨러(1)의 일단에는 격벽(4)에 밸브(6)를 구비하는 바이패스 유로(5)가 마련되고, 타단에는 배기가스의 유동흐름을 안내하는 호형의 가이드 베인(guide vane:7)이 구비되어 있다.
이에 따라 바이패스 유로(5)로 유입된 배기가스는 밸브(6)의 개폐에 따라 가스튜브(3)를 거치지 않고 그대로 흡기매니폴드(M2)로 공급되거나, 가스튜브(3)를 지나면서 냉각된 후 흡기매니폴드(M2)로 공급되게 된다.
그런데, 이러한 종래의 EGR 쿨러는 바이패스와 냉각의 2가지 모드로만 작동하기 때문에 엔진의 속도와 부하에 관계없이 항상 동일한 쿨링이 이루어지게 되어 장기적으로 파울링(fouling) 현상에 의한 쿨링효율의 감소를 초래하게 된다.
즉, 날로 엄격해지는 배기가스 규제를 만족시키기 위한 효율 개선책으로 쿨링의 용량증대와 가스튜브(3)의 피치 축소 등을 적용하고 있지만, 이는 초기에만 효율이 좋을 뿐 저속 저부하 상태에서는 상대적으로 과냉이 이루어질 수밖에 없어 응축수에 의한 파울링 현상을 발생시키게 된다.
이로 인해 쿨러(1) 내부에 슈트(soot)의 퇴적이 과다해짐으로써 가스의 유량과 압력이 감소하게 되어 쿨러의 효율이 감소되는 것이다. 이와 같은 쿨러 효율 감소는 결국 NOx의 배출량 증가로 이어지게 된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 엔진의 속도와 부하에 따라 재순환 배기가스의 쿨링 용량을 조절함으로써 과냉에 의한 파울링 현상을 최소화하여 쿨링 효율 저하를 억제하고 NOx 배출량을 저감시킬 수 있는 이지알 쿨러를 제공함에 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이지알 쿨러는, 엔진냉각수 유입구와 유출구를 갖는 냉각수 셀; 이 냉각수 셀의 내부에 일정간격으로 설치되어 재순환 배기가스가 통과하는 다수의 가스튜브; 다수의 가스튜브를 복수의 가스유입역역과 1개의 가스유출영역으로 구획하는 복수의 격벽; 냉각수 셀의 일단을 차폐하면서 배기매니폴드와 흡기매니폴드에 각각 연결되는 바이패스 유로; 냉각수 셀의 타단을 차폐하면서 가스유입영역의 배기가스를 가스유출영역으로 안내하는 가이드 베인; 및 바이패스 유로에 설치되고, 배기매니폴드로부터 유입되는 재순환 배기가스를 흡기매니폴드로 바이패스 시키거나, 복수의 가스유입영역 각각으로 유도하는 가스제어밸브;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 특징에 의하면, 가스조절밸브는 직류모터에 의해 복수의 단계로 회동하는 플랩밸브로 이루어질 수 있다.
이 경우, 격벽의 일단과 바이패스 유로에 플랩밸브의 회전반경에 대응하여 플랩밸브의 선단에 밀착되는 접촉부를 갖는다.
또한, 격벽은 복수의 가스튜브들 중앙에 위치하여 가스유입영역과 가스유출영역으로 구획하는 제1격벽과, 가스유입영역의 가스튜브들 중간에 위치하여 가스유입영역을 2개의 영역으로 세분하는 제2격벽으로 이루어질 수 있다.
상기 가이드 베인은 제2격벽에서 유선형으로 연장된 가이드 날개가 형성되어 제2격벽의 외측으로 유입된 가스는 가이드 날개의 외측에서 돌아나가고, 제2격벽 내측으로 유입된 가스는 가이드 날개의 내측에서 돌아나가도록 할 수 있다.
이에 따라 엔진이 저속 저부하 일 때는 가스유입영역의 일부로만 재순환 배기가스가 통과하고, 엔진이 고속 고부하 일 때는 가스유입영역 전부로 재순환 배기가스가 통과한다.
이와 같은 본 발명 이지알 쿨러에 의하면, 고속 고부하 일 때는 가스튜브의 가스유입영역 전부로 재순환 배기가스가 통과하지만, 저속 저부하 일 때는 가스유입영역의 일부로만 재순환 배기가스가 통과하게 됨으로써 엔진의 부하에 쿨링량을 다단계로 조절할 수 있게 된다.
이에 따라 종래와 같은 저속 저부하에서의 과냉이 효과적으로 방지되어 파울링 현상을 최대한 억제할 수 있으며, 장기적으로 엔진의 누적 주행거리에 따른 쿨링효과 감소와 NOx 배출량 증가도 억제할 수 있게 된다.
도 1은 일반적인 이지알 장치를 나타낸 개략도,
도 2는 종래 이지알 쿨러를 도시한 단면도,
도 3은 본 발명에 의한 이지알 쿨러가 적용된 이지알 장치의 개략도,
도 4는 본 발명 이지알 쿨러를 도시한 단면도,
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 의한 이지알 쿨러의 작동모드들을 도시한 단면도들,
도 6은 본 발명과 종래기술의 압력강하 및 쿨링효율을 각각 비교하는 그래프이다.
이와 같은 본 발명에 의한 이지알 쿨러의 구체적 특징과 다른 이점들은 첨부된 도면을 참조한 이하의 바람직한 실시 예의 설명으로 더욱 명확해 질 것이다.
도 3 및 도 4에서, 본 발명에 의한 이지알 쿨러(10)는, 냉각수 셀(11)과, 이 냉각수 셀(11)의 내부에 일정간격으로 설치되어 재순환 배기가스가 통과하는 다수의 가스튜브(12)와, 다수의 가스튜브(12)를 복수의 가스유입영역(12a)과 1개의 가스유출영역(12b)으로 구획하는 복수의 격벽(13)과, 냉각수 셀(11)의 일단을 차폐하면서 배기매니폴드(M1)와 흡기매니폴드(M2)에 각각 연결되는 바이패스 유로(14)와, 냉각수 셀(11)의 타단을 차폐하면서 가스유입영역(12a)의 배기가스를 가스유출영역(12b)으로 안내하는 가이드 베인(15) 및 바이패스 유로(14)에 설치되어 배기매니폴드(M1)로부터 유입되는 재순환 배기가스를 흡기매니폴드(M2)로 바이패스 시키거나 복수의 가스유입영역(12b) 각각으로 유도하는 가스조절밸브(16)를 포함한다.
냉각수 셀(11)은 이지알 쿨러(10)의 몸체를 이루는 것으로, 플랫(flat) 형태의 육면체로 구성되어 양단이 개구된다. 냉각수 셀(11)에는 엔진냉각수가 통과할 수 있도록 엔진냉각수 유입구(11a)와 유출구(11b)가 구비된다.
다수의 가스튜브(12)는 열교환효율을 위해 바람직하기로 장방형 단면을 갖는 알루미늄재 플랫 튜브로 구성되고, 냉각수 셀(11)의 내부에서 그 폭방향으로 일정간격을 두고 나란하게 배열 고정된다.
이러한 가스튜브(12)들은 후술한 제1격벽(13a)에 의해서 재순환 배기가스가 유입되는 가스유입영역(12a)과 가스유출영역(12b)으로 구획되고, 가이드 베인(15)에 의해 대응하는 단부가 상호 연통하도록 연결된다. 이때, 제1격벽(13a)은 다수의 가스튜브(12)들의 중앙에 위치하여 두 영역(12a)(12b)간에 유량변화가 발생되지 않도록 함이 바람직하다.
또, 가스유입영역(12a)을 이루는 가스튜브(12)들은 제2격벽(13b)에 의해서 제1가스유입영역(12c)과 제2가스유입영역(12d)으로 재구획된다. 이에 따라 엔진의 부하에 따라 재순환 배기가스가 제1가스유입영역(12c)만 통과하거나, 또는 제1 및 제2가스유입영역(12c)(12d)을 동시에 통과하는 단계별 작동모드를 구현한다. 또한, 상기 가이드 베인(15)은 제2격벽(13b)에서 유선형으로 연장된 가이드 날개(15a)가 형성되어 제2격벽(13b)의 외측으로 유입된 가스는 가이드 날개(15a)의 외측에서 돌아나가고, 제2격벽(13b) 내측으로 유입된 가스는 가이드 날개(15a)의 내측에서 돌아나가도록 함으로써 유동의 흐름을 부드럽게 유도하고 난류의 발생을 줄이는 것도 가능하다.
여기서, 별도로 도시하지는 않았으나, 제1가스유입영역(12c)을 격벽(13)에 의해 더 구획하여 부하에 따른 작동모드를 보다 세분할 수도 있음은 물론이다.
격벽(13)은 전술한 바와 같이, 다수의 가스튜브(12)들의 중앙에 위치하는 제1격벽(13a)과, 이 제1격벽(13a)과 간격을 두고 냉각수 셀(11) 내의 가스유입영역(12a) 중간에 나란하게 배치되는 제2격벽(13b)으로 구성된다.
제1격벽(13a)의 일단, 즉 바이패스 유로(14) 쪽 선단에는 후술한 가스조절밸브(16)의 회전반경에 대응하여 그 선단에 밀착되는 접촉부(13c)가 도면에서 좌측 상방(바이패스 유로 쪽)으로 경사지게 연장 형성된다.
본 실시 예에서는 가스조절밸브(16)가 제2격벽(13b)의 일단에 직접 밀착되는 회전반경으로 구성되어 제2격벽(13b)에는 별도의 접촉부가 구비되지 않지만, 이는 단순한 예시일 뿐 쿨러의 구성에 따라 접촉부가 구비될 수도 있음은 물론이다.
바이패스 유로(14)는 냉각수 셀(11)의 일단에 기밀하게 결합된다. 바이패스 유로(14)는 가스튜브(12)의 배열방향으로 재순환 배기가스의 유입구(14a)와 유출구(14b)를 갖는다.
바이패스 유로(14)의 내벽에도 후술한 가스조절밸브(16)의 회전반경에 대응하여 가스조절밸브(16)의 선단에 밀착되는 복수의 접촉부(14c)가 일정각도 간격으로 구비된다.
가이드 베인(15)은 냉각수 셀(11)의 타단에 기밀하게 결합된다. 가이드 베인(15)은 가스튜브(12)의 가스유입영역(12a)을 통과한 재순환 배기가스가 가스유출영역(12b)으로 원활하게 흐를 수 있도록 원호형으로 구성된다.
이러한 가이드 베인(15)의 내부에는 바람직하기로 저속 저부하 시에 가스튜브(12)의 제1가스유입영역(12c)만을 통과한 재순환 배기가스가 제2가스유입영역(12d)로 역류하지 않고 가스유출영역(12b)으로 들어갈 수 있도록 유도하는 보조가이드(15a)를 구비한다.
가스조절밸브(16)는 예컨대 바이패스 유로(14) 내에서 회동하는 플랩밸브(flap valve)로 이루어지고, 직류모터(도시하지 않음)에 의해 일정각도 간격씩 단계별도 회동함으로써 배기매니폴드(M1)로부터 유입된 재순환 배기가스를 흡기매니폴드(M2)로 바이패스 시키거나, 가스튜브(12)의 제1가스유입영역(12c) 또는 제1 및 제2가스유입영역(12c)(12d)으로 유도한다.
다음, 이와 같은 구조적 특징을 가지는 본 발명에 의한 이지알 쿨러(10)의 작동을 도 5a 내지 도 5c를 병행하여 설명한다.
본 발명의 이지알 쿨러(10)는 바이패스, 로우 쿨링 및 하이 쿨링의 3가지 모드로 작동된다.
도 5a는 바이패스 모드로, 가스조절밸브(16)가 바이패스 유로(14)의 유입구(14a)와 나란하게 위치하여 가스튜브(12)의 가스유입영역(12a)의 입구를 모두 차단한다. 이에 따라 배기매니폴드(M1)로부터 유입된 재순환 배기가스는 이지알 쿨러(10)에 의해 냉각되지 않고 그대로 통과되어 흡기매니폴드(M2)로 유출된다.
도 5b는 로우 쿨링 모드로, 엔진이 저속 저부하일 때 작동한다. 이때에는 가스조절밸브(16)가 바이패스 유로(14)와 가스튜브(12)의 제2가스유입영역(12d)을 동시에 차단하도록 위치한다. 이에 따라 소량의 재순환 배기가스가 가스유입영역(12a)의 일부인 제1가스유입영역(12c)만 통과하게 됨으로써 과냉이 효과적으로 방지된다.
이는 과냉으로 인한 응축수 발생을 억제하여 파울링 현상을 최소화하고, 결과적으로 슈트의 퇴적을 줄여 장기적으로 쿨링 효율 저하와 NOx 배출량 증대를 감소시킬 수 있게 된다.
도 5c는 하이 쿨링 모드로, 엔진이 고속 고부하일 때 작동한다. 이때에는 가스조절밸브(16)가 바이패스 유로(14)만 차단하도록 위치한다. 이에 따라 다량의 재순환 배기가스가 가스튜브(12)의 가스유입영역(12a) 전부, 즉 제1 및 제2가스유입영역(12c)(12d)을 모두 통과한다.
한편, 도 6에는 본 발명과 종래기술의 이지알 쿨러 가스압력강하와 쿨링효율을 비교한 그래프를 나타내었다.
여기서, 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 의한 이지알 쿨러(10)는 종래에 비해 가스압력강하가 크게 낮아지고, 쿨링효율은 대폭 향상되는 것을 알 수 있다.
이상에서, 본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
11 : 냉각수 셀 12 : 가스튜브
12a : 가스유입영역 12b : 가스유출영역
12c : 제1가스유입영역 12d : 제2가스유입영역
13 : 격벽 14 : 바이패스 유로
15 : 가이드 베인 16 : 가스조절밸브
M1 : 배기매니폴드 M2 : 흡기매니폴드

Claims (6)

  1. 엔진냉각수 유입구와 유출구를 갖는 냉각수 셀;
    상기 냉각수 셀의 내부에 일정간격으로 설치되어 재순환 배기가스가 통과하는 다수의 가스튜브;
    상기 다수의 가스튜브를 복수의 가스유입역역과 1개의 가스유출영역으로 구획하는 복수의 격벽;
    상기 냉각수 셀의 일단을 차폐하면서 배기매니폴드와 흡기매니폴드에 각각 연결되는 바이패스 유로;
    상기 냉각수 셀의 타단을 차폐하면서 상기 가스유입영역의 배기가스를 가스유출영역으로 안내하는 가이드 베인; 및
    상기 바이패스 유로에 설치되고, 배기매니폴드로부터 유입되는 재순환 배기가스를 흡기매니폴드로 바이패스 시키거나, 상기 복수의 가스유입영역 각각으로 유도하는 가스제어밸브;를 포함하는 이지알 쿨러.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 가스조절밸브는,
    직류모터에 의해 복수의 단계로 회동하는 플랩밸브로 이루어진 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 격벽의 일단과 바이패스 유로에 상기 플랩밸브의 회전반경에 대응하여 플랩밸브의 선단에 밀착되는 접촉부를 갖는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 격벽은,
    상기 복수의 가스튜브들 중앙에 위치하여 가스유입영역과 가스유출영역으로 구획하는 제1격벽과, 상기 가스유입영역의 가스튜브들 중간에 위치하여 가스유입영역을 2개의 영역으로 세분하는 제2격벽으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 가이드 베인은 제2격벽에서 유선형으로 연장된 가이드 날개가 형성되어 제2격벽의 외측으로 유입된 가스는 가이드 날개의 외측에서 돌아나가고, 제2격벽 내측으로 유입된 가스는 가이드 날개의 내측에서 돌아나가도록 하는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
  6. 청구항 4에 있어서,
    엔진이 저속 저부하 일 때는 상기 가스유입영역의 일부로만 재순환 배기가스가 통과하고, 엔진이 고속 고부하 일 때는 상기 가스유입영역 전부로 재순환 배기가스가 통과하는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
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