KR20130061577A

KR20130061577A - 이지알 쿨러 어셈블리

Info

Publication number: KR20130061577A
Application number: KR1020110127963A
Authority: KR
Inventors: 정우열
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2013-06-11

Abstract

본 발명은 냉각수의 출입에 의해 배기가스를 냉각하는 하우징과, 상기 하우징의 내부 공간을 구획하여 배기가스 유입구와 유출구를 형성하는 플레이트와, 상기 배기가스 유입구와 유출구에 각각 구비되는 쿨링 모듈을 포함하는 쿨러 바디와 상기 배기가스 유입구와 유출구에 각각 설치되어 상기 배기가스 유입구와 유출구를 개폐하는 복수의 제어 밸브 및 상기 복수의 제어 밸브에 연결되어 그 구동력을 제공하는 복수의 모터를 포함하는 이지알 쿨러 어셈블리에 관한 것으로서, 본 발명에 의하면 엔진이나 자동차의 다양한 상황에 맞게 쿨러의 성능을 조절함으로써 EGR 파울링 효과를 개선하고 차량의 연비를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

이지알 쿨러 어셈블리{EGR COOLER ASSEMBLY}

본 발명은 이지알 쿨러 어셈블리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자동차의 EGR 시스템에 장착되어 EGR 가스의 다양한 온도 조건에 대응하여 쿨링 가능한 이지알 쿨러 어셈블리에 관한 것이다.

강화되는 배기가스 규제에 대응하기 위하여, 최신 디젤 엔진 차량은 미립자 필터(DPF)와 배기가스 재순환 장치(EGR)를 장착하고 있다. DPF는 배기가스에 포함된 입자상 물질을 필터로 포집한 후, 필터 전단의 배기관에 연료를 분사하여 강제적으로 입자상 물질을 태움으로써, 배출가스를 저감시키고 필터를 재생시킨다. 또한, HC와 CO의 정화를 위해서 DPF 전단에는 산화촉매를 장착하는데, 이 산화 촉매는 PM을 삭감하는 역할을 하기도 한다.

그러나, 디젤 엔진에서는 이론 공연비로 연소시키는 가솔린 엔진과는 달리, 공기의 비율이 매우 크기 때문에 삼원촉매를 이용할 수 없는 문제점이 있고, 따라서 NOx의 저감을 위해서 EGR을 주로 이용한다. 특히, 최근의 커먼레일 방식의 디젤 엔진의 경우 연료를 고압으로 분사하여 연소온도가 높아짐에 따라 NOx 발생량이 많아지므로, NOx의 저감을 위한 EGR의 역할이 더욱 크다고 할 수 있다.

EGR 장치는 엔진으로부터 배출된 배기가스의 일부를 흡기 매니폴드로 재순환 시켜 배기가스가 연소과정에서 생성된 열을 흡수하게 함으로써, 연소실의 최대 연소 온도를 감소시켜 NOx의 생성을 감소시키는 장치이다.

이러한 EGR 시스템은 엔진 제어 장치(ECU)의 제어에 의해 엔진의 운전 조건에 따라 EGR 유량을 제어하는 EGR밸브와, EGR을 통한 NOx 저감을 극대화시키기 위하여 재순환을 위한 배기가스를 흡기 매니폴드로 보내기 전에 냉각수와의 열교환을 통하여 냉각시키는 EGR 쿨러를 포함한다.

그런데, 종래기술에 따른 EGR 쿨러의 경우 EGR 가스를 쿨러의 쿨링 모듈 내부로 통과시켜 냉각수와의 열교환에 의해 가스 온도를 냉각하는 방식으로서 그 성능은 설계된 EGR 쿨러의 형상에 따라 고정되고, 해당 EGR 가스의 양은 EGR 밸브에 의해서만 제어되는 구조였다. 따라서 종래 EGR 쿨러의 경우에는 EGR 가스의 양이나 EGR 가스의 온도가 변하여도 그에 대응하여 EGR 쿨러의 성능을 조절할 수 없는 문제가 있었다. 그리고, 항상 동일한 성능으로 EGR 쿨러가 작동되기 때문에 불필요하게 큰 볼륨을 사용하여 냉각함으로써 EGR 파울링(fouling)을 악화시키고 차량의 연비도 저하시키는 문제가 있었다.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 다양한 EGR 가스의 상태에 대응하여 EGR 성능을 조절할 수 있고, EGR 파울링(fouling)을 저감시킬 수 있으며, 차량의 연비를 향상시킬 수 있는 이지알 쿨러 어셈블리를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명의 실시예에서는 이지알 쿨러 어셈블리를 제공한다. 몇몇 실시예에서, 상기 이지알 쿨러 어셈블리는 본체가 되며 냉각수의 출입에 의해 배기가스를 냉각하는 하우징과, 상기 하우징의 내부 공간을 구획하여 배기가스 유입구와 유출구를 형성하는 플레이트와, 상기 배기가스 유입구와 유출구에 각각 구비되는 쿨링 모듈을 포함하는 쿨러 바디; 상기 배기가스 유입구와 유출구에 각각 설치되어 상기 배기가스 유입구와 유출구를 개폐하는 복수의 제어 밸브; 및 상기 복수의 제어 밸브에 연결되어 그 구동력을 제공하는 복수의 모터;를 포함할 수 있다.

상기 플레이트는 그 단면이 십자형으로 형성되며 상기 하우징을 따라 연장되어 그 내부를 4개의 공간으로 구획함으로써 2개의 배기가스 유입구와 2개의 배기가스 유출구를 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 구획된 4개의 공간 중 상부의 2개 공간이 상기 배기가스 유입구가 되고, 하부의 2개 공간이 상기 배기가스 유출구가 되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 제어 밸브는 밸브판의 회전에 의해 개폐가 이루어지는 스로틀 밸브이며, 상기 밸브판의 회전축이 상기 모터와 각각 연결되어 구동되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 복수의 제어 밸브는 각각 독립적으로 제어되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 하우징의 상부에는 상기 냉각수의 출입을 위한 냉각수 유입구와 냉각수 유출구가 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 하우징은 상기 배기가스 유입구를 통해 유입된 배기가스의 방향을 전환하기 위한 곡면부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 이자알 쿨러 어셈블리에 의하면 엔진이나 자동차의 다양한 상황에 맞게 쿨러의 성능을 조절함으로써 EGR 파울링 효과를 개선하고 차량의 연비를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이지알 쿨러 어셈블리의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이지알 쿨러 어셈블리의 분해사시도이다.
도 3은 본 발명에 실시예에 따른 제어 밸브의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 쿨러 바디 내부에서 배기가스 흐름을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이지알 쿨러 어셈블리의 작동을 상황별로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이지알 쿨러 어셈블리의 작동 상황별 실험 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이지알 쿨러 어셈블리(10)의 측면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이지알 쿨러 어셈블리(10)의 구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 이지알 쿨러 어셈블리(10)는 배기가스 유입구(121)와 유출구(122)가 형성되는 쿨러 바디(100)와, 상기 배기가스 유입구(121)와 유출구(122)에 각각 설치되어 상기 배기가스 유입구(121)와 유출구(122)를 개폐하는 복수의 제어 밸브(200) 및 상기 복수의 제어 밸브(200)에 연결되어 그 구동력을 제공하는 복수의 모터(300)를 포함할 수 있다.

상기 쿨러 바디(100)는 도 2에 실시예로 도시된 바와 같이 그 본체가 되며 냉각수의 출입에 의해 배기가스를 냉각하는 하우징(110)과, 상기 하우징(110)의 내부 공간을 구획하여 배기가스 유입구(121)와 유출구(122)를 형성하는 플레이트(120)와, 상기 배기가스 유입구(121)와 유출구(122)에 각각 구비되는 쿨링 모듈(130)을 포함할 수 있다.

상기 하우징(110)은 배기가스와 냉각수 사이에 열교환을 위하여 일시적으로 수용되는 공간을 제공하고, 상기 배기가스와 냉각수가 유입 또는 유출되는 본체가 되는 부분이다.

하나 또는 다수의 실시예에서 상기 하우징(110)은 도 4에 도시된 바와 같이 일측(전면부)이 개구된 형태의 직육면체 형상으로 형성할 수 있으며, 상기 하우징(110)의 타측(후면부)은 유입된 배기가스의 원활한 방향을 전환을 위해 곡면부(111)로 형성할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이 상기 곡면부(111)에 의해 배기가스가 상기 하우징(110)의 내부에서 방향 전환이 원활해지고 이로 인해 하우징(110)의 내면에서 충돌이 작아지게 되므로 배기가스 파울링(fouling) 현상을 개선할 수 있게 된다.

또한, 상기 하우징(110)의 외주면에는 상기 하우징(110) 내부에서 전달되는 열을 방출하기 위하여 다수의 방열핀(112)을 형성할 수도 있다.

상기 플레이트(120)는 상기 하우징(110)의 내부 공간을 구획함으로써 배기가스 유입구(121)와 유출구(122)를 형성한다.

하나 또는 다수의 실시예에서 상기 플레이트(120)는 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 십자형 단면을 가지도록 형성함으로써 상기 하우징(110)의 내부 공간을 4개의 공간으로 구획할 수 있다. 즉, 도면을 기준으로 상기 십자형 플레이트(120)는 수평 부분에 의해 상기 하우징(110)의 내부 공간이 상하로 구분되고, 수직 부분에 의해 상기 하우징(110)의 내부 공간이 좌우로 구분된다.

도 4에 도시된 바와 같이 상기 플레이트(120)에 의해 구획된 4개의 공간 중 상부 2개의 공간은 뜨거운 배기가스가 유입되는 배기가스 유입구(121)로 형성하고, 하부 2개의 공간은 냉각된 배기가스가 배출되는 배기가스 유출구(122)로 형성할 수 있다. 이는 중력의 영향을 고려하여 상부로 유입된 배기가스가 자연스럽게 방향을 전환하여 하부로 배출되도록 유도하기 위함이다.

그리고 도 2에 도시된 바와 같이 상기 플레이트(120)와 상기 하우징(110) 사이에는 유체의 누설을 방지하기 위하여 실링부재(140)가 배치될 수 있고, 상기 플레이트(120)는 상기 하우징(110)의 후면부의 내주면으로부터 소정 간격만큼 이격되어 설치된다(미도시). 상술한 바와 같이 상기 하우징(110)의 후면부에서는 상기 배기가스 유입구(121)로 유입된 배기가스가 배기가스 유출구(122)로 빠져나가기 위해 방향을 전환하게 되므로 방향 전환을 위한 공간을 확보하기 위함이다.

상기 플레이트(120)에 의해 구획된 하우징(110)의 내부 공간 각각에는 쿨링 모듈(130)이 설치된다. 따라서 상기 배기가스 유입구(121)와 유출구(122) 각각에 쿨링 모듈(130)이 설치되어 배기가스를 냉각시키게 된다.

쿨링 모듈(130)은 배기가스와 냉각수 사이에 충분한 열교환이 이루어지도록 하기 위하여 구성되는 부분으로서, 냉각수의 스트림을 형성하는 냉각수 통로와, 냉각수에 의해 배기 가스를 실질적으로 냉각시키는 냉각핀들과, 냉각핀들 사이로 배기 가스의 스트림을 형성하는 가스 통로를 포함하여 구성될 수 있다.

이러한 쿨링 모듈(130)은 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 EGR 쿨러로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 하우징(110)의 일측에는 도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 배기가스 유입구(121)와 상기 배기가스 유출구(122)를 개폐하기 위하여 복수의 제어 밸브(200)가 각각 설치된다. 따라서, 도 2에 도시된 본 발명의 실시예에 따르면 4개의 제어 밸브(210~240)가 독립적으로 설치된다.

도 3은 본 발명에 적용될 수 있는 제어 밸브(200)의 실시예를 도시한 도면이다. 상기 제어 밸브(210~240)는 도 3에 실시예로 도시된 형상의 밸브뿐만 아니라, 유체의 흐름을 조절할 수 있는 다양한 밸브를 상황에 맞게 적용할 수 있다.

하나 또는 다수의 실시예에서 상기 제어 밸브(200)는 밸브판의 회전에 의해 개폐가 이루어지는 스로틀 밸브(Throttle Valve)로 형성될 수 있다.

그리고, 상기 복수의 제어 밸브(200)에는 복수의 모터(300)가 연결되어 상기 제어 밸브(200)의 개폐를 위한 구동력을 제공한다. 상기 실시예와 같이 제어 밸브(200)가 스로틀 밸브와 같은 버터플라이 밸브로 형성될 경우 회전축에 모터(300)를 연결하여 구동함으로써 상기 배기가스 유입구(121) 또는 유출구(122)를 개폐하게 된다.

상기 복수의 모터(300)는 ECU(Electric Control Unit)과 같은 자동차의 제어부(미도시)에 연결되어 제어되며, 각각 독립적으로 제어되도록 구성할 수 있다.

하나 또는 다수의 실시예에서 도 2에 도시된 바와 같이 모터(310~340)의 개수는 상기 제어 밸브(210~240)의 개수와 동일하게 구비함으로써 제어 밸브(210~240) 별로 각각 제어되도록 설치할 수 있다. 배기가스 유입구(121)와 유출구(122)에 구비된 제어 밸브(210~240) 4개 모두에 각각 모터(310~340)를 설함으로써 차량이나 엔진의 구동 상황에 맞게 개폐하도록 제어할 수 있다.

다만, 상기와 같은 구성으로 한정되는 것은 아니고 모터(300)의 개수를 제어 밸브(200)의 개수와 다르게 구비할 수도 있다. 예를 들어 하나의 모터(320)에 제어 밸브 2개(210, 230)을 링크 부재를 통해 연결하여 상기 모터(320)의 회전 각도에 따라 연결된 2개의 제어 밸브(210, 230)가 각각 열리고 닫히도록 구성할 수도 있다. 이렇게 배치하면 2개의 모터(320, 330)로 4개의 제어 밸브(210~240)를 구동할 수 있게 되므로 공간 활용도가 향상된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이지알 쿨러 어셈블리(10)의 제어 밸브(210~240)의 작동을 상황별로 도시한 도면이다.

도 5을 기준으로 이에 대해 설명하면 1번의 경우는 상부와 하부의 제어 밸브(210~240)가 모두 개방된 상태를 도시한 것이다. 이 경우는 종래기술과 동일하게 상부의 2개의 배기가스 유입구(121)로 유입된 배기가스가 하우징(110)의 후단부에서 방향을 전환하여 하부의 2개의 배기가스 유출구(122)로 빠져나가게 된다. 따라서, 쿨링 성능은 종래기술과 동일한 성능을 발휘하게 된다.

도 5에서 2번의 경우는 상부의 2개의 배기가스 유입구(121)의 제어 밸브(210, 220)는 모두 개방된 상태이나 하부의 배기가스 유출구(122)의 제어밸브 중 하나(240)는 닫혀있는 상태가 된다. 도 5에서는 배기가스 유출구(122)의 제어밸브 중 우측 제어 밸브(240)가 닫혀있는 상태를 도시하고 있는데 이에 한정되지 않고 배기가스 유출구(122)의 좌측 제어밸브(230) 또는 우측 제어 밸브(240) 중 어느 것이라도 닫을 수 있다. 이로 인해 2개의 배기가스 유입구(121)를 통해 들어온 배기가스가 1개의 배기가스 유출구(122)로 배출되게 되므로 냉각 성능이 1번 즉 종래기술의 경우 보다 작아지게 된다. 이는 굳이 큰 냉각성능이 필요하지 않은 경우 배기가스 유출구(122)의 제어 밸브 하나(230 또는 240)를 닫음으로써 냉각에 사용되는 쿨러의 볼륨을 감소시켜 불필요한 쿨링에 의한 배기가스 파울링(fouling)을 개선하고 자동차의 연비를 향상시키기 위함이다.

도 5에 도시된 3번의 경우에는 상부의 2개의 배기가스 유입구(121)의 제어 밸브 중 하나(220)를 닫은 상태이고, 하부의 2개의 배기가스 유출구(122)의 제어 밸브(230, 240)는 모두 열려있는 상태가 된다. 도 5에서는 2개의 배기가스 유입구(121) 중 우측의 제어 밸브(220)가 닫혀있는 상태를 도시하고 있으나 이에 한정되지 않고 배기가스 유입구(121)의 좌측 제어밸브(210) 또는 우측 제어 밸브(220) 중 어느 것이라도 닫을 수 있다. 이 경우 2번 경우와 반대로 상부의 하나의 배기가스 유입구(121)를 통해 유입된 배기가스가 하부의 2개의 배기가스 유출구(122)로 빠져나가게 된다. 따라서, 유입된 배기가스는 충분히 큰 볼륨에서 냉각되므로 1번 종래기술의 경우 보다 냉각성능이 월등하게 향상되는 효과가 있다.

도 5의 4번의 경우는 상부의 2개의 배기가스 유입구(121)의 제어 밸브 중 하나(220)를 닫은 상태이고, 하부의 2개의 배기가스 유출구(122)의 제어 밸브도 그 중 하나(240)를 닫은 상태가 된다. 도 5에서는 실시예로서 상부의 배기가스 유입구(121)의 제어 밸브 중 우측 제어 밸브(220)가 닫혀 있으며, 하부의 배기가스 유출구(122)의 제어 밸브 중 우측 제어 밸브(240)가 닫혀있는 상태를 도시하고 있다. 이는 상부와 하부에서 동일한 측면(우측)의 제어밸브(220, 240)를 함께 닫음으로써 상부로 유입된 배기가스가 하부로 원활하게 유출되도록 하기 위함이다. 따라서 다른 실시예에서는 상부 좌측의 제어밸브(210)와 하부 좌측의 제어밸브(230)가 닫히도록 구성할 수도 있다. 도 5의 4번의 경우 이지알 쿨러의 쿨링 볼륨을 반으로 감소시킴으로써 불필요한 쿨링에 의한 이지알 파울링(fouling)을 개선하는 효과를 가지게 된다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이지알 쿨러 어셈블리(10)의 쿨링 효과를 실험적으로 평가한 그래프이다.

도 6에 도시된 바와 같이 종래기술과 동일한 효과를 가지는 도 5의 1번의 경우보다 도 5의 3번의 경우에 쿨러의 효율이 약 6% 정도 개선되는 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 이지알 쿨러 어셈블리에 따르면 엔진이나 자동차의 다양한 상황에 맞게 쿨러의 성능을 조절할 수 있는 효과가 있다. 각각의 배기가스 유입구 및 유출구에 장착된 제어 밸브(210~240)의 개폐를 독립적으로 조절함으로써 종래기술과 동일한 성능으로 배기가스를 쿨링할 수도 있고, 종래기술 보다 배기가스 쿨링 성능을 향상시키거나 성능을 감소시킬 수도 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.

10: 이지알 쿨러 어셈블리 100: 쿨러 바디
110: 하우징 120: 플레이트
130: 쿨링 모듈 140: 실링부재
200: 제어 밸브 300: 모터

Claims

이지알 쿨러 어셈블리에 있어서,
본체가 되며 냉각수의 출입에 의해 배기가스를 냉각하는 하우징과, 상기 하우징의 내부 공간을 구획하여 배기가스 유입구와 유출구를 형성하는 플레이트와, 상기 배기가스 유입구와 유출구에 각각 구비되는 쿨링 모듈을 포함하는 쿨러 바디;
상기 배기가스 유입구와 유출구에 각각 설치되어 상기 배기가스 유입구와 유출구를 개폐하는 복수의 제어 밸브; 및
상기 복수의 제어 밸브에 연결되어 그 구동력을 제공하는 복수의 모터;
를 포함하는 이지알 쿨러 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 플레이트는 그 단면이 십자형으로 형성되며 상기 하우징을 따라 연장되어 그 내부를 4개의 공간으로 구획함으로써 2개의 배기가스 유입구와 2개의 배기가스 유출구를 형성하는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러 어셈블리.
제2항에 있어서,
상기 구획된 4개의 공간 중 상부의 2개 공간이 상기 배기가스 유입구가 되고, 하부의 2개 공간이 상기 배기가스 유출구가 되는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 제어 밸브는 밸브판의 회전에 의해 개폐가 이루어지는 스로틀 밸브이며, 상기 밸브판의 회전축이 상기 모터와 각각 연결되어 구동되는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 복수의 제어 밸브는 각각 독립적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 하우징의 상부에는 상기 냉각수의 출입을 위한 냉각수 유입구와 냉각수 유출구가 형성되는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 하우징은 상기 배기가스 유입구를 통해 유입된 배기가스의 방향을 전환하기 위한 곡면부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러 어셈블리.