KR20140018223A

KR20140018223A - 내연기관용 배기가스 재순환 장치

Info

Publication number: KR20140018223A
Application number: KR1020137019636A
Authority: KR
Inventors: 미카엘 하임; 안드류 글린
Original assignee: 만 운트 훔멜 게엠베하
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2012-01-25
Publication date: 2014-02-12
Also published as: EP2670967A1; DE102011009916A1; EP2670967B1; WO2012104177A1; US20130305693A1

Abstract

본 발명은 배기가스 매니폴드로부터 분기되고 흡기 매니폴드에 연통되어 있는 반송관을 포함하는 내연기관용 배기가스 재순환 장치에 관한 것이다. 상기 반송관에는 분리부가 배치되어 있다. 상기 분리부의 후단에는 추가 가스가 통과하여 공급될 수 있는 가스관이 반송관에 연통되어 있다.

Description

내연기관용 배기가스 재순환 장치{EXHAUST GAS RECIRCULATION DEVICE FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 제1항의 전제부에 따른 내연기관용 배기가스 재순환 장치에 관한 것이다.

EP 2 199 585 A1에는 배기가스 재순환 장치가 구비되어 있는 강제 흡기식 내연기관이 개시되어 있다. 상기 배기가스 재순환 장치는 배기가스 정제부의 후단에서는 내연기관의 배기가스 매니폴드에서 분기되고 배기가스 터보차저의 구성부인 압축기의 전단에서는 흡기 매니폴드에 연통되어 있는 반송관을 포함한다. 상기 배기가스 터보차저의 배기가스 터빈은 배기가스 매니폴드에 있는 배기가스 정제부의 전단에 배치되어 있다.

상기 반송관에는 조정 가능한 밸브 뿐 아니라 배기가스가 흡기 매니폴드에 도입되기 전에 배기가스를 저온으로 냉각시키는 배기가스 냉각기가 배치되어 있다. 또한 상기 반송관에는 사이클론 분리기가 배치되어 반송관을 통과하는 가스 흐름 중에 비말동반되는 입자를 분리한다. 예를 들면 상기 배기가스 정제부로부터 유래된 이러한 입자는 엔진과 배기가스 터보차저의 손상을 초래할 수 있다.

본 발명의 목적은 단순한 처리에 의해 또한 효율적인 방법으로 배기가스 재순환 장치를 통해 내연기관으로 안내되는 가스 흐름으로부터 입자를 분리하는데 있다.

본 발명에 따르면, 상기 목적은 청구범위 제1항의 특징부에 의해 해결된다. 종속항은 유리한 추가 실시형태를 제공한다.

본 발명에 따른 배기가스 재순환 장치는 내연기관에서 사용되고 배기가스 흐름의 일부를 내연기관의 배기가스 매니폴드로부터 흡기 매니폴드로 재순환시키는 역할을 하여 내연기관의 배기가스 거동과 소비 거동을 개선시킨다.

상기 반송관을 통해 배기가스 흐름에 비말동반되는 입자를 분리하기 위해 사용되어 내연기관 또는 내연기관에 마련된 다른 장치 구성부에 대한 손상을 방지하는 분리부가 배기가스 재순환 장치의 반송관에 제공되어 있다. 비말동반된 입자는 이슬점 미만으로 떨어진 물방울이 상기 입자에서 응축에 의해 회합하게 되는 소위 불균질 응축에 의해 커지게 되어 전체적으로 입자의 질량은 더 커지고 더 높은 관성력에 의해 분리 효율이 향상된다.

본 발명에 따르면, 상기 분리부의 전단에는 추가적인 가스가 통과하여 공급될 수 있는 가스관이 반송관에 연통되어 있다. 상기 추가 가스는 바람직하게는 공기로서, 경우에 따라서는 또 다른 가스, 예를 들면 배기가스가 추가로 공급될 수도 있다.

상기 반송관을 통해 재순환된 배기가스 흐름보다는 낮은 온도를 가진 추가 가스의 공급으로 인해 재순환된 배기가스의 혼합물은 전체적으로 더 낮은 온도에 도달하게 되어 이슬점 미만으로 더욱 쉽게 내려가고 응축이 향상된다. 상기 가스관을 통해 공기가 공급되는 경우에는 배기가스의 농도를 제어하기 위해 조절 가능한 양을 추가로 제공할 수도 있다.

또한 내연기관의 서로 다른 작동조건에 적합한 단순한 구성이 가능하다. 내연기관의 실제 작동상태에 따라 반송관으로 공급되는 가스량의 수준을 조정할 수 있다. 상기 가스량을 조절하기 위해서 조정 가능한 제어 밸브를 가스관에 배치하는 것이 유리하다.

재순환된 가스 유량과 반송관을 통해 안내되는 배기가스 유량은 바람직하게는 반송관에 일체화되어 있는 혼합부에 의해 혼합된다. 상기 가스관은 가스량과 배기가스를 혼합하기 위한 혼합부에 연통되어 있다.

유리한 일 실시형태에 따르면, 상기 분리부는 사이클론 분리기로서 구성된다. 이러한 사이클론 분리기는 구조가 단순하면서 구성이 효율적이고 작은 설치 공간 내에도 수용될 수 있는 특징이 있다. 상기 사이클론 분리기에서 응축된 액체에 의해 커진 입자는 관성력이 증가되어 분리된다.

일 실시형태에 있어서, 상기 분리부는 혼합부의 후단쪽에 배치된다. 다른 실시형태에 있어서, 상기 혼합부는 사이클론 분리기에 일체화되어 있는 혼합 챔버로서, 특히 상기 혼합 챔버의 사이클론 분리기의 분리영역은 흐름 방향으로 후방에 배치될 수 있다.

상기 배기가스 재순환 장치는 조정 가능한 재순환 밸브와 반송관에 일체화되어 있는 배기가스 냉각기를 포함하는 것이 유리하다. 상기 재순환 밸브에 의해 반송관을 통과하는 배기가스 유량의 크기가 조정될 수 있다. 상기 분리부의 전단과 반송관에 대한 가스관의 연통 위치의 전단에 배치되어 있는 배기가스 냉각기에서는 배기가스 매니폴드로부터 분기되어 고온 상태에 있는 배기가스가 냉각된다.

상기 배기가스 재순환 장치가 사용되는 내연기관에는 흡기 매니폴드에 있는 압축기와 배기가스 매니폴드에 있는 배기가스 터빈을 포함하는 배기관 터보차저가 구비될 수 있다. 디젤 내연기관에서는 배기가스 내 매연 입자를 분리하는 디젤 입자 필터가 배기가스 매니폴드에 있는 배기가스 터빈의 후단에 제공된다. 상기 반송관은 배기가스 터빈의 후단에서 분기되고, 디젤 입자 필터가 있는 경우에는 그 후단에서 분기된다. 통상적으로 입자 필터로서 구성된 배기가스 정제부로부터 분리되어 반송관에 도달하는 입자는 분리부에서 상술한 바와 같이 분리된다. 디젤 입자 필터가 제공되는 경우에는 상기 디젤 입자 필터는 예를 들면 세라믹체를 포함하는데, 분리부는 의도하지 않게 분리된 세라믹 입자가 경우에 따라 제공되는 압축기와 내연기관에 도달하는 것을 방지한다.

상기 반송관에 연통되어 있는 가스관은 흡기 매니폴드에 있는 공기 필터의 후단에서 분기되는 것이 유리하다. 또한 흡기 매니폴드로부터 분리된 가스관을 통해 추가적인 가스, 특히 대기 중의 공기가 반송관으로 도입될 수 있고, 경우에 따라서는 추가의 공기 필터가 가스관에 일체화되는 실시형태도 가능하다.

다른 실시형태에 있어서, 상기 반송관에 연통된 가스관에는 흡기 매니폴드로부터 배기가스 반송관으로 공기를 이송하거나 이와 달리 환경으로부터 공기를 배기가스 반송관으로 이송하는 펌핑 장치가 제공된다. 상기 펌핑 장치는 균일한 성능으로 작동되거나 특성 맵에 의해 조절될 수 있다.

다른 실시형태에 있어서, 상기 가스관에 대한 유출 위치와 배기가스 재순환 장치의 반송관에 대한 흡기 매니폴드로의 유입 위치 사이의 흡기 매니폴드에는 유량조절 장치가 마련되어 흡기 매니폴드와 배기가스 재순환 장치 사이 또는 흡기 매니폴드의 유출 위치와 유입 위치 사이에서의 압력 강하를 더 크게 한다. 상기 유량조절 장치는 일정한 값으로 조절되거나 소정의 특성 맵에 따라 가변적으로 제어될 수 있다.

내연기관용 배기가스 순환장치를 작동시키기 위한 방법에 따르면, 가스관을 통해 공급될 공기 유량은 내연기관의 실제 부하상태 및/또는 회전수에 따라 다르다. 낮은 부하 또는 회전수에서는 공급될 공기 유량 또는 가스관을 통해 반송관으로 유입되는 또 다른 가스의 유량을 감소, 경우에 따라서는 0까지 감소시키고 더 높은 부하 또는 회전수에서는 증가시키는 것이 특히 유리한데, 이는 이들 작동상태에서는 배기가스 냉각기에 의한 재순환된 배기 유량의 냉각 작용이 경우에 따라서 이슬점 미만으로 떨어뜨리기에 불충분하기 때문이다.

다른 장점들과 유리한 실시형태들은 추가 청구범위, 도면 설명 및 도면으로부터 알 수 있는 바, 도 1에는 배기가스 터보차저와 배기가스 재순환 장치를 구비한 내연기관이 개략적으로 도시되어 있다.

도면에 도시되어 있는 내연기관(1)에는 배기가스 매니폴드(4)에 있는 배기가스 터빈(3)과 흡기 매니폴드(6)에 있는 압축기(5)를 포함하는 배기가스 터보차저(2)가 구비되어 있다. 배기가스 터빈(3)은 내연기관(1)의 가압된 배기가스에 의해 구동되는데, 이때 압축기(5)에 있는 압축기 휠은 배기가스 터빈(3)에 있는 터빈 휠의 연결 샤프트를 통해 구동되고 흡기 매니폴드(6) 내 공급된 연소공기를 압축하여 연소공기가 내연기관(1)의 실린더로 공급되는 흡기 압력까지 증가시킨다. 흡기 매니폴드(6)에는 압축기(5)의 전단에 공기 필터(9)가 배치되어 있다.

배기가스 매니폴드(4)에는 배기가스 터빈(3)의 후단에 세라믹 입자 필터(7)가 배치되어 배기가스에 비말동반된 매연 입자를 분리한다. 게다가 배기가스 매니폴드(4)에서 입자 필터(7)의 후단에는 배기가스 후처리 장치(8)가 배치되어 있다.

게다가 내연기관(1)에는 배기가스의 일부 유량을 배기가스 매니폴드(4)로부터 흡기 매니폴드(6)로 재순환시키는 배기가스 재순환 장치(10)가 구비되어 있다. 이러한 재순환은 내연기관의 소정의 작동상태에서 이루어져 내연기관의 소비 거동과 배기가스 거동을 개선시킨다.

배기가스 재순환 장치(10)는 입자 필터(7)의 후단에서 배기가스 매니폴드(4)로부터 분기되고 공기 필터(9)와 압축기(5) 사이에서 흡기 매니폴드(6)에 연통되는 반송관(11)을 포함한다. 반송관(11)에는 조정 가능한 재순환 밸브(12)와 재순환된 배기가스 유량을 더 낮은 온도로 냉각시키는 배기가스 냉각기(13)가 제공되어 있다. 또한 배기가스 냉각기(13)의 후단에는 배기가스 유량에 비말동반되어 있는 입자를 분리하는 사이클론 분리기(14)가 반송관(11)에 일체화되어 있다. 상기 분리는 입자의 관성력에 의해 이루어짐으로써 입자는 사이클론 분리기(14) 내에 침전시키는 반면에 배기가스는 사이클론 분리기(14)의 청정 공기 배출구(18)를 통해 흡기 매니폴드(6)로 추가 이송된다. 가스 냉각기(13)의 후단에서는 재순환된 배기가스 유량에 있는 오염물 입자 주변에서 수분의 응축이 일어나 분리도가 향상된다. 이에 의해 입자의 중량이 상당히 높아져 사이클론 분리기에서 더욱 잘 분리된다.

분리효율을 더욱 증가시키기 위해서 공기 필터(9)의 후단이지만 흡기 매니폴드(6)에 반송관(11)이 연통되는 위치의 전단에는 흡기 매니폴드로부터 분기되어 배기가스 냉각기(13)와 사이클론 분리기(14) 사이의 반송관(11)에 위치되어 있는 혼합부(17)에 연통되는 가스관(15)이 제공되어 있다. 공기 필터(9)에서 여과되어 흡기된 대기 중의 공기는 흡기 매니폴드(6)로부터 가스관(15)을 통해 반송되고 반송관(11)에 있는 혼합부(17)의 영역에 도달하여 상기 영역에서 재순환된 배기가스 유량과 혼합된다. 이에 따라 배기가스의 온도를 더 낮춤으로써 다른 작동 영역에서는 이슬점 미만으로 떨어질 수 있고 배기가스 유량에 있는 입자에서는 수분의 응축이 더욱 잘 이루어진다. 그 결과, 사이클론 분리기(14)에서의 분리도 또한 향상된다.

가스관(15)에는 조정 가능한 제어 밸브(16)가 배치되어 가스관(15)을 통과하는 공기 유량을 조정한다. 특히 상기 제어 밸브는 내연기관의 실제 작동상태에 따라 가스관(15)을 통과하는 공기 유량의 크기를 설정하기 위해 마련된다. 재순환된 가스 유량은 내연기관의 실제 부하상태 및/또는 회전수에 따라, 바람직하게는 낮은 부하 또는 회전수에서는 가스관(15)을 통과하는 공기 유량을 감소, 경우에 따라 0까지 감소시키고 더 높은 부하 또는 회전수에서는 증가시키는 방식으로 다르게 하는 것이 유리하다.

파선으로 도시되어 있는 또 다른 실시형태에 따르면, 흡기 매니폴드로부터 분기되지 않지만 추가의 가스, 특히 대기 중의 공기를 반송관에 도입할 별도의 관으로서 가스관(15)을 구성하되, 경우에 따라서 추가 공기 필터(19)가 가스관(15)에 일체화된다.

Claims

내연기관(1)의 배기가스 매니폴드(4)로부터 분기되고 내연기관(1)의 흡기 매니폴드(6)에 연통되어 있는 반송관(11)과 반송관(11)에 배치된 분리부(14)를 포함하는 내연기관(1)용 배기가스 재순환 장치에 있어서, 분리부(14)의 전단에는 가스관(15)이 반송관(11)에 연통되어 있고 가스관(15)을 통해 추가 가스, 특히 공기가 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치.
제1항에 있어서, 가스관(15)에는 조정 가능한 제어 밸브(16)가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 반송관(11)에는 가스관(15)이 연통되어 있는 혼합부(17)가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리부가 사이클론 분리기(14)로서 구성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 반송관(11)에서 분리부(14)의 전단에는 배기가스 냉각기(13)가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 반송관(11)에서 분리부(14)의 전단에는 조절 가능한 재순환 밸브(12)가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 배기가스 재순환 장치(10)가 구비되어 있는 내연기관.
제7항에 있어서, 내연기관(1)에는 압축기(5)를 가진 배기가스 터보차저(2)가 구비되어 있되 반송관(11)이 배기가스 터빈(3)의 후단에서 배기가스 매니폴드(4)로부터 분기되고 압축기(5)의 전단에서 흡기 매니폴드(6)에 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
제7항 또는 제8항에 있어서, 흡기 매니폴드(6)에 있는 공기 필터(9)의 후단에서 가스관(15)이 분기되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 추가의 가스가 흡기 매니폴드(6)로부터 분리되어 있는 가스관(15)을 통해 반송관(11)에 도입되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 내연기관(1)용 배기가스 재순환 장치(10)를 작동시키기 위한 방법으로서, 가스관(15)을 통해 공급될 공기 유량을 내연기관(1)의 실제 부하상태 또는 회전수에 따라 다르게 하는 방법.
제11항에 있어서, 상기 공급될 공기 유량을 낮은 부하 또는 회전수에서는 감소시키고 더 높은 부하 또는 회전수에서는 증가시키는 것을 특징으로 하는 방법.