KR20140065501A - 디젤엔진의 배기가스 재순환장치 및 배기가스 재순환장치 제어 방법 - Google Patents

디젤엔진의 배기가스 재순환장치 및 배기가스 재순환장치 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디젤엔진의 배기가스 재순환장치 및 배기가스 재순환장치 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 디젤엔진의 배기가스 재순환장치는, 엔진의 흡기 매니폴드에 연결되어 공기가 공급되도록 하는 흡기관; 엔진의 배기 매니폴드에 연결되어 배기가스가 배출되도록 하는 배기관; 배기관에서 배출되는 배기가스의 압력으로 터빈을 회전시키고, 터빈의 회전동력으로 압축기를 구동하여 흡기관에서 외부 신선한 공기를 압축하는 터보차저; 흡기관과 배기관이 연결되도록 하여 배기가스의 일부가 흡기 매니폴드 쪽으로 재순환되도록 배치되는 순환관; 흡기관에서 압축기의 출구에 배치되어 터보차저에서 압축된 공기를 냉각시키는 인터 쿨러; 순환관에 배치되어 재순환배기가스의 유량을 제어하는 EGR 밸브(Exhaust Gas Recirculation Valve); 순환관에서 EGR 밸브의 출구에 배치되어 재순환배기가스를 냉각시키는 EGR 쿨러(Exhaust Gas Recirculation Cooler); EGR 쿨러의 출구에서 분기되어 인터 쿨러의 출구로 연결되는 제1 바이패스 라인; EGR 쿨러의 출구에서 분기되어 인터 쿨러의 입구로 연결되는 제2 바이패스 라인; EGR 쿨러로부터의 재순환배기가스가 제1, 제2 바이패스 라인 중에 어느 하나로 흐르도록 제어되는 분기 밸브; 및 ERG 쿨러의 상태에 기초하여, 제1, 제2 바이패스 라인 중에 어느 한쪽으로 상기 재순환배기가스가 흐르도록 상기 분기 밸브를 제어하는 제어부;를 포함한다.

Description

디젤엔진의 배기가스 재순환장치 및 배기가스 재순환장치 제어 방법{Exhaust Gas Recirculation, and Exhaust Gas Recirculation control methods for diesel engine}
본 발명은 디젤엔진의 배기가스 재순환장치 및 배기가스 재순환장치 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배기가스 재순환장치(EGR)에서 EGR 쿨러의 성능이 저하되었을 때에 배기가스 순환 유량을 조절하도록 하여 디젤엔진 출력의 저하를 방지하고 질소산화물을 저감하도록 하는 디젤엔진의 배기가스 재순환장치 및 배기가스 재순환장치 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 디젤엔진의 배기가스에 질소산화물(NOx)이 포함되어 있고, 그 질소산화물은 대기 중에 방출되었을 때에 대기오염을 유발한다.
디젤엔진에는 배기가스 재순환장치(EGR: Exhaust Gas Recirculation)가 구비되고, 배기가스 재 순환장치는 디젤엔진에서 배기되는 배기가스를 엔진흡기 쪽으로 재순환시켜 연소하도록 하여 질소산화물을 저감하도록 하여 대기오염을 줄이도록 하는 장치이다.
종래의 배기가스 재순환장치는 첨부도면 도 1을 참조하여 설명한다.
첨부도면 도 1은 종래의 디젤엔진의 배기가스 재순환장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 엔진(10)은 흡기 매니폴드(11)와 배기 매니폴드(12)가 구비되고, 흡기 매니폴드(11)에는 흡기관(20)이 연결되며, 배기 매니폴드(12)에는 배기관(30)이 연결된다.
한편, 흡기관(20)과 배기관(30)에는 순환관(40)이 연결되고, 배기 매니폴드(12)에서 배기되는 배기가스의 일부가 순환관(40)을 경유하여 흡기관(20)쪽으로 흐르고, 이로써 배기가스의 일부가 신선한 공기와 혼합되고, 혼합된 공기는 흡기 매니폴드(11)를 통하여 엔진(10)에 공급된다.
즉, 재순환된 배기가스는 엔진(10)에서 연소되도록 함으로써 배기가스에 포함된 유해물질을 저감하도록 하는 것이다.
순환관(40)에는 EGR 밸브(41)와 EGR 쿨러(42)가 배치된다. EGR 밸브(41)는 재순환될 배기가스의 유량을 조절하고, EGR 쿨러(42)는 고온의 배기가스를 저온으로 냉각한다.
또한, 흡기관(20)에는 공기정화장치(50)가 구비되어 외부로부터 유입된 공기를 정화시켜 신선한 공기를 흡기관(20)에 유입되도록 한다.
또한, 흡기관(20)과 배기관(30)에는 터보차저(60)가 구비된다. 터보차저(60)는 터빈(61)과 압축기(63)가 축(62)으로 연결된 구성이고, 터빈(61)은 배기관(30)에 배치되며, 압축기(63)는 흡기관(20)에 배치된다. 즉, 배기가스의 흐름에 의해 터빈(61)이 구동되면, 터빈(61)은 축(62)을 매개로 전동하여 압축기(63)를 구동시킨다. 압축기(63)는 흡입된 공기를 압축시켜 흡입량을 증가시키는 것이다.
또한, 흡기관(20)에서 터보차저(60)의 출구에는 인터 쿨러(70)가 배치된다. 인터 쿨러(70)는 흡입된 공기의 온도를 낮추어 동일한 체적대비 질량을 늘리도록 하여 산소의 량을 증가시키도록 하는 것이다. 이로써 엔진(10)에서 연료와 공기의 적정한 혼합비를 구현하여 연소효율을 높이고, 엔진 출력을 향상시키도록 하는 것이다.
한편, 상술한 순환관(40)은 상술한 인터 쿨러(70)의 후단에 배치된다. 즉 순환관(40)을 통하여 유입된 고온의 배기가스가 인터 쿨러(70)에 부하를 증가시키는 것을 방지하게 된다.
상술한 바와 같이, 구성된 종래의 배기가스 재순환장치는 다음과 같은 문제점이 지적된다.
EGR 쿨러(42)는 배기가스를 냉각시키는 열교환기이다. 열교환기의 구조는 관로의 내측 또는 외측에 방열 핀(Fin)이 구비되어 표면적이 넓어지고, 배기가스와 냉각수는 방열핀 또는 관로를 통과하면서 열교환이 이루어진다. 한편, 각종 먼지와 이물질은 열교환기의 표면에 달라붙어 열교환의 효율이 저하될 수 있다. 즉 EGR쿨러(42)는 시간이 경과함에 따라 기계 구조적인 특성으로 인하여 효율(성능)이 저하된다.
EGR쿨러(42)의 성능이 저하되면, 고온의 배기가스를 목표된 온도로 냉각시킬 수 없고, 이로써 흡기 매니폴드(11)로 공급되는 흡기 공기의 온도가 높기 때문에 단위 체적당 실질적인 산소의 질량은 감소한다.
즉, 엔진(10)에 유입될 공기의 절대적인 질량이 감소하고, 연료와 공기의 혼합비가 나빠져 연소효율이 저하되며, 나아가 엔진 출력이 낮아지는 문제를 야기한다.
상술한 바와 같이, 엔진 출력이 낮아지는 경우에는 엔진동력을 이용하여 작업을 수행하도록 하는 건설기계, 산업차량, 특수차량 등은 작업성이 현저하게 저하되어 불편함이 증가한다.
다른 한편으로, 배기가스 재순환장치가 구비되는 주된 목적은 질소산화물(NOx)를 저감하도록 하는 것이지만, 재순환 배기가스의 량이 줄어들기 때문에 배기가스에 오염물질이 증가되는 문제점이 있다.
또 다른 한편으로, 상술한 바와 같이, EGR 쿨러(42)의 성능(효율)이 저감된 경우에 곧바로 고장에 대한 조치를 취할 수 있다면 좋겠지만, 건설기계, 산업차량 등이 운영되는 현장은 도서지역이거나 서비스 센터에서 먼 곳에 위치되는 경우가 많고, 이로써 고장에 대한 신속한 조치를 받기 어려운 실정이다.
한편, 종래에 알려진 기술로서 특허문헌1의 배기가스 재순환 장치 및Integrated 배기가스 냉각 시스템(exhaust gas recirculation and charge cooling system)이 있다.
상기 특허문헌1에 따른 배기가스 재순환 장치는 도 2에 나타낸 바와 같이, 배기가스를 재순환하도록 하는 경로는 2가지 경로를 제시하고 있다. 제1 경로(40a)는 터빈(61)의 전단과 압축기(63)의 후단을 연결하는 경로이고, 제2 경로(40b)는 터빈(61)의 후단과 압축기(63)의 전단을 연결하는 경로이다. 이로써 제1, 제2 경로는 쿨러를 통하여 냉각된 배기가스가 항상 인터쿨러(70)를 경유하는 구성이다.
그러나 상기 특허문헌1은 배기가스가 제1, 제2 경로를 통과한 후에 인터 쿨러(70)를 통과하기 때문에 배기가스에 포함된 각종 오염물질에 의해 쿨러의 노화(aging)가 빠르게 진행되는 문제가 있다.
또한, 상기 특허문헌1은 압력 및 유체의 흐름 특성에 의해 배기가스 재순환 경로에 신선한 공기가 역류될 가능성이 있다.
또한, 상기 특허문헌1은 냉매 라인이 전체적으로 연결되어 있기 때문에 일부가 막히거나 누출되는 경우에 전체 쿨러의 효율과 성능이 저감되는 우려가 있다.
특허문헌1: 미국 공개 특허공보 제20120067332호(2012.03.22.)
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 EGR 쿨러의 성능(효율)이 저하되었을 때, 엔진으로 유입되는 공기량의 감소로 인한 엔진 출력 저하를 방지할 수 있도록 하고, 질소산화물(NOx)을 줄일 수 있도록 하는 디젤엔진의 배기가스 재순환장치 및 배기가스 재순환장치 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 EGR 쿨러의 성능이 저하되는 정도에 따라 부하 경감되도록 하는 디젤엔진의 배기가스 재순환장치 및 배기가스 재순환장치 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 디젤엔진의 배기가스 재순환장치는, 엔진의 흡기 매니폴드에 연결되어 공기가 공급되도록 하는 흡기관; 상기 엔진의 배기 매니폴드에 연결되어 배기가스가 배출되도록 하는 배기관; 상기 배기관에서 배출되는 배기가스의 압력으로 터빈을 회전시키고, 상기 터빈의 회전동력으로 압축기를 구동하여 상기 흡기관에서 외부 신선한 공기를 압축하는 터보차저; 상기 흡기관과 상기 배기관이 연결되도록 하여 상기 배기가스의 일부가 상기 흡기 매니폴드 쪽으로 재순환되도록 배치되는 순환관; 상기 흡기관에서 상기 압축기의 출구에 배치되어 상기 터보차저에서 압축된 공기를 냉각시키는 인터 쿨러; 상기 순환관에 배치되어 재순환배기가스의 유량을 제어하는 EGR 밸브(Exhaust Gas Recirculation Valve); 상기 순환관에서 상기 EGR 밸브의 출구에 배치되어 재순환배기가스를 냉각시키는 EGR 쿨러(Exhaust Gas Recirculation Cooler); 상기 EGR 쿨러의 출구에서 분기되어 상기 인터 쿨러의 출구로 연결되는 제1 바이패스 라인; 상기 EGR 쿨러의 출구에서 분기되어 상기 인터 쿨러의 입구로 연결되는 제2 바이패스 라인; 상기 EGR 쿨러로부터의 상기 재순환배기가스가 상기 제1, 제2 바이패스 라인 중에 어느 하나로 흐르도록 제어되는 분기 밸브; 및 상기 ERG 쿨러의 상태에 기초하여, 상기 제1, 제2 바이패스 라인 중에 어느 한쪽으로 상기 재순환배기가스가 흐르도록 상기 분기 밸브를 제어하는 제어부;를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 디젤엔진의 배기가스 재순환장치의 상기 제어부는, 상기 EGR 쿨러의 성능에 이상이 있으면, 상기 제2 바이패스 라인을 통하여 상기 재순환배기가스가 흐르도록 상기 분기 밸브를 제어하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 디젤엔진의 배기가스 재순환장치의 상기 제어부는, 상기 EGR 쿨러 성능의 이상 정도에 기초하여, 상기 제1, 제2 바이패스 라인 중 어느 하나로 흐르는 배기가스의 유량이 달라지도록 상기 분기 밸브의 개도 량을 제어하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 디젤엔진의 배기가스 재순환장치의 상기 제어부는, 상기 엔진 출력의 저하가 개선되지 않으면, 상기 터보차저의 부스트압을 증대하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 디젤엔진의 배기가스 재순환장치는, 상기 배기관의 배출 경로에 배치되어 상기 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx) 또는 탄소 미립자(soot, PM) 중에 어느 하나를 포함하는 오염물질을 저감시키는 배기가스 후처리 장치를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 디젤엔진의 배기가스 재순환장치는, 상기 제2 바이패스 라인에 설치되어 상기 제2 바이패스 라인에 흐르는 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx) 또는 탄소 미립자(soot, PM) 중에 어느 하나를 포함하는 오염물질을 정화하는 DPF 유닛(Diesel Particulate Filter unit);을 더 포함하는 할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 디젤엔진의 배기가스 재순환장치 제어 방법은, EGR 쿨러(Exhaust Gas Recirculation Cooler)의 성능을 판단하도록 하는 데이터를 수집하여 모니터링 하는 EGR 쿨러의 성능을 모니터링 하는 모니터링 단계; 및 상기 EGR 쿨러의 성능에 기초하여, 인터 쿨러의 출구와 입구에 각각 연결된 제1, 제2 바이패스 라인 중 어느 한쪽으로 엔진에서 배출된 배기가스가 흐르도록 하는 배기가스 분배단계;를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 디젤엔진의 배기가스 재순환장치 제어 방법은, 상기 배기가스 분배 단계에서 재순환배기가스를 재분배 후에 엔진 출력의 저하가 개선되었는지를 판단하고, 엔진 출력의 저하가 개선되지 않는다고 판단되면 배기가스가 EGR쿨러로 유입되는 재순환배기가스 유량을 감소하도록 제어하는 부가 제어 수행 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 디젤엔진의 배기가스 재순환장치 제어 방법은, 상기 배기가스 분배 단계에서 엔진 출력의 저하가 개선되지 않는다고 판단되면 터보차저의 부스트압을 증가시키도록 제어하거나 또는 배기가스 후처리장치(90)의 선택적 환원촉매장치(SCR)에서 요소 액의 분사량을 증가하도록 제어하는 부가 제어 수행단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 디젤엔진의 배기가스 재순환장치 제어 방법은, 상기 상기 EGR 쿨러의 성능에 이상 정도에 따라서 상기 인터 쿨러의 출구에 연결된 제1 바이패스 라인과 입구에 연결된 제2 바이패스 라인으로 흐르는 배기가스의 유량이 달라지도록 분배량을 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 디젤엔진의 배기가스 재순환장치 및 배기가스 재순환장치 제어 방법은, EGR 쿨러의 성능(효율)이 저하되었을 때, 엔진으로 유입되는 공기량의 감소로 인한 엔진 출력 저하를 방지할 수 있고, 질소산화물(NOx)을 줄일 수 있는 것이다.
도 1 및 도 2는 종래의 디젤엔진의 배기가스 재순환장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 재순환장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 재순환장치에서 삽입관의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 재순환장치의 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭하고, 종래의 기술에 대응하는 구성요소에 대하여 동일한 부호를 부여하고 그에 따른 중복된 설명은 생략한다.
한편, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 재순환장치에 대해서 설명한다.
첨부도면 도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 재순환장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 순환관(40)의 출구는 제1, 제2 바이패스 라인(110, 120)로 분기되고, 제1 바이패스 라인(110)은 인터 쿨러(70)의 출구에 연결되며, 제2 바이패스 라인(120)는 인터 쿨러(70)의 입구에 연결된다.
또한, 순환관(40)에서 제1, 제2 바이패스 라인(110, 120)가 분기되는 부분에는 분기 밸브(130)가 구비된다. 분기 밸브(130)는 제1 바이패스 라인(110)와 제2 바이패스 라인(120) 중에 어느 한쪽으로 배기가스가 흐르도록 제어하는 것이고, 이는 EGR 쿨러(42) 성능의 이상 정도에 기초하여 제어될 수 있다. 이에 부연설명하면, EGR 쿨러(42)에서 발생하는 각종 정보는 제어부(C)로 제공되고, 제어부(C)는 상술한 분기 밸브(130)의 개도 방향을 제어하는 것이다.
또한, 분기 밸브(130)는 어느 한쪽으로 완전하게 닫히지 않을 수 있고, 이때에는 양쪽의 제1, 제2 바이패스 라인(110, 120)에 배기가스가 흐를 수 있으며, 개도량에 따라 제1, 제2 바이패스 라인(110, 120)에 흐르는 배기가스의 유량이 달라지도록 분배량을 제어할 수도 있다.
즉, 상술한 분기 밸브(130)는 전자비례제어 밸브로 제공되는 경우에 지령되는 전류 값에 따라 개폐 및 개도량을 설정할 수 있게 된다.
예컨대, 분기 밸브(130)는 제2 바이패스 라인(120)쪽을 폐쇄하고 제1 바이패스 라인(110)쪽을 개방하는 경우는 종래의 배기가스 재순환장치와 동일한 작용으로 운용될 수 있다.
한편, 지령에 의해 분기 밸브(130)는 제1 바이패스 라인(110)쪽을 폐쇄하고 제2 바이패스 라인(120)쪽을 개방하는 경우에는 배기가스가 인터 쿨러(70)의 입구 쪽으로 흐르게 된다.
이로써 고온의 배기가스는 인터 쿨러(70)에 의해 냉각되고, 단위체적당 공기질량이 증가되어 엔진(10)에 더 많은 공기를 공급할 수 있게 된다.
또한, 상술한 제2 바이패스 라인(120)에는 DPF 유닛(140, Diesel Particulate Filter unit)이 더 구비될 수 있다. 이로써 배기가스에 포함된 탄소미립자(PM, soot)를 필터링할 수 있고, 정화된 배기가스를 인터 쿨러(70)에 공급할 수 있게 된다. 한편, 정화된 배기가스를 인터 쿨러(70)에 공급함으로써 인터 쿨러(70)의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 인터 쿨러(70)의 오염을 방지할 수 있다.
또한, 흡기관(20)에서 압축기(63)의 입구에는 흡기량 센서(80)가 구비된다. 흡기량 센서(80)에서 공기의 흡입량이 계산되고 공기 흡입량에 비례하여 터보차저(60)의 구동이 제어될 수 있다.
다른 한편으로, 제2 바이패스 라인(120)의 끝부분은 인터 쿨러(70)의 근처까지 연결될 수 있다. 이는 첨부도면 도 4 내지 도 6를 참조하여 설명한다.
첨부도면 도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 재순환장치에서 삽입관의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 흡기관(20)의 중앙에 제2 바이패스 라인(120)의 일부인 삽입관(122)이 배치될 수 있다. 삽입관(122)은 유체의 흐름과 순방향으로 배치됨으로써 배기가스가 역류되는 것을 방지하게 된다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 흡기관(20)의 한쪽 측면에 제2 바이패스 라인(120)의 일부인 삽입관(122)이 배치될 수 있다. 삽입관(122)은 유체의 흐름과 순방향으로 배치되고, 삽입관(122)의 일부는 소거되며 소거된 부분이 흡기관(20)의 측면에 밀착되도록 배치된다. 이로써 배기가스가 역류되는 것을 방지하며, 신선한 공기의 유입에 방해되지 않고 신선한 공기와 순환배기가스가 원활하게 혼합될 수 있다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 흡기관(20)의 한쪽 측면에 제2 바이패스 라인(120)의 일부인 삽입관(122)이 배치될 수 있다. 삽입관(122)은 유체의 흐름과 순방향으로 배치되고, 삽입관(122)의 외주면 일부는 흡기관(20)의 측면에 밀착되도록 배치된다. 이로써 배기가스가 역류되는 것을 방지하며, 신선한 공기의 유입에 방해되지 않고 신선한 공기와 순환배기가스가 원활하게 혼합될 수 있다. 또한, 삽입관(122)의 일부를 소거하지 않고 배치함으로써 가공 공정이 줄어들어 생산성이 향상될 수 있다.
다른 한편으로, 상술한 삽입관의 단면 형태는 원 형상, 반원형상, 각진 형상등 효율적으로 배기가스를 전달해줄 수 있는 구조를 포함하여 다양한 형상으로 제공이 가능하다.
또한, 배기관(30)에서 터보차저(60)의 출구에는 배기가스 후처리장치(90)가 구비된다. 배기가스 후처리장치(90)는 DPF(Diesel Particulate Filter), SCR(Selective Catalytic Reduction, 선택적 환원촉매 장치) 등이 있을 수 있다.
상술한 DPF는 디젤엔진의 배기가스 중 PM(입자상물질)을 물리적으로 포집하고 연소시켜 제거하는 배기 후처리장치의 일종이다.
상술한 SCR은 화석연료의 사용에 따라 발생하는 질소산화물(NOx)이 대기 중으로 배출되기 전에 질소(N2)와 산소(O2) 등의 유해하지 않은 물질로 전환시키는 환경설비이다.
이하, 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 재순환장치 제어방법에 대해서 설명한다.
첨부도면 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 재순환장치의 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
배기가스 재순환장치의 제어방법은 각 단계별로 설명한다.
EGR 쿨러 성능 모니터링 단계(S10); EGR 쿨러(42)의 성능이 일반적인지, 저하상태인지를 모니터링하는 단계이다. EGR 쿨러(42)의 성능을 모니터링하는 주된 데이터로는 EGR쿨러(42)의 전후단의 온도차이, 압력차이, 유량차이 등이 있을 수 있고, 이러한 데이터를 기초자료로 이용하여 이후 단계에서 EGR쿨러의 성능을 판단하게 된다. 또한, EGR 쿨러(42)의 저감신호가 직접 검출될 수도 있고, 이는 제어부(C)에서 받아들이는 신호에 의해 이루어질 수 있다.
EGR 쿨러 성능 판단단계(S20); EGR쿨러 성능 모니터링 단계(S20)에서 수집된 데이터를 근거로 EGR쿨러의 성능을 판단하는 단계이다. EGR 쿨러(42)가 정상작동을 하지 않거나 성능이 저하되면 배기가스의 온도를 적정하게 낮추지 못하는 것이므로 EGR 쿨러(42)의 전후 온도차이가 정상일 때보다 작아진다. 또한 기체는 온도와 체적과 압력에 상관관계가 있는 것으로 압력의 차이가 정상일 때와 다르게 검출되며, EGR쿨러(42)에 이물질이 쌓이거나 유로가 좁아지는 등의 문제가 발생하는 경우에는 정상적인 상태일 때보다 유량이 작아질 수 있다. 즉, 상술한 바와 같이, 정상적인 상태와 비교하여 비정상적인 데이터 값이 검출되는 경우에 EGR 쿨러(42)가 성능저하로 판단하는 것이다.
EGR 쿨러 성능 판단단계(S20)에서 EGR 쿨러(42)의 성능저하가 발생하지 않은 것으로 판단되면, 상기 EGR쿨러 성능 모니터링 단계(S10)로 되돌아간다. 반면에 EGR 쿨러 성능 판단단계(S20)에서 EGR 쿨러(42)의 성능저하가 발생한 것으로 판단되면 다음 단계로 진행된다.
배기가스 분배 단계(S30); 상기 EGR 쿨러 성능 판단단계(S20)에서 EGR 쿨러(42)의 성능저하로 판단되면 제1, 제2 바이패스 라인(110, 120)으로 배기가스를 분배한다. 온도, 유량, 압력, 저감 신호 등의 변화를 모니터링하거나 여러 가지 다양한 방법으로 EGR 쿨러(42) 성능/효율 저감이 인지된 경우, 분기 밸브(130)를 제어하여 제1 바이패스 라인(110)으로 흐르던 배기가스를 제2 바이패스 라인(120)으로 흐르도록 제어된다.
기본적으로 흡기관(20)에 배치된 인터 쿨러(70)의 전, 후 압력과 순환관(40)의 압력차에 의하여, 대부분 순환배기가스(EGR)가 제1 바이패스 라인(110)으로 흐르기 때문에, 분기 밸브(130)의 위치를 제1 바이패스 라인(110)에 치우쳐서 장착하면 완전 개방(open)일 경우에 제1 바이패스 라인(110)으로 흐른다. 반면에 분기 밸브(130)를 전환하여 제1 바이패스 라인(110)을 폐쇄(close)하면 제2 바이패스 라인(120)으로 흐르게 된다.
한편, 분기 밸브(130)를 제1, 제2 바이패스 라인(110, 120)의 양쪽 모두 개방되도록 제어할 수 있고, 이때 개방된 비율을 조절함에 따라 배기가스의 유량은 제1, 제2 바이패스 라인(110, 120) 중에 어느 한쪽에 더 많이 분배되도록 제어되는 것이다.
상술한 바와 같이, 분기 밸브(130)가 제1, 제2 바이패스 라인(110, 120)의 중간에 위치하는 경우도 상술한 바와 같이 배기가스의 흐름과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
출력 판단단계(S40); 상술한 배기가스 분배단계(S30)에서 배기가스의 제1 바이패스 라인(110)과 제2 바이패스 라인(120)중에 어느 라인으로 분배하거나 더 많은 유량으로 분배하느냐에 따라 엔진 토크출력이 달라질 수 있다. 특히 순환배기가스 전부를 제2 바이패스 라인(120)으로 흐르도록 제어하는 경우에는 모든 순환배기가스는 인터 쿨러(70)를 경유하여 냉각되고, 이로써 순환배기가스의 온도가 낮아짐으로써 단위체적당 더 많은 질량의 공기를 엔진(10)에 공급할 수 있게 된다. 나아가, 많은 공기가 유입됨으로써 연료와 공기의 혼합비율을 적정하게 유지할 수 있게 되어 엔진 출력의 저하 현상을 개선할 수 있게 된다.
또한, 배기가스가 순환되어 연소실에서 연소되도록 함으로써 질소산화물이 저감되는 것이다.
출력 판단단계(S40)에서는 상술한 바와 같이, 엔진출력의 저하가 개선되었는지를 판단하고, 엔진출력의 저하가 개선된 것으로 판단되면 상술한 배기가스 분배 단계(S30)로 되돌아가 배기가스의 재분배를 수행한다.
반면에, 엔진출력의 저하가 개선되지 않은 경우에는 다른 추가적인 문제가 있는 것으로 판단되어 다음 단계로 진행된다.
부가 제어 수행단계(S50); 상기 출력 판단단계(S40)에서 엔진출력의 저하가 개선되지 않았을 때에는 EGR밸브(41)를 조절하여 순환배기가스의 유량을 감소하도록 제어한다. 이로써 순환배기가스로 인한 EGR 쿨러(42)의 부하를 경감시켜주는 것이다.
또한, 부스트압을 증가하도록 제어한다. 이로써 터보차저(60)는 더 빠른 속도로 회전되어 외부 공기를 더 많이 압축하고, 고압으로 압축된 공기를 엔진(10)에 공급하도록 하는 것이다.
또한, 배기가스 후처리장치(90)에서 선택적 환원 촉매장치(SCR)에서 요소 액분사량을 증가하도록 제어한다. 즉, 재순환되는 배기가스의 유량이 감소됨에 따라 대기로 배기되는 배기가스의 유량이 증가될 것이므로 이에 따라 배기가스에 포함된 질소산화물에 요소를 뿌려 질소와 물로 환원시켜 대기오염을 감소시키도록 제어하는 것이다.
다른 한편으로, 본 발명의 일실시예에 따른 배기가스 재순환장치는 종래의 배기가스 재순환장치에서 EGR 쿨러(cooler)를 별도로 추가하지 않고도, 분기 밸브(130)를 추가함으로써 과다한 비용과 노동력을 들이지 않으면서 배기가스 재순환장치의 성능을 현저하게 향상시킬 수 있는 것이다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에 따른 디젤엔진의 배기가스 재순환장치 및 배기가스 재순환장치 제어 방법은 EGR 쿨러의 성능이 저하되었을 때에 EGR 쿨러에 대한 즉각적인 조치를 취하지 못하더라도 엔진 출력을 유지하고, 배기가스 오염을 저감하도록 하는 데에 이용될 수 있다.
C: 제어부
10: 엔진 11: 흡기 매니폴드
12: 배기 매니폴드 20: 흡기관
30: 배기관 40: 순환관
41: EGR 밸브 42: EGR 쿨러
50: 공기정화장치 60: 터보차저
61: 터빈 62: 축
63: 압축기 70: 인터 쿨러
80: 흡기량 센서 90: 배기가스 후처리장치
110, 120: 제1, 제2 바이패스 라인
122: 삽입관 130: 분기 밸브
140: DPF 유닛

Claims (10)

  1. 엔진의 흡기 매니폴드에 연결되어 공기가 공급되도록 하는 흡기관;
    상기 엔진의 배기 매니폴드에 연결되어 배기가스가 배출되도록 하는 배기관;
    상기 배기관에서 배출되는 배기가스의 압력으로 터빈을 회전시키고, 상기 터빈의 회전동력으로 압축기를 구동하여 상기 흡기관에서 외부 신선한 공기를 압축하는 터보차저;
    상기 흡기관과 상기 배기관이 연결되도록 하여 상기 배기가스의 일부가 상기 흡기 매니폴드 쪽으로 재순환되도록 배치되는 순환관;
    상기 흡기관에서 상기 압축기의 출구에 배치되어 상기 터보차저에서 압축된 공기를 냉각시키는 인터 쿨러;
    상기 순환관에 배치되어 재순환배기가스의 유량을 제어하는 EGR 밸브(Exhaust Gas Recirculation Valve);
    상기 순환관에서 상기 EGR 밸브의 출구에 배치되어 재순환배기가스를 냉각시키는 EGR 쿨러(Exhaust Gas Recirculation Cooler);
    상기 EGR 쿨러의 출구에서 분기되어 상기 인터 쿨러의 출구로 연결되는 제1 바이패스 라인;
    상기 EGR 쿨러의 출구에서 분기되어 상기 인터 쿨러의 입구로 연결되는 제2 바이패스 라인;
    상기 EGR 쿨러로부터의 상기 재순환배기가스가 상기 제1, 제2 바이패스 라인 중에 어느 하나로 흐르도록 제어되는 분기 밸브; 및
    상기 ERG 쿨러의 상태에 기초하여, 상기 제1, 제2 바이패스 라인 중에 어느 한쪽으로 상기 재순환배기가스가 흐르도록 상기 분기 밸브를 제어하는 제어부;
    를 포함하는 디젤엔진의 배기가스 재순환장치
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 EGR 쿨러의 성능에 이상이 있으면, 상기 제2 바이패스 라인을 통하여 상기 재순환배기가스가 흐르도록 상기 분기 밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스 재순환장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 EGR 쿨러 성능의 이상 정도에 기초하여, 상기 제1, 제2 바이패스 라인 중 어느 하나로 흐르는 배기가스의 유량이 달라지도록 상기 분기 밸브의 개도 량을 제어하는 디젤엔진의 배기가스 제순환장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 엔진 출력의 저하가 개선되지 않으면, 상기 터보차저의 부스트압을 증대하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스 제순환장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 배기관의 배출 경로에 배치되어 상기 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx) 또는 탄소 미립자(soot, PM) 중에 어느 하나를 포함하는 오염물질을 저감시키는 배기가스 후처리 장치를 더 포함하는 디젤엔진의 배기가스 재순환장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 바이패스 라인에 설치되어 상기 제2 바이패스 라인에 흐르는 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx) 또는 탄소 미립자(soot, PM) 중에 어느 하나를 포함하는 오염물질을 정화하는 DPF 유닛(Diesel Particulate Filter unit);
    을 더 포함하는 디젤엔진의 배기가스 재순환장치.
  7. EGR 쿨러(Exhaust Gas Recirculation Cooler)의 성능을 판단하도록 하는 데이터를 수집하여 모니터링 하는 EGR 쿨러의 성능을 모니터링 하는 모니터링 단계; 및
    상기 EGR 쿨러의 성능에 기초하여, 인터 쿨러의 출구와 입구에 각각 연결된 제1, 제2 바이패스 라인 중 어느 한쪽으로 엔진에서 배출된 배기가스가 흐르도록 하는 배기가스 분배단계;
    를 포함하는 디젤엔진의 배기가스 재순환장치 제어 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 배기가스 분배 단계에서 재순환배기가스를 재분배 후에 엔진 출력의 저하가 개선되었는지를 판단하고, 엔진 출력의 저하가 개선되지 않는다고 판단되면 배기가스가 EGR쿨러로 유입되는 재순환배기가스 유량을 감소하도록 제어하는 부가 제어 수행 단계;
    를 더 포함하는 디젤엔진의 배기가스 재순환장치 제어 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 배기가스 분배 단계에서 엔진 출력의 저하가 개선되지 않는다고 판단되면 터보차저의 부스트압을 증가시키도록 제어하거나 또는 배기가스 후처리장치(90)의 선택적 환원촉매장치(SCR)에서 요소 액의 분사량을 증가하도록 제어하는 부가 제어 수행단계;
    를 더 포함하는 디젤엔진의 배기가스 재순환장치 제어 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 상기 EGR 쿨러의 성능에 이상 정도에 따라서 상기 인터 쿨러의 출구에 연결된 제1 바이패스 라인과 입구에 연결된 제2 바이패스 라인으로 흐르는 배기가스의 유량이 달라지도록 분배량을 제어하는 단계;
    를 더 포함하는 디젤엔진의 배기가스 재순환장치 제어 방법.
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