KR20150111048A

KR20150111048A - 저온연소를 위한 엔진 시스템

Info

Publication number: KR20150111048A
Application number: KR1020140034371A
Authority: KR
Inventors: 한영덕; 심의준; 전필규; 신승협
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2015-10-05
Also published as: KR102159282B1

Abstract

저온연소 엔진 시스템은 엔진, 상기 엔진에서 배출되는 배기가스를 이용하여 회전하는 터빈 및 상기 터빈의 동작에 따라 상기 엔진으로 공급되는 공기를 압축하는 컴프레서를 갖는 터보차저, 상기 터보차저의 전단의 배기가스의 일부를 상기 엔진으로 재순환시키기 위한 고압 EGR 장치, 및 상기 터보차저의 상기 터빈을 통해 배출된 배기가스의 일부를 상기 엔진으로 재순환시키기 위한 저압 EGR 장치를 포함한다. 상기 터빈의 트림값(터빈 휠의 인듀서와 엑스듀서의 면적비)은 상기 엔진의 중부하 운전영역에서 EGR율 50% 이상의 저온연소가능 운전 조건을 만족하도록 매칭된다.

Description

저온연소를 위한 엔진 시스템{ENGINE SYSTEM FOR LOW TEMPERATURE COMBUSTION IN DIESEL ENGINE}

본 발명은 디젤 엔진을 갖는 엔진 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 디젤 엔진에서 저온연소를 구현할 수 있는 엔진 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 엔진에는 배기가스의 일부를 다시 흡기 라인으로 재순환시켜 연소시 최고 온도를 낮춤으로써 NOx의 발생을 억제하여 주는 배기가스 재순환(EGR, Exhaust Gas Recirculation) 장치가 장착될 수 있다. 또한, 저온연소 기술은 다량의 EGR을 엔진 흡기에 주입시켜 연소온도를 낮추어 디젤엔진에서 문제시 되고 있는 배기 배출물 중 NOx와 Soot을 동시에 획기적으로 저감시킬 수 있다.

상기 저온연소 기술은 PM과 NOx를 동시에 대폭 저감할 수 있다는 점에서 각광 받고 있으나 중부하 이상영역에서 운전이 제한되는 문제점을 가지고 있어 실용화가 용이하지 않다.

본 발명의 일 목적은 엔진 출력의 감소없이 저온연소를 구현할 수 있는 엔진 시스템을 제공하는 데 있다.

상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 저온연소 엔진 시스템은 엔진, 상기 엔진에서 배출되는 배기가스를 이용하여 회전하는 터빈 및 상기 터빈의 동작에 따라 상기 엔진으로 공급되는 공기를 압축하는 컴프레서를 갖는 터보차저, 상기 터보차저의 전단의 배기가스의 일부를 상기 엔진으로 재순환시키기 위한 고압 EGR 장치, 및 상기 터보차저의 상기 터빈을 통해 배출된 배기가스의 일부를 상기 엔진으로 재순환시키기 위한 저압 EGR 장치를 포함한다. 상기 터빈의 트림값(터빈 휠의 인듀서와 엑스듀서의 면적비)은 상기 엔진의 중부하 운전영역에서 EGR율 50% 이상의 저온연소가능 운전 조건을 만족하도록 매칭된다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 터빈의 트림값은 부하 50% 이상의 운전영역에서 87 내지 90.5 범위 이내에 있을 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 고압 EGR 장치는, 상기 엔진의 배기 매니폴드로부터 배출된 배기가스를 재순환시키는 고압 EGR 라인, 상기 고압 EGR 라인에 설치되며 상기 재순환 배기가스 양을 조절하는 고압 EGR 밸브 및 상기 고압 EGR 라인에 설치되며 상기 재순환 배기가스를 냉각시키는 고압 EGR 쿨러를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 저압 EGR 장치는, 상기 터보차저의 상기 터빈으로부터 배출된 배기가스를 재순환시키는 저압 EGR 라인, 상기 저압 EGR 라인에 설치되며 상기 재순환 배기가스 양을 조절하는 저압 EGR 밸브 및 상기 저압 EGR 라인에 설치되며 상기 재순환 배기가스를 냉각시키는 저압 EGR 쿨러를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 터보차저의 상기 컴프레서는 흡기 공급관을 통해 상기 엔진의 흡기 매니폴드에 연결되고, 상기 컴프레서를 통과한 재순환 배기가스와 신기는 상기 흡기 공급관 상에 설치되는 인터쿨러에 의해 냉각될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 엔진은 산업용 대형 디젤 엔진일수 있다.

예시적인 실시예들에 따르면, 고압 EGR 장치 및 저압 EGR 장치가 장착된 디젤 엔진에 있어서, 원하는 EGR 유량과 엔진 출력 영역 모두를 만족시킬 수 있도록 터보차저를 매칭함으로써 저온연소 구현 시 중부하 구간까지 운전영역을 확장할 수 있다.

다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

도 1은 예시적인 실시예들에 따른 저온연소 엔진 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 엔진 시스템의 엔진을 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 1의 터보차저의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 4는 도 1의 엔진 시스템의 저온연소 가능 영역에서의 터빈 트림값을 나타내는 그래프이다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 엔진 시스템은 엔진(10), 엔진(10)으로부터의 배기가스를 외부로 배출하고 신기(fresh air)를 압축하여 엔진(10)으로부터 공급하기 위한 터보차저(30), 터보차저(30)의 전단의 배기가스의 일부를 엔진(10)으로 재순환시키기 위한 고압 EGR 장치(60) 및 터보차저(30)의 터빈(32)을 통해 배출된 배기가스의 일부를 엔진(10)으로 재순환시키기 위한 저압 EGR 장치(70)를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 엔진(10)은 굴삭기와 같은 건설기계의 구동원으로서 디젤 엔진을 포함할 수 있다. 예를 들면, 엔진(10)은 산업용 대형 디젤 엔진일 수 있다. 엔진(10)은 압축 착화를 통한 연소로 필요한 동력을 발생시킬 수 있다. 엔진(10)의 연소실(11)은 6 내지 8L의 체적 범위를 가질 수 있다. 또한, 엔진(10)은 700 내지 1000Nm의 최대 토크(Torque), 1800 내지 2000rpm의 최대 RPM을 가질 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 엔진(10)은 연료를 분사시키는 분사장치(18)가 설치되어 분사장치(18)로부터 공급되는 연료를 연소시키는 연소실(11)을 갖는 다수개의 실린더들(12)을 포함할 수 있다. 흡기관(40)으로부터 공급되는 흡기는 흡기 포트(14)를 통해 연소실(11) 내로 공급되고, 연소실(11) 내에서 연소된 후 배기가스는 배기 포트(16)를 통해 배기관(50)으로 배출될 수 있다.

터보차저(30)는 배기관(50)을 통해 엔진(10)의 배기 매니폴드(24)에 연결되고 배기관(50)을 통해 엔진(10)의 흡기 매니폴드(20)에 연결될 수 있다. 터보차저(30)는 신기(fresh air)를 흡기 매니폴드(20)에 공급함과 동시에 배기가스를 외부로 배출시킬 수 있다.

구체적으로, 터보차저(30)는 엔진(10)에서 배출되는 배기가스를 이용하여 회전하는 터빈(32) 및 터빈(32)의 에너지를 이용하여 컴프레서(34)를 작동시킬 수 있다. 터빈(32)은 배출되는 배기가스의 압력차에 의해 구동되고, 터빈(32)에 의한 일이 컴프레서(34)에 전달되어 엔진(10)으로 공급되는 공기를 압축하여 흡기 매니폴드(20)에 공급할 수 있다.

컴프레서(34)는 흡입된 신기를 압축하여 흡기 공급관(42)을 통해 엔진(10)의 흡기 매니폴드(20)에 연결되고, 흡기 공급관(42)에는 인터쿨러(80)가 설치되어 흡입된 신기를 냉각시킨 후 흡기 매니폴드(20)에 공급할 수 있다.

고압 EGR 장치(60)는 고압 EGR 라인(62), 고압 EGR 밸브(64) 및 고압 EGR 쿨러(66)를 포함할 수 있다. 엔진(10)의 배기 매니폴드(24)로부터 배출된 배기가스는 고압 EGR 라인(62)을 통해 엔진(10)의 흡기 매니폴드(20)로 재순환될 수 있다. 고압 EGR 밸브(62)는 고압 EGR 라인(60)에 설치되며 상기 재순환 배기가스 양을 조절할 수 있다. 고압 EGR 쿨러(66)는 고압 EGR 라인(62)에 설치되며 상기 재순환 배기가스를 냉각시킬 수 있다.

저압 EGR 장치(70)는 저압 EGR 라인(72), 저압 EGR 밸브(74) 및 저압 EGR 쿨러(76)를 포함할 수 있다. 터보차저(30)의 터빈(32)으로부터 배출된 배기가스는 저압 EGR 라인(72)을 통해 신기와 함께 터보차저(30)의 컴프레서(34)를 거쳐 엔진(10)의 흡기 매니폴드(20)로 재순환될 수 있다. 저압 EGR 밸브(72)는 저압 EGR 라인(72)에 설치되며 상기 재순환 배기가스 양을 조절할 수 있다. 저압 EGR 쿨러(76)는 저압 EGR 라인(72)에 설치되며 상기 재순환 배기가스를 냉각시킬 수 있다.

도면에 도시되지는 않았지만, 산화촉매장치(DOC)를 포함하는 후처리 장치가 터보차저(30)의 터빈(32)에 연결된 배기관에 설치될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 엔진 시스템은 엔진(10)의 저온연소를 수행하기 위한 제어를 행하는 제어부(ECU, electronic control unit)(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제어부는 엔진 rpm, 엔진 토크(torque), 차속(velocity), 스로틀 밸브, 공기량 등에 관한 신호들을 수신할 수 있다.

상기 제어부는 상기 신호들을 기초로 하여 고압 EGR 밸브(64) 및 저압 EGR 밸브(74)를 조절하여 EGR 가스로서 엔진(10)에 재순환시키는 비율, 즉, EGR율을 제어할 수 있고, 특정 rpm에서의 엔진(10)의 부하%, 즉, 엔진 출력율을 제어할 수 있다. 또한, 터보차저(30)는 가변용량 터보차저(VGT, Variable Geometry Turbocharger)이고, 상기 제어부는 터보차저(30)의 터빈(32)의 베인 각도를 조정하여 과급 압력을 가변시킬 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 터보차저(30)는 중부하 엔진 영역에서도 상기 엔진의 저온연소를 구현하기 수행하도록 터보차저(30)가 매칭될 수 있다. 예를 들면, 중부하 엔진 영역에서도 저온연소를 구현하기 위한 충분한 EGR 유량을 확보하도록 터보차저(30)의 터빈(32)을 설계할 수 있다.

엔진의 저온연소를 위해서 대용량의 EGR 유량을 확보할 필요가 있으며, 예를 들면, EGR율 50% 이상을 확보할 경우 NOx와 PM을 동시에 저감시키는 저온연소 운전 조건을 찾을 수 있다. 그러나, 엔진의 저부하 운전 영역(예를 들면, 30% 미만의 출력율)에서는 50% 이상의 EGR율을 확보하는 데 크게 어려움이 없으나, 중부하 운전영역(예를 들면, 50% 이상의 출력율)까지 운전영역을 확장하여 저온연소를 구현하기 위해서는 EGR 유량과 엔진 출력 간의 트레이드오프(Trade-off)가 필요하다.

특히, 고압 EGR 장치(60) 및 저압 EGR 장치(70)가 장착된 디젤 엔진에 있어서, 터보차저(30)는 상기 EGR 장치와 물리적으로 결합되어 흡입 공기 압력, 배기 압력에 영향을 미치고, 엔진 출력과 EGR량을 조절할 수 있다. 따라서, 원하는 EGR 유량과 엔진 출력 영역 모두를 만족시킬 수 있도록 터보차저(30)를 매칭함으로써 저온연소 구현 시 중부하 구간까지 운전영역을 확장할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 터보차저(30)의 터빈(32)은 터빈 휠(33)을 구비하고, 터보차저(30)의 컴프레서(34)는 컴프레서 휠(35)을 구비할 수 있다.

배기가스가 들어오는 터빈 휠(33)의 직경은 인듀서(inducer) 직경(D_I)로 정의되고, 배기가스가 배출되는 터빈 휠(33)의 직경은 엑스듀서(exducer) 직경(D_E)로 정의될 수 있다. 또한, 신기가 들어오는 컴프레서 휠(35)의 직경은 인듀서 직경(D_I')로 정의되고, 신기가 배출되는 컴프레서 휠(35)의 직경은 엑스듀서 직경(D_E')로 정의될 수 있다. 터빈 휠(33)의 경우, 인듀서 직경(D_I)이 엑스듀서 직경(D_E)보다 클 수 있다. 컴프레서 휠(35)의 경우, 인듀서 직경(D_I')이 엑스듀서 직경(D_E')보다 작을 수 있다. 즉, 상기 인듀서 직경은 공기가 휠 내부로 들어올 때의 직경을 의미하고, 상기 엑스듀서 직경은 공기가 휠로부터 배출될 때의 직경을 의미할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 터빈(32)의 트림값(trim)을 매칭함으로써 중부하 운전영역에서 저온연소가능 운전 조건을 제공할 수 있다. 터빈(32)의 트림값은 터빈에서의 공기 흐름 변화에 따른 성능을 나타낼 수 있다. 여기서, 터빈(32)의 트림값은 아래의 식(1)과 같인 터빈 휠(33)의 인듀서와 엑스듀서의 면적비로 정의될 수 있다.

터빈 트림(

------- 식 (1)

여기서, inducer는 터빈 휠(33)의 인듀서 직경(D_I)이고, exducer는 터빈 휠(33)의 엑스듀서 직경(D_E)이다.

도 1의 산업용 대형 디젤 엔진 시스템에 대하여 1-D 모델을 구축하고, 상기 모델을 기준으로 실제 실험값을 기준으로 비교 평가를 진행하여, 최종 오차 범위 3% 이내의 모델을 완성한 후, 터빈 트림에 따른 부하% 및 EGR율(%)을 나타내는 도 4의 그래프를 획득하였다.

도 4를 참조하면, 터빈 트림이 작을수록 EGR율은 증가하지만 출력율이 감소하며, 터빈 트림이 클수록 출력율은 증가하지만 EGR율은 감소함을 알 수 있다. 상기 시뮬레이션을 통해, 저온연소가능 운전 조건으로 출력기준 50% 이상의 부하를 만족하며 50% 이상의 EGR율을 유지할 수 있는 저온연소적용 가능 조건을 선정하고, 이러한 설정된 조건을 만족하도록 터빈을 매칭하여 터빈의 트림값의 범위를 얻을 수 있다. 도 4에서, 트림값의 최소값(Ta)은 87이고, 트림값의 최대값(Tb)은 90.5이었다. 따라서, 터보차저(30)의 터빈(32)이 87 내지 90.5의 터빈 트림값 범위(R_D)를 가질 때 설정된 저온연소가능 조건을 만족함을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 고압 EGR 장치(60) 및 저압 EGR 장치(70)가 장착된 디젤 엔진에 있어서, 원하는 EGR 유량과 엔진 출력 영역 모두를 만족시킬 수 있도록 터보차저(30)를 매칭함으로써, 저온연소 구현 시 중부하 구간까지 운전영역을 확장할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 엔진 11: 연소실
12: 실린더 14: 흡기 포트
16: 배기 포트 18: 분사장치
20: 흡기 매니폴드 22: 배기 매니폴드
30: 터보차저 32: 터빈
33: 터빈 휠 34: 컴프레서
35: 컴프레서 휠 40: 흡기관
42: 흡기 공급관 50: 배기관
60: 고압 EGR 장치 62: 고압 EGR 라인
64: 고압 EGR 밸브 66: 고압 EGR 쿨러
70: 저압 EGR 장치 72: 저압 EGR 라인
74: 저압 EGR 밸브 76: 저압 EGR 쿨러
80: 인터쿨러

Claims

엔진;
상기 엔진에서 배출되는 배기가스를 이용하여 회전하는 터빈 및 상기 터빈의 동작에 따라 상기 엔진으로 공급되는 공기를 압축하는 컴프레서를 갖는 터보차저;
상기 터보차저의 전단의 배기가스의 일부를 상기 엔진으로 재순환시키기 위한 고압 EGR 장치; 및
상기 터보차저의 상기 터빈을 통해 배출된 배기가스의 일부를 상기 엔진으로 재순환시키기 위한 저압 EGR 장치를 포함하고,
상기 터빈의 트림값(trim)(여기서, 트림값은 터빈 휠의 인듀서(inducer)와 엑스듀서(exducer)의 면적비로 정의됨)은 상기 엔진의 중부하 운전영역에서 EGR율 50% 이상의 저온연소가능 운전 조건을 만족하도록 매칭되는 것을 특징으로 하는 저온연소 엔진 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 터빈의 트림값은 부하 50% 이상의 운전영역에서 87 내지 90.5 범위 이내에 있는 것을 특징으로 하는 저온연소 엔진 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 고압 EGR 장치는,
상기 엔진의 배기 매니폴드로부터 배출된 배기가스를 재순환시키는 고압 EGR 라인;
상기 고압 EGR 라인에 설치되며 상기 재순환 배기가스 양을 조절하는 고압 EGR 밸브; 및
상기 고압 EGR 라인에 설치되며 상기 재순환 배기가스를 냉각시키는 고압 EGR 쿨러를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온연소 엔진 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 저압 EGR 장치는,
상기 터보차저의 상기 터빈으로부터 배출된 배기가스를 재순환시키는 저압 EGR 라인;
상기 저압 EGR 라인에 설치되며 상기 재순환 배기가스 양을 조절하는 저압 EGR 밸브; 및
상기 저압 EGR 라인에 설치되며 상기 재순환 배기가스를 냉각시키는 저압 EGR 쿨러를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온연소 엔진 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 터보차저의 상기 컴프레서는 흡기 공급관을 통해 상기 엔진의 흡기 매니폴드에 연결되고, 상기 컴프레서를 통과한 재순환 배기가스와 신기는 상기 흡기 공급관 상에 설치되는 인터쿨러에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 저온연소 엔진 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 엔진은 산업용 대형 디젤 엔진인 것을 특징으로 하는 저온연소 엔진 시스템.