KR20160118650A - 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치는 질소산화물을 함유한 배기가스를 배출하는 엔진과, 상기 엔진이 배출한 배기가스가 이동하는 배기 유로와, 상기 엔진에 연소용 공기를 공급하는 흡기 유로와, 상기 배기 유로 상에 설치되어 배기가스가 갖는 압력으로 회전하는 터빈과 상기 흡기 유로 상에 설치되어 상기 터빈의 회전력으로 상기 엔진에 공기를 밀어 넣는 압축기를 포함하는 과급기(turbo charger)와, 상기 과급기를 거치기 전의 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 흡기 유로에 합류하는 재순환 유로, 그리고 상기 배기 유로와 상기 재순환 유로의 분기점과 상기 과급기의 터빈 사이의 상기 배기 유로 상에 마련된 배기 차압 발생부를 포함한다.

Description

배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치{POWER PLANT WITH EXHAUST GAS RECIRCULATION SYSTEM}
본 발명의 실시예는 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배기가스의 재순환율을 증가시킨 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치에 관한 것이다.
가솔린, 디젤, 및 천연가스 등의 화석 연료를 사용하는 동력 장치, 즉 엔진은 승용차, 버스, 트럭, 중장비, 건설기계, 선박, 발전기 등의 주 동력원으로 널리 사용되고 있다.
엔진의 출력 향상을 위해 엔진에 요구되는 비출력밀도(specific power density)는 지속적으로 증가하고 있다. 이에, 엔진의 비출력밀도를 높이는 중요한 수단인 과급기(turbocharger)가 장착된 엔진의 비중도 점점 증가하고 있다.
엔진에 장착되어 사용되는 과급기는 엔진에서 배출된 배기가스가 갖는 압력으로 회전하는 터빈(turbine)과 터빈의 회전력으로 엔진의 실린더에 공기를 압축하여 밀어 넣는 압축기(compressor) 그리고 터빈과 압축기를 연결하는 샤프트를 포함한다.
또한, 화석연료를 사용하는 동력 장치의 배기가스에 대해 전세계적으로 매우 급격한 환경규제가 강화되고 있으며, 특히 질소산화물(NOx)은 대기로 배출되어 광화학 스모그를 발생시키는 등 인체에 미치는 해악이 크므로 매우 엄격히 규제되고 있다.
이에, 엔진의 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시켜 환경규제에 대응하기 위하여 배기가스 재순환(EGR, Exhaust Gas Recirculation) 시스템이 적용된 동력 장치의 사용도 증가되고 있다.
배기가스 재순환 시스템은 엔진에서 배출된 배기가스의 일부를 엔진의 실린더에 흡기를 공급하는 흡기 유로로 되돌려 엔진의 연소 온도를 낮추고 질소산화물(NOx)의 발생량을 저감시킨다.
엔진에 재순환된 배기가스를 공급하기 위해서는 배기 유로와 흡기 유로 간의 압력차를 발생시켜 배기가스가 재순환 유로를 따라 이동할 수 있어야 한다. 즉, 배기 유로와 흡기 유로 간의 압력차가 클수록 배기가스 재순환 시스템의 효율이 증가된다.
따라서, 배기 유로와 흡기 유로 사이에 충분한 차압을 생성하기 위하여 배가 유로의 압력을 높일 목적으로 과급기에 기존 보다 상대적으로 작은 사이즈의 터빈을 적용하고 있다.
하지만, 과급기의 터빈 사이즈가 작아지면서 그에 따라 압축기의 사이즈 또한 작아지게 되고, 이는 엔진의 실린더 내로 유입되는 흡입 공기량의 저감을 가져오므로, 엔진의 출력을 저하시키게 되는 문제점이 발생한다.
본 발명의 실시예는 과급기의 성능을 유지하면서 배기가스의 재순환율을 효과적으로 향상시킬 수 있는 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치는 질소산화물을 함유한 배기가스를 배출하는 엔진과, 상기 엔진이 배출한 배기가스가 이동하는 배기 유로와, 상기 엔진에 연소용 공기를 공급하는 흡기 유로와, 상기 배기 유로 상에 설치되어 배기가스가 갖는 압력으로 회전하는 터빈과 상기 흡기 유로 상에 설치되어 상기 터빈의 회전력으로 상기 엔진에 공기를 밀어 넣는 압축기를 포함하는 과급기(turbo charger)와, 상기 과급기를 거치기 전의 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 흡기 유로에 합류하는 재순환 유로, 그리고 상기 배기 유로와 상기 재순환 유로의 분기점과 상기 과급기의 터빈 사이의 상기 배기 유로 상에 마련된 배기 차압 발생부를 포함한다.
상기 배기 차압 발생부는 벤튜리 튜브(venturi tube)일 수 있다.
상기 재순환 유로는 상기 과급기의 압축기를 거친 상기 흡기 유로에 합류할 수 있다.
상기한 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치는 상기 재순환 유로와 상기 흡기 유로의 합류점에 마련된 흡기 차압 발생부를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 재순환 유로는 상기 흡기 차압 발생부의 단면적이 최소인 소경부에 연결될 수 있다. 여기서, 상기 흡기 차압 발생부는 벤튜리 튜브(venturi tube)일 수 있다.
또한, 상기 재순환 유로는 상기 과급기의 압축기를 거치기 전의 상기 흡기 유로에 합류할 수도 있다.
또한, 상기한 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치는 상기 재순환 유로와 상기 흡기 유로의 합류점에 마련된 흡기 차압 발생부를 더 포함할 수 있으며, 상기 재순환 유로는 상기 흡기 차압 발생부의 단면적이 최소인 소경부에 연결될 수 있다. 여기서도, 상기 흡기 차압 발생부는 벤튜리 튜브(venturi tube)일 수 있다.
상기 배기 차압 발생부는 입구와 단면적이 최소인 소경부를 연결하는 단면적 수축 구간과 상기 소경부와 출구를 연결하는 단면적 팽창 구간을 포함할 수 있다. 그리고 상기 단면적 수축 구간과 상기 단면적 팽창 구간은 에어포일(airfoil) 형상의 유선형으로 형성되어 상기 배기 차압 발생부를 통과하는 배기가스의 저항 및 압력손실이 최소화할 수 있다.
또한, 상기 단면적 수축 구간과 상기 단면적 팽창 구간이 형성하는 유선형의 프로파일은 아래의 수학식으로 산출할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, yt는 배기 차압 발생부가 갖는 유선형의 높이이고, x는 배기 차압 발생부의 입구로부터 출구 방향 깊이이며, c는 배기 차압 발생부의 전체 길이이고, t는 2 x(곱하기) yt/c일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치는 질소산화물을 함유한 배기가스를 배출하는 엔진과, 상기 엔진이 배출한 배기가스가 이동하는 배기 유로와, 상기 엔진에 연소용 공기를 공급하는 흡기 유로와, 상기 배기 유로 상에 설치되어 배기가스가 갖는 압력으로 회전하는 터빈과 상기 흡기 유로 상에 설치되어 상기 터빈의 회전력으로 상기 엔진에 공기를 밀어 넣는 압축기를 포함하는 과급기(turbo charger)와, 상기 과급기의 터빈을 거친 상기 배기 유로 상에 마련된 배기 차압 발생부, 및 상기 과급기의 터빈과 상기 배기 차압 발생부 사이의 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 과급기의 압축기를 거치기 전의 상기 흡기 유로에 합류하는 재순환 유로를 포함한다.
상기 배기 차압 발생부는 벤튜리 튜브(venturi tube)일 수 있다.
상기한 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치는 상기 재순환 유로와 상기 흡기 유로의 합류점에 마련된 흡기 차압 발생부를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 재순환 유로는 상기 흡기 차압 발생부의 단면적이 최소인 소경부에 연결될 수 있다. 여기서, 상기 흡기 차압 발생부는 벤튜리 튜브(venturi tube)일 수 있다.
상기 배기 차압 발생부는 입구와 단면적이 최소인 소경부를 연결하는 단면적 수축 구간과 상기 소경부와 출구를 연결하는 단면적 팽창 구간을 포함할 수 있다. 그리고 상기 단면적 수축 구간과 상기 단면적 팽창 구간은 에어포일(airfoil) 형상의 유선형으로 형성되어 상기 배기 벤튜르 튜브를 통과하는 배기가스의 저항 및 압력손실이 최소할 수 있다.
또한, 상기 단면적 수축 구간과 상기 단면적 팽창 구간이 형성하는 유선형의 프로파일은 아래의 수학식으로 산출할 수 있다.
Figure pat00002
여기서, yt는 배기 차압 발생부가 갖는 유선형의 높이이고, x는 배기 차압 발생부의 입구로부터 출구 방향 깊이이며, c는 배기 차압 발생부의 전체 길이이고, t는 2 x(곱하기) yt/c일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치는 과급기의 성능을 유지하면서 배기가스의 재순환율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1에 사용된 배기 차압 발생부의 단면 형상을 나타낸 그래프이다.
도 3은 도 2의 배기 차압 발생부의 설계를 위한 그래프이다.
도 4는 도 2의 배기 차압 발생부를 적용한 재순환율과 공연비 간의 상관 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치를 나타낸 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치를 나타낸 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치를 나타낸 구성도이다.
도 8는 본 발명의 제5 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치를 나타낸 구성도이다.
도 9는 본 발명의 제6 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치를 나타낸 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
또한, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
도면들은 개략적이고 축척에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 축소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치(101)를 설명한다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치(101)는 엔진(200), 배기 유로(610), 흡기 유로(620), 과급기(300), 재순환 유로(650), 및 배기 차압 발생부(510)를 포함한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치(101)는 재순환 밸브(457), 재순환 쿨러(458), 및 흡기 쿨러(428)를 더 포함할 수 있다.
엔진(200)은 폭발 행정이 발생하는 실린더를 하나 이상 포함한다. 일례로, 엔진(200)은 디젤 엔진일 수 있으며, 차량 및 건설 기계 등에 주동력원으로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에서, 엔진(200)은 질소산화물(NOx)와 같은 환경 규제 물질을 함유한 배기가스를 배출한다.
배기 유로(610)는 엔진(200)의 배기가스를 배출시킨다. 즉, 엔진(200)이 배출한 배기가스는 배기 유로(610)를 따라 이동한다.
흡기 유로(620)는 엔진(200)에 흡기를 공급한다. 즉, 흡기 유로(620)는 엔진(200)에 연소용 공기를 공급한다.
과급기(turbo charger, 300)는 엔진(200)의 실린더와 연결되어 엔진(200)의 실린더에 연소용 공기를 밀어 넣는다.
구체적으로, 과급기(300)는 배기 유로(610) 상에 설치되어 배기가스가 갖는 압력으로 회전하는 터빈(310)과 흡기 유로(620) 상에 설치되어 터빈(610)의 회전력으로 엔진(200)에 공기를 밀어 넣는 압축기(320)를 포함한다.
또한, 과급기(300)는 터빈(310)과 압축기(320)를 연결하여 회전 동력을 전달하는 샤프트(330)를 더 포함한다.
이와 같이, 과급기(300)는 엔진(200)의 배기가스가 갖는 압력으로 터빈(310)을 돌려 엔진(200)에 새로운 외부 공기를 압축하여 공급함으로써, 엔진(200)의 출력을 향상시킨다.
재순환 유로(650)는 엔진(200)에서 배기 유로(610)로 배출된 배기가스의 일부를 흡기 유로(620)로 재순환(exhaust gas recirculation, EGR)시킨다.
본 발명의 제1 실시예에서, 재순환 유로(650)는 엔진(200)에서 배출되어 과급기(300)를 거치기 전의 배기 유로(610)에서 분기되어 흡기 유로(620)에 합류한다. 이때, 재순환 유로(650)는 과급기(300)의 압축기(320)를 거쳐 엔진(200)으로 향하는 흡기 유로(620)에 합류한다.
즉, 본 발명의 제1 실시예에서 사용된 배기가스 재순환 시스템은 고압 재순환 유로(High-Pressure EGR Loop)를 갖는다.
재순환 밸브(457)는 재순환 유로(650) 상에 설치되어 재순환 유로(650)를 통해 재순환되는 배기가스의 유량을 조절한다.
재순환 쿨러(458)는 재순환 유로(650)에 설치되어 재순환 유로(650)를 통과하는 배기가스의 온도를 낮춘다.
흡기 쿨러(428)는 과급기(300)의 압축기(320)와 엔진(200) 사이의 흡기 유로(620) 상에 마련되어 과급기(300)의 압축기(320)가 엔진(200)에 밀어 넣는 연소용 공기의 온도를 냉각시킨다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치(101)는, 도시하지는 않았으나, 엔진(200) 및 재순환 밸브(457)의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 이때, 제어부는 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다양한 전자 제어 장치(electronic control unit, ECU)일 수 있다.
배기 차압 발생부(510)는 배기 유로(610)와 재순환 유로(650)의 분기점과 과급기(300)의 터빈(310) 사이의 배기 유로(610) 상에 마련된다.
배기 차압 발생부(510)는 엔진(200)과 배기 차압 발생부(510) 사이의 배기 유로(610)의 배기압을 증가시켜 재순환 유로(650)로 재순환되는 배기가스의 재순환율을 높일 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에서, 배기 차압 발생부(510)는 벤튜리 튜브일 수 있다.
하지만, 본 발명의 제1 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 배기 차압 발생부(510)는 오리피스 또는 격판 구조를 포함할 수도 있다.
구체적으로, 배기 차압 발생부(510)는 입구와 단면적이 최소인 소경부를 연결하는 단면적 수축 구간(ES)과, 단면적이 최소인 소경부와 출구를 연결하는 단면적 팽창 구간(CS)을 포함한다. 그리고 배기 차압 발생부(510)의 입구 단면적과 출구 단면적은 실질적으로 동일하다. 여기서, 실질적으로 동일하다는 것은 설계 및 제조 상의 오차를 고려하여 동일함을 의미한다.
또한, 배기 차압 발생부(510)의 단면적 수축 구간(ES)과 단면적 팽창 구간(CS)은 유선형으로 형성된다.
그리고 배기 차압 발생부(510)는 원통 또는 다각통 등 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 배기 차압 발생부(510)의 단면적 수축 구간(ES)과 단면적 팽창 구간(CS)이 형성하는 유선형은 배기 차압 발생부(510)의 길이 방향으로 임의의 단면에서 나타날 수 있다.
구체적으로, 에어포일 형상의 유선형은 배기 차압 발생부(510)를 길이 방향으로 여러 각도로 절개하였을 때, 적어도 하나 이상의 단면에서 나타날 수 있다. 즉, 배기 차압 발생부(510)의 중심을 기준으로 한 배기 차압 발생부(510)의 길이 방향 단면 형상은 전부 또는 일부가 에어포일 형상의 유선형을 가질 수 있다.
이와 같이, 입구로부터 단면적이 좁아졌다가 다시 확대되는 배기 차압 발생부(510)는 과급기(300)의 터빈(310) 사이즈는 동일하게 유지하면서 엔진(200)과 배기 차압 발생부(510) 사이의 배기 유로(610)의 배기압을 효과적으로 증가시킬 수 있다.
하지만, 배기가스가 배기 차압 발생부(510)를 통과하는 동안 수축(Converging)과 팽창(Diverging)을 하면서 공기역학적(Aerodynamic)으로 배기가스가 지닌 총에너지의 손실이 발생하게 되고 이는 터빈(310)이 발생시킬 수 있는 운동 에너지를 감소시켜 최종적으로 엔진(200)의 출력 및 연비 손실을 가져올 수 있다.
이에, 본 발명의 제1 실시예에서는, 배기 차압 발생부(510)의 단면적 수축 구간(ES)과 단면적 팽창 구간(CS)이 형성하는 유선형은 공기역학적으로 유동의 저항 및 압력손실이 최소화된 형상인 비행기 날개 단면의 에어포일(airfoil) 형상을 따르는 형태로 적용할 수 있다.
구체적으로, 배기 차압 발생부(510)의 단면적 수축 구간(ES)과 단면적 팽창 구간(CS)이 형성하는 유선형의 프로파일은 도 3과 아래의 수학식 1로 산출하여 설계함으로써, 배기가스가 배기 차압 발생부(510)를 통과하면서 유발되는 공기역학적 손실을 최소화할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00003
여기서, yt는 도 3에 나타난 배기 차압 발생부(520)가 갖는 유선형의 높이이다. x는 배기 차압 발생부(520)의 입구로부터 출구 방향 깊이이고, c는 배기 차압 발생부(520)의 전체 길이이다. 그리고 t(두께)는 아래 수학식 2를 통해 산출된다.
[수학식 2]
t = 2 x(곱하기) yt / c
전술한 바와 같은 수학식 1에 따른 배기 차압 발생부(510)의 형상은 미국의 국립 항공 자문 위원회(National Advisory Committee for Aeronautics, NACA)에서 공개한 4-digit NACA 에어포일(Airfoil) 관계식에 의해 정해지는 좌표를 따라 설계된 것이다.
하지만, 본 발명의 제1 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 배기 차압 발생부(510)의 형상은 1-digit, 6-digit, 7-digit, 8-digit NACA 에어포일 관계식을 포함하여 다른 형태의 에어포일 관계식을 따라 설계될 수 있다.
또한, 배기 차압 발생부(510)의 형상은 에어포일 형상뿐만 아니라 임의의 곡선 또는 직선 형태를 포함할 수도 있다.
또한, 배기 차압 발생부(510)의 단면적 수축 구간(ES)과 단면적 팽창 구간(CS)이 형성하는 유선형의 프로파일은 배기 차압 발생부(510)의 전체 구간 또는 일부 구간에만 적용될 수도 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치(101)는 과급기(300)의 크기와 성능을 유지하면서 배기가스의 재순환율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 제1 실시예에 따라 적용된 입구로부터 단면적이 좁아졌다가 다시 확대되는 배기 차압 발생부(510)는 과급기(300)의 터빈(310)과 압축기(320)의 사이즈는 동일하게 유지하면서 엔진(200)과 배기 차압 발생부(510) 사이의 배기 유로(610)의 배기압을 증가시켜 증가시킴으로써 EGR률을 높여 결과적으로 엔진(200)의 질소산화물(NOx) 배출량의 저감률을 높일 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따라 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치(101)가 원형 단면을 갖는 배기 차압 발생부(510)를 사용한 경우 예상되는 재순환율의 증가에 대한 성능 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 4에 도시한 바와 같이, 배기 차압 발생부(510)의 소경부 직경이 감소함에 따라 배압이 증가하여 재순환률이 증가하는 것을 알 수 있다.
이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치(102)를 설명한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에서는, 재순환 유로(650)가 엔진(200)에서 배출되어 과급기(300)의 터빈(310)을 거치기 전의 배기 유로(610)에서 분기되어 과급기(300)의 압축기(320)를 거치기 전의 흡기 유로(620)에 합류한다.
즉, 본 발명의 제2 실시예에서 사용된 배기가스 재순환 시스템은 과급기(300)의 터빈(310) 입구로부터 과급기(300)의 압축기(320) 입구로 연결된 복합 재순환 유로(Hybrid EGR Loop)을 갖는다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치(102)는 재순환 유로(650)의 연결 위치를 제외하고 제1 실시예와 동일하다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치(102)는 과급기(300)의 크기와 성능을 유지하면서 배기가스의 재순환율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 재순환 유로(650)가 과급기(300)의 터빈(310) 입구로부터 과급기(300)의 압축기(320) 입구로 연결된 경우에도 과급기(300)의 크기와 성능을 유지하면서 배기가스의 재순환율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
특히, 재순환 유로(650)가 과급기(300)의 터빈(310)을 거치기 전의 배기 유로(610)와 과급기(300)의 압축기(320)를 거치기 전의 흡기 유로(620)를 연결하여 배기가스 재순환을 위한 배기 유로(610)와 흡기 유로(620) 간의 압력 차이를 더 크게 발생시킬 수 있다.
이하, 도 6을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치(103)를 설명한다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에서는, 재순환 유로(650)가 과급기(300)의 터빈(310)을 거친 후의 배기 유로(610)에서 분기되어 과급기(300)의 압축기(320)를 거치기 전의 흡기 유로(620)에 합류한다.
즉, 본 발명의 제3 실시예에서 사용된 배기가스 재순환 시스템은 과급기(300)의 터빈(310) 출구로부터 과급기(300)의 압축기(320) 입구로 연결된 저압 재순환 유로(Low-Pressure EGR Loop)를 갖는다.
그리고 배기 차압 발생부(510)는 과급기(300)의 터빈(310)을 거치고 재순환 유로(650)의 분기점을 지난 배기 유로(610) 상에 마련된다. 즉, 재순환 유로(650)는 과급기(300)의 터빈(310)과 배기 차압 발생부(510) 사이의 배기 유로(610)에서 분기된다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치(103)는 재순환 유로(650)의 연결 위치를 제외하고 제1 실시예와 동일하다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치(103)는 과급기(300)의 크기와 성능을 유지하면서 배기가스의 재순환율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 재순환 유로(650)가 과급기(300)의 터빈(310) 출구로부터 과급기(300)의 압축기(320) 입구로 연결된 경우에도 과급기(300)의 크기와 성능을 유지하면서 배기가스의 재순환율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
이하, 도 7을 참조하여 본 발명의 제4 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치(104)를 설명한다.
도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에서 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치(104)는 재순환 유로(650)와 흡기 유로(620)의 합류점에 마련된 흡기 차압 발생부(520)를 포함한다.
본 발명의 제4 실시예에서, 흡기 차압 발생부(520)는 벤튜리 튜브일 수 있다.
하지만, 본 발명의 제4 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 흡기 차압 발생부(510)는 오리피스 또는 격판 구조를 포함할 수도 있다.
구체적으로, 흡기 차압 발생부(520)도 원통 또는 다각통 등 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 흡기 차압 발생부(520)의 단면적 수축 구간과 단면적 팽창 구간도 유선형으로 형성된다. 또한, 흡기 차압 발생부(520)의 단면적 수축 구간과 단면적 팽창 구간이 형성하는 유선형의 프로파일도 배기 차압 발생부(510)와 동일한 방법으로 설계될 수 있다.
또한, 재순환 유로(650)는 흡기 차압 발생부(520)의 단면적이 최소인 소경부에 연결된다.
흡기 차압 발생부(520)는 흡기 차압 발생부(520)와 엔진(200) 사이의 흡기 유로(620)의 압력을 낮춘다. 따라서, 배기가스 재순환을 위한 배기 유로(610)와 흡기 유로(620) 간의 압력 차이를 효과적으로 증가시킬 수 있어 흡기 차압 발생부(520)의 소경부에 연결된 재순환 유로(650)는 효과적으로 배기가스를 재순환시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치(104)는 흡기 차압 발생부(620)를 제외하고는 제1 실시예와 동일하다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제4 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치(104)는 과급기(300)의 크기와 성능을 유지하면서 배기가스의 재순환율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
특히, 흡기 차압 발생부(520)를 추가 사용하여 배기가스 재순환을 위한 배기 유로(610)와 흡기 유로(620) 간의 압력 차이를 효과적으로 더 크게 발생시킬 수 있다.
이하, 도 8을 참조하여 본 발명의 제5 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치(105)를 설명한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제5 실시예에서는, 재순환 유로(650)가 과급기(300)의 터빈(310)을 거치기 전의 배기 유로(610)에서 분기되어 과급기(300)의 압축기(320)를 거치기 전의 흡기 유로(620)에 합류한다. 그리고 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치(105)는 재순환 유로와 흡기 유로의 합류점에 마련된 흡기 차압 발생부를 포함한다.
본 발명의 제5 실시예에서, 흡기 차압 발생부(520)는 벤튜리 튜브일 수 있다.
하지만, 본 발명의 제5 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 흡기 차압 발생부(510)는 오리피스 또는 격판 구조를 포함할 수도 있다.
구체적으로, 흡기 차압 발생부(520)도 원통 또는 다각통 등 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 흡기 차압 발생부(520)의 단면적 수축 구간과 단면적 팽창 구간도 유선형으로 형성된다. 또한, 흡기 차압 발생부(520)의 단면적 수축 구간과 단면적 팽창 구간이 형성하는 유선형의 프로파일도 배기 차압 발생부(510)와 동일한 방법으로 설계될 수 있다.
또한, 재순환 유로(650)는 흡기 차압 발생부(610)의 단면적이 최소인 소경부에 연결된다.
흡기 차압 발생부(520)는 흡기 차압 발생부(520)와 엔진(200) 사이의 흡기 유로(620)의 압력을 낮춘다. 따라서, 배기가스 재순환을 위한 배기 유로(610)와 흡기 유로(620) 간의 압력 차이를 효과적으로 증가시킬 수 있어 흡기 차압 발생부(520)의 소경부에 연결된 재순환 유로(650)는 효과적으로 배기가스를 재순환시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 제5 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치(105)는 재순환 유로(650)의 연결 위치와 흡기 차압 발생부(520)를 제외하고는 제1 실시예와 동일하다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제5 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치(105)는 과급기(300)의 성능을 유지하면서 배기가스의 재순환율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 재순환 유로(650)가 과급기(300)의 터빈(310) 입구로부터 과급기(300)의 압축기(320) 입구로 연결된 경우에도 과급기(300)의 성능을 유지하면서 배기가스의 재순환율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
특히, 재순환 유로(650)가 과급기(300)의 터빈(310)을 거치기 전의 배기 유로(610)와 과급기(300)의 압축기(320)를 거치기 전의 흡기 유로(620)를 연결하여 배기가스 재순환을 위한 배기 유로(610)와 흡기 유로(620) 간의 압력 차이를 더 크게 발생시킬 수 있으며, 흡기 차압 발생부(520)를 사용하여 배기가스 재순환을 위한 배기 유로(610)와 흡기 유로(620) 간의 압력 차이를 추가적으로 더 크게 발생시킬 수 있다.
이하, 도 9을 참조하여 본 발명의 제6 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치(106)를 설명한다.
도 9에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제6 실시예에서는, 재순환 유로(650)가 과급기(300)의 터빈(310)을 거친 후의 배기 유로(610)에서 분기되어 과급기(300)의 압축기(320)를 거치기 전의 흡기 유로(620)에 합류한다.
즉, 본 발명의 제6 실시예에서 사용된 배기가스 재순환 시스템은 과급기(300)의 터빈(310) 출구로부터 과급기(300)의 압축기(320) 입구로 연결된 저압 재순환 유로(Low-Pressure EGR Loop)를 갖는다.
그리고 배기 차압 발생부(510)는 과급기(300)의 터빈(310)을 거치고 재순환 유로(650)의 분기점을 지난 배기 유로(610) 상에 마련된다. 즉, 재순환 유로(650)는 과급기(300)의 터빈(310)과 배기 차압 발생부(510) 사이의 배기 유로(610)에서 분기된다.
또한, 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치(106)는 재순환 유로(650)와 흡기 유로(620)의 합류점에 마련된 흡기 차압 발생부(520)를 포함한다.
본 발명의 제6 실시예에서, 흡기 차압 발생부(520)는 벤튜리 튜브일 수 있다.
하지만, 본 발명의 제6 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 흡기 차압 발생부(510)는 오리피스 또는 격판 구조를 포함할 수도 있다.
구체적으로, 흡기 차압 발생부(520)도 원통 또는 다각통 등 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 흡기 차압 발생부(520)의 단면적 수축 구간과 단면적 팽창 구간도 유선형으로 형성된다. 또한, 흡기 차압 발생부(520)의 단면적 수축 구간과 단면적 팽창 구간이 형성하는 유선형의 프로파일도 배기 차압 발생부(510)와 동일한 방법으로 설계될 수 있다.
또한, 재순환 유로(650)는 흡기 차압 발생부(520)의 단면적이 최소인 소경부에 연결된다.
흡기 차압 발생부(520)는 흡기 차압 발생부(520)와 엔진(200) 사이의 흡기 유로(620)의 압력을 낮춘다. 따라서, 배기가스 재순환을 위한 배기 유로(610)와 흡기 유로(620) 간의 압력 차이를 효과적으로 증가시킬 수 있어 흡기 차압 발생부(520)의 소경부에 연결된 재순환 유로(650)는 효과적으로 배기가스를 재순환시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 제6 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치(106)는 재순환 유로(650)의 연결 위치와 흡기 차압 발생부(520)를 제외하고는 제1 실시예와 동일하다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제6 실시예에 따른 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치(106)는 과급기(300)의 크기와 성능을 유지하면서 배기가스의 재순환율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 재순환 유로(650)가 과급기(300)의 터빈(310) 출구로부터 과급기(300)의 압축기(320) 입구로 연결된 경우에도 과급기(300)의 성능을 유지하면서 배기가스의 재순환율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
특히, 흡기 차압 발생부(520)를 사용하여 배기가스 재순환을 위한 배기 유로(610)와 흡기 유로(620) 간의 압력 차이를 추가적으로 더 크게 발생시킬 수 있다.
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 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
101: 배기가스 재순환 시스템을 포함하는 동력 장치
200: 엔진
300: 과급기
310: 터빈
320: 압축기
428: 흡기 쿨러
457: 재순환 밸브
458: 재순환 쿨러
510: 배기 차압 발생부
520: 흡기 차압 발생부
610: 배기 유로
620: 흡기 유로
650: 재순환 유로

Claims (16)

  1. 질소산화물을 함유한 배기가스를 배출하는 엔진;
    상기 엔진이 배출한 배기가스가 이동하는 배기 유로;
    상기 엔진에 연소용 공기를 공급하는 흡기 유로;
    상기 배기 유로 상에 설치되어 배기가스가 갖는 압력으로 회전하는 터빈과 상기 흡기 유로 상에 설치되어 상기 터빈의 회전력으로 상기 엔진에 공기를 밀어 넣는 압축기를 포함하는 과급기(turbo charger);
    상기 과급기를 거치기 전의 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 흡기 유로에 합류하는 재순환 유로; 및
    상기 배기 유로와 상기 재순환 유로의 분기점과 상기 과급기의 터빈 사이의 상기 배기 유로 상에 마련된 배기 차압 발생부
    를 포함하는 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배기 차압 발생부는 벤튜리 튜브(venturi tube)인 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 재순환 유로는 상기 과급기의 압축기를 거친 상기 흡기 유로에 합류하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 재순환 유로와 상기 흡기 유로의 합류점에 마련된 흡기 차압 발생부를 더 포함하며,
    상기 재순환 유로는 상기 흡기 차압 발생부의 단면적이 최소인 소경부에 연결된 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 흡기 차압 발생부는 벤튜리 튜브(venturi tube)인 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 재순환 유로는 상기 과급기의 압축기를 거치기 전의 상기 흡기 유로에 합류하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 재순환 유로와 상기 흡기 유로의 합류점에 마련된 흡기 차압 발생부를 더 포함하며,
    상기 재순환 유로는 상기 흡기 차압 발생부의 단면적이 최소인 소경부에 연결된 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 흡기 차압 발생부는 벤튜리 튜브(venturi tube)인 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 배기 차압 발생부는 입구와 단면적이 최소인 소경부를 연결하는 단면적 수축 구간과 상기 소경부와 출구를 연결하는 단면적 팽창 구간을 포함하며,
    상기 단면적 수축 구간과 상기 단면적 팽창 구간은 에어포일(airfoil) 형상의 유선형으로 형성되어 상기 배기 차압 발생부를 통과하는 배기가스의 저항 및 압력손실이 최소화한 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 단면적 수축 구간과 상기 단면적 팽창 구간이 형성하는 유선형의 프로파일은 아래의 수학식으로 산출하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치.
    Figure pat00004

    여기서, yt는 배기 차압 발생부가 갖는 유선형의 높이이고, x는 배기 차압 발생부의 입구로부터 출구 방향 깊이이며, c는 배기 차압 발생부의 전체 길이이고, t는 2 x(곱하기) yt/c이다.
  11. 질소산화물을 함유한 배기가스를 배출하는 엔진;
    상기 엔진이 배출한 배기가스가 이동하는 배기 유로;
    상기 엔진에 연소용 공기를 공급하는 흡기 유로;
    상기 배기 유로 상에 설치되어 배기가스가 갖는 압력으로 회전하는 터빈과 상기 흡기 유로 상에 설치되어 상기 터빈의 회전력으로 상기 엔진에 공기를 밀어 넣는 압축기를 포함하는 과급기(turbo charger);
    상기 과급기의 터빈을 거친 상기 배기 유로 상에 마련된 배기 차압 발생부; 및
    상기 과급기의 터빈과 상기 배기 차압 발생부 사이의 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 과급기의 압축기를 거치기 전의 상기 흡기 유로에 합류하는 재순환 유로
    를 포함하는 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 배기 차압 발생부는 벤튜리 튜브(venturi tube)인 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 재순환 유로와 상기 흡기 유로의 합류점에 마련된 흡기 차압 발생부를 더 포함하며,
    상기 재순환 유로는 상기 흡기 차압 발생부의 단면적이 최소인 소경부에 연결된 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 흡기 차압 발생부는 벤튜리 튜브(venturi tube)인 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 배기 차압 발생부는 입구와 단면적이 최소인 소경부를 연결하는 단면적 수축 구간과 상기 소경부와 출구를 연결하는 단면적 팽창 구간을 포함하며,
    상기 단면적 수축 구간과 상기 단면적 팽창 구간은 에어포일(airfoil) 형상의 유선형으로 형성되어 상기 배기 벤튜르 튜브를 통과하는 배기가스의 저항 및 압력손실이 최소화한 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 단면적 수축 구간과 상기 단면적 팽창 구간이 형성하는 유선형의 프로파일은 아래의 수학식으로 산출하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 시스템을 포함한 동력 장치.
    Figure pat00005

    여기서, yt는 배기 차압 발생부가 갖는 유선형의 높이이고, x는 배기 차압 발생부의 입구로부터 출구 방향 깊이이며, c는 배기 차압 발생부의 전체 길이이고, t는 2 x(곱하기) yt/c이다.
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