KR20170123017A - 차량의 엔진 시스템 - Google Patents

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KR20170123017A
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residual gas
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KR1020160052106A
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박정주
김민섭
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 차량의 엔진 시스템은 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 다수의 연소실을 포함하는 엔진; 상기 연소실로 공급되는 신기가 흐르는 흡기 통로; 상기 연소실에서 배출되는 배기 가스가 흐르는 배기 통로; 상기 배기 통로에서 분기되어 상기 흡기 통로로 합류하는 재순환 통로; 상기 배기 통로에 배치되어 배기 가스에 의해 회전하는 터빈, 및 상기 흡기 통로에 배치되어 상기 터빈과 연동하여 회전하는 컴프레서를 포함하는 터보차저; 상기 재순환 통로와 상기 흡기 라인이 연결되는 부분에 배치되어 상기 재순환 통로를 통해 상기 흡기 라인으로 공급되는 재순환 가스량을 조절하는 EGR 밸브; 및 상기 흡기 통로에 잔존하는 잔류 가스를 상기 재순환 통로로 공급하는 잔류 가스 제거 장치;를 포함할 수 있다.

Description

차량의 엔진 시스템 {ENGINE OF VEHICLE}
본 발명은 차량의 엔진 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배기 가스 재순환 장치를 구비한 엔진에서 흡기 라인에 잔류하는 배기 가스를 제거할 수 있는 차량의 엔진 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 배기가스에 포함된 질소산화물(nitrous oxide; NOx)은 산성비의 원인이 될 뿐 아니라 눈과 호흡기를 자극하며 식물을 고사시킨다. 이러한 NOx는 주요한 대기오염물질로 규제되고 있으며, 이러한 NOx의 배출을 줄이기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
배기가스 재순환(exhaust gas recirculation; EGR) 시스템은 유해 배기가스의저감을 위해 차량에 장착되는 시스템이다. 일반적으로, NOx는 혼합기 중에 공기의 비율이 높아서 연소가 잘될 때 증가한다. 따라서, 배기가스 재순환 시스템은 엔진에서 배출되는 배기가스의 일부(예를 들어 5~20%)를 다시 혼합기에 섞어 혼합기 속의 산소량을 줄이고 연소를 방해하여 NOx의 발생을 억제하는 시스템이다.
배기가스 재순환 시스템에는 점화를 지연시키고 공연비를 감소함으로써 NOx 뿐만 아니라 입자상 물질(particulate material; PM), 탄화수소(HC)도 동시에 저감시키는 온간 배기가스 재순환 시스템(hot EGR system)과 재순환되는 배기가스를 냉각시켜 연소실 내의 온도를 낮춤으로써 연소를 방해하는 냉간 배기가스 재순환 시스템(cooled EGR system)이 있다.
엔진으로 유입되는 전체 공기량(신기 + 재순환 가스) 중에서 배기가스 재순환 시스템을 통해 엔진으로 유입되는 재순환 가스량이 차지하는 비율을 EGR율이라고 한다. EGR율이 증가하면 연소실로 공급되는 산소의 농도가 감소하여 연소 온도가 낮아지고 질소 산화물의 양이 감소한다. 다만, 재순환되는 배기 가스 량이 지나치게 증가하면 엔진의 출력과 연비가 악화된다. 반면, EGR율이 감소하면 연소실로 공급되는 산소의 농도가 증가하여 연소 온도가 높아지고 질소 산화물의 양이 증가한다. 따라서, 재순환되는 배기 가스량은 적절하게 제어되어야 한다.
또한, 엔진의 시동이 오프된 후에 재순환 가스와 신기가 흐르는 흡기 유로에 재순환 가스가 잔류하게 된다. 그리고 엔진이 재시동되면, 잔류 가스가 엔진의 연소실로 유입되는데, 이때, 노킹 또는 조기 점화와 같은 이상 연소가 발생하게 되는 문제가 발생한다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 엔진의 시동이 오프된 후, 재순환 가스와 신기가 흐르는 흡기 유로에 잔존하는 잔류 가스를 제거할 수 있는 차량의 엔진 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 흡기 유로에 잔존하는 잔류 가스를 제거함으로써, 노킹 또는 조기 점화와 같은 이상 연소가 발생하는 것을 방지하고, EGR율을 정확히 제어할 수 있는 차량의 엔진 시스템을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 차량의 엔진 시스템은 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 다수의 연소실을 포함하는 엔진; 상기 연소실로 공급되는 신기가 흐르는 흡기 통로; 상기 연소실에서 배출되는 배기 가스가 흐르는 배기 통로; 상기 배기 통로에서 분기되어 상기 흡기 통로로 합류하는 재순환 통로; 상기 배기 통로에 배치되어 배기 가스에 의해 회전하는 터빈, 및 상기 흡기 통로에 배치되어 상기 터빈과 연동하여 회전하는 컴프레서를 포함하는 터보차저; 상기 재순환 통로와 상기 흡기 라인이 연결되는 부분에 배치되어 상기 재순환 통로를 통해 상기 흡기 라인으로 공급되는 재순환 가스량을 조절하는 EGR 밸브; 및 상기 흡기 통로에 잔존하는 잔류 가스를 상기 재순환 통로로 공급하는 잔류 가스 제거 장치;를 포함할 수 있다.
상기 잔류 가스 제거 장치는 상기 흡기 통로에서 분기되어 상기 재순환 통로로 합류하는 잔류 가스 회수 통로; 상기 잔류 가스 회수 통로에 설치되는 선택적으로 개폐되는 잔류 가스 회수 밸브; 및 상기 잔류 가스 회수 통로에 설치되고 상기 흡기 통로에 잔존하는 잔류 가스를 상기 재순환 통로로 압송하는 잔류 가스 회수 펌프;를 포함할 수 있다.
상기 잔류 가스 회수 통로는 상기 흡기 통로에 설치되고 상기 엔진의 연소실로 공급되는 흡입 공기를 냉각시키는 인터쿨러의 전단에서 분기되고, 상기 재순환 통로에 설치되고 상기 재순환 통로를 흐르는 재순환 가스를 냉각시키는 EGR 쿨러의 후단과 상기 재순환 밸브 사이에 합류될 수 있다.
상기 잔류 가스 회수 밸브는 애프터 런 구간 또는 엔진 시동전에 일정 시간 동안 개방될 수 있다.
상기 잔류 가스 회수 펌프는 애프터 런 구간 또는 엔진 시동전에 일정 시간 동안 작동할 수 있다.
상기 애프터 런 구간은 상기 엔진이 시동 오프된 후 일정 시간 동안 상기 엔진이 공회전하는 구간일 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의한 차량의 엔진 시스템에 의하면, 엔진의 시동이 오프된 후, 재순환 가스가 흐르는 흡기 유로에 잔존하는 잔류 가스를 진공 펌프를 통해 제거함으로써, 연소실에서 이상 연소가 발생하는 것을 방지할 수 있고, EGR율을 정확하게 제어할 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 엔진 시스템의 구성을 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 엔진 시스템의 동작을 설명하기 위한 순서도이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 차량의 엔진 시스템에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 엔진 시스템의 구성을 도시한 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 차량의 엔진 시스템은 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 다수의 연소실(21)을 포함하는 엔진(20), 상기 연소실(21)로 공급되는 신기가 유입되는 흡기 통로(10), 상기 연소실(21)에서 배출되는 배기 가스가 흐르는 배기 통로(30), 상기 배기 통로(30)에서 분기되어 상기 흡기 통로(10)으로 합류하는 재순환 통로(40)을 포함한다.
상기 재순환 통로(40)과 상기 흡기 통로(10)을 연결하는 연결 파이프(100)가 설치된다.
상기 배기 통로(30)에는 상기 연소실(21)에서 배출되는 배기 가스에 포함된 각종 물질을 정화시키는 배기 가스 정화 장치가 구비된다. 상기 배기 가스 정화 장치는 질소 산화물을 정화하기 위한 LNT(lean NOx trap), 디젤 산화 촉매(diesel oxidation catalyst) 및 디젤 매연 필터(diesel particulate filter)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 차량의 엔진 시스템은 상기 연소실(21)에서 배출되는 배기 가스를 상기 연소실(21)로 재순환시키는 EGR 장치(exhaust gas recirculation apparatus)를 포함한다.
상기 EGR 장치는 상기 배기 통로(30)에서 분기하여 상기 흡기 통로(10)으로 합류하는 재순환 통로(40), 상기 재순환 통로(40)에 설치되는 EGR 쿨러(54), 및 상기 재순환 통로(40)에 설치되는 EGR 밸브(52)를 포함한다. 상기 EGR 쿨러(54)는 상기 재순환 통로(40)을 통해 재순환되는 배기 가스(이하, '재순환 가스'라 한다)를 냉각시킨다. 상기 EGR 밸브(52)를 통해 상기 재순환 통로(40)을 통해 재순환 되는 재순환 가스량이 조절된다.
본 발명의 실시 예에 따른 차량의 엔진 시스템은 상기 흡기 통로(10)을 통해 유입되는 신기와 상기 EGR 장치를 통해 재순환되는 재순환 가스를 압축하여 상기 연소실(21)로 공급하는 터보차저(70)를 포함한다. 상기 터보차저(70)는 상기 배기 통로(30)에 구비되고 상기 연소실(21)에서 배출되는 배기 가스에 의해 회전하는 터빈(71), 및 상기 흡기 통로(10)에 구비되고 상기 터빈(71)과 연동하여 회전하고 재순환 가스와 신기를 압축하는 컴프레서(73)를 포함한다.
상기 터빈(71)은 터빈 하우징과 상기 터빈 하우징의 내부에 설치되어 상기 연소실(21)에서 배출되는 배기 가스에 의해 회전하는 터빈 휠을 포함한다. 상기 컴프레서(73)는 컴프레서 하우징과 상기 컴프레서 하우징의 내부에 설치되고 상기 터빈 휠과 연동하여 회전하는 컴프레서 휠을 포함한다. 상기 흡기 통로(10)을 통해 유입되는 신기와 상기 재순환 통로(40)을 통해 유입되는 재순환 가스는 상기 컴프레서 휠의 회전에 의해 압축되고, 압축된 공기는 상기 연소실(21)로 공급된다.
본 발명의 실시 예에 따른 차량의 엔진 시스템은 상기 흡기 통로(10)에 잔존하는 잔류 가스를 상기 재순환 통로(40)로 공급하는 잔류 가스 제거 장치(90)를 포함한다.
상기 잔류 가스 제거 장치(90)는 상기 흡기 통로(10)에서 분기되어 상기 재순환 통로(40)로 합류하는 잔류 가스 회수 통로(92), 상기 잔류 가스 회수 통로(92)에 설치되는 선택적으로 개폐되는 잔류 가스 회수 밸브(94), 및 상기 잔류 가스 회수 통로(92)에 설치되고 상기 흡기 통로(10)에 잔존하는 잔류 가스를 상기 재순환 통로(40)로 압송하는 잔류 가스 회수 펌프(96)를 포함한다.
상기 잔류 가스 회수 통로(92)는 상기 흡기 통로(10)에 설치되고 상기 엔진의 연소실로 공급되는 흡입 공기를 냉각시키는 인터쿨러의 전단에서 분기되고, 재순환 통로(40)에 설치되고 상기 재순환 통로(40)를 흐르는 재순환 가스를 냉각시키는 EGR 쿨러의 후단과 재순환 밸브 사이에서 합류될 수 있다.
상기 잔류 가스 회수 밸브(94)는 상기 엔진이 온 되고 정상적인 동작을 하는 동안에는 닫히고 애프터 런 구간에 일정 시간(예를 들어, 3~5초) 동안 개방될 수 있다.
또는 상기 잔류 가스 회수 밸브(94)는 엔진 시동 전에 일정 시간 동안 개방될 수 있다. 예를 들면, 운전자가 리모트 키를 소지하고 차량의 운전석에 탑승하면, 상기 리모트 키와 ECU와의 무선 통신을 통해 ECU는 운전자가 탑승한 것을 인지하고, 운전자가 엔진을 시동시키기 전에 상기 ECU의 제어에 의해 상기 잔류 가스 회수 밸브(94)를 일정 시간 동안 개방시킬 수 있다.
상기 잔류 가스 회수 펌프(96)는 상기 엔진이 온 되고 정상적인 동작을 하는 동안에는 작동하지 않고 상기 애프터 런 구간에 일정 시간(예를 들어, 3~5초) 동안 작동할 수 있다. 또는, 상기 잔류 가스 회수 펌프(96)는 엔진 시동 전에 일정 시간 동안 개방될 수 있다. 예를 들면, 운전자가 리모트 키를 소지하고 차량의 운전석에 탑승하면, 상기 리모트 키와 ECU와의 무선 통신을 통해 ECU는 운전자가 탑승한 것을 인지하고, 운전자가 엔진을 시동시키기 전에 상기 ECU의 제어에 의해 상기 잔류 가스 회수 펌프(96)를 일정 시간 동안 개방시킬 수 있다.
즉, 상기 애프터 런 구간 또는 엔진 시동 전에 일정 시간 동안 상기 잔류 가스 회수 펌프(96)가 작동하면, 상기 흡기 통로(10)를 통해 흐르는 재순환 가스와 신기가 상기 잔류 가스 회수 펌프(96)에 의해 상기 흡기 통로(10)에서 상기 잔류 가스 회수 통로(92)를 통해 상기 재순환 통로(40)로 압송된다.
상기 엔진과, 상기 잔류 가스 회수 밸브(94)의 개폐, 상기 잔류 가스 회수 펌프(96)의 동작, 상기 터보차저의 동작, 및 상기 배기가스 재순환 장치의 동작은 ECU(engine control unit)(80)에 의해 제어될 수 있다.
상기 ECU(80)는 설정된 프로그램에 의하여 작동하는 하나 이상의 프로세서로 구비될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 엔진 시스템의 제어 방법의 각 단계를 수행하도록 되어 있다.
상기 애프터 런 구간은 상기 엔진의 점화 스위치가 오프된 후에도 상기 엔진이 일정 시간 동안 공회전하는 구간을 의미한다.
이하에서는, 상기한 바와 같은 본 발명의 엔진 시스템의 동작에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 엔진 시스템의 동작을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2를 참조하면, 상기 엔진의 시동이 온 되면(S10), 상기 엔진으로 상기 흡기 통로(10)를 통해 신기와 연료가 공급되고, 상기 엔진의 연소실에서 연료의 연소에 의해 차량의 주행에 필요한 구동력이 발생된다(S20).
필요에 따라 상기 EGR 장치의 동작에 의해 상기 엔진의 연소실에서 배출되는 배기 가스(재순환 가스)는 상기 재순환 통로(40)와 상기 흡기 통로(10)를 통해 상기 엔진의 연소실로 재순환 가스와 신기가 함께 공급된다(S20). 이때, 상기 재순환되는 재순환 가스량은 상기 EGR 밸브의 개도량에 의해 조절된다.
상기 엔진이 시동 오프되면, 상기 흡기 통로(10)에 재순환 가스가 잔존하게 된다. 여기서, 잔존하는 재순환 가스를 잔류 가스라고 한다.
상기 엔진이 시동 오프되면(S30), 일정 시간 동안 상기 엔진이 공회전하는 애프터 런 구간 동안 상기 잔류 가스 회수 밸브(94)가 일정 시간(예를 들어, 3~5초) 동안 개방되고, 상기 잔류 가스 회수 펌프(96)가 일정 시간(예를 들어, 3~5초) 동안 작동된다(S40).
상기 흡기 통로(10)에 잔존하는 잔류 가스는 상기 잔류 가스 회수 펌프(96)의 동작에 의해 상기 흡기 통로(10)에서 상기 잔류 가스 회수 통로(92)를 통해 상기 재순환 통로(40)로 압송된다. 따라서, 차량의 엔진이 오프된 후 상기 흡기 통로(10)에 잔존하는 잔류 가스는 모두 상기 재순환 통로(40)로 유입된다.
이후, 상기 엔진이 온되고, 상기 EGR 장치가 동작되면, 상기 재순환 통로(40)로 유입된 잔류 가스가 신기와 함께 상기 흡기 통로(10)를 통해 상기 엔진의 연소실로 공급된다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 차량의 엔진 시스템에 의하면, 차량의 엔진이 오프된 후, 상기 흡기 통로(10)에 잔존하는 잔류 가스가 상기 잔류 가스 회수 밸브(94)와 상기 잔류 가스 회수 펌프(96)를 통해 모두 상기 재순환 통로(40)로 압송되기 때문에 상기 흡기 통로(10)에는 잔류 가스가 존재하지 않게 된다.
따라서, 엔진의 오프된 후, 상기 엔진이 다시 동작될 때, 잔류 가스에 의해 엔진에서 이상 연소(예를 들어, 노킹 또는 조기 점화 등)가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 EGR 장치가 동작될 때, 상기 연소실로 공급되는 재순환 가스량을 정확히 조절할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 흡기 라인
20: 엔진
21: 연소실
30: 배기 라인
40: 재순환 라인
52: EGR 밸브
54: EGR 쿨러
70: 터보차저
71: 터빈
73: 컴프레서
80: ECU
90: 잔류 가스 제거 장치
92: 잔류 가스 회수 통로
94: 잔류 가스 회수 밸브
96: 잔류 가스 회수 펌프

Claims (6)

  1. 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 다수의 연소실을 포함하는 엔진;
    상기 연소실로 공급되는 신기가 흐르는 흡기 통로;
    상기 연소실에서 배출되는 배기 가스가 흐르는 배기 통로;
    상기 배기 통로에서 분기되어 상기 흡기 통로로 합류하는 재순환 통로;
    상기 배기 통로에 배치되어 배기 가스에 의해 회전하는 터빈, 및 상기 흡기 통로에 배치되어 상기 터빈과 연동하여 회전하는 컴프레서를 포함하는 터보차저;
    상기 재순환 통로와 상기 흡기 라인이 연결되는 부분에 배치되어 상기 재순환 통로를 통해 상기 흡기 라인으로 공급되는 재순환 가스량을 조절하는 EGR 밸브; 및
    상기 흡기 통로에 잔존하는 잔류 가스를 상기 재순환 통로로 공급하는 잔류 가스 제거 장치;
    를 포함하는 차량의 엔진 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 잔류 가스 제거 장치는
    상기 흡기 통로에서 분기되어 상기 재순환 통로로 합류하는 잔류 가스 회수 통로;
    상기 잔류 가스 회수 통로에 설치되는 선택적으로 개폐되는 잔류 가스 회수 밸브; 및
    상기 잔류 가스 회수 통로에 설치되고 상기 흡기 통로에 잔존하는 잔류 가스를 상기 재순환 통로로 압송하는 잔류 가스 회수 펌프;
    를 포함하는 차량의 엔진 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 잔류 가스 회수 통로는
    상기 흡기 통로에 설치되고 상기 엔진의 연소실로 공급되는 흡입 공기를 냉각시키는 인터쿨러의 전단에서 분기되고,
    상기 재순환 통로에 설치되고 상기 재순환 통로를 흐르는 재순환 가스를 냉각시키는 EGR 쿨러의 후단과 상기 재순환 밸브 사이에 합류되는 차량의 엔진 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 잔류 가스 회수 밸브는
    애프터 런 구간 또는 엔진 시동전에 일정 시간 동안 개방되는 차량의 엔진 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 잔류 가스 회수 펌프는
    애프터 런 구간 또는 엔진 시동 전에 일정 시간 동안 작동하는 차량의 엔진 시스템.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 애프터 런 구간은
    상기 엔진이 시동 오프된 후 일정 시간 동안 상기 엔진이 공회전하는 구간인 차량의 엔진 시스템.
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