KR20200058777A - 엔진의 배기 재순환 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소실 내에 배기가스를 분사할 수 있도록 설치된 배기인젝터와; 엔진의 배기계로부터 배기가스를 취출하는 EGR관과; 상기 EGR관의 배기가스를 펌핑하여 상기 배기인젝터로 공급하는 EGR펌프와; 상기 EGR펌프와 배기인젝터를 제어하여 연소실 내에 배기가스를 분사하도록 제어하는 컨트롤러를 포함하여 구성된다.

Description

엔진의 배기 재순환 장치 및 그 제어방법{EXHAUST GAS RECIRCULATION DEVICE FOR ENGINE AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 엔진의 배기 재순환 장치에 관한 기술이다.

엔진의 배기 재순환 장치는 엔진에서 연소 후 배출되는 배기가스를 다시 연소실 내로 도입하여 연소실 온도를 낮춤으로써, 질소산화물의 생성을 억제하기 위해 사용된다.

종래의 상기 배기 재순환 장치는 엔진의 배기매니폴드나 후처리장치 하류에서 취출된 배기가스를 EGR라인(Exhaust Gas Recirculation line)을 통해 흡기매니폴드로 공급할 수 있도록 연결하고, 이 EGR라인의 개도를 EGR밸브로 조절하여 연소실로 재순환되는 배기가스의 양을 조절할 수 있도록 한다.

상기와 같은 장치에서, EGR량은 엔진의 흡배기 압력에 의해 크게 영향을 받아서, 엔진의 고부하 영역이나 고회전수 영역에서는 흡기매니폴드 측 압력의 상승으로 원하는 수준의 EGR량을 확보하기 어려운 상황이 발생할 수 있다.

또한, 현재의 연소실 상황에 맞추어 원하는 EGR량을 확보하기 위해 EGR밸브를 제어한다고 하더라도, 실제 EGR밸브에 의해 제어된 EGR가스는 시간이 지연된 후에 연소실에 도달하게 되어, 엔진의 현재 연소상황에 적합한 EGR량 제어에는 한계가 있다.

상기 발명의 배경이 되는 기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 1020150106194 A

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고부하 상황이나 고회전수 상황과 같은 엔진의 운전상황과 독립적으로 엔진의 연소실에서 현재 필요로 하는 최적의 EGR량을 즉각적으로 정확하게 엔진 연소실에 공급할 수 있도록 함으로써, 엔진의 질소산화물 발생을 효과적으로 억제할 수 있도록 한 엔진의 배기 재순환 장치 및 그 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 엔진의 배기 재순환 장치는

연소실 내에 배기가스를 분사할 수 있도록 설치된 배기인젝터와;

엔진의 배기계로부터 배기가스를 취출하는 EGR관과;

상기 EGR관의 배기가스를 펌핑하여 상기 배기인젝터로 공급하는 EGR펌프와;

상기 EGR펌프와 배기인젝터를 제어하여 연소실 내에 배기가스를 분사하도록 제어하는 컨트롤러;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 EGR펌프와 배기인젝터 사이에는 EGR레일이 구비되고;

상기 EGR펌프는 EGR레일로 배기가스를 압축하여 공급하도록 설치되며;

상기 배기인젝터는 각 연소실마다 별도로 상기 EGR레일에 설치될 수 있다.

상기 EGR관은 배기 후처리장치 하류에서, 스위칭밸브를 통해 배기관에 연결될 수 있다.

상기 배기인젝터는 상기 연소실의 상측 외곽에서 실린더의 내주면을 따르는 방향으로 배기가스를 분사하도록, 상기 연소실을 이루는 실린더의 중심으로부터 어긋난 방향으로 기울어져서 장착될 수 있다.

상기 컨트롤러는 엔진의 흡기밸브 개방 이후, 상기 연소실 압력이 상기 EGR레일의 압력보다 작은 범위 내에서, 상기 배기인젝터로 배기가스를 연소실 내에 분사하도록 구성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따라 상기와 같은 엔진 배기 재순환 장치를 제어하는 방법은,

상기 컨트롤러가 엔진의 운전 정보를 입력 받는 단계와;

상기 입력 받은 정보에 의해, 상기 컨트롤러가 현재 엔진의 운전 영역이 배기 재순환이 필요한 운전영역인지 판단하는 단계와;

배기 재순환이 필요한 운전영역이라고 판단되면, 상기 컨트롤러가 엔진회전수와 연료분사량을 고려하여 상기 배기인젝터를 구동하여, 상기 연소실에 배기가스를 분사하는 단계;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 컨트롤러는 배기 재순환이 필요한 운전영역이라고 판단된 경우에도, 상기 연소실의 압력이 소정의 기준압력 미만인 경우에만 상기 배기인젝터를 개방하여 연소실에 배기가스를 분사하도록, 연소실 압력을 상기 기준압력과 비교하는 단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 소정의 기준압력은 상기 EGR펌프가 작동하여 상기 EGR레일에 형성될 수 있는 최대압력으로 설정될 수 있다.

상기 컨트롤러는 흡기밸브 개방 이후 TDC 이전의 범위 내에서 상기 배기인젝터의 배가가스 분사 시기와 기간을 엔진의 운전상황에 따라 가변시켜 제어하도록 할 수 있다.

본 발명은 고부하 상황이나 고회전수 상황과 같은 엔진의 운전상황과 독립적으로 엔진의 연소실에서 현재 필요로 하는 최적의 EGR량을 즉각적으로 정확하게 엔진 연소실에 공급할 수 있도록 함으로써, 엔진의 질소산화물 발생을 효과적으로 억제할 수 있도록 한다.

또한, 상기한 바와 같은 엔진의 운전상황에 독립적이면서도 정확하고 즉각적으로 연소실에 필요한 EGR량의 공급이 가능해짐에 의해, 종래 EGR량 확보를 위한 흡기 스로틀링 등과 같은 조작이 불필요하여, 결과적으로 차량의 연비를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 엔진의 배기 재순환 장치의 구성을 예시한 도면,
도 2는 도 1의 엔진 연소실을 상측에서 관측한 것을 예시한 도면,
도 3은 도 1의 배기인젝터를 구동하는 것을 크랭크각의 변화에 따라 설명한 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 엔진의 배기 재순환 장치 제어방법의 실시예를 도시한 순서도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명 엔진의 배기 재순환 장치의 실시예는, 연소실 내에 배기가스를 분사할 수 있도록 설치된 배기인젝터(1)와; 엔진(3)의 배기계로부터 배기가스를 취출하는 EGR관(5)과; 상기 EGR관(5)의 배기가스를 펌핑하여 상기 배기인젝터(1)로 공급하는 EGR펌프(7)와; 상기 EGR펌프(7)와 배기인젝터(1)를 제어하여 연소실 내에 배기가스를 분사하도록 제어하는 컨트롤러(9)를 포함하여 구성된다.

즉, 본 발명의 배기 재순환 장치는 엔진의 배기계로부터 배기가스를 취출하여 엔진 연소실에 설치된 배기인젝터(1)로 연소실 내에 직접 배기가스를 분사하도록 함으로서, 엔진의 현재 연소실 상황에 적합한 EGR량을 즉각적이고도 정확하게 연소실로 공급할 수 있도록 한 것이다.

상기와 같이 연소실로 직접 배기가스를 분사할 수 있는 배기인젝터(1)로 배기가스를 공급함에 의해, 종래와 같이 엔진의 운전 영역에 따라 형성되는 압력 변화에 의해 연소실에 필요한 EGR량을 공급하기 어려운 상황은 발생하지 않게 된다.

즉, 엔진의 운전상황에 독립적으로 원하는 EGR량을 연소실에 즉각적으로 공급할 수 있는 것이다.

또한, 상기와 같이 연소실로 배기가스를 직접 분사하면, 당해 연소 사이클에서 필요로 하는 EGR량을 즉각적으로 제공할 수 있어서, 엔진의 연소 제어가 매우 정확하게 이루어질 수 있고, 이는 질소산화물 발생의 현저한 저하는 물론, 차량의 연비 향상에도 기여할 수 있도록 한다.

도 1에서 상기 엔진(3)은 터보차저(11)의 하류에 후처리장치(13)가 구비되고, 후처리장치(13)로부터 배기관으로 배기가스가 배출되는 상태와 상기 EGR관(5)으로 배기가스를 공급하는 상태를 전환하도록 스위칭밸브(15)를 통해 EGR관(5)이 연결되며, 상기 EGR관(5)에는 EGR쿨러(17)가 설치되어 배기가스를 냉각시킬 수 있도록 하고 있다.

상기 EGR쿨러(17)에서 냉각된 배기가스는 상기 EGR펌프(7)에서 펌핑되어 EGR레일(19)에 보관되고, 상기 배기인젝터(1)들이 상기 컨트롤러(9)의 제어에 의해 개별적으로 개방되면서, 연소실에 직접 배기가스를 공급할 수 있도록 구성된다.

한편, 상기 터보차저(11)의 컴프레서로는 에어클리너(21)에서 여과된 공기가 공급된 후 압축되어 인터쿨러(23)에서 냉각된 후 흡기매니폴드를 통해 엔진의 각 연소실로 공급되도록 되어 있다.

참고로, 상기 컨트롤러(9)는 엔진의 연료인젝터 등을 제어하는 엔진컨트롤러 내에 함께 구성될 수도 있고, 상기 배기인젝터(1)를 제어하기 위해 별도로 구성되어, 상기 엔진컨트롤러와 상호 통신하면서 제어가 이루어지도록 구성할 수도 있을 것이다.

상기 EGR펌프(7)와 배기인젝터(1) 사이에는 EGR레일(19)이 구비되고; 상기 EGR펌프(7)는 EGR레일(19)로 배기가스를 압축하여 공급하도록 설치되며; 상기 배기인젝터(1)는 각 연소실마다 별도로 상기 EGR레일(19)에 설치된 구성이다.

따라서, 상기 EGR레일(19)에는 상기 EGR펌프(7)에서 펌핑하여 공급한 배기가스가 소정의 압력을 형성한 상태로 유지되게 되고, 상기 컨트롤러(9)가 상기 배기인젝터(1)를 개방하도록 제어하면, 상기 EGR레일(19)에 저장된 배기가스의 압력으로 연소실에 배기가스가 정확하게 공급되게 되는 것이다.

여기서, 상기 EGR레일(19)의 배기가스 압력은 예컨대 5bar 정도로 설정될 수 있을 것이다. 즉, EGR레일(19)의 배기가스 압력이 지나치게 높지는 않아서 EGR펌프(7)로 이를 펌핑하는 데에 과도한 에너지를 소모하지 않고, 고압을 밀폐 처리함에 과도한 비용이 소요되지 않으면서도, 연소실 내에 배기가스를 원활하고 정확하게 분사할 수 있는 수준으로 설정하는 것이다.

따라서, 상기 EGR펌프(7)도 5bar 정도의 압력을 형성할 수 있는 용량을 가진 것을 사용할 수 있을 것이다.

본 실시예에서, 상기 EGR관(5)은 배기 후처리장치(13) 하류에서, 스위칭밸브(15)를 통해 배기관에 연결되도록 하였다.

따라서, 상기 스위칭밸브(15)에 의해 배기가스가 상기 후처리장치(13)로부터 배기관으로 그대로 배출되거나, 상기 EGR관(5)으로 공급되는 상태가 전환될 수 있다.

참고로, 상기 EGR관(5)이 엔진 배기계로부터 배기가스를 취출한다는 것은 본 실시예와 같이 후처리장치(13) 하류에서 배기가스를 취출하거나 후처리장치(13) 상류에서 취출하는 경우를 모두 포괄하기 위한 표현으로서, 상기 EGR관(5)은 배기가스 후처리장치(13)의 상류로부터 배기가스를 취출하도록 설치될 수도 있을 것이며, 물론 이 경우에는 상기 배기인젝터(1)의 막힘 등을 고려하여 별도의 필터가 EGR관(5)에 설치될 수 있을 것이다.

또한, 본 실시예에서 상기 EGR관(5)에는 EGR쿨러(17)가 설치되어, 배기가스의 온도를 저감시킨 상태에서 상기 EGR펌프(7)로 EGR레일(19)에 배기가스를 가압하여 보관할 수 있도록 구성하였다.

상기 배기인젝터(1)는 도 2에 예시된 바와 같이 상기 연소실의 상측 외곽에서 실린더(27)의 내주면을 따르는 방향으로 배기가스를 분사하도록, 상기 연소실을 이루는 실린더(27)의 중심으로부터 어긋난 방향으로 기울어져서 장착되는 것이 바람직하다.

이는 상기 배기인젝터(1)가 배기가스를 연소실에 분사할 때, 흡입공기와 함께 스월(SWIRL)을 형성하면서, 배기가스와 공기의 혼합을 촉진하여 배기가스의 분포가 보다 고르게 형성될 수 있도록 하는 데에 도움을 준다.

참고로, 도 2에는 흡기포트(29)와 배기포트(31) 및 연료인젝터(33)가 함께 표시되어 있다.

한편, 상기 컨트롤러(9)는 엔진의 흡기밸브 개방 이후, 상기 연소실 압력이 상기 EGR레일(19)의 압력보다 작은 범위 내에서, 상기 배기인젝터(1)로 배기가스를 연소실 내에 분사하도록 구성된다.

참고로, 도 3의 중간에는 흡기밸브의 개도가 흡기밸브의 개방과 함께 증가하다가 폐쇄되면서 감소하는 것을 나타내고 있고, 그 상측에는 연료를 분사하는 연료인젝터(33) 구동 전압이 표시되고 있으며, 그 하측에는 본 발명의 배기인젝터(1)가 배기가스를 연소실에 분사할 수 있는 영역이 흡기밸브 개방 이후, TDC(Top Dead Center) 이전까지의 범위이며, 상기 배기가스의 분사 개시 시점과 종료시점이 상기 범위 내에서 가변될 수 있음을 나타낸 것이다.

한편, 상기한 바와 같은 본 발명의 배기 재순환 장치를 제어하는 방법의 실시예는, 도 4에 예시된 바와 같이, 상기 컨트롤러(9)가 엔진의 운전 정보를 입력 받는 단계(S10)와; 상기 입력 받은 정보에 의해, 상기 컨트롤러(9)가 현재 엔진의 운전 영역이 배기 재순환이 필요한 운전영역인지 판단하는 단계(S20)와; 배기 재순환이 필요한 운전영역이라고 판단되면, 상기 컨트롤러(9)가 엔진회전수와 연료분사량을 고려하여 상기 배기인젝터(1)를 구동하여, 상기 연소실에 배기가스를 분사하는 단계(S40)를 포함하여 구성된다.

즉, 상기 컨트롤러(9)는 도 4에 예시된 바와 같은 엔진 RPM, 클랭크각, 연료분사시기, BMEP(Brake Mean Effective Pressure), 냉각수온, 연소실압력 등과 같은 엔진 운전 정보를 입력 받아 엔진의 운전 영역이 배기 재순환이 필요한 영역으로 판단하면, 상기 배기인젝터(1)로 연소실에 원하는 양만큼의 배기가스를 정확한 시점에 분사하도록 하여, 엔진의 배기가스 중 질소산화물의 발생을 효과적으로 억제할 수 있도록 한 것이다.

또한, 본 실시예에서, 상기 컨트롤러(9)는 배기 재순환이 필요한 운전영역이라고 판단된 경우에도, 상기 연소실의 압력이 소정의 기준압력 미만인 경우에만 상기 배기인젝터(1)를 개방하여 연소실에 배기가스를 분사하도록, 연소실 압력을 상기 기준압력과 비교하는 단계(S30)를 더 포함하여 구성되어 있다.

즉, 상기 소정의 기준압력은 예컨대 5bar와 같이 상기 EGR펌프(7)가 작동하여 상기 EGR레일(19)에 형성될 수 있는 최대압력으로 설정될 수 있을 것이고, 상기 컨트롤러(9)는 엔진의 운전상황이 배기 재순환이 필요한 상황에서, 연소실압력이 상기 기준압력 미만인 범위 내에서만 상기 배기인젝터(1)를 구동하여 배기가스가 상기 EGR레일(19)의 압력과 연소실압력 사이의 압력차에 의해 분사되도록 하는 것이다.

상기 컨트롤러(9)는 흡기밸브 개방 이후 TDC 이전의 범위 내에서 상기 배기인젝터(1)의 배기가스 분사 시기와 기간을 엔진의 운전상황에 따라 가변시켜 제어한다.

즉, 상기 흡기밸브가 개방되었다가 거의 닫히거나 닫힌 후부터 상기 배기인젝터(1)에 의한 배기가스의 분사가 이루어지도록 하여, 배기가스가 흡기매니폴드로 역류할 염려를 완전히 배제하도록 할 수 있겠으나, 흡기밸브가 완전히 닫히기 전부터 배기가스의 분사를 개시하여도, 흡기관성에 의해 배기가스의 역류는 방지되면서, 충분한 시간 확보로 배기가스와 공기의 혼합은 더 고르게 이루어지도록 하며, 배기인젝터(1)의 배기가스 분사 가능 기간의 확대로 제어 융통성을 더 크게 확보할 수 있을 것이다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

1; 배기인젝터
3; 엔진
5; EGR관
7; EGR펌프
9; 컨트롤러
11; 터보차저
13; 후처리장치
15; 스위칭밸브
17; EGR쿨러
19; EGR레일
21; 에어클리너
23; 인터쿨러
25; 연소실
27; 실린더
29; 흡기포트
31; 배기포트
33; 연료인젝터

Claims (9)

1. 연소실 내에 배기가스를 분사할 수 있도록 설치된 배기인젝터와;
   엔진의 배기계로부터 배기가스를 취출하는 EGR관과;
   상기 EGR관의 배기가스를 펌핑하여 상기 배기인젝터로 공급하는 EGR펌프와;
   상기 EGR펌프와 배기인젝터를 제어하여 연소실 내에 배기가스를 분사하도록 제어하는 컨트롤러;
   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 엔진의 배기 재순환 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 EGR펌프와 배기인젝터 사이에는 EGR레일이 구비되고;
   상기 EGR펌프는 EGR레일로 배기가스를 압축하여 공급하도록 설치되며;
   상기 배기인젝터는 각 연소실마다 별도로 상기 EGR레일에 설치된 것
   을 특징으로 하는 엔진의 배기 재순환 장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 EGR관은 배기 후처리장치 하류에서, 스위칭밸브를 통해 배기관에 연결되는 것
   을 특징으로 하는 엔진의 배기 재순환 장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 배기인젝터는 상기 연소실의 상측 외곽에서 실린더의 내주면을 따르는 방향으로 배기가스를 분사하도록, 상기 연소실을 이루는 실린더의 중심으로부터 어긋난 방향으로 기울어져서 장착된 것
   을 특징으로 하는 엔진의 배기 재순환 장치.
5. 청구항 2에 있어서,
   상기 컨트롤러는 엔진의 흡기밸브 개방 이후, 상기 연소실 압력이 상기 EGR레일의 압력보다 작은 범위 내에서, 상기 배기인젝터로 배기가스를 연소실 내에 분사하도록 구성된 것
   을 특징으로 하는 엔진의 배기 재순환 장치.
6. 청구항 5항의 배기 재순환 장치를 제어하는 방법에 있어서,
   상기 컨트롤러가 엔진의 운전 정보를 입력 받는 단계와;
   상기 입력 받은 정보에 의해, 상기 컨트롤러가 현재 엔진의 운전 영역이 배기 재순환이 필요한 운전영역인지 판단하는 단계와;
   배기 재순환이 필요한 운전영역이라고 판단되면, 상기 컨트롤러가 엔진회전수와 연료분사량을 고려하여 상기 배기인젝터를 구동하여, 상기 연소실에 배기가스를 분사하는 단계;
   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 엔진의 배기 재순환 장치 제어방법.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 컨트롤러는 배기 재순환이 필요한 운전영역이라고 판단된 경우에도, 상기 연소실의 압력이 소정의 기준압력 미만인 경우에만 상기 배기인젝터를 개방하여 연소실에 배기가스를 분사하도록, 연소실 압력을 상기 기준압력과 비교하는 단계를 더 포함하여 구성된 것
   을 특징으로 하는 엔진의 배기 재순환 장치 제어방법.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 소정의 기준압력은 상기 EGR펌프가 작동하여 상기 EGR레일에 형성될 수 있는 최대압력으로 설정되는 것
   을 특징으로 하는 엔진의 배기 재순환 장치 제어방법.
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 컨트롤러는 흡기밸브 개방 이후 TDC 이전의 범위 내에서 상기 배기인젝터의 배가가스 분사 시기와 기간을 엔진의 운전상황에 따라 가변시켜 제어하는 것
   을 특징으로 하는 엔진의 배기 재순환 장치 제어방법.
   
   

Images