KR101285407B1

KR101285407B1 - 복합센서를 통한 제어효율성을 확보한 디젤엔진의 배기가스 저감장치

Info

Publication number: KR101285407B1
Application number: KR1020120156038A
Authority: KR
Inventors: 박장섭; 유정환; 오세호
Original assignee: (주)디텍이엔아이
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2013-07-11
Anticipated expiration: 2032-12-28

Abstract

본 발명은 엔진(건설기계, 대형차 및 운행되어 지는 모든 상용차에 장착된 디젤엔진)의 배출가스 저감장치에 관한 것으로서, 특히 디젤엔진에서 배기되는 배기가스 중 일부를 흡기하여 재순환 시키는 재순환통로부를 포함하는 저감수단과 상기 저감수단의 재순환통로부에 온도 측정을 위한 센서, 질소산화물의 농도를 측정하기 위한 NOX센서와 상기 엔진의 상태를 최적화하기 위한 정보를 효과적으로 얻을 수 있도록 RPM센서, BP센서, 흡입공기유량센서를 더 포함하고, 엔진의 저부하시 유량을 조절할 수 있는 유량조절부를 포함하여 엔진 구동 시 발생하는 환경을 종합적으로 센싱하는 센서들을 이용할 수 있어 상기 엔진의 부하율에 따른 배기가스의 양을 측정하고 효과적으로 배기가스의 유해물질을 저감시킬 수 있다.
신기를 흡기하기 위한 흡기부, 배기가스 배출을 위한 배기부를 가지는 엔진;상기 배기부와 연결되어 배기가스 중 일부를 흡기하여 재순환 시키는 재순환통로부를 포함하는 저감수단; 상기 엔진의 회전속도를 검출하는 RPM 센서, 상기 저감수단의 온도 측정을 위한 제1 및 제2온도센서, 상기 배출되는 질소산화물의 농도를 측정하기 위한 NOX 센서를 포함하는 센서부; 및 상기 센서부에서 추출된 정보를 판단하여 상기 저감수단에 명령을 하달하는 중앙처리부;를 포함하여 이루어지되, 상기 저감수단은 엔진의 저부하시 유량을 조절할 수 있는 유량조절부를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

복합센서를 통한 제어효율성을 확보한 디젤엔진의 배기가스 저감장치{EXHAUST GAS REDUCING DEVICE}

본 발명은 복합센서를 통한 제어효율성을 확보한 디젤엔진의 배기가스 저감장치에 관한 것으로,

보다 상세하게는 엔진(건설기계, 대형차 및 운행되어 지는 모든 상용차에 장착된 디젤엔진)의 배출가스 저감장치에 관한 것으로서, 엔진에서 배기되는 배기가스 중 일부를 흡기하여 재순환 시키는 재순환통로부를 포함하는 저감수단과 상기 저감수단의 재순환통로부에 온도 측정을 위한 센서, 질소산화물의 농도를 측정하기 위한 NOX센서와 상기 엔진의 상태를 최적화하기 위한 정보를 효과적으로 얻을 수 있도록 RPM센서, BP센서, 흡입공기유량센서를 더 포함하고, 엔진의 저부하시 유량을 조절할 수 있는 유량조절부를 포함하여 엔진 구동 시 발생하는 환경을 종합적으로 센싱하는 센서들을 이용할 수 있어 상기 엔진의 부하율에 따른 배기가스의 양을 측정하고 효과적으로 배기가스의 유해물질을 저감시킬 수 있다.

일반적으로 현 국내 건설장비나 트럭 및 버스 등 대형차량에 장착되는 디젤엔진의 경우에는 지구 온난화에 주요 물질로 알려진 질소산화물(Nox)이 일반 디젤차량에 비해 다량 배출되고 있으며, 이러한 디젤엔진의 배출가스 규제가 날로 강화되어 가고 있어 이에 대한 대책이 요구되고 있는 실정이다.

또한, 이미 양산되어 운행중인 디젤차량의 경우에는 생산 당시의 배출가스 기준에 맞게 제작되어 있으므로 배출가스 기준이 더욱 엄격해지고 강화되고 있어 그 기준을 맞추기에는 현실적으로 어려운 점이 많다.

아울러 현재 상용화 되어 있는 배출가스 저감장치(EGR 시스템)는 정해진 맵을 토대로 엔진 상태에 무관하게 정해진 로드맵에서 작동되는 것이 현실이고, 대기오염도를 높이는 입자상물질(PM)과 질소산화물(Nox)의 두 물질사이의 상반관계 때문에 동시에 저감시키기란 상당히 어려워 향후 기술 개발이 시급하다.

이에 본 발명은 입자상물질(PM)과 질소산화물(Nox)의 배출을 효과적으로 저감시키기 위하여 엔진과 저감장치 부품에 복합센서를 도입하고 배기가스와 신기(新氣기)의 유입을 효율적으로 제어하여 배출되는 입자상물질(PM)과 질소산화물(Nox)의 양을 줄여 배출을 최소화 한다.

그리하여 점점 엄격해지는 배기가스 규제 속에서, 경제성과 엔진의 파워는 그대로 유지해야 하는 디젤엔진에서 저감장치를 보다 효과적이고 스마트(Smart)하게 제어하여 가장 효율적인 조건으로 배기가스의 배출을 유도할 수 있다.

본 발명에 관련된 종래기술로써, 다음과 같은 기술들이 알려져 있다.

대한민국 특허등록 제10-1090109호(등록일자 2011년11월30일)는 “건설기계용 질소산화물 및 입자상물질 동시 저감장치”에 관한 것으로, 엔진의 배기가스 중 일부를 유입받아 이를 냉각시킨 후 다시 상기 엔진의 흡기구로 순환시키는 냉각기(EGR Cooler)와, 상기 냉각기의 출구측에 설치되어 배기가스 순환량을 제어하기 위해 개폐되는 EGR 밸브와; 차량 측에 설치되어, 엔진의 부하 및 회전수(rpm)를 포함한 엔진정보가 저장되는 배출가스 자기진단장치와; 엔진으로부터 배출되는 질소산화물을 측정하기 위한 NOx 센서와; 엔진의 출구 측에 설치되어 엔진으로부터 배출되는 입자상물질(PM)을 저감시키기 위한 P-DPF와; P-DPF의 전,후단에 각각 설치되는 온도센서와 압력센서; 및 배출가스 자기진단장치에 저장된 엔진의 부하 및 회전수를 통해 질소산화물 저감용 배기가스 재순환장치의 작동모드를 판단하고, 엔진이 속하는 소정의 배출가스 측정용 표준 시험모드의 적용을 통해 엔진으로부터 배출되는 질소산화물 배출량과 소정의 목표로 하는 질소산화물 배출량을 대비하여 NOx 저감율을 계산하고, 계산된 NOx 저감율에 따라 작동모드 별로 EGR 밸브의 개방각도를 조절하며, 한 쌍의 온도센서와 압력센서를 통한 입력값으로부터 P-DPF의 이상 유무를 진단하는 EGR 제어유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 질소산화물의 배출량에 관한 법적 기준에 제대로 부합하도록 작동됨은 물론 입자상물질의 저감 기능까지도 수행할 수 있다.

그러나 상기 등록특허는 P-DPF의 전단과 후단에만 온도센서와 압력센서를 각각 설치하고, EGR Cooling System, 엔진, 새로운 공기 유입부에는 센서가 부착되어 있지 않아 엔진에 흡기되는 유량과 배기되는 배기가스의 유량을 총체적으로 관리하지 못하는 문제점이 있다. 또한 엔진의 저부하시 달라지는 유량에 따라 EGR 유량을 확보할 수 없어 질소산화물을 효율적으로 저감할 수 없는 문제점이 있다.

또 특허공개 제10-2009-0061202호(공개일자 2009년06월16일)는 “디젤엔진의 녹스 저감장치”에 관한 것으로, 디젤엔진의 녹스 저감장치에 관한 것으로, LNT(Lean NOx trap)와 LP-EGR이 적용된 디젤엔진의 배기계에 있어서, EGR쿨러와 NSC의 전단부 사이에 바이패스관이 연결되고, 상기 바이패스관의 출구에 엔진제어유니트에 의해 제어되는 스로틀밸브가 설치된 것을 특징으로 한다. 따라서, NSC로 유입되는 배기가스온도에 따라 상기 스로틀밸브의 개도량을 조절하여 EGR쿨러에서 냉각된 배기가스를 NSC의 전단으로 공급할 수 있게 됨에 따라 NSC로 유입되는 배기가스의 온도를 촉매 활성 온도 영역으로 유지할 수 있게 되어, NSC의 녹스 흡장성능이 향상되어 녹스 배출억제성능이 향상된다.

그러나 상기 NSC 전단에 설치된 온도센서에 의해서 측정된 배기가스의 온도에 따라 상기 스로틀밸브의 개도를 조절 할 뿐 엔진과 DPF, EGR 쿨러의 종합적인 온도와 배기가스 유량을 알 수 없어 종합적인 관리가 부족하여 DPF나 EGR 쿨러 사이, 엔진 사이의 Nox배출 여부를 미리 파악하지 못하여 스로틀밸브가 유효 적절하게 개도할 수 없는 문제점이 있다. 또한 엔진의 저부하시 달라지는 유량에 따라 EGR 유량을 확보할 수 없어 질소산화물을 효율적으로 저감할 수 없는 문제점이 있다.

또한 특허등록 제10-0895276호(등록일자 2009년04월21일)는 “질소산화물 저감용 배기가스 재순환장치”에 관한 것으로, 엔진의 배기가스 중 일부를 냉각기(EGR Cooler)로 유입받아 이를 냉각시킨 후 다시 상기 엔진의 흡기구로 유입시키는 질소산화물(NOx) 저감용 배기가스 재순환장치(Exhaust Gas Recirculation System)에 관한 것으로서, 상기 냉각기의 입구측에 설치되어 상기 배기가스의 유입량을 제어하기 위해 개폐되는 EGR 밸브와; 상기 엔진에 설치되어 상기 엔진으로 유입되는 흡입공기압력[mmHg]을 측정하기 위한 압력센서와; 상기 엔진에 설치되어 상기 엔진의 회전수[rpm]를 측정하기 위한 RPM 센서; 및 상기 엔진에 대한 배출가스 측정용 표준 시험모드 상에서 선택되는 복수의 운전모드를 바탕으로 하여 회전수 대비 흡입공기압력을 기준으로 한 밸브개방 조건을 설정하고, 상기 압력센서 및 상기 RPM 센서를 통해 각각 측정되는 현재의 흡입공기압력과 회전수 값이 상기 밸브개방조건을 만족하는 경우에 한하여 상기 EGR 밸브를 개방하도록 제어하는 EGR 제어유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 엔진의 상태에 따라 적절하게 작동함으로써 질소산화물의 발생량을 효과적으로 억제할 수 있다.

그러나 상기 등록특허는 상기 엔진의 배기가스 중 일부를 냉각기로 유입받는 유량 흐름공간에 온도센서가 없고, 엔진 작동 시 엔진의 부하율을 측정하기 위한 BP센서가 도입되지 않아 엔진의 부하율을 알 수 없는 문제점이 있고, 또한 상기 엔진의 부하율에 따른 유량의 조절을 할 수 없어 엔진의 저부하시 달라지는 유량에 따라 EGR 유량을 확보할 수 없어 질소산화물을 효율적으로 저감할 수 없는 문제점이 있다.

아울러 특허공개 제10-2012-0015356호(공개일자 2012년02월21일)는 “내연 기관의 배기 가스 처리 방법 및 장치”에 관한 것으로, Early Post 분사 후, 전단 산화 촉매가 활성 온도에 도달할 때까지의 사이에, 미연 HC 성분이 외부로 대량으로 방출되는 것을 방지하는 것이 과제이다. 본 발명은, 오일 통로에 설치된 가변 스로틀 기구의 스로틀 개방도가 저하되거나, 또는 가변 스로틀 기구의 하류측에 설치된 유압 센서에 의해 검출하는 유압 레벨의 설정값을 올림으로써, Early Post 분사 개시시 t1까지 오일 순환 펌프의 동력을 증대시킨다. 이에 의해, 디젤 기관의 부하를 증대시키고, 전단 산화 촉매 승온 스테이지에 있어서의 배기 가스 승온 구배를 증대시킴으로써, 전단 산화 촉매가 활성 온도에 도달할 때까지 외부로 방출되는 미연 HC 성분을 억제한다.

그러나 상기 공개특허는 디젤 기관의 부하를 증대시키고 배기 가스 승온 구배를 증대시켜 외부로 방출되는 미연HC 성분을 억제할 뿐 실시간 능동적인 제어가 불가능하여 사용자가 직접 상태를 확인하지 않는 한 모니터링이 불가능하여 윤활유 검출 센서를 설치하여 윤활유의 교환 시기를 검출할 뿐인 문제점이 있다. 또한 전단 산화 촉매가 활성 온도에 도달할 때까지의 사이를 중점적으로 미연 HC 성분이 외부로 대량으로 방출되는 것을 방지하고 상기 전단 산화 촉매가 활성 온도에 도달하고 그 후 활성 온도 이후의 디젤 엔진의 저부하 및 고부하에 따른 유량에 따른 질소산화물의 배출을 효율적으로 억제하지 못하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 기존 상용화 되는 디젤엔진에 부가적으로 장착할 수 있을 뿐만 아니라 새로 개발되는 디젤엔진에도 장착할 수 있도록 하여 배기가스에서 입자성 물질(PM:Particulate Matter)과 질소산화물(Nox)의 유해물질을 저감시킬 수 있도록 하며 엔진 구동 시 실시간 측정되는 RPM / Boost값을 측정하는 센서 및 흡기부와 연결되어 신기의 유량을 측정하기 위한 흡입공기유량센서를 토대로 유량 맵을 실시간 검색하고 Nox센서의 측정되는 값을 감지하여 실시간 구동 범위를 조절하여 피드백(Feedback)제어하여 효율성을 높일 수 있는 복합센서를 통한 제어효율성을 확보한 디젤엔진의 배기가스 저감장치를 제공하는데 목적이 있다.

또 입자성 물질(PM)과 질소산화물(Nox)의 저감 효율을 높일 수 있도록 배기부와 연결되어 배기가스 중 일부를 흡기하여 재순환 시키는 재순환 통로부를 포함하는 저감수단을 도입하여 입자성 물질(PM)을 저감시키기 위한 제1저감부, 배기가스 중 질소산화물을 저감시키기 위한 제2저감부를 구비함으로써, 배기가스에서 입자성 물질(PM)과 질소산화물(Nox)를 효과적으로 저감시킬 수 있는 복합센서를 통한 제어효율성을 확보한 디젤엔진의 배기가스 저감장치를 제공하는데 목적이 있다.

또한 효율적으로 저감수단의 유량을 조절할 수 있도록 센서부에 포함된 재순환통로부에 온도측정을 위한 제1 및 제2온도센서, 상기 제1저감부 후단에 배치되어 배출되는 질소산화물의 농도를 측정하기 위한 Nox센서, 엔진의 회전 속도를 검출하는 RPM 센서, 엔진의 부하율을 측정하기 위한 BP센서, 흡기부와 연결되어 신기(Fresh Air)의 유량을 측정하기 위한 흡입공기유량센서의 추출된 정보를 판단하여 저감수단에 명령을 하달하는 중앙처리부가 포함된 복합센서를 통한 제어효율성을 확보한 디젤엔진의 배기가스 저감장치를 제공하는데 목적이 있다.

아울러 엔진 및 저부하영역에서 배출되는 배기가스의 유량이 적어 제2저감부로 유입되는 가스량을 확보하기 힘들어 배기가스 배기부의 일부를 차단하여 저부하영역에서도 원하는 제2저감부의 가스유량을 확보하기 위하여 복수의 배관으로 구비되는 배관분리부를 더 포함하고, 상기 배관분리부에 배기유량제어밸브를 포함하는 복합센서를 통한 제어효율성을 확보한 디젤엔진의 배기가스 저감장치를 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 이루기 위하여 본 발명은

신기를 흡기하기 위한 흡기부,

배기가스 배출을 위한 배기부를 가지는 엔진;

상기 배기부와 연결되어 배기가스 중 일부를 흡기하여 재순환 시키는 재순환통로부를 포함하는 저감수단;

상기 엔진의 회전속도를 검출하는 RPM 센서,

상기 저감수단의 온도 측정을 위한 제1 및 제2온도센서,

상기 배출되는 질소산화물의 농도를 측정하기 위한 NOX 센서를 포함하는 센서부; 및

상기 센서부에서 추출된 정보를 판단하여 상기 저감수단에 명령을 하달하는 중앙처리부;를 포함하여 이루어지되,

상기 저감수단은 엔진의 저부하시 유량을 조절할 수 있는 유량조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 복합센서를 통한 제어효율성을 확보한 디젤엔진의 배기가스 저감장치에 있어서,

상기 저감수단은

상기 배기가스 중 입자상 물질을 저감시키기 위한 제1저감부와,

상기 배기가스 중 질소산화물을 저감시키기 위한 제2저감부를 더 포함하고,

상기 센서부는

상기 엔진 작동시 엔진의 부하율을 측정하기 위한 BP 센서,

상기 흡기부와 연결되어 신기의 유량을 측정하기 위한 흡입공기유량센서를 더 포함하는 특징을 가진다.

아울러 본 발명에서는

상기 저감수단의 유량조절부는 상기 배기부의 일부를 차단하여 저부하영역에서도 원하는 가스유량을 확보하기 위해 복수의 배관으로 나뉘는 배관분리부가 더 포함되고,

상기 배관분리부에 배기유량제어밸브가 더 포함되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 복합센서를 통한 제어효율성을 확보한 디젤엔진의 배기가스 저감장치는 엔진에서 배출되는 배기가스 중 입자성 물질을 저감시키기 위한 제1저감부와 질소산화물을 저감시키기 위한 제2저감부를 포함하여 입자성 물질과 질소산화물을 효과적으로 저감시키고, 상기 재순환통로부를 포함하는 저감수단에 Nox센서를 포함한 제1 및 제2온도센서, RPM 센서, BP 센서, 흡입공기유량센서를 구비하여 종합적인 저감수단의 상황을 체크하고, 분석된 정보를 중앙처리부에서 판단하여 최적의 EGR비율을 얻고 상기 저감수단에 명령을 하달하여 질소산화물(Nox)을 기준치 이하로 저감시킬 수 있다. 또한 본 발명은 배기부에 복수의 배관으로 나뉘는 배관분리부가 더 포함되어 있어 배기부의 일부를 차단하여 저부하 영역에서도 원하는 가스 유량을 확보할 수 있다. 상기 배기부를 복수의 배관으로 나누어도 고부하시 배기부의 배관단면적은 동일하여 배기가스의 배압(저항)과 상관없이 원하는 질소산화물(Nox) 저감수행을 할 수 있으며 저부하시에도 유량확보를 하여 더욱 세밀하게 정밀 제어할 수 있다. 이러한 배기가스 유량확보를 통하여 저부하시에도 제약없이 질소산화물을 효과적으로 저감할 수 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 복합센서를 통한 제어효율성을 확보한 디젤엔진의 배기가스 저감장치의 구성도.
도 2 [A] 는 본 발명에 따른 복합센서를 통한 제어효율성을 확보한 디젤엔진의 배기가스 저감장치의 출력변화에 따른 흡입 공기량 변화 그래프.
도 2 [B] 는 본 발명에 따른 복합센서를 통한 제어효율성을 확보한 디젤엔진의 배기가스 저감장치의 출력변화에 따른 흡입 공기압력 변화 그래프.
도 2 [C] 는 본 발명에 따른 복합센서를 통한 제어효율성을 확보한 디젤엔진의 배기가스 저감장치의 흡입되는 공기량에 변화에 따른 질소산화물 발생 변화 그래프.
도 3 은 본 발명에 따른 복합센서를 통한 제어효율성을 확보한 디젤엔진의 배기가스 저감장치 중 제2저감부 장착 전[A]과 장착 후[B]의 출력과 Nox ppm변화 그래프와 표.
도 4a 는 본 발명에 따른 복합센서를 통한 제어효율성을 확보한 디젤엔진의 배기가스 저감장치의 ND-13모드와 KC1-8모드의 주행주기와 부하율에 따른 가중계수 측정표.
도 4b의 [A]는 본 발명에 따른 복합센서를 통한 제어효율성을 확보한 디젤엔진의 배기가스 저감장치의 KC1-8 모드의 시험시 프로그램 설정값 입력의 실시예.
도 4b의 [B]는 본 발명에 따른 복합센서를 통한 제어효율성을 확보한 디젤엔진의 배기가스 저감장치의 Boost Pressure는 설정값의 편차를 이용하여 범위 BPS값 도출 실시예.
도 5a 는 ND-13 모드의 운전모드 별 배출되는 Nox ppm과 Nox 타겟값의 최대/최소값을 나타낸 표와 그래프.
도 5b는 KC1-8 모드의 운전모드 별 배출되는 Nox ppm과 Nox 타겟값의 최대/최소값을 나타낸 표와 그래프.
도 6 은 본 발명에 따른 복합센서를 통한 제어효율성을 확보한 디젤엔진의 배기가스 저감장치 중 유량조절부의 확대도, 차단부 및 조절수단의 실시예.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 구현예(態樣, aspect)(또는 실시예)들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면에서 동일한 참조부호, 특히 십의 자리 및 일의 자리 수, 또는 십의 자리, 일의 자리 및 알파벳이 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 기능을 갖는 부재를 나타내고, 특별한 언급이 없을 경우 도면의 각 참조부호가 지칭하는 부재는 이러한 기준에 준하는 부재로 파악하면 된다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예(태양, 態樣, aspect)(또는 실시예)를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, ~포함하다~ 또는 ~이루어진다~ 등의 용어는 명세서 상에 기재된 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 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 명세서에서 설명하는 “배관” 및 “덕트”는 공기 또는 기체가 흐르는 통로 및 구조물로써 단면이 직사각형이나 원형, 타원형으로 될 수 있는 구조로 이루어져 있다.

본 발명에 따른 복합센서를 통한 제어효율성을 확보한 디젤엔진의 배기가스 저감장치(S)는

도 1을 참조하면 크게 엔진(100), 저감수단(200), 센서부(300), 중앙처리부(400), 외부단말기(500)로 이루어져 디젤엔진(100)에서 배출되는 질소산화물(Nox)을 저감하여 배출하고 구동되는 엔진(100)의 상태를 측정하고 제어를 행함으로써 최적의 배기가스 저감 효율성을 갖는다.

본 발명의 엔진(100)은 디젤엔진(100)(건설기계, 대형차 및 운행되는 모든 상용차에 장착되는 디젤엔진(100))으로 칭한다. 상기 엔진(100)은 신기를 흡기하는 흡기부, 배기가스 배출을 위한 배기부(120)를 포함하고 있어 엔진(100)의 신기를 흡기하여 새로운 공기를 공급하여 주고, 엔진(100) 출력 후 배기부(120)를 통하여 배기가스가 배출된다.

상기 흡기부는 믹서(싸이클론)가 포함되어 상기 저감수단(200)의 제2저감부(240)를 통해 재순환된 배기가스를 흡기부로 다시 재순환하는 과정에서 흡입되는 신기(Fresh Air)와 혼합이 잘되기 위하여 흡기부 전단에 설치되는 것이 바람직하다.

또 상기 흡기부와 상기 배기부(120)는 덕트로 이루어져 있어 배기가스가 노출되지 않도록 상호 엔진(100)과 결합되어 있고, 상기 흡기부와 상기 배기부(120)는 상기 저감수단(200)과 덕트로 연결되어 덕트 내부로 배기가스가 흐르는 구조로 이루어진다.

상기 배기부(120)는 제1저감부(230)와 유량조절부(220)가 포함되어 있는데 제1저감부(230)와 유량조절부(220)는 하기에 설명한다.

한편, 본 발명의 저감수단(200)은 상기 배기부(120)에서 배출되는 배기가스를 유입하여 먼저 배기부(120)에서 배출되는 배기가스 중 일부를 흡기하여 재순환시키는 재순환통로부(210), 상기 엔진(100)의 저부하시 유량을 조절할 수 있는 유량조절부(220), 입자성 물질을 저감시켜주는 제1저감부(230), 상기 재순환통로부(210)와 연결되어 질소산화물을 저감시키기 위한 제2저감부(240)를 포함하여 상기 센서부(300) 및 중앙처리부(400)와 연결되어 효과적으로 질소산화물을 저감시킬 수 있다.

상기 재순환통로부(210)는 상기 배기부(120)와 연결되어 상기 제2저감부(240)와 결합되고, 상기 제2저감부(240)에서 다시 에어클리너(Air Cleaner)를 포함하는 흡기부와 연결되는 덕트로 연결되어 있다.

또 상기 유량조절부(220)와 연결되는 재순환통로부(210) 초입에는 제1솔레노이드 밸브(241)가 구비되어 유량조절부(220)에서 배기되는 가스 중 일부를 유입 받아 다시 재순환 되는 재순환통로부(210)로 유입되는 배기가스량을 제어하기 위해 개폐된다.

상기 제1솔레노이드 밸브(241)를 통하여 유입되는 배기가스의 온도를 측정하기 위한 제1온도센서(320)가 상기 재순환통로부(210)에 구비되고, 상기 배기가스가 제2저감부(240)를 통과하여 냉각된 배기가스를 다시 배출되는 재순환통로부(210)에 제2온도센서(320)가 구비되어 배기가스의 온도를 측정하여 상기 중앙처리부(400)로 측정된 데이터를 전송한다.

즉, 상기 제2저감부(240)의 입구측은 엔진(100) 배기부(120)측에서 연결되는 재순환통로부(210)와 결합되고, 출구측은 엔진(100) 흡기부와 연결되는 재순환통로부(210)와 결합된다.

상기 제2저감부(240)는 엔진(100) 배기가스가 흐르는 배기부(120)와 고온의 배기가스를 냉각시켜주기 위해 냉각수가 흐르는 배관으로 2중 설계되어 있는 것이 바람직하다. 또 제2저감부(240)의 출구 측에는 제2솔레노이드 밸브(242)가 장착 되어 배기가스의 흐름을 개폐한다.

또 상기 제1솔레노이드 밸브(241)는 엔진(100)에서 배출되는 배기가스 배기부(120)와 제2저감부(240)로 재순환되는 재순환통로부(210) 배관 시작 지점에 장착되어 중앙처리부(400)의 지시를 받아 개폐된다. 엔진(100)의 최초 시동 시 개방(Open)되어 배기가스 재순환을 위한 통로를 확보해주고, 제2저감부(240) 출구측에 설치된 제2솔레노이드 밸브(242)의 고장시 폐쇄(Close)되어 재순환통로부(210)를 폐쇄한다. 이 폐쇄로 인하여 제2솔레노이드 밸브(242)가 개방된 상태로 고착되어 고장난 경우 제2저감부(240)의 제어 신호를 무시하고 제2저감부(240)에서 배출되는 가스(EGR가스)가 재순환되어 엔진(100) 출력저하, 연료 손실, 과다한 매연발생 등의 현상을 방지할 수 있다.

또한 상기 제2 솔레노이드 밸브의 고장이 판단되는 경우 제1솔레노이드 밸브(241)가 폐쇄(Close)되어 사전 유입되는 배기가스를 차단하고, 제1솔레노이드 밸브(241) 고장 시에도 중앙처리부(400)와 외부단말기(500)에서 사용자가 신속히 알 수 있도록 알람을 띄워 미연의 사고를 방지하고 안전성을 획기적으로 높일 수 있다.

또한 상기 제1 및 제2 솔레노이드 밸브는 기계식 밸브가 아닌 전자식 밸브를 사용하여 보다 정교한 질소산화물 저감을 실행할 수 있고, 제2솔레노이드 밸브(242)에 리프트 센서(미도시)를 장착하여 제2솔레노이드 밸브(242)의 작동 범위를 판단하고 컨트롤 하는데 정상 작동 범위가 아닌 오작동 혹은 고장시 이를 중앙처리부(400)로 전송하고 판단하여 고장 진단 알람 및 부져를 울리게 설계되는 것이 바람직하다.

아울러 상기 제2솔레노이드 밸브(242)에 리프트 센서를 장착하기 어려운 상황에서는 제2솔레노이드 밸브(242) 전, 후단의 온도센서를 활용하여 고온의 배기가스 흐름을 판단하여 고장 진단을 병행할 수 있다. 상기 전단은 제2솔레노이드 밸브(242)에 배기가스가 먼저 유입되어 들어가는 부분이고, 후단은 제2솔레노이드 밸브(242)를 배기가스가 통과한 후의 부분이다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 저감수단(200)의 유량조절부(220)는 상기 배기부(120)에서 배출되는 배기가스 배관을 2개로 나누어 상기 재순환통로부(210)와 연결되지 않는 배관에 배기유량제어밸브(222)를 장착하고 재순환통로부(210)로 연결되는 배관은 배기가스의 유입 경로를 개방하여 제2저감부(240)로 유입되는 유량을 확보할 수 있다.

또 상기 유량조절부(220)는 2개의 배관으로 설치하여도 기존 배기가스 배출관에 체적과 저항을 고려하여 종전 배기관과 동일하거나 크게 설계하여 엔진(100)이 고부하로 작동 될 경우에도 배기가스의 배압(저항)이 최대한 걸리지 않도록 단면적과 거리를 고려하여 설치된다.

또한 도 6에 도시된 상기 유량조절부(220)는 하나의 실시예로써 복수의 개의 배관으로 설치하여 기존 배기부(120)의 배기가스 배관의 단면적과 길이를 고려하여 설치될 수 있다.

예를 들면, 차량에 장착된 엔진(100) 배기가스 배기부(120)의 배관이 기존 ∮100일 경우, 단면적을 구하는 공식은 A = π×r² 이다.

A = 단면적(mm²), π = 원주율(3.14), r = 반지름(mm) 이다.

이 때 엔진(100) 배기부(120)의 배관의 단면적이 7850mm² 이면 상기 유량조절부(220)의 배기가스 배관이 두 개로 나누어진다면 한 개의 배관의 단면적이 3925mm² 이면 배압(저항)없이 배기가스를 원활하게 배출할 수 있다.

이 때, 단면적을 알 때 반지름을 구하는 공식은 다음과 같다.

r = √(A / π)

r = 35.36mm 이다.

이에 두 개로 경로를 설정할 경우 나누어지는 2개의 배관의 지름은 70.71 이상이어야 한다. 또한 2개의 나뉘어진 배관의 경로가 종전보다 길어지게 되면 배관 내에 표면저항이 걸리게 되므로 ∮70.71 초과되는 것이 바람직하다.

또 유속(유량)을 고려하여 배기관 단면적을 구하는 공식으로는 유속(유량) 산출은 각 경우에 따라서 여러 가지 공식과 계수 그리고 Moody 선도 등을 연합해서 축차계산방식으로 구할 수 있으나 정확한 계산은 배관 내경, 길이 및 내면의 거칠기(조도), 관의 종류, 배관의 형상, 기준면으로부터의 높이 등에 따라 산출되는 값은 달라질 수 있다. 이에 예를 들어 이론상 유량을 계산하자면, 공식은 다음과 같다.

A = π * r²[ A = 단면적 , π = 원주율 , r = 반지름 ]

V= √2gh [ V = 유속 , g = 중력가속도 (보통 9.8m/sec2) , h = 높이 ]

유량 Q = A * V 이다.

허나 구하는 속도 값은 제반 손실이 전혀 없을 때의 이론상의 속도 값이고 실제로는 여러 가지 손실로 인하여 속도가 줄어들게 된다. 따라서 유량이 감소하게 되어 유체 유동에 관한 베르누이 정리(bernoulli`s theorem)를 들어 설명하면

베르누이 방정식 : P1/γ1 + V1^²/2g + Z1 = P2/γ2 + V2^²/2g + Z2 + hl 이다. 여기서 P = 압력 (kgf/m2 또는 N/m3)

V = 유속 (m/sec), (V1^² : V1의 자승)

g = 중력가속도 (보통9.8m/sec2)

Z = 고도(기준면으로 부터의 높이 ; m)

γ = 유체의 비중량 (kgf/m2 또는 N/m3), (물은 보통 γ1=γ2)

첨자 1,2 = 상류 및 하류의 측정 위치 (배관 입,출구 또는 임의의 2지점)

hl = 손실수두 (m) 값

상기 식에서 배관 입구의 압력이 P1 , 방출되는 부위의 압력이 P2 이고 배관이 수평이고 직경이 같다고 가정하면,

Z1 = Z2 , V1 = V2 이다.

∴ (P1-P2)/γ = hl

즉, 배관의 입구와 출구에서 압력수두 차이만큼 손실수두가 발생하게 되며, 이 손실수두에 해당하는 유속으로 흐르게 된다. 손실수두는 배관의 직경, 내부표면상태(조도), 배관의 계통 및 연결상태 등 여러 가지 요인에 의해 차이가 결정되며, 마찰손실수두(hf)와 부차적 손실수두(hb)를 합한 종합 손실수두를 hl로 한다.

hl = hf + hb

마찰손실수두 (관내부에 유동마찰에 의한 손실수두) hf=∑[f * L/d * V² / 2g]

부차적 손실수두(관 입구의 형상,배관부품의 종류 등으로 부차적으로 발생하는 저항 손실수두) hb = ∑[k * v^2 / 2g]

여기서 f = 관마찰손실계수

L = 관 길이(m), g = 중력가속도(9.8m/sec2)

V = 해당 관 내의 평균 유속 (m/sec), d = 관 내경(m)

k = 부차적 저항 손실 계수이다.

마찰손실수두의 대표적인 예로 소용돌이(Vortex)가 있는데, 단면적의 변화가 급격하게 일어나게 되는 지점에서 생기는 현상으로 전, 후단의 압력차가 급격히 발생하여 흐름을 방해하는 소용돌이가 생기는 것을 말한다.

이와 같이 결국 유속(유량)산출은 경우에 따라 정확한 계산을 할 수 없고, 배관 내경 및 길이, 배관 종류에 따른 거친 정도, 입, 출구의 형상, 압력 조건 등 실제 엔진(100) 및 차량의 배관 상태를 고려하여 최적의 상태로 설계하는 것이 바람직하다.

아울러 상기 배기유량제어벨브는 엔진(100) 아이들(Idle) 및 저부하영역에서 배출되는 배기가스의 유량이 적어 제2저감부(240)로 유입되는 제2저감부(240)를 확보하기 힘들 때 배기가스 배기부(120)의 배관을 일부 차단하여 저부하 영역에서도 원하는 제2저감부(240)(EGR) 가스유량을 확보하기 위해 설치된다.

한편, 입자성 물질을 저감시켜주는 상기 제 1 저감부(230)는 입자상 물질을 저감하기 위한 장치로써 통상적으로 DPF(Diesel Particulate Filter)로 명칭된다. 일반적으로 DPF(Diesel Particulate Filter)는 상용되는 디젤엔진(100)의 입자성 물질 (PM : Particulate Matter)을 저감시켜주는 장치로 가장 널리 사용 되고 있으며 노후화 된 차량에도 간단한 설치를 통해 많이 사용되고 있다.

본 발명의 DPF의 구성은 입자성 물질(PM)을 포집하여 재생시키는 필터와 DPF 전,후단에 각각 설치되어있는 온도, 압력센서와 DPF의 작동 및 고장 여부를 판단하는 자기진단장치로 구성되어 있다.

DPF의 압력센서는 전,후단의 압력차이를 감지하여 필터에 막힘을 판단하기 위해 설치 되어있으며, 온도센서는 DPF내의 배기가스온도를 측정하기 위해 설치 되며 배기가스에 온도가 낮으면 입자성물질(PM)의 재생이 이루어 지지 않음을 감지하기 위해 설치되어 있다.

또한, 질소산화물(Nox)을 저감시켜주는 장치로 제2저감부(240)(EGR : Exhaust Gas Recirculation)는 엔진(100) 배기가스 중 일부를 유입받아 재순환 하여 냉각시킨 후 다시 엔진(100)의 흡입 기구로 순환시켜 대기 중에 신기와 혼합하여 희석되는 효과의 이치로 (희석효과 dilution effect), 상대적으로 비열이 높은 Co2 와 H2O 등을 공급해 열용량 증대로 연소온도를 저감하여 질소산화물(Nox)를 원천적으로 저감하는 (열효과 thermal effect)의 방식으로 질소산화물을 저감 시키기 위한 효과적인 방법이다.

본 발명은 LPR(Low Pressure Route)방식의 EGR 시스템을 사용하여 LPR 방식은 중고 디젤엔진(100) 및 차량의 HPR(High Pressure Route) 방식보다 간단하고 쉽게 설치할 수 있으며 HPR 방식보다 열 흡수성능의 향상으로 인하여 제2저감부(240)의 크기를 작게 하는 등 냉각시스템의 설계에 보다 유연성을 확보할 수 있기 때문에 좀 더 소형으로 설계할 수 있다.

또한 제2저감부(240)에서 엔진(100) 냉각수로의 열 방출이 줄기 때문에 라디에이터(미도시)의 부하를 줄일 수 있다. LPR방식은 매연 여과장치 후단에서 배기가스를 추출하므로 HPR 방식보다 터보챠저(미도시)의 성능이 향상되기 때문에 연료 소비율이 적고 매연여과장치를 사용하여 필터링 된 배기가스를 신기와 혼합해주므로 엔진(100)의 내구성이 보다 향상될 수 있다. 또한 터보챠저(미도시) 상단에서 추출되는 배기가스 온도보다 매연여과장치 하류에서 추출되는 배기가스의 온도가 낮아 열 흡수 성능이 우수하다.

아울러 LPR 방식은 질소산화물 저감장치(S)가 없는 기존 중고 디젤엔진(100)과 차량에 쉽게 장착할 수 있으며 원하는 EGR 가스의 컨트롤이 용이하여 HPR 방식보다 오존층을 파괴하는 질소산화물의 배출량이 많은 중고 엔진(100)이나 차량의 리트로픽용 질소산화물 저감장치로 우수한 장점을 갖는다.

또한 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 복합센서를 통한 제어효율성을 확보한 디젤엔진의 배기가스 저감장치(S)를 이용하여 제2저감부(240)를 장착 전[A]과 장착 후[B]의 데이터를 측정하여 그래프와 표로 나타내어 확연하게 줄어드는 Nox 값을 볼 수 있다.

한편, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 센서부(300)는 상기 엔진(100)의 회전속도를 검출하는 RPM센서(310), 상기 엔진(100) 작동시 엔진(100)의 부하율을 측정하기 위한 BP센서(350), 상기 흡기부와 연결되어 신기의 유량을 측정하기 위한 흡입공기유량센서(360), 상기 저감수단(200)의 재순환통로부(210)에 온도 측정을 위한 제1 및 제2온도센서(320), 상기 배출되는 질소산화물의 농도를 측정하기 위한 Nox센서(340)를 포함하는 센서를 포함한다.

본 발명의 상기 센서부(300)의 센싱값들로 측정되는 Nox 값 비교데이터를 도 5a 및 도 5b에서 확인하면 Nox 저감 영역을 세분화하여 정밀하게 Nox 저감을 실현할 수 있으며 Nox 타겟값(목표값)의 범위를 최소값과 최대값을 측정하여 정교한 Nox 저감을 실현할 수 있다. Nox 타겟값의 범위 설정 방법은 하기에 설명한다.

또 상기와 같은 센서부(300)에 포함된 모든 센서는 상기 중앙처리부(400)와 연결되어 센싱한 정보를 중앙처리부(400)에 전송하고, 상기 중앙처리부(400)는 입력된 정보를 바탕으로 자동으로 상기 저감수단(200)에 명령을 전달하여 제어하며, 동시에 외부 단말기(500)에 정보를 전송하여 실시간 외부 단말기(500)에 의하여 명령을 전달받아 상기 저감수단(200)을 제어할 수 있다.

본 발명의 복합센서를 통한 제어효율성을 확보한 디젤엔진(100)의 배기가스 저감장치(S)는

상기 중앙처리부(400)와 외부 단말기(500)와 함께 EGR 모니터링 시스템을 구성할 수 있다. 상기 EGR 모니터링 시스템은 무선으로 연결되어 (무선통신기술) 엔진(100) 작동 상태와 중앙처리부(400)의 작동 상태를 외부 단말기(500)(예: 노트북)를 통해 팝업 또는 웹브라우징을 이용하여 실시간으로 사용자가 확인할 수 있다.

또 중앙처리부(400)는 액정이 구비된 컨트롤러로 구성되어 엔진(100)에 장착된 RPM센서(310), BP센서(350), 흡기부에 장착된 흡기공기유량센서로부터 측정된 데이터를 기초로 엔진(100) 가동 영역과 차량 운행 상태를 판단하고 배출되는 질소산화물 농도를 판단하여 줄이고자 하는 목표값과 현재 배출되는 질소산화물의 농도를 비교 분석하여 제1 및 제2솔레노이드 밸브(242)의 개도량을 결정한다.

상기 중앙처리부(400)의 제어 명령으로 제1 및 제2솔레노이드 밸브(242)의 개도량을 조절하여 질소산화물 농도를 판단하여 줄이고자 하는 목표값에 도달되도록 반복적으로 피드백(Feedback) 제어할 수 있다. 피드백 제어방법과 각종 센서 설정값 입력 등은 하기에 설명하기로 한다.

제1솔레노이드 밸브(241)의 밸브 개도량은 노후화 된 중고 차량 및 여러 엔진(100)들의 특성이 다르므로 수많은 시험과 축적된 데이터를 통해 최적의 밸브 개도량을 다르게 지정하여 설계될 수 있다.

상기 외부 단말기(500)는 OS운영체제를 갖춘 단말기(500)로 구비될 수 있다. 상기 단말기(500)는 노트북이 바람직하지만 무선 통신이 가능한 테블릿 PC, 스마트폰 등 인터페이스를 구축할 수 있는 OS체계를 갖춘 단말기(500)도 가능하다. 상기 단말기(500)로 사용자가 시험모드 중이거나, 실시간 운전 중일 때 운전석, 또는 멀리 떨어진 사무실에서도 작동상태 및 정보를 알 수 있다.

이러한 외부 단말기(500)를 더 구비함으로써 중앙처리부(400)에서 나타내는 실시간 정보와 오류 상황 등을 보다 빠르고 신속하게 실시간 모니터링 할 수 있고, 고장이나 작동 상태 등을 초보 사용자라도 쉽게 알아볼 수 있도록 팝업 창을 띄우거나 브라우징을 이용한 인터페이스를 구축할 수 있다.

상기 인터페이스는 사용자가 자기에 맞게 조절할 수 있도록 변경이 가능하여 제품사용에 대한 편리성을 높일 수 있다.

상기와 같은 중앙처리부(400)와 외부 단말기(500)를 이용하여 EGR 모니터링 시스템을 구현할 수 있다. 이러한 EGR 모니터링 시스템을 이용하여 실시간으로 저감수단(200)의 작동상태 및 질소산화물의 저감을 확인할 수 있고, 원격 제어를 통해 상기 중앙처리부(400)의 제어값을 실시간 변경할 수 있다. 또한 고장 유무를 판단할 수 있으며 고장이라고 판단되는 경우 알람 및 부져가 작동되도록 설계된다.

또한 국내 차량용 리트로픽으로 상용화된 매연여과장치(DPF) 제품에 구성되어 있는 자기진단장치와 연동되어 EGR 모니터링 시스템을 통해 DPF의 작동여부 판단은 물론 압력, 온도센서의 측정되는 데이터를 확인할 수 있다. DPF의 고장시에도 자기진단장치에서 알람 및 오류메시지를 띄우면 EGR 모니터링 시스템에서도 DPF의 고장 여부를 판단할 수 있게 부져 및 알람이 작동한다.

아울러 중앙처리부(400)와 외부 단말기(500)로 구성된 EGR 모니터링 시스템은 특정 시험모드가 아닌 ND-13, KC1-8 등과 같이 다수의 엔진(100)시험모드에 맞게 프로그램을 수정하여 저감수단(200)의 가동 영역을 세분화하여 정밀하게 제어할 수 있다.

상기와 같은 중앙처리부(400)의 실시간 제어와 능동적인 제어에 의하여 상기 저감수단(200)의 오류, 고장 또는 알 수 없는 에러를 신속하게 발견하여 대처할 수 있어 큰 사고로 발전하지 않도록 하여 사용자의 안전성을 높여주고 제품의 신뢰성을 기대할 수 있다.

한편, 도 4a의 [A]와 [B]에 도시된 바와 같이, 도 4a의 [A]는 ND-13 모드의 실시예로, 경유를 연료로 사용하는 대형자동차의 배출가스 측정방법의 예이다. 도 4a의 [B]는 KC1-8 모드의 실시예로, 건설기계의 배출가스 측정방법의 예이다.

상기 ND-13모드에서, 측정방법의 시험모드에 대한 원동기 회전수 설정치는 다음 식에 의해 선정한다.

회전수 A = Nlow + 0.25 x (Nhigh - Nlow)

회전수 B = Nlow + 0.50 x (Nhigh - Nlow)

회전수 C = Nlow + 0.75 x (Nhigh - Nlow)

회전수 A,B,C : ND-13 모드의 원동기 회전수 설정치

(전부하시험결과가 제작사가 제시한 값의 3%이내라면 제작사가 제시한 회전수 A,B,C를 시험에 사용 가능)

Nlow : 원동기 공칭최대정미마력(Pmax)의 50%에 해당하는 마력을 얻을 수 있는 가장 낮은 원동기 회전수(RPM)

Nhigh : 원동기 공칭최대정미마력(Pmax)의 70%에 해당하는 마력을 얻을 수 있는 가장 높은 원동기 회전수(RPM)이고,

부하율 : S = P × 부하율(%)

S : 토크설정치

P : 원동기 정미 마력 (총기관 출력 - 제작사에 따른 원동기 구동장치에 의해 흡수된 최소 허용 공칭마력)

또한 KC1-8 모드의 시험모드의 Intermediate 회전수는 원동기 최대출력 회전수의 60~75% 범위 이내에서의 최대토크 회전수이거나, 최대토크 회전수가 60%미만인 경우 최대회전수의 60%회전수로 하고, 75%를 초과하는 경우에는 75%회전수로 한다.

상기 ND-13 모드와 KC1-8 모드는 여러 엔진(100) 중 하나의 실시예이고, 다수의 엔진(100) 시험 모드에 맞도록 외부단말기(500)에 의해 프로그램 수정을 할 수 있다.

한편, 도 4b의 [A]를 참고하면 KC1-8 모드의 시험시 프로그램 설정값 입력의 실시예를 볼 수 있다. 상기 5개의 팝업창은 외부 단말기(500)에서 사용자가 실시간 볼 수 있고,

입력값을 조절할 수 있는 EGR 모니터 프로그램, 각 구간별 Nox타겟값 설정 창, 엔진(100) 작동 구간 설정 창 등을 통해서 Boost pressure, valve 최초개방개도량, 작동 범위 RPM값을 입력하고 저장할 수 있다.

상기 각 구간별 Nox타겟값 설정 시 Valve Feeback 제어방식으로 A= 현재 배출되는 배기가스 중 질소산화물(Nox)의 농도라고 한다면,

Min < A < Max시 valve hold

Min > A 시 valve Close -5

Max < A 시 valve Open +5 로 이루어진다.

또한 도 4b의 [B]에 도시된 바와 같이, 상기 Boost Pressure는 설정값의 편차를 이용하여 범위 BPS값을 자동으로 설정하도록 설계되는데, 예를 들면 BPS1 = 160Kpa, BPS2 = 110Kpa, BPS3 = 60Kpa라 가정하여 설정했을 때, BPS 1과 BPS 2의 편차를 이용하여 자동 설정될 수 있다. 즉, BPS 1 과 BPS 2의 편차 = 50Kpa면 BPS 1의 범위는 135~160Kpa이고, BPS 2의 범위는 85~135Kpa 이다.

또 Valve 최소개방도량은 저감수단(200) 작동 시 제1 및 제2솔레노이드 밸브(242)의 개도량이 목표한 Nox값을 컨트롤 하기 위한 밸브의 개도량까지 도달하는 시간을 최소화하기 위해 원하는 타겟값의 맞는 Valve의 최초 개방 개도량을 설정해주어 보다 안정적인 배기가스 저감을 위해 설계된다.

아울러 RPM 작동 범위는 차량 및 엔진(100) 운행시 범위 RPM값을 설정토록 하여 특정 범위가 아닌 작동범위를 보다 폭넓게 하여 보다 안정적이고 정교한 배기가스 저감을 위해 설계될 수 있다.(도 4b의 [B] 중 우측 그래프)

한편, 본 발명에서 도 5a를 참고하면, ND-13 모드의 운전모드 별 배출되는 Nox ppm과 Nox 타겟값의 최대/최소값을 나타내었으며 배출되는 Nox ppm과 타겟값의 최대/최소값을 함께 그래프화 하였고, 도 5b를 참고하면 KC1-8 모드의 운전모드 별 배출되는 Nox ppm과 Nox 타겟값의 최대/최소값을 나타내었으며 배출되는 Nox ppm과 타겟값의 최대/최소값을 함께 그래프화하였다.

상기 ND-13모드와 KC1-8모드의 표와 그래프 값은 하나의 실시예이고, 이와 같은 운전모드 별 시험모드는 여러 종류의 다수 엔진(100)에 적용되어 실시할 수 있다. 또한 특정모드가 아닌 여러 제어 조건을 통해 이미 시중에 상용화되고 있는 중고 엔진(100) 및 다양하고 새로운 엔진(100)에 접목이 가능한 배기가스 저감장치(S)를 제공할 수 있다.

또 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 유량조절부(220)와 제1솔레노이드 밸브(241) 사이에 차단부(600)가 더 포함되어 제2솔레노이드 밸브(242)의 고장 시에 제1솔레노이드 밸브(241)가 차단할 수 있으나, 상기 제1솔레노이드 밸브(241)도 동시에 오류나 에러, 고장 시에는 사용자에게 알람을 줄 수 있을 뿐 즉각적인 대처가 불가능하여 제1솔레노이드 밸브(241)와 제2솔레노이브 밸브(242) 모두 개방(Open)되어 오작동 할 때 신속하게 강제로 닫힐 수 있도록 구성된다.

아울러 상기 차단부(600)는 차단날개(610)가 여러 겹으로 구성되어 있어 평상시 가동 시에는 최대한 결합되어 있는 재순환통로부(210)의 배기가스 유량이 손실되지 않도록 밀착하여 겹쳐져 있고[C], 상기 제1솔레노이드 밸브(241)와 제2솔레노이드 밸브(242)가 모두 개방(Open)되어 고장났을 때, 중앙처리부(400)에서 알람과 동시에 차단부(600)에 명령하여 순간적으로 상기 차단날개(610)가 상기 차단부(600)의 중앙으로 겹쳐지도록 구성[A]하는 것이 바람직하다.

또한 상기 차단부(600)의 신속한 폐쇄는 엔진(100)으로 유입되는 배기가스의 양을 신속하게 차단하지 못하는 문제점을 해결할 수 있어, 고장 시 엔진(100)을 보호하고 조절되지 않고 유입되는 배기가스의 신속한 차단을 확보하기 위한 솔레노이드밸브의 차단 작동 후에 최종적으로 보장할 수 있도록 구비된다. 또한 상기 차단부(600)는 간편하게 제작되고, 설치가 간단하여 저감장치(S)의 제품효율성에 기여할 수 있다.

한편 도 6에 도시된 바와 같이, 재순환통로부(210)와 배기부(120)의 연결부분에 조절수단(700)이 더 구비되어 배기부(120)와 재순환통로부(210)의 각도를 조절할 수 있다. 상기 제1솔레노이드 밸브(241)와 함께 유동적으로 작동함으로써 배기부(120)에서 재순환통로부(210)로 유입되는 배기가스의 유량을 효율적으로 제어할 수 있다.

예를 들어, 상기에 앞서 언급한 부분인 valve Feedback 제어방식에서 Min < A < Max 시에 Valve를 Hold하여 배출되는 배기가스 중 질소산화물(Nox)의 농도에 따라 Valve를 고정하거나 개폐할 수 있다.

이때 상기의 조절수단(700)으로 배기부(120)와 재순환통로부(210)의 연결부위의 각도(θ)를 90도로 유지할 때보다 120도로 유지하는 것이 유입되는 배기가스의 유량이 더 많아지고, 60도로 유지할 때에는 90도로 유지하는 것보다 유입되는 배기가스의 유량이 더 적어진다. 상기 배기부(120)에 흐르는 배기가스의 유량과 속도에 따라 상기 재순환통로부(210)로 유입되는 배기가스의 양이 달라져 항상 같은 각도에 같은 유량이 유입되지 않기 때문에 실시간으로 외부 단말기(500)로 인해 각도를 제어할 수 있도록 중앙처리부(400)와 연계된다.

상기 조절수단(700)은 캡(710)과 조절부(720)를 포함하고 있고, 상기 캡(710)은 재순환통로부(210)를 이루는 덕트의 둘레를 감싸면서 캡(710)의 상단이 배기부(120)와 연결되어 고정되어 진다. 상기 조절부(720)는 캡(710)의 둘레 외주면에 2개의 돌기가 마주보도록 융기되어 있는 형상이고,

상기 조절부(720)는 전자식으로 구동되는 조절바퀴(721)가 더 구비된다. 상기 조절바퀴(721)는 일정한 각도로 상기 재순환통로부(210)의 덕트가 기울어질 수 있도록 톱니바퀴모양으로 구비될 수 있다.

상기 조절수단(700)은 구동유지력과 내열성 및 내구성이 높도록 강화 금속의 재질로 이루어는 것이 바람직하고, 상기 조절수단(700)의 각도(θ)는 60도에서 120도가 바람직하고, 더 바람직하기로는 30도에서 150도로 조절할 수 있다.

이상의 설명에서 valve, 덕트, 배관, EGR, DPF, 무선 통신 등과 관련된 통상의 공지된 기술은 생략되어 있으나, 당업자라면 용이하게 이를 추측 및 추론하고 재현할 수 있다.

또 이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 구성, 형상과 구조를 갖는 저감장치(S)를 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능하고, 이러한 수정, 변경 및 치환은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

S : 복합센서를 통한 제어효율성을 확보한 디젤엔진의 배기가스 저감장치
100: 엔진 110: 흡기부
111: 믹서 120: 배기부
200: 저감수단 210: 재순환통로부
220: 유량조절부 221: 배관분리부
222: 배기유량제어밸브 230: 제1저감부
240: 제2저감부 241: 제1솔레노이드 밸브
242: 제2솔레노이드 밸브 300: 센서부
310: RPM 센서 320: 제1온도센서
330: 제2온도센서 340: Nox센서
350: BP센서 360: 흡입공기유량센서
400: 중앙처리부 500: 외부단말기
600: 차단부 610: 차단날개
700: 조절수단 710: 캡
720: 조절부 721: 조절바퀴

Claims

신기를 흡기하기 위한 흡기부,
배기가스 배출을 위한 배기부를 가지는 엔진;

상기 배기부와 연결되어 배기가스 중 일부를 흡기하여 재순환 시키는 재순환통로부를 포함하는 저감수단;

상기 엔진의 회전속도를 검출하는 RPM 센서,
상기 저감수단의 온도 측정을 위한 제1 및 제2온도센서,
상기 배출되는 질소산화물의 농도를 측정하기 위한 NOX 센서를 포함하는 센서부; 및

상기 센서부에서 추출된 정보를 판단하여 상기 저감수단에 명령을 하달하는 중앙처리부;를 포함하여 이루어지되,

상기 저감수단은 엔진의 저부하시 유량을 조절할 수 있는 유량조절부를 더 포함하고,
상기 센서부는 상기 엔진 작동시 엔진의 부하율을 측정하기 위한 BP 센서,
상기 흡기부와 연결되어 신기의 유량을 측정하기 위한 흡입공기유량센서를 더 포함하는 복합센서를 통한 제어효율성을 확보한 디젤엔진의 배기가스 저감장치.
제 1 항에 있어서,
상기 저감수단은
상기 배기가스 중 입자상 물질을 저감시키기 위한 제1저감부와,
상기 배기가스 중 질소산화물을 저감시키기 위한 제2저감부를 더 포함하는 복합센서를 통한 제어효율성을 확보한 디젤엔진의 배기가스 저감장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 저감수단의 유량조절부는 상기 배기부의 일부를 차단하여 저부하영역에서도 원하는 가스유량을 확보하기 위해 복수의 배관으로 나뉘는 배관분리부가 더 포함되고,
상기 배관분리부에 배기유량제어밸브가 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 복합센서를 통한 제어효율성을 확보한 디젤엔진의 배기가스 저감장치.
제 3 항에 있어서,
상기 재순환통로부(210)와 배기부(120)의 연결부분에 조절수단(700)이 더 구비되어 배기(120)와 재순환통로부(210)의 각도를 조절할 수 있어 있는 것을 특징으로 하는 복합센서를 통한 제어효율성을 확보한 디젤엔진의 배기가스 저감장치.