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KR102750533B1 - 엔진 시스템 - Google Patents

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KR102750533B1
KR102750533B1 KR1020190011326A KR20190011326A KR102750533B1 KR 102750533 B1 KR102750533 B1 KR 102750533B1 KR 1020190011326 A KR1020190011326 A KR 1020190011326A KR 20190011326 A KR20190011326 A KR 20190011326A KR 102750533 B1 KR102750533 B1 KR 102750533B1
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supercharger
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recirculation
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오희창
박영섭
이관희
이종혁
강재구
한동희
홍승우
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현대자동차 주식회사
기아 주식회사
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Priority to DE102019213921.3A priority patent/DE102019213921A1/de
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Abstract

본 발명은 엔진의 출력 및 연비를 향상시키는 엔진 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템은 연료와 공기의 혼합기의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 적어도 하나의 연소실을 포함하는 엔진, 상기 연소실에 공기를 공급하도록 되어 있는 흡기 라인, 상기 엔진에 연결되어 배기가스가 흘러가는 배기 라인, 상기 배기 라인에 구비되는 터빈과, 상기 터빈에 연결되어 있으며 흡기 라인에 구비되는 컴프레서를 포함하는 터보차저. 상기 터빈의 하류 배기 라인에서 분기되는 제1 재순환 라인, 제1 지점에서 제1 재순환 라인으로부터 분기되는 제2 재순환 라인, 상기 제1 지점에서 제1 재순환 라인으로부터 분기되는 제1 수퍼차저 라인, 제2 지점에서 상기 제2 재순환 라인과 합류하고 제3 지점에서 상기 제1 수퍼차저 라인으로부터 분기되는 제2 수퍼차저 라인, 상기 제 2 지점에서 제2 수퍼차저 라인으로부터 분기하여 흡기 라인의 제 4 지점에 연결되는 제3 수퍼차저 라인. 상기 제3 지점에서 상기 제1 수퍼차저 라인으로부터 분기되어 흡기 라인의 제5 지점에 연결되는 제4 수퍼차저 라인, 상기 제4 지점과 제5 지점 사이의 상기 흡기 라인에 구비되는 흡기 밸브, 상기 제2 재순환 라인에 설치되는 EGR 밸브, 상기 제3 지점에 설치되는 수퍼차저 밸브; 및 상기 제2 수퍼차저 라인에 설치되는 수퍼차저를 포함할 수 있다.

Description

엔진 시스템{ENGINE SYSTEM}
본 발명은 엔진 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공기 제어 장치를 구비한 엔진 시스템에 관한 것이다.
자동차의 엔진은 외부로부터 유입된 공기를 연료와 적절한 비율로 혼합하여 연소시켜 동력을 발생한다.
엔진의 구동으로 동력을 발생시키는 과정에서 연소를 위해 외부의 공기를 충분히 공급하여야만 원하는 출력과 연소 효율을 얻을 수 있다. 엔진의 연소 효율을 높이기 위해 연소용 공기를 과급시켜 주는 장치로서 터보차저 (turbocharger)가 사용되고 있다.
터보차저는 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 엔탈피을 이용하여 터빈을 돌린 후, 그 회전력을 이용하여 컴프레서가 연소실로 고압의 공기를 공급하여 엔진내로 공급되는 공기의 양을 증가시키는 장치이다. 저배기량 엔진에 터보차저를 적용하면 동일 출력 수준의 고배기량 자연흡기 엔진에 비하여, 엔진의 운전점을 효율이 높은 중고부하 영역으로 이동시킴으로 인해 차량의 연비 향상이 가능하며, 이러한 효과를 위해 최근 가솔린엔진에도 다운사이징 엔진의 컨셉으로 터보차저가 활발히 적용되고 있다. 또한 터보차저가 장착된 엔진에서 수퍼차저와 함꼐 적용되는 경우, 엔진의 과도 응답성을 개선하거나 터보 매칭의 이점을 확보할 수 있는 장점이 있다. .
한편 배기가스 재순환(exhaust gas recirculation; EGR) 시스템은 유해 배기가스의 저감이나 연비 향상의 목적을 위해 엔진에 장착되는 시스템이다. 배기가스 재순환 시스템은 엔진에서 배출되는 배기가스의 일부(예를 들어 5~20%)를 연소실로 신기와 함께 유입시켜, 신기만 유입되는 경우에 비하여 흡입 과정의 압력이 높게 되므로, 흡기 및 배기과정에서 발생하는 펌핑 손실을 줄이는 효과가 있다, 또한 비활성 기체들의 유입을 통해 혼합기의 반응성을 감소시켜, 가솔린엔진에서 효율과 성능에 악영향을 주는 노킹의 발생을 저감할 수 있다.
터보차저가 장착된 엔진에 배기가스 재순환 시스템을 적용하기 위하여 저압 배기가스 재순환 장치(LP-EGR apparatus: low pressure exhaust gas recirculation apparatus)를 사용할 수 있다. 저압 배기가스 재순환 장치는 터보차저의 터빈과 삼원 촉매를 통과한 배기가스를 컴프레서 전단의 흡기 통로로 재순환시킨다. 따라서 저압 배기가스 재순환 장치에서 재순환되는 배기가스의 유동은 촉매 후단에서의 배기가스의 압력과 컴프레서 전단에서의 공기의 압력의 차이를 이용하여 발생된다. 이러한 방식은 터빈의 전단에서 배기가스를 흡수하여 흡기 매니폴드에 공급하는 고압 배기가스 재순환 장치(HP-EGR apparatus: high pressure exhaust gas recirculation apparatus)를 이용하는 것과 비교하여, 고부하의 과급 조건에서 EGR 밸브 전, 후단의 차압량이 상대적으로 높아 배기가스 재순환이 용이하다는 장점이 있으나, 촉매 후단의 배기가스의 압력이 대기압과 유사해지는 작은 엔진의 저부하 운전 조건에서는 EGR 밸브 전단의 공기의 압력과 후단의 배기가스의 차압량이 작다. 따라서 엔진이 저부하 영역에서 작동하는 경우, 저압 배기가스 재순환 장치를 포함하는 재순환 시스템은 고압 배기가스 재순환 장치를 포함하는 재순환 시스템에 비해 배기가스 재순환 적용이 어렵다는 단점이 있다.
한편, 차량 외부로부터 신기가 동일하게 공급되는 조건에서, 연료의 양을 이론공연비보다 증가시키는 경우, 공기의 활용율이 증가하고 혼합기의 반응성 낮아 질 수 있다. 따라서 엔진의 노킹이 감소하여 토크를 증대할 수 있다.
최근 WOT(wide open throttle)의 조건에서, 엔진의 최대 토크를 증가시키기 위하여, 이론공연비보다 농후한 공연비로 연소를 시키는 전략이 가솔린 엔진에 적용되고 있다. 또한 농후한 공연비로 연소시키는 경우 단열화염온도가 감소하므로, 엔진의 토크는 유지되면서 배기가스의 온도가 감소할 수 있다. 따라서 고속 고부하 영역에서 고열의 배기가스에 의한 촉매, 터빈, 흡기 매니폴드 및 배기 매니폴드 등의 파손을 방지하기 위한 배기 온도 저감의 목적으로 농후 공연비 연소 전략이 적용되고 있다.
그러나 농후한 공연비로 연료를 연소시키면 연비가 악화될 수 있고, 미연탄화수소나 일산화 탄소와 같은 불완전연소생성물의 배출이 증가하는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서 각국에서는 배기가스로 인한 대기 오염을 감소하기 위한 목적으로 농후 공연비 연소 전략을 규제가 논의되고 있다. 이에 상술한 조건들에서 농후 공연비 연소를 사용하지 않고 전영역에서 이론 공연비 연소를 적용하게 되면, 출력과 토크의 손실이 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 엔진의 운전 조건에 관계없이 배기가스의 재순환을 원활하게 하고, 고속 고부하 영역에서 농후 공연비 연소를 하지 않으면서, 엔진의 출력과 토크를 유지할 수 있는 엔진 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른, 엔진 시스템은 연료와 공기의 혼합기의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 적어도 하나의 연소실을 포함하는 엔진, 상기 연소실에 공기를 공급하도록 되어 있는 흡기 라인. 상기 엔진에 연결되어 배기가스가 흘러가는 배기 라인. 상기 배기 라인에 구비되는 터빈과, 상기 터빈에 연결되어 있으며 흡기 라인에 구비되는 컴프레서를 포함하는 터보차저. 상기 터빈의 하류 배기 라인에서 분기되는 제1 재순환 라인. 제1 지점에서 제1 재순환 라인으로부터 분기되는 제2 재순환 라인. 상기 제1 지점에서 제1 재순환 라인으로부터 분기되는 제1 수퍼차저 라인. 제2 지점에서 상기 제2 재순환 라인과 합류하고 제3 지점에서 상기 제1 수퍼차저 라인으로부터 분기되는 제2 수퍼차저 라인, 상기 제 2 지점에서 제2 수퍼차저 라인으로부터 분기하여 흡기 라인의 제 4 지점에 연결되는 제3 수퍼차저 라인, 상기 제3 지점에서 상기 제1 수퍼차저 라인으로부터 분기되어 흡기 라인의 제5 지점에 연결되는 제4 수퍼차저 라인, 상기 제4 지점과 제5 지점 사이의 상기 흡기 라인에 구비되는 흡기 밸브, 상기 제2 재순환 라인에 설치되는 EGR 밸브, 상기 제3 지점에 설치되는 수퍼차저 밸브; 및 상기 제2 수퍼차저 라인에 설치되는 수퍼차저를 포함할 수 있다.
상기 엔진 시스템은 상기 엔진의 속도와 부하를 측정하는 엔진 속도 측정부; 상기 제1 재순환 라인의 압력과 상기 흡기 라인의 압력 사이의 차압을 측정하는 차압 센서; 및 상기 속도, 부하 및 차압에 기초하여 상기 흡기 밸브, EGR 밸브, 수퍼차저 밸브 및 수퍼차저를 제어하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
상기 제어기는 상기 흡기 밸브를 닫고, 상기 EGR 밸브를 열며, 상기 수퍼차저 밸브를 통하여 상기 제2 수퍼차저 라인을 상기 제4 수퍼차저 라인에 연결하고, 상기 수퍼차저를 정방향으로 작동시켜 상기 배기 라인을 흐르는 배기가스의 일부를 상기 제1 재순환 라인, 상기제2 재순환 라인, 상기 제2 수퍼차저 라인, 상기 제4 수퍼차저 라인 및 상기 제5 지점을 거쳐 상기 연소실로 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 흡기 라인을 흐르는 공기는 상기 제4 지점, 상기 제3 수퍼차저 라인, 상기 제2 수퍼차저 라인, 상기 제4 수퍼차저 라인 및 상기 제5 지점을 거쳐 연소실로 공급될 수 있다.
상기 제어기는 상기 흡기 밸브를 열고, 상기 EGR 밸브를 열며, 상기 수퍼차저 밸브를 통해 상기 제 1 수퍼차저 라인과 제2 수퍼차저 라인의 연결을 차단하여 상기 배기 라인을 흐르는 배기가스의 일부를 상기 제1 재순환 라인, 제2 재순환 라인, 제3 수퍼차저 라인, 제4 지점 및 제5 지점을 거쳐 상기 연소실로 공급할 수 있다.
상기 흡기 라인의 공기는 상기 제4 지점 및 상기 제5 지점을 거쳐 상기 연소실로 공급될 수 있다.
상기 제어기는 상기 흡기 밸브를 열고, 상기 EGR 밸브를 닫으며, 상기 수퍼차저 밸브를 통해 상기 제1 수퍼차저 라인과 상기 제2 수퍼차저 라인을 연결하고, 상기 수퍼차저를 역방향으로 작동 시켜 상기 배기 라인을 흐르는 배기가스의 일부를 상기 제1 재순환 라인, 상기 제1 수퍼차저 라인, 상기 제2 수퍼차저 라인, 상기 제3 수퍼차저 라인, 제4 지점 및 제5 지점을 거쳐 상기 연소실에 공급할 수 있다.
상기 흡기 라인의 공기는 상기 제4 지점 및 상기 제5 지점을 거쳐 상기 연소실로 공급 될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 엔진 시스템은 연료와 공기의 혼합기의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 적어도 하나의 연소실을 포함하는 엔진. 상기 연소실에 공기를 공급하도록 되어 있는 흡기 라인, 상기 엔진에 연결되어 배기가스가 흘러가는 배기 라인, 상기 배기 라인에 구비되는 터빈과, 상기 터빈에 연결되어 있으며 흡기 라인에 구비되는 컴프레서를 포함하는 터보차저, 상기 터빈의 하류 배기 라인에 구비되는 WCC, 상기 WCC의 하류 배기 라인에 구비되는 UCC, 상기 WCC 및 상기 UCC 사이의 배기 라인에서 분기되는 제1 재순환 라인, 상기 제1 지점에서 제1 재순환 라인으로부터 분기되는 제1 수퍼차저 라인, 제2 재순환 라인제3 지점에서 상기 제1 수퍼차저 라인으로부터 분기되는 제2 수퍼차저 라인, 제 2 지점에서 제2 수퍼차저 라인으로부터 분기하여 흡기 라인의 제 4 지점에 연결되는 제3 수퍼차저 라인, 상기 제3 지점에서 상기 제1 수퍼차저 라인으로부터 분기되어 흡기 라인의 제5 지점에 연결되는 제4 수퍼차저 라인, 상기 제4 지점과 제5 지점 사이의 상기 흡기 라인에 구비되는 흡기 밸브, 상기 제3 지점에 설치되는 수퍼차저 밸브, 상기 제2 수퍼차저 라인에 설치되는 수퍼차저를 포함할 수 있다.
상기 엔진 시스템은 엔진의 속도와 부하를 측정하는 엔진 속도 측정부 상기 제1 재순환 라인의 압력과 상기 흡기 라인의 압력 사이의 차압을 측정하는 차압 센서 및 상기 속도, 부하 및 차압에 기초하여 상기 흡기 밸브, 수퍼차저 밸브 및 수퍼차저를 제어하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
상기 제어기는 상기 흡기 밸브를 열고, 상기 EGR 밸브를 닫으며, 상기 수퍼차저 밸브를 통해 상기 제1 수퍼차저 라인과 상기 제2 수퍼차저 라인을 연결하고, 상기 수퍼차저를 정방향으로 작동시켜, 상기 흡기 라인의 공기 일부를 상기 제4 지점, 상기 제3 수퍼차저 라인, 상기 제2 수퍼차저 라인, 상기 제 1 수퍼차저 라인, 상기 제1 재순환 라인 및 상기 배기 라인을 거쳐 상기 UCC에 공급할 수 있다.
상기 흡기 라인의 공기의 나머지 일부는 상기 제4 지점 및 상기 제5 지점을 거쳐 상기 연소실로 공급 될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 수퍼차저를 이용하여 저압배기가스의 재순환 작동 가능 영역을 저부하 영역까지 확장할 수 있고 터보차저를 통해 충분한 과급이 공급되기 어려운 저속 고부하 조건에서 안정적으로 과급을 공급함으로써 엔진의 출력 및 연비가 향상될 수 있다.
또한 농후공연비 연소 전략이 사용되는 고속 고부하 조건에서는 흡기 라인을 흐르는 공기의 일부를 촉매 장치에 공급함으로써 배기가스의 불완전 연소 화합물을 정화하여 이론 공연비 연소와 같은 배기 물질 저감 효과가 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템의 블록도이다.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템의 개념도로서, 엔진이 저속 고부하 영역에서의 엔진 시스템의 공기의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템의 개념도로서, 엔진이 저속 중부하 영역에서의 엔진 시스템의 공기의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 5 본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템의 개념도로서, 엔진이 저속 저부하 영역에서의 엔진 시스템의 공기의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 엔진 시스템의 개념도로서, 엔진이 고속 중부하 또는 고속 고부하 영역에서 엔진 시스템의 공기의 흐름을 나타낸 도면이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시 예들을 기술하기 위한 목적뿐이고 본 발명을 한정하는 것을 의도하는 것은 아니다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 분명하게 달리 나타내지 않는 한, 또한 복수 형태들을 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용되는 "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는 명시된 특징들, 정수, 단계들, 작동, 엘리먼트들 및/또는 컴포넌트들의 존재를 나타내지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계들, 작동, 컴포넌트들, 및/또는 이들의 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것은 아니라는 것이 또한 이해되어야 할 것이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "및/또는" 이라는 용어는 연관되어 나열된 하나 이상의 항목들 중 임의의 하나 또는 모든 조합들을 포함한다. "결합된"이라는 용어는 컴포넌트들이 상호 간에 직접 연결되거나 또는 하나 이상의 매개 컴포넌트들을 통해 간접적으로 연결되는 두 개의 컴포넌트들 간의 물리적 관계를 표시한다.
"차량", "차량의", "자동차" 또는 본 명세서에서 사용되는 다른 유사 용어는 일반적으로, 스포츠 유틸리티 차량(SUV), 버스, 트럭, 다양한 상용 차량을 포함하는 자동차(passenger automobiles), 다양한 보트 및 배를 포함하는 선박, 항공기 등과 같은 모터 차량을 포함하고, 하이브리드 자동차, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 수소 동력 차량 및 다른 대체 연료 차량(예를 들어, 석유가 아닌 다른 리소스로부터 유도된 연료)을 포함한다.
또한, 아래의 방법 또는 이들의 양상들 중 하나 이상은 적어도 하나 이상의 제어기에 의해 실행될 수 있다. "제어기"라는 용어는 메모리 및 프로세서를 포함하는 하드웨어 장치를 지칭할 수 있다. 메모리는 프로그램 명령들을 저장하도록 구성되고, 프로세서는 아래에서 더 상세하게 설명될 하나 이상의 프로세스들을 수행하는 프로그램 명령들을 실행하도록 특별히 프로그래밍된다. 더욱이, 아래의 방법들은 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 제어기를 포함하는 시스템에 의해 실행될 수 있다.
또한, 본 명세서의 제어기는 프로세서 등에 의해 실행되는 실행가능 프로그램 명령들을 포함하는 일시적이지 않은 컴퓨터 판독가능 매체로서 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체의 예시들은 롬(ROM), 램(RAM), 씨디 롬(CD ROMs), 자기 테이프, 플로피 디스크, 플래시 드라이브, 스마트 카드, 및 광학 데이터 기억 장치를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 컴퓨터 판독가능 매체는 프로그램 명령들이 예를 들어, 텔레매틱스 서버 또는 컨트롤러 영역 네트워크(CAN)에 의하여 분산 형태로 저장되거나 또는 실행되도록 컴퓨터 네트워크를 통해 또한 분산될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템의 구성을 도시한 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 시스템은 엔진(10), 흡기 라인(20), 배기 라인(30) 및 공기 제어 장치(50)를 포함한다.
상기 엔진(10)은 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소시켜 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 상기 엔진(10)은 연소실(11), 흡기 매니폴드(13), 스로틀 밸브(15) 및 배기 매니 폴드(17)를 포함한다.
상기 연소실(11)은 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시킨다. 도면들에는 상기 엔진(10)이 4개의 연소실(11)을 포함하는 것을 예시하였으나, 연소실(11)의 개수는 반드시 4개에 한정되는 것은 아니다.
상기 흡기 매니폴드(13)는 상기 연소실(11)에 공기를 공급할 수 있다.
상기 스로틀 밸브(15)는 상기 흡기 매니 폴드(13)의 전단에 구비되어 있다. 상기 스로틀 밸브(15)는 상기 흡기 매니 폴드(13)에 유입되는 공기량을 조절할 수 있다.
상기 배기 매니 폴드(17)는 상기 연소실(11)과 연결된다. 상기 배기 매니폴드(17)는 상기 연소실(11)에서 연료의 연소에 의해 발생하는 배기가스를 차량 외부로 배출할 수 있다.
상기 엔진(10)은 연소실(11)에 연료를 직접 분사하는 가솔린 직접 분사(Gasoline Direct Injection, GDI) 엔진일 수 있다. 엔진(10)의 종류는 가솔린 엔진, 특히 GDI 엔진에 반드시 한정되는 것은 아니다.
상기 흡기 라인(20)은 상기 흡기 매니폴드(13) 및 상기 공기 제어 장치(50)에 연결되어 있다. 상기 흡기 라인(20)에는 에어 클리너(21), 컴프레셔(22), 인터 쿨러(25) 및 흡기 밸브(27)가 설치되어 있다. 상기 흡기 라인(20)은 흡기 매니폴드(13) 및 공기 제어 장치(50) 가운데 어느 하나 이상에 공기를 공급할 수 있다. 또한 상기 흡기 라인(20)은 상기 공기 제어 장치(50)로부터 공기를 공급 받을 수 있다.
상기 공기는 후술할 재순환 가스 및 외기 가운데 어느 하나 이상을 말한다.
상기 에어 클리너(21)는 상기 흡기 라인(20) 상류에 구비된다. 상기 에어 클리너(21)는 차량 외부에서 흡기 라인(20)으로 유입되는 외기를 필터링 한다.
상기 컴프레셔(22)는 상기 에어 클리너(21) 하류의 흡기 라인(20)에 구비된다. 상기 컴프레셔(22)는 상기 흡기 라인(20)에 흐르는 공기를 압축한다. 또한 상기 컴프레셔(22)는 후술할 터빈(24)과 연동하여 회전한다. 상기 컴프레셔(22)와 상기 터빈(24)은 터보차저(23)에 포함된 부품이다.
상기 인터쿨러(25)는 상기 컴프레셔(22) 하류의 흡기 라인(20)에 구비된다. 상기 인터쿨러(25)는 상기 흡기 라인(20)을 흐르는 공기를 냉각한다.
상기 흡기 밸브(27)는 상기 컴프레셔(22)와 상기 에어 클리너(21) 사이의 흡기라인(20)에 구비된다. 상기 흡기 밸브(27)는 상기 흡기 라인(20)에 흐르는 공기의 흐름을 조절한다.
상기 배기 라인(30)은 상기 배기 매니폴드(17) 및 상기 공기 제어 장치(50)에 연결되어 있다. 상기 배기 라인(30)에는 터빈(24) 및 배기가스 정화 장치(40)가 설치되어 있다. 상기 배기 라인(30)에는 상기 연소실(11)에서 배출되는 배기가스가 흐른다. 또한 상기 배기 라인(30)에는 상기 공기 제어 장치(50)로부터 공기가 유입될 수 있다.
상기 터빈(24)은 상기 배기 라인(30) 상류에 구비되어 있다. 상기 터빈(24)은 상기 연소실(11)에서 배출되는 배기가스에 의해 회전한다. 상기 터빈(24)은 상기 컴프레셔(22)와 연결되어 함께 회전한다.
상기 배기가스 정화 장치(40)는 상기 터빈(24) 하류의 배기 라인(30)에 구비되어 있다. 상기 배기가스 정화 장치(40)는 웜업 촉매 컨버터(Warming-up catalytic converter; WCC)(41)와 언더플로어 촉매 컨버터(Under-Floor Catalytic Converter; UCC)(43)를 포함할 수 있다. 상기 배기 정화 장치(40)는 상기 연소실(11)에서 배출되는 배기가스에 포함된 각종 유해 물질을 정화시킨다.
상기 WCC(41)는 삼원 촉매 장치일 수 있다. 상기 삼원 촉매 장치란 가솔린 엔진의 배기가스 중 CO, HC 및 NOx를 저감시키는 촉매 장치를 말한다. 상기 삼원 촉매 장치는 일정한 온도 이상에서 활성화되어 CO와 HC는 산화반응을 통하고 NOx는 환원반응을 통하여 무해한 성분으로 전환할 수 있다.
상기 배기 라인(30)을 통해 흐르는 배기가스는 WCC(41)에서 일차적으로 정화된 후, 일부는 공기 제어 장치(50)로 유입되고 나머지 일부는 UCC(43)로 흐른다.
상기 UCC(43)는 상기 WCC(41) 하류의 배기 라인(30)에 구비될 수 있다.
상기 UCC(43)는 담체, 제올라이트(zeolite) 및 삼원 촉매 장치가 적층된 구조일 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 상기 제올라이트는 상기 삼원 촉매 장치가 활성화되기 이전에 상기 담체에 HC를 흡착시킨다. 상기 삼원 촉매 장치가 활성화되면 상기 제올라이트는 상기 담체에 흡착된 HC를 탈착시키고 탈착된 HC는 삼원 촉매 장치에 의해 산화되어 무해한 성분으로 전환될 수 있다.
상기 공기 제어 장치(50)는 상기 흡기 라인(20) 및 배기 라인(30)에 연결된다. 상기 공기 제어 장치(50)는 배기가스 재순환 장치(60) 및 수퍼차저 장치(70)를 포함할 수 있다. 상기 공기 제어 장치(50)는 상기 흡기 라인(20)을 흐르는 공기 및 상기 배기 라인(30)을 흐르는 배기가스의 일부의 흐름을 제어할 수 있다.
상기 배기가스 재순환 장치(60)는 상기 배기 라인(30) 및 상기 수퍼차저 장치(70)에 연결된다. 상기 배기가스 재순환 장치(60)는 제1 재순환 라인(61), 제2 재순환 라인(63), EGR 쿨러(65) 및 EGR 밸브(67)를 포함한다. 상기 배기가스 재순환 장치(60)는 실시예에 나타낸 것과 같은 형태의 저압 배기가스 재순환 장치(low pressure exhaust gas recirculation apparatus; LP-EGR apparatus)일 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다. LP-배기가스 재순환 장치는 통상적으로 배기가스 정화 장치(40) 하류의 배기 라인(30)에 연결된다. 본 발명의 실시예에서는 상기 배기가스 재순환 장치(60)가 WCC(41)와 UCC(43) 사이의 배기 라인(30)에 연결된 것을 예시하나, 이에 한정되지 아니한다.
상기 수퍼차저 장치(70)는 상기 흡기 라인(20) 및 상기 배기가스 재순환 장치(60)에연결된다. 상기 수퍼차저 장치(70)는 제1 수퍼차저 라인(71), 제2 수퍼차저 라인(72), 제3 수퍼차저 라인(73), 제4 수퍼차저 라인(74), 수퍼차저 밸브(75) 및 수퍼차저(76)를 포함한다.
이하 상기 배기가스 재순환 장치(60) 및 수퍼차저 장치(70)를 보다 자세히 설명한다.
상기 제1 재순환 라인(61)은 상기 터빈(24)의 하류의 배기 라인(30)에서 분기된다. 상기 제1 재순환 라인(61)은 제1 지점(68)에서 상기 제2 재순환 라인(63) 및 상기 제1 수퍼차저 라인(71)과 연결된다.
상기 제1 지점(68)이란 상기 제1 재순환 라인(61)과 상기 제2 재순환 라인(63) 및 상기 제1 수퍼차저 라인(71)이 만나는 상기 제1 재순환 라인(61)의 일 지점을 말한다.
즉, 제1 재순환 라인(61)은 상기 UCC(41)와 WCC(43) 사이의 배기 라인(30)에서 분기되고 상기 제1 지점(68)에서 상기 제2 재순환 라인(63) 및 상기 제1 수퍼차저 라인(71)과 연결된다.
상기 제1 재순환 라인(61)에는 배기 라인(30)을 흐르는 배기가스 가운데 일부가 유입될 수 있다. 이하 배기 라인(30)에서 제1 재순환 라인(61)으로 유입되는 배기가스를 재순환 가스라고 한다. 상기 재순환 가스는 필요에 따라 제1 재순환 라인(61)을 거쳐 제2 재순환 라인(63) 또는 제1 수퍼차저 라인(71)으로 유입 될 수 있다.
또한 상기 제1 재순환 라인(61)에는 제1 수퍼차저 라인(71)을 흐르는 공기가 유입될 수 있다. 상기 공기는 제1 재순환 라인(61)을 거쳐 배기 라인(30)으로 유입된다. 즉, 상기 공기는 제1 재순환 라인(61)과 배기 라인(30)을 거쳐 UCC(43)에 공급될 수 있다.
상기 제2 재순환 라인(63)은 상기 제1 재순환 라인(61)으로부터 분기된다. 상기 제2 재순환 라인(63)은 상기 제2 지점(69)에서 제2 수퍼차저 라인(72) 및 상기 제3 수퍼차저 라인(73)으로 연결된다.
상기 제2 지점(69)이란 상기 제2 재순환 라인(63)과 상기 제2 수퍼차저 라인(72) 및 상기 제3 수퍼차저 라인(73)이 만나는 상기 제2 재순환 라인(63)의 일 지점을 말한다.
상기 제2 재순환 라인(63)에는 상기 제1 재순환 라인(61)을 흐르는 재순환 가스가 유입될 수 있다. 상기 재순환 가스는 제2 재순환 라인(63)을 거쳐 필요에 따라 상기 제2 수퍼차저 라인(72) 또는 제3 수퍼차저 라인(73)으로 유입될 수 있다.
상기 EGR 쿨러(65)는 상기 제1 재순환 라인(61)에 배치된다. 상기 EGR 쿨러(65)는 상기 제1 재순환 라인(61)으로 유입된 재순환 가스 내지 공기를 냉각시킬 수 있다.
상기 EGR 밸브(67)는 상기 제2 재순환 라인(63)에 구비되어 있다. 상기 EGR 밸브(67)는 상기 제2 재순환 라인(63)을 흐르는 공기의 유량을 제어할 수 있다. 도면에는 EGR 밸브(67)가 제2 재순환 라인(63) 하류에 구비되어 있으나. 상기 EGR 밸브(67)는 제2 지점(69)에 구비될 수 있다.
상기 제1 수퍼차저 라인(71)은 상기 제1 지점(68)에서 상기 제1 EGR라인(61)으로부터 분기 된다. 상기 제1 수퍼차저 라인(71)은 제3 지점(77)에서 제2 수퍼차저 라인(72) 및 제4 수퍼차저 라인(74)에 연결된다.
상기 제3 지점(77)이란 상기 제1 수퍼차저 라인(71), 제2 수퍼차저 라인(72) 및 제4 수퍼차저 라인(74)이 만나는 제1 수퍼차저 라인(71)의 일 지점을 말한다.
상기 제1 수퍼차저 라인(71)에는 제1 재순환 라인(61)을 흐르는 재순환 가스가 유입될 수 있다. 상기 재순환 가스는 상기 제1 재순환 라인(61), 제1 수퍼차저 라인(71)을 거쳐 제2 수퍼차저 라인(72)으로 유입될 수 있다.
또한, 상기 제1 수퍼차저 라인(71)에는 상기 제2 수퍼차저 라인(72)을 흐르는 공기가 유입될 수 있다. 상기 공기는 상기 제1 수퍼차저 라인(71), 제1 재순환 라인(61), 배기 라인(30)을 거쳐 UCC(43)에 공급될 수 있다.
상기 제2 수퍼차저 라인(72)은 제3 지점(77)에서 분기한다. 상기 제2 수퍼차저 라인(72)은 제2 지점(69)에서 제2 재순환 라인(63) 및 제3 수퍼차저 라인(73)과 연결된다.
상기 제2 수퍼차저 라인(72)에는 제2 재순환 라인(63)을 흐르는 재순환 가스가 유입될 수 있다. 상기 재순환 가스는 상기 제2 수퍼차저 라인(72)을 거쳐 제4 수퍼차저 라인(74)으로 흐를 수 있다.
상기 제2 수퍼차저 라인(72)에는 상기 제1 재순환 라인(61)을 흐르는 재순환 가스가 유입될 수 있다. 상기 재순환 가스는 상기 제2 수퍼차저 라인(72)을 거쳐 제3 수퍼차저 라인(73)으로 흐를 수 있다.
또한, 상기 제2 수퍼차저 라인(72)에는 상기 제3 수퍼차저 라인(73)을 흐르는 공기가 유입될 수 있다. 상기 공기는 제3 수퍼차저 라인(73)을 거쳐 필요에 따라 제1 재순환 라인(61) 또는 제4 수퍼차저 라인(74)으로 흐를 수 있다.
상기 제3 수퍼차저 라인(73)은 상기 제2 지점(69)에서 분기한다. 상기 제3 수퍼차저 라인(73)은 흡기 라인(20)의 제4 지점(28)에 연결된다. 상기 제4 지점이란 에어 클리너(21)와 흡기 밸브(27)사이의 흡기 라인(20)의 한 지점을 말한다. 상기 제3 수퍼차저 라인(73)에는 제2 재순환 라인(63)을 흐르는 재순환 가스가 유입될 수 있다. 상기 재순환 가스는 상기 제3 수퍼차저 라인(73)을 거쳐 상기 흡기 라인(20)으로 흐를 수 있다.
또한 상기 제3 수퍼차저 라인(73)에는 상기 흡기 라인(20)을 흐르는 공기가 유입될 수 있다. 상기 공기는 상기 제3 수퍼차저 라인(73)을 거쳐 제2 수퍼차저 라인(72)으로 흐를 수 있다.
상기 제4 수퍼차저 라인(74)은 제3 지점(77)에서 분기 되어 흡기 라인(20)의 제5지점(29)에 연결될 수 있다.
상기 제5 지점(29)은 상기 컴프레셔(22)와 상기 흡기 밸브(27) 사이의 흡기 라인(20)의 일 지점을 말한다.
상기 제4 수퍼차저 라인(74)에는 상기 제3 수퍼차저 라인(73)을 흐르는 공기가 유입될 수 있다. 상기 공기는 상기 제3 수퍼차저 라인(73)을 거쳐 상기 흡기 라인(20)으로 흐를 수 있다.
상기 수퍼차저 밸브(75)은 상기 제2 수퍼차저 라인(72)에 구비된다. 상기 수퍼차저 밸브(75)는 제1 수퍼차저 라인(71), 제2 수퍼차저 라인(72) 및 제4 수퍼차저 라인(74)을 흐르는 공기의 흐름을 제어한다.
상기 수퍼차저(76)는 제2 수퍼차저 라인(72)에 구비되어 있다. 상기 수퍼차저(76)는 기계식이나 전동식 컴프레서를 포함할 수 있다.
상기 수퍼차저(76)는 상기 전동식 컴프레서를 작동시켜 재순환 가스 또는 흡기 라인(20)의 공기 가운데 어느 하나 이상을 흡입하여 가압할 수 있다. 이로 인해 상기 수퍼차저(76)의 전단의 압력이 후단의 압력보다 커지거나, 후단의 압력이 전단의 압력보다 커질 수 있다. 상기 후단이란 수퍼차저(76)의 양단 중 제3 지점(77)과 인접한 일단과 그 인근을 말하며 상기 전단이란 수퍼차저(76)의 양단 중 제2 지점(69)과 인접한 타단과 그 인근을 말한다.
이를 상세히 설명하면, 상기 수퍼차저(76)는 상기 제2 재순환 라인(63)을 흐르는 재순환 가스 또는 흡기 라인(20)을 흐르는 공기를 흡입하여 상기 수퍼차저(76) 전단 또는 후단을 가압할 수 있다.
상기 흡기 라인(20)을 흐르는 공기란 상기 에어클리너(21)와 제4 지점(28)사이의 흡기 라인(20)을 흐르는 공기일 수 있다. 이때, 상기 재순환 가스 또는 상기 공기는 상기 수퍼차저(76) 전단으로 흡입되고 이에 따라 상기 수퍼차저(76) 후단이 가압될 수 있다. 따라서, 상기 수퍼차저(76)의 후단의 압력은 상기 수퍼차저(76)의 전단의 압력보다 커질 수 있다. 상기와 같이 수퍼차저(76)가 상기 재순환 가스 또는 상기 공기를 흡입 및 압축하여 상기 수퍼차저(76)의 후단의 압력을 전단의 압력보다 크게 만드는 것을 정방향 작동이라고 한다.
또한, 상기 수퍼차저(76)는 제1 재순환 라인(61)을 흐르는 재순환 가스를 흡입하여 압축할 수 있다. 이 때 상기 재순환 가스는 상기 수퍼차저(76)의 후단으로 흡입되고 이에 따라 상기 수퍼차저(76) 전단이 가압할 수 있다. 따라서 상기 수퍼차저(76)의 전단의 압력은 상기 후단의 압력보다 커질 수 있다. 상기와 같이 수퍼차저(76)가 상기 재순환 가스를 흡입 및 가압하여 상기 수퍼차저(76)의 전단의 압력을 후단의 압력보다 크게 만드는 것을 역방향 작동이라고 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 시스템은 엔진 속도 측정부(80), 차압 센서(90) 및 제어기(100)를 더 포함할 수 있다.
상기 엔진 속도 측정부(80)는 엔진(10)의 속도와 부하를 측정하여 제어기(100)에 송신할 수 있다.
상기 차압 센서(90)는 흡기 라인(20) 상류를 흐르는 공기의 압력과 제1 재순환 라인(61)의 압력의 차압을 측정하여 제어기(100)에 송신할 수 있다.
여기에서 상기 흡기 라인(20)의 상류는 에어 클리너(21)와 제4 지점(28)사이의 흡기 라인(20)일 수 있다.
상기 제어기(100)는 상기 엔진 속도 측정부(80)로부터 엔진(10)의 속도와 부하를 수신하고 상기 차압 센서(90)로부터 상기 차압을 수신한다.
상기 제어기(100)는 엔진 속도 측정부(80)로부터 수신한 엔진(10)의 속도와 부하를 기초로 상기 엔진(10)의 운전 영역을 판단할 수 있다.
상기 운전 영역은 엔진 시스템의 설계 의도에 따라 통상의 기술자가 임의로 설정할 수 있다. 예를 들면 상기 운전 영역은 저속 저부하 영역, 저속 중부하 영역, 저속 고부하 영역, 중속 저부하 영역, 중속 중부하 영역, 중속 고부하 영역, 고속 저부하 영역, 고속 중부하 영역 및 고속 고부하 영역으로 설정될 수 있으나 이에 한정하지 아니한다.
상기 제어기(100)는 상기 엔진(10)의 운전 영역 및 상기 차압을 기초로 흡기 밸브(27), EGR 밸브(67), 수퍼차저 밸브(75) 및 수퍼차저(76)를 제어할 수 있다. 또한 상기 제어기(100)는 터보차저(23)를 제어할 수 있다.
상기 제어기(100)는 설정된 프로그램에 의하여 작동하는 하나 이상의 프로세서로 구비될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 시스템 제어의 각 단계를 수행하도록 되어 있다.
이하에서는, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 시스템의 동작을 엔진의 작동영역에 따라 상세히 설명하기로 한다.
또한 이하에서, 공기는 에어클리너(21)를 통해 흡기 라인(20)으로 유입되는 외기, 재순환 가스 가운데 어느 하나 이상일 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템의 개념도로서, 엔진이 저속 고부하 영역 및 과도 응답 구간에서의 엔진 시스템의 공기의 흐름을 나타낸 도면이다.
제어기(100)가 엔진(10)이 저속 고부하 영역 및 과도 응답 구간에서 작동한다고 판단한 경우, 상기 제어기(100)는 상기 흡기 밸브(27)를 닫아 제4 지점(28)과 제5 지점(29) 사이의 흡기 라인(20)을 차단할 수 있다. 이로인해 흡기 라인(20)으로 유입되는 외기가 수퍼차저(76)를 통과할 수 있다.
상기 제어기(100)는 상기 EGR 밸브(67)를 열어 제2 재순환 라인(63)을 개방할 수 있다.
상기 제어기(100)는 상기 수퍼차저 밸브(75)를 통해 상기 제2 수퍼차저 라인(72) 및 제4 수퍼차저 라인(74)을 연결할 수 있다. 이때 상기 제2 수퍼차저 라인(72)과 상기 제1 수퍼차저 라인(71) 사이의 연결은 차단될 수 있다.
에어클리너(21)를 거쳐 흡기 라인(20)으로 유입된 외기는 제4 지점(28)을 거쳐 제3 수퍼차저 라인(73)으로 흐를 수 있다. 상기 외기는 상기 수퍼차저(76)에 의해 제2 수퍼차저 라인(72)으로 유입될 수 있다. 즉 수퍼차저(76)가 정방향으로 작동돼 상기 외기를 상기 수퍼차저(76)의 전단으로 흡입하고 이에 따라 수수퍼차저(76) 후단이 가압된다. 따라서 상기 수퍼차저(76) 후단의 압력이 전단의 압력보다 커진다. 이후 상기 외기는 제4 수퍼차저 라인(74), 제 5 지점(29) 및 흡기 매니폴드(13)를 거쳐 연소실(11)에 공급될 수 있다. 이 때 연소실(11)에 공급되는 공기의 유량은 제어기(100)가 수퍼차저(76)의 회전수와 가압 정도, 그리고 스로틀 밸브(15)의 개도량을 제어함으로써 조절될 수 있다. 상기와 같은 방식으로 연소실(11)에 외기를 공급함으로써 터보차저(24)의 컴프레서를 통한 가압이 충분하지 않은 저속 고부하 및 과도 응답 구간에서 엔진의 토크를 증가할 수 있다.
이 때, 배기 라인(30)에서 제1 재순환 라인(61)으로 유입되는 재순환 가스는 EGR쿨러(65)에 의해 냉각된 후 제2 재순환 라인(63)으로 흐를 수 있다. 상기 재순환 가스는 상기 수퍼차저(76)에 의해 제2 수퍼차저 라인(72)으로 유입될 수 있다. 즉 수퍼차저(76)를 정방향으로 작동하여 외기와 재순환 가스를 상기 수퍼차저(76)의 후단에서 흡입하여 상기 수퍼차저(76) 전단을 가압할 수 있다. 따라서 상기 수퍼차저(76) 전단의 압력은 후단의 압력보다 커진다. 이후, 상기 재순환 가스는 외기와 함께 제4 수퍼차저 라인(74), 제 5 지점(29) 및 흡기 매니폴드(13)를 거쳐 연소실(11)에 공급될 수 있다. 이 때 연소실(11)에 공급되는 공기의 유량은 제어기(100)가 스로틀 밸브(15)의 개도량을 제어함으로써 조절될 수 있다.
이를 통해 연소실(11) 내부에서 혼합기의 반응성이 커질 수 있고 또한 노킹 발생이 억제될 수 있어, 엔진(10)의 연비가 향상될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템의 개념도로서, 엔진이 저속 중부하 영역에서의 엔진 시스템의 공기의 흐름을 나타낸 도면이다.
제어기(100)가 엔진(10)이 저속 중부하 영역에서 작동한다고 판단한 경우, 상기 제어기(100)는 상기 흡기 밸브(27)를 열어 제4 지점(28)과 제5 지점(29) 사이의 흡기 라인(20)을 개방할 수 있다. 상기 제어기(100)는 EGR 밸브(65)를 열어 제2 재순환 라인(63)을 개방할 수 있다. 상기 제어기(100)는 상기 수퍼차저 밸브(75)를 통해 제1 수퍼차저 라인(71)과 제2 수퍼차저 라인(72) 및 제4 수퍼차저 라인(74)의 연결을 차단할 수 있다.
부하 조건에 따라, 상기 제어기(100)는 상기 수퍼차저(76)를 작동시키지 않을 수 있다. 상기 부하 조건은 통상의 기술자가 선정하는 임의의 조건이다.
이 때, 에어 클리너(21)를 거쳐 흡기 라인(20)으로 유입된 신기는 제4 지점(28), 제5 지점(29) 및 흡기 매니폴드(13)를 거쳐 연소실(11)에 공급될 수 있다. 이 때 연소실(11)에 공급되는 공기의 유량은 제어기(100)가 스로틀 밸브(15)의 개도량을 제어함으로써 조절될 수 있다. 배기 라인(30)에서 제1 재순환 라인(61)으로 유입되는 재순환 가스는 EGR 쿨러(65)에 의해 냉각된 후 제2 재순환 라인(63)으로 흐를 수 있다. 상기 재순환 가스는 제3 수퍼차저 라인(73)을 거쳐 제4 지점(28)으로 흐를 수 있다. 이후 상기 재순환 가스는 신기와 함께 제5 지점(29) 및 흡기 매니폴드(13)를 거쳐 연소실(11)에 공급될 수 있다. 이 때 연소실(11)에 공급되는 공기의 유량은 제어기(100)가 스로틀 밸브(15)의 개도량을 제어함으로써 조절될 수 있다. 이를 통해 연소실(11) 내부의 혼합기의 반응성이 좋아질 수 있고, 노킹 발생이 억제되어 엔진(11)의 연비가 향상될 수 있다.
도 5 본 발명의 실시예에 따른 엔진 제어 시스템의 개념도로서, 엔진이 저속 저부하 영역에서의 엔진 시스템의 공기의 흐름을 나타낸 도면이다.
제어기(100)가 엔진(10)이 저속 저부하 영역에서 작동한다고 판단한 경우, 상기 제어기(100)는 상기 흡기 밸브(27)를 열어 제4 지점(28)과 제5 지점(29) 사이의 흡기 라인(20)을 개방할 수 있다. 상기 제어기(100)는 EGR 밸브(65)를 닫아 제2 재순환 라인(63)을 폐쇄할 수 있다.
상기 제어기(100)는 수퍼차저 밸브(75)를 통해 제1 수퍼차저 라인(71)과 제2 수퍼차저 라인(72)을 연결하고 제2 수퍼차저 라인(72)과 제4 수퍼차저 라인(74)의 연결 및 제1 수퍼차저 라인(71)과 제4 수퍼차저 라인(74)의 연결을 차단할 수 있다.
또한 상기 차압 센서(90)에서 측정한 차압이 기설정값 이하인 경우, 상기 제어기(100)는 상기 수퍼차저(76)를 역방향으로 작동시킬 수 있다. 상기 기설정값은 통상의 기술자가 선정하는 임의의 값이다.
배기라인(30)에서 제1 재순환 라인(61)으로 유입되는 재순환 가스는 EGR 쿨러(65)에 의해 냉각된 후 수퍼차저(76)에 의해 제2 수퍼차저 라인(72)으로 유입될 수 있다. 즉 상기 수퍼차저(76)가 역방향으로 작동돼 상기 재순환 가스를 상기 수퍼차저(76)의 후단에서 흡입하여 가압하여 전단으로 공급할 수 있다. 이후 상기 재순환 가스는 제3 수퍼차저 라인(73), 제4 지점(28), 제5 지점(29) 및 흡기 매니 폴드(13)를 거쳐 연소실(11)에 공급될 수 있다. 상기 재순환 가스의 양은 상기 제어기(100)가 수퍼차저 밸브(75)의 개도량 및 수퍼차저(76)의 속도를 제어함으로써 조절될 수 있다.
이때, 에어 클리너(21)를 거쳐 흡기 라인(20)으로 유입된 외기는 제4 지점(28), 제5 지점(29) 및 흡기 매니폴드(13)를 거쳐 연소실(11)에 공급될 수 있다. 연소실(11)에 공급되는 공기의 유량은 제어기(100)가 스로틀 밸브(15)의 개도량을 제어함으로써 조절될 수 있다.
엔진(10)이 저속 저부하 영역에서 동작하는 경우 재순환 가스의 압력이 흡기 라인(20)을 흐르는 공기보다 압력보다 낮아 재순환 가스의 순환이 잘 이루어 지지 않을 수 있다. 따라서 상기와 같이 수퍼차저(76)를 구동시켜 재순환 가스를 연소실에 공급함으로써 엔진(10)의 연비가 향상될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 엔진 시스템의 개념도로서, 엔진이 고속 중부하 또는 고속 고부하 영역에서 엔진 시스템의 공기의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 6를 참조하면, 제어기(100)가 엔진(10)이 고속 중부하 영역 또는 고속 고부하 영역에서 작동한다고 판단한 경우, 상기 제어기(100)는 상기 흡기 밸브(27)를 열어 제4 지점(28)과 제5 지점(29) 사이의 흡기 라인(20)을 개방할 수 있다.
상기 제어기(100)는 EGR 밸브(65)를 제2 재순환 라인(63)을 폐쇄할 수 있다.
상기 제어기(100)는 상기 수퍼차저 밸브(75)를 통해 제1 수퍼차저 라인(71)과 제2 수퍼차저 라인(72)을 연결하고 제2 수퍼차저 라인(72)과 제4 수퍼차저 라인(74)의 연결 및 제1 수퍼차저 라인(71)과 제4 수퍼차저 라인(74)의 연결을 차단할 수 있다.
또한 상기 제어기(100)는 상기 수퍼차저(76)를 정방향으로 작동시킬 수 있다.
에어 클리너(21)를 거쳐 흡기 라인(20)으로 유입된 외기의 일부는 상기 수퍼차저(76)에 의해 제3 수퍼차저 라인(73)을 거쳐 제2 수퍼차저 라인(72)으로유입될 수 있다. 즉 상기 수퍼차저(76)가 정방향으로 작동돼 상기 신기의 일부를 상기 수퍼차저(76) 전단에서 흡입하여 가압하고 후단으로 공급할 수 있다. 상기 외기의 일부는 제1 수퍼차저 라인(71) 및 제1 재순환 라인(61) 및 배기 라인(30)을 거쳐 UCC(43)로 공급될 수 있다.
이 때, 상기 외기의 나머지 일부는 제4 지점(28), 제5 지점(29) 및 흡기 매니폴드(13)를 거쳐 연소실(11)에 공급될 수 있다. 이 때 연소실(11)에 공급되는 공기의 유량은 제어기(100)가 스로틀 밸브(15)의 개도량과 컴프레셔(22)의 속도를 제어함으로써 조절될 수 있다.
전술한 바와 같이 엔진(10)이 고속 고부하 영역 또는 중속 고부하 영역에서 동작하여 상기 엔진(10)에서 배출되는 배기가스의 공연비가 농후할 때, 상기 불완전화합물을 정화하기 위한 산소의 양이 부족할 수 있다.
상기와 같이 흡기 라인(20)의 공기 일부를 UCC(43)로 공급함으로써 농후 공연비의 배기가스가 이론 공연비에 가까워 질 수 있다. 따라서 UCC(43)의 삼원 촉매 장치에 상기 불완전 연소 생성물을 산화 시키기에 충분한 산소가 공급된다 따라서 상기 UCC(43)가 상기 배기 가스를 무해한 성분으로 전환하여 차량 외부로 배출할 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
10: 엔진 11: 연소실
13: 흡기 매니폴드 15: 스로틀 밸브
17: 배기 매니폴드 20: 흡기 라인
21: 에어클리너 22: 컴프레셔
23: 터보차저 24: 터빈
25: 인터쿨러 27: 흡기 밸브
30: 배기 라인 40: 배기가스 정화 장치
50: 공기 제어 장치 60: 배기가스 재순환 장치
61: 제1 재순환 라인 63: 제2 재순환 라인
65: EGR 쿨러 67: EGR 밸브
70: 수퍼차저 장치 71: 제1 수퍼차저 라인
72: 제2 수퍼차저 라인 73: 제3 수퍼차저 라인
74: 제4 수퍼차저 라인 75: 수퍼차저 밸브
76: 수퍼차저 80: 엔진 속도 측정부
90: 차압 센서 100: 제어기

Claims (12)

  1. 연료와 공기의 혼합기의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 적어도 하나의 연소실을 포함하는 엔진;
    상기 연소실에 공기를 공급하도록 되어 있는 흡기 라인;
    상기 엔진에 연결되어 배기가스가 흘러가는 배기 라인;
    상기 배기 라인에 구비되는 터빈과, 상기 터빈에 연결되어 있으며 흡기 라인에 구비되는 컴프레서를 포함하는 터보차저;
    상기 터빈의 하류 배기 라인에서 분기되는 제1 재순환 라인;
    제1 지점에서 제1 재순환 라인으로부터 분기되는 제2 재순환 라인;
    상기 제1 지점에서 제1 재순환 라인으로부터 분기되는 제1 수퍼차저 라인;
    제2 지점에서 상기 제2 재순환 라인과 합류하고 제3 지점에서 상기 제1 수퍼차저 라인으로부터 분기되는 제2 수퍼차저 라인
    상기 제 2 지점에서 제2 수퍼차저 라인으로부터 분기하여 흡기 라인의 제 4 지점에 연결되는 제3 수퍼차저 라인;
    상기 제3 지점에서 상기 제1 수퍼차저 라인으로부터 분기되어 흡기 라인의 제5 지점에 연결되는 제4 수퍼차저 라인;
    상기 제4 지점과 제5 지점 사이의 상기 흡기 라인에 구비되는 흡기 밸브;
    상기 제2 재순환 라인에 설치되는 EGR 밸브;
    상기 제3 지점에 설치되는 수퍼차저 밸브; 및
    상기 제2 수퍼차저 라인에 설치되는 수퍼차저;
    를 포함하는 엔진 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엔진의 속도와 부하를 측정하는 엔진 속도 측정부;
    상기 제1 재순환 라인의 압력과 상기 흡기 라인의 압력 사이의 차압을 측정하는 차압 센서; 및
    상기 속도, 부하 및 차압에 기초하여 상기 흡기 밸브, EGR 밸브, 수퍼차저 밸브 및 수퍼차저를 제어하는 제어기;
    를 더 포함하는 엔진 시스템.
  3. 제2항에 있어서
    상기 제어기는 상기 흡기 밸브를 닫고, 상기 EGR 밸브를 열며, 상기 수퍼차저 밸브를 통하여 상기 제2 수퍼차저 라인을 상기 제4 수퍼차저 라인에 연결하고, 상기 수퍼차저를 정방향으로 작동시켜
    상기 배기 라인을 흐르는 배기가스의 일부를 상기 제1 재순환 라인, 상기제2 재순환 라인, 상기 제2 수퍼차저 라인, 상기 제4 수퍼차저 라인 및 상기 제5 지점을 거쳐 상기 연소실로 공급하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 흡기 라인을 흐르는 공기는 상기 제4 지점, 상기 제3 수퍼차저 라인, 상기 제2 수퍼차저 라인, 상기 제4 수퍼차저 라인 및 상기 제5 지점을 거쳐 연소실로 공급되는 엔진 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 흡기 밸브를 열고, 상기 EGR 밸브를 열며, 상기 수퍼차저 밸브를 통해 상기 제 1 수퍼차저 라인과 제2 수퍼차저 라인의 연결을 차단하여
    상기 배기 라인을 흐르는 배기가스의 일부를 상기 제1 재순환 라인, 제2 재순환 라인, 제3 수퍼차저 라인, 제4 지점 및 제5 지점을 거쳐 상기 연소실로 공급하는 엔진 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 흡기 라인의 공기는 상기 제4 지점 및 상기 제5 지점을 거쳐 상기 연소실로 공급되는 엔진 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 흡기 밸브를 열고, 상기 EGR 밸브를 닫으며, 상기 수퍼차저 밸브를 통해 상기 제1 수퍼차저 라인과 상기 제2 수퍼차저 라인을 연결하고, 상기 수퍼차저를 역방향으로 작동 시켜
    상기 배기 라인을 흐르는 배기가스의 일부를 상기 제1 재순환 라인, 상기 제1 수퍼차저 라인, 상기 제2 수퍼차저 라인, 상기 제3 수퍼차저 라인, 제4 지점 및 제5 지점을 거쳐 상기 연소실에 공급하는 엔진 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 흡기 라인의 공기는 상기 제4 지점 및 상기 제5 지점을 거쳐 상기 연소실로 공급 되는 엔진 시스템.
  9. 연료와 공기의 혼합기의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 적어도 하나의 연소실을 포함하는 엔진;
    상기 연소실에 공기를 공급하도록 되어 있는 흡기 라인;
    상기 엔진에 연결되어 배기가스가 흘러가는 배기 라인;
    상기 배기 라인에 구비되는 터빈과, 상기 터빈에 연결되어 있으며 흡기 라인에 구비되는 컴프레서를 포함하는 터보차저;
    상기 터빈의 하류 배기 라인에 구비되는 WCC;
    상기 WCC의 하류 배기 라인에 구비되는 UCC;
    상기 WCC 및 상기 UCC 사이의 배기 라인에서 분기되는 제1 재순환 라인;
    제1 지점에서 제1 재순환 라인으로부터 분기되는 제1 수퍼차저 라인;
    제3 지점에서 상기 제1 수퍼차저 라인으로부터 분기되는 제2 수퍼차저 라인
    제2 지점에서 제2 수퍼차저 라인으로부터 분기하여 흡기 라인의 제4 지점에 연결되는 제3 수퍼차저 라인;
    상기 제3 지점에서 상기 제1 수퍼차저 라인으로부터 분기되어 흡기 라인의 제5 지점에 연결되는 제4 수퍼차저 라인;
    상기 제4 지점과 제5 지점 사이의 상기 흡기 라인에 구비되는 흡기 밸브;
    상기 제2 지점에 설치되는 EGR 밸브;
    상기 제3 지점에 설치되는 수퍼차저 밸브; 및
    상기 제2 수퍼차저 라인에 설치되는 수퍼차저;
    를 포함하는 엔진 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    엔진의 속도와 부하를 측정하는 엔진 속도 측정부;
    상기 제1 재순환 라인의 압력과 상기 흡기 라인의 압력 사이의 차압을 측정하는 차압 센서; 및
    상기 속도, 부하 및 차압에 기초하여 상기 흡기 밸브, 상기 수퍼차저 밸브, 상기 EGR 밸브 및 상기 수퍼차저를 제어하는 제어기;
    를 더 포함하는 엔진 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 흡기 밸브를 열고, 상기 EGR 밸브를 닫으며, 상기 수퍼차저 밸브를 통해 상기 제1 수퍼차저 라인과 상기 제2 수퍼차저 라인을 연결하고, 상기 수퍼차저를 정방향으로 작동시켜
    상기 흡기 라인의 공기 일부를 상기 제4 지점, 상기 제3 수퍼차저 라인, 상기 제2 수퍼차저 라인, 상기 제 1 수퍼차저 라인, 상기 제1 재순환 라인 및 상기 배기 라인을 거쳐 상기 UCC에 공급하는 엔진 시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 흡기 라인의 공기의 나머지 일부는 상기 제4 지점 및 상기 제5 지점을 거쳐 상기 연소실로 공급 되는 엔진 시스템.
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