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KR20080098843A - 차량의 배기가스 재순환 시스템 - Google Patents

차량의 배기가스 재순환 시스템 Download PDF

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KR20080098843A
KR20080098843A KR1020070044198A KR20070044198A KR20080098843A KR 20080098843 A KR20080098843 A KR 20080098843A KR 1020070044198 A KR1020070044198 A KR 1020070044198A KR 20070044198 A KR20070044198 A KR 20070044198A KR 20080098843 A KR20080098843 A KR 20080098843A
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recirculation
exhaust gas
gas passage
exhaust
cylinder
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KR1020070044198A
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Inventor
손영민
김우태
이춘우
김명호
서인기
이승우
이성욱
김진홍
황용연
Original Assignee
현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 실린더 블록 내부에 재순환 가스 통로를 형성하여 실린더 블록 내에 형성된 워터자켓에서 흐르고 있는 냉각수에 의하여 재순환 배기 가스를 냉각하는 차량의 배기가스 재순환 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 냉각수가 흐르는 워터 자켓(water jacket)이 형성된 실린더 블록; 상기 실린더 블록에 결합되며, 실린더의 흡기구에 연결된 흡기 매니폴드 러너(intake manifold runner)와 실린더의 배기구에 연결된 배기 매니폴드 러너(exhaust manifold runner)가 형성되어 있는 실린더 헤드; 상기 실린더 블록 내에 형성되어 있으며 상기 배기 매니폴드 러너에 연결되어 재순환되는 배기가스를 공급 받는 제1재순환 가스 통로; 상기 실린더 헤드 내에 형성되어 있으며 일단은 상기 제1재순환 가스 통로에 연결되고 타단은 상기 흡기 매니폴드 러너에 연결되어 있는 제2재순환 가스 통로; 상기 재2재순환 가스 통로에 장착되어 있으며 상기 흡기 매니폴드 러너에 재순환 배기가스의 공급을 조절하는 재순환 밸브; 그리고 상기 재순환 밸브의 개폐를 조절하는 엔진 제어 유닛;을 포함할 수 있다.
배기가스 재순환 시스템(EGR system), 배기가스 자기진단 장치(OBD)

Description

차량의 배기가스 재순환 시스템{EXHAUST GAS RECIRCULATION SYSTEM OF VEHICLE}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 배기가스 재순환 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 배기가스 재순환 시스템이 장착된 엔진의 평면 투시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 배기가스 재순환 시스템에서 차량의 운행조건에 따른 재순환 밸브의 작동을 보인 개략도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 엔진 20: 실린더 헤드
30: 실린더 블록 40: 촉매 컨버터
50: 제1재순환 가스 통로 60: 제2재순환 가스 통로
70: 재순환 밸브 80: 흡기 매니폴드 러너
90: 배기 매니폴드 러너 100: 배기 파이프
110: 온도 검출기 120: 흡기구
130: 배기구 140: 실린더
150: 워터 자켓 160: 격벽
170: 엔진 제어 유닛
본 발명은 차량의 배기가스 재순환 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 실린더 블록 내부에 재순환 가스 통로를 형성하여 실린더 블록 내에 형성된 워터자켓에서 흐르고 있는 냉각수에 의하여 재순환 배기 가스를 냉각하고, 엔진 부하에 따라 재순환 배기 가스의 양을 조절하여 혼합기에 공급하는 재순환 밸브가 설치된 차량의 배기가스 재순환 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. 근래에는 온간 배기가스 재순환 시스템과 냉간 배기가스 재순환 시스템을 혼용하여, 저부하에서는 온간 배기가스 재순환 시스템을 사용하고 중부하 이상에서는 냉간 배기가스 재순환 시스템을 사용하고 있다.
그런데, 냉간 배기가스 재순환 시스템은 재순환된 배기가스를 냉각시키기 위한 냉각기를 포함한다. 이러한 냉각기는 부피가 크고 무거우며 엔진의 제작 단가가 높아지게 하였다.
또한, 종래의 배기가스 재순환 시스템에서 배기가스 재순환 밸브(exhaust gas recirculation valve; EGR valve)는 재순환되는 배기가스의 양을 엔진의 구동조건에 맞추어 조절하기가 힘든 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 냉각수가 흐르는 워터 자켓이 형성된 실린더 내에 재순환 가스 통로를 형성하여 재순환 배기가스를 냉각하도록 하는 차량의 배기가스 재순환 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 엔진의 구동상태에 따라 재순환되는 배기가스의 양을 조절하여 혼합기에 공급하는 차량의 배기가스 재순환 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 차량의 배기가스 재순환 시스템은 냉각수가 흐르는 워터 자켓(water jacket)이 형성된 실린더 블록; 상기 실린더 블록에 결합되며, 실린더의 흡기구에 연결된 흡기 매니폴드 러너(intake manifold runner)와 실린더의 배기구에 연결된 배기 매니폴드 러너(exhaust manifold runner)가 형성되어 있는 실린더 헤드; 상기 실린더 블록 내에 형성되어 있으며 상기 배기 매니폴드 러너에 연결되어 재순환되는 배기가스를 공급 받는 제1재순환 가스 통로; 상기 실린더 헤드 내에 형성되어 있으며 일단은 상기 제1재순환 가스 통로에 연결되고 타단은 상기 흡기 매니폴드 러너에 연결되어 있는 제2재순환 가스 통로; 상기 재2재순환 가스 통로에 장착되어 있으며 상기 흡기 매니폴드 러너에 재순환 배기가스의 공급을 조절하는 재순환 밸브; 그리고 상기 재순환 밸브의 개폐를 조절하는 엔진 제어 유닛;을 포함할 수 있다.
상기 제1재순환 가스 통로는 상기 워터 자켓 주위에 형성되어 있을 수 있다.
상기 배기 매니폴드 러너와 상기 제1재순환 가스 통로 사이에는 배기가스 내의 유해한 가스를 제거하는 촉매 컨버터(catalytic converter)가 장착되어 있을 수 있다.
상기 제2재순환 가스 통로에는 재순환된 배기 가스의 온도를 검출하는 온도 검출기가 장착되어 있을 수 있다.
상기 제2재순환 가스 통로는 길이방향으로 형성된 격벽에 의하여 제1,2통로 로 나뉘어져 있을 수 있다.
상기 재순환 밸브는 차량의 운행조건에 따라 상기 제1,2통로를 개폐시킬 수있다.
상기 재순환 밸브는 고부하 영역에서는 상기 제1,2통로를 모두 개통시킬 수있다.
상기 재순환 밸브는 저부하 영역에서는 상기 제2통로만을 개통시킬 수 있다.
상기 재순환 밸브는 솔레노이드 밸브일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 배기가스 재순환 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 배기가스 재순환 시스템이 장착된 엔진의 평면 투시도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 차량의 배기가스 재순환 시스템은 엔진(10), 촉매 컨버터(40), 엔진 제어 유닛(engine control unit; ECU)(170)을 포함한다.
엔진(10)은 실린더 헤드(20)와 실린더 블록(30)을 포함하며, 상기 실린더 헤드(20)와 실린더 블록(30) 내부에는 적어도 하나 이상의 실린더(140)가 형성되어 있다.
실린더 블록(30) 내부에는 상기 실린더(40) 주위로 워터 자켓(150)이 형성되어 냉각수가 상기 워터 자켓(150)을 통하여 흐르며 실린더(40)를 냉각한다.
상기 실린더 헤드(20)에는 상기 실린더(40)의 상부로 흡기 매니폴드와 배기 매니폴드가 장착되어 있다. 상기 흡기 매니폴드에는 적어도 하나 이상의 흡기 매니폴드 러너(intake manifold runner)(80)와 흡기구(120)가 형성되어 있으며, 상기 배기 매니폴드에는 적어도 하나 이상의 배기 매니폴드 러너(exhaust manifold runner)(90)와 배기구(130)가 형성되어 있다. 따라서, 상기 흡기 매니폴드 러너(80)와 흡기구(120)를 통해 실린더(40) 내부로 들어온 혼합기는 연소하며 차량의 동력을 생성한다. 연소 후 생성된 배기가스는 배기구(130)와 배기 매니폴드 러너(90)를 통하여 배기 파이프(100)로 배출된다.
촉매 컨버터(catalytic converter)(40)는 상기 배기 파이프(100)에 연결되어 배기가스를 공급받아 배기가스에 포함된 유해한 성분을 제거한 후 차량 외부로 배출한다. 이 경우, 유해성분이 제거된 배기가스의 일부는 혼합기에 혼합되어 실린더(40)로 공급된다.
엔진 제어 유닛(170)은 설정된 프로그램에 의해 동작하는 하나 이상의 프로세서로 구현될 수 있다. 엔진 제어 유닛(170)은 연료 분사 시기, 점화시기, 혼합비, 재순환 밸브의 개폐를 제어한다.
본 발명의 실시예에 따른 차량의 배기가스 재순환 시스템에서, 촉매 컨버터(40)는 제1,2재순환 가스 통로(50, 60)를 통하여 상기 흡기 매니폴더 러너(80)에 연결된다.
제1재순환 가스 통로(50)는 실린더 블록(30) 내의 워터 자켓(150) 주위에 형성된다. 따라서, 워터 자켓(150)을 통하여 흐르는 냉각수에 의하여 재순환된 배기 가스가 냉각된다. 이러한 제1재순환 가스 통로(50)의 형상은 당업자가 바람직하다고 판단되는 형상으로 할 수 있다.
제2재순환 가스 통로(60)는 상기 실린더 헤드(20) 내에 형성되어 있다. 상기 제2재순환 가스 통로(60)의 일단은 상기 제1재순환 가스 통로(50)에 연결되며, 타단은 상기 흡기 매니폴드 러너(80)에 연결된다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제2재순환 가스 통로(60)는 길이방향으로 형성된 격벽(160)에 의하여 제1,2통로(60a, 60b)로 나뉘어져 있다. 상기 제2재순환 가스 통로(60)에는 재순환 밸브(70)와 온도 검출기(110)가 장착되어 있다.
재순환 밸브(70)는 상기 엔진 제어 유닛(170)의 전기 신호에 의하여 재순환 배기 가스의 공급을 조절한다. 상기 재순환 밸브(70)는 차량의 운행조건에 따라 상기 제1,2통로(60a, 60b)를 개폐한다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 차량이 고부하 영역에서 운행중인 경우에는 재순환 밸브(70)는 제1,2통로(60a, 60b)를 모두 개통하고, 차량이 저부하 영역에서 운행중인 경우에는 재순환 밸브(70)는 제2통로(60b)만을 개통한다. 따라서, 차량의 운행조건에 따라 재순환되는 배기가스의 양이 조절된다. 이러한 재순환 밸브(70)는 솔레노이드 밸브일 수 있으며, 엔진 제어 유닛(170)은 상기 솔레노이드 밸브에 인가되는 전류의 양을 조절함으로써 제2재순환 가스 통로(60)의 개폐 정도를 조절할 수 있다.
온도 검출기(110)는 재순환 된 배기가스의 온도를 검출한다. 상기와 같이 검출된 배기가스의 온도 정보는 엔진 제어 유닛(170)에 전달되어 배기가스 자기 진단 장치(on board diagnostic; OBD)에 제공되게 된다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 차량의 배기가스 재순환 시스템의 작동을 상세히 설명한다.
연료의 연소 과정에서 발생한 배기가스는 배기 파이프(100)를 통해 촉매 컨버터(40)로 유입된다. 촉매 컨버터(40)에서는 배기가스에 포함된 일산화탄소, 질소 산화물, 탄소, 탄화수소 등의 유해성분을 제거하여 차량의 외부로 배출한다. 이 경우 유해성분이 제거된 배기가스 중 일부는 제1,2재순환 가스 통로(50, 60)를 통하여 흡기 매니폴드 러너(80)에 유입된다. 이 때, 제1재순환 가스 통로(50)는 워터 자켓(150) 주위에 형성되어 있으므로 워터 자켓(150)을 흐르는 냉각수에 의해 재순환된 배기가스가 냉각되게 된다. 또한, 제2재순환 가스 통로(60)는 실린더 헤드(20)에 형성되어 있으며 재순환된 배기가스는 상기 제2재순환 가스 통로(60)를 지나가며 대기 중으로 열을 빼앗기게 된다. 즉, 재순환된 배기가스는 실린더 블록(30) 내부에서는 수냉식으로 냉각되고, 실린더 헤드(20) 내부에서는 공냉식으로 냉각되게 된다.
또한, 제2재순환 가스 통로(60)는 격벽(160)에 의하여 제1,2통로(60a, 60b)로 나뉘어져 있으며, 재순환 밸브(70)는 상기 제1,2통로(60a, 60b)의 개폐를 조절한다. 즉, 차량이 고부하 조건에서 운행하여 재순환 배기가스가 많이 필요한 경우에는 엔진 제어 유닛(170)은 재순환 밸브(70)에 높은 전류를 인가하여 제1,2통로(60a, 60b)를 모두 개통하도록 한다. 이와 대조적으로, 차량이 저부하 조건에서 운행하여 재순환 배기가스가 적게 필요한 경우에는 엔진 제어 유닛(170)은 재순환 밸브(70)에 낮은 전류를 인가하여 제2통로(60b)만을 개통하도록 한다. 차량의 운행 조건에 따라 재순환 밸브에 인가되는 전류의 양은 설계사항에 해당하는 것으로, 당업자라면 누구든지 쉽게 정할 수 있다. 따라서, 상세한 설명은 생략한다.
그 후, 재순환된 배기가스는 혼합기와 혼합되고 흡입구(120)를 통해 각 실린더(140)에 공급된다.
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.
본 발명에 의하면 재순환 가스 통로를 실린더 블록에 형성하여 워터 자켓을 흐르는 냉각수에 의해 재순환 배기 가스를 냉각시키므로 별도의 냉각장치가 필요 없어 제작원가가 절감된다.
또한, 차량의 운행 조건에 따라 재순환되는 배기가스의 양을 조절할 수 있으므로 연비가 향상된다.
마지막으로, 배기가스 내의 질소산화물을 줄일 수 있다.

Claims (9)

  1. 냉각수가 흐르는 워터 자켓(water jacket)이 형성된 실린더 블록;
    상기 실린더 블록에 결합되며, 실린더의 흡기구에 연결된 흡기 매니폴드 러너(intake manifold runner)와 실린더의 배기구에 연결된 배기 매니폴드 러너(exhaust manifold runner)가 형성되어 있는 실린더 헤드;
    상기 실린더 블록 내에 형성되어 있으며 상기 배기 매니폴드 러너에 연결되어 재순환되는 배기가스를 공급 받는 제1재순환 가스 통로;
    상기 실린더 헤드 내에 형성되어 있으며 일단은 상기 제1재순환 가스 통로에 연결되고 타단은 상기 흡기 매니폴드 러너에 연결되어 있는 제2재순환 가스 통로;
    상기 재2재순환 가스 통로에 장착되어 있으며 상기 흡기 매니폴드 러너에 재순환 배기가스의 공급을 조절하는 재순환 밸브; 그리고
    상기 재순환 밸브의 개폐를 조절하는 엔진 제어 유닛;
    을 포함하는 차량의 배기가스 재순환 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1재순환 가스 통로는 상기 워터 자켓 주위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 차량의 배기가스 재순환 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 배기 매니폴드 러너와 상기 제1재순환 가스 통로 사이에는 배기가스 내의 유해한 가스를 제거하는 촉매 컨버터(catalytic converter)가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 차량의 배기가스 재순환 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제2재순환 가스 통로에는 재순환된 배기 가스의 온도를 검출하는 온도 검출기가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 차량의 배기가스 재순환 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제2재순환 가스 통로는 길이방향으로 형성된 격벽에 의하여 제1,2통로로 나뉘어져 있는 것을 특징으로 하는 차량의 배기가스 재순환 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 재순환 밸브는 차량의 운행조건에 따라 상기 제1,2통로를 개폐시키는 것을 특징으로 하는 차량의 배기가스 재순환 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 재순환 밸브는 고부하 영역에서는 상기 제1,2통로를 모두 개통시키는 것을 특징으로 하는 차량의 배기가스 재순환 시스템.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 재순환 밸브는 저부하 영역에서는 상기 제2통로만을 개통시키는 것을 특징으로 하는 차량의 배기가스 재순환 시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 재순환 밸브는 솔레노이드 밸브인 것을 특징으로 하는 차량의 배기가스 재순환 시스템.
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