KR101724909B1 - 자동차용 배기열 회수 및 ｅｇｒ 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자동차용 배기열 회수 및 EGR 제어 시스템에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 배기가스 후처리장치 또는 배기가스 정화장치가 배기가스 정화를 위한 온도까지 상승하는 워밍업이 종료되면, 배기가스 후처리장치 또는 배기가스 정화장치를 통과한 배기가스의 온도가 점차 고온 상태가 됨을 감안하여 안출한 것으로서, 엔진 시동 후 초기에는 워밍업 전인 배기가스 정화장치 후단의 배기가스를 픽업하여 EGR 쿨러쪽으로 재순환시키고, 배기가스 정화장치의 워밍업이 종료되는 시점부터 배기가스 후처리장치의 전단 또는 배기가스 후처리장치의 후단과 배기가스 정화장치의 전단 사이를 흐르는 배기가스를 픽업하여 EGR 쿨러쪽으로 재순환시킬 수 있도록 함으로써, EGR 쿨러의 냉각 효율을 증대시킬 수 있는 자동차용 배기열 회수 및 EGR 제어 장치를 제공한다.

Description

자동차용 배기열 회수 및 ＥＧＲ 제어 시스템{SYSTEM FOR CONTROLLING EXHAUST HEAT RECOVERY AND EGR}
본 발명은 자동차용 배기열 회수 및 EGR 제어 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 EGR 쿨러의 냉각 효율 증대와 더불어 연비 향상 및 겨울철 난방 효과를 얻을 수 있도록 자동차용 배기열 회수 및 EGR 제어 시스템에 관한 것이다.
자동차의 배기가스 배출 규제에 따라 질소산화물 등의 배기가스를 저감시키는 여러 기술이 개발되고 있으며, 그 중 하나의 기술이 배기가스 중의 일부를 엔진의 흡기측으로 재순환시켜 배기가스 속에 포함되어 있는 NOx 등의 배출을 감소시킬 수 있는 배기가스 재순환 장치(EGR, Exhaust Gas Recirculation)를 들 수 있다.
상기 배기가스 재순환 장치는 배기라인을 흐르는 배기가스의 일부를 EGR 밸브를 통하여 흡기 매니폴드쪽으로 인도하여 혼합기와 함께 연소실로 공급함으로써, 연소온도의 상승을 방지하여 NOx와 같은 에미션(Emission)의 발생을 줄여주는 역할을 한다.
이때, 상기 EGR 루트를 통하여 인도된 고온의 배기가스는 연소실로 바로 공급되지 않고, EGR 쿨러에서 냉각수와 열교환되어 그 온도가 낮추어진 상태로 공급되며, 그 이유는 EGR 루트로 공급된 배기가스의 온도가 높으면 연소특성이 악화되어 연비개선에 악영향을 끼치기 때문이다.
또한, 자동차의 배기가스 배출 규제에 따라 배기가스를 저감시키기 위한 또 다른 기술로서, 배기매니폴드에 연결되는 배기관쪽에 배기가스 정화를 위한 삼원촉매장치가 장착되고 있다.
상기 삼원촉매장치는 배기가스 규제치가 점점 더 높아짐을 고려하여, 워밍업이 좀 더 빨리되도록 엔진의 배기매니폴드쪽에 가깝게 장착되는 배기가스 후처리장치(WCC, Warming-up catalytic converter)와, 배기가스 후처리장치 후단부에 장착되는 배기가스 정화장치(UCC, Under-body catalytic converter)를 함께 사용되는 추세에 있다.
한편, 종래에는 상기한 배기가스 재순환장치에서 배기가스 정화장치의 전후단을 흐르는 고온의 배기가스를 픽업하여 EGR 쿨러를 거쳐 연소실쪽으로 공급하였는 바, 배기가스 후처리장치 전단 가스 이용이 배제되어 있어서 배기가스 이용 측면에서 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
상기 배기가스 정화장치 전후단 및 배기가스 후처리장치 전후단의 배기가스를 취출하여 EGR 사용 효율을 높이면 시동직후 및 워밍업 단계, 웜업후 등의 여러단계에서 배기가스의 포텐셜(Potential)을 모두 사용할 수 있으며, 결과적으로 상품성 개선, 연비개선, NOx 생성량 저감 등의 여러가지 이득이 극대화될 수 있다.
본 발명은 배기가스 후처리장치 또는 배기가스 정화장치가 배기가스 정화를 위한 온도까지 상승하는 워밍업이 종료되면, 배기가스 후처리장치 또는 배기가스 정화장치를 통과한 배기가스의 온도가 점차 고온 상태가 됨을 감안하여 안출한 것으로서, 엔진 시동 후 초기에는 워밍업 전인 배기가스 정화장치 후단의 배기가스를 픽업하여 EGR 쿨러쪽으로 재순환시키고, 배기가스 정화장치의 워밍업이 종료되는 시점부터 배기가스 후처리장치의 전단 또는 배기가스 후처리장치의 후단과 배기가스 정화장치의 전단 사이를 흐르는 배기가스를 픽업하여 EGR 쿨러쪽으로 재순환시킬 수 있도록 함으로써, EGR 쿨러의 냉각 효율을 증대시킬 수 있는 자동차용 배기열 회수 및 EGR 제어 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 배기열 회수 및 EGR 제어를 위한 모드를 연비 모드 및 난방 모드로 구분하여, 엔진 시동 초기부터 배기가스 후처리장치 전단의 배기가스를 연비 모드 및 난방 모드에 맞게 픽업하여 사용하고, 급가속 모드시에는 EGR 작동 중지와 함께 배기가스가 배기가스 후처리장치 및 배기가스 정화장치를 차례로 통과하여 정화되도록 함으로써, EGR 쿨러의 냉각 효율 증대와 더불어 연비 향상 및 겨울철 난방 효과를 얻을 수 있도록 한 점에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 엔진 배기매니폴드의 출구에 장착된 배기가스 후처리장치와; 상기 배기가스 후처리장치의 출구로부터 연장된 배기라인에 장착된 배기가스 정화장치와; 내부에 배기가스 정화장치 후단과, 배기가스 후처리장치 전단과, 배기가스 후처리장치 후단을 흐르는 배기가스 중 하나 이상을 픽업하여 가두어둘 수 있는 배기가스 픽업공간이 형성되고, 외측에는 배기가스와의 열교환을 위한 냉각수 흐름 통로가 형성된 구조로 구비되어, 상기 배기가스 후처리장치의 출구측에 장착되는 배기열 회수용 챔버와; 상기 배기열 회수용 챔버의 출구쪽에 개폐 가능하게 장착되어, 배기가스를 일시적으로 가두어두거나 배기가스 정화장치쪽으로 바이패스시키는 바이패스 밸브와; 상기 배기열 회수용 챔버내에 개폐 가능하게 장착되어, 배기가스 픽업공간내의 배기가스를 EGR 쿨러 및 엔진 흡기매니폴드쪽으로 순환시키는 EGR 밸브; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 자동차용 배기열 회수 및 EGR 제어 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 배기열 회수용 챔버의 내벽면에는 냉각수 흐름 통로내의 냉각수와 배기가스 픽업공간내의 배기가스 간의 열교환을 위한 열교환기가 더 장착된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배기가스 정화장치 후단과 배기열 회수용 챔버의 배기가스 픽업공간 간에는 제1개폐밸브를 갖는 제1배기가스 회수라인이 연결된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배기가스 후처리장치 전단과 배기열 회수용 챔버의 배기가스 픽업공간 간에는 제2개폐밸브를 갖는 제2배기가스 회수라인이 연결된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구현예에서, 엔진 시동후 배기가스 정화장치 및 배기가스 후처리장치의 워밍업이 이루어지기 전까지의 일정 시간 동안, 상기 배기가스 정화장치 후단의 배기가스가 배기열 회수용 챔버의 배기가스 픽업공간내로 공급되는 것을 특징으로 한다.
또한, 엔진 시동후 배기가스 정화장치 워밍업이 이루어지면, 상기 배기가스 후처리장치 후단 및 배기가스 정화장치 전단 간을 흐르는 배기가스가 배기열 회수용 챔버의 배기가스 픽업공간내에 잔류되는 것을 특징으로 한다.
또한, 엔진 시동후 배기가스 정화장치 및 배기가스 후처리장치의 워밍업이 모두 이루어지면, 상기 배기가스 후처리장치 전단의 배기가스가 배기열 회수용 챔버의 배기가스 픽업공간내로 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 엔진 배기매니폴드의 출구에 장착된 배기가스 후처리장치와; 상기 배기가스 후처리장치의 출구로부터 연장된 배기라인에 장착된 배기가스 정화장치와; 내부에 배기가스 후처리장치 전단을 흐르는 배기가스를 픽업하여 가두어둘 수 있는 배기가스 픽업공간이 형성되고, 외측에는 배기가스와의 열교환을 위한 냉각수 흐름 통로가 형성된 구조로 구비되어, 상기 배기매니폴드의 합류부와 배기가스 후처리장치 입구 사이에 장착되는 배기열 회수용 챔버와; 상기 배기열 회수용 챔버의 출구쪽에 개폐 가능하게 장착되어, 배기가스를 일시적으로 가두어두거나 배기가스 후처리장치쪽으로 바이패스시키는 바이패스 밸브와; 상기 배기열 회수용 챔버내에 개폐 가능하게 장착되어, 배기가스 픽업공간내의 배기가스를 EGR 쿨러 및 엔진 흡기매니폴드쪽으로 순환시키는 EGR 밸브; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 자동차용 배기열 회수 및 EGR 제어 시스템을 제공한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 배기열 회수용 챔버의 내벽면에는 냉각수 흐름 통로내의 냉각수와 배기가스 픽업공간내의 배기가스 간의 열교환을 위한 열교환기가 더 장착된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각수 흐름 통로의 입구 및 출구는 3방향 밸브의 전환 작동에 의하여 실린더블럭 또는 히터코어과 냉각수 순환 가능하게 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배기가스 픽업공간과 엔진 배기매니폴드의 합류부 간에 배기가스 피드백 통로가 연결되고, 배기가스 피드백 통로에는 배기가스 픽업공간내의 배기가스를 엔진 배기매니폴드의 합류부로 펌핑하는 펌프가 장착된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 엔진 시동 후 배기가스 후처리장치 워밍업이 이루어진 다음, 연비 모드를 선택하면, 상기 엔진 배기매니폴드의 합류부로부터 배출되어 배기가스 픽업공간내에 가두어진 일부 배기가스가 EGR 쿨러 및 엔진 흡기매니폴드쪽으로 순환되고, 나머지 배기가스는 엔진 배기매니폴드의 합류부로 피드백 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 엔진 시동 후 배기가스 후처리장치 워밍업이 이루어진 다음, 난방 모드를 선택하면, 상기 엔진 배기매니폴드의 합류부로부터 배출되어 배기가스 픽업공간내에 가두어진 배기가스가 히터코어로 순환되는 냉각수와 열교환되도록 배기가스 픽업공간내에 일정 시간 동안 잔류되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 냉각수와 열교환된 후의 배기가스 일부는 EGR 쿨러 및 엔진 흡기매니폴드쪽으로 순환되고, 나머지 배기가스는 엔진 배기매니폴드의 합류부로 피드백 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 엔진 시동 후 배기가스 후처리장치 워밍업이 이루어진 다음, 급가속 모드로 판정되면, 엔진 배기매니폴드의 합류부로부터 배출되는 배기가스를 배기가스 픽업공간을 통하여 배기가스 후처리장치쪽으로 바이패스시키는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 엔진 시동 후 초기에는 워밍업 전인 배기가스 정화장치 후단의 배기가스를 배기열 회수용 챔버의 배기가스 픽업공간으로 공급하고, 배기가스 정화장치의 워밍업이 종료되는 시점부터 배기가스 후처리장치의 전단 또는 배기가스 후처리장치의 후단과 배기가스 정화장치의 전단 사이를 흐르는 배기가스를 배기열 회수용 챔버의 배기가스 픽업공간으로 공급하여, 배기가스가 냉각수와 열교환되어 그 온도가 낮추어진 상태로 EGR 쿨러쪽으로 재순환시킬 수 있도록 함으로써, EGR 쿨러의 냉각 효율을 증대시킬 수 있다.
둘째, 배기가스 후처리장치 전단의 배기가스를 연비 모드 및 난방 모드에 맞게 픽업하여 배기열 회수용 챔버의 배기가스 픽업공간으로 공급하여, 배기가스가 냉각수와 열교환되어 그 온도가 낮추어진 상태로 EGR 쿨러쪽으로 재순환시킬 수 있도록 함으로써, EGR 쿨러의 냉각 효율 증대 및 연비 향상을 도모할 수 있고, 배기가스와 열교환된 고온의 냉각수를 히터코어쪽으로 순환시켜 난방 효율을 향상시킬 수 있다.
셋째, 배기열 회수용 챔버의 배기가스 픽업공간내에서 배기가스가 냉각수와 열교환된 후, 배기 매니폴드의 합류부로 피드백 공급되도록 함으로써, 배기매니폴드의 평균 사용온도가 낮아지게 되어, 배기매니폴드의 사용수명 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 배기열 회수 및 EGR 제어 시스템을 도시한 구성도,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자동차용 배기열 회수 및 EGR 제어 시스템을 도시한 구성도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자동차용 배기열 회수 및 EGR 제어 시스템의 작동 흐름을 나타낸 순서도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
제1실시예
첨부한 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 배기열 회수 및 EGR 제어 시스템을 도시한 구성도이다.
배기가스 규제치가 점점 더 높아짐을 고려한 삼원촉매장치로서, 워밍업(Warming-Up)이 좀 더 빨리되도록 엔진(10)의 배기매니폴드(11)쪽에 가깝게 장착되는 배기가스 후처리장치(12)와, 배기가스 후처리장치 후단으로부터 연장된 배기라인에 장착되는 배기가스 정화장치(13)가 함께 사용된다.
참고로, 상기 워밍업이란, 배기가스 후처리장치 또는 배기가스 정화장치가 고온의 배기가스를 수용하면서 배기가스를 정화하는 온도까지 상승하는 것을 의미한다.
본 발명의 제1실시예에 따르면, 배기가스를 픽업하여 가두어둔 상태에서 냉각수와 열교환되도록 한 배기열 회수용 챔버(20)가 상기 배기가스 후처리장치(12)의 출구측이면서 배기가스 정화장치(13)의 전단 위치에 장착된다.
상기 배기열 회수용 챔버(20)는 내측의 배기가스 픽업공간(21)과 외측의 냉각수 흐름 통로(22) 등 두 개의 공간이 분할된 구조로 구비되어, 배기가스 후처리장치(12)의 출구측이면서 배기가스 정화장치(13)의 전단 위치에 장착된다.
보다 상세하게는, 상기 배기열 회수용 챔버(20)는 배기가스 정화장치 후단과, 배기가스 후처리장치 전단과, 배기가스 후처리장치 후단을 흐르는 배기가스 중 하나 이상을 픽업하여 가두어둘 수 있는 일정 체적의 배기가스 픽업공간(21)이 내부에 형성되고, 외측벽 내부에는 배기가스와의 열교환을 위한 냉각수 흐름 통로(22)가 형성된 구조로 구비되어, 그 전단부가 배기가스 후처리장치(12)의 출구와 연통 가능하게 연결되고, 그 후단부가 배기가스 정화장치(13)쪽을 향하는 배기라인이 연통 가능하게 연결된다.
바람직하게는, 상기 배기열 회수용 챔버(20)의 내벽면에는 냉각수 흐름 통로(22)를 흐르는 냉각수와 배기가스 픽업공간(21)내의 배기가스 간의 열교환을 위한 열교환기(23, 예를 들어 히트코일 또는 파이프 타입)가 장착된다.
이때, 상기 배기가스 정화장치(12) 후단과 배기열 회수용 챔버(20)의 배기가스 픽업공간(21) 간에는 배기가스 정화장치 후단의 배기가스를 배기가스 픽업공간(21)으로 재순환 공급하기 위하여 제1개폐밸브(14)를 갖는 제1배기가스 회수라인(15)이 연결된다.
또한, 상기 배기가스 후처리장치(12) 전단과 배기열 회수용 챔버(20)의 배기가스 픽업공간(21) 간에는 배기매니폴드(11)의 합류부로부터 배출되는 배기가스를 배기가스 픽업공간(21)으로 재순환시키기 위하여 제2개폐밸브(16)를 갖는 제2배기가스 회수라인(17)이 연결된다.
한편, 상기 배기열 회수용 챔버(20)의 출구부 즉, 배기가스 정화장치(13)쪽을 향하는 배기라인이 연통 가능하게 연결되는 부분에는 전기적 신호에 의하여 개폐되는 바이패스 밸브(24)가 장착된다.
상기 바이패스 밸브(24)의 닫힘시에는 배기가스 정화장치 후단과, 배기가스 후처리장치 전단과, 배기가스 후처리장치 후단을 흐르는 배기가스 중 하나 이상이 배기가스 픽업공간(21)에 공급되면, 배기가스는 배기가스 픽업공간(21)내에 일시적으로 가두어진 상태가 되고, 상기 바이패스 밸브(24)의 열림시에는 배기가스가 배기가스 정화장치(13)쪽으로 바이패스된다.
또한, 상기 배기열 회수용 챔버(20)내에는 배기가스 픽업공간(21)내의 배기가스를 EGR 쿨러(18) 및 엔진 흡기매니폴드(19)쪽으로 순환시키기 위한 EGR 밸브(25)가 전기적 신호에 의하여 개폐 가능하게 내장된다.
이에, 상기 EGR 밸브(25)의 열림시 배기가스 픽업공간(21)내의 배기가스가 EGR 쿨러(18) 및 엔진 흡기매니폴드(19)쪽으로 재순환된다.
여기서, 상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 제1실시예에 따른 배기열 회수 및 EGR 제어 시스템에 대한 작동 흐름을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 엔진 시동후 배기가스 정화장치(13) 및 배기가스 후처리장치(12)의 워밍업이 이루어지기 전까지의 일정 시간(약 350초) 동안, 상기 배기가스 정화장치(13) 후단의 배기가스가 배기열 회수용 챔버(20)의 배기가스 픽업공간(21)내로 공급된다.
즉, 엔진 시동후 배기가스가 워밍업 전의 배기가스 후처리장치와, 배기가스 픽업공간(21)과, 열림 상태의 바이패스 밸브(24)와, 워밍업 전의 배기가스 정화장치(13)를 차례로 지나는 바, 배기가스 정화장치(13) 후단의 배기가스를 제1배기가스 회수라인(15)을 통하여 배기가스 픽업공간(21)으로 재순환 공급하며, 이때 제1배기가스 회수라인(15)의 제1개폐밸브(14)는 열림 상태로 제어된다.
이때, 상기 배기가스 정화장치(13)가 배기가스를 정화하는 최대온도까지 상승하기 전인 워밍업 전 상태이므로, 상기 배기가스 정화장치(13) 후단으로부터 배기가스 픽업공간(21)으로 재순환 공급된 배기가스는 워밍업 후의 배기가스 정화장치(13)를 지나는 배기가스 온도에 비하여 저온 상태이고, 이 배기가스를 열림 제어된 EGR 밸브(25)를 통하여 EGR 쿨러(18)로 공급되도록 함으로써, 종래에 배기가스의 온도가 높아서 EGR 쿨러의 냉각 효율이 떨어지던 것에 비하여 EGR 쿨러의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 엔진 시동후 배기가스 정화장치의 워밍업이 이루어지면(약 350초 이후 구간), 상기 배기가스 후처리장치(12) 후단 및 배기가스 정화장치(13) 전단 간을 흐르는 배기가스가 배기가스 정화장치(13)를 통과한 배기가스에 비하여 그 온도가 낮으므로, 상기 바이패스 밸브(24)를 닫힘 제어하여 배기가스 후처리장치(12) 후단 및 배기가스 정화장치(13) 전단 간을 흐르는 배기가스를 배기열 회수용 챔버(20)의 배기가스 픽업공간(21)내에 가두어지도록 한다.
이때, 상기 배기가스 픽업공간(21)내에 가두어진 배기가스는 냉각수 흐름 통로(22)를 흐르는 냉각수와 열교환기(23)를 매개로 열교환을 하여 보다 낮은 온도가 된다.
연이어, 열교환된 배기가스가 열림 제어된 EGR 밸브(25)를 통하여 EGR 쿨러(18)로 공급되도록 함으로써, 종래에 배기가스의 온도가 높아서 EGR 쿨러의 냉각 효율이 떨어지던 것에 비하여 EGR 쿨러의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 엔진 시동후 상기 배기가스 정화장치(13) 및 배기가스 후처리장치(12)의 워밍업이 모두 이루어지면, 상기 배기가스 후처리장치(12) 전단의 배기가스가 배기열 회수용 챔버(20)의 배기가스 픽업공간(21)내로 공급되도록 한다.
즉, 상기 배기가스 정화장치(13) 및 배기가스 후처리장치(12)의 워밍업이 모두 이루어지면, 상기 배기가스 후처리장치(12) 전단의 배기가스 온도가 배기가스 후처리장치(12) 후단의 배기가스 온도에 비하여 약 20~30℃ 낮으므로, 제2배기가스 회수라인(17)을 통하여 배기가스 후처리장치(12) 전단의 배기가스가 배기열 회수용 챔버(20)의 배기가스 픽업공간(21)내로 공급되도록 하고, 공급된 배기가스가 바이패스 밸브(24)의 닫힘 제어에 의하여 배기가스 픽업공간(21)내 가두어지도록 한다.
이때, 상기 배기가스 픽업공간(21)내에 가두어진 배기가스 후처리장치(12) 전단의 배기가스는 배기가스 후처리장치(12) 후단의 배기가스 온도에 비하여 약 20~30℃ 낮을 뿐만 아니라 배기가스는 냉각수 흐름 통로(22)를 흐르는 냉각수와 열교환기(23)를 매개로 열교환을 하여 보다 낮은 온도가 되며, 이러한 배기가스를 열림 제어된 EGR 밸브(25)를 통하여 EGR 쿨러(18)로 공급되도록 함으로써, 종래에 배기가스의 온도가 높아서 EGR 쿨러의 냉각 효율이 떨어지던 것에 비하여 EGR 쿨러의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, EGR 쿨러의 냉각효율은 아래의 식 1에 의하여 계산된다.
식 1) 냉각효율 = [(EGR 쿨러의 전후단 배기가스 온도차)/(EGR 쿨러 전단의 배기가스 온도-냉각수 온도)]
상기와 같이 EGR 밸브(25)를 통하여 EGR 쿨러(18)로 공급되는 배기가스의 온도 즉, 위의 식 1의 분모에 기재된 EGR 쿨러 전단의 배기가스 온도가 낮아지므로, EGR 쿨러의 냉각 효율이 증대될 수 있다.
제2실시예
첨부한 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자동차용 배기열 회수 및 EGR 제어 시스템을 도시한 구성도이고, 도 3은 그 작동 흐름을 나타낸 순서도이다.
본 발명의 제2실시예에 따르면, 배기가스를 픽업하여 가두어둔 상태에서 냉각수와 열교환되도록 한 배기열 회수용 챔버(20)가 상기 배기가스 후처리장치(12)의 입구이면서 배기매니폴드(11)의 합류부 후단 위치에 장착된다.
상기 배기열 회수용 챔버(20)는 내측의 배기가스 픽업공간(21)과 외측의 냉각수 흐름 통로(22) 등 두 개의 공간이 분할된 구조로 구비되어, 상기 배기가스 후처리장치(12)의 입구이면서 배기매니폴드(11)의 합류부 후단 위치에 장착된다.
보다 상세하게는, 상기 배기열 회수용 챔버(20)는 배기매니폴드(11)의 합류부로부터 배기가스 후처리장치(12)로 흐르는 배기가스를 가두어둘 수 있는 일정 체적의 배기가스 픽업공간(21)이 내부에 형성되고, 외측벽 내부에는 배기가스와의 열교환을 위한 냉각수 흐름 통로(22)가 형성된 구조로 구비되어, 그 전단부가 배기매니폴드(11)의 합류부와 연통 가능하게 연결되고, 그 후단부가 배기가스 후처리장치(12)의 입구에 연통 가능하게 연결된다.
바람직하게는, 상기 배기열 회수용 챔버(20)의 내벽면에는 냉각수 흐름 통로(22)를 흐르는 냉각수와 배기가스 픽업공간(21)내의 배기가스 간의 열교환을 위한 열교환기(23, 예를 들어 히트코일 또는 파이프 타입)가 장착된다.
또한, 상기 배기열 회수용 챔버(20)의 출구부 즉, 배기가스 후처리장치(12)쪽과 연결되는 부분에는 전기적 신호에 의하여 개폐되는 바이패스 밸브(24)가 장착된다.
상기 바이패스 밸브(24)의 닫힘시에는 배기매니폴드(11)의 합류부로부터 배기가스 후처리장치(12)로 흐르는 배기가스가 배기가스 픽업공간(21)에 공급되면, 배기가스는 배기가스 픽업공간(21)내에 일시적으로 가두어진 상태가 되고, 상기 바이패스 밸브(24)의 열림시에는 배기가스가 배기가스 후처리장치(12)쪽으로 바이패스된다.
또한, 상기 배기열 회수용 챔버(20)내에는 배기가스 픽업공간(21)내의 배기가스를 EGR 쿨러(18) 및 엔진 흡기매니폴드(19)쪽으로 순환시키기 위한 EGR 밸브(25)가 전기적 신호에 의하여 개폐 가능하게 내장된다.
이에, 상기 EGR 밸브(25)의 열림 제어시 배기가스 픽업공간(21)내의 배기가스가 EGR 쿨러(18) 및 엔진 흡기매니폴드(19)쪽으로 재순환된다.
본 발명의 제2실시예에 따르면, 상기 배기가스 픽업공간(21)과 엔진 배기매니폴드(11)의 합류부 간에 배기가스 피드백 통로(26)가 연결되고, 배기가스 피드백 통로(26)에는 배기가스 픽업공간(21)내의 배기가스를 엔진 배기매니폴드(11)의 합류부로 펌핑하는 펌프(27)가 장착된다.
상기 펌프(27)가 사용되는 이유는 배기가스 픽업공간(21)에 비하여 배기매니폴드(11)의 합류부 배압이 더 높기 때문에 배기가스 픽업공간(21)내의 배기가스를 엔진 배기매니폴드(11)의 합류부로 용이하게 피드백 공급할 수 있도록 함에 있고, 또한 배기가스 픽업공간(21)내의 배기가스가 배기가스 후처리장치(12)의 전단 및 배기매니폴드(11)의 합류부쪽으로 역방향 가스 흐름을 나타낼 수 있으므로, 이를 방지하기 위함에 있다.
한편, 상기 배기열 회수용 챔버(20)의 냉각수 흐름 통로(22)의 입구 및 출구는 3방향 밸브(28)의 전환 작동 제어에 의하여 실린더블럭의 냉각수 흐름 경로와 순환 가능하게 연결되거나, 난방을 위한 히터코어의 냉각수 흐름 경로와 순환 가능하게 연결된다.
여기서, 상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 제2실시예에 따른 배기열 회수 및 EGR 제어 시스템에 대한 작동 흐름을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 엔진 시동후, 배기가스 후처리장치(12)의 워밍업을 위해서 약 30초 정도 배기가스 취출은 금지된다.
다음으로, 엔진 시동 후 배기가스 후처리장치 워밍업이 이루어진 다음, 운전자가 연비 모드를 선택하면(S101), 상기 배기열 회수용 챔버(20)의 냉각수 흐름 통로(22)의 입구 및 출구는 3방향 밸브(28)의 전환 작동 제어에 의하여 실린더블럭의 냉각수 흐름 경로와 냉각수 순환 가능하게 연결된다(S102).
연이어, 상기 엔진 배기매니폴드(11)의 합류부로부터 배출된 배기가스는 배기열 회수용 챔버(20)의 배기가스 픽업공간(21)내에 가두어지는 상태가 되고, 이때 바이패스 밸브(24)의 닫힘 상태로 제어된다.
이때, 상기 배기가스 픽업공간(21)내에 가두어진 배기가스는 냉각수 흐름 통로(22)를 흐르는 냉각수와 열교환기(23)를 매개로 열교환을 하여 보다 낮은 온도가 된다.
연이어, 열교환된 배기가스의 일부가 열림 제어된 EGR 밸브(25)를 통하여 EGR 쿨러(18)로 공급되도록 함으로써(S102), 종래에 배기가스의 온도가 높아서 EGR 쿨러의 냉각 효율이 떨어지던 것에 비하여 EGR 쿨러의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
이와 동시에, 열교환된 배기가스의 나머지 배기가스는 펌프(27)의 펌핑력에 의하여 배기가스 피드백 통로(26)를 통하여 엔진 배기매니폴드(11)의 합류부로 피드백 공급함으로써(S103), 배기매니폴드의 온도를 낮추어 배기매니폴드의 사용수명 및 내구성을 향상시키게 된다.
엔진 시동 후 배기가스 후처리장치 워밍업이 이루어진 다음, 운전자가 난방 모드를 선택하면(S201), 상기 배기열 회수용 챔버(20)의 냉각수 흐름 통로(22)의 입구 및 출구는 3방향 밸브(28)의 전환 작동 제어에 의하여 난방을 위한 히터코어의 냉각수 흐름 경로와 냉각수 순환 가능하게 연결된다.
연이어, 상기 엔진 배기매니폴드(11)의 합류부로부터 배출된 배기가스는 배기열 회수용 챔버(20)의 배기가스 픽업공간(21)내에 가두어지는 상태가 되고, 이때 바이패스 밸브(24)는 닫힘 상태로 제어된다.
이때, 상기 배기가스 픽업공간(21)내에 가두어진 배기가스는 일단 EGR 밸브(25)를 통하여 EGR 쿨러(18)로 공급되지 않고, 또한 배기가스 피드백 통로(26)를 통하여 엔진 배기매니폴드(11)의 합류부로 피드백 공급되지 않은 채 냉각수 흐름 통로(22)를 흐르는 냉각수와 열교환기(23)를 매개로 열교환을 하여 보다 낮은 온도가 되고, 냉각수는 고온 상태가 된다(S202).
위와 같은 열교환에 의하여 고온 상태가 된 냉각수가 히터코어의 냉각수 흐름경로로 순환됨으로써, 난방을 위한 히터코어의 난방 효율 즉, 실내외 공기와의 열교환 효율이 증대될 수 있고, 겨울철 실내난방이 신속하게 이루어질 수 있다.
이때, 차량의 EGR 사용 영역 여부를 판단하여(S203), EGR 사용 영역으로 판정되면 열교환된 배기가스의 일부가 열림 제어된 EGR 밸브(25)를 통하여 EGR 쿨러(18)로 공급되도록 함으로써(S204), 종래에 배기가스의 온도가 높아서 EGR 쿨러의 냉각 효율이 떨어지던 것에 비하여 EGR 쿨러의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
이와 동시에, 열교환된 배기가스의 나머지 배기가스는 펌프(27)의 펌핑력에 의하여 배기가스 피드백 통로(26)를 통하여 엔진 배기매니폴드(11)의 합류부로 피드백 공급함으로써(S205), 배기매니폴드의 온도를 낮추어 배기매니폴드의 사용수명 및 내구성을 향상시키게 된다.
엔진 시동 후 배기가스 후처리장치 워밍업이 이루어진 다음, 차량이 급가속 모드로 판정되면(S301), 엔진 배기매니폴드(11)의 합류부로부터 배출된 배기가스를 배기열 회수용 챔버(20)의 배기가스 픽업공간(21)를 통과시켜 배기가스 후처리장치(12)로 바이패스시키는 바이패스 모드로 진입하고(S302), 이때 바이패스 밸브(24)는 열림 상태로 제어된다.
이어서, 계속 가속모드인지 모니터링하여(S303), 완가속 상태로 판정되면(S304), 상기와 같이 연비 모드 또는 난방 모드에서의 배기열 회수 및 EGR 제어 과정이 진행될 수 있다(S305).
반면, 계속 가속모드인지 모니터링하여(S303), 초급가속 모드로 판정되면(S306), 엔진 배기매니폴드(11)의 합류부로부터 배출된 배기가스를 배기열 회수용 챔버(20)의 배기가스 픽업공간(21)를 통과시켜 배기가스 후처리장치(12)로 바이패스시키고, 또한 배기가스 정화장치(13) 후단에서도 배기가스 취출하지 않고, 외부로 배기시키도록 한다(S307).
이렇게 상기 바이패스 모드를 사용하는 이유는 가속 또는 급가속시 배기열 회수용 챔버(20)의 배기가스 픽업공간(21)로 흐르는 배기가스 저항 때문에 배기압이 높은 수준으로 유지되고, 배기가스를 바이패스시키지 않으면 급가속 성능이 떨어질 수 있기 때문이며, 이에 엔진의 풀 파워(Full Power)가 요구되는 가속 상황에서는 배기가스를 배기가스 후처리장치 및 배기가스 정화장치를 거쳐 외기로 배출하는 바이패스 모드를 사용해야 한다.
10 : 엔진
11 : 배기매니폴드
12 : 배기가스 후처리장치
13 : 배기가스 정화장치
14 : 제1개폐밸브
15 : 제1배기가스 회수라인
16 : 제2개폐밸브
17 : 제2배기가스 회수라인
18 : EGR 쿨러
19 : 흡기매니폴드
20 : 배기열 회수용 챔버
21 : 배기가스 픽업공간
22 : 냉각수 흐름 통로
23 : 열교환기
24 : 바이패스 밸브
25 : EGR 밸브
26 : 배기가스 피드백 통로
27 : 펌프
28 : 3방향 밸브

Claims (15)

  1. 엔진 배기매니폴드의 출구에 장착된 배기가스 후처리장치와;
    상기 배기가스 후처리장치의 출구로부터 연장된 배기라인에 장착된 배기가스 정화장치와;
    내부에 배기가스 정화장치 후단과, 배기가스 후처리장치 전단과, 배기가스 후처리장치 후단을 흐르는 배기가스 중 하나 이상을 픽업하여 가두어둘 수 있는 배기가스 픽업공간이 형성되고, 외측에는 배기가스와의 열교환을 위한 냉각수 흐름 통로가 형성된 구조로 구비되어, 상기 배기가스 후처리장치의 출구측에 장착되는 배기열 회수용 챔버와;
    상기 배기열 회수용 챔버의 출구쪽에 개폐 가능하게 장착되어, 배기가스를 일시적으로 가두어두거나 배기가스 정화장치쪽으로 바이패스시키는 바이패스 밸브와;
    상기 배기열 회수용 챔버내에 개폐 가능하게 장착되어, 배기가스 픽업공간내의 배기가스를 EGR 쿨러 및 엔진 흡기매니폴드쪽으로 순환시키는 EGR 밸브;
    를 포함하고,
    상기 배기가스 정화장치 후단과 배기열 회수용 챔버의 배기가스 픽업공간 간에는 제1개폐밸브를 갖는 제1배기가스 회수라인이 연결된 것을 특징으로 하는 자동차용 배기열 회수 및 EGR 제어 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기열 회수용 챔버의 내벽면에는 냉각수 흐름 통로내의 냉각수와 배기가스 픽업공간내의 배기가스 간의 열교환을 위한 열교환기가 더 장착된 것을 특징으로 하는 자동차용 배기열 회수 및 EGR 제어 시스템.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기가스 후처리장치 전단과 배기열 회수용 챔버의 배기가스 픽업공간 간에는 제2개폐밸브를 갖는 제2배기가스 회수라인이 연결된 것을 특징으로 하는 자동차용 배기열 회수 및 EGR 제어 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    엔진 시동후 배기가스 정화장치 및 배기가스 후처리장치의 워밍업이 이루어지기 전까지의 일정 시간 동안, 상기 배기가스 정화장치 후단의 배기가스가 배기열 회수용 챔버의 배기가스 픽업공간내로 공급되는 것을 특징으로 하는 자동차용 배기열 회수 및 EGR 제어 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    엔진 시동후 배기가스 정화장치 워밍업이 이루어지면, 상기 배기가스 후처리장치 후단 및 배기가스 정화장치 전단 간을 흐르는 배기가스가 배기열 회수용 챔버의 배기가스 픽업공간내에 잔류되는 것을 특징으로 하는 자동차용 배기열 회수 및 EGR 제어 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    엔진 시동후 배기가스 정화장치 및 배기가스 후처리장치의 워밍업이 모두 이루어지면, 상기 배기가스 후처리장치 전단의 배기가스가 배기열 회수용 챔버의 배기가스 픽업공간내로 공급되는 것을 특징으로 하는 자동차용 배기열 회수 및 EGR 제어 시스템.
  8. 엔진 배기매니폴드의 출구에 장착된 배기가스 후처리장치와;
    상기 배기가스 후처리장치의 출구로부터 연장된 배기라인에 장착된 배기가스 정화장치와;
    내부에 배기가스 후처리장치 전단을 흐르는 배기가스를 픽업하여 가두어둘 수 있는 배기가스 픽업공간이 형성되고, 외측에는 배기가스와의 열교환을 위한 냉각수 흐름 통로가 형성된 구조로 구비되어, 상기 배기매니폴드의 합류부와 배기가스 후처리장치 입구 사이에 장착되는 배기열 회수용 챔버와;
    상기 배기열 회수용 챔버의 출구쪽에 개폐 가능하게 장착되어, 배기가스를 일시적으로 가두어두거나 배기가스 후처리장치쪽으로 바이패스시키는 바이패스 밸브와;
    상기 배기열 회수용 챔버내에 개폐 가능하게 장착되어, 배기가스 픽업공간내의 배기가스를 EGR 쿨러 및 엔진 흡기매니폴드쪽으로 순환시키는 EGR 밸브;
    를 포함하고,
    상기 배기가스 픽업공간과 엔진 배기매니폴드의 합류부 간에 배기가스 피드백 통로가 연결되고, 배기가스 피드백 통로에는 배기가스 픽업공간내의 배기가스를 엔진 배기매니폴드의 합류부로 펌핑하는 펌프가 장착된 것을 특징으로 하는 자동차용 배기열 회수 및 EGR 제어 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 배기열 회수용 챔버의 내벽면에는 냉각수 흐름 통로내의 냉각수와 배기가스 픽업공간내의 배기가스 간의 열교환을 위한 열교환기가 더 장착된 것을 특징으로 하는 자동차용 배기열 회수 및 EGR 제어 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 냉각수 흐름 통로의 입구 및 출구는 3방향 밸브의 전환 작동에 의하여 실린더블럭 또는 히터코어과 냉각수 순환 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 자동차용 배기열 회수 및 EGR 제어 시스템.
  11. 삭제
  12. 청구항 8에 있어서,
    엔진 시동 후 배기가스 후처리장치 워밍업이 이루어진 다음, 연비 모드를 선택하면, 상기 엔진 배기매니폴드의 합류부로부터 배출되어 배기가스 픽업공간내에 가두어진 일부 배기가스가 EGR 쿨러 및 엔진 흡기매니폴드쪽으로 순환되고, 나머지 배기가스는 엔진 배기매니폴드의 합류부로 피드백 공급하는 것을 특징으로 하는 자동차용 배기열 회수 및 EGR 제어 시스템.
  13. 청구항 8에 있어서,
    엔진 시동 후 배기가스 후처리장치 워밍업이 이루어진 다음, 난방 모드를 선택하면, 상기 엔진 배기매니폴드의 합류부로부터 배출되어 배기가스 픽업공간내에 가두어진 배기가스가 히터코어로 순환되는 냉각수와 열교환되도록 배기가스 픽업공간내에 일정 시간 동안 잔류되는 것을 특징으로 하는 자동차용 배기열 회수 및 EGR 제어 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 냉각수와 열교환된 후의 배기가스 일부는 EGR 쿨러 및 엔진 흡기매니폴드쪽으로 순환되고, 나머지 배기가스는 엔진 배기매니폴드의 합류부로 피드백 공급하는 것을 특징으로 하는 자동차용 배기열 회수 및 EGR 제어 시스템.
  15. 청구항 8에 있어서,
    상기 엔진 시동 후 배기가스 후처리장치 워밍업이 이루어진 다음, 급가속 모드로 판정되면, 엔진 배기매니폴드의 합류부로부터 배출되는 배기가스를 배기가스 픽업공간을 통하여 배기가스 후처리장치쪽으로 바이패스시키는 것을 특징으로 하는 자동차용 배기열 회수 및 EGR 제어 시스템.
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