KR20110071315A

KR20110071315A - Ｅｇｒ 쿨러

Info

Publication number: KR20110071315A
Application number: KR1020090127848A
Authority: KR
Inventors: 차도성
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2011-06-29

Abstract

본 발명은 EGR 쿨러에 관한 것으로, 재순환을 위한 배기가스를 냉각시키는 열교환기와, 이 열교환기의 배기가스 유입구와 유체 연통하는 카본 분리장치를 포함하고, 카본 분리장치는 열교환기에 유입되는 재순환을 위한 배기가스에 포함된 카본 성분을 분리하는 것을 특징으로 한다.

EGR 쿨러, 카본 분리장치

Description

ＥＧＲ 쿨러{EGR COOLER}

본 발명은 차량의 배기가스 재순환 장치를 통하여 흐르는 배기가스를 냉각시키는 EGR 쿨러(Exhaust Gas Recirculation Cooler)에 관한 것으로, 더 구체적으로는 EGR 쿨러로 유입되는 배기가스에서 카본 성분의 양을 감소시켜 열교환기의 냉각 효율을 증가시키는 카본 분리형 EGR 쿨러에 관한 것이다.

강화되는 배기가스 규제에 대응하기 위하여, 최신 디젤 엔진 차량은 미립자 필터(DPF)와 배기가스 재순환 장치(EGR)를 장착하고 있다. DPF는 배기가스에 포함된 입자상 물질을 필터로 포집한 후, 필터 전단의 배기관에 연료를 분사하여 강제적으로 입자상 물질을 태움으로써, 배출가스를 저감시키고 필터를 재생시킨다. 또한, HC와 CO의 정화를 위해서 DPF 전단에는 산화촉매를 장착하는데, 이 산화 촉매는 PM을 삭감하는 역할을 하기도 한다. 그러나, 디젤 엔진에서는 이론 공연비로 연소시키는 가솔린 엔진과는 달리, 공기의 비율이 매우 크기 때문에 삼원촉매를 이용할 수 없는 문제점이 있고, 따라서 NOx의 저감을 위해서 EGR을 주로 이용한다. 특히, 최근의 커먼레일 방식의 디젤 엔진의 경우 연료를 고압으로 분사하여 연소온도가 높아짐에 따라 NOx 발생량이 많아지므로, NOx의 저감을 위한 EGR의 역할이 더 욱 크다고 할 수 있다.

EGR 장치는 엔진으로부터 배출된 배기가스의 일부를 흡기 매니폴드로 재순환 시켜 배기가스가 연소과정에서 생성된 열을 흡수하게 함으로써, 연소실의 최대 연소 온도를 감소시켜 NOx의 생성을 감소시키는 장치이다.

이러한 EGR 시스템은 엔진 제어 장치(ECU)의 제어에 의해 엔진의 운전 조건에 따라 EGR 유량을 제어하는 EGR밸브와, EGR을 통한 NOx 저감을 극대화시키기 위하여 재순환을 위한 배기가스를 흡기 매니폴드로 보내기 전에 냉각수와의 열교환을 통하여 냉각시키는 EGR 쿨러를 포함한다.

그런데 전술한 바와 같이, 디젤 엔진의 경우 배기가스에 카본 성분의 입자상 물질을 함유하므로, 이 카본 성분의 입자상 물질이 쿨러의 열교환기 표면에 침적되어 배기가스와 냉각수와의 열전달 효율을 서서히 떨어뜨리는 문제점이 있다. 이로 인하여, EGR 밸브 및 흡기 매니폴드를 거쳐 연소실로 유입되는 재순환된 배기가스의 온도가 서서히 증가하게 되어 NOx 가 증가하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 배기가스에 포함된 카본 성분으로 인한 EGR 쿨러의 냉각 효율이 떨어지는 것을 방지하기 함으로써, EGR 쿨러의 냉각 효율을 증가시키는 데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 태양은 EGR 쿨러로서, 재순환을 위한 배기가스를 냉각시키는 열교환기와, 열교환기의 배기가스 유입구와 유체 연통하고, 열교환기에 유입되는 재순환을 위한 배기가스에 포함된 카본 성분을 분리하는 카본 분리장치를 포함하며, 카본 분리장치는 배기가스 입구 및 출구가 형성된 하우징과, 하우징 내에 설치되고, 유입된 배기가스에 와류를 형성하는 와류 형성부와, 와류 형성부에 의해 형성된 와류에 의해 하우징의 내부에서 방사상으로 이탈된 카본 성분을 걸러내는 배플부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 태양의 EGR 쿨러는, 와류 형성부가 하우징 내에서 방사상으로 배치되는 복수개의 베인을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 태양의 EGR 쿨러는, 배플부가 원통형으로 형성되고, 배플부의 일단은 베인을 둘러싸도록 배치되고, 타단은 열교환기의 배기가스 유입구가 삽입될 수 있는 개구가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 EGR 쿨러는 카본 성분의 입자상 물질을 사전에 차단하여 열 교환기로 유입되지 않게 함으로써, 열교환기의 표면에 침적되는 카본량이 감소하게 되므로 기존의 열교환기에 비해 냉각 효율이 증가된다.

또한, EGR 경로 내에 카본 성분의 침적을 방지함으로써 EGR 통로의 배기가스의 유동저항을 감소시키게 되므로, EGR 효율을 증가시켜 배기가스 중 NOx를 저감시킬 수 있다.

이하에서는 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예들은 제한적인 것으로 의도된 것이 아니며, 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일한 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용된다.

도 1은 종래의 일반적인 EGR 쿨러(60)가 장착된 디젤 엔진(1)의 구성도이다. 도시된 디젤 엔진(1)에는 커먼 레일 연료 시스템(2)이 장착되어 있다. 엔진의 연소실로 유입되는 공기는 먼저, 공기 필터(10)를 통하여 여과되고, 이후 가변 형상 터보 차저(VGT: Variable geometry turbo-charger; 20)를 통하여 압축된다. 압축된 공기는 밀도가 저하되어 체적효율을 떨어뜨리게 되므로, 이를 방지하고자 터보 차저(20)를 통해 압축된 공기는 공기 냉각기(30)에서 냉각된 후, 엔진의 흡기 매니폴드로(40) 공급된다. 이후, 연소실로 공급된 흡입 공기에 커먼 레일 연료 시스템(2)으로부터 고압의 연료가 분사되어 연소실 내에서 폭발이 일어남으로써 동력을 발생시키고, 연소된 가스는 배기 매니폴드를 통하여 배기라인(50)으로 배출된다. 이때, 배기라인(50)으로 배출된 배기가스의 일부는 EGR 쿨러(60)를 거친 후 EGR 밸 브(80)를 통하여 흡기 라인으로 재순환하고, EGR 밸브(80)를 통과하지 않는 나머지 배기가스는 배기 파이프(90)를 통하여 배출하게 된다. 배기 파이프(90)로 배출되는 배기가스는 배기 라인(50)과 배기 파이프(90) 사이에 있는 가변 형상 터보 차저(20)를 구동시킴으로써, 배기가스의 유동에 의한 힘을 이용하여 흡입 공기를 과급시키고, 이후에 배기 가스는 산화 촉매(92) 및 DPF(94)를 통하여 정화되어 외부로 배출된다.

EGR 밸브(80)는 ECU(3)에 연결되어 밸브 개폐량이 제어되는데, 과다한 EGR 비율은 엔진의 출력을 감소시키고, 너무 적은 EGR 비율은 연소실의 온도를 낮추지 못하므로 NOx 배출을 저감시키지 못한다. 따라서, ECU(3)는 엔진의 부하에 따라 미리 설정된 최적의 EGR 비율로 EGR 밸브(80)를 개폐한다. 디젤 엔진은 입자상 물질, HC 및 CO를 산화 촉매(92) 및 DPF(94)를 이용하여 정화시키지만, NOx의 배출 저감의 상당 부분을 EGR에 의존하고 있으므로, EGR은 장기간에 걸쳐 정상적으로 작동되어야 할 필요가 있다. 이러한 EGR의 성능을 증대시키기 위하여, 통상적으로 EGR 밸브(80)를 통하여 흡기 라인으로 재순환하는 배기가스는 흡기 라인으로 공급되기 전에 EGR 쿨러(60)에 의하여 미리 냉각되는데, 이는 연소온도를 더욱 낮출 수가 있으므로 NOx를 더욱 저감시킬 수 있다.

다음으로, 도 2를 참조하여 종래의 EGR 쿨러(60)에 대해 구체적으로 설명한다. 도 2는 종래의 일반적인 EGR 쿨러(60)의 개략도이다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 원통형 열교환기 형태인 EGR 쿨러(60)의 내부에는 복수 개의 배기가스 통로(62)가 마련되어 있다. 이들 각각의 배기가스 통로(62) 주위에는 배기가스를 냉각시키기 위한 냉각수가 배기가스 통로(62)를 둘러싸고 흐른다. EGR 쿨러(60)의 케이싱에는 배기가스를 냉각시키기 위한 냉각수의 입구 및 출구가 마련되는데, 열교환기를 통과하는 배기가스의 입구 및 출구와, 냉각수의 입구 및 출구는 서로 반대 방향에 위치하여, 냉각수가 열교환기 내에서 배기가스의 흐름에 대향류로 공급되게 함으로써, 고온의 배기가스로부터 저온의 냉각수로의 열전달을 증대시킬 수 있다. 그러나, 종래의 일반적인 EGR 쿨러(60)의 경우 시간이 지남에 따라 냉각 효율이 감소하게 되는 문제점이 있다. 그 이유는 디젤 엔진의 연소로부터 배출되는 다량의 카본 성분의 입자상 물질이 시간이 경과함에 따라 열교환기 내의 배기가스 통로(62) 내에 침적되게 되어, 냉각수와 배기가스의 열전달을 방해하기 때문이다. 따라서, 종래의 EGR 시스템은 시간이 경과함에 따라 EGR 효율이 감소하여 NOx 배출이 증가하게 되는 문제점이 있다.

다음으로, 도 3을 참조하여 본 발명의 EGR 쿨러(100)에 대하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 분리장치(70)가 장착된 EGR 쿨러(100)의 개략도이다. 도 3에 도시된 열교환기(60)는 종래의 일반적인 열교환기와 동일하다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 EGR 쿨러(100)는 열교환기(60)에 추가하여, 열교환기(60)의 유입구(64)와 유체연통할 수 있는 카본 분리장치(70)가 열교환기(60)의 배기가스 유입구(64) 측에 장착된다. 카본 분리장치(70)는 하우징(72)을 포함하는데, 도 3에는 하우징(72)이 원통형으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 실시예에 따라 다양한 형상의 하우징(72)이 사용될 수 있다. 하우징(72)에는 배기가스가 유입되는 입구, 열교환기로 배출되는 출구가 형성되어 있다. 또한, 하우징(72) 내의 배기가스 입구 측에는 하우징(72) 내로 유입된 배기가스가 와류를 형성하도록 안내하는 와류 형성부(74)가 마련되어 있다. 본 실시예에서는 와류 형성부(74)가 하우징(72) 내에서 방사상으로 배치되는 복수개의 베인(74)으로 이루어져 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 배기가스의 와류 운동을 안내할 수 있는 다양한 형태를 가질 수도 있다. 베인(74)에 의해 형성된 와류로 인해, 비중이 무거운 카본 성분의 입자상 물질은 원심분리 효과에 의해 하우징(72)의 내부에서 방사상으로 이탈되게 된다. 이탈된 카본 성분이 열교환기(60)의 입구로 유입되는 것을 방지하기 위하여 카본 분리장치는 배플부(76)를 포함하는데, 본 실시예에서의 배플부(76)는 원통형으로 형성되고, 배플부(76)의 일단은 베인(74)을 둘러싸도록 배치되며, 배플부(76)의 타단에는 열교환기의 배기가스 유입구(64)가 삽입될 수 있는 개구(78)가 형성되어 있다. 이로써, 와류 운동하는 입자상의 카본 성분은 원통형 배플부(76) 내에서만 와류 운동하게 되므로, 입자상의 카본 성분은 원통형 배플부(76)의 타단에 형성된 차단벽(79)과 충돌하고 열교환기의 유입구(64)로는 거의 통과할 수 없게 된다. 이러한 카본 분리장치(70) 덕분에 열교환기로 유입되는 카본 성분은 감소하게 되어, 열교환기의 배기가스 통로(62) 내에 침적되는 카본 성분이 감소하게 되므로, 냉각수와 배기가스 간의 열전달 효율이 증가하게 된다. 또한 열교환기의 효율이 증가함에 따라, 최적의 EGR 효율을 얻을 수 있게 되므로 엔진 배기가스의 NOx 성분을 격감시킬 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 변 형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명백할 것이다.

도 1은 EGR 쿨러가 장착된 디젤 엔진의 구성도.

도 2는 종래의 EGR 쿨러의 개략도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 분리장치가 장착된 EGR 쿨의 개략도.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

1: 디젤 엔진

2: 커먼레일 연료 시스템

3: ECU(Engine Control Unit)

10: 공기 필터

20: 가변 형상 터보 차저(VGT: Variable geometry turbo-charger)

30: 공기 냉각기

40: 흡기 매니폴드

50: 배기라인

60, 100: EGR 쿨러

62: 배기가스 통로

70: 카본 분리장치

72: 하우징

74: 와류 형성부(베인)

76: 배플부

78: 개구

79: 차단벽

80; EGR 밸브

90: 배기 파이프

92: 산화 촉매

92: DPF

Claims

재순환을 위한 배기가스를 냉각시키는 열교환기(60)와,

상기 열교환기(60)의 배기가스 유입구(64)와 유체 연통하고, 열교환기(60)에 유입되는 재순환을 위한 배기가스에 포함된 카본 성분을 분리하는 카본 분리장치(70)를 포함하며,

상기 카본 분리장치(70)는

배기가스 입구 및 출구가 형성된 하우징(72)과,

상기 하우징(72) 내에 설치되고, 유입된 배기가스에 와류를 형성하는 와류 형성부(74)와,

상기 와류 형성부(74)에 의해 형성된 와류에 의해 하우징의 내부에서 방사상으로 이탈된 카본 성분을 걸러내는 배플부(76)

를 포함하는 것인 EGR 쿨러.
청구항 1에 있어서, 상기 와류 형성부(74)는 하우징(72) 내에서 방사상으로 배치되는 복수개의 베인을 포함하는 것인 EGR 쿨러.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 배플부(76)는 원통형으로 형성되고, 배플부(76)의 일단은 베인을 둘러싸도록 배치되고, 타단은 열교환기(60)의 배기가스 유입구(64)가 삽입될 수 있는 개구(78)가 형성되어 있는 것인 EGR 쿨러.