KR20140024273A - 충전 공기 냉각기 및 배기 가스 재순환 시스템을 갖는 엔진 어레인지먼트 - Google Patents

충전 공기 냉각기 및 배기 가스 재순환 시스템을 갖는 엔진 어레인지먼트 Download PDF

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Abstract

첫 번째 양상에 따라 본 발명은 엔진(12), 엔진(12)의 엔진 입구 면(16)에 연결되는 충전 공기 냉각기(14), 충전 공기 냉각기(14)를 바이패스하기 위한 에어 바이패스(20), 및 하나 또는 그 이상의 배기 가스 재순환 라인(24)을 거쳐 엔진(12)의 엔진 출구 면(18) 및 엔진 입구 면(16) 사이에 연결되는 배기 가스 재순환 시스템(22)을 포함하는 엔진 어레인지먼트(10)에 관한 것이다. 에어 바이패스(20)는 배기 가스 재순환 시스템(22)의 엔진 출구 면(18) 및/또는 배기 가스 재순환 냉각기(38)의 상류에서 공기(34)를 배기 가스(32)와 혼합하기 위하여 배기 가스 재순환 라인(24)의 에어 바이패스 포트(26)에서 배기 가스 재순환 시스템(22)으로 들어간다. 두 번째 양상에 따라 본 발명은 엔진(12), 에어 라인(30)을 거쳐 엔진(12)의 엔진 입구 면(16)에 연결되는 충전 공기 냉각기(14), 충전 공기 냉각기(14)를 바이패스하기 위한 에어 바이패스(20), 및 하나 또는 그 이상의 배기 가스 재순환 라인(24)을 거쳐 엔진(12)의 엔진 출구 면(18) 및 엔진 입구 면(16) 사이에 연결되는 배기 가스 재순환 시스템(22)을 포함하는, 바람직하게는 위에서 설명된 것과 같은, 엔진 어레인지먼트에 관한 것이다. 공기/배기 가스 혼합물(36) 내의 냉각/비냉각 공기(34) 및/또는 냉각/비냉각 배기 가스(32)의 비율을 제어함으로써 공기/배기 가스 혼합물(36)의 엔진 입구 온도(T_in)의 제어를 위하여 제어 장치(40)가 제공된다.

Description

충전 공기 냉각기 및 배기 가스 재순환 시스템을 갖는 엔진 어레인지먼트{ENGINE ARRANGEMENT WITH CHARGE AIR COOLER AND EGR SYSTEM}
본 발명은 배기 가스 재순환(exhaust gas recirculation, EGR) 시스템 및 충전 공기 냉각기(charge air cooler)를 포함하는 엔진을 갖는 엔진 어레인지먼트(engine arrangement)에 관한 것이다.
바람직하게는 트럭, 버스, 화물차(lorry), 승용차, 보트 등과 같은 차량을 위하여, 엔진을 갖는 엔진 어레인지먼트는 배기 가스 재순환 시스템을 포함한다는 것이 최신 기술로부터 알려져 있다. 내연기관에 있어서, 배기 가스 재순환은 페트롤/가솔린 및 디젤 엔진들에서 사용되는 질소 산화물 배출 감소 기술을 나타낸다. 질소 산화물은 주로 질소와 산소의 혼합물이 고온일 때 형성한다. 배기 가스 재순환은 엔진 배기 가스 부분을 엔진 실린더로 다시 재순환시킴으로써 작동한다. 가솔린 엔진에 있어서, 이러한 불활성 가스는 실린더 내의 가연성 물질의 양을 대체한다. 디젤 엔진에 있어서, 배기 가스는 예연(precombustion) 혼합물 내의 과도한 산소의 일부를 대체한다. 질소 산화물 형성은 고온에서 더 빠르게 진행하기 때문에, 배기 가스 재순환은 연소의 결과로 발생되는 질소 산화물의 양을 감소시킨다. 공기의 배기 가스 재순환으로의 대체는 람다 값을 낮추는데, 배기 가스 재순환은 연소 온도를 낮추고 산소의 농도를 감소시킨다.
배기 가스 재순환 냉각기(EGR cooler)는 배기 가스 재순환 회로 내에 설치되는 열교환기이다. 배기 가스 재순환 시스템은 질소 산화물 배출을 감소시키도록 배기 가스를 엔진으로 재순환시킨다. 냉각기는 단순히 가스의 엔진으로의 재도입 이전에 배기 가스를 냉각한다. 가스의 냉각에 의해, 연소 온도가 감소되는데, 배기 가스 재순환 가스는 예를 들면, 엔진 시동 동안에 또는 상온 시동 동안에 과도하게 되는데, 이는 각각의 실린더 내 및 배기 가스 성분 내의 연소 효율을 악화시킨다. 따라서, 배기 가스 재순환 가스가 배기 가스 재순환 냉각기의 통로를 바이패스함으로써 제공되는 배기 가스 재순환 바이패스(EGR bypass) 내에서 흐르도록 야기하기 위하여 배기 가스 재순환 냉각기를 갖는 배기 가스 재순환 시스템이 이 경우에 배치된다. 사용 또는 비사용 동안에 이러한 배기 가스 재순환 냉각기를 전환하기 위하여, 배기 가스의 흐름을 한 방향으로부터 다른 방향 또는 두 방향으로 혹은 배기 가스를 두 방향으로부터 한 방향으로 또는 한 방향으로부터 다른 방향으로 변경하도록 통로 스위칭 밸브(passage switchiing valve)가 흔히 사용된다.
또한 엔진 실린더 내의 공기의 유도를 향상시키기 위한 가스 압축기 또는 과급기(supercharger)의 형태인, 내연기관 내의 터보차저 또는 터보 압축기를 사용하는 것이 최신 기술로부터 알려져 있다. 터보차저는 더 많은 동력을 생산하기 위하여 엔진으로 들어가는 공기의 밀도를 증가시킨다. 터보차저는 엔진 자체의 배기 가스에 의해 구동되는 터빈에 의해 작동되는 압축기를 갖는다. 터보차저 내의 공기의 압축은 공기 온도를 증가시키는데, 이는 다수의 문제를 야기할 수 있다. 과도한 충전 공기 온도들은 엔진에 매우 해로운, 디토네이션(detonation)에 이르게 할 수 있다. 터보차저가 엔진 상에 설치될 때, 엔진을 충전기 내의 열 에너지를 주변 공기로 배출하는 열교환기의 한 종류인, 중간냉각기(intercooler) 시스템(또한 충전 공기 냉각 시스템, 또는 CAC 시스템으로 알려진)과 맞추는 것은 일반적인 일이다. 적어도 하나의 터보처저 및 흡기 공기 냉각기를 갖는 압축 점화 엔진을 위하여, 가동되지 않는 엔진의 작동은 다양한 이유들로 최적화하기가 어렵다. 첫 번째로, 낮은 주변 온도 공기가 낮은 주변 온도들 하에서 흡기 충전 공기 냉각기를 통하여 엔진 내로 흐르는 양상에 기인하여, 흡기 매니폴드(manifold)로 들어가는 공기는 과냉각될 수 있고, 배기 가스 재순환 시스템이 사용될 때, 배기 가스 재순환 밸브 및 흡기 센서들 상에 과도한 탄소 증착을 야기할 수 있다. 두 번째로, 가동되지 않은 엔진 상태들에서의 낮은 흡기 공기 온도들은 연료의 불완전 연소에 기인하는 압축 점화 엔진들의 배기 가스 내에 바람직하지 않은 백색 연기(smoke) 및 악취를 야기할 수 있다. 따라서, 예를 들면 높은 고도에서 충전 공기 냉각기 내의 얼음 형성에 기인하는 모터 고장을 예방하기 위한 비행기 모터 및 예를 들면 상온 시동 동안에 백색 연기를 감소시키기 위한 가솔린 내연기관들에서의 스파크 점화 엔진들에 충전 공기 냉각기 바이패스 밸브들이 알려져 있다.
배출을 감소시키기 위하여, 질소 산화물을 촉매의 도움으로 이원자 질소, 물로 전환하는, 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 촉매가 광범위하게 사용된다. 가스성 환원제, 일반적으로 무수 암모니아(anhydrous ammonia), 액상 암모니아 또는 요소(urea)가 연도(flue) 또는 배기 가스 유동에 추가되고 촉매 상으로 흡수된다. 선택적 촉매 환원 촉매는 따뜻한 배기 가스와 함께 더 효율적으로 작용한다. 2010년 1월 1일 이후에 제조되는 디젤 엔진들로의 시동은 낮은 질소 산화물 기준들 충족시키도록 요구된다. 대부분의 대형(heavy-duty) 엔진(클래스 7-8 트럭들) 제조사들은 미국의 배출 기준인, 다가오는 환경보호국(EPA) 기준을 충족시키도록 효율적으로 질소 산화물 배출들을 감소시키기 위하여 그러한 선택적 촉매 환원 촉매들을 사용한다. 유럽연합은 2008년 1월 1일부터 유효한 유로(Euro) 4, 2010년 1월 1일부터 유효한 유로 5를 도입하였고 2014년 1월 1일부터 유효할 유로 6을 도입할 예정이다. 중국 인도, 일본과 같은 아시아 국가들은 유사한 규제를 추구한다.
미국특허 제 7257950 B2로부터 충전 공기 냉각 시스템 및 배기 가스 재순환 시스템을 포함하는 엔진 어레인지먼트가 알려져 있는데, 충전 공기 냉각 시스템은 충전 공기 냉각 바이패스를 포함한다. 충전 공기 냉각 바이패스는 엔진의 흡열부에서 배기 가스 재순환 시스템으로 들어간다.
위에서 설명된 배출 기준들을 충족시키기 위한 엔진 어레인지먼트를 제공하는 것이 본 발명의 목적인데, 선택적 촉매 환원 촉매가 효율적으로 작동될 수 있는 것과 같이, 배기 가스 온도는 다양한 엔진 및 환경 조건들, 특히, 낮은 엔진 하중 및/또는 낮은 엔진 또는 낮은 외부 공기 온도 하에서 최적의 방법으로 제어될 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 방대한 변형, 부가적인 설치들 및 재구성이 방지될 수 있는 것과 같이, 높은 패킹(packing) 밀도를 갖는 현존하는 다양한 엔진 어레인지먼트를 기초로 하여 향상된 배출 값들을 갖는 엔진 어레인지먼트를 제공하는 것이다. 이러한 방법으로, 현존하는 엔진 어레인지먼트들은 적은 노력으로 향상된 배출 기준들을 충족시키도록 변형될 수 있다.
이러한 목적들은 독립항들의 특징에 의해 달성된다. 종속항들, 도면들 및 설명이 본 발명의 바람직한 실시 예들을 개시한다.
엔진, 엔진의 엔진 입구 면에 연결되는 충전 공기 냉각기, 충전 공기 냉각기를 바이패스하기 위한 에어 바이패스(air bypass), 및 하나 또는 그 이상의 배 가스 재순환 라인을 거쳐 엔진의 엔진 출구 면과 엔진 입구 면 사이에 연결되는 배기 가스 재순환 시스템을 포함하는 엔진 어레인지먼트가 제공된다. 에어 바이패스는 배기 가스 재순환 시스템의 엔진 출구 면 및/또는 배기 가스 재순환 냉각기의 상류에서 공기를 배기 가스와 혼합하기 위하여 배기 가스 재순환 라인의 에어-바이패스 포트에서 배기 가스 재순환 시스템으로 들어간다. 엔진의 높은 온도 면인, 배기 가스 재순환 시스템의 엔진 출구 면 상에 충전 공기 냉각기 에어 바이패스를 배치하기 위하여, 배기 가스 재순환의 뜨거운 면에서, 예를 들면, 고온 배기 가스 재순환 냉각기의 하류 면 및 저온 배기 가스 재순환 냉각기의 상류 면 사이에서 충전 공기가 배기 가스와 혼합한다. 현존하는 엔진 어레인지먼트를 본 발명의 어레인지먼트로 변형시키기 위하여, 엔진의 높은 온도 면에서 충전 공기 냉각기 시스템 및 배기 가스 재순환 시스템을 연결하는 부가적인 충전 공기 냉각기 바이패스 라인 및 에어-바이패스 포트가 설치될 수 있는데, 이는 현존하는 엔진 어레인지먼트의 작은 변형이다. 에어 바이패스 라인, 유동 오리피스(orifice) 또는 이진(binary) 혹은 비례 스로틀(proportional throttle)의 미리 결정된 두께는 에어 바이패스를 통하여 배기 가스 재순환 시스템 내로 흐르는 충전된 공기의 양을 제어할 수 있다. 따라서, 증가된 배기 가스 온도가 선택적 촉매 환원 촉매를 더 효율적으로 작동할 수 있도록 제공될 수 있는 것과 같이 낮은 주변 온도 및/또는 낮은 엔진 하중에서 최적화된 공기/배기 가스 혼합물이 제공된다. 엔진 어레인지먼트의 현존 부품들은 변형 노력이 최소화되는 것과 같이 사용될 수 있다. 충전된 공기 및 배기 가스의 이른 혼합은 배기 가스 재순환 시스템 내의 온도를 감소시키며 따라서 열 절연 및 냉각기 치수와 같은, 배기 가스 재순환 시스템의 특정 부품들은 부가적인 구조적 공간의 제공이 감소될 수 있다. 2단(dual-stage)터보 압축기를 갖는 엔진 어레인지먼트에 있어서, 에어 바이패스는 제 2 압축기의 하류에 배치되어야만 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따라, 공기/배기 가스 혼합물 내의 냉각/비냉각 공기 및/또는 냉각/비냉각 배기 가스의 비율을 제어함으로써 공기/배기 가스 혼합물의 엔진 입구 온도(T_in)를 제어하기 위하여 제어 장치가 제공될 수 있다. 공기 및 배기 가스 재순환 사이의 비율은 동일하게 남을 수 있으며 연소 상태, 속도, 하중 등과 같은 엔진 파라미터들에 의존할 수 있다. 입구 온도(T_in)는 충전 공기 냉각기 바이패스 밸브 또는 스로틀을 사용하여 충전 공기를 냉각시키거나 냉각시키지 않음으로써 제어될 수 있다. 게다가 입구 온도(T_in)는 배기 가스 재순환 냉각기 바이패스 밸브 또는 스로틀을 사용하여 배기 가스 재순환을 냉각시키거나 냉각시키지 않음으로써 제어될 수 있다. 냉각/비냉각 충전 공기 및 냉각/비냉각 배기 가스이 양을 제어하는 두 종류 모두는 결합된 방법으로 사용될 수 있고 또한 서로 독립적으로 사용될 수 있다. 제어 장치는 선택적 촉매 환원 촉매를 위하여 최적화된 배기 가스 온도가 제공될 수 있는 것과 같이 위에서 언급된 비율을 제어할 수 있다. 일반적으로 뜨거운 배기 가스는 650℃ 내지 700℃의 뜨거운 온도를 가지며, 차가운 배기 가스(낮은 하중 또는 차가운 엔진)는 100℃ 내지 350℃의 온도를 갖는다. 터보차지된 공기는 50℃ 내지 260℃의 일반적인 온도를 갖는다. 엔진 입구 온도는 배기 가스 배출 및 엔진의 시스템의 윤활에 있어서 매우 중요하다. 만일 입구 온도가 너무 높으면, 엔진 오일 필름이 저하될 수 있다. 제어 장치는 냉각/비냉각 배기 가스 및 냉각/비냉각 충전 공기의 혼합물이 미리 결정된 온도 및 엔진 하중과 온도와 관계없는 비율에서, 예를 들면, 입구 온도＞60℃와 입구 온도＜125℃, 선택적으로 선택적 촉매 환원 촉매가 효율적으로 작동할 수 있는 것과 같은, 100℃ 내지 120℃ 사이의 범위 내의 입구 온도를 갖는 온도에서 엔진 입구면으로 들어가는 것과 같이 비율을 제어할 수 있다. 제어 장치는 직접적인 방법으로(온도 센서) 또는 간접적인 방법으로(가속도계 페달 각, 클러치 상태 등을 고려한 맵(map)을 사용하는 구동 상태들을 기초로 하는) 실제 엔진 입구 온도를 측정하거나 평가하기 위한 수단을 포함하는 컨트롤러 시스템 등일 수 있다. 제어 장치는 공기 또는 가스 라인을 통하여 흐르는 공기 또는 가스의 양을 제어하기 위하여 배기 가스 재순환 시스템 라인, 충전 공기 냉각기 시스템 라인 및/또는 에어 바이패스 라인 내에 위치되는 하나 또는 그 이상의 이진 또는 비례 스로틀 또는 밸브에 연결될 수 있다. 제어 장치는 냉각 온도를 제어하기 위하여 배기 가스 재순환 시스템 및/또는 충전 공기 냉각기 시스템에 연결될 수 있고 공기/배기 가스 혼합물이 미리 결정된 온도(T_in)에서 엔진으로 들어갈 수 있는 것과 같이 배기 가스 재순환 냉각기 바이패스를 통한 공기 유동을 통하거나 및/또는 충전 공기 냉각기 에어 바이패스를 통한 공기 유동을 통하여 가스 유동을 제어할 수 있다.
본 발명의 두 번째 양상에 따라, 특히 위에서 언급된, 엔진 어레인지먼트는 엔진, 에어 라인을 거쳐 엔진의 엔진 입구 면으로 연결되는 충전 공기 냉각기, 충전 공기 냉각기를 바이패스하기 위한 에어 바이패스, 및 하나 또는 그 이상의 배기 가스 재순환 라인을 거쳐 엔진의 엔진 출구 면 및 엔진 입구 면 사이에 연결되는 배기 가스 재순환 시스템을 포함한다. 냉각/비냉각 공기 및/또는 냉각/비냉각 배기 가스의 비율을 제어함으로써 공기/배기 가스 혼합물의 엔진 입구 온도(T_in)를 제어하기 위하여 제어 장치가 제공된다. 제어 장치는 배기 가스 온도가 선택적 촉매 환원 촉매를 위하여 충분히 높으나 임계 온도 하에서 충분히 낮게 제공되는 것과 같이 충전 공기 냉각기 시스템을 통한 냉각 공기의 유동, 배기 가스 재순환 시스템을 통한 냉각 배기 가스의 유동 및/또는 에어 바이패스를 통한 비냉각 공기의 유동, 그리고 선택적으로 배기 가스 재순환 냉각기를 통한 냉각 배기 가스 재순환의 유동 및/또는 배기 가스 재순환 냉각기 바이패스를 통한 비냉각 배기 가스 재순환을 제어할 수 있는데, 따라서 엔진에 대한 손상을 방지한다. 제어 장치는 위에서 설명된 것과 같이 배치될 수 있다.
앞서 언급된 엔진 어레인지먼트의 바람직한 일 실시 예에서, 제어 장치는 배기 가스 재순환 시스템의 엔진 출구 면에서 에어 바이패스로부터의 비냉각 공기 또는 충전 공기 냉각기로부터의 냉각 공기를 배기 가스 재순환 시스템으로부터의 배기 가스와 혼합함으로써 공기/배기 가스 혼합물의 엔진 입구 온도(T_in)를 제어할 수 있다. 제어 장치는 에어 바이패스를 통하여 흐르는 비냉각 공기 및 충전 공기 냉각기를 통하여 흐르는 냉각 공기의 비율이 조정될 수 있는 것과 같이 에어 바이패스 통로를 열고 닫는 적어도 하나의 스로틀 또는 밸브를 제어할 수 있다. 에어라인 내에 배치되는 제 1 스로틀 및 에어 바이패스 라인 내에 배치되는 제 2 스로틀은 배기 가스 재순환을 혼합하기 위한 공기의 양 및 냉각/비냉각 공기의 비율을 제어할 수 있다. 에어 바이패스 라인은 배기 가스 재순환 냉각기를 갖는 배기 가스 재순환 라인에서 배기 가스 재순환 시스템으로 들어갈 수 있거나 또는 배기 가스 재순환 냉각기 바이패스 라인에서 배기 가스 재순환 시스템으로 들어갈 수 있다.
바람직한 일 실시 예에 따라, 제어 장치는 충전 공기를 배기 가스 재순환 바이패스로부터 비냉각 배기 가스 또는 배기 가스 재순환 냉각기로부터의 냉각 배기 가스를 혼합함으로 공기/배기 가스 혼합물의 엔진 입구 온도(T_in)를 제어할 수 있다. 제어 장치는 배기 가스 재순환 바이패스를 통하여 흐르는 비냉각 공기 및 배기 가스 재순환 냉각기를 통하여 흐르는 냉각 공기의 비율이 조정될 수 있는 것과 같이 배기 가스 재순환 냉각기 바이패스 통로를 열고 닫는 적어도 하나의 스로틀 또는 밸브를 제어할 수 있다. 배기 가스 재순환 바이패스 내에 배치되는 제 1 스로틀 및 배기 가스 재순환 냉각기 라인 내에 배치되는 제 2 스로틀은 충전 공기를 혼합하기 위한 배기 가스 재순환의 양 및 냉각/비냉각 배기 가스 재순환의 비율을 제어할 수 있다.
제어 장치는 냉각/비냉각 공기와 혼합된 냉각/비냉각 배기 가스 재순환의 비율을 독립적으로 제어하기 위하여 에어 바이패스 라인 및 배기 가스 재순환 바이패스 라인을 통하여 통로를 제어할 수 있으며 또한 선택적 촉매 환원 촉매가 모든 하중 및 온도 조건들에서 효율적으로 작동하는 것과 같이 배기 가스 온도를 최적화하도록 두 비율 모두의 제어를 결합할 수 있다.
바람직한 일 실시 예에 따라, 스로틀은 에어라인 내에 배치될 수 있다. 스로틀은 에어라인을 열고 닫기 위한 이진 스로틀 또는 밸브일 수 있거나 또는 에어라인을 통하여 흐르는 공기의 양이 제어되는 것과 같은 비례 스로틀 또는 밸브일 수 있다. 스로틀의 폐쇄는 엔진의 뜨거운 면 상의 배기 가스 재순환 시스템으로부터 충전 공기 냉각기 시스템을 분리한다. 스로틀의 개구는 엔진의 뜨거운 면 및 카가운 면 사이의 배기 가스 재순환 라인 내의 공기와 배기 가스의 혼합을 가능하게 한다. 만일 배기 가스 재순환 냉각기 바이패스 라인이 존재하면 배기 가스 재순환 바이패스 내에 스로틀을 배치하는 것이 또한 바람직하다.
바람직한 일 실시 예에 따라, 스로틀은 에어라인 및 에어 바이패스 내에 배치될 수 있다. 에어라인은 터보차저를 충전 공기 냉각기 시스템에 연결한다. 에어라인 스로틀의 열고 닫음은 충전 공기의 냉각을 활성화/불활성화한다. 바람직하게는 엔진의 낮은 하중에서, 에어라인 스로틀은 닫혀져야만 하고 에어 바이패스 스로틀은 열려야만 한다. 높은 하중에서, 에어 바이패스 스로틀은 닫혀져야만 한다. 만일 배기 가스 재순환 냉각기 바이패스가 존재하면 배기 가스 재순환 바이패스 및 배기 가스 재순환 라인 내에 스로틀을 배치하는 것이 또한 바람직할 수 있다.
바람직한 일 실시 예에 따라, 공기/배기 가스 혼합물의 엔진 입구 온도(T_in)는 최소 온도(T_scr) 및 최대 온도(T_max) 사이에서 결정될 수 있다. 최대 온도(T_max)는 특히 낮은 하중에서 또는 낮은 주변 온도들에서, 엔진에 대한 손상을 예방하도록 선택될 수 있으며, 바람직하게는 최대 온도≤125℃가 되도록 선택될 수 있다. 최소 온도(T_scr)는 바람직하게는 선택적 촉매 환원 촉매가 효율적으로 작동할 수 있는 것과 같이, 엔진의 낮은 배출을 보장하도록 선택될 수 있고 최소 온도≥60℃가 되도록 설정될 수 있다. 최소 온도(T_scr) 및 최대 온도(T_max)의 값들은 현재 엔진 상태들과 환경 및 구동 상태들에 따라 다양할 수 있다. 최소 온도(T_scr) 및 최대 온도(T_max)는 맵으로부터 얻어질 수 있다.
바람직한 일 실시 예에 따라, 엔진 출구 면 및 엔진 입구 면은 배기 가스 재순환 냉각기가 없는 직결(direct) 배기 가스 재순환 라인을 거쳐 연결될 수 있으며, 에어 바이패스는 직결 배기 가스 재순환 라인을 거쳐 배기 가스 재순환 시스템으로 들어갈 수 있다. 부가적으로, 직결 배기 가스 재순환 라인은 하나 또는 그 이상의 배기 가스 재순환 냉각기, 예를 들면, 고온 및/또는 저온 배기 가스 재순환 냉각기를 바이패스하기 위한 배기 가스 재순환 바이패스일 수 있다. 그 결과, 직결 배기 가스 재순환 라인은 배기 가스의 저온 상태에서 하나 또는 그 이상의 배기 가스 재순환 냉각기를 바이패스하기 위한 배기 가스 재순환 냉각기 바이패스 라인일 수 있다. 배기 가스는 부분적으로 또는 선택적으로 직결 배기 가스 재순환 라인을 통하거나 또는 적어도 하나의 배기 가스 재순환냉각기를 포함하는 배기 가스 재순환 라인을 통하여 흐를 수 있다. 충전 공기는 배기 가스의 흐름 방향과 관계없이 직결 배기 가스 재순환 라인을 통하여 흐를 수 있다.
바람직한 일 실시 예에 따라, 에어 바이패스는 제 1 배기 가스 재순환 냉각기 및 제 2 배기 가스 재순환 냉각기 사이의 배기 가스 재순환 시스템으로 들어갈 수 있다. 제 1 배기 가스 재순환 냉각기는 고온 배기 가스 재순환 냉각기일 수 있고 제 2 배기 가스 재순환 냉각기는 저온 배기 가스 재순환 냉각기일 수 있다. 에어 바이패스는 고온 배기 가스 재순환 냉각기 하류 및 저온 배기 가스 재순환 냉각기 상류의 배기 가스 재순환 시스템으로 들어가고 공기는 이미 냉각된 배기 가스와 혼합된다. 그 결과, 저온 배기 가스 재순환 냉각기의 크기 및 고온 배기 가스 재순환 냉각기의 하류의 배기 가스 재순환 라인의 절연 두께는 더 감소될 수 있는데, 그 이유는 혼합된 공기/배기 가스의 온도가 더 감소될 수 있기 때문이다.
바람직한 일 실시 예에 따라, 배기 가스 재순환 라인 세스먼트(EGR line segment)가 배기 가스 재순환 라인의 에어 바이패스 포트의 하류에 배치될 수 있으며 혼합 챔버로서 적용될 수 있다. 에어 바이패스는 배기 가스 재순환 냉각기의 상류의 배기 가스 재순환 시스템으로 들어갈 수 있거나 또는 직결 배기 가스 재순환 라인에 연결될 수 있다. 에어 바이패스 포트의 하류의 배기 가스 재순환 라인은 엔진의 차가운 면에 이르게 하고 충전 공기 및 배기 가스를 적절하게 혼합하도록 적용될 수 있다. 따라서, 배기 가스 재순환 라인 세그먼트는 기능적으로 혼합 챔버로서 작용하고 에어 바이패스 입구 지점 및 엔진의 실린더 내로의 입구 사이의 유동 동안에 공기와 배기 가스의 혼합을 통하여 제공하기 위한 형태, 폭 및 내부 구성으로 적용될 수 있다.
바람직한 일 실시 예에 따라, 충전 공기 냉각기는 공랭식(air-cooled) 장치일 수 있거나 또는 냉각수 냉각식(coolant-cooled) 장치일 수 있다. 게다가, 공기 냉각 및 냉각수 냉각 부분을 갖는 하이브리드(hybrid)-냉각 장치를 사용하는 것이 가능할 수 있다. 냉각수 냉각식 장치의 냉각 성능은 충전 공기 냉각기 시스템의 냉각 행동을 제어함으로써 배기 가스/공기 혼합물의 입구 온도의 효율적인 제어가 가능한 것과 같은 제한된 범위들 내에서 제어될 수 있다. 하이브리드-냉각 장치는 엔진의 온도 상태에 따른 냉각 성능을 스케일링하기 위하여 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따라, 위에서 설명된 실시 예들 중의 하나에 따른 엔진 어레인지먼트를 포함하는 차량이 제안된다. 차량의 엔진은 충전 공기 냉각기 및 배기 가스 재순환 시스템을 포함하는데, 엔진의 차가운 면 상의 엔진의 입구에서 배기 가스/충전 공기 혼합물의 온도는 차량 배출이 바람직하게는 낮은 하중 상황 또는 낮은 주변 온도에서 감소될 수 있는 것과 같이 제어될 수 있다. 종래의 차량은 엔진의 뜨거운 면에서 충전 공기 냉각기 시스템의 상류의 에어라인 및 배기 가스 재순환 라인 사이에 에어 바이패스의 설치에 의해 본 발명의 일 실시 예로 전환될 수 있다. 부가적으로, 배기 가스/공기 혼합물 입구 온도를 감지하기 위한 수단들 및 에어 바이패스, 배기 가스 재순환 시스템 및/또는 충전 공기 냉각기 시스템 내의 가스/공기 유동을 제어하기 위한 하나 또는 그 이상의 스로틀을 포함하는 제어 장치가 다가오는 배출 기준을 충족시키기 위하여 제공될 수 있다.
본 발명은 위의 설명들과 다른 목적들 및 장점들과 함께 다음의 실시 예들의 상세한 설명으로부터 더 잘 이해될 것이나, 이러한 실시 예들에 한정되지는 않는다.
도 1은 최근 기술의 엔진 어레인지먼트의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 엔진 어레인지먼트의 첫 번째 실시 예의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 엔진 어레인지먼트의 두 번째 실시 예의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 엔진 어레인지먼트의 세 번째 실시 예의 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 엔진 어레인지먼트의 네 번째 실시 예의 개략도이다.
도 6은 네 번째 실시 예에 따른 충전 공기 냉각기 에어 바이패스 섹션의 확대도이다.
도 7은 본 발명에 따른 엔진 어레인지먼트의 첫 번째 실시 예의 개략도이다.
도 8은 본 발명에 따른 엔진 어레인지먼트의 일 실시 예를 포함하는 차량을 도시한다.
도면들에서, 동일하거나 유사한 구성요소들은 동일한 참조 번호로서 언급된다. 도면들은 단지 개략적인 표현이며, 본 발명의 특정 파라미터들을 나타내는 것으로 의도되지 않는다. 게다가, 도면들은 단지 본 발명의 일반적인 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 따라서 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 고려되지 않는다.
도 1은 엔진(22), 배기 가스 재순환 시스템(22) 및 터보차저(60)와 충전 공기 냉각 어레인지먼트(70)를 포함하는 충전 공기 냉각 시스템을 포함하는 최신 기술의 엔진 어레인지먼트를 도시한다. 배기 가스 재순환 시스템(22)은 뜨거운 엔진 면인 엔진 출구 면(18)으로부터 차가운 엔진 면인 엔진 입구 면(16)으로 엔진(12)에 의해 생산되는 배기 가스를 재순환시킨다. 엔진 출구 면(18)에 의해 배출되는 배기 가스는 일반적으로 100℃(낮은 하중) 및 700℃(전 하중) 사이의 온도를 갖는다. 일반적으로, 배기 가스의 가스 압력은 1.5 내지 500 kPa 사이에서 다양할 수 있다. 배기 가스의 적어도 일부분은 배기 가스 재순환 시스템에 의해 엔진 입구 면(16)으로 재순환될 엔진(12)의 배출을 감소시키도록 터보차저(60)로부터 충전된 공기와 혼합될 것이다. 배기 가스는 엔진(12)의 배기 가스 출력 포트(68)에 가깝게 부착되는 고온 배기 가스 재순환 냉각기(38a) 및 배기 가스 재순환 라인(24)의 하류에 배치되는 저온 배기 가스 재순환 냉각기(38b)를 포함하는 2단계 냉각 배기 가스 재순환 냉각기(38)에 의해 냉각된다. 터보차저(60)는 배기 파이프(62)를 향하여 흐르는 배기 가스에 의해 구동되고 충전 공기가 에어라인(30)을 통하여 엔진(12)의 엔진 입구 면(16)으로 흐를 수 있는 것과 같이 터보차저(60)의 공기 흡기(64)로 들어가는 주변 공기를 압축한다. 공기 압축의 과정에 있어서, 충전 공기의 온도는 60℃(낮은 하중) 및 260℃(전 하중)까지 상승할 수 있다. 엔진이 배기 특성들을 효율적으로 증가시키고 향상시키기 위하여, 충전 공기는 냉각 장치(70) 내에 포함되는 충전 공기 냉각기(14)에 의해 냉각된다. 냉각 장치(70)는 차량 캐빈(cabin) 또는 엔진 블록을 냉각시키기 위한 저온 냉각 장치(72) 및 고온 냉각 장치(74)를 더 포함한다. 냉각 장치(70)의 출력 면으로부터, 냉각된 충전 공기는 배기 가스 재순환 냉각 공기 혼합 포트(58)에서 배기 가스 재순환 배기 가스와 혼합되고 배기 가스 재순환 공기 입력 포트(56)에서 엔진(12)의 실린더로 들어간다.
낮은 하중 또는 낮은 엔진 온도와 같은, 특정 조건들 하에서, 충전 공기의 과도한 냉각은 엔진(12)에 해로울 수 있다. 따라서, 종래의 에어 바이패스 라인(66)을 거쳐 충전 공기 냉각기(14)를 바이패스하는 것이 잘 알려져 있다. 충전 공기 냉각기(14)에 의해 충전된 공기 및 에어 바이패스(66)를 통하여 바이패스된 충전 공기 사이의 전환은 단일 또는 더블 스로틀(도시되지 않음)에 의해 제어될 수 있다. 종래에, 배기 가스 재순환 냉각 공기 혼합 포트(58)는 배기 가스 및 충전 공기를 완전히 혼합하기 위한 혼합 챔버를 포함한다. 또한 배기 가스 재순환 시스템(22)이 두꺼운 분리된 배기 가스 재순환 라인들(24) 및 고성능 배기 가스 재순환 냉각기들(38a 및 38b)을 포함하는 것은 주지의 사실인데, 그 이유는 배기 가스 재순환 배기 가스가 약 700℃ 이상의 온도에 도달할 수 있고, 따라서 엔진의 다른 부품들이 과열로부터 보호되어야 하기 때문이다. 게다가, 다수의 배기 가스 재순환 라인(24) 및 충전 에어라인들(30)은 엔진 어레인지먼트(10) 내에 설치되어야만 하는데, 이는 구조적 공간을 강하게 제한한다. 배기 가스/공기 입력 포트(56)에서 엔진(12)으로 들어가는 공기/배기 가스 혼합물의 최적 온도의 제어는 느린 반응 시간 및 공기/배기 가스 온도와 양의 어려운 제어에 이르게 하는 공기와 배기 가스 재순환 시스템 내에 저장되는 공기와 가스의 높은 볼륨 때문에 어렵다. 바람직하게는 낮은 하중 조건 또는 낮은 엔진 온도에서 가스/공기 혼합물의 온도의 정확한 제어가 바람직한데, 이는 배기 가스 파이프(62) 내에 설치되는 선택적 촉매 환원 촉매의 더 효율적인 작업에 이르게 한다.
도 2는 본 발명에 따른 엔진 어레인지먼트의 첫 번째 실시 예(10)를 개략적으로 도시하는데, 배기 가스 및 충전 공기의 혼합은 통상의 배기 가스/공기 혼합물이 배기 가스 재순환 시스템(22)을 통하여 엔진 입구 면(16)으로 흐르는 것과 같이 엔진(12)의 뜨거운 면(18) 상에 실행된다. 전체 구성은 도 1에 도시된 엔진 어레인지먼트(10)의 구성과 유사하다. 종래의 에어 바이패스(66)는 더 이상 필요하지 않으며, 따라서 구조적 공간을 절약하고 배기 가스 재순환/충전 공기 냉각기 시스템의 구조적 복잡성을 감소시킨다. 엔진 어레인지먼트(10)는 배기 가스 재순환 시스템(22)을 포함하는데, 엔진(12)으로부터의 배기 가스는 제 1 고온 배기 가스 재순환 냉각기(38a)로 들어가고, 배기 가스 재순환 라인(24)을 통하여 제 2 저온 배기 가스 재순환 냉각기(38b)로 흐른다. 제 2 저온 배기 가스 재순환 냉각기(38b)의 출력된 가스는 배기 가스 재순환 냉각 공기 혼합 포트(58) 내로 흐르는데, 배기 가스는 충전 공기 냉각기(14)로부터의 냉각 충전 공기에 의해 혼합될 수 있고 배기 가스 재순환 공기 입력 포트(56)에서 엔진(12)으로 들어간다. 충전 공기 냉각기 바이패스를 제공하기 위하여, 에어 바이패스(20)는 에어 바이패스(20)에 의해 바이패스 포트(76)에서의 터보차저(60) 하류의 에어라인(30)을 제 1 고온 배기 가스 재순환 냉각기(38a) 및 제 2 저온 배기 가스 재순환 냉각기(38b) 사이의 바이패스 포트(26)에서의 배기 가스 재순환 연결 라인(24)에 연결한다. 충전 공기는 에어 바이패스 포트(26)에서 배기 가스 재순환 시스템(22)으로 들어가는데, 배기 가스 및 충전 공기는 배기 가스 재순환 라인(24)을 통한 그것들의 유동 동안에 그리고 제 2 배기 가스 제순환 냉각기(38b)의 냉각 과정 동안에 혼합될 수 있다. 동일한 배기 가스 재순환 라인(24) 내의 배기 가스와 공기의 긴 통로를 통하여 철저한 혼합이 제공되며, 빠른 반응 속도 시간으로 공기/배기 가스 온도의 효율적인 제어가 달성될 수 있다. 배기 가스 재순환 시스템(22) 내의 배기 가스/공기 혼합물의 효율적인 온도는 제 2 저온 배기 가스 재순환 냉각기(38b)의 열 절연 및 냉각 능력이 감소되는 것과 같이 낮아진다. 낮은 하중에서 엔진 어레인지먼트는 더 조밀해지고 배기 배출 값들은 감소될 수 있다. 충전 공기 냉각기(14)는 저온 배기 가스 재순환 냉각기(38b)를 통하여 바이패스된다. 종래의 엔진 어레인지먼트들에 이미 존재하는 부품들이 사용될 수 있는데, 따라서 구조적 변형들 및 경비가 적다. 배기 가스 재순환 냉각 공기 혼합 포트(58)에서의 혼합 챔버는 불필요하다. 종래의 정상 작동에서, 제 2 저온 배기 가스 재순환 냉각기(38b)는 저온 라디에이터(radiator, 72)로부터의 냉각수에 의해 냉각될 수 있다. 이러한 구성에서, 엔진(12)이 낮은 하중 또는 상온 시동 단계에서 구동될 때, 냉각수 공급은 공기/배기 가스 혼합물의 냉각을 방지하기 위하여 차단될 수 있거나 또는 저온 배기 가스 재순환 냉각기(38b)가 고온 냉각 장치(74)에 연결될 수 있고 배기 가스 공기 혼합물은 뜨거운 냉각수에 의해 가열될 수 있다. 저온 배기 가스 재순환 냉각기(38b)의 추가의 바이패스는 더 이상 필요하지 않다. 그 결과 충전 공기 냉각기(!4)의 단일 바이패스뿐만 아니라 배기 가스 재순환 냉각기(38a 또는 38b)의 바이패스는 충전 공기에 의한 배기 가스의 활발한 냉각에 의해 생략될 수 있다. 만일 터보차저(60)가 2단 터보 엔진이면, 에어 바이패스(20)는 바람직하게는 두 번째 터보 압축 단계의 하류에 배치될 수 있다. 제어 장치(도 2에는 도시되지 않음)는 하나 또는 일부의 스로틀, 예를 들면, 배기 가스 재순환 시스템(22) 및 충전 공기 냉각기(14) 내에 흐르는 충전 공기의 양을 제어하기 위하여 에어 바이패스(20) 및 에어라인(30) 내에 배치되는 더블 스로틀을 제어할 수 있다. 제어 장치는 배기 가스 재순환/공기 입력 포트(56)에서 엔진(12)으로 들어가는 배기 가스/공기 혼합물이 125℃ 아래의 온도를 갖는 것과 같이 혼합을 제어할 수 있다. 하나 또는 일부 스로틀은 이진 스위치 또는 비례 스로틀일 수 있으며 제어 장치는 PD-, PI- 또는 PID- 제어 유닛을 포함할 수 있다. 에어라인(30) 내에 흐르는 공기의 속도는 낮은 반응 시간이 도달될 수 있는 것과 같이 전 하중에서 20 내지 25 m/s까지일 수 있다. 높은 비율에서의 연속적인 스로틀링은 반응 시간을 감소시킬 수 있다.
도 3은 기본 구성이 본질적으로 도 2의 실시 예를 기초로 하고 부가적으로 배기 가스 재순환 냉각기(38)를 바이패스하기 위하여 엔진 출구 면(18) 상의 배기 가스 출력 포트(68)를 엔진 입구 면(16)에서의 입력 포트(56)에 연결하는 직결 배기 가스 재순환 라인(28)을 포함하는 엔진 어레인지먼트(10)의 또 다른 실시 예를 도시한다. 여기서, 스로틀(도시되지 않음)이 냉각된 배기 가스 재순환 라인(24) 또는 직결 배기 가스 재순환 라인(28)을 통하여 흐르는 배기 가스의 방향 및 양을 제어할 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 것과 같이, 에어-바이패스 라인(20)은 배기 가스 재순환 냉각기 어레인지먼트(38)의 배기 가스 재순환 연결 라인(24)에서 배기 가스 재순환 시스템으로 들어갈 수 있거나 또는 도 4에 도시된 것과 같이 직결 배기 가스 재순환 라인(28)으로 들어갈 수 있다. 에어 바이패스(20)와 직결 배기 가스 재순환 라인(28)의 연결은 "뜨거운" 배기 가스와 "차가운" 충전 공기의 제어되는 혼합에 의해 직결 배기 가스 재순환 라인(28)의 분리 두께를 감소시킨다. 화재 위험 및 온도 관련 손실이 감소될 수 있다.
도 5는 엔진 어레인지먼트(10)의 또 다른 실시 예를 도시하는데, 배기 가스 재순환 시스템(22)은 배기 가스 재순환 냉각기들(38)이 필요하지 않은 것과 같이, 직결 배기 가스 재순환 라인(28)을 포함한다. 에어 바이패스(20)를 통하여 직결 배기 가스 재순환 라인(28)으로의 차가운 충전 공기의 제어되는 주입들에 의해, 배기 가스/공기 혼합물의 온도 및 혼합 비율은 최적 혼합 가스가 배기 가스 재순환/공기 입력 포트(56)에서 엔진의 차가운 면(16)으로 들어갈 수 있는 것과 같이 도달될 수 있다. 제어 방법은 엔진의 람다 값을 최적화하는데 도움을 줄 수 있다.
도 5의 서브 파트 A의 확대도가 도 6에 도시된다. 공기(34)는 터보차저(60, 도시되지 않음)에 의해 충전되고 에어라인(30)을 통하여 충전 공기 냉각기(14, 또한 도시되지 않음)를 향하여 흐를 수 있는데. 이는 제 1 스로틀(42a)에 의해 제어될 수 있다. 에어라인(30)은 바이패스 포트(76)에서 배기 가스 재순환 라인(24)에 연결되며, 공기(34)는 에어-바이패스 포트(26)를 통하여 배기 가스 재순환 라인(24)으로 들어가며, 에어 바이패스(20) 내에 제 2 스로틀(42b)이 배치된다. 두 스로틀(42a 및 42b) 모두 충전 공기 냉각기(14)를 향하여 흐르거나 또는 에어 바이패스(20)를 통하여 짧은 반응 기간을 갖는 배기 가스 재순환 시스템(22) 내로 흐르는 충전 공기(34)의 양을 제어할 수 있다. 에어-바이패스 포트(26)에서, 충전 공기는 혼합 챔버(468로서 작용하는 배기 가스 재순환 라인 세그먼트(46) 내의 이동 동안에 완전히 혼합하는 공기/배기 가스 혼합물을 형성하는 배기 가스와 혼합된다. 배기 가스 재순환 라인 세그먼트(46)의 지름 및 내부 구성은 배기 가스(32)와 충전 공기(34)이 혼합을 최적화하도록 적용될 수 있다. 혼합 가스(36)는 엔진(12)의 엔진 입구 면(16)의 배기 가스 재순환/공기 입력 포트(56)에 이르게 된다. 일반적으로, 배기 가스 재순환 시스템 내의 압력은 500 kPa까지 도달할 수 있는데, 충전 공기 시스템 내의 압력은 약 15 kPa이다. 따라서, 배기 가스(32)와 충전 공기(34)의 혼합을 향상시키기 위하여 작동 밸브, 체크 밸브(non-return valve)들 또는 부가적인 터빈들 또는 압력 조절기들과 같은, 활성 컴포넌트들과 같은 부가적인 수단들이 에어 바이패스 라인(20) 내에 배치될 수 있다.
도 7은 도 3 및 4에 도시된 실시 예와 유사한 엔진 어레인지먼트의 더 상세한 실시 예를 도시하는데, 에어 바이패스(20)는 직결 배기 가스 재순환 라인(28) 및 냉각된 배기 가스 재순환 라인(24)에 연결된다. 제어 장치(40)는 배기 가스 재순환/공기 입력 포트(56)에 배치되고 엔진(12)으로 들어가는 혼합된 가스의 온도를 평가하는 온도 센서(52)를 포함한다. 최소 및 최대 임계 값(T_scr 및 T_max) 사이에서 다양할 수 있는, 미리 정의된 온도(T_in)를 유지하기 위하여, 제어 장치(40)는 적어도 직결 배기 가스 재순환 라인(28)(42b)에 연결되는 에어 바이패스(20) 내의 에어라인(30)(42a) 내에, 그리고 냉각된 배기 가스 재순환 라인(24)(42c)에 연결되는 에어라인 내에 배치되는 스로틀(42a 내지 42c)를 제어한다. 게다가, 스로틀(42d)이 엔진(12)의 차가운 면(16)으로 재순환하는 배기 가스 재순환 가스의 양을 제어할 수 있다. 온도 센서(52)의 직접인 온도 측정이 매우 느리고 부정확할 수 있기 때문에, 제어 장치(40)는 예를 들면 가스 가속도계 페달의 각도, 구동 상태들 및 나아가 엔진 관련 파라미터들을 평가할 수 있다. 따라서, 엔진 하중의 직접적인 측정 동안에, 빠른 반응 시간 및 포트(56)로 들어가는 공기/배기 가스 혼합물의 온도 및 비율의 더 정확한 제어가 제공될 수 있다. 일반적으로, 배기 가스 재순환 유동은 엔진(12)에 의해 배출되는 전체 배기 가스의 20% 내지 30%이다.
도 8은 최종적으로 차량(15)을 도시하는데, 엔진 어레인지먼트(10)는 배기 가스 재순환 냉각기(38) 및 충전 공기 냉각기(14)를 갖는 터보차저(60)를 갖는 배기 가스 재순환 시스템(22)을 포함하는데, 충전 공기 냉각 시스템은 충전 공기가 배기 가스 재순환 시스템(22)의 배기 가스 재순환 라인(24)을 통하여 흐를 수 있는 것과 같이 엔진의 뜨거운 면(18)에서 에어 바이패스(20)에 의해 바이패스될 수 있다. 엔진(12)의 람다 값이 최적화될 수 있으며 낮은 하중 또는 엔진 시동에서의 배기 가스 온도는 선택적 촉매 환원 촉매(54)가 효율적으로 작동할 수 있는, 낮은 하중 또는 엔진 시동에서도 온도 값들에 도달할 수 있다.
엔진 어레인지먼트는 디젤 엔진들 및 또한 가솔린 엔진들을 위하여 사용될 수 있으며, 차량 또는 발전 시스템, 작동 기계 등과 같은, 내연기관에 의해 구동되는 다른 장치들 기계들 내에 설치될 수 있다. 엔진 어레인지먼트의 최소한의 구조적 변형에 의해, 향상된 입장 파라미터들, 부가적인 구조 공간 및 엔진들의 향상된 성능이 획득될 수 있다. 본 발명은 새로 만들어진 엔진들과 통합될 수 있으며 또한 적은 노력으로 현존하는 엔진들의 개조를 위하여 사용될 수 있다.
10 : 엔진 어레인지먼트
12 : 엔진
14 : 충전 공기 냉각기
16 : 엔진 입구 면
18 : 엔진 출구 면
20 : 에어 바이패스
22 : 배기 가스 재순환 시스템
24 : 배기 가스 재순환 라인
26 : 에어-바이패스 포트
28 : 직결 배기 가스 재순환 라인
30 : 에어 라인
32 : 배기 가스
34 : 공기
36 : 공기/배기 가스 혼합물
38 : 배기 가스 재순환 냉각기
38a : 고온 배기 가스 재순환 냉각기
38b : 저온 배기 가스 재순환 냉각기
40 : 제어 장치
42 : 스로틀
42a : 에어 라인 내의 스로틀
42b : 직결 배기 가스 재순환 라인을 위한 에어-바이패스 내의 스로틀
42c : 냉각 배기 가스 재순환 라인을 위한 에어-바이패스 내의 스로틀
42d : 배기 가스 재순환 라인 내의 스로틀
42e : 직결 배기 가스 재순환 라인 내의 스로틀
44 : 배기 가스 재순환 바이패스
46 : 배기 가스 재순환 라인 세그먼트
48 : 혼합 챔버
50 : 차량
52 : 온도 센서
54 : 선택적 촉매 환원 촉매
56 : 배기 가스 재순환/공기 입력 포트
58 : 배기 가스 재순환/냉각 공기 혼합 포트
60 : 터보차저
62 : 배기 파이프
64 : 공기 흡입
66 : 종래의 에어 바이패스
68 : 배기 가스 출력 포트
70 : 냉각 장치
72 : 저온 냉각 장치
74 : 고온 냉각 장치
76 : 바이패스 포트

Claims (30)

  1. 엔진(12), 상기 엔진(12)의 엔진 입구 면(16)에 연결되는 충전 공기 냉각기(14), 상기 충전 공기 냉각기(14)를 바이패스하기 위한 에어 바이패스(20), 및 하나 또는 그 이상의 배기 가스 재순환 라인(24)을 거쳐 상기 엔진(12)의 엔진 출구 면(18) 및 상기 엔진 입구 면(16) 사이에 연결되는 배기 가스 재순환 시스템(22)을 포함하는 엔진 어레인지먼트(10)에 있어서,
    상기 에어 바이패스(20)는 상기 배기 가스 재순환 시스템(22)의 상기 엔진 출구 면(18) 및/또는 배기 가스 재순환 냉각기(38)의 상류에서 공기(34)를 배기 가스(32)와 혼합하기 위하여 상기 배기 가스 재순환 라인(24)의 에어 바이패스 포트(26)에서 상기 배기 가스 재순환 시스템(22)으로 들어가는 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트(10).
  2. 제 1항에 있어서, 공기/배기 가스 혼합물(36) 내의 냉각/비냉각 공기(34) 및/또는 냉각/비냉각 배기 가스(32)의 비율을 제어함으로써 상기 공기/배기 가스 혼합물(36)의 엔진 입구 온도(T_in)의 제어를 위하여 제어 장치(40)가 제공되는 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트.
  3. 엔진(12), 에어 라인(30)을 거쳐 상기 엔진(12)의 엔진 입구 면(16)에 연결되는 충전 공기 냉각기(14), 상기 충전 공기 냉각기(14)를 바이패스하기 위한 에어 바이패스(20), 및 하나 또는 그 이상의 배기 가스 재순환 라인(24)을 거쳐 상기 엔진(12)의 엔진 출구 면(18) 및 상기 엔진 입구 면(16) 사이에 연결되는 배기 가스 재순환 시스템(22)을 포함하는 엔진 어레인지먼트(10)에 있어서,
    공기/배기 가스 혼합물(36) 내의 냉각/비냉각 공기(34) 및/또는 냉각/비냉각 배기 가스(32)의 비율을 제어함으로써 상기 공기/배기 가스 혼합물(36)의 엔진 입구 온도(T_in)의 제어를 위하여 제어 장치(40)가 제공되는 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트(10).
  4. 제 3항에 있어서, 상기 제어 장치(40)는 상기 배기 가스 재순환 시스템(22)의 상기 엔진 출구 면(18)에서 상기 에어 바이패스(20)로부터의 비냉각 공기(34) 또는 상기 충전 공기 냉각기(14)로부터의 냉각 공기(34)를 상기 배기 가스 재순환 시스템(22)으로부터의 배기 가스(32)와 혼합함으로써 상기 공기/배기 가스 혼합물(36)의 상기 엔진 입구 온도(T_in)의 제어를 위하여 제공되는 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트.
  5. 제 3항 또는 4항에 있어서, 상기 제어 장치(40)는 공기(34)를 배기 가스 재순환 바이패스(44)로부터의 비냉각 배기 가스(32)와 혼합하거나 또는 배기 가스 재순환 냉각기(38)로부터의 냉각 배기 가스(32)와 혼합함으로써 상기 공기/배기 가스 혼합물(36)의 상기 엔진 입구 온도(T_in)의 제어를 위하여 제공되는 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트.
  6. 전 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에어 라인(30) 내에 스로틀(42)이 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트.
  7. 전 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에어 라인(30) 및 상기 에어 바이패스(20) 내에 스로틀이 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트.
  8. 전 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공기/배기 혼합물의 엔진 입구 온도(T_in)는 최소 온도(T_scr) 및 최대 온도(T_max) 사이에서 결정되는 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트.
  9. 전 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 엔진 출구 면(18) 및 상기 엔진 입구 면(16)은 배기 가스 재순환 냉각기(38)가 없는 직결 배기 가스 재순환 라인(28)을 거쳐 연결되고, 상기 에어 바이패스(20)는 상기 직결 배기 가스 재순환 라인(28)을 거쳐 상기 배기 가스 재순환 시스템(22)으로 들어가는 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 직결 배기 가스 재순환 라인(28)은 하나 또는 그 이상의 배기 가스 재순환 냉각기(38)를 바이패스하기 위한 배기 가스 재순환 바이패스(44)인 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트.
  11. 전 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에어 바이패스(20)는 제 1 배기 가스 재순환 냉각기(38a) 및 제 2 배기 가스 재순환 냉각기(38b) 사이의 배기 가스 재순환 시스템(22)으로 들어가는 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트.
  12. 전 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배기 가스 재순환 라인(24) 내의 상기 에어 바이패스 포트(26)의 다운스트림의 상기 배기 가스 재순환 라인 세그먼트(46)는 혼합 챔버(48)로서 디자인되는 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트.
  13. 전 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충전 공기 냉각기(14)는 공랭식 장치(70)인 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트.
  14. 전 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충전 공기 냉각기(14)는 냉각수 냉각식 장치(70)인 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트.
  15. 전 항 중 어느 한 항에 따른 엔진 어레인지먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
  16. 엔진, 상기 엔진의 엔진 입구 면에 연결되는 충전 공기 냉각기, 상기 충전 공기 냉각기를 바이패스하기 위한 에어 바이패스, 및 하나 또는 그 이상의 배기 가스 재순환 라인을 거쳐 상기 엔진의 엔진 출구 면 및 상기 엔진 입구 면 사이에 연결되는 배기 가스 재순환 시스템을 포함하는 엔진 어레인지먼트에 있어서,
    상기 에어 바이패스는 상기 배기 가스 재순환 시스템의 상기 엔진 출구 면 및/또는 배기 가스 재순환 냉각기의의 상류에서 공기를 배기 가스와 혼합하기 위하여 상기 배기 가스 재순환 라인의 에어 바이패스 포트에서 상기 배기 가스 재순환 시스템으로 들어가는 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트.
  17. 제 16항에 있어서, 공기/배기 가스 혼합물 내의 냉각/비냉각 공기 및/또는 냉각/비냉각 배기 가스의 비율을 제어함으로써 상기 공기/배기 가스 혼합물의 엔진 입구 온도의 제어를 위하여 제어 장치가 제공되는 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트.
  18. 엔진, 에어 라인을 거쳐 상기 엔진의 엔진 입구 면에 연결되는 충전 공기 냉각기, 상기 충전 공기 냉각기를 바이패스하기 위한 에어 바이패스, 및 하나 또는 그 이상의 배기 가스 재순환 라인을 거쳐 상기 엔진의 엔진 출구 면 및 상기 엔진 입구 면 사이에 연결되는 배기 가스 재순환 시스템을 포함하는 엔진 어레인지먼트에 있어서,
    공기/배기 가스 혼합물 내의 냉각/비냉각 공기 및/또는 냉각/비냉각 배기 가스의 비율을 제어함으로써 상기 공기/배기 가스 혼합물의 엔진 입구 온도의 제어를 위하여 제어 장치가 제공되는 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 배기 가스 재순환 시스템의 상기 엔진 출구 면에서 상기 에어 바이패스로부터의 비냉각 공기 또는 상기 충전 공기 냉각기로부터의 냉각 공기를 상기 배기 가스 재순환 시스템으로부터의 배기 가스와 혼합함으로써 상기 공기/배기 가스 혼합물의 상기 엔진 입구 온도의 제어를 위하여 제공되는 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트.
  20. 제 18항에 있어서, 상기 제어 장치는 공기를 배기 가스 재순환 바이패스로부터의 비냉각 배기 가스와 혼합하거나 또는 배기 가스 재순환 냉각기로부터의 냉각 배기 가스와 혼합함으로써 상기 공기/배기 가스 혼합물의 상기 엔진 입구 온도의 제어를 위하여 제공되는 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트.
  21. 제 16항 또는 18항에 있어서, 상기 에어 라인 내에 스로틀이 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트.
  22. 제 16항 또는 18항에 있어서, 상기 에어 라인 및 상기 에어 바이패스 내에 스로틀이 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트.
  23. 제 16항 또는 18항에 있어서, 상기 공기/배기 혼합물의 엔진 입구 온도는 최소 온도 및 최대 온도 사이에서 결정되는 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트.
  24. 제 16항 또는 18항에 있어서, 상기 엔진 출구 면 및 상기 엔진 입구 면은 배기 가스 재순환 냉각기가 없는 직결 배기 가스 재순환 라인을 거쳐 연결되고, 상기 에어 바이패스는 상기 직결 배기 가스 재순환 라인을 거쳐 상기 배기 가스 재순환 시스템으로 들어가는 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트.
  25. 제 24항에 있어서, 상기 직결 배기 가스 재순환 라인은 하나 또는 그 이상의 배기 가스 재순환 냉각기를 바이패스하기 위한 배기 가스 재순환 바이패스인 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트.
  26. 제 16항 또는 18항에 있어서, 상기 에어 바이패스는 제 1 배기 가스 재순환 냉각기 및 제 2 배기 가스 재순환 냉각기 사이의 배기 가스 재순환 시스템으로 들어가는 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트.
  27. 제 16항 또는 18항에 있어서, 상기 배기 가스 재순환 라인 내의 상기 에어 바이패스 포트의 다운스트림의 상기 배기 가스 재순환 라인 세그먼트는 혼합 챔버로서 디자인되는 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트.
  28. 제 16항 또는 18항에 있어서, 상기 충전 공기 냉각기는 공랭식 장치인 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트.
  29. 제 16항 또는 18항에 있어서, 상기 충전 공기 냉각기는 냉각수 냉각식 장치인 것을 특징으로 하는 엔진 어레인지먼트.
  30. 제 16항 또는 18항에 따른 엔진 어레인지먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
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