KR20150010842A - 엔진 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 엔진 시스템에 의하면, 실린더블록에 부착된 흡기매니폴드로 외기를 공급하는 제1흡기라인, 상기 제1흡기라인에 설치되는 흡기바이패스밸브, 상기 제1흡기바이패스밸브를 바이패스하는 제2흡기라인, 상기 실린더블록에 부착된 배기매니폴드에서 배출되는 배기가스가 흐르는 제1배기라인, 상기 제1배기라인에 설치되는 배기바이패스밸브, 상기 배기바이패스밸브를 바이패스하는 제2배기라인, 상기 제2배기라인을 지나는 배기가스에 의해서 작동되어 상기 제2흡기라인을 흐르는 흡기를 펌핑하는 터보차저, 및 운행조건에 따라서 상기 흡기바이패스밸브와 상기 배기바이패스밸브를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

엔진 시스템{ENGINE SYSTEM}
본 발명은 터보차저를 이용하고 배기가스를 재순환하여 저속구간에서 출력을 향상시키고 연소효율을 증가시키며 배기가스의 품질을 향상시키는 엔진 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 디젤엔진은 가솔린엔진에 비하여 연료의 소모가 적고 효율이 좋다고 알려져 있다. 통상 40%정도의 효율을 내고 있으며, 이는 디젤엔진의 고압축비에 따른 것이다.
최근의 엔진에서는 보다 큰 출력을 얻을 수 있도록 터보차저(Turbo-charge)와 인터쿨러(Inter cooler) 등을 추가로 구비한다.
이와 같이 터보차저를 적용한 엔진은 터보차저의 압축기에 의해 배기가스나 외부공기를 흡입하여 압축시키고, 이때 발생된 과급공기(고온의 압축공기)를 엔진측으로 공급한다.
하지만, 급속히 압축된 공기는 터보차저의 열과 그 압축과정에서 발생하는 열을 흡수하여 밀도가 낮아지게 되고, 결과적으로 엔진 연소실 내의 충전효율을 떨어뜨린다. 이에, 인터쿨러를 사용함으로써 과급공기를 냉각하여 높은 밀도를 얻을 수 있으며, 그 결과 보다 많은 공기를 엔진 연소실 내로 흡입시켜 높은 출력을 얻을 수 있다.
한편, 터보차저를 구비한 엔진에서 엔진회전수가 중저속구간에서 연료소모를 줄이는 동시에 출력토크를 증가시키기 위한 연구가 진행되고 있고, 재순환가스의 공급을 보다 효율적으로 제어하기 위한 연구도 함께 진행되고 있다.
본 발명의 목적은 터보차저를 가진 엔진에서 엔진의 회전수가 미리 설정된 중저속구간에서 연료소모를 줄이면서 출력토크를 증가시키는 엔진 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 엔진 시스템에 의하면, 실린더블록에 부착된 흡기매니폴드로 외기를 공급하는 제1흡기라인, 상기 제1흡기라인에 설치되는 흡기바이패스밸브, 상기 제1흡기바이패스밸브를 바이패스하는 제2흡기라인, 상기 실린더블록에 부착된 배기매니폴드에서 배출되는 배기가스가 흐르는 제1배기라인, 상기 제1배기라인에 설치되는 배기바이패스밸브, 상기 배기바이패스밸브를 바이패스하는 제2배기라인, 상기 제2배기라인을 지나는 배기가스에 의해서 작동되어 상기 제2흡기라인을 흐르는 흡기를 펌핑하는 터보차저, 및 운행조건에 따라서 상기 흡기바이패스밸브와 상기 배기바이패스밸브를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 터보차저의 컴프레서의 하류측의 상기 제2흡기라인에 설치되는 인터쿨러를 포함할 수 있다.
상기 흡기매니폴드로 공급되는 흡기유량을 제어하는 스로틀바디를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 알피엠이 설정치 보다 낮은 구간에서 부하가 설정수치보다 낮은 경우 상기 흡기바이패스밸브와 상기 배기바이패스밸브를 열어주되, 상기 배기바이패스밸브의 개도율을 제어하여 출력을 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 알피엠이 설정치 보다 낮은 구간에서 부하가 설정수치보다 높은 경우 상기 흡기바이패스밸브는 닫고, 상기 배기바이패스밸브를 열어주되, 상기 배기바이패스밸브의 개도율을 제어하여 출력을 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 알피엠이 설정치 보다 높은 구간에서 상기 흡기바이패스밸브는 열고, 상기 배기바이패스밸브를 열어주되, 상기 배기바이패스밸브의 개도율을 제어하여 출력을 제어할 수 있다.
상기 터보차저는 컴프레서를 통과하는 공기유량을 기준으로 공기유량계수가 2 이하이고, 공기유량계수=컴프레서 통과 최대 공기유량(kg/h)/배기량(L)/100으로 정의될 수 있다.
상기 제2흡기라인은 에어크리너박스에서 분기되고, 상기 터보차저의 컴프레서, 인터쿨러를 순차적으로 지나 상기 제1흡기라인으로 합류될 수 있다.
상기 제2배기라인은 상기 배기매니폴드에서 분기되고, 상기 터보차저의 터빈을 지나 상기 제1배기라인으로 합류될 수 있다.
상기 터보차저의 용량은 자연 흡기 방식의 엔진의 미리 설정된 저속영역에서 최대 출력토크를 달성할 수 있는 최소값으로 설정될 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따라서, 기존의 자연 흡기 방식의 가솔린 엔진에서 설정된 회전수 이하(저속구간)에서 터보차저를 이용하여 공기를 추가 주입함으로써 저속구간에서 토크를 증대시켜 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 소형 터보차저를 통해서 고속영역에서는 자연흡기방식으로 고토크를 유지하고, 저속영역에서 토크를 상승시키는 효과를 용이하게 달성할 수 있다. 즉, 최대토크 지점보다 낮은 저속영역에서 상기 터보차저를 이용하여 공기를 과급하고, 고속영역에서 자연 흡기 방식을 유지할 수 있다.
따라서, 운전자가 비교적 많이 사용하는 저속영역에서만 터보차저를 사용함으로써 터보차저의 용량을 줄이고, 저속토크를 증가시켜 연료소모를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템의 목적과 효과를 보여주는 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 엔진 시스템은 에어크리너박스(100), 제1흡기라인(120), 제2흡기라인(105), 스로틀바디(130), 흡기매니폴드(135), 실린더블록(140), 인젝터(142), 배기매니폴드(145), 제1배기라인(152), 배기바이패스밸브(150), 촉매(155), 제2흡기라인(105), 인터쿨러(115), 제2배기라인(160), 터보차저(110), 및 제어부(ECU)를 포함한다.
상기 제2흡기라인(105)은 상기 흡기바이패스밸브(125)를 바이패스하는데, 상기 에어크리너박스(100)에서 분기되어 상기 터보차저(110)의 컴프레서와 인터쿨러(115)를 거쳐 상기 제1흡기라인(120)으로 합류된다.
상기 제1흡기라인(120)과 상기 제2흡기라인(105)이 합류되는 지점에 상기 스로틀바디(130)가 배치된다. 여기서, 상기 제2흡기라인(105)은 상기 에어크리너박스(100)에서 분기되지 않고, 상기 제1흡기라인(120)에서 분기될 수 있다.
상기 제1배기라인(152)은 상기 배기매니폴드(145)에서 분기되고, 상기 제1배기라인(152)에는 배기바이패스밸브(150)와 상기 촉매(155)가 순차적으로 배치된다.
상기 제2배기라인(160)은 상기 배기바이패스밸브(150)를 바이패스하는데, 상기 제2배기라인(160)은 상기 배기매니폴드(145)에서 분기되어 상기 배기바이패스밸브(150)와 상기 촉매(155) 사이의 상기 제1배기라인(152)으로 합류된다. 여기서, 상기 제2배기라인(160)은 상기 배기매니폴드(145)에서 분기되지 않고, 상기 제1배기라인(152)에서 분기될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제어부(ECU)가 상기 흡기바이패스밸브(125)를 닫은 상태에서는 흡기는 상기 제2흡기라인(105)에서 상기 터보차저(110)의 컴프레서와 인터쿨러(115)를 통해서 상기 흡기매니폴드(135)로 공급된다.
아울러, 상기 제어부(ECU)가 상기 흡기바이패스밸브(125)를 열은 상태에서는 흡기는 상기 제1흡기라인(120)과 상기 스로틀바디(130)를 통해서 실린더블록(140)의 연소실로 공급된다.
상기 제어부(ECU)가 상기 배기바이패스밸브(150)를 완전히 열어주면, 배기가스는 상기 제1배기라인(152)의 촉매를 거쳐 외부로 배출되고, 상기 배기바이패스밸브(150)가 닫히면, 배기가스는 상기 제2배기라인(160)을 통해서 상기 터보차저(110)의 터빈을 작동시키고, 촉매(155)를 거쳐 외부로 배출된다.
상기 제어부(ECU)는 상기 배기바이패스밸브(150)의 개도를 조절하여, 상기 터보차저(110)의 작동을 제어하고, 엔진의 운행조건과 가속센서와 브레이크센서 등의 운전자의 요구조건을 감지하여 요구토크를 연산하고 상기 흡기바이패스밸브(125), 상기 배기바이패스밸브(150), 및 상기 인젝터(142)를 제어하여 연료를 분사할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 기존의 자연 흡기 방식의 가솔린 엔진에서 미리 설정된 수치 이하의 저속구간에서 상기 터보차저(110)를 이용하여 공기를 추가로 공급함으로써 저속에서 토크를 증대시키고, 설정된 수치 이상의 고속구간에서는 상기 터보차저(110)의 도움없이 자연흡기 방식을 성능을 유지할 수 있다.
아울러, 상기 터보차저(110)의 용량은 컴프레서를 통과하는 공기유량을 기준으로 공기유량계수가 2 이하인 것을 특징으로 하고, 여기서 상기 공기유량계수=컴프레서 통과 최대 공기유량(kg/h)/배기량(L)이다.
그리고, 상기 터보차저(110)에 의한 과급은 자연흡기 방식의 엔진에서 최대토크가 발생하는 설정된 엔진회전수 이하에서만 수행될 수 있다. 따라서, 상기 설정된 엔진 회전수 이상에서는 상기 흡기바이패스밸브(125)와 상기 배기바이패스밸브(150)가 완전히 개방되어 자연흡기 방식의 엔진과 유사 또는 동일한 성능을 나타낼 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템의 목적과 효과를 보여주는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 가로축은 엔진의 회전수를 나타내고, 세로축은 엔진의 출력을 나타낸다.
일반적으로 엔진은 제1출력곡선과 제2출력곡선의 특성을 갖는다. 즉, 제1출력곡선은 저속에서 비교적 저토크 고속에서 비교적 고토크를 출력하는 엔진의 특성을 보여주고, 제2출력곡선은 저속에서 비교적 고토크 고속에서 비교적 저토크를 출력하는 엔진의 특성을 보여준다.
그리고, 저속영역에서 토크를 증대시키기 위해서 실린더 연소가스의 배기(또는 소기; scavenging)를 이용한 이상연소(knocking)를 줄이고, 고압축비 또는 아킨슨(Atkinson) 등의 원리를 통해서 저속토크를 향상시킬 수 있으나, 제어가 복잡하고 추가구조가 더 필요하다.
그러나, 본 발명의 실시예에서는 소형 터보차저(110)를 통해서 고속영역에서는 자연흡기방식으로 고토크를 유지하고, 저속영역에서 토크를 상승시키는 효과를 용이하게 달성할 수 있다.
즉, 최대토크 지점보다 낮은 저속영역에서 상기 터보차저(110)를 이용하여 공기를 과급하고, 고속영역에서 자연 흡기 방식을 유지할 수 있다.
따라서, 운전자가 비교적 많이 사용하는 저속영역에서만 터보차저(110)를 사용함으로써 터보차저(110)의 용량을 줄이고, 저속토크를 증가시켜 연료소모를 줄일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 터보차저(110)의 용량은 저속영역에서 출력토크를 자연흡기 방식에서 엔진의 최대 출력토크까지 올릴 수 있는 최소값으로 설정할 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.
100: 에어크리너박스 105: 제2흡기라인
110: 터보차저 115: 인터쿨러
120: 제1흡기라인 125: 흡기바이패스밸브
130: 스로틀바디 135: 흡기매니폴드
140: 실린더블록 142: 인젝터
145: 배기매니폴드 150: 배기바이패스밸브
152: 제1배기라인 155: 촉매
160: 제2배기라인

Claims (10)

  1. 실린더블록에 부착된 흡기매니폴드로 외기를 공급하는 제1흡기라인;
    상기 제1흡기라인에 설치되는 흡기바이패스밸브;
    상기 제1흡기바이패스밸브를 바이패스하는 제2흡기라인;
    상기 실린더블록에 부착된 배기매니폴드에서 배출되는 배기가스가 흐르는 제1배기라인;
    상기 제1배기라인에 설치되는 배기바이패스밸브;
    상기 배기바이패스밸브를 바이패스하는 제2배기라인;
    상기 제2배기라인을 지나는 배기가스에 의해서 작동되어 상기 제2흡기라인을 흐르는 흡기를 펌핑하는 터보차저; 및
    운행조건에 따라서 상기 흡기바이패스밸브와 상기 배기바이패스밸브를 제어하는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 터보차저의 컴프레서의 하류측의 상기 제2흡기라인에 설치되는 인터쿨러; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  3. 제1항에서,
    상기 흡기매니폴드로 공급되는 흡기유량을 제어하는 스로틀바디; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  4. 제1항에서,
    상기 제어부는,
    알피엠이 설정치 보다 낮은 구간에서 부하가 설정수치보다 낮은 경우 상기 흡기바이패스밸브와 상기 배기바이패스밸브를 열어주되,
    상기 배기바이패스밸브의 개도율을 제어하여 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  5. 제1항에서,
    상기 제어부는,
    알피엠이 설정치 보다 낮은 구간에서 부하가 설정수치보다 높은 경우 상기 흡기바이패스밸브는 닫고, 상기 배기바이패스밸브를 열어주되,
    상기 배기바이패스밸브의 개도율을 제어하여 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  6. 제1항에서,
    상기 제어부는,
    알피엠이 설정치 보다 높은 구간에서 상기 흡기바이패스밸브는 열고, 상기 배기바이패스밸브를 열어주되,
    상기 배기바이패스밸브의 개도율을 제어하여 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  7. 제1항에서,
    상기 터보차저는 컴프레서를 통과하는 공기유량을 기준으로 공기유량계수가 2 이하인 것을 특징으로 하는 엔진 시스템. 여기서, 공기유량계수=컴프레서 통과 최대 공기유량(kg/h)/배기량(L)/100으로 정의됨.
  8. 제1항에서,
    상기 제2흡기라인은 에어크리너박스에서 분기되고, 상기 터보차저의 컴프레서, 인터쿨러를 순차적으로 지나 상기 제1흡기라인으로 합류되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  9. 제1항에서,
    상기 제2배기라인은 상기 배기매니폴드에서 분기되고, 상기 터보차저의 터빈을 지나 상기 제1배기라인으로 합류되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  10. 제1항에서,
    상기 터보차저의 용량은 자연 흡기 방식의 엔진의 미리 설정된 저속영역에서 최대 출력토크를 달성할 수 있는 최소값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
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