KR20050032505A - 디젤엔진에 관련한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

분위기로부터 엔진으로 흡입공기를 공급하는 디젤엔진용 공기공급시스템(2)을 포함하여 구성되는 디젤엔진(1)에 관련한 장치로서, 공기공급시스템(2)은 적어도 채널장치(3)와, 컴프레셔(4)와 흡입공기용 열교환기(12)와, 적어도 하나의 열교환기가 연결되어 있는 디젤엔진용 냉각회로(5)를 포함하여 구성된다. 디젤엔진으로부터 폐열을 회수하는 냉각회로(5)에 연결된 열교환기(6)는 냉각회로(5)로부터 받은 열에 의해 물을 증발시키도록 배치된다. 본 발명은 또한 상응하는 방법에 관한 것이다.

Description

디젤엔진에 관련한 장치 및 방법{ARRANGEMENT AND METHOD IN CONNECTION WITH A DIESEL ENGINE}

본 발명은 청구항 1의 서문에 따른 디젤 엔진에 관련된 장치와 청구항 7의 서문에 따른 디젤엔진에 관련된 방법에 관한 것이다.

공지된 바와 같이, 디젤엔진의 사용은 상당한 양의 질소산화물 배출물(nit rogen oxide emission)을 생성한다. 선택적 촉매환원 시스템(selective catalytic reduction system), 연소챔버로의 직접 물주입, 증기나 물로 흡입공기를 습윤하는 등 여러 방법이 배출물을 줄이기 위하여 개발되어 왔다. 이런 모든 종래기술의 접근방식은 높은 설비투자를 필요로 하고, 기술적으로 상대적으로 복잡하다.

도 1은 디젤엔진에 관련한 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.

본 발명의 목적은 종래기술의 문제점을 최소화하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 특히 본 발명의 목적은 압력충전된 디젤엔진(pressure charged diesel engine)으로부터의 질소배출물을 간단하고 효과적으로 줄일 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 다른 청구항과 함께 기본적으로 청구항 1과 7에 더욱 상세하게 기재된 바에 따라 달성된다.

본 발명에 따른 디젤엔진에 관련된 장치는, 분위기로부터 엔진으로 흡입공기를 공급하는 공기공급시스템을 포함하여 구성된다. 또한, 공기공급시스템은 적어도 채널장치와, 컴프레셔와 흡입공기용 열교환기를 포함하여 구성된다. 본 장치는 또한 디젤엔진으로부터 폐열(waste heat)을 회수하는 냉각회로를 포함하여 구성되고, 이 냉각회로에는 적어도 하나의 열교환기가 연결되어 있다. 냉각회로에 연결된 열교환기는 회수된 열에 의해 물을 증발시키도록 배치되어 있다. 게다가, 열교환기는 증기주입채널(steam feed channel)을 통하여 공기공급시스템의 채널장치에 연결되어 있다. 증기주입채널은 채널장치를 열교환기에 연결하도록 배치되어 있고, 이에 의해 생성된 증기가 엔진의 흡입공기로 안내될 수 있다.

바람직하게는, 증기주입채널은 채널장치에 만연한 압력이 열교환기에 만연한 압력에 영향을 미쳐서 증기압이 감소되고 그리하여 또한 끓는점을 낮출 수 있도록 배치되어 있다. 이와 같은 경우에, 냉각회로에 요구되는 온도레벨은 보다 높은 증발압력이 될 수 있는 것보다 낮다. 바람직하게는, 디젤엔진으로부터 폐열을 회수하는 냉각회로는 더 높은 온도레벨에서 작동하는 디젤엔진 블록 및/또는 실린더 헤드의 냉각회로이고, 이에 의해 증발압력은 상대적으로 높게 된다.

바람직하게는, 열교환기는 엔진의 냉각회로에 연결되어 증기주입채널은 컴프레셔 이전에 흡입공기의 유동방향에서 채널장치에 이어진다. 냉각회로의 유동채널은 분기되어 2개의 별도의 채널을 형성하고, 그 중 하나는 열교환기 옆을 지나가고 다른 하나는 열교환기를 통과한다. 냉각회로는 냉매의 유동방향에서 공기공급시스템에 제공된 흡입공기용 열교환기에 연결된 열교환기의 다음이다.

디젤엔진을 위한 공기공급시스템을 포함하여 구성되는 디젤엔진에 관련된 방법으로서, 공기공급시스템은 적어도 채널장치와, 컴프레셔와 흡입공기용 열교환기와, 적어도 하나의 열교환기가 연결된 디젤엔진용 냉각회로를 포함하여 구성되는 방법에 있어서, 컴프레셔에 의해 가압된 흡입공기가 디젤엔진의 공기공급시스템에 의해 엔진에 유도되며, 냉각회로 내의 냉매는 냉각회로에 연결된 열교환기에 의해 냉각되며, 물은 증기를 생성하기 위하여 열교환기에 의해 증발되도록 열교환기에 안내되고, 이런 방식으로 생성된 증기가 디젤엔진의 공기공급시스템에 안내된다.

바람직하게는, 약간의 생성된 증기는 디젤엔진의 공기공급시스템 내로, 특히 컴프레셔 이전의 지점에 안내된다. 그리하여, 증기주입위치에서의 압력레벨은 상대적으로 낮고, 대략 주변 압력과 동등하다. 열교환기에서의 물의 증발은 대략 1 바 이하의 압력에서 발생하도록 배치되는 것이 바람직하다. 어떤 열도 전달하지 않고 열교환기 옆을 지나가도록 냉각회로에서의 약간의 냉매의 흐름을 유도함으로써 열교환기에서의 물의 증발은 제어된다.

본 발명에 의하여, 상대적으로 작은 투자와 작동비용으로 디젤엔진으로부터의 질소산화물 배출물을 상당히 감소시킬 수 있다. 공기를 증기로써 습윤화함으로써 액적(water drop)이 형성되는 것을 전체적으로 피할 수 있고, 이에 의해 컴프레셔는 이러한 이유로 마모되지 않는다. 또한, 본 발명에 의한 접근방식에서는 물을 증발시키는 처리를 할 필요가 최소로 감소될 수 있지만, 이는 당연히 사용가능한 물의 품질에 따른다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예로써 본 발명을 설명한다. 도면에서 도 1은 디젤엔진에 관련한 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 1에서, 참조번호 1은 디젤엔진을 나타낸다. 공기공급시스템(2)은 디젤엔진에 연결되어 배치된다. 공기공급시스템은 분위기로부터 엔진(1)에 흡입공기를 공급하기 위한 채널장치(3)를 포함하여 구성된다. 컴프레셔 어셈블리가 채널장치 (3)에 연결되어 설치되지만, 설명의 간략화를 위하여 단지 컴프레셔(4) 만을 나타낸다. 이하, 디젤엔진의 작동은 본 발명에 관련된 것으로서만 설명한다. 다른 면에 있어서, 엔진은 공지의 구성부품을 구비하고 공지의 방식으로 작동하고 사용될 수 있다.

엔진블록과 다른 구성부품을 냉각하는 것은 일반적으로 알려져 있다. 본 발명에 의하면, 열은 엔진의 냉각회로(5)로부터 열교환기(6)의 물의 증발로 전달된다. 본 발명에 따르면, 열교환기(6)에서, 기껏해야 주위 압력에 상응하는 압력을 유지할 수 있는 것이 바람직하다.

그리하여, 엔진의 흡입공기를 습윤화하는 데에 요구되는 물은 상대적으로 낮은 온도인 유체, 그리고 매우 간단한 기구에 의해 증발되는 것이 바람직하다. 본 발명에 의하면, 공기공급시스템(2)의 채널장치(3)에서 전개된, 주위 압력보다 낮은 압력레벨은 열교환기의 물 측의 압력을 또한 낮추는데 사용될 수 있고, 이에 따라 물의 끓는점이 하강한다. 이를 가능하게 하기 위하여, 공기공급시스템(2)의 압력이 열교환기(6)에서의 압력에 영향을 미칠 수 있도록 열교환기가 공기공급시스템 (2)에 연결된다. 물주입 파이프(water feed pipe)(20)는 열교환기(6)에서의 증발용 물을 공급하기 위하여 열교환기(6)에 연결된다. 밸브(19)가 공급되는 물의 양을 제어하도록 설치된다. 냉매가 적어도 100℃의 온도에서 사용될 수 있을 때에도 본 발명에 의한 장치 및 방법은 사용될 수 있다. 열교환기는 과가압(over-pressur ized)된, 즉 대략 1 바(bar) 이상의 압력인 때에도 사용될 수 있다.

엔진(1)으로부터의 냉매흐름은 열교환기(6)로 유도되고, 거기에서 습윤화에 사용된 물은 냉매로부터 받은 열에 의해 증발된다. 열교환기(6)는 엔진의 냉각회로(5)에 연결되어 유동채널은 분기되어 2개의 별도의 채널(7, 8)을 형성하고, 그 중 첫 번째 것(7)은 열교환기 옆을 지나가고, 두 번째 것(8)은 열교환기를 통과한다. 이들은 열교환기(6)다음에서 밸브(9)에 의해 함께 이어져서 다시 하나의 유동채널을 형성한다. 제 2 채널(8)과 열교환기(6)를 통하여 지나가도록 더욱 많은 냉매가 양이 유도되면 밸브에 의해 유도될수록, 증발은 더욱 강렬해지도록, 밸브(9)에 의해 생성되는 증기의 양은 제어될 수 있다. 열교환기로부터의 증기주입채널 (10)은 공기공급시스템(2)의 채널장치(3)로 연장되도록 배치되어, 흡입공기 필터 (11)의 뒤쪽이고 컴프레셔(4)의 앞쪽인 지점으로 개방된다. 밸브(9)뒤쪽에서 흡입공기용 열교환기(12)가 냉각회로(5)에 연결되어 있다. 열교환기(12)는 엔진의 냉각회로(5)에 연결되고, 유동채널은 분기하여 2개의 별도의 채널(13, 14)을 형성하고, 그 중 첫 번째 것(13)은 열교환기 옆을 지나가고, 두 번째 것(14)은 열교환기를 통과한다. 이들은 3방향 밸브(15)에 의해 열교환기(12) 다음에서 다시 하나의 유동채널을 형성한다. 열교환기(12)의 작동과 흡입공기의 온도는 밸브(15)를 조절함으로써 제어될 수 있다. 바람직하게는, 상기 장치는 또한 열교환기(16)를 포함하여 구성되고, 이 열교환기에 의해 냉매가 다시 엔진(1)으로 안내되기 전에 엔진 (1)의 냉각에 적합한 온도로 냉각될 수 있다.

또한, 상기 장치는, 바람직하게는 컴프레셔(4) 이전의 위치에, 공기의 습도와 온도를 결정하기 위한 수단(17)을 구비한다. 이들 수단(17)은 밸브(9, 15, 19)의 작동을 제어하는 자동화 시스템(18)에 연결된다. 밸브(9와 15)의 작동은 결정된 습도와 온도에 기초하여 제어되고, 밸브(19)는 원하는 레벨(도시하지 않음) 위에 열교환기(6)의 표면을 가짐으로써 제어된다. 습도와 온도에 관련하여, 엔진의 흡입공기의 상태는 원하는 레벨로 유지되지만, 응결(condensation)은 피한다.

본 발명에 의하면, 흡입공기의 온도는 대략 35℃로, 상대습도는 대략 95%로 유지되고, 이에 의해 질소산화물(NO_X) 배출물은 약 40 - 50% 정도 감소될 수 있다. 게다가, 엔진 자체의 공기챔버(도시하지 않음)의 온도는 약 62℃임을 아는 것이 유리하다.

본 발명은 상술한 적용에에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 청구항의 범위 내에서 몇몇 다른 변경예도 생각할 수 있다.

Claims (10)

1. 분위기로부터 엔진으로 흡입공기를 공급하는 디젤엔진용 공기공급시스템(2)을 포함하여 구성되는 디젤엔진(1)에 관련한 장치로서, 공기공급시스템(2)은 적어도 채널장치(3)와, 컴프레셔(4)와 흡입공기용 열교환기(12)와, 적어도 하나의 열교환기가 연결되어 있으며 디젤엔진으로부터 폐열을 회수하는 냉각회로(5)를 포함하여 구성되며, 상기 적어도 하나의 열교환기(6)는 냉각회로로부터 받은 열에 의해 물을 증발시키도록 배치되는 디젤엔진에 관련한 장치에 있어서,

   물주입 파이프(20)가 열교환기(6)에 증발될 물을 공급하기 위하여 열교환기 (6)에 연결되어 있는 것과, 물주입 파이프를 통하여 공급된 물에 의해 생성된 증기를 채널장치 내로 안내하기 위하여 열교환기(6)가 공기공급시스템(2)의 채널장치 (3)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 디젤엔진에 관련한 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 디젤엔진으로부터 폐열을 회수하는 냉각회로는 디젤엔진블록 및/또는 실린더 헤드의 냉각회로인 것을 특징으로 하는 디젤엔진에 관련한 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 증기주입채널(10)은 컴프레셔(4) 이전에 공기의 유동방향에서 채널장치(3)에 이어지는 것을 특징으로 하는 디젤엔진에 관련한 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 증기주입채널(10)은 채널장치 내에 만연한 압력의 효과를 열교환기(6)로 전달하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 디젤엔진에 관련한 장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 열교환기(6)는 엔진의 냉각회로(5)에 연결되고, 유동채널은 분기하여 2개의 별도의 채널(7, 8)을 형성하며, 그 중 첫 번째 것(7)은 열교환기(6) 옆을 지나가고, 두 번째 것(8)은 열교환기를 통과하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진에 관련한 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 냉각회로는 공기공급시스템(2)에 배치된 흡입공기용 열교환기(12)에 연결된 냉매의 유동방향에서 열교환기(6)의 뒤쪽인 것을 특징으로 하는 디젤엔진에 관련한 장치.
7. 적어도 채널장치(3)와, 컴프레셔(4)와 흡입공기용 열교환기(12)와, 적어도 하나의 열교환기가 연결된 디젤엔진용 냉각회로(5)를 포함하여 구성되는 디젤엔진용 공기공급시스템(2)을 구비하는 디젤엔진(1)에 관련한 방법으로서,

   엔진의 작동 도중에 컴프레셔에 의해 가압된 흡입공기가 엔진의 공기공급시스템(2)에 의해 엔진으로 유도되며,

   냉각회로 내의 냉매흐름은 냉각회로(5)에 연결된 열교환기(6)에 의해 냉각되는 디젤엔진에 관련한 방법에 있어서,

   물은 증기를 생성하기 위하여 열교환기(6)에 의해 증발되도록 열교환기(6)에 안내되는 것과, 이런 방식으로 생성된 증기가 디젤엔진의 공기공급시스템(2)에 안내되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진에 관련한 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 열교환기(6)에서의 물의 증발은 약 1바 이하의 압력에서 발생하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 디젤엔진에 관련한 방법.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 열교환기(6)에서의 물의 증발은, 냉각회로에서의 약간의 냉매흐름이 어떠한 열도 전달하지 않고 열교환기(6) 옆을 지나가도록 유도함으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진에 관련한 방법.
10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 약간의 생성된 증기는 디젤엔진의 공기공급시스템(2)내로 컴프레셔 앞쪽의 위치로 안내되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진에 관련한 방법.