KR100501281B1 - 배기가스 열교환 장치 - Google Patents

Abstract

배기 매니폴드와 촉매 사이에 냉각수가 순환하는 열교환기를 구성하여 배기가스 평균온도를 떨어뜨려 배기계 및 촉매가 열적 손상을 받지 않도록 하여 내구성을 향상시킬 수 있도록;

내부에 냉각수 통로를 형성하고, 일측면에는 냉각수 유입구와 냉각수 유출구를 각각 구비하여, 엔진의 배기 매니폴드와 촉매 사이에 장착되는 열교환기; 상기 열교환기의 냉각수 유입구와 엔진의 냉각수 배출관의 일측을 연결하는 바이패스 냉각수 공급관; 및 상기 열교환기의 냉각수 유출구와 엔진의 냉각수 공급관의 일측을 연결하는 바이패스 냉각수 배출관을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스 열교환 장치를 제공한다.

Description

배기가스 열교환 장치{A HEAT EXCHANGING SYSTEM OF EXHAUST GAS}

본 발명은 배기가스 열교환 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기 매니폴드와 촉매 사이에 냉각수가 순환하는 열교환기를 구성하여 배기가스 평균온도를 떨어뜨려 배기계 및 촉매가 열적 손상을 받지 않도록 하여 내구성을 향상시킬 수 있도록 하는 배기가스 열교환 장치에 관한 것이다.

일반적으로 차량에서 배기계의 보호와 촉매의 보호를 위해서 EMS(Engine Management System)에서 적용되는 기술로써, 엔진의 연소실 내에서 연소 후, 생성되는 배기가스는 그 온도가 촉매보호를 위한 한계온도(830℃) 이상이 되거나 촉매내의 온도가 촉매보호 한계온도(930℃)이상이 되면, 연료의 공급을 이론 공연비(λ=1.0)보다 농후하게(λ=0.85 ~ 0.90)하여 배기가스 온도를 떨어뜨리고 있다.

차량이 고속,고부하 조건으로 운행되면, 배기가스 온도가 급격히 상승하게 되고, 배기가스 온도의 상승속도 보다는 늦게 촉매온도도 천천히 상승하여 배기가스 온도보다 높게 된다. 이는 촉매내의 담체에서 배기가스 내의 유해물질을 산화와 환원의 과정을 통해 정화시키는 동안, 고온의 배기가스가 원할히 배출되지 못하고 머물러 있기 때문에 배기가스 온도보다 높은 온도를 유지하게 되는 것이다.

촉매가 열적 손상(Thermal damage)를 입게 되면, 정화효율이 급격하게 떨어져 촉매의 제기능을 발휘하지 못하게 되므로 촉매내의 온도관리는 매우 중요하다.

특히, 경차(1.1L이하)의 경우, 엔진 자체의 출력이 부족하기 때문에 운전조건에서 고속/고부하 영역을 많이 사용하게 된다. 따라서 도로의 경사, 풍속에 의한 공기저항 등에 달라지지만 일반적으로 차속이 120 ~ 130Kph가 되면 배기가스 온도가 850℃이상이 되고, 촉매의 온도는 950℃까지 상승하게 되어 EMS상에서 배기계 및 촉매의 보호를 위한 연료 농후화(Fuel Enrichment)가 적용된다.

이와 같이, 경차로 고속도로 상을 장시간 주행하게 되면 연료 농후화(Fuel Enrichment; λ=0.85 ~0.90)가 적용되어 통상의 주행조건에서 보다 연비가 10% ~ 20%정도 나빠지게 되며, 촉매의 경우 이론 공연비(λ=1.0)영역에서 정화효율이 최대이고, 공연비가 농후해지면 정화효율이 떨어지게 되므로 배기가스 규제를 만족시키기 위해서는 촉매의 귀금속 로딩(Loading)량을 강화하여야 함으로 촉매의 원가가 상승하는 부작용이 있다.

상기한 바와 같은 부작용을 해소하기 위해서는 배기가스의 온도를 줄여야 하는데, 그 방법으로는 차량의 무게를 감소하거나, 차량의 주행저항(관성저항, 마찰저항, 공기저항(Cd계수))을 감소하거나, 엔진 전체의 배기온도 감소를 감안한 설계 또는, 차량의 중량에 맞는 충분한 출력을 갖은 엔진을 탑재하는 방법이 있을 수 있겠으나, 차량의 중량감소 및 엔진자체 설계변경은 현재 상황에서 거의 최적화된 상태여서 개선이 매우 힘들고, 각종저항을 줄여 배기가스의 온도를 낮추기 위한 방법 역시 차량의 디자인 단계에서 모두 고려되어야 하기 때문에 개선을 위한 노력이 많이 필요하다.

가장 효율적으로 배기온도를 낮추는 방법은 냉각수를 이용한 열교환 방식이 요구되며, 이는 공랭식에 비해 그 효과가 탁월하다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 요구에 의하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 배기 매니폴드와 촉매 사이에 냉각수가 순환하는 열교환기를 구성하여 배기가스 평균온도를 떨어뜨려 배기계 및 촉매가 열적 손상을 받지 않도록 하여 내구성을 향상시킬 수 있도록 하는 배기가스 열교환 장치를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 이루기 위한 배기가스 열교환 장치는, 내부에 냉각수 통로를 형성하고, 일측면에는 냉각수 유입구와 냉각수 유출구를 각각 구비하여, 엔진의 배기 매니폴드와 촉매 사이에 장착되는 열교환기; 상기 열교환기의 냉각수 유입구와 엔진의 냉각수 배출관의 일측을 연결하는 바이패스 냉각수 공급관; 및 상기 열교환기의 냉각수 유출구와 엔진의 냉각수 공급관의 일측을 연결하는 바이패스 냉각수 배출관을 포함하며, 상기 열교환기는 원형의 링 형상으로 구성되어 그 외주면에 다수개의 볼트 체결홀이 형성되며, 내부에는 그 형상을 따라 냉각수 통로가 형성되고, 일측에 냉각수 유입구와 타측에 냉각수 유출구를 형성하는 열교환 링; 상기 열교환 링의 내부에 형성되는 냉각수 통로 상의 상기 냉각수 유입구와 냉각수 유출구 사이에 형성되는 격벽; 배기가스 통로상에 배치되도록 상기 열교환 링의 내주면을 따라 형성되는 냉각핀으로 구성되는 배기가스 열교환 장치에 있어서, 상기 냉각핀은 상기 열교환 링의 내주면을 따라 다수개의 핀 돌기가 일정 간격으로 내향하여 형성되며, 상기 다수개의 핀 돌기는 그 선단이 상호 접촉되지 않도록 방사형 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

삭제

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 열교환 장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 적용되는 열교환기의 장착 단면도이고, 도 3은 본 발명에 적용되는 열교환기의 내부 단면도로써, 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 열교환 장치의 구성은, 상기 도 1에서 도시한 바와 같이, 라디에이터(1)로부터 냉각된 엔진 냉각수를 냉각수 공급관(3)을 통하여 엔진(5)으로 공급하고, 엔진(5)을 냉각시킨 엔진 냉각수를 냉각수 배출관(7)을 통하여 다시 라디에이터(1)로 배출하는 엔진의 냉각수 순환 시스템을 갖는 상기 엔진(5)의 배기 매니폴드(11)와 촉매 (13)사이에, 도 2에서와 같이, 열교환기(15)를 장착한다.

상기 열교환기(15)는, 도 3에서와 같이, 원형의 링 형상의 열교환 링(21)으로 구성되며, 상기 열교환 링(21)의 외주면에는 상기 배기 매니폴드(11)와 촉매(13) 사이에 장착하기 위한 5개의 볼트 체결홀(23)이 형성된다.

그리고 상기 열교환 링(21)의 내부에는 그 형상을 따라 냉각수 통로(25)가 형성되고, 일측에는 냉각수 유입구(29)가 형성되고, 상기 냉각수 유입구(29)에 이웃하여 타측에는 냉각수 유출구(31)를 형성한다.

상기 열교환 링(21)의 내부에 형성되는 냉각수 통로(25) 상에는 상기 냉각수 유입구(29)와 냉각수 유출구(31)를 분리하기 위하여 그 사이에 격벽(27)을 형성하며, 상기 배기 매니폴드(11)와 촉매(13) 사이에서 배기가스 통로상에 배치되도록 상기 열교환 링(21)의 내주면을 따라 냉각핀(33)이 형성된다.

그리고 상기 열교환 링(21)의 냉각수 유입구(29)는 상기 엔진(5)의 냉각수 배출관(7)의 일측에 바이패스 냉각수 공급관(35)을 통하여 연결되며, 상기 열교환 링(21)의 냉각수 유출구(31)는 엔진(5)의 냉각수 공급관(3)의 일측에 바이패스 냉각수 배출관(37)을 통하여 각각 연결되어 엔진 냉각수를 공급받거나, 배출하게 된다.

여기서 상기한 냉각핀의 제1실시예로써, 도 4에서 도시한 바와 같이, 상기 열교환 링(21)의 내주면을 따라 다수개의 핀 돌기(33)가 일정 간격으로 내향하여 형성되며, 상기 다수개의 핀 돌기(33)는 그 선단이 상호 접촉되지 않도록 방사형 구조로 이루어진다.

그리고 상기한 냉각핀의 제2실시예로써, 도 5에서 도시한 바와 같이, 상기 열교환 링(21)의 내주면을 따라 8개의 핀 플레이트(41)가 일정 간격으로 내향하여 형성되며, 상기 8개의 핀 플레이트(41)는 그 선단이 상호 접촉되는 방사형 구조로 이루어질 수 있다.

또한, 상기한 냉각핀의 제3실시예로써, 도 6에서 도시한 바와 같이, 상기 열교환 링(21)의 내주면 상에 2개씩의 핀 플레이트(43)가 직각방향으로 배치되어 각 선단이 상기 열교환 링(21)의 내주면에 연결되는 격자형상으로 이루어질 수 있다.

이와 같이, 3가지 실시예에 따른 냉각핀의 구조는, 엔진의 배기량 및 배기계의 설계상 최적의 구조를 취할 수 있을 것이다.

따라서 상기한 바와 같은 구성을 갖는 배기가스 열교환 장치의 작동은, 엔진(5)의 냉각수 배출관(7)을 흐르는 엔진 냉각수를 바이패스 냉각수 공급관(35)과 냉각수 유입구(29)를 통하여 상기 열교환기(15) 내부의 냉각수 통로(25)로 공급하여 순환시키고, 다시 냉각수 유출구(31)과 바이패스 냉각수 배출관(37)을 통하여 엔진(5)의 냉각수 공급관(3)으로 배출하는 과정에서, 상기 열교환기(15)의 냉각수 통로(25)를 순환하는 냉각수는, 엔진(5)의 고속, 고부하 영역에서, 온도가 급격하게 상승한 배기가스의 열량을 흡수하여 배기가스의 온도를 낮추게 되는 것이다.

이러한 열교환기의 배기가스 냉각작용을 실험한 결과를 도 7과 도 8에서 도시하고 있다. (이하, 도면부호 생략)

먼저, 실험은 모든 조건에서 연료증량을 하지 않은 상태(λ=1.0)로 이루어졌으며, 열교환기가 장착되지 않은 상태에서 배기 매니폴드와 촉매내의 온도를 측정한 후, 냉각핀이 없는 열교환기를 제1구조(Type1)로 하고, 격자형상의 냉각핀을 구성한 열교환기를 제2구조(Type2)로 하며, 방사형상의 핀 플레이트를 구성한 열교환기를 제3구조(Type3)로 하며, 방사형상의 핀 돌기를 구성한 열교환기를 제4구조(TYPE4)로 하여 이를 장착한 상태에서 냉각수를 순환시키면서 측정한 결과와의 차를 나타낸 것이다. (즉, y축은 열교환기 장착으로 인한 온도 감소분을 나타낸다.)

먼저, 본 발명을 적용할 경우와, 적용하지 않을 경우, 고속, 고부하 영역에서 연료증량을 하지 않았기 때문에 매니폴드 표면한계온도(850℃)와 촉매한계온도(950℃)를 20-30℃ 초과하게 되나, 열교환기를 적용하게 되면 한계온도를 벗어나지 않음을 알 수 있었다.

열교환기로 들어가는 냉각수의 온도가 일정하다면, 배기온도의 저감에 가장 지배적인 것은 매니폴드 표면온도이다.

열교환기의 일면이 매니폴드와 접촉함으로써 열전달이 일어나고 매니폴드 합구부지점의 표면 온도가 감소함을 알수 있다.

특히, 도 7의 4000rpm영역에서, 열교환기의 장착효과로 -60℃ ∼ -80℃의 온도저감 효과를 보이며, 매니폴드 표면온도가 배기가스 온도보다 낮기 때문에, 배기가스와 매니폴드 표면간에 열대류(Heat convection) 형상이 생기며, 이로 인해 배기가스 온도는 -10 ∼-30 ℃정도 떨어지게 된다.

또한, 도 8에서, 냉각핀이 없이도(Type1) 촉매내부 온도는 40℃ 정도 감소하였으며, 냉각핀을 장착한 제2, 제3, 제4구조(Type2,Type3,Type4)의 경우는 그 효과가 더 큼을 알 수 있다. (-40℃∼-90℃)

이는 현재 비대칭 구조의 매니폴드 형상으로 인해 배기유동이 촉매의 우측단으로 치우치게 되는 것을 냉각핀이 어느 정도 균일하게 만들어 주는 역할을 하기 때문이며, 또한 냉각핀에 의한 열교환기 내에서의 열대류(Heat convection)효과도 증대되었기 때문이다.

따라서 적용차종에 따라 촉매내부의 온도가 높을 경우 제3, 제4구조(Type3,Type4)의 냉각핀을 사용하며, 그보다 작은 경우는 냉각핀이 없는 제1구조(Type1)나 얇은 격자모양의 방열핀을 갖는 제2구조(Type2)의 열교환기를 적용하는 것이 바람직 할 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 배기가스 열교환 장치에 의하면, 배기 매니폴드와 촉매 사이에 냉각수가 순환하는 열교환기를 구성하여 배기가스 평균온도를 낮추게 됨으로써, 고속,고부하 영역에서 배기계 및 촉매 보호를 위해 사용되는 연료 농후화(Fuel Enrichment) 제어가 필요 없게 되어 연비가 향상되며, 연료 증가시 발생되는 유해가스(CO,HC)를 줄이며, WOT가속 영역을 제외한 전영역에서 공연비 피드백(Feed Back)이 가능하게 된다.

또한, 배기가스의 평균온도를 떨어뜨려 배기계 및 촉매가 열손상을 받을 위험이 없어져 내구성이 향상되며, 특히 촉매의 수명이 향상되어 설계시 저가의 귀금속 사용 및 귀금속 로딩(Loading)량을 줄여 촉매 원가절감 효과가 있으며, 엔진과 배기계의 차이에 따라 촉매내 온도 절감량 조정은 냉각핀의 형상에 따라서 조정이 가능하다는 이점도 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 열교환 장치의 구성도이다.

도 2는 본 발명에 적용되는 열교환기의 장착 단면도이다.

도 3은 본 발명에 적용되는 열교환기의 내부 단면도이다.

도 4는 본 발명에 적용되는 열교환기의 제1실시예에 의한 평면도이다.

도 5는 본 발명에 적용되는 열교환기의 제2실시예에 의한 평면도이다.

도 6은 본 발명에 적용되는 열교환기의 제3실시예에 의한 평면도이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 열교환 장치에 적용되는 열교환기에 대하여 RPM별 로드(Load)변화에 따른 매니폴드 표면 온도변화를 도시한 그래프이다 .

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 열교환 장치에 적용되는 열교환기에 대하여 RPM별 로드(Load)변화에 따른 촉매 내부 온도변화를 도시한 그래프이다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 내부에 냉각수 통로를 형성하고, 일측면에는 냉각수 유입구와 냉각수 유출구를 각각 구비하여, 엔진의 배기 매니폴드와 촉매 사이에 장착되는 열교환기; 상기 열교환기의 냉각수 유입구와 엔진의 냉각수 배출관의 일측을 연결하는 바이패스 냉각수 공급관; 및 상기 열교환기의 냉각수 유출구와 엔진의 냉각수 공급관의 일측을 연결하는 바이패스 냉각수 배출관을 포함하며,

   상기 열교환기는 원형의 링 형상으로 구성되어 그 외주면에 다수개의 볼트 체결홀이 형성되며, 내부에는 그 형상을 따라 냉각수 통로가 형성되고, 일측에 냉각수 유입구와 타측에 냉각수 유출구를 형성하는 열교환 링; 상기 열교환 링의 내부에 형성되는 냉각수 통로 상의 상기 냉각수 유입구와 냉각수 유출구 사이에 형성되는 격벽; 배기가스 통로상에 배치되도록 상기 열교환 링의 내주면을 따라 형성되는 냉각핀으로 구성되는 배기가스 열교환 장치에 있어서,

   상기 냉각핀은 상기 열교환 링의 내주면을 따라 다수개의 핀 돌기가 일정 간격으로 내향하여 형성되며, 상기 다수개의 핀 돌기는 그 선단이 상호 접촉되지 않도록 방사형 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스 열교환 장치.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 냉각핀은

   상기 열교환 링의 내주면을 따라 다수개의 핀 플레이트가 일정 간격으로 내향하여 형성되며, 상기 다수개의 핀 플레이트는 그 선단이 상호 접촉되는 방사형 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스 열교환 장치.
5. 청구항 3에 있어서, 상기 냉각핀은

   상기 열교환 링의 내주면 상에 2개씩의 핀 플레이트가 직각방향으로 배치되어 각 선단이 상기 열교환 링의 내주면에 연결되는 격자형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스 열교환 장치.