KR101136630B1 - 내연기관용 과급공기 가습 분사 장치 - Google Patents

내연기관용 과급공기 가습 분사 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내연기관용 과급공기 가습 분사 장치에 관한 것으로, 그 목적은 가습수 단일 분사 및 가습수와 재압축된 과급공기의 혼합 분사를 통해, 최대한의 가습효과를 달성하고, 과급공기 가습을 위한 동력소비를 최소화하며, 질소산화물 발생량을 저감시킬 수 있는 내연기관용 과급공기 가습 분사 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 내연기관 과급기의 후단에 설치되는 과급공기 유로를 수직 또는 수평으로 연장하여 내부 공간을 확장한 확관 유로와 연장 유로에 가습수를 분사하여 과급기에 의해 유로로 공급되는 과급공기를 가습하는 내연기관용 과급공기 가습 분사 장치에 있어서; 과급기에 의한 과급공기가 확관 유로로 공급되고 확관 유로의 하부에 위치하도록 연장 유로가 일체형으로 형성되며, 공급된 과급공기를 내연기관으로 공급하는 유로부와, 상기 유로부 내로 고온 고압의 가습수를 공급하는 가습수 공급부와, 상기 가습수 공급부과 연결되어 고온의 가습수를 보조 과급 냉각기에서 열교환하여 재가열하고, 과급기로부터 공급되는 과급공기의 일부를 보조 과급 냉각기를 경유하게 한 후 보조 과급기에 의해 재압축하여 유로부로 공급하는 재처리부와, 상기 유로부의 확관 유로 내에 설치되고 가습수 공급부과 연결되어 고온 고압의 가습수를 분사하는 가습수 분사노즐과, 상기 유로부의 연장 유로 내에 설치되고 가습수 공급부 및 재처리부와 연결되어 고온 고압의 가습수 및 재압축 과급공기를 혼합하여 분사하는 이유체 분사노즐을 포함하도록 되어 있다.
내연기관, 가습 장치, 가습수, 분사노즐, 보조 과급기, 과급공기

Description

내연기관용 과급공기 가습 분사 장치{Spraying Means for Charge Air Moisturizing System in Internal Combustion Engine}
도 1 은 본 발명의 구성을 보인 예시도
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
(1) : 내연기관 (2) : 과급기
(3) : 확관 유로 (4) : 연장 유로
(5) : 제 1 미스트트랩(mist trap) (6) : 과급공기 냉각기
(7) : 제 2 미스트트랩(mist trap) (8) : 과급 터빈
(9) : 과급 압축기 (10) : 가습수 분사노즐
(11) : 이유체 분사노즐 (12) : 제 1 배수구
(13) : 제 2 배수구 (14) : 수조
(15) : 히터 (16) : 열교환기
(17) : 가습수 펌프 (18,20,24,25) : 제어밸브
(19) : 보조 과급 냉각기 (21) : 보조 과급기
(22) : 보조 과급 터빈 (23) : 보조 과급 압축기
(26) : 제어기 (27) : 고온 냉각수 유로
(28) : 저온 냉각수 유로 (29) : 노점계
(30) : 온도계 (31) : 유로부
(32) : 가습수 공급부 (33) : 재처리부
(34) : 가습수 회수 유로 (35) : 제 1 가습수 유로
(36) : 제 2 가습수 유로 (37) : 제 2a 유로
(38) : 제 2b 유로 (39) : 제 3 가습수 유로
(40) : 제 4 가습수 유로
본 발명은 내연기관용 과급공기 가습 분사 장치에 관한 것으로, 가습수와 재압축된 과급공기의 동시 분사에 의해 가습된 과급공기를 내연기관의 연소실 내에 공급함으로써 연소 최고 온도를 낮추어 질소산화물 발생량을 저감할 수 있는 내연기관용 과급공기 가습 분사 장치에 관한 것이다.
종래의 내연기관용 과급공기 가습 장치는 과급공기를 가습하기 위하여, 과급공기에 분사노즐을 이용하여 가습수만을 분사하였다. 그러나, 이러한 기술은 과급기에서 배출된 고온 고압의 과급공기와, 고온의 가습수 열에너지만을 이용하기 때문에 분사된 가습수의 증발 효과가 낮은 문제점이 있었다.
또한, 가습수 액적의 증발 효과를 높이기 위해서는 많은 가습수의 공급이 필요하며, 가습수가 분사되고 증발되는 장치의 크기도 커질 수밖에 없다. 또한 내연 기관 연소실에 과급공기가 유입되기 전 과급공기의 적절한 습도를 유지할 수 있도록 일정 수준 이상의 과급 온도 유지를 위해 외부에서 추가적인 열에너지 공급을 필요로 하는 등 여러 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 그 목적은 고온의 가습수 분사 및 재압축된 과급공기와 가습수의 혼합분사를 통해, 최대한의 가습효과를 달성하고, 과급공기 가습을 위한 동력소비를 최소화하며, 질소산화물 발생량을 저감할 수 있는 내연기관용 과급공기 가습 분사 장치를 제공하는 것이다.
도 1 은 본 발명의 구성을 보인 예시도를 도시한 것으로, 본 발명은 내연기관(1)의 과급기(2)의 후단에 설치되는 과급공기 유로를 수직 또는 수평으로 연장하여 내부 공간을 확장한 확관 유로(3) 및 연장 유로(4)에 가습수를 분사하여 과급기에 의해 유로(3,4)로 공급되는 과급공기를 가습하는 내연기관용 과급공기 가습 분사 장치에 있어서;
상기 과급기에 의해 확관 유로(3)로 공급되는 과급공기의 일부가 보조 과급기(21)로 공급되어 재압축된 후, 히터(15) 및 가습수 펌프(17)에 의해 고온 고압 상태를 유지하며 공급되는 가습수와 혼합되어 이유체 분사노즐(11)을 통해 연장 유로(4) 내로 분사되고, 상기 히터(15) 및 가습수 펌프(17)에 의해 고온 고압 상태를 유지하며 공급되는 가습수의 일부가 보조 과급기(21)로 유입되는 과급공기 일부와 보조 과급 냉각기(19)에서 열교환된 후 확관 유로(3)로 공급되어 가습수 분사노즐(10)을 통해 분사되도록 되어 있다.
즉, 본 발명은 과급기에 의한 과급공기가 확관 유로(3)로 공급되고 확관 유로(3)의 하부에 위치하도록 연장 유로(4)가 일체형으로 형성되며, 공급된 과급공기를 내연기관(1)으로 공급하는 유로부(31)와, 상기 유로부(31) 내로 고온 고압의 가습수를 공급하는 가습수 공급부(32)와, 상기 가습수 공급부(32)와 연결되어 고온의 가습수를 보조 과급 냉각기(19)에서 열교환하여 재가열하고, 과급기(2)로부터 공급되는 과급공기의 일부를 보조 과급 냉각기(19)를 경유하게 한 후 보조 과급기(21)에 의해 재압축하여 유로부(31)로 공급하는 재처리부(33)와, 상기 유로부(31)의 확관 유로(3) 내에 설치되고 가습수 공급부(32)와 연결되어 고온 고압의 가습수를 분사하는 가습수 분사노즐(10)과, 상기 유로부(31)의 연장 유로(4) 내에 설치되고 가습수 공급부(32) 및 재처리부(33)와 연결되어 고온 고압의 가습수 및 재압축 과급공기를 혼합하여 분사하는 이유체 분사노즐(11)을 포함하도록 되어 있다.
또한, 상기 유로부(31)의 연장 유로(4) 후단에는 증발되지 않은 가습수 액적을 포집하여 제거하는 제 1 미스트트랩(5)과, 고온 냉각수의 공급에 의한 열교환을 통해 과급공기의 온도를 조절하기 위한 과급공기 냉각기(6) 및, 가습수 액적이 엔진 연소실로 직접 유입되는 것을 방지하기 위한 제 2 미스트트랩(7)이 설치되어 있다.
또한, 제 1 미스트트랩(5) 하부에 위치하도록 연장 유로(4)에는 제 1 배수구 (12)가 형성되고, 제 2 미스트트랩(7) 하부에 위치하도록 연장 유로(4)에 제 2 배수구(13)가 각각 형성되어 있으며, 상기 제 1,2 배수구(12,13)는 가습수 공급부(32)의 수조(14)와 가습수 회수 유로(34)에 의해 각각 연결된다.
또한, 상기 제 2 미스트트랩(7) 후단에 위치하도록 연장 유로에는 노점계(29) 및 온도계(30)가 더 설치되어 있으며, 상기 노점계(29) 및 온도계(30)는 제어기(26)와 연결되어 실시간으로 측정되는 값이 제어기(26)로 입력된다.
상기 가습수 공급부(32)는 가습수가 저장되는 수조(14)와, 상기 수조(14)에 설치되어 수조(14) 내 가습수를 예열하는 히터(15)와, 상기 수조(14)와 제 1 가습수 유로(35)에 의해 연결되어 가습수를 압축한 후 제 2 가습수 유로(36)를 통해 가습수 분사노즐(10) 및 이유체 분사노즐(11)로 공급하는 가습수 펌프(17)로 구성되어 있다.
이때, 상기 제 1 가습수 유로(35)에는 열교환기(16)가 더 설치되어 있으며, 상기 열교환기(16) 내로 고온 냉각수 유로(27)가 설치된다. 즉, 히터에 의해 예열된 가습수는 열교환기(16)를 경유하면서 고온으로 재가열된 후, 가습수 펌프(17)에 의해 고압으로 압축되어 가습수 분사노즐(10) 및 이유체 분사노즐(11)로 공급된다.
또한, 상기 제 2 가습수 유로(36)는 가습수 분사노즐(10)과 연결되는 제 2a 유로(37)와, 상기 제 2a 유로(37)에서 분관되어 이유체 분사노즐(11)과 연결되는 제 2b 유로(38)로 이루어져 있다.
또한, 상기 제 2a, 2b 유로(37,38)는 제 1 가습수 유로(35)와 제 3,4 가습수 유로(39,40)에 의해 연결되어 있으며, 상기 제 3,4 가습수 유로(39,40)에는 가습수 분사노즐과 이유체 분사노즐(11)의 분사압력을 조절할 수 있는 제어밸브(24,25)가 각각 설치되어 있다.
상기 재처리부(33)는 과급기(2)로부터 공급되는 과급공기를 재압축하는 것으로, 과급기(2) 및 제 2a 유로(37)와 연결되는 보조 과급 냉각기(19)와, 상기 보조 과급 냉각기(19)를 경유한 과급공기가 유입되어 재압축된 후 이유체 분사노즐(11)로 이송시키고, 내연기관(1)과 연결되어 배기가스에 의해 작동되는 보조 과급기(21)로 구성되어 있다.
상기 보조 과급 냉각기(19)는 과급기(2)에 의해 공급되는 일부 과급공기를 냉각시키는 것으로, 제 2 가습수 유로(36)를 통해 공급되는 가습수와 과급기(2)에 의해 공급되는 일부 과급공기를 열교환해 과급공기를 냉각시키고, 가습수 분사노즐로 공급되는 가습수를 보다 높은 온도로 가열시킨다. 즉, 과급기(2)에서 압축된 과급공기는 고온이므로, 가습수는 보조 과급 냉각기(19)에서 과급공기와 열교환하여 높은 온도를 유지하게 된다.
이때, 상기 과급기(2)와 보조 과급 냉각기(19) 사이에는 공급되는 과급공기의 양(재압축되는 과급공기의 양)을 제어하는 제어밸브(18)가 설치되고, 내연기관(1)과 보조 과급기(21) 사이에는 공급되는 배기가스의 양을 제어하는 제어밸브(20)가 설치되어 있다.
상기에 기재된 다수개의 제어밸브(18,20,24,25)는 제어기(26)와 연결되어 있으며, 노점계(29) 및 온도계(30)에 의해 실시간으로 측정된 측정값이 제어기(26)로 입력되면, 제어기(26)는 필요한 가습수와 재압축 과급공기의 양을 다수개의 제어밸 브(18,20,24,25)의 개폐량에 의해 조절하게 된다.
이하 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
상기 유로부의 확관 유로(3)에는 가습수 분사노즐(10)이 위치하고, 그 하부 연장 유로(4)에는 보조 과급기(21)에 의해 재압축된 일부의 과급공기와 가습수가 동시에 분사되는 이유체 분사노즐(11)이 위치하게 된다. 상기 이유체 분사노즐(11)의 분사 압력보다 가습수 분사노즐(10)의 분사 압력이 더 높으므로, 가습수 분사노즐(10)과 유체 분사노즐(11)의 분사압력을 조절하기 위해 제어용 밸브(24,25)가 각각 별도로 설치된다.
또한, 유로부의 연장 유로(4) 후단에는 증발되지 않은 가습수 액적을 포집하여 제거하는 제 1 미스트트랩(5)과 과급공기의 온도를 조절하기 하기 위한 과급공기 냉각기(6) 및 가습수 액적이 엔진 연소실로 직접 유입되는 것을 방지하기 위한 제 2 미스트트랩(7)이 설치된다.
또한, 수조(14)에서 전기 또는 기타 열원으로 작동되는 히터(15)에 의해 미리 예열된 가습수는 고온 냉각수(27)가 공급되는 열교환기(16)를 지나면서 고온으로 가열된 후 가습수 펌프(17)에 의해 고압으로 압축되어 고온의 상태로 이유체 분사노즐(11) 및 가습수 분사노즐(10)에 공급된다. 이때, 가습수 분사노즐(10)로 공급되는 가습수는 보조 과급 냉각기(19)에서 재압축되는 일부 과급공기를 냉각하면서 보다 높은 온도로 가열되어 분사된다.
또한, 과급 터빈(8)으로 유입되는 배기가스 중 일정량이 보조 과급기(21)를 구동하게 되는데, 보조 과급 압축기(23)에서는 과급공기의 일부가 높은 압력으로 재압축되어 이유체 분사노즐(11)로 공급된다. 이때 고온의 과급공기는 보조 과급 압축기(23)로 공급되기 전에 보조 과급 냉각기(19)에 의해 낮은 온도로 냉각된다.
이와 같이 분사노즐(10,11)을 통하여 분사되는 가습수와 재압축 과급공기의 공급량은 제어기(26)에 의해 조절되는데, 제어에 필요한 과급공기의 온도 및 포화도는 제 2 미스트트랩(7) 후단에 설치되어 있는 노점계(29) 및 온도계(30)에 의해 실시간으로 측정되어 제어기(26)에 입력되고, 제어기(26)는 필요한 가습수와 재압축 과급공기의 양을 제어밸브(18,20,24,25)의 개폐량에 의해 조절한다.
또한, 분사노즐(10,11)을 통해 분사된 가습수 중, 증발되지 않은 다소 큰 액적은 제 1 미스트트랩(5) 하단에 설치된 제 1 배수구(12)로 흘러 들어가고, 다소 작은 액적 또는 미스트는 제 1 미스트트랩(5)에 걸러져 제 1 배수구(12)로 흘러내린다. 상기 제 1 배수구(12)에 고인 물은 수조(14)로 회수된 후 재사용 된다.
또한, 제 1 미스트트랩(5)을 통과한 과급공기 중의 미세한 액적은 고온 냉각수(27)에 의해 가열된 과급공기 냉각기(6)에서 열에너지를 공급받아 수증기로 증발하게 되며, 과급공기 냉각기(6)를 지난 후에도 증발하지 않은 미스트는 제 2 미스트트랩(7)에 포집되어 제 2 배수구(13)에 집수된 후 가습수 회수 유로(34)를 통하여 수조(14)로 되돌아가게 된다.
또한, 상기 과급공기 냉각기(6)는 과급공기를 가습하지 않는 통상의 엔진 운전에서는 저온 냉각수 유로(28)와 연결되어 과급공기를 냉각하는 역할을 하게 된다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
이와 같이 본 발명은 가습수를 재가열하여 분사하고, 가습수와 재압축된 과급공기를 혼합하여 분사하도록 되어 있어 가습수의 증발효과가 크고, 또한 제 1 미스트트랩을 통과한 작은 액적 및 미스트는 과급공기 냉각기에서 재차 증발되므로, 과급공기의 습도를 보다 높일 수 있다.
따라서, 과급공기는 연장된 과급공기 유로에 의한 증발 공간 및 시간의 증가에 더하여, 확관 유로에서의 고온 가습수 분사에 의한 1차 가습과 연장 유로에서의 이유체 분사노즐에 의한 2차 가습 및 과급공기 냉각기에서의 최종 가습 등의 과정을 통하여 가습 장치의 소형화 및 가습 성능 향상 등의 효과를 거둘 수 있게 된다.
또한, 이러한 가습 과정을 거치면서 과급공기는 열용량이 증가된 상태로 내연기관의 연소실로 유입되어, 연료의 연소 중에 발생되는 열로 인한 온도 상승을 억제하여 연소 최고온도를 낮춤으로써 연소 중에 생성되는 질소산화물의 발생량을 대폭 저감할 수 있게 된다.
또한, 과급공기 가습에 따른 잉여 배기가스 에너지에 의해 발생될 수 있는 과급 압축기의 서징을 방지하기 위해 여분의 배기가스를 이용하여 보조 과급기를 운전하고, 보조 과급 압축기에서는 과급공기 중의 일정량을 보다 높은 압력으로 압축하여 이유체 분사노즐의 분산용 기체로 사용할 수가 있다.
또한, 가습수만을 사용하여 작은 액적으로 분사해야 할 경우 높은 분사 압력이 필요하게 된다. 그러나 본 발명은 재압축된 과급공기를 분산용 기체로 사용하는 이유체 분사노즐에 가습수 압력을 절반 이하로 낮추어 공급하더라도 동등하거나 그 이상의 미세한 액적으로 분사할 수가 있으며, 가습수와 과급공기의 혼합 효과가 크기 때문에 가습수의 증발 효율도 높아지게 된다. 또한 이유체 분사노즐을 사용함으로써 가습수만을 분사하는 경우 보다 저압으로 압축하므로 가습수의 압축에 필요한 동력비를 낮출 수가 있는 등 많은 긍정적인 효과를 거둘 수 있다.

Claims (7)

  1. 내연기관 과급기의 후단에 설치되는 과급공기 유로를 수직 또는 수평으로 연장하여 내부 공간을 확장한 확관 유로와 연장 유로에 가습수를 분사하여 과급기에 의해 유로로 공급되는 과급공기를 가습하는 내연기관용 과급공기 가습 분사 장치에 있어서;
    과급기에 의한 과급공기가 확관 유로로 공급되고 확관 유로의 하부에 위치하도록 연장 유로가 일체형으로 형성되며, 공급된 과급공기를 내연기관으로 공급하는 유로부와,
    상기 유로부 내로 고온 고압의 가습수를 공급하는 가습수 공급부와,
    상기 가습수 공급부와 연결되어 고온의 가습수를 보조 과급 냉각기에서 열교환하여 재가열하고, 과급기로부터 공급되는 과급공기의 일부를 보조 과급 냉각기를 경유하여 보조 과급기에 의해 재압축하여 유로부로 공급하는 재처리부와,
    상기 유로부의 확관 유로내에 설치되고 가습수 공급부과 연결되어 고온 고압의 가습수를 과급공기로 분사하는 가습수 분사노즐과,
    상기 유로부의 연장 유로 내에 설치되고 가습수 공급부 및 재처리부와 연결되어 고온 고압의 가습수 및 재압축 과급공기를 혼합하여 분사하는 이유체 분사노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 과급공기 가습 분사 장치.
  2. 제 1 항에 있어서;
    상기 유로부 연장 유로의 후단에는 증발되지 않은 가습수 액적을 포집하여 제거하는 제 1 미스트트랩과, 고온 냉각수의 공급에 의한 열교환을 통해 과급공기의 온도를 조절하기 위한 과급공기 냉각기 및, 가습수 액적이 엔진 연소실로 직접유입되는 것을 방지하기 위한 제 2 미스트트랩을 구비하되,
    제 1 미스트트랩 하부에 위치하도록 연장 유로에는 제 1 배수구가 형성되고, 제 2 미스트트랩 하부에 위치하도록 연장 유로에 제 2 배수구가 각각 형성되어 있으며, 상기 제 1,2 배수구는 가습수 공급부의 수조와 가습수 회수 유로에 의해 각각 연결된 것을 특징으로 하는 내연기관용 과급공기 가습 분사 장치.
  3. 제 1 항에 있어서;
    상기 가습수 공급부는 가습수가 저장되는 수조와, 상기 수조에 설치되어 수조 내 가습수를 예열하는 히터와, 상기 수조와 제 1 가습수 유로에 의해 연결되어 가습수를 압축한 후 제 2 가습수 유로를 통해 가습수 분사노즐 및 이유체 분사노즐로 공급하는 가습수 펌프로 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관용 과급공기 가습 분사 장치.
  4. 제 3 항에 있어서;
    상기 수조와 가습수 펌프 사이에는 유로부와 연결되는 열교환기가 더 설치된 것을 특징으로 하는 내연기관용 과급공기 가습 분사 장치.
  5. 제 1 항에 있어서;
    상기 재처리부는 과급기 및 제 2a 유로와 연결되는 보조 과급 냉각기와, 상기 보조 과급 냉각기를 경유한 과급공기가 유입되어 재압축된 후 이유체 분사노즐로 이송시키고, 내연기관과 연결되어 배기가스에 의해 작동되는 보조 과급기로 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관용 과급공기 가습 분사 장치.
  6. 제 3 항 또는 제 5 항에 있어서;
    상기 가습수 공급부에는 가습수 분사노즐과 이유체 분사노즐의 분사압력을 조절하기 위한 제어밸브가 각각 설치되고,
    상기 재처리부에는 과급공기의 양(재압축되는 과급공기의 양)을 제어하고, 공급되는 배기가스의 양을 제어하는 제어밸브가 각각 설치된 것을 특징으로 하는 내연기관용 과급공기 가습 분사 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서;
    상기 유로부에는 노점계 및 온도계가 더 설치된 것을 특징으로 하는 내연기관용 과급공기 가습 분사 장치.
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