KR101531360B1 - 과급 내연 기관용 장치 - Google Patents

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졸탄 카르도스
에릭 쇠데르베르그
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스카니아 씨브이 악티에볼라그
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Abstract

본 발명은 냉각기(10, 15) 내의 결빙을 방지하도록 구성된 과급 연소 기관(2)용 장치에 관한 것이다. 장치는, 순환 냉각제를 구비하는 제1 냉각 시스템과, 연소 기관(2)의 정상 작동 중에 제1 냉각 시스템의 냉각제보다 온도가 낮은 순환 냉각제를 구비하는 제2 냉각 시스템과, 상기 냉각기(10, 15)를 포함하며, 냉각기 내에서는 수증기를 함유하는 가스상 매체가 제2 냉각 시스템의 냉각제에 의하여 냉각되도록 설계된다. 장치는, 열 교환기(28)와, 제1 위치와 제2 위치에 있을 수 있는 밸브 수단(30)을 또한 포함하며, 제1 위치에서는, 상기 냉각 시스템들 중 적어도 하나로부터의 냉각제가 열 교환기(28)를 통해 유동하고, 제2 위치에서는, 제2 냉각 시스템의 냉각제가 제1 냉각 시스템의 냉각제에 의해 승온되도록 냉각 시스템들 모두로부터의 냉각제가 열교환기(28)를 통해 유동한다.

Description

과급 내연 기관용 장치{ARRANGEMENT AT A SUPERCHARGED INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 과급 연소 기관용 장치에 관한 것이다.
과급 연소 기관에 공급될 수 있는 공기의 양은 공기의 압력뿐만 아니라 공기의 온도에도 의존한다. 가능한 최대량의 공기를 공급하면, 공기가 연소 기관으로 안내되기 전에 공기의 효과적 냉각이 수반된다. 공기는 일반적으로 차량의 전방부에 배치된 급기 냉각기(charge air cooler) 내에서 냉각된다. 이 위치에서 급기 냉각기를 통하여 주위 온도는 냉각 공기가 유동하며, 이는 압축 공기가 주위 온도에 가까운 온도까지 냉각되는 것을 가능하게 한다. 한랭 기후 조건에서, 압축 공기는 공기의 노점(dew point) 온도 미만의 온도까지 냉각될 수 있으므로, 급기 냉각기 내에서 수증기의 액상 응결(precipitation)이 발생한다. 주위 공기의 온도가 0℃ 미만이면, 급기 냉각기 내에서 응결된 물이 결빙될 위험성도 존재한다. 그와 같은 빙결은 급기 냉각기 내의 기류 도관(airflow duct)에 다소의 폐색을 일으키므로, 연소 기관으로의 공기 유량을 감소시키고 그에 따라 작동 오류 또는 중지를 일으킨다.
EGR(배출 가스 재순환, Exhaust Gas Recirculation)으로 알려진 기술은 연소 기관 내의 연소 공정으로부터의 배출 가스의 일부를 재순환시키는 공지의 방법이다. 재순환 배출 가스는 연소 기관으로의 유입 공기와 혼합되고, 그 후에 혼합물은 연소 기관의 실린더로 안내된다. 공기에 배출 가스를 추가하면, 연소 온도가 낮아지게 되고, 특히 배출 가스 내의 질소 산화물(NOx)의 양이 감소한다. 이 기술은 오토(Otto) 기관과 디젤 기관 모두에 사용된다. 연소 기관에 다량의 배출 가스를 공급하면, 배출 가스가 연소 기관으로 안내되기 전에 배출 가스의 효과적인 냉각이 일어난다. 배출 가스는 연소 기관의 냉각 시스템으로부터의 냉각제에 의해 냉각되는 EGR 냉각기 내에서 제1 단계의 냉각이 이루어질 수 있고, 공랭식 EGR 냉각기 내에서 제2 단계의 냉각이 이루어질 수 있다. 따라서, 배출 가스는 주위 온도에 근접한 온도까지 냉각될 수도 있다. 배출 가스는 EGR 냉각기 내에서 제2 단계의 냉각에 의해 수증기의 노점보다도 낮은 온도까지 냉각될 때에 응축되는 수증기를 함유한다. 주위 온도가 0℃ 미만이면, 제2 EGR 냉각기 내에서 형성된 응축물(condensate)이 결빙될 위험성이 존재한다. 그와 같은 결빙은 EGR 냉각기 내에서 배출 가스 유동 도관의 다소의 폐색을 일으키게 된다. 배출 가스의 재순환이 중단되거나 상당히 감소되면, 그로 인하여 배출 가스 내의 질소 산화물의 양이 증가한다.
본 발명의 목적은, 수증기를 함유하는 가스상 매체(gaseous medium)가 냉각기 내에서 매우 양호하게 냉각될 수 있고 그와 동시에 냉각기가 폐색될 위험성이 방지되는 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적은, 청구항 1의 도입부에 기재되어 있는 유형의 장치로서 청구항 1의 특징부에 기재된 구성을 특징으로 하는 장치에 의해 달성된다. 가스상 매체는 효과적으로 냉각되도록 저온 냉각 시스템이라고 지칭될 수 있는 냉각 시스템 내의 냉각제에 의해 냉각될 필요가 있다. 저온 냉각 시스템 내의 냉각제가 사용되면, 장치는 냉각기 내에 액체 형태의 물이 응결되는 온도까지 냉각된다. 냉각제가 0℃ 미만으로 냉각되면, 냉각기 내에서 물이 결빙될 명백한 위험이 존재한다. 저온 냉각 시스템 내의 냉각제의 온도가 낮을수록, 이러한 위험이 더욱 증가한다. 장치는 저온 냉각 시스템 내의 냉각제보다 승온된 냉각제를 구비하는 냉각 시스템을 또한 포함한다. 이러한 냉각 시스템은 고온(high-temperature) 냉각 시스템으로 지칭될 수 있다. 본 발명에 따르면, 고온 냉각 시스템 내의 더 고온의 냉각제에 의하여 저온 냉각 시스템의 냉각제를 승온시키는 것을 가능하게 하기 위하여, 열 교환기와 밸브 수단이 사용된다. 연소 기관의 정상 작동 중에, 밸브 수단은 상기 냉각 시스템들 중 적어도 하나로부터의 냉각제가 열 교환기를 통해 유동하는 것을 방지하는 제1 위치에 배치된다. 이에 따라, 2개의 냉각 시스템 내의 냉각제들 사이에 열 전달이 일어나지 않는다. 그러나, 밸브 수단이 제2 위치에 배치되면, 냉각 시스템들 모두로부터의 냉각제는 열 교환기를 통해 유동할 수 있게 된다. 이 경우에, 저온 냉각 시스템 내의 냉각제는 고온 냉각 시스템 내의 냉각제에 의해 열 교환기 내에서 승온된다. 그와 같은 승온은, 가스상 매체가 너무 냉각되어 냉각기 내에 결빙이 일어날 위험이 있을 정도로 저온 냉각 시스템 내의 냉각제가 저온으로 냉각되는 상황에서 바람직하다. 냉각기가 결빙되거나 결빙되려고 한다고 판단되면, 밸브 수단은 수동으로 제2 위치에 배치될 수 있다. 결빙의 위험이 해소되면, 밸브 수단은 제1 위치로 복귀될 수 있다. 따라서, 가스상 매체에는 냉각기 내에서의 매우 양호한 냉각이 제공될 수 있고, 그와 동시에 냉각기 내의 결빙이 방지될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 장치는, 냉각기 내에 결빙 또는 결빙 위험성이 존재할 정도로 가스상 매체가 냉각되었는지를 나타내는 파라미터를 검출하도록 구성된 적어도 하나의 센서와, 상기 구성요소(들)로부터 정보를 수신하고, 냉각기 내에 결빙 또는 결빙 위험성이 존재하는지를 결정하고, 존재하는 경우에 밸브 수단을 제2 위치에 배치하는 제어 유닛을 포함한다. 그와 같은 구성에 의하여, 냉각기 내에 결빙 위험성이 존재하면, 밸브 수단은 자동으로 제2 위치에 배치될 수 있다. 제어 유닛은 목적에 적합한 소프트웨어를 구비한 컴퓨터 유닛일 수 있다. 상기 센서는 저온 냉각 시스템 내의 냉각제의 온도를 검출하는 온도 센서일 수 있다. 냉각제가 냉각기 내로 안내되었을 때에 냉각제의 온도가 0℃를 초과하면, 냉각기 내에는 결빙 위험성이 존재하지 않는다. 결빙을 완전히 방지하기 위하여, 냉각제의 온도가 0℃ 미만으로 감소하면, 즉시 제어 유닛은 밸브 수단을 제2 위치에 배치할 수 있다. 장치는 바람직하게는, 냉각기 내의 가스상 매체의 압력 강하 또는 온도 강하와 관련된 파라미터를 검출하도록 구성된 온도 센서 또는 압력 센서를 포함한다. 센서들 중 하나는 냉각기로 안내되기 전의 가스상 매체의 압력 또는 온도를 검출할 수 있고, 센서들 중 다른 하나는 냉각기로부터 유출될 때의 가스상 매체의 압력과 온도를 검출할 수 있다. 냉각기 내의 압력 강하 또는 온도 강하가 사전 설정값 이내가 아닌 경우에, 제어 유닛은 냉각기 내의 유동 통로가 얼음에 의해 폐색되려고 한다는 것을 판단할 수 있다. 그와 같은 경우에, 저온 냉각 시스템 내의 냉각제가 승온되도록, 제어 유닛은 밸브 수단을 제2 위치로 배치한다. 냉각기를 통해 유동하는 승온된 냉각제는 냉각기 내에 형성된 얼음을 녹인다. 얼음이 녹으면, 제어 유닛은 냉각기 내의 압력 강하 또는 온도 강하가 허용 가능한 값으로 반전되었음을 나타내는 정보를 센서로부터 수신한다. 제어 유닛은 밸브 수단을 제1 위치로 복귀시킨다. 이 경우에, 냉각기 내에 제한된 양의 얼음 형성이 허용되지만, 그에 따라 0℃ 미만의 냉각제 온도가 허용되는 경우에 냉각제의 결빙이 개시되지 않는다면, 가스상 매체의 냉각은 매우 효과적이다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시 형태에 따르면, 제2 냉각 시스템은 방열기 요소(radiator element)를 구비하며, 순환 냉각제는 주위 온도의 공기에 의해 냉각된다. 따라서, 냉각제는 주위 온도에 근접한 온도까지 냉각될 수 있다. 열 교환기는 바람직하게는, 제2 냉각 시스템 내에서의 냉각제 유동의 설계 방향에 대하여, 방열기 요소의 하류이고 냉각기의 상류인 위치에 배치된다. 따라서, 제2 시스템 내의 냉각제는 냉각기 내로 안내되기 전에, 실질적으로는 직전에 승온될 수 있다. 밸브 수단이 제2 위치에 배치되어 있는 상황에서, 냉각기 내에 형성된 얼음이 신속하게 녹도록, 비교적 승온된 냉각제는 냉각기 내로 안내될 수 있다.
본 발명에 따른 또 다른 바람직한 실시 형태에 따르면, 제1 냉각 시스템은 연소 기관을 냉각하도록 구성된다. 정상 작동 중에, 연소 기관을 냉각하는 냉각 시스템은 온도가 80 내지 100℃이다. 따라서, 이러한 종래의 냉각제는 저온 냉각 시스템 내의 냉각제를 승온시키는 데에 사용되기에 매우 적합하다. 연소 기관을 냉각하는 냉각 시스템은 승온된 냉각제를 냉각 시스템 내에서 연소 기관의 실질적인 하류 방향 직후에서부터 열 교환기까지 안내하도록 구성된 라인을 포함한다. 냉각제는 연소 기관을 냉각하였을 때에 냉각 시스템 내에서 최고 온도에 이르게 되고, 따라서 결빙이 발생하였을 때에 저온 냉각 시스템 내의 냉각제를 승온시키기 위하여, 냉각제의 최적 승온에 매우 효과적으로 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 장치는 추가 냉각기를 포함하며, 가스상 매체는 제1 냉각 시스템 내의 냉각제에 의해 제1 단계의 냉각이 이루어지고 그 후에 상기 냉각기로 안내되며, 상기 냉각기 내에서 제2 냉각 시스템의 냉각제에 의해 제2 단계의 냉각이 이루어지도록 설계된다. 가스상 매체는 연소 기관으로의 유입 라인(inlet line) 내로 안내되는 압축 공기일 수 있다. 공기는 압축되면 공기 압축도(degree of compression)와 관련된 소정량의 가열을 받게 된다. 과급 연소 기관에 있어서, 공기는 매우 고압으로 사용된다. 따라서, 공기는 효과적인 냉각을 필요로 한다. 따라서, 공기가 연소 기관에 이르기 전에 설정된 저온에 도달할 수 있도록, 압축 공기를 하나 이상의 냉각기 내에서 둘 이상의 단계로 냉각하는 것이 바람직하다. 상기 가스상 매체는 연소 기관으로의 회송 라인(return line) 내에서 안내되는 재순환 배출 가스일 수도 있다. 배출 가스는 회송 라인 내로 안내되었을 때에 온도가 500 내지 600℃일 수 있다. 따라서, 배출 가스가 연소 기관에 이르기 전에 설정된 저온에 도달할 수 있도록, 배출 가스를 하나 이상의 냉각기에서 둘 이상의 단계로 냉각하는 것이 또한 바람직하다.
본 발명에 따르면, 냉각기 내에서 가스상 매체가 매우 양호하게 냉각될 수 있고 냉각기 내의 결빙이나 폐색의 위험성이 방지될 수 있다.
첨부 도면을 참조하여, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대하여 예시적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 과급 연소 기관용 장치를 나타낸다.
도 1은 개략적으로 도시된 차량(1)에 동력을 공급하기 위한 과급 연소 기관용 장치를 나타낸다. 여기에서 연소 기관은 디젤 기관(2)으로 예시되어 있다. 디젤 기관(2)은 대형 차량(heavy vehicle)에 동력을 공급하기 위한 것일 수 있다. 디젤 기관(2)의 실린더로부터의 배출 가스는 배출 다기관(3)을 통해 배출 라인(4)으로 안내된다. 디젤 기관(2)에는, 터빈(5)과 압축기(6)를 포함하는 터보 유닛이 제공된다. 대기압 보다 높은 배출 라인(4) 내의 배출 가스는 초기에 터빈(5)으로 안내된다. 따라서 터빈(5)에는 구동 동력이 제공되고, 이 동력은 연결부를 통하여 압축기(6)로 전달된다. 압축기(6)는 이 동력을 이용하여, 공기 필터(7)를 통해 유입 라인(8)으로 흡인되는 공기를 압축한다. 유입 라인 내의 공기는 초기에 제1 냉각제-냉각형 급기 냉각기(coolant-cooled charge air cooler)(9)에 의해 냉각된다. 공기는 연소 기관의 냉각 시스템으로부터의 냉각제에 의하여 제1 급기 냉각기(9) 내에서 냉각된다. 압축 공기는 그 후에 제2 냉각제-냉각형 급기 냉각기(10) 내에서 냉각된다. 공기는 별도의 냉각 시스템으로부터의 냉각제에 의해 제2 급기 냉각기(10) 내에서 냉각된다.
장치는 배출 라인(4) 내의 배출 가스의 일부의 재순환을 실시하기 위한 회송 라인(return line)(11)을 포함한다. 회송 라인은 배출 라인(4)과 유입 라인(8) 사이의 연장부를 구비한다. 회송 라인(11)은 회송 라인(11) 내의 배출 가스를 차단할 수 있는 EGR 밸브(12)를 포함한다. EGR 밸브(12)는 배출 라인(4)으로부터 회송 라인(11)을 통해 유입 라인(8)으로 안내되는 배출 가스의 양을 무단 제어(steplessly controlling)하기 위하여 사용될 수도 있다. 제어 유닛(13)은 디젤 기관(2)의 현재 작동 상태에 관한 정보에 기초하여 EGR 밸브(12)를 제어하도록 구성된다. 회송 라인(11)은 배출 가스의 제1 단계의 냉각을 실시하기 위한 제1 냉각제-냉각형 EGR 냉각기(14)를 포함한다. 배출 가스는 연소 기관의 냉각 시스템으로부터의 냉각제에 의해 제1 EGR 냉각기(14) 내에서 냉각된다. 배출 가스는 냉각제-냉각형 EGR 냉각기(15) 내에서 제2 단계의 냉각을 거친다. 배출 가스는 별도의 냉각 시스템으로부터의 냉각제에 의해 제2 EGR 냉각기(15) 내에서 냉각된다.
과급 디젤 기관(2) 내의 특정 작동 상태에 있어서, 배출 라인(4) 내의 배출 가스의 압력은 유입 라인(8) 내의 압축 공기의 압력보다 작다. 그와 같은 작동 상태에서는, 특별한 보조 수단 없이 회송 라인(11) 내의 배출 가스를 유입 라인(8) 내의 압축 공기와 직접 혼합하는 것이 가능하지 않다. 이러한 목적으로, 예를 들면 다양한 기하학적 형상을 가진 터보 유닛 또는 벤투리(16)를 사용할 수 있다. 대신에, 연소 기관(2)이 과급 오토(Otto) 기관인 경우에, 실질적으로 모든 작동 상태에서의 오토 기관의 배출 라인(4) 내의 배출 가스는 유입 라인(8) 내의 압축 공기보다도 압력이 높기 때문에, 회송 라인(11) 내의 배출 가스는 유입 라인(8) 내로 직접 안내될 수 있다. 배출 가스가 유입 라인(8) 내의 압축 공기와 혼합되면, 혼합물은 다기관(17)을 통하여 디젤 기관(2)의 각 실린더로 안내된다.
연소 기관(2)은 순환 냉각제를 포함하는 냉각 시스템에 의해 종래 방식으로 냉각된다. 냉각제는 냉각제 펌프(coolant pump)(18)에 의해 냉각 시스템 내에서 순환된다. 냉각제의 주류(main flow)는 연소 기관(2)을 통해 순환한다. 냉각제는 연소 기관(2)을 냉각한 후에 라인(21) 내에서 냉각 시스템의 서모스탯(thermostat)(19)으로 안내된다. 냉각제가 정상 작동 온도에 도달하면, 서모스텟(19)은 차량의 전방부에 장착된 방열기(20)로 냉각제를 안내하여 냉각하도록 구성된다. 그러나, 냉각 시스템 내의 더 적은 양의 냉각제는 연소 기관(2)으로 다시 안내되지는 않고, 2개의 병렬 라인(22a, 22b)으로 분기되는 라인(22)을 통해 순환된다. 라인(22a)은 냉각제를 제1 급기 냉각기(9)로 냉각제를 안내하며, 이 냉각기 내에서는 압축 공기의 제1 단계의 냉각이 이루어진다. 라인(22b)은 냉각제를 제1 EGR 냉각기(14)에 안내하며, 이 냉각기 내에서는 재순환 배출 가스의 제1 단계의 냉각이 이루어진다. 제1 급기 냉각기(9) 내에서 공기를 냉각시킨 냉각제와 제1 EGR 냉각기(14) 내에서 배출 가스를 냉각시킨 냉각제는 라인(22)에서 합류하며, 라인(22)은 냉각제를 다시 라인(21)으로 안내한다. 승온된 냉각제는 라인(21) 내에서 방열기(20)로 안내된다.
별도의 냉각 시스템은 차량(1)의 주변 영역에 방열기(20)의 전방에 장착된 방열기 요소(24)를 포함한다. 이 경우에, 주변 영역은 차량의 전방부에 위치한다. 방열기 팬(25)은 방열기 요소(24)와 방열기(20)를 통과하는 주위 공기의 기류를 생성하도록 구성된다. 방열기 요소(24)는 방열기(20) 전방에 위치하므로, 냉각제는 주위 온도의 공기에 의해 방열기 요소(24) 내에서 냉각된다. 따라서, 방열기 요소(24) 내의 냉각제는 주위 온도에 근접한 온도까지 냉각된다. 방열기 요소(24)로부터의 냉각된 냉각제는 별도의 냉각 시스템 내에서 펌프(27)에 의해 라인(26) 내로 순환한다. 열 교환기(28)는 라인(26) 내에 배치된다. 필요한 경우에, 별도의 냉각 시스템 내에서 냉각된 냉각제는, 연소 기관의 냉각 시스템으로부터의 따뜻한 냉각제에 의하여, 열 교환기(28) 내에서 승온될 수 있다. 연소 기관의 냉각 시스템은 연소 기관을 통과한 직후에 승온된 냉각제를 수용하는 라인(21) 내의 위치(21a)로부터의 연장부를 구비하는 라인(29)을 포함한다. 라인(29)은 제어 유닛(31)에 의하여 폐쇄 위치와 적어도 하나의 개방 위치에 있을 수 있는 밸브(30)를 포함한다. 밸브가 개방 위치에 있으면, 승온된 냉각제는 열 교환기(28)를 통과하여 연장되는 라인(29)을 통해 안내된다. 그 후에 냉각제는 연소 기관의 냉각 시스템의 통상의 일부를 구성하는 라인(23)으로 안내되며, 라인(23)은 냉각된 냉각제를 방열기(20)로부터 연소 기관(2)까지 안내한다.
별도의 냉각 시스템 내의 냉각제가 열 교환기(28)를 통과한 후에, 라인(26)은 2개의 병렬 라인(26a, 26b)으로 분기된다. 라인(26a)은 냉각제를 제2 급기 냉각기(10)로 안내하며, 이 냉각기 내에서는 압축 공기가 제2 단계의 냉각을 거치게 된다. 라인(26b)은 냉각제를 제2 EGR 냉각기(15)로 안내하며, 이 냉각기 내에서는 재순환 배출 가스가 제2 단계의 냉각을 거치게 된다. 냉각제가 제2 급기 냉각기(10)와 제2 EGR 냉각기(15)를 통과한 후에, 라인(26a, 26b)은 서로 연결된다. 그 후에 냉각제는 라인(26) 내에서 방열기 요소(24)로 안내되어 냉각된다. 공기 라인(8) 내에는, 공기가 제2 급기 냉각기(10) 내로 안내되기 전에 공기의 압력을 검출하기 위한 제1 압력 센서(32)가 배치된다. 공기 라인(8) 내에는, 공기가 제2 급기 냉각기(10)를 통과한 후에 공기의 압력을 검출하기 위하여 제2 압력 센서(33)가 배치된다. 회송 라인 내에는, 배출 가스가 제2 EGR 냉각기(15)로 안내되기 전에 배출 가스의 압력을 검출하기 위하여 제3 압력 센서(34)가 배치된다. 회송 라인 내에는 배출 가스가 제2 EGR 냉각기(15)를 통과한 후에 배출 가스의 압력을 검출하기 위하여 제4 압력 센서(35)가 배치된다. 제어 유닛(31)은 상기 센서들로부터 측정 압력에 관한 정보를 수신하도록 구성된다.
디젤 기관(2)의 작동 중에, 배출 가스는 배출 라인(4)을 통해 흐르고 터빈(5)을 구동한다. 따라서 터빈(5)에는, 압축기(6)를 구동하는 구동 동력이 제공된다. 압축기(6)는 공기 필터(7)를 통해 주위 공기를 흡인하고 유입 라인(8) 내에서 공기를 압축한다. 따라서 공기는 압력이 증가하고 온도가 증가한다. 압축 공기는 연소 기관의 냉각 시스템 내의 방열기 액체에 의해 제1 급기 냉각기(9) 내에서 냉각된다. 이 때에 방열기 액체는 대략 80 내지 85℃일 수 있다. 따라서, 압축 공기는 제1 급기 냉각기(9) 내에서 제1 단계의 냉각을 거쳐 냉각제의 온도에 근접한 온도까지 냉각된다. 압축 공기는 그 후에 제2 급기 냉각기(10)를 통해 안내되고, 이 냉각기 내에서 별도의 냉각 시스템의 냉각제에 의해 냉각된다. 이 때에 냉각제의 온도는 주위 온도에 근접한 온도일 수 있다. 따라서, 압축 공기는 바람직한 상황에서 주위의 온도에 근접한 온도까지 냉각될 수도 있다.
디젤 기관(2)의 대부분의 작동 상태에 있어서, 배출 라인(4) 내의 배출 가스의 일부가 회송 라인(11) 내로 안내되도록, 제어 유닛(13)은 EGR 밸브(12)를 개방시켜 유지한다. 배출 라인(4) 내의 배출 가스는 제1 EGR 냉각기(14)에 도달하였을 때에, 배출 가스의 온도는 대략 500 내지 600℃일 수 있다. 재순환 배출 가스는 제1 EGR 냉각기(14) 내에서 연소 기관의 냉각 시스템의 냉각제에 의하여 제1 단계의 냉각을 거친다. 따라서, 연소 기관의 냉각 시스템 내의 냉각제는 온도가 비교적 높지만, 배출 가스의 온도보다는 분명히 낮다. 따라서, EGR 냉각기(14) 내에서 배출 가스의 양호한 냉각을 실시하는 것이 가능하다. 재순환 배출 가스는 그 후에 제2 EGR 냉각기(15)로 안내되고, 이 냉각기 내에서 별도의 냉각 시스템의 냉각제에 의해 냉각된다. 이 때에 냉각제는 온도가 낮다는 것이 명백하고, 배출 가스는 바람직한 상황에서 주위 온도에 근접한 온도까지 냉각될 수 있다. 회송 라인(11) 내의 배출 가스는 실질적으로 압축 공기와 동등한 낮은 온도까지 냉각된 후에 혼합되고 연소 기관(2)으로 안내될 수 있다. 따라서, 실질적으로 최적 양의 공기와 재순환 배출 가스가 연소 기관 내로 안내될 수 있다. 따라서, 연소 기관 내에서 실질적으로 최적의 성능으로 연소가 이루어질 수 있다. 압축 공기와 재순환 배출 가스가 저온이므로 연소 온도가 낮아지고, 따라서 배출 가스 내의 질소 산화물의 양이 감소하게 된다.
이러한 압축 공기와 재순환 배출 가스의 효과적 냉각은 단점을 가질 수도 있다. 제2 급기 냉각기(10) 내에서 압축 공기는, 액상의 물이 급기 냉각기(1) 내에 형성되는 온도까지 냉각된다. 유사하게, 제2 EGR 냉각기(15) 내의 배출 가스는 제2 EGR 냉각기(15) 내에 응축물이 형성되는 온도까지 냉각된다. 주위 온도가 0℃보다 낮으면, 응결된 물이 제2 급기 냉각기(10) 내에서 얼음으로 동결될 위험과, 형성된 응축물이 제2 EGR 냉각기(15) 내에서 얼음으로 동결될 위험이 존재한다. 제2 급기 냉각기(10)와 제2 EGR 냉각기(15) 내의 결빙은 연소 기관(2)의 작동을 심각하게 변동시킬 수도 있다. 제2 급기 냉각기(10)와 제2 EGR 냉각기(15)가 동결되는 것을 방지하기 위하여, 제어 유닛(31)은 제2 급기 냉각기(10) 전후의 공기의 압력에 관한 정보를 압력 센서(32, 33)로부터 그리고 제2 EGR 냉각기(15) 전후의 재순환 배출 가스의 압력에 관한 정보를 압력 센서(34, 35)로부터 실질적으로 연속적으로 수신한다. 압력 센서(32, 33)가 제2 급기 냉각기(10) 내에 미리 설정된 임계 값을 초과하는 압력 강하를 나타내면, 제어 유닛(31)은 급기 냉각기(10) 내에 얼음이 형성되었다는 것을 알 수 있게 된다. 압력 센서(34, 35)가 제2 EGR 냉각기(15) 내에 미리 설정된 임계 값을 초과하는 압력 강하를 나타내면, 마찬가지로 제2 EGR 냉각기(15) 내에 얼음이 형성되었다는 것을 알 수 있게 된다.
제어 유닛(31)이 그와 같은 정보를 수신하면, 연소 기관의 냉각 시스템으로부터의 승온된 냉각제가 라인(29)과 열 교환기(28)를 통해 안내되도록, 제어 유닛은 밸브(30)를 개방한다. 연소 기관의 냉각 시스템으로부터의 승온된 냉각제는, 별도의 냉각 시스템 내에서 열 교환기(28)를 통하여 연속 유동하는 냉각된 냉각제를 승온시킨다. 열 교환기(28)는, 별도의 냉각 시스템 내에서 의도된 냉각제 유동 방향을 기준으로, 별도의 냉각 시스템 내에 방열기 요소(24)의 하류에 위치하되, 제2 급기 냉각기(10)와 제2 EGR 냉각기(15)의 상류의 위치에 배치된다. 따라서, 별도의 시스템 내의 냉각제는 실질적으로 제2 급기 냉각기(10)와 제2 EGR 냉각기(15)에 안내되기 직전에 상당히 승온된다. 승온된 냉각제는 제2 급기 냉각기(10)와 제2 EGR 냉각기(15)를 통해 안내되면, 냉각기(10, 15) 내에 형성되었던 얼음을 신속하고 효과적으로 녹인다.
제어 유닛(31)은 제2 급기 냉각기(10)와 제2 EGR 냉각기915) 내의 압력 강하가 허용 가능한 값으로 반전되었음을 나타내는 정보를 수신하면 바로 밸브(30)를 폐쇄함으로써, 연소 기관의 냉각 시스템으로부터 열 교환기(28)를 통한 승온된 냉각제의 순환을 정지시킨다. 별도의 냉각 시스템에서의 냉각제의 승온은 중단되고, 방열기 요소(24) 내에서 냉각된 냉각제는 제2 급기 냉각기(10) 내의 공기와 EGR 냉각기(15) 내의 배출 가스를 냉각시키기 위하여 사용될 수 있다. 차량의 작동 중에 주변 온도가 매우 낮을 경우에, 제어 유닛(31)은 제2 급기 냉각기(10)와 제2 EGR 냉각기(15) 내에 너무 많은 얼음이 형성되는 것을 방지하기 위하여 규칙적인 간격으로 밸브(30)를 개방 위치에 있게 할 수 있다. 따라서 장치는 제2 급기 냉각기(10)와 제2 EGR 냉각기(15) 내의 배출 가스의 매우 효과적인 냉각을 가능하게 한다. 동시에, 연소 기관(2)의 작동을 교란시킬 수도 있는 얼음이 제2 급기 냉각기(10)와 제2 EGR 냉각기(15) 내에 형성되는 것을 방지한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 형태로 제한되는 것을 결코 아니며, 청구범위의 범위 내에서 자유로이 변경될 수 있다. 실시 형태의 예에서, 압력 센서는 냉각기 내에 얼음이 형성되는 때를 나타내기 위한 파라미터로서 냉각기 전후의 압력 강하를 결정하기 위하여 사용된다. 마찬가지로, 냉각기 내에 얼음이 형성되는 때를 나타내는 파라미터로서 냉각기 내의 온도 강하를 결정하기 위하여 온도 센서가 사용될 수 있다. 또 다른 대안적 실시 형태에 따르면, 온도 센서는 냉각기(10, 15)로 안내되는 냉각제의 온도를 검출하기 위하여 사용될 수도 있다. 냉각제의 온도가 0℃를 초과하면, 냉각기(10, 15) 내에는 결빙이 발생하지 않는다. 도시된 실시 형태에서, 장치는 제2 급기 냉각기(10)와 제2 EGR 냉각기(15) 모두가 결빙되지 않게 유지하기 위하여 사용된다. 장치는 상기 냉각기(10, 15)들 중 하나만이 결빙되지 않게 유지하기 위하여 사용될 수도 있다. 장치는 연소 기관에 안내되는 공기를 압축하기 위하여 터보 유닛이 사용되는 과급 연소 기관용으로 설계된 것이다. 장치는 하나 이상의 터보 유닛에 의해 공기가 압축되는 과급 연소 기관용으로 물론 사용될 수도 있다. 그와 같은 경우에, 제1 급기 냉각기(9)는 터보 유닛의 압축기에서의 압축들 사이에 공기를 냉각하기 위한 중간 냉각기로 사용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 순환 냉각제를 구비하는 제1 냉각 시스템과, 연소 기관(2)의 정상 작동 중에 제1 냉각 시스템의 냉각제보다 온도가 낮은 순환 냉각제를 구비하는 제2 냉각 시스템과, 제2 냉각 시스템의 냉각제에 의하여 냉각되도록 설계된 수증기를 함유하는 가스상 매체를 구비하는 냉각기(10, 15)를 포함하는 과급 연소 기관(2)용 장치에 있어서,
    제1 냉각 시스템으로부터의 냉각제가 유동하여 통과하도록 구성된 통로(29)와 제2 냉각 시스템으로부터의 냉각제가 유동하여 통과하도록 구성된 통로(26)를 구비하는 열 교환기(28)와,
    상기 냉각 시스템들 중 적어도 하나로부터의 냉각제가 열 교환기(28)를 통해 유동할 때의 제1 위치와, 제2 냉각 시스템의 냉각제가 제1 냉각 시스템의 냉각제에 의해 승온되도록 냉각 시스템들 모두로부터의 냉각제가 열교환기(28)를 통해 유동할 때의 제2 위치에 배치될 수 있는 밸브 수단(30)과,
    냉각기(10, 15) 내에 결빙 또는 결빙 위험성이 있을 정도로 가스상 매체가 냉각되었는지를 나타내는 파라미터를 검출하도록 구성된 적어도 하나의 센서(32- 36)와,
    상기 센서(32-36)로부터 정보를 수신하고, 냉각기(10, 15) 내에 결빙 또는 결빙 위험성이 존재하는지를 결정하고, 결빙 또는 결빙 위험성이 존재하면 밸브 수단(30)을 제2 위치에 배치하도록 구성된 제어 유닛(31)을
    또한 포함하는 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    냉각기(10, 15) 내의 가스상 매체의 압력 강하 또는 온도 강하와 관련된 파라미터를 검출하도록 구성된 압력 센서(32 - 35) 또는 온도 센서를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제2 냉각 시스템은 방열기 요소(24)를 구비하며, 순환 냉각제는 주위 온도의 공기에 의해 방열기 요소(24) 내에서 냉각되는 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    열 교환기(28)는, 제2 냉각 시스템 내에서 설계된 냉각제 유동 방향에 대하여, 제2 냉각 시스템 내에 방열기 요소(24)의 하류이고 냉각기(10, 15)의 상류인 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제1 냉각 시스템은 연소 기관(2)을 냉각하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    제1 냉각 시스템은 승온된 냉각제를 연소 기관(2)의 실질적인 하류 방향 직후에 존재하는 위치(21a)에서부터 열 교환기(28)까지 안내하도록 구성된 라인(29)을 포함하는 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    추가 냉각기(9, 14)를 또한 포함하며,
    가스상 매체는, 추가 냉각기(9, 14) 내에서 제1 냉각 시스템 내의 냉각제에 의해 제1 단계의 냉각이 이루어진 후에 상기 냉각기(10, 15)기로 안내되고, 상기 냉각기(10, 15) 내에서 제2 냉각 시스템 내의 냉각제에 의해 제2 단계의 냉각이 이루어지도록 설계된 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가스상 매체는 연소 기관(2)으로의 유입 라인(8) 내에서 안내되는 압축 공기인 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가스상 매체는 연소 기관(2)으로의 회송 라인(11) 내에서 안내되는 재순환 배출 가스인 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
  10. 삭제
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