KR101577369B1 - 과급식 연소 기관용 냉각 장치 - Google Patents

과급식 연소 기관용 냉각 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 과급 연소 기관(2)용 장치에 관한 것이다. 본 발명의 장치는, 냉매가 순환하는 제1 냉각 시스템과, 연소 기관(2)이 정상 작동하는 중에 상기 제1 냉각 시스템 내의 냉매보다 낮은 온도에 있는 냉매가 순환하는 제2 냉각 시스템과, 수증기를 함유하는 기상 매체가 상기 제2 냉각 시스템 내의 냉매에 의해 냉각되도록 한 냉각기(10, 15)를 포함한다. 상기 본 발명의 장치는, 제2 냉각 시스템으로부터 나온 냉매가 통과하여 유동할 수 있게 구성된 열교환기(28)와; 연소 엔진으로부터 나온 배기 가스가 상기 열교환기(28)를 통과하여 유동하지 못하도록 하는 폐쇄 위치와, 상기 제2 냉각 시스템 내의 냉매가 배기 가스에 의해서 가온될 수 있도록 연소 엔진(2)으로부터 나온 배기 가스가 상기 열교환기(28)를 통과하여 유동할 수 있게 하는 개방 위치에 놓일 수 있는 밸브 수단(30)을 포함한다.

Description

과급식 연소 기관용 냉각 장치{COOLING ARRANGEMENT FOR A SUPERCHARGED COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 특허청구범위의 청구항 1의 전제부에 따른 과급식 연소 기관용 장치(arrangement)에 관한 것이다.
과급식 연소 기관으로 공급되는 공기의 양은 공기의 압력뿐만 아니라 공기의 온도에 따라서도 달라진다. 연소 기관으로 가능한 한 최대량의 공기를 공급하려면 공기는 연소 기관에 이르기 전에 효과적으로 냉각되어야 한다. 압축 공기는 연소 기관의 냉각 시스템으로부터 나온 냉매에 의해 냉각되는 급기 냉각기에서 제1 단계 냉각을 받고, 냉매가 상기 연소 기관의 냉각 시스템에서보다 상당히 낮은 온도로 유지되는 냉각 시스템에서 나온 냉매로 냉각되는 급기 냉각기에서 제2 단계 냉각을 받는다. 이와 같은 저온 냉각 시스템에 의하면, 압축 공기를 주변 온도에 근접한 온도로 냉각시킬 수 있게 된다. 추운 기후 조건에서는, 압축 공기가 공기의 노점 온도 이하의 온도로 냉각하는 제2 단계 냉각을 받게 되면, 그 결과 급기 냉각기 내에 수증기가 액상으로 응결된다. 주변 온도가 0℃ 이하이면, 위와 같이 응결된 물이 급기 냉각기 내에서 어는 위험도 있다. 이와 같은 얼음 형성은 급기 냉각기 내의 공기류 덕트를 얼마간의 크기로 폐색시키게 되고, 그 결과 연소 기관으로 들어가는 공기류가 감소하여서 결과적으로 작동 고장 또는 정지가 야기된다.
EGR(배기 가스 재순환)이라고 알려져 있는 기술은 연소 기관에서의 연소 공정으로부터 배기 가스의 일부를 재순환시키는 공지된 방법이다. 재순환 배기 가스는 인입 공기와 혼합되어 연소 기관으로 들어가는데, 그 혼합물이 엔진의 실린더로 들어가기 전에 행해진다. 공기에 배기 가스를 추가하게 되면 연소 온도가 보다 더 낮아지게 되고, 그 결과 배기 가스 중의 질소 산화물 NOx의 함량이 특히 낮아진다. 이러한 기술은 오토 기관용과 디젤 기관용으로 사용된다. 대량의 배기 가스를 연소 기관으로 공급하는 데에는, 배기 가스가 연소 기관으로 도달하기 전에 배기 가스를 효과적으로 냉각시킬 수 있게 하는 것이 수반된다. 배기 가스는 연소 기관의 냉각 시스템에서 나온 냉매에 의해 냉각되는 EGR 냉각기에서 제1 단계의 냉각을 거치고, 저온 냉각 시스템으로부터 나온 냉매에 의해 냉각되는 EGR 냉각기에서 제2 단계의 냉각을 거친다. 이에 따라, 배기 가스는 주변 온도에 근접한 온도까지 냉각될 수 있다. 배기 가스는 수증기를 함유하는데, 이 수증기는 배기 가스가 제2 단계의 냉각을 거쳐서 수증기의 노점 이하의 온도까지 냉각될 때에 EGR 냉각기 내에 응축된다. 주변 공기의 온도가 0℃ 이하이면, 상기 응축물이 제2 EGR 냉각기 내에서 얼음으로 빙결되는 위험도 있다. 이와 같은 얼음 형성은 EGR 냉각기 내의 배기 가스 유동 덕트를 얼마간의 크기로 폐색시키게 된다. EGR 냉각기가 폐색되어서 배기 가스의 재순환이 멈추거나 감소하게 되면, 결과적으로 배기 가스 내의 질소 산화물의 함량이 증가하게 된다.
본 발명의 목적은, 수증기를 함유하는 기상 매체를 라디에이터에서 아주 양호하게 냉각시키고 그와 동시에 라디에이터가 폐색되는 위험을 방지하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 특허청구범위의 청구항 1의 특징부에 나타낸 특징적 구성들에 의해 특징지어지는 서두에 언급한 종류의 장치에 의해 달성된다. 기상 매체가 효과적으로 냉각될 수 있도록 하기 위해서는, 저온 냉각 시스템(low-temperature cooling system)이라고 칭하기도 하는 제2 냉각 시스템의 냉매로 냉각시키는 것이 필요하다. 제2 냉각 시스템의 냉매가 사용될 때, 일반적으로, 기상 매체는 라디에이터에서 액상의 물로 응결되는 온도까지 냉각된다. 냉매가 0℃보다 낮게 냉각되면, 물이 라디에이터 내에서 얼음으로 빙결되는 위험이 있다. 이러한 위험은 제2 냉각기의 냉매 온도가 낮으면 낮을수록 더 커진다. 본 발명에 따르면, 라디에이터에 얼음이 형성되거나 혹은 얼음 형성의 위험이 있는 때에 제2 냉각 시스템의 냉매를 가온시킬 수 있도록 연소 기관의 배기 가스로부터 나오는 열을 사용한다. 연소 기관의 정상 작동 중에, 밸브 수단은 배기 가스가 열교환기를 통해서 유동하지 못하게 하는 폐쇄 위치에 놓인다. 이 결과 제2 냉각 시스템 내의 냉매는 가온되지 않는다. 밸브가 개방 위치에 있게 되면, 따뜻한 배기 가스가 열교환기를 통과 유동한다. 이 경우 제2 냉각 시스템 내의 냉매가 배기 가스에 의해 가온된다. 이와 같은 가온은, 제2 냉각 시스템의 냉매가 기상 매체를 라디에이터 내에 얼음이 형성될 정도로 냉각시킬 위험을 유발할 수준의 저온에 있는 경우에 바람직하다. 라디에이터가 빙점에 놓이는 위험에 있다거나 혹은 빙점에 놓였다고 판단되면, 밸브 수단을 수동으로 개방 위치에 위치시킬 수 있다. 얼음 형성 위험이 멈추면, 밸브 수단을 다시 폐쇄 위치로 위치시킬 수 있다. 이에 따라, 기상 매체를 라디에이터에서 아주 양호하게 냉각시킬 수 있고, 이와 동시에 라디에이터에 얼음이 형성되는 것을 방지할 수 있게 된다.
본 발명의 양호한 일 실시예에 따르면, 본 발명의 장치는 연소 기관의 배기 도관에 연결된 배기 루프를 포함하고, 상기 배기 루프는 열교환기와 밸브 수단을 포함한다. 상기 배기 루프는 U자형으로 형성될 수 있다. 따라서, 배기 가스를 받기 위하여 배기 도관에 연결되는 제1 연결부와, 받은 배기 가스를 되돌리기 위하여 배기 도관에 연결된 제2 연결부를 구비할 수 있다. 상기 제2 연결부는, 얼음 형성의 위험이 있을 때에 배기 도관 내의 배기 가스의 일부가 배기 루프를 통해서 병렬로 보내져서 열교환기 내의 냉매를 가온시킬 수 있도록, 제1 연결부의 하류측에 위치하는 것이 바람직하다.
본 발명의 양호한 일 실시예에 따르면, 본 발명의 장치는, 라디에이터에 얼음이 형성되거나 혹은 얼음 형성 위험이 있을 정도로 기상 매체가 냉각되어 있는지를 나타내는 파라미터를 검출하도록 구성된 적어도 하나의 센서와, 상기 센서로부터 정보를 받아서 라디에이터 내에 얼음이 형성되어 있는지 혹은 얼음 형성 위험이 있는지를 결정하고 만일 그렇다면 밸브 수단을 개방 위치에 위치시키도록 구성된 제어 유닛을 포함한다. 이와 같은 구성에 의하면, 라디에이터에 얼음 형성 위험이 있을 때에 밸브 수단이 자동으로 제2 위치로 위치될 수 있다. 제어 유닛은 이러한 목적에 부합되는 적절한 소프트웨어를 갖춘 컴퓨터 유닛일 수 있다. 상기 센서는 온도 센서 또는 압력 센서일 수 있다. 온도 센서는 제2 냉각 시스템의 냉매의 온도를 검출한다. 그 냉매가 라디에이터로 보내졌을 때에 냉매 온도가 0℃를 상회하면, 라디에이터 내에 얼음이 형성되는 위험은 없다. 얼음 형성을 완전하게 방지하기 위해, 제어 유닛은 냉매의 온도가 0℃ 이하로 떨어지자마자 밸브 수단을 제2 위치로 위치시킬 수 있다. 본 발명의 장치는 라디에이터에 근접한 기상 매체의 압력 또는 온도와 관련된 파라미터를 검출하도록 구성된 적어도 하나의 온도 센서 또는 압력 센서를 포함할 수 있다. 기상 매체가 라디에이터를 통과한 후에 기상 매체의 압력 또는 온도를 또 다른 센서가 검출할 수 있다. 그 압력 또는 온도가 한계치 이하이면, 제어 유닛은 라디에이터 내의 유동 통로가 얼음에 의해 폐색될 시점에 있다고 판단한다. 이 경우, 제어 유닛은 제2 냉각 시스템의 냉매가 가온될 수 있도록 밸브 수단을 개방 위치로 위치시킨다. 가온된 냉매는 라디에이터를 통해서 유동하면서 라디에이터 내에 형성된 얼음을 녹인다. 얼음이 녹았을 때에, 제어 유닛은 라디에이터 내의 압력 또는 온도가 허용 가능한 값으로 되돌아왔다는 것을 나타내는 정보를 센서로부터 받는다. 이 경우, 라디에이터에 얼음이 한도 범위 내에서 형성되는 것은 허용된다. 그래도, 그 결과는, 라디에이터가 빙결되기 시작하지 않는 한은 냉매 온도가 0℃ 이하로 되는 것도 허용될 수 있다는 점에서 보면, 기상 매체를 아주 효과적으로 냉각시키는 것이 된다.
본 발명의 또 다른 양호한 실시예에 따르면, 제2 냉각 시스템은 순환하는 냉매가 주변 온도로 유지되는 공기에 의해 냉각되게 하는 라디에이터 요소를 포함한다. 이에 따라, 냉매는 주변 온도에 근접한 온도까지 냉각될 수 있다. 열교환기는, 제2 냉각 시스템 내에서의 의도된 냉매 유동 방향과 관련해서 볼 때에, 라디에이터 요소의 하류측 및 라디에이터의 상류측 위치에서 제2 냉각 시스템에 위치되는 것이 유리하다. 이에 따라, 제2 냉각 시스템의 냉매는 라디에이터로 들어가기 바로 전에 가온을 받는다. 따라서, 밸브가 개방 위치에 위치된 상황에서는, 라디에이터 내에 형성된 얼음이 신속하게 녹을 수 있다.
본 발명의 또 다른 양호한 실시예에 따르면, 연소 기관을 냉각시킬 수 있도록 제1 냉각 시스템이 구성된다. 연소 기관을 냉각시키는 상기 제1 냉각 시스템은 정상 작동 중에는 일반적으로 80 내지 100℃에 있게 된다. 제2 냉각 시스템의 냉매는 이보다 더 상당히 낮은 온도로 유지되는 것이 유리하다. 본 발명의 장치는 기상 매체가 제2 냉각 시스템의 냉매에 의해 제2 단계의 냉각을 받는 라디에이터에 이르기 전에 제1 냉각 시스템의 냉매에 의해 제1 단계의 냉각을 받도록 한 추가의 라디에이터도 포함할 수 있다. 기상 매체는 인입 도관 안으로 보내져서 연소 엔진으로 들어가는 압축 공기일 수 있다. 공기가 압축될 때, 공기는 그 공기의 압축 정도와 관련된 열량을 받는다. 과급식 연소 기관에 있어서, 공기는 고압으로 압축된다. 따라서, 공기를 효과적으로 냉각시키는 것이 필요하다. 이 이유로 인해, 압축 공기가 연소 기관에 이르기 전에 소망하는 저온에 이를 수 있도록 압축 공기를 하나 이상의 라디에이터에서 다단계로 냉각시키는 것이 유리하다. 상기 기상 매체는 복귀 도관 안으로 보내져서 연소 기관으로 들어가는 재순환 배기 가스일 수도 있다. 배기 가스는 복귀 도관에 이를 때에는 500 내지 600℃의 온도에 있을 수 있다. 따라서, 재순환 배기 가스가 연소 기관에 이르기 전에 소망하는 저온에 이를 수 있도록 재순환 배기 가스도 하나 이상의 라디에이터에서 다단계로 냉각시키는 것이 유리하다.
이하에서는 다음과 같은 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예들에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 과급 연소 기관용 장치를 도시하는 도면이다.
도 1은 개략적으로 도시한 차량(1)에 동력을 발생시키는 과급 연소 기관용 장치를 도시하고 있다. 여기서 연소 기관은 디젤 기관(2)을 가지고 예시하였다. 디젤 기관(2)은 중차량(heavy vehicle)(1)에 동력을 발생시키는 데 사용될 수 있다. 디젤 기관(2)의 여러 실린더로부터 나온 배기 가스는 배기 매니폴드(3)를 거쳐서 배기 도관(4)으로 보내진다. 디젤 기관(2)에는 터빈(5) 및 압축기(6)를 구비하는 터보 유닛이 구비된다. 대기압보다 높은 압력의 배기 도관(4) 내의 배기 가스는 초기에는 터빈(5)으로 보내진다. 이에 따라, 터빈(5)에는, 연결부를 통해서 압축기(6)로 전달되는 구동력이 제공된다. 압축기(6)는 공기 필터(7)를 거쳐서 공기 인입 도관(8)으로 흡인되는 공기를 압축한다. 인입 도관(8) 내의 공기는 초기에는 냉매 냉각식 급기 냉각기(9)에서 냉각된다. 이와 같은 제1 급기 냉각기에서 공기는 연소 기관(2)도 냉각시키는 제1 냉각 시스템으로부터 나온 냉매에 의해서 냉각된다. 이하에서는 제1 냉각 시스템을 연소 기관의 냉각 시스템이라고 칭한다. 이어서, 압축된 공기는 냉매 냉각식 제2 급기 냉각기(10)에서 냉각된다. 제2 급기 냉각기에서 공기는 제2 냉각 시스템으로부터 나온 냉매에 의해서 냉각된다. 제2 냉각 시스템의 냉매는 연소 기관의 냉각 시스템의 냉매보다 상당히 더 낮은 온도로 유지된다.
본 발명의 장치는 배기 도관(4)으로부터 나온 배기 가스의 일부를 재순환시키는 복귀 도관(11)을 포함한다. 복귀 도관(11)은 배기 도관(4)과 인입 도관(8) 사이의 연장부를 갖는다. 복귀 도관(11)은 이 복귀 도관(11) 내의 배기류를 차단할 수 있는 EGR 밸브(12)를 포함한다. EGR 밸브(12)는 배기 도관(4)으로부터 복귀 도관(11)을 거쳐서 인입 도관(8)으로 보내지는 배기 가스의 양을 단계적으로 제어하는 데에도 사용될 수 있다. 제1 제어 유닛(13)은 디젤 기관(2)의 현재의 작동 상태와 관련한 정보를 기준으로 해서 EGR 밸브(12)를 제어하도록 구성된다. 복귀 도관(11)은 배기 가스가 제1 단계의 냉각을 거치도록 하는 냉매-냉각식 제1 EGR 냉각기(14)를 포함한다. 상기 제1 EGR 냉각기(14) 내에서 배기 가스는 연소 기관의 냉각 시스템으로부터 나온 냉매에 의해 냉각된다. 이어서 배기 가스는 냉매-냉각식 제2 EGR 냉각기(15)에서 제2 단계의 냉각을 거친다. 상기 제2 EGR 냉각기(15) 내에서 배기 가스는 제2 냉각 시스템으로부터 나온 냉매에 의해 냉각된다.
과급 디젤 엔진(2)에서의 특정 작동 상황에서는, 배기 도관(4) 내의 배기 가스의 압력은 인입 도관(8) 내의 압축 공기의 압력보다 낮다. 이와 같은 작동 상황에서는, 복귀 도관(11) 내의 배기 가스를 인입 도관(8) 내의 압축 공기와 바로 혼합시키는 것은 특별한 보조 수단 없이는 불가능하다. 이를 위해서는, 예를 들면 형상이 가변적인 벤츄리(16) 또는 터보 유닛을 사용할 수 있다. 연소 기관(2)이 과급 오토 기관(Otto engine)인 경우, 복귀 도관(11) 내의 배기 가스는 인입 도관(8)으로 바로 보내질 수 있는데, 그 이유는 오토 기관의 배기 도관(4) 내의 배기 가스의 압력은 실질적으로 모든 작동 상황에서 인입 도관(8)의 압축 공기의 압력보다 높기 때문이다. 배기 가스가 인입 도관(8) 내의 압축 공기와 혼합된 후, 그 혼합물은 매니폴드(17)를 거쳐서 디젤 엔진(2)의 각 실린더로 보내진다.
연소 기관(2)은 순환하는 냉매에 의해 공지의 방식으로 냉각된다. 연소 기관의 냉각 시스템 내의 냉매는 냉매 펌프(18)에 의해 순환된다. 본류의 냉매는 연소 기관(2)을 관통해서 보내진다. 냉매가 연소 기관(2)을 냉각시킨 후, 그 냉매는 써모스탯(19)으로 보내진다. 써모스탯(19)은 냉매의 온도에 따라서 가변량의 냉매를 도관(21a) 및 도관(21b)으로 보낸다. 상기 도관(21a)은 냉매를 연소 기관(2)으로 보내고, 반면에 도관(21b)은 냉매를 차량의 전방부에 장착된 라디에이터(20)로 보낸다. 냉매가 정상 작동 온도에 이르렀을 때에, 실질적으로 모든 냉매는 냉각을 위해 라디에이터(20)로 보내진다. 냉각 시스템 내의 냉매 중 소량의 일부 냉매는 연소 기관을 냉각시키는 데 사용되지 않고 2개의 병렬로 배치한 도관(22a, 22b) 안으로 보내진다. 도관(22a)은 냉매를 제1 급기 냉각기(9)로 보내고, 여기서 압축 공기가 냉매에 의해서 제1 단계의 냉각을 받게 된다. 도관(22b)은 냉매를 제1 EGR 냉각기(14)로 보내고, 여기서 재순환하는 배기 가스가 냉매에 의해서 제2 단계의 냉각을 받게 된다. 제1 급기 냉각기(9) 내의 공기를 냉각시킨 냉매와 제1 EGR 냉각기(14) 내의 배기 가스를 냉각시킨 냉매는 도관(22c)에서 모인다. 도관(22c)은 냉매를 삼방향 밸브(19)와 펌프(18) 사이에 위치한 냉각 시스템의 한 위치로, 즉 냉매가 라디에이터(20)로부터 나온 차가운 냉매와 혼합되게 되는 위치로 보내진다.
제2 냉각 시스템은 차량(1)의 주변부의 라디에이터(20)의 전방에 장착된 라디에이터 요소(24)를 포함한다. 이 경우, 상기 주변부는 차량(1)의 전방부에 위치하고 있는 곳이다. 라디에이터 팬(25)은 라디에이터 요소(24)와 라디에이터(20)를 통과하는 주변 공기류를 발생시키도록 구성된다. 라디에이터 요소(24)가 라디에이터(20)의 전방에 위치되므로, 라디에이터 요소(24) 내의 냉매는 주위 온도에 있는 공기에 의해 냉각된다. 따라서, 라디에이터 요소(24)에서 냉매는 주변 온도에 근접한 온도까지 냉각될 수 있다. 라디에이터 요소(24)로부터 나온 차가운 냉매는 펌프(27)에 의해서 도관 회로(26)에서 제2 냉각 시스템 안에서 순환한다. 도관 회로(26)는 라디에이터 요소(24)로부터 나온 차가운 냉매를 냉각기(10, 15)로 보내는 제1 도관(26a)을 포함한다. 상기 도관 회로(26)는, 냉매가 상기 냉각기(10, 15)를 냉각시키는 데 사용된 후에 그 냉매를 라디에이터 요소(24)로 되돌려 보내는 제2 도관(26b)을 포함한다.
제1 도관(26a)은 차가운 냉매를 열교환기(28)로 보내도록 구성된 도관 부분(26a')을 포함한다. 열교환기(28)는 배기 도관(4)에 연결된 배기 루프(29)에 배치된다. 배기 루프는 배기 가스를 받을 수 있도록 배기 도관(4)에 연결되는 제1 연결부(29a)와, 받은 배기 가스를 되돌려 보낼 수 있도록 배기 도관(4)에 연결되는 제2 연결부(29b)를 구비한다. 상기 제2 연결부(29b)는 배기 도관(4) 내의 배기 가스의 일부가 배기 루프(29)를 통해서 병렬로 보내질 수 있도록 제1 연결부(29a)의 하류측에 위치된다. 배기 루프(29)는 열교환기(28)뿐만 아니라 밸브(30)도 포함한다. 밸브(30)는 제2 제어 유닛(31)에 의해 제어될 수 있다. 냉매가 열교환기(28)를 통과한 후에 가온되고, 그 가온된 냉매는 상기 도관 부분(26a')으로 되돌려 보내진다. 도관(26a)은 도관 부분(26a')의 하류측 위치에 도관(26c) 및 도관(26d)을 포함한다. 도관(26c)은 압축 공기가 제2 단계의 냉각을 겪게 하는 제2 급기 냉각기(10)로 차가운 냉매를 보내도록 구성된 것이고, 도관(26d)은 재순환하는 배기 가스가 제2 단계의 냉각을 겪게 하는 제2 EGR 냉각기(15)로 차가운 냉매를 보내도록 구성된 것이다. 냉매가 상기 냉각기(10,15)를 통과한 후에 가온되고, 그 가온된 냉매는 도관(26b)을 거쳐서 라디에이터(24)로 다시 되돌려 보내진다.
디젤 기관(2)의 작동 중에, 배기 가스는 배기 도관(4)을 거쳐서 유동하여 터빈(5)을 구동시킨다. 따라서, 터빈(5)에는 압축기(6)를 구동하는 구동력이 제공된다. 압축기(6)는 주변 공기를 공기 필터(7)를 거쳐서 안으로 끌어들이고 인입 도관(8) 내의 공기를 압축한다. 따라서, 공기의 압력과 온도가 증가한다. 압축된 공기는 제1 급기 냉각기(9) 내에서 연소 기관의 냉각 시스템의 라디에이터 액체에 의해서 냉각된다. 여기서, 라디에이터 액체는 80 내지 85℃의 온도에 있게 될 것이다. 따라서, 압축된 공기는 제1 급기 냉각기에서 제1 단계의 냉각을 거쳐서 냉매의 온도에 근접한 온도까지 냉각될 수 있다. 제어 유닛(31)은, 정상 작동 중에는, 배기 도관으로부터 나온 배기 가스가 배기 루프(29) 안으로는 전혀 들어가지 못하도록 밸브(30)를 폐쇄 위치로 유지시킬 수 있게 구성된다. 따라서, 냉매가 열교환기(28)에서 가온되지 않고, 차가운 냉매가 도관(26c) 안으로 들어간다. 이 냉매는 제2 급기 냉각기(10)에서 압축 공기를 냉각시킨다. 여기서, 냉매는 주변 온도에 근접한 온도에 있게 될 것이다. 따라서, 압축 공기는 제2 급기 냉각기(10)에서 주변 온도에 근접한 온도까지 바람직하게 냉각될 수 있다.
디젤 기관(2)의 대부분의 작동 상태에서, 제1 제어 유닛(13)은 배기 도관(4) 내의 배기 가스의 일부가 복귀 도관(11)으로 들어갈 수 있도록 EGR 밸브(12)를 개방 상태로 유지한다. 배기 도관(4) 내의 배기 가스는 제1 EGR 냉각기(14)에 이르렀을 때에는 약 500 내지 600℃의 온도를 유지한다. 재순환하는 배기 가스는 제1 EGR 냉각기(14)에서 연소 기관의 냉각 시스템의 냉매에 의해서 제1 단계의 냉각을 받는다. 따라서, 연소 기관의 냉각 시스템의 냉매는 비교적 높은 온도이긴 하지만 배기 가스의 온도보다는 확실히 낮은 온도에 있게 된다. 따라서, 배기 가스를 제1 EGR 냉각기(14)에서 양호하게 냉각시킬 수 있게 된다. 밸브(30)가 폐쇄 위치에 있을 때에, 차가운 냉매가 도관(26d)으로 보내지고, 이 냉매는 제2 EGR 냉각기(15)에서 재순환 배기 가스를 냉각시킨다. 따라서, 냉매는 주변 온도에 근접한 온도에 있게 된다. 따라서, 바람직하게도, 재순환 배기 가스는 제2 EGR 냉각기(15)에서 주변 온도에 근접한 온도까지 냉각된다. 이에 따라, 복귀 도관(11) 내에 있는 배기 가스는, 압축 공기와 혼합되어서 연소 기관(2)으로 보내지기 전에, 압축 공기와 실질적으로 동일한 온도까지 냉각될 수 있게 된다. 따라서, 실질적으로 최적량의 재순환 배기 가스와 실질적으로 최적량의 공기가 연소 기관 안으로 보내질 수 있게 된다. 이에 따라, 성능을 실질적으로 최적으로 하는 연소 기관 연소가 가능해진다. 또한, 압축 공기와 재순환 배기 가스의 온도를 낮춤으로써, 연소 온도를 낮출 수 있게 되고 배기 사스 중의 질소 산화물의 함량을 낮출 수 있게 되었다.
이와 같이 압축 공기와 재순환 배기 가스를 효과적으로 냉각시키는 데에도 단점은 있다. 제2 급기 냉각기(10)에서 압축 공기는 제2 급기 냉각기(10) 내에 액상 물이 응결되게 되는 온도까지 냉각된다. 마찬가지로, 제2 EGR 냉각기(15)에서 재순환 배기 가스는 제2 EGR 냉각기(15) 내에 응축물이 형성되게 되는 온도까지 냉각된다. 주변 공기 온도가 0℃ 이하이면, 제2 급기 냉각기(10) 내에 응결된 물과 제2 EGR 냉각기(15) 내에 응결된 응축물이 얼음으로 빙결되는 위험이 있기도 하다. 제2 급기 냉각기(10)와 제2 EGR 냉각기(15) 내에 얼음이 형성되면 연소 기관(2)의 작동을 심각하게 교란시키게 된다. 제2 급기 냉각기(10) 및/또는 제2 EGR 냉각기(15) 내에 얼음이 형성되어 있다거나 혹은 얼음이 형성될 위험이 있다고 하는 것을 나타내는 정보를 적어도 하나의 센서로부터 받도록 한 제2 제어 유닛(31)이 구성된다. 상기 센서는 제2 냉각 시스템 내의 냉매의 온도를 검출하는 온도 센서(35)일 수 있다. 도 1은 제2 냉각 시스템에서 도관(26a) 내의 냉매의 온도를 검출하는 센서(35)를 도시하고 있다. 도관(26a) 내의 냉매가 확실하게 0℃ 이하인 온도에 있는 경우, 제2 급기 냉각기(10) 및/또는 제2 EGR 냉각기(15) 내에 얼음이 형성될 위험이 있다는 것은 분명하다. 제어 유닛(31)은 2개 이상의 온도 센서들 또는 압력 센서들로부터 선택적으로 정보를 받을 수 있다. 상기 온도 센서들 중 어느 한 온도 센서는 압축 공기가 제2 급기 냉각기(10)에서 냉각된 후에 그 압축 공기의 온도를 측정하고, 다른 한 온도 센서는 재순환 배기 가스가 제2 EGR 냉각기(15)에서 냉각된 후에 그 재순환 배기 가스의 온도를 측정할 수 있다. 압축 공기 및/또는 재순환 배기 가스가 0℃ 이하에 있는 경우, 이는 급기 냉각기(10) 및/또는 제2 EGR 냉각기(15) 내에 얼음이 거의 형성되어 있다는 것을 의미한다.
제2 제어 유닛(31)은, 냉각기(10, 15) 중 어느 것에 얼음이 형성될 위험이 있다거나 혹은 얼음이 형성되어 있다는 것을 나타내는 정보를 받게 되면, 밸브(30)를 개방 위치로 위치시킨다. 따라서, 따뜻한 배기 가스가 배기 도관(4)으로부터 배기 루프(29)를 통과하게 보내진다. 배기 루프(29) 내의 따뜻한 배기 가스는 열교환기(28)를 통과하는 냉매를 가온시킨다. 가온된 냉매는 도관(26a) 안으로 해서 도관(26c, 26d)으로 보내지고, 이에 따라 제2 급기 냉각기(10) 및 제2 EGR 냉각기(15)를 통해서 유동하게 된다. 상기 가온된 냉매는 제2 급기 냉각기(10) 및/또는 제2 EGR 냉각기(15) 내에 형성된 얼음을 신속하게 녹인다. 따라서, 제2 급기 냉각기(10) 및/또는 제2 EGR 냉각기(15) 내에 형성된 얼음이 간단하면서도 효과적으로 제거될 수 있다. 상기 냉매가 상기 냉각기(10, 15)를 통과한 후에는 도관(26b)으로 보내져서 라디에이터 요소(24)로 되돌아가게 된다. 소정의 시간이 경과하거나, 제2 제어 유닛(31)이 상기 제2 급기 냉각기(10) 및/또는 제2 EGR 냉각기(15) 내의 얼음이 녹았다는 것을 나타내는 정보를 받은 때에, 제2 제어 유닛(31)은 밸브(30)를 다시 폐쇄 위치로 위치시킨다. 이렇게 되면, 배기 루프(29)를 통하여 유동하는 배기 가스와 도관(26a')로 보내지는 냉매는 이제는 더 이상 열교환기(28)에서 가온되지 않게 된다.
본 발명은 도면을 참조하여 설명한 상기 실시예에 어떠한 방식으로든 국한되지 않고, 특허청구범위 내에서 자유롭게 변경할 수 있다. 본 발명의 장치는 상기 냉각기(10, 15)들 중 어느 하나 만에라도 실질적으로 얼음이 형성되지 않게 하는 데에 사용될 수도 있다.

Claims (10)

  1. 과급 연소 기관(2)용 장치로서, 냉매가 순환하는 제1 냉각 시스템, 연소 기관(2)이 정상 작동하는 중에는 상기 제1 냉각 시스템의 냉매보다 낮은 온도에 있는 냉매가 순환하는 제2 냉각 시스템, 수증기를 함유한 기상 매체가 상기 제2 냉각 시스템 내의 냉매에 의해 냉각되게 하는 냉각기(10, 15), 및 상기 제2 냉각 시스템 내에서 순환하는 냉매가 주변 온도에 있는 공기에 의해 냉각되게 하는 라디에이터 요소(24)를 포함하는, 과급 연소 기관(2)용 장치에 있어서,
    상기 제2 냉각 시스템으로부터 나온 냉매가 통과 유동할 수 있도록 구성된 열교환기(28)와,
    연소 엔진으로부터 나온 배기 가스가 상기 열교환기(28)를 통과하여 유동하지 못하도록 하는 폐쇄 위치와, 상기 제2 냉각 시스템 내의 냉매가 배기 가스에 의해서 가온될 수 있도록 연소 엔진(2)으로부터 나온 배기 가스가 상기 열교환기(28)를 통과하여 유동할 수 있게 하는 개방 위치에 놓일 수 있는 밸브 수단(30)을 포함하고,
    상기 열교환기(28)는, 제2 냉각 시스템 내에서의 의도된 냉매 유동 방향과 관련해서 볼 때에, 라디에이터 요소(24)의 하류측 및 냉각기(10, 15)의 상류측 위치에서 제2 냉각 시스템에 위치되는 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    연소 기관(2)의 배기 도관(4)에 연결된 배기 루프(29)를 포함하고,
    상기 배기 루프(29)는 상기 열교환기(28)와 상기 밸브 수단(30)을 포함하는 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 냉각기(10, 15)에 얼음이 형성되거나 혹은 얼음 형성 위험이 있을 정도로 기상 매체가 냉각되어 있는지를 나타내는 파라미터를 검출하도록 구성된 적어도 하나의 센서(35)와, 상기 센서(35)로부터 정보를 받아서 상기 냉각기(10, 15) 내에 얼음이 형성되어 있는지 혹은 얼음 형성 위험이 있는지를 결정하고 만일 그렇다면 상기 밸브 수단(30)을 개방 위치에 위치시키도록 구성된 제어 유닛(31)을 포함하는 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 센서는 온도 센서(35) 또는 압력 센서인 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 냉각 시스템은 연소 기관(2)을 냉각시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    기상 매체가 제2 냉각 시스템의 냉매에 의해 제2 단계의 냉각을 받는 상기 냉각기(10, 15)에 이르기 전에 제1 냉각 시스템의 냉매에 의해 제1 단계의 냉각을 받도록 하는 추가의 냉각기(9, 14)도 포함하는 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기상 매체는 인입 도관(8) 안으로 해서 연소 기관(2)으로 보내지는 압축 공기인 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기상 매체는 복귀 도관(11) 안으로 해서 연소 기관(2)으로 보내지는 재순환하는 형태의 배기 가스인 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
  9. 삭제
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