KR101628402B1

KR101628402B1 - 인터쿨러가 설치된 디젤엔진의 과급공기냉각장치 및 그를 이용한 냉각 방법

Info

Publication number: KR101628402B1
Application number: KR1020100123194A
Authority: KR
Inventors: 송석용
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2010-12-06
Filing date: 2010-12-06
Publication date: 2016-06-08
Also published as: KR20120062095A

Abstract

본 발명은 수냉식 인터쿨러와 공냉식 인터쿨러를 동시에 설치하고, 엔진 웜업이전(냉각수 온도 < 엔진웜웝기준온도)와 엔진 웜업이후(냉각수 온도 ≥ 엔진웜웝기준온도)로 구분하며, 엔진 웜업이전인 경우는 과급공기가 수냉식 인터쿨러를 경유하지 않고 공냉식 인커쿨러만 경유하여 엔진흡기측으로 유입되고, 엔진 웜업이후인 경우는 과급공기가 수냉식 인터쿨러를 경유한 후에 공냉식 인터쿨러를 경유해 엔진흡기측으로 유입되도록 함으로서 엔진 웜업온도에 따라 냉각정도를 다르게 하는 제어로직을 제시하고 있으며, 인터쿨러 제어밸브 2개를 제어함으로서 요동(fluctuation)이 적게 엔진으로 과급되도록 제어한다.

Description

인터쿨러가 설치된 디젤엔진의 과급공기냉각장치 및 그를 이용한 냉각 방법{Apparatus for cooling the charged air of Diesel Engine with water cooling type intercooler and cooling method therefor}

본 발명은 터보차져 및 인터쿨러가 사용되는 디젤엔진에서 공냉식 인터쿨러외에 추가적으로 수냉식 인터쿨러가 설치된 경우 엔진웜업 온도와 과급공기의 온도에 따라 디젤엔젠의 과급공기냉각을 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.

경유를 사용하는 디젤엔진은 출력 증대 및 배출가스 저감을 위해 터보차져 및 인터쿨러가 사용 되고 있다. 인터쿨러의 경우, 차량용 엔진의 경우는 대부분 공랭식의 인터쿨러가 광범위하게 적용되고 있다. 도 1에서 보듯이 엔진을 빠져나간 배출가스는 EGR 밸브을 통해 재순환되어 수랭식 EGR cooler를 통과하면서 온도가 낮아지고, 이후 인터쿨러를 통해 공급되는 흡입공기와 적정한 위치의 합지부에서 만나 매니폴드를 통해 엔진으로 과급되는데 공기량이 증가함에 따라 과급공기의 온도가 증가하며 보통은 공랭식 인터쿨러가 주로 사용된다.

엔진 성능 증대와 배출 가스 저감을 위해 엔진으로 공급되는 과급공기량이 증가하고 있고, 이에따라 인터쿨러 입구의 과급 공기온도는 200℃까지 이르고 있다. 또한, 최근 엔진에서는 2단 터보차져가 적용되어 과급공기의 온도가 200℃를 넘어 터보차져 알루미늄 컴프레서의 재질한계를 상회하는 문제가 발생하고, 인터쿨러의 사이즈 증대에도 한계가 있어 개발 시 어려움이 발생하고 출력 증대의 한계가 되고 있을 뿐만 아니라, 흡입공기의 온도 상승으로 질소산화물의 배출을 저감하는데도 문제가 되고 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 수냉식 인터쿨러와 공냉식 인터쿨러를 일렬로 설치하고, 엔진 웜업이전(냉각수 온도 < 엔진웜웝기준온도)와 엔진 웜업이후(냉각수 온도 ≥ 엔진웜웝기준온도)로 구분하고, 엔진 웜업이전인 경우는 과급공기가 수냉식 인터쿨러를 경유하지 않고 공냉식 인커쿨러만 경유하여 엔진흡기측으로 유입되고, 엔진 웜업이후인 경우는 과급공기가 수냉식 인터쿨러를 경유한 후에 공냉식 인터쿨러를 경유해 엔진흡기측으로 유입되도록 함으로서 엔진 웜업온도에 따라 냉각정도를 다르게 하는 제어로직을 제시하고 있으며, 인터쿨러 제어밸브 2개를 제어함으로서 요동(fluctuation)이 적게 엔진으로 과급되도록 제어한다.

엔진의 공랭식 인터쿨러 입구에 엔진의 냉각수로 냉각되는 수랭식 인터쿨러를 추가로 설치하여 공랭식 인터쿨러로 들어가는 과급공기의 온도를 1차로 낮추어 주는데, 엔진 웜업 이전과 엔진 웜업 이후로 구분하여 인터쿨러 경로를 달리함으로서, 과급공기의 냉각 정도를 조절함으로서 과급공기의 온도가 200℃를 넘어 터보차져 알루미늄 컴프레서의 재질한계를 상회하는 문제 및 인터쿨러의 사이즈 증대에도 한계를 극복하고 흡입공기의 온도 감소로 질소산화물의 배출을 저감하고, 흡입 공기밀도가 증가해 엔진 응답성이 향상되며, 연비가 개선되고, 배기가스 규제강화로 냉각성능 강화필요하나 간접 냉각방식 도입으로 냉각팬 전면 단순화가 가능하다. 또한, 과급공기의 온도와 냉각수 온도의 변화에 따라서 제1,2 인터쿨러 제어밸브를 제어함으로서 흡기 요동을 방지함으로서 진동 및 소음방지, 엔진연소효율 향상을 도모할 수 있다.

도 1은 종래기술로서 공랭식 인터쿨러가 설치된 디젤엔진 시스템.
도 2는 본 발명에서 공랭식 인터쿨러와 수랭식 인터쿨러가 설치된 상용 디젤엔진 시스템.
도 3은 본 발명에서 엔진 웜업이 되기 전 및 냉각수 온도 ≥ 과급공기 온도인 경우의 인터쿨러 작동원리.
도 4는 본 발명에서 엔진 웜업이 된 후, 냉각수 온도 < 과급공기 온도인 경우의 인터쿨러 작동원리.

첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다. 도 2는 터보차져가 2개, 수냉식 인터쿨러와 공냉식 인터쿨러가 설치된 엔진장치의 구성을 도시한 것이다.

엔진(10)과 배기매니폴드를 통과한 배출가스는 배기라인(30)을 통해 제1터보차져의 터보차져터빈(40)을 경유하고 제2터보차져(미도시)를 통해 외부로 배출된다. 배기라인(30)의 중간에 EGR 밸브(110)의 제어에 따라 EGR cooler(120)를 경유해 합지부(90)에서 과급된 공기와 혼합되어 흡기매니폴드를 통해 엔진(10)으로 흡입된다. 한편, 외기는 에어크리너(60)를 통과하고 제1터보차져의 터보차져 컴프레서(50)를 통과하면서 압축되어 수냉식 인터쿨러(210)와 공랭식 인터쿨러(80)을 통과해 합지부(90)에서 EGR 공기와 합지된다. 이때, 수랭식 인터쿨러의 입구측과 라디에이터(150)의 입구측에 냉각수 온도센서(400)가 각각 설치되어 있어 측정된 냉각수 온도와 수랭식 인터쿨러의 입구측 온도에 따라 경유하는 인터쿨러가 서로 다르게 구성된다.

즉, 엔진 웜업이전(냉각수 온도 < 엔진웜웝기준온도)와 엔진 웜업이후(냉각수 온도 > 엔진웜웝기준온도)로 구분하며, 엔진 웜업이전인 경우는 과급공기가 수냉식 인터쿨러를 경유하지 않고 공냉식 인커쿨러만 경유하여 엔진흡기측으로 유입되고, 엔진 웜업이후인 경우는 과급공기가 수냉식 인터쿨러를 경유한 후에 공냉식 인터쿨러를 경유해 엔진흡기측으로 유입되도록 한다.

엔진의 공랭식 인터쿨러(80) 입구에 엔진의 냉각수로 냉각되는 수랭식 인터쿨러(210)를 추가로 설치하여 공랭식 인터쿨러로 들어가는 과급공기의 온도를 1차로 낮추어 준다. 2단 터보차져의 경우 최종 컴프레스의 출구 또는 1단 컴프레서와 2단컴프레서의 중간에 설치한다.

한편, 도 3과 도 4는 엔진 웜업 온도변화에 따라 바이패스시키기 위해 2개의 밸브가 작동하는 동작원리를 나타낸다. 엔진 웜업 이전으로 냉각수 온도가 엔진웜웝기준온도(예: 85℃)보다 작은 경우는 도 3에서처럼 과급공기가 수냉식 인터쿨러를 통과하지 않고 공냉식 인터쿨러만을 통과하게 함으로서 흡입공기의 온도가 과냉되는 것을 방지한다.

엔진 웜업 이후에는 냉각수 온도와 과급공기의 온도에 따라 수냉식 인터쿨러를 경유할 것인지가 결정된다. 엔진 웜 업 이후에는 냉각수 온도가 과급 공기온도보다 높다면 과급공기가 수냉식 인터쿨러를 통과하지 않고 공냉식 인터쿨러만을 통과하게하며, 냉각수 온도가 과급 공기온도보다 낮다면 수냉식 인터쿨러와 공냉식 인터쿨러를 모두 경유하도록 한다.

만일, 냉각수 온도가 과급공기의 온도보다 높은 경우에는 수냉식 인터쿨러를 경유할 필요없이 바이패스되어 공냉식 인터쿨러만을 경유하도록 하며, 냉각수 온도가 과급공기의 온도보다 낮은 경우에는 수냉식 인터쿨러와 공냉식 인터쿨러를 모두 경유하도록 한다. 또한, 냉각수 온도와 과급공기의 온도가 같은 경우에는 수냉식 인터쿨러를 경유할 필요가 없다.

즉, 디젤엔진의 냉각수가 경유되어 냉각작용을 하는 수냉식 인터쿨러, 수냉식 인터쿨러 후단에 위치하는 공냉식 인터쿨러, 수냉식 인터쿨러 전단에 설치되어 상기 과급공기의 온도를 측정하는 과급공기 온도 센서(500), 엔진 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수 온도 센서(400), 상기 과급공기 온도센서에서 측정된 과급공기 온도 및 상기 냉각수 온도 센서에서 측정된 냉각수온도에 따라 상기 과급공기가 상기 제1인터쿨러 제어밸브 및 상기 제2인터쿨러 제어벨브를 선택적으로 통과하면서 바이패스된 후, 합지되어 상기 공냉식 인터쿨러를 통과해 냉각된다.

한편, 냉각수 온도와 과급공기의 온도가 상호 지속적으로 변동됨에 따라 과급공기의 경로가 계속 바뀌므로 인터쿨러를 통과하는 과급공기에 의한 요동(fluctuation)이 커져 진동이 커지고, 엔진 흡기측으로의 공기유량도 불안정하게 되는데 이러한 과급공기에 의한 요동(fluctuation)을 완충시키기 위해 인터쿨러 제어밸브를 2개를 설치한다.

먼저, 냉각수 온도 > 과급공기 온도로 운전되다가 냉각수 온도 < 과급공기 온도로 되는 경우, 초기에는 과급공기가 도 3과 같이 제1 인터쿨러 제어밸브(200)가 바이패스되어 제2 인터쿨러 제어밸브(300)을 경유할 뿐, 수냉식 인터쿨러를 경유하지 않고 공냉식 인터쿨러로만 흐르도록 운전되다가, 과급공기 온도가 냉각수 온도보다 높게 되면 제1 인터쿨러 제어밸브(200)를 양방향 모두 개방시켜 일부 과급공기는 바이패스되고, 일부 과급공기는 수냉식 인터쿨러를 통과하게 한다. 그리고 일정시간(time delay)이 지나면 제2 인터쿨러 제어밸브(300)를 폐쇄시켜 더 이상 과급공기가 바이패스 되지 않도록 한다.

또한, 냉각수 온도 < 과급공기 온도로 운전되다가 냉각수 온도 > 과급공기 온도로 되는 경우, 초기에는 과급공기가 도 4과 같이 제1 인터쿨러 제어밸브(200)가 바이패스 되지않고 수냉식 인터쿨러을 경유해 공냉식 인터쿨러로 흐르다가, 냉각수 온도보다 과급공기온도가 낮아지면 제1 인터쿨러 제어밸브(200)와 제2 인터쿨러 제어밸브(300)을 모든 방향에 대해 개방시켜 과급공기 중 일부는 수냉식 인터쿨러를 통과하고 일부는 바이패스되어 공냉식 인터쿨러 전단에서 합류하도록 한다. 그리고, 일정시차(time delay) 후에 제1 인터쿨러 제어밸브(200)를 바이패스 방향으로만 개방시킴으로서 수냉식 인터쿨러를 더이상 경유하지 않도록 한다.

10 : 엔진
40 : 터보차져 터빈
50 : 터보차져 컴프레서
80 : 공랭식 인터쿨러
210 : 수냉식 인터쿨러
200 : 제1 인터쿨러 제어밸브
300 : 제2 인터쿨러 제어밸브
400 : 냉각수 온도 센서
500 : 과급공기 온도센서

Claims

과급공기의 온도와 냉각수 온도를 측정하는 제1단계;
상기 냉각수 온도를 기 설정된 엔진웜업기준온도와 비교하여 과급공기의 경로변경을 위해 제1인터쿨러 제어밸브와 제2인터쿨러 제어밸브의 개방 및 폐쇄를 제어함으로서 상기 과급공기의 유로를 변경하는 제2단계;
상기 과급공기의 변경된 유로가 공냉식 인터쿨러 전단부에서 다시 합지되는 제3단계;를 포함하되,
상기 제2단계는
상기 냉각수 온도가 상기 엔진웜업기준온도보다 낮은 경우에는 상기 냉각수에 의해 냉각되는 수냉식 인터쿨러를 경유하지 않고 바이패스 되고, 상기 냉각수 온도가 엔진웜업기준온도보다 높은 경우에는 상기 냉각수 온도를 상기 과급공기 온도와 비교하여 상기 냉각수 온도가 상기 과급공기 온도보다 높으면 상기 냉각수에 의해 냉각되는 수냉식 인터쿨러를 경유하지 않고 바이패스 되고, 상기 냉각수 온도가 상기 과급공기 온도보다 낮으면 상기 과급공기가 상기 수냉식 인터쿨러를 경유하도록 상기 제1인터쿨러 제어밸브와 상기 제2인터쿨러 제어밸브의 개방 및 폐쇄를 제어하고,
상기 냉각수 온도가 상기 엔진웜업기준온도보다 높은 경우에 대해, 상기 냉각수 온도가 상기 과급공기 온도보다 높은 온도에서 운전되다가 냉각수 온도가 과급공기 온도보다 낮아지는 경우와 냉각수 온도가 과급공기 온도보다 낮은 온도에서 운전되다가 냉각수 온도가 과급공기 온도보다 높아지는 경우를 구분하여 상기 제1인터쿨러 제어밸브와 상기 제2인터쿨러 제어밸브의 개방 및 폐쇄를 제어하는 것을 특징으로 하는 수냉식 인터쿨러가 설치된 디젤엔진의 과급공기 냉각방법.
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청구항 1에 있어서, 상기 제2단계는
상기 냉각수 온도가 상기 과급공기 온도보다 높은 온도에서 운전되다가 상기 냉각수 온도가 상기 과급공기 온도보다 낮아지는 경우에는, 일부 과급공기는 바이패스되고, 나머지 과급공기는 상기 수냉식 인터쿨러를 통과하도록 상기 제1 인터쿨러 제어밸브(200)를 전부 개방시킨 후, 일정시간(time delay)이 지나면 상기 제2 인터쿨러 제어밸브(300)를 폐쇄시켜 더이상 바이패스 되지않고 상기 과급공기가 상기 수냉식 인터쿨러만을 통과하도록 상기 제1인터쿨러 제어밸브와 상기 제2인터쿨러 제어밸브의 개방 및 폐쇄를 제어하는 것을 특징으로 하는 수냉식 인터쿨러가 설치된 디젤엔진의 과급공기 냉각방법.
청구항 1에 있어서, 상기 제2단계는
상기 냉각수 온도가 상기 과급공기 온도보다 낮은 온도에서 운전되다가 상기 냉각수 온도가 상기 과급공기 온도보다 높아지는 경우에는, 일부 과급공기는 바이패스되고, 나머지 과급공기는 상기 수냉식 인터쿨러를 통과하도록 상기 제1 인터쿨러 제어밸브(200), 상기 제2 인터쿨러 제어밸브(300)를 전부 개방시킨 후, 일정시간(time delay)이 지나면 상기 과급공기가 바이패스만 되도록 상기 제1 인터쿨러 제어밸브(300)를 제어하는 것을 특징으로 하는 수냉식 인터쿨러가 설치된 디젤엔진의 과급공기 냉각방법.
청구항1에 있어서, 상기 제2단계는
상기 냉각수 온도가 상기 과급공기 온도보다 높은 온도에서 운전되다가 상기 냉각수 온도가 상기 과급공기 온도보다 낮아지는 경우에는, 일부 과급공기는 바이패스되고, 나머지 과급공기는 상기 수냉식 인터쿨러를 통과하도록 상기 제1 인터쿨러 제어밸브(200)를 전부 개방시킨 후, 일정시간(time delay)이 지나면 상기 제2 인터쿨러 제어밸브(300)를 폐쇄시켜 더이상 바이패스 되지않고 상기 과급공기가 상기 수냉식 인터쿨러만을 통과하도록 상기 제1인터쿨러 제어밸브와 상기 제2인터쿨러 제어밸브의 개방 및 폐쇄를 제어하고,
상기 냉각수 온도가 상기 과급공기 온도보다 낮은 온도에서 운전되다가 상기 냉각수 온도가 상기 과급공기 온도보다 높아지는 경우에는, 일부 과급공기는 바이패스되고, 나머지 과급공기는 상기 수냉식 인터쿨러를 통과하도록 상기 제1 인터쿨러 제어밸브(200), 상기 제2 인터쿨러 제어밸브(300)를 전부 개방시킨 후, 일정시간(time delay)이 지나면 상기 과급공기가 바이패스만 되도록 상기 제1 인터쿨러 제어밸브(300)를 제어하는 것을 특징으로 하는 수냉식 인터쿨러가 설치된 디젤엔진의 과급공기 냉각방법.
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