KR101652130B1 - 압축천연가스 엔진 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축천연가스 엔진의 냉각장치에 관한 것으로, 엔진과, 엔진 오일을 냉각하기 위한 오일쿨러, 라디에이터 및 냉각수 펌프를 구비하여 냉각수를 순환시켜 엔진을 냉각시키고, 상기 냉각수 펌프(1)를 통과한 일부의 냉각수는 압축천연가스의 감압을 위한 가스레귤레이터 및 상기 가스레귤레이터에서의 압축천연가스의 감압시 강하된 온도를 연소를 위한 적정 온도로 히팅시키기 위한 히터로서의 열교환기를 구비하는 압축천연가스 엔진의 냉각장치에 있어서, 감압시 온도가 강하된 압축 천연가스의 히터로서의 열교환기(106)는 복수 개의 유로가 형성되어 엔진 오일을 냉각시키기 위한 상기 오일쿨러(100)의 내부에 일체로 설치된 것을 특징으로 한다. 본 발명은 압축천연가스의 감압과정에서 강하되는 온도를 연소에 적정한 온도로 보정하기 위한 히터로서의 열교환기를 일체로 구성함으로써, 종래에 별도로 열교환기를 구성하는 것과 비교하여 구조가 콤팩트하게 되고, 부품수가 줄어들며, 또한 정비 공간도 확보할 수 있는 효과와, 열교환기 내부에 서머스탯을 설치하여 배출되는 압축천연가스의 온도에 따라 오일쿨러를 통과하는 냉각수의 유량을 제어할 수 있게 되어 엔진 전체적으로 볼 때 냉각유량 증대 및 냉각 시스템 최적화에 기여할 수 있고, 냉각성능이 향상되는 효과가 있다.

Description

압축천연가스 엔진 냉각장치{ＣＮＧ ENGINE COOLER}

본 발명은 압축천연가스 엔진 냉각장치에 관한 것으로, 특히 엔진오일 쿨러 내부에 열교환기를 일체화시켜 엔진 오일의 냉각과 함께 압축천연가스를 연소에 적당한 온도로 히팅시킬 수 있는 압축천연가스 엔진 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로, 차량은 엔진에서 사용되는 연료의 종류에 따라 차량의 종류가 분류될 수 있으며, 가솔린을 사용하는 경우 가솔린차량으로 분류되고 경유를 사용하는 경우 디젤차량으로 분류되며, 액화석유가스(LPG)를 사용하는 경우 LPG차량으로 분류되고 압축천연가스(CNG)를 사용하는 경우 CNG차량 등으로 분류된다.

근래 대도시에는, 자동차 배출가스로 인한 대기오염이 심화되면서 기존의 경유차에 비해 매연이 거의 없고 소음이 적게 나며, 질소산화물 등과 같은 유해물질의 배출이 매우 적은 CNG 버스의 도입이 점진적으로 이루어지고 있다. CNG차량은 연료인 압축천연가스를 높은 압력으로 가스탱크에 저장하고 가스탱크에서 공급되는 가스와 외부의 에어필터로부터 에어컴프레서를 통해 공급되는 압축공기를 혼합기(Mixer)에 공급하여, 상기 혼합기를 통해 혼합된 가스를 엔진의 실린더(또는 연소실)에 공급하여 폭발시킴으로써 동력을 얻는 방식으로 작동된다.

이와 같은 CNG 차량에서, 엔진의 성능을 최적으로 발휘해 줄 수 있도록 오일을 냉각해 주는 오일 쿨러를 사용하며, 압축된 CNG를 감압할 때 하강된 가스 온도를 연소하기 좋은 적정 온도를 유지해 주기 위하여 가스를 히팅시키는 열교환기를 장착하고 있다.

이러한 종래 기술의 CNG 엔진의 냉각장치의 예가 도 1에 개략적으로 블럭도 형태로 도시되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 냉각수 펌프(1)를 통과한 냉각수는 각기 엔진부분, 가스공급부분, 에어컴프레서 등의 해당 진행경로를 따라 순환된다.

여기서, 상기 엔진부분의 경우, 상기 냉각수 펌프(1)를 통과한 일부의 냉각수는 오일쿨러(2), 실린더블록(3), 실린더헤드(4), 냉각수 서모스탯(5), 라디에이터(6) 및 냉각수 펌프(1)를 따라 순환되면서 엔진을 냉각시킨다.

상기 가스공급부분의 경우, 상기 냉각수 펌프(1)를 통과한 일부의 냉각수는 가스레귤레이터(7), 열교환기(8), 가스서모스탯(9) 및 냉각수 펌프(1)를 따라 순환되면서 상기 열교환기(8)를 거치는 압축천연가스를 데운다. 상기 가스레귤레이터(7)를 통과한 압축천연가스는 200bar에서 10bar로 압력이 낮아지고, 이와 같이 압력이 낮아진 압축천연가스는 상기 열교환기(8)를 통과하면서 냉각수와 열교환되어 적정 온도까지 가열되고 냉각수는 냉각된다.

상기 에어컴프레서의 경우, 상기 냉각수 펌프(1)를 통과한 일부의 냉각수는 에어컴프레서(10) 및 냉각수 펌프(1)를 따라 순환되면서 상기 에어컴프레서(10) 및 상기 에어컴프레서(10)를 지나는 압축공기를 냉각시킨다.

상기 에어컴프레서(10)는 피스톤의 왕복운동을 이용하여 외부로부터 유입되는 공기를 압축시켜 에어 탱크(미도시)에 축압하며, 상기 에어 탱크에 축압된 압축 공기는 브레이크 장치나 도어 개폐장치 등의 구동력으로 사용되게 된다. 도면에서 미설명된 부호(20)는 터보 차져이다.

그러나, 종래 기술에 따른 에어컴프레서(10)는 에어컴프레서 헤드만을 냉각시키는 구조이었기 때문에, 상기 에어컴프레서(10)로부터 토출되는 공기를 충분히 냉각시키지 못하여 압축시 발생되는 고온의 열로 인해 오일이 에어컴프레서(10)의 피스톤의 실링과 실린더 내벽 사이를 통하여 넘어와 에어컴프레서(10)를 오염 또는 파손시키거나 상기 에어 탱크를 오염시키는 등의 전체 공기 냉각장치의 품질 문제를 야기시켰다.

또한, 상기 오일 쿨러(2)는 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이 판형 냉각기 형태로 오일펌프로부터 유입된 냉각수가 다단으로 적층된 열교환판(21)들 사이의 냉각수 유로(22)를 통하여 유동하는 동안에, 엔진에서 가열된 엔진오일이 오일 쿨러의 유로(23)로 유입되어 열교환판을 통한 냉각수와의 열교환으로 냉각된 다음 엔진으로 배출되는 구조로서 엔진오일만을 냉각시킬 수 있도록 되어 있으며, 냉각수 유로(22)와 엔진오일의 유로(23)가 번갈아 형성된다.

그러나, 이러한 냉각장치에서 감압과정에서 낮아진 압축천연가스의 온도를 연소에 적정한 온도로 히팅시키기 위한 열교환기는 협소한 엔진룸에 별도로 설치됨에 따라 정비하기 어렵고, 열교환기에서의 누기로 인한 엔진 과열로 인하여 현재 압축 천연가스 엔진의 냉각을 위한 냉각수에서 부동액을, 예를들어 디젤엔진의 경우 30 - 50% 수준으로 함유하여 관리하는데 비하여 엔진 부동액을 60% 수준으로 관리함에 따라 냉각성능의 저하 및 부동액의 과도한 사용으로 인한 비용 상승이 초래되며, 열교환기의 별도 설치에 따라 추가되는 부품이 많아 비용이 크게 상승되는 문제가 있었다.

본 발명은 상기한 종래 CNG 엔진에서의 압축천연가스를 히팅시키기 위한 열교환기가 별도로 엔진룸에 장착되는 구조에 따른 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 감압시 온도가 낮아진 압축천연가스를 연소에 적정한 온도로 히팅시키기 위한 열교환기를 오일쿨러에 일체화시켜 종래의 문제를 개선한 구조의 CNG 엔진 냉각장치의 제공을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 압축천연가스 엔진 냉각장치는 요철이 형성된 열교환판들이 다단으로 이격되어 적층되고 그 사이의 공간에 의해 냉각수 유로와 엔진 오일 유로가 번갈아 형성된 구조를 갖는 오일쿨러와, 가스레귤레이터에서의 압축천연가스의 감압시 강하된 온도를 연소를 위한 적정 온도로 히팅시키기 위한 히터로서의 열교환기를 구비하는 압축천연가스 엔진의 냉각장치에 있어서, 상기 히터로서의 열교환기가 복수 개의 유로가 형성되어 엔진 오일을 냉각시키기 위한 상기 오일쿨러의 엔진 오일 유로를 형성하는 상단의 열교환판 상면과 상기 냉각장치의 케이스 사이의 공간에서 일체로 설치되어 구성된다.

또한 상기 열교환기로부터 배출되는 압축천연가스 온도가 연소에 적정한 온도로 유지되도록 상기 열교환기 내부에 서머스탯이 일체로 설치되어 가스 온도를 탐지하여 신호를 출력하며, 그 출력 신호에 응답하여 차량의 전자제어장치에 의해 오일쿨러를 통과하는 냉각수의 유량을 제어하도록 구성될 수 있다.

또한 상기 열교환기는 복수 개의 열교환판들 사이의 공간으로 압축 천연가스 유로가 형성되며, 엔진 오일 출구측에 인접하여 압축천연가스 입구가 형성되고 엔진 오일 입구측에 인접하여 압축천연가스 출구가 형성될 수 있다.

본 발명에 따라, 압축천연가스 엔진에서 엔진 오일의 냉각을 위한 오일쿨러에 압축천연가스의 감압과정에서 강하되는 온도를 연소에 적정한 온도로 보정하기 위한 히터로서의 열교환기를 일체로 구성함으로써, 종래에 별도로 열교환기를 구성하는 것과 비교하여 구조가 콤팩트하게 되고, 부품수가 줄어들며, 또한 정비 공간도 확보할 수 있는 효과가 있다.

또한, 열교환기 내부에 서머스탯을 설치하여 배출되는 압축천연가스의 온도에 따라 오일쿨러를 통과하는 냉각수의 유량을 제어할 수 있게 되어 엔진 전체적으로 볼 때 냉각유량 증대 및 냉각 시스템 최적화에 기여할 수 있고, 냉각성능이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 종래 CNG 엔진의 엔진오일 냉각장치의 구성을 보여주는 개략적인 블럭도.
도 2는 도 1의 오일 쿨러의 구조를 보여주는 개략적인 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 CNG 엔진의 개선된 오일쿨러의 개략적인 단면도.
도 4는 압축천연가스 히팅을 위한 열교환기가 일체로 병합되어 개선된 오일쿨러에 의한 CNG 엔진의 냉각장치의 개략적인 블럭도.
도 5는 본 발명에 따른 냉각장치를 채용한 CNG 엔진에서 냉각라디에이터를 통과하는 냉각수의 온도와, 오일쿨러와 일체로 형성된 압축천연가스 열교환기를 통과하는 냉각수 온도 및 대기온도에 대한 그래프.

이하에서는 본 발명의 실시예를 도시한 첨부 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따라 압축천연가스 열교환기가 일체화된 오일 쿨러로 구성된 압축천연가스 엔진의 냉각장치의 개략적인 블럭도이다. 도면에서 종래 기술과 동일한 부품에 대한 부호는 동일하게 표시하였으며, 본 발명에 따라 일체화되어 개선된 구조의 오일쿨러와 압축천연가스용 열교환기는 각각 도면 부호 100과 106으로 표시하였다.

냉각수 펌프(1)를 통과한 일부의 냉각수는 오일쿨러(100), 실린더블록(3), 실린더헤드(4), 냉각수 서모스탯(5), 라디에이터(6) 및 냉각수 펌프(1)를 따라 순환되면서 엔진을 냉각시키고, 상기 냉각수 펌프(1)를 통과한 일부의 냉각수는 가스레귤레이터(7)와 에어컴프레셔(10)를 거쳐 압축공기를 냉각시킨 다음 냉각수 펌프로 귀환되어 라디에이터로부터 배출된 냉각수와 혼합된다. 이러한 기본적인 냉각수의 순환 과정은 본 발명에 따라 오일쿨러와 일체화된 (점선으로 표시된) 압축천연가스용 열교환기와 서머스탯이 제거된 점을 제외하고는 도 1에서 설명한 바와 동일하다.

도 4는 도 3에서 점선으로 개략적으로 표시한 압축천연가스 열교환기가 오일쿨러와 일체화된 구조를 구체적으로 단면도 형태로 보여준다.

본 발명에 따른 오일쿨러(100)는 예를들어 피시본(fishbone) 형태로 요철이 형성된 열교환판(101)들이 다단으로 이격되어 적층되고 그 사이의 공간에 의해 냉각수 유로(102)와 엔진 오일 유로(103)가 번갈아 형성된 구조를 갖는다.

상기 오일쿨러는 일측에 형성된 냉각수 입구를 통해 라디에이터로부터 워터펌프(미도시)에 의해 공급되는 냉각수가 유로(102)를 통해 반대쪽의 냉각수 출구쪽으로 열교환판들을 가로질러 유동하는 동안 상기 열교환판들에 인접하여 형성된 엔진 오일 유로(103)를 통해 엔진 연소실에서 가열된 엔진 오일이 유동하면서 열교환판(101)을 통한 열교환에 의해 엔진 오일이 냉각된다. 이러한 기본적인 구조와 기능은 도 2에 도시된 오일쿨러의 구조와 기능과 유사하다.

본 발명에 따라, 상기 오일쿨러(100)의 엔진오일 유로를 형성하는 최상단의 열교환판(101)의 상면과 상기 냉각장치의 케이스(105) 사이의 공간을 확대시키고, 그 확대된 공간에 압축 천연가스 히터로서의 열교환기(106)가 일체로 제공된다.

상기 압축 천연가스 히터로서의 열교환기(106)는 상기한 오일쿨러의 열교환판(101)과 유사한 판형 열교환기 형태로서 오일쿨러(100)의 최상단의 열교환판(101) 위에 폭과 길이가 상대적으로 작은 열교환판(107)들이 복수단으로 이격되어 적층된 형태로 이루어진다.

이와 같은 구조로 열교환판(107)들 사이의 공간으로 이루어지는 압축 천연가스 유로(110)가 복수 개의 층으로 형성되며, 엔진 오일 출구측에 인접하여 압축천연가스 입구(111)가 형성되고 엔진 오일 입구측에 인접하여 압축천연가스 출구(112)가 형성되어 엔진 오일의 유동 방향과 반대로 되게 함으로써 엔진 오일의 체류시간이 가능한 길게 됨으로써 열교환이 효율적으로 이루어지도록 한다.

이로써, 엔진 오일은 오일쿨러(100)에서 냉각수에 의해 냉각됨과 동시에, 상기 오일쿨러(100) 상부에 일체로 설치된 압축천연가스 히터로서의 열교환기(106)에서 압축천연 가스와의 열교환에 의해서 감압 과정에서 낮아진 압축 천연가스의 온도(약 0 ~ -3℃)를 연소하기 적당한 온도(약 30 ℃)로 상승시키면서 엔진오일이 냉각수와 압축천연가스에 의해 동시적이고 이중적인 열교환에 의해 냉각된다.

또한, 상기 열교환기(106)의 전단에 서머스탯(120)이 설치되어 가스 온도를 탐지하여 신호를 출력하며, 열교환기(106)에서 배출되는 압축천연가스의 온도가 적정 온도 이상으로 올라갈 경우 그 출력 신호에 응답하여 차량의 전자제어장치(미도시)에 의해 오일쿨러(100)를 통과하는 냉각수의 유량을 제어함으로써 압축천연가스의 배출 온도가 연소하기 적당한 온도(약 30 ℃)로 유지되도록 한다.

도 5의 그래프들은 본 발명에 따른 냉각장치를 채용한 CNG 엔진에서 냉각라디에이터를 통과하는 냉각수의 온도와, 오일쿨러와 일체로 형성된 압축천연가스 열교환기를 통과하는 냉각수 온도 및 대기온도를 그래프로 보여준다.

도 5에서 볼 수 있듯이, 라디에이터 입구측의 냉각수 온도는 83~100℃ 수준에서 유지되고, 이때 라디에이터 출구측의 냉각수 온도는 입구측의 냉각수 온도 보다는 통상 5~8 ℃ 낮은 수준이 유지된다. 상기 감압과정에서 낮아진 압축천연가스온도를 연소에 적절한 온도로 히팅하기 위한 열교환기를 통과하는 냉각수 온도는 30~60℃ 수준이다.

이때, 엔진 부하가 올라갈수록 엔진오일과 냉각수의 온도가 올라가게 되지만, 이 경우 압축천연가스 유량이 증대하여 열교환기를 통과하는 냉각수 온도는 상기한 수준으로 유지된다.

따라서, 엔진 오일의 냉각 효율이 향상됨과 함께 오일쿨러 자체의 크기 또한 최대 70%까지 감소시킬 수 있어 구조를 콤팩트하게 할 수 있고, 압축천연가스의 감압 과정에서 낮아진 온도를 별도의 가열수단 없이도 엔진 오일의 냉각과정에서의 열교환으로 연소에 적정한 온도로 상승시킬 수 있어 연료를 절약할 수 있다.

본 발명은 CNG 엔진에서 압축천연가스 감압과정에서 온도가 강하되는 가스 온도를 연소에 적정한 온도로 승온시키기 위한 히팅수단과 엔진 오일 냉각을 위한 오일쿨러를 구비하여야 하는 CNG 엔진의 냉각장치의 구조를 콤팩트하게 하고 냉각효율을 향상시키도록 적용할 수 있다.

100 : 오일쿨러 101 : 열교환판
102 : 냉각수가 유로 103 ; 엔진오일 유로
105,107 : 케이스 106 : 열교환기
110 : 유로 120 : 서머스탯.

Claims (3)

1. 요철이 형성된 열교환판(101)들이 다단으로 이격되어 적층되고 그 사이의 공간에 의해 냉각수 유로(102)와 엔진 오일 유로(103)가 번갈아 형성된 구조를 갖는 오일쿨러(100)와, 가스레귤레이터에서의 압축천연가스의 감압시 강하된 온도를 연소를 위한 적정 온도로 히팅시키기 위한 히터로서의 열교환기를 구비하는 압축천연가스 엔진의 냉각장치에 있어서,
   상기 히터로서의 열교환기(106)는 복수 개의 유로가 형성되어 엔진 오일을 냉각시키기 위한 상기 오일쿨러(100)의 엔진 오일 유로를 형성하는 상기 열교환판(101)의 상면과 상기 냉각장치의 케이스(105) 사이의 공간에서 일체로 설치된 것을 특징으로 하는 압축천연가스 엔진 냉각장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 열교환기(106)로부터 배출되는 압축천연가스 온도가 연소에 적정한 온도로 유지되도록 상기 열교환기 내부에 서머스탯(120)이 일체로 설치되어 가스 온도를 탐지하여 신호를 출력하며, 그 출력 신호에 응답하여 차량의 전자제어장치에 의해 오일쿨러(100)를 통과하는 냉각수의 유량을 제어하는 것인 압축천연가스 엔진 냉각장치.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 열교환기(106)는 복수 개의 열교환판(107)들 사이의 공간으로 압축 천연가스 유로(110)가 형성되며, 엔진 오일 출구측에 인접하여 압축천연가스 입구(111)가 형성되고 엔진 오일 입구측에 인접하여 압축천연가스 출구(112)가 형성된 것인 압축천연가스 엔진 냉각장치.

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