KR101664731B1 - 보조 쿨링 시스템 - Google Patents

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추동호
박종일
한동희
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명에 의한 보조 쿨링 시스템은, 터보 엔진을 탑재한 차량에서 엔진 냉각유로와 별도로 설치된 보조 쿨링 시스템으로서, 라디에이터와 인터쿨러 사이를 연결하고, 전동식 워터펌프가 설치되어 냉각수를 상기 라디에이터에서 상기 인터쿨러 방향으로 유동시키는 제1라인; 상기 인터쿨러와 인테이크 매니폴드 사이를 연결하여 냉각수가 유동하는 제2라인; 상기 인테이크 매니폴드와 상기 라디에이터 사이를 연결하여 냉각수가 유동하는 제3라인 및 상기 제3라인의 경로상에 위치한 터빈 하우징을 통과하여 가열된 냉각수를 선택적으로 상기 라디에이터로 바로 전달하거나 엔진 블록 또는 히터를 거쳐 상기 라디에이터로 전달하는 바이패스밸브;를 포함하고, 상기 인테이크 매니폴드에서 배출된 냉각수를 ETC로 공급하여 ETC를 통과하는 흡기 온도를 하강시키는 것을 특징으로 한다.

Description

보조 쿨링 시스템{SUB COOLING SYSTEM}
본 발명은 보조 쿨링 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터보차저가 탑재된 차량의 엔진 냉각유로와 별도로 설치된 보조 쿨링 시스템에 관한 것이다.
최근 자동차의 연비를 향상시키려는 노력이 다방면에서 진행되고 있다.
그 중 한 가지 방법으로서, EGR(Exhaust gas recirculation) 시스템을 적용하여 배기가스를 재활용함으로써 연료 소비를 억제하고, 연비를 개선시키는 방법이 사용되고 있다.
"엔진 배기 가스 재순환 회로용 냉각 장치(대한민국 공개특허 10-2013-0021377(2013.03.05))"에 종래의 EGR 냉각 장치가 개시되어 있다.
상기 발명은 엔진을 냉각시키는 고온 루프와, EGR 가스를 냉각하는 저온 루프를 포함하고, 이렇게 분리된 고온 루프와 저온 루프를 통해 효율이 높은 냉각 시스템을 구현하였다.
그러나 상기 발명은 분리된 냉각 시스템에서, 특히 저온 루프에서의 냉각수를 순환시키는 방법이나 시점 등이 구체적으로 제시되지 않은 한계가 있었다.
대한민국 공개특허 10-2013-0021377(2013.03.05)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 자동차의 연비를 개선할 수 있는 보조 쿨링 시스템을 제공하는 데 있다.
위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 쿨링 시스템은, 터보 엔진을 탑재한 차량에서 엔진 냉각유로와 별도로 설치된 보조 쿨링 시스템으로서, 라디에이터와 인터쿨러 사이를 연결하고, 전동식 워터펌프가 설치되어 냉각수를 상기 라디에이터에서 상기 인터쿨러 방향으로 유동시키는 제1라인; 상기 인터쿨러와 인테이크 매니폴드 사이를 연결하여 냉각수가 유동하는 제2라인; 상기 인테이크 매니폴드와 상기 라디에이터 사이를 연결하여 냉각수가 유동하는 제3라인 및 상기 제3라인의 경로상에 위치한 터빈 하우징을 통과하여 가열된 냉각수를 선택적으로 상기 라디에이터로 바로 전달하거나 엔진 블록 또는 히터를 거쳐 상기 라디에이터로 전달하는 바이패스밸브;를 포함하고, 상기 인테이크 매니폴드에서 배출된 냉각수를 ETC로 공급하여 ETC를 통과하는 흡기 온도를 하강시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제3라인은, 상기 인테이크 매니폴드에서 배출되는 냉각수를 EGR 쿨러로 공급하고, 상기 EGR쿨러에서 배출되는 냉각수를 상기 터빈 하우징으로 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 제3라인은, 상기 인테이크 매니폴드에서 배출되는 냉각수를 컴프레서 하우징으로 공급하고, 상기 컴프레서 하우징에서 배출되는 냉각수를 상기 터빈 하우징으로 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 제3라인은, 상기 인테이크 매니폴드에서 배출되는 냉각수를 베어링 하우징으로 공급하고, 상기 베어링 하우징에서 배출되는 냉각수를 상기 터빈 하우징으로 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 제3라인은, 상기 인테이크 매니폴드에서 배출되는 냉각수를 EGR 쿨러로 공급하고, 상기 EGR쿨러에서 배출되는 냉각수를 컴프레서 하우징으로 공급하며, 상기 컴프레서 하우징에서 배출되는 냉각수를 베어링 하우징으로 공급하고, 상기 베어링 하우징에서 배출되는 냉각수를 상기 터빈 하우징으로 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 워터펌프는, 차량 시동 이후 15~20초 후에 작동을 시작하고, 차량 시동이 꺼진 이후 20~30초 후에 작동을 정지하며, 상기 바이패스밸브는, 차량 시동 후 상기 엔진 블록이 가열될 때까지 가열된 냉각수를 상기 엔진 블록으로 우회시키고, 히터가 작동될 때 가열된 냉각수를 상기 히터로 우회시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 보조 쿨링 시스템에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, EGR 가스를 냉각시켜 노킹 특성을 개선함으로써 연비를 개선할 수 있다.
둘째, 시동 초기에 가열된 냉각수를 엔진 블록으로 공급하여 가열하고, 이를 통해 엔진 블록의 마찰력을 감소시켜 연비를 개선할 수 있다.
셋째, 시동이 꺼진 이후에도 워터펌프를 작동시켜 터빈 하우징을 냉각시켜 터빈 하우징의 수명을 증가시킬 수 있다.
넷째, 시동 후 일정 시간이 지난 후에 워터펌프를 작동시킴으로써 배기열이 촉매를 활성화시킨 이후에 냉각을 시작할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구성도이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 보조 쿨링 시스템에 대하여 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은, 터보 엔진을 탑재한 차량에서 엔진 냉각유로와 별도로 설치된 보조 쿨링 시스템으로서, 라디에이터(10)와 인터쿨러(20) 사이를 연결하고, 전동식 워터펌프(110)가 설치되어 냉각수를 유동시키는 제1라인(100), 인터쿨러(20)와 인테이크 매니폴드(30) 사이를 연결하여 냉각수가 유동하는 제2라인(200), 인테이크 매니폴드(30)에서 배출되어 ETC(미도시)를 거치면서 흡기 온도를 하강시키는 냉각수가 유동하는 제3라인 (300), 제3라인(300) 및 터빈 하우징(70)을 통과한 냉각수를, 선택적으로 라디에이터(10)로 바로 전달하거나, 엔진 블록(1) 또는 히터(2)를 거쳐 라디에이터(10)로 전달하는 바이패스밸브(310)를 포함한다.
이때, 제3라인(300)에는 EGR 쿨러(40), 컴프레서 하우징(50), 베어링 하우징(60) 등이 연결될 수 있다. 도 1에는 이들이 직렬로 연결된 것으로 도시되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 이 중 하나 또는 두 개의 구성이 직렬로 연결될 수도 있으며, 세 구성들이 병렬적으로 연결될 수도 있다.
또한 인테이크 매니폴드(30)에서 배출된 냉각수는 ETC(미도시)의 온수 니플로 공급되어 ETC를 통해 유동하는 흡기 온도를 저하시켜 연비를 향상시키게 된다. ETC를 냉각시킨 냉각수는 제3라인(300)으로 유동하면서 상술한 EGR 쿨러(40), 컴프레서 하우징(50), 베어링 하우징(60)으로 공급되는 것이다.
제3라인(300)은 여러 개의 구간으로 나눠지는데, 인테이크 매니폴드(30)에서 배출된 냉각수를 EGR 쿨러(40), 컴프레서 하우징(50), 베어링 하우징(60)으로 공급하는 제1구간과, EGR 쿨러(40), 컴프레서 하우징(50), 베어링 하우징(60)에서 배출된 냉각수를 터빈 하우징(70)으로 전달하는 제2구간과, 터빈 하우징(70)과 바이패스밸브(310) 사이를 연결하는 제3구간과, 바이패스밸브(310)와 라디에이터(10) 사이를 연결하는 제4구간으로 나누어질 수 있다. 이 중 제1구간을 흐르는 냉각수가 ETC를 거치게 되는 것이다.
종래에는 엔진 냉각수를 이용하여 EGR 쿨러(40)와 베어링 하우징(60) 등을 냉각시켰는데, 엔진 냉각수의 온도가 95℃ 이상으로 매우 높기 때문에 냉각 효율이 높지 않은 문제가 있었다.
실제로, 엔진 냉각수를 사용하는 종래의 방법으로 냉각할 경우, EGR 쿨러(40)를 거친 EGR 가스의 온도는 105~110℃ 정도이고, 베어링 하우징(60) 출구부의 온도는 150~160℃ 수준이었다. 따라서 EGR 및 베어링 하우징(60)의 온도를 낮추는 것이 제한되었다.
이에 본 발명에서는, 인터쿨러(20) 및 인테이크 매니폴드(30)를 거친 냉각수를 바로 EGR 쿨러(40), 컴프레서 하우징(50) 및 베어링 하우징(60)으로 전달함으로써, 냉각수에 의한 냉각 효과를 최대화하였다. 라디에이터(10)에서 냉각된 냉각수는 인터쿨러(20) 및 인테이크 매니폴드(30)를 거치더라도 그 온도가 45~50℃ 수준에 불과하여 높은 냉각력을 유지할 수 있는 것이다.
제3라인(300)에서 EGR 쿨러(40), 컴프레서 하우징(50) 및 베어링 하우징(60)을 거친 냉각수(약 100℃)는 터빈 하우징(70)으로 공급되어 배기가스를 냉각시키고, 터빈 하우징(70)에서 배출된 냉각수는 라디에이터(10)에서 재냉각되어 인터쿨러(20)로 순환된다.
이때, 터빈 하우징(70)을 거친 냉각수의 온도는 150℃ 정도인데, 이러한 열을 재활용할 수도 있다. 즉, 터빈 하우징(70)에서 배출되는 냉각수를 엔진 블록(1)이나 히터(2)로 공급하여 열을 전달한 후 라디에이터(10)로 이동시키도록 냉각수의 이동을 조절하는 바이패스밸브(310)가 설치될 수 있다. 바이패스밸브(310)에 의해 제3라인(300)을 유동하는 냉각수를 우회공급관으로 우회시켜 엔진 블록(1)이나 히터(2)로 공급하고, 엔진 블록(1) 또는 히터를 가열시킨 냉각수는 우회배출관을 통해 다시 바이패스밸브(310)로 복귀하여, 라디에이터(10)로 공급되는 것이다.
이러한 바이패스밸브(310)는 차량 시동 후 엔진 블록(1)이 가열될 때까지 가열된 냉각수를 엔진 블록(1)으로 우회시키고, 히터(2)가 작동될 때 가열된 냉각수를 히터(2)로 우회시키는 것이 바람직하다.
특히 엔진 시동 직후에는 엔진 블록(1)이 차가운 상태이기 때문에 마찰이 높은 상태이다. 이렇게 마찰이 높을 경우 엔진 구동에 저항력으로 작용하기 때문에 연비가 저하된다. 따라서 엔진 블록(1)을 조기에 가열시키면 마찰이 감소하여 연비를 개선할 수 있는 효과가 있는 것이다.
다만, 엔진 블록(1)은 한 번 가열되면 엔진 자체에서 열이 발생되기 때문에, 시동 후 일정 시간이 지난 후에는 냉각수에 의해 가열되는 것이 아니라 반대로 냉각되게 된다. 그뿐 아니라, 엔진 블록(1)을 거치면서 냉각수에 많은 열이 전달되어 라디에이터(10)에서 냉각수를 충분히 냉각시킬 수 없는 상황이 발생하게 된다. 따라서, 엔진 블록(1)으로 냉각수를 보내는 것은 시동 초기, 수 십 초에서 수 분 정도로 제한하는 것이 바람직하다.
냉각수를 순환시키는 동력원으로서 제1라인(100)에 설치되는 워터펌프(110)는, 차량 시동 이후 15~20초 후에 작동을 시작하고, 차량 시동이 꺼진 이후 20~30초 후에 작동을 정지하는 것이 바람직하다.
시동 초기부터 냉각수를 순환시키면 배기가스가 터빈 하우징(70)을 통과하면서 지나치게 냉각되고, 배기가스의 열에 의해 활성화되는 배기가스 촉매가 제대로 활성화되지 못하는 문제가 있었다. 따라서 시동이 걸린 직후가 아닌, 터빈 하우징(70)이 어느 정도 가열된 이후에 냉각수를 순환시킴으로써 배치가스 촉매를 신속하게 활성화시킬 수 있다.
또한, 시동이 꺼진 직후에는 터빈휠이 매우 고온 상태인데, 냉각수의 순환이 즉시 중단될 경우 터빈휠이 열손상을 입을 수 있다. 따라서 시동이 꺼진 후 약 20~30초간 워터펌프(110)로 냉각수를 순환시킴으로써, 터빈휠이 고온에 의한 열손상을 입는 것을 방지할 수 있다.
시동이 꺼져 엔진이 정지된 상태에서도 냉각수를 순환시킬 수 있도록, 워터펌프(110)는 엔진에 연동되는 기계식 펌프가 아닌, 전동식 펌프를 사용하는 것이 바람직하다. 기계식 펌프를 사용할 경우 엔진이 정지되는 순간 작동이 멈추므로 본 발명에는 적합하지 않다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 엔진 블록 2: 히터
10: 라디에이터 20: 인터쿨러
30: 인테이크 매니폴드 40: EGR 쿨러
50: 컴프레서 하우징 60: 베어링 하우징
70: 터빈 하우징 100: 제1라인
110: 워터펌프 200: 제2라인
300: 제3라인 310: 바이패스밸브

Claims (6)

  1. 터보 엔진을 탑재한 차량에서 엔진 냉각유로와 별도로 설치된 보조 쿨링 시스템으로서,
    라디에이터와 인터쿨러 사이를 연결하고, 전동식 워터펌프가 설치되어 냉각수를 상기 라디에이터에서 상기 인터쿨러 방향으로 유동시키는 제1라인;
    상기 인터쿨러와 인테이크 매니폴드 사이를 연결하여 냉각수가 유동하는 제2라인;
    상기 인테이크 매니폴드와 상기 라디에이터 사이를 연결하여 냉각수가 유동하는 제3라인; 및
    상기 제3라인의 경로상에 위치한 터빈 하우징을 통과하여 가열된 냉각수를 선택적으로 상기 라디에이터로 바로 전달하거나 엔진 블록 또는 히터를 거쳐 상기 라디에이터로 전달하는 바이패스밸브;를 포함하고,
    상기 인테이크 매니폴드에서 배출된 냉각수는 ETC를 통과하면서 상기 ETC를 통과하는 흡기 온도를 하강시키는 것을 특징으로 하는, 보조 쿨링 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3라인은, 상기 인테이크 매니폴드에서 배출되는 냉각수를 EGR 쿨러로 공급하고, 상기 EGR쿨러에서 배출되는 냉각수를 상기 터빈 하우징으로 공급하는 것을 특징으로 하는, 보조 쿨링 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3라인은, 상기 인테이크 매니폴드에서 배출되는 냉각수를 컴프레서 하우징으로 공급하고, 상기 컴프레서 하우징에서 배출되는 냉각수를 상기 터빈 하우징으로 공급하는 것을 특징으로 하는, 보조 쿨링 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3라인은, 상기 인테이크 매니폴드에서 배출되는 냉각수를 베어링 하우징으로 공급하고, 상기 베어링 하우징에서 배출되는 냉각수를 상기 터빈 하우징으로 공급하는 것을 특징으로 하는, 보조 쿨링 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3라인은, 상기 인테이크 매니폴드에서 배출되는 냉각수를 EGR 쿨러로 공급하고, 상기 EGR쿨러에서 배출되는 냉각수를 컴프레서 하우징으로 공급하며, 상기 컴프레서 하우징에서 배출되는 냉각수를 베어링 하우징으로 공급하고, 상기 베어링 하우징에서 배출되는 냉각수를 상기 터빈 하우징으로 공급하는 것을 특징으로 하는, 보조 쿨링 시스템.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 워터펌프는, 차량 시동 이후 15~20초 후에 작동을 시작하고, 차량 시동이 꺼진 이후 20~30초 후에 작동을 정지하며,
    상기 바이패스밸브는, 상기 터빈 하우징을 통과하여 가열된 냉각수를 선택적으로 상기 엔진 블록 또는 상기 히터로 우회시키되, 차량 시동 후 상기 엔진 블록이 가열될 때까지 상기 엔진 블록으로 우회시키거나, 히터가 작동될 때 상기 히터로 우회시키고, 상기 엔진 블록이 가열되어 있고 상기 히터가 작동하지 않을 때 가열된 냉각수를 우회시키지 않고 바로 상기 라디에이터로 전달하는 것을 특징으로 하는, 보조 쿨링 시스템.
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