KR102232251B1 - 선박 내연기관용 매연저감장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박 내연기관용 매연저감장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선박의 배기라인 종단에 부가장착된 상태로 배기가스의 배출 흐름을 제어하여 출력향상 및 연비개선을 도모할 수 있도록 한 선박 내연기관용 매연저감장치에 관한 것 으로서,
선박의 배기구 종단 테일파이프에 장착된 상태로, 배기가스의 배출 흐름을 이어가는 하우징관과, 상기 하우징관 내부에 장착되며 상기 하우징관을 통과하는 배기가스가 나선형으로 배출될 수 있도록 하는 다수의 베인을 포함하여 구성되는 선박 내연기관용 매연저감장치에 있어서, 상기 베인은, 상기 하우징관의 내측 소정위치에 용접고정되는 선단부와, 상기 선단부에서 나선형으로 형성되되, 상기 하우징관의 내측으로 볼록하게 형성되어 배기가스의 속도를 증가시키는 속도증가부와, 상기 속도증가부에서 나선형으로 형성되되, 상기 속도증가부를 통과한 배기가스가 회전할 수 있도록 형성되는 말단 나선부로, 형성되는 것을 특징으로 하는 선박 내연기관용 매연저감장치를 제공한다.

Description

선박 내연기관용 매연저감장치{THE EXAUST FUMES REDUCTION DEVICE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE OF SHIP}

본 발명은 선박 내연기관용 매연저감장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선박의 배기라인 종단에 부가장착된 상태로 배기가스의 배출 흐름을 제어하여 출력향상 및 연비개선을 도모할 수 있도록 한 선박 내연기관용 매연저감장치에 관한 것이다.

현대사회에서 환경에 대한 관심은 상당히 높다. 최근의 일련의 미세먼지에 의한 환경문제가 대두되고 있어, 공기의 질에 대한 관심이 많아 지고 있다. 자동차나 선박의 경우는 내연기관을 사용하기 때문에, 내연기관이 노후화 된 경우 배기가스에 매연이 많이 포함되어 공해와 미세먼지를 발생시키는 대상으로 지목되고 있는 실정이다.

따라서, 선박의 개발에 있어서 배기소음과 배기가스 절감에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 온실가스 절감과 유해요소의 발생을 억제하는 규정들을 더욱 강화하는 추세이다.

이러한 정책에 의거하여 선박의 경우 마찬가지로 배기통을 통해 배출되는 배기가스의 소음과 배기가스에 포함된 매연을 저감하고자 하는 노력이 확대되고 있다.

한편, 내연기관을 이용하는 자동차는 주지된 바와 같이, 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4행정(four cycle)에 의해 동력을 얻게 되는데, 상기 행정들 중의 공기(흡, 배기) 흐름을 살펴보면 흡입과정에서는 에어크리너(air cleaner), 스로틀밸브(throttle valve) 등을 통과할 때는 비교적 커다란 저항없이 유입이 이루어진다.

그러나, 배기과정에서는 배기매니폴드(exhaust manifold), 촉매를 이용하는 공기정화장치 및 상기 머플러의 테일파이프(Tailpipe / 배기관) 등을 통해 외부로 배출되므로 배기 흐름에 상당한 저항이 발생하게 된다.

또한, 상기 내연기관의 실린더에서 소음기의 테일파이프까지 배출되는 과정에서 배기매니폴드에서는 내연기관의 4행정 중에 흡기밸브와 배기밸브가 순간적으로 동시에 개방되는 이른바 밸브오버랩(valve overlap)이 발생하는 시기가 있고, 이 과정에서 배출되던 가스가 실린더 내로 재유입되는 현상이 발생하면서 순간적으로 배기매니폴드 내에는 진공상태가 형성되며, 이로 인하여 배기가스 배출을 방해하는 1차 배기압이 형성된다.

그리고, 공기정화기인 삼차원 촉매장치에서는 허니컴(honeycomb) 형태의 배기가스 정화기의 미세한 통기공을 경유하면서 배기가스의 유속이 현저하게 줄어들게 되어 2차 배기압이 형성되며, 소음기에 유입되면 다단으로 구획된 칸막이를 돌아 흡음될 때 3차 배기압이 형성된다.

이러한 배기과정의 저항으로 인하여, 내연기관의 연소가스가 원활히 배출되지 못하므로 출력의 약 20∼25%가 감소되는 폐단이 있다. 따라서, 상기 배기가스를 원활하게 배출시키는 것만으로도 내연기관의 출력향상과 연비개선이 가능할 수 있다.

이러한 제반문제점을 다소나마 해결하기 위하여, 대한민국 공개특허 제10-2016-0118096호에서는, 내연기관용 와류기는 내연기관에 연통되는 제1하우징과, 상기 제1하우징의 내측으로 위치되며 중앙으로 제1중앙홀이 형성되는 제1중앙통로부와, 상기 제1하우징과 제1중앙통로부의 사이에 위치되어 제1하우징과 제1중앙통로부에 연결되며 하나 이상으로 형성되는 제1고정와류팬으로 구성된 제1와류부와, 상기 제1와류부에 형성된 제1하우징의 내측으로 열을 통해 억지끼움방식으로 결합되는 제2하우징과, 상기 제2하우징의 내측으로 위치되며 중앙으로 제2중앙홀이 형성되는 제2중앙통로부와, 상기 제2하우징과 제2중앙통로부의 사이에 위치되어 제2하우징과 제2중앙통로부에 연결되며 하나 이상으로 형성되는 제2고정와류팬으로 구성된 제2와류부로 형성되되, 상기 제1와류부의 후면으로 제2와류부의 후면이 결합되고, 제1와류부에 형성된 제1고정와류팬과 제2와류부에 형성된 제2고정와류팬이 서로 엇갈리게 배열되면서 결합되도록 이루어진다. 상기 내연기관용 와류기는 와류팬의 구조와 와류팬과 중앙통로부가 차지하는 면적이 넓어서 배기가스의 배출시의 압력강하로 인하여 배출가스의 원만한 와류형성이 어려워질 문제점이 있다.

등록특허 제10-1952142호는 다중 회오리 바람 생성이 가능하도록 케이스가 구비된 와류 발생기로서, 자동차, 항공기, 선박 및 각종 산업용 기계 내연기관의 내에 공기 와류발생기를 설치하여 흡배기 되는 공기를 와류로 만들어 공기의 흐름을 고속으로 유도하여 흡배기효율을 높일 수 있는 다중회오리 바람 생성이 가능한 와류 발생기는, 내연기관에 흡입되는 공기가 와류를 형성하도록 흡기관 내부에 공기의 흐름방향으로 형성되는 몸통부와 상기 몸통부의 외주면에 복수개 결합되는 날개부로 형성되어진 와류 발생기로서, 상기 몸통부는 중공의 원통형 또는 중공의 다각기둥이며, 상기 몸통부의 외주면에 몸통부의 길이방향으로 복수개의 장공의 결합홈이 형성되되, 상기 장공의 결합홈은 상기 몸통부의 길이방향에 대해 경사지게 형성되며 상기 날개부는 상기 장공의 결합홈에 결합되는 일측단과 상기 장공의 결합홈에 결합되는 않는 타측단으로 형성되며, 상기 몸통부를 시계 방향 또는 반 시계 방향으로 감싸도록 형성된다. 상기 와류 발생기도 날개부 등이 차지하는 면적이 크기 때문에 배출되는 배기가스에 작용하는 압력이 커질 수 있다는 문제점이 있다.

공개특허공보 제10-2016-0118096호(2016.10.11. 공개) 등록특허공보 제10-1882834호(2018.08.23. 등록) 등록특허공보 제10-1952142호(2019.02.20. 등록) 등록특허공보 제10-1950664호(2019.02.14. 등록)

본 발명의 목적은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 선박의 배기가스 배출구를 통해 배출되는 배기가스의 배기 성능을 증가시킴으로써 연료 소모율을 감소시켜 연비를 증가시킬 수 있는 선박용 내연기관의 매연저감장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 다수의 베인에 의해 배기가스가 배출되도록 하여 배기가스의 배출속도를 증대시켜 배기가스의 지연 배출로 인해 매연 발생을 저감시킬 수 있는 선박 내연기관의 매연저감장치를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 선박의 배기구 종단 테일파이프에 장착된 상태로, 배기가스의 배출 흐름을 이어가는 하우징관과, 상기 하우징관 내부에 장착되며 상기 하우징관을 통과하는 배기가스가 나선형으로 배출될 수 있도록 하는 다수의 베인을 포함하여 구성되는 선박 내연기관용 매연저감장치에 있어서, 상기 베인은, 상기 하우징관의 내측 소정위치에 용접고정되는 선단부와, 상기 선단부에서 나선형으로 형성되되, 상기 하우징관의 내측으로 볼록하게 형성되어 배기가스의 속도를 증가시키는 속도증가부와, 상기 속도증가부에서 나선형으로 형성되되, 상기 속도증가부를 통과한 배기가스가 회전할 수 있도록 형성되는 말단 나선부로, 형성되는 것을 특징으로 하는 선박 내연기관용 매연저감장치를 제공한다.

본 발명에서 하우징관의 길이는 80㎜ ~ 160㎜인 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 베인의 길이는, 40㎜ ~ 80㎜에 해당하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 베인의 갯수는, 3 내지 8개로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 베인의 상단은 상기 하우징관의 상단에서 10㎜ ~ 40㎜ 하단에 위치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 베인의 선단부와 후단부가 이루는 각은 70°~ 90°로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 선박 내연기관용 매연저감장치는, 선박의 배기가스 배출구를 통해 외부로 배출되는 배기가스가 나선형 와류를 일으키며 배출되도록 함을 통해, 배기 속도를 증가시킬 수 있는 효과를 가진다.

또한, 본 발명의 선박 내연기관용 매연저감장치는, 배기가 신속하게 배출되기 때문에 배기가스의 배출효율이 증가됨과 아울러 배기가스의 배출 지연으로 인한 매연발생을 저감시킬 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 선박 내연기관용 매연저감장치를 선박에 장착한 것을 도시한 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 선박 내연기관용 매연저감장치의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 선박 내연기관용 매연저감장치의 평면도.
도 4는 본 발명에 따른 선박 내연기관용 매연저감장치의 저면도.
도 5는 본 발명에 따른 선박 내연기관용 매연저감장치의 베인의 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 선박 내연기관용 매연저감장치의 베인을 통한 배기가스 배출흐름의 작용관계를 나타낸 흐름도.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 우선, 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 선박 내연기관용 매연저감장치를 선박에 장착한 것을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 선박 내연기관용 매연저감장치의 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 선박 내연기관용 매연저감장치의 평면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 선박 내연기관용 매연저감장치의 저면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 선박 내연기관용 매연저감장치의 베인의 사시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 선박 내연기관용 매연저감장치의 베인을 통한 배기가스 배출흐름의 작용관계를 나타낸 흐름도이다.

도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 선박 내연기관용 매연저감장치(10)는, 선박(1)의 배기가스 배출구 종단 테일파이프(2) 내부에 장착된 상태로 배기가스의 배출흐름을 이어가는 하우징관(11)과, 하우징관(11) 내부에 장착되며 상기 하우징관(11)을 통과하는 배기가스가 와류를 일으키며 배출될 수 있도록 하는 형상을 가진 베인(12)을 포함하여 구성된다.

하우징관(11)은, 선박(1)의 테일파이프(2) 종단에서 배기가스의 배출흐름이 효율적으로 진행될 수 있도록 하기 위한 수단으로, 도 1에 도시된 바와 같이 외부로 배출되는 배기가스의 이동 흐름이 완료되는 배출관으로서의 역할을 수행한다. 하우징관(11)은 도면에 도시된 바와 같이 일정한 직경을 가진 원통 형태 또는 직경이 후단으로 갈수록 커지는 테이퍼진 원통 형태일 수 있다. 하우징관(11)은 테일파이프(2)의 내부에 장착되고, 테일파이프(2)의 상단에는 비나 불순물이 유입되는 것을 방지하기 위해 덮개(3)가 마련된다. 덮개(3)는 배기가스의 배출되는 경우 배기가스의 배기압력에 의해 덮개가 열리고, 배기압력이 없는 경우 하중에 의해 닫히는 구조를 가진다.

베인(12)은, 상기 하우징관(11)을 통해 배출되는 배기가스가 회전하면서 흐르는 와류를 일으키며 배출되도록 하는 배기흐름의 제어를 위한 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 배기가스의 배출흐름이 와류를 형성하도록 하우징관(11)의 내측 상단 일정 위치에 용접 형태로 고정되어 와류를 형성할 수 있도록 나선형으로 비틀어진 형태를 이룬다. 베인(12)은 베르누이 정리(Bernoulli's theorem)의 법칙에 입각하여 배기가스의 배출 속도를 증가시키면서 와류로 배출되도록 하여, 배기가스의 배출 속도에 의한 배출 효율을 증가시킴으로써 연비를 증가시킬 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 베인(12)은 배기가스가 유입되는 측인 하우징(11)의 상단에서 일정거리 후방에 용접 등의 방법으로 고정된다. 구체적으로 살펴보면 베인(12)의 상단이 고정되는 위치(L1)는 대략 상단에서 후방으로 10 ~ 40㎜ 떨어진 곳에 용접등으로 고정된다. 배기가스가 들어오는 입구에 바로 설치될 경우, 베인(12)에 의해 발생하는 압력강하로 인해 배기가스의 유입이 쉽게 이루어지지 않을 수 있기 때문에, 일정 거리만큼 배기가스가 유입된 후에 속도가 증가되고, 나선형으로 회전되면서 배출될 수 있도록 상단에서 일정거리 후방으로 이격됨이 바람직할 수 있다. 베인(12)의 길이(L2)는 40 ~ 80㎜로 이루어질 수 있으며, 이것은 하우징관(11)의 길이에 따라 베인의 길이가 조정될 수 있다. 하우징관(11)은 80 ~ 160㎜로 이루어질 수 있다. 지나치게 긴 경우에도 압력강하가 커져 배기가스의 배출에 무리를 줄 수도 있으므로 압력강하가 크게 발생하지 않는 적당한 길이를 선택함이 바람직하다.

도 3과 도 4는 매연저감장치(10)의 평면과 배면도를 그린 도면이다. 도면에 도시된 바와 같이, 하우징관(11)의 상단에 베인(12)이 고정되고, 베인(12)은 대략70°~ 90°정도 나선형으로 비틀어져 형성된다. 따라서, 하우징관(11)을 통과하는 배기가스는 하우징관(11) 내부에서 나선형으로 회전되어 유입될 수밖에 없다. 또한, 베인(12)은 하우징관(11) 내부에 3 ~ 8개로 구성될 수 있다. 베인(12)이 지나치게 많은 경우에는 하우징관(11)의 직경이 좁아지는 현상을 가져오므로 하우징관(11)의 직경에 따라 적당한 수의 베인(12)을 설치함이 바람직하다.

도 5와 도 6은 베인(12)을 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 베인(12)은 하우징관(11)의 내측 소정위치에 용접고정되는 선단부(121)와, 선단부(121)에서 나선형으로 형성되되, 하우징관(11)의 내측으로 볼록하게 형성되어 배기가스의 속도를 증가시키는 속도증가부(122)와, 속도증가부(122)에서 나선형으로 형성되되, 속도증가부(122)를 통과한 배기가스가 회전할 수 있도록 형성되는 말단 나선부(123)로 이루어진다. 도 6에서는 배기가스는 유입측인 선단부(121)로 유입될 때의 속도는 베르누이 법칙에 따라 속도증가부(122)를 통과하면서 증가한다. 즉, 속도증가부(122)가 하우징관(11)의 중앙쪽으로 볼록하게 형성되기 때문에 직경이 감소되는 효과를 가져오고, 그에 따라 배출가스의 속도는 증가된다. 속도가 증가된 배출가스는 말단나선부(123)를 통과하면서 유입측과 70 ~ 90°로 회전되면서 배출된다. 말단나선부(123)를 통과하면서 속도가 다소 감소될 수 는 있으나, 회오리 바람으로 회전되면서 배출되기 때문에 배출되는 배기가스의 배출효율은 증가될 수 있다.

정리하자면, 본 발명의 선박 내연기관용 매연저감장치(10)에 의하면, 내연기관의 4행정 중 배기행정에 의해 선박(1)의 배기가스 배기구의 테일파이프(2)를 통해 최종적으로 외부배출되는 배기가스가 와류를 일으키며 배출되도록 함으로써, 배기효율이 신속하게 이루어지도록 하여 내연기관의 행정능력이 향상되고 그로써 해당 선박의 출력향상과 더불어 이를 통한 연료소모율 감소에 따른 연비 개선의 효과를 거둘 수 있다.

아울러, 별도의 구동장치가 없이도 선박 운행 중에 자연히 발생하는 와류형의 흐름을 이용하여 배기가스의 원활한 배기를 유도함으로써, 엔진의 배기성능 및 에너지효율을 향상시키고, 흡기계 및 배기계에 설치되는 각종 부품들의 기능을 도와 부품의 내구성을 향상시키며, 배기소음이 줄어들게 되는 효과를 거둘 수 있다. 또한 배기관에 배기가스가 제때에 배출되지 못하고 배출 지연으로 인하여 발생되는 여러가지 문제가 해결될 수도 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정과 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 선박 2 : 테일파이프
3 : 덮개
10 : 매연저감장치 11 : 하우징관
12 : 베인
121 : 선단부 122 : 속도증가부
123 : 말단나선부

Claims (6)

1. 선박의 배기구 종단 테일파이프에 장착된 상태로, 배기가스의 배출 흐름을 이어가는 하우징관과, 상기 하우징관 내부에 장착되며 상기 하우징관을 통과하는 배기가스가 나선형으로 배출될 수 있도록 하는 다수의 베인을 포함하여 구성되는 선박 내연기관용 매연저감장치에 있어서,
   상기 베인은,
   상기 하우징관의 내측 소정위치에 용접고정되는 선단부와, 상기 선단부에서 나선형으로 형성되되, 상기 하우징관의 내측으로 볼록하게 형성되어 배기가스의 속도를 증가시키는 속도증가부와, 상기 속도증가부에서 나선형으로 형성되되, 상기 속도증가부를 통과한 배기가스가 회전할 수 있도록 형성되는 말단 나선부로 형성되고,
   상기 하우징관의 길이는 80㎜ ~ 160㎜이고,
   상기 베인의 길이는, 40㎜ ~ 80㎜이며, 상기 베인의 갯수는, 3 내지 8개로 형성되고, 상기 베인의 상단은 상기 하우징관의 상단에서 10㎜ ~ 40㎜ 하단에 위치하며, 상기 베인의 선단부와 후단부가 이루는 각은 70°~ 90°로 형성되는 것을 특징으로 하는 선박 내연기관용 매연저감장치.
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