KR102299493B1 - 엔진 시스템 및 그의 운전방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 EGR가스와 흡기의 온도차이로 인해 발생한 응축수를 포집하여 물 분사에 이용함으로써 응축수에 의한 흡기의 흐름방해을 차단할 수 있고, 응축수의 활용도 향상 및 저온연소 효과를 높일 수 있는 엔진 시스템 및 그의 운전방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 엔진 시스템은 엔진; 상기 엔진의 흡기계 또는 기통 측으로 물을 분사하는 워터 인젝터 및 상기 워터 인젝터 측으로 공급되는 물을 저장하는 워터 탱크를 가진 워터 인젝션유닛; 상기 엔진의 흡기도관과 배기도관 사이를 연결하는 EGR도관과, EGR도관에 설치된 EGR쿨러 및 EGR밸브를 가진 EGR유닛; 및 상기 EGR도관의 일측에 연결되어 EGR도관을 통과하는 EGR가스와 엔진의 흡기도관을 통과하는 흡기 사이의 온도차이에 의해 생성된 응축수를 저장하는 응축수 탱크;을 포함하고, 상기 응축수 탱크와 상기 워터 탱크 사이에는 응축수 공급도관이 연결되며, 상기 응축수 공급도관에는 응축수를 응축수 탱크로부터 워터 탱크로 펑핑하는 펌프가 설치될 수 있다.

Description

엔진 시스템 및 그의 운전방법{INTERNAL COMBUSTION ENGINE SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING THE SAME}
본 발명은 엔진 시스템 및 그의 운전방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 EGR가스와 흡기의 온도차이로 인해 발생한 응축수를 포집하여 물 분사에 이용함으로써 응축수에 의한 흡기의 흐름방해을 차단할 수 있고, 응축수의 활용도 향상 및 저온연소 효과를 높일 수 있는 엔진 시스템 및 그의 운전방법에 관한 것이다.
차량 내연기관의 연소 시에 내연기관의 연소열을 낮춤으로써 질소산화물, 하이드로카본 등을 억제하고, 공기와 연료의 혼합비를 줄여 연비를 향상시키기 위한 다양한 기술이 연구개발되고 있다.
이러한 연소열 및 질소산화물 등을 저감하고, 연비를 향상시키기 위한 대표적인 기술로는 EGR 시스템(Exhaust Gas Recirculation system) 또는 워터 인젝션시스템(water injection system) 등이 연구개발되고 있다.
EGR시스템은 엔진의 배기계에서 흡기계 측으로 EGR가스를 순환시키기 위한 EGR도관과, EGR가스의 온도를 냉각시키는 EGR 쿨러와, EGR가스의 유량을 조절하기 위한 EGR밸브를 포함할 수 있다.
한편, 이러한 EGR시스템에서 EGR가스와 흡기 사이의 온도 차이로 인해 수증기(water vapor)가 발생하고, 이러한 수증기는 흡기도관의 내면을 타고 흘러 인터쿨러 등의 내부에서 응축수로 포집될 수 있으며, 이에 인터쿨러의 부식을 초래할 수 있었다. 또한, 수증기 또는 응축수 등이 압축기의 휠과 충돌하여 압축기의 내부부품을 파손할 수 있으며, 겨울철에는 인터쿨러의 내부에 과도하게 응축수가 포집될 수 있고, 또한 인터쿨러의 내부에서 응축수가 결빙(icing)함에 따라 흡기의 흐름이 방해될 수도 있다.
워터 인젝션시스템은 물을 흡기 또는 연료-공기 혼합물(fuel-air mixture)에 분사하거나 엔진의 연소실 측에 직접적으로 분사함으로써 연소실의 온도를 낮춤으로써 질소산화물, 하이드로카본 등을 억제하고, 공기와 연료의 혼합비를 줄여 연비를 향상시킬 수 있다.
한편, 워터 인젝션시스템은 1일 평균 연료소모량의 30% 이상의 물을 분사하여야 함에 따라 물을 저장하는 워터 탱크가 대용량으로 구성되어 있다.
이와 같이, 종래의 워터 인젝션시스템은 워터 인젝터로 공급하는 물을 저장하기 위한 워터 탱크가 대용량으로 구성됨에 따라 엔진룸의 설치공간을 더욱 협소하게 할 수 있는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 안출한 것으로, EGR가스와 흡기의 온도차이로 인해 발생한 응축수를 포집하여 물 분사에 이용함으로써 응축수로 인한 흡기의 흐름방해을 방지할 수 있고, 응축수의 활용도 향상 및 저온연소 효과를 높일 수 있는 엔진 시스템 및 그의 운전방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면은 엔진 시스템으로,
엔진;
상기 엔진의 흡기계 또는 기통 측으로 물을 분사하는 워터 인젝터 및 상기 워터 인젝터 측으로 공급되는 물을 저장하는 워터 탱크를 가진 워터 인젝션유닛;
상기 엔진의 흡기도관과 배기도관 사이를 연결하는 EGR도관과, EGR도관에 설치된 EGR쿨러 및 EGR밸브를 가진 EGR유닛; 및
상기 EGR도관의 일측에 연결되어 EGR도관을 통과하는 EGR가스와 엔진의 흡기도관을 통과하는 흡기 사이의 온도차이에 의해 생성된 응축수를 저장하는 응축수 탱크;을 포함하고,
상기 응축수 탱크와 상기 워터 탱크 사이에는 응축수 공급도관이 연결되며, 상기 응축수 공급도관에는 응축수를 응축수 탱크로부터 워터 탱크로 펌핑하는 펌프가 설치될 수 있다.
상기 EGR도관의 일측에는 연결관이 연결되고, 상기 연결관에는 상기 응축수 탱크가 설치될 수 있다.
상기 연결관과 상기 EGR도관의 연결지점은 EGR쿨러와 EGR밸브 사이에 위치할 수 있다.
상기 연결관과 상기 EGR도관의 연결지점에는 수분리기가 설치될 수 있다.
상기 응축수 탱크에서 빙결의 발생을 방지하도록 상기 응축수 탱크를 히팅하는 제1히팅수단을 더 포함할 수 있다.
상기 제1히팅수단은 상기 응축수 탱크에 설치된 제1히팅도관이고, 상기 제1히팅도관에는 엔진 냉각수가 순환가능하게 구성될 수 있다.
상기 응축수 탱크에는 외부의 액체원으로부터 액체를 보충할 수 있는 제1액체 보충도관이 연결될 수 있다.
상기 워터 탱크에는 외부의 액체원으로부터 액체를 보충할 수 있는 제2액체 보충도관이 연결될 수 있다.
상기 액체는 물 및 함산소연료(Oxygenated Fuel) 중에서 적어도 하나일 수 있다.
상기 EGR도관과 상기 엔진의 흡기도관이 연결된 부분에 설치된 믹싱부를 더 포함할 수 있다.
상기 믹싱부는 EGR도관을 통과하는 고온의 EGR가스와 흡기도관을 통해 유입되는 저온의 흡기를 혼합하는 믹싱챔버를 포함할 수 있다.
상기 믹싱부에서 빙결의 발생을 방지하도록 상기 믹싱챔버를 히팅하는 제2히팅수단을 더 포함할 수 있다.
상기 제2히팅수단은 상기 믹싱챔버에 설치된 제2히팅도관이고, 상기 제2히팅도관에는 엔진 냉각수가 순환가능하게 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 엔진 측으로 물을 분사하는 워터 인젝터 및 상기 워터 인젝터 측으로 공급되는 물을 저장하는 워터 탱크를 가진 워터 인젝션유닛과, 상기 엔진의 흡기도관과 배기도관 사이를 연결하는 EGR도관을 가진 EGR유닛과, 상기 EGR유닛에 연결되어 EGR가스 및 흡기 사이의 온도차이에 의해 생성된 응축수를 수용하는 응축수 탱크와, 상기 응축수 탱크와 상기 워터 탱크 사이를 연결하는 응축수 공급도관과, 상기 EGR도관 및 상기 엔진의 흡기도관이 연결된 부분에 설치된 믹싱부와, 상기 응축수 탱크에 설치되어 엔진 냉각수가 순환가능한 제1히팅도관과, 상기 믹싱부에 설치되어 엔진 냉각수가 순환가능한 제2히팅도관을 가진 엔진 시스템의 운전방법으로,
흡기온도가 제1기준온도 보다 작으면 엔진 냉각수의 온도가 제2기준온도 보다 큰지를 판단하고,
엔진 냉각수의 온도가 제2기준온도 보다 크면 제1 및 제2 히팅도관을 순환하는 엔진 냉각수의 유량을 제어하며,
상기 제1기준온도는 응축수 탱크 및 믹싱부가 저온 조건에 노출되는 지를 판단하는 기준온도이고, 상기 제2기준온도는 엔진 냉각수가 과열상태인지를 판단하기 위한 기준온도일 수 있다.
엔진 냉각수의 유량을 설정 시간동안 제어한 후에 믹싱부의 온도가 제3기준온도 이상이면 제1 및 제2 히팅도관으로 엔진 냉각수가 유입됨을 차단하고, 상기 제3기준온도는 믹싱부에서 빙결이 발생하지 않는 온도일 수 있다.
본 발명에 의하면, 응축수 탱크의 응축수를 워터 인젝션유닛 측으로 공급가능함에 따라 물 분사량을 만족시킴으로써 엔진의 저온연소를 향상시킬 수 있고, 이를 통해 연료소모 저감, NOx 등과 같은 에미션(emission)의 저감을 효과적으로 개선할 수 있다.
그리고, 본 발명은 필요에 따라 선택적이고 가변적으로 응축수 탱크의 응축수를 워터 인젝션유닛의 워터 탱크 측으로 공급할 수 있으므로 워터 탱크의 용량(사이즈)를 대폭 축소할 수 있으므로 엔진의 주변에서 워터 인젝션유닛의 설치공간을 안정적으로 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 엔진 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 엔진 시스템의 운전방법을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 발명을 설명하는 데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다. 또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하겠다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템(10)은 엔진(1)과, 엔진(1)의 흡기계 또는 기통 측으로 물을 분사하는 워터 인젝션유닛(20)과, 엔진(11)의 흡기도관(2)과 배기도관(6) 사이에 연결된 EGR유닛(90)을 포함할 수 있다.
엔진(1)은 하나 이상의 실린더(5)를 가질 수 있다. 일 예에 따르면, 엔진(1)은 복수의 실린더(5)를 가진 다기통 내연기관일 수 있다.
엔진(1)에는 각 실린더(5)로 흡기를 공급하는 흡기계 및 각 실린더(5)에서 배기가스를 배출하는 배기계가 연결될 수 있다.
엔진(1)의 흡기계는 흡기도관(2)의 입구 측에 인접하게 설치된 에어필터(3a)와, 에어필터(3a)의 하류 측에 설치된 압축기(3b)와, 압축기(3b)의 하류 측에 설치된 인터쿨러(3c)와, 각 실린더(5)의 흡기포트와 소통하는 흡기 매니폴드(3d) 등을 가질 수 있다.
엔진(1)의 배기계는 배기도관(6)의 출구 측에 인접하게 설치된 배기밸브(7a)와, 배기밸브(7a)의 상류 측에 설치된 후처리장치(8)와, 후처리장치(8)의 상류 측에 설치된 팽창기(7b)와, 각 실린더(5)의 배기포트와 소통하는 배기 매니폴드(7c) 등을 가질 수 있다. 후처리장치(8)는 DOC(8a), DOC 및 DPF 통합형 구조(8b), SCR(8c) 등이 다양하게 조합되어 구성될 수 있다.
압축기(3b) 및 팽창기(7b)는 하나의 샤프트에 의해 서로 연결됨으로써 터보차저를 구성할 수 있고, 이에 배기가스가 팽창기(7b)를 회전시킴에 따라 압축기(3b)가 구동할 수 있다.
워터 인젝션유닛(20)은 엔진(1)의 흡기계 또는 각 실린더 측으로 물을 분사하는 하나 이상의 워터 인젝터(21)와, 워터 인젝터(21)로 물을 공급하는 물 공급부(25)와, 워터 인젝터(20)에 가압공기를 공급하는 공기 공급부(35)와, 물 공급부(25) 및 공기 공급부(35)가 접속된 하나 이상의 조절밸브(40)를 포함할 수 있다.
워터 인젝터(21)는 흡기계 측에 설치되어 엔진(1)의 흡기계로 유입되는 흡기 또는 엔진(1)의 실린더(5) 내로 물을 분사하도록 구성될 수 있다.
일 예에 따르면, 도 1과 같이 하나의 워터 인젝터(21)가 흡기계의 흡기도관(2)에 설치될 수 있고, 특히 워터 인젝터(21)는 인터쿨러(3c)와 흡기매니폴드(3d) 사이에 배치될 수 있다. 이에 워터 인젝터(21)는 흡기계의 흡기매니폴드(3d) 측으로 물을 분사할 수 있다.
다른 예에 따르면, 도 2와 같이 복수의 워터 인젝터(21)가 흡기계의 흡기 매니폴드(3d) 내에서 복수의 실린더(5)에 대응하도록 개별적으로 배치될 수 있고, 이에 복수의 워터 인젝터(21)는 엔진(1)의 각 실린더(5)에 개별적으로 물을 분사할 수 있다.
조절밸브(40)는 워터 인젝터(21)의 상류 측에 배치될 수 있다. 일 예에 따르면, 워터 인젝터(21) 및 조절밸브(40)는 동일체로 구성될 수도 있다.
조절밸브(40)의 개도가 조절됨에 따라 각 워터 인젝터(21)의 물 분사량이 조절될 수 있다. 이러한 조절밸브(40)에 의한 물 분사량 조절을 구체적으로 살펴보면, 조절밸브(40)의 개도가 조절됨에 따라 물 공급부(25)에 의해 공급되는 물의 공급량 및 공기 공급부(35)에 의해 공급되는 가압공기의 공급량이 조절될 수 있고, 이에 물 공급부(25)에서 공급되는 물은 공기 공급부(35)에서 공급되는 가압공기와 혼합되어 워터 인젝터(21) 측으로 압송될 수 있다. 조절밸브(40)는 솔레노이드 밸브 등과 같은 전자제어밸브로 이루어질 수 있다.
일 예에 따르면, 도 1과 같이 하나의 조절밸브(40)가 하나의 워터 인젝터(21)의 상류 측에 배치될 수 있다.
다른 예에 따르면, 도 2와 같이 복수의 조절밸브(40)가 복수의 워터 인젝터(21)의 상류 측에 개별적으로 배치될 수 있다.
물 공급부(25)는 물 공급도관(26)과, 물 공급도관(26)의 상류단에 설치된 워터 탱크(27)와, 워터 탱크(27)의 물을 워터 인젝터(21)를 향해 물을 펌핑하는 워터 펌프(28)를 포함할 수 있다.
물 공급도관(26)의 하류단은 각 조절밸브(40)의 일측에 접속되고, 물 공급도관(26)의 도중에는 워터 펌프(28), 압력레귤레이터(29a), 압력계(29b) 등이 설치될 수 있다.
공기 공급부(35)는 공기 공급도관(36)과, 공기 공급도관(36)의 상류단에 설치된 에어 탱크(37)와, 에어 탱크(37)의 공기를 가압하는 압축기(38)를 포함할 수 있다.
공기 공급도관(36)의 하류단은 각 조절밸브(40)의 타측에 접속되고, 공기 공급도관(36)의 도중에는 압축기(38), 압력레귤레이터(39) 등이 설치될 수 있다.
일 예에 따르면, 도 1과 같이 하나의 조절밸브(40) 및 하나의 워터 인젝터(21)가 흡기계의 흡기도관(2)에 배치된 경우에, 물 공급도관(26)의 하류단이 조절밸브(40)의 일측에 접속되고, 공기 공급도관(36)의 하류단이 조절밸브(40)의 타측에 접속될 수 있다.
다른 예에 따르면, 도 2와 같이 복수의 조절밸브(40) 및 복수의 워터 인젝터(21)가 흡기계의 흡기매니폴드(3d)에 배치된 경우에, 물 공급도관(26)의 하류단에 복수의 분기관(26a)이 분기되고, 각 분기관(26a)은 각 조절밸브(40)의 일측에 개별적으로 접속될 수 있다. 그리고, 공기 공급도관(36)의 하류단에 복수의 분사관(36a)이 분기되고, 각 분기관(36a)은 각 조절밸브(40)의 타측에 개별적으로 접속될 수 있다.
엔진(1)의 흡기계 측에는 흡기계의 습도를 측정하는 습도센서(71) 및 흡기계의 온도를 측정하는 온도센서(72)가 설치될 수 있다.
습도센서(71)는 흡기도관(2)의 일측에 설치될 수 있고, 습도센서(71)는 인터쿨러(3c)의 하류단과 흡기 매니폴드(3d) 사이에 배치될 수 있다. 온도센서(72)는 흡기 매니폴드(3d)의 일측에 설치될 수 있다.
제어부(미도시)는 습도센서(71)에 의해 측정된 습도 및 온도센서(72)에 의해 측정된 온도를 표준조건으로 설정된 물 분사량 맵에 대입하여 조절밸브(40)의 개도를 조절함으로써 워터 인젝터(21)의 물 분사량을 제어할 수 있다.
EGR유닛(90)은 배기도관(6)과 흡기도관(2) 사이에 연결된 EGR도관(91)과, EGR도관(91)에 설치된 EGR쿨러(92)와, EGR쿨러(92)의 하류 측에 설치된 EGR밸브(93)를 포함할 수 있다.
EGR도관(91)의 일측에는 연결관(96)이 연결되고, 연결관(96)의 단부에는 응축수 탱크(95)가 설치될 수 있다. 응축수 탱크(95)에는 EGR가스와 흡기 사이의 온도차이에 의해 발생된 응축수가 수용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도 1 및 도 2에 예시된 바와 같이, EGR유닛(90)은 EGR도관(91)의 입구가 배기도관(6)에서 팽창기(7b)의 하류 측에 연결될 수 있고, EGR도관(91)의 출구가 흡기도관(2)에서 압축기(3b)의 상류 측에 연결됨으로써 저압 EGR루프를 구성할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, EGR유닛(90)은 EGR도관(91)의 입구가 배기도관(6)에서 팽창기(7b)의 상류 측에 연결될 수 있고, EGR도관(91)의 출구가 흡기도관(2)에서 압축기(3b)의 하류 측에 연결됨으로써 고압 EGR루프를 구성할 수도 있다.
일 예에 따르면, 연결관(96)은 EGR도관(91)의 일측에서 연결될 수 있고, 연결관(96)과 EGR도관(91)의 연결지점은 EGR쿨러(92)와 EGR밸브(93) 사이에 위치할 수 있다.
EGR도관(91) 및 연결관(96)의 연결지점에는 EGR가스 내에 함유된 수분을 분리하는 수분리기(94)가 설치될 수도 있고, 이러한 수분리기(94)에 의해 응축수의 포집을 더욱 효과적으로 수행할 수 있다.
EGR도관(91)과 흡기도관(2)이 연결된 부분에는 믹싱부(100)가 설치될 수 있고, 믹싱부(100)는 EGR도관(91)을 통과하는 고온의 EGR가스와 흡기도관(2)을 통해 유입되는 저온의 흡기를 원활하게 혼합하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 믹싱부(100)는 EGR도관(91)과 흡기도관(2)이 접속되는 믹싱챔버(110)를 포함할 수 있다. 믹싱챔버(110)의 단면적이 EGR도관(91)의 단면적 및 흡기도관(2)의 단면적 보다 크게 구성될 수 있고, 이에 EGR도관(91)을 통과한 EGR가스와 흡기도관(2)을 통해 유입된 흡기는 믹싱챔버(110) 내에서 보다 원활하게 혼합될 수 있다.
믹싱부(100) 내에서 고온의 EGR가스와 저온의 흡기가 혼합될 때 EGR가스와 흡기 사이의 온도차이로 인해 응축수가 발생할 수 있고, 이렇게 발생한 응축수는 수분리기(94) 및/또는 응축수탱크(95)로 이송될 수 있다.
일 예에 따르면, 수분리기(94) 및/또는 응축수탱크(95)는 믹싱부(100)의 하부에 위치할 수 있고, 이에 믹싱부(100)에서 발생된 응축수는 자중에 의해 수분리기(94) 및/또는 응축수탱크(95)로 원활하게 흘러내릴 수 있다.
EGR유닛(90)의 응축수 탱크(95)와 워터 인젝션유닛(20)의 워터 탱크(27) 사이에는 응축수 공급도관(81)이 연결되고, 응축수 공급도관(81)의 도중에는 응축수 탱크로(95)로부터 워터 탱크(27) 측으로 응축수를 펌핑하기 위한 펌프(82)가 설치될 수 있다. 제어부(미도시)는 워터 인젝션유닛(20)의 워터 탱크(27)의 수위 변화를 검출하고, 그 검출된 수위 변화에 따라 펌프(82)의 작동, 회전수 내지 토크 등을 제어함으로써 응축수 탱크(95)의 응축수를 워터 인젝션유닛(20)의 워터 탱크(27) 측으로 선택적이고 가변적으로 공급할 수 있다.
이에 의해, EGR가스와 흡기의 온도차이에 의해 생성된 응축수를 응축수 탱크(95)에 포집한 후에, 상황에 따라 응축수 탱크(95) 내에 포집된 응축수를 워터 인젝션유닛(20)의 워터 탱크(27) 측으로 선택적이고 가변적으로 공급할 수 있고, 이를 통해 워터 인젝션유닛(20)에 의해 엔진(1)의 흡기계 측으로 분사되는 물의 공급량을 안정적으로 확보할 수 있다.
또한, 응축수 탱크(95)의 응축수가 워터 탱크(27) 측으로 필요에 따라 가변적으로 공급될 수 있으므로 워터 탱크(27)의 용량을 소형으로 구성하더라도 엔진(1)의 흡기계에서 요구되는 물 분사량(예컨대, 1일 평균 연료소모량의 30%이상에 해당하는 물 분사량)을 충분히 확보할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 응축수 탱크(95)의 응축수를 워터 인젝션유닛(20)의 워터 탱크(27) 측으로 공급가능함에 따라 물 분사량을 만족시킴으로써 엔진(1)의 저온연소를 향상시킬 수 있고, 이를 통해 연료소모 저감, NOx 등과 같은 에미션(emission)의 저감을 효과적으로 개선할 수 있다.
그리고, 본 발명은 필요에 따라 선택적이고 가변적으로 응축수 탱크(95)의 응축수를 워터 탱크(27) 측으로 공급할 수 있으므로 워터 탱크(27)의 용량(사이즈)를 대폭 축소할 수 있으므로 엔진(1)의 주변에서 워터 인젝션유닛(20)의 설치공간을 안정적으로 확보할 수 있다.
한편, 응축수 탱크(95)에는 제1액체 보충도관(51)이 연결될 수 있고, 외부의 액체원으로부터 공급되는 액체가 제1액체 보충도관(51)을 통해 응축수 탱크(95)에 보충될 수 있다. 일 예에 따르면, 응축수 탱크(95)에 보충되는 액체는 물 및 함산소연료(Oxygenated Fuel) 중에서 적어도 하나일 수 있다. 다른 예에 따르면, 응축수 탱크(95)에 보충되는 액체는 물과 함산소연료(Oxygenated Fuel)의 혼합물일 수 있다.
실시예에 따르면, 함산소연료는 60%의 물과 40%의 알코올이 함유된 알코올류일 수 있다. 그외에 함산소연료는 MTBE(methyl tertiary butyl ether), 에탄올, TAME(tertiary amyl methyl ether), ETBE(ethyl tertiary butyl ether) 등을 사용할 수도 있다.
예컨대, 제1액체 보충도관(51)을 통해 물이 응축수 탱크(95) 내로 보충될 경우에는 저온 연소를 더욱 강화시켜 NOx 저감효과를 더욱 높일 수 있다.
예컨대, 제1액체 보충도관(51)을 통해 함산소연료가 응축수 탱크(95) 내로 보충될 경우에는 연소효율 및 스모크 개선 등을 효과적으로 도모할 수 있다.
또한, 물 공급부(25)의 워터 탱크(27)에는 제2액체 보충도관(52)이 연결될 수 있고, 외부의 액체원으로부터 공급되는 액체가 제2액체 보충도관(52)을 통해 우터 탱크(27)에 보충될 수 있다. 일 예에 따르면, 워터 탱크(27)에 보충되는 액체는 물 및 함산소연료(Oxygenated Fuel) 중에서 적어도 하나일 수 있다. 다른 예에 따르면, 워터 탱크(27)에 보충되는 액체는 물과 함산소연료(Oxygenated Fuel)의 혼합물일 수 있다.
실시예에 따르면, 함산소연료는 60%의 물과 40%의 알코올이 함유된 알코올류일 수 있다. 그외에 함산소연료는 MTBE(methyl tertiary butyl ether), 에탄올, TAME(tertiary amyl methyl ether), ETBE(ethyl tertiary butyl ether) 등을 사용할 수도 있다.
예컨대, 제2액체 보충도관(52)을 통해 물이 워터 탱크(27) 내로 보충될 경우에는 저온 연소를 더욱 강화시켜 NOx 저감효과를 더욱 높일 수 있다.
예컨대, 제2액체 보충도관(52)을 통해 함산소연료가 워터 탱크(27) 내로 보충될 경우에는 연소효율 및 스모크 개선 등을 효과적으로 도모할 수 있다.
저온 조건(예컨대, 흡기 온도가 0℃미만 조건)에서 응축수 탱크(95)에서 응축수 등의 빙결(icing)이 발생할 수 있다. 본 발명에 의하면, 응축수 탱크(95)에서 빙결의 발생을 방지하기 위하여, 응축수 탱크(95)를 적절한 온도로 히팅할 필요가 있다. 이와 같이, 응축수 탱크(95)의 히팅을 위하여 본 발명은 응축수 탱크(95)에 설치된 제1히팅도관(61)을 포함할 수 있다.
제1히팅도관(61)은 응축수 탱크(95)의 내부 또는 외면에 나선형 구조로 설치될 수 있다. 이러한 제1히팅도관(61)에는 엔진 냉각수가 순환할 수 있고, 엔진 냉각수가 제1히팅도관(61)을 순환하면서 응축수 탱크(95) 내의 응축수를 일정 온도로 히팅함으로써 응축수 탱크(95) 내의 응축수가 저온조건(예컨대, 0℃미만의 조건)에서 빙결(icing)됨을 방지할 수 있다.
제1히팅도관(61)의 입구측에는 제1냉각수 제어밸브(63)가 설치되며, 이러한 제1냉각수 제어밸브(63)의 개도 조절, 개폐 조작 등을 통해 제1히팅도관(61)으로 유입되는 엔진 냉각수의 유입, 유량, 순환 등이 제어될 수 있다.
저온 조건(예컨대, 흡기 온도가 0℃미만 조건)에서 믹싱부(100)에서 빙결(icing)이 발생할 수 있다. 본 발명에 의하면, 믹싱부(100)에서의 빙결을 방지하기 위하여, 믹싱부(100)의 믹싱챔버(110)를 적절한 온도로 히팅할 필요가 있다. 이와 같이, 믹싱부(100)의 히팅을 위하여 본 발명은 믹싱챔버(110)에 설치된 제2히팅도관(62)을 포함할 수 있다.
믹싱부(100)의 믹싱챔버(110)에는 제2히팅도관(62)이 설치될 수 있고, 제2히팅도관(62)은 믹싱챔버(110)의 내부 또는 외면에 나선형 구조로 설치될 수 있다. 이러한 제2히팅도관(62)에는 엔진 냉각수가 순환할 수 있고, 엔진 냉각수가 제2히팅도관(62)을 순환하면서 응축수 탱크(95) 내의 응축수를 일정 온도로 히팅함으로써 응축수 탱크(95) 내의 응축수가 저온조건(예컨대, 0℃미만의 조건)에서 빙결(icing)됨을 방지할 수 있다.
제2히팅도관(62)의 입구측에는 제2냉각수 제어밸브(64)가 설치되며, 이러한 제2냉각수 제어밸브(64)의 개도 조절, 개폐 조작 등을 통해 제2히팅도관(62)으로 유입되는 엔진 냉각수의 유입, 유량, 순환 등이 제어될 수 있다.
제1히팅도관(61) 및 제2히팅도관(62)에는 엔진 냉각수 도관을 통해 엔진의 워터자켓(water jacket)에 연결될 수 있고, 이에 제1히팅도관(61) 및 제2히팅도관(62)에는 엔진의 워터자켓을 통과하는 엔진 냉각수가 순환할 수 있다. 특히, 제1히팅도관(61) 및 제2히팅도관(62)은 엔진 냉각수 도관을 통해 엔진의 워터자켓에 대해 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템의 제1히팅도관(61) 및 제2히팅도관(62)을 통과하는 엔진 냉각수의 순환여부, 순환 유량 등을 제어함으로써 응축수 탱크(95) 및 믹싱챔버(110)의 빙결을 방지하는 운전방법을 도시한 순서도이다.
도 3을 참조하면, 온도센서(72)에 의해 엔진(1)의 흡기계로 유입되는 흡기 온도를 측정할 수 있고, 제어부(미도시)는 흡기 온도가 제1기준온도(T1) 보다 작은지를 판단한다(S1).
여기서, 제1기준온도(T1)는 응축수 탱크(95), 믹싱부(100)가 저온 조건에 노출되는 지를 판단하기 위한 기준온도이다. 예컨대, 제1기준온도(T1)는 0℃ 정도로 설정될 수 있다.
S1 단계에서 흡기 온도가 제1기준온도(T1) 보다 큰 것으로 판단되면 제어부(미도시)는 제1 및 제2 히팅도관(61, 62)의 제1 및 제2 냉각수 제어밸브(63, 64)를 폐쇄하도록 제어할 수 있다(S1-1). 이에 따라, 제1 및 제2 히팅도관(61, 62)으로 엔진 냉각수의 공급이 차단될 수 있다.
S1 단계에서 흡기 온도가 제1기준온도(T1) 보다 작은 것으로 판단되면 제어부(미도시)는 제1 및 제2 히팅도관(61, 62)을 순환하는 엔진 냉각수의 온도가 제2기준온도(T2) 보다 큰지를 판단한다(S2).
여기서, 제2기준온도(T2)는 엔진 냉각수가 과열상태인지를 판단하기 위한 기준온도이다. 예컨대, 제2기준온도(T2)는 80℃ 정도로 설정될 수 있다.
S2 단계에서 엔진 냉각수가 제2기준온도(T2) 보다 큰 것으로 판단되면, 즉 엔진 냉각수가 과열상태인 것으로 판단되면 제어부(미도시)는 제1 및 제2 냉각수 제어밸브(63, 64)를 폐쇄하도록 제어한다(S2-1). 이에 따라, 제1 및 제2 히팅도관(61, 62)으로 엔진 냉각수의 공급이 차단될 수 있다.
S2 단계에서 엔진 냉각수가 제2기준온도(T2) 보다 작은 것으로 판단되면, 즉 엔진 냉각수가 과열상태가 아닌 것으로 판단되면 제어부(미도시)는 제1 및 제2 냉각수 제어밸브(63, 64)의 개도를 조절함으로써 제1 및 제2 히팅도관(61, 62)을 순환하는 엔진 냉각수의 유량을 설정시간 동안 제어한다(S3).
엔진 냉악수의 유량을 설정 시간동안 제어한 후에, 제어부(미도시)는 믹싱부(100)의 온도가 제3기준온도(T3) 이상인 지를 판단한다(S4).
여기서, 제3기준온도(T3)는 믹싱부(100)의 믹싱챔버(110) 내에서 빙결이 발생가능한 저온조건인지를 판단하기 위한 기준온도이다. 예컨대, 제3기준온도(T3)는 0℃일 수 있다.
S4 단계에서, 믹싱부(100)의 온도가 제3기준온도(T3) 이상인 것으로 판단되면 제어부(미도시)는 믹싱부(100)에서 빙결이 발생되지 않을 것으로 판단하여 제1 및 제2 냉각수 제어밸브(63, 64)를 폐쇄하도록 제어한다(S5).
S4 단계에서, 믹싱부(100)의 온도가 제3기준온도(T3) 보다 작은 것으로 판단되면 제어부(미도시)는 S3단계로 리턴하도록 제어한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 엔진 시스템 20: 워터 인젝션유닛
21: 워터 인젝터 25: 물 공급부
35: 공기 공급부 40: 조절밸브
51: 제1액체 보충도관 52: 제2액체 보충도관
61: 제1히팅도관 62: 제2히팅도관
90: EGR유닛 91: EGR도관
92: EGR쿨러 93; EGR밸브
94: 수분리기 95: 응축수 탱크
100: 믹싱부 110: 믹싱챔버

Claims (16)

  1. 엔진;
    상기 엔진의 흡기계 또는 기통 측으로 물을 분사하는 워터 인젝터 및 상기 워터 인젝터 측으로 공급되는 물을 저장하는 워터 탱크를 가진 워터 인젝션유닛;
    상기 엔진의 흡기도관과 배기도관 사이를 연결하는 EGR도관과, EGR도관에 설치된 EGR쿨러 및 EGR밸브를 가진 EGR유닛; 및
    상기 EGR도관의 일측에 연결되어 EGR도관을 통과하는 EGR가스와 엔진의 흡기도관을 통과하는 흡기 사이의 온도차이에 의해 생성된 응축수를 저장하는 응축수 탱크;을 포함하고,
    상기 응축수 탱크와 상기 워터 탱크 사이에는 응축수 공급도관이 연결되며, 상기 응축수 공급도관에는 응축수를 응축수 탱크로부터 워터 탱크로 펌핑하는 펌프가 설치되는 엔진 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 EGR도관의 일측에는 연결관이 연결되고, 상기 연결관에는 상기 응축수 탱크가 설치되는 엔진 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 연결관과 상기 EGR도관의 연결지점은 EGR쿨러와 EGR밸브 사이에 위치하는 엔진 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 연결관과 상기 EGR도관의 연결지점에는 수분리기가 설치되는 엔진 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 응축수 탱크에서 빙결의 발생을 방지하도록 상기 응축수 탱크를 히팅하는 제1히팅수단을 더 포함하는 엔진 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1히팅수단은 상기 응축수 탱크에 설치된 제1히팅도관이고, 상기 제1히팅도관에는 엔진 냉각수가 순환가능하게 구성된 엔진 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 응축수 탱크에는 외부의 액체원으로부터 액체를 보충할 수 있는 제1액체 보충도관이 연결되는 엔진 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 액체는 물 및 함산소연료(Oxygenated Fuel) 중에서 적어도 하나인 엔진 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 워터 탱크에는 외부의 액체원으로부터 액체를 보충할 수 있는 제2액체 보충도관이 연결되는 엔진 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 액체는 물 및 함산소연료(Oxygenated Fuel) 중에서 적어도 하나인 엔진 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 EGR도관과 상기 엔진의 흡기도관이 연결된 부분에 설치된 믹싱부를 더 포함하는 엔진 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 믹싱부는 EGR도관을 통과하는 고온의 EGR가스와 흡기도관을 통해 유입되는 저온의 흡기를 혼합하는 믹싱챔버를 포함하는 엔진 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 믹싱부에서 빙결의 발생을 방지하도록 상기 믹싱챔버를 히팅하는 제2히팅수단을 더 포함하는 엔진 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제2히팅수단은 상기 믹싱챔버에 설치된 제2히팅도관이고, 상기 제2히팅도관에는 엔진 냉각수가 순환가능하게 구성된 엔진 시스템.
  15. 엔진 측으로 물을 분사하는 워터 인젝터 및 상기 워터 인젝터 측으로 공급되는 물을 저장하는 워터 탱크를 가진 워터 인젝션유닛과, 상기 엔진의 흡기도관과 배기도관 사이를 연결하는 EGR도관을 가진 EGR유닛과, 상기 EGR유닛에 연결되어 EGR가스 및 흡기 사이의 온도차이에 의해 생성된 응축수를 수용하는 응축수 탱크와, 상기 응축수 탱크와 상기 워터 탱크 사이를 연결하는 응축수 공급도관과, 상기 EGR도관 및 상기 엔진의 흡기도관이 연결된 부분에 설치된 믹싱부와, 상기 응축수 탱크에 설치되어 엔진 냉각수가 순환가능한 제1히팅도관과, 상기 믹싱부에 설치되어 엔진 냉각수가 순환가능한 제2히팅도관을 가진 엔진 시스템의 운전방법으로,
    흡기온도가 제1기준온도 보다 작으면 엔진 냉각수의 온도가 제2기준온도 보다 큰지를 판단하고,
    엔진 냉각수의 온도가 제2기준온도 보다 크면 제1 및 제2 히팅도관을 순환하는 엔진 냉각수의 유량을 제어하며,
    상기 제1기준온도는 응축수 탱크 및 믹싱부가 저온 조건에 노출되는 지를 판단하는 기준온도이고, 상기 제2기준온도는 엔진 냉각수가 과열상태인지를 판단하기 위한 기준온도인 엔진 시스템의 운전방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    엔진 냉각수의 유량을 설정 시간동안 제어한 후에 믹싱부의 온도가 제3기준온도 이상이면 제1 및 제2 히팅도관으로 엔진 냉각수가 유입됨을 차단하고,
    상기 제3기준온도는 믹싱부에서 빙결이 발생하지 않는 온도인 엔진 시스템의 운전방법.
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