KR102651933B1 - 내부연소 엔진용 냉각 시스템 및 관련된 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내부연소 엔진(internal combustion engine)(1)용 냉각 시스템(39)에 관한 것으로서, 상기 내부연소 엔진(1)은 두 개의 가스 순환 라인(gas circulation line)(7, 9)을 포함하고, 상기 냉각 시스템(39)은 상기 두 개의 가스 순환 라인(7, 9)에 개별적으로 연결된 두 개의 열교환기(17, 35)를 포함하며, 또한 상기 냉각 시스템(39)은 내부에서 열전달 유체가 순환하는 써킷(circuit)(55)을 포함하며,
상기 써킷(55)은:
상기 두 개의 열교환기들(17, 35)을 위하여 작동하고 두 개의 단부를 구비한 열교환 섹션(heat exchange section)(37)으로서, 상기 두 개의 단부 각각은 밸브(79, 81)에 연결되는, 열교환 섹션(37);
상기 두 개의 밸브(79, 81)에 연결되고 엔진(1)을 위하여 작동하는 메인 브랜치(main branch)(91); 및
상기 두 개의 밸브(79, 81)에 연결되는 바이패스 브랜치(bypass branch)(83);를 포함하고,
상기 냉각 시스템(39)은:
상기 두 개의 밸브(79, 81)가 열전달 유체로 하여금 메인 브랜치(91) 및 열교환 섹션(37)에서 순환함을 허용하는 일반 작동 상태(normal operating state)와, 상기 두 개의 밸브(79, 81)가 열전달 유체로 하여금 메인 브랜치(91) 및 바이패스 브랜치(83)에서 순환함을 허용하는 예열 상태(preheating state) 사이에서, 상기 두 개의 밸브(79, 81)를 제어할 수 있는 콘트롤러(77);를 더 포함한다.
또한 본 발명은 상기 냉각 시스템을 제어하는 방법에 관한 것이기도 하다.

Description

내부연소 엔진용 냉각 시스템 및 관련된 제어방법
본 발명은 일반적으로 내부연소 엔진용 냉각 시스템 분야에 관한 것이다.
구체적으로, 본 발명은 내부연소 엔진용 냉각 시스템에 관한 것으로서, 상기 내부연소 엔진은 두 개의 가스 순환 라인을 포함하고, 상기 냉각 시스템은 두 개의 열교환기를 포함하며, 상기 열교환기 각각은 두 개의 가스 순환 라인과, 내부에서 열전달 유체가 순환하는 써킷에 연결된다.
또한 본 발명은 냉각 시스템을 제어하는 방법에 관한 것이다.
자동차의 내부연소 엔진의 냉간 시동(cold start-up) 동안에는, 엔진 온도가 대기 온도에 가깝다. 상기 대기 온도는 일반적으로 엔진의 최적 작동 온도와 상이하다.
그러나, 엔진은 연료 소비 및 오염물 배출을 감소시키기 위한 최적의 작동 온도를 갖는다.
내부연소 엔진에는 일반적으로 엔진의 실린더들로의 공급을 위한 신선 공기 흡입부(fresh air intake)가 구비되는 것이 통상적이다. 후속하여, 실린더들 내에서 연소된 가스의 일부는 배기 라인(exhaust line) 내에서 순환하는바, 여기에서 연소 가스는 대기 중으로 배출되기 전에 오염제거(depollution)된다. 연소 가스의 다른 일부는 배기 가스 재순환 라인(exhaust gas recirculation line) 내에서 순환하고, 공기를 실린더들로 공급한다.
실린더들로부터 나올때, 연소 가스의 온도는 수백도에 달한다.
문헌 US 2011/0139133 에는 전술된 내부연소 엔진이 개시되어 있는데, 여기에도 특정의 냉각 시스템이 구비되어 있다. 엔진의 냉간 시동 동안, 이 "냉각" 시스템은 연소 가스에 의해 방출되는 열을 이용하여 엔진을 가열하는데 이용된다.
이를 위하여, 상기 냉각 시스템은 재순환 라인 주위로 열전달 유체를 순환시키는 열교환기를 포함하며, 상기 재순환 라인은 열전달 유체가 연소 가스로부터 열의 일부를 복구함을 가능하게 한다. 후속하여, 열전달 유체는 실린더들 주위를 순환하고 복구될 열의 일부를 실린더들에 부여한다.
시동 동안에 발생하는 상기 열교환에 의하여, 엔진이 보다 신속하게 최적 작동 온도에 도달함이 가능하게 된다.
그럼에도 불구하고, 본 발명은 위와 같은 냉각 시스템의 성능을 개선시킴을 목적으로 하는바, 구체적으로는 엔진이 올바른 작동 온도에 도달하는데 필요한 시간을 감소시킴으로써 개선시킨다.
상기 목적을 위하여 본 발명에 의하여 도입부에서 제시된 유형의 냉각 시스템을 제안하는바, 여기에서 써킷은:
상기 두 개의 열교환기들을 위하여 작동하고 두 개의 단부를 구비한 열교환 섹션(heat exchange section)으로서, 상기 두 개의 단부 각각은 밸브에 연결되는, 열교환 섹션;
상기 두 개의 밸브에 연결되고 엔진을 위하여 작동하는 메인 브랜치(main branch); 및
상기 열교환 섹션에 대해 병렬적으로 그리고 상기 메인 브랜치와는 별도로, 상기 두 개의 밸브에 연결되는 바이패스 브랜치(bypass branch);를 포함하고,
상기 냉각 시스템은:
상기 두 개의 밸브가 열전달 유체로 하여금 메인 브랜치 및 열교환 섹션에서 순환함을 허용하는 일반 작동 상태(normal operating state)와, 상기 두 개의 밸브가 열전달 유체로 하여금 메인 브랜치 및 바이패스 브랜치에서 순환함을 허용하는 예열 상태(preheating state) 사이에서, 상기 두 개의 밸브를 제어할 수 있는 콘트롤러;를 더 포함한다.
예열 상태에서는, 상기 두 개의 밸브들에 의하여 냉각 써킷이 형성되고, 상기 냉각 써킷 내에서는 열전달 유체가 열교환 섹션을 우회(bypass)하면서 순환하므로, 상기 두 개의 열교환기들에서 열교환이 이루어진다. 상기 써킷 내에서 순환하는 열전달 유체가 엔진을 냉각시키는 동안에, 상기 두 개의 열교환기 내에 위치한 유체의 온도는 열교환기들 내에서 순환하는 가스와의 열교환에 의하여 신속히 상승한다.
실제에서, 연소 가스는 상기 두 개의 가스 순환 라인 중 하나를 통하여 고온으로 열교환기들 중 하나에 진입한다. 상기 신선 흡입 공기는 상기 두 개의 가스 순환 라인 중 다른 하나를 통하여 저온으로 다른 열교환기에 진입한다.
상기 두 가지 유형의 가스는 상기 두 개의 열교환기들 내에서 순환하는 열전달 유체 덕분에 열을 교환할 수 있다. 구체적으로, 연소 가스가 상기 열전달 유체에 의하여 신선 흡입 공기를 가열한다.
이와 같은 열교환은 두 가지 주된 장점을 갖는데, 흡입 라인 내에서 순환하는 신선 공기를 가열함으로써 가스의 연소가 최적으로 되어 공급원(연소)에서 오염물이 감소됨을 가능하게 한다. 연소 온도가 높을 수록, 연소 가스의 오염제거가 보다 신속히 개시된다.
또한, 내부연소 엔진의 전체적인 온도도 보다 신속히 상승하게 됨을 보장할 수 있는데, 이것은 엔진의 최적 작동 온도에 보다 신속히 도달함을 가능하게 한다. 이를 위하여, 열전달 유체는 예열 상태에서 가열된다. 오일 써킷의 윤활유도 예열 상태에서 냉각 시스템에 의하여 가열될 수 있다. 또한, 오일 써킷의 온도를 증가시킴으로써, 윤활유의 점도가 감소하는데, 이로 인하여 마찰 손실이 감소됨이 가능하게 되고, 이로써 내부연소 엔진의 성능이 향상된다.
본 발명에 따른 냉각 시스템의 추가적인, 비제한적이고 유리한 특징들은 다음과 같은바, 이들은 개별적으로 또는 모든 기술적으로 가능한 조합에 따라서 적용될 수 있다.
- 상기 써킷은 숏-써킷 브랜치(short-circuiting branch)를 포함하는바, 이것은 상기 두 개의 열교환기들을 통과하는 열교환 섹션에 대해 병렬적으로 상기 두 개의 밸브에 연결된다. 예열 상태에서는 상기 두 개의 밸브가 열전달 유체로 하여금 숏-써킷 브랜치 및 열교환 섹션에서 순환함을 허용한다.
그러면 상기 열교환 섹션과 숏-써킷 브랜치는 실질적으로 폐쇄된 유체 순환 루프를 형성한다. 따라서, 한편으로는 연소 가스와 열전달 유체 사이에서, 그리고 다른 한편으로는 열전달 유체와 신선 공기 사이에서의 열교환이 향상되고, 열전달 유체의 온도, 그리고 이에 따라 엔진의 온도 상승이 신속하게 된다.
- 또한, 상기 숏-써킷 브랜치에는 펌프가 제공된다. 열전달 유체가 실질적으로 폐쇄된 루프 내에서 순환함을 가능하게 함으로써, 국부적인 핫 스폿의 발생이 방지된다.
- 또한, 상기 열교환 섹션에 온도 프로브가 제공된다.
- 상기 예열 단계의 종료는, 열교환 섹션 내에 존재하는 열전달 유체의 온도의 함수로서 결정된다.
나아가,
- 상기 두 개의 열교환기들은 공통 인클로저 안에 배치된다.
- 상기 두 개의 열교환기들 각각은 개별 인클로저를 포함하고, 상기 두 개의 인클로저는 열전달 수단에 의해 연결된다.
- 상기 두 개의 열교환기들 각각은 열전달 유체의 유입부 및 유출부를 포함하고, 상기 열교환기들 중 하나의 유출부는 열교환기들 중 다른 하나의 유입부에 연결된다.
- 상기 두 개의 열교환기들 각각은 열전달 유체의 유입부 및 유출부를 포함하고, 상기 유입부들은 동일한 유입부 브랜치 파이프에 연결되며, 상기 유출부들은 동일한 유출부 브랜치 파이프에 연결된다.
또한 본 발명에 의하여 상기 냉각 시스템을 제어하기 위한 방법이 제안되는바, 이 방법은 내부연소 엔진의 시동 시에:
a) 상기 온도 프로브를 이용하여 열전달 유체의 온도를 측정하는, 측정 단계;
b) 상기 측정된 온도가 온도 문턱값(temperature threshold)(Ts1) 미만인 때에, 상기 콘트롤러에 의하여 상기 두 개의 밸브를 예열 상태로 제어하는, 예열 상태 제어단계; 및
c) 상기 측정된 온도가 온도 문턱값(Ts1) 초과인 때에, 상기 콘트롤러에 의하여 상기 두 개의 밸브를 일반 작동 상태로 제어하는, 일반 작동 상태 제어단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 냉각 시스템을 제어하기 위한 방법의 추가적인, 비제한적이고 유리한 특징은 개별적으로 또는 모든 기술적으로 가능한 조합으로서 구현될 수 있는바, 예를 들어 본 발명에 의하여 상기 냉각 시스템을 제어하기 위한 다른 방법이 제안되는바, 이 방법은 내부연소 엔진의 시동 시에:
a) 내부연소 엔진/내부연소 엔진이 구비된 자동차 외부의 온도를 측정하는, 측정 단계;
b) 상기 측정된 외부 온도가 다른 온도 문턱값(Ts2) 미만인 때에, 상기 콘트롤러에 의하여 상기 두 개의 밸브를 예열 상태로 제어하는, 예열 상태 제어단계; 및
c) 상기 측정된 외부 온도가 상기 다른 온도 문턱값(Ts2) 초과인 때에, 상기 콘트롤러에 의하여 상기 두 개의 밸브를 일반 작동 상태로 제어하는, 일반 작동 상태 제어단계;를 포함한다.
하기의 첨부 도면들을 참조로 하여 제공되는 아래의 설명은 본 발명의 내용에 대해 설명하고 본 발명이 어떻게 실시될 수 있는지에 대해 설명하기 위하여 비제한적인 예로서 제공되는 것이다.
도 1 에는 본 발명에 따른 냉각 시스템을 포함하는 내부연소 엔진의 개략도가 도시되어 있다.
도 2 에는 내부연소 엔진을 냉각시키기 위한 시스템이 도시되어 있다.
도 3 에는 예열 상태에서의 냉각 시스템이 도시되어 있다.
도 4 에는 일반 작동 상태에서의 냉각 시스템이 도시되어 있다.
도 5 및 도 6 에는 냉각 시스템의 열교환기의 대안적인 실시예의 개략도들이 도시되어 있다.
아래의 설명에서, "상류" 및 "하류"라는 용어는 대기로부터 신선 공기를 흡입하는 지점으로부터 연소 가스를 대기로 배출시키기까지, 가스의 유동 방향을 기준으로 사용된다.
엔진 내에 배치된 다양한 장치들의 유입부 및 유출부는 다양한 유체의 순환 방향을 기준으로 정의된다.
도 1 에는 자동차의 내부연소 엔진(1)(이하, 엔진(1)으로 호칭되기도 한다)이 도시되어 있다. 이 엔진(1)은 크랭크케이스(crankcase)(3)를 포함하고, 본 경우에서 크랭크케이스(3)에는 세 개의 실린더(5)가 제공된다. 크랭크케이스(3)는 더 많거나 적은 실린더를 포함할 수 있다. 상기 엔진(1)은 실린더 헤드(미도시)를 더 포함한다.
실린더(5)의 상류측에서, 엔진(1)은 흡입 라인(intake line)(7)을 포함하며, 이것은 대기 중으로부터 신선 공기를 흡입하여 공기 배분기(11)에 의해 실린더(5)들로 공급한다.
상기 흡입 라인(7)은 공기 유동 방향에서, 대기로부터 흡입된 신선 공기를 필터링하는 공기 필터(13), 공기 필터(13)에 의하여 필터링된 신선 공기를 압축하는 메인 압축기(15), 상기 압축된 신선 공기를 냉각시키는 열교환기(35), 및 공기 배분기(11) 안으로 나오는 신선 공기의 유동을 제어하는 쓰로틀 몸체(throttle body)(19)를 포함한다.
실린더(5)들의 유출부에서, 엔진(1)은 실린더(5)들 내에서 이전에 연소된 가스가 나오는 배기 매니폴드(exhaust manifold)(21)를 포함한다. 배기 매니폴드(21)는 배기 라인(23)과 재순환 라인(9)에 연소 가스를 공급한다.
메인 압축기(15)의 상류측에서 상기 신선 공기는 배기 라인(23) 내의 오염제거 요소(29)의 하류측에서 취해진 연소 가스와 혼합될 수 있다. 상기 연소 가스는 "저압" 가스라 호칭한다.
배기 라인(23)은 배기 가스 유동 방향에서 터빈(27)을 포함하는데, 이것은 메인 압축기(15)와, 예를 들어 촉매 컨버터(catalytic converter)인 연소 가스를 위한 오염제거 요소(29)를 구동한다.
연소 가스를 위한 재순환 라인(9)은 배기 매니폴드(21)로부터 공기 배분기(11)로 연장된다. 오염제거 요소(29)의 상류측에서 배기 매니폴드(21)로부터 취해진 연소 가스는 "고압 연소" 가스라 호칭한다.
재순환 라인(9)은, 대기중으로 오염물이 배출됨을 감소시키기 위하여 엔진(1)에 연소 가스가 공급되도록 하기 위해서, 연소 가스의 일부가 복구됨을 가능하게 한다.
재순환 라인(9)은 연소 가스의 유동 방향에서, 연소 가스의 유동이 통제됨을 가능하게 하는 밸브(25)와, (본 경우에서는 "고압 연소" 가스인) 상기 연소 가스를 냉각시키는 다른 열교환기(17)를 포함한다.
쓰로틀 몸체(19)와 밸브(25)는 콘트롤 유닛(미도시)에 의하여 제어되는데, 콘트롤 유닛은 기록된 지시를 수행함으로써, 쓰로틀 몸체(19)와 밸브(25)의 개도(열린 정도)를 제어하고, 이에 따라 흡입 라인(7) acl 재순환 라인(9) 내의 가스들의 유동을 통제한다.
바람직하게는, 상기 두 개의 열교환기들(17, 35)이 서로의 옆에 나란히 배치되는데, 이것은 두 개의 열교환기를 포함하는 냉각용 써킷의 부피를 감소시키기 위한 것이다.
상기 두 개의 열교환기들(17, 35)은 엔진(1) 외부에 배치된다.
도 2 에는 상기 내부연소 엔진(1)을 냉각시키기 위한 시스템(39)이 도시되어 있다.
이 냉각 시스템(39)은 두 개의 열교환기들(17, 35)과, 내부에서 열전달 유체가 순환하는 써킷(55)을 포함한다.
써킷(55)은, 엔진(1)을 위한 메인 브랜치(91)와, 상기 두 개의 열교환기들(17, 35)을 위한, 또는 열교환기들(17, 35)을 통과하는 열교환 섹션(37)을 포함한다.
열교환 섹션(37)은 두 개의 단부를 갖는다. 상기 두 개의 단부들 각각은 밸브(79, 81)에 연결된다. 밸브들(79, 81)은 두 개의 열교환기들(17, 35)의 양 측에 위치한다.
실제에서, 메인 브랜치(91)는 써킷(55)에 의하여 도움을 받는 구성요소들이 연결됨을 가능하게 하는 복수의 서브-브랜치들(57, 59)을 포함한다.
본 경우에 있어서, 상기 열교환기들 중 하나(17)의 유입부(51)는 써킷(55)의 메인 브랜치(91)의 서브-브랜치(57)에 의하여, 엔진(1)의 유출부에 연결된 밸브(79)에 연결된다.
상기 두 개의 열교환기들 중 다른 하나(35)의 유출부(53)는, 열전달 유체 순환 파이프(55)의 메인 브랜치(91)의 다른 서브-브랜치(59)에 의하여, 엔진(1)의 유입부에 연결된 밸브(81)에 연결된다.
마지막으로, 일 실시예에 따르면 상기 두 개의 열교환기들 중 하나(17)의 유출부(63)는 두 개의 열교환기들 중 다른 하나(35)의 유입부(65)에 연결된다.
따라서, 두 개의 열교환기들(17, 35)은 써킷(55)의 열교환 섹션(37)에서 직렬로 연결된다.
상기 두 개의 열교환기들(17, 35) 각각은 개별 인클로저(48, 49)를 포함한다. 상기 두 개의 인클로저들(48, 49)은 챔버를 한정하는바, 상기 챔버 안에는 열전달 유체를 순환시키기 위한 써킷(24, 26)이 위치한다.
상기 챔버들 각각은 두 개의 가스 순환 라인들(7, 9) 중 일 라인에 연결된 덕트(43, 45)를 더 포함한다.
따라서, 상기 두 개의 열교환기들 중 하나(17) 내에 존재하는 열전달 유체가 가스 재순환 라인(9)으로부터 나오는 연소 가스와 열을 교환한다. 상기 두 개의 열교환기들 중 다른 하나(35) 내에 존재하는 열전달 유체는 신선 공기 흡입 라인(7)으로부터 나오는 신선 공기와 열을 교환한다.
써킷들(24, 26)이 서로 연결되어 있기 때문에, 연소 가스, 열전달 유체, 및 신선 공기가 열을 교환할 수 있다.
본 경우에 있어서 두 개의 써킷들(24, 26)은 예를 들어 히트 파이프(47)인 열전달 수단에 의하여 연결된다. 상기 히트 파이프(47)는 상기 열교환기들 중 하나(17) 내에 위치한 열전달 유체와 상기 열교환기들 중 다른 하나(35) 내에 위치하는 열전달 유체 간에 열이 교환됨을 가능하게 한다. 따라서, 히트 파이프(47)는 두 개의 써킷들(24, 26) 내의 열전달 유체의 온도가 일치되게 할 수 있다.
써킷(55)은, 메인 브랜치(91)와 별도이고 두 개의 밸브들(79, 81)에 연결되어 있는 바이패스 브랜치(83)를 더 포함한다. 구체적으로, 도 2 및 도 3 에 도시된 실시예에서, 바이패스 브랜치(83)는 밸브(79)에 직접적으로 연결되고, 서브-브랜치(59)에 의하여 밸브(81)에 연결된다.
도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이, 써킷(55)은, 두 개의 밸브들(79, 81)에 연결된 숏-써킷 브랜치(60)를 포함한다.
본 경우, 두 개의 밸브들 중 하나(79)는 두 개의 열교환기들(17, 35)의 상류측에 있는 열교환 섹션(37), 숏-써킷 브랜치(60), 바이패스 브랜치(83), 및 서브-브랜치(57) 간의 이음부(junction)(89)에 배치된 다중 채널 밸브이다. 상기 밸브(79)는 열교환 섹션(37) 및 바이패스 브랜치(83)를 향하여 순환하는 열전달 유체의 유동을 제어한다.
본 경우에 있어서 상기 두 개의 밸브들 중 다른 하나(81)는 두 개의 열교환기들(17, 35)의 하류측에 있는 숏-써킷 브랜치(60), 다른 서브-브랜치(59), 및 열교환 섹션(37) 간의 이음부(90)에 배치된 다중 채널 밸브이다. 상기 다른 밸브(81)는, 바이패스 브랜치(60) 내에서 또는 다른 서브 브랜치(59) 내에서만 순환하는 열전달 유체의 유동을 제어한다.
상기 두 개의 밸브들(79, 81)은 예를 들어 솔레노이드 밸브이다.
상기 냉각 시스템은 두 개의 밸브들(79, 81)을 제어할 수 있는 콘트롤러(77)를 더 포함한다.
일 실시예에 따르면, 콘트롤러(77)는 열전달 유체의 온도의 함수로서 일반 작동 상태와 예열 상태 간으로 상기 밸브들(79, 81)을 제어한다.
이를 위하여, 열교환 섹션(37)에 온도 프로브(78)가 배치된다. 온도 프로브(78)는 열교환 섹션(37) 내에 위치한 열전달 유체의 온도를 판별하고, 이를 냉각 시스템(39)의 콘트롤러(77)로 전달할 수 있다. 또한, 콘트롤러(77)는 온도 문턱값(Ts1, Ts2)이 기록되어 있는 메모리(미도시)를 포함하는데, 상기 온도 문턱값 아래에서는 콘트롤러(77)가 예열 상태를 개시하고, 온도 문턱값(Ts1, Ts2) 위에서는 콘트롤러(77)가 일반 작동 상태를 개시한다.
도 4 에 도시된 바와 같이, 일반 작동 상태에서는 두 개의 밸브들(79, 81)이 열전달 유체로 하여금 메인 브랜치(91) 및 열교환 섹션(37) 내에서 순환하게 한다(도 3 및 도 4 에서는, 점선으로 표시된 써킷의 부분들이 열전달 유체가 순환하지 않는 부분들이다). 그러면 연소 가스 및 압축된 신선 공기는 두 개의 열교환기들(17, 35)을 거쳐서 열전달 유체에 열을 교환, 특히 전달할 수 있다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 예열 상태에서는, 두 개의 밸브들(79, 81)이 열전달 유체로 하여금 밸브(81) 하류측의 메인 브랜치(91)와 바이패스 브랜치(83) 내에서 순환함을 가능하게 함으로써, 엔진(1)을 냉각시킬 수 있는 냉각 써킷을 형성한다.
도 3 에 도시된 실시예에서, 바이패스 브랜치(83) 및 메인 브랜치(91)는 덕트 부분(59)을 공유하는바, 여기에서는 예열 상태에서 열전달 유체가 순환하지 않는다. 진정, 예열 상태에서는 열전달 유체가 직접 메인 브랜치(91) 안으로 진행하기 위하여 바이패스 브랜치(83)를 통과한다.
또한 예열 상태에서는, 밸브들(79, 81)이 열전달 유체를 숏-써킷 브랜치(60)으로 지향시킨다. 그러면 열교환 섹션(37) 및 숏-써킷 브랜치(60)는 실질적으로 폐쇄 루프를 형성하는바, 이 안에서 열전달 유체는 한편으로는 연소 가스와 그리고 다른 한편으로는 흡입 공기와 최적으로 열을 교환함으로써, 엔진의 온도 증가를 향상시킨다.
바람직하게는, 열전달 유체를 순환시키기 위하여 그리고 열교환기들(17, 35) 내에 핫 스폿(hot spot) 또는 고온 지점을 방지하기 위하여, 숏-써킷 브랜치(60) 내에 펌프(80)가 제공된다.
아래에서는 도 3 을 참조하여 엔진(1)을 냉각시키기 위한 시스템(39)을 제어하기 위한 방법에 대해 설명한다.
엔진(1)의 시동 시, 온도 프로브(78)는 열교환 섹션(37) 내의 열전달 유체의 온도를 측정하고, 이를 콘트롤러(77)로 전송한다.
일반적으로, 특히 오랜 정지 이후에는, 열전달 유체의 온도가 대기 온도에 가깝게 된다. 이 예에서는 그 온도를 50℃ 미만이다.
온도 문턱값(Ts1)은 엔진(1)의 최적 작동 온도에 대응된다. 온도 문턱값(Ts1)은 예를 들어 80℃ 내지 100℃ 사이이다.
그러므로, 측정된 온도가 온도 문턱값(Ts1) 미만이면, 콘트롤러(77)는 두 개의 밸브들(79, 81)을 예열 상태로 제어한다 (도 3).
열전달 유체의 일부는 열교환 섹션(37) 내에서, 특히 두 개의 열교환기들(17, 35) 및 숏-써킷 브랜치(60) 내에서 고립된다. 유체의 다른 일부는 엔진(1)의 냉각을 위하여 바이패스 브랜치(83) 및 메인 브랜치(91)를 향해 보내진다. 냉각 서킷 내에서의 열전달 유체의 순환 방향은 화살표(FP1)로 표시되어 있다. 실질적으로 폐쇄된 루프 내에서의 열전달 유체의 순환 방향은 화살표(FP2)로 표시되어 있다.
그러므로, 예열 상태에서는 냉각 시스템(39)이 두 개의 순환 루프를 갖는다.
제1 루프는 엔진(1)으로 또는 엔진(1)으로부터 열전달 유체를 순환시키기 위한 메인 브랜치(91)와 바이패스 브랜치(83)를 포함한다. 제1 루프에서는, 열전달 유체가 메인 유체 펌프(미도시) 덕분에 화살표(FP1)(도 3)의 방향으로 순환한다. 따라서, 제1 루프는 열전달 유체가 열교환기들(17, 35)을 통과하지 않고서 엔진(1)이 냉각됨을 가능하게 한다.
제2 루프는 열교환 섹션(37) 및 숏-써킷 브랜치(60)를 포함한다.
유리하게는, 열전달 유체가 펌프(80) 덕분에 제2 루프에서 화살표(FP2)의 방향으로 순환한다. 제2 루프에서의 열전달 유체의 순환으로 인하여, 국부적인 핫 스폿의 발생이 방지될 수 있다. 예를 들어, 열전달 유체의 이동은, 열교환기(17) 내에 존재하여 고립된 나머지 유체보다 신속히 가열되는 열전달 유체 부분의 상태가, 상기 측정된 온도가 온도 문턱값(Ts1)과 같거나 이를 초과하기 전에 변화함을 방지할 수 있게 한다.
엔진(1)의 위와 같은 시동 직후에는, 연소 가스가 예를 들어 300℃ 정도의 높은 온도에 이미 있는 열교환기(17)에 진입한다.
신선 공기는 연소 가스의 온도보다 낮은 온도, 예를 들어 10℃ 정도의 온도로 다른 열교환기(35)에 진입한다.
그러므로, 연소 가스는 신선 공기의 온도 및 열전달 유체의 온도보다 높은 온도를 갖는다.
열교환기(17)에서, 열전달 유체는 연소 가스와 열을 교환하고, 따라서 열의 일부를 전달한다.
따라서 고립된 열전달 유체 전부는 연소 가스에 의하여 가열된다. 또한, 열교환기들 중 하나(17) 내에 존재하는 열전달 유체의 부분과 열교환기들 중 다른 하나(35)에 존재하는 열전달 유체의 부분 간의 열교환은 히트 파이프(47) 덕분에 가속된다.
상기 고립되고 가열된 열전달 유체는 그 열의 일부를 상기 다른 열교환기(35)로 전달한다. 그러므로, 신선 공기는 예를 들어 50℃ 정도의 온도로 가열된 채로 제1 열교환기(35)를 이탈한다.
상기 신선 공기를 가열함으로써, 배기 가스의 오염제거의 개시가 가속된다.
열교환기(17)로부터 이탈할때, 연소 가스는 예를 들어 250℃ 정도인, 유입부에서보다 낮은 온도를 갖는다.
온도 프로브(78)는 열교환 섹션(37) 내의 열전달 유체의 온도를 지속적으로 판별한다. 측정된 온도가 온도 문턱값(Ts1) 미만인한, 콘트롤러(77)는 밸브들(79, 81)을 예열 상태로 유지한다.
상기 문턱값이 초과되자마자, 콘트롤러(77)는 두 개의 밸브들(79, 81)을 도 4 에 도시된 일반 작동 상태로 되게 제어한다.
일반 작동 상태에서는, 메인 브랜치(91) 및 열교환 섹션(37)에 의하여 일반 작동 루프(normal operating loop)가 형성된다. 이 때, 숏-써킷 브랜치(60)에 제공된 펌프(80)가 정지한다.
일단 밸브들(79, 81)이 일반 작동 상태에 있게 되면, 엔진(1) 및 엔진(1)의 다양한 부품들을 냉각시키기 위하여, 열전달 유체가 써킷(55)의 메인 브랜치(91) 및 열교환 섹션(37) 내에서 순환한다.
도 4 에서, 화살표(F)는 일반 작동에서 써킷(55) 내의 열전달 유체의 순환 방향을 나타낸다.
이 작동 모드에서, 연소 가스는 예를 들어 700℃ 정도의 온도로 열교환기(17)에 진입한다.
신선 공기는 (압축기에 의한 압축으로 인하여) 예를 들어 180℃ 내지 240℃ 사이 범위의 온도로 다른 열교환기(35)에 진입한다.
열전달 유체는 예를 들어 100℃의 온도(진정, 이 온도는 자동차에 구비된 라디에이터를 이용하여 상대적으로 낮은 온도로 유지된 것임)로 열교환기들(17, 35)에 진입한다.
따라서 상기 연소 가스 및 신선 공기는 가열된 상기 두 개의 열교환기들(17, 35)을 이탈하는 열전달 유체에 자신의 열의 일부를 전달한다.
열교환기(17)의 유출부에서는, 연소 가스가 예를 들어 350℃ 정도의 온도를 갖는다. 다른 열교환기(35)의 유출부에서는, 신선 공기가 100℃ 내지 140℃ 정도의 온도를 갖는다.
도 5 에 도시된 대안적인 실시예에서, 상기 두 개의 열교환기들(17, 35)은 써킷(55)의 메인 브랜치에서 병렬적으로 연결된다.
따라서, 상기 열교환기들 중 하나(17)의 유입부(51)와 상기 열교환기들 중 다른 하나(35)의 유입부(65) 모두는 열교환 섹션(37)의 유입부 브랜치 파이프(67)에 연결된다.
상기 열교환기들 중 하나(17)의 유출부(63)와 상기 열교환기들 중 다른 하나(35)의 유출부(53)는 모두 열교환 섹션(37)의 유출부 브랜치 파이프(69)에 연결된다.
히트 파이프(47)는 상기 두 개의 써킷(24, 26)에서 열전달 유체의 온도가 일치되게 함을 가능하게 한다.
도 7 에 도시된 다른 대안적인 실시예에서, 상기 두 개의 열교환기들(17, 35)은 공통 인클로저(50) 내에 배치된다. 공통 인클로저(50)는 단일의 챔버를 한정하는바, 이 안에는 공통 열전달 유체(22)를 상기 두 개의 열교환기들(17, 35)로 순환시키기 위한 써킷이 배치된다. 이 대안적인 실시예에 따르면, 공통 열전달 유체(22)를 순환시키기 위한 써킷이 상기 두 개의 열교환기들(17, 35)에 대해 공통되기 때문에, 열전달 수단이 제공될 필요가 없다.
그러므로 상기 열교환기들(17, 35)의 공통 써킷(22) 내부에서는, 열전달 유체가, 재순환 라인(9) 내에서 순환하는 연소 가스 및 흡입 라인(7) 내에서 순환하는 신선 공기와 열을 교환한다.
냉각 시스템(39)을 제어하는 방법의 다른 일 실시예에 따르면, 엔진의 시동 시에 다른 온도 프로브가 단계 a) 동안 자동차의 엔진(1) 외부의 온도를 판별한다. 그 다음에 상기 다른 온도 프로브는 판별된 외부 온도를 콘트롤러(77)로 전송한다.
만일 상기 판별된 외부 온도가 다른 온도 문턱값(Ts2)보다 낮다면, 콘트롤러(77)는 냉각 시스템(39)의 작동의 예열 모드를 개시한다. 콘트롤러(77)는 상기 예열 모드를 제한된 시간 기간, 예를 들어 5초 동안 유지시킨다. 그 다음, 콘트롤러(77)는 두 개의 밸브들(79, 81)을 작동시킴으로써 예열 모드로부터 일반 작동 모드로의 전환을 인가한다(authorize).
만일 상기 판별된 외부 온도가 상기 다른 온도 문턱값(Ts2)보다 높다면, 콘트롤러(77)는 단지 일반 작동 모드를 인가할 뿐이다.
기본적으로, 콘트롤러(77)는 일반 작동 모드를 인가한다.

Claims (10)

  1. 내부연소 엔진(internal combustion engine)(1)용 냉각 시스템(39)으로서,
    상기 내부연소 엔진(1)은 두 개의 가스 순환 라인(gas circulation line)(7, 9)을 포함하고, 상기 냉각 시스템(39)은 상기 두 개의 가스 순환 라인(7, 9)에 개별적으로 연결된 두 개의 열교환기(17, 35)를 포함하며, 또한 상기 냉각 시스템(39)은 내부에서 열전달 유체가 순환하는 써킷(circuit)(55)을 포함하며,
    상기 써킷(55)은:
    상기 두 개의 열교환기들(17, 35)을 위하여 작동하고 두 개의 단부를 구비한 열교환 섹션(heat exchange section)(37)으로서, 상기 두 개의 단부 각각은 밸브(79, 81)에 연결되는, 열교환 섹션(37);
    상기 두 개의 밸브(79, 81)에 연결되고 엔진(1)을 위하여 작동하는 메인 브랜치(main branch)(91); 및
    상기 열교환 섹션(37)에 대해 병렬적으로 그리고 상기 메인 브랜치(91)와는 별도로, 상기 두 개의 밸브(79, 81)에 연결되는 바이패스 브랜치(bypass branch)(83);를 포함하고,
    상기 냉각 시스템(39)은:
    상기 두 개의 밸브(79, 81)가 열전달 유체로 하여금 메인 브랜치(91) 및 열교환 섹션(37)에서 순환함을 허용하는 일반 작동 상태(normal operating state)와, 상기 두 개의 밸브(79, 81)가 열전달 유체로 하여금 메인 브랜치(91) 및 바이패스 브랜치(83)에서 순환함을 허용하는 예열 상태(preheating state) 사이에서, 상기 두 개의 밸브(79, 81)를 제어할 수 있는 콘트롤러(77);를 더 포함하는, 냉각 시스템(39).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 써킷(55)은 상기 두 개의 밸브(79, 81)에 연결된 숏-써킷 브랜치(short-circuiting branch)(60)를 포함하고, 예열 상태에서는 상기 두 개의 밸브(79, 81)가 열전달 유체로 하여금 숏-써킷 브랜치(60) 및 열교환 섹션(37)에서 순환함을 허용하는, 냉각 시스템(39).
  3. 제2항에 있어서,
    상기 숏-써킷 브랜치(60)에는 펌프(80)가 제공되는, 냉각 시스템(39).
  4. 제3항에 있어서,
    상기 숏-써킷 브랜치(60)에는 온도 프로브(temperature probe)(78)가 제공되는, 냉각 시스템(39).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 두 개의 열교환기(17, 35)는 공통 인클로저(common enclosure)(50) 안에 배치되는, 냉각 시스템(39).
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 두 개의 열교환기(17, 35) 각각은 개별 인클로저(separate enclosure)(48, 49)를 포함하고, 상기 두 개의 개별 인클로저(48, 49)는 열전달 수단(heat transfer means)(47)에 의해 연결되는, 냉각 시스템(39).
  7. 제6항에 있어서,
    상기 두 개의 열교환기(17, 35) 각각은 열전달 유체의 유입부(51, 65) 및 유출부(63, 53)를 포함하고, 상기 열교환기들 중 하나(17)의 유출부(65)는 상기 열교환기들 중 다른 하나(35)의 유입부(53)에 연결되는, 냉각 시스템(39).
  8. 제6항에 있어서,
    상기 두 개의 열교환기(17, 35) 각각은 열전달 유체의 유입부(51, 65) 및 유출부(63, 53)를 포함하고, 상기 유입부들(51, 65)은 동일한 유입부 브랜치 파이프(67)에 연결되며, 상기 유출부들(63, 53)은 동일한 유출부 브랜치 파이프(69)에 연결되는, 냉각 시스템(39).
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 냉각 시스템(39)을 제어하는 방법으로서, 내부연소 엔진(1)의 시동(start-up) 시에:
    a) 온도 프로브(78)를 이용하여 열전달 유체의 온도를 측정하는, 측정 단계;
    b) 상기 측정된 온도가 온도 문턱값(temperature threshold)(Ts1) 미만인 때에, 상기 콘트롤러(77)에 의하여 상기 두 개의 밸브(79, 81)를 예열 상태로 제어하는, 예열 상태 제어단계; 및
    c) 상기 측정된 온도가 온도 문턱값(temperature threshold)(Ts1) 초과인 때에, 상기 콘트롤러(77)에 의하여 상기 두 개의 밸브(79, 81)를 일반 작동 상태로 제어하는, 일반 작동 상태 제어단계;를 포함하는, 냉각 시스템(39) 제어방법.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 냉각 시스템(39)을 제어하는 방법으로서, 내부연소 엔진(1)의 시동 시에:
    a) 내부연소 엔진(1) 또는 내부연소 엔진(1)이 구비된 자동차 외부의 온도를 측정하는, 측정 단계;
    b) 상기 측정된 외부 온도가 다른 온도 문턱값(Ts2) 미만인 때에, 상기 콘트롤러(77)에 의하여 상기 두 개의 밸브(79, 81)를 예열 상태로 제어하는, 예열 상태 제어단계; 및
    c) 상기 측정된 외부 온도가 상기 다른 온도 문턱값(Ts2) 초과인 때에, 상기 콘트롤러(77)에 의하여 상기 두 개의 밸브(79, 81)를 일반 작동 상태로 제어하는, 일반 작동 상태 제어단계;를 포함하는, 냉각 시스템(39) 제어방법.
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