KR20000007032A

KR20000007032A - 배기가스 재연소 시스템

Info

Publication number: KR20000007032A
Application number: KR1019990051761A
Authority: KR
Inventors: 이주철
Original assignee: 이주철
Priority date: 1999-11-20
Filing date: 1999-11-20
Publication date: 2000-02-07
Also published as: KR100404766B1

Abstract

본 발명은 내연기관 엔진이 구동중 배출되는 배기가스를 내부에서 다시 환원하여 재연소시킬 수 있는 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진으로 부터 배출되는 배기가스의 온도를 저감시킴과 함께 정화처리하여 오염물질 배출을 최대한 억제함과 동시에 일부 배기가스에 수분을 공급하여 엔진으로 환원시킴으로 엔진에서의 연소 효율을 높일 수 있도록 하는데 목적이 있다.

이를 실현하기 위한 본 발명은, 에어크리너(1)와 연결된 흡기매니폴드(2)와 배기가스를 배출하는 배기매니폴드(3)가 구비되는 엔진 연소실(4)에 있어서, 상기 배기매니폴드(3)로 부터 상기 흡기매니폴드(2)로 연통되는 환원유로상에는, 배기매니폴드(3)를 통해 배출되는 배기가스의 온도를 저하시키기 위한 냉각수단(5,6); 상기 냉각수단을 통과한 배기가스중에 함유된 유해물질을 정화하는 필터부(7); 상기 필터부(7)를 통과하여 상기 흡기매니폴드로 환원되는 배기가스중 일부를 외부로 배출하도록 분기된 배출유로(9); 상기 필터부(7)와 상기 흡기매니폴드(2) 사이의 유로에서 환원되는 배기가스에 수분을 공급하기 위한 수증기 공급수단(8);이 포함된다.

Description

배기가스 재연소 시스템{WASTE GAS DISPOSITION SYSTEM}

본 발명은 내연기관 엔진이 구동중 배출되는 배기가스를 내부에서 다시 환원하여 재연소시킬 수 있는 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진으로 부터 배출되는 배기가스의 온도를 저감시킴과 함께 정화처리하여 오염물질 배출을 최대한 억제함과 동시에 일부 배기가스에 수분을 공급하여 엔진으로 환원시킴으로 연소 효율을 높이기 위한 배기가스 재연소 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차에서 배출되는 가스는 배출원에 따라 배기관으로 부터의 배기가스, 엔진 크랭크 케이스로 부터의 블로바이 가스 및 연료탱크나 기화기로 부터의 증발가스의 3종류로 나누어진다.

그중, 배기가스는 연료가 실린더내에서 연소한 후 배기 파이프로 부터 대기속에 배출되는 가스로서 복잡한 조성을 가지고 있는데 유해성가스와 무해성가스가 혼합되어 배출된다. 무해성가스는 수증기(H₂O)와 이산화탄소(CO₂)이며, 유해성가스로는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NO_X) 및 납화합물, 탄소입자 등이 포함되어 있다. 이중에서 NO_X,CO및 HC가 유해물질의 주요 원인으로 작용하는데 상기 유해물질의 배출량은 엔진설계 제원이나 운전상태 등 여러가지 영향인자에 의해서 변화하며 상호 연관관계를 갖고 있다.

또한, 블로바이 가스는 피스톤과 실린더의 간극에서 크랭크 케이스 내에 빠져나오는 가스이며 크랭크 케이스 에미션이라고도 한다. 블로바이 가스의 조성은 70∼95%가 미연소 가스상태로 된 연료(HC)이고 나머지가 연소가스 및 부분산화된 혼합가스로 되어 있다. 블로바이 가스가 크랭크 케이스에 체류하면 엔진 내부의 부식 및 오일의 열화 등을 초래하므로 종래에는 크랭크 케이스의 환기를 충분히 하며 블로바이 가스를 대기속으로 방출하는 구조를 이용하였으나 유해물질인 HC의 배출비율이 크므로 이것을 재연소시킨 후 대기에 배출하는 장치를 의무화하고 있다.

한편, 상기 배출구를 통하여 대기로 바로 배출되는 배기가스의 경우, 저속인 1500RPM 미만인 경우 매연 및 유해가스의 배출량이 적으나 고속인 1500RPM 이상인 경우 배기가스 배출량이 증가하면서 환경오염의 주범이 되는 매연 및 유해가스 배출량이 증가하게 된다.

이와 같이 대기로 배출되는 배기가스의 문제점은, 배기가스중에 혼합되어 있는 유해 성분인 일산화탄소, 탄화수소, 황 및 질소산화물, 알데히드, 작은 입자 상태의 부유물등이 배출되는 것인데, 내연기관에서 이러한 유해물질이 생성되는것을 방지하려면 내연기관의 연소비를 향상시키고, 미 연소물의 처리와 연료의 증발방지, 그리고 크랭크 케이스에서 가스의 배출방치장착을 철저히 요구하고 있는 것이다.

실제로 자동차 연료는 실린더내에서 완전 연소되지 않기 때문에 환경오염의 방지책은 무엇보다도 내연기관의 배기가스 중유해가스성분이 섞여서 배출되는 것을 방지하는데 있다.

따라서, 종래에도 배기가스중의 유해성분을 억제하기 위한 방법이 제시되었는데, 그중 하나가 연소실의 모양을 반구형 연소실, 편형 연소실을 채택하여 연소 효율을 개선하므로써 탄화수소의 농도를 감소시키기는 방법, 밸브의 개폐시기를 조절하거나 점화시기를 늦추어 질소산화물의 배출을 감소시키는 방법이 있으나 이는 어느 하나의 유해 성분만을 감소시킬 수 있는 것으로 다른 유해 성분이 그대로 잔존하거나 오히려 증가되는 문제점이 있었다.

또한, 무연 휘발유 차량에는 정화처리장치인 "촉매컨버터"에서 입자가 큰 매연을 에어크리너로 환원하는 방법이 있으나, 이는 만족할 만한 결과를 얻지 못하였으며, 환원되는 배기가스중 입자가 큰 매연은 에어필터가 여과할 수 있으나 냉각되지 못한 고열의 배기가스는 엔진연소실로 유입되어 출력을 저하시키게 되는등의 문제점이 있었다.

부언하여 설명하면, 엔진연소실에서 발생된 배기가스는 약 500℃에서 550℃정도에서 착화되어 피스톤을 하강시키게 되며, 착화후 발생된 배기가스의 온도는 약 550℃ 이상의 고온으로 배출하면서 배기가스는 열에 의하여 기체속의 수분을 감소하게 되는데, 고온의 흡입공기가 엔진연소실로 들어갈 경우 고온의 기체는 부피팽창이 증가하지 못하게 되고, 연소실을 냉각시키지 못하므로 엔진의 출력을 저하하게 하며, 연소실에서 폭발.배기후 잔류된 고온의 열과 함께 더욱 엔진의 열을 증가시키면서 심할 경우 엔진의 부품을 파손시킬 수 있게된다.

본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 엔진연소실로 부터 배기되는 배기가스를 다시 연소실 흡입유로를 통하여 환원하여 재연소시킴에 있어 배기유로 상에서 배기가스를 냉각 및 여과시킴으로 배기가스에 함유된 유해물질의 배출을 최대한 억제하고, 연소시로 환원되는 배기가스에 수분을 공급하여 엔진출력을 향상시킬 수 있도록 하는데 목적이 있다.

도 1은 본 발명 시스템의 유로사이클 개략도.

도 2는 본 발명 시스템에 적용된 수냉식 냉각기 상세 구조도.

도 3은 본 발명 시스템에 적용된 수증기 공급부 및 배기가스 유도로 확대도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 에어크리너 2 : 흡기매니폴드

3 : 배기매니폴드 4 : 엔진연소실

5 : 수냉식냉각기 5a: 열교환부

5b: 냉매보관부 6 : 공냉식냉각기

7 : 필터부 8 : 수증기공급부

9 : 배출구 10 : 보조배출구

11 : 자동개폐장치 12,13 : 냉매유도관

14 : 냉각팬 15 : 방열핀

16 : 방열팬 17 : 여과층

18 : 정화실 19 : 물저장고

20 : 밸브노즐 21 : 압축공기 보관고

22 : 제어펌프 23 : 수동개폐장치

24 : 혼합팬

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 에어크리너와 연결된 흡기매니폴드와 배기가스를 배출하는 배기매니폴드가 구비되는 엔진 연소실에 있어서,

상기 배기매니폴드로 부터 상기 흡기매니폴드로 연통되는 환원유로상에는,

(1) 배기매니폴드를 통해 배출되는 고온의 배기가스 온도를 저하시키기 위한 냉각수단;

(2) 상기 냉각수단을 통과한 배기가스중에 함유된 유해물질을 정화하는 필터부;

(3) 상기 필터부를 통과하여 상기 흡기매니폴드로 환원되는 배기가스중 일부를 외부로 배출하도록 분기된 배출유로; 및

(4) 상기 필터부와 상기 흡기매니폴드 사이의 유로에서 환원되는 배기가스에 수분을 공급하기 위한 수분 공급수단;이 포함됨을 특징으로 한다.

상기와 같은 내용을 기술적 요지로 하는 본 발명의 실시예로는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 본 발명에 합당한 가장 적합한 배기환원 시스템을 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 살펴보기로 한다.

도 1은 본 실시예에 따른 배기가스 재연소 시스템의 구성 개략도이고, 도 2는 수냉식 냉각기 상세 구조도, 도 3은 배기가스 환원 유로상의 수증기 공급부 구조도를 각각 나타낸다.

먼저, 본 발명의 개략적인 시스템 구성을 도 1을 참조하여 살펴보면, 에어크리너(1)로 부터 연결된 흡기매니폴드(2)와 배기매니폴드(3)가 엔진 연소실(4)의 양단에 각각 구비되고, 연소실(4)로 부터 배출된 배기가스의 환원을 위해 배기매니폴드(3)로 부터 흡기매니폴드(2)로 연통되는 유로상에는, 고온의 배기열을 냉매를 이용해 1차로 냉각시키기 위한 수냉식냉각기(5), 1차 냉각된 배기열을 대기와의 열교환을 통해 2차로 냉각시키기 위한 공냉식냉각기(6), 냉각 응축된 배기가스의 이물질을 여과 및 정화하기 위한 필터부(7), 필터부(7)에서 정화되어 다시 흡기매니폴드(2)측으로 환원되는 배기가스에 수분을 공급하는 수증기 공급부(8)로 개략적인 시스템 사이클을 이루게 된다.

그리고, 상기 필터부(7)에는 정화된 배기가스의 일부가 외부로 배출될 수 있는 배출구(9)가 분기되었다.

상기 실시예로 나타낸 구성을 이하에서 더욱 상세히 살펴보기로 한다.

먼저 수냉식 냉각기(5)의 구조를 도 2를 통해 살펴보면, 열교환부(5a)와 냉매보관부(5b)가 복수의 냉매 유도관(12,13)에 의해 연결되었고, 냉매보관부(5b)에는 열교환에 의해 온도가 상승된 냉매를 냉각시키기 위한 냉각팬(14)이 설치되었으며, 공냉식 냉각기(6)는 방열핀(15)과 방열팬(16)으로 이루어진다.

필터부(7)는, 배기가스내에 함유된 매연입자가 포집되는 매연 여과층(17)과, 매연 여과층(17)에서 여과된 매연입자의 정화를 위한 활성탄 정화실(18)의 2층 구조로 이루어진다.

그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 필터부(7)와 수분 공급부(8) 사이의 유로상에는 보조 배출구(10)가 에어크리너(1)로 분기된 상태에서 분기 지점에 배기유로를 선택적으로 안내하기 위한 자동개폐장치(11)가 형성되었으며, 수분 공급부(8)는 물 저장고(19), 밸브노즐(20), 압축공기 보관고(21), 압축공기 제어펌프(22)로 이루어지고, 배기가스 유로상에는 가스압력에 의해 개폐가 가능한 수동개폐장치(23)와 분무된 물을 기화시키는 혼합팬(24)이 각각 설치되었다.

이와 같이 구성되는 본 발명 배기가스 환원 재연소 시스템의 동작상태 및 그에 따른 효과를 이하에서 살펴보기로 한다.

엔진 연소실(4)로 부터 가열되어 배기매니홀드(3)를 통해 배출되는 미연소 배기가스는 높은 고온의 상태로서 수냉식 냉각기(5)에서 1차적으로 냉각처리되는데, 이때 냉각기 내에서는 냉매역할을 하는 냉수가 순환하며 배기가스와의 열교환을 수행하게 된다.

즉, 냉매보관부(5b)로 부터 냉수가 열교환부(5a)로 공급되면, 열교환에 의해 온도가 상승된 냉매는 다시 냉매유도관(13)을 통해 냉매보관부(5b)로 보내지고, 냉매보관부(5b)에서 냉각팬(14)에 의해 온도가 낮아진 냉수는 다시 냉매유도관(12)을 통해 열교환부(5a)로 보내지는 순환작용이 이루어지며, 이러한 순환작용은 워터펌프(미도시)에 의해 이루어진다.

상기와 같이 1차 냉각이 가해진 배기가스는 공냉식냉각기(6)에 의해 2차 냉각이 이루어져 온도가 더욱 저하되는데, 공냉식냉각기(6)는 유로 외면을 따라 방열핀(15)이 형성된 구조를 이루어 방열팬(16)의 동작시 외기와의 자연대류에 의한 열교환이 이루어지는 것이다.

유로를 따라 계속 안내되는 배기가스는 이후 필터부(7)를 통과하면서 여과층(17)에서 입자가 큰 매연은 여과되고 유해가스는 정화실(18)에 보관되는 활성탄에 의하여 정화처리 된다. 필터부(7)를 통과하는 배기가스는 엔진이 저속회전시(통상 1500∼2000RPM 이하)는 배출구(9)를 통해 외부로 배출되고, 고속회전시는 일부만 배출구(9)를 통해 배출되고 나머지는 엔진연소실(4)로 환원하여 재연소를 하게되는데, 이러한 동작은 이후에 설명될 수동개폐장치(23)에 의해 이루어진다.

즉, 환원유로상에는 유로를 개폐하기 위한 자동개폐장치(11)와 수동개폐장치(23)가 구비되었는데, 자동개폐장치(11)는 도 3에 도시된 바와 같이 엔진 회전중에는 보조배출구(10)를 막고있는 상태로서 배기가스의 환원유로를 형성하고, 차량의 제동신호가 인가되면 화살표방향으로 유동되면서 에어크리너(1)측으로 보조배출구(10)를 개방시킴으로 배기가스의 엔진연소실(4) 환원으로 인한 엔진의 회전수 증가를 방지하는 역할을 수행하게 된다. 자중에 의해 유동되는 수동개폐장치(23)의 경우는, 엔진의 고속회전시 배기가스의 압력에 의해 개방되면 감지센서(25)가 배기가스의 환원을 감지하여 압축공기 제어펌프(22)에 동작신호를 보내게 된다. 엔진의 저속회전시는 배기가스의 압력이 약해지면서 수동개폐장치(23)가 자중에 의해 유로를 폐쇄한 상태가 됨으로 상기에서 설명된 바와 같이 배기가스는 배출구(9)를 통해 외부로 배출됨을 다시한번 주지하는 바이다.

한편, 엔진연소실(4)로 환원되는 고압의 배기가스에 물저장고(19)로 부터 밸브노즐(20)을 통해 압송된 물이 분무되고, 분무된 물은 열에 의해 기화되면서 수증기화 되어 배기가스의 수분이 증가됨과 동시에 온도가 더욱 저하된다. 수분의 증가는 연소실내의 압축효율을 상승시켜 연료절감 및 매연감소를 이룰 수 있게된다.이때, 물의 분무를 위한 물저장고(19)로 부터의 압송은 물저장고(19)와 외기간의 압력차에 의해 끌어올려지며 이루어지는데, 이는 유로를 벤투리관 형태로 형성하여 압력변화를 통해 이루어질 수 있으며, 압력차가 더욱 커지도록 압축공기 보관고(21)로 부터 제어펌프(22)의 동작신호를 통해 압축공기를 분출시킴으로 더욱 안정적인 분무가 이루어질 수 있다. 또한, 별도의 양수수단(모터,펌프)에 의해 이루어질 수도 있게된다.

이후, 환원유로를 따라 안내되는 배기가스는 수분이 함유된 상태로 엔진여소실(4)측으로 안내되는데, 유로상에 설치된 혼합팬(24)에 의해 에어크리너(1)로 부터 유입되는 유입공기와 혼합이 이루어진다.

즉, 이와 같이 동작되는 본 발명의 재연소 시스템을 다시한번 요약하여 설명하면, 연소실로 부터 배출되는 고온의 배기가스가 시스템내에서 복수의 냉각기와 정화필터를 통과하면서 냉각응축 및 여과 그리고 정화가 이루어진 상태에서 엔진의 저속회전시는 배기가스를 외부로 배출하고 고속회전시는 일부 배기가스만을 외부로 배출하고 나머지는 엔진 연소실의 흡입부 측으로 다시 환원하여 재연소를 하게됨을 확인할 수 있다.

또한, 냉각 및 여과된 배기가스가 연소실로 재환원될때, 물의 분무에 의해 배기가스에 수분 용적율이 증가되어 엔진의 고열을 저하시키고 수분은 열에 의하여 기화하게 되면서 연소실 내경에 압축비를 상승시키게 되므로 소량의 연료로 폭발행정을 이룰 수 있게되는 것이다.

그 결과, 배기가스의 배출이 최대한 억제되어 매연 및 유해가스 발생이 방지됨과 동시에 연료절감을 이룰 수 있게된다.

그리고, 상기에서 본 발명의 특정한 실시예가 설명 및 도시되었지만 본 발명의 배기가스 환원 시스템 구조가 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다.

이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 첨부된 특허청구범위 안에 속한다 해야 할 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 의하면, 엔진의 구동중 연소 후 배출되는 연료의 미연소 성분을 냉각 및 여과시켜서 완전히 연소시키는 효과가 있으므로, 소음기에서 불완전연소된 배기가스의 배출로 인해 대기환경을 오염시키는 것을 획기적으로 방지할 수 있는 것으로 환경친화적인 내연기관 시스템을 이룰 수 있게 되는 효과가 있다.

Claims

에어크리너(1)와 연통된 흡기매니폴드(2)와 연소후의 배기가스를 배출하는 배기매니폴드(3)가 엔진 연소실(4)에 각각 연결되어 흡기계통과 배기계통을 이루고, 상기 배기매니폴드(3)로 부터 상기 흡기매니폴드(2)로 연통되는 환원유로를 이루는 배기가스 제연소 시스템에 있어서:

상기 환원유로상에는,

상기 배기매니폴드(3)를 통해 배출되는 배기가스의 온도를 저하시키기 위한 냉각수단;

상기 냉각수단을 통과한 배기가스중에 함유된 유해물질을 정화하는 필터부(7);

상기 필터부(7)를 지난 환원유로에서 외부로 분기된 배출유로(9); 및

상기 필터부(7)와 상기 흡기매니폴드(2) 사이의 유로에서 환원되는 배기가스에 수분을 공급하기 위한 수분 공급수단(8);이 포함됨을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 재연소 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 냉각수단은,

유로를 통해 배출되는 고온의 배기가스를 냉매와 열교환시키기 위한 수냉식냉각기(5); 및

방열팬과 방열핀으로 이루어지는 공냉식냉각기(6);가 순차적으로 배기유로상에 구비된 것임을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 재연소 시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 수냉식 냉각기는,

상기 배기유로와의 열교환이 이루어지는 열교환부와;

상기 열교환부에 냉매유입구 및 유출구로 연결되며 워터펌프에 의해 냉매를 공급 및 회수하는 냉매보관부로 이루어지되, 냉매보관부는 냉각팬에 의해 외기와의 열교환이 이루어짐;을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 재연소 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 수분 공급수단은,

물 저장고;

상기 물저장고에서 상기 배기가스 환원유로로 연결되는 노즐;

공기펌프에 의해 상기 배기가스 환원유로의 상기 노즐측으로 압축공기를 공급하는 압축공기 저장고;가 구비됨을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 재연소 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 필터부를 통과한 배기가스 유로에는 분기유로가 구비되되, 환원유로와 분기유로를 선택적으로 개폐하도록 개폐센서가 함께 구비됨;을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 재연소 시스템.