KR20010011278A

KR20010011278A - 디젤엔진의 냉각 시스템

Info

Publication number: KR20010011278A
Application number: KR1019990030583A
Authority: KR
Inventors: 김주태
Original assignee: 김형벽; 현대중공업 주식회사
Priority date: 1999-07-27
Filing date: 1999-07-27
Publication date: 2001-02-15
Also published as: KR100499696B1

Abstract

본 발명은 디젤엔진의 과급공기 냉각방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 터보과급장치(Turbocharger)가 부착된 디젤엔진에 있어서 과급기의 압축기(Compressor)에서 고온으로 압축된 흡입공기를 공기냉각기(Intercooler, Charge Air Cooler)에서 엔진 연소에 적절한 온도로 열교환시키는 디젤엔진의 냉각 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 고온냉각수 순환회로(HT)와 저온냉각수 순환회로(LT)가 각각 설치되는데, 약 32℃ 정도의 저온냉각수는 각각의 회로에 공급관(1)을 통하여 보충되며, 약 80℃ 정도의 고온냉각수는 배출관(10)을 통하여 배출된다. 각각의 회로는 공통적으로 연결될 수도 있다. 이러한 사항은 종래의 방법과 유사한 것으로써, 고온냉각수는 고온순환펌프(2)에 의해 엔진실린더(3)를 냉각시키며, 약 80℃ 정도에 설정된 3-Way 밸브(5)에 의해 순환회로를 구성한다. 또한, 저온냉각수는 저온순환펌프(6)와 윤활유 냉각기(8), 약 40℃ 정도에 설정된 3-Way 밸브(9)에 의해 순환회로를 구성한다.

또한, 공기냉각기(7)는 유로제어밸브(4)에 의해 저온회로(LT)에 속할 수도 있고, 고온회로(HT)에 속할 수도 있으며, 두 회로의 혼합수가 공급될 수도 있다.

Description

디젤엔진의 냉각 시스템{Fresh Water Cooling System for Turbocharged Diesel Engine}

일반적으로, 종래의 중유(Heavy Fuel Oil)를 사용하는 디젤엔진은 저부하운전의 경우 과급기가 충분한 역할을 하지 못함으로써, 연소실에 유입되는 흡입공기는 대기 또는 기관실 상태와 유사하다. 따라서, 압축행정 말기의 공기압축온도가 중유를 완전연소시키기에는 충분한 온도에 도달되지 못함으로 인해 매연이 심하게 발생되는 문제점이 있다. 이러한 현상은 엔진의 부하변동이 심할때도 마찬가지로 문제가 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 흡기온도를 필요한 만큼 가열시켜야하는데, 그 방법으로는 흡입공기가 공기냉각기를 통과할 때 가열되도록 하는 방법이 보편적으로 사용된다. 즉, 정상적인 고부하 운전상태에서는 과급기에서 고온으로 압축된 공기를 공기냉각기에서 냉각시켜 엔진연소실로 유입시키나, 반대로 저부하에서는 저온 저압으로 유입된 공기를 공기냉각기에서 가열시키는 방법이다.

구체적인 방법으로는 독일특허 DE-C2 25 49 009(MWM-1977), 미국특허 US 5394854, 등 여러 가지가 있으나, 필요에 따라 능동적으로 공기의 온도를 제어하는 방식으로는 대표적으로는 International Patent Publication WO 97/13968(Patent Application Number PCT/DK 96/00423)에 기술된 도 1 에 도시한 바와 같이 MAN B＆W社의 방법과 도 2 에 도시한 바와 같이 Wartsila NSD社의 방법이 있다.

상기, 도 1 및 도 2 의 두가지 방법은 공통적으로 저온냉각수 순환회로(LT)와 고온냉각수 순환회로(HT)를 각각 독립적으로 갖고 있는데, 각각의 저온 및 고온 냉각수 회로 순환펌프(160,120)와 회로의 온도를 일정온도 이상 상승되지 않도록 흐름을 제어하는 저온 및 고온냉각수 온도제어 3-Way 밸브(190,150)가 설치되어 있다. 또한, 공통적으로 고온냉각수 순환회로(HT)는 엔진실린더(130)를 냉각시키며, 저온냉각수 순환회로(LT)는 윤활유 냉각기(180)를 냉각시킨다. 그러나, 두 방식의 근본적인 차이점은 공기냉각기(170)에 냉각수를 공급하는 방식에 있는데, 도 1 의 방법은 공기냉각기(170)를 고온, 저온의 2단계로 분할하여 각각을 저온냉각수 순환회로(LT)와 고온냉각수 순환회로(HT)에 독립적으로 설치한 방식이며, 도 2 의 방법은 공기냉각기(170)를 저온냉각수 순환회로(LT)에 설치하여 온도를 제어하는 방식이다.

따라서, 도 1 의 방법은 공기냉각기(170)를 고온, 저온의 2단계로 분할함으로써 공기냉각기(170)의 구조가 다소 복잡하며, 또한 공기냉각기(170)의 저온측 냉각 면적만을 온도제어에 사용함으로써, 급격한 엔진부하변동에 따른 공기 온도의 신속한 제어가 곤란한 단점이 있다.

도 2 의 방법은 공기냉각기(170)는 약 40℃ 정도의 저온측 냉각수만을 사용함으로 초기 엔진의 시동시 40℃ 이상의 공기온도가 필요하거나, 급격한 엔진의 부하변동시에는 온도제어의 응답이 늦은 단점이 있다.

첨부된 도면중 미설명 부호 (100)은 저온냉각수 공급관이고, (140)은 공기냉각기 유량제어밸브이며, (200)은 고온냉각수 배출관이다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 그 목적은 공기냉각기의 전체 열교환면적을 활용함으로써 신속한 가열이 가능하며, 또한 고온의 냉각수를 사용하므로 높은 온도로의 가열이 가능하기 때문에 공기온도제어의 응답속도가 보다 빠르며 매연 발생이 적어짐과 엔진실린더에서 가열된 냉각수는 저온의 공기에 의해 냉각되므로 외부의 저온냉각수 유입이 적어지게 되는 디젤엔진의 냉각 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여 공기냉각기는 1단계로 구성하되, 냉각수는 고온수(高溫水), 저온수(低溫水), 또는 온도가 제어된 혼합수(混合水)를 유입시킴으로써 보다 능동적으로 신속하게 공기의 온도를 제어할 수 있는 시스템을 제공함에 의해 달성된다.

도 1 은 종래의 MAN-B＆W 방법 개략도

도 2 는 종래의 Wartsila NSD 방법 개략도

도 3 은 본 발명의 개략도

도 4 는 본 발명에 있어서 유로제어밸브 구조의 개략단면도

도 5 는 본 발명에 있어서 고부하운전시의 냉각회로 개략도

도 6 은 본 발명에 있어서 저부하운전시의 냉각회로 개략도

도 7 은 본 발명에 있어서 혼합냉각회로의 개략도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

(1) : 공급관 (2) : 고온순환펌프

(3) : 엔진실린더 (4) : 유로제어밸브

(5,9) : 3-Way 밸브 (6) : 저온순환펌프

(7) : 공기냉각기 (8) : 윤활유 냉각기

(10) : 배출관 (11) : 밸브본체

(12) : 밸브스핀들 (13) : 피스톤

(14) : 스프링

(15,16,17,18,19,20,21,22,23) : 포트 (24) : 격벽용 원판

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용을 설명하면 다음과 같다.

도 3 은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 개략적인 냉각수 회로도를 도시한 것으로서, 엔진자체에는 고온냉각수 순환회로(HT)와 저온냉각수 순환회로(LT)가 각각 설치되는데, 약 32℃ 정도의 저온냉각수는 각각의 회로에 공급관(1)을 통하여 보충되며, 약 80℃ 정도의 고온냉각수는 배출관(10)을 통하여 배출된다. 각각의 회로는 공통적으로 연결될 수도 있다. 이러한 사항은 종래의 방법과 유사한 것으로써, 고온냉각수는 고온순환펌프(2)에 의해 엔진실린더(3)를 냉각시키며, 약 80℃ 정도에 설정된 3-Way 밸브(5)에 의해 순환회로를 구성한다. 또한, 저온냉각수는 저온순환펌프(6)와 윤활유 냉각기(8), 약 40℃ 정도에 설정된 3-Way 밸브(9)에 의해 순환회로를 구성한다.

그러나, 본 발명에 있어서 공기냉각기(7)에 냉각수를 공급하는 방법은 종래의 방법과 다르다. 즉, 공기냉각기(7)는 유로제어밸브(4)에 의해 저온회로(LT)에 속할 수도 있고, 고온회로(HT)에 속할 수도 있으며, 두 회로의 혼합수가 공급될 수도 있다.

도 4 는 본 발명에 있어서 유로제어밸브(4)의 구체적인 개념도를 도시한 것으로서, 회로상 동시에 작동되는 복수개의 2-Way 밸브가 실제는 간단한 하나의 제어밸브인 것을 보여준다. 즉, 유로제어밸브(4)의 밸브본체(11)에는 다수개의 냉각수 연결부인 포트(15,16,17,18,19,20,21)가 설치되어 있으며, 내부에는 3개의 격벽용 원판(24)이 부착된 밸브스핀들(12)이 설치되어 있다. 따라서, 밸브스핀들(12)의 위치에 따라 다수개의 냉각수 연결부인 포트(15,16,17,18,19,20,21)는 서로 연결 또는 분리되어 유로가 변경될 수 있는 구조이다. 밸브스핀들(12)은 기계적인 링크나, 공기압 등 여러 가지 방법으로 작동시킬수가 있는데, 도 4 에서는 공기압을 포트(22)와 포트(23)에 연결시킴으로써 피스톤(13)에 의해 밸브스핀들(12)을 작동시키는 방식을 나타내고 있다. 스프링(14)은 밸브스핀들(12)을 자동으로 귀환시키기 위한 것으로 경우에 따라서는 불필요할 수도 있다.

도 5 내지 도 7 은 본 발명의 유로제어밸브(4)가 설치된 냉각수회로를 개략적으로 설명하기 위한 것이다.

도 5 는 유로제어밸브(4)에 의해 공기냉각기(7)가 저온회로(LT)에 포함된 상태를 보여주고 있다. 즉, 제어밸브(4)의 밸브스핀들(12)이 좌측으로 이동하여 저온냉각수입구포트(19)와 공기냉각기입구용 포트(20)가 연결되고, 공기냉각기출구용 포트(17)와 저온냉각수출구포트(18)가 연결됨으로써 저온회로(LT)가 형성되어 저온순환펌프(6)에 의해 공기냉각기(7)와 윤활유냉각기(8)에 저온냉각수가 순환된다. 또한, 제어밸브(4)의 고온냉각수입구포트(15)와 고온냉각수출구포트(16)가 연결됨으로써 고온회로(HT)가 형성되어 고온순환펌프(2)에 의해 엔진실린더(3)에만 고온냉각수가 순환된다. 이러한 상태는 엔진부하가 높은 정상적인 운전조건에 해당된다.

도 6 은 유로제어밸브(4)에 의해 공기냉각기(7)가 고온회로(HT)에 포함된 상태를 보여주고 있다. 즉, 제어밸브(4)의 밸브스핀들(12)이 우측으로 이동하여 고온냉각수입구포트(21)와 공기냉각기입구용 포트(20)가 연결되고, 공기냉각기출구용 포트(17)와 고온냉각수출구포트(16)가 연결됨으로써 고온회로(HT)가 형성되어 고온순환펌프(2)에 의해 공기냉각기(7)와 엔진실린더(3)에 고온냉각수가 순환된다. 또한, 제어밸브(4)의 저온냉각수입구포트(19)와 저온냉각수출구포트(18)가 연결됨으로써 저온회로(LT)가 형성되어 저온순환펌프(6)에 의해 윤활유냉각기(8)에만 저온냉각수가 순환된다. 이러한 상태는 엔진부하가 낮거나 시동시에 해당된다.

도 7 은 유로제어밸브(4)에 의해 공기냉각기(7)가 고온회로(HT)와 저온회로(LT)에 중첩된 상태를 보여주고 있다. 즉, 제어밸브(4)의 밸브스핀들(12)이 중앙에 위치하여 7개의 포트(15,16,17,18,19,20,21)가 모두 연결됨으로써 고온회로(HT)와 저온회로(LT)가 중첩되어 냉각수가 혼합된다. 따라서, 밸브스핀들(12)의 위치를 중앙에서 좌우로 조정하여 고온측과 저온측의 유로면적을 조정하므로 원하는 온도의 냉각수를 공기냉각기(7)에 공급할 수 있다. 한편, 밸브스핀들(12)의 위치가 정확하게 중앙에 위치하거나 고온측과 저온측의 흐름이 평형을 이루는 위치에 있을 경우 공기냉각기(7)로의 흐름이 정체될 수도 있는데 이러한 경우는 바람직하지 않으며, 실제의 제어기(Controller)는 공기냉각기(7)의 출구 공기 온도와 압력, 냉각수의 온도와 압력, 그리고 엔진의 부하 등을 감지하여 제어신호를 송출하므로 밸브스핀들(12)의 위치는 고온회로(HT)측 또는 저온회로(LT)측에 편중하여 유로면적을 미세하게 제어하며, 평형을 이루는 위치는 순간적으로 통과되도록 설치되어 있다.

본 발명은 통상 정상적인 부하운전시에는 공기냉각기가 저온냉각수회로에 속하여 충분한 냉각역할을 수행하다가 저부하운전시에는 공기냉각기가 고온냉각수회로에 속하여 연소실로의 유입공기를 신속하게 가열시킴으로써 엔진의 연소를 개선시킨다. 즉, 공기냉각기의 전체 열교환면적을 활용함으로 인해 신속한 가열이 가능하며, 또한 고온의 냉각수를 사용하므로 높은 온도로의 가열이 가능하기 때문에 공기온도제어의 응답속도가 보다 빠르며, 따라서 매연발생의 여지가 더욱 적어짐과 또한, 엔진실린더에서 가열된 냉각수는 저온의 공기에 의해 냉각되는 효과가 있으므로 외부의 저온냉각수 유입이 적어지게 되는 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims

과급디젤엔진에 있어서, 공급관(1)을 통해 32℃ 정도의 저온냉각수가 보충되고 배출관(10)을 통해 80℃ 정도의 고온냉각수가 배출되며 저온냉각수는 저온순환펌프(6)로부터 유로제어밸브(4)에 의해 저온냉각수회로(LT)와 고온냉각수회로(HT)에 교체로 속한 공기냉각기(7)를 거쳐 윤활유 냉각기(8) 및 40℃ 정도에 설정된 3-Way 밸브(9)에 의해 순환되며 고온냉각수는 고온순환펌프(2)에 의해 엔진실린더(3)를 냉각시키고 유로제어밸브(4)를 거쳐 80℃ 정도에 설정된 3-Way 밸브(5)에 의해 순환하게 되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 냉각 시스템.
제 1 항의 유로제어밸브(4)에 있어서,

상기, 유로제어밸브(4)의 밸브본체(11) 상·하에 다수개의 냉각수 연결부인 포트(15,16,17,18,19,20,21)를 형성하고 밸브본체(11) 내부에 다수개의 격벽용 원판(24)이 부착된 밸브스핀들(12)이 설치되며 밸브스핀들(12) 일측 끝단부에 피스톤(13)과 스프링(14)을 장착시킴과 피스톤(13)과 스프링(14)이 내장된 밸브본체(11) 상단부에 복수개의 포트(22,23)를 형성한 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 냉각 시스템.