KR20070102574A

KR20070102574A - 엔진 후냉각 시스템

Info

Publication number: KR20070102574A
Application number: KR1020077019543A
Authority: KR
Inventors: 노만 존 스미스
Original assignee: 타이탄 리서치 앤드 이노베이션스 피티와이 리미티드
Priority date: 2005-01-28
Filing date: 2006-01-30
Publication date: 2007-10-18
Also published as: WO2006079180A1; JP2008528857A; EP1904725A1; EP1904725A4

Abstract

본 발명은 내연 기관에 의한 연소를 위해 압축기로부터 출력된 압축 공기를 냉각하기 위한 액체 대 공기 후냉각기(11)와, 상기 후냉각기(11)로부터 출력된 액체 냉각제를 냉각하기 위한 라디에이터(19)와, 상기 시스템(10)을 통해 상기 냉각제를 연속적으로 펌핑(pumping)하기 위한 펌프(21)와, 상기 후냉각기(11)에 의해 냉각된 후에 압축 공기의 온도를 감지하기 위한 출구 공기 온도 센서(27)와, 상기 후냉각기(11)로부터 출력된 상기 냉각제의 온도를 감지하기 위한 냉각제 온도 센서와, 감지된 상기 공기 및 냉각제 온도에 반응하여 상기 시스템(10)을 통한 냉각제의 유량(flow-rate)을 제어하기 위한 제어기(26)를 포함하는 엔진 후냉각 시스템(10)에 관한 것이다.

Description

엔진 후냉각 시스템{ENGINE AFTER-COOLING SYSTEM}

본 발명은 일반적으로 냉각 시스템에 관한 것으로서, 특히 내연 기관에 의한 연소를 위해 터보 과급기(turbocharger) 또는 과급기와 같은 압축기로부터 출력된 압축 공기를 냉각하기 위한 엔진 후냉각 시스템에 관한 것이다.

디젤 엔진은 종종 공기가 디젤 연료와 혼합되어 연소되기 전에 입구 공기를 압축하기 위한 터보 과급기 또는 과급기와 같은 압축기를 포함한다. 입구 공기를 압축하는 것은 디젤 엔진의 각 사이클 동안 더 많은 디젤 연료가 연소되도록 허용하고, 이것은 결과적으로 엔진에 의해 출력된 동력의 양을 증가시킨다.

현대의 많은 디젤 엔진의 동력 출력 및 연료 소비는 엔진이 배출 조건(emission requirement)에 따르도록 컴퓨터 제어된다. 이들 형식의 엔진은 따라서 종종 배출 제어(emission-controlled) 엔진으로서 언급된다. 만약 그러한 디젤 엔진 부근의 주위 공기 온도가 상승하여 엔진용의 입구 공기의 온도가 또한 상승하면, 컴퓨터를 제어함으로써 엔진은 자동적으로 디레이팅(derating)되어 엔진의 동력 출력이 감소된다. 입구 공기의 온도가 상승하면 압축기에 의해 출력된 압축 공 기는 팽창하여 체적만큼 밀도가 낮아져, 공기의 단위 체적당 효과적으로 연소될 수 있는 디젤의 양이 따라서 감소되므로, 엔진은 디레이팅된다. 엔진을 디레이팅시키는 것은 보다 적은 디젤 연료가 공기에 맞게 실린더 연소실 내로 주입되도록 하여, 원하는 연료-공기비가 유지된다. 이것은 엔진의 각 연소 사이클 동안 연소되는 공기와 디젤이 보다 적고, 엔진의 출력 동력은 결과적으로 감소됨을 의미한다. 엔진을 디레이팅하는 것은 엔진에 의해 배출되는 오염물질의 양을 감소시키지만, 특히 고 부하 하에서 엔진의 동력 출력을 상당히 감소시킬 수 있다.

디젤 엔진용 압축 입구 공기의 온도는 엔진 부근의 주위 공기 온도에만 의존하는 것은 아니다. 입구 공기가 터보 과급기 또는 과급기와 같은 압축기에 의해 압축되면, 압축 공정은 입구 공기의 온도를 상당한 양만큼 증가시킨다. 만약 엔진이 통합된 컴퓨터 관리 시스템에 의해 디레이팅될 수 있는 현대식 디젤 엔진이라면, 압축 공정에 의해 야기되는 온도에 있어서의 상승은 보통 엔진을 디레이팅되도록 하여, 엔진은 동력을 덜 출력할 것이다.

압축 입구 공기에 의존하는 디젤 엔진이 자동차 및 고정물 용도에 사용되면, 엔진은 엔진 성능을 향상시키기 위해 보통 압축된 후 입구 공기를 냉각하는 후냉각 시스템을 포함한다. 후냉각 시스템은 종래의 물 대 공기 라디에이터(radiator)와 설계상 유사한 공기 대 공기 후냉각기를 포함하고, 압축된 입구 공기가 통과하는 복수의 냉각 튜브와 냉각 튜브에 인접한 복수의 냉각 핀을 포함하여, 압축된 입구 공기로부터의 열이 냉각 핀에 전달될 수 있고, 다음에는 냉각 핀을 지나 유동하는 주위 공기에 열을 전달할 수 있다. 자동차 및 고정물 용도에 있어서, 공기 대 공 기 후냉각기는 통상적으로 엔진의 전방에 보통 위치되는 물 냉각 라디에이터의 전방에 위치된다.

비록 공기 대 공기 후냉각기를 포함하는 형식의 후냉각 시스템은 압축 입구 공기를 냉각시키고 엔진 성능을 향상시키는 데에 있어 효율적이지만, 주위 공기 온도가 증가하면 공기 대 공기 후냉각기의 냉각 효율이 감소되어 후냉각기로부터 출력된 압축 입구 공기의 온도에 있어서 증가로 이어진다는 문제가 있다. 압축 입구 공기의 온도에 있어서의 이러한 증가는 엔진 성능을 감소시키고, 디레이팅가능한 엔진의 통합된 컴퓨터 관리 시스템은, 엔진이 계속하여 배출 조건 및 규정을 만족시키도록, 냉각 비효율에 반응하여 자동적으로 엔진의 동력 출력을 디레이팅하도록 할 수 있다.

주위 공기 온도가 증가할 때 공기 대 공기 후냉각기의 냉각 효율에 있어서의 감소는, 주위 공기 온도에 있어서의 증가를 적어도 부분적으로 오프셋(offset)시키기 위해 보다 큰 냉각이 달성될 수 있도록, 그러한 후냉각기의 크기를 증가시킴으로써 어느 정도 극복될 수 있다. 하지만, 공기 대 공기 후냉각기의 크기가 증가될 수 있는 양에는 실제적으로 제한이 있다. 예를 들어, 공기 대 공기 후냉각기의 크기는 후냉각기를 수용할 수 있는 공간의 크기에 제한될 수 있다.

후냉각기 시스템의 냉각 효율은 압축 공기를 응축시키는 데에 공기 대 공기 후냉각기 대신에 물 대 공기 후냉각기를 사용함으로써 상당히 증가될 수 있다. 물대 공기 후냉각기는 디젤 마린 엔진(marine engine)과 함께 사용되어, 후냉각기를 냉각하는 데에 물 대신에 해수가 사용된다. 이들 마린 후냉각 시스템은, 동일한 해수를 후냉각기를 통해 연속적으로 펌핑시키는 대신에, 후냉각기 및 열교환기를 통해 신선한 해수를 연속적으로 펌핑한다. 마린 엔진은 공기 냉각 후냉각 시스템 대신에 해수 냉각 후냉각 시스템을 채용할 때 더 많은 동력을 출력할 수 있다.

해수 냉각 후냉각 시스템은 명백하게 육지계 엔진과 함께 사용되기에는 적합하지 않다. 비록 현존하는 물 대 공기 후냉각 시스템을 변경하여 육지계 엔진과 함께 사용될 수 있도록 많은 시도가 행해지고 있지만, 본 발명자의 생각에는 그러한 시도는 지금까지는 특별히 성공적이지 않다.

종래 기술의 물 대 공기 후냉각 시스템의 일 예가 미국 특허 번호 제 4,697,551 호[라르센(Larsen) 등]에 개시된다. 라르센 등은 후냉각기를 떠나는 공기의 온도를 원하는 온도로 유지하도록 조정된 저유동 냉각제 시스템 내의 냉각제 유동을 신속하게 조정하기 위한, 그리고 여러 엔진 부하 및 주위 온도 동안 엔진 블록의 온도를 사전결정된 범위 내로 유지하기 위한 방법 및 장치를 개시한다. 특히 라르센 등은 후냉각기에의 적용을 위해 라디에이터의 입구로부터의 고온의 냉각제와 라디에이터의 출구로부터의 냉각된 냉각제를 혼합하기 위한 신속 작동 비례 라디에이터 셔틀 밸브와, 엔진 블록에의 적용을 위해 라디에이터의 출구로부터의 냉각된 냉각제와 후냉각기로부터의 냉각제를 혼합하기 위한 신속 작동 후냉각기 셔틀 밸브를 개시한다. 라디에이터 셔틀 밸브의 작동은 공기 온도 센서에 의해 측정된 바와 같은 후냉각기로부터 출력된 공기의 온도에 반응하여 셔틀 밸브를 제어하는 밸브 작동 제어기에 의해 제어된다. 후냉각기 셔틀 밸브의 작동은 엔진 블록 내의 냉각제의 온도에 반응하여 후냉각기 셔틀 밸브를 제어하는 밸브 작동 제어기 에 의해 제어된다. 펌프는 라디에이터, 후냉각기 및 엔진 블록을 통해 냉각제를 펌핑하는 데에 사용된다.

종래 기술의 물 대 공기 후냉각 시스템의 다른 예가 미국 특허 번호 제 5,201,285 호[맥타가트(McTaggart)]에 개시된다. 맥타가트는 열 교환 라디에이터, 엔진으로부터의 열을 흡수하는 액체 냉각제, 시스템을 통해 냉각제를 순환시키는 펌프, 엔진 냉각제 라디에이터와 열교환으로 공기를 강제하는 팬, 및 급기 후냉각기 냉각제를 위한 다른 라디에이터를 갖는 터보 과급된 내연 기관용의 제어된 냉각 시스템을 개시한다. 엔진용 냉각 및 터보 과급 시스템은 엔진으로부터 배출된 액체 냉각제의 일부를 라디에이터로 지향시키고, 그리고 엔진으로부터 배출된 후에 액체 냉각제의 온도에 반응하여 라디에이터를 바이패스(bypass)하도록 액체 냉각제의 일부를 지향시키는 온도 제어 밸브를 포함한다. 액체 서브 냉각기 열 교환기는 팬으로부터의 강제된 공기와 열 교환으로 냉각제를 지나가는 액체 냉각제의 온도를 낮춘다. 유동 제어 밸브는 라디에이터로부터 배출된 액체 냉각제의 일부를 서브 냉각기 열 교환기로 지향시키고, 액체 냉각제의 나머지를 엔진으로 지향시킨다. 후냉각기 열 교환기는 서브 냉각기 열 교환기로부터의 액체 냉각제와 열교환으로 연소 공기 공급을 지나감으로써 터보 압축기로부터 배출된 연소 공기의 온도를 낮춘다.

종래의 물 대 공기 후냉각 시스템의 또 다른 예가 미국 특허 번호 제 4,977,862 호[아이하라(Aihara) 등]에 개시된다. 아이하라 등의 특허는 후냉각 시스템을 포함하는 엔진용 엔진 룸 냉각 제어 시스템을 개시한다. 후냉각 시스템은 엔진에 의한 연소를 위해 압축기(터보 과급기 형태)로부터 출력된 압축 공기를 냉각하기 위한 액체 대 공기 후냉각기 또는 인터쿨러(intercooler)를 포함한다. 개시된 후냉각 시스템은 또한 후냉각기로부터 출력된 액체 냉각제를 냉각하기 위한 라디에이터, 시스템을 통해 냉각제를 펌핑하기 위한 펌프, 후냉각기에 의해 냉각된 후에 압축 공기의 온도를 감지하는 공기 온도 센서, 후냉각기로부터 출력된 냉각제의 온도를 감지하기 위한 냉각제 온도 센서, 및 감지된 공기 및 냉각제 온도에 반응하여 시스템을 통한 냉각제의 유량(flow-rate)을 제어하기 위한 제어기를 포함한다.

아이하라 등의 후냉각 시스템은 몇몇의 결함을 가지며, 그 중 가장 심각한 것은 시스템의 제어기가 펌프가 후냉각기에 냉각제를 공급하는 것을 정지시킬 수 있다는 것이다. 후냉각기를 통한 냉각제의 유동을 정지시키는 것은 후냉각기 자체의 고장을 야기할 것이다. 아이하라 등의 후냉각 시스템의 후냉각기 조립체의 입구 및 출구는 후냉각기의 입구 측 상의 가압된 공기를 후냉각기의 코어의 큰 내부 면적에 걸쳐 분배하도록 갓(cowl) 또는 덕트를 포함한다. 그렇다 하더라도, 압축 공기의 공기 블라스트가 제 1 후냉각기 코어의 중심과 충돌하는 열점(hot spot)이 존재한다. 만약 냉각제가 코어를 통과하여 이동하지 않는다면, 열은 고온의 공기 블라스트를 수용하는 중심 영역으로부터 제거될 수 없다. 이 중심 영역은 가열되면 팽창할 것이다. 후냉각기 코어의 둘레를 감싸는 구조는 이러한 열점 효과를 받기 쉽지 않고 냉각제가 유동하지 않기 때문에, 후냉각기 코어의 좌굴 및 구조적 파손으로 이어질 것이다. 압축기로부터의 초기 공기 블라스트를 받는 후냉각기 코어 의 부분은 작동 동안 먼저 부식되거나 파손되는 영역임은 잘 알려져 있다. 또한, 열점의 영역에서 냉각제는 비등(boiling)할 것이다. 일단 이것이 발생하면, 공기가 냉각제의 비등을 통해 시스템 내로 유도되고 따라서 적절하게 작동하는 냉각제 펌프의 능력을 크게 감소시키기 때문에, 모든 냉각 능력은 손실된다. 공기는 펌프의 흡입측 상에서 시스템 내에 갇히게 될 수 있고, 이것은 냉각제 유동과 관련한 문제를 야기한다.

따라서, 육지계 디젤 엔진과 같은 육지계 엔진과 함께 사용하기에 적합한 물대 공기 후냉각 시스템을 갖는 것이 바람직하다.

발명의 요약

본 발명의 목적은 상술된 종래 기술의 결점 중 하나 이상을 극복 또는 적어도 개선하고, 유용한 또는 상업적인 선택을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 장점이 첨부된 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이고, 예증 및 예시적인 방식으로 본 발명의 바람직한 실시예가 개시된다.

본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 내연 기관에 의한 연소를 위해 압축기로부터 출력된 압축 공기를 냉각하기 위한 액체 대 공기 후냉각기와, 상기 후냉각기로부터 출력된 액체 냉각제를 냉각하기 위한 라디에이터와, 상기 시스템을 통해 상기 냉각제를 연속적으로 펌핑(pumping)하기 위한 펌프와, 상기 후냉각기에 의해 냉각된 후에 압축 공기의 온도를 감지하기 위한 출구 공기 온도 센서와, 상기 후냉각기로부터 출력된 상기 냉각제의 온도를 감지하기 위한 냉각제 온도 센서와, 감지된 상기 공기 및 냉각제 온도에 반응하여 상기 시스템을 통한 냉각제의 유량(flow-rate)을 제어하기 위한 제어기를 포함하는 엔진 후냉각 시스템이 제공된다.

후냉각 시스템은 디레이팅가능한 배출 제어 엔진일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있는 그리고 차량 상에 설치될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있는 임의의 적당한 내연 기관에 대하여 채용될 수 있다. 하지만, 후냉각 시스템은, 예를 들어 디레이팅가능한 배출 제어 디젤 엔진과 같은 디레이팅가능한 배출 제어 엔진에 대하여 사용되는 것이 바람직하다.

엔진 후냉각 시스템은, 본 시스템을 사용하는 디레이팅가능한 배출 제어 디젤 엔진과 같은 디레이팅가능한 배출 제어 엔진이 디레이팅없이 상대적으로 고온의 주위 온도에서 높은 동력 출력을 유지할 수 있도록 한다. 본 시스템은 또한 그러한 엔진의 연료 소비를 감소시키는 것을 돕는다.

후냉각 시스템은, 공기가 엔진에 의해 연소되기 전에 입구 공기를 압축하기 위해, 예를 들어 터보 과급기 또는 과급기와 같은 적당한 압축기를 채용하는, 예를 들어 디젤, 가솔린 또는 가스 동력 내연 기관과 같은 임의의 적당한 내연 기관에 대하여 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 후냉각 시스템은 유사한 크기의 다른 엔진 후냉각 시스템과 비교하여 우수한 성능을 갖는다. 이것은 본 발명에 따른 후냉각 시스템이 엔진 후냉각 시스템을 수용가능한 공간이 작은 상황에서 사용하기에 특히 적합하게 한다.

후냉각 시스템은 바람직하게는 엔진 냉각 시스템과 같은 다른 냉각 시스템과는 독립적이다.

본 시스템의 액체 대 공기 후냉각기는 임의의 적당한 타입일 수 있다. 바람직한 형태에 있어서, 액체 대 공기 후냉각기는 상기 압축기로부터의 압축 입구 공기가 통과하는 파이프와, 상기 파이프에 인접하여 위치된 복수의 냉각 섹션을 포함하여, 압축 입구 공기로부터 냉각 튜브를 지나가는 액체 냉각제로 열이 전달될 수 있다. 특정의 바람직한 형태에 있어서, 액체 대 공기 후냉각기는 각각 복수의 냉각 튜브를 포함하는 3개의 냉각 섹션을 포함한다. 각각의 냉각 섹션은 각각의 입구 및 출구 포트를 갖는다.

임의의 적당한 액체 대 공기 냉각 라디에이터가 본 시스템에 사용될 수 있다. 예를 들어, 액체 대 공기 냉각 라디에이터는 수직방향으로 연장하는 임의의 수의 적당한 냉각 튜브를 포함하는 타입일 수 있다. 고온 및/또는 높은 부하 작용에서 특히 유용한, 바람직한 형태에 있어서, 라디에이터는 각각 복수의 수평방향 냉각 튜브를 포함하는 3개의 섹션을 갖는 3-패스 라디에이터이다.

바람직하게는, 제 1 섹션의 냉각 튜브는 라디에이터의 입구 포트로부터 연장하여, 냉각제가 입구 포트를 통해 제 1 섹션의 튜브 내로 유동할 수 있다. 제 2 섹션의 냉각 튜브는 바람직하게는 제 1 섹션의 아래에 위치되고, 바람직하게는 제 1 섹션의 대향 단부 및 입구 포트에 접속되어, 냉각제는 제 1 섹션의 튜브를 통한 냉각제의 유동 방향과는 반대 방향으로 제 1 섹션의 튜브로부터 제 2 섹션의 튜브 내로 유동할 수 있다. 제 3 섹션의 냉각 튜브는 바람직하게는 제 2 섹션의 아래에 위치되고, 바람직하게는 제 1 섹션의 튜브가 접속된 제 2 섹션의 대향 단부에 접속되어, 냉각제는 제 2 섹션의 튜브를 통한 내각제의 유동 방향과는 반대 방향으로 제 2 섹션의 튜브로부터 제 3 섹션의 튜브 내로 유동할 수 있다. 제 2 섹션의 튜브에 접속되지 않은 제 3 섹션의 냉각 튜브의 단부는 바람직하게는 라디에이터의 출구에 접속되어, 냉각제는 제 3 섹션의 튜브로부터 그리고 출구를 통해 유동할 수 있다. 라디에이터는 수평방향으로 연장하는 냉각 튜브를 갖는 것이 바람직하며, 이것은 그러한 라디에이터가 라디에이터를 통과하여 유동하는 냉각제를 수직형 냉각 튜브를 갖는 라디에이터보다 더 효율적으로 냉각할 수 있는 것으로 밝혀졌기 때문이다. 또한 수평방향으로 연장하는 냉각 튜브를 갖는 라디에이터가 내부에 형성된 바람직하지 않은 고온 영역 또는 "열점"을 덜 갖는 것으로 밝혀졌다. 라디에이터는 임의의 적당한 크기 및 형상일 수 있고, 임의의 적당한 재료로부터 제조될 수 있다.

복수의 수직형 냉각 핀이 바람직하게는 라디에이터의 여러 섹션의 냉각 튜브에 인접하게 위치되어, 열이 냉각 튜브 내의 냉각제로부터 냉각 핀으로 전달될 수 있고, 그 후 냉각 핀을 지나 유동하는 공기에 전달될 수 있다.

라디에이터는 바람직하게는 그 측부 상에 헤더 탱크(header tank)를 갖는다. 또한 라디에이터는 냉각제의 유동을 라디에이터의 여러 섹션 내로 지향시키기 위해 헤더 탱크 내에 복수의 지향성 배플 플레이트(baffle plate)를 포함하는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 라디에이터는 알루미늄 합금으로부터 제조된다.

라디에이터 및 후냉각기는 서로 유사한 것이 바람직하다.

펌프는 임의의 적당한 타입일 수 있다. 예를 들어, 펌프는 가변 또는 일정 유량(flow-rate) 펌프일 수 있다. 만약 펌프가 가변 유량 펌프이면, 예를 들어 양의 체적을 갖는 베인 타입(vane-type) 펌프와 같은 임의의 적당한 가변 유량 펌프가 사용될 수 있다. 특정의 바람직한 형태에 있어서, 펌프의 유량은 분당 1리터 내지 250리터 사이 또는 30리터 내지 180리터 사이에서 변할 수 있다. 만약 펌프가 일정 유량 펌프라면, 예를 들어 원심형 펌프와 같은 임임의 적당한 일정 유량 펌프가 채용될 수 있다. 펌프는 바람직하게는 속도가 변할 수 있거나 또는 그렇지 않은 유압 모터 또는 전기 모터에 의해 구동된다.

펌프는 엔진이 작동하는 동안 시스템을 통해 냉각제를 연속적으로 펌핑(pumping)하는 것이 바람직하다. 펌프는 엔진이 작동하는 동안에만 시스템을 통해 냉각제를 연속적으로 펌핑하는 것이 특히 바람직하다.

엔진 후냉각 시스템은 바람직하게는 또한 압축 공기가 후냉각기에 의해 냉각되기 전에 압축 공기의 온도를 감지하기 위한 입구 공기 온도 센서를 포함한다. 입구 공기 온도 센서는 압축 공기가 후냉각기에 의해 냉각되기 전에 압축 공기의 온도를 감지하기에 적절한 임의의 공기 온도 센서에 의해 제공된다. 바람직한 형태에 있어서, 입구 공기 온도 센서는 공기 온도 프로브(probe)의 형태이다. 입구 공기 온도 센서는 예를 들어 적외선 센서와 같은 원격 센서일 수 있다. 입구 공기 온도 센서는 바람직하게는 압축 공기가 입력되는 후냉각기의 입구에 바로 인접하여 위치될 수 있다.

출구 공기 온도 센서가 압축 공기가 후냉각기에 의해 냉각되기 전에 압축 공기의 온도를 감지하기에 적당한 임의의 공기 온도 센서에 의해 제공될 수 있다. 바람직한 형태에 있어서, 출구 공기 온도 센서는 공기 온도 프로브의 형태이다. 출구 공기 온도 센서는, 예를 들어 적외선 센서와 같은 원격 센서일 수 있다. 출구 공기 온도 센서는 바람직하게는 냉각된 압축 입구 공기가 출력되는 후냉각기의 출구에 바로 인접하여 위치된다.

냉각제 온도 센서는 후냉각기로부터 출력된 냉각제의 온도를 감지하기에 적당한 임의의 타입일 수 있다. 바람직한 형태에 있어서, 냉각제 온도 센서는 물 온도 프로브의 형태이다. 냉각제 온도 센서는, 예를 들어 적외선 센서와 같은 원격 센서이다.

제어기는 공기 및 냉각제 센서에 의해 감지된 공기 및 냉각제 온도에 반응하여 시스템을 통한 냉각제의 유량을 제어하기에 적당한 임의의 타입일 수 있다. 바람직한 형태에 있어서, 제어기는 펌프의 속도를 제어하여 펌프의 유량을 제어하는 유압 제어기 또는 전자 제어기와, 감지된 공기 및 냉각제 온도에 반응하여 유압 제어기 또는 전자 제어기를 제어하는 프로그래밍가능한 로직 제어기(PLC)(programmable logic controller) 또는 컴퓨터를 포함한다.

제어기는 시스템을 통한 냉각제의 유량을 임의의 적당한 방식으로 제어한다. 바람직하게는, 제어기는 펌프에 의해 시스템을 통해 냉각제가 펌핑되는 속도를 제어함으로써, 다시 말해 펌프의 유량을 제어함으로써 시스템을 통한 냉각제의 유량을 제어한다. 다른 바람직한 형태에 있어서, 제어기는 펌프의 유량을 제어하는 것에 의해 시스템을 통한 냉각제의 유량을 제어하지 않는다. 예를 들어, 펌프는 일정 속도로 시스템을 통해 냉각제를 연속적으로 펌핑하는 일정 유량 펌프이고, 시스 템을 통해 유동하는 냉각제의 양을 감소 또는 증가시켜 시스템을 통한 냉각제의 유량을 제어하기 위해, 시스템은 제어기에 의해 제어될 수 있는 하나 이상의 블리드 밸브(bleed valve)를 포함한다.

펌프는 바람직하게는 라디에이터에 의해 냉각된 냉각제를 라디에이터로부터 후냉각기로 펌핑한다.

후냉각 시스템은 바람직하게는 시스템 부근의 공기의 주위 온도를 감지하기 위한 주위 공기 온도 센서를 포함한다. 주위 공기 온도 센서는 시스템 부근의 공기의 온도를 감지하기에 적당한 임의의 공기 온도 센서에 의해 제공될 수 있다. 바람직한 형태에 있어서, 주위 공기 온도 센서는 공기 온도 프로브형태이다. 주위 공기 온도 센서는, 예를 들어 적외선 센서와 같은 원격 센서일 수 있다. 주위 공기 온도 센서는 바람직하게는 후냉각 시스템에 바로 인접하여 위치된다.

후냉각 시스템은 바람직하게는 라디에이터를 통해 공기를 강제함으로써 라디에이터를 지나가는 냉각제를 냉각하는 데에 라디에이터를 돕기 위한 팬을 포함한다. 팬은 임의의 적당한 타입일 수 있고, 가변 속도 팬 또는 일정 속도 팬일 수 있다. 팬의 회전 방향은 바람직하게는 변할 수 있다. 바람직하게는, 제어기는 팬의 회전 방향 또는 속도를 제어할 수 있다.

바람직한 형태에 있어서, 제어기는 주위 공기 온도 센서에 의해 감지된 주위 공기 온도와 후냉각기에 의해 냉각되거나 응축되기 전에 후냉각기 내로 입력된 압축기(예들 들어, 터보 과급기 또는 과급기)로부터의 압축 공기의 입구 공기 온도 센서에 의해 감지된 온도간의 차이를 결정한다. 제어기는 또한 바람직하게는 주위 공기 온도 센서에 의해 감지된 주위 공기 온도와 후냉각기로부터 출력된 압축 공기의 출구 공기 온도 센서에 의해 감지된 온도간의 차이를 결정한다. 제어기는 바람직하게는 주위 공기 온도와 후냉각기에 의해 냉각되기 전의 압축 입구 공기의 온도간의 차이, 주위 공기 온도와 후냉각기로부터 출력된 압축 입구 공기의 온도간의 차이, 및 냉각제 온도 센서에 의해 감지된 바와 같은 냉각제의 온도를 이용하여, 냉각제 온도 및 따라서 후냉각기로부터 출력된 압축 입구 공기의 온도를 최적 온도로 유지하는 시스템을 통한 냉각제의 유량 및 팬의 속도를 결정한다.

바람직하게, 제어기는, 팬의 속도가 냉각제 온도로 하여금 후냉각기로부터 출력된 압축 입구 공기를 최적 온도로 유지하는 데에 기여하도록 하는 제어기가 결정하는 팬 속도에 대응하도록, 팬을 제어한다. 바람직하게는, 제어기는, 시스템을 통한 냉각제의 유량이 냉각제 온도가 후냉각기로부터 출력된 압축 입구 공기를 최적 온도로 유지하는 데에 기여하도록 하는 제어기가 결정하는 유량에 대응하도록, 시스템을 통해 냉각제가 펌프에 의해 펌핑되는 속도(즉, 펌프의 유량)를 제어한다.

최적 온도는 임의의 적당한 온도일 수 있다. 만약 엔진이 디레이팅가능한 엔진이라면, 후냉각기로부터 출력된 압축 입구 공기의 최적 온도는 바람직하게는 엔진이 디레이팅되는 것을 방지하는 온도 또는 엔진이 디레이팅하는 출력의 양을 최소로하는 온도이다.

후냉각 시스템은 바람직하게는 매니폴드 탱크를 포함한다. 매니폴드 탱크는 임의의 저당한 크기 및 형상일 수 있고, 임의의 적당한 재료로부터 제조될 수 있다. 매니폴드 탱크는 바람직하게는 펌프의 출력에 그리고 후냉각기의 입구에 접속 된다.

후냉각 시스템은 바람직하게는 헤더 탱크를 포함한다. 헤더 탱크는 임의의 적당한 크기 및 형상일 수 있고, 임의의 적당한 재료로부터 제조될 수 있다. 헤더 탱크는 바람직하게는 매니폴드 탱크에 접속된다.

후냉각 시스템이 냉각제 수위 센서를 포함하는 것이 바람직하다. 냉각제 수위 센서는 임의의 적당한 타입일 수 있다. 바람직한 형태에 있어서, 냉각제 수위 센서는 헤더 탱크 내의 냉각제 수위를 감지한다.

후냉각 시스템은 바람직하게는 팽창 탱크를 포함한다. 팽창 탱크는 임의의 적당한 크기 및 형상일 수 있고, 임의의 적당한 재료로부터 제조될 수 있다. 팽창 탱크는 바람직하게는 헤더 탱크에 접속된다.

여러 구성요소를 함께 접속하는 배관 또는 도관과 함께, 후냉각기, 라디에이터, 펌프를 포함하는 열 회로를 포함하는 후냉각 시스템은, 임의의 적당한 재료로부터 제조될 수 있다. 바람직한 형태에 있어서, 열 회로는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로부터 제조된다. 알루미늄 및 알루미늄 합금의 우수한 열 전도율은 시스템 내의 온도 변화가 제어기에 의해 상대적으로 신속하게 검출되어, 제어기가 온도 변화가 발생한 직후에 검출된 변화에 반응할 수 있게 한다. 이것은 제어기가 실시간으로 시스템을 효과적으로 제어할 수 있게 한다.

본 발명을 보다 완전하게 이해하고 실행하기 위해, 바람직한 실시예의 개략적인 다이어그램을 도시하는 첨부된 도면의 도 1을 참조하여 바람직한 실시예가 설명될 것이다.

도 1은 바람직한 실시예의 개략적인 다이어그램을 도시하는 도면.

도 1을 참조하면, 디레이팅(derating)가능한 배출 제어(emission-controlled) 디젤 엔진과 함께 사용되기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 엔진 후냉각 시스템(10)이 도시된다.

시스템(10)은 내연 기관에 의한 연소를 위해 터보 과급기(turbocharger) 또는 과급기와 같은 압축기로부터 출력된 압축 공기를 냉각하기 위한 액체 대 공기 후냉각기(after-cooler)(11)를 포함한다. 후냉각기(11)는 예를 들어 터보 과급기 또는 과급기와 같은 압축기의 출력측에 접속된 파이프(12)를 포함하여, 압축기에 의해 출력된 압축 입구 공기가 파이프(12)를 통과한다. 후냉각기(11)는 또한 각각 복수의 냉각 튜브를 포함하는 복수의 섹션(13)을 포함한다. 섹션(13)은 파이프(12)에 인접하게 위치되어, 파이프(12)를 통과한 압축 공기로부터의 열이 각 섹션(13) 내의 복수의 튜브를 통과하는 물과 같은 액체 냉각제에 전달될 수 있다. 각 섹션(13)은 각각의 입구 포트(14)와 각각의 출구 포트(15)를 구비하여, 냉각제는 입구 포트(14)를 통해 섹션(13) 내로 그리고 출구 포트(15)를 통해 섹션(13)으로부터 유동할 수 있다.

후냉각기(11)의 각 입구 포트(14)는 매니폴드 탱크(16)에 접속되어, 냉각제는 매니폴드 탱크(16)로부터 입구 포트(14)를 통해 섹션(13) 내로 유동할 수 있다.

후냉각기(11)의 각 출구 포트(15)는 냉각제 온도 센서(17)에 접속되어, 냉각제는 출구 포트(15)를 통해 섹션(13)으로부터 유동하여 온도 센서(17)를 통과할 수 있고, 센서(17)는 통과하는 냉각제의 온도를 감지할 수 있다.

물 온도 센서(17)는 라디에이터(radiator)(19)의 입구 포트(18)에 접속되어, 센서(17)를 통과하는 냉각제가 입구 포트(18)를 통해 라디에이터(19)의 코어 내로 들어간다. 라디에이터(19)는 수평 냉각 튜브와 출구 포트(20) 뿐만 아니라 라디에이터(19)의 최상부에 위치되고 출구 포트(20)에 대각선 방향으로 대향하는 입구 포트(18)를 포함하는 3-패스 라디에이터이다. 입구 포트(18)를 통해 라디에이터(19) 내로 들어간 냉각제는 라디에이터(19)의 수평 냉각 튜브를 통과하여, 냉각제로부터의 열이 튜브를 둘러싸는 공기에 전달됨으로써 냉각제로부터 제거된다. 그 후 냉각된 냉각제는 라디에이터(19)의 바닥에 위치된 출구 포트(20)를 통해 라디에이터(19)로부터 흘러나온다.

라디에이터(19)의 출구 포트(20)는 유압 또는 전기 모터(22)에 의해 구동되는 냉각제 펌프(21)의 입구 포트에 접속된다. 펌프(21)는 분당 1리터 내지 250리터 또는 30리터 내지 180리터의 냉각제를 연속적으로 펌핑(pumping)할 수 있는 타입이다. 펌프(21)의 출구 포트는 매니폴드 탱크(16)에 접속되고, 매니폴드 탱크(16)는 헤더 탱크(header tank)(23)에 접속되어, 펌프(21)의 출구 포트로부터 펌핑된 냉각제는 매니폴드 탱크(16)와 헤더 탱크(23)에 축적된다.

헤더 탱크(23)는 팽창 탱크(24)에 인접하게 위치되고, 냉각제 수위 센서(25)는 관리 시스템을 위해 헤더 탱크(23) 내측에 있는 냉각제의 수위를 감지한다. 시스템(10) 내에서 순환하는 냉각제는 헤더 및 팽창 탱크(23, 24)를 채움으로써 보충될 수 있다.

라디에이터는 라디에이터(19)의 코어를 통해 공기를 강제할 수 있는 가변속도 팬(30)과 끼워맞춤되어, 라디에이터(19)를 통과하는 냉각제로부터 냉각제를 냉각하기 위해 팬(30)에 의해 라디에이터(19)를 통해 강제되는 공기에 열이 전달될 수 있다.

제어기(26)는 냉각제 온도 센서(17)에 의해 감지된 냉각제 온도에 반응하여 유압 모터(22)의 속도를 제어함으로써, 출구 공기 온도 센서(27)에 의해 감지된 바와 같은 후냉각기(11)로부터 출력된 압축 입구 공기의 온도를 제어함으로써, 입구 공기 온도 센서(28)에 의해 감지된 바와 같은 후냉각기(11)에 의해 냉각되기 전의 압축된 입구 공기의 온도를 제어함으로써, 그리고 주위 공기 온도 센서(29)에 의해 감지된 주위 공기 온도를 제어함으로써, 펌프(21)의 유량(flow-rate)을 제어한다. 특히, 후냉각기(11)로부터 출력된 냉각 압축 입구 공기를 최적 온도로 유지하도록, 제어기(26)는 감지된 냉각제 및 공기 온도에 반응하여 펌프(21)가 시스템(10)을 통해 냉각제를 펌핑하는 속도[즉, 펌프(21)의 유량]를 제어한다. 후냉각기(11)로부터 출력된 압축 공기의 최적 온도는, 예를 들어 엔진이 디레이팅(derating)하는 것을 방지하는 온도 또는 엔진이 출력을 디레이팅하는 양을 최소화하는 온도이다.

제어기(26)는 프로그래밍가능한 로직 제어기(PLC)(programmable logic controller) 또는 컴퓨터와 유압 또는 전자 제어기를 포함한다. 냉각제 온도 센서(17) 및 공기 온도 센서(27 내지 29)의 출력은 PLC 또는 컴퓨터의 입력에 접속된다. 그 후 PLC 또는 컴퓨터는 센서(17, 27, 28, 29)에 의해 감지된 공기 및 냉각제 온도를 처리하여, 유압 또는 전자 제어기를 제어하기 위한 제어 신호를 출력한다. 센서(17, 27, 28, 29)에 의해 감지된 엔진 입구 공기 및 냉각제 온도의 처리의 일부로서, PLC 또는 컴퓨터는 공기 온도 센서(29)에 의해 감지된 주위 공기 온도와 공기 온도 센서(28)에 의해 감지된 바와 같은 후냉각기(11)로의 입구 공기의 온도간의 차이를 계산한다. 또한, PLC 또는 컴퓨터는 입구 공기 온도 센서(29)에 의해 감지된 주위 공기 온도와 입구 공기 온도 센서(27)에 의해 감지된 바와 같은 후냉각기(11)로부터의 출구 공기의 온도간의 차이를 계산한다. PLC 또는 컴퓨터는 계산된 이들 온도 차이와 냉각제 온도 센서(17)에 의해 감지된 냉각제 온도를 이용하여, 후냉각기(11)로부터 출력된 압축 입구 공기를 최적 온도에 또는 최적 온도 근처에 유지하는 팬(30)의 속도 및 펌프(21)의 유량을 결정한다. PLC 또는 컴퓨터는 펌프(21)를 위한 팬(30)과 유압 또는 전자 제어기에 제어 신호를 출력하여, 펌프(21)의 유량 및 팬(30)의 속도는 PLC 또는 컴퓨터에 의해 계산된 것과 같은 유량 및 속도에서 유지된다. 유압 또는 전자 제어기는 PLC 또는 컴퓨터로부터의 유량 제어 신호에 반응하여 유압 또는 전기 모터(22)의 속도를 제어하여, 펌프(21)의 유량[따라서, 시스템(10)을 통한 냉각제의 유량]은 PLC 또는 컴퓨터에 의해 계산된 유량으로 유지된다.

PLC 또는 컴퓨터는 팬(30)의 속도를 제어할 수 있을뿐 아니라, 팬(30)의 회전 방향도 제어할 수 있다. 팬(30)의 회전 방향은 제어기(26)의 PLC 또는 컴퓨터에 설정된 파라미터(parameter)에 의해 결정된다.

후냉각기(11), 라디에이터(19), 펌프(21) 및 여러 구성요소를 함께 접속하는 배관을 포함하는 열 회로 내의 모든 구성요소는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로부터 제조된다. 알루미늄 및 알루미늄 합금의 우수한 열 전도율은 시스템(10) 내의 온도 변화가 제어기(26)에 의해 상대적으로 신속하게 검출되어, 제어기(26)가 온도 변화가 발생한 직후에 검출된 변화에 반응할 수 있게 한다. 이것은 제어기(26)가 실시간으로 시스템(10)을 효과적으로 제어할 수 있게 한다.

명세서 및 청구범위에 걸쳐, 문맥이 달리 규정하지 않는다면, "포함한다(복수 의미)"는 용어, 또는 "포함한다(단수 의미)" 또는 "포함하는"과 같은 변형은, 임의의 다른 정수 또는 정수의 그룹을 배제하지 않고 기술된 정수 또는 정수의 그룹을 포함하도록 적용됨을 이해할 것이다.

명세서 및 청구범위에 걸쳐, 문맥이 달리 규정하지 않는다면, "실질적으로" 또는 "약"의 용어는, 그 용어에 의해 한정된 범위에 대한 가치에 제한되지 않음을 이해할 것이다.

당업자는 여기에서 설명된 본 발명에 대한 변경 및 수정이 본 발명의 사상 및 범위로부터 일탈하지 않는다는 것이 명백함을 이해할 것이다. 당업자에게 명백한 바와 같은 변경 및 수정은 본 명세서에서 개시된 것과 같은 본 발명의 넓은 범위 및 영역 내인 것으로 간주된다.

종래 기술 공보가 본 명세서에 언급더라도, 그 인용은 호주 또는 다른 모든 나라에서 그 공보가 당업계의 보통의 일반 지식의 일부를 형성한다는 것을 시인하는 것은 아님을 명백하게 이해될 것이다.

Claims

엔진 후냉각 시스템에 있어서,

내연 기관에 의한 연소를 위해 압축기로부터 출력된 압축 공기를 냉각하기 위한 액체 대 공기 후냉각기와,

상기 후냉각기로부터 출력된 액체 냉각제를 냉각하기 위한 라디에이터와,

상기 시스템을 통해 상기 냉각제를 연속적으로 분출(pumping)하기 위한 펌프와,

상기 후냉각기에 의해 냉각된 후에 압축 공기의 온도를 감지하기 위한 출구 공기 온도 센서와,

상기 후냉각기로부터 출력된 상기 냉각제의 온도를 감지하기 위한 냉각제 온도 센서와,

감지된 상기 공기 및 냉각제 온도에 반응하여 상기 시스템을 통한 냉각제의 유량(flow-rate)을 제어하기 위한 제어기를 포함하는

엔진 후냉각 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 액체 대 공기 후냉각기는 상기 압축기로부터의 압축 입구 공기가 통과하는 파이프와, 상기 파이프에 인접하여 위치된 복수의 냉각 섹션을 포함하는

엔진 후냉각 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 라디에이터는 3-패스 라디에이터인

엔진 후냉각 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 펌프는 가변 유량 펌프인

엔진 후냉각 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 펌프는 유압 모터 또는 전기 모터를 포함하는

엔진 후냉각 시스템.
제 5 항에 있어서,

상기 모터의 속도는 변화될 수 있는

엔진 후냉각 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 펌프는 엔진이 작동하는 동안 연속적으로 작동하는

엔진 후냉각 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 시스템은 상기 압축 공기가 상기 후냉각기에 의해 냉각되기 전에 상기 압축 공기의 온도를 감지하기 위한 입구 공기 온도 센서를 더 포함하는

엔진 후냉각 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제어기는 상기 펌프의 유량을 제어하기 위한 유압 제어기 또는 전자 제어기를 포함하는

엔진 후냉각 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제어기는, 상기 펌프에 의해 냉각제가 상기 시스템을 통해 분출되는 속도를 제어하는 것에 의해, 상기 시스템을 통한 냉각제의 유량을 제어하는

엔진 후냉각 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 펌프는 상기 라디에이터에 의해 냉각된 냉각제를 상기 라디에이터로부터 상기 후냉각기로 펌핑하는

엔진 후냉각 시스템.
제 8 항에 있어서,

상기 시스템은 상기 시스템 부근의 공기의 주위 온도를 감지하기 위한 주위 공기 온도 센서를 더 포함하는

엔진 후냉각 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 시스템은 상기 라디에이터를 통해 공기를 강제 송풍하기 위한 팬을 더 포함하는

엔진 후냉각 시스템.
제 13 항에 있어서,

상기 제어기는 상기 팬의 속도를 제어할 수 있는

엔진 후냉각 시스템.
제 12 항에 있어서,

상기 제어기는 상기 주위 공기 온도 센서에 의해 감지된 주위 공기 온도와 상기 후냉각기에 의해 냉각되거나 응축되기 전에 상기 후냉각기 내로 입력된 상기 압축기로부터의 압축 공기의 상기 입구 공기 온도 센서에 의해 감지된 온도간의 차이를 결정하는

엔진 후냉각 시스템.
제 15 항에 있어서,

상기 제어기는 상기 주위 공기 온도 센서에 의해 감지된 주위 공기 온도와 상기 후냉각기로부터 출력된 상기 압축 공기의 상기 출구 공기 온도 센서에 의해 감지된 온도간의 차이를 결정하는

엔진 후냉각 시스템.
제 16 항에 있어서,

상기 제어기는 상기 주위 공기 온도와 상기 후냉각기에 의해 냉각되기 전의 압축 입구 공기의 온도간의 차이, 상기 주위 공기 온도와 상기 후냉각기로부터 출력된 압축 입구 공기의 온도간의 차이, 및 상기 냉각제 온도 센서에 의해 감지된 바와 같은 상기 냉각제의 온도를 이용하여, 상기 냉각제 온도와 상기 후냉각기로부터 출력된 상기 압축 공기의 온도를 최적 온도로 유지하는 상기 시스템을 통한 상기 냉각제의 유량을 결정하는

엔진 후냉각 시스템.
제 14 항에 있어서,

상기 제어기는, 상기 팬의 속도가 상기 후냉각기로부터 출력된 압축 입구 공기를 최적 온도로 유지하는 데에 기여하는 팬 속도에 대응하도록 상기 팬을 제어하 는

엔진 후냉각 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제어기는, 상기 시스템을 통한 상기 냉각제의 유량이 상기 냉각제 온도가 상기 후냉각기로부터 출력된 압축 입구 공기를 최적 온도로 유지하는 데에 기여하도록 하는 유량에 대응하도록, 상기 펌프에 의해 상기 냉각제가 상기 시스템을 통해 펌핑되는 속도를 제어하는

엔진 후냉각 시스템.