KR20100037079A - 냉매 기화열을 이용한 배기가스재순환장치 냉각시스템 - Google Patents

냉매 기화열을 이용한 배기가스재순환장치 냉각시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배기가스를 흡기계통으로 재순환시켜 실린더 내의 연소온도를 낮추어 질소산화물(NOx)의 발생을 줄이는 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation)장치에 있어서 기존에 사용중인 EGR쿨러를 수냉각방식이나 압축기를 사용하는 냉동사이클 방식이 아니라 물, 부동액 첨가 물, 프레온냉매, 자연냉매, 액화가스 등의 냉매 기화열인 잠열을 이용하는 자연순환 방식을 도입한 냉매 기화열을 이용한 배기가스재순환장치 냉각시스템에 관한 것이다.
배기가스에는 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물(NOx), 입자상물질(PM)등이 포함되어 있다. 특히 질소산화물(NOx)은 연료의 완전연소가 이루어지는 경우에 많이 발생한다. 따라서 배기가스를 흡기계통으로 재순환시켜 실린더 내의 연소온도를 낮추어 질소산화물(NOx)의 발생을 줄이는 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation)장치를 사용하는데 이를 위하여 배기가스를 냉각시키기 위하여 냉각장치인 EGR쿨러를 구비하고 있다. 그러나 EGR쿨러를 냉각하는 방식은 수냉각 방식을 사용하는 것이 보편적인 사례이며, 등록번호 10-0528205[이지알 냉각장치]와 같이 압축기(콤프레서)를 사용하는 냉동사이클을 이용하는 냉각장치를 제시하는 경우도 있다.
본 발명에서는 EGR쿨러를 냉각하는 방법으로 냉매의 비등과정에서 기화열을 이용하여 배기가스를 냉각시키는 방법을 이용한다. 배기가스의 폐열과 중력을 이용하여 냉매를 순환시키므로 수냉식 펌프나 냉동사이클의 콤프레사를 사용하는 강제순환방식과 달리 자연순환방식으로 냉매순환에 에너지를 사용하지 않아서 에너지 효율을 매우 높일 수 있다. 또한 배기가스의 폐열의 온도에 따라 냉매순환 속도가 달라져서 냉각성능이 좌우되므로 EGR쿨러를 아주 적정한 온도에서 운전할 수 있도록 할 수 있어 냉각성능을 최적화시킬 수 있다.

Description

냉매 기화열을 이용한 배기가스재순환장치 냉각시스템{The cooling system for EGR of vehicle using evaporating heat of refrigerant}
자동차 EGR 냉각분야
배기가스에는 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물(NOx), 입자상물질(PM)등이 포함되어 있다. 특히 질소산화물(NOx)은 연료의 완전연소가 이루어지는 경우에 많이 발생한다. 따라서 배기가스를 흡기계통으로 재순환시켜 실린더 내의 연소온도를 낮추어 질소산화물(NOx)의 발생을 줄이는 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation)장치를 사용하는데 이를 위하여 배기가스를 냉각시키기 위하여 냉각장치인 EGR쿨러를 구비하고 있다. 그러나 EGR쿨러를 냉각하는 방식은 수냉각 방식을 사용하는 것이 보편적인 사례이다. 출원번호 10-2008-0041516[자동차 배기가스 재순환을 위한 EGR용 쿨러], 등록번호 10-0814071[이지알 쿨러]는 배기가스를 냉각수로 냉각시키는 방식을 제시한다. 등록번호 10-0528205[이지알 냉각장치]는 에어컨과 같이 압축기를 사용하는 냉동사이클을 이용하는 냉각장치를 제시하는데 이 경우에는 압축기 가동을 위해 큰 에너지가 필요하고 배기가스가 필요 이상으로 냉각되어 쿨러 내부에 수분이 응결되어 이물질과 결합하여 쿨러를 막을 우려가 있다. 그러나, 수냉각이나 압축기를 사용하는 냉동사이클 외의 자연순환 방식은 제시되지 않고 있다.
본 발명에서는 EGR파이프(17) 내부를 통과하는 배기가스를 냉매 기화열을 이용하여 냉각시키도록 한다. 그리고 EGR파이프(17) 냉각효율을 높이기 위하여 열교환 면적을 증대시키는 방법을 마련한다. 냉매의 순환은 배기관에서 제공되는 폐열에 의한 자연순환 방식을 도입한다. 또한 배기가스가 지닌 폐열에서 열에너지, 역학에너지, 전기에너지를 재생할 수 있도록 하여 에너지 효율을 증대시키도록 한다.
EGR쿨러(21) 상부에 응축기(22)를 설치하고 상호간에 냉매순환 폐회로를 형성시킨 다음 EGR쿨러(21) 내부에 EGR파이프 내부로 통과하는 배기가스에 의해 비등할 수 있는 냉매를 채우고 배기가스에 의해 이 냉매를 기화시켜 기화열로 배기가스를 냉각시킴.
자동차의 배기가스에는 유해한 가스가 많이 배출된다. 따라서 배기가스 재순환장치는 배기매니폴드에서 배기가스의 일부를 EGR파이프(17)를 통하여 흡기매니폴드로 재순환시켜 실린더에서 혼합기가 연소할 때 최고온도를 낮추게 함으로써 배기가스의 질소산화물(NOx)을 저감시키도록 하는 역할을 한다. 본 발명에서는 EGR파이프(17) 내부를 통과하는 배기가스를 냉매 기화열을 이용한 자연순환 방식으로 효율적으로 냉각을 시켜 소기의 목적을 달성할 수 있도록 하였다. 자연순환 방식이므로 냉매순환에 펌프와 같은 회전기기를 사용하지 않으며 에너지를 추가적으로 사용하지 않아서 에너지 효율을 증대시킬 수 있도록 하였다. 그리고 EGR쿨러(21) 내부의 배기가스와 냉매의 열교환 방식을 다양한 형태로 하여 상황에 맞도록 적응성을 높였으며 냉각성능이 향상될 수 있도록 다중굴곡구조와 헤더/열교환관구조로 만들도록 하였다. 그리고 EGR파이프(17)의 배기가스가 지닌 열에너지를 이용하여 기화한 기체의 압력으로 터빈을 돌려 역학에너지 또는 전기에너지를 생산할 수 있도록 하여 폐열 재활용으로 에너지 효율을 획기적으로 높였다.
도 1은 기존의 일반적인 배기가스재순환장치 설명도이다.
도 2는 본 발명의 냉매 기화열을 이용한 자동차 배기가스 재순환파이프 냉각시스템 설명도이다.
도 3은 터빈/터빈실과 냉매탱크가 추가된 사례 설명도이다.
도 4는 일자형 EGR쿨러 사례 설명도이다.
도 5는 지그재그형 EGR쿨러 사례 설명도이다.
도 6은 헤더/열교환관형 EGR쿨러 사례 설명도이다.
도 1은 기존의 일반적인 배기가스재순환장치 설명도이다. 실린더(11) 한편에는 흡기매니폴드(12)가 연결되고 다른 한편에는 배기매니폴드(14)가 연결된다. 흡기매니폴드(12) 일측에는 에어클리너(13)가 연결된다. 배기매니폴드(14) 일측에는 배기관(15)이 연결되며 배기관(15) 관로상에는 촉매컨버터(16)가 설치된다. 배기매니폴드(14)로 배출되는 배기가스의 일부를 흡기매니폴드(12)로 재순환시켜 혼합기가 실린더에서 연소할 때 온도를 낮추어 질소산화물의 생성량을 저감시키기 위하여 배기매니폴드(14) 일측에서 흡기매니폴드(12) 일측을 연결하는 EGR파이프(17)를 설치한다. 그리고 EGR파이프(17) 관로상에는 배기가스 재순환을 조절하기 위하여 EGR제어밸브(18)를 설치하여 운영한다. EGR파이프(17)를 통과하는 동안 배기가스가 적절히 냉각되지 않으면 혼합기가 실린더(11)에서 연소할 때 최고온도가 낮아지지 않아서 배기가스의 질소산화물(NOx)을 저감시킬 수 없는 문제점이 있다.
도 2는 본 발명의 냉매 기화열을 이용한 자동차 배기가스 재순환파이프 냉각시스템 설명도이다. 자동차 엔진의 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation)장치에 있어서, EGR파이프(17) 배관로상에 EGR파이프(17) 내부로 통과하는 배기가스로부터 열을 잘 흡수하기 위하여 배기가스가 통과하는 공간을 감싸면서 냉매수용공간(41)이 형성된 EGR쿨러(21)를 설치한다. EGR쿨러(21) 상부에 냉매 순환통로를 가지는 응축기(22)를 설치하고 응축기(22)에 바람을 제공하도록 냉각팬(28)을 설치하며, EGR쿨러(21) 상부 인출배관과 응축기(22) 상부 인출배관을 기체배관(23)으로 상호 관통되도록 연결하고 EGR쿨러(21) 하부 인출배관과 응축기(22) 하부 인출배관을 액체배관(24)으로 상호 관통되도록 연결한다. 기체배관(23) 상부 관로 일측에 내부 공기를 배출하기 위하여 밸브가 달린 기체유출구(26)를 설치하며 액체배관(24) 하부 관로 일측에 냉각시스템 내부의 액체 냉매를 유출시킬 수 있도록 밸브가 달린 액체유출구(25)를 설치한다. 냉각성능을 조절하는 역할을 하도록 기체배관(23)과 액체배관(24) 관로상에 각각 1개씩 온도제어장치가 겸비된 냉각조절밸브(27)를 설치한다. 그리고 EGR쿨러(21), 기체배관(23), 응축기(22), 액체배관(24) 다시 EGR쿨러(21)로 형성되는 냉각시스템 냉매순환회로 내부 중 응축기(22)를 제외한 공간에 EGR쿨러(21)가 EGR파이프(17)로부터 받는 폐열에 의해 끓을 수 있는 냉매(미도시)를 채우고 냉매를 가열하여 기체유출구(26)를 통하여 공기를 배출시킴으로써 응축기(22)는 진공이 되도록 한다. 냉매는 물, 부동액 첨가 물, 프레온냉매, 자연냉매, 액화가스 중의 하나를 사용하는 것도 본 발명의 범위에 포함된다. 작동원리는 다음과 같다. EGR파이프(17)로 배기가스가 지나가면 EGR쿨러(21)의 냉매수용공간(41)에 채워진 냉매가 EGR파이프(17)로부터 열을 받아 기화하는데 이 때 기화열에 의해 EGR파이프(17) 내부의 배기가스는 냉각된다. 기화한 냉매는 기체배관(23)을 통하여 응축기(22)에 유입되어 열을 버리고 상변화를 하여 액체가 되어 중력에 의해 다시 EGR쿨러(21)로 돌아와서 냉각의 한 주기를 완료한다.
도 3은 터빈/터빈실과 냉매탱크가 추가된 사례 설명도이다. 도2에서 기체배관(23)에 설치된 냉각조절밸브(27)와 응축기(22)사이의 관로에 터빈/터빈실(31)을 추가로 설치하고, 액체배관(24)에 설치된 냉각조절밸브(27)와 응축기(22)사이의 관로에 냉매탱크(32)를 추가로 설치한 것이 다르다. 터빈/터빈실(31)은 터빈실 내에 터빈을 설치한 형태로 기체냉매에 의해 터빈이 돌아가면서 발생하는 역학에너지는 축 또는 자석커플링에 의해 외부로 유출되도록 한다. 따라서 기체냉매의 압력을 이용하여 터빈실 내의 터빈을 돌려 배관 외부에서 역학에너지 또는 전기에너지를 생산할 수 있다. 냉매탱크(32)는 EGR쿨러(21)에 안정적으로 냉매를 공급하는 역할을 수행한다.
도 4는 일자형 EGR쿨러 사례 설명도이다. 이 도면은 EGR쿨러(21)의 내부구조를 설명한다. EGR파이프(17)로부터 열을 잘 흡수하기 위하여 EGR파이프(17)의 일부를 감싸면서 EGR파이프(17) 외측과 결합하여 냉매수용공간(41)을 형성하는 EGR쿨러(21)를 만드는데 EGR쿨러(21) 내부의 EGR파이프(17)가 일자형태를 유지한다. 이 경우 냉각성능은 약할 수 있다. 냉각성능을 보충하기 위하여 열교환 면적을 증대시키기 위하여 EGR파이프(17)에 다수의 핀(미도시)을 설치할 수도 있다.
도 5는 지그재그형 EGR쿨러 사례 설명도이다. 이 도면도 EGR쿨러(21)의 내부구조를 설명한다. EGR파이프(17)로부터 열을 잘 흡수하기 위하여 EGR파이프(17)의 일부를 감싸면서 EGR파이프(17) 외측과 결합하여 냉매수용공간(41)을 형성하는 EGR쿨러(21)를 만드는데 열교환 면적을 늘리기 위하여 EGR쿨러(21) 내부의 EGR파이프(17)가 지그재그형태로 다중굴곡구조가 되도록 한다. 냉각성능을 더 크게 하기 위하여 EGR파이프(17)에 다수의 핀(미도시)을 설치할 수도 있다.
도 6은 헤더/열교환관형 EGR쿨러 사례 설명도이다. 이 도면도 EGR쿨러(21)의 내부구조를 설명한다. 배기가스가 유입되는 곳에 입구헤더(61)가 설치되며 반대편인 배기가스가 유출되는 곳에 출구헤더(62)가 설치되며 입구헤더(61)와 출구헤더(62) 사이에는 배기가스가 통과하는 다수의 열교환관(63)이 설치된다. 열교환관 외부이며 외함 내부에는 냉매수용공간(41)이 형성된다. 헤더/열교환관형 EGR쿨러는 도시된 것 외에도 효율적 열교환을 위하여 다양한 형태로 변형될 수 있다.
도4 내지 도6에서 보았듯이 본 발명은 EGR쿨러(21)가 일자형, 지그재그형, 헤더/열교환관형 중의 하나로 구성할 수 있다.
11 : 실린더 12 : 흡기매니폴드
13 : 에어클리너 14 : 배기매니폴드
15 : 배기관 16 : 촉매컨버터
17 : EGR파이프 18 : EGR제어밸브
21 : EGR쿨러 22 : 응축기
23 : 기체배관 24 : 액체배관
25 : 액체유출구 26 : 기체유출구
27 : 냉각조절밸브 28 : 냉각팬
31 : 터빈/터빈실 32 : 냉매탱크
41 : 냉매수용공간 61 : 입구헤더
62 : 출구헤더 63 : 열교환관

Claims (4)

  1. 자동차 엔진의 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation)장치에 있어서, EGR파이프(17) 배관로상에 EGR파이프(17) 내부로 통과하는 배기가스로부터 열을 잘 흡수하기 위하여 배기가스가 통과하는 공간을 감싸면서 냉매수용공간(41)이 형성된 EGR쿨러(21)와; EGR쿨러(21) 상부에 설치되며 냉매 순환통로를 가지는 응축기(22)와; 응축기(22)에 바람을 제공하도록 설치되는 냉각팬(28)과; EGR쿨러(21) 상부 인출배관과 응축기(22) 상부 인출배관을 상호 관통되도록 연결하는 기체배관(23)과; EGR쿨러(21) 하부 인출배관과 응축기(22) 하부 인출배관을 상호 관통되도록 연결하는 액체배관(24)과; 기체배관(23) 상부 관로 일측에 내부 공기를 배출하기 위하여 설치되는 밸브가 달린 기체유출구(26)와; 액체배관(24) 하부 관로 일측에 냉각시스템 내부의 액체 냉매를 유출시킬 수 있도록 설치되는 밸브가 달린 액체유출구(25)와; 냉각성능을 조절하는 역할을 하도록 기체배관(23)과 액체배관(24) 관로상에 각각 1개씩 설치되는 온도제어장치가 겸비된 냉각조절밸브(27)와; EGR쿨러(21), 기체배관(23), 응축기(22), 액체배관(24) 다시 EGR쿨러(21)로 형성되는 냉각시스템 냉매순환회로 내부 중 응축기(22)를 제외한 공간에 채워지며 EGR쿨러(21)가 EGR파이프(17)로부터 받는 폐열에 의해 끓을 수 있는 냉매(미도시)로 구성되는 것을 특징으로 하는 냉매 기화열을 이용한 배기가스재순환장치 냉각시스템.
  2. 제1항에 있어서, 냉매(미도시)가 물, 부동액 첨가 물, 프레온냉매, 자연냉매, 액화가스 중의 하나인 것을 특징으로 하는 냉매 기화열을 이용한 배기가스재순환장치 냉각시스템.
  3. 제1항에 있어서, EGR쿨러(21)가 일자형, 지그재그형, 헤더/열교환관형 중의 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 냉매 기화열을 이용한 배기가스재순환장치 냉각시스템.
  4. 제1항에 있어서, 기체배관(23)에 설치된 냉각조절밸브(27)와 응축기(22)사이의 관로에 설치되는 터빈/터빈실(31)과; 액체배관(24)에 설치된 냉각조절밸브(27)와 응축기(22)사이의 관로에 냉매탱크(32)를 추가하는 것을 특징으로 하는 냉매 기화열을 이용한 배기가스재순환장치 냉각시스템.
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