KR20100042407A - 볼텍스 튜브를 이용한 엔진시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 볼텍스 튜브를 이용한 엔진시스템에 관한 것이다.
개시된 본 발명은 흡기매니폴드 및 배기매니폴드를 가지고, 상기 배기매니폴드에는 배기관이 연결된 엔진; 입구, 저온출구, 고온출구를 가진 볼텍스 튜브; 상기 배기매니폴드의 일측에서 연장되고, 상기 배기매니폴드 및 볼텍스 튜브의 입구를 소통시키는 재순환가스배관; 상기 볼텍스 튜브의 저온출구에서 상기 흡기매니폴드로 연장된 저온가스배관; 상기 볼텍스 튜브의 고온출구에서 상기 배기매니폴드의 배기관으로 연장된 고온가스배관; 및 상기 재순환가스배관 상에 설치되어 상기 볼텍스 튜브의 입구로 유입되는 재순환가스의 양을 능동적으로 제어하는 능동제어형 밸브;를 포함한다.
이에 의해, 본 발명은 배기가스의 압력손실 내지 열손실을 최소화하면서 볼텍스 튜브에 의한 배기가스의 에너지 분리 및 물질 분리 효율을 극대화할 수 있는 효과를 구현할 수 있다.
볼텍스, 볼텍스 튜브, 배기매니폴드, 재순환가스배관, 가스배관

Description

볼텍스 튜브를 이용한 엔진시스템{ENGINE SYSTEM USING VORTEX TUBE}
본 발명은 볼텍스 튜브를 이용한 엔진시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배기가스의 압력손실 내지 열손실을 최소화하면서 볼텍스 튜브에 의한 배기가스의 에너지 분리 및 물질 분리 효율을 극대화할 수 있는 볼텍스 튜브를 이용한 엔진시스템에 관한 것이다.
널리 주지된 바와 같이, 차량용 엔진시스템은 연료와 공기의 혼합가스가 실린더실에서 연소됨으로써 동력을 발생시키고, 이때 연소된 배기가스는 배기계를 통해 외부로 배출된다.
한편, 이러한 배기가스 내의 질소산화물, 일산화탄소 등과 같은 유해물질을 효과적으로 제거하기 위하여 배기가스 재순환시스템(EGR) 등을 이용한다.
하지만, 이러한 배기가스 재순환시스템을 이용한 엔진시스템은 재순환시스템 냉각을 위한 엔진냉각수가 소비되고, 이와 관련된 배관, EGR쿨러 등의 구성요소가 소요됨에 따라 차량의 중량이 증가할 뿐만 아니라 차량 내의 설치공간을 많이 차지하며, 공기저항의 증가로 인해 차량의 주행성능을 저감시키는 단점이 있었다.
이러한 단점들을 극복하기 위하여, 본 발명자는 볼텍스 튜브에 의한 에너지 분리 및 물질분리의 원리를 엔진시스템에 적용함으로써 배기가스 내의 유해물질 제거효율을 향상시킨 엔진시스템(대한민국 특허등록 제10-0793981호, 대한민국 특허등록 제10-0759516호 등)을 선출원한 바 있다.
한편, 이러한 볼텍스 튜브를 이용한 엔진시스템은, 볼텍스 튜브로 유입되는 재순환 배기가스(이하, 재순환가스라 함)가 볼텍스 튜브 내로 유입되는 도중에 압력손실 내지 열손실을 최소화시켜야 할 필요가 있다. 볼텍스 튜브 내로 유입되는 재순환가스의 압력손실 내지 열손실이 클 경우 볼텍스 튜브를 통한 재순환가스의 에너지분리 내지 물질분리 효율이 저감될 뿐만 아니라 매연물질의 여과효율이 극히 저하될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 재순환가스가 볼텍스 튜브 내로 유입되는 도중에 열손실 또는 압력손실을 최소화할 수 있도록 함과 더불어, 볼텍스 튜브 내로 유입되는 재순환가스의 유입량을 능동적으로 제어함으로써 볼텍스 튜브에 의한 재순환가스의 에너지분리 내지 물질분리 효율을 극대화시켜 엔진의 출력성능을 향상시키고, 배출가스를 저감시킬 수 있는 볼텍스 튜브를 이용한 엔진시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 볼텍스 튜브를 이용한 엔진시스템은,
흡기매니폴드 및 배기매니폴드를 가지고, 상기 배기매니폴드에는 배기관이 연결된 엔진;
입구, 저온출구, 고온출구를 가진 볼텍스 튜브;
상기 배기매니폴드의 일측에서 연장되고, 상기 배기매니폴드 및 볼텍스 튜브의 입구를 소통시키는 재순환가스배관;
상기 볼텍스 튜브의 저온출구에서 상기 흡기매니폴드로 연장된 저온가스배관;
상기 볼텍스 튜브의 고온출구에서 상기 배기매니폴드의 배기관으로 연장된 고온가스배관; 및
상기 재순환가스배관 상에 설치되어 상기 볼텍스 튜브의 입구로 유입되는 재순환가스의 양을 능동적으로 제어하는 능동제어형 밸브;를 포함한다.
상기 능동제어형 밸브는 상기 볼텍스 튜브의 입구에 근접하여 설치되거나 상기 재순환가스배관과 배기매니폴드의 연결부분에 설치되고,
상기 능동제어형 밸브는 상기 재순환가스배관의 유로 개도량을 조절하는 밸브체 및 상기 밸브체를 작동시키는 액츄에이터를 포함한다.
상기 볼텍스 튜브는 케이싱, 제너레이터, 고온가스 튜브를 포함하고, 상기 케이싱은 입구 및 저온출구를 가지며, 상기 고온가스 튜브는 고온출구를 가지고, 상기 고온출구의 단부에는 고온챔버가 설치되며, 상기 고온챔버 내에는 스로틀밸브가 상기 고온출구에 인접하여 이동가능하게 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 재순환가스배관, 저온가스배관 및 고온가스배관에 개별적으로 설치된 제1, 제2 및 제3 압력센서; 및
상기 제1, 제2 및 제3 압력센서, 능동제어형 밸브 및 스로틀밸브가 접속되는 컨트롤러;를 더 포함한다.
상기 컨트롤러는 차량의 전자에어유닛(ECU)에 접속되는 것을 특징으로 한다.
상기 재순환가스배관의 일측에서 배기관으로 바이패스배관이 연장되고, 상기 바이패스배관에는 바이패스밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 재순환가스가 볼텍스 튜브 내로 유입되는 도중에 열손실 또는 압력손실을 최소화할 수 있도록 함과 더불어, 볼텍스 튜브 내로 유입되는 재순환가스의 유입량을 능동적으로 제어함으로써 볼텍스 튜브에 의한 재순환가스의 에너지 분리 내지 물질분리 효율을 극대화시켜 엔진의 출력성능을 향상시킴과 더불어 배출가스를 저감시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 볼텍스 튜브를 이용한 엔진시스템을 도시한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 볼텍스 튜브를 이용한 엔진시스템은, 흡기매니폴드(11) 및 배기매니폴드(12)를 가진 엔진(10), 상기 엔진(10)의 배기매니폴드(12)와 소통가능하게 설치된 볼텍스 튜브(20)를 포함한다.
엔진(10)은 그 내부에 복수의 실린더실을 가지고, 이 실린더실 내에서 연료와 공기의 혼합가스가 연소됨으로써 동력을 발생시킨다. 흡기매니폴드(11)는 엔진(10) 내의 실린더실로 연료와 공기의 혼합가스를 공급하고, 배기매니폴드(12)는 엔진(10) 내에서 연소된 배기가스를 배기계측으로 배출시킨다.
배기매니폴드(12)에는 배기계의 배기관(13)이 연결되고, 이 배기관(13)을 통해 배기가스가 외부로 배출되며, 배기관(13)에는 매연여과장치(18; DPF, CPF 등), 머플러(19) 등이 설치된다.
배기매니폴드(12)의 일측에는 배기가스의 일부를 엔진(10)의 흡기매니폴드(11)측으로 재순환시키기 위한 재순환가스배관(31)이 연장되고, 이 재순환가스배관(31)에는 볼텍스 튜브(20)의 입구(27)가 소통가능하게 설치된다.
비교컨대, 종래기술들은 재순환가스배관(31)이 배기관(13)에서 연장됨에 따라 재순환가스의 유입경로가 길어지고, 이에 저속 저부하영역에서는 재순환가스가 볼텍스 튜브의 입구로 유입되는 과정에 압력손실 내지 열손실이 급격하게 발생할 수 있다. 이로 인해 볼텍스 튜브(20)에 의한 재순환가스의 에너지분리 및 물질분리 작용이 원활하게 이루어지지 못하는 단점이 있었다.
이에 반해, 본 발명은 재순환가스배관(31)이 배기매니폴드(12)에서 직접 연장되어 볼텍스 튜브(20)의 입구(27)측으로 연결됨으로써 볼텍스 튜브(20)의 입구(27)로 유입되는 재순환가스의 경로를 최대한 짧게 설정할 수 있고, 이에 의해 재순환가스가 볼텍스 튜브(20)의 입구(27)로 유입되는 과정에 발생할 수 있는 열손실 또는 압력손실 등을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명은 재순환배관(31)이 배기매니폴드(12)측에 직접적으로 설치되는 구조를 채택함으로써 볼텍스 튜브(20)를 기존의 엔진시스템에 매우 용이하게 설치할 수 있는 장점이 있다. 즉, 배기매니폴드(12)의 일측에서 재순환배관(31)이 연장된 구조로 이루어짐에 따라 볼텍스 튜브(20)를 엔진시스템의 배기매니폴드(12)측에 간편하게 설치가능하고, 이에 의해 다양한 종류의 엔진시스템에 본 발명을 호환성있게 적용할 수 있는 장점이 있다.
한편, 볼텍스 튜브(20)는 케이싱(21), 제너레이터(23), 고온가스 튜브(25)를 포함한다.
케이싱(21)은 그 내부에 중공부를 가지고, 그 외주면 일측에 입구(27)가 구비되며, 이 입구(27)에는 재순환배관(31)이 소통되게 연결된다. 입구(27)를 통해 배기가스의 일부 즉, 재순환가스가 케이싱(21) 내로 유입된다.
제너레이터(23)는 그 일단에 재순환가스가 통과하는 복수의 노즐(23a)을 가지고, 그 중심부에 디퓨저 형상의 중공부(23b)를 가진다. 중공부(23b)의 일단에는 볼텍스 챔버(23c)가 형성되고, 볼텍스 챔버(23c)의 일단개구는 고온가스 튜브(25)와 소통하고, 볼텍스 챔버(23c)의 타단개구는 저온출구(28)와 소통한다. 이 제너레이터(23)에 의해 입구(27)를 통해 유입된 재순환가스에는 볼텍스가 생성되고, 이렇게 생성된 볼텍스에 의해 저온가스(LV) 및 고온가스(HV)로 분리되며, 재순환가스 내의 입자상물질 등은 볼텍스의 원심력에 의해 분리될 수 있다.
제너레이터(23)의 맞은편에는 슬리브(24)가 배치되고, 이 슬리브(24)는 그 내부에 디퓨저 형상의 중공부(24b)를 가진다.
고온가스 튜브(25)는 그 일단이 슬리브(24)의 중공부(24b) 및 제너레이터(23)의 중공부(23b)와 소통되게 연결되고, 그 타단에 고온출구(29)가 형성되며, 이 고온출구(29)측에는 고온챔버(26)가 설치된다. 고온챔버(26)는 그 직경이 고온가스 튜브(25) 보다 크게 형성되고, 제너레이터(23)에 의해 자연재생온도(600~650℃) 이상으로 상승한 고온가스(HV)는 고온챔버(26) 내에 일시 수용된 후에 배기관(13)을 통과하면서 매연저감장치(18), 머플러(19) 등을 거쳐 외부로 배출된다.
이와 같이 고온가스(HV)는 제너레이터(23)에 의해 자연재생온도 이상으로 상승함에 따라 별도의 촉매장치, 연료분사에 의한 연소기구 등에 의한 가열없이도 배기가스 내의 입자상 물질을 용이하게 연소(재생)시킬 수 있다.
고온챔버(26) 내에는 스로틀밸브(26a, throttle valve)가 이동가능하게 설치된다. 스로틀밸브(26a)는 고온가스 튜브(25)의 고온 출구(29)와 인접하고, 스로틀밸브(26a)의 타단에는 액츄에이터(26b)가 설치되며, 이 액츄에이터(26b)는 컨트롤러(45)에 접속된다. 컨트롤러(45)에 의해 액츄에이터(26b)가 제어됨에 따라 스로틀밸브(26a)는 그 이동량이 조절되고, 이에 의해 고온 출구(29)의 개도량이 조절될 수 있다.
또한, 케이싱(21) 및 고온챔버(26)는 하나 이상의 지지봉(24)에 의해 견고하게 지지되며 설치될 수 있고, 지지봉(24)의 단부는 배기관(13) 또는 차량의 프레임 등에 견고하게 고정될 수 있다.
볼텍스 튜브(20)의 저온출구(28)에는 저온가스배관(32)이 흡기매니폴드(11)로 연장되고, 볼텍스 튜브(20)의 고온출구(29)에는 고온가스배관(33)이 배기매니폴드(12)의 배기관(13)으로 연장된다.
이러한 볼텍스 튜브(20)의 에너지분리 및 물질분리의 작용을 살펴보면 다으음과 같다.
배기매니폴드(12)를 통해 배출되는 일부의 배기가스 즉, 재순환가스가 볼텍스 튜브(20) 내로 유입되면, 볼텍스 튜브(20)의 제너레이터(23)에 의해 재순환가스는 저온가스(LV) 및 고온가스(HV)로 분리되고(에너지 분리작용), 재순환가스 내의 각종 입자상물질(soot 등)은 볼텍스의 원심력에 의해 분리된다(물질 분리작용)
한편, 본 발명은 짧은 경로의 재순환가스배관(31)에 의해 그 압력손실 및 열손실이 최소화됨에 따라 저온가스의 온도가 배기매니폴더(12) 내의 배기가스 보다 최대 50% 이상 냉각될 수 있다. 또한, 재순환가스 내에 함유된 입자상물질(soot 등)이 80% 이상 분리될 수 있다. 이와 같이 본 발명에 의하면, 배출가스 중의 NOx 및 입자상 물질을 매우 효과적으로 저감시킬 수 있다.
능동제어형 밸브(40)는 케이싱(21)의 입구(27)를 개폐하도록 설치된다. 특히, 능동제어형 밸브(40)는 도 1의 실선과 같이 케이싱(21)의 입구(27)에 근접하여 설치될 수도 있고, 이와 달리 도 1의 점선과 같이 재순환가스배관(31)과 배기매니폴드(12)의 연결부분 상에 설치될 수도 있다.
그리고, 능동제어형 밸브(40)는 케이싱(21)의 입구(27) 개도량을 조절하도록 작동하는 밸브체(41) 및 이 밸브체(41)를 구동시키는 액츄에이터(42)를 포함한다.
액츄에이터(42)는 솔레노이드 등과 같은 전자석으로 이루어지고, 이 액츄에이터(42)는 컨트롤러(45)에 접속되며, 컨트롤러(45)에 의해 액츄에이터(42)가 제어됨에 따라 능동제어형 밸브(40)는 볼텍스 튜브(20)의 입구(27) 개도량을 능동적으로 제어할 수 있다.
특히, 이와 같은 능동제어를 구현하기 위한 본 발명은 재순환가스배관(31), 저온가스배관(32), 고온가스배관(33) 각각에 설치된 제1, 제2 및 제3 압력센서(46, 47, 48) 및 각 압력센서(46, 47, 48)가 접속되는 컨트롤러(45)를 포함한다.
제1, 제2 및 제3 압력센서(46, 47, 48)는 재순환가스배관(31), 저온가스배 관(32), 고온가스배관(33) 내의 각 가스압력을 개별적으로 검출하고, 이 검출된 신호를 컨트롤러(45)측에 전송하면, 컨트롤러(45)는 엔진의 회전수, 부하조건 등에 따라 능동제어형 밸브(40)의 액츄에이터(42) 및 스로틀밸브(26a)의 액츄에이터(26b)를 능동적으로 조절할 수 있다.
이에 의해, 능동제어형 밸브(40)는 볼텍스 튜브(20) 내로 유입되는 재순환가스의 양을 능동적으로 제어할 수 있고, 스로틀밸브(26a)는 볼텍스 튜브(20)에 의한 재순환가스의 에너지분리 및 물질분리의 효율을 최적화시키도록 제어할 수 있다.
한편, 컨트롤러(45)는 엔진의 운전상태, 부하조건 등에 따라 최적의 재순환가스의 양을 제어하기 위하여 차량용 전자제어유닛(ECU, 49)에 접속될 수도 있다.
또한, 본 발명은 재순환가스배관(31)의 일측에서 배기관(13)으로 연장된 바이패스배관(38)을 더 포함할 수도 있다.
이 바이패스배관(38)에는 바이패스밸브(38a)가 설치되고, 이 바이패스밸브(38a)는 배기관(13)으로의 흐름만을 허용하고 재순환가스배관(31)으로의 흐름(역류)을 차단하는 체크밸브가 이용될 수 있다.
이러한 바이패스밸브(38a)는 컨트롤러(45)에 접속되고, 제1압력센서(46)에 의해 재순환가스의 압력이 과도하게 상승됨이 감지되면 컨트롤러(45)는 능동제어형 밸브(40)를 폐쇄시킴과 동시에 바이패스밸브(38a)를 개방시키고, 이에 재순환가스는 볼텍스 튜브(20)를 거치지 않고 배기관(13)측으로 직접 이송될 수 있으며, 이에 따라 볼텍스 튜브(20)의 입구(27)측에 과도한 압력이 발생됨을 방지할 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명이 터보차저 엔진시스템에 적용한 실시형태를 예시한 것이다. 도 3에서 터보차저(50)는 터빈(51) 및 압축기(52)를 가지고, 터빈(51)은 배기관(13)측에 소통가능하게 설치되며, 압축기(52)는 흡기관(16)을 통해 흡기매니폴드(11)와 소통된다.
이와 같이 본 발명은 터보차저(50)를 가진 엔진시스템에 적용하더라도 저속저부하 영역의 운전조건에서 볼텍스 튜브(20)에 의한 재순환가스의 에너지분리 및 물질분리 효율을 최적화시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 볼텍스튜브를 이용한 엔진시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 볼텍스 튜브 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명이 터보차저형 엔진시스템에 적용된 구조를 도시한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 *
10: 엔진 11: 흡기매니폴드
12: 배기매니폴드 20: 볼텍스 튜브

Claims (6)

  1. 흡기매니폴드 및 배기매니폴드를 가지고, 상기 배기매니폴드에는 배기관이 연결된 엔진;
    입구, 저온출구, 고온출구를 가진 볼텍스 튜브;
    상기 배기매니폴드의 일측에서 연장되고, 상기 배기매니폴드 및 볼텍스 튜브의 입구를 소통시키는 재순환가스배관;
    상기 볼텍스 튜브의 저온출구에서 상기 흡기매니폴드로 연장된 저온가스배관;
    상기 볼텍스 튜브의 고온출구에서 상기 배기매니폴드의 배기관으로 연장된 고온가스배관; 및
    상기 재순환가스 배관 상에 설치되어 상기 볼텍스 튜브의 입구로 유입되는 재순환가스의 양을 능동적으로 제어하는 능동제어형 밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 볼텍스 튜브를 이용한 엔진시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 능동제어형 밸브는 상기 볼텍스 튜브의 입구에 근접하여 설치되거나 상기 재순환가스배관과 배기매니폴드의 연결부분에 설치되고,
    상기 능동제어형 밸브는 상기 재순환가스배관의 유로 개도량을 조절하는 밸브체 및 상기 밸브체를 작동시키는 액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 볼 텍스 튜브를 이용한 엔진시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 볼텍스 튜브는 케이싱, 제너레이터, 고온가스 튜브를 포함하고, 상기 케이싱은 입구 및 저온출구를 가지며, 상기 고온가스 튜브는 고온출구를 가지고, 상기 고온출구의 단부에는 고온챔버가 설치되며, 상기 고온챔버 내에는 스로틀밸브가 상기 고온출구에 인접하여 이동가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 볼텍스 튜브를 이용한 엔진시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 재순환가스배관, 저온가스배관 및 고온가스배관에 개별적으로 설치된 제1, 제2 및 제3 압력센서; 및
    상기 제1, 제2 및 제3 압력센서, 능동제어형 밸브 및 스로틀밸브가 접속되는 컨트롤러;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 볼텍스 튜브를 이용한 엔진시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 차량의 전자에어유닛(ECU)에 접속되는 것을 특징으로 하는 볼텍스 튜브를 이용한 엔진시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 재순환가스배관의 일측에서 배기관으로 바이패스배관이 연장되고, 상기 바이패스배관에는 바이패스밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 볼텍스 튜브를 이용한 엔진시스템.
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