KR20100131810A - 압축천연가스 엔진의 냉각장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압축천연가스(CNG:Compressed Natural Gas) 엔진의 냉각장치를 개시한다. 상기 압축천연가스 엔진의 냉각장치는, 각각의 에어채널과 냉각수채널을 갖는 에어컴프레서(10)와, 가스레귤레이터(7)의 가스채널을 통해 공급되는 가스의 압력을 낮추고 상기 가스레귤레이터(7)의 냉각수채널을 통해 공급되는 냉각수를 이용하여 가스의 온도를 높이는 열교환기(8)와, 각각의 가스채널과 냉각수채널을 갖는 가스서모스탯(9)과, 엔진의 실린더로 공급하기 위하여 상기 에어컴프레서(10)로부터 공급되는 압축공기와 상기 열교환기(8)로부터 상기 가스서모스탯(9)을 통해 공급되는 가스를 혼합하는 혼합기를 포함하는 압축천연가스 엔진의 냉각장치에 있어서, 상기 열교환기(8)로부터 상기 가스서모스탯(9)의 냉각수채널을 통해 공급되는 냉각수를 상기 에어컴프레서(10)의 냉각수채널의 입구로 안내하는 제1 냉각수 안내라인(15)과, 상기 에어컴프레서(10)의 냉각수채널을 통과한 냉각수를 냉각장치의 일부분으로 안내하는 제2 냉각수 안내라인(16)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
압축천연가스, 엔진, 공기, 냉각장치

Description

압축천연가스 엔진의 냉각장치{cooling system of a compressed natural gas engine}
본 발명은 압축천연가스(CNG:Compressed Natural Gas) 엔진의 냉각장치에 관한 것으로, 특히 열교환장치의 냉각수채널을 거치는 냉각수를 이용하여 에어컴프레서를 냉각시켜 에어컴프레서와 이와 관련한 공기 냉각장치의 품질을 개선시킬 수 있게 하는 압축천연가스 엔진의 냉각장치에 관한 것이다.
일반적으로, 차량은 엔진에서 사용되는 연료의 종류에 따라 차량의 종류가 분류될 수 있으며, 가솔린을 사용하는 경우 가솔린차량으로 분류되고 경유를 사용하는 경우 디젤차량으로 분류되며, 액화석유가스(LPG)를 사용하는 경우 LPG차량으로 분류되고 압축천연가스(CNG)를 사용하는 경우 CNG차량 등으로 분류된다.
근래 대도시에는, 자동차 배출가스로 인한 대기오염이 심화되면서 기존의 경유차에 비해 매연이 거의 없고 소음이 적게 나며, 질소산화물 등과 같은 유해물질의 배출이 매우 적은 CNG버스의 도입이 점진적으로 이루어지고 있다.
CNG차량은 연료인 가스를 높은 압력으로 가스탱크에 저장하고 가스탱크에서 공급되는 가스와 외부의 에어필터로부터 에어컴프레서를 통해 공급되는 압축공기를 혼합기(Mixer)에 공급하여, 상기 혼합기를 통해 혼합된 가스를 엔진의 실린더(또는 연소실)에 공급하여 폭발시켜 동력을 얻는 방식으로 작동된다.
도 1은 종래 기술에 따른 CNG차량 엔진의 냉각장치의 냉각수 회로를 보여주는 개략 블록도이다.
도 1에 도시된 종래 기술에 따른 CNG차량 엔진의 냉각장치의 냉각수 회로에 보여진 바와 같이, 냉각수 펌프(1)를 통과한 냉각수는 각기 엔진부분, 가스공급부분, 에어컴프레서 등의 해당 진행경로를 따라 순환된다.
여기서, 상기 엔진부분의 경우, 상기 냉각수 펌프(1)를 통과한 일부의 냉각수는 오일쿨러(2), 실린더블록(3), 실린더헤드(4), 냉각수 서모스탯(5), 라디에이터(6) 및 냉각수 펌프(1)를 따라 순환되면서 엔진을 냉각시킨다.
상기 가스공급부분의 경우, 상기 냉각수 펌프(1)를 통과한 일부의 냉각수는 가스레귤레이터(7), 열교환기(8), 가스서모스탯(9) 및 냉각수 펌프(1)를 따라 순환되면서 상기 열교환기(8)를 거치는 가스를 데운다. 상기 가스레귤레이터(7)를 통과한 가스는 200bar에서 10bar로 압력이 낮아지고, 이와 같이 압력이 낮아진 가스는 상기 열교환기(8)를 통과하면서 냉각수와 열교환되어 적정 온도까지 가열되고 냉각수는 냉각된다.
상기 에어컴프레서의 경우, 상기 냉각수 펌프(1)를 통과한 일부의 냉각수는 에어컴프레서(10) 및 냉각수 펌프(1)를 따라 순환되면서 상기 에어컴프레서(10) 및 상기 에어컴프레서(10)를 지나는 압축공기를 냉각시킨다.
상기 에어컴프레서(10)는 피스톤의 왕복운동을 이용하여 외부로부터 유입되 는 공기를 압축시켜 에어 탱크에 축압하며, 상기 에어 탱크에 축압된 압축 공기는 브레이크 장치나 도어 개폐장치 등의 구동력으로 사용되게 된다.
그러나, 종래 기술에 따른 에어컴프레서(10)는 에어컴프레서 헤드만을 냉각시키는 구조이었기 때문에, 상기 에어컴프레서(10)로부터 토출되는 공기를 충분히 냉각시키지 못하여 압축시 발생되는 고온의 열로 인해 오일이 에어컴프레서(10)의 피스톤의 실링과 실린더 내벽 사이를 통하여 넘어와 에어컴프레서(10)를 오염 또는 파손시키거나 상기 에어 탱크를 오염시키는 등의 전체 공기 냉각장치의 품질 문제를 야기시켰다.
특히, 엔진 rpm이 증가할수록 또는 엔진의 부하가 증가할수록 엔진이 가열되어 상기 에어컴프레서(10)로 유입되는 냉각수의 온도가 상승할 뿐만 아니라 상기 에어컴프레서(10)의 온도가 고온으로 상승하여 전술한 문제점은 더욱 심각하게 나타난다.
이러한 현상은 도 2에 도시된 그래프로부터 보다 구체적으로 알 수 있다. 도 2를 참조하면, CNG차량은 엔진 rpm 또는 부하가 증가할수록 상기 에어컴프레서(10)의 토출공기 온도는 높아짐을 알 수 있으며, 이와 같이 토출공기의 온도가 높아지면, 상기 에어컴프레서(10)로부터 토출되는 공기의 온도를 오일이 탄화되기 시작하는 온도(200℃) 이하로 유지시키는데 근본적인 어려움이 있었다.
또한, 종래 기술에 따른 에어컴프레서(10)는 에어컴프레서의 헤드와 케이스를 냉각시키는 경우일지라도, 케이스에 워터재킷을 제공함으로 인해 사이즈 및 중량의 증대로 엔진 탑재시 탑재공간의 제약, 운반의 불편 등이 수반되고, 냉각수 회 로의 증대로 실링면이 증가하여 상기 에어컴프레서(10)의 누수 가능성이 증대되는 문제가 있다.
한편, 상기 열교환기(8)의 냉각수 출구온도는 열교환기(8)를 통과하는 가스의 유량 증가로 인해 냉각수가 가스로부터 빼앗는 열이 증가하게 되어 더욱 낮아짐을 알 수 있다.
이에, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점들을 해소하기 위해 안출된 것으로, 열교환기를 통과한 냉각수를 이용하여 에어컴프레서를 냉각시킴으로써 엔진의 rpm의 상승 및 엔진 부하 증가시에도 에어컴프레서를 효율적으로 냉각시킬 수 있는 압축천연가스 엔진의 냉각장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 압축천연가스 엔진의 냉각장치는 가스 탱크(30)에서 분출되는 고압가스를 저압으로 강하시키는 가스레귤레이터(7)와, 상기 가스레귤레이터(7)를 통과한 가스를 냉각수 펌프(1)에 의해 이송된 냉각수와 열교환시켜 상기 가스를 가열함과 아울러 상기 냉각수를 냉각시키는 열교환기(8)와, 상기 엔진에 연결되어 구동되며, 공기를 압축하여 에어 탱크(21)에 축압시키는 에어컴프레서(10)를 포함하는 압축천연가스 엔진에 적용되는 것으로서, 상기 에어컴프레서(10)를 냉각시킬 수 있도록 상기 열교환기(8)에 의해 냉각된 냉각수를 상기 에어컴프레서(10)에 유입시키는 제 1 냉각수 안내라인(15); 및 상기 에어컴프레서(10)를 냉각시킨 후 상기 에어컴프레서(10)로부터 배출되는 냉각수를 냉각장치의 일부분으로 안내하는 제 2 냉각수 안내라인(16)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 1 냉각수 안내라인(15)의 일단은 상기 열교환기(8)를 통과한 가스의 온도를 측정하여 상기 냉각수의 유량을 조절하기 위한 가스서모스탯(9)의 냉각수 채널 출구에 연결되고, 상기 제 1 냉각수 안내라인(15)의 타단은 상기 에어컴프레서(10)의 냉각수 채널 입구에 연결되며, 상기 제 2 냉각수 안내라인(15)의 일단은 상기 에어컴프레서(10)의 냉각수 채널 출구에 연결되고, 상기 제 2 냉각수 안내라인(15)의 타단은 상기 냉각장치의 일부분인 상기 냉각수 펌프(1)의 입구부분에 연결된다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 제 1 냉각수 안내라인(15)의 일단은 상기 열교환기(8)를 통과한 가스의 온도를 측정하여 상기 냉각수의 유량을 조절하기 위한 가스서모스탯(9)의 냉각수 채널 출구에 연결되고, 상기 제 1 냉각수 안내라인(15)의 타단은 상기 에어컴프레서(10)의 냉각수 채널 입구에 연결되며, 상기 제 2 냉각수 안내라인(15)의 일단은 상기 에어컴프레서(10)의 냉각수 채널 출구에 연결되고, 상기 제 2 냉각수 안내라인(15)의 타단은 상기 냉각장치의 일부분인 라디에이터(6)의 입구부분에 연결된다.
전술한 바와 같은 과제 해결 수단에 의하면, 엔진 rpm 또는 부하가 증가할 수록 가스의 유량이 증가하여 열교환기를 통과한 냉각수의 온도가 낮아지고 에어컴프레서의 토출 공기의 온도가 높아지는 점을 이용하여 상기 열교환장치를 통해 배 출되는 냉각수로 에어컴프레서를 냉각시킴으로써, 엔진 rpm 또는 부하의 증가로 인한 고온의 에어컴프레서를 효율적으로 냉각시킬 수 있다.
이와 같이, 에어컴프레서를 효율적으로 냉각시킴으로써, 에어컴프레서의 오일이 에어컴프레서의 피스톤의 실링과 실린더 내벽 사이를 통하여 넘어와 에어컴프레서를 오염 또는 파손시키는 것을 방지할 수 있고, 나아가 전체 공기 냉각장치의 품질을 개선시킬 수 있게 된다.
한편, 제 1 냉각수 안내라인을 열교환기의 냉각수 채널 출구와 연결하지 않고 가스서모스탯의 냉각수 채널 출구와 연결함으로써, 열교환기를 통과하는 냉각수의 유량을 조절하여 가스의 온도를 최적의 온도로 유지할 수 있게 되고, 이에 의해 에어컴프레서의 냉각효율을 향상시키면서도 물론 엔진의 효율을 최적화시킬 수 있게 된다.
이하, 본 발명에 따른 압축천연가스 엔진의 냉각장치의 실시예를 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 압축천연가스 엔진의 냉각장치를 보여주는 개략 블록도이고, 도 4는 본 발명에 따른 압축천연가스 엔진의 냉각장치의 냉각수, 가스 및 공기의 흐름을 보여주는 도면이다.
하기 본 발명에 대한 설명에서 종래 기술의 구성과 동일한 구성요소들에 대해서는 이해의 편의를 위해 종래 기술에서와 같은 동일한 부호를 사용한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치는 압축천연가스 엔진에 적용되는 것으 로서, 본 발명의 일 실시예가 적용된 압축천연가스 엔진은 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 고압의 천연가스가 저장된 가스탱크(30)와, 상기 가스 탱크(30)에 저장된 가스를 선택적으로 이송시키기 위한 가스 셧오프밸브(31)와, 상기 가스 셧오프밸브(31)를 통과한 고압(약 200~30bar)의 가스를 저압(약 9bar)으로 압력을 낮추기 위한 가스레귤레이터(7)와, 상기 가스레귤레이터(7)에 의해 압력이 낮아진 가스를 일정 온도까지 상승시키기 위한 열교환기(8)와, 상기 열교환기(8)에 의해 일정 온도까지 가열된 가스의 온도를 적정 온도로 유지할 수 있도록 상기 열교환기(8)를 통과하는 냉각수의 유량을 조절하기 위한 가스서모스탯(9)과, 상기 가스서모스탯(9)을 통과한 가스를 각 실린더로 배분하기 위한 FMV(Fuel Metering Valve, 32)와, 흡입된 공기와 상기 FMV(32)에 의해 배분된 가스를 혼합하여 엔진의 연소실에 공급하는 혼합기(33)를 포함한다.
한편, 전술한 압축천연가스 엔진은 엔진과 기계적으로 동력 전달 가능하게 연결되어 구동되는 에어컴프레서(10)를 포함한다. 상기 에어컴프레서(10)는 도입되는 외기의 일부를 압축하여 에어 탱크(21)에 저장하는 기능을 한다. 상기 에어컴프레서(10)에 의해 압축된 공기는 유증기 분리기(23)에서 기름성분이 제거된 후 에어드라이어(22)에서 적정압력(8~10bar)으로 조정됨과 아울러 수분이 제거된다. 에어드라이어(22)를 통과한 압축공기는 에어탱크(21)에 저장되어 브레이크 장치나, 공압 서스펜션 또는 도어 개폐시스템의 구동력을 제공하기 위해 사용된다.
전술한 바와 같은, 구성을 가지는 압축천연가스 엔진은 실린더 블록의 워터재킷을 따라 유동하는 냉각수에 의해 냉각되며, 이와 같은 냉각수는 냉각수 순환시 스템인 냉각장치에 의해 냉각된다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 압축천연가스 엔진의 냉각장치는, 엔진부분과 가스공급부분 및 에어컴프레서부분으로 구분될 수 있다.
상기 엔진부분의 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 냉각수 펌프(1)를 통과한 일부의 냉각수가 오일쿨러(2), 실린더블록(3), 실린더헤드(4), 냉각수 서모스탯(5), 라디에이터(6) 및 냉각수 펌프(1)를 따라 순환되면서 엔진을 냉각시킨다.
상기 가스공급부분 및 에어컴프레서 부분은 냉각수 펌프(1)로부터 토출되는 냉각수가 가스레귤레이터(7), 열교환기(8) 및 상기 가스서모스탯(9) 및 에어컴프레서(10)를 통과하여 냉각수 펌프(1)로 도입된다.
이하, 상기 냉각장치의 상기 가스공급부분 및 에어컴프레서 부분에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 상기 에어컴프레서(10)와 상기 가스서모스탯(9) 각각은 에어채널과 냉각수채널을 구비한다. 그리고 상기 냉각장치는 상기 열교환기(8)로부터 상기 가스서모스탯(9)의 냉각수채널을 통해 공급되는 냉각수를 상기 에어컴프레서(10)의 냉각수채널의 입구로 안내하는 제1 냉각수 안내라인(15)과, 상기 에어컴프레서(10)의 냉각수채널을 통과한 냉각수를 냉각장치의 일부분으로 안내하는 제2 냉각수 안내라인(16)을 포함한다. 상기 각 제1,2 냉각수 안내라인(15,16)은 파이프, 호스, 채널을 갖는 수단 등으로 이루어질 수 있다.
상기 냉각장치의 일부분의 일 예는 냉각수 펌프(1)의 입구부분일 수 있다. 이 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 냉각수 펌프(1)의 입구부분으로 안내되는 냉각수는 상기 라디에이터(6)를 거치지 않고 직접 상기 냉각수 펌프(1)로 유입되 며, 또한 상기 라디에이터(6)로부터 유입되는 냉각수와 합류된다.
상기 냉각장치의 일부분의 다른 예는 도면으로 나타내지는 않았지만 라디에이터(6)의 입구부분일 수 있다. 이 경우, 상기 라디에이터(6)의 입구부분으로 안내되는 냉각수는 상기 라디에이터(6)를 거쳐 상기 냉각수 펌프(1)로 유입될 수 있게 된다.
상기 두 실시예의 각 냉각수 흐름경로에서, 냉각수의 온도는 냉각수의 유동을 위한 냉각수파이프의 개구 단면적, 상기 냉각수 펌프(1)의 토출력 등의 조절을 통해 다양한 형태로 제어 가능하다.
이하, 전술한 바와 같은 구성을 가지는 냉각장치의 작동과정에 대하여 살펴본다.
엔진의 시동이 걸리면, 연료가스가 가스탱크(30)로부터 가스 셧오프밸브(31)를 지나 가스레귤레이터(7)의 가스채널을 통해 가스레귤레이터(7)로 공급된다. 이어서, 상기 가스레귤레이터(7)로 공급된 연료가스는 열교환기(8)의 가스채널을 통과하여 가스서모스텟(9)의 가스채널로 공급된다.
아울러, 냉각수 펌프(1)에 의해 공급되는 냉각수가 상기 가스레귤레이터(7)를 지나 상기 열교환기(8)의 냉각수채널을 통해 열교환기(8)로 공급된다. 이어서, 상기 열교환기(8)로 공급된 냉각수는 열교환기(8)의 냉각수채널을 통과하여 가스서모스탯(9)의 냉각수채널로 공급된다.
이때, 상기 가스레귤레이터(7)를 통과한 연료가스는 예컨대, 200bar에서 10bar로 압력이 낮아지면서 상기 열교환기(8)로 유입되고, 연료가스는 상기 열교환 기(8)에서 냉각수로부터 열을 흡수하여 적정 온도로 상승한다.
이어서, 상기 가스서모스탯(9)의 가스채널로 공급된 가스는 FMV(Fuel Metering Valve)(32)를 통해 혼합기(33)로 공급된다. 또한, 상기 가스서모스탯(9)의 냉각수채널로 공급된 냉각수는 제1 냉각수 안내라인(15)을 통해 에어컴프레서(10)의 냉각수채널을 거치면서 제2 냉각수 안내라인(16)을 통해 냉각장치의 일부분, 예컨대 냉각수 펌프(1)의 입구부분으로 유도된다.
이때, 상기 에어컴프레서(10)의 에어채널을 지나는 압축공기는 상기 에어컴프레서(10)의 냉각수 채널을 지나는 냉각수에 의해 냉각되어 에어 탱크(21)로 공급되며 에어탱크(21)로 공급된 공기는 브레이크 시스템, 공압 서스펜션 또는 도어 개폐장치 등 필요한 장치에 공급된다.
전술한 바와 같은 구성에 의해, 엔진 rpm 또는 부하가 증가할수록 상기 열교환기(8)의 냉각수 출구온도는 낮아지고 상기 에어컴프레서(10)의 토출공기 온도는 높아지는 특성을 나타내지만 상기 열교환기(8)로부터 상기 가스서모스탯(9)을 통해 공급되는 냉각수가 상기 에어컴프레서(10)를 냉각시키기 때문에, 상기 에어컴프레서(10)의 온도(또는 압축공기의 온도)는 상시적으로 안전온도(예컨대, 200℃ 이하)로 유지될 수 있게 된다.
그 외에도, 도 3에 도시된 터보차저(20)는 배기가스에 의해 터빈이 회전되고 흡입공기를 압축시켜 엔진의 실린더에 공급하여 엔진의 출력을 증대시키는 것으로서, 주로 디젤차량에 선택적으로 적용된다.
미설명된 부호 26은 ECM(Engine Control Module)(미도시)을 통해 제어되어 엔진의 점화시기를 제어하는 ICM(Ignition Control Module)이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서의 단순 치환, 변형 및 변경은 당 분야에서의 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 CNG차량 엔진의 냉각장치의 냉각수 회로를 보여주는 개략 블록도.
도 2는 통상적인 CNG차량 엔진의 작동에 따른 엔진 rpm, 열교환기의 냉각수 입구온도와 출구온도 및 에어컴프레서의 토출공기 온도의 특성을 보여주는 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 압축천연가스 엔진의 냉각장치를 보여주는 개략 블록도.
도 4는 본 발명에 따른 압축천연가스 엔진의 냉각장치의 냉각수, 가스 및 공기의 흐름을 보여주는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 압축천연가스 엔진의 냉각장치가 적용된 바람직한 실시예를 보여주는 개략도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 냉각수 펌프 6: 라디에이터
7: 가스레귤레이터 8: 열교환기
9: 가스서모스탯 10: 에어컴프레서
15: 제1 냉각수 안내라인 16: 제2 냉각수 안내라인

Claims (3)

  1. 가스 탱크(30)에서 분출되는 고압가스를 저압으로 강하시키는 가스레귤레이터(7)와, 상기 가스레귤레이터(7)를 통과한 가스를 냉각수 펌프(1)에 의해 이송된 냉각수와 열교환시켜 상기 가스를 가열함과 아울러 상기 냉각수를 냉각시키는 열교환기(8)와, 상기 엔진에 연결되어 구동되며, 공기를 압축하여 에어 탱크(21)에 축압시키는 에어컴프레서(10)를 포함하는 압축천연가스 엔진의 냉각장치에 있어서,
    상기 에어컴프레서(10)를 냉각시킬 수 있도록 상기 열교환기(8)에 의해 냉각된 냉각수를 상기 에어컴프레서(10)에 유입시키는 제 1 냉각수 안내라인(15); 및
    상기 에어컴프레서(10)를 냉각시킨 후 상기 에어컴프레서(10)로부터 배출되는 냉각수를 냉각장치의 일부분으로 안내하는 제 2 냉각수 안내라인(16)을 포함하는 것을 특징으로 하는 압축천연가스 엔진의 냉각장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 냉각수 안내라인(15)의 일단은 상기 열교환기(8)를 통과한 가스의 온도를 측정하여 상기 냉각수의 유량을 조절하기 위한 가스서모스탯(9)의 냉각수 채널 출구에 연결되고, 상기 제 1 냉각수 안내라인(15)의 타단은 상기 에어컴프레서(10)의 냉각수 채널 입구에 연결되며,
    상기 제 2 냉각수 안내라인(15)의 일단은 상기 에어컴프레서(10)의 냉각수 채널 출구에 연결되고, 상기 제 2 냉각수 안내라인(15)의 타단은 상기 냉각장치의 일부분인 상기 냉각수 펌프(1)의 입구부분에 연결되는 것을 특징으로 하는 압축천연가스 엔진의 냉각장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 냉각수 안내라인(15)의 일단은 상기 열교환기(8)를 통과한 가스의 온도를 측정하여 상기 냉각수의 유량을 조절하기 위한 가스서모스탯(9)의 냉각수 채널 출구에 연결되고, 상기 제 1 냉각수 안내라인(15)의 타단은 상기 에어컴프레서(10)의 냉각수 채널 입구에 연결되며,
    상기 제 2 냉각수 안내라인(15)의 일단은 상기 에어컴프레서(10)의 냉각수 채널 출구에 연결되고, 상기 제 2 냉각수 안내라인(15)의 타단은 상기 냉각장치의 일부분인 라디에이터(6)의 입구부분에 연결되는 것을 특징으로 하는 압축천연가스 엔진의 냉각장치.
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