KR20150029096A

KR20150029096A - 엔진 시스템

Info

Publication number: KR20150029096A
Application number: KR20130107814A
Authority: KR
Inventors: 박형근; 강민구; 갈상학; 배명직
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2013-09-09
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2015-03-18

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템은, 배기가스가 배출되는 배기관과 소기가스가 흡입되는 흡기관을 포함하는 엔진; 상기 흡기관에 연결되어 소기가스를 압축하여 상기 엔진으로 공급하는 압축기와, 상기 배기관에 연결되어 상기 엔진으로부터 배기가스를 공급받아 구동되며 회전력을 상기 압축기로 전달하는 터빈을 포함하는 터보차저; 상기 배기관과 상기 흡기관 사이에 연결되어 소기가스를 상기 배기관으로 우회시키는 소기우회라인; 상기 흡기관 상에 마련되어, 소기가스를 가습시키는 가습장치; 상기 흡기관에서 가습된 소기가스를 냉각하는 에어쿨러; 상기 배기관 상에 마련되어, 배기가스의 압력을 조절하는 EGR댐퍼; 상기 엔진으로부터 배기가스가 배출되어 상기 흡기관으로 회수되되, 상기 에어쿨러의 하류에서 상기 흡기관에 연결되는 EGR라인; 상기 EGR라인 상에 마련되어, 상기 배기가스(EGR가스)의 유량을 조절하는 EGR밸브; 상기 EGR라인 상에서 상기 EGR밸브의 하류에 마련되어, EGR가스는 배출시키되 소기가스의 유입은 차단하는 리드밸브; 및 상기 EGR라인 상에서 EGR가스를 냉각하는 EGR쿨러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 엔진 시스템은, 일정량의 배기가스와 물로 가습된 소기가스(연소공기)를 혼합하여 연소실(실린더)에 공급하여 실린더 내의 연소가스 온도를 저하시킴으로써 질소산화물을 감소시키고, 소기우회라인을 통해 소기가스를 일부 우회시켜 배기관으로 배출시킴으로써 서지발생을 방지하여 엔진의 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

Description

엔진 시스템{Engine system}

본 발명은 엔진 시스템에 관한 것이다.

엔진 시스템은 연소실에 유입된 공기(소기가스)를 고온 고압으로 압축하고 보다 큰 압력의 연료를 분사 및 미립화시켜 점화시킨 후 배기가스를 방출한다. 이러한, 엔진 시스템은 연료가 연소되는 연소실을 구비하는 엔진과, 엔진과 연결되는 터보차저(Turbo Charger; 과급기)를 포함한다.

여기서, 터보차저는 연료의 효율을 상승시키기 위하여, 압축기에서 공기를 미리 압축하여 연소실로 공급하게 된다. 이와 같이, 엔진에서 배출되는 배기가스 압력을 이용해 공기를 압축해 주입하는 터보차저가 엔진에 연결된다.

엔진은 엔진회전수에 따라서 공기가 항상 과잉 공급되므로 유해물질인 질소산화물이 다량으로 배출되는데, 환경문제에 대한 규제에 의해 유해물질을 제거할 필요가 있다. 따라서, 엔진의 배기가스를 다시 흡기 쪽으로 재순환시켜 연소시의 배기가스 내에 존재하는 유해물질을 저감시키기도 한다.

여기서, 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation, EGR)은 배기가스의 일부를 엔진의 소기가스(흡입공기)에 공급함으로써, 연소실 온도를 떨어뜨려 질소산화물의 생성을 억제할 수 있다.

또한 엔진의 흡입공기를 물로 가습시키면 흡입공기의 열용량이 증가해 연소가스의 온도 상승이 억제되어 질소산화물의 발생이 줄어드는데, 상기 배기가스재순환 장치와 같이 사용하면 엔진의 질소산화물 배출이 더 많이 줄일 수가 있다.

한편, 배기가스 재순환을 구동하는 경우, 터보차저의 운전 특성이 변해 터보차저의 이상운전 상태인 서지(surge)가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 운전 범위가 넓은 터보차저를 사용하여야 하나, 이러한 터보차저의 내부 구조를 변경하거나 신규 개발하는 경우 고비용이 발생하며, 엔진의 효율이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 배기가스를 저감시키면서 엔진의 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 엔진 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템은, 배기가스가 배출되는 배기관과 소기가스가 흡입되는 흡기관을 포함하는 엔진; 상기 흡기관에 연결되어 소기가스를 압축하여 상기 엔진으로 공급하는 압축기와, 상기 배기관에 연결되어 상기 엔진으로부터 배기가스를 공급받아 구동되며 회전력을 상기 압축기로 전달하는 터빈을 포함하는 터보차저; 상기 배기관과 상기 흡기관 사이에 연결되어 소기가스를 상기 배기관으로 우회시키는 소기우회라인; 상기 흡기관 상에 마련되어, 소기가스를 가습시키는 가습장치; 상기 흡기관에서 가습된 소기가스를 냉각하는 에어쿨러; 상기 배기관 상에 마련되어, 배기가스의 압력을 조절하는 EGR댐퍼; 상기 엔진으로부터 배기가스가 배출되어 상기 흡기관으로 회수되되, 상기 에어쿨러의 하류에서 상기 흡기관에 연결되는 EGR라인; 상기 EGR라인 상에 마련되어, 상기 배기가스(EGR가스)의 유량을 조절하는 EGR밸브; 상기 EGR라인 상에서 상기 EGR밸브의 하류에 마련되어, EGR가스는 배출시키되 소기가스의 유입은 차단하는 리드밸브; 및 상기 EGR라인 상에서 EGR가스를 냉각하는 EGR쿨러를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 소기우회라인은, 상기 가습장치의 상류에 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 EGR라인 상에, 상기 EGR밸브, 상기 EGR쿨러, 상기 리드밸브가 상류에서 하류로 직렬로 마련되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 리드밸브는, 일단은 상기 EGR라인 상에 고정되고 타단은 자유단으로 이루어져 배기가스의 토출압에 의해 개방되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 EGR댐퍼는, 상기 EGR라인과 상기 소기우회라인 사이에 설치되어 배기가스의 유로 단면적을 조절하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 엔진 시스템은, 일정량의 배기가스와 물로 가습된 소기가스(연소공기)를 혼합하여 연소실(실린더)에 공급하여 실린더 내의 연소가스 온도를 저하시킴으로써 질소산화물을 감소시키고, 소기우회라인을 통해 소기가스를 일부 우회시켜 배기관으로 배출시킴으로써 서지발생을 방지하여 엔진의 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 배기가스가 엔진으로 재공급시 리드밸브를 통해 소기가스가 역류하는 것을 방지하여 엔진을 정상구동시킬 수 있고, EGR 댐퍼를 닫아 배기관 유로 단면적을 줄이고 배기가스의 압력을 높여 더 많은 양의 EGR 가스를 흡기관에 공급할 수 있으며, EGR쿨러를 이용하여 배기가스를 냉각시킨 후 흡기관으로 공급시킬 수 있어 엔진의 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템의 배기가스의 흐름을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템의 소기가스의 흐름을 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템을 개념적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템의 배기가스의 흐름을 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템의 소기가스의 흐름을 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 엔진 시스템(100)은 엔진(110), EGR댐퍼(113A), 터보차저(120), 소기우회라인(130), 가습장치(140), 에어쿨러(150), EGR라인(161), EGR밸브(162), 리드밸브(163) 및 EGR쿨러(164)를 포함한다.

엔진(110)은 배기가스를 배출하는 배기관(113)과 소기가스(공기 등을 포함할수 있음)가 흡입되는 흡기관(114)을 포함한다. 엔진(110)은 그 내부에 연소실을 구비하여 연소실 내부로 연료가 주입되면, 연료(소기가스 등)는 엔진(110)에서 연소되어 배출되고, 배출된 배기가스가 터빈(122)과 압축기(121)를 구동하도록 배기관(113)을 거쳐 터빈(122)으로 도입된다.

여기서, 연소실은 연료가 폭발하는 공간으로서, 엔진(110)에 구비되는 실린더(111)의 내부에 피스톤(도시하지 않음)이 왕복될 수 있도록 형성된 공간이 된다. 이러한, 실린더(111)로 소기가스를 유입시키기 위한 흡기통로가 매니폴드(112)와 연통되어 이루어질 수 있다. 피스톤은 연료의 폭발에 따라 실린더(111)의 안내로 승하강될 수 있다.

이러한, 피스톤에는 크랭크축(도시하지 않음)과 커넥팅로드(도시하지 않음)가 연결되고, 피스톤의 승하강 운동에 연동하여 동력축(도시하지 않음)이 회전될 수 있다. 여기서, 동력축은 피스톤의 직선운동을 전달받아 회전되며, 동력축은 발전기와 연결될 수 있어, 동력축으로부터 발전기가 회전력을 전달받아 전기에너지가 발생될 수 있다. 이와 달리, 동력축에는 프로펠러(도시하지 않음)가 연결되어, 동력축과 함께 프로펠러가 회전하여 선체가 전진 또는 후진될 수도 있다.

EGR댐퍼(113A)는 배기관(113)의 유로 단면적을 줄여 배기압력을 증가시켜 더 많은 EGR가스가 흡기관(114)으로 흘러가게 한다. 이러한, EGR댐퍼(113A)는 스텝 모터 등으로 구성되어 개폐를 구동하는 액추에이터를 포함할 수 있다.

터보차저(Turbo Charger, 120)는 엔진(110)에서 배출되는 배기가스 압력을 이용해 소기가스를 압축해 엔진(110)으로 주입하여, 엔진(110)에서 이용되는 연료의 효율을 상승시킨다. 이를 위해, 터보차저(120)는 공기를 미리 압축하여 연소실에 공급하는 것이며, 이러한, 터보차저(120)는 압축기(121), 터빈(122)을 포함한다.

압축기(121)는 흡기관(114)에 연결되어 소기가스를 압축하여 엔진(110)으로 공급한다. 압축기(121)에는 외부로부터 소기가스가 유입되는데, 압축기(121)에 내장된 휠(도시하지 않음)의 회전에 의해서 유입된 소기가스가 압축되어 과급공기가 될 수 있다.

터빈(122)은 배기관(113)에 연결되어 엔진(110)으로부터 배기가스를 공급받아 구동되며 회전력을 압축기(121)로 전달하도록 축(부호 도시하지 않음)으로 압축기(121)와 연결된다. 터빈(122)의 구동은 엔진(110)에서 연소된 배기가스가 유입되어, 배기가스가 가지는 에너지에 의해 터빈(122) 내에 자유롭게 지지된 터빈(122)의 휠(도시하지 않음)이 회전됨으로써 이루어진다. 이때, 터빈(122)에 내장된 휠의 회전 토크가 축에 의해 압축기(121)의 휠로 전달되는 것이다.

엔진(110)에서 연소된 배기가스는 터빈(122)으로 유입되거나 압축기(121)에서 압축된 소기가스와 합류하여 다시 엔진(110)으로 공급될 수 있고, 터빈(122)에서 방출되는 배기가스는 모두 외부로 유출될 수 있다. 이는 이하의 구성에 의해 이루어질 수 있다.

소기우회라인(130)은 소기가스의 유량을 조절하여 터보차저(120)의 이상운전 상태인 서지(surge)가 발생하는 것을 방지하는 구성으로서, 배기관(113)과 흡기관(114) 사이에 연결되어 소기가스를 배기관(113)으로 우회시킨다. 소기우회라인(130)의 일단은 흡기관(114)에서 분기되고, 타단은 배기관(113)에서 분기된 형태로 이루어질 수 있다.

즉, 압축기(121)는 서지한계(surge limit)에 의하여 제한되는데, 압축기(121)가 서지현상을 일으키면 엔진(110)에 공급되는 연소공기의 압력과 유량이 감소되어, 압축기(121)의 서지가 엔진(110)의 동작에 영향을 미칠 수 있다. 이를 방지하기 위해, 소기우회라인(130)을 통해 소기가스를 배기관(113)을 통해 배출시킬 수 있다.

이러한, 소기우회라인(130)은 소기가스가 가습되기 이전에 소기가스를 우회시키도록, 가습장치(140)의 상류에 연결될 수 있으며, EGR밸브(152)가 열려 EGR가스가 흡기관(114)에 유입되고 소기공기가습장치(140)가 동작 시 소기우회라인(130)을 통해 소기가스가 우회될 수 있다. 소기우회라인(130)을 통해 반출되는 소기가스의 유량은 제어밸브(도시하지 않음)에 조절될 수 있다.

가습장치(140)는 소기가스에 물을 첨가하여 연소시 발생하는 질소산화물의 발생을 저감시키는 구성으로서, 흡기관(114) 상에 마련되어 소기가스를 가습시킨다. 예를 들어, 가습장치(140)는 분사노즐을 통해 흡기관(114) 내부로 물방울 또는 안개 형태의 습기를 분사할 수 있다.

가습장치(140)에 의해 소기가스로 물을 첨가하여 연소하면, 실린더(111) 내의 온도는 저하되고 그에 의하여 질소산화물이 덜 발생될 수 있다. 한편, 가습장치(140)에 의해 공급되는 물에 의해 터빈(122)을 통과하는 배기가스의 유량이 증가되는 것은 앞서 설명한 소기우회라인(130)을 통해 감소시킬 수 있다.

에어쿨러(150)는 소기가스를 냉각시켜 엔진(110)의 효율을 향상시키기 위한 구성으로서, 흡기관(114)에서 EGR라인(161)이 연결되는 지점의 상류에 마련되어 소기가스를 냉각한다.

EGR라인(161)은 엔진(110)으로부터 배기가스가 배출시 일부가 회수되도록 흡기관(114)에 연결된다. 본 실시예의 EGR라인(161)은 일단이 엔진(110)에 연결되고 타단이 흡기관(114)에서 에어쿨러(150)의 하류에 연결될 수 있다.

흡기관(114)에서 소기가스가 압축기(121)를 경유하여 엔진(110)으로 공급될 때, 출력감소를 최소로 하면서 연소최고온도를 낮추어 질소산화물의 배출량 감소시킨다. 이는, 실린더에 유입되는 소기가스에 배기가스를 혼입하면, 연소온도와 산소농도가 낮아져 질소산화물의 발생을 억제할 수 있기 때문이다. 또한, 에어쿨러(150) 하류에 배기가스를 유입시켜, 에어쿨러(150)를 보호하기 위한 별도의 정화장치를 생략할 수 있다.

이러한, EGR라인(161) 상에 EGR밸브(162), EGR쿨러(164), 리드밸브(163)가 상류에서 하류로 직렬로 마련될 수 있다.

EGR밸브(162)는 EGR라인(161)을 통해 배기가스(EGR가스)가 재순환되도록 배기가스(EGR가스)의 유량을 조절하는 구성으로서, EGR라인(161) 상에 마련된다. 예를 들어, EGR밸브(162)는 스텝 모터 등으로 구성되어 개폐를 구동하는 액추에이터를 포함할 수 있다. EGR밸브(162)는 EGR라인(161)을 통해 배기가스(EGR가스)가 재순환될 경우 개방될 수 있다. 또한 EGR밸브(162)는 EGR댐퍼(113A)와 연동하여 더 넓은 범위의 EGR가스 유량을 조절할 수 있다. 여기서, EGR가스는 배기가스에 포함되는 개념으로서, 배기가스가 EGR라인(161)을 통과하는 것을 이해의 편의상 구별하기 위해 사용한 용어이다.

리드밸브(163)는 EGR라인(161) 상에서 EGR밸브(162)의 하류에 마련되어, 배기가스(EGR가스)는 배출시키되 소기가스의 유입은 차단한다. 이러한, 리드밸브(163)는 일단은 EGR라인(161) 상에 고정되고 타단은 자유단으로 이루어져 배기가스(EGR가스)의 토출압에 의해 개방될 수 있다.

일례로, 리드밸브(163)는 유연성있는 재질로 이루어지고, 배기가스(EGR가스)가 일방향으로 흘러 엔진(110)에서 배출되는 배기가스(EGR가스)가 흡기관(114)으로 공급되도록 배기가스(EGR가스)의 토출압에 의해 일방향으로 개방된다.

EGR쿨러(164)는 EGR라인(161) 상에서 배기가스(EGR가스)를 냉각한다. 예를 들어, EGR쿨러(164)는 블로어(도시하지 않음)의 손상을 방지할 수 있도록, 배기가스(EGR가스)의 온도를 낮출 수 있다. 이러한, EGR쿨러(164)는 물을 냉매로 이용하여 배기가스(EGR가스)와 열교환이 행해져 배기가스(EGR가스)를 냉각시킬 수 있다.

여기서, EGR쿨러(164)를 경유한 배기가스(EGR가스)의 압력이 압축기(121)에서 배출되는 고압의 과급공기에 비하여 상대적으로 낮아, 블로어가 EGR쿨러(164)를 경유하는 배기가스(EGR가스)를 엔진(110)으로 강제 유입시킬 수 있다.

본 실시예는 도 2에 도시한 바와 같이, 배기가스가 배기관(113)과 EGR라인(161)을 통해 외부로 배출되거나 일부가 엔진(110)으로 다시 회수되도록 흐를 수 있다. 배기가스가 배기관(113)을 통해 외부로 배출되는 경우, 터빈(122)으로 배기가스가 공급되어 배기가스가 가지는 에너지가 터빈(122)을 구동시킨 후 배출된다.

배기가스(EGR가스)가 EGR라인(161)을 통해 엔진(110)으로 회수되는 경우, 배기가스(EGR가스)는 EGR라인(161)을 통해 흡기관(114)으로 공급되어 엔진(110)의 연소실로 유입될 수 있다. 배기가스가 EGR라인(161)으로 공급되는 경우, 배기가스(EGR가스)는 EGR밸브(162), EGR쿨러(164), 리드밸브(163)를 차례로 경유할 수 있고, EGR라인(161)을 경로하면서 배기가스(EGR가스)가 냉각될 수 있다. 그리고 나서 배기가스(EGR가스)는 흡기관(114)에서 냉각된 소기가스와 합류하여 엔진(110)의 실린더(111)로 공급될 수 있다.

또한, 본 실시예는 도 3에 도시한 바와 같이, 소기가스가 흡기관(114)과 소기우회라인(130)을 통해 엔진(110)으로 공급되거나, 일부 배출되게 흐를 수 있다.

소기가스는 흡기관(114)을 통해 외부에서 흡입공기가 공급되어 엔진(110)의 실린더(111)로 공급되는데, 흡기관(114) 상에서 압축기(121)에 의해 소기가스가 압축된 후 공급된다. 여기서, 소기가스의 압축은 배기가스의 에너지에 의해 구동되는 터빈(122)으로부터 회전력을 전달받은 압축기(121)에 의해 이루어진다.

게다가, 질소산화물의 발생을 저감시키도록 EGR밸브(152)가 열리고 가습장치(140)가 동작되는 경우, 흡기관(114)에서 분기되는 소기우회라인(130)을 통해 소기가스가 배기관(113)으로 우회되어 배출될 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, 일정량의 배기가스와 물로 가습된 소기가스(연소공기)를 혼합하여 연소실(실린더)에 공급하여 실린더(111) 내의 연소가스 온도를 저하시킴으로써 질소산화물을 감소시키고, 소기우회라인(130)을 통해 소기가스를 일부 우회시켜 배기관(113)으로 배출시킴으로써 서지발생을 방지하여 엔진(110)의 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

100: 엔진 시스템 110: 엔진
111: 실린더 112: 매니폴드
113: 배기관 113A: EGR댐퍼
114: 흡기관 120: 터보차저
121: 압축기 122: 터빈
130: 소기우회라인 140: 가습장치
150: 에어쿨러 161: EGR라인
162: EGR밸브 163: 리드밸브
164: EGR쿨러

Claims

배기가스가 배출되는 배기관과 소기가스가 흡입되는 흡기관을 포함하는 엔진;
상기 흡기관에 연결되어 소기가스를 압축하여 상기 엔진으로 공급하는 압축기와, 상기 배기관에 연결되어 상기 엔진으로부터 배기가스를 공급받아 구동되며 회전력을 상기 압축기로 전달하는 터빈을 포함하는 터보차저;
상기 배기관과 상기 흡기관 사이에 연결되어 소기가스를 상기 배기관으로 우회시키는 소기우회라인;
상기 흡기관 상에 마련되어, 소기가스를 가습시키는 가습장치;
상기 흡기관에서 가습된 소기가스를 냉각하는 에어쿨러;
상기 배기관 상에 마련되어, 배기가스의 압력을 조절하는 EGR댐퍼;
상기 엔진으로부터 배기가스가 배출되어 상기 흡기관으로 회수되되, 상기 에어쿨러의 하류에서 상기 흡기관에 연결되는 EGR라인;
상기 EGR라인 상에 마련되어, 상기 배기가스(EGR가스)의 유량을 조절하는 EGR밸브;
상기 EGR라인 상에서 상기 EGR밸브의 하류에 마련되어, EGR가스는 배출시키되 소기가스의 유입은 차단하는 리드밸브; 및
상기 EGR라인 상에서 EGR가스를 냉각하는 EGR쿨러를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
제1항에 있어서, 상기 소기우회라인은,
상기 가습장치의 상류에 연결되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
제1항에 있어서,
상기 EGR라인 상에, 상기 EGR밸브, 상기 EGR쿨러, 상기 리드밸브가 상류에서 하류로 직렬로 마련되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
제1항에 있어서, 상기 리드밸브는,
일단은 상기 EGR라인 상에 고정되고 타단은 자유단으로 이루어져 배기가스의 토출압에 의해 개방되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
제1항에 있어서, 상기 EGR댐퍼는,
상기 EGR라인과 상기 소기우회라인 사이에 설치되어 배기가스의 유로 단면적을 조절하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.