KR20150034841A - 엔진 시스템용 라인어셈블리 - Google Patents

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박형근
강민구
김기두
김형주
박현춘
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현대중공업 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템용 라인어셈블리는, 엔진에 연결되어 공기를 유입시키고, 적어도 어느 일부가 환형으로 이루어지는 흡기라인; 및 상기 흡기라인 상에 마련되는 에어쿨러의 상류에 연결되어, 상기 엔진으로 EGR가스를 유입시키되, 상기 흡기라인의 환형 부분에 연통되는 EGR라인을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 엔진 시스템용 라인어셈블리는, EGR가스를 재순환시킬 때, 에어쿨러의 상류에서 엔진으로 유입되는 공기로 EGR가스가 빨아들여지도록 하여, 혼합이 고르게 이루어진 EGR가스와 공기를 엔진으로 공급할 수 있다.

Description

엔진 시스템용 라인어셈블리{Line assembly for engine system}
본 발명은 엔진 시스템용 라인어셈블리에 관한 것이다.
디젤엔진 시스템(이하 엔진 시스템)은 연소실에 유입된 공기를 고온 고압으로 압축하고 보다 큰 압력의 연료를 분사 및 미립화시켜 점화시킨 후 배기가스를 방출한다. 이때, 엔진 시스템은 연료의 효율을 상승시키기 위하여, 공기를 미리 압축하여 연소실에 공급한다. 이를 위해, 엔진 시스템에서 배출되는 배기가스 압력을 이용해 공기를 압축해 주입하는 과급기(Turbo Charger)가 엔진 시스템에 연결된다. 여기서, 엔진 시스템은 고온에서 공기와 연료의 연소가 일어나게 되므로 유해물질인 질소산화물이 다량으로 배출된다.
그러나, 환경문제에 대한 규제에 의해, 유해물질을 제거할 필요가 있다. 따라서, 엔진 시스템의 배기가스를 다시 흡기 쪽으로 재순환시켜 연소시의 배기가스 내에 존재하는 유해물질을 저감시키기도 한다.
여기서, 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation, EGR) 어셈블리가 엔진 시스템에 연결되어, 배기가스의 일부를 흡입공기에 공급함으로써, 연소실 온도와 압력을 떨어뜨려 질소산화물의 생성을 억제할 수 있다.
본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 에어쿨러의 상류에서 EGR가스와 공기의 혼합이 고르게 이루어질 수 있는 엔진 시스템용 라인어셈블리를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템용 라인어셈블리는, 엔진에 연결되어 공기를 유입시키고, 적어도 어느 일부가 환형으로 이루어지는 흡기라인; 및 상기 흡기라인 상에 마련되는 에어쿨러의 상류에 연결되어, 상기 엔진으로 EGR가스를 유입시키되, 상기 흡기라인의 환형 부분에 연통되는 EGR라인을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 EGR라인은, 상기 흡기라인의 환형부분 연결지점의 접선 방향으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흡기라인은 사이클론 배관의 형태로 이루어지고, 상기 EGR라인은 상기 흡기라인의 하측에 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 EGR라인은, 복수개로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흡기라인은, 환형의 전단에서 환형으로 갈수록 직경이 작아지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 엔진 시스템용 라인어셈블리는, EGR가스를 재순환시킬 때, 에어쿨러의 상류에서 엔진으로 유입되는 공기로 EGR가스가 빨아들여지도록 하여, 혼합이 고르게 이루어진 EGR가스와 공기를 엔진으로 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템용 라인어셈블리가 설치된 엔진 시스템을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템용 라인어셈블리를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템용 라인어셈블리의 흡기라인을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템용 라인어셈블리가 설치된 엔진 시스템을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 엔진 시스템(100)은 엔진(110), 터보차저(120), 소기우회라인(130), 가습장치(140), EGR라인(151), EGR밸브(152), 리드밸브(153), 정화장치(154), EGR쿨러(155) 및 에어쿨러(160)를 포함한다.
엔진(110)은 배기가스를 배출하는 배기라인(113)과 공기(수증기 등을 포함할 수 있음)가 흡입되는 흡기라인(114)을 포함한다. 엔진(110)은 그 내부에 연소실을 구비하여 연소실 내부로 연료가 주입되면, 연료(공기 등)는 엔진(110)에서 연소되어 배출되고, 배출된 배기가스가 터빈(122)과 압축기(121)를 구동하도록 배기라인(113)을 거쳐 터빈(122)으로 도입된다. 여기서, 배기라인(113)에는 별도의 밸브(113A)가 구비되어 배기가스의 흐름을 조절할 수 있다.
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 공기를 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.
흡기라인(114)의 형상 및 기능 등에 대하여 엔진 시스템용 라인어셈블리에서 후술하도록 한다.
터보차저(Turbo Charger, 120)는 엔진(110)에서 배출되는 배기가스 압력을 이용해 공기를 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 흡기라인(114)에 연결되어 공기를 압축하여 엔진(110)으로 공급한다. 압축기(121)에는 외부로부터 공기가 유입되는데, 압축기(121)에 내장된 휠(도시하지 않음)의 회전에 의해서 유입된 공기가 압축되어 과급공기가 될 수 있다.
터빈(122)은 배기라인(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 공기와 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 공기의 유량을 조절하여 터보차저(120)의 이상운전 상태인 서지(surge)가 발생하는 것을 방지하는 구성으로서, 배기라인(113)과 흡기라인(114) 사이에 연결되어 공기를 배기라인(113)으로 우회시킨다. 소기우회라인(130)의 일단은 흡기라인(114)에서 분기되고, 타단은 배기라인(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, 가습장치(140)에 의해 공기의 유량이 증가시, 소기우회라인(130)을 통해 초과된 양의 공기를 배기라인(113)을 통해 배출시킬 수 있다.
이러한, 소기우회라인(130)은 공기가 가습되기 이전에 공기를 우회시키도록, 가습장치(140)의 상류에 연결될 수 있으며, 가습장치(140)가 동작시 소기우회라인(130)을 통해 공기가 우회될 수 있다. 소기우회라인(130)을 통해 반출되는 공기의 유량은 제어밸브(131)에 의해 조절될 수 있다.
가습장치(140)는 공기에 물을 첨가하여 연소시 발생하는 질소산화물의 발생을 저감시키는 구성으로서, 흡기라인(114) 상에 마련되어 공기를 가습시킨다. 예를 들어, 가습장치(140)는 분사노즐을 통해 흡기라인(114) 내부로 물방울 또는 안개 형태의 습기를 분사할 수 있다.
가습장치(140)에 의해 공기로 물을 첨가하여 연소처리하면, 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.
EGR라인(151)은 엔진(110)으로부터 배기가스가 배출시 일부가 회수되도록 흡기라인(114)에 연결된다. 본 실시예의 EGR라인(151)은 일단이 엔진(110)에 연결되고 타단이 흡기라인(114)에서 에어쿨러(160)의 상류에 연결될 수 있다.
흡기라인(114)에서 공기가 압축기(121)를 경유하여 엔진(110)으로 공급될 때, 출력감소를 최소로 하면서 최고연소온도를 낮추어 질소산화물의 배출량 감소시킨다. 이는, 실린더(111)에 유입되는 공기에 배기가스를 혼입하면, 산소농도가 낮아져 연소온도가 내려가며 질소산화물의 발생을 억제할 수 있기 때문이다.
이러한, EGR라인(151) 상에 EGR밸브(152), 정화장치(154), EGR쿨러(155), 리드밸브(153)가 상류에서 하류로 직렬로 마련될 수 있다.
EGR라인(151)의 형상 및 기능 등에 대하여 엔진 시스템용 라인어셈블리에서 후술하도록 한다.
EGR밸브(152)는 EGR라인(151)을 통해 배기가스가 재순환되도록 배기가스의 유량을 조절하는 구성으로서, EGR라인(151) 상에 마련된다. 예를 들어, EGR밸브(152)는 밸브와 스텝 모터 등으로 구성되어 개폐를 구동하는 액추에이터를 포함할 수 있다. EGR밸브(152)는 EGR라인(151)을 통해 배기가스가 재순환될 경우 개방될 수 있다.
리드밸브(153)는 EGR라인(151) 상에서 EGR밸브(152)의 하류에 마련되어, 배기가스는 배출시키되 공기의 유입은 차단한다. 이러한, 리드밸브(153)는 일단은 EGR라인(151) 상에 고정되고 타단은 자유단으로 이루어져 배기가스의 토출압에 의해 개방될 수 있다.
일례로, 리드밸브(153)는 유연성있는 재질로 이루어지고, 배기가스가 일방향으로 흘러 엔진(110)에서 배출되는 배기가스가 흡기라인(114)으로 공급되도록 배기가스의 토출압에 의해 일방향으로 개방된다.
정화장치(154)는 엔진(110)에서 연소되어 오염된 배기가스 내의 분진과 같은 이물질을 제거하여 EGR쿨러(155)의 손상을 방지할 수 있는 구성으로서, EGR라인(151) 상에서 EGR밸브(152)와 리드밸브(153) 사이에 마련된다. 예를 들어, 정화장치(154)는 배기가스 후처리장치(diesel particulate filter)로 이루어질 수 있으며, 엔진(110)에서 배출되는 배기가스에 포함된 황산화물이나 매연을 필터를 통해 이물질을 제거하고, 액체를 사용해서 씻어 제거함으로써, 배기가스를 정화시킨다. 이러한, 정화장치(154)는 배기가스 등의 이물질을 제거함으로써, 에어쿨러(160)를 보호할 수 있다.
EGR쿨러(155)는 EGR라인(151) 상에서 정화된 배기가스를 냉각한다. EGR쿨러(155)는 정화장치(154)의 하류에 구비되어, 정화장치(154)를 거친 배기가스를 냉각시킨다. 여기서, EGR쿨러(155)는 블로어(도시하지 않음)의 손상을 방지할 수 있도록, 배기가스의 온도를 낮출 수 있다. 이러한, EGR쿨러(155)는 물을 냉매로 이용하여 배기가스와 열교환이 행해져 배기가스를 냉각시킬 수 있다.
여기서, EGR쿨러(155)를 경유한 배기가스의 압력이 압축기(121)에서 배출되는 고압의 과급공기에 비하여 상대적으로 낮아, 블로어가 EGR쿨러(155)를 경유하는 배기가스를 엔진(110)으로 강제 유입시킬 수 있다.
에어쿨러(160)는 공기를 냉각시켜 엔진(110)의 효율을 향상시키기 위한 구성으로서, 흡기라인(114)에서 EGR라인(151)이 연결되는 지점의 하류에 마련되어 공기를 냉각한다. 에어쿨러(160)는 분진 등의 이물질 유입시 파손 및 오염의 위험이 있으므로 정화장치(154)를 통해 이물질이 제거된 배기가스가 유입되도록 할 수 있다.
본 실시예는 배기가스가 배기라인(113)과 EGR라인(151)을 통해 외부로 배출되거나 일부가 엔진(110)으로 다시 회수되도록 흐를 수 있다. 배기가스가 배기라인(113)을 통해 외부로 배출되는 경우, 터빈(122)으로 배기가스가 공급되어 배기가스가 가지는 에너지가 터빈(122)을 구동시킨 후 배출된다.
배기가스가 EGR라인(151)을 통해 엔진(110)으로 회수되는 경우, 배기가스는 EGR라인(151)을 통해 흡기라인(114)으로 공급되어 엔진(110)의 연소실로 유입될 수 있다. 배기가스가 EGR라인(151)으로 공급되는 경우, 배기가스는 EGR밸브(152), 정화장치(154), EGR쿨러(155), 리드밸브(153)를 차례로 경유할 수 있고, EGR라인(151)을 경유하면서 배기가스 내의 이물질이 제거되고 배기가스가 냉각될 수 있다. 그리고 나서 배기가스는 흡기라인(114)에서 공기와 합류하여 에어쿨러(160)에서 냉각되어 엔진(110)의 실린더(111)로 공급될 수 있다.
또한, 본 실시예는 공기가 흡기라인(114)과 소기우회라인(130)을 통해 엔진(110)으로 공급되거나, 일부 배출되게 흐를 수 있다.
공기는 흡기라인(114)을 통해 외부에서 흡입공기가 공급되어 엔진(110)의 실린더(111)로 공급되는데, 흡기라인(114) 상에서 압축기(121)에 의해 공기가 압축된 후 공급된다. 여기서, 공기의 압축은 배기가스의 에너지에 의해 구동되는 터빈(122)으로부터 회전력을 전달받은 압축기(121)에 의해 이루어진다.
게다가, 질소산화물의 발생을 저감시키도록 가습장치(140)가 동작되는 경우, 흡기라인(114)에서 분기되는 소기우회라인(130)을 통해 공기가 배기라인(113)으로 우회되어 배출될 수 있다.
이러한 엔진 시스템(100)은 EGR가스의 균일한 배분을 위해서, 흡기라인(114)과 EGR라인(151) 각각을 통해 유입되는 공기와 EGR가스의 혼합이 균일하게 이루어질 필요가 있어 개선이 요구된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템용 라인어셈블리를 개념적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템용 라인어셈블리의 흡기라인을 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 엔진 시스템용 라인어셈블리(A)는 흡기라인(114) 및 EGR라인(151)을 포함한다.
흡기라인(114)은 엔진(110)에 연결되어 공기를 유입시키는 구성으로서, 압축기(121)에서 압축된 공기를 엔진(110)으로 공급한다. 본 실시예에서는 EGR라인(151)이 에어쿨러(160)의 상류에 연결되어, 엔진(110)으로 공급되는 EGR가스와 공기가 혼합된 다음에 에어쿨러(160)에서 쿨링되어 유입될 수 있다.
흡기라인(114)은 엔진(110)에 인접하여 적어도 어느 일부가 환형으로 이루어진다. 본 실시예의 흡기라인(114)은 환형의 전단에서 환형으로 갈수록 직경이 작아질 수 있으며(도 3을 참조하면, A > B), 이에 의해 공기의 속도가 환형에서 빨라지게 되고, 압력은 줄어들어, 후술되는 EGR가스가 빨려들어가기가 용이해 질 수 있다. 이러한, 흡기라인(114)은 예를 들어, 사이클론 배관의 형태로 이루어질 수 있다.
EGR라인(151)은 흡기라인(114) 상에 마련되는 에어쿨러(160)의 상류에 연결되어, 엔진(110)으로 EGR가스를 유입시키되, 흡기라인(114)에 연통된다.
배기가스가 EGR라인(151)을 통해 압축기(121)를 경유하여 엔진(110)으로 공급되는 공기와 합류됨으로써, 출력감소를 최소로 하면서 최고연소온도를 낮추어 질소산화물의 배출량 감소시킨다. 이는, 실린더(111)에 유입되는 공기에 배기가스를 혼입하면, 산소농도가 낮아져 연소온도가 내려가며 질소산화물의 발생을 억제할 수 있기 때문이다.
본 실시예의 EGR라인(151)은 EGR가스가 공기에 빨려들어가도록, 흡기라인(114)의 환형 부분에 연통될 수 있다. 이에 따라, EGR가스와 공기의 혼합이 용이하게 이루어질 수 있다.
이때, EGR라인(151)은 EGR가스가 공기를 따라 엔진(110)으로 유입되도록, 흡기라인(114)의 환형부분의 연결지점의 접선 방향으로 형성될 수 있다. 예를 들어, EGR라인(151)은 흡기라인(114)의 외주면에 흡기라인(114)을 따라 연장된 형태로 이루어질 수 있고, EGR라인(151)은 흡기라인(114)의 하측에 연결될 수 있는데 이때, 흡기라인(114)은 사이클론 배관의 형태로 이루어질 수 있다.
게다가, EGR라인(151)은 복수개로 이루어질 수 있으며, 도 2에 도시한 바와 같이, 2개로 이루어져 흡기라인(114)에 마련될 수 있다. 복수개로 이루어지는 EGR라인(151)은 배기라인(113)에서 분기된 하나의 라인이 형성된 후 흡기라인(114)에 인접하여 2개의 라인으로 분기되어 흡기라인(114)의 외주면에 연통될 수 있다. 이와 달리, 배기라인(113)에서 복수개의 EGR라인(151)으로 분기되어 흡기라인(114)에 연결되는 등 다양한 실시예가 가능하다.
이와 같이 본 실시예는, EGR가스를 재순환시킬 때, 엔진(110)으로 유입되는 공기로 EGR가스가 빨아들여지도록 하여, 혼합이 고르게 이루어진 EGR가스와 공기를 엔진(110)으로 공급할 수 있다.
100: 엔진 시스템 110: 엔진
111: 실린더 112: 매니폴드
113: 배기라인 114: 흡기라인
120: 터보차저 121: 압축기
122: 터빈 130: 소기우회라인
140: 가습장치 151: EGR라인
152: EGR밸브 153: 리드밸브
154: 정화장치 155: EGR쿨러
160: 에어쿨러

Claims (5)

  1. 엔진에 연결되어 공기를 유입시키고, 적어도 어느 일부가 환형으로 이루어지는 흡기라인; 및
    상기 흡기라인 상에 마련되는 에어쿨러의 상류에 연결되어, 상기 엔진으로 EGR가스를 유입시키되, 상기 흡기라인의 환형 부분에 연통되는 EGR라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템용 라인어셈블리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 EGR라인은,
    상기 흡기라인의 환형부분 연결지점의 접선 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템용 라인어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 흡기라인은 사이클론 배관의 형태로 이루어지고,
    상기 EGR라인은 상기 흡기라인의 하측에 연결되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템용 라인어셈블리.
  4. 제1항에 있어서, 상기 EGR라인은,
    복수개로 이루어지는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템용 라인어셈블리.
  5. 제1항에 있어서, 상기 흡기라인은,
    환형의 전단에서 환형으로 갈수록 직경이 작아지는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템용 라인어셈블리.
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