KR20150121464A - 나노버블 ｅｇｒ 시스템 - Google Patents

Abstract

엔진과, 흡기매니폴드와, 배기매니폴드와, 압축기 및 터빈을 포함하는 터보차저를 포함하는 엔진시스템에 적용되고, 상기 배기매니폴드와 연결된 배기라인에서 받은 배출가스를 나노버블 상태로 만들어 액체 연료와 함께 엔진의 연소실에 공급하는 나노버블 EGR 시스템이 개시된다. 상기 나노버블 EGR 시스템은, 액체 연료 탱크를 경유하도록 상기 액체 연료 탱크와 연결된 액체 연료 순환라인과; 상기 액체 연료 탱크에 저장된 액체 연료를 상기 액체 연료 순환 라인을 따라 순환시키도록 구동되는 순환펌프와; 상기 터빈의 하류측에서 상기 배기라인과 연결되되, 상기 액체 연료 순환 라인과 접속되어 상기 배기라인으로부터의 배출가스를 상기 액체 연료 순환 라인 내 액체 연료 내로 유입시키는 배출가스 유입라인과; 상기 액체 연료 순환 라인에 설치되어 상기 배출가스 유입라인을 통해 유입된 배출가스를 나노버블 상태로 만들어 상기 액체 연료와 함께 상기 액체 연료 탱크 내로 공급하는 나노버블 발생기와; 상기 나노버블 상태의 배출가스가 포함된 액체 연료를 상기 엔진 측에 있는 인젝터로 공급하는 펌핑수단을 포함한다.

Description

나노버블 ＥＧＲ 시스템{NANO BUBBLE EGR SYSTEM}

본 발명은 EGR 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 배출가스 일부를 나노버블 상태로 만들어 연료탱크 내 액체 연료에 포함되게 하고, 그 나노버블 상태의 배출가스가 포함된 액체 연료를 엔진에 공급하는 나노버블 EGR 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 디젤엔진은 가솔린엔진에 비하여 연료의 소모가 적고 효율이 좋다고 알려져 있다. 통상 40% 정도의 효율을 내고 있으며, 이는 디젤엔진의 고압축비에 따른 것이다. 최근의 엔진에서는 보다 큰 출력을 얻을 수 있도록 터보차저(Turbo-charge)와 인터쿨러(Inter cooler) 등을 추가로 구비한다.

이와 같이 터보차저를 적용한 엔진시스템은 터보차저의 압축기에 의해 배출가스나 외부공기를 흡입하여 압축시키고, 이때 발생된 과급공기(고온의 압축공기)를 엔진 측으로 공급한다. 하지만, 급속히 압축된 공기는 터보차저의 열과 그 압축과정에서 발생하는 열을 흡수하여 밀도가 낮아지게 되고, 결과적으로 엔진 연소실 내의 충전효율을 떨어뜨린다. 이에, 인터쿨러를 사용함으로써 과급공기를 냉각하여 높은 밀도를 얻을 수 있으며, 그 결과 보다 많은 공기를 엔진 연소실 내로 흡입시켜 높은 출력을 얻을 수 있다.

근래 들어서는 유럽의 EURO-3 또는 EURO-4와 같은 배출가스 규제 경향에 맞추어 배출가스 속의 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx) 등을 포함한 배출가스의 일부를 흡기측으로 도입하여 연소온도를 낮추고 이에 의해 NOx 생성을 억제하고 연비를 향상시킬 수 있는 EGR 시스템이 개발되었다. EGR 시스템은 크게 HP EGR 시스템과 LP EGR 시스템으로 구분되며, 이 두 종류 시스템의 특징을 모두 포함하는 하이브리드 타입 EGR 시스템도 있다.

종래 HP EGR 시스템은, 터보차저의 터빈 상류 측에서 고압 배출가스 일부를 빼내, 그 고압 배기가스 일부를 고압 재순환 배기가스 쿨러로 냉각한 후, 흡기 측으로 유도하도록 구성된 것으로, 저부하 영역에서 효과적이고 구조가 간단하고 빠른 응답성을 갖는 장점이 있지만 재순환되는 배출가스가 고온이며 불순물이 많은 문제점이 있다.

종래 LP EGR 시스템은 터보차저 터빈 후단에서 배출가스 일부를 빼내 엔진 측으로 재순환시키는 것으로 터빈 출력에 영향을 주지 않을 수 있고 촉매 후단에 설치될 경우 클린 EGR이 가능하며 터보차저의 공기압축기 전단으로 재순환 배기가스를 공급하여 인터쿨러에서 추가 냉각이 가능하고 재순환 배기가스의 균일한 엔진 공급이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 종래 LP EGR 시스템은 인터쿨러 및/또는 EGR 쿨러에 응축수가 생성되어 부식, 결빙 파손의 우려가 있고, 매연 필터 주각 등 이물질 유입에 의해 터빈 손상의 우려가 있다. 또한, 최근 EGR 시스템은 엔진의 연소실로 최대한 많은 양의 EGR을 공급하는 것을 요구하고 있다.

공개특허 10-2011-0019116(2011.02.25. 공개)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 배출가스로 만들어진 나노버블을 액체 연료에 투입하여 연소실에 공급하는 방식으로, (대략 10%)의 저온 청정 불활성 배출가스를 연소실에 추가로 공급할 수 있고, 이를 통해, NOx의 발생을 억제함과 동시에 액체 연료 분사시 무화를 극대화할 수 있는 나노버블 EGR 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따라 엔진과, 흡기매니폴드와, 배기매니폴드와, 압축기 및 터빈을 포함하는 터보차저를 포함하는 엔진시스템에 적용되고, 상기 배기매니폴드와 연결된 배기라인에서 받은 배출가스를 나노버블 상태로 만들어 액체 연료와 함께 엔진의 연소실에 공급하는 나노버블 EGR 시스템이 제공되며, 상기 나노버블 EGR 시스템은, 액체 연료 탱크를 경유하도록 상기 액체 연료 탱크와 연결된 액체 연료 순환라인과; 상기 액체 연료 탱크에 저장된 액체 연료를 상기 액체 연료 순환 라인을 따라 순환시키도록 구동되는 순환펌프와; 상기 터빈의 하류측에서 상기 배기라인과 연결되되, 상기 액체 연료 순환 라인과 접속되어 상기 배기라인으로부터의 배출가스를 상기 액체 연료 순환 라인 내 액체 연료 내로 유입시키는 배출가스 유입라인과; 상기 액체 연료 순환 라인에 설치되어 상기 배출가스 유입라인을 통해 유입된 배출가스를 나노버블 상태로 만들어 상기 액체 연료와 함께 상기 액체 연료 탱크 내로 공급하는 나노버블 발생기와; 상기 나노버블 상태의 배출가스가 포함된 액체 연료를 상기 엔진 측에 있는 인젝터로 공급하는 펌핑수단을 포함한다.

일 실시예에 따라, 상기 배출가스 유입라인은 일단이 매연필터에서 상기 배기라인과 접속되고 타단이 상기 순환펌프를 통해 상기 액체 연료 순환라인과 접속된다.

일 실시예에 따라, 상기 나노버블 발생기는 에어제트 방식, 캐비테이션 방식, 선회방식 또는 가압용해 방식의 나노버블 발생기일 수 있다.

본 발명에 따르면, 배출가스로 만들어진 나노버블을 액체 연료에 투입하여 연소실에 공급하는 방식으로, (대략 10%)의 저온 청정 불활성 배출가스를 연소실에 추가로 공급할 수 있고, 이를 통해, NOx의 발생을 억제함과 동시에 액체 연료 분사시 무화를 극대화할 수 있는 나노버블 EGR 시스템이 구현된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노버블 EGR 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 나노버블 EGR 시스템에 적용될 수 있는 나노버블 발생기의 여러 방식을 보인 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노버블 EGR 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.

도 1을 참조하면, 엔진시스템은 엔진(1)과, 흡기매니폴드(2)와, 배기매니폴드(3)와, 터보차저를 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노버블 EGR 시스템(6)은 도시된 엔진시스템에 적용되어 배출가스 일부를 나노버블 상태로 만들어 엔진에 공급하도록 구성된다.

상기 흡기매니폴드(2)는, 흡기라인(7)과 연결되어 흡기라인(7)을 통해 흡입된 공기와 액체 연료를 엔진(1)의 실린더실에 공급하는 일반적인 엔진의 흡기매니폴드일 수 있다. 상기 흡기라인(7)의 말단 또는 말단 부근에는 에어클리너가 설치될 수 있으며, 상기 흡기라인(7)에는 에어클리너와 흡기매니폴드(2) 사이에 터보차저의 압축기(41)와 인터쿨러(9)가 차례로 배치되어 있다.

또한, 상기 배기매니폴드(3)는 배기라인(8)과 연결되는 일반적인 엔진의 배기매니폴드일 수 있으며, 배기라인(8)을 통해 배출가스를 배출한다. 상기 배기라인(8) 상에는 터보차저의 터빈(42)이 설치된다. 또한 상기 터빈(42)의 하류 측으로 상기 배기라인(8) 상에는 매연필터(82)가 설치된다. 도시하지 않았지만, 상기 배기라인(8)에는 머풀러가 더 설치될 수 있다.

앞에서 언급한 바와 같이, 상기 터보차저는 샤프트에 의해 서로 연결된 터빈(42)과 압축기(41)를 포함한다. 터빈(42)은 배기라인(8) 상에 설치되어 배기라인(8)을 흐르는 배출가스에 의해 회전 동력을 발생시킨다. 터빈(42)을 지난 배출가스는 외부로 배기되는 것이 일반적이지만, 본 실시예의 경우, 배출가스 일부가 재순환되어 흡기매니폴드로 다시 공급될 수 있다. 상기 압축기(41)는 터빈(42)의 회전력에 의해 작동하여 압축 공기를 만들어 이를 흡기라인(7)을 통해 흡기매니폴드(2)에 공급한다.

한편, 본 실시예에 따른 나노버블 EGR 시스템(6)은 디젤유와 같은 액체 연료가 저장된 액체 연료탱크(T)와 연결된 액체 연료 순환라인(62)을 포함한다.

또한, 상기 나노버블 EGR 시스템(6)은 상기 액체 연료 순환라인(62)에 설치되어 상기 액체 연료가 상기 액체 연료탱크(T)를 경유하면서 순환되도록 해주는 순환펌프(63)와, 상기 순환펌프(63)를 통해 상기 액체 연료 순환라인(62)에 접속되고 상기 매연 필터(82)의 후단에서 밸브(V)에 의해 배기라인(8)과 접속된 배출가스 유입라인(61)을 포함한다.

또한, 상기 나노버블 EGR 시스템(6)은, 상기 액체 연료 순환라인(62)에 설치되어 상기 배기라인(8)을 통해 유입된 배출가스를 나노버블 상태로 만들어 상기 액체 연료 내에 포함시키는 나노버블 발생기(64)를 포함한다.

그리고, 상기 나노버블 EGR 시스템(6)은 나노버블 상태의 배출가스를 포함하는 액체 연료를 상기 액체 연료탱크(T)로부터 엔진(1) 측 인젝터(I)에 공급하는 펌핑수단을 포함한다.

상기 펌핑 수단은 액체 연료탱크(T) 내에 설치된 펌프(66)을 포함하며, 더 나아가, 상기 액체 연료탱크(T)의 외부에서 나노버블이 포함된 액체 연료를 받아 상기 액체 연료를 고압으로 상기 인젝터(I)에 공급하는 고압펌프를 더 포함할 수 있다.

상기 액체 연료탱크(T) 내에 저장된 채 펌핑수단에 의해 상기 인젝터(I)로 공급되는 액체 연료는 나노버블 발생기(64) 의해 발생되어 공급된 나노버블 상태의 배출가스가 혼합된 액체 연료로서, 무화가 극대화된 상태로 상기 인젝터(I)를 통해 고압으로 분사된다.

이제 전술한 나노버블 EGR 시스템(6)의 작용을 설명하면 다음과 같다.

밸브(V)의 개방에 의해, 배기라인(8)과 연결된 배출가스 유입라인(61)이 활성화된 상태로, 순환펌프(63)가 구동하여, 액체 연료탱크(T)에 저장된 액체 연료가 상기 액체 연료 순환라인(62)을 따라 순환하며, 이 때, 배출가스 유입라인(61)을 통해 배출가스를 상기 액체 연료 순환라인(62) 내로 들어와 액체 연료와 혼재한 상태로 흐른다. 이때, 나노버블 발생기(64)는 액체 연료 내 배출가스를 나노버블 상태로 만들어 이를 액체 연료탱크(T)에 공급한다. 순환회수가 증가할수록, 액체 연료탱크(T) 내 액체 연료 중 나노버블은 증가한다. 펌프(66)을 포함하는 펌핑수단이 나노버블이 포함된 액체 연료를 엔진 측 인젝터(I)로 공급하며 인젝터(I) 나노버블 상태의 배출가스를 포하하는 액체 연료를 엔진(1) 내 실린더에 분사한다.

나노버블 형태의 배출가스는 표면장력의 극소화를 통해 연료 분사시 액적을 미세화시키는 기능을 한다. 본 명세서에서, 용어 "나노버블"은 1㎛ 이하의 버블 직경을 갖는 기포를 의미하는 것으로, 이러한 나노버블은 표면장력이 자기가압효과가 있고 표면 대전에 의한 정전반발력이나 계면활성제에 의해 장시간 안정화 기능을 갖는다. 또한, 나노버블 상태의 배출가스는 액체 연료탱크(T) 내에서 나노 버블 상태로 액체 연료와 함께 장시간 공존할 수 있다. 그리고, 인젝터(I)를 통한 연료 분사시에는 분무 입자를 미세화하여 연소 효율을 높이는데 크게 기여한다.

나노버블 발생기로는 도 2의 (a), (b), (c), (d)에 도시된 것과 같은 방식 또는 그 외 다양한 방식으로 나노 에어버블을 발생시키는 것들이 이용될 수 있다. 도 2의 (a), (b), (c) 및 (d)는 차례대로 에어제트 방식, 캐비테이션 방식, 선회방식 및 가압용해 방식으로 나노버블을 발생시키며, 도 3에서 부호 "P"는 펌프를 나타내고, 부호 "A"는 배출가스 유입부를 나타낸다.

1: 엔진 2: 흡기매니폴드
3: 배기매니폴드 41: 압축기
42: 터빈 7: 흡기라인
6: 나노버블 EGR 시스템 61: 배출가스 유입라인
62: 액체 연료 순환라인 63: 순환펌프
64: 나노버블 발생기 66: 펌프
8: 배기라인

Claims (3)

1. 엔진과, 흡기매니폴드와, 배기매니폴드와, 압축기 및 터빈을 포함하는 터보차저를 포함하는 엔진시스템에 적용되고, 상기 배기매니폴드와 연결된 배기라인에서 받은 배출가스를 나노버블 상태로 만들어 액체 연료와 함께 엔진의 연소실에 공급하는 나노버블 EGR 시스템으로서,
   액체 연료 탱크를 경유하도록 상기 액체 연료 탱크와 연결된 액체 연료 순환라인;
   상기 액체 연료 탱크에 저장된 액체 연료를 상기 액체 연료 순환 라인을 따라 순환시키도록 구동되는 순환펌프;
   상기 터빈의 하류측에서 상기 배기라인과 연결되되, 상기 액체 연료 순환 라인과 접속되어 상기 배기라인으로부터의 배출가스를 상기 액체 연료 순환 라인 내 액체 연료 내로 유입시키는 배출가스 유입라인;
   상기 액체 연료 순환 라인에 설치되어 상기 배출가스 유입라인을 통해 유입된 배출가스를 나노버블 상태로 만들어 상기 액체 연료와 함께 상기 액체 연료 탱크 내로 공급하는 나노버블 발생기; 및
   상기 나노버블 상태의 배출가스가 포함된 액체 연료를 상기 엔진 측에 있는 인젝터로 공급하는 펌핑수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노버블 EGR 시스템.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 배출가스 유입라인은 일단이 매연필터에서 상기 배기라인과 접속되고 타단이 상기 순환펌프를 통해 상기 액체 연료 순환라인과 접속되는 것을 특징으로 하는 나노버블 EGR 시스템.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 나노버블 발생기는 에어제트 방식, 캐비테이션 방식, 선회방식 또는 가압용해 방식의 나노버블 발생기인 것을 특징으로 하는 나노버블 EGR 시스템.

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