KR20170073291A

KR20170073291A - 엔진 흡기 시스템

Info

Publication number: KR20170073291A
Application number: KR1020150182017A
Authority: KR
Inventors: 김홍원
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2017-06-28

Abstract

본 발명은 엔진 흡기 시스템에 관한 것으로서, 엔진과 엔진 공기 흡기구를 연결하는 흡기 덕트; 및 상기 흡기 덕트에 마련되는 상기 흡기 냉각 장치를 포함하되, 상기 흡기 냉각 장치는, 작동유체를 압축하는 압축기; 작동유체를 팽창하는 익스팬더; 상기 압축기의 출구와 상기 익스팬더의 입구를 연결하는 제1 작동유체 순환라인; 상기 제1 작동유체 순환라인에 마련되며, 상기 작동유체를 냉각시키는 제1 열교환기; 상기 익스팬더의 출구와 상기 압축기의 입구를 연결하는 제2 작동유체 순환라인; 및 상기 제2 작동유체 순환라인과 상기 흡기 덕트에 마련되며, 상기 엔진으로 공급되는 흡기를 냉각시키는 제2 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

엔진 흡기 시스템{Engine Intake System}

본 발명은 엔진 흡기 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 내연기관의 엔진은 실린더 내에서 피스톤의 운동에 의하여 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4 행정으로 이루어 지고 있으며 흡기행정에서 혼합한 공기와 연료를 흡입하여 압축행정에서 혼합된 공기와 연료를 압축시킨 후, 폭발 행정에서 점화 플러그를 이용하여 스파크를 발생시켜 혼합된 공기와 연료가 폭발할 때, 폭발 압력에 의하여 피스톤이 하강하면서, 크랭크 축을 회전시키며 이때 크랭크 축에 발생하는 회전력을 동력원으로 하여 선박, 자동차, 산업기계 등 각종 기계를 가동시키고 있다.

이러한 엔진에는 연소를 위한 흡기공기가 도입되는 흡기 시스템을 포함하며, 흡기 시스템을 통해 엔진으로 공급되는 흡기공기는 엔진이 안정적으로 구동할 수 있도록, 엔진에서 요구하는 적절한 온도로 공급하는 것이 중요하다.

왕복동 엔진(가스터빈 엔진)에서는 대기온도가 상승할수록 대기밀도가 낮아져서 공기 흡입량이 작아지고 출력이 낮아지게 된다. 이것을 보완하기 위하여 터보 냉동기 또는 흡수식 냉동기를 설치하여 공기 입구와 열교환하여 온도를 낮추는 방법을 많이 사용하고 있다.

터보 냉동기는 압축기를 이용한 냉동사이클 방식으로 흡기 온도를 낮추는데, 압축기를 구동시키기 위한 전력이 많이 소모되는 문제가 있다. 또한 흡수식 냉동기는 터보 냉동기와 비교하여 전력 소모가 많지 않은 장점이 있지만 초기 시설투자 비용이 많이 소요될 뿐만 아니라 공간을 많이 차지하는 문제가 있다.

국내 공개특허공보 제10-2010-0030026호 (공개일: 2010년03월18일)

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 기존의 터보 냉동기와 비교하여 소모 전력을 거의 발생시키지 않으면서 흡입 공기의 온도를 엔진에서 요구하는 적절한 온도로 낮출 수 있도록 하는 엔진 흡기 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은, 기존의 흡수식 냉동기와 비교하여 초기 시설투자 비용을 절감할 수 있고, 공간 활용도를 높일 수 있도록 하는 엔진 흡기 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 엔진 흡기 시스템은, 엔진과 엔진 공기 흡기구를 연결하는 흡기 덕트; 및 상기 흡기 덕트에 마련되는 상기 흡기 냉각 장치를 포함하되, 상기 흡기 냉각 장치는, 작동유체를 압축하는 압축기; 작동유체를 팽창하는 익스팬더; 상기 압축기의 출구와 상기 익스팬더의 입구를 연결하는 제1 작동유체 순환라인; 상기 제1 작동유체 순환라인에 마련되며, 상기 작동유체를 냉각시키는 제1 열교환기; 상기 익스팬더의 출구와 상기 압축기의 입구를 연결하는 제2 작동유체 순환라인; 및 상기 제2 작동유체 순환라인과 상기 흡기 덕트에 마련되며, 상기 엔진으로 공급되는 흡기를 냉각시키는 제2 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 작동유체는, 기체 상태의 질소이고, 상기 제1 열교환기는, 냉각수 공급라인에 마련될 수 있다.

구체적으로, 상기 압축기와 상기 익스팬더는, 모터가 연결되는 축으로 연결될 수 있다.

구체적으로, 상기 압축기는, 초기 작동 시에 상기 모터로부터 구동력을 전달 받아 작동되며, 상기 작동유체를 상기 제1 작동유체 순환라인을 통해 상기 제1 열교환기와 상기 익스팬더에 공급할 수 있다.

구체적으로, 상기 압축기는, 상기 초기 작동 이후에, 상기 익스팬더로부터 상기 축을 통해 전달되는 구동력으로 작동되며, 상기 작동유체를 상기 제1 작동유체 순환라인을 통해 상기 제1 열교환기와 상기 익스팬더에 공급할 수 있다.

구체적으로, 상기 익스팬더는, 상기 압축기로부터 공급되는 상기 작동유체에 의해 작동되며, 상기 축을 통해 상기 압축기에 구동력을 전달할 수 있다.

본 발명에 따른 엔진 흡기 시스템은, 질소를 작동유체로 하는 압축기와 이를 구동시켜주는 익스팬더를 일체형으로 구성함으로써, 기존의 터보 냉동기와 비교하여 소모 전력을 거의 발생시키지 않으면서 흡입되는 공기의 온도를 엔진에서 요구하는 적절한 온도로 낮출 수 있고, 기존의 흡수식 냉동기와 비교하여 초기 시설투자 비용을 절감할 수 있고, 공간 활용도를 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 흡기 시스템의 구성도이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

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

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 흡기 시스템(1)은, 엔진(100), 엔진 터보차저(200), 엔진 공기 흡기구(300), 흡기 덕트(400), 흡기 냉각 장치(500)를 포함한다.

엔진(100)은, 후술할 엔진 공기 흡기구(300)로 흡입되는 공기의 흐름 통로인 후술할 흡기 덕트(400)에 설치된 후술할 엔진 터보차저(200)에 의해 강제로 압축된 신선한 공기를 분사/폭발 시키는 것을 통해 출력을 얻게 되며, 왕복동 엔진(가스터빈 엔진)일 수 있다.

이러한 엔진(100)은, 흡기를 이용하는 선박, 자동차, 산업기계 등 각종 기계를 가동시키는 엔진을 포함할 수 있음은 물론이다.

엔진 터보차저(200)는, 엔진(100) 전단의 후술할 흡기 덕트(400)에 설치될 수 있으며, 엔진(100)에 적어도 하나가 구비되어 엔진(100)의 배기가스를 이용하여 엔진(100)의 성능을 향상시키는데 사용되는 과급기로, 이러한 엔진 터보차저(200)는 엔진 터빈, 엔진 컴프레셔, 축을 포함하여 구성되는 일반적으로 사용되고 있는 과급기이므로, 본 발명의 실시 예에서는 자세한 설명을 생략하도록 한다.

엔진 공기 흡기구(300)는, 흡기 공기를 엔진(100)에 공급할 수 있도록 마련될 수 있으며, 후술할 흡기 덕트()에 연결될 수 있다.

흡기 덕트(400)는, 엔진 공기 흡기구(300)로부터 흡입되는 공기를 후술할 흡기 냉각 장치(500)와 엔진 터보차저(200)를 통해 엔진(100)에 공급하는 흡기공기의 통로 역할을 수행할 수 있도록 구성될 수 있다.

상기에서, 엔진 공기 흡기구(300)를 통해 흡입되는 공기는 대기로서, 대기의 온도가 높을수록 대기밀도가 낮아져서 상대적으로 공기 흡입량이 작아질 수 밖에 없다. 엔진(100)의 출력을 높이기 위해서는 공기 흡입량을 높여야 하고, 이를 해결하기 위해 흡입되는 공기의 온도를 냉각시키고 있다. 본 실시예에서는 이하의 흡기 냉각 장치(500)를 통해 흡입되는 공기의 온도를 냉각시킨다.

흡기 냉각 장치(500)는, 공기의 밀도를 높여서 엔진(100)에 보다 많은 공기를 공급할 수 있도록, 엔진 터보차저(200) 전단의 흡기 덕트(400)에 마련될 수 있으며, 작동유체로 질소를 이용하여 엔진 공기 흡기구(300)를 통해 흡입되는 공기를 냉각시켜 엔진 터보차저(200)를 통해 엔진(10)으로 신선한 공기를 공급할 수 있도록 구성될 수 있다.

이러한 흡기 냉각 장치(500)는, 작동유체 순환라인(510), 압축기(520), 제1 열교환기(530), 익스팬더(540), 제2 열교환기(550), 냉각수 공급원(560), 모터(570), 축(580)을 포함하여 구성될 수 있다.

작동유체 순환라인(510)은, 작동유체로서 질소가 후술할 압축기(520), 후술할 제1 열교환기(530), 후술할 익스팬더(540) 및 후술할 제2 열교환기(550)를 순환되도록 구성될 수 있으며, 제1 작동유체 순환라인(512), 제2 작동유체 순환라인(514)으로 구분될 수 있다. 여기서, 작동유체로서의 질소는 응축 과정 없이 후술할 압축기(520)와 후술할 익스팬더(540)를 순환함으로써, 작동유체 순환라인(510) 내부에서 온도와 압력은 다소 변화되지만 냉동사이클과는 달리 기체 상태로만 운전될 수 있다.

제1 작동유체 순환라인(512)은, 후술할 압축기(520)의 출구와 후술할 익스팬더(540)의 입구를 연결할 수 있도록 구성될 수 있으며, 일부분에 후술할 제1 열교환기(530)가 마련될 수 있다.

제2 작동유체 순환라인(514)은, 후술할 익스팬더(540)의 출구와 후술할 압축기(520)의 입구를 연결할 수 있도록 구성될 수 있으며, 일부분에 후술할 제2 열교환기(550)가 마련될 수 있다.

압축기(520)는, 출구에 제1 작동유체 순환라인(512)이 연결되고, 입구에 제2 작동유체 순환라인(514)이 연결될 수 있으며, 후술할 익스팬더(540)와 후술할 축(580)에 의해 연결되어 일체형을 이룰 수 있다.

이러한 압축기(520)는, 초기 작동 시에 후술할 모터(570)로부터 구동력을 전달 받아 작동되어, 작동유체를 제1 압력으로 가압하여 제1 작동유체 순환라인(512)을 통해 후술할 제1 열교환기(530)와 후술할 익스팬더(540)에 공급할 수 있다. 이때, 후술할 익스팬더(540)는, 제1 압력으로 가압된 작동유체에 의해 작동될 수 있다.

초기 작동 이후에, 압축기(520)는 후술할 익스팬더(540)로부터 후술할 축(580)을 통해 전달되는 구동력으로 작동되어, 제1 압력으로 가압된 작동유체를 제1 작동유체 순환라인(512)을 통해 후술할 제1 열교환기(530)와 후술할 익스팬더(540)에 계속적으로 공급할 수 있다.

상기에서, 압축기(520)는 제1 온도의 작동유체를 압축함에 따라 작동유체가 제1 온도에서 제2 온도로 상승하게 되고, 이로써, 제2 온도의 작동유체가 후술할 제1 열교환기(530)에 공급될 수 있다. 여기서, 제2 온도는 제1 온도보다 상대적으로 높은 상태를 의미한다.

제1 열교환기(530)는, 압축기(520)의 출구와 후술할 익스팬더(540)의 입구를 연결하는 제1 작동유체 순환라인(512)과, 후술할 냉각수 공급원(560)으로부터 냉각수를 공급하는 통로인 냉각수 공급라인(564)에 마련될 수 있다.

이러한 제1 열교환기(530)는, 압축기(520)로부터 공급되는 제2 온도의 작동유체와, 냉각수 공급원(560)으로부터 공급되는 냉각수를 열교환시키며, 이로써, 제2 온도의 작동유체는 냉각되어 제3 온도의 작동유체가 되어 후술할 익스팬더(540)에 공급될 수 있고, 냉각수는 가열되어 외부로 배출되거나 재활용될 수 있다. 여기서, 제3 온도는 제1 온도보다는 상대적으로 낮고 제2 온도보다는 상대적으로 높은 상태를 의미한다.

제1 열교환기(530)를 경유한 제3 온도의 작동유체는, 제1 압력 상태를 유지(온도가 낮아지면서 압력이 어느 정도 감압될 수 있음)한 상태로 후술할 익스팬더(540)에 공급되며, 이로써 후술할 익스팬더(540)는 작동유체의 제1 압력에 의해 작동될 수 있다.

익스팬더(540)는, 입구에 제1 작동유체 순환라인(512)이 연결되고, 출구에 제2 작동유체 순환라인(514)이 연결될 수 있으며, 압축기(520)와 후술할 축(580)에 의해 연결되어 일체형을 이룰 수 있다.

이러한 익스팬더(540)는, 제1 작동유체 순환라인(512)을 통해 압축기(520)에 의해 가압된 작동유체의 제1 압력에 작동될 수 있으며, 후술할 축(580)을 통해 압축기(520)에 구동력을 전달하여 압축기(520)가 후술할 모터(570)의 구동력에 의존하지 않고 작동될 수 있도록 한다.

또한, 익스팬더(540)는, 제1 열교환기(530)를 경유한 제3 온도의 작동유체를 공급받아 팽창시킴에 따라, 작동유체가 제3 온도에서 제4 온도로 하강하게 되고, 이로써 제4 온도의 작동유체가 후술할 제2 열교환기(550)에 공급될 수 있다. 여기서 제4 온도는 제1 내지 제3 온도보다 낮은 상태를 의미한다.

또한, 익스팬더(540)는, 제1 열교환기(530)를 경유한 제1 압력의 작동유체를 공급받아 팽창시킴에 따라, 작동유체가 제1 압력에서 제2 압력으로 감압하게 되고, 이로써 제2 압력의 작동유체가 후술할 제2 열교환기(550)를 통해 압축기(520)에 공급될 수 있다. 압축기(520)로 공급되는 제2 압력의 작동유체는 압축기(520)를 통과하면서 가압되어 다시 제1 압력 상태로 제1 열교환기(530)에 공급될 수 있다.

제2 열교환기(550)는, 익스팬더(540)의 출구와 압축기(520)의 입구를 연결하는 제2 작동유체 순환라인(514)과, 엔진 공기 흡기구()에서 흡입된 공기를 엔진(100)으로 공급하는 통로인 흡기 덕트(400)에 마련될 수 있다.

이러한 제2 열교환기(550)는, 익스팬더(540)로부터 공급되는 제4 온도의 작동유체와, 엔진(100)으로 공급되는 흡입 공기를 열교환시키며, 이로써, 제4 온도의 작동유체는 가열되어 제5 온도의 작동유체가 되어 압축기(520)에 공급될 수 있고, 흡기 공기는 냉각되어 신선한 공기 상태로 엔진(100)에 공급될 수 있다. 여기서, 제5 온도는 제1 온도와 유사할 수 있고, 제2 및 제3 온도보다는 상대적으로 낮고, 제4 온도보다는 상대적으로 높은 상태를 의미한다. 예를 들어, 제1 및 제5 온도가 +10℃라면 제2 온도는 +130℃, 제3 온도는 +100℃, 제4 온도는 -5℃일 수 있다.

냉각수 공급원(560)은, 제1 열교환기(530)에 냉각수를 공급할 수 있으며, 냉각수 탱크(562)와 냉각수 공급라인(564)을 포함하여 구성될 수 있다.

모터(570)는, 압축기(520)의 초기 작동을 위한 동력원으로서, 압축기(520)와 후술할 축(580)에 의해 연결되어 압축기(520)에 구동력을 전달할 수 있다.

이러한 모터(570)는, 압축기(520)의 초기 작동용으로만 사용되고, 이후에는 압축기(520)가 익스팬더(540)에 의해 작동됨으로써, 본 발명에 따른 흡기 냉각 장치(500)는 전력 소모가 거의 발생되지 않게 된다.

축(580)은, 모터(570)에 연결되고, 압축기(520)와 익스팬더(540)를 상호 연결시킬 수 있으며, 모터(570)의 구동력 또는 익스팬더(540)의 구동력을 압축기(520)에 전달할 수 있도록 구성될 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, 질소를 작동유체로 하는 압축기(520)와 이를 구동시켜주는 익스팬더(540)를 일체형으로 구성함으로써, 기존의 터보 냉동기와 비교하여 소모 전력을 거의 발생시키지 않으면서 흡입되는 공기의 온도를 엔진(100)에서 요구하는 적절한 온도로 낮출 수 있고, 기존의 흡수식 냉동기와 비교하여 초기 시설투자 비용을 절감할 수 있고, 공간 활용도를 높일 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예들을 중심으로 본 발명을 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 기술내용을 벗어나지 않는 범위에서 실시예에 예시되지 않은 여러 가지의 조합 또는 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들로부터 용이하게 도출 가능한 변형과 응용에 관계된 기술내용들은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 엔진 흡기 시스템 100: 엔진
200: 엔진 터보차저 300: 엔진 공기 흡기구
400: 흡기 덕트 500: 흡기 냉각 장치
510: 작동유체 순환라인 512: 제1 작동유체 순환라인
514: 제2 작동유체 순환라인 520: 압축기
530: 제1 열교환기 540: 익스팬더
550: 제2 열교환기 560: 냉각수 공급원
562: 냉각수 탱크 564: 냉각수 공급라인
570: 모터 580: 축

Claims

엔진과 엔진 공기 흡기구를 연결하는 흡기 덕트; 및
상기 흡기 덕트에 마련되는 상기 흡기 냉각 장치를 포함하되,
상기 흡기 냉각 장치는,
작동유체를 압축하는 압축기;
작동유체를 팽창하는 익스팬더;
상기 압축기의 출구와 상기 익스팬더의 입구를 연결하는 제1 작동유체 순환라인;
상기 제1 작동유체 순환라인에 마련되며, 상기 작동유체를 냉각시키는 제1 열교환기;
상기 익스팬더의 출구와 상기 압축기의 입구를 연결하는 제2 작동유체 순환라인; 및
상기 제2 작동유체 순환라인과 상기 흡기 덕트에 마련되며, 상기 엔진으로 공급되는 흡기를 냉각시키는 제2 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 흡기 시스템.
제1항에 있어서, 상기 작동유체는,
기체 상태의 질소이고,
상기 제1 열교환기는, 냉각수 공급라인에 마련되는 것을 특징으로 하는 엔진 흡기 시스템.
제1항에 있어서, 상기 압축기와 상기 익스팬더는,
모터가 연결되는 축으로 연결되는 것을 특징으로 하는 엔진 흡기 시스템.
제3항에 있어서, 상기 압축기는,
초기 작동 시에 상기 모터로부터 구동력을 전달 받아 작동되며, 상기 작동유체를 상기 제1 작동유체 순환라인을 통해 상기 제1 열교환기와 상기 익스팬더에 공급하는 것을 특징으로 하는 엔진 흡기 시스템.
제4항에 있어서, 상기 압축기는,
상기 초기 작동 이후에, 상기 익스팬더로부터 상기 축을 통해 전달되는 구동력으로 작동되며, 상기 작동유체를 상기 제1 작동유체 순환라인을 통해 상기 제1 열교환기와 상기 익스팬더에 공급하는 것을 특징으로 하는 엔진 흡기 시스템.
제4항에 있어서, 상기 익스팬더는,
상기 압축기로부터 공급되는 상기 작동유체에 의해 작동되며, 상기 축을 통해 상기 압축기에 구동력을 전달하는 것을 특징으로 하는 엔진 흡기 시스템.