KR20200000533A - 내연 기관용 저압 터빈 방식의 공해 저감 장치 - Google Patents

내연 기관용 저압 터빈 방식의 공해 저감 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내연 기관용 저압 터빈 방식의 공해 저감 장치에 관한 것이고, 구체적으로 디젤 엔진과 같은 내연 기관에 설치되어 배출 가스에 의하여 저압 터빈을 작동시켜 산소를 발생시키는 것에 의하여 완전 연소를 유도하여 오염 물질의 배출이 감소되도록 하는 내연 기관용 저압 터빈 방식의 공해 저감 장치에 관한 것이다. 내연 기관용 저압 터빈 방식의 공해 저감 장치는 배출 기체(EG)의 압력을 동력으로 변환하는 변환 모듈(CV)에 의하여 작동되는 발전기(11); 발전기(11)로부터 발생된 전력에 의하여 작동되는 산소 분리기(12); 및 산소 분리기(12)에 의하여 분리된 산소를 내연 기관(EN)으로 공급하는 연소 공급 조절 모듈(13)을 포함한다.

Description

내연 기관용 저압 터빈 방식의 공해 저감 장치{A Low Pressure Turbine Type of an Apparatus for Decreasing a Determinant Generated in an Internal Combustion Engine}
본 발명은 내연 기관용 저압 터빈 방식의 공해 저감 장치에 관한 것이고, 구체적으로 디젤 엔진과 같은 내연 기관에 설치되어 배출 가스에 의하여 저압 터빈을 작동시켜 산소를 발생시키는 것에 의하여 완전 연소를 유도하여 오염 물질의 배출이 감소되도록 하는 내연 기관용 저압 터빈 방식의 공해 저감 장치에 관한 것이다.
운행되는 전체 차량의 큰 부분을 차지하는 내연 기관에 의한 배출 기체는 다양한 형태의 질소 화합물 및 입자 형태의 물질을 포함하고 이로 인하여 주요 환경오염원으로 지적되고 있다. 내연 기관의 이와 같은 단점을 해결하기 위하여 내연 기관의 연소 효율을 높이면서 배출 기체에 포함된 오염 물질을 정화시키는 다양한 형태의 기술이 이 분야에 공지되어 있다. 특허공개번호 제10-2014-0106345호는 연소율을 향상시켜 매연발생을 감소시키고 연료를 감소시키는 내연기관용 장치에 대하여 개시한다. 또한 특허공개번호 제10-2010-0045517호는 내연 기관에 가열된 연료를 공급하는 장치에 대하여 개시한다. 내연기관의 연소 효율을 향상시키면서 오염물질의 배출을 위하여 내연 기관에서 완전 연소 또는 그에 가까운 반응이 발생되는 것이 유리하고, 이를 위하여 충분한 양의 산소가 공급되면서 질소의 주입이 제한되는 것이 유리하다. 그러나 선행기술은 이와 같은 방법에 대하여 개시하지 않는다.
본 발명은 선행기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 아래와 같은 목적을 가진다.
선행기술 1: 특허공개번호 제10-2014-0106345호(조원대, 2014년09월03일 공개) 내연기관 오염발생 감소장치 선행기술 2: 특허공개번호 제10-2010-0045517호(콘티넨탈 오토모티브 게엠베하, 2010년05월03일 공개) 내연 기관을 작동하기 위한 장치, 방법, 컴퓨터 프로그램 및 제어기
본 발명의 목적은 배출 기체에 의하여 저압 터빈을 작동시켜 발생되는 전력으로 산소를 분리하여 내연 기관에 공급하는 것에 의하여 연소 효율이 향상되면서 오염물질의 발생을 감소시키는 내연 기관용 저압 터빈 방식의 공해 저감 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 내연 기관용 저압 터빈 방식의 공해 저감 장치는 배출 기체의 압력을 동력으로 변환하는 변환 모듈에 의하여 작동되는 발전기; 발전기로부터 발생된 전력에 의하여 작동되는 산소 분리기; 및 산소 분리기에 의하여 분리된 산소를 내연 기관으로 공급하는 연소 공급 조절 모듈을 포함한다.
본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 변환 모듈은 저압 터빈이 되고, 산소 분리기는 흡착 방식으로 외부 공기로부터 산소를 분리시킨다.
본 발명에 따른 내연 기관용 저압 터빈 방식의 공해 저감 장치는 디젤엔진과 같은 내연 기관에 적용되어 적절한 양의 산소가 공급되면서 질소의 유입이 감소되도록 하는 것에 의하여 완전 연소가 되도록 한다. 이에 의하여 오염물질의 발생을 감소시키면서 연료 효율이 향상되도록 한다. 본 발명에 따른 공해 저감 장치는 배출 기체의 배출 압력을 이용하여 전력을 발생시켜 산소를 분리시키는 것에 의하여 산소 분리에 따른 연료 소비가 방지되도록 하면서 배출 기체의 배출에 따른 환경 온도의 상승 또는 소음의 발생이 방지되도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 내연 기관용 저압 터빈 방식의 공해 저감 장치의 실시 예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 공해 저감 장치에 적용되는 저압 터빈의 작동 구조의 실시 예를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 공해 저감 장치에 적용되는 산소 분리 모듈의 실시 예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 공해 저감 장치의 작동 구조의 실시 예를 도시한 것이다.
아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 아래의 설명에서 서로 다른 도면에서 동일한 도면 부호를 가지는 구성요소는 유사한 기능을 가지므로 발명의 이해를 위하여 필요하지 않는다면 반복하여 설명이 되지 않으며 공지의 구성요소는 간략하게 설명이 되거나 생략이 되지만 본 발명의 실시 예에서 제외되는 것으로 이해되지 않아야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 내연 기관용 저압 터빈 방식의 공해 저감 장치의 실시 예를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 내연 기관용 저압 터빈 방식의 공해 저감 장치는 배출 기체(EG)의 압력을 동력으로 변환하는 변환 모듈(CV)에 의하여 작동되는 발전기(11); 발전기(11)로부터 발생된 전력에 의하여 작동되는 산소 분리기(12); 및 산소 분리기(12)에 의하여 분리된 산소를 내연 기관(EN)으로 공급하는 연소 공급 조절 모듈(13)을 포함한다.
내연 기관(EN)은 다양한 종류의 자동차를 비롯하여 선박, 열차, 대형 중장비, 디젤 잠수함 또는 선박용 저압 스팀 보일러에 적용되어 같이 연료의 연소에 의하여 동력을 발생시키는 다양한 형태의 엔진을 포함한다. 내연 기관의 작동에 따라 고압 및 고온의 배출 기체가 외부로 배출될 수 있고, 변환 모듈(CV)은 이와 같은 배출 기체를 다양한 형태의 에너지 또는 에너지의 생성이 가능한 형태로 변환시키는 기능을 가질 수 있다. 예를 들어 변환 모듈(CV)은 저압 터빈 또는 이와 유사한 전력 생산 수단이 될 수 있다. 또한 변환 모듈(CV)은 배출 기체의 유동을 조절하여 높은 압력을 가진 유체의 흐름을 발생시키는 유동 조절 수단을 포함할 수 있다. 변환 모듈(CV)은 배출 기체(EG)로부터 발전기(11)를 작동시키는 다양한 구조를 가질 수 있고, 본 발명은 이에 의하여 제한되지 않는다.
발전기(11)는 변환 모듈(CV)에 의하여 변환된 에너지로부터 전기를 생산할 수 있는 다양한 구조를 가질 수 있고, 다양한 형태의 회전 계자 구조 또는 회전 전자기 구조의 발전기가 될 수 있다. 그리고 발전기(11)에 의하여 생산된 전기는 축전지에 저장이 될 수 있고, 축전지에 의하여 공해 저감 장치가 작동될 수 있다.
산소 분리기(12)는 공기 유도 모듈(15)로부터 유도되어 주입되는 외부 공기로부터 산소 및 질소를 분리시키고, 분리된 산소를 산소 저장 탱크에 저장하면서 분리된 질소를 외부로 배출시키는 기능을 한다. 공기 유도 모듈(15)은 외부 공기를 산소 분리기(12)로 유도시키는 기능을 가질 수 있고, 공기 유도 모듈(15)은 유입 팬, 압력 조절 수단 또는 전자 제어 밸브를 포함할 수 있다. 공기 유도 모듈(15)은 외부 환경과 연결되어 외부의 산소를 유도하는 유도 도관 또는 유입 홀; 유입 도관 또는 유입 홀을 통하여 외부 공기가 유입되도록 하는 유입 팬; 유입된 공기의 양에 따라 압축 또는 팽창이 되는 조절 하우징; 및 산소 분리기(12)의 압력에 따라 개폐 여부 또는 개폐 수준이 조절되는 전자 제어 밸브로 이루어질 수 있다. 이와 같이 외부 공기를 조절된 양으로 유입시키는 공기 유도 모듈(15)에 의하여 유도된 외부 공기는 산소 분리기(12)로 유도될 수 있다.
산소 분리기(12)는 유도된 외부 공기로부터 산소를 분리시켜 저장하는 기능을 가질 수 있고, 예를 들어 제올라이트와 같은 흡착 수단에 대하여 서로 다른 흡착 특성을 가지는 흡착 소재에 의하여 공기로부터 질소를 분리시킬 수 있다. 그리고 분리된 산소를 저장하면서 연소 공급 조절 모듈(13)로 공급할 수 있다. 연소 공급 조절 모듈(13)은 내연 기관(EN)으로 산소를 공급하는 기능을 가질 수 있다. 연소 공급 조절 모듈(13)은 예를 들어 기화기의 내부로 주입되는 연료와 혼합되는 공기를 주입하는 기능을 가질 수 있고, 예를 들어 내연 기관(EN)의 흡기관과 연결될 수 있다. 또는 연소 공급 조절 모듈(13)은 내연 기관의 실린더 내부로 공기를 유입시키는 주입 도관과 연결되어 보조 주입 기능을 가질 수 있다. 이와 같은 경우 연소 공급 조절 모듈(13)에 의하여 연소실로 공급되는 공기에서 산소의 양이 증가되도록 하는 기능을 가질 수 있다. 이와 같이 연소 공급 조절 모듈(13)은 내연 기관(EN)으로 공급되어 연료와 혼합되는 공기에 포함되는 산소의 비율을 향상시키는 기능을 가질 수 있다. 연소 공급 조절 모듈(13)의 출구에 온도 조절 유닛(131)이 설치될 수 있고, 온도 조절 유닛(131)에 의하여 내연 기관(EN)으로 공급되는 산소의 온도가 조절될 수 있다.
본 발명에 따른 공해 저감 장치는 적어도 하나의 모듈 형상으로 만들어질 수 있고, 내연 기관(EN)의 배출구 또는 엔진 주변부에 설치 또는 장착될 수 있는 구조로 만들어질 수 있다. 변환 모듈(CV)과 발전기(11)는 내연 기관(EN)의 배출구에 설치될 수 있고, 산소 분리기(12)와 연소 공급 조절 모듈(13)은 엔진 근처에 장착될 수 있다. 그리고 발전기(11)에서 발생된 전력은 축전지에 저장이 되고, 축전지는 적절한 배선에 의하여 산소 분리기(12) 또는 연소 공급 조절 모듈(13)에 전력을 공급할 수 있다. 또는 변환 모듈(CV) 또는 발전기(11)는 엔진에서 기체가 배출되는 배출구에 설치될 수 있다. 이와 같이 공해 저감 장치는 하나 또는 그 이상의 모듈로 만들어져 다양한 위치에 배치되어 서로 연결될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 공해 저감 장치에 적용되는 저압 터빈의 작동 구조의 실시 예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 공해 저감 장치에 적용되는 저압 터빈의 작동 구조의 실시 예를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 제어 유닛(21)에 의하여 발전기(11)의 작동이 제어될 수 있고, 발전기(11)는 터빈(14)에 의하여 작동될 수 있다. 터빈(14)은 예를 들어 반동 터빈 또는 반작용 터빈과 같은 것이 될 수 있다. 터빈(14)은 내연 기관의 엔진으로부터 배출되는 배출 기체에 의하여 또는 배출 기체로부터 발생된 증기에 의하여 작동될 수 있다. 터빈(14)은 실린더 형상의 하우징(H); 하우징(H)의 내부에 배치되는 회전축(143); 회전축(143)에 결합되는 다수 개의 블레이드(144); 및 발전기(11)와 연결되는 작동 축(145)으로 이루어질 수 있다. 터빈(14)은 예를 들어 1 내지 20 kg/㎠의 압력 및 100 내지 500 ℃의 온도에서 작동하는 저압 터빈이 될 수 있다. 엔진의 배출 기체는 하우징(H)에 형성된 입구(141)를 통하여 유입되어 블레이드(144)를 회전시키고, 출구(142)를 통하여 배출될 수 있다. 이에 따라 회전축(143)과 작동 축(145)이 회전이 되어 발전기(11)를 작동시킬 수 있다. 발전기(11)와 터빈(14)은 하나의 모듈로 만들어질 수 있고, 다수 개의 마이크로 저압 터빈 및 마이크로 발전기 구조로 만들어질 수 있다. 발전기(11)에서 발생된 전력에 의하여 축전지(22)가 충전이 되고, 축전지(22)에 의하여 산소 분리기(12) 또는 다른 장치가 작동될 수 있다. 그리고 발전기(11) 또는 축전지(22)의 작동이 제어 유닛(21)에 의하여 제어될 수 있다. 터빈(14)의 구동을 위하여 하우징(H)으로 유입 또는 배출되는 배출 기체의 온도 또는 압력이 적절하게 조절될 필요가 있다. 엔진으로부터 배출되는 배출 기체(EG)는 필터(23)를 경유하여 유입 조절 유닛(24)으로 유입될 수 있다. 유입 조절 유닛(24)은 필터(23)를 향하는 흐름을 방지하는 역류 방지 수단을 가지면서 유입되는 기체의 양에 따라 온도/압력 조절 유닛(25)으로 이송되는 기체의 양이 결정될 수 있다. 필터(23)를 경유하여 유입 조절 유닛(24)으로 유입된 기체에 의하여 유입 조절 유닛(24)의 내부 압력이 높아지고, 미리 결정된 범위의 압력에 도달하면 기체가 온도/압력 조절 유닛(25)으로 이송될 수 있다. 온도/압력 조절 유닛(25)은 기체의 팽창 또는 유입 속력을 조절하는 것에 의하여 터빈(14)의 입구(141)로 유입되는 기체의 온도 또는 압력을 조절할 수 있다. 입구(141)를 통하여 유입되는 기체의 온도 또는 압력은 저압 터빈(14)의 성능에 따라 조절될 수 있다. 이후 터빈(14)의 출구(142)를 통하여 배출된 기체는 배출 조절 유닛(26)을 경유하여 엔진의 배출 장치로 유도될 수 있다. 배출 조절 유닛(26)은 배출되는 기체의 압력 또는 온도를 조절하는 수단을 포함할 수 있다.
저압 터빈(14)은 다양한 구조로 작동될 수 있고, 제시된 실시 예에 제한되지 않는다.
도 3은 본 발명에 따른 공해 저감 장치에 적용되는 산소 분리 모듈의 실시 예를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 외부 공기는 필터(31)를 경유하여 압축기(32)로 유도될 수 있고, 압축기(32)는 압축 펌프를 포함할 수 있다. 압축기(32)에 의하여 압축이 된 외부 공기는 공급 조절 모듈(33)로 유도될 수 있고, 공급 조절 모듈(33)에서 압축 공기의 온도 또는 습도가 조절될 수 있다. 공급 조절 모듈(33)에서 온도와 습도가 조절된 압축 공기는 체크 밸브와 같은 밸브 유닛(V1, V2)을 경유하여 흡착 유닛(34a, 34b)으로 유도될 수 있다. 흡착 유닛(34a, 34b)은 예를 들어 제올라이트와 같은 질소에 대한 높은 흡착 특성을 가진 흡착 패드를 포함할 수 있다. 흡착 패드는 다수 개의 흡착판으로 이루어질 수 있고, 산소 분리 공정(Pressure Swing Adsorption)에 의하여 유입된 압축 공기로부터 산소를 분리할 수 있다. 다수 개의 흡착 유닛(34a, 34b)이 서로 병렬로 연결되어 순차적으로 작동될 수 있다. 예를 들어 제1 흡착 유닛(34a)으로 압축 공기가 투입되어 산소가 분리되어 배출 조절 모듈(35)로 유도될 수 있다. 산소의 분리 과정에서 제1 흡착 유닛(34a)의 흡착 성능이 저하되면 제1 흡착 유닛(34a)과 연결된 밸브 유닛(V1, V3)이 잠기고, 제2 흡착 유닛(34b)으로 압축 공기가 유도되어 산소가 분리되고, 분리된 산소는 배출 조절 유닛(35)으로 유도될 수 있다. 이와 같은 과정에서 제1 흡착 유닛(34a)에 흡착된 질소는 배출 펌프(38)의 작동에 의하여 외부로 배출될 수 있다. 제1, 2 흡착 유닛(34a, 34b)에 의하여 질소가 분리되어 산소의 농도가 증가된 농축 공기는 배출 조절 모듈(35)을 경유하여 저장 탱크(36)에 저장될 수 있다. 이후 엔진의 작동에 따라 공급 조절 유닛(37)을 통하여 연소실로 공급될 수 있다. 공급 조절 유닛(37)은 연소실로 공급되는 농축 공기의 온도, 압력 또는 연료에 대한 혼합 비율을 결정할 수 있다. 공급 조절 유닛(37)은 ECU(전자 제어 유닛)으로부터 또는 엔진의 작동 상태를 탐지하는 다른 탐지 수단과 연결되어 엔진의 작동 상태를 탐지할 수 있다. 그리고 탐지된 작동 상태에 따라 연소실로 공급되는 농축 공기의 양 및 온도를 조절하여 연소실에서 완전 연소가 되도록 할 수 있다.
외부 공기의 유입, 산소의 분리 또는 농축 산소의 공급은 다양한 방법으로 이루어질 수 있고 제시된 실시 예에 제한되지 않는다.
도 4는 본 발명에 따른 공해 저감 장치의 작동 구조의 실시 예를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 제어 유닛(21)에 의하여 공해 저감 장치의 전체 작동이 제어될 수 있고, 제어 유닛(21)의 배출 기체 유닛(41) 및 외부 환경 유닛(42)의 작동을 제어하여 터빈의 작동 및 외부 공기의 유입을 조절할 수 있다. 제어 유닛(21)은 발전기(11)에서 생성된 전력을 저장하는 축전지(22)의 상태를 탐지할 수 있고, 제어 유닛(21)은 또한 엔진의 작동 상태를 탐지할 수 있다. 제어 유닛(11)은 발전기(11)의 작동을 제어하여 발생된 전력이 축전지(22)에 저장이 되도록 하면서 산소 분리기(12)의 작동을 제어할 수 있다. 축전지(22)로부터 공급되는 전력에 의하여 산소 분리기(12)가 작동되어 산소가 분리될 수 있고, 분리된 산소가 공기 흡입 조절 유닛(44)을 통하여 연소실로 공급될 수 있다. 공기 흡입 조절 유닛(44)은 작동 데이터 유닛(441)에 의하여 생성된 작동 데이터에 기초하여 연소실로 공급되는 산소의 양을 조절할 수 있다. 작동 데이터는 엔진의 작동 상태에 따른 공기 주입의 양에 대한 데이터를 포함할 수 있고, 외부 환경에 따라 주입되어야 하는 공기의 양에 대한 데이터를 가질 수 있다. 제어 유닛(21)은 외부 환경 유닛(42)을 통하여 외부 환경을 탐지하면서 작동 탐지 유닛(43)으로 작동 상태 정보를 탐지할 수 있다. 그리고 탐지된 환경 정보 및 작동 상태 정보가 공기 흡입 조절 유닛(44)으로 전송될 수 있고, 공기 흡입 조절 유닛(44)은 전송된 정보에 기초하여 연소실로 공급되는 공기의 양을 조절할 수 있다.
공해 저감 장치는 다양한 방법으로 작동될 수 있고 제시된 실시 예에 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 내연 기관용 저압 터빈 방식의 공해 저감 장치는 디젤엔진과 같은 내연 기관에 적용되어 적절한 양의 산소가 공급되면서 질소의 유입이 감소되도록 하는 것에 의하여 완전 연소가 되도록 한다. 이에 의하여 오염물질의 발생을 감소시키면서 연료 효율이 향상되도록 한다. 본 발명에 따른 공해 저감 장치는 배출 기체의 배출 압력을 이용하여 전력을 발생시켜 산소를 분리시키는 것에 의하여 산소 분리에 따른 연료 소비가 방지되도록 하면서 배출 기체의 배출에 따른 환경 온도의 상승 또는 소음의 발생이 방지되도록 한다.
위에서 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.
11: 발전기 12: 산소 분리기
13: 연소 공급 조절 모듈 14: 터빈
15: 공기 유도 모듈 21: 제어 유닛
22: 축전지 23: 필터
24: 유입 조절 유닛 25: 온도/압력 조절 유닛
26: 배출 조절 유닛 31: 필터
32: 압축기 33: 공급 조절 모듈
34a, 34b: 제1, 2 흡착 유닛 35: 배출 조절 모듈
36: 저장 탱크 37: 공급 조절 유닛
38: 배출 펌프 41: 배출 기체 유닛
42: 외부 환경 유닛 43: 작동 탐지 유닛
44: 공기 흡입 조절 유닛 131: 온도 조절 유닛
141: 입구 142: 출구
143: 회전축 144: 블레이드
145: 작동 축 441: 작동 데이터 유닛
CV: 변환 모듈 EG: 배출 기체
EN: 내연 기관 H: 하우징
V1, V2, V3: 밸브 유닛

Claims (2)

  1. 배출 기체(EG)의 압력을 동력으로 변환하는 변환 모듈(CV)에 의하여 작동되는 발전기(11);
    발전기(11)로부터 발생된 전력에 의하여 작동되는 산소 분리기(12); 및
    산소 분리기(12)에 의하여 분리된 산소를 내연 기관(EN)으로 공급하는 연소 공급 조절 모듈(13)을 포함하는 내연 기관용 저압 터빈 방식의 공해 저감 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 변환 모듈(CV)은 저압 터빈(14)이 되고, 산소 분리기(12)는 흡착 방식으로 외부 공기로부터 산소를 분리시키는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 저압 터빈 방식의 공해 저감 장치.
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