KR20220067291A - 엔진시스템 - Google Patents

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KR20220067291A
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fuel
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KR1020200153831A
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장희중
정호종
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 엔진시스템에 관한 것이다.
본 발명의 엔진시스템은, 공기와 기화연료를 혼합하여 혼합기를 형성하는 믹서와, 상기 믹서에서 배출된 혼합기로 실린더를 구동하는 엔진과, 상기 믹서로 기화연료를 공급하는 제1저장탱크와, 액화연료를 저장하거나, 저장된 액화연료를 상기 제1탱크로 공급하는 제2저장탱크와, 상기 제1저장탱크에서 배출되는 액화연료를 상기 엔진으로 유동하는 가스와 열교환하여, 상기 액화연료를 기화시키는 열교환기를 포함한다.

Description

엔진시스템{Engine Systemr}
본 발명은 엔진시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엔진시스템으로 히트펌프를 구동하는 가스엔진 히트펌프에 포함된 엔진시스템에 관한 것이다.
가스엔진 히트펌프는 가스엔진을 구동하여 압축기를 구동시키는 장치이다. 엔진과 압축기를 벨트로 연결하고, 압축기를 구동시켜, 히트펌프에 냉매가 순환되도록 한다.
가스엔진은 연료를 연소하는 복수의 실린더로 구동하는 장치일 수 있으며, 공기와 연료가 혼합된 혼합기를 복수의 실린더로 공급하여 실린더를 구동시킨다. 실린더로 공급되는 연료는 밀도가 높은 상태로 실린더로 공급되기 위해 저온의 상태로 공급될 수 있다. 이를 위해, 실린더로 공급되는 혼합기를 냉각하는 과정이 필요할 수 있다.
또한, 실린더로 공급되는 연료는 과급된 상태로 공급될 수 있으며, 과급과정에서 혼합기의 온도가 고온으로 되는 경우, 이를 냉각하는 과정이 필요할 수 있다.
한국 공개특허 10-2020-0067125호에서는, 믹서에서 혼합된 혼합기를 엔진으로 공급할 때, 별도의 냉각열원으로 냉각시키는 인터쿨러를 개시하고 있다. 여기서, 인터쿨러는 외부공기나 냉각수를 통해 혼합기의 온도를 냉각하는 내용을 개시하고 있으며, 이는 별도의 냉각열원이 구비되어야 하는 문제가 있다.
또한, 엔진에서 배출되는 배기가스의 경우, 일부를 재순환하여, 외부로 배출되는 탄소나 질소산화물의 량을 줄일 수 있다. 이때, 재순환으로 엔진으로 공급되는 공기는 고온의 배기가스로 엔진으로 공급되기 위해, 쿨링을 필요로한다.
한국 공개특허 KR 10-2017-0035445호는 배기가스의 일부를 엔진으로 재순환하는 재순환관과, 재순환관을 유동하는 배기가스의 온도를 낮추는 EGR 쿨러를 개시하고 있다.
다만, 배기가스를 냉각하기 위한 EGR쿨러가 배기가스를 냉각하는 내용에 대해서는 구체적으로 개시하고 있지 않는다. EGR쿨러의 쿨링방식과 관련하여, 상기의 인터쿨러와 같이 외부공기나 냉각수를 통해 배기가스의 온도를 냉각하는 경우, 별도의 냉각열원이 구비되어야 하는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 믹서로 공급되는 연료를 이용하여, 엔진으로 공급되는 연료를 냉각하여, 엔진의 성능을 극대화하는 엔진시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는, 엔진으로 공급되는 혼합기를 별도의 냉각을 위한 냉매 또는 냉각수 없이, 엔진으로 공급되는 연료의 상변화를 이용하여, 냉각할 수 있는 엔진시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는, 믹서로 공급되는 연료를 이용하여, 엔진으로부터 배기되어 재순환되는 가스를 냉각하여, 엔진의 성능을 극대화하는 엔진시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 엔진시스템은, 공기와 기화연료를 혼합하여 혼합기를 형성하는 믹서와, 상기 믹서에서 배출된 혼합기로 실린더를 구동하는 엔진과, 상기 믹서로 기화연료를 공급하는 제1저장탱크와, 액화연료를 저장하거나, 저장된 액화연료를 상기 제1탱크로 공급하는 제2저장탱크와, 상기 제1저장탱크에서 배출되는 액화연료를 상기 엔진으로 유동하는 가스와 열교환하여, 상기 액화연료를 기화시키는 열교환기를 포함하여, 믹서로 공급되는 액화연료를 기화하고, 엔진으로 공급하는 혼합기를 냉각할 수 있다.
상기 열교환기는, 상기 믹서와 상기 엔진 사이에 배치되어, 상기 믹서에서 상기 엔진으로 공급되는 혼합기를 상기 제2저장탱크에서 상기 제1저장탱크로 유동하는 액화연료와 열교환시켜, 엔진으로 공급되는 혼합기를 냉각할 수 있다.
상기 혼합기에서 상기 엔진으로 유동하는 혼합기를 압축하는 과급기를 더 포함하고, 상기 열교환기는, 상기 과급기와 상기 엔진 사이에 배치되어 상기 엔진으로 유동하는 혼합기의 온도를 냉각시켜, 과급기를 통과하여 온도가 상승된 혼합기를 냉각할 수 있다.
상기 엔진으로부터 배출되는 가스를 상기 믹서로 공급하는 재순환유로가 형성된 배기가스재순환관을 더 포함하여, 재순환관으로 유입되는 고온의 배기가스와 혼합된 혼합기를 냉각할 수 있다.
상기 배기가스재순환관은 상기 믹서로 공기를 공급하는 공기유입관과 연결된다.
상기 제2저장탱크에서 배출된 연료를 액화시키는 재액화장치와, 상기 재액화장치에서 배출되는 연료를 상기 열교환기로 공급하는 펌프를 더 포함하여, 열교환기로 공급되는 연료의 액체상태 비율을 높일 수 있다.
상기 제2저장탱크의 하부와 연결되어, 상기 제2저장탱크에 저장된 액화연료를 상기 재액화장치로 보내는 제1관과, 상기 제2저장탱크의 상부와 연결되어 상기 제2저장탱크에서 배출되는 기체연료를 상기 재액화장치로 보내는 제2관을 더 포함하여, 제2저장탱크에서 배출되는 연료를 액화할 수 있다.
상기 제2관에는, 상기 재액화장치로 유입되는 기체연료를 압축하는 압축기가 배치되어, 재액화장치로 공급되는 기체연료를 압축하여 액화가 용이한 상태로 공급할 수 있다.
상기 재액화장치와 상기 열교환기를 연결하는 제3관과, 상기 제3관으로부터 분지되어 상기 제2저장탱크로 연결되는 제4관을 포함하여, 재액화장치에서 배출된 액체연료의 일부를 열교환기로 공급하고, 나머지를 제2저장탱크로 재유입시킬 수 있다.
상기 펌프는 상기 제4관이 분지되기 이전의 상기 제3관에 배치되어, 재액화장치에서 배출된 액체연료를 열교환기 또는 제2저장탱크로 공급할 수 있다.
상기 제2저장탱크에서 배출되어 상기 열교환부로 공급되는 액화연료를 팽창시키는 팽창밸브를 더 포함하여, 열교환기로 공급되는 액체연료가 기화되기 용이한 상태로 만들 수 있다.
상기 팽창밸브는, 상기 제4관이 분지된 이후의 상기 제3관에 배치되어, 열교환기로 공급되는 액체연료를 팽창시킬 수 있다.
상기 엔진으로부터 배출되는 가스를 상기 믹서로 공급하는 재순환유로가 형성된 배기가스재순환관을 더 포함하고, 상기 열교환기는, 상기 액화가스가 상기 재순환유로를 유동하는 배기가스와 열교환하여 기화되도록 배기가스재순환관 상에 배치되어, 배기재순환관으로 공급되는 고온의 배기가스를 냉각하고, 제2저장탱크에서 공급되는 연료를 기화시킬 수 있다.
상기 배기가스재순환관은 상기 믹서로 공기를 공급하는 공기유입관과 연결되고, 상기 믹서에서 상기 엔진으로 유동하는 혼합기를 압축하는 과급기를 더 포함할 수 있다.
상기 제1저장탱크에 저장된 기체연료를 일정압력으로 상기 믹서로 공급하는 제로가버너를 더 포함하여, 믹서로 공급되는 기체연료의 압력을 유지할 수 있다.
상기 열교환기는, 상기 엔진으로 유동하는 가스가 유동하는 복수의 세경관과, 상기 복수의 세경관 주위로 형성되고, 액체연료와 혼합기가 열교환하도록 액체연료가 유동하는 공간을 형성하는 하우징을 포함하여, 하우징 내부에 배치되고, 엔진으로 유동하는 가스의 유로를 형성하는 세경관과, 세경관 주위로 유동하는 액체연료를 열교환할 수 있다. 또한, 상기 하우징의 둘레면 일측에는, 액체연료가 유입되는 유입관과, 상기 복수의 세경관을 유동하는 가스와 열교환되어 상변화된 기체연료가 배출되는 배출관이 형성되어, 할 수 있다.
상기 하우징은, 상기 엔진으로 유동하는 가스의 유동방향으로 상류에서 하류로 갈수록 하측으로 경사지게 배치되고, 상기 유입관과 상기 배출관은, 상기 하우징의 둘레면에서 상측을 향해 돌출 형성되어, 기화된 연료만을 배출관으로 통해 유동시킬 수 있다.
상기 배출관은, 상기 유입관보다 높은 위치에서 배치되어, 기화된 기체연료를 배출관을 통해 배출시킬 수 있다.
상기 열교환기는, 상기 엔진으로 유동하는 가스의 유동방향을 기준으로 상기 하우징의 하류에 배치되고 상기 하우징의 내부에서 발생하는 혼합기의 응축수가 배출되는 드레인관을 더 포함하여, 하우징 내부에서 발생하는 응축수를 외부로 배출시킬 수 있다.
상기 드레인관은, 상기 하우징 내부에 고이는 응축수를 집수하는 제1드레인관과, 상기 드레인관으로 상기 엔진으로 유동하는 가스가 배출되는 것을 방지하도록 상기 제1드레인관보다 상측으로 배치되도록 연장되는 제2드레인관을 포함하고, 상기 제1드레인관은, 상기 하우징의 하단부보다 낮게 배치되고, 상기 제2드레인관은, 상기 제1드레인관보다 하류에 배치되고, 상기 제1드레인관보다 상측에 배치되어, 드레인관을 통해 응축수만이 배출되고, 하우징 내부를 유동하는 가스가 외부로 배출되지 않는다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 엔진시스템에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 엔진으로 공급되는 연료의 상변화를 이용하여, 엔진으로 공급되는 혼합기의 온도를 냉각하므로, 엔진의 성능을 극대화할 수 있는 장점이 있다.
둘째, 별도의 냉각을 위한 냉매나 냉각수 없이도, 엔진으로 공급되는 연료만을 이용하여, 엔진으로 공급되는 연료를 냉각할 수 있는 장점도 있다.
셋째, 엔진으로 공급되는 연료의 상변화를 이용하여, 배기재순환으로 공급되는 배기가사의 온도를 냉각하여 엔진으로 재순환시킴으로, 엔진의 성능을 극대화할 수 있는 장점도 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 엔진시스템을 포함하는 가스엔진 히트펌프의 개략도이다.
도 2은 본 발명의 제1실시예에 따른 엔진시스템의 개략도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2저장탱크와 열교환기 사이에 배치되는 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4은 본 발명의 제2실시예에 따른 엔진시스템의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 엔진시스템의 개략도이다.
도 6는 본 발명의 제4실시예에 따른 엔진시스템의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 제5실시예에 따른 엔진시스템의 개략도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 엔진시스템 및 이를 포함한 가스엔진 히트펌프를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
먼저 도 1을 참조하여, 엔진시스템을 포함하는 가스엔진 히트펌프에 대해 간단하게 설명한다.
본 실시예에 따른 가스엔진 히트펌프(100)는, 가스와 공기의 혼합기체(이하’혼합기’)로 엔진(24)을 구동시키는 엔진시스템(1), 구동되는 엔진(24)의 작동에 따라 압축기()를 구동시켜, 냉매를 순환시키는 히트펌프(Ⅱ), 엔진(24)을 냉각시키는 냉각수가 순환하는 냉각수순환부(Ⅲ)를 포함한다.
엔진시스템(1)은, 연소하여 작동하는 엔진(24)을 구동시키고, 엔진(24)과 풀리 및 벨트로 연결되는 압축기(102)를 구동시킬 수 있다. 엔진(24)의 일측에는, 엔진측 구동풀리()가 배치된다. 엔진시스템(1)의 구체적인 구성은, 도 2 내지 도 3를 참조하여, 이하에서 자세하게 설명한다. 도 1을 참조하면, 히트펌프(Ⅱ)는, 엔진(24)과 연결되어 구동하고, 냉매를 압축하는 압축기(102), 실외공간에 배치되고, 실외공기와 냉매를 열교환시키는 실외열교환기(104), 실외공간에 배치되고, 냉매와 냉각수를 열교환시키는 판형열교환기(106), 실내공간에 배치되고, 실내공간의 공기와 냉매를 열교환하여 실내공간의 온도를 조절하는 실내유닛(IDU)을 포함한다.
압축기(102)는, 엔진(24)의 구동력을 전달하는 구동전달부(108)에 의해 구동될 수 있다. 구동전달부(108)는, 엔진(24)과 연결과 풀리 및 벨트로 연결되어 구동할 수 있다.
구동전달부(108)는, 엔진(24)과 연결되어 엔진(24)의 구동으로 회전하는 엔진측 구동풀리(110), 압축기(50)와 연결되어, 회전으로 압축기(102)를 구동시키는 압축기측 구동풀리(112) 및 엔진측 구동풀리(110)와 압축기측 구동풀리(112)를 연결하는 벨트(114)를 포함할 수 있다.
히트펌프(Ⅱ)는, 냉방모드에서 실외열교환기(104)를 응축기로 사용하고, 난방모드에서 판형열교환기(106)를 증발기로 사용할 수 있다. 실외열교환기(104)에는, 실외기팬(104a)으로 유동하는 외부공기를 이용하여 냉매와 열교환할 수 있다. 실외열교환기(104)의 일측에는, 이하에서 설명할 방열기()가 배치될 수 있다.
도 1을 참조하면, 히트펌프(Ⅱ)는, 압축기(102)에서 토출되는 냉매를 실외열교환기(104) 또는 실내유닛(IDU)으로 공급하는 사방밸브(120)와, 압축기(102)로 유입되는 냉매를 분리하여 기상냉매를 압축기(102)로 공급하는 어큐물레이터(122)를 더 포함할 수 있다.
어큐물레이터(122)는 사방밸브(120)를 통해 유입되는 냉매 중 기상냉매를 압축기(102)로 보낸다.
가스엔진 히트펌프(100)는, 판형열교환기(106)로 유입되는 냉매를 팽창시키는 제1팽창밸브(124)와, 실외열교환기(103)에서 배출되는 냉매를 팽창하는 제2팽창밸브(126)를 더 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 냉각수 순환부(Ⅲ)는, 냉각수의 유동을 형성하는 냉각수펌프(130), 냉각수와 실외공기를 열교환하는 방열기(132), 냉각수펌프(130)에 의해 유동하는 냉각수를 방열기(132) 또는 판형열교환기(106)로 보내는 제1삼방밸브(134)와, 냉각수펌프(130)에 의해 유동하는 냉각수를 제1삼방밸브(134) 또는 냉각수펌프(130)로 보내는 제2삼방밸브(136)를 포함한다. 냉각수순환부(Ⅲ)는, 엔진(24)에서 배기되는 가스와 냉각수를 열교환하는 배기가스열교환기(50)를 더 포함할 수 있다.
방열기(132)는, 실외열교환기(104)의 일측에 배치되어, 실외기팬(104a)으로 유동하는 외부공기와 냉각수를 열교환할 수 있다.
이하에서는, 도 2를 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 엔진시스템을 설명한다.
엔진시스템(1)은, 혼합기로 엔진(24)을 구동시켜, 압축기를 구동시킨다. 여기서, 혼합기란 공기와 기체연료가 일정비율로 혼합된 가스를 의미한다. 혼합기는 이하에서 설명할 믹서(12)를 통해 공기와 기체연료가 혼합될 수 있다.
엔진시스템(1)은, 혼합기를 연소하여 작동하는 엔진(24), 엔진(24)로 공급되는 기체연료를 일시적으로 저장하는 제1저장탱크(16), 액화연료를 저장하는 제2저장탱크(18), 제2저장탱크(18)에서 배출된 액화연료를 엔진(24)로 공급되는 혼합기와 열교환하여 기화시키는 열교환기(60), 및 제1저장탱크(16)에서 공급되는 기상냉매와 공기를 혼합하여 엔진(24)로 보내는 믹서(12)를 포함한다.
제1저장탱크(16)는, 열교환기(60)로부터 유동하는 기체연료를 일시적으로 저장할 수 있다. 엔진시스템(1)은, 제1저장탱크(16)에 저장된 기체연료를 일정압력으로 믹서(12)로 공급하는 제로가버너(14)가 배치될 수 있다.
제로가버너(14)는 제로가버너(14)로 유입되는 연료의 압력이나, 유량 변화에 상관없이 항상 일정한 압력으로 기체연료를 믹서(12)로 공급한다. 제로가버너(14)는 넓은 범위에 걸쳐 안정된 출구 압력을 얻을 수 있으며, 엔진(24)에 공급하는 기체연료의 압력을 대기압 형태로 거의 일정하게 조절할 수 있다. 또한, 제로가버너(14)는 복수의 밸브(미도시)를 구비하여 공급되는 연료를 차단할 수 있다.
제2저장탱크(18)는, 액체연료를 저장할 수 있다. 제2저장탱크(18)는, 연료를 액체상태로 보관하도록 압력 탱크 형태를 사용할 수 있다. 제2저장탱크(18)는, 이중 구조의 탱크(미도시)와 단열부(미도시)로 이루어질 수 있다.
도 3을 참조하면, 제2저장탱크(18)와 열교환기(60) 사이에는, 제2저장탱크(18)에서 토출된 연료를 재액화하는 재액화장치(34)와, 재액화장치(34)에서 토출된 연료를 열교환기(60)로 공급하는 펌프(38)가 배치될 수 있다. 또한, 제2저장탱크(18)와 열교환기(60) 사이에는, 열교환기(60)로 유동하는 액체연료를 팽창시키는 팽창밸브(40)가 배치될 수 있다.
재액화장치(34)는, 별도의 히트펌프(미도시)로 유동하는 냉매와 제2저장탱크(18)에서 토출되어 증발된 기체연료를 재액화시킬 수 있다. 재액화장치(34)는, 냉매의 증발을 통해, 기체연료를 액화시킬 수 있다.
제2저장탱크(18)와 재액화장치(34)는, 제2저장탱크(18)에서 액상연료가 유동하는 제1관(32a)과 제2저장탱크(18)에서 기상연료가 유동하는 제2관(32b)으로 연결될 수 있다. 제1관(32a)은, 제2저장탱크(18)의 하부와 연결되어, 제2저장탱크(18)에 저장된 액화연료가 유동할 수 있다. 제2관(32b)은, 제2저장탱크(18)의 상부와 연결되어, 제2저장탱크(18)에서 기화된 기체가스가 유동할 수 있다. 제2관(32b)에는, 제2저장탱크(18)에서 배출된 기체가스를 압축하는 압축기(36)가 배치될 수 있다.
재액화장치(34)는, 제1관(32a)에서 유동하는 액체연료와 제2관(32b)에서 유동하는 기체연료를 혼합하고, 이를 냉각하여 액체연료로 배출할 수 있다. 재액화장치(34)를 통과한 액체연료를 열교환기(60)로 공급하는 펌프(38)가 배치될 수 있다.
재액화장치(34)와 열교환기(60) 사이에는 제3관(32c)이 배치되어, 재액화장치(34)에서 토출되는 액체연료를 열교환기(60)로 공급할 수 있다. 제3관(32c)에는 펌프(38)가 배치될 수 있다. 또한, 제3관(32c)에는, 열교환기(60)로 유동하는 액체연료를 팽창시키는 팽창밸브(40)가 배치될 수 있다.
엔진시스템(1)은, 제3관(32c)에서 분지되고, 재액화장치(34)에서 토출된 액체연료를 제2저장탱크(18)로 공급하는 제4관(32d)을 포함할 수 있다. 제4관(32d)은, 제3관(32c)에서 펌프(38)를 통과한 액체연료를 제2저장탱크(18)로 공급할 수 있다.
엔진(24)는 압축된 가스를 연소하는 과정을 통해 작동하는 내연기관이다. 엔진(24)는 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4행정을 통해, 엔진(24)의 일측에 배치되는 엔진측 구동풀리(미도시)를 회전시킬 수 있다. 엔진측 구동풀리는 압축기와 연결되는 압축기측 구동풀리(미도시)를 회전시킬 수 있다.
엔진(24)는 공급된 혼합기를 착화시켜 내부에서 피스톤의 왕복운동을 진행하는 복수의 실린더(26)와, 피스톤(미도시)의 왕복운동을을 회전운동으로 변경하는 커넥팅 로드(미도시)와, 커넥팅 로드와 연결되어 회전하는 크랭크축(미도시)을 포함할 수 있다.
엔진(24)은, 혼합기를 연소하여 크랭크축(미도시)을 회전시키는 복수의 실린더(26)와, 스로틀밸브(22)를 통과하여 유동하는 혼합기를 복수의 실린더 각각으로 분배하는 흡기매니폴드(28)와, 복수의 실린더(26)에서 배출된 배기가스가 합지되어 이하에서 설명할 배기가스열교환기(50)로 보내는 배기매니폴드(30)를 포함할 수 있다.
흡기매니폴드(28)에는 엔진(24)으로 공급되는 혼합기를 복수의 실린더 각각으로 분배하도록, 복수의 분배유로가 형성되며, 배기매니폴드(30)에는 복수의 실린더 각각에서 연결되고, 하나의 배기유로로 합지되는 복수의 합지유로가 형성될 수 있다.
믹서(12)는 공급되는 연료와 공기를 일정한 혼합비로 배출하여 엔진으로 공급할 수 있다. 믹서(12)는 일정비율의 혼합된 혼합기를 엔진(24)로 공급할 수 있다.
열교환기(60)는 제2저장탱크(18)에서 배출되는 액체연료를 엔진(24)로 공급되는 가스와 열교환하여, 액체연료를 기화할 수 있다. 열교환기(60)는, 제2저장탱크(18)에서 배출되는 액체연료를 믹서(12)로부터 엔진(24)로 공급되는 혼합기와 열교환하여 액체연료를 기화시킬 수 있다.
도 2를 참조하면, 엔진시스템(1)은, 믹서(12)로 공급되는 공기를 필터링하여 깨끗한 공기를 공급하는 에어클리너(10), 열교환기(60)로 유동하는 액체연료를 팽창시키는 팽창밸브(40), 엔진(24)으로 공급되는 혼합기의 양을 조절하는 스로틀밸브(22), 및 엔진(24)으로부터 배출되는 공기를 냉각시키는 배기가스열교환기(50)를 더 포함할 수 있다.
에어클리너(10)는 엔진에 공급되는 외부 공기를 필터를 사용하여 먼지 및 미스트 형태의 수분 및 유분의 혼입을 차단할 수 있다.
팽창밸브(40)는, 제2저장탱크(18)에서 배출되어 열교환기(60)로 유입되는 액체연료의 양을 조절할 수 있다. 팽창밸브(40)는, 제2저장탱크(18)에서 열교환기(60)로 공급되는 냉매를 차단할 수 있다.
스로틀밸브(22)는 엔진(24)의 연소실로 공급되는 혼합기의 양을 조절할 수 있다.
배기가스열교환기(50)는, 냉각수를 이용하여, 엔진(24)으로부터 배기되는 가스을 냉각할 수 있다.
엔진시스템(1)은, 제2저장탱크(18)와 열교환기(60)를 연결하는 액체연료공급관(32)과, 열교환기(60)와 믹서(12)를 연결하는 기체연료공급관(42)과, 믹서(12)와 엔진(24)을 연결하는 혼합기공급관(54)을 포함한다. 엔진시스템(1)은, 에어클리너(10)와 믹서(12)를 연결하는 공기유입관(44)을 더 포함할 수 있다.
액체연료공급관(32)은, 제2저장탱크(18)에서 배출되는 액체연료를 열교환기(60)로 공급한다. 액체연료공급관(32)에는, 팽창밸브(40)가 배치되어, 열교환기(60)로 유입되는 액체연료의 량을 조절할 수 있다.
액체연료공급관(32)은, 내부를 유동하는 액체연료가 기화되지 않도록 이중관구조로, 외부에 단열관이 배치될 수 있다.
도 3을 참조할 때, 액체연료공급관(32)은 제1관(32a), 제2관(32b), 제3관(32c) 및 제4관(32d)을 포함할 수 있다.
기체연료공급관(42)은, 열교환기(60)에서 배출되는 기체연료를 믹서(12)로 공급한다. 기체연료공급관(42) 상에는, 열교환기(60)에서 배출된 기체연료를 일시적으로 저장하는 제1저장탱크(16)가 배치될 수 있다. 기체연료공급관(42) 상에는 믹서(12)로 유입되는 기체연료의 압력을 조절하는 제로가버너(14)가 배치될 수 있다.
혼합기공급관(54)은, 믹서(12)와 엔진(24)을 연결한다. 혼합기공급관(54) 상에는, 엔진(24)으로 유동하는 혼합기를 액체연료와 열교환하여 혼합기를 냉각하는 열교환기(60)가 배치된다.
이하에서는, 도 4을 참조하여, 제2실시예에 따른 엔진시스템을 설명한다.
도 4를 참조하면, 엔진(24)에서 배출되는 배기가스의 일부를 믹서(12)로 공급하여, 엔진(24)에서 배출되는 배기가스 중의 유해성분의 배출을 최소화하는 배기가스재순환관(46)을 더 포함할 수 있다.
배기가스재순환관(46)에는, 엔진(24)에서 배출되는 배기가스의 유동을 조절하는 순환밸브(52)가 배치될 수 있다. 배기가스재순환관(46)은 공기유입관(44)으로 연결되어, 믹서(12)로 공급될 수 있다.
배기가스재순환관(46)을 따라 유동하는 배기가스는 믹서(12)에서 공기, 기체연료와 섞여 혼합기를 형성할 수 있다. 믹서(12)에서 생성되는 혼합기는 배기가스재순환관(46)에서 섞이는 배기가스로 인해 온도가 상승할 수 있다.
열교환기(60)는, 믹서(12)로부터 공급되는 혼합기를 냉각할 수 있다.
도 4를 참조화면, 열교환기(60)는, 혼합기가 유동하는 복수의 세경관(64)과 복수의 세경관(64) 주위로 형성되고, 액체연료와 혼합기가 열교환하도록 액체연료가 유동하는 공간을 형성하는 하우징(62)과, 혼합기가 유입되는 제1유입관(66)과, 복수의 세경관(64)을 유동하는 혼합기를 모아 엔진으로 공급하는 제1배출관(68)을 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 하우징(62)은, 원통형상을 가질 수 있다. 하우징(62)의 둘레면 일측에는, 액체연료가 유입되는 제2유입관(70, 또는 유입관)과, 혼합기와 열교환되어 상변화된 기체연료가 배출되는 제2배출관(72, 또는 배출관)이 형성될 수 있다.
제2유입관(70)과 제2배출관(72)은, 하우징(62)의 둘레면 일측에 배치된다. 제2유입관(70)과 제2배출관(72)은, 하우징(62)의 둘레면에서 상측을 향해 돌출형성될 수 있다. 유입되는 액체연료는, 상측으로 돌출 및 개구된 제2유입관(70)을 통해 하우징(62)의 내측으로 유입될 수 있다. 제2배출관(70)은 하우징(62)의 둘레면의 상측으로 돌출 및 개구되어, 기체연료가 제2배출관을 통해 배출될 수 있다.
도 4를 참조하면, 하우징(62)은, 혼합기의 유동방향으로 상류에서 하류로 갈수록 하측으로 경사지게 배치될 수 있다. 도 4를 참조하면, 하우징(62)은, 경사각(θ)을 가지고 혼합기의 유동방향으로 상류에서 하류로 갈수록 기울어지게 배치될 수 있다. 제2배출관(72)은, 제2유입관(70)보다 높은 위치에서 배치될 수 있다.
도 4를 참조하면, 하우징(62)의 혼합기의 유동방향을 기준으로 제2배출관(72)은 상류에 배치되고, 제2유입관(70)은 하류에 배치되어, 제2배출관(72)이 제2유입관(70)보다 높은 위치에 배치될 수 있다. 따라서, 하우징(62) 내측에서 상변화되어 상측으로 유동하는 기체연료가 제2배출관(72)을 통해 배출될 수 있다.
제2배출관(72)의 관경(72L)은, 제2유입관(70)의 관경(70L)보다 크게 형성될 수 있다. 제2배출관(72)을 유동하는 유체는, 상변화된 기체연료로, 제2유입관(70)을 통해 유입되는 액체연료보다 큰 관경이 요구될 수 있다.
하우징(62) 내부에는 혼합기가 유동하는 복수의 세경관(64)이 배치될 수 있다. 복수의 세경관(64)은, 하우징(62)의 내부에서 원심방향 및 원주방향으로 일정간격 이격배치될 수 있다.
열교환기(60)는, 복수의 세경관(64)의 양단부에 배치되는 구획판(74, 76)이 배치될 수 있다. 구획판은, 유입관(66)과 복수의 세경관(64)을 구획하는 제1구획판(74)과, 복수의 세경관(64)과 배출관(68)을 구획하는 제2구획판(76)을 포함할 수 있다.
제1구획판(74)과 제2구획판(76)에는, 복수의 세경관(64)과 연결되는 복수의 연통홀(80)이 형성될 수 있다.
혼합기의 유동방향을 기준으로 하우징(62)의 하류에는, 하우징(62)의 내부에서 발생하는 혼합기의 응축수가 배출되는 드레인관(78)이 배치될 수 있다.
도 4를 참조하면, 제1유입관(66)은, 확장된 상태에서 제1구획판(74)과 연결된다. 제1유입관(66)은, 확장됨에 따라 느려진 유속대비 혼합기가 원활하게 유동할 수 있게 한다.
도 4를 참조하면, 드레인관(78)은, 일단은, 제2구획판(76)과 연결된다. 드레인관(78)은, 제2구획판(76)의 하단부에 연결될 수 있다. 제2구획판(76)에는, 드레인관(78)이 연결되는 홀이 형성될 수 있다. 드레인관(78)은, 하우징(62) 내부에 고이는 응축수를 집수하는 제1드레인관(78a)과, 제1드레인관(78a)의 하류에 배치되고, 드레인관(78)으로 혼합기가 배출되는 것을 방지하도록 제1드레인관(78a)보다 상측으로 배치되는 연장되는 제2드레인관(78b)을 포함한다.
제1드레인관(78a)은, 하우징(62)의 하단부보다 낮게 배치된다. 따라서, 하우징(62) 내부에 고인 응축수가 제1드레인관(78a)으로 유입될 수 있다. 제2드레인관(78b)은, 제1드레인관(78a)보다 하류에 배치되고, 제1드레인관(78a)보다 상측에 배치된다. 따라서, 하우징(62)에서 고인 응축수가 제1드레인관(78a)에서 고여, 혼합기가 드레인관(78)을 통해 외부로 배출되지 않는다. 이하에서는, 도 5를 참조하여, 제3실시예에 따른 엔진시스템을 설명한다.
도 5을 참조하면, 믹서(12)와 열교환기(60) 사이에 유동하는 혼합기를 압축하는 과급기(48)가 배치될 수 있다. 과급기(48)를 통과한 혼합기는 압축되어 고온 및 고압의 상태로 형성될 수 있다.
열교환기(60)는, 과급기(48)를 통과한 고온의 혼합기를 냉각할 수 있다. 열교환기(60)에서는, 혼합기와 액체연료가 열교환한다. 열교환기(60)에서, 혼합기는 고온의 상태에서 저온의 상태로 변경되고, 액체연료는 기체연료로 상변화될 수 있다.
도 5에서 사용되는 과급기(48)는, 엔진(24)에서 배출되는 배기가스를 이용하여, 터빈을 구동하고, 그에 따라 회전하는 임펠러로 믹서(12)로부터 유동하는 혼합기를 압축하거나, 별도의 전력을 이용하여 혼합기를 압축하는 구조일 수 있다.
이하에서는, 도 6 내지 도 7을 참조하여, 제4실시예와 제5실시예에 따른 엔진시스템(1)을 설명한다. 제4실시예와 제5실시예에 따른 엔진시스템은, 열교환기(60)가 배기가스재순환관(46)에 배치될 수 있다.
도 6를 참조하면, 엔진시스템(1)은, 엔진(24)에서 배출되는 배기가스 중의 유해성분의 배출을 최소화하는 배기가스재순환관(46)을 포함하고, 열교환기(60)는 배기가스재순환관(46) 상에 배치된다.
열교환기(60)는, 배기가스재순환관(46)을 통해 유동하는 배기가스와 제2저장탱크(18)에서 배출된 액체연료를 열교환한다. 열교환기(60)를 통해 배기가스재순환관(46)을 유동하는 배기가스가 냉각될 수 있다. 열교환기(60)를 통해 제2저장탱크(18)에서 배출된 액체연료는 기화되어 제1저장탱크(16)로 공급될 수 있다.
따라서, 열교환기(60)로부터 배출되는 배기가스의 온도가 낮아진 상태로 공기와 혼합되어, 믹서로 공급될 수 있다.
도 7을 참조하면, 믹서(12)에서 엔진(24)으로 공급되는 혼합기를 압축하는 과급기(48)가 배치될 수 있다. 열교환기(60)는, 배기가스재순환관(46)을 통해 유동하는 배기가스와 제2저장탱크(18)에서 배출된 액체연료를 열교환한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
1 : 엔진시스템 10 : 에어클리너
12 : 믹서 14 : 제로가버너
16 : 제1저장탱크 18 : 제2저장탱크
20 : 열교환기 22 : 스로틀밸브
24 : 엔진 26 : 복수의 실린더
28 : 흡기매니폴드 30 : 배기매니폴드
32 : 액체연료공급관 32a : 제1관
32b : 제2관 32c : 제3관
32d : 제4관 34 : 재액화장치
36 : 압축기 38 : 펌프
40 : 팽창밸브 42 : 기체연료공급관
44 : 공기유입관 46 : 배기가스재순환관
48 : 과급기 50 : 배기가스열교환기
52 : 순환밸브 54 : 혼합기공급관

Claims (20)

  1. 공기와 기화연료를 혼합하여 혼합기를 형성하는 믹서;
    상기 믹서에서 배출된 혼합기로 실린더를 구동하는 엔진;
    상기 믹서로 기화연료를 공급하는 제1저장탱크;
    액화연료를 저장하거나, 저장된 액화연료를 상기 제1저장탱크로 공급하는 제2저장탱크;
    상기 제1저장탱크에서 배출되는 액화연료를 상기 엔진으로 유동하는 가스와 열교환하여, 상기 액화연료를 기화시키는 열교환기를 포함하는 엔진시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기는, 상기 믹서와 상기 엔진 사이에 배치되어, 상기 믹서에서 상기 엔진으로 공급되는 혼합기를 상기 제2저장탱크에서 상기 제1저장탱크로 유동하는 액화연료와 열교환시키는 엔진시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 혼합기에서 상기 엔진으로 유동하는 혼합기를 압축하는 과급기를 더 포함하고,
    상기 열교환기는, 상기 과급기와 상기 엔진 사이에 배치되어 상기 엔진으로 유동하는 혼합기의 온도를 냉각시키는 엔진시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 엔진으로부터 배출되는 가스를 상기 믹서로 공급하는 재순환유로가 형성된 배기가스재순환관을 더 포함하는 엔진시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 배기가스재순환관은 상기 믹서로 공기를 공급하는 공기유입관과 연결되는 엔진시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2저장탱크에서 배출된 연료를 액화시키는 재액화장치와, 상기 재액화장치에서 배출되는 연료를 상기 열교환기로 공급하는 펌프를 더 포함하는 엔진시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2저장탱크의 하부와 연결되어, 상기 제2저장탱크에 저장된 액화연료를 상기 재액화장치로 보내는 제1관과, 상기 제2저장탱크의 상부와 연결되어 상기 제2저장탱크에서 배출되는 기체연료를 상기 재액화장치로 보내는 제2관을 더 포함하는 엔진시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2관에는, 상기 재액화장치로 유입되는 기체연료를 압축하는 압축기가 배치되는 엔진시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 재액화장치와 상기 열교환기를 연결하는 제3관과, 상기 제3관으로부터 분지되어 상기 제2저장탱크로 연결되는 제4관을 포함하는 엔진시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 펌프는 상기 제4관이 분지되기 이전의 상기 제3관에 배치되는 엔진시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제2저장탱크에서 배출되어 상기 열교환부로 공급되는 액화연료를 팽창시키는 팽창밸브를 더 포함하는 엔진시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 팽창밸브는, 상기 제4관이 분지된 이후의 상기 제3관에 배치되는 엔진시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진으로부터 배출되는 가스를 상기 믹서로 공급하는 재순환유로가 형성된 배기가스재순환관을 더 포함하고,
    상기 열교환기는, 상기 액화가스가 상기 재순환유로를 유동하는 배기가스와 열교환하여 기화되도록 배기가스재순환관 상에 배치되는 엔진시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 배기가스재순환관은 상기 믹서로 공기를 공급하는 공기유입관과 연결되고,
    상기 믹서에서 상기 엔진으로 유동하는 혼합기를 압축하는 과급기를 더 포함하는 엔진시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1저장탱크에 저장된 기체연료를 일정압력으로 상기 믹서로 공급하는 제로가버너를 더 포함하는 엔진시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기는,
    상기 엔진으로 유동하는 가스가 유동하는 복수의 세경관과;
    상기 복수의 세경관 주위로 형성되고, 액체연료와 혼합기가 열교환하도록 액체연료가 유동하는 공간을 형성하는 하우징을 포함하고,
    상기 하우징의 둘레면 일측에는, 액체연료가 유입되는 유입관과, 상기 복수의 세경관을 유동하는 가스와 열교환되어 상변화된 기체연료가 배출되는 배출관이 형성되는 엔진시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 하우징은, 상기 엔진으로 유동하는 가스의 유동방향으로 상류에서 하류로 갈수록 하측으로 경사지게 배치되고,
    상기 유입관과 상기 배출관은, 상기 하우징의 둘레면에서 상측을 향해 돌출형성되는 엔진시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 배출관은, 상기 유입관보다 높은 위치에서 배치되는 엔진시스템.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 열교환기는, 상기 엔진으로 유동하는 가스의 유동방향을 기준으로 상기 하우징의 하류에 배치되고 상기 하우징의 내부에서 발생하는 혼합기의 응축수가 배출되는 드레인관을 더 포함하는 엔진시스템
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 드레인관은, 상기 하우징 내부에 고이는 응축수를 집수하는 제1드레인관과, 상기 드레인관으로 상기 엔진으로 유동하는 가스가 배출되는 것을 방지하도록 상기 제1드레인관보다 상측으로 배치되도록 연장되는 제2드레인관을 포함하고,
    상기 제1드레인관은, 상기 하우징의 하단부보다 낮게 배치되고,
    상기 제2드레인관은, 상기 제1드레인관보다 하류에 배치되고, 상기 제1드레인관보다 상측에 배치되는 엔진시스템.
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