KR20100037080A - 냉매 기화열을 이용한 엔진 배기가스 냉각시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기존의 수냉식 엔진 배기가스 냉각시스템에 있어서 물의 현열을 이용하여 냉각시키던 방식을 물, 부동액 첨가 물, 프레온냉매, 자연냉매, 액화가스 등의 냉매 기화열인 잠열을 이용하는 방법을 도입하여 엔진 배기가스를 냉각시키는 냉매 기화열을 이용한 엔진 배기가스 냉각시스템에 관한 것이다.
배기가스에는 많은 유해가스가 포함되어 있다. 촉매컨버터(14)는 배기가스에 포함된 유해가스를 촉매를 이용하여 무해한 가스로 바꾸어주는 역할을 하는데 현재 사용중인 촉매컨버터(14)의 적정 운전온도는 약600℃ 정도이다. 그리고 800℃ 정도에서는 구성요소가 녹아버리므로 이보다 높은 온도의 배기가스가 배출될 경우 냉각이 필요하다. 그리고 배기가스로 배출되는 에너지는 연료의 약30%로 엔진에서 동력으로 변환시키는 에너지와 거의 유사하여 배기가스에 포함된 에너지를 회생시키는 것이 매우 중요하지만 현재는 이를 모두 버리고 있는 실정이다.
본 발명에서는 촉매컨버터(14) 등 배기계통에 설치된 기기들이 적정 운전온도로 운전될 수 있도록 배기관을 감싸도록 냉매재킷(21)을 설치하여 그 내부에 냉매를 채우고 냉매 기화열을 이용하여 냉각시키도록 하였다. 냉매의 순환은 배기관에서 제공되는 폐열에 의한 자연순환 방식을 도입하였으며 또한 배기가스로 배출되는 에너지는 연료의 약30%로 엔진에서 동력으로 변환시키는 에너지와 거의 유사할 정도로 많음을 감안하여 배기가스가 지닌 폐열에서 열에너지, 역학에너지, 전기에너지를 재생할 수 있도록 하여 에너지 효율을 획기적으로 증대시켰다.
배기가스에는 많은 유해가스가 포함되어 있다. 촉매컨버터(14)는 배기가스에 포함된 유해가스를 촉매를 이용하여 무해한 가스로 바꾸어주는 역할을 하는데 현재 사용중인 촉매컨버터(14)의 적정 운전온도는 약600℃ 정도이다. 그리고 800℃ 정도에서는 구성요소가 녹아버리므로 이보다 높은 온도의 배기가스가 배출될 경우 냉각이 필요하다. 그리고 배기가스로 배출되는 에너지는 연료의 약30%로 엔진에서 동력으로 변환시키는 에너지와 거의 유사하여 배기가스에 포함된 에너지를 회생시키는 것이 매우 중요하지만 현재는 이를 모두 버리고 있는 실정이다.
본 발명에서는 촉매컨버터(14) 등 배기계통에 설치된 기기들이 적정 운전온도로 운전될 수 있도록 배기관을 감싸도록 냉매재킷(21)을 설치하여 그 내부에 냉매를 채우고 냉매 기화열을 이용하여 냉각시키도록 하였다. 냉매의 순환은 배기관에서 제공되는 폐열에 의한 자연순환 방식을 도입하였으며 또한 배기가스로 배출되는 에너지는 연료의 약30%로 엔진에서 동력으로 변환시키는 에너지와 거의 유사할 정도로 많음을 감안하여 배기가스가 지닌 폐열에서 열에너지, 역학에너지, 전기에너지를 재생할 수 있도록 하여 에너지 효율을 획기적으로 증대시켰다.
Description
엔진 배기가스 냉각분야
배기가스에는 뜨거운 열과 많은 유해가스가 포함되어 있다. 촉매컨버터(14)는 배기가스에 포함된 유해가스를 촉매를 이용하여 무해한 가스로 바꾸어주는 역할을 하는데 현재 사용중인 촉매컨버터(14)는 적정 운전온도는 약600℃ 정도이다. 그리고 800℃ 정도에서는 구성요소가 녹아버리므로 이보다 높은 온도의 배기가스가 배출될 경우 냉각이 필요하다. 그리고 배기가스로 배출되는 에너지는 연료의 약30%로 엔진에서 동력으로 변환시키는 에너지와 거의 유사하여 배기가스에 포함된 에너지를 회생시키는 것이 매우 중요하지만 현재는 이를 모두 버리고 있다. 이제까지는 배기계통 냉각에 수냉각방식을 채택하여 왔다. 공개번호 특1994-0015163[디젤엔진탑재차량의 배기가스냉각장치]는 엔진냉각용 라디에이터와 연결된 물관을 이용하여 배기가스를 냉각시키는 방법을 제시하고 있다. 등록번호 20-0185364[엔진지게차의 배기가스 냉각장치]도 물이 통과하는 냉각관을 사용하여 배기가스를 냉각시키는 방식을 제시하고 있지만 냉매 기화열을 이용하는 방법은 아직 발명되지 않고 있다.
본 발명에서는 촉매컨버터(14)가 적정 운전온도로 운전될 수 있도록 배기관을 냉매 기화열을 이용하여 냉각시키도록 한다. 냉매의 순환은 배기관에서 제공되는 폐열에 의한 자연순환 방식을 도입한다. 또한 배기가스로 배출되는 에너지는 연료의 약30%로 엔진에서 동력으로 변환시키는 에너지와 거의 유사할 정도로 많음을 감안하여 배기가스가 지닌 폐열에서 열에너지, 역학에너지, 전기에너지를 재생할 수 있도록 하여 에너지 효율을 증대시키도록 한다.
배기관을 감싸도록 설치되며 냉매수용공간(61)을 형성하는 냉매재킷(21)을 설치하고 냉매재킷(21) 상부에 응축기(22)를 설치하여 냉매재킷(21)과 응축기(22)간에 냉매순환 폐회로가 형성되도록 배관으로 연결하고 냉매재킷의 냉매수용공간(61)에 배기관의 배기가스에 의해 비등이 가능한 냉매를 채워서 이 냉매의 기화열을 이용하여 배기가스를 냉각시킴.
배기계통에는 촉매컨버터(14)가 설치되는데 촉매컨버터(14)는 배기가스에 포함된 유해가스를 촉매를 이용하여 무해한 가스로 바꾸어주는 역할을 하는데 현재 사용중인 촉매컨버터(14)는 적정 운전온도는 약600℃ 정도이다. 그리고 800℃ 정도에서는 구성요소가 녹아버리므로 이보다 높은 온도의 배기가스가 배출될 경우 냉각이 필요하다. 따라서 본 발명은 촉매컨버터(14)가 원활히 작동하도록 적정온도를 유지하는 냉각기능을 제공한다. 또한 배기가스로 배출되는 에너지는 연료의 약30%로 엔진에서 동력으로 변환시키는 에너지와 거의 유사할 정도로 많다. 본 발명에서는 배기관의 열로 냉매를 기화시고 기화된 기체냉매의 압력을 이용하여 터빈/터빈실(31)에서 역학에너지 또는 전기에너지를 생산하여 에너지 효율을 높이도록 하였다. 또한 응축기(22)에서 나오는 바람으로 자동차 실내 난방을 하도록 하여 열에너지 형태로 에너지를 재활용할 수 있도록 하였다. 따라서 본 발명은 냉각을 통하여 자동차에 있어서 중요한 기능을 하는 촉매컨버터(14)의 성능을 개선시키고 배기가스에 포함된 에너지를 회수하도록 함으로써 에너지 효율을 대폭 증대시키는 기여를 하였다.
도 1은 자동차 배기계통 개략 설명도이다.
도 2는 본 발명의 냉매 기화열을 이용한 엔진 배기가스 냉각시스템 설명도이다.
도 3은 터빈/터빈실과 냉매탱크가 추가된 사례 설명도이다.
도 4는 냉각시스템을 촉매컨버터전방배기관에 설치한 사례 설명도이다.
도 5는 냉각시스템을 촉매컨버터전방배기관에 설치하고 터빈/터빈실과 냉매탱크가 추가된 사례 설명도이다.
도 6은 배기관과 냉매재킷 결합구조 사례 설명도이다.
도 2는 본 발명의 냉매 기화열을 이용한 엔진 배기가스 냉각시스템 설명도이다.
도 3은 터빈/터빈실과 냉매탱크가 추가된 사례 설명도이다.
도 4는 냉각시스템을 촉매컨버터전방배기관에 설치한 사례 설명도이다.
도 5는 냉각시스템을 촉매컨버터전방배기관에 설치하고 터빈/터빈실과 냉매탱크가 추가된 사례 설명도이다.
도 6은 배기관과 냉매재킷 결합구조 사례 설명도이다.
도 1은 자동차 배기계통 개략 설명도이다. 엔진(11)에는 엔진(11)에서 발생하는 배기가스를 모으는 역할을 하는 매니폴드(12)가 설치되며 매니폴드(12)에는 배기관이 연결되는데 촉매컨버터(14)를 기준으로 촉매컨버터(14) 앞쪽에 설치되는 촉매컨버터전방배기관(13)과 촉매컨버터(14) 뒤쪽에 설치되는 촉매컨버터후방배기관(15)로 구분된다. 촉매컨버터(14)는 배기가스에 포함된 유해가스를 촉매를 이용하여 무해한 가스로 바꾸어주는 역할을 하는데 현재 사용중인 촉매컨버터(14)는 적정 운전온도는 약600℃ 정도이다. 그리고 800℃ 정도에서는 구성요소가 녹아버리므로 이보다 높은 온도의 배기가스가 배출될 경우 냉각이 필요하다. 그리고 배기가스로 배출되는 에너지는 연료의 약30%로 엔진에서 동력으로 변환시키는 에너지와 거의 유사하여 배기가스에 포함된 에너지를 회생시키는 것이 매우 중요하지만 현재는 이를 모두 버리고 있다.
도 2는 본 발명의 냉매 기화열을 이용한 엔진 배기가스 냉각시스템 설명도이다. 배기관으로부터 열을 잘 흡수하기 위하여 배기관의 일부를 감싸면서 배기관 외측과 결합하여 냉매수용공간(61)을 형성하는 냉매재킷(21)을 설치한다. 여기서 배기관은 촉매컨버터후방배기관(15) 또는 촉매컨버터전방배기관(13) 중의 하나이다. 도2에서는 촉매컨버터후방배기관(15)에 냉매재킷(21)을 설치한 경우를 도시한다. 냉매재킷(21) 상부에 냉매 순환통로를 가지는 응축기(22)를 설치하고 응축기(22)에 바람을 제공하도록 냉각팬(28)을 설치하며, 냉매재킷(21) 상부 인출배관과 응축기(22) 상부 인출배관을 기체배관(23)으로 상호 관통되도록 연결하고 냉매재킷(21) 하부 인출배관과 응축기(22) 하부 인출배관을 액체배관(24)으로 상호 관통되도록 연결한다. 기체배관(23) 상부 관로 일측에 내부 공기를 배출하기 위하여 밸브가 달린 기체유출구(26)를 설치하며 액체배관(24) 하부 관로 일측에 냉각시스템 내부의 액체 냉매를 유출시킬 수 있도록 밸브가 달린 액체유출구(25)를 설치한다. 냉각성능을 조절하는 역할을 하도록 기체배관(23)과 액체배관(24) 관로상에 각각 1개씩 온도제어장치가 겸비된 냉각조절밸브(27)를 설치한다. 그리고 냉매재킷(21), 기체배관(23), 응축기(22), 액체배관(24) 다시 냉매재킷(21)으로 형성되는 냉각시스템 냉매순환회로 내부 중 응축기(22)를 제외한 공간에 냉매재킷(21)이 배기관으로부터 받는 폐열에 의해 끓을 수 있는 냉매(미도시)를 채우고 냉매를 가열하여 기체유출구(26)를 통하여 공기를 배출시킴으로써 응축기(22)는 진공이 되도록 한다. 냉매는 물, 부동액 첨가 물, 프레온냉매, 자연냉매, 액화가스 중의 하나를 사용하는 것도 본 발명의 범위에 포함된다. 응축기(22)에서 발생하는 따뜻한 바람은 자동차 실내 난방용으로 사용하여 배기가스로 버려지는 열에너지를 재활용 할 수도 있다. 작동원리는 다음과 같다. 배기관인 촉매컨버터후방배기관(15)으로 배기가스가 유입되면 냉매재킷(21)에 채워진 냉매는 배기가스로부터 열을 전달받아 기화를 하면서 증발잠열로 냉매재킷(21) 내부의 촉매컨버터후방배기관(15) 내부 배기가스를 냉각시킨다. 냉매재킷(21)에서 기화된 기체냉매는 기체배관(23)을 통하여 응축기(22)에 유입되어 열을 버리고 액화되고 액체로 변한 냉매는 중력에 의해 액체배관(24)을 통해 다시 냉매재킷(21) 하부로 유입되면서 냉각의 한 주기를 마친다. 배기가스의 폐열과 중력에 의하여 냉매의 순환이 이루어지므로 자연순환방식이다. 냉매의 순환속도가 배기가스의 열의 과다에 의해 결정되므로 매우 효율적인 냉각시스템이다.
도 3은 터빈/터빈실과 냉매탱크가 추가된 사례 설명도이다. 도2에서 기체배관(23)에 설치된 냉각조절밸브(27)와 응축기(22)사이의 관로에 터빈/터빈실(31)을 추가로 설치하고, 액체배관(24)에 설치된 냉각조절밸브(27)와 응축기(22)사이의 관로에 냉매탱크(32)를 추가로 설치한 것이 다르다. 터빈/터빈실(31)은 터빈실 내에 터빈을 설치한 형태로 기체냉매에 의해 터빈이 돌아가면서 발생하는 역학에너지는 축 또는 자석커플링에 의해 외부로 유출되도록 한다. 따라서 기체냉매의 압력을 이용하여 터빈실 내의 터빈을 돌려 배관 외부에서 역학에너지 또는 전기에너지를 생산할 수 있다. 냉매탱크(32)는 냉매재킷(21)에 안정적으로 냉매를 공급하는 역할을 수행한다.
도 4는 냉각시스템을 촉매컨버터전방배기관에 설치한 사례 설명도이다. 도2에서 냉매재킷(21)을 촉매컨버터전방배기관(13)에 설치한 것이 다르다. 나머지 작동원리는 도2에서 설명한 바와 같다.
도 5는 냉각시스템을 촉매컨버터전방배기관에 설치하고 터빈/터빈실과 냉매탱크가 추가된 사례 설명도이다. 도3에서 냉매재킷(21)을 촉매컨버터전방배기관(13)에 설치한 것이 다르다. 나머지 작동원리는 도3에서 설명한 바와 같다.
도 6은 배기관과 냉매재킷 결합구조 사례 설명도이다. 냉매재킷(21)은 배기관인 촉매컨버터전방배기관(13)또는 촉매컨버터후방배기관(15)을 감싸는 구조로 만들어지며 배기관 외측과 냉매재킷(21)으로 둘러싸인 냉매수용공간(61)을 형성하도록 설치된다.
11 : 엔진 12 : 매니폴드
13 : 촉매컨버터전방배기관 14 : 촉매컨버터
15 : 촉매컨버터후방배기관 21 : 냉매재킷
22 : 응축기 23 : 기체배관
24 : 액체배관 25 : 액체유출구
26 : 기체유출구 27 : 냉각조절밸브
28 : 냉각팬 31 : 터빈/터빈실
32 : 냉매탱크 61 : 냉매수용공간
13 : 촉매컨버터전방배기관 14 : 촉매컨버터
15 : 촉매컨버터후방배기관 21 : 냉매재킷
22 : 응축기 23 : 기체배관
24 : 액체배관 25 : 액체유출구
26 : 기체유출구 27 : 냉각조절밸브
28 : 냉각팬 31 : 터빈/터빈실
32 : 냉매탱크 61 : 냉매수용공간
Claims (4)
- 배기관으로부터 열을 잘 흡수하기 위하여 배기관의 일부를 감싸면서 배기관 외측과 결합하여 냉매수용공간(61)을 형성하는 냉매재킷(21)과; 냉매재킷(21) 상부에 설치되며 냉매 순환통로를 가지는 응축기(22)와; 응축기(22)에 바람을 제공하도록 설치되는 냉각팬(28)과; 냉매재킷(21) 상부 인출배관과 응축기(22) 상부 인출배관을 상호 관통되도록 연결하는 기체배관(23)과; 냉매재킷(21) 하부 인출배관과 응축기(22) 하부 인출배관을 상호 관통되도록 연결하는 액체배관(24)과; 기체배관(23) 상부 관로 일측에 내부 공기를 배출하기 위하여 설치되는 밸브가 달린 기체유출구(26)와; 액체배관(24) 하부 관로 일측에 냉각시스템 내부의 액체 냉매를 유출시킬 수 있도록 설치되는 밸브가 달린 액체유출구(25)와; 냉각성능을 조절하는 역할을 하도록 기체배관(23)과 액체배관(24) 관로상에 각각 1개씩 설치되는 온도제어장치가 겸비된 냉각조절밸브(27)와; 냉매재킷(21), 기체배관(23), 응축기(22), 액체배관(24) 다시 냉매재킷(21)으로 형성되는 냉각시스템 냉매순환회로 내부 중 응축기(22)를 제외한 공간에 채워지며 냉매재킷(21)이 배기관으로부터 받는 폐열에 의해 끓을 수 있는 냉매(미도시)로 구성되는 것을 특징으로 하는 냉매 기화열을 이용한 엔진 배기가스 냉각시스템.
- 제1항에 있어서, 냉매(미도시)가 물, 부동액 첨가 물, 프레온냉매, 자연냉매, 액화가스 중의 하나인 것을 특징으로 하는 냉매 기화열을 이용한 엔진 배기가스 냉각시스템.
- 제1항에 있어서, 배기관이 촉매컨버터후방배기관(15) 또는 촉매컨버터전방배기관(13) 중의 하나인 것을 특징으로 하는 냉매 기화열을 이용한 엔진 배기가스 냉각시스템.
- 제1항에 있어서, 기체배관(23)에 설치된 냉각조절밸브(27)와 응축기(22)사이의 관로에 설치되는 터빈/터빈실(31)과; 액체배관(24)에 설치된 냉각조절밸브(27)와 응축기(22)사이의 관로에 냉매탱크(32)를 추가하는 것을 특징으로 하는 냉매 기화열을 이용한 엔진 배기가스 냉각시스템.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103939190A (zh) * | 2014-02-25 | 2014-07-23 | 浙江吉利控股集团有限公司 | 一种利用排气管辅助加热的发动机冷却循环系统 |
| CN108915910A (zh) * | 2018-08-15 | 2018-11-30 | 宁波福士汽车部件有限公司 | 一种汽车进气管热管理管路总成 |
-
2010
- 2010-03-21 KR KR1020100024990A patent/KR20100037080A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103939190A (zh) * | 2014-02-25 | 2014-07-23 | 浙江吉利控股集团有限公司 | 一种利用排气管辅助加热的发动机冷却循环系统 |
| CN108915910A (zh) * | 2018-08-15 | 2018-11-30 | 宁波福士汽车部件有限公司 | 一种汽车进气管热管理管路总成 |
| CN108915910B (zh) * | 2018-08-15 | 2024-04-30 | 宁波福士汽车部件有限公司 | 一种汽车进气管热管理管路总成 |
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