KR101316234B1 - 내연기관의 급속승온장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내연 기관의 급속 승온 장치가 배기 파이프(1)에 구비된 제어 밸브(20)의 개폐작용으로 빠져나온 배기 가스 열을 이용해 승온되는 축열 물질(12)을 내부로 갖춘 축열기(10)와, 상기 축열 물질(12)과 열교환으로 승온되어 순환 흐름을 형성하는 열유체를 갖춘 열유체 순환기(30)와, 한쪽으로 상기 열유체 순환기(30)의 고온 유체가 순환되고 반대쪽으로 내연 기관 쪽에 이어진 열교환 순환기(50)의 저온 유체인 오일(엔진 오일 또는 변속기 오일)/냉각수가 열교환으로 온도상승되도록 연결되는 열교환기(40)로 구성됨으로써, 간단한 구성으로 레이아웃으로 인한 공간 제약을 가져오지 않고, 차량 시동 초기나 냉각시 연비 저하의 원인이 되는 낮은 온도의 냉각수 또는 오일로 인한 마찰 저항 증대를 방지함은 물론, 특히 일산화탄소(CO) 또는 탄화수소(HC)와 같은 유해 배출 가스의 다량 발생을 방지할 수 있는 특징을 갖는다.

Description

내연기관의 급속승온장치 및 그 제어방법{Rapid Heating Apparatus for Internal Combustion Engine and the Control Method thereof}
본 발명은 내연기관에 관한 것으로, 특히 차량 시동 초기 또는 차량 냉각시 낮은 오일온도와 냉각수온도로 인한 마찰증대가 가져오는 연비 악화와 더불어 유해 배출 가스증가를 가져오지 않는 내연기관의 급속승온장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 시동 초기나 또는 냉각시에는 일산화탄소(CO) 또는 탄화수소(HC)와 같은 오염 물질이 다량 함유된 배기가스를 발생하게 된다.
이러한 현상은 차량 시동 초기 또는 차량 냉각시 연소실 온도가 떨어져 다량의 유해 배출 가스를 배출하게 된다.
이때, 유해 배출 가스 저감 촉매의 온도는 유해 배출 가스를 정화하기에 충분히 높지 않기 때문에 촉매를 통과한 후에도 유해 배출 가스가 정화되지 않고 대기중으로 배출된다.
이에 대한 대응책으로써 연료 분사 및 점화 시기 또는 연료 분사량 조정 등을 통해 대응할 수 있지만, 이러한 방식은 그 조정 과정에서 상당 수준의 유해 가스를 배출하게 되어 효과가 낮고 특히, 연비 악화를 가중시키게 된다.
또 다른 대응책으로써 오일이나 냉각수와 같은 유체를 승온시켜주는 방식이 있는데, 일례로 배기계 끝단부인 테일 파이프(Tail-Pipe)를 통해 버려지는 배기가스 폐열을 이용하여 오일이나 냉각수를 승온해주는 방식이 있다.
이러한 방식은 차량 냉각시 테일 파이프(Tail-Pipe)를 통해 외부로 버려지는 폐열과 오일 또는 냉각수 사이에 열교환하여 승온 속도를 향상시켜줌으로써, 내연 기관의 온도가 연비 손실 없이도 다소 빠르게 상승될 수 있는 장점이 있게 된다.
하지만, 엔진 시동 초기에는 배기 가스 폐열의 낮은 온도로 오일이나 냉각수와 일어나는 열교환 성능도 아주 낮게 되고, 이로 인해 일산화탄소(CO) 또는 탄화수소(HC)와 같은 오염 물질이 대량으로 함유된 배출 가스 발생을 중점적으로 감소시켜야 하는 시동 초기 또는 냉각시 그 효과가 거의 없거나 극히 미약하여 급속 승온 효과에는 제한적일 수밖에 없다.
도 5는 오일 또는 냉각수를 배기 가스 폐열을 이용해 급속 승온할 때, 내연 기관의 시동 초기 배기 가스 폐열의 낮은 온도로 인한 문제를 해소한 예를 나타낸다.
도 5(가)는 열을 축적하는 별도의 축열물질을 이용한 경우로써, 도시된 바와 같이 축열물질에 열을 축적시켜주는 배기 가스의 주 흐름(110)과 이로부터 분기되어진 배기 가스의 또 다른 서브흐름(120)으로 나뉘어지는 배기관(100)과, 상기 주 흐름(110) 또는 서브흐름(120)을 이용해 냉각수와 열교환하는 냉각수회로(200)와, 엔진오일과 열교환하는 엔진오일회로(300)와, 변속기오일과 열교환하는 변속기오일회로(400)로 구성된다.
상기 냉각수회로(200)와 상기 엔진오일회로(300) 및 상기 변속기오일회로(400)는 모두 배기 가스로부터 열을 축적하는 축열 물질을 통과하는 레이아웃을 가지며, 축열 물질의 열저장시 축열 물질 쪽으로 통하는 흐름이 차단시켜주는 3방향 밸브가 각각 설치된다.
상기와 같이 냉각수 회로(200)와 엔진 오일 회로(300) 및 변속기 오일 회로(400)가 축열 물질을 통과하도록 구성됨으로써, 배기 가스 온도가 낮은 경우에도 오일과 냉각수는 열을 축적한 축열 물질과 열교환하여 빠르게 승온될 수 있다.
그러므로, 내연 기관의 시동 초기시 제한적인 급속 승온의 문제점을 해결할 수 있게 된다.
상기와 같은 방식에서는 축열 물질의 축열 성능이 가장 중요하므로 통상 상변화 온도가 높은 물질을 축열 물질로 사용하지만, 통상 오일 및 냉각수가 축열 물질이 포함된 공간내 머물러 열교환되는 구조로 인해 축열 물질의 선택시 오일 및 냉각수의 한계 온도를 고려해야 한다.
이는, 축열 물질의 축열 온도가 오일 및 냉각수의 한계 온도보다 더 높게 상승되면 오일 또는 냉각수 내구 문제를 일으킬 수 있기 때문이다.
한편, 도 5(나)는 열을 축적하는 별도의 축열 물질을 이용하더라도 축열 물질의 축열 온도로 인한 문제를 해소한 것으로서, 이는 도시된 바와 같이 배기 가스와 열교환되도록 배기 파이프(500)를 감싼 배기열회수기(600)와, 3방향 밸브를 갖추고 배기열회수기(600)와 회로를 이루는 열교환 라인(800)과, 열교환 라인(800)에 설치되어 승온된 냉각수를 내연 기관(E)쪽으로 순환시키는 유체 라인(900)과 이어지는 축열기(700)로 구성된다.
상기와 같이 배기가스와 열교환하는 배기열회수기(600)가 3방향 밸브를 갖춘 열교환라인(800)을 매개로 축열기(700)와 분리됨으로써, 축열 물질의 선택시 냉각수의 한계 온도를 고려하지 않아도 된다.
국내특허공개 10-1997-700815(1997.02.12)는 상변화 물질과 열교환기 챔버 및 촉매 컨버터로 열을 이송하는 유체로 구성된 차량 배기 시스템의 열 조정에 관한 것이며, 이는 도 5및 7쪽 23줄내지 63줄 참조.
하지만, 이 경우에는 열교환 라인(800)을 갖춘 배기열회수기(600)와 유체라인(900)을 갖춘 축열기(700)등과 같이 차량 냉각시외에는 사용하지 않는 부품 구성이 많아 공간 구성의 레이아웃 제약이 있을 수밖에 없고, 부가적인 부품 사용으로 인한 원가 상승을 가져올 수밖에 없다.
특히, 이 경우엔 단지 냉각수 승온으로 국한됨으로써, 엔진오일이나 변속기 오일에 대한 승온기능을 제공하지 못하는 불편이 있게 된다.
이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 배기 가스로부터 열을 축적하여 냉각수 또는 오일(엔진오일 또는 변속기오일)과 열교환되는 축열 물질이 구비된 축열기를 배기파이프와 일체화함으로써, 냉각수 또는 오일(엔진오일 또는 변속기오일)의 급속 승온을 위한 구성을 간단화하면서도 레이아웃으로 인한 공간제약을 가져오지 않는 내연기관의 급속승온장치를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 냉각수 또는 오일(엔진오일 또는 변속기오일)이 일반 작동 온도보다 낮은 상태일 때 배기 가스로부터 축적된 열을 이용하여 열교환함으로써, 급속 승온에 따른 차량 시동 초기 또는 냉각시 낮은 온도의 냉각수와 오일로 인한 마찰 저항 증대를 방지하여 연비를 향상시키고, 특히 일산화탄소(CO) 또는 탄화수소(HC)와 같은 유해 배기 가스 성분의 다량 발생을 방지할 수 있는 내연기관의 급속 승온 제어 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 내연 기관의 급속 승온 장치는 배기 파이프에 천공된 전방 통공과 후방 통공사이에 설치되어, 상기 후방 통공을 지나가기 전 배기 가스를 차단해 상기 전방 통공으로 배출하여 주는 제어 밸브와;
상기 전방 통공과 상기 후방 통공을 가진 상기 배기 파이프가 내부에 위치되고, 상기 전방 통공으로 빠져나온 배기 가스와 열교환하여 승온되는 축열 물질을 내부로 갖춘 축열기와;
상기 축열 물질과 열교환으로 승온되어 순환 흐름을 형성하는 열유체를 갖춘 열유체 순환기와;
한쪽으로 상기 열유체 순환기의 고온 유체가 순환되고 반대쪽으로 내연 기관쪽에 이어진 상기 열교환 순환기에 오일(엔진 오일 또는 변속기 오일) 또는 냉각수가 순환되어 서로 열교환되도록 연결되고, 상기 배기 가스 온도와 상기 축열 물질 온도와 상기 오일(엔진 오일 또는 변속기 오일)온도, 냉각수 온도를 제어 인자로 하는 컨트롤러에 의해 작동제어되는 열교환기;
를 포함해 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 제어밸브는 배기가스의 온도변화로 통로를 개폐하는 써모스텟으로 이루어지거나 또는 상기 컨트롤러로 개폐 제어된다.
상기 축열기는 상기 배기 파이프의 전방 통공 부위를 상기 축열 물질로 감싸고, 상기 배기 파이프의 후방 통공이 위치하는 공간을 빈공간으로 형성하며, 그 내부로 단열물질을 더 덧대어 줄 수 있다.
상기 축열 물질은 상변화 온도가 높은 물질로 이루어지고, 온도 센서 또는 배기 가스 온도에 대한 모델링(Modeling)을 통한 유추방식으로 온도를 측정한다.
상기 열유체 순환기는 상기 축열기 내부를 순환하는 열유체를 이송시키는 열유체 순환 펌프와, 상기 열교환기에서 나오는 저온의 열유체를 상기 축열기 쪽으로 흘려주는 저온 라인과, 상기 축열기 내부에서 상기 축열 물질과 열교환을 통해 승온된 고온의 열유체를 상기 열교환기쪽으로 다시 보내주도록 상기 저온 라인과 폐회로를 이루는 고온 라인으로 구성된다.
상기 열유체는 상기 축열 물질의 상변화 온도 이상의 온도 범위까지로 승온될 수 있다.
상기 열교환기는 한쪽으로 고온의 열유체가 유입되어 열교환된 후 저온의 열유체로 다시 빠져나가는 흐름을 형성하도록 상기 열유체 순환기를 연결한 고온 커넥터와, 그 반대쪽으로 저온의 오일(엔진 오일 또는 변속기 오일) 또는 냉각수가 유입되어 열교환된 후 고온 상태로 다시 빠져나가는 흐름을 형성하도록 상기 열교환 순환기를 연결한 저온 커넥터로 구성된다.
상기 저온 커넥터에는 상기 열교환 순환기의 오일 라인과 연결된 오일 루프가 상기 열교환 순환기의 냉각수 라인과 연결된 냉각수 루프를 감싸 이중으로 형성될 수 있다.
상기 오일 루프는 상기 저온 커넥터의 내부에 폐회로를 이루는 순환 라인과 연결되는 상기 오일 라인 부위로 3방향 타입 제어 밸브를 구비하며, 상기 냉각수 루프는 상기 저온 커넥터의 내부에 폐회로를 이루는 순환 라인과 연결되는 상기 냉각수 라인 부위로 3방향 타입 제어 밸브를 구비한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 내연 기관의 급속 승온 제어 방법은 차량 시동후 설정된 오일(엔진 오일 또는 변속기 오일)온도 또는 냉각수 온도와 현 상태에서의 오일(엔진 오일 또는 변속기 오일)온도 또는 냉각수 온도를 서로 비교한 후, 오일(엔진 오일과 변속기 오일)과 냉각수의 승온 여부를 판단하는 가동 조건 판단 단계;
상기 오일(엔진 오일 또는 변속기 오일) 또는 냉각수의 승온의 필요성이 있으면, 상기 오일(엔진 오일 또는 변속기 오일) 또는 냉각수의 온도를 높이기 위해 열유체을 이송할 때 배기가스와 열교환을 통해 승온되는 축열 물질의 승온 여부를 다시 판단하는 가동 조건 확인 단계;
상기 축열 물질의 승온 필요시, 배기 가스와의 열교환을 통해 상기 축열 물질을 승온시켜주는 급속 승온 준비 단계;
상기 오일(엔진 오일 또는 변속기 오일) 또는 냉각수의 승온이 실행되면, 배기 파이프를 흐르는 배기 가스로 상기 축열 물질을 승온시키고, 상기 축열 물질과 열교환을 통해 승온된 열유체를 열교환기의 한쪽으로 보내 반대쪽으로 내연 기관에서 보내진 오일(엔진 오일 또는 변속기 오일) 또는 냉각수를 승온시켜주는 급속 승온 수행 단계;
를 포함해 수행는 것을 특징으로 한다.
상기 가동 조건 판단 단계의 조건은 오일 온도Toil > 설정 오일 온도Toil-set 또는 냉각수 온도Tcoolant > 설정 냉각수 온도Tcoolant-set를 적용한다.
상기 가동 조건 확인 단계는 오일 온도Toil > 설정 오일 온도Toil-set 또는 냉각수 온도Tcoolant > 설정 냉각수 온도Tcoolant-set 중 한가지 조건도 만족되지 않을 때, 축열 물질 온도T축열물질 ≤ 오일 온도Toil 또는 T축열물질 ≤냉각수 온도Tcoolant 를 적용한다.
상기 설정 오일 온도Toil-set 와 설정 냉각수 온도Tcoolant-set은 연비 저하를 가져오는 마찰 저항 증대 또는 일산화탄소(CO) 또는 탄화수소(HC)와 같은 유해 배출 가스를 다량 발생시키는 온도이다.
상기 급속 승온 준비 단계는 축열 물질 온도T축열물질 ≥ 설정 축열 물질 온도T축열물질-set 를 만족할 때까지 적용한다.
이러한 본 발명은 시동 초기나 냉각시 냉각수 또는 오일(엔진오일 또는 변속기오일)을 급속 승온시키는 축열 물질을 구비한 축열기가 배기파이프와 일체화되어 단순한 구성으로 부품 수량을 최소화할 수 있고, 특히 배기 파이프와 일체화된 축열기 구성으로 레이아웃으로 인한 공간제약을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 배기가스로부터 축적된 열을 이용하여 열교환함으로써 일반 작동 온도보다 낮은 상태일 때 냉각수 또는 오일(엔진오일 또는 변속기오일)을 급속 승온시켜줄 수 있어, 상대적으로 낮은 온도상태인 차량 시동 초기나 냉각시에도 내연 기관의 마찰 저항 증대를 최소화하여 연비를 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 배기 가스로부터 축적된 열을 이용한 열교환으로 일반 작동 온도보다 낮은 상태일 때 냉각수 또는 오일(엔진오일 또는 변속기오일)을 급속 승온시켜줄 수 있어, 상대적으로 낮은 온도상태인 차량 시동 초기나 냉각시에도 실린더 블록의 온도를 상승시켜 일산화탄소(CO) 또는 탄화수소(HC)와 같은 유해 배출 가스의 다량 발생을 방지할 수 있음은 물론, 특히 배기 가스 승온에 따라 촉매 활성율을 높여 후처리 촉매 원가도 절감시켜줄 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 시동 초기시 급속 승온된 냉각수를 이용한 급속 실내난방으로 겨울철 난방성능에 대한 상품성을 크게 향상할 수 있는 효과도 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 내연 기관의 급속 승온 장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 내연 기관의 급속 승온 장치의 일부 변형예이며, 도 3은 본 발명에 따른 급속 승온 장치가 온도를 제어 인자로 하여 활성화 또는 비활성화되는 예시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 내연 기관의 급속 승온 장치의 작동상태이며, 도 5(가),(나)는 종래에 따른 내연 기관의 급속 승온 장치의 구성예이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 실시예에 따른 내연 기관의 급속 승온 장치의 구성을 나타내다.
도시된 바와 같이, 엔진에서 나온 배기가스가 흘러가는 배기 파이프(1)를 감싸고 그 내부에 위치하며 배기 가스와 열교환을 통해 열을 축적하는 축열기(11)와, 배기 파이프(1)를 흐르는 배기 가스를 축열기(11)의 내부 공간으로 이송시켜주는 개폐밸브(20)와, 축열 물질(12)로부터 열을 전달받아 순환되는 열유체의 온도를 승온시켜주는 열유체 순환기(30)와, 한쪽으로 열유체 순환기(30)의 고온 열유체가 순환되고 반대쪽으로 내연 기관쪽으로 이어진 열교환 순환기(50)의 저온 유체가 순환되어 서로 열교환되는 열교환기(40)와, 배기가스를 통한 축열기(11)내 축열물질(12)의 열교환작용 또는 열교환기(40)의 개폐를 통한 유체의 열교환 작용을 제어하는 컨트롤러(60)로 구성된다.
상기 축열기(10)는 배기 파이프(1)에서 나온 배기가스가 충진되는 챔버 공간(11a)을 형성한 챔버 하우징(11)과, 챔버 공간(11a)을 점유하고 배기가스와 열교환하여 열을 축적하는 축열물질(12)로 구성된다.
상기 챔버 공간(11a)은 축열 물질(12)로 채워지지 않아 배기 가스로 충진되며, 상기 축열 물질(12)로 점유된 공간은 전체 공간중 약 3/5이상으로 형성된다.
상기 축열 물질(12)은 챔버 공간(11a)을 관통하는 배기 파이프(1)를 감싸면서 챔버 공간(11a)에 채워지며, 상변화 온도가 높은 물질을 적용한다.
이와 더불어, 상기 축열기(10)에는 챔버 하우징(11)의 내부에 단열물질을 더 덧대어 차량의 주차나 정차시 외부로 빠져나가는 열손실을 최소화하도록 구성될 수 있으며, 또한 축열 물질(12)의 온도를 검출해 컨트롤러(60)로 전송하는 온도 센서가 더 구비된다.
하지만, 본 실시예에서 축열 물질(12)의 온도 검출은 유입되는 배기 가스 온도에 대한 모델링(Modeling)을 통한 유추방식으로도 산출될 수 있다.
그리고, 상기 개폐 밸브(20)는 배기 가스의 배출홀인 전ㅇ후방 통공(2,3)이 다수로 천공된 배기파이프(1)의 내부에 설치된다.
구체적으로, 상기 배기파이프(1)의 전방 통공(2)은 축열기(10)의 챔버 하우징(11)에 채워진 축열 물질(12)로 가려지는 구간에 천공되는 반면 후방 통공(3)은 축열물질(12)을 벗어난 구간에 천공되고, 상기 개폐밸브(20)는 전방 통공(2)과 후방 통공(3)사이로 위치되어진다.
상기와 같이 개폐밸브(20)가 전방통공(2)과 후방통공(3)사이로 위치됨으로써 배기 파이프(1)를 흐르는 배기가스흐름을 제어하게 된다.
일례로, 개폐밸브(20)가 닫힐 때 축열기(10)의 챔버 하우징(11)내 배기가스흐름을 설명하면, 닫혀진 개폐밸브(20)로 인해 전방통공(2)의 뒤쪽 부위인 후방 통공(3)으로 배기가스흐름이 차단됨으로써 배기가스는 모두 전방 통공(2)으로 빠져 나오게 된다.
상기 전방 통공(2)을 빠져 나온 배기가스는 축열 물질(12)측으로 유입되면서 축열 물질(12)과 열교환한 후 축열 물질(12)로 점유되지 않은 챔버 공간(11a)으로 나온 다음, 축열 물질(12)로 감싸여지지 않은 후방 통공(3)으로 다시 유입된 후 배기 파이프(1)를 타고 빠져나가게 된다.
상기 개폐밸브(21)는 온도변화로 통로를 개폐하는 써모스텟으로 이루어지거나 또는 컨트롤러(60)로 제어되도록 구성됨으로써, 축열 물질(12)의 한계 온도를 고려하여 배기가스와 축열 물질(12)사이의 열교환을 제어할 수 있게 된다.
본 실시예에서 개폐밸브(21)는 온도를 기반으로 하는 컨트롤러(60)의 제어로 개폐되도록 구성되며, 제어 인자인 온도는 배기 가스 온도 또는 축열 물질 온도, 오일(엔진 오일 또는 변속기 오일) 온도, 냉각수 온도이다.
또한, 상기 열유체 순환기(30)는 축열기(10)내부에 삽입되어 축열 물질(12)로 감싸임으로써 축열 물질(12)로부터 열을 전달받은 열유체 순환시키는 열유체 순환 펌프(31)와, 열교환기(40)에서 나오는 저온의 열유체를 축열기(10)쪽으로 흘려주는 저온 라인(32)과, 상기 축열기(10)의 내부에서 상기 축열 물질(12)과 열교환으로 승온된 고온의 열유체를 상기 열교환기(40)쪽으로 다시 보내주도록 상기 저온라인(32)과 연결되는 고온라인(33)으로 구성된다.
상기 저온 라인(32)과 고온 라인(33)은 서로 연결되어 폐회로를 이룬다.
이때, 상기 열유체는 축열물질(12)의 상변화 온도 이상의 온도 범위에서 사용 가능한 물질을 적용하여 준다.
한편, 상기 열교환기(40)는 바디 하우징(41)의 한쪽으로 고온의 열유체가 유입되어 열교환된 후 저온의 열유체로 다시 빠져나가도록 흐름을 형성하는 고온 커넥터(42)와, 그 반대쪽으로 저온 유체가 유입되어 열교환된 후 고온 유체로 다시 빠져나가도록 흐름을 형성하는 저온 커넥터(43)로 구성되어진다.
일례로, 상기 고온 커넥터(42)에는 열유체 순환기(30)가 연결됨으로써 배기 가스와 축열 물질(12)을 이용해 승온된 고온의 열유체가 들어오고, 반면 상기 저온 커넥터(43)에는 열교환 순환기(50)가 연결됨으로써 내연기관의 저온 상태의 오일(엔진오일 또는 변속기오일) 또는 냉각수가 들어오게 된다.
상기 열교환 순환기(50)는 엔진 쪽에서 나와 다시 엔진 쪽으로 들어가는 냉각 수흐름을 형성하는 냉각수 라인(51)과, 엔진과 변속기 쪽에서 나와 다시 엔진과 변속기 쪽으로 들어가는 오일 흐름을 형성하는 오일 라인(52)으로 구성된다.
상기 컨트롤러(60)는 배기 가스 온도 또는 축열 물질 온도, 오일(엔진 오일 또는 변속기 오일) 온도, 냉각수 온도를 입력받고 이를 제어 인자로 취급함으로써, 개폐밸브(21)의 개폐 제어 또는 열교환기(40)의 제어를 수행한다.
본 실시예에 따라 상기 컨트롤러(60)가 수행하는 제어 로직은 이후 상세히 기술된다.
한편, 도 2는 본 실시예의 변형예로서, 특히 열교환기(40)의 변형예를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 변형된 열교환기(40)는 고온커넥터(42)와 열교환되는 저온 커넥터(43)에 오일 루프(430)가 냉각수 루프(530)를 감싸도록 이중으로 형성할 수 있고, 상기 오일 루프(430)와 냉각수 루프(530)에는 각각의 열교환 순환기(50)를 연결하여 준다.
상기 오일 루프(430)는 저온 커넥터(43)의 내부에 폐회로를 이루는 순환라인(431)과 연결되는 오일 라인(52)부위로 3방향밸브(432)를 구비하며, 상기 냉각수 루프(530)는 저온 커넥터(43)의 내부에서 폐회로를 이루는 순환 라인(531)과 연결되는 냉각수 라인(51)부위로 3방향밸브(532)를 구비한다. 그리고, 오일 루프(430)는 내연기관(엔진)에서 오일을 순환시키는 오일순환라인으로 이어지고, 냉각수 루프(530)는 내연기관(엔진)에서 냉각수를 순환시키는 냉각수순환라인으로 이어지며, 내연기관(엔진)의 배기매니폴드에서 이어지는 배기가스 라인은 축열기(10)로 연결된다. 이 경우, 상기 오일순환라인과 상기 냉각수 순환라인은 내연기관(엔진)의 기본적이면서 필수적인 구성요소이다. 또한 상기오일루프(430)의 상기 순환라인(431)은 3방향밸브(432)를 매개로 내연기관(엔진)과 오일이 공급 및 회수되도록 공급 및 회수라인으로 구성되며, 상기 냉각수 루프(530)의 상기 순환 라인(531)은 3방향밸브(532)를 매개로 내연기관(엔진)과 냉각수가 공급 및 회수되도록 공급 및 회수라인으로 구성된다.
도 3은 본 실시예에 따른 급속 승온 장치가 온도를 제어인자로 하는 컨트롤러(60)로직의 예로서, 이는 열유체와 오일(엔진 오일 또는 변속기 오일), 냉각수 사이에 열교환기(40)를 이용한 열교환이 이루어지기 위해서는 배기 가스와의 열교환을 통해서 축열 물질(12)이 충분히 승온되어야 한다.
단계S10에서 차량 시동이 확인되면, 컨트롤러(60)는 단계S20과 같이 오일(엔진오일 또는 변속기오일)온도 또는 냉각수 온도에 대한 조건를 이용해 급속 승온 장치의 작동 여부를 판단하게 된다.
판단조건은 오일온도Toil > 설정오일온도Toil-set 또는 냉각수온도Tcoolant > 설정냉각수온도Tcoolant-set 중 한가지 조건도 만족되지 않을 경우 적용하게 된다.
이때, 설정오일온도Toil-set 와 설정냉각수온도Tcoolant-set는 연비 저하를 가져오는 마찰 저항 증대 또는 일산화탄소(CO) 또는 탄화수소(HC)와 같은 유해 배출 가스를 다량으로 발생시키는 온도를 의미한다.
만약, 단계S20판단결과, 오일온도Toil > 설정오일온도Toil-set 또는 냉각수온도Tcoolant > 설정냉각수온도Tcoolant-set 중 한가지 조건이 만족되면, 현재 차량 상태는 오일(엔진 오일 또는 변속기 오일)과 냉각수를 승온시킬 필요가 없는 상태를 의미하므로 단계S30과 같이 급속 승온 장치는 작동되지 않는 오프(Off)상태를 유지한다.
반면, 단계S20판단결과, 오일온도Toil > 설정오일온도Toil-set 또는 냉각수온도Tcoolant > 설정냉각수온도Tcoolant-set 중 한가지 조건도 만족되지 않으면, 이어 단계S50과 같이 축열 물질 온도를 이용해 급속 승온 장치의 작동여부를 다시 한번 판단하게 된다.
판단조건은 축열물질온도T축열물질 ≤ 오일온도Toil 또는 T축열물질 ≤ 냉각수온도Tcoolant를 적용한다.
만약, 단계S50판단결과, 축열물질온도T축열물질 ≤ 오일온도Toil 또는 T축열물질 ≤ 냉각수온도Tcoolant중 한가지 조건이 만족되면, 현재 차량상태는 오일(엔진오일과 변속기오일)과 냉각수를 승온시킬 필요가 없는 상태를 의미하므로 단계S30과 같이 유체 급속 승온 장치는 작동되지 않는 상태(Off)로 유지하여 준다.
반면, 단계S50판단 결과, 축열물질온도T축열물질 ≤오일온도Toil 또는 T축열물질 ≤냉각수온도Tcoolant중 한가지 조건도 만족되지 않으면, 현재 차량상태는 오일(엔진 오일 또는 변속기 오일)과 냉각수를 승온시킬 수 있는 상태를 의미하므로 급속 승온 장치는 작동되는 상태(On)로 전환하며, 이때 열 유체 순환 펌프(31)를 작동한다.
이어, 상기와 같이 급속 승온 장치는 작동되지 않는 상태(Off)로 전환되면, 컨트롤러(60)는 단계S100과 같이 축열 물질 온도T축열물질 ≥ 설정 축열 물질 온도T축열물질-set에 대한 조건을 판단하여 준다.
만약, 단계S100판단결과, 축열 물질 온도T축열물질 ≥ 설정 축열 물질 온도T축열물질-set을 만족하면, 현재 축열물질(12)상태는 배기 가스 열을 이용하여 승온시킬 필요가 없는 상태를 의미하므로 단계S110과 같이 축열 물질(12)과 배기 가스간 열교환상태가 필요 없는 상태(Off)로 유지하여 준다.
이는, 도 4(가)의 [축열 물질 승온 불 필요]와 같이 제어 밸브(20)가 배기 파이프(1)의 전방 통공(2)과 후방 통공(3)사이를 열어줌으로써, 배기 파이프(1)를 흐르는 배기 가스는 축열기(10)를 지나지 않아 축열 물질(12)을 승온시켜주지 않은 상태로 외부로 배출됨을 의미한다.
반면, 단계S100판단 결과, 축열 물질 온도T축열물질 ≥ 설정 축열 물질 온도T축열물질-set을 만족하지 않으면, 현재 축열 물질(12)상태는 배기 가스 열을 이용하여 승온시킬 필요가 있는 상태를 의미하므로 단계S120과 같이 축열 물질(12)과 배기 가스간 열교환상태가 일어나는 상태(On)로 전환시켜 준다.
이는, 도 4(나)의 [축열 물질 승온 필요]와 같이 제어 밸브(20)가 배기 파이프(1)의 전방 통공(2)과 후방 통공(3)사이를 막아줌으로써, 배기 파이프(1)를 흐르는 배기 가스는 후방 통공(3)으로 가기 전 모두 전방 통공(2)으로 빠져 나와 축열물질(12)로 보내지게 된다.
이러한 상태로 전환되면, 배기가스는 축열 물질(12)로 침투되어 축열 물질(12)을 승온시켜준 후 축열물질(12)로 점유되지 않은 챔버공간(11a)으로 빠져나감으로써 축열기(10)의 챔버공간(11a)은 배기가스로 채워지게 된다.
상기 축열 물질(12)과 열교환된 후 상기 챔버 공간(11a)을 채운 배기 가스는 축열 물질(12)로 감싸여지지 않은 후방 통공(3)으로 다시 유입되고, 유입된 배기가스는 배기 파이프(1)를 타고 빠져나가게 된다.
상기와 같은 과정은 축열물질온도T축열물질 ≥ 설정축열물질온도T축열물질-set을 만족할 때 까지 시행된다.
이 경우 열유체 순환기(30)에 충진된 열유체의 온도는 승온된 축열 물질(12)과 열교환으로 함께 승온되어진다.
한편, 상기와 같은 과정을 거쳐 급속 승온 장치의 작동이 필요하게 되면, 도 4(다)와 같이 컨트롤러(60)는 열교환기(40)를 작동시켜줌으로써 고온의 열유체와 저온의 오일(엔진 오일 또는 변속기 오일)/냉각수간 열교환을 수행하게 된다.
이러한 상태에서는 열교환기(40)의 고온 커넥터(42)쪽으로 열유체 순환기(30)의 고온 열유체가 순환되고, 동시에 열교환기(40)의 저온 커넥터(43)쪽으로 열교환 순환기(50)의 저온 오일(엔진 오일 또는 변속기 오일)/냉각수가 순환됨으로써, 열교환기(40)의 내부에서 저온 오일(엔진 오일 또는 변속기 오일)/냉각수가 고온 열유체를 통해 승온된 후 내연 기관(엔진과 변속기)쪽으로 순환된다.
즉, 저온 상태에서 고온 상태로 승온된 냉각수는 냉각수라인(51)을 타고 엔진 쪽으로 들어가 저온 냉각수와 대체되고, 또한 저온 상태에서 고온 상태로 승온된 오일(엔진 오일 도는 변속기 오일)은 오일 라인(52)을 타고 엔진과 변속기 쪽으로 들어가 저온 오일과 대체된다.
이로 인해, 엔진과 변속기에는 고온의 냉각수와 오일이 지속적으로 공급됨으로써, 차량 시동 초기 또는 냉각시 연비저하를 가져오는 낮은 온도의 냉각수 또는 오일에 의한 마찰 저항 증대를 방지함은 물론, 특히 일산화탄소(CO) 또는 탄화수소(HC)와 같은 유해 배출 가스의 다량 발생을 방지하 수 있게 된다.
한편, 도 2에 예시된 열교환기(40)의 변형예의 경우 그 작용은 동일하며 다만, 전술한 바와 같이 급속 승온 장치의 작동이 필요할 때 컨트롤러(60)를 통한 3방향 밸브(432,532)의 제어가 더 요구됨으로써, 오일 라인(52)을 통해 공급된 저온 오일이 열교환된 후 순환 라인(431)을 흐르면서 이루어지는 오일 루프(430)의 흐름이 3방향 밸브(432)로 제어되고, 냉각수 라인(51)을 통해 공급된 저온 냉각수가 열교환된 후 순환 라인(531)을 흐르면서 이루어지는 냉각수 루프(530)의 흐름이 3방향 제어밸브(532)로 제어되는 차이가 있을 뿐 동일하게 구현되어진다. 그러므로 전술된 바와같이, 상기 오일 루프(430)의 상기 순환라인(431)은 3방향밸브(432)를 매개로 내연기관(엔진)과 오일이 공급 및 회수되도록 공급 및 회수라인으로 구성되며, 상기 냉각수 루프(530)의 상기 순환 라인(531)은 3방향밸브(532)를 매개로 내연기관(엔진)과 냉각수가 공급 및 회수되도록 공급 및 회수라인으로 구성된다.
상기와 같이 본 실시예에 따른 급속 승온 장치는 배기 파이프(1)에 구비된 제어 밸브(20)의 개폐 작용으로 배기 가스 폐열을 이용해 승온되는 축열 물질(12)을 내부로 갖춘 축열기(10)와, 상기 축열 물질(12)과 열교환으로 승온되어 순환 흐름을 형성하는 열유체를 갖춘 열유체 순환기(30)와, 한쪽으로 상기 열유체 순환기(30)의 고온 유체가 순환되고 반대쪽으로 내연 기관 쪽에 이어진 열교환 순환기(50)의 저온 유체인 오일(엔진 오일 또는 변속기 오일)/냉각수가 열교환으로 온도상승되도록 연결되는 열교환기(40)로 구성함으로써, 레이아웃으로 인한 공간제약을 가져오지 않게 구성할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 급속 승온 장치는 배기온을 이용해 승온되는 축열 물질(12)과 열교환으로 승온되는 열유체를 열교환기(40)로 순환시켜 오일(엔진 오일 또는 변속기 오일)/냉각수의 온도를 신속하게 높여줌으로써, 차량 시동 초기 또는 냉각시 연비저하를 가져오는 낮은 온도의 냉각수와 오일에 의한 마찰 저항 증대를 방지함은 물론, 특히 일산화탄소(CO) 또는 탄화수소(HC)와 같은 유해 배출 가스의 다량 발생을 방지할 수 있게 된다.
그러므로, 본 실시예와 같은 급속 승온 장치가 엔진 공회전 정지 제어로 도로 조건에 따라 엔진 시동을 끄거나 키는 동작을 반복적으로 구현함으로써 연료의 경제성을 구현하는 아이에스지(ISG,Idle Stop and Go) 차량에 적용되면, 엔진 꺼짐과 엔진 켜짐이 빈번하게 반복되더라도 오일(엔진 오일 또는 변속기 오일)/냉각수의 온도를 신속하게 높여줄 수 있게 되고, 이러한 특징으로 인해 아이에스지(ISG,Idle Stop and Go) 차량의 연비상승은 물론 일산화탄소(CO) 또는 탄화수소(HC)와 같은 유해 배출 가스도 크게 저감될 수 있게 된다.
1 : 배기 파이프 2, 3 : 전ㅇ후방 통공
10 : 축열기 11 : 챔버 하우징
11a : 챔버 공간 12 : 축열 물질
20 : 개폐 밸브
30 : 열유체 순환기
31 : 열유체 순환 펌프 32,33 : 유체유입ㅇ유체유출라인
40 : 열교환기 41 : 바디 하우징
42 : 고온 커넥터 43 : 저온 커넥터
50 : 열교환순환기 51 : 냉각수 라인
52 : 오일 라인 60 : 컨트롤러
430 : 오일 루프 431,531 : 순환 라인
432,532 : 3방향 밸브 530 : 냉각수 루프

Claims (14)

  1. 배기 파이프에 천공된 전방 통공과 후방 통공사이에 설치되어, 상기 후방 통공을 지나가기 전 배기 가스를 차단해 상기 전방 통공으로 배출하여 주는 제어 밸브와;
    상기 전방 통공과 상기 후방 통공을 가진 상기 배기 파이프가 내부에 위치되고, 상기 전방 통공으로 빠져나온 배기 가스와 열교환하여 승온되는 축열 물질을 내부로 갖춘 축열기와;
    상기 축열 물질과 열교환으로 승온되어 순환 흐름을 형성하는 열유체를 갖춘 열유체 순환기와;
    한쪽으로 상기 열유체 순환기의 고온 유체가 순환되고 반대쪽으로 내연기관쪽에 이어진 열교환 순환기에 엔진 오일 또는 변속기 오일중 하나인 오일 또는 냉각수가 순환되어 서로 열교환되도록 연결되고, 상기 배기 가스 온도와 상기 축열 물질 온도 또는 상기 엔진 오일 또는 상기 변속기 오일중 하나인 오일의 온도, 냉각수 온도를 제어 인자로 하는 컨트롤러에 의해 작동 제어되는 열교환기;
    를 포함해 구성된 것을 특징으로 하는 내연 기관의 급속 승온 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제어밸브는 배기가스의 온도변화로 통로를 개폐하는 써모스텟으로 이루어지거나 또는 상기 컨트롤러로 개폐 제어되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 급속 승온 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 축열기는 상기 배기 파이프의 전방 통공 부위를 상기 축열 물질로 감싸고, 상기 배기 파이프의 후방 통공이 위치하는 공간을 빈공간으로 형성하며, 그 내부로 단열물질을 더 덧대어 줄 수 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 급속 승온 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 축열 물질은 온도에 의해 상변화가 일어나는 물질로 이루어지고, 온도 센서 또는 배기 가스 온도에 대한 모델링(Modeling)을 통한 유추방식으로 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 급속 승온 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 열유체 순환기는 상기 축열기의 내부를 순환하는 열유체를 이송시키는 열유체 순환 펌프와, 상기 열교환기에서 나오는 저온의 열유체를 상기 축열기 쪽으로 흘려주는 저온 라인과, 상기 축열기의 내부에 상기 축열 물질과 열교환을 통해 승온된 고온의 열유체를 상기 열교환기쪽으로 다시 보내주도록 상기 저온 라인과 폐회로를 이루는 고온 라인으로 구성되어진 것을 특징으로 하는 내연 기관의 급속 승온 장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 열유체는 상기 축열 물질의 상변화 온도 이상의 온도 범위까지로 승온될 수 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 급속 승온 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 열교환기는 한쪽으로 고온의 열유체가 유입되어 열교환된 후 저온의 열유체로 다시 빠져나가는 흐름을 형성하도록 상기 열유체 순환기를 연결한 고온 커넥터와, 그 반대쪽으로 저온의 상기 엔진 오일 또는 상기 변속기 오일중 하나인 오일 또는 냉각수가 유입되어 열교환된 후 고온 상태로 다시 빠져나가는 흐름을 형성하도록 상기 열교환 순환기를 연결한 저온 커넥터로 구성되어진 것을 특징으로 하는 내연 기관의 급속 승온 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 저온 커넥터에는 상기 열교환 순환기의 오일 라인과 연결된 오일 루프가 상기 열교환 순환기의 냉각수 라인과 연결된 냉각수 루프를 감싸고, 서로 감싼 상태는 상기 오일 루프의 안쪽에 상기 냉각수 루프를 위치한 이중 배열로 이루어진 것을 특징으로 하는 내연 기관의 급속 승온 장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 오일 루프는 상기 저온 커넥터의 내부에 폐회로를 이루는 순환 라인과 연결되는 상기 오일 라인 부위로 3방향 타입 제어 밸브를 구비하며, 상기 3방향 타입 제어 밸브의 작용으로 상기 엔진쪽에서 나온 오일이 상기 열교환기를 거친 후 상기 엔진쪽으로 배출되거나 상기 열교환기를 거치지 않고 상기 엔진쪽으로 배출되고;
    상기 냉각수 루프는 상기 저온 커넥터의 내부에 폐회로를 이루는 순환 라인과 연결되는 상기 냉각수 라인 부위로 3방향 타입 제어 밸브를 구비하며, 상기 3방향 타입 제어 밸브의 작용으로 상기 엔진쪽에서 나온 냉각수가 상기 열교환기를 거친 후 상기 엔진쪽으로 배출되거나 상기 열교환기를 거치지 않고 상기 엔진쪽으로 배출되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 급속 승온 장치.
  10. 차량 시동후 설정된 엔진 오일 또는 변속기 오일중 하나인 오일의 온도 또는 냉각수 온도와 현 상태에서의 상기 엔진 오일 또는 상기 변속기 오일중 하나인 오일의 온도 또는 냉각수 온도를 서로 비교한 후, 상기 엔진 오일과 상기 변속기 오일중 하나인 오일과 냉각수의 승온 여부를 판단하는 가동 조건 판단 단계;
    상기 엔진 오일 또는 상기 변속기 오일중 하나인 오일 또는 냉각수의 승온의 필요성이 있으면, 상기 엔진 오일 또는 상기 변속기 오일중 하나인 오일 또는 냉각수의 온도를 높이기 위해 열유체을 이송할 때 배기가스와 열교환을 통해 승온되는 축열 물질의 승온 여부를 다시 판단하는 가동 조건 확인 단계;
    상기 축열 물질의 승온 필요시, 배기 가스와의 열교환을 통해 상기 축열 물질을 승온시켜주는 급속 승온 준비 단계;
    상기 엔진 오일 또는 상기 변속기 오일중 하나인 오일 또는 냉각수의 승온이 실행되면, 배기 파이프를 흐르는 배기 가스로 상기 축열 물질을 승온시키고, 상기 축열 물질과 열교환을 통해 승온된 열유체를 열교환기의 한쪽으로 보내 반대쪽으로 내연 기관에서 보내진 상기 엔진 오일 또는 상기 변속기 오일중 하나인 오일 또는 냉각수를 승온시켜주는 급속 승온 수행 단계;
    를 포함해 수행되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 급속 승온 제어 방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 가동 조건 판단 단계의 조건은 오일 온도Toil > 설정 오일 온도Toil-set 또는 냉각수 온도Tcoolant > 설정 냉각수 온도Tcoolant-set를 적용하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 급속 승온 제어방법.
  12. 청구항 10에 있어서, 상기 가동 조건 확인 단계는 오일 온도Toil > 설정 오일 온도Toil-set 또는 냉각수 온도Tcoolant > 설정 냉각수 온도Tcoolant-set 중 한가지 조건도 만족되지 않을 때, 축열 물질 온도T축열물질 ≤ 오일 온도Toil 또는 T축열물질 ≤냉각수 온도Tcoolant 를 적용하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 급속 승온 제어방법.
  13. 청구항 11 또는 청구항12에 있어서, 상기 설정 오일 온도Toil-set 와 설정 냉각수 온도Tcoolant-set은 연비 저하를 가져오는 마찰 저항 증대 또는 일산화탄소(CO) 또는 탄화수소(HC)와 같은 유해 배출 가스를 다량 발생시키는 차량 시동 초기나 엔진 냉각시 온도인 75℃ 이하인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 급속 승온 제어 방법.
  14. 청구항 10에 있어서, 상기 급속 승온 준비 단계는 축열 물질 온도T축열물질 ≥ 설정 축열 물질 온도T축열물질-set 를 만족할 때 까지 적용하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 급속 승온 제어 방법.
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