KR20110003319A - 과급 내연기관에 사용하는 장치 - Google Patents

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졸탄 카르도스
에릭 쇠데르베르그
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스카니아 씨브이 악티에볼라그
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Abstract

본 발명은 냉각기(10, 15) 내에 얼음이 형성되는 것을 방지하도록 구성된, 과급 연소 기관(2)용 장치에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 순환 냉매를 갖는 저온 냉각 시스템과, 수증기를 함유하는 기상 매체가 상기 저온 냉각 시스템 내의 냉매에 의해 냉각되게 한 냉각기(10, 15)를 포함한다. 또한, 본 발명의 장치는, 상기 저온 냉각 시스템 내의 냉매와 접촉하게 위치된 전기 가온 유닛(28, 28a, 28b)을 구비하는 전기 회로와; 전원(36, 36a, 36b)과; 상기 가온 유닛(28, 28a, 28b)과 전원(36, 36a, 36b)이 차단되도록 하는 제1 위치와, 상기 가온 유닛(28, 28a, 28b)과 전원(36)이 서로 연결되도록 해서 상기 가온 유닛(28, 28a, 28b)이 전기 에너지를 받아서 상기 저온 냉각 시스템 내의 냉매를 가온시킬 수 있게 하는 제2 위치에, 위치될 수 있는 회로 차단기(30, 30a, 30b)를 포함한다.

Description

과급 내연기관에 사용하는 장치{ARRANGEMENT AT A SUPERCHARGED INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 특허청구범위 제1항의 전제부에 따른 과급 연소 기관용 장치에 관한 것이다.
과급 연소 기관에 공급될 수 있는 공기의 양은 공기압뿐만 아니라 공기 온도에 따라서도 달라진다. 연소 기관으로 들어가는 공기의 가능한 최대의 공급량은 공기의 연소 기관으로 이르기 전의 효과적인 냉각에 수반된다. 공기는 일반적으로는 차량의 전방부에 설치된 급기 냉각기에서 냉각된다. 차량의 그 위치에서 급기 냉각기는 주변의 온도에 있는 냉각 공기류가 그 급기 냉각기를 통과하여 유동하게 하며, 이로 인해 압축 공기를 주변 온도에 근접한 온도까지 냉각시킬 수 있게 된다. 추운 날씨 상황에서, 압축 공기는 공기의 노점 온도 아래의 온도까지 냉각될 수 있고, 이로 인해 급기 냉각기에서는 수증기가 액상으로 응결(precipitation)된다. 주변 공기의 온도가 0℃보다 낮으면 응결되는 물이 급기 냉각기 내에서 얼음으로 빙결되는 위험도 있게 된다. 이와 같은 얼음 형성은 급기 냉각기 내의 공기류 도관이 크든지 적든지 간에 막히게 하고, 그 결과 연소 기관으로 유동하는 공기가 감소되게 되어 결국에는 작동 고장이나 정지가 야기된다.
EGR(Exhaust Gas Recirculation: 배기 가스 재순환)이라고 알려진 기술은 연소 기관에서 연소 과정 중에 나온 배기 가스의 일부를 재순환시키는 공지의 방식이다. 재순환 배기 가스는 혼합기가 연소 기관의 실린더에 이르기 전에 입인 공기와 혼합되어서 연소 기관으로 보내진다. 공기에 배기 가스를 추가하게 되면 연소 온도가 낮아지고, 그 결과 특히 배기 가스 중의 질소 산화물 NOX의 함량이 감소된다. 이 기술은 오토(Otto) 기관과 디젤 기관 모두에 사용된다. 연소 기관에 대량의 배기 가스를 공급함에는 배기 가스가 연소 기관에 이르기 전에 그 배기 가스를 유효하게 냉각시켜야 하는 것이 수반된다. 배기 가스는 연소 기관의 냉각 시스템으로부터 냉매에 의해 냉각되는 EGR 냉각기에서 제1 단계의 냉각을 거치게 된다. 따라서 배기 가스도 주변 온도에 근접한 온도까지 냉각되게 된다. 배기 가스는 수증기의 노점보다 낮은 온도까지 냉각되는 제2 단계의 냉각을 거쳤을 때에 EGR 냉각기 내에서 응축되게 되는 수증기를 함유한다. 주변 온도가 0℃ 이하인 때에는, 상기 두 번째의 EGR 냉각기 내에서 형성된 응축액이 그 안에서 얼음으로 빙결되는 위험도 있다. 이와 같은 얼음 형성은 EGR 냉각기 내의 배기 가스 도관이 크든지 적든지 간에 막히게 한다. 배기 가스 재순환이 중단되거나 아니면 상당한 수준으로 감소되면, 배기 가스 내의 질소 산화물의 함량이 증가하게 된다.
본 발명의 목적은 수증기를 함유하는 기상 매체가 냉각기에서 아주 양호하게 냉각될 수 있게 하고 이와 동시에 냉각기가 막히는 위험을 제거할 수 있도록 한 장치(arrangement)를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 특허청구범위 제1항에 나타낸 특징들로 특징지어지는, 서두에 언급한 바와 같은 종류의 장치에 의해 달성된다. 기상 매체가 효과적으로 냉각될 수 있도록 하기 위해, 저온 냉각 시스템이라고 칭하기도 하는 냉각 시스템 내의 냉매로 냉각시킬 필요가 있다. 저온 냉각 시스템 내의 냉매가 사용되는 경우, 본 발명의 장치는 액상의 물이 냉각기 내에서 응결되는 온도까지 냉각되는 것이 일반적이다. 냉매도 또한 0℃보다 낮게 냉각되면, 물이 냉각기 내에서 얼음으로 빙결되는 위험이 분명히 있다. 이와 같은 위험은 저온 냉각 시스템 내의 냉매의 온도가 낮으면 낮을수록 더 커진다. 본 발명에 따르면, 저온 냉각 시스템 내의 냉매를 가온시킬 필요가 있는 경우에는 가온시킬 수 있도록 하기 위해, 전기 가온 유닛과 회로 차단기를 구비하는 전기 회로가 사용된다. 연소 기관이 정상 작동하는 중에는 회로 차단기가 제1 위치에 놓이고, 이에 의해 전원이 전기 가온 유닛으로부터 차단된다. 이 위치에서, 가온 유닛은 냉각 시스템 내의 냉매를 가온시키는 데에 적혀 작용하지 않게 된다. 회로 차단기가 제2 위치에 놓이면, 전기 에너지가 전원으로부터 가온 유닛으로 보내지고, 그 결과 냉각 시스템 내의 냉매가 가온 유닛에 의해 가온된다. 이러한 가온은, 저온 냉각 시스템 내의 냉매가 기상 매체를 냉각시켜서 냉각기 내에 얼음이 형성되게 하는 위험을 발생시킬 정도로 낮은 온도에 있는 상황에서 바람직하다. 냉각기에 빙결 있거나 거의 빙결되는 위험에 처해 있다고 판단되는 경우, 회로 차단기를 수동으로 제2 위치에 위치시킬 수 있다. 얼음이 형성되는 위험이 사라졌을 때에, 회로 차단기는 제1 위치로 복귀시킨다. 이에 따라, 기상 매체가 냉각기 내에 아주 양호하게 냉각되고 이와 동시에 냉각기 내에서의 얼음 형성을 피할 수 있다.
본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 본 발명의 장치는 기상 매체가 냉각기 내에 얼음이 형성되어 있거나 혹은 얼음 형성의 위험이 있을 정도로 냉각되는지 여부를 나타내는 파라미터를 검출하도록 구성된 적어도 하나의 센서와, 상기 구성요소로부터 나온 정보를 받고, 냉각기 내에 얼음이 형성되거나 얼음 형성의 위험이 있는지 여부를 결정하고, 만일 그렇다면 회로 차단기를 제2 위치로 위치시킬 수 있도록 구성된 제어 유닛을 포함한다. 이와 같은 본 발명의 구성에 있어서, 회로 차단기는 냉각기 내에 얼음 형성 위험이 있을 때에 자동으로 제2 위치로 위치하게 구성할 수도 있다. 제어 유닛은 목적에 적절한 소프트웨어를 갖춘 컴퓨터 유닛으로 할 수 있다. 상기 센서는 저온 냉각 시스템 내의 냉매의 온도를 검출하는 온도 센서로 할 수 있다. 냉각기에 도달한 냉매의 온도가 0℃를 상회하면, 냉각기 내에 얼음이 형성되는 위험은 없다. 얼음 형성을 완벽하게 피하기 위해, 냉매의 온도가 0℃ 아래로 떨어지자마자 제어 유닛이 회로 차단기를 제2 위치로 위치시킬 수 있다. 본 발명의 장치는 바람직하기로는 냉각기 내에서의 기상 매체의 압력 강하 또는 온도 강하와 관련된 파라미터를 검출하도록 구성된 온도 센서 또는 압력 센서를 포함하는 것이 좋다. 한 센서는 냉각기에 이르기 전의 기상 매체의 압력 또는 온도를 검출하게 구성할 수 있고, 다른 하나는 냉각기를 빠져나갈 때의 기상 매체의 압력 또는 온도를 검출하게 구성할 수 있다. 냉각기 내의 압력 강하 또는 온도 강하가 소정의 값 내에 있지 않으면, 제어 유닛은 냉각기 내의 유동 경로가 얼음에 의해 막혀 있지 않은 것으로 알게 된다. 제어 유닛이 회로 차단기를 제2 위치로 위치시키는 경우, 저온 냉각 시스템 내의 냉매가 가온을 받을 수 있게 된다. 냉각기를 통과하여 유동하는 가온된 냉매는 냉각기 내에 형성되어 있는 얼음을 녹이게 된다. 얼음이 녹게 되면, 제어 유닛은 냉각기 내의 압력 강하 또는 온도 강하가 허용치까지 복귀되었다는 것을 나타내는 정보를 센서로부터 받는다. 제어 유닛은 회로 차단기를 제1 위치로 복귀시킨다. 냉각기 내에 제한된 양의 얼음 형성이 이루어지고 있는 경우라 해도, 냉각기에 빙결이 시작되기 전이어서 0℃ 이하의 냉매 온도가 허용 가능다면, 이 경우에서의 기상 매체의 냉각은 아주 효과적인 것이다.
본 발명의 또 다른 양호한 실시예에 따르면, 제2 냉각 시스템은, 순환하는 냉매가 주변의 온도에 있는 공기에 의해 냉각될 수 있도록 한 라디에이터 요소를 구비한다. 따라서 냉매는 주변 온도에 근접한 온도까지 냉각될 수 있다. 가온 유닛은 바람직하기로는 라디에이터 요소의 하류측 위치에서 저온 냉각 시스템 내에 위치되는 것이 좋다. 냉매가 라디에이터 요소 내에서 냉각된 후에 그 냉매는 최저 온도에 있게 되고, 그에 따라 위와 같은 위치에서 냉매를 가온시키는 것이 유리하다. 가온 유닛은, 제2 냉각 시스템 내에서의 정해진 냉매 유동 방향과 관련하여 냉각기의 상류측에 위치될 수 있다. 따라서 저온 냉각 시스템 내의 냉매는 냉각기 안에 이르기 전에 가온될 수 있다. 회로 차단기가 제2 위치에 있는 상황에서, 상당히 가온된 냉매가 냉각기 안으로 도입될 수 있고, 그에 따라 냉각기 내에 형성된 얼음이 신속하게 녹게 된다. 선택적으로, 가온 유닛은 냉각기 내에 위치될 수 있고, 이 경우 가온 유닛은 바람직하기로는 냉각기 내의 냉매용 입구에 근접하게 위치되는 것이 좋다.
본 발명의 또 다른 양호한 실시예에 따르면, 본 발명의 장치는 기상 매체가 고온 냉각 시스템에 이르기 전에 그 기상 매체가 고온 냉각 시스템 내의 냉매에 의해서 제1 단계의 냉각을 거치도록 한 추가 냉각기를 포함하고, 상기 기상 매체의 제2 단계의 냉각은 저온 냉각 시스템 내의 냉매에 의해 행해진다. 인입관에서 연소 기관으로 보내지는 압축 공기를 기상 매체로 할 수 있다. 공기가 압축되면, 일정량의 가열을 겪게 되는데, 이는 공기의 압축 정도와 관련된다. 과급 연소 기관에 있어서, 공기는 아주 고압에서 사용된다. 따라서, 그 과급 연소 기관의 공기는 유효한 냉각을 필요로 한다. 따라서, 압축 공기가 연소 기관에 이르기 전에 소망하는 저온에 이를 수 있도록, 압축 공기를 하나 이상의 냉각기에서 2 이상의 단계로 냉각시키는 것이 바람직하다. 상기 기상 매체는 또한 복귀 도관에서 연소 기관으로 이르는 재순환 배기 가스일 수도 있다. 배기 가스는 상기 복귀 도관에 다다를 때에는 500 내지 600℃의 온도에 있을 수 있다. 따라서 배기 가스가 연소 기관에 이르기 전에 소망하는 저온에 이를 수 있도록, 배기 가스를 하나 이상의 냉각기에서 2 이상의 단계로 냉각시키는 것이 바람직하다. 연소 기관을 냉각시키는 냉각 시스템은 정상 작동 중에는 80 내지 100℃의 온도에 있다. 따라서 이 냉각 시스템을 고온 냉각 시스템이라고 칭할 수 있다. 따라서 이와 같은 기존의 냉각 시스템을 기상 매체가 제1 단계의 냉각을 받을 수 있도록 하는 데에 아주 바람직하게 사용될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 양호한 실시예를 다음과 같은 첨부된 도면을 참조하여 일례로서 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 과급 연소 기관용 본 발명의 장치를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 과급 연소 기관용 본 발명의 장치를 도시하는 도면이다.
도 1은 개략적으로 도시한 차량(1)에 동력을 발생시키는 과급 연소 기관용 장치(arrangement)를 도시하고 있다. 본 실시예에서는 연소 기관이 디젤 기관(2)인 것으로 예를 들었다. 중장비 차량(1)에 동력을 공급하는 데에 디젤 기관(2)이 사용될 수 있다. 디젤 기관(2)의 다수의 실린더로부터 나오는 배기 가스는 배기 매니폴드(3)를 거쳐서 배기관(4)에 이르게 된다. 디젤 기관(2)에는 터빈(5)과 압축기(6)를 포함하는 터보 유닛이 마련된다. 대기압보다 높은 배기관(4) 내의 배기 가스는 처음에는 터빈(5)으로 보내진다. 따라서 터빈(5)에는 연결부를 통해서 압축기(6)로 전달되는 구동력이 제공된다. 압축기(6)는 이러한 구동력을 사용하여 공기 필터(7)를 거쳐서 공기 인입관(8) 안으로 인입되는 공기를 압축한다. 인입관 내의 공기는 처음에는 제1 냉매 냉각식 급기 냉각기(9)에서 냉각된다. 상기 제1 급기 냉각기(9)에서의 공기 냉각은 상기 연소 기관의 냉각 시스템으로부터 나온 냉매에 의해서 행해진다. 그 후에 압축 공기는 제2 냉매 냉각식 급기 냉각기(10)에서 냉각된다. 상기 제2 급기 냉각기(10)에서의 공기 냉각은 별도의 냉각 시스템으로부터 나온 냉매에 의해서 행해진다.
본 발명의 장치는 배기관(4) 내의 배기 가스의 일부를 재순환시키기 위한 복귀 도관(11)을 포함한다. 복귀 도관은 배기관(4)과 인입관(8) 사이에 연장부를 갖는다. 복귀관(11)은 이 복귀관(11) 내의 배기류가 차단될 수 있도록 하는 EGR 밸브(12)를 포함한다. EGR 밸브(12)는 또한 배기관(4)으로부터 복귀관(11)을 경유하여 인입관(8)으로 보내지는 배기 가스의 양을 단계적으로 제어하는 데에도 사용될 수 있다. 제어 유닛(13)이 디젤 기관(2)의 현재 작동 상태에 관한 정보에 근거하여 EGR 밸브(12)를 제어하도록 구성된다. 복귀관(11)은 배기 가스가 제1 단계의 냉각을 거치도록 하는 제1 냉매 냉각식 EGR 냉각기(14)를 포함한다. 배기 가스는, 상기 제1 EGR 냉각기(14)에서, 연소 기관의 냉각 시스템으로부터 나온 냉매에 의해서 냉각된다. 배기 가스는 냉매 냉각식 EGR 냉각기(15)에서 제2 단계의 냉각을 거치게 된다. 상기 EGR 냉각기(15)에서의 배기 가스의 냉각은 별도의 냉각 시스템으로부터 나온 냉매에 의해 행해진다.
과급 디젤 기관(2)에서의 특정 상황에서, 배기관(4) 내의 배기 가스의 압력은 인입관(8) 내의 압축 공기의 압력보다 낮게 된다. 이와 같은 작동 상황에서, 복귀관(11) 내의 배기 가스를 인입관(8) 내의 압축 공기와 바로 혼합시키는 것은 특별한 보조 수단이 없이는 가능하지 않다. 이를 위해, 예를 들면 형상을 가변시킬 수 있는 벤튜리(16) 또는 터보를 사용할 수 있다. 만일에 연소 기관(2)이 과급 오토 기관이라면, 복귀관(11) 내의 배기 가스는 인입관(8) 안으로 바로 들어갈 수 있는데, 그 이유는 오토 기관의 배기관(4) 내의 배기 가스는 실질적으로 모든 작동 상황에서 인입관(8) 내의 압축 공기보다 더 높은 압력에 있기 때문이다. 배기 가스가 인입관(8) 내의 압축 공기와 혼합되면, 그 혼합기는 매니폴드(7)를 거쳐서 디젤 기관(2)의 각 실린더로 보내진다.
연소 기관(2)은 순환하는 냉매를 수용하는 냉각 시스템에 의해서 통상의 방식대로 냉각된다. 냉매는 냉매 펌프(18)에 의해서 냉매 시스템 내에서 순환된다. 냉매의 주 유동은 연소 엔진(2)을 통해서 순환된다. 냉매가 연소 기관(2)을 냉각시킨 후, 그 냉매는 도관(21) 내에서 냉매 시스템의 서모스탯(19)에 이르게 된다. 상기 서모스탯(19)은, 냉매가 정상 작동 온도에 도달하면, 차량의 전방부에 설치된 라디에이터(20)로 냉매가 보내지게 해서 냉각되게 구성할 수 있다. 그렇지만 냉각 시스템 내의 냉매 중의 적은 양의 일부가 연소 기관(2)으로 복귀하지는 않지만 2개의 평행한 도관(22a, 22b)으로 분할되는 도관(22)을 통해서 순환하게 한다. 도관(22a)은 냉매를 제1 급기 냉각기(9)로 보내고, 이 제1 급기 냉각기에서 압축 공기는 제1 단계의 냉각을 거친다. 도관(22b)은 냉매를 제1 EGR 냉각기(14)로 보내고, 이 제1 EGR 냉각기에서 재순환 배기 가스가 냉각된다. 제1 급기 냉각기(9)에서 공기를 냉각시킨 냉매와, 제1 EGR 냉각기(14)에서 배기 가스를 냉각시킨 냉매는 도관(22)에서 다시 합쳐져서 도관(21)으로 복귀한다. 도관(21)에서는 가온된 냉매가 라디에이터(20)로 보내진다.
별도의 냉각 시스템은 차량(1)의 주변부에서 라디에이터(20)의 전방에 설치된 라디에이터 요소(24)를 포함한다. 이 경우, 상기 차량의 주변부는 차량(1)의 전방부에 위치하는 것이다. 라디에이터 팬(25)이 라디에이터 요소(24)와 라디에이터(20)를 관통하는 주변 공기의 공기류를 발생시키게 구성된다. 라디에이터 요소(24)는 라디에이터(20)의 전방에 위치하고, 냉매는 라디에이터 요소(24)에서 주변 온도에 있는 공기에 의해 냉각된다. 이에 따라 라디에이터 요소(24) 내의 냉매는 주변 온도에 근접한 온도까지 냉각될 수 있다. 라디에이터 요소(24)로부터 나온 냉각된 냉매는 펌프(27)에 의해서 도관(26) 내의 개별 냉각 시스템에서 순환된다. 가온 유닛(28)이 도관(26)에 배치된다. 필요한 경우, 별도의 냉각 시스템에서 냉각된 냉매는 가온 유닛(28)에 의해 가온될 수 있다. 가온 유닛(28)은 전기 회로 내에 구성된다. 전기 회로는 또한 제어 유닛(31)에 의해 개폐 위치에 놓일 수 있는 회로 차단기(30)도 포함한다. 회로 차단기가 폐쇄 위치에 있을 때, 가온 유닛(28)이 전원(36)에 연결되고, 그에 따라 전기 에너지를 받아서 별도의 냉각 시스템 내의 냉매를 가온시킨다.
별도의 냉각 시스템 내의 냉매가 가온 유닛(28)을 통과한 후의 지점에서, 도관(26)은 2개의 평행한 도관(26a, 26b)으로 분할된다. 도관(26a)은 냉매를 제2 급기 냉각기(10)로 보내고, 이 제2 급기 냉각기에서는 압축 공기가 제2 단계의 냉각을 거친다. 도관(26b)은 냉매를 제2 EGR 냉각기(15)로 보내고, 이 제2 EGR 냉각기에서는 재순환 배기 가스가 제2 단계의 냉각을 거친다. 냉매가 상기 제2 급기 냉각기(10)와 제2 EGR 냉각기(15)를 통과한 후에, 도관(26a, 26b)이 서로 합쳐진다. 그 후 냉매는 냉각을 위해 도관(26) 내에서 라디에이터 요소(24)로 보내진다. 제2 급기 냉각기(10) 안으로 보내지기 전의 공기의 압력을 검출하기 위해 공기 도관(8)에 제1 압력 센서(32)가 설치된다. 제2 급기 냉각기(10)를 통과한 후의 공기의 압력을 검출하기 위해 공기 도관(8)에 제2 압력 센서(33)가 설치된다. 제2 EGR 냉각기(15) 안으로 보내지기 전의 배기 가스의 압력을 검출하기 위해 복귀 도관(11)에 제3 압력 센서(34)가 설치된다. 제2 EGR 냉각기(15)를 통과한 후의 배기 가스의 압력을 검출하기 위해 복귀 도관(11)에 제4 압력 센서(35)가 설치된다. 제어 유닛(31)은 측정된 압력과 관련한 정보를 상기 센서들로부터 받을 수 있게 구성된다.
디젤 엔진(2)의 작동 중에, 배기 가스가 배기관(4)을 통하여 유동하여 터빈(5)을 구동시킨다. 따라서 터빈(5)에는 압축기(6)를 구동시키는 구동력이 제공된다. 압축기(6)는 공기 필터(7)를 거쳐서 공기 인입관(8) 안으로 주변 공기를 인입시켜서 그 공기를 인입관 안에서 압축한다. 따라서 인입관 내의 공기는 증가된 온도와 증가된 압력을 취하게 된다. 이렇게 압축된 공기는, 제1 급기 냉각기(9)에서, 상기 연소 기관의 냉각 시스템 내의 라디에이터 액체에 의해서 냉각된다. 여기서, 라디에이터 액체는 약 80 내지 85℃의 온도를 유지한다. 따라서, 압축된 공기는, 제1 급기 냉각기(9)에서, 냉매의 온도에 근접한 온도까지 냉각되는 제1 단계의 냉각을 거치게 된다. 그 후, 압축된 공기는 제2 급기 냉각기(10)를 통해서 보내져서, 그 제2 급기 냉각기(10)에서 별도의 냉각 시스템의 냉매에 의해서 냉각된다. 여기서, 냉매는 주변 온도에 근접한 온도에 있다. 따라서, 압축된 공기는 바람직하기로는 주변 온도에 근접한 온도로 냉각되는 것이 좋다.
디젤 기관(2)의 대부분의 작동 상태에서, 제어 유닛(13)은 EGR 밸브(12)를 개방 상태로 유지하고, 그에 따라 배기관(4) 내의 배기 가스의 일부가 복귀관(11) 안으로 보내진다. 배기관(4) 내의 배기 가스는 제1 EGR 냉각기(14)에 이르렀을 때에는 약 500 내지 600℃의 온도에 있게 된다. 재순환하는 배기 가스는 상기 제1 EGR 냉각기(14)에서 연소 기관의 냉각 시스템의 냉매에 의해서 냉각되는 제1 단계의 냉각을 거친다. 연소 기관의 냉각 시스템의 냉매는 비교적 높은 온도이기는 하지만 배기 가스의 온도보다는 절대적으로 낮은 온도에 있게 된다. 따라서 제1 EGR 냉각기(14)에서 배기 가스를 양호하게 냉각시키는 것이 가능하다. 그 후, 재순환 배기 가스는 제2 EGR 냉각기(15)로 보내지고, 그 제2 EGR 냉각기에서 별도의 냉각 시스템의 냉매에 의해서 냉각된다. 이 냉매는 절대적으로 보다 더 낮은 온도에 있고, 냉매는 바람직하게도 주변 온도에 근접한 온도로 냉각될 수 있다. 따라서, 복귀관(11) 내의 배기 가스는 압축 공기가 혼합되어서 연소 기관(2) 안으로 보내지기 전의 압축 공기의 낮은 온도와 실질적으로 동일한 온도로까지 냉각되는 냉각을 거칠 수 있게 된다. 따라서 실질적으로 최적의 양의 공기와 배기 가스가 연소 기관으로 보내질 수 있다. 따라서 연소 기관(2) 내의 연소가 실질적으로 최적의 성능으로 행해질 수 있다. 낮은 온도의 압축 공기와 재순환 배기 가스도 또한 연소 온도를 더 낮추는 결과를 가져오고 그에 따라 배기 가스 중의 질소 산화물의 함량이 더 낮아진다.
압축 공기와 재순환 배기 가스의 이와 같은 효과적인 냉각도 단점을 가지긴 한다. 압축 공기는 제2 급기 냉각기(10)에서 냉각되는데, 상기 제2 급기 냉각기(10) 내에 액상 물이 응결되는 온도까지 냉각된다. 마찬가지로, 제2 EGR 냉각기(15) 내의 배기 가스는 이 제2 EGR 냉각기(15) 안에 응축액을 형상하게 되는 온도까지 냉각된다. 주변 공기의 온도가 0℃보다 낮으면, 상기 제2 급기 냉각기(10) 안에 얼음으로 빙결되게 될 물을 응결시키는 위험이 있고, 제2 EGR 냉각기(15) 안에 얼음으로 빙결되게 될 응축액을 응결시키는 위험이 있다. 상기 제2 급기 냉각기(10)와 제2 EGR 냉각기(15) 안에 얼음이 형성되면 연소 기관(2)의 작동이 심각하게 교란된다. 상기 제2 급기 냉각기(10)와 제2 EGR 냉각기(15)에 빙결이 발생하는 것을 방지하기 위해, 제어 유닛(31)은, 상기 제2 급기 냉각기(10) 전과 후의 공기의 압력과 관련한 정보를 압력 센서(32, 33)로부터 실질적으로 계속해서 받고, 상기 제2 EGR 냉각기(15) 전과 후의 재순환 배기 가스의 압력과 관련한 정보를 압력 센서(34, 35)로부터 실질적으로 계속해서 받는다. 압력 센서(32, 33)가 상기 제2 급기 냉각기(10) 내의 소정의 문턱치(threshold value)를 초과하는 압력 강하를 나타내는 경우, 제어 유닛(31)은 상기 제2 급기 냉각기(10) 내에 얼음이 형성된 것으로 안다. 압력 센서(34, 35)가 상기 제2 EGR 냉각기(15) 내의 소정의 문턱치(threshold value)를 초과하는 압력 강하를 나타내는 경우, 제어 유닛은 마찬가지로 상기 제2 EGR 냉각기(15) 내에 얼음이 형성된 것으로 안다.
제어 유닛(31)이 위와 같은 정보를 받게 되면, 회로 차단기(30)가 폐쇄 위치에 놓이게 되고, 그에 따라 가온 유닛(28)이 전원(36)으로부터 전기 에너지를 받게 된다. 따라서, 가온 유닛(28)이 별도의 냉매 시스템을 통과 유동하는 냉각된 냉매를 가온시키게 된다. 가온 유닛(28)은, 별도의 냉각 시스템 안에서의 냉매의 정해진 유동 방향과 관련하여 상기 제2 급기 냉각기(10)와 제2 EGR 냉각기(15)의 상류측과 라디에이터 요소(24)의 측의 위치에서, 별도의 냉각 시스템에 위치된다. 별도의 냉각 시스템의 냉매는, 이 냉매가 상기 제2 급기 냉각기(10)와 제2 EGR 냉각기(15)로 보내지기 전에 상당히 가온된다. 가온된 냉매가 상기 제2 급기 냉각기(10)와 제2 EGR 냉각기(15)를 통과하게 되면 이들 냉각기(10, 15) 안에 형성된 얼음이 신속하고 효과적으로 녹는다.
제어 유닛(31)은 상기 제2 급기 냉각기(10)와 제2 EGR 냉각기(15) 안의 압력 강하가 허용치로 복귀했다는 정보를 받자마자 회로 차단기(30)를 개방시켜서, 가온 유닛(28)과 전원(36) 간의 연결이 차단되도록 하고, 이에 의해 가온 유닛(28)으로 전기 에너지가 공급되는 것이 중단된다. 별도의 냉각 시스템 내의 냉매의 가온이 중지되고, 라디에이터 요소(24) 안에서 냉각된 냉각 냉매가 상기 제2 급기 냉각기(10) 내의 공기와 상기 제2 EGR 냉각기(15) 내의 배기 가스를 냉각시키는 데 재사용된다. 차량의 정상 작동 중에 아주 낮은 외기 온도가 발생하면, 제어 유닛(31)은 상기 제2 급기 냉각기(10)와 제2 EGR 냉각기(15) 내에 너무 많은 얼음이 형성되는 것을 방지하기 위해 정기적 간격으로 회로 차단기(30)를 폐쇄 위치로 위치시킨다. 이와 같은 본 발명의 장치에서는, 상기 제2 급기 냉각기(10) 내의 공기와 상기 제2 EGR 냉각기(15) 내의 배기 가스를 아주 효과적으로 냉각시키는 것을 가능하게 한다. 그와 함께, 연소 기관(2)의 작동을 교란시키게 되는 얼음이 상기 제2 급기 냉각기(10)와 제2 EGR 냉각기(15) 내에 형성되는 것을 방지한다. 차량(1)의 냉간 시동 중이라 해도, 상기 제2 급기 냉각기(10)와 제2 EGR 냉각기(15)에 얼음이 형성되는 것을 방지하기 위하여 회로 차단기(30)를 폐쇄 위치로 위치시킬 수 있다.
도 2는 제2 급기 냉각기(10)로 보내지는 냉매를 필요한 경우에 가온시키는 데에 별도의 가온 유닛(28a)을 사용하는 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 상기 가온 유닛(28a)은 상기 제2 급기 냉각기(10)로 냉매를 보내는 도관(26a)에 설치된다. 또한, 회로 차단기(30a)와 전원(36a)을 구비한 전기 회로가 사용된다. 따라서 상기 제2 급기 냉각기(10)로 보내지는 냉매를 쉽게 가온시킬 수 있다. 제2 EGR 냉각기(15)로 보내지는 냉매를 가온시키는 데에 제2 가온 유닛(28b)이 사용된다. 상기 제2 가온 유닛(28b)은 상기 제2 EGR 냉각기(15)로 냉매를 보내는 도관(26b)에 설치된다. 여기서도, 또한, 회로 차단기(30b)와 전원(36b)을 구비한 전기 회로가 사용된다. 따라서 상기 제2 EGR 냉각기(15)로 보내지는 냉매도 마찬가지로 쉽게 가온시킬 수 있다. 상기 2개의 가온 유닛(28a, 28b)은 상기 제2 급기 냉각기(10)와 제2 EGR 냉각기(15)로 보내지는 냉매를 개별적으로 가온시킬 수 있다. 따라서, 상기 가온 유닛(28a, 28b)은 상기 냉각기(10, 15) 중 어느 하나에 얼음 형성의 위험이 있을 때에 서로 독립적으로 작동될 수 있다. 상기 가온 유닛(28a, 28b)은 그들 각각의 냉각기(10, 15)의 외측에 그 냉각기(10, 15)의 냉매 입구에 근접하게 설치된다. 선택적으로, 상기 가온 유닛(28a, 28b)은 그들 각각의 냉각기(10, 15)의 내측에 그 냉각기(10, 15)의 냉매 입구에 근접하게 설치될 수도 있다.
본 발명은 어떠한 방식으로든지 도면에 도시된 실시예에 제한되지 않으며 특허청구범위의 범위 내에서 자유롭게 변경할 수 있다. 전술한 실시예에서, 냉각기 내에 얼음이 형성됨을 나타내는 파라미터로서의 냉각기를 가로지는 압력 강하를 결정하는 데에 압력 센서가 사용되었다. 마찬가지로, 냉각기 내에 얼음이 형성됨을 나타내는 파라미터로서 냉각기 내의 온도 강하를 결정하는 데에 온도 센서가 사용되었다. 또 다른 선택적 실시예에 따르면, 냉각기(10, 15)로 보내지는 냉매의 온도를 검출하는 데에 온도 센서가 사용될 수 있다. 냉매의 온도가 0℃를 상화하면, 냉각기(10, 15) 내에 얼음 형성이 발생하지 않은 것이다. 도시된 실시예에서, 본 발명의 장치는 상기 제2 급기 냉각기(10)와 제2 EGR 냉각기(15)에 실질적으로 얼음 형성이 없게 유지시키는 데 사용된다. 또한, 본 발명의 장치는 상기 냉각기(10, 15) 중 하나에만 실질적으로 얼음 형성이 없게 유지시키는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 장치는 터보 유닛이 연소 기관으로 보내지는 공기를 압축하는 데 사용되는 과급 연소 기관용으로 의도되었다. 물론, 본 발명의 장치는 하나 이상의 터보 유닛으로 공기를 압축하는 과급 연소 기관용으로도 사용될 수 있다. 이 경우, 제1 급기 냉각기(9)는 여러 터보 유닛들의 압축기들에서의 압축 단계들 사이에서 공기를 냉각시키는 중간 냉각기로서 사용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 순환 냉매를 갖는 저온 냉각 시스템과, 수증기를 함유하는 기상 매체가 상기 저온 냉각 시스템 내의 냉매에 의해 냉각되게 한 냉각기(10, 15)를 포함하는, 과급 연소 기관(2)용 장치에 있어서,
    상기 저온 냉각 시스템 내의 냉매와 접촉하게 위치된 전기 가온 유닛(28, 28a, 28b)을 구비하는 전기 회로;
    전원(36, 36a, 36b); 및
    상기 가온 유닛(28, 28a, 28b)과 전원(36, 36a, 36b)이 차단되도록 하는 제1 위치와, 상기 가온 유닛(28, 28a, 28b)과 전원(36)이 서로 연결되도록 해서 상기 가온 유닛(28, 28a, 28b)이 전기 에너지를 받아서 상기 저온 냉각 시스템 내의 냉매를 가온시킬 수 있게 하는 제2 위치에, 위치될 수 있는 회로 차단기(30, 30a, 30b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    기상 매체가 상기 냉각기(10, 15) 내에 얼음이 형성되어 있거나 혹은 얼음 형성의 위험이 있을 정도로 냉각되는지 여부를 나타내는 파라미터를 검출하도록 구성된 적어도 하나의 센서(32 ~ 35)와,
    상기 센서(32 ~ 35)로부터 나온 정보를 받고, 상기 냉각기(10, 15) 내에 얼음이 형성되거나 얼음 형성의 위험이 있는지 여부를 결정하고, 만일 그렇다면 회로 차단기(30)를 제2 위치로 위치시킬 수 있도록 구성된 제어 유닛(31)을 포함하는 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각기(10, 15) 내의 기상 매체의 압력 강하 또는 온도 강하에 관련된 파라미터를 검출하도록 구성된 압력 센서(32 ~ 35) 또는 온도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
  4. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저온 냉각 시스템은, 순환하는 냉매가 주변 온도에 있는 공기에 의해 냉각되게 하는 라디에이터 요소(24)를 포함하는 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
  5. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가온 유닛(28, 28a, 28b)은, 상기 라디에이터 요소(24)의 하류측 위치에서, 상기 저온 냉각 시스템 내에 위치된 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가온 유닛(28, 28a, 28b)은, 상기 저온 냉각 시스템 내에서의 냉매의 정해진 유동 방향과 관련한 상기 냉각기(10, 15)의 상류측 위치에서, 상기 저온 냉각 시스템 내에 위치된 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 가온 유닛(28, 28a, 28b)은 상기 냉각기(10, 15) 내에 위치된 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
  8. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    기상 매체가 상기 냉각기(10, 15)에 이르기 전에 고온 냉각 시스템 내의 냉매에 의해서 제1 단계의 냉각을 거치게 하는 추가 냉각기(9, 14)를 포함하고, 상기 냉각기(10, 15)에서는 상기 기상 매체가 상기 저온 냉각 시스템 내의 냉매에 의해 냉각되는 제2 단계의 냉각을 거치는 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
  9. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기상 매체는 인입관(8)에서 연소 기관으로 보내지는 압축 공기인 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
  10. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기상 매체는 복귀관(11)에서 연소 기관으로 보내지는 재순환 배기 가스인 것을 특징으로 하는 과급 연소 기관용 장치.
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