KR20150092302A - 내연기관용 냉각 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

내연기관 (1) 용 냉각 시스템은 고온 냉각 회로 (2), 저온 냉각 회로 (3) 및 상기 고온 냉각 회로 (2) 에서부터 상기 저온 냉각 회로 (3) 에 열을 전달하기 위한 열교환기 (4) 를 포함한다.

Description

내연기관용 냉각 시스템 및 방법 {COOLING SYSTEM AND METHOD FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 청구항 1 의 전제부에 따른 내연기관용 냉각 시스템에 관한 것이다. 본원은 또한 다른 독립항의 전제부에 따른 내연기관의 고온 냉각 회로의 냉각 매체를 냉각하는 방법에 관한 것이다.
대형 내연기관들, 예를 들어 선박 또는 발전소 엔진들에는 종종 2 개의 별도의 냉각 회로들, 즉 고온 (HT) 회로 및 저온 (LT) 회로가 제공된다. HT 회로는 실린더 라이너들 및 실린더 헤드들의 온도를 제어하는데 사용된다. HT 회로는 또한 2 단 급기 냉각기 (charge air cooler) 의 고온 부분에 연결된다. LT 회로는 급기 냉각기 및 윤활유 냉각기의 저온 부분에 사용된다. HT 회로에서의 온도는, 엔진 유형에 따라서, 통상적으로 대략 70 ~ 102 ℃ 이고, LT 회로에서는 38 ~ 50 ℃ 이다. HT 회로에서 비교적 고온은, 저부하들에서도 저품질 중질 연료들의 안전한 점화 및 연소를 보장하기 위해서, 실린더들의 구성품들에서의 온도 변동들을 최소화하기 위해서, 그리고 과도한 냉각으로 유발될 수 있는 부식을 방지하기 위해서 바람직하다.
특히, 현대식 4 행정 엔진들에서, 보다 효율적이고 보다 강력한 과급기들로 인해 성능 증가를 크게 달성하였다. 높은 급기 압력들은 급기 냉각기들 이전에 높은 급기 온도들을 유발한다. 이의 직접적인 결과는 HT 회로에서 냉각 매체의 온도를 증가시키는 것이다. 냉각 매체의 온도가 100℃ 를 초과하여 상승하면, HT 회로의 저압 부분들에서 냉각 매체가 비등할 위험이 있다. HT 회로에서 냉각 매체의 증가된 온도는, 특히 보다 효율적인 과급기들에 의해 업그레이드된 엔진들에서 문제가 된다. 냉각 매체의 온도는 HT 회로에서 유량을 증가시킴으로써 낮춰질 수 있지만, 이는 통상적으로 경제적이지 않고 그리고 많은 경우들에 있어서 냉각 시스템의 구성품들의 치수결정으로 인해 심지어 가능하지 않게 된다.
본 발명의 목적은 내연기관용 개선된 냉각 시스템을 제공하는 것이다. 본원에 따른 냉각 시스템의 특징적 구성들은 청구항 1 의 특징부에 주어진다. 본원의 다른 목적은 내연기관의 고온 냉각 회로의 냉각 매체의 온도를 저감시키는 개선된 방법을 제공하는 것이다. 본 방법의 특징적 구성들은 다른 종속항의 특징부에 주어진다.
본원에 따른 냉각 시스템은 고온 냉각 회로 및 저온 냉각 회로를 포함한다. 냉각 시스템에는 고온 냉각 회로에서부터 저온 냉각 회로에 열을 전달하기 위한 열교환기가 제공된다.
본원에 따른 방법에서, 고온 냉각 회로의 냉각 매체는 열교환기를 통하여 안내되고, 이 열교환기에서 열은 고온 냉각 회로의 냉각 매체에서부터 저온 냉각 회로의 냉각 매체에 전달된다.
냉각 시스템 및 냉각 방법에 의하여, 고온 냉각 회로에서의 냉각 매체의 온도는 냉각 시스템의 외부 구성품들의 변형없이 원하는 온도 한계들내에 유지될 수 있다. 냉각 시스템은 보다 효율적인 과급 시스템들로 업그레이드된 종래의 엔진들에 용이하게 적용될 수 있다.
본원의 일 실시형태에 따라서, 고온 냉각 회로의 냉각 매체 및 저온 냉각 회로의 냉각 매체는 열교환기를 통하여 유동하도록 배열될 수 있다. 본원의 다른 실시형태에 따라서, 열교환기는 저온 냉각 회로에 배열되고, 고온 냉각 회로에는 열교환기를 통하여 냉각 매체를 선택적으로 안내하기 위한 수단이 제공된다. 열교환기를 통하여 냉각 매체를 선택적으로 안내하기 위한 수단은 열교환기의 바이패스를 허용하는 선택기 밸브를 포함할 수 있다.
본원의 실시형태들은 첨부된 도면을 참조하여 보다 자세히 이하 설명된다.
도 1 은 내연기관의 냉각 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 1 에서는 내연기관 (1) 의 냉각 시스템을 개략적으로 도시한다. 엔진 (1) 은 전기를 생성하기 위한 발전소에 사용되는 엔진 또는 선박의 메인 또는 보조 엔진과 같은 대형 내연기관이다. 엔진 (1) 의 냉각 시스템은 2 개의 별개의 냉각 회로들 (2, 3) 을 포함한다. 냉각 회로들 (2, 3) 둘 다는 폐쇄 회로들이다. 냉각 회로들 (2, 3) 중 하나는 고온 냉각 회로 (2) 이고, 다른 하나는 고온 냉각 회로 (2) 에서 보다 냉각 매체의 온도가 낮은 저온 냉각 회로 (3) 이다. 고온 냉각 회로 (2) 에서의 온도는 통상적으로 대략 70 ~ 105 ℃ 이고, 저온 냉각 회로에서는 35 ~ 55 ℃ 이다. 냉각 회로들 (2, 3) 에서의 냉각 매체는 예를 들어 물일 수 있다. 냉각 매체는 또한 예를 들어 부식을 방지하기 위한 첨가제들을 포함할 수 있다. 각각의 냉각 매체 회로 (2, 3) 에는 냉각 매체를 순환시키기 위한 펌프 (8, 9) 가 제공된다. 도면의 실시형태에 있어서, 냉각 시스템에는 외부 냉각 회로 (13) 가 추가로 제공되고, 여기에서 열은 고온 및 저온 냉각 회로들 (2, 3) 에서부터 외부 냉각 회로 (13) 에 전달된다. 하지만, 고온 및 저온 냉각 회로들 (2, 3) 에 열교환기들을 제공할 수도 있고, 여기에서 열은 냉각 공기 또는 물로 전달되고, 이러한 경우에 외부 냉각 회로 (13) 가 필요하지 않을 수 있다. 외부 냉각 회로 (13) 에는 이 회로 (13) 에서 냉각 매체를 순환시키기 위한 펌프 (12) 가 제공된다. 외부 냉각 회로 (13) 는 또한 저온 냉각 회로 (3) 에서부터 외부 냉각 회로 (13) 에 열을 전달하기 위한 저온 열교환기 (15) 및 고온 냉각 회로 (2) 에서부터 외부 냉각 회로 (13) 에 열을 전달하기 위한 고온 열교환기 (16) 를 포함한다. 고온 열교환기 (16) 는 저온 열교환기 (15) 이후에 외부 냉각 회로 (13) 의 냉각 매체의 유동 방향에 배열된다. 외부 냉각 회로 (13) 는 개방 또는 폐쇄 회로일 수 있다. 외부 냉각 회로 (13) 는 외부 냉각 회로 (13) 의 냉각 매체로부터 멀리 열을 전달하기 위한 1 개 이상의 추가의 열교환기들을 포함할 수 있다.
고온 냉각 회로 (2) 에서, 냉각 매체는 펌프 (8) 에서부터 엔진 (1) 으로 유동하고, 여기에서 열은 엔진 (1) 의 실린더 라이너들 및 실린더 헤드들에서부터 냉각 매체에 전달된다. 엔진 (1) 으로부터, 고온 냉각 회로 (2) 의 냉각 매체는 제 1 급기 냉각기 (7) 로 유동한다. 제 1 급기 냉각기 (7) 는 과급기 (17) 의 압축기 (11) 에 연결된다. 제 1 급기 냉각기 (7) 에서, 열은 급기에서부터 고온 냉각 회로 (2) 의 냉각 매체에 전달된다. 엔진 (1) 에 2 단 과급이 제공되면, 제 1 급기 냉각기 (7) 는 또한 2 개의 단계들 사이에 배열될 수 있다. 고온 냉각 회로 (2) 에서의 압력은 제 1 급기 냉각기 (7) 이후에 통상적으로 대략 2.5 bar 이다. 제 1 급기 냉각기 (7) 로부터, 냉각 매체는 고온 열교환기 (16) 로 유동하고, 여기에서 열은 고온 냉각 회로 (2) 의 냉각 매체에서부터 외부 냉각 회로 (13) 의 냉각 매체에 전달된다. 그 후, 고온 냉각 회로 (2) 의 냉각 매체는 저온에서 펌프 (8) 로 복귀된다. 냉각 매체의 압력은 이 단계에서 통상적으로 대략 1.5 bar 이다.
저온 냉각 회로 (3) 에서, 냉각 매체는 펌프 (9) 로부터 제 2 급기 냉각기 (10) 로 유동한다. 제 2 급기 냉각기 (10) 는 급기의 유동 방향에서 제 1 급기 냉각기 (7) 로부터 하류측에 배열된다. 제 2 급기 냉각기 (10) 에서, 열은 급기에서부터 저온 냉각 회로 (3) 의 냉각 매체에 전달된다. 저온 냉각 회로 (3) 에서의 압력은 제 2 급기 냉각기 (10) 이후에 통상적으로 대략 2.5 bar 이다. 제 2 급기 냉각기 (10) 로부터, 급기는 엔진 (1) 의 흡기 매니폴드로 안내된다. 냉각 매체는 제 2 급기 냉각기 (10) 로부터 윤활유 냉각기 (14) 로 안내되고, 여기에서 열은 엔진 (1) 의 윤활유로부터 저온 냉각 회로 (3) 의 냉각 매체로 전달된다. 윤활유 냉각기 (14) 로부터, 냉각 매체는 저온 열교환기 (15) 로 유동하고, 여기에서 열은 저온 냉각 회로 (3) 의 냉각 매체에서부터 외부 냉각 회로 (13) 에 전달된다. 저온 냉각 회로 (3) 에서 냉각 매체의 압력은 이 단계에서 통상적으로 대략 1.5 bar 이다. 저온 냉각 회로 (3) 에는 또한 바이패스 밸브 (17) 및 바이패스 덕트 (18) 가 제공된다. 바이패스 덕트 (18) 는 제 2 급기 냉각기 (10) 에 평행하게 배열된다. 바이패스 밸브 (17) 는, 더 높은 급기 온도가 필요하면, 바이패스 덕트 (18) 를 통하여 유동되어 제 2 급기 냉각기 (10) 를 바이패스하는데 사용될 수 있다.
고온 냉각 회로 (2) 에서 냉각 매체의 과도한 가열을 방지하기 위해서, 냉각 시스템에는 고온 냉각 회로 (2) 의 냉각 매체에서부터 저온 냉각 회로 (3) 의 냉각 매체에 열을 전달하기 위한 열교환기 (4) 가 제공된다. 고온 냉각 회로 (2) 및 저온 냉각 회로 (3) 둘 다의 냉각 매체는 열교환기 (4) 를 통하여 유동하도록 배열될 수 있다. 따라서, 열교환기 (4) 는 액체-액체 열교환기이다. 도면의 실시형태에 있어서, 열교환기 (4) 는 저온 냉각 회로 (3) 에 배열되고, 고온 냉각 회로 (2) 의 냉각 매체는 열교환기 (4) 를 통하여 선택적으로 안내될 수 있다. 열교환기 (4) 는 윤활유 냉각기 (14) 로부터 하류측 및 저온 열교환기 (15) 로부터 상류측 저온 냉각 회로 (3) 에 위치된다. 고온 냉각 회로 (2) 는 열교환기 (4) 를 통하여 냉각 매체를 선택적으로 안내하기 위한 수단 (5, 6) 을 포함한다. 이 수단 (5, 6) 은 열교환기 (4) 를 통하여 냉각 매체를 안내하기 위한 선택기 밸브 (5) 및 냉각 덕트 (6) 를 포함한다. 냉각 덕트 (6) 는 선택기 밸브 (5) 에 또한 이 선택기 밸브 (5) 로부터 하류측 고온 냉각 회로 (2) 의 일 지점에 연결된다. 선택기 밸브 (5) 로 인해, 열교환기 (4) 는, 여기에서 고온 냉각 회로 (2) 의 냉각 매체의 과도한 가열 위험이 없다면, 바이패스될 수 있다. 선택기 밸브 (5) 는 자동 온도 제어된 밸브일 수 있고, 이 자동 온도 제어된 밸브는, 고온 냉각 회로 (2) 에서 냉각 매체의 온도가 미리 정해진 한계값을 초과하면 냉각 매체를 열교환기 (4) 로 안내한다.
본원에 따른 냉각 시스템에 의하여, 고온 냉각 회로 (2) 에서의 냉각 매체의 온도는 원하는 한계들내에 유지될 수 있다. 이 시스템은 특히 보다 효율적인 과급기들 (7) 로 종래의 엔진 (1) 이 업그레이드되면 유리하다. 종래의 냉각 시스템을 업그레이드하기 위해서는 작은 변경만이 필요하다. 냉각 회로들 (2, 3, 13) 에서의 유량들 및 덕트 크기들은 변경되지 않아야 한다.
본원은 전술한 실시형태들에만 제한되지 않고 첨부된 청구범위의 관점에서 변경될 수 있음을 당업자라면 이해할 것이다. 예를 들어, 열교환기는 고온 냉각 회로에 배열될 수 있고, 저온 냉각 회로의 냉각 매체는 열교환기를 통하여 유동하도록 선택적으로 배열될 수 있다. 냉각 회로들은 실시형태들에 도시된 바와 다른 물체들을 또한 냉각하도록 배열될 수 있다. 냉각될 물체들은 또한 다른 순서대로 배열될 수 있다.

Claims (7)

  1. 내연기관 (1) 용 냉각 시스템으로서,
    상기 냉각 시스템은 고온 냉각 회로 (2) 와 저온 냉각 회로 (3) 를 포함하고,
    상기 냉각 시스템에는 상기 고온 냉각 회로 (2) 에서부터 상기 저온 냉각 회로 (3) 에 열을 전달하기 위한 열교환기 (4) 가 제공되는 것을 특징으로 하는, 냉각 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고온 냉각 회로 (2) 의 냉각 매체 및 상기 저온 냉각 회로 (3) 의 냉각 매체는 상기 열교환기 (4) 를 통하여 유동하도록 배열될 수 있는 것을 특징으로 하는, 냉각 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기 (4) 는 상기 저온 냉각 회로 (3) 에 배열되고, 상기 고온 냉각 회로 (2) 에는 상기 열교환기 (4) 를 통하여 상기 냉각 매체를 선택적으로 안내하기 위한 수단 (5, 6) 이 제공되는 것을 특징으로 하는, 냉각 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 고온 냉각 회로 (2) 에는, 상기 냉각 매체를 상기 열교환기 (4) 로 선택적으로 안내하거나 상기 열교환기 (4) 를 바이패스하는데 사용될 수 있는 선택기 밸브 (5) 가 제공되는 것을 특징으로 하는, 냉각 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 선택기 밸브 (5) 는 급기 냉각기 (7) 로부터 하류측에 배열되고, 상기 급기 냉각기를 통하여 상기 고온 냉각 회로 (2) 의 냉각 매체가 유동하도록 배열되는 것을 특징으로 하는, 냉각 시스템.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기 (4) 는 상기 저온 냉각 회로 (3) 에서 윤활유 냉각기 (14) 로부터 하류측에 배열되는 것을 특징으로 하는, 냉각 시스템.
  7. 내연기관 (1) 의 고온 냉각 회로 (2) 의 냉각 매체의 온도를 저감시키는 방법으로서,
    상기 고온 냉각 회로 (2) 의 냉각 매체는 열교환기 (4) 를 통하여 안내되고, 상기 열교환기 (4) 에서 열은 상기 고온 냉각 회로 (2) 의 냉각 매체에서부터 저온 냉각 회로 (3) 의 냉각 매체로 전달되는 것을 특징으로 하는, 방법.
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