KR100271467B1 - 배기터빈과급기엔진의저속보상장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배기터빈 과급기를 적용한 엔진에서 저속구간에서의 공기를 보상해 줌으로써, 엔진의 효율을 향상시키고, 배기 에미션을 저감되도록 한 배기터빈 과급기 엔진의 저속보상장치에 관한 것이다.

본 발명의 배기터빈 과급기 엔진의 저속보상장치는, 3방향 밸브(10)를 배기터빈 과급기의 압축기(1)에 설치하여 배기터빈 과급기 압축기(1)의 압축력이 낮으면 밸브(16)가 압축스프링(17)에 의해 내려와 엔진에 의해 구동되는 에어콤프레셔(2)의 압축공기가 흡기 매니폴드(4)로 유입되도록 유로를 형성하고, 엔진의 rpm이 증대되면서 압축기(1)의 압축력이 증대되면 그 압축력에 의해 밸브(16)가 올라가 흡기 매니포드(4)로의 유로가 폐쇄됨과 동시에 에어탱크(3)로의 유로가 개방되어져 에어콤프레셔(2)의 에어가 에어탱크(3)에 충진되도록 한 것을 특징으로 한다.

이에 따라 전구간 특히 저속구간에서의 공기를 보상해 줌으로써, 엔진의 효율이 향상되고, 배기 에미션이 저감되는 등의 효과를 발휘한다.

Description

배기터빈 과급기 엔진의 저속 보상장치 {LOW SPEED COMPENSATION DEVICE FOR TURBO CHARGER}

본 발명은 배기터빈 과급기를 적용한 엔진에서 저속구간에서의 공기를 보상해 줌으로써, 엔진의 효율을 향상시키고, 배기 에미션을 저감되도록 한 배기터빈 과급기 엔진의 저속보상장치에 관한 것이다.

내연기관은 에너지의 상당부분을 배기가스를 통해서 대기중에 방출하게 된다. 대기중에 버려지는 이 배기에너지로 터빈을 구동하고, 터빈에 연결된 압축기로 흡기를 압축하여 흡기압력을 높일 수 있게 되는데, 이때 배기가스에 의해 구동되는 터빈과, 터빈에 직결되어 터빈의 회전속도로 회전하는 압축기를 합쳐서 배기터빈 과급기(EXHAUST-GAS TURBO-CHARGER)라고 한다.

과급이란 압축기, 즉 과급기를 이용하여 급기밀도를 대기압 이상으로 높여 공급하는 것을 말한다. 급기밀도를 높이면 체적효율이 증가하므로 평균유효압력이 상승한다. 따라서 행정체적이나 회전속도를 증가시키지 않고서도 출력을 증대시킬 수 있다.

과급은 출력을 증가시키는 수단으로 디젤기관에는 오래 전부터 널리 이용되고 있다. 디젤기관은 공기만을 흡입,압축하므로 가스교환중 연료의 손실없이 과급으로 완전 소기시킬 수 있다는 장점을 가지고 있기 때문이다.

이러한 배기터빈 과급기의 작동원리를 간략히 설명한다.

배기밸브를 통과 방출되는 배기가스는 먼저 터빈 하우징의 외측원주로부터 터빈날개에 유입되어 터빈을 회전시키고, 각각의 터빈날개 사이의 통로를 따라 축 중심부에서 배기관으로 배출된다.

터빈과 직결된 압축기가 회전하면 축 중심부 부근의 흡기는 원심력에 의해 외주방향으로 가속되어 흡기실로 들어간다. 흡기실의 디퓨저에서 각각의 공기통로의 체적이 확대되기 때문에 흡기의 속도에너지는 압력에너지로 변환된다.

즉 속도는 낮아지고 압력은 상승한다.

이와 같은 원리로 압축기 축의 중심부의 흡입구로부터 흡입된 공기는 압축기하우징의 외주측으로 연속적으로 압입된다. 이 압축공기를 흡기다기관에 연결하면 흡기밸브가 열릴 때마다 새로운 압축공기가 실린더내에 충진되게 된다.(체적효율 개선)

정속도로 운전되는 장치식기관에서는 터빈과 압축기의 특성을 조화시켜 과급효율을 높일 수 있다. 그러나 자동차기관에서는 속도변화가 심하고, 특히 저속시에 가속할 경우에는 높은 토크를 필요로 하는 등, 과급기의 설계에 어려운 점이 많다.

낮은 배기가스온도, 적은 배기가스량, 그리고 과급기의 관성 등은 가속초기에 압축기의 압력형성을 어렵게 한다. 이러한 현상을 배기터빈 과급기를 사용하는 승용차기관에서는 터보홀이라고 한다.

무과급기관과 같은 특성을 가지도록 하려면 저속에서 과급기의 회전속도를 높게 설계하여야 한다. 그러나 이렇게 하면 고속에서는 과급기 회전속도가 지나치게 높아지게 된다.

과급기 회전속도가 지나치게 높아지게 되면 열부하가 증대되고, 또 배압도 상승하므로 연료소비율도 증가한다. 이와 같은 이유에서 과급압력을 제한하고 과급기를 보호하기 위해 기관회전속도와 부하에 따라 터빈으로 유입된는 배기가스량을 제한해야 한다.

과급압력 조절밸브는 설정된 최대과급압력에 도달하면 열려, 배기가스중의 일부를 바이패스시켜 바로 배기관으로 보내는 기능을 한다.

배기터빈 과급방식은 배기가스가 배기터빈에 유입될 때, 가스압력의 일정여부에 따라 정압과급, 동압과급, 복합과급 등과 같이 분류된다.

정압과급은 배기가스가 항상 일정한 압력으로 배기터빈에 유입되는 방식으로, 배기가스는 배기터빈에 유입되기 전에 모두 비교적 큰 하나의 배기관에 집합되었다가 노즐을 통해 배기터빈에 분출되는 방식이다.

이 형식은 배기가스가 배기밸브를 통과하여 배기관으로 방출될 때의 속도에너지가, 배기관에서 일단 압력에너지로 변환되었다가, 노즐에 의해 다시 속도에너지로 변환되어 배기터빈에 회전력을 발생시키는 과정을 거친다.

동압과급은 터빈에 유입될 때의 배기가스 압력이 일정하지 않은 방식으로, 배기밸브가 열린 다음, 배기가스 압력은 처음에는 아주 높으나, 이어서 급격히 낮아진다.

복합과급은 상기 정압과급과 동압과급의 장점을 결합시킨 방식으로, 디젤기관은 저속영역에서 다량의 과급공기를 확보하여 회전토크를 증대시킬 뿐만 아니라, 발진시 매연이 거의 발생되지 않으며, 또 연료소비율면에서도 이득이 있다.

그러나 상술한 바와 같이 자동차기관에서는 속도변화가 심하고, 특히 저속시에 가속할 경우에는 높은 토크를 필요로 하는 등, 과급기의 설계에 어려운 점이 많다.

낮은 배기가스온도, 적은 배기가스량, 그리고 과급기의 관성 등은 가속초기에 압축기의 압력형성을 어렵게 한다.

즉 저속구간에서는 부족한 공기량에 의해 엔진의 출력이 떨아지고, 배기 에미션이 증대되는 등의 문제점을 안게 된다.

또한 무과급기관과 같은 특성을 가지도록 하려면 저속에서 과급기의 회전속도를 높게 설계하여야 하는데, 이렇게 하면 고속에서는 과급기 회전속도가 지나치게 높아지게 되고, 과급기 회전속도가 지나치게 높아지게 되면 열부하가 증대되고, 또 배압도 상승하므로 연료소비율도 증가하게 되는 등의 문제점을 안게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 배기터빈 과급기를 적용한 엔진에서 저속구간에서의 공기를 보상해 줌으로써, 엔진의 효율을 향상시키고, 배기 에미션을 저감되도록 한 배기터빈 과급기 엔진의 저속보상장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배기터빈 과급기 엔진의 저속보상장치는, 3방향 밸브를 배기터빈 과급기의 압축기에 설치하여 배기터빈 과급기 압축기의 압축력이 낮으면 밸브가 스프링에 의해 내려와 엔진에 의해 구동되는 에어콤프레셔의 압축공기가 흡기 매니폴드로 유입되도록 유로를 형성하고, 엔진의 rpm이 증대되면서 압축기의 압축력이 증대되면 그 압축력에 의해 밸브가 올라가 흡기 매니포드로의 유로가 폐쇄됨과 동시에 에어탱크로의 유로가 개방되어져 에어콤프레셔의 에어가 에어탱크에 충진되도록 한 것을 특징으로 한다.

또한 상기 3방향 밸브는, 압축기와 연결된 입구, 그 입구와 연결된 실린더, 실린더에 설치되고 그 상단 돌출부에 통공 및 경사부를 형성한 밸브, 상기 밸브를 탄지시키는 스프링, 밸브에 의해 개폐되며 에어콤프레셔와 연결되는 입구, 에어탱크와 연결되는 출구 및 흡기매니폴드와 연결되는 출구를 포함한 것을 특징으로 한다.

상기 특징에 의해 전구간 특히 저속구간에서의 공기를 보상해 줌으로써, 엔진의 효율을 향상시키고, 배기 에미션을 저감시키게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 저속 보상장치의 설치 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 저속 보상장치의 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 저속 보상장치의 작동도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 압축기 2: 에어콤푸레셔

3: 에어탱크 4: 흡기매니폴드

5: 배기매니폴드 6: 엔진

7: 터빈 10: 3방향 밸브

11,18: 에어입구 12: 실린더

12a: 에어벤트 13: 돌출부

14: 통공 15: 경사부

16: 밸브 17: 압축스프링

19,20: 에어출구

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상술하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 저속 보상장치의 설치 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 저속 보상장치의 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 저속 보상장치의 작동도이다.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 배기터빈 과급기 엔진의 저속 보상장치는, 3방향 밸브(10)를 구비한다.

상기 3방향 밸브(10)는 배기터빈 과급기의 압축기(1)와 연결된 에어입구(11), 상기 에어입구(11)와 연결된 실린더(12), 실린더(12)에 설치되고 그 상단 돌출부(13)에 통공(14) 및 경사부(15)를 형성한 밸브(16), 상기 밸브(16)를 탄지시키는 압축스프링(17), 밸브(16)에 의해 개폐되며 에어콤프레셔(2)와 연결되는 에어입구(18), 에어탱크(3)와 연결되는 에어출구(19) 및 엔진의 흡기매니폴드(4)와 연결되는 에어출구(20)를 포함한다.

상기 에어입구(18)와 에어출구(19) 및 에어출구(20)는 서로 연통되도록 형성되고, 그 단부는 각각 컨넥터부를 형성한다.

밸브(16)가 설치된 실린더(12)의 상부에는 에어벤트(12a)를 형성하는 것이 바람직하다.

미설명 부호 5는 배기매니폴드이고, 6은 엔진이며, 7은 터빈이다.

이러한 구성의 3방향 밸브(10)는 다음과 같이 작동된다.

3방향 밸브(10)는 에어입구(11)가 배기터빈 과급기의 압축기(1)에 연결되고, 에어입구(18)가 에어콤프레셔(2)에 연결되며, 에어출구(19)가 에어탱크(3)에 연결되며, 또한 에어출구(20)가 엔진의 흡기매니폴드(4)에 연결되어져 설치된다.

이러한 설치구성으로 배기매니폴드(5)의 배기밸브를 통과 방출되는 배기가스는 먼저 터빈(7) 하우징의 외측원주로부터 터빈날개에 유입되어 터빈(7)을 회전시키고, 각각의 터빈날개 사이의 통로를 따라 축 중심부에서 배기관으로 배출된다.

터빈(7)과 직결된 압축기(1)가 회전하면 축 중심부 부근의 흡기는 원심력에 의해 외주방향으로 가속되어 흡기매니폴드(4)로 들어간다. 흡기실의 디퓨저에서 각각의 공기통로의 체적이 확대되기 때문에 흡기의 속도에너지는 압력에너지로 변환된다.

즉 속도는 낮아지고 압력은 상승한다.

이와 같은 원리로 압축기(1) 축의 중심부의 흡입구로부터 흡입된 공기는 압축기하우징의 외주측으로 연속적으로 압입된다. 이 압축공기를 흡기매니폴드(4)에 연결하면 흡기밸브가 열릴 때마다 새로운 압축공기가 실린더내에 충진되게 된다.

이때 저속구간시에는 배기터빈 과급기 압축기(1)의 압축력이 낮아지게 되어 밸브(16)가 압축스프링(17)에 의해 내려오게 된다.

그러면 밸브 돌출부(13)의 경사부(15)에 의해 에어탱크(3)와 연결된 에어출구(19)가 폐쇄됨과 동시에 흡기매니폴드(4)와 연결된 에어입구(20)가 개방되어져 엔진(6)에 의해 구동되는 에어콤프레셔(2)의 압축공기가 흡기매니폴드(4)로 유입되는 것이 가능하게 되고, 이에 따라 실린더에 부족한 공기를 보상하여 엔진의 출력을 향상시키고, 또한 배기가스의 에미션을 줄이게 된다.(도 3과 같은 상태)

한편 엔진(6)의 rpm이 증대되면서 압축기(1)의 압축력이 증대되면 그 압축력에 의해 밸브(16)가 올라가 돌출부(13)의 경사부(15)가 흡기매니폴드(4)와 연결된 에어입구(20)를 폐쇄시킴과 동시에 에어탱크(3)와 연결된 에어출구(19)를 개방되게 함으로써, 에어콤프레셔(2)의 압축공기가 돌출부의 통공(14)을 통해 에어탱크(3)에 저장되고, 이에 따라 전구간에서의 공기보상이 가능하게 되는 것이다.(도 2와 같은 상태)

이때 실린더(12)내의 압축되는 공기는 에어벤트(12a)를 통해 빠져나가게 되어 밸브(16)의 원활한 작동이 가능하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 배기터빈 과급기 엔진의 저속보상장치는, 3방향 밸브를 배기터빈 과급기의 압축기에 설치하여 배기터빈 과급기 압축기의 압축력이 낮으면 밸브가 스프링에 의해 내려와 엔진에 의해 구동되는 에어콤프레셔의 압축공기가 흡기 매니폴드로 유입되도록 유로를 형성하고, 엔진의 rpm이 증대되면서 압축기의 압축력이 증대되면 그 압축력에 의해 밸브가 올라가 흡기 매니포드로의 유로가 폐쇄됨과 동시에 에어탱크로의 유로가 개방되어져 에어콤프레셔의 에어가 에어탱크에 충진되도록 한 구성에 의해, 전구간 특히 저속구간에서의 공기를 보상해 줌으로써, 엔진의 효율이 향상되고, 배기 에미션이 저감되는 등의 효과를 발휘한다.

본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 사상과 범위내에서 변형이나 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 분야의 당업자에게는 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 첨부한 특허청구범위에 속한다 할 것이다.

Claims (2)

1. 배기터빈 과급기 압축기(1)의 압축력이 낮으면 밸브(16)가 압축스프링(17)에 의해 내려와 엔진에 의해 구동되는 에어콤프레셔(2)의 압축공기가 흡기 매니폴드(4)로 유입되도록 유로를 형성하고, 엔진의 rpm이 증대되면서 압축기(1)의 압축력이 증대되면 그 압축력에 의해 밸브(16)가 올라가 흡기 매니포드(4)로의 유로가 폐쇄됨과 동시에 에어탱크(3)로의 유로가 개방되어져 에어콤프레셔(2)의 에어가 에어탱크(3)에 충진되도록, 배기터빈 과급기의 압축기(1)와 연결된 에어입구(11), 상기 에어입구(11)와 연결된 실린더(12), 실린더(12)에 설치되고 그 상단 돌출부(13)에 통공(14) 및 경사부(15)를 형성한 밸브(16), 상기 밸브(16)를 탄지시키는 압축스프링(17), 밸브(16)에 의해 개폐되며 에어콤프레셔(2)와 연결되는 에어입구(18), 에어탱크(3)와 연결되는 에어출구(19) 및 엔진의 흡기매니폴드(4)와 연결되는 에어출구(20)를 포함하는 3방향 밸브를 상기 배기터빈 과급기의 압축기(1)에 설치한 것을 특징으로 하는 배기터빈 과급기 엔진의 저속보상장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 밸브(16)가 설치된 실린더(12)의 상부에 에어벤트(12a)를 형성하여 밸브(16)의 원활한 작동을 이루게 한 것을 특징으로 하는 배기터빈 과급기 엔진의 저속보상장치.