KR101534701B1 - 알루미늄 터빈하우징을 갖는 엔진시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 터빈하우징을 갖는 엔진시스템은, 실린더블록에 부착된 흡기매니폴드로 외기를 공급하는 제1흡기라인에 설치되는 흡기루트컨트롤밸브, 상기 흡기루트컨트롤밸브를 바이패스하는 제2흡기라인, 상기 실린더블록에 부착된 배기매니폴드에서 배출되는 배기가스가 흐르는 제1배기라인에 설치되는 배기루트컨트롤밸브, 상기 배기루트컨트롤밸브를 바이패스하는 제2배기라인을 지나는 배기가스에 의해서 작동되는 터빈과 상기 제2흡기라인을 흐르는 흡기를 펌핑하는 컴프레서를 포함하는 터보차저, 상기 터빈이 장착되되, 알루미늄 합금으로 만들어진 터빈하우징, 상기 터빈하우징을 순환하는 냉각수를 펌핑하는 전동식 워터펌프, 운행조건에 따라서 상기 흡기루트컨트롤밸브, 상기 배기루트컨트롤밸브, 및 상기 전동식 워터펌프를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

알루미늄 터빈하우징을 갖는 엔진시스템{ENGINE SYSTEM HAVING ALUMINUM TURBINE HOUSING}
본 발명은 터보차저를 이용하여 저속구간에서 출력을 향상시키고 연소효율을 증가시키며 배기가스의 품질을 향상시키는 알루미늄 터빈하우징을 갖는 엔진시스템에 관한 것이다.
일반적으로 디젤엔진은 가솔린엔진에 비하여 연료의 소모가 적고 효율이 좋다고 알려져 있다. 통상 40%정도의 효율을 내고 있으며, 이는 디젤엔진의 고압축비에 따른 것이다.
최근의 엔진에서는 보다 큰 출력을 얻을 수 있도록 터보차저(Turbo-charge)와 인터쿨러(Inter cooler) 등을 추가로 구비한다.
이와 같이 터보차저를 적용한 엔진은 터보차저의 압축기에 의해 배기가스나 외부공기를 흡입하여 압축시키고, 이때 발생된 과급공기(고온의 압축공기)를 엔진측으로 공급한다.
하지만, 급속히 압축된 공기는 터보차저의 열과 그 압축과정에서 발생하는 열을 흡수하여 밀도가 낮아지게 되고, 결과적으로 엔진 연소실 내의 충전효율을 떨어뜨린다. 이에, 인터쿨러를 사용함으로써 과급공기를 냉각하여 높은 밀도를 얻을 수 있으며, 그 결과 보다 많은 공기를 엔진 연소실 내로 흡입시켜 높은 출력을 얻을 수 있다.
한편, 터보차저를 구비한 엔진에서 엔진회전수가 중저속구간에서 연료소모를 줄이는 동시에 출력토크를 증가시키기 위한 연구가 진행되고 있으며, 터빈하우징을 알루미늄으로 적용하고 이를 냉각시키는 연구도 함께 진행되고 있다.
본 발명의 목적은 터보차저를 가진 엔진에서 엔진의 회전수가 미리 설정된 중저속구간에서 연료소모를 줄이면서 출력토크를 증가시키며 알루미늄 터빈하우징을 효과적으로 냉각시키는 엔진시스템을 제공하는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 터빈하우징을 갖는 엔진시스템은, 실린더블록에 부착된 흡기매니폴드로 외기를 공급하는 제1흡기라인에 설치되는 흡기루트컨트롤밸브, 상기 흡기루트컨트롤밸브를 바이패스하는 제2흡기라인, 상기 실린더블록에 부착된 배기매니폴드에서 배출되는 배기가스가 흐르는 제1배기라인에 설치되는 배기루트컨트롤밸브, 상기 배기루트컨트롤밸브를 바이패스하는 제2배기라인을 지나는 배기가스에 의해서 작동되는 터빈과 상기 제2흡기라인을 흐르는 흡기를 펌핑하는 컴프레서를 포함하는 터보차저, 상기 터빈이 장착되되, 알루미늄 합금으로 만들어진 터빈하우징, 상기 터빈하우징을 순환하는 냉각수를 펌핑하는 전동식 워터펌프, 운행조건에 따라서 상기 흡기루트컨트롤밸브, 상기 배기루트컨트롤밸브, 및 상기 전동식 워터펌프를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
냉각수는 상기 인터쿨러, 상기 터빈하우징, 및 상기 배기루트컨트롤밸블르 순환하면서 이들을 냉각시킬 수 있다.
상기 제어부는 엔진을 오프시키고 설정된 시간동안 상기 터빈하우징으로 냉각수를 순환시킬 수 있다.
상기 제어부는 엔진을 온시키고 설정된 시간 동안 상기 터빈하우징으로 냉각수를 순환시키지 않을 수 있다.
상기 터빈하우징은 상기 실린더블록의 상기 배기매니폴드에 일체로 형성되거나, 별도로 체결될 수 있다.
상기 배기매니폴드는 상기 실린더블록에 일체로 형성되거나, 별도로 체결될 수 있다.
상기 실린더블록을 순환하는 냉각라인과 상기 터빈하우징을 순환하는 냉각라인을 분리하고, 라디에이터의 냉각수라인도 분리될 수 있다.
상기 터보차저에서 상기 터빈과 상기 컴프레서를 연결하는 샤프트, 및 상기 샤프트가 회전가능하게 지지하는 베어링하우징을 포함하고, 냉각수는 상기 터빈하우징과 상기 베어링하우징을 순환할 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따라서, 기존의 자연 흡기 방식의 가솔린 엔진에서 설정된 회전수 이하(저속구간)에서 터보차저를 이용하여 공기를 추가 주입함으로써 저속구간에서 토크를 증대시켜 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 엔진의 설정된 회전수 이하에서 터보차저를 사용하기 때문에 터빈하우징을 알루미늄으로 사용가능하며, 상기 터빈하우징에 냉각수를 흘려서 냉각시킴으로써 엔진의 전체적인 생산비용과 무게를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 터빈하우징을 갖는 엔진시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 터빈하우징을 갖는 엔진시스템의 일부 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 터빈하우징을 갖는 엔진시스템에서 냉각수의 흐름을 보여주는 흐름도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 터빈하우징을 갖는 엔진시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 엔진 시스템은 에어크리너박스(100), 제1흡기라인(120), 제2흡기라인(105), 스로틀바디(130), 흡기매니폴드(135), 실린더블록(140), 인젝터(142), 배기매니폴드(145), 제1배기라인(152), 배기루트컨트롤밸브(150), 촉매(155), 제2흡기라인(105), 인터쿨러(115), 제2배기라인(160), 터보차저(110), 및 제어부(10: ECU)를 포함한다.
상기 제2흡기라인(105)은 상기 흡기루트컨트롤밸브(125)를 바이패스하는데, 상기 에어크리너박스(100)에서 분기되어 상기 터보차저(110)의 컴프레서와 인터쿨러(115)를 거쳐 상기 제1흡기라인(120)으로 합류된다.
상기 제1흡기라인(120)과 상기 제2흡기라인(105)이 합류되는 지점에 상기 스로틀바디(130)가 배치된다. 여기서, 상기 제2흡기라인(105)은 상기 에어크리너박스(100)에서 분기되지 않고, 상기 제1흡기라인(120)에서 분기될 수 있다.
상기 제1배기라인(152)은 상기 배기매니폴드(145)에서 분기되고, 상기 제1배기라인(152)에는 배기루트컨트롤밸브(150)와 상기 촉매(155)가 순차적으로 배치된다.
상기 제2배기라인(160)은 상기 배기루트컨트롤밸브(150)를 바이패스하는데, 상기 제2배기라인(160)은 상기 배기매니폴드(145)에서 분기되어 상기 배기루트컨트롤밸브(150)와 상기 촉매(155) 사이의 상기 제1배기라인(152)으로 합류된다. 여기서, 상기 제2배기라인(160)은 상기 배기매니폴드(145)에서 분기되지 않고, 상기 제1배기라인(152)에서 분기될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제어부(10)가 상기 흡기루트컨트롤밸브(125)를 닫은 상태에서는 흡기는 상기 제2흡기라인(105)에서 상기 터보차저(110)의 컴프레서와 인터쿨러(115)를 통해서 상기 흡기매니폴드(135)로 공급된다.
아울러, 상기 제어부(10)가 상기 흡기루트컨트롤밸브(125)를 열은 상태에서는 흡기는 상기 제1흡기라인(120)과 상기 스로틀바디(130)를 통해서 실린더블록(140)의 연소실로 공급된다.
상기 제어부(10)가 상기 배기루트컨트롤밸브(150)를 완전히 열어주면, 배기가스는 상기 제1배기라인(152)의 촉매를 거쳐 외부로 배출되고, 상기 배기루트컨트롤밸브(150)가 닫히면, 배기가스는 상기 제2배기라인(160)을 통해서 상기 터보차저(110)의 터빈을 작동시키고, 촉매(155)를 거쳐 외부로 배출된다.
상기 제어부(10)는 상기 배기루트컨트롤밸브(150)의 개도를 조절하여, 상기 터보차저(110)의 작동을 제어하고, 엔진의 운행조건과 가속센서와 브레이크센서 등의 운전자의 요구조건을 감지하여 요구토크를 연산하고 상기 흡기루트컨트롤밸브(125), 상기 배기루트컨트롤밸브(150), 및 상기 인젝터(142)를 제어하여 연료를 분사할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 기존의 자연 흡기 방식의 가솔린 엔진에서 미리 설정된 수치 이하의 저속구간에서 상기 터보차저(110)를 이용하여 공기를 추가로 공급함으로써 저속에서 토크를 증대시키고, 설정된 수치 이상의 고속구간에서는 상기 터보차저(110)의 도움없이 자연흡기 방식을 성능을 유지할 수 있다.
아울러, 상기 터보차저(110)의 용량은 컴프레서를 통과하는 공기유량을 기준으로 공기유량계수가 2 이하인 것을 특징으로 하고, 여기서 상기 공기유량계수=컴프레서 통과 최대 공기유량(kg/h)/배기량(L)이다.
그리고, 상기 터보차저(110)에 의한 과급은 자연흡기 방식의 엔진에서 최대토크가 발생하는 설정된 엔진회전수 이하에서만 수행될 수 있다. 따라서, 상기 설정된 엔진 회전수 이상에서는 상기 흡기루트컨트롤밸브(125)와 상기 배기루트컨트롤밸브(150)가 완전히 개방되어 자연흡기 방식의 엔진과 유사 또는 동일한 성능을 나타낼 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 터빈하우징을 갖는 엔진시스템의 일부 개략적인 구성도이다.
도 2를 참조하면, 상기 실린더블록(140)에 상기 배기매니폴드(145)가 일체로 형성되고, 상기 터보차저(110)는 알루미늄 터빈하우징(200), 베어링하우징(202), 및 컴프레서하우징(204)을 포함한다.
상기 터빈하우징(200)에 상기 터빈(210)이 배치되고, 상기 베어링하우징(202)에 베어링(미도시)과 샤프트(212)가 배치되고, 상기 컴프레서하우징(204)에 상기 컴프레서(214)가 배치된다.
상기 알루미늄 터빈하우징(200)은 상기 배기매니폴드(145) 또는 상기 실린더블록(140)에 일체로 형성되고, 알루미늄 합금으로 형성되며, 그 내부에는 냉각수유로 또는 챔버가 형성된다.
상기 배기매니폴드(145)에서 배출되는 배기가스가 상기 터빈하우징(200)으로 공급되고, 고온 고압인 배기가스가 상기 터빈(210)을 회전시키는 구조로, 상기 터빈하우징(200)은 냉각될 필요가 있다.
본 발명의 실시예에서 상기 제어부(10)는 상기 알루미늄 터빈하우징(200)으로 공급되는 냉각수를 제어하여 냉각효율을 높이고, 촉매의 LOT를 줄일 수 있다.
아울러, 상기 알루미늄 터빈하우징(200)을 냉각하는 냉각수는 상기 실린더블록(140)을 순환하는 냉각수와는 별도의 냉각수 라인을 순환할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 터빈하우징을 갖는 엔진시스템에서 냉각수의 흐름을 보여주는 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 상기 실린더블록(140)을 냉각하는 기존 냉각수 순환라인이 형성되고, 상기 기존 냉각수 순환라인에 대해서는 공지기술을 참조하며 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
S300에서 냉각수는 라디에이터를 지나면서 열을 외부로 방출하고, S310에서 전동식 워터펌프에 의해서 펌핑된다. S320에서는 수냉식 상기 인터쿨러(115)를 지나면서 흡기 압축공기를 냉각시킬 수 있다.
S330에서 상기 터보차저(110)의 상기 알루미늄 터빈하우징(200)을 냉각시키고, S340에서 상기 베어링하우징(202)과 상기 배기루트컨트롤밸브(150)를 냉각시킬 수 있다.
상기 터빈하우징(200)을 주강재질로 제작하는 경우에 제작원가가 올라가고, 무게가 증가할 수 있다. 따라서, 상기 터빈하우징(200)을 알루미늄 합금으로 제작함으로써 제작원가가 줄고 무게도 줄 수 있다.
그러나, 알루미늄 재질로 만들어진 상기 터빈하우징(200)이 고온에 견디도록 상기 터빈하우징(200)을 냉각수로 냉각시켜야 한다.
특히, 엔진을 가동 중에 정지하는 경우 및 아이들상태가 지속되는 경우에 상기 터빈하우징(200)의 온도가 급상승하여 냉각이 필요하다. 아울러, 실린더헤드(미도시)와 상기 터빈하우징(200)을 함께 냉각시키는 경우에 라디에이터의 용량이 증가되어야 한다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 상기 터빈하우징(200)을 별도의 냉각수라인을 흐르는 냉각수를 이용하여 냉각시킨다. 특히, 상기 인터쿨러(115)를 냉각시키는 냉각라인에서 상기 터빈하우징(200)을 추가할 수 있다.
아울러, 상기 터빈하우징(200)과 상기 인터쿨러(115)를 순환하는 냉각수를 냉각시키는 라디에이터를 별도로 구비할 수 있으며, 기존의 인터쿨러용 라디에이터의 용량을 증가시키고, 냉각수를 분리하여 순환시킬 수 있다.
또한, 냉각수는 상기 터빈하우징(200), 상기 인터쿨러(115), 및 상기 배기루트컨트롤밸브(150)를 선택적으로 냉각시킬 수 있도록 전동식 워터펌프가 적용된다. 상기 전동식 워터펌프의 구조 및 제어방법은 공지기술을 참조하고 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
아울러, 상기 터빈하우징(200), 상기 베어링하우징(202), 또는 상기 배기루트컨트롤밸브(150)에서 배출되는 뜨거운 냉각수는 바로 라디에이터로 공급되도록 할 수 있다. 그리고, 라디에이터에서 배출되는 차가운 냉각수는 상기 인터쿨러(115)로 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제어부(10)는 상기 전동식 워터펌프를 제어하여 상기 인터쿨러(115), 상기 터빈하우징(200), 상기 베어링하우징(202), 및 상기 배기루트컨트롤밸브(150)를 순환하는 냉각수를 제어한다.
특히, 엔진이 가동 중 오프된 경우에 상기 터빈하우징(200)으로 냉각수를 설정된 시간 흐르도록 함으로써 알루미늄 터빈하우징(200)의 내구성을 향상시킨다. 또한, 상기 터빈하우징(200)을 순환하는 냉각수는 엔진의 실린더헤드(미도시)를 순환할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 상기 실린더블록(140)을 순환하는 냉각수와 상기 헤드 및 상기 터빈하우징(200)을 순환하는 냉각수를 분리하고, 라디에이터도 분리할 수 있다.
그리고, 엔진을 시동한 후에 설정된 시간 동안에는 상기 실린더헤드, 상기 터빈하우징(200)으로 냉각수를 공급하지 않음으로써 촉매의 LOT를 단축시킬 수 있고, 엔진의 웜업시간을 단축할 수 있다.
아울러, 상기 터빈하우징(200)과 상기 베어링하우징(202)도 함께 일체로 형성하고, 냉각수가 상기 터빈하우징(200)과 상기 베어링하우징(202)을 순환하기 때문에 별도의 냉각수라인을 흐르는 냉각수는 고온운전조건에서도 상기 터빈하우징(200)을 효과적으로 냉각시킨다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 에어크리너박스 105: 제2흡기라인
110: 터보차저 115: 인터쿨러
120: 제1흡기라인 125: 흡기루트컨트롤밸브
130: 스로틀바디 135: 흡기매니폴드
140: 실린더블록 142: 인젝터
145: 배기매니폴드 150: 배기루트컨트롤밸브
152: 제1배기라인 155: 촉매
160: 제2배기라인 200: 터빈하우징
202: 베어링하우징 204: 컴프레서하우징
210: 터빈 212: 샤프트
214: 컴프레서

Claims (8)

  1. 실린더블록에 부착된 흡기매니폴드로 외기를 공급하는 제1흡기라인에 설치되는 흡기루트컨트롤밸브;
    상기 흡기루트컨트롤밸브를 바이패스하는 제2흡기라인;
    상기 실린더블록에 부착된 배기매니폴드에서 배출되는 배기가스가 흐르는 제1배기라인에 설치되는 배기루트컨트롤밸브;
    상기 배기루트컨트롤밸브를 바이패스하는 제2배기라인을 지나는 배기가스에 의해서 작동되는 터빈과 상기 제2흡기라인을 흐르는 흡기를 펌핑하는 컴프레서를 포함하는 터보차저;
    상기 터빈이 장착되되, 알루미늄 합금으로 만들어진 터빈하우징;
    상기 터빈하우징을 순환하는 냉각수를 펌핑하는 전동식 워터펌프;
    운행조건에 따라서 상기 흡기루트컨트롤밸브, 상기 배기루트컨트롤밸브, 및
    상기 전동식 워터펌프를 제어하는 제어부; 및
    상기 터보차저의 상기 컴프레서에 의해서 압축된 압축공기를 냉각시키도록 배치되는 인터쿨러; 를 포함하고,
    냉각수는 상기 인터쿨러, 상기 터빈하우징, 및 상기 배기루트컨트롤밸브를 순환하면서 이들을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 알루미늄 터빈하우징을 갖는 엔진시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 제어부는 엔진을 오프시키고 설정된 시간동안 상기 터빈하우징으로 냉각수를 순환시키는 알루미늄 터빈하우징을 갖는 엔진시스템.
  4. 제1항에서,
    상기 제어부는 엔진을 온시키고 설정된 시간 동안 상기 터빈하우징으로 냉각수를 순환시키지 않는 알루미늄 터빈하우징을 갖는 엔진시스템.
  5. 제1항에서,
    상기 터빈하우징은 상기 실린더블록의 상기 배기매니폴드에 일체로 형성되거나, 별도로 체결되는 알루미늄 터빈하우징을 갖는 엔진시스템.
  6. 제5항에서,
    상기 배기매니폴드는 상기 실린더블록에 일체로 형성되거나, 별도로 체결되는 알루미늄 터빈하우징을 갖는 엔진시스템.
  7. 제1항에서,
    상기 실린더블록을 순환하는 냉각수와 상기 터빈하우징을 순환하는 냉각수가 서로 혼합되지 않도록 냉각루프를 서로 분리하는 알루미늄 터빈하우징을 갖는 엔진시스템.
  8. 제1항에서,
    상기 터보차저에서 상기 터빈과 상기 컴프레서를 연결하는 샤프트; 및
    상기 샤프트가 회전가능하게 지지하는 베어링하우징을 포함하고,
    냉각수는 상기 터빈하우징과 상기 베어링하우징을 순환하는 알루미늄 터빈하우징을 갖는 엔진시스템.
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