KR101886756B1

KR101886756B1 - 터보차저의 압축흡기 냉각시스템

Info

Publication number: KR101886756B1
Application number: KR1020160156585A
Authority: KR
Inventors: 조병관; 김완태; 박상원; 오상은
Original assignee: 한국기술교육대학교 산학협력단
Priority date: 2016-11-23
Filing date: 2016-11-23
Publication date: 2018-08-10
Also published as: KR20180058264A

Abstract

터보차저의 압축흡기 냉각시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 터보차저의 압축흡기 냉각시스템은, 엔진의 배기가스를 구동력으로 흡인되는 외기를 압축시키는 터보차저에 의해 승온된 압축흡기의 냉각을 위해 사용되고, 상기 엔진의 흡기부와 상기 터보차저를 연통시키는 흡기관의 일측에 연통되도록 설치되어 외기와의 접촉면적증대를 통해 압축흡기를 냉각시키는 인터쿨러; 및 상기 터보차저와 상기 인터쿨러 사이의 상기 흡기관과 연통되도록 설치된 상태에서 상기 흡기관 내로 냉각수를 직분사하여 압축흡기를 냉각시키는 워터직분사장치를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 간접적인 열전달 방식이 아닌 직접적인 열전달 방식인 냉각수의 직분사를 통해 압축흡기를 냉각시키는 워터직분사장치가 외기와의 접촉면적증대를 통해 압축흡기를 냉각시키는 인터쿨러와 상호 연계됨에 따라 터보차저에 의해 승온된 압축흡기는 보다 효율적으로 냉각될 수 있음은 물론이고, 엔진 내부온도의 감온을 통한 엔진 내구성 및 연비 향상과 엔진시스템 내부의 클리닝이 동시에 이루어질 수 있는 터보차저의 압축흡기 냉각시스템이 제공될 수 있다.

Description

터보차저의 압축흡기 냉각시스템{COOLING SYSTEM THAT COOLS INTAKE AIR COMPRESSED BY TURBOCHARGER}

본 발명은 터보차저의 압축흡기 냉각시스템에 관한 것으로, 터보차저에 의해 승온된 압축흡기를 보다 효율적으로 냉각시켜 엔진의 효율을 향상시키는 터보차저의 압축흡기 냉각시스템에 관한 것이다.

터보차저(10)는, 내연기관(internal combustion engine) 즉, 엔진(20)에서 배출되는 배기가스의 힘을 이용하여 터빈(12)을 회전시키는 한편, 그 회전력으로 회전하는 컴프레셔 휠(11)을 통해 외기로부터 흡인되는 공기를 압축하는 장치로서, 이렇게 압축된 흡기(吸氣)는 엔진의 실린더에 제공됨으로써, 엔진의 출력이 향상되게 된다.

압축흡기의 제공시 엔진의 출력이 향상되는 이유는, 압축되지 않은 흡기보다 산소의 농도가 많아 엔진의 연소공정시 그 폭발력이 증대되기 때문이다. 다만, 흡인된 공기가 고압으로 압축되면, 압축흡기는 온도가 상승하고 부피가 팽창함에 따라 산소의 농도가 저하되므로, 압축흡기를 냉각시키기 위해 인터쿨러가 흡기관 일측에 설치된다.

위와 같은 인터쿨러를 통한 냉각효율이 우수할수록 압축흡기에는 산소 농도가 증대되어 엔진의 출력은 물론, 연소효율이 향상되고, 이산화탄소의 배출량도 감소되는 장점이 있다.

따라서 터보차저에 의해 승온된 압축흡기를 얼마나 효율적으로 냉각시느냐가 터보차저와 관련된 기술분야에서 주요한 연구 개발의 목표가 되고 있으며, 그 중에서 대한민국공개특허 제10-2005-0101895호(공개일자: 2005년10월25일)는 ＥＧＲ 시스템의 ＥＧＲ 챔버에 관한 기술을 개시하고 있다. 본 선행기술은, 단판구조의 플레이트 전면과 후면을 이용하여 EGR 딜리버리 수단과 EGR 쿨러 수단을 일체 구비함으로써, 별도의 EGR 쿨러 삭제에 따른 비용의 절감 및 구조의 단순화를 도모할 수 있고, 또 EGR 챔버를 AL 다이캐스팅을 이용한 1개의 부품으로 제조할 수 있도록 함으로써, EGR 챔버의 제조원가를 대폭 줄일 수 있으며, 또 각 기통으로 통하는 배기가스 공급통로의 길이를 균등하게 하여 각 기통으로 공급되는 배기가스량의 편차를 완전히 없애줌으로써, 우수한 EGR 효과를 기대할 수 있는 장점이 있다.

그러나 이러한 선행기술에서 제시하는 냉각기술은, 다음과 같은 점에서 여전히 개선이 요구되며, 꾸준한 개량이 이루어질 필요가 있다.

예컨대, EGR 플레이트의 전면에 형성되어 있는 냉각수통로는, 실린더 헤드의 일측에서 시작되어 각 기통 주위를 경유한 후 실린더 헤드의 타측으로 연결되는 그루브 형태의 구조로 이루어지게 되는데, 이러한 구조는 냉각수통로를 유동하는 냉각수에 의해 기통 주변의 EGR 플레이트 자체가 직접 냉각되기는 하나, EGR 플레이트의 각 기통을 관통하여 유동하는 EGR 가스나 흡기는 냉각수에 의해 간접적으로만 냉각될 수밖에 없는 구조여서 냉각의 효율성이 떨어지는 문제가 있는 관계상, 이를 향상시키기 위한 구조적인 개선이 필요한 실정이다.

대한민국공개특허 제10-2005-0101895호(공개일자: 2005년10월25일)

본 발명의 목적은, 보다 상세하게는, 간접적인 열전달 방식이 아니라 직접적인 열전달 방식을 통해 압축흡기를 냉각시키는 부가구성을 기존의 인터쿨러와 상호 연계시켜 터보차저에 의해 승온된 압축흡기를 보다 효율적으로 냉각시킬 수 있는 터보차저의 압축흡기 냉각시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적은, 엔진의 배기가스를 구동력으로 흡인되는 외기를 압축시키는 터보차저에 의해 승온된 압축흡기의 냉각을 위해 사용되고, 상기 엔진의 흡기부와 상기 터보차저를 연통시키는 흡기관의 일측에 연통되도록 설치되어 외기와의 접촉면적증대를 통해 압축흡기를 냉각시키는 인터쿨러; 및 상기 터보차저와 상기 인터쿨러 사이의 상기 흡기관과 연통되도록 설치된 상태에서 상기 흡기관 내로 냉각수를 직분사하여 압축흡기를 냉각시키는 워터직분사장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저의 압축흡기 냉각시스템에 의해 달성된다.

상기 워터직분사장치는, 냉각수를 저장하는 워터탱크; 냉각수공급관을 통해 상기 워터탱크로부터 냉각수를 제공받아 상기 흡기관과 연통된 노즐부를 통해 냉각수를 무화상태로 직분사하는 인젝션부; 및 상기 워터탱크와 상기 인젝션부 사이에 구비되어 냉각수를 상기 인젝션부로 펌핑하는 펌프를 포함할 수 있다.

상기 엔진과 상기 인터쿨러 사이의 상기 흡기관 일측 및 상기 인터쿨러와 상기 터보차저 사이의 상기 흡기관 일측 중 적어도 어느 하나에는, 압축흡기의 온도를 측정하는 흡기온도센서가 더 구비될 수 있다.

상기 엔진과 상기 인터쿨러 사이의 상기 흡기관에는, 상기 워터직분사장치가 상기 흡기관과 연통되도록 더 설치될 수 있다.

상기 워터탱크는, 외주면을 따라 방열핀 형태의 요철부가 다수 개로 형성된 탱크형상으로 이루어지고, 상기 워터탱크의 일측에는, 상기 워터탱크 내의 냉각수에 산소를 제공하는 산소발생기가 더 구비될 수 있다.

상기 터보차저의 압축흡기 냉각시스템은, 상기 흡기온도센서에서 측정된 온도 데이터에 기초한 상기 펌프의 펌핑압 제어를 통해 상기 인젝션부의 냉각수 직분사량이 조절되도록, 상기 흡기온도센서 및 상기 펌프와 연결되는 제어부를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 간접적인 열전달 방식이 아닌 직접적인 열전달 방식인 냉각수의 직분사를 통해 압축흡기를 냉각시키는 워터직분사장치가 외기와의 접촉면적증대를 통해 압축흡기를 냉각시키는 인터쿨러와 상호 연계됨에 따라 터보차저에 의해 승온된 압축흡기는 보다 효율적으로 냉각될 수 있음은 물론이고, 엔진 내부온도의 감온을 통한 엔진 내구성 및 연비 향상과 엔진시스템 내부의 클리닝이 동시에 이루어질 수 있는 터보차저의 압축흡기 냉각시스템이 제공될 수 있다.

도 1은 본 발명이 적용되는 엔진시스템의 전체구조를 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터보차저의 압축흡기 냉각시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터보차저의 압축흡기 냉각시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 엔진시스템의 전체구조를 나타낸 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터보차저의 압축흡기 냉각시스템을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터보차저의 압축흡기 냉각시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

발명의 설명 및 청구범위 등에서 방향을 지칭하는 상(위쪽), 하(아래쪽), 좌우(옆쪽 또는 측방), 전(앞쪽), 후(뒤쪽) 등은 권리 한정의 용도가 아닌 설명의 편의를 위해서 도면 또는 구성 간의 상대적인 위치를 기준으로 정한 것으로, 이하에서 설명되는 각 방향은 이와 다르게 특별히 한정하는 경우를 제외하고, 이에 기초한 것이다.

본 발명의 이해를 돕기 위해 먼저, 도 1을 참조하여 본 발명이 적용되는 엔진시스템의 전체적인 구조와 작동을 간략하게 설명하면 다음과 같다.

엔진(20)은 인터쿨러(110) 및 연료탱크로부터 압축흡기와 연료를 각각 소정의 혼합비율로 제공받아 작동사이클에 따라 회전력을 발생시키게 된다. 여기서 인터쿨러(110)로부터 송출되는 압축흡기는, 에어필터를 거쳐 이물질 등이 제거된 상태에서 터보차저(10)에 의해 고압으로 압축된 후 인터쿨러(110)를 통과하면서 냉각되는 과정을 거쳐 엔진(20)에 공급된다. 한편, 엔진(20)과 터보차저(10)의 작동을 윤활하기 위해 엔진오일은 오일필터와 오일쿨러를 거쳐 엔진(20)과 터보차저(10)를 각각 순환하게 되며, 엔진(20)의 과열을 방지하기 위해 냉각수가 열교환기를 거쳐 엔진(20)을 순환하게 된다. 이때, 엔진(20)의 과열방지, 즉 냉각은 엔진(20)의 효율과 내구성 등에 영향을 주는 인자에 해당한다. 여기서 압축흡기란, 터보차저(10)로 흡인된 외기(外氣)가 터보차저(10)의 컴프레셔 휠(11)을 통해 압축되어 산소농도가 증대된 공기를 말한다. 터보차저(10)에 대한 설명은 앞서 배경기술에서 대략적으로 언급한바 구체적인 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 터보차저의 압축흡기 냉각시스템(100)은, 워터직분사장치(120)가 인터쿨러(110)와 함께 연계되어 이루어지는 냉각시스템으로서, 이때 워터직분사장치(120)는 터보차저(10)에 의해 승온된 압축흡기를 냉각시키기 위해 기존에 설치된 인터쿨러(110)에 추가로 장착되거나, 인터쿨러(110)와 함께 일체로 제작될 수 있다.

이러한 터보차저의 압축흡기 냉각시스템(100)은, 터보차저(10)의 압축으로 승온된 압축흡기를 종래보다 효율적으로 냉각시키기 위해 안출된 것으로서, 압축흡기의 냉각뿐만 아니라 엔진(20) 내부온도까지도 감온됨에 따라 엔진(20) 자체의 내구성 및 연비 향상과 엔진시스템 내부의 클리닝이 동시에 이루어질 수 있게 된다. 여기서 엔진시스템이란, 흡기,배기밸브, 실린더 및 피스톤 등을 포함한 엔진(20)과 배기관(16)을 말한다.

상술한 바와 같은 기능 내지 작용을 구현하기 위해 본 발명에 따른 터보차저의 압축흡기 냉각시스템(100)은, 인터쿨러(110) 및 워터직분사장치(120) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

이하에서는 상술한 구성에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.

인터쿨러(110)는, 터보차저(10)에 의해 외기가 고압으로 압축되면서 온도가 상승함에 따른 산소 밀도의 감소로 인해 엔진(20)의 출력이 저하되던 문제를 해소하기 위해 마련되는 구성요소로서, 엔진(20)의 흡기부(21)와 터보차저(10)를 연통시키는 흡기관(15)의 일측에 연통되도록 설치될 수 있다.

본 발명에 따른 인터쿨러(110)는, 터보차저(10)로 인해 온도가 상승된 압축흡기를 감온시켜 산소 농도를 증대토록 할 수 있는 구조 내지 방식이라면, 수랭식(水冷式)은 물론, 공랭식(空冷式)이라도 무방하다.

다만, 본 발명의 실시예에 따른 인터쿨러(110)는, 설치나 구조가 간단하고 외기와의 접촉면적이 증대될수록 압축흡기에 대한 냉각효율이 우수한 공랭식의 인터쿨러(110)로 구현하되, 외기와의 원활한 접촉이 이루어질 수 있는 위치, 즉 엔진(20) 장착 장비의 주행 방향 일측에 설치하는 것이 바람직하다.

이러한 인터쿨러(110)는 외면에 다수 개의 미세 방열핀이 형성된 관체로 이루어져 지게 되는데, 터보차저(10)에서 흡기관(15)을 통해 송출되어 인터쿨러(110)의 관체 내부를 유동하게 되는 고온의 압축흡기는 외기로 열을 방사하는 방열핀에 열을 전달함으로써 냉각된다.

위에서 살펴본 바와 같이, 터보차저(10)의 압축에 따라 온도가 상승된 압축흡기는 상술한 바와 같은 인터쿨러(110)를 통해 1차적으로 냉각이 이루어지게 된다.

워터직분사장치(120)는, 압축흡기에 직접적인 열전달이 이루어지도록 냉각수(W)가 직분사되는 구조로 이루어진 본 발명의 기술적 특징부가 되는 구성요소로서, 상술한 인터쿨러(110)와 함께 연계되어 승온된 압축흡기를 보다 효율적으로 냉각할 수 있게 된다. 여기서 워터직분사장치(120)에 사용되는 냉각수(W)는, 별도의 첨가물이 포함되지 않은 순수한 물은 물론, 필요에 따라 엔진(20) 내부 세척성분 등이 포함된 물일 수 있다.

이러한 워터직분사장치(120)는, 터보차저(10)와 인터쿨러(110) 사이의 흡기관(15)과 연통되도록 설치된 상태에서 흡기관(15) 내로 냉각수(W)를 직분사하는 방식으로 압축흡기를 냉각시킬 수 있는 구조 내지 구성이라면, 어떠한 것이라도 무방하다.

다만, 본 발명의 실시예에 따른 워터직분사장치(120)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 워터탱크(122), 인젝션부(124) 및 펌프(126) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

여기서 워터탱크(122)는 냉각수(W)를 저장하는 통형상의 구성요소로서, 대략 1 내지 5L의 수용량을 갖도록 하되, 엔진(20) 배기량에 비례하는 크기로 형성할 수 있으며, 후술할 냉각수공급관(127)과 탈착가능하게 결합되는 구조로 이루어질 수 있다.

인젝션부(124)는 냉각수공급관(127)을 통해 워터탱크(122)로부터 냉각수(W)를 제공받아 흡기관(15)과 연통된 노즐부(125)를 통해 냉각수(W)를 무화(atomization, 霧化)상태로 직분사하는 구성요소로서, 일단부에는 상술한 노즐부(125)가 구비되고, 타단부는 냉각수공급관(127)과 연결된다. 이때, 노즐부(125)는 후술할 펌프(126)에 의해 송출되는 냉각수(W)의 압력에 따라, 폐쇄 또는 개방의 정도가 가변되면서 냉각수(W)의 직분사량이 조절될 수 있다. 즉, 냉각수(W)의 송출이 이루어지지 않거나 송출압이 일정수준 이하일 때에는 노즐부(125)가 폐쇄상태에 있다가 일정수준 이상인 경우 그 송출압에 비례하여 노즐부(125)의 개방의 정도가 증대된다.

이때, 물을 직분사하는 노즐부(125)가 터보차저(10)와 인터쿨러(110) 사이의 흡기관(15)과 연통되도록 한 이유는, 인터쿨러(110)로 유입되는 고온의 압축흡기에 대한 냉각이 인터쿨러(110)와 함께 중첩적으로 이루어지게 하기 위함이다.

펌프(126)는, 냉각수(W)를 인젝션부(124)로 펌핑하는 구성요소로서, 워터탱크(122)와 인젝션부(124) 사이에서 냉각수공급관(127)과 연통되게 구비될 수 있으며, 후술할 제어부(140)의 작동제어에 따라 냉각수(W)의 송출압이 가변될 수 있다. 이러한 펌프(126)는 유체를 송출할 수 있는 상용화된 장치라면, 어떠한 것이라도 무방하므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

이상에서 살펴본 본 발명의 실시예에 따른 워터직분사장치(120)는, 상술한 바와 같이 압축흡기에 대하여 물을 직분사하여 고온의 압축흡기를 냉각시키는 기본적인 기능과 함께 엔진(20) 내부온도의 감온기능과 이에 따른 연비 향상 및 엔진시스템 내부의 클리닝 기능을 동시에 수행하게 된다.

이러한 기능을 구체적으로 살펴보면, 첫째 압축흡기의 냉각기능은, 인젝션부(124)의 노즐부(125)을 통해 무화상태로 직분사된 액체상태의 물이 고온의 압축흡기와 접촉하면서 열을 전달받아 기체상태의 수증기로 기화됨으로써 이루어지게 된다. 이때, 무화상태로 직분사하는 이유는 고온의 압축흡기와 액체상태의 물 간의 접촉면적을 증대하기 위한 것으로, 이를 통해 보다 신속하고 균일한 압축흡기의 냉각이 이루어질 수 있게 된다.

여기서 액체상태의 물은 고온의 압축흡기로부터 열을 흡수하여 수증기로 기화되면서 부피가 증대되지만, 포화수증기량은 지수함수 형태로 온도에 비례하여 증대된다는 점(포화수증기압곡선 참조)에 비추어, 기화된 수증기는 압축흡기의 부피 팽창에 영향을 주지 않은 채 압축흡기 내에 함유되며, 오히려 직분사에 의한 냉각으로 인해 압축흡기 자체의 부피는 감소되게 된다.

둘째, 엔진(20) 내부온도의 감온기능은, 인젝션부(124)의 노즐부(125)을 통해 터보차저(10)와 인터쿨러(110) 사이의 흡기관(15) 내부로 직분사된 액체상태의 물 일부가 인터쿨러(110)를 지나 엔진(20)의 실린더까지 전달됨으로써 이루어지게 된다. 이때에도 액체상태의 물 일부는 엔진(20) 실린더로부터 열을 전달받아 기체상태의 수증기로 기화됨으로써 엔진(20)의 냉각에 기여하게 된다. 이러한 엔진(20)의 냉각으로 인해 엔진(20)의 내구성이 향상될 수 있으며, 엔진(20) 효율과 연비가 향상될 수 있는 것이다.

셋째, 인젝션부(124)의 노즐부(125)을 통해 터보차저(10)와 인터쿨러(110) 사이의 흡기관(15) 내부로 직분사된 액체상태의 물 일부가, 인터쿨러(110)를 지나 엔진(20)의 실린더까지 전달되면, 상술한 바와 같이 엔진(20)의 냉각이 이루어짐은 물론, 기화된 수증기는 엔진(20)의 작동에 따라 엔진(20) 내의 카본 찌꺼기와 충돌하며 이를 세척하게 되고, 다시 배기관(16)을 지나면서 배기관(16) 내 고착된 찌꺼기까지도 세척하게 된다. 이때, 물에 엔진 세척 성분을 함께 혼합하거나 또는 직분사되는 물의 양을 증대시키게 되면, 엔진시스템의 내부세척은 보다 효과적이고 손쉽게 이루어질 수 있다.

한편, 본 출원인이 시험 제작한 터보차저의 압축흡기 냉각시스템(100)을 통해 흡기관(15) 내로 물을 직분사한 결과, 압축흡기 및 엔진(20)의 냉각에 있어서 인터쿨러(110) 단독일 경우보다 우수한 효과를 보였으며, 이러한 우수한 냉각효과로 인해 엔진(20) 점화시기의 진각(BTDC방향으로 변경)이 유도됨에 따라 엔진(20) 출력이 상승되었다.

그리고 엔진(20)의 노크 감도의 경우, 직분사된 물의 양에 따라 일정부분 영향을 받기는 했으나, 이는 흡기나 엔진(20) 자체의 온도 상승으로 인한 노크 발생보다 미미한 수준임을 알 수 있었고, 물의 양이 증대될수록 엔진(20)의 동일점화시기에서 NOX 배출농도는 일정부분 감소함을 알 수 있었다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터보차저의 압축흡기 냉각시스템(100)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 엔진(20)과 인터쿨러(110) 사이의 흡기관(15)과 연통되는 워터직분사장치(120b)를 더 포함할 수 있고, 엔진(20)과 인터쿨러(110) 사이의 흡기관(15b) 일측 및 인터쿨러(110)와 터보차저(10) 사이의 흡기관(15a) 일측 중 적어도 어느 하나에 압축흡기의 온도를 측정하는 흡기온도센서(130a,130b)를 더 포함할 수 있으며, 또한, 이러한 흡기온도센서(130a,130b)와 워터직분사장치(120a,120b)를 제어하기 위한 제어부(140)를 더 포함할 수 있다.

이러한 또 다른 실시예에 따른 터보차저의 압축흡기 냉각시스템(100)은, 인터쿨러(110)를 기준으로 압축흡기의 유입측과 유출측에 각각 구비되는 흡기관(15a,15b)에 워터직분사장치(120a,120b)가 각각 설치되는 구조로 이루어짐에 따라 압축흡기에 대한 냉각이 선제적으로 또는 추가적으로 이루어질 수 있게 되며, 이로 인해 보다 효율적인 냉각이 가능해진다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 워터직분사장치(120a,120b) 중 워터탱크(122)는, 내부에 수용된 냉각수(W)가 외기와의 접촉을 통해 보다 용이하게 냉각될 수 있도록, 그 외주면을 따라 방열핀 형태의 요철부(123)가 다수 개로 형성된 탱크형상으로 이루어질 수 있다.

그리고 워터탱크(122)의 일측에는, 워터탱크(122) 내의 냉각수(W)에 산소를 제공하는 산소발생기(150)가 더 구비될 수 있는데, 이는 인젝션부(124)를 통해 직분사되는 냉각수(W) 자체에 다량의 산소가 포함되게 함으로써 엔진(20)의 출력 향상을 도모하기 위함이다. 이러한 산소발생기(150)는 후술할 제어부(140)와 연결되어 제어될 수 있다.

그리고 워터탱크(122)와 인젝션부(124a,120b)를 연결하는 냉각수공급관(127)은, 자동차용 공조장치(HVAC(Heating, Ventilation, Air Conditioning),30) 중 냉매출력관(31)의 외주면을 따라 나선 형태로 감겨 설치될 수 있는데, 이는 저온상태를 유지하고 있는 냉매출력관(31)과의 접촉을 통해 직분사될 냉각수(W)의 온도를 낮춤으로써, 압축흡기에 대한 냉각효율을 더욱 증대하기 위함이다.

또 다른 실시예에 따른 흡기온도센서(130a,130b)는, 터보차저(10) 쪽 흡기관(15a) 또는/및 엔진(20) 쪽 흡기관(15b)을 유동하게 되는 압축흡기의 온도를 측정하기 위해 마련된 구성요소로서, 제어부(140)와 전기적으로 연결되어 일정한 시간간격 또는 실시간으로 측정된 압축흡기의 온도 데이터를 제어부(140)에 전송하게 된다.

본 발명에 따른 실시예(도 2에 미도시) 및 또 다른 실시예(도 3에 도시)에 따른 터보차저의 압축흡기 냉각시스템(100)에는 제어부(140)가 더 구비될 수 있다.

제어부(140)는, 본 발명의 실시예에 따른 워터직분사장치(120)의 펌프(126)와 연결되어 이를 작동제어하거나 또는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 워터직분사장치(120a,120b)의 펌프(126a,126b) 및 흡기온도센서(130a,130b)와 각각 연결된 상태에서 흡기온도센서(130a,130b)에서 측정된 온도 데이터에 기초하여 해당 펌프(126a,126b)를 작동제어하는 구성요소이다.

이러한 제어부(140)의 펌프(126a,126b)에 대한 작동제어에 의해 인젝션부(124a,124b)의 냉각수(W) 직분사량은 설정된 범위에서 자유자재로 조절될 수 있게 된다. 한편, 제어부(140)는 상술한 자동차용 공조장치(HVAC,30)와 연결되어 냉매출력관(31)의 온도 또한 제어할 수 있음은 물론이다.

이때, 제어부(140)는 MCU(micro controller unit), 마이컴(microcomputer), 아두이노(Arduino) 등과 같은 모듈화된 유닛으로 구현될 수 있으며, 연결된 각 장치를 제어하고 전송받은 데이터를 처리 내지 저장하는 일련의 과정은 기계어(machine language, 機械語) 등과 같은 프로그래밍 언어로 코딩됨으로써 이루어지게 된다.

상술한 바와 같은 제어부(140)의 구현과 제어방법은, 당업자 수준에서 다양한 방식 및 형태로 손쉽게 이루어질 수 있는바, 이에 대한 구체적 설명은 생략한다.

다만, 본 발명의 또 다른 실시예의 경우 제어부(140)가 어떠한 작동 방식 내지는 알고리즘으로 압축흡기를 냉각시키게 되는 지와 관련하여 도 3을 참조하여 간단히 설명하기로 한다.

우선, 본 발명에 따른 냉각시스템의 초기세팅을 위해 본 발명의 실시자는, 인젝션부(124a,124b)의 분사량 대비 압축흡기의 온도 구간별(대략 10℃ 단위로 구분) 감온율에 대한 기본적인 데이터를 반복된 실험을 통해 얻은 후 해당 데이터를 제어부(140)에 저장한다. 이때, 실시자는 엔진(20) 쪽 압축흡기의 희망 온도를 제어부(140)에 설정하게 되는데, 이는 엔진(20)에 유입되는 압축흡기의 온도가 엔진(20)의 효율에 있어서 중요한 요소이기 때문이다. 한편, 감온율 데이터는, 엔진(20)의 여러 작동상태(아이들 상태, 저출력 상태, 고출력 상태 등) 별로 다시 구체화된 데이터 형태로 저장될 수도 있다.

다음으로, 제어부(140)는 터보차저(10) 쪽 흡기관(15a)에서 측정된 압축흡기의 온도 데이터를 상술한 감온율 데이터에 매칭시켜 상술한 희망 온도로 압축흡기를 냉각시키기 위한 터보차저(10) 쪽 인젝션부(124a)의 분사량을 도출하되, 이때의 분사량은 인터쿨러(110)를 통과하면서 압축흡기가 자연 냉각되는 정도를 고려하여 도출하게 된다.

다음으로, 제어부(140)는 도출된 터보차저(10) 쪽 인젝션부(124a)의 분사량에 맞춘 냉각수(W)의 직분사가 이루어지도록 해당 펌프(126a)를 작동제어하게 된다.

마지막으로, 제어부(140)는 엔진(20) 쪽 흡기관(15b)에서 측정된 압축흡기의 온도 데이터가 기설정된 희망 온도와 근사하거나 낮게 되면, 엔진(20) 쪽 인젝션부(124b)의 노즐(125)이 폐쇄상태를 유지하도록 해당 펌프(126b)를 작동제어하게 된다.

그러나 기설정된 희망 온도보다 엔진(20) 쪽 압축흡기의 온도 데이터가 높은 경우, 제어부(140)는 상술한 감온율 데이터에 다시 매칭시켜 희망 온도로 압축흡기를 냉각시키기 위한 엔진(20) 쪽 인젝션부(124b)의 분사량을 도출하고, 이에 부합하는 냉각수(W)의 직분사가 이루어지도록 해당 펌프(126b)를 작동제어하게 된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터보차저의 압축흡기 냉각시스템(100)에 의하면, 상술한 바와 같은 과정에 따라 엔진(20) 쪽과 터보차저(10) 쪽에 각각 구비된 흡기온도센서(130a,130b) 및 워터직분사장치(120a,120b)는 서로 연계된 형태로 작동하게 되므로, 외부 환경이 시시각각 변하더라도 압축흡기를 기설정된 희망 온도로 용이하게 냉각할 수 있게 된다.

앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

W: 냉각수 10: 터보차저
11: 컴프레셔 휠 12: 터빈
15,15a,15b: 흡기관 16: 배기관
20: 엔진 21: 흡기부
30: HVAC 31: 냉매출력관
100: 터보차저의 압축흡기 냉각시스템
110: 인터쿨러 120,120a,120b: 워터직분사장치
122: 워터탱크 123: 요철부
124,124a,124b: 인젝션부 125: 노즐부
126,126a,126b: 펌프 127: 냉각수공급관
130a,130b: 흡기온도센서 140: 제어부
150: 산소발생기

Claims

엔진의 배기가스를 구동력으로 흡인되는 외기를 압축시키는 터보차저에 의해 승온된 압축흡기의 냉각을 위해 사용되고,
상기 엔진의 흡기부와 상기 터보차저를 연통시키는 흡기관의 일측에 연통되도록 설치되어 외기와의 접촉면적증대를 통해 압축흡기를 냉각시키는 인터쿨러; 및
상기 터보차저와 상기 인터쿨러 사이의 상기 흡기관과 연통되도록 설치된 상태에서 상기 흡기관 내로 냉각수를 직분사하여 압축흡기를 냉각시키는 워터직분사장치를 포함하고,
상기 워터직분사장치는,
냉각수를 저장하는 워터탱크; 냉각수공급관을 통해 상기 워터탱크로부터 냉각수를 제공받아 상기 흡기관과 연통된 노즐부를 통해 냉각수를 무화상태로 직분사하는 인젝션부; 및 상기 워터탱크와 상기 인젝션부 사이에 구비되어 냉각수를 상기 인젝션부로 펌핑하는 펌프를 포함하고,
상기 워터탱크는, 외주면을 따라 방열핀 형태의 요철부가 다수 개로 형성된 탱크형상으로 이루어지고, 상기 워터탱크의 일측에는, 상기 워터탱크 내의 냉각수에 산소를 제공하는 산소발생기가 더 구비되고,
상기 냉각수공급관은, 자동차용 공조장치(HVAC) 중 냉매출력관의 외주면을 따라 나선 형태로 감겨 설치되는 것을 특징으로 하는 터보차저의 압축흡기 냉각시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 엔진과 상기 인터쿨러 사이의 상기 흡기관 일측 및 상기 인터쿨러와 상기 터보차저 사이의 상기 흡기관 일측 중 적어도 어느 하나에는,
압축흡기의 온도를 측정하는 흡기온도센서가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 터보차저의 압축흡기 냉각시스템.
제3항에 있어서,
상기 엔진과 상기 인터쿨러 사이의 상기 흡기관에는,
상기 워터직분사장치가 상기 흡기관과 연통되도록 더 설치되는 것을 특징으로 하는 터보차저의 압축흡기 냉각시스템.
삭제
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 터보차저의 압축흡기 냉각시스템은,
상기 흡기온도센서에서 측정된 온도 데이터에 기초한 상기 펌프의 펌핑압 제어를 통해 상기 인젝션부의 냉각수 직분사량이 조절되도록, 상기 흡기온도센서 및 상기 펌프와 연결되는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저의 압축흡기 냉각시스템.