KR20110129130A - 내연기관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일반 터빈 휠과 연통하는 한 쌍의 스크롤 통로를 갖는 내연기관에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기가스의 에너지효율을 높일 수 있는 내연기관에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 흡배기 밸브를 이용하여 공기를 흡입하고 연소가스를 배출시키는 내연기관에 있어서, 각 실린더 당 한 쌍의 배기 포트를 갖는 실린더 헤드, 상기 실린더 헤드의 각각의 배기 포트에 과급장치가 연결되고, 상기 배기 포트로부터 배출되는 배기가스가 상기 과급장치로 유입되기 위하여 배치되는 적어도 2개 이상의 스크롤 및 상기 스크롤 중 선택적으로 어느 한 쪽으로만 배기가스를 공급시킴으로써 스크롤 단면적을 축소시키는 차폐 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관을 제공한다.

Description

내연기관{INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 일반 터빈 휠과 연통하는 한 쌍의 스크롤 통로를 갖는 내연기관에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기가스의 에너지효율을 높일 수 있는 내연기관에 관한 것이다.

일반적으로 종래의 터보 인터쿨러 디젤엔진은 터빈과 컴프레서로 구성되는 터보차저를 이용하여 흡입 공기량을 증가시켜 출력을 향상시키는 구조를 이루고 있다.

즉, 배기가스가 배기관을 통해 터빈을 통과하면서 상기 터빈에 에너지를 공급하게 되고, 상기 터빈은 축에 의해 연결된 컴프레서에 상기와 같은 에너지를 회전에너지로 전달하게 된다.

이때, 상기 컴프레서는 흡입공기를 압축한 후 이를 인터쿨러를 통해 흡기 매니폴드로 보냄으로써, 상기 흡입공기는 자연흡기엔진에 비해 높은 밀도로 엔진에 공급되는 것이다.

그러나, 종래의 터보차저 장착 엔진은 차량이 발진시 터보랙 현상 발생으로 인해 흡입공기량이 부족하여 그 출력이 일시적으로 적게 나오는 현상이 있으며, 특히 정지 후 출발시 터보랙 현상이 심하여 경사로나 등판 발진 시 엔진의 출력저하 및 매연의 다량 방출 원인이 되는 문제점을 갖고 있다.

즉, 엔진의 회전수가 낮은 상태에서 급격히 가속 할 때 터빈에 전달되는 배기 에너지가 터빈을 회전 시키기에 충분치 못하여, 엔진이 가속하거나 부하가 증가할 때 공급되는 부스트압은 동일한 순간 회전수와 연료량에 대해 정상상태일 때에 비하여 낮은 수준을 유지하는 폐단이 따랐다.

그러므로 상기와 같은 폐단으로부터 흡입 공기량이 그 분사연료가 연소하는데 정상적으로 공급되는 공기량에 비하여 부족함을 의미하고, 이로 인하여 엔진의 연소성능이 저하되어 매연 발생과 더불어 순간 토크 부족을 유발하게 되었다.

이와 같은 현상은 VGT(Variable Geometric Turbo Charger)의 경우 많은 부분 개선되었으나 엔진 회전수 1500RPM 이하에서는 여전히 존재하고 있다.

또한, 상기 VGT의 경우 추가적으로 설치되는 가변장치로 인하여 중량이 증가하고 설계성 및 내구성이 악화되는 문제점을 갖는다.

이와 같이 종래의 터보차저는 저회전에서의 배기 에너지의 부족과 터빈의 관성으로 인해 컴프레서가 충분히 빨리 흡입공기를 공급하지 못하므로써, 상기와 같은 터보랙 현상은 회전기간 동안 무부하와 전부하 연료의 연료량 차이가 큰 고마력 엔진일수록 심하게 발생되는 문제점이다.

즉, 터빈 휠이 충분히 일을 하지 못하므로 이에 연동된 컴프레서 휠 회전도 원활하지 않으므로 적정한 공기 과급되지 못하므로 실 운전 상태에서 엔진 출력이 순간적으로 부족하게 됨에 따라 운전성 확보가 불가능하게 된다. 이를 터보랙이라 한다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 저속시 충분한 배기 에너지를 공급하기 위하여 터빈 휠 측 스크롤의 단면적을 축소시켜 터빈 휠의 회전 속도를 향상시킬 수 있는 내연기관을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 내연기관은 흡배기 밸브를 이용하여 공기를 흡입하고 연소가스를 배출시키는 내연기관에 있어서,

각 실린더 당 한 쌍의 배기 포트를 갖는 실린더 헤드, 상기 실린더 헤드의 각각의 배기 포트에 과급장치가 연결되고, 상기 배기 포트로부터 배출되는 배기가스가 상기 과급장치로 유입되기 위하여 배치되는 적어도 2개 이상의 스크롤 및 상기 스크롤 중 선택적으로 어느 한 쪽으로만 배기가스를 공급시킴으로써 스크롤 단면적을 축소시키는 차폐 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 한 쌍의 배기 포트 중 어느 하나의 배기 포트에 선택적으로 개폐되는 가변 밸브 장치가 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 과급장치 내에는 2개의 스크롤이 형성되고, 이러한 2개의 스크롤 중 선택적으로 일측 스크롤을 개폐하도록 설치되는 차폐 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가변 밸브 장치는 모터, 흡입 부압, 유압 중 어느 한 가지에 의하여 구동되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가변 밸브 장치에 의하여 저속운전 시에는 상기 스크롤 중 어느 한 쪽으로만 배기가스를 공급하고, 고속운전 시에는 모든 스크롤에 배기가스를 공급하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 실린더 헤드 내에서 가변 밸브장치와 연결된 배기포트와 가변 밸브장치가 없는 배기포트는 상호 간섭이 없도록 분리되어 구획되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 터보 차저에 의하면, 터빈 측에 배기 유동 에너지를 공급하는 스크롤을 2개로 분리시킴으로써 스크롤을 2개로 분리시켜 저속 시 배기 유동 에너지를 확보할 수 있다.

즉, 저속 시에는 연소실에서 발생되는 충분하지 못한 유동 에너지를 한 쪽 스크롤 쪽으로만 유입시키므로 터빈 측 필요 에너지를 확보할 수 있다.

또한, 냉간 시동 시 배기가스에 노출되는 면적이 최소화되어서 LOT(Light-Off temperature)가 단축되므로 촉매 귀금속 함유량이 저감된다.

또한, 터보 기구에 별도의 가변 장치가 생략되므로 경량화 및 컴팩트화를 실현할 수 있고, 이에 따라 내구성이 확보될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 내연기관의 전체적인 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 내연기관에 적용되는 배기 매니포트의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 내연기관에 적용되는 트윈 스크롤 장치의 저속영역 시 사용상태도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 내연기관에 적용되는 트윈 스크롤 장치의 고속영역 시 사용상태도이다.
도 5는 도 3의 흡/배기 밸브와 트윈 스크롤 장치의 관계를 도시한 것이다.
도 6은 도 4의 흡/배기 밸브와 트윈 스크롤 장치의 관계를 도시한 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 내연기관의 전체적인 개략도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 내연기관은 실린더 헤드(100), 디퓨저(200) 및 과급 장치(300)를 포함한다.

상기 실린더 헤드(100)는 각 실린더 당 2개의 흡기 밸브와 2개의 배기 밸브를 갖고, 상기 각각의 실린더의 2개의 배기 포트 중 어느 하나에는 가변 밸브 장치(110a, 110b, 110c, 110d)가 설치된다. 이러한 가변 밸브 장치(110a, 110b, 110c, 110d)는 상기 배기 포트(102a, 102b, 102c, 102d)의 개폐제어가 가능하도록 2단 가변 밸브 기구를 적용할 수 있다.

상기 각 실린더의 2개의 배기 밸브는 상호 구획되어 배기 매니폴드(110)로 연통된다.

상기 디퓨저(200)는 제1 연결관(201) 및 제2 연결관(202)을 갖도록 형성하고, 실린더 헤드(100)와 과급기를 중간에서 연결시키는 기능을 한다. 이러한 디퓨저(200)는 설계자의 판단에 의해 적용 또는 삭제가 가능하다.

따라서, 상기 과급 장치(300)는 상기 배기 매니폴드(110)와 직접 연결될 수도 있고, 상기 디퓨저(200)와 연통되도록 형성될 수도 있다.

이러한 과급 장치(300)는 임펠러(320)를 향하여 배기가스가 유동되도록 제1스크롤(301) 및 제2 스크롤(302)이 형성되고, 이를 통하여 상기 배기가스를 안내하게 된다. 즉, 상기 과급 장치(300)의 제1, 제2 스크롤(301, 302)은 후술하는 제1 배기 합류부(111a) 및 제2 배기 합류부(111b)와 각각 연통된다.

즉, 상기 각 실린더의 2개의 배기 포트 중 어느 하나의 배기 포트에는 각각 가변 밸브 장치(110a, 110b, 110c, 110d)가 설치되고, 도 2에 도시한 바와 같이, 다른 하나의 각각의 배기 포트는 배기 매니폴드로 합류되도록 형성된다. 이때, 상기 각 실린더의 어느 하나의 배기 포트들이 합류되어서 제1 합류부(111a)를 형성하고, 상기 각 실린더의 다른 하나의 배기 포트들이 합류되어서 제2 합류부(111b)를 형성한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 내연기관에 적용되는 과급 장치의 저속영역 시 사용상태도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 저속 영역 시에는 상기 과급 장치(300)의 스크롤(301, 302) 내부에 설치되는 차폐 장치(310)의 개폐부(311)를 폐쇄한다.

즉, 상기 과급 장치(300)의 스크롤(301, 302)을 통하여 최초 A1-A1 선의 부위를 유동하는 배기가스는 B1-B1선의 부위를 유동하는 배기가스에 도시한 바와 같이 상기 제1, 제2 스크롤(301, 302) 중 어느 한 쪽으로만 배기가스를 공급하게 된다.

이때, 저속 영역 시의 엔진에서 발생하는 배기 에너지는 터빈(330)을 작동시키기에는 충분하지 못하다.

따라서, 상기 과급 장치의 단면적을 축소시키게 되면 상기 배기가스의 유속이 증가하게 되며, 이와 같이 증가된 유속으로 인하여 배기 에너지를 증가시키게 되는 효과를 갖는다.

또한, 냉간 시동 시 배기가스의 단열면적을 최소화 시킴으로써 촉매활성화가되기까지 걸리는 시간인 LOT(Light Off temperature)가 단축되므로 촉매 귀금속 함유량이 저감되는 효과를 갖는다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 내연기관에 적용되는 트윈 스크롤 장치의 고속영역 시 사용상태도이다.

도 4에 도시한 바와 같이 고속 영역 시에는 상기 과급 장치(300)의 스크롤(301, 302)을 통하여 최초 A2-A2 선의 부위를 유동하는 배기가스는 B2-B2선의 부위를 유동하는 배기가스에 도시한 바와 같이 상기 제1, 제2 스크롤(301, 302)을 모두 개방하게 되므로 상기 과급 장치에 엔진으로부터 배출되는 모든 배기가스를 공급하게 된다.

이것은 고속 시에는 배기에너지가 충분하므로 상기 제1, 제2 스크롤(301, 302)에 모든 배기가스를 공급시키는 것이다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

100: 실린더 헤드
101a, 101b, 101c, 101d: 흡기 포트
102a, 102b, 102c, 102d: 배기 포트
110: 배기 매니폴드
110a, 110b, 110c, 110d: 밸브 가변 장치
111a: 제1 합류부
111b: 제2 합류부
200: 디퓨저
201: 제1 연결관
202: 제2 연결관
300: 과급 장치
301: 제1 스크롤
302: 제2 스크롤
310: 차폐 장치
311: 개폐부
320: 임펠러
330: 터빈

Claims (12)

1. 흡배기 밸브를 이용하여 공기를 흡입하고 연소가스를 배출시키는 내연기관에 있어서,
   각 실린더 당 한 쌍의 배기 포트를 갖는 실린더 헤드;
   상기 실린더 헤드의 각각의 배기 포트에 과급장치가 연결되고, 상기 배기 포트로부터 배출되는 배기가스가 상기 과급장치로 유입되기 위하여 배치되는 적어도 2개 이상의 스크롤; 및
   상기 스크롤 중 선택적으로 어느 한 쪽으로만 배기가스를 공급시킴으로써 스크롤 단면적을 축소시키는 차폐 장치;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
2. 제1항에 있어서,
   상기 한 쌍의 배기 포트 중 어느 하나의 배기 포트에 선택적으로 개폐되는 가변 밸브 장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
3. 제2항에 있어서,
   상기 과급장치 내에는 2개의 스크롤이 형성되고, 이러한 2개의 스크롤 중 선택적으로 일측 스크롤을 개폐하도록 설치되는 차폐 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
4. 제3항에 있어서,
   상기 가변 밸브 장치는 모터, 흡입 부압, 유압 중 어느 한 가지에 의하여 구동되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
5. 제3항에 있어서,
   상기 가변 밸브 장치에 의하여 저속운전 시에는 상기 스크롤 중 어느 한 쪽으로만 배기가스를 공급하고, 고속운전 시에는 모든 스크롤에 배기가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
6. 제2항에 있어서,
   상기 실린더 헤드 내에서 가변 밸브장치와 연결된 배기포트와 가변 밸브장치가 없는 배기포트는 상호 간섭이 없도록 분리되어 구획되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
7. 흡배기 밸브를 이용하여 공기를 흡입하고 연소가스를 배출시키는 내연기관에 있어서,
   각 실린더 당 한 쌍의 배기 포트를 갖는 실린더 헤드;
   상기 실린더 헤드의 각각의 배기 포트에 과급장치가 연결되고, 상기 배기 포트로부터 배출되는 배기가스가 상기 과급장치로 유입되기 위하여 배치되는 적어도 2개 이상의 스크롤;
   상기 실린더 헤드와 상기 스크롤을 갖는 과급장치 사이에 설치되는 디퓨저; 및
   상기 스크롤 중 선택적으로 어느 한 쪽으로만 배기가스를 공급시킴으로써 스크롤 단면적을 축소시키는 가변 장치;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
8. 제7항에 있어서,
   상기 한 쌍의 배기 포트 중 일 측의 배기 포트에 선택적으로 개폐되는 가변 밸브 장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
9. 제7항에 있어서,
   상기 과급장치 내에는 2개의 스크롤이 형성되고, 이러한 2개의 스크롤 중 선택적으로 일측 스크롤을 개폐하도록 설치되는 스크롤 차폐 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
10. 제8항에 있어서,
    상기 가변 밸브 장치는 모터, 흡입 부압, 유압 중 어느 한 가지에 의하여 구동되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
11. 제9항에 있어서,
    상기 가변 밸브 장치에 의하여 저속운전 시에는 상기 스크롤 중 어느 한 쪽으로만 배기가스를 공급하고, 고속운전 시에는 모든 스크롤에 배기가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
12. 제8항에 있어서,
    상기 실린더 헤드 내에서 가변 밸브장치와 연결된 배기포트와 가변 밸브장치가 없는 배기포트는 상호 간섭이 없도록 분리되어 구획되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
    
    

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