KR100369508B1 - 과급내연기관 - Google Patents

Abstract

과급 내연기관(1)은 배기가스로 구동되는 과급기(6)를 지니며, 상기 과급기의 콤프레서는 급기 냉각기(9) 또는 급기 리시버(10)와 같은 유동 챔버내로 전개되는 파이프(8)를 통하여 실린더의 흡기측에 연결된다. 파이프 출구(31)에 대면하여 배치된 소음-감소체(12)는 파이프 출구로부터 소정의 거리를 두고 이격되어 파이프 출구를 횡단하여 연장하도록 배치되며, 소음-감소체(12)와 그것에 대면하는 챔버벽(14) 사이에 환형의 배기 개구부(18)의 경계를 정한다. 소음-감소체(12)는 파이프(8)로부터 유동 챔버까지의 압력파의 확산을 제한한다.

Description

과급 내연기관

본 발명은 과급(過給) 내연기관(turbocharged internal combustion engine)에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 급기 냉각기(charging air cooler) 또는 급기(給氣) 리시버(receiver)와 같은 유동 챔버내로 전개되는 파이프를 통하여 실린더의 흡기측에 연결된 콤프레서를 구비한, 배기가스로 구동되는 과급기를 지니는 대형 2행정 크로스헤드 엔진에 관한 것이다.

엔진의 운전에 의해 발생되는 소음 수준은 엔진 주변의 엔진 룸(engine room)에서의 작동조건에 있어서 중요하다. 물론, 소음 수준은 가능한 한 낮게되는 것이 바람직하지만, 다수의 엔진 구성요소들이 소음을 발생시킨다. 과급기는 소음의 특히 주요한 발생원이다. 임펠러(impeller)의 날개들이 배기 개구부의 에지를 통과할 때, 유출되는 공기가 갈라지며, 그것은 콤프레서의 공급측에서 공기의 압력 변화를 발생시킨다. 이러한 압력 변화는 주위의 구조물을 진동시켜, 소음을 발생시킨다. 최근의 과급기들은 보다 우수한 효율을 지니며, 콤프레서의 전후의 압력비가 한층 더 크게 됨으로써, 종래보다 한층 더 높은 수준의 소음을 발생시킨다.

소음은 과급기로부터 직접 발생하거나, 또는 콤프레서로부터 엔진의 관련된 부분으로의 압력 변화의 전달에 의해 간접적으로 발생한다. 엔진 구성요소의 무음화(silencing)는 원칙적으로 2가지의 상이한 방법으로 실행될 수 있다. 한가지는, 소음 흡수방법으로서, 엔진 구성요소의 내측의 압력 변화의 수준을 감소시켜, 엔진 구성요소 전체의 소음 발생을 더 적게 하는 것이다. 다른 방법은 소음차단 방법으로서, 소음차단재료로 엔진 구성요소를 둘러싸는 것이다.

콤프레서의 공기 출구와 유동 챔버를 상호 연결하는 파이프는 통상 소음차단되어 있는데, 파이프의 외측에 소음차단재료를 감아 소음을 감소시키는 동시에, 파이프의 내측에 소음흡수재료를 설치할 수도 있다. 파이프에 있어서의 소음감소는 파이프와 엔진의 실린더 사이에 위치한 유동 구성요소에도 영향을 미친다.

본 발명의 목적은 엔진의 흡기장치로부터 발생되는 소음을 감소시키는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 내연기관이 특징으로 하는 것은, 소음 감소체가 파이프의 출구에 대면하여 그 출구를 횡단하여 연장하도록 배치되며, 파이프의 출구의 주위에 위치한 대향하는 챔버 벽과 공동하여 환형의 배기 개구부의 경계를 정하는 것이다.

공기가 파이프 배기구로부터 유출할 때, 공기는 소음 감소체에 충돌한다. 그 소음 감소체는 파이프의 종방향을 따라 공기의 운동을 방해하며, 공기의 유동을 환형의 배기 개구부로부터 유출하도록 편향시킨다. 파이프내의 압력 변화가 소음 감소체를 강타하면, 압력 변화는, 흡기 장치의 유동 챔버쪽으로 전달되는 대신에, 소음 감소체에 반사되어, 실질적으로 파이프내로 되돌아갈 것이다. 유동 챔버는 소음차단재료로 그 외부를 포장하기 어려울 정도로 큰 부피를 지니는 경우가 많다. 따라서, 소음 감소체가 압력 변화를 주로 감소시키며, 이것은 대형의 엔진의 구성요소들에 특히 유효하다. 파이프에 대한 압력 변화의 확산을 제한함으로써, 흡기장치로의 소음 수준을 최초의 소음량의 대략 절반까지 감소시킬 수 있다. 이러한 우수한 효과는 대형의 엔진의 구성요소에의 압력 변화의 확산을 제한함으로써 달성된다.

바람직한 실시예에 있어서, 소음 감소체는, 환형의 배기 개구부의 유동면적(flow area)이 파이프 출구의 유동면적과 적어도 동일하게 되도록, 파이프 출구로부터 소정의 거리를 두고 배치되어 있다. 파이프 출구 바로 뒤의 유동면적의 감소를 회피함으로써, 소음 감소체를 통과할 때에 발생하는 압력강하를 최소로 억제한다.

압력강하가 적으면, 콤프레서의 압력비가 증대하는 것을 방지할 수 있다. 전술된 바와같이, 압력비가 증대하면, 콤프레서 자체로부터 발생되는 소음이 더 증대되어 버린다.

특히 간단한 실시예에 있어서, 소음 감소체는 플레이트 부재(plate member)로 이루어지는데, 상기 플레이트 부재는 그 주변을 따라 배치된 수개의 로드-형태의 분리기(separator)에 의해 파이프 출구 주위의 챔버 벽으로부터 소정의 거리를 두고 이격되어 유지된다. 그 분리기는 환형의 배기 개구부를 통한 공기 유동을 거의 방해하지 않고 플레이트 부재를 고정 유지시킨다. 소음 감소체는 용이하게 제조되며, 큰 설치공간을 필요로 하지 않는다.

소음 감소체는 파이프 출구에 면하는 측에 소음흡수재료를 구비하는 것이 바람직하다. 공기 유동이 소음 감소체에 충돌하면, 압력 변화가 반사되어 파이프내로 되돌아오는 동시에, 압력 변화의 일부가 소음흡수재료에 흡수되므로, 소음의 일부도 흡수된다. 대부분의 압력 변화가 소음흡수재료의 표면에 직각으로 충돌하기 때문에, 이러한 흡수에 의한 소음흡수효과는 최적이다. 그러한 효율적인 소음흡수는, 파이프의 내측의 소음흡수재료에 의해서는 달성될 수 없다. 그 이유는, 압력 변화가 소음흡수재료의 표면에 평행한 파이프의 종방향을 따라 전파되기 때문이다.

과급기와 엔진의 흡기장치의 다른 구성요소와의 상호 위치관계는 파이프의 진로에 의해 정해진다. 파이프의 종축이 파이프 출구의 면에 대하여 경사지게 연장하는 경우에는, 소음 감소체가 파이프의 출구의 면에 평행하게 연장하는 것이 공간적으로 유리하다. 효율적인 소음 흡수를 달성하기 위하여, 상기 소음 감소체는, 파이프의 측벽의 모선이 소음 감소체상에 폐곡선을 그리도록, 파이프 출구에 관하여 편심되는 것이 바람직하다. 그 모선은 파이프 출구의 반대측 방향으로의 파이프의 측벽의 가상의 연장선이다. 공기가 파이프로부터 유출된 직후, 공기 유동은 파이프의 내부에서의 유동 방향과 동일한 방향으로 계속될 것이다. 파이프 측벽의 모선이 소음 감소체상에 폐곡선을 그리는 경우, 공기 유동은 그것의 유동 단면적 전체에 걸쳐 유동방향이 편향되어, 압력 변화가 소음 감소체의 특정 장소를 통과하는 것을 저지한다. 파이프의 종축이 소음 감소체의 면적의 중심과 실질적으로 교차하는 경우, 환형의 배기 개구부를 통한 공기 유동은 한층 더 균일하게 된다.

파이프 출구의 주위의 공간이 좁을 경우, 소음 감소체는 파이프 출구와 평행하게 그 파이프 출구로부터 소정의 거리를 두고 이격되게 위치한 평판한 플레이트로 되는 것이 바람직하다. 그러한 소음 감소체의 설치 공간은 매우 작게되며, 주위의 구조체를 변경하지 않고 파이프의 연결 플랜지에 소음 감소체를 설치할 수 있다.

소음 감소체는 실제로 콤프레서에 가능한 한 가까이 배치되는 것이 바람직하다. 이것은, 콤프레서의 공기 출구와 급기 냉각기의 공기 입구를 상호 연결하는 파이프에 대면시켜 소음 감소체를 급기 냉각기의 공기 입구에 배치함으로써, 달성할 수 있다.

이제, 본 발명의 실시예들이 첨부도면을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다.

크로스헤드형 대형 2행정 엔진(1)은 선박의 추진엔진 또는 고정식 발전용 엔진으로서 사용될 수 있다. 엔진의 실린더(2)는 배기통로(3)를 통하여 배기공기를 배기 리시버(4)에 공급하는데, 그 리시버는 각각의 실린더로부터 압력 변화를 균등화하여, 과급기(6)의 터빈 입구(5)로 공기를 보낸다. 엔진은 그것의 동력과 실린더의 수에 따라 하나 또는 그 이상의 과급기를 지닐 수 있다. 도시된 바와같이 6개의 실린더를 구비한 엔진은 2개의 과급기를 지닌다. 배기가스는 터빈으로부터 배기 파이프(도시되지 않았음)를 통하여 전달된다.

터빈은 콤프레서를 구동하며, 그 콤프레서는 엔진의 흡입공기를 소기의 압력까지 압축한다. 흡입공기는 소기용 공기 및 급기용 공기로서 작용하지만, 설명을 간단히 하기 위하여, 이하, 「급기」로 칭하기로 한다. 콤프레서의 출구(7)로부터, 공기는 파이프(8)를 통하여, 유동 챔버(관통-유동 챔버)에 이른다. 유동 챔버는 도시된 바와같은 급기 냉각기(9)일 수 있다. 냉각기는 급기 리시버(10) 형태의 제2의 유동 챔버로 공기를 전달하며, 공기는 그곳으로부터 파이프(도시되지 않았음)를 통하여 엔진의 프레임 박스의 실린더 영역(11)의 유동 챔버내로 유입되며, 계속하여, 실린더 라이너의 측벽에 설치된 소기 슬롯 또는 소기구들을 통하여 실린더내로 유입될 수 있다. 종방향에서 소기를 하는 2행정 엔진 대신에 4행정 엔진을 사용하는 경우, 공기의 유입은 흡기 밸브를 이용하여 실린더의 흡기측에서 제어된다.

흡기측에서, 엔진은 파이프에 의해 유동-연결되는 수개의 유동 챔버를 구비하는 것을 알 수 있다. 제3도는 소음-감소체(12)를 제시하며, 상기 소음-감소체는 콤프레서의 공기 출구와 급기 냉각기(9)의 공기 흡입측(공기 입구)을 상호 연결하는 파이프(8)의 출구에 대면하여 배치된다. 물론, 소음을 더 감소시키고 싶은 경우, 계속되는 파이프의 출구에 대면시켜 대응하는 소음-감소체를 배치할 수도 있다. 흡기장치의 압력 강하를 최소화하기 위하여, 콤프레서로부터 파이프의 출구에 대면한 단지 하나의 소음-감소체(12)를 설치하는 것이 바람직하다. 이와같이 구성한 경우, 소음의 감소가 콤프레서 근처에서 이루어진다. 소음-감소체는 콤프레서의 출구에 대면하여 배치될 수 있지만, 도시된 바와같이, 파이프(8)에 대면하여 배치된 경우에는, 특수한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 파이프(8)의 내측에 설치된 소음-흡수층(13)이 파이프내의 압력파를 감쇠시키며 또한 소음-감소체(12)로부터 반사된 압력파를 감쇠시키는 효과를 달성할 수 있다. 엔진이 급기 냉각기를 구비하고 있지 않은 경우에, 소음-감소체는 급기 리시버에 대한 공기 흡입측 또는 실린더 영역에 대한 공기 흡기측에 배치될 수 있다.

제3도는 급기 냉각기의 상부의 챔버벽(14) 부분을 제시하는데, 상기 챔버벽의 내측에는 소음흡수재료(15)가 제공되어 있다. 그 재료(15)는, 파이프 출구의 주위에서 환형의 칼라(16)에 의해 보호된다.

소음-감소체(12)는 분리기(17)에 의해 칼라(16)로부터 일정한 거리(A)를 두고 챔버벽(14)에 고정되며, 환형의 배기 개구부(18)의 유동면적이 파이프 출구에서의 유동면적에 실질적으로 상당하도록 되어 있다. 환형의 배기 개구부의 유동면적은, 소음-감소체(12)와 챔버벽(14)에 제공된 소음흡수재료(15)의 내표면 사이의 거리(A)에, 파이프 출구의 주변 길이를 곱함으로써, 대략적으로 계산될 수 있다. 실제로, 분리기가 존재하기 때문에, 상기 유동면적은 상기 계산치보다 약간 더 작게 된다. 챔버의 공간적 여유가 있으면, 배기 개구부를 보다 더 큰 면적으로 할 수 있다.

분리기(17)는 나사가공된 로드로 이루어지며, 그 로드를 챔버벽(14)에 설치된 나사구멍에 나사결합시키고, 거리-형성용 파이프 부분을 나사 로드상으로 밀어넣고, 계속하여, 나사 로드를 소음-감소체(12)의 구멍에 삽통(揷通)시킨다. 소음-감소체(12)는 한쌍의 너트(19)에 의해 파이프 부분에 접하여 고정된다. 그 대신에, 파이프 출구 주위의 챔버벽에 용접한 지지 플랜지를 설치하여, 그것에 소음-감소체(12)를 고정할 수도 있다.

소음-감소체(12)는 플레이트 부재(20)로 구성되며, 그 플레이트 부재의 파이프 출구를 향한 면에는, 유리솜, 암면™(Rockwool™; 등록상표명), 발포스티롤(foamed plastics) 또는 스폰지 재료와 같은 내열성 소음흡수재료(21)가 제공되어 있다. 냉각기 입구에서의 흡기공기의 온도가 높으므로, 상기 소음흡수재료는 유리섬유 직물(22)을 둘러싸는 것에 의해 보호되며, 소음흡수재료의 기계적 강도는 유리섬유 웨브의 주위에 배치된 스테인레스강으로 만든 네트(23)에 의해 보장된다. 파이프 출구에 인접한 측에 구멍이 뚫린 플레이트(24)를 배치하여, 하부의 재료를 보호한다.

파이프(8)의 내측에서, 공기는 칼라(16)에 있는 파이프 출구를 향하여 선회(旋回)하면서 유동한다. 칼라(16)를 통과한 후, 공기 유동은 소음-감소체(12)에 충돌하며, 공기는 그 유동방향이 변화되어 배기 개구부(18)를 통과하며, 계속하여, 급기 냉각기의 내측으로 유입된다. 공기내의 압력파 또는 압력 변화가 소음-감소체에 충돌한 때, 압력파의 일부는 플레이트 부재(20)상의 소음흡수재료(21)에 흡수되지만, 압력파의 나머지 부분은 반사되어 파이프(8)내로 되돌아온다.

평탄한 플레이트 부재(20)대신에, 파이프 출구로부터 보아 오목하게 된 만곡 플레이트가 사용되어, 반사된 압력파를 파이프내로 집중시킬 수도 있으며, 만곡 플레이트를 볼록하게 하여, 유입되는 공기를 계속되는 챔버내로 경사지게 도입시킬 수도 있다.

다음에는, 본 발명의 제2의 실시예를 설명하지만, 상기 제1의 실시예에서의 요소와 동일한 기능을 지니는 요소에는 동일한 참조번호들이 사용된다.

이 실시예에 있어서도, 파이프(8)는 상부의 챔버벽(14)에 고정되어 있다. 외측에서, 챔버벽은 지주(30; strut; 제5도 참조)에 연결되며, 그 지주는 냉각기를 다른 요소와 함께 지지한다. 제6도에서 그것의 주위가 실선으로 도시된 파이프 출구(31)의 주위에서, 챔버벽에는 벽 부분(14')에 의해 단차진 부분이 형성된다. 콤프레서의 출구와 급기 냉각기의 입구의 위치관계는, 파이프가 챔버벽(14)을 향하여 경사지게 연장하도록 선정되어 있다. 파이프의 그러한 경사배치로 인하여, 공기의 압력 변화는, 파이프 출구(31)를 통과한 후에도, 파이프의 종축(32)에 평행하게 전파된다. 따라서, 소음-감소체(12)의 크기 및 위치는, 파이프 벽의 모선이 소음-감소체(12)와 반드시 만나도록 선정되어 있다. 파이프 출구(31)에 대한 소음-감소체(12)의 편심 위치가 제6도에 명시되어 있지만, 이 경우, 파이프 출구의 면적의 중심을 참조번호 33으로 표시하고, 소음-감소체(12)의 면적의 중심을 참조번호 34로 표시하였다. 도시된 바와같이, 소음-감소체(12)는 원형이지만, 물론, 다각형과 같은 다른 형상으로 될 수도 있다. 소음-감소체(12)의 위치는, 파이프의 종축(32)이 상기 소음-감소체(12)의 면적의 중심(34)을 통과하도록 선정되어 있다.

상기 명세서에서, "파이프" 라는 용어는, 공기가 챔버내로 유입하는 출구에 이르는 임의의 유동 통로를 의미한다. 따라서, 냉각기 및 리시버가 적당한 중간 파이프 연결부 없이 유닛내로 일체화되는 경우에는, 소음-감소체를 급기 리시버의 출구의 외측에 배치할 수 있다.

제1도 및 제2도는 각각 대형 2-행정 과급 크로스헤드 엔진의 단면도 및 정면도이다.

제3도는 본 발명에 따른 소음-감소체(sound-reducing body)의 제1의 실시예를 제시하는 측면도이다.

제4도는 제3도의 소음-감소체의 부분 확대 단면도이다.

제5도는 제6도의 선 V-V로부터 취해진, 본 발명에 따른 소음-감소체의 제2의 실시예를 제시하는 측면도이다.

제6도는 제5도의 소음-감소체에 관한 파이프 출구의 위치관계를 제시하는 평면도이다.

Claims (8)

1. 급기 냉각기(9) 또는 급기 리시버(10)와 같은 유동 챔버내로 전개되는 파이프를 통하여 실린더의 흡기측에 연결된 콤프레서를 구비한, 배기가스로 구동되는 과급기(6)를 지니는 대형 2행정 크로스헤드 엔진과 같은 과급 내연기관에 있어서,

   소음 감소체(12)가 상기 파이프의 출구(31)에 대면하여 그 출구를 횡단하여 연장하도록 배치되며, 상기 파이프의 출구의 주위에 위치한 대향하는 챔버벽(14)과 공동하여 환형의 배기 개구부(18)의 경계를 정하는 것을 특징으로 하는 과급 내연기관.
2. 제1항에 있어서, 상기 환형의 배기 개구부(18)가 상기 파이프 출구와 적어도 동일한 유동면적을 지니도록, 소음-감소체(12)가 상기 파이프 출구로부터 소정의 거리를 두고 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 과급 내연기관.
3. 제1항에 있어서, 상기 소음-감소체(12)는 플레이트 부재(20)로 이루어지며, 상기 플레이트 부재는 그 주변을 따라 배치된 수개의 로드-형태의 분리기(17)에 의해 상기 파이프 출구 주위의 상기 챔버벽(14)으로부터 소정의 거리를 두고 이격되어 유지되는 것을 특징으로 하는 과급 내연기관.
4. 제1항에 있어서, 상기 소음-감소체(12)는 상기 파이프 출구에 대면한 측에소음흡수재료(21, 24)를 구비하는 것을 특징으로 하는 과급 내연기관.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한항에 있어서, 상기 파이프의 종축(32)은 상기 파이프 출구(31)의 면에 대하여 경사지게 연장하며, 상기 소음-감소체(12)는, 상기 파이프의 표면의 모선이 상기 소음-감소체상에 폐곡선을 그리도록, 상기 파이프 출구에 관하여 편심적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 과급 내연기관.
6. 제5항에 있어서, 상기 파이프의 종축(32)은 상기 소음-감소체(12)의 면적의 중심(34)과 실질적으로 교차하는 것을 특징으로 하는 과급 내연기관.
7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한항에 있어서, 상기 소음-감소체는 상기 파이프 출구와 평행하게 그 파이프 출구로부터 소정의 거리를 두고 이격되게 배치된 평탄한 플레이트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 과급 내연기관.
8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한항에 있어서, 상기 파이프(8)는 상기 콤프레서의 공기 출구와 상기 급기 냉각기(9)의 공기 입구를 상호 연결하고 있으며, 상기 소음-감소체(12)는 상기 급기 냉각기의 공기 입구에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 과급 내연기관.