KR101054997B1 - 비가변흡기장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진의 각 기통에 공기를 공급하는 러너(a1,...,a8)를 고려한 최적 튜닝(Tuning)으로 가이드파이프(2)와 플래넘챔버(5)의 유량계수(Cf)와 분배성능을 높여줌으로써, 가변흡기장치(VIS: Variable Induction System)대비 동등한 체적효율을 발휘할 수 있는 비가변흡기장치(TIS, Tuned Intake System)를 구현할 수 있고, 가변흡기장치(VIS: Variable Induction System)대비 유리한 중량과 원가로 중저속 토크에 대한 성능 향상을 요하는 SUV와 같은 스포츠 차량에 적합한 성능을 구현할 수 있는 특징을 갖는다.

TIS, 유량계수, 분배성

Description

비가변흡기장치{Tuned Intake System in Vehicle}

본 발명은 비가변흡기장치에 관한 것으로, 특히 유량계수(Cf)를 최대화함과 더불어 각 기통의 고른 유입을 위한 분배성을 향상한 비가변흡기장치에 관한 것이다.

일반적으로 엔진은 연소실로 흡입할 수 있는 공기량을 나타내는 체적효율로 그 성능을 나타낸다.

상기와 같은 성능은 공기의 관성효과와 흐름통로인 러너(Runner)의 맥동효과 및 공명기(Resonator)의 공명효과에 영향을 받는다.

엔진은 저속과 중속영역에서 긴 공기흐름 경로와 작은 경로체적일 때 높은 체적효율을 갖지만, 고속영역에서는 짧은 공기흐름 경로와 큰 경로체적일 때 높은 체적효율을 갖는 것과 같이, 엔진의 운전영역에 대해 서로 상반된 특성을 갖는다.

이로 인해, 관성효과와 맥동효과를 갖는 러너를 적절히 변화시키는 것이 엔진의 체적효율 성능을 최적화시키는데 유리하다.

이러한 예로서 가변흡기장치(VIS: Variable Induction System)가 있으며, 이는 흡기다기관의 러너를 지나는 혼합기의 흐름경로를 짧게 하거나 길게 변화시켜줌 으로써, 엔진의 전부하영역에서 엔진성능을 향상한다.

상기와 같은 가변흡기장치인 VIS는 흐름통로를 개폐하는 밸브를 갖추고, 이를 작동하기 위한 축과 액추에이터등을 필요로 하므로 특히, 엔진에는 최고출력 보다는 중저속 토크를 우선시하는 SUV와 같은 스포츠 차량에 적용되면 중량과 원가 면에서 불리한 측면이 있다.

이에 따라, SUV와 같은 스포츠 차량에는 비가변흡기장치인 TIS(Tuned Intake System)를 적용한다.

상기와 같은 비가변흡기장치인 TIS는 흐름통로인 러너의 길이를 가변시키지 않는 대신 러너의 형상변수를 최적화함으로써, 엔진의 체적효율 성능을 최적화시킨다.

일례로, 상기 TIS 개발시 체적효율 향상을 위한 유동저항인 유량계수(Cf)의 최대화 설계와 동시에 각 기통의 고른 유입을 위한 분배성(Distribution)설계를 고려하며, 이러한 설계시 러너 길이와 단면, 챔버(플레넘) 입구부 및 러너입구부형상등을 가장 중요한 형상인자로서 고려한다.

상기와 같은 가장 중요한 형상인자들은 설계시 모두 고려되어야 하지만, 현실적으로는 러너길이와 단면, 챔버(플레넘)체적만을 고려한 튜닝으로 유동저항인 유량계수(Cf)와 분배성을 튜닝(Tuning)함으로써, 중저속 토크에서 높은 성능을 요하는 SUV와 같은 스포츠 차량에 대한 적용을 어렵게 한다.

이에 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 것으로, 흐름통로를 이루는 러너 길이와 단면, 챔버(플레넘) 입구부 및 러너입구부형상등과 같은 중요한 형상인자들을 최대한 고려해 최적화 튜닝(Tuning)을 구현함으로써, 유동저항인 유량계수(Cf)와 분배성에 대한 성능을 향상한 비가변흡기장치(TIS, Tuned Intake System)를 제공함에 목적이 있다.

또한, 본 발명은 유량계수(Cf)의 최대화와 각 기통 유입 분배성(Distribution)의 최적화로 체적효율을 향상한 비가변흡기장치인 TIS(Tuned Intake System)를 SUV와 같은 스포츠 차량에 적용함으로써, 중저속 토크에 대한 성능 향상과 더불어 가변흡기장치(VIS: Variable Induction System)와 동등한 체적효율을 발휘하면서도 상대적으로 중량과 원가면에서 유리한 비가변흡기장치(TIS, Tuned Intake System)를 제공함에 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 실린더헤드로 이어진 러너들(a1,...,a8)의 중앙위치로 공기를 유입해, 상기 러너들(a1,...,a8)쪽으로 공기를 분배하는 센터피딩 방식의 비가변흡기장치에 있어서,

상기 공기를 유입하는 흐름통로를 형성하고, 유입된 공기를 배출하는 위치를 이중으로 이원화시킨 가이드파이프(2)와,

상기 가이드파이프(2)를 통해 유입된 공기의 유동흐름을 형성하는 공간을 갖 고, 그 공간의 바닥면을 비직선 바닥면으로 형성한 플래넘챔버(5)와,

상기 플래넘챔버(5)에서 분기된 상기 러너(a1,...,a8)부위로 점진적으로 줄어드는 단면적 구간을 형성한 단면축소단(10)을 포함해 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 가이드파이프(2)는 끝단에서 절곡된 리어출구단(4)에 간격을 두고 앞쪽에서 분기된 프론트출구단(3)으로 이원화한 이중구조의 공기배출위치를 형성하며, 상기 프론트출구단(3)과 리어출구단(4)은 원추형 단면형상을 갖는다.

상기 원추형 단면형상은 공기흐름 방향쪽으로 테이퍼져 원추형 단면형상을 이룬다.

상기 프론트출구단(3)은 그 시작위치를 실린더헤드로 이어진 러너(a1,...,a8)중 제2러너(a2)의 정중앙에 일치시키고, 상기 리어출구단(4)은 그 시작위치를 상기 제6러너(a6)의 정중앙에 일치시킨다.

상기 리어출구단(4)과 프론트출구단(3)은 절곡부위의 안쪽에서 들어간 목형성부(3a,4a)를 갖는다.

상기 플래넘챔버(5)는 아래쪽 공간을 보다 확장한 단면변화면(5a)을 형성하 며, 상기 단면변화면(5a)은 상기 플래넘챔버(5)의 양쪽 끝단에 비해 그 중앙위치에서 최대로 볼록한 포물선형상을 이룬다.

상기 플래넘챔버(5)는 분기된 제1러너(a1)쪽에 대한 측면공간을 확장하도록 돌출된 연장확장단(5b)을 더 형성한다.

상기 플래넘챔버(5)는 타원형상의 단면구조를 갖도록 양쪽 측면을 넓힌 구조를 갖는다.

이러한 본 발명에 의하면, 비가변흡기장치(TIS, Tuned Intake System)의 주형상인자들을 최대한 고려한 튜닝설계로 유동저항인 유량계수(Cf)와 분배성에 대한 성능을 향상함으로써, 가변흡기장치(VIS: Variable Induction System)대비 동등한 체적효율을 발휘하면서도 상대적으로 중량과 원가면에서 유리한 효과를 갖음과 더불어, 중저속 토크에 대한 성능 향상을 요하는 SUV와 같은 스포츠 차량에 적합한 성능을 구현하는 효과도 갖는다.

또한, 본 발명은 비가변흡기장치(TIS, Tuned Intake System)의 주형상인자들을 최대한 고려한 튜닝설계를 적용함으로써, 상대적으로 유량계수(Cf)를 약 8% 개선하고 분배성도 약 35%이상 개선되는 효과를 갖는다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 선단흡기유닛을 구비한 비가변흡기장치의 구성도를 도시한 것인바, 본 발명의 비가변흡기장치(Tuned Intake System)인 TIS는 엔진의 각 기통으로 연결된 러너유닛(1)과, 상기 러너유닛(1)을 양쪽으로 형성하면서 그 중앙위치로 공기를 유입시키는 선단흡기유닛을 포함해 구성한다.

본 실시예에 따른 상기 러너유닛(1)은 엔진의 각 기통에 맞추어 좌우양쪽으로 나뉘어진 러너(a1,...,a8)로 이루어지며, 일례로 제1·3·5·7러너(a1,a3,a5,a7)가 한쪽에서 측면부분을 통해 분기되어 실린더헤드로 유입되면, 그 반대쪽으로는 제2·4·6·8러너(a2,a4,a6,a8)가 측면부분을 통해 분기되어 실린더헤드로 유입되는 구조를 갖는다.

상기 제1·3·5·7러너(a1,...,a7)와 제2·4·6·8러너(a2,a4,a6,a8)는 서로가 갖는 간격사이로 위치된다.

상기 러너(a1,...,a8)는 선단흡기유닛에서 이어진 부위로 단면축소단(10)을 형성하는데, 상기 단면축소단(10)은 러너(a1,...,a8)가 갖는 평균단면적보다 큰 단면적을 가지며, 상기 선단흡기유닛의 공기흐름통로인 가이드파이프(1)의 단면중심에서 벌어지는 단면확장각(W)으로 형성되는 구간을 갖는다.

본 실시예에 따른 상기 선단흡기유닛은 공기를 유입하는 흐름통로인 가이드파이프(2)와, 상기 가이드파이프(2)의 아래부분에서 배출된 공기를 모은 후 양쪽으로 형성된 상기 러너(a1,...,a8)쪽으로 분배하는 플래넘챔버(5)로 구성한다.

상기와 같은 선단흡기유닛은 측면부분을 통해 분기되어 실린더헤드로 유입되는 러너(a1,...,a8)의 중앙으로 가이드파이프(2)를 위치시키고, 플래넘챔버(5)를 하단부위로 형성한 센터피딩 방식이 적용된 구조이다.

본 실시예에서는 상기 가이드파이프(2)와 플래넘챔버(5)가 러너(a1,...,a8)를 고려한 최적 튜닝(Tuning)으로 유량계수(Cf)와 분배성을 높여줌으로써, 가변흡기장치(VIS: Variable Induction System)대비 동등한 체적효율을 발휘할 수 있는 비가변흡기장치(TIS, Tuned Intake System)를 구현한다.

도 2는 상기 가이드파이프(2)와 플래넘챔버(5)에 대한 상세 구조를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 상기 가이드파이프(2, 통상 ZIP 파이프 칭함)는 원형단면의 공기 흐름통로를 형성하며, 유입된 공기를 배출하는 한쌍의 출구단을 형성한다.

상기 한쌍의 출구단은 상기 가이드파이프(2)의 끝단을 절곡시킨 리어출구단(4)과, 상기 리어출구단(4)에 간격을 두고 앞쪽에서 분기시킨 프론트출구단(3)으로 형성한다.

상기 리어출구단(4)과 프론트출구단(3)은 가이드파이프(2)로부터 시작되는 안쪽으로 목형성부(3a,4a)를 갖는데, 상기 목형성부(3a,4a)는 빠져나간 공기의 와류(Vortex)형상을 줄이는 흐름을 유도한다.

본 실시예에서는 상기 리어출구단(4)과 프론트출구단(3)이 갖는 위치가 러너(a1,...,a8)쪽으로 흘러드는 공기 흐름에 영향을 크게 끼치므로, 도 2에서와 같이 그 위치 설정시 러너(a1,...,a8)의 위치를 고려한다.

즉, 상기 프론트출구단(3)의 한쪽 끝위치인 선단위치라인(A)을 제2러너(a2)의 정중앙에 일치시키고, 상기 리어출구단(4)의 한쪽 끝위치인 선단위치라인(B)을 제6러너(a6)의 정중앙에 일치시킨다.

또한, 상기 리어출구단(4)과 프론트출구단(3)은 그 단면을 원추형상으로 하며, 바람직하게는 원형상을 이루는 한쪽의 타원중심축y에 대해 반대쪽을 좁아지는 폭으로 길게 연장한 형상을 갖는다.

상기와 같이 길게 연장한 부위는 가이드파이프(2)를 흐르는 공기흐름 방향에 일치시킨다.

이로 인해 본 실시예에서는, 상기 프론트출구단(3)은 그 시작위치를 제2러너(a2)의 정중앙에 일치시키면서 그 반대쪽을 제4러너(a4)까지 연장하고, 상기 리어출구단(4)은 그 시작위치를 제6러너(a6)의 정중앙에 일치시키면서 그 반대쪽을 제8러너(a8)까지 연장시킨 구조를 갖는다.

도 3은 본 실시예에 따른 플래넘챔버(5)를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 상기 플래넘챔버(5)는 아래쪽 공간을 보다 확장할 수 있는 단면변화면(5a)을 형성하고, 한쪽 끝단으로도 플래넘챔버(5)에서 분기된 제1러너(a1)쪽에 대한 측면공간을 보다 확장할 수 있는 연장확장단(5b)을 형성한다.

상기와 같은 단면변화면(5a)은 플래넘챔버(5)의 양쪽 끝단에 비해 그 중앙위 치에서 최대로 볼록한 포물선형상을 이룬다.

본 실시예에 따른 상기 플래넘챔버(5)는 양쪽 측면을 넓혀 타원형상의 단면구조를 가지며, 이를 위해 공기를 유입하는 가이드파이프(2)의 중심에 대해 부채꼴형상으로 펼쳐지는 챔버형성각K로 양쪽 측면을 넓혀준다.

상기 플래넘챔버(5)의 양쪽 측면으로 연결된 러너(a1,...,a8)는 평균단면적보다 큰 단면적으로 단면축소단(10)을 형성하며, 상기 단면축소단(10)의 형성구간은 플래넘챔버(5)의 분기부위에서 공기를 유입하는 가이드파이프(2)의 중심에 대해 부채꼴형상으로 펼쳐지는 단면확장각W로 결정된다.

이와 같이 본 실시예에 따른 비가변흡기장치(TIS, Tuned Intake System)는 최적화된 가이드파이프(2)와 플래넘챔버(5)로 구성한 선단흡기유닛을 갖추고, 최적화를 위해 상기 가이드파이프(2)는 원추형 단면형상을 갖고 끝단으로 구비한 리어출구단(4)에 간격을 두고 앞쪽에서 분기된 프론트출구단(3)으로 이원화한 유입된 공기 배출구를 만들고, 상기 플래넘챔버(5)는 포물선 형상의 단면변화면(5a)로 아래쪽 공간을 확장하면서 양쪽 측면도 넓힌 타원 단면형상으로 만들어준다.

또한, 상기 가이드파이프(2)에 프론트출구단(3)은 그 시작위치를 제2러너(a2)의 정중앙에 일치시키면서 그 반대쪽을 제4러너(a4)까지 연장하고, 상기 리어출구단(4)은 그 시작위치를 제6러너(a6)의 정중앙에 일치시키면서 그 반대쪽을 제8러너(a8)까지 연장시킨 구조로 만든다.

이와 더불어, 본 실시예에서는 실린더헤드로 이어진 러너(a1,...,a8)의 플래 넘챔버(5)쪽에 평균단면적보다 큰 단면적을 갖는 단면축소단(10)을 형성해 준다.

본 실시예에서 상기와 같이 최적화된 가이드파이프(2)와 플래넘챔버(5)를 적용함으로써, 가이드파이프(2)에서 플래넘챔버(5)로 유입되는 공기의 와류(Vortex)를 최소화하고 분배성을 향상하며, 플래넘챔버(5)에서 실린더헤드에서 제1·3·5·7러너(a1,a3,a5,a7)와 제2·4·6·8러너(a2,a4,a6,a8)로 빠져나갈 때 공기유량을 균일화시켜 준다.

이를 도 1을 참조로 설명하면, 가이드파이프(2)로 유입된 공기는 프론트출구단(3)과 리어출구단(4)을 통해 이원화되어 플래넘챔버(5)쪽으로 유입된다.

본 실시예에서 상기 프론트출구단(3)과 리어출구단(4)이 원추형상 단면을 형성함으로써, 플래넘챔버(5)쪽으로 빠져나갈 때 원추형상으로 테이퍼진 뒤쪽의 반대부위인 앞쪽에서 와류(Vortex)를 줄이는 공기흐름을 형성하고, 이러한 흐름형성으로 유동저항을 줄여 유량계수값(Cf)과 분배성을 상승시켜 준다.

상기와 같이 공기를 유입한 플래넘챔버(5)는 아래쪽 공간을 보다 확장한 볼록한 포물선형상을 이룸으로써, 유입된 공기 유동의 바닥면 충돌에 의한 와류(Vortex)를 축소시키는 작용으로 플래넘챔버(5)내 유동저항을 축소하고 분배성을 향상시킨다.

또한, 본 실시예에서는 플래넘챔버(5)에서 러너(a1,...,a8)쪽으로 유입되는 공기유량을 균일하게 분배하는데, 이는 상기 가이드파이프(2)에 형성된 프론트출구단(3)과 리어출구단(4)이 형성되는 위치를 특정 러너위치에 일치시켜줌에 기인한다.

즉, 상기 프론트출구단(3)을 제2러너(a2)의 정중앙에 일치시키고 상기 리어출구단(4)을 제6러너(a6)의 정중앙에 일치시킴으로써, 상기 제2러너(a2)와 제6러너(a6)부위에서 와류(Vortex)를 줄여 모든 러너(a1,...,a8)쪽에 대한 분배성을 크게 향상시킨다.

또한, 본 실시예에서는 실린더헤드로 이어진 러너(a1,...,a8)의 플래넘챔버(5)쪽에 평균단면적보다 큰 단면적을 갖는 단면축소단(10)을 형성해줌으로써, 플래넘챔버(5)에서 빠져나가는 공기흐름이 러너(a1,...,a8)에 대해 갖는 유동저항을 줄일 수 있어 분배성을 향상시킨다.

즉, 상기 러너(a1,...,a8)의 단면축소단(10)이 플래넘챔버(5)쪽에서 멀어질수록 점진적으로 줄어든 단면적 구조로 인해, 플래넘챔버(5)에서 빠져나와 러너(a1,...,a8)로 유입될 때 유동 뒤틀림을 저하시킬 수 있으므로, 상기 러너(a1,...,a8)를 지나는 공기흐름은 보다 작아진 유동저항으로 유량계수값(Cf)을 상승시키고 분배성도 향상시켜 준다.

도 1은 본 발명에 따른 선단흡기유닛을 구비한 비가변흡기장치의 구성도

도 2는 본 발명에 따른 선단흡기유닛의 구성도

도 3은 도2의 측면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 러너유닛 2 : 가이드파이프

3 : 프론트출구단 3a,4a : 목형성부

4 : 리어출구단 5 : 플래넘챔버

5a : 단면변화면 5b : 연장확장단

10 : 단면확장단

a1,...,a8 : 러너

A,B : 선단위치라인 K : 챔버형성각

W : 단면확장각

Claims (9)

1. 실린더헤드로 이어진 러너들의 중앙위치로 공기를 유입해, 상기 러너들쪽으로 공기를 분배하는 센터피딩 방식의 비가변흡기장치에 있어서,

   상기 공기를 유입하는 흐름통로를 형성하고, 유입된 공기를 배출하는 위치를 이중으로 이원화시킨 가이드파이프와,

   상기 가이드파이프를 통해 유입된 공기의 유동흐름을 형성하는 공간을 갖고, 그 공간의 바닥면을 비직선 바닥면으로 형성한 플래넘챔버와,

   상기 플래넘챔버에서 분기된 상기 러너부위로 점진적으로 줄어드는 단면적 구간을 형성한 단면축소단을 포함해 구성된 것을 특징으로 하는 비가변흡기장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 가이드파이프는 끝단에서 절곡된 리어출구단에 간격을 두고 앞쪽에서 분기된 프론트출구단으로 이원화한 이중구조의 공기배출위치를 형성하며, 상기 프론트출구단과 리어출구단은 원추형 단면형상을 갖는 것을 특징으로 하는 비가변흡기장치.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 원추형 단면형상은 공기흐름 방향쪽으로 테이퍼져 원추형 단면형상을 이루는 것을 특징으로 하는 비가변흡기장치.
4. 청구항 2에 있어서, 상기 프론트출구단은 그 시작위치를 실린더헤드로 이어진 러너중 제2러너의 정중앙에 일치시키고, 상기 리어출구단은 그 시작위치를 제6러너의 정중앙에 일치시킨 것을 특징으로 하는 비가변흡기장치.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 리어출구단과 프론트출구단은 절곡부위의 안쪽에서 들어간 목형성부를 갖는 것을 특징으로 하는 비가변흡기장치.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 플래넘챔버는 아래쪽 공간을 보다 확장한 단면변화면을 형성한 것을 특징으로 하는 비가변흡기장치.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 단면변화면은 상기 플래넘챔버의 양쪽 끝단에 비해 그 중앙위치에서 최대로 볼록한 포물선형상을 이룬 것을 특징으로 하는 비가변흡기장치.
8. 청구항 6에 있어서, 상기 플래넘챔버는 분기된 제1러너쪽에 대한 측면공간을 확장하도록 돌출된 연장확장단을 더 형성한 것을 특징으로 하는 비가변흡기장치.
9. 청구항 6에 있어서, 상기 플래넘챔버는 타원형상의 단면구조를 갖도록 양쪽 측면을 넓힌 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 비가변흡기장치.

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