KR101210678B1 - 차량용 가변형 인터쿨러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터보차져에 의해 압축된 공기가 유입되는 유입관과, 냉각된 공기를 엔진으로 유입시키는 배출관과, 상기 유입된 및 배출관 사이에 배치된 서지탱크와, 상기 유입관 및 서지탱크 사이에 연결되어, 상기 유입관으로 유입된 공기를 냉각시켜서 상기 서지탱크로 보내는 제1냉각관과, 상기 서지탱크 및 배출관 사이에 연결되어, 상기 서지탱크로 유입된 공기를 냉각시켜서 상기 배출관으로 보내는 제2냉각관과, 상기 유입관의 입구측과 상기 서지탱크 사이에 연결되는 바이패스관과, 상기 유입관의 입구로 유입되는 압축공기의 온도가 기준온도 이상이면 상기 바이패스관을 개방하여, 상기 유입관의 입구측의 압축공기를 상기 바이패스관을 통해 상기 서지탱크로 보내는 개폐밸브를 포함하여 구성되어, 개폐 밸브가 작동하면 터보차져 출구의 고온의 압축공기를 냉각시켜서 고온의 압축공기가 바로 엔진의 흡기계로 흡입되는 것을 방지함으로써, 배기 매니폴더나 터보 차져의 내열성 문제를 해결하고, 유해 배출 가스량을 저감시키며 디젤엔진의 스월 컨트롤 밸브가 손상되는 것을 방지할 수 있는 차량용 가변형 인터쿨러를 제공한다.

가변형 인터쿨러, 인터쿨러, 터보차져, 자동차

Description

차량용 가변형 인터쿨러 {SUNROOF OF VEHICLE}

도 1은 종래 기술에 따른 차량용 가변형 인터쿨러의 구성도이다.

도 2는 종래 기술에 따른 차량용 가변형 인터쿨러의 일부 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 차량용 가변형 인터쿨러의 구성도이다.

도 4는 본 발명에 따른 차량용 가변형 인터쿨러의 제어부를 나타낸 블럭도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 유입관 12 : 배출관

14 : 냉각관 16 : 서지탱크

18 : 바이패스관 20 : 개폐밸브

22 : 제1냉각관 24 : 제2냉각관

30 : 온도센서 32 : 압력센서

40 : 제어부

본 발명은 차량의 가변형 인터쿨러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 VGT 엔진에서 가변 인터쿨러를 이용하여 컴프레서로 유입된 흡기 공기 속의 오일(저점도유) 미스트들이 컴프레서 토출단의 고온(부스트압 상승)과 반응하여 컴프레서 출구단 및 인터쿨러 입구단에 오일 디포짓이 형성하는 것을 저감 및 방지하는 차량의 가변형 인터쿨러에 관한 것이다.

최근의 엔진의 고출력화, 고성능화되고 있는 추세에 따라 사용자가 성능 및 연비의 향상을 요구하고 있다. 엔진 출력은 공기와 연료의 혼합 및 연소에 의해 얻어지는 것이 기본적인 원리이며, 따라서 높은 출력을 위해서는 더 많은 공기와 더 많은 연료 공급이 필요하다. 충분한 연료 공급은 인젝션 기술에 의해 커버되고 있고, 공기의 공급은 터보 차져를 사용하여 흡기를 증대시키는 기술이 대표적인다.

최근의 디젤 엔진의 경우 대부분 터보차져를 사용하고 있으며, 가솔린에서도 점점 사용량이 높아지고 있는 추세이다. 특히, 승용 디젤 엔진의 경우 VGT(Variable Geometric Turbocharger) 기술을 적용하여 더 많은 공기를 공급함으로써, 성능 및 응답성을 향상시키고 있다.

엔진 블로바이는 엔진에서 필수적으로 발생하는 것으로 연소실에서 크랭크 케이스쪽으로 누기되는 가스를 말한다. 이 가스는 대기중으로 방출되면 대기오염이 극심해지기 때문에 흡기쪽으로 재순환하여 연소실에서 미연가스를 다시 태우도록 법규로 규정되어 있다. 즉, 엔진 벤틸레이션계에서 블로바이 출구가 종전의 대기 방출에서 재순환으로 바뀜에 따라 세퍼레이터를 통과한 오일의 대부분은 오일팬으 로 드레인되지만 아주 미세한 입자의 오일 미스트들은 그대로 흡기부로 재순환된다. 하지만, 갈수록 고효율화되어 가는 엔진 성능에 부합하기 위해 터보차져의 성능도 갈수록 향상되고 있고, 이의 기술에 발맞춰 부스트압도 갈수록 높아지고 있다. 부스트압이 높아지기 위해서는 컴프레서의 휠 회전속도도 같이 빨라져야 하고, 이는 컴프레셔에서 토출되는 흡기의 온도 상승을 일으키는 주요인자 중 하나로 된다.

블로바이 가스 재순환은 현재 터보차져의 컴프레셔 전방이 흡기호스에 연결되어 있다. 이는 흡입가스의 부압을 이용하여 블로바이 가스를 재순환하도록 하기 위한 것이다. 최근 고출력의 경향에 따라 더 많은 양의 공기를 필요로 하고, 이는 컴프레서 후방의 과급압의 상승을 요구하게 된다.

부스트압이 높아지기 위해서는 컴프레서의 휠 회전속도도 같이 빨라져야 하고, 이는 컴프레서에서 토출되는 흡기공기의 온도 상승을 동반하게 된다.

이에 따라 컴프레서로 유입된 흡기 공기 속의 오일 미스트들은 컴프레서 토출단에서 열화가 발생되어 컴프레서의 배출부 및 인터쿨러의 전방에 오일 침적(deposit)이 발생된다.

이러한 오일침적은 많은 문제점을 야기하는 데, 특히 터보 효율을 저하시키고 특정 타겟 부스트압을 형성시키기 위해 더 높은 회전을 해야 하며, 과급온도도 점점 올라가게 된다. 이는 터보 휠 스피드 마진을 넘어 터보 오버 스피드로 인해 터보의 파손, 과급온도가 오버히팅되어 인터쿨러 호스 등의 내열성에도 문제가 발생되어 호스 파손 등의 문제점이 발생된다.

도 1은 종래 기술에 따른 인터 쿨러의 측면도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 인터쿨러의 일부 단면도이다.

종래 기술에 따른 인터 쿨러는 터보차져에 의해 압축된 공기가 유입되는 유입관(102)과, 상기 유입관(102)으로 유입된 공기를 냉각시키는 냉각관(104)과, 상기 냉각관(104)을 통과하여 냉각된 공기를 엔진으로 유입시키는 배출관(106)과, 상기 유입관(102)과 배출관(106) 사이에 직접 연결되어 공기의 온도가 일정 온도 이하이면 유입관(102)으로 유입된 공기를 배출관(106)으로 바이패스시키는 바이패스관(108)으로 구성된다.

상기 유입관(102)에는 상기 유입관(102)으로 유입된 공기의 온도가 일정 온도 이상이면 냉각관(104)쪽으로 유입시키고 공기의 온도가 일정 온도 이하이면 바이패스관(108)으로 유입시키는 바이패스 밸브(110)가 설치된다.

이와 같은 가변형 인터쿨러는 겨울철이나, 엔진의 워밍업 전과 같이 온도가 낮은 경우에는 바이패스 밸브(110)를 열어서 유입관(102)으로 흡입된 공기를 바이패스관(108)으로 직접 유입시켜 압력소실을 최소화하고 엔진의 운전조건이 터보랙 현상이 발생되는 조건일 때 바이패스관(108)을 개방하여 흡기가 바이패스관(108)을 통해 신속히 흡기 매니폴드측으로 공급되도록 하여 터보랙 지연시간을 단축시켜 엔진의 가속성이 향상되도록 한다.

그러나, 상기한 바와 같이 구성되는 종래 기술에 따른 가변형 인터쿨러는 오일 데포짓이 형성되는 조건 즉, 바이패스 밸브가 작동하는 조건이 고온이기 때문에 고온의 압축공기가 바로 엔진의 흡기계로 흡입되어 배기가스의 온도 상승으로 배기 매니폴더나 터보 차져의 내열성 문제를 초래하게 되고 흡입 공기의 밀도 저하로 엔진 출력의 저하 및 배출 가스 에미션(Emission)에 악영향을 유발하며 현 승용디젤엔진에 장착되어 개발되고 있는 스월 컨트롤 밸브(SCV:Swirl Control Valve)에 손상을 초래하는 등의 심각한 문제를 유발하게 된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 인터쿨러 중간에 서지 탱크를 설치하여 바이패스 밸브가 작동하면 터보차져 출구의 고온의 압축공기를 냉각시켜서 고온의 압축공기가 바로 엔진의 흡기계로 흡입되는 것을 방지함으로써, 배기 매니폴더나 터보 차져의 내열성 문제를 해결하고, 유해 배출 가스량을 저감시키며 디젤엔진의 스월 컨트롤 밸브가 손상되는 것을 방지할 수 있는 차량용 가변형 인터쿨러를 제공하는 데 있다.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 차량용 가변형 인터쿨러는, 터보차져에 의해 압축된 공기가 유입되는 유입관과, 냉각된 공기를 엔진으로 유입시키는 배출관과, 상기 유입된 및 배출관 사이에 배치된 서지탱크와, 상기 유입관 및 서지탱크 사이에 연결되어, 상기 유입관으로 유입된 공기를 냉각시켜서 상기 서지탱크로 보내는 제1냉각관과, 상기 서지탱크 및 배출관 사이에 연결되어, 상기 서지탱크로 유입된 공기를 냉각시켜서 상기 배출관으로 보내는 제2냉각관과, 상기 유입관의 입구측과 상기 서지탱크 사이에 연결되는 바이패스관과, 상기 유입관의 입구로 유입되는 압축공기의 온도가 기준온도 이상이면 상기 바이패스관을 개방하여, 상기 유입관의 입구측의 압축공기를 상기 바이패스관을 통해 상기 서지탱크로 보내는 개폐밸브를 포함한다.

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도 3은 본 발명에 따른 가변형 인터쿨러의 구성도이다.

본 발명에 따른 가변형 인터쿨러는 터보차져에 의해 압축된 공기가 유입되는 유입관(10)과, 상기 유입관(10)으로 유입된 공기를 냉각시키는 냉각관(14)과, 상기 냉각관(14)을 통과하여 냉각된 공기를 엔진으로 유입시키는 배출관(12)과, 상기 유입관(10)과 연결되어 상기 유입관(10)으로 유입되는 공기의 온도가 오일 데포짓이 발생하는 기준온도 이상이 되면 개방되는 바이패스관(18)과, 상기 냉각관(14)의 중앙에 배치되고 상기 바이패스관(18)과 연결되어 상기 바이패스관(18)으로 공급되는 공기가 유입되어 냉각관 중 일부로 공기가 통과하도록 하는 서지탱크(16)로 구성된다.

상기 냉각관(14)은 상기 서지탱크(16)에 의해 두 부분으로 구획된다. 즉, 서지탱크(16)는 유입관(10) 및 배출관(12) 사이에 배치되고, 냉각관(14)은 유입관(10) 및 서지탱크(16) 사이에 연결된 제1냉각관(22)과, 서지탱크(16) 및 배출관(12) 사이에 연결된 제2냉각관(24)을 포함한다. 여기서, 제1냉각관(22)은 유입관(10)으로 유입되는 공기를 냉각시켜서 서지탱크(16)로 보내고, 제2냉각관(24)은 서지탱크(16)로 유입된 공기를 냉각시켜서 배출관(12)으로 보낸다. 또한, 바이패스관(18)은 유입관(10)의 입구측과 서지탱크(16) 사이에 연결된다.

도 4는 본 발명에 따른 차량용 가변형 인터쿨러의 제어부를 나타낸 블록도이다.

상기 유입관(10)의 입구측에는 제어부(40)로부터 인가되는 신호에 따라 터보차져에서 압축된 공기를 유입관(10)과 바이패스관(18) 중 어느 하나로 공급하는 개폐밸브(20)가 설치된다. 즉, 개폐밸브(20)는 유입관(10)의 입구로 유입되는 압축공기의 온도가 기준온도 이상이면 바이패스관(18)을 개방하여, 유입관(10)의 입구측의 압축공기를 바이패스관(18)을 통해 서지탱크(16)로 보낸다.

그리고, 상기 유입관(10)의 입구측에는 터보차져에서 압축되어 유입관(10)으로 유입되는 공기의 온도를 감지하여 그 신호를 제어부(40)로 인가하는 온도센서(30)가 설치되고, 상기 배출관(12)의 출구측에는 배출관(12)에서 배출되는 공기의 부스트 압력을 감지하여 그 신호를 제어부(40)로 인가하는 압력센서(32)가 설치된다.

상기와 같이 구성되는 가변형 인터쿨러는 VGT 엔진에서 주로 사용되어 컴프레서로 유입된 흡기 공기 속의 오일(저점도유) 미스트들이 컴프레서 토출단의 고온(부스트압 상승)과 반응하여 컴프레서 출구단 및 인터쿨러 입구단에 오일 디포짓이 형성하는 것을 저감 및 방지하기 위한 것이다.

상기한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 가변형 인터쿨러의 작용을 다음에서 설명한다.

먼저, 유입구(10)의 입구측에 설치된 온도센서(30)로부터 제어부(40)로 신호가 인가되어 상기 유입관(10)으로 유입되는 공기의 온도가 오일 데포짓이 발생하는 기준온도(약 170도) 이상이 되면, 제어부(40)는 개폐밸브(20)를 작동시켜서 바이패스관(18)을 개방시켜 압축 공기를 바이패스관(18)으로 바이패스되도록 한다. 이때, 압축 공기의 온도와 개폐밸브(20)의 오픈 궤도는 시험을 통하여 제어부 맵핑(Mapping)이 선행되어야 하며, 유입관(10)의 입구측 압축공기 온도를 피드백하여 제어부(40)가 개폐밸브(20)의 오픈 궤도를 클로스 루프 컨트롤(Closed Loop Control)하도록 한다.

상기 바이패스관(18)으로 바이패스되는 압축 공기는 냉각관(14)의 중간 부위에 연결된 서지탱크(16)로 유입되고, 상기 서지탱크(16)로 유입되는 압축공기는 상기 냉각관(14) 중 제2냉각관(24)으로 유입되어 상기 제2냉각관(24)을 통과하면서 냉각되고 배출관(12)으로 보내진다.

이와 같이, 바이패스되는 압축 공기는 냉각관(14)의 관로의 길이가 줄어들어 관로 저항에 의한 압력 손실이 현저하게 줄어들게 된다. 따라서, 배출관(12)으로 큰 압력 손실 없이 들어온 압축 공기는 상기 배출관(12)의 출구측에 설치되는 압력센서에 의해 측정되고, 상승한 부스트 압력 값은 제어부로 피드백 된다.

상기 제어부(40)는 센싱한 압력이 기준 부스트 압력보다 높으므로 베인을 열어서 터보 휠 스피드를 감소하게 하고, 컴프레서 출구단(인터쿨러 입구단) 온도는 압력의 감소(컴프레서 휠 속도 감소로 인해)와 더불어 오일 데포짓이 발생하는 온도 이하로 운행되게 하는 것이다.

따라서, 상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명에 따른 차량의 가변형 인터쿨러는 터보의 효율 저하를 방지하고 터보의 내구성을 증대시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 오일 데포짓이 발생하는 것을 방지하여 인터쿨러가 막히는 현상을 방지할 수 있는 이점이 있고, 이에 따라 엔진의 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (5)

1. 터보차져에 의해 압축된 공기가 유입되는 유입관;

   냉각된 공기를 엔진으로 유입시키는 배출관;

   상기 유입된 및 배출관 사이에 배치된 서지탱크;

   상기 유입관 및 서지탱크 사이에 연결되어, 상기 유입관으로 유입된 공기를 냉각시켜서 상기 서지탱크로 보내는 제1냉각관;

   상기 서지탱크 및 배출관 사이에 연결되어, 상기 서지탱크로 유입된 공기를 냉각시켜서 상기 배출관으로 보내는 제2냉각관;

   상기 유입관의 입구측과 상기 서지탱크 사이에 연결되는 바이패스관; 및

   상기 유입관의 입구로 유입되는 압축공기의 온도가 기준온도 이상이면 상기 바이패스관을 개방하여, 상기 유입관의 입구측의 압축공기를 상기 바이패스관을 통해 상기 서지탱크로 보내는 개폐밸브;를 포함하는 차량용 가변형 인터쿨러.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 기준온도는 오일 데포짓(deposit)이 발생하는 온도인 차량용 가변형 인터쿨러.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 개폐밸브를 제어하는 제어부를 더 포함하는 차량용 가변형 인터쿨러.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 유입관의 입구측에 설치되어, 상기 유입관으로 유입되는 압축공기의 온도를 감지하는 온도센서;를 더 포함하고,

   상기 제어부는 상기 온도센서가 감지한 온도가 상기 기준온도 이상이면 상기 개폐밸브를 작동시켜서 상기 바이패스관을 개방시키는 차량용 가변형 인터쿨러.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 배출관의 출구측에 설치되어, 공기의 부스트 압력을 감지하는 압력센서;를 더 포함하고,

   상기 제어부는 상기 압력센서가 감지한 부스트 압력이 기준압력보다 높으면 베인을 열어주는 차량용 가변형 인터쿨러.

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