KR101291482B1 - 내연 기관의 흡기 장치 및 차지-에어 쿨러 유닛 - Google Patents

내연 기관의 흡기 장치 및 차지-에어 쿨러 유닛 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 내연 기관용 흡기 장치(2) 및 차지-에어 쿨러 유닛은 흡기 장치 및 차지-에어 쿨러를 포함하고, 차지-에어 쿨러는 연소 공기가 실린더 헤드의 실린더 입구로 이송되는 개구(5)를 포함하는 부품에 직교하는 평면 내에 차지-에어 쿨러 내의 차지 공기의 유동 방향이 있는 방식으로 흡기 하우징(13)에 합체된다.
내연 기관, 흡기 장치, 차지-에어 쿨러, 흡기 하우징, 실린더 헤드, 고정 플랜지

Description

내연 기관의 흡기 장치 및 차지-에어 쿨러 유닛 {INTAKE DEVICE AND CHARGE-AIR COOLER UNIT IN AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 내연 기관의 흡기 장치 및 차지-에어 쿨러(charge-air cooler) 유닛에 관한 것이다.
이러한 유닛은 WO 2005/116415 A1에 개시되어 있다. 흡기 장치는 흡기 포트가 내연 기관의 실린더 입구로 분기(bifurcate)되는 흡기 플리넘 챔버를 포함하는 흡기 하우징을 특징으로 한다. 배기-가스 터보차처(turbocharger) 내의 차지-에어 쿨러의 상류에 압축되는 압축 연소 공기가 냉각되는 차지-에어 쿨러가 흡기 플리넘 챔버의 전방에 위치된다. 흡기 장치의 하우징에 플랜지 형성된 차지-에어 쿨러는 2개의 부분으로 이루어지고 서로 평행하게 배열된 2개의 부분을 포함하는데, 공급된 연소 공기는 차지-에어 쿨러 부분 각각으로 공급되는 2개의 부분 유동으로 분기된다. 이 후, 냉각된 공기는 차지-에어 쿨러 부분 모두로부터 내연 기관의 실린더 각각으로 분기되는 흡기 플리넘 챔버 내로 공급된다. 흡기 장치의 흡기 플리넘 챔버는 흡기 포트가 내연 기관의 개별 실린더로 두 갈래로 분기되는 횡방향 공기 덕트로서 설계된다. 실린더 입구에 이르는 흡기 포트는 흡기 포트의 개구가 차지-에어 쿨러의 평면에 수직인 평면에 위치되도록, 굽혀져서 90도 각도를 갖는다. 이는 내연 기관의 실린더 헤드에 대해 흡기 장치 및 차지-에어 쿨러를 측방향으로 오프셋하여 위치 설정시킨다.
본 발명은 용이한 구조적 수단을 사용하여 소형이고 고성능인 흡기 장치 및 차지-에어 쿨러 유닛을 제조하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따르면, 이러한 문제는 청구항 제1항의 특징에 의해 해결된다. 종속항들은 적절한 다른 개선 구조를 특정한다.
흡기 장치 및 차지-에어 쿨러로 구성되는 본 발명에 다른 유닛은 내연 공기가 내연 기관의 실린더로 공급될 수 있는 흡기 장치의 흡기 하우징을 특징으로 하는데, 전체 유닛은 내연 기관의 실린더 헤드에서 흡기 하우징을 통해 고정되어야 한다. 실린더 헤드의 대응하는 실린더 입구와 연통하는 개구가 흡기 하우징에 형성된다.
차지-에어 쿨러는 차지-에어 쿨러 내의 차지 에어의 유동 방향이 개구를 포함하는 흡기 하우징의 부품에 직각인 평면에 위치되는 방식으로, 흡기 하우징에 합체된다. 이러한 구조는 유동 방향이 단지 1개의 평면에서 실질적으로 연속하도록, 흡기 장치를 포함하는 차지-에어 쿨러가 실린더 헤드 바로 위에 위치 설정될 수는 것을 보장한다. 이는 전형적인 종래 기술에서 나타나고 압력 감소를 가져오는 도입될 연소 공기의 여러 편향을 방지한다. 이에 따라, 본 발명에 따른 실시예는 연소 공기가 실린더 입구에 도달하기 전에 압력 감소가 적어지도록 연소 공기의 보다 적은 편향을 요구한다.
또한, 엔진 블록 또는 실린더 헤드 옆에 설치 공간이 추가로 요구되지 않으므로, 실린더 헤드에서의 본 발명에 따른 유닛의 구성으로 인해 소형 조립체를 실현하는 것이 가능하다.
흡기 장치의 하우징을 실린더 헤드에 고정시키는 고정 스크루가 서로 충분한 거리를 두고 배열되어 이들 사이의 영역이 차지-에어 쿨러를 수용할 수 있는 방식으로, 차지-에어 쿨러를 흡기 장치의 하우징에 합체시킬 수 있다.
유리하게는, 고정 플랜지는 흡기 하우징에 위치되는데, 고정 플랜지는 흡기 하우징과 함께 1개의 편을 형성하거나, 또는 고정 플랜지는 흡기 하우징에 연결되어 고정 플랜지에 의해 흡기 장치가 내연 기관의 실린더 헤드에 고정되는 개별 부품으로 설계될 수 있다. 고정 플랜지는 그의 기하학적 구조에 있어서 실린더 헤드 상부면에 적합하고, 실린더 헤드의 실린더 입구에 대응하는 연소 공기를 위한 개구를 특징으로 한다. 고정 플랜지는 실린더 헤드에 유리하게 나사 결합된다. 차지-에어 쿨러는 실린더 헤드로부터 멀리 향하는 플랜지의 측부에의 고정 플랜지에서 직접 또는 간접적으로 배열된다. 차지-에어 쿨러를 내부에 포함하는 흡기 하우징을 실린더 헤드 위에 위치 설정하기 때문에, 흡기 장치 내의 중앙 흡기 플리넘 챔버로부터의 공기를 개별 실린더로 분배시키는 굽혀진 흡기 포트는 필요하지 않다. 사실상, 이는 흡기 플리넘 챔버를 직접적으로 개구를 통해 실린더 입구에 연결시키기에 충분하다.
차지-에어 쿨러는 상이한 방식으로 흡기 하우징에 고정될 수 있다. 예컨대, 하우징에 확실한 고정 상태(positive)로 고정되거나, 클램핑에 의해 비확실 고정 상태(non-positive)로 고정될 수 있다. 또한, 차지-에어 쿨러는 고정 장치에 의해 통상적인 경우와 같이 고정될 수 있고, 특히 나사 결합될 수 있다.
또 다른 유리한 실시예에 따르면, 도입된 연소 공기 유동이 차지-에어 쿨러를 바이패스함으로써 개구를 통해 실린더 입구로 선택적으로 직접 이송될 수 있도록, 차지-에어 쿨러를 브릿지하는 바이패스(bypass)가 흡기 장치 및 차지-에어 유닛에 제공된다. 이러한 작동 방법은 엔진을 직접적으로 냉각시키지 않으면서 압축을 통해 예열된 연소 공기를 이송하기 위해 내연 기관의 냉각 개시 후에 특히 이용되어서, 하류 배기-가스 정화 장치뿐만 아니라 엔진의 신속한 예열을 얻는다. 유리하게는, 제어 밸브는 주변 상황에 따른 공기 유동을 바이패스 내로 또는 차지-에어 쿨러 내로 이송하는 바이패스에 배치된다.
또한, 내연 기관에 배기 가스 재순환 시스템이 구비된 경우에, 흡기 하우징 내에 또는 흡기 하우징에서 배기 공기 쿨러를 제공하는 것이 적절할 수 있다. 내연 기관의 임의의 작동 스테이지 동안에, 특히 부분 로드 범위에서, 배기 가스의 부분 질량 유동은 이러한 배기 공기 재순환 시스템을 통해 배기 가스 시스템으로부터 재순환 라인을 통해 흡기 시스템 내로 이송되는데, 배기 가스는 공급된 연소 공기에 추가된다. 재순환된 배기 가스는 배기 가스 쿨러에서 냉각된다. 배기 가스 쿨러를 흡기 하우징 내에 또는 흡기 하우징에 합체시킴으로써, 차지-에어 쿨러 및 배기 가스 쿨러를 포함하는 흡기 장치의 특히 소형인 설계뿐만 아니라 또다른 간단한 구조를 달성하는 것이 가능하다. 이러한 경우에, 차지-에어의 유동 방향에 대해 배기 가스 쿨러를 차지-에어 쿨러 옆에 위치하는 것이 적절할 수도 있다.
다른 이점 및 적절한 실시예가 추가 청구항, 도면 설명 및 도면으로부터 얻어질 수 있다.
도 1은 흡기 장치 및 차지-에어 쿨러 유닛의 사시도를 도시하는데, 고정 플랜지가 흡기 장치에 배치되고 고정 플랜지에 의해 유닛이 내연 기관의 실린더 헤드에 고정된다.
도 2는 차지-에어 쿨러 유닛용 흡기 장치의 측면도를 도시한다.
도 3은 차지-에어 쿨러가 설치된 흡기 장치의 흡기 하우징을 갖는 유닛의 사시도를 도시한다.
도 4는 배기 쿨러를 특징으로 하는 흡기 장치 및 차지-에어 쿨러 유닛의 실시예의 또 다른 일례를 도시한다.
도면은 동일한 도면부호로 동일한 부품을 도시한다.
도 1에 도시된 흡기 장치 및 차지-에어 쿨러 유닛(1)은 흡기 장치(2)를 포함하고, 흡기 장치(2)에 의해 연소 공기가 내연 기관, 예컨대 디젤 엔진 또는 오토(Otto) 엔진으로 이송된다. 더욱이, 유닛(1)은 흡기 장치(2)의 흡기 하우징 내에 합체된 차지-에어 쿨러(3)를 포함한다. 차지-에어 쿨러(3)는 독립형 모터식 압축기(stand-alone motorized compressor)로서 설계되거나 배기-가스 터보차저(turbocharger)의 일부일 수 있는 상류 압축기에서 압축되는 압축된 연소 공기를 냉각하는 기능을 한다. 흡기 장치(2)의 일부는 유리하게는 흡기 장치(2)의 흡기 하우징의 일부인 고정 플랜지(4)이다. 완전한 유닛(1)을 내연 기관의 실린더 헤드에 장착하는 것은 고정 플랜지(4)에 의해 행해진다. 고정 플랜지(4)는 특히, 흡기 하우징을 갖는 단일 편으로 설계되지만, 흡기 하우징에 견고하게 고정된 개별 부품으로 설계된 실시예도 또한 가능하다.
고정 플랜지(4)에는 유닛이 장착될 때 실린더 헤드에서의 실린더 입구에 바로 맞닿아 있고 실린더 입구에 대응하는 복수의 개구(5)가 형성된다. 연소 공기는 개구(5)를 통해 내연 기관의 실린더로 이송된다.
차지-에어 쿨러(3)는 개구(5)로부터 멀리 향하는 고정 플랜지(4)의 측부에 위치된다. 차지-에어 쿨러(3)는 도 1에 도시되지 않은 흡기 하우징에 합체되고 흡기 하우징의 임의의 다른 부품에 또는 고정 플랜지(4)에 고정된다. 흡기 장치 및 차지-에어 쿨러 유닛(1) 내로의 공기 공급은 제어 밸브(7)에 이르는 유입 포트(6)에 의해 보장되고, 제어 밸브(7)의 위치에 따른 유입 연소 공기는 고정 플랜지(4) 내의 개구(5)와 연통하는 고정 플랜지(4)에 직접 위치되는 흡기 플리넘 챔버를 형성하는 공기 덕트(10) 내로 직접 차지-에어 쿨러(3)를 바이패스함으로써 바이패스(9)를 통해 또는 차지-에어 쿨러(3)의 입구 측부로의 덕트 섹션(8)을 통해 택일적으로 이송된다. 바이패스(9)를 개방하고 차지-에어 쿨러(3)를 바이패스하는 이러한 작동 방법은 내연 기관의 하류에 위치된 배기 가스 정화 시스템의 신속한 가열뿐만 아니라 내연 기관의 신속한 가열을 달성하기 위해 냉각 개시 후에 특히 수행된다. 그러나, 정규 작동 시에, 바이패스(9)는 제어 밸브(9)의 대응 절환 위치에 의해 폐쇄되고, 유입 연소 공기는 압축된 연소 공기가 냉각되는 차지-에어 쿨 러(3) 내로 덕트 섹션(8)에 의해 공급된다. 이 후, 냉각된 연소 공기는 공기 덕트(10) 내로 고정 플랜지(4)에서 그리고 그로부터 개구를 통해 내연 기관의 실린더 입구 내로 공급된다. 제어 밸브(7)를 절환하기 위해, 액추에이터가 내연 기관의 규제 및 제어 유닛에 의해 방출되는 작동 신호에 의해 작동되도록 제공된다. 고정 플랜지(4)는 보어홀(11)를 갖고, 보어홀(11)을 통해 스크루가 삽입될 수 있고, 스크루에 의해 완전한 유닛(1)이 내연 기관의 실린더 헤드에 고정되어야 한다. 차지-에어 쿨러(3)는 관통 유동 방향(12)이 고정 플랜지(4) 및 고정 플랜지(4)에 포함된 개구(5)의 평면에 대해 수직으로 지향되는 방식으로, 유닛(1)에 합체된다. 본 실시예에서의 이점은 유닛(1) 내로 도입되고 유닛(1)을 통해 유동하는 연소 공기가 보다 적은 개수로 편향된다는 것이다. 특히, 일단 연소 공기가 차지-에어 쿨러(3)로 진입했다면, 어떠한 편향도 요구되지 않고, 오히려 연소 공기는 차지-에어 쿨러(3)를 통해 전방으로 직진으로 유동할 수 있고 유닛(1)으로부터 배출될 수 있다.
도 2에 따른 실시예의 일례에서, 차지-에어 쿨러(3)가 합체되는 흡기 하우징(13)이 도시되어 있다. 도 2에는, 고정 플랜지(4)에 평행하게 그리고 차지-에어 쿨러를 통과하는 관통 유동 방향에 대해 횡방향으로 돌출하고 고정 플랜지에 직접 맞닿아 있는 공기 덕트(10)가 도시되어 있다. 고정 플랜지(4)에 포함된 개구(5)는 공기 덕트(10)로부터 분기된다. 유닛(1)에 이르는 공기 흡기 섹션이 변형된 버전으로 도 2에 도시되어 있다. 2개의 개별 제어 밸브(7a, 7b)는 스로틀 밸브로 설계되고, 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 절환될 수 있다. 제1 스로틀 밸브(7a)는, 유입 포트(6)로부터 분기되고 차지-에어 쿨러(3)의 입구에 이르는 덕트 섹션(8) 내 에 위치된다. 제2 스로틀 밸브(7b)는 차지-에어 쿨러(3)를 바이패스함으로써 유입 포트(6)를 공기 덕트(10)에 연결시키는 바이패스(9) 내에 위치된다. 덕트 섹션(8)은 흡기 하우징(13)에 합체되고 차지-에어 쿨러(3)의 바로 상류에 위치되는 유입 덕트(14)에 이른다.
도 3으로부터 취해질 수 있는 바와 같이, 차지-에어 쿨러(3)는 차지-에어 쿨러의 하우징을 형성하는 하부 판(15) 및 커버 판(16) 사이에 둘러싸여 있는 라멜라(lamella) 구조를 갖는다. 하부 판(15) 및 커버 판(16)은 함께 나사 결합된다. 차지-에어 쿨러(3)는 흡기 장치(2)의 흡기 하우징(13)에 나사 결합될 수 있고, 이를 위해 용접 너트(17)가 금속 판들(15, 16)에 위치된다. 또 다른 실시예(도시안됨)에서는, 차지-에어 쿨러는 함께 납땜된 판들의 코어로 제조될 수 있고, 상기 코어는 흡기 하우징에 고정된다. 상기 실시예에서, 몇몇 휜(fin)이 열 교환을 향상시키기 위해 판들 사이에 제공될 수 있다.
도 4에 따른 실시예의 일례에서는, 유닛(1)은 흡기 장치(2) 및 차지-에어 쿨러(3) 이외에, 흡기 장치(2)의 하우징에 합체되거나, 또는 흡기 하우징의 외측에 고정되는 배기 가스 쿨러(18)를 포함하여서, 배기 가스 쿨러(18)도 구조적 면에서 유닛(1)의 일부이다. 기능적으로, 배기 가스 쿨러(18)는 배기 가스가 배기 가스 시스템으로부터 재순환 라인을 통해 흡기 시스템 내로 이송되고 이 경우에 배기 가스가 연소 공기에 추가되는, 배기-가스 재순환 시스템에 속한다. 이러한 일례에서는, 이는 고정 플랜지(4) 내의 개구를 통해 실린더 입구와 연통하는 공기 덕트(10)에 이르는 라인(19)을 통해 달성된다.

Claims (10)

  1. 연소 공기를 내연 기관의 실린더로 공급시킬 수 있는 흡기 장치(2)의 흡기 하우징(13) 및 차지-에어 쿨러(3)를 구비하고,
    흡기 하우징(13)은 내연 기관의 실린더 헤드에 고정되고, 연소 공기는 실린더 헤드 내의 실린더 입구 내로 개구(5)를 통해 이송되는,
    내연 기관용 흡기 장치 및 차지-에어 쿨러 유닛에 있어서,
    차지-에어 쿨러(3)는 차지-에어 쿨러 내의 차지 에어의 유동 방향(12)이 개구(5)를 포함하는 흡기 하우징의 고정 플랜지(4)에 직교하는 평면 내에 있는 방식으로 흡기 하우징(13)에 합체되고,
    제어 밸브(7)가 흡기 하우징(13)에 위치되고,
    상기 제어 밸브(7)는 유입 공기 유동을 차지-에어 쿨러(3)를 바이패스하는 바이패스(9) 내로 또는 차지-에어 쿨러(3) 내로 이송시킬 수 있는 것을 특징으로 하는
    내연 기관용 흡기 장치 및 차지-에어 쿨러 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    고정 플랜지(4)는 흡기 하우징(13)에 위치되어, 흡기 장치(2)를 내연 기관의 실린더 헤드에 고정시키는 것을 특징으로 하는
    내연 기관용 흡기 장치 및 차지-에어 쿨러 유닛.
  3. 제1항에 있어서,
    고정 플랜지(4)는 내연 기관에 흡기 하우징을 고정하기 위한 상부 고정 수단 및 하부 고정 수단을 갖고,
    상기 상부 고정 수단과 하부 고정 수단은 각각 개구(5) 위에 그리고 개구(5) 아래에 위치되어, 고정 플랜지(4)는 상부 고정 수단과 하부 고정 수단 사이에 높이(h)를 형성하고,
    차지-에어 쿨러 유닛은 높이(h)보다 작은 높이(h')을 갖는 것을 특징으로 하는
    내연 기관용 흡기 장치 및 차지-에어 쿨러 유닛.
  4. 제2항에 있어서,
    공기 유입 덕트(10)의 개구(5)는 고정 플랜지(4)에 형성되는 것을 특징으로 하는
    내연 기관용 흡기 장치 및 차지-에어 쿨러 유닛.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    차지-에어 쿨러(3)는 고정 플랜지(4)의 바로 상류에 위치되는 것을 특징으로 하는
    내연 기관용 흡기 장치 및 차지-에어 쿨러 유닛.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    차지-에어 쿨러(3)는 흡기 하우징(13) 내에 장착되고, 흡기 하우징(13) 내에 고정되는 것을 특징으로 하는
    내연 기관용 흡기 장치 및 차지-에어 쿨러 유닛.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제6항에 있어서,
    차지-에어 쿨러는 확실한 고정 상태로 장착되거나 마찰 결합되어 장착되는
    내연 기관용 흡기 장치 및 차지-에어 쿨러 유닛.
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