KR101294050B1

KR101294050B1 - 터보 랙 개선 장치

Info

Publication number: KR101294050B1
Application number: KR1020100095557A
Authority: KR
Inventors: 손진욱; 양재춘; 장원석; 차정화; 공진국; 우수형; 김영남; 김진순
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2013-08-07
Also published as: KR20120033830A; CN102444466B; US20120079824A1; CN102444466A; DE102011051460A1

Abstract

터보 랙 개선 장치는 복수개의 실린더, 상기 복수개의 실린더에 공기를 공급하기 위한 흡기 매니폴드, 그리고 상기 복수개의 실린더에서 발생한 배기가스를 배출하기 위한 배기 매니폴드를 포함하는 엔진; 신선한 공기를 상기 흡기 매니폴드에 공급하기 위하여 상기 흡기 매니폴드에 연결되어 있는 흡기 통로; 상기 배기 매니폴드에 모인 배기가스를 외부로 배출하기 위하여 상기 배기 매니폴드에 연결되어 있는 배기 통로; 상기 배기 매니폴드 또는 상기 배기 통로에 장착되어 배기가스에 의하여 회전하는 터빈 그리고 흡기 통로에 장착되어 있으며 상기 터빈에 연결되어 터빈과 함께 회전하며 흡기 통로의 공기를 압축하는 제1컴프레서를 포함하는 터보 챠져; 상기 흡기 통로의 제1지점에서 분기되어 상기 제1지점의 하류에 있는 상기 흡기 통로의 제2지점에서 상기 흡기 통로와 합쳐지는 바이패스 통로; 상기 바이패스 통로를 상기 흡기 통로에 선택적으로 연통시키는 컨트롤 밸브; 상기 바이패스 통로에 장착되어 있으며, 상기 바이패스 통로를 통과하는 공기를 압축하는 제2컴프레서; 그리고 상기 제2컴프레서를 작동시키기 위한 동력을 생성하여 상기 동력을 동력 전달 장치를 통해 선택적으로 상기 제2컴프레서에 공급하는 구동 장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

터보 랙 개선 장치{SYSTEM FOR CORRECTING TURBO LACK}

본 발명은 터보 랙 개선 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터보 랙 구간에서 엔진에 공급되는 공기의 양을 증가시켜 가속 성능을 향상시키는 터보 랙 개선 장치에 관한 것이다.

일반적으로 엔진은 배기량만큼의 혼합기를 흡입하여야 하는데, 실제로는 배기량의 80% 정도만큼의 혼합기만을 흡입할 수 있다. 따라서, 공기의 흡입량을 늘리기 위하여 밸브수를 늘리거나 밸브의 직경을 크게 하고 있으며, 터보 챠져(turbo charger)를 이용하여 강제로 공기를 흡입하고 있다.

일반적으로 터보 챠지 시스템(turbo charge system)은 흡기 매니폴드(intake manifold)와 배기 매니폴드에 연결된 터보 챠져를 이용하여 흡기 매니폴드에 흡입되는 공기의 량을 늘이는 시스템이다. 보다 구체적으로, 배기 매니폴드를 흐르는 배기가스를 이용하여 터보 챠져의 터빈을 강제적으로 회전시키면, 상기 터빈에 연결된 컴프레서가 회전하며 흡기 매니폴드에 공기를 강제로 흡입시킨다. 이러한 터보 챠지 시스템은 고온, 고압의 배기가스가 터빈을 지나며 저온, 저압의 배기가스로 변화하게 되고 이에 따라 배기가스의 에너지가 터빈에 전달되어 터빈을 회전시킨다.

이러한 터보 챠지 시스템을 차량에 적용하는 경우, 필연적으로 터보 랙이 발생하게 된다. 터보 랙이란 가속 시 터보 챠져의 터빈이 목표 속도에 도달하기까지 걸리는 시간 동안 목표로 하는 가속 성능을 얻지 못하는 현상을 말한다. 이러한 터보 랙 현상은 차량이 저속으로 운행되는 경우 주로 발생하게 된다. 특히, 배기량이 적은 소형 엔진에 터보 챠져를 적용하는 경우, 연비는 향상되나 저속에서 터보 랙 현상이 심각한 문제점이 있었다. 따라서, 배기량이 적은 소형 엔진에는 터보 챠져를 적용하기가 어려웠다.

미국등록특허 US 7,028,677에는 동력 공급원(drive source)에 벨트로 연결된 임펠러(impeller)를 회전시켜 공기 공급량을 증가시키며 원활한 동력 전달을 위하여 벨트에 텐셔너를 설치한 기술이 기재되어 있다. 그런데, US 7,028,677에 의하더라도 동력 공급원으로 엔진의 크랭크샤프트가 사용되므로 엔진 회전수가 낮은 경우 터보 랙의 발생을 방지하지는 못하는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 크랭크샤프트와 임펠러 사이에 증속 장치를 배치하였으나, 엔진 회전수가 높은 경우 벨트의 동력 전달 성능 및 내구성이 악화되며, 필요 이상으로 엔진의 동력을 사용하게 되어 연비가 악화되는 문제점이 있었다.

일본공개특허 평2-119623에는 터보 챠져와 기계식 슈퍼 챠져가 직렬로 배치되어 있으며, 엔진 스피드가 높은 상태에서 터보 챠져의 배출압이 기계식 슈퍼 챠져의 배출압보다 큰 경우 기계식 슈퍼 챠져가 동력 회복을 위한 확장기(expander)로 사용되도록 한 기술이 개시되어 있다. 그런데, 일본공개특허 평2-119623에 의하면, 터보 챠져와 기계식 슈퍼 챠져가 직렬로 배치되어 있어 기계식 슈퍼 챠져가 작동하지 않는 경우 공기의 흐름을 방해하게 된다. 또한, 엔진 회전수가 높은 경우 벨트의 동력 전달 성능 및 내구성이 악화되며, 필요 이상으로 엔진의 동력을 사용하여 과도하게 공기를 공급하게 되므로 연비가 악화되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 터보 챠져와 병렬로 추가 컴프레서를 배치하고 이 추가 컴프레서를 터보 랙 구간에서만 작동하도록 함으로써 동력 손실을 줄이고 가속 성능을 향상시키는 터보 랙 개선 장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예들에 따른 터보 랙 개선 장치는 복수개의 실린더, 상기 복수개의 실린더에 공기를 공급하기 위한 흡기 매니폴드, 그리고 상기 복수개의 실린더에서 발생한 배기가스를 배출하기 위한 배기 매니폴드를 포함하는 엔진; 신선한 공기를 상기 흡기 매니폴드에 공급하기 위하여 상기 흡기 매니폴드에 연결되어 있는 흡기 통로; 상기 배기 매니폴드에 모인 배기가스를 외부로 배출하기 위하여 상기 배기 매니폴드에 연결되어 있는 배기 통로; 상기 배기 매니폴드 또는 상기 배기 통로에 장착되어 배기가스에 의하여 회전하는 터빈 그리고 흡기 통로에 장착되어 있으며 상기 터빈에 연결되어 터빈과 함께 회전하며 흡기 통로의 공기를 압축하는 제1컴프레서를 포함하는 터보 챠져; 상기 흡기 통로의 제1지점에서 분기되어 상기 제1지점의 하류에 있는 상기 흡기 통로의 제2지점에서 상기 흡기 통로와 합쳐지는 바이패스 통로; 상기 바이패스 통로를 상기 흡기 통로에 선택적으로 연통시키는 컨트롤 밸브; 상기 바이패스 통로에 장착되어 있으며, 상기 바이패스 통로를 통과하는 공기를 압축하는 제2컴프레서; 그리고 상기 제2컴프레서를 작동시키기 위한 동력을 생성하여 상기 동력을 동력 전달 장치를 통해 선택적으로 상기 제2컴프레서에 공급하는 구동 장치;를 포함할 수 있다.

상기 동력 전달 장치는 복수개의 풀리와, 각각의 풀리를 제2컴프레서, 구동 장치, 또는 다른 풀리와 연결하기 위한 적어도 하나 이상의 벨트와 축을 포함할 수 있다.

상기 제2컴프레서는 기설정된 터보 랙 구간에서 작동할 수 있다.

상기 컨트롤 밸브는 그 장착부 근처에서 흡기 통로의 공기 압력과 바이패스 통로의 공기 압력의 차에 의하여 자동으로 개폐될 수 있다.

상기 벨트는 평벨트(flat belt)일 수 있다.

상기 흡기 통로의 상기 터보 챠져의 하류에는 공기의 온도를 냉각하기 위한 냉각 장치가 장착되어 있을 수 있다.

본 발명의 제1,2실시예에 따르면, 상기 제1지점과 상기 제2지점은 상기 흡기 통로의 상기 터보 챠져의 상류에 위치할 수 있다.

본 발명의 제1실시예에 따르면, 상기 구동 장치는 상기 엔진의 크랭크샤프트에 장착되어 크랭크샤프트와 함께 회전하는 크랭크샤프트 풀리; 상기 크랭크샤프트 풀리에 구동 벨트를 통하여 연결되는 구동 풀리; 그리고 상기 동력 전달 장치를 상기 구동 풀리에 선택적으로 연결하여 상기 구동 장치의 동력을 상기 제2컴프레서에 선택적으로 전달하는 클러치;를 포함할 수 있다.

본 발명의 제2실시예에 따르면, 상기 구동 장치는 상기 동력 전달 장치에 연결되어 있으며 상기 제2컴프레서에 공급되는 동력을 선택적으로 생성하는 모터일 수 있다.

본 발명의 제3,4실시예에 따르면, 상기 제1지점은 상기 흡기 통로의 상기 터보 챠져의 상류에 위치하고, 상기 제2지점은 상기 흡기 통로의 상기 터보 챠져와 상기 냉각 장치 사이에 위치할 수 있다.

본 발명의 제3실시예에 따르면, 상기 구동 장치는 상기 엔진의 크랭크샤프트에 장착되어 크랭크샤프트와 함께 회전하는 크랭크샤프트 풀리; 상기 크랭크샤프트 풀리에 구동 벨트를 통하여 연결되는 구동 풀리; 그리고 상기 동력 전달 장치를 상기 구동 풀리에 선택적으로 연결하여 상기 구동 장치의 동력을 상기 제2컴프레서에 선택적으로 전달하는 클러치;를 포함할 수 있다.

본 발명의 제4실시예에 따르면, 상기 구동 장치는 상기 동력 전달 장치에 연결되어 있으며 상기 제2컴프레서에 공급되는 동력을 선택적으로 생성하는 모터일 수 있다.

본 발명의 제5,6실시예에 따르면, 상기 제1지점과 상기 제2지점은 사이 흡기 통로의 상기 터보 챠져와 상기 냉각 장치 사이에 위치할 수 있다.

본 발명의 제5실시예에 따르면, 상기 구동 장치는 상기 엔진의 크랭크샤프트에 장착되어 크랭크샤프트와 함께 회전하는 크랭크샤프트 풀리; 상기 크랭크샤프트 풀리에 구동 벨트를 통하여 연결되는 구동 풀리; 그리고 상기 동력 전달 장치를 상기 구동 풀리에 선택적으로 연결하여 상기 구동 장치의 동력을 상기 제2컴프레서에 선택적으로 전달하는 클러치;를 포함할 수 있다.

본 발명의 제6실시예에 따르면, 상기 구동 장치는 상기 동력 전달 장치에 연결되어 있으며 상기 제2컴프레서에 공급되는 동력을 선택적으로 생성하는 모터일 수 있다.

본 발명의 제7,8실시예에 따르면, 상기 제1지점과 상기 제2지점은 상기 흡기 통로의 상기 냉각 장치의 하류에 위치할 수 있다.

본 발명의 제7실시예에 따르면, 상기 구동 장치는 상기 엔진의 크랭크샤프트에 장착되어 크랭크샤프트와 함께 회전하는 크랭크샤프트 풀리; 상기 크랭크샤프트 풀리에 구동 벨트를 통하여 연결되는 구동 풀리; 그리고 상기 동력 전달 장치를 상기 구동 풀리에 선택적으로 연결하여 상기 구동 장치의 동력을 상기 제2컴프레서에 선택적으로 전달하는 클러치;를 포함할 수 있다.

본 발명의 제8실시예에 따르면, 상기 구동 장치는 상기 동력 전달 장치에 연결되어 있으며 상기 제2컴프레서에 공급되는 동력을 선택적으로 생성하는 모터일 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 추가 컴프레서가 터보 랙 구간에서 작동하여 가속 성능을 향상시킬 수 있다.

터보 랙 구간이 아닐 때에는 공기가 추가 컴프레서를 지나지 않도록 하여 동력 손실을 줄일 수 있다.

높은 속력의 동력을 평벨트로 전달함으로써, 소음을 줄이고 동력 전달 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터보 랙 개선 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터보 랙 개선 장치에서 동력 전달 장치의 일 예를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 터보 랙 개선 장치에서 동력 전달 장치의 다른 예를 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 터보 랙 개선 장치를 제어하기 위한 제어부를 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 터보 랙 개선 장치가 작동하는 터보 랙 구간을 도시한 그래프이다.
도 6은 도 1의 터보 랙 개선 장치가 작동되는 경우를 도시한 개략도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 터보 랙 개선 장치의 구성도이다.
도 8은 도 7의 터보 랙 개선 장치가 작동되는 경우를 도시한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터보 랙 개선 장치의 구성도이다.
도 10은 도 9의 터보 랙 개선 장치가 작동되는 경우를 도시한 개략도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터보 랙 개선 장치의 구성도이다.
도 12는 도 11의 터보 랙 개선 장치가 작동되는 경우를 도시한 개략도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터보 랙 개선 장치의 구성도이다.
도 14는 도 13의 터보 랙 개선 장치가 작동되는 경우를 도시한 개략도이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터보 랙 개선 장치의 구성도이다.
도 16은 도 15의 터보 랙 개선 장치가 작동되는 경우를 도시한 개략도이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 터보 랙 개선 장치의 개략도이다.

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

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터보 랙 개선 장치의 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 터보 랙 개선 장치는 터보 랙 구간에서 엔진(1)에 공급되는 공기의 양을 증가시킨다. 여기서, 터보 랙 구간이란 터보 랙이 발생되는 구간을 말하며, 도 5에 도시된 바와 같이 엔진 회전수와 엔진 부하에 따라 미리 설정되어 있다. 일반적으로 터보 랙은 저속에서 가속을 하는 경우 주로 발생된다.

엔진(1)은 공기와 연료를 연소하여 동력을 발생시키고, 연소된 공기와 연료(즉, 배기가스)를 차량의 외부로 배출한다. 이러한 목적을 위하여, 상기 엔진(1)은 복수개의 실린더(10a, 10b, 10c, 10d), 흡기 매니폴드(14), 그리고 배기 매니폴드(16)를 포함하며, 상기 터보 랙 개선 장치는 상기 엔진(1)에 공기를 공급하기 위한 흡기 통로(30)와, 엔진(1)에서 발생된 배기가스를 차량의 외부로 배출하기 위한 배기 통로(80)와, 흡기 통로(30)의 제1지점에서 분기되어 상기 제1지점의 하류에 있는 상기 흡기 통로(30)의 제2지점에서 합쳐지는 바이패스 통로(40)를 포함한다.

복수개의 실린더(10a, 10b, 10c, 10d) 내에는 각각 피스톤(도시하지 않음)이 배치되어 있으며, 상기 피스톤의 상단과 실린더 사이에는 연소실(도시하지 않음)이 형성된다. 또한, 각 실린더(10a, 10b, 10c, 10d)의 상부에는 흡기 밸브(도시하지 않음)에 의하여 개폐되며 공기 및/또는 연료를 상기 연소실에 공급하는 흡기 포트(11a, 11b, 11c, 11d)와, 배기 밸브(도시하지 않음)에 의하여 개폐되며 연소실에서 발생한 배기가스를 연소실 외부로 배출하기 위한 배기 포트(12a, 12b, 12c, 12d)가 형성되어 있다. 이 외에도, 상기 실린더(10a, 10b, 10c, 10d)의 상부에는 점화 플러그, 인젝터 등이 더 장착된다. 상기 피스톤은 커넥팅 로드(도시하지 않음)를 통하여 크랭크샤프트(18)에 연결되어, 혼합기의 연소력에 의하여 크랭크샤프트(18)를 회전시키게 된다.

흡기 매니폴드(14)는 공기 및/또는 연료를 연소실에 공급하기 위하여 상기 흡기 포트(11a, 11b, 11c, 11d)에 연결되며, 배기 매니폴드(16)는 연소실에서 발생한 배기가스를 모을 수 있도록 상기 배기 포트(12a, 12b, 12c, 12d)에 연결된다.

흡기 통로(30)는 외부의 공기가 엔진(1)의 흡기 매니폴드(14)까지 지나가는 모든 통로를 의미한다. 이러한 흡기 통로(30)의 상류에는 에어 클리너(32)가 장착되어 외부의 공기에 포함된 불순물을 제거한다. 또한, 상기 흡기 통로(30)에는 냉각 장치(36)가 장착되어 공기의 온도를 낮춘다. 따라서, 공기의 밀도가 낮아지므로 더 많은 공기가 흡기 매니폴드(14)에 공급될 수 있다. 또한, 상기 흡기 통로(30)에는 가속 페달의 작동 정도에 따라 작동하는 스로틀 밸브(34)가 장착되어 흡기량을 조절할 수 있다.

배기 통로(80)는 배기 매니폴드(16)에 모인 배기가스가 차량의 외부까지 지나가는 모든 통로를 의미한다. 이러한 배기 통로(80)에는 머플러(82)가 장착되어 배기가스의 소음을 감소시킨다. 필요에 따라서는, 상기 배기 통로(80)에 촉매 장치(도시하지 않음)를 장착하여 배기가스에 포함된 유해한 물질을 제거할 수 있다.

앞에서 언급한 바와 같이, 바이패스 통로(40)는 상기 흡기 통로(30)로부터 분기된 후 다시 흡기 통로(30)에 합쳐진다. 이러한 흡기 통로(30)와 바이패스 통로(40)의 분기점(제1지점) 또는 흡기 통로(30)와 바이패스 통로(40)의 합류점(제2지점)에는 컨트롤 밸브(42)가 장착되어 있다. 상기 컨트롤 밸브(42)는 에어 클리너(32)를 통과한 공기가 흡기 통로(30)만을 통하여 흡기 매니폴드(14)에 공급되도록 하거나 바이패스 통로(40)를 통과한 후 흡기 통로(30)를 통하여 흡기 매니폴드(14)에 공급하도록 한다. 즉, 상기 컨트롤 밸브(42)는 바이패스 통로(40)를 상기 흡기 통로(30)에 선택적으로 연통시킨다. 이러한 컨트롤 밸브(42)는 제1지점 또는 제2지점에서 흡기 통로(30)의 공기압과 바이패스 통로(40)의 공기압의 차이에 의하여 자동으로 작동되거나 제어부(120)의 전기적 신호에 의하여 작동될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 터보 랙 개선 장치는 터보 챠져(20)를 포함한다. 상기 터보 챠져(20)는 배기가스의 배기열을 이용하여 엔진(1)에 공급되는 공급량을 늘리는 장치이다. 이러한 터보 챠져(20)는 배기 매니폴드(16) 또는 배기 통로(80)에 장착되어 배기가스에 의하여 회전하는 터빈(22)과, 흡기 통로(30)에 장착되어 있으며 터빈(22)에 제1샤프트(26)를 통하여 고정되어 터빈(22)과 함께 회전하는 제1컴프레서(24)를 포함한다. 배기가스에 의하여 터빈(22)이 회전하면, 제1컴프레서(24)도 회전하며 공기를 압축시켜 엔진(1)에 공급되는 공기의 공급량을 증가시킨다.

본 발명의 실시예에 따른 터보 랙 개선 장치는 구동 장치(50), 동력 전달 장치(60), 그리고 제2컴프레서(75)를 더 포함한다.

구동 장치(50)는 제2컴프레서(75)를 작동시키기 위한 동력을 생성하는 것이다. 본 발명의 제1실시예에 따르면, 상기 구동 장치(50)는 크랭크샤프트 풀리(52), 구동 풀리(56), 구동 벨트(54), 그리고 클러치(58)를 포함한다.

크랭크샤프트 풀리(52)는 상기 크랭크샤프트(18)에 고정적으로 장착되어 크랭크샤프트(18)와 함께 회전한다.

구동 풀리(56)는 상기 구동 벨트(54)를 통하여 상기 크랭크샤프트 풀리(52)에 연결되어 크랭크샤프트 풀리(52)와 함께 회전한다.

클러치(58)는 구동 풀리(56)의 동력을 선택적으로 상기 동력 전달 장치(60)에 전달하기 위한 것이다. 즉, 클러치(58)가 작동하면 구동 풀리(56)의 동력이 동력 전달 장치(60)에 전달되고 클러치(58)가 작동하지 않으면 구동 풀리(56)의 동력이 동력 전달 장치에 전달되지 않는다. 이러한 클러치(58)로는 전자식 클러치, 유압식 클러치 등 다양한 클러치가 사용될 수 있으며, 당업자에게 잘 알려져 있으므로 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.

동력 전달 장치(60)는 구동 장치(50)에서 생성된 동력을 제2컴프레서(75)에 전달하는 것으로, 복수개의 샤프트(62, 66, 71)와, 복수개의 풀리(61, 63, 67, 69)와, 복수개의 벨트(64, 68)를 포함한다. 본 명세서에서는 동력 전달 장치(60)의 몇 가지 예를 나타낸 것으로 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않는다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제1풀리(61)는 클러치(58)를 통하여 상기 구동 풀리(56)에 선택적으로 연결된다. 또한, 제1풀리(61)는 제2샤프트(62)에 고정되어 있다.

제2풀리(63)는 제2샤프트(62)에 고정되어 제1풀리(61)와 동일한 속도로 회전한다.

제3풀리(65)는 제1벨트(64)를 통하여 상기 제2풀리(63)에 연결된다. 상기 제3풀리(65)는 제3샤프트(66)에 고정되어 있다.

제4풀리(67)는 제3샤프트(66)에 고정되어 제3풀리(65)와 동일한 속도로 회전한다.

제5풀리(69)는 제2벨트(68)를 통하여 제4풀리(67)에 연결된다. 상기 제5풀리(69)는 제4샤프트에 고정되어 있다.

한편, 터보 랙 구간에서는 크랭크샤프트(18)의 회전 속도가 늦으므로 공기 공급량을 늘리기 위하여는 상기 동력 전달 장치(60)가 속도를 증가시켜야 한다. 이러한 목적을 위하여, 벨트로 연결된 풀리들의 직경은 달라야 한다. 예를 들어, 크랭크샤프트 풀리(52)의 직경은 구동 풀리(56)의 직경보다 크고, 제2풀리(63)의 직경은 제3풀리(65)의 직경보다 크며, 제4풀리(67)의 직경은 제5풀리(69)의 직경보다 크다.

또한, 동력 전달 장치(60)가 풀리들의 회전 속도를 증가시키므로, 상기 풀리들을 연결하는 벨트들은 고속의 동력을 전달하여야 한다. 콕 벨트(cog belt)를 사용하는 경우에는 소음이 높고 높은 회전 속도에서 사용하기 힘들고, V-벨트를 사용하는 경우에는 두께가 두꺼워야 하고 역시 높은 회전 속도에서 사용하기 힘들다. 따라서, 본 발명의 실시예들에서는 얇은 평 벨트(flat belt)를 사용하여 고속의 동력을 전달하는 효율을 증가시킨다.

제2컴프레서(75)는 상기 바이패스 통로(40)에 장착되어 있으며, 상기 제4샤프트(71)에 고정되어 있다. 제2컴프레서(75)는 상기 동력 전달 장치(60)로부터 전달 받은 동력에 의하여 회전하며 공기를 압축시켜 흡기 매니폴드(14)로의 공기의 공급량을 증가시킨다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 터보 랙 개선 장치를 제어하기 위한 제어부를 도시한 블록도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 터보 랙 개선 장치는 스로틀 개도 센서(100), 엔진 회전수 센서(110), 그리고 제어부(120)를 더 포함한다.

스로틀 개도 센서(100)는 가속 페달의 작동 정도에 따라 작동하는 스로틀 밸브(34)의 개도를 검출하고, 이에 대한 신호를 상기 제어부(120)에 전달한다. 여기서, 스로틀 밸브(34)의 개도는 엔진 부하에 대응되게 된다.

엔진 회전수 센서(110)는 크랭크샤프트(18)의 위상 변화로부터 크랭크샤프트(18)의 회전 속도를 검출하고, 이에 대한 신호를 상기 제어부(120)에 전달한다.

제어부(120)는 상기 스로틀 개도 센서(100) 및 엔진 회전수 센서(110)에 연결되어 스로틀 밸브(34)의 개도 및 엔진 회전수에 대한 정보를 전달 받고, 이것들을 기초로 하여 엔진의 운전 상태가 터보 랙 구간에 포함되는지를 판단한다. 제어부(120)는 엔진의 운전 상태가 터보 랙 구간에 포함되면, 클러치(58), 모터(50'), 또는 컨트롤 밸브(42)의 작동을 제어한다. 본 명세서에서는 컨트롤 밸브(42)가 압력차에 의하여 자동적으로 개폐되는 것을 예시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 즉, 제어부(120)가 클러치(58) 또는 모터(50')를 작동시키는 경우 컨트롤 밸브(42)도 함께 작동시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 터보 랙 개선 장치의 작동을 상세히 설명한다. 본 발명의 제1실시예에 따른 터보 랙 개선 장치에서 상기 제1지점과 상기 제2지점은 흡기 통로(30)에서 상기 터보 챠져(20)(제1컴프레서(24))의 상류에 위치하고 있다. 또한, 상기 컨트롤 밸브(42)는 제2지점에 배치되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(1)이 정상 상태(즉, 터보 랙 구간이 아닌 구간)에서 작동할 때에는, 제어부(120)가 클러치(58)를 제어하여 구동 장치(50)와 동력 전달 장치(60)의 연결을 해제한다. 또한, 제어부(120)는 컨트롤 밸브(42)를 제어하여 바이패스 통로(40)를 막도록 한다. 이 경우, 바이패스 통로(40)가 막혀 있으므로, 에어 클리너(32)를 통과한 공기는 제1컴프레서(24)에 의하여 가압되어 흡기 통로(30)를 통해 흡기 매니폴드(14)에 공급되게 된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 엔진(1)이 터보 랙 구간에서 작동할 때에는, 제어부(120)는 상기 클러치(58)를 제어하여 구동 장치(50)와 동력 전달 장치(60)를 연결시키고, 컨트롤 밸브(42)를 제어하여 바이패스 통로(40)와 흡기 통로(30)를 연통시킨다. 이 경우, 에어 클리너(32)를 통과한 공기는 바이패스 통로(40)를 통과하며 제2컴프레서(75)에 의하여 1차적으로 가압되고 제2지점 하류의 흡기 통로(30)를 통과하며 제1컴프레서(24)에 의하여 2차적으로 가압된다. 그 후, 가압된 공기는 흡기 통로(30)를 통하여 흡기 매니폴드(14)에 공급되게 된다. 따라서, 터보 랙 구간에서 흡기 매니폴드(14)에 공급되는 공기량이 증가되게 된다.

이하에서는, 본 발명의 다른 실시예들에 따른 터보 랙 개선 장치에 대하여 설명한다. 본 명세서에서, 동일한 구성 요소에 대하여는 동일한 도면 번호를 사용하기로 한다.

도 7, 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 터보 랙 개선 장치를 나타낸 개략도이다. 본 발명의 제2실시예에 따른 터보 랙 개선 장치는 구동 장치(50')와 컨트롤 밸브(42)의 위치를 제외하고는 본 발명의 제1실시예에 따른 터보 랙 개선 장치와 동일하다. 본 발명의 제2실시예에 따른 터보 랙 개선 장치에서, 구동 장치(50')로는 모터가 사용되며 컨트롤 밸브(42)는 제1지점에 위치하고 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 엔진(1)이 정상 상태(즉, 터보 랙 구간이 아닌 구간)에서 작동할 때에는, 제어부(120)는 모터(50')에 전기가 공급되지 않도록 하고 컨트롤 밸브(42)를 제어하여 바이패스 통로(40)를 막도록 한다. 이 경우, 바이패스 통로(40)가 막혀 있으므로, 에어 클리너(32)를 통과한 공기는 제1컴프레서(24)에 의하여 가압되어 흡기 통로(30)를 통해 흡기 매니폴드(14)에 공급되게 된다.

도 8에 도시된 바와 같이, 엔진(1)이 터보 랙 구간에서 작동할 때에는, 제어부(120)는 모터(50')에 전기가 공급되도록 하고, 컨트롤 밸브(42)를 제어하여 바이패스 통로(40)와 흡기 통로(30)를 연통시킨다. 이 경우, 에어 클리너(32)를 통과한 공기는 바이패스 통로(40)를 통과하며 제2컴프레서(75)에 의하여 1차적으로 가압되고 제2지점 하류의 흡기 통로(30)를 통과하며 제1컴프레서(24)에 의하여 2차적으로 가압된다. 그 후, 가압된 공기는 흡기 통로(30)를 통하여 흡기 매니폴드(14)에 공급되게 된다. 따라서, 터보 랙 구간에서 흡기 매니폴드(14)에 공급되는 공기량이 증가되게 된다.

도 9, 10은 본 발명의 제3실시예에 따른 터보 랙 개선 장치를 나타낸 개략도이다. 본 발명의 제3실시예에 따른 터보 랙 개선 장치는 제2지점과 컨트롤 밸브(42)의 위치를 제외하고는 본 발명의 제2실시예에 따른 터보 랙 개선 장치와 동일하다. 본 발명의 제3실시예에 따른 터보 랙 개선 장치에서, 구동 장치(50')로는 모터가 사용되며 제2지점은 흡기 통로(30)에서 터보 챠져(20)(제1컴프레서(24))의 하류에 위치하고 컨트롤 밸브(42)는 제2지점에 위치하고 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, 엔진(1)이 정상 상태(즉, 터보 랙 구간이 아닌 구간)에서 작동할 때에는, 제어부(120)는 모터(50')에 전기가 공급되지 않도록 하고 컨트롤 밸브(42)를 제어하여 바이패스 통로(40)를 막도록 한다. 이 경우, 바이패스 통로(40)가 막혀 있으므로, 에어 클리너(32)를 통과한 공기는 제1컴프레서(24)에 의하여 가압되어 흡기 통로(30)를 통해 흡기 매니폴드(14)에 공급되게 된다.

도 10에 도시된 바와 같이, 엔진(1)이 터보 랙 구간에서 작동할 때에는, 제어부(120)는 모터(50')에 전기가 공급되도록 한다. 이 때, 제2컴프레서(75)의 회전 속도가 제1컴프레서(24)의 회전속도보다 빠르므로, 제2지점에서 바이패스 통로(40)의 공기압이 흡기 통로(30)의 공기압보다 크다. 따라서, 컨트롤 밸브(42)는 제2지점에서 흡기 통로(30)를 막게 된다. 이 경우, 에어 클리너(32)를 통과한 공기는 바이패스 통로(40)를 통과하며 제2컴프레서(75)에 의하여 가압된 후, 제2지점 하류의 흡기 통로(30)를 통하여 흡기 매니폴드(14)에 공급된다.

도 11, 12은 본 발명의 제4실시예에 따른 터보 랙 개선 장치를 나타낸 개략도이다. 본 발명의 제4실시예에 따른 터보 랙 개선 장치는 제2지점의 위치를 제외하고는 본 발명의 제2실시예에 따른 터보 랙 개선 장치와 동일하다. 본 발명의 제4실시예에 따른 터보 랙 개선 장치에서 구동 장치(50')로는 모터가 사용되며 컨트롤 밸브(42)는 제1지점에 위치하고, 제1,2지점은 흡기 통로(30)에서 터보 챠져(20)와 냉각 장치(36) 사이에 위치한다. 특히, 제1,2지점과 상기 냉각 장치(36)는 흡기 매니폴드(14)에 근접하도록 배치하여 부스팅 시간(boosting time)을 단축하고 제2컴프레서(75)의 용량을 최소화할 수 있다.

도 11에 도시된 바와 같이, 엔진(1)이 정상 상태에서 작동할 때에는, 제어부(120)는 모터(50')에 전기가 공급되지 않도록 하고 컨트롤 밸브(42)를 제어하여 바이패스 통로(40)를 막도록 한다. 이 경우, 바이패스 통로(40)가 막혀 있으므로 에어 클리너(32)를 통과한 공기는 제1컴프레서(24)에 의하여 가압되어 흡기 통로(30)를 통해 흡기 매니폴드(14)에 공급된다.

도 12에 도시된 바와 같이, 엔진(1)이 터보 랙 구간에서 작동할 때에는, 제어부(120)는 모터(50')에 전기가 공급되도록 하고, 컨트롤 밸브(42)를 제어하여 바이패스 통로(40)와 흡기 통로(30)를 연통시킨다. 이 경우, 에어 클리너(32)를 통과한 공기는 제1컴프레서(24)에 의하여 1차적으로 가압되고 바이패스 통로(40)를 통과하며 제2컴프레서(75)에 의하여 2차적으로 가압된다. 그 후, 가압된 공기는 흡기 통로(30)를 통하여 흡기 매니폴드(14)에 공급되게 된다.

도 13, 14는 본 발명의 제5실시예에 따른 터보 랙 개선 장치를 나타낸 개략도이다. 본 발명의 제5실시예에 따른 터보 랙 개선 장치는 구동 장치(50)를 제외하고는 본 발명의 제4실시예에 따른 터보 랙 개선 장치와 동일하다. 본 발명의 제5실시예에 따른 터보 랙 개선 장치에서 구동 장치(50)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(1)의 동력을 이용하여 제2컴프레서(75)를 작동시킨다. 본 발명의 제5실시예에 따른 터보 랙 개선 장치의 작동은 본 발명의 제4실시예에 따른 터보 랙 개선 장치의 작동과 유사하므로 상세한 설명은 생략하게로 한다.

도 15, 16은 본 발명의 제6실시예에 따른 터보 랙 개선 장치를 나타낸 개략도이다. 본 발명의 제6실시예에 따른 터보 랙 개선 장치는 제1,2지점의 위치를 제외하고는 본 발명의 제5실시예에 따른 터보 랙 개선 장치와 동일하다. 본 발명의 제6실시예에 따른 터보 랙 개선 장치에서 상기 제1,2지점은 냉각 장치(36)와 흡기 매니폴드(14) 사이에 배치되어 있다. 이와 같이, 제2컴프레서(75)를 흡기 매니폴드(14)에 최대한 가까이 배치하면, 부스팅 시간이 최대한 단축된다. 본 발명의 제6실시예에 따른 터보 랙 개선 장치의 작동은 본 발명의 제5실시예에 따른 터보 랙 개선 장치의 작동과 유사하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 17은 본 발명의 제7실시예에 따른 터보 랙 개선 장치를 나타낸 개략도이다. 본 발명의 제7실시예에 따른 터보 랙 개선 장치는 구동 장치(50')를 제외하고는 본 발명의 제6실시예에 따른 터보 랙 개선 장치와 동일하다. 본 발명의 제7실시예에 따른 터보 랙 개선 장치에서 상기 구동 장치(50')로는 모터가 사용된다. 본 발명의 제7실시예에 따른 터보 랙 개선 장치의 작동은 본 발명의 제6실시예에 따른 터보 랙 개선 장치의 작동과 유사하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

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

Claims

복수개의 실린더, 상기 복수개의 실린더에 공기를 공급하기 위한 흡기 매니폴드, 그리고 상기 복수개의 실린더에서 발생한 배기가스를 배출하기 위한 배기 매니폴드를 포함하는 엔진;
신선한 공기를 상기 흡기 매니폴드에 공급하기 위하여 상기 흡기 매니폴드에 연결되어 있는 흡기 통로;
상기 배기 매니폴드에 모인 배기가스를 외부로 배출하기 위하여 상기 배기 매니폴드에 연결되어 있는 배기 통로;
상기 배기 매니폴드 또는 상기 배기 통로에 장착되어 배기가스에 의하여 회전하는 터빈 그리고 흡기 통로에 장착되어 있으며 상기 터빈에 연결되어 터빈과 함께 회전하며 흡기 통로의 공기를 압축하는 제1컴프레서를 포함하는 터보 챠져;
상기 흡기 통로의 제1지점에서 분기되어 상기 제1지점의 하류에 있는 상기 흡기 통로의 제2지점에서 상기 흡기 통로와 합쳐지는 바이패스 통로;
상기 바이패스 통로에 장착되어 있으며, 상기 바이패스 통로를 통과하는 공기를 압축하는 제2컴프레서; 그리고
상기 제2컴프레서를 작동시키기 위한 동력을 생성하여 상기 동력을 동력 전달 장치를 통해 선택적으로 상기 제2컴프레서에 공급하는 구동 장치;
를 포함하며,
상기 터보 랙 개선 장치는 상기 바이패스 통로를 상기 흡기 통로에 선택적으로 연통시키는 컨트롤 밸브를 더 포함하고,
상기 컨트롤 밸브는 그 장착부 근처에서 흡기 통로의 공기 압력과 바이패스 통로의 공기 압력의 차에 의하여 자동으로 개폐되는 것을 특징으로 하는 터보 랙 개선 장치.
제 1항에 있어서,
상기 동력 전달 장치는 복수개의 풀리와, 각각의 풀리를 제2컴프레서, 구동 장치, 또는 다른 풀리와 연결하기 위한 적어도 하나 이상의 벨트와 축을 포함하는 터보 랙 개선 장치.
제 1항에 있어서,
상기 제2컴프레서는 기설정된 터보 랙 구간에서 작동하는 것을 특징으로 하는 터보 랙 개선 장치.
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제 2항에 있어서,
상기 벨트는 평벨트(flat belt)인 것을 특징으로 하는 터보 랙 개선 장치.
제 1항 내지 제 3항 및 제 6항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 흡기 통로의 상기 터보 챠져의 하류에는 공기의 온도를 냉각하기 위한 냉각 장치가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 터보 랙 개선 장치.
제 7항에 있어서,
상기 제1지점과 상기 제2지점은 상기 흡기 통로의 상기 터보 챠져의 상류에 위치하는 것을 특징으로 하는 터보 랙 개선 장치.
제 8항에 있어서,
상기 구동 장치는
상기 엔진의 크랭크샤프트에 장착되어 크랭크샤프트와 함께 회전하는 크랭크샤프트 풀리;
상기 크랭크샤프트 풀리에 구동 벨트를 통하여 연결되는 구동 풀리; 그리고
상기 동력 전달 장치를 상기 구동 풀리에 선택적으로 연결하여 상기 구동 장치의 동력을 상기 제2컴프레서에 선택적으로 전달하는 클러치;
를 포함하는 터보 랙 개선 장치.
제 8항에 있어서,
상기 구동 장치는 상기 동력 전달 장치에 연결되어 있으며 상기 제2컴프레서에 공급되는 동력을 선택적으로 생성하는 모터인 것을 특징으로 하는 터보 랙 개선 장치.
제 7항에 있어서,
상기 제1지점은 상기 흡기 통로의 상기 터보 챠져의 상류에 위치하고, 상기 제2지점은 상기 흡기 통로의 상기 터보 챠져와 상기 냉각 장치 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 터보 랙 개선 장치.
제 11항에 있어서,
상기 구동 장치는
상기 엔진의 크랭크샤프트에 장착되어 크랭크샤프트와 함께 회전하는 크랭크샤프트 풀리;
상기 크랭크샤프트 풀리에 구동 벨트를 통하여 연결되는 구동 풀리; 그리고
상기 동력 전달 장치를 상기 구동 풀리에 선택적으로 연결하여 상기 구동 장치의 동력을 상기 제2컴프레서에 선택적으로 전달하는 클러치;
를 포함하는 터보 랙 개선 장치.
제 11항에 있어서,
상기 구동 장치는 상기 동력 전달 장치에 연결되어 있으며 상기 제2컴프레서에 공급되는 동력을 선택적으로 생성하는 모터인 것을 특징으로 하는 터보 랙 개선 장치.
제 7항에 있어서,
상기 제1지점과 상기 제2지점은 사이 흡기 통로의 상기 터보 챠져와 상기 냉각 장치 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 터보 랙 개선 장치.
제 14항에 있어서,
상기 구동 장치는
상기 엔진의 크랭크샤프트에 장착되어 크랭크샤프트와 함께 회전하는 크랭크샤프트 풀리;
상기 크랭크샤프트 풀리에 구동 벨트를 통하여 연결되는 구동 풀리; 그리고
상기 동력 전달 장치를 상기 구동 풀리에 선택적으로 연결하여 상기 구동 장치의 동력을 상기 제2컴프레서에 선택적으로 전달하는 클러치;
를 포함하는 터보 랙 개선 장치.
제 14항에 있어서,
상기 구동 장치는 상기 동력 전달 장치에 연결되어 있으며 상기 제2컴프레서에 공급되는 동력을 선택적으로 생성하는 모터인 것을 특징으로 하는 터보 랙 개선 장치.
제 7항에 있어서,
상기 제1지점과 상기 제2지점은 상기 흡기 통로의 상기 냉각 장치의 하류에 위치하는 것을 특징으로 하는 터보 랙 개선 장치.
제 17항에 있어서,
상기 구동 장치는
상기 엔진의 크랭크샤프트에 장착되어 크랭크샤프트와 함께 회전하는 크랭크샤프트 풀리;
상기 크랭크샤프트 풀리에 구동 벨트를 통하여 연결되는 구동 풀리; 그리고
상기 동력 전달 장치를 상기 구동 풀리에 선택적으로 연결하여 상기 구동 장치의 동력을 상기 제2컴프레서에 선택적으로 전달하는 클러치;
를 포함하는 터보 랙 개선 장치.
제 17항에 있어서,
상기 구동 장치는 상기 동력 전달 장치에 연결되어 있으며 상기 제2컴프레서에 공급되는 동력을 선택적으로 생성하는 모터인 것을 특징으로 하는 터보 랙 개선 장치.
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