KR101472910B1 - 볼텍스 튜브를 이용한 흡입공기 냉각장치 - Google Patents

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Abstract

흡기매니폴드에 연결되고 터보차저의 터빈이 설치된 흡기라인과, 배기매니폴드에 연결되고 터보차저의 압축기가 설치된 배기라인을 포함하는 엔진시스템의 흡입공기 냉각장치가 개시된다. 이 흡입공기 냉각장치는, 상기 압축기와 상기 흡기매니폴드 사이에서 상기 흡기라인에 설치되는 하나 이상의 볼텍스 튜브를 갖는 냉각파트와; 상기 냉각파트를 우회하도록, 상기 흡기라인의 냉각파트의 입구 측과 상기 흡기라인의 냉각파트의 출구 측을 연결하는 바이패스 라인과; 상기 냉각파트 입구 측 압력이 기준치를 초과할 때 상기 바이패스 라인을 개방하는 제어밸브를 포함한다.

Description

볼텍스 튜브를 이용한 흡입공기 냉각장치{INTAKE AIR COOLING APPARATUS USING VORTEX TUBE}
본 발명은 내연기관 엔진 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 볼텍스 튜브(vortex tube)를 이용하는 내연기관 엔진 시스템의 흡입공기 냉각장치에 관한 것이다.
볼텍스 튜브(Vortex Tube)는, 고속으로 회전하는 공기의 자발적인 에너지 분리현상을 이용하여 고온 및 저온의 공기를 생성하는 장치이다. 볼텍스 튜브는, 전기 및 전자 장비의 소형 냉각수단으로 많이 이용되어 왔지만, 최근에는 엔진시스템(특히, 자동차 엔진시스템)에 적용되어 외부로부터 공급된 공기의 온도를 낮추어 엔진의 출력을 향상시키는 수단으로도 이용되고 있다.
볼텍스 튜브가 적용된 엔진시스템은 본 출원인에 의해 출원되어 2008년 1월 4일 등록된 한국등록특허 제10-10-0793981호에 잘 개시되어 있다. 개시된 바에 따르면, 볼텍스 튜브가 인터쿨러를 대체하여 엔진시스템에 적용된다.
엔진시스템은 샤프트로 연결된 터빈과 컴프레서로 구성된 터보차저를 포함하는데, 볼텍스 튜브는, 컴프레서를 통해 소정의 압력으로 압축된 공기를 냉기와 온기로 분리하도록, 컴프레서와 흡기매니폴드 사이에 배치된다. 볼텍스 튜브가 컴프레서에서 소정의 압력으로 압축된 공기를 냉기와 온기로 분리하고 이 중 냉기를 엔진에 공급함으로써 엔진의 출력을 향상시킬 수 있다. 하지만, 종래기술은 볼텍스 튜브 내의 유동 저항이 큰 경우, 흡기 공기가 엔진으로 원활하게 공급되지 못하는 단점이 있다.
한국특허등록 제10-0793981호(등록일자 2008년 10월 4일)
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 볼텍스 튜브 내부의 유동 저항으로 인해 엔진으로 공기가 원활하게 공급되지 못하는 종래기술의 문제점을 해결할 수 있는 내연기관 엔진시스템의 흡입공기 냉각장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따라 흡기매니폴드에 연결되고 터보차저의 터빈이 설치된 흡기라인과, 배기매니폴드에 연결되고 터보차저의 압축기가 설치된 배기라인을 포함하는 엔진시스템의 흡입공기 냉각장치가 제공되며, 상기 흡입공기 냉각장치는, 상기 압축기와 상기 흡기매니폴드 사이에서 상기 흡기라인에 설치되는 하나 이상의 볼텍스 튜브를 갖는 냉각파트와; 상기 냉각파트를 우회하도록, 상기 흡기라인의 냉각파트의 입구 측과 상기 흡기라인의 냉각파트의 출구 측을 연결하는 바이패스 라인과; 상기 냉각파트 입구 측 압력이 기준치를 초과할 때 상기 바이패스 라인을 개방하는 제어밸브를 포함한다.
일 실시예에 따라, 상기 제어밸브는 상기 바이패스 라인에 설치되고, 상기 냉각파트 입구 측 압력이 기준치를 초과할 때 자체적으로 바이패스 라인을 개방하는 체크밸브인 것이 좋다.
일 실시예에 따라, 상기 제어밸브는 제어기에 의해 제어되는 자동 제어밸브이고, 상기 냉각파트의 입구 측 흡기라인에는 압력센서가 설치되며, 상기 제어기는 상기 압력센서에서의 측정 압력이 기준치보다 클 때 상기 전자 제어밸브를 개방하고 기준치 대비 측정 압력의 증가 비율에 따라 상기 전자 제어밸브의 개도량을 변화시킨다.
일 실시예에 따라, 상기 제어밸브는 제어기에 의해 제어되는 자동 제어밸브이고, 상기 냉각파트의 입구 측 흡기라인에는 제1 압력센서가 설치되고, 상기 냉각파트의 출구 측 흡기라인에는 제2 압력센서가 설치되며, 상기 제어기는 상기 제1 압력센서에서의 측정 압력이 기준치보다 클 때 상기 전자 제어밸브를 개방하고, 상기 제1 압력센서가 측정한 입구 측 압력에 비해 상기 제2 압력센서가 측정한 출구 측 압력이 설정치보다 높게 차이가 나면, 설정치 대비 압력 차이에 따라 상기 전자 제어밸브의 개도량을 변화시킨다.
본 발명에 따르면, 볼텍스 튜브 내부의 유동 저항으로 인해 엔진으로 공기가 원활하게 공급되지 못하는 종래기술의 문제점을 해결한다. 볼텍스 튜브를 포함하는 냉각파트에 복수의 볼텍스 튜브들을 병렬로 제공하면, 볼텍스 튜브들의 사이즈를 작게 설계하는 것이 가능하다.
도 1은 내연기관 엔진시스템에 적용된 본 발명의 제1 실시예에 따른 흡입공기 냉각장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2은 내연기관 엔진시스템에 적용된 본 발명의 제2 실시예에 따른 흡입공기 냉각장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 내연기관 엔진시스템에 적용된 본 발명의 제3 실시예에 따른 흡입공기 냉각장치를 설명하기 위한 구성도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 구체적으로 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
<제1 실시예>
도 1은 내연기관 엔진시스템에 적용된 본 발명의 제1 실시예에 따른 흡입공기 냉각장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 엔진시스템은 엔진(1)과, 흡기매니폴드(2)와, 배기매니폴드(3)와, 터보차저(4)와, 흡입공기 냉각장치(5)를 포함한다. 이하 자세히 바와 같이, 흡입공기 냉각장치(5)는 하나의 볼텍스 튜브(50)가 흡기라인의 일부 구간에 설치되어 이루어진 냉각파트를 포함한다. 볼텍스 튜브(50)는 고속으로 회전하는 공기의 자발적인 에너지 분리현상을 이용하여 고온 공기와 저온의 공기를 생성하여 다른 경로로 내보내도록 구성된다.
상기 흡기매니폴드(2)는, 흡기라인(7)과 연결되는 일반적인 엔진의 흡기매니폴드일 수 있으며, 상기 흡기라인(7)을 통해 공기를 흡입한다. 상기 흡기라인(7)에는 에어클리너(미도시됨)가 설치될 수 있으며, 상기 흡기라인(7)에는 에어클리너와 흡기매니폴드(2) 사이에 터보차저(4)의 압축기(42)와 흡입공기 냉각장치(5)의 볼텍스 튜브(50)를 차례로 배치되어 있다.
또한 상기 배기매니폴드(3)는 배기파이프(8)와 연결되는 일반적인 엔진의 배기매니폴드일 수 있으며, 배기파이프(8)를 통해 배기가스를 배출한다. 상기 배기파이프(8) 상에는 터보차저(4)의 터빈(41)이 설치된다. 도시를 생략하였지만, 상기 배기파이프(8) 상에는 배기가스정화장치(DPF 또는 삼원촉매전환장치, 미도시)와 머풀러가 설치될 수 있다.
상기 엔진(1)은 바람직하게는 자동차용 커먼레일 디젤엔진(common rail diesel engine)일 수 있다.
앞에서 언급한 바와 같이, 상기 터보차저(4)는 샤프트에 의해 서로 연결된 터빈(41)과 압축기(42)를 포함한다. 터빈(41)은 배기파이프(8) 상에 설치되어 배기파이프(8)를 흐르는 배기가스에 의해 회전 동력을 발생시킨다. 터빈(41)을 지난 배기가스는 외부로 배기되는 것이 일반적이다. EGR 시스템이 적용되는 경우, 배기가스 일부가 재순환되어 흡기매니폴드로 다시 공급될 수 있다. 상기 압축기(42)는 터빈(41)의 회전력에 의해 작동하여 압축 공기를 만들어 이를 흡기라인(7)을 통해 흡기매니폴드(2)에 공급한다.
앞에서 언급한 바와 같이 흡입공기 냉각장치(5)는 냉각파트로서 압축기(42)로부터 흡기매니폴드(2) 사이 흡기라인(7)의 일부 구간에 설치되는 볼텍스 튜브(50)를 포함하되, 상기 볼텍스 튜브(50), 더 나아가서는, 그 볼텍스 튜브를 포함하는 냉각파트를 우회하여 냉각파트의 전단, 즉, 상기 볼텍스 튜브(50)의 입구(51) 측과 상기 냉각파트의 후단, 즉, 볼텍스 튜브(50)의 냉기 출구(52) 측을 연결하는 바이패스라인(55)을 포함한다.
상기 바이패스 라인(55)에는 체크밸브(56)로 구성된 제어밸브가 설치된다. 상기 체크밸브(56)는 상기 볼텍스 튜브(50)의 입구 측 압력이 기준치를 초과할 때 자연적으로 그리고 물리적으로 바이패스 라인(55)을 개방하도록 구성됨으로써, 볼텍스 튜브(50) 내 큰 유동 저항이 발생하고 이로 인해 볼텍스 튜브(50)의 입구 측 압력이 일정 이상의 압력치를 초과하면, 상기 바이패스 라인(55)을 개방하여 흡기매니폴드(2) 측으로 원활하게 공기가 흡입되도록 해준다.
상기 볼텍스 튜브(50)는 입구(51), 냉기 출구(52), 온기 출구(53)를 구비할 수 있으며, 볼텍스 튜브(50)의 내부 구조는 일반적인 볼텍스 튜브에 상당하며, 변형되어 대칭적 형상의 볼텍스 튜브 등도 가능하다. 상기 볼텍스 튜브(50)의 냉기 출구(52)는 흡기라인(7)을 통해 흡기매니폴드(2)에 연결된다. 상기 볼텍스 튜브(50)의 온기 출구(53)는 바람직하게는 대기로 개방되어 있을 수 있다. 온기를 온기가 필요한 부분, 예를 들어, 차량의 실내 난방용으로 유도하여 이용하는 것도 고려될 수 있다.
<제2 실시예>
도 2는 내연기관 엔진시스템에 적용된 본 발명의 제2 실시예에 따른 흡입공기 냉각장치를 설명하기 위한 구성도이다.
앞선 실시예와 마찬가지로, 엔진시스템은 엔진(1)과, 흡기라인(7)에 연결된 흡기매니폴드(2)와, 배기파이프(8)에 연결된 배기매니폴드(3)와, 샤프트에 의해 서로 연결된 터빈(41) 및 압축기(42)를 갖는 터보차저(4)와, 흡입공기 냉각장치(5)를 포함한다.
또한, 상기 흡입공기 냉각장치(5)는, 앞선 실시예와 마찬가지로, 냉각파트로 흡기라인(7) 일부 구간에 설치된 볼텍스 튜브(50)를 포함한다. 또한, 상기 흡입공기 냉각장치(5)는, 상기 볼텍스 튜브(50), 더 나아가서는, 상기 볼텍스 튜브(50)를 포함하는 냉각파트를 우회하는 바이패스 라인(55)을 포함한다. 앞선 실시예와 마찬가지로, 흡입공기 냉각장치(5)는 바이패스 라인(55)에 설치된 제어밸브를 포함하지만, 이 제어밸브는, 앞선 실시예와 달리, 제어기(58)에 의해 전자적으로 제어되는 전자 제어밸브(56')로 구성된다. 또한, 상기 흡입공기 냉각장치(5)는, 상기 전자 제어밸브(56')의 제어를 위해, 상기 볼텍스 튜브(50)의 입구 측(또는, 전단) 흡기라인(7)에 설치된 제1 압력센서(57a)와, 상기 볼텍스 튜브(50)의 냉기 출구 측(또는, 후단) 흡기라인(7)에 설치된 제2 압력센서(57b)를 포함한다.
상기 제어기(58)는 상기 제1 압력센서(57a)에 의해 측정된 압력, 즉, 볼텍스 튜브(50)의 입구 측 압력이 미리 정해진 설정 압력(즉, 기준치)보다 크면 상기 전자 제어밸브(56')를 개방하여 흡입공기의 적어도 일부를 바이패스 라인(55)으로 유도한다. 또한, 상기 제어기(58)는 설정 압력(즉, 기준치) 대비 볼텍스 튜브(50) 입구 측 압력(즉, 측정 압력)의 증가비율에 따라 상기 전자 제어밸브(56')의 개도량을 증가시킨다. 또한, 상기 제어기(58)는 제1 압력센서(57a)가 측정한 입구 측 압력에 비해 제2 압력센서(57b)가 측정한 출구 측 압력이 설정 압력보다 높게 차이가 나면 설정치 대비 압력 차이에 따라 상기 전자 제어밸브(56')의 개도량을 변화시킨다.
나머지 사항은 앞선 제1 실시예를 따른다.
<제3 실시예>
도 3은 내연기관 엔진시스템에 적용된 본 발명의 제3 실시예에 따른 흡입공기 냉각장치를 설명하기 위한 구성도이다.
앞선 제1 및 제2 실시예와 마찬가지로, 엔진시스템은 엔진(1)과, 흡기라인(7)에 연결된 흡기매니폴드(2)와, 배기파이프(8)에 연결된 배기매니폴드(3)와, 샤프트에 의해 서로 연결된 터빈(41) 및 압축기(42)를 갖는 터보차저(4)와, 흡입공기 냉각장치(5)를 포함한다.
또한, 흡입공기 냉각장치(5)는 복수개의 볼텍스 튜브들(본 실시예에서는, 제1 및 제2 볼텍스 튜브(50a, 50b))이 병렬로 연결되어 이루어진 냉각파트(A)를 흡기라인(7)에 포함한다. 또한, 상기 흡입공기 냉각장치(5)는 상기 냉각파트(A)를 우회하도록 설치된 바이패스 라인(55)과, 상기 바이패스 라인(55)에 설치된 제1 전자 제어밸브(56')를 포함한다. 제1 전자 제어밸브(56')는 제어기(58)에 의해 전자적으로 제어된다.
또한, 상기 흡입공기 냉각장치(5)는 냉각파트(A)의 입구 측 또는 터보차저(4)의 압축기(42)의 출구 측 흡기라인(7)에 제1 압력센서(57a)를 구비한다. 상기 냉각파트(A)의 하류 흡기라인(7)에는 제2 압력센서(57b)가 설치될 수 있다.
상기 냉각파트(A)는 흡기라인(7)에서 분기된 복수개의 흡기 분기라인, 즉, 제1 및 제2 흡기 분기라인(7a, 7b) 각각에 제1 볼텍스 튜브(50a)와 제2 볼텍스 튜브(50b)를 병렬로 구비한다. 상기 제1 및 제2 볼텍스 튜브(50a, 50b)의 입구 측에 있고 상기 흡기라인(7)으로부터 상기 제1 및 제2 흡기 분기라인(7a, 7b)으로 분기되는 분기점에는 3웨이 밸브 타입의 제2 전자 제어밸브(56a)가 설치되고, 상기 제1 및 제2 볼텍스 튜브(50a, 50b)의 냉기 출구 측에 있고 상기 제1 및 제2 흡기 분기라인(7a, 7b)이 하나의 흡기라인(7)에서 다시 합류하는 합류점에는 3웨이 밸브 타입의 제3 전자 제어밸브(56b)가 설치된다. 또한, 상기 제1 및 제2 볼텍스 튜브(50a, 50b)는 제1 및 제2 온기 출구 라인(53a, 53b)을 구비하며, 상기 제1 및 제2 온기 출구 라인(53a, 53b)은 제4 전자 제어밸브(56")에 의해 연결된다. 상기 제어기(58)는 상기 제1 압력센서(57a)에 의해 측정된 압력, 즉, 상기 냉각파트(A)의 입구 측 압력이 미리 정해진 설정 압력보다 크면 상기 제1 전자 제어밸브(56')를 개방하여 흡입공기의 적어도 일부를 바이패스 라인(55)으로 유도한다. 또한, 상기 제어기(58)는 설정 압력 대비 볼텍스 튜브(50) 입구 측 압력의 증가비율에 따라 상기 제1 전자 제어밸브(56')의 개도량을 증가시킨다. 또한, 상기 제어기(58)는 제1 압력센서(57a)가 측정한 입구 측 압력에 비해 제2 압력센서(57b)가 측정한 출구 측 압력이 설정 압력보다 높게 차이가 나면 설정치 대비 압력 차이에 따라 상기 제1 전자 제어밸브(56')의 개도량을 변화시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 상기 제어기(58)는 제1 압력센서(57a)에서 측정된 압력값에 따라, 제1 전자 제어밸브(56')는 물론이고, 제2 및 제3 전자 제어밸브(56a, 56b)와 제4 전자 제어밸브(56)도 선택적으로 개방한다.
제어기(58)는, 측정 압력에 따라, 제1 전자 제어밸브(56')를 제어하여, 냉각파트(A)를 거치지 않고 바이패스 라인(55)을 거쳐 우회하여 엔진으로 들어가는 흡입 공기의 양을 조절한다.
또한, 제어기(58)는, 구동 조건 및 그로 인한 측정 압력에 따라, 제2 및 제3 전자 제어밸브(56a, 56b)를 제어하여, 상기 냉각파트(A)로 유입된 흡입 공기가 제1 볼텍스 튜브(50a)만을 통과하거나 제2 볼텍스 튜브(50b)만을 통과하거나 제1 및 제2 볼텍스 튜브(50a, 50b) 모두를 통과하도록 할 수 있다. 또한, 흡입 공기가 제1 및 제2 볼텍스 튜브(50a, 50b)를 통과하도록 하는 경우에, 제2 및 제3 전자 제어밸브(56a, 56b)의 개도량 조절을 통해, 제1 및 제2 볼텍스 튜브(50a, 50b) 각각을 흐르는 흡입공기 양의 비를 조절할 수도 있다. 상기 냉각파트(A) 내 볼텍스 튜브의 개수에 제한을 둘 필요는 없다. 튜브 어레이(A)에 복수의 볼텍스 튜브를 둠으로써 앞선 실시예의 볼텍스 튜브보다 작은 크기로 볼텍스 튜브를 설계할 수 있다. 튜브 어레이(A) 내 볼텍스 튜브들의 용량은 다른 것이 바람직하지만 같아도 된다.
나머지 사항은 앞선 제1 실시예와 제2 실시예를 따른다.
1: 엔진 2: 흡기매니폴드
3: 배기매니폴드 4: 터보차저
5: 흡입공기 냉각장치 7: 흡기라인
8: 배기파이프 50, 50a, 50b: 볼텍스 튜브
56, 56',56a, 56b, 56": 제어밸브

Claims (4)

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  4. 흡기매니폴드에 연결되고 터보차저의 터빈이 설치된 흡기라인과, 배기매니폴드에 연결되고 터보차저의 압축기가 설치된 배기라인을 포함하는 엔진시스템의 흡입공기 냉각장치에 있어서,
    상기 압축기와 상기 흡기매니폴드 사이에서 상기 흡기라인에 설치되는 하나 이상의 볼텍스 튜브를 갖는 냉각파트;
    상기 냉각파트를 우회하도록, 상기 흡기라인의 냉각파트의 입구 측과 상기 흡기라인의 냉각파트의 출구 측을 연결하는 바이패스 라인; 및
    상기 냉각파트 입구 측 압력이 기준치를 초과할 때 상기 바이패스 라인을 개방하는 제어밸브를 포함하되,
    상기 제어밸브는 제어기에 의해 제어되는 전자 제어밸브이고, 상기 냉각파트의 입구 측 흡기라인에는 제1 압력센서가 설치되고, 상기 냉각파트의 출구 측 흡기라인에는 제2 압력센서가 설치되며, 상기 제어기는 상기 제1 압력센서에서의 측정 압력이 기준치보다 클 때 상기 전자 제어밸브를 개방하고, 상기 제1 압력센서가 측정한 입구 측 압력에 비해 상기 제2 압력센서가 측정한 출구 측 압력이 설정치보다 높게 차이가 나면, 설정치 대비 압력 차이에 따라 상기 전자 제어밸브의 개도량을 변화시키는 것을 특징으로 하는 엔진시스템의 흡입공기 냉각장치.
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