KR101734250B1 - 엔진 시스템 - Google Patents

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KR101734250B1
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combustion
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exhaust manifold
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한동희
이주원
이형복
추동호
박종일
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현대자동차 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템은 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 다수의 연소실을 포함하는 엔진; 상기 다수의 연소실 중 일부 연소실에 장착되어 상기 일부 연소실을 선택적으로 휴지시키는 CDA(cylinder deactivation) 장치; 상기 CDA 장치가 장착된 연소실에 연결되는 제1 배기 매니폴드; 상기 CDA 장착되지 않은 연소실에 연결되는 제2 배기 매니폴드; 상기 제1 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기 가스에 의해 회전하는 터빈, 및 상기 터빈과 연동하여 회전하여 외기를 압축하는 컴프레서를 포함하는 터보차저; 및 상기 연소실로 과급 공기를 공급하도록 모터와 상기 모터에 의해 작동하는 전동식 컴프레서를 포함하는 전동식 슈퍼차저;를 포함할 수 있다.

Description

엔진 시스템 {ENGINE SYSTEM}
본 발명은 엔진 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터보차저와 전동식 슈퍼차저를 구비하고 차량의 운전 영역에 따라 CDA 장치에 의해 일부 기통을 휴지시키는 엔진 시스템에 관한 것이다.
자동차의 엔진은 외부로부터 유입된 공기를 연료와 적절한 비율로 혼합하여 연소시켜 동력을 발생한다.
엔진의 구동으로 동력을 발생시키는 과정에서 연소를 위해 외부의 공기를 충분히 공급하여야만 원하는 출력과 연소 효율을 얻을 수 있다. 이를 위해, 엔진의 연소 효율을 높이기 위해 연소용 공기를 과급시켜 주는 장치로서 터보차저 (turbocharger)가 사용되고 있다.
일반적으로 터보차저는 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 압력을 이용하여 터빈을 돌린 후, 그 회전력을 이용하여 연소실로 고압의 공기를 공급하여 엔진의 출력을 높이는 장치이다. 터보차저는 대부분의 디젤 엔진에 적용되고 있으며, 최근에는 가솔린 엔진에도 적용되고 있다.
터보차저는 연소실에서 배출되어 상기 터빈으로 공급되는 배기 가스량을 조절하는 웨이스트 게이트 밸브(waste gate valve)가 구비된다. 이러한 터보차저에 사용되는 웨이스트 게이트 밸브는 가격이 매우 고가이다.
과급 장치의 또 다른 예로는 모터를 사용하여 컴프레서를 구동시켜 외부 공기를 압축시키는 전동식 슈퍼차저(electric supercharger)가 사용되고 있다. 전동식 슈퍼차저는 배터리에 의해 구동되기 때문에 터보랙이 거의 없고, 주로 저속 저부하 영역에서 연소실로 과급 공기를 공급한다.
일반적으로, 배기 가스에 의해 작동하는 터보차저(이하, '기계식 터보차저'라 한다)는 응답성이 떨어지고, 배압이 크기 때문에 고압축비를 구현하는데 어려움이 있었다.
일반적으로 차량에 사용되는 전동식 슈퍼차저는 모터의 출력이 제한되기 때문에 부스팅 영역이 저중속 영역으로 한정된다.
따라서, 기계식 터보차저와 전동식 슈퍼차저를 모두 구비한 새로운 개념의 엔진 시스템에 대한 개발이 요구되고 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 배기 가스에 의해 작동하는 기계식 터보차저와 모터에 의해 작동하는 전동식 터보차저를 구비한 새로운 개념의 엔진 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 저속 영역에서 CDA 장치를 통해 일부 연소실을 휴지시키고 활성화된 연소실에서 배출되는 배기 가스는 터보차저를 경유하지 않도록 함으로써, 배압을 저감시키고 고압축비를 구현할 수 있는 엔진 시스템을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 저속 영역에서 일부 기통을 휴지시킴으로써 불필요한 펌핑 손실을 감소시키고 연비를 개선할 수 있는 엔진 시스템을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템은 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 다수의 연소실을 포함하는 엔진; 상기 다수의 연소실 중 일부 연소실에 장착되어 상기 일부 연소실을 선택적으로 휴지시키는 CDA(cylinder deactivation) 장치; 상기 CDA 장치가 장착된 연소실에 연결되는 제1 배기 매니폴드; 상기 CDA 장착되지 않은 연소실에 연결되는 제2 배기 매니폴드; 상기 제1 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기 가스에 의해 회전하는 터빈, 및 상기 터빈과 연동하여 회전하여 외기를 압축하는 컴프레서를 포함하는 터보차저; 및 상기 연소실로 과급 공기를 공급하도록 모터와 상기 모터에 의해 작동하는 전동식 컴프레서를 포함하는 전동식 슈퍼차저;를 포함할 수 있다.
상기 연소실은 순차적으로 제1 연소실, 제2 연소실, 제3 연소실, 및 제4 연소실의 4개 연소실을 구비하는 4기통 엔진이고, 상기 CDA 장치는 제2 연소실, 및 제3 연소실에 장착될 수 있다.
상기 제1 배기 매니폴드는 상기 터빈과 연결될 수 있다.
상기 터보차저의 상기 컴프레서와 상기 전동식 슈퍼차저는 외기가 유입되는 흡기 라인에 구비되고, 상기 흡기 라인에는 외기를 냉각시키는 인터쿨러를 더 포함할 수 있다.
상기 흡기 라인에는 상기 전동식 슈퍼차저로 공급되는 일부 공기를 바이패스시키는 바이패스 라인이 구비되고, 상기 바이패스 라인에는 바이패스 밸브가 장착될 수 있다.
상기 제2 배기 매니폴드와 연결되는 제2 배기 라인은 상기 제1 배기 매니폴드와 연결되는 제1 배기 라인은 메인 배기 라인으로 합류하고, 상기 메인 배기 라인에는 배기 가스 처리 장치가 구비될 수 있다.
상기 CDA 장치는 저속 영역에서 작동하여 상기 연소실을 휴지시킬 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의한 엔진 시스템에 의하면, 일부 연소실에서 배출되는 배기 가스는 터보차저를 동작시키고, 나머지 연소실에서 배출되는 배기 가스는 배기 가스 처리 장치로 직접 배출되기 때문에 배압을 감소시킬 수 있고 고압축비 엔진을 구현할 수 있다.
또한, 일부 연소실에서 배출되는 배기 가스는 터보차저를 동작시키고, 나머지 연소실에서 배출되는 배기 가스는 배기 가스 처리 장치로 직접 배출되기 때문에 고가의 웨이스트 게이트를 삭제할 수 있다.
또한, 저속 영역에서 CDA 장치를 통해 일부 연소실을 휴지시키고 나머지 연소실에 공급되는 공기는 전동식 슈퍼차저를 통해 과급되기 때문에, 저속 영역에서 높은 응답성을 구현할 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템의 구성을 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 운전 영역을 도시한 그래프이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 엔진 시스템에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템의 구성을 도시한 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 엔진 시스템은 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 다수의 연소실을 포함하는 엔진(10), 상기 연소실로 과급 공기를 공급하는 터보차저(40), 상기 연소실의 일부를 선택적으로 휴지시키는 CDA(cylinder deactivation) 장치, 상기 연소실로 과급 공기를 공급하고 모터(51)에 의해 작동하는 전동식 슈퍼차저(50)(electric supercharger), 및 상기 연소실에 연결되는 배기 매니폴드를 포함한다.
상기 엔진(10)의 연소실은 네 개의 연소실을 구비한 4기통 엔진일 수 있다. 상기 다수의 연소실은 순차적으로 제1 연소실(11), 제2 연소실(12), 제3 연소실(13), 및 제4 연소실(14)이 배치된다.
상기 CDA(cylinder deactivation) 장치는 상기 전체 연소실 중 일부 연소실에 장착되어 상기 일부 연소실을 선택적으로 휴지(deactivation)시키는 장치이다. 상기 CDA 장치(20)가 작동 중에는 휴지 대상이 되는 연소실로 연료가 공급되지 않고 흡기 밸브 및 배기 밸브의 작동이 정지된다. 상기 CDA 장치(20)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 공지된 기술로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
상기 CDA 장치(20)는 상기 네 개의 연소실 중에서 제2 연소실(12) 및 제3 연소실(13)에 장착되는 것이 바람직하다.
상기 배기 매니폴드는 상기 CDA 장치(20)가 장착된 연소실과 연결되는 제1 배기 매니폴드(31)와 상기 CDA 장치(20)가 장착되지 않은 연소실과 연결되는 제2 배기 매니폴드(35)를 포함한다.
상기 제1 배기 매니폴드(31)는 제1 배기 라인(33)과 연결되고, 상기 제2 배기 매니폴드(35)는 제2 배기 라인(37)과 연결된다. 상기 제1 배기 라인(33)과 상기 제2 배기 라인(37)은 메인 배기 라인(30)으로 합류한다. 상기 제1 배기 라인(33)과 상기 제2 배기 라인(37)이 합류하는 상기 메인 배기 라인(30)에는 배기 가스를 정화시키는 배기 가스 처리 장치(80)가 장착된다.
상기 터보차저(40)는 상기 연소실로 과급 공기를 공급하기 위한 것으로, 상기 연소실에서 배출되는 배기 가스에 의해 회전하는 터빈(41)과, 상기 터빈(41)과 연동하여 회전하여 외기를 압축하는 컴프레서(43)를 포함한다. 이때, 상기 터빈(41)은 상기 제1 배기 라인(33)과 연결되어 상기 제1 배기 매니폴드(31)를 통해 배출되는 배기 가스에 의해 동작한다.
상기 전동식 슈퍼차저(50)(electric supercharger)는 상기 연소실로 과급 공기를 공급하기 위한 것으로, 모터(51)와 전동식 컴프레서(53)를 포함한다. 상기 전동식 컴프레서(53)는 상기 모터(51)에 의해 작동하여 운전 조건에 따라 외기를 압축하여 상기 연소실로 공급한다.
한편, 상기 터보차저(40)의 상기 컴프레서(43)와 상기 전동식 슈퍼차저(50)는 외기가 유입되는 흡기 라인(60)에 구비된다. 상기 흡기 라인(60)의 입구에는 유입되는 외기를 필터링하기 위한 에어 클리너(68)가 장착된다. 그리고 상기 흡기 라인(60)에는 외부에서 유입되는 외기를 냉각시키기 위한 인터쿨러(66)가 장착된다.
즉, 상기 터보차저(40)의 컴프레서(43)는 상기 흡기 라인(60)의 상류측에 배치되고, 상기 전동식 슈퍼차저(50)는 상기 흡기 라인(60)의 하류측에 배치된다. 상기 흡기 라인(60)을 통해 유입된 공기는 흡기 매니폴드(70)를 통해 상기 연소실로 공급된다. 상기 흡기 매니폴드(70)에는 스로틀 밸브(64)가 장착되어 상기 연소실로 공급되는 공기량이 조절된다.
상기 흡기 라인(60)에는 상기 전동식 슈퍼차저(50)로 공급되는 일부 공기를 바이패스시키는 바이패스 라인(62)이 구비된다. 상기 바이패스 라인(62)에는 바이패스 밸브가 장착된다. 상기 바이패스 밸브의 조절에 의해 상기 전동식 슈퍼차저(50)의 과급량이 조절된다.
이하에서는, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 시스템의 동작에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 운전 영역을 도시한 그래프이다. 도 2에서 가로축은 엔진 회전 속도이고, 세로축은 엔진 토크를 의미한다.
도 2에서 실선은 엔진이 자연 흡기 엔진으로 작동할 때의 토크 라인이고, 점선은 전동식 슈퍼차저(50)의 부스팅을 통한 토크 라인이며, 일점 쇄선은 터보차저(40)의 부스팅을 통한 토크라인이고, 이점 쇄선은 전동식 슈퍼차저(50)와 터보차저(40)의 부스팅에 의한 토크 라인이다.
도 2를 참조하면, 엔진의 회전수가 상대적으로 작은 저속 영역에서는 상기 CDA 장치(20)가 작동하여 제2 연소실(12)과 제3 연소실(13)을 휴지시킨다. 상기 제2 연소실(12)과 상기 제3 연소실(13)이 휴지되기 때문에, 상기 제2 연소실(12)과 상기 제3 연소실(13)과 연결된 제1 배기 매니폴드(31)를 통해서는 배기 가스가 배출되지 않고, 이로 인해 상기 터보차저(40)는 작동하지 않는다.
따라서, 상기 엔진(10)은 2기통 엔진으로 작동하고, 상기 전동식 슈퍼차저(50)를 통해 상기 제1 연소실(11)과 제4 연소실(14)로 과급 공기가 공급된다.
그리고 상기 제1 연소실(11)과 상기 제4 연소실(14)은 상기 터보차저(40)를 경유하지 않고 상기 제2 배기 매니폴드(35)와 상기 제2 배기 라인(37)을 통해 상기 메인 배기 라인(30)으로 배출되기 때문에, 배압(back pressure)을 저감시킬 수 있다. 이로 인해 상기 제1 연소실(11)과 상기 제4 연소실(14)의 압축비를 높일 수 있어 연비가 향상된다.
상기 전동식 슈퍼차저(50)를 통해 상기 제1 연소실(11)과 상기 제4 연소실(14)로 과급 공기가 공급되기 때문에 저속 영역에서 2기통 엔진이 자연 흡기 엔진으로 작동할 때의 운전 영역(도 2의 'A' 표시부 참조)보다 상기 전동식 슈퍼차저(50)의 부스팅에 의한 운전 영역이 확장되는 것을 알 수 있다(도 2의 'B' 표시부 참조).
즉, 도 2의 'A'영역에서는 상기 엔진은 자연 흡기 엔진으로 작동하는 영역이고, 이때, 엔진 토크는 스로틀 밸브의 개도량을 통해 조절될 수 있다. 도 2의 'B' 영역에서는 상기 엔진은 전동식 슈퍼차저의 부스팅을 통해 엔진 토크가 조절되는 영역이다.
그리고 저속 고부하 영역에서는 상기 CDA 장치(20)가 작동하지 않기 때문에 상기 엔진은 4기통 엔진으로 작동한다. 이때, 상기 전동식 슈퍼차저(50)를 통해 상기 연소실로 과급 공기가 공급되어 저속에서의 운전 영역을 확장시킬 수 있다. 상기 엔진이 4기통 엔진으로 작동하기 때문에 상기 터보차저(40)도 작동하지만, 저속 영역에서는 상기 제1 연소실(11) 및 제4 연소실(14)에서 배출되는 배기 가스량이 많지 않기 때문에 상기 터보차저(40)에 의한 부스팅은 제한적이다.
엔진의 회전수가 저속 영역보다 큰 중속 영역에서는 상기 CDA가 작동하지 않고, 상기 엔진(10)은 4기통 엔진으로 작동한다.
따라서, 상기 제1 연소실(11) 및 상기 제4 연소실(14)에서 배출되는 배기 가스에 의해 상기 터보차저(40)가 작동하고, 상기 터보차저(40)에 의해 상기 연소실로 과급 공기가 공급된다. 또한, 상기 전동식 슈퍼차저(50)에 의해서도 상기 연소실로 과급 공기가 공급된다.
즉, 중속 영역에서는 상기 터보차저(40)와 상기 전동식 슈퍼차저(50)에 의해 부스팅이 이루어진다.
엔진의 회전수가 중속 영역보다 큰 고속 영역에서는 상기 CDA가 작동하지 않고, 상기 엔진(10)은 4기통 엔진으로 작동한다.
따라서, 상기 제1 연소실(11) 및 상기 제4 연소실(14)에서 배출되는 배기 가스에 의해 상기 터보차저(40)가 작동하고, 상기 터보차저(40)에 의해 상기 연소실로 과급 공기가 공급된다.
즉, 고속 영역에서는 상기 터보차저(40)에 의해 부스팅이 이루어진다.
종래의 터보차저(40)의 경우, 고속 영역에서 배기 가스의 유량이 증가하여 터빈(41)이 회전 허용한도 이상으로 회전하기 때문에 터빈(41) 휠의 과부하 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 웨이스트 게이트 밸브를 사용하여 엔진(10)의 연소실에서 배출되는 배기 가스의 일부를 바이패스 시켰다. 이때, 엔진(10)의 연소실에서 배출되는 배기 가스의 대략 절반은 상기 터빈(41)을 바이패스 시킨다.
그러나 본 발명의 실시 예에 의한 엔진 시스템은 두 개의 연소실(제2 연소실(12), 및 제3 연소실(13))만이 상기 터보차저(40)의 터빈(41)에 연결되어 있기 고속 영역에서도 상기 터보차저(40)의 터빈(41)으로 공급되는 배기 가스를 바이패스 시킬 필요가 없다. 따라서, 종래의 터보차저(40)에 사용되던 웨이스트 게이트 밸브를 생략할 수 있고, 이로 인해 차량의 제조 원가를 절감시킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 시스템은 CDA 장치(20)를 통해 2기통 엔진 또는 4기통 엔진으로 작동하게 된다. 따라서, 저속 영역에서 엔진 시스템은 2기통 엔진으로 작동하고, 불필요한 펌핑 손실을 감소시켜 차량의 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 저속 영역에서는 상기 CDA 장치(20)에 의해 일부 연소실(제2 연소실(12) 및 제3 연소실(13))이 휴지되고, 활성화된 연소실(제1 연소실(11) 및 제4 연소실(14))에서 배출되는 배기 가스는 터보차저(40)를 바이패스하기 때문에, 배압을 저감시킬 수 있고 고압축비를 구현할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 엔진
11: 제1 연소실
12: 제2 연소실
13: 제3 연소실
14: 제4 연소실
20: CDA 장치
30: 메인 배기 라인
31: 제1 배기 매니폴드
33: 제1 배기 라인
35: 제2 배기 매니폴드
37: 제2 배기 라인
40: 터보차저
41: 터빈
43: 컴프레서
50: 전동식 슈퍼차저
51: 모터
53: 전동식 컴프레서
60: 흡기 라인
62: 바이패스 라인
64: 스로틀 밸브
66: 인터쿨러
68: 에어 클리너
70: 흡기 매니폴드
80: 배기 가스 처리 장치

Claims (7)

  1. 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 다수의 연소실을 포함하는 엔진;
    상기 다수의 연소실 중 일부 연소실에 장착되어 상기 일부 연소실을 선택적으로 휴지시키는 CDA(cylinder deactivation) 장치;
    상기 CDA 장치가 장착된 연소실에 연결되는 제1 배기 매니폴드;
    상기 CDA 장치가 장착되지 않은 연소실에 연결되는 제2 배기 매니폴드;
    상기 제1 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기 가스에 의해 회전하는 터빈, 및 상기 터빈과 연동하여 회전하여 외기를 압축하는 컴프레서를 포함하는 터보차저; 및
    상기 연소실로 과급 공기를 공급하도록 모터와 상기 모터에 의해 작동하는 전동식 컴프레서를 포함하는 전동식 슈퍼차저;
    를 포함하는 엔진 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연소실은 순차적으로 제1 연소실, 제2 연소실, 제3 연소실, 및 제4 연소실의 4개 연소실을 구비하는 4기통 엔진이고,
    상기 CDA 장치는 제2 연소실, 및 제3 연소실에 장착되는 엔진 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 배기 매니폴드는 상기 터빈과 연결되는 엔진 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 터보차저의 상기 컴프레서와 상기 전동식 슈퍼차저는 외기가 유입되는 흡기 라인에 구비되고,
    상기 흡기 라인에는 외기를 냉각시키는 인터쿨러를 더 포함하는 엔진 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 흡기 라인에는 상기 전동식 슈퍼차저로 공급되는 일부 공기를 바이패스시키는 바이패스 라인이 구비되고,
    상기 바이패스 라인에는 바이패스 밸브가 장착되는 엔진 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 배기 매니폴드와 연결되는 제2 배기 라인과 상기 제1 배기 매니폴드와 연결되는 제1 배기 라인은 메인 배기 라인으로 합류하고,
    상기 메인 배기 라인에는 배기 가스 처리 장치가 구비되는 엔진 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 CDA 장치는 저속 영역에서 작동하여 상기 연소실을 휴지시키는 엔진 시스템.
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