KR101924684B1 - 차지 공기 쿨러 및 이와 관련된 차지 공기 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연소 실린더(5)로부터의 상류측에 위치되도록 의도된 차지 공기 쿨러(7)에 관한 것이고, 상기 차지 공기는 적어도 하나의 터보차저(3)로부터 발생되고, 내연 기관의 연소 실린더(5)에 공급되도록 의도되며, 상기 차지 공기 쿨러(7)는 차지 공기용 하나의 입구 컨테이너(70), 차지 공기용 하나의 출구 컨테이너, 및 차지 공기와 제 2 열전달 유체 사이의 열교환면(72)을 포함하고, 차지 공기용 적어도 입구 컨테이너(70) 및/또는 출구 컨테이너는 상변화 물질(15)을 포함한다.

Description

차지 공기 쿨러 및 이와 관련된 차지 공기 회로{CHARGE AIR COOLER AND ASSOCIATED CHARGE AIR CIRCUIT}
본 발명은 차지 공기 회로, 특히 자동차용 차지 공기 회로의 열관리 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 터보차저로부터의 공기가 내연 기관의 연소 실린더 내로 흡입되기 전의 냉각에 관한 것이다.
터보차저가 달린 엔진의 자동차 분야에 있어서, 연소 실린더로부터 상류측에 위치된 적어도 하나의 차지 공기 쿨러(RAS)를 사용하여, 적어도 하나의 터보차저로부터 흡기를 냉각하는 것이 알려져 있다. 따라서, RAS는 터보차저의 출구에서 고온인 차지 공기의 온도의 감소를 허용한다. 실제로, 종래의 차지 회로에 있어서, 차지 공기는 터보차저에서의 압축을 견디고, 이에 의해 차지 공기의 온도를 상승시키고 차지 공기의 밀도를 감소시킨다. 흡기의 온도에서의 강하는 자동-점화의 위험의 감소를 허용하고, 연소 산출량을 높이는 차지 공기의 밀도를 향상시키는 것을 가능하게 한다.
RAS는 일반적으로, 공기/공기의 열교환기, 또는 대안적으로, 엔진 작동의 함수에 따른 터보차저의 주기적인 사용 때문에, 특히 열적 관점으로부터의 상당한 응력을 견디는 공기/액체 타입의 열교환기이다. 실제로, 터보차저가 사용될 때마다, 차지 공기는 압력 및 온도가 상승한다. 터보차저의 사용에 관련된 차지 공기의 온도의 상승이 도 1에 도시된다. 상기 도 1은 시간의 함수에 따른 터보차저의 출구에서의 차지 공기에 대한 온도 곡선을 도시한다. 따라서, 터보차저가 사용될 때, 240℃만큼 높게 상승될 수도 있는 차지 공기에 대한 온도 피크를 관찰할 수 있다.
따라서, 이러한 상당한 온도 증가는 이러한 고온에 저항할 수 있는 물질의 사용, 요소의 기계적 거동의 목적을 위한 물질의 상당한 두께의 충족, 및 또한 이러한 고온을 관리할 목적으로 큰 사이즈의 RAS의 사용을 필요로 한다.
전체 공간 필요조건을 제한할 목적으로 작은 사이즈의 2개의 RAS를 연속하여 위치하고, 엔진 격실 내의 이용 가능한 공간 내에 그들을 위치하는 것이 알려져 있다. 그러나, 전체 공간 필요조건의 감소가 제한되고, 증가된 수의 RAS가 제조 비용을 상승시킬 수도 있으므로, 이러한 해결책은 만족스럽지 않다.
또한, 터보차저와 RAS 사이의 도관 내에 상변화 물질을 위치시키는 것이 알려져 있다. 그러나, 이러한 타입의 통합은 문제의 도관에 대한 변형을 필요로 하고, 그에 따라 또한 상변화 물질을 수용할 수 있으므로, 마찬가지로 제조 비용을 상승시킬 수도 있다.
따라서, 본 발명의 목적 중 하나는 종래 기술의 문제점을 적어도 부분적으로 개선하고, 최적화된 차지 공기 쿨러 및 차지 공기 회로를 제안하는 것이다.
따라서, 본 발명은 연소 실린더로부터 상류측에 위치되도록 구성된 차지 공기 쿨러에 관한 것이고, 상기 차지 공기는 적어도 하나의 터보차저로부터 발생되고 내연 기관의 연소 실린더에 공급되도록 구성되며, 상기 차지 공기 쿨러는 차지 공기용 하나의 입구 컨테이너, 차지 공기용 하나의 출구 컨테이너, 및 차지 공기와 제 2 열교환 유체 사이의 열교환면을 포함하고, 적어도 차지 공기용 입구 컨테이너 및/또는 출구 컨테이너는 상변화 물질을 포함한다.
상변화 물질은 차지 공기로부터 발생되는 열 에너지의 흡수를 허용한다. 상변화 물질에 의해 흡수된 이러한 열 에너지는 온도 피크가 존재할 때, 차지 공기 쿨러에 의해 더이상 방산되지 않으므로, 상기 차지 공기 쿨러는 보다 작은 사이즈를 갖지만 동일하게 효율적일 수도 있다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 상변화 물질은 차지 공기용 입구 컨테이너 및/또는 출구 컨테이너의 벽 내에 합체된다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 상변화 물질은 차지 공기용 입구 컨테이너 및/또는 출구 컨테이너 내에 위치된 상변화 물질의 캡슐의 형태를 갖는다.
제 1 열전달 유체용 적어도 하나의 입구 컨테이너 및/또는 적어도 하나의 출구 컨테이너 내의 상변화 물질의 통합은 차지 공기 쿨러의 사이즈가 증가하는 것을 회피할 수 있게 한다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 상변화 물질의 캡슐을 포함하는 차지 공기용 입구 컨테이너 및/또는 출구 컨테이너는 차지 공기용 상기 입구 컨테이너 및/또는 상기 출구 컨테이너 내에서 상기 상변화 물질의 캡슐을 보유하기 위한 보유 수단을 포함한다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 보유 수단은 열교환면의 입구 및/또는 출구와, 차지 공기용 입구 컨테이너의 입구 및/또는 차지 공기용 출구 컨테이너의 출구에 위치된다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 차지 공기용 입구 컨테이너 및/또는 출구 컨테이너 내에 상기 상변화 물질의 캡슐을 보유하기 위한 보유 수단은 그리드(grid)이다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 차지 공기용 입구 컨테이너 및/또는 출구 컨테이너 내에 상기 상변화 물질의 캡슐을 보유하기 위한 보유 수단은 필터이다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 상변화 물질은 180℃ 내지 200℃의 상변화 온도를 갖는다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 상변화 물질은 280kJ/㎥ 이상의 잠열을 갖는다.
또한, 본 발명은 상술된 바와 같은 차지 공기 쿨러를 포함하는 차지 공기 회로에 관한 것이다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 비한정 및 설명적인 예, 및 첨부 도면에 의해 주어진 이하의 상세한 설명을 읽음으로써 보다 명백해질 것이다.
도 1은 터보차저의 출구에서의 시간의 함수에 따른 차지 공기에 대한 온도 곡선,
도 2는 차지 공기 회로의 개략도,
도 3은 차지 공기 쿨러의 개략적인 단면도,
도 4는 차지 공기 쿨러의 개략적인 확대도,
도 5는 다양한 타입의 차지 공기 쿨러의 출구에서의 차지 공기 온도의 상승을 도시하는 곡선.
다양한 도면에서, 동일한 요소는 동일한 도면 부호를 부여한다.
도 2는 차지 공기 회로(1)의 개략도를 도시한다. 상기 차지 공기 회로(1)는, 배기 매니폴드(11)의 출구에서 수집된 배기 가스의 작용을 통해, 공기 흡입구(13)에 의해 수집되고 연소 실린더(5)를 위해 의도된 공기를 압축하는 터보차저(3)를 포함한다. 따라서, 발생된 차지 공기는 그 다음에 터보차저(3)와 연소 실린더(5) 사이에 위치된 차지 공기 쿨러(RAS)(7) 내로 통과한다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, RAS(7)는, 차지 공기가 상기 차지 공기와 제 2 열전달 유체 사이의 열교환면(72) 사이에서 분산되기 위해 도달하는 차지 공기용 입구 컨테이너(70)를 포함한다. 또한, RAS(7)는 열교환면(72)의 출구에서, 열교환면(72)으로부터 발생되는 냉각 공기를 수집하고, 이를 도관을 향해 안내하여, 연소 실린더(5)로 이송시키는 차지 공기용 출구 컨테이너(도시되지 않음)를 포함한다. 제 2 열전달 유체는 예를 들면, 공기 RAS의 경우에는 공기, 물 RAS인 경우에는 글리콜화된 물일 수도 있다.
열교환면(72)은 예를 들면, 평평한 튜브일 수도 있으며, 이 튜브 내에서 제 2 열전달 유체가 순환하고, 이 튜브 사이에서 차지 공기가 통과한다.
또한, RAS(7)는 플레이트 교환기일 수도 있다. 다시 말해서, 차지 공기와 제 2 열전달 유체 사이의 열교환면(72)은 다수의 연통하는 교환 플레이트(74)일 수도 있고, 제 2 열전달 유체는 유체 입구와 유체 출구 사이에서 순환한다. 그 다음에, 차지 공기는 상기 교환 플레이트(74) 사이의 공간(73) 내에서 순환하고, 열 에너지를 제 2 열전달 유체와 교환할 수 있다.
제 2 열전달 유체, 예를 들면 글리콜화된 물의 입구 및 출구는 예를 들면, 공기조화 회로와 같은 저온 회로로 불리는 온도조절 회로에 연결될 수도 있다.
또한, RAS(7)은 차지 공기용 RAS의 입구 컨테이너(70) 및/또는 출구 컨테이너 내에, 상변화 물질(MCP)(15)을 포함한다. MCP(15)는 차지 공기로부터 발생되는 열 에너지의 흡수를 허용한다. MCP(15)에 의해 흡수된 이러한 열 에너지는 온도 피크가 존재할 때, 더이상 RAS(7)에 의해 방산되지 않는다. 따라서, 제 1 열전달 유체용 입구 컨테이너(70) 및/또는 출구 컨테이너 내의 MCP(15)의 합체는 RAS(7)의 사이즈가 증가하는 것을 회피할 수 있게 한다.
특히, 도 5에 도시된 바와 같이, 이는 시간의 함수에 따라, 그리고 다양한 타입의 RAS(7)의 함수에 따라, RAS(7)의 출구에서의 공기 온도의 상승을 도시하는 그래프를 도시한다.
제 1 곡선(50)은 종래의 종래 기술 RAS(7)의 출구에서의 시간의 함수에 따른 공기 온도의 상승을 도시한다. 온도 곡선에 4개의 특정 영역이 존재한다는 것에 유의할 것이다.
- 터보차저가 작동하지 않고, RAS의 출구에서의 공기 온도가 일정한 t=0s 내지 t=500s의 안정적인 온도 영역. 테스트 조건 하에서, 이 값은 대략 48℃를 갖는다. 물론, 이 온도 값은 외기 온도 조건, 그리고 흡기의 온도의 함수에 따라 다양해질 것이다. 따라서, 저온 기후 조건 하에서 이 값은 작아질 수도 있다.
- 고온의 압축된 차지 공기를 RAS로 이송하는 터보차저의 시동에 대응하는, t=500s 내지 t=600s의 온도의 급증 영역.
- 차지 공기로부터의 열 에너지의 방산에 의해 RAS의 작동의 효과에 대응하는, t=600s 내지 t=850s의 대략 60℃의 값으로 차지 공기 온도의 안정화의 영역. 물론, 이 온도 값은 사용된 RAS의 효율성의 함수이다.
- 터보차저(3)의 운전정지 때문에, 제 1 영역의 것과 동일한 RAS의 출구에서의 공기 온도의 안정적인 온도로 복귀의 t=850s 및 t=1000s 사이의 영역.
한편, 제 2 곡선(52)은 이전의 RAS와 동일한 사이즈를 갖고, MCP(15)를 포함하는 RAS(7)의 출구에서의 공기 온도의 상승에 대응한다. 아주 약간의 차이를 갖고, 동일한 특정 영역이 나타낸다.
- 안정화 영역은 열 에너지를 흡수하는 MCP(15)의 작용 때문에 대략 54℃ 내지 57℃의 보다 저온에서 발생한다.
- 대기 온도의 안정적인 온도로의 복귀의 영역은 MCP(15)에 의해 흡수된 열 에너지의 점진적인 방산 때문에, 터보차저(3)의 운전정지 후에 t=850s 내지 t=1400s로 보다 길어지고 점진적이다.
제 3 곡선(54)은 MCP(15)를 포함하지만, 이전의 RAS보다 약 30% 정도 작은 RAS(7)의 출구에서의 공기 온도의 상승에 대응한다. 따라서, 이하의 내용이 유의될 것이다.
- 안정화 영역은 MCP(15) 없는 것과 동일하다.
- 터보차저(3)의 운전정지 후에 공기 온도의 안정 온도로의 복귀의 영역은 MCP(15)에 의해 흡수된 열 에너지의 점진적인 방산 때문에, t=850s 내지 t=1100s로 길어지고 점진적이다.
따라서, MCP(15)의 추가에 의해서 보다 작은 사이즈, 유사한 효율성의 RAS(7)를 획득하는 것이 가능하다.
예를 들어, MCP(15)는 차지 공기용 입구 컨테이너 및/또는 출구 컨테이너의 실제 벽 내로 통합될 수도 있다.
또한, MCP(15)는 중합체 재료의 보호층으로 덮여진 상변화 물질의 캡슐의 형태일 수도 있다. MCP(15)의 이러한 타입의 캡슐은 당업자에게 매우 친숙하다. 사용된 MCP(15)는 특히, 중합체 재료의 보호층으로 덮여진 랜덤 형태, 예를 들면 구형, 반구형 또는 무정형의 형태의 압출된 또는 중합된 MCP일 수도 있다. MCP(15)의 캡슐은 바람직하게, 0.5㎜ 내지 8㎜의 직경을 구비한다.
차지 공기 회로(1) 내의 사용 온도 범위 때문에, 사용된 MCP(15)는 특히, 180℃ 내지 200℃의 상변화 온도를 구비할 수도 있다. 게다가, 사용된 MCP(15)는 유리하게, 최적의 효율성을 제공하기 위해서, 280kJ/㎥ 이상의 잠열을 구비할 수도 있다.
MCP(15)가 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 캡슐의 형태인 경우, MCP(15)의 캡슐을 포함하는 차지 공기용 입구 컨테이너(70) 및/또는 출구 컨테이너는 차지 공기용 상기 입구 컨테이너(70) 및/또는 상기 출구 컨테이너 내에 상기 상변화 물질(15)의 캡슐을 보유하기 위한 수단(76)을 포함한다.
보유 수단(76)은 바람직하게, MCP(15)의 캡슐이 열교환면(72) 사이로 들어가지 않고, 차지 공기 스트림을 차단 또는 방해하지 않기 위해, 열교환면(72)의 입구 및/또는 출구에 위치된다. 또한, 보유 수단(76)은 차지 공기용 입구 컨테이너(70)의 입구 및/또는 차지 공기용 출구 컨테이너의 출구에 위치되어, 캡슐이 RAS(7)와 터보차저(3) 사이의 도관 내로 또는 연소 실린더(5)를 향해 빠져나가지 않는다.
보유 수단(76)은 예를 들면, MCP(15)의 캡슐의 직경보다 작은 메쉬를 구비하는 그리드일 수도 있고, 또는 대안적으로, 다공성 디퓨저 타입의 필터일 수도 있다.
열교환면(72)의 입구 및/또는 출구에서, 보유 수단(76)은 도 3에 도시된 제 1 실시예에 따라, 열교환면(72)을 갖는 차지 공기용 입구 컨테이너(70) 및/또는 출구 컨테이너 사이의 전체 표면을 덮을 수도 있다. 도 4에 도시된 제 2 실시예에 따르면, 보유 수단(76)은 차지 공기가 순환하는 공간(73)만을 덮는다.
본 발명에 따른 차지 공기 쿨러(7)는 그 내부에 상변화 물질(15)이 존재하기 때문에, 차지 공기의 향상된 냉각을 허용한다. 따라서, 종래의 차지 공기 쿨러만큼 동일하게 효율적인 본 발명에 따른 방열기(7)는 사이즈가 보다 작아질 수도 있다.

Claims (10)

  1. 연소 실린더(5)로부터 상류측에 위치되도록 구성된 차지 공기 쿨러(7)로서, 제 1 열전달 유체인 차지 공기는 적어도 하나의 터보차저(3)로부터 발생되고, 내연 기관의 상기 연소 실린더(5)에 공급되도록 구성되고,
    상기 차지 공기 쿨러(7)는 차지 공기용 하나의 입구 컨테이너(70), 차지 공기용 하나의 출구 컨테이너, 및 상기 차지 공기와 제 2 열전달 유체 사이의 열교환면(72)을 포함하는, 상기 차지 공기 쿨러(7)에 있어서,
    차지 공기용의 상기 입구 컨테이너(70) 및 상기 출구 컨테이너 중 적어도 하나는 상기 차지 공기가 직접적으로 통과하여 흐르는 공간부 내에 상변화 물질(15)을 포함하고,
    상기 상변화 물질(15)은 차지 공기용의 상기 입구 컨테이너(70) 및 상기 출구 컨테이너 중 적어도 하나 내에 위치된 상변화 물질(15)의 캡슐의 형태이고,
    상기 상변화 물질(15)의 캡슐을 포함하는 차지 공기용의 상기 입구 컨테이너(70) 및 상기 출구 컨테이너 중 적어도 하나는 차지 공기용의 상기 입구 컨테이너(70) 및 상기 출구 컨테이너 중 적어도 하나 내에 상기 상변화 물질(15)의 캡슐을 보유하기 위한 보유 수단(76)을 포함하고,
    상기 보유 수단(76)은 상기 열교환면(72)의 입구 및 출구 중 적어도 하나와, 차지 공기용의 상기 입구 컨테이너(70)의 입구 및 차지 공기용의 상기 출구 컨테이너의 출구 중 적어도 하나에 위치되고,
    상기 보유 수단(76)은 상기 상변화 물질(15)의 캡슐이 상기 차지 공기 쿨러(7)와 상기 터보차저(3) 사이의 도관 내로 또는 상기 연소 실린더(5)를 향해 빠져나가는 것을 방지하도록 구성되며,
    상기 보유 수단(76)은 차지 공기용의 상기 입구 컨테이너(70) 및 차지 공기용의 상기 출구 컨테이너 중 적어도 하나와 상기 열교환면(72) 사이의 전체 표면을 덮거나, 또는 상기 열교환면(72)의 입구 및 출구 중 적어도 하나에서 차지 공기가 순환하는 공간(73)만을 덮는 것을 특징으로 하는
    차지 공기 쿨러.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상변화 물질(15)은 차지 공기용의 상기 입구 컨테이너(70) 및 상기 출구 컨테이너 중 적어도 하나의 벽 내에 합체되는 것을 특징으로 하는
    차지 공기 쿨러.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    차지 공기용의 상기 입구 컨테이너(70) 및 상기 출구 컨테이너 중 적어도 하나 내에 상기 상변화 물질(15)의 캡슐을 보유하기 위한 보유 수단(76)은 그리드인 것을 특징으로 하는
    차지 공기 쿨러.
  7. 제 1 항에 있어서,
    차지 공기용의 상기 입구 컨테이너(70) 및 상기 출구 컨테이너 중 적어도 하나 내에 상기 상변화 물질(15)의 캡슐을 보유하기 위한 보유 수단(76)은 필터인 것을 특징으로 하는
    차지 공기 쿨러.
  8. 제 1 항, 제 2 항, 제 6 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상변화 물질(15)은 180℃ 내지 200℃의 상변화 온도를 갖는 것을 특징으로 하는
    차지 공기 쿨러.
  9. 제 1 항, 제 2 항, 제 6 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상변화 물질(15)은 280kJ/㎥ 이상의 잠열을 갖는 것을 특징으로 하는
    차지 공기 쿨러.
  10. 제 1 항, 제 2 항, 제 6 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 차지 공기 쿨러(7)를 포함하는
    차지 공기 회로(1).
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