KR102154127B1

KR102154127B1 - 인터쿨러 내부 흐름 제어장치 및 방법

Info

Publication number: KR102154127B1
Application number: KR1020140129048A
Authority: KR
Inventors: 유석종; 김병주
Original assignee: 한온시스템 주식회사
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2020-09-09
Also published as: KR20160036873A

Abstract

본 발명은 인터쿨러 내부 흐름 제어장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 외기 온도 등의 조건에 따라 인터쿨러의 내부 흐름을 제어하여 응축수의 발생을 억제하고 효율을 증대시키는 인터쿨러 내부 흐름 제어장치 및 방법을 제공함에 있다.

Description

인터쿨러 내부 흐름 제어장치 및 방법 {Inner flow control apparatus and method for Intercooler}

본 발명은 인터쿨러 내부 흐름 제어장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 외기 온도 등의 조건에 따라 인터쿨러의 내부 흐름을 제어하여 응축수의 발생을 억제하고 효율을 증대시키는 인터쿨러 내부 흐름 제어장치 및 방법에 관한 것이다.

인터쿨러(intercooler)는, 엔진 출력을 높이기 위해 과급기에 의해 고온 고압으로 압축된 공기를 식혀 주는 장치이다. 엔진의 출력을 높이기 위해서는 실린더에 고압으로 압축된 공기를 유입시켜 주는 것이 좋으나, 문제는 공기가 압축되는 과정에서 온도가 올라가게 되며, 온도가 올라가면 산소의 밀도가 떨어져 결과적으로 실린더 내의 충전효율이 오히려 떨어지게 되는 문제점이 발생한다. 이와 같은 문제점을 해소하기 위하여 압축공기를 식혀주는 인터쿨러를 장착하는데, 인터쿨러에 의해 과급된 공기가 식혀짐으로써 엔진의 연소효율이 향상되어 연비가 좋아지고 이산화탄소 배출량도 크게 줄어드는 등의 효과가 있어, 특히 발열량이 많은 고성능 엔진 장착 차량에는 반드시 필요한 구성부품이다.

인터쿨러는 일반적인 열교환기와 유사한 형태로 이루어지는데, 즉 한 쌍의 탱크 및 그 사이에 병렬 배치되는 다수 개의 튜브를 기본 구성으로 하고, 열교환면적을 넓히기 위해 튜브들 사이에 개재되는 핀을 더 포함하여 구성되는 것이 일반적이다. 상기 탱크에는 고온의 압축공기가 유입되는 유입구 및 저온의 냉각공기가 배출되는 배출구가 구비되며, 즉 유입구로 유입된 고온의 압축공기는 튜브 내부를 통과하면서 외부의 공기와 열교환을 함으로써 냉각되어 저온이 된 후 배출구로 배출되게 된다. 부연하자면, 실질적으로 열교환기에서 내부의 유체(냉각수, 공기, 오일 등)와 외부의 열교환매체(냉각수, 공기 등) 간의 열교환이 가장 활발하게 일어나는 곳은 튜브이며, 이에 따라 다수의 튜브 또는 다수의 튜브 및 핀의 결합체를 일컬어 일반적으로 열교환기의 코어(core)라고 칭한다.

상술한 바와 같이 고성능 엔진 장착 차량에서는 인터쿨러에 의한 공기의 냉각이 필수적인데, 최근 엔진 효율 증가에 대한 활발한 노력으로 인하여 터보 차지 시스템 등을 통해 과거에 비해 엔진 효율이 훨씬 향상되고 있다. 이에 따라 더욱 고성능 및 고용량의 인터쿨러가 필요함은 당연하며, 이에 따라 고성능 및 고용량 조건을 충족시키기 위하여 과거에 비해 인터쿨러의 규격이 확장되어 가고 있는 실정이다.

고성능 및 고용량의 인터쿨러의 경우 입구부 및 출구부 사이의 온도차가 매우 크다. 도 1은 온도-압력에 따른 물(냉각수)의 상변화 그래프로서, 동절기이거나 또는 지리적인 이유로 외기 기온이 낮은 경우, 또는 눈, 비로 인하여 외기 습도가 높은 경우 등의 환경 조건에서, 압축공기가 지나치게 급냉됨에 따라 이슬점(dew point)을 지나 상변화를 일으킴으로써 인터쿨러 코어 내부에 응축수가 발생하는 문제가 생긴다.

보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 고용량 및 고성능의 인터쿨러가 동작함에 있어서, 외기 온도가 낮거나 습도가 높을 때 인터쿨러 내에서 압축공기가 급냉되면서 미량의 수증기가 응축된다. 엔진 부하가 높은 경우 미세한 수증기 방울이 엔진 측으로 넘어가 열기에 의하여 다시 증발하여 큰 문제를 발생시키지 않으나, 엔진 부하가 낮은 경우 엔진 측으로 넘어가지 못하고 인터쿨러 내에 지속적으로 축적되며, 결국 액체 상태의 응축수 형태로서 인터쿨러 내에 고여 있게 된다. 인터쿨러 내에 고여 있는 응축수는, 추후 엔진 출력 증대 시 쓰로틀이 열리면서 일순 엔진으로 유입된다. 그런데 이처럼 엔진 내에 갑자기 물이 끼얹어지면 엔진 내에서 연료의 폭발이 제대로 일어나지 못하게 되어(mis-fire), 엔진 출력 감소 문제가 발생하고, 더 나아가면 차량 제어 불능, 엔진 손상 위험에까지 이르게 되는 큰 문제의 요인이 된다.

물론 이와 같은 인터쿨러에 응축수가 고이는 현상은, 인터쿨러의 부식을 가속화시켜 내구성 및 수명을 줄이는 문제의 요인이 되기도 한다. 이처럼 인터쿨러 응축수 발생 문제를 해결하기 위하여 다양한 연구 및 노력이 이루어져 왔다.

기존의 고성능 엔진 및 고사양 인터쿨러를 갖추고 있는 상용화된 자동차 제품들에서 상술한 바와 같은 문제가 지속적으로 나타나고 있는 실정으로, 이러한 문제를 해결하기 위하여 기존에는 인터쿨러의 사양을 낮추는 것을 해결책으로 사용하였다. 즉 구체적으로는, 저용량의 인터쿨러로 교체하는 방법 또는 코어 일부를 가림으로써 코어의 열교환면적을 인위적으로 줄이는 방법 등이 사용되었다. 앞서 설명한 바와 같이 인터쿨러 내 압축공기가 급냉되면서 응축수가 발생되는 것이 문제의 근본적인 요인이 되므로, 인터쿨러의 사양을 낮춤으로써 유입구 - 배출구 간의 온도차를 줄여서 배출구 근처에서의 냉각이 덜 일어나도록 함으로써 응축이 덜 일어나도록 하여 문제를 해결하고자 하였던 것이다.

그러나 이처럼 인터쿨러 성능을 낮추는 방법은 실질적으로는 압축공기를 충분히 냉각하지 못하게 되는 결과를 야기하며, 따라서 결과적으로 전반적인 시스템 효율을 떨어뜨리는 다른 문제를 발생시켰다. 뿐만 아니라 이처럼 인터쿨러 성능을 낮추어도 특정 조건에서 응축수가 발생하여 엔진으로 유입되는 문제를 완전히 해결하지 못한다는 것이 경험적으로 밝혀졌다.

한편 인터쿨러에서 응축수가 발생하는 것을 억제하기 위한 기술로서 한국특허공개 제2012-0124609호("배기가스 응축수 제어방법 및 이를 적용한 배기가스재순환시스템", 2012.11.14, 이하 선행기술) 등이 있다. 상기 선행기술은, EGR 시스템, 특히 터보차저와 인터쿨러에 대한 부식 위험성을 방지하기 위하여, 배기가스 내에 존재하는 수증기가 응축되어 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 시스템으로 침투하여 발생되는 문제를 해결하고자 하는 것이다. 이를 위하여 상기 선행기술에서는, 배기가스 내 습도를 검출하여 이에 따라 외부로부터 흡입되는 흡입공기와 배기가스의 혼합량 등을 적절하게 조절하는 등의 제어를 수행하도록 되어 있다. 그러나 상기 선행기술은 제어로직이 복잡하고 난해하여 널리 적용이 어렵고, 또한 EGR 시스템 전반적인 응축수 제어방법이기 때문에 앞서 설명한 바와 같이 특수한 상황에서 인터쿨러에서만 발생되는 문제를 효과적으로 해결하기에 어려움이 있다.

1. 한국특허공개 제2012-0124609호("배기가스 응축수 제어방법 및 이를 적용한 배기가스재순환시스템", 2012.11.14)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 외기 온도 등의 조건에 따라 인터쿨러의 내부 흐름을 제어하여 응축수의 발생을 억제하고 효율을 증대시키는 인터쿨러 내부 흐름 제어장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 인터쿨러 내부 흐름 제어장치는, 유입구(111), 제1배출구(112), 상기 유입구(111)와 상기 제1배출구(112) 사이에 배치되는 배플(113)이 구비되는 제1탱크(110), 상기 제1탱크(110)와 대향되어 배치되며 제2배출구(121)가 구비되는 제2탱크(120), 상기 제1탱크(110) 및 상기 제2탱크(120) 사이에 구비되는 다수 개의 튜브(130)를 포함하여 이루어지는 인터쿨러(100); 일측이 상기 제1배출구(112)에 연결되는 제1유로(210), 일측이 상기 제2배출구(121)에 연결되는 제2유로(220), 상기 제1유로(210)의 타측 및 상기 제2유로(220)의 타측이 연결되는 위치에 연결되는 배출로(230), 상기 제1유로(210)의 타측 및 상기 제2유로(220)의 타측이 연결되는 위치에 구비되어 상기 제1유로(210) 또는 상기 제2유로(220)의 개방 여부를 선택하는 도어(240)를 포함하여 이루어지는 바이패스부(200); 외기 온도, 압축공기 온도, 압축공기 압력을 포함하는 환경변수를 측정하는 환경센서(310), 엔진(500) 부하를 측정하는 부하센서(320)를 포함하여 이루어지는 센싱부(300); 상기 센싱부(300)에서 측정된 센싱값들을 사용하여 상기 도어(240)의 개방 여부를 제어하는 제어부(400); 를 포함하여 이루어져, 상기 제1배출구(112) 또는 상기 제2배출구(121) 중 선택되는 어느 하나에서 배출되도록 이루어질 수 있다.

또한 본 발명의 인터쿨러 내부 흐름 제어방법은, 상술한 바와 같은 인터쿨러 내부 흐름 제어장치를 사용하는 인터쿨러 내부 흐름 제어방법에 있어서, 상기 도어(240)가 상기 제2유로(220)를 폐쇄하는 제2유로폐쇄단계(S1); 상기 센싱부(300)에 의해 환경변수가 센싱되어, 외기 온도가 상기 인터쿨러(100)의 상기 유입구(111)로 유입된 압축공기의 이슬점에서의 압축공기 온도보다 낮은지 판단되는 환경변수측정단계(S2); 외기 온도가 상기 인터쿨러(100)의 상기 유입구(111)로 유입된 압축공기의 이슬점에서의 압축공기 온도보다 낮으면(S2-Yes), 상기 센싱부(300)에 의해 상기 엔진(500) 부하가 센싱되어 미리 결정된 기준부하보다 낮은지 판단되는 부하측정단계(S3); 상기 엔진(500) 부하가 미리 결정된 기준부하보다 낮으면(S3-Yes), 상기 도어(240)가 상기 제1유로(210)를 폐쇄하는 제1유로폐쇄단계(S4); 를 포함하여 이루어질 수 있다.

이 때 상기 제어방법은, 외기 온도가 상기 인터쿨러(100)의 상기 유입구(111)로 유입된 압축공기의 이슬점에서의 압축공기 온도보다 높으면(S2-No), 상기 제2유로폐쇄단계(S1)로 되돌아가는 단계; 를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

또한 상기 제어방법은, 상기 엔진(500) 부하가 미리 결정된 기준부하보다 높으면(S3-No), 상기 제2유로폐쇄단계(S1)로 되돌아가는 단계; 를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

또한 상기 제1유로폐쇄단계에서는, 상기 인터쿨러(100)의 상기 유입구(111)로 유입된 압축공기가 상기 제1탱크(110) - 상기 튜브(130) - 상기 제2탱크(120) - 상기 제2배출구(121) - 상기 제2유로(220) - 상기 배출로(230)를 순차적으로 통과하여 배출되도록 유로가 형성될 수 있다.

또한 상기 제2유로폐쇄단계에서는, 상기 인터쿨러(100)의 상기 유입구(111)로 유입된 압축공기가 상기 제1탱크(110) - 상기 튜브(130) - 상기 제2탱크(120) - 상기 튜브(130) - 상기 제1배출구(112)를 순차적으로 통과하여 상기 인터쿨러(100) 내부에서 U-플로우를 형성하고, 상기 제1유로(210) - 상기 배출로(230)를 순차적으로 더 통과하여 배출되도록 유로가 형성될 수 있다.

본 발명에 의하면, 인터쿨러에 배출구가 2개 형성되어 있도록 하고, 환경 조건에 따라 특정 배출구와 연결된 유로가 선택적으로 개방되도록 함으로써, 인터쿨러 내에서 응축수가 발생되어 축적되는 문제 자체를 해결하는 큰 효과가 있다. 물론 이에 따라 기존에 엔진 내로 이러한 응축수가 유입됨으로써 발생되던, 실화(mis-fire)에 따른 엔진 출력 감소 문제, 차량 제어 불가 문제, 나아가 엔진 손상 위험 문제 등을 일시에 해결할 수 있는 큰 효과가 있다.

특히 본 발명은, 제어에 사용되는 장치가 인터쿨러에 형성된 2개의 배출구, 바이패스 유로, 유로 선택용 도어 정도로 간소하고, 또한 제어에 사용되는 변수나 로직도 단순하기 때문에, 기존의 인터쿨러 장치에 적용하는 것이 매우 용이하다는 큰 장점이 있다. 이처럼 본 발명의 제어방법은 호환성이 높기 때문에, 기존에 이미 생산되어 사용되고 있는 제품에도 용이하게 적용할 수 있다. 따라서 생산 라인의 변경이나 제품의 대대적인 교체 등과 같은 문제가 발생하는 것을 피할 수 있으며, 이에 따라 상술한 바와 같은 문제들에 필연적으로 발생되는 생산 비용 증가 문제 등을 원천적으로 배제할 수 있다.

도 1은 온도-압력에 따른 물의 상변화 그래프.
도 2는 본 발명의 인터쿨러 내부 흐름 제어장치의 사시도.
도 3은 본 발명의 인터쿨러 내부 흐름 제어방법의 흐름도.
도 4는 본 발명의 인터쿨러 내부 흐름 제어장치의 유로의 한 실시예.
도 5는 본 발명의 인터쿨러 내부 흐름 제어장치의 유로의 다른 실시예.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 인터쿨러 내부 흐름 제어장치 및 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 인터쿨러 내부 흐름 제어장치의 사시도를 도시한 것이다. 본 발명의 인터쿨러 내부 흐름 제어장치는, 도시된 바와 같이 인터쿨러(100), 바이패스부(200), 센싱부(300), 제어부(400)를 포함하여 이루어진다. 도 1을 통해 본 발명의 인터쿨러 내부 흐름 제어장치의 구조를 먼저 설명하고, 이후 이에 따른 내부 흐름 제어방법에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

상기 인터쿨러(100)는, 일반적인 핀-튜브 타입 열교환기의 구성 즉 한 쌍의 탱크 및 그 사이에 구비되는 다수 개의 튜브(및 핀)를 포함하여 이루어지되, 배출구가 2개 형성되도록 이루어진다. 상기 제1탱크(110)에는 유입구(111), 제1배출구(112)가 구비되며, 또한 상기 유입구(111)와 상기 제1배출구(112) 사이에 배치되는 배플(113)이 구비되어, 상기 제1탱크(110) 내부 공간에서 상기 유입구(111)가 구비된 측과 상기 제1배출구(112)가 구비된 측 공간이 서로 격리되도록 이루어진다. 상기 제2탱크(120)는 상기 제1탱크(110)와 대향되어 배치되며 제2배출구(121)가 구비되며, 상기 제1탱크(110) 및 상기 제2탱크(120) 사이에는 다수 개의 튜브(130)가 구비된다. 이 때 일반적인 열교환기와 마찬가지로, 상기 튜브(130)들 사이에는 열교환면적을 넓히기 위한 핀(140)이 더 구비되어 있어도 무방하다.

상기 바이패스부(200)는, 제1유로(210), 제2유로(220), 배출로(230), 도어(240)를 포함하여 이루어진다. 상기 제1유로(210)의 일측은 상기 제1배출구(112)에 연결되며, 상기 제2유로(220)의 일측은 상기 제2배출구(121)에 연결된다. 상기 제1유로(210)의 타측 및 상기 제2유로(220)의 타측은 서로 연결되는데, 이처럼 상기 제1유로(210)의 타측 및 상기 제2유로(220)의 타측이 연결되는 위치에는 도시된 바와 같이 상기 배출로(230)가 연결되어, 즉 상기 제1유로(210) 및 상기 제2유로(220)가 상기 배출로(230)에서 합쳐지는 형태가 된다. 또한 상기 제1유로(210)의 타측 및 상기 제2유로(220)의 타측이 연결되는 위치(즉 상기 제1유로(210), 상기 제2유로(220), 상기 배출로(230)가 합쳐진 위치)에는 상기 도어(240)가 구비되어, 상기 제1유로(210) 또는 상기 제2유로(220)의 개방 여부를 선택할 수 있도록 이루어진다.

상기 센싱부(300)는 외기 온도, 압축공기 온도, 압축공기 압력을 포함하는 환경변수를 측정하는 환경센서(310), 엔진(500) 부하를 측정하는 부하센서(320)를 포함하여 이루어진다. 즉 상기 센싱부(300)는 외기 온도, 압축공기 온도, 압축공기 압력 등을 포함하는 환경변수와 rpm 등을 포함하는 부하변수를 측정할 수 있도록 이루어진다.

상기 제어부(400)는 상기 센싱부(300)에서 측정된 센싱값들을 사용하여 상기 도어(240)의 개방 여부를 제어하는 역할을 한다. 즉 이와 같은 구성으로 된 상기 인터쿨러 내부 흐름 제어장치는, 상기 센싱부(300)에서 측정된 센싱값들을 사용하여 상기 도어(240)의 개방 여부를 제어함으로써, 상기 제1배출구(112) 또는 상기 제2배출구(121) 중 선택되는 어느 하나에서 배출되도록 상기 인터쿨러(100)의 내부 흐름을 제어한다. 이하에서 본 발명의 인터쿨러 내부 흐름 제어방법을 보다 구체적으로 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 인터쿨러 내부 흐름 제어방법의 흐름도이다.

본 발명에서, 평상시에는 상기 도어(240)는 상기 제1유로(210)를 개방하고 상기 제2유로(220)를 폐쇄한 상태로 유지되는 것으로, 즉 최초의 기본 상태는 상기 도어(240)가 상기 제2유로(220)를 폐쇄하는 제2유로폐쇄단계(S1)가 된다. 이 때 상기 인터쿨러(100)에서의 내부 흐름은, 상기 인터쿨러(100)의 상기 유입구(111)로 유입된 압축공기가 상기 제1탱크(110) - 상기 튜브(130) - 상기 제2탱크(120) - 상기 튜브(130) - 상기 제1배출구(112)를 순차적으로 통과하여 상기 인터쿨러(100) 내부에서 U-플로우를 형성하고, 상기 제1유로(210) - 상기 배출로(230)를 순차적으로 더 통과하여 배출되도록 유로가 형성된다. 도 4는 본 발명의 인터쿨러 내부 흐름 제어장치의 유로의 한 실시예로서, 제2유로폐쇄단계(S1) 시 상기 유입구(111)로 유입된 압축공기가 U-플로우를 형성하면서 상기 인터쿨러(100) 코어 전체 면적을 통과한 후 상기 제1배출구(112)로 배출되는 인터쿨러 내부 흐름을 나타내고 있다.

상기 제2유로폐쇄단계(S1) 유지 시에는 상술한 바와 같이 압축공기가 U-플로우를 형성하며 흐른 후 배출되어 상기 엔진(500)으로 유입된다. 즉 이 경우에는 압축공기가 상기 인터쿨러(100) 코어 전체 면적을 통과하는 과정에서 충분히 냉각이 이루어진 후 배출이 이루어지게 되는 것이다. 앞서 설명한 바와 같이 터보 차지 시스템 등을 통해 엔진 효율이 높아짐에 따라 고용량의 인터쿨러가 필요해지게 되었는데, 이처럼 고효율 엔진의 평상 동작 시에는 고용량 인터쿨러 역시 전체 면적을 모두 사용함으로써 엔진에 충분히 냉각된 공기를 안정적으로 공급해 줄 수 있다.

한편, 앞서 설명한 바와 같이 저온 다습 환경 및 엔진 부하가 낮은 경우에 인터쿨러 내부에 응축수가 고여 축적되고, 이 응축수가 엔진으로 유입됨으로써 실화(mis-fire)의 원인이 된다는 점을 설명한 바 있다. 본 발명에서는, 이러한 응축수 발생 조건 시 인터쿨러 전체를 사용하지 않고 일부를 사용하도록 흐름을 바이패스시킴으로써 이러한 문제를 해소한다.

상술한 바와 같이 저온 다습 환경 및 엔진 부하가 낮은 경우 응축수의 축적이 일어나므로, 먼저 환경변수측정단계(S2)를 통해, 상기 센싱부(300)에 의해 환경변수(외기 온도, 압축공기 온도, 압축공기 압력 등)가 센싱되어, 외기 온도가 상기 인터쿨러(100)의 상기 유입구(111)로 유입된 압축공기의 이슬점에서의 압축공기 온도보다 낮은지 판단이 이루어진다.

이에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 엔진에서의 실화를 유발할 정도의 응축수 발생 원인은, 근본적으로는 압축공기 및 외기 간의 상대적인 온습도 차이에 있다. 즉 단순히 고정적으로 외기 온도가 몇 ℃ 이상 / 외기 습도가 몇 % 이하 등과 같은 식으로 제어 시점을 결정할 수 있는 것이 아니라, 압축공기 및 외기 간의 상대적인 관계로서 결정되어야 한다. 보다 구체적으로는, 문제가 되는 응축수의 발생은 외기 온도가 상기 인터쿨러(100)의 상기 유입구(111)로 유입된 압축공기의 이슬점에서의 압축공기 온도보다 낮아질 때 일어난다(도 1의 그래프에도 잘 나타나 있는 바와 같이 이슬점은 온도 및 압력에 영향을 받기 때문에, 압축공기의 이슬점에서의 온도를 알기 위해서는 압축공기의 온도 및 압력 값을 모두 알아야 하는 것이다). 상기 제어부(400)에는 압축공기의 온도, 압력, 이슬점 간의 관계가 데이터베이스화된 테이블이 내장되어 있음으로써, 상기 센싱부(300)에서 센싱된 값을 상기 테이블 값에 대조하여 상기 판단을 수행하도록 이루어질 수 있다.

이 때 외기 온도가 압축공기 온도보다 높으면(S2-No), 상기 제2유로폐쇄단계(S1)로 되돌아감으로써 원래의 평상시 내부 흐름을 유지하되, 외기 온도가 압축공기 온도보다 낮으면(S2-Yes), 다음으로는 부하측정단계(S3)를 통해, 상기 센싱부(300)에 의해 상기 엔진(500) 부하가 센싱되어 미리 결정된 기준부하보다 낮은지 판단이 이루어진다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 인터쿨러(100) 내에서 미량의 수증기가 응축되어 응축수가 발생한 경우라 하더라도, 상기 엔진(500) 부하가 충분히 높은 경우에는 상기 인터쿨러(100)에서 배출된 공기에 섞여 상기 엔진(500) 쪽으로 흘러가는 응축수는 엔진(500)에서 발생되는 열에 의해 상기 엔진(500)에 도달하기 전에 모두 증발되어 버리므로, 실화(mis-fire)의 요인이 되지 않는다. 따라서 상기 엔진(500) 부하가 미리 결정된 기준부하보다 높으면(S3-No), 상기 제2유로폐쇄단계(S1)로 되돌아감으로써 역시 원래의 평상시 내부 흐름을 유지한다.

여기에서 기준부하는 설계자의 경험적 근거에 따라 적절하게 결정될 수 있는데, 자동차가 일반적인 주행 속도 이상으로 주행하고 있을 때에는 상술한 바와 같이 응축수가 발생하더라도 모두 증발되어 버리기 때문에 문제가 없으므로, 공회전(idling) 상태 또는 저속 상태일 때의 부하를 기준부하로 결정할 수 있다. 일반적으로 30km/h 이하인 경우를 저속 주행으로 칭하고 있으므로, 상기 기준부하 값은, 주행 속도가 0km/h일 때의 엔진 부하 값 내지 주행 속도가 30km/h일 때의 엔진 부하 값 범위 내에서 적절히 결정될 수 있다.

상기 엔진(500) 부하가 미리 결정된 기준부하보다 낮으면(S3-Yes), 제1유로폐쇄단계(S4)를 통해 상기 도어(240)가 상기 제1유로(210)를 폐쇄한다. 이 때 상기 도어(240)의 동작은 일반적인 제어 장치의 구성과 같이, 상기 센싱부(300)와 연결된 제어부(400)에서 내린 신호에 의하여 작동이 제어되는 별도의 액추에이터 등을 구비함으로써 이루어질 수 있으며, 이러한 장치의 구성은 일반적으로 널리 다양한 방식으로 실현되고 있으므로, 그 구체적인 구성에 대하여 한정하지 않으며 또한 그에 대한 설명도 생략한다.

상기 제1유로폐쇄단계(S4)에 의하여 상기 도어(240)가 상기 제1유로(210)를 폐쇄하면, 상기 인터쿨러(100)에서의 내부 흐름은, 상기 인터쿨러(100)의 상기 유입구(111)로 유입된 압축공기가 상기 제1탱크(110) - 상기 튜브(130) - 상기 제2탱크(120) - 상기 제2배출구(121) - 상기 제2유로(220) - 상기 배출로(230)를 순차적으로 통과하여 배출되도록 유로가 형성된다. 도 5는 본 발명의 인터쿨러 내부 흐름 제어장치의 유로의 다른 실시예로서, 제1유로폐쇄단계(S4) 시 상기 유입구(111)로 유입된 압축공기가 상기 인터쿨러(100) 코어 일부 면적을 통과한 후 상기 제2배출구(121)로 배출되는 인터쿨러 내부 흐름을 나타내고 있다.

이와 같이 저온 다습 환경 및 엔진 저부하 상황 시, 본 발명에서는 압축공기가 상기 인터쿨러(100) 코어의 전체 면적을 통과하지 않고 일부 면적만을 통과하도록 이루어진다. 압축공기가 열교환할 수 있는 면적이 줄어들면 압축공기의 냉각이 덜 이루어지며, 따라서 상기 제2배출구(121)로 배출되는 시점에서의 압축공기의 온도는, 상기 제2유로폐쇄단계 시 상기 제1배출구(112)로 배출되는 시점에서의 압축공기의 온도에 비해 좀더 높게 형성된다. 따라서 이 때에는 압축공기 내 수증기가 급냉으로 인하여 응축되는 현상이 상기 제2유로폐쇄단계 시에 비하여 훨씬 억제되며, 궁극적으로는 상기 인터쿨러(100) 내에 응축수가 축적되는 현상을 방지할 수 있게 되는 것이다.

앞서 설명한 바와 같이, 저온 다습 환경 및 엔진 저부하 상황에서 압축공기가 고용량의 상기 인터쿨러(100) 전체 면적을 통과하면서 냉각되면, 배출되는 시점 근처에서 급냉에 의하여 응축수가 발생하여 상기 인터쿨러(100) 내에 고이게 되고, 이것이 실화의 요인이 된다. 종래에는 실화 문제를 해결하고자, 고용량 인터쿨러를 저용량 인터쿨러로 교체하거나 또는 인터쿨러 코어 일부를 가려 열교환면적을 줄이는 방법 등을 통해 인터쿨러의 용량을 도로 낮춤으로써 배출되는 시점에서 냉각이 덜 일어나 응축을 억제하고자 하였다. 그러나 이와 같이 할 경우 평상시에는 오히려 고효율 엔진에 공급되는 공기를 충분히 냉각하지 못함으로써 시스템 전체 성능이 나빠지는 새로운 문제를 유발하는 문제가 있었다.

그러나 본 발명에서는, 평상시에는 상기 제2유로폐쇄단계를 통해 압축공기가 상기 인터쿨러(100) 코어 내부에서 U-플로우를 형성하면서 코어 전체 면적을 통과함으로써 충분한 냉각이 이루어지게 함으로써, 상술한 바와 같이 평상시의 시스템 성능 저하 문제를 원천적으로 배제한다. 또한 저온 다습 및 엔진 저부하 상황 즉 응축수 발생 및 축적이 이루어지는 조건의 상황에서는 상기 제1유로폐쇄단계를 통해 압축공기가 상기 인터쿨러(100) 코어 내부에서 일자의 플로우를 형성하면서 코어 일부 면적만을 통과함으로써 냉각이 덜 이루어지게 하여, 배출되는 시점에서의 압축공기 온도가 상대적으로 높게 형성되게 함으로써, 압축공기 내 수증기가 응축되는 것을 억제함으로써 궁극적으로는 응축수 발생을 방지할 수 있게 된다.

한편 이와 같이 상기 제1유로폐쇄단계를 통해 응축수 발생을 방지하면서 차량이 구동되더라도, 주기적으로 또는 실시간으로 외기 온도, 습도, 엔진 부하는 계속 측정되고 있다. 따라서 저온 다습 및 엔진 저부하 상황을 벗어나면 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 다시 상기 제2유로폐쇄단계를 통해 압축공기가 인터쿨러 내부 전체 면적을 통과하도록 유로가 원상복귀됨으로써, 다시 평상시 동작 환경으로 되돌아올 수 있게 된다.

이와 같은 본 발명의 인터쿨러 내부 흐름 제어장치 및 방법은, 상술한 바와 같이 간소한 장치 구성을 통해 제어가 가능할 뿐만 아니라, 제어변수 역시 직관적이고 별도의 계산 등이 필요하지 않은 측정값으로 이루어지기 때문에 제어방법의 실현 역시 용이하다. 따라서 기존에 이미 생산되어 있는 제품에 부가적으로 설치하는 것도 매우 용이하여 호환성이 높으며, 제품의 교체나 생산 라인의 변경 등에 낭비될 수 있는 시간, 인력, 비용 등의 자원을 크게 절약할 수 있는 큰 장점이 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100: 인터쿨러
110: 제1탱크 111: 유입구
112: 제1배출구 113: 배플
120: 제2탱크 121: 제2배출구
130: 튜브 140: 핀
200: 바이패스부
210: 제1유로 220: 제2유로
230: 배출로 240: 도어
300: 센싱부
310: 환경센서 320: 부하센서
400: 제어부 500: 엔진

Claims

유입구(111), 제1배출구(112), 상기 유입구(111)와 상기 제1배출구(112) 사이에 배치되는 배플(113)이 구비되는 제1탱크(110), 상기 제1탱크(110)와 대향되어 배치되며 제2배출구(121)가 구비되는 제2탱크(120), 상기 제1탱크(110) 및 상기 제2탱크(120) 사이에 구비되는 다수 개의 튜브(130)를 포함하여 이루어지는 인터쿨러(100);
일측이 상기 제1배출구(112)에 연결되는 제1유로(210), 일측이 상기 제2배출구(121)에 연결되는 제2유로(220), 상기 제1유로(210)의 타측 및 상기 제2유로(220)의 타측이 연결되는 위치에 연결되는 배출로(230), 상기 제1유로(210)의 타측 및 상기 제2유로(220)의 타측이 연결되는 위치에 구비되어 상기 제1유로(210) 또는 상기 제2유로(220)의 개방 여부를 선택하는 도어(240)를 포함하여 이루어지는 바이패스부(200);
외기 온도, 압축공기 온도, 압축공기 압력을 포함하는 환경변수를 측정하는 환경센서(310), 엔진(500) 부하를 측정하는 부하센서(320)를 포함하여 이루어지는 센싱부(300);
상기 센싱부(300)에서 측정된 센싱값들을 사용하여 상기 도어(240)의 개방 여부를 제어하는 제어부(400);
를 포함하여 이루어져,
응축수 발생 조건 여부에 따라 압축공기가 상기 제1배출구(112)에서 배출됨으로써 상기 인터쿨러(100) 전체를 통과하거나 또는 상기 제2배출구(121)에서 배출됨으로써 상기 인터쿨러(100) 일부를 통과하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 인터쿨러 내부 흐름 제어장치.
제 1항의 인터쿨러 내부 흐름 제어장치를 사용하는 인터쿨러 내부 흐름 제어방법에 있어서,
상기 도어(240)가 상기 제2유로(220)를 폐쇄하는 제2유로폐쇄단계(S1);
상기 센싱부(300)에 의해 환경변수가 센싱되어, 외기 온도가 상기 인터쿨러(100)의 상기 유입구(111)로 유입된 압축공기의 이슬점에서의 압축공기 온도보다 낮은지 판단되는 환경변수측정단계(S2);
외기 온도가 상기 인터쿨러(100)의 상기 유입구(111)로 유입된 압축공기의 이슬점에서의 압축공기 온도보다 낮으면(S2-Yes), 상기 센싱부(300)에 의해 상기 엔진(500) 부하가 센싱되어 미리 결정된 기준부하보다 낮은지 판단되는 부하측정단계(S3);
상기 엔진(500) 부하가 미리 결정된 기준부하보다 낮으면(S3-Yes), 상기 도어(240)가 상기 제1유로(210)를 폐쇄하는 제1유로폐쇄단계(S4);
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 인터쿨러 내부 흐름 제어방법.
제 2항에 있어서,
외기 온도가 상기 인터쿨러(100)의 상기 유입구(111)로 유입된 압축공기의 이슬점에서의 압축공기 온도보다 높으면(S2-No), 상기 제2유로폐쇄단계(S1)로 되돌아가는 단계;
를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 인터쿨러 내부 흐름 제어방법.
제 2항에 있어서,
상기 엔진(500) 부하가 미리 결정된 기준부하보다 높으면(S3-No), 상기 제2유로폐쇄단계(S1)로 되돌아가는 단계;
를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 인터쿨러 내부 흐름 제어방법.
제 2항에 있어서, 상기 제1유로폐쇄단계에서는
상기 인터쿨러(100)의 상기 유입구(111)로 유입된 압축공기가 상기 제1탱크(110) - 상기 튜브(130) - 상기 제2탱크(120) - 상기 제2배출구(121) - 상기 제2유로(220) - 상기 배출로(230)를 순차적으로 통과하여 배출되도록 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 인터쿨러 내부 흐름 제어방법.
제 2항에 있어서, 상기 제2유로폐쇄단계에서는
상기 인터쿨러(100)의 상기 유입구(111)로 유입된 압축공기가 상기 제1탱크(110) - 상기 튜브(130) - 상기 제2탱크(120) - 상기 튜브(130) - 상기 제1배출구(112)를 순차적으로 통과하여 상기 인터쿨러(100) 내부에서 U-플로우를 형성하고, 상기 제1유로(210) - 상기 배출로(230)를 순차적으로 더 통과하여 배출되도록 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 인터쿨러 내부 흐름 제어방법.