KR19990000545A - 내연기관 과급장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내연기간의 과급장치에 관한 것으로서, 흡입공기의 압축/열교환/팽창과정을 통하여 최적의 상태로 과급하는 장치로서 가솔린기관에 적용가능한 과급장치의 제공, 공해감소, 기관 효율향상에 목적이 있다.
이를 실현하기 위하여 본 발명은, 공기압축기를 구동하여 공기를 압축하고, 열교환기를 통하여 온도를 낮춘후, 팽창기를 사용하여 압력과 온도를 낮추어 기관에 공급하여 내구성, 출력향상과 공해감소 효과를 얻도록 하고 있다.

Description

내연기간 과급장치
내연기관용 과급기는 배기가스를 이용한 터보챠져와 축동력을 사용하는 슈퍼챠져로 크게 구분된다. 이 장치는 기관의 중량에 대한 출력을 높혀 전체 System의 효율을 높이는데 효과가 있어 디젤 기관에서는 출력증강과 배기가스의 오염물질을 줄이기 위해서 많이 사용되고 있으나, 현재 사용되고 있는 내연기관용 과급장치는 공기를 압축하여 압력을 올리면서 온도도 동시에 올라가게 되어 있어 가솔린엔진에서는 노킹(Knocking)발생으로 사용범위가 극히 제한되어 있으며, 연소실 온도가 높아서 NOx의 발생이 문제가 되고 있다. 관련 미국특허는 다음과 같다.
5119795 : Intake system with mechanical supercharger for internal combustion engine
4993228 : Internal combustion engine with turbosupercharger
5269143 : Diesel engine turbo-exapander
4774812 : Turbocharged engine
4674283 : Turbocharging system for an internal combustion engine
4993228은 압축기와 터빈을 사용하여 냉매를 사용하는 폐쇄형의 냉각 시스템을 구성하여 과급된 디젤엔진의 흡기온도를 낮추어 NOx를 줄이는 방법에 관한 것이고, 나머지는 기존의 터보챠져와 슈퍼챠져의 조절방법에 관한 것이다. 모두 디젤엔진 만을 대상으로 하고 있으며, 4993228은 구현이 매우 어렵게 되어 있다.
본 발명은 상기한 바와 같이 과급하기 어려운 가솔린 기관에도 적용할 수 있는 과급방법을 제공하기 위하여 발명된 것으로서, 그 부수적인 효과로 NOx감소를 동반한다. 일반적으로 과급압이 높아지면 녹킹이 생기며, 주어진 과급압에서는 과급기 출구온도가 클 수록 녹킹이 생기기 쉬우므로 (P 870-871, Internal Combustion Engine Fundamentals, John B. Heywood) 녹킹없이 동작 가능한 과급기 출구 조건이 제한된다. 따라서 본 발명은 녹킹없는 동작영역에서 최대의 출력을 얻을 수 있는 압력과 온도를 선택할 수 있도록, 열교환기와 터빈을 사용하여 일반과급기의 출구 조건을 변화시키는 방법이다.
제 1도는 과급기 개념도.
제 2도는 축동력 이용시의 실시예.
제 3도는 배기가스 이용시의 실시예 (1).
제 4도는 배기가스 이용시의 실시예 (2).
제 5도는 고속모터 이용시의 실시예 (3).
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
C : 압축기T : 터어빈
H/X : 열교환기E/G : 내연기관
M : Motor
W1 : 압축기가 구동되기 위해서 기관이 주는 일
W2 : 공기가 팽창되면서 생성되는 일
1 : 입구2 : 압축기 통과 후
3 : 열교환기 통과후4 : 터빈 통과후
5 : 배기가스
이를 실현하기 위하여 본 발명은 압축-열교환-팽창과정으로 흡입공기를 원하는 온도와 압력이 되도록 변환하여 엔진으로 과급한다. 제 1도는 본 발명의 기본개념을 그림으로 보여주고 있다. 대기(1)로부터 흡입된 공기는 압축기(C)를 통하여 고온 고압의 상태(2)로 되고, 열교환기(H/X)를 지나며 고압 저온의 상태(3)이된다. 상태(3)의 공기는 터빈(T)를 통과하며 축동력을 발생하여 엔진에 전달하고 저압 저온의 상태(4)로 변환되어 엔진에 들어가고 연소후 상태(5)로 배출된다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라 더욱 상세히 설명한다.
제 2 도는 축동력을 사용하는 압축기(C)에 터빈(T)을 동일축에 장치한 것이다. 모자라는 에너지 W1-W2만 엔진에서 공급하게 되므로 기존의 슈퍼챠져에 비해 터빈이 손실만큼만 열손실이 있는 방식이다. 그러나 녹킹이 생기지 않는 영역에서 동작하므로 엔진 자체의 열효율이 높아져 전체적인 효율은 상승한다. 2000CC 109Kw 엔진의 경우에 압축기 효율 0.8, 터빈 효율 0.9, 열교환기 효율 0.75을 사용하여 간단히 계산해 보면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.
즉 0.5 기압 과급으로 84%의 출력 향상을 기대할 수 있으며 특히 흡기 온도가 0도가 됨을 알 수 있다. 일반적인 과급방식으로는 중간냉각을 했을때 과급압을 0.4기압 정도까지 올릴 수 있으며 이때 40% 정도의 출력 향상을 볼 수 있다.
제 3도는 배기가스를 사용하는 터보챠져를 사용하고 팽창용 터빈을 엔진에 바로 연결한 실시예이다. 제 2도와의 차이점은 팽창시의 에너지가 엔진으로 바로 회수되는 점이다.
제 4도는 배기가스를 사용하는 터보챠져에 또 하나의 압축기와 터빈을 장치한 실시예이다. 공기 팽창시의 에너지는 추가의 압축기를 구동하는데 사용된다.
제 5도는 고속모터를 사용하는 경우로서 제 2도의 기관에서 얻는 축동력대신 발전기에서 나오는 전기를 사용하여 모자라는 동력을 보충하는 경우에 대한 실시예이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 과급장치는 다음의 효과를 제공한다.
- 이미 생산된 가솔린 엔진에 그대로 적용이 가능하다.
- 최적점화시기, 최적 공연비, 높은 압축비를 유지할 수 있어 효율이 높다.
- 강한 구조를 가질 필요가 없어 기존의 터보챠져 엔진에 비해 무게가 감소한다.
- 단위무게당 높은 출력을 낼 수 있어 기관효율이 높아진다.
- 엔진 내부온도를 낮추어 엔진의 내구성이 좋아진다.
- 연소최고 온도를 낮추어 NOx를 감소시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. 흡입공기의 압축과정; 열교환과정; 팽창과정을 포함한 것을 특징으로 하는 내연기관 과급장치.
  2. 제 1항에 있어서, 제 2도와 같이 압축기와 터빈의 동일 축에 연결되어 있고, 열교환기 그리고 엔진으로부터 축동력을 받기 위한 동력전달 장치를 특징으로 하는 과급장치.
  3. 제 1항에 있어서, 제 3도와 같이 배기가스로 구동되는 압축기, 열교환기, 엔진에 동력을 전달 할 수 있도록 연결된 터빈을 특징으로 하는 과급장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 제 4 도와 같이 배기가스로 구동되는 압축기, 흡입공기로 구동되는 압축기, 열교환기 그리고 각각의 압축기에 연결된 터빈을 특징으로 하는 과급장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 제 5도와 같이 동일축에 연결된 압축기, 터빈, 고속모터 및 열교환기를 특징으로 하는 과급장치.
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