KR20020083160A - 배기 펄스 제어 유닛 - Google Patents

Abstract

엔진의 배기 매니폴드 진공도를 증가시키기 위한 배기 펄스 제어 유닛(10)은 유입부(11), 유출부(12), 그리고 중간 억제 지대(13)를 포함한다. 배기 펄스 포획 및 팽창 지대(14)가 유입부와 중간 지대의 사이에 위치하며, 합병 지대(17)가 중간 지대와 유출부의 사이에 위치한다. 포획 및 팽창 지대는 비교적 급속한 배기 가스 체적 증가를 제공하는 제1 단을 포함한 2개의 단으로 구성될 수도 있다.

Description

배기 펄스 제어 유닛{EXHAUST PULSE CONTROL UNIT}

본 발명은 엔진의 배기 펄스 제어 유닛에 관한 것이다. 보다 상세히 설명하자면, 본 발명은 엔진으로부터의 배기 가스의 팽창을 제어하여 엔진 효율을 개선시키기 위한 엔진의 배기 제어 유닛에 관한 것이다.

내연 기관에서의 배기 가스의 효율적인 제거 또는 배기(排氣)는 연료를 완전 연소시켜 해로운 엔진 배출물을 감소시키기 위해 또한 엔진 효율의 관점에서 바람직한 일이다.

특허 명세서 제WO98/23854호에는 내연 기관의 효율을 최적화하기 위한 장치가 개시되어 있다. 이 장치는 엔진으로부터의 배기 가스를 제거하기 위해 배기관을 통해 또는 엔진의 실린더를 향해 안내되는 가스 흐름의 속도 및 압력을 조절하도록 배열된 고정되었거나 유동 가능한 수단을 포함한다.

이러한 장치는 배기관 또는 배기 장치 내에 배치되어, 자발적인 제1 배기 단계 이후 배출 가스의 속도가 자유 대기쪽으로 갈수록 증가되도록 함으로써, 보다 효율적인 엔진의 배기를 위해 진공도가 증가되도록 하고 있다.

그러나, 상기 선행 특허 명세서의 다양한 실시예에 개시된 상기 장치는 엔진 배기 가스의 흐름을 억제하며 난류 가스를 생성하는 배플(baffle)로서 기능할 뿐으로, 의도한 바와 같이 기능하지는 않는 것으로 보인다.

본 출원인의 공동 계류중인 오스트레일리아 특허 출원 제PQ2456호(이제는 퇴보된)에는 엔진의 배기 매니폴드 진공도를 증가시키기 위한 엔진 배기 제어 유닛이 개시되어 있으며, 이 특허 출원은 또한 제WO98/23854호를 능가하는 개량 발명이다.

발명의 요약

본 발명의 목적은 본 출원인의 공동 계류중인 특허 출원에 개시된 엔진 배기 제어 유닛의 대안(代案)으로서 사용될 수 있는 개선된 배기 펄스 제어 유닛을 제공하는 것이다.

일 태양에 따르면, 본 발명은 엔진의 배기 매니폴드 진공도를 증가시키기 위한 배기 펄스 제어 유닛을 제공하며, 이 제어 유닛은 유입부와, 유입부에 인접한 배기 펄스 포획 및 팽창 지대와, 이 포획 및 팽창 지대가 그 일단에 인접하는 중간 억제 지대, 이 중간 억제 지대의 타단에 인접하는 유출부, 그리고 중간 억제 지대와 유출부 사이의 합병 지대를 포함한다.

상기 중간 지대는 그 전체 길이에 걸쳐 단면적이 일정한 것이 바람직하다. 배기 가스 펄스가 유입부를 통해 제어 유닛에 들어오고, 대기 펄스가 유출부를 통해 제어 유닛에 들어와, 이들 배기 펄스와 대기 펄스가 중간 지대의 경계선 안쪽에서 상호 작용한다.

상기 중간 지대의 길이는 엔진 특성치에 의해 결정될 수도 있다.

유입부와 유출부는 바람직하게는 유입 튜브와 유출 튜브이다. 유출 튜브의 직경이 유입 튜브의 직경보다 크며, 중간 지대의 직경이 유입 튜브와 유출 튜브보다 큰 것이 바람직하다.

포획 및 팽창 지대는 유입부로부터 유출부로 흐르는 가스의 체적을 증가시킨다. 이러한 체적 증가는 2개의 단에서 이루어지는 것이 바람직하다. 그 제1 단에서는 배기 가스의 체적이 비교적 급속하게 증가되어, 배기 펄스가 유입부로부터 빠져나와 중간 지대를 향해 진행함에 따라 팽창되도록 한다. 상기 제1 단은 유입부에 대하여 비교적 작은 각도를 형성한다. 이 비교적 작은 각도는 제2 단이 유입부에 대해 형성하는 각도보다 작다.

상기 제1 단은 유입부를 관통하는 횡축선(길이방향 세로축)에 대해 40°내지 50°의 각도로 연장하는 반면, 상기 제2 단은 60°내지 80°의 각도로 연장하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 제1 단은 45°의 각도로 연장하고, 제2 단은 60°의 각도로 연장한다.

배기 가스 펄스는 유입부를 통과하여 포획 및 팽창 지대의 제1 단 내로 진행하면서 그 체적이 급속히 팽창된다. 그러나, 제2 단에서도 급속한 팽창이 이루어져, 결국 제2 단에서 배기 펄스의 경계 층은 팽창되지만, 배기 펄스의 중앙부는 크게 팽창되지 않는 현상이 발생하게 된다. 이에 따라, 배기 펄스가 중간 지대를 따라 이동할 때에 펄스의 운동량은 유지된다.

합병 지대는 본 발명의 제어 유닛이 장착된 엔진으로부터의 배기 가스의 효율적인 배기를 제공하기 위한 역압(back pressure)의 생성을 보장하기 위해 존재한다.

상기 합병 지대는 유출부를 관통하는 횡축선에 대해 각도를 이루며 연장하는데, 그 각도는 바람직하게는 40°내지 50°이고, 보다 바람직하게는 45°이다.

이하에는 본 발명의 바람직한 실시예가 도면을 참조하여 예시로써 기술된다.

도면의 간단한 설명

도 1은 본 발명의 배기 펄스 제어 유닛의 횡단면도.

도 2는 도 1의 유닛의 유입 단부의 상세도.

도 3은 도 1의 유닛의 유출 단부의 상세도.

도 4는 마력 시험 결과를 보여주는 그래프.

도 5는 회전력 시험 결과를 보여주는 그래프.

도 6은 마력 및 회전력의 시험 결과를 보여주는 그래프.

배기 펄스 제어 유닛(10)이 도 1, 도 2, 및 도 3에 도시되어 있다. 배기 펄스 제어 유닛(10)은 유입 튜브(11)와 유출 튜브(12)를 구비하며, 유출 튜브(12)의 직경이 유입 튜브(11)의 직경보다 크다. 유입 튜브(11)는 엔진에 결합되어 엔진으로부터의 배기 유출 펄스를 수용하는 반면, 유출 튜브(12)는 배기 가스를 배기관 단부의 배기 유출구로 안내한다.

배기 펄스 제어 유닛(10)은 유입 튜브(11)와 유출 튜브(12)의 사이를 연장하는 중간 지대(13)를 구비한다. 배기 펄스 포획 및 팽창 지대(14)가 유입 튜브(11)와 중간 지대(13)의 사이에 위치한다. 이 배기 펄스 포획 및 팽창 지대(14)는 유입 튜브(11)를 관통하는 횡축선에 대해 45°의 각도를 형성하는 제1 단(15)을 구비한다. 배기 펄스 포획 및 팽창 지대(14)는 또한 상기 제1 단(15)에 바로 인접하는 제2 단(16)을 구비하는데, 이 제2 단은 유입 튜브(11)의 종축선에 대해 60°의 각도를 형성하고 있다. 제1 단(15)과 제2 단(16)은 배기 펄스의 팽창 및 제어를 통한 음압(negative pressure)의 전개를 초래하며, 제어 유닛이 장착된 엔진으로부터의 배기 가스의 보다 효율적인 소기를 위해 제공된 것이다.

합병 지대(17)가 유출 튜브(12)와 중간 지대(13)의 사이에 위치한다. 이 합병 지대(17)는 유출 튜브(12)를 관통하는 종축선에 대해 45°의 각도를 형성하고 있다. 합병 지대(17)는 들어오는 대기 펄스와 나가는 배기 압력 펄스의 합병을 초래한다. 중간 지대(13)의 길이(l)는 엔진의 세부사항들에 좌우된다.

본 발명의 배기 펄스 제어 유닛은 엔진의 동력 증가 요인을 창출하는데, 그 이유는 배기 펄스 제어 유닛이 배기 펄스들 사이에 저압 영역을 생성하기 때문이다. 배기 펄스 제어 유닛은 엔진의 효율적인 연료 연소를 위해 그리고 엔진으로부터의 배기 가스의 개선된 배기를 위해 제공된 것이다.

배기 펄스 제어 유닛(10)은 내연 기관의 배기 장치에서 발생되는 양압(positive pressure)으로부터 음압(negative pressure)을 생성한다. 배기 펄스 제어 유닛은 엔진의 배기 성능을 개선함으로써 엔진 효율을 개선시킨다.

차량에 장착되어 있는 엔진의 작동과 관련한 개선점들을 예시하기 위하여 일련의 시험을 행하였다. 엔진의 배기 장치에 본 발명의 배기 펄스 제어 유닛(10)을 장착하지 않고 일련의 시험을 행하였으며, 차량의 엔진에 본 발명의 배기 펄스 제어 유닛(10)을 장착하고 동일한 시험을 행하였다. 본 발명의 배기 펄스 제어 유닛을 추가한 것 외에는, 시험에 사용된 엔진과 차량은 모든 면에서 동일한 것을 사용하였다.

시험은 컴퓨터식 섀시 동력계(computerized chassis dynamometer)를 사용하여 수행하였다. 시험 매개변수에는 15℃로 보정된 엔진으로 찬 공기 유도(cold air induction)및 대기 보정(atmospheric correction)을 포함시켰다. 차량은 초당 최대 추진력에 대하여 50ft/sec 의 가속비로 프로그램 하였다. 이에 따라 차량이 지정된 분당 회전수(RPM) 범위에 걸쳐 가속되도록 하였으며, 이 프로그램 동안 초당 20번에서 동력 및 회전력의 플롯을 구하였다.

회전력 기록치를 해석하기 위하여 컴퓨터식 동력 손실 프로그램을 사용하였으며, 일정 가속도에서의 견인력(tractive effort)을 구하였다.

프로그램된 회전수 범위는 마력/회전력 차이에 의해 영향을 받는다.

도 6의 그래프에는 차량의 기어가 2000 RPM 내지 5000 RPM의 회전수 범위에 걸친 3단 및 4단에 있는 상태에서의 시험(배기 펄스 제어 유닛(10) 없이 행해진 시험과 본 발명의 제어 유닛(10)을 구비한 상태에서 행해진 시험) 주행의 동력 및 토크의 플롯이 도시되어 있다. 그래프의 밑면을 따라 표시되어 있는 눈금은 차량의 속도를 시간당 킬로미터(kph) 단위로 표시한 것이며, 그래프의 좌측 수직면을 따라 표시되어 있는 눈금은 동력을 킬로와트(kw) 단위로 표시한 것이고, 그래프의 우측면을 따라 표시되어 있는 눈금은 견인력 또는 토크를 뉴톤(N) 단위로 표시한 것이다.

약 68kph, 3000N에서 시작되어 그래프를 가로질러 거의 수평으로 연장하는 2개의 선은 기어가 2000RPM에서 시작하여 5000RPM에서 종결되는 4단 에 있을 때의 토크의 플롯으로서, 그 쌍을 이룬 플롯 중 상측 플롯은 배기 펄스 제어 유닛(10)을장착한 시험의 플롯인 반면, 하측 플롯은 차량에 배기 펄스 제어 유닛(10)을 장착하지 않은 시험의 플롯이다.

약 54kph, 3700N에서 시작되어 그래프를 가로질러 거의 수평으로 연장하는 2개의 선은 차량의 기어가 3단에 있는 점을 제외하고는 전술한 토크의 플롯과 유사한 플롯이다. 그 2개의 선 중 상측 플롯은 배기 펄스 제어 유닛(10)을 장착한 시험의 플롯인 반면, 하측 플롯은 차량에 배기 펄스 제어 유닛(10)을 장착하지 않은 시험의 플롯이다.

동력 선 또한 2쌍으로 표시되어 있다. 차량의 기어가 3단에 있는 상태에서의 한 쌍의 동력 선은 차량이 약 45kph로 주행하는 상태에서 시작되어 그래프를 가로질러 경사지게 연장하여 차량이 약 124kph로 주행하는 상태에서 종결되고 있다. 이들 2개의 선 중 상측 선은 배기 펄스 제어 유닛(10)을 장착한 시험의 경우의 것이고, 하측 선은 차량에 배기 펄스 제어 유닛(10)을 장착하지 않은 시험의 경우의 것이다.

차량의 기어가 4단에 있는 상태에서 행해진 시험의 경우에도 유사한 동력 플롯 쌍이 존재한다. 이들 2개의 선은 차량이 약 68kph로 주행하는 상태에서 시작되어 그래프를 가로질러 경사지게 연장하여 차량이 약 166kph로 주행하는 상태에서 종결되고 있다. 그 상측 선은 배기 펄스 제어 유닛(10)을 장착한 시험의 경우의 것이고, 하측 선은 차량에 배기 펄스 제어 유닛(10)을 장착하지 않은 시험의 경우의 것이다.

본 발명의 배기 펄스 제어 유닛(10)에 의하면 이러한 유닛이 장착되지 않은차량에 의해 달성되었던 바를 능가하는 후술하는 바와 같은 동력 및 회전력 개선이 달성된다.

마력(horsepower)

- 기어가 3단에 있는 경우 2.8％ 내지 5.4％ 증가

- 기어가 4단에 있는 경우 3.0％ 내지 9.7％ 증가

견인력(토크)[tractive effort(torque)]

- 기어가 3단에 있는 경우 2.6％ 내지 4.6％ 증가

- 기어가 4단에 있는 경우 3.7％ 내지 9.5％ 증가

출력 마력(horsepower output)

- 3.9％ 내지 38.3％ 증가

토크(torque)

- 3％ 내지 13.5％ 증가

최대 성취 마력(highest achieved peak horsepower)- 116.2kw의 베이스 라인 최고 마력을 초과하여 휠에서 125kw와 같은 높이로 보여짐.

아래의 표는 도 6에 도시된 결과를 요약한 것이다.

마력증가(Horsepower increase):

속도 기어가 3단에 있는 경우 기어가 4단에 있는 경우

60kph 5.3％

70kph 5.0％ 8.3％

80kph 5.4％ 9.7％

90kph 2.8％ 6.9％

100kph 3.8％ 6.1％

110kph 3.0％ 4.0％

120kph 3.9％ 4.7％

130kph 4.9％

140kph 4.2％

150kph 3.9％

160kph 4.8％

견인력(Tractive effort increase) 증가:

속도 기어가 3단에 있는 경우 기어가 4단에 있는 경우

60kph 4.6％

70kph 4.6％ 8.3％

80kph 4.5％ 9.5％

90kph 2.6％ 5.6％

100kph 2.7％ 5.9％

110kph 2.7％ 4.4％

120kph 3.6％ 3.7％

130kph 3.9％

140kph 4.0％

150kph 4.0％

160kph 4.6％

도 4와 도 5에 도시된 동력/토크 출력 플롯은 아래의 시험 절차를 채용하여 얻은 것이다.

차량을 완전 컴퓨터식 섀시 동력계 내에 설치하고 15℃로 보정된 찬 공기 유도 및 대기 보정으로 시험 매개변수를 규정하였다.

차량을 설정된 RPM 레벨로 운행하여, 그 특정 RPM을 유지하면서 최대 추진력까지 가속하여 출력 동력을 구하였다. 출력 동력/출력 토크를 기록하였다. 시험은 2000 RPM, 3000 RPM, 4000 RPM, 및 5000 RPM에서 행하였다.

도 4와 도 5에 도시된 플롯은 그 결과를 나타낸 것이다. 용어 "베이스 라인(base line)"은 본 발명의 배기 펄스 제어 유닛(10)이 장착되지 않은 엔진에 관한 것이고, 레전드(legend) "이피유 더블유/스톡 리어 시스템(EPU w/stock rear system)"은 본 발명의 배기 펄스 제어 유닛(10)이 장착되어 있는 엔진에 관한 것이다.

아래에는 도 4와 도 5에 도시된 플롯이 요약되어 있다.

평균 증가 개선점

출력 마력(horsepower output)

＠2000 RPM 3.9％

＠3000 RPM 23.5％

＠4000 RPM 38.3％

＠5000 RPM 11.3％

토크(torque)

＠2000 RPM 3.0％

＠3000 RPM 7.3％

＠4000 RPM 6.1％

＠5000 RPM 13.5％

동력 및 토크와 관련한 개선 외에도, 본 발명의 제어 유닛은 엔진의 보다 효율적인 작동과, 해로운 배기 가스 방출물의 감소를 야기한다.

Claims (10)

1. 엔진에서의 배기 매니폴드 진공도를 증가시키기 위한 배기 펄스 제어 유닛으로서, 유입부와, 상기 유입부에 인접한 배기 펄스 포획 및 팽창 지대와, 상기 포획 및 팽창 지대가 그 일단에 인접하는 중간 억제 지대, 상기 중간 지대의 타단에 인접하는 유출부, 그리고 상기 중간 지대와 상기 유출부 사이의 합병 지대를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 펄스 제어 유닛.
2. 제1항에 있어서, 상기 중간 지대는 그 전체 길이에 걸쳐 단면적이 일정한 것을 특징으로 하는 배기 펄스 제어 유닛.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유입부와 유출부는 각기 유입 튜브와 유출 튜브인 것을 특징으로 하는 배기 펄스 제어 유닛.
4. 제3항에 있어서, 상기 유출 튜브의 직경이 상기 유입 튜브의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 배기 펄스 제어 유닛.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 포획 및 팽창 지대는 비교적 급속한 배기 가스 체적 증가를 제공하는 제1 단을 포함한 2개의 단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 배기 펄스 제어 유닛.
6. 제5항에 있어서, 상기 제1 단은 배기 펄스 제어 유닛을 관통하는 횡축선에 대해 각도를 이루며, 그 각도는 제2 단에 의해 형성되는 각도보다 작은 것을 특징으로 하는 배기 펄스 제어 유닛.
7. 제6항에 있어서, 상기 제1 단은 상기 횡축선에 대해 40°내지 50°의 각도를 형성하며, 상기 제2 단은 상기 횡축선에 대해 60°내지 80°의 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는 배기 펄스 제어 유닛.
8. 제7항에 있어서, 상기 제1 단은 상기 횡축선에 대해 45°의 각도를 형성하며, 상기 제2 단은 상기 횡축선에 대해 60°의 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는 배기 펄스 제어 유닛.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합병 지대는 상기 유출부를 관통하는 횡축선에 대해 40°내지 50°의 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는 배기 펄스 제어 유닛.
10. 제9항에 있어서, 상기 합병 지대는 상기 유출부를 관통하는 횡축선에 대해 45°의 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는 배기 펄스 제어 유닛.