KR20050070395A - Intake air control system using vortex tube - Google Patents
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Abstract
본 발명은 엔진의 흡기 매니폴드 측으로 유입되는 흡입공기의 온도가 조절되어 엔진의 출력이 향상될 수 있도록 하기 위한 와류관을 이용한 엔진의 흡기온도 조절장치에 관한 것으로,The present invention relates to an intake air temperature control device of an engine using a vortex tube to improve the output of the engine by adjusting the temperature of the intake air flowing into the intake manifold side of the engine,
에어 콤프레서와;An air compressor;
상기 에어 콤프레서에서 압축된 공기를 저장하기 위한 에어 탱크와;An air tank for storing compressed air in the air compressor;
상기한 에어 탱크에서 입력된 압축공기가 온기와 냉기로 열분리될 수 있도록 보텍스 튜브의 내부에 나선형의 스크롤이 형성된 와류관과;A vortex tube having a spiral scroll formed inside the vortex tube so that the compressed air inputted from the air tank can be thermally separated into hot and cold air;
상기 에어 탱크와 와류관의 공기유입구를 연결하는 압축공기 라인과;A compressed air line connecting the air tank and the air inlet of the vortex pipe;
상기 와류관과 인터쿨러의 후방의 흡기라인을 연결하는 콜드 에어 라인과;A cold air line connecting the vortex tube and the intake line behind the intercooler;
상기한 압축공기 라인과 콜드 에어 라인의 도중에 유체의 흐름을 제어하기 위해 각각 형성되는 제1 밸브 및 제2 밸브와;First and second valves respectively formed to control the flow of fluid in the middle of the compressed air line and the cold air line;
흡기 매니폴드로 입력되는 흡입공기의 온도에 따라서 상기 제1 밸브 및 제2 밸브의 개폐를 제어하기 위한 제어부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.A control unit for controlling opening and closing of the first valve and the second valve according to the temperature of the intake air input to the intake manifold; Characterized in that comprises a.
Description
본 발명은 와류관을 이용한 엔진의 흡기온도 조절장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엔진의 흡기 매니폴드 측으로 유입되는 흡입공기의 온도가 조절되어 엔진의 출력이 향상될 수 있도록 하기 위한 와류관을 이용한 엔진의 흡기온도 조절장치에 관한 것이다.The present invention relates to an intake temperature control apparatus of an engine using a vortex tube, and more particularly, using a vortex tube to improve the output of the engine by adjusting the temperature of the intake air flowing into the intake manifold side of the engine. It relates to an intake temperature control device of an engine.
일반적인 디젤 엔진에는 배기 매니폴드에서 배출되는 배기가스의 배출압력을 이용하여 터빈을 회전시키고, 상기 터빈과 동축으로 형성된 콤프레서에 의해서 흡입공기가 가압되도록 하는 터보차저가 장착된다.A general diesel engine is equipped with a turbocharger that rotates a turbine using the discharge pressure of the exhaust gas discharged from the exhaust manifold and pressurizes the intake air by a compressor coaxially formed with the turbine.
상기한 터보차저에서 가압된 후 엔진의 흡기 매니폴드로 유입되는 공기는 콤프레서의 압력에 의해서 압력 및 온도가 상승되는데, 이렇게 온도 및 압력이 상승된 상태의 흡입공기가 엔진의 연소실로 그대로 유입될 경우에는 흡입공기와 연료의 충진효율이 불량하게 되므로서 흡기온도를 낮추기 위한 장치가 필요하게 된다.After being pressurized by the turbocharger, the air flowing into the intake manifold of the engine is increased in pressure and temperature by the pressure of the compressor. When the intake air at the elevated temperature and pressure is introduced into the combustion chamber of the engine as it is, Since the filling efficiency of the intake air and fuel is poor, there is a need for a device for lowering the intake temperature.
터보차저가 장착된 종래의 일반적인 디젤 엔진 차량에서는, 도 3에 도시되는 바와 같이 엔진(10)의 흡기 매니폴드(11)와 터보차저(13)를 연결하는 흡기 라인(14)의 도중에 인터쿨러(15)가 형성된다.In a conventional general diesel engine vehicle equipped with a turbocharger, as illustrated in FIG. 3, an intercooler 15 is formed in the middle of an intake line 14 connecting the intake manifold 11 of the engine 10 and the turbocharger 13. ) Is formed.
한편, 인터쿨러(15)의 전방측으로 대기 및 주행풍의 유입이 원활이 이루어질 수 있도록 하기 위해서 인터쿨러는 주로 엔진룸의 상부에 위치되고 별도의 에어 가이드가 형성된다. 또한, 인터쿨러는 차량의 외부에서 장착이 식별되지 않도록 차량의 휀더 내측에 장착되거나, 라디에이터 하부에 에어 댐 타입으로 설치되기도 한다.On the other hand, the intercooler is mainly located in the upper portion of the engine room and a separate air guide is formed so that the inflow of the atmosphere and the running wind to the front side of the intercooler 15 can be made smoothly. In addition, the intercooler may be mounted inside the fender of the vehicle so that the mounting is not identified from the outside of the vehicle, or may be installed as an air dam type under the radiator.
상기와 같이 터보타저 및 인터쿨러가 장착된 흡기 시스템에서는 엔진이 구동되어 배기 매니폴드(12) 측으로 배기가스가 배출되면, 상기 배기 매니폴드(12)를 통과한 배기가스의 압력에 의해서 터빈 및 콤프레서가 회전되어 흡입공기를 가압하게 된다. 이 과정에서 온도가 상승된 흡입공기는 상기한 인터쿨러(15)를 통과하면서 냉각된 후에 흡기 매니폴드(11)를 통하여 연소실로 유입된다. 이렇게 냉각된 공기에 의하여 체적효율이 증대되며, 이로 인하여 엔진의 제동평균유효압력(BMEP)의 증가를 가져오게 되어 결과적으로 엔진의 토오크가 증대된다.In the intake system equipped with the turbozer and the intercooler as described above, when the engine is driven and the exhaust gas is discharged to the exhaust manifold 12 side, the turbine and the compressor are driven by the pressure of the exhaust gas passing through the exhaust manifold 12. It rotates to pressurize the intake air. In this process, the intake air whose temperature is raised is cooled while passing through the intercooler 15 and then flows into the combustion chamber through the intake manifold 11. The cooled air increases the volumetric efficiency, thereby increasing the engine braking mean effective pressure (BMEP), resulting in an increase in the torque of the engine.
그런데 인터쿨러를 사용하여 흡입공기를 냉각시키는 경우에 대하여, 각각의 적용효과는 인터쿨러의 장착위치, 통기 저항, 방열 면적의 차이 등에 의하여 다르게 나타난다. 즉, 장착위치는 최대한 외부의 차가운 공기에 노출되어 있어야 하며, 주위로 공기의 흐름을 방해하는 요소가 없어야 하며, 인터쿨러의 방열면적을 최대한으로 증가시켜 효율을 증대시키는 것이 필요하게 된다.However, with respect to the case of using the intercooler to cool the intake air, the respective application effects are different depending on the mounting position of the intercooler, the ventilation resistance, the difference in heat dissipation area, and the like. In other words, the mounting position should be exposed to the outside cold air as much as possible, there should be no elements that hinder the flow of air to the surroundings, and it is necessary to increase the heat dissipation area of the intercooler to the maximum to increase the efficiency.
그런데 실제 차량에 적용하는 경우에는 좁은 공간에 패키징하는 문제가 있어서 원하는 수준의 인터쿨러 효율을 달성하는 것이 매우 어렵게 되는 문제점이 있었다. 예를 들어, 디젤 엔진의 경우에는 상기한 인터쿨러의 효율이 저하되면 엔진 회전력이 감소하여 매연의 배출이 급격히 증가하게 된다. 따라서 디젤 엔진이 탑재된 차량에서 엔진의 성능향상이 최대한으로 유지되도록 하기 위해서는 인터쿨러의 효율 향상이 매우 중요한 것이다. 한편, 차량이 저속으로 주행되는 경우에는 인터쿨러의 장착위치가 좋다 하더라도 효율저하를 피할 수 없게 되는 치명적인 한계를 가지게 된다. 즉, 여름철에 디젤 차량을 저속으로 주행하는 경우에 외기온도가 높고 인터쿨러의 효율이 극적으로 저하되어 매연의 배출이 상상히 심각한 수준에 이르게 된다.However, when applied to a real vehicle, there is a problem of packaging in a narrow space, there is a problem that it is very difficult to achieve the desired level of intercooler efficiency. For example, in the case of a diesel engine, when the efficiency of the intercooler is lowered, the engine rotational force decreases, and the emission of smoke increases rapidly. Therefore, it is very important to improve the efficiency of the intercooler in order to maintain the maximum performance of the engine in a diesel engine-mounted vehicle. On the other hand, when the vehicle is traveling at a low speed, even if the mounting position of the intercooler is good, there is a fatal limitation that the efficiency decrease cannot be avoided. In other words, when driving a diesel vehicle at a low speed in the summer, the outside air temperature is high and the efficiency of the intercooler is dramatically reduced, so that the emission of soot reaches an extremely serious level.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 엔진의 흡기 매니폴드 측으로 유입되는 흡입공기의 온도가 조절되어 엔진의 출력이 향상될 수 있도록 하기 위한 와류관을 이용한 엔진의 흡기온도 조절장치를 제공하는 데 목적이 있다.Therefore, the present invention has been made to solve the above problems, the intake temperature control of the engine using the vortex tube to improve the output of the engine by adjusting the temperature of the intake air flowing into the intake manifold side of the engine The purpose is to provide a device.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 수단으로서,The present invention as a means for achieving the above object,
터보차저에서 가압된 흡입공기의 온도를 낮추기 위한 인터쿨러가 엔진 흡기계의 전방에 장착되는 엔진의 흡입공기 냉각장치에 있어서,In the intake air cooler of the engine is provided with an intercooler for lowering the temperature of the intake air pressurized by the turbocharger in front of the engine intake machine,
에어 콤프레서와;An air compressor;
상기 에어 콤프레서에서 압축된 공기를 저장하기 위한 에어 탱크와;An air tank for storing compressed air in the air compressor;
상기한 에어 탱크에서 입력된 압축공기가 온기와 냉기로 열분리될 수 있도록 보텍스 튜브의 내부에 나선형의 스크롤이 형성된 와류관과;A vortex tube having a spiral scroll formed inside the vortex tube so that the compressed air inputted from the air tank can be thermally separated into hot and cold air;
상기 에어 탱크와 와류관의 공기유입구를 연결하는 압축공기 라인과;A compressed air line connecting the air tank and the air inlet of the vortex pipe;
상기 와류관과 인터쿨러의 후방의 흡기라인을 연결하는 콜드 에어 라인과;A cold air line connecting the vortex tube and the intake line behind the intercooler;
상기한 압축공기 라인과 콜드 에어 라인의 도중에 유체의 흐름을 제어하기 위해 각각 형성되는 제1 밸브 및 제2 밸브와;First and second valves respectively formed to control the flow of fluid in the middle of the compressed air line and the cold air line;
흡기 매니폴드로 입력되는 흡입공기의 온도에 따라서 상기 제1 밸브 및 제2 밸브의 개폐를 제어하기 위한 제어부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.A control unit for controlling opening and closing of the first valve and the second valve according to the temperature of the intake air input to the intake manifold; Characterized in that comprises a.
이하, 본 발명에 의해 형성된 흡입공기 냉각장치의 구성 및 작동에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면과 함께 상세하게 설명한다.Hereinafter, a preferred embodiment according to the configuration and operation of the intake air cooling device formed by the present invention will be described in detail with the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 의해 형성된 흡입공기 냉각장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 흡입공기 냉각장치에 적용되는 와류관의 단면도이다.1 is a configuration diagram of an intake air cooling device formed by the present invention, Figure 2 is a cross-sectional view of the vortex tube applied to the intake air cooling device of the present invention.
도면 중에 표시되는 도면부호 20은 본 발명이 적용되는 엔진을 지시하는 것이고, 도면부호 40은 본 발명에 의한 와류관을 지시하는 것이다.Reference numeral 20 shown in the drawing indicates an engine to which the present invention is applied, and reference numeral 40 indicates an vortex tube according to the present invention.
상기한 엔진(20)의 크랭크 샤프트(21)의 일측에는 벨트 및 체인을 통해서 상기 크랭크 샤프트의 구동력이 전달받아 구동되는 에어 콤프레서(22)가 장착된다. 에어 콤프레서(22)의 작동에 의해서 얻어진 공압이 저장될 수 있도록 에어 탱크(23)가 마련된다.One side of the crankshaft 21 of the engine 20 is equipped with an air compressor 22 which is driven by the driving force of the crankshaft through the belt and chain. The air tank 23 is provided so that the pneumatic pressure obtained by the operation of the air compressor 22 can be stored.
한편, 본 발명에 의한 흡입공기 냉각장치의 요부가 되는 와류관(40)이 엔진 룸의 일측에 장착된다. 상기한 에어 탱크(23)와 와류관(40)의 압축공기 유입구(42) 간에는 압축공기 라인(31)이 배관되고, 상기 와류관(40)의 냉기 출구(43)와 흡기 매니폴드로 이어지는 흡기 라인(24)의 도중 사이에는 콜드 에어 라인(32)이 배관된다.On the other hand, the vortex tube 40 which is an essential part of the intake air cooling apparatus according to the present invention is mounted on one side of the engine room. The compressed air line 31 is piped between the air tank 23 and the compressed air inlet 42 of the vortex tube 40, and the intake air leading to the cold air outlet 43 of the vortex tube 40 and the intake manifold is provided. The cold air line 32 is piped in the middle of the line 24.
상기한 와류관(40)은 보텍스 튜브(41)의 내부에 나선형상의 스크롤(45)이 수용된 것으로, 보텍스 튜브(41)의 일측에 마련된 압축공기 유입구(42)를 통해 압축공기가 유입되면 상기 스크롤(45)의 내외측으로 압축공기의 냉기성분과 온기성분이 분리되고, 냉기와 온기로 분리된 공기는 상기 보텍스 튜브(41)의 양측에 마련된 냉기 출구(43)와 온기 출구(44)로 구분되어 흐를 수 있도록 구성되는 것이다.The vortex tube 40 is a spiral scroll 45 is accommodated in the vortex tube 41, the compressed air flows through the compressed air inlet 42 provided on one side of the vortex tube 41, the scroll Cold air components and warm air components of the compressed air are separated into the inside and the outside of the 45, and the air separated from the cold and warm air is divided into cold air outlets 43 and warm air outlets 44 provided on both sides of the vortex tube 41. It is configured to flow.
보텍스 튜브를 이용한 열분리현상의 원리 중의 한 예는 난기류 작용에 의한 것으로, 보텍스 튜브로 유입된 공기는 강한 선회기류를 형성하고 외주 부근은 압력이 높고 선회기류 중심은 낮은 압력이 되어 교축이 일어나게 된다. 이 때, 압축공기의 일부가 선회기류의 중심을 통과하면서 열량을 잃고 냉각되며, 보텍스 튜브의 바깥쪽 흐름과 내측 흐름의 회전수는 동일하나 운동속도는 내부보다 바깥쪽 속도가 높게 된다. 이 과정에서 운동에너지의 차이가 열로 변환되므로서 바깥측의 공기 온도가 상승되고 내측의 공기온도는 하강하게 되는 것이다.One of the principles of thermal separation using vortex tubes is caused by turbulent action. The air flowing into the vortex tube forms a strong swirling airflow, the pressure around the outer periphery is high, and the center of the swirling airflow is low. . At this time, a part of the compressed air is lost while cooling the heat passing through the center of the swirling air, the rotational speed of the outer flow and the inner flow of the vortex tube is the same, but the movement speed is higher than the inner speed. In this process, the difference in kinetic energy is converted into heat, so that the outside air temperature rises and the inside air temperature falls.
한편, 상기한 압축공기 라인(31)과 콜드 에어 라인(32)의 도중에는 흡기 매니폴드로 유입되는 흡기온에 따라서 제어부(50)의 제어에 의해 개폐동작되는 제1 밸브(51) 및 제2 밸브(52)가 장착된다. 이를 위해 상기한 흡기 매니폴드의 전방 일측에는 흡기온 센서(53)가 장착되고, 상기 흡기온 센서(53)에서 측정된 값의 신호는 상기 제어부(50)로 전달될 수 있도록 구성된다.Meanwhile, in the middle of the compressed air line 31 and the cold air line 32, the first valve 51 and the second valve which are opened and closed by the control of the controller 50 according to the intake air temperature flowing into the intake manifold. 52 is mounted. To this end, an intake air temperature sensor 53 is mounted at one front side of the intake air manifold, and the signal of the value measured by the intake air temperature sensor 53 is configured to be transmitted to the controller 50.
흡기 라인(24)의 도중에는 인터쿨러(25)와 에어 클러너(26)가 장착되는데, 상기 콜드 에어 라인(32)의 일단은 상기 인터쿨러(25)와 에어 클리너(26)의 사이에 연결되는 것이 바람직하다.An intercooler 25 and an air cleaner 26 are mounted in the middle of the intake line 24, and one end of the cold air line 32 is preferably connected between the intercooler 25 and the air cleaner 26. Do.
그리고 압축공기 라인(31)의 도중에는 와류관(40)으로 향하는 공기 중에 포함된 이물질 및 물성분을 제거하기 위한 에어 필터(27)와 수분 분리기(28)가 장착된다. 에어 필터(27) 및 수분 분리기(28)는 일반적인 공기장치에 사용되고 있는 여러 형태의 것들 중에서 선택하여 사용된다.In the middle of the compressed air line 31, an air filter 27 and a water separator 28 are installed to remove foreign substances and water contained in the air directed to the vortex tube 40. The air filter 27 and the water separator 28 are selected from among various types used in a general air device.
이상과 같이 구성된 흡기온도 조절장치의 작동을 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the intake air temperature control device configured as described above are as follows.
엔진(20)이 시동되면 상기한 에어 콤프레서(22)가 작동되면서 에어 탱크(23)에는 공압이 형성된다.When the engine 20 is started, the air compressor 22 is operated and pneumatic pressure is formed in the air tank 23.
그리고 상기한 흡기 매니폴드의 전방에 마련된 흡기온 센서(53)에서 흡기 매니폴드로 입력되는 흡입공기의 온도가 측정된다.Then, the temperature of the intake air input to the intake manifold is measured by the intake air temperature sensor 53 provided in front of the intake manifold.
이렇게 측정된 흡입공기의 온도가 제어부(50)에 설정된 온도보다 이상으로 측정되면 상기 제어부(50)에서는 제1 밸브(51) 및 제2 밸브(52)를 개방작동시키게 된다.When the temperature of the intake air thus measured is measured to be higher than the temperature set in the controller 50, the controller 50 opens the first valve 51 and the second valve 52.
제1 밸브(51)가 개방작동되어 에어 탱크(23)의 압축공기가 압축공기 라인(31)을 통하여 상기한 와류관(40)으로 입력된다.The first valve 51 is opened and the compressed air of the air tank 23 is input to the vortex tube 40 through the compressed air line 31.
와류관(40)의 압축공기 유입구(42)를 통하여 보텍스 튜브(41)로 입력된 공기는 난류를 일으키면서 스크롤(45)을 통과하는 과정에서 상기 스크롤(45)의 내외측으로 열분리된다. 스크롤(45)을 통과하면서 분리된 냉기 성분과 온기 성분은 상기 보텍스 튜브(41)의 양측에 마련된 냉기 출구(43)와 온기 출구(44)를 통과하게 된다.The air input into the vortex tube 41 through the compressed air inlet 42 of the vortex tube 40 is thermally separated into the inside and the outside of the scroll 45 in the course of passing through the scroll 45 while causing turbulence. The cold air component and the warm air component separated while passing through the scroll 45 pass through the cold air outlet 43 and the warm air outlet 44 provided on both sides of the vortex tube 41.
특히, 냉기 출구(43)를 통과하는 냉기는 콜드 에어 라인(32)에 마련된 제2 밸브(52)가 개방된 경우에 흡기 라인(24)으로 유입되므로서 인터쿨러(25)를 통과한 공기와 혼합되면서 전체적인 흡입공기의 온도를 낮추게 된다.In particular, the cold air passing through the cold air outlet 43 is introduced into the intake line 24 when the second valve 52 provided in the cold air line 32 is opened and mixed with the air passing through the intercooler 25. This lowers the temperature of the entire intake air.
한편, 상기한 흡기온 센서(53)에서 측정되는 공기온도가 제어부(50)에 설정된 온도 이하인 것으로 측정되면, 상기한 제어부(50)에서는 제1 밸브(51) 및 제2 밸브(52)가 닫히도록 제어하게 된다.On the other hand, when the air temperature measured by the intake air temperature sensor 53 is measured to be equal to or lower than the temperature set in the controller 50, the controller 50 closes the first valve 51 and the second valve 52. Will be controlled.
따라서 에어 콤프레서(22)에서 생성되는 공기압은 에어 탱크(23)에 저장되고, 상기한 에어 탱크(23) 내부에 압력이 적정수준 이상이 되면 에어 콤프레서(22)의 작동은 멈추게 된다.Therefore, the air pressure generated by the air compressor 22 is stored in the air tank 23, the operation of the air compressor 22 is stopped when the pressure inside the air tank 23 is above the appropriate level.
이상과 같이 구성되는 본 발명에 의하면, 인터쿨러를 통과하면서 흡입공기의 온도가 낮추어지기는 했으나 적정수준에 못미치게 냉각되었을 경우에, 압축공기 중에 냉기성분을 분리하여 흡기 라인으로 유도하여 인터쿨러를 통과한 흡입공기와 혼합되도록 하므로서, 흡기 매니폴드로 입력되는 흡입공기의 전체적인 온도가 낮추어지게 되어 엔진 연소실의 충진효율이 향상되는 커다란 장점이 있는 것이다.According to the present invention constituted as described above, when the temperature of the intake air is lowered while passing through the intercooler, but cooled down to an appropriate level, the cold air is separated from the compressed air and guided to the intake line to pass through the intercooler. By mixing the intake air, the overall temperature of the intake air input to the intake manifold is lowered, so that the filling efficiency of the engine combustion chamber is improved.
도 1은 본 발명에 의해 형성된 흡입공기 냉각장치의 구성도.1 is a block diagram of an intake air cooling device formed by the present invention.
도 2는 본 발명의 흡입공기 냉각장치에 적용되는 와류관의 단면도.2 is a cross-sectional view of the vortex tube applied to the intake air cooling apparatus of the present invention.
도 3은 종래의 기술을 설명하기 위한 도면.3 is a view for explaining a conventional technology.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of code for main part of drawing
20 : 엔진 22 : 에어 콤프레서20: engine 22: air compressor
23 : 에어 탱크 24 : 흡기 라인23: air tank 24: intake line
25 : 인터쿨러 26 : 에어 클리너25: intercooler 26: air cleaner
27 : 에어 필터 28 : 수분 분리기27: air filter 28: water separator
31 : 압축공기 라인 32 : 콜드 에어 라인31: compressed air line 32: cold air line
40 : 와류관 41 : 보텍스 튜브40: vortex tube 41: vortex tube
42 : 압축공기 유입구 43 : 냉기 출구42: compressed air inlet 43: cold air outlet
44 : 온기 출구 50 : 제어부44: warmth outlet 50: control unit
51 : 제1 밸브 52 : 제2 밸브51: first valve 52: second valve
53 : 흡기온 센서53: Intake air temperature sensor
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| KR (1) | KR20050070395A (en) |
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2003
- 2003-12-30 KR KR1020030099870A patent/KR20050070395A/en not_active Application Discontinuation
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