KR20120111327A - 2 스테이지 터보차져 냉각장치 - Google Patents

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강수영
김성수
하선일
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(주)계양정밀
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Abstract

본 발명은 엔진(100)의 흡기부(114)에 흡기관(150)을 통하여 연결된 고압 컴프레서(240)와, 상기 고압 컴프레서(240)에 컴프레서배관(610)을 통하여 연결된 저압 컴프레서(340)와, 상기 컴프레서배관(610) 둘레를 감싸도록 형성된 냉각하우징(710) 및 상기 냉각하우징(710)의 내부에 냉각수를 분사하는 워터 제트(Water Jacket)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 2 스테이지 터보차져 냉각장치에 관한 것이다.
본 발명에 의하면 2 스테이지 터보차져의 저압 컴프레서 하우징을 통과하는 고온의 공기를 냉각시켜 블로바이 가스가 저압 컴프레서 하우징 내에서 흡착 및 퇴적되는 것을 감소시키고, 이에 의해 2 스테이지 터보차져의 효율저하를 방지하고 제 1 인터쿨러를 저용량화하는 효과가 발생된다.

Description

2 스테이지 터보차져 냉각장치{2 Stage Turbocharger Cooling Device}
본 발명은 2 스테이지 터보차져 냉각장치에 관한 것이다.
일반적으로 엔진의 배기량을 크게 하면 엔진의 출력도 커지나, 배기량이 작은 소형 엔진이나 동일한 배기량의 엔진이라도 많은 양의 공기가 실린더에 흡기되면 출력이 향상된다.
이와같이 실린더에 대한 흡기량을 늘려 엔진의 출력을 높이는 것을 과급이라 하며, 자동차에서 실린더의 흡기량을 늘리는 과급을 행하여 엔진의 출력을 높여주는 장치가 터보차져(Turbo Charger)이다.
최근에는 터보차져의 기능을 극대화시키기 위해서 고압의 터보차져와 저압의 터보차져로 이루어진 2 스테이지(2-Stage) 터보차져가 사용된다.
도 1은 일반적인 2 스테이지 터보차져가 장착된 엔진시스템의 개략도이다.
종래의 2 스테이지 터보차져가 장착된 엔진시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 엔진(10)과, 고압 터보차져(20) 및 저압 터보차져(30)를 포함하여 형성된다.
상기 엔진(10)의 배기부(11)에 형성된 배기관(12)은 고압 터보차져(20)의 고압 터빈(22) 일측과 연결되고, 상기 고압 터빈(22)의 타측은 터빈배관(62)을 통하여 저압 터보차져(30)의 저압 터빈(32)의 일측과 연결된다.
그리고 상기 저압 터보차져(30)에는 저압 터빈(32)의 회전축(33)에 연동되는 저압 컴프레서(34)가 형성된다.
또한, 상기 저압 터빈(32)의 타측에는 배출배관(35)이 연결되어 저압 터빈(32)을 통과한 배기가스가 배출배관(35)을 통하여 배출되고, 저압 컴프레서(34)의 일측에는 흡입배관(36)이 연결되어 외부의 공기는 상기 흡입배관(36)을 통하여 저압 컴프레서(34)로 인입되어 압축된다.
그리고 상기 고압 터보차져(20)에는 고압 터빈(22)의 회전축(23)에 연동되며 상기 저압 컴프레서(34)의 타측과 컴프레서배관(61)을 통하여 연결된 고압 컴프레서(24)가 형성되고 상기 고압 컴프레서(24)는 엔진(10)의 흡기부(14)에 흡기관(15)을 통하여 연결된다.
상기 저압 컴프레서(34)와 고압 컴프레서(24) 사이의 컴프레서배관(61)에는 제 1 인터쿨러(72)가 형성되어 저압 컴프레서(34)에서 고압 컴프레서(24)로 유입되는 고온 고압의 공기를 냉각시키고, 고압 컴프레서(24)와 엔진(10)의 흡기부(14) 사이의 흡기관(15)에는 제 2 인터쿨러(74)가 형성되어 고압 컴프레서(24)에서 엔진(10)의 흡기부(14)로 유입되는 고온 고압의 공기를 냉각시킨다.
또한, 상기 컴프레서배관(61)과 흡기관(15) 사이에는 컴프레서바이패스밸브(82)가 형성되고, 상기 배기관(12)과 터빈배관(62) 사이에는 터빈바이패스밸브(84)가 형성되며, 상기 터빈배관(62)과 배출배관(35) 사이에는 웨이스트게이트밸브(86)가 형성된다.
한편, 엔진(10)에서 연소된 배기가스 중 일부가 다시 순환되어 상기 흡입배관(36)으로 이동되는데, 이러한 가스를 블로바이 가스라 하고, 상기 블로바이 가스는 엔진(10)으로 유입되어 연소된다.
이렇게 연소된 배기가스의 일부를 다시 재순환하는 과정을 이지알(EGR: Exhaust gas recirculation) 시스템이라 하고 연소된 배기가스의 일부를 혼합기에 섞어서 혼합기 속의 산소량을 줄이고 간접적으로 연소를 방해하여 NOx 발생을 억제하는 시스템이다.
상기와 같은 종래의 2 스테이지 터보 차져를 포함하는 엔진 시스템은 컴프레서 배관에 형성된 제 1 인터쿨러가 차지하는 공간에 의하여 엔진룸 내부의 공간활용도가 저하될 수 밖에 없고, 고온의 공기에 포함된 엔진의 블로바이 가스는 고온상태에서 저압의 컴프레서 하우징에 흡착되어 터보차져의 효율을 저하시키는 요인으로 작용하는 문제가 발생된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 2 스테이지 터보차져의 고온 압축공기를 제 1 인터쿨러 전단에서 1차 냉각하여 블로바이 가스가 저압 컴프레서 하우징 내에서 흡착되는 것을 감소시키는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 제 1 인터쿨러로 유입되는 공기의 온도를 감소시켜 저용량의 제 1 인터쿨러를 사용 가능하게 함으로써 원가 절감할 수 있는 2 스테이지 터보차져의 냉각장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 엔진(100)의 흡기부(114)에 흡기관(150)을 통하여 연결된 고압 컴프레서(240)와,
상기 고압 컴프레서(240)에 컴프레서배관(610)을 통하여 연결된 저압 컴프레서(340)와,
상기 컴프레서배관(610) 둘레를 감싸도록 형성된 냉각하우징(710) 및
상기 냉각하우징(710)의 내부에 냉각수를 분사하는 워터 제트(Water Jacket)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 2 스테이지 터보차져 냉각장치를 제공한다.
그리고 상기 냉각하우징(710)에는 상기 컴프레서배관(610)의 하방에 형성되며 워터 제트의 노즐(720)이 장착되는 유입공(730)과 상기 컴프레서배관(610)의 상방에 형성되며 상기 유입공(730)에서 노즐(720)을 통해 발사된 냉각수가 배출되는 유출공(740)이 포함된다.
상기 컴프레서배관(610)의 둘레에 냉각수 배관(800)을 코일 형태로 형성하고, 상기 저압 컴프레서(340) 하우징(342) 중 임펠러(341)와 인접한 최외각 외주면에 냉각수 진행 경로를 형성하는 유동통로(430)를 더 형성한다.
또한, 본 발명은 2 스테이지 터보차져의 고압 컴프레서(240)에 컴프레서배관(610)을 통하여 연결된 저압 컴프레서(340) 하우징(420) 중 임펠러(341)와 인접한 최외각 외주면에 냉각수 진행 경로를 형성하는 유동통로(430)를 형성하되,
상기 유동통로(430)는 하우징(420)에서 유동되는 기류의 경로 변화를 발생시키지 않도록 컴프레서(400) 하우징(420)의 외측벽에 형성되는 것을 특징으로 하는 2 스테이지 터보차져 냉각장치도 제공한다.
본 발명에 의하면 2 스테이지 터보차져의 저압 컴프레서 하우징을 통과하는 고온의 공기를 냉각시켜 블로바이 가스가 저압 컴프레서 하우징 내에서 흡착 및 퇴적되는 것을 감소시키고, 이에 의해 2 스테이지 터보차져의 효율저하를 방지하고 제 1 인터쿨러를 저용량화하는 효과가 발생된다.
도 1은 일반적인 2 스테이지 터보차져가 장착된 엔진시스템의 개략도.
도 2는 본 발명인 2 스테이지 터보차져 냉각 장치가 저압 컴프레서 하우징에 장착된 엔진시스템을 나타내는 개략도.
도 3은 도 2의 A-A부분을 나타내는 단면도.
도 4는 도 2의 B-B부분을 나타내는 단면도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 2 스테이지 터보차져 냉각장치에 관한 것으로, 2 스테이지 터보차져 중 저압 컴프레서 하우징을 통과하는 고온의 압축공기를 냉각하는 장치를 저압 컴프레서 하우징 자체에 형성하거나 저압 컴프레서 하우징에 인접한 연결배관에 워터 재켓(Water Jacket) 방식으로 장착 또는 연결배관에 코일형태로 냉각수관을 설치하는 것이다.
도 2는 본 발명인 2 스테이지 터보차져 냉각 장치가 저압 컴프레서 하우징에 장착된 엔진시스템을 나타내는 개략도이고, 도 3은 도 2의 A-A부분을 나타내는 단면도이며, 도 4는 도 2의 B-B부분을 나타내는 단면도이다.
도 2와 같이 본 발명인 2 스테이지 터보차져 냉각 장치가 장착된 엔진 시스템은 엔진(100)과, 고압 터보차져(200) 및 저압 터보차져(300)를 포함하여 형성된다.
상기 엔진(100)과 고압 터보차져(200) 사이의 연결관계를 설명하면, 엔진(100)의 배기부(110)에 형성된 배기관(120)은 고압 터보차져(200)의 고압 터빈(220) 일측과 연결되고, 상기 고압 터빈(220)의 타측은 터빈배관(620)을 통하여 저압 터보차져(300)의 저압 터빈(320)의 일측과 연결된다.
그리고 상기 저압 터보차져(300)에는 저압 터빈(320)의 회전축(330)에 연동되는 저압 컴프레서(340)가 형성된다.
또한, 상기 저압 터빈(320)의 타측에는 배출배관(350)이 연결되어 저압 터빈(320)을 통과한 배기가스가 배출배관(350)을 통하여 배출되고, 저압 컴프레서(340)의 일측에는 흡입배관(360)이 연결되어 외부의 공기는 상기 흡입배관(360)을 통하여 저압 컴프레서(340)로 인입되어 압축된다.
그리고 상기 고압 터보차져(200)에는 고압 터빈(220)의 회전축(230)에 연동되며 상기 저압 컴프레서(340)의 타측과 컴프레서배관(610)을 통하여 연결된 고압 컴프레서(240)가 형성되고 상기 고압 컴프레서(240)는 엔진(100)의 흡기부(114)에 흡기관(150)을 통하여 연결된다.
상기 저압 컴프레서(340)와 고압 컴프레서(240) 사이의 컴프레서배관(610)에는 제 1 인터쿨러(172)가 형성되어 저압 컴프레서(340)에서 고압 컴프레서(240)로 유입되는 고온 고압의 공기를 냉각시키고, 고압 컴프레서(240)와 엔진(100)의 흡기부(114) 사이의 흡기관(150)에는 제 2 인터쿨러(174)가 형성되어 고압 컴프레서(240)에서 엔진(100)의 흡기부(114)로 유입되는 고온 고압의 공기를 냉각시킨다.
본 발명의 가장 큰 특징은 저압 컴프레서(340) 하우징(342)에 냉각구조를 형성하여 상기 제 1 인터쿨러(172)가 형성되지 않거나 제 1 인터쿨러(172)의 크기가 작게 형성되는 것이고, 저압 컴프레서(340) 하우징(342)에 냉각구조를 설명하면 다음과 같다.
첫째, 저압 컴프레서(340) 하우징(342) 자체에 냉각수 진행 경로를 형성하는 유동통로(430)를 형성하는 것이다.
상기 유동통로(430)는 저압 컴프레서(340) 하우징(342) 중 임펠러(341)와 인접한 최외각 외주면에 장착되는 것이 바람직하며, 필요한 경우에는 코일 형태로 형성될 수 있다.
그리고 이때 도 3 및 도 4와 같이 상기 유동통로(430)는 하우징(342)의 내측벽 형태가 변화되지 않은 형태로 저압 컴프레서(340) 하우징(342)의 외측벽에 형성되어 하우징(342)에서 유동되는 기류의 경로 변화를 발생시키지 않도록 한다.
상기 유동통로(430)의 작용을 설명하면 다음과 같다.
엔진(100)의 블로바이 가스를 포함한 공기가 저압 컴프레서(340) 하우징(342)에 유입되어 순간적으로 급격하게 압축되면, 압축 공기의 온도는 섭씨 170도 이상의 고온이 된다.
고온 공기에 포함된 엔진(100)의 블로바이 가스는 고온 상태에서 저압 컴프레서(340) 하우징(342)에 흡착되어 터보차져의 효율을 저하시키게 되는데, 본원발명에서는 상기 유동통로(430)를 통하여 냉매가 통과되면서 저압 컴프레서(340) 하우징(342)의 내부 온도를 섭씨 170도 이하로 저하시켜 엔진(100)의 블로바이 가스가 저압 컴프레서(340) 하우징(342)에 고착되는 것을 방지한다.
따라서, 본 발명에서는 상기 유동통로에 의하여 저압 컴프레서(340) 하우징의 성능 저하를 방지하고 2 스테이지 터보차져의 내구성을 향상시키는 효과가 발생된다.
둘째, 저압 컴프레서(340) 하우징(342)에 인접한 컴프레서배관(610) 둘레를 감싸도록 냉각하우징(710)을 형성하고, 상기 냉각하우징(710)에 연결되도록 워터 제트(Water Jacket)를 형성하여, 상기 워터 제트(Water Jacket)에서 냉각수가 냉각하우징(710)의 내부로 분사되는 것이다.
상기 워터 제트는 일반적으로 자동차에 사용되며 기관의 과열방지를 위하여 만들어진 냉각수 통으로 자세한 설명은 생략한다.
상기 냉각하우징(710)에는 워터 제트의 노즐(720)이 장착된 유입공(730)과 상기 유입공(730)에서 노즐(720)을 통해 발사된 냉각수를 배출하는 유출공(740)이 형성된다.
그리고 상기 유입공(730)은 컴프레서배관(610)의 하방에 형성되고, 유출공(740)은 컴프레서배관(610)의 상방에 형성된다.
왜냐하면, 노즐(720)에서 분사된 냉각수가 고온의 컴프레서배관(610)에 충돌되면 수증기화 되어 상방으로 상승하게 됨으로 유출공(740)이 상방에 형성되어야 자연스럽게 배출되기 때문이다.
본 발명은 냉각하우징(710)과 노즐(720)을 장착하여 컴프레서배관(610)을 따라 이동되는 고온의 압축 공기의 온도를 저하시킴으로써 인터쿨러로 유입되는 공기의 온도가 종래보다 저하되는 효과가 발생된다.
따라서, 본 발명에서는 종래의 인터쿨러보다 저용량의 인터쿨러를 사용하거나 인터쿨러를 생략할 수도 있어 원가 절감의 효과가 발생된다.
셋째, 컴프레서배관(610)의 둘레에 냉각수 배관(800)을 코일 형태로 밀착되게 감는 것이다.
본 발명은 상기 냉각수 배관(800)에 의하여 상기 냉각하우징(710)과 노즐(720)을 장착한 구조에 더하여 컴프레서배관(610)을 따라 이동되는 고온의 압축 공기의 온도를 더욱 저하시킴으로써 인터쿨러로 유입되는 공기의 온도가 종래보다 더욱 저하되는 효과가 발생된다.
상기 3가지 냉각구조는 각각 별도로 설치될 수도 있고, 모두를 같이 설치할 수도 있다.
그리고 상기 3가지의 냉각구조에 공급되는 냉매는 엔진(100) 냉각수를 이용하는 방식 또는 에어컨 등의 공조 장치의 냉매를 이용하는 방식이 사용될 수 있으며, 이러한 방식들은 일반적으로 잘 알려진 방식이므로 자세한 설명은 생략한다.
한편, 상기 컴프레서배관(610)과 흡기관(150) 사이에는 컴프레서바이패스밸브(182)가 형성되어 필요한 경우 컴프레서배관(610)을 통하여 진행되는 흡기 공기의 일부가 고압 컴프레서(240)를 경유하지 않고 흡기관(150)으로 직접 유입되도록 할 수 있다.
상기 컴프레서바이패스밸브(182)는 엔진(100)으로 유입되는 공기가 고압 컴프레서(240)에서 압축되는 것을 방지하는 역할을 통하여 필요한 경우 엔진(100)으로 과도한 압축공기가 공급되는 것을 방지한다.
그리고 상기 배기관(120)과 터빈배관(620) 사이에는 터빈바이패스밸브(184)가 형성되어 필요한 경우 배기관(120)을 통하여 배출되는 배기가스 중 일부가 고압 터빈(220)을 경유하지 않고 저압 터빈(320)으로 이동될 수 있도록 하는 역할을 한다.
또한, 상기 터빈배관(620)과 배출배관(350) 사이에는 웨이스트게이트밸브(186)가 형성되어 필요한 경우 고압 터빈(220)에서 터빈배관(620)을 통하여 이동되는 배기 가스 중 일부를 저압 터빈(320)을 경유하지 않고 배출배관(350)을 통하여 배출할 수 있도록 하는 역할을 한다.
상기와 같이 본 발명에 의하면 컴프레서 하우징을 통과하는 고온의 공기를 냉각시켜 터보차져의 효율저하를 방지하고 인터쿨러의 크기 및 기능을 간소화하는 효과가 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 엔진 110: 배기부
120: 배기관 172: 제 1 인터쿨러
220: 고압 터빈 200: 고압 터보차져
240: 고압 컴프레서 300: 저압 터보차져
320: 저압 터빈 340: 저압 컴프레서
350: 배출배관 430: 유동통로
710: 냉각하우징 720: 노즐

Claims (5)

  1. 엔진(100)의 흡기부(114)에 흡기관(150)을 통하여 연결된 고압 컴프레서(240)와,
    상기 고압 컴프레서(240)에 컴프레서배관(610)을 통하여 연결된 저압 컴프레서(340)와,
    상기 컴프레서배관(610) 둘레를 감싸도록 형성된 냉각하우징(710) 및
    상기 냉각하우징(710)의 내부에 냉각수를 분사하는 워터 제트(Water Jacket)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 2 스테이지 터보차져 냉각장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각하우징(710)에는
    상기 컴프레서배관(610)의 하방에 형성되며 워터 제트의 노즐(720)이 장착되는 유입공(730)과
    상기 컴프레서배관(610)의 상방에 형성되며 상기 유입공(730)에서 노즐(720)을 통해 발사된 냉각수가 배출되는 유출공(740)이 포함되는 것을 특징으로 하는 2 스테이지 터보차져 냉각장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 컴프레서배관(610)의 둘레에 냉각수 배관(800)을 코일 형태로 형성하는 것을 더 포함하는 2 스테이지 터보차져 냉각장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
    상기 저압 컴프레서(340) 하우징(342) 중 임펠러(341)와 인접한 최외각 외주면에 냉각수 진행 경로를 형성하는 유동통로(430)를 더 형성하는 2 스테이지 터보차져 냉각장치.
  5. 2 스테이지 터보차져의 고압 컴프레서(240)에 컴프레서배관(610)을 통하여 연결된 저압 컴프레서(340) 하우징(420) 중 임펠러(341)와 인접한 최외각 외주면에 냉각수 진행 경로를 형성하는 유동통로(430)를 형성하되,
    상기 유동통로(430)는 하우징(420)에서 유동되는 기류의 경로 변화를 발생시키지 않도록 컴프레서(400) 하우징(420)의 외측벽에 형성되는 것을 특징으로 하는 2 스테이지 터보차져 냉각장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US11542858B2 (en) 2018-09-04 2023-01-03 Caterpillar Motoren Gmbh & Co. Kg Charge air cooling unit for a two-staged turbocharger

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