KR20140003829A - 엔진 터보차저 시스템 - Google Patents

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KR20140003829A
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김형주
박병선
김발영
한주석
유정대
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현대중공업 주식회사
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Abstract

본 발명의 엔진 터보차저 시스템은, 엔진; 터빈과 컴프레셔를 포함하는 터보차저; 상기 엔진과 상기 터보차저에 구비된 복수 개의 관로; 및 상기 복수 개의 관로 상에 각각 설치된 복수 개의 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브를 포함하되, 상기 복수 개의 밸브는 회동되어 가스 이동로를 개폐하는 디스크를 적어도 하나 이상 포함하며, 상기 디스크가 엔진 방향으로 회동 되도록 설치된 것을 특징으로것을 특징으로 한다.
본 발명의 엔진 터보차저 시스템은, 컷 오프용 밸브의 디스크가 엔진 방향으로 회동 되도록 밸브를 터보차저의 배기가스 입구와 소기출구에 구비 시킴으로써, 밸브의 밀폐시 디스크에 고압인 엔진으로부터 저압인 터보차저 방향으로 압력이 가해져 디스크가 바디에 더욱 강하게 안착되어 밸브의 기밀을 안정적으로 유지할 수 있어, 엔진 터보처저 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

엔진 터보차저 시스템 {An Engine Turbocharger System}
본 발명은 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브가 구비된 엔진 터보차저 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 터보차저(turbocharger, turbo-supercharger)는 내연기관(엔진)에서 발생되는 배기가스를 이용하여 엔진의 성능을 향상시키는데 사용되는 과급기로, 강제로 압축한 공기를 연소실로 보내 더 많은 연료가 연소될 수 있도록 하여 엔진의 출력을 높이는 역할을 한다.
이와 같은 터보차저의 작동원리는 배기관으로부터 폐기되고 있던 배기가스의 에너지(온도/압력)를 이용하여 터빈을 고속 회전시켜, 그 회전력으로 원심식 컴프레셔(compressor)를 구동하여 외부의 신선한 공기를 압축하여 엔진 내부로 보내는 구조로 되어 있다.
이것에 의해, 내연기관 본래의 흡기량을 넘는 혼합기를 흡입/폭발시키는 것을 통해 외관의 배기량을 넘는 출력을 얻게 된다. 일반적으로 기관회전수가 2000rpm 이상 되어야 터보차저가 흡입되는 공기를 가압한다.
또, 터보차저는 엔진의 기본 한계를 뛰어넘어 체적대비 출력 효율을 높이기 위한 목적을 가지고 있으며, 자연흡기방식의 엔진에서는 피스톤이 상사점에서 하사점으로 내려올 때(흡입행정) 실린더 내부의 체적변화로 압력이 대기압 이하로 낮아지면서(진공상태) 공기와 연료의 혼합기가 자연스럽게 실린더로 흡입된다.
흡입된 공기와 연료 혼합기의 양이 많아져야 폭발행정에서 피스톤을 밀어내는 힘이 커지기 때문에, 연소실로 공급되는 공기 양과 이에 따른 연료 양은 엔진의 한계를 결정하는 중요한 요소가 된다.
또한, 터보차저는 달팽이 모양의 용기 안에 터빈과 컴프레셔가 하나의 축에 연결된 구조로 이루어져 있고, 배기 매니폴드에서 유입된 배기가스를 터빈 입구로 보내 터빈의 휠을 회전시키며, 이 회전력으로 컴프레셔를 동작시키고, 컴프레셔는 외부에서 유입된 공기를 압축하여 엔진의 공기흡기구로 전달하게 된다. 압축된 공기는 더 많은 연료와 혼합되어 엔진의 실린더 안으로 전달되어 엔진의 효율을 높이는 것이다.
한편, 최근에는 급격한 유가 상승과 운임료 하락으로 인하여 각 선사(船社)들이 연료비 절감을 위해 엔진을 저 부하 운전으로 운행하여 유류비를 절감하는 추세이다. 이러한 추세에 따라 저 부하에서도 터보차저가 고 압축비를 실현하여 연비를 많이 증가시키지 않으면서도 요구하는 엔진출력을 얻을 수 있게, 엔진에 연결된 복수 개의 터보차저 중 적어도 어느 하나로의 가스 유입을 차단하는 컷 오프용 밸브를 구비하여, 터보차저의 효율이 저하되는 것을 방지하는 방식을 사용한다.
그런데, 이때 사용되는 종래의 엔진 터보차저 시스템에 구비된 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브는 상대적으로 고압인 엔진과 상대적으로 저압인 터보차저 사이의 가스 압력 차이로 인하여 밀폐력을 상실함으로써, 밸브의 기밀(氣密)을 안정적으로 유지할 수 없는 문제가 있다.
본 발명은 컷 오프용 밸브의 디스크가 엔진 방향으로 회동 되도록 함으로써, 밸브의 밀폐시 디스크에 고압인 엔진으로부터 저압인 터보차저 방향으로 압력이 가해져 디스크가 바디에 더욱 강하게 안착되어 밸브의 기밀을 안정적으로 유지할 수 있는 엔진 터보차저 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 엔진 터보차저 시스템은, 엔진; 터빈과 컴프레셔를 포함하는 터보차저; 상기 엔진과 상기 터보차저에 구비된 복수 개의 관로; 및 상기 복수 개의 관로 상에 각각 설치된 복수 개의 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브를 포함하되, 상기 복수 개의 밸브는 회동되어 가스 이동로를 개폐하는 디스크를 적어도 하나 이상 포함하며, 상기 디스크가 엔진 방향으로 회동 되도록 설치된 것을 특징으로것을 특징으로 한다.
본 발명의 엔진 터보차저 시스템은, 컷 오프용 밸브의 디스크가 엔진 방향으로 회동 되도록 밸브를 터보차저의 배기가스 입구와 소기출구에 구비 시킴으로써, 밸브의 밀폐시 디스크에 고압인 엔진으로부터 저압인 터보차저 방향으로 압력이 가해져 디스크가 바디에 더욱 강하게 안착되어 밸브의 기밀을 안정적으로 유지할 수 있어, 엔진 터보처저 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브가 구비된 엔진 터보차저 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1의 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브의 구성을 설명하기 위한 평면도이다.
도 3은 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브가 닫혔을 때의 도 2의 A-A'선 단면도이다.
도 4는 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브가 열렸을 때의 도 2의 A-A'선 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위는 본원의 특허 청구 범위에 의해서 이해되어야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브가 구비된 엔진 터보차저 시스템의 개략도이고, 도 2는 도 1의 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브의 구성을 설명하기 위한 평면도이고, 도 3은 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브가 닫혔을 때의 도 2의 A-A'선 단면도이고, 도 4는 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브가 열렸을 때의 도 2의 A-A'선 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 터보차저 시스템(1)은, 엔진(10), 터빈(21)과 컴프레셔(22)를 포함하는 터보차저(20), 엔진(10)과 터빈(21) 사이에 구비된 배기관로(30), 엔진(10)과 컴프레셔(22) 사이에 구비된 흡기관로(40), 배기관로(30) 및 흡기관로(40) 상에 각각 설치된 복수 개의 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브(100)를 포함한다.
엔진 터보차저 시스템(1)은 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스가 배기관로(30)를 통해 터보차저(20)의 터빈(21)으로 유입되어 터빈(21)의 휠을 회전시키고, 터빈(21)의 휠의 회전력이 동일축으로 연결된 컴프레셔(22)에 전달되어 컴프레셔(22)의 휠을 회전 시켜 외부의 신선한 공기를 압축하여 흡기관로(40)를 통해 엔진(10) 내부로 보내는 구조이다. 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브(100)는 엔진(10)과 터보차저(20) 사이의 관로들(30 및 40) 각각에 설치되어 관로들(30 및 40)을 개폐하는 역할을 한다.
이때 엔진(10), 터보차저(20), 관로들(30 및 40)의 경우 일반적으로 사용되고 있는 구성을 포함할 수 있으므로, 상기 구성들 각각에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
도 1에서는 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브(100)가 배기관로(30)와 흡기관로(40) 상에 각각 설치된 것을 도시하였지만, 엔진 터보차저 시스템의 종류는 다양하고, 이에 따라 엔진(10)과 터보차저(20) 사이에 다른 관로들이 존재할 수 있으며, 이러한 모든 관로들에 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브(100)가 설치될 수 있다. 즉, 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브(100)는 엔진 터보차저 시스템(1)에 복수 개가 존재하는 것을 포함한다.
복수 개의 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브(100)는 디스크(130)가 엔진 방향으로 회동 되도록 밸브들(100)을 배기관로(30) 상의 배기가스 입구와 흡기관로(40) 상의 소기출구에 구비시킨다. 이로 인하여, 도 3에 도시된 바와 같이 밸브 밀폐시 복수 개의 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브(100)의 디스크(130)가 바디(110)에 안착되고, 도 4에 도시된 바와 같이 밸브 개방시 복수 개의 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브(100)의 디스크(130)가 엔진(10) 측으로 돌출된다.
엔진 터보차저 시스템(1)에서, 엔진(10)과 터보차저(20) 각각의 압력은 상대적으로 엔진(10)이 터보차저(20)보다 높다. 따라서 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브(100)를 밀폐했을 때, 디스크(130)에 고압인 엔진(10)으로부터 저압인 터보차저(20) 방향으로 압력이 가해져 디스크(130)가 바디(110)에 더욱 강하게 안착되어 밸브(100)의 기밀을 안정적으로 유지할 수 있다. 이하에서 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브(100)의 구성과 작동을 설명한다.
복수 개의 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브(100) 각각은, 도 2에 도시된 바와 같이, 바디(110), 회전축(120), 디스크(130), 핸들(140), 기어박스(150), 리프팅 수단(160)을 포함한다.
바디(110)는, 링 형상을 갖고 가스 이동로(112)를 형성하며 내측에 칸막이(111)가 구비된다. 바디(110)는 소정 두께와 지름을 갖는 링 형상으로 성형되며, 바디(110) 내측의 수직방향으로는 칸막이(111)가 형성되고, 칸막이(111)의 양측에는 후술할 회전축(120)이 연결될 수 있다.
링 형상의 바디(110) 내측에는 가스 이동로(112)가 형성되어, 가스가 통과할 수 있으며, 수직방향으로 구비되는 칸막이(111)로 인해 가스의 흐름은 두 갈래로 나뉘어 질 수 있다.
회전축(120)은, 바디(110)의 칸막이(111) 양측에 회동 가능하게 축지되며, 좌측 회전축(121)과 우측 회전축(122)을 포함한다. 회전축(120)은 칸막이(111)와 나란하게 바디(110) 내측의 수직방향으로 구비될 수 있다.
회전축(120)은 일측이 바디(110)의 상부로 돌출되게 설치될 수 있다. 이는 바디(110)의 외부에 구비되는 후술할 핸들(140) 및 기어박스(150)에 의해 회전력을 전달받아 디스크(130)가 회전되도록 하기 위함이다.
디스크(130)는, 회전축(120)에 일측부가 결합되고, 일방향으로 회동되며 바디(110)에 형성된 가스 이동로(112)를 개폐시켜 준다. 디스크(130)는 일부분이 절단된 원의 형태를 가지며, 좌측 회전축(121)에 일측이 연결되는 좌측 디스크(131)와, 우측 회전축(122)에 일측이 연결되는 우측 디스크(132)를 포함한다.
좌측 디스크(131)는 일방향으로 회동되며 바디(110)에 형성된 가스 이동로(112)를 개폐시키고, 우측 디스크(132)는 좌측 디스크(131)와 다른 방향으로 회동되며 좌측 디스크(131)와 함께 가스 이동로(112)를 개폐시킨다. 즉 좌측 디스크(131)와 우측 디스크(132)는 서로 반대 방향으로 회전함에 따라, 가스 이동로(112) 개방 시 끝단이 서로 모이는 방향으로 회전하게 되는데, 끝단이 모이는 방향은 상대적으로 고압인 엔진(10) 쪽이다.
이를 통해 본 실시예는, 엔진 터보차저 시스템(1)에 구비된 복수 개의 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브(100) 각각의 좌측 및 우측 디스크(131 및 132)가 엔진(10) 방향으로 회동 되도록 함으로써, 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브(100)의 밀폐시 좌측 및 우측 디스크(131 및 132)에 고압인 엔진(10)으로부터 저압인 터보차저(20) 방향으로 압력이 가해져 좌측 및 우측 디스크(131 및 132)가 바디(110)에 더욱 강하게 안착되어 밸브(100)의 기밀을 안정적으로 유지할 수 있어, 엔진 터보처저 시스템(1)의 효율을 향상시킬 수 있다.
핸들(140)은, 회전축(120)들에 동력을 전달하여 디스크(130)를 회동시킨다. 작업자가 쉽게 회전시킬 수 있도록 링 형상을 가질 수 있으며, 작업자에 의해 일 방향으로 회전 시 디스크(130)가 가스 이동로(112)를 개방하도록 하고, 작업자에 의해 타 방향으로 회전 시 디스크(130)가 가스 이동로(112)를 밀폐하도록 할 수 있다.
다만 핸들(140)이 일 방향으로 회전할 경우, 좌측 디스크(131)와 우측 디스크(132)의 회전 방향은 서로 상이할 수 있으며, 이로 인해 좌측 디스크(131)의 끝단과 우측 디스크(132)의 끝단이 핸들(140)의 회전에 의해 서로 근접하게 될 수 있다.
기어박스(150)는, 핸들(140)의 일측에 구비되며 핸들(140)의 회전력을 증폭시켜 회전축(120)에 전달한다. 기어박스(150)는 내부에 수 개의 증속 기어를 구비하며, 바디(110)의 상부로 돌출된 회전축(120)과 증속 기어가 맞물리도록 하여, 핸들(140) 회전 시 회전축(120)에 회전력을 전달한다. 이때 핸들(140)의 크기나 디스크(130)의 회전 각도에 따라서 기어박스(150)의 회전 증폭 능력은 가변될 수 있다.
기어박스(150)는 핸들(140)의 회전력을 좌측 회전축(121)과 우측 회전축(122)에 전달하되, 좌측 회전축(121)에 전달되는 회전력의 방향이 우측 회전축(122)에 전달되는 회전력의 방향과 상이하게 할 수 있다.
즉 작업자가 핸들(140)을 잡고 일정한 방향으로 회전시키면, 기어박스(150)에 의해 회전축(120)이 회전되는데, 이때 좌측 회전축(121)과 우측 회전축(122)이 서로 반대방향으로 회전함에 따라, 좌측 디스크(131)와 우측 디스크(132)가 끝단이 서로 모이는 방향으로 회전될 수 있다.
리프팅 수단(160)은, 디스크(130)와 회전축(120)을 연결하여, 회전축(120)의 회동 시 디스크(130)가 안정적으로 회전되도록 한다. 리프팅 수단(160)의 일단은 회전축(120)을 일부 감싸는 형태이고, 타단은 회전축(120)에 수직하며 바디(110)의 칸막이(111)로부터 멀어지는 방향으로 연장 형성되어 디스크(130)의 일면에 면 접합되는 형태를 가질 수 있다. 이때 리프팅 수단(160)은 좌측 디스크(131)와 우측 디스크(132) 각각에 복수 개가 구비될 수 있으며, 이를 통해 본 실시예는 회전축(120)의 회전 시 디스크(130)가 가스의 압력을 견뎌내면서 가스 이동로(112)를 개방하도록 할 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 좌측 디스크(31)와 우측 디스크(32)로 된 디스크(30)를 이용하여 가스 이동로(12)를 개폐하는 형태를 갖되, 엔진 터보차저 시스템(1)에 구비된 복수 개의 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브(100) 각각의 좌측 및 우측 디스크(131 및 132)가 엔진(10) 방향으로 회동 되도록 함으로써, 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브(100)의 밀폐시 좌측 및 우측 디스크(131 및 132)에 고압인 엔진(10)으로부터 저압인 터보차저(20) 방향으로 압력이 가해짐에 따라 더욱 견고하게 밀폐력을 확보하도록 할 수 있다. 따라서 본 실시예는, 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브(100)의 밀폐시에 상대적으로 고압인 엔진(10)과 상대적으로 저압인 터보차저(20) 사이의 가스 압력 차이로 인하여 디스크(130)가 강제로 회전되어 가스 이동로(12)의 개도가 예상치 못하게 가변됨에 따라 밸브(100)의 기밀(氣密)을 안정적으로 유지할 수 없는 종래기술의 문제를 해결할 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 엔진 터보차저 시스템 10: 엔진
20: 터보차저 21: 터빈
22: 컴프레셔 30: 배기관로
40: 흡기관로 100: 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브
110: 바디 111: 칸막이
112: 가스 이동로 120: 회전축
121: 좌측 회전축 122: 우측 회전축
130: 디스크 131: 좌측 디스크
132: 우측 디스크 140: 핸들
150: 기어박스 160: 리프팅 수단

Claims (5)

  1. 엔진;
    터빈과 컴프레셔를 포함하는 터보차저;
    상기 엔진과 상기 터보차저에 구비된 복수 개의 관로; 및
    상기 복수 개의 관로 상에 각각 설치된 복수 개의 엔진 터보차저 컷 오프용 밸브
    를 포함하되,
    상기 복수 개의 밸브는, 회동되어 가스 이동로를 개폐하는 디스크를 적어도 하나 이상 포함하며, 상기 디스크가 엔진 방향으로 회동 되도록 설치된 것을 특징으로 하는 엔진 터보차저 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 관로는,
    상기 엔진과 상기 터빈 사이에 구비된 배기관로; 및
    상기 엔진과 상기 컴프레셔 사이에 구비된 흡기관로를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 터보차저 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수 개의 밸브는 상기 배기관로 상의 배기가스 입구와 상기 흡기관로 상의 소기출구에 구비된 것을 특징으로 하는 엔진 터보차저 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브는,
    링 형상을 갖고 가스 이동로를 형성하며 내측에 칸막이가 형성된 바디;
    상기 바디의 칸막이 양측에 회동 가능하게 축지된 좌측 회전축 및 우측 회전축; 및
    상기 좌측 회전축 및 상기 우측 회전축에 각각 일측부가 결합되고, 상기 바디에 형성된 가스 이동로를 개폐시켜 주는 좌측 디스크 및 우측 디스크를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 터보차저 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 좌측 회전축 및 상기 우측 회전축에 동력을 전달하여 상기 좌측 디스크 및 상기 우측 디스크를 회동시키는 핸들; 및
    상기 핸들의 일측에 구비되며 상기 핸들의 회전력을 증폭시켜 상기 회전축들에 전달하되, 상기 좌측 회전축에 전달되는 회전력의 방향이 상기 우측 회전축에 전달되는 회전력의 방향과 상이하게 하는 기어박스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 터보차저 시스템.
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