KR20140114512A - 원심식 슈퍼 차져 및 이를 이용한 엔진의 과급시스템 - Google Patents

Abstract

원심식 슈퍼 차져 및 이를 이용한 엔진의 과급시스템이 개시된다. 엔진으로부터 회전 동력을 전달받을 수 있도록 연결된 구동풀리, 상기 구동풀리로 공급되는 상기 회전 동력을 차단하거나 공급되게 하는 전자식 클러치, 상기 구동풀리의 회전 속도를 증속시키는 증속기구, 상기 증속기구를 통해 증속된 회전 동력을 전달받아 외기를 흡입해서 압축시켜 배출하는 압축기를 포함한다. 엔진의 토크증대에 의한 연비 향상 및 터보랙 방지에 의한 차량 운전성 개선을 달성할 수 있다.

Description

원심식 슈퍼 차져 및 이를 이용한 엔진의 과급시스템{Centrifugal supercharger and supercharging system for engine}

본 발명은 전자식 클러치와 증속기구를 적용한 원심식 슈퍼 차져 및 이를 이용한 엔진의 과급시스템에 관한 것이다.

일반적으로 차량은 외부의 공기를 유입한 다음에 상기 공기와 연료를 혼합하여 엔진으로 공급하고, 상기 엔진은 연료와 공기의 혼합물을 연소에서 차량의 구동에 필요한 동력을 얻도록 되어 있다.

상기 엔진의 구동으로 동력을 발생시키는 과정에서 연소를 위해 외부의 공기를 충분히 공급해야만 엔진의 원하는 출력을 얻게 되는 바, 엔진의 출력을 향상시키기 위해 연소용 공기를 가압하여 공급하는 과급기 혹은 터보 차져가 차량에 적용되고 있다.

상기 과급기는 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 압력을 이용하여 엔진으로 공급되는 공기를 압축하는 구조로 이루어진다.

최근에는 유가의 상승으로 인한 연비 저감과 더불어 배기가스의 규제에 대응하기 위해 다운사이징 엔진(과급 엔진)이 차량에 점차적으로 증가하여 적용되고 있는 추세에 있다.

가솔린 엔진의 경우에는 터보 차져를 비약적으로 적용하여 작은 배기량으로 높은 토크를 발생시키고, 최고 속도 및 등판능력을 대폭 향상시키고 있지만, 저속 가속시에 주로 나타나는 터보랙(turbo??lag) 현상으로 인해 차량 운전성이 저하된다.

상기와 같은 터보랙 현상을 방지하고, 가속 응답성을 향상시키기 위해 최근에는 엔진의 동력을 이용하여 압축기를 구동해서 흡입 공기를 압축하여 공급하는 슈퍼 차져가 차량에 적용되고 있다.

상기 슈퍼 차져는 상기 터보 차져에 비해 구조가 간단하고, 엔진의 회전과 같이 회전하기 때문에 응답성이 좋고, 유지 및 관리가 용이한 장점이 있다.

상기 슈퍼 차져 중에 용적식 슈퍼 차져는 엔진의 저속 및 중속에서 차량 가속 응답성이 우수한 장점이 있으나, 체적이 크고, 제조비용이 높으며, 차량 정속 주행 조건의 엔진 저부하 운전에서 동력 손실을 발생시키는 단점이 있다.

상기 슈퍼 차져 중에 원심식 슈퍼 차져는 가속 응답성이 빠르고, 제조비용이 저렴한 장점이 있지만, 엔진의 저부하 운전시 동력 손실이 발생하고, 3만rpm 이상의 고속 영역에서만 작동 효율성이 확보되는 등의 단점이 있다.

본 발명의 실시 예는, 구동 손실이 작아서 연비를 향상시킬 수 있고, 가속시에 충분한 과급이 이루어지게 하여 가속 응답성을 향상시킬 수 있고, 구조가 간단하고, 제조비용도 저감시킬 수 있는 원심식 슈퍼 차져 및 이를 이용한 엔진의 과급시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 원심식 슈퍼 차져는, 엔진으로부터 회전 동력을 전달받을 수 있도록 연결된 구동풀리, 상기 구동풀리로 공급되는 상기 회전 동력을 차단하거나 공급되게 하는 전자식 클러치, 상기 구동풀리의 회전 속도를 증속시키는 증속기구, 및 상기 증속기구를 통해 증속된 회전 동력을 전달받아 외기를 흡입해서 압축시켜 배출하는 압축기를 포함할 수 있다.

상기 증속기구는 서로 상이한 기어 잇수를 가지고서 서로 치합된 2개의 기어를 포함할 수 있다.

상기 2개의 기어는 헬리컬 기어일 수 있다.

상기 2개의 기어의 기어비는 5 ~ 15 사이일 수 있다.

상기 2개의 기어는 상기 구동풀리에 연결된 구동축에 장착된 구동기어 및 상기 압축기의 피동축에 장착된 피동기어를 포함할 수 있다.

상기 엔진의 상기 회전 동력을 전달하는 엔진 풀리의 직경보다 상기 구동풀리의 직경이 작게 형성될 수 있다.

상기 엔진의 풀리가 1회전할 때에 상기 구동풀리가 1.5~3회전이상 회전하도록 상기 구동풀리의 직경이 설정될 수 있다.

상기 압축기는 외기를 흡입하는 흡입구와, 상기 외기를 토출하는 토출구를 구비한 임펠러 하우징 및 상기 흡입구를 통해 상기 외기를 흡입하여 압축하는 임펠러를 포함할 수 있다.

상기 임펠러는 상기 증속기구를 통해 증속된 회전 동력을 전달받아 회전하는 베이스판에 원주 방향을 소정 각도를 두고 배치되면서 반경방향으로 연장되어 다수개로 형성될 수 있다.

상기 임펠러의 출구각은 0 ~ 10도 사이일 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 엔진의 과급시스템은, 상기 원심식 슈퍼 차져 및 상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 압력을 이용하여 상기 외기를 압축해서 상기 엔진으로 공급하는 터보 차져를 포함할 수 있다.

상기 엔진은 자동변속기와 함께 탑재될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 원심식 슈퍼 차져 및 이를 이용한 엔진의 과급시스템에 의하면, 고비율 헬리컬 기어를 이용한 기어 증속기구의 적용으로 엔진의 실용 운전 영역인 2,000 ~ 3,000rpm 사이의 운전 영역에서 충분한 과급압력을 공급하여 엔진의 출력을 향상시킬 수 있다.

그리고 전자식 클러치를 적용하여 엔진의 저부하 운전시에 슈퍼 차져로의 동력을 차단하여 동력 손실을 방지해서 연비를 향상시킬 수 있고, 엔진의 고속 운전시에도 동력을 차단하여 슈퍼 차져의 손상이나 파손을 예방할 수 있다.

또한 압축기 블레이드의 출구각을 10도 이하로 적용하여 과급압력을 향상시킬 수 있다.

이와 더불어 구조가 간단하고, 저렴한 비용으로 제조할 수 있으며, 구동 소음도 저감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 원심식 슈퍼 차져가 적용된 엔진의 과급시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 원심식 슈퍼 차져의 일부 절개 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 원심식 슈퍼 차져의 압축기 임펠러의 사시도이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1을 참조하면, 연소실을 형성하는 엔진의 실린더(10)에 외기를 흡입하는 흡기 경로(20)가 연결되고, 상기 흡기 경로(20)에는 압축 공기를 냉각하여 공급하는 인터쿨러(30)가 설치된다.

상기 인터쿨러(30)에는 상기 흡입 경로(20)를 통해 외기를 흡입하여 압축해서 공급하는 슈퍼 차져(40)가 연결되고, 상기 슈퍼 차져(40)를 우회하는 바이패스 통로(50)가 상기 슈퍼 차져(40)의 전단 및 후단에 걸쳐서 형성되며, 상기 바이패스 통로(50)를 개폐하도록 바이패스 밸브(60)가 설치된다.

상기 슈퍼 차져(40)는 상기 엔진으로부터 회전 동력을 전달받아 구동할 수 있도록 도시되지 않은 벨트 등과 같은 동력전달수단으로 연결될 수 있다.

상기 슈퍼 차져(40)는 상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 압력으로 작동하여 외기를 흡입해서 압축시켜 상기 엔진으로 공급하는 터보 차져와 함께 엔진의 과급시스템을 구성할 수 있다.

도 2를 참조하면, 상기 슈퍼 차져(40)는 외기를 흡입하는 흡입구(41a)와, 압축 공기를 배출하는 토출구(41b)를 각각 구비한 임펠러 하우징(41)을 포함한다.

상기 하우징(41)의 내부에는 임펠러(42)가 피동축(43)에 일체로 회전되게 장착된다.

상기 임펠러 하우징(41)과 임펠러(42) 및 피동축(43)은 압축기를 구성한다.

상기 피동축(43)에는 피동기어(44)가 장착되고, 상기 피동기어(44)는 구동기어(45)와 항상 치합되게 연결된다.

상기 피동기어(44)와 상기 구동기어(45)는 기어식 증속기구를 구성한다.

상기 피동기어(44)와 구동기어(45)는 각각 헬리컬 기어로 형성될 수 있다.

상기 피동기어(44)와 상기 구동기어(45)는 적절한 기어비를 가지도록 기어가 형성된다.

예를 들면, 상기 피동기어(44)와 상기 구동기어(45)는 그 기어비가 1:10이 되도록 기어가 형성될 수 있고, 또한 상기 기어비가 5 ~ 15가 되도록 기어가 형성될 수 있다.

즉 상기 구동기어(45)가 1회전하면 상기 피동기어(44)가 5회전 내지 15회전하도록 기어비가 형성된다.

상기 구동기어(45)는 구동축(46)에 회전가능하게 장착된다.

상기 구동축(45)의 선단부에는 구동풀리로서 벨트풀리(47)가 설치되며, 상기 벨트풀리(47)는 도시되지 않은 벨트 등을 매개로 엔진으로부터 회전 동력을 전달받을 수 있도록 엔진의 풀리 등에 연결될 수 있다.

상기 벨트풀리(47)는 기히 공지된 전자식 클러치를 구비할 수 있다.

상기 전자식 클러치는 제어신호가 인가됨에 따라 클러치가 분리되거나 혹은 연결되어, 상기 벨트풀리(47)가 상기 전자식 클러치를 매개로 엔진으로부터 회전 동력을 선택적으로 공급받을 수 있게 된다.

예를 들면, 엔진이 저속 저부하로 운전될 때에는 도시되지 않은 제어기가 상기 전자식 클러치에 제어신호를 인가하여 전자식 클러치를 해방시킴으로써, 엔진이 동력이 슈퍼 차져로 전달되지 않게 되고, 슈퍼 차져로 인한 엔진의 동력 손실이 방지되어 연비를 향상시킬 수 있게 된다.

그리고 엔진이 저속 고부하로 운전될 경우에는 상기 제어기가 상기 전자식 클러치에 인가한 제어신호를 차단하여 전자식 클러치가 연결되게 함으로써, 엔진의 동력이 슈퍼 차져로 전달되어 슈퍼 차져가 작동하고, 슈퍼 차져의 작동으로 압축 공기가 엔진으로 과급되어 엔진의 추력이 향상됨과 더불어 터보랙 현상을 방지할 수 있다.

또한 엔진이 고속으로 운전될 때에는, 예를 들면 엔진이 3,000rpm 이상으로 운전될 때에 상기 제어기가 상기 전자식 클러치에 제어신호를 인가하여 전자식 클러치를 해방시킴으로써, 엔진의 동력이 슈퍼 차져로 전달되지 않게 되고, 슈퍼 차져는 고속 회전(약 6만 rpm 이상)으로 인해 손상이나 파손될 우려가 없게 된다.

상기 벨트풀리(47)는 상기 엔진의 풀리가 1회전할 때에 1.5~3회전하도록 그 직경이 설정될 수 있다.

이에 따라 상기 엔진의 풀리가 1회전할 때에 상기 임펠러(42)는 벨트풀리(47)의 증속비와 기어비를 통해 약 8회전 내지 45회전 정도로 증속되어 회전하게 된다.

바람직하기로는 10회전 내지 25회전 정도로 증속되게 하는 것이다.

상기와 같은 높은 증속 작용으로 슈퍼차져의 과급압력을 충분히 발생시킬 수 있다.

특히 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼 차져를 자동변속기를 탑재한 차량에 적용할 경우에 가속시에 엔진이 약 2,400rpm까지 속도가 상승하게 되는 데, 이때에 상기 슈퍼 차져는 상기 엔진의 회전 속도보다 약 20배 정도로 증속 구동됨에 따라 과급압력을 적정 수준으로 상승시켜 터보랙 현상을 방지함과 더불어 엔진의 출력 향상 및 응답성 향상을 도모할 수 있게 된다.

도 3을 참조하면, 상기 임펠러(42)는 상기 피동축(43)에 연결된 원판 형상의 베이스판(42a)에 원주 방향으로 소정 간격을 두고 배치되면서 반경방향으로 연장되어 다수개로 형성된다.

상기 임펠러(42)의 출구각은 도시된 바와 같이 0 ~ 10도의 각도를 가지도록 형성된다.

상기 임펠러(42)의 출구각이 작아지면 과급압력은 상승하는 반면에 효율은 저하되고, 상기 출구각이 커지면 과급압력은 하락하는 반면에 효율은 증대되는 특성을 가진다.

상기 임펠러(42)의 출구각은 과급압을 최대한 높일 수 있도록 0 ~ 10도의 각도를 가지도록 형성된다.

이상과 같이, 본 발명은 한정된 실시 예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

10: 실린더 20: 흡기 경로
30: 인터쿨러 40: 슈퍼 차져
41: 임펠러 하우징 42: 임펠러
43: 피동기어 44: 피동축
45: 구동기어 46: 구동축
47: 벨트풀리 50: 바이패스 통로
60: 바이패스 밸브

Claims (9)

1. 엔진으로부터 회전 동력을 전달받을 수 있도록 연결된 구동풀리;
   상기 구동풀리로 공급되는 상기 회전 동력을 차단하거나 공급되게 하는 전자식 클러치;
   상기 구동풀리의 회전 속도를 증속시키는 기어 증속기구;
   상기 증속기구를 통해 증속된 회전 동력을 전달받아 외기를 흡입해서 압축시켜 배출하는 임펠러와 임펠러 하우징을 구비한 압축기;
   를 포함하는 원심식 슈퍼 차져.
2. 제1항에 있어서,
   상기 기어 증속기구는 5 ~ 15의 기어비를 갖는 것을 특징으로 하는 원심식 슈퍼 차져.
3. 제2항에 있어서,
   상기 엔진의 풀리가 1회전할 때에 상기 구동풀리가 1.5회에서 3회까지 회전하도록 상기 구동풀리의 직경이 설정된 것을 특징으로 하는 원심식 슈퍼 차져.
4. 제1항에 있어서,
   상기 압축기의 임펠러는 풀리비 및 기어비에 의해 총 증속비가 10 ~ 25가 되도록 증속되어 회전하는 것을 특징으로 하는 원심식 슈퍼 차져.
5. 제1항에 있어서,
   상기 기어 증속기구는
   상기 구동풀리에 연결된 구동축에 장착된 구동기어; 및
   피동축에 장착된 피동기어;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 원심식 슈퍼 차져.
6. 제5항에 있어서,
   상기 기어는 헬리컬 기어인 것을 특징으로 하는 원심식 슈퍼 차져.
7. 제1항에 있어서,
   상기 임펠러는 상기 증속기구를 통해 증속된 회전 동력을 전달받아 회전하는 베이스판에 원주 방향을 소정 각도를 두고 배치되면서 반경방향으로 연장되어 다수개로 형성되고;
   상기 임펠러의 출구각은 0 ~ 10도 사이인 것을 특징으로 하는 원심식 슈퍼.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 원심식 슈퍼 차져; 및
   상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 압력을 이용하여 상기 외기를 압축해서 상기 엔진으로 공급하는 터보 차져;
   를 포함하는 엔진의 과급시스템.
9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 엔진은 자동변속기와 함께 탑재되는 것을 특징으로 하는 엔진의 과급시스템.

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