KR20150080672A - 자동차의 ２단 터보차저 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 컴프레서를 이용하여 공기를 추가적으로 실린더에 공급하는 터보차저 장치에서, 고압측 터보차저와 저압측 터보차저를 이용하여 공기를 2번에 걸쳐 압축하여 실린더에 공급하는 2단 터보차저 장치에 관한 것이다.
본 발명은 저압측 터보차저의 수랭식 컴프레서 하우징으로 엔진 냉각수를 공급 및 회수하는 유로상에 써모스탯을 구비하여, 엔진 시동 후 일정 저속 구간에서는 수랭식 컴프레서 하우징으로 공급되는 냉각수를 바이패스시키는 새로운 형태의 냉각수 제어방식을 구현함으로써, 저속 구간에서 발생하는 압축공기 히팅 현상을 근본적으로 차단하여 연비 및 내구력을 개선할 수 있는 자동차의 2단 터보차저 장치를 제공한다.

Description

자동차의 ２단 터보차저 장치{2-STEP TURBO CHARGER DEVICE FOR VEHICLE}

본 발명은 자동차의 2단 터보차저 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 컴프레서를 이용하여 공기를 추가적으로 실린더에 공급하는 터보차저 장치에서, 고압측 터보차저와 저압측 터보차저를 이용하여 공기를 2번에 걸쳐 압축하여 실린더에 공급하는 2단 터보차저 장치에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 터보차저(Turbo charger) 장치는 엔진의 배기 에너지를 이용하여 터빈을 구동시키고, 터빈과 동일한 축의 컴프레서로 공기를 압축하여 엔진에 공급하는 장치이다.

이러한 터보차저 장치는 흡입공기의 온도를 냉각시키는 인터쿨러와 함께 출력 향상을 위해 대부분의 디젤 엔진에 적용되고 있다.

최근의 고출력 디젤 엔진에는 보다 많은 공기량을 엔진으로 공급하여 성능을 강화할 수 있는 2단 터보차저 장치를 대부분 적용하고 있는 추세이다.

이러한 2단 터보차저 장치는 흡입공기를 2번에 걸쳐서 압축하여 실린더로 공급하는 방식으로서, 엔진의 배기량당 출력을 크게 증대시킬 수 있고, 엔진의 저속운전 시에도 상대적으로 작은 크기의 고압측 터보차저를 이용하여 저속 토크를 향상시킬 수 있다.

이와 같은 2단 터보차저 장치는 한국공개특허 10-2009-0064185호, 한국공개특허 10-2009-0110331호, 한국공개특허 10-2010-0004294호 등에 다양한 형태의 것들이 개시되어 있다.

보통 2단 터보차저 장치는, 도 3a 및 3b에 도시한 바와 같이, 엔진으로부터 배출되는 배기가스에 의해 구동되는 고압측 터빈을 가지는 고압측 터보차저(100)와, 상기 고압측 터보차저(100)의 구동 후의 배기가스에 의해 구동되는 저압측 터빈을 가지는 저압측 터보차저(110)를 배기가스의 유로에 직렬 혹은 병렬로 배치한 구조로 이루어진다.

따라서, 이러한 2단 터보차저 장치에서는 저압측 터보차저의 컴프레서에서 1단 가압이 이루어진 흡입공기를 고압측 터보차저의 컴프레서에서 2단 가압을 실행하고, 계속해서 인터쿨러(120)를 거쳐 엔진(130)으로 공급함으로써, 엔진의 출력향상을 도모할 수 있다.

예를 들면, 엔진의 중속 및 저속 운전영역에서는 고압측 컴프레서 및 저압측 컴프레서를 함께 작동시켜 2단 과급을 실시함으로써, 엔진의 저속 토크 증가와 과도 특성이 유리해지고, 또 엔진의 고속 운전영역에서는 배기가스를 고압측 터보차저로부터 바이패스시켜서 저압측 터보차저에 의한 1단 과급을 실시함으로써, 보다 높은 컴프레서 효율을 사용할 수 있는 등 매칭 자유도가 높은 안정적인 운전을 실현할 수 있다.

이와 같이, 최근의 EM 성능 및 요구 조건의 증가에 따라 디젤 엔진에 2단 터보차저 장치의 적용이 보편화되고 있다.

이러한 2단 터보차저 장치는 터보차저를 병렬로 연결한 상태에서 저속과 고속 구간에서 각기 다른 크기의 터보차저를 구동하여, 컴프레서의 효율을 증대시키는 부품인데, 이때 컴프레서의 효율이 증대됨에 따라 압축공기의 토출 온도가 상승된다.

이때의 압축공기의 온도 상승은 컴프레서 출구단의 파울링(Fouling) 현상을 가져와 출구 단면적이 좁아지고, 유속에 저항으로 작용하여 시간이 지남에 따라 터보 효율의 저하를 가져온다.

이를 개선하기 위하여 저압측 터보차저의 컴프레서에 수랭식 컴프레서 하우징(140)을 적용하여, 엔진 냉각수를 이용한 냉각으로 압축공기의 온도를 낮추어줌으로써 파울링을 저감하고 있다.

즉, 저압측 터보차저(110)에 있는 하우징 내의 공기유로(150)의 한쪽 옆에 냉각수 입구포트(160)와 냉각수 출구포트(170)를 가지는 수랭식 컴프레서 하우징버(180)을 설치하여, 냉각수와 압축공기의 열교환을 통해 압축공기의 온도를 낮추고 있다.

예를 들면, 엔진에서 배기가스가 배출되어 2단 터보차저를 작동시키고, 저압측 및 고압측 컴프레서를 거쳐서 새로운 공기가 압축되어 인터쿨러를 통해 엔진으로 유입된다.

이때, 저압측 컴프레서 하우징에서 생성된 압축공기의 온도를 냉각시키기 위하여 엔진(블록)에서 냉각수를 취출하여 수랭식 컴프레서 하우징으로 유입시키며, 이때 압축공기는 최대 5% 정도 온도가 떨어지게 된다.

그러나, 저속 구간에서는 압축공기의 온도보다 냉각수의 온도가 높은 이른바 역전구간이 존재하여 냉각이 아닌 히팅이 이루어지면서 엔진 연비 저하가 발생한다.

즉, 압축공기의 온도를 5% 정도 저감시킴으로써 파울링 생성 조건을 회피할 수 있으나, 엔진 회전수 1,600rpm 이전의 경우 엔진 냉각수 온도가 최대 11.5℃ 가량 상승하는 역전 현상이 발생한다.

예를 들면, 도 4에 도시한 바와 같이, 수랭식 컴프레서 하우징을 시제작하여 대상 평가 결과, 1,600rpm을 기준으로 아래 구간에서는 온도가 상승하였다.

또한, 동일 구간(저속, 고부하) 영역에서 연비는 1.2% 열세로 나타났다.

즉, 연비 향상을 위해 저속 영역의 역전 현상을 개선하는 것이 요구된다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 저압측 터보차저의 수랭식 컴프레서 하우징으로 엔진 냉각수를 공급 및 회수하는 유로상에 써모스탯을 구비하여, 엔진 시동 후 일정 저속 구간에서는 수랭식 컴프레서 하우징으로 공급되는 냉각수를 바이패스시키는 새로운 형태의 냉각수 제어방식을 구현함으로써, 저속 구간에서 발생하는 압축공기 히팅 현상을 근본적으로 차단하여 연비 및 내구력을 개선할 수 있는 자동차의 2단 터보차저 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 자동차의 2단 터보차저 장치는 다음과 같은 특징이 있다.

상기 2단 터보차저 장치는 엔진으로부터 배출되는 배기가스에 의해 구동되는 고압측 터빈 및 흡입공기를 압축하는 컴프레서를 가지는 고압측 터보차저와, 상기 고압측 터보차저의 구동 후의 배기가스에 의해 구동되는 저압측 터빈 및 흡입공기를 압축하는 컴프레서를 가지는 저압측 터보차저와, 상기 저압측 터보차저측에 설치되어 냉각수와의 열교환을 통해 압축공기의 온도를 낮추어주는 수랭식 컴프레서 하우징을 포함하는 구조로 이루어진다.

특히, 상기 2단 터보차저 장치는 수랭식 컴프레서 하우징의 냉각수 도입측 유로와 냉각수 리턴측 유로 사이에 바이패스 유로를 연결하고, 상기 냉각수 도입측 유로와 바이패스 유로의 분기점에 유로전환 수단을 설치함으로써, 엔진 냉각수 온도에 따라 수랭식 컴프레서 하우징으로 유입되는 냉각수를 선택적으로 단속할 수 있는 구조를 포함한다.

따라서, 상기 2단 터보차저 장치는 엔진 시동 후 일정 저속 구간에서 냉각수를 수랭식 컴프레서 하우징으로 보내지 않고 바이패스시켜 엔진으로 되돌아갈 수 있도록 할 수 있는 등 저속 구간에서 발생하는 히팅 효과(역전 효과)를 근본적으로 차단할 수 있다.

여기서, 상기 유로전환 수단은 냉각수 온도에 따라 냉각수 도입측 유로와 바이패스 유로를 선택적으로 개폐할 수 있는 써모스탯을 적용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 제공하는 2단 터보차저 장치는 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 엔진 시동 후 일정 저속 구간에서 냉각수를 수랭식 컴프레서 하우징으로 보내지 않고 바이패스시켜 엔진으로 되돌아갈 수 있도록 함으로써, 저속 구간에서 발생하는 히팅 효과(역전 효과)를 근본적으로 차단하여 연비 저하를 막을 수 있다.

둘째, 저속 구간에서 냉각수의 불필요한 흐름을 막고, 유로를 짧게 하여 저항을 줄임으로써, 연비 및 내구력 측면에서 개선이 가능하다.

셋째, 냉각수를 바이패스시키는 수단으로 비슷한 효과를 낼 수 있는 솔레노이드밸브 대싱에 써모스탯을 적용함으로써, 구조가 간단하고 장착이 용이하여 레이아웃 및 원가 측면에서 경쟁력을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 터보차저 장치를 나타내는 개략도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 터보차저 장치의 작동상태를 나타내는 개략도
도 3a 및 3b는 종래의 2단 터보차저 장치를 나타내는 개략도
도 4는 종래의 2단 터보차저 장치에서 엔진 속도 대비 압축공기 온도 및 토크를 나타내는 그래프

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 터보차저 장치를 나타내는 개략도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 상기 2단 터보차저 장치는 써모스탯을 이용하여 엔진 저속 구간에서 수랭식 컴프레서 하우징의 히팅 효과(역전 효과)를 방지하는 구조로 이루어진다.

이를 위하여, 상기 2단 터보차저 장치는 엔진에서 배출되는 배기가스로 구동되는 고압측 터빈(미도시) 및 이 고압축 터빈과 동일한 축으로 회전하면서 흡입공기를 2단 과급하는 고압측 컴프레서(미도시)를 가지는 고압측 터보차저(10)를 포함한다.

그리고, 상기 고압측 터보차저(10)를 구동시킨 후의 배기가스로 구동되는 저압측 터빈(미도시) 및 이 저압측 터빈과 동일한 축으로 회전하면서 흡입공기를 1단 과급하는 저압측 컴프레서(미도시)를 가지는 저압측 터보차저(11)를 포함한다.

또한, 상기 2단 터보차저 장치는 저압측 터보차저(11)의 압축공기를 냉각시켜주는 수단으로, 저압측 터보차저(11)측에 설치되어 냉각수와의 열교환을 통해 압축공기의 온도를 낮추어주는 수랭식 컴프레서 하우징(12)을 포함한다.

또한, 상기 저압측 터보차저(11)에 설치되는 공랭식 컴프레서 하우징(12)의 냉각수 입구포트(도 3b 참조)와 냉각수 출구포트(도 3b 참조)는 엔진(18)측과 각각 연결되어 있는 냉각수 도입측 유로(13)와 냉각수 리턴측 유로(14)에 각각 연결된다.

여기서, 상기 고압측 터보차저(10), 저압측 터보차저(11) 및 수랭식 컴프레서 하우징(12)의 구조, 서로 간의 결합관계, 작동방식 등은 종래와 동일하기 때문에 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

특히, 상기 수랭식 컴프레서 하우징(12)과 엔진(18) 사이에 연결되어 냉각수의 흐름 통로를 제공하는 냉각수 도입측 유로(13)와 냉각수 리턴측 유로(14) 사이에는 바이패스 유로(15)가 설치된다.

이에 따라, 후술하는 써모스탯(16)의 작동 여부에 따라 엔진측에서 나오는 냉각수는 냉각수 도입측 유로(13)를 통해 수랭식 컴프레서 하우징(12)으로 보내지거나, 또는 바이패스 유로(15)를 통해 다시 엔진측으로 되돌아갈 수 있게 된다.

그리고, 상기 냉각수 도입측 유로(13)와 바이패스 유로(15)의 분기점에는 유로전환 수단, 예를 들면 써모스탯(16)이 설치되며, 이때의 써모스탯(16)은 엔진 냉각수 온도에 반응하여 유로를 전환시켜서 수랭식 컴프레서 하우징(12)으로 유입되는 냉각수를 선택적으로 단속하는 역할, 즉 엔진 냉각수 온도가 낮은 저속 구간 영역에서는 수랭식 컴프레서 하우징(12)으로 가는 냉각수를 차단하여 바이패스시키고, 또 엔진 냉각수 온도가 높은 중속 및 고속 구간 영역에서는 수랭식 컴프레서 하우징(12)으로 가는 냉각수를 통과시키는 역할을 하게 된다.

이때의 상기 써모스탯(16)은 엔진 냉각수 온도 98℃ 정도에서 열리기 시작하여 110℃ 정도에서 완전히 열리는 방식으로 구성할 수 있다.

또한, 이러한 써모스탯(16)은 일반적인 벨로우즈 타입 또는 펠릿 타입 등을 적용할 수 있다.

여기서, 상기 유로전환 수단으로서, 써모스탯을 대신하여 레귤레이팅 솔레노이드 밸브 등을 적용할 수도 있게 된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 터보차저 장치의 작동상태를 나타내는 개략도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 엔진 중속 및 고속 구간 영역의 경우, 써모스탯(16)의 바이패스 유로(15)가 닫힘과 더불어 수랭식 컴프레서 하우징(12)으로 향하는 냉각수 도입측 유로(13)가 열리게 된다.

이에 따라, 엔진에서 배출되는 냉각수는 냉각수 도입측 유로(13)를 거쳐 수랭식 컴프레서 하우징(12)으로 유입되어, 저압측 터보차저(11)의 저압측 하우징 내에 흐르는 고온의 압축공기와 열교환을 수행하게 되고, 결국 엔진으로 공급되는 흡입공기(압축공기)의 온도를 낮출 수 있게 된다.

한편, 엔진 저속 구간 영역의 경우(저압측 터보차저의 하우징 내를 흐르는 압축공기의 온도보다 냉각수 온도가 높은 경우), 써모스탯(16)의 수랭식 컴프레서 하우징(12)으로 향하는 냉각수 도입측 유로(13)가 닫힘과 더불어 바이패스 유로(13)는 열리게 된다.

이에 따라, 엔진에서 배출되는 냉각수는 바이패스 유로(13)를 거쳐 엔진으로 되돌어가게 되면서 수랭식 컴프레서 하우징(12)측으로는 냉각수가 유입되지 않게 된다.

따라서, 엔진 시동 후 일정 저속 구간 영역에서는 엔진으로 흡입되는 압축공기가 히팅되는 이른바 역전 효과를 근본적으로 차단할 수 있게 된다.

이와 같이, 본 발명에서는 엔진 시동 후 일정 저속 구간에서 냉각수가 수랭식 컴프레서 하우징으로 유입되지 않도록 하고 이를 바이패스시켜 엔진으로 되돌아갈 수 있도록 함으로써, 엔진 저속 구간 영역에서 발생하는 히팅 효과를 완전히 배제할 수 있고, 따라서 연비 저하를 막을 수 있다.

10 : 고압측 터보차저 11 : 저압측 터보차저
12 : 수랭식 컴프레서 하우징 13 : 냉각수 도입측 유로
14 : 냉각수 리턴측 유로 15 : 바이패스 유로
16 : 써모스탯 17 : 인터쿨러
18 : 엔진

Claims (2)

1. 엔진으로부터 배출되는 배기가스에 의해 구동되는 고압측 터빈 및 흡입공기를 압축하는 컴프레서를 가지는 고압측 터보차저(10)와, 상기 고압측 터보차저(10)의 구동 후의 배기가스에 의해 구동되는 저압측 터빈 및 흡입공기를 압축하는 컴프레서를 가지는 저압측 터보차저(11)와, 상기 저압측 터보차저(11)측에 설치되어 냉각수와의 열교환을 통해 압축공기의 온도를 낮추어주는 수랭식 컴프레서 하우징(12)을 포함하는 자동차의 2단 터보차저 장치에 있어서,
   상기 수랭식 컴프레서 하우징(12)의 냉각수 도입측 유로(13)와 냉각수 리턴측 유로(14) 사이에 바이패스 유로(15)를 연결하고, 상기 냉각수 도입측 유로(13)와 바이패스 유로(15)의 분기점에 유로전환 수단을 설치하여, 엔진 냉각수 온도에 따라 수랭식 컴프레서 하우징(12)으로 유입되는 냉각수를 선택적으로 단속할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 자동차의 2단 터보차저 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 유로전환 수단은 냉각수 온도에 따라 개폐되는 써모스탯(16)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차의 2단 터보차저 장치.

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