KR20160030312A - 아스피레이터 및 이젝터 시스템 - Google Patents

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Abstract

터보차저 상류의 정션과 유로의 중에서 서로 병렬로 연결된 이젝터 및 아스피레이터를 포함하는 흡기 매니폴더와의 사이에 위치한 유로를 갖는 엔진 시스템이 개시된다. 이젝터를 통한 구동 흐름은 아스피레이터를 통한 구동 흐름의 방향과 반대 방향을 가지며, 상기 이젝터와 아스피레이터는 모두 진공을 필요로 하는 기기에 유동적으로 연결된 흡입 포트를 갖는다. 엔진 시스템은 또한 이젝터를 통한 구동 흐름을 제어하도록 배치된 제 1 체크 밸브, 및 아스피레이터를 통한 구동 흐름을 제어하도록 배치된 제 2 체크 밸브를 포함하며, 또한 이젝터와 아스피레이터의 상류 또는 하류의 유로 내에서 유체 연통을 하며, 이젝터와 아스피레이터 둘 다로 유입되는 흐름 및/또는 이들로부터 유출되는 흐름을 조절하는 제어 밸브를 포함할 수도 있다.

Description

아스피레이터 및 이젝터 시스템{ASPIRATOR AND EJECTOR SYSTEM}
본 발명은 아스피레이터(aspirator) 및 이젝터(ejector) 시스템에 관한 것으로, 특히 배기가스-구동 터보차저를 구비한 내연기관의 내부에 있는 아스피레이터 및 이젝터 시스템에 관한 것이다.
내연기관, 그 메커니즘, 개량(refinement) 및 반복은 다양한 이동식 및 비이동식 차량 또는 하우징에 사용된다. 오늘날, 예를 들어, 내연기관은 육상 여객용 (terrestrial passenger) 차량과, 산업용 차량, 해양 분야 응용, 고정장치 분야 (stationary) 응용, 및 항공우주 산업 분야 응용에서 발견되고 있다. 일반적으로, 통상은 각각 가솔린 및 디젤이라고 하며, 보다 공식적으로는 스파크 점화 및 압축 점화라고 하는 두 개의 주된 점화 사이클이 있다. 보다 최근에는, 배기가스-구동 터보차저는 파워 출력 및 엔진의 전체 효율을 개선하기 위해 내연기관에 연결된 시스템에 포함되어 왔다.
엔진 시스템 내부의 효율, 파워 및 제어를 개선시킬 필요가 계속 있었고, 여기에는 브레이크 부스트와 같은 다양한 응용 분야를 위한 진공의 발생이 포함된다.
하나의 관점에서, 터보차저 상류의 정션과, 유로 내부에서 서로 평행하게 연결된 이젝터 및 아스피레이터를 포함하는 흡기 매니폴더와의 사이에, 유로를 갖는 엔진 시스템이 개시된다. 이젝터를 통한 구동 흐름은 아스피레이터를 통한 구동 흐름의 방향과 반대 방향으로, 흡기 매니폴더로부터 터보차저 상류의 정션 쪽 방향을 가지며, 상기 이젝터와 아스피레이터는 모두 진공을 필요로 하는 기기에 유동적으로 연결된 흡입 포트를 갖는다. 엔진 시스템은 또한 이젝터를 통한 구동 흐름을 제어하도록 배치된 제 1 체크 밸브, 및 아스피레이터를 통한 구동 흐름을 제어하도록 배치된 제 2 체크 밸브를 포함하며, 또한 이젝터 및 아스피레이터의 상류 또는 하류의 유로에서 유체 연통을 하고, 이젝터 및 아스피레이터 둘 다로 유입되는 흐름 및/또는 이들로부터 유출되는 흐름을 제어하는 제어 밸브도 포함할 수 있다.
엔진 시스템은 또한 이젝터의 흡입 포트를 통한 흐름을 제어하도록 배치된 제 3 체크 밸브, 및 아스피레이터의 흡입 포트를 통한 흐름을 제어하도록 배치된 제 4 체크 밸브도 포함할 수 있다. 또한, 아스피레이터는 이를 통한 흐름을 제어하도록 배치된 바이패스 체크 밸브를 갖는 바이패스 포트도 포함한다.
엔진 시스템이 동작하는 동안, 스로틀이 개방된 부스트 조건 하에서 이젝터를 통한 구동 흐름은 흡기 매니폴더로부터 터보차저 상류의 정션 쪽으로 이동하는 방향을 가지며, 아이들 상태(idle condition) 하에 있을 때의 구동 흐름은 아스피레이터를 통하여 터보차저 상류의 정션으로부터 흡기 매니폴더 쪽으로 이동하는 방향을 갖는다.
제어 밸브는 진공 작동 제어 밸브 또는 전자기적으로 작동되는 제어 밸브일 수 있다.
도 1은 엔진 시스템의 구성 요소에 대한 개략적으로 나타낸 몇몇 연결부와 결합된, 병렬 연결된 아스피레이터 및 이젝터를 갖는 시스템의 부분들에 대한 하나의 실시예의 측면 사시도이다.
하기의 상세한 설명에서는 본 발명의 일반적인 원리를 설명할 것이며, 그 예들은 첨부된 도면에서 추가로 설명될 것이다. 도면에서, 유사한 참고 부호는 동일하거나 또는 기능적으로 유사한 요소를 나타낸다.
본 명세서에서 사용된 "유체(fluid)"는, 액체, 현탁액, 콜로이드, 기체, 플라즈마, 또는 이들의 조합 중 어느 하나를 의미한다.
도 1은 엔진 시스템(100), 통상적으로는 내연기관 시스템의 실시예를 도시하며, 이는 엔진 시스템의 흡기 매니폴더(120)와 유체 연통을 하는 터보차저(102)와 같은 몇몇 통상적인 구성을 포함한다. 터보차저(102)는 흡입 구멍(특정 방향에서는 보이지 않음)을 갖는 컴프레서 섹션(106)과, 배기 배출구(114)와, 외기 유입구(외기관(108)에 연결되었기 때문에 보이지 않음)를 갖는 터빈 섹션(104), 및 배출관(109)을 포함한다. 터빈 섹션(104) 내에는, 배기 에너지를 이용하고 이를 통상의 샤프트를 통한 기계적 작업으로 전환하는 터빈 휠이 수용되며, 상기 컴프레서 휠은 공기 유도 시스템(148)으로부터 공기를 흡입하고 이를 압축하여 높은 동작압력으로 이를 내연기관(미도시)의 흡기 매니폴더(120)에 공급하는 터빈 섹션(106) 내부에 수용되게 된다.
터보차저(102)의 컴프레서 섹션(106)의 배출관(109)은 흡기 매니폴더(120)와 유체 연통을 하며, 또한 컴프레서 섹션(106)의 외기 유입구에 연결된 공기유도관(108)도 흡기 매니폴더(120)와도 유체 연통을 하지만, 이는 도 1의 아스피레이터 및 이젝터 어셈블리(121)를 통해서 유체 연통을 한다. 따라서, 제 1 유로(122)는 배출관(109)과 흡기 매니폴더(120)의 사이에서 구성된다. 제 1 유로(122)는 그 중에 스로틀(124)을 포함할 수 있다. 제 2 유로(126)는, 제 1 유로(122)와는 별개로, 외기관(108)으로부터 아스피레이터 및 이젝터 어셈블리(121)를 통하여 흡기 매니폴더(120)까지의 사이에 구성된다. 터보차저(102)의 터빈 섹션(104)도 또한 시스템의 다른 부분과 유체 연통한다. 예를 들어, 터빈 섹션의 배기 흡입 구멍은 내연기관의 흡기 매니폴더와 유체 연통할 수 있으며, 배기 배출구(114)는 촉매 변환기와 유체 연통할 수 있다.
제 2 유로(126)는 이젝터(130) 및 아스피레이터(132)를 포함하는데, 이들은 제 2 유로의 일부를 형성한다. 본 명세서에 기재된 시스템은 도시된 바와 같이 연결된 제 2 유로(126)에 대하여 설명되었지만, 상기 시스템은 이에 제한되지 않는다. 본 명세서에 기술된 이젝터(130) 및 아스피레이터(132)는, 진공을 생성하고 그리고/또는 생성된 진공의 사용을 제어하기 위한 엔진 시스템의 다른 구성요소들 사이에 있는 어떠한 유로 중에도 포함될 수 있다. 이젝터(130) 및 아스피레이터(132)는 직렬 연결 또는 병렬 연결될 수 있다.
병렬 구성은, 도 1에 나타나 있는데, 이젝터(130) 및 아스피레이터(132)를 포함하며, 상기 이젝터(130) 및 아스피레이터(132)는 각각 진공을 필요로 하는 기기 (138)(진공 캐니스터/저장소일 수 있음)에 유동적으로 결합된(fluidly coupled to) 흡입 포트(S)를 갖는다. 생성된 진공은 다양한 엔진 진공 작동기(engine vacuum actuator)를 작동시키는데 사용될 수 있다. 이들은 예를 들어, 차량 브레이크 부스터, 연료 증기 정화 제어 시스템(fuel vapor purge control system) 등을 포함할 수 있다. 도 1의 실시예에서, 이젝터(130) 및 아스피레이터(132)에 의해 생성된 진공은 밸브(160)의 작동부에 직접 적용될 수 있다.
도면에서, 흡입 포트들(S)은 커넥터(135)에 의해 각각 덮여 있는데, 상기 커넥터는 흡입 포트(S)를 자신의 체크 밸브(136)(도 1의 사시도에서는 보이지 않는 것들 중 하나임)에 유동적으로 결합시킨다. 다른 실시예에서, 각 체크 밸브(136)는 자신이 제어하는 흡입부를 구획하는 관련 하우징과 합체될 수 있다. 도 1에서 나타난 바와 같이, 이젝터(130)와 아스피레이터(132)는 진공을 요하는 동일한 기기(138)에 유동적으로 결합될 수 있으며, 상기 기기에는 별개의 유체 연결부가 수반되거나, 또는 도시된 바와 같이 복수의 흡입 포트들(S)을 진공 캐니스터(138)와 유체 연통을 하는 트렁크 라인(trunk line)(142)에 연결하는 멀티-포트 정션(140)이 수반될 수 있다.
아스피레이터(132)는 또한 진공을 요하는 동일한 기기(138)에 유동적으로 결합된 바이패스 포트(B)도 포함하는데, 상기 기기에는 별도의 유체 연결이 수반되거나, 또는 도시된 바와 같이 멀티-포트 정션(140)에 대한 연결이 수반될 수 있다. 바이패스 포트(B)는 커넥터(144)로 덮여져 있는데, 상기 커넥터를 자신의 체크 밸브(146)에 유동적으로 결합시킨다. 다른 실시예에서, 체크 밸브(146)는 자신이 제어하는 바이패스 포트를 구획하는 관련 하우징에 합체될 수도 있다. 도 1의 실시예는 하나의 이젝터(130)와 하나의 아스피레이터(132)를 구비하는 것으로 도시되었지만, 시스템(100)은 이에 제한되지 않으며, 제한되지 않은 수의 이젝터 및 아스피레이터(진공을 요하는 동일한 기기 또는 진공을 요하는 상이한 기기에 병렬로 연결된 3개, 4개, 5개, 또는 그 이상의 이젝터 및 아스피레이터를 포함)를 포함할 수 있다. 상기에서 언급한 바와 같이, 본 명세서에 사용된 진공을 필요로 하는 기기는 진공 캐니스터/저장소를 포함한다.
제 2 유로(126) 내에서, 이젝터(130)와 아스피레이터(132)는 평행하므로, 제 1 멀티-포트 정션(150)과 제 2 멀티-포트 정션(152)은 이젝터(130)와 아스피레이터(132)를 제 2 유로(126)의 트렁크 라인에 연결하는데 사용된다. 제 1 멀티-포트 정션(150)는 트렁크 라인의 외기관(108)과 유체 연통하는 부분에 이젝터(130)와 아스피레이터(132)를 연결하고, 제 2 멀티-포트 정션(152)는 트렁크 라인의 흡기 매니폴더(120)와 유체 연통하는 부분에 이젝터(130)와 아스피레이터(132)를 연결한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진 시스템의 하나의 실시예는 또한 추가의 체크 밸브(170)도 포함할 수 있는데, 상기 추가의 체크 밸브는 이젝터(130)와 아스피레이터(132)를 통한 각각의 구동 흐름을 제어하도록 배치된다. 제 1 체크 밸브(170a)는 이젝터(130)와 제 2 멀티-포트 정션(152)의 사이에 배치되고, 제 2 체크 밸브(170b)는 아스피레이터(132)와 제 2 멀티-포트 정션(152)의 사이에 배치되나, 이들 위치에 제한되지 않는다.
제 2 유로(126)는 또한 밸브(160)를 포함할 수도 있는데, 이는 이젝터 아스피레이터 어셈블리(121)에 의해 생성된 진공에 의해 진공 제어될 수 있다. 밸브(160)는 호스(162), 다른 유사한 유체 연결 장치를 통하여 이젝터 아스피레이터 어셈블리(121)에 직접 연결되거나, 또는 멀티-포트 정션(150)를 통하여 간접 연결될 수 있다. 다른 실시예에서, 밸브(160)는 이젝터와 아스피레이터 어셈블리의 흡입 포트에 유동 연결된 진공 캐니스터에 유동 연결될 수 있다. 밸브(160)는 이젝터, 아스피레이터(130, 132)보다 터보차저(102)에 더욱 근접하여 배치될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
동작시 특정한 엔진 동작 조건 하에서, 이젝터(130)와 아스피레이터(132)는 신속하게 진공을 생성하고, 그리고/또는 진공 심도(depth of vacuum)를 생성하도록 제어될 수 있다. 도 1에서 화살표로 도시한 바와 같이, 이젝터(130)는 제 2 유로내에서 연결되어, 이젝터를 통한 구동 흐름(M1로 표시된 화살표)이 아스피레이터(132)를 통한 구동 흐름 (M2로 표시된 화살표)과 반대 방향이 되게 된다. 이러한 실시예에서, 체크 밸브(170a, 170b)는 구동 흐름 M1과 M2이 서로 반대 방향이 되도록 하는 역량을 제공한다. 여기에서, 엔진이 부스트 상태에 있을 때, 이젝터(130)를 통한 구동 흐름(M1)은 흡기 매니폴더(120)로부터 공기유도관(108) 쪽으로 이동하는 방향을 갖는다. 그러나, 엔진이 아이들 상태에 있을 때, 아스피레이터(132)는 공기유도관(108)으로부터 흡기 매니폴더(120) 쪽으로 이동하는 방향의 구동 흐름(M2)에 의해, 진공의 생성을 제어한다. 도 1에서 Sf로 표시된 화살표는, 구동 흐름이 이젝터(130) 또는 아스피레이터(132)를 통하여 존재할 때의, (진공을 필요로 하는 기기 또는 진공 캐니스터(138) 내에서 진공을 형성하는) 흡입 흐름의 방향을 가리킨다.
이젝터(130)와 아스피레이터(130) 각각의 내부에서 벤츄리 갭은 동일하거나 유사한 내부 구조일 수 있으며, 또는 부스트 대 아이들 조건하에서 또는 다른 엔진 조건 하에서 필요한 흡입량에 따라 달라질 수 있다. 하나의 실시예에서, (벤츄리 갭 쪽으로 수렴하는) 구동부의 내부 정션과 이젝터(130)의 흡입 포트는, 아스피레이터(132) 내부에 유사하게 위치한 내부 정션과는 다를 수 있다. 이젝터(130)와 아스피레이터(132) 둘 다의 내부에서, 대향하는 구동부는 (벤츄리 갭에서 멀어지면서 분기하는) 유출부이다.
밸브(160)는 통상적으로 개방되거나, 통상적으로 폐쇄되도록 설계될 수 있다. 밸브는 공압식으로 작동되거나, 또는 전자기적으로 작동될 수 있다. 밸브(160)가 공압식이고 진공 캐니스터(138) 내의 진공이 미리 결정된 값 이하로 떨어지는 경우, 밸브는 개방되어 구동 흐름의 발생을 허용할 것이다. 엔진이 동작 중인 경우, 이젝터 또는 아스피레이터는 이후 진공 캐니스터(138)로부터 공기를 제거하여, 내부 기압을 감소시키고 진공을 증가시킬 것이다. 진공이 미리 결정된 양을 초과하는 경우, 밸브는 폐쇄되고 구동 흐름이 억제된다.
다른 실시예에서, 밸브(160)는 진공 작동되기보다는, 전자기적으로 작동된다. 엔진 컴퓨터는, 전자기적으로 작동될 때, 유로(126)를 통하여 나아가 이젝터(130) 또는 아스피레이터(132)를 통한 구동 흐름을 언제 허용하거나 또는 억제할지의 시점을 결정할 것이다. 컴퓨터 알고리즘이 밸브의 개폐를 결정할 때 고려할 수 있는 인자들 중에는, 엔진 파라미터, 예컨대 흡기 매니폴더 압력, 엔진 온도, 엔진 속도, 및 엔진 파워 요구량이 있다. 고려될 사후처리 파라미터 중에는, NOx 처리 상태, 특정 필터 상태 등을 포함한다. 최종적으로, 진공 캐니스터 및/또는 진공 소모 기기 내에서의 압력 상태도, 또한 밸브(160)를 개방 및/또는 폐쇄할 시점을 결정할 때 고려할 수 있다.
본 명세서에 기재된 시스템은, 진공 및/또는 진공 심도를 얼마나 신속히 생성할 것인지를 제어하는 점 외에도, 유로(126)를 통한 흐름의 방향과는 무관하게 진공을 생성할 수 있는 점에서 유리하다.
본 발명을 이의 바람직한 실시예를 참고하여 상세하게 설명할 때, 첨부된 청구항에 정의된 본 발명의 범주를 벗어나지 않고도 수정예 및 개조예가 가능하다는 것은 명백할 것이다.

Claims (12)

  1. 터보차저 상류의 정션과 엔진 흡기 시스템의 흡기 매니폴더의 사이에 위치한 유로; 및
    서로 병렬 연결되어 유로의 일부를 형성하는 이젝터 및 아스피레이터를 포함하는 엔진 시스템으로서,
    상기 이젝터를 통한 구동 흐름은 상기 아스피레이터를 통한 구동 흐름의 방향과 반대되는 방향을 가지며, 상기 이젝터 및 상기 아스피레이터는 둘 다 진공을 필요로 하는 장치에 유동적으로 연결된 흡입 포트를 갖는, 엔진 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 아스피레이터 및 제 2 아스피레이터는 둘 다 진공을 필요로 하는 동일한 기기에 연결되는, 엔진 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이젝터를 통한 구동 흐름은 흡기 매니폴더로부터 터보차저 상류의 정션을 향하는, 엔진 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 이젝터를 통한 구동 흐름을 제어하도록 배치된 제 1 체크 밸브, 및 상기 아스피레이터를 통한 구동 흐름을 제어하도록 배치된 제 2 체크 밸브를 추가로 포함하는, 엔진 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 이젝터의 흡입 포트를 통한 흐름을 제어하도록 배치된 제 3 체크 밸브, 및 상기 아스피레이터의 흡입 포트를 통한 흐름을 제어하도록 배치된 제 4 체크 밸브를 추가로 포함하는, 엔진 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 아스피레이터는 바이패스 체크 밸브를 갖는 바이패스 포트를 포함하며, 상기 바이패스 체크 밸브는 상기 바이패스 포트를 통한 흐름을 제어하도록 배치되는, 엔진 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    스로틀이 개방된 부스트 상태 하에서, 상기 이젝터를 통한 구동 흐름은 흡기 매니폴더로부터 터보차저 상류의 정션 쪽으로 이동하는 방향을 갖는, 엔진 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    아이들 상태 하에서, 상기 아스피레이터를 통한 구동 흐름은 터보차저 상류의 정션으로부터 흡기 매니폴더 쪽으로 이동하는 방향을 갖는, 엔진 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    이젝터 및 아스피레이터의 상류 또는 하류의 유로 내에서 유체 연통을 하며, 상기 이젝터 및 아스피레이터 둘 다로 도입되는 흐름 및/또는 이들로부터 유출되는 흐름을 제어하는 제어 밸브를 추가로 포함하는, 엔진 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어 밸브는 진공 작동 제어 밸브인, 엔진 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 진공 작동 제어 밸브는 이젝터 및 아스피레이터 중 어느 하나 또는 둘 다와 유체 연통을 하거나, 또는 진공을 필요로 하는 기기와 유체 연통을 하는 제어 챔버를 포함하는, 엔진 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어 밸브는 전자기적으로 작동되는 제어 밸브인, 엔진 시스템.
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