KR20160098609A - 터보차저 엔진 - Google Patents

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KR20160098609A
KR20160098609A KR1020150019684A KR20150019684A KR20160098609A KR 20160098609 A KR20160098609 A KR 20160098609A KR 1020150019684 A KR1020150019684 A KR 1020150019684A KR 20150019684 A KR20150019684 A KR 20150019684A KR 20160098609 A KR20160098609 A KR 20160098609A
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manifold
cylinders
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KR1020150019684A
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최준규
김병기
신명근
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현대중공업 주식회사
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Abstract

터보차저 엔진이 개시된다. 본 발명에 따른 터보차저 엔진은, 먼저 연료의 폭발이 발생한 실린더의 배기관측이 연료의 폭발이 발생하지 않는 실린더의 배기관측과 연통된다. 그러면, 먼저 연료의 폭발이 발생한 실린더에서 발생된 배기가스가, 나중에 연료의 폭발이 발생한 실린더에서 발생된 배기가스에 의하여, 매니폴드로 유입되는 것이 간섭받지 않으므로, 실린더와 매니폴드 사이에 설치된 배기관을 포함한 부품들이 배기가스에 의하여 고온의 환경에 놓이게 되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 배기관을 포함한 부품들의 내구성이 향상되는 효과가 있을 수 있다.

Description

터보차저 엔진 {TURBO CHARGER ENGINE}
본 발명은 실린더의 연소실과 터보차저 사이에 설치된 배기관이 고온의 배기가스에 의하여 손상되는 것을 방지할 수 있는 터보차저 엔진에 관한 것이다.
엔진은 연료의 연소시 발생하는 열에너지를 기계적에너지로 바꾸는 장치이다. 연료는 엔진의 실린더의 연소실에서 연소되고, 연료의 연소에 필요한 공기는 실린더의 연소실이 부압(負壓)의 상태가 되면 실린더로 흡입된다. 실린더의 연소실의 압력은 실린더에 직선왕복운동가능하게 설치된 피스톤이 하사점으로 운동하면 부압(負壓)의 상태가 된다.
선박 보기(補機)용 및 발전용 디젤엔진은 출력 및 효율을 향상시키기 위하여, 배기가스의 엔탈피(Enthalpy) 낙차에 의한 에너지를 이용하여 흡기압을 늘려서 공기량을 증대시키는 터보차저가 적용된 터보차저 엔진을 사용하고 있다.
터보차저 엔진이란, 연료가 연소될 때 발생하는 배기가스를 이용하여 터보차저의 터빈을 회전시키고, 터빈의 회전력에 의하여 구동하는 압축기를 설치한 다음, 압축기로 공기를 압축하여 실린더의 연소실로 공급하는 엔진이다.
다기통 엔진은 짧은 시간 간격으로 동력행정이 계속적으로 반복되므로, 각 실린더에서 발생되는 회전토크가 균일하여야 작동이 원활하고 정숙할 수 있다. 그리고, 다기통 엔진의 각 실린더의 동력행정은 일정한 시간 간격으로 발생되어야 하며, 일정한 시간 간격으로 폭발이 진행되도록 점화간격이 정해졌다 하더라도, 점화순서는 ① 이웃하는 실린더에서 연속적으로 폭발이 일어나지 않도록 하고, ② 크랭크축의 비틀림(Torsion)이나 진동(Vibration)이 최소화 되도록 하여야 하며, ③ 흡/배기가 서로 간섭하여 엔진의 부조현상이 발생되지 않도록 하여야 한다.
일반적으로, 터보차저가 적용된 다기통 터보차저 엔진의 경우, 각 실린더의 연소실에서 배출된 배기가스는 매니폴드(Manifold)로 유입된 후, 터보차저의 터빈측으로 공급된다.
3기통 이상의 터보차저 엔진을 예로 들면, 어느 하나의 실린더에서 폭발이 일어나서 어느 하나의 실린더에서 매니폴드로 배기가스가 배출되는 도중, 다른 하나의 실린더에서 폭발이 일어나서 다른 하나의 실린더에서도 매니폴드로 배기가스가 배출된다.
그런데, 어느 하나의 실린더와 다른 하나의 실린더에서 동시에 배기가스가 배출되는 동안에는, 나중에 연료가 폭발한 다른 하나의 실린더에서 배출되는 배기가스의 압력이 고압이다. 이로인해, 어느 하나의 실린더에서 매니폴드로 배출되는 배기가스가 다른 하나의 실린더에서 매니폴드로 배출되는 배기가스의 압력에 의하여 매니폴드로 원활하게 배출되지 못할 수 있다.
그러면, 어느 하나의 실린더와 매니폴드 사이에 설치된 배기관 등을 포함한 부품들은 배기가스에 의하여 고온의 환경에 놓이게 되므로, 내구성이 저하될 수 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 모든 문제점들을 해결할 수 있는 터보차저 엔진을 제공하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 어느 하나의 실린더에서 매니폴드로 배출되는 배기가스가 다른 하나의 실린더에서 매니폴드로 배출되는 배기가스의 압력에 의하여 영향을 받을 때, 어느 하나의 실린더에서 배출되는 배기가스를 배기가스가 배출되지 않는 또 다른 하나의 실린더측으로 바이패스시켜 배출시킴으로써, 실린더와 매니폴드 사이에 설치된 배기관 등을 포함한 부품들의 내구성을 향상시킬 수 있는 터보차저 엔진을 제공하는 것일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 터보차저 엔진은, 연료가 연소되는 연소실을 각각 형성하는 3개 이상의 실린더가 형성된 엔진블럭; 상기 엔진블럭의 일측에 설치되고, 배출관을 매개로 각각의 상기 실린더와 연통되며, 상기 실린더에서 배출되는 배기가스가 유입되는 매니폴드; 상기 엔진블럭의 일측에 설치되며 상기 매니폴드에서 배출되는 배기가스에 의하여 구동하면서 공기를 압축하여 각각의 상기 실린더로 공급하는 터보차저를 포함하며, 연료의 폭발은 일정 시간 간격으로 상기 실린더를 순차적으로 순환하면서 진행되고, 어느 하나의 상기 실린더에서 연료가 폭발한 후, 순차적으로 다른 하나의 상기 실린더에서 연료가 폭발한다고 가정할 때, 어느 하나의 상기 실린더와 상기 매니폴드 사이에 설치된 상기 배출관은, 분기관을 매개로, 또 다른 하나의 상기 실린더와 상기 매니폴드 사이에 설치된 상기 배출관과 연통될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 터보차저 엔진은, 먼저 연료의 폭발이 발생한 실린더의 배기관측이 연료의 폭발이 발생하지 않는 실린더의 배기관측과 연통된다. 그러면, 먼저 연료의 폭발이 발생한 실린더에서 발생된 배기가스가, 나중에 연료의 폭발이 발생한 실린더에서 발생된 배기가스에 의하여, 매니폴드로 유입되는 것이 간섭받지 않으므로, 실린더와 매니폴드 사이에 설치된 배기관을 포함한 부품들이 배기가스에 의하여 고온의 환경에 놓이게 되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 배기관을 포함한 부품들의 내구성이 향상되는 효과가 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저 엔진의 개략적 구성을 보인 도.
도 2는 도 1에 도시된 엔진블럭의 개략적 측면도.
도 3은 도 2에 도시된 배기관의 사시도.
본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.
한편, 본 명세서에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 정의하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다.
"포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
"적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1항목, 제2항목 및 제3항목 중에서 적어도 하나"의 의미는 제1항목, 제2항목 또는 제3항목 각각 뿐만 아니라 제1항목, 제2항목 및 제3항목 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.
"위에"라는 용어는 어떤 구성이 다른 구성의 바로 상면에 형성되는 경우 뿐만 아니라 이들 구성들 사이에 제3의 구성이 개재되는 경우까지 포함하는 것을 의미한다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 터보차저 엔진에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저 엔진의 개략적 구성을 보인 도이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 터보차저 엔진은 엔진(100)과 터보차저(200)를 포함할 수 있다.
엔진(100)은 엔진블럭(110)을 포함할 수 있고, 엔진블럭(110)의 내부에는 실린더(120)(도 2 참조) 및 복수의 부품들이 설치될 수 있다. 실린더(120)의 내부 공간은 연료가 연소되는 연소실의 기능을 할 수 있다.
실린더(120)에는 피스톤(미도시)이 직선왕복운동가능하게 설치되며, 상기 피스톤이 하사점으로 운동하면 실린더(120)의 상기 연소실로 연료 및 연료의 연소에 필요한 공기가 유입되고, 상기 피스톤이 상사점으로 운동하면 실린더(120)의 상기 연소실로 유입된 연료가 압축되어 폭발하면서 연소된다.
실린더(120)의 상기 연소실에서 연료가 연소되면, 고온 고압의 배기가스가 발생하고, 배기가스는 터보차저(200)로 유입될 수 있다.
터보차저(200)는 터빈(210), 압축기(220) 및 인터쿨러(230)를 포함할 수 있다.
상세히 설명하면, 터빈(210)은 실린더(120)의 상기 연소실에서 배출되는 배기가스에 의하여 회전 구동할 수 있고, 압축기(220)는 터빈(210)에 의하여 회전 구동하면서 외부에서 유입된 공기를 압축할 수 있다. 압축기(220)에서 압축된 고온 고압의 공기는 인터쿨러(230)에서 냉각되어 밀도가 높은 상태로 실린더(120)의 상기 연소실로 공급될 수 있다.
압축기(220)에서 배출되는 고온 고압의 공기가 실린더(120)의 상기 연소실로 유입되어 단열 압축되면, 연료의 연소 온도가 너무 높아지므로, 압축기(220)에서 배출되는 고온 고압의 공기는 인터쿨러(230)에서 냉각되어 실린더(120)의 상기 연소실로 유입되는 것이다.
실린더(120)의 상기 연소실에서 배출된 배기가스는 엔진블럭(110)의 일측에 설치된 매니폴드(130)로 유입될 수 있고, 매니폴드(130)로 유입된 배기가스는 터보차저(200)의 터빈(210)으로 공급될 수 있다.
다기통 터보차저 엔진의 경우, 더 구체적으로는 3기통 이상의 터보차저 엔진의 경우, 먼저 폭발이 일어난 제1실린더(120a)(도 2 참조)의 상기 연소실에서 매니폴드(130)로 배출되는 배기가스가 나중에 폭발이 일어난 제2실린더(120b)의 상기 연소실에서 매니폴드(130)로 배출되는 배기가스의 간섭을 받아서 원활하게 배출되지 못할 수 있다.
본 실시예에 따른 터보차저 엔진은, 어느 하나의 실린더(120a, 120b, 120c, 120d, 120e)의 상기 연소실에서 매니폴드(130)로 배출되는 배기가스가 다른 하나의 실린더(120a, 120b, 120c, 120d, 120e)의 상기 연소실에 배출되는 배기가스에 의하여 간섭을 받지 않도록 구성할 수 있는데, 이를 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.
도 2는 도 1에 도시된 엔진블럭의 개략적 측면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 배기관의 사시도이다.
이하에서는, 실린더(120a, 120b, 120c, 120d, 120e)가 다섯개인 5기통 터보차저 엔진을 예로 들어 설명한다.
도시된 바와 같이, 엔진블럭(110)의 내부에는 제1실린더(120a) 내지 제5실린더(120e)가 직렬로 설치되고, 제1실린더(120a) 내지 제5실린더(120e)는 각각 배출관(123)을 매개로 매니폴드(130)와 연통될 수 있다.
그리고, 연료의 폭발은 일정 시간 간격으로 제1실린더(120a) → 제2실린더(120b) → 제4실린더(120d) → 제5실린더(120e) → 제3실린더(120c) → 제1실린더(120a)의 순서로 순차적으로 순환하면서 진행된다고 가정한다.
그러면, 제1실린더(120a)에서 연료가 폭발하면, 제1실린더(120a)의 상기 연소실에서 배출되는 배기가스가 제1배출관(123a)을 통하여 매니폴드(130)로 유입된다. 이러한 도중, 제2실린더(120b)에서 연료가 폭발하게 되며, 이로 인해 제2실린더(120b)의 상기 연소실에서 배출되는 배기가스가 제2배출관(123b)을 통하여 매니폴드(130)로 유입된다.
이때, 제1배출관(123a)과 제2배출관(123b)을 통하여 배기가스가 동시에 매니폴드(130)로 유입되는 상태의 경우, 연료의 폭발이 제2실린더(120b)에서 나중에 발생되었으므로, 제2배출관(123b)에서 배출되는 배기가스의 압력이 제1배출관(123a)에서 배출되는 배기가스의 압력 보다 높다.
그러면, 제1배출관(123a)에서 배출되는 배기가스가 제2배출관(123b)에서 배출되는 배기가스의 압력에 의하여 매니폴드(130)로 용이하게 배출되지 못할 수 있다.
이를 방지하기 위하여, 제1배출관(123a)은, 분기관(125)을 매개로, 연료의 폭발이 발생하지 않는 제3실린더(120c)와 연통된 제3배출관(123c)과 연통되거나, 제4실린더(120d)와 연통된 제4배출관(123d)과 연통되거나, 제5실린더(120e)와 연통된 제5배출관(123e)과 연통될 수 있다. 이때, 제1배출관(123a)은 제3배출관(123c) 내지 제5배출관(123e) 중, 배기가스가 배출되는 않는 배출관과 연통되는 것이 바람직하다.
그러면, 제1배출관(123a)의 내부 압력과 제3배출관(123c)의 내부 압력 차, 또는 제1배출관(123a)의 내부 압력과 제4배출관(123d)의 내부 압력 차, 또는 제1배출관(123a)의 내부 압력과 제5배출관(123e)의 내부 압력 차에 의하여 제1배출관(123a)의 배기가스가 제3배출관(123c), 또는 제4배출관(123d) 또는 제5배출관(123e)을 통하여 매니폴드(130)로 용이하게 유입될 수 있다.
분기관(125)에는 밸브(128)가 설치될 수 있다. 이때, 밸브(128)는 제1배출관(123a)의 내부 압력과 제3배출관(123c)의 내부 압력 차, 또는 제1배출관(123a)의 내부 압력과 제4배출관(123d)의 내부 압력 차, 또는 제1배출관(123a)의 내부 압력과 제5배출관(123e)의 내부 압력 차에 의하여 개폐되는 일방향 밸브로 마련될 수 있다. 즉, 밸브(128)는 제1배출관(123a)에서 제3배출관(123c), 또는 제1배출관(123a)에서 제4배출관(123d), 또는 제1배출관(123a)에서 제5배출관(123e)으로 배기가스가 배출되게 하는 체크밸브로 마련될 수 있다.
전술한 내용을, 연료의 폭발 순서에 따라, 제2실린더(120b)와 제4실린더(120d)의 경우에 적용하면, 제2배출관(123b)은 제1배출관(123a), 또는 제3배출관(123c), 또는 제5배출관(123e)과 연통될 수 있다. 그리고, 제4실린더(120d)와 제5실린더(120e)에 적용하면, 제4배출관(123d)은 제1배출관(123a), 또는 제2배출관(123b), 또는 제3배출관(123c)과 연통될 수 있다. 그리고, 제5실린더(120e)와 제3실린더(120c)에 적용하면, 제5배출관(123e)은 제1배출관(123a), 또는 제2배출관(123b), 또는 제4배출관(123d)과 연통될 수 있다. 그리고, 제3실린더(120c)와 제1실린더(120a)에 적용하면, 제3배출관(123c)은 제2배출관(123b), 또는 제4배출관(123d), 또는 제5배출관(123e)과 연통될 수 있다.
본 실시예에 따른 터보차저 엔진은, 먼저 연료의 폭발이 발생한 실린더(120)의 배기관(123)측이 연료의 폭발이 발생하지 않는 실린더(120)의 배기관(123)측과 연통된다. 따라서, 먼저 연료의 폭발이 발생한 실린더(120)에서 발생된 배기가스가, 나중에 연료의 폭발이 발생한 실린더(120)에서 발생된 배기가스에 의하여, 매니폴드(130)로 유입되는 것이 간섭받지 않으므로, 실린더(120)와 매니폴드(130) 사이에 설치된 배기관(123)을 포함한 부품들이 배기가스에 의하여 고온의 환경에 놓이게 되는 것이 방지될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: 엔진블럭
120: 실린더
123: 배출관
125: 분기관
128: 밸브
130: 매니폴드
200: 터보차저

Claims (4)

  1. 연료가 연소되는 연소실을 각각 형성하는 3개 이상의 실린더가 형성된 엔진블럭;
    상기 엔진블럭의 일측에 설치되고, 배출관을 매개로 각각의 상기 실린더와 연통되며, 상기 실린더에서 배출되는 배기가스가 유입되는 매니폴드;
    상기 엔진블럭의 일측에 설치되며 상기 매니폴드에서 배출되는 배기가스에 의하여 구동하면서 공기를 압축하여 각각의 상기 실린더로 공급하는 터보차저를 포함하며,
    연료의 폭발은 일정 시간 간격으로 상기 실린더를 순차적으로 순환하면서 진행되고,
    어느 하나의 상기 실린더에서 연료가 폭발한 후, 순차적으로 다른 하나의 상기 실린더에서 연료가 폭발한다고 가정할 때,
    어느 하나의 상기 실린더와 상기 매니폴드 사이에 설치된 상기 배출관은, 분기관을 매개로, 또 다른 하나의 상기 실린더와 상기 매니폴드 사이에 설치된 상기 배출관과 연통된 것을 특징으로 하는 터보차저 엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    어느 하나의 상기 실린더와 연통된 상기 배출관을 통해서 배기가스가 배출될 때, 또 다른 하나의 상기 실린더와 연통된 상기 배출관을 통해서는 배기가스가 배출되는 않는 것을 특징으로 하는 터보차저 엔진.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 분기관에는 밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 터보차저 엔진.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 밸브는 어느 하나의 상기 실린더와 연통된 상기 배출관의 내부 압력과 또 다른 하나의 상기 실린더와 연통된 상기 배출관의 내부 압력 차에 의하여 개폐되는 것을 특징으로 하는 터보차저 엔진.
KR1020150019684A 2015-02-09 2015-02-09 터보차저 엔진 KR20160098609A (ko)

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