KR20170034358A - 터보를 이용한 배기압력 조절 및 과급증대 장치 - Google Patents

터보를 이용한 배기압력 조절 및 과급증대 장치 Download PDF

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Abstract

터보가 부착된 내연기관의 배기압력을 터보의 특성을 이용하여 조절하여 기관의 효율을 약 20% 상승 및 가속능력 증대, 출력증대, 유해 배기가스의 대폭적 감소를 시켜주는 장치이다. 내연기관은 배기압력을 적절히 조절해 줌으로써 상기 목적을 달성시킬 수 있다. 본 발명은 터보 챠져의 특성을 이용하여 기관의 배기 압력을 조절하여 줌으로써 내연기관의 과급 효과의 증대와 더불어 효율을 극대화 시키는 장치이다.

Description

터보를 이용한 배기압력 조절 및 과급증대 장치{exhaust pressure control and supercharging increase equipment used turbo}
내연기관
내연기관의 연료 절감을 위해 배기 손실의 감소를 위한 여러 가지 방안이 강구되어 왔었다. 내연기관의 배기압력 감소를 목적으로 하는 배기 촉진장치와 저속에서는 배기압력을 올리며 고속에서는 내리는 방법(배기압력 조절장치-본인출원) 등의 배기압력 조절장치 등이 연구돼 왔다.
내연기관의 효율 상승<배기가스에 의한 과급장치(터보)가 부착된 내연기관>
내연기관은 배기압력을 적절히 조절해 줘야만 효율이 높아진다. 그 이유는 캠의 구조에 따른 피스톤의 상사점에서 정확히 흡배기 시점이 되지 않음에 기인된다. 즉, 폭발 행정 과정에서 배기 밸브가 피스톤 하사점 전 크랭크 각 약 55도 전에서 열리기 시작하기 때문에 폭발행정 중 연소가스가 미리 배출되는 현상이 일어난다. 따라서 지금까지는 배기 압력을 낮춰야만 내연기관의 효율이 상승되는 것으로만 일반적으로 알고 있으나 그것은 잘못이다.
그러므로 내연기관의 배기압력은 일반적으로 상승시켜야만 폭발 행정 과정에서 미리 배출되는 미연소가스의 배출이 줄어들며 폭발 행정 압력이 상승되며 폭발행정에서의 더 큰 힘이 발생된다.
그렇지만 배기 압력을 과도하게 상승시켰을 경우에는 배기 행정에서의 배기가 원활하지 않으며 배기 행정 과정에서 피스톤에 배압이 걸려 오히려 손실을 가져 온다. 그러므로 이러한 현상이 원활하게 이루어지기 위해서는 적정한 배기 압력의 조절이 필요하다. 일반적으로 저속(약 2500 rpm 이하)에서는 배기 압력을 상승시켜야 하며 고속에서는 배기압력을 낮추어야 한다.
이럴 경우 연소시간이 길어짐에 의한 미연소분의 대폭 감소, 유해 배기가스의 대폭 감소, 기관의 대폭적 효율 상승 등의 효과를 가져올 수 있다.
그러므로 내연기관의 배기압력 조절은 매우 중요하다. 하지만 지금까지 통상적으로 기관의 흡기와 미립화 연소등에서만 관심을 가졌었고 본 발명과는 달리 기관의 배기 계통에서의 중요성은 간과하고 있었던 것이 사실이다.
그러므로 지금까지 배기의 원활한 추출만을 목적으로 하는 배기추출 장치 등이 연구된바 있으나 저속에서의 역효과로 인하여 실제로 배기추출 장치를 부착하는 예는 거의 없다.
참고적으로 본 발명의 이전에 내연기관의 배기압력 조절장치(본인 발명,기관 효율 약 20% 상승)가 발명된 적이 있으나 배기관 부착의 여러가지 기타 문제로 인하여 사업화를 추진되지 못하였다. 하지만 본 발명은 내연기관의 흡기관에 부착되는 장치로써 부착의 문제를 어느정도 해결하였으며 터보의 작동 원리와 특성를 이용하여 배기 압력의 조절 및 과급 효과를 증대시키는 효과를 이루어내는 장치이다. 그러므로 터보가 장착된 내연기관 만이 해당되는 단점이 있다. 본 발명의 터보를 이용한 배기압력 조절 및 과급효과 증대 장치의 원리와 구조는 다음과 같다.
1> 원리
1) 터보 챠져에 의해 구동되는 팬은 일반적으로 흡입구는 축류팬이며 승압 배출 쪽은 원심팬으로 구성되어 있다.
2) 터보 챠져를 구동시키는 배기쪽에서의 구동 터빈은 축류형 터빈으로 구성되어 있다. 축류형 터빈의 경우 유체가 배출되는 속도에 비해 유체에 의해 증가될 수 있는 회전수 증가는 축류형 터빈의 날개 각도에 따라 거의 무한 속도에 가깝다. 그 이유는 유체는 축류형 날개의 빗면 경사각도가 작을수록 유체의 이동 거리에 비해 날개의 회전거리가 길어지는 이유에서이고 다만 회전수를 빨리 할수록 회전 토르크는 약해진다. 그러므로 터보의 회전수는 일반적으로 매우 빠르며 약 10000~25000 rpm 까지 상승한다.
3) 원심팬은 출구를 막아 유량을 감소시킬 경우 소요동력이 매우 줄어든다. 다만 저압에서의 경우이며 고압의 경우에는 압력에 의한 축토르크가 요구되어져 오히려 소요동력이 증가한다. 그 구체적 이유는 난해하여 서술이 너무 길어지므로 본 발명의 내용에서 기술을 생략한다. 다만 간략히 요약하여 결과적 현상만을 기술한다면 팬의 축동력은 "유량(Q)*압력(P)"이므로 압력이 높을 경우 조그만 유량에도 소요동력이 매우 커지게 된다. 즉, 원심팬의 경우 유량만의 함수가 되어야 하지만 팬 내에서 유체의 나선 방향으로의 회전증가에 의해 압력에 의한 축토르크가 요구되기 때문이다.
4) 만약 팬의 출구를 작게하여 압력을 높혔을 경우에는 높아지는 압력에 의해 유량의 변화는 거의 없다. 그 이유는 낮은 압력에서의 유량을 Q 라 한다면 압력 분사속도는 "[2*P(압력)/q(밀도)]^0.5" 이므로 분사속도가 빨라져 Q=A(관단면적)V(유속) 의 관계에서 단면적 A가 작아지더라도 압력이 증가되어 V(분사속도)가 빨라지므로 Q 는 큰 변화가 없게 된다.
5) 터보의 배기측 축류 터빈의 경우 회전수가 빨라지면 배기 가스의 토출면적이 줄어든다. 즉, 터보의 회전수가 빠를수록 배기가스의 터보에서의 엔탈피 감소가 크며 기관의 배기 압력이 증대된다.
6) 이상의 기본적 자연현상적 원리에 의해 터보에서 배출되어 기관의 흡입구 쪽으로 가압되는 공기의 통로를 좁게 하였을 경우 기관의 저속에서는 터보의 회전수가 빨라지며 기관의 고속에서는 터보의 회전 토르크가 증대되어 터보의 회전수가 무구속적으로 급증되는 것이 방지된다.
7) 그러므로 기관이 저속시에는 배기압력이 증대되며 고속시에는 무구속적으로 터보의 회전이 증대되는 것이 방지되어 배기압력의 급증대를 방지한다.
8) 따라서 기관의 흡입관에 밸브를 설치하여 기관의 저속시에는 어느정도 막아 터보의 회전을 증대시키며 고속에서는 터보가 배출압력이 걸리는 한계에서 통로를 크게하여 밸브의 조속에 의한 터보의 회전수를 조절하여 배기압력을 조절할수 있다.
9) 원심팬은 출구를 개방할 경우 압력이 급격히 떨어진다. 그러므로 실제로 기관에서 필요로하는 과급의 경우에 실린더에서 흡입력이 상당하므로 터보의 출구를 완전 개방하여 공기를 흡기관에 유입시킬 경우 터보의 출구 압력이 떨어져 요구하는 과급 효과를 이루어 내지 못한다. 따라서 터보를 이용한 과급 효과를 올바르게 이루어 내기 위해서는 터보의 배출구를 어느정도 막아 터보의 출구압을 상승시켜야 하며 또한 출구압을 상승시켰을 때 공기의 유속이 빨라져 엔진의 과급 효과에 오히려 도움을 준다. 다만 과도하게 터보의 출구를 막았을 경우에는 역효과가 발생될 수 있다.
10) 기관의 흡입관에 조속 밸브를 설치하여 터보의 회전수를 조절하더라도 4)항에 의해 기관에 유입되는 공기량은 변하지 않는다.
11) 이상의 원리에 의해 기관에서 터보를 이용한 올바른 과급효과 증대와 기관의 배기 압력을 조절하기 위해서는 터보가 장착된 기관에서 인터 쿨러로 부터 유입되는 기관의 흡입구에 조속 밸브를 설치하여 기관이 저속에서는 통로를 매우 막아야 하며 고속에서는 터보에 출구압이 형성되는 범위에서 개방시켜야 한다.
12) 일반적으로 터보 인터쿨러가 장착된 내연기관의 경우 터보에 의한 과급 효과의 증대에 비하여 터보가 무구속 상태에서 운전됨으로 인한 배기쪽에서의 효율 감소로 인하여 전체적으로 기관의 효율이 저하되는 것이 일반적이다. 따라서 최근에는 상기의 정확한 이유를 파악하지 못하여 터보 인터쿨러 형식의 엔진이 감소되는 추세에 있다. 하지만 본 발명에서 그 이유를 정확히 기술하기 위하여 비교적 상세히 언급 하였으므로 차후 본 발명에서의 기술 원리가 정확하게 널리 이해 된다면 재차 기관의 효율 증대를 위하여 터보 인터쿨러 형식의 엔진이 널리 재 이용되어 질 수있을 것이다.
2> 구조
상기 원리에 따른 구조와 더불어 배관의 형식, 현재 기관의 흡입관에 이용되어 지고 있는 장치를 이용 또는 개조, 즉 가변흡기방식(스웰밸브 형식)(도7) 또는 DOHC 기관에서의 스웰플랩(도8) 등을 이용한 장치 구성 등의 방법과 더불어 도1, 도3과 같이 별도의 장치를 구성하여 부착 방법등 , 배관의 구성(도5, 도6) 등은 이하 내용과 더불어 [발명을 실시하기 위한 구체적인 내용]을 참조.
- 터보가 부착된 내연기관의 대폭적 효율 상승, 터보의 수명증대.
- 연료 소비율의 대폭적 감소 (약 20 %)
- 기관의 출력 및 가속능력 증대
- 유해 배기가스의 현저한 감소
- 엔진의 내구성 증대
등을 실제로 이루어낼 수 있다.
실제로 샘플을 제작 부착하여 운전 시 가속 능력과 더불어 출력의 증대 효과가 있었으며 효율은 약 20 % 의 연료소비율 감소를 가져왔다.
도1은 터보를 이용한 배기압력 조절 및 과급 증대 장치의 구성도
도2는 도1의 단면 AA 도
도3은 흡기 배관 내에서 구성된 터보를 이용한 배기압력 조절 및 과급 증대 장치의 구성 사시도
도4는 내연기관의 흡기관에 부착된 터보를 이용한 배기압력 조절 및 과급 증대 장치를 나타내기 위한 사시도
도5는 내연기관의 흡기관에 터보 바이패스 라인을 설치하여 터보를 이용한 과급 증대 장치를 연동하여 이용하기 위한 구성 사시도.
도6은 내연기관의 흡기관과 터보 배출 라인을 분리하여 터보를 단독 운전으로 터보를 이용한 배기압력 조절 장치를 별도 운영하기 위한 구성 사시도.
도7은 가변흡기 시스템이 이용되는 내연기관의 흡입구에 스웰관 막음밸브(25)를 추가 설치하여 터보가 부착된 기관에서 가변흡기 시스템을 이용하여 터보를 이용한 배기압력 조절 및 과급 증대 장치를 대용하기 위한 구성 사시도.
도8은 더블 오버해드 기관의 밸브 구성 내연기관에서 스웹플랩 밸브(26)와 이를 제어하기 위한 스웹 플랩 솔레노이드(27), 솔레노이드 콘트롤라(28)를 추가 설치하여 스웹플랩 밸브 흡기 시스템이 구성된 기관에서 터보를 이용한 배기 압력 조절 및 과급 증대 장치를 대용하기 위한 구성 사시도.
도 1,2 와 같이 입구 호스 연결배관(3)과 출구 호스 연결배관(1)의 내부에 유입공기 압력 조절판(2)이 장착되어 유입공기(14)의 량이 많을수록 유입공기량 압력 조절판(2)이 열리고 기관의 터보로 부터 유입되는 공기가 적을 때는 공기압력조절 압축 스프링(8)에 의해 닫히여 기관의 저속에서는 터보의 회전저항을 감소시켜 터보가 빨리 돌게 하여 배기저항을 증가시키며 기관이 고속에서 배기량이 많아질 때는 유입공기가 스프링(8)을 밀고 나오게 함으로써 출구 압력이 증가되어 터보에 회전저항을 증가시켜 회전수 급증을 방지시킴으로써 배기압 상승을 방지시킨다. 이의 기능을 효과적으로 수행하기 위하여 스프링(8)의 세기를 외부에서 조절하기 위한 공기압력 조절너트(7), 스톱볼트(12) 등의 보조장치들로써 도1과 같이 구성된다. 또한 내연기관의 특성에 맞추어 미리 셋팅시켜 외부에서 조절의 필요성이 없을 경우에는 도3과 같이 관내에 일체로 구성되어 터보를 이용한 배기압력 조절의 기능을 수행하도록 한다.
또한 유입 공기압이 높아질수록 공기유입 가변통로(4)에서의 속도가 빨라져 유입 공기량에는 크게 차이나지 않도록 하여 기관의 효율을 배기압력 조절이 자동으로 터보의 회전에 따라 이루어지게 하는 장치이다.
또한 장치의 원리에 따른 구성을 효과적으로 이루기 위하여 도5,도6 과 같이 터보 바이패스 흡기 라인(20), 터보 바이패스 흡기 콘트롤 밸브(21), 터보 바이패스 흡기 콘트롤라(22) 등의 구성으로 배관을 구성하여 터보에서 유입되는 공기와 외기로부터 유입되는 공기를 적절히 콘트롤 하는 방식으로 본 발명 장치를 운영(도5)하는 방법과 도6과 같이 터보는 흡기관과 별도 운영하여 배기압력만을 조절하는 방식 등으로 구성된다.
또한 기관의 가변흡기 방식, 더블 오버해더 캠 샤프트 방식에 있어서의 가변 플랩등 이들의 장치를 이용하기 위하여 도7과 같이 스웰관 막음 밸브(25)를 추가로 설치하여 가변흡기 방식을 이용한 배기압력 조절 및 과급 효과 증대기능을 이용하도록 함과 함께 도8과 같이 스웰플랩밸브(26), 스웰플랩 솔레노이드(27), 솔레노이드 콘트롤라(28)등을 추가 설치하여 배기압력조절 및 과급 증대기능을 이용하도록 하는 구성 방식등을 이용한다.
터보가 부착된 내연기관의 대폭적 효율 상승, 출력증대, 가속능력 증대, 유해 배기 가스의 대폭적 감소등을 이루어 내므로 실용성이 매우 높다.
1: 출구 호스 연결배관 2: 유입공기 압력 조절판 3: 입구호스 연결배관
4: 공기 유입 가변통로 5: 공기 압력조절 볼트 홀더(3과 일체)
6: 공기 압력조절 왕복 볼트 7: 공기 압력 조절 너트
8; 공기압력 조절 압축 스프링 9: 공기압력 조절 회전축
10: 스톱 볼트 홀더(1과 일체) 11: 스톱 볼트 풀림 방지 스프링
12: 스톱 볼트 13: 회전축 핀 14: 유입 공기(from turbo)
15: 회전축 핀 홀더 16: 왕복 공기량 조절판
17: 공기량 조절판 스프링 18: 왕복 조절판 홀더 19: 공기 유입통로
20: 터보 바이패스 흡기 라인 21: 터보 바이패스 흡기 콘트롤 밸브
22: 터보 바이패스 흡기 콘트롤라 23: 터보 배출관 분리 라인
24: 터보 배출관 분리 흡기 라인 25: 스웰관 막음 밸브
26: 스웰 플랩 밸브 27: 스웰 플랩 솔레노이드 28: 솔레노이드 콘트롤라.

Claims (6)

  1. 도1,도2와 같이 유입공기 압력이 높아질수록 유입공기량 조절판(2)이 열리도록 하고, 이를 외부에서 공기압력조절 스프링(8)으로써 조절이 가능하며 한계치의 설정이 가능하도록 스톱볼트(12)등으로 이루어져 도1과 같이 구성된 터보를 이용한 배기압력 조절 및 과급 증대장치.
  2. 청구항1과 같은 동일한 기능을 수행하면서 기관의 성능과 성상에 따라 원천적으로 미리 세팅되어 도3과 같이 이루어진 터보를 이용한 배기압력 조절 및 과급 증대 장치.
  3. 터보를 이용한 배기압력 조절 및 과급 증대장치를 이용하여 도5와 같이 터보 바이패스 흡기라인(20), 터보 바이패스 흡기 콘트롤 밸브(21), 터보 바이 패스 흡기 콘트롤라 (22) 등으로 구성되어 터보를 이용한 배기압력 조절 및 과급 증대장치를 효과적으로 이용하기 위한 배관 및 장치 구성 방법.
  4. 터보를 이용한 배기압력 조절 및 과급 증대 장치를 이용하여 도6과 같이 터보의 배출구와 기관의 흡입관을 분리하여 터보는 배기압력 조절만을 이용하도록 한 터보를 이용한 배기압력 조절 방법.
  5. 도7과 같이 터보가 부착된 가변 흡기방식의 기관에 있어서 가변 흡기밸브와 별도로 흡기 라인에 스웰관 막음 밸브(25)를 추가로 설치하여 가변 흡기 방식의 콘트롤라를 이용해 배기압력 조절 및 과급 증대 효과를 이용하도록 하는 가변 흡기 방식을 이용한 기관의 배기압력 조절 및 과급 증대효과 방법.
  6. 도8과 같이 터보가 부착된 DOHC 기관의 가변흡기 방식에 있어서 스웰플랩밸브(26), 스웰플랩 솔레노이드(27), 솔레노이드 콘트롤라(28)등을 추가로 설치하여 이미 설치된 26,27,28과 함께 이를 혼용하여 과급 증대 효과를 이루도록 하는 가변 흡기 방식을 이용한 기관의 배기압력 조절 및 과급 증대효과 방법.
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