KR20180030273A - 차량의 엔진 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량의 엔진 구조에 관한 것으로, 배기 유동의 영향으로 회전되어 흡기를 압축시키도록 마련된 터보차져; 엔진에 형성된 복수의 연소실 중 일부와 연통되고, 상기 터보차져와 연통되어 터보배기계를 구성하도록 마련된 제1러너; 상기 엔진에 형성된 상기 복수의 연소실 중 상기 제1러너와 연통된 연소실을 제외한 나머지 연소실과 연통되어 자연배기계를 구성하도록 마련된 제2러너; 및 모터에 의해 회전되어 흡기를 압축시키도록 마련되되, 상기 모터는 냉각수에 의해 냉각되도록 마련된 슈퍼차져;를 포함하는 차량의 엔진 구조가 소개된다.

Description

차량의 엔진 구조{STRUCTURE OF ENGINE FOR VEHICLE}
본 발명은 차량의 엔진 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 흡기 및 배기의 유동경로가 형성되고, 흡기 및 배기측의 냉각시스템이 구성된 차량의 엔진 구조에 관한 것이다.
차량의 엔진에는 엔진 연소실로 향하는 흡기의 유동경로 및 엔진 연소실로부터 배출되는 배기의 유동경로가 형성된다. 특히, 터보차져 또는 슈퍼차져 등의 과급기를 구비하는 경우, 상기 엔진의 흡기 또는 배기의 유동경로를 적절히 설계하는 것은 중요하다.
한편, 흡기의 온도 또는 흡기측의 장치 온도를 적당히 조절하고, 배기의 온도 또는 배기측의 장치 온도를 적당히 조절하기 위한 냉각시스템을 효율적으로 설계하는 것은 엔진성능을 향상시키는 데에 있어 중요한 과제가 된다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 20-1998-0049000 A1
본 발명은 터보차져가 구비됨과 동시에 효율적인 배기유로를 형성하고, 흡기유로 및 배기유로를 효과적으로 냉각시키는 냉각시스템이 구현된 차량의 엔진 구조를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량의 엔진 구조는 배기 유동의 영향으로 회전되어 흡기를 압축시키도록 마련된 터보차져; 엔진에 형성된 복수의 연소실 중 일부와 연통되고, 상기 터보차져와 연통되어 터보배기계를 구성하도록 마련된 제1러너; 상기 엔진에 형성된 상기 복수의 연소실 중 상기 제1러너와 연통된 연소실을 제외한 나머지 연소실과 연통되어 자연배기계를 구성하도록 마련된 제2러너; 및 모터에 의해 회전되어 흡기를 압축시키도록 마련되되, 상기 모터는 냉각수에 의해 냉각되도록 마련된 슈퍼차져;를 포함한다.
상기 제1러너 및 제2러너는 서로 교번하여 배기가 유동하도록 상기 엔진에 형성된 상기 복수의 연소실 중 서로 다른 연소실에 연통될 수 있다.
상기 엔진의 흡기유로상에 마련되고, 냉각수를 이용하여 상기 터보차져 또는 슈퍼차져를 경유한 흡기를 냉각시키도록 마련된 인터쿨러;를 더 포함하고, 상기 슈퍼차져 및 인터쿨러에는 상호 연통되도록 냉각수유로가 마련됨으로써, 상호간 냉각수를 공유하는 흡기수냉시스템이 구성될 수 있다.
상기 터보차져, 제1러너 및 제2러너에는 각각 냉각수가 유동하는 워터자켓이 형성되고, 상호 연통되도록 냉각수유로가 마련됨으로써, 상호간 냉각수를 공유하는 배기수냉시스템이 구성될 수 있다.
상기 터보차져를 구성하는 하우징의 적어도 일부는 상기 제1러너와 일체로 성형될 수 있다.
상기 터보차져, 제1러너 및 제2러너는 알루미늄 재질로 성형될 수 있다.
상기 엔진의 흡기유로상에 마련되고, 냉각수를 이용하여 상기 터보차져 또는 슈퍼차져를 경유한 흡기를 냉각시키도록 마련된 인터쿨러;를 더 포함하고, 상기 터보차져, 제1러너 및 제2러너에는 각각 냉각수가 유동하는 워터자켓이 형성되며, 상기 터보차져, 제1러너, 제2러너, 인터쿨러 및 슈퍼차져에는 상호 연통되도록 냉각수유로가 마련됨으로써, 상호간 냉각수를 공유하는 흡배기수냉시스템이 구성될 수 있다.
상기 흡배기수냉시스템에는 라디에이터 및 워터펌프가 마련되어 상기 연소실을 냉각시키는 엔진 내부의 냉각수와 구분되는 냉각수 순환이 이루어지도록 마련될 수 있다.
상기 흡배기수냉시스템에서 상기 라디에이터는 상기 터보차져, 제1러너 및 제2러너를 경유하며 배기열을 흡수한 냉각수의 열을 외부로 배출하도록 마련될 수 있다.
상기 흡배기수냉시스템에서 상기 워터펌프는 상기 인터쿨러 및 슈퍼차져를 경유한 냉각수를 상기 터보차져, 제1러너 및 제2러너측을 향해 유동시키도록 마련될 수 있다.
상술한 바와 같은 차량의 엔진 구조에 따르면, 터보차져가 구비됨과 동시에 효율적인 배기유로를 형성하고, 흡기유로 및 배기유로를 효과적으로 냉각시키는 냉각시스템이 구현된 차량의 엔진 구조를 제공할 수 있다.
특히, 엔진의 배기유로를 제1러너 및 제2러너로 구성하되, 상기 제1러너는 터보차져와 연결되어 터보배기계를 구성하고, 제2러너는 자연배기계를 구성하도록 함으로써 터보차져의 구비함에 따른 배기간섭을 최소화하여 엔진의 출력성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 흡기유로상에 슈퍼차져가 구비되고, 상기 슈퍼차져는 수냉식으로 냉각되도록 마련됨으로써, 슈퍼차져의 작동 허용영역을 확장하여 터보차져가 유효하게 작동하기 어려운 엔진의 저중속영역 출력성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
나아가, 상기 배기유로 및 터보차져와 슈퍼차져를 냉각하기 위한 냉각시스템을 단일화함으로써, 엔진의 흡기측 및 배기측 냉각효율을 향상시킨 냉각시스템이 제공된 차량의 엔진 구조를 효과적으로 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 엔진 구조를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 엔진 구조에서 출력토크 개선 효과를 모식적으로 나타낸 그래프.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.
도 1 내지 2와 같이, 본 발명에 따른 차량의 엔진 구조(100)는 배기 유동의 영향으로 회전되어 흡기를 압축시키도록 마련된 터보차져(120); 엔진(10)에 형성된 복수의 연소실(15) 중 일부와 연통되고, 상기 터보차져(120)와 연통되어 터보배기계를 구성하도록 마련된 제1러너(112); 상기 엔진(10)에 형성된 상기 복수의 연소실(15) 중 상기 제1러너(112)와 연통된 연소실(15)을 제외한 나머지 연소실(15)과 연통되어 자연배기계를 구성하도록 마련된 제2러너(114); 및 모터(145)에 의해 회전되어 흡기를 압축시키도록 마련되되, 상기 모터(145)는 냉각수에 의해 냉각되도록 마련된 슈퍼차져(140);를 포함한다.
이를 구체적으로 살펴보면, 터보차져(120)는 배기 유동의 영향으로 회전되어 흡기를 압축시키도록 마련된다. 터보차져(120)에는 터빈과 컴프레셔과 구비되는데, 터빈은 배기유로상에 마련되어 배기 유동에 의해 회전된다. 한편, 컴프레셔는 흡기유로(20)상에 마련되어 상기 터빈과 회전축을 공유함으로써 터빈과 함께 회전한다.
터빈의 회전에 의해 함께 회전되는 컴프레셔는 흡기를 압축하여 연소실(15)로 유입되는 공기의 양을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 동일 용적의 연소실(15)로부터 발현될 수 있는 엔진(10)의 출력토크가 상승하게 된다.
한편, 제1러너(112)는 엔진(10)에 형성된 복수의 연소실(15) 중 일부와 연통되고, 상기 터보차져(120)와 연통되어 터보배기계를 구성하도록 마련된다. 또한, 제2러너(114)는 상기 엔진(10)에 형성된 상기 복수의 연소실(15) 중 상기 제1러너(112)와 연통된 연소실(15)을 제외한 나머지 연소실(15)과 연통되어 자연배기계를 구성하도록 마련된다.
본 발명에서 배기유로는 제1러너(112) 및 제2러너(114)로 이루어지는데, 상기 제1러너(112) 및 제2러너(114)는 엔진(10)의 연소실(15)과 연통되어 연소실(15)로부터 배출된 배기의 유동경로가 된다.
또한, 제1러너(112) 및 제2러너(114)는 서로 다른 연소실(15)에 연통되도록 마련됨으로써, 엔진(10)의 1회 연소싸이클당 발생되는 배기는 제1러너(112) 또는 제2러너(114) 중 하나의 러너에만 공급된다.
특히, 제1러너(112)는 터보차져(120)와 연통되어 터보배기계를 구성한다. 즉, 제1러너(112)를 통해 유동하는 배기는 터보차져(120)를 경유하면서 터빈을 회전시킨다. 반면, 제2러는 터보차져(120)를 경유하지 않고 자연배기계를 형성한다. 제2러너(114)는 터보차져(120)의 하류측에서 제1러너(112)와 합쳐져 단일의 배기유로를 형성하게 된다.
즉, 본 발명에서 터보배기계는 터보차져(120)가 마련되어 터보차져(120)에 의해 영향을 받는 배기의 유동경로를 의미하고, 자연배기계는 터보차져(120)와 분리된 배기계로서 터보배기계 대비 터보차져(120)에 영향이 미치지 않거나 비교적 적은 배기의 유동경로를 의미한다.
터보차져(120)는 배기로부터 회전력을 얻는 바, 엔진(10)의 회전상태에 따라 그 성능이 달라진다. 즉, 엔진(10)이 저속영역에 해당되는 경우에는 터보차져(120)의 회전이 일정 수준 이상이 되어 흡기를 유효하게 압축하기 어려운 상황에 해당되며, 이 경우 터보차져(120)는 오히려 배기의 유동을 방해하는 저항체로 작용하여 엔진(10)의 배기펌핑손실을 증가시키고 엔진(10)의 출력향상에 불리하게 작용할 수 있다.
엔진(10)이 중속영역 이상이 되면, 터보차져(120)의 회전속도가 일정수준 이상이 되어 흡기를 유효하게 압축하기 시작하며, 이에 따라 흡기량 증가에 따른 엔진(10) 출력향상이 이루어질 수 있다. 이러한 터보차져(120)의 유리한 효과는 엔진(10)이 고속영역으로 다가갈수록 보다 강해질 수 있다.
한편, 제1러너(112) 및 제2러너(114)가 터보차져(120) 또는 터보차져(120)의 상류측에서 합쳐져 단일의 배기유로를 형성하는 경우, 어느 하나의 러너를 통해 유동하는 배기는 다른 하나의 러너와 연통된 연소실(15)의 배기펌핑손실을 증가시키는 원인으로 작용할 수 있다.
이를 제1러너(112) 및 제2러너(114)를 통해 예를 들어 설명하면 다음과 같다. 예컨대, 제1러너(112)로부터 배출된 배기는 터보차져(120)에 의해 유동을 방해받게 되고, 특히 터보차져(120)의 상류측에서 제1러너(112)는 배기압의 저하가 지연된다.
이 때, 제2러너(114)로 배기가 공급되면, 터보차져(120) 또는 터보차져(120)의 상류측에서 제1러너(112)와 연통된 제2러너(114)는 배기펌핑을 위한 소모동력이 커지게 된다. 이는 결국 제2러너(114)로 배기를 배출하는 연소실(15)의 배기펌핑손실의 증가를 의미한다.
위와 같은 각 러너간의 배기간섭에 의한 배기펌핑손실의 증가에 대한 예시는 제1러너(112)와 제2러너(114)의 배기순서를 바꾸더라도 동일하고, 특히 상기한 배기간섭에 따른 엔진(10)의 출력저하 현상은 배기의 유동에너지가 터보차져(120)를 경유하며 유동하기에 비교적 충분한 엔진(10)의 고속영역보다는, 상대적으로 배기의 유동에너지가 작아 터보차져(120)에 의한 배기 유동 방해의 효과가 크게 드러나는 저중속구간에서 쉽게 나타난다.
이에 따라 본 발명은 터보차져(120)에 의한 배기간섭 현상을 개선하고자, 터보배기계 및 자연배기계를 각각 분리하여 구성하는 복합배기계를 구성한다. 본 발명과 같은 복합배기계는 제1러너(112)로 배기가 공급되어 터보차져(120)를 경유하는 배기의 유동이 형성되더라도, 제2러너(114)를 유동하는 배기가 제1러너(112)측 배기 정체가 해소된 터보차져(120)의 하류측에서 제1러너(112)측과 합쳐지므로, 배기간섭에 의한 배기펌핑손실이 크게 감소될 수 있다.
나아가, 제1러너(112) 역시 배기를 배출하는 과정에서 제2러너(114)로부터 배출된 배기에 의한 배기 정체가 크게 감소되므로 배기펌핑손실이 감소될 수 있다. 또한, 복합배기계에 의한 배기펌핑손실의 감소는, 앞서 설명한 바와 같은 맥락에서, 특히 엔진(10)의 저중속구간 엔진(10) 출력 개선에 유리하다.
결국, 본 발명은 배기유로를 서로 다른 연소실(15)과 연통된 제1러너(112) 및 제2러너(114)로 구성하고, 상기 제1러너(112)는 터보배기계를 구성함과 동시에 제2러너(114)는 자연배기계를 구성하여 복합배기계를 구현함으로써, 터보차져(120)를 적용함에 있어 특히 엔진(10)의 저중속구간 출력효율 개선을 도모하는 것이다.
도 1에는 터보차져(120)와 연통되어 터보배기계를 구성하는 제1러너(112) 및 상기 터보차져(120)의 하류측에서 상기 제1러너(112)와 합쳐지도록 자연배기계를 구성하는 제2러너(114)가 도시되어 있다.
도 2에는 상기 복합배기계를 구현함에 따른 엔진(10)의 출력토크 향상을 모식적으로 나타낸 그래프가 도시되어 있다. A선은 터보차져(120), 슈퍼차져(140) 및 복합배기계 등이 적용되지 않은 일반 엔진(10)의 출력토크를 나타내며, B선은 엔진(10)에 터보차져(120)가 적용되어 중고속구간에서 향상된 엔진(10) 출력토크를 나타낸다.
특히, D선은 본 발명과 같은 복합배기계의 적용에 따라 터보차져(120)가 장착된 엔진(10)에서 특히 저중속구간이 향상된 엔진(10) 출력토크를 나타낸다.
한편, 슈퍼차져(140)는 모터(145)에 의해 회전되어 흡기를 압축시키도록 마련되되, 상기 모터(145)는 냉각수에 의해 냉각되도록 마련된다.
구체적으로, 슈퍼차져(140)는 터보차져(120)와 달리 배기의 유동에너지를 이용하지 않고 별도의 동력원을 사용한다. 본 발명의 슈퍼차져(140)는 특히 모터(145)를 이용하여 회전하는 컴프레셔가 구비된다.
앞서 설명한 바와 같이, 터보차져(120)는 유효한 흡기의 압축을 수행하기 위해 일정수준 이상의 엔진RPM이 요구된다. 이를 달리 말하면, 터보차져(120)에 의해서는 일정수준 이하의 엔진(10) 저속구간에서는 흡기량 증가에 의한 엔진(10) 출력 향상 효과를 기대하기 어렵다는 의미가 될 것인데, 본 발명의 경우 엔진(10)의 저중속구간에서 슈퍼차져(140)를 이용하여 흡기를 압축함으로써, 터보차져(120) 적용에 대한 비효율영역을 보완한다.
이러한 터보차져(120) 및 슈퍼차져(140)간의 작동영역 보완 관계는 도 2를 통해 알 수 있다. 도 2의 B선을 살펴보면, 엔진RPM이 낮은 저속영역에서는 엔진(10)의 출력향상 효과가 고속영역에 대비하여 적은 것을 알 수 있다. 그러나, 터보차져(120)가 적용된 엔진(10)에서 슈퍼차져(140)를 적용한 C선을 살펴보면 엔진(10)의 저중속영역 출력토크가 크게 향상됨이 나타나 있다.
즉, 본 발명에서는 슈퍼차져(140) 및 터보차져(120)를 이용하여 흡기를 압축하고, 특히 터보차져(120)의 비효율 작동영역에 해당되는 엔진(10)의 저속구간에서 슈퍼차져(140)를 이용함으로써, 엔진RPM 전구간에 대한 출력토크 향상을 이루게 되는 것이다.(나아가, 복합배기계를 이용하여 엔진(10)의 중속구간 출력토크가 향상됨은 앞서 설명한 바 있다.)
한편, 슈퍼차져(140)를 통한 엔진(10)의 저중속영역 출력토크 개선 시, 주행상황에 따라서는 슈퍼차져(140)의 작동 유지시간이 설계적으로 예상된 시간보다 크게 증가될 수 있고, 슈퍼차져(140)의 회전수가 크게 증가될 수도 있다. 이 경우 모터(145)의 발열에 따른 소손 등을 방지하는 것이 무척 중요하다.
이에 따라, 본 발명은 슈퍼차져(140)의 모터(145)를 특히 수냉식으로 냉각시킴으로써, 슈퍼차져(140)의 가동시간을 크게 향상시키고 모터(145)의 소손을 방지한다. 본 발명과 같이 터보차져(120)의 비효율영역을 커버하도록 슈퍼차져(140)를 운영함에 따라, 슈퍼차져(140)의 모터(145) 소손 방지 필요성이 크게 증가되는 경우, 수냉식으로 상기 모터(145)를 냉각시키는 것은 매우 유리하다.
특히, 본 발명에서 슈퍼차져(140)가 주로 작동되는 영역은 엔진(10)의 저중속영역에 해당되는 바, 공냉식을 이용한 냉각방식으로는 충분한 냉각이 이루어지기 어려운 경우가 발생하기 쉽다. 또한, 냉각수를 이용하는 경우 비열차이에 따라 공냉식을 이용하는 경우보다 냉각량을 크게 증가시킬 수 있다.
결국, 본 발명은 터보차져(120)를 이용하여 엔진(10)의 중고속영역 출력성능을 향상시키고, 슈퍼차져(140)를 이용하여 엔진(10)의 저중속영역 출력성능을 향상시키며, 배기계를 복합배기계로 구성함으로써 특히 엔진(10)의 중속영역 출력성능을 향상시킨다.
나아가, 슈퍼차져(140)를 이용한 엔진(10)의 저중속영역 출력향상을 위해 증가되는 슈퍼차져(140)의 가동시간를 고려하여 모터(145)를 수냉식으로 냉각하는 바, 슈퍼차져(140)의 가동시간 증가에도 불구하고 슈퍼차져(140)의 소손을 효과적으로 방지함과 더불어 엔진(10)의 전영역 출력성능 향상을 실현하는 것이다.
도 1에는 수냉식으로 냉각되도록 마련된 슈퍼차져(140)가 개략적으로 도시되어 있다. 도 1을 살펴보면, 슈퍼차져(140)는 흡기유로(20)상에 마련되고, 냉각수유로(50)가 형성되어 수냉식으로 구성되어 있음을 알 수 있다.
한편, 도 1과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 차량의 엔진 구조(100)에서, 상기 제1러너(112) 및 제2러너(114)는 서로 교번하여 배기가 유동하도록 상기 엔진(10)에 형성된 상기 복수의 연소실(15) 중 서로 다른 연소실(15)에 연통된다.
구체적으로, 제1러너(112) 및 제2러너(114)는 서로 다른 연소실(15)과 연통되도록 마련되되, 각 연소실(15)의 점화순서를 고려하여 상호 배기가 교번하여 공급되도록 마련된다.
도 1을 바람직한 예로서 설명하면, 제1러너(112)는 엔진(10)의 2, 3번 연소실(15)과 연통되고, 제2러너(114)는 엔진(10)의 1, 4번 연소실(15)과 연통되도록 마련된다. 엔진(10)에서 각 연소실(15)의 점화순서는 바람직하게는 1, 3, 4, 2번 순이 될 수 있다. 또는 1, 2, 4, 3번 순이 될 수도 있다.
다만, 상기 점화순서는 예시적인 것이며, 엔진(10)의 각 연소실(15) 점화순서가 위와는 다른 경우라도 제1러너(112) 및 제2러너(114)는 결국 연속하는 점화순서를 가지는 연소실(15)이 함께 연통되지 않도록 마련될 것이다.
또한, 터보차져(120)가 연통되어 터보배기계를 구성하는 제1러너(112)가 반드시 도 1과 같이 엔진(10)의 2, 3번 연소실(15)과 연통된 러너일 필요는 없으며, 도 1에서 제1러너(112) 및 제2러너(114)는 터보차져(120)와 연통되는 러너가 변경되도 상관없다.
결국, 제1러너(112) 및 제2러너(114) 각각은 연속하는 점화순서를 가지는 연소실(15)이 함게 연통되지 않도록 마련됨으로써, 연소실(15)로부터의 배기 공급이 서로 교번하여 이루어진다.
연소실(15)로부터 배기가 공급되어 이루어지는 배기의 유동이 제1러너(112) 및 제2러너(114)에 각각 교번하여 이루어지고, 본 발명의 복합배기계가 적용됨으로써, 각 러너에 대한 배기간섭이 최소화될 수 있고, 나아가 각 연소실(15)로부터 출력되는 각각의 출력토크가 불규칙해지는 것을 저지할 수 있다.
이에 따라, 결국 본 발명의 실시예는 배기간섭에 의한 엔진(10)의 출력토크 저하를 억제하고, 나아가 엔진(10)의 출력토크 안정성을 향상시키는 유리한 효과를 가진다.
한편, 도 1과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 차량의 엔진 구조(100)에서, 상기 엔진(10)의 흡기유로(20)상에 마련되고, 냉각수를 이용하여 상기 터보차져(120) 또는 슈퍼차져(140)를 경유한 흡기를 냉각시키도록 마련된 인터쿨러(130);를 더 포함하고, 상기 슈퍼차져(140) 및 인터쿨러(130)에는 상호 연통되도록 냉각수유로(50)가 마련됨으로써, 상호간 냉각수를 공유하는 흡기수냉시스템(180)이 구성된다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에서는 상기 터보차져(120) 또는 슈퍼차져(140)를 경유한 흡기를 냉각시키는 인터쿨러(130)가 마련된다. 압축된 흡기의 온도가 인터쿨러(130)에 의해 낮아짐에 따라 엔진(10)의 부조현상 발생이 억제될 수 있으며, 연소실(15)로 유입될 수 있는 흡기량이 증가될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서 인터쿨러(130)는 냉각수를 이용하여 흡기를 냉각시키는 수냉식 인터쿨러(130)로 구비된다. 나아가, 상기 인터쿨러(130)와 슈퍼차져(140)는 냉각수유로(50)를 통해 상호 연통되도록 마련됨으로써, 상호간의 냉각수 공유가 가능하도록 마련된다. 본 발명에서는 인터쿨러(130) 및 슈퍼차져(140)에 구성된 수냉식 시스템을 흡기수냉시스템(180)으로 명명한다.
이에 따라, 수냉식 인터쿨러(130) 및 수냉식 슈퍼차져(140)를 구비함에 있어 독립된 2개의 수냉시스템을 마련할 필요없이, 단일의 수냉식 시스템을 통해 인터쿨러(130) 및 슈퍼차져(140)의 냉각을 효과적으로 이룰 수 있게 된다.
도 1을 살펴보면, 슈퍼차져(140)는 인터쿨러(130) 주변에 위치되고, 상기 슈퍼차져(140) 및 인터쿨러(130)에는 냉각수유로(50)가 형성되어 흡기수냉시스템(180)으 구현된 모습이 도시되어 있다.
한편, 도 1과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 차량의 엔진 구조(100)에서, 상기 터보차져(120), 제1러너(112) 및 제2러너(114)에는 각각 냉각수가 유동하는 워터자켓이 형성되고, 상호 연통되도록 냉각수유로(50)가 마련됨으로써, 상호간 냉각수를 공유하는 배기수냉시스템(190)이 구성된다.
구체적으로, 본 발명 실시예에서 터보차져(120), 제1러너(112) 및 제2러너(114)에는 워터자켓이 마련된다. 터보차져(120)의 워터자켓은 터보차져(120)의 하우징에서 특히 터빈측 하우징에 마련될 수 있고, 제1러너(112) 및 제2러너(114)의 워터자켓은 각 러너를 구성하는 외벽에 마련될 수 있다.
워터자켓은 냉각수가 유동하는 공간이 되는데, 상기 터보차져(120), 제1러너(112) 및 제2러너(114)에 형성된 워터자켓은 각각 냉각수유로(50)에 의해 상호 연통되도록 마련된다. 즉, 각각의 워터자켓은 냉각수를 공유하며 배기수냉시스템(190)을 구성하는 것이다.
터보차져(120)(특히 터빈), 제1러너(112) 및 제2러너(114) 내부에는 고온의 배기가 유동하게 되는데, 상기 제1러너(112) 및 제2러너(114)에 워터자켓을 마련하게 되면 제1러너(112) 및 제2러너(114)를 구성하는 소재의 열내구성 요구치가 감소되는 바, 제1러너(112) 및 제2러너(114)를 구성하는 소재의 선택범위가 넓어져 유리하다.
나아가, 상기 터보차져(120), 제1러너(112) 및 제2러너(114)는 각 워터자켓이 상효 연통된 단일 냉각시스템을 구성하게 되는데, 이를 본 발명에서는 배기수냉시스템(190)이라 명명하며, 상기 배기수냉시스템(190)이 마련됨에 따라, 각각의 구성에 대한 냉각시스템을 마련할 필요없이, 단일의 냉각시스템으로 배기측 전반의 냉각이 가능하게 된다.
도 1에는 상호간을 연결하는 냉각수유로(50)가 형성되어 단일의 냉각시스템인 배기수냉시스템(190)이 구축된 터보차져(120), 제1러너(112) 및 제2러너(114)가 도시되어 있다.
한편, 도 1과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 차량의 엔진 구조(100)에서, 상기 터보차져(120)를 구성하는 하우징의 적어도 일부는 상기 제1러너(112)와 일체로 성형된다.
구체적으로, 터보차져(120)의 하우징 중 적어도 일부로서, 특히 터빈측을 구성하는 하우징 일부는 상기 제1러너(112)와 일체로 성형된다. 터보차져(120) 하우징과 제1러너(112)가 일체로 성형됨으로써, 별도 성형 이후의 조립과정 및 실링과정이 생략될 수 있어 유리하고, 나아가 워터자켓을 공유할 수 있어 배기수냉시스템(190)을 구현하는 데에 유리한 것이다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 차량의 엔진 구조(100)에서, 상기 터보차져(120), 제1러너(112) 및 제2러너(114)는 알루미늄 재질로 성형된다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 터보차져(120), 제1러너(112) 및 제2러너(114)에 워터자켓에 마련되어 배기수냉시스템(190)이 구현됨에 따라, 터보차져(120), 제1러너(112) 및 제2러너(114)를 구성하는 소재에 요구되는 열내구성이 크게 감소된다.
배기수냉시스템(190)이 구현되지 않은 경우, 배기계를 구성하는 각 부재(터보차져(120), 제1러너(112) 및 제2러너(114))는 고온의 배기에도 열변형 등을 일으키지 않는 소재로 이루어질 것이 요구되고, 대표적인 소재에는 SUS(스테인레스) 소재가 있다.
다만, 본 발명과 같이 배기수냉시스템(190)이 구현된 경우, 배기계를 구성하는 각 부재에 요구되는 열내구성이 종래보다 감소되어 소재의 선택범위가 증가되는 바, 본 발명의 경우 특히 AL(알루미늄) 소재를 이용하여 배기계를 구성한다.
AL 소재는 SUS 소재 대비 열내구성이 작지만, 열전도성이 좋아 본 발명 배기수냉시스템(190)에 의한 냉각효율을 크게 향상시킬 수 있으며, 나아가 금속밀도가 낮아 배기계 구성품의 경량화를 이루는 것이 가능하다.
또한, 단가가 낮아 제조비용을 크게 감소시킬 수 있으며, 특히 SUS 소재의 경우 성형성이 좋지 않아 앞서 설명한 바와 같이 터보차져(120) 하우징과 제1러너(112)를 일체로 성형함에 공정상의 불리함이 있으나, AL 소재는 성형성이 우수하여 터보차져(120) 하우징과 제1러너(112)를 일체로 성형 시 유리한 효과를 나타낸다.
결국, 본 발명의 실시예에서는 배기계를 구성하는 터보차져(120), 제1러너(112) 및 제2러너(114)에 배기수냉시스템(190)을 구축하여 효과적인 냉각을 이루도록 함과 동시에, 상기 터보차져(120),제1러너(112) 및 제2러너(114)를 AL 소재로 구성함으로써, 냉각효율을 향상시키고 차량 경량화를 이루면서 성형성을 향상시키는 것이다.
한편, 도 1과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 차량의 엔진 구조(100)에서, 상기 엔진(10)의 흡기유로(20)상에 마련되고, 냉각수를 이용하여 상기 터보차져(120) 또는 슈퍼차져(140)를 경유한 흡기를 냉각시키도록 마련된 인터쿨러(130);를 더 포함하고, 상기 터보차져(120), 제1러너(112) 및 제2러너(114)에는 각각 냉각수가 유동하는 워터자켓이 형성되며, 상기 터보차져(120), 제1러너(112), 제2러너(114), 인터쿨러(130) 및 슈퍼차져(140)에는 상호 연통되도록 냉각수유로(50)가 마련됨으로써, 상호간 냉각수를 공유하는 흡배기수냉시스템(200)이 구성된다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에서는 흡기수냉시스템(180)과 배기수냉시스템(190)이 단일화된 흡배기수냉시스템(200)이 구축된다. 따라서, 배기계를 구성하는 터보차져(120), 제1러너(112) 및 제2러너(114)와, 흡기계를 구성하는 인터쿨러(130) 및 슈퍼차져(140)가 연통된 냉각수유로(50)가 마련되고, 상호간의 냉각수 공유가 이루어져 단일의 냉각수 순환 시스템이 구현된다.
도 1을 살펴보면, 터보차져(120), 제1러너(112), 제2러너(114), 인터쿨러(130) 및 슈퍼차져(140)가 냉각수유로(50)를 통해 상호 연통되어 흡배기수냉시스템(200)이 구현된 모습이 도시되어 있다. 이에 따라, 엔진(10)의 흡기계 및 배기계에는 냉각을 위한 별도의 시스템이 각각 마련될 필요없이 단일의 냉각시스템을 통해 효율적인 냉각이 가능하다.
한편, 도 1과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 차량의 엔진 구조(100)에서, 상기 흡배기수냉시스템(200)에는 라디에이터(165) 및 워터펌프(167)가 마련되어 상기 연소실(15)을 냉각시키는 엔진(10) 내부의 냉각수와 구분되는 냉각수 순환이 이루어진다.
구체적으로, 본 발명 실시예에 따른 흡배기수냉시스템(200)에는 라디에이터(165) 및 워터펌프(167)가 별도로 구비되어 독립된 수냉시스템이 구축된다. 즉, 엔진(10)의 연소실(15)을 냉각시키기 위한 엔진(10) 냉각수 순환가 구분되고, 기타 냉각시스템과의 관계에서 독립된 냉각시스템이 구현되는 것이다.
특히, 본 발명의 흡배기수냉시스템(200)은 엔진(10)의 냉각수와 구분된 냉각수 순환이 이루어짐으로써, 매우 높은 온도의 연소실(15)을 냉각시킨 냉각수와 별개의 냉각수를 통해 상기 흡배기계를 냉각하게 되어 냉각성능이 대폭 향상된다.
라디에이터(165)는 차량 전방측에 위치되어 공냉식 열교환이 이루어지도록 마련될 수 있는 등 다양한 위치, 형상 및 방식으로 마련될 수 있고, 워터펌프(167)의 위치 또한 다양하게 설정될 수 있다.
도 1에는 라디에이터(165) 및 워터펌프(167)가 마련되고, 단일의 폐유로를 형성하는 냉각수유로(50)로 구현된 흡배기수냉시스템(200)이 도시되어 있다.
한편, 도 1과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 차량의 엔진 구조(100)에서, 상기 흡배기수냉시스템(200)에서 상기 라디에이터(165)는 상기 터보차져(120), 제1러너(112) 및 제2러너(114)를 경유하며 배기열을 흡수한 냉각수의 열을 외부로 배출하도록 마련된다.
구체적으로, 본 발명 실시예에 있어서 가장 많은 열교환이 이루어지는 곳은 배기계를 구성하는 터보차져(120), 제1러너(112) 및 제2러너(114)이다. 상기 배기계에는 고온의 배기가 유동하는 바, 그로부터 열을 흡수한 냉각수는 온도 상승율이 흡배기수냉시스템(200)에 있어 가장 크다.
따라서, 라디에이터(165)는 냉각수 유동을 기준으로, 상기 터보차져(120), 제1러너(112) 및 제2러너(114)로 구성된 배기계의 하류측에 위치되어 상기 배기계를 경유하며 열교환을 이룬 냉각수의 열을 외부로 방출하도록 마련된다. 이러한 위치관계에 따라 본 발명 실시예에서의 흡배기계수냉시스템의 냉각효율은 각각의 부품에서 향상될 수 있다.
도 1에는 냉각수 유동을 기준으로 상기 배기계의 하류측에 라디에이터(165)가 마련된 모습이 도시되어 있다.
한편, 도 1과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 차량의 엔진 구조(100)에서, 상기 흡배기수냉시스템(200)에서 상기 워터펌프(167)는 상기 인터쿨러(130) 및 슈퍼차져(140)를 경유한 냉각수를 상기 터보차져(120), 제1러너(112) 및 제2러너(114)측을 향해 유동시키도록 마련된다.
구체적으로, 워터펌프(167)는 인터쿨러(130) 및 슈퍼차져(140)로 구성된 흡기계를 경유한 냉각수가 터보차져(120), 제1러너(112) 및 제2러너(114)로 구성된 배기계측으로 유동되도록 한다. 즉, 배기계를 경유한 냉각수가 흡기계측으로 유동되지 않도록 하는 것이다.
흡기계와 배기계를 비교하면, 연소과정을 겪은 배기가 흡기보다 고온을 형성하므로, 배기측을 경유한 냉각수를 이용하여 흡기계를 냉각하는 것은 흡기계의 냉각효율을 저감시킬 수 있다. 반대로, 흡기계를 경유한 냉각수로 배기계를 냉각시키는 것은 배기계의 온도가 매우 높음을 고려할 때 냉각성능 저하가 크지 않다.
결국, 본 발명의 실시예에서는 냉각수가 흡기계에서 배기계측으로 유동하고, 더 바람직하게는 배기계를 경유한 냉각수가 라디에이터(165)를 통해 열을 배출한 이후 흡기계로 유동되도록 워터펌프(167)가 구비됨으로써, 엔진(10)의 흡기계 및 배기계를 냉각하는 단일의 흡배기수냉시스템(200)을 운영함에 있어 냉각성능을 크게 향상시킬 수 있다. 도 1에는 이러한 냉각수의 유동방향이 도시되어 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
120 : 터보차져 140 : 슈퍼차져
180 : 흡기수냉시스템 190 : 배기수냉시스템

Claims (10)

  1. 배기 유동의 영향으로 회전되어 흡기를 압축시키도록 마련된 터보차져;
    엔진에 형성된 복수의 연소실 중 일부와 연통되고, 상기 터보차져와 연통되어 터보배기계를 구성하도록 마련된 제1러너;
    상기 엔진에 형성된 상기 복수의 연소실 중 상기 제1러너와 연통된 연소실을 제외한 나머지 연소실과 연통되어 자연배기계를 구성하도록 마련된 제2러너; 및
    모터에 의해 회전되어 흡기를 압축시키도록 마련되되, 상기 모터는 냉각수에 의해 냉각되도록 마련된 슈퍼차져;를 포함하는 차량의 엔진 구조.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1러너 및 제2러너는 서로 교번하여 배기가 유동하도록 상기 엔진에 형성된 상기 복수의 연소실 중 서로 다른 연소실에 연통된 것을 특징으로 하는 차량의 엔진 구조.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진의 흡기유로상에 마련되고, 냉각수를 이용하여 상기 터보차져 또는 슈퍼차져를 경유한 흡기를 냉각시키도록 마련된 인터쿨러;를 더 포함하고,
    상기 슈퍼차져 및 인터쿨러에는 상호 연통되도록 냉각수유로가 마련됨으로써, 상호간 냉각수를 공유하는 흡기수냉시스템이 구성된 것을 특징으로 하는 차량의 엔진 구조.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 터보차져, 제1러너 및 제2러너에는 각각 냉각수가 유동하는 워터자켓이 형성되고, 상호 연통되도록 냉각수유로가 마련됨으로써, 상호간 냉각수를 공유하는 배기수냉시스템이 구성된 것을 특징으로 하는 차량의 엔진 구조.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 터보차져를 구성하는 하우징의 적어도 일부는 상기 제1러너와 일체로 성형된 것을 특징으로 하는 차량의 엔진 구조.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 터보차져, 제1러너 및 제2러너는 알루미늄 재질로 성형된 것을 특징으로 하는 차량의 엔진 구조.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진의 흡기유로상에 마련되고, 냉각수를 이용하여 상기 터보차져 또는 슈퍼차져를 경유한 흡기를 냉각시키도록 마련된 인터쿨러;를 더 포함하고,
    상기 터보차져, 제1러너 및 제2러너에는 각각 냉각수가 유동하는 워터자켓이 형성되며,
    상기 터보차져, 제1러너, 제2러너, 인터쿨러 및 슈퍼차져에는 상호 연통되도록 냉각수유로가 마련됨으로써, 상호간 냉각수를 공유하는 흡배기수냉시스템이 구성된 것을 특징으로 하는 차량의 엔진 구조.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 흡배기수냉시스템에는 라디에이터 및 워터펌프가 마련되어 상기 연소실을 냉각시키는 엔진 내부의 냉각수와 구분되는 냉각수 순환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량의 엔진 구조.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 흡배기수냉시스템에서 상기 라디에이터는 상기 터보차져, 제1러너 및 제2러너를 경유하며 배기열을 흡수한 냉각수의 열을 외부로 배출하도록 마련된 것을 특징으로 하는 차량의 엔진 구조.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 흡배기수냉시스템에서 상기 워터펌프는 상기 인터쿨러 및 슈퍼차져를 경유한 냉각수를 상기 터보차져, 제1러너 및 제2러너측을 향해 유동시키도록 마련된 것을 특징으로 하는 차량의 엔진 구조.
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