KR820000870B1 - 배기가스 흐름속의 압력진동을 감소시키는 방법 - Google Patents

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Description

배기가스 흐름속의 압력진동을 감소시키는 방법

제1도는 연결파이프의 제1의 실시예를 지니는 본 발명에 따른 매니폴드 일부의 종단면도.

제2도는 제1도의 선(Ⅱ-Ⅱ)에 따른 단면도.

제3도는 본 발명에 따른 과급내연 기관용 매니폴드의 부분 입면도.

제4도는 제2의 실시예에 따른 연결 노즐을 지니는 매니폴드 부분의 부분 입면도.

제5도는 제3의 실시예에 따른 연결 파이프를 지닌 매니폴드 부분의 종단면도.

제6도는 제5도의 화살표(Ⅳ) 방향에서 연결파이프와 매니폴드가 연결되는 방식을 도시하는 단부도.

제7도는 제5도의 선(Ⅶ-Ⅶ)에 따른 단면도.

제8도는 본 발명의 제4의 실시예에 따른 연결파이프를 지닌 매니폴드 부분의 단부도.

제9도는 단순화된 형태의 실시예에 따른 배기 매니폴드의 개략도.

제10도는 다른 개량된 형태의 실시예에 따른 배기매니폴드 부분의 개략적인 횡단면도.

제11도는 다른 형태의 실시예에 따른 배기매니폴드 부분의 정면도.

제12도는 제11도의 선(XII-XII)에 따른 동일한 매니폴드 부분의 단면도.

제13도는 제12도의 선(XIII-XIII)에 따른 동일한 매니폴드 부분의 부분단면도.

제14도는 크랭크 축의 회전각으로 표시되는 실린더 속의 피스톤의 위치에 상용한 디퓨우저를 설치하지 않은 본 발명에 따른 매니폴드에 대한 실린더 내부의 압력, 연결파이프 내부의 압력 및 과급압력 특성을 나타내는 여러 곡산들의 도표.

제15도는 압력과 배기 미니폴드에 대한 제14도와 같은 곡선들을 나타내는 도표.

제16도는 제14도의 곡선 특성을 지닌 본 발명에 따른 배기 매니폴드를 설치한 내연기관의 저압 싸이클을 도시하는 도표.

제17도는 제15도에 도시된 특성을 지니는 압력파 배기매니폴드를 설치한 내연 기관의 저압싸이클을 도시하는 도표.

제18도는 배기 매니폴드의 배출구를 과급 터어빈에 연결시키는 볼류우트의 제1의 실시예의 개략적인 정면도.

제19도는 상기 터어빈에 장치된 동인한 볼류우트의 개략적인 횡단면도.

제20도는 제18도 및 19도에 도시된 볼류우트의 전개도.

제21도는 서로 분리된 2개의 결합가능한 분할볼류우트로 구성되는 동일한 연결볼류우트의 다른 실시예의 개략도.

제22도는 제21도의 볼류우트의 개략적인 전개도.

제23도는 서로 결합된 개의 분할볼류우트로 구성되는 연결볼류우트의 다른 실시예의 개략도.

제24도는 제23도의 볼류우트의 개략적인 전개도.

제25도는 매니폴드 배출구와 터어빈을 연결하는 다른 형태의 실시예의 개략적인 횡단면도.

제26도는 제25도의 선(XXVI-XXVI)에 따른 개략적인 단면도.

본 발명은 내연기관의 배기매니폴드를 통과하는 가스흐름을 개선시키는 방법에 관한 것이며, 특히, 과급형의 내연기관에 있어서 하나의 실린더의 열(列)의 여려개의, 대개 4-10개의 실린더의 배기매니폴드 내부의 압력진동을 감쇠시키기 위한 방법에 관한 것이다.

배기가스 터어보 과급형태의 과급상태를 지니는 내연기관의 여러 가지 배기장치를 정의하면, 압력파 배기장치, 정압배기장치, 펄스-컨버어터 배기장치로 정의된다.

압퍽파과 배기장치에 있어서는, 엔진은 여러개의 터어빈 흡입구를 지니는 하나의 실린더의 열에 대하여 여러개의 배기매니폴드를 설치한다. 이러한 과급형태에 있어서는, 실린더로부터 터어빈으로 가스가 이송되는 동안에 최소한의 에너지 손실로 모든 부하, 특히 낮은 부하에서 가장 요구되는 양호한 실린더 배기가 이루어진다. 한편으로는, 에너지가 통기의 형태로 터어빈에 도달하여 가스와 함께 부분적으로 공급되면 터어빈효율이 더욱 제한받게 된다.

반대로, 정압형태의 배기장치에서는, 매니폴드는 적어도 하나의 실린더의 열에 대해서 하나의 배기도관을 지니어 배기가스의 에너지가 터어빈속에서 최적효율로 사용되나, 배기가스 이송중에는 최고의 에너지가 손실되고 배기값이 제한되며 이러한 현상이 부분부하에서는 더욱 현저하며 바람직하지 못하다.

펄스-컨버어터 형태의 배기장치에 있어서는,엔진은 터어빈인입구 앞에 삽입된 디푸우저와 연결되는 혼합파이프속으로 배출기를 통하여 개방되어 있는 몇 개의 매니폴드를 설치한다. 이러한 장치는 실린더의 배기에 큰 해를 주지않고 터어빈의 양호한 급기를 얻을수 있게 한다. 따라서, 이러한 장치는 상기의 다른 2개의 배기장치의 중간형태이나 배기가스를 이송하는 동안의 에너지 손실이 있다. 그러나, 이러한 장치는 압력파배기장치에서 하나의 매니폴드를 다른 매니폴드와 분리시키기 위해 각각의 매니폴드의단부에(터어빈 측면위에) 위치한 각각의 배출기의 단면수축을 고려하여 발견된 절층안에 대해서도 가장 먼 실린더의 배기를 방해하는 반사파를 발생시키는 것과 같은 파반사문제를 야기시킨다. 이 때문에, 이러한 장치는 낮은부하와 가속중에 정압형의 매니폴드 이상의 장점을 제공하지 못한다. 더우기, 삽입된 디퓨우저의 존재는 이러한 배기장치 속에 설치되기 위한 자유공간의 문제를 야기시킨다는 것을 인식해야 한다.

적어도 하나의 실린더의 열에 대하여 하나의 매니폴드와 실린더에 연결된 실린더 헤드의 각각의 연결파이프의 흐름연결부에 배출작용을 발생시켜서 과급엔진의 정압배기매니폴드를 통과하는 가스의 흐름을 개선시키는 시도가 이루어졌다. 이렇게 하기위하여 미합중국특허 제3,380,246호에 기재된 바와 같이 상기의 각각의 연결파이프가 매니폴드를 통과하는 가스의 축방향속도와 연결파이프를 통과하는 이들의 연결부에서의 가스속도가 같은 방향이 되도록 설계된다.

더우기, 종래에는, 연결 파이프속의 유량손실 및 유체흐름의 분리를 최소화 하기 위하여, 각각의 연결파이프의 단면적이 가스흐름 방향으로 계속적으로 감소한다.

그러나, 이렇게 각각의 연결파이프의 단면적을 계속감소시키면 결국 연결파이프의 길이를 비교적 길게 연장시키는 결과가 초래한다는 것을 알수 있다.

또한, 대형엔진의 경우에, 실린더의 열에 대해 하나의 매니폴드를 사용하면 다수의 매니폴드를 사용하는 것과 비교해서 상당한 공간이 절약되나 이들의 지지장치; 신축벨로우즈에 의해서 연결된 여러 가지 부품의 배치 및 열응력의 작용에 의한 축상변위에 대한 문제가 있다.

본 발명의 목적은 실린더의 숫자에 관계없이 압력파 매니폴드의 장점과 종래의 정압매니폴드의 장점을 겸비한 배기장치를 제공하여 상기의 결점을 제거하는 것이다.

상기의 목적을 위해, 본 발명은 배출작용이 매니폴드속으로 들어가는 가스에 작용하는 과급형 내연기관의 실린더의 열의 4 내지 10개의 실린더에 대한 배기매니폴드속의 압력진동을 감쇠시키는데 있어서, 배기밸브가 개방되고 피스톤이 팽창행정을 향하여 하사점에 도달할때까지 실린더가스가 연결파이프를 통과하는 동안에 가능한 많은 잔류에너지를 지니게하여, 가스흐름을 실린더 배출구 근처나 또는 실린더배출구에 가능한 가까운 곳에서 고축시켜서 그 엔트로피의 증가를 감소시키고, 가스통기의 상실에너지를 회수하여 최고의 가스흐름 속도를 감소, 가스통기의 상실에너지를 회수하여 최고의 가스흐름 속도를 얻을 수 있도록 매니폴드의 균일한 흐름단면이 실린더의 구멍의 단면보다 적게하여 매니폴드속의 상기 가스의 속도를 가속시켜서(압력에너지를 매니폴드속에 존재하는 가스에 전달되는 속도에너지로 바꾸어서) 배출작용을 증대시키며, 동시에 피스톤에 가해지는 팽창일을 증가시키고 피스톤에 의해서 이루어진 이송 또는 배출일을 감소시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 각각의 연결파이프가 노즐과 같이 형성되고, 배출구 단면적(매니폴드측)과 인이비구단면적(실린더측)의 비가 0.3 내지 0.8, 특히 0.4 내지 0.5인 것을 특징으로 하는 상기의 방법을 수행하는 배기매니폴드를 제공한다.

본 발명에 다른 특징에 따라, 상기의 각각의 연결파이프는 매니폴드의 흐름연결부에서 환상이거나 부분적으로 환상인 흐름단면을 지닌다.

본 발명의 다른 특징에 따라, 각각의 연결파이프는 길이가 감소되어서, 아주 긴 매니폴드의 경웨 있어서, 실린더와 연결되어 있는 각각의 매니폴드부분은 상기의 실린더와 연결되어 있는 헤드에 의해서 직접 견고하게 지지된다.

본 발명의 또다른 특징에 따라, 터어빈 인입구앞의 마지막 매니폴드부분은 디퓨우저에 연결되는데 이는 매니폴드의 작은직격으로 인하여 매니폴드와 터어빈인입구의 직경이 다르게되어 용이하게 된다.

본 발명의 장점에 의하면, 각각의 연결파이프내의 초기 배압은 배기밸브가 개방되고 실린더의 피스톤이 하사점에 위치하는 사이에 증가하여서 배기밸브를 통과할 때 각각의 실린더와 각각의 연결파이프사이의 불가피한 적충손실(lamination loss)을 현저하게 감소시키는데 기여한다.

본 발명의 다른 장점에 의하면, 실린더 배출구와 터어빈 인입구사이의 배기가스의 온도가 종래의 매니폴드에 비해 30-40° 감소된다.

본 발명의 다른 장점에 의하면, 배기밸브의 온도는 조래의 매니폴드에 비해서 약 50-60° 감소된다.

본 발명은 다른 장점에 의하면, 배기가 개선되며, 더욱이 이러한 배기는 모든 실린더에 대해서 동일하게 개선되고, 엔진소모율은디퓨우저가 사용되지 않는 경우에는 약 2-3% 디퓨우저가 사용되는 경우에는 5-6%감소된다.

본 발명의 또다른 장점에 의하면, 종래의 터어빈과 디퓨우저를 사용하여 매니폴드속의 평균정압이 약 10% 감소되게 하여서 실린더의 배기가 부가적으로 개선되게 한다.

본 발명의 또다른 특징에 따라, 실린더배기가 감소된 부하에서 개선되며, 따라서 정압매니폴드보다 우수하고 펄스-컨버어터 매니폴드에 비교되는 부하 상승상태가 막히지 않고 보장된다.

본 발명의 또다른 장점에 의하면, 이러한 배기매니폴드가 터어보 송풍기를 고속으로 사용되게 한다.

본 발명의 또다른 장점에 의하면, 현저하게 단면이 수축된 노즐을 사용하여 연결파이프의 길이를 감소시켜서 매니폴드와의 연결부의 가스에 배출작용이 가해진다.

본 발명의 또다른 장점에 의하면, 현저하게 단면이 수축된 노즐을 사용하여 각각의 노즐로부터 방출된 운동에너지가 매니폴드 속에 위치한 가스로 전달된후에 매니폴드속에서 발생되는 압력진동을 약화시킨다.

본 발명의 또다른 장점에 의하면, 배기가 모든 실린더가 동일하게 배출되어서 최적이 된다.

본 발명의 또다른 장점에 의하면, 연속적인 부분들이 함께 조립되어 구성된 매우 긴 매니폴드의 경우에 있어서, 연결파이프와 연결된 각각의 매니폴드부분들이 동일한 것이 바람직하며, 따라서 이러한 배기매니폴드의 사용을 용이하게 한다. 더욱이, 연결파이프 및 매니폴드의 크기의 감소는 현저한 공간이익 및 비용절감이 이루어지게 한다.

본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따라서, 배기사스터어보 과급형태의 과급이 이루어지는 적어도 하나의 실린더의 열에 대하여 하나의 매니폴드를 설치하는 내연기관을 고려하자.

제1도 내지 3도를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 배기매니폴드(1)가 터어보송풍기(3)로부터 반대쪽의 첫 번째 부분(도시안됨)을 제외하고 서로 동일한 몇 개의 중간부분(2)을 지니며, 상기의 터어보송풍기에는 밀폐덮개가 설치된다. 마지막 매니폴드(2)와 터어보송풍기(3)사이에는 디퓨우저로 유리하게 구성되며 본 발명에 따른 배기매니폴드에 의해서 얻어지는 공간 때문에 어려움없이 설치될 수 있는 연결부(4)가 위치한다. 하나의 실린더에 하나씩 배치된 여러개의 매니폴드부분(2)은 축상으로 배치되며 연결박스(5) 또는 종래의 신축벨로우즈에 의해서 2개씩 상호연결된다.

각각의 매니폴드부분(2)은 한단부에 플랜지(7)를 지니는 주덕트(6)를 지닌다.

각각의 매니폴드부분(2)은 연결되는 실린더의 헤드(9)에 연결되는 T형 파이프(8)를 지닌다. 각각의 연결파이프(8)는 주 덕트(6)로부터 외부로 떨어져있고 동심으로 설치된 원통형요소부를 지니며, 이러한 요소부(10)는 덕트(6)에 인접하게 연결된 (주덕트(6)의 플랜지(7) 위의)하나의 단부를 지니고 반면에 다른 단부는 자유단이고 덕트의 하부단을 약간넘어 연장된다. 실린더헤드(9)에 연결되는 또 하나의 원통형의 매우짧은 요소부(11)가 원통형요소(10) 속으로 수직하게 개방되어 있다.

2개의 매니폴드 부분(2)을 상호 연결하기 위하여, 환상의 배출부재(12)가 설치되어 있으며, 그한쪽단부에는 연결박스(5)에 의해서 인접한 매니폴드부분(2)과 결합하는 플랜지(13)가 설치되어 있다. 부재(12)의 다른 단부에는 실린더(10)의 자유단과 나선결합 되는 나선의 원주표면을 지니는 원통형부분(14)이 설치되어 있다.

배출부재(12)가 고정되면, 주 덕트(6)의 자유단이 부재(12)와 접촉하지 않고 부분적으로 삽입된다. 따라서, 환상 흐름부(15)는 가스의 흐름방향으로 정해지며, 그뒤에 부재(12)의 영역의 흐름부가 따른다.

필요에 따라서, 부재(12)는 다른 내부형상을 가질 수 있으며, 즉 배기가스가 흐르는 환상흐름부(15)는 증가 또는 감소될 수 있다. 더우기, 그 내부형상은 매니폴드의 축에 대한 배기가스의 흐름입사각이 변화되게하며, 이러한 입사각은 0° 근방에 있는 것이 바람직하다.

제4도를 참조하면, 제2의 실시예에따른 매니폴드(1)의 부분(2)이 도시되어 있다. 단면이 수축되고 길이가 짧은 곡선노즐 형태의 2개의 연결파이프(20)가 하나의 매니폴드부분(2)에 개방되어 있다. 이러한 형태의 실시예에서, 각각의 연결파이프는 매니폴드에 용접되며 한단부가 주 덕트(6)의 부분속으로 개방된다. 물론, 각각의 노즐의 곡률은 매니폴드가스와 각각의 연결파이프로 부터진행하는 가스사이의 입사각이 감소되게 이루어진다. 이러한 경우에는, 각각의 연결파이프와 매니폴드의 연결부에 가스의 모든 환상흐름부가 위치한다는 것을 알 수 있다.

제5도 내지 7도를 참조하면, 제3의 실시예에 따른 연결파이프(30)를 지닌 배기매니폴드부분(2)을 도시한다. 노즐형태인 연결파르(30)는 제1의 실시예(제1도)와 유사하지만, 이경우에는 배출부재(12)가 연결파이프에 일체로 결합되어 있다. 기스흐름방향으로 매니폴드 주 덕트(6)의 부분 주위에 노즐의 인입구의 반대쪽에서 수축되는 환상흐름부(33), 점차적으로 감소되는 환상흐름부(31) 및 매니폴드와 파이프의 연결부에 위치한 흐름부(32)가 제공된다. 각각의 연결파이프(30) 및 주매니폴드덕트(6)는 용접이 아니라 지지부(34) 및 나사(35)에 의해서 나선결합되어 함께 조립된다.

제8도에는, 본 발명의 제4의 실시예에 따른 연결파이프(40)를 지니는 매니폴드부분(2)의 단부도가 도식적으로 도시되며 각각의 연결파이프와 매니폴드사이의 흐름부(41)가 부분적으로 환상이라는 점이 다른실시예와 다르다.

따라서, 상기의 각각의 실시예에서, 각각의 연결파이프(8, 20, 30, 40)은 매니폴드축의 단면적과 실린더축의 단면적의 단면수축비가 0.3 내지 0.8, 특히 0.4 내지 0.5인 노즐로 형성된다.

본 발명이 따른 배기매니폴드에서는, 매니폴드의 내경이 종래의 정압매니폴드에 비해서 감소되며 매니폴드의 내경과 실린더구멍의 비가 0.30 내지 0.75가 되게 선택된다.

모든 형태의 실시예에서, 연결파이프의 길이가 짧아서 신축벨로우즈가 필요 없고 엔진실린더 헤드에 연결된 연결파이프는 연결되는 매니폴드 부분을 직접 지지한다는 것을 알 수 있다. 이것은 매니폴드의 내경이 현저히 감소되면 더욱 용이하게 된다.

제9도 내지 13도를 참조하여, 이러한 배기매니폴드의 여러 가지 간단하고 개선된 형태의 실시예가 설명된다. 제9도에는 2개의 배기매니폴드(70)가가 도시되는데, 이들 각각은 하나의 실린더의 열에 적어도 4개의 실린더를 지니는 V형 내연기관의 2개의 실린더의 열중 하나에 연결된다. 각각의 배기매니폴드(70)는 연결부재(75)에 의해서 상호 연결되어 일련으로 배치된 몇 개의 독립부분(71, 72, 73, 74)을 지니며, 상기 연결부재는 연결박스 또는 신축벨로우즈이고, 각각의 매니폴드의 단부는 클램프(76)에 의해서 연결부재(76)의 상응한 단부에 연결된다.

매니폴드(70)의 폐쇄단을 형성하는 첫 번째부분(72)은 그 단부(77)에서 폐쇄되며 반대편단부는 연결부재(75)에 의해서 다음부분(71)에 연결된다. 매니폴드(70)의 두 번째부분(73)은 제9도에 도시되듯이 배기매니폴드(70)가 서로교차하게 굽혀져 있고 배기 매니폴드의 배출구를 구성하는 마지막부분(74)이 과급터어빈의 인입구에 연결된다.

각각의 매니폴드부분(71, 72, 73)은 상응한 실린더에 연결되는 파이프(78)와 일체로 구조된다.

배기매니폴드(70)의 여러부분이 본 발명의 모든 특징을 나타내고 있음을 알 수 있다. 특히, 각각의 연결 파이프(78)는 배출구(매니폴드측면)와 인입구(실린더측면)의 단면적의 비가 0.3 내지 0.8, 특히 0.4 내지 0.5인 노즐의 형태로 이루어진다. 배기매니폴드(70)와 실린더구멍의 내경의 비가 0.30 내지 0.75이다. 매니폴드(70)속의 배기가스의 흐름단면적은 매니폴드의 전길이를 따라서 일정하고 균일한 것을 알 수 있다.

배기매니폴드(70)와 제10도 내지 제13도를 참조하여 설명되는 다른 2개의 실시예에서, 매니폴드로 들어가는 연결파이프의 축과 매니폴드부분의 종축사이에 형성되는 각은 30°정도이다. 배기매니폴드부분의 특별한 2개의 실시예가 제10도 내지 13도를 참조하여 더욱 상세하게 설명된다.

제10도에 도시된 매니폴드부분(80)은 V형 엔진을 위한 것이며 원형단면을 지닌 원통형이고 짧은 길이의 직선연결파이프(81)와 일체로되어 있다. 상기에서 언급된 바와 같이, 매니폴드(80)의 종축(82)과 매니폴드로 들어가는 파이프(81)의 종축(83)사이에 형성되는 각은 약 30°이다. 매니폴드부분(80)의 각각의 단부에는 인접한 매니폴드부분에 클램프에 의해서 나선결합되는 제1의 외부원형플랜지(84)와 제2의 내부 원형플랜지(85)가 설치된다. 선(86) 및 (87)은 파이프(81)의 단부와 실린더 매니폴드부분(80) 사이의 교차선을 도시한다.

제11도 내지 제31도에는, 직렬형 엔진을 위한 매니폴드 부분의 다른 실시예가 도시된다. 매니폴드부분(90)은 원형단면을 지닌 원통형이고 상응한 실린더에 연결되는 파이프(91)와 일체로 형성되며 실린더헤드에 매니폴드를 고정시키는 플랜지(92)로 끝난다. 제11도 및 제12도에서 도시되듯이, 연결파이프(91)는 제10도의 경우와 같이 직선이 아니라 반대로 굽혀져있다. 제13도에는 매니폴드 부분(90)속으로 들어가는 연결파이프의 단부의 단면이 도시되어 있다. 상기에서와 같이, 부분(90)은 각각의 단부에 클램프에 의해서 인접한 매니폴드 부분이나 중간연결부재에 연결되는 원형의 플랜지(93)를 설치한다.

제14도에는 크랭크축의 회전각에 따른 낮은 압력으로 제한된 여러 가지 압력곡선이 도시되며, 피스톤의 상사점이 0°에 상응한다. 도표에서 배기밸브의 개방(OE), 배기밸브의 폐쇄(OA), 및 흡기밸브의 폐쇄(FE)의 순간들이 도시된다.

굵은 실선(곡선 A)은 실린더내에서 측정된 압력, 가는 실선(곡선 B)은 실린더의 배출구의 연결파이프 속에서 측정된 배기압력, 점선(곡선 C)은 흡기매니폴드속에서 측정된 과급압력, 쇄선(곡선 D)은 연결파이프에서 배출 작용이 없을 때 배기압력을 각기 나타낸다.

제14도의(디퓨우저를 사용하지 않은) 곡선들을 살펴보면, 배기 밸브가 개방된 이후(-240°)에 싸이클의 배기행정이 시작되고 압력파(곡선 B)가 실린더의 연결파이프속에 나타나는 것을 볼 수 있다. 이러한 압력파의 진폭은 비교적 급하게(급경사의 상승면으로)증가하며 피스톤의 하사점(-180°)근처에서 최대가 된다. 이러한 순간을 지나면, 상승면보다는 덜 경사진 하강면으로 압력파가 감소하고 실린더 속에 발생하는 압력(곡선 A)이 뒤따른다. 이러한 감소는 만족스러운 실린더배출을 보장할만큼 충분히 빠른 것이다.

그후에는, 압력파(곡선 B)가 다른 실린더로부터 발생하여 매니폴드속에 존재하는 통기에 상응하게 약하게 진동한다. 실린더 속의 압력(곡선 A)은 피스톤의 하사점(±180°)으로부터 싸이클의 고압단계(도시안됨)로 점차로 증가하기 시작한다.

흡기밸브의 개방과 배기밸브의 폐쇄사이에 연결파이프속의 압력(곡선 B)은 실린더의 정확한 배기를 허락하도록(제14도의 점선부) 과급압력(곡선 C)보다 상당히 낮은 값을 지닌다는 것을 알수 있다.

따라서, 배기밸브가 개방되고 실린더 피스톤이 하사점으로 하강하는 사이에, 실린더가스가 연결파이프의 단편수축으로 인하여 연결파이프를 통과하는동안 최대의 에너지를 지닌다는 것이 보장된다. 실제로 이것은 연결파이프속에 초기배압 또는 부압를 증가시켜서 한편으로는 배기밸브를 통과하는 동안에 적층손실을 크게 감소시키며, 다른한편으로는 밸브의 온도를 크게 감소시킨다. 따라서, 운동에너지의 일부가 열로 변환하는 것을 피할 수 있다.

배기밸브의 개방과 피스톤의 하사점사이에서 실린더로부터 연결파이프로 통과하는 도중의 압력에너지 보존의 싸이클의 적당한 순간에 발생하며 다음행정의 실린더의 배기가 증진되게 한다. 그후에, 연결노즐에 의한 배출 작용으로 인하여 연결파이프로부터 매니폴드속으로의 가스의 이동은 압력에너지가 속도에너지로 변환되어서 가속되며, 이러한 에너지는 피스톤의 작용에 의해서 발생되는 대신에 통기로부터 발생된다.

매니롤드가 감소된 흐름 단면을 지니어서, 고속의 가스흐름이 유지된다. 이러한 속도에너지는 이후에 종래의 터어보 송풍기의 흡입구에 위치된 디퓨우저에 의해서 다시 압력에너지로 변환되어 매니폴드속의 정압의 감소가 보장되고 모든 실린더에대해 실린더배기를 증진시킨다.

다시 제14도를 참조하면, 만약 연결파이프에 의해서 발생된 배출효과가 제거된다면, 매니폴드속에서 진동곡선(곡선 D와 같은)이 얻어지고 강한통기(D₁,D₂…)가 여러개의 실린더로부터 발생되어 엔진의 성능에 치명적인 해를 줄 것이다.

제15도에는, 압력파 배기매니폴드에 대한 제14도와 같은 형태의 곡선들이 도시되어 있다. 이러한 형태의 매니폴드에서는,흡기밸브가 개방되고 배기밸브가 폐쇄되는 사이에 과급압력(곡선 C)이 연결파이프속의 압력(곡선 B) 보다 현저히 높기 때문에 만족스러운 실린더 배기가 얻어지는(점선부분) 것을 알 수 있다.

그러나, 본 발명에 따른 배기매니폴드에 대한 제14도의 압력파(곡선 B)는 제15도에 도시된 압력파보다 지속시간이 더욱 짧다는 것, 즉 실린더 배기가 본 발명에 따른 장치에서는 더욱 신속하고 더욱 완전하다는 것을 알 수 있다.

제16도 및 17도에는, 제14도 및 15도에 각각 대응하는 엔진싸이클의 저압부분이 도시되며, 실린더속의 압력은 실린더체적의 함수로서 퍼센트로 도시된다.

제16도 및 17도의 곡선을 비교해보면, 각각의 피스톤에 의해서 이루어진 부(負)의 일은 압력파 매니폴드의 경우(제17도)보다 본 발명의 매니폴드의 경우(제16도)에서 더 적은 것을 알 수 있다. 각각의 피스톤의 부의 일은 점선부로 표시된다.

이와같이, 본 발명에 따른 매니폴드는 종래의 매니폴드보다 많은 장점을 제공하는 데, 가스흐름을 고축시켜서 배출작용을 증가시킬뿐아니라 실린더 배출구에 가능한 가까운 곳에서 이러한 배출효과가 나타나게 한다. 그러나 펄스-컨버어러형 매니폴드에서는 배출 효과가 매니폴드의 터어보송풍기 단부를 향해서 나타난다.

매니폴드의 배출구에 위치하는 정압에 의해서 이러한 매니폴드는 거의 일정한 공급을 필요로하는 여러 가지 장치에 사용되며, 이러하 장치들은 터어보송풍기와 교체된다. 이중 과급형 엔진의 경우에는, 본 발명의 매니폴드는 고압터어빈부로서 유용하게 사용될 수 있다.

본 발명의 매니폴드는 더 나은 실린더 배기와 더높은 엔진동력을 보장하기 위하여 비과급 엔진과 연결되어 사용될 수 있다.

상기의 매니폴드는 특히 종래에 사용된 매니폴드보다 작은 직경을 지니어 공간을 절약하고, 가스속도에너지를 매니폴드의 배출구에서 압력에너지로 자유롭게 변환시키며, 과급터어빈의 인입노즐의 유효단면과 동일한 단면을 지니는 장점을 제공한다.

과급엔진의 터어보송풍기는 가스인입측면으로 본 발명에 따른 매니폴드 보다 인일구 직경이 큰 종래의 매니폴드에 연결되도록 구성된다. 따라서, 이러한 매니폴드를 터어빈에 연결시키기 위해서는 그 인입구에서 가스의 운동에너지가 압력에너지로 효과적으로 변환되도록 경사각 또는 발산각이 10° 내지 15°이고 500mm 정도의 길이를 지니는 디퓨우저가 사용되어야 한다. 이러한 디퓨우저를 설치하는데 필요한 공간은 일반적인 경우보다 더욱커지며 터어빈 인입구가 횡으로 위치되는 경우에는 더욱 그렇다. 따라서, 디퓨우저를 설치하는 것은 어렵거나 불가능하다.

더우기, 이러한 디퓨우저의 효율은 매우 낮다. 매니폴드의 배출구의 가스속도는 가스의 유효팽창비와는 반대로 엔진분하 및 속도와 함께 거의 감소되지 않아서, 운동에너지는 부분부하에서 대부분 압력에너지로 된다. 이러한 운동에너지는 대부분 없어지고 매니폴드의 단부와 터어빈분배기 전방이 위치한 지점사이에서 열로변환된다. 사실상, 이러한 지점의 가스속도는 매니폴드의 배출구에서 보다 약 3 내지 4배낮으며, 디퓨우저와 터어빈의 가스인입케이스의 형상이 속도에너지를 압력에너지로 불완전하게 변환시키기 때문에 에너지의 중간회수가 이루어지지 않는다. 가스가 디퓨우와 터어빈의 가스흡입케이싱을 통과하는 동안에 매니폴드의 배출구에서 사용가능한 에너지의 부분적인 열의 저하로 인하여 매니폴드 배출구와 같은 유효 흐름단면 이상으로 분배기속의 가스를 그 배출구에서 가속시켜서 매니폴드의 배출구에 초기에 존재한 속도를 열역학적으로 더 이상 얻을 수 없다. 따라서, 매니폴드의 초기 가스속도를 중간변환없이 사용하기 위해서 비효율적인 디퓨우저, 가스인입케이스 및 분배기 조립체를 없애는 것이 좋다.

따라서, 본 발명은 최대속도의 가스가 터어빈에 도착하게 하여 최대의 에너지를 얻고 동시에 엔진부하에 관계없이 사용가능한 에너지를 유지시키는 연결부를 제공한다.

이렇게 하기 위해서, 본 발명은 이미 바람직하지 못하게 설명된 디퓨우저가 작동하는 것과는 반대로, 필요한 회전자충돌 조건을 발생시키도록 터어빈회전자를 향하여 점차로 아래로 감소되거나 일정하게 유지되는 흐름단면을 지니는 매니폴드로부터 가스가 배출되게 한다.

따라서, 매니폴드로부터 배출되는 가스의 총유효에너지가 얻어지며, 가스의 속도 또는 운동에너지가 매니폴드의 배출구에서 사용되며 엔진부하와 속도와는 무관하다. 본 발명의 다른 특징에 따른 방법은 매니폴드와 터어빈사이의 흐름단면을 선형으로 감소시키게 구성된다. 또한 본 발명은 내연기관 과급장치의 터어빈에 연결된 상술한 형태의 배기매니폴드를 설치하고, 배기매니폴드의 배출구를 매니폴드배출구로부터 터어빈회전자로 점차로 감소되거나 일정한 가스흐름단면을 지니는 도관, 볼류우트를 통하여 터어빈에 직접 연결시키는 방법을 제공한다.

제18도 내지 20도를 참조하여, 본 발명에 따른 배기매니폴드의 배출구를 내연기관을 과급시키는 측류터어빈의 인입구에 연결시키는 볼류우트의 제1의 실시예가 설명된다.

이러한 제1의 실시예에 있어서, 배기매니폴드의 배출구와 축류터어빈(50)사이를 연결하기 위해서 터어빈 가스를 위한 노즐없는 볼류우트형 흡입케이싱(51)을 사용하여, 이러한 흡입케이싱은 높이의 방사상날개(53)를 지니는 터어빈 회전자(52)를 덮기하하여 터어빈 프레임위에 설치된다. 볼류우트(51)는 배기가스흐름단면이 점차로 감소하게 형성되어서 배기가스가 터어빈회전자(52)를 때리는 속도가 상기회전자의 전체의 원주부에서 일정하며 상기의 가스흐름 단면적이 볼류우트의 인입구(F)에서는 최대가 되고 배출구(

)에서는 0이 되며 중간직경(d)의 원둘레를 따라서 선형으로 감소하게 된다.

배기매니폴드의 배출구단면이 터어빈에 필요한 속도를 이루지 못하는 경우에는, 인입구(F)의 단면을 약간 감소시키며(인입구(F)의 단면이 배기매니폴드의 배출구(G)의 단면보다 적거나 같다), 볼류우트를 지나는 가스흐름단면이 터어빈 인입구(F¹)의 단면으로 선형으로 점차로 감소된다.

배기매니폴드와 측류터어빈사이를 연결하는데 있어서, 종래에는 최대의 효율이 보장되는 가스가 터어빈 회전자에 충돌하는 경사각은 터어빈분배기로부터어 출구에서의 날개의 경사각으로 얻어진다. 본 발명의 이러한 특징에 따라서, 연결부는 어떠한 분배기도 지니지 않으며 회전자(52)와 배기가스의 최적충돌각은 타어빈 회전자(52)의 평면과 평행한 평면과 볼류우트의 외부가스압력면이 형성하는 경사각(α)으로 얻어진다.

여러가지 가스유량에 적응하도록 종래의 이러한 측류터어빈이 종래에 선택된 것과는 다르게 작동되고 유효단면과 분배기의 입사각을 변화시키며 회전자의 형상이 회전자날개의 뿌리로부터 선단부에서 발생하는 속도삼각형에 부합되어야 할 필요가 있다. 본 발명에 따라서, 이러한 적응성이 볼류우트(51)의 입구의 직경(df)을 변경시키고 터어빈 회전자(52)의 날개(53)의 높이를 변화시켜서 이루어진다.

V형의 2개의 실린더의 열을 지니는 내연기관의 경우에 있어서, 각각의 실린더의 열에 연결된 2개의 배기매니폴드의 배출구는 제21도 및 제22도 또는 제23도 및 제24도에 도시된 것 같이 이중인입구 볼류우트를 통하여 터어빈에 양호하게 연결되며, 각각의 상기의 볼류우트 인입구가 실린더의 하나의 열에 연결된 하나의 매니폴드로부터 배기가스를 받아들인다. 실린더의 점화순서와 수효에 따라서, 터어빈 회전자의 분할부(엔진이 하나의 실린더의 열에 충분한 수의 실린더, 즉 적어도 4개의 실린더를 지니고 점화가 규칙적으로 서로 연속되는 독립된 2개의 실린더의 열의 경우)에 각기 연결되는 서로 분리된 2개의 결합되는 분할 볼류우트(실린더의 열에서 실린더의 점화가 서로 규칙적으로 연속되지 않은 경우)를 사용할 수 있다.

제21도에는, 하나의 분할 볼류우트의 인입구(57)가 다른 분할 볼류우트의 인입구와 정반대로 위치하고 V형의 2개의 실린더의 열중하나의 열의 실린더와 연결되는 배기매니폴드에 연결되는 각각의 원형으로 결합된 2개의 분할 볼류우트(56)로 구성되는 연결볼류우트(55)가 도시된다.

제21도의 화살 표는 각각의 분할볼류우트속에서 배기가스가 뒤따르는 통로를 도시하며, 상술한 가스들은 분할볼류우트(56)를 통하여 인입구(57)로부터 그 정반대편의 단부로 흐른다. 제22도는 분할볼류우트(56)의 개략적인 전개도이며, 그들은 서로 분리되어 명확하고 도시된다.

제23도에서는, 배기배니폴드의 배출구와 축류터어빈사이의 연결볼류우트(58)는 원형으로 서로 결합된 2개의 분할볼류우트로 이루어지며 이들 각각은 하나의 실린더의 열의 배기매니폴드에 연결된 인입구(60)를 지닌다. 제24도에 전개도로 도시된 바와같이, 각각의 분할볼류우트(59)는 그 인입구(60)의 정반대의 단부에서 다른 분할볼류우트(59)에 연결된다.

제25도 및 제26도에는, 본 발명의 또다른 실시예가 도시되는데, 특히 제19도에 도시된 것과 같은형태의 배기매니폴드의 배출구와 축류터어빈(50)을 연결시키는 연결부로 사용된다. 제25도 및 제26도의 실시예에서는, 배기매니폴드와 터어빈회전자(52)의 날개(53)의 입구사이를 연결케이싱(61)에 의해서 연결시키는데, 이러한 연결케이싱은 원추대의 형태이며 하단부가 터어빈회전자(52)를 덮기위해서 트어빈(50)의 프레임위에 설치되고 다른단부(62)가 배기매니폴드의 배출구에 연결된다. 이러한 연결케이싱은 배기가스의 유효흐름 단면을 일정하게 유지시키거나 약간감소시키고 케이싱의 배출구에서 가스에 터어빈회전자의 날개(53)의 요구되는 충돌각(α)을 부여하는 것을 목적으로한다. 이것은 제25도에 도시된 것 같이 회전자(52)의 허브를 그 큰 기저부로 덮기위하여 케이싱(61)속에 설치된 원추형중앙부재(63)와, 중앙부재(63)와 케이싱(61)사이에 방사상으로 설치되고 가스의 회전자(52)의 필요한 충돌각을 보장하는 날개(64)에 의해서 이루어진다. 이러한 각(α)은 그 가스배출단의 날개(64)의 가스측면의 접선과 터어빈회전자(52)의 평면과 평행한 평면사이에서 이루어진다.

터어빈 회전자(52)의 날개(53)근처로 연장하는 날개(64)는 여러지점(a)(b)(c)에서 시작한다. 이러한 여러 가지의 날개의 길이는 원추형 중앙부재(63)가 최적형태가 되게한다. 중앙부재(63)는 날개(64)에 의해서 케이싱(61)에 고정되거나 터어빈프레임에 설치되어 날개(64)와 연결케이싱(61)이 함께 고정되거나 고정되지 않을 수 있다.

상술한 바와 같이, 제18도-26도에서 도시된 매니폴드 배출구와 측류 과급터어빈의 회전자 사이의 여러 가지 연결부는 배기매니폴드의 배출구에서 유용한 배기가스의 운동에너지 연결부가 디퓨우저와 배기가스 흡입 분배기를 지니는 종래의 장치에서는 이러한 운동에너지가 열의 형태로 일부 소실된다.

예를들면, 실린더의 하나의 열에 5내지 9개의 실린더를 지니는 엔진의 경우에, 배기매니폴드의 단부에서의 배기가스의 평균속도는 종래의 장치에서는 0.3마하 정도이나, 제1도내지 제12도에 도시된 장치에서는 0.3내지 0.45마하이며 제18도 내지 제26도에 도시된 장치에서는 0.45내지 007마하이다. 따라서, 제1도 내지 12도의 장치에 의해서 얻어진 장점도 개선된 것임을 알 수 있다. 마지막으로, 본 발명은 4행정엔진 및 2행정엔진 모두에 적용될 수 있다는 것도 알 수 있다.

또한, 본 발명은 예로서 도시되고 설명된 실시예에만 한정되는 것이 아니라, 하나의 청구범위내에서 수행되고 사용되는 것이라면 설명된 장치들과 기술적으로 상응한 것 모두를 포함한다.

Claims (1)

1. 실린더 열의 각각의 실린더의 배기구를 상응한 연결파이프의 인입단에 연결시키고 각각의 연결파이프의 배출단을 실린더의 열을 따라 연장하는 하나의 매니폴드 파이프속에 연결시키며 매니폴드 파이프의 하류단을 과급터어빈의 인입구에 연결시켜서 상기 매니폴드파이프에 하나의 구멍을 구성하게 연결파이프와 과급터어빈을 연결시키는 방법에 있어서, 연결파이프의 인입단의 흐름단면에 대한 그 배출단 근처의 위치에서의 각각의 연결파이프의 흐름단면을 약 0.3 내지 약 0.8의 비로 수축시키고 실린더의 배기밸브가 개방되어 피스톤이 하사점에 도달하는 기간중에 상기의 연결파이프속을 흐르는 배기가스의 에너지가 최고로 유지되도록 연결파이프의 인입구에 보다 인접하게 이러한 수축부를 위치시키며 매니폴드에 일정한 흐름단면을 제공하여 일정한 흐름단면의 직경이 각각의 실린더구멍의 직경보다 약 0.30 내지 약 0.75의 범위의 비로 축소되어 고속의 배기가스를 매니폴드속에 제공하여 상응한 연결파이프의 배출단으로부터 배기매니폴드속으로 들어가는 입구에서 각각의 실린더로부터 배출되는 배기가스에 강한 배출작용을 가하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 여러 개의 실린더의 열에서부터 과급터어빈에 공급되는 배기가스흐름속의 압력진동을 감소시키는 방법.

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