KR100815590B1 - 터보 과급(過給)되는 내연기관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터보과급되는 내연기관(10)에 관한 것으로, 이 내연기관은 적어도 하나의 고압 단계(20)와 상기 고압 단계(20)의 하류 방향으로 배치되는 적어도 하나의 저압 단계(30)와, 파이프 스위치(70,71)를 갖고 엔진(10)의 배기편(12)을 저압 터빈(31)의 입구편에 연결하는 바이패스 파이프(24a,24b)와, 엔진(10)의 작동 변수를 감지하기 위한 센서를 포함하여 구성된다. 상기 고압 터빈(21)은 항상 최저 배기량으로 작동하여 이는 연속적으로 순환하고, 중앙 처리 장치(CPU)가 구비되어 상기 센서의 신호를 받아들이며, 상기 CPU는 파이프 스위치(70,71)가 전체 배기량의 변화 가능한 부분이 고압 터빈(21)과 저압 터빈(31)과 엔진(10)의 새로운 공기편으로 분배되어 흐르도록 작동하게 하여 연료 소모와(또는) 배기량을 최소화할 수 있도록 엔진(10)의 작동 모드를 모두 최적화하도록 한다.

Description

터보 과급(過給)되는 내연기관{Turbocharged internal combustion engine}

본 발명은 청구항 1의 서론에 기술된 바와 같은 터보 과급(過給)되는 내연기관에 관한 것으로, 특히 적어도 하나의 고압 단계와 하류의 저압 단계를 가지는 터보 과급되는 내연기관에 관한 것이다. 이때 이에 포함되는 터빈은 싱글 플로(Single Flow) 또는 더블 플로(Double Flow) 형으로 형성될 수 있으며, 또한 고압 터빈의 입구편을 엔진의 배기편에, 고압터빈의 출구편을 저압터빈에 연결하는 파이프를 가지고, 입구편의 엔진 배기편을 저압터빈에 연결하는 파이프 스위치에 의하여 개폐가능한 적어도 하나의 바이패스 채널(Bypass Channel)을 포함할 수 있다.

두 단계의 과급과정을 가지는 그러한 내연기관은 DE 195 14 572 A1에 개시되어 있으며, 여기서 고압 단계와 저압 단계는 내연기관의 저속 범위에서 터보 과급기(Turbocharger)에 일렬로 배열된다. 배기 가스는 먼저 고압 터빈을 통과한 후 저압 터빈으로 흐른다. 터보과급 공기는 먼저 저압 압축기에 의하여 압축된 후 고압압축기에 의하여 압축되고, 열 교환기에서 냉각된 후 내연기관의 새로운 공기 편으로 공급된다. 내연기관의 순환 속도가 증가됨에 따라 저압 압축기에서만 압축되는 단일 단계의 압축 과정으로 변환되는데, 여기서 고압 터빈은 배기편 파이프 스위치에 의하여 완전히 바이패스되고, 고압 압축기는 터보과급 공기편 파이프 스위치를 통하여 완전히 바이패스될 수 있다.

그러나, 그러한 터보과급 과정에서의 변환은, 내연기관의 필요한 부하와 속도가 변화하는 경우에 자주 터보과급 유닛의 작동 모드의 1 단계와 2 단계 사이에 변환이 실행되어야 하는 단점이 있었다. 따라서, 승차감을 저하시킨다. 즉, 가속이 불안정하고 제동력 반응이 좋지 못하다.

청구항 서론에 따른 내연기관은 또한 DE 39 03 563 C1에도 개시되어 있다. 그러나, 이 특허에서도 터보과급에 있어 2 단계에서 1 단계로 변환이 일어난다. 이러한 변환은 출구편과 고압 터빈 사이에 설치된 파이프 스위치에 의하여 실행되며, 따라서 여기서도 승차감이 저하될 수 있다.
배기 가스 순환(Exhaust Gas Recirculation-EGR)을 특징으로 하는 DE 25 44 471 A1에서도, 파이프 스위치가 배기편과 고압터빈 사이에 배치되기 때문에 동일한 문제점이 있다. US 5,142,866에는 다른 형태의 EGR이 개시되어 있으며, 여기서는 바이패스가 고압 터빈의 하류 방향에 배치된다.

본 발명은 이러한 청구항 1항의 서론에 따른 내연기관의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 불안정한 가속 및 제동력 반응을 일으키지 않으면서 급속한 부하 및 속도 변화에 대응하는 내연기관을 제공하기 위한 것이다. 터보과급 압력은, 가속의 경우 -즉, 차량이 가속될 때- 신속하게 형성되고, 엔진 요구량에 무한하고 가변적으로 적용될 수 있도록 하는 것이다.

이러한 본 발명의 목적은 독립 청구항의 특징들에 의하여 해결될 수 있다.

특히, 본 발명의 특징에 따르면, 다음의 사항을 달성할 수 있다:
적어도 어느 정도의 연속적인 가스 흐름이 고압 터빈을 통하여 흐르고 이러한 흐름은 순환하기 때문에, 가속할 때 최소 터보과급 압력이 존재하고 특히 HP 로터의 회전 속도가 바람직한 초기 수준에 있도록 할 수 있다. 또한, 본 발명의 구성에 따르면, 각 배기 가스 흐름은 중심 처리 유닛과 파이프 스위치에 의하여 고압 터빈, 저압 터빈 또는 새로운 공기편으로 각 경우에 필요한 정도로 공급될 수 있으며, 따라서 최저 연료 소비와 최저 배기량을 고려하여 엔진의 작동 모드가 최적화될 수 있다.

엔진의 대응 부하와 증가하는 회전 속도에 따라, 배기 가스의 팽창 작동이 고압 터빈 쪽으로 이동하기 때문에, 즉 파이프 스위치에 의하여 바이패스 채널이 폐쇄되어 배기 가스 흐름의 대부분이 고압 터빈으로 공급되기 때문에, 고압 터빈의 신속한 반응이 확보된다. 부하가 약하고 배기량이 적을 때 적은 연료 소비와 낮은 부하, 무엇보다도 배기 대응 압력이 이 작동 범위에서 요구된다면, 배기 가스의 팽창 작동은, 엔진의 회전 속도와는 독립적으로, 바이패스 채널을 오픈하여 그리고 필요에 따라 배기 가스 회귀 플로를 통하여 파이프 스위치를 적절히 위치시킴으로써, 저압 터빈에서 대부분 발생하게 할 수 있다.

상기 파이프 스위치는, 회전 속도, 배기량, 터보과급 압력, 터보과급 공기 온도 등의 엔진의 작동 특성을 기록하는 모터 전자 시스템에 연결되어 엔진의 소정 작동 지점에서 연료 소비와 공해를 최소화하는 작동 모드로 조절될 수 있다. 일반적으로, 최저 연료 소비와 최저 공해 사이에는 타협이 필요하다. 대기 상태, 부하 상태 및 회전 속도에 따라 새로운 공기편, 고압 터빈 및 저압 터빈으로 최적화된 배기 가스 흐름의 분리가 실행된다.

배기량의 분배가 가능해짐에 따른 또 다른 장점은, 작동 라인이 고압과 저압 압축기의 작동 성능에 따라 운행되어, 한편으로는 압축기 효율이 향상되고 다른 한편으로는 극한의 상태에서 펌핑이 사실상 차단된다.

본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 내연기관을 저압터빈의 입구편에 연결하는 바이패스 채널은 반드시 필요한 것은 아니다. 두 개의 터빈 중 하나 - 바람직하게는 고압터빈 - 는 또한 가변 터빈 지오메트리(Variable Turbine Geometry,VTG), 특히 조절가능한 베인(vane)을 구비한 분배기를 갖도록 형성될 수 있다. 예컨대, 고압 터빈에 그러한 분배기가 구비된다면, 전체 가스 흐름이 고압 터빈을 통과하더라도 그 유량은 크게 또는 적게 조절될 수 있다.

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또한, 파이프 스위치를 구비한 바이패스 파이프가 제공될 수 있으며, 이를 통하여 고압 터빈은 바이패스 될 수 있다. 또한, 이 경우 분배기는 항상 조금 열려 있어 적어도 최저 배기량이 고압 터빈을 통하여 흐르도록 하며, 이에 따라 항상 적어도 최저 터보과급 압력이 존재하며, 특히 HP 로터의 회전 속도는 바람직한 초기 수준에 있게 된다. 그러나, 파이프 스위치에 의하여 부가적인 제어가 가능하다.

어떻든 상기한 두 개의 주요 기술 내용 중 하나를 사용함으로써, 내연기관의 서로 다른 작동 변수가 매우 민감하게 조절될 수 있다는 이점을 얻을 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세하게 기술한다.

도 1a는 쌍을 이루는 바이패스 흐름을 가지는 2 단계 터보과급 디젤 내연기관의 배기 가스 및 새로운 공기의 흐름을 나타내는 순환 다이어그램,

도 1b는 공통 바이패스 흐름을 가지는 2 단계 터보과급 디젤 내연기관의 배기 가스 흐름을 나타내는 순환 다이어그램,

도 2는 두 개의 플로를 갖는 저압 터빈을 위한 쌍을 이루는 바이패스 흐름을 가지는 2 단계 터보과급 디젤 내연기관의 배기 가스 흐름을 나타내는 순환 다이어그램,

도 3은 저압 바이패스 유닛을 가지는 도 1a에 따른 배기 가스 및 새로운 공기의 흐름을 나타내는 순환 다이어그램,

도 4는 2 단계 터보과급 V형 디젤 내연기관의 배기 가스 및 새로운 공기의 흐름을 나타내는 순환 다이어그램,

도 5와 도 6은 가변 지오메트리를 가지는 터빈이 고압 터빈으로 사용되는 다른 순환 다이어그램이다.

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<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 디젤 내연기관 11: 새로운 공기편

12: 배기편 13a,b: 실린더열

20: 고압 단계 21: 고압터빈

22: 고압 압축기 23a,b: 플로(flow)

24,24a,b: 바이패스 채널 30: 저압 단계

31: 저압 터빈 32: 저압 압축기

33a,b: 플로 34: 바이패스 유닛

40: 터보과급공기 냉각기 50: 배기 가스 회귀 파이프

60,61,62,62a,b: 파이프 63,63a,b: 마우스 포인트(Mouth Point)

70,71,72: 파이프 스위치 80: 모터 제어기

86: 바이패스 라인 87:파이프 스위치

도 1에 도시된 6-실린더 디젤 내연기관(10)은 터보 과급기에 의하여 두 단계로 터보과급된다. 그러기 위하여 고압단계(20)는 단일 흐름 저압단계(30) 전에 배열된다. 새로운 공기는 고압 터빈(21)과 저압 터빈(31)에 의하여 구동되는 압축기(22,32)에 의하여 압축되고, 두 개의 터보과급 공기 냉각기(40)에서 냉각되며, 배기 가스 회귀 파이프(50)의 배기 가스 흐름과 일정 퍼센트(≥0)로 혼합되어 엔진(10)의 새로운 공기편(11)에 공급된다. 저압 터빈(32)의 로터 직경은 고압 터빈(21)의 로터 직경 보다 크며, 저압과 고압 터빈의 로터 직경비(d_L,ND/d_L,HD)는 1.2 내지 1.8 정도이다. 두 개의 플로(flow)를 가지는 고압 터빈(21)의 각각의 플로(23a,23b)는 입구편에서 각각 파이프(60,61)에 의하여 엔진의 배기편(12)에 연결된다. 출구편에서는, 플로(23a,23b)가 출구편 파이프(63,64)를 통하여 공통 파이프(62)에 연결되며, 차례로 단일 플로 저압 터빈(31)의 입구편에 연결된다. 두 개의 터보과급 공기 냉각기 중 하나는 물론 생략될 수 있다.

엔진(10)의 작동 상태에 따른 터보 과급기의 최적의 조절을 위하여, 고압 터빈(21)의 각 플로(23a,23b)에 대하여 바이패스 채널(24a,24b)이 대칭적으로 배치된다. 각각의 바이패스 채널은 배기 엘보우(elbow)로 형성된 분리된 파이프(60,61)에서 분기되어, 고압 터빈(21)을 우회하여 공통 파이프(62)로 이어지며, 이 파이프(62)는 단일 플로 저압 터빈(31)에 이어진다. 각각의 바이패스 채널(24a,24b)에는 흐름의 하류 방향으로 배치된 파이프 스위치(70,71)가 제공된다. 이러한 구조는 배기 엘보우 또는 고압 터빈의 하우징에 설치될 수도 있고, 슬라이드, 밸브, 플랩 또는 이와 유사한 요소로 형성될 수 있으며, CPU에 의하여 개별적으로 또는 공통으로 제어될 수도 있다.

또한, 압축기(22) 뒤에서 새로운 공기편(11) 쪽에서 분기되는 배기 가스 회귀 파이프(50)가 연결된다. 배기 중 회귀된 양은 또한 새로운 공기편의 다른 지점으로 공급될 수 있다. 파이프 스위치(70)에 의하여, 한편으로 바이패스 채널(24a)은 클로즈될 수 있고, 다른 한편으로 바이패스 채널(24a)이 오픈되도록 하여 일부 흐름이 저압 터빈(30)과 배기 가스 회귀 파이프(50)에 필요한 비율(배기 가스 회기 비율≥0)로 분배될 수 있다. 또한, 작동 특성 변수 a_1-n의 함수로서 파이프 스위치(70,71,50)를 제어하기 위하여, 이 파이프 스위치(70,71,50)는 전자 모터 제어기(80)에 연결되며, 이 모터 제어기는 작동을 위한 배기량의 최적 분배를 가능하게 한다. 바이패스 비율은 달리 조정이 가능하여 전체 배기량 분배가 좀더 자유로울 수 있다.

도 1b에는 내연기관(10)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 이는 도 1a의 실시예와는 터보 과급기의 형태에 있어 차이가 있다. 즉, 고압 터빈(21)의 출구편 연결이 두 개의 바이패스 채널(24a,24b)의 마우스 포인트(63)의 공통 파이프(62) 하류쪽에 제공되는데, 도 1a에서는 상류쪽에 제공되는 것이 다르다.

도 2에는 내연기관(10)의 제 3 실시예가 도시되어 있다. 여기서는 저압 터빈(30)이 두 개의 플로를 갖도록 형성된다. 저압 터빈(31)의 두 개의 채널(33a,33b)은 각각 다른 파이프(62a,62b)로부터 제공되고, 따라서 저압 터빈에는 균일하지 않은 흐름이 제공될 수 있다. 바이패스 채널(24a,24b)은 또한 각각 다른 플로(33a,33b)로 나누어 흐르며, 유사하게 고압 터빈(21)의 플로(23a,23b)는 각각 다른 파이프(62a,62b)로 분리되어 연결된다.

도 3에 도시된 내연기관은 바이패스 채널(34)을 가지는 저압 터빈(31)을 구비하며, 상기 바이패스 채널(34)은 파이프 스위치(72)에 의하여 작동 특성 a_1-n의 함수로 예비압축의 최적화를 위하여 제어될 수 있다. 이는 특히 예컨대, 공간적인 문제로 고압 압축기(22)와 저압 압축기(32) 사이의 압축기 공기의 냉각이 필요없도록 하기 위한 적용(승용차)에 적당하다. 이를 통하여, 예비압축은 저압 단계(30)에 의하여 엔진(10)의 정격 출력 영역에서 원하는 범위로 제한될 수 있다.

파이프 스위치(72)를 구비한 바이패스 채널(34)을 통하여 아주 작은 저압터빈(31)을 사용할 수 있다. 이는 엔진의 과운행시 제동력을 크게 한다. 또한, 엔진의 가속반응은 이와 함께 향상될 수 있다. 또한, 터보 과급과 배기의 대응압력은 어떤 작동 범위에서는 더 감소될 수 있다. 이는 내연기관의 효율을 더 증가시킨다.

도 4는 내연기관(10)의 제 5 실시예를 도시한 것이다. 여기서 내연기관(10)은 V8형이다. 각 실린더열(13a,13b)은 다른 고압 단계(20)로 분리된다. 단일 플로 고압 터빈(21)에는 파이프 스위치(70)를 포함하는 바이패스 채널(24)이 제공된다. 양 고압 터빈(21)의 배기편은 저압 터빈(31)의 입구에 공통으로 연결된다. 여기서 두개의 고압 단계(20)의 바이패스 비율은 달리 세팅할 수 있으므로 전체적인 배기량의 분배도 조절할 수 있다. 기술된 바와 같이 파이프 스위치(70)에 의하여 고압 터빈(21)과 저압 터빈(31) 및 배기 가스 회귀 파이프(50)로 배기 가스 흐름의 분배가 가능하다.

기본적으로, 터빈은 단일 플로 또는 두 개의 플로를 갖도록 형성될 수 있으며, 또는 가변 터빈 지오메트리, 특히 도 5에 도시된 바와 같이 조절가능한 베인을 갖는 분배기를 구비하도록 형성될 수 있다.

도 6에 도시된 다이어그램은 도 3의 다이어그램과 유사하다. 다만, 이는 고압 압축기를 우회하는 바이패스 라인(86)을 포함한다. 또한, 파이프 스위치(87)도 포함한다. 상기 실시예는 특히 고속에서의 모터 효율과 연료 소모, 배기량에 있어 매우 향상되어 디젤 엔진에 유용한 것으로 판명되었다. 결과를 비교해 볼때 기술적 노력도 상대적으로 적게 소모된다.

본 발명의 구성은 디젤 내연기관의 모터 효율을 향상시키고 연료 소모와 배기량을 감소시키는데 유용하다.

Claims (10)

1. 적어도 하나의 고압 단계(20);

   상기 고압 단계(20)의 하류에 배치되는 적어도 하나의 저압 단계(30);

   상기 고압 단계(20)에 구비되는 고압 터빈(21)의 입구편과 엔진(10)의 배기편(12)을 연결하는 파이프(60,61), 및 상기 고압 터빈(21)의 출구편과 상기 저압 단계(30)에 구비되는 저압 터빈(31)을 연결하는 파이프(62,63,64);

   적어도 하나의 파이프 스위치(70,71)를 가지고 엔진(10)의 배기편(12)을 상기 저압 터빈(31)의 입구편에 연결하는 바이패스 채널(24,24a,24b);

   엔진(10)의 작동 변수를 감지하는 센서;를 포함하는 터보과급되는 내연기관에 있어서,

   상기 고압 터빈(21)은 최저 배기량이 지속적으로 흐르고;

   중앙 처리 장치(CPU)가 구비되어 상기 센서의 신호를 수신하며;

   상기 중앙 처리 장치는, 엔진의 배기 흐름을 고압 터빈(21)과 저압 터빈(31) 및 선택적으로 엔진(10)의 새로운 공기편으로 가변적으로 분배하여, 연료 소모 및 오염물 방출을 최소화하기 위하여 엔진(10)의 균일 작동 모드 및 비균일 작동 모드를 모두 최적화하도록, 상기 적어도 하나의 파이프 스위치(70,71)를 작동시키며,

   상기 적어도 하나의 파이프 스위치는, 엔진(10)의 부하가 낮을 때는 배기 가스의 팽창 작동이 저압 터빈(31)으로 이동하고 엔진(10)의 부하가 높을 때는 배기 가스의 팽창 작동이 고압 터빈(21)으로 이동하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 터보과급되는 내연기관.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 고압 터빈(21)은 두 개의 플로(flow)를 갖도록 형성되고, 각각의 플로(23a,23b)는 서로 분리된 파이프들(60,61)에 의하여 엔진(10)의 배기편(12)과 연결되며, 상기 파이프들(60,61)에서 각각 분기되는 하나의 바이패스 채널(24a,24b)이 구비되는 것을 특징으로 하는 터보과급되는 내연기관.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 각각의 바이패스 채널(24a,24b)에는 파이프 스위치(70,71)가 배치되며, 상기 파이프 스위치는 저압 터빈(31)과 고압 터빈(21), 내연기관(10)의 새로운 공기편(11)으로 배기 흐름을 분배할 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 터보과급되는 내연기관.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 바이패스 채널(24,24a,24b)과 고압 터빈(21)의 출구편 파이프(63,64)는 공통 파이프(62)로 이어지고, 상기 공통 파이프(62)는 저압 터빈(31)으로 연결되는 것을 특징으로 하는 터보과급되는 내연기관.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 고압 터빈(21) 및 저압 터빈(31)은 각각 두 개의 플로를 갖도록 형성되고, 고압편 플로 각각에는 파이프 스위치(70,71)를 갖춘 바이패스 채널(24a,24b)과 하나의 출구편 파이프(63,64)가 제공되며, 각각의 바이패스 채널(24a,24b)과 출구편 파이프(63,64)는 분리된 파이프(62)를 통하여 저압 터빈(31)의 각 플로(33a,33b)에 연결되는 것을 특징으로 하는 터보과급되는 내연기관.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파이프 스위치(70,71)는 고압 터빈(21)의 입구편 파이프(60,61)와 바이패스 채널(24,24a,24b) 사이의 연결 지점의 하류에 배치되는 것을 특징으로 하는 터보과급되는 내연기관.
7. 적어도 하나의 고압 단계(20);

   상기 고압 단계(20) 다음에 배치되는 적어도 하나의 저압 단계(30);

   상기 고압 단계(20)에 구비되는 고압 터빈(21)의 입구편과 엔진(10)의 배기편(12)을 연결하는 파이프(60,61), 및 상기 고압 터빈(21)의 출구편과 상기 저압 단계(30)에 구비되는 저압 터빈(31)을 연결하는 파이프(62,63,64);

   엔진(10)의 작동 변수를 감지하는 센서;를 포함하는 터보과급되는 내연기관에 있어서,

   상기 고압 터빈(21)은 최저 배기량이 지속적으로 흐르고;

   중앙 처리 장치(CPU)가 구비되어 상기 센서의 신호를 수신하며;

   상기 두 터빈 중 적어도 하나는 조절 가능한 베인을 구비한 분배기를 구비하여 가변 터빈 지오메트리(VTG) 구조로 형성되며,

   상기 CPU는 연료 소모와 오염물 방출을 최소화하기 위하여 엔진(10)의 작동 모드를 최적화하도록 터빈 지오메트리를 변경하며,

   상기 터빈 지오메트리는, 엔진(10)의 부하가 낮을 때에는 배기 가스의 팽창 작동이 저압 터빈(31)으로 이동하고 엔진(10)의 부하가 높을 때에는 배기 가스의 팽창 작동이 고압 터빈(21)으로 이동하도록 변경되는 것을 특징으로 하는 터보과급되는 내연기관.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 고압 터빈(21)을 우회하는 바이패스 채널을 더 포함하고, 상기 바이패스 채널에는 파이프 스위치가 구비되는 것을 특징으로 하는 터보과급되는 내연기관.
9. 제 1 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 저압 터빈(31)을 우회하는 바이패스 채널을 더 포함하고, 상기 바이패스 채널에는 파이프 스위치가 구비되는 것을 특징으로 하는 터보과급되는 내연기관.
10. 제 1 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 고압 터빈(21)에 의하여 작동되는 고압 압축기를 우회하는 바이패스 채널(86)을 더 포함하고, 상기 파이패스 채널(86)에는 파이프 스위치(87)가 구비되는 것을 특징으로 하는 터보과급되는 내연기관.

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