KR20070047842A - 배기가스 터보차저 - Google Patents

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KR20070047842A
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요하네스 안테
마르쿠스 길히
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 압축기와 터빈을 포함하며 내연기관을 위한 배기가스 터보차저에 대한 것이다. 압축기 휠은 압축기에 회전 가능하게 장착되고 터빈 휠은 터빈에 회전 가능하게 장착되며, 압축기 휠은 회전 가능하게 장착된 터보 축에 의해 터빈 휠에 결합되고 배기가스 터보차저는 터보 축의 회전 속도를 검출하기 위한 장치를 포함한다. 상기 장치는 터보 축의 회전에 따라 자기장을 변동시키는 데 사용되는 부재를 압축기 휠과 터빈 휠 사이의 영역에서 터보 축 상에 및/또는 터보 축 내에 포함한다. 센서 부재는 자기장을 변동시키기 위하여 부재 인근에 배치되며, 상기 센서 부재는 자기장의 변동을 검출하며 이를 전기적으로 평가할 수 있는 신호로 변환한다.
압축기, 터빈, 터보차저, 블레이드, 센서, 자기장

Description

배기가스 터보차저{EXHAUST GAS TURBO CHARGER}
본 발명은 압축기(compressor)와 터빈(turbine)을 포함하는 내연기관용 배기가스 터보차저에 대한 것으로서, 압축기 휠(compressor wheel)은 압축기에 회전 가능하게 장착되고 터빈 휠(turbine wheel)은 터빈에 회전 가능하게 장착되며, 압축기 휠은 회전 가능하게 장착된 터보 축(turboshaft)에 의해 터빈 휠에 기계적으로 결합되고, 상기 배기가스 터보차저는 터보 축의 회전 속도를 검출하기 위한 장치를 구비한다.
내연기관에 의해 발생하는 동력은 공기 질량과 엔진을 연소 가능하도록 만들 수 있는 연료의 상응하는 양에 의존한다. 만일, 내연기관의 동력을 증가시키길 원한다면, 더 많은 연소 공기와 더 많은 연료가 공급되어야 한다. 자연 흡기 엔진의 경우에 이러한 동력 증가는 배기량을 늘리고 엔진 속도를 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 하지만, 배기량의 증가는 기본적으로 더 큰 치수의 무거운 엔진으로 이어지므로 비용이 증가하게 된다. 엔진 속도의 증가는, 특히 상대적으로 큰 엔진인 경우에 상당한 문제점과 단점을 수반하며, 기술적인 이유로 제한된다.
내연기관의 동력을 증가시키기 위한 많이 사용되는 기술적 해결책은 압력 주입(pressure charging)이다. 이것은 배기가스 터보차저(exhaust gas turbo charger), 또는 엔진에 의해 기계적으로 구동되는 압축기(compressor) 의한 연소 공기(combustion air)의 사전 압축(precompression)으로 언급된다. 배기가스 터보차저는 유동 압축기(flow compressor) 및 터빈(turbine)으로 실질적으로 구성되며, 이들은 공통 축(common shaft)에 의해 서로 결합하며 같은 속도로 회전한다. 터빈은 배기가스의 사용되지 않으면 쓸모없는 배출 에너지를 회전 에너지로 변환하며 압축기를 구동시킨다. 압축기는 신선한 공기를 흡입하며 사전 압축된 공기를 엔진의 각 실린더로 이송한다. 실린더에서는 늘어난 양의 연료가 보다 많은 공기에 제공될 수 있으며, 그로 인하여 내연기관은 보다 많은 동력을 생산한다. 또한, 연소 과정이 바람직하게 영향을 받으므로, 엔진은 한층 향상된 전체 효율을 달성한다. 또한, 터보차저를 장착한 내연 기관의 토크 곡선은 매우 바람직하게 형성될 수 있다. 대량 생산되는 현존 자연 흡기 엔진은 주요 설계 조정 없이 배기가스 터보차저를 사용함으로써 차량 제조자에 의하여 상당히 최적화될 수 있다. 압력 충전된 내연 기관은 일반적으로 더 낮은 비연료소비율(specific fuel consumption)과 더 낮은 유독 배출물을 갖는다. 게다가, 터보차저를 장착한 엔진은 동일한 출력의 자연 흡기 엔진에 비해 대체로 조용한데, 이는 배기가스 터보차저 자체가 추가적인 소음기와 같은 역할을 하기 때문이다. 예를 들어, 승용차용 엔진과 같이 넓은 작동 속도 범위를 갖는 내연기관의 경우에는 낮은 엔진 속도에서 높은 충전압력(charge pressure)이 요구된다. 이를 위해, 웨이스트게이트 밸브(waste-gate valve)라고 불리는 충전압력 제어밸브가 이들 터보차저에 도입된다. 적절한 터빈 하우징의 선택을 통해 낮은 엔진 속도에서도 높은 충전압력이 신속하게 형성된다. 이후, 웨이스 트게이트 밸브는 엔진 속도가 증가하는 동안 충전 압력을 일정하게 제한한다. 대안으로, 가변 터빈 지오메트리(variable turbine geometry)(VTG)를 구비한 터보차저가 사용된다.
배기가스의 증가량에 따라, 터보차저의 로터(rotor)라고 불리는 터빈 휠과 터보 축을 포함하는 조합(combination)의 최대 허용 가능한 회전 속도가 초과될 수 있다. 로터의 속도의 허용 불가능한 초과는 로터를 파괴할 것이며, 이는 터보차저의 전체 손실에 버금간다. 특히, 매우 낮은 관성모멘트에 의한 개선된 회전 가속 거동을 하는 상당히 작은 터빈 및 압축기 직경을 갖는 현대식 소형 터보차저는, 허용 가능한 최대 회전 속도를 초과하는 문제로 인해 영향을 받는다. 터보차저의 설계에 따라서, 속도 제한을 약 5% 초과하는 것은 터보차저의 완전한 파괴를 야기한다.
생성된 충전압력의 신호에 의해 작동되는 종래 기술에 따른 충전압력 제어밸브는 회전 속도를 제한하는 데 효과적인 것이 입증되었다. 충전압력이 소정의 한계치를 넘는다면, 충전압력 제어밸브가 개방되어 배기가스 질량 유동의 일부가 터빈을 지나치게끔 안내한다. 줄어든 질량 유동으로 인하여, 터빈은 줄어든 동력을 흡수하며 압축기 출력은 비례적으로 줄어든다. 충전압력과, 터빈 휠 및 압축기 휠의 회전 속도가 줄어든다. 하지만, 이러한 제한은 상대적으로 느린데, 이는 로터가 주어진 속도를 초과하는 경우에 발생한 압력이 시간 간격을 두고 일어나기 때문이다. 이러한 이유로 인하여, 충전 압력을 감시를 통한 터보차저 속도의 제한은 최적 효율의 손실을 초래하는 충전압력의 상응하는 조기 감소에 의하여 높은 동적 범위(부 하 변화)에서 영향을 받아야 한다.
압축기 휠 또는 터빈 휠 상의 회전 속도의 직접적인 측정은 실행하기 곤란한데 왜냐하면 예를 들어 터빈 휠이 극한의 열부하(extreme thermal load)(1000℃ 까지)를 받기 때문이며, 이는 터빈 휠 상에서 종래 방법에 따른 회전 속도 측정을 방해한다. 2001년 4월 아캄-메즈엘렉트로닉 게엠베하(acam-Messelektronic GmbH)의 공개에 있어서, 와전류 원리(eddy current principle)를 이용하여 압축기 블레이드 펄스를 측정하며 이러한 방법에 의해 압축기 휠의 회전 속도를 측정하는 방법이 제시된다. 이러한 방법은 복잡하고 비용이 많이 드는데, 왜냐하면 적어도 하나의 와전류 센서가 압축기 하우징에 통합되어야 하며, 이것은 터보차저 부품이 고정밀도로 제조되기 때문에 매우 어려운 작업일 수 있기 때문이다. 압축기 하우징에 와전류 센서의 정밀한 통합뿐만 아니라 터보차저의 높은 열응력으로 인해 밀봉 문제가 발생하는데, 이는 터보차저의 구조의 복잡하고 비용이 많이 드는 조정(interventions)을 통해서만 해결될 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 회전 부품(터빈 휠, 압축기 휠, 터보 축)의 회전 속도가 현존 터보차저의 구조에서의 중대한 조정 없이 간단하고 저비용으로 검출될 수 있는 내연기관용 배기가스 터보차저를 구현하는 것이다.
이러한 목적은, 회전 속도를 검출하기 위한 장치가 압축기 휠과 터빈 휠 사이의 영역인 터보 축 상에 및/또는 터보 축 내에 자기장을 변화시키기 위한 부재를 구비하며, 자기장의 변동은 터보 축의 회전에 따라 발생하며 센서 부재는 터보 축의 회전과 자기장의 변동을 검출하고 이를 전기적으로 평가될 수 있는 신호로 변환하고 자기장을 변화시키기 위한 부재 근방에 배치되는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따라 달성된다.
자기장을 변화시키기 위한 부재를 압축기 휠과 터빈 휠 사이의 영역에서 터보 축 상에 및/또는 터보 축 내에 배치하는 것의 장점은, 터보차저의 이러한 영역이 뜨거운 배기가스 유동으로부터 떨어져 배치되며 오일 윤활에 의해 일반적으로 냉각되기 때문에 상대적으로 낮은 열부하를 받는다는 점이다. 또한, 압축기 휠과 터빈 휠 사이인 터보 축의 상기 영역은 접근이 용이하므로, 예를 들어 홀 센서 부재(Hall sensor elements), 자기저항 센서 부재(magnetoresistive sensor elements) 또는 유도 센서 부재(inductive sensor elements)와 같은 상업적으로 이용 가능한 센서 부재가 현존 터보차저의 구조의 약간의 개조만으로 배치될 수 있으며, 이는 터보차저 내의 또는 터보차저 상의 속도 측정을 비용 효율적으로 만든다. 센서 부재에 의해 발생된 신호를 사용하는 것은, 로터의 회전 속도를 초과하는 것을 방지하기 위하여 충전압력 제어밸브가 매우 신속하고 정확하게 작동될 수 있거나 가변 터빈 지오메트리(VTG)의 터빈 지오메트리가 매우 신속하고 정확하게 변경될 수 있다. 따라서, 터보차저는 그 속도 제한에 매우 근접하게 작동되며, 이로 인해 터보차저의 최대 효율을 달성한다. 압력 제어식 터보차저에 매우 일반적인 최대 속도 제한으로부터의 상대적으로 큰 안전 여유도는 필요 없다.
제1 태양에 있어서, 센서 부재는 홀 센서 부재의 형태이다. 홀 센서 부재는 자기장의 변동을 검출하는 데 매우 적합하므로, 회전 속도를 검출하는 것에 매우 적절하게 사용될 수 있다. 홀 센서 부재는 매우 비용 효율적이다.
대안으로, 센서 부재는 자기저항(MR) 센서 부재의 형태이다. 자기저항(MR) 센서 부재 역시 자기장의 변동을 검출하는 데 매우 적합하고 저렴하게 상업적으로 이용 가능하며 270℃까지의 온도에서 사용될 수 있다.
또 다른 변형예에 있어서, 센서 부재는 유도 센서 부재의 형태이다. 유도 센서 부재 역시 자기장의 변동을 검출하는 데 매우 적합하며 고온에서 사용될 수도 있다.
또 다른 변형예에 따르면, 센서 부재는 압축기와 터빈 사이의 영역에서 터보차저 하우징의 외벽에 배치될 수 있다. 이러한 실시예는 터보차저 하우징의 조정을 필요로 하지 않는다. 예를 들어 압축기 휠과 터빈 휠 사이의 터보 축의 영역에 배치된 강력한 자석은, 터보 축이 회전함에 따라 터보차저의 외벽에 배치된 센서 부재 내의 자기장의 충분히 큰 변화를 발생시키므로, 터보 축의 속도에 대응하는 전기 신호가 이러한 센서에서 발생될 수 있다. 이를 위해, 이러한 영역에서의 터보차저의 하우징은 비자기 차폐 재료(non-magnetically-shielding material)로 제조된다.
또 다른 실시예에 있어서, 자기장을 변화시키기 위한 부재는 막대 자석의 형태이다. 터보 축을 따라 회전하며 대칭적으로 분극된 막대 자석은 그 환경에서 자기장의 용이하게 측정 가능한 변동을 발생시키고, 이로써 터보 축, 압축기 및 터빈 휠의 속도가 효율적으로 검출될 수 있다.
대안으로, 자기장을 변화시키기 위한 부재는 2개의 자기쌍극자(magnetic dipoles)의 형태이며, 제1 쌍극자의 북극은 제2 쌍극자의 남극으로 지향된다. 2개의 자기쌍극자는 막대 자석과 동일한 기능을 수행하지만, 막대 자석에 비해 경량이므로 매우 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 자기장을 변화시키기 위한 부재는 압축기 휠과 터빈 휠 사이의 터보 축의 영역에서 슬롯(slot)의 형태이다. 강자성 재료 내의 슬롯에 따르면, 외부로부터 적용된 자기장은 효율적인 방식을 변화될 수 있다. 자속(magnetic flux)은 자기장 내에서 회전하는 슬롯을 따라 이어진다. 이러한 간단하고 비용 효율적인 측정은 센서 부재 내의 자기장의 쉽고 측정 가능한 변동을 발생시킨다.
본 발명의 실시예는 도면을 참조로 하여 예시적인 방식으로 설명된다.
도 1은 배기가스 터보차저를 도시하며,
도 2는 터빈 휠, 터보 축 및 압축기 휠을 도시한다.
도 1은 터빈(2)과 압축기(3)를 포함하는 배기가스 터보차저(1)를 도시한다. 압축기 휠(9)은 압축기(3) 내에 회전 가능하게 장착되며 터보 축(5)에 결합된다. 터보 축(5) 역시 회전 가능하게 장착되며 터보 축의 타 단부에서 터빈 휠(4)에 결합된다. 내연기관(미도시)으로부터의 뜨거운 배기 가스는 터빈 입구(7)를 통해 터빈(2)으로 진입되며, 그로 인해 터빈 휠(4)이 회전된다. 배기가스 유동은 터빈 출구(8)를 통해 터빈(2)을 떠난다. 터빈 휠(4)은 터보 축(5)을 거쳐 압축기 휠(9)에 결합된다. 따라서, 터빈(2)이 압축기(3)를 구동한다. 공기는 공기 입구(24)를 통해 압축기(3)로 흡입된 후 압축되어 공기 출구(6)를 통해 내연기관으로 이송된다.
도 2는 터빈 휠(4), 터보 축(5) 및 압축기 휠(9)을 도시한다. 터빈 휠(4)은, 터보차저가 불꽃점화기관을 충전하는 데 사용되는 때에 발생하는 고온에도 적합한 고내열성 오스테나이트 니켈 화합물(high-temperature-resistant austenitic nickel compound)로 일반적으로 제조된다. 압축기 휠은 정밀 주조법(precision casting method)을 사용하여 제조되며, 조질강(high-tempered steel)을 일반적으로 포함하는 터보 축(5)과 예를 들어 마찰 용접에 의하여 결합된다. 터빈 휠(4)과 터보 축(5)을 포함하는 부품은 로터(rotor)로도 칭해진다. 압축기 휠(9)은 정밀 주조법에 의해 예를 들어 알루미늄 합금으로 제조된다. 압축기 휠(9)은 고정 부재에 의하여 터보 축(5)의 압축기 단부에 일반적으로 고정된다. 이러한 고정 부재는 예를 들어 캡너트(cap nut)일 수 있으며, 캡너트는 밀봉 부시(sealing bush), 베어링 칼라(bearing collar) 및 스페이서 부시(spacer bush)를 갖고서 터빈 휠을 터보 축 견부(turboshaft shoulder)에 대해 고정한다. 따라서, 로터는 압축기 휠(9)을 구비한 견고한 유닛을 형성한다. 압축기 휠(9)이 일반적으로 알루미늄 합금으로 제조되므로, 이 지점에서 자기장 변동에 기반을 둔 측정 방법을 사용하여 압축기의 속도를 측정하는 것은 의문이다.
자기장을 변화시키기 위한 부재(13)는 압축기 휠(9)과 터빈 휠(4) 사이의 터보 축(5)의 영역에서 터보 축(5) 상에 또는 내에 형성된다. 이러한 실시예에 있어서, 자기장을 변화시키기 위한 부재(13)는 자기쌍극자로써 터보 축(5) 내에 또는 상에 배치된다. 자기쌍극자는 북극(N)과 남극(S)을 갖는다. 부재(13)를 고차 자기다중극(higher-order magnetic multipole)으로 형성하거나, 터보 축(5)의 강자성 재료에서의 변화(change)로 형성하는 것도 가능하다. 자기장이, 예를 들어 터보 축(5) 외부에 배치된 자석에 의해 발생한다면, 자기장의 속도에 따른 변동이 터보 축(5)의 강자성 재료 내의 슬롯에 의해 센서 부재(10) 내에서 발생될 수 있다.
자기장을 변화시키기 위한 부재(13)는 터보 축을 따라 움직이며, 그로 인해 자기장의 속도에 따른 변동은 그 주변에 배치된 센서 부재(10)를 갖고서 측정될 수 있다. 이러한 맥락에서, 속도 측정할 만큼 충분히 강하며 용이하게 측정 가능한 자기장 변동이 자기장을 변화시키기 위한 부재(13)에 의해 센서 부재(10) 내에서 발생된다면, 센서 부재(10)는 자기장을 변화시키기 위한 부재(13)에 인접하게 배치된다고 일컬어진다.
압축기 휠(9)과 터빈 휠(4) 사이의 터보 축(5)의 영역 내에서 터보 축(5)의 속도를 측정하는 주요 장점으로는 이 영역의 지배적인 온도가 언급된다. 배기가스 터보차저(1)는 열적으로 매우 스트레스를 받는 부품이며, 그 내부의 온도가 1000℃까지 발생한다. 측정은 예를 들어 홀 센서 또는 자기저항 센서와 같은 공지된 센서 부재(10)를 사용하여 약 1000℃의 온도에서 수행될 수 없는데, 왜냐하면 이들 센서가 열적으로 파괴되기 때문이다. 센서 부재의 경우에 압축기 휠(9)과 터빈 휠(4) 사이인 터보 축(5)의 영역에서 상당히 낮은 온도 부하가 일어나며, 이는 이러한 영역이 뜨거운 배기가스 유동으로부터 떨어져 있으며 터보 축(5)의 오일 윤활을 통해 일반적으로 냉각되기 때문이다.
센서 부재(10)에 의해 발생되는 전기 신호는 전기선(11)을 통해 전자 평가 유닛(electronic evaluation unit)(12)에 제공되며, 이어 상기 전자 평가 유닛은 예를 들어 웨이스트게이트 밸브(미도시) 또는 가변 터빈 블레이드를 작동한다.
본 발명은 배기가스 터보차저에 이용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 압축기(3)와 터빈(2)을 포함하며, 압축기 휠(9)이 압축기(3)에 회전 가능하게 장착되고 터빈 휠(4)이 터빈(2)에 회전 가능하게 장착되며, 압축기 휠(9)은 회전 가능하게 장착된 터보 축(5)에 의하여 터빈 휠(4)에 기계적으로 결합되며 배기가스 터보차저(1)는 터보 축(5)의 회전 속도를 검출하기 위한 장치(26)를 구비하는 내연기관을 위한 배기가스 터보차저(1)에 있어서,
    회전 속도를 검출하기 위한 장치(26)는 압축기 휠(9)과 터빈 휠(4) 사이의 영역에서 자기장을 변화시키기 위한 부재(13)를 터보 축(5) 상에 및/또는 내에 구비하며, 자기장(25)의 변동은 터보 축(5)의 회전에 따라 발생하며 자기장의 변동을 검출하고 이를 전기적으로 평가될 수 있는 신호로 변환시키는 센서 부재(10)는 자기장을 변화시키기 위한 부재(13) 근처에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연기관을 위한 배기가스 터보차저.
  2. 제1항에 있어서,
    센서 부재(10)는 홀 센서 부재의 형태인 것을 특징으로 하는 내연기관을 위한 배기가스 터보차저(1).
  3. 제1항에 있어서,
    센서 부재(10)는 자기저항 센서 부재의 형태인 것을 특징으로 하는 내연기관 을 위한 배기가스 터보차저(1).
  4. 제1항에 있어서,
    센서 부재(10)는 유도 센서 부재의 형태인 것을 특징으로 하는 내연기관을 위한 배기가스 터보차저(1).
  5. 선행하는 항들 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
    센서 부재(10)는 터빈(2)과 압축기(3) 사이의 영역에서 터보차저 하우징의 외벽에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연기관을 위한 배기가스 터보차저(1).
  6. 선행하는 항들 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
    자기장을 변화시키기 위한 부재(13)는 막대 자석의 형태인 것을 특징으로 하는 내연기관을 위한 배기가스 터보차저(1).
  7. 선행하는 항들 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
    자기장을 변화시키기 위한 부재(13)는 2개의 자기쌍극자 형태이며, 제1 쌍극자의 북극(N)이 제2 쌍극자의 남극(S)으로 지향되는 것을 특징으로 하는 내연기관을 위한 배기가스 터보차저(1).
  8. 선행하는 항들 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
    자기장을 변화시키기 위한 부재는 압축기 휠과 터빈 휠 사이의 터보 축의 영역에서 슬롯의 형태인 것을 특징으로 하는 내연기관을 위한 배기가스 터보차저(1).
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