KR910010170B1 - 배기 가스 터어보 과급기로 과급되는 내연기관 - Google Patents

배기 가스 터어보 과급기로 과급되는 내연기관 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

배기 가스 터어보 과급기로 과급되는 내연기관
제1도는 과급된 4-기통 내연기관을 도시하는 개략도.
제2도는 과급기의 특성도.
제3도는 터어빈 등가 단면적의 함구로서의 연소 공기비의 특성도.
제4도는 터어빈 등가 단면적의 함수로서의 배기 가스 온도의 특성도.
제5도는 터어빈 등가 단면적의 함수로서의 밸브 시이트 온도의 특성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 내연기관 2 : 배기 플러넘(plenum) 챔버
3 : 터어빈 4 : 압축기
5 : 과급 공기 덕트 6 : 과급 공기 플러넘 챔버
7 : 배기 가스 덕트 8 : 바이패스 덕트
9 : 역전 방지 밸브 10 : 제어기구
11 : 노즐 세그먼트 12 : 덕트
13 : 차단기구
본 발명은 내연기관에 관한 것으로, 특히 배기 가스 터어보 과급기로 과급된 디젤 엔진에 관한 것이다. 상기 엔진은 최대 기관 회전수에 적합한 압축기와, 과급 공기 덕트와 배기 가스 덕트를 연결하는 바이패스 덕트 뿐만 아니라, 배기 가스 터어빈에 가변적인 유입량을 제공하기 위한 장치를 가지고 있으며, 또한 상기 바이패스 덕트 내에는 제어기구와 역전 방지 밸브가 구비되어 있다.
전술한 형식의 시스템은 예를 들어 독일연방공화국 특허 제1,451,910호에 공지되어 있다. 이 경우 기관 회전수의 감소에 따라 과급압력과 토오크를 상승시키기 위해, 또한 토오크 특성을 이상적인 추력곡선에 합치시키기 위해, 과급 공기 덕트에서 배기 가스 덕트로 흐르는 공기의 양을 증가시키고 있다. 그러나 이러한 수단만으로는 충분하지 못하기 때문에 배기 가스 터어빈으로의 유동량을 변화시키기 인한 수단으로서 터어빈에 소정량의 에너지를 추가로 공급시키고 있으며, 이 에너지의 양은 기관 회전수가 감소됨에 따라 증가된다. 이러한 작동은 압축 공기를 별도로 발생시켜, 이 압축 공기를 기관의 현재 필요로 하는 공기량 또는 바이패스된 공기량에 따라 소정의 유량으로 배기 가스 터어빈의 특별한 노즐 세그먼트에 공급하는 형식을 취하는 것이 바람직하다. 이 경우, 압축기는 최적 효율이 최대 기관회전수에 있어서의 기관 흡수 라인에 근접하도록 구성된다.
낮은 압축비와 높은 과급 압력을 갖는 엔진의 또 다른 공지의 해결책은 하이퍼바아(HYPERBAR)라는 이름으로 알려진 방법이다. 이 경우 추가로 바이패스된 과급 공기가 배기 가스 터어빈에 공급되어 내연기관의 배기 가스에 추가되며, 바이패스된 과급 공기는 터어빈 앞에 위치된 연소실에서 연료 연소에 의해 가열된다.
상기 두 공기된 방법에서는 전체 부하 범위에 걸쳐 에너지 소모가 증가되는 결점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 동적인 과급압력 또는 정압에 유사한 원리로 작동되는 서두에서 설명한 형태의 고과급된 내연기관에 있어서, 외부에너지의 부가 없이 부분 부하시의 과급압력을 높이는 것이다. 여기서 ″정압에 유사한 원리″란 멀티스토스(MULTISTOSS)방법 또는 MPC(Modular Pulse Conveter)라는 이름으로 알려진 방법과 같은 시스템을 말하는 것이다.
본 발명에 따라서, 이러한 목적은 특허청구범위의 특징부에 의해 달성된다.
터어빈 등가 단면적은 터어빈 고정자와 회전자의 연속연결을 위한 등가의 개구를 일컫는다(이점을 좀 더 상세히 알기를 원하면, 케이 지너가 쓴 스프링거 베르나그 베를린-하이델베르그-뉴우 요오크 1980, ″내부연소 엔진의 과급″ 제2관 섹션 6.3.3을 참고바람). 앞서 언급한 독일연방공화국 특허 제1,451,910호는 분리된 노즐 챔버를 갖는 가스 터어빈을 개시하고 있다. 그러나, 이들 노즐 챔버는 단지 배기측에 서로 연결된 상이한 여러 실린더의 배기 가스를 수용하는 역할만 한다. 가변적인 등가노즐 구역으로 유도하는 이들 챔버의 일방 또는 다수를 완전히 차단하거나 교축하는 것은 불가능하다.
한편, 터어보 과급기 가스 터어빈의 입구측 유동 단면적을 실제로 감소시키는 것을 오래 전부터 공지되어왔다. 1923년경, 부에치는 스위스연방공화국 특허 제107,453호에서 터어빈에 도달하는 배기 가스를 제어하는 제어장치를 개시하고 있는데, 제어장치를 조정함으로써 터어빈 동력을 증가 또는 감소시킬 수 있다. 거기에 도시된 기구의 형태는 섹터(sector)조절에 상응하는 것이다. 또한 독일연방공화국 특허 제2,840,201호는 좀더 최신의 해결책을 제시하고 있다. 이 특허에서, 축상 터어빈의 흡입덕트내의 단면적은 격벽에 의해 방사상으로 배열되어 있는 수개의 환상 부분 덕트로 분할된다. 이러한 부분 덕트는 내연기관의 작동조건에 따라 차단되거나 개방된다. 이 경우 각 동력범위 내에서 터어빈으로의 최적 흐름은 양호한 가속 성능을 유도하기 위한 것이다. 그러나 이러한 공지된 해결책은 상당히 과급된 엔진과 전효율이 높은 터어보 과급기를 사용할 경우에 있어서 터어빈 등가 단면적의 감소 시, 압축기 압력비가 허용될 수 없을 정도로 높아지는 사실에 대한 대책을 제시하지 못하고 있다.
본 발명의 장점은 비교적 간단한 장치를 사용함으로써 전부하 시의 작동 특성에 어떠한 악영향을 미침이 없이 부분-부하시의 작동을 개선시킬 수 있는 사실에 있다. 기관회전수의 저감 시, 과급 공기 압력을 높여줌으로써, 평균 유효 압력을 프로펠러 법칙에 따라 필요한 것보다 훨씬 더 높일 수 있다.
이하 본 발명의 실시예를 도면을 참고로 서술하기로 한다.
제1도에 도시된 내연기관은 선박 추진용으로 사용되는 중속의 4행정 디젤 엔진(1)이다. 각 실린더의 배기 가스는 일정한 압력파를 갖는 공통의 배기 플리넘 챔버(2)로 유동한다. 배기 가스는 거의 정압 상태로 배기 가스 덕트(7)를 통해 터어빈(3)에 도달하며, 따라서 터어빈은 정압과정에 따라 작동한다. 터어빈(3)에 의해 구동되는 압축기(4)는 대기로부터 유입되어 압축된 공기를 과급 공기 덕트(5)를 통해 과급 공기 플리넘 챔버(6)로 공급하며, 거기서 공기는 개개의 실린더로 유동한다.
과급 공기 덕트(5)와 배기 가스 덕트(7) 사이의 바이패스 작동을 위해 바이패스 덕트(8)가 연결되며, 바이패스 덕트 내에는 역전 방지 밸브(9)와 제어기구(10)가 설치되어 있다. 역전 방지 밸브는 배기 가스 압력이 과급 압력보다 더 높은 상태에서 제어기구(10)가 열릴 때 과급 공기 덕트(5)내로 배기 가스가 흐르는 것을 방지하는 역할을 한다. 바이패스 덕트(8)와 제어기구(10)는 각각 배기 가스 양의 약 30%를 수용할 정도의 크기를 갖는다. 제어 및/또는 제어기구의 작동은 예를 들어 기관회전수, 과급압력, 분사펌프 조절로드 길이 등과 같은 작동변수 또는 공정변수에 의해 공지된 방법으로 행해진다.
압축기(4)는 반경류형의 압축기이며, 최적 효율이 최대 기관출력과 기관 회전수에서 일어나고 또한 서어지 한계치(the surge limit)근처에서 작동되도록 설계된다.
선박 추진용 엔진의 경우, 프로펠러 작동 특성선도에 따라 작동되며, 이것은 기관회전수가 떨어지면 질량유량도 감소되며, 대응방안이 없을 경우, 과급압력이 급격히 떨어지는 것을 의미한다. 아무리 정교하게 제어한다고 할지라도 바이패스 하는 것만으로서는 이러한 경우에 대한 치유책이 되지 못한다. 후술하는 바와 같이, 이러한 방안에 의해서는 과급압력은 미소치만 증가되며, 이것이 서두부에 언급한 공지의 해결책이 외부 에너지를 공급하는 이유가 된다.
본 발명에 따라서, 터어빈(3) 또한 최대의 기관 회전수 및 기관 출력에 적합하도록 설계된다. 따라서 설계범위, 즉 기관의 최고 출력과 회전수 범위에서 바이패스 덕트(8)는 닫혀져 있게 된다. 추가로 터어빈에는 가변 등가 단면적이 제공된다. 이것은 터어빈 그 자체 내에서 예를 들어 가변적인 안내 깃을 사용하거나 반경방향의 환상 섹터를 개폐함으로써 행해진다. 수개의 분리된 가스입구를 구비한 종래의 터어빈에 있어서 상기 자동은 하나 또는 그 이상의 노즐 링 섹터를 폐쇄함으로서 이것이 행해진다. 결국 선택의 관건은 경제성과 작동상의 안정성이다. 따라서 무엇보다도 증유에 의한 작동시 피할 수 없는 슬래그 누적물이 조정 능력에 악영향을 미치지 않고 효율에 상당한 효과가 미치지 않도록 보장하는 것이 필요하다.
터어빈 과급기의 전체 효율은 배기 가스 터어빈이 가변적인 등가 단면적으로 작동되는 고과급된 엔진에 있어서 결정적인 영향을 갖는다. 고과급된 엔진의 경우, 만약 등가 노즐 면적이 감소된다면 더욱이 엔진을 통한 소기압력 강하가 상당히 작지 않을 경우 즉 전체효율이 높을 경우, 압축기의 압축비 또한 증가한다.
전체 효율이 너무 낮을 경우, 등가 단면적의 감소는 단지 압축기 압축비를 동시에 증가시킴이 없이 소기 공기량의 감소만을 가져온다.
상기 언급된 모든 것은 가변 등가 단면적을 갖는 터어빈이 전 조정 범위에 걸쳐 매우 높은 효율을 갖는다는 것을 나타낸다.
본 실시예에서, 터어빈(3)은 원주상으로 위치한 세 개의 노즐 세그먼트(11)를 가지고 있으며, 이들 각각의 노즐 세그먼트는 덕트(12)에 의해 공급된다. 이들 덕트중 하나는 터어빈 바로 앞에 차단기구(13)를 가지고 있으며, 차단기구는 노즐 유입면적의 33.3%를 감소시킨다. 그러한 큰 단계의 변화가 필요하지 않다면 다수의 작은 분리 노즐 링 섹터를 갖는 변형된 터어빈 입구 케이싱을 사용할 수도 있다. 이 경우 유입 면적의 미세한 단계화는 이들 수개의 섹터를 연속적으로 차단함으로서 행할 수 있다.
부분 부하 영역에 있어서는, 바이패스 덕트의 개방과 노즐 면적의 변화를 동시에 행함으로써, 작동점을 가급적 서어지 한계치에 근접시키는 것 즉, 가능한 최대의 높은 효율을 갖는 큰 과급 압력을 얻는 것이 목표이다.
제2도에서, 과급기 특성도는 바이패스 제어와 터어빈 등가 단면적의 변화를 서로 바람직하게 보완시키는 방법을 도시하고 있다. 동도에서, 종축은 과급압력(바아)을 또한 횡축은 과급 공기량(%)을 나타낸다. 점선으로 도시된 서어지 한계치(K)는 압축기의 불안정 및 비사용 영역과 안정구역을 구분하여준다. η1, η2, η3은 일정한 압축기 효율의 콘코이드(conchoid)로서, 본 실시예에서, η1은 65%이며, η3은 82%에 상당한다. 일정한 회전수의 특성선은 N40, N60, N80및 N100으로 나타냈으며, %로 된 회전수는 각 경우의 인덱스에 상당한다. D는 본 발명에 따라 서어지 한계치(K)로부터 최적거리로 주행하는 작동선을 나타낸다. 이 유효 작동선은 노즐 영역을 부분적으로 폐쇄시킴으로서 야기되는 효율의 감소를 고려한 것이다.
이하, 40%의 기관출력 작동점에서의 본 발명의 작동모우드를 설명하기로 한다. 점 P40은 터어빈을 완전히 개방하고 바이패스 덕트를 완전히 폐쇄시킨 경우의 작동되는 방법에 해당한다. 만약 터어빈 유입면적만이 감소된다면, 선 A1을 향한 과급압력의 증가는 공급량의 증가를 수반하며, 이는 허용될 수 없는 방법으로 작동점을 서어지 한계치에 근접시키는 원인이 된다. 한편 바이패스 덕트만이 열려지면 선 B1을 향한 압력의 미소한 증가가 일어날 것이다.
선 A와 선 B사이의 관계는 불안정 구역 내에 스케치된 선도에서 설명된다. 좌측하방으로부터 우측상방으로 급경사로 그려진 선을 개방된 터어빈 면적(ST)에 대한 상이한 바이패스 개구(SB)의 비를 나타낸다. 좌측선 A1은 완전히 폐쇄된 바이패스, 즉 SB/ST=0을 나타낸다. 선 A2, A3및 A4는 각각 단면비율 SB/ST=0.1,0.2 및 0.3을 의미한다. A1에서 시작하는 선 B1~B4는 각각 터어빈의 개방정도를 나타낸다. 다시 말해 B1은 100% 노즐유입면적을 나타내며, B2는 90%, B3는 80% 그리고 B4는 70%를 나타낸다.
소망의 작동선을 따라 작동할 수 있도록 하기 위해서는 두가지의 수단을 동시에 사용하여야 한다는 것을 알 수 있다. 도시된 작동점에서, 약 38%의 과급 공기량에서 터어빈 등가 단면적이 80%이고 바이패스 덕트의 개방 단면적은 터어빈 단면적의 10%가 될 경우, 공급량은 약 32%에서 44%로 증가한다. 물로 평행사변형으로 제한된 전체범위를 통해 임의의 주어진 방법으로 작동하는 것이 가능하지만, 이것은 결국 제어기술상의 과제이다. 그러나 항상 안정된 유동 구역에서 가급적 높은 효율로 작동시키는 것이 필요하다.
부하점 P20, P40및 P60에서 도시된 선 A 또는 B의 상이한 경사도는 무엇보다도 상이한 배기 가스 온도와 그때의 과급기 전체 효율의 결과치이다. 80%에서 100%까지의 기관출력 범위에서는 과급 압력은 충분히 높고 터어보 과급기는 어떤 경우에도 설계 범위에서 작동하고 있기 때문에 더 이상 제어기구를 작동할 필요가 없다는 것을 주목할 필요가 있다.
제3도, 제4도 및 제5도의 다이아그램은 본 발명에 따른 수단을 사용하여 얻어진 결과를 도시하며, 그들은 다시 40%기관출력에서의 작동점을 도시하고 있다. 각 경우에 있어서 횡축상에는 터어빈 유입면적이 (%)로 주어진다. 제3도의 종축상에는 연소공기비(λZ)가, 제4도의 종축상에는 배기 가스 온도(K)가, 제5도의 종축상에는 엔진 제조자에게 있어 매우 중요한 인자인 배기 밸브의 시이트 온도(K)가 나타내져 있다. 여기에 있어서의 변수도 역시 터어빈 유입 면적(ST)에 대한 바이패스의 개구(SB)비이다. 3가지 선도의 각각에서, C1은 바이패스 덕트가 폐쇄된 경우의 선을 나타내며, C2,C3및 C4는 SB/ST비율이 각각 0.1,0.2 및 0.3에 사용하는 것이다.
부분 부하 시, 두가지 해결수단의 ″노즐 면적의 감소″와 ″바이패스 덕트의 개방″과의 직접적인 함수관계와 장점을 명백히 알 수 있다. 연소 공기비의 증가에 기인하여 도시된 연료 소비율이 그에 상응하게 감소됨은 자명한 사실이다.

Claims (1)

  1. 최대 기관 회전수에 적합하도록 설계된 압축기(4)와, 과급 공기 덕트(5)와 배기 가스 덕트(7)를 연결하며 또한 내부에 제어기구(10)와 역전 방지 밸브(9)가 구비된 바이패스 덕트(8) 및, 배기 가스 터어빈(3)에 가변적인 유입량을 제공하는 장치를 갖는 배기 가스 터어보 과급기로 과급되는 내연기관(1) 특히 디젤 엔진에 있어서, 상기 배기 가스 터어빈(3)은 최대의 기관 출력과 기관 회전수에 있어 바이패스 덕트를 완전히 폐쇄하여 최적의 터어빈 출력과 과급 압력을 얻기 위한 등가 노즐 면적을 가지며, 또한 부분 부하 시에 있어서는 압축기(4)의 서어지 한계치에 가급적 근접하여 작동하도록 터어빈 등가 노즐 면적과 바이패스 덕트면이 공히 가변적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 터어보 자급기로 과급되는 내연기관.
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