KR20160054413A - 터보차저 장치 - Google Patents

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KR20160054413A
KR20160054413A KR1020150153764A KR20150153764A KR20160054413A KR 20160054413 A KR20160054413 A KR 20160054413A KR 1020150153764 A KR1020150153764 A KR 1020150153764A KR 20150153764 A KR20150153764 A KR 20150153764A KR 20160054413 A KR20160054413 A KR 20160054413A
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turbocharger
internal combustion
component
combustion engine
temperature
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KR1020150153764A
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Inventor
요하네스 뷔스트
막시밀리안 피셔
Original Assignee
독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은, 내부에 복수의 구성 요소(16, 18)가 배치된 하우징(12)과, 상기 하우징(12) 내에 형성되고 상기 구성 요소들(18) 중 적어도 하나에 할당된 광도관(24)을 포함하는 내연기관용 터보차저 장치에 관한 것으로, 상기 광도관(24)에 적어도 하나의 구성 요소(18)의 온도(T)를 측정하기 위해 광도관(24)을 통해 적어도 하나의 구성 요소(18)로부터 방출되는 적외선(30)을 검출하도록 형성된 적외선 검출기(28)가 할당된다.

Description

터보차저 장치{TURBOCHARGER ARRANGEMENT}
본 발명은, 내부에 복수의 구성 요소가 배열된 하우징과, 상기 하우징 내에 형성되고 상기 구성 요소들 중 적어도 하나에 할당된 광도관을 구비한 내연기관용 터보차저 장치에 관한 것이다.
본 발명은 또한 터보차저 장치의 구성 요소의 온도를 측정하는 방법에 관한 것이다.
자동차 공학 분야에서는, 법적 요건 및 고객 요구에 따라 연료 소모가 적고 엔진 비출력(比出力)이 연속으로 상승하는 내연기관이 개발되었다. 이와 같이 증가한 출력 밀도에 의해, 연소실로부터 냉각 장치, 배기장치, 및 주변으로 손실열로서 소산되는 열에너지가 증가하게 된다. 이와 같은 폐열의 증가로 인해 내연기관 및 배기장치의 많은 요소들에 가해지는 열부하도 증가하고, 특히 피스톤, 밸브, 실린더 헤드, 배기 매니폴드 및 터보차저와 같은 구성 요소들이 증가한 열부하에 노출된다.
이러한 열부하의 증가에 대응하여 보통 엔진 및 배기장치의 신뢰도를 확보하기 위해 냉각을 강화하고, 구조적인 조치를 강구하며, 고급 재료를 사용한다. 이 경우, 일반적으로 구조적 조치의 비용이 더 저렴하며, 고급 재료는 더 비싸긴 하지만 구성 복잡도는 상대적으로 더 낮다.
따라서 내연기관의 및 터보차저의 개발 시, 실제 엔진 작동에서 소정의 한계온도를 초과하지 않게 하기 위한, 특정 구성 요소의 가열이 고려되어야 한다. 모든 구조적 변경에는 작동 시 특정 요소의 온도 변화도 수반하기 때문에, 개발 단계에서 특정 구성 요소의 온도를 지속적으로 직접 측정할 필요가 있다.
터보차저의 특정 구성 요소(예컨대 터보차저의 터빈 휠)는, 기계 부하 및 열부하가 매우 높기 때문에, 실제 작동 시 그 온도를 검출하기 위한 실질적인 측정 방법이 없다. 재료 강도의 변화에 기초하여 작동 온도를 추론할 수 있는 재료는 높은 열부하로 인해 터보차저에 사용할 수 없다. 현재, 배기가스의 온도만이 터보차저의 구성 요소들의 작동 온도를 유추하는 지표로 이용될 수 있는데, 그러한 측정은 정확도가 떨어진다.
따라서 본 발명의 과제는, 실제 주행 조건들에서 정밀하게 구성 요소의 온도 측정이 가능한 터보차저 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 과제는, 터보차저 장치의 구성 요소의 온도를 측정하기 위한, 상응하는 개선된 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는, 도입부에서 언급한 터보차저 장치와 관련하여, 적어도 하나의 구성 요소의 온도를 측정하기 위해 광도관을 통해 적어도 하나의 구성 요소로부터 방출되는 적외선을 검출하도록 형성된 적외선 검출기가 상기 광도관에 할당됨으로써 해결된다.
또한, 상기 과제는, 도입부에서 언급한 방법과 관련하여, 터보차저 장치의 구성 요소에서 방출되는 적외선을 광도관을 통해 검출하고, 상기 광도관은 터보차저 장치의 하우징 내에 형성되며, 상기 적외선에 기초하여 적어도 하나의 구성 요소의 온도가 측정됨으로써 해결된다.
터보차저 장치의 측정될 구성 요소의 적외선이 광도관을 통과하여 적외선 검출기에 의해 검출됨으로써 비접촉 방식으로 온도를 측정할 수 있고, 그 결과 측정될 구성 요소를 다시 구성할 필요가 없으며 실제 주행 조건에서 온도 측정이 가능해진다. 또한, 고온 측정이 높은 정확도, 급격한 온도 변화의 검출, 및 구성 요소의 온도를 측정할 수 있는 넓은 온도 범위도 동시에 제공함에 따라, 터보차저 장치의 측정될 구성 요소의 온도가 정밀하게 측정될 수 있다.
그럼으로써 본 발명의 과제가 완벽하게 해결된다.
한 바람직한 실시예에서, 광도관은 직선형 도관으로서 형성되고, 축방향 일측 단부에 적어도 하나의 구성 요소가 할당된 개구부를 갖는다.
그럼으로써, 터보차저 장치의 다른 요소에서 방출되는 적외선이 측정에 영향을 주지 않으면서, 적어도 하나의 구성 요소의 적외선을 정밀하게 검출할 수 있다.
또한, 광도관 내에는 적어도 하나의 구성 요소에 대해 적외선 센서를 기밀하게 밀봉하는 투명 밀봉 요소를 배치하는 것이 바람직하다.
그럼으로써, 압력이 심하게 변동하는 영역에 배치된 터보차저 장치의 구성 요소를 적은 기술 비용으로 측정할 수 있다.
또한, 적외선 검출기에 적외선을 집속하도록 형성된 광학 요소가 할당되는 것이 바람직하다.
그럼으로써, 적외선이 적외선 검출기로 집속되기 때문에 측정 정확도가 향상될 수 있다.
이 경우, 상기 광학 요소를 광도관 내에 배치하는 것이 특히 바람직하다.
그럼으로써, 측정될 구성 요소 가까이에서 적외선을 측정 및 집속할 수 있고, 그로 인해 측정도 동시에 더욱 정밀하게 실시된다.
또한, 상기 광도관은, 터보차저 장치의 기체 도관 내에 있는 적어도 하나의 구성 요소의 온도를 검출하기 위해 상기 기체 도관과 연결되는 것이 바람직하다.
그럼으로써, 다른 경우에는 간접적으로만 측정될 수 있는, 터보차저 장치에서 온도에 매우 민감한 영역을 측정할 수 있다.
또한, 적어도 하나의 구성 요소는 터보차저 장치의 터빈 휠인 것이 바람직하다.
그럼으로써, 터보차저 장치의 온도 임계적인 가동 구성 요소를 정밀하게 측정할 수 있게 되어, 최적의 개선이 가능해진다.
이때, 적외선 검출기의 측정 지점은 광도관에 걸쳐, 터빈 블레이드의 외부 영역으로부터의 적외선이 검출되도록 배치되는 것이 특히 바람직하다. 그럼으로써, 터보차저 장치의 매우 민감한 영역을 측정하여, 온도 강하를 위한 구조적 조치들에 상응하게 반영할 수 있다.
또한, 적외선 검출기는 광도관에 광도체에 의해 광학적으로 연결되는 것이 바람직하다.
그럼으로써, 적외선 검출기를 터보차저 장치와 별도로 설치할 수 있고, 이로써 전체적인 측정 구성이 열부하 및 오염의 영향을 받지 않으며, 나아가 더 큰 동적 거동이 달성될 수 있다.
또한, 상기 광도체는 적어도 부분적으로 광도관 내에 배치되는 것이 바람직하다.
그럼으로써, 광도체가 측정될 구성 요소 가까이 배치되어 적외선 측정의 장애를 방지할 수 있다.
또한, 상기 광도관은 직선형 관으로서 형성되고 기밀(gas-tight) 및 유밀(fluid-tight) 타입의 외부면을 갖는 것이 바람직하다.
그럼으로써, 터보차저 하우징 내에 냉각제 챔버들을 관통하여 광도관을 배치할 수 있어서, 터보차저 내 접근이 어려운 위치에서도 적외선 측정이 가능해진다.
또한, 광도관 내에서의 광학 반사를 방지하기 위해 광도관의 내부면에 어두운 그리고/또는 무광택 코팅층을 제공하는 것이 바람직하다.
또한, 광도관을 냉각 장치로 둘러싸는 것이 바람직하다.
그럼으로써, 광도관 및 그 내부에 포함된 광학 요소를 터보차저 장치의 고온으로부터 보호할 수 있다.
이때, 냉각 장치는 냉각 유체를 광도관에 공급하도록 형성되는 것이 특히 바람직하다.
그럼으로써, 광도관을 적은 기술 비용으로 효과적으로 냉각할 수 있다.
결론적으로, 적외선 측정용 광도관을 구비한 본 발명에 따른 터보차저 장치에 의해, 개발 과정 중 언제라도 터보차저 장치의 특정 구성 요소의 온도를 정밀하게 측정할 수 있음으로써, 터보차저의 구성 요소에 가해지는 열부하를 지속적으로 확인할 수 있다. 온도 측정이 적외선 측정을 통해 수행됨으로써, 측정될 해당 구성 요소의 구성 비용의 상승 없이 넓은 온도범위, 급격한 온도 변화 및 높은 절대온도를 동시에 측정할 수 있게 된다. 마지막으로, 적외선 측정을 통해 엔진 작동 시 실제 측정이 가능함에 따라, 열적 특성의 실제에 가까운 검사가 가능해진다.
전술한 특징들 및 하기에 추가로 설명될 특징들은 여기에 제시된 조합뿐만 아니라 다른 방식으로 조합된 형태로 또는 단독으로도 본 발명의 범주 내에서 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 도면에 도시되어 있으며, 아래 설명에서 이를 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 온도 측정을 위한 적외선 측정 장치를 구비한 터보차저 장치의 개략도이다.
도 2는 적외선 온도 측정용 광도관을 구비한 터보차저 장치의 사시 단면도이다.
도 3은 터보차저 장치 내 적외선 측정 장치의 광도관을 냉각하기 위한 냉각회로를 구비한 차량의 개략도이다.
도 4는 내연기관의 회전수가 상이한 경우에 대한 터보차저 장치의 터빈 휠의 온도 곡선이다.
도 1에는 터보차저 장치(이하 '10'으로 표시)의 부분 개략도이다. 터보차저 장치는 터보차저 장치(10)를 외부에 대해 한정하는 하우징(12)을 구비하며, 이때 하우징(12) 내에는 작동시 상응하게 웜업되는, 터보차저 장치(10)의 복수의 구성 요소가 수용된다.
터보차저 장치(10)는 터빈 휠(16)을 수용하는 터빈 하우징(14)을 가지며, 상기 터빈 하우징(14)은 내연기관(미도시)의 매니폴드 장치(18) 및 배기장치(20)에 연결된다. 매니폴드 장치(18)를 통해 내연기관의 배기가스가 터빈 하우징(14)으로 유입되어 터빈 하우징(14) 내 터빈 휠(16)을 상응하게 구동하며, 이때 내연기관의 배기가스는 터빈 하우징(14)으로부터 배기장치(20)를 통해 배출된다. 터빈 휠(16)은 회전 가능한 방식으로 장착되며, 내연기관의 과급압을 상응하게 발생시키기 위해 축(22)을 통해 압축기 휠(미도시)에 연결된다.
또한, 도 1에서 터보차저 장치(10)는, 하우징(12) 내에 형성되고 개구부(26)를 갖는 광도관(24)을 가지며, 상기 개구부(26)는 터빈 하우징(14)에 연결되어 터빈 휠(16)에 할당된다. 광도관(24)은, 일반적으로 터빈 휠(16)에서 방사되는 적외선(30)을 광도관(24)을 통해 검출하기 위해 적외선 검출기(28)에 광학적으로 연결된다. 적외선 검출기(28)는, 상기 적외선 검출기(28)를 제어하고 검출된 적외선(30)에 기초하여 터빈 휠(16)의 온도를 측정하도록 형성된 제어 유닛(32)에 연결된다.
도 1에 도시한 실시예에서, 적외선(30)을 적외선 검출기(28)로 공급하기 위해 광도관(24)이 유리섬유 케이블(34)을 통해 적외선 검출기(28)에 연결된다. 이 경우, 유리섬유 케이블(34)은, 적외선(30)을 상응하게 수신하고 전달하기 위해, 개구부(26) 반대편 단부(36)에서 광도관(24)과 연결된다.
한 대안적 실시예에서, 광도관(24)에서 혹은 그 내부에서 적외선을 직접 검출하기 위해, 적외선 검출기(28)가 광도관(24)의 단부(36)에 직접 배치되거나 광도관(24) 내부에 배치된다.
광도관(24) 내부에는, 터빈 하우징(14) 내 매연입자 및 높은 배기가스 온도, 그리고 이에 따른 배기가스 배압(back pressure)으로부터 적외선 검출기(28) 및/또는 유리섬유 케이블(34)을 보호하는 유리 요소(38)가 배치된다. 유리 요소(38)는 바람직하게 사파이어 유리로 형성된다. 광도관(24) 내에는 그 밖에도, 적외선(30)을 집속하여 집속된 적외선(30)을 유리섬유 케이블(34) 및/또는 적외선 검출기(28)로 공급하는 집속 요소(40)가 배치된다.
광도관(24)은 일반적으로 직선 도관으로서 형성되고, 긴 원통형 관으로서 구현되며, 이때 상기 관의 외부면은 주변에 대해 광도관(24)을 밀봉하기 위해 기밀성 및 유밀성을 갖는다. 그럼으로써, 광도관(24)은 광도관(24)의 내로 냉매가 유입되지 않는 조건에서 터보차저 장치(10)의 기존 냉매장치 등을 통과하여 안내될 수도 있다. 광도관(24)은 바람직하게 터빈 하우징(14)과 용접된다.
터빈 휠(16)의 터빈 블레이드들 측정이 상응하게 가능하도록, 광도관(24)이 터빈 휠(16)의 회전축에 대해 경사지게 배치된다. 이 경우, 광도관(24)과 개구부(26)는, 적외선(30)이 터빈 휠(16)의 일 측정 지점으로부터 상응하게 광도관(24)으로 유도되도록 배향되고, 측정 지점은 터빈 휠(16)의 측정될 섹션에 상응하게 형성된다.
광도관(24)의 내부 표면(42)에는, 상기 내부 표면(42)에서의 반사를 방지하기 위해 검거나 어두운 코팅층 및/또는 무광택 코팅층이 제공된다.
요컨대, 터보차저 장치(10), 광도관(24) 및 적외선 검출기(28)에 의해 엔진의 작동 시 터빈 휠(16)의 온도를 신뢰성 있게 그리고 정밀하게 검출할 수 있고, 그 결과 지속적이고 신뢰성 있는 온도 측정이 가능해진다.
광도관(24) 및 적외선 검출기(28)를 구비한 측정 장치는 예를 들어 터빈 하우징(14)의 내부 표면과 같은, 터보차저 장치(10)의 다른 구성 요소의 온도 측정에도 사용될 수 있다.
도 2는 터빈 하우징(14)을 구비한 터보차저 장치(10)의 개략적인 사시 단면도이다. 동일한 구성 요소들은 동일한 도면부호로 표시되며, 여기서는 특이 사항들만 설명한다.
광도관(24)이 터보차저 하우징 내에 배치되어 터빈 하우징(14)에 연결됨에 따라, 개구부(26)가 터빈 휠(16)을 향하고, 터빈 휠(16)에서 나온 적외선(30)은 유리 요소(38)에 부딪혀 집속 요소(40)에 의해 유리섬유 케이블(34) 및 상응하게 적외선 검출기(28)(미도시)에 공급된다. 본 실시예에서 개구부(26)가 터빈 휠(16)의 블레이드를 향함에 따라, 터빈 휠(16)의 블레이드들의 적외선은 광도관(24)을 통해 유리 요소(38)에 부딪히게 된다.
광도관(24)의 개구부(26) 반대편 단부가 냉각 장치(44)에 의해 둘러싸여 있기 때문에, 예를 들어 유리 요소(38), 집속 요소(40) 및 유리섬유 케이블(34)과 같은 광학 요소가 냉각될 수 있고, 이에 상응하게 터빈 하우징(14)의 고온으로부터 전반적으로 보호될 수 있다. 냉각 장치(44)는 광도관(24)의 원통형 케이싱으로서 형성되어 냉각 유체를 광도관(24)의 외벽으로 안내하고, 이로써 광도관(24)의 외벽이 냉각될 수 있다. 아래에 보다 자세히 설명하겠지만, 냉각 장치(44)는 바람직하게 전용 냉각회로에 연결되며, 이에 따라 연속 냉각이 제공될 수 있다.
도 3에는 차량이 개략적으로 도시되어 있으며, 전체가 도면부호 '50'으로 표시되어 있다. 차량(50)은, 터보차저 장치(10)의 구성 요소의 온도를 측정하기 위한 적외선 검출기(28) 및 광도관(24)을 구비한 터보차저 장치(10)를 갖는다. 광도관(24)은 전용 냉각회로(52)에 연결되어 있는 냉각 장치(44)를 갖는다.
냉각 회로(52)는 공급 라인(54), 귀환 라인(56), 그리고 상기 공급 라인(54) 및 귀환 라인(56)의 온도와 압력을 모니터링하기 위한 온도/압력 모니터링 센서(58)를 갖는다. 냉각 회로(52)는 또한 냉각기(60), 스로틀 밸브(62), 냉각수 탱크(64), 펌프(66) 및 열 교환기를 갖는다.
그럼으로써, 냉각 장치(44)에 효과적으로 냉각수를 공급할 수 있고 광도관을 신뢰성 있게 냉각할 수 있다.
도 4에는, 내연기관의 회전수(n), 차량 속도(v) 및 차량 변속단(g)의 함수로서 적외선 검출기(28)에 의해 측정된 터빈 휠(16)의 온도(T)가 도시되어 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 터빈 휠(16)의 온도는 내연기관의 회전수(n)에 따라 변동하고, 1초 미만의 매우 짧은 시간 이내에 150℃까지 변동할 수 있으며, 최고 속도에서 850℃까지의 피크값에 도달할 수 있다.
회전수(n), 차량 속도(v) 및 선택된 변속단(g)의 함수로서의 상기 온도 곡선을 통해, 터빈 휠(16) 온도의 정밀 측정이 가능하고, 신뢰성 있는 정밀한 터보차저를 개발하는 데 있어 상기 온도(T)의 정확한 측정이 필수적이며 유용할 수 있다는 점을 알 수 있다.
또한, 작동 시 상응하게 측정될 수 있는 상기 온도(T)의 높은 온도 기울기로부터, 시간에 따라 온도 기울기가 큰 경우에도 방사된 열복사에 기초한 무차원 온도 측정법은 고도의 정밀도와 넓은 측정 범위를 제공하는 점을 알 수 있다.
결론적으로, 적외선 검출기를 이용한 온도 측정을 통해 터보차저 장치(10)의 어떤 구성 요소라도 정밀한 온도 측정이 가능하다.

Claims (13)

  1. 내부에 복수의 구성 요소(16, 18)가 배치된 하우징(12)과,
    상기 하우징(12) 내에 형성되어 상기 구성 요소들(16) 중 적어도 하나에 할당된 광도관(24)을 구비한 내연기관용 터보차저 장치(10)에 있어서,
    상기 광도관(24)에는, 적어도 하나의 구성 요소(16)의 온도(T)를 측정하기 위해 광도관(24)을 통해 적어도 하나의 구성 요소(16)로부터 방출되는 적외선(30)을 검출하도록 형성된 적외선 검출기(28)가 할당되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 터보차저 장치(10).
  2. 제1항에 있어서, 광도관(24)은 직선형 도관으로서 형성되고, 축방향 일측 단부에 적어도 하나의 구성 요소(16)에 할당된 개구부(26)를 갖는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 터보차저 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 광도관(24) 내에는 적어도 하나의 구성 요소(16)에 대해 적외선 검출기(28)를 기밀 방식으로 밀봉하는 투명 밀봉 요소(38)가 배치되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 터보차저 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적외선 검출기(28)에는 적외선(30)을 집속하도록 형성된 광학 요소(40)가 할당되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 터보차저 장치.
  5. 제4항에 있어서, 광학 요소(40)는 광도관(24) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 터보차저 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 광도관(24)은, 터보차저 장치(10)의 기체 도관(22) 내에 있는 적어도 하나의 구성 요소(16)의 온도를 검출하기 위해 상기 기체 도관(22)과 연결되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 터보차저 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 구성 요소(16)는 터보차저 장치(10)의 터빈 휠(16)인 것을 특징으로 하는, 내연기관용 터보차저 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적외선 검출기(28)는 광도체(34)에 의해 광도관(24)과 광학적으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 터보차저 장치.
  9. 제8항에 있어서, 광도체(34)는 적어도 부분적으로 광도관(24) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 터보차저 장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 광도관(24)은 직선형 관으로서 형성되며, 기밀 및 유밀 타입의 외부면을 갖는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 터보차저 장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 광도관(24)은 냉각 장치에 의해 둘러싸인 것을 특징으로 하는, 내연기관용 터보차저 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 냉각 장치는 냉각 유체를 광도관에 공급하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 터보차저 장치.
  13. 내연기관용 터보차저 장치(10)의 구성 요소(16)의 온도를 측정하는 방법으로서,
    터보차저 장치(10)의 구성 요소(16)에서 방출되는 적외선(30)이 광도관(24)을 통해 검출되고, 상기 광도관(24)은 터보차저 장치(10)의 하우징(12) 내에 형성되며, 상기 적외선(30)에 기초하여 적어도 하나의 구성 요소(16)의 온도(T)를 측정하는, 내연기관용 터보차저 장치의 구성 요소의 온도 측정 방법.
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