KR100458348B1 - 터보과급식내연기관용배기시스템 - Google Patents

터보과급식내연기관용배기시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 터보과급식 내연기관에 대한 개선된 작동 신뢰성 및 증가된 수명을 가지며 작동 상태에 따라 충격파 과급의 장점과 펄스 컨버터 과급의 장점 모두가 사용되는 간단한 배기시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라서 상기 목적은 신장부 (12, 13) 가 쇼크 파이프 (6, 7) 용으로 형성되며 또한 이 신장부가 배기 터빈 (5) 으로부터 가장 멀리 이격되어 연결관 (8, 9) 의 상류에 배치된다는 점에서 달성된다. 각각의 쇼크 파이프 (6, 7) 는 상응하는 신장부 (12, 13) 에 연결되어 있다. 이 신장부 (12, 13) 사이에는 상호연결관 (14) 이 배치되어 있다. 각각의 상호연결관 (14) 은 단면 수축부 (15) 를 갖는다.

Description

터보과급식 내연기관용 배기시스템{EXHAUST SYSTEM FOR A TURBOCHARGED INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 터보과급식 내연기관용 배기시스템에 관한 것이다.
터보과급식 내연기관용 배기시스템은 배기가스의 사용가능한 에너지의 최적 사용을 위하여, 내연기관으로부터 터보과급기의 배기터빈까지 일시에 배기가스를 운반하도록 작동한다. 내연기관을 터보과급하는 기존의 방법은 정압 과급법, 충격파 과급법(shock-wave charging) 및 펄스 컨버터 방법이다.
정압 과급법의 경우, 내연기관의 모든 실린더로부터의 배기가스는 공통의 배기관속으로 유입되어서 배기 터빈에 공급된다. 내연기관의 전체부하 작동시에, 즉 배기 터빈의 높은 팽창 압력비의 경우에, 특히 배기가스의 사용가능한 에너지가 양호하게 사용된다. 한편, 부하 또는 속도가 감소된 경우, 즉, 주로 부분 부하 범위에서 내연 기관이 작동하면, 정상 상태의 작동에 있어서 터빈동력과 터빈 로터의 가속을 위한 잉여 동력은 매우 낮다.
충격파 과급법의 경우, 하나 이상의 개별 배기관이 제공되고, 이 배기관 각각에 2개 이상의 실린더가 연결된다. 어느 경우이건, 이들 실린더만이 서로에 대해 연결되며 이들 실린더의 개방시간은 미세하게 겹치거나 또는 전혀 겹치지 않는다. 실린더의 압력 에너지는 압력파에 의해 배기 터빈에 전달되고, 미세한 압력손실만이 발생한다. 내연기관에 의하여급작스런 고부하가 수용된 경우에, 높은 비율의 사용가능한 압력 에너지는 내연기관내에서 다량의 연료가 연소되자마자 압력파에 의해 배기 터빈쪽으로 지체없이 실제로 전달된다. 또한, 압력 에너지는 배기관의 협소함으로 인해 배기 리드 (lead) 에서 유지되며, 이 때문에, 특히 부분부하시에, 배기 터빈에 사용가능한 에너지를 증가시킬 수 있다. 따라서 내연기관의 충격파 과급법은 부하의 변경 경우에 있어서의 양호한 부분부하 행동 또는 동적 행동이 필요할 때마다 늘 선호된다. 그러나, 전체부하시에는 이러한 충격파 과급법은 형편없는 결과가 얻어진다.
독일 특허공개공보 제 39 40 992 호는 충격파 과급법의 경우에 전체부하 행동을 개선시키는 해결책을 개시하였다. 상기 목적을 위하여, 4 행정내연기관으로부터 배기 터빈까지 통하는 쇼크 파이프가 서로 연결되어 있다. 고속용 개방위치와 저속용 폐쇄위치 사이에서 조절될 수 있는 차단 부재(shut-off element)가 상호연결관내에 배치되어 있다. 따라서 배기시스템은 차단 부재가 폐쇄된 상태로 부분 부하시에 충격파 모드에서 작동한다. 한편, 전체부하시에 차단 부재는 개방되고, 결과적으로 배기시스템의 행동은 정압 과급법의 행동에 가까와진다.
그러나, 이러한 해결책은 상호연결관과 차단 부재가 배기 터빈의 상류에 인접 배치된다는 단점을 갖는다. 높은 열응력의 영역내에 위치한 모든 구성요소는 심하게 마모되기 쉽다. 특히, 이동하는 구성요소의 수명은 상대적으로 짧으며 수시로 차단 부재를 교체할 필요가 있다. 적절한 시기에 교체가 실시되지 않는 경우, 배기시스템은 최적의 방법으로 내연기관의 작동상태에 대하여 더 이상 조화될 수 없다. 따라서 부스트는 감소하고 내연기관은 필요한 동력을 얻지 못한다. 차단 부재와 배기터빈 사이의 인접으로 인해, 차단 부재의 부품이 이탈되어, 배기 터보과급기에 들어가서 배기 터빈을 파괴할 위험성이 또한 존재한다.
펄스 컨버터를 사용하는 경우, 2개 이상의 배기관이 배기 터빈 앞의 이젝터 (ejector) 처럼 결합된다. 상기가 포함하는 배기관의 노즐식 구조 때문에, 유량은 가속되고, 인접한 배기관으로의 각각의 압력파의 전달은 방지된다. 이에 의해 실린더를 연결할 수 있고, 또한 서로에 대해 이들 실린더가 악영향을 받지 않도록 배기 개방 시간을 겹치게 할 수 있다. 따라서, 펄스 컨버터를 사용함으로써, 내연기관의 전체부하의 경우에도 효과적으로 충격파 과급법을 사용할 수 있지만, 부분부하 행동은 정압 과급법의 행동에 가까와진다.
독일 특허명세서 제 32 00 521 호는 충격파 과급법으로부터 펄스 컨버터 방법으로의 전환이 가능한 해결책을 개시하였다. 상기 목적을 위하여, 2개의 병렬 배기관은 미리 합쳐진 후에 공통의 관 구성요소에 도달한다. 상기 관 구성요소내에는 중간벽이 회전가능하게 배치되어 있다. 중간벽이 폐쇄되는 경우, 충격파 과급이 수행된다. 중간벽이 개방되는 경우, 내연기관의 과급은 펄스 컨버터 방법에 의해 수행된다.
상기 해결책의 단점은 펄스 컨버터 방법에 필요한 배기관의 수축부가충격파 모드의 경우에도 배기가스의 주유동 (main flow) 에 위치된다는 것이다. 따라서, 주유동은 제한되고 에너지 손실이 발생한다. 또한, 상술한 마모 문제는 2개의 배기관의 중간벽에서 또한 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 터보과급식 내연기관에 대한 개선된 작동신뢰성 및 증가된 수명을 갖는 새롭고 간단한 배기 시스템을 제공하는 것이고, 이 배기시스템에서 내연기관의 작동상태에 따라 충격파 과급법의 장점과 펄스 컨버터 과급법의 장점이 사용된다.
본 발명에 따라서 상기 목적은, 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 배기 시스템의 경우 신장부가 쇼크 파이프용으로 형성되며 또한 이 신장부가 배기 터빈으로부터 가장 멀리 이격되어 연결관의 상류에 설치된다는 사실에 의해 달성된다. 각각의 쇼크 파이프는 상응하는 신장부에 연결되어 있다. 이 신장부 사이에는 상호연결관이 배치되어 있다. 각각의 상호연결관은 오리피스로서 설계된 단면 수축부를 갖는다.
시스템의 작동중에, 배기가스의 질량 유동 (mass flow) 은 내연기관의 실린더로부터 쇼크 파이프를 경유하여 에너지 손실없이 배기 터빈속으로 직접 통과한다. 상호연결관이 배기 터빈으로부터 상대적으로 멀리 이격되어 배치되어 있기 때문에, 쇼크 파이프 사이에 압력 평형이 발생한다. 상호연결관내의 단면 수축부로 인해, 배기가스의 소량만이 실린더의 각각의 압력파동으로 인접한 쇼크 파이프속으로 유입되며, 이 결과 여기에 연결된 실린더는 방해받지 않는다. 압력 평형은 하나 이상의 실린더에 의해 공급되는 쇼크 파이프내의 압력을 감소시키고 또는 쇼크 파이프 또는 다른 쇼크 파이프내의 압력을 증가시킨다. 따라서, 쇼크 파이프내의 압력변동이 감소되고, 이 결과 터빈효율이 개선된다. 이러한 방식으로, 심지어 주어진 충격파 과급의 경우에도, 전체부하시에 양호한 결과를 얻을 수 있다. 이동하는 구성요소는 사용되지 않기 때문에, 배기시스템의 디자인은 보다 간단하고 그 수명은 증가된다.
신장부로부터 상호연결관으로의 천이부에는 단면 확장부가 형성되고 또한 각각의 상호연결관이 팽창 체적을 갖는 경우에 특히 유리하다. 그 결과 용량이 감소되고 따라서 압력파의 작용이 연장되고, 즉, 압력파가 하나의 쇼크 파이프에서 다른 쇼크 파이프로 통과하는데 더 오래 걸린다. 이러한 방식으로, 압력변동은 더욱 감소하고, 이에 의해 전체부하시의 행동은 개선된다.
내연기관의 고속용 개방위치와 저속용 폐쇄위치 사이에서 조절될 수 있는 차단 부재가 상호연결관의 단면 수축부에 배치되는 경우에 유리하다. 따라서 차단 부재를 폐쇄시킨 상태로 부분부하시에 순수한 충격파 과급을 달성할 수 있다. 한편, 전체부하시에, 차단 부재는 개방되어, 펄스 컨버터 과급을 발생시킨다. 상기 배열에 있어서, 차단 부재는 내연기관의 연결관의 상류에 배치된다. 배기 터빈으로부터 이격된 배기 시스템의 이러한 영역에 있어서, 열응력은 연결관의 입구와 배기 터빈 사이에서 보다는 상당히 낮다. 이 결과, 차단 부재는 상당히 긴 수명을 갖는다. 심지어 차단 부재가 손상되더라도, 차단 부재가 배기 터빈으로부터 멀리 이격하여 배치되기 때문에, 차단 부재의 구성요소는 배기 터빈을 파괴하지 않는다. 또한, 상호연결관의 단면 수축부는 전체부하시에 내연기관의 효율적 작동을 단독으로 보장하며, 차단 부재가 결함이 있는 경우에도 배기 시스템을 연속 작동시킬 수 있다.
도 1 은 배기시스템을 도시하는 개략도.
도 2 는 연결관의 영역에서 도 1 를 상세하게 도시하는 확대도.
도 3 은 제 2 실시예에 있어서, 도 2 에 상응하는 도면.
도 4 는 제 3 실시예에 있어서, 도 2 에 상응하는 도면.
도 5 는 제 4 실시예에 있어서, 도 3 에 상응하는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1, 2, 3, 4 : 실린더 5 : 배기 터빈
6 : 제 1 쇼크파이프 7 : 제 2 쇼크파이프
8 : 제 1 쇼크파이프 (6) 와 결합된 연결관
9 : 제 2 쇼크파이프 (7) 와 결합된 연결관
10, 11 : 가스입구 12 : 제 1 쇼크파이프 (6) 의 신장부
13 : 제 2 쇼크파이프 (7) 의 신장부
14 : 상호연결관 15 : 단면 수축부
16 : 단면 확장부 17 : 팽창 체적
18 : 차단 부재, 버터플라이
본 발명의 완전한 이해와 이로 인해 수반되는 많은 이점들은 상세한 설명을 참조하여 첨부한 도면들과 연관하여 고려할 때 본 발명이 보다 잘 이해되는 바와 같이 용이하게 획득될 것이다.
지금부터 도면에 관하여, 도면에는 동일한 도면 번호가 여러 도면에 걸쳐서 동일하거나 또는 상응하는 부위를 지시하고 있으며, 도면에는 본 발명의 이해에 필요한 요소들이 도시되고 작동매체의 유동방향은 화살표로 지시되고 있으며, 도 1 은 4 행정기관으로서 설계된 내연기관의 4 개의 실린더 (1, 2, 3, 4) 를 도시하고 있고, 이 실린더는 배기시스템을 통하여 배기 터보과급기 (turbocharger) 의 배기터빈 (5) 과 상호작용하고 있다. 배기시스템은, 2개의 각각의 연결관 (8, 9) 에 의해 상응하는 실린더 (1, 2) 와 실린더 (3, 4) 에 각각 연결되는 2개의 쇼크 파이프 (6, 7) 를 포함한다.
쇼크 파이프 (6, 7) 는 하류에서 배기 터빈 (5) 의 개별가스입구 (10, 11) 에 연결되어 있다. 신장부 (12, 13) 가 각각의 쇼크 파이프 (6, 7) 용으로형성되어 있고, 이 신장부는 배기 터빈 (5) 으로부터 가장 멀리 이격되어 연결관 (8, 9) 의 상류에 배치되어 있다. 쇼크 파이프 (6) 는 신장부 (12) 에 연결되어 있고 다른 쇼크 파이프 (7) 는 다른 신장부 (13) 에 연결되어 있다. 2개의 신장부 (12, 13) 사이에는 상호연결관(14)이 형성되어 있다.
제 1 견본 실시예 (도 2) 에 있어서, 오리피스로서 설계된 단면 수축부 (15) 가 상호연결관 (14) 내에 배치되어 있다. 예컨대, 배기가스가 실린더 (1, 2) 로부터 제 1 쇼크 파이프 (6) 속으로 유입되는 경우, 대부분의 배기가스는 배기터빈 (5) 의 가스입구 (10) 쪽으로 통과한다. 나머지 소량의 배기가스는 신장부 (12), 상호연결관 (14), 및 그 내부에 배치된 오리피스 (15) 를 경유하여 신장부 (13) 쪽으로 통과하고 결국 제 2 쇼크 파이프 (7) 쪽으로 통과한다. 이 결과, 제 1 쇼크 파이프 (6) 내의 압력은 감소하고 제 2 쇼크 파이프 (7) 내의 압력은 증가하여, 즉, 어느 정도 압력평형이 발생한다. 이제 배기가스가 다른 실린더 (3, 4) 로부터 제 2 쇼크 파이프 (7) 속으로 유입되는 경우, 제 1 쇼크 파이프 (6) 로부터의 배기가스가 여전히 존재하기 때문에 제 2 쇼크 파이프는 비어있지 않다. 일부의 배기가스가 상호연결관 (14) 을 경유하여 제 1 쇼크 파이프 (6) 쪽으로 통과하기 때문에, 따라서 형성된 압력 축적은 상대적으로 빠르다. 이러한 방식으로, 2개의 쇼크 파이프 (6, 7) 사이의 압력차가 감소하여, 그 결과 압력변동이 작아진다. 배기 터빈 (5) 쪽으로의 보다 균일한 유입으로 인해, 배기 터빈의 효율은 증가하고, 이로써 전체부하시의 엔진의 압력 과급이 개선된다. 적절하게 설계된 오리피스 (15) 에 의해, 배기시스템은 부분부하 또는 전체부하에 최적인 디자인을 가질 수 있다.
제 2 견본 실시예 (도 3) 에 있어서, 신장부 (12, 13) 로부터 상호연결관 (14) 으로의 천이부에는 단면 확장부 (16) 가 형성되어 있고, 상호연결관 (14) 은 팽창 체적 (17) 을 갖는다.
이와 같은 큰 용량 때문에, 배기가스의 압력파는 감소하며, 즉 압력파는 보다 길게 작용한다. 상호연결관 (14) 을 경유하여 제 1 쇼크 파이프 (6) 로부터 제 2 쇼크 파이프 (7) 쪽으로 또한 반대로 통과하는 배기가스의 이 부위는 이를 위해서 보다 많은 시간을 요한다. 이에 의해 2개의 쇼크 파이프 (6, 7) 사이의 압력변동이 더 감소하고, 배기 터빈 (5) 의 효율은 더 증가한다.
제 3 견본 실시예를 도시하는 도 4 에 있어서, 버터플라이로서 설계된 기존의 차단 부재 (18) 가 오리피스 (15) 내에 배치되어 있다. 버터플라이 (18) 는 전체부하시의 개방위치와 부분부하시의 폐쇄위치 사이에서 개폐될 수 있다. 이러한 목적을 위하여, 버터플라이는 과급 압력(boost pressure), 엔진부하 및/또는 엔진속도에 의존하는 제어시스템 (도시되지 않음) 에 연결되어 있다. 상기 배열로 인해, 배기시스템은 작동 상태에 따라 충격파 과정으로부터 펄스 컨버터 과정으로 전환될 수 있다.
제 4 견본 실시예 (도 5) 에 있어서, 다시 오리피스 (15) 는 버터플라이를 갖고, 마찬가지로 상호연결관 (14) 은 팽창 체적 (17) 을 갖는다. 제 4실시예는 지금까지 기술한 배기시스템의 장점 모두를 결합시키고, 따라서 이러한 해결책에 의해 엔진의 작동상태에 관련하여 대단한 다양성이 허용된다.
물론, 본 발명에 따른 배기시스템을 4 행정기관에 연결시키는 것 뿐 아니라 특히 상대적으로 소형의 2 행정기관에 연결시키는 것도 가능하다. 또한 본 발명은 4개의 실린더를 갖는 엔진 또는 단지 2개의 쇼크 파이프 (6, 7) 와 단지 1개의 상호연결관 (14)을 구비한 기술에 국한되지 않는다.
본 발명의 많은 정정과 변형은 본 발명의 기술에 비추어 보아 가능하며, 따라서 첨부된 특허청구범위 내에서 특히 상술된 것과는 달리 실시될 수 있는 것으로 이해되는 것은 자명하다.
상호연결관이 배기 터빈으로부터 상대적으로 멀리 이격되어 배치되어 있기 때문에, 쇼크 파이프 사이에 압력 평형이 발생한다. 상호연결관내의 단면 수축부로 인해, 배기가스의 소량만이 실린더의 각각의 압력파동으로 인접한 쇼크 파이프속으로 유입되며, 이 결과 여기에 연결된 실린더는 방해받지 않는다. 압력평형은 하나 이상의 실린더에 의해 공급되는 쇼크 파이프내의 압력을 감소시키고 또는 쇼크 파이프 또는 다른 쇼크 파이프내의 압력을 증가시킨다. 따라서, 쇼크 파이프내의 압력변동이 감소되고, 이 결과 터빈효율이 개선된다. 이러한 방식으로, 심지어 주어진 충격파 과급의 경우에도, 전체부하시에 양호한 결과를 얻을 수 있다. 이동하는 구성요소가 사용되지 않기 때문에, 배기시스템의 디자인은 보다 간단하고 그 수명은 증가된다.
또한, 신장부로부터 상호연결관으로의 천이부에는 단면 확장부가 형성되고 또한 각각의 상호연결관이 팽창 체적을 갖는 경우에, 용량이 감소되고 따라서 압력파가 하나의 쇼크 파이프에서 다른 쇼크 파이프로 통과하는데 더 오래 걸린다. 이러한 방식으로, 압력변동은 더욱 감소하고, 이에 의해 전체부하시의 행동은 개선된다.
한편, 전체부하시에, 차단 부재는 개방되어, 펄스 컨버터 과급을 발생시킨다. 상기 배열에 있어서, 차단 부재는 내연기관의 연결관의 상류에 배치되어 있다. 배기 터빈으로부터 이격된 배기 시스템의 영역에 있어서, 열응력은 연결관의 입구와 배기 터빈 사이의 영역에서 보다는 상당히 낮다. 이 결과, 차단 부재는 상당히 긴 수명을 갖는다. 심지어 차단 부재가 손상되더라도, 차단 부재가 배기 터빈으로부터 멀리 이격되어 배치되기 때문에 차단 부재의 구성요소는 배기 터빈을 파괴할 수 없다. 또한, 상호연결관의 단면 수축부는 전체부하시에 내연기관의 효율적 작동을 보장하며, 차단 부재가 결함이 있는 경우에도 배기 터빈을 연속 작동시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. 터보과급식 내연기관용 배기시스템으로서,
    a) 내연기관의 복수의 실린더 (1 - 4) 에 의해 공급되며 배기 터보과급기의 배기 터빈 (5) 에 연결된 2개 이상의 개별 쇼크 파이프 (6, 7) 와,
    b) 실린더 (1 - 4) 를 각각의 쇼크 파이프 (6, 7) 에 연결시키는 복수의 연결관 (8, 9) 과,
    c) 쇼크 파이프 (6, 7) 사이에 형성된 하나 이상의 상호연결관 (14) 을 포함하는 배기시스템에 있어서,
    d) 상기 쇼크 파이프 (6, 7) 용으로 신장부 (12, 13) 가 형성되어 있고, 이 신장부는 상기 배기 터빈 (5) 으로부터 가장 멀리 이격되어 상기 연결관 (8, 9) 의 상류에 배치되어 있고,
    e) 각각의 쇼크 파이프 (6, 7) 는 상응하는 신장부 (12, 13) 에 연결되어 있고,
    f) 상기 상호연결관 (14) 은 신장부 (12, 13) 사이에 형성되어 있으며, 또한
    g) 각각의 상호연결관 (14) 은 단면 수축부 (15) 를 갖는 것을 특징으로 하는 배기시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 신장부 (12, 13) 로부터 상기 상호연결관 (14)으로의 천이부에는 각각의 단면 확장부 (16) 가 형성되어 있고, 각각의 상기 상호연결관은 팽창 체적 (17) 을 갖는 것을 특징으로 하는 배기시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 내연기관의 고속용 개방위치와 저속용 폐쇄위치 사이에서 조절될 수 있는 차단 부재 (18) 가 상기 상호연결관 (14) 의 단면 수축부 (15) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 배기시스템.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 단면 수축부 (15) 로서 오리피스가 형성되는 것을 특징으로 하는 배기시스템.
  5. 제 3 항에 있어서, 단면 수축부 (15) 로서 오리피스가 형성되는 것을 특징으로 하는 배기시스템.
KR1019960040663A 1995-10-25 1996-09-18 터보과급식내연기관용배기시스템 KR100458348B1 (ko)

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DE19539572.7 1995-10-25

Publications (2)

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KR1019960040663A KR100458348B1 (ko) 1995-10-25 1996-09-18 터보과급식내연기관용배기시스템

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Country Link
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