KR100921124B1 - 엔진의 이단 터보 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고압측 컴프레셔의 출구 압력과 온도를 상대적으로 낮출 수 있어서 터빈 블레이드의 내구성 한계를 고려하지 않고 엔진의 연비와 토크 특성을 설정할 수 있으므로, 엔진의 연비와 토크 특성을 더욱 향상시킬 수 있으며, 엔진의 중, 고속 운전시에 상대적으로 고압측 터보장치의 활용도를 극대화함으로써, 엔진룸 레이아웃상 불가능한 저압측 터빈까지의 유로 저항 감소 설계를 회피하면서도 엔진의 중, 고속 운전시의 응답성 및 출력을 개선할 수 있도록 한다.

터보, 컴프레셔, 터빈, 2단 터보

Description

엔진의 이단 터보 시스템{Two Stage Turbo System of Engine}

본 발명은 엔진의 터보 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 엔진으로 공급되는 흡입공기를 2번에 걸쳐서 압축하여 공급하도록 하는 2단 터보 시스템의 구성에 관한 기술이다.

2단 터보 시스템은 흡입공기를 2번에 걸쳐서 압축하여 연소실로 공급하므로 엔진의 배기량당 출력을 크게 증대시킬 수 있고, 엔진의 저속시도에 상대적으로 작은 크기의 고압측 터보장치를 이용하여 저속 토크를 향상시킬 수 있다.

또한, 단일 터보 시스템의 경우에는 웨이스트게이트에 의해 에너지가 외부로 버려지는 것을 2단 터보 시스템에서는 저압측 터보장치에서 한번 더 재생되어 연비를 향상시킬 수 있는 등의 장점이 있다.

도 1은 종래의 2단 터보 시스템을 설명한 것으로서, 엔진(512)의 배기매니폴드 및 흡기매니폴드에 연결된 고압측 터보장치(500)와 상기 고압측 터보장치(500)에 연결된 저압측 터보장치(502)가 구비되어 있으며, 고압측 터빈(504)에는 웨이스트게이트밸브(506)가 구비되고, 고압측 컴프레셔(508)에서 나오는 공기는 인터쿨러(510)를 통하여 냉각된 후 엔진(512)으로 공급되도록 되어 있다.

상기한 바와 같이 구성된 종래의 2단 터보 시스템은 엔진(512)의 배기매니폴드로부터 토출되는 배기가스의 유동에너지를 이용하여, 상기 고압측 터빈(504)및 저압측 터빈(514)이 회전하고, 상기 저압측 컴프레셔(516)에서 1차적으로 공기가 가압된 후, 고압측 컴프레셔(508)에서 2차적으로 공기가 가압되어 인터쿨러(510)를 통해 엔진(512)으로 공급되게 된다.

엔진(512)의 고속 운전상태로 접어들게 되면, 배기매니폴드로부터 토출되는 유량에 비하여 고압측 터보장치(500)의 용량의 부족하므로 상기 웨이스트게이트밸브(506)를 개방하여 배기가스를 바이패스시키게 되어 있다.

그런데, 상기한 바와 같은 2단 터보 시스템은, 2차 가압 공기의 온도가 약 190℃ 이상의 고온으로 높아지면 컴프레셔 블레이드의 탄화로 고압측 터보장치(500)의 파손을 초래하게 되므로 그 내구성의 한계로 인하여, 엔진(512)의 연비와 토크 특성을 최적의 상태로 설정하지 못하여 연비와 토크의 희생을 수반하게 된다.

또한, 엔진(512)의 중, 고속 운전시에는 상기 웨이스트게이트밸브(506)의 개도가 증가하여 상대적으로 저압측 터보장치(502)에서 더 많은 일을 하게 되므로, 효율을 개선하기 위해서는 배기매니폴드에서 저압측 터빈까지 유로저항을 저감시키는 설계적 개선이 필요하지만, 실제로는 엔진(512)룸 내에서 다른 부품들과의 레이아웃 등을 고려하면, 이러한 개선이 불가능한 실정이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고압측 컴프레셔의 출구 압력과 온도를 상대적으로 낮출 수 있어서 터빈 블레이드의 내구성 한계를 고려하지 않고 엔진의 연비와 토크 특성을 설정할 수 있어서 엔진의 연비와 토크 특성을 더욱 향상시킬 수 있으며, 엔진의 중, 고속 운전시에 상대적으로 고압측 터보장치의 활용도를 극대화함으로써, 엔진룸 레이아웃상 불가능한 저압측 터빈까지의 유로 저항 감소 설계를 회피하면서도 엔진의 중, 고속 운전시의 응답성 및 출력을 개선할 수 있도록 한 엔진의 이단 터보 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 엔진의 이단 터보 시스템은

엔진의 배기측으로부터 배기가스를 공급받도록 연결된 고압터빈과;

상기 고압터빈의 회전력으로 엔진의 흡기측에 가압 공기를 공급하도록 연결된 기본고압컴프레셔와;

상기 고압터빈에 회전축이 연결되어 상기 기본고압컴프레셔와 연동되는 추가고압컴프레셔와;

상기 고압터빈으로부터 배기가스를 공급받도록 연결된 저압터빈과;

상기 저압터빈의 회전력으로 상기 기본고압컴프레셔에 가압 공기를 공급하도록 연결된 저압컴프레셔와;

상기 저압컴프레셔로부터의 가압공기를 상기 추가고압컴프레셔로 공급하도록 연결된 바이패스유입라인과;

상기 바이패스유입라인의 개도를 조절하도록 구비된 바이패스밸브와;

상기 추가고압컴프레셔로부터의 가압공기를 엔진의 흡기측으로 공급하도록 설치된 바이패스유출라인과;

상기 바이패스유출라인에 설치되어 상기 추가고압컴프레셔로부터 엔진의 흡기측으로의 유로만을 개방하는 체크밸브;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 기본고압컴프레셔와 추가고압컴프레셔는 인터쿨러를 통하여 엔진의 흡기측으로 연결되는 것이 바람직하다.

상기 고압터빈은 별도의 웨이스트게이트밸브가 없이 항상 엔진의 배기가스 전체에 의해 구동되어도 충분할 만큼의 용량을 가지도록 설정되는 것이 바람직하다.

상기 기본고압컴프레셔와 추가고압컴프레셔는 엔진 등 다른 조건들이 동일한 상황에서, 각각은 서로 유사한 용량을 가지고 종래의 고압측 컴프레셔 보다는 작은 용량으로 설정되며, 두 컴프레셔의 용량의 합은 상기 고압터빈의 최대 허용량 이내에서 설정되는 것이 바람직하다.

본 발명은 고압측 컴프레셔의 출구 압력과 온도를 상대적으로 낮출 수 있어서 터빈 블레이드의 내구성 한계를 고려하지 않고 엔진의 연비와 토크 특성을 설정할 수 있으므로 엔진의 연비와 토크 특성을 더욱 향상시킬 수 있으며, 엔진의 중, 고속 운전시에 상대적으로 고압측 터보장치의 활용도를 극대화함으로써, 엔진룸 레이아웃상 불가능한 저압측 터빈까지의 유로 저항 감소 설계를 회피하면서도 엔진의 중, 고속 운전시의 응답성 및 출력을 개선할 수 있도록 한다.

도 2를 참조하면, 본 발명 실시예는 엔진(1)의 배기측으로부터 배기가스를 공급받도록 연결된 고압터빈(3)과; 상기 고압터빈(3)의 회전력으로 엔진(1)의 흡기측에 가압 공기를 공급하도록 연결된 기본고압컴프레셔(5)와; 상기 고압터빈(3)에 회전축이 연결되어 상기 기본고압컴프레셔(5)와 연동되는 추가고압컴프레셔(7)와; 상기 고압터빈(3)으로부터 배기가스를 공급받도록 연결된 저압터빈(9)과; 상기 저압터빈(9)의 회전력으로 상기 기본고압컴프레셔(5)에 가압 공기를 공급하도록 연결된 저압컴프레셔(11)와; 상기 저압컴프레셔(11)로부터의 가압공기를 상기 추가고압컴프레셔(7)로 공급하도록 연결된 바이패스유입라인(13)과; 상기 바이패스유입라인(13)의 개도를 조절하도록 구비된 바이패스밸브(15)와; 상기 추가고압컴프레셔(7)로부터의 가압공기를 엔진(1)의 흡기측으로 공급하도록 설치된 바이패스유출라인(17)과; 상기 바이패스유출라인(17)에 설치되어 상기 추가고압컴프레셔(7)로부터 엔진(1)의 흡기측으로의 유로만을 개방하는 체크밸브(19)를 포함하 여 구성된다.

여기서, 상기 기본고압컴프레셔(5)와 추가고압컴프레셔(7)는 인터쿨러(21)를 통하여 엔진(1)의 흡기측으로 연결된다.

즉, 엔진(1)에 고압 터보장치(23)와 저압 터보장치(25)가 차례로 연결되고, 상기 고압 터보장치(23)에 별도의 컴프레셔인 추가고압컴프레셔(7)를 추가로 장착하고, 상기 추가고압컴프레셔(7)로 유입되는 공기를 제어하는 바이패스밸브(15)와 상기 추가고압컴프레셔(7)로부터의 가압공기가 엔진(1) 흡기측의 압력보다 높을 때 만 개방되는 상기 체크밸브(19)를 더 구비하도록 한 것이다.

따라서, 상기 체크밸브(19)는 상기 엔진(1) 흡기측으로부터 상기 추가고압컴프레셔(7) 쪽으로 공기가 역류하는 것을 방지하게 된다.

여기서, 상기 기본고압컴프레셔(5)와 추가고압컴프레셔(7)는 엔진(1) 등 다른 조건들이 동일한 상황에서, 각각은 서로 유사한 용량을 가지고 종래의 고압측 컴프레셔 보다는 작은 용량으로 설정하며, 두 컴프레셔의 용량의 합은 상기 고압터빈(3)의 최대 허용량 이내에서 설정하도록 한다.

상기 고압터빈(3)은 별도의 웨이스트게이트밸브가 없이 항상 엔진(1)의 배기가스 전체에 의해 구동되어도 충분할 만큼의 용량을 가지도록 설정된다.

상기 바이패스유입라인(13)의 바이패스밸브(15)는 전자식으로 제어되어 그 개폐량이 조절됨으로써, 상기 저압컴프레셔(11)로부터의 가압공기를 상기 추가고압컴프레셔(7)로 공급할 수 있도록 한다.

한편, 도면에 도시된 바와 같이 상기 저압터빈(9)을 빠져 나오는 배기가스는 후처리장치(27) 및 머플러(29)를 통하여 대기중으로 배출되도록 하고, 상기 저압컴프레셔(11)로 흡입되는 공기는 에어클리너(31)를 통과하여 흡입되도록 하는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

엔진(1)의 저속 운전시에는 상기 기본고압컴프레셔(5)만을 구동시켜서 저속시의 응답성과 출력 특성을 크게 개선할 수 있다.

즉, 상기 기본고압컴프레셔(5)는 종래의 고압측 컴프레셔에 비하여 작은 용량과 크기이므로 빠른 응답성을 보이고 그 만큼 저속시의 엔진(1) 출력을 향상시킬 수도 있게 되는 것이다.

엔진(1)이 중속으로 가속되면, 상기 바이패스밸브(15)를 열기 시작하여 상기 추가고압컴프레셔(7)도 가압작용을 시작하도록 한다.

상기와 같이 추가고압컴프레셔(7)에서 가압된 공기의 압력이 상기 기본고압컴프레셔(5)의 압력과 동일해지면 상기 체크밸브(19)가 개방되면서 상기 기본고압컴프레셔(5)와 추가고압컴프레셔(7) 모두로부터의 가압 공기가 인터쿨러(21)를 거쳐 엔진(1) 흡기측으로 공급되게 된다.

상기 엔진(1)이 고속으로 운전되면, 상기 고압터빈(3)은 종래의 웨이스트게이트밸브가 없이 엔진(1)으로부터 토출되는 모든 배기가스에 의해 구동되고, 상기 고압터빈(3)을 통과한 배기가스는 다시 상기 저압터빈(9)을 구동하여, 손실되는 에너지가 최소화되므로 엔진(1) 고속운전시의 응답성 및 출력을 크게 향상시키게 된 다.

즉, 엔진(1)의 중, 고속 운전시에 상기 고압터빈(3)이 모든 배기가스에 의해 구동되면서 상기 기본고압컴프레셔(5)와 추가고압컴프레셔(7)에서 함께 공기를 가압하여 엔진(1) 흡기측에 공급하도록 함으로써, 상대적으로 고압측 터보장치의 활용도를 극대화하게 되어, 엔진(1)룸 레이아웃상 불가능한 저압측 터빈까지의 유로 저항 감소 설계를 회피하면서도 엔진(1)의 중, 고속 운전시의 응답성 및 출력을 개선할 수 있는 것이다.

한편, 상기한 바와 같은 구조에서는 상기 바이패스밸브(15)가 흡기측의 가압공기를 배분하여 상기 기본고압컴프레셔(5)와 추가고압컴프레셔(7)에서 각각 공기를 가압하므로 각 컴프레셔의 출구 압력과 온도가 상대적으로 낮아져서, 컴프레셔의 블레이드 내구성을 고려하여 엔진(1)의 출력특성을 희생시키지 않아도 되므로, 엔진(1)의 보다 향상된 연비 및 출력 특성의 발휘가 가능해진다.

또한, 상기 바이패스밸브(15)는 흡기측에 설치되어 있어서, 종래 배기측의 웨이스트게이트밸브에 비하여, 그 내구성이 크게 유리하며 제어가 유리한 장점이 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 엔진의 이단 터보 시스템을 설명한 도면,

도 2는 본 발명에 따른 엔진의 이단 터보 시스템을 설명한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

1; 엔진 3; 고압터빈

5; 기본고압컴프레셔 7; 추가고압컴프레셔

9; 저압터빈 11; 저압컴프레셔

13; 바이패스유입라인 15; 바이패스밸브

17; 바이패스유출라인 19; 체크밸브

21; 인터쿨러 23; 고압 터보장치

25; 저압 터보장치 27; 후처리장치

29; 머플러 31; 에어클리너

Claims (4)

1. 엔진의 배기측으로부터 배기가스를 공급받도록 연결된 고압터빈과;

   상기 고압터빈의 회전력으로 엔진의 흡기측에 가압 공기를 공급하도록 연결된 기본고압컴프레셔와;

   상기 고압터빈에 회전축이 연결되어 상기 기본고압컴프레셔와 연동되는 추가고압컴프레셔와;

   상기 고압터빈으로부터 배기가스를 공급받도록 연결된 저압터빈과;

   상기 저압터빈의 회전력으로 상기 기본고압컴프레셔에 가압 공기를 공급하도록 연결된 저압컴프레셔와;

   상기 저압컴프레셔로부터의 가압공기를 상기 추가고압컴프레셔로 공급하도록 연결된 바이패스유입라인과;

   상기 바이패스유입라인의 개도를 조절하도록 구비된 바이패스밸브와;

   상기 추가고압컴프레셔로부터의 가압공기를 엔진의 흡기측으로 공급하도록 설치된 바이패스유출라인과;

   상기 바이패스유출라인에 설치되어 상기 추가고압컴프레셔로부터 엔진의 흡기측으로의 유로만을 개방하는 체크밸브;

   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 엔진의 이단 터보 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 기본고압컴프레셔와 추가고압컴프레셔는 인터쿨러를 통하여 엔진의 흡기측으로 연결된 것

   을 특징으로 하는 엔진의 이단 터보 시스템.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 고압터빈은 별도의 웨이스트게이트밸브가 없이 항상 엔진의 배기가스 전체에 의해 구동되어도 충분할 만큼의 용량을 가지도록 설정된 것

   을 특징으로 하는 엔진의 이단 터보 시스템.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 기본고압컴프레셔와 추가고압컴프레셔는 엔진 등 다른 조건들이 동일한 상황에서, 각각은 서로 유사한 용량을 가지고 종래의 고압측 컴프레셔 보다는 작은 용량으로 설정되며, 두 컴프레셔의 용량의 합은 상기 고압터빈의 최대 허용량 이내에서 설정되는 것

   을 특징으로 하는 엔진의 이단 터보 시스템.

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