KR101390542B1 - 내연기관의 터보과급 시스템 - Google Patents

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Abstract

2 단 터보 시스템은 소형 터보과급기를 사용하고 또한 간단하게 구성된다. 2 단 터보 시스템에는, 내연기관 (1), 이 내연기관 (1) 으로부터의 배기 가스에 의해 구동되는 2 개의 터보과급기 (2A, 2B), 상기 내연기관 (1) 에 흡인되는 흡기 가스의 흡기 유로와 내연기관 (1) 으로부터의 배기 가스의 배기 유로 사이에서 전환시키는 제어 밸브 (V1 ~ V5), 및 상기 제어 밸브 (V1 ~ V5) 와 상기 터보과급기 (2A, 2B) 를 제어하는 제어 장치를 구비한다. 상기 2 개의 터보과급기 (2A, 2B) 는, 동일한 터빈 용량을 가지고, 배기 유로의 상류측의 고압측 터보과급기 (2A) 와 상기 배기 유로의 하류측의 저압측 터보과급기 (2B) 로서 각각 작용하며, 제어 밸브 (V1 ~ V5) 를 사용하여 유로 사이에서 전화시킴으로써, 2 개의 터보과급기 (2A, 2B) 가 직렬로 서로 연결되는 직렬 모드, 가스가 고압측 터보과급기 (2A) 에만 흐르거나 저압측 터보과급기 (2B) 에만 흐르는 1 단 터보과급 모드, 및 2 개의 터보과급기 (2A, 2B) 가 병렬로 서로 연결되는 병렬 모드를 가진다.

Description

내연기관의 터보과급 시스템 {SUPERCHARGING SYSTEM FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은, 내연기관과 다수의 터보과급기를 장착한 내연기관의 터보과급 시스템에 관한 것이다.
내연기관과 다수의 터보과급기를 장착한 내연기관의 종래의 터보과급 시스템으로서, 고압단에 소형의 터보과급기를 또한 저압단에 대형의 터보과급기를 가진 2 단 터보과급 시스템이 알려져 있다. 예를 들어, 특허문헌 1 및 4 에서는 이러한 유형의 2 단 터보과급 시스템이 개시되어 있다.
대형 터보과급기와 소형 터보과급기를 가진 종래의 2 단 터보과급 시스템의 예시적인 구조에 대해서는 도 8 및 도 12 를 참조하여 설명된다. 도 8 은, 종래의 2 단 터보과급 시스템의 일예를 나타낸다. 도면에 나타내는 바와 같이, 종래의 2 단 터보과급 시스템은, 내연기관 (1) 과 이 내연기관 (1) 으로부터의 배기 가스에 의해 구동되는 2 개의 터보과급기 (2A, 2B) 를 포함한다. 상기 2 단 터보과급 시스템은, 내연기관 (1) 에 흡인되는 흡기 가스의 유로 및 내연기관 (1) 으로부터의 배기 가스의 유로를 전환시키는 3 개의 제어 밸브 (V1 ~ V3) 와, 상기 제어 밸브 (V1 ~ V3) 및 터보과급기 (2A, 2B) 를 제어하는 제어 장치 (3) 를 더 포함한다. 여기서, 제어 밸브 (V1 ~ V3) 는, 바이패스 밸브, 유동 제어 밸브 및 웨스트게이트 (wastegate) 밸브로서 각각 기능한다.
또한, 2 단 터보과급 시스템은, 내연기관 (1) 의 상류측 (흡기로) 에 배열되고 또한 터보과급기에 의한 압축에 의해 가열된 공기의 압력을 유지하면서 냉각시키는 인터쿨러 (5) 를 더 포함한다. 게다가, 이 2 단 터보과급 시스템은, 터보과급기 (2B) 의 압축기 측에 배열된 공기 청정기 (4A) 및 머플러 (4B) 를 포함한다. 상기 공기 청정기 (4A) 에서 깨끗해진 공기는 터보과급기 (2B) 에 공급되고, 터보과급기 (2A, 2B) 로부터의 배기 가스는 머플러 (4B) 에 유입된다.
다음으로, 상기 구성의 2 단 터보과급 시스템을 사용한 제어 패턴에 대해 설명한다.
도 9 는, 엔진의 회전수가 대략 1000 ~ 1250 rpm 인 완전 2 단 터보과급 상태의 가스 흐름을 나타낸다. 이 상태에서, 제어 밸브 (V1 ~ V3) 모두가 폐쇄된다. 그리고, 흡인 공기는 터보과급기 (2A, 2B) 각각의 압축기 측을 통과하여 도입된 후 인터쿨러 (5) 에 공급된다. 그 후, 이 흡인 공기는 내연기관 (1) 에 유입된다. 내연기관 (1) 으로부터의 배기 가스는, 터보과급기 (2A, 2B) 각각의 터빈 측 및 머플러 (4B) 를 통과한 후 시스템 외부로 배출된다. 도 9 에서, 터보과급기 (2A) 및 터보과급기 (2B) 는 직렬로 연결되고, 터보과급기 (2B) 는 터보과급기 (2A) 보다 크다.
도 10 은, 엔진 회전수가 대략 1250 ~ 2500 rpm 인 가변 2 단 터보과급 상태의 가스 흐름을 나타낸다. 이 상태에서, 제어 밸브 (V1, V3) 가 폐쇄되고, 제어 밸브 (V2) 는 절반 개방되어 있다. 제어 밸브 (V2) 는 유동 제어 밸브이고, 그리하여 배기 가스의 유동은 밸브의 개도를 변경함으로써 적절히 제어될 수 있다. 이러한 제어 밸브 (V2) 를 사용하여, 터보과급기 (2A) 로의 배기 가스의 유량이 제어되어, 터빈 출력을 제어한다. 그리고, 터보과급기 (2A) 를 통한 배기 가스와 제어 밸브 (V2) 를 통한 배기 가스는 터보과급기 (2B) 에 유입하기 전에 합류한다. 이 터보과급기 (2B) 에 도입된 배기 가스는 머플러 (4B) 를 통하여 외부로 배출된다.
도 11 은, 엔진 회전수가 대략 2500 ~ 3500 rpm 인 상태에서 가스 흐름을 나타낸다. 이 상태에서, 제어 밸브 (V3) 가 폐쇄되고, 제어 밸브 (V1, V2) 가 개방된다. 이 경우에, 제어 밸브 (V1, V2) 를 구비한 유로는, 터보과급기 (2A) 를 통과하는 유로보다 더 큰 단면적을 가지고, 그리하여, 대부분의 공기와 배기 가스는 제어 밸브 (V1, V2) 를 구비한 유로를 통하여 유동한다. 그럼으로써, 터보과급기 (2A) 는 많이 작동하지 않고 아이들링 상태에 있다.
도 12 는, 엔진 회전수가 대략 3500 rpm 이상인 상태에서 가스 흐름을 나타낸다. 이 상태에서, 제어 밸브 (V1, V2) 가 완전 개방되고, 제어 밸브 (V3) 가 절반 개방된다. 이 제어 밸브 (V3) 는 터보과급기 (2B) 의 터빈으로의 배기 가스의 유량을 제어하도록 제어되어, 터보과급기 (2B) 의 출력을 제어한다.
도 9 ~ 도 12 에 나타낸 것처럼, 내연기관 (1) 은 저/중속 (1000 ~ 2500 rpm) 에서 2 단 터보과급 상태가 되고, 고속 (2500 rpm 이상) 에서 1 단 터보과급 상태가 된다. 1 단 터보과급 상태에서, 터보과급기 (2B) (저압 터보) 만이 작동된다. 대안으로, 터보과급기 (2A) (고압 터보) 만이 1 단 터보과급 상태에서 터보과급기 (2B) 대신에 사용될 수 있다. 그럼으로써, 이러한 터보과급 시스템은 부하 변동을 충족하도록 가요성이 크다.
또한, 특허문헌 4 에 개시되는 2 단 터보과급 시스템은, 저속/저부하 작동시 터빈 둘 다를 직렬로 작동시키고 또한 고속/고부하 작동시 터빈을 병렬로 작동시킨다.
전술한 내연기관의 종래의 터보과급 시스템에서, 고속/고부하 작동에서도 목표 출력을 얻기 위해 2 단 터보과급이 필요하다. 이렇게 함으로써, 압축기 측의 온도가 상승하고 또한 터보과급기를 냉각시키거나 또는 온도 상승을 만족하도록 재료를 변경할 필요가 있는 문제가 발생한다. 터보과급 시스템에서, 엔진 출력이 높아지고, 관성이 최소인 간단한 구조의 소형 터보과급기에 의해 가속성의 향상이 요구된다.
또한, 특허문헌 5 에 따라서, 터빈 측만이 직렬 모드와 병렬 모드 사이에서 터빈의 배열을 전환하도록 제어된다. 엔진의 고속 작동의 경우에, 압축기 측이 여전히 2 단 모드이면서, 터빈으로의 유동은 웨스트게이트 밸브에 의해 조절된다. 그럼으로써, 유동을 안정적으로 제어하기 어려워진다.
특허문헌 1 : 일본 공개특허공보 소58-190516 호 특허문헌 2 : 일본 공개특허공보 소61-291725 호 특허문헌 3 : 일본 공개특허공보2006-97684 호 특허문헌 4 : 일본 공표특허공보2008-514842 호 특허문헌 5 : 일본 공개특허공보 평4-164123 호
전술한 문제를 감안하여, 본 발명의 목적은, 간단한 구조이고 또한 소형의 터보과급기가 장착된 내연기관의 터보과급 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에는, 내연기관으로부터의 배기 가스에 의해 구동되는 다수의 터보과급기; 상기 내연기관에 흡인되는 흡기 가스의 흡기 유로와 내연기관으로부터의 배기 가스의 배기 유로를 각각 전환시키는 유로 전환 밸브; 및 상기 유로 전환 밸브 및 상기 터보과급기를 제어하는 제어 유닛을 포함하는 내연기관의 터보과급 시스템으로서, 상기 다수의 터보과급기는, 배기 유로의 최하류측에 배열된 제 1 터보과급기와 상기 배기 유로 중 제 1 터보과급기의 상류측에 배열되는 제 2 터보과급기를 포함하고, 상기 유로 전환 밸브는, 직렬 터보과급 모드, 1 단 터보과급 모드 및 병렬 터보과급 모드로부터 모드를 선택하도록 흡기 유로와 배기 유로를 전환시키며, 직렬 터보과급 모드가 선택되면 제 1 터보과급기 및 제 2 터보과급기가 직렬로 연결되고, 1 단 터보과급 모드가 선택되면 제 1 터보과급기 및 제 2 터보과급기 중 하나에만 가스가 공급되며, 병렬 터보과급 모드가 선택되면 제 1 터보과급기 및 제 2 터보과급기가 병렬로 연결되는 내연기관의 터보과급 시스템이 개시되어 있다.
상기 본 발명에 따라서, 2 개의 소형 터보과급기는 직렬 터보과급 모드에서 직렬로 연결되어, 완전한 2 단으로부터 가변 2 단으로의 전환을 제어한다. 그럼으로써, 터보과급기의 응답성이 향상되고, 이는 엔진의 가속시 유리하다. 또한, 터보과급기 쌍은, 병렬 터보과급 모드에서 병렬로 연결되어, 고속 작동의 제어 영역에서 필요한 높은 유동을 적절하게 만족한다. 게다가, 1 단 터보과급 모드에서, 가스는 제 1 터보과급기 및 제 2 터보과급기 중 하나에만 도입되어, 필요에 따라 조합될 수 있고, 이렇게 함으로써, 사용 용도에 따른 목표 엔진 성능을 얻도록 미세하게 제어할 수 있다. 또한, 제어하기 위해 배관과 제어 밸브를 형성하여, 구조가 간단해지고 또한 시스템 고장도 발생하기 어렵다.
상기 내연기관으로의 흡기 유로는, 상기 제 1 터보과급기의 터보 압축기 및 상기 제 2 터보과급기의 터보 압축기를 통하여 내연기관에 연결되는 흡기용 직렬 유로; 상기 제 1 터보과급기의 터보 압축기의 출구측 및 상기 제 2 터보과급기의 터보 압축기의 출구측을 연결하는 흡기용 바이패스 유로; 상기 흡기용 바이패스 유로와 상기 흡기용 직렬 유로 사이의 상류측 연결 지점의 하류측 및 상기 제 2 터보과급기의 터보 압축기의 출구측에 연결되는 흡기용 병렬 유로; 상기 흡기용 병렬 유로와 상기 흡기용 직렬 유로 사이의 연결 지점에 배열되는 유로 전환 밸브 중 하나; 및 상기 흡기용 바이패스 유로에 형성되는 개폐 밸브를 포함하고, 상기 내연기관으로부터의 배기 유로는, 상기 제 2 터보과급기 및 상기 제 1 터보과급기를 통하여 내연기관을 외부에 연결하는 배기용 직렬 유로; 상기 제 2 터보과급기의 터빈의 입구측과 상기 제 1 터보과급기의 터빈의 입구측을 연결하는 배기용 제 1 바이패스 유로; 상기 배기용 제 1 바이패스 유로와 상기 배기용 직렬 유로 사이의 연결 지점의 상류측과 상기 제 1 터보과급기의 터빈의 출구측을 연결하는 배기용 제 2 바이패스 유로; 상기 배기용 제 2 바이패스 유로와 상기 배기용 직렬 유로 사이의 상류측 연결 지점에 형성되는 유로 전환 밸브 중 하나; 및 상기 배기용 제 1 바이패스 유로에 형성되는 유동 제어 밸브를 포함하는 내연기관의 터보과급 시스템인 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 모드는, 제어 밸브 쌍에서 흡기 유로와 배기 유로를 제어 유닛에 의해 간단하게 전환시킴으로써, 직렬 터보과급 모드, 병렬 터보과급 모드, 및 1 단 터보과급 모드로부터 선택된다. 특히, 배기용 제 1 바이패스 유로에 형성된 유동 제어 밸브는, 고압측 터보과급기와 저압측 터보과급기로의 배기 가스의 유동을 제어한다. 그럼으로써, 엔진 성능의 변경 요구를 만족할 수 있다. 예를 들어, 직렬 터보과급 모드에서, 목표 터보과급압에 대해 유동 제어 밸브를 제어함으로써 가변 2 단 모드를 병렬 터보과급 모드로 전환시킬 수 있다. 이렇게 함으로써, 전방에서 차량을 추월할 때 가속 성능을 향상시키는 장점이 있다.
본 발명에서, 상기 다수의 터보과급기는 동일한 터빈 용량을 가지는 것이 바람직하다.
이러한 본 발명에서, 동일한 터빈 용량을 가진 2 개의 터보과급기를 사용함으로써, 저속/중속 작동시 직렬 터보과급 모드가 선택되면, 종래의 경우처럼 대형 터보과급기와 소형 터보과급기의 조합 대신에 2 개의 소형 터보과급기가 사용되고, 그럼으로써 시스템은 소형화될 수 있고 또한 저관성을 얻을 수 있다. 게다가, 대량 유동이 필요할 때 병렬 터보과급 모드가 선택되면, 적절한 압력 밸런스를 유지함으로써 압력 손실이 적게 된다. 그 결과, 소형 터보과급기가 사용될 수 있고 또한 구조가 간단해질 수 있다.
본 발명에 있어서, 터보과급 시스템은, 상기 유동 제어 밸브의 하류측의 배기용 제 1 바이패스 유로를 제 1 터보과급기의 하류측에 연결하는 저압 터보 제어용 유로와; 상기 저압 터보 제어용 유로에 형성되는 유동 제어 밸브를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따라서, 저압 터보 제어용 유로가 형성되어, 저압측 터보과급기로의 배기 가스의 양을 미세하게 제어하게 된다.
본 발명에서, 상기 제 2 터보과급기는 가변 유량 터보를 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 본원에 따라서, 가변 유동 터보과급기의 유동 제어 밸브는 엔진의 가속 성능시 폐쇄되어 내측 스크롤에 대한 유동을 향상시키고 터보과급기의 응답성을 향상시킨다. 그럼으로써, 엔진의 가속 성능이 향상된다. 또한, 유동 제어 밸브의 개도는 조정되어 엔진 작동 상태에 따라서 제어 면적을 확장시킨다.
본 발명에서, 상기 제 2 터보과급기는 가변 용량 터보를 포함하는 것이 바람직하다.
본원에 따라서, 예를 들어, 터빈의 가변 노즐은 터빈에서의 배기 가스의 유동을 저감시키도록 좁아진다. 터빈내의 배기 가스의 유동이 증가하면, 고속/고부하 작동에 유리하다. 또한, 노즐의 위치는 작동 상태에 따라 제어될 수 있고, 그리하여 터보과급의 변동이 추가로 억제된다.
본 발명에서, 상기 제 2 터보과급기는 트윈 스크롤 터보를 포함하는 것이 바람직하다.
본원에서, 엔진의 가속시 저유량측 터보과급기의 응답성이 한층 향상되고, 그럼으로써 가속 성능이 향상된다.
본 발명의 내연기관의 터보과급 시스템에서, 직렬 터보과급 모드가 선택되면, 터보과급압이 상승하고 터보과급기의 응답성이 향상된다. 이렇게 함으로써, 엔진의 가속시에 유리하다. 병렬 터보과급 모드가 선택되면, 흡기 공기의 유동이 증가되고, 이는 고속/고부하 작동시에 유리하다. 반대로, 대형 터보과급기와 소형 터보과급기를 사용하는 종래의 경우에서, 병렬 모드가 선택되면, 터보과급압의 밸런스가 무너지고, 그럼으로써 체크 밸브 및 배관 등의 조정이 필요하게 된다. 그 결과, 부품 개수가 증가하고 또한 압력 손실이 증가한다. 하지만, 바람직한 실시형태에서는 종래 경우의 이러한 문제가 발생하지 않는다.
그리고, 직렬 터보과급 모드 및 병렬 터보과급 모드 이외의 고압단 모드와 저압단 모드를 임의로 선택하거나 조합함으로써, 사용 용도에 따른 목표 엔진 성능을 정확하게 얻을 수 있다. 또한, 제어하기 위해 배관과 제어 밸브를 형성하고, 그럼으로써 구조가 간단해질 수 있고 또한 시스템의 문제가 발생하기 어렵다.
게다가, 동일한 터빈 용량을 가진 2 개의 터보과급기를 사용한다. 대형 터보과급기와 소형 터보과급기의 조합을 사용하는 종래의 경우와는 다르게, 2 개의 소형 터보과급기가 사용되고, 그러하여 시스템은 소형화될 수 있고 또한 저관성을 가지게 될 수 있다.
도 1 은, 본 발명의 내연기관의 터보과급 시스템의 바람직한 일 실시형태를 나타내는 개략도이다.
도 2 는, 도 1 의 내연기관의 터보과급 시스템의 변경을 나타내는 개략도이다.
도 3 은, 도 2 의 터보과급 시스템을 자세히 나타내는 설명도이다.
도 4 는, 2 개의 터보과급기가 직렬로 배열된 직렬 터보과급 모드를 나타내는 설명도이다.
도 5 는, 저압 터보에만 가스가 공급되는 1 단 터보과급 모드 (저압단 모드) 를 나타내는 설명도이다.
도 6 은, 2 개의 터보과급기가 병렬로 배열된 병렬 터보과급 모드를 나타내는 설명도이다.
도 7 은, 직렬 터보과급 모드로 전환시 제어 밸브의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 8 은, 내연기관의 종래의 터보과급 시스템 (2 단 터보과급 시스템) 을 나타내는 설명도이다.
도 9 는, 대형 터보와 소형 터보가 직렬로 배열될 때 가스의 흐름을 나타내는 설명도이다.
도 10 은, 유동 제어 밸브를 개방시킴으로써 유동을 제어할 때 가스의 흐름을 나타내는 설명도이다.
도 11 은, 대형 터보가 작동되고 또한 소형 터보가 아이들링 상태에 있을 때 가스의 흐름을 나타내는 설명도이다.
도 12 는, 웨스트게이트 밸브를 개방시킴으로써 대형 터보에 대한 유동이 제어될 때 가스의 흐름을 나타내는 설명도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태를 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다. 하지만, 특히 특정하지 않으면, 치수, 재료, 형상, 그 상대 위치 등은 본 발명의 범위를 한정하려는 것이 아니라 설명하기 위한 것으로 해석되어야 한다.
도 1 은, 본 발명의 내연기관의 터보과급 시스템 (2 단 터보과급 시스템) 의 바람직한 일 실시형태를 나타내는 개략도이다. 바람직한 실시형태의 터보과급 시스템은, 내연기관 (1) 과, 이 내연기관 (1) 으로부터의 배기 가스에 의해 구동되는 제 1 터보과급기 (2A) 및 제 2 터보과급기 (2B) 를 포함한다. 터보과급 시스템은, 내연기관 (1) 에 흡인되는 흡기 가스의 흡인 유로와 내연기관 (1) 으로부터의 배기 가스의 배기 유로를 전환시키는 유로 전환 밸브 (V3, V4) 와, 이 유로 전환 밸브 (V3, V4) 및 터보과급기 (2A, 2B) 를 제어하는 제어 유닛 (도 3 의 도면 부호 3 참조) 을 더 포함한다. 이 제어 유닛은, 연산 처리를 실시하는 컴퓨터, 제어 밸브의 코일에 전류를 인가하는 DC 전원 등을 포함한다.
터보과급기 (2A, 2B) 는 동일한 터빈 용량을 가진다. 직렬의 터보과급 모드의 경우에, 배기 유로의 상류측의 터보과급기 (2A) 는 고압 터보과급기로서 기능하고, 배기 유로의 하류측의 터보과급기 (2B) 는 저압 터보과급기로서 기능한다. 여기서, 터보과급기는 동일한 터빈 용량을 가질 수 있다. 실린더 개수 및 배기 매니폴드의 형상과 길이에 의해 설정되는 압력 밸런스를 유지하기 위해, 압축기 측의 휠의 직경, 스크롤 또는 가변 기구를 변경할 수 있다.
공기는 내연기관 (1) 의 연소실에 흡기 가스로서 도입된다. 내연기관 (1) 의 연소실로부터는 배기 가스가 배출된다. 제어 밸브를 구비하는 유로는, 흡기 유로와 배기 유로로 나눌 수가 있다.
이하, 흡기 유로에 대해 설명한다. 흡기 유로는 흡기용 직렬 유로 (T1) 와 흡기용 바이패스 유로 (T2) 를 포함한다. 상기 흡기용 직렬 유로 (T1) 는, 저압측의 터보과급기 (2B) 의 터보 압축기 및 고압측의 터보과급기 (2A) 의 터보 압축기를 통하여 내연기관 (1) 에 연결되고, 상기 흡기용 바이패스 유로 (T2) 는 고압측의 터보과급기 (2A) 의 터보 압축기의 출구측 및 저압측의 터보과급기 (2B) 의 터보 압축기의 출구측을 연결시킨다. 이 흡기 유로는, 흡기용 바이패스 유로 (T2) 와 흡기용 직렬 유로 (T1) 사이의 연결 지점의 하류측에 연결되고 또한 고압측의 터보과급기 (2A) 의 터보 압축기의 출구측에 연결되는 흡기용 병렬 유로 (T3) 를 더 가진다.
또한, 이 흡기 유로는, 흡기용 병렬 유로 (T3) 와 흡기용 직렬 유로 (T1) 사이의 연결 지점에 배열되는 유로 전환 밸브 (V4) 및 흡기용 바이패스 유로 (T2) 에 배열된 개폐 밸브 (V1) 를 더 포함한다. 개폐 밸브 (V1) 와 유로 전환 밸브 (V4) 는 바이패스 밸브로서 기능한다. 개폐 밸브 (V1) 로서, 비례 제어 밸브가 유량을 연속적으로 제어하는데 사용된다. 게다가, 유로 전환 밸브 (V4) 는, 유로를 간단하게 전환시키고 또한 유량을 제어할 수 없는 개폐 2 방향 밸브이다.
다음으로, 배기 유로에 대해 설명한다. 내연기관 (1) 으로부터의 배기 유로는, 내연기관 (1) 을 고압측의 터보과급기 (2A) 및 저압측의 터보과급기 (2B) 를 통하여 외부 (예를 들어, 외부 공기 또는 머플러) 에 연결시키는 배기용 직렬 유로 (T4); 고압측의 터보과급기 (2A) 의 터빈 입구측과 저압측의 터보과급기 (2B) 의 터빈 입구측을 연결하는 배기용 제 1 바이패스 유로 (T5); 상기 배기용 제 1 바이패스 유로 (T5) 와 배기용 직렬 유로 (T4) 사이의 연결 지점의 상류측 및 저압측의 터보과급기 (2B) 의 터빈의 출구측을 연결하는 배기용 제 2 바이패스 유로 (T6) 를 포함한다. 배기용 제 1 바이패스 유로 (T5) 는, 터보과급기 (2B) 의 상류측 입구에 직접 연결될 수 있거나 또는 배기용 직렬 유로 (T4) 에 연결될 수 있다.
또한, 배기 유로는, 배기용 제 2 바이패스 유로 (T6) 와 배기용 직렬 유로 (T4) 사이의 상류측 연결 지점에 배열된 유로 전환 밸브 (V3); 및 배기용 제 1 바이패스 유로 (T5) 에 배열되는 유동 제어 밸브 (V2) 를 더 포함한다. 유로 전환 밸브 (V3) 는 바이패스 밸브로서 기능하고, 유동 제어 밸브 (V2) 는 유동 제어 밸브로서 기능한다. 유로 전환 밸브 (V3) 는 개폐 2 방향 밸브이고, 유로를 단순히 전환시키고 또한 유량을 제어할 수 없다. 유동 제어 밸브 (V2) 로서, 비례 제어 밸브가 유량을 연속적으로 제어하는데 사용된다.
다음으로, 도 2 에 도시된 2 단 터보과급 시스템은, 유동 제어 밸브 (V2) 의 하류측 배기용 제 1 바이패스 유로 (T5) 를 저압측 터보과급기 (2B) 의 하류측에 연결시키는 저압 터보 제어 유로 (T7) 를 포함한다. 그리고, 이 저압 터보 제어 유로 (T7) 에는 비례 개폐 밸브 (V5) 가 배열된다. 이 비례 개폐 밸브 (V5) 는 저압 터보 제어 유로 (T7) 로의 배기 가스의 유량의 미세한 제어를 실시한다. 비례 개폐 밸브는 웨스트게이트 밸브로서 기능한다.
도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이 바람직한 실시형태의 2 단 터보과급 시스템에 있어서, 유로 전환 밸브 (V1 ~ V4) 는 직렬 터보과급 모드, 1 단 터보과급 모드 및 병렬 터보과급 모드로부터 모드를 선택하도록 유로를 전환시키고, 직렬 터보과급 모드가 선택될 때 터보과급기 (2A, 2B) 는 직렬로 연결되고, 1 단 터보과급 모드가 선택될 때 터보과급기 (2A, 2B) 중 하나에만 배기 가스가 공급되며, 병렬 터보과급 모드가 선택될 때 터보과급기 (2A, 2B) 는 병렬로 연결된다.
도 3 은, 도 2 의 2 단 터보과급 시스템을 보다 자세히 나타내는 설명도이다. 도면에 나타내는 바와 같이, 이 2 단 터보과급 시스템은, 도 2 의 구성 이외에, 터보과급기 (2A, 2B) 및 제어 밸브 (V1 ~ V5) 를 제어하는 제어 유닛 (3) 과 내연기관 (1) 에 유입하는 공기를 냉각하는 인터쿨러 (5) 를 더 포함한다. 제어 유닛 (3) 은, 유로 중에 배열된 압력 센서 (P1 ~ P4) 로부터의 출력을 수신하여 제어 밸브 (V1 ~ V5) 를 적절하게 제어한다.
도 4 는, 2 개의 터보과급기 (2A, 2B) 가 직렬로 배열되는 직렬 터보과급 모드의 가스의 흐름을 나타내는 설명도이다. 도면에 나타내는 바와 같이, 공기가 터보과급기 (2B) 및 터보과급기 (2A) 를 순서대로 통과하고, 인터쿨러 (5) 를 통하여 내연기관 (1) 에 유입한다. 그 후, 내연기관 (1) 으로부터의 배기 가스는 터보과급기 (2A) 에 유입되고 또한 유로 전환 밸브 (V3) 및 터보과급기 (2B) 를 통하여 외부로 배출된다.
도 5 는, 터보과급기 (2A, 2B) 중 하나에만 가스가 유입되는 1 단 터보과급 모드의 가스의 흐름을 나타내는 설명도이다. 터보과급기 (2A, 2B) 는 동일한 터빈 용량을 가지고 그리하여 어느 터보과급기를 사용할 수 있다. 이 모드에서는, 엔진의 부분 부하를 실행하도록 선택된다. 예를 들어, 공기는, 저압측의 터보과급기 (2B) 에만 유입된 후, 인터쿨러 (5) 를 통하여 내연기관 (1) 에 유입된다. 그 후, 내연기관 (1) 으로부터의 배기 가스는 유량 제어 밸브 (V2) 를 통하여 터보과급기 (2B) 에 유입된 후, 외부로 배출된다. 이 모드에서, 비례 개폐 밸브 (V5) 는 적절하게 개방되어 (밸브의 개도가 개폐되거나 비례 조절됨), 터보과급기 (2B) 로의 배기 가스의 유량을 제어할 수 있다.
도 6 은, 2 개의 터보과급기 (2A, 2B) 를 병렬로 배열하는 병렬 터보과급 모드의 가스의 흐름을 나타내는 설명도이다. 도면에 나타내는 바와 같이, 유동 통로 둘 다로부터의 공기는 터보과급 시스템에 합류된다. 통로 쌍은 저압측의 터보과급기 (2A) 및 고압측의 터보과급기 (2B) 에 연결된다. 이 터보과급기 (2A, 2B) 를 통과한 공기는 합류되고 인터쿨러 (5) 를 통하여 내연기관 (1) 에 유입한다. 그리고, 내연기관 (1) 으로부터의 배기 가스는, 고압측의 터보과급기 (2A) 와 저압측의 터보과급기 (2B) 로의 유로로 분할되고, 즉 병렬로 유입한다. 터보과급기 (2A, 2B) 를 통과한 배기 가스는 합류하여 외부로 배출된다.
도 7 은, 직렬 터보과급 모드로의 전환시 제어 밸브의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
먼저, 단계 S1 에서, 필요에 따라, 도 3 의 내연기관 (1) 에서의 엔진 회전수 (NE), 연료 분사량 (Qfinj) 및 현재의 과급압 (Pi = P4) 을 판독한다. 단계 S2 에서, 제어 밸브 (V1 ~ V5) 로부터의 밸브 신호를 판독한다. 그 다음에, 단계 S3 에서, 필요에 따라 엔진 회전수 (NE) 및 연료 분사량 (Qfinj) 으로부터 목표 과급압 (Pt) 을 산출한다.
단계 S4 에서, Pi 가 Pt 보다 큰지 아닌지를 판단한다. Pi 가 Pt 보다 크지 않으면, 단계 S5 에서 제어 밸브 (V1, V2) 가 차단되었는지의 여부를 판단한다. 제어 밸브 (V1, V2) 가 차단되지 않으면, 이 공정은 단계 S6 로 진행되어 제어 밸브를 차단한 후, 이 공정은 단계 S1 으로 되돌아온다. 한편, 제어 밸브 (V1, V2) 가 차단되면, 이 공정은 단계 S7 로 진행되어, 유량 제어 밸브 (V2) 의 피드백 제어를 실시하여 터보과급기 (2A, 2B) 로의 유량 및 그 비를 제어한다. 단계 S7 후에, 이 공정은 단계 S1 으로 되돌아온다.
단계 S4 에서, Pi 가 Pt 보다 크다고 판정되면, 이 공정은 단계 S8 로 진행되어, P2/P1 가 설정치보다 큰지 아닌지를 판단한다. P2/P1 가 설정치보다 크지 않으면, 이 공정은 단계 S9 로 진행되어, 제어 밸브 (V4) 를 전환시켜 터보과급기 (2A, 2B) 를 병렬로 배열시킨다. 단계 S9 이후에, 이 공정은 단계 S1 으로 되돌아온다. 한편, P2/P1 가 설정치보다 크면, 이 공정은 단계 S10 로 진행되어, 압력 센서 (P1, P2) 의 압력 값을 판독한다.
그 후, 단계 S11 에서, P3/P2 가 설정치보다 큰지 아닌지를 판단한다. P3/P2 가 설정치보다 크지 않으면, 제어 밸브는 단계 S12 에서 완전히 개방되고, 제어 밸브 (V3, V4) 는 병렬 모드로 전환되어, 제어 밸브 (V5) 의 피드백 제어를 실시하여 터보과급기 (2B) 로의 배기 가스의 유량을 미세하게 제어한다. 단계 S12 이후에, 이 공정은 단계 S1 으로 되돌아온다. 반대로, P3/P2 가 설정치보다 크면, 단계 S13 에서 제어 밸브 (V2) 의 피드백 제어를 실시하여, 터보과급기 (2A, 2B) 로의 유량 및 그 비를 제어한다. 그 후, 이 공정은 단계 (S1) 로 되돌아온다.
바람직한 실시형태의 2 단 터보과급 시스템에서, 터보과급기 (2A, 2B) 둘 다는 동일한 터빈 용량을 가지고, 그리하여, 종래의 대형 터보와 소형 터보의 조합 대신에, 2 개의 소형 터보과급기의 조합을 채택하여, 보다 컴팩트하고 저관성의 시스템을 달성하게 된다. 또한, 직렬 터보과급 모드에서, 터보과급압이 상승하고 또한 터보과급기 (2A, 2B) 의 응답성이 향상되어, 가속시 유리하게 된다. 그리고, 엔진 회전수가 증가함에 따라, 더 많은 공기가 필요하게 될 때, 병렬 터보과급 모드가 선택되어, 흡기 공기 유동을 증가시키고, 이는 고속/고부하 작동시 유리하게 된다. 대형 터보와 소형 터보의 조합을 채택하는 종래의 경우에서, 병렬 터보과급 모드가 선택되면, 터보과급 압력의 밸런스가 무너지고, 체크 밸브가 이를 방지하도록 설치되어야 한다. 이는, 부품의 개수를 증가시키고 또한 압력 손실을 증가시킬 수 있다. 하지만, 바람직한 실시형태에서는 종래 경우의 이러한 문제가 발생하지 않는다.
또한, 병렬 터보과급 모드 및 직렬 터보과급 모드 이외의 1 단 터보과급 모드의 모드들은 적절하게 선택되거나 조합될 수 있어서, 사용 용도에 따라 목표 엔진 성능을 정확하게 달성할 수 있다. 또한, 제어하기 위해서 배관과 제어 밸브를 형성하여, 구조물이 간단해질 수 있고 또한 시스템의 문제가 발생하기 어렵다.
또한, 바람직한 실시형태의 2 단 터보과급 시스템에서, 모드는, 제어 밸브 (V1 ~ V4) 가 흡기 유로와 배기 유로에 배열되어 제어 유닛에 의해 전환되는 간단한 구조 (도 1 참조) 로, 직렬 터보과급 모드, 병렬 터보과급 모드 및 1 단 터보과급 모드로부터 선택될 수 있다. 특히, 흡기용 제 1 바이패스 유로 (T5) 에 형성된 제어 밸브 (V2) 에 의해, 고압측 터보과급기 (2A) 와 저압측 터보과급기 (2B) 로의 배기 가스의 유동이 제어된다. 이러한 방식으로, 상기 시스템은 필요한 엔진 성능의 변환에 적절하게 대응할 수 있다. 예를 들어, 직렬 터보과급 모드 에서, 목표 터보과급압에 대해 유동 제어 밸브 (V2) 를 제어하여 (개폐 제어와 개도 제어), 가변 2 단 모드로부터 병렬 터보과급 모드로 모드 변경하도록 제어를 실시한다. 이렇게 함으로써, 전방에서 차량를 추월할 때 가속성이 향상될 시 유리하다.
대표적인 실시형태를 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 개시된 대표적인 실시형태에만 한정되지 않고 또한 본원의 범위내에서 수정 및 변형이 가능함을 이해할 것이다.
예를 들어, 고압측 터보과급기 (2A) 로서 가변 용량 터보과급기 (VGT) 를 사용하는 것이 바람직하다. 이 가변 용량 터보과급기는 터빈 용량을 변경할 수 있다. 가변 용량 터보과급기에서, 내연기관의 저속 작동시 가변 베인을 억제함으로써 터빈 측의 스로트 면적을 감소시킨다. 그럼으로써, 배기 가스의 유속을 증가시켜, 응답성을 향상시킨다. 또한, 이는 엔진의 부하 변동에 따라 미세하게 제어될 수 있다. 또한, 고압측 터보과급기 (2A) 로서 가변 유량 터보과급기 (VFT) 를 사용하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 가변 유량 터보과급기의 유량이 저감될 수 있고, 가변 용량 터보과급기와 유사한 방식으로 터보과급기의 응답성을 향상시킬 수 있다. 이는 저속/저부하 작동시에 유리하다. 또한, 가변 용량 터보과급기는, 터빈 내외측을 2 부분으로 분할하여 스로트 면적을 미세하게 조정할 수 없지만, 간단한 구조를 가진다는 점에서, 가변 유동 터보과기와는 상이하다.
또한, 예를 들어, 고압측 터보과급기 (2A) 로서 트윈 스크롤 터보과급기가 사용될 수 있다. 이와 같이 하면, 엔진 가속시에 통상적인 터빈 스크롤을 사용하는 경우보다 유속이 더 빨라질 수 있고, 그럼으로써 터보과급기의 응답성이 향상된다.
바람직한 실시형태에서, 공급 차단 밸브 (V1) 가 사용된다. 하지만, 간단한 구조를 가지고 저비용의 개폐 전환 밸브, 또는 밸브의 개폐를 연속적으로 비폐 조절하는 비례 개폐 밸브를 사용할 수 있다.
또한, 바람직한 실시형태에서는 유로 전환 밸브 (V3, V4) 가 설명되어 있다. 유로 전환 밸브 (V3, V4) 로서 2 방향 밸브를 사용하는 것이 바람직하다. 이 2 방향 밸브는 간단한 구조를 가지고 또한 저비용이다. 말할 필요도 없이, 3 방향 밸브, 4 방향 밸브 등을 사용할 수 있다.
(산업상의 이용 가능성)
본 발명의 2 단 터보과급 시스템에서, 소형의 터보과급기를 제공할 수 있고 또한 이 터보과급기의 구조를 간단하게 할 수 있다. 본 발명은, 터보과급기가 탑재된 차량, 선박 및 항공기 모두에 적용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 내연기관과, 그 내연기관으로부터의 배기 가스에 의해 구동되는 복수의 터보과급기와,
    내연기관에 흡인되는 흡기 가스와 내연기관으로부터의 배기 가스의 유로를 각각 전환시키는 유로 전환 밸브와,
    그 유로 전환 밸브 및 상기 터보과급기를 제어하는 제어 장치를 갖는 내연기관의 터보과급 시스템으로서,
    상기 복수의 터보과급기는, 배기 유로 최하류측의 제 1 터보과급기와, 그 제 1 터보과급기보다 배기 유로 상류측의 제 2 터보과급기로 이루어지고,
    상기 내연기관에 흡인되는 흡기 가스의 흡기 유로는, 상기 제 1 터보과급기의 터보 압축기 및 상기 제 2 터보과급기의 터보 압축기를 통하여 내연기관에 접속되는 흡기용 직렬 유로와, 상기 제 1 터보과급기의 터보 압축기의 출구측으로부터 상기 제 2 터보과급기의 터보 압축기의 출구측을 연결하는 흡기용 바이패스 유로와, 그 흡기용 바이패스 유로와 상기 흡기용 직렬 유로의 상류측의 접속 포인트보다 하류측에 접속되어 흡기 가스를 유입하는 흡기용 병렬 유로와, 상기 흡기용 병렬 유로와 상기 흡기용 직렬 유로의 접속 포인트에 형성되고 흡기 유로의 전환만을 실시하는 1 개의 유로 전환 밸브와, 상기 흡기용 바이패스 유로에 형성된 개폐 밸브를 갖고,
    상기 내연기관으로부터의 배기 가스의 배기 유로는, 내연기관으로부터 상기 제 2 터보과급기 및 상기 제 1 터보과급기를 통하여 외부에 이를 때까지의 배기용 직렬 유로와, 상기 제 2 터보과급기의 터빈의 입구측과 상기 제 1 터보과급기의 터빈의 입구측을 연결하는 배기용 제 1 바이패스 유로와, 그 배기용 제 1 바이패스 유로와 상기 배기용 직렬 유로의 하류측의 접속 포인트보다 상류측과 상기 제 1 터보과급기의 터빈의 출구측을 연결하는 배기용 제 2 바이패스 유로와, 그 제 2 바이패스 유로와 상기 배기용 직렬 유로의 상류측의 접속 포인트에 형성되고 배기 유로의 전환만을 실시하는 1 개의 유로 전환 밸브와, 상기 배기용 제 1 바이패스 유로에 형성되고 유량을 연속적으로 제어 가능한 유량 제어 밸브를 갖고,
    상기 흡기 유로 및 배기 유로의 각각에 있어서의 유로 전환 밸브와 상기 개폐 밸브와 상기 유량 제어 밸브의 4 개의 밸브를 사용한 유로의 전환 및 유량의 제어에 의해,
    상기 제 1 터보과급기와 제 2 터보과급기를 직렬로 접속하는 직렬 터보과급 모드와, 상기 제 1 터보과급기에만 또는 제 2 터보과급기에만 가스가 흐르는 1 단 터보과급 모드와, 상기 제 1 터보과급기와 제 2 터보과급기를 병렬로 접속하는 병렬 터보과급 모드와, 상기 직렬 터보과급 모드에 있어서 상기 제 1 터보과급기와 상기 제 2 터보과급기에 흐르는 배기 가스 유량을 가변 제어하는 가변 2 단 모드를 전환 가능하게 구성하고,
    상기 제어 장치는, 내연기관의 회전수 및 연료 분사량으로부터 목표 과급압을 산출하고, 그 목표 과급압과 내연기관에 유입되는 현재의 과급압을 비교하여, 현 과급압이 상기 목표 과급압보다 작을 때에는 상기 직렬 터보과급 모드로 하고, 현 과급압이 상기 목표 과급압보다 클 때에는 상기 병렬 터보과급 모드로 하고, 상기 직렬 터보과급 모드에 있어서, 목표 과급압에 대해 상기 배기용 제 1 바이패스 유로에 형성된 유량 제어 밸브를 컨트롤하여, 상기 제 2 터보과급기에 의한 과급 전후의 압력비가 소정값 이하가 되었을 때에 상기 가변 2 단 모드로부터 상기 병렬 터보과급 모드로 이행시키는 제어를 실시하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 터보과급 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 터보과급기는 동일한 터빈 용량을 가지는 내연기관의 터보과급 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유량 제어 밸브의 하류측의 배기용 제 1 바이패스 유로를 제 1 터보과급기의 하류측에 연결하는 저압 터보 제어용 유로와,
    상기 저압 터보 제어용 유로에 형성되는 유량 제어 밸브를 더 포함하는 내연기관의 터보과급 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 터보과급기는 가변 유동 터보를 포함하는 내연기관의 터보과급 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 터보과급기는 가변 용량 터보를 포함하는 내연기관의 터보과급 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 터보과급기는 트윈 스크롤 터보를 포함하는 내연기관의 터보과급 시스템.
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