KR101536795B1 - 피스톤 엔진용 터보과급기 장치 - Google Patents

Abstract

터보과급기 장치 (50) 는 동일한 축 (70) 에 연결된 압축기부 (55), 터빈부 (60) 및 전기 기계 (65) 를 포함한다. 압축기부 (55) 는 터빈부 (60) 및 전기 기계 (65) 와 동일한 축에 (70) 에 연결된 제 1 압축기 단 (56) 및 제 2 압축기 단 (57) 을 포함한다.

Description

피스톤 엔진용 터보과급기 장치{TURBOCHARGER ARRANGEMENT FOR A PISTON ENGINE}

본 발명은 청구항 1 의 전제부에 따른 피스톤 엔진용 터보과급기 장치에 관한 것이다.

피스톤 엔진을 과급하는 것은 종래 기술에 알려져 있는 것으로 많은 이점을 제공한다. 특히 배기가스 과급, 즉 터보과급은 그렇지 않으면 버려질 수도 있는 배기 가스내의 에너지를 이용하기 때문에 과급을 실행하는 매우 유리한 방법이다. 터보과급기에서, 엔진의 배기 가스 유동이 지나가는 터빈부는 엔진에 대한 공급 공기 유동이 지나가는 압축기부를 구동시키도록 되어 있다. 상기 터빈부와 압축기부는 일반적으로 공통 축의 단부에 배치되며, 이 축은 축방향과 반경방향으로 터보과급기의 본체에서 베어링에 장착된다.

터보과급기의 베어링 시스템에는 높은 요구 사항이 부과된다. 과급기의 로터는 작동시 분당 수만회 회전하며 베어링은 고온에 노출된다. 배기 가스 유동은 터빈부의 터빈휠을 통해 축에 축방향 힘을 전달하게 되며, 이 힘은 액시얼 베어링에 의해 보상될 필요가 있다. 다른 한편, 터빈휠 및 압축기 임펠러와 그들 각각의 하우징 사이의 반경방향 틈새는 매우 작아서 레이디얼 베어링에 대해 높은 요구 사항이 부과된다.

US 2005/0198956 A1 공보에는 자기 베어링으로 된 터보과급기용 베어링 시스템이 개시되어 있는데, 이 베어링 시스템에서 레이디얼 베어링은 피동 영구 자석으로 되어 있고, 액시얼 베어링은 능동 자기 베어링으로 되어 있다. 축의 축방향 위치는 센서로 결정되는데, 이 센서의 신호는 능동 베어링의 전자석을 안내하며 따라서 축방향 편위 운동이 보상된다.

터보과급기의 작동 원리로 인해, 예컨대 부하와 작동 속도가 낮고 배기 가스의 온도와 질량 유량이 낮은 엔진의 운전 조건에서는, 터보과급기의 압축기에 의해 엔진의 공급 공기 시스템을 위한 원하는 부스트 압력을 얻는 것이 종종 불가능하다. 다른 한편, 터보과급기의 작동은 또한 그의 질량의 영향을 받는다. 엔진 부하의 과도기적 상황에서 터보과급기의 작동은 항상 엔진 부하의 변화를 충분한 속도로 따르지는 못하며, 하지만 터보과급기의 응답은 어떤 지연을 갖고 있는데, 그에 따라 엔진의 반응도 느려진다.

예컨대 별도의 추가적인 전동식 압축기를 터보과급기의 압축기와 직렬로 연결하고 또한 터보과급기의 축에 연결되는 보조적인 전기 모터를 이용해서 터보과급기의 작동과 관련한 전술한 문제들을 해결하고자 하는 것이 제안되었다.

US 6,390,789 B1 공보에는 전기모터 구동식 터보 압축기 장치가 개시되어 있는데, 여기서는 전기모터와 그의 베어링이 가스 유동으로 냉각되며, 이 가스 유동은 압축기 단의 압력측으로부터 전기모터로 가고 그런 다음 다시 그 압축기 단의 흡입측으로 되돌아 가게 된다. 이러한 구성으로 제공되는 냉각은 불충분한다.

DE 10 2005 056797 A1 공보에는 2단 터보과급기 장치가 개시되어 있는데, 이 터보과급기 장치는 2단 압축기와 터빈을 포함한다. 터빈-압축기 쌍은 그들 각각의 축에 연결되어 있고 이들 축은 서로의 내부에 배치된다. 터빈은 포개진 축의 일 단부에 설치되고 압축기는 타 단부에 설치된다. 이러한 종류의 방안은 특히 별개의 두 터빈-압축기 쌍의 베어링 시스템에서 비교적 복잡하다.

상기 공보에 의하면, 일반적으로 결합된 모터-발전기를 축에 연결하여 그 축에 에너지를 주거나 또는 축에서 에너지를 취출할 수 있다. 특히 그러한 모터-발전기를 갖는 내부 터빈-압축기 쌍을 제공하는 것은 기술적으로 매우 어렵다. 상기 방안은 또한 구성과 작동이 복잡하다.

현재 엔진 기술의 A ∼ Z (2007, SAE, p.956 - 957) 이라는 문헌에는, 압축기와 터빈을 연결하는 축에 전기 모터가 설치되어 있는 터보과급기가 소개되어 있다. 여기서 제시된 방안을 사용해서 압축기에 충분한 압력비를 주려고하면 효율이 저하되어 문제가 된다.

상기 방안들은 그 나름대로 유익한 것이지만, 최근에 터보과급기의 작동과 엔진의 작동을 개선시키고자 하는 요구가 높아지고 있다. 전기 모터를 사용하고 또한 이 모터를 터보과급기에 설치하는 것은 요구되는 비교적 높은 회전 속도 때문에 매우 어렵다. 어셈블리의 나머지의 전체 수명 동안 신뢰적으로 작동하기 위해서는 이런 종류의 전기 모터의 구성과 작동은 터보과급기의 작동과 구성에 의해 전기 모터에 부과된 요구 사항을 만족할 필요가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 특히 압축기부, 터빈부 및 전기 기계를 포함하며, 상기 압축기부는 제 1 압축기 단 및 제 2 압축기 단을 포함하고 또한 압축기부가 엔진에 연결되면 상이한 작동 조건에서 엔진의 전체적인 작동이 상기 압축기부의 작동에 의해 더욱 양호하게 되는 터보과급기 장치를 제안하여 종래 기술의 기술 수준을 높히는 것이다.

본 발명에 따른 터보과급기 장치의 주 특징은, 제 1 압축기 단과 제 2 압축기 단을 갖는 상기 압축기부는 축방향으로 상기 터빈부와 전기 기계 사이에 배치되고, 상기 2단 압축기부, 터빈부 및 전기 기계는 공통의 동일한 축에 연결되어 있는 것이다.

이렇게 해서, 압축기부는 높은 효율로 작동하며 엔진과 과급기 장치의 작동은 다양한 작동 상황에서 더욱 제어가능하다. 2단 압축기로 과급을 실현함으로써 또한 1단 압축기의 경우 보다 상당히 더 높은 부스트 압력을 얻을 수 있다. 또한, 터보과급기의 효율은 2단 과급으로 상당히 상승될 수 있으며, 더우기 2단 압축기부의 작동은 엔진의 과도기적 상황에서 예컨대 전기 기계에 의해 특히 빠른 응답성을 보일 수 있다.

바람직하게는, 상기 압축기부, 터빈부 및 전기 기계는 압축기부가 축방향으로 전기 기계와 터빈부 사이에 있도록 상기 축에 배치되어 있다. 이렇게 해서, 전기 기계에 적어도 하나의 유동 채널을 제공하고 또한 압축기부의 흡입 도관을 전기 기계의 가스 유동 채널과 유동 연결시켜서 압축기부를 위한 흡입 공기가 전기 기계의 상기 적어도 하나의 가스 유동 채널을 통과하여 흐르게 함으로써, 압축기를 통과하는 가스 유동과 전기 모터의 냉각이 효율적이고 컴팩트하게 될 수 있다.

상기 전기 기계는 엔진의 정상 운전 중에 전기 에너지를 발생시켜서 터빈부의 작동을 늦춘다. 또한, 티빈이 압축기부를 위한 충분한 동력을 제공하기에 배기 가스의 양이 충분하지 않은 엔진의 운전 조건에서는 상기 전기 기계가 압축기부의 작동을 보조하게 된다.

바람직하게는, 가스 유동 채널에서 중간 냉각기가 제 1 압축기 단과 제 2 압축기 단 사이에 배치되며, 그리 하여 두 압축기 단의 작동은 효율적으로 되고 압축기의 동력 요구는 상당히 낮아지게 된다.

상기 전기 기계에는 영구 자석 로터가 제공되어 있는데, 그리 하여 전기 기계의 작동은 그 크기에 대해 효율적으로 되고 또한 로터에 배선이 요구되지 않는다. 영구 자석 로터로 또한 로터의 열 손실이 작게 되며, 그리 하여 공기 틈새를 통과할 공기의 양은 적게 될 수 있으며 따라서 냉각시 압력 손실이 줄어든다.

본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 터보과급기 장치에 있는 압축기 단의 압축기 임펠러의 가스 시일링부가 압축기 단의 전체 축방향 힘 효과가 터빈부에 의해 상기 축에 가해지는 축방향 힘의 90 ∼ 110 % 가 되도록 배치된다. 따라서, 압축기부, 터빈부 및 전기 기계로 형성되는 어셈블리는 프로세스 기술 수단의 사용으로 축방 향 힘에 대해 균형이 잡히게 되며, 따라서 액시얼 베어링의 부하와 마모가 작동시 최소화된다.

일 실시 형태에 따르면 가스 시일링부는 다음과 같이 실현될 수 있는데, 즉 상기 제 1 압축기 단과 제 2 압축기 단은 공통의 축에 배치되는 압축기 임펠러를 포함하며, 제 1 압축기 임펠러의 시일링부는 축과 본체부 사이에 배치되고 제 2 압축기 임펠러의 시일링부는 압축기 임펠러와 본체부 사이에 배치된다.

본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 상기 축은 압축기부에서 부터 상기 축의 일 단부의 베어링까지 이르는 축방향 유동 채널을 포함하며, 이 채널은 압축기부에 의해 압축된 가스를 베어링의 냉각을 위해 그 베어링에 전달하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 상기 전기 기계에는 적어도 하나의 가스 유동 채널이 제공되어 있고, 압축기부의 흡입 도관이 전기 기계의 가스 유동 채널과 유동 연결되어 배치되어 있으며, 따라서 압축기부를 위한 흡입 공기가 전기 기계의 적어도 하나의 가스 유동 채널을 통과하게 된다. 상기 전기 기계의 가스 유동 채널은 전기 기계의 로터와 스테이터부 사이의 공기 틈새 및, 스테이터부 및/또는 그 스테이터부에 설치된 그의 본체부를 위한 가스 유동 채널을 포함한다. 바람직하게는, 상기 전기 기계의 스테이터부 및/또는 그의 본체부의 가스 유동 채널은 정확히 충분한 양의 냉각용 공기가 전기 기계의 로터와 스테이터부 사이의 상기 공기 틈새를 통과하고 그리 하여 냉각시의 압력 손실이 최소화되도록 상기 공기 틈새에 대해 치수가 정해져 있다. 유리하게는, 상기 스테이터부의 가스 유동 채널의 단면은 전기 기계의 가스 유동 채널의 전체 단면적의 95 ∼ 98 % 이다.

본 발명의 추가적인 특징적 사항들은 종속항들에 기재되어 있다.

본 발명에 따른 터보과급기 장치로 여러 이점들이 얻어진다. 본 장치에 의해 예컨대 엔진의 부하 부담 능력, 저 회전 속도에서 부분 부하시의 작동성 및 효율을 개선할 수 있다. 본 발명에 의해 또한 방출도 상당히 줄어들 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 엔진의 시동성을 더욱 좋게 한다.

이하, 본 발명과 그의 작용을 첨부된 개략적인 도면을 참고하여 설명할 것이다.

도 1 은 연소 엔진에 연결된 본 발명의 실시 형태에 따른 터보과급기 장치를 나타낸다.
도 2 는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 터보과급기 장치를 나타낸다.
도 3 은 도 2 의 Ⅲ - Ⅲ 단면을 나타낸다.
도 4 는 터보과급기 장치의 축방향 힘을 보상하는 원리를 나타낸다.
도 5 는 본 발명의 실시 형태에 따른 영구 자석 로터의 구성을 나타낸다.

도 1 은 터보과급식 피스톤 엔진 (10) 을 나타낸다. 이 엔진은 다수의 실린더 (15) 를 포함하며, 예컨대 4행정 엔진의 경우에 이들 실린더는 연소 가스 집결기 (20) 및 배기가스 집결기 (25) 와 유동 연결되며 밸브(미도시)에 의해 제어된다. 상기 엔진은 피스톤 엔진을 위한 터보과급기 장치 (50) 를 포함하며, 이 장치는 2단 압축기부 (55), 터빈부 (60) 및 전기 기계 (65) 를 포함하고, 이들 모두는 동일한 축 (70) 에 연결되어 있다. 이 축은 여러 부분으로 구성될 수 있고 또는 단일체로 이루어질 수도 있다. 엔진이 작동되고 있을 때, 배기 가스는 실린더로부터 배기 가스 집결기를 통과해 터보과급기 장치 (50) 의 터빈부 (60) 로 유동하며, 이 터빈부에서 배기 가스가 일을 하게 된다. 본 발명에 따르면 이 일은 압축기부 (55) 및/또는 전기 기계 (65) 에서 이용된다. 또한, 압축기부의 흡입 도관 (75) 이 전기 기계 (65) 의 냉각 채널 (80) 과 유동 연결되고 또한 압축기부 (55) 를 위한 흡입 공기가 전기 기계 (65) 의 상기 체널 (80) 을 통과하도록 압축기부 (55) 및 전기 기계 (65) 가 결합되어 있다. 이렇게 해서, 엔진의 연소에 참여하는 가스 (전형적으로는 연소 공기) 는 먼저 전기 기계의 채널 (80) 를 통과하며 거기서 압축기부 (55) 로 가게 되며, 여기서 연소 가스의 압력이 상승된다.

도 1 에 그 실시 형태가 나타나 있는 본 발명의 과급기 장치 (50) 에 의해 엔진 (10) 의 다양한 작동 상황에서 상당한 이점이 얻어진다. 상기 전기 기계는 터보과급기 장치의 동력 밸런스에 따라 발전기와 모터 모두로 작용하게 된다. 배기 가스의 양이 다소 작은 작동 상황에서, 전기 기계 (65) 는 압축기부 (55) 를 위해 일하고 그리 하여 이 상황에서 터빈부로부터 받는 동력으로 가능한 것 보다 더 높은 부스트 압력을 얻는데 사용될 수도 있다. 그래서 전기 기계는 압축기부의 회전을 도와주는 전기 모터로서 작용하게 된다.

엔진에서 발생된 배기 가스의 양과 이 배기 가스가 갖는 에너지가 압축기부가 이용할 수 있는 것 보다 많거나 또는 연소 공기를 과급하는데 필요한 상황에는, 상기 전기 기계 (65) 는 터빈 (또한 동시에 압축기도, 왜냐하면 이들은 동일한 축에 있기 때문에)을 늦추고 동시에 전기 에너지를 발생시키기 위해 사용될 수 있다. 이 경우, 전기 기계는 발전기로서 작용한다. 이리 하여, 엔진의 모든 배기 가스, 즉 전체 배기 가스 유동은 항상 터빈부 (60) 를 통과해 흐를 수 있으며 따라서 상기 장치는 터빈의 동력을 제한하기 위한 조절형 입구 베인과 같은 웨이스트게이트(wastegate)나 다른 기구를 필요로 하지 않는다. 이렇게 해서, 전기 기계의 늦춤 효과를 조절하여 어셈블리의 회전 속도를 규제할 수 있으므로, 과급기 장치의 부스트 압력이나 회전 속도가 과도하게 상승되는 위험이 없이 본 발명에 따른 장치는 터빈부의 매우 효율적인 치수 결정을 가능케 한다. 바람직하게는, 터빈부 (60) 의 설계 동력은 압축기부의 설계 동력 보다 10∼30% 높게 되어 있는데, 그리 하여 전기 기계의 동력이 동력 공급과 동력 인출 모두의 상황에서 효율적으로 이용된다.

본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 엔진 시동 방법은 터보과급기 장치 (50) 의 전기 기계 (65) 를 엔진 보다 앞서 시동시키는 단계를 포함하며, 그리 하여 과급기 장치의 압축기부는 본질적으로 이미 시동 순간에 엔진 실린더를 위한 상승된 크기의 압력을 발생시키게 된다. 이렇게 해서, 엔진은 보다 신속하게 시동되고 그의 정상 작동에 더 빨리 도달하게 되며, 또한 시동중 연소 과정에서 교란도 더 적다.

상기 장치는 또한 제어 유닛 (85) 을 포함하는데, 이 제어 유닛은 터보과급기 장치 전용 유닛이거나 엔진의 중앙 집중식 제어 시스템의 일 부분일 수 있다. 상기 제어 유닛은 적어도 전기 기계 (65) 의 작동을 안내하도록 되어 있다.

본 발명의 실시 형태에 따르면 본 발명은 또한 동일한 축 (70) 에 연결되어 있는 압축기부 (55), 터빈부 (60) 및 전기 기계 (65) 를 포함하는 터보과급기 장치 (50) 에서 고부하(최대 용량의 60% 이상)로 터보과급식 엔진을 작동시키는 방법에 관한 것인데, 이 방법에서 실질적으로 엔진의 전체 배기 가스 유동은 터보과급기 장치의 터빈부로 가게 되며, 이 터빈부에서 배기 가스의 에너지가 기계적인 일로 변환되고, 이 일은 터보과급기 장치의 압축기부를 작동시키고 또한 전기 기계에 의해 전기를 발생시키는데 이용된다. 또한 본 방법에서는 엔진의 연소 공기가 압축기부 (55) 에 보내지기 전에 그 연소 공기는 전기 기계 (65) 로부터 연소 공기로의 열전달에 의해 가열된다.

일 실시 형태에 따르면, 상기 터보과급기 장치는 축의 회전 속도를 측정하기 위한 측정 장치 (127) 를 포함한다. 이 경우, 에너지가 전기 기계에 주어지거나 그로부터 취출되어 터보과급기 장치의 회전 속도가 소정의 최소 및 최대 회전 속도의 범위내에서 유지되게끔 전기 기계의 작동이 상기 회전 속도의 측정에 기초하여 제어되도록 상기 터보과급기 장치가 바람직하게 운전된다.

일 실시 형태에 따르면, 상기 터보과급기 장치는 또한 압축기부 (55) 에 의해 발생된 압력을 측정하기 위한 압력 게이지 (90) 를 포함한다. 이 경우, 에너지가 전기 기계에 주어지거나 그로부터 취출되어 터보과급기 장치에 의해 발생된 압력이 소정의 최소 및 최대 압력의 범위내에서 유지되게끔 전기 기계 (65) 의 작동이 압력 측정에 기초하여 제어되도록 상기 터보과급기 장치가 바람직하게 운전된다.

도 2 는 본 발명에 따른 터보과급기 장치 (50) 의 일 실시 형태를 보다 자세히 보여주는데, 이 터보과급기 장치는 도 1 에 나타난 원리를 사용하여 연소 엔진에 연결될 수 있다. 이렇게 해서, 매우 컴팩트한 어셈블리가 제공되는데, 이에 의해 엔진의 작동이 개선될 수 있다. 터보과급기 장치는 엔진의 작동 조건으로 결정되는 요구 사항에 따라 매우 유연하게 작동되며, 따라서 엔진의 낮은 회전 속도 범위를 위해 터보과급기를 보통 보다 크게 만들 필요가 있는 것이 유리한데, 이는 예전에는 문제라고 생각되었던 것이다. 도 3 에 나타난 터보과급기 장치 (50) 는 본체 (100) 를 포함하며, 이 본체는 전기 기계의 본체부 (165), 압축기부의 본체부 (155) 및 터빈부의 본체부 (160) 를 포함하고, 이들 본체부 모두는 서로 연결되어 있으며, 압축기부의 본체부 (155) 는 전기 기계의 본체부와 터빈부의 본체부 사이에 있다.

여기서 상기 터빈부는 축류 터빈이고, 터빈휠 (135) 과 가스의 유동 방향으로 그 앞에 있는 한 세트의 입구 베인 (131) 을 포함한다. 도 3 에 따른 실시 형태에서 터빈부의 후방측에는 디퓨저 (132) 가 있는데, 이 디퓨저의 플랜지에는 엔진의 연도 가스 채널이 부착될 수 있다. 터빈부에서 가스 유동은 화살표로 나타나 있다.

압축기부는 2단, 즉 제 1 단 (56) 과 제 2 단 (57) 으로 된 반경류 압축기를 포함하는데, 이들 제 1, 2 단은 서로 연결되어 있어 제 1 단의 압력측에서 제 2 단의 흡입측까지 이르는 유동 채널 (140) 이 있다. 이 유동 채널 (140) 에는 중간 냉각기 (145) 가 제공되어 있는데, 이 중간 냉각기에 의해 제 1 단에서 제 2 단으로 흐르는 연소 공기가 제 2 단 (57) 에 공급되기 전에 냉각될 수 있다. 두 압축기 단은 공통 축 (70) 에 각각 설치된 압축기 임펠러 (170, 175) 를 포함하며, 이들 임펠러는 상기 몸체안에 설치되어 있는 제 1, 2 단의 압축기 인클로저 (180, 185) 내부에 각각 들어 있다. 압축기부에서 가스 유동은 화살표로 나타나 있다.

도 2, 3 을 참조하면, 상기 터보과급기 장치 (50) 의 전기 기계 (65) 는 축 (70) 에 결합되어 설치된 영구 자석 로터 (190) 및 이 로터를 둘러싸는 스테이터부 (200) 를 포함한다. 이 스테이터부는 전기 기계의 본체부 (165) 에 지지되며, 전기 에너지를 전기 기계에 전달하거나 또는 전기 기계로부터 네트워크에 전달하기 위한 전기 연결부 (202) 를 포함한다. 스테이터부 (200) 는 축방향으로 제 1 단부 (205) 에서부터 제 2 단부 (210) 까지 이르는 가스 유동 채널 (215) 을 포함하며, 이 채널은 또한 전기 기계를 위한 냉각제 채널로서도 작용한다. 본 실시 형태에서, 스테이터부의 제 1 가스 유동 채널 (215) 은 스테이터부의 코일부 (201) 의 반경방향 외측에 배치되어 있어 본질적으로 환상인 유동 채널을 형성하며, 그리 하여 전기 기계의 스테이터부 (200) 의 코일부 (201) 는 스테이터부 및/또는 그 본체부의 유동 채널 (215) 의 반경방향 내측에 배치된다.

상기 스테이터부는 방사형 지지부 (203) 에 의해 외측부 (202) 에 지지된다. 스테이터와 로터 사이에 있는 공기 틈새 (216) 는 제 2 가스 유동 채널로 작용한다. 동시에 이 유동 채널은 전기 기계 (65) 를 위한 냉각제 채널과 압축기부를 위한 흡입 채널 둘다를 형성한다. 바람직하게는, 압축기부의 본질적으로 모든 또는 적어도 대부분의 흡입 공기는 전기 기계의 가스 유동 채널 (215, 216) 을 통과하도록 되어 있다. 이렇게 해서, 실제로는 엔진의 연소 공기로 이루어진 가스 유동의 양은 냉각을 위한 정확한 온도에서 전기 기계를 냉각하는데 항상 충분하게 된다. 전기 기계 (65) 에 있는 스테이터부 및/또는 그의 본체부의 가스 유동 채널 (215) 은, 정확히 충분한 양의 냉각용 공기가 전기 기계의 로터와 스테이터부 사이의 공기 틈새를 통과하고 그리 하여 냉각시의 압력 손실이 최소화되도록 상기 공기 틈새에 대하여 치수가 결정된다.

스테이터부 (200) 및/또는 그 스테이터부 (200) 에 설치된 그의 본체부의 가스 유동 채널 (215) 의 유동 단면적은 전기 기계 (65) 의 유동 채널의 전체 단면적의 90% 이상이며, 스테이터부 (200) 와 로터 (190) 사이에 있는 공기 틈새 (216) 의 유동 단면적은 전기 기계 (65) 의 유동 채널의 전체 단면적의 10% 보다도 작다. 따라서, 전체 가스 유동의 10% 미만이 스테이터부 (200) 와 로터 (190) 사이의 공기 틈새 (216) 를 통과하여 흐르게 된다. 스테이터부의 가스 유동 채널의 단면은 이에 기초하여 결정된다. 이 단면은 바람직하게는 전기 기계 (65) 의 가스 유동 채널의 전체 단면적의 95 ∼ 98% 이며, 따라서 상기 전기 기계가 작동 중일 때 가스 유동이 항상 스테이터부 (200) 와 로터 (190) 사이의 공기 틈새 (216) 를 통과할 수 있다. 이리 하여 로터 (190) 의 냉각이 보장되고, 따라서 하지만 공기 틈새는 전기 기계의 자기적 작동시에 어떤 과도한 손실도 야기하지 않는다. 전기 기계에서 가스 유동은 화살표로 나타나 있다.

도 2 에 따른 터보과급기 장치의 축 (70) 은 이 축의 제 1 단부에 배치된 베어링 (125) 과 제 2 단부에 배치된 베어링 (130) 에 의해 본체에 회전가능하게 지지된다. 상기 축 (70) 은 본질적으로 강성을 지니면서 여러 부분으로 된 축일 수 있으며, 또는 단일체의 축으로 만들어질 수도 있다. 제 1 단부에 있는 베어링 (125) 은 전기 기계 (65) 의 본체부 (165) 에 지지되며, 제 2 단부에 있는 베어링 (130) 은 터빈부의 본체부 (160) 에 지지된다. 전기 기계의 본체부 (165) 는 그 본체부의 외피에 또는 그의 단부에 배치된 개구부 (220) 를 포함하는데, 이 개구부는 압축기부의 흡입 공기가 전기 기계의 스테이터부의 제 1 단부 (205) 측으로 유동하도록 해준다. 이 실시 형태에서 상기 개구부는 반경방향으로 열려 있지만 다른 종류의 방안도 가능하다. 도 2 에 따른 실시 형태에서, 제 1 단부에 있는 베어링은 레이디얼 베어링 시스템 (125.1) 과 액시얼 베어링 시스템 (125.2) 모두를 포함한다. 윤활유를 위한 유입/유출구 (225) 가 이들 시스템을 위해 마련되어 있다. 제 1 단부에 있는 베어링의 하우징 구조는 스테이터부의 제 1 단부 (205) 와 마주하는 가스 유동 공간에 의해 제한되며, 그리 하여 압축기부의 흡입 공기는 제 1 단부에 있는 베어링의 하우징 구조를 냉각하기 위한 매체로도 작용한다. 실제 레이디얼 베어링 시스템은 바람직하게는 미끄럼 베어링 시스템이다.

상기 축 (70) 의 제 2 단부(터빈부측 단부)에 있는 배어링 (130) 은 이 실시 형태에서 레이디얼 베어링 시스템만 포함한다. 제 2 단부에 있는 베어링 (130) 은 베어링 하우징을 포함하며, 이 실시 형태에서 그 베어링 하우징은 터빈부 (60) 의 본체부 (160) 안에 있는데, 하지만 축의 제 2 단부에 있는 베어링의 위치는 어떤 경우에는 터빈부 (60) 안에 있을 수 있으며, 그리 하여 베어링의 온도에 대한 배기 가스의 영향은 도면에 도시된 상황에서 보다 더 적게 된다. 윤활유를 위한 유입/유출구 (230) 가 본체부와 결합된 베어링을 위해 배치되어 있다. 터빈부의 온도는 그를 관류하는 고온의 배기 가스 때문에 상대적으로 높으며, 따라서 축의 제 2 단부에 있는 베어링에 대해 냉각이 이루어진다. 냉각 장치는 축 (70) 의 단부에서부터 제 2 단부의 베어링을 지나 뻗어 있는 적어도 하나의 축방향 채널 (242) 을 포함하며, 이 축방향 채널의 일 단부에는 축 (70) 의 표면에서부터 축방향 채널 (242) 까지 이르는 적어도 하나의 반경방향 채널 (240) 이 있다. 축방향 채널 (242) 은 제 2 압축기 단 (57) 의 흡입측으로 가스 유동으로 중간 냉각기 (145) 뒤의 지점까지 이른다. 이 실시 형태에서, 상기 반경방향 채널 (240) 은 제 1 압축기 단 (56) 과 제 2 압축기 단 (57) 의 압축기 임펠러 (170, 175) 사이의 영역에서 축 (70) 에 배치되어 있다. 작동시, 제 1 압축기 단 (56) 뒤에서, 이미 압력 상승되어 있고 중간 냉각기에 의해 냉각된 가스(공기)는 축의 내부에서 채널 (240, 242) 을 따라 유동하여 축의 제 2 단부에 있는 베어링을 지나게 되며, 그리 하여 베어링의 온도를 적절히 낮게 유지시킨다. 채널 (242) 로부터 가스는 터빈부의 디퓨저 안으로 방출되며, 거기서 터빈휠 (135) 의 틈새를 통과하여 배기 가스 채널 안으로 가게 된다.

상기 터빈휠 또는 압축기 임펠러를 가열하여 축과 터빈휠 또는 제 2 압축기 단의 압축기 임펠러 사이의 수축 끼워맞춤을 해제할 때 축의 온도를 낮추어 그 축의 직경을 줄이기 위해 저온의 유체를 상기 채널을 통해 축 (70) 안으로 도입시킴으로써 상기 채널 (240, 242) 은 터빈휠과 제 2 압축기 단의 압축기 임펠러를 분리할 때 이용될 수 있다.

스러스트 베어링, 즉 액시얼 베어링에 대한 하중을 줄이기 위해, 정상 작동 상태에서 압축기 임펠러와 터빈에 의해 발생되는 축방향 힘은 본 발명의 실시 형태에 따라 보상되거나 적어도 최소화 된다. 시일링부를 두는 방법은 도 4 에 나타나 있다. 이는 다음과 같이 2단 압축기부 (55) 에 있는 압축기 임펠러 (170, 175) 의 축시일링부로 제공된다. 시일링부 (250) 가 소정의 방식으로 압축기 임펠러 뒤에 배치되는데, 즉 블레이드에 대해 임펠러의 반대쪽에서 반경류 압축기에 배치된다. 상기 시일링부는 래비린스 시일로 되어 있다. 도 4 에서, 실선으로 표시된 화살표 "401", "402" 는 스러스트 베어링을 미는 힘을 나타내고, 점선으로 표시된 화살표 "403", "404", "405" 는 스러스트 베어링을 당기는 힘을 나타낸다. 힘 (401, 402, 403, 404) 은 압축기부에 의해 발생되고, 힘 (405) 은 터빈부에 의해 발생된다. 일점쇄선으로 표시된 화살표 (406) 는 정상 작동 상태에서 스러스트 베어링에 가해지는 하중을 나타낸다. 본 발명의 실시 형태에 따르면, 압축기 단의 전체 힘 효과는 터빈부 (60) 에 의해 축 (70) 에 가해지는 축방향 힘 (405) 의 ±10% 의 정확도에 상당하도록 조정되는데, 그리 하여 정상 작동 상태에서 스러스트 베어링에 가해지는 하중은 터빈에 의해 축에 가해지는 축방향 힘의 약 ±10% 이고 따라서 압축기 단의 전체 힘 효과는 터빈부 (60) 에 의해 축 (70) 에 가해지는 축방향 힘 (405) 의 90 ∼ 110% 가 된다. 따라서, 정상 상태서의 축방향 힘은 비교적 작고, 이 결과 스러스트 베어링에 대한 하중 역시 비교적 작게 되고, 그리 하여 그 베어링의 수명이 길어지게 된다. 이러한 종류의 균형 상태가 거의 얻어져 제 2 압축기 단의 시일링부 (250) 는 축 (70) 과 본체부 (155) 사이 및 제 2 압축기 임펠러 (175) 와 본체부 (155) 사이에 배치된다. 이리 하여, 압축기 임펠러 뒤에서 존재하여 터보과급기 장치의 다른 구성품에 작용하는 압력 및/또는 힘에 대하여, 상기 힘의 균형이 얻어질 수 있게 하는 표면적이 압축기 임펠러 뒤에 제공된다.

도 5 는 본 발명에 따른 터보과급기 장치에 있는 전기 기계의 로터 (190) 의 유리한 구성을 나타낸다. 전기 기계는 영구 자석 기계이며, 그래서 로터는 다수의 영구 자석 (192) 을 포함한다. 로터 (190) 는 원통형 케이지 (191) 를 포함한다. 이 케이지 (191) 에는 그 둘레에 길이방향 홈 (193) 이 제공되어 있는데, 이 홈에는 영구 자석 (194) 이 배치된다. 케이지의 재료는 바람직하게는 알루미늄이며, 이는 교번 자기장과 그에 의한 유도 와전류에 대하여 영구 자석을 보호한다. 따라서, 로터에서의 동력 손실은 더 작게 된다. 케이지는 또한 전기 기계의 로터 (190) 를 터보과급기 장치의 축 (70) 에 연결시켜주는 부품이다. 케이지의 조인트는 바람직하게는 수축 끼워맞춤 기술을 사용하여 축 (70) 둘레에 배치된다.

높은 회전 속도에서 영구 자석 (194) 과 케이지 (191) 는 원심력 때문에 변위되는 경향이 있다. 이들 구성품들을 제 자리에 유지시키기 위해, 적어도 하나의 스트랩 (195) 이 케이지 (191) 와 영구 자석 (194) 을 둘러싸도록 배치되어 있다. 이 스트랩은 단일체형 스트랩이거나 여러 개의 개별적인 스트랩으로 이루어질 수 있다.

위에서는 본 발명의 가장 유리한 실시 형태 몇개만 설명한 것이다. 따라서, 본 발명은 전술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 청구범위내에서 다른 피스톤 엔진과 관련하여 많은 방식으로 응용될 수 있는 것이다. 본 발명은 액체 및/또는 기체 연료로 구동되는 4행정 및 2행정 엔진 모두에 적용될 수 있다. 상이한 실시 형태와 관련하여 설명한 특징적 사항들은 또한 다른 실시 형태와 관련해서도 사용될 수 있으며 그리고/또는 설명한 특징적 사항들의 다양한 조합이 원한다면 또한 그 조합을 위한 기술적 가능성이 있다면 본 발명의 범위내에서 이루어질 수 있다.

Claims (14)

1. 압축기부 (55), 터빈부 (60) 및 전기 기계 (65) 를 포함하고, 상기 압축기부 (55) 는 제 1 압축기 단 (56) 및 제 2 압축기 단 (57) 을 포함하는 터보과급기 장치 (50) 로서,
   상기 제 1 압축기 단 (56) 과 제 2 압축기 단 (57) 을 갖는 상기 압축기부 (55) 는 축방향으로 상기 터빈부 (60) 와 전기 기계 (65) 사이에 배치되고, 상기 2단 압축기부 (55), 터빈부 (60) 및 전기 기계 (65) 는 공통의 동일한 축 (70) 에 연결되어 있고,
   상기 전기 기계에는 적어도 하나의 가스 유동 채널 (215, 216) 이 제공되어 있고, 압축기부의 흡입 도관이 전기 기계 (65) 의 가스 유동 채널 (215, 216) 과 유동 연결되어 배치되어 있으며, 따라서 압축기부를 위한 흡입 공기가 전기 기계의 적어도 하나의 가스 유동 채널을 통과하게 되는 것을 특징으로 하는 터보과급기 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 압축기부 (55), 터빈부 (60) 및 전기 기계 (65) 는 압축기부가 축방향으로 전기 기계와 터빈부 사이에 있도록 상기 축 (70) 에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 터보과급기 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 기계 (65) 는 전기 에너지를 발생시켜서 터빈부 (60) 의 작동을 늦추는 것을 특징으로 하는 터보과급기 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 기계 (65) 는 압축기부 (55) 의 작동을 보조하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 터보과급기 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 가스 유동 채널에서 중간 냉각기 (145) 가 제 1 압축기 단 (56) 과 제 2 압축기 단 (57) 사이에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 터보과급기 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 기계에는 영구 자석 로터 (190) 가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 터보과급기 장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 압축기 단의 압축기 임펠러 (170, 175) 의 시일링부 (250) 가 압축기 단의 전체 힘 효과가 터빈부 (60) 에 의해 상기 축 (70) 에 가해지는 축방향 힘 (405) 의 90 ∼ 110 % 가 되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 터보과급기 장치.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 압축기 단 (56) 과 제 2 압축기 단 (57) 은 공통의 축 (70) 에 배치되는 압축기 임펠러 (170, 175) 를 각각 포함하며, 제 1 압축기 임펠러 (170) 의 시일링부 (205) 는 축 (70) 과 본체부 (155) 사이에 배치되고, 제 2 압축기 임펠러 (175) 의 시일링부는 압축기 임펠러 (175) 와 본체부 (155) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 터보과급기 장치.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 축 (70) 은 압축기부에서 부터 축 (70) 의 일 단부의 베어링까지 이르는 축방향 유동 채널 (242) 을 포함하며, 이 채널은 압축기부에 의해 압축된 가스를 베어링 (130) 의 냉각을 위해 그 베어링에 전달하는 것을 특징으로 하는 터보과급기 장치.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 축 (70) 의 레이디얼 베어링 (125.1, 130) 이 제 1 단부에서 전기 기계 (65) 의 본체부 (165) 에 의해 지지되고 제 2 단부에서는 터빈부 (60) 의 본체부 (160) 에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 터보과급기 장치.
11. 삭제
12. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 기계 (65) 의 가스 유동 채널은 전기 기계의 로터와 스테이터부 사이의 공기 틈새 (216) 및, 스테이터부 (200) 및/또는 그 스테이터부에 설치된 그의 본체부를 위한 가스 유동 채널 (215) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 터보과급기 장치.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 기계 (65) 의 스테이터부 및/또는 그의 본체부의 가스 유동 채널 (215) 은, 정확히 충분한 양의 냉각용 공기가 전기 기계의 로터와 스테이터부 사이의 상기 공기 틈새 (216) 를 통과하고 그리 하여 냉각시의 압력 손실이 최소화되도록 상기 공기 틈새에 대해 치수가 정해져 있는 것을 특징으로 하는 터보과급기 장치.
14. 제 12 항에 있어서, 상기 스테이터부의 가스 유동 채널의 단면은 전기 기계 (65) 의 가스 유동 채널의 전체 단면적의 95 ∼ 98 % 인 것을 특징으로 하는 터보과급기 장치.
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    

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