KR101628548B1 - 2단 터보차저 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 2단 터보차저 장치는 엔진의 배기 매니폴드로부터 배출되는 배기가스를 고압 터빈의 입구단에 공급하도록 각각 직렬 연결되되, 단면적이 서로 다른 제1 유로와 제2 유로; 고압 터빈의 출구단과 저압 터빈의 입구단 사이에 각각 직렬 연결되되, 단면적이 서로 다른 제3 유로와 제4 유로; 제1유로에 일단이 연결된 배기가스 재순환 밸브; 및 제2 유로에 일단이 연결되고, 제3 유로에 타단이 연결된 바이패스 라인;을 포함하고, 제1 유로는 제2 유로보다 단면적이 좁게 형성되고, 제3 유로는 제2 유로 및 제4 유로보다 단면적이 좁게 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

2단 터보차저 장치 {Apparatus of Two-stage turbo charger}
본 발명은 고압 및 저압 터빈이 직렬형으로 마련된 2단 터보차저 장치에 관한 것이다.
종래의 2단 터보차저 장치는 흡입공기를 2번에 걸쳐서 압축하여, 엔진의 연소실로 공급하므로, 엔진의 출력을 증대시킬 수 있다. 또한 직렬 연결된 고압 및 저압 터보차저를 통해 효율을 극대화하여 배기가스 에너지 손실을 최소화할 수 있다.
도 1은 일반적인 엔진의 2단 터보차저 장치를 도시한 구조도이다. 도 1을 참조하면, 엔진(11)의 배기 매니폴드(11a) 및 흡기 매니폴드(11b)에 연결된 고압측 터보 장치(12)와 이에 직렬 연결된 저압측 터보 장치(13)가 구비된다.
그리고 엔진(11)의 배기 매니폴드(11a)로부터 토출되는 배기가스의 유동에너지를 이용하여 고압측 터보 장치(12)의 고압 터빈(TB1)과 저압측 터보장치(13)의 저압 터빈(TB2)이 회전한다. 이를 통해 저압측 터보장치(13)의 저압 컴프레셔(CP2)에서 1차적으로 공기를 가압하고, 고압측 터보장치(12)의 고압 컴프레셔(CP1)에서 2차적으로 공기를 가압하여 인터쿨러(14)를 통해 엔진의 흡기 매니폴드(11b)로 공급한다.
엔진(11)이 고속 운전 상태로 접어들게 되면, 배기 매니폴드(11a)로부터 토출되는 유량에 비해서 고압측 터보장치(12)의 용량이 부족하므로, 고압 터빈(TB1)에 장착된 웨이스트 게이트 밸브(WG)를 개방하여 배기가스를 바이패스 시키게 된다.
그리고 배기가스 재순환(EGR:Exhaust Gas Recirculation) 밸브(15)가 개방되면 배기가스 재순환 밸브(15)에 의해 재순환된 배기가스가 배기가스 재순환 쿨러를 통해 냉각된다.
하지만, 이 경우에 배기가스 재순환 밸브(15) 작동 시 고압 터빈(TB1) 입구단에는 압력 저하가 발생하고, 웨이스트 게이트 밸브(WG)도 개방될 시 저압 터빈(TB2)으로 연결되는 유로의 체적이 증가하여 과도 운전조건에서 2단 터보차저 장치의 성능이 극대화될 수 없다는 문제점이 있다.
특히, 배기가스 재순환 밸브(15)를 과다하게 사용할 경우 고압 터빈(TB1) 입구단에 유동 박리로 인하여 고압 터빈(TB1)의 효율이 저하될 수 있으며, 이는 차량 가속 시 부스트압 상승 속도를 저하시켜 2단 터보차저 장치의 효과를 반감시킬 수 있다는 문제점이 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
US 2005-0081522 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 직렬형 2단 터보차저 장치의 고압 및 저압 터빈 입구단에 복수 개의 유로를 적용함으로써 성능을 향상시키는 2단 터보차저 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 2단 터보차저 장치는 엔진의 배기 매니폴드로부터 배출되는 배기가스를 고압 터빈의 입구단에 공급하도록 각각 직렬 연결되되, 단면적이 서로 다른 제1 유로와 제2 유로; 상기 고압 터빈의 출구단과 저압 터빈의 입구단 사이에 각각 직렬 연결되되, 단면적이 서로 다른 제3 유로와 제4 유로; 상기 제1 유로 또는 제2 유로 중 어느 하나에 일단이 연결된 배기가스 재순환 밸브; 및 상기 제1 유로 또는 제2 유로 중 배기가스 재순환 밸브와 연결되지 않은 유로에 일단이 연결되고, 상기 제3 유로 또는 제4 유로 중 어느 하나에 타단이 연결된 바이패스 라인;을 포함할 수 있다.
상기 제1 유로와 제3 유로는 상기 제2 유로와 제4 유로보다 단면적이 좁은 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 배기가스 재순환 밸브는 상기 제1 유로에 연결된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 바이패스 라인은 일단이 제2 유로와 연결되고 타단이 제3 유로와 연결된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 바이패스 라인은 웨이스트 게이트 밸브를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 2단 터보차저 장치에 따르면, 배기매니폴드와 고압 터빈 입구단이 복수의 유로로 연결됨으로써 배기가스 재순환 밸브가 개방되더라도 고압 터빈 입구단의 압력 손실을 저감할 수 있다.
또한, 배기가스 재순환 밸브와 웨이스트 게이트 밸브가 모두 개방되더라도 유로의 단면적 축소에 따른 유속증대로 인해 터보차저 장치의 성능이 떨어지는 것을 상쇄할 수 있으며 저압 터빈 응답성을 증대할 수 있다.
도 1은 일반적인 엔진의 2단 터보차저 장치를 도시한 구조도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 터보차저 장치를 도시한 구조도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 2단 터보차저 장치에 대하여 살펴본다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 터보차저 장치를 도시한 구조도이다.
도 2를 참조하면, 2단 터보차저 장치는 엔진(110)의 배기 매니폴드(110a)로부터 배출되는 배기가스를 고압 터빈(123)의 입구단에 공급하도록 각각 직렬 연결되되, 단면적이 서로 다른 제1 유로(210)와 제2 유로(230); 상기 고압 터빈(123)의 출구단과 저압 터빈(133)의 입구단 사이에 각각 직렬 연결되되, 단면적이 서로 다른 제3 유로(250)와 제4 유로(270); 상기 제1 유로(210) 또는 제2 유로(230) 중 어느 하나에 일단이 연결된 배기가스 재순환 밸브(150); 및 상기 제1 유로(210) 또는 제2 유로(230) 중 배기가스 재순환 밸브(150)와 연결되지 않은 유로에 일단이 연결되고, 상기 제3 유로(250) 또는 제4 유로(270) 중 어느 하나에 타단이 연결된 바이패스 라인;을 포함할 수 있다.
이때, 제1 유로(210)와 제3 유로(250)는 상기 제2 유로(230)와 제4 유로(270)보다 단면적이 좁은 것을 특징으로 할 수 있다.
일반적으로 엔진(110)은 실린더의 수에 따라 4기통 엔진 또는 6기통 엔진으로 분류되는데, 복수의 실린더들로부터 배출되는 배기가스가 배기 매니폴드(110a)에 모아진 다음 제1 유로(210)와 제2 유로(230)를 통해 고압 터빈(123)으로 공급되도록 마련된다. 이때, 복수의 실린더의 절반은 제1 유로(210)를 통해 고압 터빈(123) 입구단으로 배기가스를 배출하고, 나머지 절반의 실린더들은 제2 유로(230)를 통해 고압 터빈(123) 입구단으로 배기가스를 배출하도록 마련될 수 있다.
본 발명의 경우 배기가스 재순환 밸브(150)는 상기 제1 유로(210)에 연결된 것을 특징으로 할 수 있다.
종래의 경우에는 실린더로부터 배출되는 배기가스가 배기 매니폴드(110a)로 모아진 다음 모두 하나의 유로를 통해 고압 터빈(123)으로 공급되도록 마련되었다. 이에 따라, 배기가스 재순환 밸브(150)가 개방될 경우에 고압 터빈(123) 입구단에 공급되어야 할 배기가스가 배기가스 재순환 밸브(150)를 통해 다량 빠져나가 고압 터빈(123) 입구측에 압력 저하 현상이 발생하였다.
따라서, 본 발명은 배기 매니폴드(110a)로부터 배출되는 배기가스를 제1 유로(210)와 제2 유로(230)를 통해 고압 터빈(123) 입구단으로 공급하되, 제2 유로(230)에 비해 단면적이 상대적으로 좁은 제1 유로(210)에만 배기가스 재순환 밸브(150)가 연결되도록 마련함으로써, 배기가스 재순환 밸브(150) 개방에 의해 발생하는 고압 터빈(123) 입구단 측의 압력 손실을 줄일 수 있다.
또한, 종래의 경우에는 웨이스트 게이트 밸브(121)가 개방될 경우에 배기 매니폴드(110a)를 통해서 배출된 배기공기가 바이패스 라인을 통해 우회해서 저압 터빈(133)으로 공급되었다. 이때, 저압 터빈(133) 입구단으로 연결되는 유로의 길이가 불가피하게 길어져 2단 터보차저의 성능이 저하된다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 바이패스 라인은 일단이 제2 유로(230)와 연결되고 타단이 제3 유로(250)와 연결되고, 상기 바이패스 라인은 웨이스트 게이트 밸브(121)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
예를 들어, 배기가스 재순환 밸브(150)와 웨이스트 게이트 밸브(121)가 모두 개방된 경우, 제2 유로(230)를 통해 고압 터빈(123)으로 공급되던 배기가스가 바이패스 라인으로 모두 공급되는데, 제2 유로(230)에 비해 상대적으로 단면적이 좁은 제3 유로(250) 측으로 배기가스가 공급되기 때문에 단면적 축소에 따라 배기가스의 유속이 증가한다. 즉, 배기가스가 빠르게 저압 터빈(133) 입구단으로 공급됨으로써 종래에 비해 바이패스 유로에 의한 저압 터빈(133)측의 손실을 저감할 수 있다.
또한, 제4 밸브(270)를 통해 고압 터빈(123) 출구단으로부터 배출되는 배기공기를 바로 저압 터빈(133) 입구단으로 공급함으로써 저압 터빈(133)으로 우회되지 않는 배기공기 역시 효과적으로 저압 터빈(133)으로 공급할 수 있다.
이에 따라, 서로 다른 단면적의 유로들을 배기 매니폴드(110a)와 고압 터빈(123) 하우징 사이 및 고압 터빈(123) 하우징과 저압 터빈(133) 하우징 사이에 적용함으로써 2단 터보차저 장치의 과도 성능을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 2단 터보차저 장치에 따르면, 배기매니폴드와 고압 터빈 입구단이 복수의 유로로 연결됨으로써 배기가스 재순환 밸브가 개방되더라도 고압 터빈 입구단의 압력 손실을 저감할 수 있다.
또한, 배기가스 재순환 밸브와 웨이스트 게이트 밸브가 모두 개방되더라도 유로의 단면적 축소에 따른 유속증대로 인해 터보차저 장치의 성능이 떨어지는 것을 상쇄할 수 있으며 저압 터빈 응답성을 증대할 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
110: 엔진 110a: 배기 매니폴드
110b: 흡기 매니폴드 120: 고압측 터보장치
121: 웨이스트 게이트 밸브 123: 고압 터빈
125: 고압 컴프레셔 130: 저압측 터보장치
133: 저압 터빈 135: 저압 컴프레셔
140: 인터쿨러 150: 배기가스 재순환 밸브(EGR)
160: 에어클리너 170: 후처리 장치
210: 제1 유로 230: 제2 유로
250: 제3 유로 270: 제4 유로

Claims (5)

  1. 엔진의 배기 매니폴드로부터 배출되는 배기가스를 고압 터빈의 입구단에 공급하도록 각각 직렬 연결되되, 단면적이 서로 다른 제1 유로와 제2 유로;
    상기 고압 터빈의 출구단과 저압 터빈의 입구단 사이에 각각 직렬 연결되되, 단면적이 서로 다른 제3 유로와 제4 유로;
    상기 제1유로에 일단이 연결된 배기가스 재순환 밸브; 및
    상기 제2 유로에 일단이 연결되고, 상기 제3 유로에 타단이 연결된 바이패스 라인;을 포함하고,
    상기 제1 유로는 상기 제2 유로보다 단면적이 좁게 형성되고, 상기 제3 유로는 상기 제2 유로 및 제4 유로보다 단면적이 좁게 형성된 것을 특징으로 하는,
    2단 터보차저 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 바이패스 라인은 웨이스트 게이트 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    2단 터보차저 장치.
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