KR19990067651A - 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템 - Google Patents

4 사이클 내연기관용 과급기 시스템 Download PDF

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KR19990067651A
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KR1019980703679A
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에드워드 엠. 할리미
랄프 피. 말루프
윌리엄 이. 울렌웨버
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터보다인 시스템즈, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 배기가스 구동 터보차저(56,156,76,96,196)가 엔진(54,66,74,90)의 배기구 및 흡기구에 연결되는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템에 관한 것이다. 전기모터구동압축기(62,68,84,114)는 병렬 연결로 공기량을 증가시키거나 직렬연결로 압력을 증가시키도록 터보차저(56,156,76,96,196)의 공기 압축기부의 유입구 또는 배출구 중 어느 하나에 연결된 배출구를 갖는다. 전기모터구동압축기(62,68,84,114)는 비연소 연료와 엔진 배압을 감소시키고 엔진가속을 증가시키는데 사용된다.

Description

4 사이클 내연기관용 과급기 시스템
기술분야
본 발명은 4 사이클 내연기관으로 과급기를 송출하는 터보차저 및 전기모터구동압축기 둘 모두를 포함하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
배경기술
4 사이클 내연기관에서 출력을 증가시키고 연료 소비를 감소시키기 위해 터보차저가 오늘날 일반적으로 사용된다. 불꽃점화기관과 디젤기관에서는 터보차저를 사용하는 것이 유리하고, 디젤엔진의 경우 소정의 실린더 배기량을 갖는 엔진출력은 애프터쿨링(aftercooling)을 터보차징에 부가하므로서 용이하게 배가된다. 터보차저는 수십년간 개발되어 왔고, 고속 디젤 및 가솔린 엔진에 사용되는 현대 터보차저는 제조비용이 적고, 효율이 높으며, 매우 튼튼한 상품이다.
터보차저는 다른 방법으로 폐기될 배기가스 에너지를 이용할 수 있지만, 터보차저의 압축기를 구동하는데 필요한 동력을 발생시키는 터빈 맞은편에 충분한 압력강하를 발생시키기 위해서 엔진배기시스템에서 배기가스터빈의 압력상승은 엔진실린더의 평균 배압을 상승시키는 것을 필요로 한다. 배압은 배기밸브를 통해 실린더 밖으로 연소부산물을 밀어낼 때 이 배압은 엔진의 피스톤의 상행정에 역으로 작용하고 펌핑손실을 증가시킨다. 4 사이클 엔진의 고압 터보차징에 의해 발생된 배압은 매우 높고 심지어 상대적으로 높은 전체 효율을 갖는 터보차저와 함께 사용된다. 터보차저 터빈에 의해 발생된 배압을 더 낮출 수 있는 모든 수단은 엔진성능을 상당히 개선할 수 있다. 예를들어, 디젤엔진이 소정의 정격엔진출력에 도달하기 위해서 대기압의 2.5배 압력비를 요구한다면, 싱글 터보차저는 대략 대기압의 2배로 배기시스템의 배압을 증가시킬 것이다.
직렬 터보차저는 오늘날 고출력으로 평가되는 엔진에 일반적으로 사용된다. 만약 2개의 압축기가 직렬 조합으로 위치된다면, 과급기의 압력비는 압축기 각각의 압력비 곱(product)이다. 앞에서 설명한 바와같이, 직렬 압축기의 사용은 다양한 압력비 곱을 발생시키므로서, 높은 수퍼차지 압력은 싱글 터보차저 자체가 생산할 수 있는 압력 이상으로 엔진으로 공급될 수 있다. 예를들어, 만약 높은 정격출력의 엔진이 싱글 터보차저의 성능을 초과하는 4.5압력비를 요구한다면 직렬 터보차저는 2.1 압력비의 저압단과 2.15압력비의 고압단을 요구할 것이고, 그것의 곱은 전체가 4.5 압력비이다. 이것은 배기가스 배압을 상당히 상승시킨다.
발명의 요약
본 발명의 이해를 돕기 위해서, 본 발명은 본질적으로 요약 형태로 설명될 수 있고, 본 발명은 4사이클 내연기관용 터보차저와 전기모터구동압축기를 포함하는 과급기 시스템에 관한 것이다. 모터구동압축기는 압축공기를 터빈구동압축기의 유입구로 송출하거나 엔진의 필요에 따라 더 높은 압력 또는 더 높은 유동을 얻기 위해서 거기서 병렬로 터빈구동압축기의 배출구로 압축공기를 송출할 수 있다.
본 발명의 한 목적 및 장점은 터보차저 압축기와 직렬로 모터구동압축기를 사용하므로서 엔진배기배압수준을 낮추는 것이다.
터보차저 하나를 모터구동압축기로 대체하므로서 높은 정격출력의 엔진에서 터보차징하는 비용을 감소시킬 수 있는 모터구동압축기를 제공하는 반면, 동시에 더 낮은 배기배압 때문에 엔진 성능을 향상시키는 것이 본 발명의 다른 목적 및 장점이다. 모터구동압축기의 압력비는 만약 제 2단으로 터보차저 압축기의 압력비가 3.0이 된다면 오직 1.5가 필요하다. 압력비의 결과는 높은 정격출력 엔진에 필요한 압력비와 같은 4.5이다.
모터구동압축기를 사용하므로서 자연적으로 애스퍼레이팅(aspirating)된 4사이클 엔진의 성능을 향상시키는 방법을 제공하는 것이 본 발명의 다른 목적 및 장점이다. 외부 동력원을 사용하여 압축기를 구동하므로서, 엔진은 터보차저처럼 배기 시스템의 배압을 상승시킴없이 수퍼차징될 수 있다. 따라서, 과급기 밀도가 증가되므로서 연료가 더 효율적으로 연소되고 엔진배기부에서 대기로 방출되는 해로운 오염물이 감소한다.
갑작스런 스로틀 개방에 따른 터보차저 압축기의 시간 지연을 보정하므로서, 엔진과 터보차저 압축기 사이에 있는 엔진 흡기 덕트에 직접 연결되는 전력이 공급되는 보조 압축기를 제공하므로서 4 사이클 엔진용 터보차저의 성능을 향상시키는 방법을 제공하는 것이 본 발명의 다른 목적 및 장점이다.
새로운 것이라 간주되는 본 발명의 특징은 첨부한 청구의 범위에서 상세하게 설명될 것이다. 본 발명은 구성 및 작동 방법으로서 그것으로부터 다른 목적 및 장점을 더 가지며, 다음 설명을 참조하므로서 가장 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 4사이클 엔진의 직렬 터보차징을 위한 종래의 한 시스템을 나타낸다.
도 2는 모터구동압축기가 터보차저 압축기와 직렬로 위치되는 4사이클 엔진용인 본 발명의 과급기 시스템의 바람직한 제 1 실시예를 개략적으로 나타낸다.
도 2A는 모터구동압축기가 모터 보조 터보차저 압축기와 직렬로 위치되는 4 사이클 엔진용인 본 발명의 과급기 시스템의 바람직한 제 2 실시예를 나타낸다.
도 3은 모터구동압축기가 엔진을 과급시키는데 사용되는 4사이클 엔진용인 본 발명의 과급기 시스템의 바람직한 제 3 실시예를 나타낸다.
도 4는 모터구동압축기가 터보차저 압축기와 병렬로 위치되는 4사이클 엔진용인 본 발명의 과급기 시스템의 바람직한 제 4 실시예를 나타낸다.
도 5는 모터구동압축기가 터보차저 압축기와 직렬 또는 병렬 중 어느 하나로 사용될 수 있는 4사이클 엔진용인 본 발명의 과급기 시스템의 바람직한 제 5 실시예를 나타낸다.
도 6은 모터구동압축기가 모터보조 터보차저 압축기와 직렬 또는 병렬 중 어느 하나로 사용될 수 있는 4사이클 엔진용인 본 발명의 과급기 시스템의 바람직한 제 6 실시예를 나타낸다.
발명을 실시하는 최선 형태
종래의 내연기관은 개략단면으로 도시되고 일반적으로 도 1에서 10으로 표시된다. 엔진(10)은 실린더(14)가 위치되는 실린더블록(12)을 갖는다. 이 경우, 실린더는 수직축을 갖는다. 피스톤(16)은 크랭크(18) 제어하에서 실린더내에서 상하로 왕복운동한다. 크랭크는 크랭크샤프트 축을 중심으로 하여 회전하고, 커넥팅로드(20)에 의해 피스톤에 연결된다. 크랭크샤프트와 커넥팅로드는 크랭크실(22)에 하우징되고, 크랭크실은 엔진의 하부에 윤활유를 공급하기 위해 오일을 함유할 수 있다. 일반적으로 크랭크샤프트 축을 따라 다수의 실린더가 있다.
실린더블록의 실린더들은 실린더헤드(24)에 의해 커버된다. 실린더헤드는 흡기매니폴드(26)와 흡기밸브(28)를 갖고, 이것은 실린더로 들어가는 공기 또는 공기와 연료의 혼합물 유동을 제어한다. 실린더헤드(24)는 또한 각 실린더용 배기포트(30)를 갖는다. 배기포트(30)는 배기밸브(32)에 의해 제어된다. 각 실린더용 흡기밸브와 배기밸브의 개폐는 밸브들을 제어하는 캠샤프트와 크랭크샤프트를 역학적으로 상호연결하므로서 피스톤 운동과 조화를 이룬다. 연료는 연료분사노즐(34)을 통해 적절한 시기에 실린더로 들어간다. 몇몇 경우에 있어서, 연료는 흡기밸브를 통해 연료-공기 혼합물로 실린더로 운반될 수 있다.
실린더로 운반된 공기량을 증가시키므로서 그리고 연료 증가를 대응시키므로서, 엔진(10)의 출력은 상당히 증가될 수 있다. 동시에, 엔진효율은 연료 단위 당 더 많은 일량을 얻도록 증가할 수 있다. 추가 공기를 제공하므로서, 원심압축기(36)는 흡기포트(26)에 연결된 배출구튜브(38)를 갖는다. 그러나, 만약 엔진(10)이 대기압의 4.5배 흡기매니폴드 압력을 필요로 한다면, 그것은 4.5압력비로서 싱글 원심압축기의 성능을 초과한다. 2개의 원심압축기가 직렬로 사용될 수 있다. 원심압축기(40)는 제 1단 압축기이고 적절한 에어필터를 통해 대기로부터 공기를 유입하는 유입구(42)를 갖는다. 배출구튜브(44)는 압축기(40)와 압축기(36)의 유입구 사이에 연결되고, 따라서 그것은 제 2단 압축기가 된다. 직렬 압축기는 압축비를 증가시키는데 사용된다. 한 예로서, 4.5압력비가 필요한 엔진에서, 저압단 원심압축기(40)는 2.1압력비로 작동할 것이지만, 고압단은 2.15압력비로 작동할 것이다. 이것은 총 4.51 압력비가 될 것이다.
직렬연결 원심압축기는 직렬연결 배기가스터빈(46,48)에 의해 구동된다. 배기포트(30)는 배기파이프(50)를 통해 제 1단 터빈(46)의 입구에 연결된다. 제 1단 터빈(46)의 배출구는 배기파이프(52)에 의해 제 2단 배기가스터빈(48)의 유입구에 연결된다. 터빈(48)은 대기로 배기한다. 이들 직렬연결 배기가스터빈은 배기포트에 높은 배압을 부과하고, 이렇게 높은 배압은 엔진의 펌핑 손실을 증가시킨다. 배기가스터빈(46)은 원심압축기(36)를 구동시키도록 직접 커플링되고, 배기가스터빈(48)은 원심압축기(40)를 구동시키도록 직접 커플링된다.
도 2에 도시된 4사이클 내연기관(54)은 엔진(10)과 같은 것이다. 터보차저(56)는 엔진으로부터 뜨거운 배기가스를 받아들여 대기로 배기가스를 팽창시키도록 연결되는 배기가스터빈(58)을 포함한다. 터빈(58)은 원심압축기(60)를 구동시키고, 원심압축기는 압력하에서 공기를 엔진(54)의 흡기포트로 운반한다. 배기가스터빈의 로터는 원심압축기의 로터를 구동시키도록 직접 연결된다.
본 발명에 따르면, 원심압축기(62)는 직렬연결 압축시스템을 형성하기 위해서 원심압축기(60)의 유입구에 연결된 압축공기 배출구를 갖는다. 원심압축기(62)는 전기모터(64)에 의해 구동된다. 전기모터(64)는 제어기(67)에 의해 제어되고, 이것은 부스트압력센서 및/또는 스로틀센서로부터 나오는 그와 같은 입력신호(도면번호 25로 표시됨)에 응답하여 전원(69)으로부터 동력을 받아들인다. 따라서, 압축기는 직렬로 배열되나, 제 1단 압축기(62)는 배기가스터빈에 의해 구동되지 않으므로서, 배기가스 배압을 상승시키지 않는다. 만약 직렬 터보차저들 중 하나가 모터구동압축기로 대체되고, 그 결과는 오직 하나의 터보차저만이 엔진배기시스템에 마운팅되고 엔진의 배압이 실질적으로 감소되기 때문에 덜 복잡한 역학적 배열이 된다. 예를들어, 디젤엔진이 소정의 정격 엔진 출력에 도달하기 위해서 대기압의 2.5배 압력비가 필요하다. 싱글 터보차저는 대기압의 약 2배로 배기시스템에 배압을 부과할 것이다. 그러나, 만약 모터구동압축기(62)가 터보차저 압축기와 직렬로 사용된다면, 필요한 2.5배의 압력비는 모터구동압축기(62)로부터 1.3 그리고 터보차저 압축기(60)로부터 1.92를 생성시키므로서 달성될 수 있다. 2.5에서 1.92로 터보차저 압축기(60)의 압력비를 감소시키므로서 대기압의 약 1.5배로 배기배압이 감소하게 된다. 따라서, 엔진의 펌핑손실은 상당히 감소되고, 더 적은 연료 소비, 더 높은 출력 또는 두가지 모두를 달성 할 수 있다. 모터구동압축기(60)는 요건(demand), 흡기매니폴드 압력, 엔진속도 등으로부터의 신호로 제어되어 이들 결과를 발생시키고 이외에 배기가스를 감소시킨다.
도 2에 도시된 시스템의 작동은 도 2A에 도시된 것으로서 모터보조터보차저를 추가하므로서 향상될 수 있다. 모터보조터보차저와 그 작동은 1996년 7월 16일 출원되었으며 함께 계류중인 미국 특허 출원 제 08/680,671호에 기술되어 있다.
도 2A(터빈(158)과 원심 압축기(160)를 포함함)에 도시된 터보차저(156)는 적절한 입력신호에 반응하는 제어수단(67)에 의해 동력이 공급될 수 있는 내부모터 제너레이터(156a)를 갖는다. 예를들어, 부스트압력센서는 엔진이 저속 및 저부하로 작동할 때 제어수단(67)으로 신호를 보내는데 사용될 수 있다. 엔진이 가속되도록 요청될 때, 부스트압력센서 또는 스로틀센서는 제어기(67)로 보내는 입력신호를 발생킬 수 있고 모터구동압축기와 터보차저의 모터는 가속 기간동안 증가된 공기공급을 제공하도록 동력이 공급된다. 터보차저가 엔진으로 충분한 공기 공급을 제공할 만큼 충분히 빨리 작동할 때, 모터보조 터보차저(156)의 내부모터 제너레이터(156a)로부터 나오는 로터속도신호가 제어기(67)로 전송되고, 두 모터는 외부 동력의 필요를 배제하도록 동력이 공급되지 않는다.
더욱이, 높은 엔진 속도와 고부하시, 최대 출력이 요구될 때, 터보차저의 내부모터 제너레이터(156a)는 제어기(67)에 의해 동력이 공급되지 않을 수 있지만, 모터구동압축기로는 동력이 공급되고 있다. 이 상태는 앞에서 설명한 도 2의 직렬 압축기 배열에 대응한다.
도 3은 엔진(10)과 같은 내연기관(66)을 나타낸다. 이 경우, 원심압축기(68)는 흡기매니폴드(70)에 의해 흡기포트에 연결된다. 원심압축기(68)는 엔진으로 과급기를 공급하기 위해서 전기모터(72)에 의해 구동된다. 제어시스템(67)이 모터와 전원(69)에 연결되어 압축기(68)는 빠른 엔진 가속이 예상될 때 모터(72)에 의해 구동된다. 모터구동압축기는 엔진 아이들시 또는 저부하 및 저속상태시 엔진 흡기매니폴드로 부스트압력(boost pressure)을 제공하도록 미리 결정된 최소 속도로 유지될 수 있다. 따라서, 상당히 많은 양의 공기는 엔진 가속이 요청될 때 추가 연료가 분사되기 전에 실린더로 제공될 수 있다. 가속을 시작할 때 더 높은 공기 과급 때문에, 높은 엔진 속도로 도달하는 과도시간(transient time)이 상당히 감소되고, 연료가 더 완전히 연소되고, 엔진배기의 해로운 오염물양이 실질적으로 감소된다. 모터구동압축기(68)는 요건, 흡기매니폴드 압력, 엔진속도등으로 부터의 신호로 제어되어 이들 결과를 발생시키고 이외에 배기가스 오염이 감소된다.
원심압축기의 직렬연결이 도 2에 도시되어 있다. 엔진(54)이 시동되거나 아이들로 작동할 때 가속하는데 충분한 공기를 제공하도록 충분히 빨리 터보압축기를 작동시키지 못하는 최소량 또는 터빈으로 배기가스가 유동하지 않는 것 중 어느 한 문제가 발생한다. 그 점에서 압축기(62)의 사용은 도움이 되나, 압축기가 저속으로 작동할 때 압축기(60)를 통과하는 공기 항력은 빠른 엔진 가속을 때때로 인가하지 못한다. 이런 이유로, 도 4에 도시된 내연기관(74)은 터보압축기와 병렬로 연결된 전기모터구동압축기를 갖는다. 터보압축기(76)는 배기 파이프로부터 나오는 배기가스를 받아들여 대기로 배기가스를 팽창시킨다. 이것은 압력공기를 리드밸브(80;reed valve)와 튜브(78)를 통해 흡기매니폴드(82)로 운반하는 원심압축기를 구동시킨다. 이것과 병렬로 있는 원심압축기(84)는 전기모터(86)에 의해 구동되어 공기를 리드밸드(82)를 통해 매니폴드(82)로 공급한다.
터보압축기와 전기모터 구동압축기가 병렬로 연결된 이 장치는 갑작스런 스로틀 개방에 따른 터보차저 압축기(76)의 시간지연을 보정하므로서, 엔진과 터보차저 압축기 사이에 있는 엔진흡기덕트에 직접 연결되며 전력이 공급되는 보조압축기(84)를 제공하므로서 터보차징되는 4 사이클 엔진의 성능을 향상시킨다. 터보차저를 통해 전기압축기로부터 나오는 압축공기의 역류는 압력에 의해 작동되는 체크밸브(80)에 의해 방지된다. 압력센서, 속도센서 및 디맨드센서(demand sensor)를 가진 적절한 모터 제어기는 적시에 모터 스위칭을 제공하도록 사용될 것이다.
도 5에 도시된 엔진(90)은 엔진(10)과 같은 것이다. 터보압축기와 직렬로 연결된 전기모터구동압축기와 함께, 엔진을 구동하는 원심압축기를 구동시키는 배기가스 구동 터빈의 용도는 도 2에 설명되어 있다. 몇몇 작동 상태에서는 공기 시스템의 직렬 연결이 바람직하고, 다른 작동상태에서는 병렬 연결이 바람직하다는 것이 이해될 것이다. 도 5는 덕트가 연결되므로서 전기모터구동원심압축기의 출력이 배기 구동 터보압축기와 선택적으로 병렬로 또는 직렬로 연결되는 방법을 나타낸다. 배기파이프(92)는 터보차저(96)의 배기가스터빈부(94)에 연결된다. 터보차저의 원심압축기(98)는 엔진(90)의 흡기매니폴드(100)에 연결된 압축 공기 출력부를 갖는다. 흡기매니폴드는 종래의 방법으로 흡기포트에 연결된다. 리드밸브(102)는 흡기매니폴드에 위치되어 압축기(98)에서 나오는 공기가 오직 흡기포트를 향해 하류방향으로만 흐르게 한다. 레이트센서(104 ; rate sensor)는 매니폴드에 위치되어 압축기(98)에서 나오는 공기 유동율을 결정한다. 이 레이트센서는 아래에서 설명되는 제어시스템에 사용된다.
터보압축기(98)로 들어가는 유입공기는 두 개의 공급원 중 어느 하나로부터 나온다. Y형상의 부재(106)는 터보압축기 유입구에 연결된다. Y형상의 부재 중 한 가지는 에어클리너(108)로부터 유입구튜브(110)를 통해 Y형상의 부재에 연결된다. 버터플라이밸브(112)는 유입구튜브(110)에 위치되어 유입구튜브를 개폐할 수 있다.
원심압축기(114)는 전기모터(116)에 의해 구동된다. 압축기(114)는 에어클리너(108)로부터 유입구튜브(118)를 통해 공기를 흡입하고, 유입구튜브(118)는 T자로 유입구튜브(110)에 연결된다. 압축기(114)의 압축공기출력은 배출구튜브(120)로 향하고 출구튜브(120)는 리드밸브(122)를 갖고 T연결에 의해 리드밸브(122)의 하류에서 흡기매니폴드(100)에 연결된다. 따라서, 압축기(98,114)는 흡기매니폴드(100)로 출력을 제공하도록 병렬로 작동할 수 있다. 더욱이, 배출구튜브(124)는 T자로 출구튜브(120)에 연결되고 Y형상의 부재(106) 중 다른 가지에 연결된다. 버터플라이 밸브(126)는 배출구튜브(124)에 위치되어 그 튜브를 선택적으로 차단한다. 2개의 버터플라이 밸브(112,126)는 함께 연결되고 같은 액츄에이터(128)에 의해 작동되므로서 하나의 버터플라이 밸브가 차단될 때 다른 하나는 개방된다.
제어 시스템(130)은 동력 공급기(132)로부터 동력을 받아들이고 엔진속도와, 흡기 및 배기 매니폴드 압력과, 공기 유동비와, 요건 등을 포함하는 신호(25)를 수신하여 공기 액츄에이터(128)를 제어하고 모터(116)로 들어가는 동력의 양을 제어한다. 도 5에 도시된 위치에서 액츄에이터와 버터플라이 밸브(112,126)를 사용하여, 압축기(98)는 에어클리너로부터 흡기를 받아들이고, 2개의 압축기는 병렬로 작동한다. 반대편 위치에 있는 액츄에이터(128)를 사용하여, 차단된 밸브(112)와 개방된 밸브(126)를 사용하여, 압축기(114)는 더 높은 유동량에 대조되는 것으로서 더 높은 매니폴드 압력을 제공하기 위해서 직렬로 압축기들을 위치시키므로서 압축기(98)의 흡기구로 방출한다. 따라서, 추가 덕트와 밸브를 사용하여, 모터구동압축기의 유동통로는 터보차저 출력압력이 전기모터압축기 출력압력을 초과할 때 터보차저 압축기(98)의 입구로 향한다. 이런 방식으로, 전기모터구동압축기에서 나오는 출력압력은 전기모터구동압축기로부터 나오는 과급압력의 증가를 유지하기 위해서 짧은 시간동안 터보차저 압력을 혼합하는데 사용된다. 임의의 압력 상승률에서, 레이트센서(104)는 모터제어기(130)로 신호를 전송하고, 에어액츄에이터(128)는 동기밸브(112,126)를 세팅하여 전기모터구동압축기로 들어가는 역류를 차단하고 모터(116)로 들어가는 동력을 차단하므로서 터보차저는 정상 비보조 모드에서 작동한다. 이들 다수의 방식에 있어서, 종종 터보압축기(96)와 조합하여 전기모터구동압축기(145)는 4 사이클 내연기관의 작동상태를 향상시킨다.
엔진(90)이 부하가 걸린 상태에서 저속에서 고속으로 가속하는 것이 요구될 때 병렬 작동모드로 도 5에 도시된 시스템을 위치시키는 것이 바람직하다. 엔진 아이들링과 같은 저속 엔진에서, 터보차저(96)는 많은 양의 부스트압력을 엔진으로 공급하는 것이 불가능하다. 따라서, 모터구동압축기(114)는 밸브(112)를 통해 엔진 흡기매니폴드(100)로 부스터압력을 제공하기 위해 엔진저속신호 또는 부스트저압신호에 의해 제어기(130)로부터 동력이 공급된다. 터보차저 압축기(98)가 충분히 엔진을 과급할 수 있는 속도로 엔진(90)이 가속될 때, 터보차저 압축기 출력압력은 밸브(102)를 개방하고 엔진으로 높은 부스트 압력을 제공한다. 이때, 센서(104)로부터 나오는 부스트압력신호가 제어기(130)로 전송되어 압축기(114)를 구동하는 모터(116)로 공급되는 동력을 차단하고, 모터구동압축기(114)를 통과하는 공기 역류는 체크밸브(122)에 의해 방지된다. 가속기간동안, 버터플라이 밸브(126,112)는 압축기의 병렬작동을 설명하는 도 5에 도시된 위치에 있다.
엔진이 최대 출력으로 작동하도록 요구될 때, 압축기의 직렬 배열보다 시스템을 변경하는 것이 바람직하다. 엔진부하신호가 제어기(130)로 전송되어 버터플라이 밸브(126)가 개방되고 동시에 버터플라이 밸브(122)가 차단된다. 엔진흡기유동통로는 에어클리너(108)로부터 덕트(118)를 통해 압축기(114)까지 이다. 압축기(114)에서 나오는 압축 공기는 덕트(120)를 통과하고, 버터플라이 밸브(126)를 통해 터보차저 압축기(98)의 유입구로 유동한다. 고압축공기는 터보차저 압축기(98)에서 체크밸브(102)를 통해 덕트(100)로 유동한 후 엔진 흡기매니폴드로 안내된다. 체크밸브(122)는 고압축 공기가 덕트(120)로 역류하는 것을 방지한다.
고속에서 동력작동을 저속, 저부하 상태로 엔진을 감속함에 따라, 센서(104)로부터 나오는 저부스트압력 신호가 제어기(130)로 전송되므로서 도 5에 도시된 위치로 역으로 버터플라이 밸브를 이동시키고, 이것은 다음 엔진 가속을 준비하기 위해 병렬 배열로 압축기를 위치시킨다. 압축기(114,98)의 병렬 배열은 터보차저(96)로만 공급할 수 있는 것 이상으로 가속기간동안 증가한 부스트압력을 엔진(90)에 제공한다. 이것은 가속시간을 감소시키고, 가속하는 동안 매연을 감소시키고, 해로운 배기 배출물을 감소시킨다. 압축기(114,98)의 직렬 작동 변경은 압축기 압력비의 증가로 인하여 엔진에 높은 부스트압력을 제공한다. 흡기의 직렬압축은 엔진에 높은 부스트압력을 제공하므로서 싱글 터보차저에 의해서만 제공될 수 있는 것에 비해 더 높은 출력이 생성될 수 있다.
도 6은 터빈(194)과 압축기(198)를 가진 터보차저(196)가 제어기(130)에 의해 동력공급기(132)로 작동할 수 있는 내부모터제너레이터(196a)를 가져 터보차저(196)의 작동이 향상되는 것을 제외하고 도 5의 시스템과 같은 것이다. 예를들어, 엔진이 저속, 저 부스트 기간동안, 센서(104)의 신호는 제어기(130)를 작동시켜 충분한 동력을 내부모터제너레이터로 제공하므로서 미리 결정된 터보차저 속도와 부스트압력을 유지시킨다. 미리 결정된 가속 이상으로 가속하는 동안 수요를 표시하는 압력신호를 수신할 때, 제어기(130)는 내연기관(90)에 요구된 가속을 제공하기 위해서 터보차저 속도와 부스트를 증가시키도록 모터(196a)로 더 큰 동력을 공급한다.
따라서, 모터보조 터보차저의 공급과 작동은 설정된 것 이상으로 더 향상될 수 있고, 도 5의 다중 압축기의 직렬-병렬 시스템 작동에 유연성을 더욱 제공한다.
본 발명은 여기서 예상된 최선의 형태로 설명되었고, 창작특허의 실시없이 이 분야에 기술을 가진자의 능력내에서 많은 변형, 형태실시가 가능하다. 따라서, 본 발명의 범위는 다음 청구의 범위에 의해 한정된다.

Claims (53)

  1. 제 1 원심압축기 ;
    제 2 원심압축기 ;
    흡기포트를 갖는 4사이클 내연기관 ;
    상기 흡기포트로 공기를 공급하기 위해 상기 제 1 및 제 2 압축기가 직렬로 연결되도록 상기 제 1 및 제 2 압축기를 연결하는 덕트 ;
    상기 압축기들 중 하나를 구동하도록 연결된 전기모터를 포함하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 압축기는 상기 전기모터에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 압축기는 배기가스터빈에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 4 사이클 내연기관은 배기포트를 갖고 상기 배기포트와 상기 배기가스터빈을 연결하는 턱트가 있어 상기 4 사이클 내연기관에서 나오는 배기가 상기 배기가스터빈을 구동시키고 상기 배기가스터빈은 상기 제 2 압축기를 구동시키는 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 제 1 압축기는 상기 전기모터에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 내연기관은 흡기포트를 갖고 상기 제 2 원심압축기는 흡기매니폴드에 의해 상기 흡기포트에 연결되고 상기 제 1 원심압축기는 에어튜브에 의해 상기 제 2 원심압축기에 연결되는 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 에어튜브는 또한 상기 흡기매니폴드에 연결되어서 상기 제 1원심압축기가 공기를 공급하도록 상기 제 2 원심압축기와 상기 흡기매니폴드에 연결되는 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 흡기매니폴드의 공기가 상기 에어튜브로 이동하는 것을 방지하도록 상기 튜브에 밸브가 있는 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 밸브는 체크밸브인 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 제 1원심압축기와 상기 제 2 원심압축기 사이에 있는 상기 튜브에 밸브가 있어 상기 제 1원심압축기에서 상기 제 2 원심압축기로 흐르는 공기를 선택적으로 차단하여 상기 제 1 원심압축기가 상기 흡기매니폴드로 공기를 공급하여서 상기 압축기들이 병렬로 작동하는 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 제 1 원심압축기와 상기 흡기매니폴드 사이에 있는 상기 에어튜브의 밸브는 체크밸브이고 상기 제 1 압축기와 상기 제 2 압축기 사이에 있는 상기 튜브의 밸브는 개방 위치와 차단 위치 사이에서 작동할 수 있는 가동밸브인 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 제 2 압축기는 또한 공기 유입구에 연결되고 공기 유입구에 가동밸브가 있으며, 상기 가동 밸브가 서로 연결되어 하나가 개방될 때 다른 것은 차단되어서 상기 제 2 압축기는 공기 유입구 또는 제 1 압축기에 연결된 상기 공기튜브에 선택적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  13. 흡기포트 및 배기포트를 갖는 4 사이클 내연기관 ;
    대기공기를 받아들이는 유입구와 배출구를 갖는 제 1 원심과급기압축기 ;
    유입구와 상기 제 1원심압축기의 배출구가 연결되는 유입구를 갖는 제 2원심과급기 압축기와, 상기 2원심압축기의 배출구와 4사이클 내연기관의 흡기포트에 연결되는 흡기 매니폴드와, 상기 원심압축기들 중 하나를 구동시키도록 연결되는 전기 모터 ;
    상기 원심압축기 중 다른 것을 구동시키도록 연결되는 배기가스터빈과, 배기
    가스의 유동이 낮고 상기 배기가스의 유동이 낮고 상기 배기가스 구동과급기압축기가 자체적으로 빠른 가속을 하기에 불충분한 과급기를 공급할 때 전기모터구동압축기가 상기 엔진의 빠른 가속을 위해 미리 상기 4 사이클 내연기관으로 높은 수준의 과급기를 제공하기 위해 구동될 수 있도록 상기 4 사이클 내연기관의 상기 배기포트와 상기 배기가스터빈에 연결되는 배기파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 제 1 원심압축기는 전기모터에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  15. 제 13항에 있어서, 상기 제 2 원심과급기압축기는 상기 배기가스터빈에 의해 구동되는 상기 배기가스터빈에 연결되는 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 제 1 원심압축기는 전기모터에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  17. 제 13항에 있어서, 상기 배기가스터빈구동원심압축기의 출력이 불충분할 때 전기모터구동압축기가 상기 4 사이클 내연기관의 빠른 가속을 위해 미리 적절한 과급기를 공급하도록 상기 전기모터구동원심과급기압축기의 출력을 제어하고 상기 전기모터를 제어하고 상기 전기모터로 동력을 공급하기 위해서 연결되는 제어수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 제 1 원심압축기는 전기모터에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  19. 제 17항에 있어서, 상기 제 2 원심과급기압축기는 상기 배기가스터빈에 의해 구동되도록 상기 배기가스터빈에 연결되는 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 제 1 원심압축기는 전기 모터에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  21. 제 13항에 있어서, 직렬 및 병렬로 상기 제 1 및 제 2 과급기압축기를 선택적으로 연결하기 위해서 상기 제 1 및 제 2 과급기압축기 사이에 있는 밸브와 상기 제 1 원심과급기압축기와 상기 흡기매니폴드 사이에 연결된 배출튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  22. 제 21항에 있어서, 상기 제 1 원심압축기는 전기모터에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  23. 제 21항에 있어서, 상기 제 2 원심과급기압축기는 상기 배기가스터빈에 의해 구동되도록 상기 배기가스터빈에 연결되는 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  24. 제 21항에 있어서, 상기 밸브는 상기 제 1 원심압축기의 배출구와 상기 제 2원심압축기의 유입구 사이에 있는 덕트를 선택적으로 개폐할 수 있는 가동밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  25. 흡기포트와 배기포트를 갖는 4 사이클 내연기관, 상기 흡기포트에 연결되는 흡기매니폴드와 상기 배기포트에 연결되는 배기매니폴드 ;
    상기 흡기매니폴드에 연결되는 배출구와 유입구를 갖는 제 1원심과급기압축기, 상기 제 1 원심과급기압축기를 구동시키기 위해 연결되는 전기모터 ;
    상기 흡기매니폴드에 연결되는 배출구와 유입구를 갖는 제 2 원심과급기압축기 ;
    상기 제 2 원심압축기를 구동시키기 위해 연결되는 배기가스터빈과, 엔진이 저속에서 고속으로 가속되도록 요청될 때 모터구동 제 1원심압축기가 엔진 배기가스의 해로운 오염될 수준을 감소시키기 위해서 많은 양의 과급기를 제공할 수 있도록 상기 모터구동 제 1원심압축기가 배기가스로 별도로 구동되게 상기 제 2원심압축기를 구동시키도록 상기 4 사이클 내연기관에서 상기 배기가스터빈으로 배기가스를 공급하기 위해 상기 배기포트에서 배기가스 터빈으로 연결되는 배기파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  26. 제 25항에 있어서, 상기 제 1 원심압축기의 배출구에 밸브가 있어 제 1 원심압축기로 동력이 공급되지 않을 때 상기 제 1 원심압축기를 통하여 공기의 역류를 방지하는 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  27. 제 25항에 있어서, 상기 제 2 원심압축기의 배출구에 밸브가 있어 상기 제 1 압축기가 높은 압력을 제공할 때 상기 제 2 압축기를 통하여 공기의 역류를 방지하는 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  28. 제 27항에 있어서, 상기 밸브는 체크밸브인 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  29. 제 26항에 있어서, 상기 밸브는 체크밸브인 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  30. 제 25항에 있어서, 각 상기 압축기의 배출구에 체크밸브가 있어 공기의 역류를 방지하는 것을 특징으로 하는 4사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  31. 제 25항에 있어서, 상기 압축기들은 선택적으로 직렬로 연결될 수 있도록 상기 제 1 원심압축기의 배출구와 상기 제 2 원심압축기의 상기 유입구 사이에 연결된 덕트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  32. 제 31항에 있어서, 상기 제 1 원심압축기의 배출구와 상기 제 2 원심압축기의 상기 유입구 사이에 연결된 상기 덕트는 선택적으로 작동할 수 있는 밸브를 포함하여서 상기 밸브는 직렬 연결되도록 개방될 수 있고, 제 1 및 제 2 압축기의 직렬 연결을 방지하기 위해 차단될 수 있는 것을 특징으로 하는 4 사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  33. 흡기포트와 배기포트를 갖는 4 사이클 내연기관, 상기 흡기포트에 연결되는 배출구와 유입구를 갖는 원심과급기압축기 ;
    상기 원심 과급기 압축기를 구동하는 전기모터 ;
    엔진이 저속에서 고속으로 가속되도록 요청될 때 엔진배기의 해로운 오염물의 수준을 저하시키기 위해서 고 밀도 과급기를 제공하는 상기 원심 과급기 압축기를 구동시키도록 상기 전기모터에 연결되는 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 4사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  34. 제 33항에 있어서, 상기 제어수단은 엔진작동상태에 대응하는 신호를 수신하고 상기 전기모터로 동력을 공급하도록 연결되는 것을 특징으로 하는 4사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  35. 제 34항에 있어서, 상기 원심공기압축기를 구동하는 상기 전기모터를 제어하기 위해 상기 제어수단으로 들어가는 신호는 흡기매니폴드 압력, 엔진 rpm 및 엔진 요건을 포함하는 것을 특징으로 하는 4사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  36. 흡기포트 및 배기포트를 갖는 4사이클 내연기관, 상기 흡기포트로 공기를 공급하고, 배기가스의 팽창에 의해 구동되도록 흡기포트와 배기포트 모두에 연결되는 터보압축기 ;
    엔진이 저속에서 고속으로 가속되도록 요청될 때 엔진 배기의 해로운 오염물 수준을 감소시킬 목적으로 엔진의 빠른 가속을 위해 미리 엔진 아이들과 저부하시 상기 흡기포트로 적절한 과급기를 제공하도록 상기 흡기포트로 부가공기를 공급하기 위해 추가 전력이 공급되는 공기공급수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 4사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  37. 제 36항에 있어서, 추가 전력이 공급되는 공기공급수단은 전기모터구동과급기압축기에 있는 것을 특징으로 하는 4사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  38. 제 37항에 있어서, 제어수단은 상기 전기모터구동압축기의 상기 전기모터에 연결되고, 엔진배기의 해로운 오염물의 수준을 낮추기 위해서 상기 터보압축기 공급이 요구될 때 상기 모터로 동력을 공급하여 상기 압축기를 구동하도록 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 4사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  39. 제 38항에 있어서, 상기 제어수단은 상기 전기 모터로 동력을 공급하도록 엔진 rpm, 흡기매니폴드 압력 그리고 엔진 요건을 포함하는 엔진 작동 상태로부터 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 4사이클 내연기관용 과급기 시스템.
  40. 4 사이클 내연기관으로 과급기를 공급하도록 4사이클 내연기관의 배기포트와 흡기포트 모두에 배기가스 구동 터보압축기를 연결하는 단계 ;
    엔진이 저속에서 고속으로 가속되도록 요청될 때 엔진 배기의 해로운 오염물 수준을 낮추도록 요구되므로 4사이클 내연기관에 추가 공기를 공급하도록 전기 모터 구동 원심압축기를 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 4사이클 내연기관용 과급기를 공급하는 방법.
  41. 제 40항에 있어서, 전기 모터구동압축기는 배기가스구동터보압축기에 병렬로 연결되어 엔진이 저속에서 고속으로 가속되도록 요청될 때 엔진배기의 해로운 오염물 수준을 낮추기 위해 추가 공기량을 공급하는 것을 특징으로 하는 4사이클 내연기관용 과급기를 공급하는 방법.
  42. 제 40항에 있어서, 전기모터구동원심압축기는 터보압축기가 배기가스의 저속 유동으로 인하여 저속으로 작동할 때 엔진의 빠른 가속을 위해 적절한 공기를 공급하고 엔진이 가속되도록 요청될 때 엔진배기의 해로운 오염물 수준을 낮추도록 엔진의 흡기포트로 더 높은 압력을 제공하도록 터보압축기와 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 4사이클 내연기관용 과급기를 공급하는 방법.
  43. 제 3항에 있어서, 상기 제 2압축기는 모터보조터보차저의 부품인 것을 특징으로 하는 과급기 시스템.
  44. 제 13항에 있어서, 전기모터는 상기 다른 압축기를 구동할 때 상기 배기가스터빈을 보조하도록 연결되는 것을 특징으로 하는 과급기 시스템.
  45. 제 44항에 있어서, 상기 전기모터는 (a) 상기 다른 압축기로부터 나오는 과급기를 미리 결정된 최소 수준으로 유지시킬 때 상기 배기가스터빈을 보조하도록 제어되어 동력이 공급되고, (b) 상기 배기가스터빈이 내연기관 배기로부터 미리 결정된 높은 수준의 과급기를 제공할 수 있을 때 제어되어 동력 공급이 차단되고, (c) 미리 결정된 가속부하가 상기 내연기관에 요구될 때 제어되어 과동력이 공급되는 것을 특징으로 하는 과급기 시스템.
  46. 제 33항에 있어서, 상기 엔진 배기의 에너지로 상기 흡기포트에 과급기를 미리 결정된 최소 수준으로 제공하도록 그것에 의해 작동되고 상기 제어기에 연결되는 상기 전기모터, 상기 내연기관의 상기 흡기포트로 과급기를 제공하기 위해서 상기 원심과급기압축기와 관련하여 작동할 수 있고 상기 엔진배기구와 연결되는 전기 모터보조 터보차저를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과급기 시스템.
  47. 제 46항에 있어서, 상기 전기 모터는 엔진이 저속에서 고속으로 가속되도록 요청될 때 과동력이 공급되는 것을 특징으로 하는 과급기 시스템.
  48. 제 46항에 있어서, 상기 모터보조 터보차저는 상기 제어기로 로터 속도 신호를 제공하고 상기 제어기는 로터 속도가 미리 결정된 고수준 이상일 때 상기 전기모터로 공급되는 동력을 차단하는 것을 특징으로 하는 과급기 시스템.
  49. 제 36항에 있어서, 상기 추가 전력이 공급되는 공기공급수단은 상기 터보압축기내에 있는 전기모터인 것을 특징으로 하는 과급기 시스템.
  50. 제 40항에 있어서, 내연기관으로 과급기를 공급하여 터보압축기를 보조하도록 배기구동터보압축기와 전기모터를 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  51. 제 50항에 있어서, 상기 전기모터로 전력을 공급하므로서 상기 터보압축기에서 나오는 과급기를 미리 결정된 최소 수준으로 유지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  52. 제 51항에 있어서, 상기 터보압축기가 상기 전기모터의 보조없이 과급기를 미리 결정된 수준으로 제공할 수 있을 때 상기 전기모터로 공급되는 동력을 차단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  53. 제 50항에 있어서, 상기 내연기관이 미리 결정된 수준 이상으로 가속을 요구할 때 상기 전기모터로 전력을 더 높은 수준으로 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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