KR20010023405A - 가스-동압력 파형기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연기관에 충전 공기를 공급하기 위한 가스-동압력 파형기에 관한 것이다. 상기 동압파 기계는 셀(18, 41)을 구비한 로터(6, 40)와, 저압 대기 공급 덕트(14, 38)와, 내연기관에 연결된 고압 충전 공기 공급 덕트(10, 32) 및 내연기관으로부터 뻗어 나온 저압 배기 가스 덕트(3, 31)와, 저압 배기 가스 덕트(4, 35)를 포함한다. 저압 배기 가스 덕트(4, 35)와 고압 가스 배출 덕트(3, 31)는 가스 케이싱(5, 34)에 배치되며, 저압 대기 공급 덕트(14, 38)와 고압 충전 공기 공급 덕트(10, 32)는 공기 케이싱(15, 39)에 배치된다. 낮은 유량 및 온도 레벨에서 고효율을 얻기 위하여, 고압 배기 가스 덕트(31)는 연결부품을 형성하지 않고도 로터쪽에서 확장되며 이 덕트를 넓히기 위한 수단(49, 51)이 제공된다. 또한, 고압 배기 가스 덕트상에 작용하는 가열장치(64)를 이용함으로써, 냉각 시작 동작을 향상시킬 수 있으며, 확장이나 가스 포켓의 도움이 없이도 부분적으로 또는 완전하게 향상시킬 수 있다. 상기 각 방법들은 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

Description

가스-동압력 파형기{Gas-dynamic pressure-wave machine}

예를 들어 CH-A-681 738 호에는 이러한 종류의 압력 파형기가 종래 기술로서 알려져 있다. 본 발명의 대표적인 제 1 목적은, 상이한 측정방법을 통하여 도 1에 개략적으로 도시한 바와 같은 종래기술에 따른 가스-동압력 파형기의 효율을 개선하고자 하는 것이다.

종래기술에 따른 가스-동압력 파형기는 4개의 채널을 포함하지만 포켓과 같은 보조 제어 시스템은 포함하지 않으며, 또한 가스-동압력 파형기는 내연기관에 과급(supercharge)하기 위해 사용하며, 압력파 프로세스는 단지 내연기관의 단일 작동 속도, 다시 말해서 소위 압력 파형기의 설계 포인트(design point)에 따라 조절될 수 있다. 하우징의 벽에서 포켓을 사용함으로써, 압력 파형기를 튜닝(tuning)에 덜 민감하게 설계할 수 있을 뿐만 아니라 부하, 속도, 체적 크기를 상당히 증가시킬 수 있다. 이러한 방법의 단점은 튜닝되지 않은 성능 범위에서 압력파 프로세스가 최적 효율을 산출할 수 없는 2차 프로세스로 전환된다는 것이다. 결과적으로, 포켓내에서 2차 프로세스에 의해, 예를 들면 유입 가스 및 유출 가스와 포켓내에서 압력파 및 팽창파의 발생으로 인하여 손실이 증가한다.

압축 포켓 프로세스(compression pocket process)라고도 불리는 소위 1차 프로세스로부터 주요 프로세스, 즉 튜닝 프로세스로 전환함으로써, 배기를 차단시키는 압력파 프로세스의 교란이 발생하며 이로 인하여 배기 가스를 충전 공기내로 재순환시키는 정도가 더욱 커지게 된다. 시동 동안뿐만 아니라 이 범위에서 재순환이 증가하는 것을 방지하기 위하여, 상기 명세서에서 설명한 바와 같은 밀링 실(milled sill)이나 제어 입구 중 어느 한 가지 형태로 가스 포켓에 연결된 입구가 제공되어야 하지만, 이 입구는 고압 에너지를 저압 프로세스로 전환함으로써 추가의 손실을 발생시킨다.

낮은 유량과 낮은 온도에서, 즉 시동, 공회전동안 또는 부분 부하하에서는 재순환 정도가 강하게 증가한다. 이러한 조건하에서, 표준 압력 파형기는 에너지 레벨이 너무 낮아서 압력파 프로세스를 교란할 수 없을 정도의 튜닝되지 않은 범위에서 운전된다. 표준 기계에 있어서, 상기 범위를 작동 가능하게 하기 위해서는 CH-A-681 738에 기재된 바와 같이 일정 공급이나 가변 공급 중 어느 하나에 의해 로터의 배기를 향상시키도록 로터에 고압 배기 가스를 주입하기 전에 배기 가스의 일부를 가스 포켓으로부터 배출한다. 이 시스템의 단점으로서는, 고압 프로세스에서 정상적으로 이용할 수 있는 배기 가스의 일부가 저압 프로세스로 전환되기 때문에 실질적으로 충전 압력의 증가가 감소된다는 것이다.

본 발명은 내연기관의 충전 공기 공급(charge air supply)을 목적으로 하는 가스-동압력 파형기에 관한 것으로서, 이 기계는 셀(cell)을 구비한 로터와, 저압 대기 입구 채널(low pressure fresh air inlet channel)과, 내연기관에 연결된 고압 충전 공기 채널과, 내연기관으로부터 뻗어 나온 고압 배기 채널과, 저압 배기 가스 채널을 포함하며, 상기 저압 배기 가스 채널과 고압 배기 가스 채널은 가스 하우징내에 포함되며, 저압 대기 입구 채널과 고압 충전 공기 채널은 공기 하우징내에 포함된다.

도 1은 종래기술에 따른 압력 파형기의 로터의 셀을 통하여 전개된 실린더 부분을 개략적으로 도시한 도면.

도 2는 종래기술에 따른 압력 파형기의 로터의 셀을 통하여 전개된 실린더 부분을 개략적으로 확대 도시한 도면.

도 3은 종래기술에 따른 다른 압력 파형기의 로터의 셀을 통하여 전개된 실린더 부분을 개략적으로 확대 도시한 도면.

도 4 및 4a는 본 발명에 따른 압력 파형기의 로터의 셀을 통하여 전개된 실린더 부분을 개략적으로 확대 도시한 도면.

도 5 및 5a는 도 4 및 4a의 실시예의 변형을 도시한 도면.

도 6은 가열 장치와 촉매를 포함하는 압력 파형기를 개략적으로 도시한 도면.

이러한 종래기술의 배경에 따라서, 본 발명의 제 1 목적은 가스 포켓을 사용하지 않고도 낮은 유량과 낮은 온도 조건에서 향상된 효율을 갖는 압력 파형기를 제공하는 것이다. 이러한 목적은 로터측에 고압 배기 가스 채널이 확장되어 있으며 릿지(ridge)를 형성하지 않고도 확장부(enlargement)를 가변시킬 수 있는 수단을 포함하는 압력 파형기에 의해 성취된다.

본 발명의 다른 목적은 가스 포켓이나 압력 파형기의 하우징에서의 리세스들을 통한 조절을 부분적으로 또는 전체적으로 생략할 수 있는 방식으로 압력 파형기의 냉각 시동 특성을 향상시키는 것이다. 이러한 목적은 내연기관의 출구와 고압 배기 가스 채널 사이에 가열 장치를 포함하는 압력 파형기에 의해 얻어진다.

독립항에서 압력 파형기의 다른 장점과 실시예를 설명한다.

이하에서, 일실시예의 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

단순화를 위하여, 도면에서 하나의 압력파 사이클만을 도시하여 설명한다. 그러나, 본 발명은 압력파 사이클 개수와는 상관없으며 단일 사이클이나 두 개 이상의 사이클을 갖는 압력 파형기에 적용할 수도 있다.

도 1은 내연기관(1)뿐만 아니라 압력 파형기의 로터와, 가스-동압력 파형기(2)와, 배기 공기 S를 포함하는 고압 배기 채널(3) 및 저압 배기 가스 채널(4)과, 개별 셀(18)을 구비한 로터(6)와, 독립적으로 구성된 저압 대기 입구 채널(14)을 구비한 대기 입구(8)와, 충전 공기 통로(11)와 교통하며 내연기관(1)과 연결된 고압 충전 공기 채널(10)을 도시한 도면이다.

서두에 이미 언급한 바와 같이, 임의의 추가의 조절 장치없이 4개의 채널이 사용된다면 프로세스는 내연기관의 단일 작동 속도(single operation speed)에 따라서만 조절될 수 있다. 본 명세서에서는 이러한 점을 압력 파형기의 설계 포인트라고 부른다. 하우징의 벽에 포켓을 사용함으로써, 압력 파형기의 튜닝에 덜 민감한 설계가 가능하며, 따라서 이 기계의 부하와, 속도와, 체적 범위를 상당히 증가시킬 수 있다. 수 년 동안에 걸친 이러한 압력 파형기의 발전 과정에서, 예를 들어 도 2에 도시한 바와 같은 하우징 벽과, 수축 포켓(19)과, 팽창 포켓(20)과, 본 분야의 기술자에게 잘 알려진 가스 포켓(21)내에 다른 포켓들이 설치되어 왔다. 이러한 포켓을 사용함으로써 발생되는 단점은 튜닝되지 않은 성능 범위에서 압력파 프로세스가 결코 최적의 효율을 산출하지 못하는 2차 프로세스로 전환된다는 것이다.

보통, 압력 파형기는, 포켓들이 전혀 포함되지 않거나 1개, 2개, 또는 모두 3개의 포켓들이 사용되는 독특한 방법 및 설계법과 같은 공지된 방법에 의해 내연기관의 제조업자에 의해 정의된 바와 같이 보통 모터의 공칭 속도로 최적으로 설계된다.

도 2 내지 도 5는 고압 배기 유동의 작동 방식에 관한 것이다. 도 1과 유사하게, 도 2는 고압 배기 유동에 영향을 미치기 위한 수단을 갖지 않는 고압 배기 가스 채널을 도시한다. 이 도면에서 셀(18)을 갖는 로터(6)를 도시하며, 가스 하우징(24)와, 고압 배기 가스 채널(3)과, 저압 배기 가스 채널(4)을 추가로 도시한다.

이러한 부품들에 추가하여, 도 3은, 예를 들어 서두에 언급한 CH-A-681에 따라서 제공된 바와 같은 가스 포켓(21)을 도시한다. 가스 포켓뿐만 아니라 고압 배기 가스 채널과 가스 포켓 사이에 배치된 필수 부품인 릿지(21a)는, 특히 중간 속도까지 온도가 낮은 경우에 그리고 정상적으로는 분출(blow-off)이 불필요한 내연기관의 유량이 낮은 경우에 추가의 손실을 발생한다.

도 4 및 4a와 도 5 및 5a에서 본 발명에 따른 고압 배기 가스 채널에 영향을 미칠 수 있는 장치를 개략적으로 도시한다.

도 4 및 4a는, 도 3의 가스 포켓과 대조하여 가스 하우징(34)를 포함하는 셀(41)을 구비한 로터(40)를 도시하며, 이 로터는 화살표 50으로 지시한 바와 같이 슬라이드 밸브(49)에 의해 변화될 수 있는 리세스(48)를 포함한다. 도 4a에서, 슬라이드 밸브(49)는 화살표 방향으로 완전하게 끌어 당겨지며, 그 결과 고압 배기 채널은 릿지를 필요로 하지 않고도 확장된다. 본 분야의 기술자로서 예상할 수 있는 슬라이드 밸브의 적당한 조절에 의해, 슬라이드 밸브는 압력파 프로세스내에 생성된 충전 압력이 원하는 레벨로 감소할 때까지 압력이 하강하는 식으로 고압 채널을 확장할 수 있도록 변위될 수도 있다.

도 5 및 도 5a는 관절부(articulation: 52)에서 힌지되며 유사한 전기 제어부에 의해 상술한 바와 같이 작동되어 고압 채널의 확장부(53)를 가능하게 하는 스윙 부품(swinging element: 51)의 형태로 슬라이드 밸브의 다른 실시예를 도시한다.

동시에, 이 장치는 고압 배기 프로세스로부터 저압 프로세스로 전환됨으로써 배기 프로세스를 상당하게 향상시킬 수 있으며 따라서 효율도 상당하게 향상시킬 수 있다. 불꽃 점화 엔진에 관련해서, 또한 이 방법은 원래 알려진 적당한 방법에 의해 원하는 충전 압력의 조절을 통하여 동력을 조절하기 위해 사용될 수도 있다. 이 방법, 즉 고압 배기 가스 채널의 확장과 가스 포켓 대신 릿지의 대체를 통하여 기본 효율을 향상시키게 된다.

특히, 냉각 시동 조건에서 압력 파형기의 효율을 향상시키기 위한 다른 방법을 도 6에 간단하게 개략적으로 도시한다. 동일 부품들은 동일 도면부호로 표시한다. 압력 파형기(30)는 고압 배기 가스 채널(31)과 고압 충전 공기 채널(32)에 의해 내연기관(60), 즉 스파크 점화 엔진에 연결된다. 또한, 압력 파형기는 두 개의 저압 채널(35, 38)과, 공기 입구(8)와, 공기 필터(9)와, 충전 공기 냉각기(12)와, 스로틀(61)을 포함하여, 여기에는 모터 출력부(43)도 도시한다.

냉각 시동 동작을 향상시키기 위하여, 연료 공급(65)과 공기 공급(66)을 포함하는 버너 형태의 가열 장치(64)가 압력 파형기의 고압 배기 가스 채널(31)과 내연기관의 출구 사이에 설치된다. 도면부호 67은 온도 측정기(temperature probe)를 나타낸다. 불꽃 점화 엔진을 포함하는 본 실시예에서, 엔진의 출구와 고압 배기 가스 채널 사이에는 λ-프로브(63)를 포함하는 조절식 3방향 촉매(regulated 3-way catalyst: 62)가 배치되며, 촉매(62)와 압력 파형기 사이에는 가열 장치(64)가 작동하는 데, 다시 말해서 가열 장치는 촉매와 압력 파형기에 작용하므로 양 장치들의 냉각 시동 특성을 향상시킬 수 있다. 특히 효과적인 배기 가스 클리닝을 위하여, 저압 배기 가스 채널과 배기 파이프(68) 사이에는 다른 종류의 촉매, 즉 산화 촉매(69)가 제공된다.

고압 배기 가스 채널에 작용하는 가열 장치를 사용함으로써 압력파 과급기(pressure wave supercharger)가 냉각 시동 동안에 불충분한 에너지 레벨에서 운전되어 가스 포켓을 사용하거나 고압 배기 가스 채널의 확장을 필요로 하는 것을 방지할 수 있게 한다. 따라서, 가열 장치의 사용함으로써 가스 포켓을 향한 유동을 감소시키기나 완전히 방지하며, 충전 압력은 실질적으로 더 빠르게 증가된다. 가스 포켓을 폐쇄함으로써 가열 에너지의 일부가 쓸모없이 버려지는 것을 방지할 수 있다.

이상과 같은 방식은 3방향 촉매가 없는 시스템, 예를 들어 디젤 엔진에서도 적용되며, 이 디젤 엔진은 압력 파형기의 위쪽이나 아래쪽에 상기 산화 촉매만을 포함할 수도 있다.

가열 장치는 종래기술에 해당하였을 압력 파형기의 구조를 향상시킬 수도 있지만, 특히 고압 배기 가스 채널의 확장부와 하나 이상의 촉매를 갖거나 또는 전혀 갖지 않는 압력 파형기에서도 해당한다.

Claims (8)

1. 내연기관의 충전 공기 공급을 위한 가스-동압력 파형기에 있어서,

   셀(18, 41)을 구비한 로터(6, 40)와, 저압 대기 입구 채널(14, 38)과, 내연기관(1, 33)에 연결된 고압 충전 공기 채널(10, 32)과, 내연기관으로부터 뻗어 나온 고압 배기 가스 채널(3, 31)과, 저압 배기 가스 채널(4, 35)을 포함하며,

   상기 저압 배기 가스 채널(4, 35)과 고압 배기 가스 채널(3, 31)은 가스 하우징(5, 34)내에 포함되며, 저압 대기 입구 채널(14, 38)과 고압 충전 공기 채널(10, 32)은 공기 하우징(15, 39)내에 포함되며,

   상기 고압 배기 가스 채널(31)은 로터측에서 확장되며 릿지를 형성하지 않고도 이 확장부를 변화시킬 수 있는 수단(49, 51)을 포함하는 가스-동압력 파형기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 수단은 제어식 슬라이드 밸브(49)를 포함하는 가스-동압력 파형기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 수단은 스윙식 슬라이드 밸브(51)를 포함하는 가스-동압력 파형기.
4. 내연기관의 충전 공기 공급을 위한 가스-동압력 파형기에 있어서,

   셀(18, 41)을 구비한 로터(6, 40)와, 저압 대기 입구 채널(14, 38)과, 내연기관(1, 33, 60)에 연결된 고압 충전 공기 채널(10, 32)과, 내연기관으로부터 뻗어 나온 고압 배기 가스 채널(3, 31)과, 저압 배기 가스 채널(4, 35)을 포함하며,

   상기 저압 배기 가스 채널(4, 35)과 고압 배기 가스 채널(3, 31)은 가스 하우징(5, 34)내에 포함되고, 저압 대기 입구 채널(14, 38)과 고압 충전 공기 채널(10, 32)은 공기 하우징(15, 39)내에 포함되며,

   상기 고압 배기 가스 채널(31)과 내연기관(60) 사이에는 가열 장치(64)가 배치되는 가스-동압력 파형기.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 가열 장치는 공기와 연료 공급장치(66, 65)를 포함하는 버너(64) 또는 전기 가열 장치인 가스-동압력 파형기.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 불꽃 점화 엔진에 연결되며, 상기 3방향 촉매(69)는 엔진(60)이 출구와 압력 파형기의 고압 배기 가스 채널(31) 사이에 배치되는 가스-동압력 파형기.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 저압 배기 가스 채널(35)과 압력 파형기의 출구(68) 사이에는 산화 촉매(69)가 연결되는 가스-동압력 파형기.
8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항과 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 장치(64)는 3방향 촉매(62)와 압력 파형기의 고압 배기 가스 채널(31) 사이에 배치되는 가스-동압력 파형기.