KR20010042710A

KR20010042710A - 터보 과급(過給)되는 내연기관

Info

Publication number: KR20010042710A
Application number: KR1020007011430A
Authority: KR
Inventors: 프랑크프뤼게어
Original assignee: 3케이-워너 터보시스템즈 게엠베하
Priority date: 1998-04-16
Filing date: 1999-04-09
Publication date: 2001-05-25
Also published as: DE19837978A1; DE69904928T2; DE69904928D1; BR9909747A; DE19837978B4; DE69904928T3; KR100815590B1

Abstract

본 발명은 터보과급되는 내연기관(10)에 관한 것으로, 이 내연기관은 적어도 하나의 고압 단계(20)와 상기 고압 단계(20)의 하류 방향으로 배치되는 적어도 하나의 저압 단계(30)와, 파이프 스위치(70,71)를 갖고 엔진(10)의 배기편(12)을 저압 터빈(31)의 입구편에 연결하는 바이패스 파이프(24a,24b)와, 엔진(10)의 작동 변수를 감지하기 위한 센서를 포함하여 구성된다. 상기 고압 터빈(21)은 항상 최저 배기량으로 작동하여 이는 연속적으로 순환하고, 중앙 처리 장치(CPU)가 구비되어 상기 센서의 신호를 받아들이며, 상기 CPU는 파이프 스위치(70,71)가 전체 배기량의 변화 가능한 부분이 고압 터빈(21)과 저압 터빈(31)과 엔진(10)의 새로운 공기편으로 분배되어 흐르도록 작동하게 하여 연료 소모와(또는) 배기량을 최소화할 수 있도록 엔진(10)의 작동 모드를 모두 최적화하도록 한다.

Description

터보 과급(過給)되는 내연기관{Turbocharged internal combustion engine}

두 단계의 과급과정을 가지는 그러한 내연기관은 DE 195 14 572 A1에 개시되어 있는데, 고압의 단계와 저압의 단계가 내연기관의 저속 범위에 있는 터보 과급기(Turbocharger)에 연계 설정된다. 초기의 배기는 고압 터빈으로 그 다음 저압 터빈으로 흐른다. 터보과급된 공기는 먼저 저압 압축기에 의하여 압축된 후 고압압축기에 의하여 압축되고, 열 교환기에서 냉각된 후 내연기관의 새로운 공기 쪽으로 주입된다. 내연기관의 순환 속도가 증가됨에 따라 저압 압축기에서만 압축되는 단일 단계의 압축 과정으로 변환되는데, 따라서, 고압 터빈은 배기편 파이프 스위치에 의하여 완전히 바이패스되고, 고압 압축기는 터보과급하는 공기편 파이프 스위치에 의하여 완전히 바이패스될 수 있다.

그러나 그러한 터보과급하는 과정에서의 변환은 자주 부하를 상승시키고 내연기관의 속도 변화를 발생시키며, 자주 그러한 변화가 터보과급하는 장치 작동의 하나의 단계와 두개의 단계 사이에서 발생되어야 하는 단점이 있었다. 따라서, 승차감의 손실과 연속적이지 못한 가속과 제동 파워 반응이 발생하는 것이다.

청구항 서론에 따른 내연기관은 또한 DE 39 03 563 C1에도 개시되어 있다. 그러나, 상기 특허에서도 터보과급함에 있어서 두 단계에서 한 단계로의 변환이 일어나는데, 이러한 변환은 출구편과 고압 터빈사이에 설치된 파이프 스위치에 의하여 일어나고, 따라서 여기서도 승차감의 손실이 발생한다.

본 발명은 청구항 1의 서론에 기술된 바와 같은 터보 과급(過給)된 내연기관에 관한 것으로, 특히 적어도 하나의 고압과 저압으로의 압력저하 단계를 가지는 터보 과급된 내연기관에 관한 것이다.이때 이 터빈은 싱글 플로(Single Flow),또는 더블 플로(Double Flow)형으로 형성될 수 있고, 또한 고압 터빈의 입구편은 엔진의 배기편에, 그리고 출구편은 저압터빈에 연결될 수 있으며, 입구편의 엔진 배기편을 저압터빈에 연결하는 파이프 스위치에 의하여 잠금가능한 적어도 하나의 바이패스 채널(Bypass Channel)을 포함할 수 있다.

도 1a는 쌍을 이루는 바이패스 흐름을 가지는 두 단계로 터보과급되는 디젤 내연기관의 배기 및 새로운 공기의 플로를 나타낸 순환 다이어그램,

도 1b는 공통의 바이패스 흐름을 가지는 두 단계로 터보 과급되는 디젤 내연기관의 배기 플로 나타낸 순환 다이어그램,

도 2는 이중 플로의 저압 터빈을 위한 쌍을 이루는 바이패스 흐름을 가지는 두 단계로 터보과급되는 디젤 내연기관의 배기 플로를 나타낸 순환 다이어그램,

도 3은 저압 바이패스부를 가지는 도 1a에 따른 배기 및 새로운 공기의 플로를 나타낸 순환 다이어그램,

도 4는 두 단계로 터보 과급되는 V형 디젤 내연기관의 배기 및 새로운 공기의 플로를 나타낸 순환 다이어그램,

도 5와 도 6은 고압 터빈으로 다양한 배열의 터빈이 사용되는 다른 순환 다이어그램,

도 7은 특별한 바이패스 배치을 개시한 순환 다이어그램이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10: 디젤 내연기관 11: 새로운 공기편

12: 배기편 13a,b: 실린더열

20: 고압 단계 21: 고압터빈

22: 고압 압축기 23a,b: 플로(flow)

24,24a,b: 바이패스 채널 30: 저압 단계

31: 저압 터빈 32: 저압 압축기

33a,b: 플로 34: 바이패스부

40: 터보과급공기 냉각기 50: 배기 회귀

60,61,62,62a,b: 파이프 63,63a,b: 마우스 포인트(Mouth Point)

70,71,72: 파이프 스위치 80: 모터 제어기

86: 바이패스 라인 87:파이프 스위치

본 발명은 이러한 청구항 1항 서론에 따른 내연기관의 문제점을 해결하기 위한 것으로 급속한 부하에 대응하고, 연속적이고 제동 파워 반응을 일으키지 않는 변속을 위한 것이다. 터보과급 압력은 가속 즉, 차량이 가속될 때 지체되지 않고, 엔진 요구량에 무한하고 다양하게 적용될 수 있도록 하는 것이다.

이러한 본 발명의 목적은 독립 청구항의 특징에 의하여 해결될 수 있다.

특히, 본 발명의 특징에 따르면 적어도 어떤 범위까지는 고압 터빈을 통한 연속 플로가 있고, 이 플로는 회전하기 때문에 가속할 때 최저의 터보과급 압력이 생기고, 특히 HP 로터의 회전 속도는 가장 바람직한 초기 수준에 있게 된다. 또한, 각각의 배기 플로는 중심 처리부와 파이프 스위치를 구비한 본 발명의 구성에 따라 고압 터빈, 저압 터빈 또는 새로운 공기편에 각 경우에 요구되는 정도로 공급될 수 있고, 따라서 엔진의 작동모드는 최저연료 소비와 최저 배기량을 갖도록 최적화될 수 있다.

부하에 적절히 대응하고 엔진의 회전속도를 증가시킬 수 있도록 고압 터빈은 신속하게 반응하는데, 이는 팽창동작이 고압 터빈 방향으로 이동하기 때문이다. 즉, 파이프 스위치에 의하여 바이패스 채널이 거의 클로즈되어 배기 플로의 대부분이 고압 터빈으로 주입되게 되는 것이다. 부하가 약하고 배기량이 적을때 적은 연료 소비와 낮은 부하, 무엇보다도 배기 대응 압력이 이 작동 범위에서 요구된다면, 배기의 팽창동작은 배기 회귀 후의 파이프 스위치를 적절히 위치시키고 바이패스 채널의 오픈으로 엔진의 회전 속도를 독립적으로 하여 저압 터빈에서 대부분 발생하게 할 수 있다.

상기 파이프 스위치는 회전 속도, 배기량, 터보과급 압력, 터보과급 공기 온도등의 엔진의 작동특성을 기록하는 모터 전자 시스템에 연결되어 엔진의 작동 상태에 따라 연료 소비량와 배기량을 최소화하는 작동 모드로 제어될 수 있다. 결과적으로, 최저 연료 소비량과 최저 배기량은 최적 상태를 위하여 조정되는 것이다. 대기 상태에 따라 부하 상태와 회전 속도, 최적화된 배기 플로의 분리는 새로운 공기편, 고압 터빈, 저압 터빈에서 형성되게 된다.

배기량의 분배가 가능해짐에 따른 또 다른 잇점은 작동 라인이 고압과 저압 압축기의 작동특성에 따라 운행되어 한편으로는 고압축기 효율이 향상되고, 다른 한편으로는 펌핑이 실질적으로 극단의 상태 이하를 유지하게 된다.

이미 기술된 본 발명의 제 1의 주요 기술과는 달리 본 발명의 제 2의 주요 기술에 따르면 또한 이하의 효과를 얻을 수 있다.

내연기관을 저압터빈의 입구편에 연결시키는 바이패스 채널은 절대적으로 필요한 것은 아니다. 두개의 터빈중 하나 - 바람직하게는 고압터빈 - 는 변화가능한 배열을 가질 수 있으며, 무엇보다도 적당한 베인(vane)을 가지는 분배수단을 구비할 수 있다. 예컨대, 고압터빈에 그러한 분배수단이 구비된다면 비록 전체 플로가 고압터빈을 통하더라도 이러한 플로의 비율은 커지거나 적어지도록 조절될 수 있다.

또한, 파이프 스위치를 구비한 바이패스 파이프가 제공될 수 있는데, 이를 통하여 고압 터빈은 바이패스 되어질 수 있다. 이때 또한 분배수단은 항상 조금 열려 있어 적어도 최저 배기량이 고압 터빈을 통하여 확실히 흐르고, 따라서 항상 적어도 최저의 터보과급 압력이 존재하며, 특히 HP 로터의 회전 속도는 바람직한 초기 수준에 있게 된다. 파이프 스위치에 의하여 부가적인 제어를 할 수도 있다.

어떻든 상기한 두개의 주요 기술중 하나를 사용함에 있어 잇점은 내연기관의 작동 변수가 매우 민감하게 달라질 수 있는 것이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세하게 기술된다.

도 1에 도시된 6-실린더 디젤 내연기관(10)은 터보 과급기에 의하여 두 단계로 터보과급된다. 그러기 위하여 고압단계(20)는 단일의 저압단계(30) 전에 배치된다. 고압 터빈(21)과 저압 터빈(31)에 의하여 구동되는 압축기(22,32)에 의하여 새로운 공기는 압축되고, 두개의 터보과급공기 냉각기(40)에서 냉각되며, 배기 회귀 플로(50)의 배기와 일정 퍼센트(_0)로 혼합되어 엔진(10)의 새로운 공기편(11)에 주입된다. 저압 터빈(32)의 로터 직경은 고압 터빈(21)의 로터 직경 보다 큰데, 저압과 고압 터빈의 사이의 로터 직경비(d_L,ND/d_L,HD)는 1.2 내지 1.8 정도이다. 고압 터빈(21) 이중 플로의 두개의 플로(23a,b)은 입구편에서 각각 파이프(60,61)에 의하여 엔진의 배기편(12)과 연결된다. 출구편에서는 플로(23a,b)은 출구편 파이프(63,64)를 통하여 차례로 단일 플로의 저압 터빈(31) 입구편에 연결되는 공통 파이프(62)에 연결된다. 두개의 터보과급공기 냉각기 중 하나는 물론 생략될 수 있다.

엔진(10)의 작동 상태에 따른 터보 과급기의 최적 적용 상태에서 바이패스 채널(24a,24b)는 고압 터빈(21)의 각각의 플로(23a,b)에 대하여 대칭적으로 배치된다. 그 각각은 배기 엘보우(elbow)의 분리된 파이프(60,61)로 흐르고, 고압 터빈(20)을 우회하여 단일 플로의 저압 터빈(30)에 단일 공급을 위한 공통 파이프(62)로 흐르게 된다. 각각의 바이패스 채널(24a,b)에는 흐름의 하류 방향으로 배치된 파이프 스위치(70,71)가 제공된다. 이러한 구조는 배기 엘보우 또는 고압 터빈의 하우징에 설치될 수도 있고, 슬라이드, 밸브, 플랩등의 유사한 장치의 형상을 가질 수도 있으며, 단일 또는 공통으로 CPU에 의하여 제어될 수도 있다.

또한, 배기 회귀 파이프(50)는 압축기(22)에 대하여 상대적으로 새로운 공기편(11)쪽 뒤로 떨어져서 연결된다. 배기중 회귀된 양은 또한 새로운 공기편의 어떤 다른 지점으로 주입될 수 있다. 한편의 파이프 스위치(70)에 의하여 바이패스 채널(24a)는 클로즈되도록 하고, 다른편은 바이패스 채널(24a)이 오픈되도록 하여 부분적인 흐름이 저압 터빈(30)과 배기 회귀 파이프(50)에 필요한 비율(배기 가스 회기 비율≥0)로 분배할 수 있다. 또한, 작동 특성 변수 a1-n 의 기능을 하는 파이프 스위치(70,71,50)의 제어를 위하여 이 파이프 스위치(70,71,50)는 전자 모터 제어기(80)에 연결되는데, 이 모터 제어기는 작동을 위한 배기량의 최적 분배를 가능하게 한다. 바이패스 비율(24a,b)은 달리 조정이 가능하여 전체 배기량 분배가 좀더 자유로울 수 있다.

도 1b에는 내연기관(10)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 이는 도 1a와는 터보 과급기의 형태를 달리하고 있다. 즉, 고압 터빈(21)의 출구편 연결이 두개의 바이패스 채널(24a,b)의 마우스 포인트(63)의 공통 파이프(62) 하류쪽에 제공되는데, 도 1a에서는 상류쪽에 제공되는 것이 다르다.

도 2에는 내연기관(10)의 제 3 실시예가 도시되어 있다. 여기서는 저압 터빈(30)이 이중 플로로 형성되어 있다. 저압 터빈(31)의 두개의 채널(33a,b)은 각각 다른 파이프(62a,62b)로부터 제공되고, 따라서 저압 터빈에는 균일하지 않은 흐름이 제공될 수 있다. 바이패스 채널(24a,b)은 또한 각각 다른 플로(33a,33b)로 나누어 흐르게 되는데, 이는 고압 터빈(21)의 플로(23a,b)가 각각 다른 파이프(62a,62b)로 분리되어 연결되는 것과 같다.

도 3에 도시된 내연기관은 바이패스부(34)을 가지는 저압 터빈(31)을 구비하고 있는데, 상기 바이패스부는 작동 특성 a1-n으로 기능하는 예비압축의 최적화를 위한 파이프 스위치(72)에 의하여 제어될 수 있다. 이는 특히 예컨대, 공간적인 문제로 고압 압축기(22)와 저압 압축기(32) 사이의 압축기 공기의 냉각이 필요없도록 하기 위한 적용(승용차)에 적당하다. 이를 통하여, 예비압축은 저압 단계(30)에 의하여 엔진(10)의 가늠된 파워의 영역에서 의도하는 범위로 제한될 수 있다.

파이프 스위치(72)를 구비한 바이패스 파이프(34)을 통하여 아주 작은 저압(31)을 사용할 수 있다. 이는 엔진의 과운행시 제동 파워를 크게 한다. 따라서 엔진의 가속반응은 이와 함께 향상될 수 있다. 또한, 터보 과급과 배기의 대응압력은 어떤 작동 범위에서는 더 감소될 수 있는데,이는 내연기관의 효율을 더 증가시킬 수 있다.

도 4는 내연기관(10)의 제 5 실시예로서 V8형을 도시한 것이다. 각 실린더열(13a,b)은 다른 고압 단계(20)로 분리된다. 단일 플로의 고압 터빈(21)에는 파이프 스위치(70)를 포함하는 바이패스 채널(24)이 제공된다. 양 고압 터빈(21)의 배기편은 저압 터빈(31)의 입구에 공통으로 연결된다. 여기서 두개의 고압 단계(20)의 바이패스 비율은 달리 세팅할 수 있으므로 전체적인 배기량의 분배도 조절할 수 있다. 기술된 바와 같이 파이프 스위치(70)에 의한 배기 흐름의 분리는 고압 터빈(21)과 저압 터빈(31), 배기 회귀(50)에서 가능하다.

기본적으로 어떤 터빈이라도 단일 플로, 이중 플로로 또는 다양한 터빈 배열을 갖도록 형성될 수 있고, 특히 적당한 베인을 갖는 분배수단이 구비될 수 있다.

도 7에 도시된 다이어그램은 도 3의 다이어그램과 유사하다. 그러나, 이는 고압 압축기를 우회하는 바이패스 라인(86)을 포함하고 있다. 또한, 파이프 스위치(87)도 포함하고 있다. 상기 실시예는 특히 고속에서의 모터 효율과 연료 소모, 배기량에 있어 매우 향상되어 디젤 엔진에 유용한 것으로 판명되었다. 결과를 비교해 볼때 기술적 노력도 상대적으로 적게 소모된다.

본 발명의 구성은 디젤 내연기관의 모터 효율을 향상시키고 연료 소모와 배기량을 감소시키는데 유용하다.

Claims

적어도 하나의 고압 단계(20)와 상기 고압 단계(20)의 하류 방향으로 배치되는 적어도 하나의 저압 단계(30)를 구비하고, 고압 터빈(21)의 입구편과 엔진(10)의 배기편(12), 고압 터빈(21)의 출구편과 저압 터빈(31)은 파이프 (60,61;62,63,64)에 의하여 연결되며, 파이프 스위치(70,71)를 갖고 엔진(10)의 배기편(12)을 저압 터빈(31)의 입구편에 연결하는 바이패스 파이프(24,24a,24b)와 엔진(10)의 작동 변수를 감지하기 위한 센서를 더 포함하는 터보과급되는 내연기관에 있어서,

상기 고압 터빈(21)은 최저 배기량으로 항상 작동하여 이는 연속적으로 순환하고,

중앙 처리 장치(CPU)가 구비되어 상기 센서의 신호를 받아들이며,

상기 CPU는 파이프 스위치(70,71,50)가 전체 배기량의 변화 가능한 부분이 고압 터빈(21)과 저압 터빈(31)과 엔진(10)의 새로운 공기편으로 분배되어 흐르도록 작동하게 하여 연료 소모와 배기량을 최소화할 수 있도록 일정하거나 또는 일정하지 않은 엔진(10)의 작동 모드를 모두 최적화하도록 하는 것을 특징으로 하는 터보과급되는 내연기관.
제 1 항에 있어서, 상기 고압 터빈(21)은 이중 플로를 갖도록 형성되고, 각각의 플로(23a,b)는 서로 분리된 다른 파이프(60,61)에 의하여 배기편과 연결되며, 상기 파이프(60,61)에서 분기되는 하나의 바이패스 채널(24a,b)이 구비되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 각각의 바이패스 채널(24a,b)에는 파이프 스위치(70,71)가 배치되는데, 상기 파이프 스위치는 저압 터빈(31)과 고압 터빈(21), 내연기관(10)의 새로운 공기편(11)으로 부분 플로를 분배시킬 수 있도록 형성되고, 단일하게 (그리고/또는) 공통으로 제어되어질 수 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 바이패스 채널(24,24a,b)과 출구편 파이프는 공통 파이프(62)로 이어지고, 상기 공통 파이프는 저압 터빈(31)으로 연결되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
제 1 항에 있어서, 상기 고압 및 저압 터빈(31)은 이중 플로로 형성되고, 파이프 스위치(70,71)를 갖춘 바이패스 채널(24a,b)과 하나의 출구편 파이프(63,64)가 각 고압편 플로를 위하여 제공되며, 상기 바이패스 채널(24a,b)과 출구편 파이프(63,64)의 각 플로는 다른 파이프(62)를 통하여 저압 터빈(31)의 플로(23a,23b)에 연결되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,상기 파이프 스위치(70,71)는 고압 터빈(21)의 입구편 파이프(60,61)와 바이패스 채널(24,24a,b) 사이의 연결 지점의 하류 방향으로 배치는 것을 특징으로 하는 내연기관
적어도 하나의 고압 단계(20)와;

상기 고압 단계(20) 다음에 배치되는 적어도 하나의 저압 단계(30)와;

고압 터빈(21)의 입구편과 엔진(10)의 배기편(12), 고압 터빈(21)의 출구편과 저압 터빈(31)을 연결하기 위한 파이프와;

엔진(10)의 작동 변수를 감지하기 위한 센서를 포함하여 구성되고,

상기 두 터빈중 적어도 하나는 변화 가능한 터빈 배열과 특히 적당한 베인을 구비한 분배수단을 가지며,

상기 고압 터빈(21)은 적어도 최저 배기량에 의하여 지속적으로 흐르고, 따라서 이는 연속적으로 순환하고,

중앙 처리 장치(CPU)가 구비되어 상기 센서의 신호를 받아들이며,

상기 CPU는 연료 소모와(또는) 배기량을 최소화하는 최적화된 기관(10)의 작동 모드를 갖도록 터빈의 배열을 변화시키는 것을 특징으로 하는 터보 과급되는 내연기관.
제 7 항에 있어서, 상기 고압 터빈(21)을 우회하는 바이패스 파이프를 더 포함하고, 상기 바이패스 파이프에는 파이프 스위치가 구비되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 저압 터빈(31)을 우회하는 바이패스 파이프를 더 포함하고, 상기 바이패스 파이프에는 파이프 스위치가 구비되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 고압 압축기를 우회하기 위한 바이패스 라인(86)을 더 포함하고, 상기 파이패스 라인(86)에는 파이프 스위치(87)가 구비되는 것을 특징으로 하는 내연기관.