KR20060067897A - 터빈 유동 조절 밸브 시스템 - Google Patents

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KR20060067897A
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turbocharger unit
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매튜 비. 델라반
토마스 에이. 그리썸
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보르그워너 인코퍼레이티드
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Abstract

조절 가능한 2 단계 터보차저 시스템(10,100)이 개시된다. 이 터보차저 시스템(10,100)은 서로 연결되는 고압 및 저압 터보차저 유닛(102,104)을 포함한다. 이 터보차저 시스템(10,100)은 고압 및 저압 터보차저 유닛(102,104)의 터빈 부분(12,14)으로 가스 유동을 선택적으로 제어하기 위하여 독립적으로 제어될 수 있는 밸브 부재들(28,30,202,204)을 가진 밸브 시스템(200)을 포함한다. 밸브 부재들(28,30,202,204)은 예컨대 서로 다른 면적(페리미터, 직경 등등)을 가져 비대칭이다.

Description

터빈 유동 조절 밸브 시스템{TURBINE FLOW REGULATING VALVE SYSTEM}
도 1a는 본 발명에 따른 조절 가능한 2 단계 터보차저 시스템을 도시한 사시도;
도 1b는 본 발명에 따른 도 1a에 도시된 조절 가능한 2 단계 터보차저 시스템의 측면도;
도 1c는 본 발명에 따른 도 1a에 도시된 조절 가능한 2 단계 터보차저 시스템의 정면도;
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 대안적인 조절 가능한 2 단계 터보차저 시스템의 정면 사시도;
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 도 2에 도시된 대안적인 조절 가능한 2 단계 터보차저 시스템의 후면 사시도; 및
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 두 번째 대안적인 조절 가능한 2 단계 터보차저 시스템의 개략도이다.
본 발명은 일반적으로 자동차에 사용되는 터보차저에 관한 것으로, 보다 상세하게는 조절 가능한 2 단계 및 연속 터보차저에 사용되는 제어 시스템에 관한 것이다.
터보차저는 일반적으로 관련 분야에 잘 알려져 있다. 기본적으로, 터보차저는 엔진의 배기 가스에 의해 구동되는 원심 공기 펌프이다. 터보차저는 부가 양의 공기 또는 공기-연료 혼합물을 엔진으로 유입시켜 연소 압력 및 엔진 출력의 증가를 돕는다. 이는 상대적으로 더 작은 엔진이 정상 작동 조건 중 수용할 수 있는 연료 경제성을 달성하고 필요시 더 큰 엔진의 증가된 동력 특성을 갖게 한다. 터보차저는 상용 및 승용 차량 모두에 적용되도록 가솔린 및 디젤 엔진 모두에 통합될 수 있다.
터보차저 기술의 예로는 Roby의 미국 특허 No. 6,089,019; Roby 등의 미국 특허 No. 6,263,672; O'Hara의 미국 특허 No. 6,415,846; Deacon의 미국 특허 No. 6,543,228; Pfluger의 미국 특허 No. 6,694,736; Ward 등의 미국 특허 No. 6,709,160; Engels 등의 미국 특허 No. 6,715,288; Huter 등의 미국 특허 No. 6,802,184; 및 Allmang 등의 미국 특허 출원공개 No. 2003/0206798; Jaisle 등의 미국 특허 출원공개 No. 2004/0037716; Decker 등의 미국 특허 출원공개 No. 2004/0062645; Jaisle의 미국 특허 출원공개 No. 2004/0088976; Klingel의 미국 특허 출원공개 No. 2004/0134193; Roby의 미국 특허 출원공개 No. 2004/0194447; 및 Roby의 미국 특허 출원공개 No. 2004/0197212에서 찾아볼 수 있고, 이들의 모든 전 체 명세서는 특히 여기서 참조로 사용된다.
터보차저 기술에 관한 최근의 발전은 조절 가능한 2 단계 또는 연속 터보차저에 있어왔고, 이는 두 개의 상대적으로 더 작은 터보차저 유닛들이 하나의 상대적으로 큰 종래의 터보차저 대신에 사용되는 형태이다. 이러한 조절 가능한 2 단계 터보차저 시스템은 대체로 상대적으로 큰 저압 터보차저 유닛에 연속하여 상대적으로 작은 고압 터보차저 유닛을 사용한다.
그러나, 종래 조절 가능한 2 단계 터보차저는 작은 고압 터보차저 유닛의 터보 속도가 급속히 감소하고 큰 저압 터보차저 유닛의 터보 속도가 급속히 증가하는 중복 변환 시기(overlapping transition period) 중 특히 만족스럽지 못한 특성을 나타내었다. 이러한 현상은 저압 터보차저 유닛이 특정 필요 터보 속도에 도달하기 전에 발생하는 토크의 순간적인 손실 때문인 것으로 여겨진다. 변환 기간 중 이러한 토크의 "급강하"는 매우 인식 가능하고, 많은 운전자들, 특히 고가 고성능의 고급 대형 차량을 운전하는 운전자들에게는 분만족스러운 부분이다.
따라서, 고압 및 저압 터보차저 유닛의 작동 사이에 상대적으로 부드럽고 인식 불가능한 변환기를 제공하는 새롭고 개량된 조절 가능한 2 단계 터보차저 시스템에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 목적은 새롭고 개량된 터보차저 시스템을 제공하는 것이다.
특히, 본 발명은 필요한 엔진 토크 특성 및 일시적인 반응의 유지에 중요한 것으로 여겨지는 단계 로딩(stage loading)의 조절과 함께, 일련의/연속적인 터보차저 시스템에서 터빈 단계들 사이에서 사용되는 유동 조절 밸브를 제공한다.
보다 상세하게는, 본 발명은 두 개의 밸브 부재를 구비한다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 두 개의 밸브 부재는 서로 다른 면적 및/또는 크기(예: 페리미터(perimeter), 직경, 포트 직경 등)를 갖는다. 본 발명의 다른 측면에 따르면, 두 개의 밸브 부재(동일 크기 또는 다른 크기 및/또는 면적)는 서로 독립적으로 개방되도록(즉, 가동되도록) 작동 가능하다.
비한정적 실시 형태로서, 포트 직경이 다른 두 밸브를 사용함으로써, 작은 직경의 포트 밸브가 먼저 개방될 수 있고, 평행한 두 밸브를 동시에 개방하거나 같은 포트 직경의 두 밸브를 동시에 개방하는 것과 비교하여 초기 밸브 개방의 유동을 줄일 수 있다. 비한정적 실시 형태로서, 제1 포트 유동이 개방 각의 변화에 따라 거의 선형적으로 증가할 때, 제2 밸브는 개방되기 시작하고, 동일한 최대 유동 용량으로 더 우수한 유동 조절이 가능하게 한다. 본 발명의 특정 작동 원리에 제한되지 않고, 최대 유동 용량 및 유동 조절은 포트 면적에서 가장 큰 차이를 가지는 전체 유동 면적을 위한 포트 직경의 적절한 선택에 의해 최적화된다고 믿어진다.
본 발명의 제1 실시 형태에 따르면: (1)고압 터보차저 유닛; (2)상기 고압 터보차저 유닛과 작동 가능하게 연결되는 저압 터보차저 유닛; 및 (3) 상기 고압 터보차저 유닛 또는 저압 터보차저 유닛과 작동 가능하게 연결되는 밸브 시스템을 포함하며, 상기 밸브 시스템은 가스 유동을 고압 터보차저 유닛 또는 저압 터보차저 유닛으로 선택적으로 계량 공급하도록 작동할 수 있는 적어도 두 개의 밸브 부재들을 포함하는 터보차저 시스템이 제공된다.
본 발명의 제2 실시 형태에 따르면: (1)터빈 부분을 가진 고압 터보차저 유닛; (2) 상기 고압 터보차저 유닛과 작동 가능하게 연결되는 터빈 부분을 가진 저압 터보차저 유닛; 및 (3) 상기 고압 터보차저 유닛의 터빈 부분 또는 저압 터보차저 유닛의 터빈 부분과 작동 가능하게 연결되는 밸브 시스템을 포함하며, 상기 밸브 시스템은 고압 또는 저압 터보차저 유닛의 터빈 부분으로 가스 유동을 선택적으로 계량 공급하도록 작동할 수 있는 적어도 두 개의 밸브 부재들을 포함하는 터보차저 시스템이 제공된다.
본 발명의 제3 실시 형태에 따르면: (1)터빈 부분을 가진 고압 터보차저 유닛; (2) 상기 고압 터보차저 유닛과 작동 가능하게 연결되는 터빈 부분을 가진 저압 터보차저 유닛; 및 (3) 상기 고압 터보차저 유닛의 터빈 부분 또는 저압 터보차저 유닛의 터빈 부분과 작동 가능하게 연결되는 밸브 시스템을 포함하며, 상기 밸브 시스템은 고압 또는 저압 터보차저 유닛의 터빈 부분으로 가스 유동을 선택적으로 계량 공급하도록 작동할 수 있는 적어도 두 개의 밸브 부재들을 포함하고, 상기 밸브 부재들은 상기 밸브 시스템에 의해 독립적 또는 연속적으로 작동될 수 있는 터보차저 시스템이 제공된다.
본 발명의 제4 실시 형태에 따르면, (1)고압 터보차저 유닛; (2)상기 고압 터보차저 유닛과 작동 가능하게 연결되는 저압 터보차저 유닛; 및 (3) 상기 고압 터보차저 유닛 또는 저압 터보차저 유닛과 작동 가능하게 연결되는 밸브 시스템을 포함하며, 상기 밸브 시스템은 가스 유동을 고압 터보차저 유닛 또는 저압 터보차저 유닛으로 선택적으로 계량 공급하도록 작동할 수 있는 적어도 두 개의 밸브 부재들을 포함하고, 상기 밸브 부재들은 서로 비대칭인 터보차저 시스템이 제공된다.
본 발명의 제5 실시 형태에 따르면, (1)터빈 부분을 가진 고압 터보차저 유닛; (2) 상기 고압 터보차저 유닛과 작동 가능하게 연결되는 터빈 부분을 가진 저압 터보차저 유닛; 및 (3) 상기 고압 터보차저 유닛의 터빈 부분 또는 저압 터보차저 유닛의 터빈 부분과 작동 가능하게 연결되는 밸브 시스템을 포함하며, 상기 밸브 시스템은 고압 또는 저압 터보차저 유닛의 터빈 부분으로 가스 유동을 선택적으로 계량 공급하도록 작동할 수 있는 적어도 두 개의 밸브 부재들을 포함하고, 상기 밸브 부재들은 서로 비대칭인 터보차저 시스템이 제공된다.
본 발명의 제6 실시 형태에 따르면, (1)터빈 부분을 가진 고압 터보차저 유닛; (2) 상기 고압 터보차저 유닛과 작동 가능하게 연결되는 터빈 부분을 가진 저압 터보차저 유닛; 및 (3) 상기 고압 터보차저 유닛의 터빈 부분 또는 저압 터보차저 유닛의 터빈 부분과 작동 가능하게 연결되는 밸브 시스템을 포함하며, 상기 밸브 시스템은 고압 또는 저압 터보차저 유닛의 터빈 부분으로 가스 유동을 선택적으로 계량 공급하도록 작동할 수 있는 적어도 두 개의 밸브 부재들을 포함하고, 상기 밸브 부재들은 상기 밸브 시스템에 의해 독립적 또는 연속적으로 작동될 수 있으며, 상기 밸브 부재들은 서로 비대칭인 터보차저 시스템이 제공된다.
본 발명의 적용 가능한 다른 부분은 이후의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 상세한 설명과 특정 예는 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 것으로 단지 예시를 위한 것이며 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조한 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예(들)에 대한 다음 설명은 사실상 하나의 예시에 불과하며, 어떤 방법으로든 본 발명, 그 응용 또는 사용을 한정하기 위한 것은 아니다.
여기서 사용되는 "유체"라는 용어는 공기, 배기 가스 등을 포함하여(이에 한정되지 않음) 임의의 가스 물질을 포함하는 의미이다.
여기서 사용되는 "유체 소통(fluid communication)"이라는 어구는 파이프, 도관, 튜브, 호스 등을 포함하여(이에 한정되지 않음) 하나의 구성 요소가 유체를 수용하거나 및/또는 두 번째 구성 요소로 유체를 주입할 수 있는 임의의 구조물을 포함하는 의미이다.
여기서 사용되는 "가스 유동(gas flow)"이라는 어구는 공기 유동, 배기가스 유동 등을 포함하여(이에 한정되지 않음) 임의의 가스 유동 또는 흐름을 포함하는 의미이다.
일반적으로 도면들, 특히 도 1 내지 3을 참조하면, 조절 가능한 2 단계 터보차저 조립체가 일반적으로 참조 번호 10으로 지시되어 있다. 이 조립체(10)는 두 개의 배기가스 터빈 시스템(12,14)을 각각 포함한다. 연관된 압축기 시스템들은 본 발명을 명확화를 위하여 도시되지 않았다.
제1 터빈 시스템(12)은 고압 터빈이고, 저압 터빈 시스템(14)과 일렬로 연결된다. 상기 조립체(10)는 또한 고압 터빈 파이프(18)에 연결되는 흡입 파이프(16)를 포함한다. 제1 흡입 포트(20)가 배기가스를 차량의 엔진(도시하지 않음)에서 흡입 파이프(16) 또는 조립체(10)의 포트 흡입 파이프(24)로 공급하기 위하여 제2 흡입 포트(22)와 함께 작동한다.
낮은 엔진 속도에서 정상적인 터보차지 작동 중, 엔진의 배기가스는 저압 터빈(14)과 유사한 하나의 큰 저압 터빈을 작동시키기에 충분한 에너지를 발생시키지 않지만, 이러한 배기가스는 고압 터빈(12)과 같은 더 작은 터빈을 작동시키기에 충분한 에너지를 제공한다. 제1 작동 모드에서, 배기가스는 제1 흡입 포트(20), 제2 흡입 포트(22), 흡입 파이프(16), 고압 터빈 파이프(18) 및 마지막으로 고압 터빈(12)으로 연속적으로 흐른다. 그러면, 고압 터빈은 연관된 컴프레서(도 2에 도시된 구성 부분(32))를 회전시켜 압축 공기를 엔진 출력 및 토크를 증가시키도록 흡입 매니폴드로 주입한다. 엔진의 속도가 증가함에 따라, 배기가스 압력 및 에너지도 증가한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 고압 터빈(12)의 배기 유동은 연속된 저압 터빈(14)으로 유입된다. 이는 저압 터빈(14)을 작동시킬 충분한 에너지가 존재하지 않을 때 중요하다. 속도 및 하중이 형성됨에 따라, 저압 터빈(14)은 연속된 고압 터빈(12)과 함께 흡입 압력을 증가시킨다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 포트(20) 및 제2 포트(22)는 흡입 파이프 (16)를 통해 서로 소통하며, 이는 비대칭 밸브들이 제1 모드(예: 가벼운 하중)에서 완전히 개방된 제2 모드(예: 무거운 하중)로 변환시 독립적인 제어로 작동하도록 한다. 따라서, 압력은 좌측 및 우축 배기 매니폴드 사이에서 균형이 맞춰진다. 포트들(20,22) 사이에 소통 없다면, 엔진은 압력의 균형을 이루지 않을 것이다.
제2 작동 모드에서, 엔진의 배기가스는 포트 흡입 파이프(24)를 통과하고 고압 터빈(12)을 바이패스하여 직접 저압 터빈(14)으로 흐르며, 연관된 컴프레서(도 2에 도시된 구성 요소(34))를 회전시켜 높은 엔진 속도에서 압축 공기를 엔진의 흡입 매니폴드에 제공한다. 고압 터빈(12)은 더 높은 엔진 속도에서 효율성을 상실하고, 더 큰 저압 터빈(14)이 더 높은 엔진 속도 범위에서 엔진 출력을 효율적으로 증가시키는데 사용된다.
본 발명은 일반적으로 종래 조절 가능한 2 단계 터보차저 시스템에서 발견되는 고압 터빈에서 저압 터빈으로 전환 특징이 좋지 않은 문제점을 극복하고, 주로 낮은 엔진 속도에서 성능에 영향을 미치는 고압 터빈(12)에서 주로 높은 엔진 속도에서 성능에 영향을 미치는 저압 터빈(14)으로 부드러운 전환이 가능하게 한다. 본 발명은 배기가스 유동을 각각 고압 및 저압 터빈(12,14)으로 선택적으로 조절하도록 작동할 수 있는 밸브 시스템(26)을 구비한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 밸브 시스템(26)은 적어도 하나의 밸브 부재를 독립적으로 또는 연속적으로 조절하도록 작동할 수 있고, 본 발명의 다른 측면에 따르면 가스 유동(예: 배기 가스)을 조절하기 위해 적어도 두 개의 밸브 부재를 독립적으로 또는 연속적으로 조절하도록 작동할 수 있다. 본 발명의 다른 측 면에 따르면, 상기 밸브 시스템(26)의 밸브 부재들은 다른 직경(예: 포트 직경)을 가지는 것과 같이(이에 한정되지 않음) 서로 비대칭이다. 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 밸브 시스템(26)의 밸브 부재는 서로 다른 면적(예: 페리미터(perimeter), 직경 등)을 가진다.
상기한 바와 같이, 엔진 속도가 증가함에 따라, 배기 유동 및 압력도 증가한다. 배기 압력이 미리 설정된 어떤 값에 도달할 때, 비교적 작은 밸브 부재(28)(예를 들어, 밸브 시스템(26) 내에 배치되거나 밸브 시스템(26)과 작동가능하게 연관된)가 배기가스가 고압 터빈(12)을 바이패스하여 직접 저압 터빈(14)으로 흐르도록 개방된다. 배기 압력이 증가함에 따라, 비교적 큰 밸브 부재(30)(예를 들어, 역시 밸브 시스템(26) 내에 배치되거나 밸브 시스템(26)과 작동가능하게 연관된)가 더 고압인 배기가스가 저압 터빈(14)으로 흐르도록 개방된다. 작은 밸브 부재(28) 및 큰 밸브 부재(30)의 개폐는 고압 터빈(12)의 사용 상태에서 저압 터빈(14)으로 부드러운 전환을 제공하도록 조절될 수 있고, 따라서 고압 터빈과 저압 터빈의 작동 사이의 전환에서 토크의 순간적인 감소를 제거하거나 적어도 줄일 수 있다.
비한정적인 실시예로서, 밸브 부재(28,30)는 각각 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형 등을 포함하는(이에 한정되지 않음) 여러 형태로 형성될 수 있다.
비한정적인 실시예로서, 밸브 부재(28,30)는 각각 기계적 방법(예: 스프링 또는 다른 편향가능 부재, 공전 장치 등), 공압적 방법, 전자적 방법(예: 펄스 폭 변조(PWM) 솔레노이드) 및 기계적, 공압적 및/또는 전자적 방법의 조합을 포함하는 여러 방법에 의해 제어될 수 있다. 또한, 차량 ECU와 같은(이에 한정되지 않음) 부 가적인 제어 메커니즘은, 예를 들어 적절한 모니터링 장치와 결합하여 밸브 시스템(26)의 작동을 감시 및/또는 제어할 수 있다.
본 발명의 제1 대체 실시예에 따라, 흡입 및 배기가스 모두에 대한 의도된 유동 작동이 특히 도 2 및 도 3을 참조하여 기술한다.
배기가스는 제1 흡입 포트(20) 및 제2 흡입 포트(22)로 흐른다. 밸브 부재들(28,30)이 폐쇄되어 있을 때, 가스는 고압 터빈(12)을 통하여 저압 터빈(14)으로 흐른다. 고압 터빈(12)은 컴프레서(32)에 작동 가능하게 연결된다. 고압 터빈(12)의 속도가 증가함에 따라 컴프레서(32) 또한 속도가 증가하고, 튜브 부분(36)으로 들어온 새로운 공기는 압축되어 다른 튜브 부분(38)으로 주입된다. 그런 다음, 압축 공기는 계속 다른 튜브 부분(40)으로 이동하고, 마지막으로 엔진의 흡입 매니폴드로 유입된다.
작은 밸브 부재와 큰 밸브 부재(28,30)가 각각 모두 완전히 개방될 때, 배기가스는 직접 저압 터빈(14)으로 흐른다. 저압 터빈(14)은 컴프레서(34)에 작동 가능하게 연결되고, 저압 터빈(14)의 속도가 증가함에 따라 회전 속도가 증가한다. 상기 컴프레서(34)는 큰 흡입 파이프(42)로부터 공기를 받아들여 압축하고, 고압 가스 유동은 튜브 부분(40) 밖으로 유출된다. 상기 튜브 부분(40)은 바람직하게는 튜브 부분(36)을 통하여 컴프레서(32)로 공기를 공급하기 위한 제1 연결기 튜브(44)와, 압축된 공기를 튜브 부분(38)에서 다른 튜브 부분(40)으로 전달하는 제2 연결기 튜브(46)를 포함한다. 튜브 부분(48)은 저압 터빈(14)을 통과한 배기가스가 차량의 배기 시스템으로 공급되도록 한다.
도 4에는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 두 번째 대안적인 조절 가능한 2 단계 터보차저 시스템의 개략도가 도시되어 있다.
조절 가능한 2 단계 터보차저 시스템은 전체적으로 참조 번호 100으로 지시하였다. 상기 터보차저 시스템(100)은 두 개의 배기가스 터빈 시스템(102,104)을 각각 포함한다. 연관된 컴프레서 시스템(106,108)은 각각 예를 들어 축 부재(102a, 102b)를 통해 터빈 시스템(102,104)과 각각 작동 가능하게 연결된다.
제1 터빈 시스템(102)은, 저압 터빈 시스템(104)에 일렬로 유체 소통가능하게 연결되는 고압 터빈이다. 고압 터빈 시스템(102)은 예컨대 도관(114)과 배기 매니폴드 시스템(112)을 통해 엔진 시스템(110)과 유체 소통가능하다. 고압 터빈 시스템(102)은 예를 들어 도관(116)을 통해 저압 터빈 시스템(104)과 유체 소통가능하다.
배기 매니폴드 시스템(112)은 예컨대 도관(120)을 통해 엔진(118)과 작동 가능하게 연결되고 및/또는 유체 소통 가능하다. 이러한 식으로, 엔진(118)의 작동으로 발생한 배기가스는 예컨대 배기 뱅크(122,124)를 통해 예컨대 각 도관(122a, 124a)을 통하여 임의적인 EGR 밸브(126)를 거쳐 배기 매니폴드 시스템(112)으로 향하고, 궁극적으로는 터보차저 시스템(100)으로 향한다. 또한, 흡입 매니폴드 시스템(128)은, 공기를 예컨대 도관(132a)을 통하여 엔진 시스템(110), 특히 실린더(132)로 주입할 수 있도록, 예컨대 도관(130)을 통해 엔진(118)과 작동 가능하게 연결되고 및/또는 유체 소통 가능하다. 임의적인 인터쿨러 시스템(134)이 예컨대 도관(130)을 통해 흡입 매니폴드와 작동 가능하게 연결되고 및/또는 유체 소통가능 하다ㅏ. 임의적인 제2 인터쿨러 시스템(134a)이 컴프레서 시스템(106,108) 중 하나와 각각 작동 가능하게 연결되고 및/또는 유체 소통 가능하다. 도면에는 V-8 엔진 시스템이 도시되어 있지만, 본 발명은 V-4, V-6 및/또는 직렬 엔진 형태(예: I-4, I-5, I-6 등)을 포함하는(이에 한정되지 않음) 모든 엔진 형태에서 실행될 수 있다.
본 발명은 저압 터빈 시스템(104)으로 배기가스 유동을 선택적으로 조절하도록 작동할 수 있어, 가스 유동 조건/요건을 우수하게 충족시키고 터보차저 시스템(100)의 전체적 반응 및 성능을 향상시킬 수 있는 임의적인 밸브 시스템(200)을 구비한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 밸브 시스템(200)은 가스 유동(예: 배기가스 유동), 예컨대 저압 터빈 시스템(104)을 통한 가스 유동을 제어하기 위하여 적어도 두 개의 터빈 조절 밸브 부재(202,204)를 각각 독립적 또는 연속적으로 제어하도록 선택적으로 작동할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 밸브 시스템(200)은 가스 유동(예: 배기가스)을 제어하기 위하여 적어도 하나의 밸브 부재를 독립적 또는 선택적으로 제어하도록 작동할 수 있고, 본 발명의 다른 측면에 따르면 적어도 두 밸브 부재를 독립적 또는 선택적으로 제어하도록 작동할 수 있다. 본 발명의 다른 측면에 따르면, 밸브 시스템(200)의 밸브 부재들은 다른 직경(예: 포트 직경)을 가지는 것과 같이(이에 한정되지 않음) 서로 비대칭이다. 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 밸브 시스템(200)의 밸브 부재들은 서로 다른 면적(예: 페리미터(perimeter), 직경 등)을 가진다.
터빈 조절 밸브 부재(202, 204)는 각각 예컨대 도관(202a,204a)을 통하여 배기 매니폴드 시스템(112)과 유체 소통 가능하다. 상기 터빈 조절 밸브 부재(202,204)는 또한 예컨대 도관(206)을 통해 저압 터빈 부분(104)과 유체 소통 가능하다. 도관(208)은 배기가스가 저압 터빈 부분(104)에서 나와 예컨대 폐기구(waste gate) 또는 배기 시스템(도시되지 않음)으로 유입되도록 한다. 임의적인 폐기구 또는 터빈 바이패스 시스템(예: 밸브 부재)(300)은 도관(300a,300b)과 유체 소통 가능하며, 그 목적은 이하에서 설명될 것이다.
비한정적인 실시예로서, 터빈 조절 밸브 부재(202,204)는 각각 기계적 방법(예: 스프링 또는 다른 편향가능 부재, 공전 장치 등), 공압적 방법, 전자적 방법(예: 펄스 폭 변조(PWM) 솔레노이드) 및 기계적, 공압적 및/또는 전자적 방법의 조합을 포함하는 여러 방법에 의해 제어될 수 있다. 또한, 차량 ECU와 같은(이에 한정되지 않음) 부가적인 제어 메커니즘은, 예를 들어 적절한 모니터링 장치와 결합하여 밸브 시스템(200), 더 구체적으로 터빈 조절 밸브 부재(202,204) 각각의 작동을 감시 및/또는 제어할 수 있다.
비한정적인 실시예로서, 임의적인 폐기구 또는 터빈 바이패스 밸브 부재(300)는 기계적 방법(예: 스프링 또는 다른 편향가능 부재, 공전 장치 등), 공압적 방법, 전자적 방법(예: 펄스 폭 변조(PWM) 솔레노이드) 및 기계적, 공압적 및/또는 전자적 방법의 조합을 포함하는 여러 방법에 의해 제어될 수 있다. 또한, 차량 ECU와 같은(이에 한정되지 않음) 부가적인 제어 메커니즘은, 예를 들어 적절한 모니터 링 장치와 결합하여 폐기구 또는 터빈 바이패스 밸브 부재(300)의 작동을 감시 및/또는 제어할 수 있다.
임의적인 컴프레서 바이패스 시스템(예: 밸브 부재)(400)은 고압 컴프레서 부분(106)과 유체 소통 가능하고, 그 목적은 이하에서 설명될 것이다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 컴프레서 바이패스 시스템(400)은 수동적으로 제어된다. 상기 컴프레서 바이패스 밸브 부재(400)는 또한 예컨대 도관(400c, 400d)을 통하여 (저압 컴프레서 부분(108)에서 나오는)도관(400a) 및 (임의적인 인터쿨러 시스템(44)으로 들어가는)도관(400b)과 유체 소통 가능하다. 상기 컴프레서 바이패스 밸브 부재(400)의 목적은 이하에서 설명될 것이다. 새로운 공기는 도관(108a)을 통해서 저압 컴프레서 시스템(108) 및 그 하류 구성 요소에 유입된다.
낮은 엔진 속도와 하중 조건이 존재하는 곳에서, 엔진 속도 및 하중은 상대적으로 낮고, 그에 따른 배기 유동 및 압력 또한 상대적으로 낮다. 이 경우, 엔진(118)은 작동하여 결국 배기 매니폴드 시스템(112)으로 향하는 배기가스 유동을 생성한다. 각각의 터빈 조절 밸브(202,204), 임의적인 폐기구 또는 터빈 바이패스 밸브 부재(300) 및 임의적인 컴프레서 바이패스 밸브 부재(400)는 모두 폐쇄된다. 즉, 배기가스 유동이 흐를 수 없다. 상기한 바와 같이, 하나 이상의 이러한 여러 밸브 부재의 능동적인 제어는 차량의 ECU 뿐만 아니라 그것과 연결되는 여러 센서를 사용하여 달성될 수 있다.
따라서, 배기가스 유동은 고압 터빈 시스템(102)을 통하여 흘러야 한다. 상기 고압 터빈 시스템(102)은 예컨대 도관(116)을 통하여 저압 터빈 시스템(104)과 유체 소통 가능하므로, 배기가스 유동의 적어도 일부는 저압 터빈 시스템(104)으로 유입된다.
고압 터빈 시스템(102)의 속도가 증가함에 따라, 연관된 고압 컴프레서 시스템(106)도 속도가 증가한다. 저압 터빈 시스템(104)도 고압 터빈 시스템(102)보다 적은 정도이기는 하나 어느 정도 속도가 증가하고, 연관된 저압 컴프레서 시스템(108) 역시 고압 컴프레서 시스템(106)보다 적은 정도이기는 하나 어느 정도 속도가 증가한다. 이런 식으로, 예컨대 도관(108a)을 통해 들어오는 새로운 공기는 예를 들어 저압 컴프레서 시스템(108) 및 고압 컴프레서 시스템(106)을 통해 압축되고 결국 엔진(118)의 흡입 매니폴드(128)로 주입된다.
엔진 속도가 변경 및 하중 조건이 존재하는 곳에서, 엔진 속도 및 하중은 증가하고, 그에 따른 배기 유동 및 압력도 증가한다. 이 경우, 엔진(118)은 계속 구동하여 결국 배기 매니폴드 시스템(112)으로 향하는 증가된 배기가스 유동을 생성한다. 터빈 조절 밸브(204), 폐기구 또는 터빈 바이패스 밸브 부재(300) 및 컴프레서 바이패스 밸브 부재(400)는 모두 폐쇄되며, 즉 배기가스 유동은 흐를 수 없다. 상기한 바와 같이, 하나 이상의 이러한 여러 밸브 부재들의 능동적인 제어는 차량의 ECU 뿐만 아니라 이에 연결되는 여러 센서를 통하여 달성된다. 그러나, 터빈 조절 밸브(202)가 개방되어, 즉 배기가스 유동은 이를 통하여 흐를 수 있다.
따라서, 배기가스 유동의 적어도 일부는 고압 터빈 시스템(102)을 통하여 흘러야 한다. 터빈 조절 밸브(202)가 예컨대 도관(206)을 통하여 저압 터빈 시스템(104)과 유체 소통 가능하기 때문에, 배기가스 유동의 적어도 일부는 저압 터빈 시 스템(104)으로 유입된다.
고압 터빈 시스템(102)의 속도가 증가함에 따라, 연관된 고압 컴프레서 시스템(106) 역시 속도가 증가한다. 저압 터빈 시스템(104)도 고압 터빈 시스템(102) 정도로 속도가 증가하고, 연관된 저압 컴프레서 시스템(108)도 거의 고압 컴프레서 시스템(106) 정도로 속도가 증가한다. 이러한 식으로, 예컨대 도관(108a)으로 유입된 새로운 공기는 예컨대 저압 컴프레서 시스템(108) 및 고압 컴프레서 시스템(106)을 통해 압축되고 결국 엔진(118)의 흡입 매니폴드(128)로 유입된다.
정격 엔진 속도 및 하중 조건이 존재하는 곳에서, 엔진 속도 및 하중은 최대값에 도달하고, 그에 따른 배기 유동 및 압력 역시 최대값에 도달한다. 이 경우, 엔진(118)은 다시 계속 구동하여 결국 배기 매니폴드 시스템(112)으로 향하는 최대 배기가스 유동을 생성한다. 각각의 터빈 조절 밸브(202,204), 임의적인 폐기구 또는 터빈 바이패스 밸브 부재(300), 임의적인 컴프레서 바이패스 밸브 부재(400) 모두는 개방된다. 즉, 배기가스 유동은 흐를 수 있다. 상기한 바와 같이, 하나 이상의 이러한 여러 밸브 부재들의 능동적인 제어는 차량의 ECU 뿐만 아니라 이와 연결된 여러가지 센서를 통하여 달성될 수 있다.
따라서, 배기가스 유동 또는 적어도 그 유동의 주요 부분은 고압 터빈 시스템(102)으로 흐르지 않고, 즉 상기 고압 터빈 시스템(102)을 우회한다. 배기 매니폴드 시스템(112)이 예컨대 도관(202a,204a)을 통해 터빈 바이패스 시스템(200)과 유체 소통 가능하기 때문에, 배기 가스 유동의 전부 또는 적어도 주요 부분은 저압 터빈 시스템(104)에 유입된다. 폐기구 또는 터빈 바이패스 밸브 부재(300)도 개방 되기 때문에, 예를 들어 배기가스 유동 압력이 저압 터빈 시스템(104) 또는 터보차저 시스템(100) 및/또는 엔진 시스템(110)의 다른 구성 요소를 손상시킬 수 있는 소정 수준을 초과한다면 배기가스 유동의 적어도 일부는 저압 터빈 시스템(104)을 우회할 수 있다.
상기 저압 터빈 시스템(104)이 최대 속도일 때, 연관된 고압 컴프레서 시스템(108) 역시 최대 속도에 도달한다. 이러한 식으로, 예컨대 도관(108a)을 통해 유입된 새로운 공기는 예컨대 저압 컴프레서 시스템(108)을 통해 압축되고 결국 엔진(118)의 흡입 매니폴드(128)로 유입된다. 배기가스 유동은 고압 터빈 시스템(102)을 본질적으로 우회하지만, 최소량의 배기가스 유동은 통과할 수 있어 연관된 고압 컴프레서 시스템(106)을 어느 정도 작동하게 할 수 있다. 그렇긴 하지만 컴프레서 바이패스 밸브 부재(400)가 개방되어 고압 컴프레서 시스템(106)이 우회되거나 본질적으로 우회될 수 있다. 상기 컴프레서 바이패스 밸브 부재(400)의 용도는 저압 컴프레서 시스템(108)에서 나온 고속의 공기가 예컨대 도관(400a)을 통해 방출될 때 고압 컴프레서 시스템(106)가 손상되는 것을 방지하는 것이다. 또한, 상기 컴프레서 바이패스 밸브 부재(400)도 전체적인 시스템 효율을 향상시킨다. 따라서, 고속 공기 유동은 도관(400c,400d)을 각각 통과하여 도관(400b) 그리고 결국에는 흡입 매니폴드(122)로 이동할 수 있다.
이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 2 단계 터보차저 시스템은 고압 및 저압 터보차저 유닛의 작동 사이에 상대적으로 부드럽고 인식 불가능한 변환기를 제공할 수 있는 장점이 있다.
여기서 본 발명의 설명은 단지 특징적인 예에 불과하며, 따라서 본 발명의 범위 내에서 발명의 요지를 벗어나지 않는 변형이 이루어질 수 있다. 이와 같은 변형은 발명의 개념 및 범위를 벗어나는 것으로 간주되어서는 안될 것이다.

Claims (10)

  1. 고압 터보차저 유닛(102);
    상기 고압 터보차저 유닛(102)과 작동 가능하게 연결되는 저압 터보차저 유닛(104); 및
    상기 고압 터보차저 유닛(102) 또는 저압 터보차저 유닛(104)과 작동 가능하게 연결되는 밸브 시스템(26,200)을 포함하며:
    상기 밸브 시스템(26,200)은 가스 유동을 고압 터보차저 유닛(102) 또는 저압 터보차저 유닛(104)으로 선택적으로 계량 공급하도록 작동할 수 있는 적어도 두 개의 밸브 부재들(28,30,202,204)를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저 시스템(10,100).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고압 터보차저 유닛(102)은 터빈 부분(12) 및 컴프레서 부분(32,106)을 포함하고, 상기 고압 터보차저 유닛(102)의 터빈 부분(12) 및 컴프레서 부분(32,106)은 서로 작동 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 터보차저 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 저압 터보차저 유닛(104)은 터빈 부분(14) 및 컴프레서 부분(34,108)을 포함하고, 상기 저압 터보차저 유닛(104)의 터빈 부분(14) 및 컴프레서 부분(34,108)은 서로 작동 가능하게 연결되며, 상기 고압 터보차저 유닛(102)의 컴프레서 부분(32,106)은 저압 터보차저 유닛(104)의 컴프레서 부분(34,108)과 유체 소통 가능한 것을 특징으로 하는 터보차저 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 고압 컴프레서 유닛(106)과 작동 가능하게 연결된 컴프레서 바이패스 시스템(400)을 더 포함하고, 상기 컴프레서 바이패스 시스템(400)은 선택적으로 공기 유동의 적어도 일부가 고압 컴프레서 부분(32,106)을 우회하도록 작동할 수 있는 것을 특징으로 하는 터보차저 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 시스템(200)은 저압 터빈 부분(14)으로 배기가스 유동을 선택적으로 계량 공급하도록 작동할 수 있는 적어도 두 개의 밸브 부재들(28,30,202,204)을 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 밸브 부재들(28,30,202,204)은 저압 터빈 부분(14)으로 배기 유동을 독립적으로 계량 공급하도록 작동할 수 있는 것을 특징으로 하는 터보차저 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 밸브 부재들(28,30,202,204)은 저압 터빈 부분(14)으로 배기 유동을 연속적으로 계량 공급하도록 작동할 수 있는 것을 특징으로 하는 터보차저 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 저압 터빈 부분(14)과 작동 가능하게 연결되는 터빈 바이패스 시스템(300)을 더 포함하고, 상기 터빈 바이패스 시스템(300)은 선택적으로 배기가스 유동의 적어도 일부가 저압 터빈 부분(14)을 우회하도록 작동할 수 있는 것을 특징으로 하는 터보차저 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 두 개의 밸브 부재들(28,30,202,204) 중 적어도 하나는 터빈 바이패스 시스템(300)과 유체 소통 가능한 것을 특징으로 하는 터보차저 시스템.
  10. 터빈 부분(12)을 가진 고압 터보차저 유닛(102);
    상기 고압 터보차저 유닛(102)과 작동 가능하게 연결되는 터빈 부분(14)을 가진 저압 터보차저 유닛(104); 및
    상기 고압 터보차저 유닛(102)의 터빈 부분 또는 저압 터보차저 유닛(104)의 터빈 부분과 작동 가능하게 연결되는 밸브 시스템(200)을 포함하며:
    상기 밸브 시스템(200)은 고압 또는 저압 터보차저 유닛(102,104)의 터빈 부분(12,14)으로 가스 유동을 선택적으로 계량 공급하도록 작동할 수 있는 적어도 두 개의 밸브 부재들(28,30,202,204)을 포함하고,
    상기 밸브 부재들(28,30,202,204)은 상기 밸브 시스템(200)에 의해 독립적 또는 연속적으로 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 터보차저 시스템(10,100).
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