KR20060127883A - 터보 컴파운드 시스템 - Google Patents

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KR20060127883A
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wheel
crankshaft
compound system
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KR1020067014371A
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마르쿠스 켈리
카이 카모사
쿠르트 아드레프
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보이트 터보 게엠베하 운트 콤파니 카게
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Abstract

본 발명은 내연기관에 의해 구동되는 크랭크축과; 상기 내연기관의 배기관로에 설치되는 배기가스 구동 터빈과; 제1차 휠과 제2차 휠로 구성되고, 작동 유체로 채워지거나 채워질 수 있는 상기 두 휠의 작동 챔버가 형성되며, 크랭크축과 배기가스 구동 터빈 사이에 구동 연결장치가 설치되며, 유압 커플링의 작동 챔버에 가득찬 작동유체에 의해 구동력이 배기가스 구동 터빈으로부터 크랭크축으로 전달되는 유압 커플링;으로 구성되는 터보 컴파운드 시스템에 관한 것이다. 상기 터보 컴파운드 시스템은 유압 커플링의 제1차 휠 또는 제2차 휠의 회전방향을 바꾸기 위해 제공되는 스위칭 수단을 그 특징으로 하는 발명이다.
터보 컴파운드 시스템, 터보 컴파운드 운전, 지연운전, 클러치, 유압 커플링

Description

터보 컴파운드 시스템{Turbo-Compound System}
본 발명은 터보 컴파운드 시스템 즉, 내연기관의 배기가스 에너지의 전달 효율을 증가시키기 위한 시스템과 관련된 것이다. 상기 시스템은 동력전달계통(drivetrain)에 위치해 있으며, 배기가스 구동 터빈과 내연기관의 크랭크 축에 연결된 유압 커플링을 통하여 배기가스 에너지를 전달한다. 또한 본 발명이 관련된 시스템은 터보컴파운드 지연 시스템이라고 언급될 수 있다. 왜냐하면 본 시스템이 지연기능 즉, 필요한 경우 내연기관의 크랭크 축에 제동작용을 할 수 있기 때문이다.
터보 컴파운드 시스템과 터보 컴파운드 지연 시스템은 종래기술로 알려져 있다. 특히, 후자는 전형적으로 유압 커플링을 가지고 있으며, 상기 커플링은 배기가스 구동 터빈과 내연기관의 크랭크축 사이에서 회전력을 전달하기 위해 사용되어진다. 기 언급된 제동 기능을 제공하기 위하여, 전형적인 방법으로 유압 커플링이 기능적으로 지연체가 되도록 하기 위해 유압 커플링의 블레이드(blade) 휠(wheel)을 기계적으로 고정하거나, 배기가스 구동 터빈이 콤프레사로 작용하게 한다. 그 예로서, 미국 특허명세서 US 5,884,482가 있다. 후자의 지연시스템은, 제동 운전시 더 큰 제동 토크(torque)를 발생시키기 위해 배기가스 구동 터빈의 회전방향을 반대로 하는 것으로서 이미 알려져 있다. 그러한 예로서 미국 특허 US 4,748,812가 있다.
상기 발명들이 제동 운전으로 어떠한 제동 효과를 얻을 수 있다고 할지라도, 실질적으로 배기가스 구동 터빈이 크랭크축에 만족스러울 정도로 일정한 제동 토크를 제공할 수 없다는 것이 알려져 있다. 대조적으로, 유압 커플링의 고정된 블레이드 휠을 가지는 시스템에 있어서, 지연 운전시에 유압 커플링에 의해 발생되는 제동 토크는 내연기관의 크랭크축이 제동되어지도록 하는데에 사용되는데, 스피드에 크게 의존하고 있어서 또한 일정하지 못하다.
본 발명은 내연기관의 운전시 특히 일정하면서도 높은 제동 토크를 제공하고, 따라서 제동 토크가 정확히 예측되고 조절되는 터보컴파운드 시스템을 구현하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 상기 목적은 청구항 1의 특징을 가지고 있는 터보 컴파운드 시스템에 의하여 달성된다. 종속항들은 특히 본 발명의 편리하고 유리한 개선점들을 기술한다.
본 발명에 따른 터보 컴파운드 시스템은 구동 크랭크축을 가지는 내연기관과 내연기관의 배기 관로에 위치하고 있는 배기가스 구동 터빈으로 구성된다. 유압 커플링은 제1차 휠과 제2차 휠로 구성되고 상호간의 작동 챔버(chamber)를 가지면서, 배기가스 구동 터빈과 크랭크축 사이에서 동력을 전달한다. 상기 작동 챔버에는 작동 매개체, 특히 오일로 채워지거나 채워질 수 있다. 오일을 채우는 이유는 토크가 제1차 휠에서 제2차 휠로 혹은 제2차 휠에서 제1차 휠로 전달되도록 하기 위함이며, 제1차 휠 쪽 혹은 제2차 휠 쪽 어느 쪽이든 외부에서 구동되어 지기 때문이다. 본 발명의 설명에 있어서, 일정한 확인을 위한 목적으로 배기 가스 터빈 측에 위치하면서 특히 배기가스 구동 터빈과 기계적 구동장치가 직접 연결된 유압 커플링의 블레이드 휠이 제1차 휠이 된다. 그에 상응하여, 본 발명에서 정의된 제2차 휠은, 기계적 구동장치와 크랭크축이 직접 연결되거나 그러한 연결로 바뀌어질 수 있는 크랭크축 쪽에 위치하는 유압 커플링의 블레이드 휠이다.
터보 컴파운드 운전에 있어서, 배기가스 구동 터빈은 내연기관의 배기가스 유동에 의해 구동된다. 즉, 배기가스 구동 터빈은 배기가스 에너지를 회전운동으로 변환한다. 그리고 이러한 구동력은 배기가스 구동 터빈 즉, 배기가스 구동 터빈의 터빈 휠과 연결된 유압 커플링의 제1차 휠로부터 유압 커플링의 작동 챔버에 있는 작동 매개체를 경유하여 제2차 휠로 전달되고, 게다가 제2차 휠과 연결되는 구동 모터의 크랭크 축으로 전달된다. 이러한 점에서 본 발명의 실시예는 종래기술과 다르지 않다.
그러나 본 발명에 따른 상기 터보 컴파운드 시스템은 추가적으로 유압 커플링의 제1차 휠 또는 제2차 휠의 회전 방향을 바꾸기 위한 스위칭 수단을 구비한다. 이는 지연 운전시에 즉, 제동력이 내연기관의 크랭크축에 작용하는 터보 컴파운드 시스템의 운전 상태에서, 특히 엔진의 추진 운전시에 유압 커플링의 제1차 휠 및 제2차 휠은 서로 반대방향으로 회전하게 되고, 따라서 상호 역회전함에 따라 지연체(retarder)로서의 역할을 하게 된다.
본 발명에 따른 터보 컴파운드 시스템의 상호 역회전에 의한 지연 기능의 이점은 제동 토크를 특히 크게 개량한 점에 있고, 종래기술에 비하여 유압 커플링이 아주 속도가 높은 범위에 있어서도, 예를 들어 유압 커플링의 입력 속도에 관하여 일정한 혹은 더 일정한 제동 토크 커버(curve)를 가진다는 것이다.
본 발명에 따른 스위칭 수단은 다양한 실시예로 제공되어질 수 있다. 첫 번째 실시예에 따르면, 본 발명의 스위칭 수단은 커플링 운전에 있어 유압 커플링의 제1차 휠의 방향이 바뀔 수 있도록 하기 위하여 배기가스 구동 터빈의 터빈 휠의 회전방향을 반전시킬 수 있다. 이러한 목적을 위해, 본 발명에 따른 스위칭 수단은 유동(배기가스) 유도 장치의 형태로 실현된다. 예를 들면, 유동 유도 장치 또는 배기가스 구동 터빈의 유도 격자(grating) 등이다. 상술한 실시예에 따르면, 배기가스 구동 터빈의 터빈 휠에 작용하는 유체는 유도 격자에 의해 원하는 회전 방향으로의 전환이 일어나 터빈 휠의 회전방향이 바뀐다.
본 발명의 두 번째 실시예에 따르면, 상기 스위칭 수단은 변속장치로 구성되거나, 변속장치의 형태로 실현된다. 상기 변속장치는 바람직한 실시예로 역전기어일 수 있다. 역전기어는 크랭크축과 유압 커플링의 제2차 휠 사이의 구동연결장치에 위치해 있다. 첫 번째 스위칭 상태(커플링 운전)에서, 제2차 휠은 첫 번째 방향으로 회전하면서 변속장치를 통하여 내연기관의 크랭크축을 구동한다. 두 번째 스위칭 상태에서, 상기 크랭크축은 변속장치를 통하여 제2차 휠을 구동한다(지연 운전). 이 상태에서, 제2차 휠은 두 번째 방향으로 회전한다. 두 번째 방향은 역전기어로 작용하는 변속장치의 대응되는 전환 때문에 첫 번째 방향과 반대이다.
상기 두 번째 실시예의 대체 실시예에 따르면, 대응 역전기어는 배기가스 구동 터빈과 유압 커플링의 제1차 휠 사이의 구동 연결장치에 위치한다. 따라서, 유압 커플링의 제1차 휠은 역전기어의 두 스위칭 위치에 따라서 서로 반대 방향으로 회전한다.
본 발명에 따른 터보 컴파운드 시스템의 또 다른 실시예에 따르면, 변속장치는 유압 커플링과 나란하게 위치하고, 하나의 클러치로 구성된다. 상기 클러치는 유압 커플링의 제1차 및 제2차 휠이 기계적인 구동 연결장치로 전환되어 서로 반대방향으로 회전할 수 있도록 하는데 사용된다. 따라서, 지연운전시에 유압 커플링의 제2차 휠은 첫 번째 방향으로 크랭크축에 의해 구동된다. 반면에, 또한 제1차 휠은 두 번째 즉, 반대 방향으로 크랭크축에 의해 (간접적으로) 구동된다. 따라서 유압 커플링은 역회전 지연체로서 운전된다.
유압 커플링과 나란하게 위치하는 클러치는 판형(lamellar) 클러치 또는 유압 커플링을 사용할 수 있다. 상기 변속장치는 특히 클러치를 가지는 유성기어(planet gear)의 형태로 실현된다.
상기 두 번째 실시예의 바람직한 실시예에 따르면, 지연운전시에 제1차 휠과 제2차 휠은 서로 다른 절대 속도를 가지고서 서로 반대방향으로 회전한다. 이런 식으로, 특히 높은 제동 토크가 달성된다. 교대로, 지연운전시 제1차 휠과 제2차 휠이 동일한 절대속도를 가지고 서로 반대 방향으로 회전하도록 하는 것이 가능하다.
이하에서는 본 발명을 다양한 실시예와 도면을 바탕으로 하여 더 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 터보 컴파운드 운전시 또는 지연운전시에 배기가스 구동 터빈 유도 격자의 유도 격자 조절을 통한 배기가스 구동 터빈의 배기가스 유입량 변화를 가지는 본 발명의 첫 번째 실시예를 나타내며,
도 2는 유압 커플링의 제1차 휠과 제2차 휠 사이의 변속장치를 가지며 하나 의 클러치로 구성되는 본 발명의 두 번째 실시예를 나타낸다.
도 1은 내연기관(1)을 가지는 본 발명에 따른 터보 컴파운드 시스템을 나타낸다. 상기 내연기관(1)의 크랭크축(1.1)은 추가적으로 유압 커플링(3)을 통하여 터보 컴파운드 운전시에 내연기관(1)의 배기관로에 위치한 배기가스 구동 터빈(2)에 의해 구동된다. 제1차 휠(3.1)과 제2차 휠(3.2) 사이의 상기 유압 커플링(3)의 작동 챔버는 작동 유체로 가득 차 있다. 속도변환기어는 유압 커플링(3)의 각 측에 위치해 있다. 즉, 크랭크축(1.1)과 제2차 휠(3.2) 사이와 배기가스 구동 터빈(2)과 제1차 휠(3.1) 사이에 위치한다. 도면에 나타낸 것과 같이, 터보 컴파운드 운전시, 배기가스 구동 터빈에 또는 배기가스 구동 터빈의 터빈 휠에 있는 유도 격자를 통해 배기가스를 집중적 공급하여 유압 커플링의 제1차 휠(3.1)이 첫 번째 회전 방향을 갖도록 한다.
반대로, 지연운전시에, 배기가스 유도장치는 터보 컴파운드 운전시와는 반대로 바뀌게 되어 배기가스 구동 터빈(2)의 회전방향이 바뀌게 되고, 따라서 유압 커플링의 제1차 휠(3.1)도 회전방향이 바뀌게 된다. 이에 따라, 지연운전시에 제1차 휠(3.1)과 제2차 휠(3.2)은 서로 반대방향으로 회전한다. 반면에 도면에서 보이는 바와 같이 터보 컴파운드 운전시에는 항상 같은 방향으로 회전한다.
배기가스 구동 터빈(2)의 회전방향의 역전은 배기가스 구동 터빈의 유도 격자를 조절함으로써 또는 배기가스의 공급구를 전환함으로써, 예를 들어 배기가스의 공급구를 첫 번째 유입구에서 두 번째 유입구로 전환함으로써, 달성된다.
도 2에서는 터보 컴파운드 운전과 관련하여 지연운전시에 있어서 유압 커플링(3)의 제1차 휠(3.1)의 회전방향을 바꾸기 위한 스위칭 수단의 대체 실시예를 나타내고 있다. 도면에 나타낸 것과 같이, 클러치(4.1)로 구성되는 변속장치는 커플링(3)과 나란하게 위치해 있다. 터보 컴파운드 운전시에, 상기 클러치(4.1)는 개방상태로 바뀐다. 따라서 유압 커플링(3)의 제1차 휠(3.1)과 제2차 휠(3.2) 사이에는 어떠한 기계적 구동 연결장치도 존재하지 않는다. 그리고 제2차 휠(3.2)은 제1차 휠(3.1)에 의해 유압 커플링(3)의 작동 챔버에 차 있는 작동 유체의 회전에 따른 회전력에 의해 구동된다. 따라서 제1차(3.1) 및 제2차(3.2) 휠은 같은 방향으로 회전하게 된다. 반대로, 지연운전시 상기 클러치(4.1)는 닫혀진다. 따라서 유압 커플링의 제1차 휠(3.1)은 제2차 휠(3.2)의 회전방향과 반대방향으로 크랭크축(1.1)에 의해 구동되어 진다. 또한 배기가스 구동 터빈도 터보컴파운드 운전시와는 반대방향으로 구동된다. 따라서 배기가스 구동 터빈은 콤프레사 혹은 "에어(air) 펌프"로서 작동하게 되고, 이에 의해 크랭크축(1.1)을 제동하기 위한 더 큰 제동 토크를 발생시키게 된다.
따라서, 도 2에 나타낸 실시예에서, 터보 컴파운드 운전시 배기가스 구동 터 빈(2)으로부터 크랭크축(1.1)으로의 토크 전달은 순수히 유체역학적으로 일어난다. 반면에 지연운전시에는 두 개의 휠-유압 커플링의 제1차 휠(3.1) 및 제2차 휠(3.2)-은 기계적으로 서로 반대로 구동된다. 그리고 유압커플링(3)은 역회전 지연체의 기능을 수행한다.
본 발명은 내연기관에 있어서, 배기가스의 에너지를 회수하기 위한 터보 컴파운드 시스템에 관한 것으로서, 터보 컴파운드 운전으로 크랭크축의 회전력을 증가시켜 더 큰 추력을 얻을 수 있고, 또한 터보 컴파운드 지연운전으로 크랭크축에 일정한 제동력을 작동시켜 회전력을 감소시킴으로서, 크랭크축의 제동장치로서의 역할을 할 수 있는 산업상 이용 가능성이 있는 발명이다.

Claims (10)

  1. 내연기관(1)에 의해 구동되는 크랭크축(1.1)과;
    내연기관(1)의 배기관로에 위치하는 배기가스 구동 터빈(2)과;
    제1차 휠(3.1) 및 제2차 휠(3.2)과, 상기 제1차 휠(3.1) 및 제2차 휠(3.2)에 의해 형성되는 작동 유체로 채워지거나 채워질 수 있는 작동 챔버(3.3)로 구성되는 유압 커플링(3);으로 구성되고,
    상기 유압 커플링은 크랭크축(1.1)과 배기가스 구동 터빈 사이의 구동 연결장치부에 위치하여, 유압 커플링의 작동 챔버에 작동유체가 채워진 경우, 배기가스 구동 터빈의 구동력이 배기가스 구동 터빈으로부터 크랭크축으로 전달되는 터보 컴파운드 시스템에 있어서,
    상기 유압 커플링(3)의 제1차 휠(3.1) 또는 제2차 휠(3.2)의 회전방향을 바꾸기 위한 스위칭 수단이 구비되는 것을 특징으로 하는 터보 컴파운드 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 수단은 상기 유압 커플링(3)의 배기 가스 구동 터빈 측에 위치한 제1차 휠(3.1)의 회전방향을 바꾸기 위해 배기가스 유동 방향을 바꾸어 주는 배기가스의 유동 유도 장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 터보 컴파운드 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유동 유도 장치는 배기가스 구동 터빈(2)의 유도 격자 또는 유도 장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 터보 컴파운드 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    스위칭 수단은 변속장치(4)로 구성되는 것을 특징으로 하는 터보 컴파운드 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 변속장치는 상기 크랭크축(1.1)과 상기 유압 커플링(3)의 크랭크축 측에 있는 제2차 휠(3.2) 사이의 구동 연결장치부에 위치한 역전기어의 형태로 실현되는 것을 특징으로 하는 터보 컴파운드 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 변속장치(4)는 상기 배기가스 구동 터빈(2)과 유압 커플링(3)의 배기가스 구동 터빈 측에 있는 제1차 휠(3.1) 사이의 구동 연결장치부에 위치한 역전기어 의 형태로 실현되는 것을 특징으로 하는 터보 컴파운드 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 변속장치(4)는 유압 커플링(3)과 나란하게 위치하며, 제1차 휠(3.1)과 제2차 휠(3.2)이 서로 반대 회전방향을 가지는 기계적 구동 연결장치부로 바뀔 수 있도록 하는데 사용되는 클러치(4.1)로 구성되는 것을 특징으로 하는 터보 컴파운드 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 클러치(4.1)는 판형 클러치를 사용하는 것을 특징으로 하는 터보 컴파운드 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 클러치(4.1)는 유압 커플링을 사용하는 것을 특징으로 하는 터보 컴파운드 시스템.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    변속장치(4)는 클러치(4.1)를 가진 유성기어를 사용하는 것을 특징으로 하는 터보 컴파운드 시스템.
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