KR20070047847A - 다중 스테이지 터보차징 시스템을 위한 효율적인 바이패스밸브 - Google Patents

다중 스테이지 터보차징 시스템을 위한 효율적인 바이패스밸브 Download PDF

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엘. 2세 그레이 찰스
제임스 하우겐 데이비드
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가번먼트 오브 더 유나이티드 스테이츠 오브 아메리카, 애즈 리프리젠티드 바이 더 어드미니스트레이터 오브 더 유.에스. 인바이런멘털 프로텍션 에이전시
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Abstract

터보차저 시스템(30)은 배기 가스가 제 1 터빈(25)을 통과한 후에 제 2 터빈(27)을 통과하도록 배열된 제 1 터빈(25) 및 제 2 터빈(27)을 포함한다. 바이패스 체널(23)은 배기 가스가 제 2 터빈(27)을 통해서만 통과하는 채널을 진입하도록 구성된다. 바이패스 채널(23)에 위치된 밸브(24, 34, 60, 66, 70)는 통과하는 가스의 유동을 조절한다. 밸브(24, 34, 60, 66, 70)는 가스의 스트림을 가속시키고 스트립을 제 2 터빈(27)을 향하도록 집중시켜서, 스트림의 추가 속도의 큰 부분이 제 2 터빈(27)으로 진입한다. 밸브(24, 34, 60, 66, 70)의 작동은 제 1 터빈 압력(25)을 넙는 배기 가스 압력이 제 1 임계치 아래일 때, 폐쇄된 밸브를 폐쇄된 상태로 유지하고 압력(25)이 제 1 임계치 위로 증가할 때 밸브(24, 34, 60, 66, 70)를 개방하며, 압력이 제 2 임계치를 상회하는 동안 완전 개방 위치에서 밸브(24, 34, 60, 66, 70)을 유지하도록 제어될 수 있다.
밸브 부재, 제어 기구, 가변 외형 노즐, 바이패스 채널, 액추에이터

Description

다중 스테이지 터보차징 시스템을 위한 효율적인 바이패스 밸브{EFFICIENT BYPASS VALVE FOR MULTI-STAGE TURBOCHARGING SYSTEM}
관련출원의 상호 참조
본 출원은 본원에 전체적으로 참조로서 통합되어 있는, 2004년 8월 31일에 출원된 미국 가출원 제 60/605,898호의 35 U.S.C §119(e)하의 이익을 주장한다.
본원에 개시된 발명은 일반적으로 내연 기관을 위한 터보차저 시스템(turbocharger system)에 관한 것이며, 특히 제 1 터빈 주위의 배기 가스 유동(exhaust gas flow) 을 전환시키기 위한 바이패스(bypass) 시스템을 갖는 다중 스테이지(multi-stage) 터보차저에 관한 것이다.
내연 기관에 사용하기 위한 것과 같은 터보차징 시스템은 본 기술 분야에 널리 알려져 있다. 터보차저는 흡기 차지(charge) 압축기(compressor)에 결합된 배기 가스 터빈(turbine)을 포함한다. 터빈은 내연 기관으로부터 배기 가스의 스트림(stream)을 수용하고, 배기 스트림을 터빈 휠(wheel)의 블레이드(blade)를 관통시킴으로써 배기 가스 스트림의 에너지의 일부를 기계적 에너지(mechanical energy)로 전환하여, 터빈 휠을 회전시켜 작동한다. 이러한 회전 이동은 공기의 양을 그 입구에서 진입하는 공기보다 더 높은 압력으로 압축시키도록 샤프트에 의 해 터빈 휠에 결합된 압축기에 의해 사용되고, 그 후에 엔진의 흡기 스트로크 중에 유입될 수 있는 증가된 공기의 양을 내연 기관 실린더 내로 제공한다. 실린더 내로 유입된 추가 압축 공기(부스트(boost))는 실린더 내에서 더 많은 연료가 연소되도록 할 수 있어서, 엔진의 출력을 증가시킬 수 있다.
터보차저 내의 터빈은 때때로 가스 신장기(gas extender)로 언급된다. 이는 본질적으로 터빈이 배기 스트림 내의 가스와 주위 압력 사이의 압력차로 표현되는 에너지의 일부를 터빈 및 압축기의 회전의 형태인 기계적 에너지로 전환시키기 때문이다. 배기 스트림 내의 가스가 압력을 잃을 때, 이는 신장하여 포텐셜(potential) 에너지를 잃는다.
터보차징된 내연 기관 시스템에서, 내연 기관이 작동할 수 있는 속도 및 출력 수준의 광범위는 엔진과 함께 작동하는 우수한 기계적 효율성을 갖는, 적절하게 정합된 터보차징 시스템을 설계하기 위한 도전을 제공한다. 예를 들어, 더 작은 터보차저는 느린 엔진 속도에서 빠르고 더욱 효율적으로 부스트를 제공하며, 더 큰 터보차저는 높은 엔진 속도에서 더욱 효율적으로 부스트를 제공한다. 내연 기관에 의해 생성되는 넓은 유동 범위에 비해, 터보차저가 효율적으로 작동하는 비교적 좁은 유동 범위 때문에, 종래 기술(즉, 고 부스트가 필요한 경우)에서는 더 작은(즉, "고압") 터보차저 및 더 큰(즉, "저압") 터보차저 모두를 포함하는 다중 스테이지 터보차징 시스템을 제공하는 것이 공지되었으며, 더 작은 고압 터보차징 시스템은 저 엔진 속도에서 작동하고, 더 큰 저압 터보차저는 고 엔진 속도가 고속에서 작동한다. 바이패스 시스템을 사용하여 고압 터보차저 주위의 배기 가스 유동을 요구 되는 바와 같이 저압 터보차저로 전환시키기 위해 2개의 터보차징 스테이지들 사이에서 교환시키는 것이 가치 있음이 발견되었다.
터빈 주위에서 배기 가스 유동을 바이패싱하는 것이 또한 종래 기술로 공지되었다. 통상, 터빈 바이패스 시스템은 고압 터빈 전체의 시스템 압력을 조절하는 데 주로 사용되고, 터빈 작동에 의해 발생된 역압이 고압 터빈의 시스템 압력 상류에서 소정 수준을 초과하게 될 때, 바이패스 채널을 통해 상류 배기 가스의 일부를 압력 강하 이상으로 선택적 추출에 의해 작동될 수 있다. 바이패스 채널로 배기 가스를 추출하는 것은 일반적으로 터빈 주위의 바이패스 채널 내에 위치된 "웨이스트게이트(wastegate)"로 불리는 작은 조절 밸브에 의해 제어된다. 통상적인 웨이스트게이트 밸브는 바이패스 채널을 통과하는 통로와 웨이스트게이트에서 압력 강하에 걸쳐 본래 팽창하는 바이패싱된 배기 가스 유동과 함께, 터빈 주위의 배기 가스 유동의 일부를 전환하기 위해 고압 터빈 입구의 상류, 바이패스 채널의 포트를 개방한 후, 바이패싱된 터빈의 배기 가스 유동 하류의 잔류와 재결합시키는 트랩 도어(trap door)와 다소 유사하게 작동한다.
도 1은 종래 기술에 따른 다중 스테이지 터보차징 및 바이패스 시스템을 포함하는 내연 기관 시스템을 도식적으로 도시한다. 도 1을 참조하면, 주변 공기는 흡기 라인(11)을 통해 시스템으로 진입한다. 흡입 공기는 차지-공기(charge-air) 혼합물을 형성하도록 재순환된 배기 가스(EGR)와 선택적으로 혼합될 수 있다. 주변 공기 또는 차지-공기 혼합물은 제 1 스테이지 저압 공기 압축기(12)를 통해 유동하여 가압된다.
압축기(12)에서 압축된 후에, 추가 압축을 위해 흡입 공기는 제 2 스테이지 고압 공기 압축기(16)를 통해 유동한다. 다르게는, 흡입 공기는 포트(13 ; port)에서 선택적인 바이패스 채널(14)로 전환되며, 선택적인 바이패스 밸브(15)의 개폐를 조정함으로써 조절되는 포트(17)에서 흡입 라인으로 복귀할 수 있다.
그 후에 흡입 공기는 종래의 방식으로 (도시하지 않은) 종래의 밸브를 통해 엔진(19)의 연소실(20) 및 흡기 매니폴드(manifold)로 유입된다. 연소실(20) 내에서의 연소 후에, 따듯하고 압축된 배기 가스는 제 1 높은 배기 가스 에너지 레벨로 (도시하지 않은) 종래의 밸브를 통해 연소실(20)을 이탈하여 배기 매니폴드(21)를 통해 엔진(19)으로부터 배출 채널(28)로 유동한다.
배기 매니폴드(21)를 이탈한 후에, 배출 채널(28) 내의 배기 가스는 고압 터빈(25)을 통해 유동할 수 있다. 배출 채널(28) 내의 고압 터빈(25)은 샤프트(29')를 통해 흡입 라인(11) 내의 고압 공기 압축기(16)와 결합되고, 터빈(25) 및 압축기(16)와 함께 고압 터보차저(30)를 형성한다. 배기 가스의 일부는 터빈(25)의 시스템 압력 강화 상류에 응답하여 개방하도록 (능동적 또는 수동적인) 작동되는 웨이스트게이트 밸브(24)의 작동을 통한 포트(22)의 개폐에 의해 조절될 때, 포트(22)에서 바이패스 채널(23)로 선택적으로 전환되며 포트(26)에서 배기 라인으로 복귀할 수 있다.
터빈(25)의 하류, 제 2 낮은 배기 가스 에너지 레벨의 배기 가스는 그 후에 추가 팽창을 위해 저압 터빈(27)을 통해 유동하고, 그 후에 배출 채널(28)을 통해 배출된다. 배출 채널(28) 내의 터빈(27)은 샤프트(29)를 통해 흡입 라인(11)의 저 압 공기 압축기(12)에 결합되고, 터빈(27) 및 압축기(12)와 함께 저압 터보차저(31)를 형성한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 입구 및 출구를 갖는 고압 터빈과, 고압 터빈의 입구와 유체 연통하는 제 1 단부 및 고압 터빈의 출구와 유체 연통하는 제 2 단부를 갖고, 고압 터빈 주위의 유동의 바이패스를 허용하도록 구성되는 바이패스 채널과, 고압 터빈의 출구와 유체 연통하는 입구, 바이패스 채널의 제 2 단부, 및 출구를 갖는 저압 터빈을 포함하는 터보차저 시스템이 제공된다. 시스템은 또한 바이패스 채널 내의 가스 유체의 유동을 조절하도록 구성된 바이패스 채널에 위치된 밸브를 포함하고, 상기 밸브는 또한 이를 통과하는 유체의 스트림을 가속시키고 스트림을 저압 터빈의 입구를 향해 지향시켜 스트림의 추가된 속도의 큰 부분이 저압 터빈에 진입할 때의 속도를 유지한다. 밸브는 유체의 스트림을 집중시키는 노즐과 같은 역할을 하도록 구성될 수 있다.
바이패스 채널 내의 유체의 통로가 실질적으로 차단된 폐쇄 위치와 바이패스 채널의 통로가 실질적으로 방해받지 않는 개방 위치 사이에서 밸브의 외형을 변화시키도록 구성된 액추에이터(actuator)가 제공된다. 또한, 제 1 터빈의 입구에서 유체 압력의 수준에 응답하여 액추에이터를 제어하도록 구성된 제어기가 제공된다.
제어기 및 액추에이터는 제 1 터빈의 입구에서의 압력이 제 1 임계치 아래일 때 폐쇄 위치에서 밸브의 외형을 유지시키고, 압력이 제 1 임계치 위로 압력이 증가할 때 개방 위치를 향해 외형을 점진적으로 변화시키며, 압력이 제 2 임계치 이상일 때 밸브를 개방 위치에서 유지시키도록 구성된다.
실시예에 따르면, 엔진 시스템은 터보차저를 포함하여 제공된다.
다른 실시예에 따르면, 바이패스 밸브는 밸브 본체 및 밸브 부재를 포함하여 제공된다. 밸브 본체는 제 1 가스 입구와 가스 출구 사이에서 연장하는 제 1 통로 및 제 2 가스 입구와 가스 출구 사이에서 연장하는 제 2 통로를 갖는다. 제 1 및 제 2 통로는 제 1 및 제 2 입구로 진입하는 가스 스트림은 가스 출구로 이탈하는 단일 가스 스트림 내에 결합되도록 구성된다. 밸브 부재는 밸브 부재가 실질적으로 제 2 통로에서의 모든 가스 유동을 차단하는 폐쇄 위치와 제 2 통로에서의 가스 유동이 밸브 부재에 의해 실질적으로 방해받지 않는 개방 위치 사이에서 작동 가능하며, 제 2 통로에서의 가스 유동이 실질적으로 출구를 향해 지향되도록 구성된다.
도면에서, 동일한 도면 부호는 유사한 요소를 나타낸다. 도면에서 요소들의 크기 및 상대 위치는 스케일에 따라 도시되지는 않았다.
도 1은 공지된 기술에 따른 다중 스테이지 터보차징 시스템을 갖는 내연 기관 시스템의 개략적인 선도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터보차징 및 바이패스 장치를 갖는 내연 기관 시스템의 개략적인 선도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 터보차징 및 바이패스 장치를 갖는 내연 기관 시스템의 개략적인 선도.
도 4는 도 3의 실시예에 따른 터보차징 및 바이패스 장치의 상세도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 터보차징 및 바이패스 장치를 갖는 내연 기관 시스템의 개략적인 선도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 터보차징 및 바이패스 장치의 개략적인 선도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 바이패스 밸브의 등각 분해도.
도 8a 및 도 8b는 도 7의 라인 8-8을 따라 취해진 밸브의 단면도.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 터보차저 바이패스 장치의 개략적인 선도.
이하의 설명에서, 특정한 상세한 설명은 본 발명의 다양한 실시예의 명확한 이해를 제공하기 위해 기재된다. 그러나, 당업자는 이러한 상세한 설명 없이도 실현될 수 있음을 이해할 것이다.
이하에 설명되는 본 발명의 실시예는 주로 내연 기관의 배기 가스 스트림의 에너지를 좀 더 효율적으로 회복하는 것에 관한 것이다.
이미 설명된 바와 같이, 도 1을 참조하여, 터빈이 배기 가스 유동으로부터 에너지를 포획하는 동안 배기 가스가 터빈을 통해 팽창할 때, 고압 터빈(25)을 지나면서 압력이 떨어진다. 공교롭게도, 모두 회복되지 않은 배기 가스 에너지인 바이패스 라인(23)상의 포트(22)와 포트(26) 사이를 유동하는 배기 가스에서 동일한 압력 강하가 발생한다. 이러한 압력 강하 대부분은 웨이스트게이트(24)에서 발생한다. 발명자는 바이패스 채널(23) 내의 이러한 압력 강하가 유용한 에너지의 손 실을 나타내는 것을 인지하였다. 이러한 에너지 손실은 웨이스트게이트(24)가 부분적으로 개방되는 엔진의 작동 범위 내에서 대부분 일어난다. 이 작동범위에서, 웨이스트게이트(24)를 지나면서 심각한 압력 강하가 발생한다. 예를 들어, 고압 터빈(25)은 최대 효율 범위 또는 범위 이상에서 작동될 수 있고, 저압 터빈(27)은 다소 최대 효율 범위 아래에서 작동될 수 있다.
웨이스트게이트(24)가 부분적으로 개방되는 작동 범위에서, 웨이스트게이트(24)를 가로지르는 압력 강하는 배기 가스가 게이트의 제한된 통로를 통과할 대 증가된 유동량 또는 속도에 상응한다. 압력이 강하하는 지점에서, 웨이스트게이트(24)의 위와 아래의 가압된 가스 사이의 압력 차이에 의해 표현되는 에너지 포텐셜은 가스 유동에서의 교란된 운동 에너지로 전환된다. 배기 가스가 계속해서 포트(26)로 바이패스 채널(23) 아래로 이동할 때, 바이패스 채널(23) 및 포트(26)의 회선을 관통함에 따르는 전환된 운동 에너지가 느려지고 손실되며, 고압 터빈(25)으로부터의 가스 유동과 다시 섞인다. 발명자는 바이패스 채널(23) 및 웨이스트게이트(24)에서의 에너지 손실의 적어도 일부가 유용하게 회수될 수 있음을 판단하였다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예를 도시한다. 종래 기술에 대한 본 실시예의 중요한 부분을 쉽게 설명하기 위해, 도 2의 실시예는 이하에 설명되는 부분을 제외하고는 종래 기술의 도 1의 모든 부분(즉, 동일한 부품, 통계, 시스템 구성 및 작동)과 동일하게 나타낸다.
도 1과 비교되는 도 2를 참조하여, 종래 기술로부터의 특정 변화가 고압 터 빈(25) 주위의 바이패스 시스템에 대해 이루어진다. 도 2에서, 밸브(34)는 바이패스 채널(33)을 통해 배출 채널(28)로부터 포트(36)로 전환된 배기 가스의 양을 (즉, 압력 차이를 통해) 조절한다. 바이패스 채널(33)을 통해 전환된 바이패싱된 배기 가스의 에너지 일부는 밸브(34)가 바이패싱된 유동을 가속시키고 집중시키는 감소된 단면 영역 노즐의 역할을 하면서 밸브(34)를 통과함에 따라 압력으로부터 운동 에너지(속도)로 전환된다.
가속된 유동 출구 밸브(34)는 바이패스 채널(33)로부터 유동의 가용 운동 에너지를 유지하고 터빈(27)의 터빈 휠 블레이드와 접촉하기 직전에 배기 가스 유동을 위한 유효 결합 방향을 제공하도록 선택된 배향으로 고압 터빈(25)으로부터의 유동과 재결합되며, 이는 이후에 상세히 설명될 것이다. 배출 채널(28)에서 배기 가스 유동과 결합된 가속된 유동은 그 후에 터빈(27)에 의해 기계적 회전 에너지로 전환된다.
터빈(27)의 터빈 휠 블레이드와 충분히 근접하게 포트(36)를 위치시킴으로써, 가속되고 집중된 유동은 작업 추출을 위해 터빈(27)의 터빈 휠에 이르기 전에 실질적으로 에너지를 방산시킬 수 없다. 이러한 방식으로, 바이패스 채널(33)은 포트(36)가 터빈(27) 바로 앞에 배출 채널(28)로 복귀 포트와 실질적으로 동일하거나 터빈(27)으로의 지향 입구를 포함하는지 여부와는 상관없이, 터빈(27)의 터빈 휠 블레이드와 함께 접촉하기 직전에 주 배기 가스 유동과 함께 상보적인 유동 방향으로 바이패싱된 유동을 지향시킴으로써, 고압 터빈(25) 주위의 엔진(19)으로부터 저압 스테이지 터빈(27)의 입구로 가압된 배기 가스의 바이패싱을 제공한다.
밸브(34)는 간단한 플랩퍼(flapper) 밸브로 많은 도면에 표현된다. 이는 편의성을 고려한 것이며, 본 발명의 범위를 이러한 밸브의 구조로 제한하려 함은 아니다. 예를 들어, 밸브(34)는 밸브(34)로부터의 고속 배기 가스의 유동이 저압 터빈(27) 내로 직접 집중되도록 배기 가스의 유동을 지향하고 가속되도록 설계된 테이퍼부(taper) 또는 압착부(constriction)(감소된 단면)을 갖는 짧은 튜브의 형상으로 유동 경로를 형성하도록 개방될 수 있다. 밸브 구조의 다른 예시는 이후에 더욱 상세하게 설명된다.
본 명세서에서 "집중"이라는 용어는 본 발명의 다양한 실시예에 따라, 가스가 실질적으로 균일하고 순차적 유동으로 안내되며, 운동량이 증가하여 유지되는 바이패스 밸브로부터 배기 가스의 유동을 의미한다.
도 3의 실시예는 바이패스 채널(33)의 길이가 실질적으로 제거된 것을 제외하고는 도 2의 실시예와 유사하다. 추가로, 바이패스 채널은 필요하다면 도 5에 더욱 상세하게 도시되는 바와 같이 배출 채널(28) 대신에 선택적으로 배기 매니폴드(21)로부터 직접 시작될 수 있다.
도 4는 상기에서 도 2 및 도 3을 참조하여 설명된 바와 같이 가속된 바이패스 유동(51)이 터빈(27)의 터빈 휠 블레이드에 접촉하기 이전에 주 배기 가스 유동(50)과 재결합되는 실시예를 좀 더 상세하게 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 바이패스 채널(33) 내의 바이패스 배기 가스 유동(49)은 가속된 바이패스 배기 가스 유동(51)을 생성하는 바이패스 채널(33) 및/또는 포트(36)의 감소된 단면(노즐) 영역의 밸브(34)를 통과한다. 가속된 바이패스 배기 가스 유동(51)은 그 후에 배출 채널(28; 또는 다르게는 터빈(27) 자체 내의) 내의 저속 주 배기 가스 유동(50)과 결합하여, 결합된 배기 가스 유동(52)을 형성한다. 그 후에 종래 기술에 공지된 바와 같이, 결합된 배기 가스 유동(52)은 터빈 휠(47)이 회전을 일으키도록 선택된 각도로 터빈 블레이드(48)를 타격한다.
주 배기 가스 유동(50)과 결합하여, 바이패스 배기 가스 유동(51)의 속도의 일부가 저속의 주 배기 가스 유동(50)으로 나누어질 것이라는 것을 인지해야 한다. 바이패스 배기 가스 유동(51)에 의해 전해진 에너지가 주 배기 가스 유동(50)으로 전달되기에, 이는 에너지의 순 손실을 반드시 의미하는 것은 아니다. 따라서, 보존 속도를 나타내는 용어들, 예를 들어 본 명세서에서 바이패스 가스를 언급하기 위해 사용된 용어들은 또한 하나의 가스 유동의 일부 속도를 다른 유동으로 전달하는 것을 나타낼 수 있다.
도 5는 바이패스 채널(43)이 배출 채널(28)에 연결되는 대신에, 배기 매니폴드(21)에 직접 연결되는 다른 실시예를 도시한다. 이러한 방식으로, 바이패스 채널(43)은 입구와 배기 매니폴드(21) 사이에서 내부에 바이패스 밸브(34)를 갖는 저압 터빈(27)으로의 직접 유체 연결보다 더 짧을 수 있다.
도 2 내지 도 5와 관련하여 상술된 실시예에서, 바이패스 채널 내의 밸브(34)는 본 발명에서 (i) 바이패스 유동을 비례적으로 조절하는 조절 밸브, (ii) 바이패싱된 배기 가스 유동을 집중시키고 가속하는 노즐 모두의 역할을 할 수 있다. 다르게는, (예를 들어 노즐의 바로 위 상류에 온/오프 밸브를 갖는) 분리형 밸브 및 노즐 구조체가 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라, 바이패싱된 배 기 가스 유동을 집중시키고 가속하기 위해 다양한 외형 성능을 갖는 밸브/노즐이 더 넓은 엔진 작동 범위에 걸쳐 시스템의 이익 및 효율성을 확대시키고 시스템의 배기 가스 유동 특성에서 비례적으로 증분 변화에 적절히 적합하도록 제공된다.
도 6을 참조하여, 본 발명의 실시예는 가변 외형 바이패스 밸브(60)를 도시한다. 가변 외형 바이패스 밸브(60)는 채널(64) 내에서 활주하도록 구성된 활주 밸브 부재(62)를 포함한다. 활주 밸브 부재(62)는 바이패스 채널(33)이 활주 밸브 부재(62)에 의해 완전하게 폐쇄되는 제 1 위치와, 바이패스 채널(33)이 방해받지 않도록 활주 밸브 부재(62)가 밸브 채널(64) 내에 완전하게 후퇴되는 제 2 위치로부터 밸브 채널(64) 내로 활주하도록 구성된다. 활주 밸브 부재(62)의 형상은 가스가 밸브 부재(62)를 통과할 때 바이패스 채널(33)을 통해 배기 가스의 유동을 집중시키도록 선택된다. 사실, 활주 밸브 부재(62)는 가변 외형 노즐을 형성하도록 채널(33)의 대향 벽과 협동한다.
액추에이터(61)는 활주 밸브 부재(62)를 제 1 및 제 2 위치 사이에서 이동시키도록 구성된다. 제어기(63)는 배기 라인에서 압력을 감지하거나 결정하여 이에 따라 액추에이터(61)를 제어하도록 구성된다.
배출 채널(28)에서의 배기 가스 압력이 제 1 임계치 아래일 때, 바이패스 밸브(60)는 폐쇄 위치에서 유지된다. 배출 채널(28)의 압력이 제 1 임계치 위로 상승할 때, 밸브(60)는 개방되기 시작하여, 배기 가스의 일부가 고압 터빈(25)을 바이패싱하고 저압 터빈(27)으로 직접 유동하도록 한다. 밸브(60)는 제 1 임계치 위로 배기 가스의 압력이 변화하는 것에 비례하여 반응하도록 제어된다. 이러한 방 식으로, 엔진으로부터의 배기 가스 유동이 변화할 때 고압 터빈(25)을 가로지르는 최대 압력은 실질적으로 일정하게 유지된다.
활주 밸브 부재(62)와 바이패스 채널(33)의 대향 벽 사이의 통로가 일반적으로 바이패스 채널(33)의 단면적에 비해 매우 작은 단면적을 갖기 때문에, 실제로 모든 압력 강하는 밸브(60)의 노즐에서 발생한다. 배기 가스는 부분적으로 폐쇄된 노즐을 통과할 때 가속된다. 가속된 가스(51)의 유동은 결합된 유동(52)을 형성하도록 고압 터빈(25)으로부터 이탈되는 배기 가스 유동(50)과 재결합되어, 그 후에 터빈(27)으로 진입한다.
배출 채널(28)내의 압력이 계속하여 증가할 때, 배기 가스 압력이 제 2 임계치을 초과할 때까지 액추에이터(61)는 활주 밸브 부재(62)를 바이패스 채널(66)내로 계속하여 후퇴시켜, 활주 밸브 부재(62)가 완전하게 밸브 채널 안으로 후퇴되며 바이패스 채널(33)이 방해받지 않는 지점에서 노즐을 넓힌다.
이러한 장치의 설계 및 제작은 당업자들의 능력 내에 있기에, 액추에이터(61) 및 제어기(63)는 블록 형태로만 도시된다. 이들은 분리형 부품일 수 있으며 또는 단일 부품으로 결합될 수 있다.
제 1 및 제 2 임계치의 선택은 임의의 소정의 기준에 의존한다. 예를 들어, 제 1 임계치은 고압 터빈이 가장 효율적으로 작동하는 압력으로 선택될 수 있다. 다르게는, 제 1 임계치은 고압 터빈의 소정의 최대 rpm에 따른 압력으로 선택되어, 마모를 감소시키고 터빈 수명을 연장시킨다. 몇몇 시스템에서, 제 2 임계치는 관련된 엔진의 작동 범위를 넘을 수 있다. 이러한 시스템에서, 바이패스 밸브는 완 전하게 개방되지 않지만, 적어도 어느 정도로 바이패스 가스 유동을 항상 한정하고 집중시킬 것이다. 다른 시스템에서, 바이패스 밸브가 완전하게 개방되고 배기 가스가 방해 없이 통과하는 제 2 임계치을 넘는 확대된 작동 범위가 있을 수 있다. 제 1 및 제 2 임계치을 설정하기 위한 기준의 선택 및 조정은 당업자들의 능력하에 있다.
바이패스 밸브의 제어는 예를 들어, 배기 라인의 압력 수준에 따라 배기 라인의 증가하는 압력이 밸브가 크게 또는 작게 개방되게 하는 스프링 저항을 극복하도록 수동으로 작동될 수 있다. 제어는 센서가 배출 통로에 제공되고 회로 또는 모듈이 밸브의 작동을 제어하기 위해 센서에 의해 제공된 신호을 감시하는 것처럼 능동적으로 될 수 있다.
다르게는, 밸브는 배기 가스 압력 센서보다 센서로부터의 신호에 응답하여 제어될 수 있다. 예를 들어, 엔진 부하 상의 정보와 결합하는 엔진 rpm은 배기 가스 압력을 계산하는 데 사용할 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 밸브는 다른 센서 신호 또는 엔진 데이터로부터 파생된 계산 또는 색인표에 기초하여 제어될 수 있으며, 배출 압력은 계산 또는 측정되지 않을 수 있다. 하지만, 이러한 상세한 설명과 청구범위의 목적을 위해, 밸브 위치가 적어도 어느 정도 배출 압력에 관련되는 결과라면, 상기 모든 예시들은 배기 가스 압력을 결정하는 상이한 방법으로 고려된다.
본 명세서에 상술된 실시예에서, 바이패스 밸브의 제어는 일반적으로 매니폴드 또는 배출 채널의 배기 가스 압력과 관련하여 상술된다. 또한, 당업자는 배기 바이패스 시스템의 제어가 대안적으로 예를 들어 대량 유동량 또는 배기 가스 속도와 같은 다른 파라미터에 반응하는 것을 이해할 것이다. 따라서, 첨부된 특허청구범위에 열거된 작동 파라미터가 압력인 반면에, 상기에서 언급된 것들을 포함하는 다른 작동 파라미터 또한 동등하게 고려되며, 따라서 본 청구범위의 범주 내에 해당한다.
도 7 내지 도 8b를 참조하면, 게이트-밸브 형태의 바이패스 밸브(70)가 도시된다. 도 7은 밸브(70)의 확대도이며, 도 8a 및 도 8b는 실질적으로 도 7의 라인 8-8을 따라 취해진 단면을 도시한다. 밸브(70)는 제 1 입구(74)와 출구(78) 사이에서 연장하는 제 1 통로(73) 및 제 2 입구(76)와 출구(78) 사이에서 연장하는 제 2 통로(75)를 갖는 밸브 본체(72)를 포함한다. 활주 밸브 부재(80)는 밸브 채널(84) 내에 위치되고, 액추에이터 로드(82)를 구비한다. 안내 플레이트(86)는 밸브 채널(84) 너머 밸브 본체(72)에 결합되도록 구성되고, 액추에이터 로드(82)가 관통하는 구멍(88)을 포함한다. 부싱(90 ; bushing)은 안내 플레이트(86)와 활주 밸브 부재(80)의 액추에이터 로드(82) 사이의 구멍(88) 내에 위치된다. 체결기는 일반적으로 도면 부호 92로 표시된다.
바이패스 밸브(70)는 제 1 입구(74)를 경유하여 제 1 통로(73)내로 배기 가스의 제 1 스트림(94) 및 제 2 입구(76)를 경유하여 제 2 통로(75)내로 배기 가스의 제 2 스트림(96)을 수용하도록 구성된다. 밸브(70)를 진입하는 배기 가스의 제 1 및 제 2 스트림(94, 96)은 출구(78)를 경유하여 밸브(70)를 이탈하는 배기 가스의 단일 스트림(98)내로 결합한다. 활주 밸브 부재(80)는 제 2 통로(75)내 배기 가스의 제 2 스트림(96)의 통로가 완전하게 차단되는 완전히 폐쇄된 위치와, 도 8a에 도시된 바와 같이 활주 밸브 부재(80)가 밸브 채널(84)내로 완전하게 후퇴되어 제 2 스트림(96)에 대해 어떠한 장애물도 없는 제 2 위치 사이에서 이동하도록 구성된다. 활주 밸브 부재(80)의 형태는 밸브 부재(80)가 그들 사이의 가스의 유동을 집중시키며, 속도를 증가시키고 제 2 스트림(96)의 난류를 최소화하며, 밸브(70)의 출구(78) 부근의 스트림(94)과 결합할 때 스트림(96)을 집중시키는 노즐처럼 기능하는 밸브 본체(72)의 벽(100)과 협동하도록 선택된다. 도 8b는 제 2 스트림(96)이 실질적으로 제한되는 부분 폐쇄 위치에서의 활주 밸브 부재(80)를 도시한다.
예시된 실시예에서, 제 2 통로(75)는 제 2 입구(76)와 출구(78) 사이에서 방향의 변화에 따른 에너지 손실을 최소화하기 위해 직선이다. 또한, 밸브 본체(72) 및 활주 밸브 부재(80)의 외형은 가능한 한 적은 난류를 가지고 제 1 및 제 2 스트림(94, 96)을 결합하도록 선택되어, 결합된 스트림(98)은 높은 에너지 수준을 유지한다.
도 9를 참조하면, 본원에서 밴투리형 밸브(66)로서 언급될 밸브가, 바이패스 채널(33)이 배출 채널(28)과 재결합하는 지점에서 바이패스 채널(33)에 위치되는 본 발명의 실시예가 도시된다. 바이패스 밸브(66)는 밸브 챔버(69) 내에 위치된 밸브 부재(68)를 포함한다. 밸브 부재(68)는 밸브 부재(68)가 밸브 시트(67)와 접촉하는 완전하게 폐쇄된 위치와 밸브 부재(68)가 밸브 챔버(69)의 실질적으로 중심 위치로 후퇴되는 완전하게 개방된 위치 사이에서 이동하도록 구성된다. 밸브 부 재(68)가 개방 위치에 있는 반면에, 바이패스 채널(33)의 배기 가스 유동(49)은 밸브 부재(68) 주위를 방해받지 않고 자유롭게 유동하고 배출 채널(28)내로 유동한다. 밸브 부재(68)가 폐쇄된 위치를 향해 이동할 때, 밸브 시트(67)의 형상과 협동하는 밸브 부재(68)의 형상은 배출 채널(28)로 진입할 때 집중된 스트림 내로 배기 가스 유동을 지향하는 동안 배기 가스 유동(49)의 유동을 점진적으로 제한한다.
다른 실시예에 따르면, 밸브(66)는 배출 채널(33)에 대해 밸브 챔버(69)의 출구가 압축된 크기를 갖는 실제 벤투리 밸브이고, 완전하게 개방되었을 때 밸브(66)는 이를 통하는 가스 유동을 가속하고 집중한다.
본 발명의 실시예는 종래에 공지된 다중 스테이지 터보차저 시스템 이상의 여러 가지 이점을 제공한다. 예를 들어, 통상의 종래의 기술의 시스템에는 웨이스트게이트가 부분적으로 개방되는 동안 작동의 중간 범위에서 심각한 효율 저하가 일어난다. 이는, 예를 들어 이러한 시스템을 채용한 엔진이 이러한 범위를 통해 가속하며, 출력 저하, 연료 대 차지-질량 비율의 감소, 또는 보정 연료 효율의 감소 등이 일어난다. 보통의 도심 및 고속도로 작동 동안 발생할 수 있는 것과 같이, 엔진이 이러한 범위에서 광범위하게 작동한다면, 터보차저 시스템의 전체적인 이점 및 효율이 상당히 감소된다.
본 발명의 실시예는 이러한 감소를 상당히 진정시키며, 중간 범위의 작동의 증가된 연료 및 에너지 효율을 제공한다.
중간 범위의 작동에서 요구되는 최소 수준의 효율에 맞추도록 설계된 종래 기술의 시스템은 높은 범위 및 낮은 범위에서 과잉 생산적이며, 필요 이상으로 엔 진에 고 부하를 부가한다.
본 발명의 실시예에 따른 터보차저 시스템은 중간 범위, 높은 범위 및 낮은 범위 작동 특성에서 증가된 효율을 가지기 때문에, 실제 엔진 요구치에 매우 근접할 수 있고, 이는 종래 기술과 비교하여 그러한 범위에서의 엔진 성능을 개선시킨다. 차례로, 이는 출력 손실 없이 엔진의 전체적인 연료 절감을 이룬다.
마지막으로, 본 발명의 실시예에 따른 가장 효율적인 시스템이 전체 부하 요구치를 감소시킬 수 있기 때문에, 이는 터보차저의 크기 및 무게의 감소를 의미하여 차량 효율을 향상시키며 엔진 격실 배치을 단순화한다.
상기 미국 특허, 미국 특허 출원 공보, 미국 특허 출원, 외국 특허, 외국 특허 출원 및 본 명세서 및/또는 나열된 출원 데이터 시트에 언급된 비 특허 공보, 모두는 그 전체 내용이 본원에 참조로서 합체된다.
앞서 설명한 바에 의해, 본 발명의 특정 실시예가 예시를 목적으로 설명되었지만, 다양한 변형이 본 발명의 기술적 사상 및 범주에 벗어나지 않고 이루어질 수 있는 것으로 인식될 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구범위를 제외하고 한정되지 않는다.

Claims (27)

  1. 제 1 가스 입구와 가스 출구 사이에서 연장하는 제 1 통로 및 제 2 가스 입구와 상기 가스 출구 사이에서 연장하는 제 2 통로를 갖는 밸브(valve) 본체와,
    밸브 부재가 실질적으로 상기 제 2 통로 내의 모든 가스 유동을 차단하는 폐쇄 위치와 상기 제 2 통로 내의 가스 유동이 실질적으로 밸브 부재에 의해 방해받지 않는 개방 위치 사이에서 작동 가능한 밸브 부재와,
    상기 제 2 가스 입구에서의 압력 수준에 따라 상기 밸브 부재의 작동을 제어하도록 구성된 제어 기구(mechanism)를 포함하고,
    상기 제 1 및 상기 제 2 통로들은 제 1 및 제 2 입구들로 진입하는 가스 스트림(stream)이 상기 가스 출구를 이탈하는 단일 가스 스트림 내에 결합되도록 구성되고,
    상기 밸브 부재는 실질적으로 집중된 스트림 내의 상기 제 2 통로에서 가스 유동이 상기 출구를 향해 지향되도록 구성되는 터보차저(turbocharger) 바이패스(bypass) 밸브.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 기구는,
    상기 압력 수준이 제 1 임계치 이하일 때 상기 폐쇄된 위치에서 상기 밸브 부재를 유지하고,
    상기 압력 수준이 상기 제 1 임계치를 초과할 때 상기 개방 위치를 향해 상 기 밸브 부재를 이동시키고,
    상기 압력 수준이 상기 제 1 임계치보다 큰 제 2 임계치를 초과할 때 상기 개방 위치에서 상기 밸브 부재를 유지하도록 구성된 터보차저 바이패스 밸브.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브 부재는 가변 외형 노즐(variable geometry nozzle)을 형성하도록 상기 제 2 통로의 일부와 협동하는 터보차저 바이패스 밸브.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 통로는 상기 제 2 입구와 상기 출구 사이에서 직선인 터보차저 바이패스 밸브.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브는 게이트형(gate-type) 밸브인 터보차저 바이패스 밸브.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브는 벤투리형(venturi-type) 밸브인 터보차저 바이패스 밸브.
  7. 입구 및 출구를 갖는 제 1 터빈(turbine)과,
    상기 제 1 터빈의 입구와 유체 연통하는 제 1 단부와 상기 제 1 터빈의 출구와 유체 연통하는 제 2 단부를 갖고, 상기 제 1 터빈 주위에서 가스 상태의 유체 유동을 위한 바이패스를 제공하도록 구성된 바이패스 채널과,
    상기 제 1 터빈의 출구 및 상기 바이패스 채널의 상기 제 2 단부와 유체 연통하는 입구와, 출구를 갖는 제 2 터빈과,
    상기 바이패스 채널에 위치되고 상기 바이패스 채널 내의 가스 상태의 유체 유동을 조절하도록 구성된 밸브를 포함하며,
    상기 밸브는 이를 통과하는 가스 상태의 유체의 스트림의 속도를 증가시키며 상기 제 2 터빈의 입구를 향해 스트림을 집중시키도록 구성되어, 상기 유체 스트림의 증가된 속도가 실질적으로 상기 제 2 터빈에 진입할 때의 속도를 유지하는 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 유체의 스트림은 상기 제 1 터빈의 출구로부터의 가스 상태 유동의 추가 스트림과 결합되고, 상기 유체의 제 1 스트림의 상기 증가된 속도의 일부는 유체의 상기 추가 스트림에 전달되는 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 밸브는 게이트형 밸브인 시스템.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 밸브는 벤투리형 밸브인 시스템.
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 바이패스 채널 내의 유체의 통로가 실질적으로 차단된 폐쇄 위치와 상기 바이패스 채널내의 유체의 통로가 실질적으로 방해받지 않는 개방 위치 사이에서 밸브의 외형을 변화시키도록 구성된 액추에이터(actuator)를 추가로 포함하는 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 터빈의 입구에서 유체 압력의 수준에 응답하여 상기 액추에이터를 제어하도록 구성된 제어기를 추가로 포함하는 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 제어기 및 상기 액추에이터는 상기 압력이 제 1 임계치 아래일 때 상기 폐쇄 위치에서 상기 밸브의 외형을 유지하고, 상기 압력이 상기 제 1 임계치 이상으로 증가할 때 상기 개방 위치를 향해 상기 외형을 점진적으로 변화시키며, 상기 압력이 제 2 임계치 이상일 때 상기 밸브를 상기 개방 위치에서 유지하도록 집합적으로 구성되는 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 제어기는 상기 제 1 터빈의 입구와 유체 연통하는 배출 통로에 위치된 압력 센서를 포함하는 시스템.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 유체 압력의 수준은 엔진의 작동값들에 기초하여 계산되는 시스템.
  16. 제 7 항에 있어서, 상기 각각 제 1 및 제 2 터빈들에 작동식으로 결합된 제 1 및 제 2 압축기들을 추가로 포함하는 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 제 2 압축기의 출구는 상기 제 1 압축기의 입구와 유체 연통하는 시스템.
  18. 제 7 항에 있어서,
    내연 기관과,
    상기 내연 기관에 결합되고 상기 내연 기관의 연소 실린더들로부터의 배기 가스들을 수용하도록 구성된 배기 매니폴드(manifold)와,
    상기 배기 매니폴드의 출구에 결합된 제 1 단부와 상기 제 1 터빈의 입구에 결합된 제 2 단부를 갖는 배출 채널을 추가로 포함하는 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 제 2 터빈의 입구는 상기 배출 채널의 바이패스 포트(port)에 결합되는 시스템.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 제 2 터빈의 입구는 상기 배기 매니폴드의 추가적인 출구에 결합되는 시스템.
  21. 내연 기관의 배출 시스템에 결합되도록 구성된 입구 및 출구를 갖는 제 1 터빈과,
    상기 제 1 터빈의 입구와 유체 연통하는 제 1 단부와 상기 제 1 터빈의 출구와 유체 연통하는 제 2 단부를 갖는 바이패스 채널과,
    상기 제 1 터빈의 출구와 유체 연통하는 입구 및 출구를 갖는 제 2 터빈과,
    상기 바이패스 부분의 속도를 증가시키도록 상기 바이패스 부분의 압력을 강하시키며, 상기 제 2 터빈의 입구를 향해 집중된 스트림 내의 상기 바이패싱된 부분을 지향시키며, 상기 배출 시스템 내의 상기 배기 가스들의 압력 수준에 직접 관계하여 상기 제 1 터빈을 지나는 상기 배출 시스템내의 배기 가스들의 일부를 바이패싱시키기 위한 바이패싱 수단을 포함하는 터보차저 시스템.
  22. 배기 가스의 제 1 유동을 배기 매니폴드로부터 제 1 터빈으로 전달하는 단계와,
    매니폴드 내의 배출 압력의 수준이 임계치를 초과할 때, 배기 가스의 제 2 유동을 배기 매니폴드로부터 제 2 터빈으로 전달하는 단계와,
    상기 임계치를 넘는 상기 배출 압력의 수준에 직접 관계하여, 상기 배기 가스의 제 2 유동을 상기 제 2 터빈으로 조절하는 단계와,
    상기 제 2 유동 내의 압력 에너지를 상기 스트림의 증가된 속도의 형태인 운동 에너지로 전환시키는 단계와,
    실질적으로 상기 전환된 에너지의 상당 부분이 상기 제 2 유동에 잔류하는 동안 배기 가스의 상기 제 2 유동을 상기 제 2 터빈으로 안내하는 단계를 포함하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 배기 가스의 상기 제 1 유동을 상기 제 1 터빈으로부터 상기 제 2 터빈으로 전달하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 유동들을 상기 제 2 터빈 내로 안내하기 이전에, 상기 제 1 및 제 2 유동들을 단일 유동 내로 결합시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  25. 제 22 항에 있어서, 상기 조절 단계 및 전환 단계는 가변 외형 노즐의 역할을 하도록 구성된 밸브를 사용하여 수행되는 방법.
  26. 입구 및 출구를 갖는 제 1 터빈과,
    상기 제 1 터빈의 출구와 유체 연통하는 입구 및 출구를 갖는 제 2 터빈과,
    상기 제 1 터빈을 통과하지 않고 상기 제 2 터빈의 입구로 가스 유동을 통과시키기 위한 바이패스 수단과,
    가스 유동의 압력이 상기 바이패스 수단에서 강하될 때, 해제된 에너지 포텐셜(potential)의 일부를 보존하는 수단을 포함하는 시스템.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 제 1 터빈의 입구에서 가스 압력 수준에 따라, 상기 가스 유동의 체적을 가변식으로 제어하기 위한 제어 수단을 추가로 포함하는 시스템.
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