KR20080028473A

KR20080028473A - 다단 과급식 배기 터보 과급기

Info

Publication number: KR20080028473A
Application number: KR1020087002681A
Authority: KR
Inventors: 병일 안; 다카시 시라이시; 도루 기쿠치; 마모루 와키타
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2006-08-10
Filing date: 2007-08-03
Publication date: 2008-03-31
Also published as: WO2008018574A1; EP2050939B1; CN101341320A; JP2008038869A; CN101341320B; KR100963452B1; EP2050939A4; EP2050939A1; US20090031722A1; US8028525B2; JP4495120B2

Abstract

다단 과급식 배기 터보 과급기의 구조를 소형 컴팩트화함으로써, 그 다단 과급식 배기 터보 과급기를 구비한 엔진의, 협애한 엔진룸 내에 대한 탑재성을 향상시킨 다단 과급식 배기 터보 과급기를 구비한 엔진을 제공한다.

다단 과급식 배기 터보 과급기로서, 상기 고압 컴프레서 입구의 급기의 일부를 컴프레서 바이패스 밸브 장치에 의해 개폐되는 컴프레서 바이패스 통로를 통과하여 상기 고압 컴프레서의 급기 출구측에 바이패스시키도록 구성된 다단 과급식 배기 터보 과급기에 있어서, 고압 컴프레서 커버를, 급기의 컴프레서 입구 통로 및 컴프레서 바이패스 밸브 장치에 의한 개폐부를 갖는 바이패스 입구 통로가 내장된 일체형 컴프레서 커버에 구성한 것을 특징으로 한다.

Description

다단 과급식 배기 터보 과급기{MULTISTAGE EXHAUST TURBOCHARGER}

본 발명은, 내연 기관의 배기 터보 과급기에 사용되고, 엔진의 배기 가스에 의해 구동되는 고압 터빈을 갖는 고압단 과급기와 그 고압단 과급기의 구동 후의 배기 가스에 의해 구동되는 저압 터빈을 갖는 저압단 과급기를 배기 가스의 유로에 직렬로 배치하고, 상기 저압단 과급기의 저압 컴프레서로 제 1 단 가압이 이루어진 급기를 급기 접속 배관을 통과하여 상기 고압단 과급기의 고압 컴프레서로 제 2 단 가압을 실시하여 엔진에 공급하도록 구성한 다단 과급식 배기 터보 과급기에 관한 것이다.

차량용 엔진, 특히 차량용 디젤 엔진에 있어서는, 최근, 엔진의 배기 매니폴드로부터 배출되는 배기 가스에 의해 구동되는 고압 터빈을 갖는 고압단 과급기와 그 고압단 과급기의 구동 후의 배기 가스에 의해 구동되는 저압 터빈을 갖는 저압단 과급기를 배기 가스의 유로에 직렬로 배치하고, 상기 저압단 과급기의 저압 컴프레서로 제 1 단 가압이 이루어진 급기를, 급기 접속 배관을 통과하여 상기 고압단 과급기의 고압 컴프레서로 제 2 단 가압을 실시하여, 엔진에 공급하도록 구성한 다단 과급식 (2 단 과급식) 배기 터보 과급기가 채용되게 되었다.

이러한 다단 과급식 배기 터보 과급기를 구비한 엔진에서는, 엔진 중, 저속 운전역에서는 고압단 과급기 및 저압단 과급기의 쌍방을 작동시켜 2 단 과급을 실시함으로써 엔진의 과급압 및 출력을 증가시키고, 엔진의 고속 운전역에서는 배기 가스 및 급기를 고압단 과급기를 바이패스시켜 저압단 과급기에 의한 1 단 과급을 실시함으로써 높은 터빈 효율로 안정 운전을 실현시키고 있다.

도 9 는, 예를 들어 일본 공표특허공보 2003-531996호, 일본 공개특허공보 소59-82526호, 일본 공표특허공보 2002-512337호 등에 개시되어 있는 2 단 과급식 배기 터보 과급기를 구비한 엔진의 주요부 계통도이다.

도 9 에 있어서, 103 은 그 엔진의 배기 매니폴드, 1 은 고압 터빈 (1a) 과 그 고압 터빈 (1a) 에 동축 구동되는 고압 컴프레서 (1b) 를 구비한 고압단 과급기, 2 는 저압 터빈 (2a) 과 그 저압 터빈 (2a) 에 동축 구동되는 저압 컴프레서 (2b) 를 구비한 저압단 과급기이다.

117 은 그 배기 바이패스관 (116) 을 흐르는 바이패스 배기의 유량을 제어하는 배기 바이패스 밸브 장치, 5 는 고압 컴프레서 바이패스관 (111) 을 흐르는 바이패스 급기의 유량을 제어하는 컴프레서 바이패스 밸브 장치이다.

이러한 2 단 과급식 배기 터보 과급기를 구비한 엔진에 있어서, 엔진 중, 저속 운전역에서 고압단 과급기 (1) 및 저압단 과급기 (2) 의 쌍방을 작동시키는 2 단 과급 운전시에는, 상기 배기 바이패스 밸브 장치 (117) 를 닫음과 함께 컴프레서 바이패스 밸브 장치 (5) 를 닫는다.

이로써, 배기 매니폴드 (103) 로부터 배출되는 배기 가스는, 고압단 과급기 (1) 의 고압 터빈 (1a) 및 저압단 과급기 (2) 의 저압 터빈 (2a) 을 구동시킨다. 한편, 저압 터빈 (2a) 에 직결 구동되는 저압 컴프레서 (2b) 에 의해 제 1 단의 가압이 이루어진 급기는, 고압 터빈 (1a) 에 직결 구동되는 고압 컴프레서 (1b) 에 의해 제 2 단의 가압이 이루어진 후, 엔진의 각 실린더에 공급되어, 연소에 제공된다.

이로써, 엔진 중, 저속 운전역에서는, 이러한 2 단 과급을 실시함으로써 엔진의 과급압 및 출력을 증가시킬 수 있게 된다.

또, 엔진의 고속 운전역에서 배기 가스 및 급기를 고압단 과급기 (1) 를 바이패스시켜 저압단 과급기 (2) 에 의한 1 단 과급을 실시하는 1 단 과급 운전시에는, 상기 컴프레서 바이패스 밸브 장치 (5) 를 열고, 그 후, 목표 과급압이 되도록 배기 바이패스 밸브 장치 (117) 를 조정한다.

이로써, 배기 매니폴드 (103) 로부터 배출되는 배기 가스의 대부분은, 고압단 과급기 (1) 의 고압 터빈 (1a) 을 바이패스하고, 그 고압 터빈 (1a) 을 통과한 일부의 배기 가스와 합류하여 저압 터빈 (2a) 을 구동시킨다.

한편, 상기 저압 터빈 (2a) 에 직결 구동되는 저압 컴프레서 (2b) 에 의해 제 1 단의 가압이 이루어진 급기의 대부분은 고압 컴프레서 (1b) 를 바이패스하고, 고압 컴프레서 바이패스관 (111) 을 통과하여 상기 고압 컴프레서 (1b) 를 통과한 일부의 급기와 합류하고, 급기관을 거쳐 엔진의 각 실린더 (101) 에 공급된다.

이로써, 엔진의 고속 운전역에서는 배기 가스 및 급기의 대부분을 고압단 과급기 (1) 를 바이패스시켜 저압단 과급기 (2) 에 의한 1 단 과급을 실시함으로써, 높은 터빈 효율로 안정 운전을 실현시키고 있다.

차량용 엔진에 있어서, 협애한 엔진룸에 2 단 과급식 배기 터보 과급기를 장비한 엔진을 설치하기 위해서는, 2 단 과급식 배기 터보 과급기가 단단 (單段) 과급식 배기 터보 과급기에 비해 대형이 되기 때문에, 엔진룸에 있어서의 설치 스페이스가 필연적으로 지나치게 커진다.

이 때문에, 2 단 과급식 배기 터보 과급기의 구조를 컴팩트화하고 이것의 설치 스페이스를 최대한 작게 하여, 2 단 과급식 배기 터보 과급기를 장비한 엔진을, 협애한 엔진룸 내에 효과적으로 수납하는 것이 요구된다.

그러나, 일본 공개특허공보 소59-82526호 및 일본 공표특허공보 2002-512337호에서 제공되고 있는 2 단 과급식 배기 터보 과급기를 장비한 엔진에 있어서는, 특히 저압단 과급기 (2) 의 저압 컴프레서 (2b) 로부터 고압단 과급기 (1) 의 고압 컴프레서 (1b) 에 이르는 급기계, 및 저압 컴프레서 (2b) 로부터 고압 컴프레서 바이패스관 (111) 의 컴프레서 바이패스 밸브 장치 (5) 에 이르는 급기 바이패스계가, 단순한 수평 배치이기 때문에, 2 단 과급식 배기 터보 과급기의 수평 방향의 설치 스페이스가 커져, 협애한 엔진룸 내에 대한 엔진의 탑재성을 크게 해친다.

또, 일본 공표특허공보 2003-531996호에서 제공되고 있는 2 단 과급식 배기 터보 과급기를 장비한 엔진에 있어서는, 고압단 과급기 (1) 와 저압단 과급기 (2) 를 입체적으로 배치하여, 양자를 최소한의 길이의 배기 배관 및 급기 배관으로 접속함으로써, 2 단 과급식 배기 터보 과급기의 설치 스페이스의 저감을 도모하고 있으나, 기본적으로는 고압단 과급기 (1) 와 저압단 과급기 (2) 는 케이스류가 완전한 별체 구조이기 때문에, 2 단 과급식 배기 터보 과급기의 설치 스페이스는 여전 히 커, 협애한 엔진룸 내에 대한 엔진의 탑재성을 개선할 수 있는 것은 아니다.

발명의 개시

본 발명은 이러한 종래 기술의 과제를 감안하여, 다단 과급식 배기 터보 과급기의 구조를 소형 컴팩트화함으로써, 협애한 엔진룸 내에 대한 탑재성을 향상시킨 다단 과급식 배기 터보 과급기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 이러한 목적을 달성하는 것으로, 엔진의 배기 매니폴드로부터 배출되는 배기 가스에 의해 구동되는 고압 터빈을 갖는 고압단 과급기와 그 고압단 과급기의 구동 후의 배기 가스에 의해 구동되는 저압 터빈을 갖는 저압단 과급기를 배기 가스의 유로에 직렬로 배치하고, 상기 저압단 과급기의 저압 컴프레서로 제 1 단 가압이 이루어진 급기를 급기 접속 배관을 통과하여 상기 고압단 과급기의 고압 컴프레서로 제 2 단 가압을 실시하여 엔진에 공급하도록 구성한 다단 과급식 배기 터보 과급기로서, 상기 고압 컴프레서 입구의 급기의 일부를 컴프레서 바이패스 밸브 장치에 의해 개폐되는 컴프레서 바이패스 통로를 통과하여 상기 고압 컴프레서의 급기 출구측에 바이패스시키도록 구성된 다단 과급식 배기 터보 과급기에 있어서, 상기 고압 컴프레서의 고압 컴프레서 커버를, 급기의 컴프레서 입구 통로 및 컴프레서 바이패스 밸브 장치에 의한 개폐부를 갖는 바이패스 입구 통로가 내장된 일체형 컴프레서 커버에 구성한 것을 특징으로 한다.

이러한 발명에 있어서, 구체적으로는, 다음과 같이 구성하는 것이 바람직하다.

(1) 상기 컴프레서 바이패스 밸브 장치는, 상기 바이패스 입구 통로에 형성된 상기 개폐부를 개폐함으로써 상기 컴프레서 입구 통로와 컴프레서 바이패스 통로를 연통, 차단시키는 컴프레서 바이패스 밸브와, 그 컴프레서 바이패스 밸브를 구동시키는 액츄에이터를 일체화하여 단일 케이스에 수납하고, 상기 케이스를 상기 고압 컴프레서 커버에 자유롭게 착탈할 수 있도록 장착한다.

(2) 상기 고압 컴프레서 커버에는, 상기 컴프레서 바이패스 통로에 접속되는 바이패스 배관이, 상기 고압 컴프레서의 회전축심에 대하여 거의 직각 방향으로, 또한 상기 컴프레서 바이패스 밸브 장치의 케이스에 이웃하여 형성된다.

이러한 발명에 의하면, 고압 컴프레서의 고압 컴프레서 커버를, 저압 컴프레서로부터의 급기가 도입되는 컴프레서 입구 통로와, 그 컴프레서 입구 통로와 컴프레서 바이패스 통로 사이를 개폐하는 컴프레서 바이패스 밸브 장치에 의한 개폐부를 갖는 바이패스 입구 통로를 내장하여 형성된 일체형 컴프레서 커버에 구성하고, 더욱 구체적으로는, 상기 일체형 컴프레서 커버에, 컴프레서 바이패스 통로에 접속되는 바이패스 배관을, 고압 컴프레서의 회전축심에 대하여 거의 직각 방향으로, 또한 상기 컴프레서 바이패스 밸브 장치가 장착된 케이스에 이웃하여 형성하였으므로,

고압 컴프레서 커버에, 고압 컴프레서에 대한 급기 입구 통로와, 그 급기 입구 통로로부터 분기되어 컴프레서 바이패스 밸브 장치에 의한 개폐부가 형성된 바이패스 입구 통로와, 컴프레서 바이패스 통로에 접속되는 바이패스 배관을, 배관류를 일절 사용하지 않고 일체 형성할 수 있다.

이로써, 고압 컴프레서의 급기 입구부 및 컴프레서 바이패스 통로에 대한 접속부의 구조가 소형 컴팩트해져, 상기 종래 기술에 비해 고압 컴프레서의 설치 스페이스를 저감시킬 수 있어, 협애한 엔진룸 내에 대한 탑재성을 향상시킨 다단 과급식 배기 터보 과급기 장착 엔진이 얻어진다.

또한, 상기 컴프레서 바이패스 밸브 장치를, 상기 바이패스 입구 통로에 형성된 컴프레서 입구 통로와 컴프레서 바이패스 통로의 개폐부를 개폐하는 컴프레서 바이패스 밸브와, 이것을 구동시키는 액츄에이터를 일체화하여 단일 케이스에 수납하였으므로, 컴프레서 바이패스 밸브와 액츄에이터를 단일 케이스에 수납하여 세트화하고, 이러한 세트화한 컴프레서 바이패스 밸브 장치를 고압 컴프레서 커버에 장착하므로, 컴프레서 바이패스 밸브 장치의 장착성, 시공성이 향상되고, 조립 비용도 저감시킬 수 있다.

또, 이러한 발명에 있어서, 바람직하게는, 상기 컴프레서 바이패스 밸브는, 상기 액츄에이터에 의해 왕복 구동되고, 상기 개폐부에 형성된 밸브 시트에 착탈되는 궁형의 밸브체를 구비하고, 그 밸브체의 상기 밸브 시트와의 시트부를 구상의 시트면에 구성한다.

이와 같이 구성하면, 컴프레서 입구 통로와 컴프레서 바이패스 통로 사이를 개폐하는 컴프레서 바이패스 밸브의 궁형의 밸브체 시트면과 컴프레서 커버에 형성된 밸브 시트를 선접촉으로 함으로써, 밸브체 시트면과 밸브 시트의 시트부의 미소 오차를 흡수할 수 있음으로써 그 시트부의 접촉을 균일화할 수 있고, 제품간의 시일 기능의 편차가 없어져, 시일 정밀도가 안정된 컴프레서 바이패스 밸브 장치가 얻어진다.

또 본 발명은, 엔진의 배기 매니폴드로부터 배출되는 배기 가스에 의해 구동되는 고압 터빈을 갖는 고압단 과급기와 그 고압단 과급기의 구동 후의 배기 가스에 의해 구동되는 저압 터빈을 갖는 저압단 과급기를 배기 가스의 유로에 직렬로 배치하고, 상기 저압단 과급기의 저압 컴프레서로 제 1 단 가압이 이루어진 급기를 급기 접속 배관을 통과하여 상기 고압단 과급기의 고압 컴프레서로 제 2 단 가압을 실시하여 엔진에 공급하도록 구성한 다단 과급식 배기 터보 과급기로서, 상기 고압 컴프레서 입구의 급기의 일부를 컴프레서 바이패스 밸브 장치에 의해 개폐되는 컴프레서 바이패스 통로를 통과하여 상기 고압 컴프레서의 급기 출구측에 바이패스시키도록 구성된 다단 과급식 배기 터보 과급기에 있어서,

상기 배기 매니폴드와 고압 터빈 하우징을 일체 주조품으로 구성하여, 고압 터빈 하우징 출구에 배기 가스 통로를 직접 연결하고, 저압 터빈 접속 플랜지에 저압 터빈 하우징을 직접 연결하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 구성에 있어서, 상기 고압 터빈 하우징의 고압 가스 출구 플랜지의 조임면과 배기 매니폴드의 배기 가스 입구 플랜지의 조임면을 서로 직각인 면에 배치하는 것이 바람직하다.

이러한 발명에 의하면, 주조에 의해 배기 매니폴드와 일체로 형성한 고압 터빈 하우징 출구의 플랜지에, 고압 터빈의 축선 상에 있어서 배기 가스 통로를 직접 연결하고, 그 배기 가스 통로에 고압 터빈의 축선에 직각 방향으로 형성된 저압 터빈 접속 플랜지에 저압 터빈 하우징을 직접 연결하므로, 고압 터빈 하우징과, 배기 가스 통로와, 저압 터빈 하우징을 배관을 개재하지 않고 직결할 수 있어, 배기 매니폴드에 일체 형성한 고압 터빈 하우징과 배기 가스 통로를 개재하여 저압 터빈 하우징을 일체적으로 연결할 수 있게 되고, 고압단 과급기의 고압 터빈과 저압단 과급기의 저압 터빈의 연결 구조가 소형으로 컴팩트해져, 상기 종래 기술에 비해 고압단 과급기의 고압 터빈과 저압단 과급기의 저압 터빈측의 설치 스페이스를 저감시킬 수 있다. 이로써, 협애한 엔진룸 내에 대한 탑재성을 향상시킬 수 있다.

또, 상기 고압 터빈 하우징 출구의 플랜지의 조임면을 기준면으로 하여, 기준면에 직각인 배기 매니폴드의 배기 가스 입구 플랜지의 조임면의 가공을 용이하게 할 수 있다.

이로써, 고압 터빈 하우징 및 배기 매니폴드 (103) 의 가공성이 향상되어, 고압단 배기 터보 과급기의 가공, 조립 공수 (工數) 를 저감시킬 수 있다.

본 발명에 의하면, 고압 컴프레서 커버를, 컴프레서 입구 통로, 컴프레서 바이패스 밸브 장치의 개폐부를 갖는 바이패스 입구 통로를 내장하고, 추가로 컴프레서 바이패스 통로에 접속되는 바이패스 배관을 형성한 일체형 컴프레서 커버에 구성함으로써, 고압 컴프레서 커버에, 고압 컴프레서에 대한 급기 입구 통로와, 그 급기 입구 통로로부터 분기되어 컴프레서 바이패스 밸브 장치에 의한 개폐부가 형성된 바이패스 입구 통로와, 컴프레서 바이패스 통로에 접속되는 바이패스 배관을 배관류를 일절 사용하지 않고 일체로 형성할 수 있다.

이로써, 고압 컴프레서의 급기 입구부 및 컴프레서 바이패스 통로에 대한 접속부의 구조가 소형 컴팩트해져, 종래 기술에 비해 고압 컴프레서의 설치 스페이스를 저감시킬 수 있어, 협애한 엔진룸 내에 대한 탑재성을 향상시킨 다단 과급식 배기 터보 과급기 장착 엔진이 얻어진다.

또한, 상기 컴프레서 바이패스 밸브 장치를, 컴프레서 바이패스 밸브와, 이것을 구동시키는 액츄에이터를 일체화하여 단일 케이스에 수납하도록 구성함으로써, 컴프레서 바이패스 밸브와 액츄에이터를 컴프레서 바이패스 밸브 장치를 단일 케이스에 수납하여 세트화한 컴프레서 바이패스 밸브 장치를 고압 컴프레서 커버에 장착할 수 있어, 컴프레서 바이패스 밸브 장치의 장착성, 시공성이 향상되고, 조립 비용도 저감시킬 수 있다.

또 본 발명에 의하면, 배기 매니폴드와 일체 주조한 고압 터빈 하우징 출구의 플랜지에 배기 가스 통로를 동축선 상에 직접 연결하고, 그 배기 가스 통로에 고압 터빈의 축선에 직각 방향의 플랜지에 저압 터빈 하우징을 직접 연결하므로, 고압 터빈 하우징과, 배기 가스 통로와, 저압 터빈 하우징을 배관을 개재하지 않고 일체적으로 연결할 수 있게 되고, 고압단 과급기의 고압 터빈과 저압단 과급기의 저압 터빈의 연결 구조가 소형 컴팩트해져, 종래 기술에 비해 고압단 과급기의 고압 터빈과 저압단 과급기의 저압 터빈측의 설치 스페이스를 저감시킬 수 있다. 이로써, 협애한 엔진룸 내에 대한 탑재성을 향상시킬 수 있다.

또, 상기 고압 터빈 하우징 출구의 플랜지의 조임면을 기준면으로 하여, 기준면에 직각인 배기 매니폴드의 배기 가스 입구 플랜지의 조임면의 가공을 용이하게 할 수 있고, 이로써, 고압 터빈 하우징 및 배기 매니폴드 (103) 의 가공성이 향상되어, 고압단 배기 터보 과급기의 가공, 조립 공수를 저감시킬 수 있다.

도 1 은 본 발명의 제 1 실시예와 관련된 2 단 과급식 배기 터보 과급기의 전체 구조를 나타내는 측면도이다.

도 2 는 상기 제 1 실시예에 있어서의 고압 과급기 및 배기 가스 통로의 로터 샤프트 축심선을 따른 단면도이다.

도 3 은 상기 제 1 실시예에 있어서의 컴프레서 바이패스 밸브 장치를 장착한 고압 컴프레서 커버의 외관도이다.

도 4 는 상기 제 1 실시예에 있어서의 고압 컴프레서 커버의 단면도이다.

도 5(a) 는 상기 제 1 실시예에 있어서의 컴프레서 바이패스 밸브의 선단부 단면도, 5(b) 는 5(a) 에 있어서의 X 부 확대 단면도이다.

도 6 은 본 발명의 제 2 실시예와 관련된 2 단 과급식 배기 터보 과급기의 고압 과급기 및 배기 매니폴드를 나타내고, 6(a) 는 측면도, 6(b) 는 6(a) 에 있어서의 Y 화살표도이다.

도 7 은, 도 6(a) 에 있어서의 W 화살표도이다.

도 8 은 본 발명이 적용되는 2 단 과급식 배기 터보 과급기를 구비한 디젤 엔진의 급기계 및 배기계의 개략 계통도이다.

도 9 는 종래 기술과 관련된 2 단 과급식 배기 터보 과급기를 구비한 엔진의 주요부 계통도이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하, 본 발명을 도면에 나타낸 실시예를 사용하여 상세하게 설명한다. 단, 이 실시예에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대 배치 등은 특별히 특정적인 기재가 없는 한, 본 발명의 범위를 그것에만 한정하는 취지는 아니며, 단순한 설명예에 불과하다.

도 8 에 있어서, 100 은 엔진, 101 은 그 엔진의 실린더 (이 예에서는 4 실린더), 102 는 급기 매니폴드, 103 은 배기 매니폴드, 1 은 고압 터빈 (1a) 과 그 고압 터빈 (1a) 에 동축 구동되는 고압 컴프레서 (1b) 를 구비한 고압단 과급기, 2 는 저압 터빈 (2a) 과 그 저압 터빈 (2a) 에 동축 구동되는 저압 컴프레서 (2b) 를 구비한 저압단 과급기이다.

104 는 상기 배기 매니폴드 (103) 의 배기 출구와 고압 터빈 (1a) 의 배기 입구를 접속하는 고압 배기관, 115 는 고압 터빈 (1a) 의 배기 출구와 저압 터빈 (2a) 의 배기 입구를 접속하는 배기 접속관이다. 118 은 저압 터빈 (2a) 구동 후의 배기 가스를 외부로 배출하는 배출관이다.

105 는 상기 배기 매니폴드 (103) 로부터 고압 터빈 (1a) 을 바이패스하기 위한 배기 바이패스관, 106 은 배기 바이패스 유량을 조정하는 스테이지 제어 밸브이다. 116 은 상기 배기 접속관의 저압 터빈 (2a) 입구로부터 그 저압 터빈 (2a) 을 바이패스하여 배출관 (118) 에 접속되는 배기 바이패스관, 117 은 그 배기 바이패스관을 흐르는 바이패스 배기의 유량을 제어하는 배기 바이패스 밸브 장치이다.

119 는 외부로부터의 공기를 저압 컴프레서 (2b) 의 흡입구에 도입하기 위한 흡입관이다. 21 은 상기 저압 컴프레서 (2b) 의 급기 (공기) 출구와 고압 컴프레서 (1b) 의 급기 입구를 접속하는 급기 접속 배관이다. 108 은 상기 고압 컴프레서 (1b) 의 급기 출구와 상기 급기 매니폴드 (102) 를 접속하는 급기관, 107 은 그 급기관 (108) 에 형성되며 엔진에 대한 급기를 냉각시키는 급기 냉각기이다.

12 는 상기 급기 접속관 (21) 의 고압 컴프레서 (1b) 입구로부터 그 고압 컴프레서 (1b) 를 바이패스하여 급기관 (108) 에 접속되는 고압 컴프레서 바이패스관, 5 는 그 고압 컴프레서 바이패스관 (12) 을 흐르는 바이패스 급기의 유량을 제어하는 컴프레서 바이패스 밸브 장치이다.

109 는 상기 배기 매니폴드 (103) 출구의 배기 가스의 일부를 EGR (배기 재순환) 가스로서 추출하고, 상기 급기관 (108) 에 환류시키는 EGR 관, 110 은 EGR 의 유량을 제어하는 EGR 밸브이다.

이러한 2 단 과급식 배기 터보 과급기를 구비한 엔진에 있어서, 엔진 (100) 중, 저속 운전역에서 고압단 과급기 (1) 및 저압단 과급기 (2) 의 쌍방을 작동시키는 2 단 과급 운전시에는, 저속의 완전 2 스테이지역은 상기 스테이지 제어 밸브 (106) 및 컴프레서 바이패스 밸브 장치 (5) 와 함께 배기 바이패스 밸브 장치 (117) 를 닫는다. 또, 가변 2 스테이지역에서는 컴프레서 바이패스 밸브 장치 (5) 와 배기 바이패스 밸브 장치 (117) 를 닫아, 스테이지 제어 밸브 (106) 를 조 정한다.

이로써, 배기 매니폴드 (103) 로부터 배출되는 배기 가스는, 고압단 과급기 (1) 의 고압 터빈 (1a) 및 저압단 과급기 (2) 의 저압 터빈 (2a) 을 구동시킨다. 한편, 저압 터빈 (2a) 에 직결 구동되는 저압 컴프레서 (2b) 에 의해 제 1 단의 가압이 이루어진 급기는, 고압 터빈 (1a) 에 직결 구동되는 고압 컴프레서 (1b) 에 의해 제 2 단의 가압이 이루어진 후, 급기 냉각기 (107) 에 의해 냉각되고, 급기 매니폴드 (102) 를 통과하여 엔진 (100) 의 각 실린더 (101) 에 공급되어, 연소에 제공된다.

또, 엔진 (100) 의 고속 운전역에서 배기 가스 및 급기를 고압단 과급기 (1) 를 바이패스시켜 저압단 과급기 (2) 에 의한 1 단 과급을 실시하는 1 단 과급 운전시에는, 상기 스테이지 제어 밸브 (106) 및 컴프레서 바이패스 밸브 장치 (5) 를 엶과 함께, 그 후 목표 과급압이 되도록 배기 바이패스 밸브 장치 (117) 를 조정한다.

이로써, 배기 매니폴드 (103) 로부터 배출되는 배기 가스의 대부분은, 고압단 과급기 (1) 의 고압 터빈 (1a) 으로부터 배기 바이패스관 (105) 을 통과하여 배기 접속관 (115) 에 들어가 고압 터빈 (1a) 을 통과한 일부의 배기 가스와 합류하여 저압 터빈 (2a) 을 구동시킨다.

이 경우, 상기 일부의 배기 가스가 통과하는 고압 터빈 (1a) 은 아이들링 회 전으로 되어 있으므로, 고압 컴프레서 (1b) 는 거의 작동하지 않는다.

한편, 상기 저압 터빈 (2a) 에 직결 구동되는 저압 컴프레서 (2b) 에 의해 제 1 단의 가압이 이루어진 급기의 대부분은 고압 컴프레서 (1b) 를 바이패스하고, 고압 컴프레서 바이패스관 (12) 을 통과하여 상기 고압 컴프레서 (1b) 를 통과한 일부의 급기와 합류하고, 급기관 (108) 을 거쳐 엔진 (100) 의 각 실린더 (101) 에 공급된다.

이로써, 엔진 (100) 의 고속 운전역에서는 배기 가스 및 급기의 대부분을 고압단 과급기 (1) 를 바이패스시켜 저압단 과급기 (2) 에 의한 1 단 과급을 실시함으로써, 높은 터빈 효율로 안정 운전을 실현시키고 있다.

본 발명은, 이러한 구성을 구비한 다단 과급식 배기 터보 과급기 구조의 개량과 관련된 것이다.

[실시예 1]

도 1 은 본 발명의 제 1 실시예와 관련된 2 단 과급식 배기 터보 과급기의 전체 구조를 나타내는 측면도, 도 2 는 고압 과급기 및 배기 가스 통로의 로터 샤프트 축심선을 따른 단면도, 도 3 은 컴프레서 바이패스 밸브 장치를 장착한 고압 컴프레서 커버의 외관도, 도 4 는 그 고압 컴프레서 커버의 단면도이다.

도 1 ∼ 4 에 있어서, 1 은 고압 터빈 (1a) 과 그 고압 터빈 (1a) 에 동축 구동되는 고압 컴프레서 (1b) 를 구비한 고압단 과급기, 2 는 저압 터빈 (2a) (도 8 참조) 과 그 저압 터빈 (2a) 에 동축 구동되는 저압 컴프레서 (2b) (도 8 참조) 를 구비한 저압단 과급기이다.

10 은 상기 고압단 과급기 (1) 의 고압 터빈 하우징, 9 는 고압 컴프레서 커버, 11 은 배기 가스 통로이다. 2s 는 상기 저압단 과급기 (2) 의 저압 터빈 하우징, 2t 는 저압 컴프레서 커버이다. 이들의 상세한 것은 후술한다.

21 은 상기 저압 컴프레서 커버 (2t) 와 고압 컴프레서 커버 (9) 를 접속하는 급기 접속 배관이다. 그 급기 접속 배관 (21) 은 강관, 알루미늄관 등의 금속 혹은 가요성을 갖는 수지재나 경질 고무재의 관 등으로 이루어지고, 상기 저압 컴프레서 커버 (2t) 및 고압 컴프레서 커버 (9) 의 접속부를, 클램프에 의한 조임 결합으로 하고 있다 (그 이외의 접속 양태이어도 된다).

상기 고압단 과급기 (1) 의 상세한 것을 나타내는 도 2 에 있어서, 10 은 주조품으로 이루어지는 고압 터빈 하우징, 1a 는 래디얼류형의 고압 터빈, 1b 는 그 고압 터빈 (1a) 에 직결 구동되는 고압 컴프레서, 3 은 그 고압 터빈 (1a) 과 고압 컴프레서 (1b) 를 연결하는 고압 로터 샤프트, 9 는 주조품으로 이루어지는 고압 컴프레서 커버, 6 은 주조품으로 이루어지는 고압 베어링 하우징이다.

상기 고압 로터 샤프트 (3) 는 2 개의 베어링을 개재하여 고압 베어링 하우징 (6) 에 자유롭게 회전할 수 있도록 지지되어 있다. M 은 배기 터보 과급기의 회전축심이다.

11 은 주조품으로 이루어지는 배기 가스 통로로, 도 2 와 같이, 상기 고압 터빈 (1a) 의 회전축심 (M) 상에 있어서 상기 고압 터빈 하우징 (10) 의 플랜지 (10a 는 플랜지면) 에 도시하지 않은 복수의 볼트에 의해 결합되고, 상기 회전축심 (M) 에 직각 방향으로 저압 터빈 접속 플랜지 (12) 가 형성되어 있다. 그 저압 터빈 접속 플랜지 (12) 에는, 도 1 과 같이, 상기 저압 터빈 하우징 (2s) 이 복수의 볼트 (12z 는 볼트 구멍) 에 의해 직접 연결되어 있다.

상기 고압 컴프레서 커버 (9) 는, 도 2, 도 4 와 같이, 상기 저압 컴프레서 (2b) 로부터 상기 급기 접속 배관 (21) 을 통과하여 급기가 도입되는 컴프레서 입구 통로 (7) 와, 그 컴프레서 입구 통로 (7) 로부터 분기되어 컴프레서 바이패스 통로 (12) 에 접속되는 바이패스 입구 통로 (8a) 가 내장됨과 함께, 상기 컴프레서 입구 통로 (7) 와 바이패스 입구 통로 (8a) 사이에는, 컴프레서 바이패스 밸브 장치 (5) 에 의한 개폐부 (5c) 가 형성되어 있다.

또, 도 4 와 같이, 상기 고압 컴프레서 커버 (9) 에는, 상기 컴프레서 바이패스 통로 (12) 가 내장된 바이패스 배관 (8) 을, 상기 고압 컴프레서 (1b) 의 회전축심 (M) 에 대하여 거의 직각 방향으로, 또한 컴프레서 바이패스 밸브 장치 (5) 가 장착된 케이스 (53) 와 이웃하여 일체 형성하고 있다.

도 2 ∼ 4, 특히 도 3(a), (b) 에 있어서, 상기 컴프레서 바이패스 밸브 장치 (5) 는, 상기 바이패스 입구 통로 (8a) 에 형성된 상기 개폐부 (5c) 를 개폐함으로써 상기 컴프레서 입구 통로 (7) 와 컴프레서 바이패스 통로 (12) 를 연통, 차단시키는 컴프레서 바이패스 밸브 (51) 와, 그 컴프레서 바이패스 밸브 (51) 를 구동시키는 액츄에이터 (52) 를 일체화하여 단일 케이스 (53) 에 수납하고, 상기 케이스 (53) 를 상기 고압 컴프레서 커버 (9) 의 상부에 자유롭게 착탈할 수 있도록 장착하고 있다. 그리고, 상기 액츄에이터 (52) 에 의해 상기 컴프레서 바이패스 밸브 (51) 를 왕복 구동시켜, 그 컴프레서 바이패스 밸브 (51) 의 궁형의 밸브체 (51a) 를 상기 개폐부 (5c) 에 형성된 밸브 시트 (55) 에 착탈함으로써, 상기 컴프레서 입구 통로 (7) 와 컴프레서 바이패스 통로 (12) 를 연통, 차단시킨다.

도 5(a) 는 컴프레서 바이패스 밸브의 선단부 단면도, 도 5(b) 는 도 5(a) 에 있어서의 X 부 확대 단면도이다. 도 5 의 (a), (b) 및 도 2 에 있어서, 상기 컴프레서 바이패스 밸브 (51) 는, 상기 액츄에이터 (52) 에 의해 왕복 구동되고, 상기 개폐부 (5c) 에 형성된 밸브 시트 (55) 에 착탈되는 궁형의 밸브체 (51a) 를 구비하고, 도 5(b) 와 같이 그 밸브체 (51a) 의 상기 밸브 시트 (55) 와의 시트면 (51c) 을 구상의 시트면에 구성한다. 51b 는 밸브봉이다.

이와 같이 구성하면, 컴프레서 입구 통로 (7) 와 컴프레서 바이패스 통로 (12) 사이를 개폐하는 컴프레서 바이패스 밸브 (51) 의 궁형의 밸브체 (51a) 의 시트면 (51c) 과 상기 고압 컴프레서 커버 (9) 에 형성된 밸브 시트 (55) 를 선접촉으로 함으로써, 밸브체 (51a) 의 시트면 (51c) 과 밸브 시트 (55) 의 시트부의 미소 오차를 흡수할 수 있음으로써, 그 시트부의 접촉을 균일화할 수 있고, 제품간의 시일 기능의 편차가 없어져, 시일 정밀도가 안정된 컴프레서 바이패스 밸브 장치 (5) 가 얻어진다.

이러한 제 1 실시예에 의하면, 고압 컴프레서 (1b) 의 고압 컴프레서 커버 (9) 를, 저압 컴프레서 (2b) 로부터의 급기가 도입되는 컴프레서 입구 통로 (7) 와, 그 컴프레서 입구 통로 (7) 와 컴프레서 바이패스 통로 (12) 사이를 개폐하는 컴프레서 바이패스 밸브 장치 (5) 에 의한 개폐부 (5c) 를 갖는 바이패스 입구 통로 (8a) 를 내장하여 형성된 일체형의 컴프레서 커버 (9) 에 구성하고, 또한 추가로, 상기 일체형의 컴프레서 커버 (9) 에, 컴프레서 바이패스 통로 (12) 에 접속되는 바이패스 배관 (8) 을, 고압 컴프레서 (1b) 의 회전축심 (M) 에 대하여 거의 직각 방향으로, 또한 상기 컴프레서 바이패스 밸브 장치 (5) 가 장착된 케이스 (53) 에 이웃하여 형성하였으므로, 고압 컴프레서 커버 (9) 에, 고압 컴프레서 (1b) 에 대한 급기 입구 통로와, 그 급기 입구 통로로부터 분기되어 컴프레서 바이패스 밸브 장치 (5) 에 의한 개폐부 (5c) 가 형성된 바이패스 입구 통로 (8a) 와, 컴프레서 바이패스 통로 (12) 에 접속되는 바이패스 배관 (8) 을, 배관류를 일절 사용하지 않고 일체로 형성할 수 있다.

이로써, 고압 컴프레서 (1b) 의 급기 입구부 및 컴프레서 바이패스 통로 (12) 에 대한 접속부의 구조가 소형 컴팩트해져, 상기 종래 기술에 비해 고압 컴프레서 (1b) 의 설치 스페이스를 저감시킬 수 있어, 협애한 엔진룸 내에 대한 탑재성을 향상시킨 2 단 과급식 배기 터보 과급기 장착 엔진이 얻어진다.

또한, 상기 컴프레서 바이패스 밸브 장치 (5) 를, 상기 바이패스 입구 통로 (8a) 에 형성된 컴프레서 입구 통로 (7) 와 컴프레서 바이패스 통로 (12) 의 개폐부 (5c) 를 개폐하는 컴프레서 바이패스 밸브 (51) 와, 이것을 구동시키는 액츄에이터 (52) 를 일체화하여 단일 케이스 (53) 에 수납하였으므로, 컴프레서 바이패스 밸브 (51) 와 액츄에이터 (52) 를 단일 케이스 (53) 에 수납하여 세트화한 컴프레서 바이패스 밸브 장치 (5) 를 고압 컴프레서 커버 (9) 에 장착하게 되어, 컴프레 서 바이패스 밸브 장치 (5) 의 장착성, 시공성이 향상되고, 조립 비용도 저감시킬 수 있다.

[실시예 2]

도 6 은 본 발명의 제 2 실시예와 관련된 2 단 과급식 배기 터보 과급기의 고압 과급기 및 배기 매니폴드를 나타내고, 도 6(a) 는 측면도, 도 6(b) 는 도 6(a) 에 있어서의 Y 화살표도이다. 도 7 은 도 6(a) 에 있어서의 W 화살표도이다.

도 6 ∼ 7 에 있어서, 103 은 배기 매니폴드로, 그 배기 매니폴드 (103) 와 상기 고압 과급기 (1) 의 고압 터빈 하우징 (10) 을 일체 주조품으로 구성하고 있다. 그리고, 상기 배기 가스 통로 (11) 는, 그 고압 터빈 하우징 (10) 의 플랜지 (10b) 의 플랜지면 (10a) 에, 상기 고압 터빈 (1a) 의 회전축심 (M) 상을 따르도록, 도시하지 않은 복수의 볼트에 의해 직접 연결되어 있다.

103a 는 각 실린더 (101) (도 8 참조) 에 대한 배기 가스 입구 플랜지로, 각 배기 가스 입구 플랜지 (103a) 의 플랜지면 (103b) 은, 고압 터빈 하우징 (10) 의 플랜지면 (10a) 에 대하여 직각인 면에 형성되고, 상기 각 실린더 (101) 의 배기 출구 플랜지 (도시 생략) 에, 도시하지 않은 복수의 볼트로 조여 장착된다.

또, 상기 제 1 실시예에 기재되어 있는 바와 같이, 상기 배기 가스 통로 (11) 에는, 상기 회전축심 (M) 에 직각 방향으로 저압 터빈 접속 플랜지 (12) 가 형성되고, 그 저압 터빈 접속 플랜지 (12) 에는, 도 1 과 같이, 상기 저압 터빈 하우징 (2s) 이 복수의 볼트 (12z 는 볼트 구멍) 에 의해 직접 연결되어 있다. 이로써, 상기 고압 터빈 (1a) 으로부터 배기 가스 통로 (11) 내로 배출된 가스가, 도 6 과 같이 상기 저압 터빈 접속 플랜지 (12) 내에 형성된 배기 가스 통로 (11s) 를 통과하여 상기 저압 터빈 (2a) 의 입구에 유도되게 된다.

15 는, EGR 가스를 추출하기 위한 EGR 추출 플랜지이다.

이러한 제 2 실시예에 의하면, 주조에 의해 배기 매니폴드 (103) 와 일체로 형성한 고압 터빈 하우징 (10) 출구의 플랜지 (10b) 에, 고압 과급기 (1) 의 회전축심 (M) 상에 있어서 배기 가스 통로 (11) 를 직접 연결하고, 그 배기 가스 통로 (11) 에 고압 과급기 (1) 의 회전축심 (M) 에 직각 방향으로 형성된 저압 터빈 접속 플랜지 (12) 에 저압 터빈 하우징 (2s) 을 직접 연결하므로, 고압 터빈 하우징 (10) 과, 배기 가스 통로 (11) 와, 저압 터빈 하우징 (2s) 을 배관을 개재하지 않고 직결할 수 있어, 배기 매니폴드 (103) 에 일체 형성한 고압 터빈 하우징 (10) 과 배기 가스 통로 (11) 를 개재한 저압 터빈 하우징 (2s) 을 일체적으로 연결할 수 있게 되고, 고압단 과급기 (1) 의 고압 터빈 하우징 (10) 과 저압단 과급기 (2) 의 저압 터빈 하우징 (2s) 의 연결 구조가 소형으로 컴팩트해져, 고압단 과급기 (1) 의 고압 터빈측과 저압단 과급기 (2) 의 저압 터빈측의 설치 스페이스를 저감시킬 수 있다. 이로써, 협애한 엔진룸 내에 대한 탑재성을 향상시킬 수 있다.

또, 이러한 제 2 실시예에 의하면, 상기 고압 터빈 하우징 (10) 출구의 플랜지 (10b) 의 조임면인 플랜지면 (10a) 을 기준면으로 하여, 기준면에 직각인 배기 매니폴드 (103) 의 배기 가스 입구 플랜지 (103a) 의 플랜지면 (103b) 의 가공을 용이하게 할 수 있다.

이로써, 고압 터빈 하우징 (10) 이 일체화되고 배기 매니폴드 (103) 의 가공성이 향상되어, 고압단 배기 터보 과급기 (1) 의 가공, 조립 공수를 저감시킬 수 있다.

본 발명에 의하면, 다단 과급식 배기 터보 과급기의 구조를 소형 컴팩트화함으로써, 협애한 엔진룸 내에 대한 탑재성을 향상시킨 다단 과급식 배기 터보 과급기를 구비한 엔진을 제공한다.

Claims

엔진의 배기 매니폴드로부터 배출되는 배기 가스에 의해 구동되는 고압 터빈을 갖는 고압단 과급기와 그 고압단 과급기의 구동 후의 배기 가스에 의해 구동되는 저압 터빈을 갖는 저압단 과급기를 배기 가스의 유로에 직렬로 배치하고, 상기 저압단 과급기의 저압 컴프레서로 제 1 단 가압이 이루어진 급기를 급기 접속 배관을 통과하여 상기 고압단 과급기의 고압 컴프레서로 제 2 단 가압을 실시하여 엔진에 공급하도록 구성한 다단 과급식 배기 터보 과급기로서, 상기 고압 컴프레서 입구의 급기의 일부를 컴프레서 바이패스 밸브 장치에 의해 개폐되는 컴프레서 바이패스 통로를 통과하여 상기 고압 컴프레서의 급기 출구측에 바이패스시키도록 구성된 다단 과급식 배기 터보 과급기에 있어서, 상기 고압 컴프레서의 고압 컴프레서 커버를, 급기의 컴프레서 입구 통로 및 컴프레서 바이패스 밸브 장치에 의한 개폐부를 갖는 바이패스 입구 통로가 내장된 일체형 컴프레서 커버에 구성한 것을 특징으로 하는 다단 과급식 배기 터보 과급기.
제 1 항에 있어서,

상기 컴프레서 바이패스 밸브 장치는, 상기 바이패스 입구 통로에 형성된 상기 개폐부를 개폐함으로써 상기 컴프레서 입구 통로와 컴프레서 바이패스 통로를 연통, 차단시키는 컴프레서 바이패스 밸브와, 그 컴프레서 바이패스 밸브를 구동시키는 액츄에이터를 일체화하여 단일 케이스에 수납하고, 상기 케이스를 상기 고압 컴프레서 커버에 자유롭게 착탈할 수 있도록 장착하며, 상기 개폐부는 그 개폐부의 외주부가 상기 컴프레서 바이패스 밸브의 밸브 시트면이 되도록 상기 고압 컴프레서 커버에 형성된 격벽에 형성되며, 컴프레서 커버의 내측은 고압 컴프레서를 위한 컴프레서 입구 통로와 바이패스 배관에 연결되는 바이패스 입구 통로로 나누어지는 것을 특징으로 하는 다단 과급식 배기 터보 과급기.
제 1 항에 있어서,

상기 고압 컴프레서 커버는, 상기 컴프레서 바이패스 밸브 장치의 케이스와 상기 컴프레서 바이패스 통로에 접속되는 바이패스 배관이, 이웃하고 또한 상기 고압 컴프레서의 회전축심에 대하여 거의 직각 방향으로 일체 형성되어 이루어지며, 컴프레서 바이패스 밸브 장치의 밸브의 밸브 시트는 격벽에 직접 형성되는 것을 특징으로 하는 다단 과급식 배기 터보 과급기.
제 2 항에 있어서,

상기 컴프레서 바이패스 밸브는, 상기 액츄에이터에 의해 왕복 구동되고, 상기 개폐부에 형성된 밸브 시트에 착탈되는 궁형의 밸브체를 구비하고, 그 밸브체의 상기 밸브 시트와의 시트부를 구상의 시트면에 구성한 것을 특징으로 하는 다단 과급식 배기 터보 과급기.
제 1 항에 있어서,

상기 배기 매니폴드와 고압 터빈 하우징을 일체 주조품으로 구성하여, 고압 터빈 하우징의 고압 가스 출구 플랜지에 배기 가스 통로를 직접 연결하고, 상기 배기 가스 통로의 저압 터빈 접속 플랜지에 저압 터빈 하우징을 직접 연결하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다단 과급식 배기 터보 과급기.
제 5 항에 있어서,

상기 고압 터빈 하우징 출구의 플랜지의 조임면과 배기 매니폴드의 배기 가스 입구 플랜지의 조임면을 서로 직각인 면에 배치한 것을 특징으로 하는 다단 과급식 배기 터보 과급기.