KR20100024983A - 내연기관을 위한 과급 시스템 - Google Patents

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KR20100024983A
KR20100024983A KR1020107000071A KR20107000071A KR20100024983A KR 20100024983 A KR20100024983 A KR 20100024983A KR 1020107000071 A KR1020107000071 A KR 1020107000071A KR 20107000071 A KR20107000071 A KR 20107000071A KR 20100024983 A KR20100024983 A KR 20100024983A
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exhaust
coupled
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페터 노이엔슈반더
헤르만 슈티아스니
이오아니스 블라스코스
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에이비비 터보 시스템즈 아게
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Abstract

다수의 배기가스 터보차저를 구비한 내연기관 (10) 을 위한 과급 시스템에 있어서, 배기가스 터보차저들에 커플링되어 있는 전기기계 (M) 들과 터보차저 터빈 (31) 들의 조정 가능한 배전기들은 결합되어 있다. 그 결과, 필요한 전기기계 및 조정 가능한 배전기의 수가 감소될 수 있다.

Description

내연기관을 위한 과급 시스템 {SUPERCHARGING SYSTEM FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 배기가스 터보차저를 이용해 과급된 내연기관의 분야에 관한 것이다. 본 발명은 다수의 배기가스 터보차저를 구비한 내연기관을 위한 과급 시스템에 관한 것이다.
큰 2행정 엔진에는 다수의 배기가스 터보차저가 평행 작동 동안 이용될 수 있다. 이때, 특히 일시적인 작동시 개별 배기가스 터보차저의 신뢰성 없는 작동 상태를 감행하지 않기 위해, 일반적으로 개별 2행정 엔진에는 동일한 배기가스 터보차저들만이 동시에 사용된다.
과급의 이러한 대칭적인 디자인은, 전력의 공급 및 방출을 위해 (power take in/power take out-PTI/PTO) 전기기계와 커플링되어 있는 배기가스 터보차저가 실용 터빈을 가진 시스템과 비교하여 현재 경제적으로 경쟁력이 없도록 만들고 있는데, 그 이유는 각 배기가스 터보차저를 위해 전기기계를 위한 투자, 또한 배기가스 터보차저와의 커플링을 위한 투자가 실행되어야만 하기 때문이다. 이 이외에, 각 전기기계는 배기가스 터보차저-플랫폼 (platform) 상에서 공간을 요구하고, 또한 추가적인 보수비용이 들게 한다.
본 발명은 다수의 배기가스 터보차저를 구비한 내연기관을 위한 과급 시스템의 개선에 관한 것이다.
다수의 배기가스 터보차저를 구비한 과급 시스템에 있어서, 배기가스 터보차저들에 커플링되어 있는 전기기계들과 배기가스 터보차저 터빈들의 조정 가능한 배전기 (distributor) 들이 결합되면, 필요한 전기기계 및 조정 가능한 배전기의 수가 감소될 수 있다. 조정 가능한 배전기의 수의 감소는 터빈 손실을 보다 적게 하는데, 그 이유는 조정 가능한 기하학적 형상 (geometry) 을 가진 터빈들은 불변 기하학적 형상을 가진 터빈보다 낮은 효율을 자주 갖기 때문이다.
이때, 상기 언급된 구성요소들의 수많은 결합이 가능하다:
2 개 이상의 배기가스 터보차저의 양을 포함하며, 상기 양 중 적어도 하나는 전기기계와 커플링되어 있고, 상기 양 중 적어도 하나에는 조정 가능한 터빈-가이드 기하학적 형상이 갖춰져 있으며, 이때 배기가스 터보차저들 중 적어도 하나는 전기기계와 커플링되어 있지도 않고 조정 가능한 터빈-가이드 기하학적 형상이 갖춰져 있지도 않은, 내연기관을 위한 과급 시스템.
2 개 이상의 배기가스 터보차저를 포함하며, 상기 배기가스 터보차저들의 제 1 부분양, 즉 1 개부터 모두보다 하나 적은 개수까지 전기기계와 연결되어 있으며, 제 2 부분양, 즉 1 개부터 모두보다 하나 적은 개수까지에 조정 가능한 터빈-가이드 기하학적 형상이 갖춰져 있는, 내연기관을 위한 과급 시스템.
2 개 이상의 배기가스 터보차저를 포함하며, 이때 배기가스 터보차보들의 부분양, 즉 1 개부터 모두보다 하나 적은 개수까지 각각 전기기계와 연결되어 있으며, 전기기계와 커플링된 이 배기가스 터보차저들 중 적어도 하나에는 조정 가능한 터빈-가이드 기하학적 형상이 갖춰져 있는, 내연기관을 위한 과급 시스템. 즉, 선택 사양적으로 (optionally), 종래 유형의 나머지 배기가스 터보차저들은 전기기계와 커플링되어 있지도 않고 조정 가능한 터빈-가이드 기하학적 형상이 갖춰져 있지도 않다.
2 개 이상의 배기가스 터보차저를 포함하며, 이때 배기가스 터보차저들 중 적어도 2 개를 포함하는 부분양, 즉 2 개부터 모두보다 하나 적은 개수까지 각각 전기기계와 커플링되어 있고, 이때 각각 적어도 2 개의 배기가스 터보차저는 하나의 전기기계와 커플링되어 있으며, 전기기계와 커플링되어 있는 이 배기가스 터보차저들 중 적어도 하나에는 조정 가능한 터빈-가이드 기하학적 형상이 갖춰져 있는, 내연기관을 위한 과급 시스템. 즉, 선택 사양적으로, 종래 유형의 나머지 배기가스 터보차저들은 전기기계와 커플링되어 있지도 않고 조정 가능한 터빈-가이드 기하학적 형상이 갖춰져 있지도 않다.
2 개 이상의 배기가스 터보차저를 포함하며, 이때 배기가스 터보차저의 부분양, 즉 1 개부터 모두보다 하나 적은 개수까지 각각 전기기계와 커플링되어 있으며, 나머지 배기가스 터보차저들에는 각각 조정 가능한 터빈-가이드 기하학적 형상이 갖춰져 있는, 내연기관을 위한 과급 시스템.
2 개 이상의 배기가스 터보차저를 포함하며, 이때 배기가스 터보차저들 중 적어도 2 개를 포함하는 부분양, 즉 2 개부터 모두보다 하나 적은 개수까지 각각 전기기계와 커플링되어 있으며, 이때 각각 적어도 2 개의 배기가스 터보차저가 하나의 전기기계와 커플링되어 있고, 나머지 배기가스 터보차저들에는 각각 조정 가능한 터빈-가이드 기하학적 형상이 갖춰져 있는, 내연기관을 위한 과급 시스템.
상기 제안된 배기가스 터보차저 형태들을 갖고, 경우에 따라서는 전체 과급 시스템을 위한 하나의 유일한 전기기계까지 PTI/PTO 작동을 위한 전기기계들의 수가 감소될 수 있다.
동일한 배기가스 터보차저에서의 전기기계 및 가변적인 터빈-가이드 기하학적 형상을 갖고, 필요한 터빈-가이드 기하학적 형상 유닛 (unit) 들의 수가 한 개까지 감소될 수 있다. 이에 반해, 전기기계가 없다면 배기가스 터보차저 당 하나의 조정 가능한 터빈-가이드 기하학적 형상 유닛이 필요할 것이다.
실용 터빈을 가진 시설과 비교하여, 배기가스 터보차저에서의 전기기계 덕택에 배기가스 라인 및 매우 빨리 스위칭하는 과속 방지 시스템이 없어도 된다. 과속 방지에 대한 요구가 훨씬 더 적은데, 왜냐하면 터빈 전력의 일부분만 전기기계에 공급되기 때문이다. 경우에 따라서는, 엔진 전력의 적시의 스로틀 (throttle) 및/또는 웨이스트 게이트 (Waste-Gate) 의 개방으로 충분할 수 있다.
공간에 대한 요구는 실용 터빈을 가진 시스템과 비교하여 적으며, 2행정 엔진/엔진들 제조사와 선박/조선소 간의 보다 적은 인터페이스 (interface) 가 발생하는데, 왜냐하면 전기기계는 배기가스 터보차저를 통하여 내연기관과 함께 조선소에 공급되기 때문이다.
SCR (selective catalytic reduction) 촉매를 가진 시스템에서는, 촉매의 큰 열적 비활성으로 인해 (PTI/PTO 를 위한) 전기기계 및 조정 가능한 터빈-가이드 기하학적 형상을 구비한 본 발명에 따른 과급 시스템을 가진 내연기관의 과급이 유리할 수 있다.
이하, 본 발명의 여러 실시형태를 도면을 참조로 상세히 설명한다.
본 발명에 의해 다수의 배기가스 터보차저를 구비한 내연기관을 위한 과급 시스템을 개선할 수 있다.
도 1 은 다수의 배기가스 터보차저를 가진 과급 시스템이며, 상기 배기가스 터보차저들 중 하나는 전기기계와 연결되어 있고, 상기 배기가스 터보차저에는 조정 가능한 터빈-가이드 기하학적 형상이 갖춰져 있다.
도 2 는 다수의 배기가스 터보차저를 가진 과급 시스템이며, 상기 배기가스 터보차저들 중 2 개는 각각 별도의 전기기계와 연결되어 있고, 이 2 개의 배기가스 터보차저들 중 하나에는 조정 가능한 터빈-가이드 기하학적 형상이 갖춰져 있다.
도 3 은 다수의 배기가스 터보차저를 가진 과급 시스템이며, 상기 배기가스 터보차저들 중 2 개는 함께 하나의 전기기계와 연결되어 있고, 이 2 개의 배기가스 터보차저들 중 하나에는 조정 가능한 터빈-가이드 기하학적 형상이 갖춰져 있다.
도 4 는 다수의 배기가스 터보차저를 가진 과급 시스템이며, 상기 배기가스 터보차저들 중 하나는 전기기계와 연결되어 있고, 나머지 배기가스 터보차저들에는 조정 가능한 터빈-가이드 기하학적 형상이 갖춰져 있다.
도 5 는 다수의 배기가스 터보차저를 가진 과급 시스템이며, 상기 배기가스 터보차저들 중 하나는 전기기계와 연결되어 있고, 나머지 배기가스 터보차저들에는 조정 가능한 압축기-기하학적 형상이 갖춰져 있다.
도 1 은 4 개의 배기가스 터보차저를 구비한 내연기관 (10) 을 위한 과급 시스템을 나타낸다. 각 배기가스 터보차저는 압축기 (20) 와 배기가스 터빈을 포함한다. 도면들에서, 배기가스 터빈에 있어 통상적인 배기가스 터빈 (30) 과, 조정 가능한 가이드 기하학적 형상을 갖춘 배기가스 터빈 (31) 이 구별된다. 제 1 배기가스 터보차저는 전기기계 (모터-발전기) 와 연결되어 있고, 상기 배기가스 터보차저에는 조정 가능한 가이드 기하학적 형상을 가진 배기가스 터빈 (31) 이 갖춰져 있다.
배기가스 터보차저와 전기기계 간의 연결은 스위칭 가능한 커플링을 수단으로 또는 스위칭 가능하지 않은 커플링을 수단으로 실현될 수 있다. 선택 사양적으로, 전기기계와 배기가스 터보차저의 사이에는 전동 장치가 위치할 수 있다. 전기기계는 압축기쪽에 또는 터빈쪽에 배치될 수 있고, 또는 배기가스 터보차저 안에, 예컨대 필터 소음기 안에 또는 베어링들 사이에 통합될 수 있다. 전기기계에는 배기가스 터보차저에서와 동일한 베어링 유형이 설치될 수 있거나, 또는 다른 베어링들이 설치될 수 있다 (자석 베어링, 롤링 베어링, 미끄럼 베어링). 윤활 또는 경우에 따라서는 냉각도 배기가스 터보차저에서와 동일한 오일을 갖고 행해질 수 있다. 경우에 따라서는, 냉각은 공기 또는 물을 갖고 행해질 수 있으며, 이때 공기의 경우에는 특수한 환풍기 또는 전동기가 설치될 수 있고, 또는 전기기계에 의해 가열된 공기가 압축기에 의해 흡입될 수 있으며, 또는 냉각을 위해 공기 리시버 (air receiver) 로부터의 공기가 사용될 수 있다.
도 2 도 또한 4 개의 배기가스 터보차저를 구비한 내연기관 (10) 을 위한 과급 시스템을 나타낸다. 각 배기가스 터보차저는 압축기 (20) 와 배기가스 터빈을 포함한다. 전기기계와 연결되어 있고, 조정 가능한 가이드 기하학적 형상을 가진 배기가스 터빈 (31) 이 갖춰진 제 1 배기가스 터보차저 이외에, 이 과급 시스템에서는 제 2 배기가스 터보차저가 제 2 전기기계와 연결되어 있다. 하지만, 이 제 2 배기가스 터보차저의 배기가스 터빈 (30) 은 조정 가능한 가이드 기하학적 형상을 가지고 있지 않다.
도 3 도 또한 4 개의 배기가스 터보차저를 구비한 내연기관 (10) 을 위한 과급 시스템을 나타낸다. 각 배기가스 터보차저는 압축기 (20) 와 배기가스 터빈을 포함한다. 전술된 과급 시스템과는 달리, 이 과급 시스템에서는 제 1 두 배기가스 터보차저들이 하나의 유일한 전기기계와 연결되어 있다. 상기 두 배기가스 터보차저들 중 한 배기가스 터보차저의 터빈은 조정 가능한 가이드 기하학적 형상을 가진다.
최종적으로, 도 4 도 또한 4 개의 배기가스 터보차저를 구비한 내연기관 (10) 을 위한 과급 시스템을 나타낸다. 각 배기가스 터보차저는 압축기 (20) 와 배기가스 터빈을 포함한다. 이 경우에도 역시 제 1 배기가스 터보차저는 전기기계와 연결되어 있다. 하지만, 이 과급 시스템에서는 전기기계와 연결된 배기가스 터보차저의 배기가스 터빈은 조정 가능한 가이드 기하학적 형상을 갖지 않고 모든 나머지 배기가스 터보차저들의 배기가스 터빈들은 조정 가능한 가이드 기하학적 형상을 가진다.
전기기계에 커플링되어 있는 제 1 배기가스 터보차저의 작동점 (operating point) 은 내연기관 작동점에 따라, 또한 환경, 엔진 오염, 배기가스 터보차저 오염, 경우에 따라 통합된 촉매의 상태, 구매자의 전력 수요 및 다른 발전기의 전력 생산 또는 전력 공급과 같은 파라미터에 따라, 또한 나머지 구매자의 수요 및 발전기의 전력에 따라 이 기계의 아웃풋 토크 또는 구동 토크를 통해 제어 또는 조절될 수 있다.
전기기계에 커플링되어 있지 않은 나머지 배기가스 터보차저들이 소망되는 작동점에서 작동하도록, 조정 가능한 가이드 기하학적 형상이 갖춰진 배기가스 터빈들의 터빈 표면은 이 배기가스 터보차저들이 특정한 작동점에 도달하도록 작아지거나 또는 커진다. 이로 인해, 선택 사양적으로 나머지 배기가스 터보차저들의 작동점은 전기기계와 커플링되어 있는 배기가스 터보차저의 작동점에 맞춰질 수 있다. 대안으로서 터빈 표면을 내연기관 등의 작동점에 따라 미리 정하고, 전기기계에 커플링되어 있는 배기가스 터보차저를 이 기계의 아웃풋 토크 또는 구동 토크를 통해 제어 또는 조절하는 것도 가능하다.
상기 제안된 배기가스 터보차저 형태들은 원칙적으로는 4행정 엔진에서도 사용될 수 있으나, 현재는 상기 언급된 배열에 상응하는 과급 시스템들은 4행정 엔진에는 덜 일반적이다.
특히 고압 단계에서 2 단계 과급을 가진 형태를 적용하는 것도 가능하다.
터빈의 조정 가능한 기하학적 형상 또는 전기기계의 상기 언급된 추가 조치들 대신에 또는 그에 대한 보충으로, 조정 가능한 압축기-기하학적 형상 또는 제어 가능한 압축기 블로우-다운 (blow down) (이미 압축된 공기의 피드백 (feedback) 또는 블로우-오프 (blow off)) 가 도 5 에 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이 선택 사양적으로 이용될 수 있다. 이 경우에도 역시 제 1 배기가스 터보차저가 전기기계와 연결되어 있다. 이 과급 시스템에서는, 배기가스 터빈이 전기기계와 연결되어 있지 않은 배기가스 터보차저들의 압축기 (21) 들은 조정 가능한 압축기-기하학적 형상을 구비한다.
10 : 내연기관
20 : 압축기
21 : 조정 가능한 압축기-기하학적 형상을 가진 압축기
30 : 터빈
31 : 조정 가능한 가이드 기하학적 형상을 가진 터빈
M : 전기기계 (모터/발전기)

Claims (11)

  1. 내연기관을 위한 과급 시스템으로서, 상기 과급 시스템은 2 개 이상의 배기가스 터보차저의 양을 포함하며, 상기 양 중 적어도 하나는 전기기계와 커플링되어 있고, 상기 양 중 적어도 하나에는 조정 가능한 터빈-가이드 기하학적 형상이 갖춰져 있으며, 이때 배기가스 터보차저들 중 적어도 하나는 전기기계와 커플링되어 있지도 않고 조정 가능한 터빈-가이드 기하학적 형상이 갖춰져 있지도 않은, 내연기관을 위한 과급 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 배기가스 터보차저들의 부분양, 즉 1 개부터 모두보다 하나 적은 개수까지 각각 전기기계와 커플링되어 있으며, 전기기계와 커플링된 이 배기가스 터보차저들 중 적어도 하나에는 조정 가능한 터빈-가이드 기하학적 형상이 갖춰져 있는, 내연기관을 위한 과급 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 나머지 배기가스 터보차저들은 전기기계와 커플링되어 있지도 않고 조정 가능한 터빈-가이드 기하학적 형상이 갖춰져 있지도 않은, 내연기관을 위한 과급 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 배기가스 터보차저들 중 적어도 2 개를 포함하는 부분양, 즉 2 개부터 모두보다 하나 적은 개수까지 전기기계와 커플링되어 있으며, 이때 각각 적어도 2 개의 배기가스 터보차저는 함께 하나의 전기기계와 커플링되어 있고, 하나의 전기기계와 커플링된 이 배기가스 터보차저들 중 적어도 하나에는 조정 가능한 터빈 가이드-기하학적 형상이 갖춰져 있는, 내연기관을 위한 과급 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 나머지 배기가스 터보차저들은 전기기계와 커플링되어 있지도 않고 조정 가능한 터빈-가이드 기하학적 형상이 갖춰져 있지도 않은, 내연기관을 위한 과급 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 배기가스 터보차저들의 부분양, 즉 1 개부터 모두보다 하나 적은 개수까지 각각 전기기계와 커플링되어 있으며, 나머지 배기가스 터보차저들에는 각각 조정 가능한 터빈-가이드 기하학적 형상이 갖춰져 있는, 내연기관을 위한 과급 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 배기가스 터보차저들 중 적어도 2 개를 포함하는 부분양, 즉 2 개부터 모두보다 하나 적은 개수까지 각각 전기기계와 커플링되어 있으며, 이때 각각 적어도 2 개의 배기가스 터보차저는 함께 하나의 전기기계와 커플링되어 있고, 나머지 배기가스 터보차저들에는 각각 조정 가능한 터빈-가이드 기하학적 형상이 갖춰져 있는, 내연기관을 위한 과급 시스템.
  8. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 터빈의 앞 또는 뒤에 배기가스 촉매가 배치되어 있는, 내연기관을 위한 과급 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 조정 가능한 터빈-가이드 기하학적 형상 대신에, 또는 전기기계 대신에, 조정 가능한 압축기-기하학적 형상 또는 제어 가능한 압축기 블로우-다운을 포함하는, 내연기관을 위한 과급 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 배기가스 터보차저들 중 적어도 하나는 조정 가능한 압축기-기하학적 형상 또는 제어 가능한 압축기 블로우-다운을 포함하는, 내연기관을 위한 과급 시스템.
  11. 상기 항들 중 어느 한 항에 따른 과급 시스템을 포함하는 내연기관.
KR1020107000071A 2007-06-22 2008-06-23 내연기관을 위한 과급 시스템 KR20100024983A (ko)

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EP07110901A EP2006506A1 (de) 2007-06-22 2007-06-22 Aufladesystem für Brennkraftmaschine
EP07110901.1 2007-06-22

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20100024983A true KR20100024983A (ko) 2010-03-08

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