KR20110074907A - 내부 연소 엔진을 위한 배기 장치 - Google Patents

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KR20110074907A
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앤드류 모건 윌리암스
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로프보로우 유니버시티
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Abstract

내부 연소 엔진(10)을 위한 배기 장치(16) 및, 그러한 배기 장치(16)를 구비하는 내부 연소 엔진(10)은 엔진으로부터의 배기 유동을 위한 제 1 배기 도관(18) 및 제 2 배기 도관(20)을 포함한다. 밸브 장치가 바람직스럽게는 내부 연소 엔진(10)의 각각의 실린더(12)와 관련된, 분리된 제 1 배기 밸브 및 제 2 배기 밸브(22,24)들을 포함하며, 제 1 배기 주기 동안에는 엔진(10)으로부터 제 1 배기 도관(18)으로, 차후의 제 2 배기 주기 동안에는 제 2 배기 도관(20)으로 배기를 선택적으로 향하게 하도록 밸브 장치가 제공된다. 유입부(26)를 가지는 터빈(28)은 제 1 배기 도관(18)에 연결된다; 터빈(28)에 구동되게 연결되어 그에 의해 구동되는 콤프레서(32)는 제 2 도관(20)에 연결된 유입부(34)를 가진다. 콤프레서(32)가 유리하게는 배기로부터 에너지를 추출하는 터빈(28)에 의해 구동되어 배기 시스템(16)의 배압을 감소시킴으로써 펌프 작용 손실을 감소시키고, 제 2 도관(20)은 제 2 배기 주기에 터빈을 바이패스함으로써 터빈(28)도 적어도 메인의 제 2 배기 국면 동안 배기 배압을 증가시키지 않는다. 결과적으로 이것은 배기 시스템(16) 및 엔진(10)의 효율을 전체적으로 향상시킨다.

Description

내부 연소 엔진을 위한 배기 장치{An exhaust arrangement for an internal compbustion engine}
본 발명은 내부 연소 엔진에 관한 것으로서, 특히 왕복 또는 로타리 내부 연소 엔진을 위한 배기 장치에 관한 것이다.
현대의 내부 연소 엔진의 연료 경제 및 효율을 향상시킬 필요성이 계속 있어왔다. 비효율중 하나는 엔진의 '호흡(breaathing)'에 관한 것이다. 엔진의 '호흡' 동안에 피스톤은 새로운 공기 또는 공기-연료 혼합물을 실린더 안으로 유인하고 다음에 압축 및 동력 행정 이후에 그것을 배출하도록 작동한다. 이러한 호흡은 엔진의 출력으로부터 직접적으로 (펌프 작용 손실로 알려진) 일(work)을 취하며, 따라서 엔진(특히 쓰로틀 엔진)의 연료 경제에 해롭다. 연료 경제를 향상시키도록 최소의 펌프 작용 손실로써 엔진을 작동하려는 많은 노력이 이루어지고 있다.
현대적인 엔진들은 보다 효율적으로 작동되도록 유입 콤프레서에 의해 '부스트(boost)'될 수 있으며, 유입 콤프레서는 엔진(슈퍼과급(supercharging))에 의해서 구동될 수 있거나, 또는 배기 터빈(터보과급(turbocharing))에 의해 구동될 수 있다. 이것은 유입 펌프 작용 손실을 감소시키고 동력을 증가시켜서 엔진이 작아지는 것을 허용한다 (감소된 휩씀 체적(swept volume)). 그러나 엔진으로 구동된 콤프레서는 바람직스럽지 않게 엔진으로부터 일(work)을 취한다. 터보 과급 시스템에서 유입 콤프레서를 구동하도록 배기에서 터빈을 이용하는 것은 배기로부터 폐기 에너지를 추출하며, 엔진으로부터 일을 취하는 것을 회피하여 효율을 더욱 향상시킨다. 보다 상세하게는 연소 및 메인 동력 행정(combustion and main power stroke) 이후에, 그리고 배기 밸브 개방 이전에, 실린더 압력이 통상적으로 배기 시스템 압력보다 더 크다. 이것은 배기 밸브가 개방되었을 때 실린더 밖으로의 개스의 초기 유동을 초래하며, 이것은 블로우다운(blowdown)으로 지칭되는 것으로서, 비록 차후에 피스톤이 배기 시스템 압력에 반하여 남아있는 배기 개스를 배출시키도록 작동하여야만 할지라도, 터빈을 구동할 수 있다. 그러나 배기 터빈을 통하여 유동하는 모든 배기 개스와 함께, 배기 행정 동안에 터빈을 가로질러 압력 강하가 증가된다. 이러한 압력은 피스톤에 작용하여 배기에서의 펌프 손실을 증가시키고, 따라서 장점의 일부를 상쇄시킨다.
상기의 터빈 구성들과 관련된 배기 펌프 작용 손실을 감소시키도록 분할된 배기 장치를 제공하는 것이 제안되었다. 그러한 장치들은 오래 전 1921 년에 영국 출원 GB 179926 에서 제안되었고, 보다 최근에는 영국 출원 GB 2185286 및 미국 출원 US 6883319 에서 제안되었으며, C.E. 뮐러, 피. 요한슨, 비, 그란딘 및, 에프. 린드스트룀에 의한, "분할된 배기 주기-터보 과급 SI 엔진들을 위한 개스 배기 시스템" (SAE 테크니컬 페이퍼 2005-01-1150, 2005)에서 제안되었다. 그러한 제안들에서, 배기는 분리되고, 적절한 밸브 장치는 배기를 제 1 "블로우다운" 배기 주기 동안에 터빈으로 향하게 하여 유입 콤프레서를 구동하고, 다음에 제 2 배기 주기 동안 터빈을 바이패스하여 배기의 배압을 감소시켜서 배기가 엔진으로부터 더 용이하게 배출되는 것을 허용하여 배기 펌프 손실을 감소시킨다. 통상적인 터보 과급 장치보다 향상되었다는 것이 증명되었지만, 이것에는 여전히 바이패스 유동과 관련된 현저한 배기 펌프 작용 손실이 있으며, 터빈에 의해 이용된 초기의 배기 블로우다운으로부터의 개스 관성 및 에너지 손실에 기인하여, 터보 과급되지 않은 배기에 비교하여, 배기 펌프 작용 손실이 증가할 수 조차 있다.
다른 것은 어느 정도 터보 과급의 것에 대한 반대의 제안으로서, 펌프 또는 콤프레서를 배기에 배치하여 엔진으로부터 배기 개스를 적극적으로 추출하고, 그에 의해 배기 개스를 배출시키는데 있어서 피스톤에 의해 이루어지는 일과 임의의 펌프 작용 손실을 감소시키거나, 또는 극단의 경우에 피스톤에 양(positive)의 부하를 제공한다. 그러한 제안들의 예는, 국제 출원 공개 WO 9728360 에서 슈퍼 과급 장치에서와 유사하게 배기 펌프가 엔진에 의해 구동되거나, 미국 특허 US 4439983 에서 역의 터보 과급 장치에 다소 유사하게 새로운 공기 또는 공기-연료 혼합물을 실린더 안으로 유입 유동하게 함으로써 배기 콤프레서가 유입 터빈에 의해 구동되는 것으로 개시되어 있다. 그러나 이들 양쪽의 제안에서 배기 펌프 작용 손실은 감소되지만, 엔진으로부터 일이 취해지거나, 또는 유입 펌프 작용 손실이 증가된다.
따라서 이들 모든 장치들이 펌프 작용 손실을 감소시키고 그리고/또는 효율을 향상시키지만, 그 이득은 어느 정도 상쇄되고 다른 손실에 의해 감소된다. 예를 들어 엔진 동력을 증가시키고 엔진 효율을 향상시키려는 터보 과급 장치의 경우에, 배기 압력 및 펌프 작용 손실이 증가된다. 통상적인 쓰로틀을 대체하는 유입 터빈에 의해 구동되는 배기 펌프의 경우에, 엔진 응답에서 손실이 있게 된다. 엔진에 의해 구동되는 슈퍼 과급기 또는 배기 펌프에서, 일부 엔진 동력은 성능 및 효율 손실과 관련되어 이용된다. 따라서 상기 제안들은 다른 문제들을 가질 뿐만 아니라 손실을 나타낸다. 실제로 오직 터보 과급 장치들만이 널리 채용되었다.
따라서, 상기 설명된 문제점들을 해결하고, 그리고/또는 보다 일반적으로는 현존하는 장치들에 대한 대안 또는 향상을 제공하는, 향상된 내부 연소 엔진 배기 장치 및, 내부 연소 엔진 장치를 제공하는 것이 소망스럽다. 보다 상세하게는 펌프 작용 손실, 특히 배기 펌프 작용 손실을 감소시키고, 그리고/또는 배기 및/또는 엔진의 효율을 전체적으로 향상시키는, 향상된 내부 연소 엔진 배기 장치에 대한 필요성이 있다.
본 발명에 따르면, 첨부된 청구항들에 설명된 것과 같은, 내부 연소 엔진을 위한 배기 장치 및, 그러한 배기 장치를 포함하는 내부 연소 엔진이 제공된다.
본 발명의 제 1 국면의 구현예에서, 내부 연소 엔진을 위한 배기 장치가 제공되는데, 이것은 엔진으로부터의 배기 유동을 위한 제 1 배기 도관 및 제 2 배기 도관, 제 1 배기 주기 동안에 엔진으로부터 제 1 배기 도관으로, 그리고 차후의 제 2 배기 주기 동안에 제 2 배기 도관으로 선택적으로 배기를 향하게 하는 밸브 장치를 포함한다. 배기 장치는 제 1 배기 도관에 연결된 유입부를 가진 터빈 및, 터빈에 의해 구동되게 연결되고 터빈에 의해 구동되며, 제 2 도관에 연결된 유입부를 가지는 콤프레서를 더 포함한다.
이러한 장치에 의하여 터빈은 제 1 의, 블로우다운 배기 주기 동안에 배기 개스로부터 에너지를 추출하고, 그 에너지는 터빈/콤프레서들의 회전 관성을 통하여 콤프레서를 구동하는데 이용되어 실린더로부터 배기 개스를 적극적으로 추출하며, 제 1 배기 주기 동안에 배기 시스템 배압을 감소시키고 배기 펌프 작용 손실을 감소시킨다. 터빈은 또한 제 2 배기 주기 동안에 효과적으로 바이패스됨으로써 배기의 배압 및 배기 펌프 작용 손실을 증가시키지 않는다. 이것은 펌프 손실의 현저한 감소, 효율 및 연료 경제 이득의 향상으로 이어지는 것으로 밝혀졌다.
본 발명은 통상적으로 이용되는 접근 방식 및 종래에 제안된 접근 방식과는 상이한 접근 방식에 기초하고 있다는 점이 특히 주목되어야 한다. 모든 종래 기술의 장치들은 엔진의 일측에 콤프레서/펌프를 가지고, 엔진의 다른 측에 터빈을 가지거나, 또는 부수적인 손실을 가지고 엔진 자체에 의해 구동된다. 본 발명은 상이하고, 어느 정도는 반대의 접근 방식을 채용하는데, 이것은 콤프레서 및 그 콤프레서를 구동하는 터빈을 엔진의 동일한 배기 측에 가지고, 이들 양쪽 모두는 상이한 작동상의 배기 주기(operative exhaust period)에도 불구하고, 배기로부터 에너지를 추출하고, 배기로부터 개스를 추출하는 에너지를 공급한다.
바람직한 구현예들에서, 제 1 주기는 엔진의 피스톤이 최대 변위(즉, 하사점)에 근접할 때 그리고 피스톤의 움직임이 없고 피스톤에 의해서 이루어지는 일(work)이 없어서 배기 펌프 손실에 기여하지 않을 경우에 대응하도록, 제 1 주기 및 제 2 주기의 타이밍이 정해진다.
터빈이 바람직스럽게는 제 2 배기 도관 및/또는 콤프레서 유입부에 연결된 유출부를 가진다.
밸브 장치가 바람직스럽게는 제 2 배기 주기 동안 엔진으로부터 제 1 배기 도관 및 제 2 배기 도관 양쪽으로 선택적으로 배기를 향하게 한다. 대안으로서, 밸브 장치는 제 1 배기 주기 동안에 엔진으로부터 제 1 배기 도관으로만 배기를 선택적으로 향하게 하고, 차후의 제 2 배기 주기 동안에 제 2 배기 도관으로만 배기를 선택적으로 향하게 한다. 더욱이, 밸브 장치가 바람직스럽게는 분리된 제 1 배기 밸브 및 제 2 배기 밸브를 포함하고, 특히 바람직스럽게는 내부 연소 엔진의 각각의 실린더와 관련된, 분리된 제 1 배기 밸브 및 제 2 배기 밸브를 포함한다.
제 1 배기 주기가 바람직스럽게는 피스톤이 실질적으로 정지 상태에 있을 때의 주기에 대응한다. 제 2 배기 주기가 바람직스럽게는 피스톤이 배기 행정 동안에 움직이고 있을 때의 주기에 대응한다.
배기 장치는 사용시에 제 2 배기 도관을 통해서 유동하는 배기 개스를 냉각시키기 위한 적어도 제 2 배기 도관에 연결된 냉각기 또는 열교환기를 더 포함할 수 있다. 이것은 배기의 배압을 더 감소시킨다. 열교환기의 유출부가 바람직스럽게는 콤프레서의 유입부에 연결된다.
배기 장치는 제 2 터빈을 더 포함할 수 있는데, 제 2 터빈은 제 2 배기 도관에 연결된 유입부 및 콤프레서 유입부에 연결된 유출부를 가지고, 유입 유동을 엔진으로 압축시키기 위한 유입 콤프레서에 구동되게 연결된다.
본 발명의 제 2 국면의 구현예에서, 상기 설명된 배기 장치를 구비하는 내부 연소 엔진이 제공된다.
내부 연소 엔진은 유입 유동을 엔진으로 압축시키기 위한 유입 콤프레서를 더 포함할 수 있다. 유입 콤프레서는 터빈에 구동되게 연결될 수 있고 터빈에 의해 구동될 수 있다. 대안으로서, 그리고 보다 바람직스럽게는, 배기 장치가 제 2 터빈을 더 포함하는데, 제 2 터빈은 제 2 배기 도관에 연결된 유입부 및 콤프레서 유입부에 연결된 유출부를 가지며, 엔진의 유입 콤프레서에 구동되게 연결된다.
본 발명은 이제 다음의 도면을 참조하여 오직 하나의 예로서 설명될 것이다.
도 1 은 본 발명의 구현예에 따른 3 개 실린더의 내부 연소 엔진에 적용되는 배기 및 유입 시스템의 개략적인 도면이다.
도 2 는 도 1 에 도시된 내부 연소 엔진 및 배기 시스템의 실린더들중 하나와 관련된 배기 밸브들의 개방 타이밍을 나타내는 그래프이다.
도 3 은 본 발명의 대안의 구현예에 따라서, 3 개 실린더의 내부 연소 엔진에 적용된 배기 및 유입 시스템의 개략적인 도면이다.
도 1 을 참조하면, 왕복 내부 연소 엔진(10)은 적어도 하나의 왕복 피스톤(미도시)을 포함하며, 왕복 피스톤은 대응하는 실린더(12) 안에 위치되고 크랭크 샤프트(미도시)를 회전시키도록 통상적인 방식으로 연결된다. 실린더(12) 안에서의 피스톤의 움직임은 실린더 안에서의 휩씀 체적(swept volume)을 형성한다. 유입 구성부(14)는 새로운 공기, 연료-공기 혼합물 또는 연료-공기-EGR(배기 가스 재순환) 혼합물을 각각의 실린더(12)들에 공급하며, 실린더(12) 안에서의 피스톤의 움직임에 의해 그것이 압축된다. 다음에 실린더(12) 안에서 연소가 발생되고 팽창 개스는 피스톤 및 크랭크 샤프트를 구동한다. 연소 개스는 다음에 실린더(12) 및 내부 연소 엔진(10)으로부터 배기 시스템(16)을 통해 배기된다. 내부 연소 엔진(10)은 임의 개수의 엔진(10) 및 그에 대응하는 피스톤들을 가질 수 있으며, 이러한 특정한 구현예에서 엔진(10)은 3 개의 실린더(12)들을 가진다. 유입 구성부(14)는 통상적인 캬부레터 또는 연료 분사 장치 또는 다른 공지의 유입 구성부를 포함할 수 있다. 전체적으로 설명된 바와 같이, 지금까지 설명된 엔진(10)은 통상적인 것으로서 공지된 것이며, 본 발명은 모든 유형의 내부 연소 엔진에 적용될 수 있고, 예를 들어 디젤 점화 엔진, 가솔린 스파크 점화 엔진, 개스 엔진, HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 엔진 및, 2 또는 4 행정 엔진들에 적용될 수 있다. 본 발명은 또한 비왕복 내부 연소 엔진에 적용될 수 있고, 예를 들어 로터리 엔진들에 적용될 수 있다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 구현예의 배기 시스템(16)은 영국 출원 GB 179926, 미국 출원 US 6883319 및 영국 출원 GB 2185285 에 설명된 것과 유사한 분할된 배기 구성부를 포함한다. 배기 시스템(16)은 제 1 배기 도관(18) 및 제 2 배기 도관(20)을 가지며, 이들은 본 구현예에서 개별의 실린더(12)들에 연결된 분리된 매니폴드(manifold)들을 포함한다.
본 발명의 구현예에서 각각의 실린더(12)에 적어도 2 개의 분리된 배기 밸브(22,24)들을 포함하는 밸브 장치는 각각의 실린더(12)들로부터 개별적인 매니폴드들 및 배기 도관(18,20) 각각으로의 배기 유동을 선택적으로 제어하며, 이는 이후에 더 자세하게 설명될 것이다. 그러한 쌍동이 배기 밸브들의 구성은 영국 출원 GB 179926 및 미국 출원 US 6883319 에 개시된 것과 유사하다. 더욱이, 실린더(12)들에 있는 그러한 배기 밸브(22,24)들에 대한 상세한 내용 및 그들이 전체적으로 어떻게 개방되고 작동되는지는 잘 알려져 있다. 다른 구현예들에서 다른 밸브 장치들이 실린더(12)들로부터 개별의 제 1 및 제 2 배기 도관(18,20)들 안으로 배기 개스의 유동을 선택적으로 제어하도록 이용될 수 있다는 점이 이해될 것이다. 예를 들어, 각각의 실린더(12)는 실린더로부터 배기 개스의 유동을 제어하는 단일의 배기 밸브를 구비할 수 있으며, 제 1 또는 제 2 배기 도관(18,20)으로부터 배기 유동을 선택하는 분리된 선택 밸브가 있을 수 있는데, 그러한 구성이 도시되고 설명된 것보다 더 복잡하고 덜 소망스럽다할지라도 그렇게 될 수 있다. 실린더 마다 그리고 각각의 도관(18,20)에 대하여 더 많은 배기 밸브들이 있을 수 있다는 점이 이해될 것이다. 예를 들어, 제 1 도관(18)에 연결된 각각의 실린더에 하나의 배기 밸브가 있어서 배기를 터빈으로 전달하고, 다음에 제 2 배기 국면 동안에 배기를 향상시키도록 제 2 도관에 연결된 실린더마다 2 개의 밸브들이 있을 수 있다. 다른 구성들 및 밸브의 개수들도 가능하다.
제 1 도관(18)은 터빈(28)의 유입부(26)에 연결되어 터빈이 구동 샤프트(30)를 통해서 구동되게 연결됨으로써 콤프레서(32)를 구동한다. 제 2 도관(20)은 선택적인 열교환기(36)를 통하여 콤프레서(32)의 유입부(34)에 연결되는데, 콤프레서(32)는 대기로의 유출부(38)를 가진다. 촉매 및 미립자 필터들과 같은 추가적인 배기 구성 요소들이 배기 시스템 안에 배치될 수 있다. 따라서 제 2 배기 도관(20)은 터빈(28)을 바이패스시키는 수단을 제공한다. 터빈의 유출부(40)가 바람직스럽게는 제 2 도관(20)에 연결됨으로써, 선택적인 열교환기(36)가 만약 콤프레서(32)의 유입부(34)에 설치되었다면 선택적인 열교환기를 통하여 터빈(28)으로부터의 개스가 유동한다.
터빈(28) 및 콤프레서 펌프(32)는 당해 기술 분야에서 공지된 특정의 적용예에 대하여 적절하게 최적화된 그 어떤 통상적인 터빈 및 콤프레서 구성일 수도 있다. 콤프레서(32)는 본 구현예에서 콤프레서로서 설명되었지만 사실 소기 펌프(scavenge pump)를 포함할 수 있거나, 또는 실제로 임의의 펌프 구성일 수 있으며, 그것의 유입부(34)로부터 콤프레서를 통하여 유출부(38)로 공기를 추출하고 흡입하도록 주로 적합화된다.
작동시에 개별 실린더(12)들의 배기 행정중에 밸브 장치는 제 1 배기 국면 또는 주기 동안에 실린더(12)로부터 제 1 도관(18)을 통하여 배기 개스들을 배기시키도록 작동하고, 차후에 제 2 배기 국면 동안에 제 2 배기 도관(20)을 통하여 또는 양쪽을 통하여 배기시키도록 작동한다. 밸브 장치는 배기 개스들이 전적으로 제 1 또는 제 2 도관(18,20)들을 향하게 하면서 전적으로 작동할 수 있거나, 또는 제 1 주기 동안에 배기 개스들이 제 1 도관(18)을 통해 배출되고 제 2 주기 동안에 밸브 장치가 개방되어 배기 개스들이 양쪽 도관들을 통해 배출되는 것이 허용되도록 복합적으로 작동될 수 있다. 제 2 배기 단계 동안에 제 1 도관(18) 및 터빈(18)을 통하여 여전히 배기의 유동이 있는 것을 보장하도록 양쪽 도관(18,20)들을 통하여 배출 및 배기시키는 것이 바람직스러우며, 그렇지 않으면 터빈(28)은 제 1 도관(18)을 감압시킬 것이고 터빈(28)은 그것의 회전을 정지시키는(따라서 콤프레서(32)를 정지시키는) 강력한 힘을 겪게될 것이다. 바람직한 구성에서 제 2 밸브(24)가 개방될 때의 제 2 배기 국면 동안에, 터빈(28)이 바이패스됨으로써, 터빈 유출부(40)는 터빈 유입부(26)와 효과적으로 연결되고 따라서 동일한 (또는 매우 유사한) 압력에 있게될 것이다. 그에 의하여 터빈(28)을 통하여 압력 강하가 없을 것이며, 터빈을 구동하도록 터빈(28)에 의해 추출되는 에너지가 없을 것이지만, 역의 압력 강하나 또는 터빈을 현저하게 느리게 하는 터빈(28)에 대한 부하도 없을 것이다. 따라서 터빈(28)은 그것의 관성에 기인하여 계속 회전할 것이다. 제 2 배기 국면에서 양쪽 도관(18,20)들에 배기를 공급하고 배기를 이용함으로써 배기 유출 영역이 증가되어 임의의 배압(back pressure)을 더욱 감소시킨다.
이러한 특정의 구현예에서, 제 1 밸브(22)는 개별 실린더(12)의 제 2 밸브(24) 이전에 개방되도록 구성된다. 그것은 도 2 에 도시되어 있는데, 여기에서 밸브가 상승되어 있고, 따라서 공칭의 크랭크 각도에 대하여, 제 1 밸브(22)의 개방은 선(140)에 의해 표시되어 있고, 제 2 밸브(24)의 개방은 선(142)에 의해 표시되어 있다. 결과적으로 배기 행정의 시작시에 실린더(12) 안의 초기의 상대적으로 높은 압력의 배기 개스는 제 1 배기 국면에서 제 1 배기 밸브(22)를 통해 제 1 도관(18)으로 블로우다운 유동(blowdown flow)으로서 초기에 배출된다. 터빈(28)은 제 1 배기 국면에서 배기 개스의 초기의 상대적으로 높은 압력의 블로우다운 유동으로부터 에너지를 추출하고, 그것을 콤프레서(32)의 구동에 이용한다. 이러한 초기의 블로우다운 유동 및 실린더(12)로부터의 배기의 유동은 (도 2 의 밸브 개방의 시간에 의해 도시된 바와 같이) 피스톤이 하사점 부근에 있는 동안 발생된다는 점이 특히 주목되어야 한다. 그러한 지점에서는 왕복 피스톤의 상대적으로 작은 변위가 있으며, 따라서 높은 초기 압력과 결합되어, 터빈(28)의 임의의 배압에 대하여 실린더(12)로부터 초기의 배기 및 블로우다운 유동을 구동하는데 피스톤(따라서 엔진)에 의하여 무시할만한 일이 행해진다. 따라서 터빈(28) 및 제 1 배기 도관(18)에 의해 제공되는 배압은 피스톤 및 엔진에 대한 그 어떤 역의 부하(load) 또는 토크에도 무시할만한 효과를 가진다. 차후에 배기 행정에서, 그리고 제 2 배기 국면에서 피스톤이 하사점으로부터 이탈되어 움직여서 보다 현저하게 움직이기 시작할 때, 제 2 배기 밸브(24)가 개방되어 배기가 실린더(12)로부터 제 2 배기 도관(20)으로 유동하는 것을 허용하고 터빈(28)을 바이패스하여 터빈(28)에 의해 제공되는 배압이 없이 낮은 배압에서 덜 방해받는 유동을 제공한다. 결과적으로 실린더(12)로부터의 제 2 배기 국면 동안에 배기 개스의 나중 유동은 제 2 도관(20)으로 우선적으로 유동한다. 따라서 피스톤이 보다 현저하게 움직이기 시작할 때 피스톤들은, 오직 제 1 도관 및 터빈(28)을 통하는 유동으로 제공되는 것보다 낮은, 제 2 도관(20) 압력에 의해 제공되는 배기의 배압을 받게 된다. 결과적으로 배기의 펌프 작용 손실은 감소된다.
더욱이 본 발명의 구현예에서 위에서 설명되고 도시된 바와 같이, 제 2 배기 도관(20)은 콤프레서(32)에 연결된다. 터빈(28)에 의해 구동되는 콤프레서(32) 및 제 1 배기에서의 블로우다운 유동으로부터 유리하게 추출된 에너지는 제 2 도관(20)을 통하여 배기 개스를 흡입한다. 콤프레서(32)는 배기 시스템(16)을 감압시키도록 작용한다. 그것은 제 2 도관(20)의 배압을 낮추고, 따라서 피스톤이 받고 있는 배압을 낮춤으로써 배압 손실을 감소시킨다. 실제로 극단적인 경우에 압력 및 배압은 제 2 배기 도관(20)에서 대기 압력 이하의 압력으로 감소될 수 있고 그에 의해 배기 행정 동안 피스톤을 구동시킬 수도 있다. 더욱이 실린더(12)로부터의 배기를 흡입함으로써 콤프레서(32)는 실린더(12)로부터의 배기 개스를 더 잘 소기(scavenge)시킨다. 이것은 노킹 한계(knock limit)를 증가시키고, 더 높은 압력 및 온도의 연소를 허용하여 엔진 작동의 효율을 향상시킨다. 또한 배압을 낮추는 것은 배기 행정의 끝에서, 그리고 다음의 흡기/유도(intake/induction) 행정의 시작에서 실린더(12) 안의 압력을 낮출 것이다. 결과적으로 실린더(12) 안으로의 개스의 유도 및 유입 유동이 향상될 수 있으며 그 구성은 유입 펌프 작용의 손실 및 실린더(12) 안으로 개스의 유인을 교정하는데 유리한 효과를 가질 수 있다.
제 2 배기 국면 동안에 터빈(28)이 제 1 배기 도관(18)을 통한 배기 개스의 유동에 의해 구동되지 않는 반면에, 터빈 자체의 관성 및 구동 샤프트(30) 및 콤프레서(32)의 관성 때문에 계속 회전 및 선회할 것이다. 또한 공통의 배기 매니폴드를 가진 다중 실린더 엔진(10)에서, 콤프레서(32)로 구동력을 계속 제공하기 위하여 터빈(28)에는 차후로 작동하는 실린더로부터의 초기 배기 유동이 공급될 것이다.
터빈(28)의 유출부(40)가 바람직스럽게는 제 2 도관(20)에 연결되고 따라서 콤프레서(32)에 연결됨으로써, 추가적으로 콤프레서(32)는 터빈(38)을 통하여 배기를 유인하고 흡입할 것이다. 이것은 터빈(28)을 가로지르는 압력 강하를 증가시키고 따라서 손실 및 비효율을 증가시키지 않으면서 추출되는 동력을 증가시킨다. 더욱이 제 2 배기 국면 동안에, 터빈(28)을 통한 배기 개스의 잔류 유동이 계속되게 한다.
당해 기술 분야에 알려진 다양한 배기 도관(18,20)들의 주의 깊은 튜닝을 함으로써, 최적의 작동을 보장하고 펌핑 손실이 최소화되는 것을 보장하도록 제한적인 유동 및 압력 강하가 최적화될 수 있다.
열교환기 또는 냉각기(36)도 바람직스럽게는 콤프레서(32)에 대한 유입부(34)의 상류측에 개재될 수 있고 제 2 배기 도관에 연결되어 제 2 배기 도관으로부터의 배기 개스를 냉각시킨다. 이러한 열교환기(36)는 제 2 도관(20)으로부터의 배기 유동의 온도를 낮춰서, 콤프레서(32)의 성능을 향상시키고 그에 의해서 제 2 배기 도관(20)의 배압을 더욱 감소시킴으로써, 배기 펌프 손실을 더욱 감소시킨다. 열교환기(36)는 냉각될 수 있고 열은 주 엔진(10)의 냉각제 시스템(미도시)에 의해서 배기 유동으로부터 추출될 수 있다. 대안으로서, 그리고 보다 바람직스럽게는 열교환기(36)에 의하여 배기 유동으로부터 추출된 열이 다른 공지의 에너지 회수 시스템에서 이용될 수 있어서 에너지를 더 제공하여 그에 의해 엔진(10)의 에너지 효율을 더욱 향상시킨다. 열교환기(36)는 콤프레서(32)의 유입부(34)에 전달된 전체적인 배기 온도를 낮춤으로써 콤프레서(32)의 열적인 세부 사항(specification)을 감소시키고, 전체적인 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 비용을 낮추고 신뢰성을 향상시킬 것이다.
이러한 배기 시스템의 구성(16)을 가지고, 전체적인 배기 시스템 압력 및 따라서 펌프 작용의 손실이 콤프레서(32)에 의해 감소되는데, 콤프레서가 유리하게는 터빈(28)에 의하여 배기로부터 추출된 폐기 일(waste work)에 의해 구동되며, 그에 반해 분리된 제 1 및 제 2 배기 도관(18,20)의 이용에 의해 그러한 터빈(28)을 가지는 것과 관련된 추가적인 펌프 손실 또는 손실들이 발생되지 않는다. 즉, 그러한 배기 시스템(16)은 배기 행정 동안에 배기 시스템의 배압을 증가시키지 않으면서 터빈(28)의 이용에 의해 배기로부터 유용한 일(work)을 추출하게끔 처리되며, 그에 반하여 추가적으로 이러한 추출된 일을 이용하여, 콤프레서의 이용에 의해 배기의 배압을 낮추고 따라서 실제로 펌프 손실을 낮춘다. 결과적으로, 모델링(modeling)에서는 이러한 구성이 2.5 % 보다 큰 연료 소비 감소를 부여하는 것으로 밝혀졌으며, 콤프레서 및 터빈 특성들과 밸브 타이밍의 최적화로써 엔진 속도 범위의 넓은 크기에 걸쳐서 4 % 를 넘는 연료상의 장점을 부여하는 것으로 기대된다.
도 3 은 제 2 구현예 및 조합된 시스템들을 도시하는데, 여기에서 도 1 의 배기 시스템 장치(16)는 통상적인 유형의 터보과급 구성과 조합되었다. 이것은 유입 콤프레서(48)에 구동 샤프트(46)에 의하여 구동 가능하게 연결된 제 2 터빈(44)을 통합함으로써 달성되는데, 콤프레서는 통상적인 방식으로 내부 연소 엔진의 실린더(12) 안으로 유입 유동을 압축시킨다. 이러한 구현예는 도 1 에 도시된 구현예와 전체적으로 유사하며, 동일한 참조 번호들은 대응하는 요소들에 대하여 이용된다.
이러한 대안의 구성에서 제 2 터빈(44)은 콤프레서(32)의 상류측에 있는 제 2 배기 도관(20)에 배치되며, 선택적인 열교환기(36)는 제 1 터빈(28)으로부터 유출부(40)의 하류측에 배치된다. 제 2 터빈(44)에 대한 유입부(50)는 제 2 도관(20)에 연결되며, 또한 바람직스럽게는 도시된 바와 같이 제 1 터빈(28)의 유출부(40)에 연결되어 그 터빈(28)으로부터 배기 유동을 수용하고 전체적으로 제 2 도관(20)으로부터 배기 유동을 수용한다. 제 2 터빈(44)의 유출부(52)는 다음에 배기 콤프레서(32)의 유입부(34)에 연결되고, 이러한 경우에 열교환기(36)를 통해서 연결된다. 따라서 제 1 터빈(28)을 통과하였던 제 1 배기 국면에서의 초기 블로우다운 유동은 제 2 터빈(44)을 통해 지향되어 그로부터 임의의 에너지를 더 추출하고, 그리고 제 2 배기 도관(20)을 통한 메인 배기 유동도 제 2 터빈(44)을 통해 유동한다. 이러한 구성에서 제 2 터빈(44)이 제 2 도관(20)에서 배압을 증가시키고 제 2 배기 국면 및 메인 배기 행정 동안에 피스톤에 작용하는 반면에, 전체적으로 콤프레서(32)에 의해 제공되는 배기 시스템(16)에서 배압을 낮춤으로써 오프셋(offset)이 이루어진다. 특히 콤프레서(32)는 터빈(44)의 유출 압력을 낮추고 따라서 추출된 에너지의 주어진 크기에 대하여 대응하는 유입 압력을 낮추며, 따라서 제 2 도관(20)에서 나타나는 압력을 낮춘다. 더욱이 유입 콤프레서(48)에 의해 제공되는 유입 펌프 손실의 감소 및, 유입을 부스트(boost)시킴으로써 제공되는 전체적인 향상은 배압의 임의 증가 및 유입 펌핑 손실을 더 오프셋(offset)시킨다.
이러한 구현예의 제 2 터빈(44)이 다른 구성에서 대체될 수 있고 만약 제 2 터빈(44)에 의해 제공되는 배압이 중요하다면 다른 바이패스 도관 및 바이패스 구성이 제 2 터빈(44) 주변에 제공된다. 실제로 다른 대안의 구현예에서 제 1 터빈(28)은 제 2 터빈(44) 및 제 1 터빈(28)에 연결된 구동 샤프트(46)에 의해 아마도 전체적으로 배출된 유입 압력(48)을 구동할 수 있다. 그러나 그것은 터빈(28)의 크기 재설정(resizing)을 필요로 할 것이며, 그것이 구성 요소들의 개수를 감소시키는 반면에 특정의 상이한 작동 조건들 및 요건들에 대하여 최적화된 2 개의 분리된 터빈들을 제공하도록 열역학적으로 더 우수하고 용이할 수 있다.
그러한 구성은 비교 가능한 보통의 흡출식 엔진(aspirated engine)에 관하여 이전의 구현예들에 의해 제공된 것에 대하여 통상적인 터보 과급 엔진보다 연료 경제에 있어서 유사한 예상된 향상을 나타낸다.
여기에 설명된 특정의 구현예에 대한 많은 다른 수정예 및 변형들이 있을 수 있다는 점이 이해될 것이다. 예를 들어, 터빈(28)의 유출부(40)가 직접적으로 대기로 배출될 수 있으며, 비록 그러한 구성에서 장점이 감소된다할지라도 그렇게 될 수 있다. 상세 구성에서의 다른 변형들도 당업자에게 명백할 것이다. 또한 본 발명은 예를 들어 가변 밸브 시간 및 배기 개스 재순환과 흡기 쓰로틀 터빈들의 이용과 같은 다른 에너지 기술과의 조합 뿐만 아니고 광범위한 현재 및 미래의 터빈 연소 엔진들에 적용 가능하다는 점이 이해될 것이다. 본 발명은 또한 모든 유형의 내부 연소 엔진(10)에 적용될 수 있고, 정적인 동력 발생 뿐만 아니라 자동차에 대한 적용을 포함하는 광범위한 적용예에 대하여 적용될 수 있다.
본 발명의 작동 원리 및 모드가 바람직한 구현예에서 설명되고 도시되었다. 그러나, 본 발명은 발명의 범위 및 사상으로부터 벗어나지 않으면서 상세하게 설명되고 도시된 것과 다르게 실시될 수 있다는 점이 이해되어야 한다.
10. 내부 연소 엔진 12. 실린더
14. 유입 구성부 16. 배기 장치
18. 제 1 배기 도관 20. 제 2 배기 도관

Claims (17)

  1. 내부 연소 엔진(10)을 위한 배기 장치(16)로서,
    엔진(10)으로부터의 배기 유동을 위한 제 1 배기 도관(18);
    엔진(10)으로부터의 배기 유동을 위한 제 2 배기 도관(20);
    제 1 배기 주기 동안에 엔진으로부터 제 1 배기 도관(18)으로, 그리고 차후의 제 2 배기 주기 동안에 제 2 배기 도관(20)으로 선택적으로 배기를 향하게 하는 밸브 장치(22,24);
    제 1 배기 도관(18)에 연결된 유입부(34)를 가지는 터빈(28); 및,
    터빈(28)에 구동되게 연결되어 터빈에 의해 구동되며, 제 2 도관(20)에 연결된 유입부(26)를 가지는, 콤프레서(32);를 포함하는, 배기 장치(16).
  2. 제 1 항에 있어서,
    터빈(28)은 제 2 배기 도관(20) 및/또는 콤프레서 유입부(34)에 연결된 유출부(40)를 가지는, 배기 장치(16).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    밸브 장치(22,24)는 제 2 배기 주기 동안에 엔진(10)으로부터 제 1 배기 도관 및 제 2 배기 도관(18,20) 양쪽으로 선택적으로 배기를 향하게 하는, 배기 장치(16).
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    밸브 장치(22,24)는, 제 1 배기 주기 동안에 엔진(10)으로부터 오직 제 1 배기 도관(18)으로만, 그리고 차후의 제 2 배기 주기 동안에 오직 제 2 배기 도관(20)으로만 선택적으로 배기를 향하게 하는, 배기 장치(16).
  5. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    밸브 장치(22,24)는 분리된 제 1 배기 밸브(22) 및 제 2 배기 밸브(24)를 포함하는, 배기 장치(16).
  6. 제 5 항에 있어서,
    내부 연소 엔진(10)의 각 실린더(12)와 관련된, 분리된 제 1 배기 밸브 및 제 2 배기 밸브(22,24)들을 포함하는, 배기 장치(16).
  7. 전기한 항에 있어서,
    사용시에 제 2 배기 도관(20)을 통해 유동하는 배기 개스를 냉각시키기 위하여 적어도 제 2 배기 도관(20)에 연결된 열 교환기 또는 냉각기(36)를 더 포함하는, 배기 장치(16).
  8. 제 7 항에 있어서,
    열교환기 또는 냉각기(36)의 유출부는 콤프레서(32)의 유입부(32)에 연결되는, 배기 장치(16).
  9. 전기한 항에 있어서,
    제 1 배기 주기는, 엔진(10)의 연소 챔버의 체적에 실질적으로 변화가 없을 때의 주기에 대응하는, 배기 장치(16).
  10. 전기한 항에 있어서,
    적어도 하나의 왕복 피스톤을 가진 내부 엔진(10)을 위한 배기 장치(16).
  11. 제 10 항에 있어서,
    제 1 배기 주기는, 피스톤이 실질적으로 정지 상태일 때의 주기(period)에 대응하는, 배기 장치(16).
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    제 2 배기 주기는, 피스톤이 배기 행정 동안에 움직이고 있는 때의 주기에 대응하는, 배기 장치(16).
  13. 전기한 항에 있어서,
    유입 유동을 엔진(10) 안으로 압축시키기 위하여 유입 콤프레서(38)를 구동하는 제 2 터빈(44)을 더 포함하고, 제 2 터빈(44)은 제 2 배기 도관(20)에 연결된 유입부 및 콤프레서 유입부(34)에 연결된 유출부(52)를 가지는, 배기 장치(16).
  14. 제 1 항 내지 제 12 항의 어느 한 항에 있어서,
    배기 장치(16)를 포함하는, 내부 연소 엔진(10).
  15. 제 14 항에 있어서,
    유입 유동을 엔진(10) 안으로 압축하기 위한 유입 콤프레서(48)를 더 포함하는, 내부 연소 엔진(10).
  16. 제 15 항에 있어서,
    유입 콤프레서(48)는 터빈(28)에 구동되게 연결되어 터빈(28)에 의해 구동되는, 내부 연소 엔진(10).
  17. 제 15 항에 있어서,
    배기 장치(16)는 제 2 터빈(44)을 더 포함하고, 제 2 터빈은 제 2 배기 도관(20)에 연결된 유입부(50) 및 콤프레서 유입부(34)에 연결된 유출부(52)를 가지고, 엔진(10)의 유입 콤프레서(48)에 구동되게 연결되는, 내부 연소 엔진(10).
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