KR20110115580A - 2단 과급기 조립체 - Google Patents

2단 과급기 조립체 Download PDF

Info

Publication number
KR20110115580A
KR20110115580A KR1020117018387A KR20117018387A KR20110115580A KR 20110115580 A KR20110115580 A KR 20110115580A KR 1020117018387 A KR1020117018387 A KR 1020117018387A KR 20117018387 A KR20117018387 A KR 20117018387A KR 20110115580 A KR20110115580 A KR 20110115580A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
supercharger
assembly
stage
superchargers
high pressure
Prior art date
Application number
KR1020117018387A
Other languages
English (en)
Inventor
프란시스 조셉 제프리 헤이어스
Original Assignee
나피어 터보차저스 리미티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 나피어 터보차저스 리미티드 filed Critical 나피어 터보차저스 리미티드
Publication of KR20110115580A publication Critical patent/KR20110115580A/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/007—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust with exhaust-driven pumps arranged in parallel, e.g. at least one pump supplying alternatively
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B29/00—Engines characterised by provision for charging or scavenging not provided for in groups F02B25/00, F02B27/00 or F02B33/00 - F02B39/00; Details thereof
    • F02B29/04—Cooling of air intake supply
    • F02B29/0406—Layout of the intake air cooling or coolant circuit
    • F02B29/0412—Multiple heat exchangers arranged in parallel or in series
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/001—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust using exhaust drives arranged in parallel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/001—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust using exhaust drives arranged in parallel
    • F02B37/002—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust using exhaust drives arranged in parallel the exhaust supply to one of the exhaust drives can be interrupted
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/004—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust with exhaust drives arranged in series
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/013—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust with exhaust-driven pumps arranged in series
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/18—Control of the pumps by bypassing exhaust from the inlet to the outlet of turbine or to the atmosphere
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Supercharger (AREA)

Abstract

내연 기관용 2단 과급기 조립체가 제공된다. 이 조립체는 저압 과급기, 및 상호 병렬 배치되는 둘 이상의 고압 과급기를 구비한다. 저압 과급기의 압축기 출구는 고압 과급기의 압축기 입구에 작동적으로 연결된다. 고압 과급기의 터빈 출구는 저압 과급기의 터빈 입구에 작동적으로 연결된다.

Description

2단 과급기 조립체{TWO-STAGE TURBOCHARGER ASSEMBLY}
본 발명은 2단 과급기(turbocharger) 조립체에 관한 것이다.
질소산화물과 이산화탄소 배출을 저감하기 위해, 산업용 디젤 엔진 용으로 밀러(Miller) 타이밍을 사용하는 것은 공지되어 있다. 이러한 엔진은 현재 1단 과급기로부터 얻을 수 있는 것을 초과하는 높은 압력비의 과급기를 요구한다. 예를 들어, Wik, C.와 Hallback, B.의 "Wartsila 4-행정 중간-속도 디젤 엔진에서 배출물 감소 수단으로서 2단 터보 과급의 사용(Utilisation of 2-stage turbo charging as an emission reduction mean on a Wartsila 4-stroke medium-speed diesel engine)", Paper 101, CIMAC Congress, Vienne, 2007을 참조한다.
높은 압력비를 달성하는 종래 방법은 Codan, E.와 Mathey, C의 "배출물 - 과급을 위한 새로운 도전(Emissions - A new Challenge for Turbocharging)" Paper 245, CIMAC Congress, Vienne, 2007의 도 13에 요약되어 있다. 한 가지 접근법은 종래 설계의 두 대의 개별 과급기, 즉 대기로부터 공기를 취하여 중간압 공기를 인터쿨러에 송출하는 대형 저압(LP : low pressure) 과급기, 및 인터쿨러로부터 중간압 공기를 취하여 고압 공기를 엔진 급기 쿨러에 송출하는 소형 고압(HP : high pressure) 과급기에 기초한 2단 과급기 조립체를 채용한다. 엔진으로부터의 배기가스는 (HP 압축기를 구동하기 위해) HP 과급기 터빈에 도관송출되고 (LP 압축기를 구동하기 위해) LP 과급기 터빈에 도관송출된다.
특히 밀러 타이밍을 사용할 때는, 낮은 부하에서 엔진 제어를 제공하기 위해 과급기 조립체의 압축기 및 터빈 특징을 변화시킬 수 있는 것이 바람직하다. 이를 달성하는 한 가지 방법은 터빈 목부(throat) 근처의 고정자 베인이 이동되는 가변 형태 HP 터빈을 채택하는 것이다. 그러나, 엔진 연료로서 중질 연료유의 사용은 HP 터빈에 고도의 재 퇴적을 초래할 수 있다. 이는 가변 형태 HP 터빈의 효과적인 사용을 어렵게 만들 수 있다.
통상적으로, HP 스테이지는 LP 스테이지보다 낮은 압력비를 갖는다. 이는 LP 스테이지의 크기를 낮은 정도의 밀러 타이밍을 갖는 통상의 1단 과급기보다 크지 않게 유지될 수 있게 보장한다. 가변 엔진 부하에서, HP 압력비는 통상 일정한 반면, LP 과급기 압력비는 엔진 부하에 의해 실질적으로 증가한다. 그럼에도 불구하고, 엔진 과도기 중에는, 작은 HP 스테지이에서 가속이 이루어지는 경향이 있다. 따라서 터보-랙(turbo-lag)은 HP 스테이지의 관성에 의해 지배될 수 있다.
DE 102006011188 A는 두 개의 HP 과급기가 상호 병렬 배치되는 과급기 조립체를 제안하고 있다.
GB 2294729 A는 두 개의 LP 과급기가 상호 병렬 배치되는 과급기 조립체를 제안하고 있다.
일반적으로, 본 발명은 저압 과급기, 및 상호 병렬 배치되는 다수의 HP 과급기를 갖는 2단 과급기 조립체를 제공한다.
본 발명의 제 1 양태는, 내연 기관용 2단 과급기 조립체로서,
LP 과급기, 및
상호 병렬 배치되는 다수의 HP 과급기를 구비하고,
상기 LP 과급기의 압축기 출구는 상기 HP 과급기의 압축기 입구에 작동적으로 연결되며, 상기 HP 과급기의 터빈 출구는 상기 LP 과급기의 터빈 입구에 작동적으로 연결되고,
상기 조립체는 HP 과급기를 두 개 이상 구비하는 내연 기관용 2단 과급기 조립체를 제공한다.
상기 조립체는 하기 선택적 특징들 중 어느 하나를 갖거나, 이들 특징의 임의의 조합을 대응할 수 있는 정도로 가질 수 있다.
상기 조립체는 HP 과급기를 네 개 이상 구비하는 것이 바람직하다. 상기 조립체는 HP 과급기를 여섯 개 이상 또는 여덟 개 이상 구비하는 것이 더 바람직하다.
비교적 많은 수의 병렬 HP 과급기를 채용함으로써, 소형 HP 과급기가 사용될 수 있으며 그 전체 중량이 현저히 감소될 수 있다. 예를 들어, 여섯 개의 HP 과급기를 갖는 경우, 이들 HP 과급기의 전체 중량은 등가의 단일 HP 과급기의 약 40%에 불과할 수 있다. 각각의 HP 과급기가 소형이므로, HP 스테이지의 전체 관성은 상당히 감소될 수 있다. 따라서 여섯 개의 HP 과급기는 등가의 단일 HP 과급기의 관성의 약 1%를 가질 수 있다. 이는 다시 터보-랙을 강력히 감소시킨다.
비교적 많은 수의 소형 병렬 HP 과급기를 채택하는 것의 추가적인 장점은, 보다 많은 수로 제조되는 소형 과급기가 대체로 대형 과급기보다 저렴한 비용으로 입수 가능하다는 점이다. 따라서, HP 스테이지가 보다 많은 과급기를 구비하지만, 전체 비용은 감소될 수 있다.
대안적으로, 병렬 HP 과급기의 터빈의 크기가 증가하면(예를 들여, 소형 HP 과급기에 비해 약 25% 정도), HP 관성을 등가의 단일 HP 과급기의 관성의 약 2% 이내로 유지하면서 강한 효율 이점이 발생될 수 있다.
따라서, HP 과급기의 개수는, 그 전체 중량 및 관성이 낮지만, 그 대다수는 각각의 HP 과급기의 크기가 너무 작아서 효과적이지 못하게 되거나 LP 과급기와 HP 과급기 사이를 연결하는 비용이 너무 높아지지 않도록 정해질 수 있다.
일반적으로, 조립체는 풀 엔진 부하(full engine load)에서 적어도 3kg/sec의 압축 공기를 제공할 수 있는 공기 용량을 갖는다. 보다 일반적으로, 조립체는 풀 엔진 부하에서 적어도 5kg/sec의 압축 공기를 제공할 수 있는 공기 용량을 갖는다.
일반적으로, 조립체는 풀 엔진 부하 시에 LP 과급기의 압축기 입구와 HP 과급기의 압축기 출구 사이에 적어도 8의 압력비를 제공할 수 있다. 보다 일반적으로, 조립체는 풀 엔진 부하 시에 LP 과급기의 압축기 입구와 HP 과급기의 압축기 출구 사이에 적어도 10의 압력비를 제공할 수 있다.
바람직하게, HP 과급기의 하나 이상은 조립체 특히 HP 스테이지의 압축기 및 터빈 특징을 변화시키기 위해 제어 가능하게 온라인 및 오프라인으로 전환될 수 있다. 예를 들어, 전환 가능한(switchable) HP 과급기의 각각은, 그 터빈 입구에 유입되거나 그 터빈 출구로부터 유출되는 배기 가스 유동을 제어하여 그 온라인 또는 오프라인 상태를 변경하는 밸브를 가질 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전환 가능한 HP 과급기의 각각은 그 압축기 입구에 유입되거나 그 압축기 출구로부터 유출되는 압축 가스의 유동을 제어하여 그 온라인 또는 오프라인 상태를 변경하는 밸브를 가질 수도 있다. 이런 식으로 조립체의 압축기 및 터빈 특징을 변화시키는 능력은 특히 밀러 타이밍이 사용될 때 낮은 부하에서 엔진 제어를 수행하기 위해 유리하게 사용될 수 있다.
밸브는 나비 밸브, 글러브(globe) 밸브 또는 게이트 밸브일 수 있다. 이러한 밸브는 재 퇴적물에 노출될 때에도 확실하게 작동할 수 있다. 일반적으로, 가동 고정자 베인을 갖는 단일 가변 형태 HP 터빈에 비해서, 전환 가능한 병렬 HP 과급기는 보다 견고하며, 향상된 재 퇴적 공차를 갖는다.
통상적으로, 각각의 HP 과급기는 배기 가스가 그 터빈을 바이패스할 수 있게 하는 폐기물 게이트(waste gate)를 갖는다. 통상적으로, LP 과급기는 배기 가스가 그 터빈을 바이패스할 수 있게 하는 폐기물 게이트를 갖는다.
통상적으로, 각각의 HP 과급기의 압축기 출구로부터 터빈 입구로의 공기 바이패스가 제공된다. 공기 바이패스는 단수 또는 복수의 밸브에 의해 제어될 수 있다.
조립체는 LP 과급기의 압축기 출구를 HP 과급기의 압축기 입구에 작동적으로 연결하는 하나 이상의 인터쿨러를 추가로 구비할 수 있다. 인터쿨러는 조립체의 성능을 현저히 증가시킬 수 있다. 또한, 개선된 제어를 위해, 조립체는 인터쿨러와 병렬 배치되어 인터쿨러가 바이패스될 수 있게 하는 단수 또는 복수의 분기 라인을 가질 수 있다.
조립체는 HP 과급기의 압축기 출구를 사용 시에 내연 기관의 연소실에 작동적으로 연결하는 하나 이상의 급기 쿨러를 추가로 구비할 수 있다. 급기 쿨러는 또한 조립체의 성능을 현저히 증가시킬 수 있다.
일부 엔진에는 하나 이상의 2단 과급기 조립체가 구비될 수 있다. 예를 들어, V-엔진은 엔진의 각 측부에 하나씩, 두 개의 조립체를 가질 수 있다. 이러한 배치에서, 인터쿨러 및/또는 급기 쿨러는 조립체에 의해 공유될 수 있다.
바람직하게, HP 과급기는 실질적으로 상호 동일하다. 이는 추가로 조립 비용을 줄이는데 도움이 될 수 있다.
고압 과급기는 내연 기관의 실린더 헤드에 장착되도록 구성될 수 있다. 특히 비교적 작은 HP 과급기가 채택될 때, HP 과급기의 크기는 과급기가 이 위치에 장착될 수 있게 하며, 엔진의 연소실을 HP 과급기의 압축기 출구 및 터빈 입구와 작동적으로 연결하는 도관의 길이를 편리하게 감소시킬 수 있다.
예를 들어, 각각의 HP 과급기는 내연 기관의 하나 이상의 각 연소실에 압축 가스를 보내고 각 연소실로부터 배기 가스를 수용하도록 구성될 수 있으며, HP 과급기는 각각의 HP 과급기가 실린더 헤드에 장착될 때 그 각 챔버에 인접하도록 조립체 내에 배치되고, HP 과급기는 둘 이상의 그룹으로 분할되며, 각 그룹의 HP 과급기는 다른 그룹의 연소 실린더를 섬기지(serve) 않는다. 바람직하게, 각 그룹은 하나 이상의 전환 가능한 HP 과급기를 구비하며, 따라서 엔진의 연소 실린더 전체에 대해 엔진 제어가 적용될 수 있다.
대안적으로, 조립체가 인터쿨러를 가질 때, HP 과급기는 인터쿨러에 장착될 수 있다.
대안적으로, HP 과급기는 LP 과급기의 케이싱에 장착될 수 있다. 예를 들어, LP 과급기는 LP 과급기의 회전축과 축방향으로 정렬되는 터빈 입구를 가질 수 있으며, 각각의 HP 과급기는 그 HP 과급기의 회전축과 축방향으로 정렬되는 터빈 출구를 가질 수 있다. 편리하게, HP 과급기는 이후 HP 터빈 출구가 LP 터빈 입구와 축방향으로 정렬되거나 적어도 축방향 정렬의 30°이내에 있고 LP 터빈 입구에 직접 급송하도록 LP 과급기의 케이싱에 장착될 수 있다. 이는 HP 터빈과 LP 터빈 사이의 배기 경로 상에서 낮은 압력 손실을 갖는 콤팩트한 조립체를 제공할 수 있다. HP 터빈 출구를 LP 터빈 입구와 축방향으로 정렬시키는 것이 통상 압력 손실이 최저인 구조를 형성하지만, HP 터빈 출구의 축을 LP 터빈 입구의 축으로부터 다소 작은 각도(즉, 30°까지)에 놓이게 할 수 있으면 낮은 압력 손실을 여전히 제공할 수 있는 반면에 일부 경우에는 LP 과급기에 대한 HP 과급기의 보다 강건한 부착을 촉진하거나 및/또는 부착 영역에 대한 접근을 용이하게 할 수 있다.
본 발명의 추가 양태는 제 1 양태의 2단 과급기 조립체가 구비된 내연 기관을 제공한다. 이 엔진은 적어도 3MW의 엔진 출력을 제공할 수 있다.
예를 들어, 상기 엔진은 다수의 배기 가스 매니폴드를 가질 수 있으며, 각각의 배기 가스 매니폴드는 고압 과급기의 각 서브세트에 배기 가스를 보낸다. 바람직하게, 각각의 서브세트는 하나 이상의 전환 가능한 HP 과급기를 구비한다. HP 과급기가 엔진의 실린더 헤드에 장착되도록 구성될 때, 서브세트는 HP 과급기의 상기 그룹에 대응할 수 있다.
이제 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 예시적으로 설명할 것이다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 2단 과급기 조립체의 공기측 연결의 개략도이다.
도 2는 제 1 실시예에 따른 2단 과급기 조립체의 배기 가스측 연결의 개략도이다.
도 3은 제 2 실시예에 따른 2단 과급기 조립체의 배기 가스측 연결의 개략도이다.
도 4는 제 3 실시예에 따른 2단 과급기 조립체의 배기 가스측 연결의 개략도이다.
도 5는 제 4 실시예에 따른 2단 과급기 조립체의 배기 가스측 연결의 개략도이다.
도 6은 제 5 실시예에 따른 2단 과급기 조립체의 공기측 및 배기 가스측 연결의 개략도이다.
도 7은 2단 과급기 조립체의 장착 배치의 개략 사시도이다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 2단 과급기 조립체의 공기측 연결의 개략도이며, 이 조립체는 내연 기관(1)에 구비된다. 화살 표시된 라인은 조립체를 통한 공기 유동을 나타낸다.
조립체는 LP 과급기(2) 및 여섯 개의 병렬 동일 HP 과급기(3)를 구비한다. LP 및 HP 과급기의 압축기는 C로 지칭되며, LP 및 HP 과급기의 터빈은 T로 지칭된다. 엔진 흡기부(도시되지 않음)로부터의 공기가 LP 과급기의 압축기 입구에 진입한다. LP 과급기의 압축기 출구를 빠져나간 후, 압축 공기는 인터쿨러(4)를 통과하고 HP 과급기의 압축기 입구로 이동한다. 추가 압축 공기는 HP 과급기의 압축기 출구를 빠져나가고, 급기 쿨러(5)를 통과하며, 엔진(1)의 연소실(도시되지 않음)에 진입한다.
인터쿨러(4)와 병렬 관계에 있는 분기 라인(10)은 인터쿨러가 필요할 경우 바이패스될 수 있게 해준다. 제 1 실시예의 변형예에서는 분기 라인이 제공되지 않는다.
도 2는 제 1 실시예에 따른 2단 과급기 조립체의 배기 가스측 연결의 개략도이다. 이 경우의 화살 표시된 라인은 조립체를 통한 배기 가스의 유동을 나타낸다.
배기 가스는 엔진(1)의 연소실을 빠져나가고 두 개의 배기 매니폴드(6a, 6b)에 진입한다. 매니폴드(6a)로부터의 배기 가스는 제 1 서브세트의 세 개의 HP 과급기(3a)의 터빈 입구에 진입하고, 매니폴드(6b)로부터의 배기 가스는 다른 제 2 서브세트의 세 개의 HP 과급기(3b)의 터빈 입구에 진입한다. 매니폴드가 다른 연소 실린더로부터 배기 가스를 수용하므로, 각 서브세트의 HP 과급기가 다른 서브세트의 연소 실린더를 섬기지 않는 효과가 얻어진다. HP 과급기의 터빈 출구를 빠져나간 후 배기 가스는 LP 과급기(2)의 터빈 입구로 이동한다. 이 배기 가스는 이후 LP 과급기의 터빈 출구를 빠져나가고 엔진 배기 스택(도시되지 않음)으로 보내진다.
비교적 소형의 HP 과급기를 다수 구비함으로써, HP 스테이지에서의 터보-랙이 감소될 수 있다. 또한, 소형의 동일한 HP 과급기는 제조가 상대적으로 저렴하고, 조립체 비용을 감소시킨다.
도 3은 제 2 실시예에 따른 2단 과급기 조립체의 배기 가스측 연결의 개략도이다. 공통적인 도면부호는 제 1 실시예와 동일한 특징부를 나타낸다.
배기측 연결은, 각 서브세트의 세 개의 HP 과급기 중 두 개가 각각의 터빈 입구로의 배기 가스 유동을 제어하는 나비 밸브와 같은 차단 밸브(7)를 갖는 점을 제외하고, 도 2에 도시된 것과 동일하다. 대안적으로, 밸브는 터빈 출구에 배치될 수도 있다. 밸브(7)를 갖는 각각의 HP 과급기는 또한 그 압축기 입구에 유입되거나 그 압축기 출구로부터 유출되는 압축 공기 유동을 제어하는 추가 차단 밸브(도시되지 않음)를 갖는다. HP 과급기의 양 밸브가 폐쇄되면, 과급기는 효과적으로 차단되고 오프라인에 이르게 된다. 따라서, 밸브의 제어는 이들 밸브를 갖는 HP 과급기가 제어 가능하게 온라인 및 오프라인으로 전환될 수 있게 한다. 이 전환은 조립체, 특히 HP 스테이지의 압축기 및 터빈 특징을 변화시키며, 엔진 제어가 낮은 부하에서 이루어질 수 있게 하는 바, 이는 밀러 타이밍의 채택과 관련하여 특히 유용하다. 나비 밸브, 글러브 밸브 또는 게이트 밸브와 같은 견고한 밸브 설계는 재 퇴적물에 의한 성능 저하에 대해 내성이 있으므로 특히 배기측에서 유리하게 채택될 수 있다.
도 4는 제 3 실시예에 따른 2단 과급기 조립체의 배기 가스측 연결의 개략도이다. 공통적인 도면부호는 제 1 및 제 2 실시예와 동일한 특징부를 나타낸다.
배기측 연결은, 폐기물 게이트(8)에 의해 배기 가스가 HP 과급기(3a, 3b)의 터빈을 바이패스할 수 있고 추가 폐기물 게이트(9)에 의해 배기 가스가 LP 과급기의 터빈을 바이패스할 수 있다는 점을 제외하고, 도 2에 도시된 것과 동일하다. 유사한 폐기물 게이트가 제 2 실시예에 적용될 수 있다.
도 5는 제 4 실시예에 따른 2단 과급기 조립체의 배기 가스측 연결의 개략도이다. 공통적인 도면부호는 이전 실시예와 동일한 특징부를 나타낸다.
본 실시예에서, 배기 가스는 엔진(1)의 연소실을 빠져나가며 단일 배기 매니폴드(6c)에 진입한다. 배기 가스는 이 매니폴드로부터 여섯 개의 HP 과급기(3)로 이동한다. HP 과급기 중 네 개는 그 터빈 입구에 차단 밸브(7)를 가지며, 그 압축기 입구에는 대응 추가 차단 밸브(도시되지 않음)를 갖는다. 다시, 밸브의 제어는 이들 밸브를 갖는 HP 과급기가 제어 가능하게 온라인 및 오프라인으로 전환될 수 있게 한다.
HP 및 LP 과급기에는 각각의 폐기물 게이트가 제공될 수 있다.
도 6은 제 5 실시예에 따른 2단 과급기 조립체의 공기측 및 배기측 연결의 개략도이다. 공통적인 도면부호는 이전 실시예와 동일한 특징부를 나타낸다.
제 5 실시예는 둘 이상의 HP 과급기(3)를 채용하지만 간명함을 위해서 도 6에는 두 개의 HP 과급기만 도시하였다.
비교적 소형인 HP 과급기는 엔진(1)의 실린더 헤드에 장착된다. 제한된 개수의 실린더(예를 들면, 1개 내지 3개)는 각각의 HP 과급기에 급송하며, 각각의 과급기는 다른 HP 과급기의 실린더로부터 배기 가스를 수용하지 않는다. 따라서 HP 과급기는 그 각각의 실린더에 근접하여 배치될 수 있으며, 여기에서 이들 HP 과급기는 엔진의 밸브와 밀착 결합될 수 있다. 또한, 실린더를 HP 과급기의 압축기 출구 및 터빈 입구에 연결하는 도관의 길이는 감소될 수 있다.
중간 매니폴드(11)는 이후 HP 과급기의 터빈 출구를 LP 과급기의 터빈 입구에 연결한다. 유리하게, 이 매니폴드는 저온 저압 상태에 놓이며, 이전 실시예의 매니폴드(6a 내지 6c)보다 덜 심한 맥동을 겪게 될 것인 바, 이는 낮은 손실과 개선된 성능으로 이어진다.
제한된 개수의 실린더 각각을 섬기는 단일의 HP 과급기 대신에, 하나 이상의 HP 과급기가 각 실린더를 섬길 수 있다. 이 경우 배기 가스를 각 그룹의 HP 과급기에 분배하기 위한 매니폴드가 필요하다. 그러나, 각 그룹의 HP 과급기의 일부에는 차단 밸브가 제공되어, 과급기를 전환시킬 수 있고 조립체의 압축기 및 터빈 특징을 변화시킬 수 있다.
제 5 실시예에서, HP 과급기(3)와 LP 과급기(2)에는 각각의 폐기물 게이트가 제공될 수 있다. 인터쿨러(4)를 제어 가능하게 바이패스시키기 위해 분기 라인이 제공될 수 있다.
도 7은 2단 과급기 조립체의 장착 배치의 개략 사시도이다. 이 장착 배치는 제 1 내지 제 4 실시예의 과급기 조립체를 실행하기에 적합하다.
장착 배치는 LP 과급기(2)와 여섯 개의 병렬 동일한 HP 과급기(3)를 포함한다. LP 과급기는 LP 과급기의 회전축과 축방향으로 정렬되는 터빈 입구를 가지며, 각각의 HP 과급기는 그 HP 과급기의 회전축과 축방향으로 정렬되는 터빈 출구를 갖는다. LP 및 HP 과급기의 회전축은 평행하며, HP 과급기는 HP 터빈으로부터 축방향으로 유출되는 배기 가스가 자연스럽게 LP 터빈의 입구와 정렬되고 그 입구 내로 직접 급송되도록 LP 과급기의 케이싱에 장착된다. HP 및 LP 터빈의 이러한 밀착 결합은 HP 및 LP 터빈 사이의 배기 경로에서의 압력 손실을 감소시킬 수 있다. 또한, LP 과급기는 비교적 큰 과급기이므로, HP 과급기를 장착하기 위한 안정적인 베이스를 형성한다.
LP 과급기(2) 압축 공기는 인터쿨러(4)에 급송되고 따라서 여섯 개의 HP 압축기(3)의 축방향 입구에 급송된다. HP 압축 공기는 엔진(도시되지 않음)의 급기 쿨러(역시 도시되지 않음)로 토출되는 볼류트(volute)(12)에 접선방향으로 급송된다. 엔진 배기 가스는 HP 터빈의 접선방향 유입 연결부(명확히 볼 수 없음)로 이어지는 볼류트(13)로 급송된다. 전술했듯이, HP 터빈 출구는 LP 터빈 입구에 밀착 결합된다. LP 터빈 출구로부터의 배기는 도 7에서 거의 수직 상방으로 배출된다.
본 발명을 전술한 예시적 실시예를 참조하여 설명했지만, 본 명세서를 숙독한 당업자에게는 여러가지 등가의 수정예 및 변형예가 자명할 것이다. 따라서, 전술한 본 발명의 예시적 실시예는 예시적이며 비제한적인 것으로 간주된다. 전술한 실시예에 대한 다양한 변형은 본 발명의 취지 및 범위를 벗어남이 없이 이루어질 수 있다.

Claims (20)

  1. 내연 기관용 2단 과급기 조립체에 있어서,
    저압 과급기, 및
    상호 병렬 배치되는 다수의 고압 과급기를 구비하고,
    상기 저압 과급기의 압축기 출구는 상기 고압 과급기의 압축기 입구에 작동적으로 연결되며, 상기 고압 과급기의 터빈 출구는 상기 저압 과급기의 터빈 입구에 작동적으로 연결되고,
    상기 조립체는 고압 과급기를 두 개 이상 구비하는 것을 특징으로 하는
    2단 과급기 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고압 과급기를 네 개 이상, 바람직하게는 여섯 개 이상 구비하는 것을 특징으로 하는
    2단 과급기 조립체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 고압 과급기는 조립체의 압축기 및 터빈 특징을 변화시키기 위해 제어 가능하게 온라인 및 오프라인으로 전환될 수 있는 것을 특징으로 하는
    2단 과급기 조립체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전환 가능한 고압 과급기의 각각은, 그 터빈 입구에 유입되거나 그 터빈 출구로부터 유출되는 배기 가스 유동을 제어하여 그 온라인 또는 오프라인 상태를 변경하는 밸브를 갖는 것을 특징으로 하는
    2단 과급기 조립체.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 전환 가능한 고압 과급기의 각각은, 그 압축기 입구에 유입되거나 그 압축기 출구로부터 유출되는 압축 가스 유동을 제어하여 그 온라인 또는 오프라인 상태를 변경하는 밸브를 갖는 것을 특징으로 하는
    2단 과급기 조립체.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 밸브는 나비 밸브, 글러브 밸브 또는 게이트 밸브인 것을 특징으로 하는
    2단 과급기 조립체.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 고압 과급기는 배기 가스가 그 터빈을 바이패스할 수 있게 하는 폐기물 게이트를 갖는 것을 특징으로 하는
    2단 과급기 조립체.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저압 과급기는 배기 가스가 그 터빈을 바이패스할 수 있게 하는 폐기물 게이트를 갖는 것을 특징으로 하는
    2단 과급기 조립체.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    저압 과급기의 압축기 출구를 고압 과급기의 압축기 입구에 작동적으로 연결하는 하나 이상의 인터쿨러를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는
    2단 과급기 조립체.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 인터쿨러와 병렬 배치되어 인터쿨러가 바이패스될 수 있게 하는 단수 또는 복수의 분기 라인을 추가로 구비하는 특징으로 하는
    2단 과급기 조립체.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    고압 과급기의 압축기 출구를 사용 시에 내연 기관의 연소실에 작동적으로 연결하는 하나 이상의 급기 쿨러를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는
    2단 과급기 조립체.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고압 과급기는 실질적으로 상호 동일한 것을 특징으로 하는
    2단 과급기 조립체.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고압 과급기는 내연 기관의 실린더 헤드에 장착되도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    2단 과급기 조립체.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 고압 과급기는 내연 기관의 하나 이상의 각 연소실에 압축 가스를 보내고 각 연소실로부터 배기 가스를 수용하도록 구성되며, 상기 고압 과급기는 각각의 고압 과급기가 실린더 헤드에 장착될 때 그 각 챔버에 인접하도록 조립체 내에 배치되고, 상기 고압 과급기는 둘 이상의 그룹으로 분할되며, 각 그룹의 고압 과급기는 다른 그룹의 연소 실린더를 섬기지 않는 것을 특징으로 하는
    2단 과급기 조립체.
  15. 제 3 항에 따른 제 14 항에 있어서,
    상기 각 그룹은 하나 이상의 전환 가능한 고압 과급기를 구비하는 것을 특징으로 하는
    2단 과급기 조립체.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항의 2단 과급기 조립체가 구비된
    내연 기관.
  17. 제 16 항에 있어서,
    다수의 배기 가스 매니폴드를 구비하며, 각각의 배기 가스 매니폴드는 고압 과급기의 각 서브세트에 배기 가스를 보내는 것을 특징으로 하는
    내연 기관.
  18. 제 3 항에 따른 제 17 항에 있어서,
    상기 각 서브세트는 하나 이상의 전환 가능한 고압 과급기를 구비하는 것을 특징으로 하는
    내연 기관.
  19. 첨부 도면을 참조하여 기술되거나 및/또는 첨부 도면에 도시된
    2단 과급기 조립체.
  20. 첨부 도면을 참조하여 기술되거나 및/또는 첨부 도면에 도시된
    내연 기관.
KR1020117018387A 2009-01-12 2009-11-25 2단 과급기 조립체 KR20110115580A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GBGB0900427.6A GB0900427D0 (en) 2009-01-12 2009-01-12 Two-stage turbocharger assembly
GB0900427.6 2009-01-12

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20110115580A true KR20110115580A (ko) 2011-10-21

Family

ID=40379447

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020117018387A KR20110115580A (ko) 2009-01-12 2009-11-25 2단 과급기 조립체

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20110252795A1 (ko)
EP (1) EP2376757B1 (ko)
JP (1) JP5663493B2 (ko)
KR (1) KR20110115580A (ko)
CN (1) CN102272425B (ko)
GB (1) GB0900427D0 (ko)
WO (1) WO2010079313A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9581079B2 (en) 2014-12-01 2017-02-28 Hyundai Motor Company Two-stage turbocharger apparatus

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103061857A (zh) * 2013-01-11 2013-04-24 中国兵器工业集团第七0研究所 一种歧管涡轮能量回收利用系统发动机
US9010117B2 (en) 2013-03-15 2015-04-21 Cummins Inc. Multi-stage turbocharger system with intercooling and aftercooling
DK3009630T3 (da) * 2013-06-11 2023-01-09 Yanmar Power Technology Co Ltd Motor
CN103615307A (zh) * 2013-12-06 2014-03-05 湖南天雁机械有限责任公司 两级涡轮增压系统及带两级涡轮增压系统的发动机
CN103615308B (zh) * 2013-12-06 2017-08-08 湖南天雁机械有限责任公司 可变级涡轮增压系统及带可变级涡轮增压系统的发动机
US9790847B2 (en) * 2014-04-07 2017-10-17 Cummins Inc. Multi-stage turbocharger system with off-engine low pressure stage
US10746089B2 (en) * 2018-01-25 2020-08-18 Caterpillar Inc. Inline turbocharger arrangement and method
JP2020183733A (ja) * 2019-05-09 2020-11-12 三菱重工業株式会社 ターボクラスターガスタービンシステム及びその起動方法

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS55109727A (en) * 1979-02-17 1980-08-23 Kawasaki Heavy Ind Ltd Two-stage supercharging type diesel engine equipped with auxiliary blower
JPS55109726A (en) * 1979-02-17 1980-08-23 Kawasaki Heavy Ind Ltd Method of and apparatus for cutting-off supercharger for diesel engine
JPH0272347U (ko) * 1988-11-18 1990-06-01
JPH0272327U (ko) * 1988-11-18 1990-06-01
JPH02118138U (ko) * 1989-03-13 1990-09-21
DE4330525C2 (de) * 1993-09-09 1996-04-25 Mtu Friedrichshafen Gmbh Brennkraftmaschine mit variabler Aufladung
US5577900A (en) * 1994-05-25 1996-11-26 Gec- Alsthom Diesels Ltd. Turbocharged internal combustion engine
DE4434777C1 (de) * 1994-09-29 1995-09-07 Mailaender Fa J G Aufgeladener Mehrzylinder-Dieselmotor
GB2294729B (en) * 1994-11-04 1999-02-24 Gec Alsthom Diesels Ltd A turbocharger assembly
CA2526370A1 (en) * 1994-11-04 1996-05-05 Man B&W Diesel Ltd. A turbocharger assembly
JP3306845B2 (ja) * 1996-06-10 2002-07-24 ヤンマーディーゼル株式会社 内燃機関の排気系構造
GB2321502B (en) * 1997-01-24 2001-02-07 Europ Gas Turbines Ltd Turbocharger arrangement
US6273076B1 (en) * 1997-12-16 2001-08-14 Servojet Products International Optimized lambda and compression temperature control for compression ignition engines
WO1999054607A1 (en) * 1998-04-16 1999-10-28 3K-Warner Turbosystems Gmbh Turbocharged internal combustion engine
JP2001342839A (ja) * 2000-03-31 2001-12-14 Isuzu Motors Ltd ターボ過給システム
JP4295904B2 (ja) * 2000-10-05 2009-07-15 株式会社小松製作所 多気筒エンジンの給気構造
JP4323705B2 (ja) * 2000-10-05 2009-09-02 株式会社小松製作所 排気マニホールド
DE10235701B3 (de) * 2002-08-03 2004-04-15 UDO MAILäNDER GMBH Aufgeladene Brennkraftmaschine
DE102005008657A1 (de) * 2005-02-25 2006-08-31 Daimlerchrysler Ag Motorbremsverfahren für eine Brennkraftmaschine mit zwei in Reihe geschalteten Abgasturboladern
DE102006011188B4 (de) * 2006-03-10 2018-03-08 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Zweistufige Abgasturboaufladung für eine Brennkraftmaschine
JP2008106728A (ja) * 2006-10-27 2008-05-08 Fuji Heavy Ind Ltd レシプロエンジン用多段過給システム
US8276378B2 (en) * 2009-07-22 2012-10-02 GM Global Technology Operations LLC System and method for controlling a two-stage series sequential turbocharger using bypass valve leakage control

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9581079B2 (en) 2014-12-01 2017-02-28 Hyundai Motor Company Two-stage turbocharger apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
GB0900427D0 (en) 2009-02-11
CN102272425A (zh) 2011-12-07
CN102272425B (zh) 2014-11-05
JP2012515286A (ja) 2012-07-05
US20110252795A1 (en) 2011-10-20
EP2376757B1 (en) 2012-11-14
WO2010079313A1 (en) 2010-07-15
JP5663493B2 (ja) 2015-02-04
EP2376757A1 (en) 2011-10-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2376757B1 (en) Two- stage turbocharger assembly
US20140150423A1 (en) Two-stage turbocharger assembly with single low-pressure turbocharger
US7287379B2 (en) Turbo compressor system for internal combustion engine comprising two serially placed turbo units with their rotation axes essentially concentric
EP3179079B1 (en) Engine system
US20090120087A1 (en) Exhaust gas turbocharger in an internal combustion engine
US20070074513A1 (en) Turbo charging in a variable displacement engine
KR101650603B1 (ko) 배기 가스 재순환을 이용하는 과급 기관
JP2004092646A (ja) 内燃機関用過給装置
US9206752B2 (en) Air handling system for an opposed-piston engine in which a supercharger provides boost during engine startup and drives EGR during normal engine operation
JP2004308487A (ja) Ｅｇｒ付き排気過給エンジン
US9062632B2 (en) Internal combustion engine for a motor vehicle
US9239021B2 (en) Internal combustion engine with supercharger
EP3438429B1 (en) Engine with turbo supercharger
KR20110011608U (ko) 내연기관
US20180156164A1 (en) Turbine housings and turbine housing manifolds having integrated bypass valves for dedicated exhaust gas recirculation engines
US20180100428A1 (en) Engine system
EP1797282A1 (en) Turbo charger unit comprising double entry turbine
US7028679B2 (en) Engine air charge system with branch conduits
JP6399043B2 (ja) ターボ過給機付エンジン
WO2020170984A1 (ja) エンジンの排気系構造
KR20110129130A (ko) 내연기관
JPS58190519A (ja) 内燃機関の過給装置
JP6032802B2 (ja) Ｅｇｒ装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application