KR20130122946A - 내연기관의 배기가스 터보차저 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 압축기(3); 및 터빈 하우징(5)을 포함하는 터빈(4)을 구비하는, 내연기관(2)의 배기가스 터보차저(1)에 관한 것으로, 터빈 하우징(5)은, 작동 유체의 증발을 위해 내연기관(2)의 배기가스들로부터 얻은 열이 들어갈 수 있는 증발기(6)를 포함하고, 증발기(6)는 라인 배열(7)에 유동-연결되며, 이 때 증기 터빈(8) 및, 작동 유체의 유동 방향(S)으로 봤을 때 그 하류에 응축기(9)가 배치된다.

Description

내연기관의 배기가스 터보차저{EXHAUST TURBOCHARGER OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 청구범위 제1항의 전제부에 따른 내연기관의 배기가스 터보차저에 관한 것이다.
랭킨 순환 과정은, 기본적으로 배기가스 터보차저 및/또는 내연기관으로부터의 폐열을 활용하는 데 적합하고, 상이한 엔진 부하 및 속도 조건들에서 이용 가능한 에너지의 양과 온도 수준이 이러한 랭킨 과정을 매우 효율적으로 이용하는 데 있어서 중요하다.
기존의 해결책에서는, 충분한 에너지를 제공하기 위해, 예를 들어 랭킨 과정을 이용하여 연료 소비에서 상당한 개선을 달성하기 위해, 배기 시스템을 위한 추가적 장비로서 예컨대 배기가스 재순환 냉각기 또는 크고 비싼 열 교환기가 제안되었다.
그러나, 기존의 해결책들은 높은 비용 외에도 전술한 냉각기 및 열 교환기처럼 전체적으로 많은 공간을 차지하는 추가적인 조치들을 제시하므로 만족스럽지 못하다.
따라서 본 발명의 목적은, 터보차저/내연기관 시스템으로부터의 폐열을 매우 효율적으로 활용할 수 있도록 하는, 청구범위 제1항의 전제부에 명시된 유형의 배기가스 터보차저를 제조하는 데에 있다.
상기 목적은 청구범위 제1항의 특징부에 의해 달성된다.
추가적인 유닛들의 사용이 필요한 현 시점의 기술 수준과 달리, 본 발명에 따르면, 터빈 하우징 및/또는 특히 바람직한 다른 실시예에서는 배기 매니폴드가 열 교환기로서 이용되므로, 랭킨 과정의 통합의 측면에서 매우 공간 절약적이고 더욱 비용 효율적으로 배기가스 터보차저 및/또는 내연기관으로부터의 폐열을 활용할 가능성을 제공한다.
특히 본 발명에 따르면, 작동 유체를 증발시키기 위하여, 배기가스로부터 터빈 하우징 또는 배기 매니폴드로 열을 전달하는 데에 벽의 열 전도 원리들이 이용될 수 있다.
따라서 작동 유체는 터빈 하우징의 증발기에서 증발된 다음, 증발기에 연결되어 작동하는 라인 배열의 증기 터빈에서 팽창되고, 그 후 응축기를 통해 액체 상태로 변환되어 터빈 하우징 내로 돌아가며, 이로써 전술한 작동 유체의 증발, 팽창, 응축 및 복귀 사이클을 반복한다.
터빈을 구동함으로써 배기가스 터보차저를 구동하는 것 외에도, 이에 따라 추가적으로 내연기관의 배기가스들의 에너지를 증기 터빈을 구동하는 데에 이용할 수 있으며, 이는 이용 가능한 에너지의 양에 따라 출력된 상응하는 동력을 전달한다.
빼앗기는 열의 양을 다양하게 할 수 있도록, 여기에서는 터빈 하우징 및/또는 배기 매니폴드를 통한 작동 유체의 유동을 제어 또는 조절하는 것이 가능하다.
더욱이, 작동 유체의 유동을 제어 또는 조절함으로써 터빈 하우징 및/또는 배기 매니폴드의 원하는 벽 온도를 유지할 수 있다.
종속 청구항들은 본 발명의 유리한 개선에 관한 것이다.
따라서, 전술한 과정들을 수행하기 위해 터빈 하우징 및/또는 배기 매니폴드에 온도 센서들을 제공하는 것이 가능하다.
또한, 입구에서 터빈 하우징 및/또는 배기 매니폴드 내로의 작동 유체의 유동을 방지하기 위해, 라인 배열에 작동 유체에 대한 차단 밸브를 제공하는 것이 가능하다.
또한, 터빈 하우징 내로의 유동을 의도적으로 차단하는 경우 터빈 하우징 및/또는 배기 매니폴드로부터 작동 유체를 전부 배출시킬 수 있도록, 터빈 하우징 및/또는 배기 매니폴드에 작동 유체를 위한 출구를 구비하는 것이 가능하다.
더욱이 본 발명은 빼앗기는 에너지의 양을 변화시킴으로써 차량 작동 조건, 주위 온도 또는 엔진 출력이나 승차감에 대한 다른 매개변수들을 최적화될 수 있게 한다.
마지막으로, 작동 유체를 위한 예열 장치를 추가적인 유닛으로서 제공하는 것이 가능하며, 이 때 예를 들어 시스템의 다른 지점들의 냉각기에서 엔진 냉각수 또는 배기가스를 이용하는 것이 가능하다.
본 발명의 추가적인 상세사항, 이점 및 특징들은 도면을 참조하여 이하의 예시적인 실시예를 설명함으로써 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 원리들을 설명하는 블록도로, 개략적으로 매우 단순화한 것이다.
따라서 내연기관(2)의 배기가스 터보차저(1)가 제공되며, 배기가스 터보차저(1)는 압축기(3) 및 압축기(3)에 구동-연결되고 터빈 하우징(5)에 배치된 터빈(4)을 포함한다.
도면에 단순화한 도시가 예시하는 바와 같이, 터빈 하우징(5)에는 증발기(6)가 구비되며, 내연기관(2)의 배기가스들의 배기가스 온도로부터 얻은 열이 증발기(6)로 들어가 작동 유체를 증발시킬 수 있다.
도시된 실시예에서, 증발기(6)는 3개의 증발 덕트(10, 11, 12)를 포함하며, 이 덕트들은 라인 배열(7)에 유동-연결되어 작동 유체를 전달한다.
증발기(6)에서 증발된 작동 유체의 유동 방향(S)으로 보면, 증발된 작동 유체에 의해 구동되어 동력(P)을 전달하는 증기 터빈(8)이 라인 배열(7)의 제1 라인 부분(7A)에 배치된다. 라인 배열(7)의 라인 부분(7A)에 인접한 라인 부분(7B)에서, 증기 터빈(8)에서 팽창된 작동 유체를 액체 상태로 재응축시켜 펌프(13)에 의해 라인 부분(7C) 및 인접 라인 부분(7D) 내로 펌핑하는 응축기(9)가, 증기 터빈(8)의 하류에 배치된다. 라인 부분(7D)으로부터, 응축된 작동 유체가 증발기(6)의 라인(10, 11, 12) 내로 다시 통과하여, 전술한 작동 유체의 증발, 팽창, 응축 및 증발기(6)로의 복귀라는 순환 과정이 반복될 수 있다.
응축된 작동 유체가 증발기(6) 내로 복귀하는 것을 차단 가능하게 하기 위하여, 차단 밸브(14)가 또한 라인 부분(7D)에 배치된다.
도시된 특히 바람직한 실시예에서, 내연기관(2)에는, 실린더 헤드 내로 통합되며 결과적으로 냉각수 덕트(16, 17, 18, 19, 20, 21)에 둘러싸이는 배기 매니폴드(15)가 구비된다. 증발기(6)와 유사하게 이들 덕트도 증발기로 구현될 수 있고, 라인 배열(7) 및 전술한 라인 배열의 구성요소들에 연결되어 작동되어, 서두에 기술한 랭킨 과정의 형태로 다른 작동 유체 순환의 대안적 또는 추가적 수행을 가능하게 하기도 한다.
도면에 나타난 시스템의 다른 구성요소들은 하기의 부호의 설명에서 확인할 수 있으며, 유리하게는 전술한 시스템에 연결되어 작동될 수 있지만 그 상세한 설명이 본 발명에 따른 원리들을 설명하는 데에 필수적인 것은 아니다.
기재된 본 발명의 개시 내용 외에도, 개시 내용을 보충하기 위해 도면에 도식적으로 나타낸 것을 이로써 명백히 참조할 수 있다.
1 배기가스 터보차저
2 내연기관
3 압축기
4 터빈
5 터빈 하우징
6 증발기
7 라인 배열
7A~7D 라인 배열(7)의 라인 부분들
8 증기 터빈
9 응축기
10~12 증발 덕트
13 펌프
14 차단 밸브
15 배기 매니폴드
16~21 내연기관(2)의 증발기 또는 냉각수 덕트
22 배기 조절기
23 흡기 조절기
24 흡기 매니폴드
25 고압 배기가스 재순환 냉각기
26 고압 배기가스 재순환 밸브
27 흡기 스로틀 밸브
28 공기 냉각기
29 저압 배기가스 재순환 밸브
30 저압 배기가스 냉각기
31 후처리 장치
32 배기 스로틀 밸브
33 배기 파이프
34 웨이스트게이트 밸브
35 웨이스트게이트 라인

Claims (10)

  1. 압축기(3); 및 터빈 하우징(5)을 포함하는 터빈(4)을 구비하는, 내연기관(2)의 배기가스 터보차저(1)로서,
    터빈 하우징(5)은, 작동 유체의 증발을 위해 내연기관(2)의 배기가스들로부터 얻은 열이 들어갈 수 있는 증발기(6)를 포함하고,
    증발기(6)는 라인 배열(7)에 유동-연결되며, 이 때 증기 터빈(8) 및, 작동 유체의 유동 방향(S)으로 봤을 때 그 하류에 응축기(9)가 배치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 터보차저.
  2. 제1항에 있어서,
    증발기(6)는 터빈 하우징(5)에 통합된 복수의 증발 덕트(10, 11, 12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 터보차저.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    작동 유체의 유동 방향(S)으로 봤을 때 응축기(9)의 하류의 라인 배열(7)에 펌프(13)가 배치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 터보차저.
  4. 제3항에 있어서,
    작동 유체의 유동 방향(S)으로 봤을 때 펌프(13)의 하류의 라인 배열(7)에 차단 밸브(14)가 배치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 터보차저.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    내연기관(2)은 일체형 배기 매니폴드(15)를 포함하고, 상기 배기 매니폴드에는, 라인 배열(7) 및 증기 터빈(8) 및 응축기(9)에 연결되어 작동하는 증발기(16 내지 21)가 구비되는 것을 특징으로 하는 배기가스 터보차저.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    터빈 하우징(5)의 재료는 알루미늄 또는 주철인 것을 특징으로 하는 배기가스 터보차저.
  7. 제5항에 있어서,
    배기 매니폴드(16)의 재료는 알루미늄 또는 주철인 것을 특징으로 하는 배기가스 터보차저.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항 또는 제6항에 있어서,
    터빈 하우징(5)에는 적어도 하나의 온도 센서가 구비되는 것을 특징으로 하는 배기가스 터보차저.
  9. 제5항 또는 제7항에 있어서,
    배기 매니폴드(15)에는 적어도 하나의 온도 센서가 구비되는 것을 특징으로 하는 배기가스 터보차저.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    작동 유체를 위한 예열 장치를 특징으로 하는 배기가스 터보차저.
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