KR20150097563A - 열보호용 압축 장치 - Google Patents

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스테픈 마이클 나이트
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발레오 에어 매니지먼트 유케이 리미티드
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Abstract

압축 공기 충전을 내연엔진(1)에 공급하는 장치(3)를 개시한다. 장치(1)은 터보과급기(5)와 같은 제1압축 디바이스, 및 전자 과급기(9)와 같은 제2압축 디바이스를 포함한다. 제2압축 디바이스(9)는 제1압축 디바이스(5)의 다운스트림이다. 부분적으로 예를 들면, 제2압축 디바이스의 베어링 어셈블리(16)는 레버린스 씰(41)에 의해 압축 공기 충전의 열로부터 열적으로 차폐된다.

Description

열보호용 압축 장치{A COMPRESSING DEVICE WITH THERMAL PROTECTION}
본 발명은 과급기(superchager)와 같은 압축 장치에 관한 것으로, 압축 공기 충전용 엔진을 공급하는 두 개의 압축 디바이스를 포함하는 장치에 관한 것이다.
내연(IC) 엔진으로부터 이산화탄소 배출량을 감소시키기 위한 것으로써, 더 작은 (즉, 용량 감소)엔진으로 향하는 경향이 있다. 전력 출력의 적절한 수준을 유지하기 위해, 터보과급기 (turbocharger)가 더 작은 엔진에 적합하도록 해왔다. 터보과급기가 엔진의 최대 전력 출력을 증가시킬 수 있는 반면, 받아드릴 수 없는 수준의 터보 래그(turbo-lag)를 발생시키고, 종종 자동 어플리케이션에서 비실용적인 엔진을 형성한다. 터보과급기의 과급기 업스트림(upstream) 또는 다운스트림(downstream)을 설치하는 것은(즉, 터보과급기와 엔진 사이) 과도한 터보 래그 문제를 감소시키기는 방법으로 제안되어 왔다. 그러나, 이러한 구성에서, 업스트림 압축 장치로부터 입력 가스를 수용하기 때문에 다운스트림 압축 장치는 특히 높은 온도가 된다. 이는 다운스트림 압축 장치를 손상시키고/거나 상기 구성으로 사용될 수 있는 장치의 유형/설계를 제한할 수 있다.
본 발명은 과급기(superchager)와 같은 압축 장치에 관한 것으로, 압축 공기 충전용 엔진을 공급하는 두 개의 압축 디바이스를 포함하는 장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 내연엔진에 압축 공기 충전을 공급하는 장치에 있어서, 제1압축 디바이스 및 제2압축 디바이스를 포함하고, 상기 제2압축 디바이스는 제1압축디바이스의 다운스트림에 있고 상기 압축 공기 충전으로 제1압축 디바이스의 출력을 압축하도록 배치되고, 상기 제2압축 디바이스의 일부는 레버린스 씰에 의해 압축 공기 충전의 열로부터 열적으로 차폐되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 압축 공기 충전용 엔진을 공급하는 두 개의 압축 디바이스를 포함하는 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 장치를 포함하는 엔진를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에서 과급기의 단면 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에서 과급기의 단면사시도이다.
본 발명의 제1특징에 따르면, 내연엔진에 압축 공기 충전을 공급하는 장치를 제공한다. 상기 장치는 제1압축 디바이스 및 제2압축 디바이스를 포함하고, 상기 제2압축 디바이스는 제1압축 디바이스의 다운스트림에 있고, 상기 압축 공기 충전으로 상기 제1압축 디바이스의 출력을 압축하도록 배치되고, 상기 제2압축 디바이스의 일부는 레버린스 씰에 의해 압축 공기 충전의 열로부터 열적으로 차폐된다. 본 발명은 레버린스 씰이 압축 디바이스의 열 민감부를 보고하기 위해 열적으로 차폐되도록 사용될 수 있고, 두 개의 압축 디바이스가 시리즈로 사용되는 경우 특히 도움이 된다. 제2압축 디바이스는 레버린스 씰을 포함한다.
레버린스 씰은 레버린스 씰을 통해 유레 흐름 정도를 허용할 수 있고, 불완전한 유체 밀봉을 제공한다. 레버린스은 바람직하게 배치되어, 씰이 제1(업스트림)측으로 수용되는 유체가 제1온도이고, 레버린스 씰의 반대측(업스트림)측을 떠나는 유체가 제2온도이고, 상기 제2온도는 상기 제1온도보다 낮다. 레버린스 씰은 바람직하게 비접촉 씰이고, 그러므로, 높은 회전 속도 어플리케이션(과급기 또는 터보 등)에 특히 매력적이다.
제2압축 디바이스는 압축 공기 충전으로 제1압축 디바이스의 출력을 압축하는 압축기 요소를 포함할 수 있다. 압축기 요소는 일반적으로 배치되어, 구동되는 경우 흡입 공기를 끌어들이고, 상기 흡입 공기를 압축하고 압축 충전을 출력한다. 압축 요소는 바람직하게 회전할 수 있다. 압축기 요소는 압축기 휠일 수 있다. 압축기 요소가 반드시 단일 피스일 필요는 없으며, 복수의 서브-요소를 포함할 수 있다.
제2압축 디아비스는 압축기 요소의 회전을 지지하는 베어링 어셈블리를 포함할 수 있다. 베어링 어셈블리는 높은 온도에 의해 야기되는 손상에 특히 취약하다. 따라서, 바람직하게 상기 레버린스 씰에 의해 열적으로 차폐되는 제2압축 디바이스의 일부는 베어링 어셈블리를 포함한다.
제1압축 디바이스는 압축기 요소를 구동하는 구동 어셈블리를 포함할 수 있다. 구동 어셈블리는 전자 구동 어셈블리일 수 있다. 제2압축 디바이스는 디바이스 어셈블리가 압축 공기 충전으로부터 밀봉되도록 배치된 씰을 포함할 수 있다.
상기 씰이 업스트림 압축 디바이스의 출력으로부터 구동 어셈블리를 보호하는 경우(예를 들어, 오일, 압축 공기 충전으로 운반되는 배기 가스 재순환 시스템, 미립자 및 슴도로부터 오일, 부식성 가스), 더 좋게 제2압축 디바이스가 제1압축 디바이스의 다운 스트림에 사용될 수 있다. 씰은 바람직하게 배치되어, 디바이스 어셈블리에서 압력이 압축 공기 충전의 압력에 독립적이다. 레버린스 씰에 의해 열적으로 차폐되는 제2압축장치 부분이 씰을 포함할 수 있다.
씰은 페이스 씰(face seal)인 것이 바람직하다. 씰은 가스 윤활 페이스 씰인 것이 바람직하다. 가스 윤활 페이스 씰은 그 자체로 알려져 있다. 가스 윤활 페이스 씰의 예는 Freudenberg 씰링 기술에 의해 판매된다.
제2압축 디바이스는 과급기일 수 있고, 더 바람직하게는 전자 과급기일 수 있다. 본 발명은 전자 과급기를 위해 특히 유용하며, 초과 온도에 특히 취약한 요소들을 포함할 수 있다. 제1압축 디바이스는 터보과급기일 수 있다.
레버린스 씰은 레버린스를 팜정하는 이동부와 연동하는 고정부를 포함한다. 이동부는 압축기 요소와 연관될 수 있어, 이동부는 고종부에 대해 회전할 수 있다. 이동부는 압축기 요소의 뒤방면과 연관될 수 있다(예를 들어 일체형일 수 있다). 압축기 요소는 압축기 휠이 바람직하다. 압축기 휠의 후방은 레버린스를 한정하기 위한 고정부(예를 들면, 압축 디바이스의 하우징)와 연동할 수 있다.
레버린스 씰은 반경 방향으로 연장된다(즉, 일반적으로 유체 방향으로 유체 이동). 레버린스 씰의 반경방향 외측은 압축 충전에 노출되는 것이 바람직하다.
레버린스 씰은 배치되어, 다운스트림 측 상에 압축 충전의 온도는 150DegC 또는 더 낮다. 다운 스트림측의 압축 충전 온도는 업스트림 측 상의 온도 아내이며 적어도 30Deg C일 수 있다.
본 발명의 제2관점에 따르면, 압축 공기 충전을 내연엔진에 공급하는 압축 디바이스를 제공한다. 상기 압축 디바이스는 압축 충전의 열로부터 압축 디바이스의 일부를 열적으로 차폐하기 위해 배치된 레버린스 씰을 포함한다. 압축 디바이스는 바람직하게 과급기이고, 더 바람직하게는 전자 과급기이다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 상술된 장치와 결합되는 내연엔진을 네공한다. 엔진은 바람직하게 자동으로 사용할 수 있다. 엔진은 바람직하게 상대적으로 작은 용량 엔진이다. 엔진은 바람직하게 4리터 이하, 더 바람직하게 3리터 이하 및 더 바람직하게 2리터이하이다. 엔진은 자동화될 수 있다. 엔진은 5톤 이하일 수 있고, 더 바람직하게 3.5톤이하, 더 바람직하게는 2톤이하일 수 있다.
본 발명의 일 관점을 참조하여 설명된 임의의 특징은 균등하게 본 발명의 다른 관점에 적용될 수 있다. 그 반대도 마찬가지다. 예를 들어 본 발명의 제1관점을 참조하여 설명된 임의의 특징은 본 발명의 제2관점에 균등하게 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예는 단지 예로써 개략적으로 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 장치를 포함하는 엔진를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에서 과급기의 단면 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에서 과급기의 단면사시도이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 압축된 흡입 가스(즉, 압축 공기 충전)을 공급히기 위한 장치(3)와 함께 3개의 실린더형 내연(IC) 엔진(1)을 나타낸다. 장치(3)(점선으로 표시됨)는 터보과급기(5), 배기 가스 재순환(EGR, exhaust gas recirculation)밸브(6), 충전 공기 냉각기(CAC, charge air cooler)(7), 과급기(9) 및 과급기 바이패스 밸브(bypass valve)(10)를 포함한다.
종래의 터보과급기에 따르면, 터보과급기(5)는 가변 노즐 터빈(VNT, Variable-Nozzle Turbine)(5a)을 통과하는 엔진(1)으로부터 배기가스에 의해 구동되어, 터보과급기 압축기(5b)를 구동시킨다.
터보과급기(5)의 출력은 과급기(9)에 공급되기 전에 CAC(7)을 통해 공급된다. 또한, 과급기(9)는 터보과급기의 출력을 압축하고, 엔진(1)으로 압축된 흡입 가스(압축 공기 충전을 의미함)를 공급한다.
본 발명의 제1실시예에서, 과급기(9)는 전자 과급기이다. 전자 과급기는 종래 과급기(직접 엔진 구동)와 비교하여 엔진의 연료 소비 및 배출을 감소하게 한다. 그러므로 엔진의 연료 소비 및/또는 이산화탄소 출력이 향상되도록 하는 어플리케이션으로 유인한다. 그러나, 전자 과급기는 전자 과급기가 EGR 가스와 터보과급기에서 일반적으로 출력되는 미립자(particulate) 및 기름-공기 혼합의 부식효과로 나뻐질 수 있기 때문에 터보 과급기의 다운스트림 사용을 위해 처리된다. 또한, 전자 과급기는 압축 충전의 높은 온도에 의해 발생되는 손상에 민감한 것으로 생각되었다. 특히, 150DegC 이상 온도에 노출되는 경우, 적어도 베어링은 악화되거나 실패한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에서, 전자 과급기(9)의 단면 사시도이다. 전자 과급기(9)는 모터(11)(고정자(11a) 및 회전자(11b) 포함)을 갖는 전자 구동 어셈블리, 모터 후방에 위치된 인쇄된 회로판(PCB, Printed circuit Board)(도 2에 미도시)형성에서 제어 유닛를 포함한다. 전자 모터(11) 및 제어 유닛에 대한 전력은 엔진(1)과 연관된 교류발전기(alternator)(미도시)에 의해 충전되는 납/산 베터리(미도시)에 의해 공급된다. 구동 어셈블리는 축(13)을 통해 압축기 휠(wheel)(14)를 구동하도록 배열된다. 축(13)은 전방 베어링 어셈블리(16)과 후방 베어링 어셈블리(도 2에 미도시)에 의해 지지된다.
종래 과급기와 공통적으로, 과급기(9)는 투입구(17)를 통해 공기를 수용한다. 압축기 휠(14)은 투입 공기를 압축하고 방사형 챔버(19)로 배출한다. 대부분의 압축 충전은 배출구(21)를 관통하는 반면, 일부 압축 충전은 압축기 휠(14)아래로 되돌아와 누출이 발생한다.
본 발명의 제1실시예에 따르면, 과급기는 여섯단계의 레버린스 씰(41)를 포함한다. 레버린스 씰(41)은 상승되는 동심 링을 갖는 하단 고정부(43)를 포함한다. 상기 하단부(43) 상에 링은 압축기 휠(14)의 후방과 일치하는 상단부(45)에 형성된 세 개의 상응하는 링과 연동하고, 반경반향으로 오프셋한다. 상단부 및 하단부(43, 45)는 서로 닿지 않고, 대신 부 사이 구불한 경로(레버린스)를 한정한다. 본 발명은 레버린스 씰(41)이 과급기의 열 민감부를 보호하기 위해 열차폐로 사용될 수 있다.
제1실시예에서, 레버린스 씰(14)의 반경방향 외측은 약 180 DegC의 온도로 압축 충전에 노출된다. 일부 압축 충전은 레버린스 씰(14)를 통과하고, 반경방향 내측 상에 유지된다. 과정 동안 압축 충전에서 일부 열은 소모되고, 레버린스 씰의 내측(다운 스트림) 온도는 약 140 DegC이다. 상기 온도는 상단 베어링 어셈블리(16)와 페이스 씰(face seal)(29)(아래 참조)에 대해 손상 또는 마모를 방지하기에 충분히 낮다. 그러므로 레버린스 씰은 압축 충전의 열로부터 과급기의 열적 차단부로에 배열된다. 이는 두 개의 압축 장치가 IC 엔진을 공급하는 시리즈에 상용될 수 있게 한다.
제1실시예의 과급기(9)는 압축기(14)뒤에 위치된 페이스 씰(29)을 포함하고,
구동 어셈블리(11)가 압축 공기 충전으로부터 밀봉되도록 배치된다. 씰(29)은 축(13) 주위에 원주 씰을 형성하는 가스-윤활식 페이스 씰이고, 높은 회전 속도(예를 들면, 80,000 rpm까지)로 축의 회전을 허용한다. 구동 어셈블리에서의 압력은 압축 충전 압력에 독립적이게 페이스 씰(29)은 전자 구동 어셈블리로 압축 공기 충전 침투를 방지하도록 배열된다. 터보과급기의 전자 과급기 다운스트림에 사용되는 경우 페이스 씰은 특히 유리하다. 레버린스 씰(14)은 압축 충전의 전체 온도로부터 페이스 씰(29)을 보호하고, 씰에 열에 의해 유도된 손상을 감소시키도록 배치된다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 과급기의 상단부를 보여주고 있다. 본 발명의 제1실시예에서 유사한 특징에 해당하는 본 발명의 제2실시예의 특징은 제1실시예에서 동일한 도면부호로 표시되지만, 프리픽스(prefix) ‘1’ (또는 적절하게 ‘10’)의 추가된다.
제2실시예의 과급기(109)는 맞물리는 동심링에 의해 형성된 스테이지 레버린스 씰(141)을 포함한다. 제1실시예에서와 달리, 링은 경사진 사면(레버린스 씰의 중심을 향해 높이 증가)상에 위치된다. 제2실시예의 과급기(109)는 페이스 씰을 포함하지 않는다. 대신에, 레버린스 씰은 베어링 어셈블리(116) 및 베어링 어셈블리(116)의 구동 어셈블리(미도시) 다운 스트림을 위해 열 차폐를 제공한다.
중간 냉각기가 과급기(및 터보과급기)의 다운스트림에 대신 위치된다는 것을 제외하면, 제2실시예의 과급기(109)는 도 1에 도시된 유사한 장치의 부분이다. 이는 압축 충전이 특히 고온이고 레버린스 씰에 의해 얻어진 열 차폐가 특히 중요하다는 것을 의미한다.
본 발명은 특정 실시예를 참조하여 설명되고 도시되지만, 이는 본 발명이 본 명세서에 구체적으로 설명되지 않은 많은 다른 변형을 포함한다는 것을 당업자에 의해 이해될 것이다.
상술한 설명에서, 정수 또는 요소는 종래의 명백한 또는 예측 가능한 대체품을 갖도록 언급되고, 상기 대체품은 개별적으로 제시된 바와 같이 포함된다.
임의의 상기 등가물을 포함하도록 해석되어야 하는 본 발명의 실제 범위를 결정하기 위해 청구 범위에 대해 참조로 작성되어야 한다.
또한, 바람직하고 유리하며 편리하게 기술되어 읽는 사람에 의해 본 발명의 정수 또는 특징은 선택적이며, 독립 청구항의 범위를 제한하지 않고 인식될 것이다.

Claims (11)

  1. 내연엔진에 압축 공기 충전을 공급하는 장치에 있어서,
    제1압축 디바이스 및 제2압축 디바이스를 포함하고,
    상기 제2압축 디바이스는 제1압축디바이스의 다운스트림에 있고 상기 압축 공기 충전으로 제1압축 디바이스의 출력을 압축하도록 배치되고,
    상기 제2압축 디바이스의 일부는 레버린스 씰에 의해 압축 공기 충전의 열로부터 열적으로 차폐되는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1압축 장치는,
    상기 압축 공기 충전으로 제1압축 장치의 출력을 압축하는 압축기 요소, 및
    상기 압축기 요소의 회전을 지지하기 위한 베어링 어셈블리를 포함하고,
    상기 레버린스 씰에 의해 열적으로 차폐되는 제2압축 장치의 일부는 상기 베어링 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2압축 디바이스는,
    압축기 요소를 구동하기 위한 구동 어셈블리, 및
    상기 구동 어셈블리가 압축 공기 충전으로부터 밀봉되도록 배치된 씰을 포함하고,
    상기 레버린스 씰에 의해 열적으로 차폐된 상기 제2압축 디바이스의 부분은 씰(seal)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2압축 디바이스는 전자 과급기인 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    사익 제1압축 장치는 터보 과급기인 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레버린스 씰은 레버린스를 한정하는 이동부와 연동하는 고정부를 포함하고, 상기 이동부는 압축기 요소와 연관되어 상기 이동부는 상기 고정부에 대하여 회전하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 압축 요소는 압축 휠이고, 상기 이동부는 상기 압축기 휠의 후방과 연관되는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 1항 애지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레버린스 씰은 방사형 레버린스 씰이고, 상기 레버린스 씰의 방사상 외측은 압축 충전으로 노출되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 압축 공기 충전을 내연엔진에 공급하기 위한 전자 과급기에 있어서,
    상기 과급기는 압축 충전의 열로부터 과급기의 일부를 열적으로 차폐하기 위해 배치되는 레버린스 씰을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 과급기.
  10. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항의 장치와 결합하는 내연엔진.
  11. 도면을 참조하여 설명된 장치 및 압축 디바이스.
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