KR20150105477A - 직렬 팽창 장치, 이러한 장치를 구비한 터보차저, 이러한 터보차저를 구비한 엔진, 이러한 엔진을 구비한 차량 및 엔진 제어 방법 - Google Patents

직렬 팽창 장치, 이러한 장치를 구비한 터보차저, 이러한 터보차저를 구비한 엔진, 이러한 엔진을 구비한 차량 및 엔진 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 터보 유닛(29) 내의 터빈(30)을 위한 직렬 팽창 장치(4)로서, 배기가스의 터빈(30)으로의 그리고 터빈(30)으로부터의 관통유동을 위한 터빈 입구(48)와 터빈 출구(50), 터빈 입구(48)에 연결되는 제1 배기 파이프(52), 터빈 출구(50)에 연결되는 제2 배기 파이프(54), 제1 배기 파이프(52)와 제2 배기 파이프(54)에 연결되는 웨이스트 게이트 덕트(56), 및 제2 배기 파이프(54)에 배치되는 유동 제한 유닛(60)을 포함하는 직렬 팽창 장치에 관한 것이다. 웨이스트 게이트 덕트(56)는 제2 배기 파이프(54)의 단면적(Ae)보다 작은 단면적(Aw)을 가진다. 본 발명은 또한 이러한 직렬 팽창 장치(4)를 구비한 터보 유닛(29), 이러한 터보 유닛(29)을 구비한 연소 엔진(2), 이러한 연소 엔진(2)을 구비한 차량(1) 및 연소 엔진(2)을 조절하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

직렬 팽창 장치, 이러한 장치를 구비한 터보차저, 이러한 터보차저를 구비한 엔진, 이러한 엔진을 구비한 차량 및 엔진 제어 방법{SERIAL EXPANSION DEVICE, TURBOCHARGER WITH SUCH DEVICE, ENGINE WITH SUCH TURBOCHARGER, VEHICLE WITH SUCH ENGINE AND METHOD FOR CONTROL OF AN ENGINE}
본 발명은 특허청구범위 제1항의 전제부에 따른 터보 유닛의 터빈을 위한 팽창 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 특허청구범위 제6항의 전제부에 따른 이러한 직렬 팽창 장치를 구비한 터보 유닛, 특허청구범위 제7항의 전제부에 따른 이러한 터보 유닛을 구비한 연소 엔진, 특허청구범위 제9항의 전제부에 따른 이러한 연소 엔진을 구비한 차량, 및 특허청구범위 제10항에 따른 연소 엔진을 조절하기 위한 방법에 관한 것이다.
배기가스 재순환(EGR) 시스템은 가솔린 엔진 및 디젤 엔진으로부터 나오는 배기가스를 정화하는 데 사용된다. 질소 산화물은 공기 중의 질소와 산소가 엔진의 연소 챔버에서 발생되는 고온고압에서 반응할 때 형성된다. 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation)의 약어인 EGR은 엔진으로부터 나오는 배기가스가 엔진의 흡기 측으로 되돌아가는 것을 의미한다. 배기가스는 엔진의 연소 챔버의 연소 온도를 낮추어서 질소 산화물을 감소시킬 것이다. 슈퍼차지 엔진(supercharged engine)에는, 이른바 긴 EGR 시스템과 짧은 EGR 시스템이 있다. 짧은 시스템의 경우, EGR 덕트가 압축기의 하류에 그리고 일반적으로 흡기용 과급 공기 쿨러의 하류에 있는 흡기 시스템과 연결됨으로써, EGR 시스템이 압축기의 고압 측과 결합된다. 긴 EGR 시스템의 경우, EGR 덕트는 터빈의 하류 및 압축기의 상류에 연결된다.
짧은 EGR 시스템을 사용하는 경우의 한 가지 장점은 EGR 시스템을 위해 요구되는 공간이 줄어들고 이에 따라 EGR 시스템의 중량도 감소된다는 것이다. 피스톤 엔진으로부터 나오는 배기가스는 정압에서의 배기 행정 중에 연소 챔버를 빠져나가서, 엔진 배기 시스템 내의 압력이 맥동하게 하며, 결과적으로 배기가스 유동이 맥동하게 한다. EGR 시스템이 엔진의 배기 시스템에 연결되어 있기 때문에, EGR 시스템 내의 배기가스의 압력과 유동은 변할 것이고 또한 이에 따라 맥동할 것이다.
흡기 측에서는, 그 압력이 배기 측에서 심하게 맥동하는 압력보다도 상당히 더 많이 맥동하는 상황이다. EGR 시스템에서, 이는 배기가스의 펄스들 사이에서 주기적으로 전방으로 강하게 드라이브(drive)하는 압력이 발생하고 이어서 반대 방향으로 압력이 발생되는 현상을 초래한다. 반대 방향 압력은 복귀 유동을 드라이브하는데, 이는, 전방으로의 유동이 작업 유동과 복귀 유동 둘 다를 포함해야만 하기 때문에, 동력 손실 및 이에 따른 연소 소비 증가를 야기한다. 드라이브하는데 필요한 압력이 상승하면, 가스 교환 작업이 증가된다.
연소 엔진의 토크 및 속도와 관련된 특정 작업 포인트마다, 그 토크의 과급 압력은 람다값 1에 대응하는 공기 대 연료 혼합비로 작동되는 터보차지 연소 엔진에 대해 결정된다. EGR이 사용되면, 터빈 압력은 과급 압력 더하기 EGR 유동을 드라이브하는데 필요한 드라이브 압력에 의해 결정된다. 연소 엔진으로부터 나오는 배기가스의 이용 가능한 압력과 유동은 터보 유닛에서 압축기를 구동하는데 필요한 작업을 수행하기 위해 터빈에 요구되는 것보다 상당히 높다. 터빈의 효율이 필요 이상으로 크면, 최종적인 결과는 과급 압력이 더 높아지고, 터보 유닛의 일부를 형성하는 가동 구성품의 회전 속도가 더 높아지고, 연소 엔진 내의 실린더 압력이 더 높아지고 그리고 연소 엔진 및 그에 부속된 구성품들로부터 방출되는 열이 증가될 것이다. 또한, 연비 및 연소 엔진 내의 오일의 탄화가 증가될 것이다. 따라서, 이러한 이유들 때문에, 어떤 배기가스 유동은 이른바 웨이스트 게이트 덕트(waste gate duct)를 통해 횡류의 형태로 터빈을 지나가도록 유도된다.
그러나 웨이스트 게이트 덕트의 크기는 연소 엔진의 최고 속도에서도 배기가스 유동을 처리하도록 그 치수가 정해져야 하며, 그 결과 연소 엔진이 저속에서 구동될 때 웨이스트 게이트 덕트는 오버엔지니어링(over-engineering)된다. 또한 웨이스트 게이트 덕트에 배치된 웨이스트 게이트 밸브가 웨이스트 게이트 덕트를 통과하는 배기가스 유동을 조절하고 제한하는데 사용된다. 연소 엔진의 높은 속도가 웨이스트 게이트 밸브의 크기를 좌우하는 설계 인자이기 때문에, 커다란 웨이스트 게이트 밸브가 얻어지며, 이로 인해 연소 엔진의 속도가 낮은 경우에는 조절 성능이 나빠진다. EGR 시스템을 장착한 연소 엔진의 경우, 웨이스트 게이트 밸브가 EGR 시스템의 드라이브 압력을 조절하는데 사용되며, 이 때문에 조절 시스템이 약화된다. 이로 인해 연소 엔진의 연료 소비가 증가되고 연소 엔진에 의해 배출되는 배기가스 배출물이 바람직스럽지 않은 수준에 도달하게 된다.
이전에 공지된 장치는, 스로틀의 형태로 된 유동 제한 유닛이 터빈 출구와 연결된 배기가스 파이프에 배치되는 직렬 팽창 장치를 구비한 터보 유닛을 제공한다. 이에 따라 터빈과 유동 제한 유닛을 통한 희망하는 팽창을 달성하기 위해 터빈의 크기가 유동 제한 유닛의 크기에 맞추어 정해질 수 있게 되고, 그 결과 터빈에 의해 구동되는 압축기가 희망하는 과급 압력을 연소 엔진에 전달하게 된다. 그러나 이러한 공지의 직렬 팽창 장치는 연소 엔진의 구동 토크 및 속도와 관련된 다수의 미리 정해진 작동 포인트들에만 맞추어질 것이다.
특허문헌 US2002/0100280에서는 연소 엔진의 연비를 최적화하기 위해 터보 유닛의 터빈의 효율을 최적화하기 위한 직렬 팽창 장치가 장착된 터보 유닛을 구비한 연소 엔진을 보여 주고 있다. 터빈은 제어 가능한 기하학적 구조 및/또는 웨이스트 게이트를 구비할 수 있다. 연소 엔진은 또한 EGR 쿨러와 밸브가 배치된 EGR 시스템도 구비한다.
특허문헌 US2005/0091976은 직렬 팽창 장치 및 디젤 엔진에 맞추어진 특성을 갖는 웨이스트 게이트 덕트를 구비한 터보 유닛에 관한 것이다.
당해 기술분야에서 공지된 방안이 있음에도 불구하고, 터보 유닛이 연결되는 연소 엔진이 연소 엔진의 구동 토크 및 속도와 관련한 다수의 미리 정해진 작동 포인트들에서 구동될 수 있게 하는 동시에 연소 엔진에 연결된 EGR 시스템에 공급되는 드라이브 압력을 정확하게 조절할 수 있는 터보 유닛 내의 터빈을 위한 팽창 장치를 더 개선할 필요가 있다. 또한 낮은 연료 소비율로 작동하는 이러한 터보 유닛을 구비한 연소 엔진을 더 개선할 필요가 있다.
본 발명의 목적은, EGR 시스템 내의 드라이브 압력을 정확하게 조절할 수 있게 하는, 터보 유닛의 터빈을 위한 팽창 장치를 달성하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 연소 엔진이 연소 엔진의 구동 토크 및 속도와 관련된 다수의 미리 정해진 작동 포인트들에서 작동될 수 있게 하는, 터보 유닛의 터빈을 위한 팽창 장치를 달성하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 연소가스 배출물을 적게 배출하는 연소 엔진을 달성하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 낮은 연료 소비율로 작동하는 연소 엔진을 달성하는 데 있다.
이러한 목적들은, 본 명세서의 도입부에서 설명된 종류의 것으로 특허청구범위 제1항의 특징부에 기재된 독특한 특징들을 갖는 직렬 팽창 장치에 의해 달성된다.
또한 이러한 목적들은, 특허청구범위 제6항의 특징부에 따른 이러한 직렬 팽창 장치를 구비한 터보 유닛, 특허청구범위 제7항의 특징부에 따른 이러한 터보 유닛을 구비한 연소 엔진, 특허청구범위 제9항의 특징부에 따른 이러한 연소 엔진을 구비한 차량, 및 특허청구범위 제10항에 따른 연소 엔진을 조절하는 방법에 의해 달성된다.
유동 제한 유닛을 제2 배기 파이프에 터빈과 직렬로 배치하는 것에 의해, 터빈과 유동 제한 유닛에 각각 걸쳐서 일어나는 팽창 사이에서 얻어지는 상관관계가 속도에 대한 웨이스트 게이트 덕트의 크기에 매우 덜 종속적이게 된다. 제2 배기 파이프의 단면적보다 작은 단면적을 가지는 것에 의해, 그렇게 형성되는, 치수가 작은 웨이스트 게이트 밸브가 배치될 수 있는 배기 덕트는 상당히 더 작아지고, 이에 따라 조절 성능은 더 우수해지고 EGR 시스템의 드라이브 압력을 정확하게 조절할 수 있게 된다. 터빈과 각각의 웨이스트 게이트 덕트를 통과하는 배기가스 유동 간의 상관관계가 달라지면, 이는 또한 웨이스트 게이트 밸브의 조절과 관련된 상대적인 결함(fault)이 절대적인 측면에서 줄어드는 것에 따라 복귀 손실을 발생시키고, 이는 EGR 시스템 내에서의 드라이브 압력 조절의 정확성을 더 증가시킨다.
디젤 엔진에서 일어나는 현상 중 하나는 웨이스트 게이트 밸브가 저속에서 폐쇄되고 고속에서 개방된다는 것이다. 본 발명에 따르면, 오토(Otto)식 연소 엔진에 적용되면, 웨이스트 게이트 밸브의 조절이 속도에 종속적이지 않게 되고 대신 웨이스트 게이트 밸브의 조절 스트로크 전부가 모든 작동 포인트들에서 조절 목적으로 사용될 수 있도록 웨이스트 게이트 덕트의 치수가 정해질 수 있다. 디젤 엔진의 경우, EGR을 위한 드라이브 압력은 매우 작은 조절폭(amplitude)으로 그리고 큰 웨이스트 게이트 밸브로 조절되며, 이로 인한 조절 압력은 EGR 시스템의 오류에 대해 커다란 여유(margin)를 가지게 될 것이다. 본 발명에 따르면, 오토식 연소 엔진에 적용되면, 그 정지 위치가 속도와 무관한, 상당히 작은 웨이스트 게이트 밸브를 사용할 수 있게 된다. 이로 인해 조절폭이 상당히 커지고, 결국 비싼 액추에이터를 구비한 특수 밸브를 사용하지 않고도 상당히 더 우수한 조절 성능을 발휘할 수 있게 된다. 본 발명을 오토식 연소 엔진에 적용하는 경우에 나타나는 이러한 차이점에 대한 이유들 중 한 가지는 디젤 엔진이 높은 과급 압력으로 공기 과잉 상태에서 작동하여 오토 엔진에서의 일반적인 터빈 치수와의 올바르고 정확한 압력 관계를 달성하기가 더 쉬워지기 때문이다.
본 발명의 다른 장점들은 하기의 상세한 설명에 개시되어 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 예시로서 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 터보 유닛의 터빈을 위한 팽창 장치를 포함하는 차량을 개략적으로 도시한 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 직렬 팽창 장치를 구비한 연소 엔진을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 직렬 팽창 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 I-I선을 따라 취한 웨이스트 게이트 덕트의 횡단면도이다.
도 5는 도 3의 II-II선을 따라 취한 유동 제한 유닛의 횡단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 직렬 팽창 장치 내의 유동 제한 유닛의 여러 단면적들에 대해 엔진의 비틀림 모멘트에 대한 연소 엔진의 속도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 연소 엔진을 조절하기 위한 방법에 대한 흐름도이다.
도 1은 차량(1)을 개략적으로 도시한 측면도이며, 도시된 차량은 본 발명에 따른 팽창 장치(4)를 포함한다. 연소 엔진(2)은 기어박스(6)에 연결되고, 기어박스(6)는 또한 차량(1) 구동 기어(8)에 연결된다. 연소 엔진(2)은 바람직하게는 오토 엔진(Otto engine)식의 피스톤 엔진이다.
도 2는 본 발명에 따른 직렬 팽창 장치(4)를 구비한 연소 엔진(2)을 개략적으로 도시한 도면이다. 도시된 실시예에 따르면, 연소 엔진(2)은 네 개의 실린더(10)를 구비하며, 각각의 실린더(10)는 피스톤(12)과 연소 챔버(14)를 수용한다. 엔진(2)은 또한 출력 샤프트(16)를 구비한다. 연소 엔진(2)은 연소 챔버(14)에 공기를 공급하기 위한 흡기 시스템(8)과 연소 챔버에서 배기가스를 제거하기 위한 배기 시스템(20)을 포함한다. 흡기 시스템(18)과 배기 시스템(20) 사이에 EGR 시스템(21)이 배치된다. EGR 시스템(21)은 배기 시스템(20)에 연결되고, EGR 밸브(24)가 EGR 가스의 형태로 EGR 시스템(21)에 공급되는 배기가스의 용적을 제어한다. 엔진 출력을 증가시키기 위해, EGR 가스가 터보 유닛(29)의 일부를 형성하는 압축기(28)에서부터 흡기로 공급되기 전에 냉각되도록 EGR 시스템(21) 내에 EGR 쿨러(22)를 배치할 수 있다. EGR 시스템(21)은 EGR 가스가 흡기 시스템(18) 내의 공기로 공급되는 연결 지점(26)에서 EGR 시스템(21)에 배치된 EGR 쿨러(22)의 하류에서 흡기 시스템(18)에 연결된다. EGR 시스템은 압축기(28)의 하류에서 흡기 시스템(18)에 연결되는데, 결과적으로 EGR 시스템(21)은 압축기(28)의 고압 측에 연결된다.
압축기(28)는, 도시된 실시예에 따르면, 배기 시스템(20)에 연결된 터보 유닛(29)에 배치된 터빈(30)으로부터 나오는 엔진(2)의 배기가스를 압축하도록 작동된다. 흡기 시스템(18)은 바람직하게는 파이프와 호스(32)로 구성되는데, 이들은 흡입된 주변 공기를 흡기 포트(34)에서부터 압축기(28)를 통해 최종적으로 엔진(2)의 연소 챔버(14)로 운반한다. 배기 시스템(20)은 바람직하게는 파이프(36)로 구성되는데, 이 파이프는 고온의 배기가스를 연소 엔진(2)의 연소 챔버(14)에서부터 터빈(30)을 통해 배기 파이프 구멍(38)을 거쳐 대기로 운반한다. EGR 시스템(21)은 역시 파이프(40)로 구성되며, 이 파이프는 배기가스를 연결 지점(41)에서부터 EGR 밸브(24) 및 EGR 쿨러(22)를 거쳐 EGR 가스(25)가 흡기 시스템(18) 내의 공기로 공급되는 연결 지점(26)에 있는 연결 장치(42)까지 운반한다. 따라서 EGR 가스(25)는 연결 지점(26)에서 흡기에 공급되어 혼합되고, 흡기 시스템(18)내에서 계속해서 혼합된 EGR 가스(25)와 흡기가 입구 파이프(46)로 들어가는 분기 지점(44)으로 운반되며, 입구 파이프는 혼합된 EGR 가스(25)와 흡기를 각각의 연소 챔버(14)로 운반한다.
도 3은 도 2를 상세하게 도시한 것으로, 본 발명에 따른 직렬 팽창 장치(4)를 도시하고 있다. 터빈(30)은 배기가스의 터빈(30)으로의 그리고 터빈으로부터의 관통유동을 위한 터빈 입구(48)와 터빈 출구(50)를 포함한다. 배기 시스템(20)은 터빈 입구(48)에 연결된 제1 배기 파이프(52)와 터빈 출구(50)에 연결된 제2 배기 파이프(54)를 포함한다. 웨이스트 게이트 덕트(56)는 제1 배기 파이프(52)와 제2 배기 파이프(54)에 연결되고, 이에 의해 웨이스트 게이트 덕트(56)에 배치된 웨이스트 밸브(58)가 웨이스트 게이트 덕트(56)를 통과하는 배기가스 유동을 조절하도록 구성된다. 웨이스트 게이트 덕트(56)의 역할은 위에서 개략적으로 설명한 이유들 때문에 횡류의 형태로 터빈(30)을 지나는 특정 배기가스 유동을 운반하는 것이다.
유동 제한 유닛(60)은 웨이스트 게이트 덕트(56)가 제2 배기 파이프(54)로 연결되는 지점의 하류에서 제2 배기 파이프(54)에 배치된다. 따라서 웨이스트 게이트 덕트(56)는 터빈 출구(50)의 하류에서 그리고 유동 제한 유닛(60)의 상류에서 제2 배기 파이프(54)에 연결된다. 터빈(30)과 유동 제한 유닛(60)을 통과하는 배기가스는 압력 강하 때문에 팽창될 것이고, 그 결과 터빈(30)과 유동 제한 유닛(60)을 통해 희망하는 팽창률을 얻기 위해 터빈(30)의 크기가 유동 제한 유닛(60)의 크기에 따라 설계될 수 있으며, 이는 터빈(30)에 의해 작동되는 압축기(28)가 연소 엔진(2)에 희망하는 과급 압력을 제공하게 한다.
제2 배기 파이프(54)에 배치된 유동 제한 유닛(60)은 바람직하게는 가동부가 없는 수동 유닛이다. 이에 따라 유동 제한 유닛(60)은 제2 배기 파이프(54)의 단면적(Ae)보다 작은 미리 정해진 단면적(Ar)을 갖는다. 그러나 유동 제한 유닛에 제어 유닛(62)에 연결되는 조절 장치(미도시)를 구비하는 것에 의해 유동 제한 유닛(60)의 단면적(Ar)을 조정 가능하게 설계할 수도 있다. 제어 유닛(62)은 또한 웨이스트 게이트 밸브(58)에도 연결되고, 이에 따라 웨이스트 게이트 밸브(58)를 각기 다른 위치들에 놓는 것에 의해 웨이스트 게이트 덕트(56)를 통과하는 소정의 배기가스 유동이 조정될 수 있다.
웨이스트 게이트 밸브(58)는 또한 EGR 시스템(21)의 드라이브 압력을 조절하는 데에도 사용된다. EGR 시스템(21)의 드라이브 압력의 정확한 조정은 웨이스트 게이트 밸브(58)의 치수가 웨이스트 게이트 밸브(58)를 통과하는 배기가스 유동을 정확하게 조절하고 제한하도록 정해지면 가능해진다. 웨이스트 게이트 덕트(56)의 단면적(Aw)을 제2 배기 파이프(54)의 단면적(Ae)보다 작게 설계하는 것에 의해, 웨이스트 게이트 밸브(58)는 웨이스트 게이트 덕트(56)를 통과하는 배기가스 유동을 미세하게 조정할 수 있고 이에 의해 연소 엔진(2)의 속도가 높고 낮을 때 모두 양호한 조절 성능을 달성할 수 있도록 구성될 수 있다. 결과적으로 연소 엔진(2)의 연료 소비가 제한되고 연소 엔진(2)으로부터 나오는 배출물은 소정 한도 내로 유지된다.
직렬 팽창 장치(4)의 유동 제한 유닛(60)은 고정되거나 혹은 조정 가능한 단면적(Ar)을 갖는 스로틀(throttle)로 설계된다. 웨이스트 게이트 덕트(56)는 바람직하게는 단면적(Aw)이 유동 제한 유닛(60)의 단면적(Ar)과 동일하거나 혹은 그보다 작고, 이에 의해 웨이스트 게이트 밸브(58)를 이용하여 웨이스트 게이트 덕트(56)를 통과하는 배기가스 유동을 미세하게 조정할 수 있게 된다.
도 4는 도 3의 I-I선을 따라 취한 웨이스트 게이트 덕트(56)의 단면도이고, 도 5는 도 3의 II-II선을 따라 취한 유동 제한 유닛(60)의 단면도이다. 웨이스트 게이트 덕트(56)의 단면적(Aw)은, 도 4 및 도 5에 도시된 것처럼, 제2 배기 파이프(54)의 단면적(Ae) 및 유동 제한 유닛(60)의 단면적(Ar) 둘 다보다 작도록 그 치수가 정해진다. 웨이스트 게이트 덕트(56), 제2 배기가스 파이프(54) 및 유동 제한 유닛(60)은 바람직하게는 그 단면이 원형이고, 이에 의해 웨이스트 게이트 덕트(56)는 그 직경이 제2 배기 파이프(54) 및 유동 제한 유닛(60) 둘 다의 직경보다 작다. 그러나, 위에서 언급한 것처럼, 웨이스트 게이트 덕트(56)의 단면적(Aw)이 유동 제한 유닛(60)의 단면적(Ar)과 동일하거나 혹은 작을 수 있으므로, 웨이스트 게이트 덕트(56)의 직경은 유동 제한 유닛(60)의 직경과 동일하거나 혹은 작을 수 있다. 웨이스트 게이트 덕트(56), 제2 배기 파이프(54) 및 유동 제한 유닛(60)에 임의의 단면 형상을 부여할 수 있다. 유동 제한 유닛(60)의 길이는 길거나 혹은 짧을 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 직렬 팽창 장치(4) 내의 유동 제한 유닛(60)의 다수의 서로 다른 단면적(Ar1-Ar3)에 대해 연소 엔진(2)의 비틀림 모멘트에 대한 연소 엔진의 속도를 나타낸 그래프이다. 도 6의 예에 따르면, 단면적(Ar1)은 단면적(Ar2)보다 크고, 또 단면적(Ar2)은 단면적(Ar3)보다 크다. 연소 엔진(2) 내의 여러 작동 포인트들에 대한 최적의 터빈 효율에 가장 부합하는 유동 제한 유닛(60)을 위해 정해진 단면적(Ar)을 선택하는 것에 의해, 예를 들어, 유동 제한 유닛(60)의 단면적(Ar2)을 나타내는 그래프에 상응하는 그래프가 얻어지고, 이에 의해 단면적(Ar2)을 갖는 유동 제한 유닛(60)을 제2 배기가스 파이프(54) 내에 위치시키게 된다. 연소 엔진(2)의 토크와 속도와 관련한 각각의 특정 작동 포인트에서, 토크의 과급 압력은 람다값 1에 대응하는 공기 대 연료 혼합비로 작동되는 터보차지 연소 엔진(2)에 대해 결정된다. EGR이 사용되면, 터빈 압력은 과급 압력 더하기 EGR 유동을 드라이브하는데 필요한 드라이브 압력에 의해 결정된다. 정해진 작동 포인트에서 EGR 유동을 드라이브하는 최적의 드라이브 압력을 얻기 위하여, 웨이스트 게이트 덕트(56)를 통과하는 소정의 배기가스 유동이 제어 유닛(62)을 이용하여 웨이스트 게이트 밸브(58)를 적절한 위치로 설정하는 것에 의해 조정될 수 있다. 웨이스트 게이트 밸브(58)를 통과하는 배기가스 유동을 정확하게 조절하고 제한하도록 그 수치가 정해짐으로써, 웨이스트 게이트 밸브(58)는 EGR 시스템(21)의 드라이브 압력의 정확한 조정을 가능하게 한다. 단면적(Ar2)을 갖는 유동 제한 유닛(60)이 제2 배기 파이프(54)에 배치되고 연소 엔진(2)이 도 6의 속도(n1)와 토크(T1)에 상응하는 작동 포인트(P1)에서 구동되면, 웨이스트 게이트 덕트(56)를 통과하는 소정의 배기가스 유동은 EGR 유동을 드라이브하는데 필요한 드라이브 압력을 얻도록 제어 유닛(62)을 이용하여 웨이스트 게이트 밸브(58)를 위치에 설정하는 것에 의해 조정될 수 있고, 이에 의해 연소 엔진(2)의 연료 소비를 제한하고 연소 엔진(2)으로부터 나오는 배출물을 소정 한도 내로 유지할 수 있다.
정해진 작동 포인트에서 EGR 유동을 드라이브하는 최적의 드라이브 압력을 얻기 위하여, 소정의 배기가스 유동이 제어 유닛(62)을 이용하여 웨이스트 게이트 밸브(58)를 적절한 위치로 설정하는 것에 의해 조정될 수 있다. 웨이스트 게이트 밸브(58)를 통과하는 배기가스 유동을 정확하게 조절하고 제한하도록 그 수치가 정해짐으로써, 웨이스트 게이트 밸브(58)는 EGR 시스템(21)의 드라이브 압력의 정확한 조정을 가능하게 한다. 단면적(Ar2)을 갖는 유동 제한 유닛(60)이 제2 배기 파이프(54)에 배치되고 연소 엔진(2)이 도 6의 속도(n1)와 토크(T1)에 상응하는 작동 포인트(P1)에서 구동되면, 웨이스트 게이트 덕트(56)를 통과하는 소정의 배기가스 유동은 EGR 유동을 드라이브하는데 필요한 드라이브 압력을 얻도록 제어 유닛(62)을 이용하여 웨이스트 게이트 밸브(58)를 위치에 설정하는 것에 의해 조정될 수 있고, 이에 의해 연소 엔진(2)의 연료 소비를 제한하고 연소 엔진(2)으로부터 나오는 배출물을 소정 한도 내로 유지할 수 있다.
대안으로, 유동 제안 유닛(60)의 단면적(Ar)을 조정 가능하게 설계할 수 있다. 연소 엔진(2)이 도 6의 속도(n1)와 토크(T1)에 상응하는 작동 포인트(P1)에서 구동되면, 웨이스트 게이트 덕트(56)를 통과하는 소정의 배기가스 유동은 EGR 유동을 드라이브하는데 필요한 드라이브 압력을 얻도록 제어 유닛(62)을 이용하여 웨이스트 게이트 밸브(58)를 위치에 설정하는 동시에 유동 제한 유닛(60)의 단면적을 제어 유닛(62)을 이용하여 도 6의 그래프의 점선에 상응하는 단면적(Arx)로 조정하는 것에 의해 조정될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 연소 엔진(2)을 조절하기 위한 방법의 흐름도이다. 본 발명에 따른 방법은,
a) 제2 배기 파이프(54)의 단면적(Ae)보다 작은 단면적(Aw)을 갖는 웨이스트 게이트 덕트(56)를 제공하는 단계, 및
b) 미리 정해진 속도(n1)의 엔진(2)에서 희망하는 비틀림 모멘트(T1)를 얻도록 웨이스트 게이트 덕트(56)에 배치된 웨이스트 게이트 밸브(58)를 소정 위치로 유도하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명은
c) 미리 정해진 속도(n1)의 엔진(2)에서 희망하는 비틀림 모멘트(T1)를 얻도록 유동 제한 유닛(60)을 단면적(Ax)이 되게 유도하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서, 상술한 구성들 및 구별되는 특징들이 상술한 여러 가지 실시예들 사이에서 조합될 수 있다.

Claims (11)

  1. 터보 유닛(29) 내의 터빈(30)을 위한 직렬 팽창 장치(4)로서,
    배기가스의 터빈(30)으로의 그리고 터빈(30)으로부터의 관통유동을 위한 터빈 입구(48)와 터빈 출구(50), 터빈 입구(48)에 연결되는 제1 배기 파이프(52), 터빈 출구(50)에 연결되는 제2 배기 파이프(54), 제1 배기 파이프(52)와 제2 배기 파이프(54)에 연결되는 웨이스트 게이트 덕트(56), 및 제2 배기 파이프(54)의 단면적(Ae)보다 작은 단면적(Ar)을 가지며 제2 배기 파이프(54)에 배치되는 유동 제한 유닛(60)을 포함하는 직렬 팽창 장치에 있어서,
    웨이스트 게이트 덕트(56)가 제2 배기 파이프(54)의 단면적(Ae)보다 작은 단면적(Aw)을 가지며,
    웨이스트 게이트 덕트(56) 내에 배치된 웨이스트 게이트 밸브(58)가 웨이스트 게이트 덕트(56)를 통과하는 배기가스 유동을 미세하게 조정하도록 구동되는 것을 특징으로 하는 직렬 팽창 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    웨이스트 게이트 덕트(56)의 단면적(Aw)이 유동 제한 유닛(60)의 단면적(Ar)과 동일하거나 혹은 그보다 작은 것을 특징으로 하는 직렬 팽창 장치.
  3. 선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
    웨이스트 게이트 덕트(56)가 유동 제한 유닛(60)의 상류에서 제2 배기 파이프(54)로 연결되는 것을 특징으로 하는 직렬 팽창 장치.
  4. 선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
    유동 제한 유닛(60)은 가동부가 없는 수동 유닛인 것을 특징으로 하는 직렬 팽창 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    유동 제한 유닛(60)의 단면적(Ar)이 조정 가능한 것을 특징으로 하는 직렬 팽창 장치.
  6. 터보 유닛(29)으로,
    제1항에 따른 직렬 팽창 장치(4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 유닛.
  7. 연소 엔진(2)으로,
    제6항에 따른 터보 유닛(29)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 엔진.
  8. 제6항에 따른 연소 엔진(2)으로,
    연소 엔진이 오토 엔진인 것을 특징으로 하는 연소 엔진.
  9. 차량(1)으로,
    제8항에 따른 연소 엔진(2)을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
  10. 팽창 장치(4)를 포함하는 터보 유닛(29)을 구비한 연소 엔진(2)으로,
    팽창 장치(4)가,
    배기가스의 터빈(30)으로의 그리고 터빈(30)으로부터의 관통유동을 위한 터빈 입구(48)와 터빈 출구(50),
    터빈 입구(48)에 연결되는 제1 배기 파이프(52),
    터빈 출구(50)에 연결되는 제2 배기 파이프(54),
    제1 배기 파이프(52)와 제2 배기 파이프(54)에 연결되는 웨이스트 게이트 덕트(56), 및
    제2 배기 파이프(54)의 단면적(Ae)보다 작은 단면적(Ar)을 가지며 제2 배기 파이프(54)에 배치되는 유동 제한 유닛(60)을 포함하여 구성된 연소 엔진을 조절하기 위한 방법으로,
    제2 배기 파이프(54)의 단면적(Ae)보다 작은 단면적(Aw)을 갖는 웨이스트 게이트 덕트(56)를 제공하는 단계, 및
    미리 정해진 속도(n1)의 엔진(2)에서 희망하는 비틀림 모멘트(T1)를 얻도록, 웨이스트 게이트 덕트(56)에 배치된 웨이스트 게이트 밸브(58)를 소정 위치로 유도하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    미리 정해진 속도(n1)의 엔진(2)에서 희망하는 비틀림 모멘트(T1)를 얻도록, 유동 제한 유닛(60)을 단면적(Ax)이 되게 유도하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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