KR20160013247A - 엔진의 차징 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진의 터보-차징 시스템에 관한 것으로서, 동일한 샤프트(104)에 키 결합된 터빈(102) 및 컴프레서(103)가 장착되는 중앙 바디(101); 및 중앙 바디(101)에 포함되고, 노즐(106)로 끝나는 두 개의 벤튜리 관(105)에 연결되는 적어도 두 개의 플랜지 디퓨저(110);를 포함하는 엔진의 터보-차징 시스템(100)에 있어서, 상기 시스템(100)은 엔진 에어 필터(120) 및 엔진 스로틀 유닛(130) 사이에 개재되며, 터빈(102)은 흐름이 터빈(102)의 취급과, 샤프트(104)를 거쳐, 컴프레서(103)의 취급을 결정하는 에어 필터의 출력(output)에서 엔진 흡입 공기를 노즐(106)로부터 수용하는 것을 특징으로 한다.

Description

엔진의 차징 시스템{CHARGING SYSTEM OF AN ENGINE}

본 발명은 엔진의 터보-차징 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 엔진의 흡입 단계에 연결되는 방식으로 된, 엔진의 터보-차징 시스템에 관한 것이다.

피스톤을 구비한 내연 엔진은 컴프레션 점화 디젤 엔진과 구별되는데, 이 컴프레션 점화 디젤 엔진은 컴프레션의 단부에서 미세하게 분무된 연료의 개시에 의해서, 파워 온될 때, 자연스럽게 발생하는 스파크 점화 후에 화염 전파를 갖는, 카뷰레터 또는 분사기를 지닌 가솔린 카뷰레션 엔진과 구별된다.

가솔린 카뷰레터 엔진에서, 연료의 혼합과 연소성은 보통 엔진의 외부에 있는 기화기를 통해 형성되며, 피스톤에서 빨려나간 공기가 흐르는 흡입 파이프로 연료의 연속적인 분사를 일으킨다. 카뷰레터를 통한 카뷰레션과 비교되는, 가솔린 분사 엔진에서, 흡입 단계 동안, 그리고 컴프레션 일부 동안 실린더 안으로 연료의 직접적인 분사가 있으며, 이는 소비의 경제적 측면에서 유리하다.

게다가, 직접 또는 간접 분사는 카뷰레터에 의한 카뷰레션과 비교되는 몇가지 이점을 갖는데, 1) 공급 파이프의 증가된 크기로 인한 용적 효율 증가, 2) 파이프에 연료가 없기 때문에 역화 위험의 제거, 3) 공기와 함께 수행되므로 사강(dead space) 세척이 개량되고, 배출 동안 연료 낭비 없이 지속될 수 있음, 4) 좋은 연소가 가능하기 때문에 연비가 향상, 5) 연료가 긴 파이프를 여행할 필요가 없기 대문에, 더 강렬한 가속, 6) 분사 시스템(펌프, 아무 디스트리뷰터, 레귤레이터, 인젝터)의 위치가 모터의 철저하게 구속된 부분이 아니기 때문에, 보다 쉬운 엔진의 설계를 할 수 있다.

대부분의 자동차는 4행정 엔진이 장착된다. 작동 사이클은, 도 1에 도시된 바와 같이 다음의 4가지 단계로 구성된다. - 흡입 단계, 여기서, 적절한 흡입 밸브 개방을 통해, 피스톤이 데드락 상부에서 하부 데드락까지 내려가고, 실린더에서 이동하는 경우, 카뷰레터를 통과하는 공기는 연료의 질을 높이게 됨(AB 섹션 - 등용성 변형); - 컴프레션 단계, 여기서, 하부 데드락에서 상부 데드락까지 움직이는 피스톤은 실린더에서 공기/연료 혼합물을 압축하며, 밸브는 폐쇄됨(BC 부분 - 이론상의 단열 등엔트로피 변형); - 엔진에 의해 마쳐진 유용한 작동의 확장 단계, 여기서, 공기/연료 혼합물의 연소에 의해 제공된 확장은 피스톤을 상부 데드락에서 하부 데드락까지 푸쉬함; - 연소 단계, 여기서 피스톤이 상부 데드락에 도달하기 직전에, 그들을 둘러싸는 혼합물을 태움으로써 전극 사이에 스파크가 발생함(C 섹션); 확장 단계, 여기서, 피스톤이 하강하고, 연소 가스의 확장을 허용함(DE 섹션 - 단열 변형); - 연소 단계, 피스톤이 하부 데드락에 도달하기 전에, 연소 밸브가 개방되어, 실린더에 여전히 있는 가스들이, 잔여 화염 전파로부터 야기된 외부보다 큰 압력으로 방출되도록 하지만 대기압에 인접한 압력으로 연료 가스 전체를 실린더에 유지함(EF 섹션); - 방출 단계, 여기서, 하부 데드락에서 상부 데드락까지 이동하는 피스톤은 적절한 배출 밸브를 통해 밀려나며, 실린더 내에 남겨진 데드 스페이스를 단지 배기 가스가 채움(FA 섹션).

엔진에 의해 전달된 파워는 몇가지 공지된 방식으로 증가 될 수 있다.

예를 들면, 불에 탈 수 있는 연료/공기 혼합물처럼 많은 양의 공기가 큰 연소 챔버에 사용될 수 있기 때문에 실린더 용량의 확장은 파워 출력을 증가시킨다. 이 확장은 실린더의 수 또는 각 개별 실린더의 체적의 증가에 의해 달성될 수 있다. 일반적으로, 이는 더 크고 무거운 엔진을 야기한다.

엔진의 파워 출력을 증가시키는 다른 가능성은 그 스피드를 증가시키는 것이다. 이는 단위 시간당 점화 스트로크의 수를 늘림으로써 가능해진다.

그러나, 기계적인 제한 때문에, 이러한 유형의 파워 증가는 드물게 사용된다. 게다가, 스피드의 증가는 기하급수적으로 마찰과 관성이 늘어나며, 결과적으로 엔진 효율이 감소된다. 다른 가능성은 엔진을 수퍼차지하는 것이다. 알려진 바와 같이, 기계적 운전에서, 터보차저의 사용을 포함하는 다른 해결책이 엔진을 수퍼차지하는데 적용된다. 차량 엔진에 결합된 터보차저는 베어링 시스템에 지지된 공통의 샤프트에 연결된 터빈과 컴프레서를 포함하여 이루어진다. 터보차저는 엔진에 푸쉬되는 압축 공기안의 배기 가스에 의한 에너지 손실을 전환하며, 엔진이 파워와 토크를 더 제공하도록 한다. 터보차저가 없는 엔진에서, 엔진은 내추럴리 애스퍼레이티드 엔진(NA 엔진)으로서 작동된다. 사실, 연소용 공기는 흡입 단계 동안 실린더 안으로 들어가며, 환경상의 압력과 동일한 압력을 가진 외부 환경으로부터 빨아들여 진다. 하지만, 산소는 고도 증가와 함께 감소하는바, 연소용 공기는 고도에 의해 조절된다. 반대로, 수퍼차지 엔진에서, 연소용 공기는 압축된다. 따라서, 고정된 고도에서, 더 많은 양의 공기와 산소가 연소 챔버에 들어갈 수 있다. 이는 연소용 공기의 많은 양의 연소를 해결하고, 실린더 용량에 비례하여 엔진 출력 파워의 증가를 해결한다.

기본적으로, 우리는 기계적으로 수퍼차지된 엔진을 고정 또는 가변 지오메트리에서 배기 가스를 지닌 터보차지된 엔진으로부터 구별할 수 있다.

첫번째의 경우, 연소 공기는 벨트, 기어 트레인 및 기타 등등과 같은 기계적 기관을 수단으로 하여 엔진으로부터 직접적으로 구동된 컴프레서에 의해 압축된다. 하지만, 출력 파워의 상승은 컴프레서 작동에 의해 야기된 분산에 의해 부분적으로 줄어든다. 기계적 컴프레서를 작동하기 위해 필요한 파워는 엔진에 의해 전달된 파워의 일부를 필요로한다.

고정 지오메트리 터보차저에서, 쉽게 손실될 수 있는, 배기 가스의 에너지는, 터빈을 구동하는데 일부 사용된다. 실제로, 터빈의 동일한 축선에 장착된 컴프레서가 있는데, 이는 연소용 공기를 압축하고난 후, 전술한 바와 같이 엔진과 기계적인 연결 없이, 엔진에 공기를 공급한다. 터빈의 몸체는 두개의 구성요소를 포함하는데, 터빈의 "블레이드 휠" 및 "엔클로저/하우징"을 포함한다. 배기가스는 하우징에서 터빈 휠로 안내되며, 현재 배기 가스에 있는 에너지는 터빈을 회전시킨다. 터빈 휠의 블레이드를 통과한 가스는 한 번 배기 출구로부터 나오게 된다. 터빈 휠의 회전은 엔진의 스피드에 의해 결정되어서, 엔진이 최소 모드에 있는 경우 휠은 최소 속도로 회전한다. 가속기의 압력 때문에, 터빈의 하우징을 통해서 많은 양의 공기의 통과로 인해 휠은 빠르게 돌기 시작한다. 또한 컴프레서의 시스템은 하우징 바디 및 임펠러로 구성된다.

컴프레서의 임펠러, 또는 컴프레서의 "휠"은, 단조강 축에 의해서 터빈에 연결된다.

연소 공기는 하우징으로부터 컴프레서 휠로 가이드된다. 일단 압축되고 나면, 공기는 컴프레서의 출력으로부터 바디를 떠나며, 엔진 실린더로 흐른다. 컴프레서 안으로의 공기 진입에 있어서, 공기는 대기온도와 동일한 온도를 가지지만, 열 트랜스미션의 현상으로 인해 200℃보다 큰 온도로 배출된다. 온도 증가는, 같은 체적을 위해, 터빈을 구동하는 높은 온도로 배기 가스에 의해 크로스되는, 터빈의 바디와 연소용 공기의 접촉에 의해 결정되고, 온도 증가는 현재 산소량의 감소를 야기하게 되어서, 스토이키(stoichiometric ration)를 낮춘다. 공기의 온도 증가는 "인터쿨러"라 불리는 열 교환기를 수단으로 하여, 컴프레서로부터 그 출구의 다운스트림을, 냉각함으로써 방해된다.

고정 지오메트리 터보차저는 엔진 회전수에 따라 배기 가스에 의해 제공된 힘이 터빈을 회전시키기에 충분한 경우 작동하게 된다. 그러므로, 고정 지오메트리 터보차저는 저속, 중숙 또는 고속의 엔진 회전에 사용하기 좋다.

보다 효과적이지만 더 복잡한 터보차징의 방법은 가변 지오메트리 방법인데, 이는 움직이는 블레이드의 시스템에 힘입어, 저속에서 엔진 작동의 최소 상태로부터 고속의 최대 상태까지 모든 배기 가스를 포획하는 기능을 가지는 터빈의 사용으로 구성된다.

그러나, 현재 사용되는 터보차저는 무게 또는 사이즈와 같은 다양한 문제들을 가지며; 터보차저에 동일한 것을 연결하기 위하여 각각의 특정 엔진을 위한 배기 매니폴드의 설치를 필요로하며; 터빈을 개시하기 위한 속도를 증가시키기 위해서 배기 매니폴드의 횡단면을 제한할 필요에 따라 야기된, 연소 사이클 후에 연소 챔버의 비우기 실패로 인한 그 다음 사이클의 연소 잔여물의 결과적인 축적으로 이어지는 부정적인 환경 영향의 문제를 결정하게 된다. 또한, 배기 가스의 온도가 800/1000℃에 도달한 이후에, 이는 주철과 같은 고온에 강한 물질로 형성된 터빈의 스네일의 사용을 필요로한다. 그러나, 이는 터보차저의 중량을 증가시키고, 고온에 강한 터보엔진의 특정한, 윤활유의 사용을 필요로하는데, 이 윤활유는 오염 물질이다. 게다가, 용적 컴프레서에 상대적으로, 문제는 모든 기계적 구성요소를 끌어당길 엔진의 필요에 의해 야기된 엔진의 파워의 흡수로 구성된다.

이 문제들에 대한 첫번째 해결책은 특허 FR 2610672호에 기술되어 있는데, 이는 카뷰레터와 엔진 사이에 개재된 시스템에 대해 언급하고 있으며, 같은 축에 연결된 다른 직경의 두 개의 터빈으로 구성되고, 같은 속도로 회전하며 공기-연료 혼합으로 작동한다.

비록 엔진을 수퍼차지 할 수 있지만, 전술한 해결책은 터빈-컴프레서 시스템을 포함하지 않는다.

많은 양상하에서 유리하나, 이 해결책들은 유체를 특정 방향에 있는 임펠러에 보낼 수 없고, 적절한 방향으로 전달하고 있는 제1 임펠러에서 제2 임펠러까지 방출된 유체를 수집할 수 없다. 사실은, 이러한 해결책은 유체를 주어진 방향으로 임펠러에 보낼 수 있는 방법이든, 제1 임펠레에서 제2 임펠러까지 유체를 수집하고 안내하는 방법이든 포함할 수 있는데, 그 후에 공기의 대부분의 에너지가 분산된다. 게다가, 일단 점화 장치에서 제1 터빈이 크로스되고 나면, 공기는 제2 터빈을 부분적으로 통과하며, 공기에 대한 작업을 발휘할 수 없는 장치의 회전에 개입하는 터빈 블레이드에 부분적으로 부딪친다. 게다가, 내연 엔진에서, 펄스 압력은 고용적 흡기 매니폴드의 공기 흡입의 시간으로 실린더의 교차 작동 동안 결정된다. 전술한 장치는 밸브에 아주 근접하게 위치된다는 이러한 이유와 사실로 인해, 이 장치는 좋은 효율을 갖지 못한다. 더욱이, 공기의 증가는 두 개의 터빈의 직경 사이의 비율에 오직 의존한다는 사실로 인해, 일정한 초과 압력이 이 장치에 제공될 수 있다. 게다가, 카뷰레터를 지닌 엔진에 있는, 카뷰레터와 엔진 사이의 장치의 포지셔닝은, 다음의 결점을 야기하는데, 시스템이 카뷰레터에 연결되기 때문에, 역화의 증가된 위험; 및 시스템의 포지션은 엔진의 포지션에 가깝게 연결되기 때문에, 엔진 설계의 더 커진 어려움을 야기한다.

두번째 해결책은 덴소 코포레이션을 대표하여, 2011년 6월 1일자로 출원된 특허 DE 102010043800호에 제공되는데, 이는 배기 가스에 의해 구동되며, 방출 개구부의 통로에 배치된 터빈, 및 입구 통로에 배치된 컴프레서를 구비한 터보차저를 기술한다. 또한, 터빈의 일측에 있는 방출 개구부의 통로에 배치된 촉매제가 존재하는데, 이는 배기 가스로부터 터빈을 청소하기 위해 존재한다. 이러한 해결책은 배기 가스에 존재하는 일부 오염 물질을 제거하기 위해서, 배기 매니폴드에서 흡기 매니폴드까지 통과시킴으로써, 순환 안에 작은 비율의 배기 가스를 넣는 것으로 구성되는 연료 가스 재순환 시스템을 언급한다. 이 연료 가스 재순환을 취득하기 위하여, 방출의 터미널 단계 및 초기 단계 동안 특별한 솔레노이드나 하이드로릭 밸브(EGR)가 사용되는데, 이는 콜렉터에 의해 배기 가스량의 조정을 허용하는 신호를 통하여, 엔진 컨트롤 유닛에 의해 제어된다. 가스는 흡기 매니폴드로 재순환되고, 엔진으로 흡입된다. 배기 가스와 함께, 서킷은 또한 피스톤 링 및 엔진 증착유를 거쳐 필터링하기 때문에 카터에서 오는 가스를 수용한다.

많은 양상하에서 유리하나, 이 해결책은 몇가지 문제점을 갖는다. 이는 배기가스에 의해 구동되는 터보차저이기 때문에, 터빈 작동의 특성비의 가변성뿐 아니라, 관성으로 인한 다른 실린더 및 동일한 실린더로부터 다양한 방출의 간섭에 대한 터보차저의 성능이 절충된다. 그러므로, 이 방법은 다양한 실린더의 방출에 의해 별도로 접근되는 터빈의 디스트리뷰터와 같이 사용되거나, 디스트리뷰터의 동일한 섹터가, 배기 단계가 중복되지 않는 실린더의 가스에 직접 접근하는 방식으로 사용되어야만 한다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은, 공지된 기술을 참조하여 전술한 시스템에 영향을 미치는 제한을 극복함과 같은 특성을 가진, 엔진의 터보-차징 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 엔진의 터보-차징 시스템은 청구항 제1항으로 정의되는 바와 같이 제공된다.

본 발명에 따르면 전술한 목적을 달성할 수 있다.

본 발명의 더 나은 이해를 돕기 위해, 순전히 다음의 첨부된 도면을 참조하여, 비제한적인 예시로서, 바람직한 실시예가 이제 설명된다.
도 1은 종래에 따른, 이상적 카뷰레터 4행정 엔진의 동작 사이클을 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른, 엔진의 에어 필터와 스로틀 유닛 사이에 위치된 터보-차징 시스템의 개략도를 도시한다.
도 3a-3b는 본 발명에 따른, 터보-차징 시스템의 중앙 바디 및 중앙 바디의 오일 윤활 베어링 각각의 개략도를 도시한다.
도 4a-4b는 본 발명에 따른, 터보-차징 시스템의 중앙 바디 및 스피드 멀티플라이어의 각각의 개략도를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른, 터보-차징 시스템 내에서, 에어 필터를 떠난 공기로부터 얻어진 경로의 개략도를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 터보-차징 시스템을 포함하는 내연 엔진의 흡기 매니폴드의 3차원 개략도를 도시한다.

도면들, 특히, 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 엔진의 터보-차징 시스템(100, turbo-charging system)이 도시된다. 특히, 엔진의 터보-차징 시스템(100)은 엔진의 에어 필터(120)와 엔진의 스로틀 유닛(130, throttle unit) 사이에 개재되며, 다음과 같이 구성되는바, 동일한 샤프트(104)에 키 결합되는 터빈(102, turbine) 및 컴프레서(103, compressor)가 장착되는 중앙 바디(101); 중앙 바디(101)에 포함되고, 노즐(106)로 끝나는 두 개의 벤투리 관(105, venturi tube); 터빈(102)을 지지하는 롤링/슬라이딩 베어링(107); 도 3 및 도 4에 각각 도시된, 중앙 바디(101)에 장착된 오일러(108, oiler)와 스피드 멀티플라이어(109, speed multiplier); 두 개의 플랜지 디퓨저(110, flange diffusers); 공기-순환 밸브(111, air-circulation valve); 공기를 외부로 방출하기 위한 밸브(112); 공기 순환 밸브(111)에 연결된 공기 재순환 파이프(113, air recirculation pipe); 두 개의 플랜지 디퓨저(110) 중 하나에 대해, 공기 재순환 밸브(111)에 연결하기 위한 연결 플랜지(114, connection flange); 및 터보차저(103)를 장착하기 위한 연결 수단(115)를 포함하여 이루어진다.

도 3a는 중앙 바디(101), 강조 표시된 오일-윤활 베어링(107)을 좀 더 상세하게 도시하고, 도 3b는 오릴러(108)를 지닌 베어링(107)의 확대된 이미지를 도시한다.

도 4a는 중앙 바디(101), 강조 표시된 스피드 멀티플라이어(109)를 좀 더 상세하게 도시하고, 도 4b는 스피드 멀티플라이어(109)의 확대된 이미지를 도시한다.

본 발명의 양상에 따르면, 시스템(100)은 단일 공기 흐름(flow) 상에서 작동한다.

대신에, 도 5는, 에어 필터(120)에서 나오고, 시스템(100)에 진입하며, 스로틀 유닛(130) 쪽으로 나가는 공기 흐름을 좇는 경로를 강조 표시한 도 2의 시스템(100)을 도시한다. 좀 더 상세하게, 엔진이 개시될 때, 에어 필터(120)를 거쳐, 엔진의 흡입 단계(intake phase)에서 오는 공기가, 벤튜리 관(105)에 있는 컴프레서(103)에 대응하는, 제1 디퓨저(110)를 통해 운반된다. 그 후에, 노즐(106)에서 나오는, 공기는 컴프레서(103)의 동일 샤프트(104)에 키 결합된 터빈(102) 안에 공급(fed)된다. 그래서, 터빈(102)이 가동되고, 결과적으로 컴프레서(103)의 움직임을 결정하여, 엔진을 수퍼차지(supercharge)하도록 개시한다. 스로틀 유닛(130)이 개방되는 가속 단계(acceleration phase) 동안, 엔진의 수퍼차징이 증가하므로, 공기 흐름이 증가한다.

바람직하게 본 발명에 따르면, 공기 재순환 밸브(111)는 터빈(102)과 스로틀 유닛(130) 사이의 공기 압력을 감소시키는 기능, 스로틀 유닛이 폐쇄될 때 스로틀 밸브의 온전한 상태(integrity)를 세이프 가드(safeguarding)하는 기능, 공기 재순환 파이프(113)의 순환으로 공기를 다시 제자리에 놓는 기능, 또는 그 대신에, 공기 통기 밸브(112, air vent valve)를 거쳐 바깥으로 공기를 배출하는 기능을 갖는다.

바람직하게 본 발명에 따르면, 터보차저는 가벼운 금속으로 형성될 수 있다.

바람직하게 본 발명에 따르면, 도 6에 도시된 바와 같이, 터보차징 시스템(100)은, 예를 들면 분사 엔진과 같은, 내연 엔진(150)의 흡기 매니폴드(intake manifold)의 각 흡기 에어-박스 안에 구성된다. 이러한 실시예는 분사 엔진이 용적 효율의 증가에 유리하기 때문에, 공급 도관(supply conduits)의 가능한 큰 크기에 특히 바람직하고, 도관이 연료가 전혀 없어서, 역화(back firing)를 일으키는 위험의 제거에 특히 바람직하며, 분사 시스템(펌프, 아무 디스트리뷰터(distributor), 레귤레이터(regulator), 분사기(injector))의 위치가 엔진의 위치에 엄격히 묶이지 않기 때문에, 특히 엔진의 디자인의 큰 용이성에 바람직하다. 그러므로, 터보차징 시스템(100)을 적절하게 디멘셔닝(dimensioning) 함으로써, 이러한 수많은 시스템(100)은, 각 엔진 실린더를 위한 하나의, 흡기 밸브 근처의, 스로틀 밸브 뒤의 흡기 매니폴드의 흡기 에어-박스 내에 위치할 수 있다. 이런 방식으로, 바람직하게 본 발명에 따르면, 흡기 도관의 압력 웨이브(pressure waves)는 엔진의 로우 및 미디엄/로우(medium/low) 회전 속도로 각 실린더의 필링(filling)을 증가시키는데 사용된다. 사용중에, 터보차징 시스템(100)이 흡기 공기를 수용하지 않는 경우, 관성(inetria)에 의해 이는 회전을 계속하며, 접근 공기(excess air)는 배기 밸브(112)를 거쳐 바깥으로 배출되거나, 도 2 및 5에 도시된, 밸브(111)로부터 서킷 안에 다시 공급된다. 터보차징 시스템(100)의 피팅(113)의 사용 또는 적절한 크기의 탱크의 설치는 압축된 공기의 어큐물레이터(accumulator)로서 사용될 수 있으며, 전기 제어의 수단에 의해서, 밸브(111)는 실린더의 공기의 큰 부피를 가장 적절한 순간에 다운로드(download)할 수 있다.

좀 더 상세하게는, 엔진이 켜질 때, 필터(120)를 거쳐, 엔진의 흡인 단계(suction phase)에서 발생된(originated) 외부 투입 공기(external input air)는, 제1 컴프레서(103)와 대응하는, 제1 디퓨저(110)를 수단으로 하여, 벤튜리 관(105)으로 운반된다. 그 후, 노즐(160)로부터 빠지는, 공기는 컴프레서(103)의 동일 샤프트(104)에 장착된 터빈(102)에 운반된다. 흡인 단계에서 피스톤의 하강에 의해 생성된 공기 흐름의 효과로 인해 작동하는 터빈(102)은, 엔진을 수퍼차지하도록 개시하는 컴프레서(103)를 가동한다. 가속 단계 동안, 스로틀 유닛(130)이 개방되는 동안에, 필터(120)에 도착하는 공기 흐름은 터빈(102)의 회전 및 컴프레서(103)의 회전을 증가시키고 증가시키는 것을 허용한다. 컴프레서(103)는 최적 상태에 도달하고, 노즐(106)을 수단으로 하여 터빈(102)에 보내(addressed)지게 되는 높은 공기 흐름을 지닌 벤튜리 관(105)을 제공한다. 터빈(102)의 출력(output)에서 디퓨저(110)의 효과로 인하여, 압력은 증가되며, 그 결과, 바람직하게 본 발명에 따르면, 공기 흐름은 필터(120)의 투입의 공기 흐름의 압력보다 높은 압력을 가지게 되어, 엔진의 수퍼차징을 얻는다.

본 발명에 따른, 엔진의 터보차징 시스템의 작동에 따르면, 출원인은 터빈의열역학 효율(thermodynamic efficiency), 터빈과 컴프레서 간의 트랜스미션(transmission), 및 컴프레서의 열역학 효율의 이론 연구(theoretical study)를 수행했다. 이를 위해, 그는 열 엔진(thermal engine)이, 용적 머신(volumetric machine)의 이동가능한 벽에 대항하는 후자에 의해 운동되는 압력 덕분에, 연소 제품의 기계적인 작업으로 타버린 가연성 물질(combustible substances)로부터 얻어진 열의 가장 높은 부분을 변형시킨다는 고려 사항을 기초로 하였다. 출원인은 배기 가스에 의해 구동된 터보차저의 열역학 분석을 위해, 컴프레서와 터빈에서 각각 공기 및 연료 가스에 영향을 주는 변형이, 기계와 열을 교환하지 않고 이루어진다는 것이 일반적으로 추측된다는 것을 고려했다. 실제로, 특정한 양의 열은 교환되고, 터보차저는 이상적인 기계가 아니기 때문에 내부에서 발생하는 변형은 비효율적으로 제공된다. 터보차저의 효율은, 터빈의 확장비와 함께, 터빈 투입에서의 연료 가스의 온도 및 컴프레서의 공기 흡입의 온도 사이의 비율로, 터보차저의 전체 효율의 증가와 함께 증가한다. 대신에, 수량 감소는, 조인트로부터 유체의 미미한 누출로부터, 다른 속도를 가지는 하나의 블레이드에서 다른 블레이드까지의 통로(passage)인, 유무선(fixed and mobile) 덕트의 마찰에 의해, 기계에서 방출된 유체의 운동 에너지의 일부의 비사용으로 인한, 운동 에너지 방출의 손실이 원인이다. 따라서, 터빈 입구에서 연료 가스의 온도가 특정한 값보다 작은 경우, 터빈에 의해 복구된 기계 동력(mechanical power)이 컴프레서를 움직이는데 충분하지 않기 때문에, 터보차저는 최적 상태로 일하지 않게 된다. 그러나 반대의 경우에, 컴프레서 샤프트에 대한 기계 동력의 접근은 더 높은 압축비에 대한 터보차저의 작동 포인트를 움직이는 경향이 있다. 열역학 제2 법칙(second law)은 일의 소스(source in work)로부터 취해진 열을 전환하는 것이, 유일한 결과인 변형을 성취하는 것이 불가능하다고 명시하기 때문에, 터빈의 열역학적 효율은 1보다 작고, 터빈과 컴프레서 간의 트랜스미션의 기계적 효율은 1보다 작으며, 컴프레서의 열역학적 효율은 1보다 작다. 시중에 현재 사용되는 터보차저의 전체 성능(performance), 즉 작동 조건을 갖는 변수는, 잠정적으로 0.5/0.65 사이로 추정된다. 게다가, 열역학 제1 법칙은 입자들의 어떤 시스템이, 환경에서 열을 흡수하고, 열을 방출하고, 환경에서 일하고, 일을 지속하는 4개의 다른 방식으로 외부 환경과 상호 작용할 수 있다는 것을 명시하고 있다. 이들 각 상호 작용은, 시스템과 외부 환경 간의 에너지의 교환과 대등하며, 시스템의 내부 에너지의 변화(change)를 생성한다. 시스템이 열을 잃거나, 일을 하는 경우, 그 내부 에너지는 감소하며; 열을 받거나, 외부로부터 일을 지속하는 경우, 그 내부 에너지는 증가한다. 그러므로, 어떤 현상(phenomenon)은 잠재적인, 운동 에너지의 변화로 인해 일어난다. 현재 자동차 산업에서 사용되는 모든 터보차저의 작동은 전술한 열역학 원리에 기반하고, 앞서 말한 사항에 기반하며, 본 발명에 따른 배출 단계에서 방출되고 흡인 단계에서 빨아낸 동일한 볼륨에 기반한다. 그러나 본 발명은, 실린더가 최대한 신선한 공기로 채워진다는 사실로 인해, 성능면에서 장점을 초래하는, 덕트든 터빈 블레이드든 위치되어 방출하는, 엔진의 흡기 시스템에 연결된 예연소(pre-combustion) 공기를 사용한다는 것이 고려되어야 한다. 그러므로, 엔진의 에어 필터와 스로틀 유닛 사이에 위치되는, 본 발명에 따른 엔진의 터보차징 시스템은, 종래의 터보차징 시스템이 겪었던 과열을 겪지 않는다.

본 발명에 따른 엔진의 터보차징 시스템의 다른 장점은, 흡입 파이프에서 직접, 실린더 용량의 동일한 종류의 엔진에 장착할 가능성과, 특별한 연결의 필요성 제거의 가능성 및 생산 비용 감소의 가능성을 갖는다.

추가적으로, 본 발명에 다른 엔진의 터보차징 시스템은 작은 볼륨의 선정 및 빠르고 신속한 설치를 할 수 있다.

게다가, 본 발명에 따른 엔진의 터보차징 시스템은 터보차저가 가벼운 금속으로 형성될 수 있으므로 감소된 총 중량을 갖는다.

더욱이, 본 발명에 따른 엔진의 터보차징 시스템은, 연소 사이클 이후에 연소 챔버가 완전히 비도록 할 수 있으므로, 엔진의 효율이 증가할 수 있게 하여, 공지된 시스템에 영향을 주는 이후의 사이클에서 연소 잔여물의 축적의 문제를 제거한다.

그럼에도 불구하고, 본 발명에 따른 엔진의 터보차징 시스템은 터보 압축 시스템의 효율을 증가시키도록, 고정 지오메트리 터빈을 가변 지오메트리 터빈으로 대체할 수 있다.

마지막으로, 본 발명에 따른 엔진의 터보차징 시스템 때문에, 터빈을 깨끗하게 유지하는 것이 가능하며, 유지 보수의 비용을 절약한다.

최종적으로는, 여기에 도시되어 설명된 엔진의 터보차징 시스템은, 첨부된 청구 범위에 정의된 바와 같은, 본 발명의 보호 범위를 벗어나지 않고 수정 및 변형될 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (8)

1. 동일한 샤프트(104)에 키 결합된 터빈(102) 및 컴프레서(103)가 장착되는 중앙 바디(101); 및
   중앙 바디(101)에 포함되고, 노즐(106)로 끝나는 두 개의 벤튜리 관(105)에 연결되는 적어도 두 개의 플랜지 디퓨저(110);를 포함하는 엔진의 터보-차징 시스템(100)에 있어서,
   상기 시스템(100)은 엔진 에어 필터(120) 및 엔진 스로틀 유닛(130) 사이에 개재되며, 터빈(102)은 흐름이 터빈(102)의 취급과, 샤프트(104)를 거쳐, 컴프레서(103)의 취급을 결정하는 에어 필터의 출력(output)에서 엔진 흡입 공기를 노즐(106)로부터 수용하는 것을 특징으로 하는 엔진의 터보-차징 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 시스템(100)은 공기 재순환 밸브(111) 및 상기 공기 재순환 밸브(111)에 연결된 공기 재순환 파이프(113)를 포함하며, 이 둘은 스로틀 유닛(130)이 폐쇄되는 구성에서 터빈(102)과 스로틀 유닛(130) 사이의 공기 압력을 감소시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는 엔진의 터보-차징 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 시스템(100)은 재순환 밸브(111)에 연결하기 위한 연결 플랜지(114)를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진의 터보-차징 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 시스템(100)은 스로틀 유닛(130)이 폐쇄되는 구성에서 터빈(102)과 스로틀 유닛(120) 사이의 공기 압력을 감소시키도록 형성된, 외부로 공기를 방출하기 위한 위한 밸브(112)를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진의 터보-차징 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 시스템(100)은 터빈(102)을 지지하는 롤링/슬라이딩 베어링(107)을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진의 터보-차징 시스템.
6. 제5항에 있어서,
   상기 시스템(100)은 중앙 바디(101)에 장착되는 베어링(107)의 오일러(108)를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진의 터보-차징 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 시스템(100)은 중앙 바디(101)에 장착되는 스피드 멀티플라이어(109)를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진의 터보-차징 시스템.
8. 전술한 청구항에 따른 엔진의 터보-차징 시스템(100)을 포함하는 내연 엔진(150)의 흡기 매니 폴드.

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