KR20170069926A - 자동차용 배기가스 터보 과급기 - Google Patents

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요하네스 홀벡
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만 트럭 운트 버스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 과급공기 냉각기를 포함하는 내연기관을 위한 배기가스 터보 과급기에 관한 것이다. 과급공기를 안내하는 부분에 응축물이 형성되고, 상기 응축물이 과급공기를 안내하는 부분에 남아 있을 때, 특정한 양 이상에서 엔진에 손상, 예를 들어 결빙, 수충격 또는 부식을 야기하는 것을 저지하기 위해, 배기가스 터보 과급기의 압축기에 응축물 배출구를 제공하는 것이 제안되고, 상기 응축물 배출구는 압축기를 통과하는 과급공기 유동 경로의 최하부 영역에 제공된다.

Description

자동차용 배기가스 터보 과급기{EXHAUST GAS TURBOCHARGER FOR A MOTOR VEHICLE}
본 발명은 과급 내연기관 및 과급공기 냉각기를 포함하는 자동차용 배기가스 터보 과급기에 관한 것이다.
내연기관의 성능 향상을 달성하기 위해, 연소에 공급될 공기는 내연기관의 연소실에 공급되기 전에, 예를 들어 터보 과급기에 의해 압축될 수 있다. 그러나, 공기의 압축은 동시에 공기의 가열을 야기하고, 이러한 가열은 연소 과정의 최적의 실행을 위해 바람직하지 않다. 예를 들어 이로 인해 조기 점화 또는 질소 산화물 방출의 증가가 유발될 수 있다. 공급된 과열 공기의 연소의 바람직하지 않은 결과를 방지하기 위해, 냉각기로서 형성되며 압축 공기를 압축 공기의 연소 전에 허용 온도로 냉각할 수 있는 과급공기 열교환기를 터보 과급기 후방에 연결하는 것이 공개되어 있다.
이러한 과급공기 냉각 방식의 기관에서, 경우에 따라서는, 예를 들어 특히 낮은 부하 또는 낮은 외부 온도의 경우에 응축물, 예를 들어 응결수가 형성된다. 이러한 응축물이 과급공기를 안내하는 부분들에 남아 있으면, 특정한 양 이상일 때 예를 들어 결빙, 수충격 또는 부식에 의해 엔진에 손상을 야기할 수 있다. 따라서, 손상이 가해지지 않도록 하기 위해 이러한 응축물은 배출되어야 한다. 선행기술에 이를 위한 해결 방법들이 공개되어 있고, 상기 방법들은 과급공기 냉각기로부터 응축물의 배출을 가능하게 한다. 이러한 방법은 예를 들어 공개공보 DE 102 38 839 A1호에 공개되어 있다. 상기 방법의 단점은, 과급공기 냉각기와 터보 과급기 사이의 과급공기 가이드가 연속적으로 하강하도록 구현되는 기관 설계 시, 이러한 설계에도 불구하고 과급공기 냉각기의 외부에 응축물의 축적이 발생할 수 있다는 것이다.
본 발명의 과제는 과급공기 냉각 방식의 기관에서 종래 기술들의 단점들을 방지할 수 있는, 응축물의 배출을 가능하게 하는 개선된 방법을 제공하는 것이다. 특히 본 발명의 과제는 과급공기 냉각기로부터 터보 과급기 압축기를 향한 과급공기 가이드가 연속적으로 하강하도록 또는 터보 과급기 압축기로부터 과급공기 냉각기를 향한 과급공기 가이드가 연속적으로 상승하도록 구현되는 기관 설계 시, 간단하고 비용을 절약하며 확실한 응축물 배출에 기초한다.
상기 과제는 독립 청구항들의 특징들을 갖는 장치에 의해 해결된다.
본 발명의 바람직한 실시예와 응용예들은 종속 청구항에 제시되며 부분적으로 도면을 참고로 이하의 상세한 설명에서 설명된다.
본 발명의 보편적인 관점에 따라 자동차용, 특히 상용차용인 배기가스 터보 과급기가 제공되고, 이 경우 배기가스 터보 과급기의 압축기는 응축물의 배출을 위한 개구를 포함하고, 상기 개구는 압축기의 과급공기 유동 경로의 최하부 영역에 배치된다. 개구는 이하 응축물 배출구라고 한다. 압축기의 과급공기 유동 경로의 최하부 영역은 유동 경로의 측지학적 최저 위치에 상응한다. 최하부 영역 또는 측지학적 최저 위치는 배기가스 터보 과급기가 자동차에 장착된 상태에서 취하는 배기가스 터보 과급기의 방향과 관련된다. 따라서, 배기가스 터보 과급기의 장착 상태에서 차선에 대해 최소 간격을 갖는 위치이다.
응축물 배출구는 배기가스 터보 과급기의 압축기 하우징에, 특히 압축기 하우징의 최하부 위치 또는 측지학적 최저 위치에 제공될 수 있다. 응축물 배출구는 예를 들어 압축기의 압력 나선의 측지학적 최저 위치에 배치될 수 있다.
이러한 배기가스 터보 과급기는 과급공기 냉각기와 터보 과급기 사이의 과급공기 가이드가 연속적으로 하강하도록 구현되는 기관의 설계 또는 자동차의 설계에서 특히 바람직하고, 즉 압축기의 과급공기 배출부로부터 과급공기 냉각기의 과급공기 유입부를 향한 과급공기 가이드가 연속적으로 상승하도록 구현된다. 이러한 과급공기 가이드의 경우 과급공기 가이드의 최저점에 축적되어 형성되는 응축물은, 간단하고 확실하게 본 발명에 따른 응축물 배출구를 통해 배출될 수 있다.
배기가스 터보 과급기의 효율의 저하를 야기하지 않거나 적어도 경미하게만 야기하도록 하기 위해, 바람직하게 상기 응축물 배출구의 직경은 과급공기 라인의 직경보다 작다. 응축물 배출구를 응축물 배출 라인을 위한 접속부로서 구현하는 것이 특히 바람직하다. 이를 위해 응축물 배출구는 나사산을 가질 수 있고 및/또는 파이프 연결부로서 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 응축물 배출구를 제외하고 배기가스 터보 과급기는 보통 공개된 방식으로 구현될 수 있다. 배기가스 터보 과급기는 배기가스 터빈, 압축기 및 구동 샤프트를 포함할 수 있고, 이 경우 배기가스 터빈과 압축기는 구동 샤프트를 통해 운동 면에서 커플링(coupling)된다.
본 발명의 다른 관점에 따라 자동차용, 특히 상용차용인 구동 장치가 제공되고, 상기 구동 장치는 이 간행물에 설명된 배기가스 터보 과급기를 포함한다. 구동 장치는 또한 배기가스 터보 과급기에 의해 과급되는 내연기관, 배기가스 터보 과급기의 압축기에 의해 압축된 과급공기의 냉각을 위한 과급공기 냉각기, 및 압축기의 과급공기 배출부를 과급공기 냉각기의 과급공기 유입부에 연결하며 예를 들어 제 1 과급공기 라인 형태의 과급공기 가이드를 포함한다. 제 1 과급공기 라인은 압축기의 과급공기 배출부로부터 과급공기 냉각기의 과급공기 유입부를 향해 연속적으로 상승하도록 구현될 수 있다. 다시 말해서 제 1 과급공기 라인에서 이송되는 과급공기는 항상 위로, 즉 중력과 반대로 이동하므로, 제 1 과급공기 라인의 측지학적 최저점은 압축기에 대한 상기 과급공기 라인의 접속 위치이다.
구동 장치는, 하나의 단부가 응축물 배출구에 접속되고 다른 단부가 과급공기 냉각기에 의해 냉각된 과급공기를 내연기관에 공급하는 제 2 과급공기 라인 내로 통하는 라인을 포함할 수 있다. 상기 라인은 이하 응축물 배출 라인이라고 한다. 이러한 변형 실시예의 특수한 장점은, 배출된 응축물이 자동으로 내연기관에 공급되어 거기에서 함께 연소되는 것이다. 이 경우, 배기가스 터보 과급기의 압축기에, 특히 압축기의 압력 나선의 배출부에 일반적으로 과급공기 냉각기 후방 및 내연기관 내로의 유입 전의 제 2 과급공기 라인 내부보다 높은 가스 압력이 존재하는 것에 주의해야 한다. 이러한 차동 압력으로 인해 응축물 배출 라인 내에서 내연기관을 향한 연속적인 유동이 형성되므로, 분기된 응축물은 일반적으로 다시 압축기 내로 역류되는 것이 아니라, 확실하게 내연기관 내로 이송된다.
이 경우 내연기관의 과급공기 유입부에서 직접 또는 과급공기 입력부 바로 앞에서 응축물 배출 라인은 제 2 과급공기 라인 내로 통할 수 있다.
다른 바람직한 실시예에 따라 응축물 배출 라인은 응축물의 수용을 위한 저장기를 포함할 수 있다. 저장기는 예를 들어 응축물 배출 라인 내의 하강부(depression)로서 또는 수집 용기로서 구현될 수 있다. 이러한 실시예는, 분기된 응축물이 연속적으로 응축물 배출 라인을 통해 내연기관을 향해 이송되는 것이 보장될 수 없는 특정한 작동 상태에서도, 분기된 응축물이 압축기 내로 역류하는 것이 방지되는 장점을 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따라 응축물 배출 라인 내에 역류 차단 밸브가 배치될 수 있고, 상기 역류 차단 밸브는 응축물 배출구로부터 배출된 응축물 또는 공기가 압축기 내로 역류하는 것을 저지한다. 따라서, 이러한 변형예도, 분기된 응축물이 다시 압축기 내로 의도치 않게 역류하는 것을 저지한다.
응축물 배출 라인 내에 응축물의 수용을 위한 저장기 및 역류 차단 밸브가 배치되면, 특히 바람직하다. 바람직하게는 이러한 경우에 응축물 배출구와 역류 차단 밸브 사이에 저장기가 배치된다.
본 발명에 따른 구현의 다른 가능성은, 응축물 배출 라인이 가열될 수 있게 구현되는 것을 제공한다. 이로 인해 응축물 배출 라인의 동결이 저지되고, 이는 예를 들어 0℃ 미만의 온도에서 고려될 수 있다. 실제로, 예를 들어 가열되는 블로우 바이 라인(blow by line) 또는 크랭크 하우징 환기 라인이 공개되어 있다. 유사하게 본 발명에 따라 응축물 배출 라인도 가열될 수 있다.
다른 양상에 따라, 이 간행물에 설명된 배기가스 터보 과급기를 포함하거나 이 간행물에 설명된 구동 장치를 포함하는 자동차가 제공된다. 자동차는 상용차일 수 있다.
본 발명의 전술한 바람직한 실시예들과 특징들은 임의로 서로 조합될 수 있다. 본 발명의 다른 세부사항과 장점들은 계속해서 첨부된 도면을 참고로 설명된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구동 장치를 도시한 개략도.
도 2a는 실시예를 확대 도시한 부분도.
도 2b는 본 발명의 다른 실시예를 확대 도시한 부분도.
동일한 부재 또는 기능적으로 동일한 부재들은 모든 도면에서 동일한 도면부호로 표시된다.
도 1은 상용차용 구동 장치(1)를 매우 개략적으로 도시한다. 구동 장치(1)는 내연기관(20)을 포함하고, 상기 내연기관은, 성능 향상을 위해 배기가스 터보 과급기(2)에 의해 과급된다.
배기가스 터보 과급기(2)는 터빈(4), 압축기(3) 및 구동 샤프트(5)로 이루어진 회전자를 포함한다. 터빈(4)과 압축기(3)는 구동 샤프트(5)에 의해 운동 면에서 커플링(coupling)된다. 터빈(4)은 배기가스 라인(15)을 통해 터빈(4)에 공급되는 내연기관(20)의 배기가스에 의해 구동된다. 공급 라인(14)을 통해 압축기(3)에 신선한 공기가 공급된다. 압축기(3)는 내연기관(20)에 공급될 과급공기를 압축하여, 정상적인 연소 작동 시 내연기관(20)의 성능을 높인다.
압축기(3)에 의해 압축된 과급공기는 제 1 과급공기 라인(7)을 통해 과급공기 냉각기(8)에 공급되고, 상기 냉각기는 열교환기로서 작동하며 과급공기를 냉각한다. 냉각된 과급공기는 후속해서 제 2 과급공기 라인(9)을 통해 내연기관(20) 내로 공급된다. 제 1 과급공기 라인(7)은 압축기(3)의 과급공기 배출부(3a)로부터 과급공기 냉각기(8)의 과급공기 유입부(8a)를 향해 연속적으로 상승하도록 구현된다. 이는 도 1의 개략도에 도시되지 않지만, 도 2a의 확대 부분도에 도시된다.
도 2a는 내연기관(20)을 정면에서 도시한다. 도면부호 21은 내연기관(20)의 크랭크 하우징을 표시하고, 도면부호 24는 크랭크 샤프트의 중심선을 표시한다. 크랭크 하우징(21) 하부에 오일 탱크(22)가 위치한다. 내연기관(20)의 상부 영역에 실린더 헤드 영역(23)이 위치하고, 상기 실린더 헤드 영역에서는 과급공기 라인(9)이 내연기관 내로 통한다. 내연기관(20)의 과급공기 유입부는 도면부호 20a로 표시된다.
배기가스 터보 과급기(2)의 압축기(3)는 압축기(3)의 과급공기 유동 경로의 최하부 영역에 응축물의 배출을 위한 개구를 갖는다(응축물 배출구; 6). 응축물 배출구(6)는 압축기 하우징의 측지학적 최저 위치에, 특히 압축기(3)의 압력 나선의 측지학적 최저 위치에 제공된다. 응축물 배출구(6)는 이하 응축물 배출 라인(10)이라고 하는 라인(10)을 위한 접속부로서 구현된다. 접속부는 예를 들어 나사산 또는 파이프 연결부로서 구현될 수 있다.
이로써 응축물 배출 라인(10)의 한 단부는 응축물 배출구(6)에 접속되고, 다른 단부는 제 2 과급 공기 라인(9) 내로 통하며, 상기 과급공기 라인은 과급공기 냉각기(8)의 과급공기 배출부를 내연기관(20)의 과급공기 유입부(20a)에 연결한다.
또한 도 2a에 도시된 바와 같이, 압축기(3)의 압력 나선에는 제 2 과급공기 라인(9) 내부보다, 즉 과급공기 냉각기(8) 후방 및 내연기관(20) 내로의 유입 전의 영역에서보다 높은 압력(P1)이 존재한다. 차동 압력(P1-P2)으로 인해 응축물 배출 라인(10)을 통과해서 응축물 배출구(6)로부터 접속부(12)를 향해 제 2 과급공기 라인 내로 연속적인 유동이 발생한다.
이로 인해 압축기(3)로부터 배출된 응축물은 연속적으로 응축물 배출 라인(10)을 통해 내연기관(20)을 향해 이송되어 거기에서 연소된다. 형성되는 응축물은 과급공기 냉각기로부터 압축기(3)를 향하는 제 1 과급공기 라인(7)의 연속적으로 하강하는 경로로 인해 압축기(3) 내의 측지학적 최저 위치에 축적되고, 제공된 응축물 배출구(6)를 통해 거기에서 확실하게 배출될 수 있다.
도 2b는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 이 경우 동일한 도면부호를 갖는 부품들은 도 1 및 도 2a의 부품들에 상응하고, 별도로 설명되지 않는다.
도 2b에 도시된 변형 실시예의 특징은, 응축물 배출 라인(10)의 응축물 배출구(6)의 영역에 응축물의 수용과 수집을 위한 저장기(11)가 제공되는 것이다. 정상적인 작동 상태에서 일반적으로 압축기(3)의 압력 나선의 배출부의 압력(P1)이 제 2 과급공기 라인 내의 압력(P2)보다 큰 것은 앞에서 확인되었다. 이에 해당되지 않는 경우의 작동 상태가 발생하면, 이미 응축물 배출구(6)를 통해 압축기(3)로부터 분기된 응축물이 다시 압축기 내로 역류하는 것을 저장기(11)로 저지할 수 있다. 그 대신 응축물은 저장기(11)에 수집될 수 있다.
대안으로서 또는 추가로 이는 응축물 배출 라인(10) 내에 제공된 역류 차단 밸브(16)에 의해 보장될 수 있다. 역류 차단 밸브(16)는 예를 들어 응축물 배출구(6)에 대한 응축물 배출 라인(10)의 접속 영역에 직접 제공될 수 있거나, 도 2b에 도시된 바와 같이 저장기(11) 바로 뒤에 제공될 수 있고, 상기 저장기(11)는 응축물 배출구(6)와 역류 차단 밸브(16) 사이에 배치된다.
본 발명은 특정한 실시예를 참고로 설명되지만, 다양한 변형들이 구현될 수 있고, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 상응하는 것들이 대용될 수 있다는 것은 당업자에게 명백한 사실이다. 추가로 관련 범위를 벗어나지 않으면서 여러 변형들이 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명은 공개된 실시예들에 제한되어서는 안 되고, 첨부된 특허 청구항들의 범위에 해당하는 모든 실시예들을 포함해야 한다. 특히 본 발명은, 인용된 청구항들과 무관하게 종속 청구항의 대상 및 특징들에 대한 보호도 청구한다.
1 구동 장치
2 배기가스 터보 과급기
3 압축기
3a 압축기의 과급공기 배출부
4 터빈
5 구동 샤프트
6 응축물 배출구
7 과급공기 라인
8 과급공기 냉각기
8a 과급공기 냉각기의 과급공기 유입부
9 과급공기 라인
10 응축물 배출 라인
11 저장기
12 라인 접속부
13 공기 필터
14 공기 유입부
15 배기가스 라인
16 역류 차단 밸브
20 내연기관
20a 내연기관의 과급공기 유입부
21 크랭크 하우징
22 오일 탱크
23 실린더 헤드 영역
24 크랭크 샤프트의 중심선

Claims (12)

  1. 자동차용 배기가스 터보 과급기(2)에 있어서,
    상기 배기가스 터보 과급기(2)의 압축기(3)는 응축물 배출구(6)를 포함하고, 상기 응축물 배출구는 상기 압축기(3)의 과급공기 유동 경로의 최하부 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 터보 과급기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 응축물 배출구(6)는 상기 배기가스 터보 과급기(2)의 압축기 하우징에, 특히 압축기 하우징의 최하부 위치에 제공되는 것을 특징으로 하는 배기가스 터보 과급기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 응축물 배출구(6)는 응축물 배출 라인(10)을 위한 접속부로서 구현되는 것을 특징으로 하는 배기가스 터보 과급기.
  4. 자동차용, 특히 상용차용인 구동 장치(1)로서,
    제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 배기가스 터보 과급기(2),
    상기 배기가스 터보 과급기(2)에 의해 과급되는 내연기관(20),
    상기 배기가스 터보 과급기(2)의 압축기(3)에 의해 압축된 과급공기의 냉각을 위한 과급공기 냉각기(8), 및
    상기 압축기(3)의 과급공기 배출부(3a)를 상기 과급공기 냉각기(8)의 과급공기 유입부(8a)에 연결하는 제 1 과급공기 라인(7)
    을 포함하는 구동 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 과급공기 라인(7)은 상기 압축기(3)의 상기 과급공기 배출부(3a)로부터 상기 과급공기 냉각기(8)의 상기 과급공기 유입부(8a)를 향해 연속적으로 상승하도록 구현되는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    한 단부는 응축물 배출구(6)에 연결되고 다른 단부는 상기 과급공기 냉각기(8)에 의해 냉각된 과급공기를 내연기관(20)에 공급하는 제 2 과급공기 라인(9) 내로 통하는 응축물 배출 라인(10)
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 내연기관(20)의 과급공기 유입부(20a)에서 또는 상기 과급 공기 유입부(20a) 바로 앞에서 상기 응축물 배출 라인(10)은 상기 제 2 과급공기 라인(9) 내로 통하는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 응축물 배출 라인(10)은 응축물의 수용을 위한 저장기(11)를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 응축물 배출 라인(10) 내에 역류 차단 밸브(16)가 배치되고, 상기 역류 차단 밸브는 상기 응축물 배출구(6)로부터 배출된 응축물 또는 배출된 공기가 상기 압축기(3) 내로 역류하는 것을 저지하는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 저장기(11)는 상기 응축물 배출구(6)와 상기 역류 차단 밸브(16) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  11. 제 4 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 응축물 배출 라인(10)은 가열될 수 있게 구현되는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 배기가스 터보 과급기(3) 또는 제 4 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 구동 장치(1)를 포함하는 자동차, 특히 상용차.
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