KR20200005460A - 내연기관 작동 방법 및 내연기관 - Google Patents

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야비어 바르톨로메
마누엘 팔디크
디륵 하겔슈타인
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폭스바겐 악티엔 게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 내연기관을 작동하기 위한 방법에 관한 것이며, 내연기관은 적어도 연소 엔진 및 신선 가스 라인을 포함하며, 그리고 신선 가스 라인 내에는, 압축기의 압축기 임펠러의 유입구 횡단면의 에지측 섹션을 가변적으로 덮을 수 있는 트림 조정기가 할당되어 있는 압축기가 통합되어 있다. 이 경우, 유입구 횡단면의 에지측 섹션은 트림 조정기의 릴리스 위치에서 상대적으로 적게 덮이고 트림 조정기의 커버링 위치에서는 상대적으로 넓게 덮인다. 본 발명에 따라서, 트림 조정기의 두 작동 위치에서 실질적으로 동일한 압축기 압력비(ΠV) 및 실질적으로 동일한 신선 가스 질량 유량(
Figure pat00011
), 그리고 실질적으로 동일한 압축기 효율이 달성된다면, 트림 조정기는 릴리스 위치와 커버링 위치 사이에서 조정된다. 그 결과, 트림 조정기의 최대한 바람직한 조정이 실현될 수 있다.

Description

내연기관 작동 방법 및 내연기관{METHOD FOR OPERATING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관을 작동하기 위한 방법, 그리고 상기 방법을 수행하기에 적합한 내연기관에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 내연기관을 장착한 자동차에 관한 것이다.
내연기관의 압축기 내에서는, 신선 가스 라인을 경유하여 내연기관의 연소 엔진으로 공급될 신선 가스가 압축된다. 이 경우, 신선 가스의 압력 상승은 압축기 임펠러의 회전수 및 압축기 임펠러를 통해 안내되는 신선 가스의 질량 유량에 좌우된다. 압축기 특성맵의 이른바 써지 라인(surge line)의 방향으로, 임펠러 베인들의 전연(leading edge)의 입사 유동(incident flow)은 원주 속도에 비해 감소하는 입사 유동 속도(incident flow speed)로 인해, 토출측에서 증가하는 방식으로 수행되며, 다시 말하면 입사 유동의 입사도(incidence)는 점점 증가한다. 작동점에 따른 입사도의 한계값, 즉, 이른바 써지 라인에서부터 전연들에서의 유동이 분리되며, 압축기 내의 유동은 불안정해진다. 써지 라인의 영역에서 압축기의 유입구측 하우징 윤곽부에 저임펄스(low-impulse) 유체의 역류 영역이 형성된다. 이러한 이른바 역류 기포는 와류 및 혼합 손실에 의해 압축기 효율의 감소를 야기한다. 그러나 임펠러의 허브 윤곽부의 영역에서는, 써지 라인 근처에서도 압축기를 관류하는 고임펄스 및 저손실 코어 유동(core flowing)이 진행되며, 이 코어 유동이 질량 흐름율 및 압력 형성을 결정한다.
예컨대 DE　10　2010　026　176　A1호, EP　3　018　355　A1호, DE 10　2015　209　704　A1호, DE　10　2014　225　716　A1호 또는 WO　2014/131790　A1호로부터 공지된 것과 같은 트림 조정기(trim adjuster)는 압력비가 높을 때 상대적으로 낮은 질량 유량의 방향으로 압축기 특성맵의 써지 라인을 변위시키기 위해 이용된다. 이와 동시에, 트림 조정기가 써지 라인의 영역에서 압축기 효율의 상승을 유도할 수 있다. 이를 위해 트림 조정기는, 압축기의 임펠러로의 입사 유동이 수행되는 입사 유동 단면적을 변동시킬 수 있는 장치를 포함한다. 이렇게 달성되는 트림 조정기의 노즐 작용을 통해, 제어 개입(control intervention)(입사 유동 단면적 감소)이 증가함에 따라 가스 유동은 압축기 임펠러의 허브 근처 유입구 횡단면에 더 강하게 집중될 수 있다. 그 결과, 역류 기포의 저임펄스 손실 영역 내로 더 적은 가스가 유입되고, 허브 근처 영역에서의 코어 유동은 촉진되며, 그 결과 추가로 안정화된다. 압축기 임펠러의 허브 근처 영역에서의 가스 유동의 촉진은 추가로 압축기 임펠러의 입사 유동의 변위를 야기하며, 이는 가스 유동의 추가 안정화에 기여할 수 있다. 코어 유동의 안정화는, 압축기 특성맵의 써지 라인을 상대적으로 더 적은 질량 유량으로 변위시킬 수 있게 한다. 제어 개입을 원하지 않는 경우(트림 조정기가 완전 개방되는 경우), 압축기 임펠러 상류에서의 신선 가스 라인의 전체 횡단면이 최대로 개방됨으로써, 그러한 경우에 존재하는 압축기 임펠러의 입사 유동에서 가급적 추가적인 마찰 손실 또는 스로틀링 손실이 발생하지 않게 된다. 그러므로 압축기 효율 및 압축기 특성맵 폭은 초크 한계(choke limit)의 방향으로 트림 조정기에 의한 부정적인 영향을 크게 받지 않는다.
WO 2004/022956 A1호는, 써지 라인의 영역에서 내연기관의 압축기의 작동이 방지되게 하는 방법을 개시하고 있다. 여기서는, 내연기관의 흡기 시스템 내에 배치된 공기 유량 센서를 이용하여, 흡기 시스템을 관류하는 신선 가스의 특징적인 진동 거동과 관련하여 압축기의 거동을 모니터링한다. 이런 방식으로, 써지 라인의 도달이 임박한 것으로 검출되면, 달성할 목표 과급 압력에 대한 값이 감소하고, 이를 위해 상응하게 변동하는 방식으로, 가변 터빈 입사 유동을 위한 장치(VTG)의 조정을 이용하여 압축기를 구동하는 배기가스 터빈으로 입사 유동이 수행된다.
본 발명의 과제는, 압축기에 의해 과급되는 내연기관에 있어서, 가급적 최적의 작동 거동을 특징으로 하는 내연기관을 개발하는 것이다.
상기 과제는 특허 청구항 제1항에 따른 내연기관을 작동하기 위한 방법을 통해 해결된다. 상기 방법의 자동 실행에 적합한 내연기관은 특허 청구항 제6항의 대상이다. 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예들 및 본 발명에 따른 내연기관의 바람직한 실시예들은 또 다른 특허 청구항들의 대상들이고, 그리고/또는 본 발명의 하기 설명에 명시된다.
본 발명에 따라, 내연기관을 작동하기 위한 방법이 제공되며, 내연기관은 적어도 연소 엔진 및 신선 가스 라인을 포함하고, 신선 가스 라인 내에는 압축기가 통합되며, 압축기에는, 압축기의 압축기 임펠러의 유입구 횡단면의 에지측 섹션을 가변적으로 덮을 수 있는 트림 조정기가 할당되며, 유입구 횡단면의 에지측 섹션은 트림 조정기의 릴리스 위치에서 (커버링 위치에 비해) 상대적으로 적게, 바람직하게는 최대한 적게(다시 말하면 구조적 설계를 통해 가능한 만큼 적게) 덮이며, 트림 조정기의 커버링 위치에서는 (릴리스 위치에 비해) 상대적으로 넓게, 바람직하게는 최대한 넓게 덮인다(다시 말하면 구조적 설계를 통해 가능한 만큼 넓게 덮이며, 이런 최대 위치는 압축기의 상응하는 작동에 최적인 것으로 결정된 것임). 트림 조정기의 상기 작동 위치들 간의 최대한 바람직한 전환을 달성하기 위해, 상기 두 작동 위치에서 (1% 편차까지) 동일한 압축기 압력비, 및 압축기를 관류하는 (1% 편차까지) 동일한 신선 가스 질량 유량(특히 실질적으로 동일한, 감소된 신선 가스 질량 유량), 그리고 실질적으로 (5% 편차까지, 바람직하게는 2% 편차까지) 동일한 압축기 효율이 달성될 경우, 트림 조정기는 릴리스 위치와 커버링 위치 사이에서, 다시 말해 릴리스 위치로부터 커버링 위치로 또는 그 반대로 조정된다. 이는, 엔진 매개변수들에 미치는 반작용 없이, 다시 말하면 내연기관에 의해 생성되는 토크의 특성곡선에서 불연속점 없이, 그리고 예컨대 내연기관의 작동 중에 스로틀 밸브, 캠샤프트 조정기 및/또는 점화 각도의 조정과 같은 추가적인 엔진측 개입의 필요성 없이, 트림 조정기의 조정을 가능하게 한다.
이 경우, 압축기 압력비는 압축기의 저압측에서의 신선 가스의 절대 압력(p1)에 대한 압축기의 고압측에서의 신선 가스의 절대 압력(p2)의 비로서 정의된다. 감소된 신선 가스 질량 유량(
Figure pat00001
red)은 실제 질량 유량(
Figure pat00002
), 압축기의 저압측에서 신선 공기의 온도(TvV), 기준 온도(Tref)(293.15K), 압축기의 저압측에서 신선 가스의 절대 압력(pvV) 및 기준 압력(pref)(1000mbar)을 토대로 하기 공식에 따라 계산된다.
Figure pat00003
본 발명에 따른 방법의 자동 실행에 적합한 내연기관은 적어도 연소 엔진[특히 (자기 착화식 및 정성 제어식) 디젤 엔진 또는 (외부 점화식 및 정량 제어식) 오토 엔진, 또는 이들의 조합체, 예컨대 균일 압축 착화식 연소 엔진]과 그 밖에도 신선 가스 라인을 포함하며, 신선 가스 라인 내에는 압축기가 통합되고, 압축기에는 압축기의 압축기 임펠러의 유입구 횡단면의 에지측 섹션을 가변적으로 덮을 수 있는 트림 조정기가 할당된다. 이 경우, 유입구 횡단면의 에지측 섹션은 트림 조정기의 릴리스 위치에서 상대적으로 적게, 바람직하게는 최대한 적게 덮이고, 트림 조정기의 커버링 위치에서는 상대적으로 넓게, 바람직하게는 최대한 넓게 덮인다. 또한, 상기 내연기관은, 본 발명에 따른 방법을 자동화 방식으로 실행하도록 구성된 제어 장치를 포함한다.
본 발명에 따라서, 트림 조정기와 관련하여 가장 가깝게 배치되고 압축기 임펠러의 회전축에 대해 수직으로 정렬된 평면이 압축기 임펠러의 "유입구 평면(inlet plane)"으로서 이해되며, 상기 평면은, 압축기 임펠러의 임펠러 베인들의 하나, 복수 또는 모든 전연의 적어도 하나의 점형 섹션이 상기 평면 내부에 배치됨으로써, 상기 임펠러 베인들에 의해 정의된다. 이런 경우, 압축기 임펠러의 "유입구 횡단면"은 상기 유입구 평면 내에 배치되는 유동 챔버의 개구 횡단면이다.
본 발명에 따른 내연기관의 트림 조정기는 기본적으로 임의로, 예컨대 DE　10　2010　026　176　A1호, EP　3　018　355　A1호, DE　10　2015　209　704　A1호, DE　10　2014　225　716　A1호 또는 WO　2014/131790　A1호에 개시된 것과 같은 실시예들 중 어느 하나에 따라 형성될 수 있다.
한 바람직한 구현형태에 따라서, 본 발명에 따른 내연기관의 트림 조정기는 환형 조리개(annular diaphragm)를 포함한다. 이 경우, 조리개는 예컨대 원칙상 카메라 렌즈에 의해서도 공지된 것과 같은 조리개(iris diaphragm)의 형태로 형성될 수 있다. 또한, 그 대안으로, 조리개는, 종축 방향으로 서로 나란히 배치된, 특히 환형인 스테이터 및 특히 환형인 로터도 포함할 수 있으며, 스테이터 및 로터는 각각, 스테이터에 대한 로터의 상대 회전을 통해 여러 상대 위치로 움직일 수 있는 하나 이상의 관통 개구를 형성하며, 상기 여러 상대 위치에서 관통 개구들은 서로 전혀 중첩되지 않거나, 부분적으로 또는 완전히 중첩된다. 그러한 조리개를 단 하나만 포함하는 트림 조정기는 상대적으로 단순한 구조적 형상을 특징으로 할 수 있다.
환형 조리개를 포함한 상기 트림 조정기의 한 바람직한 개선예에 따라서, 상기 트림 조정기는 유동 가이드 장치를 추가로 포함할 수 있으며, 이 유동 가이드 장치를 통해 신선 가스 라인의 적어도 하나의 섹션이 중앙 유동 영역과 주변 유동 영역으로 분할되고, 이 두 유동 영역은 압축기 임펠러의 유입구 평면의 영역에서 압축기 임펠러를 수용하는 압축기의 유동 챔버로 전이되며, 상기 주변 유동 영역은 조리개에 의해 필요한 만큼 폐쇄 가능하게 형성된다. 이 경우, 조리개는 바람직하게, 상류에 놓인, 주변 유동 영역의 단부에 배치될 수 있다. 조리개와 유동 가이드 장치로 구성된 상기 조합체를 이용하여, 특히 압축기 특성맵에 미치는 긍정적인 작용과 관련하여, 오직 하나의 환형 조리개만을 포함하는 트림 조정기에 비해 트림 조정기의 기능이 향상될 수 있다.
또한, 압축기 임펠러에 인접하여 배치되는, 유동 가이드 장치의 적어도 하나의 단부 섹션, 경우에 따라 전체 유동 가이드 장치가, 종축 방향으로(다시 말해 압축기 임펠러의 회전축을 따라서) 변위 가능하게 형성되고, 주변 유동 영역은 압축기 임펠러의 유입구 평면의 영역에서 상기 단부 섹션에 의해, 유동 가이드 장치의 폐쇄 위치에서는 폐쇄되고 개방 위치에서는 개방될 경우, 조리개와 유동 가이드 장치를 포함한 상기 트림 조정기의 작용이 추가로 향상된다.
압축기 효율은 내연기관의 작동 중에는 직접 측정될 수 없기 때문에, 압축기와 회전 구동 방식으로 연결되어 있는 배기가스 터빈의 상류에서 배기가스 압력이, 엔진의 작동 상태에 대해 배기가스 터보차저의 전체 효율에 대한 진술에 고려될 수 있다. 이를 위해, 본 발명에 따른 내연기관은, 배기가스 터빈의 상류에서 내연기관의 배기가스 라인 내에 통합된 배기가스 압력 센서를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 내연기관의 하나의 적용 모드에서 다수의 작동 상태들에 대해 각각 압축기의 작동을 위한 배기가스 터빈 상류의 배기가스 압력이, 트림 조정기가 한편으로는 릴리스 위치에 있을 때, 그리고 다른 한편으로는 커버링 위치에 있을 때 검출될 수 있으며, 이를 기반으로 모든 작동 상태에 대한 조정 범위가 도출되고 특히 보간될 수 있으며, 결정된 조정 범위는 내연기관의 정규 모드(normal operation)를 위해 이용된다. 이는, 특히 검사대에서 실행될 수 있는 적용 모드의 범주에서 상대적으로 소수의 측정을 통해, 조정 범위가 통합되어 있는 내연기관용 작동 특성맵을 도출하는 것을 가능하게 한다. 이 경우, 상기 조정 범위는 내연기관의 정규 모드 중에 발생할 수 있는 모든 작동 상태에 대해 트림 조정기의 조정을 위해 필요한 정보들을 마련한다.
본 발명에 따른 방법의 여전히 바람직한 실시예에 따라서, 압축기 압력비 및 신선 가스 질량 유량이 동일한 조건에서, 예컨대 2%의 히스테리시스 값을 포함하여 동일한 압축기 효율이 달성되면, 릴리스 위치와 커버링 위치 간에 조정될 수 있다. 그에 따라, 트림 조정기가 진입할 작동 위치에서의 압축기 효율은, 상기 히스테리시스 값만큼 조정 시, 트림 조정기가 벗어날 작동 위치에서의 압축기 효율보다 더 커야 한다. 따라서, 트림 조정기를 위한 조정 범위에서 내연기관의 지속적인 작동 시 트림 조정기의 상대적으로 빈번한 조정 및 그 결과 트림 조정기의 가능한 기계적 과부하가 방지될 수 있다.
본 발명에 따른 내연기관은 특히 자동차의 부분일 수 있다. 이 경우, 내연기관의 연소 엔진은 특히 자동차를 위한 주행 구동 출력을 직접 또는 간접적으로 공급하기 위해 제공될 수 있다. 상기 자동차는, 특히 휠을 기반으로 하며 레일에서 주행하지 않는 자동차(바람직하게는 승용차 또는 화물차)일 수 있다.
특히 특허청구범위에서, 그리고 특허청구범위를 전반적으로 설명하는 명세서에서 부정관사("하나")는 그 자체로서 해석되어야 하며, 수사로서 해석되어서는 안된다. 그에 상응하게 상기 표현으로 구체화된 구성요소는, 이 구성요소가 적어도 개는 제공되며, 여러 개 제공될 수도 있다는 의미로 해석되어야 한다.
본 발명은 하기에서 도면들에 도시된 실시예들 및 구현예들에 따라 더 상세하게 설명된다. 도면들은 각각 개략도로 도시되어 있다.
도 1은 본 발명에 따른 내연기관을 도시한 도면이다.
도 2는 대응하는 트림 조정기가 압축기의 임펠러의 유입구 횡단면을 최대한 적게 덮는 위치에 있을 때 본 발명에 따른 내연기관용 압축기를 절단하여 도시한 종단면도이다.
도 3은 도 2에 따르지만, 트림 조정기가 압축기 임펠러의 유입구 횡단면을 최대한 넓게 덮는 위치에 있을 때 압축기를 도시한 종단면도이다.
도 4는 도 2 및 도 3에 따른 압축기의 특성맵을 나타낸 그래프이다.
도 5는 한편으로 압축기의 트림 조정기가 커버링 위치에 있을 때, 그리고 다른 한편으로는 트림 조정기가 릴리스 위치에 있을 때, 각각 압축기를 관류하는 신선 가스의 감소된 질량 유량에 걸쳐, 도 2 및 도 3에 따른 압축기를 포함하는 배기가스 터보차저의 배기가스 터빈 상류의 배기가스 압력들의 특성곡선들을 나타낸 그래프이다.
도 6은 배기가스 터보차저의 효율의 도 5에 상응하는 특성곡선들을 나타낸 그래프이다.
도 7은 배기가스 터빈의 효율의 도 5에 상응하는 특성곡선들을 나타낸 그래프이다.
도 8은 압축기의 효율의 도 5에 상응하는 특성곡선들을 나타낸 그래프이다.
도 9는 배기가스 터보차저의 회전수들의 도 5에 상응하는 특성곡선들을 나타낸 그래프이다.
도 1에는, 오토 엔진으로서 형성되어 복수의 실린더(12)를 형성하는 연소 엔진(10)을 포함하는 본 발명에 따른 내연기관이 개략도로 도시되어 있다. 실린더들(12)은, 그 안에서 상하로 안내되는 피스톤 및 실린더 헤드와 함께 (미도시된) 연소실들을 한정하며, 이 연소실들 내에서 신선 가스가 연료와 함께 연소된다. 이 경우, 연료는, 제어 장치(14)(엔진 제어부)를 통해 제어되어, 인젝터들(16)에 의해 연소실들 내로 직접 분사된다. 연료/신선 가스 혼합기량의 연소는 피스톤들의 주기적인 상하 운동을 야기하며, 이 상하 운동은 다시 공지된 방식으로 미도시한 커넥팅 로드를 통해 마찬가지로 미도시한 크랭크 샤프트로 전달되며, 그럼으로써 크랭크 샤프트는 회전 구동된다.
신선 가스는 신선 가스 라인을 통해 연소 엔진(10)으로 공급되며, 이를 위해 흡입 개구(18)를 통해 주변으로부터 흡입되어 에어 필터(20)에서 정화된 다음, 배기가스 터보차저의 부분인 압축기(22) 내로 안내된다. 신선 가스는 압축기(22)에 의해 압축되고, 이어서 인터쿨러(24) 내에서 냉각된 다음 연소실들로 공급된다. 압축기(22)의 구동은, 내연기관의 배기가스 라인 내에 통합된, 배기가스 터보차저의 배기가스 터빈(26)에 의해 수행된다. 연소 엔진(10)의 연소실들 내에서 연료/신선 가스 혼합기량의 연소 동안 발생하는 배기가스는 배기가스 라인을 통해 연소 엔진(10)으로부터 배출되고, 그와 동시에 배기가스 터빈(26)을 관류한다. 이는 공지된 방식으로, 샤프트(28)를 통해 압축기(22)의 압축기 임펠러(30)(도 2 및 3 참조)와 회전 고정 방식으로 연결된 (미도시된) 터빈 임펠러의 회전 구동을 야기한다. 그에 따라, 터빈 임펠러의 회전 구동이 압축기 임펠러(30)로 전달된다.
가변하는 부하 및 회전수로 연소 엔진(10)이 작동될 때, 배기가스 터보차저를 이용하여 압축 출력의 생성을 위해 배기가스 엔탈피의 가급적 최적의 이용을 실현하기 위해, 배기가스 터보차저의 배기가스 터빈(26)은 선택적으로, 제어 장치(14)에 의해 제어될 수 있는, 가변 터빈 입사 유동을 위한 장치(VTG)(32)를 포함할 수 있다. 상기 장치는 공지된 방식으로, 개별적으로 회전 가능하게 형성되어 배기가스 터빈(26)의 유입 덕트 내에 배치된 복수의 (미도시된) 가이드 베인을 포함할 수 있으며, 이들 가이드 베인은 함께 하나의 조정 장치(미도시)에 의해 조정될 수 있다. 상기 가이드 베인들은 자신들의 회전 위치에 따라서, 배기가스 터빈(26)의 유입 덕트 내의 자유 유동 횡단면을 다소 수축시키며, 그 외에도 터빈 임펠러의 일차 입사 유동의 섹션 및 상기 입사 유동의 배향에 영향을 미친다.
압축기(22)의 하류에서, 과급 공기 구간 내에, 다시 말하면 압축기(22)와 연소 엔진(10) 사이에 배치된 신선 가스 라인의 섹션 내에, 마찬가지로 제어 장치(14)에 의해 제어될 수 있는 스로틀 밸브(34)이 통합된다.
내연기관은, 배기가스 터빈(26)의 하류에, 그리고 특히 배기가스 후처리 장치(38), 예컨대 미립자 필터의 하류에 배치된 배기가스 라인의 섹션에서 배기가스가 분기되어 압축기 임펠러(30)의 상류에서 신선 가스 라인의 섹션 내로 유입될 수 있는 (저압) 배기가스 재순환의 실현을 위해 배기가스 재순환 라인(36)을 포함할 수 있다. 이 경우, 배기가스 재순환 라인(36)을 통해 재순환될 배기가스의 양은 제어 장치(14)에 의해 제어될 수 있는 제어 밸브(40)에 의해 개루프 모드 또는 폐루프 모드로 제어될 수 있다. 또한, 배기가스 재순환 라인(36) 내에는 이를 통해 안내되는 배기가스의 냉각을 위한 배기가스 냉각기(42)가 통합될 수 있다.
압축기(22)에는, 신선 가스를 통한 압축기 임펠러(30)의 입사 유동에 영향을 미칠 수 있는 트림 조정기(44)가 할당된다. 이를 위해, 트림 조정기(44) 또는 그의 (미도시된) 종속 액추에이터가 제어 장치(14)에 의해 제어될 수 있다. 배기가스 재순환 라인(36)은 트림 조정기(44)의 상류에서, 또는 압축기 임펠러(30)로부터 먼 쪽을 향하는 트림 조정기(44)의 측에서 신선 가스 라인 내로 연통될 수 있다. 트림 조정기(44)의 영역 또는 그 하류[그리고 압축기 임펠러(30)의 상류]에서의 연통도 마찬가지로 가능하다.
도 2 및 도 3에는 각각, 본 발명에 따른 내연기관의 압축기(22)에 대해 가능한 구현형태가 종단면도로 도시되어 있다. 상기 압축기(22)는 예컨대 도 1에 따른 내연기관을 위해 제공될 수 있으며, 이 경우 트림 조정기(44)와 배기가스 재순환 라인(36)용 연결 덕트(46)은 압축기(22)의 통합 구성요소들이다. 이는 도 1에서 파선 프레임들로 도시되어 있다.
도 2 및 도 3따른 압축기(22)는, 배기가스 터보차저의 전체 하우징의 부분 하우징을 나타낼 수 있는 하우징(50)을 포함한다. 압축기(22)의 하우징(50)은 유동 챔버(52)를 형성하고, 이 유동 챔버 내부에 압축기 임펠러(30)가 회전 가능하게 장착된다. 유동 챔버(52)는 유입구 측에 유입구 평면(54) 내에 놓인 유입구 횡단면을 갖는다. 마찬가지로 압축기(22)의 하우징(50)에 의해 형성된 흡기 덕트(56)를 통해 신선 가스는 압축기 유입구(58)로부터 압축기 임펠러(30) 쪽으로 안내될 수 있다. 배출구 측에서 유동 챔버(52)는, 압축기 임펠러(30)의 임펠러 베인들(60)의 배출구 에지의 둘레를 따라 연장되는 "배출구 평면"에 의해 한정된다. 그곳에는 마찬가지로 임펠러 베인들(60)의 배출구 에지들의 둘레를 따라 연장되는 확산 챔버(62)(diffuser chamber)가 연결되고, 그에 이어서, 도 2 및 도 3에는 더 이상 도시되지 않은 압축기 와류부(compressor volute)가 연결된다. 압축기 와류부에서 (마찬가지로 미도시된) 압축기 배출구가 시작된다.
흡기 덕트(56)의 안쪽에서 트림 조정기(44)는 압축기 임펠러(30)의 유입구 횡단면까지 최대한 짧게 이격되어 배치된다. 트림 조정기(44)는 원칙상 카메라 렌즈에 의해서도 공지된 구성을 갖는 조리개(48)를 포함한다. 도 3에 따른 커버링 위치에서, 트림 조정기(44)는, 에지측에 배치된 유입구 횡단면의 환형 영역에서, 압축기 임펠러(30)의 방향으로 유동하는 신선 가스를 통한 압축기 임펠러(30)의 입사 유동을 최대한 저지한다. 그 결과, 트림 조정기(44)는 압축기 임펠러(30)의 허브 근처 섹션으로 상기 신선 가스 유동을 집중시킨다. 그와 반대로, 도 2에 따른 릴리스 위치에서는 신선 가스가 전체 유입구 횡단면에 걸쳐 압축기 임펠러(30) 내로 유입될 수 있다. 각각 조리개(48)를 개방하거나 폐쇄하기 위해 하우징(50)의 내부에 축을 중심으로 회동 가능하게 장착되어 조리개(48)를 형성하는 조리개 부재들은 릴리스 위치에서 하우징(50)의 환형 함몰부(64) 내에 완전히 배치된다.
본 발명에 따라서, 도 1에 따른 내연기관의 작동 동안, 트림 조정기의 두 작동 위치에서 동일한 압축기 압력비(ΠV), 동일한 (감소된) 신선 가스 질량 유량(
Figure pat00004
red) 및 실질적으로 동일한 압축기 효율(ηV)이 달성된다면, 트림 조정기(44)는 릴리스 위치와 커버링 위치 사이에서 조정된다. 이론 조정점이 비록 압축기 압력비(ΠV) 및 감소된 신선 가스 질량 유량(
Figure pat00005
red)에 대한 동일한 값들에 의해서뿐만 아니라 압축기 효율(ηv)에 대한 동일한 값들에 의해서도 정의되기는 하지만, 실제 조정을 위해서는 히스테리시스가 제공되고, 그로 인해 이론 조정점의 범위에서 내연기관의 상대적으로 더 오래 지속되는 작동 시 트림 조정기(44)의 상대적으로 빈번한 조정이 방지되어야 하기 때문에, 단지 "실질적으로" 동일한 압축기 효율(ηv)에서의 트림 조정기(44)의 조정이 수행된다. 여기서 상응하는 히스테리시스 값은 예컨대 2%이다.
압축기(22)를 위해 상기 히스테리시스 값을 고려하는 전환 범위를 결정하기 위해, 내연기관의 적용 모드에서 공지된 방식으로, 도 4에 예시로서 도시되어 있는 것처럼, 트림 조정기(44)가 한편으로 릴리스 위치에 있을 때, 그리고 다른 한편으로는 커버링 위치에 있을 때 압축기(22)의 작동에 대한 두 압축기 특성맵이 결정되어 상관관계에 놓인다. 이 경우, 실선들로 표시된 압축기 특성맵은, 트림 조정기(44)가 릴리스 위치에 있을 때 압축기(22)의 작동을 기술하는 압축기 특성맵인 반면, 점선들로 표시된 압축기 특성맵은 트림 조정기(44)가 커버링 위치에 있을 때 압축기(22)의 작동을 특성화한 것이다.
또한, 다수의 정의된 압축기 압력비(ΠV)에 대해 각각 작동 중 압축기 효율(ηv)은 한편으로 트림 조정기(44)가 릴리스 위치에 있을 때, 그리고 다른 한편으로는 트림 조정기(44)가 커버링 위치에 있을 때 산출된다. 이 경우, 압축기 효율(ηv)은 각각 배기가스 터빈(26)의 상류에서 내연기관의 배기가스 라인 내 배기가스의 압력의 측정치에 따라서 산출된다. 한번은 릴리스 위치에 있는 트림 조정기(44)(실선)에 대해, 그리고 커버링 위치에 있는 트림 조정기(44)(점선)에 대해 상응하는 (감소된 신선 가스 질량 유량에 걸친) 두 특성곡선이, 도 5에서는 1600mbar의 과급 압력(p2)을 기반으로 하는 예시의 압축기 압력비(ΠV)에 대해 산출된다. 전체적으로 배기가스 터보차저의 효율들(ηATL)(도 6)에 대해, 그리고 배기가스 터보차저의 상기 효율들(ηATL)에 영향을 미치는 배기가스 터빈(26)(도 7) 및 압축기(22)(도 8)의 효율들(ηT, ηV)에 대해 상응하는 특성곡선들은 또 다른 그래프에 도시되어 있다. 도 9의 그래프에는 이를 보충하여, 상응하는 측정들 동안의 배기가스 터보차저의 회전수들(nATL)에 대한 특성곡선들이 도시되어 있다.
도 4에 따른 (이중) 특성맵에는, 두 압축기 특성맵이 서로 교차하고, 그 결과 기본적으로 트림 조정기(44)가 커버링 위치 또는 릴리스 위치에 있을 때 압축기(22)의 작동이 가능한 범위에 대해, 트림 조정기(44)의 두 작동 위치 간의 효율차의 상이한 값들에 상응하는 곡선들이 표시된다. 이 경우, 양의 백분율 값들은 트림 조정기(44)가 커버링 위치에 있을 때 압축기(22)의 작동에 대한 효율 이득을 표시하는 반면, 음의 백분율 값들은 트림 조정기(44)가 릴리스 위치에 있을 때 압축기(22)의 작동에 대한 효율 이득을 특성화한다. 이 경우, 파선에 의해서는, 압축기 효율들(ηv)이 동일하거나, 효율차가 영인 곡선(평등 곡선)이 표시되어 있다. 그 결과, 정의된 압축기 압력비(ΠV) 및 정의된 감소된 신선 가스 질량 유량(
Figure pat00006
red)에 대해 릴리스 위치와 커버링 위치 간에 트림 조정기(44)의 조정을 위한 이론 조정점이 상기 곡선 상에 위치하며, 실제 조정을 위해서는 2%의 히스테리시스 값이 고려된다. 따라서 예컨대 트림 조정기(44)가 릴리스 위치에 있을 때, 트림 조정기(44)가 커버링 위치에 있는 상응하는 작동에 비해 효율 이득이 나타나는(다시 말하면 상기 작동점의 위치가 도 4의 특성맵에서 파선 곡선의 우측에 있는) 실제 압축기 압력비(ΠV) 및 실제 감소된 신선 가스 질량 유량(
Figure pat00007
red)에서 압축기(22)가 작동되고 지속적인 작동 중에 상기 작동점이 파선의 평등 곡선의 방향으로 변위되는 방식으로 압축기 압력비(ΠV) 및/또는 감소된 신선 가스 질량 유량(
Figure pat00008
red)이 변동된다면, 트림 조정기는 이미 파선의 평등 곡선에 도달할 때 조정되는 것이 아니라, 작동점이 트림 조정기(44)가 커버링 위치에 있을 때 압축기(22)의 작동의 2% 효율 이득(히스테리시스 값)에 대한 곡선에 도달하는 경우에(그리고 도달하는 한) 비로소 조정된다. 이는, 도 4에서, 예를 들어 이론 조정점을 특징짓는 십자 기호 및 실제 조정점을 특징짓는 원 기호로 표시된 전부하 곡선(full-load curve)에 대해 도시되어 있다. 동일한 방식으로, 커버링 위치로부터 릴리스 위치로의 조정은, 도 4에서 전부하 곡선 상에서 직사각형으로 특성화된 조정점에 따라 도시된 것처럼, 이와 관련한 2%의 효율 이득을 달성할 때 비로소 수행될 수도 있다.
10: 연소 엔진
12: 실린더
14: 제어 장치
16: 인젝터
18: 흡입 개구부
20: 에어 필터
22: 압축기
24: 과급 공기 냉각기
26: 배기가스 터빈
28: 샤프트
30: 압축기 임펠러
32: 가변 터빈 입사 유동을 위한 장치
34: 스로틀 밸브
36: 배기가스 재순환 라인
38: 배기가스 후처리 장치
40: 제어 밸브
42: 배기가스 냉각기
44: 트림 조정기
46: 연결 덕트
48: 조리개
50: 압축기의 하우징
52: 유동 챔버
54: 압축기 임펠러의 유입구 평면
56: 흡기 덕트
58: 압축기 유입구
60: 임펠러 베인
62: 확산기 챔버
64: 하우징의 함몰부
ΠV: 압축기 압력비
p2: 과급 공기 구간에서의 압력
ηATL: 배기가스 터보차저의 효율
ηT: 배기가스 터빈의 효율
ηv: 압축기의 효율
nATL: 배기가스 터보차저의 회전수
Figure pat00009
red: 감소된 신선 가스 질량 유량

Claims (10)

  1. 연소 엔진(10)과 신선 가스 라인을 포함하는 내연기관을 작동하기 위한 내연기관 작동 방법으로서, 신선 가스 라인 내에는 압축기(22)가 통합되고, 압축기(22)에는, 상기 압축기(22)의 압축기 임펠러(30)의 유입구 횡단면의 에지측 섹션을 가변적으로 덮을 수 있는 트림 조정기(44)가 할당되며, 유입구 횡단면의 에지측 섹션은 트림 조정기(44)의 릴리스 위치에서 상대적으로 적게 덮이고, 트림 조정기(44)의 커버링 위치에서는 상대적으로 넓게 덮이는, 내연기관 작동 방법에 있어서,
    트림 조정기(44)는, 자신의 릴리스 위치 및 커버링 위치에서 동일한 압축기 압력비(ΠV) 및 동일한 신선 가스 질량 유량(
    Figure pat00010
    ), 그리고 실질적으로 동일한 압축기 효율(ηv)이 달성되는 경우, 상기 트림 조정기의 두 작동 위치에서 조정되는 것을 특징으로 하는, 내연기관 작동 방법.
  2. 제1항에 있어서, 트림 조정기(44)는 유입구 횡단면의 에지측 섹션을 릴리스 위치에서 최대한 적게 덮고, 그리고/또는 커버링 위치에서 최대한 넓게 덮는 것을 특징으로 하는, 내연기관 작동 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 압축기 효율(ηv)은, 압축기(22)와 회전 구동 방식으로 연결된 배기가스 터빈(26)의 상류에서 내연기관의 배기가스 라인 내 배기가스의 압력에 대한 측정값을 기반으로 산출되는 것을 특징으로 하는, 내연기관 작동 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 다수의 작동 상태를 위한 내연기관의 적용 모드에서 각각 배기가스 터빈 상류의 배기가스 압력들이, 트림 조정기가 한편으로는 릴리스 위치에 있을 때, 그리고 다른 한편으로는 커버링 위치에 있을 때 검출될 수 있고, 이를 기반으로 모든 작동 상태에 대한 조정 범위가 도출되며, 결정된 조정 범위는 내연기관의 정규 모드를 위해 이용되는 것을 특징으로 하는, 내연기관 작동 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 히스테리시스 값을 포함하여 동일한 압축기 효율(ηv)이 달성될 경우, 트림 조정기(44)가 릴리스 위치(ST1)와 커버링 위치(ST2) 사이에서 조정되는 것을 특징으로 하는, 내연기관 작동 방법.
  6. 연소 엔진(10) 및 신선 가스 라인을 포함한 내연기관으로서, 신선 가스 라인 내에 압축기(22)가 통합되고, 압축기(22)에는 압축기(22)의 압축기 임펠러(30)의 유입구 횡단면의 에지측 섹션을 가변적으로 덮을 수 있는 트림 조정기(44)가 할당되며, 유입구 횡단면의 에지측 섹션은 트림 조정기(44)의 릴리스 위치에서 상대적으로 적게 덮이고, 트림 조정기(44)의 커버링 위치에서 상대적으로 넓게 덮이는, 내연기관에 있어서,
    제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 방법을 자동으로 수행하도록 구성된 제어 장치(14)를 특징으로 하는, 내연기관.
  7. 제6항에 있어서, 트림 조정기(44)는 환형 조리개(48)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연기관.
  8. 제7항에 있어서, 트림 조정기(44)는 유동 가이드 장치를 추가로 포함하며, 상기 유동 가이드 장치를 통해 신선 가스 라인의 적어도 하나의 섹션이 중앙 유동 영역과 주변 유동 영역으로 분할되고, 상기 두 유동 영역은 압축기 임펠러(30)의 유입구 평면(54)의 영역에서 압축기(22)의 유동 챔버(52)로 전이되며, 상기 주변 유동 영역은 조리개(48)에 의해 폐쇄될 수 있게 형성되는 것을 특징으로 하는, 내연기관.
  9. 제8항에 있어서, 압축기 임펠러(30)에 인접하여 배치되는, 유동 가이드 장치의 적어도 하나의 단부 섹션은 종축 방향으로 변위 가능하게 형성되며, 주변 유동 영역은 압축기 임펠러(30)의 유입구 평면(54)의 영역에서 상기 단부 섹션에 의해, 유동 가이드 장치의 폐쇄 위치에서는 폐쇄되고 개방 위치에서는 개방되는 것을 특징으로 하는, 내연기관.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 배기가스 터빈(26)의 상류에서 내연기관의 배기가스 라인 내에 배기가스 압력 센서가 통합되는 것을 특징으로 하는, 내연기관.
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