KR20220020219A

KR20220020219A - 과급 내연기관의 과급 공기를 냉각하기 위한 냉각 배열체

Info

Publication number: KR20220020219A
Application number: KR1020210104387A
Authority: KR
Inventors: 베르너르 페르도른; 빈센조 베빌라쿠아; 알레산드로 갈로; 볼프강 취커; 페터 로텐베르거
Original assignee: 독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2020-08-11
Filing date: 2021-08-09
Publication date: 2022-02-18
Also published as: US11371420B2; DE102020121053B3; US20220049644A1

Abstract

본 발명은 과급 내연기관(4)의 과급 공기를 냉각하기 위한 냉각 배열체에 관한 것으로, 내연기관(4)까지 이어지는 과급 공기 라인(8) 내에, 적어도 하나의 압축기 단(16, 18, 20)을 가진 압축기 배열체(10), 및 압력 레벨을 낮추어 그에 따라 과급 공기를 냉각하기 위한 적어도 하나의 팽창 단(22, 24)을 가진 팽창 배열체가 제공되고, 압축기 배열체(10)와 팽창 배열체(14) 사이에 냉각 장치(12)가 제공되며, 적어도 하나의 압축기 단(16, 18, 20) 및 적어도 하나의 팽창 단(22, 24)이 직렬로 연결되고, 각각 구동 기술적으로 전동기(17, 19, 21; 23, 25)에 연결되며, 압축기 배열체(10)가 병렬로 연결된 적어도 2개의 압축기 단(16, 18, 20)을 갖는다.

Description

과급 내연기관의 과급 공기를 냉각하기 위한 냉각 배열체{COOLING ARRANGEMENT FOR COOLING CHARGE AIR OF A SUPERCHARGED INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 과급 내연기관의 과급 공기(charge air)를 냉각하기 위한 냉각 배열체(cooling arrangement)에 관한 것으로, 내연기관까지 이어지는 과급 공기 라인 내에, 적어도 하나의 압축 단을 가진 압축기 배열체(compressor arrangement), 및 압력 레벨을 낮추어 그에 따라 과급 공기를 냉각하기 위한 적어도 하나의 팽창 단을 가진 팽창 배열체(expansion arrangement)가 제공되고, 압축기 배열체와 팽창 배열체 사이에 냉각 장치가 제공되며, 적어도 하나의 압축기 단(compressor stage) 및 적어도 하나의 팽창 단(expansion stage)이 직렬로 연결되고, 각각 구동 기술적으로 전동기에 연결된다.

터보차지형 내연기관, 특히 오토 내연기관은, 내연기관의 노킹 경향에 극히 부정적인 영향을 미치는 연소 공기의 과열을 방지하기 위해, 과급 공기 라인 내 터보차저의 압축기로부터 내연기관으로 전달되는 과급 공기의 냉각을 필요로 한다. 이 문제를 해결하기 위해 소위 과급 공기 냉각기(charge air cooler)를 사용하는 것이 공지되어 있고, 그러한 냉각기를 통해 압축된 과급 공기가 안내되어 냉각된다. 이러한 과급 공기 냉각기의 단점은, 더 큰 냉각 용량을 위해 상대적으로 큰 냉각면(cooling surface)을 가져야 하는데 최근의 자동차에서는 이를 위해 필요한 구조적 공간이 제공되지 않는다는 점이다. 압축된 과급 공기를 공조 압축기(air-conditioning compressor)를 사용하여 냉각하는 방법도 공지되어 있다. 그러나 이러한 유형의 냉각 역시 자동차의 에너지 균형에 상당히 부정적인 영향을 미친다는 단점이 있다. 독일 실용신안공보 DE 20 2017 107 685 U1호로부터 공지된 한 총칭적 냉각 배열체에서는, 내연기관까지 이어지는 과급 공기 라인 내에 하나의 압축 단을 가진 압축기 배열체 및 하나의 팽창 단을 가진 팽창 배열체가 제공된다. 압축기 배열체와 팽창 배열체 사이에는 냉각 장치가 제공되며, 압축기 단 및 팽창 단이 직렬로 연결되고, 각각 전동기와 구동 기술적으로 연결된다. 이 경우, 팽창 배열체가 과급 공기를 훨신 더 낮은 압력 레벨이 되게 하고, 그에 따라 상기 과급 공기가 냉각된다. 이러한 유형의 배열체는, 구조 공간 특정 요건 및/또는 구동 특정 요건과 관련하여 유연성이 거의 없다.

본 발명의 과제는 간단하고 비용 효율적인 방식으로 전술한 단점을 회피하는 것이다.

상기 과제는, 압축기 배열체가 병렬로 연결된 적어도 2개의 압축기 단을 가짐으로써 해결된다. 압축기 단들의 병렬 연결을 통해, 팽창 레벨의 매우 정확한 조정이 구현될 수 있다. 또한, 팽창 단과 압축기 단이 모두 서로 독립적으로 전기 구동됨으로써, 배기 가스 터보차저와 관련해서도 냉각 배열체의 특히 정확하고 효율적인 제어가 가능하다.

특히 유리한 실시예에서, 팽창 배열체는 적어도 2개의 팽창 단을 갖는다. 이러한 방식으로, 냉각 배열체는 전체적으로 더욱 콤팩트하게 제조될 수 있고, 내연기관에 공급될 과급 공기의 출구 온도가 훨씬 더 미세하게 조정될 수 있다.

냉각 장치는 유리하게 과급 공기 냉각기로서 형성될 수 있다.

압축기 배열체가 적어도 하나의 압축기 단과 관련하여 제1 우회 배열체를 가짐으로써, 더 고온의 과급 공기가 요구되는 작동 상황에서 압축기 배열체를 우회할 수도 있고, 그에 따라 동시에 압축기 배열체의 작동을 위한 에너지를 절약할 수도 있다. 이 경우, 제1 우회 배열체는 냉각 장치의 상류 또는 하류에서 과급 공기 라인과 유체 연결(fluidically connected)되어 있을 수 있다.

동일한 방식으로, 팽창 배열체도 적어도 하나의 팽창 단과 관련된 제2 우회 배열체를 가질 수 있다. 이때, 상기 우회 배열체는 특정 작동 상황에서 배기 가스 터보차저 압축기의 부하를 줄인다.

본 발명에 따른 냉각 배열체로 인해서, 압축기 단은 레이디얼 압축기, 축류 압축기, 스크류 압축기 또는 나선형 압축기로서 형성될 수 있다. 이 경우, 2개 이상의 압축기 단이 상이하게 형성될 수 있다. 또한, 팽창 단은 터빈, 피스톤 기계 등으로서 형성될 수 있다. 이를 통해, 본 발명에 따른 냉각 배열체는 매우 유연한 방식으로 구성될 수 있고, 각각의 내연기관 및 가용 장착 공간에 맞춰 조정될 수 있다.

본 발명은 도면을 토대로 더 상세히 설명될 것이다.

도면은 본 발명에 따른 냉각 배열체의 개략도이다.

도면은 과급 내연기관(4)의 과급 공기를 냉각하기 위한 냉각 배열체(2)의 개략도를 보여준다. 과급은 공지된 방식으로 하나 이상의 터보기계(6)에 의해 실시된다. 이 경우, 냉각 배열체(2)는, 공지된 방식으로 내연기관(4)까지 이어지는 과급 공기 라인(8) 내에 제공된다.

본 실시예에서, 냉각 배열체(2)는 압축기 배열체(10), 냉각 장치(12), 및 팽창 배열체(14)를 갖는다. 압축기 배열체(10), 여기서는 과급 공기 냉각기로서 형성된 냉각 장치(12), 그리고 팽창 배열체(14)는 유동 방향으로 볼 때 직렬로 연결되어 있다. 여기에서 압축기 배열체(10)는 병렬로 연결된 3개의 압축기 단(16, 18, 20)으로 구성된다. 이들 압축기 단(16, 18, 20)은 여기서 명확히 하기 위해 레이디얼 압축기로서 형성되어 있으나; 이들은 장착 공간 또는 요건에 따라 액시얼 압축기, 스크류 압축기 또는 나선형 압축기로서도 형성될 수 있다. 이때, 상이한 압축기 단들의 조합도 가능하다. 압축기 단(16, 18, 20)은 각각 전용 전동기(17, 19, 21)에 의해 구동될 수 있다. 이로써, 각각의 압축기 단(16, 18, 20)을 개별적으로 제어할 수 있고, 그에 상응하게 냉각 배열체(2)의 요구되는 동력 프로파일에 맞춰 정확하게 조정할 수 있다.

대조적으로 본 실시예에서 팽창 배열체(14)는 병렬로 연결된 2개의 팽창 단(22, 24)을 갖는다. 상기 팽창 단(22, 24)은 여기에서 명확히 하기 위해 터빈으로서 도시되어 있으나, 이들은 장착 공간 또는 특별한 동력 요건에 기인하여 둘 모두가 또는 각자가 다른 유형으로, 예를 들어 피스톤 기계로서 형성될 수도 있다. 여기에서도 각각의 팽창 단(22, 24)은 전용 전동기(23, 25)에 의해 구동될 수 있다. 압축기 배열체(10)를 팽창 배열체(14)로부터 전기적으로 분리하는 것의 추가적인 장점은, 이러한 경우에, 팽창 배열체(14)와 압축기 배열체(10)가 양의(positive) 동력 차이를 갖는 경우에, 전기 에너지가 회복될 수 있다는 것이다.

또한, 제1 우회 라인(28) 및 제1 우회 밸브(30)로 구성된 제1 우회 배열체(26) 및 제2 우회 라인(34) 및 제2 우회 밸브(36)로 구성된 제2 우회 배열체(32)가 존재한다. 제1 우회 배열체(26)는, 비교적 고온의 과급 공기가 요구되는 작동 상황에서, 압축기 배열체(10)를 우회시키는 그리고 그에 따라 압축기 배열체(10)의 동작을 위한 에너지를 동시에 절감하는 역할을 한다. 제2 우회 배열체(34)는, 필요할 때, 특정 작동 상황에서 터보기계(6)의 배기 가스 터보차저 압축기의 부하를 감소시킬 수 있다.

Claims

과급 내연기관(4)의 과급 공기를 냉각하기 위한 냉각 배열체로서, 상기 내연기관(4)까지 이어지는 과급 공기 라인(8) 내에, 적어도 하나의 압축기 단(16, 18, 20)을 가진 압축기 배열체(10), 및 압력 레벨을 낮추어 그에 따라 과급 공기를 냉각하기 위한 적어도 하나의 팽창 단(22, 24)을 가진 팽창 배열체가 제공되고, 압축기 배열체(10)와 팽창 배열체(14) 사이에 냉각 장치(12)가 제공되며, 적어도 하나의 압축기 단(16, 18, 20) 및 적어도 하나의 팽창 단(22, 24)이 직렬로 연결되고, 각각 구동 기술적으로 전동기(17, 19, 21; 23, 25)에 연결되는, 냉각 배열체에 있어서,
압축기 배열체(10)가 병렬로 연결된 적어도 2개의 압축기 단(16, 18, 20)을 갖는 것을 특징으로 하는, 냉각 배열체.
제1항에 있어서, 팽창 배열체(14)가 적어도 2개의 팽창 단(22, 24)을 갖는 것을 특징으로 하는, 냉각 배열체.
제1항 또는 제2항에 있어서, 냉각 장치(12)가 과급 공기 냉각기로서 형성된 것을 특징으로 하는, 냉각 배열체.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 압축기 배열체(10)가 적어도 하나의 압축기 단(16, 18, 20)과 관련하여 제1 우회 배열체(26)를 갖는 것을 특징으로 하는, 냉각 배열체.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 팽창 배열체(14)가 적어도 하나의 팽창 단(22, 24)과 관련하여 제2 우회 배열체(32)를 갖는 것을 특징으로 하는, 냉각 배열체.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 압축기 단(16, 18, 20)이 레이디얼 압축기, 축류 압축기, 스크류 압축기 또는 나선형 압축기로서 형성된 것을 특징으로 하는, 냉각 배열체.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 팽창 단(22, 24)이 터빈, 피스톤 기계 등으로서 형성된 것을 특징으로 하는, 냉각 배열체.