KR20240017833A - 터보차저 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 터보차저(1)에 관한 것이고, 이 터보차저(1)는 내연 기관의 신선한 공기를 압축하도록 구성되는 압축기 배열체(2)로서, 신선한 공기 입구(201) 및 신선한 공기 출구(202)를 갖는 적어도 하나의 압축기 하우징(20)을 포함하고 적어도 하나의 압축기 임펠러(32)가 압축기 하우징(20)에 배열되는 압축기 배열체(2), 및 압축기 배열체(2)를 구동하기 위한 적어도 하나의 배기 가스 터빈(3)으로서, 배기 가스 입구(301) 및 배기 가스 출구(302)를 갖는 적어도 하나의 터빈 하우징(30)을 갖고 적어도 하나의 터빈 휠(32)이 터빈 하우징(30)에 배열되는 적어도 하나의 배기 가스 터빈(3), 또한 적어도 부분적으로, 공급된 연료를 신선한 공기 및/또는 배기 가스에 의해 변환하도록 구성되는 가열식 촉매 변환기(4)를 포함하고, 가열식 촉매 변환기(4)는 가스 입구(401) 및 가스 출구(402) 및 연료 입구(403)를 갖는 촉매 변환기 하우징(40)을 포함하고, 일차적으로 촉매 변환기 하우징(40)과, 이차적으로 압축기 하우징(20) 및/또는 터빈 하우징(30)은 적어도 일 부분 표면(45)에서 열 접촉한다.
Description
본 발명은 내연 기관의 신선한 공기를 압축하도록 구성되는 압축기 배열체로서, 신선한 공기 입구 및 신선한 공기 출구를 갖는 적어도 하나의 압축기 하우징을 포함하고 적어도 하나의 압축기 임펠러(impeller)가 압축기 하우징에 배열되는 압축기 배열체, 및 압축기 배열체를 구동하기 위한 적어도 하나의 배기 가스 터빈으로서, 배기 가스 입구 및 배기 가스 출구를 갖는 적어도 하나의 터빈 하우징을 갖고 적어도 하나의 터빈 휠이 터빈 하우징에 배열되는 적어도 하나의 배기 가스 터빈을 포함하는 터보차저에 관한 것이다.
실제로, 내연 기관에 적어도 하나의 터보차저를 구비하는 것이 알려져 있다. 터보차저는 배기 가스 흐름에서 운동 에너지를 추출하여 이를 기계적 동력으로 제공하는 터빈을 포함한다. 이 기계적 동력은 연소에 요구되는 신선한 공기가 증가된 압력으로 내연 기관에 공급될 수 있게 하는 압축기 배열체를 구동하는 데 사용된다. 이것은 응답 특성, 출력 및/또는 소비를 최적화할 수 있다.
실제로, 내연 기관으로부터의 배기 가스들을 적어도 하나의 배기 가스 후처리 장치에 공급하는 것이 또한 알려져 있다. 배기 가스 후처리 장치는, 예를 들면 미립자 필터 및/또는 적어도 하나의 촉매 변환기를 포함할 수 있다. 이것은 그을음 입자들을 유지하거나 CO, CHx 또는 NOx와 같은 오염 물질들을 산화 또는 환원시키므로, 무해하게 할 수 있다.
알려진 모든 촉매 변환기들은 배기 가스로부터 오염 물질들을 상당량 제거하기 위해 일반적인 주변 환경보다 높은 동작 온도를 요구한다. 미립자 필터는 냉간 시동 후에도 안정적으로 동작하지만, 때때로 높은 온도에서 재생되어야 한다.
따라서, WO 2020/193595 A1은 공급된 연료를 배기 가스 또는 신선한 공기에 의해 변환하도록 설계된 가열식 촉매 변환기를 개시한다. 가열식 촉매 변환기는 상이한 동작 상태들에서 동작될 수 있다. 예를 들면, 공급된 연료는 단순히 기화되어 배기 가스 후처리 장치에서 산화될 수 있고, 그 결과 열이 방출되어 배기 가스 후처리 장치가 가열된다. 다른 동작 상태들에서, 연료의 적어도 일부는, 배기 가스 후처리 장치에서 더 낮은 착화 온도를 가져 내연 기관의 일부 동작 상태들에서 배기 가스 후처리 장치의 더 양호한 가열을 가능하게 하는 합성 가스로 변환될 수 있다. 마지막으로, 연료는 가열식 촉매 변환기에서 완전히 변환되어서, 배기 가스 후처리 장치에 공급되어 이를 가열하는 고온 가스를 생성할 수 있다.
이 알려진 가열식 촉매 변환기의 단점은, 특히 승용차들 및 경량 상용차들에서는 제한적일 수 있는 추가적인 설치 공간을 요구한다는 점이다.
따라서, 선행 기술에 기초하여, 본 발명의 목적은 설치 공간을 거의 요구하지 않고 또한 기존 내연 기관들을 개조하는 데 적합한 내연 기관의 배기 가스 후처리 장치를 급속히 가열하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은 청구항 1에 따른 터보차저에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 추가 진전들은 종속항들에서 확인된다.
본 발명에 따르면, 적어도 하나의 압축기 배열체 및 적어도 하나의 배기 가스 터빈을 갖는 터보차저가 제안된다. 압축기 배열체는 내연 기관에 공급될 신선한 공기를 압축하도록 설계된다. 이를 위해, 압축기 배열체는 신선한 공기 입구 및 신선한 공기 출구를 갖는 적어도 하나의 압축기 하우징을 포함하고, 적어도 하나의 압축기 임펠러가 압축기 하우징에 배열된다. 내연 기관에서 연료의 연소에 필요한 신선한 공기는 제1 압력으로 신선한 공기 입구를 통해 압축기 배열체에 공급되고 제2 압력으로 신선한 공기 출구를 나가고, 제2 압력은 제1 압력보다 높다. 따라서, 압축기 배열체는 신선한 공기에 기계적 작용을 가한다.
적어도 하나의 압축기 임펠러는 복수의 로터 블레이드들을 가질 수 있고 반경류(radial) 압축기 또는 축류 압축기로서 동작할 수 있다. 본 발명의 다른 실시형태들에서, 적어도 하나의 압축기 임펠러는 스크류 압축기 또는 루츠 블로워(Roots blower) 또는 사판식(swash plate) 압축기의 일 부분일 수 있다. 본 발명은 해결 원리로서 압축기 배열체의 특정 설계의 사용을 교시하지는 않는다.
적어도 하나의 배기 가스 터빈은 압축기 배열체를 구동하도록 설계된다. 이를 위해, 한편의 배기 가스 터빈과 다른 편의 압축기 배열체는 회전 샤프트, 기어박스, 벨트 구동 또는 그 자체로 알려진 다른 방식으로 서로 연결될 수 있다. 적어도 하나의 배기 가스 터빈은 배기 가스 입구 및 배기 가스 출구를 갖는 적어도 하나의 터빈 하우징을 갖고 적어도 하나의 터빈 휠이 터빈 하우징에 배열된다. 배기 가스 터빈은 배기 가스 흐름에서 에너지를 추출하여 기계적 동력으로 제공하도록 설계된다. 이와 관련하여, 내연 기관으로부터의 배기 가스 흐름은 배기 가스 입구를 통해 제2 압력으로 터빈 하우징에 공급되고 배기 가스 출구를 통해 제1 압력으로 배출되고, 제2 압력은 제1 압력보다 높다.
본 발명에 따른 터보차저는 또한, 적어도 부분적으로, 공급된 연료를 신선한 공기 및/또는 배기 가스에 의해 변환하도록 설계되는 가열식 촉매 변환기를 포함하고, 가열식 촉매 변환기는 적어도 하나의 가스 입구 및 적어도 하나의 가스 출구 및 적어도 하나의 연료 입구를 갖는 촉매 변환기 하우징을 포함한다. 신선한 공기 및/또는 배기 가스는 가스 입구를 통해 공급된다. 연료, 예를 들면 휘발유 또는 경유는 연료 입구를 통해 가열식 촉매 변환기에 공급된다. 가열식 촉매 변환기에서 연료, 배기 가스 및/또는 신선한 공기로부터 프로덕트 가스(product gas)가 생성된다. 이를 위해, 연료는 가열식 촉매 변환기에서 기화되거나 및/또는 열의 방출로 적어도 부분적으로 산화되거나 및/또는 분해 반응들을 통해 합성 가스로 변환된다. 따라서, 프로덕트 가스는 고온 가스 및/또는 연료 증기 및/또는 합성 가스를 포함한다. 프로덕트 가스는 가스 출구를 통해 가열식 촉매 변환기를 나가 배기 가스 터빈 하류의 배기관에 다시 공급된다. 따라서, 배기 가스 터빈에 의해 생성된 난류는 가열식 촉매 변환기에서 생성된 프로덕트 가스를 배기 가스와 혼합하는 데 사용될 수 있다. 배기 가스 및/또는 신선한 공기는 가스 입구를 통해 각각의 제2 압력으로 공급되고 제1 압력으로 흐르는 배기 가스에 배출될 수 있으므로, 추가적인 이송 장치 없이 촉매 변환기 하우징을 통한 흐름이 안정적이게 된다. 본 발명의 일부 실시형태들에서, 가열식 촉매 변환기는 코킹(coking) 없이 플리스(fleece)에 의해 공급된 연료를 기화시키도록 설계된다.
본 발명에 따르면, 현재 한편의 촉매 변환기 하우징과 다른 편의 압축기 하우징 및/또는 터빈 하우징은 적어도 일 부분 표면에서 열 접촉하는 것이 제안된다. 한편, 이것은, 통합된 가열식 촉매 변환기를 갖는 터보차저는 가열식 촉매 변환기의 추가적인 기능이 없는 공지의 터보차저보다 어떠한 더 많은 설치 공간을 거의 요구하지 않기 때문에 콤팩트한 설계로 이어진다. 또한, 터보차저를 갖고 이미 사용되고 있는 내연 기관들은 기존 터보차저를 본 발명에 따른 터보차저로 교체함으로써 본 발명에 따른 가열 장치로 쉽게 개조될 수 있다. 이 방식으로, 엔진 내 조치를 통해 내연 기관의 효율을 저하시키지 않고 추가적인 열에너지가 배기 가스 후처리 장치에 도입될 수 있다.
또한, 터보차저의 동작 동안 발생하는 폐열이 가열식 촉매 변화기에 공급되어 가열식 촉매 변환기 자체가 보다 신속하게 동작 온도에 도달할 수 있다. 그 결과, 가열식 촉매 변환기에의 전기 보조 에너지의 공급을 감소시키거나 완전히 피할 수 있어 가열식 촉매 변환기는 소비가 최적화되게 동작될 수 있다.
본 발명의 일부 실시형태들에서, 터보차저는 제1 단부 및 반대 쪽의 제2 단부를 갖는 제1 오버플로 채널을 더 포함하고, 제1 단부는 터빈 하우징의 배기 가스 입구에 연결되고 제2 단부는 촉매 변환기 하우징의 가스 입구에 연결된다. 이것은, 한편으로 가열식 촉매 변환기에 열 에너지를 도입하는 배기 가스를 가열식 촉매 변환기에 공급하는 것을 가능하게 하고, 이 방식으로 촉매 변환기에서의 연료의 변환을 가능하게 하거나 촉진시키거나 또는 연료를 기화시키거나, 즉 연료를 액체로부터 기체 상태로 전환하거나 하도록 한다. 또한, 배기 가스는 산화제로 사용되어 연료의 적어도 일 부분을 산화시키고 이에 따라 열을 방출할 수 있다. 산소가 풍부한 배기 가스는 특히 이 목적에 적합하고 예를 들면 스파크 점화 내연 기관의 희박 동작(공기 수(air number) λ > 1) 동안 또는 일반적으로 자체 점화 내연 기관들의 경우에 생성된다.
본 발명의 일부 실시형태들에서, 터보차저는 제1 단부 및 반대 쪽의 제2 단부를 갖는 적어도 하나의 제2 오버플로 채널을 포함할 수 있고, 제1 단부는 압축기 하우징의 신선한 공기 출구에 연결되고 제2 단부는 촉매 변환기 하우징의 가스 입구에 연결된다. 따라서, 제2 오버플로 채널은 가열식 촉매 변환기에 신선한 공기를 공급하는 데 사용된다. 배기 가스와 마찬가지로, 압축된 신선한 공기는 또한 가열식 촉매 변환기에 추가적인 열 에너지를 가하는 데 사용될 수 있다. 또한, 신선한 공기는 가열식 촉매 변환기에 공급되는 연료에 대한 산화제로서 적합하다. 이 방식으로, 산화가 미처리 배기 가스의 조성과는 독립적으로 일어날 수 있으므로, 연료의 산화는 내연 기관의 동작 상태와는 독립적으로 보장될 수 있다.
본 발명의 일부 실시형태들에서, 터보차저는 제1 단부 및 반대 쪽의 제2 단부를 갖는 제3 오버플로 채널을 포함할 수 있고, 제1 단부는 촉매 변환기 하우징의 가스 출구에 연결되고 제2 단부는 터빈 하우징의 배기 가스 출구에 연결된다. 따라서, 제3 오버플로 채널은 배기 가스 터빈 하류의 가열식 촉매 변환기에서 생성된 프로덕트 가스를 배기관에 공급하는 데 적합하고 그것이 의도된다. 위에서 이미 설명한 바와 같이, 프로덕트 가스는 연료 증기이거나 이를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시형태들에서, 프로덕트 가스는 가열식 촉매 변환기 상에서 연료를 반응시킴으로써 얻어지는 합성 가스이거나 이를 포함할 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시형태들에서, 프로덕트 가스는 가열식 촉매 변환기 상에서 연료를 산화시킴으로써 얻어지는 고온 가스이거나 고온 가스를 포함할 수 있다. 따라서, 가열식 촉매 변환기는 배기 가스 터빈의 상류에서 비교적 높은 압력 레벨의 배기 가스 또는 신선한 공기를 공급받고, 가열식 촉매 변환기의 프로덕트 가스는 배기 가스 터빈의 하류에 더 낮은 압력으로 공급되므로, 배기 가스 터빈 내의 압력 강하로 인해 필연적으로 가열식 촉매 변환기를 통해 배기 가스 또는 신선한 공기가 흐르게 된다.
제1, 제2 또는 제3 오버플로 채널이 본 발명의 모든 실시형태들에 존재할 필요는 없음은 물론이다. 본 발명의 일부 실시형태들에서, 이 오버플로 채널들 중 1개만 있을 수도 있고 2개만 있을 수도 있다.
본 발명의 일부 실시형태들에서, 제1 오버플로 채널 및/또는 제2 오버플로 채널 및/또는 제3 오버플로 채널은 촉매 변환기 하우징에서 또는 압축기 하우징에서 또는 터빈 하우징에서 적어도 구간들에 있어서 구멍(bore)으로서 설계될 수 있다. 이러한 유형의 구멍은 기계 가공에 의해 또는 하우징의 1차 형성 동안 생성될 수 있다. 한편, 이로 인해 본 발명에 따른 터보차저의 생산이 간단하게 되고 동작이 기계적으로 견고하게 되며, 이는 호스들의 하우징에 대한 연결 지점들뿐만 아니라 마모되기 쉬운 플라스틱 또는 고무 호스들에 대한 필요가 없기 때문이다.
본 발명의 일부 실시형태들에서, 적어도 하나의 노즐이 제3 오버플로 채널의 제2 단부 상에 배열될 수 있다. 이것은 가열식 촉매 변환기의 프로덕트 가스가 미리 결정 가능한 방향 및/또는 미리 결정 가능한 펄스로 배기 가스 흐름에 도입되게 할 수 있어, 프로덕트 가스와 배기 가스 흐름의 혼합이 추가적으로 촉진된다.
본 발명의 일부 실시형태들에서, 2방향 밸브가 제1 오버플로 채널 및/또는 제2 오버플로 채널 및/또는 제3 오버플로 채널에 설치될 수 있다. 이러한 유형의 2방향 밸브는 제어 장치로부터의 전기 신호에 의해 영향을 받아, 각각의 오버플로 채널에서의 흐름이 개방 루프 또는 폐쇄 루프 방식으로 제어될 수 있다. 그 결과, 동작 상태에 따라, 배기 가스, 신선한 공기, 또는 배기 가스와 신선한 공기의 혼합물이 가열식 촉매 변환기에 공급될 수 있거나, 가열식 촉매 변환기는 적어도 하나의 오버플로 채널을 폐쇄함으로써 완전히 비활성화될 수 있다. 본 발명의 일부 실시형태들에서, 오버플로 채널들은 허용할 수 없을 정도로 높은 부스트 압력을 가열식 촉매 변환기를 통해 배기 라인에 방출하거나 배기 가스 터빈을 지나쳐 배기 가스를 우회시킴으로써 웨이스트게이트 밸브로서 사용될 수 있다. 따라서, 추가적인 웨이스트게이트 밸브가 생략될 수 있다.
본 발명의 일부 실시형태들에서, 터보차저는 제1 오버플로 채널 및 제2 오버플로 채널 및 가스 입구가 연결되는 3개의 입구들/출구들을 갖는 3방향 밸브를 더 포함할 수 있다. 3방향 밸브의 위치는 가열식 촉매 변환기에 신선한 공기 또는 배기 가스 또는 신선한 공기와 배기 가스의 혼합물을 공급하는 데 사용될 수 있어, 가열식 촉매 변환기의 동작 상태는 단일 밸브를 사용하여 넓은 범위에 걸쳐 조정될 수 있다. 3방향 밸브를 닫음으로써, 가열식 촉매 변환기는, 예를 들면 배기 가스 후처리를 위한 어떠한 추가적인 가열 조치도 요구하지 않는 최대 부하 또는 최대 부하에 가까운 동작 환경에서 동작이 정지될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 촉매 변환기 하우징의 적어도 일 부분과 압축기 하우징 또는 터빈 하우징 중 하나는 일체형으로 제조될 수 있다. 이러한 유형의 일체형 생산은 특히 주조 방법으로 1차 형성함으로써 달성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시형태들에서, 하우징들은 3D 프린팅 방법으로 적어도 부분적으로 제조될 수 있다. 이 방식으로, 촉매 변환기 하우징의 적어도 일 부분과 압축기 하우징 또는 터빈 하우징의 적어도 일 부분은 일체로 접합될 수 있어, 압축기 하우징 또는 터빈 하우징으로부터의 열이 손실이 거의 없이 가열식 촉매 변환기에 도입될 수 있다. 이 방식으로, 장시간 동작 후의 비교적 높은 열 입력 저항을 갖는 산화된 접촉 표면들 및/또는 미처리 접촉 표면들을 피하는 것이 가능하다.
본 발명의 일부 실시형태들에서, 촉매 변환기 하우징의 적어도 일 부분과 압축기 하우징의 적어도 일 부분과 터빈 하우징의 적어도 일 부분은 일체형으로 제조될 수 있다. 이로 인해 터보차저 전체가 기계적으로 견고하게 되고 디자인이 콤팩트하게 된다.
본 발명의 일부 실시형태들에서, 한편의 촉매 변환기 하우징과 다른 편의 압축기 하우징 또는 터빈 하우징 사이의 열 접촉으로 인해 약 0.5kW 내지 약 6kW의 열 흐름이 가열식 촉매 변환기에 도입될 수 있다. 본 발명의 다른 실시형태들에서, 열 접촉에 의해 가열식 촉매 변환기에 도입되는 열 흐름은 약 1kW 내지 약 4kW일 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시형태들에서, 열 입력은 약 0.5kW 내지 약 3kW일 수 있다. 위에서 언급한 열 출력들은 추가적인 전기 보조 에너지 없이 가열식 촉매 변환기에서의 연료의 효율적인 기화 및/또는 변환을 허용한다. 따라서, 내연 기관은 소비가 최적화되게 동작될 수 있다.
본 발명은 본 발명의 일반적인 개념을 제한하지 않고 도면에 기초하여 이하 더 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 터보차저의 제1 실시형태의 제1 뷰를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 터보차저의 제1 실시형태의 제2 뷰를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 터보차저의 제1 실시형태의 제3 뷰를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 터보차저의 제2 실시형태의 제1 뷰를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 터보차저의 제2 실시형태의 제2 뷰를 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 배기 가스 후처리 장치 및 터보차저를 갖는 내연 기관의 블록도를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 터보차저의 제1 실시형태의 제1 뷰를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 터보차저의 제1 실시형태의 제2 뷰를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 터보차저의 제1 실시형태의 제3 뷰를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 터보차저의 제2 실시형태의 제1 뷰를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 터보차저의 제2 실시형태의 제2 뷰를 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 배기 가스 후처리 장치 및 터보차저를 갖는 내연 기관의 블록도를 나타낸다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 터보차저의 제1 실시형태를 도시한다. 터보차저(1)는 내연 기관에서의 연소에 요구되는 신선한 공기를 압축하도록 설계된 압축기 배열체(2)를 포함한다. 도시된 예시적인 실시형태에서, 압축기 배열체(2)는 반경류 압축기로서 설계된다. 압축기 배열체(2)는 제1 압력으로 주변 공기를 흡입하도록 설계된 신선한 공기 입구(201)를 갖는다. 더욱이, 압축기 배열체(2)는 제2 압력으로 압축된 신선한 공기를 방출하도록 설계된 신선한 공기 출구(202)를 갖는다. 신선한 공기 출구(202)는 내연 기관의 흡기 매니폴드에 연결될 수 있고 내연 기관에서의 연료의 연소에 요구되는 신선한 공기를 증가된 압력으로 내연 기관에 공급할 수 있다.
적어도 하나의 터빈 하우징(30)을 갖는 배기 가스 터빈(3)은 압축기 배열체를 구동하는 데 사용된다. 터빈 하우징(30)은 배기 가스 입구(301) 및 배기 가스 출구(302)를 갖고, 적어도 하나의 터빈 휠이 터빈 하우징(30)에 배열된다. 도시된 예시적인 실시형태에서, 배기 가스 터빈은 또한 반경류 터빈으로서 설계되고, 즉 배기 가스 입구(301)와 배기 가스 출구(302)는 서로 대략 직각으로 배열된다.
본 발명의 일부 실시형태들에서, 터빈 하우징(30) 및 압축기 하우징(20)은 일체형으로, 예를 들면 주조 부품으로서 또는 3D 프린팅 방법으로 제조될 수 있다. 본 발명의 다른 실시형태들에서, 하우징들은 복수의 부품들로 이루어지거나 분리되거나 나사 결합들에 의해 서로 연결될 수 있다.
도 1 내지 도 3은 또한 가열식 촉매 변환기(4)를 나타낸다. 가열식 촉매 변환기(4)는 대략 원통형의 주요 형상을 갖는 하우징(40)을 갖는다. 가스 입구(401)는 하우징(4)의 하측에 위치되고, 이를 통해 배기 가스 및/또는 신선한 공기가 가열식 촉매 변환기(4)에 공급될 수 있다. 또한, 가열식 촉매 변환기(4)는 적어도 하나의 연료 입구(403)를 갖는다. 가스 또는 액체 연료, 일반적으로 휘발유 또는 경유가 연료 입구(403)를 통해 공급될 수 있다. 연료는 가스 입구(401)를 통해 공급되는 배기 가스 또는 신선한 공기에 의해 상술한 방식으로 완전히 또는 부분적으로 변환될 수 있다. 이 방식으로 가열식 촉매 변환기(4)에서 생성된 프로덕트 가스는 가스 출구(402)를 통해 가열식 촉매 변환기(4)를 나간다.
또한, 도 1 내지 도 3은 열전도성 재료, 예를 들면 금속 또는 합금으로 이루어질 수 있는 유지 브래킷(43)을 나타낸다. 유지 브래킷은 가열식 촉매 변환기(4)의 촉매 변환기 하우징(40)을 기계적으로 고정하도록 설계된다. 촉매 변환기 하우징(40)과는 반대 쪽을 향하는 유지 브래킷(43)의 일 단부는 터빈 하우징(30)과 기계적 및 열전도성 접촉을 한다. 터보차저의 동작 동안, 고온 배기 가스가 터빈 하우징(30)을 통해 흐른다. 이는 터빈 하우징(30)이 가열되게 한다. 열의 일부는 대류 및 복사에 의해 주위 환경으로 방출된다. 그러나, 터빈 하우징(30)에 도입된 열의 일부는 유지 브래킷(43) 및 촉매 변환기 하우징(40)과 유지 브래킷(43) 사이에 형성되는 부분 표면(45)을 통해 가열식 촉매 변환기(4)에 흐른다. 이를 위해, 촉매 변환기 하우징(40)은 적어도 부분적으로 열전도성 재료, 예를 들면 금속 또는 합금으로 이루어질 수 있다. 이 방식으로, 가열식 촉매 변환기(4)는 전기 보조 에너지의 공급 없이 또는 공급을 줄이면서 연료가 신선한 공기 또는 배기 가스에 의해 변환될 수 있는 상승된 온도로 될 수 있다.
도면에서 또한 알 수 있는 바와 같이, 촉매 변환기 하우징(40)은 또한 추가 포트들(41)을 가질 수 있다. 온도 센서들 또는 전기 가열 장치들이 이 포트들을 통해 연결될 수 있다. 선택적으로, 하나 초과의 연료 입구(403)가, 가열식 촉매 변환기(4) 내에서 연료의 보다 균일한 분포를 가능하게 하도록 설치될 수 있다.
도 1 및 도 2에 추가로 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 터보차저는 또한 제1 단부(151) 및 제2 단부(152)를 갖는 제1 오버플로 통로(15)를 포함한다. 제1 단부(151)는 터빈 하우징(30)의 배기 가스 입구(301)에 연결된다. 이 방식으로, 비교적 높은 압력, 예를 들면 약 3.5bar 내지 약 5bar로 내연 기관을 나가는 배기 가스 흐름이 적어도 부분적으로 추출되어 가열식 촉매 변환기(4)에 공급될 수 있다. 이를 위해, 제1 오버플로 채널(15)의 제2 단부(152)는 촉매 변환기 하우징(40)의 가스 입구(401)에 연결된다. 선택적 2방향 밸브(도면에 도시되지 않음)가 오버플로 채널(15)에 위치될 수 있고, 이 밸브에 의해 가열식 촉매 변환기(4)에 공급되는 배기 가스의 양이 제어될 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 터보차저는 제1 단부(351) 및 반대 쪽의 제2 단부(352)를 갖는 제3 오버플로 채널(35)을 포함한다. 여기서 제1 단부(351)는 촉매 변환기 하우징(40)의 가스 출구(402)에 연결된다. 제2 단부(352)는 터빈 하우징(30)에서의 터빈 휠의 하류에서의 선택적 노즐(353)로 개방된다. 터빈 휠의 하류에서, 터빈 휠이 배기 가스 흐름으로부터 에너지를 끌어가기 때문에 한편으로 더 낮은 압력이 생성된다. 또한, 터빈 휠은 난류를 일으키므로, 가열식 촉매 변환기(4)에서 생성된 프로덕트 가스와 주 배기 가스 흐름이 양호하게 혼합되게 한다. 압력 차이로 인해 가열식 촉매 변환기(4)를 통한 배기 가스의 흐름이 정해진다. 동시에, 본 발명에 따른 터보차저는 콤팩트한 디자인을 가져 설치 공간을 절약하고 기존 내연 기관들의 개조를 용이하게 한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제2 실시형태를 더욱 상세히 도시한다. 본 발명의 동일한 컴포넌트들에는 동일한 참조 부호들이 부여되고 다음 설명은 본 발명의 본질적인 차이들로 제한된다.
도 4에서 분명한 바와 같이, 제2 실시형태에서는 터빈 하우징(30)과 촉매 변환기 하우징(40)의 기계적 및 열적 결합을 위한 유지 브래킷(43)이 생략된다. 제2 실시형태에 따르면, 촉매 변환기 하우징(40)은 하부 부분(422)과 상부 부분(421)의 두 부분들로 설계된다. 도시된 예시적인 실시형태에서, 촉매 변환기 하우징(40)의 하부 부분(422)은 터빈 하우징(30)과 함께 일체형으로 제조되고, 즉 금속 주조 방법으로의 터빈 하우징(30)의 1차 형성 동안 하부 부분(422)은 또한 터빈 하우징(30)의 동질의 컴포넌트로서 동일한 방법 단계에서 제조된다.
촉매 변환기 하우징(40)의 하부 부분(422)과 터빈 하우징(30)의 일체형 또는 모놀리식 생산으로 인해, 부분 표면(45)에서는 두 컴포넌트들의 열적 결합을 일으키고 요철, 오염 또는 산화로 인해 열 입력을 방해하는 계면이 없다. 따라서, 터빈 하우징(30)으로부터 촉매 변환기 하우징(40)으로의 열 입력은 더욱 균일하거나 및/또는 더욱 효과적일 수 있다. 본 발명의 다른 실시형태들에서, 촉매 변환기 하우징의 적어도 일 부분과 터빈 하우징의 이러한 일체형 접합 연결은 또한 납땜, 용접 또는 3D 프린팅에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 제2 실시형태에 따른 모놀리식 제조의 경우, 오버플로 채널들(15, 25 및 35)은 또한 하우징에서의 오목부들 또는 구멍들에 의해 간단한 방식으로 제조될 수 있다. 또한, 2방향 또는 3방향 밸브들이 또한 하우징에 통합될 수 있고, 이 밸브들은 가열식 촉매 변환기(4)의 동작 파라미터들을 미리 결정 가능한 목표 조건에 맞추도록 한편으로 배기 가스 또는 신선한 공기의 공급에 영향을 주고 다른 한편으로 프로덕트 가스의 제거에 영향을 미칠 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 배기 가스 후처리 장치(72, 73 및 74) 및 터보차저를 갖는 내연 기관(7)의 블록도를 나타낸다. 명확성을 위해, 압축기 배열체(2), 배기 가스 터빈(3) 및 가열식 촉매 변환기(4)는 도 6에서 공간적으로 분리된다. 당업자는 도 1 내지 도 5를 참조하여 상술한 바와 같이 본 발명의 이 컴포넌트들이 함께 작용한다는 것을 알고 있음은 물론이다.
내연 기관(7)은 자가 점화 또는 스파크 점화 내연 기관일 수 있다. 내연 기관(7)은 주변 공기로 연료를 연소시킴으로써 기계적 동력을 제공하도록 설계된다. 내연 기관(7)은 자동차, 트럭, 선박, 건설 기계에 사용될 수 있거나, 고정식으로 압축기, 발전기, 열병합 발전 유닛 또는 유사한 장치에서 사용될 수 있다.
동작 동안, 내연 기관(7)에는 공기 필터(77)를 통해 신선한 공기 또는 주변 공기가 공급된다. 신선한 공기는 압축기 배열체(2)에서 더 높은 압력 레벨로 된다. 이를 위해, 신선한 공기는 신선한 공기 입구(201)에 공급되고, 압축기 임펠러에 의해 압축된 후 신선한 공기 출구(202)를 통해 내연 기관(7)에 공급된다.
압축기 배열체는 회전 샤프트(8)에 의해 구동되고, 그 구동 동력은 배기 가스 터빈(3)에 의해 제공된다. 이를 위해, 내연 기관(7)으로부터의 배기 가스는 배기 가스 입구(301)를 통해 배기 가스 터빈에 공급된다. 그런 다음, 배기 가스는 배기 가스 출구(302)를 통해 배기 가스 터빈(3)을 나간다.
그런 다음, 배기 가스는 배기관(71)을 통해 배기 가스 후처리 장치에 공급되어, 그을음 입자들 및 가스 오염 물질들을 감소시킬 수 있다. 도시된 예시적인 실시형태에서, 배기 가스 후처리 장치는 탄화수소 및 일산화탄소를 산화시키도록 설계된 산화 촉매 변환기(72)를 포함한다. 이 방식으로 전처리된 배기 가스는 미세한 먼지 입자들을 보유하는 미립자 필터(73)에 도달한다. 그런 다음, 배기 가스는 요소의 추가로 질소 산화물을 감소시키는 SCR 촉매 변환기(74)에 공급된다. 배기 가스 온도들은 가열식 촉매 변환기(4) 및 내연 기관(7)을 개방 루프 또는 폐쇄 루프 방식으로 제어하도록 다양한 온도 센서들(TIA)을 사용하여 여러 지점들에서 측정될 수 있다.
산화 촉매 변환기(72) 및 SCR 촉매 변환기(74)는 동작하기 위해 예를 들면 250℃ 초과의 높은 온도들을 요구한다. 미립자 필터(73)는 저온에서도 기능하지만, 축적된 미립자들을 산화하고 이 방식으로 미립자 필터를 재생하기 위해서는 때때로 높은 온도들에서 동작되어야 한다. 따라서, 배기관(71)에서 흐르는 배기 가스를 미리 결정 가능한 온도가 되게 하거나 높은 온도로 유지할 필요가 있다. 선행 기술에 따르면, 이는 내연 기관(7)의 적절한 동작 조건, 예를 들면 늦은 분사 또는 후 분사에 의해 달성될 수 있다. 그러나, 이는 배기 가스 거동을 악화시키고 내연 기관(7)의 연료 요구량을 증가시킨다.
따라서, 본 발명에 따르면, 배기 가스 후처리 장치의 적어도 하나의 컴포넌트(72, 73, 74)에 열을 도입하도록 설계된 가열식 촉매 변환기(4)를 사용하는 것이 제안된다. 이를 위해, 전기 구동 펌프(46)를 통해 저장 탱크(74)로부터 가열식 촉매 변환기(4)에 연료가 공급되고, 이 연료는 연료 입구(403)를 통해 가열식 촉매 변환기(4)의 촉매 변환기 하우징(40)에 들어간다. 촉매 물질로 코팅된 촉매 변환기 지지체는 촉매 변환기 하우징(4) 내부에 배열된다.
가장 단순한 경우에, 연료 입구(403)를 통해 들어가는 연료는 가열식 촉매 변환기(4)에서 기화되고 가스 출구(402)를 통해 촉매 변환기 하우징(4)을 나갈 수 있다. 제1 단부(351)와 반대 쪽의 제2 단부(352)를 갖는 제3 오버플로 채널(35)에 의해, 이 연료 증기는 배기관(71)에 도입될 수 있고, 배기 가스 터빈(3)에 의해 생성된 난류는 효과적인 혼합을 보장한다. 그런 다음, 연료 증기는 산화 촉매(72) 및/또는 하류 컴포넌트(73 또는 74)에서 산화되어 열을 방출할 수 있다.
다른 동작 상태들에서, 연료는 배기 가스 및/또는 신선한 공기에 의해 가열식 촉매 변환기(4)에서 변환되어 고온 가스 또는 합성 가스가 형성될 수 있고, 이것은 동일한 방식으로 제3 오버플로 채널(35)을 통해 배기관(71)에 공급될 수 있다. 합성 가스는 또한 산화 촉매 변환기(72) 또는 하류 컴포넌트(73, 74)에서 변환될 수 있으므로, 기화되었지만 화학적으로 변하지 않은 연료에 비해 착화 온도가 내려가는 것이 가능하다.
연료를 배기 가스 또는 신선한 공기에 의해 변환하도록, 가열식 촉매 변환기(4)는 또한 가스 입구(401)를 포함한다. 가스 입구(401)는 3방향 밸브(53)를 통해 제1 오버플로 채널(15) 및 제2 오버플로 채널(25)에 연결된다. 제1 오버플로 채널(15)은 제1 단부(151)를 통해 배기 가스 터빈(3)의 가스 입구(301)에 연결되어 배기 가스가 비교적 높은 압력 레벨로 추출되어 3방향 밸브(53)의 포트에 공급될 수 있다. 또한, 도시된 실시형태는 제2 오버플로 채널(25)을 포함하고, 그것의 제1 단부(251)는 압축기 배열체(2)의 신선한 공기 출구(202)에 연결된다. 반대 쪽의 제2 단부(252)는 3방향 밸브(53)의 추가 포트에 연결된다. 따라서, 3방향 밸브(53)의 위치에 따라, 신선한 공기나 배기 가스 또는 둘 모두가 가스 입구(401)를 통해 가열식 촉매 변환기(4)의 촉매 변환기 하우징(40)에 공급될 수 있다. 따라서, 가열식 촉매 변환기(4)에서의 산소 함량은 3방향 밸브(53)의 위치에 의해 조정되어 공급되는 연료의 변환 유형에 영향을 줄 수 있다.
가열식 촉매 변환기(4)에서의 연료의 변환과 단순 기화 둘 모두는 한편으로 가열식 촉매 변환기(4)에서 연료의 적어도 부분적인 산화에 의해 생성될 수 있는 열에너지를 요구한다. 그러나, 또한 이 에너지는 가열식 촉매 변환기(4)를 배기 가스 터빈(3) 및/또는 압축기 배열체(2)에 열적으로 결합함으로써 본 발명에 따라 실현될 수도 있다.
전자식 개루프 또는 폐루프 제어 장치(76)는 공급되는 연료의 양과 3방향 밸브(53), 및 필요한 경우 가열식 촉매 변환기(4)의 추가 컴포넌트들을 구동하는 데 이용 가능하다. 이 장치는 선택적으로 데이터 버스를 통해 엔진 제어 유닛(75)에 연결될 수 있어, 가열식 촉매 변환기(4)를 구동할 때 내연 기관(7)의 동작 조건도 고려할 수 있다.
가열식 촉매 변환기(4)를 배기 가스 터보차저에 완전히 통합할 경우, 추가적인 부품들을 또한 절약할 수 있다. 도시된 예시적인 실시형태에서, 3방향 밸브(53)는 웨이스트게이트(wastegate) 밸브를 대체하는 데 사용될 수도 있다. 이를 위해, 신선한 공기 출구(202)에서의 압력이 허용될 수 없을 정도로 상승하는 경우, 가열식 촉매 변환기(4)에의 연료 공급이 중단될 수 있고 3방향 밸브(53)가 열려 배기 가스가 추가적인 열 생성 없이 가열식 촉매 변환기(4)를 통해 배기 가스 터빈(3)의 고압 측으로부터 저압 측으로 흐를 수 있다.
본 발명이 도시된 실시형태들에 제한되지 않음은 물론이다. 그러므로, 위의 설명은 제한이 아니라 설명인 것으로 간주되어야 한다. 다음 특허청구범위는 명시된 특징이 본 발명의 적어도 하나의 실시형태에 존재하는 방식으로 이해되어야 한다. 이는 추가 특징들의 존재를 배제하지 않는다. 특허청구범위 및 위의 설명이 "제1" 및 "제2" 실시형태들을 정의하는 경우, 이 지정은 순위 순서를 결정하지 않고 2개의 유사한 실시형태들 사이를 구별하는 데 사용된다.
Claims (13)
- 터보차저(1)에 있어서,
내연 기관의 신선한 공기를 압축하도록 구성되는 압축기 배열체(2)로서, 신선한 공기 입구(201) 및 신선한 공기 출구(202)를 갖는 적어도 하나의 압축기 하우징(20)을 포함하고, 적어도 하나의 압축기 임펠러가 상기 압축기 하우징(20)에 배열되는 상기 압축기 배열체(2), 및
상기 압축기 배열체(2)를 구동하기 위한 적어도 하나의 배기 가스 터빈(3)으로서, 배기 가스 입구(301) 및 배기 가스 출구(302)를 갖는 적어도 하나의 터빈 하우징(30)을 갖고, 적어도 하나의 터빈 휠이 상기 터빈 하우징(30)에 배열되는 상기 적어도 하나의 배기 가스 터빈(3)을 포함하고,
상기 터보차저(1)는, 적어도 부분적으로, 공급된 연료를 신선한 공기 및/또는 배기 가스에 의해 변환하도록 구성되는 가열식 촉매 변환기(4)를 더 포함하고, 상기 가열식 촉매 변환기(4)는 가스 입구(401) 및 가스 출구(402) 및 연료 입구(403)를 갖는 촉매 변환기 하우징(40)을 포함하고,
일차적으로 상기 촉매 변환기 하우징(40)과, 이차적으로 상기 압축기 하우징(20) 및/또는 상기 터빈 하우징(30)은 적어도 일 부분 표면(45)에서 열 접촉하는 것을 특징으로 하는, 터보차저(1). - 제1항에 있어서,
제1 단부(151) 및 반대 쪽의 제2 단부(152)를 갖는 제1 오버플로 채널(15)을 더 포함하고, 상기 제1 단부(151)는 상기 터빈 하우징(30)의 상기 배기 가스 입구(301)에 연결되고 상기 제2 단부(152)는 상기 촉매 변환기 하우징(40)의 상기 가스 입구(401)에 연결되는, 터보차저. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
제1 단부(251) 및 반대 쪽의 제2 단부(252)를 갖는 제2 오버플로 채널(25)을 더 포함하고, 상기 제1 단부(251)는 상기 압축기 하우징(20)의 상기 신선한 공기 출구(202)에 연결되고 상기 제2 단부(252)는 상기 촉매 변환기 하우징(40)의 상기 가스 입구(401)에 연결되는, 터보차저. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 단부(351)와 반대 쪽의 제2 단부(352)를 갖는 제3 오버플로 채널(35)을 더 포함하고, 상기 제1 단부(351)는 상기 촉매 변환기 하우징(40)의 상기 가스 출구(402)에 연결되고 상기 제2 단부(352)는 상기 터빈 하우징(30)의 상기 배기 가스 출구(302)에 연결되는, 터보차저. - 제4항에 있어서,
적어도 하나의 노즐(353)이 상기 제3 오버플로 채널(35)의 상기 제2 단부(352) 상에 배열되는 것을 특징으로 하는, 터보차저. - 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
2방향 밸브(52)가 상기 제1 오버플로 채널(15) 및/또는 제2 오버플로 채널(25) 및/또는 제3 오버플로 채널(35)에 존재하는 것을 특징으로 하는, 터보차저. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
3개의 입구들/출구들을 갖는 3방향 밸브(53)를 더 포함하고, 상기 3방향 밸브(53)에 제1 오버플로 채널(15) 및 제2 오버플로 채널(25) 및 상기 가스 입구(401)가 연결되는, 터보차저. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 촉매 변환기 하우징(40)의 적어도 일 부분(421, 422)과 상기 압축기 하우징(20) 또는 상기 터빈 하우징(30)이 일체형으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 터보차저. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 촉매 변환기 하우징(40)의 적어도 일 부분(42)과 상기 압축기 하우징(20)과 상기 터빈 하우징(30)이 일체형으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 터보차저. - 제8항 또는 제9항에 있어서,
제1 오버플로 채널(15) 및/또는 제2 오버플로 채널(25) 및/또는 제3 오버플로 채널(35)은 상기 촉매 변환기 하우징(40)에서 및/또는 상기 압축기 하우징(20)에서 및/또는 상기 터빈 하우징(30)에서 적어도 구간(section)들에 있어서 구멍(bore)으로서 설계되는 것을 특징으로 하는, 터보차저. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
약 0.5kW 내지 약 6kW, 약 1kW 내지 약 4kW, 또는 약 0.5kW 내지 약 3kW의 열 흐름이, 배기 가스가 상기 터빈 하우징(30)을 통해 흐를 경우 한편의 상기 촉매 변환기 하우징(40)과 다른 편의 상기 압축기 하우징(20) 및/또는 상기 터빈 하우징(30) 사이의 열 접촉에 의해 상기 촉매 변환기 하우징(40)에 도입될 수 있는 것을 특징으로 하는, 터보차저. - 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 촉매 변환기 하우징(40)과, 상기 압축기 하우징(20) 또는 상기 터빈 하우징(30) 중 적어도 하나는 주조 부품으로서 제조되는 것을 특징으로 하는, 터보차저. - 터보차저를 갖는 내연 기관을 개조하는 방법에 있어서,
기존 터보차저를 제거하는 단계, 및
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 터보차저를 설치하는 단계를 포함하는, 방법.
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