KR840001348B1 - 배기 바이패스식 터어보 과급기 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

배기 바이패스식 터어보 과급기

제1도는 본 발명에 의한 배기 바이패스식 터어보 과급기의 1실시예를 나타낸 단면도.

제2도는 엔진 회전수에 대한 요구되는 콤프레서 토출압력 특성 및 구동기구 압력특성 선도표.

제3도는 본 발명의 실시예에 따른 콤프레서 토출력에 대한 구동기구 압력특성 선도표.

제4도는 제3도의 조건에서 엔진의 과급특성을 나타낸 도면도이다.

본 발명은 내연기관의 배기가스에 의해 회전되는 터빈에 의해 구동되는 콤프레서를 사용하여 상기 내연기관에 공급된 공기를 가압하는 터어보 과급기에 관한 것이며, 특히 터빈에 유입하는 배기가스의 일부를 배기 바이패스 밸브를 열어서 방출하여 터빈의 회전 상태가 제어되도록 하는 바이패스식 터어보 과급기(turbo- oharger)에 관한 것이다.

요즈음 내연기관(엔진)의 소형화와, 효율화가 요구되고 있으므로, 내연기관에의 공급공기를 이 엔진의 배기가스를 이용하여 가압하는 터어보 과급기가 많이 쓰이고 있다.

이 터어보 과급기의 콤프레서 토출압력은 엔진의 은전상태에 관계없이 항상 소정의 압력으로 유지되고 있어야 한다.

이 요구를 만족시키기 위하여 종래의 터어보 과급기에서는 콤프레서의 토출압력의 일부를 대기에 방출함으로써 방출부하류의 압력을 거의 일정하게 유지시켜왔다. 그러나 이와같이 먼저 콤프레서를 작동시켜 발생된 압력을 방출하는 것은 손실이 큰 것으로 판명되었다. 이 때문에 배기가스가 터어보 과급기의 터빈을 구동하기전, 즉 작동하기 전에 배기가스의 일부를 외부로 방출하여 손실을 줄이려는 터어보 과급기, 소위 배기 바이패스식 터어보 과급기가 개발되어 있다.

그래서 실예로 미국특허 제211,081호의 “터어보 과급기의 배기 바이패스 시스템”에 있어서는 배기 바이패스 밸브를 개폐하는 구동기구를 직접 콤프레서의 토출압력에 의해 제어하고 있었다.

이때 배기 바이패스식 터어보 과급기에 요구되는 콤프레서의 토출압력 특성은 바이패서 밸브가 열리기 시작한 후로부터 완전히 열린때까지의 콤프래서 토출압력이 가능한한 일정치에 있는 것이 요망되고 있다. 그러나 종래의 콤프래서 토출압력의 변화량에 비례하여 작동하므로 원리적으로 요구되는 콤프레서 토출압력을 일정하게 제어하기가 불가능하고 엔진의 은전상태에 비례하여 제어도는 수밖에 없었다. 이 때문에 엔진의 기계적 강도상 허용할 수 있는 콤프레서 토출압력의 최대치(일일반적으로는 게이지 압력으로 약 650mmHg)가 정해지므로써 이 때에 바이패스 밸브가 완전히 열리도록 하고 있다. 한편 바이패스 밸브가 완전히 개방되어 있을 때 벨로우즈 등으로 된 구동기구의 벨로우즈 내외간의 차이가 구동기구의 충분한 동작을 가능하게 하는 압력차(일반적으로 200mmHg)가 되게 하기 위하여, 바이패스 밸브가 열리기 시작할 때의 콤프레서 토출압력을 바이패스 밸브가 완전히 개방되었을 때의 압력에 비해 상당히 낮게 해야만 한다.

이 결과 바이패스 밸브의 개방동작이 시작될 때의 콤프레서 토출압력은 요구되는 압력보다 낮게되어 엔진의 구동성이 악화되는 불리한 상태가 발생한다. 또한 전술한 바와같이 구동기구의 작동 압력을 200mmHg로 낮게 설정해야 하므로, 구동기구의 스프링 정수를 가능한한 작게 해야만 한다.

이 때문에 구동기구가 쉽게 불안정하게 됨으로써 차량의 진동에 의하여 구동기구가 진동하게 되어 동작불안정을 일으키는 한편 최소화된 스프링 정수 때문에 구동기구가 고유진동 주파수를 갖게 되므로 차량의 진동에 따라서 진동하기 쉽게된다. 결국 두 경우에서 보듯이 어떻게 하여도 구동기구의 동작특성이 현저하게 나빠진다.

본 발명의 목적은 배기 바이패스 밸브가 개방되기 시작할때부터 완전히 개방될때까지 콤프레서 토출압력의 변화량을 최소화할 수 있는 배기 바이패스식 터어보 과급기를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 안정된 가동상태하에서 콤프레서 토출압력을 소정값 이상에서 실질적으로 일정하게 유지할 수 있는 배기 바이패스식 터어보 과급기를 제공하는데 있다.

본 발명에 의하면 콤프레서의 토출압력의 변화량을 소정의 증폭율로 증폭하기 위한 트랜스듀우서를 통로에 노출시키며, 이 통로를 통과하여 콤프레서 토출압력이 배기 바이패스 밸브의 구동기구로 전달됨으로써, 트랜스 듀우서에 의해 콤프레서 토출압력을 원하는 비례증폭을로 제어할 수 있음을 이용하여, 콤프레서 토출압력의 작은 변화에 의해 구동기구를 완전하게 동작시키도록 한 것이다.

이하 본 발명의 1실시예를 도면에 의해 설명한다.

제1도에 있어서 터어보 과급기 본체(1)에는 터빈(2) 및 콤프레서(3)가 설치되고, 이러한 터빈(2) 및 콤프레서(3)의 임펠러는 샤프트(4)로서 일체로 연결되어 있다. 터빈(2)은 배기가스 유입통로(101)를 통해 엔진(100)과 연통되고 콤프레서(3)는 공기배출통로(102)를 통해 상기한 엔진과 연통된다. 상기 터빈(2)의 입구측에는 터빈(2)에 유입하는 배기가스의 일부를 이 터빈(2)를 통과시키지 않고 바이패스 통로(5)에 방출하기 위한 배기 바이패스 밸브(6)가 설치되어 있다. 이 배기 바이패스 밸브(6)의 로드(rod)(7)는 터빈(2)의 케이싱내를 관통하여 케이싱 밖으로까지 돌출되어 바이패스 밸브구동 기구(8)내에 장착된 벨로우즈(9)의 헤드부에 고정되어 있다.

이 벨로우즈(9)의 개구단은 바이패스 밸브 구동기구(8)의 내면에 고정됨과 동시에 그 내방은 연통공(10)을 거쳐서 터빈(2)내에 연통되어 있다. 한편 벨로우즈(9)의 외주에 형성되는 작동압력실(11)은 오리피스(12)를 통해 대기와 연통됨과 동시에 통로로서의 파이프(12)를 거쳐서 트랜스듀우서(14)의 출구 파이프(15,16)에 연통되어 있다.

트랜스듀우서(14)는 압력을 받는 유효면적이 제1의 다이아프램(17)과 유효면적이 작은 제2의 다이아프램(18)을 그 내부에 갖추고 이러한 다이아프램(17),(18)은 로드(19)에 의해 연결되어 일체로서 구동하도록 되어 있다. 또 제1 및 제3의 다이아프램(17),(18)에 의해 케이싱(103)으로 싸여진 트랜스듀우서(14) 내에는 3개의 압력실(20),(21),(22)이 있다. 제1의 다이아프램(17)과 트랜스듀우서(14)의 케이싱(103)으로 형성되는 제1의 압력실(20)에는 상기 출구 파이프(15) 및 입구파이프(23)가 연결되고 제1 및 제2의 다이아프램(17),(18) 사이에 형성되는 제2의 압력실(21)에는 상기 출구 파이프(16)가 연결된다. 그리고 제2의 다이아프램(18)과 케이싱(103)과의 사이에 형성되는 제3의 압력실(22)은 연통공(24)을 거쳐서 대기에 연통되고 있다. 상기한 제1의 다이아프램(17)의 출구 파이프(15)에 대향한 위치에는 시이트 밸브(25)가 고착되고 이 시이트밸브(25)는 제2의 다이아프램(18)과 케이싱(103)으로 이루어진 제3의 압력실(22)내에서 장착된 세트 스프링(26)에 의해 출구파이프(15)를 폐쇄하기 위하여 제1 및 제2의 다이아프램(17),(18) 및 로드(19)를 거쳐서 항상 힘을 받고 있다.

상기한 트랜스듀우서(14)의 입구 파이프(23)는 통로로서의 파이프(27)를 거쳐서 콤프레서(3)의 토출측에 연통되어 있으므로 콤프레서(3)의 토출압력이 파이프(27), 입구파이프(23)를 거쳐서 트랜스듀우서(14)의 제1의 압력실(20)내에 도입될 수 있도록 되어있다.

다음에 본 실시예의 동작을 제1도에서 제4도를 참조하여 설명한다.

제1도에 있어서 엔진(100)의 배기가스가 터빈(2)에 공급되어 터빈(2)이 구동되면 샤프트(4)를 거쳐서 동시에 콤프레서(3)가 구동된다. 이 콤프레서(3)의 구동에 의해 발생되는 토출압력은 파이프(27) 및 입구파이프(23)를 거쳐서 트랜스듀우서(14)의 제1의 압력실(20)에 전달된다. 이 토출압력이 작은 동안은 출구 파이프(15)는 시이트 밸브(25)에 의해 폐쇄되어 있고 배기 바이패스 밸브(6)의 구동기구(8)의 작동 압력실(11)내에는 콤프레서(3)의 토출압력은 전달되지 않는다.

이어서 엔진이 변속운전되고 터빈(2)의 회전수가 상승하여 콤프레서(3)의 토출압력이 상승하면 제1 및 제2의 다이아프램(17),(18)이 세트스프링(26)의 탄성력에 대향하여 도면중 상방으로 이동하여 출구파이프(15)가 개방되고 이에 따라서 변화된 토출압력이 파이프(13)를 거쳐서 작동 압력실(11)내에 전달된다. 이것에 의해 작동압력실(11)의 압력과 벨로우즈(9)내, 즉 연통공(10)을 거쳐서 연통되어 있는 터빈(2)내의 배기가스와의 압력차이에 의해 배기 바이패스 밸브(6)가 개방된다.

이 때문에 배기가스의 일부가 바이패스 통로(5)에 방출되어 터빈(2)을 구동하는 힘이 약해져 콤프레서(3)의 토출압력이 감소하고 트랜스듀우서(14)의 제1의 압력실(20)의 압력도 감소하여 제2압력실(21)에 작용한 압력과 세트 스프링(26)의 탄성력에 의해서 시이트 밸브(25)가 출구 파이프(15)에 밀착된다.

한편 작동압력실(11)내에 잔류한 압력은 오리피스(12)를 통해 서서히 대기중으로 방출되고 이 방출에 의해 벨로우즈(9) 내외의 압력차이가 없어지고 밸로우즈(9)가 신장하여 배기 바이패스 밸브(6)가 폐쇄된다.

배기 바이패스 밸브(6)가 폐쇄되고, 또 엔진(100)의 회전수가 높으면 다시 콤프레서(3)의 토출압력이 상승하여 전술한 동작을 반복하고 토출압력이 일정하게 유지된다.

이때 토출압력의 변화는 트랜스듀우서(14)에 의해 소정의 증폭율로 증폭되므로 약간의 변화에 의해서도 바이패스 밸브 구동기구(8)가 작동되게 된다.

제2도는 엔진(100)회전수와 구동 기구압력(Ps)(mmHg)과의 관계 및 엔진(010)회전수와 콤프레서(3)토출압력(Pc)과의 관계를 나타내는 것이다. 특성 A는 배기 바이패스 밸브(6)를 강제적으로 완전히 닫힌 상태를 유지시킨 경우의 콤프레서 토출압력을 나타낸다.

특성.는 배기 바이패스 밸브(6)를 작동시킨때에 요구되는 콤프레서 토출압력을 나타낸다. 도시한 1예에서는 토출압력이 600mmHg일 때 배기 바이패스 밸브(6)가 열리기 시작하고, 토출압력이 650mmHg에서 배기 바이패스 밸브(6)가 완전히 개방되도록한 특성을 나타낸다.

한편 특성 C는 콤프레서 토출압력을 상기한 바와같이 600mmHg에서 650mmHg로 제어하는데 필요한 바이패스 밸브 구동기구(8)의 파이프(13)에 공급하는 압력을 나타낸다. 이 예에서는 구동 기구압력이 100mmHg일 때에 배기 바이패스 밸브(6)가 열리기 시작하고, 구동기구 압력이 600mmHg에서 완전히 개방되도록 되어 있다.

그리고 쇄선으로 나타낸 직선(S)을 바이패스 밸브 구동기구(8)의 동작 개시점을 나타내고 있다.

그래서 트랜스듀우서(14)의 제1 및 제2의 다이아프램(17),(18)의 압력을 받는 유효면적을 각각 A_L과 S_S로 하고 세트스프링(26)의 하중을 W로 한때 트랜스듀우서(14)가 균형을 이룰때는 다음 (1)식과 같이 된다.

여기서 시이트(25)에 가해지는 힘은 시이트 면적을 매우 작게 함으로써 생략할 수 있는 것으로 한다.

(1)식을 변형하여 정리하면 (2)식과 같이 된다.

(2)식에 있어서,

의 항은 정수이고 한편,

의 항은, P_C의 변화에 따라

의 비율로 P_S값이 변한다는 것을 알 수 있다.

즉 다이아프램이 받는 압력의 유효면적을 적당하게 선택함으로써 P_C의 변화량에 대하여 P_S를 임의로 설정할 수 있다.

상기한 1예에 따라서 제1 및 제2의 다이아프램(17),(18)의 규격을 구해보면 바이패스 밸브 구동기구(8)의 작조건에 따라 P_C=600mmHg일 때 P_S=100mmHg를 (2)식에 대입하면 (3)식이 얻어진다.

또 P_C=650mmHg일 때를 대입하면, (4)식이 얻어진다.

(3),(4)식을 대입정리하면, (5)식이 얻어진다.

예컨대 A_S=9cm로 선택할 때, (5)식 및 (3)식으로 A_L=10cm 및 W≒7.7g이 된다.

이 경우에 600mmHg의 토출압력(P_C)이 트랜스듀우서(14)의 제1압력실(20)로 도입되면 출구파이프(15)는 열리게되어 토출압력을 제2압력실(21)로 유입시키고 그 때에 출구파이프(15)는 닫혀진다. 그 결과 작동압력실(11)의 구동 기구압력은 약 100mmHg로 되어 배기 바이패스 밸브(6)를 약간 열리게 한다. 그리고 토출압력이 650mmHg일 경우에 출구 파이프(15)는 600mmHg의 토출압력으로 개구될때보다는 장기간동안 열리게 된다. 그 결과 바이패스 밸브 구동기구(8)를 위한 구동 기구 압력이 600mmHg로 되어 바이패스 밸브(6)는 완전히 개방되어 구동된다.

제3도는 본 발명에 의한 1실시예를 실제로 사용한 때의 P_C에 대한 P_S의 관계를 나타낸 것이다. 이 도면에 의하면 콤프레서 토출압력(P_C)이 550mmHg 이하에서는 거의 구동기구 압력(P_S)은 상승시키지 않고, 한편 콤프레서 토출압력(P_C)에 있어서의 약 50mmHg 정도의 변화를 나타내는 동안 바이패스 밸브 구동기구(8)를 완전히 개방시키고 구동시킬 수 있음을 알았다.

제4도는 이때의 과급 특성을 나타낸 것으로서 엔진 회전수가 소정치 이상으로 되어 콤프레서 토출압력(P_C)이 600mmHg를 초과한 후 엔진이 전속력이 되어도 토출압력(P_C)은 약간의 상승비율로 최대 650mmHg까지 상승되는 것을 알았다.

이상과 같이 본 실시예에 의하면 배기 바이패스 밸브(6)를 작동시키는 압력변화량을 예컨대 500mmHg 이상으로 크게취해지므로 바이패스 밸브 구동기구(8)의 스프링 정수도 크게 설정할 수 있고 따라서 내열성이 가장 좋은 금속벨로우즈 등의 사용도 가능하게 되고 공진도 방지할 수 있다. 또 제어된 콤프레서 토출압력(P_C)의 변동도 50mmHg 이하로 작게 억제할 수 있음이 가능하기 때문에 소정속도 이상에서는 엔진의 회전수에 관계없이 거의 마찬가지로 커다란 과급압력을 엔진에 공급할 수가 있어서 엔진의 운전성을 대폭으로 향상할 수 있고 더우기 엔진의 중속 및 저속범위에서 연료소모도 줄일 수 있다.

그리고 상기한 실시예에 있어서는 트랜스듀우서로서 2매의 다이아프램을 사용한 것에 근거하여 설명했으나, 이와같은 형식에 한정지우는 것이 아니고 일체의 피스톤이 받는 압력의 유효면적이 서로 다른 차동 피스톤형의 것과 같은 다른 형식이라도 좋으며, 요컨대 콤프레서 토출압력 변화량을 증폭제어할 수 있는 것이라면 좋다.

상술한 바와같이 본 발명에 의하면 배기 바이패스 밸브, 완전 개방 동작을 위한 콤프레서 토출압력의 변화량을 현저하게 낮은 수준으로 줄일 수 있는 잇점을 가질 수 있다.

Claims (1)

1. 내연기관으로부터 도입되는 배기가스에 의해 구동되는 터빈, 이 터빈으로 구동되어 공기를 내연기관에 공급하기 위한 콤프레서, 상기 내연기관으로부터의 배기 가스의 일부가 터빈을 바이패스하도록 하는 바이패스 통로, 이 바이패스 통로를 흐르는 배기가스량을 제어하는 배기 바이패스 밸브, 압력 도입통로를 통해 콤프레서 토출압력을 도입하여 그 압력에 대한 반응에 따라 바이패스 밸브를 구동하는 바이패스 밸브구 동기 구동으로 이루어지는 터어보 과급기에 있어서, 상기한 압력 도입통로상에서 콤프레서로부터 토출압력의 변화량을 증폭하여 구동기구에 도입되게 하는 트랜스듀우서를 설치하고, 이 트랜스듀우서는 그 내부에 설치된 다이아프램에 의해 이루어진 제1 및 제2의 압력실을 가지며, 이 제2압력실을 제1의 압력실의 하류에서 상기 도입통로와 연통시키며, 제1의 압력실에 있으며, 상기한 다이아프램에 걸려 맞춰진 도입통로를 개폐하는 시이트 밸브, 상기 다이아프램을 개재하여 이 시이트 밸브를 닫도록 작용하고 있는 세트 스프링등으로 이루어진 것을 특징으로 한 배기 바이패스식 터어보 과급기.

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