KR900007817B1 - 터어보 콤파운드 내연기관 - Google Patents

터어보 콤파운드 내연기관 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

터어보 콤파운드 내연기관
제1도는 본 발명에 따른 터어보 콤파운드 내연기관의 일실시예를 나타낸 구성 설명도.
제2도는 본 발명에 사용되는 탭 선택기의 일예를 나타낸 구성 설명도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 내연기관 la : 피스톤
lb : 실린더 라이너(cylinder liner) 3 : 터어보 챠저(turbocharger)
4 : 교류발전-전동기 5 : 배기 터어빈
6 : 교류 발전기 7 : 변압기
8 : 탭 선택기(tap selector) 11: 인버터
12 : 유도 전동기 13 : 회전 센서
본 발명은 내연기관의 배기 에너지릍 회생시킬 수 있는 터어보 콤파운드 내연기관에 관한 것으로서, 특히 배기 에너지에 의하여 구동되는 발전기의 출력에 의하여, 내연기관의 출력축에 전동 연결(operativelycoupled)한 전동기를 구동하여, 에너지의 회생을 기하는 터어보 콤파운드 내연기관에 관한 것이다.
근년에 내연기관의 각부, 예를들면, 배기 매니포울드의 외벽, 실린더 라이너, 실린더 헤드 단열관, 피스톤 등에, 세라믹스를 사용한 단열식의 내연기관이 개발되었다.
이 내연기관에 따르면, 그 내부에 발생한 열을 방열함으로써 내연기관을 냉각할 필요가 없으며, 발생한 고온도의 배기가스가 갖는 에너지를 회생 시켜서, 내연기관의 출력축으로 귀환시켜서, 내연기관의 출력의 향상에 이용할 수 있다.
이와같은 배기 에너지의 회생 방법으로서, 종래로부터 배기가스에 의하여 회전되는 터어빈의 회전력을 다단의 치차 감속기구에 의하여 감속시켜, 크랭크축에 귀환시키는 것이 알려져 있다.
또, 배기 에너지에 회생 장치로서, 일본국 특허출원 공개소 59년 제141713호 공보로서, 교류 발전기를 갖는 배기 터어빈을 배기가스의 에너지에 의하여 회전시켜서, 이 교류 발전기의 출력으로써 내연기관의 출력축에 전동 연결한 유도 전동기를 구동하여 배기 에너지를 회생함과 동시에, 내연기관의 부하의 대소를 판별하는 수단을 형성하여 흡기량을 제어하고, 소부하시에는 배기가스 온도를 높이는 제안이 행해져 왔다.
이와같은 배기 에너지의 회생 방법에 있어서, 전자의 배기가스에 의하여 회전케되는 터어빈의 회전력을 치차 감속기구를 사용하여 크랭크축으로 귀환시키는 방법은, 치차의 전달 효율을 고려하면, 예컨대, 통상 1단으로서 그 효율은 0.9∼0.95이므로, 3단의 감속에서는 약 80%로 효율이 낮으며 또, 치차 기구가 복잡하게 되며 그 원가도 높아짐과 동시에, 소형 승용차에서는 내연기관룸의 공간이 좁으므로 치차 기구의 설치장소에 문제가 생긴다. 다음에 후자의 배기 에너지 회생 장치의 제안에서는, 내연기관의 부하의 대소에 의하여 흡기량을 제어하며, 생긴 배기가스의 에너지에 의하여, 먼저 교류 발전기를 회전시켜서 교류 전력을 얻고, 이 교류 전력을 제어하여 유도 전동기를 구동하여 내연기관의 출력축을 회전시키고 있는데, 출력축의 구동량의 제어가 간접적으로 되어, 출력축의 회전에 대응하여 전동기를 구동할 수가 없는 결함이 생겼다.
본 발명의 목적은 내연기관의 배기 에너지에 의하여 구동되는 배기 터어빈의 회전력을, 다단의 치차 감속기구를 사용함이 없이, 내연기관의 출력축에 그 회전에 대응하여 회수할 수가 있는 터어보 콤파운드 내연기관을 제공함에 있다.
본 발명에 의해, 내연기관의 배기관에 접속된 배기 터어빈에 의하여 구동되는 발전기와 상기 내연기관의 출력축에 전동 연결된 전동기와, 상기 내연기관의 회전수를 검출하는 회전 검출수단과, 상기 발전기에 의하여 발전된 전력을 상기 회전 검출수단으로부터의 신호에 의하여 주파수 제어하고, 상기 전동기를 구동 제어하는 제어수단을 갖는, 터어보 콤파운드 내연기관이 제공된다.
본 발명의 다른 목적 및 특징은, 다음의 설명에 의하여 명백해진다.
본 발명의 실시예를 도면을 사용하여 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명에 따른 터어보 콤파운드 내연기관의 일실시예를 나타낸 구성 설명도이다.
도면에 있어서, (1)은 단열구조를 갖는 내연기관으로서, 피스톤(la), 실린더라이너(lb)등의 연소실과, 배기포트(1c)가 세라믹스에 의하여 구성되어 있다.
상기 배기포트(1c)에 연결되는 배기 매니포울드(2)에는, 교류 발전-전동기(4)를 갖는 터어보 챠저(3)가 접속되어 있다.
터어보 챠저 (3)의 회전축(31)에는, 터어빈 블레이드(3a)와, 교류 발전-전동기(4)의 로우터(4a)와, 콤프레셔 블레이드(3b)가 동축상으로 직결하여 장착되어 있다. 상기 교류 발전-전동기(4)의 로우터(4a)는, 희토류 원소(rare earth element)등으로 된, 강력한 자기력을 갖는 영구 자석으로써 구성되어 있다. 이 로우터(4a)에 대향하여 형성된 스테이터(4b)는 도시하지 않았으나, 바테리로부터 인버터를 통하여 소정 주파수의 교류 전력이 공급되도록 되어 있으며, 전력이 공급되면, 상기 로우터(4a)를 회전시킨다.
이 로우터(4a)가 회전하면, 상기 회전축(31)을 통하여 콤프레셔 블레이드(3b)가 구동하여 내연기관(1)에 과급공기를 압송한다. 또, 상기 교류 발전-전동기(4)는 내연기관(1)에 배기 매니포울드(2)로부터 배출되는 배기가스에 의해 터어빈 블레이드(3a)가 회전하여 로우터(4a)가 구동되면 발전기로 되어서, 스테이터(4b)에 접속한 변압기(7)에 교류 전력을 입력한다. 그리고, 상기 터어보 챠저(3)는 상기의 배기 매니포울드(2)로부터의 배기가스에 의하여 터어빈 블레이드(3a)가 구동됨으로써 콤프레셔 블레이드(3b)를 회전시켜, 과급공기를 내연기관(1)으로 압송함도 물론 행한다.
(5)는 교류 발전기(6)를 갖는 배기 터어빈으로서, 상기의 터어보 챠저(3)의 배출구(3c)에 접속되며, 터어빈 블레이드(3a)로부터 공급되며 배기 에너지가 잔존해 있는 배기가스(G)에 의하여 구동되는 터어빈 블레이드(5a)를 갖고 있다. 터어빈 블레이드(5a)와 연결된 회전축상(61)에는 강력한 잔류 자기력을 갖는 영구자석으로된 로우터(6a)가 형성되며, 이 로우터(6a)와 대향하는 교류 권선을 갖는 스테이터(6b)와 함께 교류 발전기(6)를 구성하고 있다.
따라서, 터어빈 블레이드(5a)의 회전에 의하여 발전되는 스테이터(6b)로부터의 발전 전력은, 상기의 발전-전동기(4)의 발전시의 전력과 비교하면 소전력이기는 하지만 배기가스(G)가 갖는 에너지는 충분히 전력으로서 회생될 수가 있다.
변압기(7)는 후술하는 복수개의 탭(7a)이 인출되는 권선을 가지며, 교류 발전기(6)의 발전 전압에 대응하는 전압 신호 VS에 의하여, 탭 선택기(8)가 제어되어서 탭(7a)이 선택되며, 변압기(7)의 출력은 교류발전기(6)의 발전 전압에 대응하는 전압이 출력되도록 구성되어 있다.
제2도는 탭 선택기(8)의 일예를 나타낸 구성 설명도이다. 탭 선택기(8)는 탭(7a)을 선택하는 레버(8a), 상기 전압 신호 VS에 의하여 제어되는 전자 플런저의 코일(8b), 이 코일(8b)에 흡인 되어서 레버(8a)의 위치를 이동하는 피스톤(8c), 이 피스톤(8c)을 기준의 소정 위치로 당기는 스프링(8d)등으로 된다.
그리고, 이 탭 선택기(8)는 교류 발전기(6)의 발전 전압에 대응하는 전압신호 VS가 전자 플런저의 코일(8b)에 입력되면, 스프링(8d)의 탄성력에 대항하여 피스톤(8c)를 흡인하여 레버(8a)를 이동시켜, 전압신호VS에 따른 탭(7a)를 선택한다. 따라서 교류 발전기(6)의 발전 전압의 고저에 따라서 탭(7a)이 선택되며, 변압기(7)로부터 출력되는 발전-전동기(4)의 발전시의 전력은, 교류 발전기(6)의 전압에 대응한 전압으로 제어된다.
제1도에 있어서, 상기 교류 발전기(6)에 의하여 발전된 교류 출력 및 발전-전동기(4)에 의하여 발전되어 변압기(7)를 통한 교류 출력은, 인버터(11)에 입력된다.
한편, 내연기관(1)은 크랭크축(1d)에 기어(1e)가 장착되어 있으며, 이 기어(1e)에 치합하는 기어(12a)는 유도 전동기(12)의 축에 의해 구동된다. 크랭크축(ld)의 회전수를 검출하는 수단으로 되는 회전센서(13)도 내연기관(1)에 장착되며, 그 검출신호 NS는 상기 인버터(11)로 송출된다. 그리하여, 인버터(11)에서는 입력된 직류 DCI과 DCII를 가하여, 검출신호 NS에 대응한 주파수의 교류로 변환하고, 이 교류 출력에 의하여 유도 전동기(12)를 구동한다. 따라서, 크랭크축(1d)의 회전수에 대응하여 검출신호 NS가 변화하면, 이 검출신호 NS에 의하여 인버터(11)의 교류 출력의 주파수가 제어되므로, 유도 전동기(12)의 회전수는 크랭크축의 회천수에 대응하여 변화하여, 항상 크랭크축의 토크를 조세하게 된다.
다음에, 이와같은 구성의 본 실시예의 작동을 설명한다.
단열구조를 갖는 내연기관(l)으로부터의 고온의 배기가스는 배기 매니포울드(2)를 통하여 터어보 챠저(3)로 유도되어, 터어빈 블레이드(3a)에 직결된 발전-전동기(4)를 구동한다 이와같이 하여 구동된 발전-전동기(4)에 의하여 발전된 전력은 변압기(7)에 입력된다. ·
한편 잔존하는 에너지를 갖는 배기가스 G는 터어보 챠저(3)를 거쳐서 배기 터어빈(5)에 유도되어 터어빈블레이드(5a)를 회전시켜, 직결된 교류 발전기(6)를 구동한다. 이 교류 발전기(6)는 그 발전 전력을 정류기(10)에 보냄과 동시에, 이 발전 전력의 전압에 대응하는 전압신호 VS를 상기 탭 선택기(8)의 전자 플런저의 코일(8b)에 송신한다.
탭 선택기(8)는 전술한 바와같이, 전압신호 VS에 의하여 피스톤(8c)이 제어되어, 변압기(7)로부터 인출한 탭(7a)을 선택하므로, 변압기(7)의 출력은 교류 발전기(6)의 발전 전압에 대응하는 전압으로 되어서 인버터(11)로 보내진다.
인버터(11)에 있어서는, 발전-전동기(4)와 교류 발전기(6)와의 전력이 가산되어서, 크랭크축(ld)를 회전시키는 유도 전동기(12)를 구동하는 교류 전력으로 변환된다. 그리하여 변환되는 교류 전력의 주파수는 크랭크축(1d)의 회전 센서(13)로부터의 검출신호 NS에 의하여 제어되며, 크랭크축의 회전수가 낮은 때에는 검출신호 NS의 주파수가 낮으며, 그러므로 인버터(11)의 교류 출력은 낮은 주파수로 제어되어서 유도전동기(12)를 저 회전시키고, 기어(12a), 기어(1e)를 통하여 크랭크축(ld)의 회전을 조세한다. 또, 크랭크축(ld)이 고회전일 때에는 이 고회전에 의하여 검출신호 NS의 주파수도 높아지며, 제어되는 인버터(11)로 부티의 교류 출력도 높은 주파수로 되므로, 고회전의 유도 전동기(12)에 의해 크랭크축(1d)이 조세되어, 크랭크축(1d)의 회전 상태에 대응하여 항상 크랭크축(1d)의 토크를 조세하게 된다.
이상 상세히 설명한 바와같이, 본 실시예에 의한 터어보 콤파운드 내연기관은 단열구조를 갖는 내연기관의 배기가스를 터어브 챠저와 배기 터어빈에 유도하여 교류 발전-전동기와 교류 발전기를 구동하여, 배기에너지를 전기 에너지로 변환하여 얻은 교류 전력을, 내연기관의 회전축의 회전수를 검출하는 수단으로부터의 신호에 의하여 주파수 제어되는 인버터에 의하여 소정 주파수의 교류 전력으로 변환하며, 유도 전동기를 회전시켜서 기어를 통하여 크랭크축을 구동하므로, 배기 에너지가 크랭크축을 구동하는 전기 에너지로서 회생됨과 동시에, 다단의 치차 기구릍 사용하지 않고, 내연기관의 회전 상태에 따라서 크랭크축의 회전력을 조성할 수 있는 효과가 얻어진다.
이상, 본 발명을 도시한 일실시예에 의하여 설명하였는데, 본 발명은 실시예에 나타낸 것에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 주지의 범위 내에서 여러가지의 변형이 가능하며, 이들을 본 발명의 범위로부터 배제하는 것은 아니다.

Claims (7)

  1. 내연기관의 배기관에 접속된 배기 터어빈을 갖는 터어보 콤파운드 내연기관으로서, 상기 배기 터어빈에 의하여 구동되는 발전기, 상기 내연기관의 출력축에 전동 연결되는 전동기, 상기 내연기관의 회전수를 검출하는 회전수 검출수단, 상기 발전기에 의하여 발전된 전력을 상기 회전 검출수단으로부터의 신호에 의하여 주파수 제어하여, 상기 전동기를 구동 제어하는 제어수단을 포함하는 터어보 콤파운드 내연기관.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배기 터어빈이 터어보 챠자임을 특징으로 하는 터어보 콤파운드 내연기관.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전동기가 유도 전동기임을 특징으로 하는 터어보 콤파운드 내연기관.
  4. 내연기관의 배기판에 접속한 제l배기터어빈과 이 제1배기터어빈의 배출구에 접속한 제2배기터어빈을 갖는 터어보 콤파운드 내연기관으로서, 상기 제1배기터어빈에 의하여 구동되는 제1발전기, 상기 제2배기터어빈에 의하여 구동되는 제2발전기, 상기 내연기관의 출력축에 전동 연결된 전동기, 상기 내연기관의 회전수를 검출하는 회전수 검출수단, 상기 제1 및 제2발전기의 출력을 가산한 전력을 상기 회전 검출수단으로부터의 신호에 의하여 주파수 제어하여, 상기 전동기를 구동 제어하는 제어수단을 포함하는 터어보 콤파운드 내연기관.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1배기터어빈 또는 제2배기터어빈이 터어보 챠저임을 특징으로 하는 터어보 콤파운드 내연기관.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전동기가 유도 전동기임을 특징으로 하는 터어보 콤파운드 내연기관.
  7. 제4항에 있어서, 상기 제1발전기와 제2발전기의 발전 전압의 일방을, 다른 발전 전압에 대응한 전압으로 제어하는 변압 수단을 갖는 터어보 콤파운드 내연기관.
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