KR20110028227A

KR20110028227A - Exhaust gas turbocharger assembly, power train equipped with the exhaust gas turbocharger assembly, and design method thereof

Info

Publication number: KR20110028227A
Application number: KR1020100086723A
Authority: KR
Inventors: 알렉산더 리플
Original assignee: 만 디젤 앤 터보 에스이
Priority date: 2009-09-11
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2011-03-17
Anticipated expiration: 2030-09-03
Also published as: CN102022180A; JP2011058490A; KR101605912B1; JP5313981B2; CN102022180B; CH701782A2; DE102009041223A1; CH701782B1; DE102009041223B4

Abstract

본 발명은 내연 기관용 배기 가스 터보 차저 어셈블리, 그 배기 가스 터보 차저 어셈블리를 장착한 파워 트레인, 및 그 파워 트레인의 설계 방법에 관한 것으로, 배기 가스 터보 차저 어셈블리는 내연 기관의 배기 가스 배출구와 유체 연통되는 배기 가스 터보 차저 어셈블리의 배기 가스 라인에 배치된 배기 가스 터빈 및 그 배기 가스 터빈과 회전 구동되게 연결되고 내연 기관의 공기 유입구와 유체 연통되는 배기 가스 터보 차저 어셈블리의 과급 공기 라인에 배치된 압축기를 구비한 배기 가스 터보 차저와, 배기 가스 라인과 유체 연통하는 유입구 및 과급 공기 라인과 유체 연통하는 배출구를 구비하여 배기 가스 라인으로부터 분기되는 배기 가스가 배기 가스 유입 위치에서 배출구를 통해 과급 공기 라인 내로 유입될 수 있게 하는 배기 가스 재순환 장치를 포함하고, 배기 가스 유입 위치는 배기 가스 터보 차저 어셈블리는 압축기로 흘러들어오는 배기 가스가 오로지 유체 압축 경로로의 배기 가스의 유입 압력과 얻고자 하는 과급 압력 사이의 압력 차를 보상하면서 유입 압력으로부터 정확히 얻고자 하는 과급 압력까지만 압축되도록 압축기의 유체 압축 경로에 배치된다.The present invention relates to an exhaust gas turbocharger assembly for an internal combustion engine, a power train equipped with the exhaust gas turbocharger assembly, and a method of designing the power train, wherein the exhaust gas turbocharger assembly is in fluid communication with an exhaust gas outlet of the internal combustion engine. An exhaust gas turbine disposed in the exhaust gas line of the exhaust gas turbocharger assembly and a compressor disposed in the supercharged air line of the exhaust gas turbocharger assembly in rotational communication with the exhaust gas turbine and in fluid communication with the air inlet of the internal combustion engine. An exhaust gas turbocharger, an inlet in fluid communication with the exhaust gas line, and an outlet in fluid communication with the boost air line, allows the exhaust gas branching from the exhaust gas line to enter the supercharged air line through the outlet at the exhaust gas inlet position. Exhaust gas recirculation which enables And the exhaust gas inlet position is precisely determined from the inlet pressure while the exhaust gas turbocharger assembly compensates for the pressure difference between the exhaust gas flowing into the compressor and the boost pressure desired to be obtained only by the exhaust gas flowing into the compressor. It is placed in the fluid compression path of the compressor so that only up to the boost pressure desired to be obtained.

Description

EXHAUST GAS TURBO-CHARGER ASSEMBLY, POWER TRAIN EQUIPPED THEREWITH AND METHOD FOR DESIGNING THE POWER TRAIN}

본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 배기 가스 터보 차저 어셈블리(exhaust gas turbo-charger assembly), 그러한 배기 가스 터보 차저 어셈블리를 장착한 파워 트레인(power train), 및 그 파워 트레인을 설계하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an exhaust gas turbocharger assembly according to the preamble of claim 1, a power train equipped with such an exhaust gas turbocharger assembly, and a method of designing the power train thereof. will be.

서두에 언급된 타입의 배기 가스 터보 차저 어셈블리가 독일 특허 제2006 055 814 A1호 및 독일 특허 제10 2005 015 151 A1호로부터 공지되어 있다.Exhaust gas turbocharger assemblies of the type mentioned at the outset are known from German Patent No. 2006 055 814 A1 and German Patent No. 10 2005 015 151 A1.

향후의 내연 기관의 배기 가스 제한치, 특히 내연 기관의 NOx 방출물들에 대한 배기 가스 제한치를 충족시키기 위해, 배기 가스 환류 장치 또는 배기 가스 재순환 장치를 구비한 배기 가스 터보 차저 어셈블리의 사용이 점점 더 증가하고 있다. 그에 있어 관건이 되는 것은 내연 기관의 배기 가스를 내연 기관용 과급 공기와 혼합하는 것이다.In order to meet future exhaust gas limits of internal combustion engines, in particular exhaust gas limits for NOx emissions of internal combustion engines, the use of exhaust gas turbocharger assemblies with exhaust gas reflux devices or exhaust gas recirculation devices is increasing and increasing. have. The key to this is to mix the exhaust of the internal combustion engine with the supercharged air for the internal combustion engine.

배기 가스 재순환 시에는, 통상적으로 "분출 압력 구배", 즉 과급 공기 덕트의 압력과 배기 가스 덕트의 압력 사이의 압력 차를 극복하여야 하고, 그를 위해 예컨대 별도의 팬을 사용하거나, 각각의 배기 가스 터보 차저 어셈블리의 압축기의 상류에서 배기 가스를 과급 공기 라인 내로 혼입시킨다. 어느 경우든, 분출 압력 구배를 극복하기 위해서는 적지 않은 에너지 비용이 필요하고, 그것은 배기 가스 터보 차저 어셈블리의 효율을 저해할 수 있다.In the exhaust gas recirculation, it is usually necessary to overcome the "blow pressure gradient", ie the pressure difference between the pressure in the supercharged air duct and the pressure in the exhaust gas duct, for example using a separate fan, or for each exhaust gas turbo Upstream of the compressor of the charger assembly, the exhaust gas is incorporated into the charge air line. In either case, a significant energy cost is required to overcome the blowout pressure gradient, which can impede the efficiency of the exhaust gas turbocharger assembly.

본 발명의 과제는 과급 공기 내로 재순환되는 배기 가스 흐름을 압축하는데 소요되는 에너지 비용을 감소시키거나 최소화하는 배기 가스 터보 차저 어셈블리를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an exhaust gas turbocharger assembly that reduces or minimizes the energy cost of compressing the exhaust gas stream recycled into the charge air.

본 발명의 또 다른 과제는 그러한 배기 가스 터보 차저 어셈블리를 장착한 파워 트레인 및 그러한 파워 트레인을 설계하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a power train equipped with such an exhaust gas turbocharger assembly and a method of designing such a power train.

전술된 과제들은 청구항 1에 따른 배기 가스 터보 차저 어셈블리, 청구항 7에 따른 파워 트레인, 또는 청구항 8에 따른 방법에 의해 해결된다. 종속 청구항들에는 본 발명의 부가의 구성들이 규정되어 있다.The aforementioned problems are solved by an exhaust gas turbocharger assembly according to claim 1, a power train according to claim 7, or a method according to claim 8. The dependent claims define additional configurations of the invention.

본 발명의 제1 양태에 따라, 내연 기관의 배기 가스 배출구와 유체 연통되는 배기 가스 터보 차저 어셈블리의 배기 가스 라인에 배치된 배기 가스 터빈 및 그 배기 가스 터빈과 회전 구동되게 연결되고 내연 기관의 공기 유입구와 유체 연통되는 배기 가스 터보 차저 어셈블리의 과급 공기 라인에 배치된 압축기를 구비한 배기 가스 터보 차저와, 배기 가스 라인과 유체 연통하는 유입구 및 과급 공기 라인과 유체 연통하는 배출구를 구비하여 배기 가스 라인으로부터 분기되는 배기 가스가 배기 가스 유입 위치에서 배출구를 통해 과급 공기 라인 내로 유입될 수 있게 하는 배기 가스 재순환 장치를 포함하는 내연 기관용 배기 가스 터보 차저 어셈블리가 제공된다.According to a first aspect of the invention, an air inlet of an internal combustion engine is connected in rotational communication with an exhaust gas turbine and an exhaust gas turbine disposed in an exhaust gas line of an exhaust gas turbocharger assembly in fluid communication with an exhaust gas outlet of an internal combustion engine. An exhaust gas turbocharger having a compressor disposed in the boost air line of the exhaust gas turbocharger assembly in fluid communication with the exhaust gas line, the inlet in fluid communication with the exhaust gas line and an outlet in fluid communication with the boost air line; An exhaust gas turbocharger assembly for an internal combustion engine is provided that includes an exhaust gas recirculation device that allows branched exhaust gas to enter the supercharged air line through an outlet at an exhaust gas inlet location.

본 발명에 따른 배기 가스 터보 차저 어셈블리는 압축기로 흘러들어오는 배기 가스가 오로지 유체 압축 경로로의 배기 가스의 유입 압력과 얻고자 하는 과급 압력 사이의 압력 차를 보상하면서 유입 압력으로부터 정확히 얻고자 하는 과급 압력까지만 압축되도록 배기 가스 유입 위치가 압축기의 유체 압축 경로에 배치되는 것을 그 특징으로 한다.Exhaust gas turbocharger assembly according to the present invention is such that the exhaust gas flowing into the compressor compensates for the pressure difference between the inlet pressure of the exhaust gas into the fluid compression path and the boost pressure desired to be obtained precisely from the inlet pressure. It is characterized in that the exhaust gas inlet position is arranged in the fluid compression path of the compressor so as to be compressed only up to.

환언하면, 배기 가스의 유입 압력과 얻고자 하는 과급 압력 사이의 압력 차를 보상하거나 극복하는데 필요한 꼭 그만큼의 일 또는 에너지가 배기 가스에 공급된다.In other words, the exhaust gas is supplied with just as much work or energy as necessary to compensate or overcome the pressure difference between the inlet pressure of the exhaust gas and the boost pressure to be obtained.

본 발명에 따르면, 원심력을 덜 요구하는 영역에만 혹은 특히 압축기의 가이드 배플 시스템에까지 위치할 수도 있는 압축기의 제한된 부분에만 국부적으로 배기 가스가 추진된다.According to the present invention, the exhaust gases are propelled locally only in areas that require less centrifugal force or only in limited parts of the compressor, which may be located in particular in the guide baffle system of the compressor.

그럼으로써, 과급 공기 라인으로 재순환되는 배기 가스를 압축하는데 소요되는 에너지 비용이 감소하거나 최소화될 수 있고, 그에 의해 배기 가스 터보 차저 어셈블리의 효율이 개선될 수 있게 된다.Thereby, the energy cost of compressing the exhaust gas recycled to the charge air line can be reduced or minimized, whereby the efficiency of the exhaust gas turbocharger assembly can be improved.

그와 함께, 향후의 내연 기관의 배기 가스 제한치, 특히 내연 기관의 NOx 방출물들에 대한 배기 가스 제한치를 충족시키기 위해, 배기 가스 환류 장치 또는 배기 가스 재순환 장치를 구비한 최적의 효율의 배기 가스 터보 차저 어셈블리가 제공되게 되는데, 그러한 배기 가스 터보 차저 어셈블리는 특히 중유 구동 저속 2 행정 엔진 및 중속 4 행정 엔진에 사용될 수도 있다.At the same time, an optimum efficiency exhaust gas turbocharger with an exhaust gas reflux device or an exhaust gas recirculation device, in order to meet future exhaust gas limits of the internal combustion engine, in particular the exhaust gas limits for NOx emissions of the internal combustion engine. An assembly is provided, such exhaust gas turbocharger assembly may be used in particular for heavy oil driven low speed two stroke engines and medium speed four stroke engines.

본 발명에 따른 배기 가스 터보 차저 어셈블리의 일 실시 형태에 따르면, 배기 가스 유입 위치는 압축기의 로터 유체 유입구와 압축기의 디퓨저 유체 배출구 사이에 위치한다.According to one embodiment of the exhaust gas turbocharger assembly according to the invention, the exhaust gas inlet position is located between the rotor fluid inlet of the compressor and the diffuser fluid outlet of the compressor.

압축기의 유체 압축 경로에 있는 그러한 영역은 사실상 압축기에서 압력이 상승하는 영역이므로, 배기 가스의 유입 압력 및 압축기 특성 곡선에 의존하여 달라지는 적절한 배기 가스 유입 위치를 선택함으로써, 배기 가스의 압축에 사용될 일 또는 에너지를 최적으로 감소시키거나 최소화할 수 있다.Since such an area in the fluid compression path of the compressor is in fact a pressure rising area in the compressor, the work to be used for the compression of the exhaust gas by selecting an appropriate exhaust gas inlet location that depends on the inlet pressure of the exhaust gas and the compressor characteristic curves, or Energy can be optimally reduced or minimized.

본 발명에 따른 배기 가스 터보 차저 어셈블리의 다른 실시 형태에 따르면, 배기 가스 유입 위치는 압축기의 로터 유체 유입구와 압축기의 배출 노즐 장치의 유체 배출구 사이에 위치한다.According to another embodiment of the exhaust gas turbocharger assembly according to the invention, the exhaust gas inlet position is located between the rotor fluid inlet of the compressor and the fluid outlet of the exhaust nozzle device of the compressor.

본 발명에 따른 배기 가스 터보 차저 어셈블리의 또 다른 실시 형태에 따르면, 배기 가스 유입 위치는 압축기의 로터 유체 유입구와 압축기의 로터 유체 배출구 사이에 위치한다.According to another embodiment of the exhaust gas turbocharger assembly according to the invention, the exhaust gas inlet position is located between the rotor fluid inlet of the compressor and the rotor fluid outlet of the compressor.

그러한 타입의 배기 가스 유입 위치는 압력 차 또는 분출 압력 구배가 상대적으로 높은 경우에 특히 유리하다.Such type of exhaust gas inlet location is particularly advantageous when the pressure difference or the ejection pressure gradient is relatively high.

본 발명에 따른 배기 가스 터보 차저 어셈블리의 또 다른 실시 형태에 따르면, 배기 가스 유입 위치는 압축기의 로터 유체 배출구와 압축기의 디퓨저 유체 배출구 사이에 위치한다.According to another embodiment of the exhaust gas turbocharger assembly according to the invention, the exhaust gas inlet position is located between the rotor fluid outlet of the compressor and the diffuser fluid outlet of the compressor.

그러한 타입의 배기 가스 유입 위치는 예컨대 2 행정 엔진에서 그러한 바와 같이 압력 차 또는 분출 압력 구배가 상대적으로 낮은 경우에 특히 유리하다.This type of exhaust gas inlet position is particularly advantageous when the pressure differential or the ejection pressure gradient is relatively low, for example in a two-stroke engine.

본 발명에 따른 배기 가스 터보 차저 어셈블리의 또 다른 실시 형태에 따르면, 배기 가스 재순환 장치의 유입구는 배기 가스 분기 위치에서 배기 가스 라인과 유체 연통하는데, 여기서 배기 가스 분기 위치는 배기 가스 라인을 따라 터빈 유입구의 상류에 위치한다.According to another embodiment of the exhaust gas turbocharger assembly according to the invention, the inlet of the exhaust gas recirculation device is in fluid communication with the exhaust gas line at the exhaust gas branch position, where the exhaust gas branch position is along the exhaust gas line. Located upstream of.

그러한 배기 가스 분기 위치는 배기 가스 유입 압력이 최대한으로 높아짐으로써 분출 압력 구배 또는 압력 차가 가능한 한 낮아지게 하는 것을 보장한다.Such exhaust gas branching positions ensure that the exhaust gas inlet pressure is as high as possible so that the ejection pressure gradient or pressure differential is as low as possible.

본 발명에 따른 배기 가스 터보 차저 어셈블리의 또 다른 실시 형태에 따르면, 배기 가스 재순환 장치는 배기 가스 냉각기 및/또는 배기 가스 세정기를 구비한다.According to another embodiment of the exhaust gas turbocharger assembly according to the invention, the exhaust gas recirculation device comprises an exhaust gas cooler and / or an exhaust gas scrubber.

환언하면, 배기 가스 라인으로부터 나오는 배기 가스가 내연 기관의 "실린더의 하류" 또는 "배기 가스 터빈의 상류"로부터 경우에 따라 냉각 및 세정되어 압축기에 위치한 과급 공기 라인의 유체 압축 경로에서 "실린더의 상류" 쪽으로 혼입될 수 있게 된다.In other words, the exhaust gas from the exhaust gas line is optionally cooled and cleaned from the "downstream of the cylinder" or "upstream of the exhaust gas turbine" of the internal combustion engine to "upstream of the cylinder" in the fluid compression path of the boost air line located in the compressor. "Can be incorporated into.

본 발명의 제2 양태에 따라, 앞서 정의된 본 발명의 일 실시 형태, 다수의 실시 형태들, 또는 모든 형태들의 생각해볼 수 있는 임의의 조합에 따른 배기 가스 터보 차저 어셈블리 및 내연 기관을 포함하되, 배기 가스 터보 차저 어셈블리의 배기 가스 라인이 내연 기관의 배기 가스 배출구와 유체 연통하고, 배기 가스 터보 차저 어셈블리의 과급 공기 라인이 내연 기관의 공기 유입구와 유체 연통하는 파워 트레인이 제공된다.According to a second aspect of the present invention, an exhaust gas turbocharger assembly and an internal combustion engine according to one embodiment of the invention, a plurality of embodiments, or any combination of conceivable combinations of all forms, A power train is provided in which the exhaust gas line of the exhaust gas turbocharger assembly is in fluid communication with the exhaust gas outlet of the internal combustion engine, and the charge air line of the exhaust gas turbocharger assembly is in fluid communication with the air inlet of the internal combustion engine.

본 발명의 제3 양태에 따라, 적어도 다음의 단계들을 포함하는 본 발명에 따른 파워 트레인의 설계 방법이 제공된다. 내연 기관에 대해 부하에 따른 배기 가스 압력 특성 곡선을 결정하는 단계, 압축기에 대해 부하에 따른 과급 압력 특성 곡선을 결정하는 단계, 내연 기관에 대해 예컨대 평균적인 일 부하(work load)(예를 들어 내연 기관이 주로 그것으로 작동되어야 하는 엔진 부하)를 결정하는 단계, 결정된 일 부하를 기준으로 한 배기 가스 압력 특성 곡선과 과급 압력 특성 곡선 사이의 압력 차를 결정하는 단계, 압축 경로 길이를 기준으로 한 유체 압축 경로에서의 길이 방향 위치에 따라 압축기 고유의 압력 상승 특성 곡선을 결정하는 단계, 압축기에 의해 얻어질 수 있는 압력 상승이 배기 가스 압력 특성 곡선과 과급 압력 특성 곡선 사이의 결정된 압력 차와 동일하게 되는 유체 압축 경로에서의 길이 방향 위치를 결정하는 단계, 및 배기 가스 유입 위치가 결정된 길이 방향 위치와 일치하도록 배기 가스 유입 위치를 정하는 단계.According to a third aspect of the invention, there is provided a method of designing a power train according to the invention, comprising at least the following steps. Determining an exhaust gas pressure characteristic curve over load for an internal combustion engine, determining a boost pressure characteristic curve over load for a compressor, for example an average work load for an internal combustion engine (e.g. internal combustion Determining the engine load that the engine should primarily operate on, determining the pressure difference between the exhaust gas pressure characteristic curve and the boost pressure characteristic curve based on the determined work load, and the fluid based on the compression path length. Determining the compressor specific pressure rise characteristic curve according to the longitudinal position in the compression path, such that the pressure rise that can be obtained by the compressor is equal to the determined pressure difference between the exhaust gas pressure characteristic curve and the boost pressure characteristic curve. Determining a longitudinal position in the fluid compression path, and a path for which the exhaust gas inlet position is determined Step determining the exhaust gas inlet positioned to match the position.

결론적으로, 본 발명자는 배기 가스 터빈의 상류에서 이미 배기 가스가 상대적으로 높은 압력 레벨에 있기 때문에, 과급 압력 레벨까지의 나머지 압력 증가를 얻을 수 있는 지점 또는 위치(배기 가스 유입 위치)만을 찾으면 된다는 것을 인지하였다.In conclusion, the inventors have found that since the exhaust gas is already at a relatively high pressure level upstream of the exhaust gas turbine, it is only necessary to find a point or location (exhaust gas inlet location) where the remaining pressure increase to the supercharge pressure level can be obtained. It was recognized.

본 발명의 실시 형태들에 따르면, 예컨대 레디얼 압축기(radial compressor)에서의 배기 가스 유입 위치는 로터 유체 배출구까지의 로터 유체 유입구의 하류에서 커버 윤곽에 위치한다. 2 행정 엔진에서와 같이 분출 압력 구배가 상응하게 낮은 경우에는, 배기 가스 유입 위치가 로터 유체 유입구와 디퓨저 유체 배출구 사이에 위치하는데, 그것은 거기에서는 아직도 정압(static pressure)의 상승이 일어나고 있기 때문이다.According to embodiments of the invention, the exhaust gas inlet position, for example in a radial compressor, is located in the cover contour downstream of the rotor fluid inlet to the rotor fluid outlet. If the ejection pressure gradient is relatively low, as in a two-stroke engine, the exhaust gas inlet position is located between the rotor fluid inlet and the diffuser fluid outlet, since there is still a rise in static pressure.

본 발명은 과급 공기 내로 재순환되는 배기 가스 흐름을 압축하는데 소요되는 에너지 비용을 감소시키거나 최소화한 배기 가스 터보 차저 어셈블리, 그러한 배기 가스 터보 차저 어셈블리를 장착한 파워 트레인, 및 그러한 파워 트레인을 설계하는 방법을 제공한다. 구체적으로, 본 발명에 따른 배기 가스 터보 차저 어셈블리에서는, 압축기로 흘러들어오는 배기 가스가 오로지 유체 압축 경로로의 배기 가스의 유입 압력과 얻고자 하는 과급 압력 사이의 압력 차를 보상하면서 유입 압력으로부터 정확히 얻고자 하는 과급 압력까지만 압축되도록 배기 가스 유입 위치가 압축기의 유체 압축 경로에 배치되도록 함으로써, 배기 가스의 유입 압력과 얻고자 하는 과급 압력 사이의 압력 차를 보상하거나 극복하는데 필요한 꼭 그만큼의 일 또는 에너지가 배기 가스에 공급되게 된다. 본 발명에 따르면, 압축기의 제한된 부분에만 국부적으로 배기 가스가 추진되고, 그럼으로써, 과급 공기 라인으로 재순환되는 배기 가스를 압축하는데 소요되는 에너지 비용이 감소하거나 최소화될 수 있고, 그에 의해 배기 가스 터보 차저 어셈블리의 효율이 개선될 수 있게 된다.The present invention provides an exhaust gas turbocharger assembly that reduces or minimizes the energy cost of compressing the exhaust gas stream recycled into the charge air, a power train equipped with such an exhaust gas turbocharger assembly, and a method of designing such a power train. To provide. Specifically, in the exhaust gas turbocharger assembly according to the present invention, the exhaust gas flowing into the compressor is precisely obtained from the inlet pressure while compensating the pressure difference only between the inlet pressure of the exhaust gas into the fluid compression path and the desired boost pressure. By placing the exhaust gas inlet location in the compressor's fluid compression path so that it is compressed only to the desired boost pressure, the work or energy necessary to compensate or overcome the pressure difference between the inlet pressure of the exhaust gas and the desired boost pressure is To be supplied to the exhaust gas. According to the present invention, the exhaust gas is propagated locally only in a limited part of the compressor, whereby the energy cost of compressing the exhaust gas recycled to the boost air line can be reduced or minimized, thereby reducing the exhaust gas turbocharger. The efficiency of the assembly can be improved.

이하, 본 발명을 첨부 도면들을 참조하여 바람직한 실시 형태들에 의거해서 상세히 설명하기로 한다. 첨부 도면들 중에서,
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 파워 트레인을 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 파워 트레인의 배기 가스 터보 차저 어셈블리의 압축기를 나타낸 개략적인 부분 단면도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 파워 트레인의 배기 가스 터보 차저 어셈블리의 압축기를 나타낸 도 2와 유사한 부분 확대도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 파워 트레인의 내연 기관의 엔진 부하에 따른 과급 압력 특성 곡선 및 배기 가스 압력 특성 곡선이 도시되어 있는 도표이며,
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 파워 트레인의 배기 가스 터보 차저 어셈블리의 압축기의 유체 압축 경로에서의 압축 경로 길이를 기준으로 한 길이 방향 위치에 따른 압축기 고유의 압력 상승 특성 곡선이 도시되어 있는 도표이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. In the accompanying drawings,
1 is a view schematically showing a power train according to an embodiment of the present invention,
2 is a schematic partial cross-sectional view showing a compressor of an exhaust gas turbocharger assembly of a power train according to an embodiment of the present invention;
3 is a partially enlarged view similar to FIG. 2 showing a compressor of an exhaust gas turbocharger assembly of a power train according to one embodiment of the invention,
4 is a diagram showing a boost pressure characteristic curve and an exhaust gas pressure characteristic curve according to an engine load of an internal combustion engine of a power train according to an embodiment of the present invention;
FIG. 5 shows the compressor's inherent pressure rise characteristic curve along its longitudinal position relative to the compression path length in the fluid compression path of the compressor of the exhaust gas turbocharger assembly of the power train according to one embodiment of the invention. It is a chart.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 파워 트레인(1)을 개략적으로 나타낸 것이다.1 schematically shows a power train 1 according to an embodiment of the invention.

그러한 파워 트레인(1)은 배기 가스 터보 차저 어셈블리(10) 및 예컨대 디젤 엔진 및/또는 예컨대 가스 엔진으로서 구성되어 배기 가스 터보 차저 어셈블리와 연결된 내연 기관(60)을 포함한다.Such a power train 1 comprises an exhaust gas turbocharger assembly 10 and an internal combustion engine 60, for example configured as a diesel engine and / or a gas engine, and connected with the exhaust gas turbocharger assembly.

배기 가스 터보 차저 어셈블리(10)는 배기 가스 터보 차저(20), 배기 가스 재순환 장치(30), 및 과급 공기 냉각기(40)를 구비한다.The exhaust gas turbocharger assembly 10 includes an exhaust gas turbocharger 20, an exhaust gas recirculation device 30, and a charge air cooler 40.

배기 가스 터보 차저(20)는 터빈 유입구(21a)와 터빈 배출구(21b)가 달린 배기 가스 터빈(21) 및 연결 샤프트(25)를 통해 배기 가스 터빈(21)과 회전 구동되게 연결된, 압축기 유입구(26a)와 압축기 배출구(26b)가 달린 압축기(26)를 구비한다.The exhaust gas turbocharger 20 is rotationally driven with the exhaust gas turbine 21 via an exhaust gas turbine 21 with a turbine inlet 21a and a turbine outlet 21b and a connecting shaft 25. A compressor 26 having 26a) and a compressor outlet 26b.

터빈 유입구(21a)는 배기 가스 덕트(22)를 통해 내연 기관(60)의 배기 가스 배출구(60b)와 유체 연통하고, 그에 따라 배기 가스 터빈(21)이 내연 기관(60)의 배기 가스(A)의 에너지에 의해 회전 구동될 수 있게 된다.The turbine inlet 21a is in fluid communication with the exhaust gas outlet 60b of the internal combustion engine 60 via the exhaust gas duct 22, whereby the exhaust gas turbine 21 causes the exhaust gas A of the internal combustion engine 60 to flow through. It can be driven rotationally by the energy of).

터빈 배출구(21b)는 배출 덕트(23)와 유체 연통하고, 그에 따라 배기 가스 터빈(21)으로부터 배출되는 배기 가스(A)가 예컨대 대기 중으로 방출될 수 있게 된다.The turbine outlet 21b is in fluid communication with the discharge duct 23, so that the exhaust gas A discharged from the exhaust gas turbine 21 can be discharged to the atmosphere, for example.

배기 가스 덕트(22), 배기 가스 터빈(21), 및 배출 덕트(23)는 함께 배기 가스 터보 차저 어셈블리(10)의 배기 가스 라인을 형성한다.The exhaust gas duct 22, the exhaust gas turbine 21, and the exhaust duct 23 together form an exhaust gas line of the exhaust gas turbocharger assembly 10.

압축기 유입구(26a)는 외기 공기 덕트(27)와 유체 연통하고, 그에 따라 예컨대 대기로부터 외기 공기 덕트(27)를 통해 외기 공기가 압축기(26)에 공급될 수 있게 된다.The compressor inlet 26a is in fluid communication with the outside air duct 27, thereby allowing outside air to be supplied to the compressor 26, for example from the atmosphere, through the outside air duct 27.

압축기 배출구(26b)는 공기 공급 덕트(28, 29) 및 과급 공기 냉각기(40)를 통해 내연 기관의 공기 유입구(60a)와 유체 연통하고, 그에 따라 압축기(26)에 의해 압축된 공기가 공기 공급 덕트(28, 29)를 통해 내연 기관(60)에 공급될 수 있게 된다.The compressor outlet 26b is in fluid communication with the air inlet 60a of the internal combustion engine through the air supply ducts 28, 29 and the boost air cooler 40, whereby the air compressed by the compressor 26 is supplied with air. It can be supplied to the internal combustion engine 60 through the ducts 28, 29.

외기 공기 덕트(27), 압축기(26), 과급 공기 냉각기(40), 및 공기 공급 덕트(28, 29)는 함께 배기 가스 터보 차저 어셈블리의 과급 공기 라인을 형성한다.The outside air duct 27, the compressor 26, the charge air cooler 40, and the air supply ducts 28, 29 together form a charge air line of the exhaust gas turbocharger assembly.

배기 가스 재순환 장치(30)는 배기 가스 세정 장치(도시를 생략함)가 배기 가스 냉각기(도시를 생략함) 및 적절한 제어 장치를 구비할 수 있고, 터빈 유입구(21a)와 유체 연통하는(배기 가스 분기 위치에서) 유입구(30a) 및 압축기와 유체 연통하는 배출구(30b)를 갖는다.The exhaust gas recirculation device 30 may be provided with an exhaust gas cooler (not shown) and an appropriate control device in which the exhaust gas cleaning device (not shown) is in fluid communication with the turbine inlet 21a (exhaust gas). In branch position) and an outlet 30b in fluid communication with the compressor.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 여기서 레디얼 압축기로서 구성되는 압축기(26)는 하우징(260) 및 그 하우징(260)에 회전 가능하게 장착된 연결 샤프트(25) 상에 고정되고 다수의 로터 블레이드(262)가 달린 로터(261)를 구비한다.As shown in FIGS. 2 and 3, the compressor 26, here configured as a radial compressor, is fixed on a housing 260 and a connecting shaft 25 rotatably mounted to the housing 260 and a plurality of rotors. A rotor 261 with a blade 262 is provided.

하우징(260)과 로터(261)는 (그 로터 블레이드(262)와 더불어) 함께 유체 압축 경로(VP)를 형성한다. 압축기(26)를 통해 흐르는 유체(외기 공기와 배기 가스로 이뤄진)가 그 유체 압축 경로에 걸쳐 또는 그 유체 압축 경로를 따라 압축되는데, 유체 압축 경로의 길이의 한정 지점들이 도면 부호 "a" 및 "b"로 지시되어 있다.Housing 260 and rotor 261 together with the rotor blades 262 form a fluid compression path VP. Fluid flowing through the compressor 26 (consisting of outside air and exhaust gas) is compressed over or along the fluid compression path, where the defined points of the length of the fluid compression path are indicated by reference numerals "a" and ". b ".

정확히 말하자면, 유체 압축 경로(VP)는 로터 유체 유입구(263)로부터 로터 유체 배출구(264) 및 디퓨저(265)를 형성하는 반경 방향 틈새를 거쳐 디퓨저 유체 배출구(266)까지 연장되는데, 디퓨저 유체 배출구(266)는 하우징(260)에 형성된 나선형 하우징에서 나선형 채널(267)과 통하고, 나선형 채널(267) 그 자체는 압축기 배출구(26b)와 유체 연통한다. 디퓨저(265)에는 배출 노즐 장치 또는 가이드 배플(268)이 배치될 수 있다.To be precise, the fluid compression path VP extends from the rotor fluid inlet 263 to the diffuser fluid outlet 266 via a radial gap that forms the rotor fluid outlet 264 and the diffuser 265. 266 communicates with helical channel 267 in a helical housing formed in housing 260, and helical channel 267 itself is in fluid communication with compressor outlet 26b. In the diffuser 265, a discharge nozzle device or a guide baffle 268 may be disposed.

도 1 내지 도 3이 도시하고 있는 바와 같이, 배기 가스 재순환 장치(30)의 배출구(30b)는 배기 가스 라인으로부터 분기되는 배기 가스(A)가 배출구(30b)를 통해 배기 가스 유입 위치(AE)(도 3을 참조)에서 과급 공기 라인으로, 정확히 말해서 유체 압축 경로(P)로 유입될 수 있도록 과급 공기 라인과 유체 연통한다.As shown in FIGS. 1 to 3, the exhaust port 30b of the exhaust gas recirculation apparatus 30 has an exhaust gas inflow position AE branched from the exhaust gas line through the exhaust port 30b. (See FIG. 3) to the supercharged air line, in fluid communication with the supercharged air line so as to enter the fluid compression path P precisely.

전술된 바와 같이, 배기 가스(A)는 내연 기관(60)의 엔진 부하에 따른 배기 가스 압력(PA)을 갖는데, 배기 가스(A)는 그러한 배기 가스 압력(PA)으로 과급 공기 라인으로 유입되고, 그러한 배기 가스 압력(PA)은 과급 공기 라인에서 배기 가스(A)의 유입 압력으로서 나타나게 된다. 역시 전술된 바와 같이, 배기 가스 압력(PA)은 통상적으로 내연 기관(60)의 압축기(26)에 의해 내연 기관(60)의 공기 공급 라인(28, 29) 또는 과급 공기 유입구(60a)에서 얻고자 하는 과급 압력(PL)보다 압력 차(ΔP)만큼 더 작다. 그러한 관계가 도 4에 도시되어 있는데, 도 4에는 내연 기관(60)의 엔진 부하(L)에 따른 압력(P)의 도표로 과급 압력(PL) 특성 곡선 및 배기 가스 압력(PA) 특성 곡선이 도시되어 있다.As described above, the exhaust gas A has an exhaust gas pressure PA according to the engine load of the internal combustion engine 60, which exhaust gas A enters the supercharged air line at such an exhaust gas pressure PA. Such exhaust gas pressure PA is represented as the inlet pressure of the exhaust gas A in the boost air line. As also mentioned above, the exhaust gas pressure PA is typically obtained at the air supply lines 28, 29 or the supercharged air inlet 60a of the internal combustion engine 60 by the compressor 26 of the internal combustion engine 60. It is smaller by the pressure difference ΔP than the boost pressure PL to be. Such a relationship is shown in FIG. 4, in which the supercharge pressure (PL) characteristic curve and the exhaust gas pressure (PA) characteristic curve are shown in a diagram of the pressure P according to the engine load L of the internal combustion engine 60. Is shown.

도 5는 압축 경로 길이(여기에서는 제1 한정 지점(a)으로부터 제2 한정 지점(b)까지)를 기준으로 한 압축기(26)의 유체 압축 경로(VP)에서의 길이 방향 위치에 따른 압축기 고유의 압력 상승 특성 곡선이 도시되어 있는 도표를 나타낸 것이다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 압력 상승 특성 곡선은 초기의 곡선형 추이 이후에 거의 선형적인 추이를 갖는다. 그로부터, 다음과 같은 결론을 도출할 수 있다. 유체 압축 경로(VP)에서 압축 대상 유체가 나아가는 거리가 크면 클수록 얻어지는 압력 상승이 더욱더 커진다. 하지만, 도 5에 도시된 곡선은 단지 원리적인 압력 추이에 불과할 뿐이다.FIG. 5 shows the compressor specific to the longitudinal position in the fluid compression path VP of the compressor 26 with respect to the compression path length (here from the first confinement point a to the second confinement point b). Shows a plot of the pressure rise characteristic curve of. As can be seen from FIG. 5, the pressure rise characteristic curve has a nearly linear trend after the initial curve trend. From this, the following conclusions can be drawn. The greater the distance that the fluid to be compressed travels in the fluid compression path VP, the greater the pressure rise obtained. However, the curve shown in FIG. 5 is only a principle pressure trend.

본 발명에 따라 이제 조치되는 바는 압축기(26)로 흘러들어오는 배기 가스(A)(도 3에 굵은 화살표로 지시된 바와 같은)가 오로지 유체 압축 경로(VP)로의 배기 가스(A)의 유입 압력(배기 가스 압력(PA))과 얻고자 하는 과급 압력(PL) 사이의 압력 차(ΔP)(도 4를 참조)를 보상하면서 유입 압력으로부터 정확히 얻고자 하는 과급 압력(PL)까지만 압축되도록 배기 가스 유입 위치(AE)를 압축기(26)의 유체 압축 경로(VP)에 정확히 배치하는 것이다.It is now taken into account that the exhaust gas A (as indicated by the bold arrow in FIG. 3) flowing into the compressor 26 is solely the inlet pressure of the exhaust gas A into the fluid compression path VP. Exhaust gas so as to be compressed only from the inlet pressure to the boost pressure PL exactly desired to be obtained, while compensating for the pressure difference ΔP (see FIG. 4) between (exhaust gas pressure PA) and the boost pressure PL desired to be obtained. The inlet position AE is exactly positioned in the fluid compression path VP of the compressor 26.

즉, 가장 일반적인 형태로, 배기 가스 유입 위치(AE)는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 압축기(26)의 로터 유체 유입구(263)와 압축기(26)의 디퓨저 유체 배출구(266) 사이에 위치한다. 좀더 특정한다면, 배기 가스 유입 위치(AE)는 본 발명의 다른 실시 형태에 따라 압축기(26)의 로터 유체 유입구(263)와 압축기(26)의 배출 노즐 장치(268)의 유체 배출구 사이에 위치한다.That is, in the most general form, the exhaust gas inlet location AE is located between the rotor fluid inlet 263 of the compressor 26 and the diffuser fluid outlet 266 of the compressor 26 in accordance with one embodiment of the present invention. . More specifically, the exhaust gas inlet location AE is located between the rotor fluid inlet 263 of the compressor 26 and the fluid outlet of the discharge nozzle arrangement 268 of the compressor 26 in accordance with another embodiment of the present invention. .

도 3에 도시된 본 발명의 실시 형태에 따르면, 배기 가스 유입 위치(AE)는 압축기(26)의 로터 유체 유입구(263)와 압축기(26)의 로터 유체 배출구(264) 사이에 위치한다.According to the embodiment of the invention shown in FIG. 3, the exhaust gas inlet location AE is located between the rotor fluid inlet 263 of the compressor 26 and the rotor fluid outlet 264 of the compressor 26.

도시를 생략한 본 발명의 실시 형태에 따르면, 배기 가스 유입 위치(AE)는 압축기(26)의 로터 유체 배출구(264)와 압축기(26)의 디퓨저 유체 배출구(266) 사이에 위치할 수도 있다.According to an embodiment of the present invention, not shown, the exhaust gas inlet position AE may be located between the rotor fluid outlet 264 of the compressor 26 and the diffuser fluid outlet 266 of the compressor 26.

전술한 설명에 의거하여, 본 발명에 따른 파워 트레인(1)을 설계하는 방법은 적어도 다음의 단계들을 포함한다. 내연 기관(60)에 대해 부하에 따른 배기 가스 압력(PA) 특성 곡선을 결정하는 단계, 압축기(26)에 대해 부하에 따른 과급 압력(PL) 특성 곡선을 결정하는 단계, 내연 기관(60)에 대해 일 부하(AL)(예컨대 내연 기관(60)이 주로 그것으로 작동되어야 하는 엔진 부하(L))를 결정하는 단계, 결정된 일 부하를 기준으로 한 배기 가스 압력(PA) 특성 곡선과 과급 압력(PL) 특성 곡선 사이의 압력 차(ΔP)(도 4에 도시된 바와 같은)를 결정하는 단계, 압축 경로 길이(도 2의 "a"부터 "b"까지)를 기준으로 한 유체 압축 경로(VP)에서의 길이 방향 위치에 따라 압축기 고유의 압력 상승 특성 곡선(도 5에 도시된 바와 같은)을 결정하는 단계, 압축기(26)에 의해 얻어질 수 있는 압력 상승이 배기 가스 압력(PA) 특성 곡선과 과급 압력(PL) 특성 곡선 사이의 결정된 압력 차(ΔP)와 동일하게 되는 유체 압축 경로(VP)에서의 길이 방향 위치를 결정하는 단계, 및 배기 가스 유입 위치(AE)가 결정된 길이 방향 위치(도 3에 도시된 바와 같은)와 일치하도록 배기 가스 유입 위치(AE)를 정하는 단계.Based on the foregoing description, the method of designing the power train 1 according to the invention comprises at least the following steps. Determining an exhaust gas pressure (PA) characteristic curve according to the load for the internal combustion engine 60, determining a boost pressure (PL) characteristic curve according to the load for the compressor 26, and determining the internal combustion engine 60. Determining the work load AL (e.g., the engine load L at which the internal combustion engine 60 should be primarily operated with it), the exhaust gas pressure PA characteristic curve and the supercharging pressure based on the determined work load ( PL) determining the pressure difference ΔP (as shown in FIG. 4) between the characteristic curves, the fluid compression path VP based on the compression path length (“a” to “b” in FIG. 2) Determining the compressor specific pressure rise characteristic curve (as shown in FIG. 5) according to the longitudinal position in FIG. 5, wherein the pressure rise that can be obtained by the compressor 26 is the exhaust gas pressure PA characteristic curve. Equal to the determined pressure difference (ΔP) between the supercharge pressure (PL) characteristic curve Determining a longitudinal position in the fluid compression path VP and defining an exhaust gas inlet position AE such that the exhaust gas inlet position AE coincides with the determined longitudinal position (as shown in FIG. 3). step.

1: 파워 트레인 10: 배기 가스 터보 차저 어셈블리
20: 배기 가스 터보 차저 21: 배기 가스 터빈
21a: 터빈 유입구 21b: 터빈 배출구
22: 배기 가스 덕트 23: 배출 덕트
25: 연결 샤프트 26: 압축기
26a: 압축기 유입구 26b: 압축기 배출구
260: 하우징 261: 로터
262: 로터 블레이드(들) 263: 로터 유체 유입구
264: 유체 로터 배출구 265: 디퓨저
266: 디퓨저 유체 배출구 267: 나선형 채널
268: 배출 노즐 장치 27: 외기 공기 덕트
28, 29: 공기 공급 덕트 30: 배기 가스 재순환 장치
30a: 유입구 30b: 배출구
40: 과급 공기 냉각기 60: 내연 기관
60a: 공기 유입구 60b: 배기 가스 배출구
AE: 배기 가스 유입 위치 VP: 유체 압축 경로
a: 제1 한정 지점 b: 제2 한정 지점
P: 압력 PA: 배기 가스 압력
PL: 과급 압력 ΔP: 압력 차
L: 엔진 부하 AL: 일 부하
A: 배기 가스1: power train 10: exhaust gas turbocharger assembly
20: exhaust gas turbocharger 21: exhaust gas turbine
21a: turbine inlet 21b: turbine outlet
22: exhaust gas duct 23: exhaust duct
25: connecting shaft 26: compressor
26a: compressor inlet 26b: compressor outlet
260: housing 261: rotor
262: rotor blade (s) 263: rotor fluid inlet
264: fluid rotor outlet 265: diffuser
266: diffuser fluid outlet 267: spiral channel
268: discharge nozzle unit 27: outside air duct
28, 29: air supply duct 30: exhaust gas recirculation apparatus
30a: inlet 30b: outlet
40: supercharged air cooler 60: internal combustion engine
60a: air inlet 60b: exhaust gas outlet
AE: exhaust gas inlet location VP: fluid compression path
a: first limited point b: second limited point
P: pressure PA: exhaust gas pressure
PL: Supercharge pressure ΔP: Pressure difference
L: engine load AL: work load
A: exhaust gas

Claims

Rotationally connected to the exhaust gas turbine 21 and its exhaust gas turbine 21 disposed in the exhaust gas line of the exhaust gas turbocharger assembly 10 in fluid communication with the exhaust gas outlet 60b of the internal combustion engine 60. An exhaust gas turbocharger 20 having a compressor 26 arranged in a boost air line of the exhaust gas turbocharger assembly 10 in fluid communication with an air inlet 60a of the internal combustion engine 60,
Inlet 30a in fluid communication with the exhaust gas line and outlet 30b in fluid communication with the boost air line, the exhaust gas A branching from the exhaust gas line, exits the outlet 30b at the exhaust gas inlet position AE. An exhaust gas turbocharger assembly (10) for an internal combustion engine (60) comprising an exhaust gas recirculation device (30) that can be introduced into a boost air line via
The exhaust gas inlet position AE is the pressure difference between the inlet pressure of the exhaust gas A flowing into the compressor 26 to the fluid compression path VP and the boost pressure PL to be obtained. Exhaust gas turbocharger assembly, characterized in that it is located in the fluid compression path VP of the compressor 26 to compensate for ΔP and only compress from the inlet pressure to the boost pressure PL desired to be accurately obtained.

The exhaust gas turbocharger according to claim 1, wherein the exhaust gas inlet position (AE) is located between the rotor fluid inlet 263 of the compressor 26 and the diffuser fluid outlet 266 of the compressor 26. assembly.

3. The exhaust of claim 2 wherein the exhaust gas inlet location AE is located between the rotor fluid inlet 263 of the compressor 26 and the fluid outlet of the discharge nozzle arrangement 268 of the compressor 26. Gas turbocharger assembly.

The exhaust gas turbocharger according to claim 2, wherein the exhaust gas inlet position (AE) is located between the rotor fluid inlet 263 of the compressor 26 and the rotor fluid outlet 264 of the compressor 26. assembly.

The exhaust gas turbocharger according to claim 2, wherein the exhaust gas inlet position (AE) is located between the rotor fluid outlet 264 of the compressor 26 and the diffuser fluid outlet 266 of the compressor 26. assembly.

The inlet 30a of the exhaust gas recirculation apparatus 30 is in fluid communication with the exhaust gas line at an exhaust gas branching position, wherein the exhaust gas branching position is along the exhaust gas line. An exhaust gas turbocharger assembly, located upstream of the turbine inlet (21a).

As the power train 1,
An exhaust gas turbocharger assembly (10) and an internal combustion engine (60) according to claim 1, wherein the exhaust gas line of the exhaust gas turbocharger assembly (10) is connected to the internal combustion engine (60). A power train in fluid communication with the exhaust gas outlet (60a), wherein the supercharged air line of the exhaust gas turbocharger assembly (10) is in fluid communication with the air inlet (60a) of the internal combustion engine (60).

Method for designing a power train (1) according to claim 7,
Determining an exhaust gas pressure (PA) characteristic curve according to the load for the internal combustion engine 60,
Determining a boost pressure (PL) characteristic curve according to the load for the compressor 26,
Determining a work load (AL) for the internal combustion engine (60),
Determining a pressure difference ΔP between the exhaust gas pressure (PA) characteristic curve and the boost pressure (PL) characteristic curve based on the determined work load,
Determining a compressor inherent pressure rise characteristic curve according to the longitudinal position in the fluid compression path VP based on the compression path length,
Length in the fluid compression path VP such that the pressure rise that can be obtained by the compressor 26 is equal to the determined pressure difference ΔP between the exhaust gas pressure PA characteristic curve and the boost pressure PL characteristic curve. Determining a direction position, and
Determining the exhaust gas inlet position (AE) such that the exhaust gas inlet position (AE) coincides with the determined longitudinal position.