KR101249564B1

KR101249564B1 - 내연기관용 제너레이팅 터보챠저의 제너레이터

Info

Publication number: KR101249564B1
Application number: KR1020110065788A
Authority: KR
Inventors: 동근오; 조현식; 권오길; 조성규; 김민철
Original assignee: 명화공업주식회사; 주식회사 세턴
Priority date: 2011-07-04
Filing date: 2011-07-04
Publication date: 2013-04-01
Anticipated expiration: 2031-07-04
Also published as: KR20130004948A

Abstract

본 발명은 아웃터 로터형의 제너레이터를 터빈과 컴프레셔 사이에 설치하고, 이 터빈의 회전속도에 비례하여 제너레이터로부터 생성되는 전기량을 조절할 수 있게 함으로써, 구조가 간단하면서도 터보 챠져를 통해 엔진 실린더로 과잉공기가 공급되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 부수적으로 전기를 얻을 수 있도록 한 내연기관용 제너레이팅 터보챠저의 제너레이터를 제공하는데 그 목적이 있다.
특히, 본 발명은 제너레이터를 구성함에 있어서, 영구자석이 고정자 주변을 감싸도록 회전자를 구성함으로써, 샤프트를 통해 전달되는 열 등에 의해 회전자가 열화되는 것을 방지하여 제너레이터의 내구성 및 그 성능을 향상시킬 수 있도록 한 내연기관용 제너레이팅 터보챠저의 제너레이터를 제공하는데 다른 목적이 있다.
그리고, 본 발명은 제너레이터의 하우징과 회전자 하우징을 통해 외기가 제너레이터 내부로 공급되었다가 다시 외부로 배출되면서 냉각효과를 얻을 수 있게 함으로써, 고온의 배기가스에 의한 제너레이터의 작동효율이 저감되는 것을 방지할 수 있도록 한 내연기관용 제너레이팅 터보챠저의 제너레이터를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

Description

내연기관용 제너레이팅 터보챠저의 제너레이터{GENERATOR FOR GENERATING TURBO CHARGER OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연기관용 제너레이팅 터보챠저의 제너레이터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터보 챠저에 아웃터 로터 방식의 제너레이터를 더 구성함으로써, 구조가 간단하면서도 부수적으로 전기를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 고속에서도 과잉공기가 공급되는 것을 방지하여 엔진 성능을 향상시킬 수 있도록 한 내연기관용 제너레이팅 터보챠저의 제너레이터에 관한 것이다.

일반적으로 차량과 같은 내연기관에는 연소 후 배출되는 배기가스를 이용하여 흡기량을 높여 엔진에 공급함으로써 완전연소를 유도하여 엔진 효율을 향상시키기 위하여 터보 챠저가 구비되어 있다. 이러한 터보 챠저는 배기가스를 공급받는 터빈측과 흡기를 공급하는 컴프레셔가 하나의 샤프트에 의해 구동되도록 구성되어 있다.

이 때문에, 기존의 터보 챠저는 엔진의 속도가 저속일 때에는 가속시간이 지연되는 터보 래그(Turbo Lag) 현상이 발생하였다. 또한, 엔진이 고속으로 회전하게 되면, 컴프레셔에 의해 압축된 흡기가 너무 많이 엔진 실린더에 공급되어 연소효율이 저하되는 문제가 발생하였다.

이러한 기존의 터보 챠저가 갖는 문제점을 해결하기 위하여 차속에 따라 배기의 흐름을 가변시켜 주는 가변용량 터보 차져(VGT; Variable Geometry Turbocharger) 시스템이 사용되고 있다.

VGT 시스템은 고속 구간에서 흡기량을 줄일 수 있도록 바이패스 밸브 시스템을 적용함으로써, 기존의 터보 챠저의 경우 고속에서 발생되는 문제점을 어느 정도 해결할 수 있었다.

하지만, 이러한 VGT 시스템은 제품의 개발 단가가 높을 뿐 아니라 고열의 과급기 내부에 베인 및 밸브를 두어 제품 고착에 의하여 엔진의 효율을 떨어뜨리는 요인으로 작용하였다. 또한, 구조가 복잡하여 제조와 유지보수에 어려움이 있었다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출한 것으로, 아웃터 로터형의 제너레이터를 터빈과 컴프레셔 사이에 설치하고, 이 터빈의 회전속도에 비례하여 제너레이터로부터 생성되는 전기량을 조절할 수 있게 함으로써, 구조가 간단하면서도 터보 챠져를 통해 엔진 실린더로 과잉공기가 공급되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 부수적으로 전기를 얻을 수 있도록 한 내연기관용 제너레이팅 터보챠저의 제너레이터를 제공하는데 그 목적이 있다.

특히, 본 발명은 제너레이터를 구성함에 있어서, 영구자석이 고정자 주변을 감싸도록 회전자를 구성함으로써, 샤프트를 통해 전달되는 열 등에 의해 회전자가 열화되는 것을 방지하여 제너레이터의 내구성 및 그 성능을 향상시킬 수 있도록 한 내연기관용 제너레이팅 터보챠저의 제너레이터를 제공하는데 다른 목적이 있다.

그리고, 본 발명은 제너레이터의 하우징과 회전자 하우징을 통해 외기가 제너레이터 내부로 공급되었다가 다시 외부로 배출되면서 냉각효과를 얻을 수 있게 함으로써, 고온의 배기가스에 의한 제너레이터의 작동효율이 저감되는 것을 방지할 수 있도록 한 내연기관용 제너레이팅 터보챠저의 제너레이터를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 내연기관용 제너레이팅 터보챠저의 제너레이터는, 배기가스로 구동되는 터빈과, 이 터빈과 샤프트로 연결되어 일체로 회전하면서 압축공기를 공급하는 컴프레셔를 포함하는 터보 챠저에 장착되는 제너레이터에 있어서, 제너레이터는, 터빈과 컴프레셔 사이에 장착되며 개폐가능한 하우징; 샤프트가 공회전하도록 하우징 내부에 장착된 고정자; 및 영구자석이 고정자의 외주면에 일정한 간격을 유지하도록 지지해 주면서 샤프트와 함께 회전하도록 설치된 회전자 하우징;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

특히, 하우징은 외주연에 외기가 유입될 수 있도록 공기구멍이 미리 정해진 간격으로 복수개가 형성된 것을 특징으로 한다. 그리고, 하우징에는 터빈을 향하는 면에 내기를 외부로 배출할 수 있도록 배출구멍이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 회전자 하우징은 용기 형상으로 이루어져서 내주면에 영구자석이 배치되고, 그 바닥면에는 회전자 하우징 내부로 공기유동이 가능하도록 복수의 공기구멍이 미리 정해진 간격으로 형성된 것을 특징으로 한다. 특히, 이들 공기구멍에는 외기가 유동간섭없이 회전자 하우징으로 유입될 수 있도록 곡률이 형성된 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 제너레이터는, 엔진의 회전수가 일정RPM 이상일 때에 바람직하게는 1000RPM 이상일 때에 터보 챠저의 회전속도에 비례하여 제너레이터가 구동되게 하여 전력을 얻는 전력변환기;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 특히, 전력변환기는, 엔진냉각용 전자제어 워터펌프의 작동, 인터쿨러 냉각용 전자제어 워터펌프의 작동, 전자오일펌프(ISG 적용 차량의 경우)의 작동, 그리고 배터리의 충전을 위하여 전원을 공급이 이루어지도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

마지막으로, 전력변환기는 컴프레셔에 설치된 유량센서를 통하여 검출된 유량을 이용하여 차속을 검출하고, 이 차속에 비례하여 제너레이터로부터 전력을 얻는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 내연기관용 제너레이팅 터보챠저의 제너레이터에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

1) 구조가 간단한 제너레이터를 이용하여 터보 챠져에서 엔진 실린더로 과잉공기가 공급되지 않도록 제어하여 완전연소를 도모하여 엔진 효율을 향상시킬 수 있다.

2) 영구자석이 샤프트에 닿지 않고 고정자의 외주면을 감싸는 형태로 제너레이터가 장착되기 때문에, 샤프트를 통해 전달된 열이 영구자석을 열화시키는 것을 방지하게 된다. 이에 제너레이터의 성능 저하를 방지하여 그 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.

3) 제너레이터의 외곽을 이루는 하우징 및 회전자 하우징 사이에 외기가 순환될 수 있도록 구성함으로써, 제너레이터 내에서 발생되는 열이라든가 터빈으로부터 전달되는 열의 냉각효과를 높일 수 있다.

4) 과잉공기로 제너레이터를 회전시켜 잉여 전기에너지를 얻을 수 있다.

5) 제너레이터로부터 얻은 잉여전기는 차량의 전기장치에 공급하여 사용함으로써, 전기소비량과 함께 연료 효율을 향상시킬 수 있다.

6) 제너레이터의 내부로 외기를 순환시킬 수 있게 함으로써, 제너레이터의 내구성을 향상시킴으로써 그 수명을 연장시킬 수 있다.

7) 엔진으로부터 얻은 전기를 사용하는 전기장치에 제너레이터로부터 얻은 전기를 이용하기 때문에 엔진효율을 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 제너레이터가 적용된 터보 챠저의 전체 구성을 보여주기 위한 분해사시도.
도 2는 본 발명에 따른 제너레이터가 적용된 터보 챠저의 정면도.
도 3은 본 발명에 따른 제너레이터의 구성을 설명하기 위한 도 2에서의 A-A선 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 하우징의 구성을 설명하기 위한 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 회전자 하우징의 구성을 설명하기 위한 사시도.
도 6은 도 5에서의 B-B선 단면도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

(구성)

도 1은 본 발명에 따른 제너레이터가 적용된 터보 챠저의 전체 구성을 보여주기 위한 분해사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 제너레이터가 적용된 터보 챠저의 정면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 제너레이터의 구성을 설명하기 위한 도 2에서의 A-A선 단면도이다. 그리고, 도 4는 본 발명에 따른 제너레이터의 하우징의 구성을 설명하기 위한 사시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 회전자 하우징의 구성을 설명하기 위한 사시도이며, 도 6은 도 5에서의 B-B선 단면도이다.

본 발명에 따른 제너레이터(200), 배기가스로 구동되는 터빈(110)에 의해 구동되는 샤프트(S)에 의해 전원을 발생시키도록 터보 챠저(100)에 장착된다. 이때, 상기 제너레이터(200)는 터빈(110)의 구동으로 흡기를 생성시켜 주는 컴프레셔(120) 측에 장착함으로써, 배기가스에 의한 열전달 등의 영향을 최소화할 수 있게 하는 것이 바람직하다.

이러한 제너레이터(200)는, 컴프레셔(120) 측에 장착되는 하우징(210), 샤프트(S)가 공회전되도록 하우징(210)의 내부에 장착된 고정자(220), 그리고 고정자(220)의 외주면을 감싸도록 영구자석(231)이 구비되어 샤프트(S)에 의해 구동되는 회전자 하우징(230)을 포함한다. 특히, 이러한 제너레이터(200)는 아웃터 로터 형식을 채용함으로써, 배기가스에서 전달되는 열에 의한 열화 현상을 최소화하여 제너레이터(200)의 전기적 성질이 변하지 않게 하는 것이 바람직하다.

이하, 이들의 구성에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

하우징(210)은 용기 형상으로 형성되며, 개구된 상부에는 마감덮개(213)가 구비된다. 마감덮개(213)에는 중앙에 관통구멍(213a)이 형성되고, 이 관통구멍(213a)에는 샤프트(S)가 장착된다. 이때, 샤프트(S)는 배기가스가 누설되지 않게 장착된다. 이와 같이 이루어진 마감덮개(213)는 컴프레셔(120)측에 장착되는 것이 바람직하며, 이 컴프레셔(120)와 본 발명에 따른 제너레이터(200)를 구분시켜 주는 구성요소로도 활용할 수 있다.

또한, 하우징(210)에는 외주면에 공기구멍(211)이 미리 정해진 간격으로 복수개가 형성된다. 이 공기구멍(211)은 하우징(210)의 외부로부터 외기가 유입될 수 있도록 하기 위한 구멍이다.

그리고, 하우징(210)에는 용기 형상의 바닥면에 복수개의 배출구멍(212)이 미리 정해진 간격으로 형성된다. 이때, 이들 배출구멍(212)은 샤프트(S)를 중심으로 방사형으로 배치되게 형성하는 것이 바람직하다.

고정자(220)는 통상의 발전기 분야에서 많이 사용되는 계자코일로서, 자극(자계)를 형성시켜 주는 구성요소이다. 이러한 고장자(220)는 발전기라든가 모터에서 통상적으로 이용되는 것으로 그 구성 및 작용에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.

한편, 본 발명에서는 이러한 고정자(220)를 후술하게 될 영구자석(231)에 의해 감싸지는 구조, 즉 아웃터 로터 형식으로 제작한다. 여기서, 아웃터 로터 형식이란 통상적으로 고정자 코일 내부에서 회전하는 회전자(영구자석) 방식의 발전기와 반대로, 회전자(영구자석) 내부에 고정자가 위치하도록 설치한 것이다.

이는 영구자석(231)의 경우 주변의 열에 의해 열화되게 되면 자계가 약해져서 그 기능이 저하된다. 이 때문에 본 발명에서는, 영구자석(231)이 샤프트와 접촉되지 않고 고정자(220)를 감싸주는 구조로 형성함으로써, 터빈을 통해 배기가스의 열이 샤프트를 통해 전달되더라도 영구자석(231)의 기능이 저하되는 것을 방지할 수 있게 되는 것이다.

회전자 하우징(230)은 샤프트(S)에 의해 회전하면서 영구자석(231)이 고정자(220)에 의해 형성된 자계 내에서 회전하면서 전기를 발생시켜 주게 된다.

이러한 회전자 하우징(230)은 용기 형상으로 이루어지며, 내주면에는 영구자석(231)이 장착된다. 이때, 영구자석(231)의 배치는 상기 고정자(220)에 구성되는 고정자코일(계자코일)의 배치에 따라 달라진다. 이러한 배치는 이 분야에서 통상의 기술자라면 쉽게 알 수 있는 것으로 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 회전자 하우징(230)에는 바닥면에 복수의 공기구멍(232)이 형성된다. 이들 공기구멍(232)은 샤프트(S)를 중심으로 방사형태로 제작하게 되며, 상기 공기구멍(211)을 통해 유입된 공기가 회전자 하우징(230) 안으로 유입되어 냉각효과를 얻을 수 있게 안내하는 역할을 한다.

특히, 상기 공기구멍(232)은 회전자 하우징(230)이 회전함에 따라 공기의 유동 흐름을 최소화할 수 있도록 유선 형상으로 제작하는 것이 바람직하다. 또한, 공기구멍(232)에는 테두리 부분에 곡률(R)을 형성하여, 외기가 부드럽게 흐르도록 하여 회전자 하우징(230)의 회전에 방해가 되지 않게 하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 제너레이터(200)는 풍차와 같이 불규칙적으로 발생되는 에너지의 세기(풍차의 회전력)에 비례하여 전기를 얻을 수 있도록 제어하는 전력변환기(미도시됨)를 더 구성하는 것이 바람직하다.

전력변환기는 차속에 따라 달라지는 흡기공기량, 즉 컴프레셔(120)를 통해 공급되는 흡기량을 바탕으로 차속을 검출하게 된다. 이를 위하여, 상기 컴프레셔(120) 측에는 유량센서를 더 구비하고, 유량센서에서 검출한 유량 관련 검출값을 바탕으로 전력변환기에서는 과급공기가 엔진 실린더로 유입되지 않도록 제너레이터(200)의 회전력을 제어하여, 제너레이터(200)가 일종의 공기저항을 갖도록 제어하게 되는 것이다.

여기서 전력변환기는, 엔진의 회전수가 일정RPM 이상일 때에 바람직하게는 1000RPM 이상일 때에 터보 챠저의 회전속도에 비례하여 제너레이터(200)가 구동되게 하여 전력을 얻는다. 이는 저속에서 제너레이터(200)가 작동되어서 엔진으로 유입되는 흡기에 저항이 걸리지 않도록 하기 위함이다.

또한, 본 발명에 따른 전력변환기는 제너레이터(200)에서 발생된 전원을 차량에서 필요로 하는 구성요소에 제공하여 엔진 효율 및 연료소비 효율을 향상시키게 된다.

이때, 제너레이터(200)는 엔진냉각용 전자제어 워터펌프의 작동, 인터쿨러 냉각용 전자제어 워터펌프의 작동, 전자오일펌프(ISG 적용 차량의 경우)의 작동, 그리고 배터리의 충전을 위하여 전원을 공급이 이루어지도록 제어한다. 이는 엔진 구동시 지속적으로 전기를 필요로 할 뿐만 아니라 엔진 구동에 필요한 곳에 전원공급이 이루어질 수 있게 하기 위함이다.

이상에서 본 바와 같이 본 발명은 터보 차져를 통해 과잉공기가 공급되지 않도록 제너레이터를 이용함으로써, 구조가 간단하면서도 부수적으로 전기를 얻을 수 있어 엔진 효율도 함께 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

200 : 제너레이터
210 : 하우징
211 : 공기구멍
212 : 배출구멍
213 : 마감덮개
220 : 고정자
230 : 회전자 하우징
231 : 영구자석
232 : 공기구멍

Claims

삭제
배기가스로 구동되는 터빈(110)과, 이 터빈(110)과 샤프트(S)로 연결되어 일체로 회전하면서 압축공기를 공급하는 컴프레셔(120)를 포함하는 터보 챠저(100)에 장착되는 제너레이터(200)에 있어서,
상기 제너레이터(200)는,
상기 터빈(110)과 컴프레셔(120) 사이에 장착되며 개폐가능한 하우징(210);
상기 샤프트(S)가 공회전하도록 상기 하우징(210) 내부에 장착된 고정자(220); 및
영구자석(231)이 상기 고정자(220)의 외주면에 일정한 간격을 유지하도록 지지해 주면서 상기 샤프트(S)와 함께 회전하도록 설치된 회전자 하우징(230);을 포함하고,
상기 하우징(210)은 외주연에 외기가 유입될 수 있도록 공기구멍(211)이 미리 정해진 간격으로 복수개가 형성된 것을 특징으로 하는 내연기관용 제너레이팅 터보챠저의 제너레이터.
제 2 항에 있어서,
상기 하우징(210)에는 터빈(110)을 향하는 면에 내기를 외부로 배출할 수 있도록 배출구멍(212)이 형성된 것을 특징으로 하는 내연기관용 제너레이팅 터보챠저의 제너레이터.
배기가스로 구동되는 터빈(110)과, 이 터빈(110)과 샤프트(S)로 연결되어 일체로 회전하면서 압축공기를 공급하는 컴프레셔(120)를 포함하는 터보 챠저(100)에 장착되는 제너레이터(200)에 있어서,
상기 제너레이터(200)는,
상기 터빈(110)과 컴프레셔(120) 사이에 장착되며 개폐가능한 하우징(210);
상기 샤프트(S)가 공회전하도록 상기 하우징(210) 내부에 장착된 고정자(220); 및
영구자석(231)이 상기 고정자(220)의 외주면에 일정한 간격을 유지하도록 지지해 주면서 상기 샤프트(S)와 함께 회전하도록 설치된 회전자 하우징(230);을 포함하고,
상기 회전자 하우징(230)은 용기 형상으로 이루어져서 내주면에 영구자석(231)이 배치되고,
그 바닥면에는 회전자 하우징(230) 내부로 공기유동이 가능하도록 복수의 공기구멍(232)이 미리 정해진 간격으로 형성된 것을 특징으로 하는 내연기관용 제너레이팅 터보챠저의 제너레이터.
제 4 항에 있어서,
상기 공기구멍(232)에는 외기가 유동간섭없이 회전자 하우징(230)으로 유입될 수 있도록 곡률(R)이 형성된 것을 특징으로 하는 내연기관용 제너레이팅 터보챠저의 제너레이터.
삭제
삭제
제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제너레이터(200)는,
엔진의 회전수가 일정 RPM 이상일 때에 상기 터보 챠저(100)의 회전속도에 비례하여 상기 제너레이터(200)가 구동되게 하여 전력을 얻는 전력변환기를 더 포함하고,
상기 전력변환기는, 엔진냉각용 전자제어 워터펌프, 엔진냉각용 전자제어 워터펌프의 작동, 인터쿨러 냉각용 전자제어 워터펌프의 작동, 전자오일펌프(ISG 적용 차량의 경우)의 작동, 그리고 배터리의 충전을 위하여 전원을 공급이 이루어지도록 제어하고,
상기 전력변환기는 컴프레셔(120)에 설치된 유량센서를 통하여 검출된 유량을 이용하여 차속을 검출하고, 이 차속에 비례하여 제너레이터로부터 전력을 얻는 것을 특징으로 하는 내연기관용 제너레이팅 터보챠저의 제너레이터.