KR100482545B1

KR100482545B1 - 가변 노즐 터빈의 베인 각도 조절장치

Info

Publication number: KR100482545B1
Application number: KR10-2001-0070428A
Authority: KR
Inventors: 박준철
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2001-11-13
Filing date: 2001-11-13
Publication date: 2005-04-14
Also published as: DE10247816B4; US6892538B2; KR20030039489A; DE10247816A1; JP2003148154A; US20030089109A1

Abstract

가변 노즐 터빈에 설치되는 베인의 배치각도를 자동으로 조절하여 엔진의 출력효율을 최대화할 수 있도록 하는 가변 노즐 터빈의 베인 각도 조절장치를 제공할 목적으로,

터빈 케이스의 덮개 외부 일측에 장착 브라켓을 통하여 장착되는 액츄에이터와; 상기 액츄에이터의 작동로드 선단에 외부 크랭크를 통하여 일단이 연결되고, 타단은 상기 터빈 케이스의 덮개 일측에 회전 가능하게 설치되는 내부 크랭크의 일단과 연결되는 회전 플레이트와; 상기 터빈 케이스의 내부에서 상기 덮개에 대하여 회전 가능하게 구성되며, 상기 내부 크랭크의 타단에 구성되는 구동캠과 일측에서 연결되어 이 구동캠의 작동에 연동하는 회전 링과; 상기 회전 링의 내주면을 따라 일정간격 형성되는 다수개의 캠 홈에 회전캠을 통하여 일단이 설치되는 다수개의 회전축과; 상기 다수개의 회전축 타단에 각각 장착되어 터빈의 외측에 일정간격으로 배치되는 베인을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 노즐 터빈의 베인 각도 조절장치를 제공한다.

Description

가변 노즐 터빈의 베인 각도 조절장치{VANE ANGLE CONTROL DEVICE FOR VIABLE NOZZLE TURBINE}

본 발명은 가변 노즐 터빈의 베인 각도 조절장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 터빈의 배기측에 설치되어 터빈의 입구 및 출구측의 온도와 압력신호에 따라 베인의 각도를 조절하여 주는 가변 노즐 터빈의 베인 각도 조절장치에 관한 것이다.

일반적으로 디젤엔진에는 흡입되는 공기의 충진 효율을 증대시키기 위하여 배기가스에 의하여 작동되어 흡기를 과급시키도록, 엔진의 배기 매니폴드 측에 설치되는 터빈과, 엔진의 흡기 매니폴드 측에 설치되는 블로어를 회전축으로 연결하고, 이 회전축을 저널 베어링으로 지지하는 구조의 터보 차져를 이용하여 터보 차져 시스템을 적용하고 있다.

이러한 터보 차져 시스템은, 도 4에서 도시한 바와 같이, 터빈(101)과 블로어(103)로 구성되는 터보 차져(105)는 상기 터빈(101)이 엔진(107)의 배기 매니폴드(109)로부터 배기가스를 공급받을 수 있도록 연결되고, 상기 블로어(103)는 에어 클리너(111)로부터 신기를 흡입하여 인터쿨러(113)를 통하여 엔진(107)에 신기를 공급하기 위하여 흡기 매니폴드(115)와 연결된다.

그리고 상기 터빈(101)측으로 공급되는 배기가스를 배출하기 위한 배출관로 (117)와, 상기 신기를 흡입하기 위하여 에어 클리너(111)와 연결되는 흡입관로 (119)가 구성된다.

따라서 엔진(107)의 배기가스 배출압에 의해 상기 터보 차져(105)의 터빈 (101)이 회전하면, 이와 회전축(121)을 통하여 연결된 블로어(103)가 회전하면서 에어 클리너(111)로부터 신기를 공급받아 인터쿨러를 거치도록 하여 흡기 매니폴드(115)로 압축 냉각 공기를 과급하도록 이루어진다.

그런데, 상기한 바와 같은 종래의 터보 차져 시스템에서 상기 터빈(101)은 그 회전 속도가 배기 매니폴드(109)를 통하여 배출되는 배기가스의 양에 의해서만 결정되므로 엔진(107)의 회전 속도가 낮은 구간에서는 배기 압력이 낮아 흡입공기를 압축하지 못하고, 오히려 터빈(101)이 저항체로 작용되어 토크가 작아지는 문제점이 있어, 최근에는 터빈 케이스 내에 부압 액츄에이터(미도시)등의 각도 조절장치에 의해 배치각도를 가변할 수 있는 베인(미도시)을 적용하여 배기가스의 배출 유속을 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 가변 노즐 터빈을 적용하고 있는 추세이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 가변 노즐 터빈에 적용되는 베인을 회전시켜 베인 각도를 조절하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 가변 노즐 터빈에 설치되는 베인의 배치각도를 자동으로 조절하여 엔진의 출력효율을 최대화할 수 있도록 하는 가변 노즐 터빈의 베인 각도 조절장치를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명의 가변 노즐 터빈의 베인 각도 조절장치는, 가변 노즐 터빈의 베인 각도 조절장치에서,

터빈 케이스의 덮개 외부 일측에 장착 브라켓을 통하여 장착되는 액츄에이터와; 상기 액츄에이터의 작동로드 선단에 외부 크랭크를 통하여 일단이 연결되고, 타단은 상기 터빈 케이스의 덮개 일측에 회전 가능하게 설치되는 내부 크랭크의 일단과 연결되는 회전 플레이트와; 상기 터빈 케이스의 내부에서 상기 덮개에 대하여 회전 가능하게 구성되며, 상기 내부 크랭크의 타단에 구성되는 구동캠과 일측에서 연결되어 이 구동캠의 작동에 연동하는 회전 링과; 상기 회전 링의 내주면을 따라 일정간격 형성되는 다수개의 캠 홈에 회전캠을 통하여 일단이 설치되는 다수개의 회전축과; 상기 다수개의 회전축 타단에 각각 장착되어 터빈의 외측에 일정간격으로 배치되는 베인을 포함하는 것을 특징으로 하며,

상기 액츄에이터는 상기 장착 브라켓의 상단에 장착되어 엔진제어유닛으로부터 입력되는 전기신호를 증폭하여 전류신호를 출력하는 전류 증폭기와; 상기 전류 증폭기로부터 출력되는 전류신호에 따라 작동로드를 전후진 작동시키는 구동부로 이루어지는 것을 특징으로 하며,

상기 구동부는 상기 전류 증폭기의 하부에 장착되는 튜브 케이스와; 상기 튜브 케이스의 상부에 고정 설치되며, 상기 전류 증폭기의 플러스 단자가 연결되는 포지티브 단자 플레이트와; 상기 튜브 케이스의 하부 일측에서 상기 튜브 케이스의 내부를 따라 이동 가능하게 설치되고, 상기 전류 증폭기의 마이너스 단자가 연결되며, 하부 일측에는 상기 작동로드가 설치되는 네가티브 단자 플레이트와; 상기 튜브 케이스 내부에서 포지티브 단자 플레이트와 네가티브 단자 플레이트 사이에 개재되어 각 단자 플레이트와 상,하단에서 연결되는 형상기억합금 재질의 스프링으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명이 적용된 가변 노즐 터빈의 부분 절개 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 가변 노즐 터빈의 베인 각도 조절장치의 구성도로서, 먼저, 본 발명이 적용되는 가변 노즐 터빈의 구성은 터보 차져(1)의 일측 블로어(3)와 연결되며, 엔진(미도시)의 배기 매니폴드로부터 배기가스를 공급받을 수 있도록 배기가스 공급관(5)과 일체로 터빈 케이스가(7) 구성되며, 상기 터빈 케이스(7) 내부에 터빈(9)이 회전축(11)을 통하여 상기 블로어(3)와 연결되어 덮개(13)로 덮어져 구성된다.

이러한 가변 노즐 터빈의 구성에서 본 발명에 따른 가변 노즐 터빈의 베인 각도 조절장치는, 도 2에서 도시한 바와 같이, 상기 터빈 케이스(7)의 덮개(13) 외부 일측에 장착 브라켓(15)을 통하여 액츄에이터(17)가 장착되며, 상기 액츄에이터(17)의 작동로드(19) 선단에는 외부 크랭크(21)를 통하여 일단이 연결되고, 타단은 상기 터빈 케이스(7)의 덮개(13) 일측에 회전 가능하게 설치되는 내부 크랭크(23)의 일단과 연결되는 회전 플레이트(25)가 구성된다.

그리고 상기 터빈 케이스(7)의 내부에서 상기 덮개(13)에 대하여 회전 가능하게 회전 링(27)이 구성되는데, 이 회전 링(27)은 상기 내부 크랭크(23)의 타단에 구성되는 구동캠(29)과 일측에서 연결되어 이 구동캠(29)의 작동에 연동하게 된다.

또한, 상기 회전 링(27)에는 그 내주면을 따라 일정간격으로 다수개의 캠 홈(31)이 형성되어 이에 회전캠(33)이 각각 설치되며, 상기 각각의 회전캠(33)에는 회전축(35)이 그 일단을 통하여 설치된다.

이 때, 상기 회전축(35)의 타단에는 터빈(9)의 외측에 일정간격으로 배치되는 베인(37)이 연결된다.

상기 액츄에이터(17)의 구성은, 도 3에서 도시한 바와 같이, 상기 장착 브라켓(15)의 상단에 전류 증폭기(41)가 장착되어 엔진제어유닛(미도시, ECU)으로부터 입력되는 전기신호를 증폭하여 전류신호를 출력하게 되며, 상기 전류 증폭기(41)로부터 출력되는 전류신호에 따라 작동로드(19)를 전후진 작동시키는 구동부(43)가 그 하부에 구성된다.

여기서 상기 액츄에이터(17)의 구동부(43)는 상기 전류 증폭기(41)의 하부에 세라믹 소재의 튜브 케이스(45)가 구성되고, 상기 튜브 케이스(45)의 상부에는 상기 전류 증폭기(41)의 플러스 단자가 연결되는 포지티브 단자 플레이트(47)가 고정 설치된다.

그리고 상기 튜브 케이스(45)의 하부에는 상기 튜브 케이스(45)의 내부를 따라 이동 가능하게 네가티브 단자 플레이트(49)가 설치되고, 또 이 네가티브 단자 플레이트(49)는 상기 전류 증폭기(41)의 마이너스 단자가 연결됨과 동시에, 하부 일측에 상기 작동로드(19)가 설치되어 구성된다.

또한, 상기 튜브 케이스(45) 내부에서 포지티브 단자 플레이트(47)와 네가티브 단자 플레이트(49) 사이에는 각 단자 플레이트(47,49)와 상,하단에서 각각 연결되는 형상기억합금 재질의 스프링(51)이 개재된다.

따라서, 상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 가변 노즐 터빈의 베인 각도 조절장치에 의하면, 엔진이 고속구간에서는 엔진제어유닛(미도시)으로부터 그에 해당하는 전기신호를 입력받아 전류 증폭기(41)에서 상기 형상기억합금 소재의 스프링(51)에 전류신호를 출력하게 된다.

그러면, 상기 스프링(51)은 저항으로 작용하여 발생하는 열에 의해 열 탄성 작용하여 상기 회전 플레이트(25)의 일측을 외부 크랭크(21)를 통하여 당기게 되며, 이에 따라 상기 회전 플레이트(25)의 타측에 연결된 내부 크랭크(23)는 상기 구동캠(29)을 통하여 회전 링(27)을 고속 방향으로 회전시키고, 이 회전 링(27)의 회전에 의해 상기 베인(37)은 회전캠(33) 및 회전축(35)에 의해 회전하여 베인 각도(α)가 커지도록 하여 상기 터빈(9)에 공급되는 배기가스의 입사각을 조절하게 되는 것이다.

한편, 엔진이 저속구간으로 이동하게 되면, 엔진제어유닛(미도시)으로부터 그에 해당하는 전기신호를 입력받아 전류 증폭기(41)에서 상기 형상기억합금 소재의 스프링(51)에 전류신호를 출력하게 된다.

그러면, 상기 스프링(51)은 저항으로 작용하여 발생하는 열에 의해 열 탄성 작용하여 상기 회전 플레이트(25)의 일측을 외부 크랭크(21)를 통하여 밀게 되며, 이에 따라 상기 회전 플레이트(25)의 타측에 연결된 내부 크랭크(23)는 상기 구동캠(29)을 통하여 회전 링(27)을 저속 방향으로 회전시키고, 이 회전 링(27)의 회전에 의해 상기 베인(37)은 회전캠(33) 및 회전축(35)에 의해 회전하여 베인 각도(α)가 작아지도록 하여 상기 터빈(9)에 공급되는 배기가스의 입사각을 조절하게 되는 것이다.

여기서 상기 배기가스의 입사각은 별도로 도시하지는 않았으나, 고속에서는 터빈(9)에 완만하게 공급될 수 있도록 하고, 저속에서는 터빈(9)에 직접적으로 작용할 수 있도록 하여 터빈의 출력을 조절할 수 있도록 하는데 기인한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 가변 노즐 터빈의 베인 각도 조절장치에 의하면, 가변 노즐 터빈에 설치되는 베인의 각도 조절을 엔진제어유닛의 신호에 따라 전류 증폭기에서 출력되는 전류신호에 따른 형상기억합금 소재의 스프링의 열 탄성변형을 이용한 액츄에이터를 적용함으로서, 정밀한 제어 및 자동 조절이 가능하여 엔진의 출력효율을 최대화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명이 적용된 가변 노즐 터빈의 부분 절개 사시도이다.

도 2는 본 발명에 따른 가변 노즐 터빈의 베인 각도 조절장치의 구성도이다.

도 3은 본 발명에 따른 가변 노즐 터빈의 베인 각도 조절장치에 적용되는 액츄에이터의 상세 구성도이다.

도 4는 일반적인 터보 챠저 시스템의 구성도이다.

Claims

가변 노즐 터빈의 베인 각도 조절장치에 있어서,

터빈 케이스의 덮개 외부 일측에 장착 브라켓을 통하여 그 상단에 장착되어 엔진제어유닛으로부터 입력되는 전기신호를 증폭하여 전류신호를 출력하는 전류 증폭기와, 상기 전류 증폭기로부터 출력되는 전류신호에 따라 작동로드를 전후진 작동시키는 구동부로 구성되는 액츄에이터와;

상기 액츄에이터의 작동로드 선단에 외부 크랭크를 통하여 일단이 연결되고, 타단은 상기 터빈 케이스의 덮개 일측에 회전 가능하게 설치되는 내부 크랭크의 일단과 연결되는 회전 플레이트와;

상기 터빈 케이스의 내부에서 상기 덮개에 대하여 회전 가능하게 구성되며, 상기 내부 크랭크의 타단에 구성되는 구동캠과 일측에서 연결되어 이 구동캠의 작동에 연동하는 회전 링과;

상기 회전 링의 내주면을 따라 일정간격 형성되는 다수개의 캠 홈에 회전캠을 통하여 일단이 설치되는 다수개의 회전축과;

상기 다수개의 회전축 타단에 각각 장착되어 터빈의 외측에 일정간격으로 배치되는 베인과;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 노즐 터빈의 베인 각도 조절장치.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 구동부는

상기 전류 증폭기의 하부에 장착되는 튜브 케이스와;

상기 튜브 케이스의 상부에 고정 설치되며, 상기 전류 증폭기의 플러스 단자가 연결되는 포지티브 단자 플레이트와;

상기 튜브 케이스의 하부 일측에서 상기 튜브 케이스의 내부를 따라 이동 가능하게 설치되고, 상기 전류 증폭기의 마이너스 단자가 연결되며, 하부 일측에는 상기 작동로드가 설치되는 네가티브 단자 플레이트와;

상기 튜브 케이스 내부에서 포지티브 단자 플레이트와 네가티브 단자 플레이트 사이에 개재되어 각 단자 플레이트와 상,하단에서 연결되는 형상기억합금 재질의 스프링으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변 노즐 터빈의 베인 각도 조절장치.
청구항 3에 있어서, 상기 튜브 케이스는

세라믹 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변 노즐 터빈의 베인 각도 조절장치.