KR100535052B1 - 가변 터보차저시스템의 터빈구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가변 터보차저시스템의 터빈구조에 관한 것으로, 베인베어링 링(31)을 관통하여 액추에이터와 동력전달이 가능하도록 연결되는 베인축(32a)을 통해 상기 베인베어링 링(31)의 일면에서 회전가능하게 장착되는 다수개의 베인(32)을 포함하여 구성되는 가변 터보차저시스템의 터빈구조에 있어서, 상기 베인베어링 링(31)과 베인(32)사이에 위치되면서 베인축(32a)에 의해 관통되어 회전가능하게 장착됨은 물론 외주면을 따라서 외접기어(51)가 형성되는 다수개의 회전판부재(50)와, 상기 다수개의 회전판부재(50)와 일체로 치합되게 내주면을 따라서는 상기 외접기어(51)와 치합되는 내접기어(61)가 형성되고 외주면에는 다수개의 회전돌기(63)가 등간격으로 형성되는 회전판구동링부재(60)를 더 포함하도록 구성되어져, 상기 베인(32)이 베인베어링 링(31)상에 고착되는 현상이 예방됨으로써 가변 터보차처의 성능향상에 도움이 되도록 된 것이다.

Description

가변 터보차저시스템의 터빈구조{turbine structure of variable geometry turbocharger system}

본 발명은 가변 터보차저시스템의 터빈구조에 관한 것으로, 특히 엔진의 회전속도에 따라 터빈의 회전능력을 조절하여 주는 베인이 베인베어링 링상에 고착되는 현상을 미리 예방할 수 있도록 하는 가변 터보차저시스템의 터빈구조에 관한 것이다.

일반적으로, 터보차저(turbocharger; 배기터빈 과급기)란 배기가스의 에너지로 배기터빈을 돌릴 경우 상기 배기터빈에 직결된 압축기가 엔진으로 공기를 밀어 넣어 엔진의 출력을 향상시키도록 된 장치로서, 보통 도 1에 도시된 바와 같이 엔진(1)으로 흡입되는 공기를 압축하고 압력을 상승시키도록 된 압축기(10) 및, 이 압축기(10)와 회전축(20)에 의해 직결되도록 설치되면서 배기가스의 열에너지를 회전력으로 변화시키는 터빈(30)으로 구성된다.

여기서, 상기 압축기(10)는 공기흡입통로(11)를 통해 에어클리너(2)와 연결되도록 설치되면서 공기배출통로(12)를 통해 엔진(1)의 흡기매니폴드(3)와 연결되도록 설치된다.

그리고, 상기 터빈(30)은 배기가스흡입통로(31)를 통해 엔진(1)의 배기매니폴드(4)와 연결되도록 설치되면서 배기가스배출통로(32)를 통해 배기파이프와 연결되도록 설치된다.

한편, 상기 압축기(10)는 고속회전으로 공기를 가압 흡입하는 임펠러와 유속이 빠를 때 감속하여 운동에너지를 압력으로 바꾸는 디퓨저 및 하우징으로 구성되고, 상기 터빈(30)은 압축기를 구동하는 부분으로써 배기가스의 유동에너지를 회전력으로 변환시키는 블레이드 및 하우징으로 구성된다.

따라서, 엔진의 배기행정에서 배기가스가 배출되어 배기쪽의 터빈(30)을 회전시키게 되면, 상기 터빈(30)의 회전력이 회전축(20)을 통해 압축기(10)로 전달되어 흡입쪽의 임펠러도 동시에 회전되게 되며, 이로 인해 상기 임펠러 중심 부근의 공기는 원심력을 받아 바깥쪽으로 가속되면서 디퓨저로 보내지게 된다.

그리고, 상기 디퓨저는 공기통로의 면적이 크기 때문에 공기의 운동에너지가 압력으로 바뀌면서 압축되는 과급압 공기를 실린더로 공급시키게 되고, 이로 인해 체적효율이 향상되면서 엔진의 출력이 증대되게 된다.

한편, 오늘날의 디젤엔진은 고출력화와 저연비화를 달성하는 데에 역점을 두고 있기 때문에, 저속 및 고속영역에서 흡입공기의 제어가 가능한 가변 터보차처(VGT : Variable Geometry Turbocharger)방식을 주로 사용하고 있는 추세이다.

가변 터보차처방식이란 도 2에 도시된 바와 같이, 베인베어링 링(31)상에 다수개의 베인(32)을 회전가능하게 장착한 구조로서, 저속영역에서는 상기 베인(32)을 도 2와 같이 베인베어링 링(31)의 원주방향으로 각도를 주어 배기가스의 속도성분을 극대화하고, 고속영역에서는 도 3에 도시된 바와 같이 베인(32)의 각도를 베인베어링 링(31)의 반경방향으로 조절하여 배기가스에 둔감하게 작동하도록 하는 것이다.

여기서, 상기 베인(32)은 도 4에 도시된 바와 같이 각각의 베인축(32a)을 통해 액추에이터와 연결되는 구조를 가지며, 상기 액추에이터는 ECU(엔진제어유니트)의 제어에 의해 구동되게 된다.

따라서, 가변 터보차처의 생명은 제어조건에 따라 베인(32)의 정확한 각도조절에 기인하게 된다.

그러나, 통상적인 가변 터보차저시스템은 장시간 고속 주행시나 또는 카본 퇴적후 장기간 주차시 상기 카본에 의해 베인(32)이 베인베어링 링(31)상에 고착(stick)되는 현상이 발생되고, 이에 따라 상기 베인()의 작동이 불량해지는 문제점이 있었다.

상기와 같이 퇴적된 카본에 의해 베인(32)이 베인베어링 링(31)상에 고착되는 현상은 결국 터보차처의 기능을 상실시키는 원인으로 작용을 하게 되며, 더 나아가 엔진(1)의 손상을 초래하는 문제점으로도 작용을 하게 된다.

따라서, 내구시험시에는 일정시간마다 베인(32) 털기 작업을 실시하거나 또는 압축기(10)의 출구압 및 출구온도를 측정하여 이상이 있을 경우 이를 해결할 수 있었으나, 실차 운전시에는 이와 같은 베인(32)의 이상현상을 발견할 수 없게 되어 결국 엔진(1)이 손상되는 원인으로 작용을 하게 되는 것이다.

한편, 도 2와 도 3에 도시된 미설명부호 33은 터빈하우징이고, 미설명부호 33a는 터빈하우징에 형성된 배기가스흡입구이다.

그리고, 도 2 내지 도 4에 도시된 터빈(30)은 베인베어링 링(31)이 한 개만이 갖춰진 일례를 보여주고 있으나, 상기 베인베어링 링(31)은 터빈(30)의 종류에 따라 두 개가 갖춰질 수도 있게 되며, 이때 두 개의 베인베어링 링(31)은 베인(32)을 사이에 두고 베인(32)의 양면과 서로 면접촉을 이루면서 장착되는 구조를 가지게 된다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 베인과 베인베어링 링사이에 베어링역할을 수행하는 회전판부재를 추가 설치하여, 장시간 고속 주행시나 또는 카본 퇴적후 장기간 주차시에도 상기 베인이 베인베어링 링상에 고착되는 현상을 예방할 수 있도록 하고, 이에 따라 터보차저의 기능상실 및 엔진의 손상도 미리 예방할 수 있도록 하는 가변 터보차저시스템의 터빈구조를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 터빈구조는, 베인베어링 링을 관통하여 액추에이터와 동력전달이 가능하도록 연결되는 베인축을 통해 상기 베인베어링 링의 일면에서 회전가능하게 장착되는 다수개의 베인을 포함하여 구성되는 가변 터보차저시스템의 터빈구조에 있어서, 상기 베인베어링 링과 베인사이에 위치되면서 베인축에 의해 관통되어 회전가능하게 장착됨은 물론 외주면을 따라서 외접기어가 형성되는 다수개의 회전판부재와, 상기 다수개의 회전판부재와 일체로 치합되게 내주면을 따라서는 상기 외접기어와 치합되는 내접기어가 형성되고 외주면에는 다수개의 회전돌기가 등간격으로 형성되는 회전판구동링부재를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 터빈의 구조를 설명하기 위한 개략적인 구성도로서, 종래구조와 동일한 부위에는 동일한 참조부호를 붙이면서 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 가변 터보차저시스템의 터빈(30)구조는 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 배기가스흡입구(33a)가 형성된 터빈하우징(33)내에 베인베어링 링(31)이 회전가능하게 장착되고, 상기 베인베어링 링(31)의 일면에는 다수개의 베인(32)이 회전가능하게 장착된다.

여기서, 상기 베인(32)은 각각의 베인축(32a)을 통해 액추에이터와 동력전달이 가능하도록 연결되는 구조를 가지며, 상기 액추에이터는 ECU(엔진제어유니트)의 제어에 의해 구동된다.

또한, 본 발명에 따른 가변 터보차처시스템의 터빈(30)은 상기 베인베어링 링(31)과 베인(32)사이에는 원형의 회전판부재(50)가 각각 위치되는데, 상기 회전판부재(50)는 그 중심부가 상기 베인축(32a)에 의해 관통되어 베인축(32a)을 중심으로 회전가능하게 장착되며, 그 외주면에는 외접기어(51)가 일체로 형성되는 구조로서 되어 있다.

그리고, 본 발명에 따른 터빈(30)에는 상기 배기가스흡입구(33a)를 통해 흡입되는 배기가스의 힘에 의해 회전되면서 상기 다수개의 회전판부재(50)를 일체로 회전시키는 회전판구동링부재(60)가 더 포함되어 구성된다.

즉, 상기 회전판구동링부재(60)는 베인베어링 링(31)의 일면쪽(베인이 위치하는 방향의 일면)에 위치되고, 그 내주면에는 상기 다수개의 회전판부재(50)에 형성되 외접기어(51)와 일체로 치합이 가능한 내접기어(61)가 형성되며, 그 외주면에는 배기가스의 힘을 통해 상기 회전판구동링부재(60)를 회전시키도록 하는 다수개의 회전돌기(63)가 등간격으로 형성된다.

한편, 상기 회전돌기(63)는 그 선단의 각도가 상기 배기가스흡입구(33a)쪽을 향하도록 기울어진 상태로서 형성되는 것이 가장 바람직한데, 그 이유는 배기가스의 힘을 원활하게 전달받기 위함이다.

따라서, 엔진(1)의 배기행정을 통해 배출된 배기가스가 배기가스흡입구(33a)를 통해 터빈하우징(33)의 내부로 흡입되면, 이때의 배기가스는 회전판구동링부재(60)의 회전돌기(63)와 접촉하면서 회전력을 부여하게 되고, 이로 인해 상기 회전판구동링부재(60)는 배기가스의 힘에 의해 도 5에 도시된 상태에서 시계방향으로 회전을 하게 된다.

그리고, 상기 회전판구동링부재(60)와 일체로 치합을 이룬 다수개의 회전판부재(50)는 베인베어링 링(31)과 베인(32)사이에서 액추에이터의 구동력과는 상관없이 순순한 배기가스의 힘을 통해 시계방향으로 회전을 하게 된다.

이와 같이, 엔진(1)의 운전중에는 상기 회전판부재(50)가 항상 베인축(32a)을 중심으로 하여 회전운동을 하게 됨으로써, 상기 베인(32)에 카본이 축적되는 것을 예방할 수 있게 되고, 이에 따라 상기 베인(32)이 베인베어링 링(31)상에 고착되는 현상을 미리 예방할 수 있게 된다.

또한, 엔진(1)이 장기간 운전되지 않아 상기 베인(32)에 카본이 축적되더라도, 이후 차량의 주행을 위해 엔진(1)이 재차 운전될 때에는 상기 회전판부재(50)의 회전에 의해 베인(32)에 축적된 카본은 원활하게 떨어지게 되며, 이에 따라 상기 베인(32)이 베인베어링 링(31)상에 고착되는 현상도 미리 예방할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명은 베인(32)의 고착현상을 근본적으로 예방할 수 있기 때문에, 베인(32) 고착현상으로 인한 터보차처의 기능 상실 및 엔진(1)의 손상을 예방할 수 있는 잇점이 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 엔진의 운전중에는 베인에 카본의 축적현상이 예방되고, 엔진의 장기간 운전 종료후 재차 운전될 때에는 베인에 축적된 카본의 제거가 원활하게 이루어짐으로써, 상기 베인이 베인베어링 링상에 고착되는 현상이 예방됨은 물론, 이에 따라 가변 터보차처의 성능향상에 도움이 되는 효과가 있게 된다.

도 1은 일반적인 터보차저시스템을 설명하기 위한 개략적인 구성도,

도 2 내지 도 4는 가변 터보차저시스템을 구성하는 터빈의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도,

도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 터빈의 구조를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

31 - 베인베어링 링 32 - 베인

32a - 베인축 50 - 회전판부재

51 - 외접기어 60 - 회전판구동링부재

61 - 내접기어 63 - 회전돌기

Claims (1)

1. 베인베어링 링(31)을 관통하여 액추에이터와 동력전달이 가능하도록 연결되는 베인축(32a)을 통해 상기 베인베어링 링(31)의 일면에서 회전가능하게 장착되는 다수개의 베인(32)을 포함하여 구성되는 가변 터보차저시스템의 터빈구조에 있어서,

   상기 베인베어링 링(31)과 베인(32)사이에 위치되면서 베인축(32a)에 의해 관통되어 회전가능하게 장착됨은 물론 외주면을 따라서 외접기어(51)가 형성되는 다수개의 회전판부재(50)와,

   상기 다수개의 회전판부재(50)와 일체로 치합되게 내주면을 따라서는 상기 외접기어(51)와 치합되는 내접기어(61)가 형성되고 외주면에는 다수개의 회전돌기(63)가 등간격으로 형성되는 회전판구동링부재(60)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가변 터보차저시스템의 터빈구조.