KR100552154B1

KR100552154B1 - 원 웨이 클러치가 구비된 터보차저의 구조

Info

Publication number: KR100552154B1
Application number: KR1020030087679A
Authority: KR
Inventors: 박동원
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2003-12-04
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2006-02-13
Also published as: KR20050054321A

Abstract

본 발명은 터빈과 콤프레서를 연결하는 회전축의 도중에 원 웨이 클러치를 개재하여, 특히 엔진의 저속 저부하영역에서 터빈에 제동력이 가해지더라도 콤프레서의 구동은 계속 진행될 수 있도록 하기 위한 원 웨이 클러치가 구비된 터보차저의 구조에 관한 것으로,

하우징의 일측으로 배기가스의 압력을 받아 회전되는 터빈이 형성되고, 다른 일측으로 상기 터빈과 축으로 연결되어 흡입공기를 가압하기 위한 콤프레서가 장착되는 터보차저에 있어서,

상기한 터빈과 콤프레서를 연결하는 회전축은 분리형성되어지되, 터빈측 회전축과 콤프레서측 회전축의 연결부에는 상기 터빈측 회전축에 제동력이 걸리더라도 상기 콤프레서측 회전축은 아이들 회전되도록 하기 위한 원 웨이 클러치가 개재된 것을 특징으로 한다.

터보차저, 원 웨이 클러치, 회전축

Description

원 웨이 클러치가 구비된 터보차저의 구조{Turbo charger having a one way clutch}

도 1은 본 발명에 의해 형성된 터보차저의 단면도.

도 2는 본 발명에 의한 원 웨이 클러치의 단면도.

도 3은 본 발명에 의한 원 웨이 클러치의 단면도.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 원 웨이 클러치의 단면도.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 원 웨이 클러치의 작동상태도.

도 6은 종래의 기술을 설명하기 위한 도면.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

30 : 터보차저 31 : 하우징

32 : 축공 33 : 터빈

34 : 콤프레서 40 : 터빈측 회전축

50 : 콤프레서측 회전축 41,51 : 베어링

52,52 : 쓰러스트 베어링 60 : 원 웨이 클러치

61 : 아웃터 레이스 62 : 인너 레이스

64 : 리테이터 65 : 작동구

66 : 탄력수단 70 : 플라이 휠

본 발명은 원 웨이 클러치가 구비된 터보차저의 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 터빈과 콤프레서를 연결하는 회전축의 도중에 원 웨이 클러치를 개재하여, 특히 엔진의 저속 저부하영역에서 터빈에 제동력이 가해지더라도 콤프레서의 구동은 계속 진행될 수 있도록 하기 위한 원 웨이 클러치가 구비된 터보차저의 구조에 관한 것이다.

터보차저는 엔진의 배기계로 배출되는 배기가스의 압력을 이용하여 흡기를 가압하므로서 엔진의 연소실로 유입되는 흡기의 충진효율이 높아지도록 하는 것으로, 대부분의 디젤 엔진에 적용되고 있으며 최근에는 가솔린 엔진에도 적용되고 있는 추세에 있다.

터보차저는 도 6에 도시되는 바와 같이, 터보차저(10)의 하우징(11) 양측으로 배기가스의 압력을 받아 구동되는 터빈(12)과, 상기 터빈(12)과 동일축상으로 연결되어 흡입공기에 압력을 가하기 위한 콤프레서(13)가 장착된다. 상기한 터빈(12) 측에는 배기 매니폴드 측에서 배출되는 배기가스가 유도될 수 있도록 하기 위한 배기 인 렛(14)과, 상기 배기 인 렛(14)으로 유도된 배기가스가 터빈(12)을 돌린 후 다시 원래의 배기계로 향하도록 하기 위한 배기 아웃 렛(15)이 형성된다. 한편, 콤프레서(10) 측은 흡기계의 도중과 연결되어 흡기가 유입되도록 하기 위한 흡기 인 렛(16)과, 상기 흡기 인 렛(16)에서 유입된 후 상기 터빈(12)과 동일 축상으로 연결된 콤프레서(13)의 회전에 의해서 가압된 흡입공기를 유도하기 위한 흡기 아웃 렛(17)이 형성된다.

한편, 상기한 터보차저(10)의 하우징(11)에는 상기한 터빈(12)과 콤프레서(13)을 연결하는 회전축(18)이 수용되기 위한 축공(19)이 형성되고, 상기 축공(19)에 축결합된 회전축(18)은 베어링(20) 및 쓰러스트 베어링(21) 등에 의해서 지지되어진다. 또한, 상기한 하우징(11)의 도중에는 회전축(18)의 마찰부로 오일이 공급되도록 하기 위한 오일 홀(22)이 형성된다.

그리고 엔진의 운전영역이 저속저부하영역인 경우에는 상기한 터보차저의 터빈 측으로 배기가스가 유입되는 입구의 개방량이 확대되도록 하기 위한 웨이스트 게이트가 형성된다. 또한, 가변용량 터보차저(VGT, Variable Geometry Turbo Charger)의 경우에는 전자제어장치의 제어에 의해서 동작되는 액츄에이터에 의해서 최적의 흡입조건이 구현되도록 구성된다. 이러한 VGT는 엔진의 운전영역변화에 따라 배기가스유로의 면적을 변화시키는 것으로, 엔진이 고속영역일 경우에는 배기유로의 확대에 의해 배기유량을 최대화하여 10~15%의 최고출력 향상효과를 가져오고, 엔진의 저속영역에서는 배기유로의 축소에 의해 속도에너지를 최대화하여 5~15%의 최대 토오크의 향상을 가져올 수 있도록 구성되는 것이다.

그런데 일반적인 종래의 터보차저와 상기한 가변용량 터보차저(VGT)의 경우에는 엔진이 저속운전영역에서 발진될 때에 터보 랙(Turbo Lag)현상이 발생되는데, 운전자가 정지 상태에서 엑셀 페달을 급격히 밟았을 때 과급되지 않은 상태에서 과급상태까지 도달하는데 약간의 시간이 걸리게 되는데 이러한 현상을 터보 랙 현상 이라고 한다. 보통 터보 랙은 2~3초 정도 지연되는데 이때 운전자는 차량이 무겁다고 판단되며, 특히 언덕에서 차량을 출발할 때에 터보 랙으로 밀림현상이 있게 된다.

상기한 바와 같이 터보 랙이 발생되는 이유는 급격한 스로틀 밸브 열림에 따른 회전 저항 및 공기유로상의 저항이며, 초기 차량발진시 유입되는 공기량의 부족으로 일정한 연료를 주입하였을 때 매연이 발생하기에 연료량을 줄여야 하며 따라서 연료량의 감소로 차량 토오크도 감소된다. 그러므로 차량 발진성이 떨어지며, 언덕에서의 차량밀림 현상 등이 발생된다. 이러한 문제를 해결하기 위한 다양한 방법이 제시되고 있지만 대부분 부가적인 동력을 사용하거나 시스템이 복잡해지는 단점을 가지게 된다.

특히, VGT를 사용하는 차량에서 저속성능이 문제가 되는 것은 저속저부하 운전영역에서 VGT의 효율이 극히 낮다는 것에 그 원인이 있다. 배기가스의 압력이 일정하지 않고 배기밸브가 열릴 때 급격히 상승하였다가 밸브가 닫히면 다시 급격히 떨어지게 된다. VGT 전단의 압력과 후단의 압력이 비슷하여 추진력을 얻을 수 없거나 후단의 압력이 더 높게 되면 터빈 측이 콤프레서의 운동을 방해하게 된다. 이러한 현상이 저속 저부하 영역에서의 콤프레서 효율감소의 가장 큰 이유가 된다.

최근들어 배기가스의 맥동현상을 적극적으로 이용하려는 시도가 계속되어 압력파를 이용한 다양한 종류의 터버차저가 제안되고 있으나, 이러한 시스템은 아직 효용성을 증명하지 못한 경우가 많고, 설계가 까다로워지게 되는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 터빈과 콤프레서를 연결하는 회전축의 도중에 원 웨이 클러치를 개재하여, 특히 엔진의 저속 저부하영역에서 터빈에 제동력이 가해지더라도 콤프레서의 구동은 계속 진행될 수 있도록 하기 위한 원 웨이 클러치가 구비된 터보차저의 구조를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 수단으로서,

이하, 본 발명에 의한 터보차저의 구성 및 작동에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면과 함께 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의해 형성된 터보차저의 단면도이고, 도 2는 본 발명에 의한 원 웨이 클러치의 단면도이고, 도 3은 본 발명에 의한 원 웨이 클러치의 단면도이며, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 원 웨이 클러치의 단면도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 원 웨이 클러치의 작동상태도이다.

도면 중에 표시되는 도면부호 30은 본 발명에 의해 형성된 터보차저를 지시하는 것이고, 도면부호 60은 본 발명에 의해 형성된 원 웨이 클러치를 지시하는 것이다.

상기한 터보차저(30)는 하우징(31)의 양측에는 종래기술에 의한 터보차저에서와 마찬가지로 터빈(33)과 콤프레서(34)가 각각 형성된다. 그리고 상기 터빈(33)으로 배기가스가 유입되도록 유도하기 위한 배기 인 렛(35)과 배기 아웃 렛(36)이 형성되고, 상기 콤프레서(34) 측으로 흡입공기가 유도되도록 하기 위한 흡기 인 렛(37)과 상기 콤프레서(34)를 통과하며 가압된 흡기가 엔진의 연소실 측으로 유도되도록 하기 위한 흡기 아웃 렛(38)이 형성된다.

그리고 상기한 하우징(31)의 중간부에는 상기 터빈(32)과 콤프레서(33) 간을 연결하는 회전축이 수용되기 위한 축공(32)이 형성된다.

한편, 상기한 회전축은 종래기술에 의한 회전축과는 달리 터빈측 회전축(50)과 콤프레서측 회전축(50)으로 그 중간부가 양분되고, 상기 터빈(33)과 콤프레서(34)와 각각 일체로 연결되는 상기 터빈측 회전축(40)과 콤프레서측 회전축(50)의 도중은 베어링(41,51)을 매개로 상기한 하우징(31)에 축결합된다.

그리고 상기한 터빈측 회전축(40)과 콤프레서 회전축(50)이 서로 마주하는 연결단에는 일방향의 회전만을 허용하는 원 웨이 클러치(60)가 형성된다.

상기한 원 웨이 클러치(60)는 상기한 터빈측 회전축(40)이 배기가스의 압력을 받아 회전되면 상기 터빈측 회전축(40)의 회전력이 상기 콤프레서측 회전축(50)에 전달되어 상기 콤프레서 회전축(50)이 상기 터빈측 회전축(40)과 동일한 방향으 로 회전되도록 구성된다. 그리고 엔진의 배기밸브가 닫히게 된 경우와 같이 상기한 터빈(33)을 향한 배기가스의 유입이 멈추는 등의 역방향 토오크가 작용되더라도 상기한 콤프레서측 회전축(50)에는 역방향 토오크가 작용되지 않고 콤프레서(34)의 회전력을 유지할 수 있도록 구성되는 것이다.

이를 위해 상기한 원 웨이 클러치(60)는 도 2 내지 도 5에 도시되는 실시예에서와 같이, 터빈측 회전축(40)의 연결단에 고정장착되는 아웃터 레이스(61)와, 상기 콤프레서측 회전축(50)의 연결단에 고정장착되는 인너 레이스(62) 및 상기 아웃터 레이스(61)와 인너 레이스(62) 간의 구동이 연결되도록 하기 위한 작동구(65)를 포함하여 구성된다. 상기한 작동구(65)는 상기한 아웃터 레이스(61)와 인너 레이스(62)의 사이의 공간(63)에 수용된다. 상기 작동구(65)의 형상은 스프래그 클러치에서의 스프래그 또는 롤러 클러치에서의 롤러 형상으로 형성되어, 터빈측 회전축(40)의 아웃터 레이스(61)가 회전방향에 따라서 상기 작동구(65)가 인너 레이스(62)에 걸리어 콤프레서측 회전축(50)이 일체로 회전되도록 구성된다. 상기 작동구(65)의 위치변화가 상기 아웃터 레이스(61)와 인너 레이스(62) 간의 동력전달의 단속으로 이어질 수 있도록 상기 아웃터 레이스(61)와 인너 레이스(62)의 도중에는 상기 작동구(65)를 지지하기 위한 리테이너(64)가 마련된다. 그리고 상기한 작동구(65) 간에는 작동구간의 거리를 탄력지지하기 위한 탄력수단(66)이 개재된다.

즉, 상기한 작동구(65)는 터빈측 회전축(40)이 구동되어 아웃터 레이스(61)가 회전하게 되면 상기 아웃터 레이스(61)의 구동력이 인너 레이스(62)로 전달될 수 있도록 아웃터 레이스(61)의 내주면과 인너 레이스(62)의 외주면을 연결하게 되고, 상기 아웃터 레이스(61)에 전달되는 토오크가 줄게 되면 상기한 작동구(65)가 탄력수단(66)과 작용되어 아웃터 레이스(61)와 인너 레이스(62) 간의 동력전달이 차단되도록 구성되는 것이다.

상기와 같이 구성되는 원 웨이 클러치는 본 발명의 일 실시예에 불과한 것이며, 이러한 원 웨이 클러치(One way clutch)는 래칫(ratchet) 클러치, 롤러(roller) 클러치, 스프래그(sprag) 클러치 등의 기존에 일반적인 기계장치에 적용되고 있는 일방향 클러치들 중에서 어느 하나가 적용될 수 있는 것이다.

한편, 상기한 콤프레서측 회전축(50)의 도중에는 상기 콤프레서측 회전축(50)의 회전관성이 증대되도록 하기 위한 중량체의 플라이 휠(70)이 형성된다. 즉, 상기한 플라이 휠(70)은 상기 원 웨이 클러치(60)에 의해서 터빈측 회전축(40)의 회전력이 상기 콤프레서측 회전축(50)으로 전달되는 것이 멈추게 되더라도 상기 콤프레서측 회전축(50)의 회전관성에 의해서 상기 콤프레서(34)는 지속적으로 회전될 수 있도록 하기 위한 것이다.

그리고 상기한 터빈측 회전축(40)과 콤프레서측 회전축(50)의 도중에는 각각 쓰러스트 베어링(42,52)이 개재된다. 상기 쓰러스트 베어링(42,52)은 상기 터빈측 회전축(40)과 콤프레서측 회전축(50)의 축방향진동을 완충하기 위해 형성되는 것이다.

상기한 터빈측 회전축(40) 및 콤프레서측 회전축(50)을 축지하는 베어링(41,51) 부분, 쓰러스트 베어링(42,52)이 장착된 부분, 원 웨이 클러치(60) 가 장착된 부분 등에는 윤활을 위한 오일이 공급될 수 있도록 상기 하우징(31)의 도중에는 적당한 오일 홀(39)이 형성된다.

이상과 같이 회전축의 도중에 원 웨이 클러치가 형성된 터보차저의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.

엔진이 시동되어 배기계로 배기가스가 배출되면 배기가스의 압력이 상기한 터빈(33)의 브레이드를 가압하여 상기 터빈(32)을 회전시키게 된다.

그러면 상기한 터빈(32)과 일체로 연결된 터빈측 회전축(40)이 구동방향으로 회전되고, 터빈측 회전축(40)에 가해지는 토오크는 상기한 원 웨이 클러치(60)를 통하여 콤프레서측 회전축(50)에 전달되게 된다.

따라서 상기한 콤프레서측 회전축(50)과 콤프레서(34)가 구동방향으로 회전되어 흡기 인 렛(37)으로 유입되는 흡입공기를 가압하게 된다. 가압된 흡입공기는 흡기 아웃 렛(38)을 통하여 엔진의 연소실로 유입된다.

특히, 엔진이 저속저부하 영역에서 운전되는 경우에는 배기밸브의 작동주기는 고속고부하 영역에서보다 느리게 동작되므로서 배기가스 분출로 생성된 압력이 모두 배출된 후에는 상기한 터빈(33)에 역방향 토오크가 걸리게 된다. 이와 같이 터빈(33)에 역방향의 토오크가 걸리게 되면 종래기술에 의한 터보차저의 경우에는 콤프레서에도 역방향 토오크가 그대로 전달되어 제동력이 가해지게 되므로서, 엔진의 저속저부하 영역에서 흡기의 충분한 충진효율이 기대되지 못하였다.

그런데 본 발명에 의해서 회전축이 터빈측 회전축(40)과 콤프레서측 회전축(50)으로 양분되고, 양 축의 연결부에 원 웨이 클러치(60)가 마련되므로서, 엔진의 저속저부하 영역에서 상기한 터빈측 회전축(40)에 역방향 토오크가 전달되더라도 상기한 콤프레서측 회전축(50)에는 역방향의 토오크가 걸리지 않게 되어 흡기의 가압은 계속해서 이루어지게 된다.

또한, 상기한 콤프레서측 회전축(50)에 플라이 휠(70)이 형성되므로서 상기한 콤프레서측 회전축(50)에 회전관성이 증대되어 상기 터빈측 회전축(40)에 역방향의 토오크가 전달되더라도 상기한 콤프레서측 회전축(50)은 지속적으로 회전되어진다.

그리고 상기한 터빈(33)에 역방향의 토오크가 가해지게 되면, 상기한 원 웨이 클러치(60)에 의해서 상기 터빈측 회전축(40)은 콤프레서측 회전축(50)과 분리된 상태가 되어 상기 콤프레서측 회전축의 각속도 변화가 감소되어 엔진의 운전안정성이 향상된다.

이상과 같이 구성되는 터보차저가 엔진에 적용되면 엔진의 저속저부하 영역에서의 터빈의 효율증대는 부수적으로 연비의 향상, 엔진 출력의 형상, 배기가스의 저감 등에 이어질 수 있고, 최근 관심이 대두되고 있는 가속성능, 등판능력 등의 향상에도 기여될 수 있게 된다.

이상과 같이 구성되는 본 발명에 의하면, 배기가스의 압력에 의해서 구동되는 터보차저의 터빈에 엔진이 저속저부하 영역에서 운전됨에 따라서 발생되는 역방향 토오크가 가해지게 되더라도 원 웨이 클러치의 작동에 의해서 흡기를 가압하는 콤프레서에는 역방향 토오크가 전달되지 않게 되므로서, 엔진의 저속저부하 영역에 서의 흡기 충진율이 향상될 뿐만 아니라, 엔진의 운전안정성이 향상, 연비의 향상, 엔진 출력의 향상 등의 측면에서 커다란 장점이 있는 것이다.

Claims

하우징의 일측으로 배기가스의 압력을 받아 회전되는 터빈이 형성되고, 다른 일측으로 상기 터빈과 축으로 연결되어 흡입공기를 가압하기 위한 콤프레서가 장착되는 터보차저에 있어서,

상기한 터빈(33)과 콤프레서(34)를 연결하는 회전축은 양측으로 분리형성되어지되, 터빈측 회전축(40)과 콤프레서측 회전축(50)의 연결부에는 상기 터빈측 회전축(40)에 제동력이 걸리더라도 상기 콤프레서측 회전축(60)은 아이들 회전되도록 하기 위한 원 웨이 클러치(60)가 개재된 것을 특징으로 하는 원 웨이 클러치가 구비된 터보차저의 구조.
제 1항에 있어서,

상기한 원 웨이 클러치(60)는 상기 터빈측 회전축(40)의 내측단에는 아웃터 레이스(61)가 형성되고, 상기 콤프레서측 회전축(50)의 내측단에는 인너 레이스(62)가 형성되어지되,

상기한 아웃터 레이스(61)의 내경과 인너 레이스(62)의 외경 간의 공간(63)에는 동력전달의 단속을 위한 작동구(65) 및 탄력수단(66)이 리테이터(64)에 지지된 채로 수용되는 것을 특징으로 하는 원 웨이 클러치가 구비된 터보차저의 구조.
제 1항에 있어서,

상기한 콤프레서측 회전축(50)의 도중에는 회전관성이 증대되도록 하기 위한 중량체의 플라이 휠(70)이 형성된 것을 특징으로 하는 원 웨이 클러치가 구비된 터보차저의 구조.
제 1항에 있어서,

상기한 터빈측 회전축(40)과 콤프레서측 회전축(50)의 도중에는 각각 쓰러스트 베어링(42,52)이 개재된 것을 특징으로 하는 원 웨이 클러치가 구비된 터보차저의 구조.