KR100747870B1 - 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 솔레노이드밸브를 통해 엑츄에이타에 진공압력이 가해지면 엑츄에이타 로드는 직선운동을 하고, 상기 엑츄에이타 로드의 직선운동은 제어레버를 회전운동하게 하여 샤프트에 연결된 메인암을 구동시키고, 상기 메인암에 의해 이동되고 롤러에 의해 내부 스페이서에 유동적으로 고정된 유니슨링은 베인암을 구동시키고, 상기 베인암은 베인 샤프트로 연결되고 내부 스페이서와 외부 스페이서 사이에 설치된 베인을 구동시켜서 터빈 통로의 유로면적이 변경되게 하여 터빈속도를 조절하는 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조에 관한 것으로, 상기 유니슨링과 내부 스페이서 사이에 리턴스프링 어셈블리가 결합되되, 상기 유니슨링의 일면에 형성된 핀과 상기 핀이 장착된 유니슨링의 일면과 마주하는 내부 스페이서에 형성된 홈부에 의해 결합되는 것을 특징으로 하며, 메인암과 유니슨링 사이의 간격에 의한 제어편차를 없앨 수 있고, 베인의 완전 닫힘상태에서 복원력 부족에 의한 복원시간이 지연됨을 방지하는 효과를 제공한다.

터보차저, 엑츄에이타, 유니슨링, 베인, 베인암, 스페이서,

Description

가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조{A vane operating structure for variable geometry turbocharger}

도 1은 종래의 베인 작동구조를 도시한 사시도.

도 2a는 종래의 베인 작동구조에 있어서, 상기 베인이 닫힐 때의 구조를 보인 사시도이고, 도 2b는 상기 베인이 열릴 때의 구조를 보인 사시도.

도 3은 종래의 베인 작동구조에 있어서, 베인이 열릴 때 압력분포를 보인 개략도.

도 4는 본 발명에 따른 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조에 있어서, 유니슨링을 보인 도면.

도 5는 본 발명에 따른 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조에 있어서, 내부 스페이서를 보인 도면.

도 6은 도 4는 본 발명에 따른 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조의 리턴스프링 어셈블리를 보인 도면.

도 7은 본 발명에 따른 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조에 있어서 유니슨링과 내부 스페이서에 리턴스프링 어셈블리가 결합된 상태를 보인 개략도.

도 8a 본 발명에 따른 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조에 있어서 베인이 닫히기 시작할 때를 도시한 사시도이고, 도 8b는 베인이 열리기 시작할 때 는 도시한 사시도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명*

1: 엑츄에이타 로드 2: 제어 레버

3: 샤프트 4: 메인암

5: 유니슨링 6: 베인암

7: 베인샤프트 8: 내부 스페이서

9: 외부 스페이서 10: 베인

11: 롤러 12: 부싱

15: 핀 18: 홈부

20: 리턴스프링 어셈블리 21: 결합공

22: 캡 24: 하우징

26: 리턴스프링

본 발명은 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유니슨링과 내부 스페이서 사이에 베인을 복원시킬 수 있는 장치를 설치함으로써 메인암과 유니슨링 사이의 간격에 의한 제어편차를 없앨 수 있으며, 베인의 완전 닫힘상태에서 복원력 부족에 의한 복원시간이 지연되는 현상을 방지할 수 있는 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조에 관한 것이다.

일반적으로, 디젤엔진에 채용되는 VGT의 베인(vane)은 터빈 쪽에서 고온의 배기가스의 흐름의 각도를 조절하여 터빈의 블레이드에 전달되는 운동량을 조절하는 역할을 한다.

그리고, 현재 소형 디젤엔진에 채용되는 VGT는 공압 엑츄에이터(pneumatic actuator)를 적용하고 있으며, 이 공압 엑츄에이터에 의해 관통공이 형성된 유니슨링의 변위가 발생되며, 이 유니슨링의 변위는 연결된 베인축을 회전시켜서 베인각을 변화시킨다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 터보차저의 가변 용량을 제어하는 베인의 작동구조를 살펴보면 다음과 같다.

먼저, ECU의 신호를 받아 솔레노이드밸브를 통해 엑츄에이타로 진공압력이 가해지면, 엑츄에이타 로드(1)는 그에 의해 직선운동을 시작한다.

상기 액츄에이타 로드(1)의 직선운동은 제어 레버(2)에 의해 회전운동으로 바뀌고 샤프트(3)에 연결된 메인암(4)을 구동시킨다.

상기 메인암(4)은 유니슨링(5)을 움직이고, 유니슨링(5)은 원주방향으로 있는 9개의 홈에 연결된 베인암(6)을 움직인다.

상기 베인암(6)은 베인 샤프트(7)로 연결된 베인(10)을 움직이며, 베인(10)의 움직임에 따라 터빈 통로의 유로면적이 변경되어 터빈속도가 조절된다.

여기서, 상기 유니슨링(5)은 롤러(11)에 의해 내부 스페이서(8)에 플로팅(floating)되어 있으며, 내부 스페이서(8)와 외부 스페이서(9) 사이의 간격 조절 부싱(12)에 의해 스페이스들(8, 9)과 베인(10) 간의 간격이 유지된다.

그러나, 상기와 같은 종래의 가변터보 베인작동 구조는 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 베인암(6)과 유니슨링(5) 사이의 간격에 의한 제어편차가 발생한다.

즉, 터빈 유로 면적을 결정하는 베인(10)의 각도는 유니슨링(5)에 의해 제어 되는데 유니슨링(5)을 회전시키는 메인암(4)과 유니슨링(5)에 의해 베인(10)을 회전시키는 베인암(6) 사이에 스티킹(STICKING) 방지를 위한 간격이 있고, 이 간격만큼 엑츄에이타의 스트로크와 베인 움직임의 편차가 있다

또한, 상기 베인(10)이 열릴 때와 닫힐 때 유니슨링(5)과 베인암(6)이 닿는 면이 틀리며 스페이서들(8, 9)의 홈 사이에서 배압의 맥동파에 의해 베인(10)이 유동하여 진동이 발생하고, 그에 따라 베인(10) 제어 정밀도가 저하되어 EM 및 성능이 불리해지며 소음도 발생하게 된다.

둘째, 상기 베인(10)의 완전 닫힘 상태에서 원상태로 복원시 복원력의 부족으로 복원 시간이 지연되는 문제점이 있었다.

일반적으로, 베인(10)의 위치는 엑츄에이타의 리턴스프링력과 다이아프램에 가해지는 진공압력과 베인(10)에 가해지는 배기가스 압력에 의해 결정된다.

그리고, 상기 베인(10)이 닫히는 방향에서 열리는 방향으로 움직일 때 베인(10)에 미치는 배기가스 압력분포를 보면, 도 3에 도시된 바와 같이, 배면인 열리는 방향에서 압력이 훨씬 큼을 알 수 있다.

그에 의해 엑츄에이타의 진공압력을 줄여 베인(10)을 열리는 방향으로 움직 일 때 엑츄에이타의 복원 리턴스프링력이 배기압을 이기지 못하여 진공압력은 줄어듬에도 불구하고 베인(10)은 열리지 않고, 시간이 지나 배기압이 떨어지면 그때부터 베인(10)은 열리기 시작하고 터보속도는 저하되어 압축압력은 감소된다.

그러나, 상기 베인(10)이 열리지 않는 동안 터보 속도는 계속 상승하여 오버부스트(overboost) 현상이 생기며, 터보 속도도 한계점을 넘게 된다.

이러한 문제점을 개선하기 위해서는 터보 엑츄에이타 크기를 증대하여 리턴스프링 복원력을 향상시켜야 하나 공간 제약및 가격상승으로 제한받게 된다.

따라서, 터보내구성 및 차량 EM에 악영향을 끼치는 문제점이 있었다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 유니슨링과 내부 스페이서 사이에 베인을 복원시킬 수 있는 리턴스프링 어셈블리를 설치함으로써 메인암과 유니슨링 사이의 간격에 의한 제어편차를 없앨 수 있으며, 베인의 완전 닫힘상태에서 복원력 부족에 의한 복원시간이 지연되는 현상을 방지할 수 있는 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조를 제공하는 데에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조는, 솔레노이드밸브를 통해 엑츄에이터에 진공압력이 가해지면 엑츄에이타 로드는 직선운동을 하고, 상기 엑츄에이타 로드의 직선운동은 제어레버를 회전운동하게 하여 샤프트에 연결된 메인암을 구동시키고, 상기 메인암에 의해 이동되고 롤러에 의해 내부 스페이서에 유동적으로 고정된 유니슨링 은 베인암을 구동시키고, 상기 베인암은 베인 샤프트로 연결되고 내부 스페이서와 외부 스페이서 사이에 설치된 베인을 구동시켜서 터빈 통로의 유로면적이 변경되게 하여 터빈속도를 조절하는 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조에 있어서, 상기 유니슨링과 내부 스페이서 사이에 리턴스프링 어셈블리가 결합되되, 상기 유니슨링의 일면에 장착된 핀과 상기 핀이 장착된 유니슨링의 일면과 마주하는 내부 스페이서의 홈부에 의해 결합되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 리턴스프링 어셈블리는, 상기 유니슨링의 핀이 삽입하여 결합되게 하는 결합공을 구비하며 상기 내부 스페이서의 홈부에 수용되는 캡과, 상기 내부 스페이서의 홈부에 압입되어서 결합되는 하우징과, 상기 캡과 하우징을 탄성적으로 연결하는 리턴스프링으로 구성된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 캡의 외경은 하우징의 외경보다 작은 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 리턴스프링은 캡과 납땜(brazing)에 의해 결합된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 리턴스프링이 하우징에 조립될 때에 쉽게 빠지지 않도록 하기 위해 상기 하우징의 내경과 리턴스프링의 외경이 동일하게 형성되게 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 유니슨링의 핀이 캡의 결합공에 삽입될 때는 상기 리턴스프링이 소정 양만큼 압축된 상태가 되게 한다.

이하, 본 발명에 따른 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조에 대한 바 람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조에 있어서, 유니슨링을 보인 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조에 있어서, 내부 스페이서를 보인 도면이고, 도 6은 도 4는 본 발명에 따른 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조의 리턴스프링 어셈블리를 보인 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조에 있어서 유니슨링과 내부 스페이서에 리턴스프링 어셈블리가 결합된 상태를 보인 개략도이며, 도 8a 본 발명에 따른 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조에 있어서 베인이 닫히기 시작할 때를 도시한 사시도이고, 도 8b는 베인이 열리기 시작할 때는 도시한 사시도이다.

도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조는, 도 1에 도시된 바와 같은 엑츄에이타 로드(1), 제어레버(2), 샤프트(3), 메인암(4), 유니슨링(5), 베인암(6), 베인 샤프트(7), 내부 스페이서(8), 외브 스페이서(9), 및 베인(10)의 종래와 동일한 구성요소로 이루어지되, 상기 유니슨링(5)과 내부 스페이서(8) 사이에 설치된 리턴스프링 어셈블리(20)를 포함한다.

상술된 바와 같은 종래의 베인작동 구조와 동일하게 본 발명에서 나열된 구성요소들에 대한 설명은 생략하기로 하고, 여기서는 새롭게 장착된 리턴스프링 어셈블리(20)를 바탕으로 설명하기로 한다.

상기 리턴스프링 어셈블리(20)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 캡(22), 하우 징(24), 및 리턴스프링(26)으로 구성되어서 롤러(11)에 의해 유동적으로 고정된 유니슨링(5)과 내부 스페이서(8) 사이에 결합되되, 도 4에 도시된 바와 같은 유니슨링(5)의 일면에 형성된 핀(15)과 상기 핀(15)이 장착된 유니슨링(5)의 일면과 마주하는 도 5에 도시된 바와 같은 내부 스페이서(8)의 홈부(18)에 의해 결합된다.

상기 캡(22)은 유니슨링(5)의 핀(15)이 삽입하여 결합되게 하는 결합공(21)을 측면에 구비하며 상기 내부 스페이서(8)의 홈부(18)에 수용된다.

또한, 상기 캡(22)의 일측에는 리턴스프링(26)의 일측이 납땜(brazing)에 의해 결합되어서 완충작용을 할 수 있게 한다.

여기서, 상기 캡(22)의 외경은 하우징(24)의 외경보다 작게 하여서 상기 내부 스페이서(8)의 홈부(18)에 결합된 후 홈부(18) 내에서 자유롭게 작동될 수 있도록 설계된다.

상기 하우징(24)은 그의 외경이 내부 스페이서(8)의 홈부(18)에 꽉 끼일 정도의 크기로 이루어지도록 하여서 홈부(18)에 압입 결합되며, 자의에 의해서는 절대로 이탈되지 못하도록 하는 것이 바람직하다.

상기 하우징(24)의 내경은 리턴스프링(26)의 외경과 동일하게 형성되어서 리턴스프링(26)이 하우징(24) 내경으로 삽입 결합된 후 쉽게 빠져 이탈되지 못하도록 하였다.

상기 리턴스프링(26)은 캡(22)과 하우징(24)을 탄성적으로 연결하기 위한 수단이다.

즉, 상기 리턴스프링(26)은 상술된 바와 같이 캡(22)과는 납땜에 의해서 결 합되고, 하우징(24)과는 조립 후 쉽게 빠지지 않도록 하기 위해 하우징(24)의 내경과 동일한 외경으로 이루어지게 하여 삽설된다.

상기 유니슨링(5)의 핀(15)이 캡(22)의 결합공(21)에 삽입되어서 홈부(18)에 결합될 때는 베인(10, 도 1 참조)의 복원력을 향상시키기 위해 리턴스프링(26)이 소정 양만큼 압축된 상태로 결합된다.

따라서, 상기 리턴스프링(26)은 베인암(6)과 유니슨링(5) 사이의 간격에 의한 제어편차를 없앨 수 있게 하며, 베인(10, 도 1 참조)의 완전 닫힘 상태에서 복원력 부족에 의한 복원시간이 지연되는 현상을 방지하는 궁극적인 역할을 한다.

상기와 같은 본 발명에 따른 베인 작동구조의 초기 조립상태를 도 7을 통해서 살펴보면 다음과 같다.

상기 내부 스페이서(8)에 홈부(18)를 만들어 베인(10)의 위치를 제어하는 리턴스프링 어셈블리(20)를 하우징(24)을 통해 강제 압입시킨다.

상기 홈부(18)에 강제로 압입된 리턴스프링 어셈블리(20)의 캡(22)에 형성된 결합공(21)에 유니슨링(5)에 압입 장착된 핀(15)을 삽입한다.

이때, 상기 핀(15)이 결합공(21)에 삽설된 상태에서 리턴스프링(26)이 약간 압축된 상태가 되도록 설계한다.

상기 엑츄에이타에 부압이 가해지지 않는 자유상태에서는 리턴스프링(26)의 압축력에 의해 베인(10)은 열리는 방향의 암면에 접촉하게 된다.

그런 후, 상기 유니슨링(5)이 움직이면 압입된 핀(15)도 같이 회전하고, 핀(15)이 압입된 베인(10)의 리턴스프링(26)은 압축되며 완전 닫힘 상태에서 최대 로 압축된다

상기와 같은 구성으로 이루어진 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조의 작동 상태를 간략하게 살펴보면 다음과 같다.

터빈 통로의 유로면적을 변경하여 터빈속도를 조절하는 베인(10)이 닫히기 시작할 때는, 도 8a에 도시된 바와 같이, 베인암(6)과 유니슨링(5)이 닿는 면이 반대가 되며, 완전히 닫힐 때까지 엑츄에이타의 힘에 의해 같은 면에 닿게 된다.

또한, 상기의 완전히 닫힘 상태에서는 베인(10) 원위치로의 복원시 복원력 부족에 의한 복원시간이 지연되지 않아 터보 속도의 연속 상승에 의한 오버부스트 현상이 발생되지 않으며 터보속도의 한계점을 넘지 않는다.

반대로, 상기 베인(10)이 열리기 시작할 때는 도 8b에 도시된 바와 같이, 베인암(6)과 유니슨링(5)이 닿는 면이 다시 반대가 되며, 완전히 열릴 때까지 베인(10)을 원위치로 복원시키는 리턴스프링(26)의 압축 힘에 의해 같은 면에 닿게 된다.

따라서, 상기 베인(10)이 열리고 닫힘을 반복할 때에도 닫히는 방향에서는 엑츄에이타 리턴스프링의 당기는 힘에 의해 같은 면에 닿게 되며, 열리는 방향에서는 압축된 베인(10)의 리턴스프링(26)의 복원력에 의해 항상 같은 면에 닿음에 따라서 베인암(6)과 유니슨링(5) 사이의 간격에서 베인(10)이 진동하는 현상은 발생되지 않는다.

또한, 상기 베인(10)이 닫힌 상태에서는 리턴스프링(26)이 최대 압축된 상태이므로 엑츄에이타 부압이 줄어들게 되면 리턴스프링(26) 력이 베인(10)에 미치는 배기가스 압력을 이기고 신속하게 베인(10)을 움직여 베인 스티킹(sticking) 현상이 사라지며 히스테리시스가 발생되지 않게 되는 것이다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조에 의하면, 메인암과 유니슨링 사이의 간격에 의한 제어편차를 없앨 수 있고, 베인의 완전 닫힘상태에서 복원력 부족에 의한 복원시간이 지연됨을 방지함으로써, 터보 속도의 연속 상승에 의한 오버부스트 현상이 발생되지 않고 터보속도의 한계점을 넘지 않으며, 베인을 신속하게 움직일 수 있어 베인 스티킹 현상을 방지함과 함께 히스테리시스가 발생되지 않게 하는 효과를 제공할 수 있다.

Claims (6)

1. 솔레노이드밸브를 통해 엑츄에이터에 진공압력이 가해지면 엑츄에이타 로드(1)는 직선운동을 하고, 상기 엑츄에이타 로드(1)의 직선운동은 제어 레버(2)를 회전운동하게 하여 샤프트(3)에 연결된 메인암(4)을 구동시키고, 상기 메인암(4)에 의해 이동되고 롤러(11)에 의해 내부 스페이서(8)에 유동적으로 고정된 유니슨링(5)은 베인암(6)을 구동시키고, 상기 베인암(6)은 베인 샤프트(7)로 연결되고 내부 스페이서(8)와 외부 스페이서(9) 사이에 설치된 베인(10)을 구동시켜서 터빈 통로의 유로면적이 변경되게 하여 터빈속도를 조절하는 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조에 있어서,

   상기 유니슨링(5)과 내부 스페이서(8) 사이에 리턴스프링 어셈블리(20)가 결합되되, 상기 유니슨링(5)의 일면에 형성된 핀(15)과 상기 핀(15)이 장착된 유니슨링(5)의 일면과 마주하는 내부 스페이서(8)의 홈부(18)에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조.
2. 제1항에 있어서, 상기 리턴스프링 어셈블리(20)는,

   상기 유니슨링(5)의 핀(15)이 삽입하여 결합되게 하는 결합공(21)을 구비하며 상기 내부 스페이서(8)의 홈부(18)에 수용되는 캡(22)과,

   상기 내부 스페이서(8)의 홈부(18)에 압입되어서 결합되는 하우징(24)과,

   상기 캡(22)과 하우징(24)을 탄성적으로 연결하는 리턴스프링(26)으로 구성 되는 것을 특징으로 하는 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조.
3. 제2항에 있어서, 상기 캡(22)의 외경은 하우징(24)의 외경보다 작은 것을 특징으로 하는 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조.
4. 제2항에 있어서, 상기 리턴스프링(26)은 캡(22)과 납땜(brazing)에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조.
5. 제2항에 있어서, 상기 리턴스프링(26)이 하우징(24)에 조립될 때에 쉽게 빠지지 않도록 하기 위해 상기 하우징(24)의 내경과 리턴스프링(26)의 외경이 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조.
6. 제2항에 있어서, 상기 유니슨링(5)의 핀(15)이 캡(22)의 결합공(21)에 삽입될 때는 상기 리턴스프링(26)이 소정 양만큼 압축된 상태가 되는 것을 특징으로 하는 가변 용량 제어 터보차저용 베인 작동구조.

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