KR101013967B1 - 가변 구조 터보차져 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가변 구조 터보차져에 관한 것으로 터빈 하우징, 상기 터빈 하우징에 구비된 터빈, 상기 터빈 주위에 구비된 고정 베인, 상기 고정 베인과의 상대적인 위치가 가변될 수 있도록 상기 터빈을 중심으로 회전 가능하게 상기 고정 베인의 외주를 따라 구비된 회전 베인 및 상기 회전 베인의 회전각을 제어하도록 상기 회전 베인과 연결된 제어부를 포함하며, 상기 고정 베인은 배기 가스가 상기 터빈으로 유입되는 방향을 따라 저속 노즐과 고속 노즐이 교대로 형성된다.

터보차져, VGT(Variable Geometric Turbocharger)

Description

가변 구조 터보차져 {VARIABLE GEOMETRIC TURBOCHARGER}

본 발명은 가변 구조 터보차져에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 간단한 구성으로 터빈 내로 유입되는 배기 가스의 유입부의 단면적과 배기 가스의 유입 방향을 가변 시킬 수 있어 저속 및 고속에서 엔진의 효율을 향상시키는 가변 구조 터보차져에 관한 것이다.

일반적으로 내연기관에서는 실린더의 하강행정에서 생기는 실린더 안의 부압(負壓)으로 혼합기 또는 공기를 빨아들인다. 이것을 내추럴 에스퍼레이션(natural aspiration) 또는 노멀 에스퍼레이션(normal aspiration)이라고 한다. 그러나 밸브가 열려 있는 짧은 시간 안에 충분한 흡기가 어려워, 펌프로 적극적으로 밀어 넣으면 실린더 내 공기 충진 효율이 증가하고, 이와 함께 폭발압력도 올라가서 출력이 향상된다. 이것이 슈퍼차징(supercharging:過給)이고, 이러한 슈퍼차징을 위해 차량에 장착되는 장치를 터보 과급기(turbocharger)라고 한다

이러한 터보 과급기(105)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 터빈(101)과 컴프레서(103)로 구성되며 엔진(107)의 배기 매니폴드(109)로부터 배기가스를 공급받을 수 있도록 연결된다.

상기 컴프레서(103)는 흡입관로(119)를 통해 에어 클리너(111)로부터 신기를 흡입하며, 인터쿨러(113)에서 냉각된 신기를 흡기 매니폴드(115)를 경유하여 엔진(107)에 공급한다.

그리고 상기 터빈(101)은 배기가스를 배출하기 위한 배출관로(117)와 연결된다.

따라서 엔진(107)의 배기가스 배출압에 의해 상기 터빈(101)이 회전하면, 상기 터빈(101)과 회전축(121)을 통하여 연결된 컴프레서(103)가 회전하면서 에어 클리너(111)로부터 신기가 공급되어 흡기 매니폴드(115)로 압축 냉각 공기가 과급된다.

도 7은 이러한 터보 챠저의 내부 단면구성을 도시한 도면으로서, 배기가스가 유입되는 유입구(121)가 구비된 터빈 하우징(123)이 도시되어 있다.

상기 컴프레서(103)와 상기 회전축(125)을 통해 연결된 상기 터빈(101)이 상기 터빈 하우징(123)의 내부에 구비된다.

이러한 터빈(101)의 특성을 결정짓는 요소로서, 에이 알(A/R) 비(이하, A/R 비로 명명함.)가 이용되는데, 이 A/R 비는 유입구 단면적 'A'라하고, 상기 터빈(101)의 축 중심에서 유입구 단면적 중심간 거리를 'R'이라 할 때, A를 R로 나눈 값을 말하며, 'A'가 작으면, 터빈(101)의 가속이 민감하게 되고, 또 고속에서는 배기저항이 증가하는 경향을 나타낸다.

이러한 A/R 비는 통상 0.5~1.0 사이에 있으며, A/R 비가 작을수록 낮은 RPM(즉, 저부하 영역)에서 빠른 터보챠징 효과를 얻을 수 있으나, 결국 고속 성능 이 저하되는 단점이 있다.

즉, A/R 비가 크면 저속에서 가속 시간 지연 현상(turbo lag)이 발생하는 경향이 있으나, 고속에서는 출력 향상이 가능해진다.

상기 문제를 해결하기 위해, 즉 고속과 저속에서 동시에 성능 향상을 위한 구성으로 US 4657480 이 제안되었다.

이러한 종래기술은 동시에 동일한 각도로 회전하는 다수의 베인과 이를 구동하기 위한 복잡한 링크 구조를 가지고 있다.

그러나, 상기한 종래의 가변 구조 터보챠저는 복잡한 링크구조를 가져 약 780°C 내지 830°C 에서 구동하는 디젤엔진에는 양산이 가능하나, 약 950°C 내지 1050°C에서 구동하는 가솔린 엔진에는 적용이 용이하지 않다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 간단한 구성으로 터빈 내로 유입되는 배기 가스의 유입부의 단면적과 배기 가스의 유입 방향을 가변 시킬 수 있어 저속 및 고속에서 엔진의 효율을 향상시키는 가변 구조 터보차져를 제공하는 것이다.

구성이 간단하여 구동 온도가 높은 가솔린 엔진에도 적용이 가능한 가변 구조 터보차져를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 가변 구조 터보차져 는 터빈 하우징, 상기 터빈 하우징에 구비된 터빈, 상기 터빈 주위에 구비된 고정 베인, 상기 고정 베인과의 상대적인 위치가 가변될 수 있도록 상기 터빈을 중심으로 회전 가능하게 상기 고정 베인의 외주를 따라 구비된 회전 베인 및 상기 회전 베인의 회전각을 제어하도록 상기 회전 베인과 연결된 제어부를 포함하며, 상기 고정 베인은 배기 가스가 상기 터빈으로 유입되는 방향을 따라 저속 노즐과 고속 노즐이교대로 형성될 수 있다.

상기 저속 노즐을 지나는 연장선은 상기 터빈의 법선을 기준으로 65°~ 90°로 형성될 수 있다.

상기 고속 노즐을 지나는 연장선은 상기 터빈의 법선을 기준으로 30°~ 60°로 형성 될 수 있다.

상기 고속 노즐은 상기 저속 노즐보다 단면적이 더 넓게 형성될 수 있다.

상기 회전 베인은 저속 상태에서 상기 고속 노즐을 차단할 수 있다.

상기 제어부는 상기 회전 베인을 지지하는 회전링 및 상기 회전링의 위치를 조절하도록 상기 회전링과 연결된 제어 레버를 포함할 수 있다.

상기 회전링과 상기 회전 베인은 일체로 형성될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 가변 구조 터보차져에 의하면, 간단한 구성으로 터빈 내로 유입되는 배기 가스의 유입부의 단면적과 배기 가스의 유입 방향을 가변 시킬 수 있어 저속 및 고속에서 엔진의 충진효율을 향상시킬 수 있다.

구성이 간단하여 구동 온도가 높은 가솔린 엔진에도 적용이 가능하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명의 실시예에 의한 가변 구조 터보차져의 구성을 나타내는 단면도이고, 도2는 본 발명의 실시예에 의한 가변 구조 터보차져의 회전 베인과 회전링의 구성을 나타낸 사시도이다.

도1 내지 도2를 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 가변 구조 터보차져는 터빈 하우징(100), 상기 터빈 하우징(100)에 구비된 터빈(200)을 포함한다.

상기 터빈(200)주위에는 고정 베인(300)이 구비되고, 상기 고정 베인(300)의외주를 따라 회전 베인(400)이 구비된다.

상기 회전 베인(400)은 상기 고정 베인(300)과의 상대적인 위치가 가변될 수 있도록 상기 터빈(200)을 중심으로 회전 가능하게 구비된다.

상기 회전 베인(400)의 회전각은 제어부(500)와 연결되어 제어되며, 상기 제어부(500)는 상기 회전 베인을 지지하는 회전링(510) 및 상기 회전링(510)을 위치를 조절하도록 상기 회전링(510)과 연결된 제어 레버(520)를 포함한다.

상기 제어 레버(520)는 상기 회전링(510)에 형성된 연결핀(515)와 연결된다.

상기 제어 레버(520)는 간단한 구성으로 상기 회전 베인(400)의 상대적인 각도를 제어할 수 있고, 상기 제어 레버(520)는 엑추에이터(미도시)나 스텝 모터(미 도시)등에 의하여 작동할 수 있으며, 이러한 제어 레버의 작동은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 상세한 설명을 통해 실시 가능하므로 자세한 설명은 생략한다.

도3은 본 발명의 실시예에 의한 가변 구조 터보차져의 저속 운전시의 작동을 나타내는 도면이고, 도4는 본 발명의 실시예에 의한 가변 구조 터보차져의 고속 운전시의 작동을 나타내는 도면이다.

도5는 본 발명의 실시예에 의한 가변 구조 터보차져의 저속 노즐과 고속 노즐을 나타낸 도면이다.

도3 내지 도5을 참조하면, 상기 고정 베인(300)에는 배기 가스가 상기 터빈으로 유입되는 방향을 따라 저속 노즐(410)과 고속 노즐(420)이 교대로 형성된다.

도5에 도시된 "A"는 상기 터빈(200)으로부터 연장 형성된 법선을 나타내며, "B"와 "C"는 상기 저속 노즐(410)을 형성하는 면에서 연장된 가상의 선을 나타낸 것으로 상기 "B"와 "C"는 상기 "A"와 각각 α 각을 이룬다.

또한 도5에 도시된 "D"와 "E"는 상기 고속 노즐(420)을 형성하는 면에서 연장된 가상의 선을 나타낸 것으로 상기 "D"와 "E"는 상기 "A"와 각각 β 각을 이룬다.

본 발명의 실시예에 의한 가변 구조 터보차져에서는 상기 α는 65°~ 90°이고, 상기 β는 30°~ 60°이다.

저속 상태에서 상기 회전 베인(400)은 상기 고정 베인(300)의 상기 고속 노즐(420)을 차단하도록 구비된다.

이하, 도3 내지 도5를 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 가변 구조 터보차져의 작동을 설명한다.

먼저 저속에서는, 도3에 도시된 바와 같이, 상기 회전 베인(400)이 상기 고속 노즐(420)을 차단하도록 위치한다.

그러면, 배기가스는 상기 저속 노즐(410)을 따라 상기 터빈(200)으로 유입되며, 상기 저속 노즐(410)이 상기 법선(A)과 이루는 각(α)이 65°~ 90°이기 때문에 상기가스가 상대적으로 상기 터빈(200)의 원주 방향을 따라 유동한다.

또한, 상기 저속 노즐(420)의 단면적이 상대적으로 작기 때문에 배기 가스의 유속이 빨라진다.

즉, 저속에서 배기 가스의 방향이 터빈의 접선을 향하고 유속이 빨라져 상기 터빈(200)에 전달되는 토크가 증대되어 가속 시간 지연 현상(turbo lag)을 방지할 수 있다.

고속에서는, 도4에 도시된 바와 같이, 상기 제어 레버(520)에 의하여 상기 회전 베인(400)이 회전하며, 상기 저속 노즐(410)과 상기 고속 노즐(420)이 모두 열리게 된다.

즉, 상기 저속 노즐(410)과 상기 고속 노즐(420)을 통해 상기 배기가스가 상기 터빈(200)으로 유입된다.

또한, 상기 고속 노즐(420)은 상기 법선을 기준으로 30°~ 60°로 형성되어 상기 배기가스가 상대적으로 상기 터빈(200)의 중심 방향으로 유입된다.

따라서, 고속 상태에서는 상기 배기가스가 상대적으로 상기 터빈(200)의 중 심 방향으로 유입되며, 배기가스의 유속이 느려져 상기 터빈(200)의 과도한 회전을 억제할 수 있고, 엔진 배압 저감에 의해 엔진 출력을 증대할 수 있다.

상술한 저속 및 고속 운전조건은 엔진의 상태나 작동 요구 성능 등에 따라 다양한 선택이 가능하며 이러한 조건에 따라 본 발명의 실시예에 의한 가변 구조 터보차져를 구성하는 것은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에 자명한 사항으로 자세한 설명은 생략한다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

도1은 본 발명의 실시예에 의한 가변 구조 터보차져의 구성을 나타내는 단면도이다.

도2는 본 발명의 실시예에 의한 가변 구조 터보차져의 회전 베인과 회전링의 구성을 나타낸 사시도이다.

도3은 본 발명의 실시예에 의한 가변 구조 터보차져의 저속 운전시의 작동을 나타내는 도면이다.

도4는 본 발명의 실시예에 의한 가변 구조 터보차져의 고속 운전시의 작동을 나타내는 도면이다.

도5는 본 발명의 실시예에 의한 가변 구조 터보차져의 저속 노즐과 고속 노즐을 나타낸 도면이다.

도6는 일반적인 터보차져 구성도이다.

도7은 일반적인 터보차져의 터빈의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 터빈 하우징

200: 터빈

300: 고정 베인

400: 회전 베인

410: 저속 노즐

420: 고속 노즐

500: 제어부

510: 회전 링

515: 연결핀

520: 제어 레버

Claims (7)

1. 터빈 하우징;

   상기 터빈 하우징에 구비된 터빈;

   상기 터빈 주위에 구비된 고정 베인;

   상기 고정 베인과의 상대적인 위치가 가변될 수 있도록 상기 터빈을 중심으로 회전 가능하게 상기 고정 베인의 외주를 따라 구비된 회전 베인; 및

   상기 회전 베인의 회전각을 제어하도록 상기 회전 베인과 연결된 제어부;

   를 포함하며,

   상기 고정 베인은,

   배기 가스가 상기 터빈으로 유입되는 방향을 따라 저속 노즐과 고속 노즐이교대로 형성되고,

   상기 회전 베인은,

   저속 상태에서 상기 고속 노즐을 차단하는 것을 특징으로 하는 가변 구조 터보차져.
2. 제1항에서,

   상기 저속 노즐을 지나는 연장선은 상기 터빈의 법선을 기준으로 65°~ 90°로 형성된 것을 특징으로 하는 가변 구조 터보차져.
3. 제1항에서,

   상기 고속 노즐을 지나는 연장선은 상기 터빈의 법선을 기준으로 30°~ 60°로 형성된 것을 특징으로 하는 가변 구조 터보차져.
4. 제1항에서,

   상기 고속 노즐은 상기 저속 노즐보다 단면적이 더 넓은 것을 특징으로 하는 가변 구조 터보 챠져.
5. 삭제
6. 제1항에서,

   상기 제어부는,

   상기 회전 베인을 지지하는 회전링; 및

   상기 회전링의 위치를 조절하도록 상기 회전링과 연결된 제어 레버;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 구조 터보차져.
7. 제6항에서,

   상기 회전링과 상기 회전 베인은 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 가변 구조 터보차져.

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