KR101020886B1 - 엔진 회전수 연동형 스토퍼 장치를 구비한 가변지오메트리 터보 차져 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진의 가동 조건에 따라 변화되는 오일압을 매개로 터빈측 유동 단면적의 크기를 조절하여, 저속에서 흡기의 충진율을 향상시키면서 고속에서 터보 차져의 회전 속도가 임계치를 초과하지 않도록 제한하는 데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 배기 가스의 유동에 따라 회전하는 다수의 베인을 가지는 터빈과; 상기 터빈과 동축상으로 연결되어 흡입 공기를 압축시키는 다수의 베인을 가지는 컴프레셔; 상기 터빈측 베인으로 유입되는 배기 가스의 유동 단면적을 조절하는 가동 베인에 회동력에 인가하는 링크 기구; 상기 링크 기구에 일측 선단이 연결되고, 중간 부위에 구비된 피벗 지점을 매개로 선회 운동을 하는 레버; 상기 레버의 타측 선단과 연결되고, 엔진의 흡기 부압에 따라 동작되어, 상기 레버에 선회력을 인가하는 액츄에이터 및; 상기 링크 기구와 연결되는 상기 레버의 자유단부에는 상기 액츄에이터의 작동에 따른 레버의 선회 운동을 방해하려는 방향으로 설치되는 유압식 스토퍼 기구를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

엔진 회전수 연동형 스토퍼 장치를 구비한 가변 지오메트리 터보 차져{variable geometry turbocharger with stopper device sequentially operated by engine revolution}

도 1은 종래 가변 지오메트리 터보 차져의 구성을 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 엔진 회전수 연동형 스토퍼 장치를 구비한 가변 지오메트리 터보 차져의 구성을 도시한 도면.

도 3은 도 2에 도시된 요부의 구성만을 개략적으로 나타내는 도면.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10-터빈 12-컴프레셔

14-가동 베인 16-링크 기구

18-레버 20-액츄에이터

22-유압식 스토퍼 기구

본 발명은 가변 지오메트리 터보 차져에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터빈 측 베인으로 유입되는 배기 가스의 유동 단면적을 조절하는 가동 베인의 선회각을 엔진의 회전수에 따라 가변적으로 조절하는 엔진 회전수 연동형 스토퍼 장치를 구비한 가변 지오메트리 터보 차져에 관한 것이다.

일반적으로 가변 지오메트리 터보 차져(VGT;Variable Geometry Turbocharger)는 터빈으로 유입되는 배기 가스의 통과 면적을 가변적으로 운용하여 기존의 웨이스트 게이트 터보 차져(WGT;Waste Gate Turbocharger) 대비 고토오크/고출력화를 도모함과 동시에 저속 토오크 마진을 동시에 얻고자 하는 목적으로 고안된 장치이다.

그런데, 종래 가변 지오메트리 터보 차져의 경우, 터빈측 유동 단면적의 크기를 조절하는 가동 베인의 각도를 닫을 수록 컴프레셔에서는 엔진의 흡기 계통으로 더 많은 흡입 공기를 보낼 수 있는 데, 이 경우 가동 베인의 각도 조절에는 한계가 따르게 되는 바, 그 한계란 터보 차져의 회전 속도가 임계치를 초과하지 않도록 하여 윤활 계통에서 문제가 발생하지 않도록 하기 위한 것이다.

따라서, 가변 지오메트리 터보 차져를 보호하기 위해서 종래에는 하우징에 나사체결 방식으로 고정되는 스토퍼를 구비하고서 가동 베인에 대한 닫힘 정도를 제한하고 있다.

즉, 종래 가변 지오메트리 터보 차져에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 액츄에이터(1)가 엔진의 흡기 부압에 따라 당겨지는 동작을 하게 되면, 레버(2)는 피벗지점(P)을 중심으로 선회하게 되고, 상기 레버(2)의 선회 운동에 따라 링크 기구(3)는 터빈(4)측에 구비된 가동 베인(5)을 회동시켜 터빈(4)측 유동 단면적을 줄이 게 된다.

이때, 상기 터빈(4)측 하우징에 체결되어 고정 설치되어 있는 스토퍼 볼트(6)는 상기 레버(2)의 선회 운동량을 제한하게 되는 바, 즉 상기 하우징에 대한 스토퍼 볼트(6)의 체결 깊이에 따라 액츄에이터(1)에 작용하는 흡기 부압의 변화와는 무관하게 상기 레버(2)의 선회 운동은 더 이상 일어나지 않게 된다.

이 결과, 상기 레버(2)와 연동되는 링크 기구(3)는 상기 가동 베인(5)의 회동각에 변화를 주지 못하게 되며, 이로 인해 터빈(4)측 유동 단면적의 축소는 더 이상 이루어지지 않게 되는 것이다.

즉, 종래 가변 지오메트리 터보 차져의 경우에 상기 가동 베인(5)의 회동을 조절하여 터빈측 유동 단면적을 줄이면 줄일수록 컴프레셔(7)에서 엔진의 흡기 계통으로 더 많은 흡입 공기를 공급할 수 있었으나, 상기 가동 베인(5)의 회동에는 그 한계가 존재하게 되는 바, 이는 상기 터빈(4)의 회전수가 임계 수준을 초과하지 않도록 함과, 상기 컴프레셔(7)측에서 흡입 공기가 역류되는 현상이 발생하지 않도록 하기 위함인 것이다.

다시 말하자면, 종래 가변 지오메트리 터보 차져는 저속에서 많은 과급압을 제공할 수 있어 차량의 동력 성능을 향상시킬 수 있었으나, 저속의 많은 부분을 최적화하는 데에는 그 한계가 존재한다.

또한, 고속의 운전 영역에서 만약 흡기 계통(인터쿨러의 전/후단)에서 과급압(過給壓, 부스터압으로도 통칭됨)의 누설시 가변 지오메트리 터보 차져는 목표 과급압을 달성하기 위해 가동 베인(5)을 계속해서 닫게 되며, 이러한 경우 터빈 회 전수는 급격히 상승하여 가변 지오메트리 터보 차져의 손상을 초래하게 되는 데, 특히 하절기 고지 등에서 고속으로 운전하는 경우 터빈 회전수가 임계 수준을 초과할 때 이를 제한할 수 있는 별도의 하드웨어적 안전장치가 없는 실정이었다.

결론적으로, 종래 가변 지오메트리 터보 차져에 적용되는 스토퍼 볼트(6)는 하우징측에 대한 체결 깊이에 따라 터빈(4)측 가동 베인(5)에 대한 회동각을 일률적으로 제한할 수 밖에 없으므로, 다양한 가동 영역의 범위에서 엔진이 운전될 때 상기 스토퍼 볼트(6)는 이에 부합하지 못하고, 상기 가동 베인(5)에 대한 회동각의 제한을 일률적으로 수행할 수 밖에 없다는 단점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 엔진의 가동 조건에 따라 변화되는 오일압을 매개로 터빈측 유동 단면적의 크기를 조절하여, 저속에서 흡기의 충진율을 향상시키면서 고속에서 터보 차져의 회전 속도가 임계치를 초과하지 않도록 제한하는 데 그 목적이 있다.

즉, 터빈 차져의 회전 속도를 엔진의 회전수에 따라 가변적으로 제한될 수 있도록 하여, 고속의 운전영역에서 가변 지오메트리 터보 차져에서 발생되는 손상을 사전에 방지할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 배기 가스의 유동에 따라 회전하는 다수의 베인을 가지는 터빈과; 상기 터빈과 동축상으로 연결되어 흡입 공기를 압축시키는 다수의 베인을 가지는 컴프레셔; 상기 터빈측 베인으로 유입되는 배 기 가스의 유동 단면적을 조절하는 가동 베인에 회동력에 인가하는 링크 기구; 상기 링크 기구에 일측 선단이 연결되고, 중간 부위에 구비된 피벗 지점을 매개로 선회 운동을 하는 레버; 상기 레버의 타측 선단과 연결되고, 엔진의 흡기 부압에 따라 동작되어, 상기 레버에 선회력을 인가하는 액츄에이터 및; 상기 링크 기구와 연결되는 상기 레버의 자유단부에는 상기 액츄에이터의 작동에 따른 레버의 선회 운동을 방해하려는 방향으로 설치되는 유압식 스토퍼 기구를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유압식 스토퍼 기구는 엔진의 회전수에 비례하여 상승되는 오일압을 제공받는 압력실과; 상기 압력실내에서 이동가능하게 설치되어, 상기 레버의 자유단부를 가압하는 피스톤 및; 상기 피스톤을 리턴 방향으로 탄발지지하는 스프링을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 엔진 회전수 연동형 스토퍼 장치를 구비한 가변 지오메트리 터보 차져는 도 2에 도시된 바와 같이, 엔진의 연소후 배기 계통으로 배출되는 배기 가스의 유동에 따라 회전하는 다수의 베인(10a)을 가지는 터빈(10)과, 상기 터빈(10)과 동축상으로 연결되어 이로부터 전달되는 구동력을 매개로 회전하여 흡입 공기를 압축시켜 흡기 계통으로 공급하는 다수의 베인(도시안됨)을 가지는 컴프레셔(12) 및, 상기 터빈(10)측 베인(10a)으로 유입되는 배기 가스의 유동 단면적을 조절하도록 회동되어 상기 베인(10a)의 회전 속도를 조절하는 다수의 가동 베인(14)을 갖추고 있다.

또한, 상기 가동 베인(14)에 회동력을 제공하는 링크 기구(16)와, 상기 링크 기구(16)에 일측 선단이 연결되고 중간 부위에 구비된 피벗 지점(P)을 매개로 선회 운동을 하는 레버(18) 및, 상기 레버(18)의 타측 선단과 연결되고 엔진의 흡기 부압에 따라 동작되어 상기 레버(18)에 선회력을 인가하는 액츄에이터(20)를 갖추고 있다.

이 경우, 상기 링크 기구(16)와 연결되는 상기 레버(18)의 자유단부에는 상기 액츄에이터(20)의 작동에 따른 상기 레버(18)의 선회 운동을 방해하려는 방향으로 유압식 스토퍼 기구(22)가 배치된다.

여기서, 상기 유압식 스토퍼 기구(22)는 도 3에 도시된 바와 같이, 엔진의 회전수에 비례하여 상승되는 오일압을 제공받는 압력실(22a)과, 상기 압력실(22a)내에서 이동가능하게 설치되어, 상기 레버(18)의 자유단부를 가압하는 피스톤(22b) 및, 상기 피스톤(22b)을 리턴 방향으로 탄발지지하는 스프링(22c)을 구비하고 있다.

그리고, 상기 압력실(22a)은 오일 펌프(도시안됨)로부터 토출되어 제공되는 오일압을 공급받기 위한 연결 관로(22d)를 구비하고 있다.

또한, 상기 압력실(22a)내에는 상기 피스톤(22b)과의 사이에서 오일압의 누설을 방지하기 위한 씰링 부재(22e)가 설치되어 있다.

한편, 도면중 미설명 부호 20a는 상기 액츄에이터(20)의 구비되어 상기 레버 (18)를 당겨 회동시키는 작동 로드이다.

따라서, 저속 주행시에는 상기 유압식 스토퍼 기구(22)의 압력실(22a)내에는 저압의 오일압이 작용하게 되고, 이에 따라 피스톤(22b)은 스프링(22c)의 복원력에 의해 하향이동하게 된다.

이때 상기 액츄에이터(20)의 진공압이 상승하게 되면, 상기 작동 로드(20a)는 레버(18)의 일측 선단을 당기게 되고, 상기 레버(18)의 타측 선단이 회동되면서 상기 링크 기구(16)를 동작시켜 가동 베인(14)을 회동시키게 된다.

이 경우, 상기 유압식 스토퍼 기구(22)의 피스톤(22b)은 낮은 오일압에 의해 하향이동하게 되어, 상기 레버(18)의 선회 운동을 최대한 보장할 수 있게 되는 것이다.

이에 반해, 고속 주행시에는 상기 유압식 스토퍼 기구(22)의 압력실(22a)내에 고압의 오일압이 작용하게 되고, 이에 따라 상기 피스톤(22b)은 스프링(22c)의 탄성력을 이기고 상향이동하게 되며, 이 결과 상기 레버(18)의 선회 운동 정도는 억제되어진다.

즉, 상기 액츄에이터(20)의 작동 로드(20a)가 피벗지점(P)을 중심으로 선회운동을 함에 있어, 상기 유압식 스토퍼 기구(22)의 피스톤(22b)에 의해 선회량을 제한받게 되는 것이다.

이 결과, 고속 주행시 흡기 계통에서 발생되는 문제, 예컨대 액츄에이터(20)에서 흡기 부압의 누설과 상기 가동 베인(14)에서 선회량의 증가에 따른 터빈(10)측 유동 단면적이 과도하게 줄어드는 등의 문제를 해소할 수 있게 된다.

또한, 상기 유압식 스토퍼 기구(22)에서 오일압은 계절에 관계없이 일정하게 유지될 수 있으므로, 외기 온도의 변화에 따른 터빈(10)의 오버 스피드 문제를 하드웨어적으로 보완할 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 엔진 회전수 연동형 스토퍼 장치를 구비한 가변 지오메트리 터보 차져에 의하면, 가변 지오메트리 터보 차져에 있어 엔진의 회전수에 따라 변화되는 오일압을 매개로 터빈(10)측 가동 베인(14)의 회동각에 대한 한계를 엔진의 저속 운전영역과 고속 운전영역에서 각각 가변적으로 조절할 수 있도록 하여, 터빈(10)측 유동 단면적의 조절에 대한 한계를 보다 적극적으로 수행할 수 있게 되고, 이 결과 엔진의 회전수별 최적화된 최대 과급압을 공급할 수 있게 되어 엔진의 동력 성능을 극대화시킬 수 있게 된다.

또한, 하절기와 같이 주변의 온도가 높은 지역에서 고속의 운전 영역으로 주행시 터빈측 회전수가 과도하게 상승하게 될 경우, 이를 제한할 수 있으므로, 가변 지오메트리 터보 차져의 손상을 사전에 예방할 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 배기 가스의 유동에 따라 회전하는 다수의 베인을 가지는 터빈과;

   상기 터빈과 동축상으로 연결되어 흡입 공기를 압축시키는 다수의 베인을 가지는 컴프레셔와;

   상기 터빈측 베인으로 유입되는 배기 가스의 유동 단면적을 조절하는 가동 베인에 회동력에 인가하는 링크 기구와;

   상기 링크 기구에 일측 선단이 연결되고, 중간 부위에 구비된 피벗 지점을 매개로 선회 운동을 하는 레버와;

   상기 레버의 타측 선단과 연결되고, 엔진의 흡기 부압에 따라 동작되어, 상기 레버에 선회력을 인가하는 액츄에이터와;

   상기 링크 기구와 연결되는 상기 레버의 자유단부에는 상기 액츄에이터의 작동에 따른 레버의 선회 운동을 방해하려는 방향으로 설치되는 유압식 스토퍼 기구를 포함하여 구성되면서;

   상기 유압식 스토퍼 기구는 엔진의 회전수에 비례하여 상승되는 오일압을 제공받는 압력실과, 상기 압력실내에 이동가능하게 설치되어서 상기 레버의 자유단부를 가압하는 피스톤과, 상기 피스톤을 리턴 방향으로 탄발지지하는 스프링

   을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 가변 지오메트리 터보 차져.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 압력실은 오일 펌프로부터 토출되어 제공되는 오일압을 공급받기 위한 연결 관로를 구비한 것을 특징으로 하는 가변 지오메트리 터보 차져.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 압력실내에는 상기 피스톤과의 사이에서 오일압의 누설을 방지하기 위한 씰링 부재가 설치된 것을 특징으로 하는 가변 지오메트리 터보 차져.

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