KR101265577B1 - 터보차져 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터보차져에 관한 것이다. 본 발명은 회전하여, 외부 공기를 흡입하는 컴프레셔 휠; 내부에 형성된 중공에 상기 컴프레셔 휠을 수용하는 컴프레셔 하우징; 상기 컴프레셔 하우징에 인접하게 설치되는 터빈 하우징; 및 상기 터빈 하우징에 수용되고, 상기 컴프레셔 휠에 축결합되는 터빈 휠;을 포함하고, 상기 컴프레셔 휠은 회전축이 그 중심에 결합되는 회전 중심부와 상기 회전 중심부에 설치되어 공기를 이송하는 블레이드부로 구성되고, 상기 블레이드부는 상기 회전 중심부의 회전 속도가 빨라짐에 따라, 방사방향으로 전개되어 공기와 맞닿는 면적이 증가하는 것을 특징으로 하는 터보차져를 제공한다.
따라서, 본 발명에 따르면 컴프레셔 휠의 회전 속도를 인위적으로 변화시키지 않더라도, 회전 속도가 빨라지면서 컴프레셔 휠이 공기와 닿는 면적이 증가하기 때문에, 회전 속도와 넓어지는 면적에 기해 공급되는 외부 공기가 증가될 수 있다.

Description

터보차져{Turbo charger}

본 발명은 터보차져에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자적 제어 장비 없이 회전 속도에 따라 공급되는 외부 공기의 양이 변화할 수 있는 터보차져에 관한 것이다.

자동차 등에 장착되는 내연기관에 관하여는, 충전 효율(charging efficiency)을 향상하고 그에 의해 엔진출력을 향상시키기 위하여, 흡입공기(intake air)를 압축하는 터보차져(turbocharger)가 마련되는 기술이 공지되어 있다. 일반적으로, 그러한 과급기는 내연기관으로부터 방출된 배기가스의 에너지를 이용하여 구동된다.

터보차져는 배기 경로의 약 중간지점에 마련된 터빈 하우징(turbine housing)과 흡입경로의 약 중간지점에 마련된 압축기 하우징(compressor housing)은 센터 하우징(center housing)의 매개를 통하여 상호 연결되고, 터빈 하우징에 회전가능하게 지지된 터빈 휠(turbine wheel)과 압축기 하우징에 회전가능하게 지지된 압축기 휠(compressor wheel)은 센터 하우징에 회전가능하게 지지된 터빈 축(turbine shaft)의 매개를 통하여 동축(coaxially)으로 연결되어 있다.

그러한 터보차져에 있어서는, 내연기관으로부터 방출된 배기 가스는 배기 입구를 통하여 터빈 하우징 내로 흘러 들어가고, 이 배기 가스는 소용돌이 형태로 스크롤 경로(scroll passage)를 따라서 흐른다. 그런 다음, 스크롤 경로로부터 노즐 경로로 흐르고, 터빈 휠에 부딪혀서 터빈 휠을 회전시킨다.

터빈 휠이 이렇게 회전하면, 터빈 휠의 토크(torque)가 터빈 축(turbine shaft)을 통하여 압축기 휠에 전달되고, 압축기 휠은 터빈 휠과 동기(synchronism)적으로 회전한다. 압축기 휠이 터빈 휠과 동기·회전하면, 흡입공기 입구 근처의 흡입공기는 압축기 휠의 회전에 의해 발생한 흡입력에 의해 압축기 하우징으로 빨려 들어가고, 방출경로(sent-out passage)와 스크롤 경로를 통하여 흡입공기 출구로 압력 하에 보내어진다.

그리하여, 압축기 하우징에서 압축된 흡입공기는 강제적으로 연소실로 공급되어, 흡입공기의 충전효율은 향상된다. 이러한 과정에서, 연료 주입량은 흡입 공기량에 따라서 증가하게 되고, 이에 의해 더 큰 연소력(combustion power)과 폭발력을 얻을 수 있으며, 이는 엔진 출력을 향상시킬 수 있게 한다.

이 때에 압축기 휠에 의해서 공급되는 외부 공기의 양을 제어하기 위해서는 압축기 휠의 회전 속도를 제어하게 된다. 즉 압축기 휠의 회전 속도가 증가하면 압축기 휠이 더 빠르게 회전하기 때문에 공기 공급량이 증가하고, 회전 속도가 감소되면 압축기 휠이 더 느리게 회전하기 때문에 공기 공급량이 감소한다. 그러나 압축기 휠은 터빈 휠과 동축으로 연결되어 있기 때문에, 압축기 휠의 회전 속도를 인위적으로 변화시키면 터빈 휠의 회전 속도에도 영향이 발생하기 때문에 터보차져의 작동에 다양한 문제가 발생할 수 있다.

또한 압축기 휠의 회전 속도를 변화시키기 위해서 별도의 모터와 그 모터를 제어하는 제어부를 구비해야 하기 때문에 터보차져의 크기가 커져 공간의 제약 등으로 인한 다양한 설계 변경이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 컴프레셔 휠의 회전 속도를 인위적으로 변화시키지 않더라도, 공급되는 외부 공기의 양을 제어할 수 있는 터보차져를 제공하는 것이다.

또한 본 발명은 컴프레셔 휠의 회전 속도를 인위적으로 제어하기 위한 전자 수단 등을 필요로 하지 않는 터보차져를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 회전하여, 외부 공기를 흡입하는 컴프레셔 휠; 내부에 형성된 중공에 상기 컴프레셔 휠을 수용하는 컴프레셔 하우징; 상기 컴프레셔 하우징에 인접하게 설치되는 터빈 하우징; 및 상기 터빈 하우징에 수용되고, 상기 컴프레셔 휠에 축결합되는 터빈 휠;을 포함하고, 상기 컴프레셔 휠은 회전축이 그 중심에 결합되는 회전 중심부와 상기 회전 중심부에 설치되어 공기를 이송하는 블레이드부로 구성되고, 상기 블레이드부는 상기 회전 중심부의 회전 속도가 빨라짐에 따라, 방사방향으로 전개되어 공기와 맞닿는 면적이 증가하는 것이 가능하다.

상기 블레이드부는 상기 회전 중심부에 일체로 설치되어 회전 속도에 무관하게 일정한 형상을 갖는 고정 부재와, 상기 회전 중심부의 회전 속도가 증가하면 상기 회전 중심부의 방사 방향으로 전개되는 가변 부재를 포함할 수 있다.

특히 상기 가변 부재는 상기 고정 부재의 일면에 인접하게 배치되는 것이 바람직하다.

상기 회전 중심부는 상기 회전축에 수직한 원판을 포함하고, 상기 원판에는 방사방향으로 연장되는 가이드 홈이 형성되며, 상기 가변 부재는 상기 가이드 홈에 수용되어 슬라이딩되는 슬라이딩 편을 구비할 수 있다.

나아가 상기 슬라이딩 편의 양단에는 상기 가변 부재가 상기 회전축에 평행한 방향으로 탈거되는 것을 방지하도록 돌출형성된 암이 형성될 수 있다.

특히 상기 가이드 홈에는 상기 가변 부재와 상기 회전 중심부를 방사 방향으로 탄성 고정하는 탄성 부재가 수용되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면 컴프레셔 휠의 회전 속도를 인위적으로 변화시키지 않더라도, 회전 속도가 빨라지면서 컴프레셔 휠이 공기와 닿는 면적이 증가하기 때문에, 회전 속도와 넓어지는 면적에 기해 공급되는 외부 공기가 증가될 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 별도의 구동 수단을 필요로 하지 않아, 설계 변경을 필요로 하지 않아 기존의 차량에 적용이 용이하다.

도 1은 본 발명에 따른 터보차져의 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 컴프레셔 휠의 사시도.
도 3은 고정 부재와 가변 부재의 단면 개략도.
도 4는 고정 부재와 가변 부재의 측면 개략도.
도 5는 도 4에서 회전 속도가 증가한 경우의 상태를 도시한 도면.

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 터보차져의 개념도이다. 이하 도 1을 참조해서 설명한다.

터보차져(30)는 회전하여, 외부 공기를 흡입하는 컴프레셔 휠(40), 내부에 형성된 중공에 상기 컴프레셔 휠을 수용하는 컴프레셔 하우징(32), 상기 컴프레셔 하우징(32)에 인접하게 설치되는 터빈 하우징(34), 상기 터빈 하우징(34)에 수용되고 상기 컴프레셔 휠(40)에 축결합되는 터빈 휠(60)을 포함한다.

도 1에 따른 터보차져(30)의 작동에 대해 설명하면, 터보차져(30)는 엔진(10)의 배기 매니폴드(20)를 통해 배출되는 배기가스를 에너지로 이용하여 터빈 휠(60)을 회전시켜 회전력을 발생시킨다. 상기 터빈 휠(60)이 회전됨에 따라 상기 터빈 휠(60)에 회전축(36)으로 연결되어 있는 컴프레셔 휠(40)이 회전되고, 따라서 흡입 공기가 압축되어 흡입 매니폴드(70)를 통해 엔진(10)의 연소실로 공급된다.

참고로 상기에서 터보차져(30)의 과도한 과급은 내연기관의 수명에 영향을 주므로 적정 필요량의 과급을 위해 밸브 개폐를 조정하는 액츄에이터(미도시)가 구비될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 컴프레셔 휠의 사시도이다. 이하 도 2를 참조해서 설명한다.

컴프레셔 휠(40)은 회전축이 그 중심에 결합되는 회전 중심부(44)와 상기 회전 중심부(44)에 설치되어 공기를 이송하는 블레이드부(41: 도 3에 도시됨)로 구성된다. 상기 회전 중심부(44)는 전체적으로 원뿔이나 원추와 같은 형상으로 이루어져 있고, 상기 블레이드부(41)는 상기 회전 중심부(44)에 방사 방향으로 벌어지는 방식으로 고르게 배치된다.

상기 블레이드부(41)는 상기 회전 중심부(44)에 일체로 설치되어 회전 속도에 무관하게 일정한 형상을 갖는 고정 부재(46)와 상기 회전 중심부(44)의 회전 속도가 증가하면 상기 회전 중심부(44)의 방사 방향으로 전개되는 가변 부재(50)를 포함한다.

상기 가변 부재(50)는 상기 고정 부재(46)의 일면에 인접하게 배치될 수 있다. 이때 상기 고정 부재(46)의 일면은 도 2에 도시된 바와 같은 면일 수 있고, 도 2에 도시된 것과 달리, 상기 고정 부재(46)의 일면에 반대편에 위치하는 면일 수 있다.

상기 가변 부재(50)는 상기 고정 부재(46)에 완전히 겹친 상태이기 때문에, 별도의 힘이 가해지지 않는 상태에는 상기 고정 부재(46)의 외주면에 의해서 상기 컴프레셔 휠(40)의 크기가 결정된다.

한편 상기 회전 중심부(44)는 상기 회전축에 수직한 원판(42)을 포함할 수 있다. 상기 원판(42)은 상기 회전 중심부(44)의 하단에 배치되는 것이 가능하다. 상기 원판(42)의 아래쪽 면은 그 두께가 고르게 형성될 수 있도록 평평한 면으로 이루어지는 것이 가능하다.

상기 가변 부재(50)는 상기 고정 부재(46) 각각에 일대일 대응 방식으로 설치될 수 있고, 작업의 편의상 상기 고정 부재(46) 중 일부에만 설치되는 것도 가능하다.

도 3은 고정 부재와 가변 부재의 단면 개략도이다. 이하 도 3을 참조해서 설명한다.

도 3에서 확인할 수 있듯이, 상기 고정 부재(46)와 상기 가변 부재(50)는 서로 인접하게 배치된다.

상기 원판(42)에는 방사 방향으로 연장되는 가이드 홈(43)이 형성된다. 상기 가이드 홈(43)은 전체적으로 'ㅗ'와 같은 형상으로 이루어져, 중앙 부위에는 상기 원판(42)의 외측과 관통되고, 그 양 옆으로 안착홈이 연장되는 것이 바람직하다. 상기 안착홈은 상기 가이드 홈(43)에서 양 측방향으로 연장되지만, 외부와 연통되지 않고 밀폐되는 것이 바람직하다.

상기 가변 부재(50)는 높이는 대략 상기 고정 부재(46)와 유사한 것이 가능하나, 작업의 편의를 위해서 상기 고정 부재(46)에 비해서 작게 형성되는 것도 가능하다.

상기 가변 부재(50)의 하단에는 상기 가이드 홈(43)에 수용되어 슬라이딩되는 슬라이딩 편(54)이 형성된다. 상기 슬라이딩 편(54)의 양단에는 상기 가변 부재(50)가 상기 회전축(36)에 평행한 방향으로 탈거되는 것을 방지하도록 돌출형성된 암(52)이 형성된다. 이때 상기 회전축(36)에 평행한 방향은 상기 고정 부재(46)와 상기 가변 부재(50)의 높이 방향과 동일하다.

즉 상기 암(52)이 상기 가이드 홈(43)의 안착홈에 걸리기 때문에, 상기 가변 부재(50)의 수직 방향 운동이 제한된다. 반면에 상기 가이드 홈(43)은 상기 회전 중심부(44)에 대해 방사 방향, 즉 도 3의 도면에서 바깥쪽으로 나오는 방향으로 연장되기 때문에, 상기 가변 부재(44)가 상기 회전 중심부(44)에 대해서 방사 방향에 평행하게 슬라이딩될 수 있다.

도 4는 고정 부재와 가변 부재의 측면 개략도이다. 이하 도 4를 참조해서 설명한다.

상기 가이드 홈(43)에는 상기 가변 부재(50)와 상기 회전 중심부(44)를 방사 방향으로 탄성 고정하는 탄성 부재(58)가 수용된다. 상기 탄성 부재(58)는 탄성력을 제공할 수 있는 코일 스프링 등이 적용되는 것이 가능하다.

상기 탄성 부재(58)는 상기 가변 부재(50)에 원심력이 가해지지 않는 경우에는 원래의 길이로 유지되다가, 상기 가변 부재(50)에 원심력이 가해지는 경우(상기 회전 중심부(44)를 중심으로 하여 멀어지는 방향), 즉 상기 고정 부재(46)로부터 상기 가변 부재(50)가 전개되는 상황에서는 상기 탄성 부재(58)가 인장된다.

상기 탄성 부재(58)는 사용 용도에 따라 다른 재질이나 다른 탄성 계수를 갖는 부재를 사용하는 것이 가능하다. 상기 탄성 부재(58)의 특성에 따라 상기 가변 부재(50)의 전개되는 면의 크기가 달라질 수 있다.

도 5는 도 4에서 컴프레셔 휠의 회전 속도가 증가한 경우의 상태를 도시한 도면이다. 이하 도 5를 참조해서 설명한다.

상기 블레이드부(41)는 상기 고정 부재(46)와 상기 가변 부재(50)를 구비하는데, 상기 회전 중심부(44)의 회전 속도가 빨라짐에 따라, 상기 가변 부재(50)가 상기 고정 부재(46)로부터 전개된다(전개된 상태는 점선으로 표현하였다). 즉 상기 가변 부재(50)는 방사 방향으로 전개되어 공기와 맞닿는 면적이 증가하게 된다.

한편 상기 컴프레셔 휠(40)은 상기 가변 부재(50)에 의해서 공기와 접촉하는 면적이 상기 중심 회전부(44)에 대해서 방사 방향으로 연장되기 때문에, 상기 컴프레셔 하우징(32)의 중공은 도 2에 도시된 상기 컴프레셔 휠(40)의 고정 부재(46)를 수용하는 공간 보다 큰 것이 바람직하다. 다시 말해서, 상기 컴프레셔 휠(40)이 수용되는 상기 캄프레셔 하우징(32)의 중공은 상기 가변 부재(50)가 전개된 상태에서도 회전이 가능해야 하기 때문에, 통상적인 중공보다 큰 것이 바람직하다. 다만 상기 고정 부재(46)의 크기를 일반적인 컴프레셔 휠 보다 작게 하고, 상기 가변 부재(50)가 전개된 상태의 크기를 일반적인 컴프레셔 휠과 동일하게 설계하는 경우에 기존에 사용하던 터보차져의 설계를 변경하지 않고도 본 발명을 적용할 수 있다.

상기에서 설명한 터보차져는 다음과 같이 작용한다.

상기 엔진(10)으로부터 배기 가스가 특정한 속도로 배출된다. 그러면 상기 배기 매니폴드(20)를 통해서 배출되는 배기 가스는 상기 터빈 하우징(34)에 도달하고, 이어서 상기 터빈 휠(60)을 특정 속도로 회전시킨다.

상기 터빈 휠(60)이 회전되면 상기 회전축(36)도 함께 회전되고, 상기 컴프레셔 휠(40)이 회전된다. 외부 공기는 상기 컴프레셔 휠(40)의 회전에 따라 압축되면서 상기 흡기 매니폴드(70)로 공급되고, 압축된 외부 공기는 상기 엔진(10)으로 전달된다.

상기 엔진(10)에서 단위 시간당 배출되는 배기 가스의 양이 많아지고, 그 배기 가스의 속도가 증가하면, 상기 터빈 휠(60)을 회전시키는 배기 가스의 양이 증가하기 때문에 상기 터빈 휠(60)이 더 빠른 속도로 회전하게 된다.

상기 터빈 휠(60)이 회전되는 속도가 증가하면, 상기 회전축(36)의 회전 속도가 증가되고, 결과적으로 상기 컴프레셔 휠(40)의 회전 속도도 증가된다. 따라서 상기 컴프레셔 휠(40)에 의해서 압축되는 외부 공기량이 증가해서, 상기 엔진(10)으로 유입되는 외부 공기량도 증가한다.

반면에 본 발명에서는 상기 컴프레셔 휠(40)의 회전 속도가 증가하면, 상기 컴프레셔 휠(40)에 가해지는 원심력이 증가하기 때문에, 상기 가변 부재(50)를 상기 회전 중심부(44)로부터 멀어지게 하려는 힘이 증가된다. 최종적으로 상기 탄성 부재(58)에 평행을 깨뜨리는 추가적인 힘이 가해지면, 상기 탄성 부재(58)는 인장되면서 상기 고정 부재(46)로부터 상기 가변 부재(50)는 전개된다. 반면에 가해지는 원심력이 작거나 작용하지 않는 상태에서는 상기 탄성 부재(58)에 의해서 평형을 이루기 때문에, 상기 가변 부재(50)가 전개되지 않는 상태가 유지될 수 있다.

상기 컴프레셔 휠(40)의 회전 속도가 작을 때에는 상기 고정 부재(46)에 의해서만 공기가 압축되다가, 상기 컴프레셔 휠(40)의 회전 속도가 커지면 상기 고정 부재(46)는 물론 상기 가변 부재(50)에 의해서도 공기가 압축된다. 이때 상기 가변 부재(50)가 상기 고정 부재(46)에 대해서 전개되는 면의 크기에 따라 압축되는 공기의 양이 달라질 수 있다. 따라서 본 발명에서는 상기 컴프레셔 휠(40)의 회전 속도 뿐 아니라, 외부 공기를 압축하는 상기 컴프레셔 휠(40)의 면적이 증가하여 외부 공기를 압축하는 양이 증가된다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

10: 엔진 20: 배기 매니폴드
30: 터보 차져 40: 컴프레셔 휠
42: 원판 43: 가이드 홈
44: 회전 중심부 46: 고정 부재
50: 가변 부재 54: 슬라이딩 편

Claims (6)

1. 삭제
2. 회전하여, 외부 공기를 흡입하는 컴프레셔 휠;
   내부에 형성된 중공에 상기 컴프레셔 휠을 수용하는 컴프레셔 하우징;
   상기 컴프레셔 하우징에 인접하게 설치되는 터빈 하우징; 및
   상기 터빈 하우징에 수용되고, 상기 컴프레셔 휠에 축결합되는 터빈 휠;을 포함하고,
   상기 컴프레셔 휠은 회전축이 그 중심에 결합되는 회전 중심부와 상기 회전 중심부에 설치되어 공기를 이송하는 블레이드부로 구성되며,
   상기 블레이드부는 상기 회전 중심부에 일체로 설치되어 회전 속도에 무관하게 일정한 형상을 갖는 고정 부재와, 상기 회전 중심부의 회전 속도가 증가하면 상기 회전 중심부의 방사 방향으로 전개되는 가변 부재를 포함하고,
   상기 회전 중심부는 상기 회전축에 수직한 원판을 포함하며, 상기 원판에는 방사방향으로 연장되는 가이드 홈이 형성되고,
   상기 가변 부재는 상기 가이드 홈에 수용되어 슬라이딩되는 슬라이딩 편을 구비하며,
   상기 블레이드부는 상기 회전 중심부의 회전 속도가 빨라짐에 따라, 방사방향으로 전개되어 공기와 맞닿는 면적이 증가하는 것을 특징으로 하는 터보차져.
3. 제2항에 있어서,
   상기 가변 부재는 상기 고정 부재의 일면에 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 터보차져.
4. 삭제
5. 제2항에 있어서,
   상기 슬라이딩 편의 양단에는 상기 가변 부재가 상기 회전축에 평행한 방향으로 탈거되는 것을 방지하도록 돌출형성된 암이 형성된 것을 특징으로 하는 터보차져.
6. 제2항에 있어서,
   상기 가이드 홈에는 상기 가변 부재와 상기 회전 중심부를 방사 방향으로 탄성 고정하는 탄성 부재가 수용되는 것을 특징으로 하는 터보차져.
   

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