KR101477420B1 - 공기유동부가 형성된 터보차져 컴프레서 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 공기유동부가 형성된 터보차져 컴프레서는, 공기흡입구 및 상기 공기흡입구와 연통된 공기배출구를 포함하는 케이스 및 상기 공기흡입구를 통해 유입되는 공기를 압축시켜 상기 공기배출구로 배출시키도록 터보차져 축에 구비되며, 상기 공기흡입구 내에 설치된 컴프레서휠을 포함하며, 상기 공기흡입구의 내면에는 공기유동부가 형성된다.

Description

공기유동부가 형성된 터보차져 컴프레서{Turbocharger Compressor Having Air Current Part}

본 발명은 터보차져의 컴프레서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공기흡입구의 내면에 공기유동부가 형성되어 컴프레서의 유량범위를 증가시킬 수 있는 터보차져의 컴프레서에 관한 것이다.

일반적으로 차량에서 대기압보다 높은 압력으로 엔진에 공기를 송압하는 것을 과급이라 하며, 과급에 의하여 배기량이 같은 엔진에서도 다량으로 공기를 충전할 수 있어, 이에 따라 연료의 분사량을 증가시키면 엔진의 출력을 향상시킬 수 있다.

이를 위해 터보차져가 사용되며, 이는 엔진에서 발생하는 배출가스의 속도에너지를 이용하여 엔진의 연소실 내부로 다량의 공기를 공급하여 엔진 출력을 증대시키는 장치이다.

여기서 상기 배출가스를 이용하여 다량의 공기를 연소실로 보낼 때에는 이 배출가스로 터빈을 회전시키어 컴프레서를 가동하게 되고, 이 컴프레서에서 발생되는 압축공기를 엔진의 실린더로 공급시켜 실린더에 공급되는 공기량을 증대시킴에 따라 연료량의 증대를 통해 엔진 출력의 증가를 가져올 수 있다.

한편 이와 같은 과정에서 컴프레서의 공기유입구에서는 서지현상 및 초크현상이 발생된다. 서지현상은 컴프레서에 구비된 휠 출구의 높은 압력이 휠 입구로 역류되는 현상이며, 초크는 압축성 유동에서 발생되는 유동의 병목현상이다.

그리고 엔진의 유량 범위는 서지마진 및 초크마진을 고려하여 설계된다. 이는 엔진의 유량 범위가 서지마진에 가까워질수록 큰 소음과 더불어 터보차져의 손상 가능성이 있으며, 엔진의 유량 범위가 초크마진에 가까워질수록 급격한 출력저하가 발생될 가능성이 있기 때문이다.

따라서 컴프레서의 유량 범위를 넓게 하는 것이 엔진 성능의 관건이나, 종래의 경우 유량 범위를 획기적으로 증가시키지 못하고 있으며, 또한 유량 범위를 확대하기 위한 선가공 과정이 복잡하거나, 추가적인 부품을 장착하는 등 컴프레서의 제조비용이 상승하는 문제가 있다.

따라서 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구되고 있는 상황이다.

한국등록특허 제10-1144040호

본 발명에 따른 공기유동부가 형성된 터보차져 컴프레서는 엔진의 유량 범위를 향상시키기 위한 목적을 가진다.

또한 컴프레서의 제조비용을 절감하기 위한 목적을 가진다.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 공기유동부가 형성된 터보차져 컴프레서는, 공기흡입구 및 상기 공기흡입구와 연통된 공기배출구를 포함하는 케이스 및 상기 공기흡입구를 통해 유입되는 공기를 압축시켜 상기 공기배출구로 배출시키도록 터보차져 축에 구비되며, 상기 공기흡입구 내에 설치된 컴프레서휠을 포함하며, 상기 공기흡입구의 내면에는 공기유동부가 형성된다.
이때, 공개유동부는 공기흡입구 내면에 상기 컴프레서휠의 길이 방향에 대응되는 방향으로 형성된 제1유동홈 및 상기 공기흡입구 내면 둘레를 따라 링형으로 형성된 제2유동홈을 포함하며, 상기 컴프레서휠은 케이스 방향의 블레이드를 포함하며, 상기 블레이드는 상기 케이스 방향으로 두께가 축소되도록 구성되어, 상기 블레이드의 상기 케이스 방향의 연장선이 상기 제2유동홈 내에 위치할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 공기유동부는, 상기 공기흡입구 내면에 상기 컴프레서휠의 길이 방향에 대응되는 방향으로 형성된 제1유동홈 및 상기 공기흡입구 내면 둘레를 따라 링형으로 형성된 제2유동홈 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

또한 상기 제1유동홈은 상기 공기흡입구 내면 둘레를 따라 복수 개가 서로 이격되도록 형성될 수 있다.

그리고 상기 제2유동홈은 상기 컴프레서휠 전단의 후위 영역에 형성될 수 있다.

또한 상기 제1유동홈은 상기 제2유동홈보다 전방에 형성될 수 있다.

그리고 상기 제1유동홈은 상기 제2유동홈과 연통되도록 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 공기유동부가 형성된 터보차져 컴프레서는 엔진의 유량 범위를 향상시킬 수 있어 엔진의 저속 성능과 고속성능을 크게 끌어 올릴 수 있는 효과가 있다.

또한 이를 위한 가공 과정이 간단하여 컴프레서의 제조비용을 절감할 수 있음은 물론이며, 기존의 컴프레서에도 추가적으로 가공이 가능하여 경제적인 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차져 컴프레서의 모습을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차져 컴프레서에 있어서, 공기흡입구의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차져 컴프레서에 있어서, 서지 유동이 발생 시 공기의 유동 모습을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차져 컴프레서에 있어서, 초크 유동이 발생 시 공기의 유동 모습을 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차져 컴프레서에 있어서, 엔진작동선의 분포 모습을 나타낸 그래프이다.

이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 공기유동부가 형성된 터보차져 컴프레서에 관하여 구체적으로 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차져 컴프레서의 모습을 나타낸 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차져 컴프레서는, 터보차져에 구비된 터보차져축에 연결된 터빈의 반대측에 구비된다. 그리고 상기 터보차져 컴프레서는 공기흡입구(110)를 포함하는 케이스(100)와, 상기 공기흡입구 내에 설치되는 컴프레서휠(120)을 포함한다.

케이스(100)는 공기흡입구(110)와, 상기 공기흡입구(100)와 연통된 공기배출구(115)를 포함하며, 공기흡입구(110)를 통해 유입된 공기는 공기배출구(115) 측으로 유동되어 배출된다.

본 실시예의 경우 공기흡입구(110)는 중공이 형성된 형태로 케이스(100)의 전방으로 돌출된 형태를 가진다. 그리고 상기 공기흡입구(110)의 내면에는 공기유동부가 형성되며, 이에 대해서는 후술하도록 한다.

컴프레서휠(120)은 상기 공기흡입구(110)를 통해 유입되는 공기를 압축시켜 상기 공기배출구(115)로 배출시키도록 터보차져 축에 구비되며, 상기 공기흡입구(110) 내에 설치된다. 즉 컴프레서휠(120)은 공기흡입구(110)의 중공 내에 구비되어 돌출된 공기흡입구(110)에 의해 둘러싸인 형태를 가진다.

한편 일반적으로 터보차져 컴프레서의 경우, 공기흡입구(110)에서 서지 유동 및 초크 유동이 발생한다. 서지현상은 컴프레서에 구비된 휠 출구의 높은 압력이 휠 입구로 역류되는 현상이며, 초크는 압축성 유동에서 발생되는 유동의 병목현상이다. 이에 따라 엔진의 유량 범위는 서지마진 및 초크마진을 고려하여 설계된다. 이는 엔진의 유량 범위가 서지마진에 가까워질수록 큰 소음과 더불어 터보차져의 손상 가능성이 있으며, 엔진의 유량 범위가 초크마진에 가까워질수록 급격한 출력저하가 발생될 가능성이 있기 때문이다.

본 발명의 경우, 엔진의 유량 범위를 증가시키기 위해 공기흡입구(110)에는 공기유동부가 형성된다. 상기 공기유동부는 공기흡입구(110)를 통해 유입되는 공기 및 컴프레서휠(120) 부근에서 역류되는 공기의 유동을 개선할 수 있도록 구비된다.

그리고 본 실시예의 경우, 상기 공기유동부는 상기 공기흡입구(110) 내면에 상기 컴프레서휠(120)의 길이 방향에 대응되는 방향으로 형성된 제1유동홈(111) 및 상기 공기흡입구(110) 내면 둘레를 따라 링형으로 형성된 제2유동홈(112)을 포함한다.
이때, 컴프레서휠(120)에는 도 1과 같이 블레이드가 형성되는데, 이러한 브레이드는 후술할 도 2와 같이 케이스 방향으로 두께가 점점 축소되는 형상으로 형성되어, 블레이드의 케이스 방향의 연장선은 제2유동홈(112) 내에 위치하게 된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차져 컴프레서에 있어서, 공기흡입구(110)의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 공기흡입구(110)의 내측에는 컴프레서휠(120)이 구비되고, 공기흡입구(110)의 내면에는 공기유동부가 형성된다. 전술한 바와 같이, 제1유동홈(111)은 상기 공기흡입구(110) 내면에 상기 컴프레서휠(120)의 길이 방향에 대응되는 방향으로 형성되며, 제2유동홈(112)은 상기 공기흡입구(110) 내면 둘레를 따라 링형으로 형성된다. 이때 컴프레서휠(120)의 길이 방향이라 함은 컴프레서휠(120)의 전단으로부터 후단을 연결하는 방향을 말한다.

특히 본 실시예에서 상기 제1유동홈(111)은 상기 공기흡입구(110) 내면 둘레를 따라 복수 개가 서로 이격되도록 형성되며, 상기 제2유동홈(112)은 상기 컴프레서휠(120) 전단(d)의 후위 영역에 형성된다. 즉 제2유동홈(112)은 컴프레서휠(120)의 전단(d)보다 후방에 위치되어 컴프레서휠(120)의 둘레를 감싸도록 형성된다.

그리고 상기 제1유동홈(111)은 상기 제2유동홈(112)보다 전방에 형성되며, 또한 상기 제1유동홈(111)과 상기 제2유동홈(112)은 서로 연통되도록 형성된다. 즉 제1유동홈(111)의 후단은 제2유동홈(112)에 연결된다.

이와 같이 본 실시예에서 공기흡입구(110)의 내면에 공기유동부가 형성됨으로 인해, 엔진의 유량 범위를 향상시킬 수 있어 엔진의 저속 성능과 고속성능을 크게 끌어 올릴 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차져 컴프레서에 있어서, 서지 유동이 발생 시 공기의 유동 모습을 나타낸 단면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차져 컴프레서에 있어서, 초크 유동이 발생 시 공기의 유동 모습을 나타낸 단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 서지 유동이 발생 시 공기는 컴프레서휠(120)의 입구까지 역류되고, 역류된 공기는 제1유동홈(111)과 상기 제2유동홈(112)을 계류하며 컴프레서휠(120)로부터 흡입되는 공기와 함께 내측으로 유동 방향이 반전된다.

그리고 도 4에 도시된 바와 같이, 초크 유동이 발생 시 공기는 제1유동홈(111)과 상기 제2유동홈(112)을 통과하며 가속류가 된다. 특히 초크 유동은 마하수(Mach number)가 1에 가까워질 때 발생되며, 일반적으로 컴프레서휠(120)의 입구경과 입구 각도로 만들어지는 현상으로 그 유량이 정해져 있으며, 휠 속도를 높이더라도 더 이상 유량이 증가하지 않는다. 다만, 본 발명의 경우 제1유동홈(111)과 상기 제2유동홈(112)에 의해 유량을 보다 증가시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차져 컴프레서에 있어서, 엔진작동선의 분포 모습을 나타낸 그래프이다.

도5에 도시된 바와 같이, 파란색 실선은 엔진작동선을 나타내며, 그리고 엔진작동선의 왼쪽으로는 서지마진이 존재하고, 우측으로는 초크마진이 존재함을 확인할 수 있다.

이때 왼쪽의 서지마진 부근의 엔진작동선이 서지마진과 겹치게 될 경우, 큰 소음과 더불어 터보차져의 손상으로 이어질 가능성이 있다. 또한 엔진작동선이 우측의 초크마진에 가까워 질 경우 엔진의 고속성능은 급격한 출력저하를 보이게 된다. 이에 따라 엔진작동선은 양측에서 각각의 마진을 두고 설계되는 것이 일반적이다.

다만, 본 발명의 경우 공기유동부에 의해 엔진작동선 양측의 유량을 보다 증가시킬 수 있으므로, 엔진의 저속 성능과 고속성능을 종래에 비해 효과적으로 끌어 올릴 수 있는 장점을 가진다.

그리고 터보차져 컴프레서의 케이스에 공기유동부를 형성하는 가공 과정이 간단하여 컴프레서의 제조비용을 절감할 수 있으며, 기존의 컴프레서에도 추가적으로 용이하게 가공할 수 있어 그 활용 범위가 매우 넓다.

본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 케이스 110: 공기흡입구
111: 제1유동홈 112: 제2유동홈
115: 공기배출구 120: 컴프레서휠

Claims (6)

1. 공기흡입구 및 상기 공기흡입구와 연통된 공기배출구를 포함하는 케이스; 및
   상기 공기흡입구를 통해 유입되는 공기를 압축시켜 상기 공기배출구로 배출시키도록 터보차져 축에 구비되며, 상기 공기흡입구 내에 설치된 컴프레서휠;
   을 포함하며,
   상기 공기흡입구의 내면에는 공기유동부가 형성되며,
   상기 공기유동부는,
   상기 공기흡입구 내면에 상기 컴프레서휠의 길이 방향에 대응되는 방향으로 형성된 제1유동홈; 및
   상기 공기흡입구 내면 둘레를 따라 링형으로 형성된 제2유동홈을 포함하며,
   상기 컴프레서휠은 케이스 방향의 블레이드를 포함하며,
   상기 블레이드는 상기 케이스 방향으로 두께가 축소되도록 구성되어, 상기 블레이드의 상기 케이스 방향의 연장선이 상기 제2유동홈 내에 위치할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 터보차져 컴프레서.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1유동홈은 상기 공기흡입구 내면 둘레를 따라 복수 개가 서로 이격되도록 형성된 터보차져 컴프레서.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제2유동홈은 상기 컴프레서휠 전단의 후위 영역에 형성된 터보차져 컴프레서.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1유동홈은 상기 제2유동홈보다 전방에 형성된 터보차져 컴프레서.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제1유동홈은 상기 제2유동홈과 연통되도록 형성된 터보차져 컴프레서.

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