KR101543560B1 - 터보차저의 트윈 스크롤 터빈하우징 - Google Patents

Abstract

본 발명은 트윈 스크롤 유로를 형성하도록 유동통로를 2개로 구획하는 중앙 격벽이 측압 작용 및 열응력에 의해 파손 및 크랙이 발생하는 것을 방지하여 내구성을 높이며, 웨이스트 게이트 밸브의 진동과 소음을 방지할 수 있고, 마모나 피로 파괴를 저감할 수 있는 구조의 터보차저의 트윈 스크롤 터빈하우징을 제공하는 데 있다. 이를 위해 본 발명은 터빈 휠의 주위를 둘러싸는 제1및 제2의 스크롤 유로와, 그 2개의 스크롤 유로를 구획하는 중앙 격벽을 포함하여 구성되는 터보차저의 트윈 스크롤 터빈하우징에 있어서, 상기 중앙 격벽은 뿌리부분은 하우징 두께의 1.5배 이상으로 형성되고, 자유단으로 갈수록 점차 벽두께가 얇아지는 테이퍼 형상인 것을 특징으로 한다.

트윈 스크롤 터빈하우징, 중앙 격벽, 테이퍼, 바이패스 단차부

Description

터보차저의 트윈 스크롤 터빈하우징{Twin scroll turbine housing of turbo charger}

본 발명은 유동하는 배기가스의 에너지를 이용하여 구동하는 터빈을 수용하는 터빈하우징에 관한 것으로, 특히 중앙 격벽에 의해 배기가스 유동 통로가 2개로 분활된 트윈 스크롤 터빈하우징의 구조 개선에 관한 것이다.

일반적으로 엔진의 실린더 내로 흡입되는 흡기의 압력을 대기압력보다 높이고 실린더 안의 공기량을 증가시키게 되면 1사이클 당 엔진 출력을 증대시킬 수 있으며, 이를 과급이라 한다.

맨처음 과급을 실현한 기계식 과급은 흡기의 압축에 크랭크축의 출력을 소비하였기 때문에 축력의 증대에도 불구하고 열효율의 악화를 피할 수 없었다.

이에 스위스의 Buchi사는 배기가 가지고 있는 고온 고압의 에너지에 착안하여 배기터빈을 설치하고, 이 배기터빈의 회전력을 크랭크축에 회수함과 동시에 축류압축기를 구동하여 과급하는 복합기관의 특허를 취득함으로써 배기터보과급에 관한 최초의 단서를 제공하였으며, 이와 같은 터보차저의 설치는 과급으로 인해 실린 더 안의 압력이 높아지면 노킹이 발생하게 되는 가솔린 엔진보다는 노킹의 제한이 없는 디젤엔진에서 엔진의 출력을 높이기 위한 수단으로 널리 사용하여 오고 있다.

도 5에 도시하는 것과 같이 터보차저는 실린더(CYL.1~CYL4)로부터 배출되는 고온 고압의 배기 에너지를 이용하여 터빈(21)을 회전시켜 동축(22) 상에 설치되는 공기압축기(23)를 구동시킴으로써 흡입공기를 압축하고 엔진의 충전효율을 높일 수 있게 되는 데, 그 기본 구조는 배기 에너지를 회수하는 터빈휠(24)과, 압축공기를 보내는 컴프레서 휠(25)이 동일 축(22)의 양끝에 배치되며, 각각의 휠(24)(25)은 배기와 공기를 인도하는 하우징(26)(27)이 감싸고 있고, 축(22)에는 베어링과 축봉장치가 구비되어 있다.

그런데 각 실린더(CYL.1~CYL.4)로부터 배출되는 배기가스의 유동 통로인 터빈하우징(26)의 구조로는 유동통로가 단일의 구조를 형성하고 있는 싱글 스크롤(single scroll) 방식과, 도 6의 종래 기술 도면에 상세하게 도시한 것처럼 중앙 격벽(30)에 의해 유동통로(31,32)가 2개로 분할되어 있는 형상의 트윈 스크롤(twin scroll) 방식이 있는바, 본 발명은 그중 터보 차저(charger)의 터빈 하우징으로서, 엔진의 배기 간섭을 피하는 동시에 배기의 펄스 효과를 효율적으로 활용해서 터빈 휠의 회전 효율을 높이도록 한 트윈 스크롤 방식의 터빈하우징(26)에 관한 것이다.

이와 같이 도 6에 도시한 종래의 트윈 스크롤 터빈하우징(26)의 요부 확대도에 의하면 상기 2개의 유동통로(31,32) 사이를 중앙 격벽(30)이 분할하고 있다. 이 격벽(30)은 종래 뿌리부분(30A)과 자유단(30B) 측의 두께가 비슷한 두께로 설계되 고 있는데, 터빈하우징(26)을 주조시 용탕이 외측에서 격벽(30)의 뿌리부분(30A)으로 흘러들게 되고, 다시 격벽(30)의 뿌리부분(30A)으로부터 자유단(30B)을 향해 용탕이 흘러가게 된다.

따라서 용탕의 주입이 끝나고 응고 과정에 돌입하게 되면 하우징(26)의 바깥쪽, 즉 뿌리부분(30A)이 먼저 응고하게 되며, 깊숙한 내측의 자유단(30B)은 상대적으로 응고 속도가 늦게 되는 데, 이러한 응고 속도의 차이로 먼저 응고되는 뿌리부분(30A)이 수축 현상을 일으켜 수축 홀을 유발하여 주조 결함을 발생시킬 수 있으며, 또 수축으로 두께가 줄어들어(격벽의 뿌리부분의 양측이 오목하게 들어가는 현상이 발생) 강도상 불리하며, 도 7에 도시하는 것처럼 격벽(30)의 위치에 따른 단면적 불균일(즉 격벽의 뿌리부분을 둘러싼 부위의 공간이 자유단 측을 둘러싼 공간에 비해 상대적으로 넓어 뿌리부분에 "A", "B" 부위로부터 더 큰 측압이 작용하게 된다)로 인해 속도장이 변경되면서 열응력이 뿌리부분에 집중되어 크랙 발생의 원인이 되어 왔다.

특히 싱글 스크롤 유로 방식과 대비하여 트윈 스크롤 유로 방식은 각 실린더 기통 사이의 압력 차이가 크게 발생하여 배기 맥동에 의해 중앙 격벽에 측압(side force)을 가하게 되어 격벽의 뿌리부분에의 크랙 발생 및 절손 현상이 빈번하게 나타나는 것으로 보고되고 있다.

한편, 일본국 공개특허 2006-348894호에서도 도 8에 도시하는 것처럼 트윈 스크롤 터빈하우징(5)이 개시되어져 있는데, 이 종류의 트윈 스크롤 터빈하우징(5)은 터빈 휠(4)의 주위를 둘러싸는 배기 유동통로로서 2계통의 스크롤 유로(5A)(5B) 를 마련하고 있으며, 각 실린더들로부터 서로 다른 타이밍으로 배출되는 배기가스가 유통하는 각 스크롤 유로(5A)(5B)는 웨이스트 게이트 밸브(8A)가 착석하는 밸브시트면(9A)에 입을 열고 있는 2개의 웨이스트 게이트 포트(5C)(5D)에 각각 연통시켜져 있는 구조로 되어 있다.

상기한 배기 타이밍의 다른 2계통의 스크롤 유로(5A)(5B)에 각각 연통하는 2개의 웨이스트 게이트 포트(5C)(5D)는 통상 웨이스트 게이트 밸브(8A)의 밸브 시트면(9A)의 대칭위치에 단지 나란히 배치하여 개구되어져 있다. 이 때문에 웨이스트 게이트 밸브(8A)에는 2개의 웨이스트 게이트 포트(5C)(5D)로부터 작용하게 되는 배기 맥동압이 밸브면의 대칭위치에 교대로 작용하는 현상이 나타나게 되고, 이것에 따르는 모우멘트(moment)가 웨이스트 게이트 밸브(8A)에 작용한다. 또한 여기서 웨이스트 게이트 밸브(8A)는, 밸브 시트(9)에 대한 밀착성을 좋게 하기 위해서, 통상, 중앙부에 지지점(10)이 배치되어 있다(도 9 참조). 그러나 이러한 구조에 의하면 웨이스트 게이트 밸브(8A)의 닫힘 시에는, 이것에 작용하는 모우멘트(moment)에 의해 웨이스트 게이트 밸브(8A)가 미소 진동하기 때문에 소음이 발생하는 동시에, 밸브 시트면(9A에 대해 웨이스트 게이트 밸브(8A)의 밀착도가 저하해서 터빈 휠(4)의 회전 효율이 저하하는 우려가 발생하고 있다. 또, 이러한 웨이스트 게이트 밸브(8A)의 개방시에는, 이것에 작용하는 모우멘트(moment)에 의해 웨이스트 게이트 밸브(8A)가 크게 진동하기 때문에 웨이스트 게이트 밸브(8A)의 지지점(10)에 마모나 피로 파괴가 발생해서 웨이스트 게이트 밸브(8A)의 내구성이 저하하는 문제가 있었다.

이에 본 발명은 상기한 점들을 감안하여 제안한 것으로, 트윈 스크롤 유로를 형성하도록 유동통로를 2개로 구획하는 중앙 격벽이 측압 작용 및 열응력에 의해 파손 및 크랙이 발생하는 것을 방지하여 내구성을 높인 터보차저의 트윈 스크롤 터빈하우징을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 웨이스트 게이트 밸브의 진동과 소음을 방지할 수 있고, 마모나 피로 파괴를 저감할 수 있는 구조의 터보차저의 트윈 스크롤 터빈하우징을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 터빈 휠의 주위를 둘러싸는 제1및 제2의 스크롤 유로와, 그 2개의 스크롤 유로를 구획하는 중앙 격벽을 포함하여 구성되는 터보차저의 트윈 스크롤 터빈하우징에 있어서, 상기 중앙 격벽은 뿌리부분은 하우징 두께의 1.5배 이상으로 형성되고, 자유단으로 갈수록 점차 벽두께가 얇아지는 테이퍼 형상인 것을 특징으로 한다.

또 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 상기 중앙 격벽의 자유단은 라운드 형상으로 형성된다.

또 상기 중앙 격벽의 테이퍼 각은 12~16인 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 중앙 격벽이 돌출 연장하는 하우징의 바깥면은 중앙 격벽에 대 해 거의 탄젠트한 평면으로 형성되어 상기 뿌리부분의 살두께를 증대시킨 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 의하면 상기 각각의 스크롤 유로에 연통하여 밸브 시트면에 개방되는 제1 및 제2 웨이스트 게이트 포트와, 상기 각 웨이스트 게이트 포트를 동시에 개방 가능하게 밸브시트에 착좌하는 웨이스트 게이트 밸브를 더 포함하고 있으며, 상기 제1 및 제2 웨이스트 게이트 포트를 구획하며 상기 웨이스트 게이트 밸브의 중앙부를 지지하는 지지격벽의 일단에 상기 양측의 웨이스트 게이트 포트를 서로 연통하게 단턱을 주어 형성되는 바이패스 단차부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또 상기 바이패스 단차부는 상기 웨이스트 게이트 밸브의 작동지지점에 가까운 쪽의 지지격벽 일단에 형성되는 것을 특징으로 한다.

또 상기 바이패스 단차부는 상기 지지격벽을 2~3mm 깊이로 파서 형성한 홈인 것을 특징으로 한다.

이 같은 본 발명에 의하면 트윈 스크롤을 구획하는 중앙 격벽의 뿌리부분이 넓게 형성되어 주물 제작시 주조성이 좋아져 불량률 감소에 따른 생산성 향상 효과기 있고, 응고시 압탕 역할을 하기 때문에 격벽부위에 기공이 발생하지 않으며, 격벽이 뿌리부분이 훨씬 두꺼운 테이퍼 형상을 유지하므로 스트롤 유로 내부의 단면적 차이로 인한 측압 작용력의 차이를 상쇄할 수 있어 결국 열응력이 격벽 전체에 균일하게 분포하는 것이 되어 응력집중에 의한 크랙 발생이 방지되는 효과가 있어 내구성이 향상된다. 또 바이패스 단차부를 두어 2개의 웨이스트 게이트 포트를 서로 연통시키고 있어, 양측의 압력차가 평형을 이루게 되어 웨이스트 게이트 밸브에 작용하던 진동과 소음 발생이 줄어드는 효과 및 바이패스 단차부를 웨이스트 게이트 밸브의 고정위치점 가까이에 위치하도록 설계하여 밸브 개방시 배기 출구 단면적을 증가시켜 유속을 감소시킴으로써 밸브의 고정위치점 족에 집중되는 열응력을 분산하고 밸브 시트부 격막 부분의 크랙 발생이 개선되는 효과가 있다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략되며, 이들은 종래 기술을 참조하는 것으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명의 터보차저의 트윈 스크롤 터빈하우징에 대해 상세히 설명한다.

도1은 본 발명의 터보차저의 트윈 스크롤 터빈하우징의 요부 단면 형상을 나타내는 도면이며, 도2는 본 발명의 터보차저의 트윈 스크롤 터빈하우징의 웨이스트 게이트 밸브 장착부위를 나타낸 요부 사시도이며, 도3은 본 발명의 웨이스트 게이트 포트부위를 나타낸 평면도이며, 도4는 본 발명의 웨이스트 게이트 포트부위를 나타낸 요부 확대 사시도이다.

본 발명의 트윈 스크롤 터빈하우징(41)은 터빈 휠의 주위를 둘러싸는 제1 및 제2 스크롤 유로(42,43)를 구비하고 있으며, 상기 제1 및 제2 스크롤 유로(42,43)는 중앙 격벽(44)에 의해 구획되어 있다.

상기 중앙 격벽(44)은 그의 뿌리부분(44A)이 하우징 두께(t)의 1.5배 이상, 바람직하기는 2배 이상으로 형성되고, 자유단으로 갈수록 점차 벽두께가 얇아지는 테이퍼 형상을 구비하고 있다.

그리고 바람직한 실시예에 따르면 상기 중앙 격벽(44)의 자유단(44B)은 라운드(R1) 형상으로 형성하는 것이 주조시 용탕의 유동을 좋게 하고 크랙 발생이 감소된다는 점에서 바람직하다.

또 상기 중앙 격벽(44)은 좌우 대칭을 이루도록 형성하고, 테이퍼 각은 12~16도 범위가 바람직한 데, 이는 뿌리부분(44A)의 두께와 테이퍼 각을 고려할 때 자유단(44B)의 두께를 결정하는 요인이 되기 때문으로 뿌리부분(44A)의 두께를 하우징 벽두께(t)의 2배로 하고 테이퍼 각을 16도로 설계하였을 때 대략 자유단(44B)의 최적 두께가 구해지게 되기 때문이다.

그리고 상기 중앙 격벽(44)이 돌출 연장하는 하우징의 바깥면은 중앙 격벽에 대해 거의 탄젠트한 평면(45)으로 형성되어 상기 뿌리부분(44A)의 살두께를 증대시키고 있다.

또 본 발명에 의하면 상기 각각의 스크롤 유로(42,43)에 연통하여 밸브 시트면(46) 측에 개방되는 제1 및 제2 웨이스트 게이트 포트(47,48)와, 상기 각 웨이스트 게이트 포트(47,48)를 동시에 개방 가능하게 밸브시트(46)에 착좌하는 웨이스트 게이트 밸브(49)를 더 포함하고 있으며, 상기 제1 및 제2 웨이스트 게이트 포트(47,48)를 구획하며 상기 웨이스트 게이트 밸브(49)의 중앙부를 지지하는 지지격벽(50)의 일단에 상기 양측의 웨이스트 게이트 포트(47,48)를 서로 연통하게 단턱을 주어 형성되는 바이패스 단차부(51)를 구비하고 있다.

상기 바이패스 단차부(51)는 밸브 작동지지점(52)에 가까운 지지격벽(50) 쪽에 형성하되, 상기 지지격벽(50)을 2~3mm 정도 깊이로 파서 형성한 홈으로 구성되며, 이로써 상기 밸브(49)가 밸브 시트(46)에 밀착하였을 때 상기 양측의 웨이스트 게이트 포트(47,48) 사이가 상기 바이패스 단차부(51)를 통해 서로 연통하게 되어 양측의 압력이 항시 평형을 이루게 되며, 이 때문에 상기 밸브(49)의 양쪽면에 작용하는 압력이 일정하여 진동이 발생하지 않아서 소음이 개선되는 효과가 있는 것이다.

또한 상기 밸브(49)의 작동지지점(52)에 가까운 쪽의 포트 부위가 밸브의 개방시 배기 유속이 빠르게 나타나게 되므로 부분적으로 고온 현상(Hot-spot)이 발생하게 되는 데, 그 부위에 상기 바이패스 단차부(51)가 마련됨으로써 배기 출구 단면적이 증대되어 유속이 감소되는 효과를 수반하게 되며, 이로써 열응력 집중도 완 화되게 되는 것이다.

한편, 상기 중앙 격벽(44)의 테이퍼 구조에 의하면 배기가스압이 작용하는 주변 공간의 면적이 격벽(44)의 길이 방향을 따라 달라지는 관계로 측압이 위치에 따라 달라지는 데(뿌리부분44A에 큰 측압이 작용하고 압력 작용 단면적이 작은 자유단에는 작은 측압이 작용), 본 발명은 큰 측압이 작용하는 부위, 즉 뿌리부분(44A)으로 갈수록 두께가 두꺼워져 격벽(44) 전체로는 위치에 상관 없이 균일한 응력 분포를 가지게 된다.

이상에서 설명된 본 발명의 터보차저의 트윈 스크롤 터빈하우징의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도1은 본 발명의 터보차저의 트윈 스크롤 터빈하우징의 요부 단면 형상을 나타내는 도면이며,

도2는 본 발명의 터보차저의 트윈 스크롤 터빈하우징의 웨이스트 게이트 밸브 장착부위를 나타낸 요부 사시도이며,

도3은 본 발명의 웨이스트 게이트 포트 부위를 나타낸 평면도이며,

도4는 본 발명의 웨이스트 게이트 포트 부위를 나타낸 요부 확대 사시도이다.

도5는 종래 터보차저의 구조를 나타낸 도면이며,

도6은 종래 터보차저의 트윈 스크롤 터빈하우징의 요부 단면 형상을 나타내는 도면이며,

도7은 종래 터보차저의 트윈 스크롤 터빈하우징의 중앙 격벽에 작용하는 측압을 설명하는 도면이며,

도8은 종래 터보차저의 트윈 스크롤 터빈하우징의 웨이스트 게이트 밸브 장착부위를 나타낸 단면도이며,

도9는 종래 기술인 도8의 밸브 시트 부위를 보여주는 평면도이다.

* 도면의 주요 부분의 부호 설명

41:트윈 스크롤 터빈하우징 42,43:스크롤 유로

44:중앙 격벽 44A:뿌리부분

44B:자유단 45:평면부

46:밸브 시트 47,48:웨이스트 게이트 포트

49:웨이스트 게이트 밸브 50:지지격벽

Claims (7)

1. 터빈 휠의 주위를 둘러싸는 제1및 제2의 스크롤 유로와, 그 2개의 스크롤 유로를 구획하는 중앙 격벽을 포함하여 구성되는 터보차저의 트윈 스크롤 터빈하우징에 있어서, 상기 각각의 스크롤 유로에 연통하여 밸브 시트면에 개방되는 제1 및 제2 웨이스트 게이트 포트와, 상기 각 웨이스트 게이트 포트를 동시에 개방 가능하게 밸브시트에 착좌하는 웨이스트 게이트 밸브를 더 포함하고 있으며, 상기 제1 및 제2 웨이스트 게이트 포트를 구획하며 상기 웨이스트 게이트 밸브의 중앙부를 지지하는 지지격벽의 일단에 상기 양측의 웨이스트 게이트 포트를 서로 연통하게 단턱을 주어 형성되는 바이패스 단차부를 구비하는 것을 특징으로 하는 터보차저의 트윈 스크롤 터빈하우징.
2. 제1항에 있어서, 상기 중앙 격벽의 자유단은 라운드 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 터보차저의 트윈 스크롤 터빈하우징.
3. 제1항에 있어서, 상기 중앙 격벽의 테이퍼 각은 12~16인 것을 특징으로 하는 터보차저의 트윈 스크롤 터빈하우징.
4. 제1항에 있어서, 상기 중앙 격벽이 돌출 연장하는 하우징의 바깥면은 중앙 격벽에 대해 거의 탄젠트한 평면으로 형성되어 상기 중앙 격벽의 뿌리부분의 살두께를 증대시킨 것을 특징으로 하는 터보차저의 트윈 스크롤 터빈하우징.
5. 제1항에 있어서, 상기 중앙 격벽은 뿌리부분은 하우징 두께의 1.5배 이상으로 형성되고, 자유단으로 갈수록 점차 벽두께가 얇아지는 테이퍼 형상인 것을 특징으로 하는 터보차저의 트윈 스크롤 터빈하우징.
6. 제1항에 있어서, 상기 바이패스 단차부는 상기 웨이스트 게이트 밸브의 작동지지점에 가까운 쪽의 지지격벽 일단에 형성되는 것을 특징으로 하는 터보차저의 트윈 스크롤 터빈하우징.
7. 제1항에 있어서, 상기 바이패스 단차부는 상기 지지격벽을 2~3mm 깊이로 파서 형성한 홈인 것을 특징으로 하는 터보차저의 트윈 스크롤 터빈하우징.

Images