KR101639345B1 - 배기가스 터보차저 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터빈 하우징(2), 및 터빈 하우징(2)에 연결된 매니폴드 섹션(3)을 포함하는 배기가스 터보차저(1)에 관한 것으로, 터빈 하우징(2)과 매니폴드 섹션(3)은 일체형 주조 부품으로 형성된다.

Description

배기가스 터보차저{Exhaust-Gas Turbocharger}

본 발명은 청구범위 제1항 또는 제2항의 전제부에 따른 배기가스 터보차저에 관한 것이다.

오늘날, 배기가스-터보차지된 내연기관은 자주 에어갭-절연(air-gap-insulated) 배기 매니폴드와 끼워맞춤되며, 상기 매니폴드는 유리하게 얇은 벽의 판금부를 이용하여 2-쉘 설계로 제조된다. 터빈 하우징은 일반적으로 그에 상응하여 더 큰 벽 두께를 가진 주조 재료로 구성된다.

에어갭-절연 매니폴드 기술에 따르면, 종래의 주조 매니폴드에서 더 낮은 질량으로 인해 뜨거운 배기가스의 열 손실 및 마찬가지로 표면 온도의 열 손실이 감소한다. 그러므로, 더 많은 양의 열 에너지가 배기가스 터보차저의 하류의 터빈에서 동력 변환을 위해 사용될 수 있다.

에어갭-절연 매니폴드는 단일-채널 터빈 하우징 및 트윈-채널 터빈 하우징 양자와 결합하여 사용된다. 트윈-채널 터빈 하우징은 소위 펄스 수퍼차징(pulse supercharging)과 함께 사용되는데, 예를 들어 4-실린더 또는 6-실린더 엔진의 경우, 각각의 경우에 두 개 또는 세 개의 실린더의 배기가스 유동들이 군으로 결합되고, 별개의 파이프 라인들에서 각각의 경우에 터빈 하우징의 하나의 채널로 공급된다. 터빈 하우징 내의 개별 채널들은 터빈 하우징 입구로부터 나선의 출구까지 칸막이에 의해 서로 분리된다. 트윈-채널 터빈 하우징에서는, 배기가스의 동적 에너지(맥동)가 추가로 개별 배기가스 유동들의 분리에 의해 동력 변환을 위해 사용된다.

그러나, 이러한 복잡한 구성요소들에 의해, 얇은 벽의 에어갭-절연 매니폴드와 상대적으로 두꺼운 벽의 주조 터빈 하우징 사이의 연결 기술이 자주 상대적으로 위태로운 것으로 나타났다. 가용 설치 공간, 열 손실과 누출 손실, 및 조립 요건으로 인해, 에어갭-절연 매니폴드와 주조 터빈 하우징 사이의 연결은 자주 용접 연결로 이루어진다. 상기 유형의 연결에 따르면, 특히 에어갭-절연 매니폴드와 주조 터빈 하우징의 제조 상의 이유로 상이한 재료들로 인해 문제가 발생한다.

적어도 터빈 하우징의 트윈-채널 설계의 경우 다른 단점은, 터빈 하우징 입구의 칸막이 영역과 에어갭-절연 매니폴드 내부의 미끄럼 연결에서 누출로 인해 별개의 채널들의 가스 유동들이 서로 영향을 준다는 것이다. 따라서, 가스 유동들의 소위 "누화(crosstalk)"의 결과로 맥동 효과가 감소한다.

그러므로, 본 발명의 목적은, 에어갭-절연 매니폴드의 이점을 활용하고 동시에 에어갭-절연 매니폴드와 주조 터빈 하우징 사이의 위태로운 연결 기술을 사용하지 않는 것이 가능한 청구범위 제1항 또는 제2항의 전제부에 특정화된 유형의 배기가스 터보차저를 제공하는데 있다.

상기 목적은 청구범위 제1항의 특징부에 의해 달성된다.

청구범위 제1항의 개시에 따르면, 터빈 하우징, 및 두 개 이상의 실린더로 이루어진 배기 덕트들로 구성된 매니폴드 섹션이 일체형 주조 부품으로 형성되고, 이는 터빈 하우징/매니폴드 모듈로 나타낼 수 있다.

마찬가지로, 상기 목적은 청구범위 제2항의 특징부에 의해 달성되며, 이에 따르면, 터빈 하우징이 주조 부품으로 형성되고 매니폴드 섹션이 별개의 주조 부품으로 형성되고, 상기 주조 부품들은 주조된 후 서로 연결될 수 있다.

상기 실시예는 배기가스 터보차저를 엔진에 장착하기 위한 특정 장착 조건 및 차량의 엔진 격납실의 공간 조건으로 인해, 매니폴드 섹션의 형상이 복잡하게 되어 상기 매니폴드 섹션을 터빈 하우징과 함께 주조하는 것이 불가능할 수 있는 응용들을 목표로 한다. 이 경우, 청구범위 제2항의 개시에 따르면, 매니폴드 섹션과 터빈 하우징은 별개의 개별 부품들로 주조될 수 있고, 상기 부품들은 후속으로 서로 연결된다. 두 개의 개별 부품들을 서로 연결하는 공정은 용접, 플랜지 연결, V-스트랩 연결, 또는 적절한 유사 연결 방법에 의해 이루어질 수 있다. 종속 청구항들은 본 발명의 유리한 개선사항들에 관한 것이다.

터빈 하우징은 단일-채널 또는 트윈-채널 설계로 이루어질 수 있다.

트윈-채널 터빈 하우징에 대해, 채널들의 분리를 위해 각각의 터빈 하우징 덕트가 별개로 실린더 헤드까지 연장되고 각각의 경우에 하나의 실린더 또는 군으로 결합된 다수의 실린더의 배기가스로 작동되도록 매니폴드 섹션이 설계되고, 따라서 배기가스의 동적 에너지(맥동)가 추가로 동력 변환을 위해 사용된다. 다른 실린더들, 예를 들어 4-실린더 엔진의 제1 및 제4 실린더 또는 6-실린더 엔진의 제1 및 제2 실린더와 제5 및 제6 실린더의 배기가스 유동을 수신하기 위해, 매니폴드 섹션은 측면에 개구들을 가지고, 상기 개구들에는 상기 실린더들의 배기 라인들이 플러그형 연결 등에 의해 연결된다. 열 팽창의 결과인 길이 변화를 보상할 수 있도록, 다른 실린더들의 배기 라인들을 서로 및 매니폴드 섹션에 연결하는 플러그형 연결이 설계되어야 한다.

일체형 주조 매니폴드 섹션을 가진 터빈 하우징은 예를 들어 제2 및 제3 실린더에서 실린더 헤드에 특정한 목적으로 구비된 플랜지들에 체결되고, 따라서 전체 배기가스 터보차저(터빈 하우징/매니폴드 모듈)를 위한 메인 지지요소 역할을 한다. 다른 실린더들의 추가 배기 라인들은 그 자체가 실린더 헤드 상의 해당 플랜지들에 체결된다.

대응하는 형상의 판금 쉘들이 일체형 주조 매니폴드 섹션을 포함한 개별 배기 라인들 주위에 배치되어 소위 외부 셀을 형성한다. 그에 의해, 절연 공기 중간 공간이 배기가스를 전달하는 핫 라인들과 외부 쉘 사이에 형성된다. 외부 쉘은 두 개 이상의 판금 성형부로 구성되고, 상기 판금 성형부들은 터빈 하우징의 전이 영역에서 기밀형 방식으로 서로 및 매니폴드 섹션에 용접된다. 또한, 외부 쉘을 위해, 용접 대신에 폴딩, 납땜, 리벳팅, 나사 연결 등의 기타 연결 기술, 또는 상이한 유형의 연결들의 조합을 사용하는 것도 가능하다.

상기와 같은 설계의 결과로서, 구체적으로, 트윈-채널 터빈 하우징의 경우 실린더 헤드 출구에 직접 채널 분리를 제공하면, 개별 채널들의 소위 "누화"가 일어날 수 없고 따라서 배기가스의 맥동 효과가 동력 변환을 위해 더 효과적으로 사용될 수 있다는 것을 보장한다. 마찬가지로 개별 실린더 군들의 배기 라인의 플러그형 연결에서, 설계상 유도되고 기능상 유도된 누출 유동들이 서로 영향을 줄 수 없다는데 다른 이점이 있다.

2-채널 터빈 하우징을 반드시 필요로 하는 펄스 수퍼차징과 대조적으로, 배기가스 유동들의 분리가 소위 램 수퍼차징(ram supercharging)과 함께 일어나지 않는다. 이때, 실린더들 전체의 배기가스 유동들은 소위 컬렉터에서 통합되고 단일-채널 터빈 하우징을 통해 터빈 휠에 공급된다. 본 발명의 개시에 따르면, 구체적으로, 터빈 하우징이 이 경우에 컬랙터로 설계된 일체형 주조 매니폴드 섹션을 구비하는 것도 유리하다. 개별 배기가스 유동들을 컬렉터에 공급하고 "컬렉터 매니폴드"를 가진 터빈 하우징과 개별 배기 라인들을 체결하는 공정이 2-채널 설계와 동일한 방식으로 이루어진다.

본 발명의 다른 상세들, 특징들, 및 이점들이 하기 도면에 기반한 후술하는 실시예의 설명으로부터 얻어질 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 배기가스 터보차저를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 배기가스 터보차저의 터빈 하우징을 도시한다.
도 3은 매니폴드 모듈의 외부 쉘의 용점 시임을 도시한다.
도 4는 매니폴드 섹션과 터빈 하우징을 관통하는 단면을 도시한다.

도 1은 터빈 하우징(2)과 매니폴드 섹션(3)을 구비한 배기가스 터보차저(1)를 도시한다. 상기 배기가스 터보차저(1)는 종래 터보차저의 다른 구성요소들 전체를 포함하는 것이 자명하지만, 이러한 구성요소들은 본 발명에 따른 원리를 설명하는데 필요하지 않기 때문에 이하에 설명되지 않는다.

도 1에 도시된 실시예에서, 터빈 하우징(2)과 매니폴드 섹션(3)은 일체형 주조 부품으로 형성된다.

상기 설계를 도 2의 확대도에서 또한 볼 수 있는데, 상기 실시예는 별개의 터빈 하우징 덕트들을 가진 트윈-채널 터보차저에 관한 것으로, 도시된 실시예에서 상기 덕트들은 매니폴드 덕트(4, 5)의 형태로 실린더 헤드(6)까지 연장되는 것을 주목해야 한다. 플랜지들(11, 12)이 전체 유닛을 실린더 헤드(6)에 체결하기 위해 구비된다.

도 1과 도 2에 도시된 실시예에서, 매니폴드 섹션(3)은 또한 다른 배기 라인들(9, 10)을 연결하기 위한 측면 개구들(7, 8)을 가지고, 상기 배기 라인들은 다른 실린더들(Z1~Z4)의 배기가스가 매니폴드 섹션(3)에 공급되는 것을 가능하게 한다.

위에 기재된 본 발명의 개시내용 외에도, 도 1 내지 도 4의 본 발명의 도면 설명이 이에 참조된다.

도면부호 설명

1 배기가스 터보차저

2 터빈 하우징

3 매니폴드 섹션

4, 5 매니폴드 덕트

6 실린더 헤드

7,8 측면 개구

9, 10 배기 라인

11, 12 연결 플랜지

15 외부 판금 쉘들의 연결점

16 외부 판금 쉘

Z1, Z2, Z3, Z4 제1, 제2, 제3, 제4 실린더

Claims (8)

1. 터빈 하우징(2), 및 터빈 하우징(2)에 연결된 매니폴드 섹션(3)을 포함하는 배기가스 터보차저(1)로,
   터빈 하우징(2)과 매니폴드 섹션(3)은 일체형 주조 부품으로 형성되고,
   매니폴드 섹션(3)은 측면에 추가 배기 라인들(9, 10)을 연결하기 위한 개구들(7, 8)을 가지며,
   두 개 이상의 판금 쉘(16)이 매니폴드 섹션(3)과 추가 배기 라인들(9, 10)의 주위에 배치되어 에어갭을 형성하고, 상기 두 개 이상의 판금 쉘은 연결점들(15)에서 기밀형으로 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 배기가스 터보차저.
2. 터빈 하우징(2), 및 터빈 하우징(2)에 연결된 매니폴드 섹션(3)을 포함하는 배기가스 터보차저(1)로,
   터빈 하우징(2)과 매니폴드 섹션(3)은 주조된 후 서로 연결될 수 있는 별개의 주조 부품들로 형성되고,
   매니폴드 섹션(3)은 측면에 추가 배기 라인들(9, 10)을 연결하기 위한 개구들(7, 8)을 가지며,
   두 개 이상의 판금 쉘(16)이 매니폴드 섹션(3)과 추가 배기 라인들(9, 10) 주위에 배치되어 에어갭을 형성하고, 상기 두 개 이상의 판금 쉘(16)은 연결점들(15)에서 기밀형으로 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 배기가스 터보차저.
3. 제1항에 있어서,
   터빈 하우징(2)은, 매니폴드 섹션(3)을 통해 실린더 헤드(6)까지 별개로 연장되는 두 개의 터빈 하우징 덕트(4, 5)를 구비한 트윈-채널 터빈 하우징으로 설계되는 것을 특징으로 하는 배기가스 터보차저.
4. 제1항에 있어서,
   매니폴드 섹션(3)은 연결 플랜지들(11, 12)을 구비하는 것을 특징으로 하는 배기가스 터보차저.
5. 제1항에 있어서,
   매니폴드 섹션(3)은 컬렉터로 설계되고, 각각의 엔진 실린더의 배기 라인들 전체가 컬렉터 내부로 개방되는 것을 특징으로 하는 배기가스 터보차저.
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