KR101741625B1 - 환상 체적 내부로의 압축기 재순환 - Google Patents

환상 체적 내부로의 압축기 재순환 Download PDF

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Abstract

압축기 리턴 또는 재순환 밸브가 개방 또는 폐쇄될 때 서지형 소음을 초래하는 압축기 휠 블레이드 유동 분리의 문제점을 해결하기 위해, 압축기 재순환 밸브로부터의 바이패스 공기 유동이 압축기 유입구 내의 반경방향으로 팽창되며 축방향으로 평탄화된 원통형 공간으로서 내외벽 사이에 한정된 환상 체적 내로 공급되고, 그에 따라 압축기 재순환 밸브로부터의 대략 단방향의 반경방향 유동이 대략 반경방향으로부터 대략 축방향으로 바뀜에 따라 재유도 및 정리되고, 일반적인 유입 유동과 통합되며, "원주방향으로 균일한" 유동 속도의 공기 유동이 압축기 휠에 공급된다.

Description

환상 체적 내부로의 압축기 재순환{COMPRESSOR RECIRCULATION INTO ANNULAR VOLUME}
본 발명은 서지 이벤트 또는 소음을 초래하지 않도록 압축기 커버에 통합되어 압축기 토출구로부터 압축기 유입구로 바이패스 공기를 전달하는 터보차저 덕트의 구성에 관한 것이다.
터보차저는 정상 급기 구성에서 있을 수 있는 밀도보다 더 큰 밀도로 엔진 흡기구에 공기를 전달하여 더 많은 연료가 연소되게 하며, 그로 인해 엔진 중량을 현저히 증가시키지 않으면서 엔진 마력을 부스팅한다. 더 작은 터보차지된 엔진이 더 큰 물리적 크기의 정상 흡기 엔진을 대체할 수 있으므로, 차량의 크기와 공기역학적 전면 면적이 감소한다.
터보차저는 터빈 하우징(2) 내에 위치하는 터빈 휠(51)을 구동하기 위해 엔진 배기 매니폴드로부터 터빈 하우징으로 들어오는 배기 유동을 사용하는 일종의 과급 시스템(forced induction system)이다. 터빈 휠은 샤프트에 견고하게 부착되어 샤프트-휠 조립체를 이룬다. 터빈 휠의 주기능은 배기 가스로부터 회전력을 이끌어내고, 이 회전력을 사용하여 압축기를 구동하는 것이다.
압축기단은 휠(20)과 그 하우징(10)으로 구성된다. 압축기 휠(20)은 샤프트-휠 조립체의 스터브 샤프트 단부에 장착되며, 압축기 너트로부터의 클램프 하중에 의해 제위치에 고정된다. 여과된 공기는 매우 높은 RPM에서의 압축기 휠의 회전에 의해 압축기 커버의 유입구(14)에 축방향으로 인입된다. 터빈단은 압축기 휠을 구동하여 정압 및 일부 잔여 운동 에너지와 열의 조합을 생성한다. 가압 가스는 압축기 토출구(15)를 통해 압축기 커버를 빠져나가고, 통상적으로 인터쿨러를 경유하여 엔진 흡기구에 전달된다.
압축기가 현재 엔진 작동 조건에서, 즉 공기역학 스톨(aerodynamic stall)에서 가능한 것보다 더 많은 유량을 엔진에 전달하려고 시도하는 경우에 압축기 서지가 발생한다. 압축기단은 압력(유량, 속도, 및 순 공기역학 추진력)의 관점에서 진동하기 시작한다. 이러한 진동 불안정성은 터보차저를 상당히 손상시킬 수 있으며, 또한 운전자가 들을 수 있고 일반적으로 "짖는 소리" 또는 "우는 소리"로 묘사되는 짜증나는 소음을 생성한다. 소정의 압축기 설계를 위한 서지의 위치는 소정의 회전 속도에서의 압력과 유량의 함수로 기술될 수 있다.
압축 점화(CI) 엔진은 공기가 실린더 내로 직접 유도되게 한다. 공기는 압축 행정에서 피스톤에 의해 압축되고, 연료는 피스톤이 상사점(TDC)에 도달하기 직전에 가열 압축 공기 내로 분사된다.
터보차지된 CI 엔진에서, 공기의 유량은 터보차저 출력에 의해 전달되고, 연료 유동은 계량되어 연소실 내로 직접 분사된다. 몇몇 CI 엔진들에는 스로틀이 장착되어 있다.
스파크 점화(SI) 엔진은 흡기 매니폴드 내에서 연소 공기를 연료와 혼합할 수 있다. 최종 공기-연료 혼합물은 연소실로 들어가기 전에 스로틀 밸브에 의해 제어된다. 스로틀 밸브 또는 플레이트는 비교적 긴밀한 공차로 스로틀 몸체 내에 통상적으로 위치하며, 엔진을 향하는 공기 유동을 차단하는 성능을 가진다. SI 엔진 역시 실린더 내로 직접 연료를 분사할 수 있다.
"팁-인(tip-in)"은 엔진 부하를 조절하기 위해 운전자의 발이 가속 페달을 내리누르는 동작을 나타내기 위해 사용되는 용어이다. 예컨대 언덕을 올라가면서 엔진 속도를 동일하게 유지할 수 있거나, 또는 엔진을 낮은 엔진 속도에서 더 높은 엔진 속도로 증가시킬 수 있다. "팁-아웃(tip-out)"은 운전자의 발을 페달로부터 들어올리는 정반대의 동작을 나타내기 위해 사용되는 용어이다.
압축기의 배기구를 밸브의 유입구로 그리고 밸브의 배기구를 압축기의 유입구로 연결하는 압축기 재순환 밸브(CRV)와 덕트(이하에서는 "CRV 시스템"으로 총칭함)는 오늘날 많은 SI 및 CI 엔진들 또는 공기 제어를 위해 스로틀 플레이트를 채용하는 엔진들에서 통상적으로 서지를 방지하기 위해 사용된다. 예컨대 가속 페달 팁-아웃 시에 스로틀 플레이트를 폐쇄하면, 압축기 토출구와 엔진 유입구 사이의 덕트가 폐쇄되어, 압축기 유량의 급속한 감소를 초래하여, 압축기단이 서지에 들어가게 된다. CRV 시스템은 일반적으로 압축기 토출 덕트(엔진 구성에 따라 압축기 토출구를 엔진 유입구 또는 인터쿨러에 연결하는 덕트)로부터 압축기 유입구 상류의 덕트 또는 압축기 유입구로 직접 공기를 전달한다.
압축기 재순환 밸브의 출력은 압축기 유입구에 이르는 덕트 또는 압축기 휠에 이르는 덕트에 의해 압축기 유입구에 연결될 수 있다. 대안으로, 압축기 재순환 밸브와 덕트는 압축기 커버 주조의 일부일 수 있다. 마찬가지로, 압축기 재순환 밸브의 입력은 CRV를 압축기 토출구에 연결하는 덕트일 수 있고, CRV의 입력은 압축기 커버의 일부일 수 있다.
CRV 시스템은 여러 방식으로 압축기에 이르는 덕트에 의해 압축기에 연결될 수 있다. 몇몇 시스템들은 압축기 토출구와 CRV 밸브 사이, 그리고 다음으로 CRV 밸브와 공기 정화기의 주변 유입 덕트 또는 심지어 압축기 유입 덕트 사이에 파이프를 구비한다: 몇몇은 이러한 장치의 일부만을 구비하며(예컨대, CRV는 압축기 유입구에 이르는 가요성 파이프를 구비한 압축기 커버 토출구에 장착될 수 있다); 몇몇은 CRV가 압축기 커버에 직접 통합되게 한다. 본 발명은 CRV 조립체가 장착될 수 있게 하는 설계와 무관하게, 재순환된 공기를 압축기 휠로 유도하는 방법을 교시한다.
CRV 밸브가 개방될 때, 다량의 고압 압축기 토출 공기가 압축기 유입구에 반경방향으로 들어가고, 축방향으로 흐르는 주요 스트림과 결합되어, 압축기 커버 인듀서(이하에 설명됨)의 구멍을 통해 갑작스런 공기의 유입을 초래하며, 병목의 개구의 가스 소리(blowing)와 유사한 공동 공명 소음을 초래할 수 있다. 이러한 소음 역시 운전자를 짜증나게 할 수 있다. 도 2a에서, 유입 공기(61)는 압축기 휠(20) 내에 축방향으로 관통 흡입되고, 압축되며, 압축기 휠로부터 디퓨저(11)를 통해 볼류트(12)로 배출되고, 여기서 압축기 휠과 디퓨저로부터의 공기의 속도 성분이 수집되어 압력으로 전환된다. 통상적으로, 압축기 토출구(15)로부터의 가압 공기(62)의 바이패스 유동을 제어하는 CRV(80)가 존재한다. CRV(80)가 개방 위치이거나 개방 위치를 향해 조절될 때, 바이패스 공기(64)는 재순환 덕트(16)로 들어가고, 재순환 덕트로부터 압축기 유입구(예컨대, 압축기 휠 리딩 에지(24)의 바로 위의 영역)로 들어간다.
압축기 토출구(15)를 CRV로 그리고 CRV를 압축기단 유입구(14)로 유체 연결하는 경우, 덕트(16)는 일방향의 대략 반경방향으로 흐르는 고압 바이패스 공기를 축방향으로 흐르는 주요 유입 공기 유동(61) 내에 직접, 그리고 이후 인듀서 영역(14a)에 덤핑하기 때문에, 압축기 휠의 리딩 에지(24)들의 평면에 걸친 속도 분배가 균일하지 않다. 이런 부족한 원주방향으로 균일한 공기 유동 속도가 압축기 휠로 흡입되고, 이는 일부 유동이 블레이드들과 정렬되고, 일부 유동이 블레이드들과 정렬되지 않는 결과를 가져온다. 몇몇 블레이드들은 풀로딩된 반면, 몇몇 블레이드들은 부압 상태일 수 있다.
도 2b는 도 2a의 A-A의 단면도이다. 도 2b에서는, 대략 반경방향의 공기 유동을 평면도로 나타낸다. 이러한 단면도에서, 토출 덕트(15, 15a)로부터의 공기 유동(64)이 CRV를 압축기 유입구에 연결하는 CRV 덕트(16)로 유입된다. CRV 덕트로부터의 대략 반경방향의 공기 유동(65)은 통합된 공기 유동이 조절될 기회 없이 축방향 주요 압축기 유입 유동(61) 내로 직접 덤핑되고; 그에 따라 압축기 휠에 의해 흡입된 공기는 일반적으로 속도의 관점에서 조절되지 않는다.
이러한 덕트 구성은 압축기 휠의 유입구에 걸쳐 압력 구배를 초래하고, 이는 심각한 경우에는 압축기 휠 블레이드들의 불균일한 블레이드 로딩을 초래할 수 있다. 이러한 여기(excitation)는 상기 블레이드들의 고주기 피로(HCF)를 초래할 수 있다. 또한, 이러한 덕트 구성은 전술한 서지 소음을 초래한다. 이러한 현상은 CRV가 개방될 때 단계 효율성을 감소시킨다.
따라서, 압축기 바이패스 유동을 압축기 휠 내로 직접 "덤핑"하면, 소음을 초래할 뿐만 아니라, 압축기 휠 블레이드의 고장 가능성과, CRV가 개방될 때의 일반적인 효율 손실을 초래할 수 있다는 것을 알 수 있다.
CRV 개방 및/또는 폐쇄 이벤트(들) 중에 소음이 생성된다는 과제를 해결해야 할 필요성이 존재하였다.
본 발명자들은, 통합된 공기 유동을 조절하고 인듀서 및 그에 따른 압축기 휠에 대해 균일한 속도와 방향을 가진 공기 유동을 생성하기 위해, 인듀서를 둘러싸는 환상 전이 공동을 제공함으로써 상기 과제를 해결하였다.
본 발명은 유사한 참조 번호들이 유사한 부품들을 나타내는 첨부 도면에 제한이 아닌 예로서 도시된다.
도 1은 통상적인 터보차저 조립체의 단면을 도시한다.
도 2a는 바이패스 밸브를 구비한 압축기 커버의 단면을 도시한다.
도 2b는 도 2a의 커버의 A-A 단면을 도시한다.
도 3a는 본 발명의 압축기 커버의 단면을 도시한다.
도 3b는 도 3a의 커버의 B-B 단면을 도시한다.
도 4a는 본 발명의 제2 실시예의 단면을 도시한다.
도 4b는 도 4a의 커버의 B-B 단면을 도시한다.
도 5a는 본 발명의 제1 실시예의 변형례를 도시한다.
도 5b는 도 5a의 커버의 C-C 단면을 도시한다.
도 6a는 본 발명의 제2 실시예의 변형례를 도시한다.
도 6b는 도 6a의 커버의 B-B 단면을 도시한다.
공기 역학자들에게, 압축기단을 통과하는 공기 유동은 매우 정밀하게 설명하기에 상당히 복잡할 수 있다. 그러나, 본 발명의 원리들의 이해를 위해, 공기 유동에 대한 논의를 굉장히 단순화시킬 수 있다. 본 발명의 덕트에 있어서, CRV 덕트로부터 압축기 유입구 내로 공급되는 공기가 (종래의 CRV 시스템의 덕트 토출구에서와 같이) 일방향으로부터 들어가는 것이 아니라, 주요 축방향 공기 유동에 도입 및 통합되기 전에, 압축기 유입구의 원주를 중심으로 대략 균일하게 분배된다는 것을 이해하기만 하면 된다. 후술하는 내용에서, 본 발명의 IGV 시스템 설계 및 본 발명의 압축기를 통과하는 공기 유동을 보다 상세히 설명할 것이지만, 유동을 논의할 때는 주요 유동 방향들만을 사용할 것이다. 일반적으로, 와류, 소용돌이, 난류와 같은 인공적인 유동은 고려하지 않을 것이다. 달리 나타내지 않는 한, 후술하는 용어들은 후술하는 의미들을 가질 것이다:
"대략 반경방향"은 유동 성분이 압축기 휠 축의 연장 부분인 축으로부터 전반적으로 멀리 흐르거나 이를 향해 수렴되는 것을 나타내며, 소정의 완전히 반경방향은 아닌 성분(예컨대, 축방향 성분 또는 접선방향 성분)을 가진 유동을 포함한다.
"대략 축방향"은 유동이 소정의 와류 또는 비평행 성분을 가질지라도, 유동 성분이 전반적으로 터보차저의 축과 평행하게 흐르는 것을 나타낸다.
"상류" 및 "하류"는 유동의 주요 성분, 즉 압축기 유입구로부터 압축기 휠로 진행하는 유동과 관련된 것이다. 이러한 용어들은 CRV 덕트, 환상 공동, 또는 압축기 유입구로부터 연장되는, 반경방향으로 압축되고 축방향으로 팽창된 체적 내의 즉각적인 유동을 나타내지 않는다.
"축방향으로 평탄화되고 반경방향으로 팽창된 체적"은 통상 원통형이지만 종종 만곡되거나 비원통형인 채널 벽(22)의 형상이 반경방향으로 팽창됨으로써 수정되어, 반경방향 팽창이 축방향 높이보다 더 큰 것을 의미한다.
본 발명자들은 CRV의 개방 중에 0.03초 동안 꽥꽥거리는 소리가 있다는 것을 시험을 통해 판단하였다. 전산유체역학(CFD) 모델링을 통해, 소음이 압축기 토출구로부터 압축기 유입구 하부로의, 그리고 유입구 하부로부터 압축기 휠의 인듀서로의 조절되지 않은 바이패스 공기의 덤핑에서 기인한 것임을 밝혀내었다. CRV 덕트로부터의 유동의 제1 속도 성분은 단방향이거나 거의 단방향이며, 일반적으로 반경방향이므로, 주요 압축기 유동의 축방향 속도에 대략 수직한다. 압축기 휠 블레이드들이 균일하게 로딩되기 위해서는, (대략 단방향, 반경방향인) CRV 유동이 압축기 휠에 흡입되기 전에 대략 균일한 축방향 속도로 변환되어야 한다. 유동을 채널링하고 360° 주위에서 균일하게 즉 고르게 하기 위한 수단 없이는, 전이되어 축방향 주요 압축기 유입 유동과 정렬된 유동, CRV 유동은 잘 혼합되지 않는다; 따라서 압축기 휠은 결국 매우 무질서한 유동을 흡입하게 된다. 몇몇 블레이드들은 풀로딩되는 반면, 몇몇 블레이드들은 사실상 진공 상태이다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 압축기 휠(20)에 의해 압축된 공기는 디퓨저(11) 내로, 그리고 압축기와 디퓨저로부터의 공기의 속도를 수집하는 볼류트(12) 내로 밀어 넣어진다. 이러한 공기는 이후 압축기 토출구(15)로 유도되고, 여기서 공기를 차량 인터쿨러로 그리고 차량 인터쿨러로부터 엔진 흡기 매니폴드로 유도하는 덕트에 통상적으로 연결된다. CRV(80)가 개방될 때, 압축기 토출구 내의 공기(63)의 일정 부분은 CRV 덕트(16)를 통과하여, 고압 압축기 토출구(15)를 (비교적) 저압의 압축기 유입구(14)에 유체 연결한다. 덕트(16)를 향한 공기 유동(64, 64a)은 CRV(80)의 위치에 의해 제어된다. CRV(80)가 개방될 때, CRV 덕트 내의 공기 유동(64)은 압축기 유입구(14) 내로 단방향으로 그리고 주요 유동축에 대략 수직하게 "덤핑된다". 압축기 유입구(14) 내의 유동은 압축기 휠의 리딩 에지(24)들의 평면에 부딪칠 때 균일하게 분배되지 않았다는 것이 밝혀졌다. 본 발명자들은 유입 유동의 방향 및 압축기 휠 축 주위의 원주방향 분배 모두가 균일하지 않고, 그 결과 압축기 휠 블레이드들의 고주기 피로(HCF) 가능성이 있는 원하지 않은 블레이드 여기가 각 CRV 이벤트의 주기 동안 효율 손실과 결합된다고 판단하였다. CRV 개방 및 폐쇄 주기 동안 터보차저에서 기인한 바람직하지 않은 소음이 있다는 것이 또한 보고되었다. 이러한 소음은 CRV 이벤트에서 유래되었다. 본 발명자들은 고압 공기의 유입 "덤핑"이 압축기 유입구의 개구를 통과하는 공기의 휙하는 소리, 또는 CRV가 서지 이벤트의 말미에 폐쇄됨에 따른 서지 이벤트로 인한 꽥꽥거리는 소리를 생성하지 않도록, CRV 바이패스로부터 압축기 휠 인듀서로의 유입을 위한 새로운 구성을 설계하였다.
본 발명의 제1 실시예에서, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 압축기 하우징은 압축기 휠의 상류에 압축기 유입구(14), 및 상기 압축기 휠의 하류에 압축기 토출구(15)를 포함하고, 유입구는: 상류 방향으로 압축기 휠로부터 멀리 연장되며 상부 유입구 섹션에 가스 흡기부를 형성하는 채널 외벽(22); 채널 외벽 내에 있는 채널 내벽(21)으로서, 압축기 휠의 리딩 에지(24)들의 상류에서 압축기 휠로부터 멀리 연장된 유입구 하부 섹션, 및 압축기 휠의 리딩 에지(24)들의 하류에 인듀서 섹션(14a)을 포함하는 채널 내벽(21); 및 채널 내외벽 사이에 한정된 환상 공동(23)으로서, 환상 공동(23)의 환상 개구가 채널 내외벽 사이에서 채널 내벽의 상단부에 구비된 환상 공동(23)을 포함하고, 압축기는 압축기 토출구(15)를 환상 가스 유로에 유체 연결하는 재순환 덕트와 압축기 재순환 밸브(CRV, 80)를 구비한 압축기 리턴 밸브 시스템을 더 포함한다.
내벽(21)의 대략 원통형의 내표면은 (벽(14a)이 압축기 휠 프로파일(27)에 인접하여 있고 유입구(14)가 압축기 휠 블레이드들의 리딩 에지들 위에 있는 구역을 위한) 인듀서(14a)로서 알려져 있다. 이러한 대략 원통형의 내벽의 외표면은 환상 공동(23)의 내벽이다. 대략 원통형의 환상 공동(23)의 바깥면은 외벽(22)의 대략 원통형의 내표면이다.
대략 환상의 공동의 하부 범위는 통상적으로 환상 공동(23)을 향한 CRV 덕트(16)의 입구 아래에 소정의 체적을 구비하려는 의도와 주조 코어 요건에 의해 한정된다. 환상 공동의 상부 범위는 적어도 0.5 Di(Di는 인듀서 직경)에 가능한 한 가깝게 유지되어야 하는 내벽(21)의 높이에 대해서만 제한된다. 이러한 벽의 높이는 맵 폭에 영향을 미친다.
도 3a 및 도 3b는 압축기(20)로부터 인터쿨러와 엔진으로의 압축 공기의 유출 유동(62)을 도시한다. 바이패스 공기 유동(63)이 CRV 덕트(16) 내로 흐른다. CRV(80)는 재순환 덕트(16)를 통과하는 바이패스 공기(64)의 이동을 제어하고, 압축기 토출구(15)를 압축기 유입구(14)와 유체 연결한다. CRV(80)가 개방 상태일 때, 압축기 토출 바이패스 공기 유동(63, 64)이 CRV 덕트(16) 내에서 진행된다. CRV 덕트(16)로부터의 주로 반경방향의 공기 유동(64)은 환상 공동(23) 내로 그리고 그 주위로(66) 흐른다. 이제 압축기 유입구 벽(21)의 360° 주위에 균일하게 분배된 환상 공동으로부터의 공기 유동(64)은 대략 축방향 위로 흐르고, 내벽(21)의 상단 위에서(68) 엔진 공기 필터로부터의 대략 축방향의 유입 공기 유동(61)과 통합되어, 압축기 휠 리딩 에지(24)들에 공기 유동(70+61)을 공급하고, 공기 유동은 이제 압축기 휠의 리딩 에지(24)들의 평면에 걸쳐 원주방향으로 균일하게 분배된다.
본 발명의 제1 실시예에 대한 변형례에서, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 더 큰 맵 폭이 요구되는 경우, 이는 인듀서 재순환 압축기 커버에 의존함으로써 제공될 수 있다. 이 경우, 환상 공동(23)은 이중 기능을 수행한다. 첫 번째 기능은 압축기 인듀서 재순환을 위한 체적 및 경로의 기능이고; 두 번째 기능은 본 발명의 제1 실시예의 기능과 같다. 본 실시예에서 재순환 슬롯(25)에 의해 내벽의 하부(21a)로부터 분리되는 내벽(21)의 대략 원통형 부분을 지지하기 위해, 스트럿(94)들이 구비된다. 스트럿(94)들은 통상적으로 주조의 일부이며, 인듀서 재순환 슬롯(25)이 내벽(21)을 통해 절삭가공되어 내벽의 하부로부터 내벽의 상부를 분리할 때까지 구조적 목적을 담당하지 않는다.
스트럿들은 통상적으로 단면이 수직이고 축방향이며 선형이지만, 보다 균일한 유동을 내벽의 상단 위에서 압축기 휠 내로 촉진하기 위해, 경사형 또는 비선형일 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 대한 다른 변형례에서, 스트럿들은 CRV 덕트로부터의 유동이 스트럿들의 단지 배향과 설계; CRV 덕트로부터 환상 공동 내부로의 단지 접선방향의 토출; 또는 양 설계 요소들의 기여에 의해 (압축기 휠 중심선을 중심으로 하는) 소정의 회전을 수행하도록 경사지거나 꼬이게 된다. 압축기 휠로 들어가는 공기의 (압축기 휠의 회전에 대한) 회전 친화(pro-rotation)는 서지로부터 멀리 맵을 이동시키는 맵 시프트를 초래하기 때문에, CRV의 밸브의 개방이 CRV 개방 이벤트의 전이 기간 동안 서지의 방지를 돕는다.
본 발명의 제2 실시예에서, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, CRV(80)에 의해 제어되는 압축기 토출구(15)로부터의 공기 유동(63, 64, 64a)은 내벽(21)을 둘러싸는 별개의 환상 공동 내로 공급되는 것이 아니라, 압축기 커버의 유입구와 압축기 휠의 리딩 에지 사이에 축방향으로 위치하는 압축기 유입구 주위에 위치하는, 축방향으로 평탄화되고 반경방향으로 팽창된 원통형 체적(이하에서는 "팽창된 원통형 체적") 내에 대략 반경방향으로 공급된다. 원통형 체적은 대략 원통형의 외벽(92), 주요 유동축에 대략 수직하며 (주요 유동축(61)에 대해) 상류에 있는 대략 편평한 벽(90), 및 역시 주요 유동축에 대략 수직하며 하류에 있는 대략 편평한 벽(91)에 의해 한정된다. 이러한 벽들은 주조 구배각(casting draft angle)을 허용하도록 유동축에 대략 수직하며 대략 평행한 것으로 기술된다. 바람직한 방식에서, 상류와 하류에 있는 대략 수직하는 벽들은 편평하지만, 곡선에 의해 한정될 수 있다. 제조상의 관점에서는 공구가 신축 가능한 것이 중요하지만, 평탄화되고 팽창된 원통형 체적의 중요한 기능은 공기 유동이다.
전술한 바와 같은 본 발명의 제1 실시예에서와 같이, 대략 환상의 공동의 하부 범위는 통상적으로 환상 공동(23)을 향한 CRV 덕트(16)의 입구 아래에 소정의 체적을 구비하려는 의도와 주조 코어 요건에 의해 한정된다. 환상 공동의 상부 범위는 적어도 0.5 Di(Di는 인듀서 직경)에 가능한 한 가깝게 유지되어야 하는 내벽(21)의 높이에 대해서만 제한된다. 이러한 벽의 높이는 맵 폭에 영향을 미친다.
압축기(20)로부터의 압축 공기의 유출 유동(62)은 인터쿨러와 엔진으로 향한다. 바이패스 공기 유동(63)이 CRV 덕트 내로 흐른다. CRV(80)는 재순환 덕트(16)를 통과하는 바이패스 공기(64)의 이동을 제어하고, 압축기 토출구(15)를 팽창된 원통형 체적과 유체 연결한다. CRV(80)가 개방 상태일 때, 압축기 토출 바이패스 공기 유동(63, 64, 64a)은 CRV 덕트(16) 내에서 진행된다. CRV 덕트(16)로부터의 공기 유동은 팽창된 원통형 체적 내로 그리고 그 주위로 대략 반경방향으로 흐른다. 팽창된 원통형 체적으로부터의 유동(67)은 팽창된 원통형 체적을 횡단하여 압축기 유입구의 하부로 들어갈 때 반경방향 또는 대략 반경방향으로부터 대략 축방향으로 바뀌는데, 여기서 유동은 축방향 주요 압축기 유입 유동(61)과 통합되고, 이후 압축기 휠 리딩 에지(24)들로 진행된다. CRV 덕트로부터의 대략 반경방향 공기 유동(67)이 압축기 휠로 향하는 대략 축방향 공기 유동(70)으로 바뀜에 따라, 공기 유동은 압축기 휠이 잘 정리된 유동을 흡입할 수 있도록 주요 압축기 유입 유동(61)으로부터 소정의 축방향 속도를 획득하고, 이는 비교적 균일한 블레이드 로딩을 이룬다.
본 발명의 제2 실시예의 바람직한 방식에서는 원통형 체적의 대략 수직인 외벽이 대략 원통형인 반면, 원통형 체적의 상부벽과 하부벽은 대략 편평하며 대략 수평이다. 본 발명의 제2 실시예에 대한 변형례에서, 상기 벽들은 CRV와 원통형 체적 사이의 덕트의 진입 상태에 의해 한정되는 더 비대칭의 복잡한 형상일 수 있고, 그에 따라 원통형 체적으로부터 압축기 휠 리딩 에지를 향하는 유출 유동이 압축기 유입구의 하부에 원주방향으로 균일하게 분배된다.
도 6a 및 도 6b에서, 본 발명자들은 CRV 덕트로부터의 대략 반경방향의 공기 유동(62)을 압축기 유입구의 하부로의 원주방향으로 균일하게 분배된 대략 축방향의 공기 유동(67, 65)으로 조작하기 위해 더 복잡한 형상(98)을 고안하였고, 여기서 유동은 축방향 주요 압축기 유입 유동(61)과 통합되고, 이후 압축기 휠 리딩 에지(24)로 진행된다. 이러한 공기 유동의 방향 및 특성의 변화는 원통형 체적의 대략 수직인 외벽(98) 및 원통형 체적의 대략 수평인 상부벽(96)과 하부벽(97) 모두에 대한 비대칭 기하형상에 의해 실시된다. CRV 덕트로부터의 대략 반경방향 공기 유동(69)이 압축기 휠로 향하는 대략 축방향 공기 유동(70)으로 바뀜에 따라, 공기 유동은 압축기 휠이 잘 정리된 유동(61, 70)을 흡입할 수 있도록 주요 압축기 유입 유동(61)으로부터 소정의 축방향 속도를 획득하고, 이는 비교적 균일한 블레이드 로딩을 이룬다.
환상 체적을 통해 압축기 재순환 밸브로부터의 대략 단방향의 반경방향 바이패스 공기 유동을 전이시킴으로써, 상기 공기 유동이 압축기 유입구의 대략 축방향의 공기 유동에 도달하기 전에 원주 방향으로 분배되고, 대략 축방향의 유입 유동과 균일하게 통합되며, "원주방향으로 균일한" 유동 속도의 공기 유동이 압축기 휠에 공급되도록 하는 본 발명의 개념은 압축기 내의 공기의 재순환에 제한되는 것이 아니라, 예컨대 엔진 배기 매니폴드로부터의 배기 가스 재순환(EGR)을 압축기 상류의 공기 유동에 도입하는 것과 같이, 반경방향 유동의 가스를 축방향 유동에 균일하게 도입하는 것이 필요한 유사한 상황의 해결에 적용될 수 있다. 여기서 또한, 통합 전에 전이되게 함으로써, 압축기 휠 블레이드 유동 분리의 문제점을 극복할 수 있다.
본 발명이 설명되었으므로, 청구범위는 다음과 같다.

Claims (13)

  1. 가스를 압축하기 위한 압축기에 있어서,
    상기 압축기는: 각각 리딩 에지(24), 트레일링 에지, 및 외부 자유 에지를 구비한 복수의 블레이드들을 포함하며, 하우징 내에 회전하도록 장착된 압축기 휠(20)을 포함하고,
    상기 하우징은 가스 유동이 상기 블레이드들의 리딩 에지들로 향하도록 상기 압축기 휠의 일측에 배치되고, 상기 압축기 휠의 회전 축에 평행한 유입구 축을 한정하는 압축기 유입구(14), 상기 압축기 휠의 타측에 상기 압축기 휠로부터 가스 유동을 수신하기 위한 디퓨저, 및 상기 디퓨저로부터 가스 유동을 수신하여 압축기 토출구(15)로 전달하는 볼류트를 포함하고,
    상기 유입구는:
    상류 방향으로 압축기 휠로부터 멀리 연장되며, 상기 유입구 축을 둘러싸고 상기 압축기 휠로부터 축방향으로 떨어진 곳에 가스 흡기부를 형성하는 채널 외벽(22);
    상기 채널 외벽 내에 있는 채널 내벽(21)으로서, 상기 유입구 축을 둘러싸는 채널 내벽(21); 및
    상기 채널 내외벽 사이에 한정된 환상 공동(23)으로서, 상기 가스 흡기부 및 상기 압축기 휠의 블레이드들의 리딩 에지들 사이에 배치되는 상기 환상 공동(23)의 환상 개구가 구비된 환상 공동(23)을 포함하며,
    상기 압축기는 상기 압축기 토출구(15)와 상기 환상 공동(23) 사이의 유체 소통을 제공하는 바이패스 재순환 덕트와 연관된 압축기 재순환 밸브(CRV, 80)를 구비한 압축기 리턴 밸브 시스템을 더 포함하는, 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    인듀서의 상류에서 상기 채널 내벽(21)에 적어도 하나의 인듀서 재순환 슬롯을 더 포함하는 압축기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 인듀서 재순환 슬롯(25)은 실질적으로 환상인, 압축기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 채널 내벽(21) 및 상기 채널 외벽(22)은 동축인, 압축기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 환상 공동 내에 위치하는 적어도 하나의 유동 방향 제어 장치를 더 포함하는 압축기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유동 방향 제어 장치는 적어도 하나의 스트럿을 포함하는, 압축기.
  7. 제1항에 있어서,
    접선방향으로 CRV 배기구로부터 흐르는 공기가 상기 환상 공동으로 들어가는, 압축기.
  8. 가스를 압축하기 위한 압축기에 있어서,
    상기 압축기는: 각각 리딩 에지(24), 트레일링 에지, 및 외부 자유 에지를 구비한 복수의 블레이드들을 포함하며, 하우징 내에 회전하도록 장착된 압축기 휠(20)을 포함하고,
    상기 하우징은 상기 압축기 휠의 상류에 압축기 유입구(14), 및 상기 압축기 휠의 하류에 압축기 토출구(15)를 구비한 압축기 휠(20)을 포함하고,
    상기 압축기 유입구(14)는 상류 방향으로 압축기 휠로부터 축방향으로 멀리 연장된 채널 벽(22)을 포함하고, 상기 압축기 유입구(14)는 제1, 제2 및 제3 섹션을 포함하며,
    상기 제2 압축기 유입구 섹션의 채널 벽은 원통형의 외벽(92)으로 경계를 이루고 반경방향 안쪽을 향해 환상으로 개방된 반경방향으로 팽창된 원통형 체적을 한정하고,
    상기 제1 압축기 유입구 섹션의 채널 벽(22)은, 축방향으로 공기 유동이 가이드되는, 상기 반경방향으로 확장된 원통형 체적의 상류에 압축기 유입구 섹션을 한정하고,
    상기 제3 섹션의 채널 벽(22)은, 축방향으로 공기 유동이 가이드되는, 상기 반경방향으로 확장된 원통형 체적의 하류 및 상기 압축기 휠의 리딩 에지의 상류에 압축기 유입구 섹션을 한정하고,
    상기 압축기는 상기 압축기 토출구(15)와 상기 반경방향으로 팽창된 원통형 체적 사이의 유체 소통을 제공하는 재순환 덕트와 연관된 압축기 재순환 밸브(CRV, 80)를 구비한 압축기 리턴 밸브 시스템을 더 포함하는, 압축기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 반경방향으로 팽창된 원통형 체적의 원통형의 외벽(92)은 상기 압축기 유입구(14)와 동축인, 압축기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 반경방향으로 팽창된 원통형 체적의 원통형의 외벽(92)은 상기 압축기 유입구(14)와 동축이 아닌 중심을 가진, 압축기.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 축방향으로 평탄화되고 반경방향으로 팽창된 체적의 반경방향 팽창의 깊이는 상기 팽창된 체적의 축방향 높이보다 더 큰, 압축기.
  12. 내연 엔진용 저압 EGR 시스템에 있어서,
    상기 엔진에 공급될 공기를 압축하기 위한 압축기;
    상기 엔진으로부터 배기 가스를 받기 위한 배기 가스 유입구와 배기 가스 토출구를 구비한 터빈 하우징, 및 상기 엔진으로부터의 배기 가스에 의해 구동되는 터빈 휠을 포함하는 터빈단;
    상기 엔진으로 복귀될 배기 가스가 상기 압축기로 유입되게 하는 배기 가스 리턴 덕트; 및
    상기 압축기에서 압축된 공기가 상기 엔진에 공급되게 하는 부스트 공기 덕트를 포함하고,
    상기 압축기는: 상기 터빈 휠에 의해 구동되고, 각각 리딩 에지(24), 트레일링 에지, 및 외부 자유 에지를 구비한 복수의 블레이드들을 포함하며, 압축기 하우징 내에 회전하도록 장착되고, 막힌 유동과 서지 라인 사이에서 작동 가능한 압축기 휠(20)로서, 상기 압축기 하우징은 상기 압축기 휠의 상류에 압축기 유입구(14), 및 상기 압축기 휠의 하류에 압축기 토출구(15)를 구비한 압축기 휠(20)을 포함하며,
    상기 유입구는:
    상류 방향으로 압축기 휠로부터 멀리 연장되며 상부 유입구 섹션에 가스 흡기부를 형성하는 채널 외벽(22);
    상기 채널 외벽 내에 있는 채널 내벽(21)으로서, 상기 압축기 휠의 리딩 에지(24)들의 상류에서 압축기 휠로부터 멀리 연장된 유입구 섹션(14), 및 상기 압축기 휠의 리딩 에지(24)들의 하류에 인듀서 섹션(14a)을 포함하는 채널 내벽(21); 및
    상기 채널 내외벽 사이에 한정된 환상 공동(23)으로서, 상기 환상 공동(23)의 환상 개구가 상기 채널 내외벽 사이에서 상기 채널 내벽의 상단부에 구비된 환상 공동(23)을 포함하고,
    상기 엔진으로 복귀될 상기 배기 가스는 상기 배기 가스 리턴 덕트를 통해 상기 압축기 환상 공동(23) 내로 유입되는, 저압 EGR 시스템.
  13. 내연 엔진용 저압 EGR 시스템에 있어서,
    상기 엔진에 공급될 공기를 압축하기 위한 압축기;
    상기 엔진으로부터 배기 가스를 받기 위한 배기 가스 유입구와 배기 가스 토출구를 구비한 터빈 하우징, 및 상기 엔진으로부터의 배기 가스에 의해 구동되는 터빈 휠을 포함하는 터빈단;
    상기 엔진으로 복귀될 배기 가스가 상기 압축기로 유입되게 하는 배기 가스 리턴 덕트; 및
    상기 압축기에서 압축된 공기가 상기 엔진에 공급되게 하는 부스트 공기 덕트를 포함하고,
    상기 압축기는: 상기 터빈 휠에 의해 구동되고, 각각 리딩 에지(24), 트레일링 에지, 및 외부 자유 에지를 구비한 복수의 블레이드들을 포함하며, 압축기 하우징 내에 회전하도록 장착되고, 막힌 유동과 서지 라인 사이에서 작동 가능한 압축기 휠(20)로서, 상기 압축기 하우징은 상기 압축기 휠의 상류에 압축기 유입구(14), 및 상기 압축기 휠의 하류에 압축기 토출구(15)를 구비한 압축기 휠(20)을 포함하며,
    상기 유입구는 상류 방향으로 압축기 휠로부터 멀리 연장된 채널 벽(22)으로서, 상기 압축기 휠의 리딩 에지의 축방향 상류에서 상기 압축기 유입구(16)에 환상으로 개방되는, 축방향으로 평탄화되고 반경방향으로 팽창된 원통형 체적을 가진 채널 벽(22)을 포함하고,
    상기 엔진으로 복귀될 상기 배기 가스는 상기 배기 가스 리턴 덕트를 통해 상기 압축기 유입구(16)의 상기 축방향으로 평탄화되고 반경방향으로 팽창된 원통형 체적 내로 유입되는, 저압 EGR 시스템.
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