KR101816064B1 - 터보 과급기 - Google Patents

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KR101816064B1
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허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
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Abstract

터보 과급기는 배기가스가 터빈 휠을 바이패스하게 하는 환형 바이패스 통로를 구비한다. 상기 바이패스 통로 내에는 환형 바이패스 밸브가 배치된다. 상기 바이패스 밸브는 고정식 환형 밸브 시트와, 상기 밸브 시트와 동축으로 배치된 회전식 환형 밸브 부재를 포함한다. 상기 밸브 부재는 상기 밸브 시트에 대해 배치되며 밸브 시트와 밸브 부재의 각각의 오리피스들 사이의 정렬 정도를 선택적으로 변경하기 위해 축 둘레에서 회전가능하다. 터빈은 베인 조립체를 갖는 노즐을 구비한다. 일 실시예에서, 베인은 고정형 베인만을 갖는다. 다른 실시예에서, 상기 베인 조립체는 고정형 베인 및 가변형 베인 모두를 구비하고, 상기 가변형 베인은 회전식 밸브 부재와 함께 회전하는 로터의 일부분이다.

Description

터보 과급기{TURBOCHARGER WITH TURBINE NOZZLE VANES AND AN ANNULAR ROTARY BYPASS VALVE}
본 발명은 배기가스 구동식 터보 과급기, 특히 소정의 엔진 작동 조건 하에서 배기가스가 터빈을 바이패스하게 하는 터빈 구성에 관한 것이다.
종래의 터보 과급기에서, 터빈 하우징은, 상기 하우징을 통해 메인 보어의 일측부에 일반적으로 위치된 바이패스 도관을 형성하고, 상기 바이패스 도관은 바이패스 밸브를 거쳐 하우징의 볼류트 또는 배기가스 입구에 연결된다. 일반적으로, 바이패스 밸브는 바이패스 통로 개구를 둘러싸는 평탄형 밸브 시트에 대해 가압되는 원형 밸브 부재를 포함하는 스윙 또는 포펫 밸브이다. 밸브는 보통, 밸브를 개방하려는 방향으로 밸브 부재에 배기가스 압력이 작용하도록 배치된다. 이러한 구성과 관련된 하나의 결점은 가스 압력이 밸브를 개방하려는 경향이 있기 때문에 폐쇄 위치에서 밸브를 완전히 밀봉하기 어려운 점이다. 폐쇄된 바이패스 밸브를 지난 누설은 터빈 및 이에 따른 터보 과급기 및 그와 관련된 엔진의 성능 열화에 대한 원인이 된다. 누설 문제에 대한 일반적인 해결책은 밸브 시트에 대해 바이패스 밸브 부재를 사전 설치하는 것이지만, 이는 종종 누설을 완전히 제거하지 못하고, 임의의 경우에 밸브를 개방하기 위해 요구된 작동력의 증가와 같은 추가적인 문제점을 야기한다.
또한, 스윙 또는 포펫 밸브는, 특히 크랙-오픈 지점에서 제어성 면에서 열화되는 경향이 있고, 통상적으로 바이패스 유량이 밸브 위치와 매우 비선형이 되어, 바이패스 유량을 적절하게 조절하는 것을 매우 어렵게 한다. 이는 터보 과급기 및 엔진 시스템의 열화된 과도 응답 등의 문제점을 초래한다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하려는 신규한 바이패스 구성을 갖는 터보 과급기의 각종 실시예를 기술한다. 일 실시예에서, 터보 과급기는, 압축기 하우징 내에 장착된 압축기 휠; 및 환형 챔버의 적어도 일부분을 형성하는 터빈 하우징으로서, 상기 환형 챔버는 상기 터빈 하우징의 종축 둘레에서 원주방향으로 연장되며, 상기 터빈 하우징은 상기 종축을 따라 연장되는 보어를 형성하는, 상기 터빈 하우징; 및 상기 터빈 하우징 내에 배치된 터빈 휠을 포함한다. 노즐 통로는 상기 환형 챔버로부터 상기 터빈 휠의 반경방향 내측으로 안내하고, 상기 터빈 휠을 향해 흐르는 배기가스를 안내하기 위해 상기 노즐 통로 내에 배치된 베인을 갖는 베인 조립체가 있다. 상기 터빈 하우징은 상기 보어를 둘러싸며 상기 환형 챔버 내의 배기가스가 상기 터빈 휠을 바이패스하게 하도록 배치된 환형 바이패스 통로를 형성한다. 상기 바이패스 밸브는 고정식 환형 밸브 시트 및 회전식 환형 밸브 부재를 포함하며, 상기 밸브 부재는 상기 밸브 시트에 대해 배치되며, 상기 바이패스 밸브의 폐쇄 상태를 형성하는 비정렬로부터 상기 바이패스 밸브의 개방 상태를 형성하는 적어도 부분적인 정렬의 범위에서, 상기 밸브 시트와 밸브 부재 각각을 통해 형성된 각각의 오리피스들 사이의 정렬 범위를 선택적으로 변경하기 위해 상기 종축 둘레에서 회전가능하다.
일 실시예에서, 상기 베인 조립체는 가변 베인 조립체이며, 상기 가변 베인 조립체는, 상기 노즐 통로 내에 배치된 고정형 베인; 및 상기 종축 둘레에서 상기 터빈 하우징에 대해 회전하는 로터를 포함한다. 상기 로터는 상기 고정형 베인 중 하나와 원주방향으로 중첩하는 복수의 원주방향으로 이격된 이동형 베인을 각각 형성하여, 상기 이동형 베인에 의해 형성된 선단 에지부 및 상기 고정형 베인에 의해 형성된 후단 에지부를 갖는 복합 베인을 형성한다. 상기 로터는 상기 고정형 베인과 상기 이동형 베인 사이의 중첩 범위를 변경하기 위해 회전가능하다. 상기 로터는 상기 로터와 밸브 부재가 함께 회전하도록 상기 바이패스 밸브의 회전식 밸브 부재와 기계식으로 결합된다.
상기 밸브 부재는, 이를 통해 복수의 제1 오리피스를 형성하고, 상기 밸브 시트는, 이를 통해 복수의 제2 오리피스를 형성한다. 제1 오리피스 각각은 대응하는 제2 오리피스를 갖는다.
상기 밸브 부재는, 상기 밸브 부재의 원주 둘레에서 원주방향으로 이격된 상기 제1 오리피스를 갖는 평탄한 환형 디스크를 포함할 수 있고, 상기 밸브 시트는, 상기 밸브 시트의 원주 둘레에서 원주방향으로 이격된 상기 제2 오리피스를 갖는 평탄한 환형 디스크를 포함할 수 있으며, 상기 바이패스 밸브의 폐쇄 상태에서 상기 제1 오리피스를 인접한 제2 오리피스들 사이에 수용하도록 상기 인접한 제2 오리피스들 사이에 충분한 원주방향 거리가 있다.
일부 실시예에서, 상기 밸브 부재와 상기 밸브 시트 중 하나는, 제1 또는 제2 오리피스 각각을 둘러싸는 융기형 패드를 구비하며, 상기 패드는 상기 밸브 부재와 상기 밸브 시트 중 다른 하나의 평면과 접촉하여 상기 밸브 부재와 상기 밸브 시트 사이에 밀봉을 제공한다.
상기 제1 및 제2 오리피스는 원형 또는 비원형일 수 있다.
일 실시예에서, 회전식 구동 부재는 상기 밸브 부재가 회전하는 상기 종축에 대체로 횡단하는 방향으로 상기 터빈 하우징을 통해 관통하고, 상기 회전식 구동 부재의 말단부에는 구동 아암이 부착된다. 상기 구동 아암의 말단부는 상기 회전식 구동 부재의 회전이 상기 구동 아암이 상기 종축 둘레에서 상기 로터 및 상기 밸브 부재를 회전하게 하도록 상기 로터와 결합한다.
상기 밸브 시트 및 상기 고정형 베인은 일체형 부재의 일부일 수 있다. 상기 일체형 부재는 상기 밸브 시트에 결합되고 상기 밸브 시트로부터 축방향으로 연장되며 전방 단부에서 종단하는 관형부를 구비할 수 있으며, 상기 고정형 베인은 상기 관형부의 전방 단부로부터 돌출할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 베인 조립체는 상기 노즐 통로 내에 배치된 복수의 고정형 베인을 포함하는 고정형 베인 조립체이다. 상기 고정형 베인은 상기 터빈 하우징으로부터 별개로 형성되며, 상기 고정형 베인이 상기 노즐 통로 내에 배치되도록 상기 터빈 하우징 내에 장착된 환형 부재로부터 돌출할 수 있다.
특정 적용에서 소망되거나 필요하다면, 서로에 대해 상대적으로 슬라이딩하는 부품의 표면은, 상기 표면의 마모를 감소시키는 마찰/마모 코팅으로 코팅될 수 있다. 예를 들면, 상기 바이패스 밸브의 융기형 패드 및 상기 융기형 패드가 접촉하는 표면은 코팅될 수 있다. 마모 코팅은 알루미늄 확산 코팅, 니켈 보론 코팅, 세라믹 코팅(예컨대, 질화규소)을 포함하는 각종 물질로 형성될 수 있다. 하나의 표면으로부터 접촉면으로 물질 전달을 회피하기 위해, 바람직하게 2개의 표면은 상이한 물질로 코팅된다.
본 발명을 일반적인 용어로 기술하였지만, 반드시 축척되지 않은 첨부한 도면이 참고로 이루어질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 과급기의 사시도,
도 2는 도 1의 터보 과급기를 위한 복수의 고정형 베인 및 밸브 시트를 형성하는 일체형 부재의 사시도,
도 3은 도 1의 터보 과급기를 위한 복수의 이동형 베인을 형성하는 로터와, 회전식 밸브 부재를 포함하는 조립체의 분해도,
도 4는 도 1의 터보 과급기를 위한 터빈 조립체의 축방향 단면도,
도 5는 상대적으로 폐쇄된 위치에서 이동형 베인을 도시한, 도 4의 5-5선을 따른 터빈 조립체의 단면도,
도 6은 상대적으로 개방된 위치에서 이동형 베인을 도시한, 도 5와 유사한 도면,
도 7은 상대적으로 폐쇄된 위치에서 바이패스 밸브를 도시한, (도 4에서 좌측을 향하는) 축방향을 따른 터빈 조립체의 도면,
도 8은 상대적으로 폐쇄된 위치에서 바이패스 밸브를 도시한, 도 7과 유사한 도면,
도 9는 노즐 내에 고정형 베인만을 갖는, 본 발명의 변형 실시예에 따른 터보 과급기의 사시도,
도 10은 도 9의 터보 과급기의 터빈 조립체의 축방향 단면도,
도 11은 도 9의 실시예를 위한 고정형 베인을 지탱하는 환형 부재의 사시도,
도 12는 도 9의 실시예의 바이패스 밸브의 사시도,
도 13은 도 12에 도시한 바이패스 밸브의 분해도.
본 개시내용은 본 발명의 일부이지만 전부는 아닌 실시예를 도시한 첨부된 도면을 참조하여 충분히 기술될 것이다. 실지로, 이들 발명은 다수의 상이한 형태로 실시될 수 있고, 본원에 개시된 실시예에 제한되는 것으로 고려되지 않아야 하고, 오히려 이들 실시예는 적용가능한 법적 요건을 충족하도록 제공된다. 유사한 참조부호는 유사한 요소를 지칭한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터보 과급기(20)를 도 1에 도시한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 터보 과급기(20)의 메인 서브조립체는 압축기 조립체(30)와 터빈 조립체(50)를 구비한다. 압축기 조립체(30)는 압축기 하우징(32)과, 그 내에 장착되며 로터리 샤프트(보이지 않음)의 일단부에 부착된 압축기 휠(도 1에서 보이지 않음)을 구비한다. 터빈 조립체(50)는 터빈 하우징(52)과, 그 내에 장착되며 로터리 샤프트의 대향 단부에 부착된 터빈 휠(54)을 구비한다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 터빈 하우징(52)은 내연기관으로부터의 배기가스를 수용하는 배기가스 입구(56); 및 입구(56)로부터 배기가스를 수용하며 터빈 휠(54) 내로 공급하기 위한 360°볼류트 주위에서 가스를 분배하는 볼류트(58)를 형성한다. 또한, 배기가스 입구(56)는 터빈 하우징(52) 내에 형성된 환형 바이패스 통로(60)로 개방된다. 바이패스 통로(60)는 터빈 하우징 내에 형성된 축방향 보어를 둘러싼다. 터빈 휠(54)을 통과한 배기가스는 보어(62)를 통해 터빈 하우징으로부터 배기된다. 바이패스 통로(60)는 터빈 휠(54)을 우선 통과하지 않고서 배기가스가 흐르기 위한 대안적 경로를 제공한다.
바이패스 통로를 통한 흐름을 조절하기 위해 바이패스 통로(60) 내에 환형 바이패스 밸브(70)가 설치된다. 도 2 내지 도 4를 주로 참조하면, 환형 바이패스 밸브(70)의 주요 부품은 고정형 밸브 시트(72)와, 상기 밸브 시트와 접촉 결합하는 회전식 밸브 부재(74)를 구비한다. 밸브 시트(72) 및 밸브 부재(74)는, 밸브 시트(72)와 일체 형성된 환형 내부 부재(53)와 터빈 하우징(52)의 환형 외측부(52a) 사이에 배치된다. 내부 부재(53)는 관형 형태이며, 밸브 시트(72)로부터 축방향 전방으로 연장되어 전방 단부에서 종단한다. 내부 부재(53)의 전방 단부에는 복수의 고정형 베인(120)이 형성되어, 터빈 하우징 볼류트(58)로부터 터빈 휠로 반경방향 내측으로 안내하는 노즐 통로를 가로질러 내부 부재(53)로부터 축방향 전방으로 연장된다. 작동 동안에 배기가스의 압력이 밸브 시트(72)에 대해 하류 방향으로 밸브 부재(74)를 가압하더라도, 밸브 부재(74)는 터빈 하우징의 외측부(52a)의 테이퍼부에 의해 축방향 상류(전방)로 이동되는 것이 방지된다. 밸브 부재(74)는 터빈 하우징에 의해 구성되는 것이 아니라, 그 축 둘레에서 자유롭게 회전하고 밸브 시트(72)에 대해 축방향으로 이동한다. 밸브 시트(72)는 축방향, 반경방향 또는 회전방향으로 이동되는 것이 방지된다.
밸브 시트(72)(도 2에 가장 잘 도시됨)는, 밸브 시트의 원주 둘레에서 원주방향으로 이격된 복수의 오리피스(73)를 갖는 평탄한 링 형상 또는 환형 부재이며, 상기 오리피스(73)는 밸브 시트의 상류면과 하류면 사이에 대체로 축방향으로 연장된다. 도시한 실시예에서의 오리피스(73)는 밸브 시트의 원주 둘레에 균일하게 이격되지만, 후술하는 바와 같이 오피피스의 불균일한 이격거리도 가능하며 몇몇 상황에서는 장점적일 수 있다.
회전식 밸브 부재(74)(도 3에 가장 잘 도시됨)는, 밸브 시트의 원주 둘레에서 원주방향으로 이격된 복수의 오리피스(75)를 갖는 평탄한 링 형상 또는 환형 부재이며, 상기 오리피스(75)는 밸브 시트의 상류면과 하류면 사이에 대체로 축방향으로 연장된다. 도시한 실시예에서의 오리피스(75)는 밸브 부재의 원주 둘레에 균일하게 이격되고, 밸브 부재 내의 오리피스(75)의 개수 및 이격거리는 밸브 시트 내의 오리피스(73)의 개수 및 이격거리와 동일하다. 그러나, 후술하는 바와 같이 오리피스(75)의 불균일한 이격거리도 가능하며 몇몇 상황에서는 장점적일 수 있으며, 또한 오리피스(73, 75)의 이격거리는 동일할 필요는 없고, 일부 경우에 이격거리가 상이한 것이 장점적일 수 있다. 밸브 부재(74)는 실질적으로 원형인 외측 에지(76)와 실질적으로 원형인 내측 에지(78)를 가지며, 상기 외측 및 내측 에지(76, 78)는 밸브 부재의 중앙 종축에 대해 동축이며, 상기 종축은 밸브 시트(72)의 중앙 종축과 실질적으로 일치한다. 터빈 하우징의 외측부(52a) 및 내부 부재(53) 양자는 회전식 밸브 부재(74)의 외측 및 내측 에지(76, 78)를 위한 실질적으로 원형의 베어링면을 형성하며, 후술하는 바와 같이, 밸브 부재의 오리피스(75)와 밸브 시트의 오리피스(73) 사이의 정렬 정도를 변경하기 위해 밸브 부재가 중앙 종축 둘레에서 일방향 또는 반대방향으로 회전될 수 있도록 외측 및 내측 에지(76, 78) 사이에 간극이 있다.
특히 도 2를 참조하면, 밸브 시트(72) 내의 오리피스(73) 각각은, 이를 둘러싸는 융기형 패드(82)를 갖는다. 패드(82)는 밸브 부재(74)(도 4)의 평면에 접하고, 밸브 부재와 밸브 시트 사이의 계면을 밀봉하는데 도움을 주는 시일로서 기능한다. 융기형 패드(82)를 마련하면, 회전식 밸브 부재(74)와 마찰식 접촉하여 밸브 시트(72)의 총 표면적을 감소시킴으로써, 작동 시스템이 밸브 부재를 회전시키도록 극복해야 하는 총 마찰력을 감소시킨다.
밸브 부재(74)에는 로터(130)가 연결된다(특히 도 3 참조). 로터(130)는 대체로 관형이지만, 그 하류 단부에서 복수의 "피트"(132)를 구비한다. 피트(132)는 2개의 인접한 오리피스(75)들 사이의 위치에서 각각의 피트가 밸브 부재(74)와 결합하도록 이격된다. 피트 중 일부는 밸브 부재(74) 내의 나사형 구멍 내로 통과하여 로터(130)를 밸브 부재(74)에 부착하도록 기능하는 나사형 패스너를 수용하는 개구를 구비한다. 이에 따라, 로터(130) 및 밸브 부재(74)는 함께 회전하도록 구속된다. 로터(130)의 전방 단부에는, 부재(53) 상의 고정형 베인(120)과 개수 및 이격거리에서 동일한 복수의 베인(140)이 있다. 이에 따라, 고정형 베인(120) 및 이동형 베인(140)(즉, 회전가능한 로터(130) 상에 고정식으로 장착됨으로 인해 이동가능함)은 정합하는 쌍을 형성하고, 이에 의해 하나의 고정형 베인(120) 및 하나의 이동형 베인(140)은 로터(130)를 회전시킴으로써 그 기하학적 형상이 가변하는 "복합(composite)" 베인을 함께 형성한다. 도 5 및 도 6에 가장 잘 도시된 바와 같이, 이러한 회전은 고정형 및 이동형 베인(120, 140)들 사이의 중첩 정도가 변경되게 한다. 이동형 베인(140)은 복합 베인의 선단 에지부를 형성하고, 고정형 베인(120)은 후단 에지부를 형성한다.
이에 따라, 도 5는 베인(120, 140)이 보다 낮은 중첩 정도를 갖는 "상대적으로 폐쇄된"으로 불릴 수 있는 위치에 있는 로터(130)를 도시한다. 이는 베인들 사이의 통로의 흐름 영역을 감소시키는 효과를 갖는다. 도 6은 베인(120, 140)이 보다 높은 중첩 정도를 갖는 "상대적으로 개방된"으로 불릴 수 있는 위치에 있는 로터(130)를 도시한다. 이는 베인들 사이의 통로의 흐름 영역을 증가시키는 효과를 갖는다.
로터(130)가 이러한 방식으로 회전되면, 바이패스 밸브(70)도 조절되고 있음이 전술한 설명에 근거하여 인식될 것이다. 도 7 및 도 8은, 도 5 및 도 6에 도시한 로터의 2가지 위치에 대응하는 바이패스 밸브의 2가지 상이한 위치를 도시한다. 도 5의 로터 위치에 대응하는 도 7에서는, 바이패스 밸브가 상대적으로 폐쇄된다. 도 6의 로터 위치에 대응하는 도 8에서는, 바이패스 밸브가 상대적으로 개방된다.
도 4에 도시한 바와 같이, 베인(120, 140)의 자유 단부에 인접한 터빈 하우징 내에는 슈라우드(shroud)(64)가 설치된다. 스프링(도시하지 않음)은 이동형 베인(140)의 단부에 대해 슈라우드(64)를 하측방향으로(도 4에서의 우측으로) 가압하여, 로터(130) 및 밸브 부재(74)를 하측방향으로 가압한다. 이는 밸브 부재(74)를 밸브 시트(72)에 대해 가압하게 한다. 상기 스프링은 바인딩 없이 부품의 열팽창을 허용한다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 로터(130) 및 밸브 부재(74)의 회전은 연결 장치(154)의 일단부에 연결된 액추에이터 로드(152)를 갖는 액추에이터(150)에 의해 성취된다. 연결 장치(154)의 타단부는 회전식 구동 부재(160)에 견고하게 연결된다. 회전식 구동 부재(160)는 환형 바이패스 통로(60)와 연결하는 보어(55)(도 4 참조)를 거쳐 터빈 하우징(52)을 통해 실질적으로 반경방향으로 관통한다. 이에 따라, 액추에이터 로드(152)의 연장은 연결 장치(154)가 회전식 구동 부재(160)를 일방향으로 회전하게 하고, 액추에이터 로드의 수축은 연결 장치가 회전식 구동 부재를 반대방향으로 회전하게 한다. 회전식 구동 부재(160)의 반경방향 내측 단부에는 구동 아암(162)이 연결된다. 구동 아암(162)은, 구동부재(160)의 일방향 또는 다른 방향으로의 회전에 응답하여, 그 말단부가 일방향 또는 다른 방향으로 원주방향으로 이동하도록 "L"-자형이다. 구동 아암(162)의 말단부는 로터(130)(예컨대, 로터(130)는 구동 아암의 단부를 수용하는 포크를 구비할 수 있음)와 결합하여, 로터의 원주방향 운동을 전달한다. 그 결과, 회전식 구동 부재(160)의 말단부에 부착된 구동 아암(162)은, 로터(130) 및 밸브 부재(74)가 그 축 둘레에서 일방향 또는 반대방향으로 차례로 회전되게 한다.
본 발명의 변형 실시예에 따른 터보 과급기(20')를 도 9 내지 도 12에 도시한다. 본 실시예에서, 이전 실시예의 바이패스 밸브(70)에 대체로 대응하는 바이패스 밸브(70')가 제공되며, 이는 고정형 밸브 시트(72') 및 회전식 밸브 부재(74')를 갖는다. 그러나, 본 실시예에서, 밸브 부재(74')는 베인을 지탱하는 로터에 결합되지 않는다. 또한, 밸브 시트(72')는 고정형 베인을 지탱하는 부재와 일체 형성되지 않는다. 실제로, 고정형 베인(120')은 노즐 통로를 가로질러 베인(120')이 축방향으로 (하류 방향으로, 즉 도 10에서 우측을 향하여) 연장되도록 터빈 하우징(52) 내에 설치된 별개의 환형 부재(122) 상에 형성된다. 바이패스 밸브(70')는 관형 또는 원추형 구성인 내부 부재(53')와 터빈 하우징의 외측부(52a) 사이에 배치된다. 내부 부재(53')의 하류 단부는 링 형상의 밸브 시트(72')의 중앙 개구 내에 끼워 맞춰지고, 그 사이에 계면을 밀봉하도록 O-링이 배치된다. 내부 부재(53')의 상류 단부는 터빈 하우징 내에 형성된 축방향으로 면하는 환형 홈부와 결합한다. 바이패스 통로(60)는 터빈 하우징과 내부 부재(53') 사이에 형성된다.
스프링(도시하지 않음)은 환형 부재(122)를 하류방향(도 10에서의 우측)으로 가압하여, 베인(120')의 단부들이 노즐 통로의 대향 벽에 대해 가압된다. 이는 베인 단부와 노즐 벽 사이에 0의 간극이 있는 한편(이에 따라 효율을 최대화함), 부품의 열팽창을 여전히 허용하는 것을 보장한다.
도 12 및 도 13에서 가장 잘 도시된 바와 같이, 밸브 부재(74') 내의 오리피스(75') 및 밸브 시트(72') 내의 오리피스(73')는 본 실시예에서 원형이다. 그러나, 이들은 그 대신에 전술한 실시예에서와 같이 비원형일 수 있다. 융기형 패드(82')는 밸브 시트의 오리피스를 둘러싼다. 밸브 부재(74')는 그 축 둘레에서 회전하여, 회전식 구동 부재(160)에 의해 구동된다. 회전식 구동 부재에 부착된 구동 아암(162')(도 10)은 밸브 부재(74') 상에 형성된 포크(79')의 부재들 사이에 결합된다. 핀(81)은 밸브 시트(72') 내의 구멍(82) 내에 고정식으로 설치되어, 축방향 상류로 연장되고 밸브 부재(74')의 반경방향 외측 에지 내에 형성된 리세스(77) 내에 결합된다. 리세스(77)는 밸브 부재(74')의 소정의 최대 원주방향 운동에 대응하는 원주방향 범위를 갖는다. 이에 따라, 핀(81)은 밸브 부재의 운동을 개방 및 폐쇄 방향으로 제한하는 정지부를 형성한다.
작동 시에, 도 1 내지 도 8의 터보 과급기 내에서의 배기가스 흐름 조절은 로터(130)의 단순한 회전에 의해 성취된다. 이는 "복합" 베인(120, 140)의 기하학적 형상을 동시에 변경하여, 바이패스 밸브(70)를 이동시킨다. 예를 들면, 터빈을 통한 비교적 낮은 유량이 요구되면, 로터(130)는 도 5에 도시한 바와 같이 복합 베인을 위치설정하도록 폐쇄된 방향으로 회전된다. 이러한 위치에서, 바이패스 밸브(70)는 폐쇄된다(도 7). 요구된 유량이 증가함에 따라, 로터는 개방 위치 쪽으로 회전되어, 베인을 개방 구성(도 6) 쪽으로 이동시키고, 바이패스 밸브(70)를 개방 위치(도 8) 쪽으로 동시에 이동시킬 수 있다. 바이패스 밸브(70)의 기하학적 형상은, 로터가 폐쇄 위치로부터 개방 위치를 향해 이동하기 시작함에 따라 밸브가 즉시 개방하기 시작하도록 구성될 수 있고; 변형적으로, 밸브는 로터의 초기 운동 동안에 개방 위치를 향해 폐쇄 유지되고, 그 다음 로터가 개방 위치를 향해 계속하여 회전함에 따라 개방하기 시작하도록 구성될 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시한 밸브의 기하학적 형상은 후자의 구성에 대한 일례인데, 그 이유는 밸브 부재의 오리피스(75) 각각의 원주방향 범위가 밸브 시트의 오리피스(73)들 사이의 공간의 원주방향 범위보다 작기 때문이다. 이에 따라, 밸브의 폐쇄 위치에서 밸브 부재의 오리피스(75)가 밸브 시트의 오리피스(73)들 사이의 중간에 있다면, 밸브 부재(74)의 초기 회전운동은 밸브의 개방을 시작하지 않는다. 오리피스(73, 75)가 중첩하기 시작할 때에만 밸브가 개방하기 시작한다.
마찬가지로, 도 9 내지 도 13의 변형 실시예에서의 배기가스 흐름 조절은 바이패스 밸브 부재(74')의 단순한 회전에 의해 성취되지만, 물론 터빈 노즐 베인(120')은 고정 유지되어 흐름 조절의 역할을 하지 않는다. 바이패스 밸브(70')에 의해서만 흐름 조절이 성취되기 때문에, 오리피스(73', 75')를 크기설정함으로써 바이패스 밸브의 신속한 응답성이 성취되어, 각각의 밸브 부재의 오리피스(75')가 2개의 밸브 시트의 오리피스(73')들 사이의 실질적으로 모든 원주방향 공간을 점유한다. 따라서, 오리피스는 밸브 부재의 회전 시에 즉시 중첩하기 시작한다. 밸브 부재 내의 리세스(77)의 각도 길이는 밸브 시트의 오리피스(73')들 사이의 각도 거리와 동일하고, 밸브의 폐쇄 위치에서의 핀(81)은 리세스(77)의 일단부에 반대한다. 이에 따라, 핀이 리세스의 타단부에 도달하면, 오리피스(73', 75')는 최대한으로 중첩하여, 밸브의 완전한 개방 위치를 형성한다.
기술된 환형 바이패스 밸브(70 또는 70')의 경우, 배기가스 압력이 고정된 밸브 시트(72, 72')를 향하는 방향으로 밸브 부재(74, 84')에 작용하여, 밸브 부재와 밸브 시트 사이의 밀봉을 개선하는 경향이 있다. 또한, 가스 압력이 밸브를 개방하여 누설을 야기하는 경향이 있는 방향으로 작용하는 전술한 스윙 및 포펫 타입의 바이패스 밸브 구성과는 달리, 가스 압력이 밸브를 개방하는 경향이 없다. 밸브에 의해 가능해지는 개선된 밀봉이 중요한 것으로 사료되는바, 이는 특히 펄스 충격이 터빈 효율에 대해 가장 중요한 낮은 엔진 속도 및 가스 유량에서 배기가스 스트림 내의 즉각적인 엔진 펄스에 대한 보다 양호한 사용을 이룸으로써, 터보 과급기의 일시적 응답 시간을 개선시킬 수 있다.
특히 크랙-오픈 지점에서 스윙 또는 포펫 밸브로 일반적으로 가능한 보다 양호한 제어성을 밸브(70, 70')가 성취할 수 있다는 또 다른 이점이 있다. 특히, 밸브 부재(74, 74')가 회전함에 따라 밸브를 통한 흐름 통로의 형상 및 사이즈에 대한 진전은, 밸브 부재 및 밸브 시트 내의 오리피스의 사이즈, 각도 위치(예컨대, 균일하거나 또는 불균일하게 이격되는지의 여부) 및 형상을 적절하게 구성함으로써 특정 적용에 대한 필요성이 단순히 조정될 수 있다. 이에 따라, 오리피스(73, 75)가 도면에서 원형인 것으로 도시되지만, 밸브가 개방함에 따라 흐름 통로의 진전을 변경하는 방식으로서 변형적으로 비원형으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 오리피스는 그 에지가 대체로 반경방향(원주방향보다 반경방향으로 더 큰 치수를 가는 것이 가능함)으로 연장되는 상태에서 대체로 장방형으로 이루어질 수 있어서, 원형의 오리피스 형상에 비해 밸브 부재의 회전 정도당 흐름 통로 사이즈의 변화가 더욱 커지게 될 것이다.
본 발명에 의해 가능하게 이루어지는 밸브 흐름 통로의 진전에 대한 정교한 조정의 다른 예로서, 밸브 시트의 오리피스(73, 73')는 원주 둘레에서 제1 원주방향 이격거리(예컨대, 균일)를 가질 수 있고, 밸브 부재의 오리피스(75, 75')는 제1 원주방향 이격거리와는 상이한 제2 원주방향 이격거리(예컨대, 불균일)를 가질 수 있다. 이러한 실시예에서, (필수적이지는 않지만) 밸브 부재 내의 오리피스가 밸브 시트 내의 오리피스와는 상이한 사이즈 및/또는 형상이 되도록 하는 것이 또한 가능하다. 이는 다른 흐름 통로 중 어느 것이 개방되기 시작하기 전에, 예컨대 하나의 흐름 통로(또는 흐름 통로의 총 개수에 대한 몇 가지의 다른 부분 집합)가 개방되기 시작하게 할 수 있어서, 바이패스 밸브의 매우 점차적인 크랙킹 오픈을 성취한다. 이에 따라, 밸브 부재의 또 다른 회전은 다른 흐름 통로를 개방(아마도, 순차적 또는 스테이지 방식, 예컨대 모든 흐름 통로가 마지막으로 개방할 때까지의 시간에 개방하는 하나의 흐름 통로)하게 할 것이다. 밸브 부재 회전의 함수로서 소정의 흐름 통로 진전을 성취하도록 오리피스가 구성될 수 있는 다수의 상이한 방식의 몇 가지의 예만이 있다.
언급한 바와 같이, 특정 적용에서 소망되거나 필요하다면, 서로에 대해 상대적으로 슬라이딩하는 부품들의 표면은, 표면의 마모를 감소시키는 마찰/마모 코팅으로 코팅될 수 있다. 예를 들면, 융기형 패드(82, 82') 및/또는 상기 패드를 접촉하는 밸브 부재의 표면은 코팅될 수 있다. 코팅될 수 있는 다른 표면은 L자형 구동 아암(162, 162')의 단부 및/또는 상기 구동 아암의 단부에 의해 접촉되는 로터(130) 또는 밸브 부재(74')의 표면을 구비한다. 마모 코팅은 알루미늄 확산 코팅, 니켈 보론 코팅, 세라믹 코팅(예컨대, 질화규소)을 포함하는 각종 물질로 형성될 수 있다. 일 표면으로부터 접촉면으로의 물질 전달을 회피하기 위해, 2가지의 표면이 상이한 물질로 코팅된다.
전술한 설명 및 관련된 도면에 제공된 교시내용의 이점에 대해 당업자는 개시된 본 발명의 다수의 수정 및 다른 실시예를 고려할 것이다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정 실시예에 제한되는 것이 아니라, 첨부한 특허청구범위의 범위 내에 수정 및 다른 실시예가 포함되는 것으로 의도되어야 한다. 본원에 특정 용어가 이용되지만, 이는 단지 일반적이고 설명을 위한 사용된 것으로서 제한의 의도로 사용된 것이 아니다.

Claims (17)

  1. 압축기 하우징 내에 장착된 압축기 휠;
    환형 챔버의 적어도 일부분을 형성하는 터빈 하우징으로서, 상기 환형 챔버는 상기 터빈 하우징의 종축 둘레에서 원주방향으로 연장되며, 상기 터빈 하우징은 상기 종축을 따라 연장되는 보어를 형성하는, 상기 터빈 하우징;
    상기 터빈 하우징 내에 배치된 터빈 휠;
    상기 환형 챔버로부터 상기 터빈 휠의 반경방향 내측으로 안내하는 노즐 통로;
    상기 터빈 휠을 향해 흐르는 배기가스를 안내하기 위한 베인 조립체로서, 상기 베인 조립체는 상기 노즐 통로 내에 배치된 복수의 고정형 베인을 포함하는 고정형 베인 조립체인, 상기 베인 조립체; 및
    환형 바이패스 통로 내에 배치되며, 고정식 환형 밸브 시트 및 회전식 환형 밸브 부재를 포함하는 환형 바이패스 밸브를 포함하며,
    상기 터빈 하우징은 상기 보어를 둘러싸는 상기 환형 바이패스 통로를 형성하며 상기 환형 챔버 내의 배기가스가 상기 터빈 휠을 바이패스하게 하도록 배치되고,
    상기 밸브 부재는,
    상기 밸브 시트에 대해 배치되며,
    상기 바이패스 밸브의 폐쇄 상태를 형성하는 비정렬로부터 상기 바이패스 밸브의 개방 상태를 형성하는 적어도 부분적인 정렬의 범위에서, 상기 밸브 시트와 밸브 부재 각각을 통해 형성된 각각의 오리피스들 사이의 정렬 범위를 선택적으로 변경하기 위해 상기 종축 둘레에서 회전가능한
    터보 과급기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고정형 베인은, 상기 터빈 하우징으로부터 별개로 형성되며 상기 고정형 베인이 상기 노즐 통로 내에 배치되도록 상기 터빈 하우징 내에 장착된 환형 부재로부터 돌출하는
    터보 과급기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 환형 부재는 상기 고정형 베인의 자유 단부가 상기 노즐 통로의 벽과 0의 간극을 갖도록 바이어스되는
    터보 과급기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 부재를 통해 복수의 제1 오리피스가 형성되고,
    상기 밸브 시트를 통해 복수의 제2 오리피스가 형성되며,
    각각의 제1 오리피스는 대응하는 제2 오리피스를 갖는
    터보 과급기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 밸브 부재는, 상기 밸브 부재의 원주 둘레에서 원주방향으로 이격된 상기 제1 오리피스를 갖는 평탄한 환형 디스크이고,
    상기 밸브 시트는, 상기 밸브 시트의 원주 둘레에서 원주방향으로 이격된 상기 제2 오리피스를 갖는 평탄한 환형 디스크이며,
    상기 바이패스 밸브의 폐쇄 상태에서 상기 제1 오리피스를 인접한 제2 오리피스들 사이에 수용하도록 상기 인접한 제2 오리피스들 사이에 충분한 원주방향 거리가 있는
    터보 과급기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 밸브 부재와 상기 밸브 시트 중 하나는, 제1 또는 제2 오리피스 각각을 둘러싸는 융기형 패드를 구비하며,
    상기 융기형 패드는 상기 밸브 부재와 상기 밸브 시트 중 다른 하나의 평면과 접촉하여 상기 밸브 부재와 상기 밸브 시트 사이에 밀봉을 제공하는
    터보 과급기.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 오리피스는 원형인
    터보 과급기.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 오리피스는 비원형인
    터보 과급기.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 융기형 패드와, 상기 융기형 패드에 의해 접촉되는 평면 중 적어도 하나는, 상기 융기형 패드와 상기 평면 사이의 상대적인 슬라이딩 접촉에 의해 야기된 마모를 감소시키는 표면 마모 코팅을 구비하는
    터보 과급기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 부재가 회전하는 상기 종축에 대체로 횡단하는 방향으로 상기 터빈 하우징을 통해 관통하는 회전식 구동 부재; 및
    상기 회전식 구동 부재의 말단부에 부착된 구동 아암을 더 포함하며,
    상기 구동 아암의 말단부는, 상기 회전식 구동 부재의 회전에 의해 상기 구동 아암이 상기 종축 둘레에서 상기 밸브 부재를 회전하게 하도록 상기 밸브 부재와 결합하는
    터보 과급기.
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