KR101905792B1

KR101905792B1 - 펄스 분리형 가변 터빈 구조 터보차저를 위한 카트리지

Info

Publication number: KR101905792B1
Application number: KR1020187009292A
Authority: KR
Inventors: 사샤 칼스타드트; 사샤 웨이스케; 캐스린 버그너; 마크 구가우; 아멧 콕센; 우베 탐; 프랭크 크루스
Original assignee: 보르그워너 인코퍼레이티드
Priority date: 2015-09-16
Filing date: 2016-09-08
Publication date: 2018-10-10
Also published as: JP6655715B2; EP3350418A1; WO2017048568A1; CN108026782A; US20180266268A1; CN108026782B; JP2018532932A; EP3350418B1; KR20180039173A

Abstract

터보차저의 펄스 에너지 강화 터빈에 사용하기 위한 카트리지이다. 노즐 링(6)과 디스크(29) 사이에 적어도 제1 및 제2 고정식 분리 블레이드(12)가 제공되며, 분리 블레이드(12)는 분할형 벌류트와 터빈 휠(11) 사이의 가이드 그리드를 통하여 배기 가스 흐름의 분리를 유지한다. 엔진 또는 엔진 뱅크의 상이한 실린더 또는 실린더 그룹으로부터의 배기 펄스 에너지는 터빈 휠에 이르기까지 분리된 상태로 유지되므로, 터빈 휠이 엔진 배기 포트로부터의 배기 가스 흐름의 개별 펄스에 반응한다.

Description

펄스 분리형 가변 터빈 구조 터보차저를 위한 카트리지

본 발명은 가변 터빈 구조(VTG) 터보차저에 사용되는 베인 카트리지의 효율을 향상시키기 위한 방안에 관한 것이다. 카트리지는 누출을 방지하거나 최소화하여 배압을 극대화하고 펄스 분리를 유지하면서 VTG 각도를 향상시키도록 설계된다.

엔진의 터보차징은 더 이상 고출력 성능 관점에서 주로 보지 않으며, 오히려 연료 소모 및 환경 오염을 감소시키는 수단으로 인식되고 있다. 터보차징 엔진에서, 연소 공기는 엔진에 공급되기 전에 미리 압축된다. 엔진은 자연 흡입 엔진과 동일한 부피의 공기-연료 혼합물을 흡입하지만, 보다 높은 압력으로 인하여, 보다 높은 밀도를 가지므로, 더 많은 공기 및 연료 양이 연소실로 공급된다. 결과적으로, 엔진 출력이 증가되기 위해 더 많은 연료가 연소될 수 있다.

압축기는 배기 가스에 의해 동력을 얻는다. 엔진에서 배출되는 배기 가스는 터빈 하우징으로 보내지고, 배기 가스의 열과 체적 유량은 하우징 내의 터빈 휠을 회전시켜, 터보차저의 압축기 하우징 내의 압축기를 구동시킨다. 한편으로는, 도로 정체 시에 차량의 작동 중, 엔진 배기 출력은 넓은 범위에 걸쳐서 가변한다. 반면에, 요구되는 압축기 출력 및 이에 따른 임의의 특정 작동 조건에서 압축기를 구동하는데 필요한 에너지는 넓은 범위에 걸쳐서 가변한다. 동력을 출력하는 터빈의 용량이 압축기의 요구사항과 항상 일치하지는 않는다. 터빈과 압축기의 작동을 보다 잘 일치시키기 위해, 효율을 향상시키거나 터보차저의 작동 범위를 확장시키도록 터빈 휠로의 배기 가스 흐름의 속도 및 각도를 제어하는 것이 종종 바람직하다. 가변 터빈 구조 터보차저(VTG)는 이러한 요구를 해결하도록 구성되었다. 이러한 VTG의 일 유형은 가변 노즐 터보차저(VNT)라 불리는 가변 배기 노즐을 구비한 것이다. 배기 가스 흐름을 제어하기 위해 가변 노즐의 상이한 구성이 가변 노즐 터보차저에 사용되었다. 이러한 VTG에서 배기 가스 흐름 제어를 달성하기 위해 수행된 하나의 접근법은 축 방향으로 이격되고 동심으로 장착된 한 쌍의 링 사이에 끼워진 터빈 입구 주위에 환형으로 배치되는 다수의 피봇팅 베인의 사용을 포함한다. 인접한 베인 사이의 공간에 노즐을 형성하며, 노즐은 블레이드가 피벗함에 따라 방향과 단면이 변경된다. 피봇팅 베인은 베인 사이의 통로의 목 넓이를 변경시키도록 동시에 집합적으로 제어되어, 터빈 내로의 배기 가스 흐름을 제어하도록 기능한다.

가이드 베인이 완전히 "개방" 위치에 있을 때, 터빈은 이의 최대 유속으로 작동하도록 구성되고 흐름의 속도 벡터는 큰 구심 성분을 갖는다. 가이드 베인이 "폐쇄" 위치에 있을 때, 유속의 높은 원주방향 성분 및 급격한 엔탈피(enthalpy) 경사는 높은 터빈 출력을 유도하고 이에 따라 높은 충전 압력을 유도한다. 제한은 좁은 노즐을 통하는 배압과 유속을 증가시키고 저속에서 지연을 감소시키는 반면에, 개방은 보다 고속에서 배기 가스 배압을 방지한다. 전체 배기 가스 흐름은 항상 터빈을 통해 전달되며 출력으로 변환될 수 있다. 가이드 베인의 조정은 다양한 공압 또는 전기 조절기에 의해 제어될 수 있다.

미국 특허 제7,886,536호(Hemer)에 공지된 예시적인 VTG 터보차저는 베어링 하우징에 의해 연결된 터빈 하우징 및 압축 하우징을 포함하고, 베어링 하우징 내에 회전 샤프트가 지지된다. 터빈 하우징에서, 조절가능한 가이드 베인은 스페이서에 의해 베인 베어링 링으로부터 일정 거리에 유지되는 스러스트-엔드-베어링(thrust-end-bearing) 링과 베인 베어링 링 사이에 피봇식으로 장착된다. 베인은 유니슨(unison) 링을 작동시키는 액추에이터를 통해 조정 가능하다. 베인 베어링 링에 대한 유니슨 링의 회전 운동은 가이드 베인 상으로 전달되며, 가이드 베인은 개방 위치와 폐쇄 위치 사이의 사전 결정된 범위 내에서 조정될 수 있다.

이러한 VTG에서, 다양한 부품들이 서로 매칭되고, 패치되며, 맞춰져야 하고, 특히 이들을 터빈 유닛 또는 터보차저 내에 삽입할 때 상호 연결되어야 하므로, 가이딩 그리드의 개별 부품을 하우징 내에 장착하는 것은 힘들 수 있다. 또한, 베인과 인접한 벽 사이의 갭에 유동하는 배기 가스는 베인의 제어를 "바이패스"하여 VNT의 효율을 감소시킨다. 이러한 바이패스를 가능한 한 최대로 방지하기 위해 정밀 공차로 부품을 맞추는 것이 바람직하다.

미국 특허 제6,916,153호(Boening)로부터 종래기술의 도 1 및 도 2가 유래하며, 단순하고, 소형이며, 조립이 쉽고 신속하게 장착될 수 있는 "카트리지" 타입 모듈형 가이딩 그리드를 제시한다. 사전 조립된 전체 유닛을 터빈 하우징 내에 간단히 삽입할 수 있다. 이러한 조립체에서, 터빈 하우징의 벽에 직접적으로 장착되지 않고 환형 디스크에 장착되기 때문에, 가동부의 장착이 상당히 단순화되고 가속화된다. 가변적인 구조의 가이딩 그리드는 사전 결정된 축방향 거리의 축방향으로 연장하는 베인 공간에 중심 축 주위의 각도 거리에서 하우징 내에 복수의 가이딩 베인을 포함한다. 각각의 베인은 연관된 피봇팅 축을 중심으로 피봇되어 중심 축에 대해 상이한 각도를 취하고, 이에 따라 인접한 베인의 각 쌍 사이에 가변 단면의 노즐을 형성한다. 노즐 링은 중심 축 둘레에서 베인을 지지하고 베인 공간의 제1 축방향 제한부를 형성한다. 유니슨 링은 노즐 링에 대해 변위가능하고 베인과 연결되어 베인을 피봇시킨다. 환형 디스크는 하우징에 고정되고, 중앙 개구 및 베인 공간의 제2 축방향 제한부를 형성하도록 축방향 거리에서 노즐 링에 마주한다. 이러한 개구 내에 슬리브가 삽입될 수 있다. 고정 배열은 하우징에 대한 환형 디스크의 축방향 위치를 결정한다.

전술한 유형의 VTG 카트리지가 터보차저의 펄스-에너지 강화 터빈에 사용될 수 있도록 적응시키는 것이 바람직하며, 여기서 엔진 뱅크 또는 엔진의 상이한 실린더 또는 실린더 그룹으로부터의 배기 펄스 에너지가 터빈 휠에 이르기까지 분리되게 유지되어, 엔진 배기 포트로부터의 배기 가스 흐름의 개별 펄스에 터빈 휠이 반응하도록 한다. 펄스 에너지 및 펄스 분리에 대한 보다 상세한 설명은 WO 2014193779(Grissom 외)를 참조한다.

본 발명은 터보차저의 펄스 에너지 강화 터빈에 사용하기 위한 VNT 카트리지를 제공한다. 본 발명에 따르면, 조정가능한 베인과 더불어, 적어도 제1 및 제2 고정식 분리 블레이드(12)(도 3)가 노즐 링(6)과 디스크(29) 사이에 제공되고, 분리 블레이드(12)는 분할형 벌류트(volute)로부터 터빈 휠 (11)까지의 가이드된 그리드에서 엔진 또는 엔진 뱅크의 상이한 실린더 또는 실린더 그룹으로부터의 배기 가스 흐름의 분리를 유지한다.

본 발명의 장점은 첨부된 도면과 관련하여 고려될 때 이하의 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해될 수 있으므로 용이하게 인식될 것이다.
도 1은 가이딩 그리드가 수용되는 터보차저의 베어링 하우징과 터빈 하우징 사이의 전이 영역의 축방향 단면도이다.
도 2는 도 1의 세부사항 II를 확대하여 도시한 가이딩 그리드의 부분 사시도이다.
도 3은 2개의 분리 블레이드를 갖는 본 발명의 제1 실시예를 도시한다.
도 4는 "트윈" 스크롤 터빈 벌류트(자오선으로 분할됨; 도 4a)와 "듀얼" 스크롤 터빈 벌류트(섹터 분할됨; 도 4b) 간의 차이를 도시한다.
도 5는 스터브 베인을 구비한 본 발명의 제2 실시예를 도시한다.
도 6은 스터브 베인 및 스터브 분리 블레이드를 구비한 본 발명의 제3 실시예를 도시한다.
도 7은 상이한 위치에 가이드 베인을 구비한 제3 실시예의 버전을 도시한다.
도 8 및 도 9는 터빈 하우징 내에 본 발명에 따른 카트리지의 설치를 도시한다.
도 10은 분리 블레이드가 지지 기능으로 안착될 수 있는 홈을 갖는, 노즐 링과 디스크를 배치 및 연결하기 위한 핀의 사용을 도시한다.
도 11은 분리 블레이드에 핀이 설치되고, 블레이드의 일부분만이 분리 기능을 갖는 본 발명에 따른 카트리지를 도시한다.
도 12 내지 도 14는 분리 블레이드를 갖는 일체형으로 형성된 베인 베어링 링의 상이한 도면들이다.

도 1에서, 중심 축(R) 둘레에 나선형으로 감겨진 유체를 위한 주변 공급 채널 또는 스크롤 또는 벌류트(9)를 전형적으로 포함하는 터보차저(1)의 단일 벌류트 터빈 하우징(2)의 일부분이 도시된다. 그 다음, 이러한 유체는 중심 축(R) 주위에 배치된 복수의 가이딩 베인(7)을 통하여 방사상으로 내측으로, 중심 축(R)을 중심으로 회전하는 터빈 휠(미도시)로 보내진다. 이러한 터빈 휠은 공지된 바와 같이, 회전자 샤프트(미도시)의 단부에 장착되며, 회전자 샤프트는, 터빈 하우징(2)에 해제가능하게 부착되어 볼트 또는 V-클램프(미도시)에 의해 이에 고정되는 베어링 하우징(40) 내에 위치한 베어링(41, 41')에 지지된다. 터보차저의 경우, 이러한 샤프트는, 베어링 하우징에 해제가능하게 부착되거나 또는 베어링 하우징과 일체로 형성될 수 있는 압축기 하우징 내에 위치한 압축기 휠까지 이러한 베어링 하우징(40)을 통하여 연장된다. 이러한 압축기는 공통 샤프트를 통해 터빈 하우징 내의 터빈 휠에 의해 공지된 방식으로 구동될 수 있으며, 이에 따라 터빈 하우징(2)에 공급되는 배기 가스에 의해 구동된다.

대체로 원형의 가이딩 그리드를 형성하는 가이딩 베인(7)을 피봇가능하게 만들어서, 베인(7)이 보다 반경 방향으로 중심 축(R)을 향해 경사지게 피봇되는 일 단부 위치와 이들이 대략적으로 접선으로 연장하는 다른 단부 위치 사이에서 가이딩 그리드에 가변적인 구조를부여한다. 도 2는 가이딩 베인(7)의 피봇 축을 형성하는 조정 샤프트(8)가 지지되는 노즐 링 또는 베인 지지 링(6)과 유니슨 또는 조정 링(5) 사이에 롤러(3) 형태의 롤링 몸체를 갖는 구름 베어링(antifriction bearing)을 도시한다. 조정 샤프트(8) 및 이들 조정 샤프트를 작동시키는 유니슨 링(5)의 선회 및 조정은 미국 특허 제6,916,153호(Boening)에 기재된 바와 같은 공지된 방식으로 수행될 수 있다. 어떤 경우에도, 고정식 노즐 링 또는 베인 지지 링(6)에 대해 피봇되는 유니슨 링(5)의 선회 운동은 조정 샤프트(8)의 대응하는 피봇 운동을 유발한다.

조정 레버(19)의 자유 레버 단부 또는 헤드(18)는 유니슨 링(5)의 홈 또는 리세스(17) 내에 유지되고 조정 샤프트(8)에 고정되거나 연결된다. 공지된 바와 같이, 관통 리세스(17)와 더불어, 홈은 또한 유니슨 링(5)의 내측 축방향 측면에 제공될 수 있으며, 헤드(18)는 헤드(18)가 유니슨 링의 사전-센터링을 보장하도록 유지된다는 것을 유의해야 한다. 이는 가능한 다양한 실시형태 중 하나일 뿐이다. 조정은 슬롯 캠이나 맞물림 기어 톱니에 의해 영향을 받고 전달될 수 있다.

피봇가능한 가이드 베인은 카트리지 내의 배기 흐름의 유일한 제어기일 수 있거나, 또는 터빈의 맵 특성을 변형하기 위해, 벌류트와 카트리지 사이의 환형 공간에 고정식 가이드 베인의 추가적인 링이 제공될 수 있다.

이러한 방식으로, 공급 채널(9)을 통해 공급된 연소 모터의 배기 가스는 중심 축(R)과 동축인 축 방향으로 연장되는 파이프(10)를 통해 가스가 배출되기 전에, 베인(7)에 의해 형성된 가이딩 그리드의 내부에서 회전하는 터빈 휠(도시되지 않음)에 다소간 공급된다. 이러한 배출 파이프(10)는 도시된 실시형태에서, 결합해제 공간(42)에 의해 후속 연속부(43)로부터 결합해제되지만, 필요에 따라 배기 시스템에 직접 연결될 수 있다.

유니슨 링(5)은 방사상으로 내향하는 롤링 표면(20)을 갖고, 그 위에 롤러(3)가 감길 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 롤러(3)가 이러한 롤링 표면(20)에 대해 그리고 숄더(shoulder)를 형성하는 노즐 링(6)의 반대 외부 롤러 표면(21)에 대해, 모든 작동 환경 하에서 특정한 작용을 갖는 것이 실제로 바람직하기 때문에, 이는 공차를 보상하기 위해서만 제공된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 케이지 링 또는 홀딩 링(22)이 사용되는 경우 상대적으로 적은 롤러(3)가 필요할 것이다. 롤러가 이러한 홀딩 링(22)의 리세스 내에서도 작동할 수 있지만, 롤러(3)가 홀딩 링(22)의 구멍(25)과 맞물리는 보다 작은 직경의 축방향 돌출부(24)를 구비하여, 한편으로는 주변 방향으로 적정한 거리를 제공하면서, 롤러(3)를 롤링 표면(20, 21)에 대하여 그 트랙 상에서 축 방향으로 견고하게 홀딩 및 유지시키는 것이 바람직하다.

밀봉 링(27)은 노즐 링(6)의 밀봉 홈(28)에 삽입될 수 있다. 도 1 및 도 2를 비교했을 때, 노즐 링(6)은 하우징 벽 부분(2a)의 영역에 위치한다. 원칙적으로, 다양한 밀봉 구조가 안출될 수 있다: 밀봉 링(27)은 벽(2a)과 맞물리는 가요성 밀봉 립으로서 형성된다. 일반적으로, 이는 이러한 부품들이 작동 중에 서로에 대해 움직이지 않아야 하기 때문에 아무런 문제가 없다. 그러나, 도시된 추가의 밀봉 링 또는 밀봉 링(27)이 벽(2a)의 홈 내로 돌출하여, 일종의 래비린스 실링을 형성하는 것이 가능할 수도 있고, 심지어 종래기술의 밀봉에서 공지된 접근법 또는 두 가능성의 조합이 도출될 수 있다. 어떤 경우에도, 이러한 밀봉은 먼지 및 오염 물질을 감마 베어링(3, 20, 21)으로부터 멀리 유지시키는 역할을 하여, 공급 채널(9)의 영역에서부터 막는다.

중심 축(R)을 중심으로 노즐 링 상에 배치된 스페이서(31)에 의해 규정된 거리에서, 터빈 하우징(2)에 인접하는 고정 디스크(29)가 도 1에 잘 도시된 하우징 플랜지(2b)의 영역에 제공된다. 고정 디스크(29)는 예를 들어, 스페이서(31)를 통해 연장되는 점선으로 표시된 볼트(30)를 통해 노즐 링(6)에 고정되며, 공지된 바와 같이, 모든 온도 범위에서 이들의 피봇 운동을 방해하지 않도록 하기 위해, 스페이서(31)는 축 방향에서 베인(7)의 폭에 상응하는 것보다 최소한으로 더 넓은 공간을 제공한다. 이러한 방식으로, 도 2에 도시된 가이딩 그리드는 터빈 하우징(2) 내로 삽입되도록 용이하게 사전 조립될 수 있다.

이와 같이 생성된 모듈을 신속하고 정확한 방식으로 터빈 하우징(2) 내에 삽입할 수 있도록 하기 위해, 중앙 축 파이프(10) 내에 삽입가능한 그리고 중앙 개구(53)를 갖는, 슬리브(45)에 연결되어 원칙적으로는, 이 슬리브가 이러한 배출 파이프(10) 내로 삽입될 필요가 있다. 이를 용이하게 하기 위해, 슬리브(45)는, 배출 파이프(10) 내로 삽입될 때, 디스크(29)와 맞물리고 이와 함께 구비되어 바람직하게는 전체 가이딩 그리드 모듈을 형성하는 적어도 하나의 플랜지(46)를 가지며, 이에 따라 모듈의 축방향 위치를 결정한다. 이러한 문맥에서 "적어도 하나의 구동기 플랜지"(46)라는 용어가 사용되는 경우, 반경 방향으로 돌출하는, 특히 동일한 각도 거리로 분포된 복수의 구동기 플랜지형 클로(claw) 또는 돌출부를 제공하는 것이 가능하다는 것을 이해해야 한다. 그러나, 도 2에 도시된 바와 같이, 구동기 부재가 슬리브로부터 반경 방향으로 연장하여 베인 공간 및 베인의 측면에서 디스크(29) 뒤로 포획되는 구동기 플랜지(46)로서 형성되는 것이 바람직하지만, 원칙적으로 슬리브(45) 및 디스크(29)의 방사상으로 상호 맞물리는 돌출부 및 리세스를 구비하는 것이 가능할 수도 있다.

도시된 실시예에서, 터빈 하우징(2)은 슬리브(45)의 삽입이 슬리브 스레드(50)에 의해 영향을 받는 방식으로 기계 가공된다. 따라서, 슬리브 스레드가 나사 결합될 수 있는 축방향 파이프(10) 내로 내부 스레드(슬리브 스레드(50)에 상보적임)가 절삭되어야 한다.

카트리지의 일 예가 도 1 및 도 2에 도시되지만, 본 발명은 이러한 특정 설계에 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다.

본 발명에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, VTG 카트리지는 2개 이상의 분리 블레이드(12)가 적어도 2개의 VTG 베인(7)을 대체 또는 보강하도록 설계된다. 분리 블레이드는 배기 매니폴드에서 시작하여 터빈 벌류트를 통해 터빈 휠(11)까지 계속되는 흐름 분리를 유지하도록 기능한다.

가이드 베인의 수는 짝수일 수 있거나 홀수일 수 있다. 분리 블레이드(12)의 수는 배기 매니폴드가 2개의 배기 분리 채널을 유지하는 경우에 2개일 수 있거나, 또는 예를 들어, 3기통 엔진의 배기 흐름 또는 "V6" 엔진의 하나의 뱅크가 엔진에서 터빈 휠로 분리되어 유지되는 경우 3개일 수 있다.

WO 2014193779(BorgWarner Inc.)에서 설명된 바와 같이, 다기통 엔진에서, 대향하는 뱅크로부터 실린더가 교대로 점화한다. 배기 가스 흐름은 배기 가스가 엔진의 점화 시퀀스에 기초하여 각각의 실린더를 빠져 나와서 배기 가스 펄스를 발생시키기 때문에 평활한 흐름이 아니다. "V" 엔진의 경우, 뱅크는 엔진을 가로질러 분리된다. 직렬 엔진의 경우, 뱅크는 단순히 전방 실린더 대 후방 실린더일 수 있다. 배기 가스는 별도의 매니폴드 파이프에서 터빈 하우징으로 전달된다. 별도의 가스 흐름은 배기 가스가 실린더에서 방출될 때 발생하는 압력의 "펄스"를 보존하는 역할을 한다. 펄스의 보존은 압력의 여분의 펄스가 터빈을 보다 빠르게 기동 개시할 수 있기 때문에 바람직할 수 있다. 이는 터보 지연을 감소시키는데 도움이 될 수 있다.

이러한 펄스 분리는 각각의 실린더의 배기에서 시작하여 터빈 입구까지 배기 매니폴드에서 유지된다. 배기 가스가 터빈 하우징에 수용되는 영역에서, 예를 들어 벌류트의 2개의 절반부 사이의 분리기 벽은 각 실린더 또는 실린더 그룹으로부터의 배기 가스 사이의 분리를 보존하도록 도울 수 있고, 이에 따라 압력 펄스를 유지시킬 수 있다.

배기 매니폴드는 배기 가스를 터빈 하우징의 스크롤 또는 벌류트(이하 벌류트)에 공급한다. 벌류트는 배기 매니폴드의 선형 흐름으로부터 터빈 휠의 원주 주위에 배기 가스를 분배하기 위한 아치형 흐름으로 배기 가스를 전이시킨다. 다중-벌류트 터빈이라고도 불리는 다중-스크롤 터빈에서, 벌류트는 "트윈" 스크롤 또는 흐름(벽(4a)으로 자오선으로 분할됨; 도 4a) 또는 "이중" 벌류트(벽(4b)으로 분할된 섹터; 도 4b)일 수 있다.

일 실시예로서, 실린더(2, 3)와 같은 직렬 4기통 엔진의 특정 실린더로부터의 가스 흐름은 매니폴드의 하나의 지류(통로)를 관통할 수 있고, 다른 실린더(예, 1, 4)로부터의 가스는 별도의 지류를 관통할 수 있다. 각각의 실린더로부터의 각 지류에서의 가스 흐름은 터빈 하우징의 벌류트의 트윈-스크롤 내에서 분할된 상태로 유지된다. 결과적으로 2개의 공급 포트(1과 4를 구비한 2와 3)는 터빈 효율을 향상시키고 매니폴드 복잡성을 줄이기 위해 반대의 그리고 실질적으로 동일한 점화 펄스를 전달한다. 직렬 4기통 구성과 같이, 분할형 매니폴드 러너(runner)는 배기 흐름을 교번 펄스로 분리시킴으로써 펄스 사용을 향상시킨다. 마찬가지로, 6기통 구성은 실린더(1, 2, 3)로부터의 흐름, 그리고 별도의 지류로서 실린더(4, 5, 6)로부터의 흐름이 교번 펄스를 제공하는 2개의 공급 포트 내로 결합되게 할 수 있다. 트윈-스크롤 터보 시스템은 낮은 rpm에서 보다 높은 배압을 가질 수 있고(터보 스풀-업(spool-up)에 도움이 될 수 있음), 높은 rpm에서 보다 낮은 배압을 가질 수 있다(톱-엔드(top-end) 성능에 도움이 될 수 있음). 따라서, 터빈 휠로의 개별 펄스를 보존하기 위한 별도의 통로를 추가적으로 개선하는 것이 바람직하다. 원하는 대로 배압을 증가시키기 위해 배기 가스 흐름을 적어도 하나의 벌류트에 스로틀링(throttling)하기 위한 밸브장치를 제공하는 것은 본 발명의 범주 내에 있다. 또한 추가적으로, 예를 들어 미국 특허 2016/0138501 A1에 도시된 바와 같이, 실린더 비활성화를 사용하는 엔진과 조합하여 본 터보차저를 사용하는 것이 가능할 수 있다. 여기서, 4기통 엔진의 경우, 2개의 실린더가 비활성화되고, 엔진은 나머지 2개의 활성 실린더에서 계속 작동하며, 2개의 활성 실린더로부터의 배기 가스가 2개의 벌류트 중 하나로 유동하는 반면에, 2개의 벌류트 중 다른 하나는 배기 가스 흐름을 받지 않는다.

도 3은 2개의 분리 블레이드(12)가 설치된 본 발명에 따른 VTG 카트리지의 가장 기본적인 형태를 도시하며, 2개의 분리 블레이드(12)는 가이드 그리드를 각각 180°를 차지하는 2개의 섹터로 원주방향으로 분할한다. 또한, 예를 들어 가이드 그리드를 내구성 또는 음향적 이유로 175° 및 190° 섹터로 분할하는 것과 같이, 스크롤이 동일하지 않을 수도 있다. 또한, 도시된 바와 같이 짝수가 아닌 홀수개의 베인이 있을 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 분할된 카트리지의 경우, 각각의 엔진 배기 포트는 개별적인 펄스를 터빈 휠로 유도하여 터빈 휠의 면에 걸쳐서 교번 펄스를 발생시킨다.

불균등한 수의 VTG 베인을 구비한 VTG 카트리지에서, 적어도 2개의 VTG 베인(7)을 분리 블레이드(12)로 대체하면 분리 블레이드 아래에 개방 영역(13)이 생길 것이다(3개의 베인이 2개의 분리 블레이드로 대체되는 도 3 참조). 실제로, 이는 표준 VTG 보다 VTG 베인이 더 근접되도록 하여 동일한 매스 플로우(mass-flow)를 달성한다. 이는 효율성을 저하시킨다.

대응책으로서, 각 스크롤에서 동일한 수의 베인을 달성하기 위해, 특히 불균등한 수의 VTG 베인으로 시작하여, 서로 옆에 있는 2개의 베인이 제거된 경우, 베인 리딩 스텀프 에지(14a) 또는 베인 트레일링 스텀프 에지(14b) 중 어느 하나를 구비한 "스텀프 베인"(14)이 전체 분리 블레이드(12)(도 5 참조)에 인접하게 설치될 수 있다. 폐쇄된 VTG 위치에서, 이러한 스텀프 베인은 전체적인 개방 면적을 감소시켜서, 동일한 범위의 질량 흐름을 달성하도록 VTG가 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 피봇될 수 있다.

전체 개방 면적을 추가적으로 감소시키기 위한 다른 가능성은 도 6에 도시된 바와 같이, 스텀프 베인(12')에 근접한 스텀프 분리 블레이드(14)를 제공하는 것이다. 도 6은 홀수개의 베인 중 하나가 교체되는 경우의 예시적인 실시예로서 단일 스텀프 분리 블레이드 및 스텀프 베인을 도시한다. 원래의 가이딩 그리드가 짝수개의 베인으로 이루어진 경우, 예시적인 실시형태는 2개의 베인을 2개의 스텀프 분리 블레이드 및 2개의 스텀프 베인으로 대체하는 것을 포함할 것이다. 두 세트의 스텀프 베인 및 블레이드는 서로 대향하여 가이드 그리드를 2개의 동일한 섹터로 분할할 수 있거나, 또는 이들이 오프셋되어 가이드 그리드를 내구성 또는 음향적 이유로 동일하지 않은 섹터로 분할할 수 있다. 이러한 위치에서 흐름의 정압 대부분이 동압으로 변환된다고 가정하면, 분리 블레이드와 베인 사이의 작은 간극은 누설을 현저히 증가시키지 않아야 한다(도 7 참조).

도 1에 도시된 바와 같은 볼트(30) 및 슬리브(31)로 구성된 스페이서 대신에, 용접 또는 압착에 의해 디스크 또는 링 중 어느 하나에 견고하게 연결된 핀(15)을 사용하는 것이 가능할 수 있으며, 이러한 핀은 대향 디스크 또는 링의 반대편에 있는 위치설정 보어(locating bore)(16) 내에 수용될 수 있다.

카트리지의 개방 면적을 감소시키는 다른 가능성은 분리 블레이드의 두께의 변경을 포함한다. 이는 블레이드 길이에 걸쳐서 블레이드의 두께를 증가 및 감소시킴으로써 수행될 수 있다. 또한, 폐쇄된 VTG 베인의 반경에서 가장 두꺼운 지점을 가진 분리 블레이드는 휠의 큰 저해를 방지할 수 있다.

펄스 분리를 갖는 짝수개의 VTG 베인을 구비한 전체 VTG 카트리지를 위한 하나의 해결책은 VTG 베인 선회 반경의 외측 직경까지 2개의 스크롤을 분리시키는 것이다(도 7 참조). 분리 블레이드는 블레이드와 VTG-베인 사이의 공간을 규정된 VTG 베인 위치에 이르기까지 기밀하는 윤곽을 필요로 할 것이다. 그런 다음 윤곽을 설계하여, 스크롤의 분리가 원하는 위치까지 도달할 수 있도록 하고 VTG-베인이 개방되면 스크롤이 VTG 카트리지에 유동 연결된다. 분리 블레이드는 또한 핀 또는 스페이서를 대체할 수 있도록 지지체로서 설계될 수 있다.

부분 진입 조건 하에서 진입 허가된 스크롤로부터 진입 불가된 스크롤로의 누출을 방지하거나 최소화하기 위해, 몇가지 조치가 실행될 수 있다. 터빈 하우징에 표준 VTG 카트리지를 설치하면 특히 스크롤의 2개의 텅(tongue)에서 2개의 스크롤 사이에 몇몇 연결이 이루어진다. 대응책은 다음을 포함한다(도 8 참조):

A. 디스크와 터빈 하우징(TH) 사이의 최소 간격을 보장하기 위한 디스크 상의 닙(nib) 또는 피크(도 8, 도 10 내지 도 12 및 도 14 참조)

B. 베인 베어링 링(VBR)과 터빈 하우징(TH) 사이의 최소 반경 간극을 보장하기 위한 VBR의 외측 직경 증가

C. VBR과 분리 블레이드 사이의 최소 축방향 간극을 보장하기 위한 VBR의 챔퍼(chamfer) 제거

제조 공차를 줄이기 위해, 카트리지가 조립될 때 3개의 부분 모두가 특정 직경으로 변경될 수 있다.

연결의 기밀성을 증가시키고 카트리지의 정확한 장착 위치를 보장하기 위해, 노우즈(nose)는 TH의 텅 내에 그리고 VBR 내의 반대 윤곽으로 제조될 수 있다(도 8 및 도 9 참조). 이는 베어링 하우징(BH)과 VTG 카트리지 사이의 고정용 핀을 대체할 수 있다.

분리 블레이드(12)와 베인 베어링 링(VBR)(29) 사이, 또는 분리 블레이드(12)와 디스크(29) 사이의 누출을 감소시키기 위해, VBR과 디스크에 홈(26)이 기계 가공된다(도 10 참조). 분리 블레이드(12)의 폭은 홈이 없는 디스크의 편평한 벽 사이에 위치된 분리 블레이드에 비해 증가되어, 홈(26)에 안착된 분리 블레이드의 경우, VBR과 디스크 사이의 전체 거리가 동일하게 유지된다. 홈(26)으로 인해, 밀봉 표면의 수는 1에서 3으로 증가되어, 보다 양호한 밀봉이 이루어진다.

밀봉 능력과 더불어, 분리 블레이드(12)는 지지체로서 사용될 수 있다. 분리 블레이드와 VBR 또는 디스크 사이의 임의의 형태의 결합 방법으로 연결이 달성될 수 있다. 또한, 분리 블레이드는 VBR 또는 디스크에 연결된 분리 블레이드 상의 다수의 핀(32)에 의해 설치될 수 있다(도 11 참조). 핀의 수와 분포는 카트리지의 필요한 지지에 따라 가변할 수 있다. 이는 분리 블레이드의 지지 능력과 관련하여 표준 위치설정 핀의 일부/전부를 제거할 수 있는 가능성을 제공한다.

또한 분리 블레이드는 블레이드의 일부만이 지지 기능을 갖고 다른 부분은 카트리지의 열 변형을 위한 공간을 남겨두는 방식으로 VBR 또는 디스크에 연결될 수 있다. 이 경우 해결책은 분리 블레이드의 외측 부분이 지지되고 VTG 카트리지의 출구에 있는 내측 부분은 공간을 두면서, 스크롤, 노즐 및 카트리지를 통하는 경로 동안에 상술한 정압에서 동압으로의 변환으로 인한 누출을 또한 감소시키는 것이다.

제조를 위한 선택적인 가능성은 도 12 내지 도 14에 도시된 바와 같이 베인 베어링 링과 분리 블레이드를 일체형으로 제조하는 것이다. 여기서 홈 및 홈과 분리 블레이드의 용접을 위한 비용은 생략될 것이다. 또한, 분리 블레이드 및 디스크를 일체형으로 밀링하는 것이 가능할 것이다.

4기통 엔진의 다양한 실린더, 또는 4기통 엔진의 하나의 뱅크의 2개의 실린더가 서로 간섭하는 것을 방지하고 충전 교환 사이클 중에 운동 에너지를 잃지 않도록 하기 위해, 도시된 실시예에서 단일 실린더가 각각의 벌류트와 연결된다. 본 발명에 따른 분리 블레이드(12)는 VTG 카트리지를 펄스 터보차징 상업용 디젤 엔진에 사용할 수 있도록 변형하며, 트윈-입구 터빈은 보다 짧은 시간에 보다 높은 터빈 압력비에 도달하기 때문에, 배기 가스 펄스가 최적화되도록 한다. 따라서, 증가하는 압력비를 통해 효율성이 높아지고, 보다 효율적인 대량의 질량 흐름이 터빈을 통과할 때의 모든 중요한 시간 간격을 개선한다. 이러한 개선된 배기 가스 에너지 사용의 결과로서, 특히 저속 엔진 속도에서, 엔진의 과급압 특성 및 이에 따른 토크 특성이 개선된다.

배기 가스 흐름은 블레이드를 통과하는 동안 보다 낮은 전체 압력의 배기 가스 흐름이 되고, 후속적으로 터빈 출구를 통해 배기 시스템 내로 축방향으로 방출된다.

시스템은 직렬 구성, 병렬 구성, 또는 직렬/병렬 구성 조합으로 배치된 다중 터빈을 포함할 수 있음을 유의해야 한다.

터빈을 빠져 나온 후에, 배기 가스는 예를 들어 탄화수소 클로저, 디젤 산화 촉매(DOC), 디젤 미립자 필터(DPF), 및/또는 종래기술에 공지된 임의의 다른 처리 장치를 포함할 수 있는 후처리 시스템을 통해 대기로 배출될 수 있다.

1: 터보 차저
2: 터빈 하우징
3: 롤러
4: 베어링 하우징
5: 유니슨 링
6: 노즐 링
7: 가이딩 베인
8: 조정 샤프트
9: 공급 채널
10: 파이프
11: 터빈 휠
12: 분리 블레이드
13: 개방 영역
14: 스텀프 블레이드
15: 핀
16: 위치설정 보어
17: 리세스
18: 헤드
19: 조정 레버
20: 롤링 표면
21: 외부 롤러 표면
22: 케이지 링
24: 축방향 돌출부
25: 구멍
26: 홈
27: 밀봉 링
28: 밀봉 홈
29: 디스크
30: 볼트
31: 트래버스 슬리브
32: 블레이드 핀
40: 베어링 하우징
41, 41′: 베어링
42: 결합해제 공간
43: 후속 연속부
44: 스페이서
50: 스레드
53: 중앙 개구

Claims

터보차저 터빈으로서:
터빈 휠(11)을 하우징하는 터빈 하우징(2)으로서, 상기 터빈 휠은 회전축(R)을 중심으로 회전 가능하고, 상기 하우징(2)은, 엔진으로부터의 분할된 배기 가스 흐름을 수용하고 엔진의 복수의 실린더 또는 실린더 그룹으로부터의 각각의 배기 가스 흐름의 분리를 유지하도록 구성된 분할형 벌류트를 포함하는, 터빈 하우징(2); 및
상기 터빈 하우징 내에 장착된 가변 터빈 구조 카트리지를 포함하며,
상기 가변 터빈 구조 카트리지는:
축방향으로 연장하는 베인 공간에서 상기 회전축(R) 둘레에 각도 분리되어 상기 분할형 벌류트의 하류에서 상기 하우징(2) 내에 배치되는 복수의 가이드 베인(7)으로서, 각각의 베인(7)은 연관된 피봇 축(8)을 중심으로 피봇되고 인접한 베인(7) 사이에 가변 단면의 노즐을 형성하는, 복수의 가이드 베인(7);
상기 베인(7)의 각각의 상기 피봇 축(8)을 중심으로 피봇하도록 상기 베인(7)을 지지하기 위한 환형의 노즐 링(6)으로서, 상기 노즐 링(6)은 상기 베인 공간의 제1 축방향 제한부를 형성하는, 환형의 노즐 링(6);
중앙 개구를 갖는 디스크(29)로서, 상기 디스크는 상기 베인 공간의 제2 축방향 제한부를 형성하기 위해 사전 결정된 축방향 거리에서 상기 노즐 링(6)에 연결되고 상기 노즐 링(6)으로부터 이격되는, 중앙 개구를 갖는 디스크(29); 및
상기 분할형 벌류트로부터 상기 터빈 휠(11)로 또는 상기 가이드 베인(7) 중 적어도 하나로 배기 가스 흐름의 분리를 계속하기 위해 상기 노즐 링(6)과 상기 디스크(29) 사이에 제공되는, 적어도 제1 및 제2 고정식 분리 블레이드(12)를 포함하는, 터보차저 터빈.
제1항에 있어서, 상기 적어도 제1 및 제2 고정식 분리 블레이드(12)는 상기 분할형 벌류트로부터 상기 터빈 휠(11)로의 배기 가스 흐름을 분리하는, 터보차저 터빈.
제1항에 있어서, 상기 적어도 제1 및 제2 고정식 분리 블레이드(12) 중 적어도 하나는 상기 분할형 벌류트로부터 적어도 하나의 가이드 베인(7)으로의 배기 가스 흐름의 분리를 계속하는, 터보차저 터빈.
제1항에 있어서, 상기 노즐 링(6)과 디스크(29)는 편평한 표면을 가지며, 상기 분리 블레이드(12)는 상기 편평한 표면 상에 수평을 이루게 장착되고, 상기 분리 블레이드(12)는 분리 블레이드(12)를 노즐 링(6) 및 디스크(29)에 장착하기 위한 장착 핀(15)을 포함하는, 터보차저 터빈.
제1항에 있어서, 상기 노즐 링(6)과 디스크(29) 중 적어도 하나에 홈(26)이 제공되고, 상기 분리 블레이드(12)는 상기 홈(26)에 안착되는, 터보차저 터빈.
제1항에 있어서, 분리 블레이드(12)에 인접한 적어도 하나의 가이드 베인(7)은 스텀프 리딩 에지(14a) 또는 스텀프 트레일링 에지(14b)를 갖는, 터보차저 터빈.
제1항에 있어서, 하나 또는 두 개의 분리 블레이드(12)는 분할형 벌류트와 상기 터빈 휠 사이의 방사상 거리의 일부를 연장하는 스텀프 분리 블레이드이고, 적어도 하나의 피봇 위치의 스텀프 베인(14)은 분할형 벌류트와 상기 터빈 휠 사이의 나머지 방사상 거리를 차지하는, 터보차저 터빈.
제1항에 있어서, 실린더 비활성화를 갖는 엔진에 연결되며, 상기 엔진은 제1 세트의 실린더 및 제2 세트의 실린더를 갖고, 상기 제1 세트의 실린더로부터의 배기는 분할형 벌류트 중 제1 벌류트와 유체 소통하며, 상기 제2 세트의 실린더로부터의 배기는 분할형 벌류트 중 제2 벌류트와 유체 소통하는, 터보차저 터빈.
제1항에 있어서, 상기 카트리지는 상기 노즐 링(6)에 대해 상기 회전축(R) 둘레를 피봇가능한 유니슨 링(5)을 포함하고, 상기 유니슨 링(5)은 상기 유니슨 링(5)이 피봇될 때 상기 베인(7)을 이의 피봇 축(8)을 중심으로 피봇시키기 위해 상기 베인(7)에 작동가능하게 연결되는, 터보차저 터빈.
제1항에 있어서, 상기 카트리지는, 벌류트와 카트리지 사이의 환형 공간 내에 및 피봇가능한 가이드 베인(7)의 방사상으로 외측에, 고정식 가이드 베인의 추가적인 링을 추가로 포함하는, 터보차저 터빈.