KR101917112B1 - 액추에이터 샤프트 부트 - Google Patents

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KR101917112B1
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알렉산더 가르시아 알카라스
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Abstract

웨이스트 게이트로 된 터보차저는 모두 배기가스 에너지의 터빈휠 우회를 제어하는 웨이스트 게이트 밸브를 조작하는 액추에이터들을 사용한다. 상기 액추에이터들 내의 상기 다이어프램들은 외부 물질에 의한 손상에 영향을 받기 쉽다. 이러한 손상은 상기 액추에이터 샤프트 주위에 부트를 추가하여, 액추에이터의 수명에 해로울 수 있는 외부 물질 및 유체들의 유입을 방지함으로써 최소화된다.

Description

액추에이터 샤프트 부트{ACTUATOR SHAFT BOOT}
본 발명은 원통형 보어 내에서 회전하는 샤프트에 의하여 형성된 환형체를 통한 가스 및 매연의 누설을 방지하기 위하여 터빈 하우징의 벽들을 통과하는 터보차저 액추에이터 샤프트들에 대한 개선된 샤프트 실링 디자인에 관한 요구에 대응하기 위한 것이다.
터보차저는 강제 흡입 시스템의 한 종류이다. 터보차저는 정상적인 흡입 구성에서 가능한 밀도보다 더 큰 밀도를 가지는 공기를 엔진 흡입구로 전달하여 보다 많은 연료가 연소되도록 함으로써, 엔진의 중량을 크게 증가시키지 않으면서 엔진의 마력을 증가시킬 수 있다. 큰 물리적 크기를 갖는 정상적인 흡입 엔진을 대체하는 터보차저가 달린 작은 엔진은, 그 질량을 줄이고, 차량의 공기역학적 전방 면적을 줄일 수 있다.
터보차저는 터빈 하우징(2)의 내부에 위치하는 터빈휠(21)을 구동하기 위하여 엔진 배기 매니폴드로부터의 배기유동을 이용한다. 배기가스가 터빈휠을 통과하고, 상기 터빈휠이 배기가스로부터 에너지를 얻으면, 소비된 배기가스는 엑스듀서(exducer)를 통하여 상기 터빈 하우징으로부터 배출되고, 차량의 다운파이프(downpipe)로 배관을 통하여 이동하며, 보통, 촉매 컨버터(catalytic converter), 입자성 물질 포집기(particulate trap), 및 질소산화물 포집기(NOx trap)와 같은 후처리 장치로 배관을 통하여 이동한다.
웨이스트 게이트로 된 터보차저에서, 터빈 벌류트(volute)가 바이패스 덕트에 의하여 터빈 엑스듀서에 유동적으로 연결된다. 바이패스 덕트를 통한 유동은 웨이스트 게이트 밸브에 의하여 제어된다. 바이패스 덕트의 유입구는 상기 터빈휠의 상류 측인 상기 벌류트의 유입구 측에 위치되고, 바이패스 덕트의 유출구는 상기 터빈휠의 하류 측인 상기 벌류트의 엑스듀서 측에 위치되기 때문에, 바이패스 덕트를 통한 유동은, 바이패스 모드인 경우에 상기 터빈휠을 우회하며, 이에 따라, 상기 터빈휠에 동력을 공급하지 않는다. 웨이스트 게이트를 작동시키기 위해, 작동력 또는 제어력은 터빈 하우징의 외부로부터, 터빈 하우징을 통하여, 터빈 하우징 내부의 웨이스트 게이트 밸브로 전달되어야 한다. 웨이스트 게이트 회동 샤프트는 상기 터빈 하우징을 통하여 연장되며, 액추에이터(40)에 의하여 구동될 때 그 축(64)을 중심으로 회전한다. 터빈 하우징의 외부에서, 액추에이터(40)가 링크(50, 51, 72)를 경유하여 웨이스트 게이트 암(74)에 연결되고, 웨이스트 게이트 암(74)은 웨이스트 게이트 회동 샤프트에 연결된다. 터빈 하우징의 내부에서, 회동 샤프트는 웨이스트 게이트 밸브에 연결된다. 상기 액추에이터로부터의 작동력은, 배기 유동을 상기 터빈휠로 우회시키기 위하여 상기 터빈 하우징 내부의 상기 웨이스트 게이트 밸브를 이동시키는 상기 회동 샤프트의 회전으로 변환된다.
터빈 하우징들은 큰 온도 기울기(temperature gradients) 및 온도 변화(temperature flux)를 겪는다. 벌류트 표면들은, 상기 엔진 내에서 사용되는 연료에 따라, 740℃ 내지 1,050℃ 범위의 배기가스와 접촉하는 반면, 상기 터빈 하우징의 외부는 주위의 공기 온도에 직면한다. 액추에이터는, 상기한 바와 같은 변환 운동을 통하여, 상기 웨이스트 게이트를 제어할 수 있으며, 이에 따라, 터빈휠로의 유동을 정확하고, 반복가능하며, 방해 없는(non-jamming) 방식으로 제어할 수 있어야 한다. 상기 터빈 하우징에 대한 웨이스트 게이트 액추에이터의 근접도는 다수의 효과를 갖는다. 열은 전도에 의해 상기 액추에이터 샤프트(50)에서 액추에이터 다이어프램(48)으로 이동될 수 있다. 대부분의 액추에이터들이 장착되는 상기 터빈 하우징으로부터의 열은, 상기 액추에이터 샤프트 그리고 거기에서 상기 액추에이터 다이어프램으로 뿐만 아니라 베이스 링(46), 하부 캐니스터(44), 및 상부 캐니스터(45)와 같은 상기 액추에이터 캐니스터(canister) 부품들로 방사상으로 전달될 수 있다. 후자의 부품들은 때때로 영향을 받는 부품들 주위에 액추에이터 열 실드(shield)(43)가 구비되는 것에 의하여 방사상의 열 전달로부터 보호된다.
가변터빈구조(VTG, variable turbine geometry) 기구는, 상기 터빈휠로의 배기가스의 유동을 제어하는 데에 사용될 뿐만 아니라, EGR 배기가스를, 연소 챔버로의 재유입이 허용되도록, 압력 구배에 반하여 압축기 시스템으로 구동하기 위해 요구되는 상기 터빈의 배압을 제어하는 데에 사용된다. 액추에이터는 상기 터빈 하우징 내부로 설정된 베인(vane)의 각도를 제어하는 데에 사용되며, 그에 따라, 상기 터빈의 동력을 제어한다.
조정된 2단 터보차저(R2S)의 구성들은, 하나의 터빈 하우징상의 플랩(flap) 또는 밸브가 제2의 터빈 하우징으로 배기 유동을 변경할 수 있도록 구성된 다수의 터보들을 갖는다. 상기한 요구에 따라, 상기 터빈 단(stage)들은 직렬, 순차 또는 병렬 구성으로 될 수 있다. R2S 구성들은, 과도 성능 또는 정상 상태 성능과 같은 엔진 요구들에 맞게, 터빈 유동 및 배기 배압을 제어하거나, EGR 유동을 제어하거나, 대형 또는 소형 터보를 제어하는 데에 사용될 수 있다. 상기 밸브 또는 플랩은 액추에이터에 의하여 구동된다. 또한, R2S 터보차저들의 상부에는, 압축기 유출을 우회시켜 동일한 시스템 내에서 대형 및 소형 압축기 단들의 흡입 용량(swallowing capacity)을 제어하는 데에 사용되는 밸브들이 존재한다.
터보차저들은 상기 엔진실 내부, 상기 엔진 블럭의 외부에 위치되며, 주로 (예를 들면, 인라인 직선형 4기통 또는 6기통 엔진에서) 상기 휠들에 인접하게 위치된다. 몇몇의 터보차저들은, 예를 들면, 트윈 터보 V자형(vee) 엔진에서, 상기 엔진의 무게 중심을 가능한 한 낮게 유지하고 상기 터보차저로의 상기 배기 매니폴드를 가능한 한 짧게 하기 위하여 상기 엔진실의 매우 하측에 위치된다. 이와 같이 이 터보차저들은 상기 터보차저 내의 오리피스들을 관통할 수 있는 물과 진흙과 같은 도로 유체, 모래에서부터 동결 방지 화학제까지의 물질들에 영향을 받는다.
공압 액추에이터들은, 알려진 스프링 율을 가지는 스프링에 의하여 저항되고 있는 다이어프램을 팽창시키며 주로 상기 다이어프램의 상기 스프링 측의 대기압을 동반하는 (보통 압력원에 따라 정압 또는 부압이 될 수 있는) 공기 압력에 의하여 작동한다. 상기 액추에이터에 있어서, 정압과 부압간의 차가 단지 내부로 압력이 공급되는 상기 다이어프램의 측에 존재한다. 상기 다이어프램(48)의 운동이 샤프트(50)의 연장부로 전달되어, 회전하는 웨이스트 게이트 회동 샤프트에 기계적 또는 화학적으로 부착된 웨이스트 게이트 암(62)의 회전으로 변환됨으로써 상기 웨이스트 게이트 밸브를 개폐한다. 웨이스트 게이트 스프링(47)은 상기 다이어프램상에 작용하는 압력에 저항하며, 상기 샤프트를 그 정지 위치(resting position)(상기 웨이스트 게이트 밸브의 폐쇄 위치)로 복귀시키는 데에 사용된다.
용어들의 명확화를 위하여 아래의 정의들이 채용된다.
상기 액추에이터 샤프트 조립체의 실제 길이: 상기 샤프트가 상기 액추에이터 내의 상부 컵(49)에 부착하는 상기 샤프트(50)의 발(foot)로부터 상기 웨이스트 게이트 샤프트 단부에서의 조인트의 회동 중심까지의 길이.
상기 웨이스트 게이트 암의 중심선: 상기 웨이스트 게이트 회동 샤프트의 회전축과 상기 조인트의 중심을 결합하는 선.
상기 웨이스트 게이트 암에 의하여 형성되는 반경: 상기 웨이스트 게이트 회동 샤프트의 회전축과 상기 조인트(78)의 중심 사이의 길이.
상기 웨이스트 게이트 암이 회전하는 각도: 상기 웨이스트 게이트 밸브가 완전히 폐쇄되었을 때와 완전히 개방되었을 때 사이의 각도로 추정된다.
상기 웨이스트 게이트 액추에이터 샤프트의 상부 회동 암의 유효 길이: 상기 상부 컵(49)에 대한 상기 샤프트의 상술한 조인트로부터 상기 샤프트가 그 중심으로 회동하는 가이드 베어링(53)까지의 길이.
상기 액추에이터 샤프트의 유효 하부 회동 암: 상기 가이드 베어링(53)으로부터 상기 액추에이터 샤프트를 상기 웨이스트 게이트 암(62)에 부착시키는 상기 조인트의 중심까지의 길이.
상기 액추에이터 샤프트의 이동의 중간 지점에서, 상기 웨이스트 게이트 암의 중심선과 상기 액추에이터 샤프트의 중심선 사이의 각도는 90°이므로, 상기 웨이스트 게이트 암의 회전에 의하여 형성되는 원호각을 최소화한다고 가정한다.
상기 액추에이터 샤프트가 요동하는 각도는 다수의 관련성에 의하여 결정될 수 있다.
- 상기 액추에이터 샤프트 조립체의 고정된 실제 길이에 대하여, 상기 웨이스트 게이트 암에 의하여 형성된 반경에 의해 대향된 각도(웨이스트 게이트 밸브의 개방으로부터 폐쇄까지)는 상기 웨이스트 게이트 암이 그를 중심으로 회전하는 상기 축(64)과, 상기 웨이스트 게이트 암을 상기 액추에이터 샤프트 조립체에 부착시키는 상기 조인트의 회동 중심(78) 사이의 길이(즉, 반경)의 함수이다.
- 상기 웨이스트 게이트 암에 의하여 형성된 반경의 고정된 실제 길이에 대하여, 상기 웨이스트 게이트 암에 의해 대향된 각도는 상기 액추에이터 샤프트의 길이의 함수이다.
상기 액추에이터(43)가 상기 터빈 하우징에 고정되게 장착되므로, 액추에이터 샤프트 조립체와 웨이스트 게이트 암 사이의 상기 조인트가 회동 중심(78)을 중심으로 회동하는 동안, 상기 웨이스트 게이트 샤프트 조립체가 상기 하부 캐니스터(44) 내에 부착된 베어링(53)을 중심으로 회동한다. 상기 캐니스터 내에서 상기 샤프트가 요동하는 회동축이 되기 때문에, 상기 베어링(53)의 축방향 위치는, 상기 액추에이터 샤프트(50)의 축방향 변위에 의하여 결정된 상기 웨이스트 게이트 암의 반경방향 변위에 대응하여 액추에이터 피스톤(49)의 반경방향 위치를 조절한다. 상기 베어링의 축방향 위치가 상기 피스톤에 가까울수록 (주어진 웨이스트 게이트 암의 회전에 대한) 상기 피스톤의 반경방향 변위가 크다. 몇몇의 액추에이터들에서, 상기 베어링(53)의 반경방향 위치는, 상기 베어링의 반경방향 위치를 "O"링과 같은 유연성 부재에 의하여 부분적으로 조절되도록 하는 것에 의하여 변경된다. 이러한 다소 복잡한 배열은 상기 다이어프램의 수명을 증가시키기 위해 상기 다이어프램의 반경방향 변위를 최소화한다.
상기 액추에이터의 수명에 있어 중요한 액추에이터 부품은 상기 다이어프램이다. 상기 다이어프램 및 상기 상부 캐니스터 쉘을 기밀하게 밀봉시키기 위하여 상기 다이어프램의 외측 림(rim)이 상기 하부 캐니스터(44) 및 상기 상부 캐니스터(45)의 조인트에 의해 붙잡히도록 상기 다이어프램(48)이 상기 상부 캐니스터 쉘(45)의 내부에 위치된다.
엔진 제어 유닛(ECU)의 지령에 따라, 상기 액추에이터(48) 및 상기 상부 캐니스터 쉘(45) 사이의 빈 공간을 채우기 위해 공기 압력이 상기 공기 피팅(fitting)(52)을 통하여 상기 액추에이터로 전달된다. 상기 액추에이터로 유입하는 공기의 압력은 스프링(47)에 의하여 작용되는 힘에 의하여 저항되는 상기 다이어프램을 정지 위치로부터 이탈되도록 한다. 상기 다이어프램 후방의 빈 공간의 팽창은, 상기한 바와 같이 상기 액추에이터 샤프트(50)가 기계적으로 부착되는 피스톤(49)의 변위를 통하여 상기 다이어프램이 상기 스프링을 압축하도록 하며, 동시에 공간을 압축하고 상기 액추에이터의 스프링 측에 가해지는 압력을 증가시킴에 따라 상기 액추에이터 샤프트 및 상기 베어링(53) 사이의 통풍구 또는 간격을 통하여 공기를 배출시킬 수 있다. 상기 액추에이터로의 지령 압력이 감소됨에 따라, 상기 스프링은 상기 피스톤의 복귀, 상기 액추에이터의 스프링 측에 작용하는 압력의 감소, 상기 베어링(53)내의 보어를 통한 주위 공기의 흡입이 이루어지도록 한다.
상기한 바와 같이, 상기 액추에이터는 보통 하나의 터빈 하우징 또는 복수의 터빈 하우징들에 밀착 결합된다. 상기 액추에이터를 열원으로의 근접성과 관련된 온도에서 존재할 수 있도록 하기 위해서, 상기 다이어프램은, 온도 및 듀티 사이클(duty cycle)에서 인정할 수 있는 수명을 제공하도록, 플루오로실리콘(fluorosilicone) 및 케블라(Kevlar)의 복합재료로 구성된다.
상기 다이어프램이 상기 피스톤 또는 상기 액추에이터의 외측 캐니스터 쉘들에 접촉되는 영역으로 유입되는 임의의 파편들은 궁극적으로 상기 다이어프램 및 상기 액추에이터의 고장으로 이어지는 상기 다이어프램 재료의 마모(fretting)를 일으킬 것이다.
상기 웨이스트 게이트 액추에이터의 수명은, 설계 및 위치의 다수의 측면들: 상기 액추에이터 샤프트가 변위되는 각도, 상기 다이어프램의 임계 영역들에서의 온도, 상기 듀티 사이클, 상기 다이어프램에 접촉되는 부품들의 형상, 및 상기 액추에이터가 영향을 받는 물리적 환경에 의하여 절충된다.
따라서, 액추에이터 샤프트가 가혹한 환경에서 작동하도록 하고 터보차저들 내에서의 웨이스트 게이트 및 VTG 액추에이터들의 복잡한 운동을 수용하도록 하기 위한 보호 커버에 대한 요구가 있음을 알 수 있다.
본 발명은 상기한 문제들을 감안하여 개발된 것이다. 본 발명의 목적은, 상기 액추에이터, 특히 액추에이터 내의 다이어프램의 예상된 수명을 단축시킬 수 있는 도로와 연관된 화학제 및 물질의 유입을 억제하는 보호 부트(protective boot)를 제공하는 데에 있다.
본 발명은 동일한 도면부호가 유사한 부분을 나타내는 첨부된 도면에 제한이 아닌 예로서 도시된다.
도 1은 일반적인 웨이스트 게이트로 된 터보차저의 단면을 도시한다.
도 2는 본 발명의 웨이스트 게이트로 된 터보차저의 단면을 도시한다.
도 3은 본 발명의 부트를 갖는 액추에이터의 단면도를 도시한다.
도 4a 및 4b는 상기 액추에이터 샤프트 및 부착물의 운동을 도시한다.
도 5a 및 5b는 소형 단부 축방향 제한 돌기 및 홈을 도시한다.
도 6a 및 5b는 공기 통로 홈을 가지는 소형 단부 축방향 제한 돌기 및 홈을 도시한다.
도 7a 및 7b는 홀더를 나타내는 도면을 도시한다.
도 8은 부트 구조의 단면도를 도시한다.
도 9는 소용돌이 구조의 단면도를 도시한다.
상기한 바와 같이, 액추에이터 샤프트 조립체가 축방향 및 반경방향으로 이동하는 운동은 단순한 운동이 아니다. 일반적으로, 상기 액추에이터 샤프트 조립체의 웨이스트 게이트 단부의 길이, 스트로크, 및 반경방향 변위는 인정할 수 있는 다이어프램 수명을 제공하기 위해 절충된다. 일반적으로, 상기 액추에이터 샤프트(50) 및 베어링(53)의 슬라이딩 운동 사이에는 실(seal)이 없으므로, 상기 다이어프램의 수명에 해로운 도로 물질이 상기 액추에이터 캐니스터로 유입되어 궁극적으로 상기 다이어프램을 손상시킨다.
본 발명자는, 상기 액추에이터로의 도로 유체 및 고체의 유입을 방지하는 비용 효율이 높은 실링 장치, 보다 상세하게는, 그 중심선(64)을 중심으로 회전하고 상기 액추에이터 샤프트를 축방향으로 변위됨에 따라 축방향으로 요동시키는 제어 암을 상기 샤프트가 이동시킴에 따라 상기 샤프트에 의하여 형성되는 복잡한 축방향 및 반경방향 운동을 다룰 수 있는 실링 장치를 구비함으로써, 상기 다이어프램 및 상기 액추에이터의 수명을 개선하고자 하였다. 다양한 종류의 실들(seals)이 고려되고 및 시험되지만, 궁극적으로 요구되는 사용 수명(service life)을 달성하지 못하였다.
본 발명자는 일단에 상기 액추에이터 샤프트를 부착시키고 타단에 상기 액추에이터의 홀더를 부착시키는 벨로우즈 타입의 실을 설계함으로써 결국 상기 어려운 문제를 해결하였다. 상기 벨로우즈 내의 복수의 소용돌이들을 설계하여, 상기 벨로우즈가 붕괴하거나 상기 샤프트에 닿게 하지 않고, 상기 액추에이터 샤프트의 임의의 플런지 또는 연장부가 상기 벨로우즈의 상대적인 선형 연장 또는 수축만을 일으키는 것을 확실하게 한다. 본 발명은 신규한 부착 방법 및 벨로우즈 실을 상기 액추에이터에 추가하거나 상기 액추에이터로부터 제거하는 신규한 방법을 포함한다. 또한, 본 발명은, 상기 벨로우즈로의 유체의 흡입을 배제하면서, 상기 벨로우즈의 내부로 및 내부로부터의 공기 흡입을 허용한다.
본 발명의 제1실시예에서, 벨로우즈(66)가 상기 액추에이터에 부가된다. 상기 벨로우즈는 상기 액추에이터 측의 대형 단부와 상기 웨이스트 게이트 측의 소형 단부를 갖는다. 상기 소형 단부는, 상기 샤프트(50) 내의 상호보완 홈(54)에 끼워지는 상기 벨로우즈 내의 협착(narrowing) 또는 돌기(55)에 의하여, 상기 액추에이터 샤프트(50)에 반경방향 및 축방향으로 밀봉 및 부착된다. 도 6a 및 6b에 도시된 바와 같이, 상기 벨로우즈의 소형 단부 내의 돌기(55)의 일반적인 원통형인 내면(56)은 상기 샤프트(50)의 내부에 형성된 홈의 일반적인 원통형인 외면에 대하여 반경방향으로 밀봉한다. 조립을 위하여, 이러한 디자인은, 상기 돌기(55)가 상기 홈(54)에 빠져 상기 벨로우즈의 소형 단부를 축방향으로 위치시키고 상기 샤프트에 대한 상기 벨로우즈의 원주방향 밀봉을 제공할 때까지 상기 벨로우즈의 소형 단부가 상기 샤프트의 외경에 걸쳐 슬라이드하게 한다.
상기 벨로우즈의 대형 단부에서 동일한 배열이 존재한다. 본 발명의 하나의 모드에서, 상기 벨로우즈(66)는, 상기 벨로우즈의 상기 대형 단부의 내면에, 상기 홀더(65) 내의 상호보완 홈(67)에 끼워지는 돌기(68)를 갖는다. 상기 벨로우즈의 상기 대형 단부를 상기 홀더(65)로 조립하기 위해, 상기 벨로우즈의 상기 대형 단부 내의 개구가 상기 홀더의 단부의 상기 웨이스트 게이트 측상의 챔퍼(chamfer)(81) 위로 및 상기 홀더 내의 상기 홈 또는 요홈(67) 내로 슬라이드 되어, 상기 벨로우즈의 상기 대형 단부를 축방향으로 구속하고 상기 벨로우즈에 대해 상기 홀더를 원주방향으로 밀봉한다. 이러한 디자인에 의하여, 상기 샤프트 및 액추에이터에 대하여 상기 벨로우즈를 밀봉하고 구속하기 위한 추가적인 클램프들이 요구되지 않는다.
상기 홀더(65)는, 상기 액추에이터가 브래킷에 조립될 때 상기 액추에이터로 조립될 수 있거나 상기 액추에이터로부터 생략될 수 있도록, 별도의 부재로 설계된다. 그 이유는 몇몇의 적용예에서는 상기 벨로우즈(및 홀더)를 요구하지 않아 본 발명자들은 상기 벨로우즈 및 홀더가 상기 조립체에 추가될 수 있거나 제거될 수 있는 디자인을 가지도록 하였기 때문이다. 이러한 부품 수 축소를 가능하게 하기 위해, 상기 홀더(65)의 플랜지(82)는, 상기 홀더 플랜지의 대략적인 두께가 상기 열 실드(43)의 대략적인 두께와 같게 되도록, 설계된다. 상기 열 실드는 상기 액추에이터의 상기 베이스 링(46) 및 액추에이터 브래킷(42)의 탑 플랜지(41) 사이에 개재되기 때문에, 상기 홀더를 추가하는 것은, 상기 액추에이터가 상기 브래킷에 조립될 때, 상기 홀더(65)의 플랜지(82)를 상기 액추에이터 및 상기 액추에이터 브래킷(42)의 상기 탑 플랜지(41) 사이에 삽입하는 것에 의하여 간단하게 수행된다. 상기 액추에이터 중심선에 대한 상기 홀더의 동심도(concentricity)는 상기 홀더의 외경이 상기 액추에이터 열 실드(43)의 베이스의 홀 내에 끼워지는 것에 의하여 달성된다. 상기 액추에이터 중심선에 대한 상기 홀더의 동심도도 상기 액추에이터 베이스 링 상의 파일럿 직경(pilot diameter)에 의하여 관리될 수 있다.
본 발명의 제1실시예의 변형예에서, 상기 홀더의 플랜지(82)가 상기 열 실드의 두께에 비하여 큰 두께를 가지는 경우, 또는 열 실드가 필요하지 않은 경우, 축방향 및 반경방향 정렬 및 상기 벨로우즈 홀더(65)의 끼움을 가능하게 하도록, 파일럿(pilot)이 상기 캐니스터의 베이스 링(46) 내로, 또는 상기 액추에이터 브래킷의 탑 플랜지(41) 내로 조립될 수 있다.
상기 터보차저의 수명과 동일하거나 긴 벨로우즈 수명을 제공하기 위하여, 상기 벨로우즈가, 붕괴되지 않으면서, 거의 상기 샤프트를 따라 축방향으로 수축 및 팽창하여야 한다는 것이 본 발명자들의 요구사항이었다. 이러한 요구를 충족시키기 위해, 본 발명자는, 상기 벨로우즈가, 작은 직경의 일반적인 원뿔형 소용돌이 단면으로 천이(즉, 파고의 감소)하는 큰 직경의 평행(즉, 일반적으로 원통형, 즉, 동일 파고(wave heights)) 소용돌이 단면을 가지도록 설계하였다. 도시된 실시예에서는, 상기 벨로우즈가 직경이 대략 8mm인 액추에이터 샤프트를 9mm 내지 33mm의 플런지 깊이(즉, 길이 변화)로 끼우도록 설계된다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 각 소용돌이는 대략 7mm 만큼 분리된 내면과 외면을 갖는다. 본 발명자들에 의한 시험에 의하면, 7mm 보다 큰 벽을 가지는 재료가 실제 벨로우즈 수명의 감소를 초래함을 보여 주었다. 상기 큰 직경의 평행 단면에서의 각 파형 또는 소용돌이(72)는 대략 19 내지 20mm의 최대 외경을 가지며, 대략 12mm 내지 13mm의 소용돌이의 최대 직경에서 내경이 되도록 규정된다. 상기 일반적인 원뿔형 단면(Φ1) 내에서의 상기 소용돌이들(71)의 최대 직경들은, 6°의 반각(half angle)을 가지는 외측 원뿔(Φ)과 12°의 반각을 가지는 내측 원뿔(Φ3)인 두 개의 원뿔들과 맞게 된다. 원뿔형 각도들(Φ1, 2, 3)은 대략 정지 상태에서 측정된다.
특히 바람직한 실시예에서, 원뿔형 라인은 실제 제2차(2nd order) 로그 곡선이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 소용돌이의 외면의 각도들(Φ)은 정지 상태에서 측정되며, 대략 60°이다.
상기 벨로우즈 내부의 공기의 체적은 상기 벨로우즈의 길이의 변화에 따라 변하기 때문에, 상기 벨로우즈 내부의 공기의 압력이 상기 벨로우즈 내로 또는 상기 벨로우즈로부터 흡입될 필요가 있다. 공기 흡입 통로를 제공하는 데에 있어, 상기 액추에이터의 내부 부품들은 상기 액추에이터의 수명에 해로울 수 있는 유체 및 도로 고체의 유입에 개방된다. 이러한 잠재적인 문제점들을 최소화하기 위해, 상기 통로의 설계 및 배치가 중요하다. 이러한 과제를 수행하기 위해, 본 발명자는 이 기능을 수행하는 최상의 방식이 작은 흡입홀(88)을 형성하는 것이라고 결정하였다.
본 발명의 제1실시예에서는, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 공기 흡입홀(88)은 상기 벨로우즈의 소형 단부의 방향으로의 마지막 소용돌이로부터 두 번째의 정점(peak)에 있다. 상기 홀이 휘어지는 구역에 위치하기 때문에 상기 공기 흡입홀의 주위의 재료에 작용하는 응력이 매우 클 수 있으므로, 상기 홀은, 상기 벨로우즈가 상기 벨로우즈 재료의 찢어짐으로 이어질 수 있는 응력을 상승시키는 경향을 최소화하도록, 신중하게 형성되어야 한다. 상기 홀의 주위의 응력 수준이 클 수 있는 반면, 상기 홀은 유체 및 고체의 유입을 최소화하도록 위치된다.
본 발명의 제1실시예의 공기 흡입홀의 위치에 대한 변형예에서, 도 6a 및 6b에 도시된 바와 같이, 공기 흡입 경로는 상기 벨로우즈의 상기 소형 단부의 축방향 제한을 제공하는 돌기(57) 내에 형성되는 홈(89)이 된다. 이러한 변형예에서, 통로는 응력이 상대적으로 낮은 영역에 존재하지만, 상기 샤프트의 아래로 이동할 수 있는 유체 또는 고체의 상기 액추에이터의 내부로의 유입 가능성이 크다.
다른 대체예에서, 상기 다이어프램(48) 및 상기 상부 캐니스터 쉘(45) 사이의 빈 공간을 채우기 위해 지령 공기 압력이 상기 공기 피팅(52)을 통하여 상기 액추에이터로 전달될 때, 상기 액추에이터로 유입되는 공기의 압력이 상기 다이어프램을 정지 위치로부터 이탈시키고 상기 액추에이터 샤프트를 연장시키며, 동시에 (a) 상기 체적을 감소시켜 상기 액추에이터 캐니스터의 스프링 측에 작용하는 압력을 증가시키고, (b) 상기 벨로우즈를 팽창시켜 상기 벨로우즈 내의 압력을 저감시키도록, 전용 통풍구가 상기 액추에이터 캐니스터의 상기 스프링 측과 상기 벨로우즈 사이에 구비될 수 있거나, 상기 샤프트(50) 및 부싱(53) 사이의 간격(gap)이 충분한 유극을 가지고 구비될 수 있다. 이들 두 개의 공간들(액추에이터 캐니스터의 스프링 측 및 벨로우즈) 사이의 통풍구의 효과는 더러운 주위 공기를 인입할 필요 없이 압력 평형을 가능하게 할 수 있다.
도시된 바와 같이, 상기 액추에이터는 공압에 의하여 구동되지만, 상기 액추에이터는 또한 전기적으로 또는 유압에 의하여 구동될 수 있다.

Claims (15)

  1. 터보차저에 있어서,
    터빈 하우징(2) 내의 터빈 휠(21);
    상기 터빈 하우징 내의 장치;
    상기 터빈 하우징 내의 상기 장치를 작동시키도록 상기 터보차저의 외측에 위치하는 액추에이터(40)로서,
    액추에이터 하우징,
    상기 액추에이터 하우징을 상부 캐니스터(45)와 하부 캐니스터(44)로 나누는 액추에이터 다이어프램(48), 및
    액추에이터 샤프트 제1 단부와 액추에이터 샤프트 제2 단부를 갖는 액추에이터 샤프트(50)로서, 상기 샤프트 제1 단부는 상기 액추에이터 다이어프램(48)과 연결되고, 상기 샤프트는 상기 하우징으로부터 연장되고 상기 액추에이터 하우징에 대하여 연장된 위치와 수축된 위치 사이에서 이동 가능하며, 상기 샤프트 제2 단부는 상기 장치의 작동을 위해 상기 터빈 하우징 내의 장치와 작동되게 연결되는 상기 액추에이터 샤프트(50)를 포함하는, 상기 액추에이터(40); 및
    상기 액추에이터 하우징에 밀봉되게 부착되는 큰 직경 단부와, 상기 액추에이터 샤프트(50)에 밀봉되게 부착되는 작은 직경 단부를 갖는 벨로우즈 실(seal)(66);을 포함하고,
    상기 벨로우즈 실은 상기 큰 직경 단부 상의 일반적인 원통형 단면과 상기 작은 직경 단부 상의 일반적인 원뿔형 단면을 갖는 소용돌이 구조를 축방향으로 갖는, 터보차저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 벨로우즈 실(66)의 작은 직경 단부는 상기 샤프트(50) 내의 상호보완 홈(54) 내에 끼워지는 원주방향 돌기(55)를 포함하거나 그 반대인 터보차저.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 벨로우즈 실(66)의 큰 직경 단부는 원주방향 내측 돌기(68)를 구비하고, 상기 액추에이터 하우징은 상기 내측 돌기(68)와 상호보완하는 홈(67)을 갖는 홀더(65)를 구비하며, 상기 벨로우즈 실(66)의 내면에서의 상기 원주방향 내측 돌기(68)는 상기 홀더(65) 내의 홈(67) 내에 안착되거나 그 반대인 터보차저.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 홀더(65)는 제거 가능한 부품인 터보차저.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 벨로우즈 실(66)을 상기 액추에이터 하우징 또는 액추에이터 샤프트에 고정시키는 클램프를 더 포함하는 터보차저.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 벨로우즈 실의 주름들의 벽 두께는 6.5 내지 7.5 mm인 터보차저.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 일반적인 원뿔형 단면(Φ1) 내에서의 소용돌이들(71)의 최대 직경들은 두 개의 원뿔들 사이에서 맞게 되며, 정지 상태에서 측정하였을 때, 외측 원뿔(Φ2)은 6°의 반각(half angle)을 갖고 내측 원뿔(Φ3)은 12°의 반각을 가지는 터보차저.
  8. 제1항에 있어서,
    원뿔형 라인은 실제 제2차(2nd order) 로그 곡선인 터보차저.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 벨로우즈 실 내의 흡입홀(88)을 더 포함하는 터보차저.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 액추에이터 하우징은 스프링 측 및 공압 압력 제어 측을 가지며, 상기 액추에이터 하우징은 상기 액추에이터 하우징의 상기 스프링 측 및 상기 벨로우즈 실 내부 사이에서 흡입을 허용하도록 설계되는 터보차저.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 액추에이터는 공압 액추에이터인 터보차저.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 터빈 하우징 내의 장치는 웨이스트 게이트인 터보차저.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 터빈 하우징 내의 장치는 VTG 기구인 터보차저.
  14. 삭제
  15. 삭제
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