KR101999695B1 - 가변형 베인이 구비된 터보차저 - Google Patents

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KR101999695B1 KR1020180061667A KR20180061667A KR101999695B1 KR 101999695 B1 KR101999695 B1 KR 101999695B1 KR 1020180061667 A KR1020180061667 A KR 1020180061667A KR 20180061667 A KR20180061667 A KR 20180061667A KR 101999695 B1 KR101999695 B1 KR 101999695B1
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Abstract

본 발명에 따른 가변형 베인이 구비된 터보차저는 중공부가 형성되고, 일측면에 중심축을 기준으로 일정 반경을 따라 다수의 인입홈이 형성되며, 고정된 상태를 유지하는 커버링; 커버링의 일측면에 대향하여 상호 간격을 두도록 배치되고, 다수의 인입홈과 마주하는 지점에 관통홀이 형성되며, 중공부에 터빈 휠이 배치된 베이스링모듈; 및 베이스링모듈의 관통홀을 관통하면서 커버링의 인입홈에 인입되고, 커버링과 베이스링모듈 사이 영역과 대응되는 구간에는 회전각도에 따라 터빈 휠 측으로 유입되는 배기가스의 유속을 조절하도록 날개부가 형성된 베인;을 포함할 수 있다.

Description

가변형 베인이 구비된 터보차저 {Turbocharger with Variable Vane}
본 발명은 별도의 스페이서를 구비하지 않더라도 효율적으로 노즐 간극을 확보할 수 있는 가변형 베인이 구비된 터보차저에 관한 것이다.
일반적으로 자동차 엔진의 배기매니폴드에는 엔진에서 배출되는 배기가스를 이용하여 터빈을 돌려 엔진의 출력을 향상시키고 배기가스를 줄이며 운전자가 요구하는 엔진의 속도와 힘에 대응하여 최적의 흡입공기를 제공하기 위하여 흡입공기의 압력을 자유로이 조절할 수 있는 고압 흡입공기 공급장치(VGT:Variable Geometry Turbocharger)가 형성된다.
이러한 고압 흡입공기 공급장치(VGT)는 저속 회전 영역의 성능 개선을 위하여 엔진의 작동 영역에 따라 베인을 이용하여 배기 터빈의 유로 면적 및 유동 방향을 가변적으로 변화시켜 저속 토크의 성능을 향상시키고, 저속 배기가스의 감속과 가속 성능을 향상시킬 수 있도록 마련된다.
그러나, 종래의 고압 흡입공기 공급장치용 베인 카트리지는 커버링과 베이스링 사이에 설치되는 스페이서(spacer: 나란히 조립되는 물품과 물품 사이의 간격을 고르게 유지하기 위하여 그 사이 공간에 끼워지는 라이너)가 조립되기 때문에, 조립 강도에 따라 스페이서가 설치되는 위치마다 노즐 폭이 달라지고, 노즐 폭이 설치과정을 통해 설정되면 변경하기 어렵다는 문제점이 있었다.
아울러, 터빈 하우징으로 배기가스가 유입될 때 스페이서가 베인으로 유동하는 공기의 유동을 방해하여 효율 저하가 발생하는 문제점도 있었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2005-0030050 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 별도로 스페이서를 적용하지 않으면서, 베이스링과 커버링 사이의 간격을 확보하도록 마련됨으로써, 베인으로 유동하는 공기의 유동 효율을 극대화하는 가변형 베인이 구비된 터보차저를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가변형 베인이 구비된 터보차저는 중공부가 형성되고, 일측면에 중심축을 기준으로 일정 반경을 따라 다수의 인입홈이 형성되며, 고정된 상태를 유지하는 커버링; 커버링의 일측면에 대향하여 상호 간격을 두도록 배치되고, 다수의 인입홈과 마주하는 지점에 관통홀이 형성되며, 중공부에 터빈 휠이 배치된 베이스링모듈; 및 베이스링모듈의 관통홀을 관통하면서 커버링의 인입홈에 인입되고, 커버링과 베이스링모듈 사이 영역과 대응되는 구간에는 회전각도에 따라 터빈 휠 측으로 유입되는 배기가스의 유속을 조절하도록 날개부가 형성된 베인;을 포함할 수 있다.
베인은 일단에 날개부로부터 돌출되어 인입홈에 인입되는 삽입부가 형성되고, 타단에 베인 암이 결합되어 회전력을 전달받음으로써 회전각도가 가변되는 것을 특징으로 할 수 있다.
삽입부의 직경은 날개부의 두께보다 짧은 것을 특징으로 할 수 있다.
베이스링모듈은, 일측면으로부터 오일을 공급받아 타측면으로 배출하는 오일유로가 내부에 형성되고, 고정된 상태를 유지하는 고정베이스링; 및 고정베이스링의 타측면을 감싸 밀폐된 챔버를 형성하고, 고정베이스링을 기준으로 축방향을 따라 슬라이딩 가능하게 설치됨으로써 챔버로 유입되는 오일 유량에 따라 축방향 슬라이딩 이동하는 가변베이스링;으로 구성된 것을 특징으로 할 수 있다.
베인에는 날개부 단부에서 반경방향으로 돌출되도록 형성되어, 베인이 가변베이스링 측으로 이동될 시 일측면이 가변베이스링과 면착되면서 걸리는 스토퍼가 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
커버링과 가변베이스링은 상호 최대로 이격된 거리가 날개부의 폭보다 긴 것을 특징으로 할 수 있다.
베인의 회전각도가 날개부 열림량이 축소되는 방향으로 가변될수록 고정베이스링의 오일유로로 공급되는 오일 유량을 증가시키는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 가변형 베인이 구비된 터보차저에 따르면 별도의 스페이서를 적용하지 않으면서 베이스링과 커버링 사이의 간격을 확보하도록 마련되는바, 스페이서에 의한 공기 유동 방해 현상을 해소할 수 있다.
또한, 가변베이스링이 고정베이스링을 기준으로 슬라이딩되도록 마련됨으로써, 베인이 커버링에 대해서 상대 이동하면서 적합한 노즐 간극(Nozzle Clearance)를 형성하여 궁극적으로는 공기 유동 효율을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 베이스링모듈 및 베인 조립체를 도시한 사시도,
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 베인이 구비된 터보차저를 도시한 조립도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 베인이 구비된 터보차저의 단면도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가변형 베인이 구비된 터보차저에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 베이스링모듈 및 베인 조립체를 도시한 사시도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 베인이 구비된 터보차저를 도시한 조립도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 가변형 베인이 구비된 터보차저는 중공부(102)가 형성되고, 일측면에 중심축을 기준으로 일정 반경을 따라 다수의 인입홈(104)이 형성되며, 고정된 상태를 유지하는 커버링(100); 커버링(100)의 일측면에 대향하여 상호 간격을 두도록 배치되고, 다수의 인입홈(104)과 마주하는 지점에 관통홀(114)이 형성되며, 중공부(112)에 터빈 휠(미도시)이 배치된 베이스링모듈(110); 및 베이스링모듈(110)의 관통홀(114)을 관통하면서 커버링(100)의 인입홈(104)에 인입되고, 커버링(100)과 베이스링모듈(110) 사이 영역과 대응되는 구간에는 회전각도에 따라 터빈 휠(미도시) 측으로 유입되는 배기가스의 유속을 조절하도록 날개부(122)가 형성된 베인(120);을 포함할 수 있다.
본 발명의 커버링(100) 및 베이스링모듈(110)은 터보차저의 터빈(turbine)을 구성하는 장치로서, 커버링과 베이스링모듈의 중공부(102,112)에는 배기가스를 공급받아 회전하는 터빈 휠(미도시)이 구비된다.
여기서, 터빈 휠은 터빈하우징으로 유입되는 배기가스를 반경방향 외측으로부터 전달받아 회전 동작하는데, 터빈하우징으로 유입된 배기가스는 커버링(100)과 베이스링모듈(110)의 상호 이격된 구간을 통해 터빈 휠 측으로 유동함으로써 터빈 휠을 회전시키게 된다.
본 발명은 베이스링모듈(110)의 관통홀(114)을 관통하여 회전가능하도록 장착되면서, 커버링(100)과 베이스링모듈(110)의 사이 공간으로 유입되는 배기가스의 유속을 변화시키는 가변형 베인(120) 구성이 마련된다.
특히, 본 발명의 베인(120)은 도 3에 도시된 바와 같이 커버링(100)의 일측면에 형성된 인입홈(104)으로 인입되도록 형성됨으로써, 별도의 스페이서가 커버링(100)과 베이스링모듈(110) 사이에 구비되지 않더라도 날개부(122) 너비에 의해 사이 공간이 확보될 수 있다.
도 1과 같이 베인(120)은 커버링(100)과 베이스링모듈(110) 사이 공간에 유선 형상의 날개부(122)가 형성되는데, 그 회전 각도에 따라 각각의 날개부(122) 사이 공간인 배기가스 통로가 좁아지거나 넓어짐으로써, 통로를 통과하는 배기가스의 유속이 변화하게 된다.
따라서, 차량 저속 조건인 경우에는 배기가스 통로가 좁아지도록 베인(120)을 회전시킴으로써, 적은 양의 배기가스로도 유속을 빠르게 하여 터빈 휠을 빠르고 효율적으로 구동시킬 수 있게 된다.
반대로, 고속 조건인 경우에는 배기가스 통로가 넓어지도록 베인(120)을 회전시킴으로써, 많은 양의 배기가스가 터빈 휠 측으로 유동할 수 있도록 하여, 효율 저하가 일어나는 것을 방지할 수 있다.
좀 더 구체적으로, 본 발명에서 베인(120)은 일단에 날개부(122)로부터 돌출되어 인입홈(104)에 인입되는 삽입부(124)가 형성되고, 타단에 베인 암(130)이 결합되어 회전력을 전달받음으로써 회전각도가 가변될 수 있다.
즉, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 삽입부(124)는 커버링(100)의 인입홈(104)에 삽입될 수 있도록 날개부(122)로부터 원통 형상으로 돌출 형성되도록 마련된다.
따라서, 커버링(100)은 다수의 베인(120)에 형성된 삽입부(124)들에 의해 고정되도록 마련됨으로써, 별도의 스페이서를 적용하지 않더라도 베이스링모듈(110)에 대해 균일한 이격 간격을 유지할 수 있다.
궁극적으로, 종래에는 커버링(100)과 베이스링모듈(110) 사이 공간에 스페이서가 별도로 마련되었는데, 이는 배기가스의 유동 저항으로 작용하여 터빈의 작동 효율을 저감시키는 요인이었다. 하지만, 본 발명은 별도로 스페이서를 적용하지 않더라도 커버링(100)과 베이스링모듈(110) 사이의 이격간격을 균일하게 유지할 수 있는바, 터빈 내에서의 배기가스 유동 효율을 극대화할 수 있다.
부가적으로, 삽입부(124)의 직경은 날개부(122)의 두께보다 짧은 것을 특징으로 할 수 있다. 즉, 삽입부(124)의 직경이 날개부(122)의 두께보다 짧게 형성됨으로써 커버링(100)의 인입홈(104)에 날개부(122)가 들어가는 현상을 막을 뿐 아니라, 날개부(122)와 커버링(100)의 일측면 사이의 간극이 벌어지는 상황이 발생할 경우에 삽입부(124)가 유동하는 배기가스에 저항으로 작용하는 면적을 최소화할 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 베인이 구비된 터보차저의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 가변형 베인이 구비된 터보차저에서 베이스링모듈(110)은, 일측면으로부터 오일을 공급받아 타측면으로 배출하는 오일유로(119)가 내부에 형성되고, 고정된 상태를 유지하는 고정베이스링(116); 및 고정베이스링(116)의 타측면을 감싸 밀폐된 챔버(117)를 형성하고, 고정베이스링(116)을 기준으로 축방향을 따라 슬라이딩 가능하게 설치됨으로써 챔버(117)로 유입되는 오일 유량에 따라 축방향 슬라이딩 이동하는 가변베이스링(118);으로 구성될 수 있다.
여기서, 고정베이스링(116)의 오일유로(119)는 오일펌프로부터 오일을 공급받도록 마련됨으로써, 고정베이스링(116)과 가변베이스링(118) 사이의 밀폐된 영역인 챔버(117)로 오일을 공급할 수 있다.
가변베이스링(118)은 고정베이스링(116)에 대해 축 방향을 따라 슬라이딩 가능하도록 장착되는바, 챔버(117)로 유입되는 오일 유량이 증가하면 가변베이스링(118)이 고정된 고정베이스링(116)으로부터 멀어지면서, 베인(120)을 이동시켜 베인(120)의 날개부(122)와 커버링(100) 사이의 노즐 간극을 최소화하게 된다.
따라서, 선택적으로 베인(120)의 날개부(122)와 커버링(100) 사이의 노즐 간극(Nozzle Clearance)을 가변제어할 수 있게 된다.
여기서, 베인(120)에는 날개부(122) 단부에서 반경방향으로 돌출되도록 형성되어, 베인(120)이 가변베이스링(118) 측으로 이동될 시 일측면이 가변베이스링(118)과 면착되면서 걸리는 스토퍼(126)가 형성될 수 있다.
즉, 가변베이스링(118)이 고정베이스링(116)으로부터 멀어질 때, 베인(120)도 스토퍼(126)에 의해 이동가능하게 마련됨으로써 베인의 날개부(122)와 커버링(100)의 일측면 사이의 노즐 간극을 가변할 수 있다.
본 발명에서 커버링(100)과 가변베이스링(118)은 상호 최대로 이격된 거리가 날개부(122)의 폭보다 긴 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, 챔버(117)로 오일이 유입되지 않는 경우에는 가변베이스링(118)이 고정베이스링(116)에 밀착되는바, 커버링(100)과 가변베이스링(118) 사이의 이격된 간격이 최대가 되는데, 이 때의 간격이 베인(120)의 날개부(122) 폭보다 길게 형성됨으로써 노즐 간극을 증가시키는 방식으로도 제어가 가능하게 구비될 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 가변형 베인이 구비된 터보차저는 베인(120)의 회전각도가 날개부(122) 열림량이 축소되는 방향으로 가변될수록 고정베이스링(116)의 오일유로(119)로 공급되는 오일 유량을 증가시키는 제어부(미도시);를 더 포함할 수 있다.
즉, 베인(120)의 날개부(122) 열림량이 완전히 개방되어 날개부(122) 상에 배기가스에 의한 하중 작용이 없을 경우, 노즐 간극에 의한 손실은 거의 발생하지 않는다. 따라서, 제어부(미도시)는 베인(120)이 완전 개방된 상태에서는 노즐 간극을 최대화하여 많은 양의 배기가스가 터빈 휠로 공급되도록 하여 터빈 효율을 극대화할 수 있다.
반면, 베인(120)의 날개부(122) 열림량이 줄어들어 날개부(122)에 고하중이 작용할 경우, 노즐 간극에 의한 배기가스 누설 유동은 터보차저 효율을 저하시키는 요인이 된다. 따라서, 이 경우에 제어부(미도시)는 노즐 간극을 제거하기 위해 챔버(117)에 공급하는 오일 유량을 증가시켜 터보차저 효율을 확보할 수 있다.
따라서, 상술한 바와 같은 구조로 이루어진 가변형 베인이 구비된 터보차저에 따르면 별도의 스페이서를 적용하지 않으면서 베이스링과 커버링 사이의 간격을 확보하도록 마련되는바, 스페이서에 의한 공기 유동 방해 현상을 해소할 수 있다.
또한, 가변베이스링이 고정베이스링을 기준으로 슬라이딩되도록 마련됨으로써, 베인이 커버링에 대해서 상대 이동하면서 적합한 노즐 간극(Nozzle Clearance)를 형성하여 궁극적으로는 공기 유동 효율을 개선할 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100: 커버링
102: 중공부
104: 인입홈
110: 베이스링모듈
112: 중공부
114: 관통홀
116: 고정베이스링
117: 챔버
118: 가변베이스링
119: 오일유로
120: 베인
122: 날개부
124: 삽입부
126: 스토퍼
130: 베인 암
140: 컨트롤링

Claims (7)

  1. 중공부가 형성되고, 일측면에 중심축을 기준으로 일정 반경을 따라 다수의 인입홈이 형성되며, 고정된 상태를 유지하는 커버링;
    커버링의 일측면에 대향하여 상호 간격을 두도록 배치되고, 다수의 인입홈과 마주하는 지점에 관통홀이 형성되며, 중공부에 터빈 휠이 배치된 베이스링모듈; 및
    베이스링모듈의 관통홀을 관통하면서 커버링의 인입홈에 인입되고, 커버링과 베이스링모듈 사이 영역과 대응되는 구간에는 회전각도에 따라 터빈 휠 측으로 유입되는 배기가스의 유속을 조절하도록 날개부가 형성된 베인을 포함하고;
    베이스링모듈은, 일측면으로부터 오일을 공급받아 타측면으로 배출하는 오일유로가 내부에 형성되고, 고정된 상태를 유지하는 고정베이스링; 및
    고정베이스링의 타측면을 감싸 밀폐된 챔버를 형성하고, 고정베이스링을 기준으로 축방향을 따라 슬라이딩 가능하게 설치됨으로써 챔버로 유입되는 오일 유량에 따라 축방향 슬라이딩 이동하는 가변베이스링;으로 구성된 것을 특징으로 하는 가변형 베인이 구비된 터보차저.
  2. 청구항 1에 있어서,
    베인은 일단에 날개부로부터 돌출되어 인입홈에 인입되는 삽입부가 형성되고, 타단에 베인 암이 결합되어 회전력을 전달받음으로써 회전각도가 가변되는 것을 특징으로 하는 가변형 베인이 구비된 터보차저.
  3. 청구항 2에 있어서,
    삽입부의 직경은 날개부의 두께보다 짧은 것을 특징으로 하는 가변형 베인이 구비된 터보차저.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    베인에는 날개부 단부에서 반경방향으로 돌출되도록 형성되어, 베인이 가변베이스링 측으로 이동될 시 일측면이 가변베이스링과 면착되면서 걸리는 스토퍼가 형성된 것을 특징으로 하는 가변형 베인이 구비된 터보차저.
  6. 청구항 1에 있어서,
    커버링과 가변베이스링은 상호 최대로 이격된 거리가 날개부의 폭보다 긴 것을 특징으로 하는 가변형 베인이 구비된 터보차저.
  7. 청구항 1에 있어서,
    베인의 회전각도가 날개부 열림량이 축소되는 방향으로 가변될수록 고정베이스링의 오일유로로 공급되는 오일 유량을 증가시키는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 베인이 구비된 터보차저.
KR1020180061667A 2018-05-30 2018-05-30 가변형 베인이 구비된 터보차저 KR101999695B1 (ko)

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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050030050A (ko) 2003-09-24 2005-03-29 현대자동차주식회사 가변 지오메트리 터보 차저 시스템의 터빈 회전 제어장치
JP2010090715A (ja) * 2008-10-03 2010-04-22 Ihi Corp ターボチャージャ
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JP2011231740A (ja) * 2010-04-30 2011-11-17 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 可変容量タービンおよびこれを備えた可変容量ターボチャージャ

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