KR102076638B1 - 가변 터빈 구조를 구비한 혼류 터보차저 - Google Patents

Abstract

가변 터빈 구조를 포함하는 터보차저(10)가, 축방향으로 연장된 터빈 회전축(R1)을 갖는 터빈 휠(24)을 구비한다. 터보차저(10)는 또한, 일정 범위의 각위치들 사이에서 선택적으로 이동 가능한 복수의 가이드 베인(34)을 구비한다. 가이드 베인(34) 각각은 가이드 베인 회전축(R2)을 중심으로 피봇 회전 운동하도록 지지되고, 각각의 가이드 베인 회전축(R2)은 터빈 회전축(R1)에 평행하지 않다.

Description

가변 터빈 구조를 구비한 혼류 터보차저{MIXED-FLOW TURBOCHARGER WITH VARIABLE TURBINE GEOMETRY}

본 발명은 내연기관용 터보차저에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 가변 터빈 구조를 구비한 혼류 터보차저에 관한 것이다.

관련 출원에 대한 교차 참조

본 출원은 2012년 2월 2일자로 출원된 "가변 터빈 구조를 구비한 혼류 터보차저(Mixed-Flow Turbocharger With Variable Turbine Geometry)"라는 명칭의 미국 가출원 번호 제61/594,031호 및 2012년 2월 6일자로 출원되 "배기가스 터보차저(Exhaust Gas Turbocharger)"라는 명칭의 독일 출원 번호 제102012002278.6호의 우선권 및 모든 이익을 주장한다.

터보차저는 내연기관과 함께 사용되는 일종의 강제 유도 시스템이다. 터보차저는 압축된 공기를 엔진 흡기부에 전달하여 더 많은 연료가 연소되도록 함에 따라, 엔진 중량을 크게 증가시키지 않고도 엔진의 출력 밀도를 증폭시킨다. 따라서 터보차저는 더 큰 자연 흡기 엔진과 동일한 양의 출력을 발생시키는 더 작은 엔진을 사용할 수 있게 한다. 차량에 더 작은 엔진을 이용하면, 차량의 질량을 감소시키고, 성능을 증대시키며, 연료 경제성을 향상시킨다는 원하는 효과를 얻게 된다. 더욱이, 터보차저를 이용하면 엔진에 전달된 연료를 더욱 완전히 연소시킬 수 있으며, 배기가스 감소라는 매우 바람직한 목표에 기여하게 된다.

터보차저는, 엔진의 배기 매니폴드에 연결된 터빈 하우징, 엔진의 흡기 매니폴드에 연결된 압축기 하우징, 및 터빈 하우징과 압축기 하우징을 함께 연결하는 베어링 하우징을 포함한다. 터빈 하우징 내의 터빈 휠은, 배기 매니폴드로부터 공급된 배기가스의 유입에 의해 회전 구동된다. 중앙 베어링 하우징 내에 회전 가능하게 지지된 샤프트는, 터빈 휠을 압축기 하우징 내의 압축기 임펠러에 연결하여, 터빈 휠의 회전이 압축기 임펠러의 회전을 야기하게 된다. 터빈 휠과 압축기 임펠러를 연결하는 샤프트는 회전축을 정의한다. 압축기 임펠러가 회전함에 따라, 엔진의 흡기 매니폴드를 통해 엔진의 실린더들로 전달되는 공기 압력, 기류 밀도, 및 공기 질량 유량이 증가한다.

터빈 휠을 회전 구동시키는 배기가스의 터빈 휠로의 유동은, 대체로 반경류 또는 혼류로서 특징지어진다. 반경류 터보차저에서, 배기가스는 회전축에 대해 반경방향으로 터빈 하우징의 휠 입구를 통해 터빈 휠로 안내된다. 다시 말해서, 반경류 터보차저에서 배기가스의 휠 입구를 통한 터빈 휠로의 유동은, 터빈 휠의 회전축에 수직이다. 반대로, 혼류 터보차저에서, 배기가스는 회전축에 대해 반경방향 성분과 축방향 성분 둘 다를 포함하는 방향으로 터빈 하우징의 휠 입구를 통해 터빈 휠로 안내된다. 다시 말해서, 혼류 터보차저에서 배기가스의 휠 입구를 통한 터빈 휠로의 유동은, 터빈 휠의 회전축에 수직이 아니다.

터보차저의 효율, 반응성 또는 동작 범위를 개선하기 위해 터빈 휠로 흐르는 배기가스를 조절하는 것이 종종 유리하다. 터빈 휠로 흐르는 배기가스를 조절하는 한 가지 방법은 보통, 가변 터빈 구조(VTG, Variable Turbine Geometry), 가변 구조 터빈(VGT, Variable Geometry Turbine), 가변 노즐 터빈(VNT, Variable Nozzle Turbine) 또는 단순히 가변 구조(VG, Variable Geometry)를 비롯한 여러 가지 명칭으로 지칭된다. VTG 터보차저는, 터빈 휠로 이어지는 휠 입구 내부에 위치되며 상부 및 하부 베인 링 사이에 피봇 방식으로 지지되는 복수의 조정 가능한 가이드 베인을 포함한다. 인접한 가이드 베인들 사이의 공간은 터빈 휠로 흐르는 배기가스를 위한 유동 채널을 구성하며, 유동 채널들의 기하구조는, 가이드 베인을 개방 위치와 폐쇄 위치 사이의 소정 범위의 각위치(angular position) 내에서 조정함으로써, 조정 가능하다. 개방 위치에서, 가이드 베인은 회전축에 대해 대략 반경방향으로 연장되어, 배기가스가 휠 입구를 통해 터빈 휠로 흐르게 한다. 폐쇄 위치에서, 가이드 베인은 회전축에 대해 대략 접선방향으로 연장되어, 배기가스가 휠 입구를 통해 터빈 휠로 흐르는 것을 차단한다. 낮은 엔진 속도에서 높은 부스트 압력을 제공하기 위하여, 가이드 베인은 인접한 가이드 베인들 사이의 유동 채널들을 축소시키도록 조정된다. 그 결과 배기가스는 높은 속도로 유동 채널을 통해 이동하게 된다. 배기가스의 증가된 운동 에너지는 터빈 휠로 전달되어, 부스트 압력을 증가시킨다. 높은 엔진 속도에서, 가이드 베인은 인접한 가이드 베인들 사이의 유동 채널들을 개방하도록 조정된다. 그 결과 배기가스는 더 낮은 속도로 터빈 휠에 충돌하고, 따라서 부스트 압력을 감소시키게 된다.

반경류 터보차저에서, 각각의 가이드 베인은 터빈 휠의 회전축에 평행한 샤프트 축을 중심으로 피봇 회전한다. 그러므로, 가이드 베인과 상부 및 하부 베인 링 사이의 간극은, 가이드 베인이 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 피봇 회전할 때 일정하게 유지된다. 또한, 각각의 가이드 베인의 샤프트 축에 평행한 회전축을 갖는 제어 링은 구동 블록들을 포함하며, 구동 블록은, 제어 링의 회전에 응답하여 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 가이드 베인을 구동시키기 위해 제어 링에 고정되고 각각의 가이드 베인의 베인 포크에 작동 가능하게 결합된다. 가이드 베인의 조정 중 베인 포크와 구동 블록 사이에 미끄럼 접촉이 이루어지도록, 베인 포크는 제어 링의 회전 평면에 평행한 평면에서 피봇 회전한다는 점이 이해된다.

혼류 터보차저는 반경류 터보차저에 내재하는 몇몇 한계점을 극복하므로 엔진의 배기가스 에너지를 더 잘 이용할 수 있게 한다는 것은 터보차저 분야에서 잘 알려져 있다. 그러나, 가이드 베인을 혼류 터보차저에 통합하는 것에는 몇 가지 문제점이 있다. 첫째로, 터빈 휠의 회전축에 대해 수직이 아닌 방향으로 배기가스의 유동을 터빈 휠로 안내하도록 휠 입구가 배향된다. 이에 따라, 휠 입구에 대향하는 상부 및 하부 베인 링들의 측면들은, 터빈 휠의 회전축 주위로 연장된 원뿔형 표면을 정의한다. 다시 말해서, 휠 입구는 절두형 원뿔 형상을 가진다. 그러므로, 가이드 베인과 상부 및 하부 베인 링들 사이의 간극이 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 가이드 베인이 피봇 회전할 때 일정하지 않다. 더욱 구체적으로, 개방 또는 대략 반경방형 연장 위치에서, 가이드 베인과 상부 및 하부 베인 링들 사이의 간극은, 선단에서 후단까지 가이드 베인의 길이를 따라 균일하다. 반대로, 폐쇄 또는 대략 접선방향 연장 위치에서, 상부 베인 링의 원뿔형 표면은, 가이드 베인의 선단 및 후단으로부터 멀어지면서 만곡된다. 이에 따라, 상부 베인 링과 가이드 베인의 선단 및 후단 사이의 간극이 증가되고, 이는 터보차저의 성능 및 효율을 감소시킨다. 또한 폐쇄 위치에서, 하부 베인 링의 원뿔형 표면은, 가이드 베인의 선단 및 후단을 향해 만곡된다. 이에 따라, 하부 베인 링과 가이드 베인의 선단 및 후단 사이의 간극이 감소되고, 이는 가이드 베인의 바인딩을 방지하기 위해 해명되어야 한다.

둘째, 각각의 가이드 베인은 터빈 휠의 회전축에 평행하지 않은 샤프트 축을 중심으로 피봇 회전한다. 다시 말해서, 각각의 가이드 베인의 샤프트 축은, 터빈 휠의 회전축에 대해 경사지는 방식으로 예각으로 배치된다. 그러므로, 각각의 가이드 베인의 샤프트 축은 제어 링의 회전축에 평행하지 않다. 결과적으로, 베인 포크는 제어 링의 회전 평면에 평행하지 않은 평면에서 피봇 회전하여 가이드 베인의 조정 중 베인 포크와 구동 블록 사이에 구름 접촉이 일어난다. 이에 따라, 반류 터보차저에 사용되는 일반적인 베인 포크와 구동 블록 배치가 혼류 터보차저에서 사용된다면 바인딩이 발생할 것이다.

그러므로, 가이드 베인과 상부 및 하부 베인 링들 사이의 간극이 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 가이드 베인을 조정하는 동안 일정하게 유지되는, 조정 가능 가이드 베인을 구비한 혼류 터보차저를 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 터보차저는, 휠 입구를 통해 터빈 회전축을 갖는 터빈 휠로 배기가스가 흐르는 것을 조절하는 가이드 장치를 포함한다. 가이드 장치는 일정 범위의 각위치들 사이에서 선택적으로 이동 가능한 복수의 가이드 베인을 포함한다. 가이드 베인 각각은 터빈 회전축에 평행하지 않은 가이드 베인 회전축을 중심으로 피봇 회전한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 휠 입구의 상부 및 하부 입구 벽은 일치하는 구형 중심들을 갖는 상호보완적인 구형 표면들을 정의한다. 가이드 베인 각각의 가이드 베인 회전축은, 상부 및 하부 입구 벽들의 일치하는 구형 중심들을 통해 연장된다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 휠 입구의 상부 및 하부 입구 벽은, 일정 범위의 각위치들 사이에서 가이드 베인들이 피봇 회전할 때 가이드 베인 각각에 대한 평행한 경계벽을 정의하는 평면 부분을 포함한다.

첨부 도면과 함께 이하의 상세한 설명을 참조하여 본 발명을 더 잘 이해하게 됨에 따라 본 발명의 이점을 쉽게 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 터빈 구조를 구비한 혼류 터보차저의 부분 단면 사시도이다.
도 2는 도 1의 혼류 터보차저의 측단면도이다.
도 3은 가이드 베인을 구동하기 위한 구동 블록을 구비한 제어 링을 포함하는 가이드 장치의 부분 절개 사시도이다.
도 3a는 도 3의 제어 링과 함께 사용되는 대안적인 제1 구동 블록의 사시도이다.
도 3b는 도 3의 제어 링과 함께 사용되는 대안적인 제2 구동 블록의 사시도이다.
도 4는 개방 위치에 있는 하나의 가이드 베인을 예시하는 제어 링을 포함한 가이드 장치의 부분 절개 사시도이다.
도 5는 폐쇄 위치에 있는 하나의 가이드 베인을 예시하는 제어 링을 포함한 가이드 장치의 부분 절개 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 혼류 터보차저의 측단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가변 터빈 구조를 구비한 혼류 터보차저의 부분 단면 사시도이다.
도 8은 도 7의 혼류 터보차저의 측단면도이다.
도 9는 가이드 베인을 구동하기 위한 슬롯을 구비한 베인 구동 링을 포함하는 가이드 장치의 부분 절개 사시도이다.

도면들을 참조하면, 도 1에 터보차저 전체가 참조번호 10으로 도시되어 있다. 터보차저(10)는, 서로 연결된 압축기 하우징(14), 베어링 또는 중앙 하우징(16) 및 터빈 하우징(18)을 포함하는 하우징 조립체(12)를 포함한다. 베어링 하우징(16)은, 축방향으로 연장되어 회전축(R1)을 정의하는 회전 샤프트(20)를 지지한다. 복수의 블레이드를 구비한 압축기 임펠러(미도시)가 샤프트(20)의 일 단부에 장착되며 압축기 하우징(14) 내부에 수용된다. 복수의 블레이드를 구비한 터빈 휠(24)이 샤프트(20)의 반대측 단부에 장착되며, 터빈 하우징(18) 내부에 수용된다. 터빈 하우징(18)은, 배기 매니폴드(미도시)에 결합되며 배기 매니폴드로부터 터빈 휠(24)로 배기가스의 유동을 유도하기 위해 휠 입구(28) 내로 이어지는 볼류트(26)를 정의한다. 당업계에 잘 알려진 바와 같이, 터빈 휠(24)은 배기 매니폴드로부터 공급된 배기가스에 의해 회전 구동되어 샤프트(20)를 회전시키고, 그로 인해 압축기 임펠러가 회전하게 한다. 다시 말해서, 압축기 임펠러는 터빈 휠(24)에 의해 회전 구동된다. 터빈 휠(24)이 구동된 후, 배기가스는 터빈 하우징(18)으로부터 중앙 배출관 또는 배출기(30)를 통해 배출된다.

본 발명의 실시예에서, 반경방향 및 축방향 성분 둘 다를 포함하는 방향으로 배기가스의 유동이 터빈 휠(24)의 블레이드들의 선단에 충돌하게끔 안내되도록 터빈 하우징(18)의 휠 입구(28)가 배향되기 때문에, 터보차저(10)는 혼류 터보차저로서 특징지어진다. 다시 말해서, 터빈 휠(24)로의 배기가스 유동은 터빈 회전축(R1)에 수직이 아니다.

터보차저(10)의 성능 및 효율을 최대화하기 위해서, 보통 터빈 휠(24)로 흐르는 배기가스를 제어 또는 조절한다. 터빈 휠(24)로 배기가스가 흐르는 것을 조절하기 위한 가이드 장치(32)가 제공된다. 가이드 장치(32)는 터빈 하우징(18) 내부에 위치되며, 터빈 휠(24)로 이어지는 휠 입구(28) 내부에 위치한 복수의 가이드 베인(34)을 포함한다. 인접한 가이드 베인들(34) 사이의 공간은, 도 1에서 가장 잘 나타나 있는 유동 채널 또는 노즐목(35)을 정의하며, 이를 통해 배기가스가 터빈 휠(24)로 흐른다. 가이드 베인(34)의 각위치를 변화시킴으로써, 유동 채널(35)의 단면을 조정할 수 있다.

가이드 베인(34)은 터빈 회전축(R1) 주위에 원주방향으로 배열된다. 각각의 가이드 베인(34)은 피봇 샤프트(42)에 의해 상부 베인 링(38)과 하부 베인 링(40) 사이에 지지된다. 가이드 베인(34)이 고정되는 피봇 샤프트(42)는, 가이드 베인(34)의 피봇 회전 운동을 제공하도록 회전한다. 대안적으로, 가이드 베인(34)은 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서 피봇 샤프트(42)에 의해 상부 베인 링(38)과 터빈 하우징(18)의 링 형상 벽 사이에 지지될 수 있다. 상부 베인 링(38)은 휠 입구(28)의 일측에서 대략 베어링 하우징(16)을 향하는 방향으로 터빈 하우징(18)에 단단히 장착된다. 상부 베인 링(38)은 휠 입구(28)의 일 측을 구성하는 상부 입구 벽(44)을 포함한다. 상부 베인 링(38)은, 상부 입구 벽(44)이 볼록한 구형 표면을 정의하고 이에 따라 그에 상응하는 구형 중심을 갖도록, 가상의 구체로부터 취해진 링 형상 부분이다. 하부 베인 링(40)은 베어링 하우징(16)으로부터 대략 멀어지는 방향으로 상부 베인 링(38)으로부터 이격된다. 하부 베인 링(40)은, 휠 입구(28)의 또 다른 측을 구성하는 하부 입구 벽(46)을 포함한다. 하부 베인 링(40) 또한, 하부 입구 벽(46)이 오목한 구형 표면을 정의하고 이에 따라 그에 상응하는 구형 중심을 갖도록, 가상의 구체로부터 취해진 링 형상 부분이다. 상부 및 하부 입구 벽(44, 46)은, 상부 입구 벽(44)의 구형 중심이 하부 입구 벽(46)의 구형 중심과 일치한다는 점에서 상호보완적이다. 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서, 상부 입구 벽(44)이 오목한 구형 표면을 정의하고 하부 입구 벽(46)이 볼록한 구형 표면을 정의하며 이들의 구형 중심이 일치하여도 된다는 점을 고려한다.

각각의 피봇 샤프트(42)는, 상부 및 하부 베인 링(38, 40)의 상부 및 하부 입구 벽(44, 46)의 일치하는 구형 중심을 통해 연장되는, 상응하는 가이드 베인(34)과 연관된 가이드 베인 회전축(R2)을 정의한다. 각각의 가이드 베인 회전축(R2)은 터빈 회전축(R1)에 대해 예각으로 배치된다. 다시 말해서, 각각의 가이드 베인 회전축(R2)은 터빈 회전축(R1)과 평행하지 않다. 또한, 각각의 가이드 베인(34)은, 각각 상부 및 하부 입구 벽(44, 46)에 상호보완적인 형상의 상부 및 하부 에지(48, 50)를 포함한다. 더욱 상세하게, 각각의 가이드 베인(34)의 상부 에지(48)는 상부 입구 벽(44)의 볼록한 구형 표면에 상호보완적인 형상의 오목한 구형 표면을 가진다. 유사하게, 각각의 가이드 베인(34)의 하부 에지(50)는, 하부 입구 벽(46)의 오목한 구형 표면에 상호보완적인 형상의 볼록한 구형 표면을 가진다. 피봇 샤프트(42)는 가이드 베인(34)의 상부 에지(48)로부터 연장되어 상부 베인 링(38)의 상응하는 보어를 관통한다. 베인 레버 또는 베인 포크(52)가 가이드 베인(34)으로부터 멀어지는 쪽으로 각각의 피봇 샤프트(42)의 원위 단부(54)에 고정된다. 베인 포크(52)는 피봇 샤프트(42)에 대략 수직으로 연장되며, 서로 이격되어 그 사이에 리세스를 갖는 두 개의 가이드 아암(56)을 포함한다. 피봇 샤프트(42)는 또한 가이드 베인(34)의 하부 에지(50)로부터 연장되며 하부 베인 링(40)의 상응하는 보어 내로 삽입된다.

당업자에게 흔히 알려진 바와 같이, 가이드 베인(34)의 각위치를 제어하기 위해, 하우징 조립체(12) 외측에 구동 장치(미도시)가 제공되어, 하우징 조립체(12) 내로 연장되는 막자 부재(미도시)의 구동 운동을 제어한다. 막자 부재의 구동 운동은, 상부 베인 링(38)에 인접하게 위치된 제어 또는 조정 링(62)으로 전달된다. 더욱 상세하게, 막자 부재는, 베어링 하우징(16)에 대향하는 제어 링(62)의 제1 면(64)에 고정된 구동 러그(63)에 동작 가능하게 결합된다. 그로 인해 막자 부재의 구동 운동은 제어 링(62)의 회전 운동으로 전환된다. 제어 링(62)은 터빈 회전축(R1)에 동축인 제어 링 회전축(R3)을 정의한다. 서로 반대인 제1 및 제2 방향으로 제어 링 회전축(R3)을 중심으로 한 제어 링(62)의 회전 운동은, 개방 또는 대략 반경방향 연장 위치와 폐쇄 또는 대략 접선방향 연장 위치 사이에서의 가이드 베인(34)의 조정을 가능하게 한다. 개방 위치에서, 가이드 베인(34)은 터빈 회전축(R1)에 대해 대략 반경방향으로 연장되어, 배기가스가 휠 입구(28)를 통해 터빈 휠(24)로 흐를 수 있게 한다. 반대로 폐쇄 위치에서, 가이드 베인(34)은 터빈 회전축(R1)에 대해 대략 접선방향으로 연장되어, 배기가스가 휠 입구(28)를 통해 터빈 휠(24)로 흐르는 것을 차단한다. 도 1에서, 가이드 베인(34)은 개방 위치로 나타나 있다. 가이드 베인(34)은 터빈 휠(24)로의 배기가스의 원하는 유동에 따라 개방 위치와 폐쇄 위치 사이의 일정 범위의 각위치들을 통해 조정 가능하다. 도 3에서, 가이드 베인들(34) 중 하나가 개방 위치와 폐쇄 위치 사이의 하나의 각위치에 있는 것이 도시되어 있다.

상부 및 하부 메인 링(38, 40)에 대한 제어 링(62)의 회전 운동에 응답하여 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 가이드 베인들(34)의 동시적인 구동을 위해, 제어 링(62)은 가이드 베인(34)의 베인 포크(52)에 동작 가능하게 결합된다. 상부 베인 링(38)에 대향하는 제어 링(62)의 제2 면(66)에 복수의 구동 블록(65)이 회전 가능하게 고정된다. 각각의 구동 블록(65)은 회전축(R1, R3)에 대략 평행한 축방향으로 연장되며, 가이드 베인(34) 중 하나에 상응한다. 더욱 상세하게, 각각의 구동 블록(65)은 도 3, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 상응하는 가이드 베인(34)의 베인 포크(52)의 가이드 아암들(56) 사이의 리세스에 위치된다. 본 실시예에서, 베인 포크(52)는 제어 링(62)의 제2 면(66)에 평행하지 않은 평면에서 피봇 회전하므로, 베인 포크(52)와 구동 블록(65) 사이의 맞물림 수단은, 베인 포크가 제어 링에 평행한 평면에서 피봇 회전하는 반류 터보차저에 일반적으로 사용되는 맞물림 수단과 비교해서 변형된 것이다. 예를 들어, 반류 터보차저의 베인 포크는 일반적으로 제어 링 상에서 구동 블록과 미끄럼 접촉하기 위한 편평한 내부 표면을 구비한 가이드 아암을 갖는 것이 잘 알려져 있다. 반대로, 본 발명의 각각의 가이드 아암(56)의 내부 표면(67)은, 가이드 베인(34)이 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 조정될 때 상응하는 구동 블록(65)과 구름 접촉하기 위한 볼록한 만곡 표면을 갖는다. 가이드 베인(34)이 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 조정될 때, 베인 포크(52)의 하나의 가이드 아암(56)의 내부 표면(67)은 상응하는 구동 블록(65)을 따라 회전하고, 그에 따라 가이드 아암(56)은 제어 링(62)을 향해 축방향으로 이동한다. 동시에, 베인 포크(52)의 다른 하나의 가이드 아암(56)의 내부 표면(67)은 상응하는 구동 블록(65)을 따라 회전하고, 그에 따라 가이드 아암(56)은 제어 링(62)으로부터 멀어지도록 축방향으로 이동한다. 도 4를 참조하면, 가이드 베인(34)이 개방 위치에 있을 때 하나의 베인 포크(52)와 상응하는 구동 블록(65) 사이의 배향이 도시되어 있다. 반대로 도 5를 참조하면, 가이드 베인(34)이 폐쇄 위치에 있을 때 하나의 베인 포크(52)와 상응하는 구동 블록(65) 사이의 배향이 도시되어 있다.

구동 블록(65)은 도 3에 도시된 바와 같이 사각 형상을 가질 수 있다는 점이 고려되며, 각각의 가이드 아암(56)의 내부 표면(67)과 상응하는 구동 블록(65) 사이에 접촉선이 존재한다. 내부 표면(67)과 구동 블록(65) 사이의 구름 접촉을 보장하기 위해, 가이드 베인(34)이 개방 및 폐쇄 위치에 있을 때 내부 표면(67)과 구동 블록(65) 사이의 접촉선이 내부 표면(67)에 접선을 이루도록 내부 표면(67)의 곡률반경이 선택된다. 도 3b에 도시된 바와 같이 구동 블록(65)은 원통 형상을 가질 수 있다는 것을 또한 고려하며, 이 때 각각의 가이드 아암(56)의 내부 표면(67)과 상응하는 구동 블록(65) 사이에는 접촉점이 존재한다. 도 3a에 도시된 바와 같이 원통 또는 사각 형상의 구동 블록(65)은 가이드 아암(56)의 내부 표면(67)의 곡률반경에 부합하도록 만곡된 측면(68) 또는 "모래시계" 형상을 가질 수 있다는 점을 또한 고려하며, 그로 인해 베인 포크(52)와 구동 블록(65) 사이의 접촉 면적이 증가된다. 본 발명의 범주에서 벗어나지 않으면서 가이드 아암(56)의 내부 표면(67) 및 구동 블록(65)에 다른 복잡한 형상들을 사용할 수 있다.

가이드 베인(34)이 개방 위치 또는 개방 위치와 폐쇄 위치 사이의 일부 각위치에 있을 때, 가이드 베인(34)은 인접한 가이드 베인들(34) 사이의 유동 채널(35)을 정의하도록 배열되며, 그로 인해 배기가스가 휠 입구(28)를 통해 터빈 휠(24)로 흐르는 것을 조절한다. 반대로, 가이드 베인(34)이 폐쇄 위치에 있을 때, 가이드 베인들(34)은 서로 단부끼리 겹치는 방식으로 배열되고, 그로 인해 배기가스가 휠 입구(28)를 통해 터빈 휠(24)로 흐르는 것을 차단 또는 방지한다. 더욱 상세하게, 폐쇄 위치에서의 가이드 베인(34)의 각위치는, 각각의 가이드 베인(34)의 선단(70)이 인접한 가이드 베인(34)의 후단(72)에 겹쳐지도록 이루어지며, 그로 인해 유동 채널(35)을 폐쇄하고 배기가스가 휠 입구(28)를 통해 흐르는 것을 차단한다. 도시된 실시예에서, 각각의 가이드 베인(34)의 선단(70) 및 후단(72)은 상응하는 가이드 베인 회전축(R2)에 대략 평행하다. 그러나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않으면서 가이드 베인(34)의 선단(70) 및 후단(72)은 가이드 베인 회전축(R2)에 평행하지 않아도 된다는 것을 고려한다.

일반적으로, 가이드 베인(34)의 상부 에지(48)와 상부 입구 벽(44), 그리고 유사하게, 가이드 베인(34)의 하부 에지(50)와 하부 입구 벽(46) 사이에 일정량의 간극을 구비하여, 가이드 베인(34)의 자유로운 운동을 허용하고 고온 배기가스로 인한 열 팽창을 가능하게 하는 것이 바람직하다. 그러나, 가이드 베인(34)이 개방 위치, 폐쇄 위치, 또는 개방 위치와 폐쇄 위치 사이의 일부 각위치에 있는 지와 상관 없이, 간극을 최소화하고 각각의 가이드 베인(34)의 선단(70)으로부터 후단(72)까지 일정한 양의 간극을 갖는 것은, 터보차저(10)의 성능 및 효율을 향상시키는 경향이 있다. 예를 들어, 가이드 베인(34)이 폐쇄 위치에 있을 때, 간극을 최소화하면, 가이드 베인(34)의 상부 및 하부 에지(48, 50) 주위에서 배기가스의 누출을 방지하는 데에 도움이 된다. 가이드 베인(34)이 개방 위치 또는 개방 위치와 폐쇄 위치 사이의 일부 각위치에 있을 때, 간극을 최소화하면, 가이드 베인(34)의 상부 및 하부 에지(48, 50) 주위에서의 누출보다는 인접한 가이드 베인들(34) 사이의 유동 채널(35)을 통해 배기가스가 안내되도록 보장하는 데에 도움이 된다.

본 발명의 실시예에서, 가이드 베인(34)과 상부 및 하부 베인 링(38, 40) 사이의 간극의 양은, 가이드 베인(34) 길이를 따라 선단(70)과 후단(72) 사이에서 일정하다. 또한, 가이드 베인(34)이 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 조정될 때 간극은 변하지 않는다. 더욱 상세하게, 가이드 베인(34)의 상부 및 하부 에지(48, 50)는 각각 상부 및 하부 입구 벽(44, 46)에 상호보완적으로 형성되고, 각각의 피봇 샤프트(42)의 회전축(R2)은 상부 및 하부 입구 벽(44, 46)의 일치하는 구형 중심들을 통해 연장되고, 가이드 베인(34)과 상부 및 하부 베인 링(38, 40) 사이의 간극은 가이드 베인(34)의 길이를 따라 일정하며, 가이드 베인들(34)이 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 조정될 때 간극은 변하지 않는 상태로 유지된다.

도 6에 도시된 본 발명의 제2 실시예에서, 베인 포크(52) 및 구동 블록(65)은 전술된 제1 실시예에서와 같이 구름 접촉하기보다는 반류 터보차저에서와 같이 미끄럼 접촉하도록 배향된다. 더욱 상세하게, 상부 베인 링(38)과 대향하는 제어 링(62)의 제2 면(66)은, 베인 포크(52)에 대략 평행한 원뿔형 표면을 정의한다. 이에 따라, 베인 포크(52)는 제어 링(62)의 제2 면(66)에 대략 평행한 평면에서 피봇 회전하고, 베인 포크(52) 및 구동 블록(65)은 구름 접촉보다는 미끄럼 접촉하도록 배향된다. 또한, 베어링 하우징(16)에 대향하는 제어 링(62)의 제1 면(64)은 회전축(R1, R3)에 대략 수직을 이루어, 제1 및 제2 방향에서 제어 링(62)이 회전 운동하는 동안 막자 부재와 구동 러그(63) 사이에는 미끄럼 접촉이 일어나게 된다.

대안적으로, 제어 링(62)의 제2 면(66)은 베인 포크(52)에 대략 평행하고 제1 면(64)은 제2 면(66)에 대략 평행함으로써 제1 면(64)은 회전축(R1, R3)에 수직을 이루지 않을 수 있으며, 그로 인해 막자 부재와 구동 러그(63) 사이에 구름 접촉이 일어날 수도 있다는 점을 이해한다. 이 경우, 제1 실시예에서의 베인 포크(52) 및 구동 블록(65)에 대한 설명과 유사하게, 막자 부재는 구동 러그(63)와의 구름 접촉을 위한 볼록한 만곡 표면을 구비한 내부 표면을 가지게 될 것이다. 이 경우, 구동 블록(65)에 대해 상기 개시한 바와 같이, 구동 러그(63)는 사각, 원통 형상 또는 만곡된 측면을 가질 수 있다는 것을 또한 이해한다.

도 7 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에서, 상부 베인 링(38) 및 제어 링(62)이 대략 조합되어 베인 구동 링(76)을 형성한다. 또한 하부 베인 링(40)은 생략된다. 이에 따라, 각각의 가이드 베인(34)은 베인 구동 링(76)과 터빈 하우징(18)의 링 형상 벽(78) 사이에 피봇 핀(80)에 의해 지지된다. 피봇 핀(80)은 가이드 베인(34)의 하부 에지(50)로부터 연장되어 링 형상 벽(78)의 상응하는 보어 내로 삽입된다. 피봇 핀(80)은 그에 고정된 가이드 베인(34)과 함께 회전하여, 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서의 가이드 베인(34)의 피봇 운동을 제공한다. 대안적으로, 피봇 핀(80)은 링 형상 벽(78)에 고정되어 각각의 가이드 베인(34)의 상응하는 보어 내로 삽입될 수 있다. 이 경우, 가이드 베인(34)은 피봇 핀(80)에 회전 가능하게 고정되어 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 피봇 핀(80)을 중심으로 피봇 회전한다.

베인 구동 링(76)은, 휠 입구(28)의 일 측을 구성하고 그에 상응하는 구형 중심을 가지는 볼록한 구형 표면을 정의하는 상부 입구 벽(44)을 포함한다. 하부 베인 링(40)과 유사하게, 링 형상 벽(78)은, 휠 입구(28)의 다른 측을 구성하며 그에 상응하고 상부 입구 벽(44)의 구형 중심과 일치하는 구형 중심을 갖는 오목한 구형 표면을 정의하는 하부 입구 벽(46)을 포함한다. 또한, 각각의 피봇 핀(80)은, 상부 및 하부 입구 벽(44, 46)의 일치하는 구형 중심들을 통해 연장되는 상응하는 가이드 베인(34)의 가이드 베인 회전축(R2)을 정의한다.

제1 실시예에서와 같이, 상부 입구 벽(44)의 볼록한 구형 표면에 상호보완적인 오목한 구형 표면을 갖는, 각각의 가이드 베인(34)의 상부 에지(48)가 형성되며, 하부 입구 벽(46)의 오목한 구형 표면에 상호보완적인 볼록한 구형 표면을 갖는, 각각의 가이드 베인(34)의 하부 에지(50)가 형성된다. 본 실시예에서는, 가이드 베인(34)의 상부 에지(48)와 상부 입구 벽(44) 사이 및 가이드 베인(34)의 하부 에지(50)와 하부 입구 벽(46) 사이에 0의 간극이 존재하고, 따라서 각각의 표면들 사이에 미끄럼 접촉이 일어난다.

가이드 베인(34)은 베인 구동 링(76)의 회전 운동에 응답하여 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 구동된다. 베인 구동 링(76)은, 터빈 회전축(R1)과 동축인 베인 구동 링 회전축(R4)을 정의하며, 상부 입구 벽(44)에 형성된 복수의 슬롯(82)을 포함한다. 슬롯(82)은 베인 구동 링(76)의 내부 원주에 대략 인접한 내측 단부로부터 베인 구동 링(76)의 외부 원주에 대략 인접한 외측 단부로 비스듬히, 즉 반경방향 및 원주방향으로 연장된다. 탭(84)이 각각의 가이드 베인(34)의 상부 에지(48)로부터 연장되어, 상부 입구 벽(44)의 슬롯(82) 중 상응하는 하나의 슬롯에 수용된다. 각각의 탭(84)은 상부 및 하부 입구 벽(44, 46)의 일치하는 구형 중심들을 통해 연장되는 탭 축을 따라 정렬된다. 서로 반대인 제1 및 제2 방향으로 베인 구동 링 회전축(R4)을 중심으로 베인 구동 링(76)이 회전 운동함으로써 가이드 베인(34)을 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 조정할 수 있다.

구동 아암(86)이 베인 구동 링(76)에 동작 가능하게 결합되어, 구동 아암(86)의 피봇 운동에 응답하여 제1 및 제2 방향으로 베인 구동 링(76)을 회전시킨다. 당업자에게 흔히 알려진 바와 같이, 하우징 조립체(12)에 외측에 구비된 구동 장치가 구동 아암(86)의 피봇 운동을 제어한다. 더욱 상세하게, 구동 아암(86)은 터빈 회전축(R1)에 대략 평행한 구동 아암 회전축(R5)을 중심으로 피봇 회전하고, 베인 구동 링(76)의 구동 슬롯(90)에 배치된 구동 기둥(88)을 포함한다. 구동 슬롯(90)은 회전축(R1, R4)에 대해 반경방향으로 연장된다. 피봇 아암(86)이 제1 방향(도 9를 참조할 때 시계 방향)으로 피봇 아암 회전축(R5)을 중심으로 피봇 회전함에 따라, 구동 기둥(88)은 베인 구동 링(76)이 제2 방향(도 9를 참조할 때 반시계 방향)으로 회전하게 하고, 그로 인해 가이드 베인(34)이 폐쇄 위치를 향해 피봇 회전하게 된다. 더욱 상세하게, 베인 구동 링(76)이 제2 방향(도 9를 참조할 때 반시계 방향)으로 회전함에 따라 탭(84)은 슬롯(82) 내부에서 내측 방향으로 미끄러지고, 그로 인해 가이드 베인(34)은 폐쇄 위치를 향해 피봇 핀(80)을 중심으로 피봇 회전하게 된다. 대안적으로, 피봇 아암(86)이 제2 방향(도 9를 참조할 때 반시계 방향)으로 피봇 아암 회전축(R5)을 중심으로 피봇 회전함에 따라, 구동 기둥(88)은 베인 구동 링(76)이 제1 방향(도 9를 참조할 때 시계 방향)으로 회전하게 하고, 그로 인해 가이드 베인(34)은 개방 위치를 향해 피봇 회전하게 된다. 더욱 상세하게, 베인 구동 링(76)이 제1 방향(도 9를 참조할 때 시계 방향)으로 회전함에 따라 탭(84)은 슬롯(82) 내부에서 외측 방향으로 미끄러지고, 그로 인해 가이드 베인(34)은 개방 위치를 향해 피봇 핀(80)을 중심으로 피봇 회전하게 된다.

도 7 내지 도 9에 도시된 실시예에서, 베인 구동 링(76)의 제1 면(92)은 회전축(R1, R4)에 대해 대략 수직을 이루고, 그에 따라 제1 및 제2 방향으로 베인 구동 링(76)이 회전 운동하는 동안 구동 슬롯(90)의 내벽들과 구동 기둥(88) 사이에는 미끄럼 접촉이 이루어진다. 그러나, 베인 구동 링(76)의 제1 면(92)이 회전축(R1, R4)에 수직을 이루지 않고 그로 인해 구동 슬롯(90)의 내벽들과 구동 기둥(88) 사이에 구름 접촉이 일어날 수도 있음을 이해한다. 이 경우, 구동 슬롯(90)은, 제1 실시예에서 베인 포크(52)와 구동 블록(65)에 대한 설명과 유사하게, 구동 기둥(88)과의 구름 접촉을 위한 볼록한 만곡 표면을 구비한 내측 표면을 가질 것이다. 또한, 구동 블록(65)에 대해 전술된 바와 같이, 구동 기둥(88)은 사각, 원통 형상 또는 만곡된 측면을 가질 수 있음을 이해한다.

본 발명의 제4 실시예에서, 배기가스의 유동이 대략 축방향으로 터빈 휠(24)의 블레이드의 선단에 충돌하게끔 안내되도록 휠 입구(28)가 배향되기 때문에 축류 터보차저로서 특징지어지는 터보차저(10)에 가이드 장치(32)가 통합된다. 다시 말해서, 터빈 휠(24)로의 배기가스 유동은 터빈 회전축(R1)에 대략 평행하다. 터빈 휠(24) 및 휠 입구(28)의 설계는, 터보차저가 혼류보다는 축류로서 특징지어지도록 구성됨에 따라, 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 가이드 베인(34)을 조정하기 위한 구성요소들을 통합하기 위해 하우징 조립체(12)에서 이용 가능한 공간이 적다.

더욱 상세하게, 전술한 혼류 터보차저에서, 가이드 베인(34)을 조정하기 위한 구성요소들, 즉 베인 포크(52), 막자 부재(미도시), 제어 링(62), 구동 러그(63) 및 구동 블록(65)은, 가이드 베인(34)과 베어링 하우징(16) 사이에 축방향으로 위치된다. 혼류 터보차저의 가이드 베인(34)의 위치에 비해, 축류 터보차저의 가이드 베인(34)은 베어링 하우징(16)을 향해 대략 축방향으로, 그리고 샤프트(20)을 향해 대략 반경방향으로 위치된다. 이에 따라, 가이드 베인(34)을 조정하기 위한 구성요소들을 통합하기 위해 가이드 베인(34)과 베어링 하우징(16) 사이에 이용 가능한 공간이 더 적다. 사실상, 특정 경우들에서, 가이드 베인(34)과 베어링 하우징(16) 사이에 축방향으로 가이드 베인(34)을 조정하기 위한 구성요소들 통합하려는 시도는, 베어링 하우징(16) 내부의 오일 공동과의 간섭을 야기할 수 있다. 그러므로, 특정 축류 터보차저에서는 가이드 베인(34)을 조정하기 위한 구성요소들을 터빈 휠(24)의 하류측에 위치시키는 것이 고려된다. 다시 말해서, 가이드 베인(34) 조정을 위한 구성요소들을 대략 배출기(30)를 향해 위치시킬 수 있다.

도 10 내지 도 20을 참조하면, 본 발명의 제5 실시예에서, 가변 터빈 구조 카트리지 또는 VTG 카트리지로도 지칭되는 가이드 장치(32)는, 가이드 베인(34)의 각위치와 상관 없이, 유동 덕트로도 지칭되는 휠 입구(28)의 경계 벽들이 가이드 베인(34)의 상부 및 하부 에지(48, 50)에 대략 평행하도록 구성된다. 전술한 실시예에서처럼, 각각의 가이드 베인 회전축(R2)은 터빈 회전축(R1)에 대해 예각으로 배열된다. 이 각도는 특정 용도에 맞게 조정될 수 있고 따라서 다양한 값들을 취할 수 있다. 예시된 실시예의 경우, 예각은 약 10도이다. 그러나, 원칙적으로 약 45도 이하의 예각에 대한 값들이 유리하다.

전술된 실시예들과 달리, 상부 베인 링(38)의 상부 입구 벽(44)은 볼록한 구형 표면을 정의하지 않고, 하부 베인 링(40)의 하부 입구 벽(46)은 오목한 구형 표면을 정의하지 않는다. 또한, 가이드 베인(34)의 상부 및 하부 에지(48, 50)는 오목한 구형 표면 및 볼록한 구형 표면을 정의하지 않는다. 오히려, 상부 및 하부 입구 벽(44, 46)은 복수의 상호보완적인 평면 부분을 포함한다. 각각의 가이드 베인(34)과 관련하여, 상부 및 하부 입구 벽(44, 46)은, 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이 서로 인접하게 배열된 제1 평면 부분(100), 제2 평면 부분(102) 및 제3 평면 부분(104)을 포함한다. 즉, 제1, 제2 및 제3 평면 부분(100, 102, 104)은 연속적으로 배열된다.

상부 입구 벽(44)의 제1 평면 부분(100)은 하부 입구 벽(46)의 제1 평면 부분(100)에 대략 평행하다. 가이드 베인(34)의 상부 및 하부 에지(48, 50)는 그 선단(70)과 후단(72) 사이에 연장된 대략 편평한 표면을 가진다. 이에 따라, 가이드 베인(34)이 도 13에 도시된 개방 위치와 도 14에 도시된 폐쇄 위치 사이에서 조정될 때, 가이드 베인(34)의 상부 에지(48)는 상부 입구 벽(44)의 제1 평면 부분(100)에 대략 평행하고, 가이드 베인(34)의 하부 에지(50)는 하부 입구 벽(46)의 제1 평면 부분(100)에 대략 평행하다. 다시 말해서, 상부 입구 벽(44)의 제1 평면 부분(100)과 하부 입구 벽(46)의 제1 평면 부분(100) 간의 협동 작용의 결과, 가이드 베인(34)의 각위치에 상관 없이 휠 입구(28)는 가이드 베인(34)의 상부 및 하부 에지(48, 50)에 대한 평행한 경계 표면들을 갖게 된다.

배기가스가 휠 입구(28)를 통해 흐를 때 그에 대한 외란(disturbance)을 방지하기 위해, 각각의 가이드 베인(34)에 관련된 제2 평면 부분(102)은 제1 평면 부분(100)과 제3 평면 부분(104) 사이의 단차를 없애는 챔퍼이다.

각각의 가이드 베인(34)의 제3 평면 부분(104)은 상응하는 제2 평면 부분(102)과 인접한 가이드 베인(34)의 제1 평면 부분(100) 사이에 배치된다.

제1, 제2 및 제3 평면 부분(100, 102, 104)은 각각 상이한 경사각을 가진다는 것을 이해한다. 또한, 상부 및 하부 입구 벽(44, 46)은 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 어떠한 수의 평면 부분도 가질 수 있다는 점을 이해한다.

가이드 베인(34)으로부터 멀어지는 각각의 피봇 샤프트(42)의 원위 단부(54)에 레버(106)가 고정된다. 레버(106)는 피봇 샤프트(42)에 대략 수직으로 연장되며 레버 헤드(108)를 포함한다. 레버 헤드(108)는 제어 또는 조정 링(112)의 관련 슬롯(110)에 수용된다.

제어 링(112)의 회전은 레버(106)가 회전 또는 피봇 회전하게 하여, 그 결과 피봇 샤프트(42)가 회전함으로써, 가이드 베인(34)이 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 회전 또는 조정되게 한다. 제어 링(112)에 대한 회전 평면은 터빈 회전축(R1)에 대략 수직을 이룬다. 각각의 레버(106)에 대한 회전 평면은 제어 링(112)에 대한 회전 평면에 대해 비스듬히 배치된다. 이에 따라, 제어 링(112)의 회전 및 레버(106)의 상응하는 회전은, 레버 헤드(108)가 제어 링(112)의 슬롯(110)에 대해 축방향으로 이동하게 한다. 제어 링(112)과 레버 헤드(108) 사이의 이러한 축방향 이동을 가능하게 하기 위해, 슬롯(110)에 적절한 깊이가 제공될 뿐만 아니라 레버 헤드(108)에 측면(114, 116)이 제공되어, 가이드 베인(34)이 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 조정될 때 레버 헤드(108)와 슬롯(110)의 플랭크(118, 120) 사이에 접촉선이 확실히 존재하도록 한다.

도 15 및 도 16을 참조하면, 제어 링(112)의 시작 위치가 도시되어 있고, 레버 헤드(108)는 대략 슬롯(110)의 중앙에 있다. 제어 링이 시작 위치에 있을 때, 통상의 VTG 카트리지에서 일반적인 것과 같이, 레버 헤드(108)의 측면(114, 116)과 슬롯(110)의 플랭크(118, 120) 사이에 약간의 갭이 있다. 제어 링(112)의 시작 위치는, 가이드 베인(34)이 개방 위치와 폐쇄 위치 사이의 대략 중간인 0의 위치에 있는 것에 상응한다. 가이드 베인(34)을 개방 위치로 조정하기 위해 제어 링(112)이 제1 방향(도 15 내지 도 17에서 봤을 때 시계 방향)으로 회전됨에 따라, 슬롯(110)의 일측의 플랭크(118)가 레버 헤드(108)의 상응하는 측면(114)에 접촉하여, 레버(106)가 회전하게 한다. 동시에, 도 16 내지 도 18에 도시된 바와 같이, 레버 헤드(108)는 대략 슬롯(110)으로부터 나오는 방향으로 슬롯(110)에 대해 축방향으로 이동한다. 유사하게, 가이드 베인(34)을 폐쇄 위치로 조정하기 위해 제어 링(112)이 제2 방향(도 15 내지 도 19에서 봤을 때 반시계 방향)으로 회전됨에 따라, 슬롯(110)의 다른 측의 플랭크(120)가 레버 헤드(108)의 상응하는 측면(116)에 접촉하여, 레버(106)가 회전하게 한다. 동시에, 도 16 내지 도 20에 도시된 바와 같이, 레버 헤드(108)는 대략 슬롯(110)으로부터 나오는 방향으로 슬롯(110)에 대해 축방향으로 이동한다.

도면들에 도시된 바와 같이 레버 헤드(108)의 측면(114, 116)은 둥글거나 만곡되어 레버 헤드(108)와 슬롯(110)의 플랭크(118, 120) 사이에 상기 언급한 접촉선을 달성할 수 있다. 레버 헤드(108)의 측면(114, 116)은 적합하게 경사질 수 있다는 점을 고려한다. 도면들에 도시된 바와 같이 슬롯(110)의 플랭크(118, 120)는 가이드 베인(34)이 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 조정될 때 레버 헤드(108)의 측면(114, 116)에 상응하는 오목한 표면을 가질 수 있다. 슬롯(110)의 플랭크(118, 120)는 편평할 수 있다는 점을 고려한다.

본원에서 본 발명을 예시적으로 기술하였으며, 사용된 용어는 한정적이기보다는 설명을 위한 단어들인 것으로 의도하고자 함을 이해할 것이다. 상기의 교시내용을 고려하여 본 발명을 다양하게 변형 및 변경하는 것이 가능하다. 그러므로, 첨부된 청구항들의 범주 내에서, 기술 내용 내에서 구체적으로 열거한 것 외에 본 발명을 실시할 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (25)

1. 축방향으로 연장되는 터빈 회전축(R1)을 갖는 터빈 휠(24);
   일정 범위의 각위치들 사이에서 선택적으로 이동 가능하며, 상기 터빈 회전축(R1)에 평행하지 않은 가이드 베인 회전축(R2)을 중심으로 각각 피봇 회전하는 복수의 가이드 베인(34); 및
   상기 터빈 회전축(R1)에 동축인 제어 링 회전축(R3)을 갖는 제어 링(62);을 포함하고,
   피봇 샤프트(42)가 가이드 베인의 회전 축(R2)을 따라 각 가이드 베인(34)을 관통해 연장하고,
   각각의 가이드 베인은 가이드 베인 축으로부터 베인 선단(70) 쪽으로 연장하는 베인 선행부 및 베인 축으로부터 베인 후단(72) 쪽으로 연장하는 베인 후행부로 형성되고,
   베인 레버 또는 베인 포크(52)가 가이드 베인(34)으로부터 멀어지는 쪽으로 각각의 피봇 샤프트(42)의 원위 단부(54)에 고정되며, 각각의 가이드 베인은 상기 베인 레버 또는 베인 포크(52)의 피봇 회전에 의하여 피봇 회전 구동되고,
   상기 베인 레버 또는 베인 포크(52)는 상기 제어 링(62)과 미끄럼 접촉에 의해 작동 가능하게 결합되어서, 상기 제어 링 회전축(R3)을 중심으로 한 상기 제어 링(62)의 회전은, 상기 복수의 가이드 베인(34)이 상기 일정 범위의 각위치들 사이에서 피봇 회전하게 하고, 그리고,
   상부 입구 벽(44) 및 하부 입구 벽(46)을 구비한 휠 입구(28)를 포함하고,
   상기 상부 입구 벽(44)은 복수의 제1 평면 부분(100)을 포함하고, 상기 하부 입구 벽(46)은 복수의 제1 평면 부분(100)을 포함하고, 상기 상부 입구 벽(44)의 상기 복수의 제1 평면 부분(100) 및 상기 하부 입구 벽(46)의 상기 복수의 제1 평면 부분(100)은, 상기 복수의 가이드 베인(34)의 평행한 경계 벽들을 정의하는, 가변 터빈 구조를 포함한 혼류 터보차저(10).
2. 제1항에 있어서,
   상기 상부 및 하부 입구 벽(44, 46)은 일치하는 구형 중심들을 갖는 상호보완적인 구형 표면들을 정의하며, 상기 복수의 가이드 베인(34) 각각의 상기 가이드 베인 회전축(R2)은 상기 상부 및 하부 입구 벽(44, 46)의 상기 일치하는 구형 중심들을 통해 연장되는 것인 혼류 터보차저(10).
3. 제2항에 있어서,
   상기 상부 입구 벽(44)은 제1 구형 중심을 정의하는 볼록한 구형 표면을 갖고, 상기 하부 입구 벽(46)은 상기 제1 구형 중심에 일치하는 제2 구형 중심을 정의하는 오목한 구형 표면을 갖는 것인 혼류 터보차저(10).
4. 제3항에 있어서,
   상기 복수의 가이드 베인(34) 각각은, 상기 상부 입구 벽(44)에 상호보완적인 상부 에지(48) 및 상기 하부 입구 벽(46)에 상호보완적인 하부 에지(50)를 포함하고, 상기 상부 및 하부 에지(48, 50)는 선단(70) 및 후단(72) 사이에서 연장되며, 상기 복수의 가이드 베인(34)이 상기 일정 범위의 각위치들 사이에서 피봇 회전할 때, 상기 상부 및 하부 에지(48, 50)와 상기 상부 및 하부 입구 벽(44, 46) 사이의 간극은 상기 선단(70)으로부터 상기 후단(72)까지 일정하게 유지되는 것인 혼류 터보차저(10).
5. 축방향으로 연장되는 터빈 회전축(R1)을 갖는 터빈 휠(24);
   일정 범위의 각위치들 사이에서 선택적으로 이동 가능하며, 상기 터빈 회전축(R1)에 평행하지 않은 가이드 베인 회전축(R2)을 중심으로 각각 피봇 회전하는 복수의 가이드 베인(34)으로서, 피봇 샤프트(42)가 가이드 베인의 회전 축(R2)을 따라 각 가이드 베인(34)을 관통해 연장하고, 각각의 가이드 베인은 상기 피봇 샤프트(42)로부터 베인 선단(70) 쪽으로 연장하는 베인 선행부 및 상기 피봇 샤프트(42)로부터 베인 후단(72) 쪽으로 연장하는 베인 후행부로 형성되는, 복수의 가이드 베인(34); 및
   상기 터빈 회전축(R1)과 동축인 제어 링 회전축(R3)을 갖는 제어 링(62)으로서, 상기 제어 링 회전축(R3)을 중심으로 한 상기 제어 링(62)의 회전은 상기 복수의 가이드 베인들(34)이 상기 일정 범위의 각위치들 사이에서 피봇 회전하게 하는, 제어 링(62);을 포함하고,
   상기 제어 링(62)은 상기 제어 링 회전축(R3)에 평행하게 각각 연장되는 복수의 구동 블록(65)을 포함하며, 상기 복수의 가이드 베인(34) 각각은 상기 가이드 베인 회전축(R2)에 직각으로 연장된 베인 포크(52)를 갖는 피봇 샤프트(42)를 포함하며, 상기 베인 포크(52)는 두 개의 가이드 아암(56)을 구비하여 그 사이에 상기 복수의 구동 블록(65) 중 하나를 수용하기 위한 리세스를 갖고,
   적어도 하나의 가이드 아암(56)은, 상기 복수의 가이드 베인(34)이 상기 일정 범위의 각위치들 사이에서 피봇 회전할 때 상기 수용된 구동 블록(65)과 구름 접촉하기 위한 볼록한 만곡 표면을 포함하는 것인, 가변 터빈 구조를 포함한 혼류 터보차저(10).
6. 제5항에 있어서,
   상기 복수의 가이드 베인(34)이 개방 위치를 향해 구동되는 동안, 제1 가이드 아암(56)이 상기 제어 링(62)을 향해 상기 축방향으로 이동하고 제2 가이드 아암(56)이 상기 제어 링(62)으로부터 멀어지는 상기 축방향으로 이동하며, 상기 복수의 가이드 베인(34)이 폐쇄 위치를 향해 구동되는 동안, 상기 제1 가이드 아암(56)은 상기 제어 링(62)으로부터 멀어지는 상기 축방향으로 이동하고 제2 가이드 아암(56)은 상기 제어 링(62)을 향해 상기 축방향으로 이동하는 것인 혼류 터보차저(10).
7. 제1항에 있어서,
   상기 제어 링(62)은 상기 복수의 가이드 베인(34) 중 상응하는 것의 상기 가이드 베인 회전축(R2)에 평행한 방향으로 각각 연장되는 복수의 구동 블록(65)을 포함하며, 상기 복수의 가이드 베인(34) 각각은 상기 가이드 베인 회전축(R2)에 수직으로 연장된 베인 포크(52)를 갖는 피봇 샤프트(42)를 포함하며, 상기 베인 포크(52)는 두 개의 가이드 아암(56)을 구비하여 그 사이에 상기 복수의 구동 블록(65) 중 하나를 수용하기 위한 리세스를 갖는 것인 혼류 터보차저(10).
8. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 가이드 베인(34) 각각은 상부 에지(48) 및 하부 에지(50)를 포함하고, 상기 상부 및 하부 에지(48, 50)는 선단(70)과 후단(72) 사이에 연장되며, 상기 상부 및 하부 에지(48, 50)는, 상기 복수의 가이드 베인(34)이 상기 일정 범위의 각위치들 사이에서 피봇 회전할 때, 상기 선단(70)으로부터 상기 후단(72)까지 상기 상부 및 하부 입구 벽(44, 46)의 상기 복수의 제1 평면 부분(100)에 평행한 것인 혼류 터보차저(10).
9. 제8항에 있어서,
   상기 복수의 가이드 베인(34) 각각에 대하여, 상기 상부 입구 벽(44)은 상이한 경사각들을 가진 복수의 평면 부분(100, 102, 104)을 포함하고, 상기 하부 입구 벽(46)은 상이한 경사각들을 가진 복수의 평면 부분(100, 102, 104)을 포함하는 것인 혼류 터보차저(10).
10. 축방향으로 연장되는 터빈 회전축(R1)을 갖는 터빈 휠(24);
    일정 범위의 각위치들 사이에서 선택적으로 이동 가능하며, 상기 터빈 회전축(R1)에 평행하지 않은 가이드 베인 회전축(R2)을 중심으로 각각 피봇 회전하는 복수의 가이드 베인(34);
    상기 터빈 회전축(R1)에 동축인 제어 링 회전축(R3)을 갖는 제어 링(62); 및
    상부 입구 벽(44) 및 하부 입구 벽(46)을 구비한 휠 입구(28)를 포함하고,
    상기 상부 입구 벽(44)은 복수의 제1 평면 부분(100)을 포함하고, 상기 하부 입구 벽(46)은 복수의 제1 평면 부분(100)을 포함하고, 상기 상부 입구 벽(44)의 상기 복수의 제1 평면 부분(100) 및 상기 하부 입구 벽(46)의 상기 복수의 제1 평면 부분(100)은, 상기 복수의 가이드 베인(34)의 평행한 경계 벽들을 정의하고,
    피봇 샤프트(42)가 가이드 베인의 회전 축(R2)을 따라 각 가이드 베인(34)을 관통해 연장하고,
    각각의 가이드 베인은 가이드 베인 축으로부터 베인 선단(70) 쪽으로 연장하는 베인 선행부 및 베인 축으로부터 베인 후단(72) 쪽으로 연장하는 베인 후행부로 형성되고,
    베인 레버 또는 베인 포크(52)가 가이드 베인(34)으로부터 멀어지는 쪽으로 각각의 피봇 샤프트(42)의 원위 단부(54)에 고정되며, 각각의 가이드 베인은 상기 베인 레버 또는 베인 포크(52)의 피봇 회전에 의하여 피봇 회전 구동되고,
    상기 베인 레버 또는 베인 포크(52)는 상기 제어 링(62)과 미끄럼 접촉에 의해 작동 가능하게 결합되어서, 상기 제어 링 회전축(R3)을 중심으로 한 상기 제어 링(62)의 회전은, 상기 복수의 가이드 베인(34)이 상기 일정 범위의 각위치들 사이에서 피봇 회전하게 하고,
    상기 복수의 가이드 베인(34) 각각은 상부 에지(48) 및 하부 에지(50)를 포함하고, 상기 상부 및 하부 에지(48, 50)는 선단(70)과 후단(72) 사이에 연장되며, 상기 상부 및 하부 에지(48, 50)는, 상기 복수의 가이드 베인(34)이 상기 일정 범위의 각위치들 사이에서 피봇 회전할 때, 상기 선단(70)으로부터 상기 후단(72)까지 상기 상부 및 하부 입구 벽(44, 46)의 상기 복수의 제1 평면 부분(100)에 평행하고,
    상기 복수의 가이드 베인(34) 각각에 대하여, 상기 상부 입구 벽(44)은 상이한 경사각들을 가진 복수의 평면 부분(100, 102, 104)을 포함하고, 상기 하부 입구 벽(46)은 상이한 경사각들을 가진 복수의 평면 부분(100, 102, 104)을 포함하고,
    상기 제어 링(112)은 복수의 슬롯(110)을 포함하며, 상기 복수의 가이드 베인(34) 각각은 상기 가이드 베인 회전축(R2)에 수직으로 연장된 레버(106)를 갖는 피봇 샤프트(42)를 포함하고, 상기 레버(106)는 상기 복수의 슬롯(110) 중 하나에 배치되는 것인, 가변 터빈 구조를 포함한 혼류 터보차저(10).
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