KR102468199B1 - 단일 액추에이터에 의해 제어되는 터보차저 터빈 단계 밸브 - Google Patents

단일 액추에이터에 의해 제어되는 터보차저 터빈 단계 밸브 Download PDF

Info

Publication number
KR102468199B1
KR102468199B1 KR1020177016445A KR20177016445A KR102468199B1 KR 102468199 B1 KR102468199 B1 KR 102468199B1 KR 1020177016445 A KR1020177016445 A KR 1020177016445A KR 20177016445 A KR20177016445 A KR 20177016445A KR 102468199 B1 KR102468199 B1 KR 102468199B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
valve
turbine
exhaust gas
port
passage
Prior art date
Application number
KR1020177016445A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170088893A (ko
Inventor
미카엘 이. 맥게이
브렌트 챔벌래인
마크 벤티밀리아
Original Assignee
보르그워너 인코퍼레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 보르그워너 인코퍼레이티드 filed Critical 보르그워너 인코퍼레이티드
Publication of KR20170088893A publication Critical patent/KR20170088893A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102468199B1 publication Critical patent/KR102468199B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/02—Gas passages between engine outlet and pump drive, e.g. reservoirs
    • F02B37/025—Multiple scrolls or multiple gas passages guiding the gas to the pump drive
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/18—Control of the pumps by bypassing exhaust from the inlet to the outlet of turbine or to the atmosphere
    • F02B37/183—Arrangements of bypass valves or actuators therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K11/00—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves
    • F16K11/02—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit
    • F16K11/06—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit comprising only sliding valves, i.e. sliding closure elements
    • F16K11/065—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit comprising only sliding valves, i.e. sliding closure elements with linearly sliding closure members
    • F16K11/07—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit comprising only sliding valves, i.e. sliding closure elements with linearly sliding closure members with cylindrical slides
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K3/00—Gate valves or sliding valves, i.e. cut-off apparatus with closing members having a sliding movement along the seat for opening and closing
    • F16K3/02—Gate valves or sliding valves, i.e. cut-off apparatus with closing members having a sliding movement along the seat for opening and closing with flat sealing faces; Packings therefor
    • F16K3/04—Gate valves or sliding valves, i.e. cut-off apparatus with closing members having a sliding movement along the seat for opening and closing with flat sealing faces; Packings therefor with pivoted closure members
    • F16K3/06—Gate valves or sliding valves, i.e. cut-off apparatus with closing members having a sliding movement along the seat for opening and closing with flat sealing faces; Packings therefor with pivoted closure members in the form of closure plates arranged between supply and discharge passages
    • F16K3/08—Gate valves or sliding valves, i.e. cut-off apparatus with closing members having a sliding movement along the seat for opening and closing with flat sealing faces; Packings therefor with pivoted closure members in the form of closure plates arranged between supply and discharge passages with circular plates rotatable around their centres
    • F16K3/085—Gate valves or sliding valves, i.e. cut-off apparatus with closing members having a sliding movement along the seat for opening and closing with flat sealing faces; Packings therefor with pivoted closure members in the form of closure plates arranged between supply and discharge passages with circular plates rotatable around their centres the axis of supply passage and the axis of discharge passage being coaxial and parallel to the axis of rotation of the plates
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Abstract

터보차저(1)는 트윈 스크롤 터빈, 및 배기 가스 유입구(24, 124) 내에 배치되어 터빈을 통한 흐름 배기 가스를 제어하도록 구성되는 밸브 어셈블리(40, 140)를 포함하고 있다. 밸브 어셈블리(40, 140)는 공통의 밸브 샤프트(44, 144)에 의해 작동되는 2개의 로터리 밸브(60, 160, 80, 180)를 포함하고 있다. 밸브들(60, 180) 중 하나는 볼류트로 또는 볼류트들 사이로의 배기 가스 흐름을 제어할 수도 있고, 다른 하나(80, 160)는 웨이스트게이트 배기 가스 흐름을 제어할 수도 있다. 밸브 샤프트(44, 144)는 액추에이터에 의해 밸브 샤프트 회전축(46, 146)을 중심으로 회전 구동되어, 제1 밸브(60, 160) 및 제2 밸브(80, 180)가 각각 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 선택적으로 이동될 수 있고, 제1 밸브(60, 160) 및 제2 밸브(80, 180)를 개방하는 시간 계열 순서가 선택될 수 있다.

Description

단일 액추에이터에 의해 제어되는 터보차저 터빈 단계 밸브{TURBOCHARGER TURBINE STAGE VALVES CONTROLLED BY A SINGLE ACTUATOR}
(해당사항 없음)
터보차저는 내연 기관에 사용되는 강제 유도 시스템의 일종이다. 터보차저는 전형적으로 엔진의 배기 매니폴드에 연결된 터빈 하우징, 엔진의 흡기 매니폴드에 연결된 압축기 하우징, 및 터빈 하우징과 압축기 하우징을 함께 결합하는 중앙에 배치된 베어링 하우징을 포함한다. 터빈 하우징 내의 터빈 휠은 배기 매니폴드로부터 공급된 배기 가스의 유입에 의해 회전 가능하게 구동된다. 베어링 하우징 내에 회전 가능하게 지지되는 샤프트는 터빈 휠을 압축기 하우징 내의 압축기 임펠러에 연결하여, 터빈 휠의 회전이 압축기 임펠러의 회전을 일으킨다. 압축기 임펠러가 회전함에 따라, 엔진의 흡기 매니폴드를 통해 엔진의 실린더로 전달되는 공기 질량 유량(air mass flow rate), 기류 밀도 및 공기압을 증가시킨다.
터보차저는 압축공기를 엔진 흡기부로 보내어 더 많은 연료를 연소시킬 수 있으며, 따라서 엔진 중량을 대폭적으로 증가시키지 않으면서 엔진의 마력을 높인다. 따라서, 터보차저는, 더 큰 자연으로 흡인된 엔진과 동일한 양의 마력을 발전시키는 더 작은 엔진을 사용 가능하게 한다. 차량에서 더 작은 엔진을 사용하는 것은 차량의 질량을 감소시키고, 성능을 증가시키며, 연비를 향상시키는 바람직한 효과를 가지고 있다. 또한, 터보차저의 사용은 엔진으로 공급되는 연료의 더욱 완전한 연소를 가능하게 하고, 바람직하지 않은 배출물을 감소시킨다.
일부 양태에서, 엔진에 연결되도록 구성된 터보차저는 터빈 부분을 포함한다. 터빈 부분은, 터빈 휠, 및 상기 터빈 휠을 둘러싸며 배기 가스 유입구, 배기 가스 유출구, 배기 가스 유입구와 터빈 휠 사이에 배치된 제1 터빈 볼류트 및 배기 가스 유입구와 터빈 휠 사이에 배치된 제2 터빈 볼류트를 정의하는 터빈 하우징을 포함한다. 제1 및 제2 터빈 볼류트는 격벽에 의해 분리되어 있다. 터빈 부분은, 배기 가스 유입구와 배기 가스 유출구 사이의 연통을 가능하게 하고 터빈 휠을 우회하는 바이패스 통로, 제2 터빈 볼류트와 연통하는 제1 포트를 통한 흐름을 제어하도록 구성된 제1 밸브, 바이패스 통로와 연통하는 제2 포트를 통한 흐름을 제어하도록 구성된 제2 밸브, 및 회전축을 포함하는 밸브 샤프트를 포함한다. 밸브 샤프트는 제1 밸브 및 제2 밸브 양쪽에 연결되고, 액추에이터에 의해 회전축을 중심으로 회전 구동되어, 제1 밸브 및 제2 밸브가 각각 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 선택적으로 이동하고, 제1 밸브 및 제2 밸브를 개방하는 시간 계열 순서가 선택 가능하다.
터보차저는 이하의 특징들 중의 하나 이상을 포함할 수 있다: 제1 밸브는 제2 밸브와는 다른 시간에 개방된다. 제1 밸브 및 제2 밸브는 로터리 밸브이다. 배기 가스 유입구는 제1 플랜지 개구부 및 제2 플랜지 개구부를 포함하는 유입구 플랜지, 제1 플랜지 개구부와 제1 터빈 볼류트 사이로 연장되는 제1 통로, 제2 플랜지 개구부와 제2 터빈 볼류트 사이로 연장되는 제2 통로, 및 유입구 플랜지와 제1 및 제2 터빈 볼류트 사이의 배기 가스 유입구 내에 배치된 밸브 하우징을 포함하고 있다. 밸브 하우징은 제1 포트 및 제3 포트를 포함하는 연결 챔버를 포함하고, 제1 포트는 연결 챔버와 제2 통로를 연결하며, 제3 포트는 연결 챔버와 제1 통로를 연결한다. 밸브 하우징은 바이패스 통로와 연통하는 웨이스트게이트(wastegate) 챔버를 포함하고, 웨이스트게이트 챔버는 제2 포트 및 제4 포트를 포함하며, 제2 포트는 웨이스트게이트 챔버와 제1 통로를 연결하고, 제4 포트는 웨이스트게이트 챔버와 제2 통로를 연결한다. 제1 밸브는 제1 포트 및 제3 포트를 통한 흐름을 제어하도록 구성되고, 제2 밸브는 제2 포트 및 제4 포트를 통한 흐름을 제어하도록 구성된다. 연결 챔버 및 웨이스트게이트 챔버는 배기 가스 유입구의 대향 측면 상에 배치된다. 제1 밸브가 개방 위치에 있을 때, 제1 통로는 연결 챔버를 통해 제2 통로와 연통한다.
또한, 터보차저는 다음의 추가 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 배기 가스 유입구는, 플랜지 개구부를 포함하는 유입구 플랜지, 플랜지 개구부와 제1 터빈 볼류트 사이로 연장되는 제1 통로, 제2 터빈 볼류트와 연통하는 제2 통로, 및 유입구 플랜지와 제1 및 제2 터빈 볼류트 사이의 배기 가스 유입구 내에 배치된 밸브 하우징을 포함한다. 밸브 하우징은, 제2 통로와 연통하는 연결 챔버로서, 연결 챔버와 플랜지 개구부를 연결하는 제1 포트를 포함하는 상기 연결 챔버, 및 바이패스 통로와 연통하며, 제2 밸브의 밸브 개구부를 통해 연결 챔버와 연통하는 웨이스트게이트 챔버를 포함하고 있다. 제1 밸브가 개방 위치에 있고 제2 밸브가 폐쇄 위치에 있을 때, 제2 통로는 플랜지 개구부와 연통하며, 플랜지 개구부를 통해 흐르는 가스의 일부분은 제2 통로를 통해 제2 터빈 볼류트로 흐를 수 있다. 제1 밸브가 개방 위치에 있고 제2 밸브가 개방 위치에 있을 때, 플랜지 개구부를 통해 흐르는 가스의 일부분은 제1 포트 및 제2 포트를 통해 바이패스 통로로 방향 전환된다. 또한, 제1 밸브 및 제2 밸브가 폐쇄 위치에 있을 때, 플랜지 개구부를 통해 흐르는 모든 가스는 제1 통로로 유도된다.
일부 양태에서, 엔진에 연결되도록 구성되는 터보차저는, 터빈 휠 및 상기 터빈 휠을 둘러싸는 터빈 하우징을 포함하는 터빈 부분을 포함하고 있다. 터빈 하우징은, 배기 가스 유입구, 배기 가스 유출구, 배기 가스 유입구와 터빈 휠 사이에 배치된 제1 터빈 볼류트, 및 배기 가스 유입구와 터빈 휠 사이에 배치된 제2 터빈 볼류트를 정의한다. 제1 및 제2 터빈 볼류트는 분할 벽에 의해 분리되어 있다. 배기 가스 유입구는, 제1 플랜지 개구부 및 제2 플랜지 개구부를 포함하는 유입구 플랜지, 제1 플랜지 개구부와 제1 터빈 볼류트 사이로 연장되는 제1 통로, 제2 플랜지 개구부와 제2 터빈 볼류트 사이로 연장되는 제2 통로, 및 유입구 플랜지와 제1 및 제2 터빈 볼류트 사이의 배기 가스 유입구 내에 배치된 밸브 하우징을 포함하고 있다. 밸브 하우징은, 및 제2 통로와 연통하는 제1 및 제2 연결 포트, 및 제1 통로와 연통하는 제1 웨이스트게이트 포트 및 제2 통로와 연통하는 제2 웨이스트게이트 포트를 가지는 웨이스트게이트 챔버를 포함하고 있다. 밸브 하우징은 제1 연결 포트 및 제2 연결 포트를 통한 흐름을 제어하도록 구성된 제1 밸브, 제1 웨이스트게이트 포트 및 제2 웨이스트게이트 포트를 통한 흐름을 제어하도록 구성된 제2 밸브, 및 회전축을 포함하는 밸브 샤프트를 포함하고 있다. 밸브 샤프트는 제1 밸브 및 제2 밸브 양쪽에 연결되고, 액추에이터에 의해 회전축을 중심으로 회전 구동되어, 제1 밸브 및 제2 밸브가 각각 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 선택적으로 이동될 수 있고, 제1 밸브 및 제2 밸브를 개방하는 시간 계열 순서가 선택될 수 있다.
터보차저는 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 웨이스트게이트 챔버는 배기 가스 유출구와 연통하는 제3 웨이스트게이트 포트를 포함하고 있다. 연결 챔버 및 웨이스트게이트 챔버는 배기 가스 유입구의 대향 측면 상에 배치된다. 제1 밸브가 개방 위치에 있을 때, 제1 통로는 연결 챔버를 통해 제2 통로와 연통한다.
일부 양태에서, 엔진에 연결되도록 구성되는 터보차저는 터빈 부분을 포함하고 있다. 터빈 부분은 터빈 휠 및 상기 터빈 휠을 둘러싸는 터빈 하우징을 포함하고 있다. 터빈 하우징은, 배기 가스 유입구, 배기 가스 유출구, 배기 가스 유입구와 터빈 휠 사이에 배치된 제1 터빈 볼류트, 및 배기 가스 유입구와 터빈 휠 사이에 배치된 제2 터빈 볼류트를 정의한다. 제1 및 제2 터빈 볼류트는 분할 벽에 의해 분리된다. 배기 가스 유입구는, 플랜지 개구부를 포함하는 유입구 플랜지, 플랜지 개구부와 제1 터빈 볼류트 사이로 연장되는 제1 통로, 제2 터빈 볼류트와 연통하는 제2 통로, 및 유입구 플랜지와 제1 및 제2 터빈 볼류트 사이의 배기 가스 유입구 내에 배치된 밸브 하우징을 포함하고 있다. 밸브 하우징은, 플랜지 개구부와 연통하는 제1 연결 포트 및 제2 통로와 연통하는 제2 연결 포트를 가지는 연결 챔버를 포함하고 있다. 밸브 하우징은, 연결 챔버와 연통하는 제1 웨이스트게이트 포트 및 배기 가스 유출구와 연통하는 제2 웨이스트게이트 포트를 가지는 웨이스트게이트 챔버를 포함한다. 밸브 하우징은, 제1 연결 포트를 통한 흐름을 제어하도록 구성된 제1 밸브, 제1 웨이스트게이트 포트를 통한 흐름을 제어하도록 구성된 제2 밸브, 및 회전축을 포함하는 밸브 샤프트를 또한 포함하며, 밸브 샤프트는 제1 밸브 및 제2 밸브 양쪽에 연결된다. 밸브 샤프트는 액추에이터에 의해 회전축을 중심으로 회전 구동되어, 제1 밸브 및 제2 밸브가 각각 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 선택적으로 이동하고, 제1 밸브 및 제2 밸브를 개방하는 시간 계열 순서가 선택 가능하다.
터보차저는 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 제2 연결 포트 및 제2 웨이스트게이트 포트에는 밸브가 없다. 제1 밸브가 개방 위치에 있고 제2 밸브가 폐쇄 위치에 있을 때, 제2 통로는 플랜지 개구부와 연통하고, 플랜지 개구부를 통해 흐르는 가스의 일부분이 제2 통로를 통해 제2 터빈 볼류트로 흐를 수 있다. 제1 밸브가 개방 위치에 있고 제2 밸브가 개방 위치에 있을 때, 플랜지 개구부를 통해 흐르는 가스의 일부분은 제1 연결 포트와 제2 포트; 및 제2 웨이스트게이트 포트를 통해 바이패스 통로로 방향 전환된다. 제1 밸브 및 제2 밸브가 폐쇄 위치에 있을 때, 플랜지 개구부를 통해 흐르는 모든 가스는 제1 통로로 유도된다.
일부 양태에서, 엔진에 연결되도록 구성되는 터보차저는 터빈 스테이지와 압축기 스테이지를 포함한다. 터빈 스테이지는 터빈 휠 및 상기 터빈 휠을 둘러싸는 터빈 하우징을 포함한다. 터빈 하우징은, 배기 가스 유입구와 터빈 휠 사이에 배치된 트윈 스크롤 볼류트(twin scroll volute), 및 배기 가스 유입구와 배기 가스 유출구 사이의 연통을 허용하며 터빈 휠을 우회하는 바이패스 통로를 정의한다. 터빈 스테이지는 배기 가스 유입구 내에 배치된 밸브 어셈블리를 더 포함하고 있다. 밸브 어셈블리는, 터빈 볼류트들 중 하나와 연통하는 제1 포트를 통한 흐름을 제어하도록 구성된 제1 밸브, 및 바이패스 통로와 연통하는 제2 포트를 통한 흐름을 제어하도록 구성된 제2 밸브를 포함하고 있다. 밸브 어셈블리는 제1 밸브 및 제2 밸브 양쪽에 연결된 밸브 샤프트를 포함하며, 밸브 샤프트는 액추에이터에 의해 회전되어, 제1 밸브 및 제2 밸브가 각각 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 선택적으로 이동될 수 있고, 제1 밸브 및 제2 밸브를 개방하는 시간 계열 순서가 선택될 수 있다. 이 구성에 의해, 제1 밸브는 제2 밸브 전 또는 후에 개방될 수 있고, 양쪽 밸브는 단일 액추에이터에 의해 작동된다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 밸브 어셈블리는 필요에 따라 웨이스트게이트 기능을 동시에 제공하면서 터빈 스테이지가 단일 스크롤 동작 및 트윈 스크롤 동작 사이에서 전환할 수 있도록 구성된다. 특히, 밸브 어셈블리가 제1 밸브 구성에 있을 때, 트윈 스크롤 볼류트의 스크롤들 중 하나가 폐쇄되고 터빈 부분은 모노-스크롤(mono-scroll) 터빈으로서 작동한다. 이것은 배기 가스 흐름이 단일 볼류트를 통해 전달될 수 있게 해서, 터빈 스테이지가 그의 잠재적 크기의 절반으로 기능할 수 있게 해서, 부스트를 제공하는데 요구되는 시간을 감소시킨다. 이것은, 예를 들어 배기 가스 흐름이 비교적 적은 비활성화된 실린더 때문에 낮은 엔진 속도(rpm), 낮은 엔진 부하(BMEP) 또는 감소된 실린더 변위 동안에 유리하다. 밸브 어셈블리가 제2 밸브 구성에 있을 때, 배기 가스 흐름은 트윈 스크롤 볼류트의 양쪽 스크롤에 허용된다. 따라서, 제2 볼류트는 더 높은 엔진 속도와 관련된 증가된 배기 가스 유량을 수용하도록 더 높은 엔진 속도에서 개방된다. 밸브 어셈블리가 제3 밸브 구성에 있을 때, 배기 가스 흐름은 트윈 스크롤 볼류트의 양쪽 스크롤에 허용되고, 배기 가스 흐름의 일부분이 바이패스 통로로 방향 전환되어, 터빈 휠, 압축기 휠, 및 연결 샤프트를 포함하는 회전 어셈블리의 과속 회전을 방지한다.
다른 예시적인 실시형태에서, 밸브 어셈블리는, 터빈 스테이지가 트윈 스크롤 볼류트 동작, 더블 스크롤 동작, 및 웨이스트게이트형 트윈 스크롤 동작 사이에서 전환할 수 있도록 구성된다. 특히, 밸브 어셈블리가 제1 밸브 구성에 있을 때, 트윈 스크롤 볼류트의 제1 스크롤은 트윈 스크롤 볼류트의 제2 스크롤과 연통하는 것이 방지되고, 터빈 부분은 통상의 트윈 스크롤 볼류트로서 작동한다. 이 구성에서는, 연소 실린더의 배기 펄스가 스크롤들 사이에서 분리되어, 낮은 엔진 속도에서 더 높은 터빈 효율을 제공한다. 밸브 어셈블리가 제2 밸브 구성에 있을 때, 트윈 스크롤 볼류트의 제1 스크롤은 트윈 스크롤 볼류트의 제2 스크롤과 연통할 수 있게 되어, 모노-스크롤 동작을 초래한다. 이것은 큰 펄스 압력이 터빈 하우징에서 발생되는 높은 엔진 속도에서 유리하다. 제1 스크롤 및 제2 스크롤이 연통하고 있기 때문에, 가스는 2개의 스크롤 사이에서 흐를 수 있어, 스크롤 내부의 압력 완화를 가능하게 한다. 밸브 어셈블리가 제3 밸브 구성에 있을 때, 트윈 스크롤 볼류트의 제1 스크롤은 트윈 스크롤 볼류트의 제2 스크롤과 연통할 수 없게 되어, 듀얼-스크롤 동작을 초래한다. 또한, 각 스크롤로부터의 배기 가스 흐름의 일부분은 바이패스 통로로 방향 전환되어, 터빈 휠, 압축기 휠, 및 연결 샤프트를 포함하는 회전 어셈블리의 과속 회전을 방지한다.
양쪽의 예시적인 실시형태에서, 2개의 밸브는 공통의 회전 밸브 샤프트에 의해 구동되고, 이에 따라 단일 액추에이터에 의해 구동되어, 제조 비용이 감소되고 터보차저의 전체 크기가 감소된다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여, 첨부된 도면에 나타내는 본 발명의 실시형태를 참조하여 설명된다. 본 발명의 상기 목적, 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부된 도면과 관련하여 이하에 제시되는 본 발명의 실시형태의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 터빈 부분의 배기 가스 유입구 내에 배치된 밸브 어셈블리를 포함하는 배기 가스 터보차저의 개략도이다.
도 2는 도 1의 밸브 어셈블리를 포함하는 터빈 부분의 측방 사시도이다.
도 3은 도 1의 밸브 어셈블리를 포함하는 터빈 부분의 단부 사시도이다.
도 4는 터빈 부분으로부터 격리된 도 1의 밸브 어셈블리의 전방 사시도이다.
도 5는 터빈 부분으로부터 격리된 도 1의 밸브 어셈블리의 후방 사시도이다.
도 6은 명료화를 위해 터빈 부분으로부터 격리되고 밸브 시트를 생략한 도 1의 밸브 어셈블리의 전방 사시도이다.
도 7은 명료화를 위해 터빈 부분으로부터 격리되고 밸브 시트를 생략한 도 1의 밸브 어셈블리의 후방 사시도이다.
도 8은 도 1의 밸브 어셈블리의 배기 가스 유입구 및 밸브 하우징의 단면도이다.
도 9는 도 1의 밸브 어셈블리의 배기 가스 유입구 및 밸브 하우징의 다른 단면도이다.
도 10은 다양한 밸브 샤프트 회전 배향을 위해 도 1의 밸브 어셈블리의 제1 및 제2 밸브 양쪽에 대한 밸브 본체 및 밸브 시트의 상대적인 배향의 개략도이다.
도 11은 도 1의 밸브 어셈블리의 제1 배향에 대한 터빈 부분(가상선으로 도시됨)을 통한 배기 흐름 경로의 예시도이다.
도 12는 도 1의 밸브 어셈블리의 제2 배향에 대한 터빈 부분(가상선으로 도시됨)을 통한 배기 흐름 경로의 예시도이다.
도 13은 도 1의 밸브 어셈블리의 제3 배향에 대한 터빈 부분(가상선으로 도시됨)을 통한 배기 흐름 경로의 예시도이다.
도 14는 대체적인 실시형태의 밸브 어셈블리를 포함하며 명료화를 위해 밸브 하우징을 생략한 터빈 부분의 측방 사시도이다.
도 15는 명료화를 위해 밸브 하우징 단부 커버를 생략한 도 14의 밸브 어셈블리를 포함하는 터빈 부분의 단부 사시도이다.
도 16은 터빈 부분으로부터 격리된 도 14의 밸브 어셈블리의 후방 사시도이다.
도 17은 터빈 부분으로부터 격리된 도 14의 밸브 어셈블리의 전방 사시도이다.
도 18은 명료화를 위해 터빈 부분으로부터 격리되고 밸브 시트를 생략한 도 14의 밸브 어셈블리의 후방 사시도이다.
도 19는 명료화를 위해 터빈 부분으로부터 격리되고 밸브 시트를 생략한 도 14의 밸브 어셈블리의 전방 사시도이다.
도 20은 도 14의 밸브 어셈블리의 배기 가스 유입구 및 밸브 하우징의 단면도이다.
도 21은 밸브 하우징 내에 형성된 소정의 밸브 포트를 도시하는 도 14의 밸브 어셈블리의 배기 가스 유입구 및 밸브 하우징의 다른 단면도이다.
도 22는 밸브 하우징 내에 형성된 다른 밸브 포트를 도시하는 도 14의 밸브 어셈블리의 배기 가스 유입구 및 밸브 하우징의 또 다른 단면도이다.
도 23은 다양한 밸브 샤프트 회전 배향에 대한 도 14의 밸브 어셈블리의 제1 및 제2 밸브 양쪽에 대한 밸브 본체 및 밸브 시트의 상대적인 배향의 개략도이다.
도 24는 도 14의 밸브 어셈블리의 제1 배향에 대한 터빈 부분(가상선으로 도시됨)을 통한 배기 흐름 경로의 예시도이다.
도 25는 도 14의 밸브 어셈블리의 제2 배향에 대한 터빈 부분(가상선으로 도시됨)을 통한 배기 흐름 경로의 예시도이다.
도 26은 도 14의 밸브 어셈블리의 제3 배향에 대한 터빈 부분(가상선으로 도시됨)을 통한 배기 흐름 경로의 예시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 배기 가스 터보차저(1)는 압축기 부분(10), 터빈 부분(20), 및 압축기 부분(10)과 터빈 부분(20) 사이에 배치되어 압축기 부분(10)을 터빈 부분(20)에 연결하는 베어링 하우징(8)을 포함한다. 터빈 부분(20)은, 배기 가스 유입구(24), 배기 가스 유출구(28), 및 배기 가스 유입구(24)와 배기 가스 유출구(28) 사이의 유체 경로 내에 배치된 트윈 스크롤 볼류트(26)를 정의하는 터빈 하우징(22)을 포함하고 있다. 트윈 스크롤 볼류트(22)는 제1 터빈 볼류트(26a), 및 벽(34)을 통해 제1 터빈 볼류트(26a)로부터 분리된 제2 터빈 볼류트(26b)를 포함한다. 터빈 휠(30)이 제1 및 제2 터빈 볼류트(26a, 26b)와 배기 가스 유출구(28) 사이의 터빈 하우징(22) 내에 배치된다. 터빈 부분(20)은 터빈 휠(30)을 우회하면서 배기 가스 유입구(24)를 배기 가스 유출구(28)에 연결하는 바이패스 통로(56), 및 바이패스 통로(56)를 통한 배기 가스 흐름을 제어하도록 구성되는 밸브 어셈블리(40)를 포함한다. 또한, 터빈 하우징(22)은 터빈 부분(20)을 볼트 또는 비 밴드(vee band)(미도시)를 통해 베어링 하우징(8)에 연결하는데 사용되는 환형 연결 플랜지(32)를 포함한다.
터보차저 샤프트(2)가 터빈 휠(30)에 연결되고, 베어링 하우징(8) 내부에 회전 가능하게 지지되며, 압축기 부분(10)으로 연장된다. 압축기 부분(10)은 공기 흡입부(16), 공기 유출구(18), 및 압축기 볼류트(19)를 정의하는 압축기 하우징(12)을 포함한다. 압축기 휠(14)이 공기 흡입부(16)와 압축기 볼류트(19) 사이의 압축기 하우징(12) 내에 배치된다. 압축기 휠(14)은 터보차저 샤프트(2)에 연결되고, 터보차저 샤프트(2)에 의해 구동된다.
사용 시, 터빈 하우징(22) 내의 터빈 휠(30)은 엔진의 배기 매니폴드로부터 공급된 배기 가스의 유입에 의해 회전 가능하게 구동된다. 터보차저 샤프트(2)가 베어링 하우징(8) 내에 회전 가능하게 지지되고 터빈 휠(30)을 압축기 하우징(12) 내의 압축기 휠(14)에 연결하기 때문에, 터빈 휠(30)의 회전은 압축기 휠(14)의 회전을 일으킨다. 압축기 휠(14)이 회전함에 따라, 엔진의 흡기 매니폴드에 연결되는 압축기 공기 유출구(18)로부터의 유출을 통해 엔진의 실린더로 전달되는 공기 질량 유량, 기류 밀도 및 공기압을 증가시킨다.
터보차저(1)에서, 터빈 휠(30)로 전달되는 배기 가스의 양은 밸브 어셈블리(40)를 통해 제어되어, 이하에서 더욱 설명되는 바와 같이, 압축기 부분(10)이 엔진 작동 속도의 전체 범위에 걸쳐서 적절한 부스트를 생성하는 것을 보장한다. 밸브 어셈블리(40)는 유입구 플랜지(25)와 제1 및 제2 터빈 볼류트(26a, 26b) 사이의 배기 가스 유입구(24) 내에 배치되는 밸브 하우징(42) 내부에 지지된다.
도 4 내지 도 7을 참조하면, 밸브 어셈블리(40)는, 밸브 샤프트(44), 밸브 샤프트(44)의 단부(45a) 상에 배치된 제1 밸브(60), 및 제1 밸브(60)로부터 약간 이격된 위치에서 샤프트(44) 상에 배치된 제2 밸브(80)를 포함하고 있다. 각각의 제1 및 제2 밸브(60, 80)는 밸브(60, 80)를 개폐하도록 밸브 시트(71, 91)에 대하여 이동하는 밸브 본체(61, 81)를 포함하고 있다. 제1 및 제2 밸브(60, 80)는 로터리 밸브이다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 로터리 밸브는, 밸브 샤프트(44)가 밸브 본체(61, 81)에 직접 고정되고 밸브 본체(61, 81)의 밸브 안착 대향면(62, 82)에 수직인 방향으로 연장되는 밸브를 지칭한다. 밸브 샤프트(44)가 그의 길이방향 축(46)을 중심으로 회전될 때, 밸브 본체(61, 81)는 샤프트 길이방향 축(46)을 중심으로 회전하여 밸브 본체(61, 81)가 밸브 시트(71, 91)에 평행하게 유지되고, 밸브 시트(71, 91)에 대하여 회전하면서 슬라이딩한다.
제1 밸브 본체(61) 및 제2 밸브 본체(81)는, 각각이 원형 프로파일을 가지는 강성이고 얇은 디스크 형상 부재(도 6 및 도 7)라는 점에서 유사하다. 각각의 제1 및 제2 밸브 본체(61, 81)는 밸브 샤프트(44)를 수용하고 밸브 샤프트(44)에 고정되는 중앙 개구부(64, 84)를 포함하고 있다. 특히, 제1 및 제2 밸브 본체(61, 81)는, 예를 들어 프레스 피트(press fit), 스플라인 피트(spline fit), 또는 기타 통상의 연결 방법을 통해, 각각의 중앙 개구부(64, 84)를 통해 밸브 샤프트(44)에 연결된다. 제1 밸브 본체(61)는 2개의 밸브 개구부(65, 66)를 포함하고 있다. 제1 밸브 본체(61)의 밸브 개구부(65, 66)는 샤프트(44)의 대향 측면 상에 배치되고 팬 형상(예컨대, 끝이 짤린 부채꼴 형상)을 가진다. 제2 밸브 본체(81)는 팬 형상을 가지는 단일 밸브 개구부(85)를 포함하고 있다. 제1 밸브 본체(61) 및 제2 밸브 본체(81)가 샤프트(44)와 조립될 때, 제2 밸브 본체 밸브 개구부(85)는 제1 밸브 본체 밸브 개구부들 중 하나(예컨대, 밸브 개구부(65))와 길이방향으로 정렬된다.
제1 밸브 시트(71) 및 제2 밸브 시트(91)는, 각각이 그의 각각의 밸브 본체(61, 81)보다도 직경이 약간 큰 원형 프로파일을 가지는 강성의 얇은 디스크 형상 부재(도 4 및 도 5)라는 점에서 유사하다. 각각의 제1 및 제2 밸브 시트(71, 91)는 밸브 샤프트(44)를 수용하고 샤프트(44)와 각각의 밸브 시트(71, 91) 사이의 상대 회전을 허용하는 중앙 개구부(74, 94)를 포함하고 있다. 일부 실시형태에서는, 부싱 또는 베어링(미도시)이 중앙 개구부(74, 94) 내에 배치될 수도 있어 밸브 샤프트(44)의 지지를 향상시킨다. 각각의 제1 및 제2 밸브 시트(71, 91)는 팬 형상을 가지는 단일 밸브 개구부(75, 95)를 포함하고 있다. 제1 밸브 시트(71) 및 제2 밸브 시트(91)가 샤프트(44)와 조립될 때, 제2 밸브 시트 밸브 개구부(95)는 제1 밸브 시트 밸브 개구부(75)와 길이방향으로 정렬된다.
제1 밸브 본체(61)는, 밸브 샤프트 단자 단부(45a) 근처의 외향면(63), 및 내향면(62)이 제1 밸브 시트(71)의 대향면(72)에 대하여 수평하게 놓이도록 밸브 샤프트(44)에 연결된다. 따라서, 제1 밸브 본체(61)는 제1 밸브 시트(71)와 밸브 샤프트 단자 단부(45a) 사이에 배치된다.
마찬가지로, 제2 밸브 본체(81)는, 외향면(83)이 제1 밸브 시트(71)와 대향하고 제1 밸브 시트(71)로부터 이격되며, 내향면(82)이 제2 밸브 시트(91)의 대향면(92)에 대하여 수평하게 놓이도록 밸브 샤프트(44)에 연결된다. 따라서, 제2 밸브 본체(81)는 제2 밸브 시트(91)와 제1 밸브 시트(71) 사이에 배치된다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 도시된 실시형태에서, 배기 가스 유입구(24)는 단일 유입구 개구부(27)를 가지는 유입구 플랜지(25)를 포함하고 있다(도 8). 유입구 개구부(27)에서, 배기 가스 유입구(24)의 일차 통로부(24a)가 단일의 비교적 큰 유입구 통로를 정의한다. 밸브 하우징 제1 단부(47)에 대응하는 위치에서, 일차 통로부(24a)는 터빈 볼류트(26a, 26b)를 분할하는 벽(34)의 연장에 의해 분리되는 2개의 다소 작은 이차 통로부(24b, 24c)로 분기된다. 제1 이차 통로부(24b)는 유입구 개구부(27)를 포함하는 일차 통로부(24a)와 제1 터빈 볼류트(26a) 사이의 연통을 제공하고, 제2 이차 통로부(24c)는 유입구 개구부(27)를 포함하는 일차 통로부(24a)와 제2 터빈 볼류트(26b) 사이의 연통을 제공한다. 밸브 어셈블리(40)는 밸브 하우징(42)을 통해 배기 가스 유입구(24)에 대하여 지지된다. 밸브 하우징(42)은, 배기 가스 유입구(24)와 교차하며 배기 가스 유입구(24)와 일체형인 폐쇄된 밸브 하우징 제1 단부(47)와, 밸브 하우징 제1 단부(47)에 대향하는 개방된 밸브 하우징 제2 단부(48) 사이로 연장되는 대체로 원통형 측벽(43)을 가진다. 밸브 하우징(42)은, 밸브 하우징(42)의 길이방향 중심선(39)이 일차 통로부(24a)를 통한 가스 흐름의 방향에 의해 정의된 축에 대하여 예각이 되도록 하는 각도로 배기 가스 유입구(24) 상에 배치된다.
밸브 하우징(42)은 3개의 포트(50, 52, 54)를 포함한다 (도 9). 제1 포트(50)는 밸브 하우징 제1 단부(47) 내에 배치되고, 밸브 하우징(42)과 배기 가스 유입구(24) 사이의 연통을 가능하게 한다. 제1 포트(50)는 통로 분기점 부근의 배기 가스 유입구(24)의 일차 통로부(24a)에 개방된다. 제2 포트(52)는 밸브 하우징 제1 단부(47)에 인접하여 밸브 하우징 측벽(43) 내에 배치되고, 밸브 하우징(42)과 제2 이차 통로부(24c), 및 이에 따라 또한 제2 터빈 볼류트(26b) 사이의 연통을 허용한다. 제3 포트(54)는 밸브 하우징 제2 단부(48)에 인접하여 밸브 하우징 측벽(43) 내에 배치되고, 밸브 하우징(42)과, 밸브 하우징(42)과 배기 가스 유출구(28) 사이로 연장되는 바이패스 통로(56) 사이의 연통을 허용한다.
밸브 어셈블리(40)는, 밸브 샤프트 길이방향 축(46) 및 밸브 하우징 길이방향 중심선(39)이 일반적으로 동축이 되도록 밸브 하우징(42)과 함께 배치된다. 또한, 제1 밸브(60)는, 제1 포트(50)와 제2 포트(52) 사이에 배치되도록, 그리고 제1 포트(50)를 통한 유체 흐름을 제어하도록, 밸브 하우징 제1 단부(47) 내에 배치된다. 이를 위해, 제1 밸브 시트(71)는 예를 들어 프레스 피트 또는 용접을 통해 제1 원주방향 연장 밸브 하우징 숄더(57)에 고정되어 밸브 하우징(42)과의 밀봉부를 형성한다. 제1 밸브 시트(71)는, 밸브 시트 밸브 개구부(75)가 제1 포트(50) 위에 놓이고 제1 포트(50)와 정렬되도록 배향된다.
또한, 밸브 어셈블리(40)는, 제2 밸브(80)가 제2 볼류트(26b)와 연통하는 제2 포트(52)와, 바이패스 통로(56)와 연통하는 제3 포트(54) 사이에 상주하도록 밸브 하우징(42)과 함께 배치된다. 이를 위해, 제2 밸브 시트(91)는 예를 들어 프레스 피트 또는 용접을 통해 제2 원주방향 연장 밸브 하우징 숄더(55)에 고정되어 밸브 하우징(42)과의 밀봉부를 형성한다.
외부에 배치된 액추에이터에 대한 연결을 허용하기 위해서, 밸브 샤프트(44)는 개방된 밸브 하우징 제2 단부(48)를 통해 밸브 하우징(42) 밖으로 연장된다. 커버(41)가 개방된 제2 단부(48) 내에 용접되어 그들 사이에 밀봉부를 형성하고, 밸브 샤프트(44)는 세장형 부싱(49)을 통해 커버(41) 내부에 회전 가능하게 지지된다. 커버(41)는 제2 밸브(80)로부터 이격되는 위치에서 밸브 샤프트(44) 상에 지지된다. 또한, 커버(41)는 제2 밸브(80)와, 액추에이터에 연결되도록 구성되는 밸브 샤프트(44)의 단부(45b) 사이에 배치된다. 커버(41) 및 부싱(49)은, 밸브 샤프트(44)가 밸브 하우징(42)에 대하여 밀봉된 방식으로 회전할 수 있게 한다.
제1 및 제2 밸브(60, 80)는 밸브 하우징(42)을 제1 챔버(예컨대, 연결 챔버)(58) 및 제2 챔버(예컨대, 웨이스트게이트 챔버)(59)로 분리한다. 연결 챔버(58)는 제1 밸브(60)와 제2 밸브(80) 사이에 정의되며, 제2 볼류트(26b)와 연통하는 제2 포트(52)를 포함하고 있다. 따라서, 제1 밸브(60)의 위치에 따라서, 연결 챔버(58)는 배기 가스 유입구(24)를 제2 터빈 볼류트(26b)에 연결하는 역할을 한다. 웨이스트게이트 챔버(59)는 제2 밸브(80)와 커버(41) 사이에 정의되며, 바이패스 통로(56)와 연통하는 제3 포트(54)를 포함하고 있다. 따라서, 제1 밸브(60) 및 제2 밸브(80)의 위치에 따라서, 웨이스트게이트 챔버(59)는 터빈 휠(30)을 우회하면서 배기 가스 유입구(24)를 바이패스 통로(56)를 통해 배기 가스 유출구(28)에 연결하는 역할을 한다.
도 10 내지 도 13을 참조하면, 밸브 어셈블리(40)의 작동 중, 밸브 샤프트(44)는 액추에이터에 의해 그의 길이방향 축(46)을 중심으로 회전 작동된다. 제1 및 제2 밸브(60, 80)의 개방 및/또는 폐쇄 상태는 밸브 샤프트(44)의 회전 위치에 따른다. 예를 들면, 일부 실시형태에서, 밸브 샤프트(44)는 3개의 회전 위치, 즉 0도, 90도, 및 270도 사이에서 회전된다. 밸브 샤프트(44)가 초기 회전 위치(0도 회전)에 있을 때, 제1 밸브(60) 및 제2 밸브(80)는, 제1 밸브 본체(61)의 밸브 개구부(65, 66)가 제1 밸브 시트 밸브 개구부(75)와 정렬되지 않아 제1 밸브(60)가 폐쇄되고, 제2 밸브 본체 밸브 개구부(85)가 제2 밸브 시트 밸브 개구부(95)와 정렬되지 않아 제2 밸브(80)가 폐쇄되도록 각각 배향된다. 이 구성에서, 터빈 하우징(22)을 통한 모든 배기 가스 흐름은 제1 이차 통로부(24b)를 통해 제1 터빈 볼류트(26a)로 유도된다(도 11). 이 밸브 샤프트 각도 위치는, 예를 들어 비활성화된 실린더 때문에 낮은 엔진 속도(rpm), 낮은 엔진 부하(BMEP) 또는 감소된 실린더 변위 중에 발생하는 것과 같은 낮은 배기 가스 흐름 중에 사용하기에 적합할 것이다.
밸브 샤프트(44)가 액추에이터에 의해 제2 회전 위치(예컨대, 0도 배향으로부터 90도 회전에 대응함)로 이동될 때, 제1 밸브(60) 및 제2 밸브(80)는, 제1 밸브 본체(61)의 제2 밸브 개구부(66)가 제1 밸브 시트 밸브 개구부(75)와 정렬되어 제1 밸브(60)가 개방되고, 제2 밸브 본체 밸브 개구부(85)가 제2 밸브 시트 밸브 개구부(95)와 정렬되지 않아 제2 밸브(80)가 폐쇄되도록 배향된다. 이 구성에서, 터빈 하우징(22)을 통한 배기 가스 흐름의 일부분은 제1 이차 통로부(24b)를 통해 제1 터빈 볼류트(26a)로 유도되고, 터빈 하우징을 통한 배기 가스 흐름의 다른 부분은 제2 이차 통로부(24c) 내로 유도되고 연결 챔버(58)를 통해 제2 터빈 볼류트(26b)로 유도된다(도 12). 이 밸브 샤프트 각도 위치는 중간 정도의 배기 가스 흐름 중에 사용하기에 적합할 것이고, 제2 터빈 볼류트(26b)로의 흐름은 밸브 샤프트 회전 위치의 조정에 의해 조절될 수 있다.
밸브 샤프트(44)가 액추에이터에 의해 제3 회전 위치(예컨대, 0도 배향으로부터 270도 회전에 대응함)로 이동될 때, 제1 밸브(60) 및 제2 밸브(80)는, 제1 밸브 본체(61)의 제1 밸브 개구부(65)가 제1 밸브 시트 밸브 개구부(75)와 정렬되어 제1 밸브(60)가 개방되고, 제2 밸브 본체 밸브 개구부(85)가 제2 밸브 시트 밸브 개구부(95)와 정렬되어 제2 밸브(80)가 개방되도록 배향된다. 이 구성에서, 터빈 하우징(22)을 통한 배기 가스 흐름의 일부분은 제1 이차 통로부(24b)를 통해 제1 터빈 볼류트(26a)로 유도되고, 터빈 하우징을 통한 배기 가스 흐름의 다른 부분은 제2 통로부(24c) 내로 유도되고 연결 챔버(58)를 통해 제2 터빈 볼류트(26b)로 유도되며, 터빈 하우징(22)을 통한 배기 가스 흐름의 또 다른 부분은 웨이스트게이트 챔버(59)를 통해 바이패스 통로(56) 내로 유도된다(도 13). 이 밸브 샤프트 각도 위치는 높은 배기 가스 흐름 중에 사용하기에 적합할 것이며, 제2 터빈 볼류트(26b) 및 바이패스 통로(56)로의 흐름은 밸브 샤프트 회전 위치의 조정에 의해 조절될 수 있다.
설명 편의상, 밸브 시트(71, 91)에 대한 밸브 본체(61, 81)의 3개의 개별 위치가, 각각의 밸브(60, 80)가 완전 폐쇄되거나 완전 개방되는 것으로 상기에서 설명되어 있다. 그러나, 각각의 밸브(60, 80)가 임의의 원하는 각도로 부분 개방되어 밸브(60, 80)를 통한 배기 가스 흐름의 정밀하게 제어된 양을 제공하는 것으로, 중간 위치의 범위가 달성될 수 있음이 고려된다.
터빈 부분(20)에서 밸브 어셈블리(40)를 사용함으로써, 가용한 볼류트 크기(A/R로서 측정됨)는 터빈 스테이지 배기 가스 흐름에 대해(예를 들어, 그에 비례하게) 최적화 될 수 있다. 전술한 구성에서, 높은 배기 가스 흐름은 더 큰 볼류트 크기와 쌍을 이루며, 낮은 배기 가스 흐름은 터빈 볼류트 크기를 변화시킴으로써 더 작은 볼류트 크기와 쌍을 이루어, 2개의 인접하는 터빈 볼류트(26a, 26b) 사이의 터빈 배기 가스 흐름의 전략적인 전달에 의해 달성된다.
따라서, 본 발명의 일 실시형태는 엔진에 연결되도록 구성된 터보차저(1)를 포함하고, 상기 터보차저(1)는,
터빈 휠(30);
터빈 휠(30)을 둘러싸는 터빈 하우징(22)을 포함하는 터빈 부분(20)을 포함하며,
상기 터빈 하우징(22)은,
배기 가스 유입구(24),
배기 가스 유출구(28),
배기 가스 유입구(24)와 터빈 휠(30) 사이에 배치된 제1 터빈 볼류트(26a),
배기 가스 유입구(24)와 터빈 휠(30) 사이에 배치된 제2 터빈 볼류트(26b)로서, 제1 및 제2 터빈 볼류트(26a, 26b)가 분할 벽(34)에 의해 분리된, 상기 제2 터빈 볼류트(26b)를 정의하며,
배기 가스 유입구(24)는,
플랜지 개구부(27)를 포함하는 유입구 플랜지(25),
플랜지 개구부(27)와 제1 터빈 볼류트(26a) 사이로 연장되는 제1 통로(24a, 24b),
제2 터빈 볼류트(26b)와 연통하는 제2 통로(24a, 24c),
유입구 플랜지(25)와 제1 및 제2 터빈 볼류트(26a, 26b) 사이의 배기 가스 유입구(24) 내에 배치된 밸브 하우징(42)을 포함하며,
상기 밸브 하우징(42)은,
플랜지 개구부와 연통하는 제1 연결 포트(50) 및 제2 통로(24a, 24c)와 연통하는 제2 연결 포트(52)를 가지는 연결 챔버(58),
연결 챔버(58)와 연통하는 제1 웨이스트게이트 포트(85, 95) 및 배기 가스 유출구(28)와 연통하는 제2 웨이스트게이트 포트(54)를 가지는 웨이스트게이트 챔버(59),
제1 연결 포트(50)를 통한 흐름을 제어하도록 구성된 제1 밸브(60);
제1 웨이스트게이트 포트(85, 95)를 통한 흐름을 제어하도록 구성된 제2 밸브(80);
회전축을 포함하는 밸브 샤프트(44)로서, 제1 밸브(60) 및 제2 밸브(80) 양쪽에 연결된, 상기 밸브 샤프트(44)를 포함하며,
상기 밸브 샤프트(44)가 액추에이터에 의해 회전축(46)을 중심으로 회전 구동되어,
제1 밸브(60) 및 제2 밸브(80)가 각각 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 선택적으로 이동될 수 있고,
제1 밸브(60) 및 제2 밸브(80)를 개방하는 시간 계열 순서가 선택될 수 있다.
밸브 어셈블리가 3개의 흐름 조건(제1 이차 통로 개방, 제1 및 제2 이차 통로 개방, 제1 및 제2 이차 통로 및 웨이스트게이트 개방)을 제어하기 때문에, 밸브를 삼위식 밸브(three position valve)로서 설계하는 것도 물론 가능하다. 예를 들면, 제1 밸브 시트 또는 제1 밸브 본체 내의 밸브 개구부의 원호는 제2 위치와 제3 위치 사이에서 전환할 때 연속 개방을 유지하도록 연장된다. 밸브가 0° 위치에 있을 때, 양쪽 밸브 개구부는 폐쇄되고, 모든 배기 가스가 제1 이차 통로(24b)를 통해 흐른다. 밸브가 90°회전될 때, 제1 밸브(60)는 개방되고, 배기는 제1 및 제2 이차 통로(24b, 24c)를 통해 흐른다. 밸브가 180° 위치에 있을 때, 제1 밸브(60)는 개방 상태로 유지되지만, 지금 제2 밸브(80)가 개방되어, 배기가 제1 및 제2 이차 통로와 또한 웨이스트게이트를 통해 흐른다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 다른 실시형태의 밸브 어셈블리(140)는, 터보차저(1)의 터빈 부분(20')으로 전달되는 배기 가스의 양을 제어하여, 압축기 부분(10)이 엔진 작동 속도의 전체 범위에 걸쳐서 적절한 부스트를 생성하는 것을 보장하고, 이하에서 더욱 설명되는 바와 같이, 모노-스크롤 설계와 트윈-스크롤 설계 사이에서 터빈 볼류트(26)을 전환할 수 있게 하는데 사용된다. 밸브 어셈블리(140)는 유입구 플랜지(25)와 제1 및 제2 터빈 볼류트(26a, 26b) 사이의 배기 가스 유입구(24) 내에 배치된 밸브 하우징(142) 내에 배치된다.
도 16 내지 도 19를 참조하면, 밸브 어셈블리(140)는, 밸브 샤프트(144), 밸브 샤프트(144)의 단부(145a)에 인접하여 배치되고 그 단부(145a)로부터 약간 이격된 제1 밸브(160), 및 제1 밸브(160)에 대하여 이격된 위치에서 샤프트(144) 상에 배치된 제2 밸브(180)를 포함하고 있다. 각각의 제1 및 제2 밸브(160, 180)는 밸브 시트(171, 191)에 대하여 이동하여 밸브(160, 180)를 개폐하는 밸브 본체(161, 181)를 포함하고 있다. 제1 및 제2 밸브(160, 180)는 로터리 밸브이고, 제1 밸브(160)는 제2 밸브(180)보다도 직경이 약간 크다.
제1 밸브 본체(161) 및 제2 밸브 본체(181)는, 각각이 원형 프로파일을 가지는 강성의 얇은 디스크 형상 부재(도 18 및 도 19)라는 점에서 유사하다. 각각의 제1 및 제2 밸브 본체(161, 181)는 밸브 샤프트(144)를 수용하고 밸브 샤프트(144)에 고정되는 중앙 개구부(164, 184)를 포함하고 있다. 특히, 제1 및 제2 밸브 본체(161, 181)는, 예를 들어 프레스 피트, 스플라인 피트, 또는 기타 통상의 연결 방법을 통해, 각각의 중앙 개구부(164, 184)를 통해 밸브 샤프트(144)에 연결된다. 제1 밸브 본체(161)는 2개의 밸브 개구부(165, 166)를 포함하고 있다. 제1 밸브 본체(161)의 밸브 개구부(165, 166)는 샤프트(144)의 대향 측면 상에 배치되고 팬 형상을 가진다. 제2 밸브 본체(181)는 2개의 밸브 개구부(185, 186)를 포함하고 있다. 제2 밸브 본체(181)의 밸브 개구부(185, 186)는 샤프트(144)의 대향 측면 상에 배치되고 팬 형상을 가진다. 제1 밸브 본체(161) 및 제2 밸브 본체(181)가 샤프트(144)와 조립될 때, 제2 밸브 본체(181)의 밸브 개구부(185, 186)는 제1 밸브 본체(161)의 밸브 개구부(165, 166)와 길이방향으로 정렬되지 않고, 대신에 45도만큼 오프셋된다.
제1 밸브 시트(171) 및 제2 밸브 시트(191)는, 각각이 그의 각각의 밸브 본체(161, 181)보다도 직경이 약간 큰 원형 프로파일을 가지는 강성의 얇은 디스크 형상 부재(도 16 및 도 17)라는 점에서 유사하다. 각각의 제1 및 제2 밸브 시트(171, 191)는, 밸브 샤프트(144)를 수용하며 샤프트(144)와 각각의 밸브 시트(171, 191) 사이의 상대 회전을 허용하는 중앙 개구부(174, 194)를 포함하고 있다. 일부 실시형태에서, 부싱 또는 베어링(미도시)이 중앙 개구부(174, 194) 내에 배치되어 밸브 샤프트(144)의 지지를 향상시킬 수도 있다. 제1 밸브 시트(171)는 2개의 밸브 개구부(175, 176)를 포함하고 있다. 제1 밸브 시트(171)의 밸브 개구부(175, 176)는 샤프트(144)의 대향 측면 상에 배치되며 팬 형상을 가진다. 제2 밸브 시트(191)는 2개의 밸브 개구부(195, 196)를 포함하고 있다. 제2 밸브 본체(191)의 밸브 개구부(195, 196)는 샤프트(144)의 대향 측면 상에 배치되며 팬 형상을 가진다. 제2 밸브 본체(191)의 밸브 개구부(195, 196)는 제1 밸브 시트(171)의 밸브 개구부(175, 176)보다도 약간 크다(예컨대, 그보다 큰 원주방향 치수를 가진다). 제1 밸브 시트(171) 및 제2 밸브 시트(191)가 샤프트(144)와 조립될 때, 제1 밸브 시트(171)의 제1 밸브 개구부(175) 및 제2 밸브 시트(191)의 제1 밸브 개구부(195)는 길이방향으로 정렬되며, 제1 밸브 시트(171)의 제2 밸브 개구부(176) 및 제2 밸브 시트(191)의 제2 밸브 개구부(195)도 길이방향으로 정렬된다.
제1 밸브 본체(161)는, 제1 밸브 시트(171)가 밸브 본체(161)와 샤프트 단자 단부(145a) 사이에 배치되도록 밸브 샤프트(44)에 연결된다. 마찬가지로, 제2 밸브 본체(181)는, 외향면(183)이 제1 밸브 본체(161)와 대향하고 제1 밸브 본체(161)로부터 이격되고, 내향면(182)이 제2 밸브 시트(191)의 대향면(192)과 인접하도록 밸브 샤프트(144)에 연결된다. 따라서, 제2 밸브 본체(181)는 제2 밸브 시트(191)와 제1 밸브(160) 사이에 배치된다.
도 14 및 도 20을 또한 참조하면, 도시된 실시형태에서, 배기 가스 유입구(124)는 2개의 유입구 개구부(127a, 127b)를 가지는 유입구 플랜지(125)를 포함하고 있다(도 14). 배기 가스 유입구(124)는 2개의 터빈 볼류트(26a, 26b)를 분할하는 벽(34)의 연장에 의해 2개의 통로(124a, 124b)로 분리된다. 제1 유입구 통로(124a)는 제1 유입구 개구부(127a)와 제1 터빈 볼류트(26a) 사이의 연통을 제공하고, 제2 유입구 통로(124b)는 제2 유입구 개구부(127b)와 제2 터빈 볼류트(26b) 사이의 연통을 제공한다(도 20). 일부 실시형태에서, 제1 터빈 볼류트(26a)는 제1 유입구 통로(124a)를 통해 엔진(미도시)의 제1 세트의 실린더에 연결되고, 제2 터빈 볼류트(26b)는 제2 유입구 통로(124b)를 통해 엔진의 제2 세트의 실린더에 연결되며, 여기서 제2 세트의 실린더는 제1 세트의 실린더와 공통의 실린더를 가지지 않는다.
밸브 어셈블리(140)는 밸브 하우징(142)을 통해 배기 가스 유입구(24)에 대하여 지지된다. 밸브 하우징(142)은 개방된 밸브 하우징 제1 단부(147)와, 밸브 하우징 제1 단부(147)에 대향하는 개방된 밸브 하우징 제2 단부(148) 사이로 연장되는 대체로 원통형 측벽(143)을 가진다. 밸브 하우징(142)은, 밸브 하우징(142)의 길이방향 중심선(139)이 2개의 유입구 통로(124a, 124b)를 통한 가스 흐름 방향에 의해 정의되는 축을 일반적으로 가르지르도록 배기 가스 유입구(124) 상에 배치된다. 또한, 길이방향 중심선(139)은 제1 및 제2 유입구 통로(124a, 124b) 사이에서 이들과 교차하지 않으면서 분할 벽(34)을 통과한다. 또한, 밸브 하우징 제1 단부(147)는 배기 가스 유입구(124)의 일 측면 상에 배치되고, 밸브 하우징 제2 단부(148)는 배기 가스 유입구(124)의 대향 측면 상에 배치된다.
외부에 배치된 액추에이터에 대한 연결을 가능하게 하기 위해서, 밸브 샤프트(144)는 개방된 밸브 하우징 제2 단부(148)를 통해 밸브 하우징(142) 밖으로 연장된다. 커버(141)가 개방된 제2 단부(148) 내에 용접되어 그와 함께 밀봉부를 형성하고, 밸브 샤프트(144)는 세장형 부싱(149)을 통해 커버(141) 내부에 회전 가능하게 지지된다. 커버(141)는 제2 밸브(180)로부터 이격되는 위치에서 밸브 샤프트(144) 상에 지지되어, 연결 챔버(158)가 제2 밸브(180)와 커버(141) 사이에 형성된다. 또한, 커버(141)는 제2 밸브(180)와, 액추에이터에 연결되도록 구성되는 밸브 샤프트(144)의 단부(145b) 사이에 배치된다. 커버(141) 및 부싱(149)은 밸브 샤프트(144)가 밸브 하우징(142)에 대하여 밀봉된 방식으로 회전할 수 있게 한다.
제2 커버(138)가 개방된 밸브 하우징 제1 단부(147) 내에 용접되어 밸브 하우징 제1 단부(147)를 폐쇄하고 그와 함께 밀봉부를 형성한다. 밸브 샤프트(144)의 단자 단부(145a)는 제2 커버(138)의 내부면 상에 형성된 중앙 함몰부(미도시) 내부에 회전 가능하게 지지된다. 제2 커버(138)는 제1 밸브(160)의 밸브 시트(171)로부터 이격되어, 웨이스트게이트 챔버(159)가 제1 밸브(160)와 제2 커버(138) 사이의 밸브 하우징(142) 내에 형성된다. 웨이스트게이트 챔버(159)는 연결 챔버(158)에 대향하는 배기 가스 유입구(124)의 일 측면 상에 배치된다.
도 21 및 도 22를 참조하면, 밸브 하우징(142)은 5개의 포트(151, 152, 153, 154 및 155)를 포함하고 있다. 제1 포트(151)는 배기 가스 유입구(124) 내에 배치되고, 밸브 하우징(142)의 연결 챔버(158)와 제1 유입구 통로(124a) 사이의 연통을 가능하게 한다(도 21). 제2 포트(152)는 배기 가스 유입구(124) 내에 배치되고, 연결 챔버(158)와 제2 유입구 통로(124b) 사이의 연통을 가능하게 한다(도 22). 제3 포트(153)는 배기 가스 유입구(124) 내에 배치되고, 밸브 하우징(142)의 웨이스트게이트 챔버(159)와 제1 유입구 통로(124a) 사이의 연통을 가능하게 한다(도 22). 제4 포트(154)는 배기 가스 유입구(124) 내에 배치되고, 웨이스트게이트 챔버(159)와 제2 유입구 통로(124b) 사이의 연통을 가능하게 한다(도 21). 제5 포트(155)는 제2 커버(138)와 제1 밸브(160) 사이의 밸브 하우징 측벽(143) 내에 배치되고, 터빈 휠(30)을 우회하는 바이패스 통로(156)를 통해 웨이스트게이트 챔버(159)와 배기 가스 유출구(28) 사이의 연통을 가능하게 한다.
밸브 어셈블리(140)는, 밸브 샤프트 길이방향 축(146) 및 원통형 밸브 하우징(142)의 중심선(139)이 일반적으로 동축이 되도록 밸브 하우징(142)과 함께 배치된다. 또한, 제1 밸브(160)는 웨이스트게이트 챔버(159) 내에 배치되어 제3 및 제4 포트(153, 154)를 통한 유체 흐름을 제어한다. 이를 위해, 제1 밸브 시트(171)는 예를 들어 용접을 통해 제1 원주방향 연장 밸브 하우징 숄더(157)에 고정되어 밸브 하우징(142)과의 밀봉부를 형성된다. 제1 밸브 시트(171)는, 제1 밸브 시트(171)의 제1 밸브 개구부(175)가 제3 포트(153)와 길이방향으로 정렬되고, 제1 밸브 시트(171)의 제2 밸브 개구부(176)가 제4 포트(154)와 길이방향으로 정렬되도록 숄더(157)에 대하여 배향된다.
또한, 밸브 어셈블리(140)는, 제2 밸브(180)가 연결 챔버(158) 내에 배치되어 제1 및 제2 포트(151, 152)를 통한 유체 흐름을 제어하도록 밸브 하우징(142)과 함께 배치된다. 이를 위해, 제2 밸브 시트(191)는, 예를 들어 용접을 통해 제2 원주방향 연장 밸브 하우징 숄더(167)에 고정되어 밸브 하우징(142)과의 밀봉부를 형성한다. 제2 밸브 시트(191)는, 제2 밸브 시트(191)의 제1 밸브 개구부(195)가 제1 포트(151)와 길이방향으로 정렬되고, 제2 밸브 시트(191)의 제2 밸브 개구부(196)가 제2 포트(152)와 길이방향으로 정렬되도록 제2 숄더(167)에 대하여 배향된다.
연결 챔버(158)는 제2 밸브(180), 측벽(143) 및 제1 커버(141) 사이에 정의된다. 연결 챔버(158)가 제1 및 제2 포트(151, 152)를 통해 유입구 통로(124a, 124b)에 연결되지만, 다르게는 연결 챔버(158)에는 포트가 없다. 따라서, 제2 밸브(180)의 위치에 따라서, 연결 챔버(158)는 제1 유입구 통로(124a)를 제2 유입구 통로(124b)에 연결하는 역할을 한다.
웨이스트게이트 챔버(159)는 제1 밸브(160), 측벽(143) 및 제2 커버(138) 사이에 정의되며, 제3 및 제4 포트(153, 154)를 통해 유입구 통로(124a, 124b)에 연결된다. 또한, 웨이스트게이트 챔버(159)는 바이패스 통로(56)와 연통하는 제5 포트(155)를 포함한다. 따라서, 제1 밸브(160)의 위치에 따라서, 웨이스트게이트 챔버(159)는 터빈 휠(30)을 우회하면서 배기 가스 유입구(24)를 바이패스 통로(56)를 통해 배기 가스 유출구(28)에 연결하는 역할을 한다.
도 23 내지 도 26을 참조하면, 밸브 어셈블리(140)의 작동 중, 밸브 샤프트(144)는 액추에이터에 의해 그의 길이방향 축(146)을 중심으로 회전 작동된다. 제1 및 제2 밸브(160, 180)의 개방 및/또는 폐쇄 상태는 밸브 샤프트(144)의 회전 위치에 따른다. 예를 들면, 일부 실시형태에서, 밸브 샤프트(144)는 3개의 회전 위치, 즉 0도; 45도; 및 90도 사이에서 회전된다. 밸브 샤프트(44)가 초기 회전 위치(예컨대, 0도 회전)에 있을 때, 제1 밸브(160) 및 제2 밸브(180)는, 제1 밸브 본체(161)의 밸브 개구부(165, 166)가 제1 밸브 시트 밸브 개구부(175, 176)와 정렬되지 않아 제1 밸브(160)가 폐쇄되고, 제2 밸브 본체 밸브 개구부(185, 186)가 제2 밸브 시트 밸브 개구부(195, 196)와 정렬되지 않아 제2 밸브(180)가 폐쇄되도록 각각 배향된다. 이 구성에서, 터보차저 터빈 부분(20)은, 터빈 하우징(22)을 통한 모든 배기 가스 흐름이 2개의 유입구 개구부(127a, 127b)를 통해 각각의 유입구 통로(124a, 124b)를 경유하여 2개의 터빈 볼류트(26a, 26b)로 유도되는 듀얼 스크롤 모드로 작동한다(도 24). 이 밸브 샤프트 각도 위치는, 예를 들어 비활성화된 실린더 때문에 낮은 엔진 속도(rpm), 낮은 엔진 부하(BMEP) 또는 감소된 실린더 변위 중에 발생하는 것과 같은 낮은 배기 가스 흐름 중에 사용하기에 적합할 것이다. 트윈 스크롤 터빈으로서의 작동은, 트윈 스크롤 설계가 엔진 실린더의 배기 펄스를 분리시켜서 낮은 엔진 속도에서 높은 터빈 효율을 제공하고, 더 높은 로우-엔드(low-end) 엔진 토크를 제공할 수 있기 때문에, 유리하다.
밸브 샤프트(144)가 액추에이터에 의해 제2 회전 위치(예컨대, 0도 배향으로부터 상대적인 45도 회전에 대응함)로 이동될 때, 제1 밸브(160) 및 제2 밸브(180)는, 제1 밸브 본체(161)의 밸브 개구부(165, 166)가 제1 밸브 시트 밸브 개구부(175, 176)와 정렬되지 않아 제1 밸브(160)가 폐쇄되고, 제2 밸브 본체 밸브 개구부(185, 186)가 제2 밸브 시트 밸브 개구부(195, 196)와 정렬되어 제2 밸브(180)가 개방되도록 배향된다. 이 구성에서, 터빈 하우징(22)을 통한 모든 배기 가스 흐름은 2개의 유입구 개구부(127a, 127b)를 통해 각각의 유입구 통로(124a, 124b)를 경유하여 2개의 터빈 볼류트(26a, 26b)로 유도된다. 또한, 제1 유입구 통로(124a)는 연결 챔버(158)를 통해 제2 유입구 통로(124b)와 연통하고, 이에 따라 터보차저 터빈 부분(20)은 모노 스크롤 모드로 작동한다(도 25). 이 밸브 샤프트 각도 위치는 중간 정도로 높은 배기 가스 흐름 중에 사용하기에 적합할 것이다. 모노 스크롤 터빈이 낮은 엔진 속도에서 엔진 배기 펄스를 분리시키지 않지만, 모노 스크롤 터빈은 유리하게는 높은 엔진 속도에서 더 낮은 배기 배압을 제공하고, 더 높은 피크 엔진 마력을 제공한다.
밸브 샤프트(144)가 액추에이터에 의해 제3 회전 위치(예컨대, 0도 배향으로부터 90도 회전에 대응함)로 이동될 때, 제1 밸브(160) 및 제2 밸브(180)는, 제1 밸브 본체(161)의 밸브 개구부(165, 166)가 제1 밸브 시트 밸브 개구부(175, 176)와 정렬되어 제1 밸브(160)가 개방되고, 제2 밸브 본체 밸브 개구부(185, 186)가 제2 밸브 시트 밸브 개구부(195, 196)와 정렬되지 않아 제2 밸브(180)가 폐쇄되도록 배향된다. 이 구성에서, 터빈 하우징(22)을 통한 모든 배기 가스 흐름은 2개의 유입구 개구부(127a, 127b)를 통해 각각의 유입구 통로(124a, 124b)를 경유하여 2개의 터빈 볼류트(26a, 26b)로 유도된다. 또한, 제1 유입구 통로(124a) 및 제2 유입구 통로(124b)는 웨이스트게이트 챔버(159)와 연통하고, 이에 따라 터보차저 터빈 부분(20)이 웨이스트게이트 모드로 작동한다(도 26). 이 밸브 샤프트 각도 위치는 로터 그룹(예컨대, 터빈 휠(30), 압축기 휠(14) 및 연결 샤프트(2))의 과속을 방지하기 위해서 매우 높은 배기 가스 흐름 중에 사용하기에 적합할 것이다. 바이패스 통로(156)로의 흐름은 밸브 샤프트 회전 위치의 조정에 의해 조절될 수 있다.
설명 목적을 위해, 밸브 시트(171, 191)에 대한 밸브 본체(161, 181)의 3개의 개별 위치가, 각각의 밸브(160, 180)가 완전 폐쇄되거나 완전 개방되는 것으로 상기에서 설명되어 있다. 그러나, 각각의 밸브(160, 180)가 임의의 원하는 정도로 부분적으로 개방되어 밸브(160, 180)를 통한 배기 가스의 정밀하게 제어된 양을 제공하는 것으로, 중간 위치의 범위가 달성될 수 있음이 고려된다.
밸브 어셈블리(40, 140)는, 단일 터보차저 터빈(20, 20')이 모노-스크롤 터빈으로서도 단일-스크롤 터빈으로서도 기능할 수 있게 하고, 이에 따라 터보차저는 모든 엔진 속도에서 효율적으로 작동할 수 있다. 또한, 밸브 어셈블리(40, 140)는 밸브 순서를 독립적으로 제어하도록 회전 배향될 수 있는 2개의 로터리 밸브를 포함하고 있다. 예를 들면, 각각의 밸브 시트 및 밸브 본체 내의 밸브 개구부의 구성에 따라서, 제1 밸브(즉, 웨이스트게이트 밸브(160))는 제2 밸브(즉, 연결 밸브(180)) 전 또는 후에 개방될 수 있다. 또한, 양쪽 밸브(160, 180)는 단일 액추에이터에 의해, 그리고 로터리 방식 때문에, 매우 작은 토크로 작동될 수 있다.
2개의 밸브(60, 160, 80, 180)의 밸브 개구부(65, 66, 75, 84, 85, 95, 165, 166, 175, 176, 185, 186, 195, 196)의 수, 크기, 형상 및 분포의 전략적 선택에 의해, 터빈 하우징을 통한 배기 가스 흐름은 모노, 듀얼 및/또는 웨이스트게이트형 배기 가스 흐름 모드의 다양한 조합으로 조절될 수 있고, 여기서 상기 모드는 순서대로 또는 병렬로, 그리고 특정 용도의 요구조건에 따라 변하는 양으로 발생하게 될 수 있다.
도시된 실시형태에서, 밸브 어셈블리(40, 140)는 단일 액추에이터에 연결되고, 단일 액추에이터에 의해 작동된다. 액추에이터는, 액추에이터를 사용하여 샤프트를 이동시키는 터보차저, 터보차저 컨트롤러, 또는 엔진 컴퓨터에 의해 생성된 부스트 압력에 의해 제어될 수도 있다. 터보차저 컨트롤러 또는 엔진 컴퓨터는 다수의 엔진 작동 파라미터를 측정하고 엔진 조건에 대해 요구되는 부스트를 계산할 수 있으며, 밸브 어셈블리는 터보차저가 요구되는 부스트를 제공할 수 있도록 제어될 수 있다. 부스트 압력에 의한 액추에이터의 제어는, 밸브 어셈블리를 제어할 시에 고려되어야 할 수 가지의 요인을 허용하지 않기 때문에 덜 만족스럽다.
도시된 실시형태에서, 액추에이터는 비가역식(non-reversible)이며, 밸브(60, 80, 160, 180)는 액추에이터 샤프트(44, 144)의 단일 회전 방향으로의 작동을 통해 개폐(또는 폐쇄된 다음에 개방)될 수 있다. 또한, 액추에이터는 비가역식인 것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 일부 실시형태에서, 액추에이터는 회전 방향을 반전시킬 수 있어, 밸브를 개방하는 시간 계열 순서가 반전될 수 있다.
도시된 실시형태에서, 밸브 어셈블리(40, 140)는 공통의 작동 로드(예컨대, 밸브 샤프트)(44, 144)에 의해 작동되는 2개의 밸브(160, 180)를 포함하고 있다. 양쪽 밸브(160, 180)는 로터리 밸브이다. 그러나, 밸브 어셈블리(40, 140)는 로터리 밸브를 사용하는 것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 일부 실시형태에서, 밸브들 중 하나는 로터리 밸브일 수도 있고, 다른 밸브는 밸브 샤프트가 플랩 밸브 본체에 평행한 방향으로 연장되고 밸브 샤프트에 수직으로 연장되는 아암에 의해 플랩 밸브 본체에 단단히 연결되는 플랩 밸브일 수도 있다. 밸브 샤프트(44, 144)가 회전될 때, 플랩 밸브 본체는 샤프트 축을 중심으로 회전하여 플랩 밸브 본체가 플랩 밸브 시트로부터 상승되고 그에 대하여 경사진다.
터빈 부분의 트윈 스크롤 볼류트(26)의 크기 및 스크롤 비율은 특정 용도의 요구 조건에 기초하여 결정된다. 일부 실시형태에서, 제1 터빈 볼류트(26a) 및 제2 터빈 볼류트(26)는 실질적으로 유사한 A/R 비를 가진다. 다른 실시형태에서, 제1 터빈 볼류트(26a)는 제2 터빈 볼류트(26b)보다 더 큰 A/R 비를 가진다.
밸브 본체(61, 81, 161, 181) 및 밸브 시트(71, 91, 171, 191)가 본 명세서에서는 원형 주변 형상을 가지는 것으로 설명되어 있지만, 밸브 본체(61, 81, 161, 181) 및 밸브 시트(71, 91, 171, 191)는 이 주변 형상에 한정되지 않는다. 밸브 시트(71, 91, 171, 191)의 형상은 밸브 하우징(42, 142)의 형상에 대응할 것이고, 밸브 본체(61, 81, 161, 181)의 형상은 정합하도록 이루어질 수 있거나, 또는 대체로 다각형 또는 불규칙하게 만곡된 형상을 가질 수 있다.
밸브 본체 개구부(65, 66, 85) 및 밸브 시트 개구부(75, 95)가 본 명세서에서는 팬 형상(예컨대, 끝이 짤린 부채꼴 형상)을 가지는 것으로 설명되어 있지만, 이들은 이 형상에 한정되지 않는다. 일부 실시형태에서, 개구부는 그를 통한 유체 흐름의 제어를 최대화하도록 성형된다. 일부 실시형태에서, 개구부는 원형 또는 삼각형과 같은 다른 규칙적인 만곡된 형상을 가진다. 일부 실시형태에서, 개구부는 불규칙한 만곡된 형상(예컨대, 콩 형상, 끝이 짤린 팬 형상, 초승달 형상 등)을 가진다. 일부 실시형태에서, 밸브 본체 개구부의 형상 및/또는 크기는 밸브 시트 개구부의 형상 및/또는 크기와 다르다.
선택된 예시적인 실시형태가 위에서 어느 정도 상세하게 설명되어 있다. 본 발명의 개념을 명확하게 하기 위해 필요한 것으로 고려되는 구성만이 본 명세서에 설명되어 있다는 것을 이해해야 한다. 기타 종래의 구조, 및 시스템의 부수적 및 보조적 구성요소의 구조는 당업자에게 공지되어 있고 이해되는 것으로 간주된다. 또한, 실시예가 상기에서 설명되어 있지만, 본 발명의 개념은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니라, 청구범위에 기재된 본 발명으로부터 일탈하지 않으면서 다양한 설계 변경이 수행될 수도 있다.

Claims (11)

  1. 엔진에 연결되도록 구성된 터보차저로서,
    터빈 휠;
    상기 터빈 휠을 둘러싸는 터빈 하우징을 포함하는 터빈 부분을 포함하며,
    상기 터빈 하우징은,
    배기 가스 유입구,
    배기 가스 유출구,
    상기 배기 가스 유입구와 상기 터빈 휠 사이로 연장되는 제1 터빈 볼류트,
    상기 배기 가스 유입구와 상기 터빈 휠 사이로 연장되는 제2 터빈 볼류트로서, 상기 제1 및 제2 터빈 볼류트가 격벽에 의해 분리되는, 상기 제2 터빈 볼류트,
    상기 배기 가스 유입구와 상기 배기 가스 유출구 사이의 연통을 허용하며 상기 터빈 휠을 우회하는 바이패스 통로,
    상기 배기 가스 유입구와 상기 제2 터빈 볼류트 사이의 연통을 허용하는 제1 포트를 통한 흐름을 제어하도록 구성된 제1 밸브;
    상기 배기 가스 유입구와 상기 바이패스 통로 사이의 연통을 허용하는 제2 포트를 통한 흐름을 제어하도록 구성된 제2 밸브;
    회전축을 포함하는 밸브 샤프트로서, 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브 양쪽에 연결된, 상기 밸브 샤프트를 정의하고,
    상기 밸브 샤프트는 액추에이터에 의해 상기 회전축을 중심으로 회전 구동되어,
    상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브가 폐쇄 위치에 있을 때에는, 상기 배기 가스 유입구를 통해 흐르는 모든 가스가 상기 제1 터빈 볼류트로 유도되고;
    상기 제1 밸브가 개방 위치에 있고 상기 제2 밸브가 폐쇄 위치에 있을 때에는, 상기 배기 가스 유입구를 통해 흐르는 가스가 상기 제1 터빈 볼류트 및 상기 제2 터빈 볼류트로 유도되며;
    상기 제1 밸브가 개방 위치에 있고 상기 제2 밸브가 개방 위치에 있을 때에는, 상기 배기 가스 유입구를 통해 흐르는 가스가 상기 제1 터빈 볼류트, 상기 제2 터빈 볼류트, 및 상기 바이패스 통로로 유도되는, 터보차저.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 밸브, 상기 제2 밸브 및 상기 밸브 샤프트는 삼위식(three-position) 밸브를 형성하는, 터보차저.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브는 로터리 밸브인, 터보차저.
  4. 제1항에 있어서, 상기 배기 가스 유입구는,
    제1 플랜지 개구부 및 제2 플랜지 개구부를 포함하는 유입구 플랜지,
    상기 제1 플랜지 개구부와 상기 제1 터빈 볼류트 사이로 연장되는 제1 통로,
    상기 제2 플랜지 개구부와 상기 제2 터빈 볼류트 사이로 연장되는 제2 통로, 및
    상기 유입구 플랜지와 상기 제1 및 제2 터빈 볼류트 사이의 상기 배기 가스 유입구 내에 배치되는 밸브 하우징을 포함하며,
    상기 밸브 하우징은,
    상기 제1 포트 및 제3 포트를 포함하는 연결 챔버로서, 상기 제1 포트가 상기 연결 챔버와 상기 제2 통로를 연결하며, 상기 제3 포트가 상기 연결 챔버와 상기 제1 통로를 연결하는, 상기 연결 챔버, 및
    상기 바이패스 통로와 연통하며, 상기 제2 포트 및 제4 포트를 포함하는 웨이스트게이트 챔버로서, 상기 제2 포트가 상기 웨이스트게이트 챔버와 상기 제1 통로를 연결하며, 상기 제4 포트가 상기 웨이스트게이트 챔버와 상기 제2 통로를 연결하는, 상기 웨이스트게이트 챔버를 포함하며,
    상기 제1 밸브는 상기 제1 포트 및 상기 제3 포트를 통한 흐름을 제어하도록 구성되고,
    상기 제2 밸브는 상기 제2 포트 및 상기 제4 포트를 통한 흐름을 제어하도록 구성되는, 터보차저.
  5. 제4항에 있어서, 상기 연결 챔버 및 상기 웨이스트게이트 챔버는 상기 배기 가스 유입구의 대향 측면 상에 배치되는, 터보차저.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제1 밸브가 개방 위치에 있을 때, 상기 제1 통로는 상기 연결 챔버를 통해 상기 제2 통로와 연통하는, 터보차저.
  7. 제1항에 있어서, 상기 배기 가스 유입구는,
    플랜지 개구부를 포함하는 유입구 플랜지,
    상기 플랜지 개구부와 상기 제1 터빈 볼류트 사이로 연장되는 제1통로,
    상기 제2 터빈 볼류트와 연통하는 제2 통로,
    상기 유입구 플랜지와 상기 제1 및 제2 터빈 볼류트 사이의 상기 배기 가스 유입구 내에 배치된 밸브 하우징을 포함하며,
    상기 밸브 하우징은,
    상기 제2 통로와 연통하는 연결 챔버로서, 상기 연결 챔버와 상기 플랜지 개구부를 연결하는 상기 제1 포트를 포함하는, 상기 연결 챔버,
    상기 바이패스 통로와 연통하며, 상기 제2 밸브의 밸브 개구부를 통해 상기 연결 챔버와 연통하는 웨이스트게이트 챔버를 포함하는, 터보차저.
  8. 엔진에 연결되도록 구성된 터보차저로서,
    터빈 휠; 및
    상기 터빈 휠을 둘러싸는 터빈 하우징을 포함하는 터빈 부분을 포함하며,
    상기 터빈 하우징은,
    배기 가스 유입구,
    배기 가스 유출구,
    상기 배기 가스 유입구와 상기 터빈 휠 사이에 배치된 제1 터빈 볼류트,
    상기 배기 가스 유입구와 상기 터빈 휠 사이에 배치된 제2 터빈 볼류트로서, 상기 제1 및 제2 터빈 볼류트가 분할 벽에 의해 분리되는, 상기 제2 터빈 볼류트를 정의하고,
    상기 배기 가스 유입구는,
    제1 플랜지 개구부 및 제2 플랜지 개구부를 포함하는 유입구 플랜지,
    상기 제1 플랜지 개구부와 상기 제1 터빈 볼류트 사이로 연장되는 제1 통로,
    상기 제2 플랜지 개구부와 상기 제2 터빈 볼류트 사이로 연장되는 제2 통로,
    상기 유입구 플랜지와 상기 제1 및 제2 터빈 볼류트 사이의 상기 배기 가스 유입구 내에 배치된 밸브 하우징을 포함하며,
    상기 밸브 하우징은,
    상기 제1 통로와 연통하는 제1 연결 포트 및 상기 제2 통로와 연통하는 제2 연결 포트를 가지는 연결 챔버,
    상기 제1 통로와 연통하는 제1 웨이스트게이트 포트 및 상기 제2 통로와 연통하는 제2 웨이스트게이트 포트를 가지는 웨이스트게이트 챔버,
    상기 제1 연결 포트 및 상기 제2 연결 포트를 통한 흐름을 제어하도록 구성된 제1 밸브,
    상기 제1 웨이스트게이트 포트 및 상기 제2 웨이스트게이트 포트를 통한 흐름을 제어하도록 구성된 제2 밸브, 및
    회전축을 포함하는 밸브 샤프트로서, 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브 양쪽에 연결된, 상기 밸브 샤프트를 포함하고,
    상기 밸브 샤프트는 액추에이터에 의해 상기 회전축을 중심으로 회전 구동되어,
    상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브가 각각 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 선택적으로 이동될 수 있고,
    상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브를 개방하는 시간 계열 순서가 선택될 수 있는, 터보차저.
  9. 제8항에 있어서, 상기 웨이스트게이트 챔버는 상기 배기 가스 유출구와 연통하는 제3 웨이스트게이트 포트를 포함하는, 터보차저.
  10. 제8항에 있어서, 상기 연결 챔버 및 상기 웨이스트게이트 챔버는 상기 배기 가스 유입구의 대향 측면 상에 배치되는, 터보차저.
  11. 제8항에 있어서, 상기 제1 밸브가 개방 위치에 있을 때, 상기 제1 통로는 상기 연결 챔버를 통해 상기 제2 통로와 연통하는, 터보차저.
KR1020177016445A 2014-12-12 2015-12-08 단일 액추에이터에 의해 제어되는 터보차저 터빈 단계 밸브 KR102468199B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201462090905P 2014-12-12 2014-12-12
US62/090,905 2014-12-12
PCT/US2015/064407 WO2016094360A1 (en) 2014-12-12 2015-12-08 Turbocharger turbine stage valves controlled by a single actuator

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170088893A KR20170088893A (ko) 2017-08-02
KR102468199B1 true KR102468199B1 (ko) 2022-11-17

Family

ID=55025433

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020177016445A KR102468199B1 (ko) 2014-12-12 2015-12-08 단일 액추에이터에 의해 제어되는 터보차저 터빈 단계 밸브

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10151237B2 (ko)
JP (1) JP6634084B2 (ko)
KR (1) KR102468199B1 (ko)
CN (1) CN107002554B (ko)
DE (1) DE112015005579B4 (ko)
WO (1) WO2016094360A1 (ko)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015201805A1 (de) * 2015-02-03 2016-08-04 Borgwarner Inc. Abgasturbolader
US10590838B2 (en) * 2016-02-29 2020-03-17 Mitsubishi Heavy Industries Engine & Turbocharger, Ltd. Supercharger and internal combustion engine
DE102016208158A1 (de) * 2016-05-12 2017-11-16 Continental Automotive Gmbh Turbine für einen Abgasturbolader mit zweiflutigem Turbinengehäuse und Ventil-Anordnung zur Flutenverbindung und Wastegate-Steuerung
US10190486B2 (en) * 2016-08-10 2019-01-29 GM Global Technology Operations LLC Turbocharger with twin waste-gate valves
US10677150B2 (en) * 2017-05-11 2020-06-09 Garrett Transportation I Inc. Rotatable valve for turbocharger system with plural volute members
GB201713453D0 (en) * 2017-08-22 2017-10-04 Cummins Ltd Valve
EP3486450A1 (en) * 2017-11-15 2019-05-22 Perkins Engines Company Limited An exhaust flow control valve with integrated wastegate
US11131234B2 (en) * 2018-12-20 2021-09-28 Borgwarner Inc. Turbine housing of a turbocharger
US11466612B2 (en) 2020-03-12 2022-10-11 Michael P Schmidt Integrated turbocharger oil feed
US20230287805A1 (en) * 2022-03-11 2023-09-14 Garrett Transportation I Inc. Twin scroll turbine housing

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006053653A1 (de) 2004-11-18 2006-05-26 Daimlerchrysler Ag Abgasturbolader für eine brennkraftmaschine
DE102006058102A1 (de) 2006-12-09 2008-06-12 Daimler Ag Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4526004A (en) * 1983-10-25 1985-07-02 Holset Engineering Company Limited Exhaust brake valve
EP1203872A1 (en) * 2000-11-01 2002-05-08 BorgWarner Inc. Turbocharger having by-pass valve operable to promote rapid catalytic converter light off.
US6983596B2 (en) * 2001-11-02 2006-01-10 Borgwarner Inc. Controlled turbocharger with integrated bypass
WO2003044327A1 (en) * 2001-11-02 2003-05-30 Borgwarner, Inc. Controlled turbocharger with integrated bypass
FR2881793B1 (fr) * 2005-02-04 2007-05-11 Melchior Jean F Moteur alternatif a combustion interne et procede d'elimination des particules des gaz brules pour un tel moteur alternatif
DE102005045387A1 (de) 2005-09-23 2007-03-29 Daimlerchrysler Ag Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit axialem Drehschieberventil
JP2007146687A (ja) 2005-11-24 2007-06-14 Toyota Motor Corp 排気通路切替弁
KR101238728B1 (ko) * 2006-04-12 2013-03-05 맨 디젤 앤드 터보 필리얼 아프 맨 디젤 앤드 터보 에스이 티스크랜드 에너지 회수 설비를 구비한 대형 터보 과급 디젤 엔진
JP2008163884A (ja) * 2006-12-28 2008-07-17 Toyota Motor Corp 内燃機関の制御装置
GB0717212D0 (en) * 2007-09-05 2007-10-17 Cummins Turbo Tech Ltd Multi-stage turbocharger system
DE102009019437A1 (de) * 2009-04-29 2010-11-04 Man Nutzfahrzeuge Ag Vorrichtung zur Steigerung der Bremsleistung einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs während des Motorbremsbetriebes
JP5223898B2 (ja) * 2010-09-09 2013-06-26 株式会社デンソー 内燃機関の排気制御装置
DE102011082385A1 (de) 2010-09-09 2012-04-26 Denso Corporation Abgassteuervorrichtung für einen Motor
JP5589934B2 (ja) * 2011-04-05 2014-09-17 株式会社デンソー タービン及びターボチャージャ
US8955318B2 (en) * 2012-03-21 2015-02-17 Honeywell International Inc. Turbocharger cartridge and engine cylinder head assembly
US8966895B2 (en) * 2012-03-21 2015-03-03 Honeywell International Inc. Turbocharger cartridge, bypass, and engine cylinder head assembly

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006053653A1 (de) 2004-11-18 2006-05-26 Daimlerchrysler Ag Abgasturbolader für eine brennkraftmaschine
DE102006058102A1 (de) 2006-12-09 2008-06-12 Daimler Ag Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader

Also Published As

Publication number Publication date
DE112015005579T5 (de) 2017-09-28
JP2017537261A (ja) 2017-12-14
CN107002554B (zh) 2019-10-22
CN107002554A (zh) 2017-08-01
KR20170088893A (ko) 2017-08-02
US10151237B2 (en) 2018-12-11
DE112015005579B4 (de) 2022-05-05
WO2016094360A1 (en) 2016-06-16
JP6634084B2 (ja) 2020-01-22
US20170370278A1 (en) 2017-12-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102468199B1 (ko) 단일 액추에이터에 의해 제어되는 터보차저 터빈 단계 밸브
US9903267B2 (en) Multi-stage turbocharger system
US4177006A (en) Turbocharger control
CN106014492B (zh) 用于分区的蜗壳的可变几何喷嘴
US8585355B2 (en) Simplified variable geometry turbocharger with sliding gate and multiple volutes
US9932843B2 (en) Double flow turbine housing turbocharger
US8281588B2 (en) Turbomachine system and turbine therefor
EP3001011B1 (en) Twin scroll turbocharger device with bypass
US7073334B2 (en) Variable exhaust gas turbocharger
KR101695581B1 (ko) 부스터를 포함하는 내연기관
JP2009535547A (ja) 内燃機関における排気ガスターボチャージャ
KR20140001912A (ko) 증가된 유동 범위를 갖는 단순화된 가변 지오메트리 터보차저
US20060230759A1 (en) Variable geometry turbocharger
CN103850727B (zh) 涡轮增压器的抽吸密封
WO2008157109A2 (en) Turbocharger bypass valving
US7305826B2 (en) Axial loading management in turbomachinery
WO2017169517A1 (ja) 過給機、２ステージターボシステム、および２ステージターボシステムの制御方法
JP2010053788A (ja) シーケンシャルターボシステム
JPS63117124A (ja) ツインスクロ−ルタ−ボチヤ−ジヤ付エンジン
JP7227242B2 (ja) ウェイストゲート統合排気流制御
JPS5847227Y2 (ja) 過給機用タ−ビン車室
JPH02153226A (ja) エンジンの過給装置
JPS61112735A (ja) タ−ボ過給機の吸気制御装置

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant