KR20040035796A - 비틀림 진동 감쇄기를 포함하는 과급기 - Google Patents

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Abstract

배기 가스 과급기는 내연기관으로부터 온 배기 가스에 의해 작동되고, 과급기 축 (14) 과 회전 가능하게 상기 축 (14) 에 고정 연결된 과급기 휠 (22), 그리고 회전 가능하게 축 (14) 에 고정 연결된 압축기 휠 (26) 을 포함하는 고속 회전 로터 유닛 (11) 을 갖는다. 이 과급기 (10) 의 작동 신뢰성을 높이기 위해, 비틀림 진동 감쇄기 (36) 가 축 (14) 에 배치된다. 비틀림 진동 감쇄기 (36) 는, 내연기관의 더 높은 오더에 의해 야기되어 축 (14) 에 발생하는 비틀림 진동 부하를 감소시킨다.

Description

비틀림 진동 감쇄기를 포함하는 과급기 {TURBOCHARGER COMPRISING A TORSIONAL VIBRATION DAMPER}
과급기는 왕복 피스톤식 엔진의 동력을 증가시키기 위해 사용된다. 과급기는 터빈, 압축기 및 터빈과 압축기를 연결하는 축을 포함하는 고속 회전 로터 유닛을 갖는다. 배기 가스 과급기에서, 과급기의 터빈은 내연기관으로부터 온 배기 가스에 의해 작동된다. 터빈은 공통 축에 의해 압축기를 구동한다. 압축기에 의해 압축된 가스는 엔진 연소실의 충전을 위해 연소실에 공급된다. 터빈에 작용하는 내연기관으로부터의 배기 가스의 압력은 일정하지 않으며 과급기 축을 진동시킬 수 있다. 압력 맥동은 그중에서도 특히, 엔진의 출구 밸브의 개폐 특성과, 배기 라인의 형상에 따라 좌우된다. 엔진의 주요한 점화 주파수는 이 압력 맥동의 주파수 스펙트럼의 맨 앞에서 명확하며, 상기 점화 주파수는 실린더 수, 작동 공정 (2 행정/4 행정) 그리고 엔진 회전 속도에 따라 좌우된다. 종래에는 과급기 축의 모든 비틀림 특성 주파수가 엔진의 가능한 최대 점화 주파수 보다 충분히 높게 되도록, 과급기 축을 설계하고 있다. 그 때문에, 지금까지는 주 여기와 비틀림 특성 주파수 사이의 공명을 피하고, 과급기가 신뢰성 있게 작동할 수 있게 설계하는 것이 가능하다.
더욱이 최근의 연구와 측정에 따르면, 더 높은 엔진 오더가 점화 주파수 외에도 압력 맥동 스펙트럼에서도 발생한다는 것이 밝혀졌다. 더 높은 오더의 이 압력 맥동은 과급기 축의 비틀림 특성 주파수와 일치할 수 있다. 가변하는 엔진 회전 속도의 경우 피할 수 없는 이 공진은, 과급기 축에서 비틀림 응력의 원인이 된다. 그러나 과거에는, 과급기 축의 내부 감쇄로 인해 공정은 오랜 기간 동안 허용될 수 있는 단지 대수롭지 않은 비틀림 응력을 야기할 정도로 여기 수준은 낮았다.
그러나, 스티퍼 캠축 플랭크와 엔진 및 과급기에서의 높아지는 압력 조건 때문에, 과급기 축에서 더 높은 여기와 이에 따른 더 높은 비틀림 응력이 발생될 것이다. 과급기 축의 필요한 동력 밀도 증가는 문제를 악화시키는 또 다른 요인이다. 따라서, 과급기 축에 허용될 수 없는 높은 부하가 발생될 것이다.
과급기에서 비틀림 진동에 의해 야기되는 부하에 대처하기 위해 지금까지 알려진 방법은, 단지 직경이 더 큰 축을 선택하는 것이다. 그러나, 이는 과급기의 축 베어링에서의 큰 동력 손실과 연관된다.
본 발명은 청구항 1 항의 전제부의 구성에 따른 과급기에 관한 것이다.
도 1 은 압축기 입구 영역에서 비틀림 진동 감쇄기를 갖는 과급기의 길이 방향 단면도.
도 2 는 압축기 휠과 터빈 휠 사이의 영역에서 비틀림 진동 감쇄기를 갖는 도 1 의 과급기를 나타낸 도면.
도 3 은 비틀림 진동 감쇄기를 갖는 과급기 축에서의 비틀림 진동의 진폭 측정 결과를 나타낸 도면.
도 4 는 비틀림 진동 감쇄기를 갖는 과급기 축에서의 비틀림 진동의 진폭 측정 결과를 나타낸 도면.
따라서, 본 발명의 목적은, 과급기 축의 비틀림 진동 때문에 앞으로 발생될 여기 수준이 커지더라도, 효율의 손실 없이 작동 신뢰성이 보장되는, 고속 회전 유닛을 구비한 비용 효율적인 과급기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 1 의 특징부에 따른 과급기에 의해 이루어진다.과급기 축에 비틀림 진동 감쇄기를 배치함으로써, 어떠한 비틀림 진동에 의해서도 발생된 과급기의 부하를 감소시켜, 임계 부하 피크를 막는다. 따라서, 스팁 캠축 플랭크를 갖는 구성 및/또는 엔진과 과급기에서의 높아지는 압력 조건의 경우에서도, 작동 신뢰성이 보장된다.
오일 변위 감쇄기, 고무 감쇄기, 점성 비틀림 진동 감쇄기 그리고 실리콘 - 오일 고무 감쇄기와 같은 비틀림 진동 감쇄기를 사용할 수 있다. 이런 공지된 감쇄기는 예컨데, "점성 비틀림 진동 감쇄기의 동역학적 거동" ("Calculation of the dynamic behavior of viscose tortional vibration dampers") (TU 베를린, 1982, Dipl. Ing. 라이너 하트만의 학위 논문, pp. 9 -13) 에 개시되어 있다.
감쇄기는 압축기 측 축 단부, 특히 압축기 휠 허브의 입구 측에 배치되는 것이 바람직한데, 이는 진동 편차와 이에 따른 감쇄 작용이 거기서 가장 크기 때문이다. 다른 이점으로는, 비교적 일정하고 낮은 온도의 경우에는 우수한 냉각 작용이 이루어진다는 것으로, 이는 모든 종류의 감쇄기 구조에 유익하다.
압축기 휠의 입구에 배치하는 경우, 입구에서 비틀림 진동 감쇄기의 외경은 입구에서의 압축기 허브 직경의 대략 80 % - 110 %, 가장 바람직하게는 90 % 내지 100 % 가 되도록 선택된다. 그 결과, 방사상 구조 공간이 효율적으로 활용되고, 압축기로의 유량이 방해받지 않는다.
터빈의 영역에 감쇄기를 배치할 수도 있는데, 이 경우에는 충분한 내열성을 지닌 재료를 사용해야 한다.
또한, 터빈 휠과 압축기 휠 사이에 비틀림 진동 감쇄기를 배치하는 것도 유익하다. 이곳에 있는, 구조 공간이 특히 반경 방향으로 크기 때문에, 감쇄기의 치수를 정하는 것이 간단하게 된다.
점성 비틀림 진동 감쇄기를 사용하는 것이 특히 유익하다. 환상 회전 중량체가 하우징 내측에 자유롭게 회전 가능하도록 장착된다. 점성 매체가 링과 하우징 사이의 틈에 유입되고, 링과 하우징 사이에 상대 운동이 발생하면, 전단력의 발생으로 감쇄 작용이 일어나게 된다. 따라서 감쇄기는 압축기 휠의 입구에 배치되는 것이 좋다. 압축기의 입구 영역에서 매우 높은 유동 속도의 공기 흐름은 감쇄기의 최적의 냉각과, 그로 인한 감쇄기의 아주 균일한 온도를 보장한다.
과급기의 구성과 발생하는 비틀림 진동 부하에 따라서, 하나의 비틀림 진동 감쇄기 대신 과급기 축에 다수의 비틀림 감쇄기를 배치하는 것이 유익하다. 이 경우, 부하에 따라서 동일하거나 다른 비틀림 진동 감쇄기가 사용될 수 있고, 축에서 바로 서로의 옆 또는 다양한 위치에 배치될 수도 있다.
다른, 바람직한 실시예는 다른 종속항에 기재되어 있다.
본 발명을 첨부된 도면에 도시된 바람직한 실시 형태를 참조하여 이하 더욱 상세하게 설명한다.
도면에서 사용된 참조 부호 및 그 의미가 참조 부호 목록에 나타나 있다. 근본적으로, 도면의 같은 참조 부호는 동일한 부품을 나타낸다. 기재된 실시 형태는 본 발명의 일 실시예를 나타내는 것으로, 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
도 1 및 2 는 각각 길이 방향 축선 (18) 을 따른 단면으로 고속 회전 로터 유닛 (11) 을 갖는 과급기 (10) 를 나타낸다. 각 고속 회전 로터 유닛 (11) 은 공통의 과급기 축 (14) 을 통해 서로 연결되는 터빈 (12) 과 압축기 (16) 를 포함한다. 터빈 (12) 은 터빈 하우징 (20) 으로 둘러싸이며 터빈 블레이드 (23) 를 갖는 터빈 휠 (22) 을 갖는다. 압축기 휠 (26) 은 압축기 휠 허브 (25) 의 원주에 규칙적으로 배열된 압축기 블레이드 (27) 를 갖는다. 압축기 휠 (26) 은 압축기 하우징 (24) 에 의해 둘러싸이며, 공통 축 (14) 으로 터빈 (12) 에 의해 구동될 수 있다. 공통 과급기 축 (14) 은 압축기 휠 (26) 과 터빈 휠 (22) 사이에서 베어링 하우징 (28) 안에 장착된다.
터빈 하우징 (20) 은 내연기관의 배기 라인 (도시되지 않음) 과 연결된 유동관 (29) 을 형성한다. 유동관 (29) 은 터빈 휠 (22) 을 지나고, 터빈 하우징 (20) 의 가스 출구 하우징 (30) 을 통해 과급기 (10) 로부터 내연기관의 가스가 배출되도록 한다. 압축기 하우징은 제 2 유동관 (32) 을 형성하며, 공기 및 다른 연소 가능한 가스가 제 2 유동관의 입구 (34) 를 통해 흡입되어, 압축기 휠 (26) 을 지나면서 압축된다. 압축 가스는 마지막으로 압축기 하우징 (24) 의 출구 (상세히 도시되지 않음) 를 통해 과급기 (10) 로부터 내연기관의 공급 라인 (도시되지 않음) 으로 방출된다.
상기 배기 가스가 터빈 휠 (26) 을 넘어 유동될 때, 엔진 오더에 따라서 내연기관의 배기 가스에 의해 과급기 축 (14) 에 전달되는 압력 펄스는, 비틀림 진동 감쇄기 (36) 에 의해 감쇄된다. 본 명세서에 도시된 실시예에서 비틀림 진동 감쇄기는, 압축기 휠 (26) 의 압축기 허브 (25) 의 상류 입구 측에서 회전 가능하게 축 (14) 에 확고하게 고정되는 점성 비틀림 진동 감쇄기이다. 이러한 구성으로, 점성 비틀림 진동 감쇄기가 유입 가스에 의해 최적으로 냉각되는 것이 가능하다. 더욱이, 이렇게 비틀림 진동 감쇄기는 축 (14) 에서 비틀림 진동 진폭이 가장 큰 영역에 위치되어, 기능을 최대한 발휘할 수 있다. 이 실시예에서, 비틀림 진동 감쇄기 (36) 의 반경 범위는, 비틀림 진동 감쇄기 (36) 의 뒤에 있는 압축기 휠 허브의 영역에서 압축기 휠 허브 (25) 의 반경 범위의 100 % 에 이른다. 따라서 구조 공간은 압축기 휠 (26) 을 지나는 유동이 방해 받음 없이 유동 최적으로 활용된다.
도 2 의 과급기 (10) 는 도 1 에서의 과급기 (10) 와 동일하다. 그러나, 축 (14) 에 대한 비틀림 진동 부하를 감소하기 위한 비틀림 진동 감쇄기 (36) 는 회전 가능하게 압축기 휠 (26) 의 영역에서 과급기 축 (14) 에 고정 연결되지 않으며, 그대신 과급기 (10) 의 베어링 하우징 (28) 의 영역에서 압축기 휠 (26) 과 터빈 휠 (22) 사이에 배치된다. 더 큰 방사상 구조 공간이 여기서 유익하게 활용될 수 있으며, 비틀림 진동 감쇄기 (36) 에 더 높은 효율을 제공한다. 비틀림 진동의 마디점에 더 근접하기 때문에, 이 더 높은 효율은 감쇄 효율에 충분한 효과를 항상 줄 수는 없다. 불량한 냉각성 때문에, 여기서는 점성 비틀림 진동 감쇄기 대신 고무 감쇄기가 사용될 수 있다.
도 3 및 4 는 과급기 축의 비틀림 진동 진폭의 측정 결과를 나타낸 것으로, 도 3 은 비틀림 진동 감쇄기가 없는 경우이고, 도 4 는 비틀림 진동 감쇄기가 있는 경우이다. 상기 측정은 압축기 입구 영역에서 점성 비틀림 진동 감쇄기의 사용을 기초로 한 것이다. 비틀림 진동의 진동 주파수는 헤르즈로 세로축에 나타내고, 회전 속도는 초당 회전수로 가로축에 나타낸다. 발생하는 엔진 오더 (40) 는 대각선으로 점철되어 있다. 연관된 여기 엔진 오더 (40) 의 영역에서 비틀림 진동 (44) 의 증가된 진폭 (42) 은 두 도면에서 명확하게 볼 수 있다. 그러나, 비틀림 진동 감쇄기를 갖는 과급기 축에서 측정된 도 4 의 진폭 (42) 은, 비틀림 진동 감쇄기를 갖지 않는 과급기 축에서 측정된 도 3 의 진폭보다 상당히 작다. 이 결과는 과급기에서 비틀림 진동 감쇄기의 사용이 과급기의 작동 신뢰성에 상당히 기여할 수 있다는 것을 나타낸다.
참조 부호 목록
10. 과급기
12. 터빈
14. 축
16. 압축기
18. 길이 방향 축선
20. 터빈 하우징
22. 터빈 휠
23. 터빈 블레이드
24. 압축기 하우징
25. 압축기 휠 허브
26. 압축기 휠
27. 압축기 블레이드
28. 유동관
30. 가스 출구 하우징
32. 유동관
34. 입구
36. 비틀림 진동 감쇄기
40. 엔진 오더
42. 비틀림 진동 진폭
44. 비틀림 진동

Claims (9)

  1. 과급기 축 (14), 회전 가능하게 축 (14) 에 고정 연결된 과급기 휠 (22), 그리고 회전 가능하게 축 (14) 에 고정 연결된 압축기 휠 (26) 을 포함하는 고속 회전 로터 유닛 (11) 을 가지며, 상기 유닛은 내연기관으로부터 온 배기 가스에 의해 작동되는, 배기 가스 과급기에 있어서,
    내연기관의 더 높은 엔진 오더에 의해 여기되는 과급기 축 (14) 의 비틀림 진동을 감쇄하기 위해, 축 (14) 에 비틀림 진동 감쇄기 (36) 가 배치되는 것을 특징으로 하는 과급기.
  2. 제 1 항에 있어서, 비틀림 진동 감쇄기 (36) 는 점성 비틀림 진동 감쇄기인 것을 특징으로 하는 과급기.
  3. 제 1 항에 있어서, 비틀림 진동 감쇄기 (36) 는 오일 변위 감쇄기인 것을 특징으로 하는 과급기.
  4. 제 1 항에 있어서, 비틀림 진동 감쇄기 (36) 는 고무 감쇄기인 것을 특징으로 하는 과급기.
  5. 제 1 항에 있어서, 비틀림 진동 감쇄기 (36) 는 실리콘 - 오일 고무 감쇄기인 것을 특징으로 하는 과급기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 비틀림 진동 감쇄기 (36) 는 압축기 (16) 의 영역에서 특히, 압축기 휠 (26) 의 압축기 허브 (25) 의 상류 입구 측에서 과급기 축 (14) 에 고정되는 것을 특징으로 하는 과급기.
  7. 제 6 항에 있어서, 비틀림 진동 감쇄기 (36) 의 외경은, 감쇄기 뒤에 있는 압축기 허브 (25) 의 영역에서 압축기 허브 (25) 의 외경의 약 80 % 내지 110 %, 바람직하게는 90 % 내지 100 % 인 것을 특징으로 하는 과급기.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 비틀림 진동 감쇄기 (36) 는 압축기 휠 (26) 과 터빈 휠 (22) 사이에 또는 터빈 (12) 의 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 과급기.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 비틀림 진동 감쇄기 (36) 가 과급기 축 (14) 에 배치되고, 이 경우 비틀림 진동 감쇄기 (36) 는 축 (14) 의 다양한 위치에 배치될 수 있고, 다양한 종류의 비틀림 진동 감쇄기 (36) 가 제공될 수 있는 것을 특징으로 하는 과급기.
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