KR20050019796A - 내부 우회 배기 흐름을 갖는 가변 형상 터보차저 - Google Patents

Abstract

가변 형상 터보차저(10)는 배기 입구(12), 배기 출구(14), 상기 입구에 연결된 벌류트 및 상기 벌류트에 인접한 노즐 벽(24)을 갖는 터빈 하우징(12)을 포함한다. 상기 터빈 하우징(12) 내부에는 터빈 휠(17)이 배치되어 샤프트(18)에 부착된다. 복수의 가동 베인(22)이 상기 터빈 하우징 내에 상기 노즐 벽에 인접하게 배치되고, 상기 배기 입구와 상기 터빈 휠 사이에 배치된다. 터빈 하우징은 그 내부에 배치되고, 터빈 휠 상류에 배치된 유입 개구(110) 및 상기 터빈 휠 하류에 배치된 배기 배출 개구(112)가 있는 우회 배기 가스 흐름 포트(102)를 포함한다. 베인은 각각의 우회 포트에 인접 위치되어, 각각의 베인이 폐쇄 위치에 있을 때 각각의 포트의 유입 개구가 베인에 의해 덮인다. 유입 개구는 폐쇄 위치에 있는 각각의 베인에 의해 덮이며 개방 위치로 이동한 각각의 베인에 의해 노출된다. 터빈 하우징은 베인이 개방 위치일 때 터보차저 내부에 추가의 우회 배기 흐름을 허용하도록 오목한 밑면을 갖는 베인과 협동하도록 설계된 특별한 구성의 노즐 벽 말단 연부를 더 포함한다.

Description

내부 우회 배기 흐름을 갖는 가변 형상 터보차저{VARIABLE GEOMETRY TURBOCHARGER HAVING INTERNAL BYPASS EXHAUST GAS FLOW}

본 발명은 가변 형상 터보차저(turbocharger) 분야에 관한 것이며, 더 구체적으로는 외부 웨이스트게이트(wastegate)의 필요성을 제거할 목적으로 내부 우회 배기 흐름을 제공하도록 구성된 가변 형상 터보차저에 관한 것이다.

가솔린 및 디젤 내연 기관용 터보차저는 내연 기관 즉 엔진에서 배출되는 배기의 열 및 체적 유량을 사용하여 엔진의 연소실로 향한 흡기 흐름을 가압 또는 증압시키기 위해 사용되는 당업계에 공지된 장치이다. 특히, 엔진에서 배출되는 배기는 터빈 하우징 안으로 흘러 배기 구동형 터빈을 터보차저의 터빈 하우징 내부에서 회전하게 한다. 배기 구동형 터빈은 샤프트의 일단에 장착되며, 이 샤프트의 타단에는 압축기 하우징에 수용된 반경방향 또는 원심 공기 압축기(radial air compressor)가 장착된다. 따라서, 터빈이 회전하면, 공기 압축기도 역시 터빈 하우징에서 분리된 터보차저의 압축기 하우징 내에서 회전한다. 공기 압축기가 회전하면, 흡기는 압축기 하우징으로 들어가 원하는 정도로 가압 또는 증압된 다음 엔진 연소실 내부에서 연료와 혼합되어 연소된다.

종종 터보차저는 터빈을 향한 배기 흐름을 제어하여 그 효율 또는 동작 범위를 개선하는 것이 바람직하다. 가변 형상 터보차저(VGT)는 이 요구에 따르도록 구성된다. 그와 같은 VGT 형태로는 가변 배기 노즐을 갖는 것이 있으며, 가변 노즐 터보차저로 불린다. 상이한 구성의 가변 노즐을 채용하여 배기 흐름을 제어하여 왔다. 그와 같은 VGT에서 배기 흐름을 달성하기 위해 터빈 입구 둘레에 환상으로 배치된 다중 피벗 베인의 사용이 제안되었다.

터보차저형 고속 디젤 및 가솔린 엔진은 터보차저 터빈에서 요구되는 출력과 비교할 때 고속으로 과도한 배출 에너지를 일으키는 것으로 알려져 있다. 따라서, (VGT 또는 종래의 비가변 형상 터보차저를 구비하는) 그와 같은 터보차저형 엔진은 고속 엔진 동작 조건에서 터보차저 터빈을 향한 배기의 최대량을 제어할 목적으로 웨이스트게이트 밸브를 포함하는 것으로 알려져 있다. 당업계에 공지된 웨이스트게이트는 터보차저 외부에 있으며, 전형적으로는 고속 엔진 동작 조건에서 엔진에서 배출되는 배기 흐름을 터보차저로부터 전환하거나 우회시키도록 구성된다. 전술한 바와 같이, 터보차저 터빈을 향한 배기 흐름의 이와 같은 우회는 엔진에 손상을 주지 않기 위해 터보차저에 의해 제공되는 증대 압력의 최대량을 제어할 목적으로 요구되며 또 필요하다.

그와 같은 종래의 웨이스트게이트가 존재하고 터보차저로부터 분리되어 장착되므로, 이들은 몇 가지 공학 및 설계 요구사항을 제시한다. 상기 요구사항 중의 하나는 배치 및 패키지 작업에 관한 것으로, 이와 같은 웨이스트게이트는 엔진 배기 시스템에 부착되도록 구성되어야 하며, 기관실 내부나 인접하여 공간적으로 호환 가능하게 배치되도록 구성되어야 한다. 다른 요구사항은 적절한 동작에 관한 것으로, 이와 같은 웨이스트게이트는 차량 엔진 및 터보차저 양자의 동작에 의해 작동 및 제어되고 그와 조화되어야 한다. 이 과제는 특수한 작동 및 제어를 요구하는 가변 형상 부재를 자체적으로 포함하는 VGT를 취급할 때 특히 난해하다. 그와 같은 종래의 외부 웨이스트게이트가 널리 사용되지만, 이들 웨이스트게이트 고유의 전술한 요구사항에 의해, 터보차저형 엔진 동작을 제어하는 과제에는 비용 및 복잡성 양자가 추가된다.

따라서, 부속품, 패키지 작업 및 동작에 관한 전술한 요구사항을 최소화하거나 제거하는 방식으로 VGT에 사용되기 위해 배기 우회 장치 또는 메커니즘이 구성될 것이 요구된다. 그와 같은 우회 장치 또는 메커니즘은 제조비용을 최소화하고 기존 터보차저 구조 및 부품을 바람직하게 활용하도록 구성될 것이 요구된다. 또한, 배기 우회 장치 또는 메커니즘은 손상이 없으면서 종래의 웨이스트게이트 사용과 비교할 때 터보차저 동작 효율을 바람직하게 증가시키도록 작용할 것이 요구된다.

첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더 명확히 설명한다.

도 1은 가동 베인을 채용한 가변 형상 터보차저용 터빈 하우징의 분해 사시도이다.

도 2는 유니슨 링의 평면도로서, 그 슬롯들이 상이한 베인 동작 위치에서 얇은 스템리스 베인(stemless slim vane)의 탭들과 맞물리는 것을 보여준다.

도 3은 도 2의 얇은 스템리스 베인의 상세도이다.

도 4는 본 발명의 원리에 따라 구성한 가변 형상 터보차저에 사용되는 개선된 베인의 상세도이다.

도 5는 도 4의 베인과 우회 배기 흐름 포트를 구비하는 본 발명의 가변 형상 터보차저의 측단면도이다.

도 6a는 본 발명의 가변 형상 터보차저 내의 터빈 노즐 벽에 상이한 베인 동작 위치로 배치된 베인들의 개략적인 평면도이다.

도 6b는 도 5의 가변 형상 터보차저에서 취한 우회 배기 흐름 포트의 부분적인 측단면도이다.

도 7a 내지 7c는 본 발명의 가변 형상 터보차저 내의 터빈 노즐 벽에 상이한 동작 위치로 배치된 베인의 개략적인 평면도이다.

도 8은 추가의 우회 배기 유동 경로를 갖는 본 발명의 가변 형상 터보차저 터빈 하우징의 확대된 부분 사시도이다.

도 9는 도 8의 가변 형상 터보차저용 우회 배기 유동 경로 양쪽을 위한 베인 회전각도 대 우회 배기 흐름 포트 면적을 보여주는 그래프이다.

본 발명의 원리에 따라 구성된 가변 형상 터보차저는 배기 입구, 배기 출구, 상기 입구에 연결된 벌류트(volute) 및 상기 벌류트에 인접한 노즐 벽을 갖는 터빈 하우징을 포함한다. 상기 터빈 하우징 내부에는 터빈 휠이 배치되어 샤프트에 부착된다. 복수의 가동 베인이 상기 터빈 하우징 내에 상기 노즐 벽에 인접하게 배치되고, 상기 배기 입구와 상기 터빈 휠 사이에 배치된다.

그와 같은 가변 형상 터보차저의 터빈 하우징은 그 내부에 배치되고, 터빈 휠 상류에 배치된 유입 개구 및 상기 터빈 휠 하류에 배치된 배기 배출 개구가 있는 우회 배기 가스 흐름 포트를 포함한다. 베인은 각각의 우회 포트에 인접 위치되어, 각각의 베인이 폐쇄 위치에 있을 때 각각의 포트의 유입 개구가 베인에 의해 덮인다. 우회 포트 입구 개구는 각각의 베인이 개방 위치로 작동 또는 이동할 때 배기가 터보차저를 통해 용이하게 흐르도록 개방된다.

터빈 하우징은 특히 터보차저 내부에 추가의 우회 배기 흐름을 허용하도록 구성된 노즐 벽 말단 연부(緣部)를 더 구비할 수 있다. 그와 같은 실시예에서, 노즐 벽 말단 연부는 베인의 개방 위치에서 배기가 터빈 하우징 벌류트로부터 가동 베인의 밑면부로 용이하게 통과하도록 수정된다. 본 실시예에 사용되는 하나 이상의 베인은 배기를 베인 자체를 통해 우회 배기 포트로 돌리거나 향하게 하여 배기 흐름 능력을 증가시키는 수단을 포함한다.

본 발명의 가변 형상 터보차저에 사용되는 베인은 상기 터빈 휠에 인접 배치된 에어포일 내면 및 상기 에어포일 내면 반대편에 배치된 에어포일 외면을 포함한다. 상기 에어포일 내면과 외면은 베인 에어포일 두께를 형성한다. 제1 에어포일 내외면 연결부를 따라 베인 노즈 또는 전연이 위치되고, 제2 에어포일 내외면 연결부를 따라 베인 후연이 위치된다. 각각의 베인은 상기 노즐 벽으로부터 외측으로 돌출한 각각의 포스트를 수용하기 위해 상기 노즐 벽에 실질적으로 평행하게 제1 축방향 베인면 내부에 배치된 구멍을 포함한다. 각각의 베인은 상기 제1 축방향 베인면에 대향한 제2 축방향 베인면으로부터 연장된 작동 탭을 더 포함한다.

이들 베인은 종래의 얇은 베인(Aslim@ vane)보다 더 큰 에어포일 두께를 갖는다. 일실시예에서, 그와 같은 바람직한 베인은 베인 전연과 후연 사이에 측정되는 베인 길이의 대략 0.16배보다 큰 에어포일 두께를 갖는다.

본 발명은 본 발명의 원리에 따라 구성된 것으로서, 각각의 가동 베인의 움직임에 의해 동작되도록 배치된 하나 이상의 내부 배기 우회 포트를 구비하는 가변 형성 터보차저(VGT)를 제공한다. 이와 같이 구성된 본 발명의 VGT는 고속 엔진 동작 조건에서 터빈을 향한 과잉 배기 흐름을 제어하기 위해 종래의 외부 웨이스트게이트를 사용할 필요가 없다. 따라서, 배기 시스템 부착 및 기관실 부속품 관련사항을 제거하며, 엔진 및 터보차저 동작 조건에 기초하여 외부 웨이스트게이트를 작동, 제어 및 조화 동작하는 것과 관련된 문제를 제거한다.

VGT는 일단에 부착된 터빈 하우징과 타단에 부착된 압축기 하우징을 갖는 중앙 하우징을 일반적으로 구비한다. 상기 중앙 하우징 내에 수용된 베어링 어셈블리 내에는 샤프트가 회전 가능하게 배치된다. 터빈 하우징 내부에는 터빈 또는 터빈 휠이 배치되어 샤프트 일단에 부착되며, 압축기 하우징 내부에는 압축기 임펠러가 배치되어 샤프트 타단에 부착된다. 터빈 하우징 및 압축기 하우징은 인접한 하우징 사이로 연장된 볼트에 의해 중앙 하우징에 부착된다.

도 1은 배기 흐름을 수용하기 위한 표준 입구(14) 및 배기를 엔진의 배기 시스템으로 유도하기 위한 출구(16)가 있는 터빈 하우징(12)을 구비한다. 배기 입구에는 벌류트(volute)가 연결되며, 일체형 외측 노즐 벽이 이 벌류트에 인접하게 주조되어 터빈 하우징에 합체된다. 터빈 휠(17)과 샤프트 어셈블리(18)가 터빈 하우징(12) 내부에 배치된다. 상기 터보차저에 공급된 배기 또는 다른 고에너지 가스는 입구(14)를 통해 터빈 하우징에 들어가고, 터빈 하우징 내의 벌류트를 통해 퍼져 원주형 노즐 입구(20)를 통해 터빈 휠에 실질적으로 방사상으로 공급된다.

다중 베인(22)은 그 외측으로 수직 돌출한 샤프트(26)에 의해 터빈 하우징 안에 가공된 노즐 벽(24)에 장착된다. 그와 같은 VGT에 통상적으로 사용된 베인은 전술한 얇은 에어포일 두께로 설계된다. 샤프트(26)는 노즐 벽의 각각의 개구(28) 안쪽에 회전 가능하게 맞물린다. 각각의 베인(22)은 샤프트에 대향된 측면에서 돌출하고 유니슨 링(34)의 각각의 슬롯(32)과 맞물린 복수의 작동 탭(30)을 포함하며, 유니슨 링(34)은 제2 노즐 벽 역할을 한다.

유니슨 링(34)에는 (도시 생략한) 액추에이터 어셈블리가 연결되고, 이 액추에이터 어셈블리는 링을 일 방향 또는 다른 방향으로 회전시키도록 구성되는데 이는 터빈으로 흐르는 배기의 양을 개별적으로 증감하도록 베인을 방사상 외측 또는 내측으로 이동하는데 필요하다. 유니슨 링이 회전함에 따라, 베인 탭(30)은 하나의 슬롯 단부에서 반대편 슬롯 단부로 각각의 슬롯(32) 내부에서 이동하게 된다. 슬롯은 유니슨 링을 따라 방사상으로 향하므로, 각각의 슬롯(32) 내에서 베인 탭(30)이 움직이면, 베인들은 각각의 개구 내에서 베인 샤프트의 회전에 의해 피벗하며 유니슨 링 회전 방향에 따라 방사상 외측 또는 내측으로 움직인다.

도 2는 위에 도시하고 설명한 VGT에 사용되는 종래의 얇은 베인(36)의 유니슨 링에 의해 작동되는 때의 일반적인 운동 패턴을 나타낸다. 하지만, 이 운동 패턴은 VGT에 이용되는 본 발명의 원리에 따라 준비된 개선된 베인 설계와 공지된 얇은 베인 구성 양쪽에서 동일하다. 각각의 베인 탭(42)은 유니슨 링(40)의 각각의 긴 슬롯(38) 내부에 배치된다. 폐쇄 위치 “A”에서, 베인 탭(42)은 슬롯(38)의 제1 단부(44)에 인접하게 위치한다. 이 위치는 베인이 방사상 외측으로 벌어지지 않음으로써 배기가 터빈으로 흐르는 것을 제한하기 때문에 폐쇄 위치라고 한다. 중간 위치 “B”에서, 유니슨 링(40)은 베인 탭(42)이 슬롯(38) 내에서 제1 슬롯 단부(44)로부터 슬롯의 중간 위치 쪽으로 움직이도록 충분한 양으로 회전하였다.

베인 탭 운동은 노즐 벽에 대한 베인의 피벗 동작에 의해 제공되어 베인이 주어진 정도만큼 방사상 외측으로 회전할 수 있게 한다. “B” 위치에서, 베인은 방사상으로 중간 정도 돌출하여, 폐쇄 위치 “A”와 비교할 때 터빈으로 흐르는 배기를 증가시킨다. “C” 위치에서, 유니슨 링이 최대 위치로 회전하여, 베인 탭(42)을 슬롯(38) 내부에서 제2 단부(46)로 이동하게 한다. 또한, 그와 같은 추가의 베인 움직임은 베인과 노즐 벽 사이의 피벗 구성에 의해 촉진되어 베인이 최대 위치로 방사상 외측으로 회전할 수 있게 한다. “C” 위치에서, 베인은 최대로 방사상으로 돌출하여, 중간 위치 “A”와 비교할 때 터빈으로 흐르는 배기를 증가시키게 된다.

배경기술에서 전술한 바와 같이, 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이 복수의 가동 베인을 구비하는 공지된 VGT이 적절하게 동작하려면, 베인은 유니슨 링에 의해 작동될 때 노즐 벽을 마주 보면서 자유 피벗할 수 있어야 한다. 그와 같은 자유 피벗 움직임이 있으려면 베인 샤프트가 각각의 노즐 구멍 내에서의 회전 동작이 속박되거나 다른 방법으로 제지되지 않아야 한다. 공지된 베인 설계에 따르면, 각각의 베인에서 돌출하는 샤프트가 완전히 수직이 아닌 경우 베인의 자유 피벗 움직임이 감소할 수 있다. 또한, 공지된 베인 설계에서는 베인 샤프트 및 구멍 부착 메커니즘에 의해 베인에 가해지는 비교적 높은 외팔보 하중 스트레스에 의해 베인의 자유 피벗 움직임이 감소할 수 있다.

도 3은 방사상 내면(52), 대향된 방사상 외면(54) 및 축방향면(56, 58)을 포함하는 “무축 ” 또는 “스템리스(stemless)” 베인(50)을 보여준다. 이들 베인 표면은 터빈 하우징 내부에서 베인 배치에 대해 정해진다. 베인(50)은 방사상 내면(52) 및 방사상 외면(54)의 대향된 공통 단부에 노즈(nose) 또는 전연(前緣, 60)과 후연(62)이 있다. 본 명세서에서, 전연이라는 용어는 베인의 둥근 노즈면을 의미하도록 사용되며, 예각 또는 둔각을 이룬 표면 형상을 나타내는 것은 아니다. 베인은 축방향면(58)으로부터 외측으로 돌출하고 전연(60)에 인접 위치한 탭(64)을 포함하며, 상기 탭(64)은 전술한 방식으로 유니슨 링 슬롯과 협동하여 베인 작동을 촉진시키도록 구성된다.

도 1과 2를 참조하여 전술한 공지된 베인 설계와 달리, 베인(50)은 샤프트가 없다. 반면, 베인(50)은 (도 3에 도시한 바와 같이) 각각의 포스트(68)를 내부에 수용하는 치수 및 구성을 갖고 축방향면(56) 내에 배치된 구멍(64)을 포함하며, 포스트(68)는 터빈 하우징 노즐 벽으로부터 수직 외측으로 돌출한다. 이와 같이 구성하면, 노즐 벽을 마주 보는 베인 피벗 동작은 고정 포스트와 베인의 구멍 사이의 상대적인 회전 운동에 의해 제공된다. 회전 가능한 베인 구멍에 배치된 고정 벽 포스트에 의해 제공되는 피벗 메커니즘은 공지된 베인 설계 및 부착 메커니즘과 비교할 때 베인에 가해지는 외팔보 하중 스트레스량을 감소시킴으로써 효율적인 베인 움직임 또는 동작의 잠재적인 손실을 감소 및/또는 제거한다.

각각의 포스트(68)는 억지 끼워맞춤 또는 다른 통상의 부착 방식으로 노즐 벽에 부착되도록 구성될 수 있으며, 원하는 이격된 베인 구성과 부합하는 실질적으로 원형 패턴으로 노즐 벽 내에 배치된다. 실시예에서, 포스트(68)는 두 개의 상이한 직경의 단차 설계로 구성되며, 제1의 확경부(70)는 노즐 벽 안에서 안정된 억지 끼워맞춤식 부착을 제공하는 치수 및 구성을 가지며, 제2의 축경부(72)는 호전 동작을 제공하도록 노즐 벽에서 외측으로 돌출하고 베인 구멍(66) 안에 끼워지는 치수 및 구성을 갖는다. 하지만, 포스트는 균일한 직경 즉 무단차 설계일 수 있다.

본 발명의 VGT는 전술한 어느 하나의 베인 유형일 수 있다. 예컨대, 본 발명의 VGT는 터빈 노즐 벽의 상보형 개구에 끼워지도록 외측으로 돌출한 스템 또는 샤프트를 갖는 도 1에 도시한 것과 유사한 베인을 구비하거나, 무축 또는 스템리스 설계를 갖는 도 3( 및 후술하는 도면)에 도시한 것과 유사한 베인을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 본 발명의 VGT는 무축 또는 스템리스 구성을 갖는 베인을 포함한다.

베인(50)은 방사상 내면(52)과 방사상 외면(54) 사이로 측정되는 비교적 얇은 에어포일 두께를 갖도록 구성된다. 예컨대, (베인 전연과 베인 후연 사이의 직선을 따라 측정되는) 베인 길이가 대략 52mm인 실시예에서, 에어포일 두께는 대략 5mm 또는 길이의 0.1배 미만이다. 일실시예에서, 그와 같은 베인 설계에 따른 에어포일 두께는 베인 길이의 대략 0.14배 미만 즉 베인 길이의 대략 0.05 내지 0.14의 범위이다.

베인(50)을 위한 에어포일 두께가 비교적 얇은 것은 베인 에어포일 외면(54) 및 내면(52)이 비교적 완만하게 만곡한 때문이다. 베인(50)은 비교적 큰 곡률 반경으로 형성된 연속적인 볼록한 외면 및 비슷한 크기의 곡률 반경으로 형성된 연속적인 오목한 내면을 갖는 것을 특징으로 한다. 그와 같은 얇은 베인 설계를 위한 베인 외면(54)의 곡률 반경은 베인 길이의 대략 0.8배보다 클 수 있다. 즉 베인 길이의 대략 0.8 내지 1.5배의 범위일 수 있다. 상기 얇은 베인 설계를 위한 베인 내면(52)의 곡률 반경은 베인 길이의 1배보다 클 수 있다. 즉 베인 길이의 대략 1 내지 1.8배 범위일 수 있다. 예컨대, 베인 길이가 대략 52mm인 실시예에서, 베인 외면(54)은 대략 57mm의 곡률 반경을 가지며, 베인 내면(52)은 67mm의 곡률 반경을 갖는다. 또한, 상기 베인(50)의 베인 전연(60)은 비교적 작은 반경으로 형성된 둔하게 만곡된 형태를 갖는다.

도 4는 도 3을 참조하여 전술한 베인(50)과 마찬가지로 방사상 내면(82), 대향된 방사상 외면(84), 축방향면(86, 88), 노즈 또는 전연(90), 후연(92), 작동 탭(94) 및 포스트 구멍(96)을 구비하는 본 발명의 VGT 내에 장착되는 베인(80)을 나타낸다. 베인(80)은 유니슨 링과 터빈 하우징과 협동하고 터빈 하우징 안에서 회전하여 터빈 휠로 흐르는 배기를 제어하도록 베인(50)과 동일한 방식으로 구성된다.

얇은 베인(50)과 달리, 베인(80)은 얇은 베인과 다른 즉 대체로 더 두꺼운 에어포일 프로파일 및 두께를 갖는다. 베인(80)은 종래의 얇은 에어포일 두께 베인과 비교할 때 외면(84)의 방사상 만곡 정도가 증가하였다. 즉, 곡률 반경이 감소하였다. 감소한 곡률 반경은 종래의 얇은 베인의 비교적 완만하게 만곡된 외면과 비교할 때 크게 확장한 곡선을 갖는 외측 에어포일 프로파일을 제공한다. 또한, 이와 같은 감소한 곡률 반경은 베인의 방사상 또는 에어포일 두께를 증가시킨다.

일실시예에서, 본 발명의 VGT 안에 장착되는 베인은 (베인 전연과 후연 사이의 직선으로 측정되는) 베인 길이의 대략 0.16배보다 큰 즉 베인 길이의 대략 0.16 내지 0.50배의 범위인 에어포일 또는 방사상 두께를 가질 수 있다. 예컨대, 길이가 대략 47mm인 경우, 에어포일 두께는 대략 12mm 즉 베인 길이의 0.25배이다. 본 발명의 개선된 베인의 정확한 에어포일 두께는 이와 같은 전반적인 범위 내에서 특정한 VGT 및 엔진 용례에 따라 달라질 수 있다.

전술한 바와 같이, 베인(80)은 비교적 작은 곡률 반경을 갖는 에어포일 외면(84)을 갖는다. 일실시예에서, 베인은 베인 길이의 대략 0.8배 미만 즉 베인 길이의 대략 0.1 내지 0.8배 범위의 곡률 반경으로 형성된 에어포일 외면을 가질 수 있다. 베인(80)은 비교적 큰 곡률 반경으로 형성된 볼록면을 가져 거의 직선으로 보이는 에어포일 내면(82)을 갖는다. 일실시예에서, 베인은 베인 길이의 대략 2배보다 큰 곡률 반경으로 형성된 에어포일 내면을 가질 수 있다. 예컨대, 베인 길이가 대략 47mm인 경우, 베인 외면(84)은 대략 28mm인 곡률 반경을 갖고, 베인 내면(82)은 대략 207mm의 곡률 반경을 갖는다.

또한, 베인(80)의 전연(90)은 베인의 유동 범위를 통해 부담 효과(incidence effect)를 최소화할 목적으로 비교적 큰 곡률 반경을 특징으로 한다. 일반적으로 전술한 베인은 일정량의 베인 회전을 위해 더 높은 면적 감소를 이루기 위해 극히 두꺼운 에어포일의 차단 효과(blockage effect)를 활용한다. 캐스케이드(cascade) 유형의 에어포일 두께 증가는 “베인 개방” 위치에서보다 “베인 폐쇄” 위치에서 목단면적에 훨씬 더 큰 영향을 준다. 베인의 두께를 현저히 증가시키고 베인의 축방향폭을 약간 증가시키면, 동일한 최대 목단면적을 얻을 수 있다.

베인이 폐쇄 회전하면, 목단면적은 더 높은 비율로 감소한다. 이는 일정한 목단면적에 대해 더 적은 베인 회전이 요구된다는 추가적인 이득을 갖는다. 베인 회전이 감소하면 (반경 방향으로부터 대략 70도의) 최적의 흐름 벡터(flow vector)로부터 편향이 더 적게 됨으로써 설계 벗어남 효율(off-design efficiency)을 개선할 수 있다.

상세히 후술하는 바와 같이, 증가한 에어포일 두께 스템리스 베인 설계에 의해 제공되는 전술한 공기역학 및 기계적 효율에 추가하여, 본 방식으로 구성된 베인은 베인 개방 및 폐쇄 동작 중에 노즐 벽의 각각의 우회 배기 흐름 포트를 노출 및 밀폐하도록 동작하는데 충분한 에어포일 두께를 제공한다.

도 5는 본 발명의 원리에 따라 구성된 VGT(100)를 나타내며, 상기 VGT(100)는 내부에 일체로 배치된 하나 이상의 내부 우회 배기 가스 흐름 포트 또는 통로(102)를 구비한다. 특히, 우회 포트(102)는 노즐 벽(106)으로부터 터빈 하우징 배기 출구(108)로 연장된 터빈 하우징(104)의 일부를 통해 방사상으로 배치된다. 터빈 하우징을 통한 우회 포트의 정확한 대각선 각도는 설계 융통성을 제공할 목적으로 특정한 터보차저 용례에 따라 달라질 수 있다. 일실시예에서, 우회 포트는 터빈 하우징을 통과하는 축선에 대해 대략 25도의 각도로 공통 샤프트에 평행하게 터보차저 하우징을 통해 배치된다. 우회 포트(102)는 노즐 벽을 통해 형성된 유입 개구(110) 및 배기 출구를 형성하는 벽을 통해 형성된 배출 개구(112)를 갖는다. 우회 포트 개구(110)는 포트의 개방, 폐쇄 및 가스 흐름 통과 특징에 맞출 목적으로 확장된 입구를 갖도록 구성될 수 있다.

다수의 베인(116)이 전술한 방식으로 터빈 하우징(104)에, 즉, 벌류트와 터빈 휠 사이의 터빈 하우징의 목부(117)에 이동 가능하게 배치된다. 바람직한 실시예에서, 베인(116)은 스템리스 설계를 가지며, 각각의 샤프트 또는 포스트(118)를 사용하여 노즐 벽(106)에 인접한 위치에 피벗 가능하게 각기 장착된다. 포스트(118)는 일단이 하우징의 캐비티(120) 내부에 고정 부착되고, 타단이 각각의 베인에 피벗 가능하게 결합된다. 베인(116)은 링 슬롯(126) 구성에서 베인 탭(124)에 의해 각각의 베인에 결합된 유니슨 링(122)에 의해 터빈 하우징 안에서 작동된다.

도 6a는 도 5를 참조하여 전술한 본 발명의 VGT 내부에 폐쇄 위치 “A”, 중간 위치 “AB” 및 개방 위치 “C”에 배치된 베인쌍의 예를 도시한다. 베인(130)은 전술한 세 개의 위치에 각기 도시되는데, 이는 터빈 하우징을 통해 배치된 우회 포트(132)와 관련된다. 도 6a와 6b에 도시한 바와 같이, 우회 포트 유입 개구(134)가 베인(130)의 밑면 또는 외측면 부근에 노즐 벽(138)을 통해 배치된다. 유입 개구(134)에는 노즐 벽(138)의 오목부로부터 형성된 입구(136)가 연결된다. 입구(136)는 배기 우회의 원하는 개방, 폐쇄 및 가스 흐름 통과 특징을 제공하도록 다수의 상이한 형태 및 치수로 구성될 수 있다.

도 6a를 참조하면, 베인(130)이 폐쇄 위치(140)에 있을 때, 유입 개구 입구(136)는 베인의 외측면에 의해 완전히 덮임으로써 포트(132)를 통한 우회 배기 흐름을 방지한다. 베인이 중간 개방 위치(142)에 있을 때, 유입 개구의 입구(136)는 여전히 완전히 덮여 있어서 포트(132)를 통한 우회 배기 흐름을 방지한다. 베인이 중간 개방 위치(142)로부터 개방 위치(144)로 이동하면, 베인 내면(146)은 충분한 거리로 방사상 외측으로 움직임으로써, 배기가 포트(132)를 바람직하게 통과할 수 있다.

배기의 포트 통과는 포트를 통과한 배기가 터빈 휠과 접촉하지 않고, 즉, 터빈 휠을 우회하여 터빈 하우징에서 빠져나가기 때문에 우회 흐름이라 부른다. 이러한 우회 배기 흐름은 엔진 손상을 피하도록 최대량의 터보차저 조력 즉 흡입 공기 증압을 달성한 고속 엔진 동작 조건에서 바람직하다. 이는 VGT 내의 베인이 충분히 개방된 위치에서 또는 그 부근에서 작동 또는 배치된 경우에 발생한다.

도 7a 내지 7c는 상이한 베인 동작 위치에서 터보차저 터빈 하우징 노즐 벽에 배치된 베인 어셈블리를 나타낸다. 도 7a는 (도시 생략한) 터빈 휠 둘레에 동심 배치된 다수의 가동 베인(152)을 구비하면서 폐쇄 위치에서 작동되어 배기가 터빈 휠로 흐르는 것을 제지하는 베인 어셈블리(150)를 나타낸다. 베인들은 설명한 방식으로 터빈 하우징 노즐 벽(154)에 각기 장착되며, 이 노즐 벽(154)은 터빈 하우징의 배기 출구로 그리고 이를 통해 연장된 다수의 우회 배기 흐름 포트(156)를 구비한다. 전술한 바와 같이, 각각의 우회 흐름 포트(156)는 노즐 벽의 개구에 입구(158)가 있다. 도시한 바와 같이, 베인(152)이 폐쇄 위치로 동작할 때, 우회 흐름 포트(156)와 입구(158)는 베인에 의해 덮이고 밀봉되어 이를 통한 배기의 우회 흐름을 방지한다.

도 7b는 터빈 하우징 노즐 벽(154)을 따라 배치된 도 7a에 도시한 것과 동일한 베인(152)의 어셈블리(150)를 나타내며, 이때 베인은 배기가 터빈 휠로 부분적으로 통과할 수 있도록 준-개방 위치로 작동된다. 하지만, 준-개방 위치에서, 베인(152)은 각각의 우회 흐름 포트 입구(158)의 일부를 개방하기에 충분한 양으로 터빈 휠로부터 방사상 외측으로 피벗하지 않으므로, 우회 배기 흐름이 우회 배기 흐름 포트(156)를 통과하는 것을 여전히 방지한다.

도 7c는 터빈 하우징 노즐 벽(154)을 따라 배치된 도 7a와 7b에 도시한 것과 동일한 베인(152)의 어셈블리(150)를 나타내며, 이때 베인은 배기가 터빈 휠로 충분히 통과할 수 있도록 충분히 개방된 위치로 작동된다. 충분히 개방된 위치에 배치되면, 베인(152)은 각각의 우회 흐름 포트 입구(158)의 일부(160)를 개방하도록 터번 휠로부터 방사상 외측으로 최대로 피벗되어 우회 배기가 우회 배기 흐름 포트(156)를 통과할 수 있도록 동작한다.

각각의 배기 흐름 포트 입구(158)의 일부(160)가 개방되면, 배기의 추가 흐름이 각각의 우회 포트(156)를 통해 터빈 휠 둘레로 향하게 된다. 따라서, 배기가 충분한 개방 위치 또는 그 부근에서 베인에 대한 터빈 요구치를 초과하는 과잉 에너지를 갖는 경우, 흐름의 일부는 터빈 스테이지 둘레로 향할 수 있다. 우회 흐름 포트를 구비하도록 이와 같이 구성된 VGT의 특징은 설계 융통성을 허용한다는 것이다. 예컨대, 특정 터보차저 용례에 따라 각각의 우회 흐름 포트와 개별적인 입구의 특정한 치수 및 형태와, 우회 흐름 포트에 맞춘 다수의 베인을 선택할 수 있다.

또한, 몇 가지 다른 방법을 사용하여 사용 본 발명의 VGT의 우회 배기 포트를 형성할 수도 있다. 예컨대, 도 5와 6b에 도시한 바와 같이 각진 구멍을 드릴 천공하거나, 직선 구멍을 터빈 출구의 코어형 고리 안으로 드릴 천공할 수 있다. 이들은 터빈 하우징에 우회 배기 흐름 포트를 형성하고 합체할 수 있는 몇 가지 방법일 뿐이다. 따라서, 단지 세 개의 우회 배기 흐름 포트를 갖는 베인 어셈블리가 도 7a 내지 7c에 도시되었지만, 이는 참조 목적으로 제공된 것이며 본 발명의 원리에 따라 구성된 VGT의 다양한 실시예를 제한하는 것은 아니다.

또한, 각각의 베인 하부의 통로의 일부는 위에 도시하고 설명한 것과 다르게 구성될 수 있다. 근본적으로, 베인이 개방 위치에 접근하면 통로는 개방되어야 하며, 엔진 요구사항에 부합되도록 일부 조절할 여지가 있다. 또한, 베인 위치의 함수로서 개방 면적은 설계의 조절 능력을 이루기 위해 중요한 설계고려사항이다.

도 8은 전술한 실시예의 VGT와 비교할 때 증가된 우회 배기 흐름을 제공하도록 특별히 구성된 본 발명의 실시예에 따른 VGT(170)이다. VGT(170)는 전술한 동일한 요소들, 즉, 터보차저 터빈 하우징(176)의 노즐 벽(174)에 인접 배치된 다수의 가동 베인(172)의 어셈블리이다. 베인(172) 중의 적어도 하나는 터보차저 동작 중에 우회 배기 흐름 포트(180)를 통과하는 배기의 우회 흐름을 제어하도록 개구(170) 위쪽에 배치된다.

하지만, 터빈 하우징 내측을 통해 우회 배기 가스 흐름을 증가할 노력으로서, 본 실시예의 VGT는 특히 우회 배기 흐름 능력을 증가시킬 목적으로 우회 포트에 다른 배기 흐름 통로를 제공하도록 구성되었다. 제1 특징으로서, 터빈 노즐 말단 연부(緣部, 182)는 터빈 벌류트 안으로 돌출하는 아래로 각진 면을 갖도록 구성된다. 노즐 말단 연부(182)의 면을 이와 같이 구성하면, 베인(172)의 연부(183)가 노즐 벽 말단 연부(182) 위쪽과 벌류트 안으로 돌출하도록 베인이 개방 인접 위치 또는 개방 위치로 작동될 때 터빈 벌류트로부터 베인의 밑면 또는 외면으로 배기 가스 흐름이 생긴다.

노즐 벽에 대한 노즐 벽 말단 연부의 정확한 이탈 각도는 특정 터보차저 용례에 따라 다르며, 원하는 증가한 우회 배기 흐름 능력을 달성할 목적으로 설계 엔지니어에게 융통성을 제공할 수 있다. 하지만, 핵심적인 설계 기준으로서, 베인이 개방 인접 또는 개방 위치로 작동될 때 베인(172)의 밑면 또는 외면(184)의 일부가 개방되도록 노즐 말단 연부가 구성된다.

도 8에 도시한 바와 같이, 증가한 우회 배기 흐름을 가능하게 하는 다른 VGT 구성 특징으로서, 베인 밑면 또는 외면(184)은 (베인의 전연이 노즐 벽면에서 떨어져 위치될 때) 우회 배기가 터빈 벌류트로부터 우회 배기 흐름 포트(180)로 통과할 수 있도록 구성된다. 일실시예에서, 베인(172)은 우회 배기를 벌류트로부터 우회 흐름 포트(180)로 향하게 하기 위해 베인 자체 내에 채널 또는 통로를 제공하는 오목한 또는 중공형 밑면(184)을 갖도록 구성된다.

도 8은 오목한 밑면(184)을 도시할 목적으로 방사상 내면을 제거한 베인(172)의 일례를 나타낸다. 비록 오목부의 정확한 구성은 특정 터보차저 용례에 따라 다를 수 있지만, 핵심적인 특징은 배기가 베인 전연으로부터 베인의 내부로 통과하기 위해 베인 내부에 우회 포트와 연결된 채널을 제공하는 오목한 또는 중공형 부분의 형태 또는 치수이다.

이와 같이 구성되면, 본 실시예의 VGT는 우회 배기가 베인 자체를 통해 추가로 흐를 수 있게 한다. 이러한 추가적인 배기 흐름은 방사상 내측 연부면이 개방되도록 베인이 충분한 거리로 작동하는 동시 또는 그 전후에 발생하여 선행 실시예의 VGT에 대해 앞서 도시하고 설명한 바와 같이 우회 배기가 우회 배기 포트로 흐를 수 있게 한다.

도 9는 원래의 우회 흐름 면적과 바로 앞에 기재한 추가의 우회 흐름 면적 양쪽에 대한 베인 회전각의 함수인 우회 배기 흐름 통로 개구를 그래프 형태로 나타낸다. 베인 오목면의 프로파일 및/또는 터빈 노즐 말단 연부 치수는 흐름 통로가 상이한 베인 설정에 대해 개방될 때 면적 및 회전 위치를 결정한다. 그래프는 VGT가 그와 같은 추가의 우회 흐름 경로를 갖도록 구성되는 경우, 우회 흐름 면적의 개구율이 증가하고, 그에 따라 전체 최대 우회 흐름 면적이 증가한 것을 명확히 보여준다.

각각의 우회 흐름 포트 위쪽에 위치하도록 본 발명의 VGT의 베인이 폐쇄 위치 또는 불출분한 개방 위치에서 동작하는 경우, 베인이 각각의 포트를 밀폐시키도록 동작하는 것이 중요하다. 본 발명의 VGT 및 그와 같은 가변 형상 동작을 제공하도록 사용되는 메커니즘은 베인측 틈새(clearance) 즉 베인의 축방향면과 인접한 노즐 벽면 사이의 틈새를 정밀 제어하도록 고도의 정밀도로 제조되는 부분들을 포함한다.

본 발명의 VGT는 유니슨 링을 베인으로 당기도록 터보차저의 동작 중에 터빈 하우징 내부에서 빠져나가며, 그에 따라 베인측 틈새를 최소화하도록 동작하는 공기역학적 힘에 의존할 수도 있다. 이 특징은 베인을 개별적인 우회 배기 포트 개구 둘레의 밀폐면에 대해 압박하도록 사용될 수도 있다. 또한, 우회 배기 포트는 터빈 하우징의 하류 부분 즉 배기 출구와 가스 흐름이 연결되므로, 각각의 우회 포트 노즐 벽 개구에 압력차가 제공된다. 이러한 압력차는 베인을 각각의 우회 포트 개구 밀폐면에 대해 아래로 당김으로써 베인측 틈새를 최소화하고 우소한 베인 밀폐를 제공하게 해주는 바람직한 효과를 낸다.

그와 같은 내부 우회 배기 흐름 포트를 구비하는 본 발명의 VGT는 최대 터보차저 증대 제어를 제공할 목적으로 터보차저에 외부 메커니즘 즉 웨이스트게이트 밸브를 제공하는 것을 대체하도록 의도된다. 따라서, 본 발명의 VGT는 통상의 외부 웨이스트게이트 밸브와 연관된 부착, 패키지 작업 및 공간 요구사항을 다루어야할 필요성을 제거한다. 또한, 본 발명의 VGT는 적절한 웨이스트게이트 밸브 동작을 터보차저 및 차량 엔진 동작 조건과 조화시켜야 하는 것과 연관된 작동 및 제어 요구사항을 제거한다.

본 발명의 VGT는 종래의 VGT를 형성하는데 사용되는 것과 동일한 재료 및 방법( 즉 기계 가공 또는 성형)에 의해 형성될 수 있는 부분 및 부재들을 포함한다. 본 발명의 VGT에 사용되는 베인은 실질적으로 중실형으로 설계될 수 있으며 또는 중공형으로 가공된 설계에 따라 구성될 수 있다. 추가의 우회 배기 흐름 통로를 제공하도록 사용된 일실시예에서, 베인은 중공형으로 가공된 축방향면을 갖도록 구성된다. 중공형 설계는 종래의 베인과 비교할 때 더 우수한 성형성과 더 높은 강성 수준을 제공하고, 더 비용 효과적으로 제조되며, 질량이 감소하는 것이 밝혀졌기 때문에 바람직하다.

특허 법규의 규정에 따라 이상 본 발명을 상세히 기재하였지만, 당업자는 본 명세서에 개시된 특정 실시예의 수정 및 대체할 수 있을 것이다. 그와 같은 수정은 본 발명의 범위와 사상에 속한다.

Claims (10)

1. 배기 입구(14), 배기 출구(16), 상기 입구에 연결된 벌류트(volute) 및 상기 벌류트에 인접한 노즐 벽(24)을 갖는 터빈 하우징(12);

   상기 터빈 하우징 내부에 배치되어 샤프트(18)에 부착된 터빈 휠(17);

   상기 터빈 하우징 내에 상기 노즐 벽에 인접하게 상기 배기 입구와 상기 터빈 휠 사이에 배치되고, 베인 방사상 내면(52)과 베인 방사상 외면(54)에 의해 각각의 에어포일 두께가 정해지는 복수의 가동 베인(22); 및

   상기 터빈 하우징에 배치된 우회 배기 흐름 포트(102)를 포함하며,

   상기 우회 배기 흐름 포트는 상기 터빈 휠 상류의 유입 개구(110) 및 상기 터빈 휠 하류의 배출 개구(112)를 갖고, 상기 유입 개구는 폐쇄 위치에 있는 각각의 베인에 의해 덮이며 개방 위치로 이동한 각각의 베인에 의해 노출되는 것을 특징으로 하는 가변 형상 터보차저 어셈블리.
2. 제1항에 있어서, 상기 포트 유입 개구는 상기 노즐 벽을 통해 배치되며, 상기 포트 배출 개구는 상기 터빈 하우징 배기 출구를 형성하는 벽을 통해 배치되는 것을 특징으로 하는 가변 형상 터보차저 어셈블리.
3. 제1항에 있어서, 각각의 베인이 개방 위치에 있을 때 배기가 베인 밑면으로 흐를 수 있도록 상기 벌류트에 인접한 상기 노즐 벽의 말단 연부(緣部)가 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 형상 터보차저 어셈블리.
4. 제3항에 있어서, 상기 베인 밑면은 각각의 베인이 개방 위치일 때 배기가 상기 노즐 말단 연부로부터 상기 우회 배기 흐름 포트로 용이하게 흐르도록 오목하게 들어간 것을 특징으로 하는 가변 형상 터보차저 어셈블리.
5. 제1항에 있어서, 각각의 베인은 베인 길이의 대략 0.16 내지 0.50배 범위의 에어포일 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 가변 형상 터보차저 어셈블리.
6. 배기 입구(14), 배기 출구(16), 상기 입구에 연결된 벌류트 및 상기 벌류트에 인접한 노즐 벽(24)을 갖는 터빈 하우징(12);

   상기 터빈 하우징 내부에 배치되어 샤프트(18)에 부착된 터빈 휠(17);

   상기 터빈 하우징 내에 상기 배기 입구와 상기 터빈 휠 사이에 배치된 복수의 가동 베인(22)으로서, 각각의 가동 베인은,

   상기 터빈 휠에 인접 배치된 에어포일 내면(52),

   상기 에어포일 내면 반대편에 배치되어 상기 에어포일 내면과 베인 에어포일 두께를 정하는 에어포일 외면(54),

   제1 에어포일 내외면 연결부를 따라 위치한 전연(前緣, 60),

   제2 에어포일 내외면 연결부를 따라 위치한 후연(62),

   상기 노즐 벽으로부터 상기 터빈 휠 쪽으로 돌출한 각각의 포스트(68)를 수용하기 위해 상기 노즐 벽에 실질적으로 평행하게 제1 축방향 베인면 내부에 배치된 구멍(66), 및

   상기 제1 축방향 베인면에 대향한 제2 축방향 베인면으로부터 연장된 작동 탭(64)을 구비하는 상기 복수의 가동 베인(22);

   상기 터빈 하우징에 배치된 우회 배기 흐름 포트(102)로서, 상기 우회 배기 흐름 포트는 상기 터빈 휠 상류의 유입 개구(110) 및 상기 터빈 휠 하류의 배출 개구(112)를 갖고, 상기 유입 개구는 폐쇄 위치에 있는 각각의 베인에 의해 덮이며 개방 위치로 이동한 각각의 베인에 의해 노출되는 상기 우회 배기 흐름 포트(102); 및

   각각의 베인 탭과 맞물려 상기 베인을 상기 터빈 하우징 내에서 일제히 회전시키는 수단(34)을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 형상 터보차저 어셈블리.
7. 제6항에 있어서, 상기 포트 유입 개구는 상기 노즐 벽을 통해 배치되며, 상기 포트 배출 개구는 상기 터빈 하우징 배기 출구를 형성하는 벽을 통해 배치되는 것을 특징으로 하는 가변 형상 터보차저 어셈블리.
8. 제6항에 있어서, 각각의 베인이 개방 위치에 있을 때 배기가 베인 밑면으로 흐를 수 있도록 상기 벌류트에 인접한 상기 노즐 벽의 말단 연부(緣部)가 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 형상 터보차저 어셈블리.
9. 제8항에 있어서, 상기 베인 밑면은 각각의 베인이 개방 위치일 때 배기가 상기 노즐 말단 연부로부터 상기 우회 배기 흐름 포트로 용이하게 흐르도록 오목하게 들어간 것을 특징으로 하는 가변 형상 터보차저 어셈블리.
10. 제6항에 있어서, 상기 베인 에어포일 내면은 상기 베인 전연에 인접한 볼록면과 상기 후연에 인접한 오목면을 갖고, 상기 베인 에어포일 두께는 상기 전연과 상기 후연 사이에 측정되는 베인 길이의 대략 0.16 내지 0.50배 범위인 것을 특징으로 하는 가변 형상 터보차저 어셈블리.