KR20050030050A

KR20050030050A - 가변 지오메트리 터보 차저 시스템의 터빈 회전 제어장치

Info

Publication number: KR20050030050A
Application number: KR1020030066364A
Authority: KR
Inventors: 이상철
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2003-09-24
Filing date: 2003-09-24
Publication date: 2005-03-29

Abstract

본 발명은 가변 지오메트리 터보 차저 시스템이 적용된 차량의 운전영역에 따라 배기가스 흐름을 조절하여 기존의 익형 베인에서 발생하는 유동박리 등의 현상을 개선하고, 엔진의 성능을 향상시킬 수 있는 가변 지오메트리 터보 차저 시스템의 터빈 회전 제어장치에 관한 것으로, 적어도 한 개 이상의 구멍이 있는 원형으로 형성되어 링 플레이트의 원주 방향으로 설치되는 제1 회전 밴드와; 상기 제1 회전 밴드 보다 크기가 작고, 상기 제1 회전 밴드와 같은 유형으로 형성되어 상기 제1 회전 밴드의 원주 방향 내측에서 설정된 거리만큼의 유격을 두고 연결되어 설치되는 원형의 제2 회전 밴드와; 상기 가변 지오메트리 터보 차저 시스템이 장착된 차량의 운전영역에 따라 상기 제1 회전 밴드와 상기 제2 회전 밴드의 구멍(배기가스 이동 통로)의 일치 정도를 조절하도록 해당되는 구동 제어신호를 발생하는 제어부와; 상기 제1 회전 밴드의 원주 방향 내측에서 상기 제2 회전 밴드와 설정된 거리만큼의 유격을 두고 연결되어 설치되며, 상기 제어부로부터 공급되는 구동 제어신호의 입력에 따라 구동되어 상기 제2 회전 밴드를 설정된 방향으로 회전시키는 노즐 레버를 포함하여 구성한다.

Description

가변 지오메트리 터보 차저 시스템의 터빈 회전 제어장치{TURBINE REVOLUTION CONTROL DEVICE OF VARIABLE GEOMETRY TURBOCHARGER SYSTEM}

본 발명은 가변 지오메트리 터보 차저 시스템의 터빈 회전 제어장치에 관한 것이다.

통상적으로, 가변 지오메트리 터보 차저(VGT ; Variable Geometry Turbocharger)는 저속 회전 영역의 성능 개선을 위하여 배기 터빈의 입구면적을 가변적으로 변화시킬 수 있는 터보 차저이다.

가변 지오메트리 터보 차저는 저속 토크 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 저속 매연의 감소, 그리고 가속 성능의 향상을 위한 장치이다.

배기 매니폴드를 지난 배기가스는 노즐 베인을 통과하여 터빈 블레이드를 돌리고, 이에 따라 흡기측의 압축기 블레이드를 회전시켜 흡입공기를 압축한다.

한편, 저속 영역에서 배기 에너지가 작을 경우 도 1a에 도시된 바와 같이 터빈의 노즐 베인 사이의 단면적을 좁게하여 배기가스의 유속을 증가시킴으로서 터빈을 구동시키고, 배기 에너지가 높은 고속 영역에서는 도 1b에 도시된 바와 같이 블레이드 사이의 단면적을 증가시킴으로서 터빈의 지나친 회전을 방지한다.

도 1은 일반적인 가변 지오메트리 터보 차저의 형상을 나타낸 것이다.

도 2는 가변 지오메트리 터보 차저의 설명 내용을 상세히 간략한 도면으로 보여 주고 있다.

도 2를 참조하면, 엔진의 회전속도에 따라 노즐 베인을 적절히 조절하고 있음을 알 수 있다.

도 4는 기존 가변 지오메트리 터보 차저의 노즐 베인의 단면을 나타낸 것으로서, 일반적인 익형(Airfoil) 구조를 하고 있음을 알 수 있다.

이러한 익형이 도 3에 도시된 바와 같이 유동방향으로 놓이고 층류 유동인 경우 익형 상단부에서의 유동박리(Separation)는 발생하지 않는다.

도 5는 유동의 흐름방향과 익형의 방향이 일정각도 α로 놓여 있을 때 익형의 후단에서 유동박리가 발생하는 것을 보여주고 있다.

이러한 유동박리가 발생할 경우 압력강하에 따른 유동 손실이 존재하게 되고 결국 배기가스 에너지가 가변 지오메트리 터보 차저의 회전 에너지로 회수되지 못하고 손실로 연결될 뿐만 아니라 배압을 증가시켜 엔진성능의 악화를 초래한다.

또한, 엔진 운전중 배기가스 내의 카본 및 연소실에서 탄화된 오일에 의해 터보의 베인(Vane)이 고착(Stick)되거나 터보의 성능, 즉 배기가스의 흐름이나 양을 저하시켜 결과적으로 터보의 성능을 떨어뜨리고 나아가서 엔진의 성능에까지 영향을 미칠 수 있는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 가변 지오메트리 터보 차저 시스템이 적용된 차량의 운전영역에 따라 배기가스 흐름을 조절하여 기존의 익형 베인에서 발생하는 유동박리 등의 현상을 개선하고, 엔진의 성능을 향상시킬 수 있는 가변 지오메트리 터보 차저 시스템의 터빈 회전 제어장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 배기 매니폴드를 지난 배기가스는 노즐 베인을 통과하여 터빈 블레이드를 돌리고, 이에 따라 흡기측의 압축기 블레이드를 회전시켜 흡입공기를 압축하는 가변 지오메트리 터보 차저 시스템의 터빈 회전 제어장치에 있어서, 적어도 한 개 이상의 구멍이 있는 원형으로 형성되어 링 플레이트의 원주 방향으로 설치되는 제1 회전 밴드와; 상기 제1 회전 밴드 보다 크기가 작고, 상기 제1 회전 밴드와 같은 유형으로 형성되어 상기 제1 회전 밴드의 원주 방향 내측에서 설정된 거리만큼의 유격을 두고 연결되어 설치되는 원형의 제2 회전 밴드와; 상기 가변 지오메트리 터보 차저 시스템이 장착된 차량의 운전영역에 따라 상기 제1 회전 밴드와 상기 제2 회전 밴드의 구멍(배기가스 이동 통로)의 일치 정도를 조절하도록 해당되는 구동 제어신호를 발생하는 제어부와; 상기 제1 회전 밴드의 원주 방향 내측에서 상기 제2 회전 밴드와 설정된 거리만큼의 유격을 두고 연결되어 설치되며, 상기 제어부로부터 공급되는 구동 제어신호의 입력에 따라 구동되어 상기 제2 회전 밴드를 설정된 방향으로 회전시키는 노즐 레버를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해 예시한 것으로 본 발명이 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 6 내지 도 7c를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 가변 지오메트리 터보 차저 시스템의 터빈 회전 제어장치 구성 및 동작 원리를 설명한다.

도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 실시예에 따른 원리를 간략히 보여주는 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 가변 지오메트리 터보 차저 시스템의 터빈 회전 제어장치 동작시 제1 회전 밴드(610)와 제2 회전 밴드(620)와의 동작 상태를 도시한 도면이다.

본 발명의 실시예는 배기 매니폴드를 지난 배기가스는 노즐 베인을 통과하여 터빈 블레이드를 돌리고, 이에 따라 흡기측의 압축기 블레이드를 회전시켜 흡입공기를 압축하는 가변 지오메트리 터보 차저 시스템의 터빈 회전 제어장치에 있어서, 제1 회전 밴드(610), 제2 회전 밴드(620), 제어부(도시되지 않음), 노즐 레버(630)를 포함하여 구성한다.

제1 회전 밴드(610)는 도 6과 도 7a에 도시된 바와 같이 적어도 한 개 이상의 구멍이 있는 원형으로 형성되어 링 플레이트의 원주 방향으로 설치된다.

제1 회전 밴드(610)는 링 플레이트의 원주 방향으로 고정 설치된다.

제2 회전 밴드(620)는 도 6과 도 7a에 도시된 바와 같이 제1 회전 밴드(610) 보다 크기가 작고, 제1 회전 밴드(610)와 같은 유형으로 형성되어 제1 회전 밴드(610)의 원주 방향 내측에서 설정된 거리만큼의 유격을 두고 연결되어 설치된다.

제어부는 본 발명의 실시예에 따른 가변 지오메트리 터보 차저 시스템의 터빈 회전 제어장치의 전반적인 제어동작을 수행하는 마이크로 프로세서로 구성하며, 본 발명의 실시예에서는 가변 지오메트리 터보 차저 시스템이 장착된 차량의 운전영역에 따라 제1 회전 밴드(610)와 제2 회전 밴드(620)의 구멍(배기가스 이동 통로)의 일치 정도를 조절하도록 해당되는 구동 제어신호를 발생한다.

예를 들어, 제어부는 차량의 운전영역이 고속영역이면 제1 회전 밴드(610)와 내측의 노즐 레버(630)에 의해 연결되어 일정 거리를 회전할 수 있도록 조절되는 제2 회전 밴드(620)의 구멍(배기가스 이동 통로)을 도 7c에 도시된 바와 같이 서로 일치시켜 터빈의 과도한 회전을 방지하도록 노즐 레버(630)의 구동을 제어하는 제1 구동 제어신호를 발생한다.

이와는 반대로, 제어부는 차량의 운전영역이 저속영역이면 도 7b에 도시된 바와 같이 배기가스 이동 통로의 단면적을 좁게 하여 배기가스의 유속을 증가시키도록 상기 노즐 레버(630)의 구동을 제어하는 제2 구동 제어신호를 발생한다.

노즐 레버(630)는 제1 회전 밴드(610)의 원주 방향 내측에서 제2 회전 밴드(620)와 설정된 거리만큼의 유격을 두고 연결되어 설치되며, 제어부로부터 공급되는 구동 제어신호의 입력에 따라 구동되어 제2 회전 밴드(620)를 설정된 방향으로 회전시킨다.

노즐 레버(630)와 제2 띠와의 설정된 거리는 노즐 레버(630)와 기존의 익형 베인이 움직이는 거리만큼의 유격을 두고 설치되는 원형의 제2 띠와의 거리이다.

상기한 바와 같이 본 발명의 실시예는 가변 지오메트리 터보 차저의 베인 구조를 변경하고, 터빈 회전을 제어하는 장치에 관한 것으로, 베인의 형상을 익형 구조에서 다수의 구멍이 있는 원형의 제1 회전 밴드(610)를 익형이 설치되어 있던 위치에 설치하고 크기가 작은 같은 유형의 제2 회전 밴드(620)를 제1 회전 밴드(610)가 설치된 위치의 안쪽에 노즐 레버(630)와 기존의 익형 베인이 움직이는 거리만큼의 유격을 두고 설치한다.

본 발명의 실시예는 가변 지오메트리 터보 차저의 터빈 블레이드(익형)를 없애고 구멍이 여러 개 있는 원형의 제1 회전 밴드(610)와 제2 회전 밴드(620)로 설치함으로써 유동박리의 발생을 억제하고, 카본 퇴적을 방지할 수 있다.

따라서 본 발명의 실시예에서는 유동박리와 카본 퇴적을 억제함으로서 가변 지오메트리 터보 차저의 성능을 개선할 수 있다.

유동박리의 발생은 압력 강하 및 흐름 손실을 발생시키며 이에 따라 배기가스 에너지가 터빈의 회전 에너지로 전환되지 못하고 유동손실 및 배압을 증가시킨다.

본 발명의 실시예는 기존의 익형 베인에서 발생하는 유동박리 등의 현상을 개선할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 가변 지오메트리 터보 차저 시스템의 터빈 회전 제어장치는 유동박리를 억제함으로서 가변 지오메트리 터보 차저의 성능 및 엔진 성능을 개선할 수 있다.

또한, 여러 개의 익형 베인을 조립하는 공정을 삭제할 수 있어 설치 구조를 쉽게 할 수 있다.

또한, 기존이 익형 베인 제조 비용을 줄임으로써 원가를 저감할 수 있다.

또한, 기존의 구조에서 발생하는 배기가스에 의한 고착 현상이 발생하지 않게 되어 가변 지오메트리 터보 차저의 내구성 향상도 도모할 수 있다.

도 1a와 도 1b는 가변 지오메트리 터보 차저의 형상을 도시한 도면.

도 2는 가변 지오메트리 터보 차저 구성을 상세히 도시한 도면.

도 3은 가변 지오메트리 터보 차저의 동작 상태를 도시한 도면.

도 4와 도 5는 가변 지오메트리 터보 차저를 구성하는 노즐 베인에 작용하는 유동 흐름을 도시한 도면.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 가변 지오메트리 터보 차저 시스템의 터빈 회전 제어장치 구성을 도시한 도면.

도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 실시예에 따른 가변 지오메트리 터보 차저 시스템의 터빈 회전 제어장치 동작시 제1 회전 밴드와 제2 회전 밴드와의 동작 상태를 도시한 도면.

Claims

배기 매니폴드를 지난 배기가스는 노즐 베인을 통과하여 터빈 블레이드를 돌리고, 이에 따라 흡기측의 압축기 블레이드를 회전시켜 흡입공기를 압축하는 가변 지오메트리 터보 차저 시스템의 터빈 회전 제어장치에 있어서,

적어도 한 개 이상의 구멍이 있는 원형으로 형성되어 링 플레이트의 원주 방향으로 설치되는 제1 회전 밴드와;

상기 제1 회전 밴드 보다 크기가 작고, 상기 제1 회전 밴드와 같은 유형으로 형성되어 상기 제1 회전 밴드의 원주 방향 내측에서 설정된 거리만큼의 유격을 두고 연결되어 설치되는 원형의 제2 회전 밴드와;

상기 가변 지오메트리 터보 차저 시스템이 장착된 차량의 운전영역에 따라 상기 제1 회전 밴드와 상기 제2 회전 밴드의 구멍(배기가스 이동 통로)의 일치 정도를 조절하도록 해당되는 구동 제어신호를 발생하는 제어부와;

상기 제1 회전 밴드의 원주 방향 내측에서 상기 제2 회전 밴드와 설정된 거리만큼의 유격을 두고 연결되어 설치되며, 상기 제어부로부터 공급되는 구동 제어신호의 입력에 따라 구동되어 상기 제2 회전 밴드를 설정된 방향으로 회전시키는 노즐 레버를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 가변 지오메트리 터보 차저 시스템의 터빈 회전 제어장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 회전 밴드는 상기 링 플레이트의 원주 방향으로 고정 설치되는 것을 특징으로 하는 가변 지오메트리 터보 차저 시스템의 터빈 회전 제어장치.
제1항에 있어서, 상기 노즐 레버와 제2 띠와의 설정된 거리는 상기 노즐 레버와 기존의 익형 베인이 움직이는 거리만큼의 유격을 두고 설치되는 원형의 제2 띠와의 거리인 것을 특징으로 하는 가변 지오메트리 터보 차저 시스템의 터빈 회전 제어장치.
제1항에 있어서, 상기 제어부는 상기 차량의 운전영역이 고속영역이면 상기 제1 회전 밴드와 내측의 노즐 레버에 의해 연결되어 일정 거리를 회전할 수 있도록 조절되는 제2 회전 밴드의 구멍(배기가스 이동 통로)을 서로 일치시켜 터빈의 과도한 회전을 방지하도록 상기 노즐 레버의 구동을 제어하는 제1 구동 제어신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 가변 지오메트리 터보 차저 시스템의 터빈 회전 제어장치.
제1항에 있어서, 상기 제어부는 상기 차량의 운전영역이 저속영역이면 배기가스 이동 통로의 단면적을 좁게 하여 배기가스의 유속을 증가시키도록 상기 노즐 레버의 구동을 제어하는 제2 구동 제어신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 가변 지오메트리 터보 차저 시스템의 터빈 회전 제어장치.