KR20050038164A

KR20050038164A - Turbine structure of variable geometry turbocharger system

Info

Publication number: KR20050038164A
Application number: KR1020030073396A
Authority: KR
Inventors: 김승일
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2003-10-21
Filing date: 2003-10-21
Publication date: 2005-04-27
Also published as: KR100535052B1

Abstract

본 발명은 가변 터보차저시스템의 터빈구조에 관한 것으로, 베인베어링 링(31)을 관통하여 액추에이터와 동력전달이 가능하도록 연결되는 베인축(32a)을 통해 상기 베인베어링 링(31)의 일면에서 회전가능하게 장착되는 다수개의 베인(32)을 포함하여 구성되는 가변 터보차저시스템의 터빈구조에 있어서, 상기 베인베어링 링(31)과 베인(32)사이에 위치되면서 베인축(32a)에 의해 관통되어 회전가능하게 장착됨은 물론 외주면을 따라서 외접기어(51)가 형성되는 다수개의 회전판부재(50)와, 상기 다수개의 회전판부재(50)와 일체로 치합되게 내주면을 따라서는 상기 외접기어(51)와 치합되는 내접기어(61)가 형성되고 외주면에는 다수개의 회전돌기(63)가 등간격으로 형성되는 회전판구동링부재(60)를 더 포함하도록 구성되어져, 상기 베인(32)이 베인베어링 링(31)상에 고착되는 현상이 예방됨으로써 가변 터보차처의 성능향상에 도움이 되도록 된 것이다.The present invention relates to a turbine structure of a variable turbocharger system, which rotates on one surface of the vane bearing ring (31) through a vane shaft (32a) connected through the vane bearing ring (31) to enable power transmission with the actuator. In a turbine structure of a variable turbocharger system comprising a plurality of vanes 32 that are possibly mounted, the vane bearing 32 is penetrated by a vane shaft 32a while being positioned between the vane bearing ring 31 and the vanes 32. A plurality of rotary plate members 50, which are rotatably mounted as well as external gears 51 formed along an outer circumferential surface thereof, and the external gears 51 along the inner circumferential surface to be integrally engaged with the plurality of rotary plate members 50. The internal gear 61 to be engaged is formed and the outer circumferential surface is configured to further include a rotating plate driving ring member 60 having a plurality of rotating protrusions 63 formed at equal intervals, so that the vanes 32 are vane bearing rings 31. )Prize This prevention is fixed to a phenomenon whereby to help improve the performance of variable turbo chacheo.

Description

Turbine structure of variable geometry turbocharger system

본 발명은 가변 터보차저시스템의 터빈구조에 관한 것으로, 특히 엔진의 회전속도에 따라 터빈의 회전능력을 조절하여 주는 베인이 베인베어링 링상에 고착되는 현상을 미리 예방할 수 있도록 하는 가변 터보차저시스템의 터빈구조에 관한 것이다.The present invention relates to a turbine structure of a variable turbocharger system, and in particular, a turbine of a variable turbocharger system, which prevents the vane, which adjusts the rotational capacity of the turbine according to the rotational speed of the engine, from being stuck on the vane bearing ring. It's about structure.

일반적으로, 터보차저(turbocharger; 배기터빈 과급기)란 배기가스의 에너지로 배기터빈을 돌릴 경우 상기 배기터빈에 직결된 압축기가 엔진으로 공기를 밀어 넣어 엔진의 출력을 향상시키도록 된 장치로서, 보통 도 1에 도시된 바와 같이 엔진(1)으로 흡입되는 공기를 압축하고 압력을 상승시키도록 된 압축기(10) 및, 이 압축기(10)와 회전축(20)에 의해 직결되도록 설치되면서 배기가스의 열에너지를 회전력으로 변화시키는 터빈(30)으로 구성된다.In general, a turbocharger (exhaust turbine supercharger) is a device in which the compressor directly connected to the exhaust turbine to push the air into the engine to improve the output of the engine when the exhaust turbine is turned on by the energy of the exhaust gas. As shown in FIG. 1, the compressor 10 is configured to compress the air sucked into the engine 1 and to increase the pressure, and is installed to be directly connected by the compressor 10 and the rotating shaft 20. It consists of the turbine 30 which changes with rotational force.

여기서, 상기 압축기(10)는 공기흡입통로(11)를 통해 에어클리너(2)와 연결되도록 설치되면서 공기배출통로(12)를 통해 엔진(1)의 흡기매니폴드(3)와 연결되도록 설치된다.Here, the compressor 10 is installed to be connected to the air cleaner 2 through the air suction passage 11 and is connected to the intake manifold 3 of the engine 1 through the air discharge passage 12. .

그리고, 상기 터빈(30)은 배기가스흡입통로(31)를 통해 엔진(1)의 배기매니폴드(4)와 연결되도록 설치되면서 배기가스배출통로(32)를 통해 배기파이프와 연결되도록 설치된다.The turbine 30 is installed to be connected to the exhaust manifold 4 of the engine 1 through the exhaust gas intake passage 31 and to be connected to the exhaust pipe through the exhaust gas exhaust passage 32.

한편, 상기 압축기(10)는 고속회전으로 공기를 가압 흡입하는 임펠러와 유속이 빠를 때 감속하여 운동에너지를 압력으로 바꾸는 디퓨저 및 하우징으로 구성되고, 상기 터빈(30)은 압축기를 구동하는 부분으로써 배기가스의 유동에너지를 회전력으로 변환시키는 블레이드 및 하우징으로 구성된다.On the other hand, the compressor 10 is composed of an impeller for pressurizing and suctioning air at a high speed rotation and a diffuser and a housing for decelerating when the flow rate is fast to convert the kinetic energy into a pressure, the turbine 30 is a part for driving the compressor to exhaust It consists of a blade and a housing for converting the flow energy of the gas into rotational force.

따라서, 엔진의 배기행정에서 배기가스가 배출되어 배기쪽의 터빈(30)을 회전시키게 되면, 상기 터빈(30)의 회전력이 회전축(20)을 통해 압축기(10)로 전달되어 흡입쪽의 임펠러도 동시에 회전되게 되며, 이로 인해 상기 임펠러 중심 부근의 공기는 원심력을 받아 바깥쪽으로 가속되면서 디퓨저로 보내지게 된다.Therefore, when the exhaust gas is discharged from the exhaust stroke of the engine to rotate the turbine 30 on the exhaust side, the rotational force of the turbine 30 is transmitted to the compressor 10 through the rotation shaft 20, so that the impeller on the suction side also At the same time, the air near the center of the impeller is sent to the diffuser while being accelerated to the outside under centrifugal force.

그리고, 상기 디퓨저는 공기통로의 면적이 크기 때문에 공기의 운동에너지가 압력으로 바뀌면서 압축되는 과급압 공기를 실린더로 공급시키게 되고, 이로 인해 체적효율이 향상되면서 엔진의 출력이 증대되게 된다.In addition, since the diffuser has a large area of the air passage, the booster air compressed by changing the kinetic energy of the air into the pressure is supplied to the cylinder, thereby increasing the volumetric efficiency and increasing the output of the engine.

한편, 오늘날의 디젤엔진은 고출력화와 저연비화를 달성하는 데에 역점을 두고 있기 때문에, 저속 및 고속영역에서 흡입공기의 제어가 가능한 가변 터보차처(VGT : Variable Geometry Turbocharger)방식을 주로 사용하고 있는 추세이다.On the other hand, today's diesel engines are focused on achieving high output and low fuel consumption. Therefore, they are mainly using a variable geometry turbocharger (VGT) system that can control intake air at low and high speeds. It is a trend.

가변 터보차처방식이란 도 2에 도시된 바와 같이, 베인베어링 링(31)상에 다수개의 베인(32)을 회전가능하게 장착한 구조로서, 저속영역에서는 상기 베인(32)을 도 2와 같이 베인베어링 링(31)의 원주방향으로 각도를 주어 배기가스의 속도성분을 극대화하고, 고속영역에서는 도 3에 도시된 바와 같이 베인(32)의 각도를 베인베어링 링(31)의 반경방향으로 조절하여 배기가스에 둔감하게 작동하도록 하는 것이다.The variable turbocharger method is a structure in which a plurality of vanes 32 are rotatably mounted on the vane bearing ring 31, and in the low speed region, the vanes 32 are vanes as shown in FIG. Maximize the velocity component of the exhaust gas by giving an angle in the circumferential direction of the bearing ring 31, and in the high speed region by adjusting the angle of the vane 32 in the radial direction of the vane bearing ring 31 To make it insensitive to exhaust gases.

여기서, 상기 베인(32)은 도 4에 도시된 바와 같이 각각의 베인축(32a)을 통해 액추에이터와 연결되는 구조를 가지며, 상기 액추에이터는 ECU(엔진제어유니트)의 제어에 의해 구동되게 된다.Here, the vanes 32 have a structure connected to the actuator through each vane shaft 32a as shown in FIG. 4, and the actuator is driven by the control of an ECU (engine control unit).

따라서, 가변 터보차처의 생명은 제어조건에 따라 베인(32)의 정확한 각도조절에 기인하게 된다.Thus, the life of the variable turbocharger is due to the precise angle adjustment of the vanes 32 in accordance with the control conditions.

그러나, 통상적인 가변 터보차저시스템은 장시간 고속 주행시나 또는 카본 퇴적후 장기간 주차시 상기 카본에 의해 베인(32)이 베인베어링 링(31)상에 고착(stick)되는 현상이 발생되고, 이에 따라 상기 베인()의 작동이 불량해지는 문제점이 있었다.However, in the conventional variable turbocharger system, the vane 32 is stuck on the vane bearing ring 31 by the carbon when driving at high speed for a long time or parking for a long time after carbon deposition. There was a problem that the operation of the vane () is poor.

상기와 같이 퇴적된 카본에 의해 베인(32)이 베인베어링 링(31)상에 고착되는 현상은 결국 터보차처의 기능을 상실시키는 원인으로 작용을 하게 되며, 더 나아가 엔진(1)의 손상을 초래하는 문제점으로도 작용을 하게 된다.The phenomenon in which the vanes 32 are fixed on the vane bearing ring 31 by the carbon deposited as described above may act as a cause of losing the function of the turbocharger, further causing damage to the engine 1. It also works as a problem.

따라서, 내구시험시에는 일정시간마다 베인(32) 털기 작업을 실시하거나 또는 압축기(10)의 출구압 및 출구온도를 측정하여 이상이 있을 경우 이를 해결할 수 있었으나, 실차 운전시에는 이와 같은 베인(32)의 이상현상을 발견할 수 없게 되어 결국 엔진(1)이 손상되는 원인으로 작용을 하게 되는 것이다.Therefore, during the endurance test, the vane 32 may be removed at regular intervals or the outlet pressure and the outlet temperature of the compressor 10 may be measured. The abnormal phenomenon of) can not be found and eventually act as a cause of damage to the engine (1).

한편, 도 2와 도 3에 도시된 미설명부호 33은 터빈하우징이고, 미설명부호 33a는 터빈하우징에 형성된 배기가스흡입구이다.Meanwhile, reference numeral 33 in FIGS. 2 and 3 denotes a turbine housing, and reference numeral 33a denotes an exhaust gas inlet formed in the turbine housing.

그리고, 도 2 내지 도 4에 도시된 터빈(30)은 베인베어링 링(31)이 한 개만이 갖춰진 일례를 보여주고 있으나, 상기 베인베어링 링(31)은 터빈(30)의 종류에 따라 두 개가 갖춰질 수도 있게 되며, 이때 두 개의 베인베어링 링(31)은 베인(32)을 사이에 두고 베인(32)의 양면과 서로 면접촉을 이루면서 장착되는 구조를 가지게 된다.2 to 4 show an example in which only one vane bearing ring 31 is provided. However, two vane bearing rings 31 may be provided depending on the type of turbine 30. In this case, the two vane bearing rings 31 may have a structure that is mounted while making surface contact with both sides of the vanes 32 with the vanes 32 therebetween.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 베인과 베인베어링 링사이에 베어링역할을 수행하는 회전판부재를 추가 설치하여, 장시간 고속 주행시나 또는 카본 퇴적후 장기간 주차시에도 상기 베인이 베인베어링 링상에 고착되는 현상을 예방할 수 있도록 하고, 이에 따라 터보차저의 기능상실 및 엔진의 손상도 미리 예방할 수 있도록 하는 가변 터보차저시스템의 터빈구조를 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made in order to solve the above problems, by installing a rotating plate member that performs a bearing role between the vane and the vane bearing ring, the vane is also used during long-term high-speed driving or long-term parking after carbon deposition It is an object of the present invention to provide a turbine structure of a variable turbocharger system that can prevent the phenomenon of sticking on the vane bearing ring, and thus prevent the malfunction of the turbocharger and damage to the engine in advance.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 터빈구조는, 베인베어링 링을 관통하여 액추에이터와 동력전달이 가능하도록 연결되는 베인축을 통해 상기 베인베어링 링의 일면에서 회전가능하게 장착되는 다수개의 베인을 포함하여 구성되는 가변 터보차저시스템의 터빈구조에 있어서, 상기 베인베어링 링과 베인사이에 위치되면서 베인축에 의해 관통되어 회전가능하게 장착됨은 물론 외주면을 따라서 외접기어가 형성되는 다수개의 회전판부재와, 상기 다수개의 회전판부재와 일체로 치합되게 내주면을 따라서는 상기 외접기어와 치합되는 내접기어가 형성되고 외주면에는 다수개의 회전돌기가 등간격으로 형성되는 회전판구동링부재를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The turbine structure of the present invention for achieving the above object includes a plurality of vanes rotatably mounted on one surface of the vane bearing ring through a vane shaft connected to the actuator to allow power transmission through the vane bearing ring. In the turbine structure of the variable turbocharger system is configured to be, between the vane bearing ring and the vane and is rotatably mounted through the vane shaft, as well as a plurality of rotating plate member is formed with an external gear along the outer circumferential surface, and The internal gear is meshed with the external gear along the inner circumferential surface to be integrally engaged with the plurality of rotating plate members, and the outer circumferential surface further includes a rotating plate driving ring member having a plurality of rotating protrusions formed at equal intervals. .

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 터빈의 구조를 설명하기 위한 개략적인 구성도로서, 종래구조와 동일한 부위에는 동일한 참조부호를 붙이면서 설명하기로 한다.5 to 7 is a schematic configuration for explaining the structure of the turbine according to the present invention, will be described with the same reference numerals to the same parts as the conventional structure.

본 발명에 따른 가변 터보차저시스템의 터빈(30)구조는 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 배기가스흡입구(33a)가 형성된 터빈하우징(33)내에 베인베어링 링(31)이 회전가능하게 장착되고, 상기 베인베어링 링(31)의 일면에는 다수개의 베인(32)이 회전가능하게 장착된다.In the turbine 30 structure of the variable turbocharger system according to the present invention, as shown in FIGS. 5 to 7, the vane bearing ring 31 is rotatable in the turbine housing 33 in which the exhaust gas inlet 33a is formed. A plurality of vanes 32 are rotatably mounted on one surface of the vane bearing ring 31.

여기서, 상기 베인(32)은 각각의 베인축(32a)을 통해 액추에이터와 동력전달이 가능하도록 연결되는 구조를 가지며, 상기 액추에이터는 ECU(엔진제어유니트)의 제어에 의해 구동된다.Here, the vanes 32 have a structure in which the vanes 32 are connected to the actuators so as to enable power transmission, and the actuators are driven by the control of the ECU (engine control unit).

또한, 본 발명에 따른 가변 터보차처시스템의 터빈(30)은 상기 베인베어링 링(31)과 베인(32)사이에는 원형의 회전판부재(50)가 각각 위치되는데, 상기 회전판부재(50)는 그 중심부가 상기 베인축(32a)에 의해 관통되어 베인축(32a)을 중심으로 회전가능하게 장착되며, 그 외주면에는 외접기어(51)가 일체로 형성되는 구조로서 되어 있다.In addition, in the turbine 30 of the variable turbocharger system according to the present invention, a circular rotary plate member 50 is positioned between the vane bearing ring 31 and the vane 32, and the rotary plate member 50 is The center portion is penetrated by the vane shaft 32a to be rotatably mounted about the vane shaft 32a, and the external gear 51 is integrally formed on the outer circumferential surface thereof.

그리고, 본 발명에 따른 터빈(30)에는 상기 배기가스흡입구(33a)를 통해 흡입되는 배기가스의 힘에 의해 회전되면서 상기 다수개의 회전판부재(50)를 일체로 회전시키는 회전판구동링부재(60)가 더 포함되어 구성된다.In addition, the turbine 30 according to the present invention is rotated by the force of the exhaust gas sucked through the exhaust gas inlet 33a while rotating plate driving ring member 60 for integrally rotating the plurality of rotating plate members 50. It is configured to further include.

즉, 상기 회전판구동링부재(60)는 베인베어링 링(31)의 일면쪽(베인이 위치하는 방향의 일면)에 위치되고, 그 내주면에는 상기 다수개의 회전판부재(50)에 형성되 외접기어(51)와 일체로 치합이 가능한 내접기어(61)가 형성되며, 그 외주면에는 배기가스의 힘을 통해 상기 회전판구동링부재(60)를 회전시키도록 하는 다수개의 회전돌기(63)가 등간격으로 형성된다.That is, the rotating plate driving ring member 60 is located on one side of the vane bearing ring 31 (one surface in the direction in which the vane is located), and the inner circumferential surface of the rotating plate driving ring member 60 is formed on the plurality of rotating plate members 50. Internal gear 61 capable of being integrally engaged with () is formed, the outer peripheral surface of the plurality of rotating projections 63 to rotate the rotating plate driving ring member 60 through the force of the exhaust gas is formed at equal intervals. do.

한편, 상기 회전돌기(63)는 그 선단의 각도가 상기 배기가스흡입구(33a)쪽을 향하도록 기울어진 상태로서 형성되는 것이 가장 바람직한데, 그 이유는 배기가스의 힘을 원활하게 전달받기 위함이다.On the other hand, the rotary protrusion 63 is most preferably formed as a state in which the angle of the tip is inclined toward the exhaust gas inlet 33a, the reason is to receive the power of the exhaust gas smoothly. .

따라서, 엔진(1)의 배기행정을 통해 배출된 배기가스가 배기가스흡입구(33a)를 통해 터빈하우징(33)의 내부로 흡입되면, 이때의 배기가스는 회전판구동링부재(60)의 회전돌기(63)와 접촉하면서 회전력을 부여하게 되고, 이로 인해 상기 회전판구동링부재(60)는 배기가스의 힘에 의해 도 5에 도시된 상태에서 시계방향으로 회전을 하게 된다.Therefore, when the exhaust gas discharged through the exhaust stroke of the engine 1 is sucked into the turbine housing 33 through the exhaust gas inlet 33a, the exhaust gas at this time is the rotating projection of the rotary plate driving ring member 60. The rotating force is applied while contacting the 63, and the rotating plate driving ring member 60 is rotated in the clockwise direction in the state shown in Figure 5 by the force of the exhaust gas.

그리고, 상기 회전판구동링부재(60)와 일체로 치합을 이룬 다수개의 회전판부재(50)는 베인베어링 링(31)과 베인(32)사이에서 액추에이터의 구동력과는 상관없이 순순한 배기가스의 힘을 통해 시계방향으로 회전을 하게 된다.In addition, the plurality of rotating plate members 50 integrally engaged with the rotating plate driving ring member 60 may provide a pure exhaust gas force regardless of the driving force of the actuator between the vane bearing ring 31 and the vane 32. Rotate clockwise.

이와 같이, 엔진(1)의 운전중에는 상기 회전판부재(50)가 항상 베인축(32a)을 중심으로 하여 회전운동을 하게 됨으로써, 상기 베인(32)에 카본이 축적되는 것을 예방할 수 있게 되고, 이에 따라 상기 베인(32)이 베인베어링 링(31)상에 고착되는 현상을 미리 예방할 수 있게 된다.In this way, during operation of the engine 1, the rotary plate member 50 is always rotated about the vane shaft 32a, thereby preventing carbon from accumulating in the vanes 32. Accordingly, the vane 32 may be prevented from being stuck on the vane bearing ring 31 in advance.

또한, 엔진(1)이 장기간 운전되지 않아 상기 베인(32)에 카본이 축적되더라도, 이후 차량의 주행을 위해 엔진(1)이 재차 운전될 때에는 상기 회전판부재(50)의 회전에 의해 베인(32)에 축적된 카본은 원활하게 떨어지게 되며, 이에 따라 상기 베인(32)이 베인베어링 링(31)상에 고착되는 현상도 미리 예방할 수 있게 된다.In addition, even when the engine 1 is not operated for a long time and carbon is accumulated in the vane 32, the vane 32 is rotated by the rotation of the rotating plate member 50 when the engine 1 is driven again for driving of the vehicle. The carbon accumulated in the) is smoothly dropped, thereby preventing the vane 32 from being stuck on the vane bearing ring 31 in advance.

따라서, 본 발명은 베인(32)의 고착현상을 근본적으로 예방할 수 있기 때문에, 베인(32) 고착현상으로 인한 터보차처의 기능 상실 및 엔진(1)의 손상을 예방할 수 있는 잇점이 있게 된다.Therefore, since the present invention can fundamentally prevent the sticking phenomenon of the vanes 32, there is an advantage of preventing the loss of the function of the turbocharger and the damage of the engine 1 due to the sticking phenomenon of the vanes 32.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 엔진의 운전중에는 베인에 카본의 축적현상이 예방되고, 엔진의 장기간 운전 종료후 재차 운전될 때에는 베인에 축적된 카본의 제거가 원활하게 이루어짐으로써, 상기 베인이 베인베어링 링상에 고착되는 현상이 예방됨은 물론, 이에 따라 가변 터보차처의 성능향상에 도움이 되는 효과가 있게 된다.As described above, according to the present invention, the accumulation of carbon in the vanes is prevented during the operation of the engine, and the carbon accumulated in the vanes is smoothly removed when the engine is operated again after the engine is operated for a long time. The phenomenon of sticking on the bearing ring is prevented, and accordingly, there is an effect that helps to improve the performance of the variable turbocharger.

도 1은 일반적인 터보차저시스템을 설명하기 위한 개략적인 구성도,1 is a schematic configuration diagram for explaining a general turbocharger system;

도 2 내지 도 4는 가변 터보차저시스템을 구성하는 터빈의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도,2 to 4 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the turbine constituting the variable turbocharger system,

도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 터빈의 구조를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.5 to 7 are schematic configuration diagrams for explaining the structure of a turbine according to the present invention.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>

31 - 베인베어링 링 32 - 베인31-Vane Bearing Ring 32-Vane

32a - 베인축 50 - 회전판부재32a-vane shaft 50-rotating plate member

51 - 외접기어 60 - 회전판구동링부재51-External gear 60-Rotating plate driving ring member

61 - 내접기어 63 - 회전돌기61-Internal gear 63-Rotating protrusion

Claims

It comprises a plurality of vanes (32) rotatably mounted on one surface of the vane bearing ring (31) through a vane shaft (32a) through which the vane bearing ring (31) is connected to enable power transmission with the actuator. In the turbine structure of a variable turbocharger system,

Located between the vane bearing ring 31 and the vane 32 and is rotatably mounted through the vane shaft (32a), as well as a plurality of rotating plate member 50 is formed with an external gear 51 along the outer circumferential surface and ,

An internal gear 61 engaged with the external gear 51 is formed along the inner circumferential surface so as to be integrally engaged with the plurality of rotating plate members 50, and a plurality of rotating protrusions 63 are formed on the outer circumferential surface at equal intervals. Turbine structure of a variable turbocharger system, characterized in that it further comprises a drive ring member (60).