KR20050098827A - 가변 노즐장치를 구비한 터보 차저 - Google Patents

Abstract

터보 차저는 가변 노즐장치와 상기 가변 노즐장치로 부터 기계적으로 및/또는 열적으로 분리되는 배기 하우징을 포함한다. 부가적으로 선택적인 유익한 특징들이 제공되며, 다양한 축방향및 방사방향의 간격과 다양한 밀봉 요소들을 포함한다.

Description

가변 노즐장치를 구비한 터보 차저{TURBOCHARGER COMPRISING A VARIABLE NOZZLE DEVICE}

본 발명은 가변 노즐장치를 구비한 터보 차저에 관한 것이다.

터보 차저에서, 터빈을 구동하는 배가스 흐름의 조절이 종종 필요하며, 이는다른 동작 조건하에서 사용되어지는 터보 차저의 효율을 향상시키기 위한 것이다. 그와 같은 가스 흐름의 제어를 이루기 위해서는, 가변 크기의 노즐 통로를 갖는 가변 노즐장치가 제공된다. 상기 노즐 통로들은 내측 노즐 벽과 외측 노즐 벽 사이의 터빈 둘레에 원형으로 배치된 베인(vanes)들 사이에서 형성된다. 상기 베인들은 피봇가능하여 서로 다른 형태의 노즐 통로들을 제공하고, 그에 따라 터빈을 구동하는 배가스 흐름을 조절한다.

문서 WO-A1-0206637에 따르면, 터보 차저의 중앙 하우징에 결합된 카트리지로서 형성되는 가변 노즐 메카니즘을 갖는 터보 차저가 개시되어 있으며, 상기 배기 하우징은 상기 카트리지에 장착되고 철판으로 제작되어 있다.

제 1도는 본 발명에 따른 터보 차저 실시예에 대해 그 축을 따라서 도시한 제 1단면도;

제 2도는 본 발명에 따른 터보 차저 실시예의 제 2단면도;

제 3도는 본 발명에 따른 터보 차저 실시예의 제 3단면도;

제 4도는 본 발명에 따른 터보 차저 실시예의 제 4단면도; 그리고

제 5,6도는 본 발명에 따른 터보 차저의 부분 단면도로서, 중앙 하우징에 배기 하우징을 장착하는 구조를 도시한 상세도이다.

도 1에는 본 발명의 실시예에 따른 터보 차저가 그 일측단에 터빈 휠 5이 고정된 샤프트 3를 수반하는 중앙 하우징 1을 포함한다. 상기 샤프트는 중앙 하우징 1내의 베어링 시스템에 의해 지지되며, 이 부분은 도 1에서 상세히는 도시되어 있지 않다. 도 1의 좌측에는, 단지 터보 차저의 백판 7과 압축기 임펠러 9들이 도시되어 있으며, 도 1의 중앙 하우징 1의 우측에는, 가변 노즐 장치가 보다 상세히 도시되어 있다.

상기 가변 노즐 장치는 일체형 부재로서 기본적으로 링 형상의 삽입구 11을 포함하여 주변 링 13과 상기 주변 링 13에 다리부 17를 통하여 연결된 외측 링 15을 포함하고 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 링형 삽입구 11의 주변 링 13은 중앙 하우징 1의 스텝 부 19상에 끼워지고, 원주상으로 간격을 형성하고 중앙 하우징 1의 해당 구멍들에 고정되는 볼트 21등에 의해서 장착된다(도 1 참조). 상기 주변 링 13으로는, 노즐 링 23이 끼워져서 상기 터빈 5 주위의 원주방향으로 노즐 링상에 배치되고, 베인 27에 고정 장착되는 다수의 베인 핀 25들을 수용한다(도 1 참조).

이러한 터보 차저의 실시예에서, 다리부 17는 노즐의 내측벽을 형성하는 노즐 링 23과 노즐의 외측 벽을 형성하는 링 형상 삽입구의 외측 링 15 사이에서 노즐 간격을 형성하는 스페이서(spacers)의 기능을 이룬다. 각각의 베인 핀 25의 타단은 바람직하게는 용접에 의해서 베인 암 29에 고정된다. 상기 베인 암 29들은 베인 암 29, 베인 핀 및 최종적으로는 그것에 부착된 베인 27들을 피봇시키기 위하여 회전가능하게 배치된 유니슨 링(a unison ring) 31의 내주에 형성된 슬롯내에 수용된다.

회전가능하도록 하기 위하여, 상기 유니슨 링 31은 그 내주가 도 3에 도시된 바와 같이, 원주방향으로 이격된 롤러 33들 상에서 지지된다. 상기 롤러들은 상기 노즐 링 23내에 형성된 해당 구멍들내에서 회전가능하게 지지되는 도웰(dowels) 35 상에 회전가능하게 장착된다. 상기 도웰 35들의 길이는 비록 그것들이 중앙 하우징 1으로 향한 다소간의 축방향 이동을 이행할 수 있을 지라도, 상기 도웰의 해당 단부와 중앙 하우징 사이의 최대 거리는 상기 롤러 33들이 상기 중앙 하우징과 노즐 링의 사이에서 분리되지 않고 결합 상태를 유지하도록 형성되는 것이다.

도 4에 상세히 도시된 바와 같이, 상기 유니슨 링 31의 내주에 있는 슬롯들 중의 하나에 결합하는 작동 암 37은 작동 로드 39를 통하여 작동기 크랭크 41에 연결된다.

내부에 끼워진 유니슨 링 23과 베인 작동 메카니즘의 모든 이동가능한 요소들을 구비하고 있는 링형 삽입구 11는 가변 노즐장치를 형성하고, 그에 따라 볼트 21에 의해서 중앙 하우징 1에 고정되는 일종의 카트리지를 나타내고 있다. 이와 같은 구조에 관련하여, 링형 삽입구의 주변 링 13을 중앙 하우징에 부착하는 때에, 상기 노즐 링 23은 다리 스텝 부 43에 의해서 상기 중앙 하우징 1상에 축방향으로 지지되는 환형 디스크 부재 45에 대해 축방향으로 클램프된다. 따라서, 단지 볼트 21 수단에 의해서, 완전한 가변 노즐 장치가 중앙 하우징에 고정되고, 여기서 상기 중앙 하우징과 링형 삽입구는 일종의 안정된 셀(shell)을 형성하여 가변 노즐 장치의 이동 요소들을 보호한다.

터빈 하우징 또는 배기 하우징 47은 도 1 내지 6에 도시된 바와 같이, V- 밴드 혹은 균등한 조임 부재 49에 의해서 중앙 하우징 1에 장착된다. 상기 조임 부재 49는 배기 하우징의 유입부 53의 플랜지 부재 51를 도 6에 도시된 바와 같이, 중앙 하우징의 다른 플랜지 부에 대해 가압한다. 이러한 2개의 플랜지부들 사이에는 가스켓 55이 제공되고, 그 가스켓은 밀봉 장치로 작용하여 가스 밀봉을 이루며, 배기 하우징으로 부터 배가스의 어떠한 누출도 효과적으로 방지하는 것이다. 이러한 실시예에서, 상기 유입부 53는 배기 하우징의 소용돌이부(volute)를 형성하고, 도2에 도시된 바와 같이, 노즐 28로 배가스를 이송한다.

비록, 본 발명의 이와 같은 특정 실시예에서, 터빈 하우징이 밀봉 장치 55를 통하여 중앙 하우징 1에 축방향으로만 접촉하는 것으로 도시되어 있지만, 조임 부재 49가 방사 방향으로 상기 배기 하우징의 신뢰할 만한 위치 조정을 제공하게 되는 것이다. 따라서, 배기 하우징은 더 이상의 부가적인 고정 수단을 필요로 하지 않는다.

상기 배기 하우징의 플랜지 부재 51와 상기 링형 삽입구의 주변 링 13의 장착 위치는 축방향으로 연장하는 간격 57이 도 6에 도시된 바와 같이, 그들 사이에서 형성되어지도록 된다. 배기 하우징의 다른 방사상 연장 부 59는 상기 ㅈ변링으로 부터 축방향으로 이격되어 다른 축방향으로 연장하는 간격 61을 제공하며, 그것에 의해서 배기 하우징과 가변 노즐 장치의 링형 삽입구 11 사이에서의 접촉이 방지된다.

상기 배기 하우징 47의 외측 가스 배출부 63은 가변 노즐장치의 내측 가스 배출부 65를 감싸는 슬리브로서 형성되고, 상기 부분 65은 상기 삽입구 외측 링 15의 축방향 튜브형 연장부로서 형성된다. 이러한 2 부분 사이에는, 바람직하게는 0.05~0.15mm의 축방향으로 연장하는 간격이 형성되며, 이는 가스 누출을 방지할 수 있을 정도로 충분히 작은 것이며, 동시에 상기 배기 하우징과 링형 삽입구 11 사이에서 기계적인 적절한 분리를 제공하기에 충분할 정도로 큰 것이다. 가스 누출을 방지하기 위한 부가적인 밀봉 시스템으로서, 상기 내측 가스 배출부 65내에 형성된 홈에 위치되는 피스톤 링 67과, 그리고 배기 하우징의 외측 가스 배출부내에 형성되고, 배기 하우징으로 부터 누출하는 가스의 난기류를 완충시키는 역활을 하는 2개의 홈 69들을 포함하는 밀봉 요소들이 제공된다.

도 1 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예와 함께 터보 차저 구조의 상세를 도시하고 있다. 예를 들면, 도 5는 잠금 도웰 24을 도시하며, 이는 노즐 링 23이 중앙 하우징 1에 대해 회전되는 것을 방지하도록 되어 있다. 그리고, 도 3은 상기 삽입구와 배기 하우징 사이에서 기계적및 열적 분리를 약화시키는 것 없이 간격 61을 폐쇄시키는 부가적인 탄성 밀봉 부재 60를 도시한다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 견지(aspect)는 배기 하우징을 가변 노즐 장치로 부터 기계적으로 및/또는 열적으로 분리시키는 것이고, 그 이유는 상기 배기 하우징이 높은 기계적 및/또는 열적 부하를 받기 때문이다. 뿐만 아니라, 상기 노즐 링을 수용하고, 따라서 모든 노즐 부품들을 갖는 카트리지를 형성하는 소형의 막사(hut)와 같은 삽입구는 노즐 부품의 변형을 방지하고, 결과적으로 베인들의 달라붙음(sticking) 또는 접합(binding)등을 방지한다.

배기 하우징이 밀봉 요소를 통하여 중앙 하우징에 직접 접촉하여 내측 공간을 형성하고, 그 내부에 전체의 가변 노즐 장치가 위치하기 때문에, 터보 차저의 효과적인 누출 방지가 이루어지는 것이다.

본 발명에 따른 터보 차저의 부가적인 개선을 위하여, 추가적으로 선택적인 유익한 특징들이 제공될 수 있으며, 다양한 축방향및 방사방향의 간격및 다양한 밀봉 요소들을 포함하게 된다.

비록 참조 도면의 실시예에서는, 배기 하우징이 가변 노즐장치의 카트리지 전체를 포위하고, 그 주변 링이 배기 하우징의 플랜지 부재에 축방향으로 정렬되어 상기 주변 링과 플랜지 부재 모두가 상기 중앙 하우징의 플랜지 부상에 지지되는 하나의 그리고 동일하게 방사상으로 연장하는 밀봉 부재 55에 대해 접촉될 수 있지만, 상기 가변 노즐 장치 카트리지와 배기 하우징을 센터 하우징에 장착하기 위한 배열의 다른 변형 구조 또는 수정 구성들이 가능하다. 예를 들면, 잠금 도웰 24로서, 볼트 21들이 제거되고, 상기 전체 가변 노즐 장치가 조임 부재 49에 의해서 제공되는 간접 접촉 방식으로 상기 중앙 하우징에 결합되도록 할 수 있다.

상기 가변 노즐 장치를 중앙 하우징에 결합시키기 위한 다른 가능성은 간섭 장착(interference fit) 방식의 사용이다. 이를 위하여, 상기 중앙 하우징의 주위에는 상기 주변 링 13이 결합하는 내측 홈에 제공될 수 있다.

이와 유사하게, 참조 도면에 예시된 실시예는 상기 가변 노즐 장치가 터빈 5 주위에서 원주방향으로 상기 노즐 링상에 배열되고, 그리고 피봇팅하는 베인 27들에 고정식으로 장착되는 다수의 베인 핀 25들을 갖도록 장착되는 노즐 링 23을 구비하는 것으로 도시하고 있지만, 상기 가변 노즐 장치의 다른 수정 구조및 구성들이 가능하다. 예를 들면, 베인들은 피봇팅 동작을 사용하는 것 보다는, 또는 그에 더하여 방사상 및/또는 축방향으로 활주이동 함으로써 배가스 흐름을 제어하는 알려진 베인 방식들로 이루어질 수 있는 것이다.

별도의 가변 노즐 장치 카트리지의 사용으로 인하여, 배기 하우징의 제작이 단순하게 이루어질 수 있다. 상기 배기 하우징은 예를 들면, 철판 또는 단순 주조방식, 예를 들면 낮은 등급의 배기 하우징 재료를 사용하는 희박 주조(thin casting) 기술에 의해서 제작될 수 있는 것이다.

본 발명의 목적은 개선된 터보 차저를 제공하는 것이고, 특히 보다 효과적으로 생산되고, 유지되며, 증가된 신뢰성을 갖는 터보 차저에 관한 것이다.

상기 목적의 한가지 기술적인 해결책에 따르면, 청구항 1에 기재된 특징에 따른 터보 차저가 제공된다. 이러한 터보 차저의 바람직한 실시예들은 후속 청구항들에 기재되어 있다.

청구항 1에 기재된 발명의 잇점은 특히 배기 하우징으로 부터 가변 노즐 장치 부품들로의 기계적으로 그리고 열적으로 생성된 부하의 전달이 효과적으로 차단된다는 점이다. 이는 상기 배기 하우징이 가변 노즐 장치로 부터 기계적 및/또는 열적으로 분리되어진 구성에 의해서 이루어진다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 터보 차저의 배기 하우징은 터빈 휠을 갖는 샤프트를 구비하는 터보 차저의 중앙 하우징에 직접 장착되어 그 두개의 하우징들이 내측 공간을 형성하며, 그 내부에 상기 가변 노즐 장치와 터빈 휠들이 위치된다.

터보 차저의 배기 하우징은 바람직하게는 상기 중앙 하우징에 고정된 가스 유입부와 상기 가변 노즐 장치의 가스 배출부를 축방향으로 연장하는 간격을 갖고서 포위하는 가스 배출부를 포함한다. 그와 같은 실시예에서, 상기 배기 하우징의 가스 유입부는 바람직하게는 밀봉 요소를 통하여 상기 중앙 하우징에 축방향으로 접하고, 조임 부재 또는 수단에 의해서 그곳에 장착되는 플랜지 부재를 포함한다.

상기 가변 노즐 장치의 가스 배출부는 원주방향의 홈이 제공되어 피스톤 링을 수용하고 배기 하우징의 가스 유입측으로 부터 그 가스 배출측으로의 가스 누출을 피할 수 있다.가스 누출을 피하기 위한 대체적인 또는 부가적인 수단으로서, 적어도 하나의 추가적인 원주방향 홈이 상기 배기 하우징의 가스 유입측과 피스톤 링의 사이에서 상기 배기 하우징의 가스 배출부내에 형성될 수 있다.

전형적으로, 터보 차저의 가변 노즐장치는 노즐 링과 외측 링 사이의 환형 베인 배열을 포함하고, 상기에서 외측 링은 노즐 링에 고정되고 중앙 하우징에 고정식으로 장착된 주변 링에 일체형으로 형성된다. 상기 베인들은 노즐 링상에 피봇으로 지지되고, 노즐 링은 상기 주변 링에 의해서 상기 중앙 하우징상에 지지되는 환형 디스크 부재에 대해 축방향으로 바람직하게 밀려 진다.

대체적 또는 부가적인 분리 수단으로서, 본 발명에 따른 터보 차저의 구성은 배기 하우징의 가스 유입부가 추가적으로 축방향으로 연장하는 간격을 갖고서 상기 가변 노즐 장치의 주변 링을 포위하도록 제공할 수 있다.

보다 소형의 그리고 기능적인 터보 차저의 구성을 얻기 위하여, 가변 노즐 장치의 주변 링은 그럼에도 불구하고 동일한 밀봉 요소에 대해 인접되어 그것을 통해 배기 하우징의 플랜지 부재가 중앙 하우징에 고정되도록 할 수 있다.

이하, 본 발명의 상기와 같은 그리고 그 밖의 견지(aspects)들에 대해 참조 도면에 도시된 실시예를 참조로 하여 예를 들어서 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 가변 노즐장치를 구비한 터보 차저를 제공한다.

Claims (10)

1. 가변 노즐 장치(11,23,25,27,29,31) 및 배기 하우징(47)을 포함하고, 기계적으로 및/또는 열적으로 분리되어진 터보 차저.
2. 제1항에 있어서, 상기 배기 하우징(47)은 터빈 휠(5)을 구비한 샤프트(3)를 갖는 중앙 하우징(1)에 직접 장착되고, 그 두개의 하우징(1,47)들이 내부 공간을 형성하여 그 내부에 상기 가변 노즐 장치(11,23,25,27,29,31)와 터빈 휠(5)들이 위치됨을 특징으로 하는 터보 차저.
3. 제2항에 있어서, 상기 배기 하우징(47)은 상기 중앙 하우징(1)에 고정되는 가스 유입부(53)와, 축방향으로 연장하는 간격을 갖고서 상기 가변 노즐 장치의 가스 배출부(65)를 에워싸는 가스 배출부(63)를 포함함을 특징으로 하는 터보 차저.
4. 제3항에 있어서, 상기 배기 하우징(47)의 가스 유입부(53)는 밀봉 요소(55)를 통하여 상기 중앙 하우징(1)에 축방향으로 접촉되고, 조임 부재(49)에 의해서 장착되는 플랜지 부재(51)를 포함함을 특징으로 하는 터보 차저.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 배기 하우징(47)과 가변 노즐 장치(11,23,25,27,29,31) 사이의 가스 누출을 회피하기 위한 밀봉 시스템(65,67)을 추가 포함함을 특징으로 하는 터보 차저.
6. 제5항에 있어서, 상기 밀봉 시스템(65,67)은 상기 가변 노즐 장치의 가스 배출부(65)내에 형성되고 피스톤 링(67)을 수용하는 원주방향 홈을 포함하고, 상기 배기 하우징의 가스 배출부(63) 내에 형성되고, 상기 배기 하우징의 가스 유입 측과 상기 피스톤 링(67) 사이의 상기 축방향으로 연장하는 간격으로 향해 개방된 적어도 하나의 추가적인 원주방향 홈(69)을 추가 포함함을 특징으로 하는 터보 차저.
7. 제3항 내지 제6항중 어느 한항에 있어서, 상기 가변 노즐 장치(11,23,25,27,29,31)는 노즐 링(23)과, 상기 노즐 링상에서 끼워지는 주변 링(13)에 일체로 형성되고 상기 중앙 하우징(1)에 결합되는 외측 링(15)과의 사이에 개재되는 원주 방향의 베인(27) 배열을 포함함을 특징으로 하는 터보 차저.
8. 제7항에 있어서, 상기 베인(27)들은 노즐 링(23)상에 피봇으로 지지되고, 상기 노즐 링은 상기 중앙 하우징(1)상에 지지되는 환형 디스크 부재(45)에 대해 상기 주변 링(13)에 의해서 축방향으로 밀려지는 것임을 특징으로 하는 터보 차저.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 배기 하우징(47)의 가스 유입부(53,51)는 추가적으로 축방향으로 연장하는 간격(57)을 갖고서 상기 가변 노즐 장치의 주변 링(13)을 포위하는 것임을 특징으로 하는 터보 차저.
10. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 주변 링(13)은 동일한 밀봉 요소(55)에 인접되어 그것을 통하여 배기 하우징(47)의 플랜지 부재(51)가 중앙 하우징(1)상에 고정되는 것임을 특징으로 하는 터보 차저.