KR20070079566A

KR20070079566A - 가변 노즐 부착 터보차저

Info

Publication number: KR20070079566A
Application number: KR1020070009644A
Authority: KR
Inventors: 타카히로 코바야시
Original assignee: 이시카와지마-하리마 주고교 가부시키가이샤
Priority date: 2006-02-02
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2007-08-07
Also published as: CN101012772A; US20070175216A1; CN101012772B; US7509804B2; KR100917551B1; EP1816317B1; EP1816317A2; EP1816317A3

Abstract

터빈 임펠러(2)로 회전 구동되어 공기를 압축하는 컴프레서 임펠러(4)와, 터빈 임펠러(2)와 컴프레서 임펠러(4)를 연결하는 샤프트(5)와, 샤프트(5)를 회전 가능하게 지지하는 베어링 하우징(6)과, 터빈 임펠러(2)를 내부에 수용하는 터빈 하우징(7)과, 터빈 임펠러(2)의 반경 방향 외측의 컴프레서 임펠러(4)측에 설치되어, 터빈 임펠러(2)로 향하는 배기 가스 유량을 조정하는 가변 노즐 기구(12)를 구비하고, 베어링 하우징(6)은, 반경 방향 외측으로 연장되어 반경 방향 외측 부분에서 터빈 하우징(7)과 결합하며, 터빈 하우징(7)과의 사이에 가변 노즐 기구(12)를 수용하는 확경부(6a)를 갖고, 확경부(6a)와 가변 노즐 기구(12) 사이에는, 가변 노즐 기구(12)와 확경부(6a) 간의 전열을 방지하는 열차단판(21)이 설치되어 있다.

Description

가변 노즐 부착 터보차저{TURBOCHARGER WITH VARIABLE NOZZLE}

도 1은 본 발명의 실시 형태에 의한 가변 노즐 부착 터보차저의 전체 구성도이다.

도 2는 도 1의 A-A선에 따른 단면도로서, 가변 노즐 기구를 도시하는 도면이다.

도 3은 도 1의 파선 B로 둘러싸인 부분의 확대도이다.

[특허 문헌 1] 일본 특허공고 평7-13468호 공보 "터보차저"

본 발명은, 가변 노즐 부착 터보차저에 관한 것으로, 보다 자세하게는, 컴프레서측의 스러스트 베어링 등의 온도 상승을 억제할 수 있는 기구를 갖는 가변 노즐 부착 터보차저에 관한 것이다.

터보차저는, 예를 들면 자동차용 엔진의 고출력을 위해 이용되는 과급기(過給機)이다. 터보차저에서는, 엔진의 배기 에너지에 의해 터빈 임펠러를 회전시키고, 이 터빈의 출력에 의해 컴프레서 임펠러를 회전시킴으로서, 압축 공기를 컴프 레서로부터 엔진에 공급한다. 이에 따라, 엔진에 자연 흡기 이상의 과급 상태를 가져온다.

이 터보차저는, 엔진의 저속 회전시에, 낮은 배기 유량 때문에 터빈이 거의 작동하지 않는다. 따라서, 고속 회전역까지 회전하는 엔진에 있어서는, 터빈이 효율적으로 회전하기까지 시간이 걸려 신속하게 터보 효과를 얻을 수 없었다.

그 때문에, 저회전역에서부터 효율적으로 작동하는 가변 노즐 부착 터보차저(VGS(Variable Geometry System) 터보차저)가 개발되고 있다. 이 가변 노즐 부착 터보차저는, 적은 배기 유량을 가동 날개로 압축하여 배기의 속도를 증가시켜 터빈의 작업량을 크게 함으로써, 저속 회전시라도 고출력을 얻을 수 있도록 한 것이다. 이러한 가변 노즐 부착 터보차저는, 예를 들면 특허 문헌 1에 기재되어 있다.

그러나, 가변 노즐 부착 터보차저에서는, 엔진이 정지하여 베어링 하우징을 냉각하는 압유(壓油)가 멈추었을 때에, 베어링 하우징의 터빈측으로부터 컴프레서측으로의 열의 전달(heat soak)에 의해 베어링 하우징의 컴프레서측에 마련한 스러스트 베어링 등의 온도가 한계 온도 250℃를 넘어 300℃ 정도까지 상승하게 되는 문제가 있었다. 한편, 가변 노즐 부착이 아닌 터보차저에서는 특히 이와 같은 문제는 지적되어 있지 않았다.

따라서, 본 발명의 목적은, 가변 노즐 부착 터보차저에 있어서, 스러스트 베어링 등의 온도를 한계 온도 이하로 유지할 수 있는 기구를 갖는 가변 노즐 부착 터보차저를 제공하는 것에 있다.

본 발명에 의하면, 상기 목적을 달성하기 위해, 배기 가스에 의해 회전 구동되는 터빈 임펠러와, 이 터빈 임펠러로 회전 구동되어 공기를 압축하는 컴프레서 임펠러와, 상기 터빈 임펠러와 컴프레서 임펠러를 연결하는 샤프트와, 이 샤프트를 회전 가능하게 지지하는 베어링 하우징과, 상기 터빈 임펠러를 내부에 수용하는 터빈 하우징과, 상기 터빈 임펠러의 반경 방향 외측의 컴프레서 임펠러측에 설치되어 터빈 임펠러로 향하는 배기 가스 유량을 조정하는 가변 노즐 기구를 구비하고, 상기 베어링 하우징은, 반경 방향 외측으로 연장되고 반경 방향 외측 부분에서 터빈 하우징과 결합하여, 터빈 하우징과의 사이에 가변 노즐 기구를 수용하는 확경부(擴徑部)를 갖고, 이 확경부와 가변 노즐 기구 사이에는, 가변 노즐 기구와 확경부 간의 전열을 방지하는 열차단판이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 노즐 부착 터보차저가 제공된다.

가변 노즐 부착 터보차저에서는, 가변 노즐 기구를 터빈 하우징과 베어링 하우징 사이에 수용하기 위해, 베어링 하우징은, 반경 방향으로 연장되어 터빈 하우징의 반경 방향 외측 부분과 결합하는 확경부를 갖는다. 따라서, 베어링 하우징이 종래보다 대형화하고 그 열용량도 그만큼 커지게 된다. 압유 냉각으로는, 이 베어링 하우징의 확경부의 열을 모두 냉각할 수는 없다. 그러나, 상기 본 발명의 가변 노즐 부착 터보차저에서는, 반경 방향 외측에 있어서, 가변 노즐 기구와 베어링 하우징의 확경부 사이에 열차단판을 마련하였으므로, 터빈측으로부터 확경부로의 전열이 방지된다. 즉, 상기 열차단판을 가변 노즐 기구와 베어링 하우징 사이에 공간을 마련하여 배치함으로써, 고온이 되는 터빈측 부품의 복사열이 직접 베어링 하우 징을 가열하지 않도록 전열을 차단하고 있다. 이에 따라, 베어링 하우징의 확경부의 가열이 억제되어, 결과적으로, 엔진이 정지하여 베어링 하우징 냉각용의 압유가 멈추었을 때에도, 스러스트 베어링 등의 온도를 한계 온도 이하로 유지할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 의하면, 상기 열차단판은, 그 반경 방향 외측 단부가 터빈 하우징과 베어링 하우징의 사이에 협지되어 있다.

이에 따라, 터보차저의 조립시에, 열차단판을 터빈 하우징과 베어링 하우징 사이에 끼우는 것만으로 열차단판을 고정할 수 있으므로, 열차단판의 고정이 간단하게 된다.

또한, 열차단판은, 그 반경 방향 외측 단부가 터빈 하우징과 베어링 하우징 사이에 협지되어 있으므로, 열차단판의 반경 방향 외측 단부를 터빈 하우징과 베어링 하우징에 접촉시키고, 열차단판의 다른 부분을 터빈 하우징과 베어링 하우징에 접촉시키지 않도록, 열차단판을 장착할 수 있다.

따라서, 터빈측으로부터 베어링 하우징의 확경부로의 전열이, 열차단판의 반경 방향 외측 단부에 있는 접촉 부분을 통해 일어난다고 하여도, 열차단판의 다른 부분에서는 비접촉으로 되어 있으므로, 이 부분을 통한 터빈측으로부터 확경부로의 전열량을 최소한으로 할 수 있다. 따라서, 터빈측으로부터 확경부로의 전열을 한층 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 의하면, 상기 열차단판은, 중앙에 개구부를 갖는 환상 부재이고, 상기 베어링 하우징은, 상기 확경부로부터 터빈 하우징측으로 돌출하여 상기 개구부에 감합하는 축경부를 가진다.

이에 따라, 터보차저의 조립시에 있어서, 열차단판의 개구부에 베어링 하우징의 축경부를 감합시키는 것만으로 열차단판을 베어링 하우징에 장착할 수 있으므로, 열차단판의 장착이 간단하다.

본 발명의 그 외의 목적 및 특징은, 첨부 도면을 참조한 이하의 설명으로부터 분명해질 것이다.

본 발명의 바람직한 실시 형태를 도면을 참조하여 설명한다. 한편, 각 도면에서 공통되는 부분에는 동일한 부호를 부여하고 중복 설명을 생략한다.

도 1은, 본 발명의 실시 형태를 나타내는 가변 노즐 부착 터보차저(10)의 축방향의 단면도이다. 도 2는, 도 1의 A-A선에 따른 단면도로서, 엔진으로부터 터빈으로의 배기 가스 유량을 조정하는 가변 노즐 기구(12)를 도시하고 있다.

도 1에 도시하는 가변 노즐 부착 터보차저(10)는, 엔진으로부터의 배기 가스에 의해 회전 구동되는 터빈 임펠러(2)와, 터빈의 구동력에 의해 회전 구동되어 엔진에 압축 공기를 공급하는 컴프레서 임펠러(4)와, 터빈 임펠러(2)와 컴프레서 임펠러(4)를 결합하고 있는 샤프트(5)와, 샤프트(5)를 회전 가능하게 지지하는 베어링 하우징(6)과, 터빈 임펠러(2)를 반경 방향 내측에 수용하는 터빈 하우징(7)과, 컴프레서 임펠러(4)를 반경 방향 내측에 수용하는 압력 하우징(8)을 구비한다. 베어링 하우징(6)이나 스러스트 베어링(3) 등을 냉각하기 위한 유(油)공급구(9a), 유로(油路)(9b), 유(油)배출구(9c)가 베어링 하우징(6)에 마련되어 있다.

터빈 하우징(7)의 내부에는, 엔진으로부터의 배기 가스가 이송되어 오는 스 크롤(11)이 형성되어 있다. 그리고, 가변 노즐 부착 터보차저(10)는, 스크롤(11)로 이송되어 온 배기 가스를 그 유량을 제어하여 반경 방향 내측에 위치하는 터빈 임펠러(2)로의 배기 가스 유량을 조정하는 가변 노즐 기구(12)를 더 구비한다.

도 1, 도 2에 도시하는 바와 같이, 이 가변 노즐 기구(12)는, 둘레 방향으로 간격을 두고 배치된 복수의 가동 날개(12a)와, 이들 가동 날개(12a)를 축방향으로 사이에 끼워 보유하는 제1 링 부재(12b) 및 제2 링 부재(12c)와, 복수의 가동 날개(12a)의 축부의 밑동에 고정되어 반경 방향 외측으로 연장되는 복수의 전달 부재(12e)와, 전달 부재(12e)의 반경 방향 외측의 단부에 계합하는 홈(14)이 둘레 방향으로 복수 개 형성된 제3 링 부재(12d)를 갖는다. 도 1로부터 알 수 있듯이, 이 가변 노즐 기구(12)는 터빈 임펠러(2)의 반경 방향 외측의 컴프레서 임펠러(4)측에 설치되어 있다.

도시하지 않은 실린더 등에 의해, 제3 링 부재(12d)가 둘레 방향으로 회전함으로써 제3 링 부재(12d)의 홈(14)도 둘레 방향으로 이동하고, 이 이동에 의해 홈(14)에 각각 계합하고 있는 복수의 전달 부재(12e)가 둘레 방향으로 요동하여, 이에 수반하여, 가동 날개(12a)도 요동한다. 이에 따라, 가동 날개(12a)의 요동량을 제어함으로써, 터빈 임펠러(2)로의 배기 가스 유량을 제어한다.

도 3은 도 1의 파선 B로 둘러싸인 부분의 확대도이다. 도 1, 도 3에 도시하는 바와 같이, 가변 노즐 기구(12)는 터빈 임펠러(2)의 반경 방향 외측에 설치되어 있으며, 이 가변 노즐 기구(12)를 장착하기 위해, 베어링 하우징(6)은 반경 방향 외측으로 연장되어 터빈 하우징(7)의 외측 단부와 축방향으로 결합하는 확경부(6a) 를 갖는다. 이 확경부(6a)의 반경 방향 외측 단부와 터빈 하우징(7)의 반경 방향 외측 단부는, 결합판(16)을 이용하여 볼트(17)에 의해 축방향으로 결합된다. 그리고, 가변 노즐 기구(12)는, 일단부(18a)가 제2 링 부재(12c)에 고정되어 있는 부착 부재(18)를 갖고, 이 부착 부재(18)의 타단부(18b)는 확경부(6a)의 반경 방향 외측 단부와 터빈 하우징(7)의 반경 방향 외측 단부의 사이에 협지된다. 즉, 가변 노즐 기구(12)는, 부착 부재(18)에 의해 터빈 하우징(7)과 베어링 하우징(6) 사이에 협지된다. 이와 같이 하여, 터빈 하우징(7)과 베어링 하우징(6)의 확경부(6a) 사이에 가변 노즐 기구(12)가 수용된다. 한편, 베어링 하우징(6)은, 터빈측 단부에서 직경이 작은 축경부(6b)를 갖는다. 이 축경부가 가변 노즐 기구(12)의 제3 링 부재(12d)의 반경 방향 중앙의 개구부를 통과함으로써, 제3 링 부재(12d)가 축경부에 장착된다.

전술한 바와 같이, 가변 노즐 기구(12)를 터보차저에 장착하기 위해, 베어링 하우징(6)에 확경부(6a)를 마련하고 있으므로, 베어링 하우징(6)의 반경 방향의 치수가 커져 있다. 이 점에 착목하면, 종래 가변 노즐 부착 터보차저(10)의 스러스트 베어링의 온도가 한계 온도 250℃를 넘어 300℃ 정도까지 상승하게 되는 것은, 베어링 하우징(6)이 대형화하여, 그 열용량도 커지게 된 것이 원인이라고 생각된다. 즉, 종래의 압유에 의한 냉각 구조에서는, 엔진 운전 중에 베어링 하우징(6)을 냉각한다고 해도, 확경부(6a)를 충분히 냉각할 수 없다. 그 때문에, 확경부(6a)가 다른 부분(예를 들면, 베어링 하우징(6)의 컴프레서측)과 비교하여 고온이 된다. 그리하여, 엔진 정지 후에 압유가 멈추면, 이 열이 베어링 하우징(6)의 컴프레서측에 전달됨으로써(heat soak), 베어링 하우징(6)의 컴프레서측의 온도가 상승하여 스러스트 베어링(3)의 온도가 임계 온도 250℃를 넘어 3OO℃ 정도까지 상승하게 되는 것이라고 생각된다.

본 발명에서는, 스러스트 베어링의 온도 상승의 원인이, 베어링 하우징(6)의 대형화라고 하는 점에 기초하여, 이하에 설명하는 바와 같이, 본원 특유의 방법에 의해 열차단판을 마련하였다.

본 발명의 실시 형태에 따르면, 축방향과 수직인 단면이 환상(環狀)이 되도록, 반경 방향 중앙에 개구부를 갖는 열차단판(21)이 장착된다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 열차단판(21)의 개구부에 베어링 하우징(6)의 축경부를 통과시킴으로써, 열차단판(21)이 베어링 하우징(6)에 장착된다. 그리고, 이 열차단판(21)의 반경 방향 외측 단부는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 전술한 부착 부재(18)의 타단부(18b)와 함께, 터빈 하우징(7)의 반경 방향 외측 단부와 확경부(6a)의 반경 방향 외측 단부 사이에 협지된다. 이에 따라, 열차단판(21)을 터빈 하우징(7)과 베어링 하우징(6) 사이에 고정할 수 있다.

또한, 이 고정 방법에 의해, 열차단판(21)의 반경 방향 외측 단부만을 터빈 하우징(7)과 베어링 하우징(6)에 접촉시켜, 열차단판(21)의 다른 부분을 터빈 하우징(7)과 베어링 하우징(6)을 포함한 다른 부재와 접촉시키지 않도록 할 수 있다.

한편, 도 3에 도시하는 바와 같이, 스크롤(11)과 제2 링 부재(12c)를 연통 상태로 하는 연통공(22)이 마련되어 있다. 만일 이 연통공(22)이 없으면, 제2 링 부재(12c)를 경계로 하여 스크롤(11)측과, 제2 링 부재(12c)와 제3 링 부재(12d) 사이의 공간에서 압력차가 생기게 되어, 배기 가스가 연료의 미연소 카본과 함께 스크롤측으로부터 제2 링 부재(12c)와 제3 링 부재(12d) 사이의 공간으로 가동 날개(12a)의 축의 간극을 통해 비교적 장시간에 걸쳐 유입되어, 제2 링 부재(12c)와 제3 링 부재(12d) 사이의 공간에 카본이 막히게 된다. 카본이 가변 노즐 기구의 슬라이딩부에 쌓이면 가동 날개(12a)의 슬라이딩이 둔해지는 문제가 발생한다. 그 때문에, 연통공(22)을 마련하여 압력차를 없애, 스크롤측으로부터 제2 링 부재(12c)와 제3 링 부재(12d) 사이의 공간으로 가동 날개(12a)의 축의 간극을 통한 흐름이, 비교적 장시간에 걸쳐 발생하기 어렵게 되어, 카본이 막히지 않도록 하고 있다. 또한, 연통공(22)은 상기 압력차를 없앨 뿐만 아니라 가변 노즐 기구부의 온도를 비교적 단시간에 균일하게 함으로써 카본 부착을 방지하는 효과도 있다. 이점을 고려하여, 본원 발명의 실시 형태에서는, 열차단판(21)을 제3 링 부재(12d)보다 베어링 하우징(6)측에 설치하고 있다. 한편, 부호 23은 종래부터 장착되고 있는 열차단판을 나타내고 있다.

또한, 열차단판(21)의 재료는, 예를 들면, SUS304 또는 SUS310 등의 스테인레스강(JIS G 4305 등)이지만, 열차단의 효과를 얻을 수 있는 다른 적절한 재료라도 무방하다. 한편, 열차단판(21)의 재료는, 다른 부위에 설치되는 열차단판(23)의 재료와 동일하여도 된다.

전술의 열차단판(21)에 의해, 터빈측과 베어링 하우징(6)의 확경부(6a) 사이의 전열을 방지할 수 있어, 대형화한 베어링 하우징(6)(특히, 확경부(6a))의 온도 상승을 억제할 수 있다. 또한, 열차단판(21)에 의해, 베어링 하우징(6)으로부터 터 빈측에 냉열이 전달되는 것도 막을 수 있으므로, 노즐 가변 기구 부근에서 카본이 퇴적되는 것도 종래 이상으로 방지할 수 있다.

또한, 열차단판(21)의 반경 방향 외측 단부를, 가변 노즐 기구(12)의 부착 부재(18)와 함께 터빈 하우징(7)과 베어링 하우징(6) 사이에 끼워 고정하므로, 열차단판(21)을 베어링 하우징(6)에 간단하게 설치 고정할 수 있다.

게다가, 이 고정 방법에 의해, 열차단판(21)의 반경 방향 외측 단부를 터빈 하우징(7)과 베어링 하우징(6)에 접촉시키고, 열차단판(21)의 다른 부분을 터빈 하우징(7)과 베어링 하우징(6)에 접촉시키지 않도록 할 수 있으므로, 이 비접촉 부분을 통한 터빈측으로부터 확경부로의 전열량을 최소한으로 할 수 있다. 따라서, 터빈측으로부터 확경부(6a)로의 전열을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.

한편, 본 발명은 전술한 실시의 형태로 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변경을 가할 수 있는 것은 물론이다. 예를 들면, 전술의 실시 형태에서는, 볼트(17)에 의해 터빈 하우징(7)의 반경 방향 외측 단부와 베어링 하우징(6)의 확경부(6a)의 반경 방향 외측 단부를 결합하고 있는 가변 노즐 부착 터보차저(10)에 열차단판(21)을 적용하였지만, 반경 방향 외측 부분의 적절한 개소에서 터빈 하우징(7)과 베어링 하우징(6)을 결합하고, 이들 사이에서 가변 노즐 기구(12)를 수용하고 있는 터보차저(10)에도 열차단판(21)을 적용할 수 있다.

본 발명에 의하면, 가변 노즐 기구와 베어링 하우징의 확경부 사이에 열차단 판을 마련하였으므로, 터빈측으로부터 확경부로의 전열이 방지된다. 이에 따라, 베어링 하우징의 확경부의 가열이 억제되어, 결과적으로, 엔진이 정지하여 베어링 하우징 냉각용의 압유가 멈추었을 때에도, 스러스트 베어링 등의 온도를 한계 온도 이하로 유지할 수 있다.

Claims

배기 가스에 의해 회전 구동되는 터빈 임펠러와,

상기 터빈 임펠러로 회전 구동되어 공기를 압축하는 컴프레서 임펠러와,

상기 터빈 임펠러와 컴프레서 임펠러를 연결하는 샤프트와,

상기 샤프트를 회전 가능하게 지지하는 베어링 하우징과,

상기 터빈 임펠러를 내부에 수용하는 터빈 하우징과,

상기 터빈 임펠러의 반경 방향 외측의 컴프레서 임펠러측에 설치되어 터빈 임펠러로 향하는 배기 가스 유량을 조정하는 가변 노즐 기구를 구비하고,

상기 베어링 하우징은, 반경 방향 외측으로 연장되어 반경 방향 외측 부분에서 터빈 하우징과 결합하고, 터빈 하우징과의 사이에 가변 노즐 기구를 수용하는 확경부를 갖고,

상기 확경부와 가변 노즐 기구 사이에는, 가변 노즐 기구와 확경부 간의 전열을 방지하는 열차단판이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 노즐 부착 터보차저.
제1항에 있어서,

상기 열차단판은, 그 반경 방향 외측 단부가 터빈 하우징과 베어링 하우징 사이에 협지되어 있는 것을 특징으로 하는 터보차저.
제1항에 있어서,

상기 열차단판은, 중앙에 개구부를 갖는 환상 부재이고,

상기 베어링 하우징은, 상기 확경부로부터 터빈 하우징측으로 돌출하여, 상기 개구부에 감합하는 축경부를 갖는 것을 특징으로 하는 터보차저.