KR20090124710A - 가변체적 터보차저 - Google Patents

Abstract

가변체적 터보차저를 개시한다. 본 발명은 터어빈 하우징부내에 설치되며, 배기 가스의 압력에 의하여 회전가능한 터어빈 블레이드를 가지는 터어빈;과, 터어빈 하우징부에 형성된 제어부;와, 제어부에 의하여 직선 운동하는 이동 가이드부;와, 이동 가이드부에 결합되어서, 이동 가이드부의 탄성적인 직선 운동에 따라서, 터어빈 하우징부내의 스크롤 체적을 조절하는 복수의 스파이럴부;를 포함하는 것으로서, 이동 가이드부와, 이와 결합된 복수의 스파이럴부를 이용하여 스크롤의 체적을 변화시켜 저속 및 고속 영역에서 무단으로 스크롤의 체적을 변화시켜 대응할 수 있다.

터보 차저, 가변 용적, 가변 체적, VGT, 터보 차져, 스크롤, 체적 변화

Description

가변체적 터보차저{variable volume turbo charger}

본 발명은 터보 차저에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 엔진의 회전 속도에 따라서 터어빈 하우징부내의 스크롤 체적을 가변시켜서 엔진의 출력을 향상시킬 수 있는 가변체적 터보차저에 관한 것이다.

통상적으로, 차량의 엔진의 연료가 폭팔시 출력되는 힘으로 크랭크축을 돌려서 회전력을 얻는다. 피스톤이 위에서 아래로 하강할때 실린더안은 순간적으로 진공 상태가 되므로, 흡기 밸브를 개방하면, 공기가 대기압에 의하여 흡입된다. 이렇게 대기의 압력을 이용하여 공기가 들어가는 엔진을 자연 흡기(naturally aspirated) 방식이라고 한다.

이때, 폭발력은 공기와 연료를 많이 혼합하여 연소시킬수록 커진다. 따라서, 엔진은 충분한 연료 폭발을 도모하기 위하여 배기량만큼 혼합기를 흡입하여야 하는데, 자연 흡기 엔진에서는 대기압 이상의 공기를 흡입할 수 없으므로, 실제로는 배기량의 80% 정도만큼밖에 흡입할 수 없다.

이 때문에, 출력을 높이려면, 배기량을 키우거나, 밸브 직경을 크게 하고 있지만, 이렇게 하더라도 흡입되는 공기의 양이 제한되어 출력이 일정 수준 이상으로 올라가지 못한다.

따라서, 종래에는 터보 차저(turbio charger)를 사용하여 터어빈을 강제적으로 돌려 공기의 압력을 1.5배로 하면, 다량의 공기가 실린더내로 들어가 가솔린의 양도 많아지면서 파워도 상승하게 된다. 이와 같이, 실린더내의 부압을 이용하여 공기를 흡입하는 방식이 자연 흡기 방식이고, 터보 차저로 공기를 강제로 보내는 방식을 과급 방식이라고 한다.

종래의 터보 차저는 터어빈 하우징부내에 한 개의 회전축으로 연결된 터어빈과 압축기가 있어서, 터어빈 블레이드에 배기 가스가 충돌하여 회전축을 돌리게 되면, 압축기도 함께 회전하면서, 엔진 연소실내로 신선한 공기를 다량으로 압축, 공급하는 장치로서, 저속보다는 고속시에 엔진 효율 및 출력을 증대시킨다.

통상적으로 터보 차저는 VGT(variable geometric turbo charger)와, WGT(waste gate turbo charger) 방식이 있다.

미국 특허 제4,657,480호에는 VA형(variable angle type) VGT가 개시되어 있는데, 11 내지 12개의 베인 및 링크로 구성되어 이으며, 유량에 따라 베인의 각도 조절이 가능하다. 그러나, 베인을 작동시키기 위해서는 복잡한 메카니즘을 가지고 있으며, 이로 인하여, 1000cc 이상의 차량에 사용하기 위해서는 베인이 고착되는등 실용상 제한이 따른다.

미국 특허 제6,679,057호와, 미국 특허 제4,582,466호에는 VW형(variable width type) VGT가 개시되어 있는데, 터어빈 휘일이 슬라이딩 피스톤 또는 노즐에 의하여 둘러 쌓여져 있으며, 슬라이딩 피스톤의 전후진에 따라 터어빈 휘일로 유입 되는 유속을 결정하게 된다. 그러나, 미국 특허 제4,657,480호에 비하여 성능이 못 미치면서, 구조도 단순하지 않고, 전체적인 크기도 커서, 중량이 증가하는 문제점이 있다.

일본 실개평 제4-111528호에는 스크롤의 용적 제어를 위하여 코일형 가변 스크롤벽을 적용하고, 액츄에이터가 작동하여 스크롤의 용적을 변화시키는 가변용량형 과급기가 개시되어 있다. 그러나, 고온 고압의 배기 가스를 접하는 가변 스크롤벽의 거동이 원하는데로 작동하는지 불확실하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 단순한 형상과 메커니즘으로 저속 영역과 고속 영역의 모든 운전 범위에 대응할 수 있도록 터어빈 하우징내의 구조를 개선하여 효율적인 터어빈 운전이 가능한 가변체적 터보차저를 제공하는 것을 주된 과제로 한다.

상기와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 가변체적 터보차저는,

터어빈 하우징부내에 설치되며, 배기 가스의 압력에 의하여 회전가능한 터어빈 블레이드를 가지는 터어빈;

상기 터어빈 하우징부에 형성된 제어부;

상기 제어부에 의하여 직선 운동하는 이동 가이드부; 및

상기 이동 가이드부에 결합되어서, 상기 이동 가이드부의 직선 운동에 따라서, 상기 터어빈 하우징부내의 스크롤 체적을 조절하는 복수의 스파이럴부;를 포함한다.

또한, 상기 제어부는,

상기 터어빈 하우징부의 일측에 형성된 적어도 하나의 압력 포트;

상기 압력 포트를 통하여 공급되는 압력에 따라 탄성적으로 이동하는 탄성 바이어스 수단; 및

상기 탄성 바이어스 수단에 일단부가 결합된 제어 밸브 로드부;를 포함한다.

게다가, 상기 이동 가이드부는 상기 제어 밸브 로드부의 타단부에 결합되어서, 상기 제어 밸브 로드부에 의하여 좌우 방향으로 이동가능하게 설치되어 있다.

나아가, 상기 복수의 스파이럴부는,

상기 터어빈 블레이드와, 터어빈 하우징부 사이에 배치되며, 상기 터어빈 하우징부의 내주벽을 따라 배치된 이동형 스파이럴부; 및

상기 이동형 스파이럴부와 결합된 회전형 스파이럴부;를 포함한다.

더욱이, 상기 이동형 스파이럴부와, 회전형 스파이럴부는 터어빈 하우징부내의 내측 스크롤과, 외측 스크롤의 체적을 변화시키도록 힌지축에 다같이 결합되어 있다.

아울러, 상기 이동형 스파이럴부와, 회전형 스파이럴부는 서로 반대되는 방향의 단부가 이동 가이드부와 터어빈 하우징부에 각각 결합되며, 결합되는 단부는 힌지축에 결합되어서, 상기 터어빈 하우징부의 내주벽을 따라 동일한 궤적을 이루며 배치되어 있다.

또한, 상기 터어빈에는 회전축에 의하여 이와 연동된 압축기가 더 설치되어 있다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명의 가변체적 터보차저는 이동 가이드부와, 이와 결합된 복수의 스파이럴부를 이용하여 스크롤의 체적을 변화시켜 저속 및 고속 영역에서 무단으로 스크롤의 체적을 변화시켜 대응할 수 있다.

둘째, 저속 및 고속 영역을 포함한 모든 운전 영역에서 효율적인 운전이 가능하며, 엔진 출력의 향상과, 연비 개선의 효과가 있다.

셋째, 터보 차저를 채용한 시스템뿐만 아니라, 어떠한 유형의 반경형 터어빈에도 적용이 가능하며, 나아가서는 원심형 압축기의 하우징부에도 적용이 가능하다.

먼저, 본 발명의 구체적인 실시예를 살피기 전에 이해를 돕기 위해 본 발명의 기술적 사상의 전반적인 특징을 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변체적 터보차저를 개략적으로 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 가변체적 터보차저(100)는 배기 가스의 압력에 의하여 회전가능한 터어빈(101)과, 회전축(102)에 의하여 상기 터어빈(101)과 연결된 압축기(103)를 포함한다. 상기 압축기(103)는 상기 터어빈(101)과 일체로 회전가능하며, 흡입 공기를 압축한다.

상기 터보 차저(100)는 배기 다기관(104)을 통하여 유동하는 배기 가스의 유동 압력에 의하여 상기 터어빈(101)과, 이와 연동하는 압축기(103)과 회전되어서 흡입 공기를 압축하게 된다. 이어서, 흡기 다기관(105)을 통하여 엔진 내부(106)에 가압된 공기를 공급가능하다.

상기 배기 다기관(104)을 통하여 유동하는 배기 가스는 터어빈(101)을 회전 시킨 다음에 배기 파이프가 설치된 부분으로 배출하게 된다. 상기 터어빈(101)이 회전되면, 상기 회전축(102)에 의하여 연동되는 압축기(103)가 회전되고, 상기 압축기(103)가 회전되면, 흡입 공기가 압축되어서, 상기 흡기 다기관(105)을 통하여 엔진 내부(106)에 전해진다.

한편, 상기 압축기 출구측에는 제어부(114)가 설치되어 있다. 상기 제어부(114)는 링크(108)에 의하여 상기 터어빈(101)과 결합되어 있다.

여기서, 상기 터어빈(101)은 저속 영역과, 고속 영역의 모든 운전 범위에 대응할 수 있도록 이동 가이드부와, 상기 이동 가이드부와 연결되어서 스크롤의 체적을 가변시키는 복수의 스파이럴부를 포함한다.

보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터어빈(101)을 도시한 것이고, 도 3은 도 2의 A-A 선을 따라 절개도시한 것이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 터어빈(101)에는 터어빈 하우징부(111)가 마련되어 있다. 상기 터어빈 하우징부(111) 내에는 배기 가스의 압력에 의하여 회전가능한 터어빈 블레이드(112)가 설치되어 있다. 상기 터어빈 하우징부(111)에는 제어부(114)가 설치되어 있다.

상기 제어부(114)는 상기 터어빈 하우징부(111)의 일측에 형성되며, 엔진의 운전 상태에 따라 변화하는 압축기(도 1의 103)의 출구압이 공급되는 적어도 하나 이상의 제어 압력 포트(113)를 포함한다.

상기 제어 압축 포트(113)가 형성된 부분에는 탄성 스프링과 같은 탄성 바이 어스 수단(115)이 설치되어 있다. 상기 탄성 바이어스 수단(115)의 단부에는 제어밸브 로드부(116)의 일단부가 결합되어 있다. 상기 제어밸브 로드부(116)의 타단부에는 상기 제어 압력 포트(113)를 통하여 공급된 압축기 출구압에 따라 탄성적으로 좌우 방향으로 직선 운동가능한 이동 가이드부(117)가 설치되어 있다.

상기 이동 가이드부(117)는 상기 제어밸브 로드부(116)에 연결되어서 상기 탄성 바이어스 수단(115)의 탄성력에 의하여 좌우 방향으로 직선으로 이동가능하다. 상기 이동 가이드부(117)는 상기 터어빈 하우징부(111) 내에서 좌우와 상부면이 접촉되면서 직선 방향으로 가이드되며, 배기 가스가 터어빈(101) 입구의 유동 손실을 최소화하면서 스크롤내로 유동하기 위한 형상이라면 어느 하나에 한정되는 것은 아니다. 한편, 상기 이동 가이드부(117)는 고온에 견디는 소재이거나, 고온에 견디는 세라믹과 같이 고온에서 내부식성과 내마모성을 가지는 소재등으로 코팅되어 있다.

이때, 상기 이동 가이드부(117)에는 이의 탄성적인 좌우 방향의 직선 운동에 따라서 터어빈 하우징부(111) 내의 스크롤 체적을 조절하는 복수의 스파이럴부(118, 119)가 결합되어 있다.

즉, 상기 스파이럴부(118, 119)는 터어빈 블레이드(112)와, 터어빈 하우징부(111)의 내주벽 사이에 배치되며, 상기 터어비 하우징부(111)의 내주벽을 따라 배치된 이동형 스파이럴부(118)와, 상기 이동형 스파이럴부(118)와 결합된 회전형 스파이럴부(119)를 포함한다.

상기 이동형 스파이럴부(118)의 일단은 제 1 핀(121)에 의하여 상기 이동 가 이드부(117)에 고정되어 있다. 상기 제 1 핀(121)에 의하여 고정된 이동형 스파이럴부(118)는 회전 이동 및 병진 이동이 가능하다. 상기 이동형 스파이럴부(118)의 타단은 터어빈 블레이드(112)와, 터어빈 하우징부(111) 사이에 가변할 수 있도록 배치된 힌지축(120)에 결합되어 있다.

상기 회전형 스파이럴부(119)의 일단은 제 2 핀(122)에 의하여 터어빈 하우징부(111)내에 고정되어 있다. 상기 제 2 핀(122)에 의하여 고정된 회전형 스파이럴부(119)는 회전 운동만을 수행하고 있다. 상기 회전형 스파이럴부(119)의 타단은 상기 힌지축(120)에 결합되어 있다.

이처럼, 상기 힌지축(120)에 의하여 서로 연결된 이동형 스파이럴부(118)의 단부와, 회전형 스파이럴부(119)의 단부는 서로 반대되는 방향에 배치된 제 1 핀(121)과, 제 2 핀(122)에 각각 고정되어 있으므로, 유선형의 형상을 가진 터어빈 하우징부(111)의 내주벽을 따라 실질적으로 동일한 궤적을 이루도록 배치되어 있다.

한편, 상기 이동형 스파이럴부(118)와, 회전형 스파이럴부(119)는 강성을 가지며, 고온에 견디면서 스크롤내에서 자유롭게 이동되는 구조이며, 이와 동시에 내면과 외면이 동일한 압력이 걸려 제어를 위하여 과다한 제어부(114)의 힘이 요구되지 않으므로, 누설이 적당히 유지되어야 한다.

상기와 같은 구조의 가변체적 터보차저(100)는 배기 가스가 터어빈 하우징부(111) 내부로 유입되면서 터어빈 블레이드(112)를 회전시키고, 터어빈 블레이드(112)를 회전시킨 배기 가스는 배기 파이프를 통하여 외부로 배출하게 된다.

이때, 엔진(106)의 회전수가 증가됨에 따라 터어빈 블레이드(112)의 회전수도 증가하며, 이에 따라, 압축기(103) 출구의 압력도 상승하게 된다. 상기 압축기(103) 출구의 압력과 연동된 제어부(114)가 복수의 터빈 스파이럴부(118, 119)를 밀어서 스크롤의 체적을 확장하게 된다. 스크롤의 끝에서 연장된 제어밸브 로드부(116)가 제어부(114)의 개폐에 따라 당기게 되고, 이에 따라, 복수의 터빈 스파이럴부(118, 119)가 팽창 수축하여 스크롤의 체적이 변화하게 된다.

즉, 도 4를 참조하면, 저속 영역에서는 인장된 탄성 바이어스 수단(115)에 의하여 이동 가이드부(117)가 좌측 방향으로 이동함에 따라, 상기 이동 가이드부(117)에 대하여 제 1 핀(121)에 의하여 고정된 이동형 스파이럴부(118)는 당겨지게 되고, 이와 함께, 상기 이동형 스파이럴부(118)에 대하여 힌지축(120)에 의하여 결합된 회전형 스파이럴부(119)도 당겨짐에 따라 외측 스크롤(125)의 체적보다 내측 스크롤(124)의 체적은 축소하게 된다.

이에 따라, 상기 내측 스크롤(124) 내에서 배기 가스가 유동할 수 있는 체적이 좁게 형성됨으로써, 상기 터빈 블레이드(112)를 상대적으로 빠르게 회전시켜서 이와 회전축(102)에 의하여 연결된 압축기(103)도 빠르게 회전되어 다량의 흡기 공기를 과급하게 된다. 따라서, 가변체적 터보차저(100)의 저속 성능을 개선할 수 있다.

도 5를 참조하면, 고속 영역에서는 터빈 블레이드(112)의 속도 증가로 압축기(103) 압력이 증가되고, 탄성 바이어스 수단(115)에 의하여 이동 가이드부(117)가 우측 방향으로 이동함에 따라, 상기 이동 가이드부(117)에 대하여 제 1 핀(121) 에 의하여 고정된 이동형 스파이럴부(118)는 확장하게 되고, 이와 함께, 상기 이동형 스파이럴부(118)에 대하여 힌지축(120)에 의하여 결합된 회전형 스파이럴부(119)도 확장하게 됨에 따라, 내측 스크롤(124)의 체적은 외측 스크롤(125)의 체적보다 확장하게 된다.

이에 따라, 상기 내측 스크롤(124)의 체적이 커지는 결과를 가져오므로, 터빈 블레이드(112)의 회전이 느려지게 되고, 이와 연동된 압축기(103)도 느리게 되어서 적절량의 공기의 과급이 가능하다. 따라서, 가변체적 터보차저(100)의 고속 성능을 개선할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변체적 터보차저를 개략적으로 도시한 구성도,

도 2는 도 1의 터어빈을 개략적으로 도시한 평면도,

도 3은,도 2의 A-A 선을 따라 절개도시한 단면도,

도 4는 도 2의 터어빈이 저속 영역에서의 상태를 개략적으로 도시한 평면도,

도 5는 도 2의 터어빈이 고속 영역에서의 상태를 개략적으로 도시한 평면도.

<도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명>

100...터보 차저 101...터어빈

102...회전축 103...압축기

111...터어빈 하우징부 112...터어빈 블레이드

113...제어 압력 포트 114...제어부

115...탄성 바이어스 수단 116...제어 밸브 로드부

117...이동 가이드부 118...이동형 스파이럴부

119...회전형 스파이럴부 120...힌지축

124...내측 스크롤 125...외측 스크롤

Claims (10)

1. 터어빈 하우징부내에 설치되며, 배기 가스의 압력에 의하여 회전가능한 터어빈 블레이드를 가지는 터어빈;

   상기 터어빈 하우징부에 형성된 제어부;

   상기 제어부에 의하여 직선 운동하는 이동 가이드부; 및

   상기 이동 가이드부에 결합되어서, 상기 이동 가이드부의 직선 운동에 따라서, 상기 터어빈 하우징부내의 스크롤 체적을 조절하는 복수의 스파이럴부;를 포함하는 가변체적 터보차저.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제어부는,

   상기 터어빈 하우징부의 일측에 형성된 적어도 하나의 압력 포트;

   상기 압력 포트를 통하여 공급되는 압력에 따라 탄성적으로 이동하는 탄성 바이어스 수단; 및

   상기 탄성 바이어스 수단에 일단부가 결합된 제어 밸브 로드부;를 포함하는 가변체적 터보차저.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 이동 가이드부는 상기 제어 밸브 로드부의 타단부에 결합되어서, 상기 제어 밸브 로드부에 의하여 좌우 방향으로 이동가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 가변체적 터보차저.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 복수의 스파이럴부는,

   상기 터어빈 블레이드와, 터어빈 하우징부 사이에 배치되며, 상기 터어빈 하우징부의 내주벽을 따라 배치된 이동형 스파이럴부; 및

   상기 이동형 스파이럴부와 결합된 회전형 스파이럴부;를 포함하는 가변체적 터보차저.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 이동형 스파이럴부와, 회전형 스파이럴부는 터어빈 하우징부내의 내측 스크롤과, 외측 스크롤의 체적을 변화시키도록 힌지축에 다같이 결합된 것을 특징으로 하는 가변체적 터보차저.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 이동형 스파이럴부의 일단은 제 1 핀에 의하여 상기 이동 가이드부에 결합되며, 타단은 상기 힌지축에 결합되며,

   상기 회전형 스파이럴부의 일단은 제 2 핀에 의하여 상기 터어빈 하우징부내에 고정되어 있으며, 타단은 상기 힌지축에 결합된 것을 특징으로 하는 가변체적 터보차저.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 이동형 스파이럴부와, 회전형 스파이럴부는 서로 반대되는 방향의 단부가 이동 가이드부와 터어빈 하우징부에 각각 결합되며, 결합되는 단부는 힌지축에 결합되어서, 상기 터어빈 하우징부의 내주벽을 따라 동일한 궤적을 이루며 배치된 것을 특징으로 하는 가변체적 터보차저.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 터어빈에는 회전축에 의하여 이와 연동된 압축기가 더 설치된 것을 특징으로 하는 가변체적 터보차저.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 제어부는 상기 터어빈의 회전축에 연결된 압축기로부터 압축된 공기를 받도록 상기 압축기와 연통된 것을 특징으로 하는 가변체적 터보차저.
10. 제 1 항 내지 제 8 항중 선택된 어느 한 항을 기반으로 하는 가변체적 터보차저를 구비한 엔진 시스템.

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