KR20100087376A

KR20100087376A - 터보 챠저

Info

Publication number: KR20100087376A
Application number: KR1020107012893A
Authority: KR
Inventors: 요시미쓰 마쓰야마; 히로시 단게
Original assignee: 가부시키가이샤 아이에이치아이
Priority date: 2007-12-12
Filing date: 2008-11-12
Publication date: 2010-08-04
Also published as: EP2233718A4; JP2009144546A; EP2233718B1; US20100310363A1; EP2233718A1; WO2009075057A1; KR101196248B1; CN101896705A

Abstract

간단한 구성에 의해 터빈 임펠러 출구의 유체의 흐트러짐을 저감하여 터빈의 효율 향상을 도모한다. 베어링 하우징(3)에 회전 가능하게 지지된 터빈 임펠러(4)의 외부에 배기 노즐(9)을 가지고, 배기 노즐(9)의 외부에 스크롤 통로(8)가 형성된 터빈 하우징(1)을 가지고, 배기 노즐(9)은 베어링 하우징(3)측의 전측부 배기 도입벽(10)과 터빈 하우징(1)측의 후측부 배기 도입벽(11)의 상호 간에 복수의 노즐 베인(15)을 구비하고, 노즐 베인(15)의 각 베인 축(16)이 적어도 전측부 배기 도입벽(10)을 관통하여 회전 가능하게 지지되어 있는 터보 챠저로서, 각 베인 축(16)과 베어링 하우징(3) 사이에, 각 베인 축(16)을 후측부 배기 도입벽(11)측으로 가압하여 노즐 베인(15)을 후측부 배기 도입벽(11)측으로 변위시키는 가압수단(23)을 구비한다.

Description

터보 챠저{Turbocharger}

본 발명은 간단한 구성에 의해 터빈 임펠러 출구의 유체의 흐트러짐을 저감시켜서 터빈의 효율 향상을 도모할 수 있도록 한 터보 챠저에 관한 것이다.

도 1은 본 발명을 적용하는 종래의 가변 용량형의 터보 챠저의 일 예를 도시한다. 이 터보 챠저는 터빈 하우징(1)과 컴프레셔 하우징(2)이 베어링 하우징(3)을 사이에 두고 체결 볼트(3a, 3b)에 의해 일체적으로 장착되고, 터빈 하우징(1) 내에 배치되는 터빈 임펠러(4)와 컴프레셔 하우징(2) 내에 배치되는 컴프레셔 임펠러(5)가 베어링 하우징(3)에 베어링(6)을 사이에 두고 회전 자유롭게 지지된 터빈 축(7)에 의해 연결되어 있다.

또한, 상기 베어링 하우징(3)의 터빈 하우징(1)측에는 도 2에 확대하여 도시하는 바와 같이, 터빈 하우징(1)의 스크롤 통로(8)에 도입되는 유체(배기 가스)를 상기 터빈 임펠러(4)로 유도하기 위한 배기 노즐(9)이 설치된다.

배기 노즐(9)은 베어링 하우징(3)측의 전측부 배기 도입벽(10)과 터빈 하우징(1)측의 후측부 배기 도입벽(11)이 소정의 간격을 보유한 상태로 예를 들면 둘레방향 3개소에 설치한 고정 부재(12)에 의해 일체로 장착되어 있다. 또한, 전측부 배기 도입벽(10)의 전면(베어링 하우징(3) 측면)에는 설치 부재(13)가 고정되어 있고, 상기 터빈 하우징(1)과 베어링 하우징(3)의 장착시에, 상기 설치 부재(13)를 터빈 하우징(1)과 베어링 하우징(3)으로 협지함으로써 상기 배기 노즐(9)을 고정하고 있다. 또한, 상기 장착시에 상기 배기 노즐(9)은 위치 결정 핀(14)에 의해 베어링 하우징(3)에 대하여 위치 결정되도록 되어 있다.

전측부 배기 도입벽(10)과 후측부 배기 도입벽(11)의 상호 간에는 복수의 노즐 베인(15)이 배치되어 있고, 각 노즐 베인(15)은 적어도 전측부 배기 도입벽(10)을 관통하는 베인 축(16)에 의해 전측부 배기 도입벽(10)에 회전 가능하게 지지되어 있다. 도 2의 형태에서는 각 노즐 베인(15)의 베어링 하우징(3)측에 설치한 베인 축(16)이 전측부 배기 도입벽(10)을 관통하고 있고 노즐 베인(15)은 편측 지지로 지지되어 있다. 한편, 도 1에 도시하는 바와 같이, 노즐 베인(15)의 양측에 베인 축(16, 28)을 구비하여 베인 축(16)을 전측부 배기 도입벽(10)에 관통시키고, 베인 축(28)을 후측부 배기 도입벽(11)에 관통시킴으로써 노즐 베인(15)을 양측 지지로 지지하도록 한 것도 있다.

도 1 중, 도면 부호 17a, 17b, 17c, 17d는 상기 노즐 베인(15)의 각도를 바꾸어 용량을 조절하기 위한 링크식 전달 기구이고, 도면 부호 18은 컴프레셔 하우징(2)에 형성된 스크롤 통로이다.

상기 배기 노즐(9)에 있어서의 후측부 배기 도입벽(11)과 터빈 하우징(1) 사이에는 틈(19)이 형성되어 있다. 이 틈(19)은 원래 불필요한 것이지만, 터빈 하우징(1)이 냉간시와 열간시에 열 변형을 일으키는 것, 및 장착 부품에 정밀도상의 편차가 있는 것 등으로 인해 형성되어 있다.

상기 틈(19)이 있으면, 스크롤 통로(8)의 배기 가스가 틈(19)을 통하여 터빈 임펠러 출구(20)에 쓸데없이 누출되어 버리기 때문에, 터빈 효율이 저하되는 것이 예상될 수 있고, 이 틈(19)을 폐쇄하기 위해서, 후측부 배기 도입벽(11)이 하류측에 연이어 설치된 연설부(11')의 외면과, 이 연설부(11')에 대향하는 터빈 하우징(1)의 내면(1') 사이에 씰용 피스톤 링(21)을 배치하고, 가스 누출을 방지하는 동시에 열 변형을 흡수하도록 한 것이 제안되어 있다(특허문헌 1 참조).

특허문헌 1에서는 도 2에 도시하는 바와 같이, 후측부 배기 도입부(11)의 연설부(11')의 외주면에 고리형의 오목 홈(22)을 형성하여, 이 오목 홈(22)에 통상 2장의 씰용 피스톤 링(21)을 노치부의 위치가 겹치지 않도록 옮겨 놓고 배치함으로써 씰 장치를 구성하고 있고, 상기 씰용 피스톤 링(21)은 그 외주면이 탄발력에 의해 터빈 하우징(1)의 내면(1')에 압착됨으로써 가스 누출을 방지하고 있다.

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2006-125588호

도 2에 도시하는 바와 같이 종래의 터보 챠저에 있어서는 틈(19)으로부터의 가스 누출을 방지하기 위해서 씰 장치를 다양하게 연구해 왔지만, 이러한 씰 장치의 구조에 연구를 거듭하여도 터빈의 효율을 대폭 향상시키는 것은 곤란하며 한계가 있었다.

이 때문에, 본 발명자들은 상기 가스 누출에 의한 문제 이외에 터빈의 효율에 영향을 미치는 요인에 대하여 여러 가지 검토한 결과, 터빈 임펠러 출구(20)의 배기 가스의 흐트러짐이 크면 터빈의 효율이 저하하고, 터빈 임펠러 출구(20)의 배기 가스의 흐트러짐이 작으면 터빈의 효율이 향상되는 것을 밝혀내었다.

본 발명은 상기 실상을 감안하여 이루어진 것으로, 간단한 구성에 의해 터빈 임펠러 출구의 유체의 흐트러짐을 저감시켜서 터빈의 효율 향상을 도모하도록 한 터보 챠저를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 베어링 하우징에 회전 가능하게 지지된 터빈 임펠러의 외부에 배기 노즐을 가지고, 배기 노즐의 외부에 스크롤 통로가 형성된 터빈 하우징을 가지고, 상기 배기 노즐은 베어링 하우징측의 전측부 배기 도입벽과 터빈 하우징측의 후측부 배기 도입벽의 상호 간에 복수의 노즐 베인을 구비하고, 상기 노즐 베인의 각 베인 축이 적어도 전측부 배기 도입벽을 관통하여 회전 가능하게 지지되어 있는 터보 챠저로서, 각 베인 축과 베어링 하우징 사이에, 각 베인 축을 후측부 배기 도입벽측으로 가압하여 노즐 베인을 후측부 배기 도입벽측으로 변위시키는 가압 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 터보 챠저이다.

상기 터보 챠저에 있어서, 상기 가압 수단은 베인 축과 베어링 하우징 사이에 구비한 접시 스프링이라도 좋다.

또한, 상기 터보 챠저에 있어서, 상기 가압 수단은 베인 축과 베어링 하우징 사이에 구비한 코일 스프링이라도 좋다.

또한, 상기 터보 챠저에 있어서, 상기 노즐 베인은 일측에 구비한 베인 축이 전측부 배기 도입벽을 관통하여 편측 지지로 지지되어 있어도 좋다.

또한, 상기 터보 챠저에 있어서, 상기 노즐 베인은 양측에 구비한 베인 축이 전측부 배기 도입벽과 후측부 배기 도입벽의 양쪽을 관통하여 양측 지지로 지지되어 있어도 좋다.

또한, 상기 터보 챠저에 있어서, 상기 노즐 베인은 양측에 구비한 한쪽의 베인 축은 전측부 배기 도입벽을 관통하고, 다른쪽의 베인 축은 후측부 배기 도입벽에 몰입하여 양측 지지로 지지되어 있어도 좋다.

본 발명의 터보 챠저에 따르면, 노즐 베인의 각 베인 축과 베어링 하우징 사이에, 각 베인 축을 후측부 배기 도입벽측으로 가압하여 노즐 베인을 후측부 배기 도입벽측으로 변위시키는 가압 수단을 구비하였으므로, 간단한 구성으로 노즐 베인과 후측부 배기 도입벽 사이의 클리어런스를 작게 억제할 수 있고, 이로써 터빈 임펠러 출구에 있어서의 유체의 흐트러짐을 저감하여 터빈의 효율을 대폭 향상시킬 수 있다는 우수한 효과를 나타낼 수 있다.

도 1은 종래의 터보 챠저의 일 예를 도시하는 절단 측면도.
도 2는 도 1의 노즐부 근방을 확대하여 도시한 절단 측면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예를 도시하는 노즐부 근방의 절단 측면도.
도 4는 도 3에 있어서의 접시 스프링의 측면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 노즐부 근방의 절단 측면도.
도 6은 노즐 베인을 지지하는 베인 축의 다른 실시예를 도시하는 절단 측면도.
도 7은 노즐 베인을 지지하는 베인 축의 또 다른 실시예를 도시하는 절단 측면도.
도 8은 종래의 터보 챠저와 본 발명의 터보 챠저에 있어서의 터빈 임펠러의 상류측과 하류측의 압력비를 대략 동일하게 한 상태를 도시하는 선도.
도 9는 종래의 터보 챠저와 본 발명의 터보 챠저에 있어서의 터빈 임펠러 출구에서의 직경 방향 위치에 있어서의 배기 가스의 속도 분포를 비교하여 도시한 선도.
도 10은 종래의 터보 챠저와 본 발명의 터보 챠저에 있어서의 터빈의 효율을 비교하여 도시한 선도.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.

도 3은 도 2의 터보 챠저에 적용한 본 발명일 실시예를 도시하는 것으로, 배기 노즐(9)의 전측부 배기 도입벽(10)과 후측부 배기 도입벽(11) 사이에 배치되는 노즐 베인(15)의 일측에 구비한 베인 축(16)이 전측부 배기 도입벽(10)을 관통하고 있고, 노즐 베인(15)이 편측 지지로 지지되어 있는 구성에 있어서, 상기 노즐 베인(15)의 베인 축(16) 전단(16'; 도 3의 우단)과 베어링 하우징(3)의 후면(3') 사이(후술하는 노즐 링크판(16a)과 후면(3') 사이)에, 각 베인 축(16)을 후측부 배기 도입벽(11)측으로 가압하여 각 노즐 베인(15)을 항상 후측부 배기 도입벽(11)측으로 변위시킨 상태로 보유하도록 한 가압수단(23)을 구비한다.

도 3에 도시하는 가압수단(23)은 각 베인 축(16)을 후측부 배기 도입벽(11)측으로 가압하는 접시 스프링(24)을 구비한 경우를 도시한다. 이 접시 스프링(24)은 도 4에 도시하는 바와 같이, 도넛 형상을 가지는 내주단(25)과 외주단(26)의 위치가 축 중심선의 방향으로 어긋난 절두 원추 형상을 가지며, 또한 접시 스프링(24)의 절두 원추 형상에 의한 축 중심선 방향의 높이(H)는 상기 각 베인 축(16) 전단(16')과 베어링 하우징(3)의 후면(3')의 간격보다도 크게 형성되어 있다.

또, 각 베인 축(16) 전단(16')측은 전측부 배기 도입벽(10)과 베어링 하우징(3)의 후면(3') 사이에 배치된 노즐 링크판(16a; 축 보유 부재)의 내단에 관통하여 보유되어 있다. 각 노즐 링크판(16a)은 도시하지 않는 구동 링이 회전됨으로써, 각 베인 축(16)을 지점으로 하여 각각 회동되도록 되어 있고, 또한, 각 베인 축(16; 노즐 베인(15))은 노즐 링크판(16a)이 회동됨으로써, 각 노즐 링크판(16a)과 일체적으로 회전하도록 되어 있다. 그리고, 각 베인 축(16)의 전단(16')과 베어링 하우징(3)의 후면(3') 사이에 압축한 상태로 접시 스프링(24)이 배치되어 있는 것에 의해, 베인 축(16)은 접시 스프링(24)의 탄성력에 의해 후측부 배기 도입벽(11)측으로 가압되도록 힘이 가해지고, 노즐 베인(15)은 후측부 배기 도입벽(11)측으로 이동한 상태로 변위되어 있다.

도 5는 상기 가압수단(23)의 다른 실시예를 도시한 것으로, 이 가압수단(23)은 상기 각 베인 축(16) 전단(16')과 베어링 하우징(3)의 후면(3') 사이에, 각 베인 축(16)을 후측부 배기 도입벽(11)측으로 가압하는 코일 스프링(27)을 구비한다.

한편, 도 6은 상기 노즐 베인(15)의 양측에 구비한 베인 축(16, 28)이 전측부 배기 도입벽(10)과 후측부 배기 도입벽(11)을 관통하고 있고, 노즐 베인(15)이 베인 축(16, 28)에 의해 전측부 배기 도입벽(10)과 후측부 배기 도입벽(11)에 양측 지지로 지지된 경우를 도시하고, 이 경우에도, 베인 축(16) 전단(16')과 베어링 하우징(3)의 후면(3') 사이에, 각 베인 축(16)을 후측부 배기 도입벽(11)측으로 가압하도록 한 접시 스프링(24) 또는 도 5에 도시한 코일 스프링(27)으로 이루어지는 가압수단(23)을 구비할 수 있다.

또한, 도 7은 상기 노즐 베인(15)의 양측에 구비한 베인 축(16, 28')의 한쪽의 베인 축(16)이 전측부 배기 도입벽(10)을 관통하고, 다른쪽의 베인 축(28')은 후측부 배기 도입벽(11)에 관통하지 않고서 몰입된 상태로 양측 지지로 지지된 경우를 도시하고, 이 경우에도, 베인 축(16)의 전단(16')과 베어링 하우징(3)의 후면(3') 사이에, 각 베인 축(16)을 후측부 배기 도입벽(11)측으로 가압하도록 한 접시 스프링(24) 또는 도 5에 도시한 코일 스프링(27)으로 이루어지는 가압수단(23)을 구비할 수 있다.

도 3 내지 도 7에 도시한 실시예에서는 다음과 같이 작동한다.

노즐 베인(15)의 베인 축(16) 전단(16')과 베어링 하우징(3)의 후면(3') 사이에, 도 3, 도 4에 도시한 접시 스프링(24) 또는 도 5에 도시한 코일 스프링(27)으로 이루어지는 가압수단(23)을 설치하면, 각 베인 축(16)은 가압수단(23)에 의해 상시 후측부 배기 도입벽(11)측으로 가압되게 되고, 따라서 각 노즐 베인(15)은 항상 후측부 배기 도입벽(11)측으로 변위한 위치에 보유되게 된다.

즉, 노즐 베인(15)과 전측부 배기 도입벽(10) 및 후측부 배기 도입벽(11) 사이에는 노즐 베인(15)을 회동 가능하게 하기 위한 클리어런스가 미리 존재하고 있고, 또한 이 클리어런스에는 터보 챠저에 의한 개체 차도 포함된다. 여기에서, 상기한 바와 같이 각 베인 축(16)을 가압수단(23)에 의해 후측부 배기 도입벽(11) 방향으로 가압하면, 각 노즐 베인(15)은 상기 클리어런스분만큼 후측부 배기 도입벽(11)측으로 변위하고, 각 노즐 베인(15)은 후측부 배기 도입벽(11)에 접하도록 되어 각 노즐 베인(15)과 후측부 배기 도입벽(11) 사이의 클리어런스는 극소로 된다.

또한, 도 3, 도 6, 도 7의 예에서는 베어링 하우징(3)의 후면(3')의 둘레가장자리부에 원추대 형상의 면(3a'; 외측을 향함에 따라서 전방을 향하도록 경사진 면)이 형성되어 있다. 또한, 접시 스프링(24)의 외주측의 부분은 원추대 형상의 면(3a')과 노즐 링크판(16a) 사이에서 원추대 형상의 면(3a')을 따르도록 하여 배치되어 있다. 이렇게 하면, 후면(3')과 노즐 링크판(16a) 사이의 거리를 넓히지 않아도, 접시 스프링(24)을 설치할 스페이스를 확보하기 쉬워진다.

본 발명자들은 종래의 터보 챠저(종래품)와, 상기 가압수단(23)을 구비한 본 발명의 터보 챠저(본 발명품)에 있어서, 도 8에 도시하는 바와 같이 터빈 임펠러(4)의 상류측과 하류측의 압력비는 대략 동일하게 되도록 한 조건에서, 터빈 임펠러 출구(20)에 있어서의 직경 방향 위치에서의 배기 가스의 속도 분포를 수치 해석에 의해 구하고, 그 결과를 도 9에 도시하였다.

도 9로부터 분명한 것처럼, 본 발명품에서는 종래품과 비교하여 반경 방향에 있어서의 유속 분포의 편차가 적고 유속 분포는 반경 방향으로 평탄화하고 있다. 이 사실은 본 발명품은 종래품과 비교하여, 터빈 임펠러 출구(20)에서의 배기 가스의 흐트러짐이 작다는 것을 의미한다.

또한, 상기 본 발명품과 종래품에 있어서, 터빈의 효율을 수치 해석하여 비교한 바, 도 10에 도시하는 바와 같이, 본 발명품에 따르면 종래품에 대하여 터빈의 효율이 약 10% 향상되는 것이 판명되었다.

스크롤 통로(8)의 배기 가스는 배기 노즐(9)의 노즐 베인(15) 사이를 통과하여 터빈 임펠러(4)로 유도되지만, 이 때의 배기 가스의 흐름은 3차원적이며 복잡한 흐름이기 때문에, 터빈 임펠러 출구(20)에서의 배기 가스의 흐트러짐의 요인을 찾아내는 것은 매우 곤란하다.

그러나, 상기한 바와 같이, 각 베인 축(16)을 후측부 배기 도입벽(11)측으로 가압하여 각 노즐 베인(15)과 후측부 배기 도입벽(11) 사이의 클리어런스를 작게 하면, 터빈 임펠러 출구(20)에 있어서의 직경 방향 위치에서의 배기 가스의 속도 분포가 평탄화되어 터빈 임펠러 출구(20)에서의 배기 가스의 흐트러짐이 감소하고, 이로써 터빈의 효율을 향상시킬 수 있었던 것으로부터, 상기 각 노즐 베인(15)과 후측부 배기 도입벽(11) 사이의 클리어런스가 터빈 임펠러 출구(20)에서의 배기 가스의 흐트러짐에 영향을 미치는 요인의 하나인 것이 판명되었다.

따라서, 본 발명에서는 상기한 바와 같이, 노즐 베인(15)의 각 베인 축(16)과 베어링 하우징(3) 사이에 가압수단(23)을 구비한다는 간단한 구성에 의해, 노즐 베인(15)을 후측부 배기 도입벽(11)측으로 변위시켜서 각 노즐 베인(15)과 후측부 배기 도입벽(11) 사이의 클리어런스가 극소로 되도록 보유하고, 이로써 터빈 임펠러 출구(20)에 있어서의 유체의 흐트러짐을 저감하여 터빈의 효율을 대폭 향상시킬 수 있었다.

또, 상기 실시예에 있어서는 틈(19)에는 피스톤 링(21)에 의한 씰 장치를 구비한 경우에 대하여 예시하였지만, 씰 장치의 구성에 한정되지 않으며, 그 외, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에 있어서 다양한 변경을 더할 수 있는 것은 물론이다.

산업상의 이용 가능성

본 발명의 터보 챠저는 노즐 베인을 후측부 배기 도입벽측으로 변위시켜서 각 노즐 베인과 후측부 배기 도입벽 사이의 클리어런스를 극소로 하고, 터빈 임펠러 출구의 유체의 흐트러짐을 저감하여 터빈의 효율을 향상시킬 때에 적용할 수 있다.

1: 터빈 하우징 3: 베어링 하우징
4: 터빈 임펠러 5: 컴프레셔 임펠러
8: 스크롤 통로 9: 배기 노즐
10: 전측부 배기 도입벽 11: 후측부 배기 도입벽
15: 노즐 베인 16: 베인 축
20: 터빈 임펠러 출구 23: 가압 수단
24: 접시 스프링 27: 코일 스프링
28: 베인 축 28': 베인 축

Claims

베어링 하우징에 회전 가능하게 지지된 터빈 임펠러의 외부에 배기 노즐을 가지고, 배기 노즐의 외부에 스크롤 통로가 형성된 터빈 하우징을 가지고, 상기 배기 노즐은 베어링 하우징측의 전측부 배기 도입벽과 터빈 하우징측의 후측부 배기 도입벽의 상호간에 복수의 노즐 베인을 구비하고, 상기 노즐 베인의 각 베인 축이 적어도 전측부 배기 도입벽을 관통하여 회전 가능하게 지지되어 있는 터보 챠저로서,
각 베인 축과 베어링 하우징 사이에, 각 베인 축을 후측부 배기 도입벽측으로 가압하여 노즐 베인을 후측부 배기 도입벽측으로 변위시키는 가압 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 터보 챠저.
제 1 항에 있어서, 상기 가압 수단은 베인 축과 베어링 하우징 사이에 구비한 접시 스프링인 터보 챠저.
제 1 항에 있어서, 상기 가압 수단은 베인 축과 베어링 하우징 사이에 구비한 코일 스프링인 터보 챠저.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐 베인은 일측에 구비한 베인 축이 전측부 배기 도입벽을 관통하여 편측 지지로 지지되어 있는 터보 챠저.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐 베인은 양측에 구비한 베인 축이 전측부 배기 도입벽과 후측부 배기 도입벽의 양쪽을 관통하여 양측 지지로 지지되어 있는 터보 챠저.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐 베인은 양측에 구비한 한쪽의 베인 축은 전측부 배기 도입벽을 관통하고, 다른쪽의 베인 축은 후측부 배기 도입벽에 몰입하여 양측 지지로 지지되어 있는 터보 챠저.