KR20120014900A - 가변 볼류트 유동 체적들을 가지는 단순화된 가변 구조 터보차저 - Google Patents

가변 볼류트 유동 체적들을 가지는 단순화된 가변 구조 터보차저 Download PDF

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틸만 베르나우어
커티스 이. 핸더슨
데이비드 지 그레보위스키
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Abstract

가변 구조 터보차저는 단순화되며 펄스 에너지를 유지할 수 있다. 제1 실시예에서, 터빈 하우징은 터빈 하우징의 입구 근처의 포인트를 중심으로 회전하는 회전 가능한 벽이 구비된다. 피벗 포인트를 중심으로 벽을 이동시킴으로써, 터빈 하우징 볼류트의 유효 체적이 변하며, 그에 의해 볼류트의 배기 가스의 체적을 효과적으로 감소시키고, 터빈 휠로 흐르는 배기 가스의 제어를 허용한다. 본 발명의 제2 실시예에서, 볼류트 내의 회전하는 웨지 세그먼트는 제1 위치로부터 제2 위치까지 회전되며, 볼류트의 유효 체적을 변화시키고 터빈 휠로 흐르는 배기가스의 제어를 허용한다.

Description

가변 볼류트 유동 체적들을 가지는 단순화된 가변 구조 터보차저 {SIMPLIFIED VARIABLE GEOMETRY TURBOCHARGER WITH VARIABLE VOLUTE FLOW VOLUMES}
본 발명은 펄스 에너지를 유지할 수 있는 저비용의 터빈 유동 장치에 대한 필요성을 다루며, 가변 볼류트 유동 체적들을 가지는 단순화된 가변 구조 터보차저 하우징을 설계함으로써 이를 달성한다.
터보차저들은 강제 유도 시스템의 한 종류이다. 터보차저들은 정상적으로 흡입되는(aspirated) 구성에서 가능할 수 있는 밀도보다 더 큰 밀도로 공기를 엔진 흡입구로 전달하며, 더 많은 연료가 연소되게 하고 이에 의해 엔진 무게의 큰 증가가 없이도 엔진 마력을 증가시킨다. 이는 더 작은 터보차징된 엔진의 사용을 가능하게 하여, 물리적으로 더 큰 크기의 정상적으로 흡입되는 엔진을 대체함으로써, 이에 의해 차량의 공기역학적 전방 영역과 질량을 감소시킬 수 있다.
터보차저들(도 1)은 터빈 하우징 내에 위치한 터빈 휠(70)을 구동하기 위하여 엔진 배기 매니폴드로부터 배출되어 터빈 하우징(2)의 터빈 입구(51)에서 터빈 하우징으로 들어가는 배기 가스 유동(100)을 사용한다. 터빈 휠은 샤프트의 일 단부에 견고하게 고정되며, 샤프트의 다른 단부는 압축기 휠(20)을 포함하며, 압축기 휠(20)은 샤프트에 장착되며 압축기 너트로부터의 클램프 부하에 의해 일정 위치에 유지된다. 터빈 휠의 주요 기능은 압축기를 구동시키기 위한 회전력을 제공하는 것이다. 배기가스가 터빈 휠(70)을 통과하고 터빈 휠이 배기가스로부터 에너지를 추출하면, 사용된 배기가스(101)는 익스듀서(exducer, 52)를 통해 터빈 하우징(2)으로부터 나가며, 차량의 다운파이프(downpipe)로 유도되며 보통 촉매 컨버터, 미립자 트랩 및 NOx 트랩과 같은 후처리장치들로 유도된다.
터빈 스테이지(turbine stage)에 의해 발생된 동력은 터빈 스테이지에 걸친 팽창비의 함수이다. 이는 터빈 입구(51)로부터 터빈 익스듀서(52)까지의 팽창비이다. 터빈 동력의 범위는 다른 파라미터들 중에서 터빈 스테이지를 통과하는 유동의 함수이다.
압축기 스테이지는 휠과 그의 하우징으로 구성된다. 여과된 공기는 압축기 휠(20)의 회전에 의해 압축기 커버(10)의 입구(11)로 축 방향으로 흡인된다. 샤프트와 휠로 전달되는 터빈 스테이지에 의해 발생된 동력은 약간의 잔류 운동에너지 및 열과 정압의 조합을 생성하도록 압축기 휠(20)을 구동시킨다. 가압된 가스는 압축기 배출구(12)를 통해 압축기 커버(10)를 나가며 보통 인터쿨러를 경유하여 엔진 흡입구에 공급된다.
터빈 스테이지의 설계는 엔진 작동 공간(engine operating envelope) 내의 다른 유동 체계들에서 압축기를 구동하기 위하여 요구되는 동력; 스테이지의 공기역학적 설계; 터빈 휠이 일반적으로 압축기 휠의 알루미늄의 밀도의 세 배의 밀도를 가지는 인코넬로 제조되므로 터빈이 큰 부분을 차지하는 회전 어셈블리의 관성; 설계의 구조적 및 재료적 양상들에 영향을 주는 터보차저의 작동 사이클; 및 블레이드의 여기(excitation)에 관련된 터빈 휠의 상류와 하류의 근거리 상태(near field) 사이의 절충이다.
터빈 하우징의 물리적 설계의 일부분은 볼류트(47)이며 그 기능은 입구 유동 상태들이 최상의 과도응답 특성들과 조합하여 배기가스의 에너지로부터의 동력의 터빈 휠에 의해 발생된 동력으로의 가장 효율적인 전달을 제공하도록 터빈 휠에 대한 입구 상태들을 제어하는 것이다. 이론적으로는, 엔진으로부터 유입되는 배기가스 유동은 볼류트로부터 터빈 휠 축의 중심에 있는 볼텍스(vortex)로 균일한 방식으로 전달된다. 이를 위하여, 이상적으로는, 볼류트의 단면적이 유동 방향에 대하여 수직일 때에 최대치에 있으며, 그 후에 단면적이 영이 될 때까지 점진적으로 그리고 계속적으로 감소한다. 볼류트의 내측 경계는 기초 원(71)으로서 한정되는 완전한 원일 수 있거나, 어떤 경우들에는, 도 2에 도시한 바와 같은 트윈 볼류트(twin volute, 48,49)와 같이, 내측 경계는 터빈 휠 직경의 106% 이상의 최소 직경의 나선일 수 있다. 볼류트는, 도 4에 도시된 바와 같이, "X-Y"축으로 정의된 하나의 평면에서, 볼류트(45,46)의 외측 경계의 감소하는 반경 및, 위에서 설명한 바와 같은 내측 경계, 및 도 8a와 8b에서 도시한 바와 같이, "Z"축을 통과하는 평면에 있는 각각의 위치(station)의 단면적들에 의해 한정된다. "Z"축은 "X-Y"축에 의해 정의된 평면에 수직이며 또한 터빈 휠의 축이다.
제품 설계의 일관성을 위하여, 볼류트의 형성이 슬라이스(slice) "A"에서 시작되는 하나의 시스템이 사용되며, 슬라이스 "A"는 볼류트의 나머지에 대한 데이터로서 정의된다. 데이터, 즉 슬라이스 "A"는 볼류트 형상의 "X"축 "Y"축 및 "Z"축의 세부 사항들을 포함하는 터빈 하우징의 "X"축의 위로 "P"도의 각도에 있는 슬라이스로서 정의된다.
볼류트의 크기와 형상은 다음의 방법으로 한정된다. 널리 사용되는 용어 A/R은 빗금친 유동 영역(160)의 중심(161)으로부터 터보 중심선까지의 거리에 의해 나누어진 슬라이스 "A"의 부분 영역의 비율을 나타낸다. 도 8a와 도 8b에서, 중심들(161)은 터보 중심선까지 거리(RA와 RB)를 결정한다. 하나의 그룹의 터빈 하우징들의 상이한 부재들에 대하여, 전체적인 형상은 동일하지만, 슬라이스 "A"의 영역은 거리(RA)가 상이한 것처럼 상이하다. A/R비는 동일한 그룹의 (상이한 A/R비들을 가지는) 다른 것들로부터 특정한 터빈 하우징을 구별하기 위하여 특정한 터빈 하우징에 대한 "명칭"으로서 일반적으로 사용된다. 도 8a에서, 볼류트는 대략 원형 형상의 볼류트이다. 도 8b에서, 볼류트는 형상이 대략 삼각형이 되게 하는 나누어진 터빈 하우징의 볼류트이다. 비록 두 볼류트에 대한 슬라이스 "A"의 면적은 동일하지만, 형상들은 다르고, 중심들에 대한 반경이 (볼류트의 형상으로 인해) 상이하며, 그러므로 A/R들이 상이할 것이다. 슬라이스 "A"는 "X" 축으로부터 각도 "P"로 편향되어 있다. 터빈 하우징은 그 다음에 동일한 반경의 슬라이스들로 기하학적으로 분리되며(보통 30°, 이에 따라서 (30x + P°)에서), 다른 기하학적 정의와 마찬가지로 코너 반경들과 같은 반경들(RA-M)과 영역들(AA-M)이 한정된다. 이 한정으로부터, 볼류트 벽들을 따르는 점들의 스플라인들이 형성되며 이에 의해 볼류트의 완전한 형상을 한정한다. 벽 두께가 내측 볼류트 형상에 더해지고, 이 방법을 통해서, 터빈 하우징이 한정된다.
주어진 영역에 대한 이론적으로 최적화된 볼류트 형상은 원형 단면의 형상이며, 그 이유는 이 볼류트 형상이 유체 마찰 손실들을 최소화하는 최소 표면적을 갖기 때문이다. 그러나 볼류트는 그 자체가 작동을 하지 않고 시스템의 한 부분이며; 그러므로 도 4에 도시된 바와 같이 슬라이스 "A"의 평면으로부터 슬라이스 "M'의 평면까지 그리고 "M"의 평면으로부터 설부(tongue)까지의 유동의 요건들이 터빈 스테이지의 성능에 영향을 미친다. 이 요건들은 보통 터빈 하우징 외부의 구조적 요건들, 베어링 하우징에 터빈 하우징을 배치하고 장착하는 방법, 및 슬라이스 "A"로부터 터빈 풋(foot, 51)으로의 전환과 같은 절충들을 초래하며, 이 절충들은 사각형 또는 삼각형 부분뿐만 아니라 원형 또는 모든 형상들의 조합의 터빈 하우징 볼류트들을 형성하도록 결합한다. "D-K" 부분을 보여주는, 도1의 볼류트의 사각형 형상은 유동이 베인들을 통과하여 최적화되고 베인들이 터빈 하우징의 외부 장치들에 의해 이동되고 제어될 수 있도록 VTG 베인들을 공간에 고정할 뿐만 아니라 터보차저가 엔진에 고정되도록 터빈 하우징의 외형을 최소화하기 위한 요건의 결과이다.
터빈 하우징 풋(foot)은 많은 엔진들의 배기 매니폴드들에 결합되므로 일반적으로 표준 설계로 되어 있다. 풋은 "볼류트"에 대한 어떤 각도나 위치에 배치될 수 있다. 풋 가스 통로들부터 볼류트로의 전환은 최상의 공기역학적이고 기계적인 절충을 제공하는 방법으로 실행된다.
위의 것들과 동일한 부분들에서 취해진 도 2의 볼류트들의 대략 삼각형 형상은, 고정되고 웨이스트게이트(wastegate)가 구비된 터빈 하우징들을 위한 더 일반적인 볼류트 구조이다. 칸막이 벽(25)의 추가는 터빈 휠에 의해 추출된 에너지의 펄스 에너지를 사용하도록 분리된 매니폴드로부터의 펄스 유동을 유지하기 위한 노력으로서 볼류트들 사이의 공기역학적 "간섭(cross-talk)"을 감소시키기 위한 것이다. 배기 매니폴드의 압력 펄스들은 엔진의 점화순서의 함수이다.
터빈 하우징들은 일반적으로 그룹들(일반적으로 하나의 그룹에서 5까지의)로 설계되며, 그룹들은 주어진 그룹에서 동일한 직경의 터빈 휠들을 사용하거나, 동일한 직경에 근접한 직경의 휠들의 그룹을 사용한다. 하나의 그룹은 동일한 터빈 풋 크기를 사용할 수 있다. 예를 들면, 63mm 터빈 휠에 대한 터빈 하우징들의 하나의 그룹은 1.8으로부터 2.2까지의 A/R의 범위를 커버할 수 있다. 도 5는 한 그룹에 있는 세 개의 볼류트들에 대한 영역 값들(area schedule)을 도시한 것이다. 가장 큰 볼류트는 점선(45)에 의해 도시된 1.2 A/R 볼류트이다. 가장 작은 볼류트는 파선(46)에 의해 도시된 0.8 A/R 볼류트이고, 그룹의 중앙에 있는 평균 볼류트는 실선에 의해 도시된다. X축은 30°(단면 "A")로부터 360°(설부)까지의 슬라이스의 각도를 도시한 것이고, Y축은 각각의 각도에서의 단면적을 도시한 것이다. 일반적으로, 하나의 설계 그룹에 있는 하나의 A/R로부터 다음 A/R까지 슬라이스 "A"에서 8 내지 10% 의 단면적(12 영역들을 가진 주어진 경우에서)의 차이가 있다.
몇몇의 터빈 휠들은 이 펄스 에너지를 이용하고 이를 회전 속도로 변환시키기 위하여 특별하게 설계된다. 그러므로, 나누어진 터빈 하우징 내의 펄스 유동 터빈 휠에 대한 배기가스로부터의 속도와 압력의 변환은 터빈 휠 속도로의 안정 상태 배기 유동으로부터의 속도와 압력의 변환보다 더 크다. 이 펄스 에너지는 4000RPM에서 피크 토크를 가지며 종종 6000RPM까지의 훨씬 더 높은 회전속도에서 작동하는 가솔린 엔진들에서보다는 1200 내지 1400 RPM에서 피크 토크를 가지며 약 2200RPM에서 작동하는 상업적인 디젤 엔진들에서 더 두드러진다. 그러므로 펄스는 역시 한정되지 않는다.
기본적인 터보차저 구성은 고정된 터빈 하우징의 구성이다. 이 구성에서, 터빈 하우징 볼류트의 형상과 체적은 설계단계에서 결정되며 주어진 위치에 주조된다.
정교화의 다음의 수준은 웨이스트게이트가 구비된 터빈 하우징의 수준이다. 이 구성에서, 볼류트는 위의 고정된 구성에서와 같이 주어진 위치에 주조된다. 도 2에서, 웨이스트게이트가 구비된 터빈 하우징은 터빈 하우징 볼류트(49)를 터빈 하우징 익스듀서(52)에 유체로 연결하는 포트(54)를 특징으로 한다. 볼류트 측의 포트가 터빈 휠(70)의 상류에 있고 익스듀서 측에 있는 포트의 다른 측은 터빈 휠의 하류에 있기 때문에, 이 포트들을 연결하는 통로를 통과하는 유동은 터빈 휠(70)을 우회하며 그러므로 터빈 휠에 전달되는 동력에 기여를 하지 않는다.
가장 단순한 형태의 웨이스트게이트는 밸브(55)이며, 밸브는 포펫 밸브일 수 있다. 이는 도 2의 밸브와 유사한 스윙 타입 밸브일 수 있다. 일반적으로 이 밸브들은 "덤(dumb)" 액추에이터에 의해 작동되며, "덤" 액추에이터는 부스트 압력 또는 진공을 감지하여 밸브에 연결된 다이어프램을 작동시키며, 엔진 ECU와의 특정한 통신이 없이 작동한다. 이 방식에서 웨이스트게이트 밸브의 기능은 완전 부하 부스트 곡선의 상부를 절단하는 것이며 이에 의해 엔진에 대한 부스트 수준을 제한한다. 웨이스트게이트의 구성은 밸브가 열릴 때까지 부스트 곡선의 특성들에 영향을 주지 않는다. 더 정교한 웨이스트게이트 밸브들은 외부의 기압을 감지할 수 있거나 전자적 오버라이드(over-ride) 또는 제어 기능을 가질 수 있지만, 이들이 밸브를 열거나 닫도록 작동할 때까지 이들 모두는 부스트 곡선에 영향을 주지 않는다.
도 6a는 고정된 터빈 하우징에 대한 부스트 곡선(65)을 도시한다. X축(60)은 팽창비를 나타내고, Y축(61)은 압력비를 나타낸다. 도 6b는 도 6a에 대한 것 또는 웨이스트게이트 밸브가 열리지 않은 웨이스트게이트가 구비된 터빈 하우징과 동일한 A/R의 웨이스트게이트가 구비된 터빈 하우징에 대한 부스트 곡선(67)을 도시한다. 도 6b에서, 부스트 곡선(67)의 형상이 밸브가 열리는 지점(66)까지 도 6a의 부스트 곡선(65)과 정확히 동일하다는 것을 볼 수 있다. 이 지점의 이후에서, 부스트 곡선이 평평하다. 웨이스트게이트는 부스트 수준들을 제한하기 위하여 사용될 수 있지만, 그의 터빈 동력 제어 특성들은 기본적이고 조악하다.
웨이스트게이트가 구비된 터빈 하우징들의 긍정적인 부산물은 터빈 하우징들의 A/R을 감소시키기 위한 기회이다. 부스트의 상한이 웨이스트게이트에 의해 조절되기 때문에, A/R의 감소는 더 양호한 과도 응답 특성들을 제공할 수 있다. 만일 웨이스트게이트가 구비된 터보차저가 압력 또는 진공 신호에 따라서만 작동하는 "덤" 액추에이터를 가지며 고지(altitude)에서 작동된다면, 밸브가 열리는 임계 압력비는 악영향을 받는다. 엑추에이터의 다이어프램이 일 측에서 부스트 압력을 감지하고 다른 측에서 기압을 감지하기 때문에 (고지의 기압이 해수면의 기압보다 더 낮기 때문에) 액추에이터가 늦게 열리는 경향이 있으며 이는 엔진의 오버-부스트를 초래한다.
엔진 부스트 요건들은 압축기 스테이지 선택의 주 결정 요인들이다. 압축기의 선택과 설계는 엔진의 부스트 압력 요건, 엔진에 의해 요구되는 질량 유동, 적용에 의해 요구되는 효율, 적용과 엔진에 의해 요구되는 맵 폭(map width), 엔진이 겪게 되는 고도와 듀티 사이클(duty cycle), 및 엔진의 실린더 압력 한계들 등 사이의 절충이다.
이것이 터보차저 작동에 중요한 이유는 터빈 스테이지에 대한 웨이스트게이트의 추가가 더 작은 터빈 휠과 하우징을 사용하여 저속 범위에 매칭될 수 있게 하기 때문이다. 이와 같이, 웨이스트게이트의 추가는 관성의 감소를 위한 선택들을 동반한다. 회전 어셈블리의 관성의 감소는 일반적으로 입자상 물질(PM)의 감소를 초래하기 때문에, 웨이스트게이트는 고속도로 차량들에서 일반화되고 있다. 문제는 대부분의 웨이스트게이트들이 그들의 작동에서 두 상태로만 이루어지는 것이며, 이는 엔진 출력과 속도 사이의 선형적인 관계와 잘 맞지 않는다.
터보차저들의 부스트 제어의 정교성의 다음 수준은 VTG(가변 터빈 구조(variable turbine geometry)에 대한 일반적 용어)이다. 이 터보차저들의 일부는 회전 베인들을 가지며, 일부는 슬라이딩 부분들이나 링들을 가진다. 이 장치들에 대한 일부 명칭들은 가변 터빈 구조(VTG), 가변 구조 터빈(VGT), 가변 노즐 터빈(VNT), 또는 간단하게 가변 구조(VG)이다.
VTG 터보차저들은, 도 3a과 3b에 도시한 바와 같이, 한 쌍의 베인 링들 또는/및 노즐 벽에 회전 가능하게 연결된, 조절 가능한 베인들을 이용한다. 이 베인들은 터빈 휠에 대한 배기가스 유동을 조절함에 의해 배기가스 배압(backpressure)과 터보차저 속도를 제어하도록 조정된다. 도 3a에서, 베인들(31)은 최소 개방 위치에 있다. 도 3b에서, 베인들(31)은 최대 개방 위치에 있다. 베인들은 유니슨 링에 맞물린 핑거(finger)들에 의해 회전 가능하게 구동될 수 있고, 유니슨 링은 상부 베인 링 위에 위치될 수 있다. 명료성을 위해, 이들의 상세한 내용은 도면들로부터 생략되었다. VTG 터보차저들은 많은 매우 고가의 합금 부품들을 가지며, 이 부품들은 가이드 베인들이 베인들이 노출되는 열적 작동 조건의 범위에 걸쳐서 배기 공급 유동 채널과 터빈 휠에 대하여 적절하게 위치되어 있도록 터빈 하우징 내에 조립되고 위치되어야 한다. 온도와 부식 상태들은 모든 내부 구성요소들에 독특한 합금들의 사용을 요구한다. 이들은 구입, 가공, 및 (필요 시에) 용접하는 데에 많은 비용이 든다. VTG 설계가 터보차저 속도를 매우 빠르게 변화시킬 수 있기 때문에, 원하지 않은 속도 급상승을 방지하기 위하여 광범위의 소프트웨어와 제어들이 필수적이다. 이는 비싼 액추에이터들을 요구한다. 다양한 타입과 구성의 VTG들이 터빈 배압 수준들과 터보차저 부스트 수준들을 제어하기 위하여 널리 적용되고 있지만 실행과 하드웨어의 비용이 높다.
만일 웨이스트게이트가 구비된 터보를 비용에 대한 기준치로 고려한다면, 동일한 생산 체적의 일반적인 VTG의 가격이 동일한 크기의 고정된 터보차저의 가격의 270 내지 300%이다. 이 차이는 구성요소들의 수, 구성요소들의 재료들, 및 구성요소들의 제조와 가공에서 요구되는 정확성에서부터, 액추에이터의 속도, 정확성, 및 반복 가능성에 이르는 많은 관련된 요인들에 기인한다. 도 7의 도표는 고정된 터보차저로부터 VTG들까지의 터보차저의 범위에 대한 비교 비용을 나타낸다. 막대 "A"는 주어진 적용에 대한 고정된 터보차저의 벤치마크 비용을 나타낸다. 막대 "B"는 동일한 적용에 대한 웨이스트게이트가 구비된 터보차저의 비용을 나타낸다. 막대 "C"는 동일한 적용에 대한 VTG의 비용을 나타낸다.
그러므로 기술적인 이유들과 비용적인 이유들 때문에, 비용의 측면에서 웨이스트게이트들과 VTG들 사이에 결합된 상대적으로 저비용의 터빈 유동 제어장치가 필요하다는 것을 볼 수 있다. 이와 같은 장치에 대한 목표비용 가격은 단순하고 고정된 터보차저의 가격의 145 내지165%의 범위 내에 있을 필요가 있다.
본 발명은 단순화된 저비용 터빈 유동 제어장치에 관한 것이며, 터빈 유동 제어장치는 터빈 하우징에서 배기 유동의 유효 유동 체적의 변화를 제어하기 위하여 회전 가능한 볼류트 외측 벽 또는 굽은 웨지 세그먼트(wedge segment)를 사용한다.
본 발명은 예로서 도시되며 유사한 참조번호들이 유사한 부분들을 나타내는 첨부 도면들에 의해 한정되지 않는다.
도 1은 일반적인 VTG 터보차저의 단면도를 도시한다.
도 2는 일반적인 웨이스트게이트가 구비된 터보차저의 한 쌍의 단면들을 도시한다.
도 3a와 도 3b는 일반적인 VTG 터보차저의 한 쌍의 단면을 도시한다.
도 4는 구조적인 반경방향 선들을 보이는 일반적인 고정된 터빈 하우징의 단면을 도시한다.
도 5는 단면적 변화의 도표다.
도 6a와 도 6b는 일반적인 고정된 터보차저 및 웨이스트게이트가 구비된 터보차저에 대한 압축기 맵을 도시한다.
도 7은 터보차저 비교 비용을 보인 도표다.
도 8a와 도 8b는 슬라이스 "A"의 두 볼류트 형태의 단면을 도시한다.
도 9a와 도 9b는 두 위치에 있는 회전 가능한 외측 볼류트 벽의 두 도면들을 도시한다.
도 10은 도 9a의 B-B 선에 따른 단면을 도시한다.
도 11a와 도 11b는 칸막이 벽을 가지는 회전 가능한 외측 볼류트 벽의 두 도면을 도시한다.
도 12는 도 11a의 B-B에 따른 단면을 도시한다.
도 13은 액추에이터 스프링의 단면을 도시한다.
도 14는 액추에이터를 가지는 구성의 단면을 도시한다.
도 15a와 도 15b는 제2 실시예의 굽은 웨지 세그먼트의 두 도면을 도시한다.
도 16a와 도 16b는 안내 홈들을 보이는 두 도면을 도시한다.
도 17은 어셈블리의 단부도를 도시한다.
도 18a와 도 18b는 도 17의 C-C 및 D-D에 따른 단면을 도시한다.
도 19a 와 도 19b는 칸막이 벽들을 가지는 도 17의 C-C 및 D-D에 따른 단면을 도시한다.
도 20a, 도 20b 및 도 20c는 본 발명의 제2 실시예의 제1 변형의 단부도와 단면들을 도시한다.
도 21a, 도 21b 및 도 21c는 본 발명의 제2 실시예의 제2 변형의 단부도와 단면들을 도시한다.
도 22는 랙과 피니언 타입의 작동 수단을 가지는 실시예를 도시한다.
배기 유동에 의해 "습윤된" 다중 베인들의 사용, 및 이 베인들을 이동시키고 제어하는 기구는 엄청난 비용을 추가한다. 이 증가는 기본적인 터보차저의 비용의 두 배 이상이다. 베인들의 사용은 매우 비싼 터보차저를 초래하고 베인들의 사용은 배기 유동에서 사용할 수 있는 펄스 유동 구성요소를 감소시키기 때문에, 발명자들은 배기 유동의 펄스 에너지를 유지하면서 비용 효과적인 방식으로 터빈 휠로 향하는 배기 유동을 조절하는 능력을 추구했다. 그러므로 발명자들은 터빈으로 향하는 배기 가스의 유동을 제어하기 위한 비용 효과적이며 기술적으로 효과적인 대안을 제공하기 위하여 한 개 이상의 미끄럼 이동 또는 회전 가능한 볼류트 반경방향 외측 벽들을 가지는 설계를 만들었다. 위의 이익들에 추가하여, 발명자들은 동일한 비용 효과적인 터보차저의 낮은 유동 상태들이 아닌 엔진에 의해 요구되는 높은 유동들을 전달할 수 있으면서 낮은 유동에 대한 최적화된 터보(그리고 이에 따라 엔진)의 과도 응답을 제공하는 낮은 유동 체제들에 매칭되는 터보차저를 제공하는 것을 추구했다.
터보차저가 엔진의 최대 유동 요건에 매칭될 때에, 전체 엔진 작동 체제에 걸친 유동 요건들이 충족된다. 문제는 최대 유동 요건에 터보차저를 매칭하는 것이 터빈 하우징 볼류트(그리고 이에 따라 유동)의 크기가 낮은 엔진 유동 체제들에 대해 너무 크다는 것을 의미한다는 것이다. 전체 볼류트가 유동을 터빈 휠로 전달하기 위하여 채워져야 하기 때문에 터보차저의 과도 응답 특성들이 느리다. 낮은 유동 요건에 매칭하기 위하여 터보차저 터빈 하우징의 A/R을 감소시키는 것은 일반적인 속도 제한 내에서 작동하는 터보차저가 엔진 작동 체제들의 상부 단부의 높은 유동 요건을 위한 충분한 유동을 제공할 수 없다는 것을 의미하기 때문에, 발명자들은 새로운 가변 구조 터보차저를 제공할 필요성을 인식하게 되었다. 종래 기술의 가변 구조 터보차저들과 연관된 펄스 에너지의 손실과 비용을 고려하여, 발명자들은 터빈 하우징을 통과하는 공기유동을 제어하기 위한 새롭고 단순한 방법을 찾는 것을 추구했다.
터빈 하우징 볼류트 형상들과 치수들은 단면 "A"의 영역에 의해 한정되고, 단면 "A"의 하류의 모든 외형들과 치수들은 단면 "A"의 모든 외형들과 치수들에 의해 제어된다. 이 시스템은 터보차저 제조자에 의해 설계되고 생산된 터보차저들 내의 설계의 일관성을 위해 사용된다.
본 발명에 따라서, 발명자들은 볼류트 외측 벽의 위치의 변화를 발생시킴으로써 볼류트의 형상의 변화를 근사치로 계산할 수 있는, 바람직하게는, 한 그룹의 터빈 하우징들의 한 부재로부터 동일한 그룹의 다음 부재까지의 변화를 근사치로 계산할 수 있는 새로운 터빈 설계를 제공한다.
볼류트의 형상의 변화는 볼류트의 유효 유동 체적의 변화를 생성한다. "유효 유동 체적"은 배기 유동에 의해 습윤된 표면들에 의해 둘러싸인 체적으로 생각될 수 있다. 즉, 비록 엄격하게 말하면 "데드 존들(dead zones)"이 터빈 하우징의 변위의 일부분을 구성하더라도, 유동에 참여하지 않는 데드 존들은 "유효 유동 체적"에 포함되지 않는다. 유효 유동 체적은 유동 역학의 결과물이고 터빈 스테이지가 거동하는 방법의 함수이다. 본 발명자들은 터빈 하우징, 또는 더 정확하게는, 볼류트의 거동을 변화시키기 위하여, 볼류트의 이 "유효" 체적을 변화시키는 것이 충분하다는 것을 인식하게 되었다. 이는, 예를 들면, 아래에서 "회전 가능한 외측 볼류트 벽(pivotable outer volute wall)"이라고 불리는 이동할 수 있는 벽 세그먼트를 가지는 볼류트를 제공함으로써 행해질 수 있다.
예를 들면, 고정된 상류 단부와 자유 하류 단부에 의해 제한되고, 제1 위치에서 볼류트 외측 벽에 더 가깝게 있고 바람직하게는 이 안에 리세스되며 제2 위치에서 설부와 터빈 휠에 가깝게 이동하도록 회전되는, 회전 가능한 외측 볼류트 벽과 함께, 이와 같은 터보차저의 거동은 회전 가능한 외측 볼류트 벽의 반경방향으로 내측의 공간, 즉 터빈의 "유효 유동 체적"에 의해 거의 독점적으로 결정된다. 즉, 제2 위치에서, 회전 가능한 외측 볼류트 벽과 터빈 하우징 벽 사이의 공간은 유효 "데드 존"이 된다. 그러므로 볼류트 외측 벽의 위치의 변화는 터보차저의 볼류트의 유효 형상의 변화를 만들고, 그에 따라 터보차저의 거동의 변화를 만든다.
터빈 하우징의 유효 유동 체적을 제어함으로써, 발명자들은 터빈 하우징을 통과해 터빈 휠로 향하는 가스의 질량 유동을 제어하는 것을 추구했다. 엔진 요건이 낮은 속도 상태와 낮은 부하 상태에 있을 때, 이 상태들에 매칭하기 위하여 요구되는 부스트 수준은 상대적으로 낮다. 엔진 요건이 높은 속도 상태와 높은 부하 상태에 있을 때, 이 엔진 상태들을 만족시키기 위해 요구되는 부스트 수준은 높다. 엔진이 낮은 부하 상태에서 높은 부하 상태로 전환될 때, 터보차저는 증가하는 압력비에서 공기의 증가하는 체적을 공급하는 것이 요구된다. 압축기 스테이지가 터빈 스테이지에 의해 구동되기 때문에, 엔진(그리고 그에 따라 압축기) 요건들을 만족시키기 위하여 요구되는 배기의 질량 유동은 변해야 한다. 낮은 부하와 낮은 속도의 엔진 상태에서, 질량 유동의 측면에서 엔진 배기 출력은 낮다. 높은 부하와 높은 속도의 엔진 상태에서, 질량 유동의 측면에서 엔진 배기 출력은 높다. 전환 단계에서, 배기 질량 유동은 저에서 고로 변화되어야 한다.
문제는 터보차저가 어느 상태에서 요구되는 유동과 압력비를 공급하게 허용되도록 터빈 스테이지가 두 엔진 상태들에 매칭되어야 한다는 것이다. 터보차저가 빠르게 속도를 변화하게 하기 위하여, 본 기술 분야에 경험이 있는 사람은 터보차저를 작은 A/R 터빈 하우징에 매칭한다. 높은 부하와 높은 속도 상태에서 요구되는 유동과 압력비를 공급하기 위하여, 본 기술 분야에 경험이 있는 사람은 터보차저를 더 큰 A/R 터빈 하우징에 매칭한다. 전자인 작은 A/R 터빈 하우징은 양호한 과도 응답 특성들을 제공할 것이지만, 높은 속도와 높은 부하의 압축기 요건을 생성하기 위하여 터빈 스테이지에 불충분한 질량 유동을 공급할 것이다. 후자인 더 큰 A/R 터빈 하우징은 높은 속도와 높은 부하의 부스트 요건을 위하여 질량 유동 요건을 터빈 스테이지에 제공할 것이지만, 허용할 수 있는 과도응답을 생성하도록 충분히 빠르게 터빈 휠에 가속을 제공하지 않을 것이다.
적절하게 매칭된 작은 A/R 터빈 스테이지는 높은 부하와 높은 속도 상태에 매칭된 터빈 스테이지의 과도응답에 비교하여 더 높은 배압의 희생에도 불구하고 허용할 수 있는 과도응답을 제공할 것이다. 비 EGR 엔진(non-EGR engine)에서, 높은 배압을 가지는 것은 엔진에 걸친 압력차에 대한 부정적 요인이며 이에 따라 엔진의 효율이 저하된다. 높은 압력 루프 EGR 엔진 구성(낮은 압력 루프 EGR 엔진 구성에 반대되는)에서, 배기시스템의 높은 배압이 배기가스를 엔진의 배기 측으로부터 부스트 압력을 경험하고 있는 엔진의 입구 측으로 보내기 위해 필요하다. 주어진 세트의 엔진 파라미터들을 위한 큰 터빈 하우징 A/R은 동일한 세트의 엔진 파라미터들 하의 더 작은 A/R 터빈 하우징에 있을 것보다 더 낮은 배기 배압을 발생시킬 것이다. 그러므로 터빈 하우징의 유효한 A/R를 변화 가능하게 함으로써 단일 터보차저가 낮은 속도와 낮은 부하 상태와 높은 속도와 높은 부하 상태의 요건들을 만족시킬 수 있게 한다.
터빈 하우징이 회전 가능한 외측 볼류트 벽과 함께 터빈 휠로 유도하는 배기의 질량 유동을 제어함으로써, 두 상태들은 단일 터빈 하우징으로 비용 효과적으로 만족될 수 있다.
낮은 유동 상태에서, 회전 가능한 외측 볼류트 벽은 내측으로 회전되어서 공간을 통과하는 질량 유동을 감소시키며, 즉 볼류트의 유효 체적을 감소시킨다. 회전 가능한 외측 볼류트 벽의 내측으로의 이동은 터빈 하우징의 설부의 하류에서 회전 가능한 외측 벽의 트레일링(trailing) 부분의 형상이 배기가스의 유동을 더 예각으로 터빈 휠로 향하게 한다. (이동할 수 있는 볼류트의 굽은 트레일링 단부의 내측으로의 이동은 또한 배기가스의 유동을 터빈 휠에 더 가깝게 유도하는 효과를 가진다.) 그 두 효과들은 터보차저의 거동의 변화를 초래한다.
발명자들은 배압 단독뿐만 아니라 배압에 대한 부스트의 비율이 해수면과 고지에서 엔진 속도와 부하의 함수로서 증가했으며, 이는 배기 시스템의 배압을 회전하는 외측 볼류트 벽의 목표 위치를 결정하기 위한 이상적인 제어 파라미터로 만든다는 것을 인식하였다. 회전 가능한 외측 볼류트 벽이 연장된 위치에 있을 때, 터빈 하우징은 후퇴된 위치의 회전 가능한 외측 볼류트 벽과 함께 존재하는 경우보다 더 작은 A/R 터빈 하우징인 것처럼 작동한다. 이는 엔진의 배기 측으로부터 엔진의 입구 측까지의 EGR 유동이 요구될 때에 필요한 배기 배압을 상승시킨다. 그러므로 회전 가능한 외측 볼류트 벽의 이동은 엔진의 배기 측으로부터 엔진의 입구 측까지의 EGR 유동을 돕기 위하여 압력차(엔진의 배기 측부터 엔진의 입구 측까지)를 생성하기 위하여 이용될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에서, 볼류트의 유효 유동 체적은 터빈 하우징 입구 또는 풋 근처의 고정점(anchor point)으로부터 회전하거나 이동하는 볼류트의 반경방향 외측 벽에 의해 제어된다. 이 실시예에서, 이동하는 벽의 위치는 스프링의 시트 및 스프링 비율에 의해 반응되는, 볼류트의 배기가스의 압력(배압)의 순 효과에 의해 제어된다. 엔진이 낮은 유동율에서 작동하고 있을 때, 반대의 힘의 순 효과는 액추에이터 로드가 스프링에 의해 연장되고, 회전 가능한 외측 벽이 볼류트를 향해 힘을 받게 되고, 이에 따라 볼류트를 통과하는 유효 유동 체적을 감소시키는 것이다. 엔진이 높은 배압을 생성하면서 높은 유동율에서 작동하고 있을 때, 순 힘 효과는 액추에이터 스프링이 회전 가능한 외측 볼류트 벽에 작용하는 압력에 의해 압축되는 것이다. 회전 가능한 외측 볼류트 벽은 그의 구멍으로 후퇴하고, 볼류트의 유효 유동 체적은 회전 가능한 외측 벽이 없는 더 큰 (A/R) 고정된 터빈 하우징의 유효 유동 체적까지 증가된다.
도 9a에서, 저 엔진 배기 유동 모드에 있는 터빈 하우징(50)이 도시된다. 회전 가능한 외측 볼류트 벽(33)이 연장된 위치에 있는 액추에이터 샤프트(14)와 함께 도시되며, 그 결과로 터빈 하우징 풋(51)을 통해 터빈 하우징으로 들어오는 배기 유동이 더 큰 변위 터빈 볼류트를 시뮬레이션한 도 9b에 있는 예의 경우보다 이를 통해 유동하는 더 적은 체적을 효과적으로 가진다. 도 9b에서, 회전 가능한 외측 볼류트 벽(33)은 후퇴된 위치에 있다. 그러므로 터빈 하우징의 배기가스에 대한 유효 유동 체적이 최대가 되며 더 큰 A/R 터빈 하우징 볼류트를 시뮬레이션한다.
회전 가능한 외측 볼류트 벽(33)은 회전 가능한 외측 볼류트 벽을 터빈 하우징(50)에 고정하면서 회전 가능한 외측 볼류트 벽이 피벗 핀을 중심으로 회전하게 하는 피벗 핀(pivot pin, 34)에 의해 터빈 하우징 내에 유지된다. 회전 가능한 외측 볼류트 벽의 다른 단부에서, 액추에이터 샤프트(14)는 액추에이터 샤프트에 있는 슬롯(15)에서 측방향으로 미끄럼 이동하는 체결구(35)를 사용하여 회전 가능한 외측 볼류트 벽에 부착된다. 슬롯은 회전 가능한 외측 볼류트 벽이 그의 하부 피벗 핀(34)을 중심으로 회전하면서 액추에이터 샤프트가 베어링(36)에서 위 아래로 미끄럼 이동한다는 사실에 기인한 측방향 변위의 차이를 허용한다.
도 9a의 B-B에 따른 단면을 도시한 도 10에서 볼 수 있는 것과 같이, 일반적인 터보차저 피스톤 링 시일(seal, 16)이 액추에이터 힘 메커니즘 하우징이 있는 액추에이터 플랜지(21)의 홈에 제공된다. 피스톤 링 시일은 액추에이터 힘 메커니즘 하우징에 의해 유지된다. 피스톤 링 시일을 위한 홈은 또한 액추에이터 힘 메커니즘 하우징 내에 제조될 수 있고 액추에이터 플랜지(21)에 의해 유지될 수 있다. 피스톤 링 시일(16)은 배기가스가 주위 환경으로 누설되는 것을 방지하기 위하여 액추에이터 샤프트(14)에 반경방향으로 작용한다.
본 발명의 제1 실시예의 요구되는 목표 성능을 위하여, 발명자들은 터빈 하우징의 "습윤된 표면들(wetted surfaces)"의 체적을, 한 그룹 내의 작은 A/R로부터 다음의 더 큰 A/R까지 8 내지 10%인, 하나의 그룹의 터빈 하우징들 내의 인접한 A/R들 사이의 터빈 하우징의 "습윤된 표면들"의 체적의 변화에 관련시킴으로써 유효 유동 체적의 변화에 대한 요건을 정의했다. 도 9a와 도 9b에 도시된 본 발명의 예시적 실시예에서, "습윤된 표면" 체적의 변화는 8.8%이다. 그러므로, 도 9a에서와 같이 연장된 회전 가능한 외측 볼류트 벽으로, 엔진은 동일하지만 다음의 더 작은 A/R 터빈 하우징을 가지는 터보차저에 의해 제공된 과도응답과 대략 동일한 향상된 과도응답을 가질 것이다. 도 9b에서와 같이 후퇴된 회전 가능한 외측 볼류트 벽으로, 터보차저는, 예를 들면, 정격 포인트(rated point)에서, 엔진에 대한 요구된 부스트 수준을 생성하기 위하여 터빈 휠에 가스의 최대 질량 유동을 공급할 수 있다.
체적의 변화의 정도는 이 특정한 제품에 대해 발명자들에 의해 정의된 것들보다 더 크거나 작을 수 있었으며, 요구된 질량 유동 또는 부스트의 변화들은 회전 가능한 외측 볼류트 벽의 변위 또는/및 크기를 변화시킴으로써 만족될 수 있었다.
물론, 본 발명은 이 8 내지 10%의 차이에 한정되지 않으며, 20 또는 30% 및 50%까지의 단면의 차이를 가지는 실시예들이 실제로 사용될 수 있다. 제일 중요한 것은 위에서 설명된 것과 같은 설계 파라미터인, TW에 허용된 질량 유동의 범위 또는 질량 유동이며, 이 파라미터들에 근거하여, 본 기술분야에서 일하는 사람들은 본 발명의 이익들을 이용하는 터보차저를 설계할 수 있다.
터빈 하우징(2)은 회전 가능한 볼류트 벽의 후면의 립(rib) 및 일반적인 형상이 최소 위치로 후퇴할 수 있도록 릴리프 영역들(relief areas, 22, 23)을 포함한다. 립은 강성을 제공하기 위하여 설계되었으며 그러므로 회전 가능한 외측 벽은 연성철 또는 터빈 하우징의 기초 재료로 비용 효율적으로 주조될 수 있었다. 볼류트 칸막이 벽을 가지는 제1 실시예의 변형에서는, 칸막이 벽이 강성을 제공할 것이므로 립은 더 이상 필요하지 않을 것이다.
터빈 하우징의 볼류트의 치수와 형상은 논의되는 A/R들의 더 큰 것에 대해 한정된 형상과 치수를 사용함으로써 터빈 하우징을 주조하기 위해 한정된다.
본 발명의 예시적 실시에서, 배기 시스템의 배압은 회전 가능한 외측 볼류트 벽을, 도 13에 상세하게 도시된 바와 같이, 액추에이터 스프링 하우징(38)에 장착된 스프링(18)에 대하여 누른다. 이동하는 외측 볼류트 벽의 상이한 이동율들을 위한 요건들을 수용하기 위하여, 스프링 비율은 상이한 비율들의 스프링들로 대체함으로써 변화될 수 있다. 벽이 볼류트의 압력에 관련되어 이동하는 포인트를 변화시키기 위해, 심들(shims)이 반응 레지(reaction ledge, 39)에 추가될 수 있거나, 스프링 시트 압력이 증가 또는 감소될 필요가 있는가에 따라서 액추에이터 하우징(38)의 장착면(40)의 표면을 가공함으로써 스프링 홈의 깊이가 조절될 수 있다. 스프링(18)과 반응 레지(39) 아래에 베이스 심의 추가는 기계 가공이 없이 시트 압력이 변경되게 한다.
본 발명의 제1 실시예의 변형에서, 회전 가능한 외측 볼류트 벽을 원하는 위치로 이동하기 위해 스프링 장치 대신에 액추에이터를 사용하는 지능적 제어 전략이 사용된다. 이 변형에서, 도 14에 도시된 바와 같은 액추에이터(13)는 회전 가능한 외측 볼류트 벽에게 엔진 거동의 변화가 필요로 하는 볼류트 위치로 이동하게 명령하도록 엔진 ECU에 의해 제어될 수 있다. 액추에이터 동력은 전기, 공압, 진공, 또는 유압일 수 있다. 이와 유사한 상황에서, 액추에이터 동력의 선택은 기계적 요건과 비용의 함수이다.
본 발명을 이용하여, 터빈 휠로 향하는 배기 가스의 유동이 베인들을 가지는 VTG의 경우와 같이 배기 가스의 펄스 에너지의 감쇠가 없이 비용 효과적인 방식으로 제어된다.
본 발명의 제1 실시예의 다른 변형에서, 회전 가능한 외측 벽(33)은 본 발명의 예시적인 제1 실시예의 회전 가능한 외측 벽 내에 형성된 칸막이 벽(26)을 포함한다. 도 11a, 도 11b 및 도 12에서 볼 수 있는 바와 같이, 칸막이 벽은 터빈 하우징(2)의 부분으로서 주조된 고정된 칸막이 벽(25)과 맞물린다. 칸막이 벽의 사용 이유는 엔진으로부터의 펄스 에너지를 유지하는 것이며 그러므로 이동 가능한 칸막이 벽(26)과 고정된 칸막이 벽(25)은 볼류트들(48,49) 사이의 최소 간섭을 보장하기 위하여 고정된 칸막이 벽(25)의 옵셋 부분(offset feature, 27)에 의해 맞물린다.
본 발명의 제2 실시예도 또한 터빈 하우징 볼류트를 통과하는 유효 유동 체적을 변화시키는 것을 다루지만, 다른 방식을 사용한다. 본 발명의 제2 실시예에서, 볼류트 벽 외형의 세그먼트를 포함하는 세그먼트가 볼류트의 체적의 변화와 영역 값들의 변화를 제공하기 위하여 터보차저의 기하학적 중심에 대하여 회전한다. 슬라이스 "A"를 통과하고 일반적인 터빈 하우징의 설계인 슬라이스 "A"의 영역에 영향을 미치는 제1 실시예와 달리, 이 실시예에서는, 효과는 모두 슬라이스 "A"의 하류에 있다.
본 발명의 제2 실시예에서, 터빈 하우징 볼류트 외측 벽(74)은 일정한 반지름을 가진다. 굽은 웨지 세그먼트(72)가 터빈 하우징 내에 부착된다(이의 반경방향 내측 표면은 볼류트의 "습윤된" 외측 벽이 되고, 나선형 세그먼트의 반경방향 외측 표면은 터빈 하우징 캐스팅의 일정한 반지름의 외측 벽과 맞물린다). 각도 변위 가능한 굽은 웨지 세그먼트의 측벽들은 서로 평행하며 터빈 하우징의 측벽들의 뒤로 일부가 이동한다. 터빈 하우징의 측벽들은 터빈 하우징 볼류트 구조의 열역학적 효율을 향상시키기 위한 표준 터빈 하우징의 루트 반경들(root radii)과 나선 형상을 유지한다.
본 발명의 제2 실시예에서, 굽은 웨지 세그먼트는 터보 중심선을 기준으로 기하학적으로 회전하며, 예시적인 실시예에서, 터빈 하우징 캐스팅의 트랙들(76)에서 이동하는 두 세트의 롤러들(77)에 의해 안내된다. 이 롤러들 (77)을 굽은 웨지 세그먼트(72)에 조립하고, 굽은 웨지 세그먼트 어셈블리를 터빈 하우징에 조립하기 위하여, 터빈 하우징을 두 부분으로 나누는 것이 필요할 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 터빈 하우징은 두 개의 반쪽 부품들(57,58)로 나누어지며, 이 두 반쪽 부품들은, 도 17에 도시된 바와 같이, 볼트들, 또는 볼트들과 너트들(19)에 의해 서로 결합될 수 있다. 이는 롤러들이 구비된 굽은 웨지 세그먼트 어셈블리가 터빈 하우징의 반쪽 부품들(57,58)에 있는 트랙들(76)에 조립될 수 있게 하기 위한 것이다.
굽은 웨지 세그먼트가 터보차저 중심을 기준으로 회전할 때 유동 체적 변화를 생성하기 위하여, 굽은 웨지 세그먼트가 "최소" 체적 구성에 있을 때에 챔버(73)가 굽은 웨지 세그먼트를 "숨기기" 위해 제공된다. 굽은 웨지 세그먼트가 그의 "최대" 구성에 있을 때에 챔버(73)의 외측 벽은 굽은 웨지 세그먼트의 내측 벽의 연속이 된다. "최대" 구성에서, 굽은 웨지 세그먼트는 도 15a와 도 15b에서 보여지는 것과 같이 각도 "C"까지 이동할 수 있다.
각도 "C"는 두 선들 사이의 각도이다. 굽은 웨지 세그먼트가 최대로 챔버 내에 있을 때 첫째 선은 터보차저 축으로부터 굽은 웨지 세그먼트의 단부면과 내부면의 교차 지점까지 이어진다. 둘째 선은 터보차저 축에서부터 챔버의 하부 단부까지의 선이다.
도 16a와 도 16b에서, 굽은 웨지 세그먼트는 롤러와 트랙을 상세하게 나타내기 위해 감춰진다. 롤러들(77)은 굽은 웨지 세그먼트(72)에 장착되고 트랙들(76)에서 이동한다. 도 17은 본 발명의 제2 실시예의 조립된 측면도를 도시한다. 도 18a와 도 18b는 굽은 웨지 세그먼트(72)가 어떻게 터빈 하우징의 반쪽 부품들(57,58)의 각각에 있는 볼류트의 표면의 외측면들 아래에 포함된 평행한 측면들을 가지는가를 보여주기 위한 "C-C"에 따른 단면과 "D-D"에 따른 단면을 보여준다.
본 발명의 제2 실시예의 제1 변형에서, 도 19a와 도 19b에서 볼 수 있는 바와 같이, 굽은 웨지 세그먼트는 이 에너지를 터빈 휠에 전달하기 위하여 볼류트들(48,49)사이의 펄스 에너지의 간섭을 방지하도록 칸박이 벽(26)을 가진다. 볼류트들 사이의 간섭을 최소화하기 위하여, 굽은 웨지 세그먼트의 칸막이 벽(26)은 터빈 하우징 내에 주조된 고정된 칸막이 벽(25)의 옵셋과 함께 밀봉한다. 칸막이 벽은 솔리드일 수 있거나, 압력 균형이 요구되는 경우에 오른쪽과 왼쪽의 볼류트들의 압력들의 균형을 유지하기 위하여, 그 안에 형성된 연통 슬롯들을 가질 수 있다.
본 발명의 제2 실시예의 제2 변형에서, 터빈 하우징 볼류트가 굽은 웨지 세그먼트의 축방향 내측면 및 외측면과 맞물게 하기 위하여, 굽은 웨지 세그먼트는 터빈 하우징 볼류트의 측면들 내에 형성된 한 쌍의 홈들에 의해 안내된다. 이 변형으로, 굽은 웨지 세그먼트는 터빈 하우징 풋을 통해 일체형 터빈 하우징에 삽입될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예의 제3 변형에서, 도 20a, 도 20b 및 도 20c에 도시된 바와 같이, 터빈 하우징(50)은 터빈 하우징 볼류트 벽의 측면에 형성된 슬롯(79)을 가지는 단일 캐스팅으로서 주조된다. 슬롯(79)은 슬롯 인서트(80)가 축방향으로 위치하는 바닥(floor)을 가지도록 형성된다. 슬롯 인서트는 굽은 웨지 세그먼트가 위치하는 롤러들(77)을 위한 트랙(76)을 그의 내부면에 가진다. 개방된 슬롯으로, 굽은 웨지 세그먼트의 반대 측의 롤러들을 위한 트랙들은 터빈 하우징 내에 가공될 수 있다. 개방된 슬롯으로, 굽은 웨지 세그먼트를 위한 공간이 또한 터빈 하우징 내에 가공될 수 있다. 조립을 위해 준비되면, 롤러들이 구비된 굽은 웨지 세그먼트는 터빈 하우징 내로 삽입된다. 슬롯 인서트(80)는 터빈 하우징(50) 내에 고정되고 슬롯 인서트는 터빈 하우징에 밀봉된다. 밀봉과 유지는 바람직하게는 슬롯 인서트에 걸쳐서 터빈 하우징의 슬롯 엣지들을 스테이킹(staking)함으로써 실행된다. 밀봉과 유지는 용접, 프레스 피팅, 볼트 결합 등과 같이 많은 유지 방법을 사용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예의 제4 변형에서, 도 21a, 도 21b 및 도 21c에 도시된 바와 같이, 터빈 하우징(59)은 개방된 하우징으로서 주조되며 폐쇄부(69)는 외측 트랙(76) 특징들을 포함한다. 터빈 하우징(59)은 내측 트랙(76)의 특징들을 포함하도록 형성된다. 굽은 웨지 세그먼트(72), 롤러들(77), 및 터빈 하우징(59)과 폐쇄부(69)의 특징들 사이의 측면 공간은 다른 특징들(트랙 깊이, 롤러 측방향 위치)의 가공 및 내측 트랙 깊이와 폐쇄부(69)가 터빈 하우징 면과 맞물리는 면 사이의 관계에 의해 결정된다. 폐쇄부(69)는, 본 발명의 예시적인 제3 변형에서, 탭핑된 구멍들 내에 볼트들에 의해 유지되지만, 볼트들과 너트들, 피닝(peening), 스테이킹, 또는 용접에 의해 유지될 수 있다.
본 발명의 예시적인 제2 실시예들에서, 굽은 웨지 세그먼트의 명령된 운동은, 도 22에 도시된 바와 같이, 랙(82)과 피니언(81)에 의해 구동된다. 피니언은 터빈 하우징의 벽에 장착되고, 랙은 굽은 웨지 세그먼트의 내측 면에 형성된다. 운동은 랙과 피니언의 상이한 구성, 굽은 웨지 세그먼트에 있는 핀에 연결된 선형 액추에이터, 또는 굽은 웨지 세그먼트에 유사하게 연결된 회전 액추에이터에 의해 구동될 수 있다.
본 발명이 설명되었으므로, 다음의 청구항들이 청구된다.

Claims (18)

  1. 배기가스를 수용하기 위해 터빈 하우징 풋(51)에 있는 입구를 포함하는 터빈 하우징(2);
    상기 하우징에 회전 가능하게 장착된 터빈 휠(70);
    배기가스들을 상기 입구로부터 상기 터빈 휠로 유도하는 볼류트로서, 상기 볼류트는 반경방향 외측 벽을 포함하며, 상기 반경방향 외측 벽은 설부에서 종료되는 상기 터빈 하우징의 고정된 반경방향 외측 벽 세그먼트, 및 상기 설부의 상류에서 상기 터빈 하우징(2)에 회전 가능하게 장착된 상류 단부와 굽은 하류 단부를 가지며, 상기 터빈 휠로부터 더 후퇴된 위치로부터 상기 터빈 휠에 더 가까운 연장된 위치로 회전할 수 있는, 회전 가능한 반경방향 외측 벽(33)으로 구성되는 상기 볼류트; 및
    상기 후퇴된 위치로부터 상기 연장된 위치까지 상기 회전 가능한 반경방향 외측 벽의 상기 하류 단부의 이동을 제어하는 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 터보차저.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 터빈 휠은 샤프트의 일 단부에 견고하게 고정되고, 압축기의 압축기 휠(20)은 상기 샤프트의 다른 단부에 장착되며, 엔진 배기 매니폴드로부터의 배기 유동(100)이 상기 압축기를 구동하기 위한 회전력을 제공하도록 상기 터빈 휠(70)을 구동하기 위하여 상기 터빈 하우징(2)의 상기 터빈 입구(51)에서 상기 터빈 하우징(2)으로 들어가고, 그에 의해 가압된 가스가 압축기 배출구(12)를 통해 압축기 커버(10)를 나와서 엔진 흡입구에 전달되며,
    상기 회전 가능한 반경방향 외측 벽(33)은, 상기 회전 가능한 반경방향 외측 벽이 상기 후퇴된 위치로부터 상기 연장된 위치까지 이동되는 때에, 상기 회전 가능한 반경방향 외측 벽(33)의 상류 부분이 배기가스 유동을 가속시키기 위한 수축을 형성하기 위하여 상기 설부와 협동하며, 상기 회전 가능한 반경방향 외측 벽의 상기 굽은 하류 단부는 상기 터빈 휠에 더 가깝게 가스 유동을 유도하도록 윤곽이 만들어지며;
    그에 인해 상기 볼류트의 유효 유동 체적이 엔진의 과도응답을 향상시키기 위하여 감소되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 터보차저.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연장된 회전 위치를 향해 상기 회전 가능한 반경방향 외측 벽(33)에 힘을 가하는 스프링 력을 행사하는 스프링(18)을 수용하는 액추에이터 스프링 하우징(38)을 포함하며, 그 결과로 낮은 배압에서, 상기 회전 가능한 반경방향 외측 벽이 상기 연장된 위치 내로 상기 스프링에 의해 밀리게 하고, 높은 배압에서, 상기 배압이 상기 스프링 력을 극복하여 상기 회전 가능한 반경방향 외측 벽을 상기 후퇴된 위치로 회전시키는 것을 특징으로 하는 내연기관용 터보차저.
  4. 제 3 항에 있어서,
    스프링 시트 압력을 증가시키기 위하여 적어도 하나의 심을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 터보차저.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 가능한 반경방향 외측 벽(33)은 상기 회전 가능한 반경방향 외측 벽으로부터 수직으로 연장된 적어도 하나의 강화 립을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 터보차저.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어수단은 금속 스프링, 유압 액추에이터 수단, 공압 액추에이터 수단, 또는 전기 액추에이터 수단으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 터보차저.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 가능한 반경방향 외측 벽(33)은 상기 회전 가능한 반경방향 외측 벽으로부터 수직으로 그리고 반경방향 내측으로 연장된 칸막이 벽(26)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 터보차저.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 칸막이 벽(26)은 솔리드 칸막이 벽인 것을 특징으로 하는 내연기관용 터보차저.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 칸막이 벽(26)은 구멍들이 구비된 것을 특징으로 하는 내연기관용 터보차저.
  10. 배기가스를 수용하기 위해 터빈 하우징 풋(51)에 있는 입구를 포함하는 터빈 하우징(2);
    상기 하우징에 회전 가능하게 장착된 터빈 휠(70);
    배기가스들을 상기 입구로부터 상기 터빈 휠로 유도하는 볼류트로서, 상기 볼류트는 반경방향 외측 벽을 포함하며, 상기 반경방향 외측 벽은 설부에서 종료되는 상기 터빈 하우징의 고정된 반경방향 외측 벽 세그먼트, 및 상기 설부의 상류에서 상기 터빈 하우징(2)에 고정된 상류 단부와 굽은 하류 단부를 가지며, 상기 터빈 휠로부터 더 후퇴된 위치로부터 상기 터빈 휠에 더 가까운 연장된 위치로 이동할 수 있는 유연한 반경방향 외측 벽으로 구성되는 상기 볼류트; 및
    상기 후퇴된 위치부터 상기 연장된 위치까지 상기 유연한 반경방향 외측 벽의 상기 하류 단부의 이동을 제어하는 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 터보차저.
  11. 배기가스를 수용하기 위한 터빈 하우징 풋(51)에 있는 입구를 포함하며, 일정한 반경의 반경방향 외측 벽(74)을 가지는 볼류트를 포함하는 터빈 하우징(2);
    상기 하우징에 회전 가능하게 장착된 터빈 휠;
    일정한 반경의 상기 터빈 하우징 벽(74)과 동일한 평면에 있는 반경방향 외측 벽과 하류 방향으로 반경이 일정하게 감소하는 반경방향 내측 벽에 의해 한정되며, 그에 따라 테이퍼진 상류 단부와 두꺼운 하류 단부를 가지며, 낮은 유효 유동 체적 위치와 높은 유효 유동 체적 위치 사이에서 회전하기 위해 장착되는 회전하는 굽은 웨지 세그먼트(72); 및
    상기 회전하는 굽은 웨지 세그먼트(72)가 높은 유효 유동 체적 위치로 회전될 때 상기 회전하는 굽은 웨지 세그먼트의 상기 두꺼운 단부를 수용하기 위한 챔버를 포함하고, 상기 회전하는 굽은 웨지 세그먼트가 상기 낮은 유효 유동 체적 위치로 회전될 때 상기 회전하는 굽은 웨지 세그먼트의 연속을 한정하는 외부를 가지는 고정된 굽은 웨지 부(73)를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 터보차저.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 회전하는 굽은 웨지 세그먼트(72)는 터빈 하우징 캐스팅에 있는 트랙들(76) 내에서 이동하는 롤링 요소들(77)의 세트들에 의해 안내되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 터보차저.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 회전하는 웨지 세그먼트(72)는 상기 터빈 하우징 캐스팅에 있는 트랙들과 상기 회전하는 웨지 세그먼트의 면에 의해 안내되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 터보차저.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어수단은 금속 스프링, 유압 액추에이터 수단, 공압 액추에이터 수단, 또는 전기 액추에이터 수단으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 터보차저.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 회전 가능한 반경방향 외측 벽(33)은 상기 회전 가능한 반경방향 외측 벽으로부터 수직으로 그리고 반경방향 내측으로 연장된 칸막이 벽(26)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 터보차저.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 칸막이 벽(26)은 솔리드 칸막이 벽인 것을 특징으로 하는 내연기관용 터보차저.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 칸막이 벽(26)은 구멍들이 구비된 것을 특징으로 하는 내연기관용 터보차저.
  18. 내연기관용 터보차저에서 배압을 제어하기 위한 방법으로서,
    상기 터보차저는:
    배기가스를 수용하기 위해 터빈 하우징 풋(51)에 있는 입구를 포함하는 터빈 하우징(2);
    상기 하우징에 회전 가능하게 장착된 터빈 휠;
    배기가스들을 상기 입구로부터 상기 터빈 휠로 유도하는 볼류트로서, 상기 볼류트는 반경방향 외측 벽을 포함하며, 상기 반경방향 외측 벽은 설부에서 종료되는 상기 터빈 하우징의 고정된 반경방향 외측 벽 세그먼트; 및 상기 설부의 상류에서 상기 터빈 하우징(2)에 회전 가능하게 장착된 상류 단부와 굽은 하류 단부를 가지며, 상기 터빈 휠로부터 더 후퇴된 위치부터 상기 터빈 휠에 더 가까운 연장된 위치까지 회전할 수 있는 회전 가능한 반경방향 외측 벽으로 구성되는 상기 볼류트; 및
    상기 후퇴된 위치부터 상기 돌출된 위치까지 상기 회전 가능한 반경방향 외측 벽의 상기 하류 단부의 이동을 제어하는 제어수단을 포함하며,
    상기 방법은:
    상기 회전 가능한 벽의 상기 상류 부분이 배기가스 유동을 가속시키기 위하여 더 작은 수축을 형성하도록 상기 설부와 협동하고, 상기 회전 가능한 벽의 굽은 터미날 부분이 가스 유동을 상기 터빈 휠에 더 가깝게 유도하고 그에 의하여 터빈 배압을 증가시키도록 상기 볼류트의 유효 유동 체적을 감소시키고, 엔진의 배기 측으로부터 상기 엔진의 입구 측까지 EGR 유동을 흐르게 하는 시스템의 능력을 향상시키도록, 상기 회전 가능한 벽(33)을 상기 연장된 위치로 회전시키는 단계; 및
    상기 회전 가능한 벽의 상기 상류 부분이 더 적게 제한된 유동을 형성하기 위해 상기 설부로부터 멀리 이동하도록, 그리고 상기 회전 가능한 벽의 상기 굽은 터미날 부분이 가스 유동을 터빈 휠로 더 유도하며, 그에 의해 터빈 배압을 감소시키기 위하여 상기 볼류트의 유효 체적을 증가시키도록 상기 회전 가능한 벽(33)을 상기 후퇴된 위치로 회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 터보차저에서 배압을 제어하기 위한 방법.
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