KR20120064452A - 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징 - Google Patents

Abstract

터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징이 개시된다. 본 실시예에 따른 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징은 격벽에 의해 구획되는 2개의 스크롤 유로 및 제1격막에 의해 구획되는 바이패스 유로를 가지며, 내부 유로에 제2격막을 갖는 합류부를 통하여 배기 매니폴드와 일체형으로 형성되는 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징에 있어서, 상기 격벽은 양측 스크롤 외벽부와 연결되는 연결부에서 상기 스트롤 유로 상의 선단부을 향하여 테이퍼(taper) 형상으로 형성된다.

Description

터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징{TWIN SCROLL TURBINE HOUSING FOR TURBO CHARGER}

본 발명은 차량에 장착되는 터보 차저용 터빈 하우징에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 트윈 스크롤 유로 및 바이패스 유로를 가지며, 배기 매니폴드와 합류부를 통하여 일체형으로 형성되는 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징에 관한 것이다.

일반적으로 차량에 장착되는 터보 차저용 터빈 하우징으로서, 엔진의 배기 간섭을 피함과 동시에 배기의 펄스 효과를 유효하게 활용하고 터빈 로터의 회전효율을 높이기 위하여 트윈 스크롤 터빈 하우징이 적용되는 추세이다.

최근에는, 도 1에서 도시한 바와 같이, 배기 매니폴드(1)와 합류부(3)를 통하여 일체형으로 형성되는 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징(5)이 적용된다.

이러한 트윈 스크롤 터빈 하우징(5; twin scroll turbine housing)은, 도 2에서 도시한 바와 같이, 터빈 로터(turbine rotor)의 주위를 감싸는 유로로써 격벽(11;dividing wall)에 의해 구획되는 2개의 스크롤 유로(13,15; 즉, 트윈 스크롤 유로)와, 도 3에서 도시한 바와 같이, 제1격막(21; dividing curtain)으로 구획되는 바이패스 유로(23,25)를 형성한다.

여기서, 상기 2개의 스크롤 유로(13,15)는 상기 바이패스 유로(23,25)와 연결되며, 상기 바이패스 유로(23,25)의 출구단에는 웨이 스트라이크 게이트 밸브(way strike gate valve)가 안착되는 밸브 시트면(27)이 형성된다.

또한, 상기 트윈 스크롤 터빈 하우징(5)은 상기 배기 매니폴드(1)와 일체형으로 제작하기 위하여 합류부(3)를 구성하는데, 상기 합류부(3)는, 도 4에서 도시한 바와 같이, 내부 유로(33,35)가 제2격막(31; dividing curtain)을 통하여 구획된다.

즉, 이러한 트윈 스크롤 터빈 하우징(5)은 다른 타이밍으로 배출되는 배기가스가 상기 배기 매니폴드(1)로부터 제2격막(31)으로 구획되는 합류부(3)를 거쳐 격벽(11)으로 구획되는 각 스크롤 유로(13,15)를 따라 유동한다.

그러나 상기한 바와 같은, 종래의 트윈 스크롤 터빈 하우징(5)은 도 2에서 도시한 2개의 스크롤 유로(13,15)를 구획하는 격벽(11)의 단면구조가 연결부(C)에서 오목하게 형성되는 구조를 갖는데, 이러한 격벽(11)의 연결부(C)는 다른 부분에 비하여 온도가 높아 열응력이 집중되는 부분임에도 불구하고 두께가 얇아서, 열응력과 함께, 양측 스크롤 유로(13,15)의 배기가스 압력차에 의한 후프 스트레스(Hoop Stress)가 발생할 경우, 연결부(C)에서 크랙(Crack)이 진전되어 쉽게 파손되는 단점이 있다.

또한, 상기 격벽(11)은 주조시에, 용탕이 양측 스크롤 외벽부(17,19)를 먼저 채우고, 격벽(11)에 충진되어 형성되는데, 이때, 양측 스크롤 외벽부(17,19)와 격벽(11)의 연결부(C)가 오목하여 형성되어 용탕의 유입이 원활하지 못하며, 응고시에도 단면적 차이로 인해 격벽(11)의 선단부(E)보다 연결부(C)가 먼저 응고되어 격벽(11)의 표면에 수축홀 등의 표면결함을 유발하는 단점이 있다.

또한, 이러한 격벽(11)은, 도 5에서 도시한 바와 같이, 그 선단부(E)에서 유로의 단면적 변화가 불균일하여 배기가스의 속도장이 변경되면서 열응력이 선단부(E)에 집중되는 단점도 있다.

또한, 종래의 트윈 스크롤 터빈 하우징(5)은 웨이 스트라이크 게이트 밸브(미도시)가 안착되는 밸브 시트면(27) 상의 격막(21) 구조로 인해 구획되는 바이패스 유로(23,25) 상의 배기가스 압력차로 상기 웨이 스트라이크 게이트 밸브의 진동을 유발하며, 이로 인해 이상 소음을 발생시키는 단점이 있다.

또한, 종래의 트윈 스크롤 터빈 하우징(5)은 합류부(3) 내부 유로(33,35)를 구획하는 제2격막(31)이 일직선형으로 구성되어 가열 또는 냉각에 의한 열변형력 즉, 인장 및 압축력에 의한 크랙 발생의 단점도 내포하고 있다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 단점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명이 해결하려는 과제는 2개의 스크롤 유로를 구획하는 격벽의 단면구조를 테이퍼(taper) 형상으로 유로의 단면적 변화를 균일하게 하여 열응력을 분산시켜 내구성 및 주조성을 향상시키고, 속도를 개선함으로써 국부적인 열응력 집중에 의한 격벽의 손상을 방지하는 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하려는 다른 과제는 밸브 시트면 상의 일측에 양측 바이패스 유로를 연결하는 단차홈을 형성하여 웨이 스트라이크 게이트 밸브에 작용하는 양측 바이패스 유로 상의 압력균형을 유지하도록 하는 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 합류부의 내부 유로를 구획하는 격막을 곡선형으로 구성하여 열변형력에 의한 인장 및 압축 응력을 흡수할 수 있도록 하는 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 기술적 과제를 실현하기 위한 본 발명의 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징은 격벽에 의해 구획되는 2개의 스크롤 유로 및 제1격막에 의해 구획되는 바이패스 유로를 가지며, 내부 유로에 제2격막을 갖는 합류부를 통하여 배기 매니폴드와 일체형으로 형성되는 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징에 있어서, 상기 격벽은 양측 스크롤 외벽부와 연결되는 연결부에서 상기 스트롤 유로 상의 선단부을 향하여 테이퍼(taper) 형상으로 형성될 수 있다.

여기서, 상기 격벽의 연결부 두께는 상기 스크롤 외벽부 두께에 비하여 적어도 2배 이상으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 격벽의 선단부는 라운드 형상으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 격벽의 테이퍼 각은 상기 선단부를 중심으로 12°내지 16°의 범위 내에서 설정될 수 있다.

한편, 본 발명의 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징은 격벽에 의해 구획되는 2개의 스크롤 유로 및 제1격막에 의해 구획되는 바이패스 유로를 가지며, 내부 유로에 제2격막을 갖는 합류부를 통하여 배기 매니폴드와 일체형으로 형성되는 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징에 있어서, 상기 제1격막은 상기 바이패스 유로의 출구단에 형성되는 밸브 시트면 상의 일측에 형성되어 양측 바이패스 유로를 연결하는 단차홈을 포함한다.

또한, 본 발명의 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징은 격벽에 의해 구획되는 2개의 스크롤 유로 및 제1격막에 의해 구획되는 바이패스 유로를 가지며, 내부 유로에 제2격막을 갖는 합류부를 통하여 배기 매니폴드와 일체형으로 형성되는 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징에 있어서, 상기 제2격막은 상기 내부 유로를 균일한 단면적으로 구획하는 곡선형 단면으로 구성된다.

여기서, 상기 내부 유로는 상기 제2격막에 의해 태극문양으로 구획되어 형성될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징은 2개의 스크롤 유로를 구획하는 격벽의 단면구조를 테이퍼(taper) 형상으로 유로의 단면적 변화를 균일하게 하여 열응력을 분산시켜 내구성 및 주조성을 향상시키고, 배기가스의 속도를 개선함으로써 국부적인 열응력 집중에 의한 격벽의 손상을 방지한다.

또한, 밸브 시트면 상의 제1격막의 일측에 양측 바이패스 유로를 연결하는 단차홈을 형성하여 웨이 스트라이크 게이트 밸브에 작용하는 양측 바이패스 유로 상의 압력균형을 유지하도록 하여 밸브 소음을 방지한다.

또한, 합류부의 내부 유로를 구획하는 제2격막을 곡선형으로 구성하여 열변형력에 의한 인장 및 압축 응력을 흡수할 수 있도록 하여 제2격막의 크랙 발생을 방지한다.

도 1은 배기 매니폴드 일체형 트윈 스크롤 터빈 하우징의 정면도이다.
도 2는 종래 기술에 다른 트윈 스크롤 터빈 하우징에 적용되는 스크롤 유로의 단면도이다.
도 3은 종래 기술에 다른 트윈 스크롤 터빈 하우징의 출구단의 확대도이다.
도 4는 종래 기술에 다른 트윈 스크롤 터빈 하우징에 적용되는 합류부의 단면도이다.
도 5는 종래 기술에 다른 트윈 스크롤 터빈 하우징에 적용되는 스크롤 유로의 속도장의 해석도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 트윈 스크롤 터빈 하우징에 적용되는 스크롤 유로의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 트윈 스크롤 터빈 하우징의 출구단의 확대도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 트윈 스크롤 터빈 하우징에 적용되는 합류부의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 트윈 스크롤 터빈 하우징에 적용되는 스크롤 유로의 속도장의 해석도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 트윈 스크롤 터빈 하우징에 적용되는 합류부에 작용하는 응력의 개념도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

단, 본 발명의 구성을 설명함에 있어, 종래 기술과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 적용하여 설명한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 트윈 스크롤 터빈 하우징에 적용되는 스크롤 유로의 단면도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 트윈 스크롤 터빈 하우징의 출구단의 확대도이며, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 트윈 스크롤 터빈 하우징에 적용되는 합류부의 단면도이다.

본 실시예에 따른 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징(5)은 합류부(3)를 통하여 배기 매니폴드(1)와 일체형으로 형성된다.

즉, 본 실시예에 따른 트윈 스크롤 터빈 하우징(5)(twin scroll turbine housing)은, 도 6에서 도시한 바와 같이, 터빈 로터(turbine rotor)의 주위를 감싸는 유로로써 격벽(11)(dividing wall)에 의해 구획되는 2개의 스크롤 유로(13,15)(즉, 트윈 스크롤 유로)를 갖는다.

여기서, 상기 격벽(11)은 양측 스크롤 외벽부(17,19)와 연결되는 연결부(C)에서 상기 스크롤 유로(13,15) 상의 선단부(E)을 향하여 테이퍼(taper) 형상으로 형성된다.

또한, 상기 격벽(11)의 연결부(C) 두께(t1)는 상기 스크롤 외벽부(17,19) 두께(t2)에 비하여 적어도 2배 이상으로 형성된다.

예를 들어, 상기 스크롤 외벽부(17,19) 두께(t2)가 4.0t 인 경우, 상기 격벽(11)의 연결부(C) 두께(t1)는 적어도 8.0t 이상으로 형성되어야 양측 스크롤 유로(13,15)로부터 작용되는 열응력을 고르게 분포시킬 수 있다.

또한, 상기 격벽(11)의 선단부(E)는 라운드 형상(R)으로 형성된다. 즉, 배기가스의 유동 소음을 줄이기 위해 간섭을 최소화할 수 있는 곡면반경은 실험에 의해 설정된다.

또한, 상기 격벽(11)의 테이퍼 각(θ)은 상기 선단부(E)를 중심으로 12°내지 16°의 범위 내에서 설정되는 것이 이상적인 배기가스 유동을 가능하게 하며, 이러한 테이퍼 각(θ)은 격벽(11)의 연결부(C) 두께(t1)를 고려하여 설정된다.

또한, 본 실시예에 따른 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징(5)은, 도 7에서 도시한 바와 같이, 제1격막(21)(dividing curtain)으로 구획되는 바이패스 유로(23,25)를 형성하여 상기 2개의 스크롤 유로(13,15)와 연결된다.

상기 바이패스 유로(23,25)의 출구단에는 웨이 스트라이크 게이트 밸브(way strike gate valve)가 안착되는 밸브 시트면(27)이 형성된다.

상기 밸브 시트면(27)에도 상기 제1격막(21)이 동일 면으로 형성되는데, 이때, 제1격막(21)에는 상기 밸브 시트면(27) 상의 일측에 단차홈(29)을 형성하여 양측 바이패스 유로(23,25)를 연결한다.

또한, 본 실시예에 따른 트윈 스크롤 터빈 하우징(5)은 상기 배기 매니폴드(1)와 일체형으로 제작하기 위하여 합류부(3)를 구성하는데, 상기 합류부(3)는, 도 8에서 도시한 바와 같이, 내부 유로(33,35)가 제2격막(31)(dividing curtain)을 통하여 구획된다.

여기서, 상기 제2격막(31)은 상기 내부 유로(33,35)를 균일한 단면적으로 구획하는 곡선형 단면으로 구성된다.

이에 따라, 상기 내부 유로(33.35)는 상기 제2격막(31)에 의해 태극문양으로 구획되어 형성된다.

즉, 이러한 트윈 스크롤 터빈 하우징(5)은 다른 타이밍으로 배출되는 배기가스가 상기 배기 매니폴드(1)로부터 제2격막(31)으로 구획되는 합류부(3)를 거쳐 격벽(11)으로 구획되는 각 스크롤 유로(13,15)를 따라 유동한다.

따라서 상기한 바와 같은 구성을 갖는 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징(5)은 2개의 스크롤 유로(13,15)를 구획하는 격벽(11)의 단면구조를 테이퍼(taper) 형상으로 하여 스크롤 유로(13,15)의 단면적 변화를 균일하게 구성한다.

이에, 상기 격벽(11)은 그 연결부(C)가 다른 부분에 비하여 온도가 높아도 충분한 용적을 통하여 열응력을 고르게 분산하며, 이로써 양측 스크롤 유로(13,15)의 배기가스 압력차에 의한 후프 스트레스(Hoop Stress)가 발생하여도 내구성을 유지할 수 있다.

또한, 상기 격벽(11)은 주조시에도 용탕이 양측 스크롤 외벽부(17,19)를 먼저 채우고, 격벽(11)에 충진되는 과정에, 용탕의 유입이 원활하도록 하며, 응고시에도 연결부(C)의 단면적이 확보되어 격벽(11)의 선단부(E)보다 연결부(C)가 먼저 응고되지 않으며, 이로써 격벽(11)의 표면에 수축홀 등의 표면결함의 발생을 방지해 준다.

또한, 상기 격벽(11)은, 도 9에서 도시한 바와 같이, 그 선단부(E)에서 단면적 변화가 균일하여 배기가스의 속도장이 안정적이며, 열응력이 선단부(E)에 집중되는 것을 방지한다.

또한, 밸브 시트면(27) 상의 일측에 양측 바이패스 유로(23,25)를 연결하는 단차홈(29)으로 인해 양측 바이패스 유로(23,25)에 압력차이가 발생하더라도 배기가스 유동이 이동하므로 웨이 스트라이크 게이트 밸브에 작용하는 양측 바이패스 유로(23,25) 상의 압력균형을 유지하게 되며, 이로 인해 웨이 스트라이크 게이트 밸브의 진동에 의한 소음을 개선한다.

또한, 합류부(3)의 내부 유로(33,35)를 구획하는 제2격막(31)이 곡선형으로 형성되어 열변형력에 의한 인장 및 압축 응력을 흡수할 수 있어 열변형에 의한 크랙 발생을 방지한다.

즉, 도 10에서 도시한 바와 같이, 배기가스에 의한 가열 또는 냉각공기에 의한 자연냉각으로 열변형력이 인장력(F1)과 압축력(F2)으로 작용하면, 곡선단면의 특성으로 이를 흡수하여 크랙 발생을 억제하게 된다.

이상과 같이, 본 발명은 한정된 실시 예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

1:배기 매니폴드 3:합류부
5:트윈 스크롤 터빈 하우징 11:격벽
13,15:스크롤 유로 17,19:스크롤 외벽부
C:연결부 E:선단부
θ:테이퍼 각 21:제1격막
23,25:바이패스 유로 27:밸브 시트면
29:단차홈 31:제2격막
33,35:내부 유로 F1:인장력
F2:압축력

Claims (7)

1. 격벽에 의해 구획되는 2개의 스크롤 유로 및 제1격막에 의해 구획되는 바이패스 유로를 가지며, 내부 유로에 제2격막을 갖는 합류부를 통하여 배기 매니폴드와 일체형으로 형성되는 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징에 있어서,
   상기 격벽은
   양측 스크롤 외벽부와 연결되는 연결부에서 상기 스트롤 유로 상의 선단부을 향하여 테이퍼(taper) 형상으로 형성되는 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징.
2. 제1항에 있어서,
   상기 격벽의 연결부 두께는
   상기 스크롤 외벽부 두께에 비하여 적어도 2배 이상으로 형성되는 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징.
3. 제1항에 있어서,
   상기 격벽의 선단부는
   라운드 형상으로 형성되는 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징.
4. 제1항에 있어서,
   상기 격벽의 테이퍼 각은
   상기 선단부를 중심으로 12°내지 16°의 범위 내에서 설정되는 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징.
5. 격벽에 의해 구획되는 2개의 스크롤 유로 및 제1격막에 의해 구획되는 바이패스 유로를 가지며, 내부 유로에 제2격막을 갖는 합류부를 통하여 배기 매니폴드와 일체형으로 형성되는 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징에 있어서,
   상기 제1격막은
   상기 바이패스 유로의 출구단에 형성되는 밸브 시트면 상의 일측에 형성되어 양측 바이패스 유로를 연결하는 단차홈을 포함하는 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징.
6. 격벽에 의해 구획되는 2개의 스크롤 유로 및 제1격막에 의해 구획되는 바이패스 유로를 가지며, 내부 유로에 제2격막을 갖는 합류부를 통하여 배기 매니폴드와 일체형으로 형성되는 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징에 있어서,
   상기 제2격막은
   상기 내부 유로를 균일한 단면적으로 구획하는 곡선형 단면으로 구성되는 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징.
7. 제6항에 있어서,
   상기 내부 유로는
   상기 제2격막에 의해 태극문양으로 구획되어 형성되는 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징.

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