KR20120099618A - 다단 터보차저 장치 - Google Patents

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KR20120099618A
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볼프강 웬젤
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Abstract

본 발명은, 터빈 하우징(26A), 베어링 하우징(27A), 압축기 하우징(28A)을 구비한 고압 터보차저(20); 및 터빈 하우징(26B), 베어링 하우징(27B), 압축기 하우징(28B)을 구비한 저압 터보차저(21)를 포함하며, 터빈 하우징들(26A, 26B)이 적어도 하나의 터빈 하우징 유닛(26)을 형성하도록 결합되고/되거나, 베어링 하우징들(27A, 27B)이 적어도 하나의 베어링 하우징 유닛(27)을 형성하도록 결합되고/되거나, 압축기 하우징들(28A, 28B)이 적어도 하나의 압축기 하우징 유닛(28)을 형성하도록 결합되는 것인 다단 터보차저 장치(1)에 관한 것이다.

Description

다단 터보차저 장치{MULTI-STAGE TURBOCHARGER ARRANGEMENT}
본 발명은 청구범위 제1항의 전제부에 따른 내연기관용 다단 터보차저 장치에 관한 것이다.
종래 기술에 주지된 통상의 다단 터보차저 장치는 일반적으로 직렬로 배치된 2개 이상의 터보차저로 구성되고, 상기 터보차저의 압축기 하우징, 베어링 하우징, 터빈 하우징은 플랜지 또는 다른 연결 부재에 의해 서로 연결된다. 상기 설계는 구조적 체적과 중량의 증가, 및 그에 따른 상기 유형의 다단 터보차저 장치의 제조 비용의 증가를 수반한다. 아울러, 종래 기술의 다단 터보차저 장치는 구조의 높은 열활성 질량 및 배기가스 유동 덕트의 넓은 내표면 면적으로 인해 열방출 또는 냉각이 불충분하다. 그 결과로, 개별 조립체들 간의 높은 온도차로 인해 발생하는 열응력을 단지 불충분한 정도로만 방지할 수 있고, 이는 개별 부품의 사용 수명에 불리하게 작용한다.
따라서, 본 발명의 목적은, 보다 효율적인 냉각을 수행하는 단순화된 구조를 가지며 종래 기술의 전술한 단점을 방지하는 다단 터보차저 장치를 제공하는 데에 있다.
상기 목적은 청구범위 제1항의 특징부에 의해 달성된다.
고압 터보차저 및 저압 터보차저의 터빈 하우징들, 베어링 하우징들, 압축기 하우징들을 공통의 터빈 하우징 유닛, 베어링 하우징 유닛, 압축기 하우징 유닛을 형성하도록 결합시킴으로써, 종래 기술의 터보차저 장치에 비해 더 작은 구조적 체적을 가진 더 단순한 구조를 달성할 수 있다.
종속 청구항들은 본 발명의 유리한 양상에 관한 것이다.
결합된 하우징 장치는 전체적으로 다단 터보차저 장치의 개별 하우징부들의 더 단순하고 더 저렴한 제조 및 가공을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 터보차저 장치의 특정의 구조로 인해, 배기가스로부터 외부 하우징부 내부로 전달되는 열량(heat quantity)이 현저히 감소한다.
또한, 배기가스 덕트와 하우징부 사이의 공극에 의해 단열 개선이 달성된다.
유동 덕트 내에서 배기가스를 운반하기 위한 팽창 가능한 내부 재킷 장치를 사용하는 것이 또한 유리하다.
더욱이, 특히 별도의 냉각액을 이용함으로써 외부 하우징부 내에서 실질적으로 일정한 온도를 보장하는 추가 냉각에 의해 열팽창/재료 응력을 제한할 수 있다.
실질적으로 서로 평행하게 배치되는 개개의 내부 및 외부 하우징부는 또한 나사 연결, 용접 연결, 또는 클램핑 연결에 의해 서로 간단히 연결될 수 있다.
아울러, 외부 하우징부는 예를 들어 알루미늄, 강, 마그네슘, 플라스틱, 또는 다른 다양한 재료의 조합과 같은 주조 및/또는 가공이 용이한 하우징 재료로 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 터보차저 장치에 의하면, 장치의 집적도 증가로 인해, 배기가스 유동 덕트의 고온 내표면의 상당한 감소 및 상응하는 열 방출의 감소가 (특히, 워밍업 상태에서) 달성된다.
또한, 2개 이상의 샤프트/베어링 장치가 하우징들 중 하나에 배치되는 것이 가능하다.
2개 또는 복수의 샤프트/베어링을 수용하는 하우징의 냉각이 또한 이루어질 수 있다. 샤프트들의 실질적으로 평행한 배치가 또한 가능하다.
(베어링 카트리지와 유사한) 부싱을 또한 이용할 수 있고, 이는 부시 및 회전 샤프트를 지지하기 위해 외부 쉘에 삽입된다.
아울러, 외부 하우징부는 압력 다이캐스트 부품으로 제조되거나, 또는 다른 주지의 주조 공정을 이용하여 제조될 수 있다.
압축기 나선들이 샤프트 방향으로 서로에 대해 축방향 오프셋을 가지고 배치되는 것이 또한 가능하다.
터빈 나선들은 또한 내부 쉘이 삽입될 수 있도록 샤프트에 수직으로 분할될 수 있다.
터빈 나선들 및 압축기 나선들은 최소의 구조적 체적을 얻기 위해 샤프트 방향으로 바라볼 때 돌출부들이 중첩되도록 배치될 수 있다.
양 베어링 시스템의 오일 공급구 및 오일 배출구가 하우징에 주조되거나 드릴링되는 것이 또한 가능하다.
본 발명에 따른 터보차저 장치에 의하면, 냉각수가 외부 하우징의 일부 또는 전체를 통해 흐르는 것이 가능하다. 아울러, 냉각수는 일 하우징에서 타 하우징으로 흐를 수 있다.
더욱이, 고압 터빈의 바이패스 덕트가 내부 쉘의 일부로 그리고 외부 하우징 내에 통합될 수 있다.
또한, 저압 터빈의 웨이스트게이트 밸브가 내부 쉘의 일부로 통합될 수 있다.
아울러, 저압 터빈의 바이패스 밸브가 외부 하우징 내에 통합될 수 있다.
수동 작동식 압축기 바이패스 밸브가 또한 자동 밸브로 교체될 수 있다.
대안적으로, 저압 터빈의 웨이스트게이트 밸브, 고압 터빈의 웨이스트게이트 밸브, 고압 압축기의 바이패스 밸브가 제거되는 것이 가능하다.
베어링 장치는 또한, 오일이 수직 미러 위치의 장치가 있을 수 있는 임의의 방향으로 흐를 수 있도록 설계될 수 있다.
더욱이, 베어링 장치는 회전 위치의 장치가 있을 수 있도록 설계될 수 있다.
나선 및 하우징은, 복수의 다양한 크기의 나선 및 임펠러가 그 내부에 배치될 수 있도록 설계될 수 있다.
본 발명에 따른 다단 터보차저 장치의 터보차저들은 추가로 가변 터빈 기하형상을 가질 수 있다.
다단 터보차저 장치는 순차 터보차징을 위해 사용될 수 있다.
다단 터보차저 장치는 2개의 병렬 터보차저를 이용한 수퍼차징을 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 상세들, 특징들, 이점들은 첨부 도면에 기반한 예시적인 실시형태들에 대한 후술하는 설명에 의해 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 다단 터보차저 장치의 개략적으로 단순화된 실시형태를 도시한다.
도 2는 종래 기술의 개략적으로 단순화된 다단 터보차저 장치를 도시한다.
본 발명에 따른 다단 터보차저 장치(1)의 일 실시형태가 도 1을 참조하여 이하에 설명될 것이다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 다단 터보차저 장치(1)는, 고압 터빈(4)이 샤프트(14)에 의해 고압 압축기(10)에 연결된 고압 터보차저(20), 및 저압 터빈(6)이 샤프트(15)에 의해 저압 압축기(9)에 연결된 저압 터보차저(21)를 구비한다. 고압 터빈(4)과 저압 터빈(6)은 공통의 터빈 하우징 유닛(26) 내에 배치되고, 상기 터빈 하우징 유닛은 고압 터보차저(20)의 터빈 하우징 섹션(26A) 및 저압 터보차저(21)의 터빈 하우징 섹션(26B)으로 나뉘어진다. 열에 의해 팽창할 수 있는 내부 쉘(23)이 터빈 하우징 유닛(26)의 내부에 삽입되고, 상기 내부 쉘(23) 내에서 뜨거운 엔진 배기가스(Ag)가 고압 터빈(4) 및 저압 터빈(6)을 통해 흐른다. 터빈 하우징 유닛(26)에 대해 엔진 배기가스(Ag)에 의해 가열되는 내부 쉘(23)을 단열하는 공극(22)이, 내부 쉘(23)과 터빈 하우징 유닛(26) 사이에 형성된다. 아울러, 터빈 하우징 유닛(26)에는 냉각 덕트(24)가 형성되고, 그 내부에 흐르는 냉각수는 터빈 하우징 유닛(26)의 온도를 낮추거나, 또는 상기 온도를 터보차저 장치(1)의 모든 작동 상태에서 허용 가능한 레벨로 유지한다.
또한, 고압 터빈(4)의 바이패스(5)가 고압 터보차저(20)의 터빈 하우징 섹션(26A)에 형성되고, 상기 바이패스(5)는 조절 밸브(5a)를 구비하여, 조절 밸브(5a)가 개방될 때, 엔진 배기가스(Ag)가 이를 통해 고압 터빈(4)을 우회한다. 더욱이, 웨이스트게이트 장치(7)가 저압 터보차저(21)의 터빈 하우징 섹션(26B)에 형성되고, 상기 웨이스트게이트 장치(7)의 내부에 웨이스트게이트 밸브(7a)가 배치된다. 웨이스트게이트 밸브(7a)가 개방될 때, 엔진 배기가스(Ag) 유동의 일부가 저압 터빈(6)을 우회하여 배기구(8)로 직접 흐를 수 있다(도 2 참조).
고압 터보차저(20)의 샤프트(14) 및 저압 터보차저(21)의 샤프트(15)는, 고압 터보차저(20)의 베어링 하우징 섹션(27A) 및 저압 터보차저(21)의 베어링 하우징 섹션(27B)으로 조립된 공통의 베어링 하우징 유닛(27) 내에 장착된다. 베어링 하우징 유닛(27)에는 냉각 덕트(25)가 형성되고, 그 내부에 흐르는 냉각수는 터빈 하우징 유닛(26)의 인접한 내부 쉘(23)에 대해 베어링 하우징 유닛(27)을 냉각시킨다.
고압 터보차저(20)의 고압 압축기(10) 및 저압 터보차저(21)의 저압 압축기(9)는, 고압 터보차저(20)의 압축기 하우징 섹션(28A) 및 저압 터보차저(21)의 압축기 하우징 섹션(28B)으로 조립되고 압축기 커버(29)에 의해 폐쇄되는 공통의 압축기 하우징 유닛(28) 내에 배치된다. 도 1의 도시에서 알 수 있는 바와 같이, 고압 압축기(10)는 또한 베어링 하우징 유닛(27) 내에 일부 형성되고, 저압 압축기(9)는 또한 압축기 커버(29) 내에 일부 형성된다.
도 1에 또한 도시된 바와 같이, 공기(L)가 압축기 커버(29)에 형성된 덕트(16)를 통해 외부로부터 저압 압축기(9)로 공급되는데, 상기 덕트(16)는 추가 프로파일에 걸쳐 저압 압축기(9)와 고압 압축기(10) 사이의 압축기 하우징 유닛(28)에 형성되어, 고압 압축기(10) 하류의 베어링 하우징 유닛(27), 압축기 하우징 유닛(28), 압축기 커버(29)를 통해 진행된다. 아울러, 압축기 바이패스 덕트(11)가 고압 압축기(10) 영역에서 압축기 커버(29)에 형성되며, 압축기 바이패스 밸브(11a)를 포함한다. 다량의 공기 유동에 의한 고압 압축기(10)의 스로틀링(throttling)을 방지하기 위해, 상기 압축기 바이패스 덕트(11)를 통해 충전 공기(L)가 고압 압축기(10) 주위에서 전체적으로 또는 부분적으로 운반될 수 있다.
공통의 터빈 하우징 유닛(26), 베어링 하우징 유닛(27), 압축기 하우징 유닛(28) 중 서로 실질적으로 평행하게 형성된 연결면들은, 나사 연결, 용접 연결, 접착 연결, 및/또는 클램핑 연결에 의해 서로 연결되지만, 도 1에 도시되어 있지 않다.
고압 터빈(4)과 저압 터빈(6) 또는 저압 압축기(9)와 고압 압축기(10)는 각각 가변적인 터빈 기하형상을 가질 수 있고, 이는 고압 터빈(4)의 경우 예로서 도 2에 참조 부호 4a로 표시되어 있다. 아울러, 압축기 바이패스 밸브(11a)는 자동 밸브 또는 조절 밸브일 수 있고, 웨이스트게이트 밸브(7a)는 비용 절감을 위해 일부 장치에서 생략될 수 있다.
도 1에 도시된 본 발명에 따른 다단 터보차저 장치의 실시형태에서, 과열 방지를 위해 냉각 덕트들(24, 25)을 구비한 터빈 하우징 유닛(26)과 베어링 하우징 유닛(27) 사이에 샌드위치처럼 배치된 내부 쉘(23) 내에서만 뜨거운 배기가스 유동이 흐른다. 대안적으로, 냉각 덕트들(24, 25)이 또한 서로 연결될 수 있다. 다른 가능한 실시형태에서, 하우징 유닛들(26, 27, 28)이 또한 본원에 설명된 실시형태와 다르게 나뉘어질 수 있다. 더욱이, 대안적으로, 모든 하우징 유닛이 냉각되거나 또는 배기가스 유동 덕트의 단지 일부분만이 공극에 의해 단열되는 것이 또한 가능하다.
도 2는 종래 기술의 다단 터보차저 장치의 개략적으로 단순화된 도면으로, 예를 들어 디젤 엔진의 통상의 2단 터보차저 시스템에 사용된 것이다. 여기서, 동일한 구성요소는 도 1과 동일한 참조 부호에 의해 나타낸다. 도 2에 도시된 다단 터보차저 장치(10)는, 배기 매니폴드(3)로부터 배기구(8)를 통해 토출구로 흐르는 엔진(2) 배기가스(Ag)의 유동 프로파일, 및 흡기 라인(16)을 통해 엔진(2)의 흡기 매니폴드(13)로 흐르는 유입 공기(L)의 유동 프로파일을 나타낸다. 상기 통상의 터보차저 장치는 다수의 유사한 설계 및 변형으로 알려져 있지만, 이들의 구성은 본원에서 더 상세히 설명되진 않을 것이다.
본 발명에 따른 다단 터보차저 장치는 종래 기술의 주지된 터보차저 장치에 비해 부품 수의 상당한 감소 및 전체 중량의 감소를 보인다. 아울러, 구조적 체적의 상당한 감소는 터보차저 시스템의 설치 중에 굉장히 유리하다.
상기 개시내용을 보완하기 위해, 도 1의 본 발명의 개략적인 도시를 명확하게 참조한다.
참조 부호 설명
1 다단 터보차저 장치
2 엔진
3 배기 매니폴드
4 고압 터빈
4a 가변 터빈 기하형상
5 고압 터빈의 바이패스
5a 조절 밸브
6 저압 터빈
7 웨이스트게이트 장치
7a 웨이스트게이트 밸브
8 배기구
9 저압 압축기
10 고압 압축기
11 압축기 바이패스 덕트
11a 압축기 바이패스 밸브
12 충전 공기 냉각기
13 흡기 매니폴드
14 고압 터보차저의 샤프트
15 저압 터보차저의 샤프트
16 덕트
20 고압 터보차저
21 저압 터보차저
22 공극
23 내부 쉘
24 터빈 하우징 유닛의 냉각 덕트
25 베어링 하우징 유닛의 냉각 덕트
26 터빈 하우징 유닛
26A 고압 터보차저의 터빈 하우징 섹션
26B 저압 터보차저의 터빈 하우징 섹션
27 베어링 하우징 유닛
27A 고압 터보차저의 베어링 하우징 섹션
27B 저압 터보차저의 베어링 하우징 섹션
28 압축기 하우징 유닛
28A 고압 터보차저의 압축기 하우징 섹션
28B 저압 터보차저의 압축기 하우징 섹션
29 압축기 커버
Ag 엔진 배기가스
L 유입 공기

Claims (8)

  1. 터빈 하우징(26A), 베어링 하우징(27A), 압축기 하우징(28A)을 구비한 고압 터보차저(20); 및
    터빈 하우징(26B), 베어링 하우징(27B), 압축기 하우징(28B)을 구비한 저압 터보차저(21)를 포함하며,
    터빈 하우징들(26A, 26B)이 적어도 하나의 터빈 하우징 유닛(26)을 형성하도록 결합되고/되거나, 베어링 하우징들(27A, 27B)이 적어도 하나의 베어링 하우징 유닛(27)을 형성하도록 결합되고/되거나, 압축기 하우징들(28A, 28B)이 적어도 하나의 압축기 하우징 유닛(28)을 형성하도록 결합되는 것인 다단 터보차저 장치(1).
  2. 제1항에 있어서,
    터빈 하우징 유닛(26), 베어링 하우징 유닛(27), 압축기 하우징 유닛(28)은 나사 연결, 용접 연결, 접착 연결, 또는 클램핑 연결에 의해 서로 연결되는 것인 다단 터보차저 장치(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    배기가스를 운반하기 위한 일체형 내부 쉘(23)이 터빈 하우징 유닛(26)에 구비되는 것인 다단 터보차저 장치(1).
  4. 제3항에 있어서,
    내부 쉘(23)은 공극(22)으로 둘러싸인 것인 다단 터보차저 장치(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    고압 터보차저(20)의 고압 터빈(4)은 바이패스 밸브(5a)를 구비한 일체형 바이패스(5)를 포함하는 것인 다단 터보차저 장치(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    저압 터보차저(21)의 저압 터빈(6)은 일체형 웨이스트게이트 장치(7)를 포함하는 것인 다단 터보차저 장치(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 냉각 덕트(25)가 베어링 하우징 유닛(27)에 구비되는 것인 다단 터보차저 장치(1).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 냉각 덕트(24)가 터빈 하우징 유닛(26)에 구비되는 것인 다단 터보차저 장치(1).
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