KR20130113945A

KR20130113945A - 제어 샤프트 시일

Info

Publication number: KR20130113945A
Application number: KR1020127032688A
Authority: KR
Inventors: 다니엘 엔. 워드
Original assignee: 보르그워너 인코퍼레이티드
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2011-05-24
Publication date: 2013-10-16
Also published as: US9488182B2; US20130089411A1; JP2013530337A; DE112011101811T5; RU2012153936A; WO2011149867A2; WO2011149867A3; CN102892994B; CN102892994A

Abstract

예컨대 터보차저에서 상이한 압력의 체적들을 연결하는 샤프트 주위의 가스 누출 경향이 간단하고 비용 효율적인 방식으로 최소화된다. 샤프트 및 그 베어링의 계면에 상보적인 한 쌍의 절두-구형, 원뿔형 또는 기타 형상을 추가함으로써 보어 내의 샤프트의 동심도를 유지하고, 따라서 기존의 실링 프로토콜의 효과를 향상시킨다.

Description

제어 샤프트 시일{CONTROL SHAFT SEAL}

본 발명은 하우징 주형의 벽을 통과하는 터보차저 샤프트를 위한 개선된 샤프트 실링 설계의 필요성에 관한 것이다.

터보차저는 일종의 강제 유도 시스템이다. 터보차저는 공기를 보통의 흡기 구성에서 가능한 것보다 더 높은 밀도로 엔진 흡기부에 전달하여 더 많은 연료가 연소될 수 있게 함에 따라, 엔진 중량을 크게 증가시키지 않으면서 엔진의 마력을 증폭시킨다. 큰 물리적 크기를 가진 보통의 흡기 엔진을 대체하는 소형의 터보차저 엔진은, 차량의 질량 및 공기역학적 전방 면적을 감소시키게 된다.

터보차저는 엔진 배기 매니폴드로부터의 배기 유동을 사용하여, 터빈 하우징에 위치한 터빈 휠을 구동한다. 일단 배기가스가 터빈 휠을 통과하여 터빈 휠이 배기가스로부터 에너지를 추출하면, 사용된 배기가스는 익스듀서(exducer)를 통해 터빈 하우징을 빠져나가고, 차량의 다운파이프로, 그리고 보통 촉매 변환기, 미립자 트랩, NO_x 트랩과 같은 후처리 장치로 유동한다.

기본적인 터보차저 구성은 고정 터빈 하우징으로 이루어진다. 이러한 구성에서, 터빈 하우징 볼류트의 형상 및 체적은 설계 단계에서 결정되어 제 위치에 주조된다. 기본적인 고정 터빈 하우징은 단지 가장 단순하고 가장 적은 부품을 구비하기 때문에 가장 비용 효율적인 선택사항이다.

한 단계 높은 수준의 구성은 웨이스트게이트 터빈 하우징이다. 이러한 구성에서, 볼류트는 상기 고정 구성에서와 같이 제 위치에 주조된다. 볼류트는 덕트에 의해 익스듀서에 유체 연결된다. 덕트를 통한 유동은 웨이스트게이트 밸브에 의해 제어된다. 웨이스트게이트 덕트의 출구가 터빈 휠의 하류인 볼류트의 익스듀서 측에 위치하기 때문에, 웨이스트게이트 덕트를 통한 유동은 바이패스 모드에서 터빈 휠을 우회하고, 따라서 이는 터빈 휠에 전달되는 동력에 기여하지 않는다. 웨이스트게이트 터보차저가 사용되는 경우, 웨이스트게이트 피봇 샤프트의 웨이스트게이트 아암 부분은, 터빈 하우징 내부의 웨이스트게이트 밸브 및 터빈 하우징 외부에 위치한 액추에이터에 연결된다. 웨이스트게이트 피봇 샤프트는 터빈 하우징 볼류트와 터빈 하우징 외측 사이로 연장되어, 원통형 베어링에서 회전하거나, 또는 직접 터빈 하우징 내에서 회전한다. 샤프트와 베어링 보어 사이에 간극이 존재하기 때문에, 이러한 간극을 통해 독성의 고온 배기가스가 유동할 가능성이 있다.

터보차저의 부스트 제어에서 한 단계 높은 수준의 구성은, VTG(가변 터빈 구조의 일반적인 용어)이다. 이러한 터보차저 중 일부는 회전 베인을 구비하고, 일부는 슬라이딩 부분 또는 링을 구비한다. 이러한 장치의 일부 명칭으로는, 가변 터빈 구조(VTG), 가변 구조 터빈(VGT), 가변 노즐 터빈(VNT) 또는 간단히 가변 구조(VG)가 있다.

VTG 터보차저는, 항 싼의 베인 링(30, 32) 사이 및/또는 하나의 베인 링과 노즐 벽 사이에서 회전하도록 장착된 조절 가능한 가이드 베인(31)을 이용한다. 이러한 베인은, 터빈 휠로의 배기가스 유동을 조절함으로써 배기가스 배압 및 터보차저 속도를 제어하도록 조정된다. 많은 구성에서, 베인이 회전하게 하는 베인 샤프트(36)는, 상부 베인 링 위에 위치된 베인 아암(33)에 기계적으로 연결된다. 베인은 조절 링(22)에 맞물린 포크(42)에 의해 회전 가능하게 구동될 수 있다. 많은 구성에서, 시스템에서의 마찰을 최소화하고 터빈 하우징 내의 불가피한 뒤틀림 변형 및 부식과 그에 따른 연결부에서의 뒤틀림 변형 및 부식을 해결하기 위해, 베인 아암의 단부 상의 포크는 독립적으로 회전 가능한 "작은 터닝 블록(38)"을 구동한다.

도 1a 및 도 1b는, 베인 아암(33) 상의 격벽(rampart, 34)에 의해 조절 링(22)이 지지되는 VTG 구성을 보여준다. 큰 터닝 블록(37)이 샤프트에 의해 조절 링(22)에 연결된다.

(액추에이터에 의한) 제어 샤프트(23)의 변위는, 피봇 샤프트(29)의 외측 단부를 향해 부착된 피봇 아암(24)을 회전시킨다. 피봇 샤프트의 내측 단부를 향해 피봇 샤프트 포크(35)가 부착된다. 제어 샤프트(23)가 변위된 결과, 피봇 샤프트(29)가 그 축(28)을 중심으로 회전한다. 이러한 회전은 하우징 내에서 수행되어, 피봇 샤프트 포크(35)의 회전으로 이행된다. 이러한 피봇 샤프트 포크의 회전이 큰 터닝 블록(37) 상에서 작용하고, 그 결과 터보차저 중심선(1)을 중심으로 조절 링(22)이 회전한다. 터보차저 중심선(1)을 중심으로 한 조절 링(22)의 회전은, 터보차저 중심선(1)을 중심으로 다수의 작은 블록들(38)이 회전하게 하는 한편, 블록들 각각은 또한 베인 샤프트(36)의 중심선(27)을 중심으로 자유롭게 회전한다. 이러한 작은 블록들의 운동은 베인 아암(34)이 베인 샤프트(36)의 중심선(27)을 중심으로 회전하게 하며 배기 유동에 대한 베인(31)의 받음각을 변화시킨다.

터빈 하우징은 큰 온도 변화를 겪는다. 터빈 하우징의 외측은 대기 온도에 놓이는 한편, 볼류트 표면은 엔진에 사용되는 연료에 따라 740℃ 내지 1050℃ 범위의 배기가스와 접촉된다. 상기에 기술된 복잡한 이행 운동으로 인해 액추에이터는 정밀하고 반복 가능하며 막힘 없이 터빈 휠으로의 유동을 제어한다.

터빈 휠로의 배기가스 유동을 제어하고 따라서 압축기를 구동하여 유입 공기를 압축할 뿐만 아니라 압력 구배에 대항하여 압축기 시스템 내로 EGR 배기가스를 유도하여 연소 챔버 내로 재유입시키는 데 필요한 터빈 배압을 제어하기 위해 VTG가 사용된다. 터빈 시스템 내부의 배압은 최대 500 kPa의 영역에 속할 수 있다. 이처럼 터빈 스테이지 내의 높은 압력으로 인해 임의의 개구(aperture/opening)를 통해 배기가스가 대기로 빠져나가게 된다. 이러한 개구들을 통한 배기가스의 통과에는 보통 가스 유출 경로의 출구 측에 그을음 잔여물이 동반된다. 이러한 그을음 퇴적물은 외관상 원치 않는 것이고, CO, CO₂ 및 다른 독성 화학물질을 함유한 상기 배기가스의 유출은 차량 사용자의 건강을 위태롭게 하며, 이로 인해 구급차 및 버스와 같은 차량에서는 배기가스 누출이 특히 민감한 관심사가 된다. 배출물의 관점에서, 터빈 스테이지로부터 유출되는 가스는 엔진/차량 후처리 시스템에 의해 포획 및 처리되지 않는다.

원통형 보어 내부에서 회전하는 샤프트에 의해 형성된 개구를 통한 배기가스의 유동을 최소화하는 전형적인 방법은, 피스톤 또는 시일 링을 이용하는 것이다. 피스톤 링은 터보차저 내에서 흔히 사용되어 베어링 하우징으로부터 압축기 스테이지 및 터빈 스테이지 둘 다로 또는 그 반대로 오일 및 가스의 통과를 제어한다. BorgWarner사에서는 적어도 1954년에 최초로 터보차저가 대량생산된 이래 이러한 목적으로 생산된 피스톤 링을 보유하고 있다. 저속 회전 샤프트의 경우(터보차저 회전 조립체의 경우 >150,000 RPM인 것과 비교하여 150 RPM으로 저속임), 피스톤 링은 일반적으로 사용되는 물품이고 가스 통과 억제 장치만큼 양호하게 기능하므로 일반적으로 동일한 방법 및 설계가 채용된다.

액추에이터-구동된 VTG 명령들을 전달하여 베인을 회전시키는 것 또는 웨이스트게이트 밸브의 개방을 명령하는 웨이스트게이트 액추에이터와 같은 "저속 회전 샤프트" 사용에서는, 종종 비-회전 힘이 존재하여 이러한 샤프트를 비틀림, 요동(rocking) 또는 스큐잉시킨다. 이러한 운동들은 피스톤 링 또는 그에 대응하는 홈에서의 조기 마모를 일으킬 수 있고, 최악의 경우 홈 내에서 끼임에 따라 회전의 정지(locking) 또는 피스톤 링의 고장을 일으킬 수 있다. 이러한 상황은 터보차저로부터 외기로의 가스 및 미립자 누출을 악화시킨다.

따라서, 터보차저에서 "저속 회전" VTG 및 웨이스트게이트 피봇 샤프트에 사용된 가스 시일의 실링 능력과 수명을 향상시키기 위해 상대적으로 단순하고 비용 효율적인 설계가 필요하다는 것을 알 수 있다.

본 발명은, 액추에이터 피봇 샤프트를 그 보어 내에 동심 상태로 유지하여 실링 능력을 향상시킴으로써 터보차저 내부의 배기가스 잔류를 최대화하고 상기 가스가 터보차저 외부의 환경으로 유출되는 것을 최소화하는, 저비용의 단순화된 방법에 관한 것으로서, 피봇 샤프트 내에 제작된 특징부를 이용함으로써 이를 달성한다. 더욱 구체적으로, 샤프트 및 그 베어링의 계면에 상보적인 한 쌍의 절두(frusto)-구형, 원뿔형 또는 기타 형상을 추가함으로써 보어 내 샤프트의 동심도를 유지하고 그에 따라 기존의 실링 프로토콜의 효과가 향상된다는 것을 발견하게 되었다.

첨부 도면에서 본 발명을 예시적으로 도시하며 이에 한정되는 것은 아니고, 여기서 유사한 참조 부호는 유사한 부분을 나타낸다.
도 1a 및 도 1b는 전형적인 VTG 터보차저 베인 조립체의 단면을 도시한다.
도 2는 제어 샤프트와 피봇 샤프트의 계면을 도시한다.
도 3의 (a) 및 (b)는 종래의 피봇 샤프트의 단면도로서 베어링 영역을 확대하여 도시한다.
도 4의 (a) 및 (b)는 일 구현예의 단면도로서, 베어링 영역을 확대하여 도시한다.
도 5 의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제1 구현예의 단면도로서, 베어링 영역을 확대하여 도시한다.
도 6의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제2 구현예의 단면도로서, 베어링 영역을 확대하여 도시한다.
도 7의 (a) 및 (b)는 종래의 웨이스트게이트 샤프트의 단면도로서, 베어링 영역을 확대하여 도시한다.
도 8 의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제3 구현예의 단면도로서, 베어링 영역을 확대하여 도시한다.
도 9 의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제3 구현예의 변형예의 단면도로서, 베어링 영역을 확대하여 도시한다.

터보차저로 내부부터 터보차저를 둘러싼 분위기의 청정 대기로 가스 및 그을음이 누출되는 것은 엔진 제조자들에 의해 허용되지 않는다. 1950년대 처음으로 디젤 엔진의 터보차저가 대량 생산된 이후로, 베어링 하우징 공동 및 터빈과 압축기 스테이지들 중 어느 하나 또는 둘 다의 사이에서의 연통으로부터 가스 및 오일을 실링하기 위해, 터보차저 제조자들은 피스톤 링 또는 시일 링을 이용하여 왔다. 따라서 이러한 시일의 공학 기술 및 응용은 터보차저 상의 덜 부담이 되는 위치들에서 어떠한 가스 또는 물질의 시일에도 타당하다.

측면 상에서(반경방향으로) 본 일반적인 시일 링은, 샤프트 내의 임의의 환형 홈에 부분적으로 배치된 좁은 장방형 단면을 가지고, 그에 따라 샤프트와 그 보어 사이에서 또는 샤프트가 회전하는 보어 내에서, 또는 그 둘 다에 실링을 제공한다. 축방향으로, 시일 링은 바람직하게 보어 베어링 표면의 중심을 향해 위치한다. 반경방향으로 시일 링과 그 상보적 홈(들)의 상대적 위치 차이는 기능에 근거한다. 만약 시일 링이 가스 또는 물질 시일 기능에 더하여 축방향 위치를 제공하면, 시일 링은 일 구성요소의 홈에 부분적으로 존재하고, 세트의 다른 구성요소의 홈 또는 단차 내에 또는 그에 대항하여 부분적으로 존재하게 된다. 상기 기능이 전적으로 가스 또는 물질 시일의 기능이라면, 하나의 구성요소만이 그에 제작된 홈을 가질 것이며, 세트의 다른 하나의 구성요소는 홈이나 위치를 갖지 않는다. 홈은 또한 일반적으로 장방형 단면으로 이루어지며 홈의 반경방향 깊이는 시일 링의 상응하는 측보다 크므로, 구성요소 내의 시일 링의 조립을 가능하게 하는 한편, 대응하는 구성요소가 조립된 구성이 될 때까지 붕괴 또는 팽창된 시일 링을 통과하도록 한다. 최적의 실링을 제공하기 위해 장방형 홈의 폭은 이상적으로 시일 링의 폭에 가깝다. 일반적으로 홈과 시일 링의 폭이 가까울수록 실링 능력이 더 양호하다.

불리한 열적 화학적 환경으로 인해, VTG 피봇 샤프트는 전형적으로 터빈 하우징 내의 보어에 직접 장착되지만, 터빈 하우징 내의 보어에 위치한 고정 베어링(40)에 장착되는 경우가 더 많다. 이는 (가까운 간극 유지를 위해) 열팽창계수에 더 잘 매칭되고, 피봇 샤프트의 재료와 터빈 하우징의 재료 사이의 마멸(galling) 가능성을 억제하기 위한 것이다. 베어링은 일반적으로 베어링의 축에 수직인 보어를 통한 핀(59)에 의해 축방향으로 제약되고, 핀은 베어링의 외부 직경 및 터빈 하우징의 보어 둘 다를 관통함에 따라 터빈 하우징에 베어링을 제약한다.

샤프트가 터보차저의 외측으로부터(예컨대 액추에이터로부터) 터보차저의 내측으로(예컨대 VTG 조절 링으로) 회전 운동을 이행할 경우, 종종 보어 내에서 샤프트를 비틀림 변형, 요동 또는 스큐잉되게 하는 비-회전 힘이 존재한다. 이러한 비-기능적인 힘은 시일 링이 홈 내에 끼이게 하여, 조기 마모, 또는 심지어 시일 링 또는 샤프트와 보어의 고장을 야기할 수 있다.

본 발명자들은 샤프트의 외경에 위치한 홈에 위치한 전형적인 피스톤 링을 시일로서 이용하여 베어링의 내부 보어에 대해 실링하는 VTG 피봇 샤프트를 분석하였는데, 각도의 1/4만큼 작은 경사각이면 보어 내에 링이 끼이기에 충분하다는 것을 알아냈다. 피스톤 링의 측면과 홈의 치크 사이의 축방향 간극이 클수록 "끼임(pinching)"으로 인한 손상의 가능성이 작지만 누출 경로가 커진다.

관심 대상이 되는 터보차저를 외측에서 본 도면이 도 2에 도시되어 있다. 이러한 도시에 있어서, 액추에이터는 제어 샤프트(23)의 제어된 변위를 제공하며, 이는 피봇 샤프트 아암(24)을 구동하여 피봇 샤프트(29)를 회전시킨다. 터보차저 내부에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 피봇 샤프트(29)는, 보어 내에 위치된 베어링(40)에 터빈 하우징(2) 내부의 중심선(71)에 따라 반경방향으로 위치되거나, 또는 설계에 따라 베어링 하우징 내에 직접 위치된다. 도면에서, 피봇 샤프트(29)의 하측(내부) 단부에는 피봇 샤프트 상에 제작된 포크(35)가 구비된다. 이러한 포크는 도 1에 도시된 바와 같은 큰 터닝 블록(37)의 위치를 제어한다.

피봇 샤프트(29)의 피스톤 링 홈에 피스톤 링(39)이 위치한다. 도시된 종래 기술에 있어서, 하측 포크의 형상은, 베어링(40)의 추력면(43)에 대해 전체 360° 위치를 제공하지 않는 축방향 접경부(44)를 제공하며, 이는 터보차저 외부를 향한 샤프트의 축방향 위치를 제어한다. 터보차저의 외측을 향해, 베어링(40)의 상부측(50)은, 피봇 샤프트 아암(24) 상의 접경부에 대해 작용하여 터보차저의 내부를 향한 피봇 샤프트의 축방향 제어를 제공하는 추력면을 제공한다. 이러한 설계는, 피봇 샤프트(29)가 경사짐에 따라 접경부(44)와 추력면(43) 사이뿐만 아니라 시일 링(39) 주위에서 누출 경로를 허용한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 피봇 아암 포크의 설계에 변화를 줌으로써 베어링의 추력면(43)과 피봇 샤프트의 접경부(44) 간의 전체 360° 접촉을 가능하게 하였다. 이러한 설계 변화는 가스 실링 문제에는 도움이 되지만, 베어링의 보어의 중심선(71)으로부터 샤프트가 경사짐에 따라 여전히 추력 계면(43, 44) 주위뿐만 아니라 피스톤 링(39) 주위에서 누출 경로를 허용하게 된다.

본 발명의 제1 구현예에 있어서, 도 5 의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 축방향 추력 제약을 제공하면서 피봇 샤프트(29)가 경사지는 것을 비용 효율적으로 제약하기 위해, 본 발명자들은 피봇 샤프트와 부싱에 한 쌍의 셀프-센터링하는 상보적인 대응 접촉면을, 예를 들어 피봇 샤프트(29)에 대해 베어링(40)의 절두-원뿔형 표면(46) 및 내부 절두-원뿔형 표면(47)을 추가하였다. 상기 표면들은 형상의 정점이 피봇 샤프트가 차지하는 영역 내에 있음에 따라 "절단"되므로, "절두"-원뿔형으로 지칭된다. 이러한 절두-원뿔형 표면은 부싱 상에서 피봇 샤프트가 요동치고 경사지는 것을 방지하는 한편 샤프트를 베어링에 센터링시킨다. 절두-원뿔형 계면의 한 가지 궁극적인 효과는, 시일 링이 더 이상 시일 링 홈의 치크에 대한 시일 링의 측면들 사이의 상대적 정렬의 기울기 및 시일 링의 외경과 베어링의 대응 보어의 내경 사이의 어떠한 상대적 기울기에도 견디지 않아도 된다는 점이다. 절두-원뿔형 계면의 또 다른 궁극적인 효과는, 샤프트가 이제 베어링의 대응 원뿔 형상과 항상 거의 360° 접촉하고 있으므로, 이러한 계면이 시일로 작용하여 시일 링의 가스 및 물질 실링 능력을 보완한다는 점이다.

본 발명의 제2 구현예에 있어서, 도 6 의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 피봇 샤프트(29)가 경사지는 것을 비용 효율적으로 제약하면서 축방향 추력 제약을 제공하기 위해, 본 발명자들은 피봇 샤프트 및 베어링에 한 쌍의 셀프-센터링하는 상보적인 대응 접촉면을, 예를 들어 피봇 샤프트(29)에 대해 베어링(40)의 외부 절두-구형 표면(48) 및 내부 절두-구형 표면(47)을 추가하였다. 상기 표면들은 형상의 정점이 피봇 샤프트가 차지하는 영역 내에 있음에 따라 "절단"되므로, "절두"-구형으로 지칭된다. 이러한 절두-구형 계면은 베어링 상에서 피봇 샤프트가 요동치고 경사지는 것을 방지하는 한편 샤프트를 부싱에 센터링시킨다. 절두-구형 표면의 한 가지 궁극적인 효과는, 피스톤 링이 더 이상 시일 링 홈의 측면에 대한 시일 링의 치크들의 상대적 위치의 기울기 및 시일 링의 외경과 베어링의 대응 보어의 내경 사이의 어떠한 상대적 기울기도 견디지 않아도 된다는 점이다. 절두-구형 계면의 또 다른 궁극적인 효과는, 샤프트가 이제 베어링의 대응 원뿔 형상과 항상 거의 360° 접촉하고 있으므로, 이러한 계면이 시일로 작용하여 시일 링의 가스 및 물질 실링 능력을 보완한다는 점이다.

샤프트와 부싱의 셀프-센터링 대응 표면들을 정의하기 위해 다음의 사항이 필요하다: 하나의 표면은 좁은 오목부의 환형 영역을 포함한다; 상보적인 표면은 동일한 방향에서 봤을 때 좁은 볼록부의 영역을 포함하고, 이 표면들은, 두 표면이 함께 모이면 좁은 오목부와 상보적인 좁은 볼록부가 샤프트로 하여금 베어링 내에서 센터링되도록 협동한다. 상기 표면들은, 예컨대 절두-원뿔형, 절두-구형, 부분 원뿔형 및 부분 구형, 심지어는 편평형과 원뿔형 또는 편평형과 구형의 혼합형("단차형"), 또는 샤프트 및 부싱의 계면에 사용되는 상이한 각도의 원뿔형 표면들의 조합 또는 상이한 곡률 표면들의 조합일 수 있으며, 대응하는 표면들이 샤프트 축에 대해 동심을 나타내고 베어링의 축에 샤프트를 센터링시키도록 협동하는 한, 원뿔형 표면들은 임의의 각도로 이루어질 수 있고 만곡부는 임의의 곡률로 이루어질 수 있는 것으로 가정된다. 계면 형상은 심지어, 접촉 표면들이 함께 샤프트의 하측 단부를 센터링시키는 한, 베지어 곡선의 회전 표면의 형상 또는 베지어 곡선 경로의 회전 형상을 띨 수 있다. 협동하는 표면들에는 하나 이상의 동심의 역 이미지 "리플(ripple)"이 형성될 수도 있다. 그러나, 모든 설계들에는 유사한 정도의 효과가 있으므로, 더 간단하고 쉽게 제조되는 표면들은 제조 비용에 좌우될 것이다.

도 1b에 도시된 바와 같이, 일반적인 피봇 샤프트에는 두 개의 베어링, 즉 전술된 하부 베어링(40), 및 샤프트의 외측 단부에 반경방향 제약을 제공하는 상부 베어링(41)이 구비된다. 상부 베어링은 이미 터보차저의 배기가스 유지 부분 외측에 있으므로, 가스/액체/고체 실링 매체를 필요로 하지 않는다. 이러한 구성에서, 피봇 샤프트 아암(24)에 의해 부여되는 동일한 힘 및 조건을 위해, 베어링 주위의 모멘트가 최소화되고, 따라서 베어링 하중이 최소화된다. 피봇 샤프트 아암(24)(즉, 캔틸레버형 샤프트) 외측에 베어링이 없는 경우(일반적인 웨이스트게이트와 유사함), 베어링을 통한 힘은 오버행되고, 베어링에 전달된 힘은 훨씬 더 크다(캔틸레버형 빔의 단순한 경우 대 부분적으로 분산된 하중에 대한 경우). 많은 요인들이 터보차저의 설계에 영향을 끼치므로, 본 발명자들은 시일 링의 효과를 최대화하기 위해서, 캔틸레버형 피봇 샤프트의 경우, 내부 베어링(40)(이 경우 유일한 베어링)의 상부측 또한 샤프트의 경사, 절곡, 비틀림을 방지하려는 목적으로 한 쌍의 상보적인 절두-원뿔형 또는 절두-구형 표면들을 사용할 수 있음을 깨달았다.

웨이스트게이트 터보차저 구성의 경우, 웨이스트게이트 피봇 샤프트 상의 제약에 대한 기능은 VTG 피봇 샤프트와 매우 유사하다. 도 7의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 웨이스트게이트 밸브(61)는 부착 지점에서 워블링(wobbling)되어 밸브가 폐쇄 위치로 슬라이딩함에 따라 경사질 수 있도록 하는 방식으로 웨이스트게이트 아암(62)에 연결된다. 일반적으로 웨이스트게이트 아암(62)은 웨이스트게이트 피봇 샤프트(63)에 용접되거나 단일 주형으로 주조된다. 웨이스트게이트 아암 조립체(샤프트, 아암, 밸브, 밸브 부착부)의 원통형 샤프트 부분은, 터빈 하우징(2)의 보어 및 베어링(60)의 축과 일치하는 축(71)을 중심으로 피봇 운동한다.

웨이스트게이트 아암 조립체의 축방향은 일반적으로, 터빈 하우징의 내측을 향해서는 내부 추력면(64)과 접경부(65)의 면들에 의해, 터빈 하우징의 외측을 향해서는 외부 추력면(67)과 접경부(66)의 면들에 의해 제약된다. 종종 터빈 하우징의 외측 상의 접경부 기능은, 웨이스트게이트 피봇 샤프트(63)가 터빈 하우징에 조립된 후 이에 조립 및 고정되는 웨이스트게이트 제어 아암(74)의 내부 표면에 의해 제공된다. 이러한 조립은 일반적으로 비 작동 시 터빈 하우징 내에 후속 조립되는 것보다는 실제 터빈 하우징 조립체 상에 수행되며, 따라서 상부 베어링이 존재하지 않고, 웨이스트게이트 아암(74) 상의 비-회전 힘은 하부의 유일한 베어링(60)으로부터 오버행된다.

불리한 열적 및 화학적 환경 때문에, 웨이스트게이트 피봇 아암은 일반적으로 터빈 하우징 내의 보어에 직접 장착되지만, (가까운 간극을 유지하기 위해) 열팽창계수를 더 매칭시키고, 피봇 샤프트의 재료와 터빈 하우징의 재료 사이의 마멸 가능성을 억제하기 위해서는 터빈 하우징의 보어에 위치한 베어링(60)에 장착되는 경우가 더 많다. 많은 생산 웨이스트게이트 구성들은 일반적으로 회전 샤프트와 베어링 또는 터빈 하우징 내의 원통형 보어 사이의 실링 장치로서 피스톤 링을 사용하여 배기 물질의 누출을 제한하지만, 이러한 실링 프로토콜은 초기의 웨이스트게이트 터보차저에는 사용되지 않았다.

본 발명의 제3 구현예에 있어서, 도 8 의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명자들은, 피봇 샤프트 및 베어링에 한 쌍의 셀프-센터링하는 상보적인 대응 접촉면을, 예를 들어 웨이스트게이트 피봇 샤프트(63)에 대해 베어링(60)의 외부 절두-구형 표면(69) 및 내부 절두-구형 표면(68)을 추가하였다. 상기 표면들은 형상의 정점이 피봇 샤프트가 차지하는 영역 내에 있음에 따라 "절단"되므로, "절두"-구형으로 지칭된다. 이러한 절두-구형 표면은 베어링 상에서 피봇 샤프트가 요동치고 경사지는 것을 방지하는 한편 샤프트를 부싱에 센터링시킨다. 절두-구형 계면의 한 가지 궁극적인 효과는, 피스톤 링이 더 이상 시일 링 홈의 측면에 대한 시일 링의 치크들의 상대적 위치의 기울기 및 시일 링의 외경과 베어링의 대응 보어의 내경 사이의 어떠한 상대적 기울기에도 견디지 않아도 된다는 점이다. 절두-구형 계면의 또 다른 궁극적인 효과는, 샤프트가 이제 베어링의 대응 원뿔 형상과 항상 거의 360° 접촉하고 있으므로, 이러한 계면이 시일로 작용하여 시일 링의 가스 및 물질 실링 능력을 보완한다는 점이다.

본 발명의 제4 구현예에 있어서, 훨씬 더 양호한 실링이 요청되는 경우, 도 9의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명자들은 피봇 샤프트 및 베어링에 또 다른 한 쌍의 셀프-센터링하는 상보적인 대응 접촉면을, 예를 들어 웨이스트게이트 피봇 아암(63)에 대해 베어링(60)의 외부 절두-구형 표면(73) 및 내부 절두-구형 표면(72)을 추가하였다. 상기 표면들은 형상의 정점이 피봇 샤프트가 차지하는 영역 내에 있음에 따라 "절단"되므로, "절두"-구형으로 지칭된다. 이러한 절두-구형 표면은, 터보차저에 내측방향으로 힘이 인가될 때, 베어링 상에서 피봇 샤프트가 요동치고 경사지는 것을 방지하는 한편 샤프트를 부싱에 센터링시킨다. 일반적인 웨이스트게이트 액추에이터에서는, 스프링에 대항하여 힘을 부여하는 다이어프램에 대해 공기압(정압 또는 진공압)이 인가된다. 스프링은 일반적으로 바닥 단부면이 구비된 코일 스프링이다. 스프링의 하중 높이는 스프링의 길이를 그라인딩하여 설정됨에 따라, 스프링에 의해 부여된 시트(seat) 압력은 동일한 스프링-스프링에 가깝다. 이러한 프로토콜은 종종 스프링이 액추에이터 출력 로드의 중심선과 일치하는 힘을 부여하지 않는 결과를 가져온다. 이러한 현상은 액추에이터 출력 로드가 원하는 중심선 위치로부터 오프셋된 각도의 위치에 안착되도록 한다. 웨이스트게이트 제어 아암(74)에 조립되면, 이러한 원치 않는 오프셋은 웨이스트게이트 피봇 샤프트(63)에 힘이 축방향으로 작용하게 만든다. 오프셋 각도(360° 범위 중 어디든 될 수 있음)에 따라, 액추에이터 로드의 오프셋은 웨이스트게이트 피봇 샤프트 상에 축방향 내측의 힘을 야기시킬 수 있고, 이는 내측 절두-원뿔형/구형 표면을 그 외측 대응 표면으로부터 들어올려서 누출 경로를 개방시킬 수 있다. 이미 존재하는 내측 절두-구형/원뿔형 계면에 더하여 베어링의 외측 단부에 한 쌍의 절두-구형/원뿔형 표면(72, 73)을 적용함으로써, 내측 힘에 대한 제약뿐만 아니라 상보적인 실링 계면 또한 존재하게 된다.

또한, 용기 또는 유동 도관의 내부가 대기에 비해 상승된 압력에 있을 필요는 없다. 용기 또는 유동 도관의 내부는 대기압 이하의 압력을 가질 수 있으며, 심지어 내부는 고압과 저압 사이에서 변동할 수 있다. 예를 들어, 엔진의 흡기 및 배기 시스템은, 특정 또는 일시적 이벤트를 발생시키기 위해 시스템의 한 부분에서 다른 부분으로의 압력차를 조절하도록 다수의 밸브 등을 포함한다. 이러한 이벤트로는 EGR 허용, 터보차저 과속 방지, 터보차저 지체 시간 방지, 배기 제동, 배압 조절이 있다. 이러한 밸브들이 일반적으로 공통되게 가지고 있는 적어도 하나의 특징은, 상기 밸브들의 작동이 도관 채널 외측으로부터 구동되어 도관 채널 내측의 밸브 또는 플래퍼와 같은 장치의 운동/회전을 제공한다는 점이다. 일반적으로 도관 채널의 외부는 상압 상태이고, 내부는 상이한 압력(정압, 부압(예컨대, 초크 또는 서지 조건 하의 압축기 흡기)), 또는 이 모두의 일시적 또는 시간에 기초한 조합에 있다. 이러한 경우들 각각에 비용 효율적인 센터링 및 실링 샤프트 시일 설계가 필요하다.

본원에서 샤프트 시일은 터보차저에 적합한 VTG 및 웨이스트게이트 구현예와 관련하여 매우 상세하게 설명되었지만, 샤프트 시일은, 다수의 다른 응용들, 예컨대 EGR 나비형 밸브, 분할된 터빈 하우징에서의 유동을 제어하는 밸브 또는 게이트, 또는 배기 유동 바이패스 밸브에서의 사용에 적합함이 쉽게 명백해질 것이다. 바람직한 구현예의 개시는 오직 예시적인 것이며, 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않으면서 구조 및 조합의 구성에 대한 상세사항에 수많은 변화가 이루어질 수 있다.

Claims

터보차저에 있어서,
터보차저 하우징;
터보차저 내의 장치(22)를 구동하기 위한 구동 메커니즘(35); 및
터빈 하우징 내부의 내측 단부 및 터빈 하우징 외부의 외측 단부를 구비하며, 터보차저 하우징의 보어에 회전 가능하게 장착되어 터보차저 하우징 외부로부터 구동 메커니즘(35)으로 구동 운동을 전달하는 피봇 샤프트(29)를 포함하고,
이 때 샤프트 또는 보어에 시일(39)이 구비되며,
샤프트 및 보어에는, (a) 시일을 센터링시키고 시일이 경사지는 것을 방지하며, (b) 추가로 누출에 대해 실링하기 위한, 셀프-센터링하는 상보적인 동심 대응 접촉면들이 구비되는 것인 터보차저.
제1항에 있어서,
보어를 통과하는 샤프트 부분의 직경(47, 49)이 좁아지고, 샤프트의 좁아지는 직경에 상보적으로 보어의 부분의 직경(46, 48)이 좁아지는 것인 터보차저.
제2항에 있어서,
좁아지는 볼록부 및 오목부의 형상은, 절두-원뿔형, 절두-구형, 부분 원뿔형, 부분 구형, 편평형과 원뿔형 또는 편평형과 구형의 혼합형("단차형"), 또는 상이한 각도의 원뿔형 표면들의 조합 또는 상이한 곡률 표면들의 조합인 것인 터보차저.
제3항에 있어서,
샤프트 및 보어는 대응하는 접촉면들에서 360°의 동심도를 나타내는 것인 터보차저.
제1항에 있어서,
실링 부분은 실링 링을 수용하는 원주방향 홈을 포함하는 것인 터보차저.
제5항에 있어서,
상기 실링 링 및 상기 홈은 장방형 단면을 가지는 것인 터보차저.
제1항에 있어서,
상기 장치는 노즐 통로를 형성하는 베인을 구동하기 위한 유니슨 링을 포함하는 가변 노즐 장치인 것인 터보장치.
제1항에 있어서,
상기 장치는 웨이스트게이트인 것인 터보차저.
제1항에 있어서,
상기 터보차저 하우징을 통과하는 상기 보어는 내측 단부 및 외측 단부를 가지는 부싱에 의해 형성되는 것인 터보차저.
제9항에 있어서,
셀프-센터링하는 상보적인 동심 대응 접촉면들은 부싱의 내측 단부에 형성되는 것인 터보차저.
제9항에 있어서,
셀프-센터링하는 상보적인 동심 대응 접촉면들은 부싱의 내측 단부 및 외측 단부에 형성되는 것인 터보차저.
제1항에 있어서,
터보차저는 압축기 하우징, 베어링 하우징 및 터빈 하우징을 포함하고, 이 때 보어는 터빈 하우징을 통해 연장되는 것인 터보차저.
제1항에 있어서,
터보차저는 압축기 하우징, 베어링 하우징 및 터빈 하우징을 포함하고, 이 때 보어는 베어링 하우징을 통해 연장되는 것인 터보차저.
압력차를 분리하는 벽을 통해 회전력을 전달하기 위한 장치에 있어서,
제1 및 제2 측면을 가지며, 제1 측면상의 제1 압력 및 다른 한 측면 상의 제2 압력을 가지는 벽; 및
벽의 일 측면 상의 제1 단부 및 벽의 다른 한 측면 상의 제2 단부를 가지며, 벽을 통해 연장된 보어에 회전 가능하게 장착되어 벽의 일 측면으로부터 벽의 다른 한 측면으로 구동 운동을 전달하는 피봇 샤프트(29)를 포함하며,
이 때 샤프트 또는 보어에 시일(39)이 구비되며,
샤프트 및 보어에는, (a) 시일을 센터링시키고 시일이 경사지는 것을 방지하며, (b) 추가로 누출에 대해 실링하기 위한, 셀프-센터링하는 상보적인 동심 대응 접촉면들이 구비되는 것인 장치.
제15항에 있어서,
벽은 압력 또는 진공 공간을 밀폐하는 것인 장치.
제15항에 있어서,
벽은 엔진 흡기부의 유동 채널인 것인 장치.
제16항에 있어서,
유동 채널은 내부 공간을 밀폐하고, 그 동안 엔진의 작동은 때로는 대기압 이하의 압력에 있고 때로는 대기압보다 높은 압력에 있는 것인 장치.