KR20140001912A - Simplified variable geometry turbocharger with increased flow range - Google Patents

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존 피. 왓슨
데이비드 지 그레보위스키
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보르그워너 인코퍼레이티드
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Abstract

가변 지오메트리 터보차저는 간단하지만 펄스 에너지를 유지할 수 있다. 제1 실시예에서, 터빈 하우징은 터빈 하우징의 입구 근처 지점을 중심으로 회전하는 회전식 유동 제어 밸브를 구비한다. 회동 지점을 중심으로 밸브가 이동함으로써, 터빈 하우징 와류실의 유효 부피가 가변되고, 따라서 와류실의 배기가스 부피가 효과적으로 감소되고, 터빈 휠로 유동되는 배기가스의 제어가 가능하다. 본 발명의 제2 실시예에서, 와류부 내의 회전 쐐기부는 제1 위치에서 제2 위치로 회전되고, 와류실의 유효 부피를 변화시켜 터빈 휠로 유동되는 배기가스의 제어가 가능하다.The variable geometry turbocharger is simple but can maintain pulse energy. In a first embodiment, the turbine housing has a rotary flow control valve that rotates about a point near the inlet of the turbine housing. By moving the valve around the pivot point, the effective volume of the turbine housing vortex chamber is varied, thus effectively reducing the exhaust gas volume of the vortex chamber and allowing the control of the exhaust gas flowing to the turbine wheel. In the second embodiment of the present invention, the rotating wedge portion in the vortex portion is rotated from the first position to the second position, and it is possible to control the exhaust gas flowing to the turbine wheel by changing the effective volume of the vortex chamber.
Figure P1020137013094

Description

증가된 유동 범위를 갖는 단순화된 가변 지오메트리 터보차저{SIMPLIFIED VARIABLE GEOMETRY TURBOCHARGER WITH INCREASED FLOW RANGE}Simplified variable geometry turbocharger with increased flow range {SIMPLIFIED VARIABLE GEOMETRY TURBOCHARGER WITH INCREASED FLOW RANGE}
본 발명은 비용이 절감되고, 증가된 범위의 터빈 유동 제어 장치에 대한 요구를 다루고, 터빈 휠로의 제어된 비대칭 유동을 갖는 단순화된 가변 지오메트리 터보차저 하우징을 구성함으로써 상기 요구를 달성한다.The present invention achieves this need by reducing costs, addressing the need for an increased range of turbine flow control devices, and by constructing a simplified variable geometry turbocharger housing with controlled asymmetrical flow into the turbine wheel.
터보차저는 강제 유도 시스템(forced induction system)의 한 유형이다. 터보차저는 더 많은 연료가 연소되도록 정상적인 흡입 구성에서 가능한 것보다 고밀도로 공기를 엔진 흡입구에 전달하여, 엔진 무게를 크게 증가시키지 않고 엔진의 마력을 증가시킨다. 작은 터보차저가 달린 엔진은 큰 물리적 크기의 일반적인 흡기 엔진을 대체할 수 있고, 따라서 차량의 질량 및 공기역학적 전면 면적을 감소시킨다.Turbochargers are a type of forced induction system. The turbocharger delivers air to the engine intake at a higher density than would be possible in a normal intake configuration to allow more fuel to burn, increasing engine horsepower without significantly increasing engine weight. Engines with small turbochargers can replace conventional intake engines of large physical size, thus reducing the mass and aerodynamic front area of the vehicle.
터보차저(도 1)는 엔진 배기 매니폴드로부터, 터빈 하우징(2)의 터빈 입구(51)에서 터빈 하우징으로 유입되는 배기 유동(100)을 이용하여, 터빈 하우징 안에 위치된 터빈 휠(70)을 구동한다. 터빈 휠은 샤프트의 일단에 견고하게 부착된다. 압축기 휠(20)은 샤프트의 타단에 장착되고 압축기 너트로부터의 고정 하중에 의해 제 위치에 유지된다. 터빈 휠의 주 기능은 압축기를 구동하기 위한 회전력을 제공하는 것이다. 배기가스가 터빈 휠(70)을 통과하고 터빈 휠이 배기가스로부터 추출된 에너지를 얻으면, 소비된 배기가스(101)는 출구(52)를 통해 터빈 하우징(2)을 빠져 나가고, 차량의 하관을 거쳐 일반적으로 촉매 변환기, 입자상 물질 여과 장치 및 질소산화물 여과 장치와 같은 후처리 장치로 유입된다.The turbocharger (FIG. 1) utilizes an exhaust flow 100 that flows from the engine exhaust manifold to the turbine housing at the turbine inlet 51 of the turbine housing 2, and thus the turbine wheel 70 located in the turbine housing. Drive. The turbine wheel is firmly attached to one end of the shaft. The compressor wheel 20 is mounted on the other end of the shaft and held in place by a fixed load from the compressor nut. The main function of the turbine wheel is to provide rotational force for driving the compressor. When the exhaust gas passes through the turbine wheel 70 and the turbine wheel obtains the energy extracted from the exhaust gas, the spent exhaust gas 101 exits the turbine housing 2 through the outlet 52 and exits the lower part of the vehicle. And is generally introduced into aftertreatment devices such as catalytic converters, particulate matter filtering devices and nitrogen oxide filtering devices.
터빈 스테이지를 통해 발생된 동력은 터빈 스테이지에 걸친 팽창비, 즉 터빈 입구(51)로부터 터빈 출구(52)까지의 팽창비의 함수이다. 터빈 동력의 범위는 다른 파라미터들 중에서도 터빈 스테이지를 통과하는 질량 유동의 함수이다.The power generated through the turbine stage is a function of the expansion ratio across the turbine stage, that is, the expansion ratio from the turbine inlet 51 to the turbine outlet 52. The range of turbine power is a function of the mass flow through the turbine stage, among other parameters.
압축기 스테이지는 휠과 휠의 하우징으로 구성된다. 여과된 공기는 압축기 휠(20)의 회전에 의해 압축기 커버(10)의 입구(11)로 축방향으로 유입된다. 터빈 스테이지를 통해 샤프트 및 휠에 발생된 동력은 정적 압력과 일부 잔류 운동에너지 및 열의 조합이 생성되도록 압축기 휠(20)을 구동한다. 압축 가스는 압축기 배출구(12)를 통해 압축기 커버(10)를 빠져 나가고, 보통 인터쿨러를 통해 엔진 흡입구로 전달된다.The compressor stage consists of a wheel and a housing of the wheel. The filtered air is axially introduced into the inlet 11 of the compressor cover 10 by the rotation of the compressor wheel 20. Power generated in the shaft and wheel through the turbine stage drives the compressor wheel 20 to produce a combination of static pressure and some residual kinetic energy and heat. The compressed gas exits the compressor cover 10 through the compressor outlet 12 and is usually delivered to the engine inlet via an intercooler.
터빈 스테이지의 구성은, 엔진 작동 한계에서 서로 다른 유동 체계들로 압축기를 구동하는데 필요한 동력; 스테이지의 공기역학적 구성; 회전 조립체의 관성(터빈 휠이 전형적으로 압축기 휠의 알루미늄 밀도의 3배의 밀도를 갖는 인코넬(Inconel)로 제조되기 때문에, 터빈은 회전 조립체의 큰 부분임); 구성의 구조 면과 재료 면에 영향을 미치는 터보차저 작동 사이클; 및 블레이드 작동에 대한 터빈 휠의 상류와 하류 모두의 근접 범위(near filed)(배기 유동)를 절충한 것이다.The configuration of the turbine stage includes the power required to drive the compressor with different flow regimes at engine operating limits; Aerodynamic configuration of the stage; Inertia of the rotating assembly (the turbine is a large part of the rotating assembly since the turbine wheel is typically made of Inconel, which has a density three times the aluminum density of the compressor wheel); Turbocharger operating cycles affecting the structural and material aspects of the configuration; And the near filed (exhaust flow) of both the upstream and downstream of the turbine wheel for blade operation.
터빈 하우징의 물리적 구성의 일부는 와류실(volute)(47), 또는 한 쌍의 와류실들이고, 와류실의 기능은, 입구 유동 조건들이 배기가스의 에너지로부터 터빈 휠을 통해 발생되는 동력까지, 최상의 과도(transient) 응답 특성과 결합된 가장 효율적인 동력 전달을 제공하도록 터빈 휠의 입구 조건들을 제어하는 것이다. 이론적으로, 엔진으로부터 유입된 배기 유동은 와류실로부터 터빈 휠 축을 중심으로 하는 소용돌이로 균일한 방식으로 전달된다. 이를 위해, 이상적으로, 와류실의 단면적은 유동 방향과 최대한 수직을 이루고, 그 각도가 0이 될 때까지 점진적으로 그리고 연속적으로 감소된다. 와류실의 내부 경계는 기초 원(71)으로 한정된 완전한 원일 수 있고, 또는 일부 경우들에서, 도 2a에 도시된 것처럼 트윈(twin) 와류실(48, 49)과 같이, 와류실의 내부 경계는 최소 직경이 터빈 휠 직경의 적어도 106%인 나선형으로 설명될 수 있다.Part of the turbine housing's physical configuration is the vortices 47 or a pair of vortices, the function of which is the best of the inlet flow conditions, from the energy of the exhaust gas to the power generated through the turbine wheel. It is to control the inlet conditions of the turbine wheel to provide the most efficient power transmission combined with the transient response characteristics. In theory, the exhaust flow from the engine is transmitted in a uniform manner from the vortex to the vortex about the turbine wheel axis. To this end, ideally, the cross-sectional area of the vortex chamber is as perpendicular to the direction of flow as possible and is gradually and continuously reduced until the angle is zero. The inner boundary of the vortex chamber may be a complete circle defined by the base circle 71, or in some cases, as in the twin vortex chambers 48, 49, as shown in FIG. 2A, the inner boundary of the vortex chamber may be It may be described as a spiral in which the minimum diameter is at least 106% of the turbine wheel diameter.
와류실은, 상술한 것처럼, 도 4에 도시된 "X-Y" 축으로 한정된 하나의 평면에서 반경이 감소되는 와류실(53)의 외부 경계에 의해 그리고 내부 경계에 의해, 그리고 도 8a에 도시된 "Z" 축을 통과하는 평면에서 각각의 위치에 있는 단면적들에 의해 한정된다. "Z" 축은 "X-Y" 축으로 한정된 평면에 수직하고, 또한 터빈 휠의 축이다.The vortex chamber is, as described above, by the outer boundary and by the inner boundary of the vortex chamber 53 whose radius is reduced in one plane defined by the "XY" axis shown in FIG. 4, and by "Z" shown in FIG. 8A. "Defined by the cross-sectional areas at each position in the plane passing through the axis. The "Z" axis is perpendicular to the plane defined by the "X-Y" axis and is also the axis of the turbine wheel.
다중 유입 와류실들은 둘레를 따라 와류실 면적을 분할하여 생성될 수도 있다. 와류실은 도 15a에 도시된 것처럼, 와류실의 감소되는 외부 경계를 따르는 축방향 벽들(103, 104)에 의해 분할된다.Multiple inlet vortex chambers may be created by dividing the vortex chamber area along the perimeter. The vortex chamber is divided by axial walls 103, 104 along the reduced outer boundary of the vortex chamber, as shown in FIG. 15A.
제품 구성의 일관성을 위해, 와류실의 생성이 단면(slice) "A"(도 4)에서 시작되는 시스템이 이용되고, 여기서 단면 "A"는 와류실의 나머지를 위한 기준으로서 정의된다. 기준 단면 "A"는 와류실 형상의 "X"축, "Y"축 및 "Z" 축 구조들을 포함하는 터빈 하우징의 "X" 축 위에 각도 "P" 도를 이루는 단면으로 정의된다.For consistency of the product configuration, a system is used in which the creation of the vortex chamber starts at slice “A” (FIG. 4), where section “A” is defined as a reference for the rest of the vortex chamber. Reference cross section "A" is defined as the cross section making an angle "P" degree over the "X" axis of the turbine housing including the "X" axis, "Y" axis and "Z" axis structures of the swirl chamber shape.
와류실의 크기 및 형상은 다음의 방식으로 정의된다: 널리 사용되는 용어 A/R은 어둡게 표시된 유동 면적의 중심(161)으로부터 터보 중심선까지의 거리로 나눈 단면 "A" 에서의 부분 면적의 비를 나타낸다. 도 8a에서, 중심(161)의 위치는 터보 중심선까지의 거리(RA)를 정한다. 터빈 하우징들의 집합의 서로 다른 터빈 하우징들의 전체적인 형상은 동일하지만, 단면 "A" 에서의 면적은 거리(RA)가 다른 것처럼 다르다. A/R 비는 일반적으로 (다른 A/R 비들을 갖는) 동일한 집합 내의 특정 터빈 하우징을 다른 터빈 하우징들과 구별하기 위해 특정 터빈 하우징을 위한 "명칭"으로 사용된다. 도 8a의 와류실은, 와류실의 형상들이 적당한 삼각형이고 면적이 동일하게 된 전형적인 분할 터빈 하우징의 와류실이다. (도 8a에 도시된 것처럼) 트윈 유동 구성의 경우, 두 와류실들에 대한 단면 "A" 에서의 면적은 동일하다. 상기 면적의 중심들(160, 161)은 동일한 반경(RA)에 있다. 이 단면에서 개개의 와류실들이 분할 벽에 대해 대칭이므로, 평균 중심(163)은 동일한 반경(RA )으로 터빈 하우징 중심선에 있다.The size and shape of the vortex chamber is defined in the following manner: The widely used term A / R is the ratio of the partial area in section "A" divided by the distance from the center 161 of the darkened flow area to the turbo center line. Indicates. In FIG. 8A, the position of the center 161 defines the distance R A to the turbo center line. The overall shape of the different turbine housings of the set of turbine housings is the same, but the area in cross section "A" differs as if the distance R A is different. The A / R ratio is generally used as a “name” for a particular turbine housing to distinguish a particular turbine housing in the same set (with different A / R ratios) from other turbine housings. The vortex chamber of FIG. 8A is the vortex chamber of a typical split turbine housing in which the shapes of the vortex chamber are of suitable triangles and have the same area. In the twin flow configuration (as shown in FIG. 8A), the area in section “A” for the two vortex chambers is the same. The centers 160, 161 of the area are at the same radius R A. Since the individual vortex chambers in this section are symmetrical about the dividing wall, the average center 163 is at the turbine housing centerline with the same radius R A.
단면 "A"는 "X" 축으로부터 각도 "P" 만큼 이격되어 있다. 따라서 터빈 하우징은 동일한 반경방향 단면들(보통 30°, 따라서 (30x + P°)로)로 기하학적으로 분할되며, 면적들(AA -M) 및 반경들(RA-M)들이 모서리 반경들과 같은 다른 기하학적 정의와 함께 정의된다. 이러한 정의들로부터 와류실 벽들을 따르는 지점들의 스플라인(spline)들이 생성되고, 따라서 와류실의 완전한 형상을 정의한다. 벽의 두께는 내부 와류실 형상에 더해지고, 이러한 방법을 통해 터빈 하우징이 정의된다.The section "A" is spaced apart from the "X" axis by an angle "P". The turbine housing is thus geometrically divided into the same radial cross sections (usually at 30 °, thus (30x + P °)), with areas A A -M and radii R AM equal to the corner radii. Defined with other geometric definitions. From these definitions splines of the points along the vortex chamber walls are created, thus defining the complete shape of the vortex compartment. The thickness of the wall is added to the internal vortex compartment shape and in this way the turbine housing is defined.
원형 단면이 유체 마찰 손실을 최소화하는 최소 표면적을 갖기 때문에, 주어진 면적에서 이론적으로 최적화된 와류실 형상은 원형 단면이다. 그러나, 와류실은 스스로 작동하지 않고, 시스템의 일부이며, 그래서 도 4에 도시된 단면 "A" 로부터 단면 "M"의 평면까지, 그리고 단면 "M" 으로부터 텅(tongue)부까지의 평면에서의 유동 요건들은 터빈 스테이지의 성능에 영향을 준다. 이 요건들은, 터빈 하우징 외부의 설계상의 요건들(공간 효용성), 베어링 하우징에 터빈 하우징을 위치시키고 장착하는 방법, 및 단면 "A" 로부터 터빈 풋(51)까지의 연결과 같은 다른 요구들로 인해 보통 절충되고, 이 요구들은 조합되어 터빈 하우징 와류실들이 직사각형 또는 삼각형 단면뿐만 아니라 원형의 단면, 또는 모든 형상들의 조합들을 갖도록 한다. 단면 "D-K"를 나타내는 도 1의 와류실의 직사각형 형상은, 날개들을 통해 유동이 최적화되고 날개들이 터빈 하우징 외부의 장치들에 의해 이동 및 제어될 수 있도록 공간에 VGT(31) 날개들을 설치하기 위한 요건뿐만 아니라, 터보차저가 엔진상에 설치되도록 터빈 하우징의 윤곽을 최소화하기 위한 요건의 결과이다.Since the circular cross section has a minimum surface area which minimizes fluid friction losses, the theoretically optimized vortex chamber shape at a given area is circular cross section. However, the vortex chamber does not work on its own, but is part of the system, so flow in the plane from the cross section "A" to the plane of the cross section "M" and from the cross section "M" to the tongue shown in FIG. The requirements affect the performance of the turbine stage. These requirements are due to other requirements, such as design requirements outside the turbine housing (space efficiency), how to position and mount the turbine housing in the bearing housing, and the connection from the cross section "A" to the turbine foot 51. Usually compromised, these requirements are combined such that the turbine housing vortex chambers have a circular cross section, or combinations of all shapes, as well as a rectangular or triangular cross section. The rectangular shape of the vortex chamber of FIG. 1 showing the section “DK” is for installing VGT 31 vanes in space so that flow through the vanes is optimized and the vanes can be moved and controlled by devices outside the turbine housing. In addition to the requirements, the result is a requirement for minimizing the contour of the turbine housing so that the turbocharger is installed on the engine.
터빈 하우징 풋은 일반적으로 많은 엔진들의 배기 매니폴드들에 적합한 표준 구성이다. 이 풋은 "와류실"에 대해 임의의 각도로 또는 임의의 위치에 위치될 수 있다. 풋 가스 통로들로부터 와류실까지의 전이는 최적의 공기역학적 그리고 기계적 절충을 제공하는 방식으로 이루어진다.The turbine housing foot is generally a standard configuration suitable for exhaust manifolds of many engines. This foot may be located at any angle or at any position relative to the “vortex chamber”. The transition from the foot gas passages to the vortex chamber is made in a manner that provides optimum aerodynamic and mechanical compromise.
위의 단면들과 동일한 단면들에서 얻은 도 2의 와류실들의 개략적인 삼각형상은, 고정 웨이스트게이트 터빈 하우징들을 위한 더욱 전형적인 와류실 형상이다. 분할 벽(25)의 추가는, 터빈 휠로부터 얻은 일에서 펄스 에너지를 얻도록 분할된 매니폴드(36)로부터 펄스 유동을 유지하기 위해, 와류실들 사이의 공기역학적 "교차 유동"을 감소시키기 위한 것이다. 배기 매니폴드의 압력 펄스는 엔진 점화 순서의 함수이다.The schematic triangular shape of the vortex chambers of FIG. 2, obtained in the same cross sections as the above cross sections, is a more typical vortex chamber shape for fixed wastegate turbine housings. The addition of the dividing wall 25 is intended to reduce the aerodynamic "cross flow" between the vortex chambers in order to maintain the pulse flow from the split manifold 36 so as to obtain pulse energy from the work obtained from the turbine wheel. will be. The pressure pulses on the exhaust manifold are a function of the engine ignition sequence.
상업적인 관행에서, 터빈 하우징들은 전형적으로 집합들(전형적으로 하나의 집합 안에 5 내지 7개)로 구성되고, 주어진 집합에서, 터빈 하우징들은 동일한 직경의 터빈 휠들 또는 동일한 직경에 가까운 휠들의 그룹을 사용한다. 터빈 하우징들은 때로는 고객들에 의해 달라지긴 하지만 동일한 터빈 풋 크기를 사용할 수 있다. 예를 들면, 63mm의 터빈 휠을 갖는 터빈 하우징들의 집합은 1.8 내지 2.2의 A/R 범위를 포함할 수 있다. 도 5는 한 집합의 3개의 와류실들에 대한 면적 표를 도시한다. 가장 큰 와류실은 점선(45)으로 표시된 1.2 A/R 와류실이다. 가장 작은 와류실은 파선(46)으로 표시된 0.8 A/R 와류실이고, 집합 중간의 평균 와류실은 실선으로 표시된다. X축은 30°(단면 "A")에서 360°(텅(tongue)부) 사이의 단면 각도를 나타내고, Y축은 각 각도에서 단면의 면적을 나타낸다. 전형적으로, 하나의 구성 집합에서 하나의 A/R과 다음의 A/R은 단면 "A" 에서의 단면적(12개의 면적들을 갖는 주어진 경우에)에 있어 8 내지 10%의 차이를 갖는다. 도 5의 가장 큰 A/R(45)의 와류실 외측 벽은 와류실 벽(40)의 내면으로 도 4에 도시되고, 도 5의 가장 작은 A/R(46)은 표면(41)으로 도 4에 도시된다.In commercial practice, turbine housings typically consist of sets (typically 5 to 7 in one set), and in a given set, turbine housings use turbine wheels of the same diameter or a group of wheels close to the same diameter. . Turbine housings can sometimes use the same turbine foot size, depending on the customer. For example, a set of turbine housings with a 63 mm turbine wheel may include an A / R range of 1.8 to 2.2. 5 shows an area table for a set of three vortex chambers. The largest vortex chamber is the 1.2 A / R vortex chamber, indicated by dashed line 45. The smallest vortex chamber is the 0.8 A / R vortex chamber indicated by broken line 46, and the mean vortex chamber in the middle of the set is represented by the solid line. The X axis represents the cross section angle between 30 degrees (section “A”) and 360 degrees (tongue portion), and the Y axis represents the area of the cross section at each angle. Typically, one A / R and the next A / R in one configuration set have a difference of 8 to 10% in the cross-sectional area (in a given case with 12 areas) in cross section “A”. The vortex chamber outer wall of the largest A / R 45 of FIG. 5 is shown in FIG. 4 as the inner surface of the vortex chamber wall 40, and the smallest A / R 46 of FIG. 4 is shown.
일부 터빈 휠들은 이 펄스 에너지를 이용하고 펄스 에너지를 회전 속도로 전환하도록 특수하게 구성된다. 따라서, 분할된 터빈 하우징의 펄스 유동 터빈 휠의 배기가스로부터 압력 및 속도를 전환하는 것은 정상 상태의 배기 유동으로부터의 압력 및 속도를 터빈 휠 속도로 전환하는 것보다 더 유용하다. 이 펄스 에너지는, 4000 RPM에서 최대 토크를 갖는 보통 6000 RPM까지 훨씬 높은 회전 속도로 작동하여 펄스가 잘 한정되지 않는 가솔린 엔진보다는, 1200 내지 1400 RPM에서 최대 토크를 갖는 대략 2200 RPM으로 작동하는 상업적인 디젤 엔진에서 더욱 두드러진다.Some turbine wheels are specially configured to use this pulsed energy and convert the pulsed energy to rotational speed. Thus, converting pressure and speed from the exhaust gas of the pulsed flow turbine wheel of the divided turbine housing is more useful than converting the pressure and speed from the steady state exhaust flow to the turbine wheel speed. This pulse energy is operated at approximately 2200 RPM with maximum torque at 1200 to 1400 RPM, rather than gasoline engines that operate at much higher rotational speeds, typically up to 6000 RPM with maximum torque at 4000 RPM, rather than gasoline engines where pulses are not very limited. More prominent in the engine.
기본적인 터보차저의 구성은 고정 터빈 하우징의 구성이다. 이 구성에서, 터빈 하우징 와류실의 형상과 부피는 설계 단계에서 그리고 주조 현장에서 결정된다. 대부분의 디젤 터빈 하우징들은 도 2에 도시된 것처럼 터빈 휠에 펄스 에너지를 유지하기 위해 2개의 와류실들을 분리하는 반경방향 분할 벽(25)을 구비한 분할된 하우징들이다. 분할 벽의 길이는 일반적으로 내부 경계가 대략 기초 원이 되도록 하는 길이이다. 분할 벽의 단이 기초 원에 가까울수록, 펄스 에너지의 보존이 증가되지만, 분할 벽의 주조물의 크랙 경향이 증가된다. 이러한 크랙의 원인들은 다양하지만, 주조 공정의 패턴을 통해 주입된 찌꺼기가 주 원인이고 (이는 분할 벽의 단에 인접한 재료의 무결성이 최적이 아니라는 것을 의미한다), 두 번째는 와류실들 주변의 온도 분포가 주조물의 "풀림(unwind)"을 초래한다는 사실이다. 터빈 하우징의 "풀림"을 발생시키는 열적 힘은 수직 분할 벽에 의해 저항을 받고, 그 결과 벽의 크랙이 생긴다. 크랙은 약간의 물리적 손상을 가하지만, 크랙의 다음 단계는 주철 분할 벽의 조각들이 주조물로부터 분리되어 터보차저 또는 엔진에 흡입되어, 치명적인 손상을 초래할 수 있다.The basic turbocharger configuration is that of a fixed turbine housing. In this configuration, the shape and volume of the turbine housing vortex chamber are determined at the design stage and at the casting site. Most diesel turbine housings are divided housings with radial splitting walls 25 separating the two vortex chambers to maintain pulse energy in the turbine wheel as shown in FIG. 2. The length of the dividing wall is generally the length such that the inner boundary is approximately the base circle. The closer the stage of the dividing wall is to the base circle, the more the conservation of pulse energy is increased, but the cracking tendency of the casting of the dividing wall is increased. The causes of these cracks vary, but the main cause is the residue injected through the pattern of the casting process (which means that the integrity of the material adjacent to the end of the dividing wall is not optimal), and the second is the temperature around the vortex chambers. It is a fact that the distribution causes "unwind" of the casting. The thermal force that causes the "loosening" of the turbine housing is resisted by the vertical dividing wall, resulting in a crack in the wall. The cracks do some physical damage, but the next stage of the cracks may cause pieces of the cast iron splitting wall to separate from the casting and be sucked into the turbocharger or engine, resulting in fatal damage.
고정 터빈 하우징의 고도화 이후의 다음 단계의 고도화는 웨이스트게이트 터빈 하우징의 고도화이다. 이 구성에서, 와류실은 상기한 고정 구성에서와 같이 현장에서 주조된다. 도 2에서 웨이스트게이트 터빈 하우징은 터빈 하우징 와류실(49)을 터빈 하우징 출구(52)에 유체 연결하는 포트(54)를 특징으로 한다. 와류실 측의 포트가 터빈 휠(70)의 상류에 있고 출구 측의 포트의 타측이 터빈 휠의 하류에 있기 때문에, 이 포트들을 연결하는 덕트를 통과하는 유동은 터빈 휠(70)을 우회하고, 따라서 터빈 휠로 전달된 동력에 기여하지 않는다.The next step after upgrading the stationary turbine housing is to upgrade the wastegate turbine housing. In this configuration, the vortex chamber is cast in situ as in the fixed configuration described above. The wastegate turbine housing in FIG. 2 features a port 54 that fluidly connects the turbine housing vortex chamber 49 to the turbine housing outlet 52. Since the port on the vortex chamber side is upstream of the turbine wheel 70 and the other side of the port on the outlet side is downstream of the turbine wheel, the flow through the duct connecting these ports bypasses the turbine wheel 70, Thus, it does not contribute to the power delivered to the turbine wheels.
가장 단순한 형태의 웨이스트게이트는 포펫 밸브(poppet valve) 또는 도 2의 밸브와 유사한 스윙 타입 밸브 일 수 있는 밸브(55)이다. 일반적으로 이 밸브들은, 다이아프램을 작동시키는 추진 압력 또는 진공을 감지하고, 밸브에 연결되며, 또한 엔진 전자제어장치(ECU)와 특별히 통신하지 않고 작동하는 "덤(dumb)" 액추에이터에 의해 작동된다. 이런 식으로, 웨이스트게이트 밸브의 기능은 전부하 추진 곡선(full load boost curve)의 상부를 잘라내고, 따라서 엔진의 추진 수준을 제한한다. 이는 필요할 때(예를 들면 터빈의 과도한 구동을 방지하기 위해) 터빈으로의 유효 유동을 실제로 감소시키면서도, 전 유동(full flow)이 필요할 때는 터빈 휠로의 터빈 하우징의 전 유동을 가능하게 한다. 웨이스트게이트 구성은 밸브가 개방될 때까지 추진 곡선의 특성들에 영향을 미치지 않는다. 더욱 정교한 웨이스트게이트 밸브들은 기압을 측정하거나, 전자 오버라이드 장치(electronic over-ride) 또는 전자 제어 장치를 구비할 수 있지만, 이 장치들 역시 밸브가 개방 또는 폐쇄되도록 작동할 때까지 추진 곡선에 영향을 미치지 않는다.The simplest type of wastegate is valve 55, which may be a poppet valve or a swing type valve similar to the valve of FIG. Typically, these valves sense a propulsion pressure or vacuum that actuates the diaphragm, are connected to the valve, and are also operated by a "dumb" actuator that operates without special communication with the engine electronic control unit (ECU). . In this way, the function of the wastegate valve cuts off the top of the full load boost curve, thus limiting the engine's propulsion level. This allows for full flow of the turbine housing to the turbine wheel when full flow is needed, while actually reducing the effective flow to the turbine when needed (eg to prevent excessive drive of the turbine). The wastegate configuration does not affect the properties of the propulsion curve until the valve is opened. More sophisticated wastegate valves can measure air pressure, or be equipped with an electronic over-ride or electronic control device, but these devices also do not affect the propulsion curve until the valve is operated to open or close. Do not.
도 6a는 고정 지오메트리 터빈 하우징 또는 웨이스트게이트 밸브가 개방되지 않은 웨이스트게이트 터빈 하우징에 대한 추진 곡선(65)를 도시한다. X축은 질량 유동을 나타내고, Y축은 압력비를 나타낸다. 도 6b는 웨이스트게이트 밸브가 개방된 도6a와 동일한 A/R의 웨이스트게이트 터빈 하우징에 대한 추진 곡선(67)을 도시한다. 도 6b에서, 추진 곡선(67)의 하부 형상(62)은 밸브가 개방되는 지점(66)까지 도 6a의 추진 곡선(65)와 완전히 동일하다는 것을 알 수 있다. 이 지점 이후에, 추진 곡선은 평평하다. 웨이스트게이트는 추진 수준을 제한하는데 이용될 수 있지만, 웨이스트게이트의 터빈 동력 제어 특성들은 가장 기초적이고 조악하다.FIG. 6A shows the propulsion curve 65 for a fixed geometry turbine housing or a wastegate turbine housing in which the wastegate valve is not open. The X axis represents mass flow and the Y axis represents pressure ratio. FIG. 6B shows the propulsion curve 67 for the wastegate turbine housing of the same A / R as in FIG. 6A with the wastegate valve open. In FIG. 6B, it can be seen that the lower shape 62 of the propulsion curve 67 is exactly the same as the propulsion curve 65 of FIG. 6A to the point 66 at which the valve opens. After this point, the propulsion curve is flat. The wastegate can be used to limit the propulsion level, but the turbine power control characteristics of the wastegate are the most basic and coarse.
웨이스트게이트 터빈 하우징들의 유익한 부산물은 터빈 하우징들의 A/R을 감소시킬 기회를 제공한다는 것이다. 웨이스트게이트에 의해 추진의 상한이 제어되기 때문에, A/R의 감소는 상기 상한을 제어하면서도 양호한 과도 응답 특성을 제공할 수 있다. 그러나, 웨이스트게이트 터보차저가 압력 또는 진공 신호만으로 작동하고 고지에서 작동되는 "덤(dumb)" 액추에이터를 구비하는 경우, 밸브가 개방되는 임계 압력비는 불리하게 영향을 받는다. 액추에이터의 다이아프램이 일측에서 추진 압력을 측정하고 타측에서 기압을 측정하기 때문에, (고지에서의 기압이 해수면보다 낮기 때문에) 액추에이터가 더 늦게 개방되는 경향이 있고, 결국 엔진의 이상 추진을 초래한다. 웨이스트게이트의 장점을 갖기 위해 더 작은 A/R 터빈 하우징을 도입함으로써, 이 A/R 감소는 또한 터빈 스테이지의 유동 범위를 감소시킨다.A beneficial byproduct of wastegate turbine housings is the opportunity to reduce the A / R of the turbine housings. Since the upper limit of propulsion is controlled by the wastegate, the reduction in A / R can provide good transient response characteristics while controlling the upper limit. However, if the wastegate turbocharger is equipped with "dumb" actuators that operate only on pressure or vacuum signals and operate on high ground, the critical pressure ratio at which the valve opens is adversely affected. Since the diaphragm of the actuator measures the propulsion pressure on one side and the air pressure on the other side, the actuator tends to open later (since the air pressure at the altitude is lower than sea level), which in turn causes abnormal propulsion of the engine. By introducing a smaller A / R turbine housing to take advantage of the wastegate, this A / R reduction also reduces the flow range of the turbine stage.
엔진 추진 요건들은 압축기 스테이지를 선택하는 주요소들이다. 압축기의 선택 및 구성은: 엔진의 추진 압력 요건; 엔진에 필요한 질량 유동; 적용에 필요한 효율; 엔진 및 적용에 필요한 배치 폭; 엔진이 적용되는 고도 및 사용률; 엔진의 실린더 압력 한계 등의 사이에서 절충된다.Engine propulsion requirements are the main factors in choosing a compressor stage. The choice and configuration of the compressor includes: the propulsion pressure requirements of the engine; Mass flow required for the engine; Efficiency required for application; Layout width required for the engine and application; Altitude and utilization at which the engine is applied; The compromise is made between the cylinder pressure limit of the engine and the like.
이것이 터보차저 작동에서 중요한 이유는, 터빈 스테이지에 웨이스트게이트를 추가하는 것이 더 작은 터빈 휠과 하우징으로 저속 범위에 대응할 수 있게 하기 때문이다. 따라서, 웨이스트게이트의 추가는 관성을 감소시키기 위한 옵션을 가져온다. 회전 조립체의 관성 감소는 일반적으로 입자상 물질(PM)의 감소를 초래하므로, 웨이스트게이트들은 고속 주행 차량들에서 일반적인 것이 되었다. 문제는 대부분의 웨이스트게이트들이 그 작동에 있어서 다소 이원적이며, 이는 엔진 출력과 엔진 속도의 선형적인 관계와 잘 맞지 않는다.This is important for turbocharger operation because adding wastegates to the turbine stage makes it possible to cope with low speed ranges with smaller turbine wheels and housings. Thus, the addition of the wastegate brings the option to reduce the inertia. As the inertia reduction of the rotating assembly generally results in a reduction of particulate matter (PM), wastegates have become common in high speed vehicles. The problem is that most wastegates are somewhat dual in their operation, which does not fit well with the linear relationship between engine power and engine speed.
터보차저들의 추진 제어의 고도화의 다음 단계는 VTG(일반적인 용어는 가변 터빈 지오메트리)이다. 이 터보차저들 중 일부는 회전 날개들을 구비하고, 일부는 슬라이딩 면들 또는 링들을 구비한다. 이 장치들의 일부 명칭들은: 가변 터빈 지오메트리(VTG); 가변 지오메트리 터빈(VGT); 가변 노즐 터빈(VNT); 또는 간단하게 가변 지오메트리(VG)를 포함한다.The next step in advancing the turbocharger's propulsion control is VTG (general term variable turbine geometry). Some of these turbochargers have rotary vanes, and some have sliding faces or rings. Some names for these devices are: Variable Turbine Geometry (VTG); Variable geometry turbine (VGT); Variable nozzle turbine (VNT); Or simply include variable geometry (VG).
VTG 터보차저는 한 쌍의 날개 링들 및/또는 노즐 벽에 회전 가능하게 연결된 조정 가능한 안내 날개들(도 3a 및 3b)을 이용한다. 이 날개들은 터빈 휠로의 배기가스 유동을 변화시킴으로써 배기가스 배압과 터보차저 속도를 제어하도록 조절된다. 도 3a에서, 날개들(31)은 최소 개방 위치에 있다. 도 3b에서, 날개들(31)은 최대 개방 위치에 있다. 날개들은 상부 날개 링 위에 위치될 수 있는 유니슨 링(unison ring)에 체결된 암들을 통해 회전 가능하게 구동될 수 있다. 이러한 세부 사항은 명료성을 위해 도면들에서 생략되어 있다. VTG 터보차저들은 많은 수의 고가의 합금 부품들을 구비하고, 이 부품들은, 부품들이 노출되어 있는 열적 작동 환경들의 범위에서 안내 날개들이 배기가스 공급 유동 통로 및 터빈 휠에 대해 적절하게 위치된 상태를 유지하도록, 터빈 하우징 안에 조립되고 위치되어야 한다. 온도 및 부식 환경들은 모든 내부 부품들에 특수 합금을 사용하게 한다. 이 재료들은 구입, 가공 및 (필요한 경우) 용접하는데 큰 비용이 든다. VTG 설계는 터보차저 속도를 빠르게 변화시킬 수 있기 때문에, 원치 않은 속도 이탈을 방지하기 위해 많은 소프트웨어와 제어장치들이 필요하다. 이는 고가의 액추에이터들로 이어진다. 터보차저 추진 수준 및 터빈 배압 수준 모두를 제어하기 위해 다양한 유형 및 구성의 VTG들 널리 채용되어 있지만, 하드웨어 및 실행 비용이 크다.The VTG turbocharger utilizes a pair of vane rings and / or adjustable guide vanes (FIGS. 3A and 3B) rotatably connected to the nozzle wall. These vanes are adjusted to control exhaust back pressure and turbocharger speed by varying the exhaust flow to the turbine wheel. In FIG. 3A, the wings 31 are in the minimum open position. In FIG. 3B, the wings 31 are in the maximum open position. The wings can be rotatably driven through arms fastened to a Unison ring that can be positioned above the upper wing ring. These details are omitted in the drawings for clarity. VTG turbochargers are equipped with a large number of expensive alloy parts, which keep the guide vanes properly positioned relative to the exhaust gas supply flow passage and turbine wheel in the range of thermal operating environments in which the parts are exposed. To be assembled and positioned in the turbine housing. Temperature and corrosive environments lead to the use of a special alloy on all internal components. These materials are expensive to buy, process and weld (if necessary). Since the VTG design can change turbocharger speed quickly, a lot of software and controls are needed to prevent unwanted speed deviations. This leads to expensive actuators. Although various types and configurations of VTGs are widely employed to control both turbocharger propulsion levels and turbine back pressure levels, hardware and implementation costs are high.
전형적인 VTG의 비용은 동일한 생산량에서, 동일한 크기의 고정 지오메트리 터보차저의 비용의 270 내지 300%이다. 이 차이는 부품들의 수, 부품들의 재료, 부품들의 제조 및 가공에 필요한 정밀도부터 액추에이터의 속도, 정확도 및 반복성까지 관련된 많은 요인들에 기인한다. 도 7의 차트는 고정 터보차저로부터 VTG까지 범위의 터보차저들의 상대 비용을 나타낸다. 기둥 "A"는 주어진 적용에서 고정 터보차저의 기준 비용을 나타낸다. 기둥 "B"는 동일한 적용에서 웨이스트게이트 터보차저의 비용을 나타내고, 기둥 "C"는 동일한 적용에서 통상적인 VTG의 비용을 나타낸다.The cost of a typical VTG is from 270 to 300% of the cost of a fixed geometry turbocharger of the same size, at the same yield. This difference is due to a number of factors related to the number of parts, the material of the parts, the precision required for the manufacture and processing of the parts, to the speed, accuracy and repeatability of the actuator. The chart of FIG. 7 shows the relative costs of turbochargers ranging from fixed turbochargers to VTG. Pillar "A" represents the reference cost of a fixed turbocharger in a given application. Pillar "B" represents the cost of a wastegate turbocharger in the same application, and pillar "C" represents the cost of a typical VTG in the same application.
따라서, 기술적인 이유 및 비용 요소 모두로 인해, 비용 면에서 웨이스트게이트와 기존의 VTG 사이에 적합한 비교적 저가의 터빈 유동 제어 장치를 필요로 한다고 볼 수 있다.Therefore, both technical and cost factors require that a relatively inexpensive turbine flow control device be fitted between the wastegate and the existing VTG in terms of cost.
본 발명은 간단하고 저비용의 가변 지오메트리 터보차저에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 터빈 휠로의 실질적인 배기 질량 유동을 변화시키는 한편, 터빈 스테이지 유동 범위를 증가시키기 위해, 유동 제어 장치와 결합된 비대칭 와류실 A/R들을 구비한 분할된 터빈 하우징을 이용하는 터빈 유동 제어 장치에 관한 것이다. 비대칭으로 구성된 한 세트의 와류실 단면적들을 통해 터빈 휠로 향하는 터빈 하우징의 배기의 질량 유동을 제어함으로써, 그리고 비교적 간단한 유동 제어 장치를 통해 2개의 와류실들을 통과하는 유동을 제어함으로써, 유동 범위는 유동 제어 장치 없이 대칭으로 구성된 와류실 단면적들을 통해 가능한 범위를 초과하는 방식으로 확장되고 제어될 수 있다.The present invention relates to a simple and low cost variable geometry turbocharger, and more particularly to an asymmetric vortex chamber combined with a flow control device to increase the turbine stage flow range while varying the substantial exhaust mass flow to the turbine wheel. A turbine flow control device employing a split turbine housing with A / Rs. By controlling the mass flow of the exhaust of the turbine housing directed to the turbine wheel through a set of asymmetrically configured vortex chamber cross sections, and by controlling the flow through the two vortex chambers through a relatively simple flow control device, the flow range is controlled by flow control. Symmetrically configured vortex chamber cross sections without device can be expanded and controlled in ways exceeding the possible range.
가변 지오메트리 터보차저는 간단하지만 펄스 에너지를 유지할 수 있다. 제1 실시예에서, 터빈 하우징은 터빈 하우징의 입구 근처 지점을 중심으로 회동하는 회동식 유동 제어 밸브를 구비한다. 회동 지점을 중심으로 밸브를 이동시킴으로써, 터빈 하우징을 통과하는 유동은 큰 와류실에서 점점 더 차단되어 유동이 작은 와류실로 치우치고 작은 와류실에서 터빈 휠로 이어지며, 이에 따라 큰 와류실의 유효 손실을 통해 터빈 하우징이 더 작은 A/R 터빈 하우징으로서의 역할을 한다. 본 발명의 제2 실시예에서, 밸브 블레이드의 중심에 대해 회동하는 와류실 내 회전식 버터플라이 형상의 유동 제어 밸브는 상기 중심선에 대해 회동하여 큰 와류실에서 작은 와류실을 거쳐 터빈 휠로 이어지는 유동을 변화시키고, 따라서 터빈 하우징이 작은 A/R 터빈 하우징으로서의 역할을 하게 한다.The variable geometry turbocharger is simple but can maintain pulse energy. In the first embodiment, the turbine housing has a pivotal flow control valve that rotates about a point near the inlet of the turbine housing. By moving the valve around the pivot point, the flow through the turbine housing is increasingly blocked in the large vortex chamber, biasing the flow to the small vortex chamber, leading to the turbine wheel in the small vortex chamber, and thus through the effective loss of the large vortex chamber. The turbine housing serves as a smaller A / R turbine housing. In a second embodiment of the present invention, a rotary butterfly-shaped flow control valve in a vortex chamber that rotates about the center of the valve blade rotates about the centerline to change the flow from the large vortex chamber through the small vortex chamber to the turbine wheel. Thus allowing the turbine housing to act as a small A / R turbine housing.
발명자들은 실험을 통하여, 중심 측이 60%이고 외측이 40%인 "A" 단면적들의 60/40 분할은 제한 밸브(restrictor valve)가 완전 개방된 상태에서 질량 유동의 바람직한 분할을 얻었다는 것을 밝혀냈다. 비대칭 터빈 하우징은 분할 벽(25)에 대해 축방향으로 위치된 더 큰 좌측 또는 중심측 와류실(48)과 더 작은 또는 외측 와류실(49)을 구비한다.The inventors found that the 60/40 division of the "A" cross-sectional areas with 60% center side and 40% outside has obtained the desired split of the mass flow with the restrictor valve fully open. The asymmetric turbine housing has a larger left or center side vortex chamber 48 and a smaller or outer vortex chamber 49 positioned axially with respect to the dividing wall 25.
본 발명은 예로서 도시되고, 첨부된 도면들에 한정되지 않으며, 도면들에서 유사한 참조 번호들은 유사한 부분들을 나타낸다.
도 1은 전형적인 VTG 터보차저의 단면을 도시하고,
도 2는 전형적인 웨이스트게이트 터보차저의 한 쌍의 단면들을 도시하고,
도 3a 및 3b는 전형적인 VTG 터보차저의 한 쌍의 단면들을 도시하고,
도 4는 구조 반경선을 나타내는 전형적인 고정 터빈 하우징의 단면을 도시하고,
도 5는 개량된 단면적의 차트이고,
도 6a 및 6b는 전형적인 고정 터보차저와 웨이스트게이트 터보차저의 압축기 맵을 도시하고,
도 7은 터보차저의 상대적인 비용들을 나타내는 차트이고,
도 8a 및 8b는 단면 "A" 에서의 2개의 와류실 유형들의 단면들을 도시하고,
도 9는 매니폴드 상의 비대칭 터빈 하우징을 도시하고,
도 10a 및 10b는 둘레방향으로 분할된 하우징 상의 제한 장치의 2개의 단면들을 도시하고,
도 11a 및 11b는 둘레방향으로 분할된 하우징 상의 제한 장치의 2개의 변형예를 도시하고,
도 12는 터빈 하우징의 크랙을 도시하고,
도 13은 터빈 하우징 분할 벽의 폐쇄 슬롯들의 단면을 도시하고,
도 14는 터빈 하우징 분할 벽의 개방 슬롯들의 단면을 도시하고,
도 15a 및 15b는 반경방향으로 분할된 하우징 상의 2개의 제3 실시예를 도시하고,
도 16은 질량 유동을 나타낸 차트이고,
도 17은 생산된 터빈 휠 직경들의 샘플에 대한 막 면적들을 도시하고,
도 18은 여러가지 터빈 스테이지들의 교차 유동 면적과 D3의 관계를 도시한다.
The invention is shown by way of example and not by way of limitation in the figures of the drawings in which like reference numerals designate like parts.
1 shows a cross section of a typical VTG turbocharger,
2 shows a pair of cross sections of a typical wastegate turbocharger,
3A and 3B show a pair of cross sections of a typical VTG turbocharger,
4 shows a cross section of a typical fixed turbine housing showing a structural radius,
5 is a chart of the improved cross-sectional area,
6A and 6B show a compressor map of a typical fixed turbocharger and wastegate turbocharger,
7 is a chart showing the relative costs of a turbocharger,
8A and 8B show cross sections of two vortex chamber types in cross section “A”,
9 shows an asymmetric turbine housing on a manifold,
10a and 10b show two cross sections of the limiting device on the housing divided in the circumferential direction;
11a and 11b show two variants of the limiting device on the housing divided in the circumferential direction,
12 shows a crack in the turbine housing,
13 shows a cross section of the closed slots of the turbine housing dividing wall,
14 shows a cross section of the open slots of the turbine housing splitting wall,
15a and 15b show two third embodiments on a radially divided housing,
16 is a chart showing mass flow;
17 shows the membrane areas for a sample of produced turbine wheel diameters,
18 shows the relationship between the cross flow area and D 3 of the various turbine stages.
전술한 것처럼, 가변 지오메트리 기구들은 기본적인 터보차저의 2배 이상의 비용이 드는 경향이 있다. 발명자들은 더욱 비용 효과적인 방식으로 터빈 휠로의 배기 유동을 조절하는 능력을 구하려 했다. 따라서, 발명자들은 터빈으로의 필요한 넓은 범위의 배기가스 유동을 제어하도록 비용 및 기술적으로 효과적인 대안 모두를 제공하기 위해 유동 저항 장치와 결합된, 분할된 와류실 면적들을 구비한 구성들로 실험하였다. 상기 개선점에 더하여, 발명자들은 저 유동에 대한 최적화된 터보(따라서 엔진) 과도 응답을 제공할 수 있는 한편 엔진의 저 유동 조건들 이외에 엔진에 요구되는 고 유동들을 또한 전달할 수 있는 저 유동 체계에 맞는 터보차저, 즉 비용 효율적인 터보차저를 제공하려 했다. 이 목표는 스테이지 효율을 최대화시키는 최적의 상태로 가스 속도를 유지한다.As mentioned above, variable geometry mechanisms tend to cost more than twice as much as a basic turbocharger. The inventors have sought to be able to regulate the exhaust flow to the turbine wheels in a more cost effective manner. Accordingly, the inventors have experimented with configurations with divided vortex compartment areas combined with flow resistance devices to provide both a cost and technically effective alternative to control the wide range of exhaust gas flow required to the turbine. In addition to the above improvements, the inventors can provide an optimized turbo (and thus engine) transient response to low flow while also adapting a turbo to a low flow scheme that can also deliver the high flows required by the engine in addition to the low flow conditions of the engine. We tried to provide a charger, a cost-effective turbocharger. This goal maintains the gas velocity at the optimum state to maximize stage efficiency.
터보차저가 엔진의 최대 유동 요구에 맞는 경우, 전체 엔진 작동 체계에 걸쳐 유동 요구들이 충족된다. 문제는, 터보차저를 최대 유동 요구에 맞추는 것이 터빈 하우징 와류실(따라서 유동)의 크기가 저 엔진 유동 체계들에서 너무 크다는 것을 의미한다는 것이다. 터보차저들의 과도 응답 특성들은 터빈 휠로 유동을 전달하기 위해 전체 와류실이 채워져야 하기 때문에 부진하다. 저 유동 요구에 맞도록 터보차저 터빈 하우징의 A/R을 감소시키는 것은, 전형적인 속도 제한 내에서 작동하는 터보차저가 엔진 작동 체계 상단의 고 유동 요구를 위해 충분한 유동을 제공할 수 없다는 것을 의미하기 때문에, 발명자들은 새로운 가변 지오메트리 터보차저를 제공해야 할 필요성을 인식하였다. 또한 현재의 EGR(배기가스 재순환) 요구들에 의해, OEM들은 부분 부하(예를 들면 40% 부하)에서는 많은 양의 EGR로 그리고 고속에서는 EGR이 없는 상태로 작동되지만, OEM들은 여전히 시장의 관점에서 전 부하에서 최고의 동력을 전달하길 원한다. 저속 또는 부분 부하에서 고 EGR은 저 질량 유동을 필요로 한다. EGR을 구비하지 않은 정격 지점에서 최고의 동력은 고 질량 유동을 필요로 하고, 따라서 터빈 질량 유동 범위가 이 2개의 극단들에서의 유동 조건들에 부합될 수 있어야 한다는 것을 알 수 있다.If the turbocharger meets the engine's maximum flow requirements, flow requirements are met across the entire engine operating system. The problem is that fitting the turbocharger to the maximum flow demand means that the size of the turbine housing vortex chamber (and thus flow) is too large in low engine flow regimes. The transient response characteristics of turbochargers are sluggish because the entire vortex chamber must be filled to deliver flow to the turbine wheel. Reducing the A / R of the turbocharger turbine housing to meet low flow demands means that turbochargers operating within typical speed limits cannot provide sufficient flow for high flow demands on top of the engine operating system. The inventors have recognized the need to provide a new variable geometry turbocharger. Also, due to current EGR (exhaust gas recirculation) requirements, OEMs operate with high EGR at partial load (e.g. 40% load) and without EGR at high speed, but OEMs are still from the market perspective. You want to deliver the best power at full load. High EGR at low speed or partial load requires low mass flow. It can be seen that the highest power at the rated point without EGR requires high mass flow, and therefore the turbine mass flow range must be able to meet the flow conditions at these two extremes.
터빈 하우징 와류실 형상들 및 치수들은 단면 "A"의 단면적에 의해 한정되고, 단면 "A"의 하류측의 모든 특징들 및 치수들은 단면 "A" 에서의 특징들 및 치수들에 의해 조절된다. 이 시스템은 터보차저 제조자들에 의해 구성되고 생산된 터보차저들의 구성의 일관성을 위해 사용된다.Turbine housing vortex chamber shapes and dimensions are defined by the cross-sectional area of cross section "A", and all features and dimensions downstream of cross section "A" are adjusted by the features and dimensions in cross section "A". This system is used for consistency of the configuration of turbochargers constructed and produced by turbocharger manufacturers.
본 발명에 따르면, 발명자들은 동일한 면적의 와류실들을 통해 이용될 수 있는 것보다 더 넓은 터빈 유동 범위를 만들 수 있는 새로운 터빈 구성을 제공한다.In accordance with the present invention, the inventors provide a new turbine configuration that can create a wider turbine flow range than can be used through vortex chambers of the same area.
터빈 하우징을 통과하는 질량 유동을 제어함으로써, 발명자들은 터빈 하우징을 통과하여 터빈 휠로 유입되는 가스의 질량 유동을 제어하고자 했다. 엔진이 저속, 저 부하 조건으로 작동될 때, 필요한 연소 가스(공기)를 공급하기 위해 필요한 추진 수준은 비교적 낮다. 엔진이 고속, 고 부하 조건으로 작동될 때, 이 부하 조건들 하에서 엔진에 공급하기 위해 필요한 추진 수준은 높다. 엔진이 저 부하 조건들에서 고 부하 조건들로 전환되면, 터보차저는 증가되는 압력비로 증가되는 공기량을 공급하도록 요구된다. 압축기 스테이지가 터빈 스테이지에 의해 구동되기 때문에, 엔진(따라서 압축기) 요건들을 만족시키는데 필요한 배기의 질량 유동은 변해야 한다. 즉, 저 부하, 저속 엔진 조건에서, 엔진 배기 출력은 질량 유동 면에서 낮다. 고 부하, 고속 엔진 조건에서, 엔진 출력은 질량 유동 면에서 높다. 전환 스테이지에서, 배기 질량 유동은 저 유동에서 고 유동으로 변해야 한다.By controlling the mass flow through the turbine housing, the inventors wanted to control the mass flow of gas entering the turbine wheel through the turbine housing. When the engine is operated at low speed, low load conditions, the propulsion level required to supply the required combustion gases (air) is relatively low. When the engine is operated at high speed, high load conditions, the propulsion level required to supply the engine under these load conditions is high. When the engine is switched from low load conditions to high load conditions, the turbocharger is required to supply an increased amount of air at an increased pressure ratio. Since the compressor stage is driven by a turbine stage, the mass flow of the exhaust required to meet engine (and thus compressor) requirements must vary. That is, at low load, low speed engine conditions, the engine exhaust power is low in terms of mass flow. At high load, high speed engine conditions, engine power is high in terms of mass flow. In the conversion stage, the exhaust mass flow must change from low to high flow.
문제는 터빈 스테이지가 상술한 기본 엔진 조건들 모두에, 추가적으로 이러한 모든 조건들에서 터보차저가 요구된 유동 및 압력비를 공급하도록 하는 EGR에 대한 요건들에 부합되어야 한다는 것이다. 터보차저가 빠르게 속도를 변화시키도록 하기 위해, 이 기술의 당업자는 작은 A/R 터빈 하우징을 구비한 터보차저를 선택할 수 있다. 고 부하, 고속 조건에서 요구된 유동 및 압력비를 공급하기 위해, 당업자는 큰 A/R 터빈 하우징을 구비한 터보차저를 선택할 수 있다. 전자인 작은 A/R 터빈 하우징은 양호한 과도 응답 특성들을 제공하지만, 고속, 고 부하 압축기 요건을 발생시키기에는 불충분한 질량 유동을 터빈 스테이지로 제공할 것이다. 후자인 큰 A/R 터빈 하우징은 고속, 고 부하 추진 요건을 위해 터빈 스테이지에 질량 유동 요건을 제공하지만, 허용 가능한 과도 응답을 생성하기에 충분히 빠르게 터빈 휠을 가속시키지 않을 것이다.The problem is that the turbine stage must meet all of the basic engine conditions described above, in addition to the requirements for the EGR to allow the turbocharger to supply the required flow and pressure ratios in all these conditions. In order for the turbocharger to change speed rapidly, one skilled in the art can select a turbocharger with a small A / R turbine housing. To supply the required flow and pressure ratios under high load, high speed conditions, one skilled in the art can choose a turbocharger with a large A / R turbine housing. The small A / R turbine housing, the former, provides good transient response characteristics but will provide insufficient mass flow to the turbine stage to generate high speed, high load compressor requirements. The latter large A / R turbine housing provides mass flow requirements to the turbine stage for high speed, high load propulsion requirements, but will not accelerate the turbine wheels fast enough to produce an acceptable transient response.
분명히, 하나는 더 크고 하나는 더 작으며 이 둘 사이에서 전환될 수 있는 2개의 터보차저들을 구비한 시스템을 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 상기 시스템은 고가이고, 큰 "히크 싱크"를 나타내고, 엔진 룸에서 많은 공간을 차지하며, 차량의 질량에 더해질 것이다.Obviously, it is desirable to have a system with two turbochargers, one larger and one smaller, which can be switched between the two. However, the system is expensive, exhibits a large "heat sink", takes up a lot of space in the engine room, and will add to the mass of the vehicle.
혼자 작동하는 적절하게 부합된 작은 A/R 터빈 스테이지는 비록 고 부하, 고속 조건에 맞는 터빈 스테이지에 비해 더 높은 배압을 희생시킬지라도 허용 가능한 과도 응답을 제공할 것이다. EGR이 없는 엔진에서 높은 배압을 갖는 것은 엔진의 압력차에 부정적이고 따라서 엔진 효율에도 좋지 않다. (저압 루프 EGR 엔진 구성과 반대되는) 고압 루프 EGR 엔진 구성에서, 배기 시스템의 높은 배압은 엔진의 배기 측으로부터 추진 압력을 받고 있는 엔진의 흡입 측으로 배기가스를 공급하기 위한 해결책의 일부이다. 주어진 세트의 엔진 파라미터들에 대한 큰 터빈 하우징 A/R은 동일한 세트의 엔진 파라미터들 하에서의 작은 A/R 터빈 하우징보다 낮은 배기 배압을 생성할 것이다. 따라서 터빈 하우징의 효과적인 A/R을 변화시킬 수 있는 것은 하나의 터보차저가 저속, 저 부하 조건 및 고속, 고 부하 조건의 유동 및 배압 요건들을 모두 만족시킬 수 있게 한다.Properly matched small A / R turbine stages that operate alone will provide acceptable transient response even at the expense of higher back pressure than turbine stages for high load, high speed conditions. In engines without EGR, having a high back pressure is negative for the pressure differential of the engine and therefore poor for engine efficiency. In the high pressure loop EGR engine configuration (as opposed to the low pressure loop EGR engine configuration), the high back pressure of the exhaust system is part of the solution for supplying the exhaust gas from the exhaust side of the engine to the intake side of the engine under propulsion pressure. Large turbine housing A / R for a given set of engine parameters will produce lower exhaust back pressure than smaller A / R turbine housing under the same set of engine parameters. Thus, being able to change the effective A / R of the turbine housing allows one turbocharger to meet both low speed, low load conditions and high speed, high load conditions of flow and back pressure requirements.
비대칭으로 구성된 한 세트의 와류실 단면적들을 통해 터빈 하우징에서 터빈 휠로 향하는 배기의 질량 유동을 제어하고, 비교적 간단한 유동 제어 장치를 통해 2개의 와류실들을 통과하는 유동을 제어함으로써, 유동 범위는 유동 제어 장치 없이 대칭으로 구성된 와류실 단면적들로 가능한 범위를 넘는 방식으로 확장되고 제어될 수 있다.By controlling the mass flow of the exhaust from the turbine housing to the turbine wheel through a set of asymmetrically configured vortex chamber cross sections and controlling the flow through the two vortex chambers through a relatively simple flow control device, the flow range is controlled by the flow control device. Symmetrically configured vortex compartment cross sections can be expanded and controlled in ways beyond the possible range.
대칭으로 분할된 와류실 터빈 하우징을 이용한 최초의 실험 이후에, 발명자들은 비대칭으로 분할된 터빈 하우징들을 이용한 다음 실험을 하였고, 와류실들 중 하나를 더 작은 A/R의 다른 와류실로 대체함으로써 유동 범위가 감소되고 이 와류실을 통과하는 최대 유동 범위가 또한 감소될 수 있다는 것을 알아냈다. 마찬가지로, 하나의 와류실을 더 큰 A/R의 다른 와류실로 교체함으로써, 와류실의 최대 유동 범위가 증가될 수 있다. 큰 와류실과 작은 와류실을 함께 조합하고, 큰 와류실의 차단 정도를 제어함으로써, 본 발명의 터빈 하우징의 유동 범위는 대칭으로 분할된 와류실을 구비한 본래의 원형 터빈 하우징의 유동 범위를 뛰어넘는다. 도 16에서, 수평 해칭선들로 형성된 막대들(22)은 동일한(50-50) 면적의 와류실들을 구비한 터빈 하우징의 질량 유동을 나타내고, 수직 해칭선들로 형성된 막대들(23)은 비대칭(60-40) 면적의 와류실들을 구비한 터빈 하우징의 질량 유동을 나타낸다. 완전히 개방된 제한 밸브를 이용한 질량 유동들은 서로 동일한 반면, 제한 밸브가 완전히 폐쇄된 위치(즉, 큰 와류실로의 유동을 효과적으로 차단)에 있는 경우, 비대칭 A/R 구성의 질량 유동은 동일한 A/R 구성의 질량 유동보다 작다. 두 구성들 모두에 대한 단면 "A" 의 단면적들의 합은 0 내지 3% 이내지만, 질량 유동의 변화는 10 내지 13%의 범위에 있다.After the first experiments with symmetrically divided vortex turbine turbine housings, the inventors did the following experiments with asymmetrically divided turbine housings and replaced the flow range by replacing one of the vortex chambers with another smaller vortex chamber. Was found to be reduced and the maximum flow range through this vortex could also be reduced. Likewise, by replacing one vortex chamber with another vortex chamber of larger A / R, the maximum flow range of the vortex chamber can be increased. By combining the large vortex chamber and the small vortex chamber together and controlling the degree of interruption of the large vortex chamber, the flow range of the turbine housing of the present invention exceeds the flow range of the original circular turbine housing with symmetrically divided vortex chambers. . In FIG. 16, the bars 22 formed with horizontal hatching lines represent the mass flow of the turbine housing with vortex chambers of the same (50-50) area, and the bars 23 formed with vertical hatching lines are asymmetric (60). -40) represents the mass flow of a turbine housing with vortex chambers of area. The mass flows with the fully open restriction valves are identical to each other, while if the restriction valves are in the fully closed position (i.e. effectively blocking the flow to the large vortex chamber), the mass flows in the asymmetrical A / R configuration will be identical. Smaller than the mass flow of the composition. The sum of the cross-sectional areas of the section “A” for both configurations is within 0 to 3%, but the change in mass flow is in the range of 10 to 13%.
도 8a는 두 와류실들의 중심들(160, 161)이 중심선으로부터 동일한 반경(RA)에 있는 전형적인 대칭의 터빈 하우징 와류실 구성을 도시한다. 터빈 하우징이 대칭이기 때문에, 두 와류실들의 유효 중심(163)은 와류실들 사이의 분할 벽에 놓인다. 도 8b는 좌측 와류실이 도 8a의 대칭의 터빈 하우징의 좌측 와류실의 A/R 크기보다 더 큰 A/R 크기이고, 우측 와류실이 면적이 더 작은 A/R 크기여서, 2개의 A/R 크기가 좌측 와류실의 A/R 크기보다 작은 예를 도시한다. 이 경우, 우측 와류실의 중심은 중심선으로부터 반경(RC)에 있고, 터빈 하우징의 중심선에 축방향으로 더 가깝다. 좌측 와류실의 중심은 중심선으로부터의 반경(RB)에 있고, 터빈 하우징의 중심선으로부터 축방향으로 더 멀리 있다. 터빈 하우징의 두 와류실들의 유효 중심(164)은 이제 분할 벽의 중심선의 좌측으로 치우친 반경(RD)에 있다.8A shows a typical symmetric turbine housing vortex compartment configuration in which the centers 160, 161 of the two vortex chambers are at the same radius R A from the center line. Since the turbine housing is symmetrical, the effective center 163 of the two vortex chambers lies in the dividing wall between the vortex chambers. FIG. 8B shows an A / R size larger than the A / R size of the left vortex chamber of the symmetric turbine housing of FIG. 8A and the right vortex chamber is an A / R size smaller in area. An example in which the R size is smaller than the A / R size of the left vortex chamber is shown. In this case, the center of the right vortex chamber is at a radius R C from the center line and is closer in the axial direction to the center line of the turbine housing. The center of the left vortex chamber is at the radius R B from the center line and is further axially away from the center line of the turbine housing. The effective center 164 of the two vortex chambers of the turbine housing is now at the radius R D biased to the left of the center line of the dividing wall.
최적의 비대칭 터빈 하우징을 생산하기 위하여, 발명자들은 동일한 크기의 와류실들로부터 하나의 와류실 A/R이 증가되거나 하나의 와류실이 감소되는 옵션부터 동일한 크기의 와류실들에서 시작되어 중심측의 하나의 와류실 A/R이 증가되고 외측의 하나의 와류실 A/R이 감소되도록 하는 옵션까지 와류실의 크기들에 관한 여러 옵션들을 고려하였다. 발명자들을 실험을 통하여 중심 측이 60%이고 외측이 40%인 "A"-단면적들의 60/40 분할인 후차의 해결책이 제한 밸브가 완전히 개방된 상태에서 질량 유동을 바람직하게 분할하였다는 것을 확인하였다.In order to produce an optimal asymmetric turbine housing, the inventors started in the same sized vortex chambers from the option of increasing one vortex chamber A / R or decreasing one vortex chamber from the same size vortex chambers. Several options regarding the size of the vortex chamber have been considered, up to the option of increasing one vortex chamber A / R and decreasing the outer vortex chamber A / R. The inventors have confirmed through experiments that the later solution, which is a 60/40 division of "A" -sections with 60% center side and 40% outside, preferably divides the mass flow with the restriction valve fully open. .
모든 분할된 터빈 하우징들에서, 최소직경의 분할 벽의 단과 터빈 휠의 단들 사이에 교차 유동 ??이 존재한다. 대략 분할 벽의 시작 지점에서 도 4의 고정 텅(tongue)(26)을 통과하는 회전 터빈 휠 블레이드들의 작동에 의한 터빈 휠 작동을 최소화하기 위해, 분할 벽의 깊이는 전형적으로 터빈 휠 단의 직경(D3)의 120% 내지 150%의 비율보다 더 터빈 휠 블레이드 단들에 인접하게 연장되지 않는다. 이 Dbc/D3 의 비는 일반적으로 회사 설계 규칙들과 기술적인 목표들에 의해 결정된다. 직경 Dbc 는 기초 원으로 알려져 있다. 용융 주철의 분순물이 터빈 하우징 분할 벽의 단에 유입됨으로 인해 터빈 하우징 분할 벽의 단들은 크랙이 생기기 쉬우므로, 분할 벽의 가장 안쪽 또는 최소 직경은 전형적으로 터빈 휠 단의 직경의 적어도 120% 내지 150%이다. 분할 벽과 터빈 휠 사이의 이 ??은 2개의 와류실들 사이의 배기가스의 교차 유동뿐만 아니라 배기 유동의 펄스들 사이의 누화(cross-talk)를 가능하게 하고, 누화는 애초에 제1 위치에 분할 벽을 갖는 이유이다.In all divided turbine housings, there is a cross flow ?? between the ends of the minimum diameter dividing wall and the ends of the turbine wheel. In order to minimize turbine wheel operation by actuation of rotating turbine wheel blades through the stationary tongue 26 of FIG. 4 at approximately the beginning of the dividing wall, the depth of the dividing wall is typically defined by the diameter of the turbine wheel stage. It does not extend adjacent to the turbine wheel blade stages more than the ratio of 120% to 150% of D 3 ). This ratio of D bc / D 3 is usually determined by company design rules and technical goals. The diameter D bc is known as the base circle. Since the impurities in the molten cast iron enter the stage of the turbine housing dividing wall, the ends of the turbine housing dividing wall are prone to cracking, so the innermost or minimum diameter of the dividing wall is typically at least 120% of the diameter of the turbine wheel stage. 150%. This ?? between the dividing wall and the turbine wheel enables cross-talk between the pulses of the exhaust flow as well as the cross flow of the exhaust gas between the two vortex chambers, the crosstalk initially being in the first position. This is the reason for having a split wall.
기초 원을 갖는 터빈 스테이지의 직경이 터빈 휠의 직경의 120%인 경우에, 5 A/R들의 터빈 하우징 집합의 단면 "A" 에서 대칭 구성으로 두 와류실들의 면적의 70% 내지 105%인 면적을 갖는 교차 유동 ??이 존재한다. 기초 원을 갖는 터빈 스테이지의 직경이 터빈 휠 직경의 150%인 경우에, 교차 유동 ??은 5 A/R들의 터빈 하우징 집합의 단면 "A" 에서 대칭 구성으로 두 와류실들 면적의 199% 내지 299%인 면적을 갖는다. 이 분석으로부터 막 면적이 하나의 와류실로부터 다른 와류실로의 교차 유동을 위해 아주 큰 단면적을 제공할 수 있다는 것을 알 수 있다.If the diameter of the turbine stage with the base circle is 120% of the diameter of the turbine wheel, the area is between 70% and 105% of the area of the two vortex chambers in a symmetrical configuration in section "A" of the turbine housing assembly of 5 A / Rs. There is a cross flow ?? In the case where the diameter of the turbine stage with the base circle is 150% of the diameter of the turbine wheel, the cross flow ?? is from 199% of the area of the two vortex chambers in a symmetrical configuration at the cross section "A" of the turbine housing assembly of 5 A / Rs. It has an area of 299%. This analysis shows that the membrane area can provide a very large cross sectional area for cross flow from one vortex chamber to another.
막 면적이 터빈 휠 직경(D3)과 분할 벽의 최소 위치(Dbc) 모두의 함수이므로, 막 면적은 D3의 다른 값들로 인해 가변된다. 도 17은 64 ~ 94mm로 생산된 터빈 휠 직경들의 예에 대한 막 면적들을 도시한다. 막 면적들(133)은 상부 경계선(131) 및 하부 경계선(132) 사이에 둘러싸이거나 상부 경계선(131) 및 하부 경계선(132)에 의해 제한된다. 예상되는 것처럼, 막 면적들의 범위는 D3가 증가됨에 따라 증가된다. 도 17에서, 터빈 휠 직경들(D3)은 도면번호 123으로 도시되고, 선(124)은 분석된 터보들의 터빈 휠 직경들(D3)의 추세를 도시한다. 이 차트는 또한 1.25 내지 1.35 범위의 Dbc/D3 비를 포함한다.Since the membrane area is a function of both the turbine wheel diameter D 3 and the minimum position D bc of the dividing wall, the membrane area is variable due to the different values of D 3 . 17 shows the membrane areas for an example of turbine wheel diameters produced from 64 to 94 mm. The film areas 133 are surrounded between the upper boundary line 131 and the lower boundary line 132 or are limited by the upper boundary line 131 and the lower boundary line 132. As expected, the range of film areas increases with increasing D 3 . In FIG. 17, turbine wheel diameters D 3 are shown at 123, and line 124 shows the trend of turbine wheel diameters D 3 of the analyzed turbos. This chart also displays D bc / D 3 in the range 1.25 to 1.35. Contains rain.
발명자들은 64mm 터빈 휠을 이용한 실험을 통해, 비대칭으로 구성된 60/40 와류실과 제한 밸브의 조합에서, 분할 벽의 포트들뿐만 아니라 (Dbc의 면적에서 D3의 면적을 제외한 차이에 의해 결정된) 기초 원 "막"의 면적을 포함하는 최적의 교차 유동 면적은 1개의, 대칭인, 단면 "A" 의 와류실 단면적(즉, 단면 "A" 의 절반 면적)의 면적 289.6%를 갖는 면적이라는 것을 밝혀냈다. 이것은 슬롯들이나 포트들을 구비하지 않고, 단면 "A" 의 절반 면적의 단지 182.6%의 교차 유동 면적을 갖는 동일한 Dbc/D3 비를 구비한, 동일한 크기의 터빈 하우징의 전형적인 교차 유동 면적과 비교가 된다.The inventors experimented with a 64mm turbine wheel, in a combination of asymmetrically configured 60/40 vortex chambers and limiting valves, as well as the ports of the dividing wall, as well as the foundation (determined by the difference excluding the area of D 3 from the area of D bc ). It has been found that the optimal crossflow area, including the area of the circle "membrane", is an area having an area of 289.6% of one, symmetrical, vortex compartment cross-sectional area of section "A" (ie half area of section "A"). . This is comparable to the typical cross flow area of a turbine housing of the same size without slots or ports and with the same D bc / D 3 ratio having a cross flow area of only 182.6% of the half area of section “A”. do.
막 면적들과 D3 및 Dbc 사이의 관계에서와 같이, 총 교차 유동 면적(122)은 D3 및 Dbc 뿐만 아니라 단면 "A"의 1개의 와류실의 면적의 변화에 영향을 받는다. 교차 유동 면적들(122)은 상부 경계선(126) 및 하부 경계선(127)에 의해 둘러싸인다. 도 18의 차트는 발명자들에 의해 분석된 다른 터빈 스테이지들의 교차 유동 면적과 D3(123)의 관계를 도시한다.As in the relationship between the membrane areas and D 3 and D bc , the total cross flow area 122 is affected by changes in the area of D 3 and D bc as well as one vortex chamber of section “A”. Cross flow areas 122 are surrounded by an upper boundary line 126 and a lower boundary line 127. The chart of FIG. 18 shows the relationship of the cross flow area and D 3 123 of the other turbine stages analyzed by the inventors.
교차 유동 면적을 선택하기 위하여, inch 단위의 터빈 휠의 직경 D3의 값 을 결정한다. 한 예가 수평선(128)으로 도시된 76mm(2.992") 터빈 휠 직경이다. 터빈 휠 직경으로부터, 터빈 휠 직경(123)과 교차하는 수직선(129)이 하부 경계선(127)과 상부 경계선(128)을 나눈다. 교차 유동 면적은 하부 및 상부 경계선들(127, 126) 사이의 수직선(129)의 수직 부분(130)으로 도시된다.To select the cross flow area, determine the value of diameter D 3 of the turbine wheel in inches. One example is a 76 mm (2.992 ") turbine wheel diameter, shown as horizontal line 128. From the turbine wheel diameter, a vertical line 129 intersecting the turbine wheel diameter 123 connects the lower boundary line 127 and the upper boundary line 128. The cross flow area is shown by the vertical portion 130 of the vertical line 129 between the lower and upper boundary lines 127, 126.
도 17 및 18에 도시된 차트에 표시된 데이터 지점들을 생성하는 식은 다음과 같을 수 있다:The equation for generating the data points indicated in the charts shown in FIGS. 17 and 18 may be as follows:
Figure pct00001
Figure pct00001
도 9에 도시된 것처럼, 저 유동 조건에서, 회동식 밸브 부재(72)는 매니폴드로부터 외측 또는 출구측의 작은 와류실(49)을 통해 터빈 휠(70)로 유동을 가하는 중심 또는 베어링 하우징 측의 큰 와류실(48)로의 유동을 제한하도록 작동된다.As shown in FIG. 9, in low flow conditions, the pivoting valve member 72 is the center or bearing housing side that flows from the manifold to the turbine wheel 70 through a small vortex chamber 49 on the outside or outlet side. To restrict flow to the large vortex chamber 48.
비대칭 터빈 하우징은 분할 벽(25)에 대해 축방향으로 위치된 큰 좌측 또는 중심측 와류실(48) 및 작은 우측 또는 외측 와류실(49)을 구비한다. 유동 제한 장치, 이 경우 회동식 밸브 부재(72)는 매니폴드 중심면 풋(37)과 터빈 하우징 풋(51)의 결합면들에 구속된다. 발명자들은 비용 및 기술적 이유들로 인해 상기 구성을 선택하지만, 제한 장치는 중심측 배기 매니폴드 통로(34)에 위치될 수 있다.The asymmetric turbine housing has a large left or center side vortex chamber 48 and a small right or outer vortex chamber 49 positioned axially with respect to the dividing wall 25. The flow restrictor, in this case the pivot valve member 72, is constrained to the mating surfaces of the manifold center plane foot 37 and the turbine housing foot 51. The inventors choose this configuration for cost and technical reasons, but the limiting device can be located in the central side exhaust manifold passage 34.
도 10b에 도시된 것처럼, 고 유동 조건에서, 회동식 밸브 부재(72)는 터빈휠로 최대 유동이 가능하도록, 큰 중심측 와류실(48)이나 작은 외측 와류실(49) 어디로도 치우치지 않는 중심 위치에 있다. 이러한 고 유동 조건에서, 유동 제한 장치의 회동식 밸브 부재(72)는 터빈 풋(51)의 하류측에서 터빈 하우징의 분할 벽(25)과 나란하게 정렬된다. (도 10b에 점선으로 도시된) 최소 유동 위치에서, 회동식 밸브 부재(72)는 큰 와류실(48)로의 배기 유동을 제한하여 배기 유동이 작은 와류실(49)을 통해 흐르도록, 바람직하게는 작동 암(73)에 가해진 힘에 의해 장치의 축(74, 78)을 중심으로 폐쇄 위치를 향하여 회전된다. 유동 제한 장치는 완전 개방 또는 완전 폐쇄 위치 사이의 어떠한 위치로도 조절될 수 있다.As shown in FIG. 10B, in high flow conditions, the rotary valve member 72 is not biased either in the large center side vortex chamber 48 or the small outer vortex chamber 49 to allow maximum flow to the turbine wheel. It is in the center position. In this high flow condition, the rotary valve member 72 of the flow restrictor is aligned with the dividing wall 25 of the turbine housing downstream of the turbine foot 51. In the minimum flow position (shown in dashed lines in FIG. 10B), the rotary valve member 72 restricts the exhaust flow to the large vortex chamber 48 so that the exhaust flow flows through the small vortex chamber 49, preferably. Is rotated toward the closed position about the axes 74, 78 of the device by the force applied to the actuating arm 73. The flow restrictor can be adjusted to any position between fully open or fully closed positions.
이러한 형태의 유동 제한 장치의 단면도가 도 10a에 도시된다. 이러한 관점에서, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 유동 제한 블레이드가 회동을 위한 2개의 원통 베어링 표면들 및 위치 제어를 위한 작동 암(73)을 구비하여 제작된다는 것을 알 수 있다. 터빈 하우징 풋(51)과 배기 매니폴드 풋(37)의 연결 부위에 형성되고 베어링 표면을 수용하는 구멍의 일측은 막힌 구멍(77)인 반면, 타측(75)은 개방된 구멍이다. 개방된 구멍측에서, 피스톤 링(76)은 유동 제한 장치를 위해 축방향 정렬뿐만 아니라, 기밀(gas seal)을 제공한다. 작동 암(73)의 배치는 설계적인 제약을 만족하도록 최적화될 수 있다.A cross-sectional view of this type of flow restrictor is shown in FIG. 10A. In this respect, in a preferred embodiment of the present invention, it can be seen that the flow restricting blade is made with two cylindrical bearing surfaces for rotation and an actuating arm 73 for position control. One side of the hole formed at the connection portion of the turbine housing foot 51 and the exhaust manifold foot 37 and accommodating the bearing surface is a blocked hole 77, while the other side 75 is an open hole. On the open orifice side, the piston ring 76 provides a gas seal as well as axial alignment for the flow restrictor. The placement of the actuating arm 73 can be optimized to meet design constraints.
발명자들은, 해수면과 고지 모두에서, 엔진 속도 및 부하의 함수로 배압뿐만이 아니라 배압에 대한 추진의 비(ratio of boost-to-backpressure)도 증가하여 배기시스템의 유동 제한 장치가 이상적인 파라미터로 된다는 것을 알게 되었다. 회동식 유동 제한 장치가 폐쇄 위치를 향하여 회전되면, 터빈 하우징은 유동제한 장치가 개방된 상태에서 존재하는 것보다 더 작은 A/R 터빈 하우징인 것처럼 작동한다. 이것은 엔진의 배기측으로부터 엔진의 흡입측으로의 EGR 유동을 위해 필요한 배기 배압을 증가시킨다. 따라서, 유동 제한 장치의 회전은 엔진의 배기측에서 엔진의 흡입측으로 EGR 유동을 돕기 위해 (엔진의 배기측에서 엔진의 흡입측으로) 압력차를 만드는데 사용될 수 있다.The inventors find that, at both sea level and elevation, not only the back pressure as a function of engine speed and load, but also the ratio of boost-to-back pressure increases, making the flow restrictor of the exhaust system an ideal parameter. It became. When the rotatable flow restrictor is rotated toward the closed position, the turbine housing operates as if it were a smaller A / R turbine housing than present with the flow restrictor open. This increases the exhaust back pressure necessary for the EGR flow from the exhaust side of the engine to the intake side of the engine. Thus, the rotation of the flow restrictor can be used to make a pressure difference (from the exhaust side of the engine to the intake side of the engine) to assist the EGR flow from the exhaust side of the engine to the intake side of the engine.
본 발명의 제1 실시예에서, 터빈 휠로의 유효 질량 유동은 터빈 하우징 입구 또는 풋의 지점을 중심으로 회동하는 유동 제한 장치에 의해, 개방 위치에서 유동 제한 장치의 회동식 밸브 부재(72)가 배기 유동의 제한을 최소화하는 터빈 하우징의 분할 벽(25)과 일직선 상에 있도록, 제어된다. 터빈 휠로의 질량 유동을 더욱 제한하거나 질량 유동을 줄이는 것이 필요함에 따라, 회동 암(73)은 그 축(74, 78)을 중심으로 회전하도록 작동되어, 회동식 밸브 부재(72)가 큰 와류실(48)로의 배기가스의 유동을 방해하도록 하고, 이것은 터빈 휠로의 질량 유동을 조절 가능하게 감소시킨다.In the first embodiment of the present invention, the effective mass flow to the turbine wheel is caused by the flow restrictor rotating about the point of the turbine housing inlet or foot, whereby the rotary valve member 72 of the flow restrictor in the open position is exhausted. It is controlled to be in line with the dividing wall 25 of the turbine housing, which minimizes the restriction of flow. As it is necessary to further limit the mass flow to the turbine wheel or reduce the mass flow, the pivot arm 73 is operated to rotate about its axes 74 and 78, such that the swirl valve member 72 has a large vortex chamber. This impedes the flow of exhaust gas to 48, which tunably reduces the mass flow to the turbine wheel.
본 발명의 제1 실시예의 변형예에서, 도 11a 및 11b에 도시된 것처럼, 유동 제한 장치는 버터플라이 밸브(80)의 형태를 취하며, 버터플라이 밸브는 회동 암(81)에서의 모멘트를 감소시켜, 더 작은 힘의 따라서 저 비용의 액츄에이터가 가능하게 한다. 본 발명의 제1 실시예의 제1 변형예의 단면도인 도 11a에서, 베어링 표면들 및 피스톤 링의 구성은 제1 실시예와 동일하다. 도 11b에서, 버터플라이 구성의 경우에 회동 위치가 큰 또는 중심측 와류실(48)로의 유동 경로의 대략 중심에 있어서, 그 축들(74, 84)에 대한 버터플라이(77)의 회전은 외측 와류실(49)로의 유동을 편향시키는 중심측 와류실(48)에 조절 가능한 유동 제한을 제공한다. 본 발명의 제1 실시예의 상기 변형예의 경우, 최소 유동 제한 위치에서, 도 11b에 도시된 것처럼, 버터플라이 밸브는 와류실을 통과하는 유동과 나란하게 정렬되어, 버터플라이 밸브의 단들이 중심측 와류실(48)을 폐쇄하거나 가린다. 버터플라이 밸브를 이용한 해결책은 회동의 양측의 모멘트들이 서로 상쇄되기 때문에, 낮은 작동 부하의 이점을 갖는다.In a variant of the first embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 11A and 11B, the flow restrictor takes the form of a butterfly valve 80, which reduces the moment at the pivot arm 81. This allows for lower cost actuators with less force. In Fig. 11A, which is a sectional view of a first modification of the first embodiment of the present invention, the configuration of the bearing surfaces and the piston ring is the same as that of the first embodiment. In FIG. 11B, the rotation of the butterfly 77 about its axes 74, 84 at the center of the flow path to the central side vortex chamber 48 with a large rotational position in the case of a butterfly configuration results in an outer vortex An adjustable flow restriction is provided to the central side vortex chamber 48 which deflects flow into the chamber 49. For this variant of the first embodiment of the present invention, in the minimum flow restriction position, as shown in Fig. 11B, the butterfly valve is aligned side by side with the flow through the vortex chamber so that the stages of the butterfly valve are vortexed in the center side The seal 48 is closed or covered. The solution using a butterfly valve has the advantage of a low operating load since the moments on both sides of the rotation cancel each other out.
유동 제한 장치가 부분적으로 개방 위치에 있을 때, 외측(작은) 와류실(49)로부터 중심측(큰) 와류실(48)로의 유동은 분할 벽(25)의 길이를 감소시키거나 분할 벽 안에 슬롯들을 형성함으로써 더 용이해질 수 있다.When the flow restrictor is in the partially open position, flow from the outer (small) vortex chamber 49 to the central (large) vortex chamber 48 reduces the length of the partition wall 25 or slots in the partition wall. By forming them.
일반적으로, 상용 디젤 시장에서, 높은 속도의 주행이 예상될 수 있는 제품의 경우, 터빈 하우징의 분할 벽들은 크랙이 발생하기 쉽다. 발명자들은 프리-캐스트 응력 제거 특징(pre-cast stress-relieving features)을 분할 벽에 도입함으로써, 분할 벽의 크랙에 대한 이러한 경향을 기계적으로 최소화하기 위한 기회를 인식하였다. 도 12b는 도 12a의 A-A 단면을 따라 본 터빈 하우징을 도시한다. 이러한 단면 절개는 일반적으로, 크랙에 대한 터보차저의 저항성을 측정하기 위해 터보차저가 극한의 온도 사이클을 겪게 하는 열 사이클 보증 시험(thermal cycling qualification test)을 거친 터빈 하우징의 상태를 평가하기 위해 수행된다. 도 12b에서, 도시된 크랙들(87)은 분할 벽 면적에서 상용 디젤 타입 터빈 하우징의 전형적인 것이다. In general, in the commercial diesel market, for products where high speed travel can be expected, the split walls of the turbine housing are prone to cracking. The inventors have recognized the opportunity to mechanically minimize this tendency for cracks in the dividing wall by introducing pre-cast stress-relieving features into the dividing wall. FIG. 12B shows the turbine housing seen along the A-A cross section of FIG. 12A. This cross-section is generally performed to assess the condition of the turbine housing after a thermal cycling qualification test that causes the turbocharger to undergo extreme temperature cycles to measure the resistance of the turbocharger to cracks. . In FIG. 12B, the cracks 87 shown are typical of a commercial diesel type turbine housing in a split wall area.
발명자들은, 슬롯들 또는 포트들 형태의 "응력 제거 수단" 이 분할 벽에 주조된다면, 이 포트들은 크랙 성향을 최소화할 뿐만 아니라 제한 밸브의 부분 내지 완전 폐쇄 상태에서 비조절식 외측 와류실로부터 조절식 중심측 와류실로의 유동 경로를 제공할 것이라고 추측하였다. 추가적인 유동 경로는 슬롯들 또는 포트들 없이 가능한 것보다 더 큰 주변 간격 또는 면적에 걸쳐서 터빈 휠로의 유동을 제공한다.The inventors believe that if "stress removal means" in the form of slots or ports are cast on the dividing wall, these ports not only minimize the propensity for cracking, but also the adjustable center from the unregulated outer vortex chamber in part to full closure of the restriction valve. It was assumed that it would provide a flow path to the side vortex chamber. Additional flow paths provide flow to the turbine wheel over a larger peripheral gap or area than is possible without slots or ports.
본 발명의 제2 실시예에서, 도 13에 도시된 것처럼, 터빈 휠로의 유효 질량 유동은 분할 벽에 형성된 교차 유동 포트들(88)을 구비한 비대칭 터빈 하우징의 유동 제한 장치에 의해 제어된다. 본 발명의 바람직한 제2 실시예에서, 상기 포트들의 면적은 각 포트의 선단 반경부(89), 후단 반경부(90), 내측단 원형부(92) 및 외측단 나선부(91)에 의해 둘러싸인다. 터빈 하우징의 교차 유동 포트들의 면적들의 합은 단면 "A"의 조절식 와류실의 면적과 대략 같다. 중요한 것은 포트들의 형상이 아니라 포트들의 면적들의 합이다.In the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 13, the effective mass flow to the turbine wheel is controlled by the flow restricting device of the asymmetric turbine housing with cross flow ports 88 formed in the dividing wall. In a second preferred embodiment of the invention, the area of the ports is surrounded by the leading radius 89, the trailing radius 90, the inner end circular portion 92 and the outer end spiral 91 of each port. All. The sum of the areas of the cross flow ports of the turbine housing is approximately equal to the area of the adjustable vortex chamber of section "A". What is important is not the shape of the ports, but the sum of the areas of the ports.
본 발명의 제2 실시예의 변형예에서, 도 14에 도시된 것처럼, 터빈 휠로의 유효 질량 유동은 분할 벽에 형성된 교차 유동 슬롯들(95)을 구비한 비대칭 터빈 하우징의 유동 제한 장치에 의해 제어된다. 본 발명의 바람직한 제2 실시예에서, 상기 슬롯들의 면적은 각 포트의 선단 반경부(98), 후단 반경부(99), 외측단 나선부(91) 및 기초 원(71)에 의한 내측 경계에 의해 둘러싸인다. 터빈 하우징의 교차 유동 슬롯들의 면적들의 합은 단면 "A"의 조절식 와류실의 면적과 대략 같다. 중요한 것은 슬롯들의 면적들의 형상이 아니라 슬롯들의 면적들과 분할 벽 단 내부의 교차 유동 면적의 합이다. 본 발명의 바람직한 제2 실시예에서, 슬롯의 외측 경계(97)는, 응력을 증가시키고 최초 크랙이 발생되는 슬롯의 성향을 최소화하기 위해 슬롯의 외측단을 키홀(keyhole)로 구성하는 것으로 특징지어질 수 있다.In a variant of the second embodiment of the invention, as shown in FIG. 14, the effective mass flow to the turbine wheel is controlled by the flow restriction device of the asymmetric turbine housing with cross flow slots 95 formed in the dividing wall. . In a second preferred embodiment of the invention, the area of the slots is at an inner boundary by the leading radius 98, the trailing radius 99, the outer spiral 91 and the base circle 71 of each port. Surrounded by The sum of the areas of the cross flow slots of the turbine housing is approximately equal to the area of the adjustable vortex chamber of section "A". What is important is not the shape of the areas of the slots but the sum of the areas of the slots and the cross flow area inside the dividing wall stage. In a second preferred embodiment of the present invention, the outer boundary 97 of the slot is characterized by a keyhole at the outer end of the slot in order to increase the stress and minimize the propensity of the slot in which the initial crack occurs. Can lose.
기본적인 트윈 유동 터빈 하우징에서 처럼 반경방향 표면들이 아닌 터보차저 축, 즉 축방향 표면들과 평행한 와류실 분할 벽을 구비한 다중 유동 터빈 하우징들은 흔하지 않다. 발명자들은 이러한 유형의 터빈 하우징을 구비한 터빈 스테이지의 유동 범위를 더욱 비용 효과적으로 증가시키기 위해 유동 제한 장치를 수반하는 비대칭 와류실 면적들을 구비한 다중 유동 터빈 하우징들에 대해 유사한 논리를 이용하기 위한 기회를 인식하였다.As in the basic twin flow turbine housing, multiple flow turbine housings with vortex compartment partition walls parallel to the axial surfaces, ie turbocharger axes, rather than radial surfaces, are not common. The inventors have the opportunity to use similar logic for multiple flow turbine housings with asymmetric vortex compartment areas involving flow restrictors to more cost effectively increase the flow range of the turbine stage with this type of turbine housing. Recognized.
본 발명의 제3 실시예에서, 도 15a에 도시된 것과 같은 삼중 유동 터빈 하우징이 바람직하게 사용된다. 2개의 축방향 와류실 분할 벽들(103, 104)은 제한되지 않은 인접한 와류실들을 통과하는 외부로부터 내부로의 유동들의 비가 대략 70% 내지 20% 내지 10%가 되도록 터빈 하우징 내에 조립된다. 이러한 비율들은 필요에 따라 변경될 수 있다. 유동들의 비는 오직 조절식 와류실이 개방 면적들의 합이 조절식 제한 밸브의 면적과 동일하다는 점에서 중요하다. 유동 제한 밸브가 제공된다. 유동 제한 밸브는, 개방 위치에서 유동 제한 장치의 블레이드(89)가 터빈 하우징 외측 와류실 벽과 동일 평면에 놓여 배기 유동의 제한을 최소화하도록, 터빈 하우징 입구 또는 풋 지점을 중심으로 회동한다. 터빈 휠로의 질량 유동을 더욱 제한하거나 줄이는 것이 필요하기 때문에, 회동 암(73)은 축을 중심으로 회전하도록 작동되어, 블레이드(89)가 먼저 외측 와류실(들), 이어서 중앙 와류실로의 배기 가스의 유동을 방해하도록 한다. 이런 방식으로, 터빈 휠로의 질량 유동을 조절 가능하게 감소시킬 수 있는 유동 제한 장치를 통해 터빈 휠로의 유효 질량 유동이 제어된다.In a third embodiment of the invention, a triple flow turbine housing such as shown in FIG. 15A is preferably used. The two axial vortex compartment dividing walls 103, 104 are assembled in the turbine housing such that the ratio of flows from outside to the interior passing through the unrestricted adjacent vortex compartments is approximately 70% to 20% to 10%. These ratios can be changed as needed. The ratio of the flows is only important in that the adjustable vortex chamber is such that the sum of the open areas is equal to the area of the adjustable restriction valve. Flow restriction valves are provided. The flow restriction valve is rotated about the turbine housing inlet or foot point so that in the open position the blade 89 of the flow restriction device is flush with the turbine housing outer vortex wall wall to minimize the restriction of exhaust flow. Since it is necessary to further restrict or reduce the mass flow to the turbine wheel, the pivot arm 73 is operated to rotate about an axis so that the blade 89 first of the exhaust gas to the outer vortex chamber (s), then to the central vortex chamber. Try to interrupt the flow. In this way, the effective mass flow to the turbine wheel is controlled through a flow restrictor that can controllably reduce the mass flow to the turbine wheel.
본 발명의 제3 실시예의 변형예에서, 분할 벽들(106, 107)은, 외측 와류실들로부터의 유동이 내측 와류실들에 도달하여 터빈 휠(70)에 도달하도록, 슬롯(108)을 구비한다. 슬롯들(108)은 또한 질량 유동 조절을 가능하게 하고, 터빈 휠로의 더 일정하고 바람직한 유동 분포를 가능하게 한다.In a variant of the third embodiment of the invention, the dividing walls 106, 107 have a slot 108 such that flow from the outer vortex chambers reaches the inner vortex chambers and reaches the turbine wheel 70. do. Slots 108 also allow for mass flow regulation and allow for a more constant and desirable flow distribution to the turbine wheel.

Claims (14)

  1. 가변 유동 터보차저로서,
    (a) 배기가스 유동을 수용하기 위해 배기 매니폴드와 결합하는 터빈 하우징 풋(51)에 터빈 입구부를 구비하고, 터빈 출구부(52)를 구비하고, 터빈 하우징 풋과 출구부 사이에 와류실을 구비한 터빈 하우징(2);
    (b) 와류실로부터 배기가스 유동을 수용하기 위해 상기 터빈 하우징 안에 위치된 복수의 블레이드를 구비한 터빈 임펠러(70);
    (c) 와류실을 큰 와류실(48)과 작은 와류실(49)로 분할하기 위한 적어도 하나의 와류실 분할 벽; 및
    (d) 큰 와류실로 유동되는 배기가스의 차단 정도를 조절하도록 형성된 배기 유동 제어 밸브 수단을 포함하는 가변 유동 터보차저.
    As a variable flow turbocharger,
    (a) A turbine inlet is provided in the turbine housing foot 51 that engages the exhaust manifold to receive the exhaust gas flow, and a turbine outlet 52 is provided between the turbine housing foot and the outlet. A turbine housing 2 provided;
    (b) a turbine impeller (70) having a plurality of blades located within the turbine housing for receiving exhaust gas flow from the vortex chamber;
    (c) at least one vortex compartment dividing wall for dividing the vortex compartment into a large vortex chamber 48 and a small vortex chamber 49; And
    (d) a variable flow turbocharger comprising exhaust flow control valve means adapted to control the degree of blockage of exhaust gas flowing into the large vortex chamber.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배기 유동 제어 밸브 수단은 가변 가능하게 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 가변 유동 터보차저.
    The method of claim 1,
    And the exhaust flow control valve means is variably adjustable.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 와류실 분할 벽은 구멍들을 포함하고, 배기 유동은 상기 구멍들을 통해 큰 와류실과 작은 와류실 사이를 통과할 수 있는 것을 특징으로 하는 가변 유동 터보차저.
    The method of claim 1,
    And the vortex compartment dividing wall comprises apertures, and exhaust flow can pass between the large vortex compartment and the small vortex compartment through the apertures.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분할 벽은 축방향 분할 벽인 것을 특징으로 하는 가변 유동 터보차저.
    The method of claim 1,
    And the dividing wall is an axial dividing wall.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분할 벽은 반경방향 분할 벽인 것을 특징으로 하는 가변 유동 터보차저.
    The method of claim 1,
    And the dividing wall is a radial dividing wall.
  6. 제1항에 있어서,
    큰 와류실의 부피는 분할된 와류실 공간의 적어도 약 55%를 포함하고, 작은 와류실의 부피는 분할된 와류실 공간의 최대 약 45%를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 유동 터보차저.
    The method of claim 1,
    Wherein the volume of the large vortex compartment comprises at least about 55% of the divided vortex compartment space and the volume of the small vortex compartment comprises up to about 45% of the divided vortex compartment space.
  7. 제1항에 있어서,
    큰 와류실의 부피는 분할된 와류실의 약 55 내지 65%를 포함하고, 작은 와류실의 부피는 분할된 와류실의 약 45 내지 35%를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 유동 터보차저.
    The method of claim 1,
    Wherein the volume of the large vortex chamber comprises about 55-65% of the divided vortex chamber and the volume of the small vortex chamber comprises about 45-35% of the divided vortex chamber.
  8. 제1항에 있어서,
    적어도 2개의 축방향 또는 반경방향 분할 벽들을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 유동 터보차저.
    The method of claim 1,
    A variable flow turbocharger comprising at least two axial or radial dividing walls.
  9. 제1항에 있어서,
    분할 벽은 반경방향이고, 작은 와류실(49)은 출구측에 있고, 큰 와류실(48)은 출구측의 반대편에 있는 것을 특징으로 하는 가변 유동 터보차저.
    The method of claim 1,
    The dividing wall is radial, the small vortex chamber (49) is on the outlet side and the large vortex chamber (48) is on the opposite side of the outlet side.
  10. 제1항에 있어서,
    배기 유동 제어 밸브 수단은 큰 와류실(48)로의 유동이 제한되지 않는 개방 위치와 큰 와류실(48)로의 유동이 효과적으로 차단되는 폐쇄 위치 사이에서 회동하도록 형성된 회동식 밸브 부재(72)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 유동 터보차저.
    The method of claim 1,
    The exhaust flow control valve means includes a rotary valve member 72 configured to rotate between an open position in which flow to the large vortex chamber 48 is not limited and a closed position in which flow to the large vortex chamber 48 is effectively blocked. Variable flow turbocharger, characterized in that.
  11. 배기 매니폴드를 포함하고, 배기 매니폴드와 유체 결합된 가변 유동 터보차저를 구비한 내연 기관으로서, 가변 용량 터보차저는:
    (a) 터빈 입구부, 터빈 출구부(52) 및 와류실을 구비한 터빈 하우징(2);
    (b) 상기 터빈 하우징에 위치되고 복수의 블레이드를 구비한 터빈 임펠러;
    (c) 상기 와류실을 큰 와류실(48)과 작은 와류실(49)로 분할하기 위해 상기 터빈 입구부 근처로 연장된 적어도 하나의 와류실 분할 벽;
    (d) 상기 큰 와류실로 배기가스를 유입하는 제1 배기 유입 통로 및 상기 작은 와류실로 배기가스를 유입하는 제2 배기 유입 통로를 포함하는 분할된 배기 매니폴드(36); 및
    (e) 상기 제1 배기 유입 통로로 유동되는 배기가스의 차단 정도를 조절하기 위해 적어도 제1 배기 유입 통로에 위치되는 배기 유동 제어 밸브 수단을 포함하는 내연 기관.
    An internal combustion engine comprising an exhaust manifold and having a variable flow turbocharger fluidly coupled with the exhaust manifold, the variable displacement turbocharger is:
    (a) a turbine housing 2 having a turbine inlet, a turbine outlet 52 and a vortex chamber;
    (b) a turbine impeller positioned in the turbine housing and having a plurality of blades;
    (c) at least one vortex compartment dividing wall extending near the turbine inlet to divide the vortex compartment into a large vortex chamber 48 and a small vortex chamber 49;
    (d) a divided exhaust manifold (36) comprising a first exhaust inlet passage for introducing exhaust gas into the large vortex chamber and a second exhaust inlet passage for introducing exhaust gas into the small vortex chamber; And
    (e) internal combustion engines comprising exhaust flow control valve means located in at least the first exhaust inlet passage to control the degree of blockage of the exhaust gas flowing into the first exhaust inlet passage.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 배기 유동 제어 밸브 수단은 터빈 하우징에 위치된 것을 특징으로 하는 가변 유동 터보차저.
    12. The method of claim 11,
    Said exhaust flow control valve means being located in a turbine housing.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 배기 유동 제어 밸브 수단은 상기 터빈 하우징과 결합된 배기 매니폴드에 위치된 것을 특징으로 하는 가변 유동 터보차저.
    12. The method of claim 11,
    Said exhaust flow control valve means being located in an exhaust manifold associated with said turbine housing.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 배기 유동 제어 밸브 수단은 배기 매니폴드와 터빈 하우징 사이에 위치된 것을 특징으로 하는 가변 유동 터보차저.
    12. The method of claim 11,
    And said exhaust flow control valve means is located between the exhaust manifold and the turbine housing.
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