KR20140029219A - 터보 과급기와, 엔진 실린더 헤드 조립체 - Google Patents

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KR20140029219A
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요한 커츠만
?튼 로버츠
마누엘 마르케스
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허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
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Abstract

터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체는 센터 하우징 회전 조립체(CHRA)와 센터 하우징 회전 조립체를 수용하기 위해 리셉터클을 형성하고 압축기 볼류트를 형성하는 엔진 실린더 헤드를 구비한다. 디퓨저는 압축기 휠로부터 압축 공기를 수용 및 분산시키고 압축 공기를 압축기 볼류트로 공급하도록 형성된다. 터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체는 엔진 실린더 헤드로부터 개별적으로 형성되고 엔진 실린더 헤드에 제거 가능하게 고정된 캡을 구비하고, 그 캡은 디퓨저의 일벽을 형성한다. 디퓨저의 대향벽은 센터 하우징 회전 조립체가 리셉터클 내에 압축기 휠 우선으로 또는 터빈 휠 우선으로 슬라이드 가능한 여부에 따라, 엔진 실린더 헤드 또는 센터 하우징의 부분에 의해 형성된다. 압축기 볼류트는 디퓨저의 터빈측 상에 배치될 수 있다.

Description

터보 과급기와, 엔진 실린더 헤드 조립체{TURBOCHARGER AND ENGINE CYLINDER HEAD ASSEMBLY}
본 출원은 현재 계류 중인 2012년 3월 21일자로 출원된 미국 특허 출원 제13/425,891호 및 2012년 3월 21일자로 출원된 미국 특허 출원 제13/425,943호의 일부 계속 출원이고, 그 전체 내용은 본원에 참고로 인용된다.
본 발명은 배기 가스-구동형 터보 과급기에 관한 것이다.
일반적인 터보 과급기에서는, 압축기 하우징, 센터 하우징 및 터빈 하우징이 존재한다. 압축기 하우징은 내부 연소 엔진의 공기가 유입되도록 전진 이동하는 압축기 휠로부터 압축 공기를 회수하는 볼류트(volute)를 형성한다. 센터 하우징의 주요한 역할은 압축기 휠과 터빈 휠을 연결하는 샤프트용 베어링을 수용하는 것이다. 터빈 하우징은 내부 연소 엔진으로부터 배기 가스를 수용하고 배기 가스를 터빈 휠 내로 유도하는 볼류트를 형성하며, 이에 의해 압축기 휠을 회전 및 구동시키도록 구동된다.
종래, 모든 터보 과급기의 하우징 부재는 별개의 구성요소이다. 일반적으로, 압축기 하우징은 압축기 볼류트뿐만 아니라, 압축기 휠로부터 압축 공기를 수용하여 볼류트 내로 압축 공기를 전달하기 전에 압축 공기를 확산시키는 디퓨저를 형성한다. 디퓨저는 압축기 효율의 관점에서 중요하다. 특히, 디퓨저가 압축기 설계자에 의해 명시된 치수를 갖는 것이 중요하고, 따라서 필요로 하는 정확도를 성취하도록 디퓨저를 기계 가공하는 것이 일반적으로 필요하다. 그러나, 압축기 하우징의 주조에 있어서 디퓨저의 위치로 인해, 이와 같은 기계 가공은 어렵다.
압축기 볼류트가 엔진 실린더 헤드 내에 일체화될 때 기계 가공의 어려운 상황이 악화되는데, (예컨대, 상기 기재된 본원과 관련된 미국 특허 출원 제13/425,891호 및 미국 특허 출원 제13/425,943호에 기재된 바와 같이) 최근에 제안된 터보 과급기의 디자인의 경우가 그러하고, 터보 과급기의 제조의 단순화 및 상기 엔진 장치 내에 터보 과급기가 편입되도록 이와 같은 일체화가 적용된다.
본 발명의 목적은 전술한 문제를 해결하기 위한 것이다. 본 명세서에 기술된 터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체에서는 압축기 볼류트가 실린더 헤드 내에 일체화되지만, 디퓨저는 고정밀도로 기계 가공하기에 용이해진다. 도시되고 후술된 실시예에서, 터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체는,
보어를 그 내에 형성하는 센터 하우징, 상기 보어 내에 수용된 베어링, 상기 베어링 내에 회전가능하게 지지되는 샤프트, 상기 샤프트의 일단부에 부착된 압축기 휠 및 상기 샤프트의 대향 단부에 부착된 터빈 휠을 포함하는 센터 하우징 회전 조립체;
상기 센터 하우징 회전 조립체를 수용하도록 리셉터클을 형성하며 압축기 볼류트를 형성하는 엔진 실린더 헤드;
상기 압축기 휠로부터 압축 공기를 수용 및 확산시켜서 상기 압축 공기를 상기 압축기 볼류트에 공급하는 디퓨저; 및
상기 엔진 실린더 헤드로부터 별개로 형성되고 상기 엔진 실린더 헤드에 제거가능하게 고정되며, 상기 디퓨저의 일 벽을 형성하는 캡
을 포함한다.
2가지의 기본적인 실시예가 기술된다. 일 실시예에서, 디퓨저의 대향 벽은 엔진 실린더 헤드의 일부에 의해 형성된다. 다른 하나의 실시예에서, 디퓨저의 대향 벽은 센터 하우징의 일부에 의해 형성된다. 양자의 경우에, 디퓨저의 대향 벽을 형성하는 표면의 제조가 용이하고 쉽게 기계 가공할 수 있다.
전자의 실시예에서, 터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체는 엔진 실린더 헤드 내에 있는 리셉터클(receptacle) 내에 센터 하우징 회전 조립체가 축방향으로 터빈 휠 우선(turbine-wheel-first)으로 수용되도록 구성된다. 센터 하우징은 디퓨저의 대향 벽을 형성하는 반경방향 외측으로 연장하는 플랜지를 구비한다. 디퓨저 벽을 형성하는 플랜지의 표면은 외부 공간으로의 접근이 용이하다.
다른 하나의 실시예에서, 터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체는 엔진 실린더 헤드 내에 있는 리셉터클 내에 센터 하우징 회전 조립체가 축방향으로 압축기 휠 우선(compressor-wheel-first)으로 수용되도록 구성된다. 이러한 경우, 엔진 실린더 헤드의 일부는 디퓨저의 대향 벽을 형성한다. 다시, 디퓨저 벽을 형성하는 엔진 실린더 헤드의 표면은 외부 공간으로의 접근이 용이하다.
기술된 실시예들은 다양해질 수 있다. 예컨대, 양자의 실시예에서, 터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체는 웨이스트게이트 유닛(wastegate unit)을 구비하며, 웨이스트게이트 유닛이 개방될 때 배기 가스가 터빈 휠을 바이패스하도록 작동가능하고 웨이스트게이트 유닛이 폐쇄될 때 배기 가스가 터빈 휠을 바이패스하지 못하도록 한다. 액추에이터는 웨이스트게이트 유닛의 개방도가 선택적으로 다양하도록 링키지(linkage)에 의해 웨이스트게이트 유닛과 연결된다.
일반적으로 본 명세서에서 기술된 내용은 첨부하는 도면을 참조하여 나타날 것이고, 도면은 일정한 비율로 그려질 필요가 없다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체의 사시도.
도 2는 부분적으로 구획된 도 1의 터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체의 정면도로서, 액추에이터, 링키지 및 웨이스트게이트 유닛을 제거한 상태를 도시한 도면.
도 3은 도 1의 터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체의 단면도.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체를 도시하며, 도 2와 유사한 부분적으로 구획된 정면도.
도 5는 도 4의 터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체의 단면도.
본 명세서에 기술된 내용은 전부가 아닌 몇몇의 본 발명의 실시예가 도시된 첨부하는 도면을 참조하여 더욱 상세하게 후술될 것이다. 사실상, 이러한 발명들은 다수의 다른 형태로 구현될 수 있고, 본 명세서에 기술된 실시예들에 대해 제한적이지 않다. 오히려, 본 실시예들은 이러한 기술내용이 적용가능하고 법적인 요구사항을 충족할 수 있도록 제공된다. 유사한 번호는 전체적으로 유사한 구성요소를 나타낸다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체(10)는 도 1 내지 도 3에 도시된다. 우선, 도 1를 참조하면, 엔진 실린더 헤드 조립체(10)는 터보 과급기(30)가 장착된 (단지 개략적으로 도시된) 엔진 실린더 헤드(20)를 포함한다. 엔진 실린더 헤드(20)는 엔진 실린더 상부에서, 엔진 블록의 최상부에 배치되도록 구성된 주조품을 포함한다. 엔진 실린더 헤드(20)는 각각, 일반적으로 엔진 실린더용 유입 및 배기 밸브의 구성요소를 수용하고, 유입 공기가 엔진 실린더로 이동되고, 배기 가스가 엔진 실린더로부터 떨어져 이동된 유입 및 배기 통로를 형성한다. 각각의 실린더에 있어서, 엔진 실린더 헤드는 하나 이상의 유입 통로와 하나 이상의 배기 통로를 형성한다(도시하지 않음). 엔진 실린더 헤드는 배기 통로를 통해 배기 가스를 터보 과급기의 터빈으로 공급하는 배기 메니폴드(exhaust manifold)(도시하지 않음) 내로 엔진 실린더 내에서 생성된 배기 가스가 이동하도록 구성된다.
엔진 실린더 헤드(20)는 그의 일체부로서 하우징 부재(40)를 형성한다. 헤드 프로퍼(head proper) 및 하우징 부재는 전체적으로 예컨대, 원피스형 주조품이 될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 하우징 부재(40)는 터보 과급기(30)의 개별적인 하우징 부재에 의해 종래에 규정된 다수의 특징부를 형성하도록 구성된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 터보 과급기(30)는 센터 하우징 회전 조립체(center housing rotating assembly)(CHRA)로도 언급되는 "카트리지(cartridge)"(32)를 구비한다. 센터 하우징 회전 조립체(32)는 샤프트(52)의 일단부에 부착된 압축기 휠(50), 샤프트(52)의 대향 단부에 부착된 터빈 휠(60), 샤프트(52)를 회전 가능하게 지지하는 베어링(54), 및 베어링(54)을 수용하고 베어링으로부터 스캐밴징 오일(scavenging oil)을 공급하며 베어링으로 오일을 공급하는 오일 통로와, (선택적으로) 센터 하우징을 통해 냉각수를 순환시키는 워터 통로를 형성하는 센터 하우징(70)을 포함한다.
본 발명에 따르면, 엔진 실린더 헤드(20)의 하우징 부재(40)는 센터 하우징 회전 조립체(32)를 수용하는 리셉터클(42)을 형성한다. 리셉터클(42)는 하우징 부재를 통해 축방향으로 연장하는 단차형의 실린더 형상의 보어이다. 리셉터클은 센터 하우징 회전 조립체(32)가 리셉터클 내에 축방향으로, 터빈 휠 우선(turbine-wheel-first)으로(즉, 도 2 및 도 3의 우측으로) 슬라이드되도록 구성된다. 따라서, 리셉터클(42)은 예컨대, 상이한 직경의 인접부들 사이에서 전이되는 단차부를 갖는 상이한 내경의 각종 부분을 가질 수 있다. 단차부는 압축기 측으로 면하고 있는(compressor-side-facing), 즉 각각의 단차부가 센터 하우징 회전 조립체의 압축기 측 쪽으로(도 2 및 도 3의 좌측으로) 축방향으로 면하고, 따라서 리셉터클은 압축기로부터 터빈으로의 방향으로 점차 직경이 감소한다. 센터 하우징 회전 조립체(32)의 센터 하우징(70)은 리셉터클(42)의 단차형 구조와 실질적으로 맞춰지도록 상응하게 단차 형성된다. 시일(seals)(34)(예컨대, O-링)은 센터 하우징(70)과 리셉터클(42) 사이에서 계면부(interface)를 밀봉(sealing)하고, 센터 하우징 내의 오일 통로 및 워터 통로(존재한다면)를 분리시키거나 또는 격리시킨다.
기술한 바와 같이, 하우징 부재(40)는 종래의 터보 과급기에서 별개의 터빈 및 압축기 하우징에 의해 형성된 특징을 갖는다. 특히, 엔진 실린더 헤드(20)의 하우징 부재(40)는 압축기 휠(50)로부터 압축 공기를 수용하는 압축기 볼류트(46)를 형성한다. 또한, 엔진 실린더 헤드(20)는 엔진의 배기 가스 메니폴드로부터 배기 가스를 수용하는 터빈 볼류트(62), 터빈 볼류트로부터 터빈 휠(60) 내에 배기 가스를 이동시키는 터빈 노즐(64), 및 터빈 휠(60)의 블레이드의 외부 윤곽부(contour)를 대체로 따르는 터빈 윤곽부(66)와 같은 다른 터보 과급기의 특징을 가질 수 있다.
터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체(10)는 압축기 볼류트(46) 내에 반경방향 외측으로 통과하는 압축기 휠(50)에 의해 공기가 압축됨으로써 압축기 디퓨저(44)의 일 벽을 형성하는 캡(80)을 더 포함한다. 디퓨저(44)의 대향 벽은 센터 하우징 회전 조립체(32)의 센터 하우징(70)에 의해 형성된다. 특히, 센터 하우징(70)은 센터 하우징의 압축기 단부로부터 반경방향 외측으로 연장하는 플랜지(72)를 형성하고, 디퓨저(44)의 대향 벽은 플랜지(72)에 의해 형성된다. 센터 하우징 회전 조립체(32)가 리셉터클(42) 내에 완전히 삽입될 때, 플랜지(72)는 엔진 실린더 헤드의 단부면에 인접한다. 캡(80)은 하우징 부재(40)에 (예컨대, 나사식 고정구(threaded fastener)에 의해) 부착된다. 캡(80)은 압축기 휠(50)의 블레이드의 외부 윤곽부를 일반적으로 따르는 압축기용 축방향 입구(82) 및 압축기 윤곽부(84)를 또한 형성할 수 있다.
터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체(10)의 가장 중요한 구성요소는 선택적인 웨이스트게이트 또는 터빈 바이패스 유닛(90)이다. 웨이스트게이트 유닛은 배기 가스의 일부 또는 그 모두가 임의의 작동 상태 하에서 터빈 휠(60)을 바이패스하도록 작동 가능하다. 도시된 실시예에서, 웨이스트게이트 유닛(90)은 출원인의 계류 중인 2009년 11월 3일자로 출원한 미국 특허출원번호 제12/611,816호, 2010년 4월 30일자로 출원한 특허출원번호 제12/711,434호, 2010년 12월 13일자로 출원한 특허출원번호 제12/966,343호, 2010년 12월 13일자로 출원한 특허출원번호 제61/422,485호에서 일반적으로 기술되는 바와 같은 로터리 터빈 바이패스(rotary turbine bypass)(RTB) 유닛이며, 상기 출원의 전체 내용은 본원에 참고로 인용된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 로터리 터빈 바이패스 유닛(90)은 메인 하우징(92) 및 하우징 삽입부(94)를 포함하는 밸브 하우징 조립체를 구비한다. 메인 하우징(92)은 그의 제1 측부(92a)로부터 제2 측부(92b)로 메인 하우징을 통해 연장하는 통로를 형성한다. 하우징 삽입부(94)는 메인 하우징의 통로 내에 배치된 대체로 관형 부재를 포함함으로써, 하우징 삽입부(94)의 내부는 중앙 유동 통로(96)를 형성하고, 하우징 삽입부(94)의 외면과 메인 하우징(92)의 내면 사이의 환형 공간은 중앙 유동 통로(96)를 둘러싸는 환형 유동 통로(본 명세서에 웨이스트게이트 통로로도 언급됨)를 형성한다.
로터리 터빈 바이패스 유닛(90)은 밸브 시트와 인접하게 맞물린 상태로 고정식 밸브 시트(102) 및 로터리 밸브 부재(104)를 더 포함한다. 고정식 밸브 시트(102) 및 로터리 밸브 부재(104)는 메인 하우징(92)과 하우징 삽입부(94) 사이의 환형 공간 내에 배치된다. 비록 배기 가스의 작동 압력이 로터리 밸브 부재(104)를 하류 방향으로 이동시키더라도, 로터리 밸브 부재(104)는 메인 하우징(92)에 의해 형성된 숄더(shoulder)에 의해 축방향으로의 상류 이동을 방지시킨다. 로터리 밸브 부재(104)는 메인 하우징에 의해 구속되지 않지만 그 축에 대해 회전이 자유롭고 고정식 밸브 시트(102)에 대해 축방향으로의 이동이 자유롭다. 고정식 밸브 시트(102)는 축방향으로, 반경방향으로, 또는 회전하며 이동되지 못하도록 한다. 고정식 밸브 시트(102)는 일반적으로 평평한 링 형상이거나 밸브 시트의 원주에 대해 원주방향으로 이격되어 분리된 복수의 밸브 시트 오리피스(orifice)(103)(도 3)를 갖는 환형 부재이고, 밸브 시트 오리피스(103)는 일반적으로 밸브 시트의 상류면과 하류면 사이에서 축방향으로 연장한다. 밸브 시트 오리피스(103)는 밸브 시트의 원주 둘레에서 균등하거나 또는 불균등하게 이격될 수 있다.
로터리 밸브 부재(104)는 밸브 부재의 원주 둘레에서 원주방향으로 이격된 복수의 밸브 부재 오리피스(105)(도 2)를 갖는 대체로 평탄한 링형 또는 환형의 부재이며, 밸브 부재 오리피스(105)는 밸브 부재의 상부면과 하부면 사이에서 대체로 축방향으로 연장된다. 밸브 부재 오리피스(105)는 밸브 부재의 원주 둘레에서 균등하거나 또는 불균등하게 이격될 수 있다. 밸브 부재 내의 오리피스의 개수 및 간격은 밸브 시트 내의 오리피스의 개수 및 간격과 동일할 수 있다. 하지만, 밸브 부재 오리피스(105)는 또한 비균등하게 이격될 수 있고 어떤 상황에서는 유리할 수 있으며, 게다가 밸브 시트 및 밸브 부재 오리피스(103, 105)의 이격거리는 동일할 필요성이 없고, 어떤 경우에는 이격거리가 다른 것이 유리할 수 있다. 양자의 메인 하우징(92) 및 하우징 삽입부(94)는 로터리 밸브 부재(104)의 외부 및 내부 에지에 대해 실질적으로 원형 베어링 표면을 형성하고, 그 사이에 간극(clearance)이 존재함으로써 밸브 부재 오리피스(105)와 밸브 시트 오리피스 (103) 사이의 정렬도를 다양하게 하도록 로터리 밸브 부재(104)는 그의 길이방향 중심축에 대해 일방향으로 또는 반대방향으로 회전할 수 있다.
로터리 밸브 부재(104)는 L자 형상의 구동 아암(110)의 말단부에 의해 맞물리며, 상기 구동 아암의 일부는 환형 유동 통로(98)와 연결되고 메인 하우징(92) 내에 형성된 보어 내에 설치된 부싱을 통과한다. 구동 아암(110)의 인접(반경방향 외측) 단부는 메인 하우징(92)의 외측에 배치되고 링크(130)에 강성으로 부착된다. 액추에이터(140)는 구동 아암(110)을 회전시키도록 제공된다. 링크(130)는 구동 아암(110)의 회전축으로부터 오프셋(offset)되고 액추에이터(140)의 액추에이터 로드(142)에 결합된 연결 부재(132)를 가짐으로써 액추에이터 로드의 연장으로 인해 링크(130)가 일방향으로 구동 아암(110)을 회전시키고, 액추에이터 로드의 수축으로 인해 링크(130)가 반대방향으로 구동 아암(110)을 회전시킨다. 결과적으로, 구동 아암(110)은 로터리 밸브 부재(104)가 그의 축에 대해 일방향으로 또는 반대방향으로 회전하도록 한다.
따라서, 터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체(10)는 하기의 주요한 구성요소인 센터 하우징 회전 조립체(32), 웨이스트게이트 유닛(90) 및 그의 일체화된 하우징 부재(40)를 갖는 실린더 헤드(20)를 갖는다. 터보 과급기 공급자의 관점에서 보면, 센터 하우징 회전 조립체(32), 캡(80) 및 웨이스트게이트 유닛(90)인 단지 3개의 주요 구성요소 또는 모듈이 존재한다. 전술한 엔진 실린더 헤드의 임의의 특징들이 일체화되면 터보 과급기 구성요소의 실질적인 단순화가 엔진 제조 회사 또는 조립 기술자에게 적용이 된다. 게다가, 디퓨저(44)는 기계 가공이 용이하거나 그 외에 고정밀도로 형성되는 (캡(80)과 센터 하우징 플랜지(72)에 의해 각각 형성된) 2개의 표면에 의해 형성됨으로써, 디퓨저(44)의 치수는 고도의 정확성으로 조절될 수 있다. 또한, 디퓨저의 치수는 구조가 다른 캡(80)을 대신함으로써 변경이 용이할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 "리버스드(reversed)" 압축기 볼류트(46)를 또한 포함할 수 있다. 종래의 터보 과급기에서, 압축기 볼류트는 압축 공기가 압축기 볼류트 내에 유도되는 디퓨저의 압축기측 상에 배치되고, 따라서 압축기 볼류트는 주조 압축기 하우징의 일부이다. 이러한 디자인은 수십 년 동안 본질적인 표준 규격이다.
대조적으로, 도시된 실시예에서, 본 명세서에 기술된 터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체는 압축기 볼류트(46)가 역전되는 실질적으로 다른 디자인을 적용함으로써, 디퓨저(44)의 터빈측 상에 배치된다. 디퓨저의 터빈측 상에 압축기 볼류트를 배치시키는 것은 기계 가공을 위한 디퓨저 영역으로의 접근성을 향상시킨다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체(10')가 도 4 및 도 5에 도시된다. 엔진 실린더 헤드 조립체(10')는 전술한 엔진 실린더 헤드 조립체(10)와 많은 부분이 유사하고 동일한 참조 번호는 도 1 내지 도 3에 나타나는 실질적으로 유사한(비록 이상적인 필요는 없지만) 특징을 나타내도록 도 4 및 도 5에서 이용된다. 주요한 상이점들이 존재하는 제2 실시예의 특징들은 유사한 참조번호이지만, 프라임 부호가 붙은(') 상첨자(superscript)로 나타낸다. 따라서, 엔진 실린더 헤드 조립체(10')는 터보 과급기(30)가 장착된 엔진 실린더 헤드(20')(단지 개략적으로 도시됨)를 포함한다. 엔진 실린더 헤드(20')는 조립된 상태에서 구성이 다른 터보 과급기로 인해, 이전 실시예의 엔진 실린더 헤드와는 몇 가지의 상이한 점이 있다.
엔진 실린더 헤드(20')는 그의 일체부로서 하우징 부재(40')를 형성한다. 헤드 프로퍼 및 하우징 부재는 전체적으로 예컨대, 원피스형 주조품이 될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 하우징 부재(40')는 터보 과급기(30)의 개별적인 하우징 부재에 의해 종래에 형성된 다수의 특징부를 갖도록 구성된다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 터보 과급기는 "카트리지"(cartridge) 또는 센터 하우징 회전 조립체(center housing rotating assembly)(CHRA)(32)를 구비한다. 센터 하우징 회전 조립체(32)는 샤프트(52)의 일단부에 부착된 압축기 휠(50), 샤프트(52)의 대향 단부에 부착된 터빈 휠(60), 샤프트(52)를 회전 가능하게 지지하는 베어링(54), 및 베어링(54)을 수용하고 베어링으로부터 스캐밴징 오일(scavenging oil)을 공급하며 베어링으로 오일을 공급하는 오일 통로와, (선택적으로) 센터 하우징을 통해 냉각수를 순환시키는 워터 통로를 형성하는 센터 하우징(70')을 포함한다.
실린더 헤드(20')의 하우징 부재(40')는 센터 하우징 회전 조립체(32)를 수용하는 리셉터클(42')을 형성한다. 리셉터클(42')은 하우징 부재(40')를 통해 축방향으로 연장하는 단차형의 대체로 실린더 형상의 보어이다. 리셉터클은 센터 하우징 회전 조립체(32)가 리셉터클 내에 축방향으로, 터빈 휠 우선(turbine-wheel-first)으로(즉, 도 4 및 도 5의 우측으로) 슬라이드되도록 구성된다. 따라서, 리셉터클(42')은 예컨대, 상이한 직경의 인접부들 사이에서 전이되는 단차부를 갖는 상이한 내경의 각종 부분을 가질 수 있다. 단차부는 터빈 측으로 면하고 있는(turbine-side-facing), 즉 각각의 단차부가 센터 하우징 회전 조립체의 터빈 측으로(도 4 및 도 5의 우측으로) 축방향으로 면하고, 따라서 리셉터클은 터빈으로부터 압축기로의 방향으로 점차 직경이 감소한다. 센터 하우징 회전 조립체(32)의 센터 하우징(70')은 리셉터클(42')의 단차형 구조부와 실질적으로 맞춰지도록 상응하게 단차 형성된다. 시일(seals)(34)(예컨대, O-링)은 센터 하우징(70')과 리셉터클(42) 사이에서 인터페이스(interface)를 밀봉(sealing)하고, 센터 하우징 내의 오일 통로 및 워터 통로(존재한다면)를 분리시키거나 또는 격리시킨다.
터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체는 또한 압축기용 디퓨저(44)의 일벽을 형성하는 캡(80)을 구비한다. 캡(80)은 압축기 입구(82) 및 압축기 윤곽부(84)를 또한 형성할 수 있다. 도시된 실시예에서, 캡(80')은 하우징 부재(40')로부터 별개로 형성되고 나사부 고정부(도시하지 않음)에 의해 하우징 부재에 부착된다. 엔진 실린더 헤드(20')의 하우징 부재(40')는 디퓨저(44)의 대향 벽을 형성한다. 하우징 부재는 디퓨저로부터 공기를 수용하는 "리버스드" 압축기 볼류트(46) 및 엔진으로부터 배기 가스를 수용하는 터빈 볼류트(62)를 또한 형성한다.
전술된 실시예의 유닛과 일반적으로 유사한 웨이스트게이트 유닛(90')은 하우징 부재(40')에 연결된다. 웨이스트게이트 유닛(90')의 하우징 부재(92')는 엔진 실린더 헤드 하우징 부재(40')의 리셉터클(42') 내에 수용되고 터빈 노즐(64)과 터빈 윤곽부(66)를 형성하는 부분(92a')을 구비한다. 터빈 노즐은 하우징 부재(92')에 대해 실질적으로 360도로 연장하고 하우징 부재의 반경방향 외부면으로부터 반경방향 내부면으로 연장하는 개구부(aperture)를 포함한다. 원주방향으로 이격된 베인(vane)(65)의 집합체는 터빈 노즐(64)를 가로질러 연장한다. 베인(65)은 바람직한 방향으로 배기 가스를 터빈 휠 내에 가이드하기 위한 유동-가이딩(flow-guiding) 기능을 제공한다. 도시된 실시예에서, 웨이스트게이트 하우징(92')은 센터 하우징(70')의 단부가 수용되어 그 단부 내에 보어가 형성된 부분을 또한 구비한다. 개별적인 히트 실드(heat shield)(63)는 센터 하우징의 단부와 웨이스트게이트 하우징(92')의 부분 사이에서 포획된다.
터보 과급기 카트리지 및 엔진 실린더 헤드 조립체(10')의 이점은 웨이스트게이트 유닛(90')을 갖는 센터 하우징 회전 조립체(32)가 엔진 실린더 헤드(20')의 하우징 부재(40')에 의해 형성된 리셉터클(42') 내에 단순하게 삽입될 수 있는 단일 구성요소를 구성하는 것이다. 그 조립체는 나사부 고정구(도시하지 않음)와 같은, 실린더 헤드의 하우징 부재(40')에 웨이스트게이트 하우징(92') 및 캡(80)을 부착함으로써 완성된다. 전술한 바와 같이 엔진 실린더 헤드 내에 임의의 특징들을 일체화시키고, 이에 의해 터보 과급기 구성요소의 실질적인 단순화가 엔진 제조회사 및 조립 기술자에게 적용되도록 한다. 게다가, 전술한 실시예에서 기술된 바와 같이, 캡(80)과 접근이 용이한 표면(이러한 경우, 엔진 실린더 헤드의) 사이의 연동으로 인해 디퓨저(44)가 형성되며 이로써 디퓨저를 정밀하게 형성할 수 있다. 또한, "리버스드" 압축기 볼류트 구조부는 기계 가공을 위해 디퓨저 영역에 대한 접근성을 보다 향상시킨다.
이에 따라, 상술된 실시예는 압축기 볼류트(46)를 엔진 실린더 헤드(20) 내에 일체화시키면서도, 고정밀한 디퓨저(44)를 성취가능하게 한다.
기술된 실시예들의 다른 이점은 상기한 변화를 달성하기 위해 복잡한 압축기 하우징을 재설계하는 것보다 상대적으로 저비용의 캡(80)을 변경함으로써 단순한 방식으로 압축기 입구(82) 및/또는 압축기 윤곽부(84)의 구조를 변경하는데 있어서 압축기 설계자가 유연성을 개선시킨다는 점이다. 캡(80)은 필요하다면 다른 하우징 구성요소와는 다른 재료로 또한 제조될 수 있다.
본 발명의 다수의 변형과 다른 실시예들은 전술한 설명과 첨부하는 도면에서 나타난 교훈 상의 이점이 있다는 것이 본 발명의 기술분야에 종사하는 당업자에게 인지될 것이다. 따라서, 본 발명은 기술된 특수한 실시예 및 변경사항에 제한되지 않고 다른 실시예들은 첨부하는 청구범위의 기술사상 내에 포함된다. 비록 특수한 용어가 본 명세서에서 적용될지라도, 특수 용어들은 일반적이고 기술적인 의미로만 이용되고 제한적이지 않다.
10, 10': 터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체
20, 20': 엔진 실린더 헤드
30: 터보 과급기
32: 센터 하우징 회전 조립체
34: 시일
40, 40': 하우징 부재
42, 42': 리셉터클
44: 디퓨저
46: 압축기 볼류트
50: 압축기 휠
64: 터빈 노즐
66: 터빈 윤곽부
70, 70': 센터 하우징
72: 플랜지
80: 캡
82: 압축기 입구
84: 압축기 윤곽부
90, 90': 웨이스트게이트(터빈 바이패스) 유닛
102: 고정식 밸브 시트
103: 밸브 시트 오리피스
104: 로터리 밸브 부재
105: 밸브 부재 오리피스
110: 구동 아암
130: 링크

Claims (12)

  1. 보어를 그 내에 형성하는 센터 하우징, 상기 보어 내에 수용된 베어링, 상기 베어링 내에 회전가능하게 지지되는 샤프트, 상기 샤프트의 일단부에 부착된 압축기 휠 및 상기 샤프트의 대향 단부에 부착된 터빈 휠을 포함하는 센터 하우징 회전 조립체;
    상기 센터 하우징 회전 조립체를 수용하도록 리셉터클을 형성하며 압축기 볼류트를 형성하는 엔진 실린더 헤드;
    상기 압축기 휠로부터 압축 공기를 수용 및 확산시켜서 상기 압축 공기를 상기 압축기 볼류트에 공급하는 디퓨저; 및
    상기 엔진 실린더 헤드로부터 별개로 형성되고 상기 엔진 실린더 헤드에 제거가능하게 고정되며 상기 디퓨저의 일 벽을 형성하는 캡
    을 포함하며,
    상기 디퓨저의 대향 벽은 상기 엔진 실린더 헤드와 상기 센터 하우징 중 하나에 의해 형성되는,
    터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엔진 실린더 헤드 내에 있는 상기 리셉터클 내에 상기 센터 하우징 회전 조립체가 축방향으로 터빈 휠 우선(turbine-wheel-first)으로 수용되도록 구성되며,
    상기 센터 하우징은 상기 디퓨저의 상기 대향 벽을 형성하는 반경방향 외측으로 연장되는 플랜지를 구비하는,
    터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 엔진 실린더 헤드 내에 있는 상기 리셉터클 내에 상기 센터 하우징 회전 조립체가 축방향으로 압축기 휠 우선(compressor-wheel-first)으로 수용되도록 구성되며,
    상기 엔진 실린더 헤드의 일부는 상기 디퓨저의 상기 대향 벽을 형성하는,
    터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압축기 볼류트는 상기 디퓨저의 터빈측 상에 위치되는,
    터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 엔진 실린더 헤드는 터빈 볼류트를 형성하는,
    터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 엔진 실린더 헤드는 터빈 노즐(turbine nozzle) 및 터빈 윤곽부(turbine contour)를 형성하는,
    터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 엔진 실린더 헤드는 터빈 볼류트를 형성하는,
    터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 엔진 실린더 헤드로부터 별도로 형성되며 상기 엔진 실린더 헤드 내에 있는 상기 리셉터클의 터빈 단부 내에 수용되는 부분을 갖는 추가의 하우징 부재를 더 포함하며,
    상기 추가의 하우징 부재의 상기 부분은 터빈 노즐 및 터빈 윤곽부를 형성하는,
    터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 추가의 하우징 부재의 상기 부분은 상기 터빈 노즐용 베인을 형성하는,
    터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 추가의 하우징 부재는 배기 가스가 상기 터빈 휠을 바이패스하도록 작동가능한 웨이스트게이트(wastegate)를 수용하는,
    터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 캡은 상기 압축기용 입구를 형성하는,
    터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 캡은 압축기 윤곽부를 더 형성하는,
    터보 과급기 및 엔진 실린더 헤드 조립체.















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