KR20150097567A

KR20150097567A - 터보차저를 위한 90도 웨이스트게이트에서의 손실 감소를 위한 방법 및 구조

Info

Publication number: KR20150097567A
Application number: KR1020157017776A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 쥐. 그라보우스카
Original assignee: 보르그워너 인코퍼레이티드
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2015-08-26
Also published as: US10626788B2; CN104838108A; US20150345375A1; WO2014099328A1; CN104838108B; DE112013005560T5

Abstract

터보차저(10)는 개선된 웨이스트게이트 밸브 조립체(45)를 가지며, 포트-제어 밸브 몸체(44)는, 웨이스트게이트 통로(26)의 방향으로 최적의 유동 방향에 수평인 부적당한 방향으로의 배기가스 유동을 감소시키는 역할을 하는 유동 형성부들을 포함한다. 이들 유동 형성부는, 배기가스 유동이 유입 방향(29)으로부터 최적의 유동 방향으로 회전각(47)으로 회전할 때 최적의 또는 주 유동 방향으로 배기가스의 유동을 최적화 또는 최대화하는 역할을 한다.

Description

터보차저를 위한 90도 웨이스트게이트에서의 손실 감소를 위한 방법 및 구조{METHODS AND STRUCTURE FOR REDUCING LOSSES IN 90 DEGREE WASTE GATES FOR TURBOCHARGERS}

관련 출원에 대한 교차 참조

본 출원은 2012년 12월 19일자로 출원된 "Methods And Structure For Reducing Losses In 90 Degree Waste Gates For Turbochargers"라는 명칭의 미국 가출원 제61/739,229호의 우선권 및 모든 이익을 주장한다.

기술 분야

본 발명은 개선된 웨이스트게이트 밸브를 구비한 터보차저에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 주 유동 방향으로의 배기가스 유동을 용이하게 하여 터보차저 웨이스트게이트를 통한 유동을 개선하는, 개선된 터빈 웨이스트게이트 설계에 관한 것이다.

자연 흡기 구성에서 가능한 것보다 더 큰 밀도로 공기를 엔진 흡기부에 전달하기 위해, 엔진에 터보차저가 제공된다. 이는 더 많은 연료가 연소될 수 있게 하고, 따라서 엔진 중량을 크게 증가시키지 않으면서도 엔진의 마력을 증대시킨다.

일반적으로, 터보차저는 엔진 배기 매니폴드로부터의 배기 유동을 이용하며, 이러한 배기 유동은 터빈 입구에서 터빈 하우징으로 유입되고, 그로 인해 터빈 하우징에 위치된 터빈 휠을 구동한다. 터빈 휠은 샤프트의 일 단부에 부착되며, 샤프트는 샤프트의 다른 단부에 장착된 압축기 휠을 구동한다. 이에 따라, 터빈 휠은 압축기 휠을 구동하기 위한 회전 동력을 제공하고, 그로 인해 터보차저의 압축기를 구동한다. 이러한 압축된 공기는 그 후 상기에 언급된 바와 같이 엔진 흡기부에 제공된다.

터빈 스테이지를 설계하는 데 있어서, 선호되는 성능점에 대해 터빈 스테이지 구성요소들의 선택이 이루어진다. 단순한 비-제어식 고정-노즐 터보차저 시스템에서는, 높은 엔진 속도에서 최적의 성능에 도달하도록 비-제어식 터보차저가 설계된다. 그러나, 다른 속도에서 터보차저는 엔진에 부적당한 부스트 또는 공기 체적을 제공한다.

제어식 터보차저는, 낮은 엔진 속도 또는 중간 엔진 속도에서 이미 터빈의 최적 작동점에 도달한다는 점에서, 개선된 성능을 제공한다. 제어식 시스템에서는 일반적으로, 배기가스의 유동 속도가 증가하고 터보차징 압력이 너무 높아지면, 배기가스의 일부가 터빈을 우회하도록 웨이스트게이트를 통해 주위 대기로 배출된다.

일반적으로, 배기가스는 터빈 하우징 또는 케이싱 내에 정의된 볼류트를 통해 흐른다. 더욱이, 중간 벽에 의해 볼류트로부터 분리된 웨이스트게이트 통로가 또한 제공된다. 웨이스트게이트 유동을 제공하기 위해, 웨이스트게이트 포트가 벽에 제공되며, 이러한 포트는 웨이스트게이트 밸브에 의해 제어된다.

웨이스트게이트 밸브는 터보차저의 작동 중 선택적으로 개방 및 페쇄 가능하다. 이러한 하나의 구성에 있어서, 웨이스트게이트 통로를 통한 배기가스의 유동은 적어도 웨이스트게이트 통로의 영역에서 볼류트에서의 유동 방향에 대략 평행하다. 일반적으로. 터빈 입구 유동 및 웨이스트게이트 유동은 볼류트의 방향으로 원주방향으로 연장된다. 그러나, 웨이스트게이트 포트는 이들 유동 방향에 수직으로 또는 실질적으로 직각으로 개방되며, 이에 따라 웨이스트게이트 유동은 측방향 또는 축방향으로 웨이스트게이트 통로에 유입되고 그 후 즉시 긱각으로 회전하여 웨이스트게이트 통로를 통해 원주방향으로 흐른다. 그러므로, 이러한 구성은, 비록 실제 회전각이 90도 각도로부터 어느 정도 달라질 수 있고 따라서 유입 방향과 웨이스트게이트 유동 방향 사이의 회전각은 90도를 넘는 둔각 또는 90도 미만의 예각일 수 있지만, 90도 웨이스트게이트로서 보통 지칭될 수 있다.

본 발명은 웨이스트게이트 포트 및 웨이스트게이트 통로를 통한 배기가스의 더욱 효율적인 유동을 제공하는, 터보차저를 위한 개선된 웨이스트게이트 밸브에 관한 것이다. 웨이스트게이트 밸브에 관해 더욱 구체적으로 설명하면, 이러한 밸브는 일반적으로, 터빈 하우징에 피봇식으로 지지되어 웨이스트게이트 포트를 개방 및 폐쇄하는 디스크 형상의 밸브 몸체를 포함한다. 밸브 몸체는 액추에이터에 의해 이동되며, 웨이스트게이트 포트를 폐쇄하는 제1 위치로 웨이스트게이트 포트 내로 피봇 회전하고 웨이스트게이트 포트를 개방하는 제2 위치로 웨이스트게이트 포트 밖으로 피봇 회전할 수 있다. 그러므로, 배기가스의 제어된 부분은 웨이스트게이트 통로를 통해 유동하여 결국 터빈 출구로 흐름으로써 터빈을 우회할 수 있다.

개방 위치에 있을 때 밸브 몸체는, 웨이스트게이트 포트에 대향하고 웨이스트게이트 포트에 걸친 평면에 대해 일정 각도로 경사진 밸브면을 가진다. 밸브면은 바람직하게 웨이스트게이트 통로를 향해 비스듬하게 놓이도록 배향되며, 이는 웨이스트게이트 유동이 포트를 통과하여 웨이스트게이트 통로 내로 회전할 때 이를 방향 전환하는 역할을 한다.

웨이스트게이트 통로를 향한 방향은 주 방향이며, 웨이스트게이트 유동은 전부 이를 향해 유도될 필요가 있다. 그러나, 웨이스트게이트 밸브의 공지된 밸브 몸체들에서, 배기가스는 밸브 몸체의 측부들 상에서 웨이스트게이트 통로 방향에 수평인 부적당한 유동 방향으로 흘러나갈 수 있다. 그렇게 되면 이러한 영역에 유체 난류가 발생하게 되고, 배기가스 통로로 배기가스를 유도하기 위해 이러한 난류는 웨이스트게이트 통로의 측부들에 의해 추가로 방향 전환될 필요가 있다. 이는 웨이스트게이트 포트를 통한 유동의 효율을 감소시키며, 증가된 배압 및 효율 손실을 일으킬 수 있다.

그러나, 본 발명의 웨이스트게이트 밸브의 밸브 몸체는, 부적당한 방향으로의 배기가스 유동을 감소시키는 역할을 하는 유동 형성부를 포함한다. 이러한 유동 형성부는 배기가스 유동이 회전각으로 회전할 때 최적의 또는 주된 유동 방향으로의 배기가스의 유동을 최적화하거나 최대화하는 역할을 한다.

제1 실시예에서, 유동 형성부는 밸브면에 제공된 오목한 형상에 의해 형성된 접시형 밸브면에 의해 정의된다. 이러한 오목한 형상은 정확하게 오목한 형상일 수 있으며, 이 때 밸브면은 그 전체 주변부 주위에 내측으로 만곡된다. 오목한 형상은 또한 변형된 오목한 형상일 수 있으며, 이 때 밸브면은 밸브면의 선단 및 후단 에지로부터 그 중심으로 경사지는 한편 측부들은 가능하게는 오목한 정도가 적거나 전혀 없을 수 있다. "오목한"이라는 용어는 또한 주변부로부터 밸브면의 중앙으로 곡률이 없는 편평한 경사면에 적용되는 것으로도 이해될 것이다.

제2 실시예에서, 밸브면에는 유동 방향에 평행하게 연장되며 주 방향으로 유동을 유도하는 역할을 하는 얕은 리브 또는 스트레이크가 구비될 수 있다.

제3 실시예에서, 유동 형성부는 면 주변부의 일부를 따라 밸브면으로부터 융기된 댐일 수 있다. 댐은 밸브면의 후단 에지 상에 또는 더 바람직하게는 선단 에지 상에 존재할 수 있다.

본원에 더욱 상세히 설명된 바와 같이, 이들 유동 형성부는 주 방향으로의 유동을 최적화하고 주 방향에 수평인 부 방향으로의 부적당한 유동을 감소시키는 역할을 한다.

본 발명의 기타 목적과 용도 및 그 변형예는 다음의 상세한 설명을 읽고 첨부 도면을 살펴봄으로써 명백해질 것이다.

도 1은 대표적인 터보차저의 절개도이다.
도 2는 웨이스트게이트 밸브의 상면도이다.
도 3은 웨이스트게이트 밸브의 측면도이다.
도 4는 개선된 웨이스트게이트 밸브의 제1 실시예의 측면도이다.
도 5는 웨이스트게이트 밸브의 제2 실시예의 저면도이다.
도 6은 이의 측면도이다.
도 7는 웨이스트게이트 밸브의 제3 실시예의 저면도이다.
도 8은 이의 측면도이다.
도 9는 웨이스트게이트 밸브의 제4 실시예의 도면이다.
도 10은 변형되지 않은 웨이스트게이트와 도 9의 본 발명의 웨이스트게이트 밸브 사이의 질량 유동을 비교한 것을 보여주는 그래프이다.
이하의 설명에서는 단지 편의 및 참조를 위해서 비제한적으로 특정의 용어들을 사용할 것이다. 예를 들어, "상측으로", "하측으로", "우측으로" 및 "좌측으로"와 같은 용어들은, 참조로 하는 도면들에서의 방향을 지칭할 것이다. "내측으로" 및 "외측으로" 와 같은 용어들은 각각 구성요소 및 이의 지칭된 부분들의 기하학적 중심을 향하는 방향과 그로부터 멀어지는 방향을 지칭할 것이다. 상기 용어들은 구체적으로 언급된 단어들, 그의 파생어 및 유사한 의미의 단어를 포함할 것이다.

도 1의 절개도를 참조하면, 내부에 원주방향으로 볼류트(14)가 연장된 터빈 하우징 또는 케이싱(12)을 정의하는 터빈(11)을 포함하는 터보차저(10)가 도시된다. 터보차저(10)는 또한 통상적인 방식으로 터빈(11)과 함께 구비되는 압축기(15)를 포함한다. 압축기(15)는 압축기 하우징(16) 및 압축기 볼류트(17)를 포함한다.

터보차저(10)는, 샤프트(21)에 의해 회전 가능하게 연결된 터빈 휠(18) 및 압축기 휠(19)을 각각 포함하는 터빈(11) 및 압축기(15)의 기본 조합을 가진다. 결과적으로 샤프트(21)는 베어링 시스템(22)에 의해 지지된다.

도 1 및 도 3에 나타난 바와 같이, 터빈(11)에는 터빈 입구(23)를 통해 배기가스가 공급된다. 터빈 입구(23)는 터빈 볼류트(14) 내로 원주방향으로 연장되는 유동 방향(24)을 정의한다. 볼류트(14)는 또한 도 3에 도시된 중간벽(25)을 가지며, 이러한 중간벽은, 또한 원주방향으로 연장되며 터빈 출구(27) 내로 배출하는 웨이스트게이트 통로(26)로부터 볼류트(14)를 구분한다.

터보차저(10)의 작동 중 터빈 입구(23)로부터 배기가스 유동의 일부를 우회시키기 위해, 벽(25)은 유입 유동 방향(24)에 수직인 유동 방향(29)을 정의하는 웨이스트게이트 포트(28)를 포함한다. 이 유동 방향(29)은 웨이스트게이트 통로(26)를 통해 연장되는 주 유동 방향(30)에도 수직이다.

배기가스 유동은 입구(23)로부터 볼류트(14) 및 웨이스트게이트 통로(26) 둘 다로 흐르며, 유동 방향들(24, 30)은 적어도 웨이스트게이트 포트(28)의 영역에서 서로에 대략 평행하다. 웨이스트게이트 포트(28)는 이들 유동 방향(24, 30)에 수직이거나 실질적으로 직각인 방향(29)으로 개방된다. 이에 따라, 웨이스트게이트 유동은 측방향 또는 축방향(29)으로 웨이스트게이트 통로(26)에 진입한 후, 즉시 직각으로 회전하여 웨이스트게이트 통로(26)를 통해 주 유동 방향(30)으로 원주방향으로 흐른다. 그러므로 이는, 실제 회전각은 90도 각도에서 어느 정도 달라질 수 있고 따라서 유입 방향과 웨이스트게이트 유동 방향 사이의 회전각이 90도가 넘는 둔각 또는 90도 미만의 예각일 수 있지만, 90도 웨이스트게이트로 흔히 지칭될 수 있다.

제어된 웨이스트게이트 유동을 제공하기 위해, 웨이스트게이트 포트(28)는, 포트(28)에 안착되며 터보차저(10)의 작동 중 선택적으로 개방 및 폐쇄 가능한 웨이스트게이트 밸브(32)를 포함하는 웨이스트게이트 밸브 조립체(31)에 의해 제어된다.

도 1에 나타난 바와 같이 웨이스트게이트 밸브(32)는 폐쇄 위치에 있는 것으로 도시되며, 여기서 배기가스는 터빈 입구(23)를 통해 볼류트(14) 내로 전달되고, 이러한 유동은 웨이스트게이트 밸브(32)의 폐쇄 상태로 인해 볼류트(14)를 향해서는 제한된다. 밸브(32)는 또한 도 3의 개방 상태로 피봇 회전 가능하며, 이제 배기가스는 웨이스트게이트 통로(26) 내로 흐를 수 있다. 웨이스트게이트 밸브(32)는, 웨이스트게이트 밸브(32)를 피봇 회전시켜서 웨이스트게이트 포트(28)를 선택적으로 개방 및 폐쇄시키고 그로 인해 배기가스의 일부의 유동을 웨이스트게이트 통로(26) 내로 제어하는 액추에이터 로드(33)를 포함하는 액추에이터 조립체(33, 도 1)에 의해 작동된다. 그러므로, 배기가스의 제어된 부분은 웨이스트게이트 통로(26)를 통해 터빈 출구(27)로 흐름으로써 터빈(12)을 우회할 수 있다.

본 발명은 웨이스트게이트 포트(28) 및 웨이스트게이트 통로(26)를 통한 배기가스의 더욱 효율적인 유동을 제공하는 개선된 웨이스트게이트 밸브(32)에 관한 것이다. 도 2 및 도 3에 도시된 웨이스트게이트 밸브(32)에 대해 더욱 구체적으로 설명하자면, 이러한 밸브는 일반적으로, 웨이스트게이트 포트(28)를 개방 및 폐쇄하도록 결과적으로는 피봇 로드(37)에 의해 터빈 하우징(14) 상에 피봇식으로 지지된 밸브 아암(36)에 지지된 디스크 형상의 밸브 몸체(34)를 포함한다.

피봇 로드(37)는 액추에이터 조립체(33)에 의해 작동되어, 웨이스트게이트 포트(28)를 폐쇄하는 폐쇄된 제1 위치(도 1)로 밸브 몸체(34)를 웨이스트게이트 포트(28) 내로 피봇 회전시키고 웨이스트게이트 포트(28)를 개방하는 개방된 제2 위치(도 2 및 도 3)로 밸브 몸체를 웨이스트게이트 포트(28) 밖으로 회전시킨다.

밸브 몸체(34)는 웨이스트게이트 포트(28)에 대향하는 밸브면(38)을 가지며, 폐쇄 시에 외주부(39)가 벽(25)에 안착하여 포트(28)를 덮는다. 개방 위치에 있을 때, 밸브면(38)은 웨이스트게이트 포트(28)에 대향하며 웨이스트게이트 포트(28)에 걸친 평면(40)에 대해 각도(A)로 경사진다. 밸브면(38)은 바람직하게 밸브면(38)이 웨이스트게이트 통로(26)를 향해 비스듬히 높이도록 배향되며, 이는 웨이스트게이트 유동이 방향(29)으로 포트(28)를 통과하여 방향(30)으로 웨이스트게이트 통로(26) 내로 회전할 때 웨이스트게이트 유동의 방향을 전환하는 역할을 한다.

웨이스트게이트 통로(26) 내로 연장되는 방향(30)은 주 방향이며, 이를 향해 웨이스트게이트 유동이 전부 방향 전환될 필요가 있다. 그러나, 도 2 및 도 3에 도식으로 나타낸 바와 같이 웨이스트게이트 밸브(32)의 알려진 밸브 몸체에서, 배기가스는 밸브 몸체(34)의 측부 상에서 최적의 방향(30)에 수평인 부적당한 유동 방향들(41)로 흘러나갈 수 있고, 그러므로 이러한 일반 영역(42)에 유체 난류가 생성되며, 배기가스를 웨이스트게이트 통로(26) 내로 방향 전환하기 위해 이러한 난류는 웨이스트게이트 통로(26)의 측부들에 의해 추가로 방향 전환될 필요가 있다. 이는 웨이스트게이트 포트(28)를 통한 유동의 효율을 감소시키며, 증가된 배압을 생성할 수 있다.

그러나, 도 4 및 나머지 도면들에 대해 기술된 바와 같이, 본 발명의 웨이스트게이트 밸브(45)의 밸브 몸체(44)는, 부적당한 방향들(41)로의 배기가스 유동을 감소시키는 역할을 하는 유동 형성부를 포함한다. 이들 유동 형성부는, 배기가스가 유입 방향(29)으로부터 회전각(47)으로 회전할 때 최적의 또는 주 유동 방향(30)으로의 배기가스 유동을 최적화 또는 최대화하는 역할을 한다. 웨이스트게이트 밸브(45) 및 밸브 몸체(44)는 또한 일반적인 위치 및 외관이 웨이스트게이트 밸브(32) 및 밸브 몸체(34)와 유사하며 동일하게 작동되므로, 도 1에서도 확인 가능하다.

밸브 몸체(44)의 제1 실시예가 또한 도 4에서 참조 번호 50으로 표시된다. 이러한 밸브 몸체(50)는, 유동 형성부(52)를 위한 제1 구성을 정의하는 접시형 밸브면(51)을 포함한다. 이 실시예에서, 유동 형성부(52)는 밸브면(51)에 제공된 오목한 형상에 의해 정의되며, 주변부(53)에는 융기 에지(55)가 구비된다. 이러한 오목한 형상은 정확하게 오목한 형상일 수 있으며, 이 때 융기 에지(55)는 환형이거나 폐루프이고 밸브면(51)은 전체 주변부(53) 주위에서 접시형 중앙 부분(56)으로 내측으로 만곡된다. 오목한 형상은 또한 변형된 오목한 형상일 수 있으며, 이 때 밸브면은 밸브면(51)의 선단 및 후단 에지 부분들(55A, 55B)로부터 중앙 부분(56)으로 경사지는 한편, 측부들은 가능하게는 오목한 정도가 적거나 전혀 없을 수 있다. "오목한" 이라는 용어는, 주변부로부터 밸브면의 중앙으로 전혀 곡률을 갖지 않는 편평한 경사면에 적용되는 것으로도 이해된다.

밸브 몸체(50)가 도시된 개방 위치로 경사지면, 밸브면(51)은 선단 에지(55A)에서 거의 수평으로 배향되고, 이는 이러한 방향으로의 유체 유동을 용이하게 하며, 후단 에지(55B) 근처에서는 더욱 수직이 되어 이러한 방향으로의 유체 유동을 방해한다. 그러므로, 유체 유동은 최적의 유동 방향(30)을 향해 흐르는 경향이 있게 될 것이다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같은 밸브 몸체(44)의 제2 실시예에서, 밸브 몸체(44)는 또한 참조 번호 60으로 표시된다. 이러한 밸브 몸체(60)는, 유동 방향(30)에 평행하게 연장되며 주 방향(30)으로의 최적의 유동을 유도하는 역할을 하는 얕은 리브 또는 스트레이크(62)가 구비된 밸브면(61)을 포함한다. 밸브 몸체(60)의 주변부(63)는, 포트(28)를 둘러싸도록 구성되고 이러한 포트(28)를 정의하는 환형 테두리(65)에 인접하는 편평한 환형 실링 표면(64)을 정의한다. 스트레이크(62)는 실링 표면(64) 하부에서 하측으로 돌출되며, 도 6에 도시된 바와 같이 유동 방향으로 경사질 수 있다. 스트레이크(62)의 선단 에지(66)는 후단 에지(67)보다 더 짧을 수 있으며, 이는 방향(30)을 향한 유동을 더욱 촉진한다.

스트레이크(62)는, 단부 스트레이크(62B)에 비해 길이 방향으로 더 길고 폭 방향으로 더 얇게 형성될 수 있는 중간 스트레이크(62A)를 포함할 수 있다. 이들 스트레이크(62)는 대략 방향(30)으로 연장되는 유동 채널(69)을 정의한다. 밸브 몸체(60)가 개방 위치에 있을 때 이들 채널(69)의 바닥면들은 웨이스트게이트 통로(26)에 대향하도록 기울거나 경사지고, 그로 인해 유체 유동을 방향 전환시키거나 회전시키고 이 방향(30)으로 배기가스 유동을 촉진한다.

스트레이크(62)는 유체 유동을 최적화하도록 설계될 수 있다. 따라서 스트레이크(62) 및 채널(69)의 개수는 그 상대적인 높이 및 깊이뿐만 아니라 폭에 따라 달라질 수 있다. 각각의 폭은 동일하거나 서로 달라질 수 있다.

도 7 및 도 8에 도시된 제3 실시예에서, 밸브 몸체(44)는 또한 참조 번호 70으로 표시된다. 이러한 밸브 몸체(70)는 밸브면(71)을 포함하며, 여기서 유동 형성부는 면 주변부(73)의 일부를 따라 밸브면(71)으로부터 융기된 댐(72)일 수 있다.

더 구체적으로, 밸브 몸체(70)의 주변부(73)는 포트(28)를 둘러싸고 도 6에 도시된 바와 같이 이러한 포트(28)를 정의하는 환형 테두리(65)에 인접하도록 구성된 편평한 환형 실링 표면(74)을 정의한다. 유동 제어 댐(72, 도 7 및 도 8)은 실링 표면(74) 하부에서 하측으로 돌출되며, 주변부(73)로부터 반경방향 내측으로 이격되어 실링 표면(74)을 정의한다. 댐(72)은 하측으로부터 봤을 때 아치 형상을 가지며, 후단 에지(75)로부터의 유동을 방해하고 선단 에지(76)를 향한 유동을 촉진하는 역할을 한다. 대안으로서, 도 7 및 도 8의 댐(72)은 선단 에지(76) 상에 제공될 수 있다. 댐(72)은 연속적이고 도중에 끊어지지 않는 한편, 댐(72)은 기체 유동을 유도하고 조절하는 것을 돕도록 슬롯이 형성될 수 있다.

도 9를 참조하면, 바람직한 제4 실시예가 예시된다. 밸브 몸체(44)는 또한 참조 번호 80으로 표시된다. 이러한 밸브 몸체(80)는 밸브면(81)을 포함하며, 여기서 유동 형성부는 면 주변부(83)의 일부를 따라 밸브면(81)으로부터 융기된 반원형 또는 아치형 댐(82)일 수 있다.

주변부(83)는 편평한 환형 실링 표면(84)을 정의한다. 유동 제어 댐(82)은 실링 표면(84) 하부에서 하측으로 돌출되고, 실링 표면(74)과 유사한 환형 실링 표면(85)을 정의하도록 주변부(83)로부터 반경방향 내측으로 이격된다. 댐(82)은 주변부(83)의 원주 주위로 대략 180도 연장된 아치 형상을 가지고, 유체 유동을 유도하는 역할을 하며, 이는 선단 에지(86) 상에서 방향(30)으로의 유동을 실제로 개선한다.

더 구체적으로 댐(82)은, 약 180도 연장된 길이를 가지며 댐(82)의 길이를 따라 균일하거나 일정한 높이를 정의하는, 대략 편평한 아치형 상부 에지(87)를 가진다. 상부 에지(87)의 서로 반대측 단부들은, 짧은 거리만큼 연장되며 표면(84)을 향해 아래로 테이퍼지는 경사진 에지들(88)에서 끝난다. 댐(82)은 연속적이고 도중에 끊어지지 않는 한편, 댐(82)은 또한 기체 유동을 유도하고 조절하는 것을 돕도록 슬롯이 형성될 수도 있다. 예를 들어, 댐(82)은 V-노치와 같은 노치가 형성될 수 있고, 여기서 댐(82)은 V-노치 둑 또는 조합형 둑과 유사하다. 이에 따라, 댐 상부 에지(87)는 댐(82)의 길이를 따라 가변적인 높이를 가질 수 있고, 이러한 높이는 슬롯 또는 노치의 형성으로 인해 또는 에지(87)에 형성된 더 많은 아치 형상들로 인해 달라질 수 있다. 이러한 방식으로, 배기가스의 유동 속도 및 유동 방향은 댐(82)에 의해 조절 및 제어될 수 있다.

댐(82)과 같은 상기 유동 형성부는 바람직한 유동 방향(30)으로 기체 유동을 유도 또는 조절하는 역할을 한다. 뒷받침하자면, 도 10은 상이한 게이트 밸브 형상들의 성능을 보여주는 그래프이다. "평면형 (plain)"으로 표시된 곡선들은 본 발명에 따라 변형되지 않은 통상적인 웨이스트게이트 설계에 대한 것이다. 도 9의 본 발명의 웨이스트게이트 밸브 몸체(80)는, 전방벽 설계(FW), 다시 말해서 샤프트(37)에 의해 정의된 밸브 몸체(80)의 피봇측의 반대측인 전방측에 댐(82)이 위치된 설계를 나타내는 실선으로 도 10의 그래프에 표시된다.

도 10은, 밸브 몸체(80) 및 밸브면(81)이 피봇 회전하여 개방 및 폐쇄됨에 따라 달라지는 밸브면(81)에 의해 정의된 가변 밸브 각도에 대한 질량 유동을 보여준다. 질량 유동 및 밸브 각도는 또한 터보차저의 상이한 팽창비(ER)와 관련하여 비교된다. 알 수 있는 바와 같이, 밸브 각도가 증가함에 따라 더욱 만곡된 경사를 나타내는 평면형 그래프 선에 비해, 질량 유동은 더욱 직선형의 증가를 따라간다. 질량 유동이 밸브 각도에 대해 비교적 선형으로 증가하므로, 밸브 몸체(80)의 FW 설계로 인해 밸브 설계자는 약 20도까지의 밸브 각도에서 질량 유동을 더욱 정밀하게 제어할 수 있다. 밸브면(81)이 20도 밸브 각도에 도달한 후, 질량 유동 조절은 대략적인 선형 제어로부터 벗어난다. 이러한 밸브 성능은 주 방향(30)으로의 배기가스 유동 제어가 개선되고 부 방향으로의 유동은 감소되기 때문인 것으로 여겨진다. 그러므로 도 9 및 도 10의 설계는 도 7 및 도 8의 설계에 추가적인 개선을 제공한다.

상기의 개시내용으로부터 알 수 있듯이, 이들 유동 형성부의 다양한 구성은 주 방향(30)으로의 유동을 최적화하고, 주 방향(30)에 수평인 부 방향들(41)로의 부적당한 유동을 감소시키는 역할을 한다.

본 발명의 특정한 바람직한 실시예들을 예시적인 목적으로 상세히 개시하였지만, 부분들의 재구성을 비롯한, 개시된 장치의 변형 또는 변경이 본 발명의 범주 내에 있다는 것을 인식할 것이다.

Claims

제1 유동 방향(30)으로 연장된 웨이스트게이트 통로(26), 및 배기가스 유동의 일부를 상기 웨이스트게이트 통로(26)로 우회시키기 위해 상기 웨이스트게이트 통로(26) 내로 개방되며 상기 제1 유동 방향(30)에 수직인 제2 유동 방향(29)을 정의하는 웨이스트게이트 포트(28)를 구비하는 터보차저(10)를 위한 웨이스트게이트 밸브 조립체(31)에 있어서,
웨이스트게이트 포트(28)에 안착 가능하며 선택적으로 개방 및 폐쇄 가능한 밸브 몸체(44)로서, 웨이스트게이트 포트(28)에 대향하며, 상기 밸브 몸체(44)가 개방 위치에 있을 때 상기 밸브 몸체(44)가 상기 웨이스트게이트 통로(26)를 향해 비스듬하게 놓이도록 일정 각도로 경사지는 밸브면(51, 61, 71, 81)을 구비하며, 상기 제2 방향(30)으로 연장된 상기 웨이스트게이트 통로(26) 내로 웨이스트게이트 배기 유동을 회전각(47)으로 회전시킴으로써, 상기 제2 방향(29)으로 상기 웨이스트게이트 포트(28)를 통과하는 웨이스트게이트 배기 유동을 방향 전환하는 역할을 하는 것인, 밸브 몸체(44)를 포함하되,
상기 밸브 몸체(44)는, 상기 제2 유동 방향(30)에 수평인 부적당한 방향들(41)로의 상기 밸브 몸체(44)로부터의 배기가스 유동을 감소시키는 역할을 하는 유동 형성부들을 포함하며, 상기 유동 형성부는, 배기가스 유동이 상기 제2 유동 방향(29)으로부터 상기 제1 유동 방향(30)으로 회전각(47)으로 회전할 때 배기가스 유동이 상기 제2 유동 방향(30)으로 상기 밸브 몸체(44)를 최적으로 빠져나가도록 촉진하는 형상으로 이루어지는 것인, 웨이스트게이트 밸브 조립체(31).
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 유동 방향 사이의 상기 회전각(47)은 대략 90도인, 터보차저.
제2항에 있어서,
상기 밸브 몸체(44)는 폐쇄 위치로부터 상기 개방 위치의 상기 경사진 각도로 피봇 회전 가능한, 터보차저.
제1항에 있어서,
상기 밸브 몸체(44)는 상기 밸브면(51)에 제공된 오목한 형상에 의해 정의된 접시형 밸브면(51)을 포함하는, 터보차저.
제4항에 있어서,
상기 밸브 몸체(44)는 융기된 에지(55)를 갖는 주변부(53)를 가지며 중앙 부분(56)으로 내측으로 만곡되며, 상기 밸브면(51)은 상기 제2 유동 방향(30)을 향한 유체 유동을 용이하게 하는, 터보차저.
제1항에 있어서,
상기 밸브 몸체(44)는, 유동 방향(30)에 평행하게 연장되고 실링 표면(64) 하부에서 하측으로 돌출된 스트레이크(62)가 구비된 밸브면(61)을 가지는, 터보차저.
제6항에 있어서,
그에 따라 상기 스트레이크(62)는 대략 상기 제1 유동 방향(30)으로 연장되는 유동 채널(69)을 정의하는, 터보차저.
제1항에 있어서,
상기 밸브 몸체(44)는 밸브면(71)을 포함하며, 상기 유동 형성부는 면 주변부(73)의 일부를 따라 상기 밸브면(71)으로부터 융기된 댐(72)을 포함하는, 터보차저.
제8항에 있어서,
상기 댐(72)은 아치 형상을 가지고, 후단 에지(75) 또는 선단 에지(76) 중 하나에 배치되며, 후단 에지(75)로부터의 유동을 방해하고 선단 에지(76)를 향한 유동을 촉진하는 역할을 하는, 터보차저.
배기가스 유동이 공급되는 터빈 입구(23) 및 볼류트(14)를 가지며, 제1 유동 방향(30)으로 연장된 웨이스트게이트 통로(26), 및 상기 터빈 입구(23)로부터의 배기가스 유동의 일부를 상기 웨이스트게이트 통로(26)로 우회시키기 위해 상기 웨이스트게이트 통로(26) 내로 개방되며 상기 제1 유동 방향(30)에 수직인 우회된 배기가스를 위한 제2 유동 방향(29)을 정의하는 웨이스트게이트 포트(28)를 정의하는 중간벽(25)을 가지는 터빈(11)을 포함하되,
상기 터빈은 또한 상기 웨이스트게이트 포트(28)를 통한 제어된 배기가스 유동을 제공하기 위해 웨이스트게이트 밸브 조립체(31)를 포함하며, 상기 웨이스트게이트 밸브 조립체(31)는, 웨이스트게이트 포트(28)에 안착되며 선택적으로 개방 및 폐쇄 가능한 밸브 몸체(44)를 포함하고, 상기 밸브 몸체(44)는 웨이스트게이트 포트(28)에 대향하는 밸브면(51, 61, 71, 81)을 구비하고, 상기 밸브 몸체(44)가 개방 위치에 있을 때 상기 밸브면(51, 61, 71, 81)은 웨이스트게이트 통로(26)를 향해 비스듬하게 놓이도록 일정 각도로 경사지고, 상기 제2 방향(30)으로 연장된 상기 웨이스트게이트 통로(26) 내로 웨이스트게이트 배기 유동을 회전각(47)으로 회전시킴으로써, 상기 제2 방향(29)으로 상기 웨이스트게이트 포트(28)를 통과하는 웨이스트게이트 배기 유동을 방향 전환하는 역할을 하며,
상기 밸브 몸체(44)의 상기 밸브면(51, 61, 71, 81)은, 상기 제2 유동 방향(30)에 수평인 부적당한 방향들(41)로의 상기 밸브면(51, 61, 71, 81)으로부터의 배기가스 유동을 감소시키는 역할을 하는 유동 형성부들을 포함하며, 상기 유동 형성부는, 배기가스 유동이 상기 제2 유동 방향(29)으로부터 상기 제1 유동 방향(30)으로 상기 회전각(47)으로 회전할 때 상기 제1 유동 방향(30)으로 상기 밸브면(51, 61, 71, 81)을 최적으로 빠져나가도록 배기가스 유동을 최적화하는 형상으로 이루어지는 것인, 터보차저(10).
제10항에 있어서,
상기 밸브 몸체(44)는 상기 밸브면(51)에 제공된 오목한 형상에 의해 정의된 접시형 밸브면(51)을 포함하는, 터보차저.
제10항에 있어서,
상기 밸브 몸체(44)는, 유동 방향(30)에 평행하게 연장되고 실링 표면(64) 하부에서 하측으로 돌출된 스트레이크(62)가 구비된 밸브면(61)을 가지는, 터보차저.
제10항에 있어서,
상기 밸브 몸체(44)는 밸브면(71)을 포함하며, 상기 유동 형성부는 면 주변부(73)의 일부를 따라 상기 밸브면(71)으로부터 융기된 댐(72)을 포함하는, 터보차저.
제13항에 있어서,
상기 댐(72)은 아치 형상을 가지고, 후단 에지(75) 또는 선단 에지(76) 중 하나에 배치되며, 후단 에지(75)로부터의 유동을 방해하고 선단 에지(76)를 향한 유동을 촉진하는 역할을 하는, 터보차저.