KR20150114499A - 터보차저를 위한 타원형 압축기 커버 - Google Patents

터보차저를 위한 타원형 압축기 커버 Download PDF

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Abstract

터보차저(10)는 압축기 하우징(15) 및 베어링 하우징(17)을 구비한다. 압축기 하우징(15)은, 압축기 하우징(15)에 의해 형성된 볼류트(13)와 공기 입구(11) 사이에 연장된 타원형 벽(16)을 포함한다. 베어링 하우징(17)은 압축기 벽(16)에 대향하는 편평한 베어링 하우징 벽(14)을 형성하며, 압축기 벽(16) 및 베어링 하우징 벽(14)은, 공기 입구(11)와 볼류트(13) 사이에 타원형 디퓨저(12)를 형성한다.

Description

터보차저를 위한 타원형 압축기 커버{AN ELLIPTICAL COMPRESSOR COVER FOR A TURBOCHARGER}
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2013년 2월 1일자로 출원된 "An Elliptical Compressor Cover For A Turbocharger"라는 명칭의 미국 가출원 제61/759,479호의 우선권 및 모든 이익을 주장한다.
기술 분야
본 발명은 내연기관을 위한 터보차저에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 타원형 디퓨저를 구비한 터보차저에 관한 것이다.
터보차저는 내연기관과 함께 사용되는 일종의 강제 유도 시스템이다. 터보차저는 압축 공기를 엔진 흡기부에 전달하여 더 많은 연료가 연소되도록 함에 따라, 엔진 중량을 크게 증가시키지 않고도 엔진의 마력을 증폭시킨다. 따라서 터보차저는 더 큰 자연 흡기 엔진과 동일한 양의 마력을 발생시키는 더 작은 엔진을 사용할 수 있게 한다. 차량에 더 작은 엔진을 이용하면, 차량의 질량을 감소시키고, 성능을 증대시키며, 연료 경제성을 향상시킨다는 원하는 효과를 얻게 된다. 더욱이, 터보차저를 이용하면 엔진에 전달된 연료를 더욱 완전히 연소시킬 수 있으며, 더 깨끗한 환경이라는 매우 바람직한 목표에 기여하게 된다.
터보차저는 일반적으로, 엔진의 배기 매니폴드에 연결된 터빈 하우징, 엔진의 흡기 매니폴드에 연결된 압축기 하우징, 및 터빈 하우징과 압축기 하우징을 함께 연결하는 중앙 베어링 하우징을 포함한다. 터빈 하우징의 터빈 휠은 배기 매니폴드로부터 공급된 배기가스의 유입에 의해 회전 구동된다. 중앙 베어링 하우징에 회전 가능하게 지지된 샤프트가 터빈 휠을 압축기 하우징의 압축기 임펠러에 연결하여, 터빈 휠의 회전이 압축기 입펠러를 회전시키도록 한다. 터빈 휠과 압축기 임펠러를 연결하는 샤프트는 회전축을 정의한다. 압축기 임펠러가 회전함에 따라, 엔진의 흡기 매니폴드를 통해 엔진의 실린더에 전달된 공기 질량 유속, 기류 밀도 및 공기압을 증가시킨다.
터보차저의 터빈 휠은 매우 빠르게 회전한다. 터빈 휠의 회전 속도는 크기에 좌우되며, 작은 터빈 휠이 큰 휠보다 더 빠르게 회전할 수 있다. 내연기관과 함께 사용되는 터보차저 터빈 휠은 530 m/s의 원주방향 선단 속도에 도달할 수 있다. 터빈 휠의 빠른 회전은 직접적으로 압축기 휠에 전달되며, 압축기 휠은 마찬가지로 매우 빠르게 회전한다. 따라서, 압축기 휠에서 빠져 나오는 가스는 높은 속도로 이동하게 된다.
공기는 압축기 휠에 의해 가속된 후, 디퓨저 및 볼류트 하우징 내로 진행하고, 그 후 압축기 출구에서 배기된다. 디퓨저는 공기의 높은 속도를 대체로 손실 없이 늦추고, 그에 따라 압력 및 온도가 상승한다. 디퓨저는 본질적으로 공기가 압축기 휠로부터 좁은 통로를 통과하게끔 함으로써 이러한 증가를 달성한다. 높은 속도의 공기는 낮은 압력에서 좁은 채널을 빠져 나갈 수 없다. 따라서, 공기의 압력 및 온도는 증가한다. 다퓨저는 또한 다양한 수축부(constriction) 및 추가 수축부를 제공하기 위한 핀치들을 가질 수 있다. 디퓨저는 전방 핀치, 후방 핀치 또는 심지어 이중 핀치를 가질 수 있다. 보통, 디퓨저의 하나의 벽은 압축기 커버 면에 의해 형성된다. 다른 벽은 압축기 하우징의 벽에 의해 형성된다.
US 2012/0269659는, 터빈, 및 압축기 하우징을 가진 압축기를 구비한 배기가스 터보차저에 관한 것으로, 압축기 하우징은 베어링 하우징에 체결되며, 압축기 스파이럴 및 베어링 하우징 측 디퓨저 벽을 가지고, 압축기 하우징은 압력 다이캐스트 하우징으로서 형성되며, 디퓨저 벽은 압축기 하우징에 연결될 수 있고 압축기 하우징 스파이럴의 내측벽에 대한 연결 영역에 내부 라운딩을 갖는 별도의 구성요소로서 형성될 수 있다.
US 2010/0202877은, 터보차저를 위한 하우징에 관한 것이다. 하우징은 서로 유체 연통되는 임펠러 챔버, 디퓨저, 및 스크롤을 구비한다. 디퓨저는 임펠러의 선단에 인접한 만곡 형상 및/또는 절곡부를 가질 수 있다. 만곡 형상은 하나 이상의 곡률반경으로 정의될 수 있다. 디퓨저는 터보차저의 중심선에 직교하지 않는 반경방향으로 연장될 수 있다. 하우징은 터보차저의 압축기 섹션을 위한 것일 수 있다.
US 2008/0267765 및 US 8,287,233은, 포트형 슈라우드 내에 재순환 벤투리관을 가진 원심 압축기에 관한 것이다. 예시적인 포트는, 압축기 휠의 하류에 위치한 제1 포트 개구, 압축기 휠의 블레이드에 인접하여 위치한 제2 포트 개구, 및 압축기 휠의 상류에 위치한 제3 포트 개구를 포함하며, 제1 포트 개구 및 제3 포트 개구는 제1 유동 경로를 정의하며, 제2 포트 개구로부터 연장된 제2 유동 경로는 합류 지점에서 제1 유동 경로와 만난다. 제1 유동 경로는 선택적으로 예를 들어 벤투리관 부분을 포함하며, 합류 지점은 적어도 부분적으로 벤투리관 부분과 만난다. 다른 예시적인 포트, 압축기 슈라우드, 시스템 및 방법이 또한 개시된다.
본 발명은 제조가 용이한 터보차저를 위한 디퓨저를 제공하며, 또한 매끄러운 만곡부를 갖는 디퓨저의 이점을 제공한다. 편평한 베어링 하우징 및 압축기 커버 상의 매끄러운 타원형 만곡부를 갖는 디퓨저가 양호한 성능을 제공한다는 것을 발견하였다. 예를 들어, 다양한 조건 하에서 타원형 디퓨저를 구비한 터보차저가 다양한 직선형 디퓨저 설계에 비해 더 높은 압축기 압력비(출구 압력을 입구 압력으로 나눈 것)를 제공한다는 것을 알아냈다. 또한, 타원형 디퓨저를 갖는 터보차저의 압축기 효율은 직선형 디퓨저를 갖는 터보차저의 압축기 효율보다 더 높다.
첨부 도면과 함께 이하의 상세한 설명을 참조하여 본 발명을 더 잘 이해하게 됨에 따라 본 발명의 이점을 쉽게 이해할 것이다.
도 1은 직선형 디퓨저를 갖는 통상의 터보차저 압축기를 보여주는 것으로, 본 발명을 예시한 것이 아니다.
도 2는 점진적 핀치를 가진 타원형 디퓨저를 갖는 터보차저 압축기를 보여주는 것으로, 본 발명을 예시한 것이다. 압축기 휠 및 터빈 샤프트는 도시되어 있지 않다.
도 1은 통상의 터보차저의 압축기 부분(1)을 보여준다. 압축기 부분(1)은 공기 입구(2), 압축기 휠(3), 직선형 디퓨저(4), 볼류트(6), 베어링 하우징(7) 및 압축기 하우징(8)을 가진다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 터보차저(10)의 압축기 부분을 보여준다. 압축기 부분은, 공기 입구(11), 점진적인 핀치를 가진 타원형 디퓨저(12), 볼류트(13), 직선형의 또는 편평한 베어링 하우징 디퓨저 벽(14)을 가진 베어링 하우징(17), 및 압축기 하우징(15)을 구비한다. 압축기 휠 및 터빈 샤프트는 도시되지 않는다. 타원형 디퓨저(12)는 베어링 하우징(14)의 편평한 벽과 타원형 벽(16)을 가진 압축기 하우징(15)에 의해 형성된다. 그러므로, 디퓨저(12)는 타원형 벽 및 대향하는 편평한 벽을 가진다. 타원의 장축은 베어링 하우징 벽(14)의 면에 평행하게 인접하거나 베어링 하우징 벽(14)에 수직으로 연장될 수 있다. 축들은 베어링 하우징 벽(14)에 대해 정확하게 평행하거나 수직일 필요는 없다.
장축과 단축의 비는 디퓨저(12)의 형상 및 길이에 영향을 미친다. 타원의 장축이 베어링 하우징 벽(14)의 면으로부터 먼 곳으로 향하는 경우, 그리고 장축이 단축보다 훨씬 더 긴 경우, 타원은 더 뾰족하게 될 것이고 디퓨저(12)는 만곡되며 다소 짧을 것이다. 한편, 장축과 단축의 길이가 비슷한 경우, 디퓨저(12)는 덜 만곡되며 더 길게 될 것이다. 이러한 구성에서, 장축과 단축의 비가 2:1 내지 20:1인 것이 대체로 적절하다.
최적의 압축기 압력비 및 최적의 압축기 효율을 측정함으로써 터보차저 압축기의 성능을 평가할 수 있다. 테스트는 몇 가지를 제외하고는 "Turbocharger Gas Stand Test Code-SAE J1826 and the SAE Turbocharger Nomenclature and Terminology-SAE J922 Recommended Practice"와 일치하는 교정된 터보차저 성능 가스 스탠드 상에서 수행할 수 있다.
실시예 1.
통상의 직선형 디퓨저를 이용하여 71 mm 직경의 압축기 휠을 구비한 기준 터보차저를 구성하고 가스 스탠드 성능을 테스트하였다. 129,000 rpm의 속도 및 0.22 내지 0.33 kg/s의 유동 범위에서, 터보차저는 3.02의 평균 압력비 및 기준 효율 곡선을 생성하였다. 대략 7:1의 종횡비를 가지는 타원형 디퓨저를 구비한 다른 압축기 커버를 가진 제2의 터보차저를 구성하고 가스 스탠드 성능을 테스트하였다. 이러한 제2의 터보차저는 동일한 속도 및 유동 범위 내에서 테스트하였으며, 기준선으로부터 압력비가 평균 0.06 증가하고 압축기 효율이 평균 2% 증가하였다.
본원에 언급된 임의의 숫자 범위는 그 안에 포함되는 모든 하위 범위를 포함하고자 한다. 예를 들어, "2:1 내지 20:1"의 범위는, 2:1과 20:1이라는 언급된 값들을 포함하여 그 사이의 모든 하위 범위들을 포함하고자 한다.

Claims (6)

  1. 볼류트(13)를 형성하며, 볼류트(13) 내로 공기 입구(11)를 정의하는 압축기 벽(16)을 가지는 압축기 하우징(15); 및
    공기 입구(11)에 인접하며 압축기 벽(16)에 대향하는 편평한 베어링 하우징 벽(14)을 형성하는 베어링 하우징(17)을 포함하되,
    압축기 벽(16)의 일부는, 편평한 베어링 하우징 벽(14)과 타원형 압축기 벽(16) 사이에 정의된 볼류트(13)와 공기 입구(11) 사이의 타원형 공기 디퓨저(12)를 형성하는 타원 형상을 가지는, 터보차저(10)의 압축기 부분.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 타원의 장축과 단축의 비는 2:1 내지 20:1인, 압축기 부분.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 타원의 장축과 단축의 비는 5:1 내지 15:1인, 터보차저를 위한 압축기 하우징.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 타원의 장축과 단축의 비는 5:1 내지 10:1인, 터보차저를 위한 압축기 하우징.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 타원의 장축과 단축의 비는 6:1 내지 8:1인, 터보차저를 위한 압축기 하우징.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 타원의 장축과 단축의 비는 7:1인, 터보차저를 위한 압축기 하우징.
KR1020157022132A 2013-02-01 2014-01-23 터보차저를 위한 타원형 압축기 커버 KR20150114499A (ko)

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