KR20150132219A - 소형 회전 웨이스트게이트 밸브 - Google Patents

소형 회전 웨이스트게이트 밸브 Download PDF

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KR20150132219A
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앤드류 데이
마크 버게스
아담 사무엘스
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보르그워너 인코퍼레이티드
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Abstract

터보차저는 터빈 부분 및 압축기 부분을 포함한다. 상기 터빈 부분은 터빈 휠(15)을 둘러싸는 터빈 하우징(1)을 포함한다. 터빈 하우징(1)은 배기 가스 입구(2), 이 입구(2)와 터빈 휠(15) 사이에서 연장되는 덕트(6), 및 덕트(6) 내의 웨이스트게이트 개구부(5)를 정의한다. 밸브 플레이트(10) 및 회전 가능 샤프트(11)를 포함하는 버터플라이형 웨이스트게이트 밸브(3)는 개구부(5)에 배치되고, 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 회전한다. 스프링(4)은, 샤프트(11)를 세로 축을 중심으로 제1 방향으로 회전하도록 편향(4)시키는 방식으로 샤프트(11)에 부착되며; 이 경우 밸브 플레이트(10)에 대해 배기 덕트(6) 내에서 흐르는 가스의 압력은, 스프링 편향에 대해 제2 방향으로 밸브 플레이트(10) 및 회전 가능 샤프트(11)의 회전 운동을 야기한다.

Description

소형 회전 웨이스트게이트 밸브{A COMPACT ROTARY WASTEGATE VALVE}
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2013년 3월 15일에 출원된 미국 특허 가출원 제61/786,789호에 기초하여, 35 USC 119 하에서 우선권을 주장한다. 이 우선권 서류의 발명 대상은 본 명세서에 참조에 의해서 통합된다.
본 발명은 내연 기관용 터보차저에 관한 것이다. 더욱 특별하게, 본 발명은 회전 웨이스트게이트 밸브를 갖는 터보차저에 관한 것이다.
터보차저는 내연 기관과 함께 사용되는 강제 유도 시스템의 일 타입이다. 터보차저는 압축 공기를 엔진 흡입구에 전달하여, 더 많은 연료가 연소되는 것을 허용하며, 따라서 엔진 중량을 상당히 증가시키지 않으면서 엔진의 마력을 끌어올린다(boosting). 따라서, 터보차저는 더 큰, 통상적인 흡입 엔진과 동일한 양의 마력을 발생시키는 더 작은 엔진의 사용을 가능하게 한다. 차량 내에 더 작은 엔진을 사용하는 것은 차량의 질량을 감소시키고, 성능을 향상시키며, 연료 경제를 높이는 바람직한 효과를 갖는다. 더욱이, 터보차저의 사용은 엔진에 전달되는 연료의 더 완전한 연소를 가능하게 하며, 이는 더 깨끗한 환경이라는 매우 바람직한 목적에 기여한다.
터보차저는 전형적으로 엔진의 배기 매니폴드에 연결되는 터빈 하우징, 엔진의 흡입 매니폴드에 연결되는 압축기 하우징, 및 터빈 및 압축기 하우징을 함께 결합하는 중심 베어링 하우징을 포함한다. 터빈 하우징 내의 터빈 휠은 배기 매니폴드로부터 공급되는 배기 가스의 유입에 의해서 회전 가능하게 구동된다. 중심 베어링 하우징에 회전 가능하게 지지 되는 샤프트는, 터빈 휠의 회전이 압축기 임펠러의 회전을 야기하도록, 터빈 휠을 압축기 하우징 내의 압축기 임펠러에 연결한다. 터빈 휠 및 압축기 임펠러를 연결하는 샤프트는 회전 축을 정의한다. 압축기 임펠러가 회전함에 따라, 이와 같은 회전 동작은 엔진의 흡입 매니폴드를 통해 엔진의 실린더에 전달되는 공기 질량 흐름 속도, 공기 흐름 밀도 및 공기 압력을 증가시킨다.
배기 가스의 압력이 높을 때에는, 원하는 압력 부스트를 제공하기 위해서 요구되는 것보다 많은 배기 압력이 있을 수 있다. 이와 같은 문제점에 대한 한 가지 해결책은, 배기 가스 압력이 높을 때, 터빈에 도달하는 배기 가스의 양이 최적 압력 부스트를 제공하기 위해서 필요한 양이 되도록, 배기 가스를 터빈 휠로부터 멀어지는 방향으로 우회시키는 것이다. 웨이스트게이트 밸브는 배기 가스를 터빈 휠로부터 멀어지는 방향으로 우회시키기 위해 사용될 수 있다. 배기 가스의 우회 동작은 터빈 속도를 제어하며, 이는 결과적으로 압축기의 회전 속도를 제어한다. 압축기의 회전 속도를 제어함으로써, 웨이스트게이트는 터보차저 시스템에서 최대 부스트 압력을 조절할 수 있다.
일부 종래의 터보차저는 웨이스트게이트 밸브를 제어하기 위해 제어 메커니즘을 사용한다. 예를 들어, 제어 메커니즘은, 배기 가스 압력이 높을 때에는 웨이스트게이트 밸브가 개방되게 하고, 배기 가스 압력이 떨어질 때에는 폐쇄되게 한다. 웨이스트게이트 밸브는 흡입 매니폴드 압력에 기초하여 제어될 수 있다. 다양한 기계 장치는 터보차저의 출구에서의 압력이 높을 때 웨이스트게이트를 개방하기 위해 사용되었다. 전기식 제어 방법도 또한 사용되었다.
일부 양태에서, 터보차저는 터보차저 부분에 의해 구동되는 압축기 부분을 포함한다. 터보차저 부분은 터빈 휠을 둘러싸는 터빈 하우징을 포함하며, 터빈 하우징은 배기 가스 입구, 이 입구와 터빈 휠 사이에서 연장되는 덕트, 및 이 덕트 내의 개구부를 정의한다. 액추에이터가 없고, 배기 가스 압력에 의해서 작동되는 버터플라이 밸브는 개구부에 배치되고 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 회전한다. 밸브는 세로 축을 갖는 회전 가능 샤프트, 밸브 플레이트의 비-직경 현을 따라 샤프트에 고정되는 밸브 플레이트, 및 샤프트를 세로 축을 중심으로 제1 방향으로 회전하도록 편향시키는 방식으로 회전 가능 샤프트에 부착되는 스프링을 포함하며; 이 경우 밸브 플레이트에 대해 배기 덕트 내에서 흐르는 가스의 압력은 스프링 편향에 대해 밸브 플레이트 및 회전 가능 샤프트의 회전 운동을 야기한다.
터보차저는 이하의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 터보차저는, 덕트 상에 배치되고 스프링에 연결되는 스프링 장력 조정 장치를 더 포함한다. 스프링 장력 조정 장치는 스프링 장력의 조정을 가능하게 하도록 구성된다. 스프링은 코일 토션 스프링이다. 스프링 장력 조정 장치는 스프링 하우징에 조정 가능하게 고정되는 스프링 커버이다. 스프링의 일 단부는 회전 가능 샤프트에 연결되고, 스프링의 타 단부는 스프링 커버에 연결된다. 스프링 장력 장치는 덕트에 고정되고, 스프링 장력은 덕트에 대해 스프링 장력 장치를 회전시킴으로써 조정된다.
본원에 개시되는 가스 압력에 의해서 작동되는 버터플라이형 웨이스트게이트 밸브는, 코일 토션 스프링에 의해 폐쇄 위치로 바이어싱되는 편심 장착 피벗 샤프트를 구비하고, 터빈 휠 상에서 배기 가스 압력을 쉽게 조정할 수 있는 제어를 제공한다. 웨이스트게이트 밸브의 사용은, 터보차저가 흡입 매니폴드에 전달하는 압력 부스트의 조정 가능한 제어를 제공한다.
본원에 개시되는 가스 압력에 의해서 작동되는 버터플라이형 웨이스트게이트 밸브는, 터빈 입구 압력에 의해서 제어되고 작동된다. 그 결과, 종래의 액추에이터 및 연결 메커니즘이 요구되지 않으며, 그에 따라 밸브 구조는 단순해지고, 터보차저는 더 소형으로 제조될 수 있다.
일부 양태에서, 밸브를 프리로드하기 위해 편심 장착 피벗 샤프트 및 코일 토션 스프링을 포함하는, 액추에이터가 없는, 가스 압력에 의해서 작동되는 버터플라이형 밸브는, 터보차저가 너무 높은 부스트를 제공하면 추가 압력을 빼내기 위해, 터빈 측 상에서보다는 오히려 터보차저 출력부 내에서(예를 들어, 압축기 측면 상에서) 사용될 수 있다.
일부 양태에서, 스프링은, 샤프트를 세로 축을 중심으로 제1 방향으로 회전하도록 편향시키는 방식으로 회전 가능 샤프트에 부착되며; 이 경우 디스크에 대해 배기 덕트 내부에서 흐르는 가스의 압력은, 스프링 편향에 대하여 디스크 및 회전 가능 샤프트의 회전 운동을 야기한다. 스프링 커버는 스프링을 덕트에 연결한다. 스프링 커버는, 폐쇄 위치에서 밸브 플레이트를 유지하는 스프링 예비 하중(예를 들어, 편향)의 조정을 가능하게 하고, 터빈 입구 압력이 밸브의 개방을 야기하는 지점을 통제하기 위해서, 그리고 이에 의해 배기 가스를 우회시키기 위해서 사용된다. 이와 같은 배열은 이하의 장점을 갖는다:
이와 같은 배열은, 종래의 웨이스트게이트 밸브를 포함하는 몇몇 터보차저에 비해 크게 감소된 제품 복잡성 및 비용을 야기하며;
몇몇 종래의 웨이스트게이트 밸브에 사용되는 액추에이터 브래킷, 호스 및 터보차저 압축기 커버로의 연결이 생략되어, 패키징을 크게 개선하고 구성 요소 손상의 위험을 감소시키며;
종래의 웨이스트게이트 부시(bush)를 통한 배기 가스 누설이 제거되고, 이에 의해 차량의 배기 가스 배출을 개선하며;
액추에이터가 없는, 배기 가스 압력에 의해서 작동되는 버터플라이 밸브는 완전히 밀봉되어, 먼지 또는 수분 침투의 가능성을 제거하며;
액추에이터가 없는, 배기 가스 압력에 의해서 작동되는 버터플라이 밸브는 밸브 샤프트에 대해 편심되는 밸브 플레이트를 포함하며, 이에 의해 요구되는 작동력, 및 그에 따라 마모가 감소되며;
종래의 리프트형 웨이스트게이트 밸브보다 오히려 버터플라이형 웨이스트게이트 밸브를 사용하는 것은, 밸브 부착 문제를 방지하고 밸브 폐쇄력에서의 가변성을 감소시킬 수 있으며;
몇몇 종래의 웨이스트게이트 밸브에서 발견되는 액추에이터 로드 시일(actuator rod seal)의 제거는 밸브 히스테리시스를 크게 감소시키며;
액추에이터가 없는, 배기 가스 압력에 의해서 작동되는 버터플라이 밸브의 매우 밀집한 배열은, 터빈 하우징에 대한 베어링 하우징 또는 압축기 커버 배향이 액추에이터 장착 및/또는 관련 브래킷의 급속한 증가(proliferation)를 몰아가지 않는다는 것을 의미하며;
코일 스프링을 포함하는 하우징(예를 들어, 스프링 커버)이 예비 하중을 통제하기 위해 소정의 정도까지 회전될 수 있기 때문에, 스프링 예비 하중 및 액추에이터 로드 길이 등과 관련해서 급속한 증가가 필요치 않으며; 그리고
몇몇종래의 웨이스트게이트 밸브의 액추에이터에서 요구되는 액추에이터 다이어프램(actuator diaphragm)의 제거는 내구성의 증가를 야기한다.
본 발명의 장점들은, 첨부 도면과 함께 고려될 때 동일한 내용이 이하의 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해되는 바와 같이 쉽게 이해될 것이다:
도 1은 가스 입구 덕트에 형성되는 폐쇄 웨이스트게이트 밸브를 포함하는 터보차저의 터빈 하우징을 도시한다.
도 2는 웨이스트게이트 밸브가 개방 위치에 있는 도 1의 터빈 하우징을 도시한다.
도 3은 웨이스트게이트 밸브의 코일 스프링을 둘러싸는 스프링 커버를 갖는 터빈 하우징을 도시한다.
도 4는 밸브 디스크, 밸브 샤프트, 스프링 커버, 및 코일 토션 스프링을 포함하는, 터빈 하우징으로부터 분리되는 도 1의 웨이스트게이트 밸브의 부분 분해도를 도시한다.
도 5는 터빈 하우징으로부터 분리되는 웨이스트게이트 밸브의 사시도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 배기 가스 터보차저는 압축기 부분(미도시) 및 터빈 부분을 포함한다. 터빈 부분은 터빈 하우징(1), 및 터빈 하우징(1)에 배치되는 터빈 휠(15)을 포함한다. 터빈 하우징(1)은 배기 가스를 터빈 휠(15)로 안내하는 배기 가스 입구(2)를 포함한다. 버터플라이형 웨이스트게이트 밸브(3)는 가스 입구(2)의 덕트 부분(6)에 형성되는 개구부(5)에 제공된다. 개구부(5)는, 배기 가스가 터빈 휠에 도달하기 전에 배기 가스의 환기를 가능하게 하기 위해 터빈 휠 상류 위치에서 덕트 부분(6) 내에 형성되는 포트이다. 웨이스트게이트 밸브(3)는 아래에서 더 논의되는 바와 같이, 터빈 휠에서 배기 가스의 압력을 제어함으로써 터보차저에 의해 제공되는 압력 부스트를 제어한다.
웨이스트게이트 밸브(3)는 밸브 플레이트(10) 및 축(14)을 따라 세로로 그리고 밸브 플레이트(10)에 의해 정의되는 평면 내에서 연장되는 밸브 샤프트(11)를 포함한다. 밸브 플레이트(10)는 예를 들어 용접에 의해 밸브 샤프트(11)에 부착된다. 밸브 플레이트(10) 및 밸브 샤프트(11)는, 밸브 플레이트(10)가 개구부(5) 내부에 있도록 덕트 부분(6) 내부에 회전 가능하게 장착되고, 폐쇄 위치(도 1)와 개방 위치(도 2) 사이에서 이동할 수 있다. 폐쇄 위치에서, 밸브 플레이트(10)는 개구부(5)에 의해 정의되는 평면에 놓이기 위해 회전되며, 이에 의해 개구부(5)는 밸브 플레이트(10)에 의해 충전되고, 유체(예를 들어, 배기 가스)는 개구부(5)를 통해 흐르는 것이 방지된다. 개방 위치에서, 밸브 플레이트(10)는 개구부(5)에 의해 정의되는 평면에 대해 각을 이루며 놓이기 위해 회전되며, 이에 의해 유체는 개구부를 통해 흐를 수 있고, 터빈 압력은 경감된다. 밸브 샤프트(11)는 밸브 플레이트(10)의 중심에 있지 않다. 특히, 샤프트(11)는 밸브 플레이트(10)의 직경을 따라 연장되지 않고, 그 대신에 밸브 플레이트(10)의 비-직경 현을 따라 연장된다. 따라서, 밸브 플레이트(10)의 일 측(10a)은 타 측(10b)보다 크다.
웨이스트게이트 밸브(3)는 스프링 하우징(12) 내부에서 개구부(5)에 인접하여 지지 되는 코일 토션 스프링(4)을 포함한다. 다른 타입의 스프링이 이용될 수 있지만, 코일 토션 타입 스프링은 설치가 간단하고 복잡한 결합이 실시되는 것을 요구하지 않기 때문에 바람직하다. 스프링(4)의 일 단부는 밸브 샤프트(11)에 부착되고, 스프링(4)의 대향 단부는 스프링 커버(7)에 부착된다. 아래에서 더 논의되는 바와 같이, 스프링(4)은 스프링 하우징(12)과 스프링 커버(7) 사이에 샌드위치 되며, 스프링 커버(7)는 스프링(4)을 보호하고, 스프링(4)의 장력의 조정을 가능하게 하도록 구성된다. 스프링(4)은 배기 가스 압력이 스프링 힘을 극복하기에 충분히 높을 때까지 개구부(5)에 대한 폐쇄 위치(도 1)에서 밸브 플레이트(10)를 유지하는 바이어싱 힘을 제공한다. 배기 가스 압력이 스프링 힘을 극복하기에 충분히 높을 때에는, 밸브 플레이트(10) 및 밸브 샤프트(11)가 덕트(6) 내부에서 회전하며, 이에 의해 웨이스트게이트 밸브(3)는 개구부(5)에 대한 개방 위치(도 2)로 이동한다. 웨이스트게이트 밸브(3)가 개방될 때, 초과 배기 가스는 터빈 휠을 우회하여 곧바로 배기 시스템으로 간다. 이와 같은 상황은 터보차저 내 배기 가스의 압력을 사전에 결정된 값으로 효과적으로 제한한다.
밸브 플레이트(10)의 일 측(10a)이 타 측(10b)보다 크기 때문에, 배기 가스의 압력은 밸브 플레이트(10)의 2개 측 상에서 동일하게 작용하지 않는다. 이것은 웨이스트게이트 밸브(3)를 개방시키는 토크를 생성한다. 배기 가스에 의해 생성되는 토크는 스프링(4)에 반대된다. 이와 같은 배열은 배기 압력이 스프링 힘을 극복하기에 충분히 높을 때까지 웨이스트게이트 밸브(3)의 폐쇄 상태를 계속 유지한다. 스프링(4)의 스프링 힘을 극복하기에 충분히 높은 배기 가스 압력에서, 밸브는 개방되고, 배기 가스가 터빈을 우회하는 것을 허용한다. 따라서, 스프링 특성 및 스프링 장력 설정은 배기 가스 압력에 대한 밸브(3)의 응답을 제어한다. 스프링(4)에 대해 밸브 샤프트(11)를 회전시키기 위해서요구되는 압력이 밸브 개방 정도에 따라 많이 변하지 않으면, 밸브는 단순히 개방되었거나 폐쇄된 밸브로서의 기능을 할 것이다. 코일 토션 스프링(4)에 대해 밸브 샤프트(11)를 회전시키기 위해서 요구되는 압력이 밸브 개방 정도에 따라 변하면, 밸브(3)는 적당히 높아진 배기 가스 압력에서 작은 개방을 제공할 것이고, 배기 가스 압력이 증가함에 따라 더 큰 개방을 제공할 것이다.
스프링 커버(7)는 그 외부 에지를 따라 형성되는 연장된 슬롯(8)을 포함한다. 스프링 커버(7)는 슬롯(8)을 통해 연장되는 나사(9)를 사용하여 스프링 하우징(12)에 고정된다. 나사(9)를 약간 느슨하게 한 후에, 스프링 커버(7)는 밸브 샤프트(11)의 회전 축(14)을 중심으로 스프링 하우징(12)에 대해 터닝(예를 들어, 회전) 될 수 있다. 스프링(4)이 스프링 커버(7)에 연결되어 있기 때문에, 스프링 커버(7)를 회전시키는 것은 스프링(4) 장력의 조정을 야기한다. 스프링(4) 장력이 증가하면, 이와 같은 상황은 웨이스트게이트 밸브를 개방하기 위해서 요구되는 배기 가스 압력을 증가시킨다. 이와 같은 증가는 터보차저가 제공할 압력 부스트 상의 상한을 증가시킨다. 유사하게, 스프링(4) 상에서 장력을 줄이기 위해 커버를 회전시키는 것은 밸브를 개방하기 위해서 요구되는 배기 가스 압력을 낮출 것이다. 이와 같은 상황은 터보차저가 제공할 압력 부스트 상의 상한을 감소시킬 것이다. 스프링 장력이 원하는 힘에 있으면, 나사(9)는 조여진다. 따라서, 스프링 커버(7)는 폐쇄 위치에서 밸브 플레이트(10)를 유지하는 스프링 예비 하중(예를 들어, 편향)의 조정을 가능하게 하고, 터빈 입구 압력이 밸브(3)의 개방을 야기하는 지점을 통제하기 위해서, 그리고 이에 의해 배기 가스를 우회시키기 위해서 사용된다.
스프링커버 내의 슬롯(8)의 개수는 1과 4 사이에서 변할 수 있다. 2개의 슬롯(8)이 편리하다. 슬롯(8)이 스프링 커버(7) 내에서 대칭으로 배치되는 것이 바람직하다.
밸브(3)는 본원에서 터빈 부분의 입구(2)에 배치되는 것으로 기술되지만, 밸브(3)는 이와 같은 구현예에 제한되지 않는다. 예를 들어, 버터플라이형 밸브(3)는 터보차저의 압축기 측 상의 볼류트(volute)에 설치될 수 있다. 바람직한 위치는 압축기 볼류트의 단부에 있다. 이 위치에서, 밸브는 터빈 부분 배기 입구에 배치될 때 동작하는 것과 같은 동일한 방식으로 동작한다. 특히, 압축 공기의 압력은 밸브 플레이트(10)의 2개 측 상에서 동일하게 작용하지 않는다. 이와 같은 상황은 샤프트(11) 주위에서 토크를 생성하여, 버터플라이 밸브의 개방을 야기한다. 압축기 출구 가스에 의해 생성되는 토크는 스프링 커버(7) 내의 코일 토션 스프링(4)에 반대된다. 이와 같은 배열은, 압축기 출구 압력이 스프링(4)의 스프링 힘을 극복하기에 충분히 높을 때까지 밸브(3)의 폐쇄 상태를 계속 유지한다. 스프링 힘을 극복하기에 충분히 높은 압축기 출구 배기 가스 압력에서, 밸브는 개방되고, 압축기를 나가는 가스가 엔진의 흡입 매니폴드를 우회하는 것을 허용한다. 따라서, 압축된 공기의 압력이 특정 레벨을 초과하면, 밸브(3)는 초과 압력을 방출하기 위해 개방된다. 이와 같은 상황은 압력 부스트를 원하는 레벨로 제한한다.

Claims (6)

  1. 터보차저로서,
    터빈 휠(15)을 둘러싸며, 배기 가스 입구(2), 상기 입구(2)와 상기 터빈 휠(15) 사이에서 연장되는 덕트(6), 및 상기 덕트(6) 내의 개구부(5)를 정의하는 터빈 하우징(1)을 포함하는, 터빈 부분, 및,
    상기 개구부(5)에 배치되고 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 회전할 수 있는, 액추에이터가 없는, 배기 가스 압력에 의해서 작동되는 버터플라이 밸브(3)를 포함하며, 상기 밸브(3)는,
    세로 축(14)을 포함하는 회전 가능 샤프트(11),
    상기 밸브 플레이트의 비-직경 현을 따라 상기 샤프트(11)에 고정되는 밸브 플레이트(10); 및
    스프링(4)이 샤프트(4)를 상기 세로 축(14)을 중심으로 제1 방향으로 회전하도록 편향시키는 방식으로 상기 회전 가능 샤프트(11)에 부착되는 스프링(4)을 포함하며; 상기 밸브 플레이트(10)에 대해 상기 배기 덕트(6) 내에서 흐르는 가스의 압력은, 상기 스프링 편향에 대해 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 상기 밸브 플레이트(10) 및 회전 가능 샤프트(11)의 회전 운동을 야기하는, 터보차저.
  2. 제1항에 있어서, 상기 덕트(6) 상에 배치되고 상기 스프링(4)에 연결되는 스프링 장력 조정 장치(7, 12)를 포함하며, 상기 스프링 장력 조정 장치(7, 12)는 상기 스프링(4)의 장력 조정을 가능하게 하도록 구성되는, 터보차저.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스프링(4)은 코일 토션 스프링인, 터보차저.
  4. 제2항에 있어서, 상기 스프링 장력 조정 장치(7, 12)는 스프링 하우징(12)에 조정 가능하게 고정되는 스프링 커버(7)를 포함하는, 터보차저.
  5. 제4항에 있어서, 상기 스프링(4)의 일 단부는 상기 회전 가능 샤프트(11)에 연결되고, 상기 스프링의 타 단부는 상기 스프링 커버(7)에 연결되는, 터보차저.
  6. 제1항에 있어서, 상기 스프링 장력 장치(7, 12)는 상기 덕트(6)에 고정되고, 스프링 장력은 상기 덕트(6)에 대해 상기 스프링 커버(7) 장치를 회전시킴으로써 조정되는, 터보차저.
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