KR20160003022A

KR20160003022A - 배기 가스 터보 차저

Info

Publication number: KR20160003022A
Application number: KR1020157033292A
Authority: KR
Inventors: 페터 알베르티; 올리버 힌리히스; 야스퍼 캄마이어; 미햐엘 그라이너
Original assignee: 폭스바겐 악티엔 게젤샤프트
Priority date: 2013-04-22
Filing date: 2014-04-07
Publication date: 2016-01-08
Also published as: WO2014173668A1; CN105121791A; EP2989298A1; EP2989298B1; DE102013006928A1

Abstract

본 발명은 터빈을 갖는 내연 기관, 특히 디젤 내연 기관을 위한 배기 가스 터보 차저에 관한 것으로, 상기 터빈은 터빈 임펠러(12)의 상류에 유입 채널(18)을 형성하고 터빈 임펠러(12)의 하류에 배출 채널(22)을 형성하는 터빈 하우징(10)을 갖는다. 터빈은, 배출 채널(22) 내 단면적이 조정 장치(24)에 의해 가변적인 것을 특징으로 한다.

Description

배기 가스 터보 차저{EXHAUST GAS TURBOCHARGER}

본 발명은 내연 기관용, 특히 디젤 내연 기관용 배기 가스 터보 차저에 관한 것이다.

내연 기관의 비출력을 증가시키고 연료 소비율을 감소키기기 위한 하나 이상의 배기 가스 터보 차저의 사용은 공지되어 있다.

배기 가스 터보 차저는, 내연 기관의 배기 가스 계통 내에 통합되고 터빈 임펠러를 구비한 터빈과, 신선 가스 계통 내에 통합되고 컴프레서 휠을 구비한 컴프레서를 포함한다. 터빈 임펠러와 컴프레서 휠은 하나의 샤프트를 통해 연결된다. 내연 기관의 작동 시, 터빈 임펠러에 배기 가스 흐름이 유입되고, 그로 인해 터빈 임펠러가 회전 구동되며, 이러한 회전은 상기 샤프트를 통해 컴프레서 휠로 전달된다. 이렇게 하여 야기된 컴프레서 휠의 회전은 신선 가스의 바람직한 압축을 구현한다.

배기 가스 터보 차저의 터빈뿐만 아니라 컴프레서도 이들을 관통하여 흐르는 가스의 질량 유동에 좌우되는 효율을 갖는다. 유동 안내 챔버들의 기하학적 형상 및 특히 임펠러의 기하학적 형상은, 내연 기관의 작동 중에 터빈 또는 컴프레서를 관류하는 질량 유동의 전체 범위에 걸쳐 충분히 양호한 효율이 달성되도록 설계되어야 한다. 동시에, 내연 기관의 연소 엔진의 하나 이상의 상대적으로 더 작은 작동 영역에서 터빈 및 컴프레서의 가능한 최고 효율을 달성하는 점이 추구된다. 디젤 내연 기관의 경우에는 일반적으로, 연소 엔진의 부분 부하 작동 시 배기 가스 터보 차저의 최대로 높은 효율이 달성될 수 있다.

배가 가스 터보 차저의 효율 및 그와 더불어 반응 거동도 개선할 수 있는 가능성 중 하나는, 하나의 내연 기관에 2개 이상의 배기 가스 터보 차저를 (경우에 따라 기계적으로 또는 전기적으로 작동하는 컴프레서도) 제공하는 것인데, 이러한 2개 이상의 배기 가스 터보 차저는 내연 기관의 연소 엔진의 상이한 작동 영역을 위해 설계되며, 오직 상기 작동 영역들에서만 또는 주로 상기 작동 영역들에서 신선 가스의 압축을 담당한다.

또한, 가변식 가이드 베인이 터빈 입력 측에 배열되는 이른바 가변 터빈 지오메트리(VTG) 방식 배기 가스 터보 차저의 사용이 확대되고 있다. 가이드 베인의 맞춤식 조절을 통해, 한편으로 터빈의 유입 채널 내 자유 유동 단면적이 변동됨으로써 특히 배기 가스 질량 유동이 적을 때 터빈 임펠러를 수용하는 임펠러 챔버 내로의 유입 시 유동 속도가 증가할 수 있다. 다른 한편으로는, 터빈 임펠러의 블레이드의 유입 방향이 조정될 수 있는데, 이 역시 터빈 효율을 증가시킬 수 있다.

대부분의 배기 가스 터보 차저의 경우, 터빈 임펠러에서의 유입은 반경 방향으로, 배출은 축방향으로 수행되는 레이디얼 터빈이 사용된다. 레이디얼 터빈의 VTG 구성에서는 항상, 임펠러를 둘러싸는 터빈 유입 채널 내에 가변식 가이드 베인들이 원형으로 배열되며, 이 경우 모든 가이드 베인과 연결된 컨트롤 링의 회전에 의해 컨트롤이 수행된다.

그에 대한 대안으로 DE 102 47 216 A1호에 공지된 VTG 배기 가스 터보 차저의 구성에서는, 환형으로 배열된 가변식 가이드 베인의 예측되는 큰 비용이 방지된다고 한다. 상기 공보에서는 터빈의 유입 측에 하나 이상의 직선 가이드 베인이 배열되며, 이들 가이드 베인은 유입 채널을 대각선으로 또는 스트링 형태로 통과하고 그 길이에 걸쳐 변하는 단면을 가지며, 컨트롤 장치에 의해 축방향으로 변위될 수 있다. 그 결과, 연소 엔진이 작동되는 작동점에 따라 상이한 단면을 갖는 가이드 베인들의 섹션이 유입 채널 내에 배치될 수 있다.

또한, DE 102 47 216 A1호에는 상기 유형의 가변식 가이드 베인 어셈블리가 대안적으로 또는 추가로 터빈의 배출 측에도 제공될 수 있다고 공개되어 있다. 이에 의해, 터빈으로부터 배출되는 배기 가스 유동의 유동 특성곡선에 영향이 미친다고 한다.

또한, DE 196 15 237 A1에는 터빈이 반경 방향 유입 채널뿐만 아니라 반축류(semi-axial) 유입 채널로도 형성되는 배기 가스 터보 차저가 공지되어 있다. 반경 방향 유입 채널뿐만 아니라 반축류 유입 채널 내에도, 터빈 임펠러를 위한 개방 유동 단면 및/또는 유입 각도가 변할 수 없게 구성된 가이드 베인들이 제공된다. 필요에 따라, 배기 가스 질량 유동이 적을 때 터빈 효율을 개선하기 위해, 유입 채널 중 하나를 폐쇄될 때까지 좁히는 방법이 소개되어 있다.

마지막으로, 배기 가스 터보 차저의 컴프레서를 위해, 압력비가 높을 때 컴프레서 특성도의 서지선(surge line)를 낮은 질량 유동 방향으로 변위시키는 데 사용되는 이른바 트림 조정기(trim adjuster)의 사용이 공지되어 있다. 동시에, 트림 조정기는 서지선의 범위 내에서 컴프레서 효율의 상승을 구현할 수 있다. 이를 위해, 트림 조정기는, 컴프레서의 휠에 유입되는 유입 유동 단면적을 변동시킬 수 있는 장치를 포함한다. 이렇게 달성된 트림 조정기의 제트 효과를 통해, 제어 개입의 증가(유입 유동 단면적의 축소)에 따라 컴프레서 유입 유동이 더 강력하게 컴프레서 휠의 허브 근처 유동 단면에 집중될 수 있다. 그럼으로써, 맥동이 적고 손실이 수반되는 역류 영역 내로는 유체가 덜 흐르고, 허브 근처 영역에서의 코어 흐름(core flow)이 가속화되어 추가로 안정화된다. 컴프레서의 허브 근처 영역에소의 유동 가속은 추가로 컴프레서 유입 흐름의 흡입 측 변위를 야기하며, 이는 유동의 추가 안정화에 기여할 수 있다. 코어 흐름의 안정화는 신선 가스의 질량 유동을 더 줄이기 위해 컴프레서 특성도의 서지선이 바람직하게 변위되도록 한다. 의도치 않은 제어 개입 시(트림 조정기 완전 개방), 가급적 신선 가스 계통의 전체 단면적이 컴프레서 상류에서 개방됨으로써, 컴프레서 유입 흐름에서 가능한 한 추가의 마찰 손실 또는 스로틀 손실이 발생하지 않는다. 따라서, 컴프레서 효율 및 컴프레서 특성도의 폭이 초크선(choke line)의 방향으로 트림 조정기에 의해 크게 악영향을 받지 않는다. 컴프레서용 트림 조정기를 구비한 배기 가스 터보 차저의 예는 DE 10 2010 026 176 A1호로부터 공지되어 있다.

상기 종래 기술을 기초로 하여, 본 발명의 과제는 효율이 개선된 내연 기관용 배기 가스 터보 차저를 제공하는 것이다.

상기 과제는 청구항 제1항에 따른 내연 기관에 의해 해결된다. 바람직한 구성들은 종속 청구항들의 대상이며 이하 본 발명의 상세한 설명에 명시된다.

본 발명은, 배기 가스 터보 차저 내에 존재하는 바와 같은 초음속 유속에서 유동 영향 수단을 이용하여 그 어셈블리의 상류에서도 유동에 영향일 미칠 수 있다는 인식에 기초한다. 따라서, 터빈 임펠러를 수용하는 임펠러 챔버 내의 유동이 터빈의 배출 측에 배치되어 있는 유동 영향 수단에 의해서도 달성될 수 있다.

터빈 임펠러의 상류에 유입 채널을 형성하고 하류에 배출 채널을 형성하는 터빈 하우징을 가진 터빈을 구비한 일반적인 배기 가스 터보 차저는, 본 발명에 따라 배출 채널의 하나 이상의 섹션에서의 유동 단면적이 (바람직하게는 유동 방향으로 운동 불가능하게 배치된) 조정 장치에 의해 변할 수 있음으로써 개선된다.

단면적을 변동시키는 조정 장치를 통해, 터빈의 효율 및 전체 배기 가스 터보 차저의 효율이 개선될 수 있으며, 이 경우 종래 기술에서 설계된 배기 가스 터보 차저들에 비해, 본 발명에 따른 배기 가스 터보 차저와 상호작용하는 내연 기관의 연소 엔진의 부하가 비교적 낮을 때 특히 효율 향상이 달성될 수 있다. 본 발명에 따라 조정 장치가 터빈의 배출 측에 배치됨으로써 획득되는 주요 장점은, 유입 측에서 상기 조정 장치를 위한 공간이 요구되지 않음으로써 유입 채널 내에 하나 이상의 가변식 가이드 베인이 배열되어 있는 VTG 배기 가스 터보 차저 내로의, 비용 절감 효과를 수반하는 바람직한 통합이 가능하다는 점이다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 배기 가스 터보 차저의 조정 장치가 이른바 트림 조정기로서 설계되고, 상기 트림 조정기는 배출 채널 내에 배치된 깔때기형 벽 시스템을 가지며, 상기 벽 시스템의 유입 단면적 또는 배출 단면적은 벽 시스템의 펴짐(spread) 정도에 따라 가변적이다. 이러한 방식으로, 구조적으로 간단하고 유체공학적으로 유리한 방식으로 유동 단면적의 가변성이 달성될 수 있다.

바람직하게 벽 시스템의 유입 단면적은 가변적이다. 이에 의해, 가변적인 유동 단면적이 터빈 임펠러의 배출 측에 최대한 가까이 배치될 수 있고, 이는 터빈 효율의 영향에 긍정적으로 작용할 수 있다.

또한, 바람직하게는 깔때기형 벽 시스템이 배기 가스의 유동 방향으로 확장될 수 있으며, 이는 유체공학적인 장점을 유도할 수 있다.

본 발명에 따른 배기 가스 터보 차저의 구조적으로 바람직한 한 실시예에서, 벽 시스템은, 주연 방향으로 서로 이격되어 환형으로 배열되는 복수의 제1 벽 요소 및 주연 방향으로 서로 이격되어 환형으로 배열되는 복수의 제2 벽 요소를 가지며, 상기 제2 벽 요소들은 제1 벽 요소들 사이의 간격에 (그리고 제1 벽 요소들은 제2 벽 요소들 사이의 간격에) 겹쳐지고, 조정 장치는 (예를 들어 전기, 공압 또는 유압에 의해 작동되는) 변위 장치를 가지며, 이 변위 장치에 의해, 유입 채널 또는 배출 채널을 형성하는 제1 벽 요소 및/또는 제2 벽 요소의 제1 단부가 반경 방향으로 변위될 수 있다.

상기 변위 장치는, 내연 기관의 연소 엔진의 작동점에서 조정 장치의 목표한 조정을 실행하기 위해, 배기 가스 터보 차저를 포함하는 내연 기관의 전제 제어 장치(예를 들어 엔진 제어 장치)에 벽 시스템의 각각의 위치를 피드백할 수 있는 위치 인식 수단을 가질 수 있다.

또한, 바람직하게 벽 요소들 중 적어도 일부는 회전 가능하게 지지될 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어 엘라스토머와 같은 고탄성 재료의 사용 없이도 구현될 수 있는 깔때기형 가변 벽 시스템이 구조적으로 간단하게 제공될 수 있다. 이로써, 벽 요소들이 바람직하게 비교적 높은 탄성 계수를 갖는 재료, 특히 금속(들)(예: 강)으로 형성될 수 있다. 동시에, 상응하는 벽 요소들의 제1 단부의 반경 방향 변위를 비교적 적은 힘으로 실현할 수 있다.

또는, 벽 요소들이 (적어도 부분적으로) 벽 요소들의 제2 단부에 또는 그 근처에 단단하게 클램핑될 수 있으며, 이때 제1 단부의 반경 방향 변위로 인한 각도 변화는 벽 요소의 탄성 변형에 의해 수용된다. 이는, 상기 변형이 비교적 작을 수 있기 때문에, 예를 들어 금속(들)으로 된 벽 요소에서도, 상기 벽 요소가 충분히 얇게 형성될 수만 있다면, 구현될 수 있다. 그럼으로써, 경우에 따라 벽 시스템을 개방된 위치로 가압하기 위한 추가 스프링 요소가 생략될 수 있다.

벽 요소들이 회전 가능하게 지지되는 한, 적어도 일부 벽 요소의 시소 형태의 지지가 특히 바람직할 수 있다. 이 경우, 상기 벽 요소의 제1 단부의 반경 방향 내측을 향한 변위가 제2 단부의 반경 방향 외측을 향한 변위를 유도한다. 제2 단부의 이러한 변위는 특히 (적어도) 하나의 스프링 요소의 탄성 예비 인장과 관련될 수 있으며, 이로써 벽 시스템에 특히 확장되는 위치로 스프링 하중이 가해질 수 있다. 이는 한쪽으로만 작용하는 변위 장치의 사용을 가능케 한다.

바람직하게는, 벽 요소가 U자형의 단면을 가질 수 있으며, 이때 각각의 제1 벽 요소의 자유 레그의 단부들이 제2 벽 요소 각각에 (그리고 이와 반대로) 지지될 수 있다. 그럼으로써, 제1 벽 요소와 제2 벽 요소 간의 상대 활주 운동에 대한 저항이 작게 유지될 수 있다. 또한, 이로써 벽 시스템의 최대 확장이 제한될 수 있다.

구조적으로 간단하다는 점에서 바람직한 변위 장치의 구성은 하나 이상의 가이드 슬롯을 갖는 컨트롤 링을 포함할 수 있으며, 이 경우 제1 및/또는 제2 벽 요소는 가이드 슬롯 내에서, 컨트롤 링의 회전이 제1 및/또는 제2 벽 요소의 제1 단부의 반경 방향 변위를 유도하도록 안내된다.

또한, 본 발명에 따른 배기 가스 터보 차저의 변위 장치는 (적어도) 하나의 다판 다이어프램을 포함할 수 있는데, 이러한 다판 다이어프램에서는 환형으로 서로 평행하게 인접 배열된 박판들이 하나 이상의 반경 방향 성분을 갖는 운동에 의해 서로의 내부로 더 많이 또는 더 조금 슬라이딩됨으로써, 이들 사이의 중간에 위치한 유동 단면이 더 많이 또는 더 조금 개방된다. 다판 다이어프램은 트림 조정기에 대해 대안으로 또는 추가로 사용될 수 있다.

특히 유입 단면적이 벽 시스템의 변위를 통해 변할 수 있는 트림 조정기와 다판 다이어프램의 조합 시, 다판 다이어프램은, 벽 시스템과 배출 채널의 벽 사이의, 가변적인 폭을 갖는 링 챔버를 적합하게 커버하기 위해서도 이용될 수 있으며, 그 결과 배기 가스 흐름이 유동에 유리하게 벽 시스템을 통해 안내될 수 있다.

이하, 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참조로 상세히 설명된다.

도 1은 본 발명에 따른 배기 가스 터보 차저의 터빈의 제1 실시예의 개략적인 종단면도이다.
도 2는 벽 시스템이 거의 폐쇄되었을 때의 도 1의 평면 II-II를 따라 절단한 터빈의 단면도이다.
도 3은 벽 시스템이 거의 개방되었을 때의 도 1의 평면 II-II을 따라 절단한 터빈의 단면도이다.
도 4는 도 1에 따른 터빈의 개방된 벽 시스템의 제1 상세 사시도이다.
도 5는 도 1에 따른 터빈의 개방된 벽 시스템의 제2 상세 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 배기 가스 터보 차저의 터빈의 제2 실시예의 개략적인 종단면도이다.
도 7은 도 6의 평면 VII-VII를 따라 절단한 터빈의 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 배기 가스 터보 차저의 배기 가스 질량 유동에 대한 터빈 효율의 거동을 도시한 그래프이다.

도 1은 본 발명에 따른 배기 가스 터보 차저의 터빈의 일부 섹션의 상당히 간략화된 종단면도이다.

터빈은, 내부에 (터빈) 임펠러(12)가 회전 가능하게 지지되도록 배치된 임펠러 챔버를 형성하는 터빈 하우징(10)을 갖는다. 임펠러(12)는 하나의 샤프트(14)와 연결되고, 이 샤프트는 또한 배기 가스 터보 차저의 도시되지 않은 컴프레서의 (컴프레서) 휠과 연결된다.

또한, 터빈 하우징(10)은 (임펠러(12)의 회전축(16)에 대해) 반경 방향으로 임펠러 챔버 내로 합류하는 환형 유입 채널(18)을 형성하며, 이 유입 채널 내에는 변위 가능한 복수의 가이드 베인(20)이 환형 구조로 배열된다. 따라서, 배기 가스 터보 차저는 이른바 VTG 배기 가스 터보 차저이다.

또한, 터빈 하우징(10)은 배출 채널(22)을 형성하며, 이 배출 채널은 임펠러(12)의 하류에서 [임펠러(12)의 회전축(16)에 대해] 축 방향으로 임펠러 챔버 내로 합류하거나 임펠러 챔버로부터 시작된다.

배출 채널(22) 내에는 트림 조정기 형태의 조정 장치(24)가 배치된다. 이 조정 장치는, 유동 방향으로 확장된, 그리고 유입 단면에 의해 개방된 유동 단면과 관련하여 가변적인 깔때기형 벽 시스템을 포함한다.

벽 시스템은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다. 이들 도면에 따라, 벽 시스템은 주연 방향으로 아치 형태로 연장되는 복수의 종방향 벽 요소(26, 28)를 포함한다. 벽 요소(26, 28)는 동축 상의 2개의 원형 층 내에 배열되고 U자형의 단면을 갖는데, 즉, 단면이 아치 형태인 기본 섹션에 부가적으로 각각 상기 섹션으로부터 직각으로 연장되는 2개의 레그를 포함하며, 이때 내측에 놓인 제1 층의 (제1) 벽 요소(26)의 레그는 반경 방향 외측을 향하는 반면, 외측에 놓인 제2 층의 (제2) 벽 요소(28)의 레그는 반경 방향 내측을 향한다. 또한, 2개 층의 각각의 벽 요소(26, 28)가 서로에 대해 이격되어 배열되고, 이때 2개의 층 사이에 회전 오프셋이 주어짐으로써, 각각의 층의 벽 요소(26, 28)가 각각의 다른 층의 중간 공간에 겹쳐진다. 이에 의해, 실질적으로 폐쇄된 깔때기형 벽 시스템이 형성된다. 상기 두 층의 벽 요소들(26, 28)이 레그의 비교적 작은 단부면들을 통해 접촉됨으로써, 벽 요소들(26, 28)은 서로에 대해 비교적 작은 저항으로 슬라이드될 수 있다. 또한, 벽 요소(26, 28)의 레그는 벽 시스템의 펴짐을 제한하는 말단 정지부를 형성한다.

벽 요소(26, 28)의 유동 하류 단부가 회전 가능하게 또는 선회 가능하게 지지됨으로써, 유동 상류 단부의 반경 방향 변위를 통해 조정되는 각도 변화가 벽 요소(26, 28)의 변형에 의해 보상되어야 한다. 회전식 베어링 또는 시소형 베어링을 위한 베어링 요소로서, 벽 요소(26, 28)의 수에 상응하는 개수의 슬롯형 개구를 갖는 베어링 링(30)이 사용되며, 상기 개구를 통해 벽 요소(26, 28)의 좁은 단부 섹션이 연장된다. 예를 들어 탄성중합체 소재의 스프링 링(32)에 의해, 벽 시스템이 완전히 개방된 위치(도 3 내지 도 5 참조)로 가압된다. 스프링 링(32)은 제1 벽 요소들(26)의 각각의 단부 섹션에 의해 대략 반구 형태로 둘러싸인다. 베어링 링(30) 내에 벽 요소들(26, 28)의 시소 형태로 지지됨으로 인해, 벽 요소들(26, 28)의 자유 단부들의 내향 반경 방향 변위가 단부 섹션들의 외향 반경 방향 변위를 유도하고, 이와 더불어 스프링 링(32)의 (증가하는) 탄성 예비 인장과 결합하여 탄성적인 주연부 확장을 유도한다.

변위 장치(34)를 이용하여, 완전히 개방된 상태에서도 깔때기 형태인 벽 시스템이 더 많이 혹은 더 적게 펴지며, 다시 말해 벽 요소(26, 28)의 유동 상류 측 자유 단부들이 반경 방향으로 변위된다. 상기 변위 장치는, 제2 벽 요소(28)의 수에 상응하는 개수의, 비스듬히 연장되는 가이드 슬롯(38)을 갖는 컨트롤 링(36)을 포함다. 각각의 가이드 슬롯(38) 내에는 가이드 볼트(40)가 변위 가능하게 지지된다. 가이드 볼트(40)는 각각 하나의 고정 아암(42)을 통해 제2 벽 요소들(28) 중 하나와 연결된다. 가이드 슬롯(38)의 경사진 배향으로 인해, 컨트롤 링(36)의 회전이 가이드 볼트(40)의 반경 방향 변위 및 제2 벽 요소(28)의 변위를 유도한다. 제2 벽 요소(28)는 내측으로의 반경 방향 변위 시 제1 벽 요소(26)를 종동한다. 이에 반해, 외측으로의 반경 방향 변위 시에는 스프링 링(32)에 의한 가압에 의해 제1 벽 요소(26)가 제2 벽 요소(28)의 운동을 따른다.

도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 배기 가스 터보 차저의 터빈의 조정 장치(24)의 한 대안적인 실시예를 도시한다. 조정 장치(24)는 다판 다이어프램(44)을 포함한다. 상기 다판 다이어프램은, 환형으로 배열되고 부분적으로 겹쳐진 복수의 박판(46)을 포함한다. 이들 박판(46)은 도시되지 않은 변위 장치에 의해 하나 이상의 반경 방향 성분을 갖는 운동으로 변위될 수 있고, 그럼으로써 박판들이 배출 채널(22) 내로 더 많이 혹은 더 조금 침지되며, 이때 박판들은 상호 가변적으로 겹쳐지면서 더 크거나 더 작은 유동 단면을 개방한다.

도 8에서는, VTG 배기 가스 터보 차저의 터빈의 배출 채널(22) 내에서의 조정 장치(24)가 본 발명에 따라 배치됨으로써 터빈 효율이 개선되는 것이 명확히 드러난다. 그래프에는, 조정 장치(24)에 의해 개방되는, 배출 채널(22) 내의 2개의 상이한 유동 단면에 대해, 터빈을 통한 배기 가스 질량 유동(

)에 대한 터빈 효율(

)의 거동이, 추가로 가변 (VTG) 가이드 베인(20)의 위치의 함수로서 도시되어 있다. 이 경우, 배기 가스 질량 유동(

)의 증가함에 따라 가이드 베인(20)이 개방되는데, 즉, 배기 가스 질량 유동(

)이 크면 클수록, 가이드 베인(20)에 의해 개방되는 유동 단면도 커진다. 곡선들의 각각의 좌측 단부에서 가이드 베인(20)은 최대한 많이 폐쇄되고, 곡선들의 각각의 우측 단부에서 최대한 많이 개방된다. 두 두 곡선은 실질적으로 동일한 종 형태의 거동을 갖는다. 그러나 이 곡선들은 수평 방향으로 서로에 대해 오프셋되어 있다. 이때, 우측 곡선(48)은 배출 채널(22) 내의 유동 단면이 비교적 클 때(최대 유동 단면의 90%) 터빈 효율(

)의 거동을 나타내고, 좌측 곡선(50)은 배출 채널(22) 내의 유동 단면이 비교적 작을 때(최대 유동 단면의 85%)의 터빈 효율 거동을 나타낸다.

따라서, 터빈의 배출 채널(22) 내의 유동 단면이 본 발명에 따라 변동함으로써, 터빈 효율(

)을 나타내는 곡선이 변위되고, 이로써 실제로 발생하는 배기 가스 질량 유동(

)에 적합하게 조정될 수 있다. 이에 의해, 본 발명에 따른 배기 가스 터보 차저를 포함하는 내연 기관의 작동 중에 발생하는 모든 배기 가스 질량 유동(

)에 대해 가능한 한 높은 터빈 효율(

)이 도출된다. 설계에 의해 터빈 효율 곡선이 결정됨으로써 특정 배기 가스 질량 유동의 경우에만 최대 효율을 갖는 종래의 VTG 배기 가스 터보 차저에 비해, 상기 특정 배기 가스 질량 유동과 차이가 나는 모든 배기 가스 질량 유동에 대해 더 높은 터빈 효율이 달성될 수 있다. 이로써, 작동 중에 발생하는 배기 가스 질량 유동의 전체 범위에 걸쳐 결정되는 전체 효율이 증가하게 된다.

10 터빈 하우징
12 임펠러
14 샤프트
16 회전축
18 유입 채널
20 가이드 베인
22 배출 채널
24 조정 장치
26 제1 벽 요소
28 제2 벽 요소
30 베어링 링
32 스프링 링
34 변위 장치
36 컨트롤 링
38 가이드 슬롯
40 가이드 볼트
42 고정 아암
44 다판 다이어프램
46 박판
48 배출 채널 내 유동 단면의 90% 개방 시 배기 가스 질량 유동(

)에 대 한 터빈 효율(

)의 거동
50 배출 채널 내 유동 단면의 85% 개방 시 배기 가스 질량 유동(

)에 대 한 터빈 효율(

)의 거동

Claims

터빈을 갖는 배기 가스 터보 차저이며, 상기 터빈은 터빈 임펠러(12)의 상류에 유입 채널(18)을 형성하고 터빈 임펠러(12) 하류에 배출 채널(22)을 형성하는 터빈 하우징(10)을 갖는, 배기 가스 터보 차저에 있어서,
배출 채널(22)의 단면적은 조정 장치(24)에 의해 가변적인 것을 특징으로 하는, 배기 가스 터보 차저.
제1항에 있어서, 유입 채널(18) 내에 하나 이상의 가변식 가이드 베인(20)이 배열되는 것을 특징으로 하는, 배기 가스 터보 차저.
제1항 또는 제2항에 있어서, 조정 장치(24)는 배출 채널(22) 내에 배치된 깔때기형 벽 시스템을 가지며, 상기 벽 시스템의 유입 단면적 또는 배출 단면적은 벽 시스템의 펴짐(spread) 정도에 따라 가변적인 것을 특징으로 하는, 배기 가스 터보 차저.
제3항에 있어서, 깔때기형 벽 시스템은 배기 가스의 유동 방향으로 확장되는 것을 특징으로 하는, 배기 가스 터보 차저.
제3항 또는 제4항에 있어서, 벽 시스템의 유입 단면적은 벽 시스템의 펴짐 정도에 따라 가변적인 것을 특징으로 하는, 배기 가스 터보 차저.
제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 벽 시스템은, 주연 방향으로 서로 이격되어 환형으로 배열되는 복수의 제1 벽 요소(26) 및 주연 방향으로 서로 이격되어 환형으로 배열되는 복수의 제2 벽 요소(28)를 가지며, 이때 상기 제2 벽 요소(28)는 제1 벽 요소들(26) 사이의 간격에 겹쳐지고, 변위 장치(34)가 제공되며, 이 변위 장치에 의해, 유입 채널 또는 배출 채널을 형성하는 제1 벽 요소(26) 및/또는 제2 벽 요소(28)의 제1 단부가 반경 방향으로 변위 가능한 것을 특징으로 하는, 배기 가스 터보 차저.
제6항에 있어서, 제1 및/또는 제2 벽 요소(26, 28)는 회전 가능하게 지지되는 것을 특징으로 하는, 배기 가스 터보 차저.
제7항에 있어서, 제1 및/또는 제2 벽 요소(26, 28)의 적어도 일부가 시소 형태로 지지됨으로써, 벽 요소들(26, 28)의 제1 단부가 반경 방향 내측으로 변위될 때 벽 요소들(26, 28)은 반경 방향 외측으로 변위되며, 이는 스프링 요소의 탄성 예비 인장과 관련되는 것을 특징으로 하는, 배기 가스 터보 차저.
제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및/또는 제2 벽 요소(26, 28)는 U자형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는, 배기 가스 터보 차저.
제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 변위 장치(34)는 하나 이상의 가이드 슬롯(38)을 갖는 컨트롤 링(36)을 포함하며, 제1 및/또는 제2 벽 요소(26, 28)는 하나 이상의 가이드 슬롯(28) 내에서, 컨트롤 링(36)의 회전이 상기 벽 요소들(26, 28)의 반경 방향 변위를 유도하도록, 안내되는 것을 특징으로 하는, 배기 가스 터보 차저.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 조정 장치(24)는 다판 다이어프램(44)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 배기 가스 터보 차저.