KR20160105748A - 소음저감장치를 갖는 터보차저 - Google Patents

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KR20160105748A
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박호일
최성배
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(주)계양정밀
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Abstract

터보 차저가 제공된다. 터보 차저는 전방에 컴프레서 휠이 결합되고, 후방에 터빈 휠이 결합되는 샤프트가 내부에 회전 가능하게 설치되는 중앙 하우징; 중앙 하우징의 후단부에 배치되어 터빈 휠이 내부에 설치되고, 일측에 배기가스 유입부가 형성되고 타측에 배기가스 유출부가 형성되는 터빈하우징; 중앙 하우징의 전단부에 배치되어 컴프레서 휠이 내부에 설치되고 일측에 공기 유입부가 형성되고, 타측에 공기 유출부가 형성되는 압축기 하우징; 및 공기 유입부 및 공기 유출부 사이에는 컴프레서 휠의 회전 시 발생되는 공기의 흐름을 완화시킴으로써 소음을 저감시키는 공기 완화부가 형성된다.

Description

소음저감장치를 갖는 터보차저{TURBOCHARGER WITH DEVICE REDUCING NVH}
본 발명은 소음감소장치를 갖는 터보차저에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 컴프레서 하우징 내부의 공기흐름으로부터 발생하는 비정상적인 소음을 최소화하기 위한 소음저감장치를 갖는 터보차저에 관한 것이다.
내연기관은 실린더 내부에서 공기와 연료의 혼합물을 연소시키면서 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸게 된다.
이러한 구조의 내연기관은 필연적으로 실린더 내에서 연소된 가스를 배출하게 되는데, 이 배기가스를 이용하여 엔진의 출력을 상승시키는 장치들이 알려져 있다.
일반적으로 터보차저는 배기가스의 배기에너지를 이용하여 터빈을 회전시키고 이 터빈과 동일한 축에 설치되어 있는 압축기의 흡입팬을 회전시킴으로서 공기를 강한 힘으로 빨아 드리게 된다.
이때 흡입되는 공기를 내연기관의 연소실로 유도하여 공기의 흡입량을 증가시키게 되므로 자연흡기식 엔진에 비하여 출력을 향상시킬 수 있다.
디젤엔진에 창착하는 터보차저는 구조와 설계가 비교적 간단해 최근에 양산되는 디젤차량들은 대부분 터보차저를 장착하고 있다.
출력의 향상과 더블어 연비향상에 대한 요구가 높아지면서, 가솔린 엔진에도 터보차저가 장착되는 추세에 있다.
이러한 터보차저는 엔진의 배기량을 줄이는 다운사이징의 효과도 얻을 수 있고, 연비향상과 공해문제를 해소하는데 도움이 되고 있다.
상기 터보차져는 엔진의 출력을 향상시키기 위하여 압축기 내의 흡입팬을 고속으로 회전시켜 공기를 강하게 흡입하게 되므로 터보차저의 압축기 내부에서는 공기의 흐름에 따라 Surge 소음, BPF(Blade-Passing-Frequency) 소음 그리고 압축기 날개를 통과하는 유동에서 유발되는 여러 종류의 Blow 소음과 같이 다양한 형태의 소음(Noise, Vibration and Harshness, 이하 NVH라 칭함)을 발생시킨다.
압축기 내의 흡입팬이 고속으로 회전하여 공기를 흡입하여 내연기관의 실린더로 공기를 유도하는 과정에서 공기는 압축기 흡입구에서 흡입팬, 압축기의 디퓨저(Diffuser)로 확산되면서, 흡입팬의 원심력으로 압력이 급격히 증가하게 된다. Surge 소음은 압축기내의 압력저항보다 압축기가 큰 압력을 생산하지 못하여 압축공기가 역류되어 발생하는 소음으로서, 불특정 주파수영역대에서 발생한다.
BPF 소음은 압축기내의 [흡입팬의 회전 RPM x 흡입팬의 Blade 개수]에 해당되는 주파수의 소음으로 흡입팬의 Blade가 회전 시, 공기를 가르며 발생하는 소음으로서, 100kHz ~ 200kHz의 주파수 영역에서 발생한다.
Blow 소음은 압축기내의 흡입팬 입구에서 복잡한 유체 역학적 특성으로 인하여 회전수와 비례하지 않는 비선형성 주파수 특성으로 나타나거나, 또는 회전수에 비례하나 공기의 소용돌이 특성으로 인하여 특정 주파수 영역에서만 국부적으로 발생하는 소음이 대표적이며, 주파수 영역으로는 2kHz ~ 6kHz의 주파수 영역에서 대체로 발생한다.
상기 소음들이 차량의 실내로 유입되기 때문에 이를 방지하기 위해서 차음재나 소음재를 차량에 설치하고 있으나 이러한 차단방법은 차량의 제조원가를 상승시키는 한 요인이되고 있을 뿐만 아니라 차량의 다른 소음들과 합하여져 더욱 큰 소음을 유발하는 경우가 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해서는 각각의 소음 현상에 따라 소음의 발생 영역대(주파수)가 다르므로, 해결방안 또한 상기 소음현상별로 요구되고 있고, 본 발명에서는 압축기에서 발생 될 수 있는 소음현상중에서도 Blow 소음을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 종래에는 Blow소음을 줄이기 위한 수단으로 흡입팬과 압축기 하우징 사이의 간격을 ?게하는 것이 일반화 되어 있는데, 이러한 방법은 소음은 어느 정도 줄일 수 있지만 공기의 압축효율을 저하시키는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 10-2002-0041085
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 공기의 압축효율의 저하를 방지하면서 소음을 줄일 수 있는 터보차저를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면 전방에 컴프레서 휠이 결합되고, 후방에 터빈 휠이 결합되는 샤프트가 내부에 회전 가능하게 설치되는 중앙 하우징; 상기 중앙 하우징의 후단부에 배치되어 상기 터빈 휠이 내부에 설치되고, 일측에 배기가스 유입부가 형성되고 타측에 배기가스 유출부가 형성되는 터빈 하우징; 상기 중앙 하우징의 전단부에 배치되어 상기 컴프레서 휠이 내부에 설치되고 일측에 공기 유입부가 형성되고, 타측에 공기 유출부가 형성되는 압축기 하우징; 및 상기 공기 유입부 및 상기 공기 유출부 사이에는 상기 컴프레서 휠의 회전 시 발생되는 공기의 흐름을 완화시킴으로써 소음을 저감시키는 공기 완화부가 형성되는 터보 차저를 제공한다.
이때, 상기 공기 완화부는 상기 공기 유입부와 연결되고, 상기 컴프레서 휠의 전방에 형성되며, 상기 공기 유출부는 일측은 상기 공기 완화부와 연결되어, 내부에 상기 컴프레서 휠이 설치되고, 타측은 상기 압축기 하우징의 외측에 형성될 수 있다.
이때, 상기 공기 유입부는 원통 형상으로서, 중심부에 제1 유입홀이 형성되고, 상기 공기 완화부는 원통 형상으로서, 중심부에 완화홀이 형성되며, 상기 제1 유입홀은 상기 완화홀과 연결될 수 있다.
이때, 상기 완화홀의 단면적은 상기 제1 유입홀의 단면적보다 클 수 있다.
이때, 상기 공기 완화부는 상기 완화홀의 양 측면부에 외측 방향으로 연장 형성된 확장홈이 형성되고, 상기 확장홈의 단면은 호 형상일 수 있다.
이때, 상기 확장홈의 단면은 제1 경사면, 상기 제1 경사면과 연결된 평면 및 상기 평면과 연결된 제2 경사면으로 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1 경사면은 상기 제2 경사면 보다 클 수 있다.
이때, 상기 공기 유입부는 제2 유입홀이 중심부에 형성된 원통 형상의 연장 덕트를 더 포함하고, 상기 연장 덕트는 상기 공기 완화부와 연결될 수 있다.
이때, 상기 제2 유입홀은 상기 제1 유입홀 및 상기 완화홀이 사이에 형성되고, 상기 완화홀의 단면적은 상기 제2 유입홀의 단면적보다 크고, 상기 제1 유입홀의 단면은 경사지도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 터보차저는, 컴프레서휠의 회전시 발생되는 와류를 압축기하우징의 공기완화부로 유입시켜 완화시키므로써 와류가 압축기하우징의 내측면에 직접 충돌시 발생되는 소음(NVH)를 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터보차저의 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 터보차저 압축기하우징의 요부단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 실시예에 따른 터보차저 압축기하우징의 요부단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 터보차저의 압축기하우징의 일부 절개 사시도이다.
도 5(a)는 종래의 실시예에 따른 터보차저의 소음발생 그래프이며, 도 5(b)는 본 발명의 실시예에 따른 터보차저의 소음발생 그래프이다.
도 6은 도 2에 도시된 공기완화부가 형성된 경우 공기완화부가 형성되지 않은 경우와 비교한 공기압축비를 도시한 그래프이다.
도 7은 도 3에 도시된 공기완화부가 형성된 경우의 공기완화부가 형성되는 않은 경우의 공기압축비를 도시한 그래프이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편 본, 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이 사상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있으나, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터보차저의 측단면도이며, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 터보 차져 압축기하우징의 요부단면도이고, 도 3은 도 1에 도시된 실시예에 따른 터보차저 압축기하우징의 요부단면도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 터보차저의 압축기하우징의 일부 절개 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 소음저감 장치를 갖는 터보차저는 자동차의 배기가스를 이용하여 공기를 압축, 자동차의 엔진으로 공급하는 것으로, 중앙하우징(8)과 중앙하우징(8)을 기준으로 우측과 좌측에 배치된 터빈하우징(2) 및 압축기하우징(4)으로 구성된다.
중앙하우징(8)은 양단이 터빈하우징(2)과 압축기하우징(4)에 배치된 터빈휠(12)과 컴프레서휠(22)에 결합된 샤프트(6)가 안착되는 것으로, 내부에는 샤프트(6)가 삽입되는 보어(8a)가 중앙하우징(8)의 좌측과 우측면을 관통하여 형성된다.
샤프트(6)의 우측에 결합된 터빈휠(12)은 도 1과 같이 배기가스유입구(10)와 배기가스유출구(2a)가 형성된 터빈하우징(2)에 감싸지며, 터빈휠(12)을 감싼 터빈하우징(2)은 중앙하우징(8)의 우측면에 결합된다.
샤프트(6)의 좌측에 결합된 컴프레서휠(22)은 공기유입구(20)와 공기유출구(18)가 형성된 압축기하우징(4)에 감싸지며, 컴프레서휠(22)을 감싼 압축기하우징(4)은 중앙하우징(8)의 좌측에 배치된다.
따라서 배기가스가 배기가스유입구(10)를 통하여 터빈하우징(2) 내부로 유입되어 배기가스유출구(2a)로 유출되는 동안, 배기가스는 터빈휠(12)과 샤프트(6)를 통해 연결된 컴프레서휠(22)을 회전시키게 되며, 컴프레서휠(22)이 회전되면, 압축기하우징(4)의 공기유입구(20) 측의 공기가 압축기하우징(4) 내부로 흡입되어 압축된 뒤 공기유출구(18)를 통해 엔진으로 전달되게 된다.
이러한 공기의 흡입 및 압축과정에서 공기유입구(20)로 유입되는 공기는 컴프레서휠(22) 또는 컴프레서휠(22)의 블레이드(B)와 충돌하게 되며, 충돌된 공기의 일부는 압축기하우징(4)의 내면과 부딪치면서 공기의 소용돌이를 발생시키게 된다.
이때, 소음이 발생되므로 본 발명의 경우 소음을 감소시키기 위하여 압축기하우징(4)의 공기유입구(20)와 공기유출구(18) 사이에 컴프레서휠(22)의 회전시 발생되는 공기의 흐름을 완화시키는 공기완화부(24)가 구성된다.
이러한 공기완화부(24)는 압축기하우징(16)의 공기유입구(20)를 통해 공기유출구(18)로 이동하는 공기가 컴프레서휠(22)에 부딪친 후 2차적으로 압축기하우징(4)의 내면으로 향하는 소용돌이 형상의 공기를 수용하여 완화하므로써 발생되는 소음을 감소시킨다.
이러한 공기완화부(24)를 보다 구체적으로 살펴보면 도 1에 도시된 바와 같이 공기유입구(20)와 공기유출구(18) 사이에는 공기의 이동공간을 형성하는 연장덕트(20a)가 형성되며, 이러한 연장덕트(20a)에는 연장덕트(20a)의 체적을 증가시켜 소용돌이 형상의 공기를 수용할 수 있도록 공기완화부(24)가 형성된다. 따라서 공기유입구(20)를 통해 유입된 공기가 컴프레서휠(22)에 의하여 압축되는 과정에서 발생되는 소용돌이는 공기완화부(24)에 수용되며, 소용돌이가 압축기하우징(4)의 내면과 부딪혀 발생되는 소음은 감소된다.
이러한 확장홈(24)은 도 2와 같이 우측에는 제1경사면(24a)이 형성되고, 좌측에는 제1경사면(24a)보다 완만한 경사를 갖는 제2경사면(24b)으로 구성되며, 제1경사면(24a)과 제2경사면(24b) 사이에는 연장덕트(20a)를 구성하는 압축기하우징(4)의 내면과 대략 평행한 단면을 갖는 연장면이 연장형성될 수 있다.
공기유입방향에서 볼 때 상기 확장홈(24)의 입구측에는 상기 연장덕트(20a)로부터 30~50도 사이의 경사를 갖는 제2경사면(24b)이 형성되고, 상기 확장홈(24)의 출구 측에는 상기 연장덕트(20a)로부터 80~90도 사이의 경사를 갖는 제1경사면(24a)이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예인 도 3과 같이 확장홈(24)은 단면이 호형상으로 형성될 수도 있다.
이러한 확장홈(24)는 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이 공기유입구(20)로부터 컴프레서휠(22)의 좌측단부에 대응된 연장덕트(20a) 사이에 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 확장홈(24)은 앞에서 설명한 바와 같이 연장덕트(20a)의 체적을 증가시키는 것이므로, 컴프레서(22)의 블레이드(B)에 대응되는 연장덕트(20a) 상에 형성되는 경우, 압축효율이 떨어질 수 있는 문제가 있다.
따라서 확장홈(24)의 컴프레서휠(22) 방향의 끝단(I)는 컴프레서(22)의 블레이드(B) 보다 공기유입구(20)쪽으로 이동하여 형성되는 것이 바람직하다.
도 5(a)는 종래의 실시예에 따른 터보차저의 소음발생 그래프이며, 도 5(b)는 본 발명의 실시예에 따른 터보차저의 소음발생 그래프이다. 양 그래프를 비교하면 아래와 같다.
도 5의 그래프는 압축기하우징(4)의 공기유입구(20)측의 유량을 가로축에 나타내고, 세로축에는 소음을 나타내며, 각 선도 상에는 컴프레서휠의 rpm을 나타낸 것으로, 도 5(a)와 도 5(b)를 비교하면 컴프레서휠이 동일한 rpm으로 회전하는 경우 발생되는 소음이 감소되는 것을 알 수 있다.
예를 들어 도 5(a)와 같이 확장홈(24)이 형성되지 않는 경우 압축기하우징(4)의 입구유량이 0.06m3/sec이며, 컴프레서휠이 100,000 rpm으로 회전하는 경우 발생되는 소음은 72dbA ~ 75dbA이나, 이에 반하여 같은 조건의 유량과 컴프레서휠의 회전속도에서 본 발명에 따른 확장홈이 형성되는 경우 65dbA로 소음이 감소된 것을 알 수 있다.
따라서 확장홈이 형성되는 경우 터보차저에서 발생되는 소음이 효과적으로 감소되는 것을 알 수 있다.
도 6은 도 2에 도시된 공기완화부가 형성된 경우(세모로 표시)와 공기완화부가 형성되지 않은 종래의 터보차저(원으로 표시됨)의 공기압축비를 도시한 그래프이며, 도 7은 도 3에 도시된 공기완화부(원으로 표시됨)가 형성된 경우와 공기완화부가 형성되는 않은 종래의 터보차저(세모로 표시됨)의 공기압축비를 도시한 그래프이다.
도 6 및 도 7의 그래프에서 그래프의 가로축은 도 5와 동일하며, 세로축의 경우 공기유입구에서의 압력을 P1, 공기유출구에서의 압력을 P2로 설정하여 공기유출구에서의 압력과 공기유입구에서의 압력의 비로 기재한 것으로, 각 선도 상에는 도 5와 같이 컴프레서휠의 rpm을 숫자로 표시하였다.
이러한 도 6을 참조하면 앞에서 설명한 바와 같이 소음의 감소 측면에서 도 2에 도시된 형상의 공기완화부가 형성된 경우가 유리하나, 공기의 압축 측면에서 종래의 터보차저에 비하여 성능이 떨어지는 것을 알 수 있다. 예를 들어 컴프레서휠이 188,000 rpm으로 회전하는 경우 소음의 감소측면에서 공기완화부가 형성되는 경우에는 유리한 것을 알 수 있으나, 공기의 압축의 측면에서 성능이 떨어지는 것을 알 수 있다.
반면 동일한 조건에서 도 7은 도 3과 같이 호 형상의 공기완화부가 형성된 것으로, 공기의 압축 및 소음의 측면에서 종래 터보차저 및 도 2에 도시된 터보차저에 비하여 소음 및 압축 성능이 개선된 것을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 샤프트(6)의 좌측단부에는 컴프레서휠의 선단의 관통홀을 관통하여 배치되며, 샤프트(6)의 단부에는 릴리프홈을 형성하여 컴프레서휠(22)의 회전시 소용돌이가 생기는 것을 방지할 수 있도록 형성하는 것이 바람직하다.
2 : 터빈하우징 4 : 압축기하우징
6 : 샤프트 8 :　중앙하우징
8a : 보어 10　：　배기가스유입구
12 : 터빈휠 18 : 공기유출구
20 : 공기유입구 20a : 연장덕트
22 : 컴프레서휠 24 : 공기완화부, 확장홈
24a : 제1경사면 24b : 제2경사면

Claims (9)

  1. 전방에 컴프레서 휠이 결합되고, 후방에 터빈 휠이 결합되는 샤프트가 내부에 회전 가능하게 설치되는 중앙 하우징;
    상기 중앙 하우징의 후단부에 배치되어 상기 터빈 휠이 내부에 설치되고, 일측에 배기가스 유입부가 형성되고 타측에 배기가스 유출부가 형성되는 터빈하우징;
    상기 중앙 하우징의 전단부에 배치되어 상기 컴프레서 휠이 내부에 설치되고 일측에 공기 유입부가 형성되고, 타측에 공기 유출부가 형성되는 압축기 하우징; 및
    상기 공기 유입부 및 상기 공기 유출부 사이에는 상기 컴프레서 휠의 회전 시 발생되는 공기의 흐름을 완화시킴으로써 소음을 저감시키는 공기 완화부가 형성되는 터보 차저.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 공기 완화부는 상기 공기 유입부와 연결되고, 상기 컴프레서 휠의 전방에 형성되며, 상기 공기 유출부는 일측은 상기 공기 완화부와 연결되어, 내부에 상기 컴프레서 휠이 설치되고, 타측은 상기 압축기 하우징의 외측에 형성되는 터보 차저.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 공기 유입부는 원통 형상으로서, 중심부에 제1 유입홀이 형성되고,
    상기 공기 완화부는 원통 형상으로서, 중심부에 완화홀이 형성되며,
    상기 제1 유입홀은 상기 완화홀과 연결되는 터보 차저.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 완화홀의 단면적은 상기 제1 유입홀의 단면적보다 큰 터보 차저.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 공기 완화부는 상기 완화홀의 양 측면부에 외측 방향으로 연장 형성된 확장홈이 형성되고, 상기 확장홈의 단면은 호 형상인 터보 차저.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 확장홈의 단면은 제1 경사면, 상기 제1 경사면과 연결된 평면 및 상기 평면과 연결된 제2 경사면으로 형성된, 터보 차저.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 경사면은 상기 제2 경사면 보다 큰 터보 차저.
  8. 제4 항에 있어서,
    상기 공기 유입부는 제2 유입홀이 중심부에 형성된 원통 형상의 연장 덕트를 더 포함하고, 상기 연장 덕트는 상기 공기 완화부와 연결되는 터보 차저.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제2 유입홀은 상기 제1 유입홀 및 상기 완화홀이 사이에 형성되고, 상기 완화홀의 단면적은 상기 제2 유입홀의 단면적보다 크고, 상기 제1 유입홀의 단면은 경사지도록 형성되는 터보 차저.
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