KR20190076406A - 터보차저 - Google Patents

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KR20190076406A
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Abstract

본 발명은 터보차저에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터빈 휠과 샤트프 가조립 시 샤프트가 억지 끼워맞춤 방식으로 압입 고정되므로 추후 용접 과정에서 터빈 휠의 축과 샤프트의 회전축이 어긋나는 것을 방지할 수 있으며, 샤프트 압입 고정 시 터빈 휠과 샤프트 사이에 위치하는 공기가 배출되도록 통기 부재가 형성된 터보차저에 관한 것이다. 이를 위해 차량 엔진 배기가스의 운동에너지를 이용해서 회전하는 터빈 휠과, 상기 터빈 휠에 일측이 고정된 샤프트 및 상기 샤프트의 타측에 고정되어 흡입 공기를 가압하는 컴프레서 휠을 포함하며, 상기 샤프트에는 상기 터빈 휠에 압입 고정되는 고정부가 형성되는 터보차저를 제공한다.

Description

터보차저{Turbocharger}
본 발명은 터보차저에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터빈 휠과 샤트프 가조립 시 샤프트가 억지 끼워맞춤 방식으로 압입 고정되므로 추후 용접 과정에서 터빈 휠의 축과 샤프트의 회전축이 어긋나는 것을 방지할 수 있으며, 샤프트 압입 고정 시 터빈 휠과 샤프트 사이에 위치하는 공기가 배출되도록 통기 부재가 형성된 터보차저에 관한 것이다.
일반적으로 차량에는 대기압보다 높은 압력으로 공기를 가압하여 엔진에 공급할 수 있도록 터보차저가 구비되며, 이와 같이 공기를 과급하면 배기량이 같은 엔진에서도 다량으로 공기를 충전할 수 있게 되고, 이에 따라 연료의 분사량을 증가시켜서 엔진의 출력을 향상시키고, 연료 소비효율을 개선시키며, 엔진 경량화(downsizing)를 가능하게 하므로 많이 활용되고 있다.
이러한 터보차저는 터빈 휠, 터빈 하우징, 컴프레서 휠, 컴프레서 하우징 및 센터 하우징 등으로 이루어지고, 터빈 휠과 컴프레서 휠은 배기경로의 중간 지점에 마련된 센터 하우징 내에 회전 가능하게 설치된 샤프트를 통하여 동축으로(coaxially) 연결되어 있다. 엔진으로부터 배출되는 배기가스는 터빈 하우징 내로 흘러 들어가고, 이러한 배기가스는 소용돌이 형태로 스크롤 경로(scroll passage)를 따라서 흐르게 된다. 이후 스크롤 경로로부터 노즐 경로로 흐르고, 터빈 휠에 부딪히면서 터빈 휠을 회전시키게 된다.
터빈 휠이 이렇게 회전하면 터빈 휠의 토크(torque)가 샤프트를 통하여 컴프레서 휠에 전달되고, 컴프레서 휠은 터빈 휠과 동기적(synchronism)으로 회전하게 된다. 이 때, 흡입공기 입구 근처의 흡입공기는 컴프레서 휠의 회전에 의해 발생한 흡입력에 의해 컴프레서 하우징으로 빨려 들어가고, 방출경로(sent out passage)와 스크롤 경로를 통하여 흡입공기 출구로 보내어진다.
컴프레서 하우징에서 압축된 흡입공기는 강제적으로 연소실로 공급되어, 흡입공기의 충전효율은 향상되고, 이러한 과정에서 연료 주입량은 흡입 공기량에 따라 함께 증가하게 되며, 이에 의해 더 큰 연소력(combustion power)과 폭발력을 얻을 수 있어 엔진출력이 향상되는 것이다.
앞서 살펴본 바와 같이, 배기가스가 갖고 있는 운동에너지를 효과적으로 이용하기 위해서는 터빈 휠, 샤프트 및 컴프레서 휠이 동축 상에서 회전해야 하는데, 일반적으로 터빈 휠과 샤프트를 용접 방식으로 고정한 후 컴프레서 휠은 볼트 고정 방식으로 체결하게 된다.
종래의 경우 터빈 휠과 샤프트를 가조립 한 후 진공조 내에서 전자빔 용접을 통해 고정하게 되는데, 가조립 시 터빈 휠과 샤프트가 헐거운 끼워맞춤 방식으로 가조립 된 상태이므로 용접 시 터빈 휠과 샤프트의 조립 각도가 틀어지면서 회전축이 어긋나는 문제가 있었다. 이러한 터빈 휠은 사용 과정에서 회전 속도가 분당 20만 번 이상 회전하게 되는데, 터빈 휠과 샤프트의 조립 각도가 미세하게 틀어지는 경우 이러한 회전체의 진동 및 소음이 발생하게 되고, 터보차저의 수명과 품질에 악영향을 미치게 되는 것이다.
이를 개선하기 위해 터빈 휠과 샤프트를 억지 끼워맞춤 방식으로 가조립 할 수도 있으나, 이와 같이 억지 끼워맞춤 방식으로 가조립 할 경우 터빈 휠과 샤프트 사이에 위치하는 공기층으로 인해 용접 품질이 저하되는 한계가 있었다.
따라서 이에 대한 개선이 시급한 실정이다.
본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 터빈 휠과 샤트프 가조립 시 샤프트가 억지 끼워맞춤 방식으로 압입 고정될 수 있는 터보차저를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 터빈 휠과 샤프트가 억지 끼워맞춤 방식으로 가조립되는 경우에도 터빈 휠과 샤프트 사이에 위치하는 공기가 배출되도록 통기 부재가 형성되는 터보차저를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 터보차저는, 차량 엔진 배기가스의 운동에너지를 이용해서 회전하는 터빈 휠과, 상기 터빈 휠에 일측이 고정된 샤프트 및 상기 샤프트의 타측에 고정되어 흡입 공기를 가압하는 컴프레서 휠을 포함하며, 상기 샤프트에는 상기 터빈 휠에 압입 고정되는 고정부가 형성될 수 있다.
이때, 상기 고정부는 억지 끼워맞춤 방식으로 상기 터빈 휠에 압입 고정되되, 상기 고정부에는 상기 샤프트 압입 시 공기가 배출되는 통기 부재가 형성될 수 있다.
이때, 상기 터빈 휠에는 상기 고정부가 압입되는 함몰부가 형성되고, 상기 통기 부재는 상기 고정부의 반경 방향 내측으로 연장되는 통기 홈일 수 있다.
아울러 상기 통기 홈은 상기 고정부의 외주면을 따라 복수 개 형성될 수도 있다.
또한, 상기 고정부는 억지 끼워맞춤 방식으로 상기 터빈 휠에 압입 고정되되, 상기 터빈 휠에는 상기 샤프트 압입 시 공기가 배출되는 통기 부재가 형성될 수도 있다.
이때, 상기 터빈 휠에는 상기 고정부가 압입되는 함몰부가 형성되고, 상기 통기 부재는 상기 함몰부의 반경 방향 외측으로 연장되는 통기 홈일 수 있다.
아울러 상기 통기 홈은 상기 함몰부의 내주면을 따라 복수 개 형성될 수도 있다.
또한, 상기 샤프트에는 상기 터빈 휠의 결합면과 맞닿도록 상기 고정부에서 연장 형성되는 기밀면이 구비될 수 있다.
상기한 구성을 갖는 본 발명의 터보차저에 의하면 터빈 휠과 샤트프 가조립 시 샤프트가 억지 끼워맞춤 방식으로 압입 고정됨으로써 추후 용접 과정에서 터빈 휠의 회전축과 샤프트의 회전축이 어긋나는 것을 방지할 수 있고, 이를 통해 터빈 휠과 샤프트 회전 시 진동이나 소음이 발생하지 않는 효과가 있다.
또한, 터빈 휠과 샤프트가 억지 끼워맞춤 방식으로 가조립되는 경우에도 터빈 휠과 샤프트 사이에 위치하는 공기가 배출될 수 있도록 통기 부재가 형성되므로 용접 품질이 향상되어 터보차저의 내구성이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 터보차저의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 터보차저의 터빈 휠과 샤프트의 조립 부분을 확대한 단면도이다.
도 3 및 도 4는 A-A 부분의 단면도로서, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도면이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 터보차저의 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 터보차저의 터빈 휠과 샤프트의 조립 부분을 확대한 단면도이며, 도 3 및 도 4는 A-A 부분의 단면도로서, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도면이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 터보차저는 차량 엔진 배기가스의 운동에너지를 이용해서 회전하는 터빈 휠(100)과 이러한 터빈 휠(100)에 일측이 고정된 샤프트(200) 및 샤프트(200)의 타측에 고정되어 흡입 공기를 가압하는 컴프레서 휠(300)을 포함한다.
터빈 휠(100)과 컴프레서 휠(300)은 각각 터빈 하우징(10)과 컴프레서 하우징(30) 내에 배치되며, 이들 터빈 하우징(10)과 컴프레서 하우징(30)은 센터 하우징(20)에 체결 고정된다.
이때, 샤프트(200)에는 터빈 휠(100)에 압입 고정되는 고정부(210)가 형성된다. 이러한 고정부(210)는 터빈 휠(100)과 샤프트(200)가 가조립 된 이후 용접 과정에서 터빈 휠(100)과 샤프트(200)의 조립 각도가 틀어짐으로 인해 이들의 회전축이 어긋나는 것을 방지하게 된다.
이와 같이 고정부(210)가 구비됨으로써 터빈 휠(100)과 샤프트(200)의 용접 과정에서 이들 간에 조립 각도가 틀어지는 것을 방지할 수 있고, 결국 터빈 휠(100)의 회전축과 샤프트(200)의 회전축이 어긋나는 것을 방지함으로써 터빈 휠(100)과 샤프트(200) 회전 시 진동이나 소음이 발생하지 않게 되는 것이다.
이러한 고정부(210)는 억지 끼워맞춤 방식으로 터빈 휠(100)에 압입 고정되므로 이후 용접 과정에서 터빈 휠(100)과 샤프트(200)의 조립 각도가 틀어지는 것을 방지할 수 있는 것이다.
아울러 전술한 고정부(210)에는 도 2에 도시된 바와 같이, 샤프트(200) 압입 시 공기가 배출되는 통기 부재(211)가 형성된다. 즉, 샤프트(200) 압입 시 터빈 휠(100)과 샤프트(200) 사이에 위치하는 공기가 통기 부재(211)를 통해 외부로 배출됨으로써 공기로 인한 용접 품질 저하 문제를 해결할 수 있는 것이다.
이때, 터빈 휠(100)과 샤프트(200)의 용접 시 열에 의한 변형이 적고, 정밀한 용접이 가능한 진공 전자빔 용접이 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 터빈 휠(100)에는 고정부(210)가 압입되는 함몰부(110)가 형성될 수 있다. 이러한 함몰부(110)는 고정부(210)와 억지 끼워맞춤 방식의 고정이 가능한 크기로 형성되는 것이 바람직하다.
아울러 도 3에 도시된 바와 같이, 고정부(210)에 형성되는 통기 부재(211)는 고정부(210)의 반경 방향 내측으로 연장되는 통기 홈(211a)일 수 있다. 이러한 통기 홈(211a)은 샤프트(200)의 축 방향을 따라서 고정부(210)의 형성 높이에 대응되는 높이로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 통기 홈(211a)은 고정부(210)의 상단부터 하단까지 연장 형성되는 것이다. 이와 같이 구성하면 샤프트(200)의 고정부(210)가 터빈 휠(100)의 함몰부(110)에 억지 끼워맞춤 방식으로 압입이 시작되는 상태에서 고정부(210)가 함몰부(110) 내에 완전하게 압입되어 터빈 휠(100)의 하단이 샤프트(200) 상단에 맞닿게 되기 전의 상태까지 연속적으로 공기 배출이 가능하게 되고, 도 2에 도시된 바와 같이, 고정부(210)가 함몰부(110) 내에 완전하게 압입되어 터빈 휠(100)의 하단이 샤프트(200) 상단에 맞닿게 되면 공기 배출 뿐만 아니라 공기 유입도 완전하게 차단되는 것이다.
이러한 터빈 휠(100)과 샤프트(200)의 가조립이 진공조에서 진행되면 터빈 휠(100)과 샤프트(200) 사이의 공기 배출이 더욱 원활해지게 된다.
만일 터빈 휠(100)의 하단이 샤프트(200) 상단에 맞닿게 되어 억지 끼워맞춤 방식의 압입이 완료되는 상태에서도 통기가 가능하게 구성할 수도 있다. 다만, 이런 경우에는 진공조 내에서 용접 과정을 진행하면서 터빈 휠(100)과 샤프트(200) 사이에 남아 있는 공기를 모두 제거할 수 있으므로 용접 품질 저하를 방지할 수 있는 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 통기 홈(211a)은 고정부(210)의 반경 방향 내측으로 만곡되는 형상으로 연장될 수 있으나, 반드시 이와 같이 만곡되는 형상에만 한정되는 것이 아니라, 터빈 휠(100)의 함몰부(110) 내주면과 이격되어 공기가 통과할 수 있는 형상이라면 어떠한 형상이라도 가능하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 이러한 통기 홈(211a)은 고정부(210)의 외주면을 따라 복수 개 형성될 수 있으며, 복수 개의 통기 홈(211a)은 동일한 간격으로 이격 배치되는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성하면 샤프트(200)의 고정부(210) 압입 시 공기 배출이 더욱 원활해지게 되는 것이다.
이와는 다르게 도 4에 도시된 바와 같이, 고정부(210)는 억지 끼워맞춤 방식으로 터빈 휠(100)에 압입 고정되되, 공기가 배출되는 통기 부재(111)가 터빈 휠(100)에 형성되도록 구성하는 것도 가능하다.
이때, 터빈 휠(100)에는 고정부(210)가 압입되는 함몰부(110)가 형성되고, 이러한 통기 부재(111)는 함몰부(110)의 반경 방향 외측으로 연장되는 통기 홈(111a)일 수 있다. 이러한 통기 홈(111a)은 터빈 휠(100)의 축 방향을 따라서 함몰부(110)의 형성 높이에 대응되는 높이로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 통기 홈(111a)은 함몰부(110)의 상단부터 하단까지 연장 형성되는 것이다. 이와 같이 구성하면 샤프트(200)의 고정부(210)가 터빈 휠(100)의 함몰부(110)에 억지 끼워맞춤 방식으로 압입이 시작되는 상태에서 고정부(210)가 함몰부(110) 내에 완전하게 압입되어 터빈 휠(100)의 하단이 샤프트(200) 상단에 맞닿게 되기 전의 상태까지 연속적으로 공기 배출이 가능하게 되고, 고정부(210)가 함몰부(110) 내에 완전하게 압입되어 터빈 휠(100)의 하단이 샤프트(200) 상단에 맞닿게 되면 공기 배출 뿐만 아니라 공기 유입도 완전하게 차단되는 것이다.
아울러 이러한 터빈 휠(100)과 샤프트(200)의 가조립이 진공조에서 진행되면 터빈 휠(100)과 샤프트(200) 사이의 공기 배출이 더욱 원활해지게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 통기 홈(111a)은 함몰부(110)의 반경 방향 외측으로 만곡되는 형상으로 연장될 수 있으나, 반드시 이와 같이 만곡되는 형상에만 한정되는 것이 아니라, 샤프트(200)의 고정부(210) 외주면과 내주면과 이격되어 공기가 통과할 수 있는 형상이라면 어떠한 형상이라도 가능하다.
도 4에 도시된 바와 같이, 이러한 통기 홈(111a)은 함몰부(110)의 외주면을 따라 복수 개 형성될 수 있으며, 복수 개의 통기 홈(111a)은 동일한 간격으로 이격 배치되는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성하면 샤프트(200)의 고정부(210) 압입 시 공기 배출이 더욱 원활해지게 되는 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 샤프트(200)에는 터빈 휠(100)의 결합면(120)과 맞닿도록 고정부(210)에서 연장되는 기밀면(220)이 형성된다. 즉, 전술한 바와 같이, 터빈 휠(100)과 샤트프(200) 가조립 시 터빈 휠(100)의 결합면(120)과 샤프트(200)의 기밀면(220)이 상호 맞닿게 되면 가조립이 완료되는 것이다. 이러한 상태에서는 기밀 상태가 유지되므로 외부의 공기가 터빈 휠(100)과 샤프트(200) 사이의 공간으로 다시 유입되지 않으며, 추후 용접 과정에서 공기로 인한 용접 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있는 것이다.
전술한 바와 같이, 터빈 휠(100)과 샤프트(200)의 가조립 과정을 진공조에서 진행할 경우 터빈 휠(100)과 샤프트(200) 사이의 공기가 효과적으로 배출될 수 있게 된다.
특히, 가조립이 완료된 상태에서 터빈 휠(100)과 샤프트(200) 사이에 이격 공간이 형성되는 경우에는 더욱 그러하다. 만일 가조립이 대기압 상태에서 진행될 경우 터빈 휠(100)과 샤프트(200) 사이의 이격 공간의 체적이 감소하는 만큼 공기가 밀려나오면서 배출되는데, 가조립이 완료된 상태에서도 터빈 휠(100)과 샤프트(200) 사이에 이격 공간이 형성되면 이러한 이격 공간의 체적 만큼 공기가 남아 있게 되기 때문이다. 따라서 가조립 과정을 진공조 내에서 진행하게 되면 이와 같이 남아 있는 공기도 전부 배출이 가능하게 된다.
또는, 터빈 휠(100)과 샤프트(200) 사이에 이격 공간이 형성됨으로 인해 공기가 남아 있게 되더라도 추후 진공조 내에서의 용접 진행 과정에서 남아 있는 공기가 배출될 수 있도록 구성하는 것도 가능하다. 다만, 이를 위해서는 가조립이 완료되는 상태인 터빈 휠(100)의 결합면(120)과 샤프트(200)의 하단면이 상호 맞닿게 되는 상태에서도 공기 배출이 가능하도록 통기 구조가 형성되는 것이 바람직하다.
이상 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10 : 터빈 하우징 20 : 센터 하우징
30 : 컴프레서 하우징 100 : 터빈 휠
110 : 함몰부 111 : 통기 부재
111a : 통기 홈 120 : 결합면
200 : 샤프트 210 : 고정부
211 : 통기 부재 211a : 통기 홈
220 : 기밀면 300 : 컴프레서 휠

Claims (8)

  1. 차량 엔진 배기가스의 운동에너지를 이용해서 회전하는 터빈 휠;
    상기 터빈 휠에 일측이 고정된 샤프트; 및
    상기 샤프트의 타측에 고정되어 흡입 공기를 가압하는 컴프레서 휠;
    을 포함하며,
    상기 샤프트에는 상기 터빈 휠에 압입 고정되는 고정부가 형성되는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고정부는 억지 끼워맞춤 방식으로 상기 터빈 휠에 압입 고정되되,
    상기 고정부에는 상기 샤프트 압입 시 공기가 배출되는 통기 부재가 형성되는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 터빈 휠에는 상기 고정부가 압입되는 함몰부가 형성되고,
    상기 통기 부재는 상기 고정부의 반경 방향 내측으로 연장되는 통기 홈인 것을 특징으로 하는 터보 차저.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 통기 홈은 상기 고정부의 외주면을 따라 복수 개 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 차저.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고정부는 억지 끼워맞춤 방식으로 상기 터빈 휠에 압입 고정되되,
    상기 터빈 휠에는 상기 샤프트 압입 시 공기가 배출되는 통기 부재가 형성되는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 터빈 휠에는 상기 고정부가 압입되는 함몰부가 형성되고,
    상기 통기 부재는 상기 함몰부의 반경 방향 외측으로 연장되는 통기 홈인 것을 특징으로 하는 터보 차저.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 통기 홈은 상기 함몰부의 내주면을 따라 복수 개 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 차저.
  8. 제4항 또는 제7항에 있어서,
    상기 샤프트에는 상기 터빈 휠의 결합면과 맞닿도록 상기 고정부에서 연장 형성되는 기밀면이 구비되는 것을 특징으로 하는 터보 차저.
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