KR20200014006A - 가변형 터보차저 - Google Patents

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KR20200014006A
KR20200014006A KR1020180089343A KR20180089343A KR20200014006A KR 20200014006 A KR20200014006 A KR 20200014006A KR 1020180089343 A KR1020180089343 A KR 1020180089343A KR 20180089343 A KR20180089343 A KR 20180089343A KR 20200014006 A KR20200014006 A KR 20200014006A
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진석범
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현대자동차주식회사
기아자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 베인 작동 메커니즘을 고도화 및 단순화한 가변형 터보차저에 관한 것으로, 본 발명에서는, 회전베인과 짝을 이루는 고정베인이 회전되면서 각 베인짝의 길이가 변화되어 배기가스 유입량의 가변 제어가 이루어짐으로써, 배기가스 유입량 조절에 필요한 무빙 및 섭동부품이 불필요하여 베인 열림량의 편차를 저감하는 것을 특징으로 하는 가변형 터보차저가 소개된다.

Description

가변형 터보차저{VARIABLE GEOMETRY TURBO CHARGER}
본 발명은 베인 작동 메커니즘을 고도화 및 단순화하여 베인 열림량 편차를 제거하는 가변형 터보차저에 관한 것이다.
터보차저(turbo charger)는 배기가스의 에너지로 배기 터빈을 돌려서, 배기 터빈휠에 직결된 압축기가 공기를 압축하고, 압축된 공기를 엔진에 공급하여 엔진의 출력을 향상시키도록 마련된 장치이다.
즉, 배기가스가 터빈휠을 회전시키면, 이 회전력에 의해 압축기가 회전하면서 에어클리너를 통해 유입되는 공기를 압축시키고, 압축된 공기가 엔진의 각 실린더로 공급되면서 엔진의 출력이 증대되는 것이다.
한편, VGT(VARIABLE GEOMETRY TURBO CHARGER)는 가변 제어식 베인의 각도를 변화시켜 흡입공기량을 제어하는 터보차저로서, 엔진의 속도와 힘에 따라 흡입공기량를 제어하여 과급압력을 제어한다.
예를 들어, 원형으로 이루어진 유니슨링의 원주방향을 따라 다수의 베인암 일단이 각각 연결되고, 상기 베인암의 타단에 회전축이 구비되며, 상기 회전축에 스윙베인이 회전 가능하게 연결된다.
즉, 액추에이터의 작동력에 의해 유니슨링이 회전되면, 상기 유니슨링에 연결된 베인암이 회전축을 중심으로 회전하면서 회전축에 연결된 스윙베인들이 동시에 원하는 각도만큼 회전하게 된다.
따라서, 저속영역에서는 스윙베인의 각도 변화를 통해 배기가스가 유입되는 유로의 단면적을 좁혀 공기의 유속을 증가시키고, 이를 통해 터빈의 회전속도를 상승시시켜 과급압력을 높이게 된다.
그리고, 고속영역에서는 스윙베인의 각도 변화를 통해 배기가스 유로의 단면적을 넓혀 공기량을 증가시킴으로써, 엔진 운전에 필요한 과급압력을 확보할 수 있게 된다.
그러나, 상기 VGT의 경우 공기 유량을 조절하기 위해 필요한 무빙 및 섭동 부품이 많아, 섭동부 마모에 의한 베인 열림량의 편차(명령값 대비 실제값 차이)가 발생하기 쉬운 문제가 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2007-0044616 A
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 베인 작동 메커니즘을 고도화 및 단순화하여 베인 열림량 편차를 제거하는 가변형 터보차저를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 터빈하우징 내에서 터빈휠을 감싸는 형상으로 마련되고, 원주방향을 따라 고정베인이 구비된 이너링; 상기 이너링을 감싸는 형상으로 마련되고, 원주방향을 따라 회전베인이 회전 가능하게 구비되되, 상기 회전베인이 상기 고정베인에 상시 접촉을 유지하는 상태에서 고정베인과 짝을 이루어 구비된 아우터링;를 포함하고, 상기 이너링과 아우터링이 소정 각도로 상대 회전되고, 상기 상대 회전작동에 따라 상기 회전베인이 회전되고 이와 짝을 이루는 고정베인의 상대위치가 달라지면서 회전베인과 고정베인의 베인짝의 전체 길이가 변화됨으로써, 서로 이웃하는 베인짝 사이에 형성된 유로의 단면적이 가변되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 이너링이 터빈휠과 동축상에 마련되어 회전이 가능하게 구비되고; 상기 고정베인이 상기 이너링의 일측면에 등간격으로 고정 구비되며; 상기 아우터링이 터빈하우징의 내면에 고정되고; 상기 회전베인이 중단의 회전축을 중심으로 상기 아우터링의 일측면에 회전 가능하게 구비되되, 상기 고정베인과 대응하는 위치에 구비되며; 상기 회전베인의 내면이 상기 고정베인의 외면에 접촉될 수 있다.
상기 고정베인의 일단이 상기 고정베인의 타단보다 이너링의 외주면에 가깝게 위치하여 한쪽으로 기울어진 형상으로 형성되고; 상기 회전베인의 일단이 상기 고정베인의 타단보다 아우터링의 외주면에 가깝게 위치하여 상기 고정베인과 동일 방향으로 기울어진 형상으로 형성되며; 상기 고정베인의 일단에서 이어지는 고정베인의 외면 일부에 고정접촉면이 형성되고; 상기 회전베인의 타단에서 이어지는 회전베인의 내면 일부에 회전접촉면이 형성되어, 상기 회전접촉면이 고정접촉면에 접촉상태로 구비될 수 있다.
상기 이너링의 외주면에 스토퍼가 형성되고; 상기 스토퍼에 대응하는 상기 아우터링의 내주면에 장공의 가이드홈이 형성되어, 상기 스토퍼가 가이드홈을 따라 이동되는 회전각도와 동일한 각도로 이너링의 회전각도가 규제될 수 있다.
상기 이너링의 최대 회전각도는 상기 고정베인이 회전베인에 접촉된 상태를 벗어나지 않는 회전각도 이내에서 결정될 수 있다.
상기 회전베인이 고정베인을 향해 상시 접촉되는 방향으로 탄성력을 제공하도록 구비된 리턴스프링;을 포함할 수 있다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 엔진 운전조건에 따라 이너링이 회전 작동되면, 회전베인과 짝을 이루는 고정베인이 회전되면서 각 베인짝의 길이가 변화되어 배기가스 유입량의 가변 제어가 이루어지게 된다.
따라서, 기존 스윙베인 타입 대비하여 배기가스 유입량 조절에 필요한 무빙 및 섭동부품을 삭제하고 유입량 조절 메커니즘을 고도화 및 단순화함으로써, 베인 열림량의 편차를 저감하는 효과가 있고, 더불어 베인의 구조를 고정베인과 회전베인이 짝을 이루는 2단 베인 구조로 구현함으로써, 베인 프로파일 형상의 최적화를 통해 배기가스 공기역학(Aerodynamic) 특성을 개선하는 효과도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 터빈하우징의 내부에 이너링과 아우터링이 구비된 구성을 도시한 도면.
도 2는 도 1의 이너링 및 아우터링을 배면 측에서 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 이너링과 아우터링를 분리하여 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 이너링의 회전각도를 규제하기 위한 구성을 설명하기 위한 도면.
도 5와 도 6은 엔진운전조건에 따른 배기가스 유입량 가변 작동상태를 예시하여 나타낸 도면.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 가변형 터보차저는, 2단 베인 구조로 이루어진 것으로, 고정베인(11)이 구비된 이너링(10)과, 회전베인(21)이 구비된 아우터링(20)을 포함하여 구성이 된다.
도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명을 구체적으로 살펴보면, 먼저 이너링(10)은 원형의 링 형상으로 형성된 것으로, 터빈하우징(40) 내에서 터빈휠(30)을 감싸는 형상으로 마련되고, 원주방향을 따라 고정베인(11)이 고정 구비된다.
아우터링(20)은 원형의 링 형상으로 형성된 것으로, 상기 이너링(10)을 감싸는 형상으로 마련되고, 원주방향을 따라 회전베인(21)이 회전 가능하게 구비되되, 상기 회전베인(21)이 상기 고정베인(11)에 상시 접촉을 유지하는 상태에서 고정베인(11)과 짝을 이루어 구비된다.
이때에, 상기 이너링(10)과 아우터링(20)이 소정 각도로 상대 회전되고, 상기 상대 회전작동에 따라 상기 회전베인(21)이 회전되고 이와 짝을 이루는 고정베인(11)의 상대위치가 달라지게 된다. 이에, 회전베인(21)과 고정베인(11)의 베인짝이 이루는 전체 길이방향의 길이가 신축되어 변화됨으로써, 서로 이웃하는 베인짝 사이에 형성된 유로의 단면적이 가변이 된다.
즉, 이너링(10)에 구비되는 고정베인(11)과, 아우터링(20)에 구비되는 회전베인(21)이 서로 짝을 이루어 2단 베인 구조를 구현한 것으로서, 엔진 운전조건에 따라 아우터링(20)에 대해 이너링(10)이 상대 회전작동되면, 회전베인(21)과 짝을 이루는 고정베인(11)도 상대 회전되면서 각 베인짝의 전체 길이가 길어지거나 짧아지게 된다.
따라서, 서로 이웃하는 베인짝 간에 조성된 유로의 단면적이 증대 또는 감소됨으로써, 배기가스 유입량을 조절할 수 있게 된다.
아울러, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에서는 상기 이너링(10)이 터빈휠(30)과 동축상에 마련되어 회전이 가능하게 구비되고, 상기 고정베인(11)은 상기 이너링(10)의 일측면에 등간격으로 고정 구비된다. 여기서, 상기 이너링(10)에는 액추에이터 또는 기타 회전력제공수단에 의해 회전력이 제공될 수 있다.
그리고, 상기 아우터링(20)이 터빈하우징(40)의 내면에 고정되고, 상기 회전베인(21)이 중단의 회전축(22)을 중심으로 상기 아우터링(20)의 일측면에 회전 가능하게 구비된다. 이때에, 상기 회전베인(21)이 상기 고정베인(11)과 대응하는 위치에 구비되어, 하나의 고정베인(11)과 하나의 회전베인(21)이 베인짝을 이루게 된다.
또한, 상기 회전베인(21)의 내면은 상기 고정베인(11)의 외면에 상시 접촉이 되는 구조가 된다.
즉, 상기 이너링(10)이 회전되면, 이너링(10)에 구비된 고정베인(11)이 이와 짝을 이루는 회전베인(21)을 밀어 슬라이드되면서 함께 회전되고, 이에 상기 회전베인(21)이 회전축(22)을 중심으로 회전하게 된다. 따라서, 각 베인짝의 길이가 신축되고, 이에 베인짝 사이의 유로 단면적이 가변될 수 있게 된다.
상기 고정베인(11)과 회전베인(21)이 짝을 이루는 구조에 대해 도 5 및 도 6을 참조하여 조금 더 구체적으로 설명하면, 상기 고정베인(11)의 일단이 상기 고정베인(11)의 타단보다 이너링(10)의 외주면에 가깝게 위치하여 한쪽으로 기울어진 형상으로 형성된다.
더불어, 상기 회전베인(21)의 일단이 상기 고정베인(11)의 타단보다 아우터링(20)의 외주면에 가깝게 위치하여 상기 고정베인(11)과 동일 방향으로 기울어진 형상으로 형성된다.
그리고, 상기 고정베인(11)의 일단에서 이어지는 고정베인(11)의 외면 일부에 고정접촉면(13)이 형성되고, 상기 회전베인(21)의 타단에서 이어지는 회전베인(21)의 내면 일부에 회전접촉면(23)이 형성되어, 상기 회전접촉면(23)이 고정접촉면(13)에 접촉된 상태에서 고정베인(11)이 슬라이드 이동된다.
즉, 고정베인(11)이 회전베인(21)보다 반경방향을 기준으로 안쪽에 위치함으로써, 고정베인(11)의 바깥쪽에 형성된 고정접촉면(13)과 회전베인(21)의 안쪽에 형성된 회전접촉면(23)이 서로 접촉 상태로 짝을 이루게 된다.
따라서, 이너링(10)의 회전에 따라 고정베인(11)이 회전하게 되면, 고정베인(11)의 고정접촉면(13)이 회전베인(21)의 회전접촉면(23) 상에서 슬라이드되면서 이동이 된다.
한편, 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명은 상기 이너링(10)의 외주면에 스토퍼(15)가 돌출 형성되고, 상기 스토퍼(15)에 대응하는 상기 아우터링(20)의 내주면에 장공의 가이드홈(25)이 형성되어, 상기 스토퍼(15)가 가이드홈(25)을 따라 이동되는 회전각도와 동일한 각도로 이너링(10)의 회전각도가 규제되는 구조가 된다.
이때에, 상기 이너링(10)의 최대 회전각도는 상기 고정베인(11)이 회전베인(21)에 접촉된 상태를 벗어나지 않는 회전각도 이내에서 결정이 된다.
즉, 이너링(10)의 회전에 따라 고정베인(11)의 고정접촉면(13)이 회전베인(21)의 회전접촉면(23) 상에서 슬라이드 이동되는 경우, 가이드홈(25)에 대한 스토퍼(15)의 회전변위 규제를 통해 이너링(10)의 최대 회전각도를 규제하게 되고, 이에 상기 고정접촉면(13)이 회전접촉면(23)을 벗어나지 않게 된다.
아울러, 본 발명에서는 상기 회전베인(21)이 고정베인(11)을 향해 상시 접촉되는 방향으로 탄성력을 제공하도록 리턴스프링(24)를 구비할 수 있다.
예컨대, 상기 리턴스프링(24)은 상기 회전베인(21)의 회전축(22)에 설치되는 토션스프링일 수 있는 것으로, 일단이 회전축(22)에 고정되고, 타단이 아우터링(20)에 고정되어, 상기 회전베인(21)이 이와 짝을 이루는 고정베인(11)을 향해 상시 접촉되는 방향으로 탄성력을 제공하도록 구성할 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 베인의 작동을 통해 배기가스의 유입량을 조절하는 작동에 대해 설명한다.
먼저, 도 5는 엔진 운전조건에 따른 저속영역에서의 작동상태를 예시한 것으로, 도시된 도면을 기준으로 이너링(10)이 반시계 방향으로 회전되면 이너링(10)에 구비된 고정베인(11)이 함께 회전되는데, 이때에 상기 고정베인(11)에 형성된 고정접촉면(13)이 회전베인(21)에 형성된 회전접촉면(23)을 벗어나는 방향으로 밀면서 슬라이드 이동이 되는바, 상기 회전베인(21)이 그 회전축(22)을 중심으로 시계방향으로 회전하게 된다.
이에, 서로 이웃하는 두 개의 회전베인(21) 사이에 형성된 유로의 단면적이 상대적으로 좁아지는 것은 물론, 상기 두 개의 회전베인(21) 사이에 고정베인(11)이 위치하게 됨으로써, 서로 이웃하는 베인쌍 사이의 유로 단면적이 감소되고, 이에 배기가스의 유속을 상승시킬 수 있게 된다.
도 6은 엔진 운전조건에 따른 고속영역에서의 작동상태를 예시한 것으로, 이너링(10)이 시계 방향으로 회전되면 고정베인(11)의 고정접촉면(13)이 회전베인(21)의 회전접촉면(23)에 면접촉되는 방향으로 슬라이드 이동이 되는바, 상기 회전베인(21)이 그 회전축(22)을 중심으로 반시계 방향으로 회전하게 된다.
이에, 서로 이웃하는 두 개의 회전베인(21) 사이에 형성된 유로의 단면적이 상대적으로 넓어지는 것은 물론, 상기 고정베인(11)이 그와 짝을 이루는 회전베인(21)에 겹쳐지게 됨으로써, 서로 이웃하는 베인쌍 사이의 유로 단면적이 증대되고, 이에 배기가스의 유량을 증가시킬 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 엔진 운전조건에 따라 이너링(10)이 회전 작동되면, 회전베인(21)과 짝을 이루는 고정베인(11)이 회전되면서 각 베인짝의 길이가 변화되어 배기가스 유입량의 가변 제어가 이루어지게 된다. 따라서, 기존의 스윙베인 타입 대비하여 배기가스 유입량 조절에 필요한 무빙 및 섭동부품을 삭제하고 유입량 조절 메커니즘을 고도화 및 단순화함으로써, 베인 열림량의 편차를 저감하고, 또한 베인의 구조를 고정베인(11)과 회전베인(21)이 짝을 이루는 2단 베인 구조로 구현하여 베인 프로파일 형상의 최적화를 통해 배기가스 공기역학(Aerodynamic) 특성을 개선하게 된다.
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
10 : 이너링
11 : 고정베인
13 : 고정접촉면
15 : 스토퍼
20 : 아우터링
21 : 회전베인
22 : 회전축
23 : 회전접촉면
24 : 리턴스프링
25 : 가이드홈
30 : 터빈휠
40 : 터빈하우징

Claims (6)

  1. 터빈하우징 내에서 터빈휠을 감싸는 형상으로 마련되고, 원주방향을 따라 고정베인이 구비된 이너링;
    상기 이너링을 감싸는 형상으로 마련되고, 원주방향을 따라 회전베인이 회전 가능하게 구비되되, 상기 회전베인이 상기 고정베인에 상시 접촉을 유지하는 상태에서 고정베인과 짝을 이루어 구비된 아우터링;를 포함하고,
    상기 이너링과 아우터링이 소정 각도로 상대 회전되고, 상기 상대 회전작동에 따라 상기 회전베인이 회전되고 이와 짝을 이루는 고정베인의 상대위치가 달라지면서 회전베인과 고정베인의 베인짝의 전체 길이가 변화됨으로써, 서로 이웃하는 베인짝 사이에 형성된 유로의 단면적이 가변되는 것을 특징으로 하는 가변형 터보차저.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이너링이 터빈휠과 동축상에 마련되어 회전이 가능하게 구비되고;
    상기 고정베인이 상기 이너링의 일측면에 등간격으로 고정 구비되며;
    상기 아우터링이 터빈하우징의 내면에 고정되고;
    상기 회전베인이 중단의 회전축을 중심으로 상기 아우터링의 일측면에 회전 가능하게 구비되되, 상기 고정베인과 대응하는 위치에 구비되며;
    상기 회전베인의 내면이 상기 고정베인의 외면에 접촉되는 것을 특징으로 하는 가변형 터보차저.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 고정베인의 일단이 상기 고정베인의 타단보다 이너링의 외주면에 가깝게 위치하여 한쪽으로 기울어진 형상으로 형성되고;
    상기 회전베인의 일단이 상기 고정베인의 타단보다 아우터링의 외주면에 가깝게 위치하여 상기 고정베인과 동일 방향으로 기울어진 형상으로 형성되며;
    상기 고정베인의 일단에서 이어지는 고정베인의 외면 일부에 고정접촉면이 형성되고;
    상기 회전베인의 타단에서 이어지는 회전베인의 내면 일부에 회전접촉면이 형성되어, 상기 회전접촉면이 고정접촉면에 접촉상태로 구비되는 것을 특징으로 하는 가변형 터보차저.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 이너링의 외주면에 스토퍼가 형성되고;
    상기 스토퍼에 대응하는 상기 아우터링의 내주면에 장공의 가이드홈이 형성되어, 상기 스토퍼가 가이드홈을 따라 이동되는 회전각도와 동일한 각도로 이너링의 회전각도가 규제되는 것을 특징으로 하는 가변형 터보차저.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 이너링의 최대 회전각도는 상기 고정베인이 회전베인에 접촉된 상태를 벗어나지 않는 회전각도 이내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 가변형 터보차저.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전베인이 고정베인을 향해 상시 접촉되는 방향으로 탄성력을 제공하도록 구비된 리턴스프링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 터보차저.
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