KR20200042575A - 가변형 터보차저 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터빈하우징 내에서 터빈휠 주위를 감싸는 형상으로 마련되고, 원주방향을 따라 다수의 고정베인이 구비된 이너링과; 상기 이너링의 외주면을 감싸는 형상으로 마련된 아웃터링과; 상기 다수의 고정베인과 각각 짝을 이루어 배기가스의 유로를 형성하도록 상기 아웃터링의 원주방향을 따라 다수개가 배치된 회전베인과; 상기 회전베인이 짝을 이루는 고정베인을 향하여 탄성적으로 지지되도록 상기 회전베인과 상기 아웃터링 사이에 설치된 스프링과; 상기 회전베인의 회전축에 일체로 구비된 베인가이드와; 상기 베인가이드의 회전 범위를 제한하도록 상기 아웃터링에 일체로 설치된 베인스토퍼를 포함하여 구성된다.

Description

가변형 터보차저{VARIABLE GEOMETRY TURBO CHARGER}

본 발명은 가변형 터보차저에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 터보차저의 구조에 관한 기술이다.

터보차저(turbo charger)는 배기가스의 에너지로 터빈휠을 돌려서, 터빈휠에 직결된 컴프레서가 공기를 압축하고, 압축된 공기를 엔진 연소실에 공급하여 엔진의 출력을 향상시키도록 마련된 장치이다.

한편, VGT(VARIABLE GEOMETRY TURBO CHARGER)는 베인의 각도를 변화시켜 터빈휠로 공급되는 배기가스의 유동을 조절함으로써, 궁극적으로 연소실로 공급되는 흡기의 과급압력을 제어하도록 구성된다.

그러나, 상기 VGT의 경우 배기가스의 유동을 조절하기 위해 필요한 무빙 및 섭동 부품이 많아, 섭동부 마모에 의한 베인 열림량의 편차(명령값 대비 실제값 차이)가 발생하기 쉽고, 고장 발생 가능성이 높은 경향이 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 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 작동 메커니즘을 단순화하여 고장 발생 가능성을 줄이고 안정된 작동성을 가지도록 하며, 배기가스를 통과시키는 개구의 열림량 편차를 제거함으로써, 정확한 과급압력 제어가 가능하고 내구성이 향상된 가변형 터보차저를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명

터빈하우징 내에서 터빈휠 주위를 감싸는 형상으로 마련되고, 원주방향을 따라 다수의 고정베인이 구비된 이너링과;

상기 이너링의 외주면을 감싸는 형상으로 마련된 아웃터링과;

상기 다수의 고정베인과 각각 짝을 이루어 배기가스의 유로를 형성하도록 상기 아웃터링의 원주방향을 따라 다수개가 배치된 회전베인과;

상기 회전베인이 짝을 이루는 고정베인을 향하여 탄성적으로 지지되도록 상기 회전베인과 상기 아웃터링 사이에 설치된 스프링과;

상기 회전베인의 회전축에 일체로 구비된 베인가이드와;

상기 베인가이드의 회전 범위를 제한하도록 상기 아웃터링에 일체로 설치된 베인스토퍼;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 아웃터링은 상기 터빈하우징의 내측에 고정되고;

상기 이너링은 상기 터빈휠과 동축상에 마련되어 상기 터빈휠의 회전축을 중심으로 회전 가능하게 구비되며;

상기 고정베인은 상기 이너링의 일측면에 원주방향을 따라 등간격으로 고정 구비되고;

상기 회전베인의 내측면이 상기 고정베인의 외측면에 탄성적으로 접촉되도록 상기 아웃터링에 설치될 수 있다.

상기 아웃터링과 이너링의 사이에는 상기 아웃터링에 대한 이너링의 상대회전 범위를 제한할 수 있는 링돌기 및 링가이드홈이 상대적으로 구비될 수 있다.

상기 이너링에는 상기 링돌기가 상기 아웃터링을 향하여 돌출되게 일체로 형성되고;

상기 아웃터링에는 상기 링돌기가 삽입되어 일정한 회전범위에서 가이드되도록 상기 링가이드홈이 형성될 수 있다.

상기 베인가이드는 상기 회전베인의 회전축에 대하여 반경방향으로 돌출된 돌기 형상으로 형성되고;

상기 베인스토퍼는 상기 베인가이드가 접촉하면서 상기 회전베인의 회전이 제한되도록 상기 아웃터링의 측면으로 돌출된 블록 형상으로 형성될 수 있다.

상기 이너링이 아웃터링에 대하여 회전되어, 배기가스 유로를 최소로 하는 최대 닫힘상태를 형성할 때, 상기 베인가이드는 상기 베인스토퍼에 의해 회전이 제한되도록 설치될 수 있다.

본 발명은 터보차저의 작동 메커니즘을 단순화하여 고장 발생 가능성을 줄이고 안정된 작동성을 가지도록 하며, 배기가스를 통과시키는 개구의 열림량 편차를 제거함으로써, 정확한 과급압력 제어가 가능하고 내구성이 향상되도록 한다.

또한, 배기브레이크 작동 등과 같이 터빈휠의 배압 증가 시에도, 회전베인이 고정베인으로부터 이격되는 베인 플로팅 현상이 발생되지 않도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 가변형 터보차저의 주요 구성을 도시한 도면,
도 2는 도 1의 터빈휠과 이너링 및 아웃터링을 도시한 도면,
도 3은 도 1의 아웃터링과 회전베인을 도시한 도면,
도 4는 도 3의 아웃터링과 회전베인의 구조를 상세히 도시한 도면,
도 5는 회전베인이 제거된 아웃터링의 구조를 도시한 도면,
도 6은 이너링과 고정베인을 도시한 도면,
도 7은 이너링이 아웃터링에 대하여 회전되어, 배기가스 유로를 최소로 하는 최대 닫힘상태를 도시한 도면,
도 8은 도 7의 반대편에서 본 이너링과 아웃터링을 도시한 도면,
도 9는 이너링이 아웃터링에 대하여 회전되어, 배기가스 유로를 최대로 하는 최대 열림상태를 도시한 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 9를 참조하면, 본 발명 가변형 터보차저의 실시예는, 터빈하우징(1) 내에서 터빈휠(3) 주위를 감싸는 형상으로 마련되고, 원주방향을 따라 다수의 고정베인(5)이 구비된 이너링(7)과; 상기 이너링(7)의 외주면을 감싸는 형상으로 마련된 아웃터링(9)과; 상기 다수의 고정베인(5)과 각각 짝을 이루어 배기가스의 유로를 형성하도록 상기 아웃터링(9)의 원주방향을 따라 다수개가 배치된 회전베인(11)과; 상기 회전베인(11)이 짝을 이루는 고정베인(5)을 향하여 탄성적으로 지지되도록 상기 회전베인(11)과 상기 아웃터링(9) 사이에 설치된 스프링(13)과; 상기 회전베인(11)의 회전축에 일체로 구비된 베인가이드(15)와; 상기 베인가이드(15)의 회전 범위를 제한하도록 상기 아웃터링(9)에 일체로 설치된 베인스토퍼(17)를 포함하여 구성된다.

상기 아웃터링(9)은 상기 터빈하우징(1)의 내측에 고정되고, 상기 이너링(7)은 상기 터빈휠(3)과 동축상에 마련되어 상기 터빈휠(3)의 회전축을 중심으로 회전 가능하게 구비되며, 상기 고정베인(5)은 상기 이너링(7)의 일측면에 원주방향을 따라 등간격으로 고정 구비되고, 상기 회전베인(11)의 내측면이 상기 고정베인(5)의 외측면에 탄성적으로 접촉되도록 상기 아웃터링(9)에 설치된다.

즉, 상기 터빈하우징(1)으로 공급되어 상기 터빈휠(3)을 구동하는 배기가스의 유로를 상기 아웃터링(9)의 회전베인(11)과 이너링(7)의 고정베인(5)이 형성하도록 하되, 그 유로의 단면적을 상기 아웃터링(9)에 대한 이너링(7)의 회전에 의해 조절할 수 있도록 하고, 이때 상기 고정베인(5)의 회전에 따른 회전베인(11)의 거동은 상기 스프링(13)과 베인가이드(15) 및 베인스토퍼(17)에 의해 결정되도록 한 것이다.

물론, 상기 이너링(7)은 별도의 액츄에이터 등으로 상기 아웃터링(9)에 대해 상대 회전시킬 수 있도록 구성되어, 컨트롤러가 상기 액츄에이터를 제어하여 상기 이너링(7)을 회전시키면, 상기 고정베인(5)이 상기 회전베인(11)에 대하여 상대적으로 이동하게 되고, 이때 상기 회전베인(11)은 상기 스프링(13)의 탄성력에 의해 항상 상기 고정베인(5)과 접촉한 상태를 유지하면서 인접한 다른 고정베인(5) 및 회전베인(11)들과의 사이에 상기 터빈휠(3)로 공급될 배기가스의 유로를 형성 및 조절하는 것이다.

상기 이너링(7)은 상기 아웃터링(9)에 대해 도 7에 예시된 바와 같은 최대 닫힘상태로부터 도 9에 예시된 바와 같은 최대 열림상태까지 상대회전 할 수 있도록 구성된다.

본 발명에서는 상기한 바와 같이 이너링(7)과 아웃터링(9)의 상대회전 범위를 확실하게 제한하기 위하여, 상기 아웃터링(9)과 이너링(7)의 사이에는 상기 아웃터링(9)에 대한 이너링(7)의 상대회전 범위를 제한할 수 있는 링돌기(19) 및 링가이드홈(21)이 상대적으로 구비되도록 한다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 상기 이너링(7)에는 상기 링돌기(19)가 상기 아웃터링(9)을 향하여 돌출되게 일체로 형성되고, 상기 아웃터링(9)에는 상기 링돌기(19)가 삽입되어 일정한 회전범위에서 가이드되도록 상기 링가이드홈(21)이 형성된 구조로 하였다.

물론, 상기 링돌기(19)와 링가이드홈(21)은 그 위치를 바꾸어 상기 이너링(7)에 링가이드홈이 형성되고, 상기 아웃터링(9)에 링돌기가 형성되도록 구성할 수도 있을 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명의 가변형 터보차저는 상기 이너링(7)을 상기 링돌기(19)와 링가이드홈(21)이 제한하는 회전범위 내에서 상기 아웃터링(9)에 대하여 회전시킴에 의해, 상기 회전베인(11)과 고정베인(5)이 짝을 이루면서 형성하는 지오메트리의 변화 및 이웃한 회전베인(11)과 고정베인(5) 사이에 형성되는 유로 단면적의 변화에 의해 상기 터빈휠(3)로 유입되는 배기가스의 유동을 제어하게 되고, 이는 결국 상기 터빈휠(3)에 연결된 컴프레서의 작동을 제어하여, 연소실로 공급되는 흡기의 과급압력을 조절하게 되는 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명은 상기 짝을 이루는 회전베인(11)과 고정베인(5)들 사이의 유로 단면적의 변화는 물론, 한 쌍의 회전베인(11)과 고정베인(5) 자체가 형성하게 되는 지오메트리의 변화에 의해 배기가스의 유동을 변화시킬 수 있어서, 상기 회전베인(11)과 고정베인(5)의 프로파일을 최적화하여, 터빈휠(3)로 공급되는 배기가스의 Aerodynamic 특성의 개선이 용이한 장점이 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에서 상기 배기가스의 유로가 제어되는 것은 상기 이너링(7)의 회전에 따라 고정베인(5)의 회전베인(11)에 대한 상대적인 회전 변위에 의해 의해 이루어지는 것으로, 배기가스 유로 제어에 사용되는 메커니즘이 종래보다 단순하여, 관련 부품들 사이의 상호 섭동에 기인한 마모에 의해 발생되는 배기가스 유로의 열림량 편차를 제거함으로써, 정확한 과급압력 제어가 가능하고 터보차저의 내구성이 향상되도록 한다.

한편, 본 발명에서, 상기 베인가이드(15)는 상기 회전베인(11)의 회전축에 대하여 반경방향으로 돌출된 돌기 형상으로 형성되고, 상기 베인스토퍼(17)는 상기 베인가이드(15)가 접촉하면서 상기 회전베인(11)의 회전이 제한되도록 상기 아웃터링(9)의 측면으로 돌출된 블록 형상으로 형성된다.

상기 베인가이드(15)는 상기 이너링(7)이 아웃터링(9)에 대하여 회전되어, 도 7 및 도 8과 같이 배기가스 유로를 최소로 하는 최대 닫힘상태를 형성할 때, 상기 베인스토퍼(17)에 의해 회전이 제한되도록 설치된다.

이는 상기와 같은 최대 닫힘상태에서, 배기브레이크 기능이 작동하거나 하는 조건 등에 의해서 상기 터빈휠(3) 하류의 압력이 크게 상승하게 되면, 상기 회전베인(11)이 상기 스프링(13)의 탄성력만으로는 상기 고정베인(5)에 접촉된 상태를 유지하지 못하고, 고정베인(5)으로부터 분리되었다가 다시 접촉되는 현상이 반복되는 베인 플로팅(Vane Floating) 현상을 일으킬 수 있는데, 이는 소음 및 진동을 발생시키고 마모에 따른 내구성을 저하시키는 요인이 될 수 있는 바, 본 발명에서는 상기한 바와 같이 상기 베인가이드(15)의 회전을 상기 베인스토퍼(17)가 기구적으로 제한하도록 함으로써, 상기 회전베인(11)의 베인 플로팅 현상을 방지하고 정숙하고 안정된 상태를 유지할 수 있도록 하며, 내구성 저하를 방지하도록 한다.

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.

1; 터빈하우징
3; 터빈휠
5; 고정베인
7; 이너링
9; 아웃터링
11; 회전베인
13; 스프링
15; 베인가이드
17; 베인스토퍼
19; 링돌기
21; 링가이드홈

Claims (6)

1. 터빈하우징 내에서 터빈휠 주위를 감싸는 형상으로 마련되고, 원주방향을 따라 다수의 고정베인이 구비된 이너링과;
   상기 이너링의 외주면을 감싸는 형상으로 마련된 아웃터링과;
   상기 다수의 고정베인과 각각 짝을 이루어 배기가스의 유로를 형성하도록 상기 아웃터링의 원주방향을 따라 다수개가 배치된 회전베인과;
   상기 회전베인이 짝을 이루는 고정베인을 향하여 탄성적으로 지지되도록 상기 회전베인과 상기 아웃터링 사이에 설치된 스프링과;
   상기 회전베인의 회전축에 일체로 구비된 베인가이드와;
   상기 베인가이드의 회전 범위를 제한하도록 상기 아웃터링에 일체로 설치된 베인스토퍼;
   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 가변형 터보차저.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 아웃터링은 상기 터빈하우징의 내측에 고정되고;
   상기 이너링은 상기 터빈휠과 동축상에 마련되어 상기 터빈휠의 회전축을 중심으로 회전 가능하게 구비되며;
   상기 고정베인은 상기 이너링의 일측면에 원주방향을 따라 등간격으로 고정 구비되고;
   상기 회전베인의 내측면이 상기 고정베인의 외측면에 탄성적으로 접촉되도록 상기 아웃터링에 설치된 것
   을 특징으로 하는 가변형 터보차저.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 아웃터링과 이너링의 사이에는 상기 아웃터링에 대한 이너링의 상대회전 범위를 제한할 수 있는 링돌기 및 링가이드홈이 상대적으로 구비된 것
   을 특징으로 하는 가변형 터보차저.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 이너링에는 상기 링돌기가 상기 아웃터링을 향하여 돌출되게 일체로 형성되고;
   상기 아웃터링에는 상기 링돌기가 삽입되어 일정한 회전범위에서 가이드되도록 상기 링가이드홈이 형성된 것
   을 특징으로 하는 가변형 터보차저.
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 베인가이드는 상기 회전베인의 회전축에 대하여 반경방향으로 돌출된 돌기 형상으로 형성되고;
   상기 베인스토퍼는 상기 베인가이드가 접촉하면서 상기 회전베인의 회전이 제한되도록 상기 아웃터링의 측면으로 돌출된 블록 형상으로 형성된 것
   을 특징으로 하는 가변형 터보차저.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 이너링이 아웃터링에 대하여 회전되어, 배기가스 유로를 최소로 하는 최대 닫힘상태를 형성할 때, 상기 베인가이드는 상기 베인스토퍼에 의해 회전이 제한되도록 설치된 것
   을 특징으로 하는 가변형 터보차저.
   

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