KR20200065743A - 터보차저 체결구조 - Google Patents

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KR20200065743A
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박정주
김한상
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 터보차저 체결구조에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 터보차저 체결구조는 2구의 배출구를 포함하는 배기 일체형 헤드, 상기 배기 일체형 헤드와 체결되도록 터보차저 일단에 위치하는 체결부, 상기 체결부 상에 위치하고 상기 배기 일체형 헤드의 상기 2구 배출구와 대응되도록 구성되며, 상기 배기 일체형 헤드를 통해 배기가스가 상기 터보차저로 유입되도록 격벽을 포함하는 유입공을 포함한다.

Description

터보차저 체결구조{Tightening structure for Turbocharger}
본 발명은 터보차저 체결구조에 관한 것으로, 더 바람직하게, 배기 일체형 헤드와 체결되는 터보차저 구성을 개시하고 있는바, 2구 배기 일체형 헤드에 대응되는 형상을 갖는 체결부를 포함하는 터보차저를 제공하여, 배기가스의 유동성을 개선하고, 배기 일체형 헤드의 열해를 방지하기 위한 터보차저 체결구조에 관한 것이다.
터보차저는 배출가스의 에너지로 터빈 휠을 회전시키고 컴프레서에 의해 흡입된 공기를 압축하여 실린더로 보낸다. 터보차저의 본체는 블레이드(Blade)가 설치된 터빈 휠(Turbine Wheel)과 컴프레서 휠(Compressor Wheel)을 1개의 축에 연결하고 각각을 하우징으로 둘러싼 간단한 구조로 배기 매니폴드 집합부의 근방에 위치한다.
터보차저의 동적(kinematics) 구성요소 또는 웨이스트게이트 구성요소는 높은 동적 에너지가 인가되는바, 높은 물성치를 요구하고 있다. 또한, 위에서 언급한 구성요소들은 고온의 환경에서 작동되는바, 내열성능이 요구되고 있다.
다시 말하면, 터보차저를 구성하는 요소들은 매우 높은 온도에서도 충분한 강도 및 그에 따른 치수 안정성을 여전히 가져야 한다. 더욱이, 터보차저를 구성하는 요소들은 높은 내마모성과 적절한 내산화성을 가져야 하고, 그에 따라 수백 ℃의 높은 작동 온도에서도 재료의 부식 또는 마모가 감소하여, 극한의 작동 조건 하에서도 재료의 내구성이 확보되어야 한다.
그뿐 아니라, 터보차저의 구동력이 인가되기 위해 엔진 구동에 따라 발생하는 배기가스가 터보차저로 유입되도록 구성되는바, 엔진 배기 매니폴드와 연결되는 터보차저 체결부는 고온의 배기가스가 유입됨에 따라 높은 내열성을 가져야 한다.
최근들어, 배기 일체형 헤드로서 2구의 배출구를 포함하는 배기 매니폴드에 있어서, 상기 2구로 구성되는 배출구 사이의 헤드 격벽에 열해문제가 발생하였다.
도 1 내지 2는 단일 유입공을 포함하는 터보차저가 배기 일체형 헤드로서 2구의 배출구와 체결되는 구성에 있어서 발생되는 열해 문제를 도시하고 있다.
상기 열해로 인해 배기 일체형 헤드의 배출구 사이에 위치하는 헤드 격벽은 경도가 저하되고 또는 심할 경우 녹는 현상까지 발생하는 문제점이 존재하였다.
특허문헌1: 대한민국 등록특허 10-1639345호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 2구 배출구를 포함하는 배기 매니폴드 일체형 헤드에 대응하여 터보차저 유입공에 격벽을 포함하는 체결구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 배기 매니폴드 일체형 헤드와 터보차저 체결부 사이의 스탑퍼를 포함하여 비드의 열화 강건성이 확보되는 터보차저 체결구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알 수 있다. 또한 본 발명의 목적들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 터보차저 체결구조는 다음과 같은 구성을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서는, 2구의 배출구를 포함하는 배기 일체형 헤드; 상기 배기 일체형 헤드와 체결되도록 터보차저 일단에 위치하는 체결부; 상기 체결부 상에 위치하고 상기 배기 일체형 헤드의 상기 2구 배출구와 대응되도록 구성되며, 상기 배기 일체형 헤드를 통해 배기가스가 상기 터보차저로 유입되도록 격벽을 포함하는 유입공;으로 구성되는 터보차저 체결구조를 제공한다.
또한, 상기 유입공에 위치하는 격벽은, 유입파이프를 따라 길이 방향으로 연장되고, 상기 유입파이프 내측의 일단이 유선형으로 구성되도록 곡률부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저 체결구조를 제공한다.
또한, 상기 체결부 상에 상기 유입공의 형상에 대응되도록 구성되는 다수의 가스켓을 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 터보차저 체결구조를 제공한다.
또한, 상기 다수의 가스켓 사이에는 적어도 하나 이상의 스탑퍼;를 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 터보차저 체결구조를 제공한다.
또한, 상기 스탑퍼가 위치하는 상기 가스켓의 양 끝단에 헤밍부;를 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 터보차저 체결구조를 제공한다.
본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 배기가스에 의해 손상될 수 있는 배기 일체형 헤드의 헤드 격벽의 강건성을 확보할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 터보차저 체결부에 인가되는 열간섭의 영역을 축소하는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 터보차저 유입공을 통해 유입되는 배기가스의 유동성능 개선의 효과를 갖는다.
도 1은 종래 기술로서, 2구의 배출구를 포함하는 배기 일체형 헤드와 1구의 유입공을 포함하는 터보차저의 결합구조를 도시하고 있다.
도 2는 종래 기술로서, 2구의 배출구를 포함하는 배기 일체형 헤드와 1구의 유입공을 포함하는 터보차저의 결합구조에 따른 열 해석 결과를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예로서, 터보차저 체결구조를 포함하는 터보차저 체결부의 구성을 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예로서, 터보차저 체결구조를 포함하는 터보차저 체결부의 측단면도 구성을 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예로서, 터보차저 체결구조를 포함하는 터보차저 체결부의 스탑퍼 구성을 측단면도로 도시하고 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예로서, 터보차저 체결구조를 포함하는 유동중의 배기가스의 열 해석 결과를 도시하고 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예로서, 터보차저 체결구조를 포함하는 유동 종료시의 배기가스의 열 해석 결과를 도시하고 있다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...구", "...격벽(130)" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 또는 하드웨어 의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 엔진의 배기 매니폴드(200)에 배기 일체형 헤드(220)를 포함하고, 2구의 배출구를 포함하는 구성에 있어서, 상기 배기 일체형 헤드(220)와 마주하도록 구성되는 터보차저의 체결구조에 관한 기술이다.
본 발명의 터보차저(100)는 싱글 스크롤 방식을 사용하는 구성으로서, 터보차저(100) 하우징(160), 하우징(160) 내측에 위치하는 터빈 휠(Turbine Wheel)(미도시), 상기 터빈 휠과 하나의 샤프트로 구성되는 컴프레서 휠(Compressor Wheel)(미도시)의 구성을 포함하는바, 엔진의 배기 매니폴드(200)를 통해 유입되는 배기가스에 의해 터빈 휠을 회전시키도록 구성된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 배기 매니폴드(200)는 배기 일체형 헤드(220)를 포함하도록 구성되는바, 엔진 실린더와 연결되는 러너를 통해 유입되는 배기가 하나의 배기 일체형 헤드(220)를 통해 배출되도록 구성될 수 있다. 더 바람직하게, 본 발명의 러너는 엔진 실린더에 따라 각각 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 배기 일체형 헤드(220)는 2구의 배출구를 포함하도록 구성되어 러너를 통해 유입되는 배기가스가 상기 2구의 배출구를 통해 터보차저(100) 일단으로 유입되도록 구성된다.
터보차저(100) 하우징(160) 일단에 위치하는 체결부(110)는 상기 배기 일체형 헤드(220)와 체결되도록 구성되는바, 상기 2구의 배출구를 모두 덮도록 구성되는 유입공(120)을 포함한다.
유입공(120)은 상기 2구의 배출구와 실질적으로 대응되도록 구성되는바, 2구의 유입공(120)을 갖도록 유입공(120) 중심부에는 격벽(130)을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 격벽(130)은 유입공(120)의 중심부에 위치하도록 구성될 수 있는바, 배기 일체형 헤드(220)의 헤드 격벽(210) 형상과 동일한 방향으로 격벽(130)을 구성할 수 있다. 이처럼, 본 발명의 유입공(120) 중심부에 위치하는 격벽(130)은 배기 일체형 헤드(220)의 형상에 따라 변경될 수 있다.
도 4에서는 본 발명의 일 실시예로서, 터보차저(100) 체결부(110) 및 유입공(120)을 포함하는 부분의 A-A'측 단면도를 도시하고 있다.
도시된 바와 같이, 배기 일체형 헤드(220)와 체결되도록 구성되는 체결부(110) 내측으로 배기가스가 유입되도록 구성되는 유입공(120)을 포함하고, 상기 유입공(120)은 상하로 분할되도록 구성된다. 본 발명의 일 실시예에서, 체결부(110) 상단에 위치하는 제 1유입공(121) 및 체결부(110) 하단에 위치하는 제 2유입공(122)으로 구분될 수 있다. 격벽(130)은 제 1유입공(121)과 제 2유입공(122)을 구획하도록 체결부(110) 중심부에 위치하도록 구성된다.
더욱이, 격벽(130)은 배기가스가 유입되도록 구성되는 유입파이프(140)의 형상을 따라 상기 유입파이프(140) 길이방향으로 연장되도록 구성된다. 또한, 유입파이프(140)의 형상을 따라 내측으로 연장된 격벽(130)의 일단은 곡률부(131)를 포함하여 유선형으로 구성될 수 있다.
본 발명의 격벽(130)은 유입파이프(140)의 길이에 따라 상기 유입파이프(140) 내측으로 연장되는 길이가 설정되고, 유입파이프(140)의 형상에 따라 유입파이프(140) 내측으로 연장된 격벽(130)의 끝단의 곡률부(131)가 설정될 수 있다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 제 1유입공(121)과 제 2유입공(122)의 유로 단면적이 실질적으로 동일할 수 있도록 격벽(130)의 곡률부(131)를 설정할 수 있으며, 터보차저(100)의 유입파이프(140)가 급격하게 휘도록 구성되는바, 격벽(130)의 폭과 길이가 실질적으로 동일하게 형성된다. 더 바람직하게, 본 발명의 일 실시예에서는 격벽(130)의 유입공(120)과 수평의 폭과 유입 파이프로 인입된 격벽(130)의 길이 비는 1:1 내지 1:1.2의 비를 갖도록 구성될 수 있다.
상기와 같이, 격벽(130)을 포함하는 터보차저(100)와 체결되는 배기 일체형 헤드(220)의 경우, 격벽(130)이 존재하지 않는 구성과 비교하여 최대 35°C의 온도 저감 효과를 갖는다.
도 5는 본 발명의 일 실시예로서, 체결부(110)에 위치하는 제 1유입공(121) 및 제 2유입공(122)을 둘러싸듯 위치하는 가스켓(151) 및 스탑퍼(150)의 구성 단면도를 도시하고 있다.
도 3의 B-B'의 단면을 통해 격벽(130)에 위치하는 구성을 살펴볼 경우, 제 1유입공(121) 및 제 2유입공(122)을 둘러싸듯 구성되어 다수의 가스켓(151)이 적층되어 위치되는 구성을 포함하고, 다수의 가스켓(151) 중 적어도 하나와 접하도록 구성되는 스탑퍼(150)를 포함도록 구성된다.
스탑퍼(150)는 다수의 가스켓(151)층 사이에 위치하는 구성으로서, 상기 가스켓(151)의 비드가 무너지는 경우에도 최소의 높이를 유지할 수 있도록 지지하는 기능을 수행한다.
본 발명의 일 실시예로서, 스탑퍼(150)의 양 끝단은 상기 스탑퍼(150)가 적층되도록 구성되는 가스켓(151)의 하면으로 말려 들어가도록 구성될 수 있다. 더 바람직하게, 스탑퍼(150)는 다수의 가스켓(151) 중 적어도 하나의 상면에 위치하도록 구성되고, 양 끝단은 상기 가스켓(151)의 하면으로 인입되도록 구성되는바, 가스켓(151)의 양 끝단을 감사도록 구성되는 헤밍부(152)를 포함한다. 다만, 상기 스탑퍼(150)는 가스켓(151)의 비드 무너짐에 따라 최소의 높이를 제공하기 위한 구성으로서, 양끝단은 가스켓(151) 내측 또는 외측에 선택적으로 위치될 수 있다.
정리하면, 본 발명의 스탑퍼(150)는 가스켓(151) 사이에 위치하도록 구성될 수 있으며, 끝단은 헤밍부(152)를 포함할 수 있도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 각각의 가스켓(151) 구성은 0.25mm 의 두께를 갖도록 구성되고, 스탑퍼(150)는 0.15mm의 두께를 갖도록 구성된다. 상기와 같이 구성되는 스탑퍼(150)는 상기 가스켓(151)이 고온에 노출되는 경우에도 비드 높이가 주저앉지 않도록 방지하기 위한 구성이다.
이렇게 구성되는 내열성을 갖는 스탑퍼(150) 구성을 통해서 유입되는 배기가스의 고온에 따라 가스켓(151)의 비드가 무너지는 경우에도 유입공(120)과 배기 일체형 헤드(220)의 배출구와의 높이를 유지할 수 있도록 구성된다.
즉, 도시된 바와 같이, 가스켓(151)은 비드의 텐션을 통해 실링을 유지하도록 구성되는바, 비드 변형 또는 상기 비드가 고온에 의해 무너지는 경우에도 스탑퍼(150)를 통해 최저 높이 이상의 가스켓(151) 구성을 제공하도록 구성된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예로서, 터보차저(100) 체결구조를 포함하는 차량의 배기유동이 존재하는 경우, 열해석을 수행한 결과를 도시하고 있다.
도시된 바와 같이, 유입공(120)에 격벽(130)을 포함하지 않는 종래 기술의 경우, 배기 일체형 헤드(220)에 위치하는 헤드 격벽(210)을 따라 배기가스가 유동하도록 구성되고, 1구로 구성되는 유입공(120)을 따라 유입되는 배기가스는 유입파이프(140)의 급격한 곡률 변경 위치에서 와류가 발생한다. 또한, 와류가 발생하는 영역의 전단으로서, 배기가스 배출구 내측에서는 상기 와류 영역에 기인하여 유동 간섭 영역이 나타난다.
이와 비교하여, 본 발명의 일 실시예로서, 유입공(120)의 중심부에 위치하는 격벽(130)을 포함하는 터보차저(100) 체결구조를 차용할 경우, 배기가스의 유동에 따른 열해석에서는 간섭 영역이 축소되는 것을 확인할 수 있다.
즉, 터보차저(100)의 유입공(120) 격벽(130)을 따라 배기가스가 유입파이프(140) 내측으로 보다 깊이 유입되도록 구성되는바, 배기 일체형 헤드(220) 내측에 발생되는 간섭영역이 축소되는 결과를 도시하고 있다.
이와 유사하게, 도 7에서는 본 발명의 일 실시예로서, 터보차저(100) 체결구조를 포함하는 차량의 배기유동이 존재하지 않는 경우, 열해석을 수행한 결과를 도시하고 있다.
도 6의 결과와 유사하게, 유입공(120)에 격벽(130)을 포함하지 않는 종래 기술의 경우, 배기 일체형 헤드(220)에 위치하는 헤드 격벽(210)을 따라 배기가스가 유동하도록 구성되고, 1구로 구성되는 유입공(120)을 따라 유입되는 배기가스는 유입파이프(140)의 급격한 곡률을 가지는 영역에서 와류가 발생한다. 또한, 와류가 발생하는 영역의 전단으로서, 배기가스 배출구 내측에서는 상기 와류 영역에 기인하여 유동 간섭 영역이 나타난다.
다만, 본 발명의 터보차저(100) 체결구조를 차용한 열해석 결과는 터보차저(100)의 유입공(120) 격벽(130)을 따라 배기가스가 유입파이프(140) 내측으로 보다 깊이 유입되도록 구성되는바, 배기 일체형 헤드(220) 내측에 발생되는 간섭영역이 축소되며, 더욱이, 와류 영역이 감소하는 효과를 도시하고 있다.
이처럼, 본 발명의 경우, 배기 일체형 헤드(220)와 실질적으로 대응되도록 터보차저(100) 유입공(120)에 격벽(130)을 형성할 경우, 배기 일체형 헤드(220) 상에 열해를 방지할 수 있으며, 동시에 터보차저(100) 내측으로 유입되는 배기가스의 유동성능 개선의 효과를 갖는다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 기술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 기술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
100: 터보차저
110: 체결부
120: 유입공
121: 제 1유입공
122: 제 2유입공
130: 격벽
131: 곡률부
140: 유입파이프
150: 스탑퍼
151: 가스켓
152: 헤밍부
160: 하우징
200: 배기 매니폴드
210: 헤드 격벽
220: 배기 일체형 헤드

Claims (5)

  1. 2구의 배출구를 포함하는 배기 일체형 헤드;
    상기 배기 일체형 헤드와 체결되도록 터보차저 일단에 위치하는 체결부;
    상기 체결부 상에 위치하고 상기 배기 일체형 헤드의 상기 2구 배출구와 대응되도록 구성되며, 상기 배기 일체형 헤드를 통해 배기가스가 상기 터보차저로 유입되도록 격벽을 포함하는 유입공;으로 구성되는 터보차저 체결구조.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 유입공에 위치하는 격벽은,
    유입파이프를 따라 길이 방향으로 연장되고, 상기 유입파이프 내측의 일단이 유선형으로 구성되도록 곡률부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저 체결구조.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 체결부 상에 상기 유입공의 형상에 대응되도록 구성되는 다수의 가스켓을 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 터보차저 체결구조.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 다수의 가스켓 사이에는 적어도 하나 이상의 스탑퍼;를 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 터보차저 체결구조.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 스탑퍼가 위치하는 상기 가스켓의 양 끝단에 헤밍부;를 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 터보차저 체결구조.
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