KR20210015295A

KR20210015295A - 가변 형상 터보차저

Info

Publication number: KR20210015295A
Application number: KR1020190093922A
Authority: KR
Inventors: 조민국
Original assignee: 현대위아 주식회사
Priority date: 2019-08-01
Filing date: 2019-08-01
Publication date: 2021-02-10

Abstract

본 발명은 엔진 운전상태에 따라 베인의 위치를 변경하면서 회전 작동하여 배기유량을 최적화하는 기술에 관한 것으로, 본 발명에서는, 터빈휠의 둘레를 따라 마련되고, 액추에이터의 작동력이 제공되어 축을 중심으로 피봇 회전하는 베인; 상기 베인의 축이 삽입되는 피봇홀이 형성되고, 상기 베인의 회전방향에 따라 베인의 피봇 회전 위치가 터빈휠로부터 멀어지거나 가까워지도록 피봇홀이 형성된 베이스링;을 포함하여 구성되는 가변 형상 터보차저가 소개된다.

Description

가변 형상 터보차저{Variable Geometry Turbocharger}

본 발명은 엔진 운전상태에 따라 베인의 위치를 변경하면서 회전 작동하여 배기유량을 최적화하는 가변 형상 터보차저에 관한 것이다.

터보랙은 가속페달을 밟아 스로틀밸브를 열었을 때 실린더에 흡입되는 공기량이 신속하게 증가하지 않고 지연되어 흡입되는 현상으로, 저 RPM에서 발진 가속할 때나 가속할 때에 발생한다.

이는, 차량의 운전조건에 따라 베인의 개도율을 변경하는 가변 형상 터보차저(VGT : Variable Geometry Turbocharger) 기술을 통해 터보랙 현상을 개선할 수 있다.

VGT는 가변 제어식 베인의 각도를 변화시켜 흡입공기량을 제어하는 터보차저로서, 엔진의 속도와 힘에 따라 흡입공기량를 제어하여 과급압력을 제어한다.

예를 들어, 원형으로 이루어진 컨트롤링의 원주방향을 따라 다수의 베인암 일단이 각각 연결되고, 상기 베인암의 타단에 회전축이 구비되며, 상기 회전축에 베인이 회전 가능하게 연결된다.

즉, 액추에이터의 작동력에 의해 컨트롤링이 회전되면, 상기 컨트롤링에 연결된 베인암이 회전축을 중심으로 회전하면서 회전축에 연결된 베인들이 동시에 원하는 각도만큼 회전하게 된다.

따라서, 엔진의 저 RPM 운전영역의 경우, 베인의 각도 변화를 통해 터빈휠에 배기가스가 유입되는 유로의 단면적을 좁혀 배기가스의 유속을 증가시키고, 이를 통해 터빈의 회전속도를 상승시켜 터보차저의 응답성을 향상시킬 수 있고, 이에 터보랙을 개선하게 된다.

그리고, 엔진의 고 RPM 운전영역에서는 베인의 각도 변화를 통해 배기가스 유로의 단면적을 넓혀 배기유량을 증가시킴으로써, 중고속 운전영역에서 엔진 운전에 필요한 과급압력을 확보할 수 있게 된다.

하지만, 기존에는 베인의 위치가 고정된 상태에서 회전만 함으로써, 베인의 작동범위가 제한적이고, 이에 엔진 작동상태에 따라 최적화된 배기유량을 공급하기 어려운 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 KR 10-2018-0124961 A

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 엔진 운전상태에 따라 베인의 위치를 변경하면서 회전 작동하여 배기유량을 최적화하는 가변 형상 터보차저를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 터빈휠의 둘레를 따라 마련되고, 액추에이터의 작동력이 제공되어 축을 중심으로 피봇 회전하는 베인; 상기 베인의 축이 삽입되는 피봇홀이 형성되고, 상기 베인의 회전방향에 따라 베인의 피봇 회전 위치가 터빈휠로부터 멀어지거나 가까워지도록 피봇홀이 형성된 베이스링;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 피봇홀은 장공의 홀 형상으로 형성되되, 상기 피봇홀의 일단에서 타단으로 향할수록 터빈휠의 축 중심과 멀어지도록 형성될 수 있다.

각 베인의 피봇 회전 위치를 연결한 가상의 원을 기준으로 상기 피봇홀의 일단에서 베인이 최대로 누여지고, 상기 피봇홀의 타단에서 베인이 최대로 세워지는 상태가 될 수 있다.

상기 피봇홀의 폭은 상기 베인의 축의 외경과 대응하도록 형성되어 상기 베인이 피봇홀의 내면을 따라 가이드 이동될 수 있다.

상기 액추에이터의 작동력을 제공받아 상기 터빈휠의 축을 중심으로 회전하는 컨트롤링; 일단이 상기 컨트롤링에 상대 회전되도록 끼워지고, 타단이 상기 피봇홀을 덮는 형상으로 형성되어 상기 베인의 축에 결합되는 베인암;을 포함할 수 있다.

상기 베인암의 타단 중앙에 베인이 결합되고; 상기 베인이 결합되는 홀의 양단에 커버부가 돌출되어 형성될 수 있다.

상기 커버부는 상기 피봇홀의 형상과 대응하는 형상으로 형성되되, 상기 피봇홀의 단면적보다 큰 단면적을 갖도록 형성될 수 있다.

상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 엔진의 저 RPM 운전영역에서는 베인의 회전 위치가 터빈휠과 가까워지도록 이동됨으로써, 베인과 터빈휠 사이가 가까워져(PCD 감소) 배기가스의 유동로스가 감소되는바, 저속에서의 효율이 향상되어 응답성을 향상시키는 효과가 있다.

아울러, 엔진의 고 RPM 운전영역에서는 베인의 회전 위치가 터빈휠과 멀어지도록 이동됨으로써, 베인과 터빈휠 사이가 멀어져(PCD 증대) 배기유량이 유입되는 캐비티가 증가하고, 이에 최대 유량이 더욱 증가하게 되는바, 터빈휠의 크기를 줄일 수 있고, 터빈휠의 크기가 감소하는 만큼 터빈휠의 이너셔가 감소되어 터보차저의 응답성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의해 베인 사이의 거리가 좁혀진 상태를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 의해 베인 사이의 거리가 넓어진 상태를 도시한 도면.
도 3은 도 1의 배면에서 보여지는 상태를 도시한 도면.
도 4는 도 2의 배면에서 보여지는 상태를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 베인과 베인암의 형상을 도시한 도면.

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

본 발명의 가변 형상 터보차저는, 베인(20)과, 피봇홀(32)이 형성된 베이스링(30)을 포함하여 구성이 된다.

도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명을 살펴보면, 먼저 베인(20)은 터빈휠(10)의 둘레를 따라 마련되고, 액추에이터(60)의 작동력이 제공되어 축을 중심으로 피봇 회전된다.

베이스링(30)은 상기 베인(20)의 축이 삽입되는 피봇홀(32)이 형성되고, 상기 베인(20)의 회전방향에 따라 베인(20)의 피봇 회전 위치가 터빈휠(10)로부터 멀어지거나 가까워지도록 피봇홀(32)이 형성된다.

예컨대, 상기 터빈휠(10)의 중심으로부터 일정 반경 위치에 원주방향을 따라 등간격을 이루어 다수의 베인(20)이 구비된다. 그리고, 상기 베인(20)의 중단에 축이 각각 형성되어, 상기 축을 중심으로 베인(20)이 회전 작동된다.

그리고, 상기 베이스링(30)에는 상기 베인(20)과 대응하는 위치에 피봇홀(32)이 각각 형성됨으로써, 각 베인(20)의 축이 피봇홀(32)에 관통하여 구비된다. 특히, 상기 베인(20)의 피봇 회전방향에 따라 베인(20)의 회전 위치가 터빈휠(10)의 중심으로부터 멀어지거나 가까워지도록 피봇홀(32)이 형성된다.

이 같은 구성에 따르면, 엔진의 저 RPM 운전영역에서는 베인(20)들 사이가 폐쇄되는 방향으로 회전됨으로써, 베인(20) 사이에 유입되는 배기가스의 유속이 증대되어 터빈휠(10)의 회전속도를 향상시키게 된다.

특히, 이때에 베인(20)의 회전 위치가 터빈휠(10)과 가까워지도록 이동됨으로써, 베인(20)과 터빈휠(10) 사이가 가까워져(PCD 감소) 배기가스의 유동로스가 감소되는바, 저속에서의 효율이 향상되어 응답성을 더욱 향상시키게 된다.

즉, 저 RPM 구간에서 베인(20)과 터빈휠(10) 간의 거리가 멀어질수록 베인(20) 사이를 통과한 배기가스의 유동에 와류가 생성되어 성능이 하락할 수 있게 되는바, 베인(20)과 터빈휠(10) 사이의 거리를 줄여 이를 해소하게 된다.

아울러, 엔진의 고 RPM 운전영역에서는 베인(20)들 사이가 개방되는 방향으로 회전됨으로써, 베인(20) 사이에 유입되는 배기유량이 증대되어 다양한 운전영역에서 적절한 배기유량을 공급할 수 있게 된다.

특히, 이때에 베인(20)의 회전 위치가 터빈휠(10)과 멀어지도록 이동됨으로써, 베인(20)과 터빈휠(10) 사이가 멀어져(PCD 증대) 배기유량이 유입되는 캐비티 증가에 의해 최대 유량이 더욱 증가하게 되는바, 터빈휠(10)의 크기를 줄일 수 있고, 터빈휠(10)의 크기가 감소하는 만큼 터빈휠(10)의 이너셔가 감소되어 터보차저의 응답성을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

상기 베인(20)의 피봇 회전 위치를 변화시키기 위한 기술수단의 바람직한 예시로서, 상기 피봇홀(32)이 장공의 홀 형상으로 형성되되, 상기 피봇홀(32)의 일단에서 타단으로 향할수록 터빈휠(10)의 축 중심과 멀어지도록 형성될 수 있다.

즉, 상기 피봇홀(32)의 일단이 피봇홀(32)의 타단보다 터빈휠(10)의 중심과의 거리가 더 가깝도록 피봇홀(32)이 형성된다.

따라서, 피봇홀(32)의 일단에 베인(20)이 위치 이동하는 경우, 상기 베인(20)의 축과 터빈휠(10) 사이의 거리가 상대적으로 짧아지고, 상기 피봇홀(32)의 타단에 베인(20)이 위치 이동하는 경우 상기 베인(20)의 축과 터빈휠(10) 사이의 거리가 상대적으로 멀어지게 된다.

아울러, 각 베인(20)의 피봇 회전 위치를 연결한 가상의 원을 기준으로 상기 피봇홀(32)의 일단에서 베인(20)이 최대로 누여지고, 상기 피봇홀(32)의 타단에서 베인(20)이 최대로 세워지는 상태가 된다.

즉, 베인(20)이 피봇홀(32)의 일단에 위치시, 베인(20)이 회전할 수 있는 회전각범위 내에서 상기 가상의 원을 기준으로 최대로 누여지는 상태가 됨으로써, 베인(20) 사이의 간격이 좁아지게 되어 배기가스의 유속이 증가하게 된다.

반면, 베인(20)이 피봇홀(32)의 타단에 위치시, 베인(20)이 회전할 수 있는 회전각범위 내에서 상기 가상의 원을 기준으로 최대로 세워지는 상태가 됨으로써, 베인(20) 사이의 간격이 넓어지게 되어 배기유량이 증대된다.

더불어, 상기 피봇홀(32)의 폭은 상기 베인(20)의 축의 외경과 대응하도록 형성되어 상기 베인(20)이 피봇홀(32)의 내면을 따라 가이드 이동될 수 있다.

예컨대, 상기 베인(20)의 축 중단이 상기 피봇홀(32) 내에 삽입되는 것으로, 상기 베인(20)의 축 중단의 외경이 피봇홀(32)의 폭과 같거나 오차범위 내에서 작게 형성됨으로써, 상기 베인(20)이 피봇홀(32)의 일단과 타단 사이에서 안정적으로 이동될 수 있다.

계속해서, 본 발명은 액추에이터(60)의 작동력을 베인(20)에 전달하기 위해 컨트롤링(50)과, 베인암(40)을 더 포함하여 구성이 될 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 컨트롤링(50)은 상기 액추에이터(60)의 작동력을 제공받아 상기 터빈휠(10)의 축을 중심으로 회전되는 것으로, 상기 터빈휠(10)의 축 중심으로부터 베인(20)의 바깥쪽 반경 위치에 상기 베인(20)을 감싸는 링 형상으로 설치된다.

그리고, 상기 컨트롤링(50)의 내주면에는 상기 베인(20)에 대향하여 작동홈(51)이 형성된다.

이에, 각 베인암(40)의 일단에 형성된 작동돌기(41)가 상기 컨트롤링(50)에 형성된 각 작동홈(51) 내에 상대 회전되도록 끼워지고, 상기 베인암(40)의 타단 중앙에 결합홀(42)이 형성되어 상기 결합홀(42)에 상기 베인(20)의 축 단부가 결합됨으로써, 상기 컨트롤링(50)의 회전에 따라 베인암(40)이 회전되고, 베인암(40)의 회전에 의해 베인(20)이 함께 회전된다.

특히, 본 발명에서는 상기 베인암(40)의 타단이 상기 피봇홀(32)을 덮는 형상으로 형성된다. 예컨대, 상기 베인(20)은 피봇홀(32)을 기준으로 베이스링(30)의 일측에 구비되고, 상기 베인암(40)은 상기 피봇홀(32)을 기준으로 베이스링(30)의 타측에 구비되어 상기 베이스링(30)의 타측에서 상기 피봇홀(32)을 막게 된다.

상기 피봇홀(32)을 덮기 위한 베인암(40)의 바람직한 예시로서, 도 3 내지 도 5를 참조하면, 상기 베인암(40)의 타단 중앙에 베인(20)의 축이 결합되고, 상기 베인(20)의 축이 결합되는 결합홀(42)의 양단에 커버부(43)가 돌출되어 형성될 수 있다.

이때에, 상기 커버부(43)는 상기 피봇홀(32)의 형상과 대응하는 형상으로 형성되되, 상기 피봇홀(32)의 단면적보다 큰 단면적을 갖도록 형성이 된다.

즉, 상기 베인암(40)의 타단이 상기 피봇홀(32)을 충분히 덮을 수 있는 크기와 형상으로 형성됨으로써, 베인(20)에 유입되는 배기가스가 상기 피봇홀(32)을 통해 빠져나가게 되는 것을 최소화하게 되어, 터빈휠(10)에 공급되는 배기유량이 감소하는 것을 방지하게 된다.

한편, 이하에서 본 발명에 따른 베인(20)의 피봇 회전 위치가 이동되는 작동을 설명하면, 도 1의 상태에서 엔진의 고 RPM 운전조건에 따라 액추에이터(60)의 작동에 의해 컨트롤링(50)이 반시계방향으로 회전되는 경우, 컨트롤링(50)이 베인암(40)의 일단을 반시계방향으로 끌면서 함께 회전되어 베인암(40)이 반시계방향으로 회전된다.

이에, 상기 베인암(40)의 타단에 결합된 베인(20) 역시 함께 그 축을 중심으로 반시계방향으로 회전됨으로써, 상기 베인(20) 사이가 넓어지게 된다.

그리고, 이와 함께 상기 베인(20)의 축이 상기 피봇홀(32)을 따라 반시계방향으로 이동됨으로써, 도 2와 같이 상기 베인(20)의 피봇 회전 위치가 외측 반경방향으로 이동되어 터빈휠(10)과 베인(20) 간의 거리가 멀어지게 된다.

따라서, 베인(20)과 터빈휠(10) 사이에 캐비티가 증대되어 배기유량이 더욱 증대될 수 있게 된다.

이어서, 도 2의 상태에서 엔진의 저 RPM 운전조건에 따라 액추에이터(60)의 작동에 의해 컨트롤링(50)이 시계방향으로 회전되는 경우, 컨트롤링(50)이 베인암(40)의 일단을 시계방향으로 끌면서 함께 회전되어 베인암(40)이 시계방향으로 회전된다.

이에, 상기 베인암(40)의 타단에 결합된 베인(20) 역시 함께 그 축을 중심으로 시계방향으로 회전됨으로써, 상기 베인(20) 사이가 다시 좁아지게 된다.

그리고, 이와 함께 상기 베인(20)의 축이 상기 피봇홀(32)을 따라 시계방향으로 이동됨으로써, 도 1과 같이 상기 베인(20)의 피봇 회전 위치가 내측 반경방향으로 이동되어 터빈휠(10)과 베인(20) 간의 거리가 가까워지게 된다.

따라서, 베인(20)과 터빈휠(10) 사이가 가까워지게 됨으로써, 저속에서 터빈휠(10)의 회전효율이 향상되어 응답성을 향상시키게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 엔진의 저 RPM 운전영역에서는 베인(20)의 회전 위치가 터빈휠(10)과 가까워지도록 이동됨으로써, 베인(20)과 터빈휠(10) 사이가 가까워져(PCD 감소) 배기가스의 유동로스가 감소되는바, 저속에서의 효율이 향상되어 응답성을 향상시키게 된다.

아울러, 엔진의 고 RPM 운전영역에서는 베인(20)의 회전 위치가 터빈휠(10)과 멀어지도록 이동됨으로써, 베인(20)과 터빈휠(10) 사이가 멀어져(PCD 증대) 배기유량이 유입되는 캐비티가 증가하고, 이에 최대 유량이 더욱 증가하게 되는바, 터빈휠(10)의 크기를 줄일 수 있고, 터빈휠(10)의 크기가 감소하는 만큼 터빈휠(10)의 이너셔가 감소되어 터보차저의 응답성을 향상시킬 수 있게 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 : 터빈휠
20 : 베인
30 : 베이스링
32 : 피봇홀
40 : 베인암
41 : 작동돌기
42 : 결합홀
43 : 커버부
50 : 컨트롤링
51 : 작동홈
60 : 액추에이터

Claims

터빈휠의 둘레를 따라 마련되고, 액추에이터의 작동력이 제공되어 축을 중심으로 피봇 회전하는 베인;
상기 베인의 축이 삽입되는 피봇홀이 형성되고, 상기 베인의 회전방향에 따라 베인의 피봇 회전 위치가 터빈휠로부터 멀어지거나 가까워지도록 피봇홀이 형성된 베이스링;을 포함하는 가변 형상 터보차저.
청구항 1에 있어서,
상기 피봇홀은 장공의 홀 형상으로 형성되되, 상기 피봇홀의 일단에서 타단으로 향할수록 터빈휠의 축 중심과 멀어지도록 형성된 것을 특징으로 하는 가변 형상 터보차저.
청구항 2에 있어서,
각 베인의 피봇 회전 위치를 연결한 가상의 원을 기준으로 상기 피봇홀의 일단에서 베인이 최대로 누여지고, 상기 피봇홀의 타단에서 베인이 최대로 세워지는 상태가 되는 것을 특징으로 하는 가변 형상 터보차저.
청구항 2에 있어서,
상기 피봇홀의 폭은 상기 베인의 축의 외경과 대응하도록 형성되어 상기 베인이 피봇홀의 내면을 따라 가이드 이동되는 것을 특징으로 하는 가변 형상 터보차저.
청구항 1에 있어서,
상기 액추에이터의 작동력을 제공받아 상기 터빈휠의 축을 중심으로 회전하는 컨트롤링;
일단이 상기 컨트롤링에 상대 회전되도록 끼워지고, 타단이 상기 피봇홀을 덮는 형상으로 형성되어 상기 베인의 축에 결합되는 베인암;을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 형상 터보차저.
청구항 1에 있어서,
상기 베인암의 타단 중앙에 베인이 결합되고;
상기 베인이 결합되는 홀의 양단에 커버부가 돌출되어 형성된 것을 특징으로 하는 가변 형상 터보차저.
청구항 6에 있어서,
상기 커버부는 상기 피봇홀의 형상과 대응하는 형상으로 형성되되, 상기 피봇홀의 단면적보다 큰 단면적을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 가변 형상 터보차저.