KR20210063726A - 터보 차저 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 터보 차저는, 샤프트; 상기 샤프트가 회전 가능하게 장착되고, 내측이 상기 샤프트의 반경 방향 둘레를 지지하고, 양측이 상기 샤프트의 축 방향 단부를 지지하며, 상기 샤프트에 오일을 공급하는 센터하우징; 및 상기 센터 하우징 내측에 형성되고, 상기 샤프트를 회동 가능하게 감싸면서 상기 샤프트의 반경 방향 둘레를 지지하는 저널 베어링;을 포함하며, 상기 샤프트의 표면에는 상기 샤프트의 축방향과 수직된 방향으로 그루브가 형성될 수 있다.

Description

터보 차저{TURBOCHARGER}

본 발명은 터보 차저에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터빈 샤프트에 그루브를 적용하여 무급유 조건에서 베어링 기능, 내구성 및 오일 훨에 의한 샤프트 거동을 개선할 수 있는 터보 차저에 관한 것이다.

일반적으로 터보 차저는 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 압력을 이용하여 터빈을 돌린 후, 이 회전력을 이용하여 연소실로 고압의 공기를 과급하여 엔진의 출력을 높이는 장치이다.

구체적으로, 터보 차저는 회전체인 컴프레서 휠과 터빈 휠이 샤프트의 양단에 장착되고, 터빈 하우징, 센터 하우징 및 컴프레서 하우징 내부에 수용된다.

특히, 샤프트는 배기가스의 에너지에 의해 대략 150,000 RPM 내지 200,000 RPM으로 회전되는 것으로 베어링에 의해 지지된다.

이러한 샤프트 및 베어링에는 윤활을 제공하기 위해 오일펌프로부터 압송되는 엔진오일이 오일 공급관과 센터 하우징의 오일 유입구를 통해 샤프트와 베어링에 공급된다. 이때, 공급되는 오일은 샤프트와 베어링으로 빠르게 분포되어 오일 막을 형성하게 된다.

하지만, 샤프트와 베어링 사이에서 유막을 형성한 오일은 샤프트와 베어링에 의해 짜여 측면으로 비산될 수 있으며, 그 결과 샤프트와 베어링의 내구성이 약해질 수 있으며, 오일 훨(Whirl)에 의해 샤프트의 축 거동에 이상이 발생할 수 있었다. 아울러, 종래에는 엔진 효율을 높이기 위해 저점도 오일이 적용되는 시점에서 무급유 또는 저유압 조건에서 샤프트와 베어링 사이에 오일의 유막이 약하게 형성됨으로써 샤프트 및 베어링의 내구성이 약해지고 샤프트의 축 거동에 이상이 발생할 수 있었다.

KR 10-2015-0034849

상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은 터빈 샤프트에 그루브를 적용하여 무급유 조건에서 베어링 기능, 내구성 및 오일 훨에 의한 샤프트 거동을 개선할 수 있는 터보 차저를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 터보 차저는, 샤프트; 상기 샤프트가 회전 가능하게 장착되고, 내측이 상기 샤프트의 반경 방향 둘레를 지지하고, 양측이 상기 샤프트의 축 방향 단부를 지지하며, 상기 샤프트에 오일을 공급하는 센터하우징; 및 상기 센터 하우징 내측에 형성되고, 상기 샤프트를 회동 가능하게 감싸면서 상기 샤프트의 반경 방향 둘레를 지지하는 저널 베어링;을 포함하며, 상기 샤프트의 표면에는 상기 샤프트의 축방향과 수직된 방향으로 그루브가 형성될 수 있다.

상기 그루브는 상기 샤프트의 표면에 복수개 형성되며, 각 그루브는 서로 일정 거리 이격되어 상기 샤프트의 외주면을 감싸도록 형성될 수 있다.

상기 복수의 그루브는 상기 저널 베어링이 위치하는 곳에 대응하여 형성될 수 있다.

상기 그루브는 양 측에서 중심 측으로 경사지는 형상으로 형성될 수 있다.

상기 그루브는 상기 샤프트의 표면에서 각각 일정거리 이격되어 복수개 형성되며, 깊이부, 패드부 및 경사부를 포함할 수 있다.

상기 깊이부는 상기 샤프트의 표면으로부터 상기 샤프트의 중심축으로 일정 깊이 파인 부분이고,

상기 패드부는 상기 샤프트의 표면에 형성되고 상기 깊이부의 시작점으로부터 상기 경사부가 시작되는 지점까지의 일정 영역이며,

상기 경사부는 상기 패드부의 끝점으로부터 상기 샤프트의 외주면에 형성된 다음 그루브의 깊이부의 최하점까지 경사진 부분일 수 있다.

상기 깊이부의 깊이는 20um 이상 40um 이하일 수 있다.

상기 패드부의 길이를 상기 패드부의 길이와 상기 경사부의 길이의 합으로 나눈 값은 0.25 이상 0.45 이하일 수 있다.

상기 센터 하우징 내에 형성되고 외부로부터 오일이 유입되어 상기 샤프트에 오일을 공급하는 오일 공급 유로를 더 포함할 수 있다.

상기 저널 베어링은 복수개 형성되고,

상기 오일 공급 유로는, 상기 저널 베어링의 길이 방향을 따라 복수개 형성되고, 상기 샤프트를 향하는 저널 베어링 유로와 연통되어 상기 샤프트에 오일을 공급할 수 있다.

본 발명에 따르면 샤프트의 표면에 양측에서 중심 측으로 경사지는 형상으로 형성된 그루브가 형성됨으로써, 저점도 엔진 오일 적용에 따라 무급유 또는 간헐적 오일을 차단할 시, 그루브에 오일을 모아둠으로써 유막을 형성할 수 있고, 그 결과 저널 베어링 및 샤프트의 내마모성, 내저유압성 기능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.

또한, 깊이부, 패드부 및 경사부를 포함하는 그루브의 구조에 의해 패드부와 저널 베어링 사이에 높은 압력으로 유막을 형성함으로써, 샤프트의 지지력을 향상시킬 수 있고 저점도 오일 사용으로 낮아진 내마모성 및 내구성을 향상시킬 수 있다.

아울러, 샤프트 표면에 그루브를 형성함으로써, 오일 훨 성분을 감소시켜 터보 차저 구동 시 발생하는 소음 및 축거동을 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 터보 차저를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 터보 차저에서, 터빈휠과 샤프트를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 터보 차저에서, 샤프트의 반경방향 단면도이다.
도 4는 도 3의 A의 확대도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 터보 차저의 작동 매커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 터보 차저에서, 저널 베어링과 샤프트 사이의 유막 압력이 증대되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 터보 차저에서, 터빈 휠과 샤프트를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 기재된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 터보 차저를 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 터보 차저에서, 터빈휠과 샤프트를 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 터보 차저에서, 샤프트의 반경방향 단면도이고, 도 4는 도 3의 A의 확대도이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 터보 차저의 작동 매커니즘을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 터보 차저에서, 저널 베어링과 샤프트 사이의 유막 압력이 증대되는 것을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면 본 발명의 일실시예에 따른 터보 차저는 샤프트(100), 센터하우징(200) 및 저널 베어링(300)을 포함할 수 있다.

샤프트(100)는 센터 하우징(200)에 회동 가능하게 장착될 수 있다. 샤프트(100)의 일단부에는 컴프레서(미도시)가 장착될 수 있으며, 샤프트(100)의 타단부에는 터빈(미도시)이 장착될 수 있다. 이처럼, 양단에 터빈과 컴프레서가 장착된 샤프트는 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 압력을 이용하여 터빈 휠(500)을 회전시킨 후, 이 회전력을 이용하여 컴프레서를 통해 연소실로 고압의 공기를 과급하여 엔진의 출력을 높일 수 있다.

센터 하우징(200)은 중심부에 샤프트(100)가 회전 가능하게 장착하는 것으로서, 센터 하우징(200)의 내측은 샤프트(100)의 반경 방향 둘레의 하중을 지지하고, 센터 하우징(200)의 양측은 샤프트(100)의 축 방향의 단부를 지지한다. 아울러, 샤프트 하우징(200)은 샤프트(100)에 윤활 및 냉각 작용을 하는 오일은 공급한다. 이에 따라, 샤프트(100)는 오일 공급에 의해 회전 작동이 원활하게 이루어지고, 센터 하우징(200)과의 접촉에 의해 마모 또는 발열 현상이 방지될 수 있는 것이다.

저널 베어링(300)은 센터 하우징(200) 내측에 형성되고, 샤프트(100)를 회동 가능하게 감싸면서 샤프트(100) 반경 방향 둘레의 하중을 지지한다. 저널 베어링(300)에는 저널 베어링(300)의 길이 방향을 따라 저널 베어링 유로(310)가 형성될 수 있으며, 저널 베어링 유로(310)는 추후 설명할 오일 공급 유로(400)와 연통되고, 샤프트(100)를 향하여 형성된다. 이에 따라, 저널 베어링 유로(310)를 통해 센터 하우징(200) 내부로 유입되는 오일이 샤프트(100)의 길이 방향을 따라 고르게 공급될 수 있다.

오일 공급 유로(400)는 센터 하우징(200) 내에 형성되고 외부로부터 오일이 유입되어 샤프트(100)에 오일이 공급되도록 한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 저널 베어링(200)은 복수개 형성될 수 있는데, 이때 오일 공급 유로(400)는 저널 베어링(300)의 길이 방향을 따라 복수개 형성될 수 있고 샤프트를 향하는 저널 베어링 유로(310)와 연통됨으로써 샤프트(100)에 오일을 공급할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 터보 차저에서는 종래의 터보 차저에서 무급유 또는 저급유 조건에서 베어링의 기능, 내구성 및 오일 훨에 의한 샤프트의 거동이 불안정했던 문제를 개선하기 위해 샤프트의 표면에 그루브를 형성하여 종래의 문제를 해결하였는데 이하에서는 본 발명의 핵심적인 특징이라 할 수 있는 샤프트의 표면에 형성된 그루브에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 샤프트(100)의 표면에는 샤프트(100)의 축방향과 수직된 방향으로 그루브(110)가 형성된다. 이때, 그루브(110)는 샤프트(100)의 표면에 복수개 형성될 수 있으며, 각 그루브(110)는 서로 일정 거리 이격되어 샤프트(100)의 외주면을 감싸도록 형성될 수 있다.

아울러, 복수의 그루브(110)는 도 1 및 도 5와 같이 저널 베어링(300)이 위치하는 곳에 대응하여 형성될 수 있다.

한편, 도 2, 도 5 및 도 7을 참조하면, 샤프트(100)의 표면에 형성된 그루브(110)는 양측에서 중심측으로 경사지는 형상으로 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 도 5와 같이 그루브는 아래로 볼록한 포물선 형상의 반달형으로 형성될 수 있으며, 다른 실시예에 따라 도 7과 같이 아래로 뾰족한 형상의 역삼각형 형상으로 형성될 수도 있다. 다만, 도 5 및 도 7에 도시된 그루브의 형상은 일실시예일 뿐, 그루브의 양측에서 중심측으로 경사지는 형상이라면 이외의 다양한 형상이 본 발명에서의 그루브의 형상으로 적용될 수 있다.

도 5를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 터보 차저의 작동 매커니즘을 설명하면 다음과 같다. 도 5를 참조하면, 오일 공급 유로(400) 및 저널 베어링 유로(310)를 통해 오일이 공급되면 저널 베어링(300)과 샤프트(100) 사이에 유막이 형성됨으로써 샤프트(100)는 플로팅(Floating) 되어 회전할 수 있다.

만약 샤프트의 표면에 그루브가 형성되어 있지 않은 경우, 저널 베어링(300)과 샤프트(100)사이에 유막을 형성한 오일은 샤프트와 저널 베어링에 의해 짜여 측면으로 비산되게 된다.

하지만, 본 발명과 같이 샤프트의 표면에 양측에서 중심측으로 경사지는 형상의 그루브를 형성하는 경우, 도 5과 같이 샤프트의 회전 및 저널 베어링과 샤프트에 의해 오일이 짜이는(Squeezing) 과정에서 그루브에 의해 오일이 중앙부로 이동하려는 힘을 받게 되어, 오일이 그루브의 중앙부에 모여 있게 됨으로써, 측면으로 비산되는 오일의 양을 감소할 수 있으며, 그루브에 일정양의 오일이 저장되어 있음으로써 저유압 또는 무급유 조건에서도 샤프트와 저널 베어링 사이의 유막 형성에 유리한 장점이 있다.

한편, 그루브(110)는 샤프트의 표면에 각각 일정거리 이격되어 복수개 형성되며, 깊이부(112), 패드부(114) 및 경사부(116)를 포함할 수 있다.

보다 구체적으로, 도 3 내지 도 5를 참조하면, 깊이부(112)는 샤프트(100)의 표면으로부터 샤프트(100)의 중심축으로 일정 깊이 파인 부분을 의미할 수 있다. 또한, 패드부(114)는 샤프트(100)의 표면에 형성되고 깊이부(112)의 시작점으로부터 경사부(116)가 시작되는 지점까지의 일정 영역을 의미할 수 있다. 아울러, 경사부(116)는 패드부(114)의 끝점으로부터 샤프트(100)의 외주면에 형성된 다음 그루브(110)의 깊이부(112)의 최하점까지의 경사진 부분을 의미할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 터보 차저의 샤프트(100)의 표면에 형성된 그르부(110)가 깊이부(112), 패드부(114) 및 경사부(116)를 포함하여 형성됨으로써 갖는 장점을 도 6을 참조하여 보다 상세히 설명기로 한다.

도 6을 참조하면 오일 공급 유로(400) 및 저널 베어링 유로(310)를 통해 공급된 오일은 점성에 따라 경사부를 통해 압력이 상승하여, 패드부(114)와 저널 베어링(300) 사이의 오일 압력이 그르부 미적용 대비 상승함으로써, 샤프트의 지지 하중을 증대시킬 수 있으며, 높은 오일 압력으로 인해 안전된 샤프트 거동이 가능하도록 할 수 있다. 또한, 패드부(114)를 통과한 오일은 비산되어 힘을 잃고 다시 경사부(116)로 들어가는 과정을 통해 오일 훨(Whirl) 성분을 감소시킬 수 있다. 아울러, 저널 베어링과 샤프트 사이에 높은 유막 압력이 형성됨에 따라 저널 베어링 및 샤프트의 내마모성 및 NVH가 향상될 수 있다.

실시예에 따라, 깊이부(112)는 샤프트(100)의 표면으로부터 샤프트(100)의 중심축까지 20um 이상 40um 이하의 깊이로 형성될 수 있다.

아울러, 도 4를 참조할 때, 본 발명에 따르면 패드부(114)의 길이를 패드부(114)의 길이와 경사부(116)의 길이의 합으로 나눈 값은 0.25 이상 0.45 이하일 수 있다.

본 발명에 따른 터보 차저에서는 패드부의 길이와 경사부의 길이의 비율에 따라 패드부에 형성되는 오일의 압력을 조정할 수 있다. 실시예에 따라, 패드부의 길이를 패드부의 길이와 경사부의 길이의 합으로 나눈 값이 증가할 시 패드부의 유막의 압력은 낮아질 수 있다. 반대로, 다른 실시예에 따라, 패드부의 길이를 패드부의 길이와 경사부의 길이의 합으로 나눈 값이 감소할 시 패드부의 유막의 압력은 높아질 수 있다. 이처럼, 본 발명에서는 패드부의 길이와 경사부의 길이의 비율을 조절하여 패드부의 유막의 압력을 적절히 조절함으로써, 저널 베어링과 샤프트 사이에 높은 유막 압력이 형성됨에 따라 저널 베어링 및 샤프트의 내마모성 및 NVH를 향상시킬 수 있다.

한편, 도면에 상세히 도시하지는 않았으나, 본 발명의 일실시예에 따른 터보 차저는 오일 배출 유로를 더 포함할 수 있다. 오일 배출 유로는 오일 공급 유로가 형성된 반대편에 형성될 수 있으며, 오일 공급 유로를 통해 유입되는 오일이 외부로 배출되도록 할 수 있다.

100: 샤프트 110: 그루브
112: 깊이부 114: 패드부
116: 경사부
200: 센터 하우징
300: 저널 베어링 310: 저널 베어링 유로
400: 오일 공급 유로
500: 터빈 휠

Claims (10)

1. 샤프트;
   상기 샤프트가 회전 가능하게 장착되고, 내측이 상기 샤프트의 반경 방향 둘레를 지지하고, 양측이 상기 샤프트의 축 방향 단부를 지지하며, 상기 샤프트에 오일을 공급하는 센터하우징; 및
   상기 센터 하우징 내측에 형성되고, 상기 샤프트를 회동 가능하게 감싸면서 상기 샤프트의 반경 방향 둘레를 지지하는 저널 베어링;을 포함하며,
   상기 샤프트의 표면에는 상기 샤프트의 축방향과 수직된 방향으로 그루브가 형성된 것을 특징으로 하는 터보 차저.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 그루브는 상기 샤프트의 표면에 복수개 형성되며, 각 그루브는 서로 일정 거리 이격되어 상기 샤프트의 외주면을 감싸도록 형성된 것을 특징으로 하는 터보 차저.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수의 그루브는 상기 저널 베어링이 위치하는 곳에 대응하여 형성된 것을 특징으로 하는 터보 차저.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 그루브는 양 측에서 중심 측으로 경사지는 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 터보 차저.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 그루브는 상기 샤프트의 표면에서 각각 일정거리 이격되어 복수개 형성되며, 깊이부, 패드부 및 경사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 차저.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 깊이부는 상기 샤프트의 표면으로부터 상기 샤프트의 중심축으로 일정 깊이 파인 부분이고,
   상기 패드부는 상기 샤프트의 표면에 형성되고 상기 깊이부의 시작점으로부터 상기 경사부가 시작되는 지점까지의 일정 영역이며,
   상기 경사부는 상기 패드부의 끝점으로부터 상기 샤프트의 외주면에 형성된 다음 그루브의 깊이부의 최하점까지 경사진 부분인 것을 특징으로 하는 터보 차저.
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 깊이부의 깊이는 20um 이상 40um 이하인 것을 특징으로 하는 터보 차저.
8. 청구항 5에 있어서,
   상기 패드부의 길이를 상기 패드부의 길이와 상기 경사부의 길이의 합으로 나눈 값은 0.25 이상 0.45 이하인 것을 특징으로 하는 터보 차저.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 센터 하우징 내에 형성되고 외부로부터 오일이 유입되어 상기 샤프트에 오일을 공급하는 오일 공급 유로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 차저.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 저널 베어링은 복수개 형성되고,
    상기 오일 공급 유로는, 상기 저널 베어링의 길이 방향을 따라 복수개 형성되고, 상기 샤프트를 향하는 저널 베어링 유로와 연통되어 상기 샤프트에 오일을 공급하는 것을 특징으로 하는 터보 차저.

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