KR101586821B1 - 베인 링들을 구비한 간단한 가변 기하형상 터보차저 - Google Patents

Abstract

터보차저의 터빈 휠(70)로의 배기 가스 유동 경로는 두 베인 링들 간의 상대 운동에 의해 영향을 받고, 상기 베인 링들 중 적어도 하나는 회전가능한 베인 링 상에 구비된다. 외부 베인 링은 복수의 베인(92, 122)을 포함하고, 내부 베인 링은 복수의 베인(93, 121)을 포함하며, 내부 및 외부 베인들은 정렬 시에 하나의 일반적인 베인 형상을 형성한다. 내부 베인 링에 대한 외부 베인 링의 상대 변위의 공기역학적 효과로 인해, 터빈 휠로의 배기 유동의 조절가능한 제어를 달성한다.

Description

베인 링들을 구비한 간단한 가변 기하형상 터보차저{SIMPLIFIED VARIABLE GEOMETRY TURBOCHARGER WITH VANE RINGS}

본 발명은 저비용 터빈 유동 제어 장치의 설계에 관한 것이다.

터보차저는 일종의 과급 시스템(forced induction system)이다. 터보차저는 정상 급기 구성에서 있을 수 있는 밀도보다 더 큰 밀도로 공기를 엔진 흡기구에 전달하고, 더 많은 연료를 연소되게 하며, 그에 따라 엔진 중량을 현저히 증가시킴 없이 엔진 마력을 부스트한다. 이는 더 작은 터보차지된 엔진의 사용을 가능하게 할 수 있고, 더 큰 물리적 크기의 정상 흡기 엔진을 대체하여 차량의 공기역학적 전면 면적과 중량을 감소시킨다.

터보차저(도 1)는 배기 유동(100)을 이용하는데, 상기 유동은 엔진 배기 매니폴드로부터 터빈 하우징(2)의 터빈 입구(51)를 통해 터빈 하우징에 유입되어, 터빈 하우징 내부에 위치하는 터빈 휠(70)을 구동한다. 터빈 휠은 타단이 압축기 휠을 포함하는 샤프트에 견고하게 부착되며, 상기 압축기 휠은 샤프트에 장착되어 압축기 너트로부터의 클램프 하중에 의해 적소에 고정된다. 터빈 휠의 주요 기능은 압축기를 구동하는 회전력을 제공하는 것이다. 일단 배기 가스가 터빈 휠(70)을 통과하여 터빈 휠이 배기 가스로부터 에너지를 추출하면, 사용된 배기 가스(101)는 엑스듀서(exducer; 52)를 통해 터빈 하우징(2)을 빠져나가서, 차량의 하강관(downpipe), 및 일반적으로 촉매 변환기, 미립자 및 NO_x 흡장형 촉매 장치(trap)와 같은 후처리 장치에 덕트 전달된다.

터빈단에 의해 발생된 동력은 터빈단 전체에 걸친 팽창비의 함수이다. 이는 터빈 입구(51)와 터빈 엑스듀서(52) 간의 팽창비이다. 터빈 동력의 범위는 기타 매개변수들 가운데 터빈단을 관통하는 유동의 함수이다.

압축기단은 휠과 그 하우징으로 구성된다. 여과된 공기는 압축기 휠(20)의 회전에 의해 압축기 커버(10)의 입구(11)에 축방향으로 유입된다. 터빈단에 의해 샤프트와 휠로 발생된 동력은 압축기 휠(20)을 구동하여 정압 및 일부 잔여 운동 에너지와 열의 조합을 발생한다. 가압된 기체는 압축기 배출구(12)를 통해 압축기 커버(10)를 빠져나가고, 통상 인터쿨러를 경유하여 엔진 흡기구에 전달된다.

터빈단의 설계는, 압축기를 구동하기 위해 필요한 동력; 터빈단의 공기역학적 설계; 회전 조립체의 관성(터빈 휠은 통상 압축기 휠의 알루미늄의 3배 밀도를 가진 인코넬로 제조되기 때문에, 터빈이 회전 조립체의 상당 부분을 차지함); 설계의 구조적 및 재료적 측면에 영향을 미치는 터보차저 작동 사이클; 및 블레이드 여기(excitation)에 관한 터빈 휠의 상류와 하류의 근접장 가운데의 절충이다.

터빈 하우징의 물리적 설계의 일부는 볼류트이고, 상기 볼류트의 기능은, 유입 유동 조건이 배기 가스의 에너지로부터 터빈 휠에 의해 발생된 동력으로의 가장 효율적인 동력 전달을 제공하도록 터빈 휠로의 유입 조건을 제어하는 것이다. 이론상, 엔진으로부터의 유입 배기 유동은 볼류트로부터 터빈 휠 축의 중앙의 볼텍스로 균일하게 전달된다. 이를 위해, 볼류트의 횡단면적은 "0"이 될 때까지 서서히 끊임없이 감소한다. 볼류트의 내부 경계는 기초원으로 정의되는 완벽한 원을 형성할 수 있거나, 또는 트윈 볼류트와 같은 일부 경우, 터빈 휠 직경의 106% 이상의 최소 직경을 가진 나선형을 형성할 수 있다. 볼류트는 그 외부 경계의 감소하는 반경, 도 4에 도시된 바와 같은 "X-Y" 축에 정의된 일 평면의 전술한 바와 같은 내부 경계, 및 "Z" 축을 관통하는 평면의 각각의 스테이션의 횡단면적에 의해 정의된다. "Z" 축은 "X-Y" 축에 의해 정의된 평면에 수직이고, 또한 터빈 휠의 축이다.

볼류트의 설계 개선은 볼류트를 위한 기준(datum)으로 정의된 "A" 부분에서 시작된다. 상기 기준은, 볼류트 형상의 "X" 축, "Y" 축, "Z" 축의 상세를 포함하는 터빈 하우징의 "X" 축 위의 "P" 각도에 부분으로서 정의된다.

볼류트의 크기와 형상은 후술하는 방식으로 정의된다. 널리 사용되는 용어인 A/R은 음영 표시된 유동 면적(160)의 중심점(161)과 터보 중심선 간의 거리에 의해 나뉘어진 "A" 부분의 부분 면적의 비를 나타낸다. 도 16a 및 도 16b에서, 중심점(161)은 터보 중심선에 대한 거리(R_A, R_B)를 결정한다. 일 계열의 터빈 하우징들의 구성원들에 관해, 전체적인 형상은 동일하게 유지되지만, "A" 부분의 면적은 거리(R_A)와 같이 상이하다. A/R 비는 일반적으로 특정한 터빈 하우징에 대한 "명칭(name)"으로 사용되어 (상이한 A/R 비를 가진) 동일 계열의 다른 터빈 하우징들과 구별된다. 도 16a에서, 볼류트는 대략 원형의 볼류트이다. 도 16b에서, 볼류트는 분리된 터빈 하우징의 볼류트로, 대략 삼각형이 되도록 강제된다. 양 볼류트에 대해, "A" 부분의 면적은 동일하지만 형상이 상이하고, 중심점까지의 반경이 (볼류트 형상으로 인해) 상이하므로, A/R 비가 상이할 것이다. "A" 부분은 "X" 축으로부터 "P" 각도만큼 오프셋된다. 다음으로, 터빈 하우징은 기하학상 동일한 반경부(종종 30°이므로 [30x + P]°)로 분할되고, 코너 반경과 같은 기타 기하학적 정의 외에도, 반경(R_{A -M})과 면적(A_{A -M})이 정의된다. 이러한 정의로부터, 볼류트 벽을 따라 점들의 스플라인이 형성되어 볼류트의 전체 형상을 정의한다. 벽 두께가 내부 볼류트 형상에 더해지고, 이러한 방법으로 터빈 하우징이 정의된다.

소정의 면적에 대한 이론상 최적화된 볼류트의 형상은 원형 횡단면을 가진 형상이고, 이는 이러한 형상이 유체 마찰 손실을 최소화하는 최소 표면적을 가지기 때문이다. 그러나, 볼류트는 그 자체로 작동하는게 아니라 시스템의 일부이고, 따라서 도 4에 도시된 "A" 부분의 평면으로부터 "M" 부분의 평면까지, 그리고 "M" 부분으로부터 텅(tongue)까지의 유동의 요건이 터빈단의 성능에 영향을 미친다. 이러한 요건은 종종 베어링 하우징에 터빈 하우징을 위치 결정 및 장착하는 방법과 같은 터빈 하우징 외측의 건축상의 요건들의 절충을 초래하고, "A" 부분으로부터 터빈 저부(51)로의 전이는 원형뿐만 아니라 직사각형 또는 삼각형 단면, 또는 전체 형상들의 조합으로 이루어진 터빈 하우징의 볼류트를 초래한다. "D-K" 단면을 보여주는 도 1의 볼류트(53)의 직사각형 형상은, 유동이 VTG 베인들을 통해 최적화되고 베인들이 터빈 하우징 외측의 장치들에 의해 이동 및 제어될 수 있도록 베인들을 공간에 끼워맞춤한다는 요건, 및 터보차저가 엔진에 끼워맞춤되도록 터빈 하우징의 외형을 최소화한다는 요건의 결과이다.

터빈 하우징 저부는 다수의 엔진의 배기 매니폴드에 결합됨에 따라 통상 표준 설계로 이루어진다. 저부는 "볼류트"에 대해 임의의 각도 또는 위치에 놓일 수 있다. 저부 기체 유로로부터 볼류트로의 전이는 최선의 공기역학적 및 기계적 절충을 제공하는 방식으로 이루어진다.

전술한 바와 같은 단면에서 얻은 도 2의 볼류트의 대략 삼각형 형상은 고정 및 웨이스트게이트 터빈 하우징을 위한 더 전형적인 볼류트 기하형상이다. 분리벽(21)의 추가는, 분리된 매니폴드로부터 펄스 유동을 유지하려는 노력으로 볼류트들 간의 공기역학적 "크로스토크"를 감소시켜, 터빈 휠에 의해 추출된 작업에서 펄스 에너지를 획득하기 위한 것이다. 배기 매니폴드의 압력 펄스는 엔진의 점화 순서의 함수이다.

터빈 하우징은 통상 동일한 직경의 터빈 휠들 또는 동일한 직경에 근접한 휠 그룹을 이용하는 계열(family) 단위로 설계된다(통상, 한 계열은 최대 다섯 개로 이루어진다). 터빈 하우징들은 동일한 터빈 저부 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 63㎜의 터빈 휠을 위한 일 계열의 터빈 하우징들은 1.8 내지 2.2의 A/R 범위를 포함할 수 있다. 도 5는 일 계열의 세 개의 볼류트에 대한 면적 도표를 도시한다. 점선(40)으로 표시된 최대 볼류트는 1.2 A/R 볼류트이다. 파선(41)으로 표시된 최소 볼류트는 0.8 A/R 볼류트이고, 상기 계열의 중간에서 평균 볼류트가 실선으로 표시된다. "X" 축은 30°("A" 부분)에서 360°(텅)까지 부분의 각도를 나타내고, "Y" 축은 각각의 각도에서의 단면의 면적을 나타낸다.

일부 터빈 휠은 이러한 펄스 에너지를 활용하고 이를 회전 속도로 변환하도록 특별히 설계된다. 그러므로, 분리된 터빈 하우징에서 펄스 유동 터빈 휠을 위한 배기 가스로부터의 압력 및 속도의 변환은, 정상 상태의 배기 유동으로부터 터빈 휠 속도로의 압력 및 속도의 변환보다 더 크다. 이러한 펄스 에너지는 4000RPM의 피크 토크와 종종 6000RPM에 이르는 훨씬 높은 회전 속도에서 작동하는 가솔린 엔진보다, 1200RPM 내지 1400RPM의 피크 토크와 약 2200RPM의 회전 속도에서 작동하는 상용 디젤 엔진에서 훨씬 우세하고, 따라서 펄스가 또한 정의되지 않는다.

기본 터보차저 구성은 고정 터빈 하우징을 가진 구성이다. 이러한 구성에서, 터빈 하우징 볼류트(53)의 형상과 체적은 설계 단계에서 결정되어 적소에 주조된다.

다음 정교화 레벨은 웨이스트게이트 터빈 하우징을 가진 구성이다. 이러한 구성에서, 볼류트는 전술한 고정 구성에서와 같이 적소에 주조된다. 도 2에서, 웨이스트게이트 터빈 하우징은 터빈 하우징 볼류트(53)를 터빈 하우징 엑스듀서(52)에 유체 연결하는 포트(54)를 특징으로 한다. 볼류트 측의 포트가 터빈 휠(70)의 상류에 있고 엑스듀서 측의 포트의 타 측이 터빈 휠의 하류에 있기 때문에, 이러한 포트들을 연결하는 덕트를 통과하는 유동은 터빈 휠(70)을 우회하고, 그에 따라 터빈 휠에 전달되는 동력에 기여하지 않는다.

가장 간단한 형태의 웨이스트게이트는 밸브(55)이고, 포핏 밸브일 수 있다. 이는 도 2의 밸브와 유사한 스윙 타입의 밸브일 수 있다. 통상적으로, 이러한 밸브는, 부스트 압력 또는 진공을 감지하여 밸브에 연결된 격막을 활성화하고 엔진 ECU와의 특정한 통신 없이 작동하는 "덤(dumb)" 액추에이터에 의해 작동된다. 이러한 방식으로, 웨이스트게이트 밸브의 기능은 전부하(full load) 부스트 곡선의 상부를 제거하여 엔진에 부스트 레벨을 제한하는 것이다. 웨이스트게이트 구성은 밸브가 개방될 때까지 부스트 곡선의 특성에 영향을 미치지 않는다. 더 정교한 웨이스트게이트 구성은 기압을 감지할 수 있거나, 전자 오버라이드(electronic over-ride) 또는 제어 장치를 구비할 수 있지만, 이는 밸브를 개방 또는 폐쇄하도록 작동할 때까지 부스트 곡선에 영향을 미치지 않는다.

도 6a 및 도 6b는 압축기 맵을 나타낸다. "Y" 축(61)은 부스트 또는 압력비 레벨을 나타내고, "X" 축(60)은 팽창비를 나타낸다. 도 6a는 고정 터빈 하우징에 대한 부스트 곡선(67)을 도시한다. 이러한 구성에서, 터보 속도가 증가함에 따라, 휠을 통과하는 질량 유동이 계속 증가하기 때문에, 부스트 곡선의 상부(65)의 압력비는 계속 증가한다. 도 6b는 도 6a와 같은 A/R을 가진 웨이스트게이트 터빈 하우징, 또는 웨이스트게이트 밸브가 개방되지 않은 웨이스트게이트 터빈 하우징에 대한 부스트 곡선(68)을 도시한다. 도 6b에서, 부스트 곡선(68)의 하부 형상은 밸브의 개방 지점(66)까지 도 6a의 하부 부스트 곡선(67)과 정확히 일치함을 알 수 있다. 이 지점 이후, 부스트 곡선(62)은 비교적 편평하므로, 터보 속도가 증가함에 따라, 부스트 곡선이 최대 레벨에서 제어되는 한편, 휠을 통과하는 질량 유동은 계속 증가한다. 웨이스트게이트를 이용하여 부스트 레벨을 제한할 수 있는 반면, 그 터빈 동력 제어 특성은 발달되지 않아 열악하다.

웨이스트게이트 터빈 하우징의 긍정적인 부산물은 터빈 하우징의 A/R을 감소시키는 기회이다. 부스트의 상한이 웨이스트게이트에 의해 제어되기 때문에, A/R의 감소는 일시적인 응답 특성의 개선을 제공할 수 있다. 웨이스트게이트 터보차저가 압력 또는 진공 신호에 의해서만 작동되는 "덤" 액추에이터를 구비하고 고도에서 작동되는 경우, 이는 밸브를 개방하는 임계 압력비에 악영향을 미친다. 액추에이터의 격막은 일 측에서 부스트 압력을 감지하고 타 측에서 기압을 감지하기 때문에, (고도의 기압이 해면의 기압보다 더 낮다는 이유로) 액추에이터가 더 늦게 개방되는 경향이 있고, 그 결과 엔진의 오버부스트가 발생한다.

엔진 부스트 요건은 압축기단 선택의 주요 동인(driver)이다. 압축기의 선택과 설계는, 엔진의 부스트 압력 요건; 엔진이 요구하는 질량 유동; 응용이 요구하는 효율; 엔진과 응용이 요구하는 맵 폭; 엔진에 적용될 고도와 듀티 사이클; 및 엔진의 실린더 압력 한계 가운데의 절충이다.

이러한 것이 터보차저 작동에 있어 중요한 이유는, 터빈단에 웨이스트게이트를 추가하는 것이 저속 범위로 더 작은 터빈 휠과 하우징과의 매칭을 허용하기 때문이다. 그러므로, 웨이스트게이트의 추가는 관성 감소를 위한 옵션을 제공한다. 회전 조립체의 관성 감소는 통상 입자상 물질(PM)의 감소로 이어지기 때문에, 웨이스트게이트는 온-하이웨이 차량에 일반적이 되었다. 문제는 대부분의 웨이스트게이트들의 연산이 일정 부분 이진적이고, 이는 엔진 출력과 엔진 속도 간의 선형 관계와 잘 맞지 않는다는 것이다.

터보차저의 부스트 제어에서 다음 정교화 레벨은 VTG(가변 터빈 기하형상에 대한 일반적인 용어)이다. 이러한 터보차저들 중 일부는 회전 베인을 구비하고, 일부는 미끄럼 부분 또는 링을 구비한다. 이러한 장치에 대한 일부 명칭은 가변 터빈 기하형상(VTG), 가변 기하형상 터빈(VGT), 가변 노즐 터빈(VNT) 또는 간단히 가변 기하형상(VG)이다.

VTG 터보차저는 조정가능한 가이드 베인을 이용하고, 이는 도 3a 및 도 3b에서 한 쌍의 베인 링들 및/또는 노즐 벽에 회전 가능하게 연결되어 있다. 베인들은 터빈 휠로의 배기 가스 유동을 조절함으로써 배기 가스 배압과 터보차저 속도를 제어하도록 조정된다. 도 3a에서, 베인들(31)은 최소 개방 위치에 존재한다. 도 3b에서, 베인들(31)은 최대 개방 위치에 존재한다. 베인들은 상부 베인 링 위에 위치할 수 있는 유니즌 링(unison ring)에 구비된 핑거들에 의해 회전 가능하게 구동될 수 있다. 명료함을 위해 이러한 상세가 도면에서 생략되었다. VTG 터보차저는 조립되어 터빈 하우징에 위치되어야만 하는 다수의 고비용 합금 부품을 구비하고, 따라서 가이드 베인들은 이들이 노출되는 열 작동 조건의 범위에 걸쳐 배기 공급 유동 채널과 터빈 휠에 대해 적절하게 위치된 상태로 유지된다. 온도와 부식 조건은 모든 내부 부품들의 신종 합금 사용을 강제한다. 이들을 마련하여 기계가공하고 (필요한 경우) 용접하는 데에 많은 비용이 든다. VTG 설계는 터보차저 속도를 매우 빠르게 변화시킬 수 있기 때문에, 원하지 않는 속도 행정(excursion)을 방지하기 위해 광범위한 소프트웨어와 제어가 필요하다. 이는 고비용의 액추에이터로 이어진다. 터보차저 부스트 레벨과 터빈 배압 레벨을 조절하기 위해 다양한 유형과 구성의 VTG가 널리 채택된 반면에, 하드웨어 비용과 구현 비용이 높다.

유동을 볼류트 벽에 부착되게 유지하고 볼류트 형상을 볼류트 기능에 적합하게 유지하기 위해, 도 5에서와 같이, A/R 도표가 도시되어 부적절한 단면 변화가 존재하지 않음을 보장한다. 도 5에서, "X" 축은 각각의 단면에 대한 각도이다. 상기 각도는 도 4에서 사용된 바와 같이 정의용 문자(A~M)로 대체될 수 있다. "Y" 축은 단면의 반경을 나타낸다. 점선(40)은 상기 계열의 최대 A/R에 대한 면적 도표이다. 파선(41)은 상기 계열의 최소 A/R에 대한 면적 도표이다.

웨이스트게이트 터보를 비용 기준치로 고려하는 경우, 동일한 제조 체적에서 통상의 VTG의 비용은 동일한 크기의 고정 터보차저의 비용의 270% 내지 300%이다. 이러한 격차는 부품 수, 부품 재료, 부품의 제조와 기계가공에서 요구되는 정확도, 및 액추에이터의 속도, 정확도, 반복 정밀도와 같은 다수의 관련 인자들에 의한 것이다. 도 7의 그래프는 고정 터보차저 및 VTG를 포함하는 터보차저 범위에 대한 비교 비용을 보여준다.

따라서, 기술적 이유 및 원가동인 양자에 관해, 비용의 측면에서 웨이스트게이트와 VTG 간에 적합한 비교적 저비용의 터빈 유동 제어 장치가 필요함을 알 수 있다. 이러한 장치의 목표 비용 가격은 간단한 고정 터보차저의 비용의 145% 내지 165%의 범위일 필요가 있다.

본 발명은 가변 유동 터보차저 내에서 터빈 휠로의 배기 가스 유동을 제어하는 간단한 저비용의 가변 노즐에 관한 것이다. 그러므로, 부스트 압력은 노즐 유동 체적을 제어함으로써 조절될 수 있다.

본 발명은 VTG 터보차저보다 저비용으로 허용 감도 한계(acceptable resolution)에서 터빈 유동의 변화를 일으킨다. 베인들이 각각 주조되거나 부착되어 있는 두 개의 동축 베인 링을 포함함으로써, 그리고 일 베인들 또는 양 베인들을 원주방향으로 이동시킴으로써, 터빈으로의 배기 유동 및 그에 따른 터보차저의 부스트 레벨 출력에 영향을 주는 각변위가 이루어진다.

본 발명은 유사한 도면 번호가 유사한 부분을 나타내는 첨부 도면에 제한의 의도가 아닌 예로서 도시된다.
도 1은 통상의 VTG 터보차저를 도시한 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 통상의 웨이스트게이트 터보차저를 도시한 한 쌍의 단면도이다.
도 3a 및 도 3b 상이한 위치에 베인들을 구비한 통상의 VTG 터보차저를 도시한 한 쌍의 단면도이다.
도 4는 반경방향 구성선들을 보여주는 통상의 고정 터빈 하우징을 도시한 단면도이다.
도 5는 횡단면적 전개를 도시한 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 통상의 고정 및 웨이스트게이트 터보차저를 위한 압축기 맵이다.
도 7은 터보차저의 상대적 비용을 보여주는 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 제1 실시형태를 도시한 한 쌍의 단면도이다.
도 9a 및 도 9b는 도 8b의 한 쌍의 확대 단면도이다.
도 10a, 도 10b, 도 10c는 베인 링 변위 범위에 걸쳐서 제1 실시형태의 운동을 도시한 도면이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 제2 실시형태를 도시한 한 쌍의 단면도이다.
도 12a 및 도 12b는 도 11a 및 도 11b의 한 쌍의 확대 단면도이다.
도 13a 및 도 13b는 두 위치에서 제1 실시형태의 대안적인 베인 구성을 도시한 도면이다.
도 14a 및 도 14b는 도 11의 제2 실시형태의 대안을 도시한 도면이다.
도 15a, 도 15b, 도 15c는 본 발명의 기본 정의를 도시한 도면이다.
도 16a 및 도 16b는 "A" 부분의 볼류트를 도시한 단면도이다.

본 발명에 제시된 실시형태들 각각에서, 하나의 형상 세트로부터 다른 동축으로 배치된 형상 세트로의 원주방향 상대 위치의 변화에 의해 상기 목적을 달성한다. 상대 위치를 변화시키는 형상 및 메커니즘은 상세히 논의될 것이지만, 본 발명의 핵심은, 도 15a 내지 도 15c에서 알 수 있는 바와 같이, 일 박스(142)에 포함된 형상들이 환상으로 인접한 박스(141)에 포함된 형상들에 대해 원주방향으로 변위되는 것이다. 이러한 원주방향 운동은 전술한 "박스들" 에 포함된 형상들 간의 유동 공간을 통해 유동 특성을 변경한다.

도 8a, 도 8b, 도 9a, 도 9b에 도시된 제1 실시형태에서, 베인들이 유입 배기 기류(102)에 베인 형상의 리딩 에지(94)를 제공하여 기류를 볼류트로부터 터빈 휠의 볼텍스를 목표로 하는 방향(103)으로 향하게 하도록, 복수의 베인 형상(92)이 외부 베인 링(90)에 마련된다. 베인들이 외부 베인 링에 마련된 리딩 베인 형상의 트레일링부를 제공하여 배기 가스 유동을 "압착하고(pinch)", 그에 의해 외부 베인 링의 배치로부터 제공된 배기 가스의 유동 방향을 추가로 안내하고 영향을 주도록, 복수의 베인 형상(93)이 내부 베인 링(91)에 마련된다.

배기 가스 유동을 볼류트로부터 터빈 휠로 변경하기 위해, 베인 링들의 서로에 대한 원주방향 상대 위치가 변화된다. 이러한 변화는, 내부 베인 링이 정지한 상태로 외부 베인 링을 회전시키거나; 외부 베인 링이 정지한 상태로 내부 베인 링을 회전시키거나; 또는 양 베인 링을 서로 반대 방향으로 회전시킴으로써 이루어질 수 있다. 상기한 경우들 모두에서, 터빈 휠로의 유동 경로가 감소되므로, 도 9a에 도시된 바와 같이, 유동 경로가 최대일 때 통과할 수 있는 유동(103)이 원주방향 상대 운동(96, 97)에 의해 감소되어, 도 9b에 도시된 바와 같이 감소된 유동(104)을 허용한다.

외부 베인 링(90) 상의 외부 베인 형상(92)의 설계는, 볼류트의 기류(102)에 외부 베인의 리딩 에지(94)를 제공하여, 볼류트의 기류의 방향이 상기 기류를 터빈 휠(70)의 볼텍스를 향해 안내하는 방향으로 수정되도록 하는 것이다. 외부 베인 링 상의 외부 베인 형상(92)의 트레일링 에지(94A)의 설계는, 간단히 외부 베인 링의 내주에서 절단된 "전체"(외부 및 내부) 베인 형상의 설계이다. 내부 베인 링(91) 상의 내부 베인 형상(93)의 설계는, 베인들이 도 9a와 같이 "전체" 베인을 이루도록 정렬될 때 외부 베인(92)을 위한 트레일링 에지를 제공하고, 베인 링들이 도 9b와 같이 원주방향으로 변위될 때 내부 베인(93)을 위한 내부 베인 리딩 에지(95)를 제공할 정도로 충분히 라운딩되도록 하는 것이다. 비행기 날개의 스웹트 플랩처럼 상보적인 베인의 경우도 있을 수 있다.

베인 링들 중 하나가 항상 정지 상태인 경우, 베인들의 형상은 터빈 하우징 또는 베어링 하우징의 벽에 주조될 수 있는데, 이는 이들 모두가 유로의 측벽을 형성하여 일 베인 링의 비용과 복잡도를 완화하기 때문이다.

제1 실시형태의 설계는, 전술한 바와 같은 베인 링들의 원주방향 변위가, 도 9a에 도시된 바와 같은 외부 베인 링의 리딩 베인과 내부 베인 링의 해당 트레일링 메이트의 정렬, 및 외부 베인 링의 리딩 베인과 내부 베인 링의 해당 트레일링 메이트에 인접한 내부 베인 링의 베인의 정렬 간의 임의의 각도에 의해 설명될 수 있도록 하는 것이다. 베인들 간의 공간은 베인 폭, 베인 수, 베인과 유동 경로의 정렬, 및 베인과 벽 간의 체적의 특성으로, 터빈 휠에 필요한 유동을 제공한다. 도 10a, 도 10b, 도 10c에서 일 베인 링의 타 베인 링에 대한 회전의 결과를 볼 수 있다. 도 10a에서, 베인들은 터빈 휠에 최대 유동 체적을 제공하도록 나란히 위치된다. 도 10b에서, 베인들은 터빈 휠로의 배기 가스 유동을 거의 완전히 차단하도록 위치된다. 본 출원인들에 의한 테스트에 의하면, 일부 유동 경로는 냉각 및 오일 윤활의 이유로 로터 회전을 유지해야 한다. 도 10c에서, 베인들은 외부 및 내부 베인 링의 베인들 간에 부분 유동 체적이 존재하도록 제공되고, 터빈 휠로의 배기 유동이 조절될 수 있다.

본 발명의 제2 실시형태에서, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 베인들은, 내부 및 외부 베인 링 간의 상대 운동이 제1 실시형태에 설명된 바와 같은 인접한 베인들 간의 공간의 유동 면적을 감소시킬 뿐만 아니라, 일 요소의 선회 가능한 설계, 베인들의 원주방향 변위, 및 내부 및 외부 베인 링의 베인들 간의 접촉 경로의 조합에 의해 베인들 중 하나를 회전시키도록 구성된다.

제2 실시형태의 베인들의 설계는, 베인 링들 중 하나가 타 베인 링에 대해, 또는 비회전 베인 링의 베인들이 터빈 하우징 또는 베어링 하우징의 측벽에 제조된 경우 터빈 하우징 또는 베어링 하우징에 대해, 원주방향으로 변위되도록 하는 것이다. 일 베인 링의 원주방향 변위는 타 베인 링의 운동을 초래하여, 터보차저 중심선과 평행한 축(120)을 중심으로 회전할 수 있도록 장착된 베인이 상기 축(120)을 중심으로 회전하여 터빈 휠로의 유동 체적을 수정하도록 한다.

도 12a 및 도 12b에서, 베인들은 외부 베인 링(90)이 원주방향 운동(96) 내에서 이동하도록 마련된다. 내부 베인 링(91)에 대한 외부 베인 링(90)의 원주방향 변위는 베인들(122)의 텅들(126)이 축(120)을 중심으로 내부 베인 링(91)의 베인들(121)을 회전시키게 하고, 따라서 베인 유효실은 베인들이 터빈 휠로의 유동 경로들 중 일부를 차단하게 한다. 유효실의 변경이 특정 볼류트 설계의 입구각과 목면적의 최적화의 개선을 고려하는 반면, 출구각과 출구 목면적은 최적의 터빈 성능과 무관하게 조정될 수 있다. 이동하는 베인들(121)의 배기 유동 압력으로 인해, 외부 베인 링의 수 텅들(126)이 내부 베인 링(91)의 베인들(121)의 암 공동들(124)과 접촉 상태로 유지된다.

상대 운동(96, 97)이 반전될 때, 내부 베인 링의 회전가능한 베인들의 테일부들의 배기 압력으로 인해, 내부 베인 링의 베인들(121)의 암 공동들(124)은 내부 및 외부 베인들이 다시 정렬될 때까지 외부 베인 링의 베인들(122)의 수 텅들(126)을 따르게 되고, 베인들의 유효실을 감소시킨다.

제2 실시형태의 다른 버전에서, 도 14a 및 도 14b에 도시된 바와 같이, 내부 베인 링(91)의 베인들(141)의 텅들(144)은 외부 베인 링(90)의 베인들(142)의 암 공동들(143)의 측면에 위치하여, 축(120)을 중심으로 한 베인들(141)의 각위치가 외부 베인 링(90)의 베인들(142)의 공동들의 측면에 의해 제어된다. 외부 베인 링과 내부 베인 링 간에 상대 운동(96, 97)이 존재하는 경우, 일 베인의 타 베인에 대한 운동은 전체 베인의 유효실을 변화되게 한다. 이전 실시형태의 경우와 같이, 유효실의 변경이 특정 볼류트 설계의 입구각과 목면적의 최적화의 개선을 고려하는 반면, 출구각과 출구 목면적은 최적의 터빈 성능과 무관하게 조정될 수 있다.

대안적인 실시형태에서, 일 베인 링, 예를 들어 고정된 외부 베인 링의 베인의 일부는 타 베인 링, 예를 들어 회전가능하게 장착된 내부 베인 링의 공간으로 연장될 수 있다. 이러한 대안은 두 베인 부분들 간에 형성되는 "노즐"의 형상 결정을 돕고, 베인들이 "최소 개방" 위치를 향해 이동함에 따라 배기 가스 흐름에 더 큰 방향성을 부여한다. 아울러, 일 베인 링의 타 베인 링에 대한 회전이 랙-피니언 또는 스텝퍼 모터 등을 이용하여 제어되는 경우, 타 베인 링의 연장부에 의해 제공된 "정지부"에 의한 일 베인 링의 복귀는 베인 링을 "0(zero)" 위치로 재설정하는 결과를 가져온다.

베인 링들은 통상의 VTG에 사용된 것보다 더 간단한 임의의 수의 시스템에 의해 회전될 수 있다. 베인 링들은 전자 제어 장치를 이용하여 전기적으로 작동되거나, 또는 웜 기어 또는 랙-피니언을 이용하여 공압력 또는 유압력에 의해 작동될 수 있다. 베인 링들의 위치는 기계가공된 위치에 존재할 수 있고, 이는 질화되어 내부식성과 경도를 제공할 수 있고, 또는 롤러와 베어링을 이용할 수 있다. 제어 시스템의 입력은 모든 터보차저 출력일 수 있다.

이제, 본 발명이 설명되었다.

Claims (12)

1. 중심축을 중심으로 회전가능한 터빈 휠(70);
   상기 터빈 휠을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 구성되고, 하나 이상의 볼류트를 포함하는 하우징(2); 및
   상기 볼류트와 상기 터빈 휠 사이에 구비되는 내부 베인(93) 링과 외부 베인(92) 링을 포함하며,
   상기 내부 베인 링과 상기 외부 베인 링 중 적어도 하나는 회전가능한 베인 링(90, 91) 상에 구비되고,
   상기 내부 및 외부 베인들 중 하나는 선회가능하게 장착되고, 상기 내부 및 외부 베인들은 일 베인 링의 타 베인 링에 대한 회전이 상기 선회가능하게 장착된 베인들의 선회를 초래하도록 연결되는 것인 터보차저.
2. 제1항에 있어서, 상기 외부 베인들(92) 중 하나와 상기 내부 베인들(93) 중 하나는 정렬 상태일 때 일반적인 날개(airfoil) 형상을 형성하고, 상기 외부 베인이 상기 일반적인 날개 형상의 리딩 에지를 형성하며, 상기 내부 베인이 상기 일반적인 날개 형상의 트레일링 에지를 형성하는 것인 터보차저.
3. 제1항에 있어서, 상기 내부 베인 링과 상기 외부 베인 링은 원주방향으로 이동되는 것인 터보차저.
4. 제3항에 있어서, 상기 내부 베인 링과 상기 외부 베인 링은 서로에 대하여 원주방향으로 이동되는 것인 터보차저.
5. 제1항에 있어서, 외부 베인들 간의 영역은 배기 가스가 유동하는 노즐을 한정하고, 상기 내부 베인 링에 대한 상기 외부 베인 링의 원주방향 이동은 상기 베인들이 상기 터빈 휠로의 유동 경로의 일부를 차단하도록 하는 것인 터보차저.
6. 제1항에 있어서, 상기 외부 베인(92) 링은 상기 회전가능한 베인 링(90) 상에 구비되는 것인 터보차저.
7. 제1항에 있어서, 상기 내부 베인(93) 링은 상기 회전가능한 베인 링(91) 상에 구비되는 것인 터보차저.
8. 제1항에 있어서, 상기 외부 및 내부 베인(92, 93) 링들은 상기 회전가능한 베인 링들(90, 91) 상에 구비되는 것인 터보차저.
9. 제1항에 있어서, 상기 외부 베인들은 돌기를 포함하고, 그로 인해 내부 및 외부 베인들 간의 상대 운동은 상기 내부 베인과 상기 돌기가 가변 유동 면적을 가진 노즐을 형성하게 하는 것인 터보차저.
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