KR101729232B1 - 회전 관성 저감 자동차용 터보차저 - Google Patents

회전 관성 저감 자동차용 터보차저 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전 관성 저감 자동차용 터보차저에 관한 것이다. 본 발명은 내부에 장착 홀이 형성된 센터 하우징(100), 회전하여 배기가스를 유입시키고 배출하는 터빈 휠(200), 회전하여 외부 공기를 흡입하고 압축시키는 컴프레서 휠(300) 및 일측은 터빈 휠에 연결되고, 타측은 컴프레서 휠에 연결되어 상기 장착 홀 내부에 회전 가능하게 설치되며, 내부에 축 방향을 따라 샤프트 중공부(450)가 형성된 샤프트(400)를 포함한다. 본 발명에 의하면, 회전 관성모멘트가 저감되어 터보차저의 회전력을 증가시키고, 중공부 쪽으로 오일을 이동시킬 수 있어 내부기관의 윤활능력을 더욱 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

회전 관성 저감 자동차용 터보차저{AUTOMOTIVE TURBOCHARGER WITH RATIOTIONAL INERTIA REDUCED ROTOR SHAFT}
본 발명은 터보차저의 터빈 휠 중공부 및 샤프트 중공부를 구비하여 회전관성 모멘트를 저감시키는 기술에 관한 것이다.
자동차 등에 장착되는 내연기관에 관하여는 터보차저(turbo charger)에 관한 기술이 있다. 터보차저란 일반적으로 연소 후에 버려지는 배기가스를 구동동력으로 재활용하는 장치로, 실린더 내에 고밀도의 압축공기를 공급하여, 엔진의 성능(출력, 토크)을 향상시켜, 연료 소비효율을 개선시키고 엔진 경량화(downsizing)에 필수적인 장치이다.
터보차저는 터빈 휠(turbine wheel), 터빈 하우징(turbin housing), 컴프레서 휠(compressor wheel), 컴프레서 하우징(compressor housing) 및 센터 하우징(center housing)등으로 이루어져 있고, 터빈 휠과 컴프레서 휠은 배기경로의 중간지점에 마련된 센터 하우징을 매개로 하여, 센터 하우징 내에 회전 가능하게 설치된 샤프트(shaft)를 통하여 동축으로(coaxially) 연결되어 있다.
터보차저에 있어서, 내연기관으로부터 방출된 배기가스는 배기 가스를 유입하는 터빈 하우징 내로 흘러 들어가, 이 배기가스는 소용돌이 형태로 스크롤 경로(scroll passage)를 따라서 흐른다. 그 후 스크롤 경로로부터 노즐 경로로 흐르고, 터빈 휠에 부딪혀서 터빈 휠을 회전시킨다.
터빈 휠이 이렇게 회전하면, 터빈 휠의 토크(torque)가 터빈 축(turbine shaft)을 통하여 컴프레서 휠에 전달되고, 컴프레서 휠은 터빈 휠과 동기적(synchronism)으로 회전한다. 이 때 흡입공기 입구 근처의 흡입공기는 컴프레서 휠의 회전에 의해 발생한 흡입력에 의해 컴프레서 하우징으로 빨려 들어가고, 방출경로(sent-out passage)와 스크롤 경로를 통하여 흡입공기 출구로 보내어진다.
컴프레서 하우징에서 압축된 흡입공기는 강제적으로 연소실로 공급되어, 흡입공기의 충전효율은 향상된다. 이러한 과정에서, 연료 주입량은 흡입 공기량에 따라서 증가하게 되고, 이에 의해 더 큰 연소력(combustion power)과 폭발력을 얻을 수 있어 엔진출력이 향상된다.
터보차저를 이용하는 경우 엔진이 저회전으로 운전할 때, 터보는 회전력이 거의 없어 일정 회전력이 생길 때까지 지연이 발생하게 되는데, 이를 터보랙(turbo lag)이라 한다. 터보 랙을 줄이기 위한 여러가지 방안이 시도되어 왔는데, 본 발명은 그 중 하나로서 회전관성모멘트를 감소시켜 회전력을 증가시키는 것이다.
또한, 냉간 시동시 오일의 점도가 높아져 오일공급이 지연되는 문제 및 축계 부품이 소착되는 문제가 발생하였다. 본 발명은 회전관성모멘트를 감소시키는 동시에 센터 하우징 내의 베어링과 샤프트를 효율적으로 윤활시켜 이와 같은 문제를 해결하기 위한 것이다.
또한, 종래에는 밀봉부재의 별도 윤활 시스템이 없어 밀봉부재의 마모가 일어나고, 터빈 측 배기가스가 센터 하우징 내로 유입되어 고착되거나, 센터 하우징 내부의 오일이 터빈 측으로 유출되어 터빈 측 끝단에 오일이 퇴적되는 현상이 발생하였다. 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것이다.
한국공개특허공보 제10-2005-0004279호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 회전관성 모멘트를 감소시킴과 동시에 내부 기관들의 윤활능력을 향상시킬 수 있는 터보차저를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 내부에 장착 홀이 형성된 센터 하우징; 회전하여 배기가스를 유입시키고 배출하는 터빈 휠; 회전하여 외부 공기를 흡입하고 압축시키는 컴프레서 휠; 및 일측은 터빈 휠에 연결되고, 타측은 컴프레서 휠에 연결되어 장착 홀 내부에 회전 가능하게 설치되며, 내부에 샤프트 중공부가 형성된 샤프트;를 포함하고, 터빈 휠의 내부에 샤프트의 축방향을 따라 터빈 휠 중공부가 형성되어 있으며, 터빈 휠 중공부는 샤프트 중공부와 연결되고, 터빈 휠의 끝으로 갈수록 회전축을 중심으로 한 반경이 점차 감소된다.
삭제
또한, 상기 센터 하우징은 내부에 외부로부터 오일을 유입할 수 있는 오일공급로가 더 구비되고, 상기 샤프트에는 상기 오일공급로로부터 유입된 상기 오일을을 상기 샤프트 중공부에 공급하기 위해 외주면에 제1샤프트 오일공을 형성할 수 있다.
또한, 상기 샤프트에는 베어링이 장착되고, 상기 베어링은 내부에 상기 샤프트가 삽입되는 관통공이 형성된 베어링 내측면과, 상기 베어링 내측면을 감싸는 베어링 외측면으로 구성되며, 상기 베어링 내측면과 상기 베어링 외측면을 관통하는 베어링 오일공이 형성되어, 상기 오일공급로와 베어링 오일공 및 제1샤프트 오일공은 상호 연통될 수 있다.
또한, 상기 샤프트 및 상기 터빈 휠에는 상기 샤프트와 상기 터빈 휠을 연결하는 연결부가 형성되고, 상기 연결부에는 원주 방향의 홈이 형성되며, 상기 홈을 따라 밀봉부재가 장착될 수 있다.
또한, 상기 샤프트에는 상기 홈과 상기 샤프트 중공부를 연통시켜 오일을 이동시킬 수 있는, 제2샤프트 오일공을 구비할 수 있다.
본 발명에 따르면, 터빈 휠 중공부 및 샤프트의 중공부를 구비하게 되어 회전관성모멘트가 저감되므로, 터보 랙 현상이 개선되어 터보차저의 작동을 제어함에 있어 효율성을 높일 수 있다.
또한, 샤프트 중공부 쪽으로 오일이 이동할 수 있으므로 윤활능력이 향상되어, 베어링, 샤프트 마모가 저감되어, 터보차저의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 터빈 휠의 중공부 측으로 오일이 이동하여 터빈 휠의 냉각이 이루어지므로 터빈 휠의 소재선택이 넓어지는 장점이 있다. 게다가, 터빈 측 밀봉부재의 윤활을 가능하게 하므로, 밀봉부재의 수명을 연장할 수 있으며, 오일 및 배기가스의 누유현상도 방지할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 터보차저의 단면도이다.
도 2, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저의 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 베어링의 구조를 도시한 사시도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 터보차저의 바람직한 실시예들을 자세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 종래기술에 의한 터보차저의 단면도이다.
종래 기술에 의한 터보차저는 내부에 장착 홀이 형성된 센터 하우징(100)과 회전하여 배기가스를 유입시키고 배출하는 터빈 휠(200), 회전하여 외부 공기를 흡입하고 압축시키는 컴프레서 휠(300) 및 일측은 터빈 휠에 연결되고, 타측은 컴프레서 휠에 연결되어 상기 장착 홀 내부에 회전 가능하게 설치되는 샤프트(400)를 포함한다.
종래 기술에 의한 터보차저의 경우 엔진이 저회전으로 운전할 때, 터보는 회전력이 거의 없어 일정 회전력이 생길 때까지 지연이 발생하게 되는데, 이를 터보랙(turbo lag)이라 한다. 터보 랙을 줄이기 위한 여러가지 방안이 시도되어 왔다.
본 발명은 그 중 하나로서 회전관성모멘트를 감소시켜 회전력을 증가시키기 위해서 안출된 것으로서, 도 2부터 도 5까지는 본 발명을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하여 보면, 본 발명은 종래 기술의 기본 구성요소인 센터 하우징(100), 터빈 휠(200),컴프레서 휠(300) 이외에, 내부에 샤프트 중공부(450)를 형성한 샤프트(400)를 포함한다.
내부 샤프트 중공부(450)는 축 방향을 따라 평행하게 형성되고, 샤프트의 질량을 감소시켜 터보차저의 회전관성모멘트가 저감되는 효과가 있다.
또한, 상기 터빈 휠(200)의 내부에는 축 방향을 따라 휠 중공부(250)가 형성된다. 터빈 휠 중공부(250)는 휠의 끝으로 갈수록 회전축을 중심으로 한 반경이 점차 감소되어 휠의 중량 절감이 효과적으로 이루어진다. 이 때, 휠 중공부(250)가 샤프트 중공부(450)와 연결되면, 터보차저의 회전관성모멘트가 더 저감되는 효과가 있어 터보 랙 개선에 기여한다.
도 3을 참조하여 보면, 터보차저의 센터 하우징(100) 내부에는 외부에서 오일을 유입할 수 있는 오일공급로(110)가 더 구비되고, 샤프트(400)에는 오일 공급로(110)로부터 유입된 오일을 상기 샤프트 중공부(450)에 공급하기 위해 외주면에 제1샤프트 오일공(410)이 형성될 수 있다. 또한, 제1샤프트 오일공(410)과 오일 공급로(110)는 복수 개가 형성될 수 있다.
오일공급로(110)를 통하여 유입된 오일은, 연결된 제1샤프트 오일공(410)을 통하여 샤프트 중공부(450) 및 터빈 휠 중공부(250)까지 이동된다. 이동된 오일은 샤프트와 휠 내부에 저장되는 효과가 있어 윤활능력을 향상시키고, 샤프트의 마모를 감소시켜 내구성을 향상시킨다. 또한, 제1샤프트 오일공(410)을 통하여 유입된 오일이 터빈 휠 중공부(250)까지 이동함으로써 터빈 휠 측의 냉각 효과가 있다.
터빈 휠(200) 측은 고온의 배기가스(가솔린 엔진의 경우 1000℃ 이상)에 직접적으로 노출되므로 터빈 휠(200) 측의 소재 선택이 제한적이다. 기존 소재로는 니켈 합금(Ni-Alloys)을 사용하고 있으며, 티탄계 합금(Ti-Al)을 사용하는 것이 제시되고 있으나, 이는 가격이 높고 주조성이 까다로운 단점이 있다. 따라서, 터빈 휠(200) 자체에 냉각 시스템을 구비하게 되면, 기존 소재(Ni-Alloys, Ti-Al 등)보다 가벼운 소재의 적용이 가능하게 되어, 터빈 휠의 소재를 선택할 수 있는 범위가 넓어진다.
도 3 및 도 5를 참조하면 샤프트(400)에는 베어링(500)이 장착된다. 장착된 베어링(500)은 내부에 샤프트가 삽입되는 관통공이 형성된 베어링 내측면(510)과, 베어링 내측면을 감싸는 베어링 외측면(520)으로 구성되며, 베어링 내측면(510)과 베어링 외측면(520)을 관통하는 베어링 오일공(530)이 형성되어 있다. 또한, 베어링 오일공(530)은 복수 개를 형성할 수 있다.
오일공급로(110)와 베어링 오일공(530) 및 제1샤프트 오일공(410)은 서로 연결되어 있어서, 오일공급로(110)로 유입된 오일이 베어링 오일공(530)을 따라서 제1샤프트 오일공(410)으로 이동하고, 이를 따라 샤프트 중공부(450) 및 터빈 휠 중공부(450)까지 오일이 이동한다.
샤프트(400)에 베어링(500)을 장착하여 샤프트의 회전운동을 원활하게 함과 동시에, 베어링(500)에 형성된 베어링 오일공(530)을 오일 공급로(110) 및 제1샤프트 오일공(410)과 연통시킴으로써 오일의 이동을 원활하게 한다. 이로써, 터빈 휠(200) 측의 냉각 및 터빈 휠(200)의 소재 선택의 확대에 기여한다.
도 4를 참조하면, 샤프트(400) 및 터빈 휠(200)에는 샤프트(400)와 터빈 휠(200)을 연결하는 연결부(600)가 형성되고, 연결부(600)에는 원주 방향의 홈(610)이 형성되어 있으며, 이 홈(610)을 따라 밀봉부재(620)가 장착된다. 이 때, 홈(610)은 복수 개가 형성되고, 밀봉부재(620) 또한 복수 개가 장착될 수 있다. 바람직하게는 복수 개의 홈이 형성되고, 각각의 홈(610)에 밀봉부재(620)가 하나씩 장착될 수 있다.
또한, 연결부(600)의 홈(610)에 밀봉부재(620)를 장착하여, 오일의 누유 현상과 터빈 휠로 유입되는 배기가스가 센터 하우징 내부로 유입되는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 샤프트(400)에는 제2샤프트 오일공(420)을 형성하여, 밀봉부재(620)가 장착된 홈(610)과 상기 샤프트 중공부(450)를 연통시켜 오일을 이동시킬 수 있도록 한다. 이 때, 제2샤프트 오일공(420)은 복수 개가 형성될 수 있다.
또한, 제2샤프트 오일공(420)은 홈(610)의 내측과 연통되며, 다수의 밀봉부재(620)가 장착된 경우에 제2샤프트 오일공(420)은 홈(610)의 외측과는 연통되지 않는다.
오일공급로(110)로 유입된 오일이 제1샤프트 오일공(410)으로 이동하여 내부의 샤프트 중공부(450) 및 터빈 휠 중공부(250)로 들어가고, 내부의 중공부와 연결된 제2샤프트 오일공(420)을 통하여 홈(610)을 통해 밀봉부재(620)에 오일을 공급하게 되어 밀봉부재를 윤활시키는 역할을 한다. 따라서, 밀봉부재(620)의 수명을 연장하여, 밀봉부재의 마모로 인한 터빈 측 배기가스의 센터 하우징(100) 내부로의 유입 현상, 센터 하우징(100) 내부의 오일의 유출이나 터빈 측에 오일이 퇴적되는 현상을 방지하는 효과가 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 센터하우징 110 : 오일공급로
200 : 터빈 휠 250 : 터빈 휠 중공부
300 : 컴프레서 휠 400 : 샤프트
410 : 제1샤프트 오일공 420 : 제2샤프트 오일공
450 : 샤프트 중공부 500 : 베어링
510 : 베어링 내측면 520 : 베어링 외측면
530 : 베어링 오일공 600 : 연결부
610 : 홈 620 : 밀봉부재

Claims (6)

  1. 내부에 장착 홀이 형성된 센터 하우징(100);
    회전하여 배기가스를 유입시키고 배출하는 터빈 휠(200);
    회전하여 외부 공기를 흡입하고 압축시키는 컴프레서 휠(300); 및
    일측은 상기 터빈 휠(200)에 연결되고, 타측은 상기 컴프레서 휠(300)에 연결되어 상기 장착 홀 내부에 회전 가능하게 설치되며, 내부에 샤프트 중공부(450)가 형성된 샤프트(400);를 포함하고,
    상기 터빈 휠(200)의 내부에 상기 샤프트(400)의 축방향을 따라 터빈 휠 중공부(250)가 형성되어 있으며,
    상기 터빈 휠 중공부(250)는
    상기 샤프트 중공부(450)와 연결되고, 상기 터빈 휠(200)의 끝으로 갈수록 회전축을 중심으로 한 반경이 점차 감소되는 터보차저.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 센터 하우징(100)은
    내부에 외부로부터 오일을 유입할 수 있는 오일공급로(110)가 더 구비되고,
    상기 샤프트(400)에는
    상기 오일 공급로(110)로부터 유입된 상기 오일을 상기 샤프트 중공부(450)에 공급하기 위해 외주면에 제1샤프트 오일공(410)이 형성된 터보차저.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 샤프트(400)에는
    베어링(500)이 장착되고,
    상기 베어링(500)은
    내부에 상기 샤프트(400)가 삽입되는 관통공이 형성된 베어링 내측면(510)과, 상기 베어링 내측면(510)을 감싸는 베어링 외측면(520)으로 구성되며,
    상기 베어링 내측면(510)과 상기 베어링 외측면(520)을 관통하는 베어링 오일공(530)이 형성되어,
    상기 오일공급로(110)와 베어링 오일공(530) 및 제1샤프트 오일공(410)은 상호 연통되는 터보차저.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 샤프트(400) 및 상기 터빈 휠(200)에는
    상기 샤프트(400)와 상기 터빈 휠(200)을 연결하는 연결부(600)가 형성되고, 상기 연결부(600)에는 원주 방향의 홈(610)이 형성되며, 상기 홈을 따라 밀봉부재(620)가 장착된 터보차저.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 샤프트(400)에는
    상기 홈(610)과 상기 샤프트 중공부(450)를 연통시켜 오일을 이동시킬 수 있는, 제2샤프트 오일공(420)을 구비한 터보차저.
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