KR20190126898A - 비대칭 설부-휠 간격을 갖는 듀얼 볼류트 터보차저 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제1 볼류트(61) 및 제2 볼류트(62)를 포함하는 터보차저의 배기 터빈(32)의 하우징 (60)으로서, 각각의 볼 류트(61, 62)가 각각의 제1 및 제2 가이드 설부(64, 66) 및 터빈 휠로 끝나는 하우징에 관한 것이다. 이 설부의 비대칭에 의해, 터빈 휠의 블레이드가 각각의 설부를 통과할 때 방출되는 펄스 진폭을 제어할 수 있다. 더욱이, 제2 가이드 설부(66)의 휠-설부 거리를 증가시킴으로써 내구성 요건이 충족될 수 있다.

Description

비대칭 설부-휠 간격을 갖는 듀얼 볼류트 터보차저

실린더가 순차적으로 연소되는 다기통 내연 기관에서 터빈 휠을 구동하기 위한 에너지가 공급되는 배기구는 상이한 시간에 열린다. 배기구가 최초로 열리면 가스의 서지(surge)가 실린더로부터 배출된다. 이러한 고에너지 단기간 펄스는 배기 가스 터보차저의 터빈을 구동하는데 매우 가치가 있다. 다음에, 배기구가 닫히면 매니폴드내의 압력이 감소한다. 단일의 매니폴드가 장착된 엔진에서는, 매니폴드 아래로 이동하는 하나의 실린더로부터의 고에너지 펄스가 다른 실린더로부터의 저압 파와 만나 결합하여 압력 펄스를 제거할 수 있다. 이러한 피크 펄스 압력의 진폭 감소에 의해 터빈 구동 효율이 감소한다.

터빈 휠을 구동하기 위한 개량된 기술을 "펄스 충전"(pulse charging)으로 알려져 있다. 엔진 배기 시스템은 둘 이상의 배기 매니폴드로 분할되며, 각각의 배기 매니폴드는 서로 다른 세트의 실린더에 연결되며, 이러한 독립적인 매니폴드는 내부에 분할된 터빈 하우징에 공급된다. 이에 따라, 상이한 그룹의 실린더로부터 유도된 적어도 제1 및 제2 흐름 스트림(flow stream)이 실린더 배기구로부터 터빈 휠까지 완전히 분리되어 유지되고, 하나의 매니폴드에서의 고에너지 펄스는 다른 매니폴드에서 저압 파와의 상호 작용에 의해 감소되지 않는다.

듀얼 볼류트 터빈의 내부 분할된 하우징은 채널을 형성하며, 각각의 채널은 소위 설부(tongue)로 종단된다. 이 설부가 터빈 휠에 대한 최적의 흐름을 적어도 부분적으로 방지하고 있다는 사실을 고려해야 한다. 설부는 터빈 휠의 일부를 은폐하며, 터빈 휠의 이 부분에 대하여 흐름을 직접 향하게 할 수 없다. 2개의 채널의 경우, 터빈 휠에 대한 최적의 흐름에 악영향을 미치는 2개의 이러한 설부가 있다. 공기 역학적 목적으로 가늘고 긴 선단을 갖는 설부를 형성하는 것이 바람직하다고 생각할 수 있지만, 특정 수준의 내구 강도를 보장하기에 충분한 두께에 대한 상쇄하는 요구가 있다.

또 다른 문제는 펄스 충전식 터보차저 터빈 휠이 매우 불안정한 공기 역학적 힘에 노출되어 상당한 블레이드 진동을 유발한다는 것이다. 터보차저 터빈에서 터빈 휠의 높은 사이클 피로의 주요 원인은 공기 역학적 블레이드의 여기력이다.

또 다른 문제는 노즐 날개를 통과하는 터빈 블레이드에 의해 발생되는 소음이다. 터빈 휠의 블레이드가 설부를 통과할 때 방출되는 펄스의 진폭은 노이즈로 변환될 수 있다. 이 펄스 에너지는 또한 설부에 응력을 도입할 수 있다. 설부는 열 응력 및 높은 사이클 피로로 인해 균열 및 파손이 발생하기 쉬운 터빈 하우징의 특징이며, 이들 압력 펄스는 추가적인 힘을 도입하여 설부의 피로 파손을 가속화할 수 있다.

국제공개공보 WO2015179353 (BorgWarner)는 통상적으로, 제1 채널의 설부의 선단은 제2 채널의 설부의 선단으로부터 원주 방향으로 180° 오프셋하여 배치되는 반면, 본 발명에서는, 블레이드의 피로 파손의 위험은 원주방향의 각도 오프셋을 적어도 5° 단축함으로써 감소될 수 있다고 교시하고 있다. 그러나, 노즐 또는 설부 파손의 문제는 해결되지 않고, 터빈 휠 수명의 추가 개선이 요구된다.

본 발명의 목적은 비용 효과적인 생산 및 낮은 유지 보수 조작과 함께 펄스 충전을 가능하게 하고, 동시에 소형화되며 승용차 및 상업용 차량에 사용될 수 있는 배기 가스 터보차저를 구체화하는 것이다.

본 발명에 따르면, 전술한 문제들은 적어도 제1 및 제2 별도의 흐름 경로를 갖는 터보차저를 제공하고, 제1 및 제2 가이드 설부에서 종단함으로써 해결하고 있다. 제1 가이드 설부와 터빈 휠 사이의 갭은 제2 가이드 설부와 터빈 휠 사이의 갭보다 작다. 이 설부의 비대칭에 의해, 터빈 휠의 블레이드가 각각의 설부를 통과할 때 방출되는 펄스 진폭을 제어할 수 있다.

반경방향 및 혼합류 터빈 스테이지의 열역학적 성능은 터빈 휠 주위의 흐름 누출을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 엔진에 의해 방출되는 흐름의 맥동으로부터 더 많은 양의 에너지 피크를 이용할 수 있기 때문에, 제1 가이드 설부에서 설부와 휠의 거리가 작아지면 증가된다. 열역학적 성능을 최대화하기 위해 제1 가이드 설부는 터빈 휠에 가능하면 가깝게 배치된다.

터빈 휠의 내구성을 향상시키기 위해, 제2 가이드 설부와 터빈 휠 사이의 거리는 제1 가이드 설부보다 더 크며, 이에 따라 휠이 각각의 설부를 통과하여 회전함으로써 터빈 휠에서 동기식 응답 또는 그렇지 않으면 교감식 응답을 방지할 수 있다.

제2 가이드 설부만의 휠에서 설부까지의 거리를 증가시킴으로써, 내구성 요건을 충족할 수 있으며, 한편 제1 설부에서 종단하는 제1 볼류트의 성능은 불필요하게 악영향을 받지 않을 것이다.

듀얼 볼류트 터빈의 2개의 설부는 주조하여 사용할 수 있거나, 또는 그들의 최종 형상과 배치로 기계 가공할 수 있다. 제2 설부의 휠에서 설부까지의 거리는 제1 설부로부터 주조 형상으로 직접 변화시킬 수 있거나, 또는 마무리 기계 가공 작업을 통해 변화시킬 수 있다.

따라서, 본 발명은 배기 가스 속도 및 펄스 에너지를 유지할 수 있는 저비용 터빈 유량 제어 장치의 설계에 관한 것이다. 저비용의 터보차저는 저유량 조건에 일치시켜 저유량에 대해 최적화된 터보 (및 이에 따라 엔진) 과도 응답을 제공하는 동시에, 동일한 비용 효율적인 터보차저에서 저유량 조건 이외의 다른 조건에서 엔진이 요구하는 높은 유량을 공급할 수 있다.

본 발명은 첨부한 도면으로 한정하지 않고 예로서 나타내며, 여기서 유사한 참조 번호는 유사한 부분을 나타낸다.
도 1은 터보차저의 배기 터빈으로의 배기 가스 흐름의 개요를 나타낸다.
도 2는 이중 입구 터빈 하우징을 갖는 본 발명의 제1 실시형태를 나타낸다.
도 3은 분할된 터빈 하우징을 갖는 본 발명의 제2 실시형태를 나타낸다.

펄스 충전 터빈은 잘 알려져 있다. 미국 특허 제8,621,863호 (KRAETSCHMER 등)은 터보차저가 장착된 내연 기관의 개략도를 도 5에 나타내고 있으며, 그의 개시는 명세서에 참고로 포함된다. 원칙적으로, 내연 기관은 디젤, SI 또는 디젤/SI 엔진일 수 있으며;도시된 실시형태에서, 6개의 실린더를 가지며, 이들 실린더 중 3개의 제1 세트가 결합되어 제1 실린더 그룹을 형성하고, 3개의 실린더의 제2 세트가 결합되어 제2 실린더 그룹을 형성한다. 2개의 배기 가스 라인은 각각의 실린더 그룹에 할당되고, 제1 배기 가스 라인은 적절한 매니폴드를 통하여 부분 볼류트로서 설계된 터보차저의 제1 나선형 통로에 연결되며, 한편 제2 배기 가스 라인은 완전한 볼류트로서 설계된 제2 나선형 통로에 결합된다.

본 출원의 도 1은 미국 특허출원 공개 제2016/0025044호의 도 2로부터 개조된 것이며, 그의 개시는 본 명세서에 참고로 포함된다. 도 1은 터보차저의 배기 터빈(32)으로의 배기 가스 흐름의 개요를 나타낸다. 내연 기관(12) 시스템은 흡기 통로(18) 및 배기 매니폴드(20)를 포함한다. 흡기 통로(18)는 연소실(16)과 유체 연통되어 흡기 공기를 연소실(16)에 공급한다. 배기 매니폴드(20)는 연소실(16)과 유체 연통되어 배기구를 통해 연소실(16)의 외부로 배출되는 배기 가스를 수취한다.

연소실(16)의 실린더 #1, #2 및 #3으로부터의 배기 흐름은 연소실(16)의 실린더 #4, #5 및 #6으로부터의 배기 흐름으로부터 물리적으로 분리된다. 특히, 연소실(16)의 실린더 #1, #2 및 #3으로부터의 배기 가스는 제1 배기관(21)으로 유입되며, 한편 연소실(16)의 실린더 #4, #5 및 #6으로부터의 배기 가스는 제2 배기관(22)으로 유입된다. 엔진(12)을 운전하는 중에, 배기 밸브가 열리고 닫힐 때 생성되는 배기 가스 펄스 (P1 내지 P6)는 실린더 #1, #2, #3, #4, #5 및 #6으로부터 각각 전파된다. 배기 펄스 간섭은 통상적으로 하나의 실린더로부터의 배기 가스 펄스가 다른 실린더로부터의 저압 파를 만날 때 일어난다. 상술한 바와 같이, 실린더 #1, #2, #3, #4, #5 및 #6으로부터 배기 가스를 제1 및 제2 배기관(21, 22)으로 분리함으로써, 배기 터빈(32)은 배기 소기 기술을 효율적으로 이용할 수 있으며, 이에 따라 터빈 시스템 성능을 향상시키고 터보 래그(turbo lag)를 감소시킨다.

터보차저의 배기 터빈(32)은 제1 볼류트(61), 제2 볼류트(62) 및 터빈 휠 수용 보어(63) (베이스 써클로도 알려짐)를 갖는 터빈 하우징(60)을 갖는다. 제1 볼류트(61)는 단면적 A1을 갖는 제1 볼류트 배기 가스 유입구(61a)를 갖는다. 여기서, 제1 볼류트 배기 가스 유입구(61a)는 실린더 #1, #2 및 #3으로부터 혼합 배기 가스의 스트림을 수취한다. 제1 볼류트(61)는 제1 배기 가스 유출구(61b)의 시작 부분에서 단면적 A1'을 갖는 제1 배기 가스 유출구(61b)를 가지며, 이는 도 1에 나타낸 바와 같이 반시계 방향으로 제1 설부(64)의 선단 또는 자유 단부로부터 제2 설부(66)의 선단 또는 자유 단부까지 연장된다. 제2 볼류트(62)는 단면적 A2를 갖는 제2 배기 가스 유입구(62a)를 갖는다. 여기서, 제2 배기 가스 유입구(62a)는 실린더 #4, #5 및 #6으로부터 혼합 배기 가스의 스트림을 수취한다. 제2 볼류트(62)는 제2 배기 가스 유출구(62b)의 시작 부분에 단면적 A2'를 갖는 제2 배기 가스 유출구(62b)를 가지며, 이는 도 1에 나타낸 바와 같이 반시계방향으로 제2 설부(66)의 선단으로부터 제1 설부(64)의 선단까지 원주 방향으로 연장된다. 제1 및 제2 볼류트(61, 62)의 단면적(A1, A2)은 실질적으로 동일할 수 있다. 대안적으로, 제2 볼류트(62)의 단면적(A2)는 제1 볼류트(61)의 단면적(A1)보다 작을 수 있다.

도 1에 도표로 나타낸 바와 같이, 제1 배기 가스 유출구(61b)는 터빈 수용 보어(63)의 180도를 따라 원주 방향으로 열리고, 한편 제2 배기 가스 유출구(62b)는 터빈 수용 보어(63)의 나머지 180도를 따라 원주 방향으로 열린다.

본 발명에 따르면, 터보차저에는 적어도 제1 및 제2 별도의 흐름 경로가 제공되며, 제1 및 제2 가이드 설부에서 종단한다. 제1 가이드 설부와 터빈 휠 사이의 갭은 제2 가이드 설부와 터빈 휠 사이의 갭보다 작다. 이 설부의 비대칭에 의해, 터빈 휠의 블레이드가 각각의 설부를 통과할 때 방출되는 펄스 진폭을 제어할 수 있다.

터빈 하우징은 각각의 볼류트의 유출구가 터빈 하우징의 베이스 서클 주위에 배치되도록 구성된 복수 (2개 이상)의 볼류트 (61, 62)로 구성된다. 볼류트는 도 3에 나타낸 바와 같이 배기를 터빈 휠(1)의 외주(2)에 누적적으로 보낸다.

설부의 갭을 정의하는 일반적인 방법은 가장 가까운 지점의 휠-설부 갭을 휠 직경으로 나눈 것이다 (터빈 휠의 반경 방향 외부 선단에서 측정). 예를 들어, 3mm의 갭을 53mm 휠 직경 = 3/53 = 5.6% 또는 0.056 설부 갭 비율(TGR)로 나눈 값이다. 설부 갭이 증가함에 따라 듀얼 볼류트 펄스 효과가 작아진다. 더 큰 갭의 TGR은 0.15 내지 0.04의 범위, 바람직하게는 0.1 내지 0.05의 범위, 보다 바람직하게는 0.8 내지 0.05의 범위, 가장 바람직하게는 0.7 내지 0.6의 범위에서 선택된다. 더 가까운 갭의 TGR은 0.8 내지 0.1, 바람직하게는 0.7 내지 0.2, 보다 바람직하게는 0.6 내지 0.3, 가장 바람직하게는 0.5 내지 0.4의 범위에서 선택될 수 있다. 더 큰 TGR 대 더 작은 TGR의 비는 1.5 내지 4, 바람직하게는 2 내지 3일 수 있다.

비대칭 설부 간격은 대칭 또는 비대칭 볼류트를 구비한 터보차저에 사용될 수 있다. 그것은 EGR 터보차저에 사용할 수 있다. 그것은 가변 터빈 기하형상(VTG)을 갖는 터보차저에 사용할 수 있다. 본 발명의 본질적인 특징은 비대칭 설부-휠 간격이다. 이는 이중 입구 터빈에 사용될 수 있으며, 여기서 액추에이터는 예를 들어 미국특허 제4,389,845호 (Koike)에 개시된 바와 같이, 이러한 가스의 흐름을 제1 스크롤로 유지하면서 유입구로부터 제2 스크롤로의 배기 가스의 흐름을 선택적으로 제어하는데 사용된다. 액추에이터가 고체 분할벽에 의해 형성된 제1 또는 제2의 볼류트 내로의 유량을 제어하는 밸브를 제어하는 도 9b를 참조한다. 비대칭 설부 간격은 또한 반경방향 흐름 터빈 또는 "혼합 흐름" 반경방향/축방향 터빈과 함께 사용될 수 있다 (US 2007/0180826 참조).

제1 설부와 제2 설부 사이의 설부에서 휠까지의 거리를 변화시키는 대체안으로서, 제2 볼류트에 대한 제1 볼류트의 노즐 폭을 변화시키는 것도 가능하다.

제2 볼류트로부터 제1 볼류트의 노즐 폭을 변화시키는 것을 포함하는 이러한 비대칭 방법에 의해, 양쪽의 볼류트 사이의 유량의 조절이 가능하게 된다. 이 방법은 두 실린더 그룹의 터빈 유입구 압력을 동일하게 하기 위해 사용할 수 있다. 이것은 실린더 헤드 설계에서 발견되는 비대칭성을 방지하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 볼류트 및 제2 볼류트의 노즐 폭이 동일한 상황에서 터빈 유입구 압력은 각 볼류트 (및 각 실린더 페어링)에서 측정될 수 있다. 이 실시예에 있어서, 제2 볼류트로 유입되는 압력은 엔진에서 조작하기 위한 목표 아래에 있다. 제2 볼류트의 노즐 폭을 감소시켜, 제2 볼류트를 통한 유량을 감소시키고 터빈 유입구 압력을 증가시킬 수 있다.

하나의 볼류트에서 유량을 감소시키는 것은 터빈 스테이지의 로 엔드 토크 및 과도 성능 잠재력을 높이는 데 유용할 수 있다. 더 낮은 유량 터빈 스테이지는 낮은 엔진 유량 및 엔진 RPM에서 컴프레서 스테이지에 더 많은 전력을 제공하여, 보다 공격적인 로우 엔드 토크(low end torque) 및 과도 작동을 가능하게 한다.

이 방법은 각 볼류트에서 불균일한 터빈 유입구 압력을 생성하는 실린더 그룹 간에 불균일한 흐름을 생성하는데 사용될 수 있다. 제1 볼류트의 노즐 폭과 제2 볼류트의 노즐 폭이 대칭인 상황에서, 터빈 유입구 압력은 각각의 볼류트 (및 각 실린더 페어링)에서 측정될 수 있고 동일한 것으로 확인할 수 있다. HP-EGR을 구동하기 위해, 제2 볼류트의 노즐 폭을 감소시켜 제2 볼류트보다 먼저 터빈 유입구 압력을 증가시킬 수 있다. 제2 볼류트의 터빈 유입구 압력을 증가시키면 터보/엔진 시스템이 제1 볼류트의 실린더 그룹의 펌핑 루프/VE에 영향을 미치지 않으면서 HP-EGR을 구동할 수 있다.

이것으로 본 발명의 설명을 마친다.

Claims (14)

1. 나선형 케이싱 형태의 터보차저 터빈 하우징(60)으로서, 적어도 제1 및 제2 볼류트(61, 62)는 터빈 휠 보어에 대한 별도의 흐름 경로를 정의하고, 상기 흐름 경로는 제1 및 제2 가이드 설부(64, 66)로 끝나며, 상기 제1 가이드 설부(64)와 터빈 휠(1) 외주(2) 사이의 갭은 제2 가이드 설부(66)와 터빈 휠 외주(2) 사이의 갭보다 작은 터보차저 터빈 하우징.
2. 제1항에 있어서, 휠 직경으로 나눈 가장 가까운 지점에서 휠-설부 갭으로서 측정된, 상기 제2 가이드 설부(64)의 설부-갭 비(TGR)는 0.15 내지 0.04 범위에서 선택되며, 제1 가이드 설부(66)의 TGR은 0.8 내지 0.1의 범위에서 선택되고, 큰 TGR 대 작은 TGR의 비는 1.5 내지 4 범위에서 선택되는 터보차저.
3. 제2항에 있어서, 상기 제2 가이드 설부(64)의 TGR은 0.1 내지 0.05의 범위에서 선택되는 터보차저.
4. 제2항에 있어서, 상기 제2 가이드 설부(64)의 TGR은 0.8 내지 0.05의 범위에서 선택되는 터보차저.
5. 제2항에 있어서, 상기 제2 가이드 설부(64)의 TGR은 0.7 내지 0.6의 범위에서 선택되는 터보차저.
6. 제2항에 있어서, 상기 제1 가이드 설부(66)의 TGR은 0.7 내지 0.2의 범위에서 선택되는 터보차저.
7. 제2항에 있어서, 상기 제1 가이드 설부(66)의 TGR은 0.6 내지 0.3의 범위에서 선택되는 터보차저.
8. 제2항에 있어서, 상기 제1 가이드 설부(66)의 TGR은 0.5 내지 0.4의 범위에서 선택되는 터보차저.
9. 제2항에 있어서, 더 큰 TGR 대 더 작은 TGR의 비는 2 내지 3의 범위로부터 선택되는 터보차저.
10. 제1항에 있어서, 상기 볼류트는 비대칭인 터보차저.
11. 제10항에 있어서, 상기 하나의 볼류트는 배기 가스 재순환 라인에 연결되는 터보차저.
12. 제1항에 있어서, 상기 터빈은 가변 기하 형상 터빈인 터보차저.
13. 제1항에 있어서, 상기 제1 설부 선단은 상기 제2 설부 선단으로부터 원주 방향으로 180° 오프셋 되는 터보차저.
14. 제1항에 있어서, 상기 제1 설부 선단은 상기 제2 설부 선단으로부터 원주 방향으로 165° 내지 177° 오프셋 되는 터보차저.

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