초저공해 압축 천연가스 엔진의 터보차저(Turbocharger of CNG engine)

(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 공개특허공보(A)
(11) 공개번호 10-2009-0040096
(43) 공개일자 2009년04월23일
(51) Int. Cl.

F02B 39/16 (2006.01) F02B 37/00 (2006.01)
F02B 39/02 (2006.01) F02M 21/02 (2006.01)
(21) 출원번호 10-2007-0105702
(22) 출원일자 2007년10월19일
심사청구일자 없음
(71) 출원인
현대자동차주식회사
서울 서초구 양재동 231
(72) 발명자
유규석
경기 화성시 장덕동 772-1
(74) 대리인
한양특허법인
전체 청구항 수 : 총 5 항
(54) 초저공해 압축 천연가스 엔진의 터보차저
(57) 요 약
본 발명은 초저공해 압축 천연가스 엔진의 터보차저에 관한 것으로, 터빈휠(21)의 회전 밸런스를 잡아주기 위한
밸런스홀(24)이 상기 터빈휠(21)에 일체로 구비된 터빈휠구조물(23)에 형성됨으로써, 상기 밸런스홀(24)로 인해
상기 터빈휠(21)의 강성이 취약해지는 현상을 예방할 수 있게 되고, 이로 인해 상기 터빈(20)의 파손 및 회전축
(30)의 절손을 예방함과 동시에 성능 향상을 도모할 수 있도록 된 것이다.
또한, 본 발명은 써지 현상이 터보차처에 영향을 주더라도 댐퍼부재(25)가 상기 터빈휠(21)에 가해지는 스트레스
를 완화시켜 주게 됨으로써 상기 터빈휠(21)의 파손 및 상기 회전축(30)의 절손을 예방할 수 있게 되고, 아울러
상기 밸런스홀(24)이 상기 회전축(30)의 중심으로부터 근접한 위치에 형성됨으로써 상기 밸런스홀(24)을 통해 상
기 터빈휠(21)의 회전 밸런스를 좋게 유지할 수 있도록 된 것이다.
대 표 도 - 도2
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공개특허 10-2009-0040096
특허청구의 범위
청구항 1
터빈휠(21)의 중심부에 컴프레서(10)를 향하는 방향으로 일체로 돌출 형성됨과 동시에 밸런스홀(24)이 형성된
터빈휠구조물(23)을 구비한 터빈(20)과;
상기 터빈휠구조물(23)의 중심과 컴프레서(10)를 직결하도록 연결된 회전축(30);
을 포함하는 초저공해 압축 천연가스 엔진의 터보차저.
청구항 2
청구항 1에 있어서, 상기 터빈휠구조물(23)에 결합되어 써지 현상 발생시 상기 터빈휠(21)에 가해지는 스트레스
를 완화시키도록 하는 댐퍼부재(25);
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초저공해 압축 천연가스 엔진의 터보차저.
청구항 3
청구항 2에 있어서, 상기 터빈휠구조물(23)에는 상기 회전축(30)의 중심으로부터 일정거리로 이격된 반경방향을
따라 디귿(ㄷ)자 단면 모양을 갖춘 댐퍼홈(23a)이 일체로 연결되도록 형성되고;
상기 댐퍼홈(23a)에 상기 댐퍼부재(25)가 압입되어 고정 설치된 것;
을 특징으로 하는 초저공해 압축 천연가스 엔진의 터보차저.
청구항 4
청구항 3에 있어서, 상기 밸런스홀(24)은,
상기 회전축(30)의 중심으로부터 상기 댐퍼부재(25)보다 반경방향으로 더 멀리 이격된 터빈휠구조물(23)에서 상
기 회전축(30)의 길이방향과 평행하도록 상기 터빈휠구조물(23)을 관통하여 형성된 것;
을 특징으로 하는 초저공해 압축 천연가스 엔진의 터보차저.
청구항 5
청구항 3에 있어서, 상기 댐퍼부재(25)는 원형의 띄모양으로 형성된 비스커스 댐퍼인 것;
을 특징으로 하는 초저공해 압축 천연가스 엔진의 터보차저.
명 세 서
발명의 상세한 설명
기 술 분 야
본 발명은 컴프레서와 터빈을 연결하는 회전축의 절손 및 터빈휠의 파손을 예방할 수 있도록 하는 초저공해 압<1>
축 천연가스 엔진의 터보차저에 관한 기술이다.
배 경 기 술
일반적으로, 터보차저(turbocharger; 배기터빈 과급기)란 배기가스의 에너지로 배기 터빈을 돌릴 경우 상기 배<2>
기 터빈에 직결된 컴프레서가 엔진으로 공기를 밀어 넣어 엔진의 출력을 향상시키는 장치이다.
상기 터보차저는 도 1에 도시된 바와 같이 엔진으로 흡입되는 공기를 압축하고 압력을 상승시키는 컴프레서(1<3>
0)와, 배기가스의 열에너지를 회전력으로 변화시키는 터빈(20) 및, 상기 컴프레서(10)와 상기 터빈(20)이 직결
되도록 연결하는 회전축(30)을 포함하여 구성된다.
한편, 초저공해 압축 천연가스 엔진(CNG engine)에서 사용하는 터보차저는 고속(100,000 rpm∼150,000 rpm)으로<4>
회전하기 때문에, 상기 터빈(20)에서 터빈휠(21)의 회전 밸런스를 잡아주는 것은 매우 중요하다.
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공개특허 10-2009-0040096
만약, 터빈휠(21)의 회전 밸런스가 유지되지 못하면 터빈(20)의 성능 저하 및 터보차저의 성능저하를 초래하게<5>
되고, 심한 경우 터빈(20)의 파손 및 회전축(30)의 절손을 초래하게 된다.
따라서, 종래에는 도 1에 도시된 바와 같이 원판형상의 상기 터빈휠(21)에 밸런스커팅(21a)을 행하여 상기 터빈<6>
휠(21)의 회전 밸런스를 잡아주고 있는 실정이다.
하지만, 상기 터빈휠(21)에 밸런스커팅(21a)을 행하게 되면, 상기 밸런스커팅(21a)을 행한 부위의 두께가 더 얇<7>
아지게 되어 이 부위의 강성이 크게 취약해진다.
상기 터빈(20)은 초저공해 압축 천연가스 엔진의 특성상 공연비를 제어하기 위해 배기부압 및 흡기배압이 지속<8>
적으로 영향을 미치게 되는데, 뜨거운 배기가스가 강성이 취약해진 밸런스커팅(21a)부에 지속적으로 부딪치게
되면 결국 집중응력의 발생으로 밸런스커팅(21a)부에서부터 파손이 발생하게 되며, 이는 결국 터빈(20)의 파손
을 초래하게 된다.
특히, 초저공해 압축 천연가스 엔진에서는 가속 후 출력이 급격히 떨어지는 구간에서 스로틀 밸브가 급격하게<9>
닫히면서 공기의 흐름이 일시적으로 차단되는 써지(surge) 현상이 발생한다.
써지 현상으로 인해 갑자기 흐름이 막힌 공기는 맥동파를 형성하여 터보차처에 충격을 주게 되고, 또한 공기압<10>
이 터보차저의 써지 영역을 넘어가게 되므로 심한 써지 소음이 발생하며, 또한 스로틀 밸브의 전단에서 발생하
는 급격한 압력 증대는 터보차처에 충격을 주게 된다.
이와 같은, 써지 현상이 터보차처에 영향을 주게 되면 강성이 취약해진 밸런스커팅(21a)부가 쉽게 파손되는 현<11>
상이 발생한다.
또한, 상기 밸런스커팅(21a)부는 회전축(30)의 중심으로부터 멀리 떨어진 위치에 있기 때문에 큰 원심력이 작용<12>
하게 되어, 실질적으로 상기 터빈휠(21)의 회전 밸런스를 잡아주기에 적합하지 않은 문제도 있다.
발명의 내용
해결 하고자하는 과제
본 발명은, 터빈휠의 강성을 취약하게 하지 않으면서 터빈휠의 회전 밸런스를 좋게 유지할 수 있도록 하고, 써<13>
지 현상 발생시 터빈휠에 가해지는 스트레스를 완화시켜 상기 터빈휠의 내구성을 향상시킬 수 있도록 하여, 터
빈의 파손 및 회전축의 절손을 예방함과 동시에 성능 향상을 도모할 수 있도록 하는 초저공해 압축 천연가스 엔
진의 터보차저를 제공함에 그 목적이 있다.
과제 해결수단
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 터보차저는, 터빈휠의 중심부에 컴프레서를 향하는 방향으로 일체<14>
로 돌출 형성됨과 동시에 밸런스홀이 형성된 터빈휠구조물을 구비한 터빈과; 상기 터빈휠구조물의 중심과 컴프
레서를 직결하도록 연결된 회전축;을 포함하는 구성되는 것을 특징으로 한다.
효 과
본 발명에 의하면, 밸런스홀이 형성된 터빈휠구조물이 터빈휠에 일체로 구비됨으로써, 상기 터빈휠의 강성을 취<15>
약하게 하지 않으면서 아울러 상기 터빈휠의 회전 밸런스를 좋게 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 터빈휠구조물에 댐퍼부재가 구비되도록 구성함으로써 써지 현상 발생시 상기 터빈휠에 가해지<16>
는 스트레스를 완화시킬 수 있게 되고, 이로 인해 상기 터빈휠의 내구성을 향상시킬 수 있게 될 뿐만 아니라,
터빈의 파손 및 회전축의 절손을 예방함과 동시에 성능 향상을 도모할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 상기 밸런스홀이 상기 회전축의 중심으로부터 멀리 떨어지지 않은 위치에 형성되기 때문에 고<17>
속 회전시에도 큰 원심력이 작용하지 않게 되고, 이로 인해 상기 터빈휠의 회전 밸런스를 보다 안정적으로 유지
할 수 있는 효과도 있다.
발명의 실시를 위한 구체적인 내용
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.<18>
본 발명에 따른 터보차저는 도 2에 도시된 바와 같이, 엔진으로 흡입되는 공기를 압축하고 압력을 상승시키는<19>
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공개특허 10-2009-0040096
컴프레서(10)와, 배기가스의 열에너지를 회전력으로 변화시키는 터빈(20)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 터빈(20)은, 원판형상의 터빈휠(21)과, 상기 터빈휠(21)의 바깥 둘레면을 따라 등간격으로 배치되<20>
어 구비된 다수개의 터빈블레이트(22)와, 상기 터빈휠(21)의 일면 중심부에서 상기 컴프레서(10)를 향하는 방향
으로 일체로 돌출 형성된 원형돌기 형상의 터빈휠구조물(23)로 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 터보차저는 상기 컴프레서(10)와 상기 터빈휠구조물(23)의 중심을 직결하도록 연결하는<21>
회전축(30)을 더 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 터빈휠구조물(23)과 상기 회전축(30)의 일단은 용접되어 결합되는 구조이며, 이로 인해 상기 컴프<22>
레서(10)와 상기 터빈(20)은 상기 회전축(30) 및 상기 터빈휠구조물(23)을 통해 직결된 구조이다.
한편, 상기 터빈휠구조물(23)에는 상기 터빈휠(21)의 회전 밸런스를 유지시켜주기 위한 밸런스홀(24)이 형성된<23>
다.
또한, 상기 터빈휠구조물(23)에는 써지 현상 발생시 상기 터빈휠(21)에 가해지는 스트레스를 완화시키기 위한<24>
댐퍼부재(25)가 구비된다.
즉, 상기 터빈휠구조물(23)에는 상기 회전축(30)의 중심으로부터 일정거리로 이격된 반경방향을 따라 디귿(ㄷ)<25>
자 단면 모양을 갖춘 댐퍼홈(23a)이 일체로 연결되도록 형성되고, 상기 댐퍼홈(23a)에 상기 댐퍼부재(25)가 압
입되어 고정 설치된다.
여기서, 상기 댐퍼부재(25)는 비스커스 댐퍼(viscous damper)인 것을 특징으로 하며, 그 형상은 상기 댐퍼홈<26>
(23a)으로 삽입 결합되기 위해 원형의 띄모양으로 형성된다.
그리고, 상기 밸런스홀(24)은, 상기 회전축(30)의 중심으로부터 상기 댐퍼부재(25)보다 반경방향으로 더 멀리<27>
이격된 터빈휠구조물(23)에서 상기 회전축(30)의 길이방향과 평행하도록 상기 터빈휠구조물(23)을 관통하여 형
성된 구조이다.
따라서, 본 발명에 따른 터보차저는 터빈휠(21)의 회전 밸런스를 잡아주기 위한 밸런스홀(24)이 상기 터빈휠<28>
(21)에 일체로 구비된 터빈휠구조물(23)에 형성됨으로써, 상기 밸런스홀(24)로 인해 상기 터빈휠(21)의 강성이
취약해지는 현상을 예방할 수 있게 된다.
이 결과, 초저공해 압축 천연가스 엔진의 특성상 공연비를 제어하기 위해 배기부압 및 흡기배압이 상기 터빈<29>
(20)에 지속적으로 영향을 미치게 되더라도, 상기 터빈휠(21) 및 상기 밸런스홀(24)이 형성된 부위에서 집중응
력이 발생하는 것을 예방할 수 있게 되고, 이로 인해 상기 터빈(20)의 파손 및 회전축(30)의 절손을 예방함과
동시에 성능 향상을 도모할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예는 써지(surge) 현상이 발생으로 터빈휠(21)에 가해지는 충격이 댐퍼부재(25)에 의해 완<30>
화됨으로써 상기 터빈휠(21)의 파손 및 회전축(30)의 절손을 예방할 수 있게 된다.
즉, 초저공해 압축 천연가스 엔진에서는 가속 후 출력이 급격히 떨어지는 구간에서 스로틀 밸브가 급격하게 닫<31>
히면서 공기의 흐름이 일시적으로 차단되는 써지(surge) 현상이 발생한다.
써지 현상으로 인해 갑자기 흐름이 막힌 공기는 맥동파를 형성하여 터보차처에 충격을 주게 되고, 또한 공기압<32>
이 터보차저의 써지 영역을 넘어가게 되므로 심한 써지 소음이 발생하며, 또한 스로틀 밸브의 전단에서 발생하
는 급격한 압력 증대는 터보차처에 충격을 주게 된다.
이와 같은, 써지 현상이 터보차처에 영향을 주더라도 본 발명에 따른 댐퍼부재(25)가 상기 터빈휠(21)에 가해지<33>
는 스트레스를 완화시켜 주게 됨으로써, 본 발명의 터보차저는 상기 터빈휠(21)의 파손 및 상기 회전축(30)의
절손을 예방할 수 있게 되는 것이다.
또한, 본 발명은 상기 터빈휠(21)의 회전 밸런스를 유지시켜 주기 위한 밸런스홀(24)이 상기 회전축(30)의 중심<34>
으로부터 근접한 위치에 형성됨으로써 큰 원심력이 작용하지 않게 되며, 이 결과 상기 밸런스홀(24)을 통해 상
기 터빈휠(21)의 회전 밸런스를 좋게 유지할 수 있는 장점도 된다.
도면의 간단한 설명
도 1은 종래의 터보차저의 구성을 설명하기 위한 개략적인 도면,<35>
도 2는 본 발명에 따른 터보차저의 구성을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.<36>
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공개특허 10-2009-0040096
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><37>
10 - 컴프레서 20 - 터빈<38>
21 - 터빈휠 22 - 터빈블레이드<39>
23 - 터빈휠구조물 23a - 댐퍼홈<40>
24 - 밸런스홀 25 - 댐퍼부재<41>
30 - 회전축<42>
도면
도면1
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도면2
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