KR100774349B1 - Planetary- geared turbocharger - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유성치차를 이용한 가변속 압축 과급시스템을 도시한 도면.1 is a view showing a variable speed compression supercharging system using planetary gear according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
2:가변속 압축 과급시스템2: Variable speed compression supercharging system
4:터빈4: turbine
6:컴프레서6: Compressor
8:유성치차8: Planetary Gear
10:웨이스트게이트10: wastegate
12:전기모터12: electric motor
14:전자제어장치14: Electronic control device
18:제어부18: control unit
20:터빈 휠 스피드 센서20: turbine wheel speed sensor
22:홀센서22: Hall sensor
본 발명은 유성치차를 이용한 가변속 압축 과급시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내연기관에서 사용되는 과급기(TurboCharger)를 개량, 유성치차 및 전기모터를 이용하여 엔진의 부하 및 요구 과급량에 대해 연속적으로 컴프레서 회전속도를 조절하여 과급하게 되는 유성치차를 이용한 가변속 압축 과급시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a variable speed compression supercharging system using planetary gears. More particularly, the turbocharger used in an internal combustion engine is improved, and a planetary gearbox and an electric motor are continuously used for the engine load and the required supercharge amount. The present invention relates to a variable speed compression supercharging system using a planetary gear that is supercharged by adjusting the compressor rotation speed.
일반적으로 알려진 과급시스템을 설명하면,Explaining generally known supercharging systems,
WGT (WasteGate Turbocharger):WGT (WasteGate Turbocharger):
고전적인 터보차저임. 컴프레서 및 터빈에 베인이 존재하지 않으므로 주어진 엔진조건에서 과급량을 임의조절할수 없음. 전부하시 효율 증대를 위해 터빈 입구압력이 기준치 이상 증대되면 웨이스트게이트(Wastegate) 밸브가 열려 배기가스의 일부를 바이패스시킴. 장점은 내구성이 좋고 가격이 저렴하다는 점이며, 단점은 베인이 고정되어있으므로 최대출력에 한계가 있으며 임의의 과급량 조절이 불가능함 문제점이 있었다.Classic turbocharger. Since there are no vanes in the compressor and turbine, it is not possible to arbitrarily adjust the supercharge at a given engine condition. To increase efficiency at full load, the wastegate valve opens to bypass part of the exhaust gas when the turbine inlet pressure is increased above the threshold. The advantage is that it is durable and inexpensive, and the disadvantage is that the vane is fixed, so there is a limit on the maximum output and there is a problem in that it is impossible to adjust the supercharge amount.
VGT (Variable Geometry Turbocharger):VGT (Variable Geometry Turbocharger):
컴프레서 휠의 회전속도를 능동적으로 조절하여 원하는 과급량을 맞추기 위해 터빈의 베인(Vane)을 공압 또는 스텝모터에 의해 가변시킴. 원하는 과급량을 베인의 조절에 따라 맞출수 있다는 점이 장점임. The vane of the turbine is variable by pneumatic or step motor to adjust the compressor wheel rotation speed to meet the desired supercharge. The advantage is that the desired supercharge can be adjusted by adjusting the vane.
단점은 엔진최대출력을 맞추기 위해 용량이 커지므로 이에 따라 관성이 커지므로 저속에서의 낮은 유량(에너지)에서는 과급의 응답성이 낮고, 또한 저속의 로 우-엔드-토크(low-end torque)를 증대시키는데 있어 서징(surging) 때문에 한계가 있음. 또한 베인의 동작기작이 많은 원가를 차지하며, 기존 터보차저에 비해 내구성이 떨어지는 문제점이 있었다.The disadvantage is that the capacity is increased to meet the engine's maximum power, so the inertia increases, so the supercharge response is low at low flow rate (energy) at low speed, and low-end torque at low speed is also achieved. There is a limit to surging due to surging. In addition, the operation mechanism of the vanes occupy a lot of costs, there was a problem that the durability is less than the conventional turbocharger.
VGC (Variable Geometry Compressor):VGC (Variable Geometry Compressor):
VGT 대비 컴프레서에도 베인을 추가시킨 상태임. 컴프레서의 베인 역시 공압 또는 모터에 의해 가변시킬수 있음. 장점은 저속에서 베인을 충분히 가변시켜 닫음으로써 저속(저유량)에서도 가능한 최대의 과급이 가능하므로 높은 로우-엔드-토크를 얻고 서징을 최대한 피할 수 있다. Vane has been added to the compressor compared to VGT. The vane of the compressor can also be changed by pneumatic or motor. The advantage is that the vanes are variable enough to close at low speeds, allowing maximum supercharging even at low speeds (low flow rates), resulting in high low-end-torque and avoiding surging as much as possible.
그러나 단점은 베인이 터빈, 컴프레서 양쪽에 모두 달리게 되므로 원가가 VGT 대비 더욱 높고, 내구성이 더 떨어지며, 자유도(베인)가 증가하므로 제어하기가 어려움. 컴프레서의 베인조절을 위해 기존 VGT 대비 더 큰 부피를 차지하는 문제점이 있었다.However, the disadvantage is that the vanes run on both the turbine and the compressor, so the cost is higher than the VGT, the durability is lower, and the degree of freedom (vane) increases, which makes it difficult to control. There was a problem that the compressor occupies a larger volume than the existing VGT for adjusting the vanes.
2-Stage Turbocharger: 2-Stage Turbocharger:
2개의 터보차저를 직렬로 연결한 상태로, 저속에서는 낮은 용량의 HP(High Pressure) 터보차저가 주로 사용되며, 고속에서는 큰 용량의 LP(Loww Pressure) 터보차저가 사용되어 과급을 담당함. HP 및 LP Stage 사이의 장점은 터빈, 컴프레서 모두 베인이 없으므로 내구성이 좋음. 또한 LP 및 HP Stage의 적절한 조합으로 높은 로우-엔드-토크 및 높은 최고출력을 동시에 실현할수 있으며, HP의 낮은 관성 때문에 저속에서의 응답성이 우수하다.With two turbochargers connected in series, low-capacity HP (high pressure) turbochargers are mainly used at low speeds, and high-capacity low-pressure turbochargers (LP) are used for supercharging at high speeds. The advantage between HP and LP Stage is that the turbine and compressor are both vane-free and durable. In addition, the proper combination of LP and HP Stage enables simultaneous high low-end-torque and high peak power, and HP's low inertia provides excellent response at low speeds.
다만, 단점은 일단 부피가 기존 터보차저 대비 훨씬 크기 때문에 차량탑재시 레이아웃 설계에 난점으로 작용하고 배기가스 유로 설계가 매우 복잡하며, 최소 3개의 밸브가 필요하므로 제어하기가 힘들다는 문제점이 있었다.However, the disadvantage is that once the volume is much larger than the existing turbocharger, it is a problem in layout design when the vehicle is mounted, the exhaust gas flow path design is very complicated, there is a problem that it is difficult to control because at least three valves are required.
상기한 바와 같이 이루어지는 종래기술의 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로 본 발명의 목적은 내연기관에서 사용되는 과급기(TurboCharger)를 개량, 유성치차 및 전기모터를 이용하여 엔진의 부하 및 요구 과급량에 대해 연속적으로 컴프레서 회전속도를 조절하여 과급하게 되는 유성치차를 이용한 가변속 압축 과급시스템를 제공하는데 있다.The object of the present invention is to solve the problems of the prior art made as described above. It is to provide a variable speed compression supercharging system using a planetary gear which is supercharged by continuously adjusting the compressor rotation speed.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.Other objects and advantages of the invention will be described below and will be appreciated by the embodiments of the invention. Furthermore, the objects and advantages of the present invention can be realized by means and combinations indicated in the claims.
이와 같은 기술적 과제들을 달성하기 위하여,In order to achieve these technical challenges,
터빈과 컴프레서의 회전속도를 인위적으로 조절하게 설치된 유성치차와; Planetary gears installed to artificially adjust rotational speeds of the turbine and the compressor;
엔진의 배기가스로부터 에너지를 공급받아 회전하게 설치된 터빈과; A turbine installed to rotate by receiving energy from exhaust gas of the engine;
상기 유성치차로부터 속도 및 토크를 부여받아 유입공기를 원하는 목표치로 과급시키는 컴프레서와; A compressor configured to supercharge the inflow air to a desired target value by receiving the speed and torque from the planetary gear;
요구 대비 과다한 배기가스의 일부를 엔진 하류로 배출시키는 웨이스트게이트와; A waste gate for discharging a portion of excess exhaust gas to the downstream of the engine as required;
유성치차에 연결되어 터빈속도 및 엔진요구조건에 따라 컴프레서의 속도를 임의 가변조절하는 전기모터, 모터를 구동시키게 구동시키게 회로부 및 전자제어회로부로 이루어지는 제어부와; 터빈 휠 스피드 센서를 재는 홀센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 유성치차를 이용한 가변속 압축 과급시스템을 제공한다.An electric motor connected to the planetary gear and configured to arbitrarily vary the speed of the compressor according to the turbine speed and engine requirements, and a control unit including a circuit unit and an electronic control circuit unit to drive the motor; It provides a variable speed compression supercharging system using a planetary gear characterized in that it consists of a Hall sensor for measuring the turbine wheel speed sensor.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 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 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유성치차를 이용한 가변속 압축 과급시스템을 도시한 도면이다.1 is a view showing a variable speed compression supercharging system using planetary gears according to an embodiment of the present invention.
도면을 참조하면, 유성치차를 이용한 가변속 압축 과급시스템(2)는 터빈(4)과 컴프레서(6)의 회전속도를 인위적으로 조절하게 설치된 유성치차(8)와; 엔진의 배기가스로부터 에너지를 공급받아 회전하게 설치된 터빈(4)과; 상기 유성치차(8)로부터 속도 및 토크를 부여받아 유입공기를 원하는 목표치로 과급시키는 컴프레서(6)와; 요구 대비 과다한 배기가스의 일부를 엔진 하류로 배출시키는 웨이스트게 이트(10)와; 유성치차(8)에 연결되어 터빈속도 및 엔진요구조건에 따라 컴프레서(6)의 속도를 임의 가변조절하는 전기모터(12), 모터(12)를 구동시키게 터보챠져조정장치(14)와 전자제어장치(16)로 이루어지는 제어부(18)와; 터빈 휠 스피드 센서(20)를 재는 홀센서(22)로 구성된다.Referring to the drawings, the variable speed
상기 유성치차는 컴프레셔축으로 연결되는 선기어(S)와, 상기 선기어(S)에 치합되고 터빈축에 연결 설치되는 캐리어(C)와, 상기 선기어(S)에 치합되고 모터(12)에 모터축(24)으로 연결 설치되는 링기어(R)로 구성된다.The planetary gear includes a sun gear S connected to a compressor shaft, a carrier C engaged with the sun gear S and connected to the turbine shaft, and a sun shaft S engaged with the sun gear S. It is composed of a ring gear (R) that is connected to (24).
외부에서 흡기시스템을 거쳐 유입된 신기(Fresh Air)는 대기압 수준의 압력이며, 컴프레서(6)의 회전에 의해 원하는 수준까지 과급(Pressurized)된다. Fresh air introduced through the intake system from the outside is a pressure at atmospheric pressure, and is pressurized to a desired level by the rotation of the
또한 엔진 내부의 연소실에서 배기매니폴드를 거쳐 배출된 고온-고압의 배기가스는 터빈(4)에 원하는 만큼의 토크 및 회전에너지를 야기시키고 저온-저압으로 떨어져서 배기관으로 배출된다. In addition, the hot-high pressure exhaust gas discharged from the combustion chamber inside the engine via the exhaust manifold causes the
또한, 지나치게 많은 양의 배기가스가 터빈(4)으로 들어가면 배압의 상승으로 효율이 저하되므로 엔진이 요구하는 과급상황에 따라 주로 고속영역에서 웨이스트게이트 밸브(10)가 열려 배기가스를 터빈(4)을 거치지 않고 배기관으로 바이패스시킨다. In addition, when too much exhaust gas enters the
기존 터보차저와 같이 윤활/냉각의 입력/출력이 존재하여 터보차저의 내부 윤활 및 냉각을 담당한다.Like the existing turbocharger, there is an input / output of lubrication / cooling to handle the internal lubrication and cooling of the turbocharger.
상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명의 작용을 설명하면, 기존의 터보차저시스템과 유사하나, 모터 및 유성치차가 도입된 부분이 본 고안의 핵심부분이다. Referring to the operation of the present invention made as described above, similar to the existing turbocharger system, but the motor and planetary gear is introduced is the core part of the present invention.
모터(12)의 축(24)은 유성치차(8)를 통하여 터빈(4) 및 컴프레서(6)의 축(26)과 연결되어 터빈(4)에서 발생된 운동에너지를 컴프레서축(26)에 전달한다. The
이때 유성치차(8)의 기어비에 따른 속도비에 의해 모터(12)의 속도를 제어함으로써 현재 엔진상태에 따라 엔진이 요구하는 컴프레서(6) 회전속도를 생성한다. At this time, by controlling the speed of the
터빈(4)휠의 회전속도는 터빈휠스피드센서(20)를 통한 실측되어 전자제어장치(16)로 들어간다. 모터의 속도제어는 터보챠져조정장치(14) (TurboCharger Control Unit) 회로로 명명된 모터제어회로가 담당하며 본 회로는 원하는 모터회전속도를 전자제어장치(16)와 통신하여 제어한다. The rotational speed of the wheel of the
전자제어장치(16)는 현재 생성된 과급압 및 모터의 회전속도, 터빈휠의 회전속도, 엔진의 회전속도, 엔진분사연료량, 대기압, 공기량 등의 입력자료로부터 원하는 과급압과 이에 따른 컴프레서(6)의 요구속도를 검출하고, 이를 터보챠져조정장치(14)에 명령을 내리고 피드백(되먹임)을 받게 된다.The
또한 ECU는 기존의 고안과 동등하게 엔진의 상태(속도 및 부하)에 따라 배기가스의 바이패스가 요구될때에는 웨이스트게이트(10)를 움직이는 공압밸브를 개변시켜 터빈(4)의 운동량을 제한하도록 한다.In addition, the ECU restricts the amount of momentum of the
모터, 터빈, 컴프레서가 맞물려있는 유성치차와 관련된 식은 다음과 같다.The equation for the planetary gear with the motor, turbine, and compressor engaged is:
: 모터의 회전속도 : 컴프레서의 회전속도 : Speed of motor : Speed of compressor
: 터빈의 회전속도 : 모터측 링기어의 기어치수 : Speed of turbine : Gear dimension of ring gear on motor side
: 컴프레서측 선기어의 기어치수 : Gear dimension of compressor side sun gear
웨이스트게이트가 적절히 제어된다고 가정하면, 주어진 엔진의 회전속도 및 부하량에 따라 터빈의회전속도 는 결정된다. Assuming that the wastegate is properly controlled, the turbine speed depends on the engine speed and load Is determined.
이때 엔진이 요구하는 과급량에 따라 컴프레서 회전속도 역시 결정되므로 위의 식을 이용하여 모터의 회전속도 를 결정지을 수 있다.At this time, the compressor rotation speed depends on the supercharge required by the engine. Since it is also determined, the rotation speed of the motor using the above equation Can be determined.
이에 결정된 모터 회전속도에 맞도록 모터를 제어해주면 된다. 이는 곧, 주어진 터빈속도에 대해 모터의 속도를 알맞게 제어함으로 컴프레서의 속도를 원하는 대로 제어할수 있음을 의미한다.The motor speed determined You can control the motor to fit. This means that the speed of the compressor can be controlled as desired by appropriately controlling the speed of the motor for a given turbine speed.
터보차저(2-Stage Turbochager 및 Variable Geometry Compressor)의 단점을 극복하고 엔진의 상태 및 운전자의 요구에 따른 목표 과급량에 더 효율적으로 도달할수 있는 가변속 압축 과급시스템인 PGT(Planetary-Geared Turbocharger)를 실현할수 있다.Overcome the shortcomings of turbochargers (2-Stage Turbochager and Variable Geometry Compressor) and realize the Planetary-Geared Turbocharger (PGT), a variable-speed compression supercharging system that can more efficiently reach the target supercharge based on engine condition and driver demand. can do.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As mentioned above, although this invention was demonstrated by the limited embodiment and drawing, this invention is not limited by this and is given by the person of ordinary skill in the art to the following, Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims to be described.
본 발명은 최신의 터보차저(2-Stage Turbochager 및 Variable Geometry Compressor)의 단점을 극복하고 엔진의 상태 및 운전자의 요구에 따른 목표 과급량에 더 효율적으로 도달할수 있는 가변속 압축 과급시스템인 PGT(Planetary-Geared Turbocharger)를 실현할수 있는 효과가 있다.The present invention overcomes the shortcomings of the state-of-the-art turbocharger (2-Stage Turbochager and Variable Geometry Compressor) and is a variable speed compression supercharging system that can more efficiently reach the target supercharge according to the engine condition and the driver's demand. Geared Turbocharger) is effective.
종래의 WGT, VGC, VGT, 2-Stage 등 터보차저 시스템에서는 터빈과 컴프레서 휠이 직결되어 있어 양 휠간의 회전속도가 언제나 동등하므로 이에 따라 엔진상태에 따른 과급성능에 제한이 해소되는 효과가 있다. In a conventional turbocharger system such as WGT, VGC, VGT, 2-Stage, the turbine and the compressor wheel are directly connected to each other so that the rotational speed is always the same between the two wheels, thereby limiting the supercharge performance according to the engine condition.
엔진이 저속상태일때에는 터빈유량이 부족하므로 기존의 터보차저에서는 터빈회전속도에 한계가 있어 컴프레서 측에서 충분한 과급을 하는데 한계가 있으며(VGT, WGT) 이를 극복하기 위해 컴프레서에 베인을 장착하여 저속의 과급효율을 극대화하거나(VGC), 저속에서 주로 사용되는 저용량의 터보차저 병용(2-Stage)이 가능하게 되는 효과가 있다. Turbine flow is insufficient when the engine is at low speed, so the conventional turbocharger has a limitation in turbine rotational speed.Therefore, there is a limit to sufficient supercharging on the compressor side (VGT, WGT). Maximize the charging efficiency (VGC), or low-capacity turbocharger mainly used at low speed (2-Stage) is possible to effect.
또, 본 발명의 터보차저는 터빈 유량이 적을때에도 모터의 속도를 제어함으로써 컴프레서의 회전속도를 충분히 올려줄수 있으므로 손쉽게 높은 로우-엔드-토크를 확보할 수 있게 되는 효과가 있다. In addition, the turbocharger of the present invention can increase the rotational speed of the compressor sufficiently by controlling the speed of the motor even when the turbine flow rate is low, thereby making it possible to easily secure high low-end-torque.
또한 기존 VGT, VGC의 경우 기계적인 베인시스템이므로 급가속시 등 급격한 변화가 요구될 때보다 응답속도에 한계가 있으나 본 고안은 전기적인 모터의 속도제어를 이용하므로 2-Stage 터보차저처럼 커다란 부피를 사용하지 않더라도 빠른 응답속도를 확보할수 있게 되는 효과가 있다. In addition, in the case of the existing VGT and VGC, since the mechanical vane system has a limit on the response speed than when a sudden change such as rapid acceleration is required, the present invention uses the speed control of the electric motor, so it uses a large volume like a 2-stage turbocharger. Even if you do not use it has the effect of ensuring a fast response speed.
또한 저속영역에서 낮은 유량의 터빈 에너지만으로도 높은 속도의 컴프레서 속도 및 과급량을 구현가능하므로 여분의 배기가스 유량을 EGR 시스템으로 돌려 기존의 터보차저 대비 더 높은 EGR 양의 확보가 가능하므로 이는 배기가스 (NOx) 저감에 더욱 유리한 효과가 있다. In addition, high speed compressor speed and supercharge amount can be realized by low flow rate turbine energy in low speed area, and it is possible to secure extra EGR amount by returning the extra exhaust flow rate to EGR system. NOx) has a more advantageous effect on the reduction.
또한 상기의 장점을 유지한 상태에서 고속 영역에서도 컴프레서 회전속도를 한계치까지 원하는대로 사용할수 있으므로 부피가 적고 제어가 더 간단하다는 측면에서 2-Stage 터보차저보다 유리한 효과가 있다.In addition, since the compressor rotational speed can be used as desired even in the high speed range while maintaining the above advantages, it has an advantage over the 2-stage turbocharger in terms of small volume and simpler control.
따라서 본 고안은 저속과급량 증대, 과도특성 우수, 고속 과급량 동등이상, 간결하고 비교적 적은 부피의 시스템, 배기가스 저감 잠재력 증대 등의 장점을 갖고 있으며 이에 따라 기존의 터보차저 시스템이 각각 갖고 있는 단점을 보완하게 되는 장점이 있다.Therefore, the present invention has the advantages of low speed supercharge, excellent transient characteristics, high speed supercharge equivalent or more, concise and relatively small volume system, and increased exhaust gas reduction potential. There is an advantage to supplement.
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