KR100380480B1

KR100380480B1 - 디젤엔진의 다목적 과급장치

Info

Publication number: KR100380480B1
Application number: KR10-2000-0077078A
Authority: KR
Inventors: 이흥우
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2003-04-26
Also published as: KR20020046751A

Abstract

본 발명은 디젤엔진의 다목적 과급장치에 관한 것으로, 제1 및 제2터보차저와, 제1 내지 제3솔레노이드밸브 및, 제어기를 포함하여 구성되는 한편, 상기 제1터보차저는 디젤엔진에서 배출되는 배기가스에 의해 구동되어 상기 제3솔레노이드밸브를 통해 공급되는 흡기를 압축하여 디젤엔진으로 공급하도록 되어 있고, 상기 제2터보차저는 상기 제1터보차저를 통해 배출되는 배기가스에 의해 구동되어 상기 제2솔레노이드밸브를 통해 공급되는 흡기를 압축하여 상기 제3솔레노이드밸브로 공급하도록 되어 있으며, 상기 제1솔레노이드밸브는 상기 제어기의 제어에 따라 디젤엔진에서 배출되는 배기가스를 상기 제2솔레노이드밸브 및/또는 소음기로 공급/차단하도록 되어 있고, 상기 제2솔레노이드밸브는 상기 제어기의 제어에 따라 상기 제1솔레노이드밸브를 통해 공급되는 배기가스 및/또는 외기를 상기 제2터보차저로 공급/차단하도록 되어 있으며, 상기 제3솔레노이드밸브는 상기 제2터보차저로부터 공급되는 흡기를 상기 디젤엔진 및/또는 제1터보차저로 공급/차단하도록 되어 있어, 터보차저의 관성이 작아져 가속시의 터보차저 응답성이 향상되므로, 차량 가속 성능 및 실용 등판 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 국내 규제인 프리 엑셀 스모크(free accel smoke)도 저감할 수 있는 효과가 있다.

Description

디젤엔진의 다목적 과급장치{Multipurpose supercharging system of diesel engine}

본 발명은 디젤엔진의 다목적 과급장치에 관한 것으로 좀더 상세하게는 터보차저(Turbo charger)를 이용하여 흡기 과급 및 배기가스재순환을 모두 수행하는 디젤엔진의 다목적 과급장치에 관한 것이다.

일반적으로, 디젤엔진에서는 흡기와 배기의 압력차에 의해 배기가스를 엔진으로 다시 공급하는 배기가스재순환(EGR) 시스템을 채용하여, 배기가스에 함유되는 질소산화물(NOx)등과 같은 유해물질을 저감시키고 있다.

그러나, 상기와 같이 흡기와 배기의 압력차에 의해 배기가스를 엔진으로 다시 공급하는 배기가스재순환 시스템은 그 효율이 떨어짐에 따라, 최근에는 다목적 과급장치를 이용하여 배기가스를 강제적으로 엔진으로 공급하는 배기가스재순환 시스템이 개발되어 사용되고 있다.

상기와 같은 종래 기술에 따른 디젤엔진의 다목적 과급장치는, 하나의 터빈에 2개의 압축기(배기가스재순환용 압축기와 과급용 압축기)가 연결된 터보차저를 사용하여 배기가스를 강제적으로 엔진으로 공급함으로써, 배기가스재순환량을 효율적으로 조절하여 배기가스에 함유되는 질소산화물(NOx)등과 같은 유해물질을 효율적으로 저감시킬 수 있다.

즉, 엔진에서 배출되는 배기가스에 의해 터빈이 구동됨에 따라 상기 터빈과 동일축을 이용하는 과급용 압축기 및 배기가스재순환용 압축기도 구동되어, 상기 과급용 압축기는 흡기를 압축하여 엔진으로 공급하고, 상기 배기가스재순환용 압축기는 배기가스를 압축하여 엔진으로 공급하는 것이다.

상기한 바와 같이 터보차저는 엔진의 최고 출력이 필요로 하는 공기량을 확보하기 위해서 일정 사이즈 이상이 되어야만 하고, 이와 같이 엔진 출력을 고려하여 선정된 터보차저에 배기가스재순환용 압축기가 추가로 구비됨에 따라, 상기한 터보차저는 기존의 터보차저에 비해 관성이 커질 수 밖에 없다.

그러나, 상기와 같이 관성이 큰 터보차저는 도 1에 도시된 바와 같이, 관성이 작은 터보차저에 비하여 부스트 압력 및 엔진회전수가 느리게 상승함에 따라 디젤엔진의 가속시에 터보 래그(turbo lag; 터보차저에서 운전자가 가속페달을 밟는 순간부터 엔진의 출력이 운전자가 기대하는 목표에 도달할때 까지 시간의 어긋남)가 크게 발생하는 문제점이 있었다.

즉, 터보차저에 배기가스재순환용 압축기가 더 구비됨에 따라 터보차저의 관성이 증가되어 가속시 터보차저의 응답성이 떨어지므로, 차량 가속 성능 및 실용 등판 성능이 저하되고, 특히 급가속시에는 공기량 부족으로 인하여 국내 규제인 프리 엑셀 스모크(free accel smoke)에도 치명적인 악영향을 초래하는 문제점이 있었다.

이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 제 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 2개의 터보차저(Turbo charger)를 사용하여 흡기 과급 및 배기가스재순환을 수행함으로써, 터보차저의 관성이 작아져 가속시의 터보차저 응답성이 향상되므로, 차량 가속 성능 및 실용 등판 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 국내 규제인 프리 엑셀 스모크(free accel smoke)도 저감할 수 있는 디젤엔진의 다목적 과급장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 디젤엔진의 다목적과급장치는, 제1 및 제2터보차저와, 제1 내지 제3솔레노이드밸브 및, 제어기를 포함하여 구성되는 한편, 상기 제1터보차저는 디젤엔진에서 배출되는 배기가스에 의해 구동되어 상기 제3솔레노이드밸브를 통해 공급되는 흡기를 압축하여 디젤엔진으로 공급하도록 되어 있고, 상기 제2터보차저는 상기 제1터보차저를 통해 배출되는 배기가스에 의해 구동되어 상기 제2솔레노이드밸브를 통해 공급되는 흡기를 압축하여 상기 제3솔레노이드밸브로 공급하도록 되어 있으며, 상기 제1솔레노이드밸브는 상기 제어기의 제어에 따라 디젤엔진에서 배출되는 배기가스를 상기 제2솔레노이드밸브 및/또는 소음기로 공급/차단하도록 되어 있고, 상기 제2솔레노이드밸브는 상기 제어기의 제어에 따라 상기 제1솔레노이드밸브를 통해 공급되는 배기가스 및/또는 외기를 상기 제2터보차저로 공급/차단하도록 되어 있으며, 상기 제3솔레노이드밸브는 상기 제2터보차저로부터 공급되는 흡기를 상기 디젤엔진 및/또는 제1터보차저로 공급/차단하도록 되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 제어기는, 엔진제어유니트의 요구 연료량 및 엔진회전수를 바탕으로 결정된 운전영역별로 적용되는 맵을 이용하여 목표 부스트 압력을 결정한 다음 부스트 압력이 상기 목표 부스트 압력으로 유지되도록 상기 제1 내지 제3솔레노이드밸브의 작동듀티를 제어하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 터보차저의 관성에 따른 부스트압력의 상승 추이와 엔진회전수의 상승 추이를 도시한 그래프,

도 2는 본 발명에 따른 디젤엔진의 다목적 과급장치의 개략적인 블록 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 디젤엔진의 다목적 과급장치를 제어하기 위한 운전영역을 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 디젤엔진 20 : 제1터보차저

30 : 제2터보차저 40 : 제1솔레노이드밸브

50 : 제2솔레노이드밸브 60 : 제3솔레노이드밸브

70 : 제어기

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 디젤엔진의 다목적 과급장치의 개략적인 블록 구성도로서, 상기 도 2에서 참조부호 10은 디젤엔진, 20은 제1터보차저, 30은 제2터보차저, 40은 제1솔레노이드밸브, 50은 제2솔레노이드밸브, 60은 제3솔레노이드밸브, 70은 제어기이다.

상기 제1터보차저(20)는 디젤엔진(10)에서 배출되는 배기가스에 의해 터빈(21)이 구동됨에 따라 상기 터빈(21)과 동일축으로 연결된 압축기(23)가 구동되어 상기 제3솔레노이드밸브(60)를 통해 공급되는 흡기를 압축하여 상기 디젤엔진(10)으로 공급하도록 되어 있다.

상기 제2터보차저(30)는 상기 제1터보차저(20)의 터빈(21)을 통해 배출되는 배기가스에 의해 터빈(31)이 구동됨에 따라 상기 터빈(31)과 동일축으로 연결된 압축기(33)가 구동되어 상기 제2솔레노이드밸브(50)를 통해 공급되는 흡기를 압축하여 상기 제3솔레노이드밸브(60)로 공급하도록 되어 있다.

상기 제1 내지 제3솔레노이드밸브(40, 50, 60)은 3방향밸브로서, 상기 제1솔레노이드밸브(40)는 상기 제어기(70)의 제어에 따라 동작하여 디젤엔진(10)에서 배출되는 배기가스를 배기가스재순환용으로 상기 제2솔레노이드밸브(50)로 공급/차단하거나 소음기측으로 바이패스시키도록 되어 있다.

상기 제2솔레노이드밸브(50)는 상기 제어기(70)의 제어에 따라 동작하여 상기 제1솔레노이드밸브(40)를 통해 공급되는 배기가스재순환용 배기가스 및/또는 에어크리너를 통해 공급되는 외기를 상기 제2터보차저(30)의 압축기(33)로 공급/차단하도록 되어 있다.

상기 제3솔레노이드밸브(60)는 상기 제어기(70)의 제어에 따라 동작하여 상기 제2터보차저(30)의 압축기(33)에서 압축되어 공급되는 흡기를 상기디젤엔진(10) 및/또는 제1터보차저(20)의 압축기(23)로 공급/차단하도록 되어 있다.

그리고, 상기 제어기(70)는 엔진제어유니트에서 요구하는 연료량 및 엔진회전수를 바탕으로 운전영역을 결정하고, 운전영역별로 적용되는 맵을 이용하여 목표 부스트 압력을 결정한 다음 실제로 측정된 부스트 압력이 상기 목표 부스트 압력으로 유지되도록 상기 제1 내지 제3솔레노이드밸브(40, 50, 60)의 작동듀티를 제어한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 디젤엔진의 다목적 과급장치의 작용 및 효과를 도 3을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제어기(70)가 각종 센서에 의해 측정된 엔진회전수, 가속패달등과 같은 인자를 바탕으로 연료량을 산출한다. 이때, 상기와 같은 연료량 산출은 통상 엔진제어유니트에서 수행함에 따라 엔진제어유니트를 사용하여 상기 제어기(70)를 구현하는 것이 바람직한다.

이어서, 상기 제어기(70)가 상기와 같이 산출된 연료량과, 엔진회전수를 바탕으로 도 3에 도시된 바와 같이 디젤엔진의 운전영역을 ① 시동영역, ② 급가속 및 실용운전영역, ③ 배기가스재순환 운전영역, ④ 전부하성능영역, ⑤ 고속정속운전영역으로 구분한다.

이어서, 상기 제어기(70)가 상기와 같은 각 운전영역별로 적용되는 맵을 이용하여 제1 내지 제3솔레노이드밸브(40, 50, 60)의 개폐여부를 결정함과 더불어 목표 부스트를 결정하고, 실제로 측정된 부스트 압력이 상기 목표 부스트 압력으로유지되도록 상기 제1 내지 제3솔레노이드밸브(40, 50, 60)의 작동듀티를 제어한다.

즉, ① 시동영역에서는, 상기 제어기(70)가 디젤엔진에서 배출되는 배기가스가 제1터보차저(20)로만 공급되도록 제1솔레노이드밸브(40)를 제어하고, 외기만 제2터보차저(30)로 공급되도록 제2솔레노이드밸브(50)를 제어하며, 상기 제2터보차저(30)를 통해 압축되어 공급되는 흡기를 직접 디젤엔진(10)으로 공급하도록 제3솔레노이드밸브(60)를 제어한다.

따라서, 외기만 제2솔레노이드밸브(50)를 통해 제2터보차저(30)로 공급되고, 상기 제2터보차저(30)에 의해 압축되어 제3솔레노이드밸브(60)를 통해 디젤엔진(10)으로 직접 공급되는 것이다.

이때, 상기 시동영역에서는 부스트 압력에 따라 상기 제1 내지 제3솔레노이드밸브(40, 50, 60)의 작동듀티를 제어하지는 않는다.

또한, ② 급가속 및 실용운전영역에서는, 상기 제어기(70)가 제1 내지 제3솔레노이드밸브(40, 50, 60)를 미리 설정된 맵에 따라 오픈 루프제어를 하고, ③ 배기가스재순환 운전영역에서는, 상기 제어기(70)가 상기 제1 내지 제3솔레노이드밸브(40, 50, 60)를 미리 설정된 맵에 따라 크로즈 루프 제어를 하며, ④ 전부하성능영역에서는 상기 제어기(70)가 상기 제1 내지 제3솔레노이드밸브(40, 50, 60)를 미리 설정된 맵에 따라 크로즈 루프 제어를 하고, ⑤ 고속정속운전영역에서는 상기 제어기(70)가 상기 제1 내지 제3솔레노이드밸브(40, 50, 60)를 미리 설정된 맵에 따라 크로즈 루프 제어를 한다.

즉, 본 발명은 2개의 터보차저(20, 30)를 사용하는데, 제1터보차저(20)는 순수하게 디젤엔진(10)의 출력에 기여하는 터보차저로 활용하고, 상기 제2터보차저(30)는 급가속 운전영역에서는 디젤엔진에 추가로 공기를 공급하여 가속성능, 실용등판성능을 향상시키는 한편, 배기가스재순환 운전영역에서는 배기가스재순환용 터보차저로 활용하여 재순환되는 배기가스를 효율적으로 제어하는 것이다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명에 따르면, 2개의 터보차저(Turbo charger)를 사용하여 흡기 과급 및 배기가스재순환을 수행함으로써, 터보차저의 관성이 작아져 가속시의 터보차저 응답성이 향상되므로, 차량 가속 성능 및 실용 등판 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 국내 규제인 프리 엑셀 스모크(free accel smoke)도 저감할 수 있는 효과가 있다.

Claims

제1 및 제2터보차저와, 제1 내지 제3솔레노이드밸브 및, 제어기를 포함하여 구성되는 한편, 상기 제1터보차저는 디젤엔진에서 배출되는 배기가스에 의해 구동되어 상기 제3솔레노이드밸브를 통해 공급되는 흡기를 압축하여 디젤엔진으로 공급하도록 되어 있고, 상기 제2터보차저는 상기 제1터보차저를 통해 배출되는 배기가스에 의해 구동되어 상기 제2솔레노이드밸브를 통해 공급되는 흡기를 압축하여 상기 제3솔레노이드밸브로 공급하도록 되어 있으며, 상기 제1솔레노이드밸브는 상기 제어기의 제어에 따라 디젤엔진에서 배출되는 배기가스를 상기 제2솔레노이드밸브 및/또는 소음기로 공급/차단하도록 되어 있고, 상기 제2솔레노이드밸브는 상기 제어기의 제어에 따라 상기 제1솔레노이드밸브를 통해 공급되는 배기가스 및/또는 외기를 상기 제2터보차저로 공급/차단하도록 되어 있으며, 상기 제3솔레노이드밸브는 상기 제2터보차저로부터 공급되는 흡기를 상기 디젤엔진 및/또는 제1터보차저로 공급/차단하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 다목적 과급장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제어기는, 엔진제어유니트의 요구 연료량 및 엔진회전수를 바탕으로 결정된 운전영역별로 적용되는 맵을 이용하여 목표 부스트 압력을 결정한 다음 부스트 압력이 상기 목표 부스트 압력으로 유지되도록 상기 제1 내지 제3솔레노이드밸브의 작동듀티를 제어하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 다목적 과급장치.