KR100387498B1 - 터보 챠저 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가변 지오메트리 터보 챠저보다는 가격이 저렴하면서도 저속 등판성 및 언덕 출발성을 향상시키는 터보 챠저 시스템에 관한 것으로, 컴프레서 측이 엔진의 흡기 매니폴드에 연결되고, 터빈 측이 상기 엔진의 배기 매니폴드에 연결되는 터보 챠저와; 흡기 매니폴드의 컴프레서 측 전, 후방에 각각 설치되는 에어 메스 센서와 부스트 압력 센서와; 배기 매니폴드의 터빈 측 전방에 순차적으로 연결되는 리저버와 에어 컴프레서와; 리저버에 설치되는 리저버 압력 센서와; 리저버와 배기 매니폴드를 연결하는 관로에 설치되는 밸브와; 밸브와 에어 컴프레서를 선택적으로 작동시키도록 그 출력단에 연결되고 에어 메스 센서, 부스트 압력 센서, 리저버 압력 센서, RPM 센서, 그리고 엑셀 스위치가 그 입력단에 각각 연결되는 전자제어유닛(ECU)을 포함한다.

Description

터보 챠저 시스템{TURBO CHARGER SYSTEM}

본 발명은 터보 챠저 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저속 등판 성능 및 언덕 출발 성능을 향상시키는 터보 챠저 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 터보 챠저는 디젤 엔진에 사용되어 디젤 엔진의 열효율을 높이고, 디젤 엔진을 많은 상용차에서 사용하게 한다.

이 터보 챠저는 유효한 배기가스의 일부를 사용하여 흡입되는 공기의 압력을 높여 공기의 충진 효율을 향상시킴으로써 엔진의 출력을 증대시킨다. 특히 터보 챠저는 저속 및 중속 부근에서의 엔진 토크 증대로 출발성을 향상시키고, 스모크 한계 토크를 향상시킴으로써 터보 챠저 엔진의 사용 범위를 넓혀 준다.

또한 터보 챠저는 엔진 비출력을 증대시켜 동일 차량에 탑재되는 엔진의 배기량을 감소시키고, 작은 배기량의 엔진이 주는 연비 향상의 효과도 함께 얻을 수 있다.

특히, 웨스트 게이트 타입 터보 챠저는 기존의 고정 지오메트리 터보 챠저에 웨스트 게이트 밸브를 장착하여, 중속 이후에서 배기 가스의 일부를 터빈에 경유시키지 않고 배출함으로써, 고속에서 배기 압력 증가를 억제하고 저속 영역에서 부스트 압력과 응답성을 확보한다.

이 웨스트 게이트 터보 챠저는 웨스트 게이트를 컨트롤하는 방식에 따라 기계식과 전자식으로 구별되어 승용차 및 상용차에 장착된다.

또한 최근에는 웨스트 게이트 터보 챠저보다 한 층 개량된 가변 지오메트리 터보 챠저가 사용되고 있다.

이 가변 지오메트리 터보 챠저는 밸브 액츄에이터 레버를 이용하여 노즐의 각도를 변화시켜 에리어를 변경시킴으로써 터빈 로터에 유입되는 배기 가스의 운동량을 조정하여 부스트 압력을 조절할 수 있도록 형성된다.

따라서 이 가변 지오메트리 터보 챠저는 엔진에서 배출되는 배기 가스의 에너지 양에 따라 부스트 압력이 정해지는 고정 지오메트리 터보 챠저의 단점을 보완한 것이다. 그러나 가변 지오메트리 터보 챠저는 가격이 비싸고 그 사용 또한 소형 승용차 중심으로 제한적이다.

상기와 같은 터보 챠저들은 엔진에 장착시 엔진의 비출력을 증가시킬 수 있으나, 출발시 부스트 압력을 형성하여 중속시 높은 토크에 도달하기까지는 터빈 로터의 관성 및 흡기 저항에 의한 지연으로 인하여, 소형 엔진에 장착시 저속 등판성 및 언덕 출발성을 저하시키는 문제점이 있다.

이러한 등판성 저하는 가변 지오메트리 터보 챠저를 사용하거나 저속단 기어비를 높여서 어느 정도의 개선할 수 있으나, 가변 지오메트리 터보 챠저는 가격이 비쌀 뿐만 아니라 급격한 효율 저하로 연비의 악화 및 스모크 발생의 위험을 가지고 있으며, 저속단 기어비는 적절한 운전성 확보를 위하여 등판성 및 출발성을 향상시킬 정도의 충분한 증대가 불가능한 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 가변 지오메트리 터보 챠저보다는 가격이 저렴하면서도 저속 등판성 및 언덕 출발성을 향상시키는 터보 챠저 시스템을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 터보 챠저 시스템의 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 터보 챠저 시스템의 블록도이다.

도 3은 본 발명에 따른 터보 챠저 시스템의 제어 순서도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

5:감지수단 25:에어 메스 센서

27:부스트 압력 센서 29:리저버 압력 센서

31:RPM 센서 33:엑셀 스위치.

이를 실현하기 위하여 본 발명에 따를 터보 챠저 시스템은 컴프레서 측이 엔진의 흡기 매니폴드에 연결되고, 터빈측이 상기 엔진의 배기 매니폴드에 연결되는 터보 챠저, 상기 흡기 매니폴드의 컴프레서 측 전, 후방에 각각 설치되는 에어 메스 센서와 부스트 압력 센서, 상기 배기 매니폴드의 터빈 측 전방에 순차적으로 연결되는 리저버와 에어 컴프레서, 상기 리저버에 설치되는 리저버 압력 센서, 상기 리저버와 상기 배기 매니폴드를 연결하는 관로에 설치되는 밸브, 상기 밸브와 상기 에어 컴프레서를 선택적으로 작동시키도록 그 출력단에 연결되고 상기 에어 메스 센서, 부스트 압력 센서, 리저버 압력 센서, RPM 센서, 그리고 엑셀 스위치가 그 입력단에 연결되는 전자제어유닛(ECU)을 포함한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의하여 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 터보 챠저 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명에따른 터보 챠저 시스템의 블록도로서, 고정 지오메트리 터보 챠저(1), 압축 공기 공급수단(3), 감지수단(5), 그리고 제어수단(7)을 포함하여 구성된다.

고정 지오메트리 터보 챠저(1)는 컴프레서(9) 측이 엔진의 흡기 매니폴드(11)에 연결되고, 터빈(13) 측이 엔진의 배기 매니폴드(15)에 연결된다.

즉, 이 고정 지오메트리 터보 챠저(1)는 배기 매니폴드(15)로 배출되는 배기 가스에 의하여 터빈(13)이 구동되어, 이에 축(17)으로 연결된 컴프레서(9)를 작동시켜 흡입 공기의 충진 효율을 높이도록 구성된다.

압축 공기 공급수단(3)은 터보 챠저(1)의 터빈(13) 측 배기 매니폴드(15)에 압축 공기를 선택적으로 공급하도록 구성된다. 이 압축 공기 공급수단(3)는 에어 컴프레서(19), 리저버(21), 그리고 밸브(23)를 포함하여 구성된다.

에어 컴프레서(19)는 압축 공기를 발생시키고, 리저버(21)는 이 압축 공기를 저장 공급하도록 구성된다. 이 리저버(21)는 압축 공기를 배기 매니폴드(15)의 터빈(13)에 공급하도록 터빈(13) 측 전방에 관로(24)로 연결된다. 밸브(23)는 리저버(21)와 배기 매니폴드(15)의 연결을 단속하도록 구성된다.

이러한 밸브(23)는 일정한 압력 이상에서 자동으로 개방되는 기계식 밸브로 구성수도 있고, 전기 신호에 의하여 제어되는 솔레노이드 밸브로 구성될 수 있다. 이하에서는 제어수단(9)의 전기 신호에 의하여 제어되는 것으로 설명한다. 이 솔레노이드 밸브는 전자제어유닛(ECU)의 전기 신호에 의하여 듀티 제어될 수 있도록 구성되며, 이는 공지의 것을 그대로 적용할 수 있다.

상기와 같은 압축 공기 공급수단(3)은 제어수단(9)인 전자제어유닛(ECU)의출력단에 연결된다.

감지수단(5)은 저속 출발 및 언덕 등판시 압축 공기 공급수단(3)을 작동시키도록 차량의 운행 상태를 감지한다.

이러한 감지수단(5)은 에어 메스 센서(25), 부스트 압력 센서(27), 리저버 압력 센서(29), RPM 센서(31), 그리고 엑셀 스위치(33)로 구성된다.

에어 메스 센서(25)는 흡기 매니폴드(11)의 컴프레서(9) 측 전방에 설치되어 흡입 공기의 에어 메스를 감지하고, 부스트 압력 센서(27)는 컴프레서(9) 측 후방에 설치되어 부스트 압력을 감지한다. 리저버 압력 센서(29)는 리저버(21)에 설치되어 리저버(21) 내의 압축 공기의 압력을 감지한다. RPM 센서(31)는 엔진의 RPM을 감지한다. 엑셀 스위치(33)는 엑셀 페달의 작동 각도를 감지한다. 이러한 감지수단의 각 센서들은 공지의 것이 사용될 수 있다.

한편, 제어수단(7)은 감지수단(5)의 감지신호에 의하여 압축 공기 공급수단(3)을 제어하도록 구성된다.

이러한 제어수단(7)은 전자제어유닛(ECU)으로 구성되며, 상기한 바와 같이 출력단에는 밸브(29)와 에어 컴프레서(21)가 연결되고, 입력단에는 에어 메스 센서(25), 부스트 압력 센서(27), 리저버 압력 센서(29), RPM 센서(31), 그리고 엑셀 스위치(33)가 연결된다.

상기와 같이 구성되는 터보 챠저 시스템은 도 3에 도시된 바와 같은 순서도에 의하여 제어된다.

엔진의 기동과 동시에 상기 감지수단(5)의 에어 메스 센서(25), 부스트 압력센서(27), 리저버 압력 센서(29), RPM 센서(31), 그리고 엑셀 스위치(33)는 각각의 상태를 감지하여 그 감지신호를 전자제어유닛(ECU)에 입력단에 인가시킨다.

엔진 RPM 신호, 엑셀 페달 각 신호, 에어 메스 신호, 리저버 압력 신호, 부스트 압력 신호가 각각 인가된다(ST1).

이 입력 신호에 의하여 에어 부스트 조건이 저속 등판 및 언덕 출발인가를 판단한다. 즉 RPM이 일정 RPM이상이고, 엑셀 페달의 각이 일정 각보다 작은지를 판단한다(ST2).

이 판단이 만족되면(저속 등판 및 언덕 출발인 경우), 리저버 압력이 일정 압보다 큰지를 판단한다(ST3). 이 판단이 만족되지 않으면 전자제어유닛(ECU)이 에어 컴프레서(19)를 작동시켜(ST3-1), 리저버 압력이 일정 압보다 큰지를 판단한다(ST3-2).

이 판단이 만족되면(리저버 압력 > 일정 압), 전자제어유닛(ECU) 에어 컴프레서(19)를 오프시키고 밸브(23)를 온으로 작동시킨다(ST4).

이때 리저버(21)에 저장된 압축 공기는 관로(24)를 통하여 배기 매니폴드(15)로 공급되어 배기 가스에 의하여 구동되는 터빈(13)에 작용력을 배가시킨다.

따라서 축(17)으로 연결된 컴프레서(9)가 구동되어 흡기 매니폴드(11)로 더 충진된 공기가 흡입되게 한다.

이러한 상태에서 부스트 압력이 일정 압보다 작거나 부스트 압력이 리저버 압력 보다 작은 지를 판단한다(ST5).

이 판단이 만족되면(부스트 압력 < 일정 압, 또는 부스트 압력 < 리저버 압력), 에어 메스가 목표치 보다 작은 지를 판단한다(ST6').

이 판단이 만족되면(에어 메스 < 목표치), 전자제어유닛(ECU)이 상기 밸브(23)의 개도를 증가시키고, "부스트 압력이 일정 압보다 작거나 부스트 압력이 리저버 압력 보다 작은 지를 판단한다(ST5)"라는 제어를 수행한다(ST7').

따라서 이때 리저버(21)에 저장된 압축 공기는 관로(24)를 통하여 배기 매니폴드(15)로 더욱 다량 공급되어 배기 가스에 의하여 구동되는 터빈(13)에 작용력을 더욱 배가시킨다.

결국, 축(17)으로 연결된 컴프레서(9)가 더 강하게 구동되어 흡기 매니폴드(11)로 더욱 충진된 공기가 흡입되게 한다.

한편, 판단이 만족되지 않으면(에어 메스 ≥ 목표치), 전자제어유닛(ECU)은 밸브(23)를 오프시키고 에어 컴프레서(19)를 작동시킨다(ST6")

그리고 리저버(21) 압력이 일정 압보다 큰 지를 판단하여, 판단이 만족되면 리턴하고, 만족되지 않으면 "밸브(23)를 오프시키고 에어 컴프레서(19)를 작동시킨다(ST6")"는 제어를 수행한다(ST7").

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 터보 챠저 시스템은 각종 센서로 감지된 신호에 의하여 엔진의 운전 상태가 저속 출발 및 언덕 등판으로 판단되면 에어 컴프레셔에서 발생된 압축 공기를 배기 매니폴드에 연결되는 고정 지오메트리 터보 챠저의 터빈측으로 공급할 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 터보 챠저 시스템은 가변 지오메트리 터보 챠저보다는 가격이 저렴하면서도 저속 등판성 및 언덕 출발성을 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 터보 챠저 시스템에 있어서,

   컴프레서 측이 엔진의 흡기 매니폴드에 연결되고, 터빈측이 상기 엔진의 배기 매니폴드에 연결되는 고정 지오메트리 터보 챠저와;

   상기 흡기 매니폴드의 컴프레서 측 전방에 설치되어 흡입 공기의 에어 메스를 감지하는 에어 메스 센서와;

   상기 흡기 매니폴드의 컴프레서 측 후방에 설치되어 부스트 압력을 감지하는 부스트 압력 센서와;

   상기 배기 매니폴드의 터빈 측 전방에 연결되어 압축 공기를 발생시키는 에어 컴프레서와;

   상기 에어 컴프레서로부터 발생된 압축 공기를 배기 매니폴드의 터빈에 공급하도록 터빈 측 전방에 관로로 연결되는 리저버와;

   상기 리저버에 설치되어 상기 리저버 내의 압축 공기의 압력을 감지하는 리저버 압력 센서와;

   상기 각각의 센서들로부터 입력되는 신호들을 분석하여 엔진의 운전 상태가 저속 출발 및 언덕 등판으로 판단되면 에어 컴프레서에서 발생된 압축 공기를 배기 매니폴드에 연결되는 고정 지오메트리 터보 챠저의 터빈측으로 공급하도록 압축 공기 공급 제어신호를 발생하는 전자제어유닛과;

   상기 리저버와 상기 배기 매니폴드를 연결하는 관로에 설치되며, 상기 전자제어유닛으로부터 공급되는 압축 공기 공급 제어신호의 입력에 따라 상기 리저버와 배기 매니폴드의 연결을 단속하는 밸브를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 터보 챠저 시스템.
3. 삭제
4. 제2항에 있어서, 상기 밸브는 상기 전자제어유닛(ECU)의 전기 신호에 의하여 듀티 제어되는 솔레노이드 밸브로 구성하는 것을 특징으로 하는 터보 챠저 시스템.