KR100435743B1 - A control device for a turbo-charger - Google Patents
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Abstract
본 발명은 엔진 터보차저의 운전 효율성을 크게 향상시키도록 제어하는 장치에 관한 것으로서,The present invention relates to an apparatus for controlling to greatly improve the driving efficiency of an engine turbocharger.
터보차저의 컴프레셔 공기흡입구에 위치된 유동방향 조절수단과, 터보차저의 회전속도를 검출하는 속도센서와, 터보차저의 공기흐름을 측정하는 유량센서와, 터보차저가 가압하는 가압공기의 압력을 측정하는 압력센서와, 상기 속도센서, 유량센서 및 압력센서의 신호를 받아 상기 유동방향 조절수단을 제어하는 컨트롤러로 구성된 터보차저 운전 제어장치를 제공하여,Flow direction adjusting means located at the compressor air inlet of the turbocharger, a speed sensor for detecting the rotational speed of the turbocharger, a flow sensor for measuring the air flow of the turbocharger, and a pressure of pressurized air pressurized by the turbocharger Providing a turbocharger operation control device comprising a pressure sensor, and a controller for controlling the flow direction control means in response to the signal of the speed sensor, flow rate sensor and pressure sensor,
컴프레셔의 고정된 블레이드의 형상에 의해 필연적으로 발생할 수밖에 없던 인시던스로스를 최소화하여 터보차저의 효율을 향상시키고, 예기치 못한 이유로 터보차저의 유동에 변화가 발생하는 경우에 능동적으로 대처함으로써, 터보차저의 서징을 방지하고 항상 안정된 상태에서 운전이 가능하도록 한다Turbocharger surging by minimizing the incident loss inevitably caused by the shape of the fixed blades of the compressor to improve the efficiency of the turbocharger and actively coping with changes in the flow of the turbocharger for unexpected reasons. To prevent operation and to allow operation in a stable state at all times.
Description
본 발명은 엔진의 터보차저(Turbo charger)식 과급장치의 제어에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 터보차저의 운전 효율성을 크게 향상시키도록 제어하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to the control of a turbocharger type turbocharger of an engine, and more particularly, to an apparatus for controlling to greatly improve the driving efficiency of a turbocharger.
일반적으로 과급장치는 대기압보다 높은 압력으로 엔진의 흡기매니폴드에 공기를 압송하는 장치이며, 엔진의 배기 압력을 이용한 터보차저(Turbo charger)와 엔진의 회전 동력을 이용하는 루우츠 컴프레셔(Roots blower)식 과급기가 있다.In general, the supercharger is a device that pumps air to the intake manifold of the engine at a pressure higher than atmospheric pressure, and a turbo charger using the exhaust pressure of the engine and a Roots blower type using the rotational power of the engine. There is a supercharger.
상기한 터보차저는 배기매니폴드에서 방출되는 배기 가스의 압력을 이용하여 흡기매니폴드에 가압 공기를 제공하는 것으로서, 도 1에 도시된 바와 같이 배기매니폴드(50)에 설치되어 배기가스에 의해 회전되는 터어빈(T)과, 흡기매니폴드(60)에 형성되어 상기 터어빈(T)에 의해 발생된 회전력으로 회전되어 가압된 공기를 흡기매니폴드(60)에 공급하는 컴프레셔(B)와, 상기 터어빈(T)의 회전력을 컴프레셔(B)로 전달하기 위한 샤프트(SH)로 구성되어 있다.The turbocharger provides pressurized air to the intake manifold using the pressure of the exhaust gas discharged from the exhaust manifold, and is installed in the exhaust manifold 50 as shown in FIG. 1 and rotated by the exhaust gas. A turbine T and a compressor B formed at the intake manifold 60 to rotate with the rotational force generated by the turbine T to supply pressurized air to the intake manifold 60; It consists of the shaft SH for transmitting the rotational force of (T) to the compressor B. As shown in FIG.
상기와 같이 구성된 터보차저는 엔진의 배기매니폴드(50)에서 배기가스가 터어빈(T)을 고속으로 회전시키고, 상기 터어빈(T)의 회전은 상기 샤프트(SH)에 의해 컴프레셔(B)를 회전시키게 되며, 상기 컴프레셔(B)의 회전은 공기 흡입구에서 공기를 강제 흡입하여 흡기매니폴드(60)에 전달한다. 물론, 상기 컴프레셔(B)에서 흡기매니폴드(60)로 공급되는 공기는 컴프레셔(B)에 의해 가속된 상태이므로 이를 디퓨저를 사용하여 높은 압력의 공기로 변환시켜 흡기매니폴드(60)에 전달하게 된다.In the turbocharger configured as described above, the exhaust gas rotates the turbine T at a high speed in the exhaust manifold 50 of the engine, and the rotation of the turbine T rotates the compressor B by the shaft SH. Rotation of the compressor (B) forcibly sucks air from the air inlet and delivers the intake manifold (60). Of course, since the air supplied from the compressor B to the intake manifold 60 is accelerated by the compressor B, the air is converted into high pressure air using a diffuser to be delivered to the intake manifold 60. do.
상기와 같이 흡기매니폴드(60)로 많은 양의 공기가 공급되면 엔진 연소실은 흡기효율이 상승되어 더욱 원활한 연소작용으로 엔진의 출력을 향상시키게 된다.As described above, when a large amount of air is supplied to the intake manifold 60, the engine combustion chamber increases the intake efficiency, thereby improving the output of the engine by more smooth combustion.
이러한 터보차저는 그 운전의 효율성측면에서 프릭션로스(FRICTION LOSS)와 인시던스로스(INCIDENCE LOSS)가 중요한데, 상기 프릭션로스는 터어빈(T)으로부터의 에너지가 컴프레셔(B)에 전달되어 일을 할 때 컴프레셔(B)로 송풍하는 유량이 증대됨에 따라 유체가 각 부품과의 마찰 및 운동량 손실로 인하여 발생되는 것이며, 상기 인시던스로스는 컴프레셔(B)의 블레이드 형상이 일정하게 고정됨에 따라 유체의 유속변화가 상기 블레이드에 적합하지 않은 경우에 발생되는 손실로서 적정한 유량에서 최소가 되며 유량의 증대 및 감소시에 증가하는 특성이 있다.These turbochargers are important for friction loss and incident loss in terms of the efficiency of operation. In the friction loss, the energy from the turbine (T) is transferred to the compressor (B) to work. When the flow rate to the compressor (B) is increased when the fluid is generated due to friction and loss of momentum with each part, the incident loss is a change in the flow rate of the fluid as the blade shape of the compressor (B) is fixed fixedly Is a loss generated when the blade is not suitable for the blade, and has a characteristic of minimizing at an appropriate flow rate and increasing when the flow rate is increased or decreased.
이와 같은 내용이 도 2에 도시된 그래프에 표현되어 있는바, 프릭션로스는 유량의 증가에 따라 증가하고 인시던스로스는 중간부분의 적정유량을 중심으로 감소하거나 증가하는 경우에 증가하여, 이들 두 손실을 감안한 효율은 도시된 바와 같이 위로 볼록한 포물선의 형상을 갖게 되며, 상기 포물선의 꼭지점부분을 기점으로 좌측은 터보차저의 불안정한 작동상태인 서징(surging)이 발생하기 쉬운 불안정 영역이고, 우측은 안정된 영역으로서, 가급적이면 서징이 발생되지 않고 최고의 효율을 내도록 해야한다.This is represented in the graph shown in Figure 2, the friction loss increases with increasing the flow rate and the incident loss increases or decreases around the proper flow rate in the middle portion, these two losses Taking into account the efficiency, the parabolic shape is convex upward as shown, and the left side is an unstable region in which surging which is an unstable operating state of the turbocharger is likely to occur, and the right side is a stable region from the vertex portion of the parabola. As far as possible, surging should be avoided and the highest efficiency should be obtained.
그래서, 터보차저는 불안정한 운전영역에서의 운전이 되지 않도록 엔진의 개발시에 서징 마진을 두어 안정적인 영역에서의 운전이 되도록 매칭을 하지만, 실질적으로 예상치 못한 유동의 변화를 초래하는 에어필터의 막힘 등에 의해 항상 서징의 가능성은 존재하는 실정이며, 상기한 인시던스로스의 영향으로 터보차저의 컴프레셔(B)는 항상 최고의 효율을 내는 영역에서 운전되지는 못하고 있는 실정이다.Therefore, the turbocharger has a surging margin during the development of the engine so that it does not operate in an unstable operating area and matches to operate in a stable area. However, the turbocharger is always blocked by an air filter clogging which causes an unexpected flow change. There is a possibility of surging, and the compressor B of the turbocharger is not always operated in the region of the highest efficiency due to the above incident loss.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고정된 블레이드의 형상에 의해 필연적으로 발생할 수밖에 없던 인시던스로스를 최소화하여 터보차저의 효율을 향상시키고, 예기치 못한 이유로 터보차저의 유동에 변화가 발생하는 경우에 능동적으로 대처함으로써, 터보차저의 서징을 방지하고 항상 안정된 상태에서 운전이 가능하도록 하는 터보차저 운전 제어장치를 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the problems as described above, to minimize the incident loss inevitably caused by the shape of the fixed blade to improve the efficiency of the turbocharger, unexpected reasons for the flow of the turbocharger It is an object of the present invention to provide a turbocharger operation control device which prevents surging of the turbocharger and enables operation in a stable state at all times by actively coping with a change.
도 1은 일반적인 터보차저 엔진의 작동상태를 개략적으로 도시한 개념도,1 is a conceptual diagram schematically showing an operating state of a general turbocharger engine;
도 2는 일반적인 터보차저의 효율곡선을 도시한 그래프,2 is a graph showing the efficiency curve of a typical turbocharger;
도 3은 본 발명에 의한 터보차저 운전 제어장치를 도시한 구조도,3 is a structural diagram showing a turbocharger driving control apparatus according to the present invention,
도 4는 상기 도 3의 유동방향 조절수단의 설치위치를 도시한 도면,4 is a view showing the installation position of the flow direction adjusting means of FIG.
도 5는 상기 터보차저 운전 제어장치의 작동 상태도,5 is an operating state diagram of the turbocharger driving control device;
도 6은 본 발명 터보차저 운전 제어장치의 제어과정을 도시한 순서도이다.Figure 6 is a flow chart illustrating a control process of the turbocharger operation control apparatus of the present invention.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
1: 속도센서 3: 유량센서1: speed sensor 3: flow sensor
5: 압력센서 7: 컨트롤러5: pressure sensor 7: controller
10: 유동방향 조절수단 11: 하우징10: flow direction adjusting means 11: housing
12: 중심축 13: 유동판12: central axis 13: fluid plate
16: 지지샤프트 17: 연결링16: support shaft 17: connecting ring
18: 밴딩수단 18-1: 본체부18: banding means 18-1: main body
18-2: 이동부18-2: moving part
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 터보차저 운전 제어장치는 터보차저의 컴프레셔 공기흡입구에 위치된 유동방향 조절수단과, 터보차저의 회전속도를 검출하는 속도센서와, 터보차저의 공기흐름을 측정하는 유량센서와, 터보차저가 가압하는 가압공기의 압력을 측정하는 압력센서와, 상기 속도센서, 유량센서 및 압력센서의 신호를 받아 상기 유동방향 조절수단을 제어하는 컨트롤러로 구성된 것을 특징으로 한다.The turbocharger operation control apparatus of the present invention for achieving the above object is a flow direction adjusting means located in the compressor air inlet of the turbocharger, a speed sensor for detecting the rotational speed of the turbocharger, and the air flow of the turbocharger It is characterized by consisting of a flow rate sensor for measuring, a pressure sensor for measuring the pressure of the pressurized air pressurized by the turbocharger, and a controller for controlling the flow direction adjusting means in response to the signals of the speed sensor, flow rate sensor and pressure sensor. .
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 아울러 종래 기술의 설명에 사용된 부품과 동일한 부품의 명칭 및 부호는 동일한 것을 사용하도록 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, the names and signs of the same parts as those used in the description of the prior art are to use the same.
도 3 내지 도 6은 본 발명에 의한 터보차저 운전 제어장치를 도시한 것으로서, 도 4는 그 구성도, 도 5는 그 설치 상태도, 도 6은 작동 상태도를 도시하고 있다.3 to 6 show a turbocharger driving control apparatus according to the present invention, FIG. 4 is a configuration diagram, FIG. 5 is an installation state diagram, and FIG. 6 is an operation state diagram.
본 터보차저 운전 제어장치는 터보차저의 컴프레셔 공기흡입구에 유입되는 공기의 유동방향을 조절할 수 있도록 유동방향 조절수단(10)을 설치하고, 상기 터보차저의 작동상황을 파악할 수 있도록 터보차저의 회전속도를 검출하는 속도센서(1)와, 터보차저의 공기흐름을 측정하는 유량센서(3) 및 터보차저가 가압하는 가압공기의 압력을 측정하는 압력센서(5)를 구비하여 이들 센서들의 신호를 받아 상기 유동방향 조절수단(10)을 컨트롤러(7)로 제어하도록 되어 있다.The turbocharger operation control device is provided with a flow direction adjusting means (10) to adjust the flow direction of the air flowing into the compressor air inlet of the turbocharger, and the rotational speed of the turbocharger to grasp the operation of the turbocharger A speed sensor (1) for detecting the pressure, a flow rate sensor (3) for measuring the air flow of the turbocharger, and a pressure sensor (5) for measuring the pressure of pressurized air pressurized by the turbocharger to receive signals from these sensors The flow direction adjusting means 10 is controlled by the controller 7.
여기서, 상기 유동방향 조절수단(10)은 터보차저의 컴프레셔 입구부와 직경이 같은 원통형의 하우징(11)을 구비하고, 상기 하우징(11)의 중심에 중심축(12)을 마련하며, 상기 중심축(12)으로부터 하우징(11) 방향으로 방사상으로 설치되면서 컴프레셔 입구측 일부가 휘어질 수 있도록 된 다수의 유도판(13)을 구비하고, 상기 유도판(13)들의 일부를 휘어지도록 하는 밴딩수단을 설치하였다.Here, the flow direction adjusting means 10 has a cylindrical housing 11 of the same diameter as the compressor inlet of the turbocharger, and provides a central axis 12 in the center of the housing 11, the center Bending means for providing a plurality of guide plates 13 to be bent in the radial direction from the shaft 12 to the housing 11 so that a part of the compressor inlet side can be bent, the bending portion of the guide plate 13 Was installed.
즉, 상기 유도판(13)은 중심축(12)에 접하는 부분이 중심축(12)에 고정되고 상기 밴딩수단이 설치되는 부분은 자유로이 움직일 수 있는 상태이며, 그 맞은편 단부는 지지샤프트(16)에 의해 움직일 수 없도록 고정되어 있는 상태로, 상기 자유로이 움직일 수 있도록 된 부분만 밴딩수단으로 조작하도록 하는 것이다.That is, the guide plate 13 is a part in contact with the central axis 12 is fixed to the central axis 12 and the portion where the bending means is installed is freely movable, the opposite end of the support shaft 16 In the fixed state so as not to be moved by), only the freely movable portion is operated by the bending means.
상기 밴딩수단은, 유도판(13)들의 하우징측 모서리부분을 연결하는 연결링(17)과, 직선운동에 의해 상기 연결링(17)을 회동시키도록 설치된 직선액츄에이터(18)로 구성되어 있는데, 상기 직선액츄에이터(18)의 본체부(18-1)는 상기 하우징(11)의 외부에 상기 하우징(11)에 대해 일정한 위치에 고정되도록 한 것이며, 이동부(18-2)는 상기 연결링(17)의 회전이 가능하도록 힌지로 연결링(17)과 연결되어 있다.The bending means comprises a connection ring 17 for connecting the housing side edges of the guide plates 13 and a linear actuator 18 installed to rotate the connection ring 17 by a linear motion. The main body 18-1 of the linear actuator 18 is fixed to a predetermined position with respect to the housing 11 outside the housing 11, and the moving part 18-2 is connected to the connection ring ( It is connected to the connecting ring 17 by a hinge to enable the rotation of the 17).
상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 작용을 도 7을 참고하여 설명하면 다음과 같다.Referring to Figure 7, the operation of the present invention configured as described above is as follows.
상기 컨트롤러(7)는 터보차저의 운전상태를 상기 속도센서(1)와 유량센서(3) 및 압력센서(5)를 통해 들어온 정보를 통해 파악하고, 이것과 미리 기억되어 있는 맵을 통해 현재 컴프레셔(B)의 효율을 계산하여, 이 계산된 효율이 최대치인지를 판단한다.The controller 7 grasps the operation state of the turbocharger through the information entered through the speed sensor 1, the flow sensor 3, and the pressure sensor 5, and the current compressor is stored in advance through the map stored in advance. The efficiency of (B) is calculated to determine whether this calculated efficiency is the maximum value.
이때 계산된 효율이 최대치인 경우에는 상기 직선액츄에이터(18)를 작동할 필요가 없고, 만약 작동중 이었다면 그 작동을 정지하도록 한다.In this case, when the calculated efficiency is the maximum value, it is not necessary to operate the linear actuator 18, and if it is in operation, the operation is stopped.
그러나 그 효율이 최대치가 아닌 경우에는 그 효율을 최대치로 향상시키기 위하여 상기 직선액츄에이터(18)를 가동하여야 하는 바, 미리 본 터보차저 운전 제어장치에 대해 마련된 조정맵(calibration map)을 통하여 적절한 직선액츄에이터(18)의 가동량을 계산한다.However, if the efficiency is not the maximum value, the linear actuator 18 should be operated in order to improve the efficiency to the maximum value. The linear actuator suitable for the turbocharger operation control device is prepared through a calibration map provided for the turbocharger operation control device. Calculate the operation amount of (18).
상기한 바와 같이 계산된 결과에 따라 상기 직선액츄에이터(18)는 상기 이동부(18-2)를 직선 이동시켜, 상기 연결링(17)이 회동되도록 하고, 이에 따라 상기 유도판(13)은 도 6에 도시된 바와 같이 그 일부가 휘어지면서 컴프레셔(B)에 유입되는 공기의 흐름 방향을 조절하게 되어 그 상태에서 블레이드의 고정된 형상에 의해서 발생되었던 인시던스로스를 최소화하도록 한다.According to the result calculated as described above, the linear actuator 18 moves the moving part 18-2 linearly, so that the connection ring 17 is rotated, and thus the guide plate 13 is shown in FIG. As shown in FIG. 6, a part of the curved portion is bent to adjust the flow direction of the air flowing into the compressor B, thereby minimizing the incident loss caused by the fixed shape of the blade.
즉, 컴프레셔의 블레이드는 그 자체를 최소의 인시던스로스를 가지도록 상황에 따라 변화시키기 어려우므로, 이를 상기한 바와 같이 컴프레셔의 입구에 설치된 유도판(13)으로 공기의 흐르는 방향에 각도를 주어 해결하도록 하는 것이다.That is, the blade of the compressor is difficult to change itself according to the situation to have a minimum incident loss, so as to solve this by giving an angle to the direction of air flow to the guide plate 13 installed at the inlet of the compressor as described above. It is.
아울러, 상기한 바와 같은 작동은 예기치 못한 에어필터의 막힘이나 기타 공기의 유동을 변화시킬 수 있는 상황이 발생하였을 때, 그로 인한 손실 및 서징의 발생을 최소화 또는 방지하도록 한다.In addition, the operation as described above minimizes or prevents the occurrence of loss and surging when a situation occurs in which an unexpected air filter blockage or other air flow can be changed.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 고정된 블레이드의 형상에 의해 필연적으로 발생할 수밖에 없던 인시던스로스를 최소화하여 터보차저의 효율을 향상시키고, 예기치 못한 이유로 터보차저의 유동에 변화가 발생하는 경우에 능동적으로 대처함으로써, 터보차저의 서징을 방지하고 항상 안정된 상태에서 운전이 가능하도록 한다.As described above, according to the present invention, the efficiency of the turbocharger is improved by minimizing the incident loss inevitably caused by the shape of the fixed blade, and actively when the flow of the turbocharger changes for an unexpected reason. By coping, the surging of the turbocharger is prevented and the operation can be performed in a stable state at all times.
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