KR100802762B1 - 가변 형상 터보차저의 최소 유량 제어 장치 및 방법 - Google Patents

가변 형상 터보차저의 최소 유량 제어 장치 및 방법 Download PDF

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노영준
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Abstract

본 발명은 가변 형상 터보차저의 최소 유량 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 유로 조절기구의 레버 회전을 제한하여 레버 회전을 제한하는 위치에 따라 터보차저의 최소 유량을 결정하는 스토퍼를 그 레버 회전 제한 위치 및 터보차저의 최소 유량이 조절될 수 있도록 위치 조절이 가능한 구조로 구성하고, ECU가 소정의 차속 및 변속단 조건을 만족하면 부스트압 검출부에 의해 검출된 실제 부스트압이 목표 부스트압을 만족시킬 수 있는 스토퍼 위치 보정량을 계산하여, 연산된 스토퍼 위치 보정량만큼 현재의 스토퍼 위치를 보정하기 위하여 스토퍼 위치 조절기구를 듀티제어하도록 구성한 가변 형상 터보차저의 최소 유량 제어 장치 및 방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명에 의하면, 정해진 조건에서 목표 부스트압을 만족시킬 수 있도록 스토퍼 위치를 조절시킬 수 있으므로 스토퍼 위치가 하드웨어적으로 고정된 종래에 비해 차량 발진 성능, 서지성 소음, 스모크 발생을 개선할 수 있는 효과를 제공하게 된다.
가변 형상 터보차저, VGT, 최소 유량 제어, 스토퍼, 듀티제어

Description

가변 형상 터보차저의 최소 유량 제어 장치 및 방법 {System and method controlling minimum flow rate of variable geometry turbocharger}
도 1은 일반적인 가변 형상 터보차저에서 엔진의 운전영역에 따른 베인의 조정상태를 예시한 도면,
도 2 내지 도 6은 일반적인 가변 형상 터보차저의 구성부를 도시한 사시도,
도 7과 도 8은 종래기술에 대한 문제점을 설명하기 위한 도면,
도 9는 본 발명에 따른 스토퍼 위치 조절기구의 액츄에이터와 상기 액츄에이터의 작동을 제어하기 위한 ECU 및 솔레노이드 밸브의 연결상태를 도시한 장치 구성도,
도 10은 본 발명에 따른 스토퍼 위치 조절기구의 액츄에이터 및 이 액츄에이터에 연결되어 위치 조정되는 스토퍼를 도시한 설치 상태도,
도 11은 본 발명에 따른 최소 유량 제어 과정을 나타낸 순서도,
도 12는 본 발명에서 듀티 대 스토퍼 위치 관계의 설정된 예를 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
3 : 터보차저 23 : 스토퍼
110 : 차속 검출부 120 : 변속단 검출부
130 : 부스트압 검출부 140 : ECU
150 : 스토퍼 위치 조절기구 151 : 진공펌프
152 : 솔레노이드 밸브 153 : 액츄에이터
154 : 액츄에이터 로드
본 발명은 가변 형상 터보차저의 최소 유량 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정해진 조건에서 목표 부스트압을 만족시킬 수 있도록 스토퍼의 위치를 조절하도록 구성함으로써, 스토퍼 위치가 하드웨어적으로 고정된 종래에 비해 차량 발진 성능, 서지성 소음, 스모크 발생을 개선할 수 있는 가변 형상 터보차저의 최소 유량 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 디젤엔진에는 고출력/저공해의 목적 달성을 위하여 가변 형상 터보차저(Variable Geometry Turbocharger;VGT)가 널리 적용되고 있다.
가변 형상 터보차저는 터빈으로 유입되는 배기가스의 통과면적을 가변적으로 운용하여 기존의 웨이스트 게이트 터보차저(Waste Gate Turbocharger;WGT) 대비 고토크/고출력화를 도모함과 동시에 저속 토크 마진을 얻고자 개발된 장치이다.
가변 형상 터보차저에서는, 종전의 웨이스트 게이트 터보차저에서 부족하였던 저부하 영역에서의 공기량을 최대한 확보하고자, 첨부한 도 1에 나타낸 바와 같 이 베인을 조정하여, 저속 영역에서는 유로면적을 최소화하고, 고속 영역에서는 유로면적을 최대화함으로써, 저속ㆍ저부하 영역에서의 응답성 증대와 함께 충분한 공기량 확보로 배기가스를 저감시키게 된다.
첨부한 도 2 내지 도 6을 참조하여 가변 형상 터보차저에 대해 설명하면 다음과 같다.
도시한 바와 같이, 가변 형상 터보차저는 컴프레서(10)와 터빈(11)으로 구성되며, 그 사이에서 배기가스의 유동을 제어하는 유로 조절기구(12)를 포함한다.
상기 유로 조절기구(12)는 베인(16)의 각도 위치를 조절하여 배기가스의 흐름 성능을 향상시켜 주는 역할을 하며, 터빈(11)의 하우징(13) 내부에 설치되는 유니슨 링(Unison Ring)(14)과, 상기 유니슨 링(14)의 한쪽 면에 등간격으로 설치되면서 터빈휠(15)과는 접촉되지 않는 범위 내에서 움직이는 다수개의 베인(16) 및 원판(17)과, 상기 베인(16) 및 원판(17)을 동작시켜 주는 부싱(18) 및 레버(19)와, 로드(20)를 이용하여 상기 레버(19)에 연결되며 진공압력에 의해 작동되는 액츄에이터(21)로 구성된다.
미설명 부호 22는 유니슨 링(14)에 한쪽 끝이 지지되고 다른 한쪽 끝이 베인(16)에 연결되어 베인(16)과 함께 동작하는 링크를 나타낸다.
또한 상기 하우징(13)에는 액츄에이터 로드(20)의 위치를 제한하는 스크류(볼트)식의 스토퍼(23)가 설치되어 있는데, 액츄에이터 로드(20)의 선단부에 핀(19a)으로 결합된 상기 레버(19)가 상기 스토퍼(23)에 접촉함으로써 레버(19)의 회전 및 액츄에이터 로드(20)의 이동이 제한되면서 터보차저의 최소 유량이 정해지 게 된다.
이와 같이 하여, 상기 액츄에이터 로드(20)가 전후진하면 레버(19)와 부싱(18)에 의해 원판(17)이 그 중심을 축으로 회전하므로 유니슨 링(14)에 한쪽이 지지된 링크(22)를 통해 베인(16)도 그 각도가 가변될 수 있게 되는 것이다.
이와 같이 가변 형상 터보차저에서는 진공압력을 이용한 액츄에이터(21)로 베인(16)의 작동 앵글을 최적으로 잡아주고 있다.
여러 가지 운전 조건에서의 최적의 베인 위치는 ECU의 맵(map) 정보에 따라 결정되어지나, 베인(16)의 최소 각도 위치는 기계식의 스토퍼(23)에 의하여 초기에 결정되어지고 있다.
개발 과정에서의 하나의 매칭(matching) 항목으로 엔진 개발 메이커에서 설정한 위치를 VGT 메이커에서 대량 생산을 하고자 마스터 VGT를 가지고 스토퍼 위치를 측정하여 제작한다.
한편, 상기한 가변 형상 터보차저에 따르면, 터빈 입구 측의 단면적 크기를 제어해서 배기 에너지 효율을 극대화하여 배기량 증가 없이 흡입 공기량을 증대시켜 더욱 높은 출력을 얻을 수 있으며, 이러한 출력 증대는 동일 부하에서 더 많은 공기량을 흡입시킬 수 있고, 결국 매연(PM) 등 공기 부족에 기인한 불완전 연소성분의 발생을 억제시킬 수 있다.
또한 매연 성분의 감소에 의해 배기가스 마진을 확보할 수 있게 되고(NOx/PM Trade-Off), 엔진 출력 향상에 의해 차량에서 여유 구동력을 증대시킬 수 있게 되어 동일 부하조건에서 상대적으로 좋은 연비를 낼 수 있게 된다.
도 1은 운전 영역에 따른 베인 위치 제어의 일 예를 나타낸 도면으로서, 도시된 바와 같이, 저속 영역에서는 베인을 닫아서 과급 압력 증가를 통해 저속 영역 토크 증대 및 응답성 향상을 통한 발진 성능 개선이 가능해지며, 고속 영역에서는 베인을 열어서 배기 유량을 증대시켜 출력을 향상시킬 수 있게 된다.
가변 형상 터보차저의 제어는 일반적으로 PID 제어를 따르고 있으며, 베인을 제어하는 액츄에이터의 거동은 ECU가 각각의 센서(공기유량센서, 부스트압센서, 수온센서 등)로부터 신호를 입력받아 제어신호를 출력하면 그에 따른 PWM 개폐 시간비(duty)가 조절되어 솔레노이드 밸브를 통해 출력되는 진공압이 제어되어짐으로써 결정된다.
이때, ECU의 제어신호는 각종 센서로부터의 입력 값을 바탕으로 목표 과급압과 부스트압센서에 의해 검출된 실제 과급압을 비교하여 그 차이가 계산된 뒤 결정된다.
이와 같은 가변 형상 터보차저의 중요 특성 중의 하나인 저속 영역 토크 증대 및 응답성 향상을 결정하는 중요 인자는 노즐 면적이 최소일 때의 최소 유량을 결정하는 것이며, 도 1의 상단 왼쪽에 나타낸 바와 같이 배기가스가 통과하는 통로의 최소 면적을 결정하는 것이다.
베인(16)의 회전운동은 전술한 바와 같이 베인(16)을 움직이는 유니슨 링(14)과 부싱(18), 레버(19)로 연결된 액츄에이터 로드(20)가 전후진함으로써 구현되며, 베인(16)의 최소 면적은 저속(통상적으로 1000rpm) 전부하 영역에서의 목표 부스트압을 만족시킬 수 있도록 최소 유량 스크류식 스토퍼(23)의 위치를 조정 시켜 가면서 시험을 통하여 결정하게 된다.
상술한 바와 같이 가변 형상 터보차저의 최소 유량점은 상기 스크류식 스토퍼(23)에 의해 하드웨어적으로 결정되는 것이며, PID 제어에 의해서 조정은 불가능하다.
즉, 시험을 통하여 결정된 최소 유량을 설정하는 방법은 레버(19)가 스토퍼(23)에 접촉하는 지점(이하, 최소 유량 영역이라 함)에서 목표 부스트압이 나올 수 있도록 스토퍼(23)의 전후 위치를 설정하며, 설정한 후에는 고정 너트를 이용하여 고정하게 된다.
이와 같이 설정된 최소 유량은 차량 발진 성능, 서지(surge)성 소음, 스모크 등에 영향을 미치는 아주 중요한 인자이나, 스토퍼의 위치에 의해 하드웨어적으로 제한되어 있어 많은 문제점을 초래하고 있다.
최소 유량은 발진 성능 개선을 위해서 줄이는 것이 유리하지만, 최적의 최소 유량 이하로 조정하게 되면 서지(surge)성 소음 발생 및 스모크 등의 유해 배출가스 증가의 문제가 발생한다.
최소 유량 영역, 즉 베인 최소 면적으로 액츄에이터 레버가 스토퍼에 의해 하드웨어적으로 접촉한 경우이므로 PID 제어의 경우에 최대 듀티로 신호를 출력하더라도 실제 부스트압이 목표 부스트압을 따라갈 수는 없게 된다.
종래에는 가변 형상 터보차저 메이커의 단품 평가를 통하여 최소 유량 영역에서의 유량 범위가 일정한 편차 내에 들 수 있도록 관리하고 있으나, 편차 내에 들어가더라도 단품 평가의 한계로 인하여 실제 엔진에서의 최소 유량에는 많은 편 차를 가지고 있다.
또한 운전시간이 증가함에 따라 베인과 액츄에이터와의 연결부 마모 및 스토퍼의 마모가 발생하여 최소 유량은 변하게 되고, 이로 인하여 발진 성능 악화(최소 유량이 최적 값보다 큰 경우), 서지성 소음 발생 및 스모크 과다(최소 유량이 최적 값보다 작은 경우) 등의 문제가 초래되고 있다.
첨부한 도 7과 도 8는 종래기술에 따른 문제점을 설명하기 위한 도면으로서, 도 7은 엔진을 대상으로 한 최소 유량 편차에 따른 부스트압 특성 편차의 예를 보여주고 있으며, 도 8는 차량에서의 최소 유량 편차에 따른 부스트압 특성 편차의 예를 보여주고 있다.
이를 참조하여 설명하면, 초기 발진시에는 터보차저의 응답 지연으로 인해 항상 목표치에 부스트압이 부족하게 되어 PID 듀티는 최대로, 베인은 최소 단면적, 즉 최소 유량으로 운전되게 된다.
이때, 최소 유량이 과다할 경우에는 최적의 매칭 상태에 대비하여 부스트 형성이 지연되게 되며, 이로 인해 차량 발진 성능 저하 및 초기 스모크 과다 발생의 문제가 있게 된다.
또한 최소 유량이 과소할 경우에는 초기 부스트압 형성이 최적 대비 과도하여 목표 부스트압을 상회하게 되며, 결국 오버 부스트로 인한 스피드 내구 한계 초과로 터보 파손이 발생할 수 있다.
이때, 페달을 갑자기 놓게 되면, 부스트압은 높으나 공기량이 갑자기 줄어들어 컴프레서 서지 영역(컴프레서 회전수는 높으나 공기량 부족으로 인하여 흐름 박 리 및 역류에 의해 불안정해지는 영역)으로 진입하게 되는 바, 심한 소음이 발생하게 된다.
PID 제어의 각 변수는 최적의 매칭 상태에 대하여 최적화된 값이므로 PID 제어로도 하드웨어적인 한계를 극복할 수는 없다.
따라서, 단품과 실 엔진의 부스트압 형성 차이 및 운전시간 경과에 따른 마모에 의한 부스트압 형성 특성 변화로 인하여 발생하고 있는 차량 발진 성능 저하, 소음 발생 등의 문제를 해결할 수 있는 방안이 절실한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 정해진 조건에서 목표 부스트압을 만족시킬 수 있도록 스토퍼의 위치를 조절하도록 구성함으로써, 스토퍼 위치가 하드웨어적으로 고정된 종래에 비해 차량 발진 성능, 서지성 소음, 스모크 발생을 개선할 수 있는 가변 형상 터보차저의 최소 유량 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 유로 조절기구의 레버 회전을 제한하여 레버 회전을 제한하는 위치에 따라 터보차저의 최소 유량을 결정하도록 되어 있고, 레버 회전을 제한하는 위치 및 터보차저의 최소 유량이 조절될 수 있도 록 위치 조절이 가능한 구조로 설치되는 스토퍼와; 차량의 주행속도를 검출하는 차속 검출부와; 차량의 변속단 상태를 검출하는 변속단 검출부와; 부스트압을 검출하는 부스트압 검출부와; 상기 차속 검출부와 변속단 검출부, 부스트압 검출부의 신호 및 저장된 데이터를 이용하여 스토퍼 위치 보정량을 연산하고, 연산된 스토퍼 위치 보정량만큼 현재의 스토퍼 위치를 보정하기 위한 제어신호를 출력하여 터보차저의 최소 유량을 제어하는 ECU와; 상기 ECU의 제어신호에 따라 상기 스토퍼의 위치를 조절시켜 주는 스토퍼 위치 조절기구와;를 포함하여 구성되는 가변 형상 터보차저의 최소 유량 제어 장치를 제공한다.
여기서, 상기 스토퍼 위치 조절기구는 상기 ECU의 제어신호에 따라 액츄에이터 로드의 전후진 동작이 제어되면서 스토퍼의 위치를 조절시켜주는 액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 액츄에이터는 외부의 진공압제공수단으로부터 진공압공급라인을 통해 공급되는 진공압력의 상태에 따라 상기 액츄에이터 로드의 전후진 동작이 제어되는 진공압 작동식의 액츄에이터이고, 상기 진공압공급라인에는 상기 ECU가 출력하는 제어신호에 따라 개폐정도가 제어되면서 상기 액츄에이터에 공급되는 진공압력의 상태를 제어하기 위한 솔레노이드 밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 스토퍼는 한쪽이 액츄에이터 로드에 슬롯 및 힌지핀을 통해 회전가능하게 결합되어 있는 동시에 다른 한쪽이 터보차저 일측의 부싱에 핀을 통해 회전가능하게 결합되어 있는 링크에 일체로 설치되어, 상기 액츄에이터 로드의 전후진 동작시에 링크와 함께 부싱에 결합된 핀을 중심으로 회전하면서 위치 조절이 될 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 ECU는 상기 차속 검출부와 변속단 검출부에 의해 검출된 현재의 차속과 변속단이 미리 설정된 차속 및 변속단 조건을 만족하는 경우, 상기 차속 및 변속단 조건에 해당하는 미리 설정된 목표 부스트압과 상기 부스트압 검출부에 의해 검출된 실제 부스트압 사이의 차이를 연산하고, 현재의 스토퍼 위치가 실제 부스트압이 목표 부스트압을 만족할 수 있는 스토퍼 위치가 되도록 하기 위한 스토퍼 위치 보정량을 연산하도록 된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 스토퍼 위치 보정량은 상기 목표 부스트압과 상기 실제 부스트압 간의 차이를 스토퍼 위치 보정상수로 나눈 값으로 연산되고, 상기 스토퍼 위치 보정상수는 시험을 통해 얻은 값으로서 스토퍼의 레버 제한 위치 변화량에 대한 부스트압 변화량으로 정의되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 ECU는 연산된 스토퍼 위치 보정량만큼 현재의 스토퍼 위치를 보정하기 위하여 상기 스토퍼 위치 조절기구를 연산된 스토퍼 위치 보정량에 따라 듀티제어하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은, ECU가 차속 검출부와 변속단 검출부에 의해 검출된 차속과 변속단이 미리 정해진 조건을 만족하는 최소 유량 학습 영역에 해당하는가를 판단하는 단계와; ECU가 최소 유량 학습 영역에 해당하는 것으로 판단하면, 상기 차속 및 변속단 조건에 해당하는 미리 설정된 목표 부스트압과 부스트압 검출부에 의해 검출된 실제 부스트압 사이의 차이를 연산하고, 현재의 스토퍼 위치가 실제 부스트 압이 목표 부스트압을 만족할 수 있는 스토퍼 위치가 되도록 하기 위한 스토퍼 위치 보정량을 연산하는 단계와; ECU가 연산된 스토퍼 위치 보정량에 따라 현재의 스토퍼 위치를 보정하기 위한 제어신호를 출력하는 단계와; ECU가 출력하는 제어신호에 따라 스토퍼 위치 조절기구가 작동 및 제어되면서 스토퍼 위치가 스토퍼 위치 보정량만큼 조절되어 터보차저의 최소 유량이 조절되는 단계;를 포함하는 가변 형상 터보차저의 최소 유량 제어 방법을 제공한다.
여기서, 상기 스토퍼 위치 보정량은 상기 목표 부스트압과 상기 실제 부스트압 간의 차이를 스토퍼 위치 보정상수로 나눈 값으로 연산되고, 상기 스토퍼 위치 보정상수는 시험을 통해 얻은 값으로서 스토퍼의 레버 제한 위치 변화량에 대한 부스트압 변화량으로 정의되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 ECU는 연산된 스토퍼 위치 보정량만큼 현재의 스토퍼 위치를 보정하기 위하여 상기 스토퍼 위치 조절기구를 연산된 스토퍼 위치 보정량에 따라 듀티제어하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 가변 형상 터보차저의 최소 유량 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 디젤엔진에 장착되는 가변 형상 터보차저에서 최소 유량이 스토퍼에 의해 하드웨어적으로 고정되어 발생하였던 종래의 발진 성능 악화(최소 유량이 최적 값보다 큰 경우), 서지성 소음 발생, 스모크 과다(최소 유량이 최적 값보다 작은 경우) 등의 문제를 해결하기 위하여, 스토퍼를 그 위치가 가변될 수 있도록 구성하고, 또 한 이러한 위치 가변형 스토퍼를 이용해서 가변 형상 터보차저의 최소 유량점을 보상하여 줄 수 있도록 한 것에 주안점이 있는 것이다.
우선, 본 발명의 적용을 위하여 유로 조절기구의 레버 회전 제한치가 조정될 수 있도록 레버(19)의 회전을 제한하는 스토퍼(23)는 위치 조정이 가능한 구조로 설치되며, 특히 ECU(140)의 제어신호에 의해 스토퍼(23)의 위치를 조정시켜 주는 스토퍼 위치 조절기구(150)가 추가로 설치된다.
첨부한 도 9는 스토퍼 위치 조절기구(150)의 액츄에이터(153)와 상기 액츄에이터(153)의 작동을 제어하기 위한 ECU(140) 및 솔레노이드 밸브(152)의 연결상태를 도시한 장치 구성도이고, 도 10은 본 발명에 따른 스토퍼 위치 조절기구(150)의 액츄에이터(153) 및 이 액츄에이터(153)에 연결되어 위치 조정되는 스토퍼(23)를 도시한 설치 상태도이다.
우선, 도 10에 나타낸 바와 같이, 유로 조절기구의 레버(19)가 접촉되면서 레버(19)의 동작이 제한되도록 하여 최소 유량을 결정해주는 스토퍼(23)는 한쪽이 액츄에이터 로드(154)에 슬롯(155a) 및 힌지핀(154a)을 통해 회전가능하게 결합되어 있는 동시에 다른 한쪽이 터보차저 일측의 부싱(157)에 핀(156)을 통해 회전가능하게 결합되어 있는 링크(155)에 일체로 설치된다.
그리고, 상기 링크(155)는 터보차저(3) 일측에 고정 설치된 부싱(157)에 핀(156)을 매개로 회전 가능하게 결합되고, 특히 그 일단에 형성된 슬롯(155a)에 액츄에이터 로드(154)의 힌지핀(154a)이 회전 가능하게 결합됨으로써 액츄에이터 로드(154)와는 길이방향으로의 유격을 가지면서 상기 힌지핀(154a)을 중심으로 회전될 수 있도록 결합된다.
즉, 링크(155)는 슬롯(155a)을 통해 힌지핀(154a)과 결합되므로 도면상의 좌우방향으로 일정 거리만큼의 유격을 가지면서 회전 가능하도록 액츄에이터 로드(154)와 결합되는 것이다.
결국, 액츄에이터 로드(154)가 도면상의 상하방향으로 전후진할 경우 링크(155) 일단을 밀어주거나 당겨주어, 상기 링크(155)가 부싱(157)에 결합된 핀(156)을 그 회전중심으로 하여 회전하도록 되어 있으며, 또한 링크(155)가 핀(156)을 중심으로 회전할 때 스토퍼(23) 역시 상기 핀(156)을 회전중심으로 하여 회전하게 된다.
이와 같이 링크(155)는 액츄에이터(153)의 전후진시에 스토퍼(23)를 회전시켜주는 역할을 하며, 액츄에이터 로드(154)의 직선운동을 스토퍼(23)의 회전운동으로 변환시켜주게 된다.
상기 스토퍼(23)는 그 끝단부가 유로 조절기구의 레버(19)와 접촉하면서 레버(19)의 위치(회전위치)를 제한하게 되는데, 상기 핀(156)을 회전중심으로 하여 회전하게 될 경우 그 회전된 위치에 따라서 유로 조절기구의 레버(19) 회전을 제한하는 끝단부의 위치, 즉 스토퍼(23)의 레버 회전 제한 위치가 도면상의 'D'와 같이 달라지게 된다.
이와 같이 본 발명에서는 액츄에이터(153)의 동작이 제어되면서 액츄에이터 로드(154)의 전후진 동작이 제어될 경우 스토퍼(23)의 회전위치가 제어되면서 레버(19) 회전의 제한 위치가 조절될 수 있게 된다.
한편, 상기와 같이 스토퍼(23)의 위치를 조정시켜 주기 위한 스토퍼 위치 조 절기구(150)는 ECU(140)의 제어신호에 의해 동작하여 스토퍼(23)의 위치를 조정시켜 주도록 구성되는데, 도 9와 도 10을 참조하여 스토퍼 위치 조절기구(150)의 바람직한 구현예에 대해 설명하면 다음과 같다.
우선, 터보차저(3) 일측에 고정 설치되어, 전술한 바와 같이 액츄에이터 로드(154)의 전후 위치가 조정되면서 스토퍼(23)의 위치를 조정하게 되는 액츄에이터(153)를 포함한다.
상기 액츄에이터(153)로는 통상의 가변 형상 터보차저(3)에서 사용되고 있는 유로 조절기구의 액츄에이터(153)와 같이 진공펌프(151)로부터 제공되는 진공압력에 의해 작동되는 액츄에이터(153)가 사용될 수 있다.
즉, 상기 액츄에이터(153)는, 가변 형상 터보차저(3)에서 사용되고 있는 유로 조절기구의 액츄에이터와 마찬가지로, 진공압력이 작용할 수 있도록 된 액츄에이터 로드(154)가 설치되는 바, 액츄에이터(153) 하우징 내 압력실에 진공압력이 제공되면서 액츄에이터 로드(154)에 진공압이 가해지면 액츄에이터 로드(154)는 내장된 스프링을 인장시키면서 전진작동(도면상 하우징에서 하방으로 돌출작동)하게 되며, 반대로 액츄에이터 로드(154)에 가해지는 진공압력이 상대적으로 낮아질 경우에는 스프링의 탄성복원력에 의해 액츄에이터 로드(154)가 원복되면서 후진하게 된다(도면상의 하우징에서 상방으로 삽입작동).
결국, 압력실 내부로 제공되는 진공압력을 제어함으로써 진공압력과 스프링력의 조합된 힘에 따라 액츄에이터 로드(154)의 전후위치가 제어되며, 이에 스토퍼(23)의 위치가 가변되게 된다.
즉, 액츄에이터(153) 하우징 내 압력실에 진공압력이 추가로 가해짐에 따라 액츄에이터 로드(154)가 스프링을 인장시키면서 전진하게 되어 스토퍼(23)의 위치를 조정하게 되고, 반대로 액츄에이터 로드(154)에 가해지는 진공압력이 상대적으로 낮아질 경우에 스프링의 탄성복원력에 의해 액츄에이터 로드(154)가 원복하면서 후진하여 스토퍼(23)의 위치를 반대로 조정하게 된다.
이와 같이 스토퍼 위치 조절기구(150)의 액츄에이터(153)는 유로 조절기구의 액츄에이터와 마찬가지로 내부의 압력실에 제공되는 진공압력의 높고 낮음에 따라 진공압력 및 스프링력에 의해 액츄에이터 로드(154)의 전후 위치가 조절되면서 스토퍼(23)의 위치를 조절하게 된다.
그리고, 상기 스토퍼 위치 조절기구(150)의 액츄에이터(153)에 제공되는 진공압력은 도 9에 나타낸 바와 같이 엔진(2) 내 진공압제공수단, 예컨대 진공펌프(151)로부터 제공되는 바, 진공압제공수단의 진공압력이 상기 액츄에이터(153)의 압력실에 제공될 수 있도록 상기 진공압제공수단으로부터 상기 액츄에이터(153) 사이에는 진공압공급라인(152a)이 연결 설치된다.
또한 상기 스토퍼 위치 조절기구(150)는 ECU(140)가 출력하는 제어신호에 따라 그 동작이 제어되면서 스토퍼 위치를 조정시키는 바, ECU(140)가 출력하는 제어신호에 의해 스토퍼 위치 조절기구(150)의 작동상태가 제어되고 결국 스토퍼(23)의 위치가 제어될 수 있도록 하기 위해서는, 스토퍼 위치 조절기구(150)의 액츄에이터(153)에 제공되는 진공압력이 제어되어야 하는 바, 상기 진공압공급라인(152a)에는 액츄에이터(153)에 제공되는 진공압력을 제어하기 위한 솔레노이드 밸브(152)가 설치된다.
상기 솔레노이드 밸브(152)는 ECU(140)의 제어신호에 의해 개폐동작하도록 되어 있는 것으로, 특히 상기 솔레노이드 밸브(152)는 ECU(140)의 듀티신호에 따라 개폐정도가 제어될 수 있는 밸브로 실시되며, 솔레노이드 밸브(152)의 개폐정도가 제어될 경우 액츄에이터(153)에 제공되는 진공압력이 제어될 수 있고, 이에 따라 액츄에이터(153)의 동작상태, 즉 액츄에이터 로드(154)의 전후진 동작이 제어될 수 있는 바, 결국 ECU(140)의 듀티신호에 따라 스토퍼 위치가 조정될 수 있게 된다.
본 발명에 따른 최소 유량 제어 장치는 도 9에 나타낸 바와 같이 차량의 주행속도를 검출하는 차속 검출부(110), 차량의 변속단 상태를 검출하는 변속단 검출부(120), 부스트압을 검출하는 부스트압 검출부(130), ECU(140), 스토퍼 위치 조절기구(150), 스토퍼(23)를 포함하여 구성된다.
상기 차속 검출부(110)와 변속단 검출부(120), 부스트압 검출부(130)는 이미 차량에 설치되어 있는 구성요소이며, 각각 ECU(140)에 검출신호의 입력이 가능하도록 연결되는 바, 검출 값에 따른 전기적인 신호를 ECU(140)가 전달받게 되어 있다.
또한 상기 ECU(140)는 각 검출부(110,120,130)로부터 입력되는 신호를 토대로 스토퍼 위치 보정량을 계산하고, 필요한 경우 스토퍼 위치 보정을 위한 제어신호를 출력하는 바, 이 제어신호에 의해 스토퍼 위치 조절기구(150)가 구동제어되면서 스토퍼(23)의 위치가 보정될 수 있게 되어 있다.
상기 ECU(140)가 출력하는 제어신호에 의해 스토퍼 위치 조절기구(150)의 작동상태가 제어되면서 스토퍼(23)의 위치가 조절되는 것에 대해서는 앞서 설명한 바 와 같다.
첨부한 도 11은 본 발명에 따른 최소 유량 제어 과정을 나타낸 순서도로서, 이를 참조하여 본 발명에 대해 설명하면 다음과 같다.
우선, ECU(140)가 차속 검출부(110)와 변속단 검출부(120)에서 입력되는 신호로부터 현재의 차속과 변속단을 판단하여, 현재의 차속과 변속단으로부터 최소 유량 학습 영역에 해당하는가를 판단한다(S100).
여기서, 현재의 차속과 변속단이 미리 정해진 조건에 해당하면 최소 유량 학습 영역에 해당하는 것으로 판단한다.
예컨대, ECU(140)는 차속이 100km/h이고 변속단 상태가 5단 입력상태이면 최소 유량 학습 영역에 해당하는 것으로 판단한다.
상기와 같이 ECU(140)가 현재 최소 유량 학습 영역에 해당하는 것으로 판단하게 되면, 부스트압 검출부(130)에서 입력되는 신호로부터 현재의 부스터압(이하, 실제 부스트압이라 함)을 판단하고, 검출된 실제 부스트압을 차속 및 변속단에 따른 최소 유량 학습 영역에서의 목표 부스트압과 비교하며, 저장된 목표 부스트압과 검출된 실제 부스트압 사이의 차이를 계산한다(S200).
이후, 미리 입력된 스토퍼 위치 보정상수를 이용하여 목표 부스트압과 실제 부스트압 간의 차이로부터 현재의 스토퍼 위치가 실제 부스트압이 목표 부스트압을 만족할 수 있는 스토퍼 위치가 되도록 하기 위한 스토퍼 위치 보정량을 연산한다(S300).
이후, ECU(140)는 연산된 스토퍼 위치 보정량에 따라 현재의 스토퍼 위치가 실제 부스트압이 목표 부스트압을 만족할 수 있는 스토퍼 위치가 되도록 스토퍼 위치를 보정하기 위한 제어신호를 출력한다(S400).
결국, ECU(140)가 출력하는 제어신호에 의해 스토퍼 위치 조절기구(150)가 작동 및 제어되면서 스토퍼(23)가 ECU(140)가 연산한 스토퍼 위치 보정량만큼 이동하는 바, 실제 부스트압이 목표 부스트압을 만족할 수 있는 위치로 스토퍼(23)가 이동하게 된다(도 10 참조).
바람직한 실시예에서, ECU(140)는 연산된 스토퍼 위치 보정량만큼 현재의 스토퍼 위치를 정확히 보정하기 위하여 스토퍼 위치 조절기구(150)를 스토퍼 위치 보정량에 따라 듀티제어하게 된다.
이러한 일련의 제어 과정이 수행될 수 있도록 하기 위해서는 ECU(140)에 시험을 통하여 얻은 데이터들이 미리 입력되어 있어야 하는 바, 우선 최소 유량 학습 운전 영역에 해당하는 차속 및 변속단 조건이 입력되어 있어야 하며, 그 영역에서의 목표 부스트압이 미리 입력되어 있어야 한다.
또한 해당 영역에서의 목표 부스트압과 부스트압 검출부(130)를 통해 검출된 실제 부스트압 간 차이에 따른 스토퍼 위치 보정량을 산출하기 위한 관계식이 시험을 통해 얻은 스토퍼 위치 보정상수를 이용하여 정의된 식 형태로 ECU(140)에 미리 입력되어야 한다.
여기서, 스토퍼 위치 보정량 산출을 위한 식은 하기 식(1)과 같이 나타낼 수 있다.
Stopper_delta = (Boost_tg - Boost_re)/C (1)
여기서, 'Stopper_delta'는 스토퍼 위치 보정량을 나타내고, 'Boost_tg'는 목표 부스트압을, 'Boost_re'는 실제 부스트압을, C는 스토퍼 위치 보정상수를 나타내며, 이때 스토퍼 위치 보정상수는 시험을 통해 얻은 값으로 스토퍼(23)의 레버 제한 위치 변화량에 대한 부스트압 변화량으로 정의된다.
그리고, 스토퍼 위치 보정량에 따른 스토퍼 위치 조절기구(150)의 듀티제어를 위하여, 즉 ECU(140)가 연산된 스토퍼 위치 보정량에 따른 스토퍼 위치 조절기구(150)의 제어를 위한 듀티신호를 출력할 수 있도록 하기 위하여, 첨부한 도 12에 나타낸 바와 같은 듀티 대 스토퍼 위치의 관계식을 사전에 시험을 통하여 설정한 후 ECU(140)에 입력하여야 한다.
도 12는 본 발명에서 듀티 대 스토퍼 위치 관계의 설정된 예를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 일련의 제어 과정을 일 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
최소 유량 학습 운전 영역이 되는 차속(Veh_speed) 조건과 변속단(Gr_ratio) 조건이 각각 100km/h와 5단으로 설정되고, 이때의 목표 부스트압(Boost_tg)이 65kPa로 설정되며, 시험을 통해 얻은 스토퍼 위치 보정상수(C)가 3(kPa/mm)(스토퍼 위치 +1mm당 부스트압 3kPa 증가)으로 설정된 경우에서, 차속 검출부(110)와 변속단 검출부(120)에 의해 검출된 현재의 차속과 변속단이 100km/h와 5단을 만족하고, 부스트압 검출부(130)에 의해 검출된 실제 부스트압(Boost_re)이 59kPa이라면, 상기 식(1)에 의해 스토퍼 위치 보정량(Stopper_delta)은 (65kPa-59kPa)/(3kPa/mm)=+2mm가 되며, 이에 해당하는 듀티는 도 12에 나타낸 바와 같이 +12%(2×6%)이므로, 결국 ECU(140)는 72%(기준 듀티 60% + 12%)의 듀티신호를 출력하게 되고, 이러한 듀티신호에 의해 스토퍼 위치 조절기구(150)가 작동제어되면서 스토퍼(23)의 위치가 2mm만큼 보정되어 목표 부스트압을 만족시킬 수 있게 된다.
물론, 본 발명에 따른 스토퍼 위치 조절기구(150)의 구현예에서, ECU(140)가 솔레노이드 밸브(152)의 개폐정도를 제어하여 스토퍼 위치를 조절하게 되는 경우, ECU(140)가 출력하는 듀티신호는 솔레노이드 밸브(152)의 개폐정도를 듀티제어하기 위한 제어신호로 이해될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 가변 형상 터보차저의 최소 유량 학습 제어 방법에 의하면, 유로 조절기구의 레버 회전을 제한하여 레버 회전을 제한하는 위치에 따라 터보차저의 최소 유량을 결정하는 스토퍼를 그 레버 회전 제한 위치 및 터보차저의 최소 유량이 조절될 수 있도록 위치 조절이 가능한 구조로 구성하고, ECU가 소정의 차속 및 변속단 조건을 만족하면 부스트압 검출부에 의해 검출된 실제 부스트압이 목표 부스트압을 만족시킬 수 있는 스토퍼 위치 보정량을 연산한 뒤, 스토퍼 위치 조절기구를 듀티제어하여 연산된 스토퍼 위치 보정량만큼 현재의 스토퍼 위치를 보정하도록 구성함으로써, 스토퍼 위치가 하드웨어적으로 고정되었던 종래에 비해 차량 발진 성능, 서지성 소음, 스모크 발생을 개선할 수 있는 효과가 있게 된다.

Claims (10)

  1. 유로 조절기구의 레버 회전을 제한하여 레버 회전을 제한하는 위치에 따라 터보차저의 최소 유량을 결정하도록 되어 있고, 레버 회전을 제한하는 위치 및 터보차저의 최소 유량이 조절될 수 있도록 위치 조절이 가능한 구조로 설치되는 스토퍼와;
    차량의 주행속도를 검출하는 차속 검출부와;
    차량의 변속단 상태를 검출하는 변속단 검출부와;
    부스트압을 검출하는 부스트압 검출부와;
    상기 차속 검출부와 변속단 검출부, 부스트압 검출부의 신호 및 저장된 데이터를 이용하여 스토퍼 위치 보정량을 연산하고, 연산된 스토퍼 위치 보정량만큼 현재의 스토퍼 위치를 보정하기 위한 제어신호를 출력하여 터보차저의 최소 유량을 제어하는 ECU와;
    상기 ECU의 제어신호에 따라 상기 스토퍼의 위치를 조절시켜 주는 스토퍼 위치 조절기구와;
    를 포함하여 구성되는 가변 형상 터보차저의 최소 유량 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스토퍼 위치 조절기구는 상기 ECU의 제어신호에 따라 액츄에이터 로드의 전후진 동작이 제어되면서 스토퍼의 위치를 조절시켜주는 액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 형상 터보차저의 최소 유량 제어 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 액츄에이터는 외부의 진공압제공수단으로부터 진공압공급라인을 통해 공급되는 진공압력의 상태에 따라 상기 액츄에이터 로드의 전후진 동작이 제어되는 진공압 작동식의 액츄에이터이고,
    상기 진공압공급라인에는 상기 ECU가 출력하는 제어신호에 따라 개폐정도가 제어되면서 상기 액츄에이터에 공급되는 진공압력의 상태를 제어하기 위한 솔레노이드 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 가변 형상 터보차저의 최소 유량 제어 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 스토퍼는 한쪽이 액츄에이터 로드에 슬롯 및 힌지핀을 통해 회전가능하게 결합되어 있는 동시에 다른 한쪽이 터보차저 일측의 부싱에 핀을 통해 회전가능하게 결합되어 있는 링크에 일체로 설치되어, 상기 액츄에이터 로드의 전후진 동작시에 링크와 함께 부싱에 결합된 핀을 중심으로 회전하면서 위치 조절이 될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 가변 형상 터보차저의 최소 유량 제어 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 ECU는 상기 차속 검출부와 변속단 검출부에 의해 검출된 현재의 차속과 변속단이 미리 설정된 차속 및 변속단 조건을 만족하는 경우, 상기 차속 및 변속단 조건에 해당하는 미리 설정된 목표 부스트압과 상기 부스트압 검출부에 의해 검출된 실제 부스트압 사이의 차이를 연산하고, 현재의 스토퍼 위치가 실제 부스트압이 목표 부스트압을 만족할 수 있는 스토퍼 위치가 되도록 하기 위한 스토퍼 위치 보정량을 연산하도록 된 것을 특징으로 하는 가변 형상 터보차저의 최소 유량 제어 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 스토퍼 위치 보정량은 상기 목표 부스트압과 상기 실제 부스트압 간의 차이를 스토퍼 위치 보정상수로 나눈 값으로 연산되고, 상기 스토퍼 위치 보정상수는 시험을 통해 얻은 값으로서 스토퍼의 레버 제한 위치 변화량에 대한 부스트압 변화량으로 정의되는 것을 특징으로 하는 가변 형상 터보차저의 최소 유량 제어 장 치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 ECU는 연산된 스토퍼 위치 보정량만큼 현재의 스토퍼 위치를 보정하기 위하여 상기 스토퍼 위치 조절기구를 연산된 스토퍼 위치 보정량에 따라 듀티제어하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 가변 형상 터보차저의 최소 유량 제어 장치.
  8. ECU가 차속 검출부와 변속단 검출부에 의해 검출된 차속과 변속단이 미리 정해진 조건을 만족하는 최소 유량 학습 영역에 해당하는가를 판단하는 단계와;
    ECU가 최소 유량 학습 영역에 해당하는 것으로 판단하면, 상기 차속 및 변속단 조건에 해당하는 미리 설정된 목표 부스트압과 부스트압 검출부에 의해 검출된 실제 부스트압 사이의 차이를 연산하고, 현재의 스토퍼 위치가 실제 부스트압이 목표 부스트압을 만족할 수 있는 스토퍼 위치가 되도록 하기 위한 스토퍼 위치 보정량을 연산하는 단계와;
    ECU가 연산된 스토퍼 위치 보정량에 따라 현재의 스토퍼 위치를 보정하기 위한 제어신호를 출력하는 단계와;
    ECU가 출력하는 제어신호에 따라 스토퍼 위치 조절기구가 작동 및 제어되면 서 스토퍼 위치가 스토퍼 위치 보정량만큼 조절되어 터보차저의 최소 유량이 조절되는 단계;
    를 포함하는 가변 형상 터보차저의 최소 유량 제어 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 스토퍼 위치 보정량은 상기 목표 부스트압과 상기 실제 부스트압 간의 차이를 스토퍼 위치 보정상수로 나눈 값으로 연산되고, 상기 스토퍼 위치 보정상수는 시험을 통해 얻은 값으로서 스토퍼의 레버 제한 위치 변화량에 대한 부스트압 변화량으로 정의되는 것을 특징으로 하는 가변 형상 터보차저의 최소 유량 제어 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 ECU는 연산된 스토퍼 위치 보정량만큼 현재의 스토퍼 위치를 보정하기 위하여 상기 스토퍼 위치 조절기구를 연산된 스토퍼 위치 보정량에 따라 듀티제어하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 가변 형상 터보차저의 최소 유량 제어 방법.
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