KR100911526B1 - 엔진의 터보차져 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 초기 발진시와 같은 급가속시에 차량의 가속 응답성을 개선하고, 중/저속 운전상태에서 운전자가 갑자기 가속페달에서 발을 떼는 팁아웃 상태에서 엔진으로 공급되는 과급공기가 신속히 스로틀밸브 개도에 맞는 상태로 줄지 않아서 흡기계통에 서지성 맥동음이 발생되는 현상을 방지할 수 있도록 한다.

터보차져, 터빈, 팁아웃, 오버부스트

Description

엔진의 터보차져 시스템 및 그 제어방법{Turbocharger System of Engine and Control Method thereof}

본 발명은 엔진의 터보차져 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 터보차져가 장착된 엔진이 탑재된 차량의 가속성능을 향상시키고 서지성 소음을 저감시키도록 하는 기술에 관한 것이다.

터보차져는 엔진의 연소실에 상대적으로 많은 양의 공기를 과급하여 체적효율을 향상시켜서 엔진의 출력을 증대시키고 효율을 향상시킬 수 있어서, 최근에 양산되고 있는 디젤 차량의 대부분은 터보차져를 장착하고 있으며, 가솔린 차량에서도 연비 개선과 출력 증대 등의 목적으로 터보차져를 점차 장착하고 있는 추세에 있다.

도 1은 종래의 터보차져 시스템을 설명한 것으로서, 엔진(500)의 배기가스를 전달받아 터빈(502)이 회전하고, 터빈(502)의 회전력을 직접 전달받아 컴프레셔(504)는 에어클리너(506)로부터의 공기를 압축하여 인터쿨러(508)를 경유하면서 냉각시킨 후 엔진(500)의 연소실로 공급하도록 되어 있다.

상기 터보차져(510)에는 진공압으로 작동되는 터보액츄에이터(512)가 구비되 어 터보차져(510)의 컴프레셔(504)가 공기를 압축하는 것을 조절할 수 있도록 되어 있는바, 상기 터보액츄에이터(512)는 VGT(Variable Geometry Turbocharger)의 경우 터빈베인의 각도를 조절하여 터빈(502)의 회전을 제어할 수 있도록 되어 있으며, 상기 터보액츄에이터(512)는 ECU(Engine Control Unit)의 제어를 받는 진공모듈레이터(514)에 의해 진공압을 공급받도록 되어 있고, 상기 진공모듈레이터(514)는 엔진(500)의 흡기측에서 진공압을 공급받아 상기 터보액츄에이터(512)로 조절하여 제공할 수 있도록 되어 있다.

상기 ECU는 가속페달조작에 따른 스로틀밸브개도와 자신이 발생시킨 터빈(502)베인 제어듀티에 대한 피이드백 값 등을 입력 받아서 목표 과급압을 연산하고, 현재 엔진(500)으로 공급되고 있는 공기의 현재 과급압을 입력 받아 상기 목표 과급압과 비교하여, PID(Proportional Integral Differential)제어로 상기 목표 과급압을 달성하기 위한 터빈베인 제어듀티를 출력하도록 되어 있다.

그런데, 상기한 바와 같은 터보차져(510) 시스템이 구비된 엔진(500)은 중/저속 운전상태에서 운전자가 가속페달에서 발을 갑자기 떼는 팁아웃(TIP-OUT) 상태의 경우, 상기와 같은 PID제어만으로는 상기 터보차져(510)에서 공급되는 과급공기가 상기 가속페달의 조작에 따른 스로틀밸브의 개도에 맞는 공기량으로 신속히 줄지 않아서, 흡기계통에서 서지성 맥동음이 발생되게 되는 문제점이 있다.

또한, 상기와 같은 경우 상기 ECU의 PID제어로는 과급압을 신속히 줄이기 위해 과도한 제어가 이루어지게 되어 언더부스트under boost) 상태가 되기 쉬우며, 이때 다시 가속페달을 밟아 재 가속시 차량의 가속이 신속히 이루어지지 못하는 응 답성 저하 현상이 발생된다.

상기한 바와 같은 응답성 저하 현상은 상기와 같은 재가속시 뿐만 아니라, 차량의 초기 발진시와 같은 급가속시에도 발생된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 차량의 초기 발진시와 같은 급가속시에 차량의 가속 응답성을 개선하고, 중/저속 운전상태에서 운전자가 갑자기 가속페달에서 발을 떼어 엔진으로 공급되는 과급공기가 신속히 스로틀밸브 개도에 맞는 상태로 줄지 않아서 흡기계통에 서지성 맥동음이 발생되는 현상을 방지할 수 있도록 한 엔진의 터보차져 시스템 및 그 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 엔진의 터보차져 시스템은

터보차져의 터빈베인 각도를 조절하도록 터보액츄에이터가 구비되고, 진공모듈레이터가 엔진의 흡기측으로부터 제공받은 진공압을 ECU의 제어를 받아 상기 터보액츄에이터로 제공하도록 된 엔진의 터보차져 시스템에 있어서,

상기 진공모듈레이터에서 상기 터보액츄에이터로 진공압을 공급하는 통로와 상기 터보차져의 컴프레셔 입구측을 연결하는 바이패스통로와;

상기 ECU의 제어를 받아 바이패스통로의 개도를 조절하도록 설치된 솔레노이드밸브;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 ECU는 엔진의 인젝터가 분사하는 연료량이 제1기준값 이상인 경우 ON되 는 급가속플래그를 구비하고;

상기 ECU는 엔진의 인젝터가 분사하는 연료량이 제2기준값 이하인 경우 ON되는 팁아웃플래그를 구비하며;

상기 ECU는 상기 급가속플래그가 ON되면, 상기 터빈베인을 제어하는 터빈베인 제어듀티를 95%이상의 값으로 출력하고;

상기 ECU는 상기 팁아웃플래그가 ON되면, 상기 솔레노이드밸브를 개방하는 신호를 출력하도록 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 엔진의 터보차져 시스템 제어방법은

엔진의 인젝터에서 분사하는 연료량을 입력 받는 연료량판단단계와;

상기 연료량이 상기 제1기준값 이상인지 제2기준값 이하인지 판단하는 범위판단단계와;

연료량이 상기 제1기준값 이상인 경우, 터빈베인 제어듀티를 95% 이상으로 강제 설정하는 강제과급단계와;

연료량이 상기 제2기준값 이하인 경우, 상기 솔레노이드밸브를 개방하는 강제해제단계;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 터보차져가 오버부스트 상태인 경우 상기 솔레노이드밸브를 개방하는 오버부스트제어단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명은 차량의 초기 발진시와 같은 급가속시에 차량의 가속 응답성을 개선하고, 중/저속 운전상태에서 운전자가 갑자기 가속페달에서 발을 떼어 엔진으로 공급되는 과급공기가 신속히 스로틀밸브 개도에 맞는 상태로 줄지 않아서 흡기계통에 서지성 맥동음이 발생되는 현상을 방지할 수 있도록 한다.

도 2를 참조하면, 본 발명 실시예는 터보차져(1)의 터빈베인 각도를 조절하도록 터보액츄에이터(3)가 구비되고, 진공모듈레이터(5)가 엔진(7)의 흡기측으로부터 제공받은 진공압을 ECU의 제어를 받아 상기 터보액츄에이터(3)로 제공하도록 된 엔진의 터보차져(1) 시스템에 있어서, 상기 진공모듈레이터(5)에서 상기 터보액츄에이터(3)로 진공압을 공급하는 통로와 상기 터보차져(1)의 컴프레셔 입구측을 연결하는 바이패스통로(9)와; 상기 ECU의 제어를 받아 바이패스통로(9)의 개도를 조절하도록 설치된 솔레노이드밸브(11)를 포함하여 구성된다.

즉, 종래의 터보차져(1) 시스템에 상기 바이패스통로(9)와, 상기 바이패스통로(9)를 전기적 신호에 의해 개폐할 수 있는 솔레노이드밸브(11)를 구비하여, 상기 터보액츄에이터(3)에 공급되는 진공압을 강제로 해제시킬 수 있도록 구성한 것이다.

본 실시예에서 상기 ECU는 엔진(7)의 인젝터가 분사하는 연료량이 제1기준값 이상인 경우 ON되는 급가속플래그를 구비하고, 상기 ECU는 엔진(7)의 인젝터가 분사하는 연료량이 제2기준값 이하인 경우 ON되는 팁아웃플래그를 구비하며, 상기 ECU는 상기 급가속플래그가 ON되면, 상기 터빈베인을 제어하는 터빈베인 제어듀티를 95%이상의 값으로 출력하고, 상기 ECU는 상기 팁아웃플래그가 ON되면, 상기 솔레노이드밸브(11)를 개방하는 신호를 출력하도록 구성된다.

즉, 본 실시예에서, 상기 ECU는 인젝터에서 한번에 인젝션하는 연료량이 어느 정도 되는가에 따라서, 차량의 급가속 상태 여부와 팁아웃 상태 여부를 판단하여, 상기 터빈베인 제어듀티의 값을 강제로 증가시키거나, 상기 솔레노이드밸브(11)를 개방함으로써, 차량의 급가속 응답성을 향상시키고, 서지성 맥동음을 저감시킬 수 있도록 한 것이다.

상기 ECU는 통상 엔진(7)의 각종 센서 및 액츄에이터와 전기적 신호를 주고 받으면서, 엔진(7)의 작동을 제어하도록 되어 있으며, 대체로 인젝터에서 분사되는 연료량을 계산하여 인젝터를 제어하도록 하는 신호를 출력하므로, 현재 차량의 운전 상태 및 조작 상태에 따라 인젝터에서 분사되는 연료량에 대한 정보를 가지고 있는 바, 이를 이용하여, 상기 급가속플래그와 팁아웃플래그의 기억소자를 ON 상태 또는 OFF상태로 세팅할 수 있도록 한다.

여기서, 상기 제1기준값은 예컨대, 인젝터의 1회 분사량이 30mg 인 경우로 설정할 수 있는 바, 엔진(7)이 급가속 상황이 되면 이에 필요한 많은 연료량을 연소실로 분사하게 되므로, 연소실에 분사되는 연료의 양이 엔진(7)의 급가속 상황으로 판정할 수 있는 수준으로 설정되면 되며, 엔진(7) 및 차량의 종류 및 사양 등에 따라 또는 설계 의도에 따라 적절한 값을 실험 및 해석에 의해 설정하는 것이 바람직하다.

상기 제2기준값은 예컨대, 인젝터의 1회 분사량이 20mg 인 경우로 설정할 수 있으며, 또는 엔진(7)이 아이들 상태를 유지할 수 있는 수준의 연료량으로 설정할 수 있다. 상기 제2기준값 역시 엔진(7) 및 차량의 종류 및 사양 등에 따라 또는 설계 의도에 따라 적절한 값을 실험 및 해석에 의해 설정하도록 하여, 운전자의 팁아웃 조작 상태를 정확성 있게 인식해 낼 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

상기 ECU는 상기와 같은 급가속플래그와 팁아웃플래그의 값을 스스로 참조하여, 상기한 바와 같은 급가속 상태의 제어와 팁아웃 상태의 제어를 실시하게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 엔진의 터보차져 시스템 제어방법을 도시한 순서도로서, 본 발명 실시예는 상기한 바와 같은 엔진의 터보차져 시스템의 제어방법에 있어서, 엔진의 인젝터에서 분사하는 연료량을 입력 받는 연료량판단단계와; 상기 연료량이 상기 제1기준값 이상인지 제2기준값 이하인지 판단하는 범위판단단계와; 연료량이 상기 제1기준값 이상인 경우, 터빈베인 제어듀티를 95% 이상으로 강제 설정하는 강제과급단계와; 연료량이 상기 제2기준값 이하인 경우, 상기 솔레노이드밸브(11)를 개방하는 강제해제단계를 포함하여 구성된다.

즉, 상기 ECU는 인젝터에서 현재 분사하고 있는 연료량에 대한 정보를 계속적으로 모니터링 하여, 상기 연료량을 상기 제1기준값 및 제2기준값과 비교하여, 상기 급가속플래그를 ON으로 세팅하게 되는 경우에는, 종래의 PID제어를 무시하고 상기 터빈베인 제어듀티의 값을 95% 이상 100%까지 강제로 증가시켜서, 과급 성능을 최대로 함으로써, 차량의 급가속 응답성을 향상시키도록 하는 것이다.

또한, 상기 ECU가 연료량을 비교한 결과 상기 제2기준값 이하로서 상기 팁아 웃플래그를 ON시키는 상황이 되면, 종래의 PID제어와 무관하게 상기 솔레노이드밸브(11)를 개방하는 신호를 출력하여, 상기 진공모듈레이터(5)에서 상기 터보액츄에이터(3)로 제공되던 진공압을 강제로 해제하여, 상기 터보차져(1)에서 제공하는 과급압을 기계적으로 줄여주거나 방지할 수 있게 되는 것이다.

따라서, 종래에 팁아웃 상태에서 스로틀밸브의 개도에 맞지 않은 과도한 과급압에 의해 서지성 맥동음이 발생되던 현상을 줄여줄 수 있게 된다.

한편, 상기 ECU는 상기 연료량이 상기 제1기준값과 제2기준값의 사이에 있는 경우에 상기 터보차져(1)가 오버부스트(over boost) 상태인지를 판단하여, 오버부스트 상태인 경우에도 상기 솔레노이드밸브(11)를 개방하는 오버부스트제어단계를 수행함으로써, 엔진(7)을 적절한 과급상태로 신속하게 전환할 수 있도록 해줄 수 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 엔진의 터보차져 시스템을 설명한 도면,

도 2는 본 발명에 따른 엔진의 터보차져 시스템을 설명한 도면,

도 3은 본 발명에 따른 엔진의 터보차져 시스템 제어방법의 일예를 도시한 순서도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

1; 터보차져 3; 터보액츄에이터

5; 진공모듈레이터 7; 엔진

9; 바이패스통로 11; 솔레노이드밸브

Claims (4)

1. 터보차져의 터빈베인 각도를 조절하도록 터보액츄에이터가 구비되고, 진공모듈레이터가 엔진의 흡기측으로부터 제공받은 진공압을 ECU의 제어를 받아 상기 터보액츄에이터로 제공하도록 된 엔진의 터보차져 시스템에 있어서,

   상기 진공모듈레이터에서 상기 터보액츄에이터로 진공압을 공급하는 통로와 상기 터보차져의 컴프레셔 입구측을 연결하는 바이패스통로와;

   상기 ECU의 제어를 받아 바이패스통로의 개도를 조절하도록 설치된 솔레노이드밸브;

   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 엔진의 터보차져 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 ECU는 엔진의 인젝터가 분사하는 연료량이 제1기준값 이상인 경우 ON되는 급가속플래그를 구비하고;

   상기 ECU는 엔진의 인젝터가 분사하는 연료량이 제2기준값 이하인 경우 ON되는 팁아웃플래그를 구비하며;

   상기 ECU는 상기 급가속플래그가 ON되면, 상기 터빈베인을 제어하는 터빈베인 제어듀티를 95%이상의 값으로 출력하고;

   상기 ECU는 상기 팁아웃플래그가 ON되면, 상기 솔레노이드밸브를 개방하는 신호를 출력하도록 구성된 것

   을 특징으로 하는 엔진의 터보차져 시스템.
3. 청구항 2의 엔진의 터보차져 시스템의 제어방법에 있어서,

   엔진의 인젝터에서 분사하는 연료량을 입력 받는 연료량판단단계와;

   상기 연료량이 상기 제1기준값 이상인지 제2기준값 이하인지 판단하는 범위판단단계와;

   연료량이 상기 제1기준값 이상인 경우, 터빈베인 제어듀티를 95% 이상으로 강제 설정하는 강제과급단계와;

   연료량이 상기 제2기준값 이하인 경우, 상기 솔레노이드밸브를 개방하는 강제해제단계;

   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 엔진의 터보차져 시스템 제어방법.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 터보차져가 오버부스트 상태인 경우 상기 솔레노이드밸브를 개방하는 오버부스트제어단계를 더 포함하여 구성된 것

   을 특징으로 하는 엔진의 터보차져 시스템 제어방법.

Images