KR101171894B1 - 압축기의 능동 서지 및 스톨 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

압축기의 능동 서지 및 스톨 제어 시스템이 개시된다. 개시된 압축기의 능동 서지 및 스톨 제어 시스템은, 압축기의 케이싱과; 상기 케이싱 외측에 누설구멍을 가지면서 회전이 가능하게 장착된 회전체와; 상기 회전체의 회전을 기동하는 모터와; 상기 모터를 제어하는 ECU와; 상기 회전체의 회전을 위해 상기 회전체 하방에 설치된 베어링과; 상기 압축기 출구단에 장착되어 상기 ECU에 상기 출구단의 압력 변화 정보를 전달하는 압력센서;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 간단한 회전체의 장착으로 수십~수백Hz로 부스트 압력이 진동하는 스톨과 3~10Hz로 부스트 압력이 진동하는 서지를 능동제어를 통해 억제하여 터보차저 시스템의 작동영역을 넓힐 수 있다. 이렇게 터보차저 시스템의 작동영역 확장으로 엔진의 작동이 원활해지며 엔진의 연비가 증가하는 이점이 있다.

압축기, 서지, 스톨

Description

압축기의 능동 서지 및 스톨 제어 시스템{SYSTEM FOR CONTROLING ACTIVE SURGE AND STALL FOR COMPRESSOR}

도 1은 일반적인 압축기 맵 그래프.

도 2a는 압축기 케이싱 벽면에 성형된 홈을 나타내 보인 도면.

도 2b는 도 2a의 홈 성형 시 스톨 라인 변화를 나타내 보인 그래프.

도 3은 기존의 바이패스 시스템의 작동을 나타내 보인 그래프.

도 4a는 본 발명에 따른 압축기의 능동 서지 및 스톨 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도.

도 4b에는 도 4a의 평면도.

도 5a 및 도 5b는 서지/스톨 발생에 의한 유량 변동의 예를 나타내 보인 그래프.

도 6은 능동적인 제어기 작동 영역을 나타내 보인 그래프.

도 7은 본 발명에 따른 압축기의 능동 서지 및 스톨 제어 시스템의 작동 프로세스를 순차적으로 나타내 보인 개략적인 순서도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

20. 회전체

21. 케이싱

24. 모터

25. ECU

26. 압력센서

28. 베어링

본 발명은 압축기의 능동 서지 및 스톨 제어 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 간단한 회전체의 장착으로 스톨과 서지를 능동제어를 통해 억제하여 터보차저 시스템의 작동영역을 넓히기 위한 압축기의 능동 서지 및 스톨 제어 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 엔진에 신기를 과급하기 위해서는 터보차저 시스템(turbo-charger system) 을 사용한다. 이때 압축기(compressor)와 터보차저의 특성에 따라 신기 공급 능력이 차이를 보이는데, 압축기와 터보차저의 특성이 좋을 수록 엔진 작동 효율과 영역이 넓어지게 된다.

반대로 도 1에 도시된 바와 같이, 특성이 좋지 않으면 엔진 작동 효율이 떨어지고 작동 영역 또한 줄게 된다.

상기한 터보차저 시스템의 원심 압축기의 경우, 회전속도가 빠르고, 이송 유체량이 적을 경우에 서지(surge)나 스톨(stall)이 발생하여 압축기의 작동 영역을 제한한다.

그 뿐만 아니라 이러한 현상이 심해지면 이송 유체의 유량변동과 급작스런 압력 등의 변동으로 소음이 발생하고, 더 심해질 경우에는 압축기 자체의 안정성에 심대한 위협을 가하게 된다.

그리고 엔진의 효율과 작동 영역을 넓히기 위한 방법으로는, 도 2a에 도시된 바와 같이, 케이싱(casing)에 홈을 성형한다거나, 또는 재순환 통로(recirculation passage)를 장착한다. 이 경우 도 2b와 같이 압축기의 작동 영역이 한층 넓어져서 고속 회전 시 이송 유체량이 적어져도 서지나 스톨 없이 작동할 수 있게 된다.

한편, 도 2a에서 참조부호 11은 블레이드(blade)를 나타내 보인 것이다.

하지만, 작동 영역이 넓어지는 장점에 대해 단점도 존재하는데, 케이싱에 홈을 성형하는 경우, 날개 끝단으로의 누설(leakage)에 의해 압축기의 효율이 감소하고 재순환 통로를 장착한 경우에는 유동 재순환에 의한 유체 소음이 증가하게 된다.

또한 종래의 티시아이 엔진의 에어 바이패스 시스템 및 그 작동 방법과, 터보차저 인터쿨러 엔진의 에어 바이패스 밸브 시스템 등의 터보차저 서지를 방지하는 종래의 기술은, 도 3과 같이 압축기의 서지/스톨 라인(line)을 확장한 기구가 아니다.

단지, 바이패스 밸브로 부스트(boost) 압을 감소시켜서 3～10Hz로 진동하는 서지를 억제하는 장치인 관계로 엔진(T/C)의 작동 영역을 감소시키며 압축기의 효율을 감소시키는 단점이 존재한다. 티시아이 엔진에서 엔진 작동 영역의 감소와 압축기의 효율감소는 출력감소와 연비감소로 직결된다. 이러한 기구는 이송유체가 감소하였을 때 부스트 압을 유지할 수 없게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 간단한 회전체의 장착으로 스톨과 서지를 능동제어를 통해 억제하여 터보차저 시스템의 작동영역을 넓혀 엔진의 작동을 원활하게 하며 엔진의 연비를 증가시키도록 한 압축기의 능동 서지 및 스톨 제어 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압축기의 능동 서지 및 스톨 제어 시스템은, 압축기의 케이싱과; 상기 케이싱 외측에 누설구멍을 가지면서 회전이 가능하게 장착된 회전체와; 상기 회전체의 회전을 기동하는 모터와; 상기 모터를 제어하는 ECU와; 상기 회전체의 회전을 위해 상기 회전체 하방에 설치된 베어링과; 상기 압축기 출구단에 장착되어 상기 ECU에 상기 출구단의 압력 변화 정보를 전달하는 압력센서;를 포함하며, 장치의 초기화 후, 상기 압력센서의 압력변동을 상기 ECU가 감지하여 과도한 압력변동이 발생하면, 이 압력변동의 주파수와 상(phase)을 계산한 뒤 상기 회전체의 회전속도와 상(phase)을 계산하여 압력변동과 정확히 180도 상(phase) 차이가 나도록 하고, 상기 ECU는 계산된 회전속도와 상(phase)으로 상기 회전체를 돌리고, 다시 출구부에서의 압력변동을 감지하여 상기 회전체의 상(phase)이 달라졌는지(out-phase) 감지하며, 만약 상(phase)이 정확하지 않다면 다시 수정하여 상기 회전체를 구동하는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 4a에는 본 발명에 따른 압축기의 능동 서지 및 스톨 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도가 도시되어 있고, 도 4b에는 도 4a의 평면도가 도시되어 있다.

도면을 각각 참조하면, 본 발명에 따른 압축기의 능동 서지 및 스톨 제어 시스템은, 압축기의 케이싱(21)과, 이 케이싱(21) 외측에 누설구멍(21a)을 가지면서 회전이 가능하게 장착된 회전체(20)와, 이 회전체(20)의 회전을 기동하는 모터(24)와, 이 모터(24)를 제어하는 ECU(25)와, 상기 회전체(20)의 회전을 위해 회전체(20) 하방에 설치된 2개의 베어링(bearing)(28)과, 상기 압축기 출구단에 장착되어 ECU(25)에 상기 압축기의 출구단의 압력 변화 정보를 전달하는 압력센서(26)를 포함하여 구성된다.

도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 회전체(20)와 모터(24)의 기어(24a)를 이용하여 동력을 전달하도록 구비된다.

그리고 상기 회전체(20)의 외부는 커버(cover)(22)를 성형하여 씌우고, 상기 케이싱(21)에 성형된 고정된 누설구멍(23)과, 상기 회전체(20)에 성형된 누설구멍은 회전체(20)의 회전에 의해 통기되거나 막히게 된다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 압축기의 능동 서지 및 스톨 제어 시스템의 작용을 설명하면 다음과 같다.

도면을 다시 참조하면, 본 발명에 따른 압축기의 능동 서지 및 스톨 제어 시스템은, 압축기의 효율감소나 유체소음 증가 없이 서지/스톨 라인을 넓히고자 한다면 현재 수동적(passive)으로 설치된 서지/스톨 감소장치를 능동적(active)인 장치로 바꾸어 주어야 한다.

상기한 서지/스톨 라인 근방에서는 작동하고, 먼 곳에서는 작동을 멈추어서 효율을 증가시키는 장치를 위해 다음과 같이 케이싱(21) 외측에 누설구멍(23)을 가지면서 회전이 가능한 장치를 장착한다.

그리고 상기 회전체(20)의 회전은 ECU(25)로 제어되는 모터(24)로 기동하고, 회전체(20)와 모터(24)의 기어를 사용하여 동력을 전달한다. 또한 회전체(20)의 원활한 회전을 위해 회전체(20) 하방에 두개의 베어링(28)을 설치한다.

또한 압축기는 출구부에서 높은 압력을 유지하므로, 누설을 방지하기 위해 회전체(20)의 외부는 커버(cover)를 성형하여 씌운다. 또한 압축기 출구단에는 압력 센서를 장착하여 ECU(25)에 출구단의 압력 변화 정보를 전달하도록 한다.

그리고 압축기의 케이싱(21)에 성형된 고정된 누설구멍(23)과, 회전체(20)에 성형된 누설구멍(21a)은 회전체(20)의 회전에 의해 통기되거나 막히게 된다.

또한 압축기가 고속회전 시 이송유체가 감소하면 5a 및 도 5b에서와 같이 스톨/서지가 발생하여 이송유체의 유량이 시간적으로 변동하며 따라서 압축기 후방의 부스트 압력 또한 시간적으로 변동한다.

이때, 유량 또는 부스트 압력이 최고에 이르는 지점들(A)은 필요 이상 유량이 증가하는 곳이며, 유량 또는 부스트 압력이 최소에 이르는 지점들(B)은 필요 이하로 유량이 감소하는 곳이다.

이러한 유량/압력 섭동을 줄이기 위해서는 A지점에서는 강제로 누설을 발생시켜서 유량이 필요 이상 커지는 것을 막아주고, B지점에서는 다시 누설을 막아서 유량이 줄어드는 것을 방지해주어야 한다.

즉, 누설구멍이 장착된 회전체(20)를 회전시키되 스톨/서지의 압력 변동과 180도 차이가 나도록(out-phase) 회전시켜야 한다.

그 결과 부스트 압력은 도 5a 및 도 5b의 점선과 같이, 평균압력을 유지하게 된다. 반면 이전의 바이패스 시스템은 공급단의 압력을 빼서 도 5a 및 도 5b의 라 인 "B' 및 'E'과 같이 부스트 압이 하향 평준화되는 문제가 발생하게 된다.

한편, 도 5a 및 도 5b에서 라인 'A'는 기존 바이패스 시스템에서의 압력 저하를 나타내 보인 것이다.

그 작동 영역은 도 6과 같이 스톨/서지 라인 외측부이다.

이러한 능동 제어(active control)를 위하여 도 7의 작동 프로세스(process)를 따르도록 한다.

먼저 장치의 초기화 후, 압축기 출구부 압력센서(26)의 압력변동을 ECU(25)가 감지하여 과도한 압력변동이 발생하면, 이 압력변동의 주파수와 상(phase)을 계산한 뒤 회전체(20)의 회전속도와 상(phase)을 계산하여 압력변동과 정확히 180도 상(phase) 차이가 나도록 한다.(단계 110,120,130,140)

그리고 상기 ECU(25)는 계산된 회전속도와 상(phase)으로 회전체(20)를 돌리고, 다시 출구부에서의 압력변동을 감지하여 회전체(20)의 상(phase)이 달라졌는지(out-phase) 감지한다. 만약 상(phase)이 정확하지 않다면 다시 수정하여 회전체(20)를 구동한다.(단계 150,16,170,180)

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 압축기의 능동 서지 및 스톨 제어 시스템은 다음과 같은 효과를 갖는다.

간단한 회전체의 장착으로 수십~수백Hz로 부스트 압력이 진동하는 스톨과 3~10Hz로 부스트 압력이 진동하는 서지를 능동제어를 통해 억제하여 터보차저 시스템의 작동영역을 넓힐 수 있다. 이렇게 터보차저 시스템의 작동영역 확장으로 엔 진의 작동이 원활해지며 엔진의 연비가 증가한다.

그리고 종래의 수동적인 서지/스톨 저감 장치 대비 효율이 감소하지 않고, 유동소음이 증가하지 않는다.

또한 기존 바이패스 밸브 시스템에서와 같이 부스트 압력 감소와, 이에 따른 효율 저하 및 엔진 출력과 연비 감소가 동반하지 않는다.

그리고 기존 바이패스 밸브 시스템에서와 같이 엔진/압축기 작동 영역 감소가 없다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 압축기의 케이싱과;

   상기 케이싱 외측에 누설구멍을 가지면서 회전이 가능하게 장착된 회전체와;

   상기 회전체의 회전을 기동하는 모터와;

   상기 모터를 제어하는 ECU와;

   상기 회전체의 회전을 위해 상기 회전체 하방에 설치된 베어링과;

   상기 압축기 출구단에 장착되어 상기 ECU에 상기 출구단의 압력 변화 정보를 전달하는 압력센서;를 포함하며,

   장치의 초기화 후, 상기 압력센서의 압력변동을 상기 ECU가 감지하여 과도한 압력변동이 발생하면, 이 압력변동의 주파수와 상(phase)을 계산한 뒤 상기 회전체의 회전속도와 상(phase)을 계산하여 압력변동과 정확히 180도 상(phase) 차이가 나도록 하고,

   상기 ECU는 계산된 회전속도와 상(phase)으로 상기 회전체를 돌리고, 다시 출구부에서의 압력변동을 감지하여 상기 회전체의 상(phase)이 달라졌는지(out-phase) 감지하며, 만약 상(phase)이 정확하지 않다면 다시 수정하여 상기 회전체를 구동하는 것을 특징으로 하는 압축기의 능동 서지 및 스톨 제어 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 회전체와 상기 모터의 기어를 이용하여 동력을 전달하도록 구비된 것을 특징으로 하는 압축기의 능동 서지 및 스톨 제어 시스템.
3. 제1항에 있어서,

   상기 베어링은 두개가 설치된 것을 특징으로 하는 압축기의 능동 서지 및 스톨 제어 시스템.
4. 제1항에 있어서,

   상기 회전체의 외부는 커버를 성형하여 씌운 것을 특징으로 하는 압축기의 능동 서지 및 스톨 제어 시스템.
5. 제1항에 있어서,

   상기 케이싱에 성형된 고정된 누설구멍과, 상기 회전체에 성형된 누설구멍은 상기 회전체의 회전에 의해 통기되거나 막히게 되는 것을 특징으로 하는 압축기의 능동 서지 및 스톨 제어 시스템.

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