KR101180792B1

KR101180792B1 - 가변용량 터보챠저의 가변식 스토퍼 장치

Info

Publication number: KR101180792B1
Application number: KR1020060125356A
Authority: KR
Inventors: 이대웅
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-12-11
Filing date: 2006-12-11
Publication date: 2012-09-10
Also published as: KR20080053612A

Abstract

본 발명은 가변용량 터보챠저의 가변식 스토퍼에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 최소 흐름 설정(Minimum Flow Set-up)용 고정식 스토퍼를 가변식으로 변경하여, 그 기능을 최소 흐름 설정만이 아닌 차량 운전중에 발생될 수 있는 기계적 히스테리시스 최소화 즉, 히스테리시스에 의한 가변용량 터보챠저의 베인 닫힘량을 최소화시킴으로써, 목표 부스트압에 도달하고자 하는 가변용량 터보챠저의 제어에 대한 지연시간을 최소화시킬 수 있도록 한 가변용량 터보챠저의 가변식 스토퍼에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 액츄에이터 위치를 제어하기 위하여 액츄에이터의 주변 위치에 장착되어 각회전하게 되는 포텐셔미터와; 상기 포텐셔미터의 회전축에 개재되어 탄성복원력을 제공하는 코일스프링과; 상기 액츄에이터의 인접 위치에 장착되는 가변스토퍼와; 상기 포텐셔미터의 선단부에 일단이 연결되고, 타단은 상기 가변스토퍼에 장착되는 위치제어용 케이블을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 가변용량 터보챠저의 가변식 스토퍼 장치를 제공한다.

가변용량 터보챠저, 가변식 스토퍼, 포텐셔미터, 위치 제어용 케이블

Description

가변용량 터보챠저의 가변식 스토퍼 장치{Variable stoper device for VGT}

도 1은 본 발명에 따른 가변용량 터보챠저의 기계적 히스테리시스 최소화를 위한 가변식 스토퍼 장치를 나타내는 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 가변용량 터보챠저의 기계적 히스테리시스 최소화를 위한 가변식 스토퍼 장치를 나타내는 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 가변용량 터보챠저의 기계적 히스테리시스 최소화를 위한 가변식 스토퍼 장치의 동작상태를 설명하는 개략도,

도 4는 가변용량 터보챠저의 액츄에이터 구성부분을 보여주는 사진,

도 5는 가변용량 터보챠저의 최소 흐름 설정용 고정식 스토퍼를 보여주는 사진,

도 6은 기존의 가변용량 터보챠저의 최소 흐름 설정용 고정식 스토퍼를 설명하는 개략도,

도 7은 오버부스트 발생을 인한 PID 매칭이 순간적으로 지연되는 것을 설명하는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 액츄에이터 12 : 포텐셔미터

16 : 위치 제어용 케이블 20 : 가변식 스토퍼

22 : 케이싱 24 : 스토퍼단

일반적으로 가변 용량 터보 차져(VGT;Variable Geometry Turbocharger)는 터빈으로 유입되는 배기 가스의 통과면적을 가변적으로 운용하여 기존의 웨이스트 게이트 터보 차져(WGT;Waste Gate Turbocharger) 대비 고토오크/고출력화를 도모함과 동시에 저속 토오크 마진을 동시에 얻고자 하는 목적으로 고안된 장치로서, 종래 가변 지오메트리 터보 차져의 경우, 터빈측 유동 단면적의 크기를 조절하는 가동 베인의 각도를 닫을 수록 컴프레셔에서는 엔진의 흡기 계통으로 더 많은 흡입 공기를 보낼 수 있는 데, 이 경우 가동 베인의 각도 조절에는 한계가 따르게 되는 바, 그 한계란 터보 차져의 회전 속도가 임계치를 초과하지 않도록 하여 윤활 계통에서 문제가 발생하지 않도록 하기 위한 것이다.

따라서, 가변 용량 터보 차져를 보호하기 위해서 종래에는 하우징에 나사체결 방식으로 고정되는 스토퍼 즉, 고정식 스토퍼를 장착하여 가동 베인에 대한 닫힘 정도를 제한하고 있다.

즉, 종래 가변 지오메트리 터보 차져에서는 도 6에 도시된 바와 같이, 액츄에이터(1)가 엔진의 흡기 부압에 따라 당겨지는 동작을 하게 되면, 레버(2)는 피벗지점(P)을 중심으로 선회하게 되고, 상기 레버(2)의 선회 운동에 따라 링크 기구(3)는 터빈(4)측에 구비된 가동 베인(5)을 회동시켜 터빈(4)측 유동 단면적을 줄이게 된다.

이때, 상기 터빈(4)측 하우징에 체결되어 고정 설치되어 있는 스토퍼 볼트(6)는 상기 레버(2)의 선회 운동량을 제한하게 되는 바, 즉 상기 하우징에 대한 스토퍼 볼트(6)의 체결 깊이에 따라 액츄에이터(1)에 작용하는 흡기 부압의 변화와는 무관하게 상기 레버(2)의 선회 운동은 더 이상 일어나지 않게 된다.

이 결과, 상기 레버(2)와 연동되는 링크 기구(3)는 상기 가동 베인(5)의 회동각에 변화를 주지 못하게 되며, 이로 인해 터빈(4)측 유동 단면적의 축소는 더 이상 이루어지지 않게 되는 것이다.

즉, 종래 가변 지오메트리 터보 차져의 경우에 상기 가동 베인(5)의 회동을 조절하여 터빈측 유동 단면적을 줄이면 줄일수록 컴프레셔(7)에서 엔진의 흡기 계통으로 더 많은 흡입 공기를 공급할 수 있었으나, 상기 가동 베인(5)의 회동에는 그 한계가 존재하게 되는 바, 이는 상기 터빈(4)의 회전수가 임계 수준을 초과하지 않도록 함과, 상기 컴프레셔(7)측에서 흡입공기가 역류되는 현상이 발생하지 않도록 하기 위함인 것이다.

다시 말하자면, 종래 가변 지오메트리 터보 차져는 저속에서 많은 과급압을 제공할 수 있어 차량의 동력 성능을 향상시킬수 있었으나, 저속의 많은 부분을 최적화하는 데에는 그 한계가 존재한다.

또한, 고속의 운전 영역에서 만약 흡기 계통(인터쿨러의 전/후단)에서 과급압(過給壓, 부스터압으로도 통칭됨)의 누설시 가변 지오메트리 터보 차져는 목표 과급압을 달성하기 위해 가동 베인(5)을 계속해서 닫게 되며, 이러한 경우 터빈 회전수는 급격히 상승하여 가변 지오메트리 터보 차져의 손상을 초래하게 되는 데, 특히 하절기 고지 등에서 고속으로 운전하는 경우 터빈 회전수가 임계 수준을 초과할 때 이를 제한할 수 있는 별도의 하드웨어적 안전장치가 없는 실정이었다.

결론적으로, 종래 가변 지오메트리 터보 차져에 적용되는 스토퍼 볼트(6)는 하우징측에 대한 체결 깊이에 따라 터빈(4)측 가동 베인(5)에 대한 회동각을 일률적으로 제한할 수 밖에 없으므로, 다양한 가동 영역의 범위에서 엔진이 운전될 때 상기 스토퍼 볼트(6)는 이에 부합하지 못하고, 상기 가동 베인(5)에 대한 회동각의 제한을 일률적으로 수행할 수 밖에 없다는 단점이 있다.

현재 적용중인 가변용량 터보챠저는 진공(정압)을 이용하여 목표부스트압을 설정하는 바, ECU 로직상에서 오픈/클로즈 루프 회로를 이용하는 액츄에이터 위치 제어로 운전영역에서의 부스트압이 제어된다.

이러한 점을 감안하여, 현재 적용중인 가변용량 터보챠저의 사양 결정은 다음과 같이 정해지고 있다.

첫째, 가변용량 터보챠저 사양의 주성능 개선은 중저속에서의 부스트압 상승을 통한 출력 증대가 주목적인 바, 저속에서의 부스트압 목표 달성을 위한 중요한 설정인자가 바로 최소 흐름 설정(Minimum Flow Set-up)에 있다.

첨부한 도 4에 도시된 바와 같이, 액츄에이터 제어 부압 공급부가 상부에, 가변용량 터보챠저용 액츄에이터가 하부에 배치되어 있는 바, ECU 로직상에서 오픈/클로즈 루프 회로를 이용하는 액츄에이터 위치 제어로 운전영역에서의 부스트압이 제어된다.

첨부한 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 액츄에이터는 최소 흐름 설정을 위한 고정식 스토퍼에 의하여 그 작동범위가 제한되어진다.

둘째, 가변용량 터보챠저의 내구성에 직접적인 영향인자인 터빈 최소 회전수이다.

그러나, 가변용량 터보챠저를 적용함에 있어서, 중요한 고려사항으로는 가변용량 터보챠저가 제어값에 대하여 하드웨어적인 히스테리시스로 인하여, 엔진이 저속에서 고속영역으로 급가속할 때 발생되는 오버 부스트 발생을 최소화시키기 위한 PID매칭이 있는데, 이는 차량이 저속(또는 저부스트)운전(가변용량 터보챠저의 베인이 열림쪽이 아닌 닫혀있는 영역에 가까운)에서 급가속시, 가변용량 터보챠저의 하드웨어적 히스테리시스로 인하여 순간적인 오버 부스트가 발생할 수 있다.

이를 방지하고자, 현재에는 PID 매칭을 약간 둔화시켜 매칭시켰으나, 순간적 인 응답 지연 현상이 발생되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 최소 흐름 설정(Minimum Flow Set-up)용 고정식 스토퍼를 가변식으로 변경하여, 그 기능을 최소 흐름 설정만이 아닌 차량 운전중에 발생될 수 있는 기계적 히스테리시스 최소화 즉, 히스테리시스에 의한 가변용량 터보챠저의 베인 닫힘량을 최소화시킴으로써, 목표 부스트압에 도달하고자 하는 가변용량 터보챠저의 제어에 대한 지연시간을 최소화시킬 수 있도록 한 가변용량 터보챠저의 가변식 스토퍼 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 액츄에이터 위치를 제어하기 위하여 액츄에이터의 주변 위치에 장착되어 각회전하게 되는 포텐셔미터와; 상기 포텐셔미터의 회전축에 개재되어 탄성복원력을 제공하는 코일스프링과; 상기 액츄에이터의 인접 위치에 장착되는 가변스토퍼와; 상기 포텐셔미터의 선단부에 일단이 연결되고, 타단은 상기 가변스토퍼에 장착되는 위치제어용 케이블을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 가변용량 터보챠저의 가변식 스토퍼 장치를 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 위치 제어용 케이블의 타단이 연결된 가변식 스토퍼는 액츄에이터 인접 위치에 장착되는 케이싱과; 이 케이싱내에서 상기 위치 제 어용 케이블에 의하여 당겨지게 되는 스토퍼단으로 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

전술한 바와 같이, 종래 가변 지오메트리 터보 차져에서는 액츄에이터(1)가 엔진의 흡기 부압에 따라 당겨지는 동작을 하게 되면, 레버(2)는 피벗지점(P)을 중심으로 선회하게 되고, 상기 레버(2)의 선회 운동에 따라 링크 기구(3)는 터빈(4)측에 구비된 가동 베인(5)을 회동시켜 터빈(4)측 유동 단면적을 줄이게 된다.

이때, 상기 터빈(4)측 하우징에 체결되어 고정 설치되어 있는 고정식 스토퍼 즉, 스토퍼 볼트(6)는 상기 레버(2)의 선회 운동량을 제한하게 되는 바, 즉 상기 하우징에 대한 스토퍼 볼트(6)의 체결 깊이에 따라 액츄에이터(1)에 작용하는 흡기 부압의 변화와는 무관하게 상기 레버(2)의 선회 운동은 더 이상 일어나지 않게 된다.

본 발명은 종래의 고정식 스토퍼 즉, 스토퍼 볼트를 가변식으로 변경하여, 그 기능을 최소 흐름 설정만이 아닌 차량 운전중에 발생될 수 있는 기계적 히스테리시스 최소화 즉, 히스테리시스에 의한 가변용량 터보챠저의 베인 닫힘량을 최소화)를 최소화시킴으로써, 목표 부스트압에 도달하고자 하는 가변용량 터보챠저의 제어에 대한 지연시간을 최소화시킬 수 있도록 한 가변식 스토퍼 장치를 제공하고자 한 것이다.

즉, 본 발명은 기존의 고정식 스토퍼를 쓰로틀 케이블 방식의 포텐션 미터를 이용하여 차량 운전중 발생될 수 있는 히스테리시스량을 미리 모니터링하여, 차량 운전상태에 따라 히스테리시스에 의한 가변용량 터보챠저의 베인 닫힘량을 일정괘도 이상 닫히지 않도록 잡아주는 가변식 스토퍼를 제공하고자 한 것이다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 가변용량 터보챠저의 기계적 히스테리시스 최소화를 위한 가변식 스토퍼 장치를 나타내는 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 가변용량 터보챠저의 기계적 히스테리시스 최소화를 위한 가변식 스토퍼 장치를 나타내는 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 가변용량 터보챠저의 기계적 히스테리시스 최소화를 위한 가변식 스토퍼 장치의 동작상태를 설명하는 개략도이다.

본 발명에 따르면 상기 액츄에이터 위치를 제어하기 위하여 액츄에이터(10)의 주변 위치에 장착되어 각회전하게 되는 포텐셔미터(12)를 포함하는 바, 이 포텐셔미터(12)의 회전축에는 탄성복원력을 제공하는 코일스프링(미도시됨)이 장착된다.

상기 액츄에이터(10)의 인접 위치 즉, 기존의 고정식 스토퍼의 장착 위치에는 가변식 스토퍼(20)가 장착된다.

또한, 상기 포텐셔미터(12)의 선단부에 위치 제어용 케이블(16)의 일단이 연결되고, 타단은 상기 가변식 스토퍼(20)에 장착된다.

보다 상세하게는, 상기 가변식 스토퍼(20)는 액츄에이터(10) 인접 위치에 장착되는 케이싱(22)과, 이 케이싱(22)내에서 상기 위치 제어용 케이블(16)에 의하여 당겨지게 되는 스토퍼단(24)으로 구성된다.

따라서, 상기 포텐셔미터(12)는 코일스프링의 탄성복원력을 이용하여 상기 위치 제어용 케이블(16)을 항상 당겨주는 상태가 되고, 도 3에 붉은선 위치의 히스 테리시스 발생량이 존재하더라도, 상기 가변식 스토퍼(20)는 항상 당겨지고 있는 상태이므로, 히스테리시스에 의하여 발생되는 베인 닫힘량을 항상 최소화시키는 위치로 제어하게 되어, 결국 오버부스트 방지 및 목표 부스트 도달시간을 최소화시킬 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 가변용량 터보챠저의 가변식 스토퍼 장치에 의하면, 최소 흐름 설정(Minimum Flow Set-up)용 고정식 스토퍼를 가변식으로 변경하여, 그 기능을 최소 흐름 설정만이 아닌 차량 운전중에 발생될 수 있는 기계적 히스테리시스 최소화 즉, 히스테리시스에 의한 가변용량 터보챠저의 베인 닫힘량을 최소화시킴으로써, 목표 부스트압에 도달하고자 하는 가변용량 터보챠저의 제어에 대한 지연시간을 최소화시킬 수 있다.

Claims

액츄에이터 위치를 제어하기 위하여 액츄에이터의 주변 위치에 장착되어 각회전하게 되는 포텐셔미터와;

상기 포텐셔미터의 회전축에 개재되어 탄성복원력을 제공하는 코일스프링과;

상기 액츄에이터의 인접 위치에 장착되는 가변스토퍼와;

상기 포텐셔미터의 선단부에 일단이 연결되고, 타단은 상기 가변스토퍼에 장착되는 위치제어용 케이블;

을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 가변용량 터보챠저의 가변식 스토퍼 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 위치 제어용 케이블의 타단이 연결된 가변식 스토퍼는 액츄에이터 인접 위치에 장착되는 케이싱과;

상기 케이싱내에서 상기 위치 제어용 케이블에 의하여 당겨지게 되는 스토퍼단으로 구성된 것을 특징으로 하는 가변용량 터보챠저의 가변식 스토퍼 장치.