KR101293980B1

KR101293980B1 - 가변식 터보차처의 링키지 마모에 대한 보상방법

Info

Publication number: KR101293980B1
Application number: KR1020060125268A
Authority: KR
Inventors: 이재상
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-12-11
Filing date: 2006-12-11
Publication date: 2013-08-07
Also published as: KR20080053562A

Abstract

본 발명은 엔진의 전자제어장치에서 콘트롤하는 듀티값에는 변화가 없지만 실제로 출력되는 볼티지를 마모량에 따라 변동시켜 베인위치를 원상태로 유지하게 하는 링키지 마모에 대한 보상 방법과 그를 구현하기 위하여 개선한 가변식 터보차저의 개선 크랭크 기구에 관한 것이며, 액츄에이터로드의 진행에 의해 베인의 개폐량이 결정되는 가변식 터보차저(VGT)에 있어서, 액츄에이터(11)의 액츄에이터로드(12)에 랙기어(13)를 형성하고, 랙기어(13)와 맞물려 회전하도록 피니언기어(14)를 인터널핀(15)에 고정하며, 액츄에이터(11)의 수직운동을 랙기어(13)와 피니언기어(14)를 통해 크랭크 기구에 전달하는 것을 특징으로 하고, 가변식 터보차저의 개선 크랭크 기구를 사용하여 액츄에이터(11)의 동작을 전달하고, 듀티값이 링키지의 마모에 따라 가변적으로 변동되게 적용하여 전압값을 증대시키며, 전압값은 보정계수(C) 사용하여 마모량만큼 증대시키고, 보정계수(C)는 두가지 시점에서 측정한 듀티값으로 정해지는 것을 특징으로 한다.

듀티값, 가변식 터보차저, 링키지, 마모

Description

가변식 터보차처의 링키지 마모에 대한 보상방법{A improvement crank in VGT and A compensation method for linkage wear}

도 1은 종래의 디젤엔진의 가변식 터보차저를 도시한 사시도.

도 2는 본 발명의 가변식 터보차저의 개선 크랭크 기구를 도시한 사시도.

도 3은 본 발명의 가변식 터보차저의 개선 크랭크 기구의 도 2 A부 확대도.

도 4는 본 발명의 변동 듀티값의 정의를 나타낸 그래프

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 >

1 : 액츄에이터 2 : 액츄에이터로드

3 : 로드 4 : 스톱퍼

10 : VGT 11 : 액츄에이터

12 : 액츄에이터로드 13 : 랙기어

14 : 피니언기어 15 : 인터널핀

본 발명은 가변식 터보차저의 개선 크랭크 기구 및 링키지 마모에 대한 보상방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진의 전자제어장치에서 콘트롤하는 듀티값에는 변화가 없지만 실제로 출력되는 볼티지를 마모량에 따라 변동시켜 베인위치를 원상태로 유지하게 하는 링키지 마모에 대한 보상 방법과 그를 구현하기 위하여 개선한 가변식 터보차저의 개선 크랭크 기구에 관한 것이다.

전자제어 가변식 터보차저 시스템(VGT : Variable Geometry Turbocharger)의 터보차저는 엔진에서 나오는 배기가스를 이용해 터빈을 돌림으로써 엔진의 출력 향상에 쓰이는 보조장치이다.

제1세대 시스템인 WGT(Waste Gate Turbocharger)는 터빈작동을 기계식으로 조절하는데 반해, 제2세대 시스템인 VGT는 이를 전자식으로 제어하는 것이 특징이다.

일반적으로, 터보 차저 시스템은 엔진 폭발시 발생하는 배기가스의 배기압력과 열에너지로 터빈을 회전시켜 동일 회전축 상의 컴프레서(임펠러)를 회전시킨다.

따라서, 에어 클리너를 통해 유입되는 공기를 엔진의 연소실속으로 밀어 넣어 주어 흡기 과급을 통해 공기 충진율을 높이게 되며, 이에 따라 엔진의 출력 향상 및 배기가스 저감을 도모하는 장치이다.

상기한 터보 차저 시스템에서 가변형 터보 차저는 터빈으로 유입되는 배기가스의 유로 면적을 가변시켜 터빈에 가해지는 배기가스의 에너지를 변화시킴으로서, 기존의 WGT(Waste Gate Turbo Charger) 대비 고(高)출력화 하고, 동시에 저속에서 토크를 증대시킬 수 있도록 고안된 시스템이다.

상기에서 터빈으로 유입되는 배기가스의 유로 면적을 제어하는 데에는 베인(Vane) 등의 회전기구가 이용되며, 회전기구로서의 터버 특성은 터빈 회전속도로 나타내어지며, 회전 속도는 엔진에서 터빈으로 유입되는 배기 에너지에 의해 결정되어 진다.

따라서, 저속/저유량의 구간에서는 베인 간의 유로를 좁혀 배기가스의 속도를 증가시켜 에너지 변환이 최대치가 될 수 있도록 하고, 배기 가스의 유량이 증가하는 고속/고유량의 구간에서는 베인 간의 유로를 넓게 하여 목표 출력이 유지될 수 있도록 제어되어 진다.

상기한 바와 같은 종래의 가변형 터보 차저의 제어 방식은 엔진의 부하 조건에 따라 부스트(Booster) 압력이 설정되면 제어수단의 제어신호에 따라 액튜에이터는 설정된 부스트 압력값을 맞추기 위해 회전 기구를 개폐시키게 된다.

즉, 엔진의 부하 조건에 따라 설정된 부스트 압력치 보다 실제 압력이 낮으면 회전 기구는 배기가스 통로를 점점 좁게 만들어 압력을 증대시키는 방향으로 움직이게 된다.

따라서, 흡기온이 높은 열대 지역이나 흡기 공기밀도가 낮은 고지 지역에서는 공기밀도가 낮아져 일반지역의 운전시보다 스모크(Smoke)가 증가되고, 터빈의 회전 속도가 높아지게 되며, 심할 경우 내구 한계 속도이상으로 터빈 회전수를 급증시키게 되어 결국에는 터빈의 파손을 유발시키게 되며, 최종적으로 엔진이 파손되는 문제점이 발생하게 된다.

또한, 스모크의 증가로 인하여 에미션(Emission)을 불안정하게 하고, 엔진 오일의 열화를 촉진시키게 되는 문제점이 발생한다.

현재 디젤 엔진에 적용되고 있는 가변형 터보 차저의 제어 로직은 운행지역의 조건을 감안하지 않은 상태에서 터빈의 회전수가 한계 속도를 넘지 못하도록 흡기 온도와 대기압력에 따라 부스트 압력을 목표값으로 보정하는 로직으로 대응하고 있다.

그러나, 이에 따른 과도한 보정은 엔진의 출력을 저하시키고, 과소한 보정시에는 터빈의 회전수를 모니터링 할 수 없기 때문에 상기한 동일한 문제가 발생되어, 내구한계 초과에 따른 터빈 파손이 발생되는 문제점이 있다.

디젤엔진에서의 VGT는 종전의 WGT(Wastegate Turbocharger)에 비해 전 알피엠 영역에서 보다 최적에 가까운 부스트 압력을 얻게 해준다. 이것을 가능하게 해주는 것이 VGT내부의 베인(vane)인데, 베인은 터빈쪽에서 고온의 배기가스 흐름의 각도 및 유량 면적을 조절하여 터빈의 블레이드에 전달되는 에너지를 결정함으로써 콤프레서 휠의 회전수를 결정하여 부스트 압력을 조절하게 된다.

현재 소형 디젤에 적용되는 VGT는 뉴메틱 액츄에이터(1)를 적용하고 있으며 이씨유(ECU)에서 운전조건에 맞게 액츄에이터(1)의 듀티(DUTY)를 조절하며, 이에 의해 액츄에이터(1)의 액츄에이터로드(2)가 동작하여 로드(3)의 변위가 발생되고, 로드(3)의 변위는 연결된 링키지를 통해 베인 축을 회전시켜서 베인 각을 변화시킨다.

이때 베인의 닫히는 한계량을 정하기 위해 액츄에이터 로드(2)의 움직임을 제한하는 스톱퍼(4)가 형성되어 있고, 스톱퍼(4)가 액츄에이터로드(2)를 더 이상 움직이지 못하게 막아 베인 최대 닫힘량을 결정한다.

운전이 진행됨에 따라 액츄에이터는 상하운동을 하게 되고, 이를 크랭크기구가 원운동으로 전환시켜 주는데 이러한 운동과정에서 가변식 터보차저 내부의 콘트롤레버 핀과 슬리브(Sleeve) 사이의 마모 및 베인 암에 마모가 발생한다.

기존과 동일한 액츄에이터 위치라도, 이러한 마모 발생량 만큼 베인의 닫힘량이 감소하게 된다. 그러므로 기존과 동일한 부스트 압력을 얻기 위한 베인 위치를 형성하기 위해서는 액츄에이터 로드를 기존 위치보다 더욱 더 당겨야 된다.

결국 부스트압력이 콘트롤되는 시간이 증가하고 이는 가변식 터보차쳐(VGT)의 응답성 저하로 나타난다.

링키지의 마모량이 계속 증가하게 되면 결국에는 액츄에이터 로드가 스톱퍼에 닿게 되고, 베인의 닫힘량이 적어 부스트 압력이 떨어지게 되며, 이는 엔진에 공급되는 공기량이 감소하여 엔진 출력 및 에미션에 악영향을 미치며 최근 장착되고 있는 DPF(Diesel Particulate Filter)에 치명적인 손상을 일으키게 된다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 액츄에이터로드의 동작을 링키지 마모에 따라 보상하여 작동하게 하고, 보상 로직에 따라 액츄에이터로드의 초기위치를 볼티지(Voltage) 증가량만큼 증가시켜 동일 듀티에서의 베인 위치가 항상 동일하게 구성하며, 이를 실현하기 위해 크랭크 기구를 개선한 가변식 터보차처의 개선 크랭크 기구 및 링키지 마모에 대한 보상방법을 제 공하고자 하는 목적이 있다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여 액츄에이터로드의 진행에 의해 베인의 개폐량이 결정되는 가변식 터보차저(VGT)에 있어서, 액츄에이터의 액츄에이터로드에 랙기어를 형성하고, 랙기어와 맞물려 회전하도록 피니언기어를 인터널핀에 고정하며, 액츄에이터의 수직운동을 랙기어와 피니언기어를 통해 크랭크 기구에 전달하는 것을 특징으로 하며, 가변식 터버차저(VGT)의 듀티값 5 ~95%를 0.25 ~ 4.75V로 정의하고, 그 듀티값에 해당하는 전압이 전자제어장치(ECU)에서 출력되어 베인의 변위 각도를 조절하는 가변식 터보차저에 있어서, 가변식 터보차저의 개선 크랭크 기구를 사용하여 액츄에이터의 동작을 전달하고, 듀티값이 링키지의 마모에 따라 가변적으로 변동되게 적용하여 전압값을 증대시키며, 전압값은 보정계수(C) 사용하여 마모량만큼 증대시키고, 보정계수(C)는 두가지 시점에서 측정한 듀티값으로 정해지며, 보정계수(C)의 초기값은 0이고, 두가지 시점의 듀티값은 차량 주행거리 5000km 마다 측정하여 전자제어장치에 저장하는 것을 특징으로 하는 가변식 터보차저의 링키지 마모에 대한 보상방법을 제공한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석하여서는 되지 않고, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방 법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명은 기존의 가변식 터보차저(VGT)에 랙과 피니언 구조로 되어 있는 액츄에이터 로드 및 마모 보상 로직을 적용하여 링키지 부위에 발생된 마모로 인한 차량 운전중의 가변식 터보차저 응답성 저하 및 부스트 압력저하로 인한 엔진출력 저하를 방지하게 하는 것을 주요 구성으로 한다.

도 2는 본 발명의 가변식 터보차저를 도시한 도면이고, 도 3은 도 2의 A부를 상세히 도시한 도면이다.

본 발명의 가변식 터보차저(10)는 액츄에이터(11)에 설치된 액츄에이터로드(12)에 랙기어(13)를 형성하고, 랙기어(13)에 맞물리는 피니언기어(14)를 통하여 크랭크 기구에 회전으로 전달된다. 피니언기어(14)는 인터널핀(15)에 고정되어 있으므로 랙기어(13)의 진행에 따라 피니언기어(14)가 회전하고, 피니언기어(14)의 회전에 따라 인터널핀(15)이 회전하여 베인의 개폐 각도 변위를 결정한다.

이러한 구조는 본 발명의 보상 방법을 실현하기 위하여 구조를 변경한 것이다.

가변식 터보차처의 개선 크랭크 기구를 사용하여 적용하는 링키지 마모에 대한 보상방법은 엔진의 전자제어장치(ECU)에서 가변식 터보차저를 제어하기 위하여 듀티값(%)을 이용한다.

이 듀티값의 정의는 전자제어장치 내에서 정의하여 결정하게 된다. 즉, 듀티 5 ~ 95%fmf 0.25 ~ 4.75V로 정의하면 (100% 를 5V 로 정의 ) 실제로 제어하기 위한 값은 그 듀티값에 해당되는 전압이 전자제어장치에서 출력되어 가변식 터보차저를 제어하게 된다.

마모에 대한 보상로직의 개념은 위의 듀티값 정의를 가변식 터보차저 링키지(Linkage) 마모에 따라 가변적으로 변동하는 것이다. 즉 도 4에 도시된 그래프와 같이 듀티값에 대한 실제 출력되는 전압 값을 고정하지 않고, 마모량을 고려하여 전압 값을 변동시키는 것이다.

도 4에 도시된 그래프에서 볼 수 있듯이, 듀티값에 따른 전압은 5000km 주행거리당 재측정한 링키지 마모량(즉, 초기, 마모량1, 마모량2, 마모량3....) 에 따라 보정한 전압값을 적용시켜 실제 베인 위치변경을 원상태로 만든다.

전자제어장치에서 제어하는 듀티값에는 변화가 없지만, 실제로 출력되는 전압을 변동시켜 가변식 터보차저 링키지 마모로 인하여 발생된 베인의 위치 변경을 원상태로 되돌린다.

마모가 발생한 양만큼 가변식 터보차저의 액츄에이터 로드(12)의 초기 위치를 전압 증가량만큼 증가시켜 동일 듀티에서 베인의 위치를 항상 동일하게 한다.

보상값을 적용하는 방법과 계산하는 방법은 다음과 같다.

우선 듀티를 전압으로 환산할 때, 보정계수 C를 적용한다.

즉, 0.05 × 듀티(%) = 전압(V) × C , 상수 0.05는 듀티 100% = 전압 5V일 때이다.

초기 보정계수 C의 값은 0이고, 차량 주행거리 5000km일때 전자제어장치 내에 정의된 조건(엔진회전수, 악셀페달 위치)에서의 가변식 터보차저 듀티값을 측정 하여 전자제어장치에 저장한다.

그리고 차량 주행거리가 10,000 km 시점에서 다시 위의 동일 조건에서 가변식 터보차저 듀티값을 측정하여 저장한다.

두가지 시점, 즉 이전 측정된 듀티값과 현재 측정된 듀티값으로서 보정계수 C를 계산한다. 보정계수를 계산하는 식은 아래와 같다.

C = (( 현재 VGT 듀티 - 이전 VGT 듀티) + 이전 VGT 듀티) / 이전 VGT 듀티

이와 같이 계산된 보정계수를 적용하여 가변식 터보차저 링키지 마모량에 대한 보상을 한다.

그리고 보정계수는 차량 운전거리 5,000km 마다 재 계산하여 적용한다.

이상과 같이 본 발명은 간단한 보상 로직에 의하여 슬리브, 베인암, 콘트롤레버핀과 같은 링키지가 마모되어 베인의 회전각도가 변경되어 엔진 출력이 떨어지는 것을 보상하여 항상 일정한 출력이 되도록 하게 하는 효과가 있다.

디젤엔진의 전자제어장치에서 사용하는 듀티값에는 변화가 없지만 실제로 출력되는 전압이 변동되게 하여 링키지 마모로 인한 베인위치 변경을 원상태로 돌리게 하는 효과가 있다.

액츄이에터 로드가 랙과 피니언 방식으로 구동되므로 본 발명의 보상방법에 의한 위치변경을 용이하게 적용시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

삭제
가변식 터버차저(VGT)의 듀티값 5 ~95%를 0.25 ~ 4.75V로 정의하고, 그 듀티값에 해당하는 전압이 전자제어장치(ECU)에서 출력되어 베인의 변위 각도를 조절하는 가변식 터보차저에 있어서,

액츄에이터(11)의 액츄에이터로드(12)에 랙기어(13)를 형성하고, 랙기어(13)와 맞물려 회전하도록 피니언기어(14)를 인터널핀(15)에 고정하며, 액츄에이터(11)의 수직운동을 랙기어(13)와 피니언기어(14)를 통해 크랭크 기구에 전달하는 가변식 터보차저의 개선 크랭크 기구를 사용하여 액츄에이터(11)의 동작을 전달하고, 듀티값이 링키지의 마모에 따라 가변적으로 변동되게 적용하여 전압값을 증대시키며, 전압값은 보정계수(C) 사용하여 마모량만큼 증대시키고, 보정계수(C)는 두가지 시점에서 측정한 듀티값으로 정해지는 아래의 식에 의해 결정되어 지는 것을 특징으로 하는 가변식 터보차처의 링키지 마모에 대한 보상방법.

0.05 × 듀티(%) = 전압(V) × C , 상수 0.05는 듀티 100% = 전압 5V

C = (( 현재 VGT 듀티 - 이전 VGT 듀티) + 이전 VGT 듀티) / 이전 VGT 듀티
제 2 항에 있어서, 보정계수(C)의 초기값은 0이고, 두가지 시점의 듀티값은 차량 주행거리 5000km 마다 측정하여 전자제어장치에 저장하는 것을 특징으로 하는 가변식 터보차저의 링키지 마모에 대한 보상방법.