KR101593096B1 - 흡기 과급 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

공압식 과급기에서 과급 구간이 아닌 경우, 웨이스트 게이트 밸브를 개방할 수 있도록 한 흡기 과급 시스템 및 그 제어방법이 개시된다. 본 발명에 따른 흡기 과급 시스템은 엔진의 배기 라인 측에 설치되는 터빈과, 상기 터빈과 동일 축으로 연결되며 흡기 라인 측에 설치되는 컴프레셔와, 상기 터빈으로 유입되는 배기가스를 상기 터빈의 출구단 측으로 우회시키기 위한 웨이스트 게이트 밸브와, 상기 웨이스트 게이트 밸브와 연결되게 구성되며, 상기 터빈의 구동으로 인해 발생하는 배기가스의 정압으로 상기 웨이스트 게이트 밸브를 작동시키는 웨이스트 게이트 캡슐을 포함하되, 상기 웨이스트 게이트 캡슐은 상기 웨이스트 게이트 캡슐에 가해지는 외기 압력을 조절하는 펄스 밸브(pulse valve)와 연결라인을 통해 연결되며, 상기 펄스 밸브는 상기 외기 압력을 대기압과 상기 배기가스의 정압 사이에서 선택적으로 유도하는 것을 특징으로 한다.

Description

흡기 과급 시스템 및 그 제어방법{Turbo Charging System and Control Method thereof}

본 발명은 내연기관의 흡기 과급 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공압식 과급기에서 과급 구간이 아닌 경우, 웨이스트 게이트 밸브를 개방할 수 있도록 한 흡기 과급 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차는 외부의 공기를 유입한 다음 그 유입된 공기와 연료를 적절한 비율로 혼합하여 엔진에서 연소시키게 된다.

엔진의 구동으로 동력을 발생시키는 과정에서 연소를 위해 외부의 공기를 충분히 공급하여야만 원하는 출력과 연소 효율을 얻을 수 있게 되며, 엔진의 연소 효율을 높이기 위한 연소용 공기를 과급시켜 주는 장치로서 터보차져 시스템(turbo charger system)이 사용되고 있다.

이러한 터보 차져 시스템은 엔진의 배기 계통으로 배출되는 배기가스의 압력을 이용하여 흡기를 가압함으로써 엔진의 연소실로 유입되는 흡기의 충진 효율이 높아지도록 하는 것으로, 대부분의 디젤 엔진에 적용되고 있으며, 최근에는 가솔린 엔진에도 적용되고 있는 추세이다.

한편, 상기한 터보 차져 시스템이 장착된 가솔린 차량은 흡기를 과급하는 구동에 배기가스의 열에너지가 손실되어 배기가스 정화장치의 촉매로 유도되는 배기가스의 온도가 크게 떨어진다. 가솔린 차량의 경우, 시동 초기에 대부분의 EM이 배출된다는 점을 고려할 때 이러한 문제는 촉매 조기 활성화 측면에서 치명적이다.

이를 개선하기 위해서 전자식 과급기 또는 부압식 과급기가 도입되고 있고, 전자식 과급기 또는 부압식 과급기는 차량의 시동 초기에 웨이스트 게이트 밸브를 개방하는 상시 열림 제어를 기본으로 한다. 하지만, 종래의 공압식 과급기는 차량의 시동 초기와 같은 과급 구간이 아닌 경우, 웨이스트 게이트 밸브를 닫는 상시 닫힘 제어를 하기 때문에 전술한 문제점을 그대로 가지고 있다. 즉, 공압식 과급기에서는 과급 구간이 아닌 경우에 배기가스 정화장치의 촉매로 유도되는 배기가스의 온도가 크게 떨어져, 배기가스의 배출량이 증가하는 문제점이 있다. 이에 대해서는 도 1 및 도 2를 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 공압식 과급기에서 웨이스트 게이트 밸브가 닫힌 상태의 경우 배기가스의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 공압식 과급기에서 웨이스트 게이트 밸브(1)가 닫힌 상태인 경우에는 연소실의 배기 매니폴드에서 배출되는 배기가스의 대부분은 터빈(2)으로 유입된다. 터빈(2)은 배기가스의 배기 압력에 의해 회전하고, 컴프레셔(3)는 엔진의 흡기 라인 측에 설치되어 터빈과 동일 축으로 연결되며 흡입 공기를 가압하여 연소실의 흡기 매니폴드로 공급한다. 한편, 배기가스의 대부분은 터빈(2)으로 유입된 후, 배기가스 정화장치(4)의 촉매로 유도된다. 시동 초기와 같은 과급 구간이 아닌 경우에는 터빈(2)의 온도가 상당히 낮기 때문에 터빈(2)에서 상당한 양의 배기가스 에너지 손실이 발생한다. 따라서, 공압식 과급기의 상시 닫힘 제어 동작에서는, 배기가스의 온도는 크게 떨어진 상태에서 배기가스 정화장치(4)로 유도되기 때문에 촉매 조기 활성화 측면에서 치명적인 결과를 초래한다. 그러므로 배기가스를 바이패스시킴으로써 배기가스 정화장치의 촉매를 힛-업(heat-up)할 수 있는 연구가 활발히 이루어질 필요가 있다.

이하, 도 1 및 2를 참조하여, 일반적인 공압식 과급기에서 웨이스트 게이트 밸브의 개폐 동작을 설명한다. 도 2는 공압식 과급기에서 웨이스트 게이트 밸브의 개폐 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 일반적인 공압식 과급 시스템은 웨이스트 게이트 밸브의 개폐 동작을 조절하는 웨이스트 게이트 캡슐(waste gate capsule, 10)과, 터빈과 컴프레서에서 압축된 배기가스가 상기 웨이스트 게이트 캡슐(10)에 공급되는 라인에 구비되는 펄스 밸브(20)를 포함한다.

상기 웨이스트 게이트 캡슐(10)은 웨이스트 게이트 스프링(11), 배기가스의 바이패스 라인에 구비되는 웨이스트 게이트 밸브(13), 상기 웨이스트 게이트 밸브(1, 13)와 연결되고 상기 웨이스트 게이트 스프링(11)에 탄성 지지되는 웨이스트 게이트 로드(waste gate rod, 15)를 포함한다.

일반적인 공압식 과급 시스템에서 과급 구간이 아닌 경우에는 웨이스트 게이트 밸브(13)는 배기가스의 바이패스 라인을 막아(상시 닫힘 제어), 배기가스의 대부분이 터빈(2)으로 유입되고, 배기가스 배출량이 늘어나 배기가스의 압력이 일정 압력 이상이 되면, 펄스 밸브(20)의 흡기관(21)과 연결된 웨이스트 게이트 캡슐(10) 내부의 압력이 높아져 상기 웨이스트 게이트 스프링(11)에 제어압력(control pressure)를 가하게 된다. 이 때, 상기 웨이스트 게이트 스프링(11)은 줄어들게 되면서 상기 웨이스트 게이트 로드(15)가 상기 웨이스트 게이트 밸브(13)를 밀어 배기가스의 바이패스 라인이 열리게 된다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 공압식 과급기에서 과급 구간이 아닌 경우, 웨이스트 게이트 밸브를 개방할 수 있도록 한 흡기 과급 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 면에 따른 흡기 과급 시스템은 엔진의 배기 라인 측에 설치되는 터빈과, 상기 터빈과 동일 축으로 연결되며 흡기 라인 측에 설치되는 컴프레셔와, 상기 터빈으로 유입되는 배기가스를 상기 터빈의 출구단 측으로 우회시키기 위한 웨이스트 게이트 밸브와, 상기 웨이스트 게이트 밸브와 연결되게 구성되며, 상기 터빈의 구동으로 인해 발생하는 배기가스의 정압으로 상기 웨이스트 게이트 밸브를 작동시키는 웨이스트 게이트 캡슐을 포함하되, 상기 웨이스트 게이트 캡슐은 상기 웨이스트 게이트 캡슐에 가해지는 외기 압력을 조절하는 펄스 밸브(pulse valve)와 연결라인을 통해 연결되며, 상기 펄스 밸브는 상기 외기 압력을 대기압과 상기 배기가스의 정압 사이에서 선택적으로 유도하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 웨이스트 게이트 캡슐은 상기 웨이스트 게이트 밸브와 연결되는 웨이스트 게이트 로드와, 상기 웨이스트 게이트 로드의 상 측에서 상기 웨이스트 게이트 로드를 탄성 지지하는 웨이스트 게이트 스프링을 포함하도록 구성될 수 있다.

이때, 상기 웨이스트 게이트 로드는 상기 웨이스트 게이트 캡슐의 하면으로부터 일정 거리만큼 이격되어 공간을 갖도록 설치되며, 상기 연결라인은 상기 웨이스트 게이트 캡슐의 상기 공간과 연결되도록 구성될 수 있다.

이때, 상기 펄스 밸브는 시동 초기에 상기 웨이스트 게이트 캡슐의 상기 공간의 압력과 대기압이 동일하게 되도록 제어되고, 상기 배기가스의 정압이 기 설정된 일정 수준의 압력 이상인 경우, 상기 공간의 압력이 상기 배기가스의 정압과 동일하게 되도록 제어될 수 있다.

본 발명에 따르면, 공압식 과급기에서 과급 구간이 아닌 경우, 웨이스트 게이트 밸브를 개방할 수 있도록 하여, 배기가스 정화장치의 촉매를 힛-업할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 공압식 과급기에서 웨이스트 게이트 밸브가 닫힌 상태의 경우 배기가스의 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 2는 공압식 과급기에서 웨이스트 게이트 밸브의 개폐 동작을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 흡기 과급 시스템을 도시한 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 흡기 과급 시스템에서 웨이스트 게이트 밸브의 개폐 동작에 따른 배기가스 흐름을 도시한 동작 상태도.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가급적 동일한 부호를 부여하고 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 흡기 과급 시스템을 도시한 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 흡기 과급 시스템은 웨이스트 게이트 밸브의 개폐 동작을 조절하는 웨이스트 게이트 캡슐(waste gate capsule, 100)과, 터빈과 컴프레서에서 압축된 배기가스가 상기 웨이스트 게이트 캡슐(100)에 공급되는 라인에 구비되는 펄스 밸브(200)를 포함한다.

상기 웨이스트 게이트 캡슐(100)은 펄스 밸브(200)에 의하여 구동될 수 잇는데, 펄스 밸브(200)는 제어기(ECU)에 의해 전기적인 신호를 제공받아 밸브 개폐가 이루어지는 공지 기술의 솔레노이드 밸브로 이루어질 수 있다.

상기 펄스 밸브(200)는 상기 웨이스트 게이트 캡슐(100)과 터빈 측을 연결하는 연결 라인에 설치되어 상기 웨이스트 게이트 캡슐(100)에 제공되는 외기 압력을 선택적으로 조절하여 상기 웨이스트 게이트 캡슐(100)의 구동을 제어할 수 있다.

본 발명에 따른 흡기 과급 시스템은 시동 초기와 같은 과급 구간이 아닌 경우, 터빈으로 유입되는 배기가스를 터빈의 출구단 측으로 우회시키기 위한 웨이스트 게이트 밸브를 열린 상태(상시 열림 제어)로 유지하다가, 일반적인 운전 조건 하에서 배기가스의 유량(혹은 유압)이 기 설정된 일정 수준의 유량(혹은 유압) 이상인 경우, 상기 웨이스트 게이트 밸브가 닫힌 상태가 되도록 상기 웨이스트 게이트 캡슐(100)을 구동시키는 것을 특징으로 한다.

이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 흡기 과급 시스템에서 웨이스트 게이트 캡슐(100)은 아래와 같은 구성으로 이루어진다.

상기 웨이스트 게이트 캡슐(100)은 웨이스트 게이트 밸브(300)와 연결되는 웨이스트 게이트 로드(110)와, 상기 웨이스트 게이트 로드(110)의 상 측에서 상기 웨이스트 게이트 로드(110)를 탄성 지지하는 웨이스트 게이트 스프링(130)을 포함하여 구성된다.

또한, 상기 웨이스트 게이트 캡슐(100)은 상기 펄스 밸브(200)와 제1 연결라인(210)을 통해 연결된다.

이때, 상기 웨이스트 게이트 로드(110)는 상기 웨이스트 게이트 캡슐(100)의 하면으로부터 일정 거리만큼 이격되어 공간(v)을 갖도록 설치되며, 상기 제1 연결라인(210)은 상기 웨이스트 게이트 캡슐(100)의 상기 공간(v)과 연결된다.

또한, 상기 펄스 밸브(200)의 어느 일 측에서는 제2 연결라인(220)을 통해 터빈 및 컴프레셔의 구동으로 인해 발생하는 압축된 배기가스가 인가되고, 타 측에서는 제3 연결라인(230)을 통해 대기압이 인가되는 구조를 가져, 상기 제1 연결라인(210)을 통해 상기 웨이스트 게이트 캡슐(100)에 인가되는 외기 압력을 대기압과 압축된 배기가스의 정압 사이에서 선택적으로 유도한다.

예컨대, 상기 펄스 밸브(200)는 시동 초기에는 상기 웨이스트 게이트 캡슐(100)의 상기 공간(v)에 인가되는 외기 압력이 대기압과 동일하게 되도록 유도하여 상기 웨이스트 게이트 밸브(300)가 열린 상태를 유지하도록 한다. 이후, 일반적인 운전 조건 하에서 상기 배기가스의 정압이 기 설정된 일정 수준의 압력 이상인 경우에는 상기 공간(v)에 인가되는 외기 압력이 상기 배기가스의 정압과 동일하게 되도록 유도하여 외기 압력에 의해 상기 웨이스트 게이트 스프링(130)이 밀어 올려져 상기 웨이스트 게이트 밸브(300)를 작동시킨다. 이에 따라, 상기 웨이스트 게이트 밸브(300)가 터빈의 출구단 측의 바이패스 라인을 폐쇄하여 터빈의 입구단 측으로 유입되는 배기가스의 유량은 늘어나게 된다.

이하, 본 발명의 실시예에서 운전 조건에 따른 웨이스트 게이트 밸브의 개폐 동작에 따라 배기가스의 흐름이 어떻게 변화되는지를 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4의 (a)는 시동 초기 조건에서 웨이스트 게이트 밸브가 열린 상태를 유지하는 경우, 배기가스의 흐름을 예시적으로 도시한 도면이고, (b)는 웨이스트 게이트 밸브가 닫힌 상태에서 배기가스의 흐름을 예시적으로 도시한 도면이다.

시동 초기와 같은 조건에서는 엔진이 큰 출력을 요구하지 않으므로 연소실 내로 유입되는 공기를 크게 과급할 필요가 없다. 이때, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 웨이스트 게이트 밸브(300)는 열린 상태를 유지한다.

한편, 연소실에서 배출되는 배기가스는 배기 라인(350)을 통해 터빈(400)으로 유입된다. 이때, 상기 배기 라인(350)에는 터빈(400)의 유입단 측과 출구단 측을 연결하는 바이패스 라인(355)이 설치된다. 상기 웨이스트 게이트 밸브(300)는 상기 바이패스 라인(355)에 설치되고, 초기 열린 상태를 유지한다. 이때, 배기가스는 터빈(400)으로 유입될 뿐만 아니라, 바이패스 라인(355)을 통해 터빈(400)의 출구단 측으로도 유입된다.

상기 터빈(400)은 엔진의 배기 라인(350) 측에 설치되며, 배기가스의 배기 압력에 의해 회전하고, 컴프레셔(500)는 엔진의 흡기 라인(550) 측에 설치되고 터빈(400)과 동일 축으로 연결되며 흡입 공기를 가압하여 엔진의 흡기 매니폴드로 공급한다.

이러는 과정에, 터빈(400) 측에서는 그 터빈(400)의 구동으로 인해 배기가스의 정압이 발생하게 되는 바, 컴프레셔(500)의 출구단 측에 걸리는 과급압이 설정압 이상인지 여부가 엔진 제어기(ECU)에서 판단된다. 상기 웨이스트 게이트 밸브(300)의 개폐 작동은 상기 웨이스트 게이트 캡슐(100)의 구동에 의해 이루어지는데, 상기 웨이스트 게이트 캡슐(100)은 연결된 펄스 밸브(200)를 통해 인가되는 외기 압력에 의해 구동된다.

예컨대, 시동 초기와 같은 조건에서는 상기 웨이스트 게이트 밸브(300)가 열린 상태이므로, 터빈(400)을 통해 가압되는 배기가스의 정압이 설정압 이하가 될 것이다. 이 경우, 엔진 제어기는 펄스 밸브(200)가 대기와 연결된 제3 연결라인(230)을 개방하고 터빈(400)의 출구단 측과 연결된 제2 연결라인(220)을 단속(斷續)하여 상기 웨이스트 게이트 캡슐(100)에 대기압이 외기 압력으로 인가될 수 있도록 제어신호를 출력한다. 이 경우, 상기 웨이스트 게이트 밸브(300)는 열린 상태를 유지하게 된다.

한편, 일반적인 운행 조건 하에서 배기가스의 배출량이 증가하여 터빈(400)의 구동으로 인해 발생하는 배기가스의 정압이 설정압 이상이 되는 경우, 웨이스트 게이트 캡슐(100)이 구동하여 웨이스트 게이트 밸브(300)는 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 바이패스 라인(355)을 폐쇄한다. 이때, 터빈(400)으로 유입되는 배기가스의 양은 증가하고, 그 결과 연소실에는 더 많은 공기가 과급될 수 있게 된다.

구체적으로 설명하면, 엔진 제어기는 터빈(400)의 구동으로 인해 발생하는 배기가스의 정압이 설정압 이상이 되는 경우, 펄스 밸브(200)가 터빈(400)의 출구단 측과 연결된 제2 연결라인(220)을 개방하고, 대기와 연결된 제3 연결라인(230)을 단속(斷續)하여 상기 웨이스트 게이트 캡슐(100)에 배기가스의 정압이 외기 압력으로 인가될 수 있도록 제어신호를 출력한다. 이 경우, 상기 웨이스트 게이트 밸브(300)는 닫힌 상태를 유지하게 된다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 엔진의 배기 라인 측에 설치되는 터빈;
   상기 터빈과 동일 축으로 연결되며 흡기 라인 측에 설치되는 컴프레셔;
   상기 터빈으로 유입되는 배기가스를 상기 터빈의 출구단 측으로 우회시키기 위한 웨이스트 게이트 밸브;
   상기 웨이스트 게이트 밸브와 연결되는 웨이스트 게이트 로드와, 상기 웨이스트 게이트 로드의 상 측에서 상기 웨이스트 게이트 로드를 탄성 지지하는 웨이스트 게이트 스프링, 및 연결라인과 연결되어 있으며, 상기 웨이스트 게이트 스프링의 탄성 지지에 의해 상기 웨이스트 게이트 밸브를 개방시키고 있던 상기 웨이스트 게이트 로드를 들어올려 상기 웨이스트 게이트 밸브가 폐쇄되게 하는 공간을 구비하며, 상기 터빈의 구동으로 인해 발생하는 배기가스의 정압으로 상기 웨이스트 게이트 밸브를 작동시키는 웨이스트 게이트 캡슐; 및
   상기 웨이스트 게이트 캡슐에 가해지는 외기 압력을 조절하도록, 연결라인을 통해 상기 웨이스트 게이트 캡슐과 연결되며, 대기압과 상기 배기가스의 정압을 선택적으로 단속하여 상기 외기 압력을 조절하되, 시동 초기에 상기 배기가스의 정압을 단속하여 상기 외기 압력을 대기압으로 유도하고, 상기 배기가스의 정압이 기 설정된 일정 수준의 압력 이상인 경우, 상기 대기압을 단속하여 상기 외기 압력을 상기 배기가스의 정압으로 유도하는 펄스 밸브(pulse valve);를 포함하는 흡기 과급 시스템의 제어방법에 있어서,
   시동 초기에 상기 웨이스트 게이트 밸브가 개방되어 있어서 배기가스 정화장치의 촉매를 힛-업할 수 있도록, 시동 초기 상태인지 여부를 판단하는 단계;
   상기 시동 초기 상태이면, 상기 배기가스의 정압을 단속하여 상기 외기 압력을 대기압으로 유도하여 상기 웨이스트 게이트 밸브가 열림 상태를 유지하는 단계; 및
   상기 시동 초기 상태가 아닌 일반 운전 조건이고, 상기 배기가스의 정압이 기 설정된 일정 수준의 압력 이상인 경우, 상기 펄스 밸브가 상기 대기압을 단속하여 상기 외기 압력을 상기 배기가스의 정압으로 유도하고, 상기 외기 압력이 상기 공간에 인가됨에 따라서, 상기 웨이스트 게이트 로드를 밀어 올려 상기 웨이스트 게이트 밸브를 닫는 단계를 포함하는 것
   인 흡기 과급 시스템의 제어방법.
6. 삭제
7. 삭제

Images