KR20010033930A - 터보과급기 시스템 - Google Patents

Abstract

내연 기관을 위한 터보과급기 시스템은 압축기(7,8)에 구동 연결된 터빈(5,6)을 각각 포함한 두 개의 터보과급기로 구성된다. 온도 센서(19,20)는 압축기 출력부에서 온도를 감지하도록 배치된다. 이 온도는, 조정 작용이 일어나는 불균형 상태를 나타내도록 모니터 된다. 이 장치는 신뢰성있고 경제적인 감시 작용을 제공한다.

Description

터보과급기 시스템{TURBOCHARGER SYSTEM}

제어 변수로서 매니포울드 압력 또는 공기 질량 흐름 속도를 이용해, 전자 엔진 조종 시스템에 의해 터보과급기 엔진을 제어하는 것이 일반적이다. 이 기술에서, 바람직한 공기 질량 흐름 속도 또는 매니포울드 압력을 달성하도록 터보과급기 배기 바이패스가 작동하는 것이 일반적이다. 바람직한 속도는 엔진 속도 및 스로틀 위치와 같은 매개변수에 따라 달라질 것이다.

이중-터보과급기 기관을 적용할 때, 일반적으로 유사한 제어 시스템이 적용된다. 정상적인 조건하에서 터보과급기 배기 바이패스는 평행하게 반응하여서, 각각의 터보과급기는 각각을 통과하는 전체 공기량 흐름 속도의 1/2로 작동한다.

고장난 경우에, 예를 들어 배기 바이패스 작동기에서, 두 개의 터보과급기가 평행하게 반응하지 않도록, 자가 진단에 의해 기관 조종 시스템이 경보를 발생시킬 필요가 있다. 상기 기관 조종 시스템은 그 후에 안전한 작동 상태를 달성할 수 있다. 만일 이것이 실행되지 않는다면, 보다 빠른 공기량 흐름 속도를 유지하는 터보과급기는 과속되어서, 크게 고장날 수 있다.

일반적으로 터보과급기 속도는 직접 측정될 수 없다.

터보과급기 압축기 앞이나, 터보과급기 압축기 바로 뒤에서 주의깊게 압력을 측정함으로써 비동기 터보과급기 작동을 진단할 수 있다는 것은 알려져 있다. 그러나, 이것은 달성하기에 어렵고 많은 비용이 든다. 일반적으로 공통의 흡입 매니포울드로 들어가기 전에 두 개의 압축기 배출구가 함께 연결되므로, 비록 하나의 압축기를 통과하는 기류 속도가 영에 가까울지라도, 압력은 유지된다. 압력 차이는 작고, 이를 감지하려면 고가의 변환기를 필요로 한다. 그러나 이런 조건하에서 보다 빠른 기류 속도를 가지는 압축기는 조금 더 높은 압력을 발생시킨다.

본 발명은 터보과급기 시스템에 관련된다.

본 발명을 좀더 명확히 이해할 수 있도록, 예로 첨부 도면을 참고로 본원의 실시예가 설명될 것이다:

도 1 은 본 발명에 따른 터보과급기 시스템의 개략도,

도 2 는 도 1의 시스템에서 공기 흐름에 대한 압축기 배출구 온도를 나타낸 그래프,

도 3 은 도 1에 나타낸 시스템의 압축기에서 공기 흐름에 대한 압력 비를 나타낸 그래프,

도 4 는 공기흐름 제어 플로우차아트.

*부호 설명

1 ... 공기 흡입구 2 ... 스로틀(throttle)

3 ... 흡입 매니포울드 4 ... 이중 배기 매니포울드

5, 6 ... 터빈 7, 8 ... 압축기

9 ... 기관 기류 입력 경로

10 ... 공기 필터 11 ... 기류 속도 측정 장치

12, 13 ... 분기 덕트 15 ... 과급기 냉각기

16, 17 ... 배기관 19, 20 ... 온도 센서

본 발명에 따르면, 두 개의 터보과급기 사이의 불균형을 감지할 수 있도록 압축기와 결합된 온도 센서와 압축기에 구동 결합된 터빈을 각각 포함하는 두 개의 터보과급기로 구성된 내연 기관과 함께 사용하기 위한 터보과급기 시스템을 제공한다.

또 본 발명에 따르면, 각각의 압축기에서 또는 압축기 부근의 온도를 감시하고 두 압축기 사이의 불균형 상태를 표시하도록 감시된 온도를 비교하는 단계를 포함하는, 압축기에 구동 연결된 터빈을 각각 가지는 두 개의 터보과급기로 구성된 내연 기관을 위한 터보과급기 시스템의 작동 방법을 제공한다.

본 발명의 선호되는 실시예에서, 센서는 두 압축기의 각 배출구에 배치된 열전쌍 또는 다른 온도 감지 요소를 포함한다. 이 요소는 전기 신호를 발생시키는데 이 신호는 압축기 배출구에서 온도를 비교할 수 있다. 이 신호는, 터보과급기 시스템이 고정된 엔진의 기관 조종 시스템의 일부를 형성하거나 그렇지 않은 정상적인 비교 회로에서 비교될 수 있다. 일반적으로 기관 조종 시스템은 불균형 상태를 표시하기 위해서 신호를 처리하는데 사용될 수 있는 신호 처리 기능을 가지는 마이크로프로세서를 포함한다. 불균형 상태가 발생하는 곳에서, 더 많은 작동을 하는 압축기 배출구 온도가 상승할 것이다. 또, 새로운 압축기 작동 상태는 최적(균형) 압축기 상태처럼 효과적이지 않기 때문에, 추가 온도 상승이 있을 것이다. 경제적이고 신뢰성 있는 열전쌍을 사용해 측정할 수 있도록 두 압축기 배출구에서 공기 상태 사이의 온도 차이는 충분하다. 그리고, 불균형의 결정은 압력 측정을 이용해 결정될 수 있는 것보다 우수하다.

도 1에 나타난 것처럼, 터보과급기 시스템은 스로틀(2)을 통하여 흡입 매니포울드(3)와 이중 배기 매니포울드(4)로 통하는 공기 흡입구(1)를 포함하는 내연 기관에 연결된다. 상기 이중 배기 매니포울드는 각 터보과급기의 터빈(5,6)에 연결된다. 터빈(5,6)은 각 터보과급기의 각각의 압축기(7,8)에 구동할 수 있게 연결된다. 기관 기류 입력 경로(9)는 공기 필터(10)를 통하여 기류 속도 측정 장치(11)로 이어지고 그 후에 이것은 두 개의 분기 덕트(12,13)로 나누어진다. 전술한 두 압축기(7,8)는 각각의 분기 덕트(12,13)에 배치된다. 상기 분기 덕트는 과급기 냉각기(15)와 스로틀(2) 상류의 14에서 모인다. 배기관(16,17)은 각각의 터빈(5,6)으로부터 뻗어있고 18에서 모여서 그 후에 배출한다.

열전쌍과 같은 두 개의 온도 센서(19,20)는 하류면에서 두 개의 압축기(7,8)와 인접하여 배치된다. 상기 센서(19,20)는 압축기(7,8)의 출력부에서 온도를 감지하도록 작동한다. 전체 엔진 기류에 대해 센서(19,20)에 의해 감지된 압축기 배출구 온도의 변화가 도 2에 도시되어 있다. 평형을 이룬 작동 상태에서 두 터보과급기가 정상적으로 작동하는 곳에서, 이상적으로 센서(19,20)에 의해 감지된 온도는 동일해야 한다. 선 LO의 대향한 부분에서 두 점선 LO1과 LO2는 평형을 향상시키도록 각각의 터보과급기 배기 바이패스 작동기 사이의 트림 평형(trim balancing)으로부터 두 압축기 출력부 사이에서 다른 온도를 가지는 수용 가능한 영역을 나타낸다. 즉 다른 면에서 균형 상태를 개선시킬 필요가 있다면, 압축기 출력부 사이의 제한된 온도 차이가 받아들여질 수 있다. 선 LO로부터 이동한 반대쪽 면의 실선 L1과 L2는 받아들일 수 없는 불균형 상태일 때 두 압축기 출력부 온도를 나타내고 온도 차이가 발생된다. 선 L1은 보다 많이 작동하는 압축기의 온도를 나타내고 선 L2는 보다 적게 작동하는 압축기의 온도를 나타낸다. 이런 불균형 상태에서 전체 기관 공기는 옳은 것으로 고려되지만 두 압축기를 통과하는 각각의 흐름 속도는 동일하지 않다.

전술한 바와 같은 터보과급기 시스템의 작동을 나타내는 종래의 방법은, 각 압축기를 통과하는 기류 AF에 대한 압력 비 PR을 표시하는 것이다. 이 그래프는 도 3에 나타나 있고, 불균형 상태도 이 그래프에 나타나 있다. H, M과 L로 각각 나타낸 고, 중 및 저 터보과급기 효율도가 이 그래프에 도시되어 있다. 압력 비는 압축기 유입 압력에 의해 나누어진 압축기 배출 압력으로서 정의내릴 수 있다. 이중 터보과급기 기관을 설치할 때, 각각의 압축기는 동일한 조건하에서 작동하도록 설계된다.

각각의 (평형을 이룬) 압축기가 20의 공기 흐름으로 작동하는 작동점 A를 고려한다. 하나는 25에서 작동하고(B점), 다른 하나는 15에서 작동하는(C점) 불균형 상태를 고려한다. (전체는 동일하게 유지되고 전체적인 엔진 피드백 제어를 받는다).

보다 높은 공기 흐름을 가지는 유닛은 압축기 배출구와 흡입 매니포울드 사이에서 보다 높은 압력 강하를 가진다. 따라서 이 압축기 압력비는 다소 증가한다. 보다 낮은 공기 흐름을 가지는 유닛은 보다 낮은 압력 강하를 가진다.

보다 높은 질량 흐름을 가지는 유닛에 대해, 보다 빠른 공기 흐름 속도와 감소한 압축기 효율도는 모두 온도의 상승 요인이다. 보다 빠른 공기 흐름 속도의 효과는 도 2에서 선 L1에 도시되어 있다. 다른 효율도 곡선은 도 3에 나타나 있고, B점은 낮은 효율도 곡선 M과 인접해 있다. 보다 낮은 질량 흐름을 가지는 유닛은, 압축기 배출구 온도를 낮추고 효율도를 높인다. 이것은 도 2의 L2선과 도 3에 도시되어 있고 도 3에서 A점은 보다 높은 효율도 곡선 H와 이웃해 있다.

상기 시스템의 작동은 도 4의 플로우차아트에 도시되어 있는데, 이것은 41 내지 45로 나타낸 5단계로 구성된다. 처음 두 단계(41,42)는 종래의 전체적인 엔진 피드백에 관련되고 마지막 세 단계는 본 발명에 따른 배기 바이패스 평형 루틴의 피이드백 제어에 관련된다. 단계(41)에서 스로틀 개방과 엔진 속도에 따른 전체 공기 흐름 속도를 보여주는 기관 조종 장치의 설정점 지도가 고려된다. 단계(42)에서 전체 공기 흐름 속도가 설정값에 대해 체크되고 설정된 기류 값을 달성하도록 배기 바이패스 위치는 대략적으로 조정된다. 단계(43)에서, 두 압축기의 배출구에서 온도는 센서(19,20)에 의해 감시된다. 단계(44)에서, 두 터보과급기에 대한 각각의 배기 바이패스 제어에서 미세 평형 조정이 결정된다. 이 조정이 기보정된 한계 내에서 이루어진다면 조정 과정은 배기 바이패스 위치를 적절히 조절하기 위해서 제어 피드백 루프 L을 통하여 실시될 수 있다. 이 모드에서, 상기 시스템은 정상적인 감시 및 제어 기능을 수행한다. 이런 미세 조정이 보정된 한계를 넘어선다면 엔진 고장이 표시된다. 배기 바이패스의 개방을 포함해 운전자 경고 및 안전한 엔진 작동 상태는 출력부 W를 통하여 개시된다.

위의 실시예는 단지 예로서 기술하였고 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 다양하게 수정할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 단일 공기 계량기(11)를 사용해 전체 공기량을 제어하는 것이 도시되어 있지만 이런 제어는 흡입 매니포울드 압력 피드백 제어와 같은 다른 수단에 의해 달성될 수 있다.

Claims (12)

1. 압축기(7,8)에 구동할 수 있게 연결된 터빈(5,6)을 각각 가지는 두 개의 터보과급기로 이루어진 내연 기관에 사용하기 위한 터보과급기 시스템에 있어서,

   두 개의 터보과급기 사이의 불균형이 감지될 수 있도록 압축기(7,8)와 결합된 온도 센서(19,20)를 특징으로 하는 터보과급기 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 센서는 온도 감지 요소(19,20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보과급기 시스템.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 감지 요소(19,20)는 열전쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 터보과급기 시스템.
4. 제 1항, 2항 또는 3항에 있어서, 압축기 배출구에서 온도를 비교할 수 있도록 온도 감지 장치(19,20)로부터 신호를 비교하기 위한 장치를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 터보과급기 시스템.
5. 제 4 항에 있어서, 신호 비교 장치는 비교 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보과급기 시스템.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 비교 회로는 엔진 조종 시스템의 일부를 구성하는 것을 특징으로 하는 터보과급기 시스템.
7. 제 4항, 5항 또는 6항에 있어서, 마이크로프로세서는 불균형 상태를 나타내기 위해서 비교 장치로부터 신호를 처리하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 터보과급기 시스템.
8. 상기 청구항에 기술한 바에 따른 터보과급기 시스템을 포함하는 내연 기관.
9. 제 8 항에 있어서, 내연 기관은 각각의 터보과급기의 각 터빈에 연결된 이중 배기 매니포울드를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
10. 각각의 압축기에서 또는 압축기 부근의 온도를 감시하고 두 압축기(7,8) 사이의 불균형 상태를 나타내도록 감시된 온도를 비교하는 단계를 포함하는, 압축기(7,8)에 구동 연결된 터빈(5,6)을 각각 포함하는 두 개의 터보과급기로 구성된 내연 기관을 위한 터보과급기 시스템을 작동하는 방법.
11. 감시된 온도가 전기 신호로 변환되는 것을 특징으로 하는, 터보과급기 시스템을 작동하는 방법.
12. 전기 신호는 터보과급기 불균형을 표시하도록 처리되는 것을 특징으로 하는, 터보과급기 시스템을 작동하는 방법.