KR20020050000A

KR20020050000A - 공압을 이용한 터보차저의 출력 증대장치

Info

Publication number: KR20020050000A
Application number: KR1020000079329A
Authority: KR
Inventors: 김종성
Original assignee: 이계안; 현대자동차주식회사; 류정열; 기아자동차주식회사
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2002-06-26

Abstract

본 발명은 엔진에 장착된 에어 콤프레서를 이용하여 엔진의 저속 회전구간에서 에어 콤프레서로부터 공급된 압축공기를 분사노즐에 의해 콤프레서 휠로 분사하여 공압에 의해 흡기를 압축시킴으로써 보조적으로 터보차저의 과급성능을 향상시켜 저속 구간에서의 출력을 증대시킬 수 있는 공압을 이용한 터보차저의 출력 증대장치에 관한 것으로, 이 출력 증대장치는 엔진에 의해 구동되어 공기를 압축시키는 에어 콤프레서(40)와, 에어 공급라인(42)을 통해서 에어 콤프레서(40)로부터 유입된 공기를 터보차저의 콤프레서 휠(30)로 분사하는 분사노즐(46)과, 에어 공급라인(42)을 지나는 공기의 흐름을 단속하는 솔레노이드 밸브(44)와, RPM센서(52)로부터 입력되는 엔진 회전수를 바탕으로 솔레노이드 밸브(44)에 제어신호를 출력하는 제어유닛(50)으로 구성된다.

Description

공압을 이용한 터보차저의 출력 증대장치{POWER INCREASING SYSTEM OF A TURBOCHARGER USING AIR PRESSURE}

본 발명은 공압을 이용한 터보차저의 출력 증대장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 엔진에 장착된 에어 콤프레서를 이용하여 엔진의 저속 회전구간에서 에어 콤프레서로부터 공급된 압축공기를 분사노즐에 의해 콤프레서 휠로 분사하여 공압에 의해 흡기를 압축시킴으로써 보조적으로 터보차저의 과급성능을 향상시킬 수 있는 공압을 이용한 터보차저의 출력 증대장치에 관한 것이다.

차량에는 배기가스의 일부를 흡기계통으로 재순환시켜서 NOx의 발생을 억제하기 위한 배기가스 재순환(exhaust gas recirculation; EGR)장치가 설치되어 있다. 일반적으로, NOx의 발생이 적은 공회전시나 고속 운전시에는 대개 작동하지 않는다. 엔진의 배기 매니폴드에서 방출되는 배기가스의 일부는 EGR 쿨러를 지나면서 냉각된 다음, 흡기 매니폴드로 재순환되는 한편, 나머지 배기가스는 터보차저의 터빈 휠을 회전시킨 후에 배기 파이프쪽으로 배출된다.

도 1에는 종래의 터보차저의 내부 구성이 도시되어 있다. 터보차저의 하우징(10)에는 배기가스가 유입되는 배기 유입구(12) 및 배기가스가 배출되는 배기 유출구(14)가 설치되어 있으며, 배기 유입구(12)를 통해 유입된 배기가스에 의해 회전되는 터빈 휠(20)이 회전하게 된다. 터빈 휠(20)에는 샤프트(22)를 통해서 콤프레서 휠(30)이 결합되어 있다.

한편, 콤프레서 휠(30)쪽에는 신선한 외부 공기가 유입되는 흡기 유입구(16)와, 흡입된 공기가 압축된 후에 엔진의 실린더 내로 공급되는 흡기 유출구(18)가 형성되어 있으며, 흡기 유입구(16)를 통해 유입된 흡기는 콤프레서 휠(30)에 의해서 압축된 후에 흡기 유출구(18)를 통해서 실린더 내로 공급된다. 샤프트(22)의 중간 부위는 저어널 베어링(26)에 의해 하우징(10)에 회전 가능하게 지지되어 있으며, 양단에는 오일의 누유를 막기 위한 오일시일(24), (34)이 끼워져 있다.

이러한 구성의 터보차저를 이용한 과급에 의한 흡입 공기량의 증대로 출력의 상승 및 연료 소비율의 향상을 기대할 수 있으며, 소음 및 배기물질의 저감과 고도 상승에 따른 출력저하 방지 등의 장점이 있으나, 터빈 휠을 구동시키는 배기가스 유량과 에너지가 상대적으로 적은 저속 범위에서는 터보차저의 과급능력을 제대로 발휘할 수 없는 단점이 있다. 즉, 저속 범위에서는 배기압력이 급기압력을 상회함으로써, 오히려 효율을 저하시켜 무과급 엔진과 같은 토오크가 설정되어 터보 과급 엔진은 초기 응답성 불량, 저속 토오크의 부족 및 발진가속성의 불량과 저속시의 매연과다배출 현상의 단점을 갖고 있다.

이를 요약하여 보면, 엔진의 저속 회전 영역에서는 배기유량의 저하로 인해 터빈 휠이 거의 구동되지 못하여 사실상 무과급 엔진과 같은 토오크를 설정하게 되고, 저부하시에는 배기온도가 낮으므로 터빈 휠이 효율적으로 일을 할 수 없으며, 배기압력이 급기압력을 상회함으로써 오히려 효율을 저하시키며, 차량의 급가속시에는 터보차저의 작동지연으로 인해 엔진의 출력이 정상 운전시보다 큰폭으로 낮아지며 응답성이 저하된다.

이를 개선하기 위한 것으로서 본 출원인이 1996년 12월 30일 출원하여 등록받은 대한민국 실용신안등록 공고 2000-174502호에는 터빈 휠과 압축기 각각의 샤프트에 회전원판을 설치하고, 상기 양 회전원판 사이에 로드를 포함한 롤러를 개재 설치하며, 상기 롤러를 상하 작동시키는 엑츄에이터를 롤러의 로드에 연결하며, 상기 엑츄에이터는 악셀개도에 따른 RPM을 감지하는 센서의 신호에 의해 작동되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 배기터보 과급기의 토크 향상장치가 개시되어 있다. 그러나, 이것은 회전원판을 사용하기 때문에, 크기가 증대되어 장착성의 문제점을 유발할 우려가 있다.

또한, 일본 특허공개공보 1993-934호에는 유압보조 터보차저가 개시되어 있다. 이 유압보조 터보차저는 유압에 의해 구동할 수 있도록 구성되어 있으나 별도의 유압장치가 구비되어야 하며 크기도 커지는 단점이 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 엔진에 장착된 에어 콤프레서를 이용하여 엔진의 저속 회전구간에서 에어 콤프레서로부터 공급된 압축공기를 분사노즐에 의해 콤프레서 휠로 분사하여 공압에 의해 흡기를 압축시킴으로써 보조적으로 터보차저의 과급성능을 향상시켜 저속 구간에서의 출력을 증대시킬 수 있는 공압을 이용한 터보차저의 출력 증대장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 터보차저의 구성을 보인 단면도,

도 2는 본 발명의 출력 증대장치가 구비된 터보차저를 보인 단면도,

도 3은 본 발명에 따라 터보차저의 출력 증대과정을 보인 흐름도.

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

10:하우징 12:배기 유입구

14:배기 유출구 16:흡기 유입구

18:흡기 유출구 20:터빈 휠

22:샤프트 30:콤프레서 휠

40:에어 콤프레서 42:에어 공급라인

44:솔레노이드 밸브 46:공기분사노즐

50:ECU 52:RPM센서

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 공압을 이용한 터보차저의 출력 증대장치는 하우징에는 배기가스의 유입 및 배출을 위한 배기 유입구 및 배기 유출구와, 흡입공기의 유입 및 실린더로의 배출을 위한 흡기 유입구 및 흡기 배출구가 구비되어 있으며, 베어링을 개재하여 하우징에 회전 가능하게 장착되는 샤프트의 양단에는 배기가스에 의해 회전되는 터빈 휠과, 이 터빈 휠의 회전력으로 흡입공기를 압축시키는 콤프레서 휠이 장착되어 있는 차량용 터보차저에 있어서, 엔진에 의해 구동되어 공기를 압축시키는 에어 콤프레서와, 에어 공급라인을 통해서 콤프레서로부터 유입된 공기를 터보차저의 콤프레서 휠로 분사하는 분사노즐과, 에어 공급라인을 지나는 공기의 흐름을 단속하는 솔레노이드 밸브와, RPM센서로부터 입력되는 엔진 회전수를 바탕으로 솔레노이드 밸브에 제어신호를 출력하는 제어유닛으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도 2와 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공압을 이용한 터보차저의 출력 증대장치에 대하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 출력 증대장치가 구비된 터보차저를 보인 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따라 터보차저의 출력 증대과정을 보인 흐름도이다.

먼저, 도 2를 보면, 터보차저의 하우징(10)에는 배기가스의 유입 및 배출을 위한 배기 유입구(12) 및 배기 유출구(14)와, 흡입공기의 유입 및 실린더로의 배출을 위한 흡기 유입구(16) 및 흡기 배출구(18)가 구비되어 있으며, 저어널 베어링(26)을 개재하여 하우징(10)에 회전 가능하게 장착되는 샤프트(22)의 양단에는 배기가스에 의해 회전되는 터빈 휠(20)과, 이 터빈 휠(20)의 회전력으로 흡입공기를 압축시키는 콤프레서 휠(30)이 장착되어 있다.

이러한 구성의 터보차저에 있어서, 엔진의 저속 회전구간에서의 출력을 증대하기 위한 방안으로 본 발명의 바람직한 실시예에서는 엔진에 장착되어 있는 에어 콤프레서(40)에서 발생되는 압축공기를 이용하여 터보차저 콤프레서 휠(30)을 압축시키는 구조를 예시하였다.

이를 위해서, 에어 콤프레서(40)로부터 터보차저 콤프레서 휠(30)까지 압축공기를 공급하는 에어 공급라인(42)을 설치하였으며, 이 에어 공급라인(42)에는 공기의 흐름을 단속하기 위한 솔레노이드 밸브(44)가 설치하였다. 솔레노이드 밸브(44)는 제어유닛(ECU)(50)으로부터 전달되는 전기적인 신호에 의해서 개폐된다. 에어 공급라인(42)의 끝단에는 압축공기를 터보차저 콤프레서 휠(30)로 분사하기 위한 분사노즐(46)이 설치되어 있다.

한편, 제어유닛(50)은 RPM센서(52)로부터 전달되는 엔진 회전수를 바탕으로 다음의 도 3에 도시한 과정을 거쳐서 솔레노이드 밸브(44)에 제어신호를 보내 저속구간에서의 출력을 증대시킨다.

엔진이 운전중에는 에어 콤프레서(40)가 함께 작동하면서 압축공기를 생성한다. 또한, 엔진이 기동되면 제어유닛(50)은 엔진의 회전수가 저속 회전구간인지를 판단한다(단계 S1). 이때, 저속회전 구간이면(단계 S1에서 YES)이면, RPM감지센서의 작동을 입력받아서(단계 S2) 솔레노이드 밸브(44)에 신호를 보내 이를 작동시킨다(단계 S3). 솔레노이드 밸브(44)의 작동으로 에어 공급라인(42)이 개방되면서 에어 콤프레서(40)에 의해 압축된 공기는 에어 공급라인(42)을 통해서 유입(단계 S4)된 후에, 분사노즐(46)(단계 S5)에 의해서 터보차저 콤프레서 휠(30)로 분사되어이를 회전시킨다(단계 S6). 그로 인해 엔진의 저속 성능이 향상된다(단계 S8).

이때, 분사노즐(46)은 터보차저 콤프레서 휠(30)을 가압할 수 있는 최적의 위치에 배치되어 있고 작동시에 배기가스에 의해 구동되는 휠의 회전수를 추가적으로 회전시키도록 횔 각도에 알맞게 장착되어 있다. 이와 같이, RPM센서(52)에 의해서 저속 회전수가 감지되고 분사노즐(46)을 통해서 공기압이 콤프레서 휠(30)로 분사됨으로써 배기가스만으로 회전하는 경우보다 회전수가 더욱 증대되어 저속성능이 향상된다.

분사노즐(46)은 터보차저의 하우징(10)에 장착되어 있어 열에 의한 소손이나 내구성의 저하를 초래하지 않으며, 중고속시에는 터빈 휠의 회전수에 여유가 있으므로 이 구간에서는 솔레노이드 밸브(44)를 닫아 압축공기는 더 이상 분사되지 않는다.

이상으로 설명한 본 발명에 의하면, 엔진에 장착된 에어 콤프레서를 이용하여 엔진의 저속 회전구간에서 에어 콤프레서로부터 공급된 압축공기를 분사노즐에 의해 콤프레서로 분사하여 공압에 의해 흡기를 압축시킴으로써 보조적으로 터보차저의 과급성능을 향상시켜 저속 구간에서의 출력을 증대시킬 수 있고 유해가스의 배출을 억제할 수 있다. 또, 종래의 유압보조 터보차저 구조에 비해 별도의 유압발생장치가 불필요하며 크기가 작고 장착공간을 많이 차지하지 않는 이점이 있다.

Claims

하우징에는 배기가스의 유입 및 배출을 위한 배기 유입구 및 배기 유출구와, 흡입공기의 유입 및 실린더로의 배출을 위한 흡기 유입구 및 흡기 배출구가 구비되어 있으며, 베어링을 개재하여 하우징에 회전 가능하게 장착되는 샤프트의 양단에는 배기가스에 의해 회전되는 터빈 휠과, 이 터빈 휠의 회전력으로 흡입공기를 압축시키는 콤프레서 휠이 장착되어 있는 차량용 터보차저에 있어서,

엔진에 의해 구동되어 공기를 압축시키는 에어 콤프레서(40)와,

에어 공급라인(42)을 통해서 상기 에어 콤프레서(40)로부터 유입된 공기를 상기 터보차저의 콤프레서 휠(30)로 분사하는 분사노즐(46)과,

상기 에어 공급라인(42)을 지나는 공기의 흐름을 단속하는 솔레노이드 밸브(44)와,

RPM센서(52)로부터 입력되는 엔진 회전수를 바탕으로 상기 솔레노이드 밸브(44)에 제어신호를 출력하는 제어유닛(50)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 공압을 이용한 터보차저의 출력 증대장치.