KR20030030194A

KR20030030194A - 터보차저와 터보차저의 회전수를 이용한 엔진 제어방법

Info

Publication number: KR20030030194A
Application number: KR1020010062036A
Authority: KR
Inventors: 신범식
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2001-10-09
Filing date: 2001-10-09
Publication date: 2003-04-18

Abstract

목적 : 본 발명은 터보차저의 회전수를 정확하게 측정하여 터보차저 및 엔진을 보호하고, 배기가스에 의하여 구동되는 터빈 축의 구동력을 이용하여 발전기를 구동시켜서 엔진의 연비를 향상시키며, 소음 및 내구성이 향상되는 터보차저 및 터보차저의 회전수를 이용한 엔진 제어방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

구성 : 이 터보차저는 엔진의 배기 측과 입력 측에 제공되는 터빈과 압축기, 이 터빈과 압축기를 연결하는 터빈 축, 이 터빈 축에 설치되어 터빈 축 구동 시 전기를 발생시키는 발전기, 이 발전기의 외측에서 냉각수를 순환시키는 냉각수 라인, 발전기에서 나온 교류 주파수로 터빈 축의 회전수를 산출하도록 발전기의 코일에 연결되는 전자제어유닛으로 구성되고; 이 터보차저의 회전수를 이용한 엔진 제어방법은 엔진 배기 가스에 의한 터빈 축의 구동으로 발전기의 코일에서 발생된 교류 주파수가 전자제어유닛(ECU)에 인가되는 제10단계; 이 교류 주파수로 판별한 터보차저의 회전수와 터보차저의 허용 회전수를 비교하는 제20단계; 이 비교에 따라 엔진의 연료량을 증감 제어하는 제30단계를 포함하고 있다.

Description

터보차저와 터보차저의 회전수를 이용한 엔진 제어방법{turbocharger and turbocharge rpm used engine control method}

본 발명은 터보차저에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 엔진의 배기가스에의하여 구동되며, 일체로 형성되는 터빈 및 압축기 축에 발전기를 구비한 터보차저에 관한 것이다.

터보차저는 하나의 축에 설치되는 터빈과 압축기를 주요 부분으로 하여 구성되며, 엔진의 배기가스에 의하여 터빈이 구동되고, 이 터빈의 구동력에 의하여 압축기가 구동되면서, 엔진 흡기의 밀도를 높여 줌으로서 엔진의 출력 향상과 배기가스 저감을 동시에 실현하고 있다.

이 터보차저는 도 1에 도시된 바와 같이 간단하게 도시할 수 있으며, 터빈(1)과 압축기(3)를 연결하는 터빈 축(5)이 단순히 베어링(7)에 지지되는 구조를 가지고 있다.

이 터보차저가 고지대에서 허용 이상의 회전수를 나타낼 때 대기압을 이용한 수정계수로 엔진의 연료량을 감소시키는 제어가 진행되고 있으나, 터보차저의 회전수를 간접적인 방법으로 측정하고 있으므로 터보차저의 회전수가 부정확하고, 대기압 센서가 오류인 경우에는 부정확한 터보차저의 회전수조차도 측정이 불가능하여 엔진의 연료량 제어가 불가능하게 되어, 엔진 및 터보차저가 파손될 우려가 있다.

또한, 엔진의 앞쪽에는 차량에 전장에 공급한 전기를 발생시키는 발전기가 장착되어 있다. 이 발전기는 벨트 또는 체인으로 엔진의 크랭크축에 연결되어 있다. 즉, 발전기는 별도로 엔진의 동력을 소모하게 되고, 이때 사용되는 벨트 및 체인의 진동에 의하여 악성 소음 및 내구 문제를 발생시킨다.

본 발명은 상기와 같은 점들을 감안한 것으로서, 터보 차저의 정확한 회전수로 터보 차저 및 엔진을 보호하고, 배기가스에 의하여 구동되는 터빈 축의 구동력으로 발전기를 구동시켜 엔진의 연비를 향상시키며, 소음 및 내구성이 향상되는 터보차저 및 터보차저의 회전수를 이용한 엔진 제어방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

이 터보차저는 엔진의 배기 측에 제공되어 배기가스에 의하여 구동되는 터빈, 이 터빈이 그 일측에 장착되며 그 양단이 엔진의 배기 측과 흡기 측에 제공되어 베어링으로 회전 가능하게 지지되는 터빈 축, 이 터빈 축 상에서 엔진의 흡기 측에 제공되고 축과 함께 구동되어 엔진의 흡기를 압축시키는 압축기, 상기 터빈 축 상에 설치되어 터빈 축 구동 시 전기를 발생시키는 발전기, 이 발전기의 외측에서 냉각수를 순환시키는 냉각수 라인, 그리고 발전기에서 나온 교류 주파수로 축의 회전수를 산출하도록 발전기의 코일에 연결되는 전자제어유닛으로 구성되어 있다.

여기서, 발전기는 자석의 N극과 S극을 교번 위치하도록 축의 외주에 설치하고, 전류가 유도되는 코일을 자석의 외주에 설치하여 구성되어 있다.

냉각수 라인은 압축기 측에서 터빈 측을 향하는 대각선 흐름을 발전기의 외주에 형성하여, 발전기의 냉각효율을 증대시키고 있다.

또한, 터보차저의 회전수를 이용한 엔진 제어방법은 엔진 배기 가스에 의한 터빈 축의 구동으로 발전기의 코일에서 발생된 교류 주파수가 전자제어유닛(ECU)에 인가되는 제10단계, 이 교류 주파수로 판별한 터보차저의 회전수와 터보차저의 허용 회전수를 비교하는 제20단계, 이 비교에 따라 엔진의 연료량을 증감 제어하는 제30단계로 구성되어 있다.

상기 제20단계는 발전기의 전압으로부터 터보차져의 회전수를 산출하는 제21단계, 이 단계에서 산출한 터보차저의 회전수가 허용 회전수를 초과하는 지를 판단하는 제22단계로 구성된다.

상기 제30단계는 터보차저의 회전수가 허용 회전수를 초과하면 엔진 연료량을 감소시키는 제31단계, 터보차저의 회전수가 허용 회전수를 초과하지 않으면 엔진 연료량을 유지시키는 제32단계로 구성되어 있다.

이와 같이 본 발명은 터빈 축의 외측에 발전기를 구비하고, 이 발전기의 외측에 냉각수 라인을 구비하며, 발전기의 코일에 전자제어유닛을 연결하여, 발전기에서 나와 정류되기 전의 교류 주파수로 축의 회전수, 즉 터보차저의 정확한 회전수를 감지하여 터보차저 및 엔진의 보호를 꾀할 수 있고, 배기가스에 의하여 구동되는 터빈 축의 구동력으로 발전기를 구동시키므로 엔진의 연비를 향상시킬 수 있으며, 엔진의 전방에 설치되는 발전기와 이 발전기 구동을 위한 벨트 및 체인을 제거하므로 소음 및 내구성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 터보차저의 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 터보차저의 구성도.

도 3은 도 2의 A-A선에 따른 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 터보차저의 회전수를 이용한 엔진 제어방법의 수서도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

9 : 터빈 11 : 터진 축

13 : 압축기 15 : 발전기

19 : 자석 21 : 코일

23 : 정류회로 25 : 냉각수 라인

27 : 입구 29 : 출구

본 발명의 이점과 장점은 이하의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거하여 설명함으로서 보다 명확하게 될 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 터보차저의 구성도로서, 터빈(9), 터빈 축(11), 압축기(13), 발전기(15), 그리고 전자제어유닛(ECU)을 포함하고 있다.

터빈(9)은 엔진(미도시, 이하 생략)의 배기 측에 제공되어, 엔진의 구동으로 발생되는 배기가스에 의하여 구동되도록 구성되어 있다. 이 터빈(9)의 구동은 슬라이딩 피스턴(미도시)을 가변 제어함으로서 터빈(9)에 작용하는 배기가스를 제어하여 터보차저의 출력을 제어할 수 있다.

이 터빈(9)은 축(11)으로 압축기(13)와 일체로 연결되어 있다. 즉, 배기가스에 의하여 터빈(9)이 구동되면 엔진의 흡기 측에 제공되는 압축기(13)도 같이 회전하도록 구성되어 있다. 물론, 터빈 축(11)은 원활하게 회전할 수 있도록 베어링(17)에 의하여 지지되어 있다.

이와 같이 터빈 축(11)에 연결되어 엔진의 흡기 측에 구비되는 압축기(13)는 터빈(9) 구동의 강약에 따라 엔진 흡기 밀도의 고저를 제어하게 된다.

한편, 상기 터빈 축(11) 상에는 상기한 발전기(15)가 구비되어 있다. 이 발전기(15)는 터빈 축(11)의 구동에 따라 전기를 발생시킬 수 있도록 구성되어 있다.

즉, 발전기(15)를 구성하는 자석(19)이 터빈 축(11)에 고정 설치되어 있고, 코일(21)이 자석(19)의 외주에 설치되어 있다. 물론 자석(19)의 N극과 S극은 축(11)의 회전 방향에 대하여 교번 상태로 설치되어 있다. 따라서 터빈 축(11)이 회전함에 따라 이 터빈 축(11)에 고정되어 있는 자석(19)이 회전하게 되고, 이 자석(19)의 외주에 구비된 코일(21)에 전기가 유도된다.

이러한 코일(21)에 전자제어유닛(ECU)이 연결되어 있다. 이 전자제어유닛 (ECU)은 발전기(15)의 코일(21)에서 나오는 교류 주파수로 축(11)의 회전수를 산출하도록 구성되어 있다. 따라서 전자제어유닛(ECU)은 정류회로(23)에서 정류 전의 교류 주파수를 감지해야 하므로 도 3에 도시된 바와 같이, 코일(21)과 정류회로(23) 사이에 연결됨이 바람직하다.

이 발전기(15)는 전기를 발생시키면서 열을 발생시키고, 엔진의 배기 측에 설치되는 관계로 상당히 고열의 분위기에 설치되어 있다. 이러한 발전기(15), 터빈 축(11)과 베어링(17) 사이에 유막을 형성하는 오일을 냉각시키기 위하여 냉각수가 순환하는 냉각수 라인(25)이 발전기(15)의 외측에 구비되어 있다.

이 냉각수 라인(25)은 발전기의 냉각 효율을 극대화하기 위하여 그 입구(27)를 압축기(13) 측에 구비하고, 그 출구(29)를 터빈(9) 측에 구비하여 대각선 경로의 냉각수 흐름을 형성하고 있다. 이는 압축기(13) 측이 터빈(9) 측보다 저온임을 감안하여 입구(27)와 출구(29)가 바뀔 경우 냉각 효율은 떨어지게 된다.

이와 같이 구성되는 터보차저를 구비한 엔진이 기동하게 되면, 배기 가스에 의하여 터빈(9)이 구동하게 된다. 이 터빈(9)의 구동으로 터빈 축(11)과 압축기 (13)가 구동된다. 압축기(13)가 구동됨에 따라 엔진의 흡기가 압축되어 엔진의 출력을 높이게 된다.

이와 동시에 터빈 축(11)의 외주에 구비된 발전기(15)의 자석(19)이 회전하게 된다. 따라서 이 자석(19)의 외주에 구비된 코일(21)에는 전기가 발생되어 정류회로(23)를 통하여 배터리(미도시)에 충전 및 전장품에 인가된다.

한편, 도 4를 참조하여 설명하면, 코일(21)에 발생된 교류 주파수는 전자제어유닛(ECU)에 인가된다(ST10). 이 교류 주파수에 의한 전압과 터보차저의 회전수가 비례하므로 전자제어유닛(ECU)은 전압으로부터 터보차저의 회전수를 산출하여 (ST21), 허용 회전수와 비교한다(ST22).

이 터보차저의 회전수가 허용 회전수를 초과할 경우에, 전자제어유닛(ECU)은엔진의 연료량을 감소시켜(ST31) 엔진의 회전수를 감소시킨다. 이에 따라 터보차저의 회전수가 감소되므로 터보차저의 내구성 및 회전수가 허용 회전수 이내로 유지된다.

또, 터보차저의 회전수가 허용 회전수 미만일 경우, 전자제어유닛(ECU)은 엔진의 연료량을 유지시키는 제어를 한다(ST32).

그리고, 발전기(15)의 자선(19)이 회전하면서 코일(21)에 전기를 발생시킬 때, 냉각수 라인(25)의 입구(27)로 공급되는 냉각수는 발전기(15)의 외주를 순환하여 발전기(15)를 냉각시킨 후 출구(29)로 배출된다. 냉각수의 순환으로 발전기(15)는 과열되지 않게 된다.

이와 같이 본 발명의 터보차저는 터빈 축의 외측에 발전기를 구비하고, 이 발전기의 외측에 냉각수 라인을 구비하며, 발전기의 코일에 전자제어유닛을 연결하여 구성되므로, 대기압 센서를 이용하는 간접적인 방법으로 터보차저의 회전수를 측정하는 종래기술에 비하여, 터빈 축에 구비된 발전기에서 나와 정류되기 전의 교류 주파수로 축의 회전수, 즉 터보차저의 정확한 회전수를 감지하여 터보차저 및 엔진의 보호를 꾀할 수 있고, 배기가스에 의하여 구동되는 터빈 축의 구동력으로 발전기를 구동시키므로 엔진의 연비를 향상시킬 수 있으며, 종래기술에서와 달리, 엔진의 전방에 설치되는 발전기와 이 발전기 구동을 위한 벨트 및 체인을 제거하므로, 소음 및 내구성을 향상시킬 수 있다.

Claims

엔진의 배기 측에 제공되어 배기가스에 의하여 구동되는 터빈,

상기 터빈이 그 일측에 장착되며 다른 일측이 엔진의 흡기 측에 제공되어 베어링으로 회전 가능하게 지지되는 터빈 축,

상기 터빈 축 상에서 엔진의 흡기 측에 제공되고 상기 터빈 축과 함께 구동되어 엔진의 흡기를 압축시키는 압축기,

상기 터빈 축 상에 설치되어 상기 터빈 축 구동 시 전기를 발생시키는 발전기,

상기 발전기에서 나온 교류 주파수로 상기 터빈 축의 회전수를 산출하도록 상기 발전기의 코일에 연결되는 전자제어유닛을 포함하는 터보차저.
청구항 1에 있어서, 상기 발전기는 자석의 N극과 S극을 교번 위치하도록 상기 축의 외주에 고정 설치하여 상기 축과 함께 회전시키고, 전류가 유도되는 코일을 상기 자석의 외주에 설치함을 특징으로 하는 터보차저.
청구항 1에 있어서, 상기 발전기의 외측에 구비되어 상기 발전기를 냉각시키는 냉각수가 순환되는 냉각수 라인을 포함하는 터보차저.
청구항 3에 있어서, 상기 냉각수 라인은 상기 발전기의 외주에서 그 입구가상기 압축기 측에 구비되고, 그 출구가 상기 터빈 측에 형성됨을 특징으로 하는 터보차저.
엔진 배기 가스에 의한 터빈 축의 구동으로 발전기의 코일에서 발생된 교류 주파수가 전자제어유닛(ECU)에 인가되는 제10단계(ST10);

제10단계(ST10)의 교류 주파수로 판별한 터보차저의 회전수와 터보차저의 허용 회전수를 비교하는 제20단계(ST20);

제20단계(ST20)의 비교에 따라 엔진의 연료량을 증감 제어하는 제30단계 (ST30)를 포함하는 터보차저의 회전수를 이용한 엔진 제어방법.
청구항 5에 있어서, 상기 제20단계(ST20)는 발전기의 전압으로부터 터보차져의 회전수를 산출하는 제21단계(ST21);

제21단계(ST21)에서 산출한 터보차저의 회전수가 허용 회전수를 초과하는 지를 판단하는 제22단계(ST22)로 구성됨을 특징으로 하는 터보차저의 회전수를 이용한 엔진 제어방법.
청구항 5에 있어서, 상기 제30단계(ST30)는 상기 터보차저의 회전수가 허용 회전수를 초과하면 엔진 연료량을 감소시키는 제31단계(ST31);

상기 터보차저의 회전수가 허용 회전수를 초과하지 않으면 엔진 연료량을 유지시키는 제32단계(ST33)로 구성됨을 특징으로 하는 터보차저의 회전수를 이용한엔진 제어방법.