KR20040031940A - 터보 랙 개선 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 터보 랙(turbo lag) 개선시스템에 관한 것이다.

이같은 본 발명은, 배기가스 출구측에 터보 고정자를 추가하여 배기가스를 터빈하우징으로 재순환시키므로서, 차량이 저속상태일 때 터보차저의 터빈 휠 가속도를 증가시키면서 입력축의 토크를 증대시켜 터보 랙 현상을 방지함은 물론, 차량의 출발 지연 및 언덕에서의 차량 밀림현상을 방지하는 등 차량의 발진 가속 성능을 향상시킬수 있도록 하는 차량의 터보 랙 개선시스템을 제공한다.

Description

터보 랙 개선 시스템{Turbo rack reduction system}

본 발명은 차량의 터보 랙(turbo lag) 개선시스템에 관한 것으로서, 특히 차량이 저속(idle)상태일 때 터보차저(turbo charger)의 터빈 휠(wheel) 가속도를 증가시키면서 입력축의 토크를 증대시켜 터보 랙에 따른 차량의 출발 지연 및 언덕에서의 차량 밀림현상을 방지할수 있도록 하는 차량의 터보 랙 개선시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 터보차저란 배기가스로 배출되는 에너지를 이용하여 터빈 휠을 구동하는 한편, 동일축상에 있는 컴프레서 임펠러를 고속으로 구동시키면서 흡입공기를 압축시켜 연소실내로 과급하는 장치를 말하며, 이는 공기의 충진효율을 높여 차량의 연소성능을 향상시키고 고출력 엔진을 구현하기 위함이다.

즉, 도 1에 도시된 바와같이, 터보차저는 터빈 휠(1)과 컴프레서 임펠러(2)로 구성되는 터보차저를 사용하여 흡입공기량을 증가시켜 출력을 향상시키는 구조를 이루고 있다.

즉, 배기가스 입구(3)를 통해 터빈 휠(1)을 통과하면서 상기 터빈 휠(1)에 에너지를 공급하게 되고, 상기 터빈 휠(1)은 축에 의해 연결된 컴프레서 임펠러(2)에 상기와 같은 에너지를 회전에너지로 전달하게 된다.

이때, 상기 컴프레서 임펠러(2)는 흡입공기를 압축한 후 이를 흡기다기관(4)으로 보내므로서, 상기 흡입공기는 자연흡기엔진에 비해 높은 밀도로 엔진에 공급되는 것이다.

그러나, 차량이 저속상태에서는 배기가스의 터빈 구동력이 매우 부족하여 터보차저에서 랙 현상이 발생하는 단점을 가지고 있다.

이때, 상기와 같이 터보 랙 현상이 발생하는 이유는 급격한 스로틀밸브 열림에 따른 회전 저항 및 공기 유로상의 저항을 의미하는 것으로, 이는 차량의 초기 발진시 유입되는 공기량의 부족으로 일정한 연료를 주입하였을 때 매연이 발생하는 문제를 해소하기 위해 대부분 연료량을 줄이게 되는데, 이때 연료량의 감소로 차량의 토크도 함께 감소되는 바, 이로인하여 차량의 발진성이 떨어짐은 물론, 언덕에서의 차량 밀림현상 등이 발생하게 되는 것이다.

즉, 종래에는 운전자가 차량을 정지시킨 후 엑셀페달(스로틀밸브)을 급격히 밟았을 때 터보차저는 과급되지 않은 상태에서 과급상태까지 도달하는데 약간의 시간(약 2∼3초 정도)이 걸리는 터보 랙 현상이 발생하는데, 이러한 터보 랙 현상으로 인해 운전자는 차량이 무겁다고 판단하는 경우가 많았으며, 특히 언덕에서 차량을 출발시키고자 할 경우에는 터보 랙 현상으로 인해 차량이 뒤로 밀리는 현상이 발생하는 단점을 가지게 되었다.

도 2는 이러한 터보 순간 차량 발진에 따른 차량 속도 및 터보차저의 부스터 압력을 실측한 데이타 그래프를 보여주고 있다.

한편, 종래에는 상기와 같은 터보 랙 현상을 개선하기 위해 여러가지의 방법들이 시행되고 있는데, 그중 저속구간에서 터빈하우징(5)의 베인을 작동시켜 속도에너지를 최대화하는 VGT터보와, 터빈 휠(1)을 강제 구동시켜 저속구간에서의 토크 향상을 도모하도록 터보차저에 전자 모터를 추가하는 경우가 있다.

그러나, 상기 VGT터보의 경우에는 터보차저와의 매칭이 어려울뿐만 아니라, 가격이 상승함은 물론 터보차저의 부피가 증가되는 단점을 가지고 있다.

그리고, 전자모터를 추가하는 경우에도 터보차저의 가격이 상승함은 물론, 터보차저의 부피 및 무게 증가되고, 더불어 전기장치를 새로 추가하여야 하는 단점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 배기가스 출구측에 터보 고정자를 추가하여 배기가스를 터빈하우징으로 재순환시키므로서, 차량이 저속상태일 때 터보차저의 터빈 휠 가속도를 증가시키면서 입력축의 토크를 증대시켜 터보 랙 현상을 방지함은 물론, 차량의 출발 지연 및 언덕에서의 차량 밀림현상을 방지하는 등 차량의 발진 가속 성능을 향상시킬수 있도록 하는 차량의 터보 랙 개선시스템을 제공하려는 것이다.

도 1은 종래에 적용되는 터보차저의 분해도.

도 2는 종래 차량의 터보 순간 발진에 따른 차량속도 및 터보차저의 부스터 압력을 실측한 데이타 그래프.

도 3은 본 발명의 일실시예로 터보차저의 배기가스 출구로 터보 고정자가 결합되는 상태의 분해도.

도 4는 본 발명의 일실시예로 터보차저의 배기가스 출구에 터보 고정자를 결합시킨 상태도.

도 5는 도 3 의 A-A선 단면도.

도 6은 본 발명의 일실시예로 터보차저에 형성된 체크밸브의 작동조건을 보인 흐름도.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 터빈 휠 2 : 컴프레서 임펠러

3 : 배기가스 입구 4 : 흡기다기관

5 : 터빈하우징 6 : 배기가스 출구

10 : 터보가압펌프유로 20 : 터보 고정자

21 : 블레이드 30 : 배기가스 재순환유로

40 : 체크밸브

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 일실시예로 터보차저의 배기가스 출구로 터보 고정자가 결합되는 상태의 분해도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예로 터보차저의 배기가스 출구에 터보 고정자를 결합시킨 상태도이며, 도 5는 도 3 의 A-A선 단면도 이다.

도 3 내지 도 5에 도시된 바와같이, 배기가스 입구(3)를 통해 흡입되는 공기량을 증가시켜 차량의 출력을 향상시키도록 터빈 휠(1), 컴프레서 임펠러(2), 흡기다기관(4), 터빈하우징(5), 배기가스 출구(6) 등을 포함하는 터보차저에 있어서,

상기 터빈하우징(5)과 일체로 형성되면서 후술하는 터보 고정자(turbo stator)(20)에서의 배기가스를 가압시키는 터보가압펌프유로(10);

상기 배기가스 출구(6)에 이탈이 방지되도록 결합되어 터빈 휠(1)을 통과한 배기가스의 일부를 터보가압펌프유로(10)로 안내하도록 스크롤(scroll) 형태로 이루어진 다수개의 블레이드(blade)(21)를 가지는 터보 고정자(20);

상기 터보가압펌프유로(10)의 끝단에 일체로 형성되어 터빈하우징(5)으로 배기가스를 재순환시키는 배기가스 재순환유로(30); 및,

상기 배기가스 재순환유로(30) 및 터빈하우징(5)의 사이에 형성하되, 전자제어유닛(ECU)의 TPS센서(도시하지 않음)로 부터 출력되는 신호에 따라 배기가스 재순환유로(30)에 의해 터빈하우징(5)으로 재순환되는 배기가스를 압축시키는 체크밸브(40); 를 더 포함하여 구성함을 특징으로 한다.

다른 일면에 따라, 상기 체크밸브는 도 6에 도시된 바와같이,

엔진의 RPM으로 부터 차량이 중고속구간(예; 800 RPM 이상)으로 진행될 경우와, 엔진의 RPM으로 부터 차량이 저속구간(예; 800 RPM 이하)으로 진행되어 TPS센서의 변동값이 TPS전압변동값 >= 2V/s^2 가 아닐 경우 닫힘동작을 하여 재순환 가압터보의 작동을 정지시키고,

엔진의 RPM으로 부터 차량이 저속구간(예; 800 RPM 이하)으로 진행되어 TPS센서의 변동값이 TPS전압변동값 >= 2V/s^2 일 경우 개방되어 재순환 가압터보를 작동시키도록 하였다.

여기서, 상기 터보 고정자(20)는 배기가스 출구(6)에 억지 끼움방식으로 결합하여 그 이탈이 방지되도록 하였다.

이와같이 구성된 본 발명의 일실시예에 대한 작용을 첨부된 도 3 내지 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 엔진의 정상작동으로 배기가스가 배기가스 입구(3)를 통해 터빈 휠(1)을 통과하면서 상기 터빈 휠(1)에 에너지를 공급하게 되고, 상기 터빈 휠(1)은 축에 의해 연결된 컴프레서 임펠러(2)에 상기와 같은 에너지를 회전에너지로 전달한다.

그러면, 상기 컴프레서 임펠러(2)는 흡입공기를 압축한 후 이를 흡기다기관(4)으로 보내므로서, 상기 흡입공기는 자연흡기엔진에 비해 높은 밀도로 엔진에 공급된다.

이때, 터보차저의 배기가스 재순환유로(30)와 터빈하우징(5)의 사이에 형성된 체크밸브(40)는 전자제어유닛의 TPS센서로 부터 출력되는 신호에 따라 그 개방과 닫힘동작이 이루어진다.

즉, 차량이 중고속구간으로서, 차량 엔진이 800 RPM 이상이거나 또는 차량엔진이 800 RPM 이하로서 TPS센서의 변동값이 TPS전압변동값 >= 2V/s^2 가 아닌 경우, 상기 체크밸브(40)는 전자제어유닛의 제어동작에 따라 닫힘동작을 하면서 재순환 가압터보의 작동을 정지시킨다.

그러나, 차량이 저속구간으로서, 차량 엔진이 800 RPM 이하로서 TPS센서의 변동값이 TPS전압변동값 >= 2V/s^2 인 경우, 상기 체크밸브(40)는 전자제어유닛의 제어동작에 따라 개방되면서 재순환 가압터보를 작동시켜 배기가스 재순환유로(30)에 의해 터빈하우징(5)으로 재순환되는 배기가스를 압축시키게 되는 것이다.

이를 보다 구체적으로 살펴보면, 차량이 저속구간으로 진행되어 체크밸브(40)가 전자제어유닛에 의해 개방될 경우, 배기가스 출구(6)에 이탈이 방지되도록 결합되면서 스크롤 형태로서 다수개의 블레이드(21)를 가지는 터보 고정자(20)는 터빈 휠(1)을 통과한 배기가스의 일부를 터빈하우징(5)과 일체로 형성된 터보가압펌프유로(10)로 안내한다.

그러면, 상기 터보가압펌프유로(10)는 터보 고정자(turbo stator)(20)에 의해 안내되는 배기가스를 가압한다.

이때, 상기 터보가압펌프유로(10)의 끝단에 일체로 형성된 배기가스 재순환유로(30)에서는 상기 터보가압펌프유로(10)를 통해 가입된 배기가스를 터빈하우징(5)으로 재순환시킨다.

그러면, 상기 배기가스 재순환유로(30)와 터빈하우징(5)의 사이에 형성된 체크밸브(40)는 전자제어유닛의 TPS센서로 부터 출력되는 신호에 따라 개방되어 배기가스 재순환유로(30)에 의해 터빈하우징(5)으로 재순환되는 배기가스를 압축시키므로서, 차량이 저속구간으로 진행되거나 또는 경사진 곳에서의 발진이 이루어질 때 터빈 휠(1)의 가속도는 물론 토크를 증대시켜 터보 랙 현상을 방지할수 있게 되는 것이다.

여기서, 상기 흡기다기관(4)을 통과한 배기가스가 배기가스 재순환유로(30)로 흡입되는 것을 방지하여야 하는데, 이는 최적의 흡입효율을 창출하기 위함이다.

즉, 본 발명은 공기의 압축이 원심력에 의존하고 그 원심력은 컴프레서 임펠러(2)의 회전속도에 비례하는 것을 이용하여 터빈 휠(1)의 가속도를 증가시키므로서, 터보차저로 부터 발생되는 터보 랙 현상을 방지할수 있게 되는 것이다.

다시말해, 상기 터빈 휠(1)의 가속도는 입력축의 토크에 비례하므로, 상기 토크를 증가시키기 위해 배기가스를 재순환시키는 것이다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명 차량의 터보 랙 개선시스템은 배기가스 출구측에 터보 고정자를 추가하여 배기가스를 터빈하우징으로 재순환시키므로서, 차량이 저속상태일 때 터보차저의 터빈 휠 가속도를 증가시키면서 입력축의 토크를 증대시켜 터보 랙 현상을 방지함은 물론, 차량의 출발 지연 및 언덕에서의 차량 밀림현상을 방지하는 등 차량의 발진 가속 성능을 향상시키는 효과를 제공한다.더불어, 본 발명은 버려지는 배기가스를 이용하므로 추가적인 동력소모가 없으며, 종래와 같이 터보 랙 개선을 위해 터보차저의 부피 및 무게를 증가시키지 않더라도 저속구간에서 터보 랙 현상을 방지하면서 그 터보 효율을 향상시킬수 있는 것이다.

Claims (2)

1. 배기가스 입구를 통해 흡입되는 공기량을 증가시켜 차량의 출력을 향상시키도록 터빈 휠, 컴프레서 임펠러, 흡기다기관, 터빈하우징, 배기가스 출구 등을 포함하는 터보차저에 있어서,

   상기 터빈하우징과 일체로 형성되면서 후술하는 터보 고정자에서의 배기가스를 가압시키는 터보가압펌프유로;

   상기 배기가스 출구에 이탈이 방지되도록 결합되어 터빈 휠을 통과한 배기가스의 일부를 터보가압펌프유로로 안내하도록 스크롤 형태로 이루어진 다수개의 블레이드를 가지는 터보 고정자;

   상기 터보가압펌프유로의 끝단에 일체로 형성되어 터빈하우징으로 배기가스를 재순환시키는 배기가스 재순환유로; 및,

   상기 배기가스 재순환유로 및 터빈하우징의 사이에 형성하되, 전자제어유닛의 TPS센서로 부터 출력되는 신호에 따라 배기가스 재순환유로에 의해 터빈하우징으로 재순환되는 배기가스를 압축시키는 체크밸브; 를 더 포함하여 구성함을 특징으로 하는 차량의 터보 랙 개선시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 체크밸브는,

   엔진의 RPM으로 부터 차량이 중고속구간으로 진행될 경우와, 엔진의 RPM으로부터 차량이 저속구간으로 진행되어 TPS센서의 변동값이 TPS전압변동값 >= 2V/s^2 가 아닐 경우 재순환 가압터보의 작동을 정지시키도록 닫힘동작을 하고,

   엔진의 RPM으로 부터 차량이 저속구간으로 진행되어 TPS센서의 변동값이 TPS전압변동값 >= 2V/s^2 일 경우 재순환 가압터보를 작동시키도록 개방됨을 특징으로 하는 차량의 터보 랙 개선시스템.