KR20040037779A - 가변 지오메트리 터보 차저의 터빈 속도 제어장치 및 방법 - Google Patents

가변 지오메트리 터보 차저의 터빈 속도 제어장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 터빈 입구 및 출구 온도 차이에 따라 자동으로 공기 누출(Air Leakage) 상태를 경고하는 가변 지오메트리 터보 차저의 터빈 속도 제어장치 및 방법에 관한 것으로, 터빈의 입/출구 배기관에 장착되어 상기 터빈의 입구 및 출구 온도를 검출하는 온도 검출부와; 상기 온도 검출부를 상시 모니터링하며, 상기 온도 검출부로부터 입력되는 신호들을 분석하여 터빈 입구 및 출구 온도 차이를 계산하고, 계산된 온도 차이값이 설정값을 초과하면 공기 누출(Air Leakage) 상태를 경고하는 경고 제어신호를 발생하는 터빈 속도 제어부와; 상기 터빈 속도 제어부로부터 공급되는 경고 제어신호의 입력에 따라 구동되어 공기 누출(Air Leakage) 상태를 경고하는 경고부를 포함하여 구성한다.

Description

가변 지오메트리 터보 차저의 터빈 속도 제어장치 및 방법{TURBINE VELOCITY CONTROLLING DEVICE OF VARIABLE GEOMETRY TURBOCHARGER AND METHOD THEREOF}
본 발명은 가변 지오메트리 터보 차저에 관한 것으로서, 특히 가변 지오메트리 터보 차저의 터빈 속도 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 가변 지오메트리 터보 차저(VGT ; Variable Geometry Turbocharger)는 터빈으로 유입되는 배기 가스 통과 면적을 가변적으로 운용하여 기존의 웨이스트 게이트 터보 차저(WGT ; Waste Gate Turbocharger) 대비 고토크/고출력화를 도모함과 동시에 저속 토크 마진을 동시에 얻고자 하는 목적으로 고안된 장치이다.
터빈으로 유입되는 통로의 면적을 제어하는 데에는 도 1에 도시된 바와 같이 베인(110)(Vane) 등의 회전 기구가 이용된다.
회전 기구로서의 터보(Turbo) 특성은 속도로 나타내어지며 속도는 엔진에서 터빈(Turbine)으로 입력(Input)되는 배기 에너지 및 이전(Transfer)율에 의해 결정되어진다.
터빈(Turbine)으로의 에너지 이전(Transfer(터빈 출력))은 배기 에너지의 특성에 의해 좌우되는데 저속/저유량 구간에서는 베인(110)(Vane)간의 유로를 좁혀 배기 가스의 속도(C 성분) 및 배기 가스의 속도 성분에서의 접선(Tangential)부분을 증가시켜 에너지 이전(Transfer)을 최대화시키며 배기 유량의 증가에 따라(m 성분 증대) 베인(110)(Vane) 유로를 넓게 하여 배기 가스의 속도 성분의 증가를 억제함과 동시에 접선(Tangential) 성분을 감소시켜 목표 터빈(Turbine) 출력을 달성한다.
여기서, 배기 에너지의 특성은 배기 가스량과 로터(Rotor)로 진입하는 배기 가스의 속도 및 입사각(Incident Angle(특히 접선(Tangential) 성분))을 말한다.
한편, 기존 가변 지오메트리 터보 차저(VGT) 제어 방식은 부스트 압력이 설정되면 가변 지오메트리 터보 차저(VGT) 액추에이터는 설정된 압력값을 맞추기 위해 회전 기구를 개폐시키게 된다.
예를 들어, 설정치 보다 실제 압력이 낮으면 회전 기구는 배기 가스 통로를 점점 좁게 만들어 압력을 증대시키는 방향으로 움직이게 되는데 만약 터보 차저~흡기관(In-Manifold) 사이의 고압부에 누출(Leakage)이 발생할 경우 실제 압력은 떨어지게 된다.
이렇게 되면 회전 기구는 점점 더 통로를 좁게 만들어 압력을 설정치 수준으로 높이려 들게 된다.
이 경우 터보 차저는 점점 더 많은 일을 하게 되고 이는 다르게 표현하면 터빈 입구 압력 및 터보 스피드를 증대시키게 되고 심할 경우 내구 한계 스피드 이상으로 터보 회전수를 급증시키게 되어 결국에는 터빈 고장(Failure)을 유발시키게 된다.
현재 터보 차저~흡기관 사이의 공기 누출(Air Leakage)을 감지하는 방법은 운전자의 육감에 의한 방법이 대부분인데 그것도 아주 큰 누출(Leakage)의 경우에나 소음 발생, 가속감 부족 등을 느낌으로서 감지될 수 있을 뿐 작은 누수에는 거의 무방비 상태로 노출되기가 쉽다.
웨이스트 게이트 터보 차저(WGT)와는 달리 가변 지오메트리 터보 차저(100)(VGT)의 경우는 터보 차저의 관성이 큰 관계로 터빈 속도의 내구 한계가 웨이스트 게이트 터보 차저(WGT) 보다 작은 것이 일반적이며 이를 달리 말하면 내구 한계 초과로 터빈이 고장(Failure)나기가 그만큼 쉽다는 것을 의미한다.
센서를 부착하여 모니터링(Monitoring) 하는 방법이 있으나 이는 웨이스트 게이트 터보 차저(WGT)의 작동 특성에만 국한 될 뿐 가변 지오메트리 터보 차저(VGT) 통제(Governing)를 행하는 즉 누출(Leakage)에 관계없이 어떠한 경우라도 설정 압력치 수준으로 근접시키려 드는 가변 지오메트리 터보 차저(VGT)의 경우에는 유용한 수단이 되지 못한다.
실제 현재 개발 중인 가변 지오메트리 터보 차저(VGT) 엔진의 내구 시험 도중 공기 누출(Air Leakage) 발생으로 터빈 입구 압력 및 터빈 속도 증대에 기인한 엔진의 전체 고장(Total Failure)을 야기한 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 터빈 입구 및 출구 온도 차이에 따라 자동으로 공기 누출(Air Leakage) 상태를 경고하는 가변 지오메트리 터보 차저의 터빈 속도 제어장치 및 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 일반적인 가변 지오메트리 터보 차저(VGT) 형상 및 작동상태를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가변 지오메트리 터보 차저의 터빈 속도 제어장치 구성을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가변 지오메트리 터보 차저의 터빈 속도 제어방법을 도시한 도면.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 가변 지오메트리 터보 차저의 터빈 속도 제어장치에 있어서, 상기 터빈의 입/출구 배기관에 장착되어 상기 터빈의 입구 및 출구 온도를 검출하는 온도 검출부와; 상기 온도 검출부를 상시 모니터링하며, 상기 온도 검출부로부터 입력되는 신호들을 분석하여 터빈 입구 및 출구 온도 차이를 계산하고, 계산된 온도 차이값이 설정값을 초과하면 공기 누출(Air Leakage) 상태를 경고하는 경고 제어신호를 발생하는 터빈 속도 제어부와; 상기 터빈 속도 제어부로부터 공급되는 경고 제어신호의 입력에 따라 구동되어 공기 누출(Air Leakage) 상태를 경고하는 경고부를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 가변 지오메트리 터보 차저의 터빈 속도 제어방법에 있어서, 상기 온도 검출부를 상시 모니터링 하여 상기 터빈의 입구 및 출구 온도를 검출하는 단계와; 상기 검출된 터빈의 입구 및 출구 온도 차이를 계산하는 단계와; 상기 계산된 온도 차이값과 설정값을 비교하는 단계와; 상기 계산된 온도 차이값이 설정값을 초과하면 공기 누출(Air Leakage) 상태를 경고하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해 예시한 것으로 본 발명이 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 가변 지오메트리 터보 차저의 터빈 속도 제어장치 구성을 설명한다.
본 발명의 실시예는 가변 지오메트리 터보 차저의 터빈 속도 제어장치에 있어서, 온도 검출부(210, 212), 터빈 속도 제어부(220), 경고부(230)를 포함하여 구성한다.
온도 검출부(210, 212)는 터빈의 입구 배기관에 장착되어 터빈의 입구 온도를 검출하는 터빈 입구 온도센서(210)와 터빈의 출구 배기관에 장착되어 터빈의 출구 온도를 검출하는 터빈 출구 온도센서(212)로 구성한다.
온도 검출부(210, 212)는 일반적인 온도 측정용이면 무방하되 내구성을 고려하여 온도, 압력이 각각 800℃, 3.5Bar 정도에 견딜 수 있는 것이면 바람직하다.
터빈 속도 제어부(220)는 기존 차량의 엔진 제어부(ECU)에 온도 채널 추가 및 로직(Logic)을 보강하여 구성할 수 있다.
터빈 속도 제어부(220)는 본 발명의 실시예에 따른 전반적인 터빈 속도 제어동작을 수행하며, 특히 본 발명의 실시예에서는 온도 검출부(210, 212)를 상시 모니터링하며, 온도 검출부(210, 212)로부터 입력되는 신호들을 분석하여 터빈 입구 및 출구 온도 차이를 계산하고, 계산된 온도 차이값이 설정값을 벗어나면 공기 누출(Air Leakage) 상태를 경고하는 경고 제어신호를 발생한다.
차량 운전 중 온도 검출부(210, 212)로부터 입력되는 온도 값은 터빈 속도 제어부(220)로 상시 모니터링 되는데 터빈 속도 제어부(220) 내에는 비교 연산자(Comparator)를 두어 입력(Input)으로 들어오는 두 온도 값을 항상 비교, 판단하게 한다.
터빈 속도 제어부(220)내의 비교되는 참조(Reference) 온도 차이값 데이터(Data)는 운전 조건에 따라 엔진 회전수(rpm) 및 연료량의 함수(f)로 정상 상태시의 터빈 입구 온도 및 출구 온도 값을 미리 입력시켜 놓는다.
이러한 상태에서 입력되는 온도 데이터(Input Data)가 참조 데이터(Reference Data) 대비 일정 한도 이내에 있으면 정상임을 표시해 주고, 만약 일정 범위를 벗어나면 1차로 예의 주시를, 더 많이 벗어나면 2차로 경고 신호를 발령하도록 설정할 수 있다.
경고부(230)는 터빈 속도 제어부(220)로부터 공급되는 경고 제어신호의 입력에 따라 구동되어 공기 누출(Air Leakage) 상태를 경고한다.
이러한 경고동작에 따라 가변 지오메트리 터보 차저(VGT) 안전을 위하여 연료량을 줄여주어 차량 운전자가 즉시 정비 공장으로 가도록 유도한다.
참고적으로, 도 2에 도시된 에어 클리너(A/C : Air Cleaner), 가변 지오메트리 터보 차저 액추에이터(VGT Actuator), 부스트 압력(BP : Boost Pressure), 진공 펌프(Vacuum Pump), 인터쿨러(Intercooler)의 상세한 설명은 생략한다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예는 터빈 입구 및 출구에 온도 검출부(210, 212)를 부착하여 상시 모니터링을 유지하다가 공기 누출(Air Leakage) 발생시의 터빈 입/출구 온도 차이가 일정 범위를 벗어날 때 경고부(230)를 통해 경고를 발령한다.
도 2와 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 가변 지오메트리 터보 차저의 터빈 속도 제어방법을 설명한다.
먼저, 터빈 속도 제어부(220)는 온도 검출부(210, 212)를 상시 모니터링 하여 터빈의 입구 및 출구 온도를 검출한다(S310~S312).
이어서, (S314)으로 진행하여 검출된 터빈의 입구 및 출구 온도 차이를 계산한다.
그리고, (S316)으로 진행하여 계산된 온도 차이값과 설정값을 비교한다.
만약, 전술한 (S316)에서 계산된 온도 차이값이 설정값을 초과하면 터빈 속도 제어부(220)는 (S318)으로 진행하여 공기 누출(Air Leakage) 상태를 경고한다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예는 공기 누출(Air Leakage)이 발생하는 경우 이를 조기에 감지하여 운전자에게 경고함으로써 차량 정비를 적기에 받도록유도한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 가변 지오메트리 터보 차저의 터빈 속도 제어장치 및 방법은 터빈 속도를 내구 한계 이하로 유지하도록 함으로써 내구 측면의 신뢰성 확보할 수 있다.
또한, 미세 공기 누출(Air Leakage)을 사전에 차단하여 배출가스 중 매연 발생을 억제할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 가변 지오메트리 터보 차저의 터빈 속도 제어장치에 있어서,
    상기 터빈의 입/출구 배기관에 장착되어 상기 터빈의 입구 및 출구 온도를 검출하는 온도 검출부와;
    상기 온도 검출부를 상시 모니터링하며, 상기 온도 검출부로부터 입력되는 신호들을 분석하여 터빈 입구 및 출구 온도 차이를 계산하고, 계산된 온도 차이값이 설정값을 초과하면 공기 누출(Air Leakage) 상태를 경고하는 경고 제어신호를 발생하는 터빈 속도 제어부와;
    상기 터빈 속도 제어부로부터 공급되는 경고 제어신호의 입력에 따라 구동되어 공기 누출(Air Leakage) 상태를 경고하는 경고부를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 가변 지오메트리 터보 차저의 터빈 속도 제어장치.
  2. 제1항의 구성을 갖는 가변 지오메트리 터보 차저의 터빈 속도 제어방법에 있어서,
    상기 온도 검출부를 상시 모니터링 하여 상기 터빈의 입구 및 출구 온도를 검출하는 단계와;
    상기 검출된 터빈의 입구 및 출구 온도 차이를 계산하는 단계와;
    상기 계산된 온도 차이값과 설정값을 비교하는 단계와;
    상기 계산된 온도 차이값이 설정값을 초과하면 공기 누출(Air Leakage) 상태를 경고하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변 지오메트리 터보 차저의 터빈 속도 제어방법.
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