KR20040042519A

KR20040042519A - 터보차저 시스템 및 제어방법

Info

Publication number: KR20040042519A
Application number: KR1020020070829A
Authority: KR
Inventors: 장성진
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2002-11-14
Filing date: 2002-11-14
Publication date: 2004-05-20

Abstract

본 발명의 터보차저 시스템은 흡기 압축 성능을 용이하게 제어하여 엔진의 출력을 요구 출력으로 정확하게 제어하고 휘슬 소음을 저감시키기 위하여, 엔진의 흡기 라인으로 흡기를 압축 공급하는 컴프레서(11), 이 컴프레서의 브레이드를 일측에 장착하고 있는 터보차저 축을 벡터 제어 방식으로 구동시키도록 이 터보차저 축의 다른 일측에 장착되는 3상 교류 전동기(13), 이 전동기의 rpm을 컴프레서의 요구 rpm으로 제어하는 ECU, 그리고 이 ECU에 전기적으로 연결되어 컴프레서의 rpm을 감지하여 인가시키는 rpm 센서(15)로 구성되어 있다.

Description

터보차저 시스템 및 제어방법{TURBO CHARGER SYSTEM AND CONTROLLING METHOD}

본 발명은 터보차저 시스템 및 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 엔진 출력을 효과적으로 제어하고 축 진동에 따른 휘슬 소음을 저감시키는 터보차저 시스템 및 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 디젤 엔진에 장착되는 터보차저는 도 1에 도시된 바와 같이 터보차저 축(1)으로 연결된 터빈(3)과 컴프레서(5)로 구성되어 있다.

이 터보차저는 배출가스(a)의 압력에 의하여 터빈 브레이드(7)가 구동되고, 이에 따라 터보차저 축(1)의 다른 일측에 장착된 컴프레서 브레이드(9)가 구동되어 엔진으로 유입되는 흡기량(b)을 증대시켜 엔진의 출력을 향상시킨다.

이와 같이 터보차저 축(1)의 양단에 터빈 브레이드(7)와 컴프레서 브레이드(9)를 장착하고 터빈 브레이드(7)에 배출가스가 작용하여 컴프레서 브레이드(9)를 흡기를 유입함에 따라, 양 브레이드(7, 9)에는 필연적으로 크기가 다른 부하가 작용하게 된다.

이 부하의 차이에 의하여, 터보차저 축(1)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상하 방향으로 진동하게 된다. 이 진동은 배기관을 통하여 공기로 전달되어 터보차저의 휘슬 소음을 발생시킨다. 이 휘슬 소음은 터보차저 축(1)의 길이가 길어짐에 따라 축(1)의 거동이 커지게 되어 더욱 증가하게 된다.

또한, 터보차저는 컴프레서(5)의 흡기 압축 성능을 엔진의 배출가스에만 전적으로 의존하고 있기 때문에 엔진의 출력을 원하는 대로 제어하기 어려운 한계를 가지고 있고, 배기계의 고온이 전달됨에 따라 열해의 가능성을 가지며, 이를 방지하기 위하여 냉각계를 별도로 설치하여야 하며, 웨이스트 게이트 작동시나 터보차저 미 작동 구간에서는 배출가스를 터빈(1)의 출구로 바이패스시켜 대출가스 동력을 손실시키는 등 많은 문제점들을 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해소하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 흡기 압축 성능을 용이하게 제어하여 엔진의 출력을 요구 출력으로 정확하게 제어하고 휘슬 소음을 저감시키는 터보차저 시스템 및 제어방법을 제공한다.

이 터보차저 시스템은 엔진의 흡기 라인으로 흡기를 압축 공급하는 컴프레서,

이 컴프레서의 브레이드를 일측에 장착하고 있는 터보차저 축을 벡터 제어 방식으로 구동시키도록 이 터보차저 축의 다른 일측에 장착되는 전동기,

이 전동기의 rpm을 컴프레서의 요구 rpm으로 제어하는 ECU,

이 ECU에 전기적으로 연결되어 컴프레서의 rpm을 감지하여 인가시키는 rpm 센서를 포함한다.

상기 전동기는 터보차저 축에 고정 장착되는 로터와 ECU에 연결되는 스테이터로 구성되는 3상 교류 전동기로 구성되어 있다.

상기 ECU는 전동기를 제어함과 동시에 컴프레서로 유입되는 흡기량을 제어하도록 컴프레서의 흡기 측에 구비되는 버터프라이 밸브에 전기적으로 연결되어 있다.

상기 ECU는 배터리의 직류 전류를 3상 교류 전류를 변환하여 스테이터에 여자 전류를 공급하여 전동기의 로터를 직접 제어하도록 인버터를 개재하여 전동기에 전기적으로 연결되어 있다.

이와 같이 구성되는 터보차저 시스템의 제어방법은 컴프레서의 rpm신호가 입력되고,

이 신호에 따른 컴프레서 측정 rpm과 컴프레서의 요구 rpm을 비교하며,

상기 측정 rpm과 요구 rpm의 차이에 따라 컴프레서 회전 속도 제어 변수를 설정하고,

이 변수에 상응하도록 전동기의 스테이터에 여자 전류를 공급하며,

이 여자 전류로 전동기의 로터를 회전시키고,

컴프레서의 요구 rpm과 실제 측정 rpm이 허용 범위 내에서 일치하는 가를 판단하며,

이 판단에서 허용 범위를 벗어나면 스테이터에 여자 전류 공급 단계로 피드백 제어하고, 허용 범위에 들어오면 컴프레서의 실제 rpm으로 전동기의 로터를 회전 제어한다.

도 1은 종래기술에 따른 터보차저의 개략적인 구성도.

도 2는 종래기술에 따른 터보차저의 작동 상태도.

도 3은 본 발명에 따른 터보차저 시스템의 개략적인 구성도.

도 4는 본 발명에 따른 터보차저 시스템의 제어방법 순서도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

11 : 컴프레서13 : 전동기

15 : rpm 센서17 : 터보차저 축

19 : 브레이드21 : 버터프라이 밸브

23 : 배터리25 : 인버터

본 발명의 이점과 장점은 이하의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명함으로서 보다 명확하게 될 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 터보차저 시스템의 개략적인 구성도로서, 컴프레서(11)와 전동기(13), ECU, 그리고 rpm 센서(15)를 포함하고 있으며, ECU로 전동기(13)의 rpm을 컴프레서(11)의 요구 rpm으로 제어하여, 컴프레서(11)의 흡기 압축 성능을 향상시켜 엔진 출력을 요구 출력으로 정확하게 제어하도록 구성되어 있다.

먼저, 컴프레서(11)는 엔진(미도시)의 흡기 라인으로 흡기(c)를 압축 공급하여 엔진 출력을 향상시키도록 터보차저 축(17)의 일측에 장착되는 브레이드(19)를 구비하고 있다.

이 컴프레서(11)는 종래기술의 터보차저에서와 같은 터빈(미도시)에 의하여 작동되는 것이 아니고 전동기(3)에 의하여 작동되도록 구성되어 있으므로 터빈의 열해 가능성을 제거하고 터보차저 축(17)의 길이를 절단으로 단축시킬 수 있다. 이와 같이 터버차저 축(17)의 길이를 단축시킴에 따라 진동이 줄어들고, 이 진동에 따른 휘슬 소음이 줄어들게 된다.

이 컴프레서(11) 브레이드(19)가 회전함에 따라 컴프레서(11)의 흡기 측에 구비된 버터프라이 밸브(21)를 통하여 유입되는 흡기(c)가 엔진의 흡기 라인 측으로 압축 공급된다.

컴프레서(11)의 브레이드(19)를 회전시켜 흡기(c)를 압축 공급하도록 터보차저 축(17)의 다른 일측에는 상기 전동기(13)가 장착되어 있다. 이 전동기(13)는 터보차저 축(17)을 벡터 제어방식으로 구동시키는 3상 교류 전동기로 구성되어 있다.

이 3상 교류 전동기는 크게 로터(19)와 스테이터(21)로 구성된다. 로터(19)는 터보차저 축(17)에 고정 장착되어 터보차저 축(17)과 함께 구동된다. 따라서 로터(19)의 rpm은 터버차저 축(17) 및 컴프레서(11)의 rpm과 동일하게 된다. 그리고 스테이터(21)는 로터(19)의 외주에 제공되어 ECU에 전기적으로 연결되어 있다.

이 ECU는 전동기(13)의 rpm을 컴프레서(11)의 요구 rpm으로 제어하도록 구성되어 있다. 전동기(13)의 제어 로직은 통상의 것이 사용되므로 이에 대한 구체적인 설명을 생략한다.

이 ECU는 상기 전동기(13)를 제어함과 동시에 컴프레서(1)로 유입되는 흡기량을 제어하도록 상기 버터프라이 밸브(21)에 전기적으로 연결되어 있다. 이 버터프라이 밸브(21)는 모터 구동 타입으로서, 이 모터(미도시)는 ECU에 전기적으로 연결되어 있다.

한편, 상기 ECU는 직류 전동기(13)를 사용하는 경우 배터리(23)의 직류 전류로 전동기(13)를 직접 제어할 수도 있지만, 여기서는 3상 교류 전동기가 사용되고 있는 바, 인버터(25)를 개재하여 전동기(3)를 제어하는 구성을 예시하고 있다.

이 인버터(25)는 배터리(23)의 직류 전류를 3상 교류 전류를 변환시켜서 전동기(3)를 제어하도록 구성되어 있다. 따라서 전동기(13)의 스테이터(19)는 인버터(25)에 전기적으로 연결되어 인버터(25)로부터 공급되는 여자 전류에 의하여 로터(21) 주위에 회전 자계를 형성하여 로터(21)를 회전시킨다.

이 전동기(13)의 로터(21)를 구동시켜 컴프레서(11)의 실제 rpm을 요구 rpm에 일치되게 제어하여 엔진의 출력을 요구 출력에 이르게 하도록 컴프레서(11)에는 상기 rpm 센서(15)가 구비되어 있다. 이 rpm 센서(15)는 컴프레서(11)의 실제 rpm을 감지하여 ECU에 인가시킨다.

이 rpm 센서(15)의 신호에 의하여 ECU는 컴프레서(11)의 실제 rpm을 판단하게 된다.

이와 같이 구성된 터보차저 시스템은 도 4에 도시된 바와 같은 제어방법에 따라 제어된다.

엔진의 기동과 동시에 rpm 센서(15)는 컴프레서(11)의 rpm신호를 ECU에 입력한다(ST10).

이 신호에 따라 ECU는 컴프레서(11)의 실제 측정 rpm과 엔진 출력에 상응하는 컴프레서(11)의 요구 rpm을 비교하게 된다(ST20). 컴프레서(11)의 요구 rpm은 ECU에 맵핑되어 있다.

상기 비교에 따라 ECU는 컴프레서(11)의 실제 측정 rpm과 요구 rpm의 차이에 상응하는 컴프레서 회전 속도 제어 변수를 설정한다(ST30). 이 제어 변수는 전동기(13)를 제어할 여자 전류 및 전압이다.

이 제어 변수에 따라 ECU는 인버터(25)에 신호를 보내고, 이 신호에 따라 인버터(23)는 전동기(13)의 스테이터(19)에 여자 전류를 공급한다(ST40).

이 여자 전류는 전동기(13)의 로터(21) 주변에 회전 자계를 형성하여 로터(21)를 회전시킨다(ST50).

이때 컴프레서(11)의 요구 rpm과 실제 측정 rpm이 허용 범위 내에서 일치하는 가를 판단한다(ST60). 이 허용 범위는 컴프레서(11)의 실제 rpm과 엔진의 실제 출력과의 관계를 맵핑하여 ECU에 저장되어 있으며, 이는 터보차저의 사양에 따라 각각 다르게 나타나게 된다.

상기 판단에서 컴프레서(11)의 요구 rpm과 실제 측정 rpm이 허용 범위를 벗어나게 되면 스테이터(19)에 여자 전류 공급하는 단계(ST40)로 피드백 제어하고, 허용 범위에 들어오면 컴프레서(11)의 실제 rpm으로 전동기(13)의 로터(21)를 회전 제어한다(ST70).

이와 같이 본 발명의 터보차저 시스템 및 제어방법은 터보차저 축의 양단에 컴프레서 브레이드와 벡터 방식의 전동기를 구비하고, rpm 센서로 컴프레서의 rpm을 측정케 하며, 컴프레서의 측정 rpm과 요구 rpm을 비교하여 컴프레서 rpm을 요구 rpm으로 제어함으로서, 배출가스의 압력으로 컴프레서를 제어하여 흡기 압축 성능을 향상시키던 종래기술에 비하여, 흡기 압축 성능을 용이하고 정확하게 제어하여 엔진의 출력을 요구 출력으로 정밀하게 제어할 수 있고, 터보차저 축을 짧게 함으로서 진동에 의한 휘슬 소음을 저감시킬 수 있다. 또한 이 터보차저 시스템은 배기계로 별도로 설치 가능하므로 고온에 노출되지 않아 열해를 방지할 수 있고 냉각계를 별도로 구비할 필요가 없게 한다.

Claims

엔진의 흡기 라인으로 흡기를 압축 공급하는 컴프레서,

상기 컴프레서의 브레이드를 일측에 장착하고 있는 터보차저 축을 벡터 제어 방식으로 구동시키도록 이 터보차저 축의 다른 일측에 장착되는 전동기,

상기 전동기의 rpm을 컴프레서의 요구 rpm으로 제어하는 ECU,

상기 ECU에 전기적으로 연결되어 컴프레서의 rpm을 감지하여 인가시키는 rpm 센서를 포함하는 터보차저 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 전동기는 터보차저 축에 고정 장착되는 로터와 ECU에 연결되는 스테이터로 구성되는 3상 교류 전동기로 구성되는 터보차저 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 ECU는 전동기를 제어함과 동시에 컴프레서로 유입되는 흡기량을 제어하도록 컴프레서의 흡기 측에 구비되는 버터플라이 밸브에 전기적으로 연결되는 터보차저 시스템.
청구항 1, 2, 또는 3에 있어서, 상기 ECU는 배터리의 직류 전류를 3상 교류 전류를 변환하여 스테이터에 여자 전류를 공급하여 전동기의 로터를 직접 제어하도록 인버터를 개재하여 전동기에 전기적으로 연결되는 터보차저 시스템.
컴프레서의 rpm신호가 입력되고,

상기 신호에 따른 컴프레서 측정 rpm과 컴프레서의 요구 rpm을 비교하며,

상기 측정 rpm과 요구 rpm의 차이에 따라 컴프레서 회전 속도 제어 변수를 설정하고,

상기 변수에 상응하도록 전동기의 스테이터에 여자 전류를 공급하며,

상기 여자 전류로 전동기의 로터를 회전시키고,

컴프레서의 요구 rpm과 실제 측정 rpm이 허용 범위 내에서 일치하는 가를 판단하며,

상기 판단에서 허용 범위를 벗어나면 스테이터에 여자 전류 공급 단계로 피드백 제어하고, 허용 범위에 들어오면 컴프레서의 실제 rpm으로 전동기의 로터를 회전 제어하는 터보차저 시스템의 제어방법.