KR20080003392A - 연소 엔진에서의 부스트 조절 - Google Patents

Abstract

예비 스월 발생창치에 의해, 정상상태로 엔진이 작동하는 경우 압축기 입구에서 압축기 회전방향으로 스월을 증가시키면 압축기의 회전속도 선이 이동하여 압축기의 정상상태 작동점은 대략 압축기의 흡수 한계에서 정지하게 된다. 이러한 방법으로 과급 압력 레벨은 제어된 방법으로 각각의 엔진 작동점에 필요한 값으로 조절된다.

엔진 부하가 갑자기 증가하는 경우, 예비 스월 그레이트를 재설정하여 시간을 소비하는 로터의 가속 없이도 과급 압력을 생성할 수 있다.

따라서, 예비 스월 발생장치는 동시에 과급 압력과 엔진 부하 제어의 기능을 동시에 수행한다.

과급기

Description

연소 엔진에서의 부스트 조절 {BOOST REGULATION FOR A COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 슈퍼 과급식 내연기관에 관한 것이다. 본 발명은 내연기관의 과급을 제어하는 시스템 및 슈퍼 과급식 내연기관을 작동하는 방법에 관한 것이다.

넓은 회전속도 및 부하 범위에서 작동하는 슈퍼 과급식 내연기관은 일반적으로 이하의 둘 이상의 제어 시스템 (연료 공급을 통해 엔진 동력을 제어하는 주 제어 시스템, 매 작동점마다 과급 시스템에서 필요로 하는 과급 압력을 생성할 수 있는 보조 제어 시스템) 을 필요로 한다.

디젤 엔진의 경우 넓은 범위에서 공기와 연료 양의 제어를 독립적으로 할 수 있음에 반하여, 스파크 점화식 엔진의 경우 공기/연료 비의 범위는 매우 제한되어 있다. 이러한 이유로, 일정한 공기/연료 혼합물을 위해 하나의 양 제어부에 의해 실질적으로 엔진 동력을 제어한다.

승객이 타는 차량에 사용되는 것과 같은 소형 스파크 점화식 엔진의 경우 가장 크게 요구됨을 알 수 있다. 일반적으로 터빈측 과압 밸브를 이용하는 제 1 제어부 (이른바 "웨이스트게이트 (wastegate) 제어") 와, 스로틀 플랩에 의한 제 2 제어부가 있다. 상기 터빈측 과압 밸브에 의해 예를 들어 2000 ~ 6000 rev/min 의 엔진 회전 속도 범위에서 과급 압력이 거의 일정하게 유지되고, 스로틀 플랩은 과급 압력을 현 엔진 작동점이 필요로 하는 레벨까지 스로틀한다. 스로틀 플랩은 동시에 가속에 필요한 예비분을 생성한다. 터보 과급기가 최대의 과급 압력을 전달하고 스로틀 플랩이 이에 상응하여 상기 최대 과급 압력을 스로틀한다면, 스로틀 플랩을 열어서 스로틀된 과급 압력을 방출하고 순간적으로 동력을 상승시킬 수 있다. 엔진 동력이 낮아서 과압 밸브 (웨이스트게이트) 가 닫혔음에도 불구하고 배기가스 터보 과급기의 터빈이 최대 과급 압력을 전달하기에 충분한 에너지를 받지 못하는 경우 터보 래그의 문제가 발생하게 된다. 이러한 경우, 필요한 토크가 내연기관으로부터 발생될 수 있기 이전에 과급기 로터를 가속해야 한다. 이는 모터의 회전 속도가 낮은 범위인 경우, 예를 들어 1000 ~ 2000 rev/min 의 경우에 특히 중요하다.

과거에는 이 터보 래그의 문제를 없애기 위하여, 배기 가스 터보 과급기 압축기의 입구에서 공기에 스월을 추가로 발생시켜서 터보 과급기 회전 속도를 올리는 여러 가지 방법들을 시험하였다.

동력 생산이나 큰 고정 배치 기계를 구동하는 등에 사용되는 대형 스파크 점화식 엔진의 경우, 승객이 타는 차량 엔진에 비하여 회전 속도의 범위가 매우 작다. 여기서, 엔진의 효율이 더욱 중요한 역할을 한다. 전술한 압력 제어 방법 및 고려할 수 있는 압력 제어 방법은 손실을 수반하게 되는데, 이 결과 이런 방법들은 대형 엔진에서 매우 제한적인 범위에서만 사용된다. 이러한 이유로, 과급 압력이 제어 없이 각각의 작동점에 필요한 값을 약간 상회하도록 슈퍼 과급 시스템은 적은 수의 작동점에 대해 설계된다. 그 때에는, 과급 압력은 배기 가 스 웨이스트게이트, 공기 웨이스트게이트 또는 압축기나 다양한 터빈 구조에서 혼합 재순환 또는 이와 비슷한 시스템에 의해 제어된다. 그러나 과급 압력 제어는 동력 제어로 볼 수 없다. 특히 과급 압력 예비분이 없는 경우, 엔진은 작은 부하 변화에 매우 느리게 반응하는데, 이는 제어 요소의 조정의 결과 발생하는 터보 과급기 작동점의 변경이 언제나 시스템 관성의 결과 다소 큰 감속과 관련되어 있기 때문이다. 만약 부하 간 간격이 커지게 되면 엔진이 갑자기 멈추거나, 엔진이 완전히 정지되거나 작동불능이 될 수 있다.

대부분의 경우, 심지어 대형 엔진의 경우에도, 빠르고 미세한 동력 제어를 보장하고, 동시에 최소 압력 예비분을 생성하는 역할을 수행하는 스로틀 플랩이 제공된다. 전술한 바와 같이, 스로틀 플랩에서의 압력 손실이 커짐에 따라 엔진의 부하 용량이 증가하나, 엔진 효율은 감소한다. 스로틀 플랩의 압력 손실을 극복하기 위한 에너지는 배기 가스 에너지에서 얻어지는데, 다시 말해, 터보 과급기 터빈은 고 동력을 위해 설계되어야 하고, 이는 엔진 실린더의 반대 압력을 상승시킨다.

EP 0 196 967 A 는 내연기관 압축기의 예비 스월 발생장치 (pre-swirl device) 의 제어부를 개시하였다. 여기서, 예비 스월 발생장치의 블레이드 위치는 질량 유량을 함수로 하는 정해진 선에 따라 제어된다. 상기 제어부는 엔진의 동력 제어부와 독립적이다. 압축기 특성 맵은 다양하고, 다양한 정상상태 작동점이 개선될 수 있다. 엔진의 동력 제어는 전적으로 스로틀 플랩에 의해 수행된다. 예를 들어 엔진이 가속하는 경우, 스로틀 플랩은 열리고 공기 처리 량은 증가한다. 오직 이 경우에만 스월이 점진적으로 고갈된다. 좋은 가속을 얻기 위해 필요하고 스로틀 플랩이 빠르게 열릴 때 사용될 수 있는 예비분의 압력은 예비 스월이 있는 경우가 없는 경우보다 훨씬 작다.

본 발명의 목적은 엔진의 부하 용량을 향상시키고 정상상태 작동시 효율에 큰 감소를 발생시키지 않는 내연기관 제어 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적은 독립항에 기재된 제어 시스템 및 제어 방법에 의해 달성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 내연기관의 정상상태 작동 중에 예비 스월 발생장치에 의해 압축기 회전방향으로 압축기 입구에서 스월이 증가함에 의해서 압축기 속도 선이 이동하여 압축기의 정상상태 작동점이 대략 압축기의 흡수 한계에서 정지하게 된다. 이러한 방식으로, 과급기 압력 레벨은 추가의 스로틀링 없이 직접적으로 각각의 엔진 작동점이 요구하는 값까지 제어된 방식으로 조절될 수 있다. 따라서, 엔진 부하가 갑자기 증가하는 경우에는 예비 스월 그레이트 (grate) 를 재설정하여, 시간을 소모하는 로터의 가속 없이 과급 압력을 상승시킬 수 있다.

따라서 예비 스월 발생장치는 과급 압력과 엔진 부하 제어의 기능을 동시에 수행한다.

엔진의 부하 용량은 크게 스로틀된 엔진의 부하 용량 이상이다. 그러나 스로틀링이 없으므로, 정상상태 작동에서의 엔진 효율은 스로틀링이 없는 엔진의 경우만큼 좋다.

부하가 떨어지는 경우, 예비 스월이 빠르게 증가하여 압축기의 펌프 작용이 방해받을 수 있다.

따라서 정상 작동에서, 본 발명에 따른 예비 스월 발생장치의 결과로서 스로틀 플랩은 필요없게 되는데, 이는 예비 스월의 제어가 또한 엔진의 동력 제어를 담당하기 때문이다. 최대 스월은 엔진의 매 작동점마다 발생할 수 있으므로, 각각의 경우 압축기 회전 속도는 각각의 정상상태 부하점에서 가능한 최대값에 도달하게 된다.

엔진에서 더 많은 동력이 요구되는 경우 (예를 들어 자동차 운전자가 스로틀 페달을 밟은 경우), 스로틀 플랩은 열리지 않으나, 예비 스월 발생장치의 안내 블레이드가 열린다. 결과적으로 압축기 입구의 스월이 즉시 소멸하고, 회전 속도가 매우 증가된 결과 압축기는 스로틀 플랩에 의해 일반적으로 제어되는 엔진의 경우보다 상당히 큰 압력을 전달한다.

도 1 은 조절 가능한 예비 스월 발생 장치를 갖는 배기 가스 터보 과급기의 압축기 입구의 단면도이다.

도 2 는 스로틀 플랩이 있는 과급-압력 제어의 선도를 나타낸다.

도 3 은 압축기 입구에서 스월이 있는 과급-압력 및 동력 제어의 선도를 나타낸다.

도 4 는 엔진 동력을 함수로 하는 터보 과급기 회전속도에 기초하여 도 3 에 따라 제 2 제어 선도를 나타낸다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

11 : 압축기 휠, 허브

12 : 압축기 휠, 가동 블레이드

21 : 스월 발생 장치, 회전 가능한 안내 블레이드

B_M : 엔진 작동점

B_V : 압축기 작동점

B1 : 부하 증가 이전의 작동점

B2 : 부하 증가 이후의 작동점

M : 내연기관의 공기 요구량

n_V : 압축기의 회전속도 또는 회전속도 선

n_V1 : 스월이 없는 경우 압축기의 회전속도 또는 회전속도 선

n_V2 : 스월이 있는 경우 압축기의 회전속도 또는 회전속도 선

: 압축기의 압력비

: 흡입 공기량

△P : 스로틀링

P_M : 내연기관의 동력

POT : 동력 증가의 가능성

Reg₁ : 진공 제어

Reg₂ : 과도 회전속도 제어

도 1 에는 배기가스 터보 과급기의 압축기 입구의 단면도가 도시되어 있다. 압축기 휠은 우측에서 볼 때 기본적인 형태로 나타나 있다. 상기 압축기 휠은 허브 (11) 와 이 허브에 고정된 가동 블레이드 (12) 를 포함한다. 다수의 안내 블레이드 (21) 를 포함하는 예비 스월 발생장치가 압축기의 흡입부에 배치된다. 도시된 실시 형태에서 안내 블레이드는 터보 과급기 축에 대하여 반경 방향으로 배치되어 있고 각각의 경우 축선 주위를 회전할 수 있다. 안내 블레이드의 배열에 따라 공기의 흐름에 다소의 강한 편향이 발생할 수 있는데, 그리하여 상기 공기 유동은 다소의 스월과 함께 작용한다. 스월이 압축기 휠과 회전 방향이 같은 경우 스월은 압축기 구동력을 감소시키고 결과적으로, 같은 터빈 동력에서 로터의 회전 속도를 증가시킨다.

스로틀된 내연기관의 정상 상태 작동에서, 배기가스 터보 과급기가 수행하는 일은 스로틀링에 의해 부분적으로 소멸된다. 스로틀 플랩에 의해 감소된 압력은 예비분으로서의 역할을 하고, 내연기관에서 부하가 증가하는 경우 즉각 활성화된다. 이로 인해, 부하 증가에 필요한 공기를 압축기의 회전속도 상승 이후에만 사용할 수 있는 것이 방지된다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 압축기의 작동점 (B_V) 에서 출발하여, 스로틀링의 결과 압력의 양 (△P) 은 고갈되어 내연기관의 공기 요구량은 즉시 포화상태가 된다. 이 곡선에서, 이는 내연기관의 작동점 (B1_M) 에 대응된다. 상기 부하가 증가하는 동안 스로틀링이 제거되는 경우, 압축기는 작동점 (B2_M,V) 으로 빠르게 이동하게 되고 요구되는 추가 공기량 중 적어도 일부는 즉시 내연기관에 사용 가능하게 된다. 이에 상응하는 동력 상승의 가능성이 화살표 (POT) 에 의해 선도에 나타나 있다. 따라서 스로틀링은 갑작스런 부하의 변화를 가능케 하나 정상상태 작동에서는 손실이 있다.

본 발명에 따른 제어는 상이하다. 정상 상태에서 압축기 회전방향의 스월이 예비 스월 발생장치에 의해 생성된다. 압축기 휠의 입구에서의 스월은 한편으로는 압축기 회선 속도를 더욱 증가시키는 결과를 낳는다. 반면에, 스월 때문에 도 3 의 특성 곡선 선도에서 예비 스월이 있는 압축기의 회전속도 선 (곡선 (n_V2)) 이 스월이 없는 압축기의 회전속도 선 (곡선 (n_V1)) 에 대하여 왼쪽으로 이동한 결과를 볼 수 있다. 여기서, 이러한 양의 스월이 생성된 결과, 압축기의 작동점 (B1_M,V) 과 내연기관의 작동점이 서로 일치하게 된다. 여기서, 상기 작동점은 압축기의 흡수 한계에 가까워지면서 정지하게 된다. 이러한 일은 스로틀링 없이, 따라서 스로틀링 손실도 없이 내연기관의 대부분의 정상상태 작동 범위에서 발생한다. 오직 낮은 부하 범위, 특히 엔진의 아이들에 있어서만, 스로틀링은 본 발명에 따른 장치에 더하여 다른 이점을 갖는다.

엔진 부하가 갑자기 증가하는 경우, 본 발명에 따른 제어 시스템에서 예비 스월 발생장치의 안내 블레이드를 재설정하는 것이 가능한데, 이로 인해, 생성된 예비 스월은 감소하거나 완전히 소멸된다. 압축기 입구에서 더 이상 스월이 존재하지 않으므로 특성 곡선 선도의 회전속도 선은 다시 최초의 위치 (곡선 n_V1) 로 돌아가게 된다. 압축기의 회전속도 변화가 없는 경우, 작동점 (B2_M,V) 에서 필요한 추가 공기는 내연기관에 이용될 수 있다. 스로틀된 엔진의 경우와 같이, 본 발명에 따른 제어부를 통해 시간을 소비하는 로터의 가속 없이도 과급 압력을 높이는 것이 가능하다. 그러나 예비 스월 발생장치가 있는 본 발명에 따른 제어기의 경우, 부하 증가 이전 내연기관의 정상상태 작동에서 동력 손실이 없다.

본 발명에 따른 제어 시스템에 의한 부하 증가의 개요는 회전 속도 선도에 기초한 도 4 에서 다시 확인할 수 있다. 곡선 (n_V1) 은 엔진 동력 (P_M) 과 연관된 과급 압력을 생성하는데 필요한 최소의 압축기 회전 속도를 나타낸다. 예비 스월을 생산하는 것에 의해, 정상 상태에서 압축기의 회전속도는 증가한다 (곡선 (n_V2) 으로 향하는 화살표 (1)). 상기 작동점 (B1) 에서 출발하여, 스월은 부하가 증가하는 경우 소멸된다 (화살표 (2)). 동력 증가를 위한 추가 공기는 압축기의 회전속도를 높힐 필요 없이 내연기관에 사용될 수 있다.

낮은 부하 범위, 특히 엔진의 아이들에서는, 엔진 입구 밸브의 상류측 압력을 주위 압력보다 매우 낮게 낮추는 것이 일반적으로 필요하다. 만약 이것이 예비 스월 장치에 의해 이루어진다면, 전체 압축기 단은 진공 상태에 있게 된다. 통상적인 터보 과급기에서는, 압축기 단이 진공상태로 되면 베어링 공간으로부터 윤활유가 압축기의 공기 공간 안으로 빨려 들어가게 된다. 이러한 현상은 향상 된 밀봉을 통해 막을 수 있다. 이와 달리, 스로틀 플랩을 이용하여 압축기 출구의 압력을 특정 한계 값 이하로 떨어지지 않게 하는 것 또한 가능하다. 만약 스로틀 플랩의 상류측 압력이 상기 한계값 이하로 내려가게 되면, 스로틀 플랩이 약간 닫히게 되고 상기 한계값과 같아지게 된다. 이러면 엔진 동력이 줄어들게 된다. 그러나 엔진 제어기가 이를 검출하여 예비 스월 그레이트 (grate) 를 열어 스로틀 플랩의 하류측의 정확한 압력을 자동적으로 다시 설정한다. 한계값으로서 주변 압력 또는 바람직하게는 약한 진공을 사용할 수도 있는데, 이는 오일 밀봉이 가능한지에 달려있다. 상기 추가적인 제어를 통하여 예를 들어 도 4 의 회전 속도 프로파일 (Reg₁) 을 얻을 수 있다.

가장 높은 부하 범위에서는, 제안된 제어 방법으로 터보 과급기의 속도가 과도한 값에 이르게 될 수 있다. 공칭 엔진 동력이 너무 커서 허용 가능한 터보 과급기의 회전속도를 결과적으로 초과하는 경우, 전술한 경우와 마찬가지로 터보 과급기의 회전속도를 최대값으로 유지하기 위하여 스로틀 플랩을 이용해야 한다. 상기 추가적인 제어를 통하여 예를 들어 도 4 의 회전 속도 프로파일 (Reg₂) 을 얻을 수 있다.

Claims (5)

1. 내연기관의 동력을 제어하는 동력 제어부와 배기가스 터보 과급기의 과급 압력을 제어하는 과급 압력 제어부를 포함하는, 슈퍼 과급식 내연기관을 제어하는 제어 시스템에 있어서,

   상기 내연기관의 동력 제어부와 상기 배기가스 터보 과급기의 과급 압력을 제어하는 과급 압력 제어부는 하나의 제어 시스템에 의해 수행되고,

   상기 제어 시스템은 내연기관의 동력과 배기가스 터보 과급기의 과급 압력을 압축기 입구의 예비 스월로 제어하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제어 시스템은 아이들과 동력 범위가 아이들에 가까운 경우를 제외하고 내연기관의 전체 동력 범위에 걸쳐서 동력과 과급 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제어 시스템은 스로틀 플랩을 포함하고,

   스로틀 플랩에 의해 과급 압력이 최소값 영역에서 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 제어 시스템은 스로틀 플랩을 포함하고,

   배기가스 터보 과급기의 회전 속도가 스로틀 플랩에 의해 최대값 영역에서 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
5. 슈퍼 과급식 내연기관의 작동 방법에 있어서,

   정상상태 작동 모드에서 배기가스 터보 과급기의 압축기에 공급되는 공기의 스월을 증가시켜 압축기의 정상상태 작동점을 흡수 한계의 영역에서 정지시키고,

   내연기관의 부하가 증가하는 경우에는 스월을 감소시켜 감속 없이 과급 압력을 상승시키는 것을 특징으로 하는 슈퍼 과급식 내연기관의 작동 방법.

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