KR20090027210A - 배기 가스 터보차저의 모니터링 방법 및 장치 - Google Patents

배기 가스 터보차저의 모니터링 방법 및 장치 Download PDF

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안드레아스 메이어
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콘티넨탈 오토모티브 게엠베하
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Abstract

본 발명은 내연 기관의 배기 가스 터보차저를 모니터링하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 배기 가스 터보차저를 모니터링하는 저렴하면서도 신뢰성 있게 작용하는 방법 및 해당 장치를 형성시키기 위해서, 회전 속도에 따른 터보차저 작동 소음을 기록하도록 구성되는 음파 변환기(5, 11)가 제공되고, 이러한 음파 변환기(5, 11)는 터보차저 회전 속도 신호의 출력에 대한 주파수 분석을 위해 전자 시스템(10)에 연결되는 것이 제시된다.
내연 기관, 배기 가스 터보차저, 음파 변환기

Description

배기 가스 터보차저의 모니터링 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR MONITORING AN EXHAUST-GAS TURBOCHARGER}
본 발명은 내연 기관의 배기 가스 터보차저를 모니터링하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
내연 기관에서는 공기/연료 혼합물을 압축시켜 연소시키는 것으로 알려져 있다. 내연 기관의 출력은 연료 질량 유량 대 공기 질량 유량의 비율에 따른다. 각각의 공기 질량 유량의 측정은 내연 기관의 흡기 영역에 위치된 공기 질량 유량 센서에 의해 수행된다. 현대의 여러 내연 기관들은 오늘날 공기 질량 유동의 예비 압축(precompression)이 행해지도록 하는 배기 가스 터보차저를 구비하고 있다. 작동 행정(working stroke)당 공기 질량 유량 및 연료 질량 유량을 증가시켜 엔진 출력을 증가시키기 위해서 내연 기관에 공급되는 공기를 예비 압축시키고자 하는 노력이 내연 기관의 발전 초기에 행해졌지만, 오늘날 스파크 점화 내연 기관의 충진(charging)은 출력의 관점에서 더 이상 우선적으로 고려되지 않으며 연료 절감 및 오염 물질 저감을 위한 한가지 가능한 방식으로서 고려되고 있다. 이와 관련해서, 공기 질량 유량의 예비 압축에 소요되는 에너지는 배기 가스의 유동 방향으로 연장된 터빈과 그 터빈에 기계적으로 결합된 외기 압축기(fresh air compressor)에 의해 각각의 배기 가스 유동으로부터 공지된 방식으로 추출되며, 그 결과 디젤 엔진은 더 이상 흡기 엔진(induction engine)으로서 작동하지 않고, 1.5 또는 2.5 바(bar)에 달하는 충진 공기 압력을 가지고서 명확한 출력 증가 및 오염 물질 방출 저감을 나타내는 과급 엔진(supercharged engine)으로서 작동한다.
터보차저의 사용은 내연 기관의 토크 및 내연 기관의 열부하(thermal loading)를 증가시키며, 이러한 이유로 엔진 블록, 실린더 헤드, 실린더 헤드 시일, 베어링, 실린더, 커넥팅 로드, 밸브, 피스톤 및 다른 엔진 구성 부재와 후속 구동 트레인이 그 추가적인 하중에 대해 상응하게 구성되어야 한다. 보다 높은 출력은 또한 엔진의 냉각을 위한 냉각 시스템과 큰 크기에 상응하는 충진 공기의 제공을 필요로 한다. 하지만, 이와 관련해서, 과급 스파크 점화 기관의 경우에 흔히 배기 가스 터빈이 높은 부하를 받은 후에 심지어 빨갛게 달구어지는 것으로 밝혀졌다. 분당 200 000 회전수에 달하는 회전 속도에 도달할 수 있는 구성 부재의 이러한 강한 열 및 기계적 응력으로 인해, 별도의 모니터링이 필요하게 된다. 이는 터보차저가 현대의 차량에 사용될 때 상당한 복잡성이 초래되어 손상 진단이 더욱 복잡해지기 때문이다. 이와 관련해서, 현대의 완전한 전자식 진단 시스템은 터보차저의 회전 속도를 평가하여 터보차저의 기능을 모니터하는 현존 기능을 갖는다. 하지만, 터보차저의 회전 속도를 결정하기 위해서는 특정하게 개발된 센서가 구비되어야 한다. 이러한 센서는 극한의 불리한 조건, 즉 특히 고온 및 고압을 견디어야 하며, 이와 동시에 터보차저 휠의 블레이드를 신뢰성 있게 검출해야 하고 하류에 연결된 전자 시스템에 의해 회전 속도 신호를 산출해야 한다. 이를 위해서, 센 서는 터보차저에 직접 장착되어야 한다.
모든 이점들을 고려하더라도, 터보차저가 과도 작동 상태(transient operating state)로서의 시동 과정/가속 과정시 외기에 대해 충분한 충진 압력을 생성시키지 못해, 그 결과 흡기 시스템에서 부압(under pressure)이 단시간 동안 생성되는 점이 터보차저의 단점으로 알려져 있다. 낮은 회전 속도로부터의 가속시, 소망하는 충진 압력을 생성시키기 위한 배기 가스의 정확한 양은 초기에 활용가능하지 않다. 필요한 정도로의 과급을 행하기 위한 충분히 강한 배기 가스 유동은 회전 속도의 증가시까지 활용가능하지 않다.
이러한 낮은 회전 속도에서의 불충분한 출력을 일반적으로 터보랙(turbo lag)이라고 부른다. 따라서, 스로틀의 급작스런 개방시 터보차저를 통한 외기 유동의 과급은 지연되어 개시되는데, 왜냐하면 과급이 개시될 수 있는 배기 가스의 충분한 유동이 단지 한 번만 있기 때문이다. 종래에는, 이러한 특성을 해당 제어 시스템에 의해서 그리고 비교적 작은 터보차저를 사용함으로써 어느 정도 보상할 수 있었다. 현재 계획 중인 42 V 차량 내장(on-board) 전기 시스템을 사용하는 새로운 설계 방안의 범위 내에서, 배기 가스 터보차저 및 전기 구동 장치에 의해 조합 과급을 제공하는 것이 또한 가능할 것이다. 이는 응답 거동을 이로운 방향으로 추가로 변경시킬 것이다. 하지만, 이러한 방안은 실시간으로의 제어를 위해 터보차저의 현재 회전 속도를 비교적 정확하게 알아야 할 것을 필요로 한다. 결과적으로, 터보차저의 회전 속도를 출력 신호로서 제공하는 배기 가스 터보차저의 모니터링 과정을 이용해서만 추후 제어 작업이 수행될 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 배기 가스 터보차저를 모니터링하는 저렴하면서도 신뢰성 있는 작동 방법 및 해당 장치를 제공하는 데 있다.
이러한 목적은 청구범위 독립항들의 특징에 의해 달성된다. 바람직한 태양들이 각각의 종속항들에 기재되어 있다.
본 발명에 따르면, 배기 가스 터보차저를 모니터링하는 장치는, 회전 속도에 따른(rotational-speed-dependent) 터보차저 작동 소음을 기록하도록 구성되고 터보차저 회전 속도 신호의 출력에 대한 주파수 분석을 위해 전자 시스템에 연결되는 음파 변환기를 포함하는 특징을 갖는다. 본 발명은 결과적으로 분당 대략 400 000 회전수에 달하는 200 000 의 작동 회전 속도에서 17개에 달하는 터빈 블레이드를 구비한 임의의 터보차저가 그의 정상 작동 회전 속도 범위에서 매우 높은 주파수의 작동 소음을 방출한다는 인식에 기초하고 있다. 따라서, 이러한 작동 소음을 구어적 표현으로서 터보차저 휘슬링(turbocharger whistling)으로도 부른다. 각각의 현재 터보차저 회전 속도는 터보차저에 의해 방출된 음파 스펙트럼 내에서 하나 이상의 우세 주파수(dominant frequency)로부터 결정될 수 있다. 이는 예를 들어 주파수 분석용 전자 시스템에서 행해지며, 이어서 이러한 전자 시스템은 터보차저 회전 속도 신호를 출력한다.
차량 내에서 다른 주변 소음과 비교시 정상 작동 모드에서의 터보차저의 소음 레벨은 상대적으로 높다. 터보차저에서 발생된 음파는 특히 흡기 영역에서 현저한 감쇠없이 큰 거리에 걸쳐 전파되기 때문에, 본 발명에 따라 제공되는 음파 변환기 자체는 터보차저에 직접 장착될 필요가 없는 점이 바람직하다. 그 결과, 해당 음파 변환기는 또한 터보차저의 영역에서 알려진 높은 온도 및 압력을 받지 않는다. 결과적으로, 본 발명에 따르면, 비교적 낮은 작동 온도를 갖는 훨씬 적은 수 및 이에 따른 비교적 저가의 견고한 음파 변환기가 사용될 수 있다.
본 발명의 한가지 특히 바람직한 실시예에 따르면, 초음파 변환기가 음파 변환기로서 사용된다. 터보차저에 의해 방출된 음파 스펙트럼의 주파수는 대략 16 kHz의 인간 가청 한계치 이상, 즉 대략 20 kHz로부터 시작하는 초음파 범위에 있는 것으로 밝혀졌으며, 이로부터 각각의 현재 터보차저 회전 속도가 결정될 수 있다.
음파 변환기의 하류에 배치되는 전자 시스템은 주파수 분석 유닛을 포함한다. 이러한 주파수 분석 유닛은 바람직하게는 고속 푸리에 변환(fast Fourier transformation) 또는 후속 대역 통과 필터링(bandpass filtering)을 갖는 FFT에 기초하여 터보차저 작동 소음의 주파수 대역을 확인하고 그로부터 각각의 현재 터보차저 회전 속도를 결정한다.
본 발명의 한가지 특히 바람직한 실시예에 따르면, 음파의 평가에 기초하여 터보차저의 회전 속도를 결정하는 수단이 공기 질량 유량 센서와 함께 내연 기관의 흡기 영역에 배치된다. 공기 질량 유량 센서는 열원리(thermal principle)에 따른 질량 유동 센서로서 작동될 수 있으며, 가열된 센서 측정 와이어의 열출력(thermal power)의 출력은 동일 설계의 단열된 센서 와이어와 비교시 각각의 유량의 측정치로서 저항 브리지 회로(resistance bridge circuit)에 의해 평가된다. 전기 에너지를 절감하는 대안적인 방안이 일반적으로 기술 저널 "기술적 측정 tm(technical measurement tm)", 1979, 제4판, 145 내지 149 페이지의 문헌 "유량 측정 기술 - 개괄(flow rate measuring technology - an overview)"에 개시되어 있다. 이에 대해서, 유량의 측정에 송신 및 수신 초음파 측정 헤드를 사용하는 것이 알려져 있다. 이와 관련해서, 두 초음파 측정 헤드 중 하나는 송신기의 역할을 하고 다른 하나는 수신기의 역할을 하며, 이들은 송수신기 장치(transceiver device)를 필요로 한다. 이를 기초로 하여, 예를 들어 유럽 공개 특허 공보 제EP 0 535 364 A1호는 초음파에 의한 고분해능 유량 측정 방법을 개시하고 있으며, 이러한 방법에 따르면, 초음파 송신기 및 초음파 수신기는 현재 유량에 따르는 위상차를 결정하기 위해 경사 고도각(altitude angle)에서 측정 관을 통해 음파 펄스를 통과시킨다. 따라서, 공기 질량 유량의 측정을 위해서 두 초음파 변환기는 흡기 영역에서 사용되고 있으며, 이러한 배치는 본 발명의 예시적인 실시예에서 제3 초음파 변환기를 추가시킴으로써 보충되고, 이러한 제3 초음파 변환기는 그의 작동 주파수에 있어서 작동 모드의 터보차저의 예측 주파수에 특정 대응된다. 이에 대안적으로, 단지 2개의 초음파 변환기만이 구비될 수도 있으며, 이때 수신 초음파 변환기는 공기 질량 유량 측정이 터보차저의 회전 속도의 측정에 비해 상당히 높은 주파수에서 수행되도록 하는 대역폭을 구비하여 구현된다. 신호 성분들을 공기 질량 유량 측정 수단 및 회전 속도 결정 수단으로 별도의 하류 회로들에서 각각 선택적인 방식으로 제공하기 위해서, 대역 통과 필터링이 수신 초음파 변환기의 출력 신호를 분할한다.
이하에서는 첨부 도면들을 참고로 하여 2가지 예시적인 실시예들을 중심으로 본 발명의 다른 특징들 및 이점들을 설명한다.
도 1은 초음파 공기 질량 유량 센서의 2개의 표준 초음파 변환기를 사용한 터보차저의 회전 속도 측정 장치의 블록 다이어그램이다.
도 2는 터보차저의 회전 속도를 측정하는 다른 실시예와 하류 평가 전자 시스템을 구비한 추가의 초음파 변환기의 사용시 초음파 공기 질량 유량 센서의 블록 다이어그램으로서, 도 1과 유사하게 도시한 블록 다이어그램이다.
도면 번역
도 1 및 도 2에서 Luftstrom : 공기 흐름 (Air stream)
여러 실시예들 및 도면들에 대해서, 동일한 기능 그룹, 조립체 및 방법 단계에 대해 기준으로서 동일 도면 부호 및 동일 명칭을 사용하였다.
도 1은 단지 심볼로 도시한 배기 가스 터보차저(2)의 회전 속도를 측정하는 장치(1)의 간략화한 블록 다이어그램이다. 이러한 장치(1)는 내연 기관(보다 상세하게 도시하지 않음)의 공기 입구 덕트(3)에 배치되며, 초음파 공기 질량 유량 센서(6)의 2개의 표준화된 음파 변환기(4, 5)를 사용하여 작동된다.
본 예시적인 실시예에서, 초음파 공기 질량 유량 센서(6)는, 유럽 공개 특허 공보 제EP 0 535 364 A1호에 공개되어 있고 높은 유량에서 공기 질량 유량을 결정하는 목적을 갖는 방법에 따라 작동된다. 이를 위해서, 전자 시스템(8)에 의한 작동에 의해 제1 변환기(4)에 의해서 음파(7)가 초음파 범위로 방출된다. 이러한 음 파는 강한 공기 유동이 통과하는 공기 입구 덕트(3)를 통해 이동하되, 이동 거리의 증가 및 이에 따른 측정 정밀도의 향상을 위해서 공기 입구 덕트(3)의 단면에 대해 각도(α)를 형성하며 경사진 경로를 따라 이동한다. 공기 입구 덕트(3)의 대향측에서, 음파(7)는, 초음파 검출기로서 수신한 음파(7)를 전기 출력 신호(a1)로 변환시키는 제2 음파 변환기(5)에 입사된다. 이러한 전기 신호(a1)는 공기 질량 유량의 측정을 위해 전자 시스템(8)으로 귀환된다. 이러한 방법의 상세한 실행을 위해서, 측정 결과의 평가 및 관련 방법에 대해 유럽 공개 특허 공보 제EP 0 535 364 A1호의 전체 내용을 참고하기로 한다.
수신 음파 변환기(5)는 초음파 범위에서 매우 큰 대역폭을 가지고서 구현된다. 그 결과, 음파 변환기(5)는 음파 변환기(4)에 의해 방출된 음파(7) 뿐만 아니라, 상당히 낮은 주파수를 갖고 그럼에도 불구하고 초음파 범위에 있는 음파(9)도 검출하여 변환시킬 수 있으며, 이러한 음파(9)는 터보차저(2)의 작동에 의해 생성되고, 음파(9)의 주파수는 터보차저의 각각의 현재 회전 속도의 특성을 나타낸다. 따라서, 도면에도 또한 도시된 바와 같이, 제2 음파 변환기(5)의 각각의 측정 결과가 후속하여 이중으로 변환되며, 수신 음파 변환기(5)의 출력 신호가 상대적으로 고주파수의 성분(a1)과 상대적으로 저주파수의 성분(a2)으로 분할된다. 이러한 성분(a1, a2)은 추가의 전기적 처리를 위해 별도의 유닛들로 제공된다. 한편으로는, 상당히 고주파수의 성분은 공기 질량 유량의 결정을 위해 전자 평가 시스템(8)으로 이동되며, 이러한 성분은 제1 변환기(4)에 의해 소정의 주파수로 방출되었다. 터 보차저(2)로부터 발생된 상대적으로 낮은 주파수의 초음파 주파수 성분은 주파수 분석을 위해 신호 성분(a2)으로 전자 시스템(10)으로 이동된다. 기록된 주파수 스펙트럼으로부터, 적절한 필터 방법 및 수학적 알고리즘에 의해서 터보차저의 현재 회전 속도가 결정되며, 본 경우에, 터보차저 회전 속도의 특성 주파수를 결정하는 고속 푸리에 변환(fast Fourier transformation)이 대역 통과 필터링에 적용된다. 결과적으로 음파 변환기(5)의 하류에 배치된 전자 시스템(10)은, 터보차저의 작동 소음의 주파수 대역을 확인하고 이를 기준으로 터보차저의 각각의 현재 회전 속도를 출력 신호(A)로서 결정하는 주파수 분석 유닛을 포함한다.
도 2는 터보차저의 회전 속도를 측정하는 다른 실시예와 초음파 공기 질량 유량 센서의 블록 다이어그램이다. 이러한 장치는 하류의 전자 평가 시스템을 구비한 추가의 초음파 변환기(11)를 사용하여 작동되며, 도 1과 유사한 블록 다이어그램으로서 도시되어 있다. 도 2의 실시예에서, 회전 속도에 따른 터보차저 작동 소음을 기록하도록 구성된 음파 변환기(11)는 별도의 구성 부재로서 공기 입구 덕트(3)에 구비된다. 여기서, 초음파 변환기는 또한 압전 재료(piezo-electric material)에 기초하고 있다. 하지만, 도 1에 따른 예시적인 실시예의 음파 변환기(5)와 비교시, 이러한 음파 변환기(11)는 비교적 협폭의 대역폭을 갖는 그의 작동 주파수에 있어서 터보차저(2)의 각각의 작동 회전 속도에 의해 유발되는 예측 주파수에 대응된다. 가능한 주파수 범위를 추정하기 위해서, 대략 분당 450 000 회전수에 달하는 100 000 이하의 회전 속도 및 5개 이상 내지 17개의 터보블레이 드(turboblade)를 가정할 수 있다. 그 결과, 기본 모드의 대략적인 주파수가 8 kHz 내지 113 kHz 이상으로 예측될 수 있고, 예를 들어 3차 고조파(third harmonic) 또는 3중 주파수에서의 만족스럽게 측정가능한 고조파가 24 kHz 내지 0.35 MHz로 예측될 수 있다. 공칭 회전 속도 범위 및 터보블레이드의 수는 이미 임의의 터보차저의 설계 변수이기 때문에, 적용 분야에 따라 상기한 낮은 초음파 범위에서 음파 변환기(5)의 작동 주파수에 대해 다소 협폭의 대역폭 범위를 선택하는 것이 가능하다.
하지만, 이는 전체적으로 공기 입구 덕트(3)에 추가로 별도의 음파 변환기(11)를 구비시켜 장치에 어느 정도의 추가 비용을 제공한 도 2와 제1 실시예의 비교시 보다 간단한 전기 측정 신호의 평가로 귀결되는데, 왜냐하면 특히 주파수 및 출력 신호가 두 성분(a1, a2)으로 분할될 필요가 없기 때문이다. 또한, 공기 질량 유량의 측정을 위한 두 초음파 변환기(3, 4)는 터보차저의 회전 속도 측정을 위해 제공된 초음파 변환기(11)의 작동 주파수보다 현저히 높은 작동 주파수 및 이에 따른 중심 주파수를 갖는다.
터보차저(2)의 소음 레벨은 각각의 주변 소음과 비교시 상당히 높고 특히 초음파 범위에서 상대적으로 우세하며 발생된 음파는 현저한 감쇠없이 흡기 영역(3)에서 큰 거리에 걸쳐 전파되기 때문에, 초음파 공기 질량 유량 센서(6)와 그의 음파 변환기(4, 5) 및 제2 실시예에 제공된 별도의 음파 변환기(11)는 터보차저(3)에 직접 장착될 필요가 없다. 그 결과, 종래의 설계에 따라 공지된 공기 질량 유량 센서가 설치되는 임의의 위치에 터보차저의 회전 속도를 감지하는 수단이 또한 설치될 수 있다. 이와 관련해서, 초음파 센서(4, 5, 11)는 일반적으로 예를 들어 석영 변환기의 설계에서 온도, 먼지 및 압력에 비교적 민감하지 않은 이점을 갖는다. 또한, 터보차저의 회전 속도를 위한 센서의 공지된 설계의 경우에서와 같이(이제 이에 대한 필요성은 회피됨), 이러한 센서는 상당히 비용 효율적으로 제조될 수 있거나 표준 구성 부재로서 구해질 수 있다.

Claims (8)

  1. 내연 기관의 배기 가스 터보차저를 모니터링하는 장치에 있어서,
    회전 속도에 따른 터보차저 작동 소음을 기록하도록 구성되는 음파 변환기(5, 11)가 제공되고, 상기 음파 변환기는 터보차저 회전 속도 신호의 출력에 대한 주파수 분석을 위해 전자 시스템(10)에 연결되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 터보차저 모니터링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    음파 변환기(5, 11)는 초음파 변환기로서 터보차저 회전 속도를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 터보차저 모니터링 장치.
  3. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    음파 변환기(5, 11)의 하류에 배치되는 전자 시스템(10)은, 터보차저 작동 소음의 주파수 대역을 확인하고 각각의 현재 터보차저 회전 속도를 결정하는 주파수 분석 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 터보차저 모니터링 장치.
  4. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    음파 변환기(11)는 예측 터보차저 작동 소음의 주파수 대역에 특정 대응되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 터보차저 모니터링 장치.
  5. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    장치(1)의 음파 변환기(4, 5, 11)는 내연 기관의 공기 입구 덕트(3)에 배치되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 터보차저 모니터링 장치.
  6. 내연 기관의 배기 가스 터보차저(2)를 모니터링하는 방법에 있어서,
    터보차저(2)의 회전 속도에 따른 작동 소음을 음파 변환기(5, 11)에 의해 기록하고 전자 시스템(10)에서 평가하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 터보차저 모니터링 방법.
  7. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    음파 변환기(5, 11)는 또한 공기 질량 유량 센서의 구성 부재와 병렬로 사용되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 터보차저 모니터링 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    수신 음파 변환기(5)의 출력 신호를 상대적으로 고주파수의 성분(a1)과 상대적으로 저주파수의 성분(a2)으로 분할하며, 상기 성분들을 후속 전기적 처리를 위해 별도의 유닛들에 제공하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 터보차저 모니터링 방법.
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