KR20090125062A - 윈드밀링을 이용한 부스트 어시스트 장치 에너지 절약 - Google Patents

윈드밀링을 이용한 부스트 어시스트 장치 에너지 절약 Download PDF

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필 켈러
폴커 죄글
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Abstract

일 실시예는 부스트 어시시트 장치가 작동될 필요가 없는 (즉, 활발히 동력이 가해지지 않는) 작동 모드들 중에 상기 부스트 어시스트 장치를 통해 흡입 공기를 통과시킴으로써 상기 부스트 어시스트 장치를 윈드밀링하는 단계를 포함한다. 상기 윈드밀링 효과는 상기 공기의 상기 윈드밀링 효과들 때문에 상기 부스트 어시스트 장치를 회전시킬 것이다. 이 윈드밀링 효과는 통상적으로 최대의 부스트 어시스트 장치 작동 속도들을 성취하지는 못할 것이지만, 상기 부스트 어시스트 장치가 활발히 동력이 가해지도록 요구될 때에 작동의 어느 초기 증속 단계 중에 상기 부스트 어시스트 장치가 통상적으로 높은 에너지 사용을 회피하는 것을 허용하기에 충분할 것이다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 윈드밀링은 상기 부스트 어시스트 장치를 구동시키기 위해 사용되는 에너지를 절약한다.
Figure P1020097017350
엔진, 터보차저, 흡입구, 배기, 부스트 어시스트 장치, 윈드밀링, 속도, 에너지

Description

윈드밀링을 이용한 부스트 어시스트 장치 에너지 절약{BOOST ASSIST DEVICE ENERGY CONSERVATION USING WINDMILLING}
본 출원은 2007년 2월 27일에 출원된 미국 가출원 번호 제60/891,765호의 이익을 주장하고 있다.
본 명세서가 일반적으로 관련되는 분야는 부스트 어시스트 장치(boost assist device)를 포함하는 엔진 시스템들을 포함한다.
몇몇 기술들이 내연 기관 동력 차량들의 연료 절약, 배기 및 성능을 개선하기 위해 나타나고 있다. 이 기술들 중의 하나는 공기 부스트 어시스트 장치들(air boost assist devices)의 추가를 포함한다. 이 부스트 어시스트 장치들의 예들은 유압 구동 장치들, 전기 구동 장치들, 벨트 구동 장치들 및 공압 구동 장치들을 포함한다. 이 장치들은, 벨트와 같은 것으로 엔진으로부터 직접 구동되거나 또는 (엔진에 의해 구동될 수 있는) 유압 펌프와 같은 것을 통해, 또는 (엔진에 의해 구동될 수 있는) 교류발전기를 통해 구동될 수 있다. 대안으로서, 부스트 어시스트 장치는 어큐뮬레이터 또는 한 세트의 배터리와 같은 것의 내부에 저장된 에너지에 의해 구동될 수 있다. 어느 경우든, 에너지의 (특히 저장된 에너지의) 경제적인 사용은 크기의 고려, 연료 절약의 고려 및 성능의 고려 때문에 제일의 중요성을 가진 다.
이 타입의 장치들로 에너지의 효율적인 사용에 중대한 영향을 줄 수 있는 요소들 중의 하나는 상기 부스트 어시스트 장치의 초기 속도 증가이다. 상기 초기 속도 증가는 상기 장치의 관성을 극복할 필요가 있기 때문에 그리고/또는 낮은 속도에서 상기 부스트 어시시트 장치의 효율이 흔히 매우 떨어지기 때문에 상당한 양의 에너지를 소비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 부스트 어시시트 장치가 작동되는 것이 요구되지 않는 (즉, 활발히 동력이 가해지지 않는) 작동 모드들 중에 상기 부스트 어시스트 장치를 통해 흡입 공기를 통과시킴으로써 상기 부스트 어시스트 장치를 윈드밀링하는 단계를 포함한다. 상기 윈드밀링 효과는 상기 공기의 상기 윈드밀링 효과들로 인해 상기 부스트 어시스트 장치를 회전시킬 것이다. 상기 윈드밀링 효과는 통상적으로 상기 부스트 어시스트 장치의 최대의 작동 속도들을 성취하지는 못할 것이지만, 상기 부스트 어시스트 장치가 활발히 동력이 가해지도록 요구될 때에 작동의 어느 초기 증속 단계 중에 상기 부스트 어시스트 장치가 통상적으로 높은 에너지 사용을 회피하는 것을 허용하기에 충분할 것이다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 윈드밀링은 상기 부스트 어시스트 장치를 구동시키기 위해 사용되는 에너지를 절약한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 흡입 공기 와류 장치(intake air swirl device)를 상기 부스트 어시스트 장치의 흡입구에 배치함으로써 상기 회전하는 부스트 어시스트 장치의 상기 윈드밀링 효과와 속도를 증대시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예는 이후에 제공되는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 상기 상세한 설명과 특정의 예들은, 본 발명의 실시예들을 개시하지만, 단지 설명의 목적들을 위해 의도된 것이며 본 발명의 범위를 제한하기 위해 의도된 것이 아니라는 것이 이해되어야 할 것이다.
본 발명의 실시예들은 상세한 설명과 첨부한 도면들로부터 보다 완전하게 이해될 것이며:
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템의 작동 방법을 도시하는 논리 흐름도이다.
도 3은 상기 부스트 어시스트 장치를 윈드밀링하지 않고 작동되는 엔진 시스템에서 엔진 속도, 부스트 어시스트 장치 속도, 상기 부스트 어시스트 장치에 입력되는 에너지, 및 바이패스 밸브 위치의 시간에 대한 변화를 도시한 차트이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 상기 부스트 어시스트 장치를 윈드밀링함으로써 작동되는 엔진 시스템에서 엔진 속도, 부스트 어시스트 장치 속도, 상기 부스트 어시스트 장치에 입력되는 에너지, 및 바이패스 밸브 위치의 시간에 대한 변화를 도시한 차트이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템의 선택적인 작동 영역들 중에 상기 부스트 어시스트 장치를 선택적으로 윈드밀링함으로써 작동되는 시스템에서 엔진 속도, 부스트 어시스트 장치 속도, 상기 부스트 어시스트 장치에 입력되는 에너지, 및 바이패스 밸브 위치의 시간에 대한 변화를 도시한 차트이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 부스트 어시스트 장치를 도시하고 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 부스트 어시스트 장치의 윈드밀링 효과 및 회전을 증대시키기 위해 상기 부스트 어시스트 장치의 흡입구에 배치하기에 적당한 흡입 공기 와류 장치의 사시도이다.
도 8은 도 7의 상기 흡입 공기 와류 장치의 또 다른 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템의 일부분을 도시하고 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 엔진 시스템의 일부분을 도시하고 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시하고 있다.
상기 실시예들의 다음의 설명들은 사실상 단지 예시에 불과하며 본 발명, 그의 적용, 또는 사용들을 제한하기 위해 의도된 것이 결코 아니다.
본 발명의 일 실시예는 부스트 어시시트 장치가 작동될 필요가 없는 (즉, 활발히 동력이 가해지지 않는) 작동 모드들 중에 상기 부스트 어시스트 장치를 통해 흡입 공기를 통과시킴으로써 상기 부스트 어시스트 장치를 윈드밀링(windmilling)하는 단계를 포함한다. 이를 행하는 것은 상기 공기의 상기 윈드밀링 효과들 때문에 상기 부스트 어시스트 장치를 회전시킬 것이다. 이 윈드밀링 효과는 통상적으로 부스트 어시스트 장치의 최대의 작동 속도들을 성취하지는 못할 것이지만, 상기 부스트 어시스트 장치가 활발히 동력이 가해지도록 요구되는 작동의 어느 초기 증속 단계 중에 상기 부스트 어시스트 장치가 통상적으로 높은 에너지 사용을 회피하는 것을 허용하기에 충분할 것이다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 윈드밀링은 상기 부스트 어시스트 장치를 구동시키기 위해 사용되는 에너지를 절약한다.
활발한 동력 작동 모드의 시작 중에 상기 에너지 사용을 감소시키는 것은 상기 부스트 어시스트 장치의 전체 에너지 사용을 감소시킨다. 이는 상기 부스트 어시스트 장치의 크기(더 작은 에너지 저장, 더 작은 구동 시스템)를 감소시키는 능력을 유발한다. 이는 또한 에너지 효율과 그에 따른 연료 절약을 개선시키는데 도움을 준다. 이는 또한 상기 부스트 어시스트 장치가 더 빠르게 그의 목표 속도를 달성하기 때문에 시스템 성능을 개선시키는데 도움을 줄 수 있다.
엔진에 대한 흡입구 라인에서 부스트 어시스트 장치의 추가된 제한이, 어떤 조건들 하에서, 엔진 작동에 부정적 효과(negative effect)를 끼치기 때문에, 상기 작동 모드는 전체 엔진 시스템에 대한 최종 효과(net effect)가 긍정적일(positive) 때 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 엔진이 최대의 동력으로 작동하는 중일 때, 상기 부스트 어시스트 장치를 원드밀링하지 않는 것이 바람직할 수 있는데 이는 상기 엔진에 대한 상기 흡입구 라인에서 과도한 제한을 초래할 수 있기 때문이다. 더구나, 상기 부스트 어시스트 장치는 상기 엔진이 이 최대 엔진 동력 모드로부터 전환할 때 작동되는 것이 필요하지 않을 것이며, 그러므로 상기 부스트 어시스트 장치의 초기 상태는 중요하지 않다(그에 따라 이를 가속시키기 위한 윈드밀링이 불필요하다).
이제 도 1을 참조하면, 일 실시예는 이후에 설명되는 바와 같이 하나 또는 그 이상의 부품들을 포함할 수 있는 엔진 시스템(10)을 포함한다. 상기 엔진 시스템(10)은, 자동차 또는 트럭과 같은, 차량에 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 엔진 시스템(10)은 디젤, 가솔린 또는 다른 가연성 연료 엔진과 같은, 그러나 이들에 한정되지 않는, 엔진(12)을 포함할 수 있다. 공기 흡입 시스템(14)은 상기 엔진(12)의 상류에 위치되는 부품들 및 장치들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 공기 흡입 시스템(14)은 일 단부에서 상기 엔진(12)에 연결되는 배관계통을 포함할 수 있으며 상기 배관계통은 개방 단부(18)를 포함할 수 있다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 상기 배관계통이라는 용어는 어떤 적당한 배관, 튜브들, 호스들, 통로들, 또는 그와 유사한 것을 포함한다. 선택 가능한 에어 필터 또는 클리너(28)가 상기 공기 흡입 시스템(14)의 상기 개방 단부(18)에서 또는 그 근처에서 상기 공기 흡입 시스템(14)에 구비될 수 있다.
배기 시스템(16)은 연소 가스들을 이의 개방 단부(20)의 외부로 배출시키기 위해 상기 엔진(12)에 연결될 수 있다. 선택적으로, 상기 배기 시스템(16)의 상기 배관계통을 통해 흐르는 배기 가스에 의해 회전되도록 조립되어 배열되는 터빈(24)을 포함하는 터보차저(22)가 구비될 수 있다. 상기 터보차저(22)는 상기 엔진(12)으로 상기 흡입 시스템(14)의 배관계통을 통해 압축된 공기를 전달하도록 압축기(26)를 회전시키기 위해 상기 터빈(24)에 작동 가능하게 연결되는 상기 압축기(26)를 포함할 수 있다.
상기 공기 흡입 시스템(14)은 상기 공기 흡입 시스템(14)의 배관계통의 상기 개방 단부(18)로부터 상기 터보차저의 압축기(26)로 연장될 수 있는 제1 세그먼 트(30’)를 포함하는 공기 흡입 라인(30)을 포함할 수 있다. 부스트 어시스트 장치(32)는 상기 제1 세그먼트(30’)에 구비될 수 있으며 상기 공기 흡입 시스템(14)을 통해 상기 압축기(26) 및 상기 엔진(12)으로 압축된 공기를 선택적으로 전달함으로써 상기 터보차저의 압축기(26)를 어시스트하기 위해 조립되어 배열될 수 있다. 상기 부스트 어시스트 장치(32)는 어떤 적당한 구동력을 받아들이기 위한 구동 메커니즘(36)과, 상기 구동 메커니즘(36)에 결합되어 상기 구동 메커니즘에 의해 구동되는 압축기(34)를 포함할 수 있다.
바이패스 라인(42)은 상기 부스트 어시스트 장치(32)를 바이패스하는 통로를 통해 바이패스 공기를 제공하기 위해 구비될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 바이패스 라인(42)은 제1 지점(44) 및 제2 지점(46)에서 상기 공기 흡입 라인(30)에 연결될 수 있다.
바이패스 밸브와 같은, 밸브(48)가, 바람직하게는 상기 바이패스 라인(42)에, 구비될 수 있으며 상기 바이패스 라인(42)을 통해 공기의 유동을 허용하거나, 중지하거나, 또는 계량하도록 완전히 또는 부분적으로 개방 및/또는 폐쇄하기 위해 조립되어 배열될 수 있다. 여기에 사용되는 바와 같이 상기 폐쇄라는 용어는 완전히 폐쇄, 및/또는 상기 밸브(48)가 또한 부분적으로 개방되도록 부분적으로 폐쇄되는 것을 포함한다. 마찬가지로, 상기 개방이라는 용어는 완전히 개방, 및/또는 상기 밸브(48)가 또한 부분적으로 폐쇄되도록 부분적으로 개방되는 것을 포함한다. 상기 밸브(48)가 폐쇄될 때, 공기는 상기 부스트 어시스트 장치(32)를 강제로 통과하며 그에 의해 상기 부스트 어시스트 장치(32)를 윈드밀링한다.
다른 실시예에서, 상기 밸브(48)는 상기 제1 지점(44) 또는 상기 제2 지점(46)에 배치되는 3-웨이 밸브일 수 있다. 상기 제1 지점(44)에 배치될 때, 상기 밸브(48)는 하나의 흡입구 포트와 두 개의 배출구 포트들을 가지도록 조립되어 배열된다. 이 위치에서, 상기 밸브(48)는 상기 바이패스 라인(42)을 통해 상기 엔진(12)까지 및/또는 상기 부스트 어시스트 장치(32)를 통해 유동을 허용하기 위해, 또는, 예를 들어, 상기 엔진(12)을 제동하기 위해 상기 바이패스 라인(42) 및 상기 부스트 어시스트 장치(32)를 통한 유동을 중지시키도록 두 개의 배출구 포트들을 폐쇄시키기 위해 작동될 수 있다. 상기 3-웨이 밸브(48)가 상기 제2 지점(46)에 배치될 때 상기 밸브(48)는 두 개의 흡입구들과 하나의 배출구를 가지며, 유사하게 작동한다.
상기 엔진 시스템(10)은 상기 밸브(48)의 하나 또는 그 이상의 상기 흡입구 및 배출구 포트들을 완전히 개방시키거나, 어느 하나 또는 그 이상의 상기 흡입구 및 배출구 포트들을 완전히 폐쇄시키거나 또는 어느 하나 또는 그 이상의 상기 흡입구 및 배출구 포트들을 부분적으로 개방 또는 폐쇄시키도록 상기 밸브(48)를 제어하기 위해 조립되어 배열되는 컨트롤러 시스템(50)을 또한 포함할 수 있다. 상기 컨트롤러 시스템(50)은 상기 엔진(12)을 제어하기 위해 사용되는 컨트롤러와 동일하거나 상기 컨트롤러와 분리된 것일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 컨트롤러 시스템(50)은 엔진 속도 센서(52), 액셀러레이터 페달 위치 센서(54), 터보차저 부품 속도 센서(56), 및/또는 배기 센서(58)와 같은, 그러나 이에 한정되지 않는, 센서들 및 유사한 장치들로부터 수집되는 다양한 입력 신호들 또는 데이터에 응답하여 상기 밸브(48)를 제어할 수 있다. 상기 컨트롤러 시스템(50)은 컴퓨터 판독 가능한 명령들 또는 이와 유사한 것을 실행하기 위한 어떤 적당한 제어 연산 장치(들)(processing device(s))와, 데이터 및 컴퓨터 판독 가능한 명령들을 저장하기 위해 상기 제어 연산 장치(들)에 결합되는 어떤 적당한 기억 장치(들)(memory device(s))를 포함할 수 있다. 예를 들어, 엔진 속도 데이터는 시간에 걸쳐 수집되어 상기 기억 장치에 저장될 수 있으며 나중에 상기 부스트 어시스트 장치(32)를 윈드밀링할 것인지 결정하기 위해 사용될 수 있다. 상기 밸브(48)는 현재 엔진 속도 및/또는 과거에 근래 수집되었던 엔진 속도에 관한 정보에 근거하여 제어될 수 있다. 상기 밸브(48)를 제어하기 위해 이와 같은 신호들 및/또는 데이터를 사용하여 도시한 예들은 이후에 제공될 것이다. 상기 컨트롤러 시스템(50)은 상기 엔진 컨트롤러로부터, 스로틀 위치, 부스트 또는 MAP 센서들, 또는 상기 터보차저의 압축기 속도로부터 또는 다양한 액추에이터 명령 신호들 (예, 급유, VTG, 등) 중의 어느 것으로부터 연료 인젝터들로 가도록 명령을 받는 연료로부터 직접 측정될 수 있거나 계산 또는 추정될 수 있는 엔진 부하를 대표하는, 획득되는 정보에 근거하여 상기 밸브(48)를 제어할 수 있다.
선택적으로, 와류 장치(96)는 이후에 상세하게 설명되는 바와 같이 상기 부스트 어시스트 장치(32)의 상기 흡입구에 또는 그 근처에 구비될 수 있다. 상기 와류 장치(96)는 윈드밀링을 향상시키기 위해 상기 부스트 어시스트 장치(32)로 들어가는 공기에 소용돌이를 일으킨다.
상기 엔진 시스템(10)은, 예를 들어 상기 엔진(12)으로부터 나온 기계적 에 너지를 전기 에너지, 유압 에너지, 공압 에너지, 등으로 변환시키기 위한 에너지 변환 장치(38)를 또한 포함할 수 있다. 밸브들, 스위치들, 및 이와 유사한 것과 같은, 적당한 에너지 경로 장치들(40)이 구비될 수 있다. 또한, 배터리들, 어큐뮬레이터들, 또는 이와 유사한 것과 같은 에너지 저장 장치들(39)이 구비될 수 있다.
이제 도 9를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에서 상기 바이패스 라인(42)은 개방 단부(18’)로부터 상기 바이패스 라인(42)을 통해 상기 터보차저의 압축기(26) 또는 엔진(12)으로 공기 통로를 제공하기 위해 대기로 개방되는 상기 단부(18’)를 가질 수 있다. 바람직하게는 대기로 개방되는 상기 단부(18’)는 상기 단부(18)와 동일하거나 상이한 에어 필터에 연결된다. 3-웨이 밸브(48)는 상기 바이패스 라인(42)에 연결되는 제1 흡입구 포트(도시되지 않음)와 배관계통에 의해 상기 터보차저의 압축기(26) 또는 엔진(12)에 연결되는 하나의 배출구 포트를 가질 수 있다. 상기 3-웨이 밸브(48)는 상기 제1 세그먼트(30’)에 연결되는 제2 흡입구 포트(도시되지 않음)를 또한 포함한다.
상기 밸브(48)는 어떤 적당한 방식으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 상기 밸브(48)는 상기 윈드밀링 효과가 상기 엔진(12)에 부정적인 효과를 미칠 때에, 예를 들면, 상기 엔진(12)이 높은 부하 및 속도에 있을 때에 (상기 바이패스 라인(42)에 연결되는) 상기 제2 흡입구 포트가 개방될 수 있고 상기 제1 흡입구 포트가 완전히 개방될 수 있도록 제어될 수 있다. 또한, 상기 밸브(48)는 예를 들어 상기 엔진(12)이 공회전 상태에 있을 때 상기 부스트 어시스트 장치(32)에 대한 상기 윈드밀링 효과를 향상시키기 위해 (상기 부스트 어시스트 장치(32)를 포함하는 상기 제 1 세그먼트(30’)에 연결되는) 상기 제1 흡입구 포트가 완전히 폐쇄될 수 있으며 (상기 바이패스 라인(42)에 연결되는) 상기 제2 흡입구 포트가 완전히 개방될 수 있도록 제어될 수 있다. 상기 밸브(48)는 상기 제1 및 제2 흡입구 포트들의 어느 하나 또는 모두를 부분적으로 개방하기 위해 제어될 수 있다. 상기 밸브(48)는 만약 요구된다면 상기 엔진을 제동하도록 두 흡입구 포트들을 폐쇄하기 위해 또한 제어될 수 있다.
이제 도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에서, 상기 바이패스 라인(42)은 개방 단부(18’)로부터 상기 바이패스 라인(42)을 통해 상기 터보차저의 압축기(26) 또는 엔진(12)으로 공기 통로를 제공하기 위해 대기로 개방되는 상기 단부(18’)를 가질 수 있다. 밸브(48)는 공기가 이를 통해 흐르는 것을 허용하거나 중지시키기 위해 상기 바이패스 라인(42)에 구비될 수 있다. 제1 세그먼트(30’)가 구비되며 상기 바이패스 라인(42)으로부터 분리된다. 부스트 어시스트 장치(32)가 상기 제1 세그먼트(30’)에 구비된다. 상기 제1 세그먼트(30’)는 하나의 단부에서 상기 터보차저의 압축기(26) 또는 엔진(12)에 연결되며 다른 하나의 단부(18)에서 대기로 개방된다. 밸브(48’)는 상기 제1 세그먼트(30’)에 구비된다.
상기 밸브들(48, 48’)은 어느 적당한 방식으로 제어될 수 있다. 윈드밀링이 요구될 때에, 예를 들어 상기 엔진(12)이 공회전 상태에 있을 때에, 예를 들어, 상기 밸브(48’)는 개방될 수 있으며 상기 다른 밸브(48)은 폐쇄될 수 있다. 또한, 윈드밀링이 요구되지 않을 때에, 예를 들어 상기 엔진(12)이 높은 부하 또는 속도에 있거나 상기 엔진(12)이 더 높은 속도에서 더 낮은 속도로 전환하는 중일 때에, 상기 밸브(48’)는 폐쇄될 수 있으며, 상기 다른 밸브(48)는 개방될 수 있다. 더구나, 양쪽의 밸브들(48, 48’)은 요구된다면 상기 엔진(12)을 제동(또는 정지)하기 위해 폐쇄하거나, 보다 자유롭게 윈드밀링을 제어하기 위해 부분적으로 개방시키기 위해 또한 제어될 수 있다.
도 11에 보여지는 또 다른 실시예에서, 상기 제1 세그먼트(30’)와 상기 바이패스 라인(42)은 그들 사이에 분배기(divider)를 가지는 공통 배관, 상기 제1 세그먼트에 있는 상기 부스트 어시스트 장치(32), 및 상기 분배기의 상류 또는 하류 단부에 있는 플랩 밸브(200)에 의해 한정될 수 있다. 작동 중에, 상기 플랩 밸브는 적어도 두 개의 방향들로 이동될 수 있다: 상기 바이패스 라인(42)을 통한 공기유동을 차단하며, 따라서, 상기 부스트 어시스트 장치(32)를 통해 모든 공기유동을 통과시키기 위한 최대 부스트 위치(204); 및 상기 바이패스 라인(42)과 상기 부스트 어시스트 장치(32)의 양쪽을 통해 공기유동을 계량하기 위한 부분 부스트 또는 부분 바이패스 위치(206). 그러나, 3-웨이 밸브를 가지는 상기 실시예들과 달리, 상기 플랩 밸브(200)는 상기 엔진(12)을 제동하기 위해 모든 공기유동을 차단하지 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 윈드밀링 작동을 선택적으로 제공하도록 상기 엔진 시스템(10)을 제어하기 위해 사용될 수 있는 단순화된 알고리즘을 도시하고 있는 논리 흐름도(60)이다. 상기 알고리즘은 상기 컨트롤러 시스템(50)의 내부에 있는 적당한 메모리(memory)에 저장될 수 있으며 그 내부에 있는 어떤 적당한 프로세서(processor)에 의해 실행될 수 있다. 상기 알고리즘은 활발한 부스트 어시 스트의 모드들 중에, 윈드밀링이 행해지지 않는 방법을 설명하고 있다. 상기 부스트 어시스트 장치(32)를 활발히 구동시키지 않을 때, 상기 알고리즘은 윈드밀링(즉, 추가된 흡입구 제한)의 비용이 회전하는 부스터를 가지는 잠재적인 이익을 가져올 가치가 있는지 결정한다. 만약 그렇다면, 그때 상기 바이패스 밸브(48)가 폐쇄되며 상기 부스트 어시스트 장치의 윈드밀링이 수행된다. 대안으로, 상기 바이패스 밸브 위치의 보다 연속적인 제어가 제공될 수 있다는 것에 주목할 필요가 있다. 예를 들어, 윈드밀링이 매우 유익하게 되는 조건들 하에서 (예, 부스트 어시스트가 가까운 장래에 요구될 수 있는 작동 조건들 하에서(공회전 근처에서)) 그리고 윈드밀링의 비용이 작거나 심지어 네거티브인 (예, 인-기어 제동(in-gear braking) 중의) 조건들 하에서 그 때 상기 바이패스 밸브(48)는 완전히 폐쇄될 수 있다. 부스트 어시스트가 가까운 장래에 요구되지 않을 (예, 이미 높은 엔진 속도로 작동하는 중인) 조건들 하에서 그리고 상기 엔진(12)이 윈드밀링에 의해 부정적으로 충격을 받을 것이라는 (예, 높은 부하에 있는) 조건 하에서, 그 때 상기 바이패스 밸브(48)는 완전히 개방될 수 있다. 윈드밀링이 단지 어느 정도 일어날 수 있으며 상기 엔진(12)에 단지 작은 부정적인 충격들만 있는 중간의 상황들에서, 그 때 상기 밸브(48)는 상기 엔진 작동에 대한 감소된 충격으로 약간의 윈드밀링을 제공하는, 약간 부분적으로 폐쇄된 위치로 설정될 수 있다.
이제 도 2에 보여지는 상기 흐름도(60)를 구체적으로 참조하면, 일 실시예에 따른 방법은 시작점(62)을 포함한다. 제1 단계(64)는 활발한 부스트 어시스트가 요구되는지를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 만약 ‘예’라면, 제2 단계(66)는 상 기 부스트 어시스트 장치의 압축기(34)를 구동시키기 위해 상기 부스트 어시스트 장치(32)의 상기 구동 메커니즘(36)에 에너지를 공급함으로써 상기 부스트 어시스트 장치(32)를 구동시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 공급된 에너지는 기계, 전기, 공압 및/또는 유압 에너지일 수 있다. 선택적으로, 제3 단계(68)는 흡입 공기가 대체로 단지 상기 부스트 어시스트 장치(32)를 통해서만 흐르도록 상기 밸브(48)을 폐쇄시키거나 대체로 폐쇄시키는 단계를 포함할 수 있다. 만약에 부스트 어시스트가 요구되지 않는다면, 제4 단계(72)는 상기 부스트 어시스트 장치(32)에 에너지를 공급하지 않는 단계이다. 제5 단계(74)는 상기 부스트 어시스트 장치(32)를 윈드밀링하는 것이 상기 엔진(12)에 잠재적인 부정적인 효과를 끼칠 가치가 있는지 결정하는 단계이다. 만약 ‘예’라면, 제6 단계(76)는 상기 바이패스 라인(42)에 있는 상기 밸브(48)를 폐쇄시키거나 대체로 폐쇄시킴으로써 상기 부스트 어시스트 장치(32)를 윈드밀링하는 단계를 포함한다. 만약에 ‘아니오’라면, 제7 단계(80)는 상기 바이패스 라인(42)에 있는 상기 밸브(48)를 개방시키는 단계를 포함한다. 그 후에 상기 방법은 반복되며 단계(70)에서 종료될 수 있다.
도 3은 상기 부스트 어시스트 장치(32)를 윈드밀링하지 않고 작동되는 상기 엔진 시스템(10)에서 엔진 속도(82), 부스트 어시스트 장치 속도(88), 상기 부스트 어시스트 장치에 대한 에너지 입력(86), 및 바이패스 밸브 위치(84)의 시간에 대한 변화를 도시하는 차트이다. 도 3은 표준 논-윈드밀링(standard non-windmilling) 방식을 사용하는 엔진 작동 중에 부스트 어시스트 장치의 회전 속도를 보여주는 예의 선도이다. 엔진 속도(82)와 부스터에 대한 활발한 에너지 입력(86)이 또한 보여 진다. 보여질 수 있는 바와 같이, 대량의 에너지가 0 RPM으로부터 회전하는 상기 부스트 어시스트 장치(32)를 시동하기 위해 사용된다. 상기 부스트 속도는 낮은 속도에서의 비효율성 때문에 상대적으로 느리게 상승하며 상기 엔진 속도는 이에 이용할 수 있는 더 낮은 부스트 때문에 상대적으로 느리게 증가된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 부스트 어시스트 장치(32)를 윈드밀링함으로써 작동되는 상기 엔진 시스템(10)에서 엔진 속도(82), 부스트 어시스트 장치 속도(88), 상기 부스트 어시스트 장치에 대한 에너지 입력(86), 및 바이패스 밸브 위치(84)의 시간에 대한 변화를 도시하는 차트이다. 도 4는 도 3과 유사한 영역의 엔진 작동을 보여주지만 여기서 상기 부스트 어시스트 장치(32)의 윈드밀링은 본 발명의 일 실시예에 따라 이용된다. 상기 밸브(48)가 초기의 에너지가 가해지지 않은 부분의 작동 (1­9 초) 중에 모든 또는 일정 비율의 흡입 공기가 상기 부스트 어시스트 장치(32)를 통과하게 하는 ((상기 도면의 경우와 같이) 완전히 폐쇄되거나 부분적으로 폐쇄되는) 위치에 있을 때에, 상기 부스트 어시스트 장치 속도는 0이 되지 않는다. 에너지가 상기 부스트 어시스트 장치(32)에 직접 가해질 때에, 더 작은 양의 에너지가 요구된다. 또한, 상기 부스트 어시스트 장치(32)는 더 좋은 효율 때문에 더 빠르게 가속한다. 마지막으로, 상기 엔진 속도는 더 많은 공기의 더 빠른 이용성 때문에 더 빠르게 증가한다.
도 4의 예의 선도는 약간의 효율 향상 및 약간의 응답 성능 향상을 도시하고 있다. 물론 실제로, 상기 엔진 시스템(10)은 최대 성능을 얻기 위해 (예, 여전히 대량의 초기 에너지를 사용하지만, 상기 부스트 어시스트 장치(32)를 더 빠르게 회 전시키기 위해) 조정될 수 있거나 최대 효율을 위해 (에, 매우 적은 에너지로 기준 엔진 응답이 달성되도록 매우 적은 에너지를 입력하기 위해) 조정될 수 있으며, 또는 다시, 상기 두 가지의 어느 정도의 절충이 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 엔진(12)의 선택적인 작동 영역들 중에 부스트 어시스트 장치를 선택적으로 윈드밀링함으로써 작동되는 상기 엔진 시스템(10)에서 엔진 속도(82), 부스트 어시스트 장치 속도(88), 상기 부스트 어시스트 장치에 대한 에너지 입력(86), 및 바이패스 밸브 위치(84)의 시간에 대한 변화를 도시하는 차트이다. 도 5는, 초기에, 상기 부스트 어시스트 장치(32)에 대한 직접적인 동력이 차단되며 그 다음에 상기 밸브(48)가 완전히 개방되는 작동 모드를 보여준다. 이전에 언급된 바와 같이, 이는 상기 흡입구의 공기 흐름에서 상기 부스트 어시스트 장치(32)의 추가된 제한이 상기 엔진(12)의 효율적인 작동에 몹시 해로운 상황이 될 수 있다. 이는 또한 상기 엔진(12)이 상기 부스트 어시스트 장치(32)의 활발한 작동이 요구되는 다른 작동 영역에 대해 직접적인 경로를 가지지 않는 작동 영역에 있는 상황이 될 수 있다. 상기 엔진(12)은, 상기 부스트 어시스트 장치(32)가 활발히 구동되는 것이 요구되기 전에, 우선 상기 부스트 어시스트 장치(32)가 윈드밀링될 수 있는 다른 작동 영역을 먼저 통과하는 것이 필요할 것이다. 예를 들어, 상기 엔진(12)은 높은 부하 및 속도에서 작동될 수 있으며, 여기서 상기 부스트 어시스트는 필요로 하지 않을 수 있다. 상기 부스트 어시스트 장치(32)의 구동이 다시 요구되기 전에 상기 엔진(12)은 감속 구간을 통과하는 것이 필요할 것이다. 그래서, 상기 엔진(12)이 높은 부하 및 속도로 남아 있는 한, 상기 밸브(48)는 개방된 상태로 남아 있을 수 있다. 상기 엔진(12)이 감속됨에 따라, 상기 밸브(48)는 다음의 활발한 부스팅 이벤트에 대비하여 폐쇄시키는 것을 시작할 수 있다.
이제 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 유용한 예시적 부스트 어시스트 장치(32)는 압축기 하우징(90), 하우징 흡입구(92), 공기를 압축하기 위해 연관된 블레이드들(100)을 가지는 공기 압축 휠, 및 구동 메커니즘(36)을 포함할 수 있다. 상기 부스트 어시스트 장치(32)의 예들은 유압 구동 시스템들, 전기 구동 시스템들, 벨트 구동 시스템들 및 공압 구동 시스템들을 포함한다. 이와 같은 장치들은 벨트와 같은 것으로 엔진(12)으로부터 직접 구동되거나, 또는 (엔진에 의해 구동될 수 있는) 유압 펌프를 통해, 또는 (엔진에 의해 구동되는) 교류발전기를 통해 구동될 수 있다. 대안으로서, 상기 부스트 어시스트 장치(32)는 어큐뮬레이터 또는 한 세트의 배터리와 같은 것의 내부에 저장된 에너지에 의해 구동될 수 있다.
이제 도 7 내지 8을 참조하면, 상기 부스트 어시스트 장치(32)의 상기 흡입구(92)에, 또는 내부에, 또는 근처에 흡입 공기 와류 장치(96)를 배치함으로써 상기 윈드밀링 효과는 향상될 수 있으며 상기 회전하는 부스트 어시스트 장치(32)의 속도는 증가될 수 있다. 본 발명의 이 실시예에서, 상기 와류 장치(96)는 압축기 베인들을 지나는 공기의 유도된 통로에 의한 것과 같이 압축기 속도를 증가시키는 일 방향으로 흡입 공기를 유도하기 위해 조립되어 배열되는 복수의 블레이드들(98)을 포함한다. 예를 들어, 상기 와류 장치(96)는 상기 흡입구(92)의 외벽 및 상기 하우징 벽을 향해 흡입 공기를 유도할 수 있다. 그러나, 본 발명은 도 7 내지 8에 보여지는 특정한 실시예에 한정되지 않는다. 상기 윈드밀링 효과를 향상시키며 상기 부스트 어시스트 장치(32)의 회전 속도를 증가시키는 어떤 타입의 와류 장치도 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예들의 상기한 설명은 사실상 단지 예시에 불과하며, 그에 따라, 이의 변형들은 본 발명의 정신과 범위로부터 벗어나는 것으로 간주되지 않는다.

Claims (28)

  1. 제1 세그먼트와 상기 제1 세그먼트에 연결되는 부스트 어시스트 장치를 포함하며 공기를 이를 통해 흐르게 하는 배관계통, 및 상기 제1 세그먼트에 연결되며 상기 부스트 어시스트 장치의 주위에 공기 바이패스 경로를 제공하기 위해 조립되어 배열되는 바이패스 라인을 포함하는 엔진 공기 흡입 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 세그먼트 또는 바이패스 라인 중의 하나에 있으며 상기 바이패스 라인을 통한 공기의 유동을 적어도 부분적으로 허용하거나 적어도 부분적으로 제한하기 위해 조립되어 배열되는 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 밸브는 상기 바이패스 라인에 있는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 바이패스 라인은 제1 지점 및 제2 지점에서 상기 제1 세그먼트에 연결되며 상기 부스트 어시스트 장치는 상기 제1 지점과 제2 지점 사이에 있는 상기 제 1 세그먼트에 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 밸브는 상기 제1 지점에 배치되는 3-웨이 밸브인 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 3-웨이 밸브는 하나의 흡입구 포트와 두 개의 배출구 포트들을 포함하며 상기 밸브는 하나 또는 그 이상의 상기 포트들을 완전히 폐쇄하거나, 하나 또는 그 이상의 상기 포트들을 완전히 개방시키거나, 또는 하나 또는 그 이상의 상기 포트들을 부분적으로 폐쇄하기 위해 조립되어 배열되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 밸브는 상기 제2 지점에 배치되는 3-웨이 밸브인 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 3-웨이 밸브는 두 개의 흡입구 포트들과 하나의 배출구 포트를 포함하며 상기 밸브는 하나 또는 그 이상의 상기 포트들을 완전히 폐쇄하거나, 하나 또는 그 이상의 상기 포트들을 완전히 개방시키거나, 또는 하나 또는 그 이상의 상기 포트들을 부분적으로 폐쇄하기 위해 조립되어 배열되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 부스트 어시스트 장치로 유입되는 공기에 소용돌이를 일으키기 위해 배치되는 와류 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    엔진 배기 시스템 및 상기 배기 시스템에 있는 터빈과 상기 공기 흡입 시스템에 있는 공기 압축기를 포함하는 터보차저를 더 포함하며, 상기 제1 세그먼트는 개방 단부를 포함하며 상기 부스트 어시스트 장치는 상기 제1 세그먼트의 상기 개방 단부와 상기 터보차저의 상기 공기 압축기 사이에 있는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 부스트 어시스트 장치는 기계, 전기, 공압 또는 유압 에너지 중의 적어도 하나에 의해 구동되기 위해 조립되어 배열되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 세그먼트 또는 상기 바이패스 라인 중의 하나에 있는 밸브를 더 포함하며, 상기 밸브는 상기 바이패스 라인 또는 부스트 어시스트 장치 중의 적어도 하나를 통한 유동을 제어하기 위해 조립되어 배열되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 밸브의 개방 및 폐쇄를 제어하기 위한 컨트롤러 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 엔진 속도와 관련하여 상기 컨트롤러 시스템에 입력을 제공하기 위해 조립되어 배열되는 엔진 속도 센서를 더 포함하며 상기 엔진 속도가 상기 엔진이 공회전 상태에 있거나 그 근처에 있는 것과 관련된 미리 결정된 범위 내에 있을 때 상기 부스트 어시스트 장치를 윈드밀링하기 위해 공기가 상기 부스트 어시스트 장치를 통해 흐르도록 상기 컨트롤러 시스템은 상기 밸브를 폐쇄되게 하기 위해 조립되어 배열되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    엔진 속도 센서, 액셀러레이터 센서, 터보차저 부품 속도 센서, 또는 배기 센서 중의 적어도 하나를 포함하는 센서 장치를 더 포함하며, 상기 센서 장치는 상기 컨트롤러 시스템에 입력을 제공하기 위해 조립되어 배열되며 상기 컨트롤러 시스템은 상기 센서 장치로부터 나오는 상기 입력에 응답하여 상기 밸브를 제어하기 위해 조립되어 배열되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 엔진 속도에 관하여 상기 컨트롤러 시스템에 입력을 제공하기 위해 조립되어 배열되는 엔진 속도 센서를 더 포함하며 상기 컨트롤러 시스템은 상기 엔진 속도 센서로부터 나오는 상기 입력에 응답하여 상기 밸브를 제어하기 위해 조립되어 배열되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  17. 제1 세그먼트와 상기 제1 세그먼트에 연결되는 부스트 어시스트 장치를 포함하며 공기를 이를 통해 흐르게 하는 배관계통, 및 상기 제1 세그먼트에 연결되며 상기 부스트 어시스트 장치의 주위에 공기 바이패스 경로를 제공하기 위해 조립되어 배열되는 바이패스 라인, 상기 제1 세그먼트 또는 바이패스 라인 중의 하나에 있는 밸브를 포함하는 엔진 공기 흡입 시스템을 포함하는 시스템을 제공하는 단계; 및
    상기 바이패스 라인을 통한 공기의 유동을 적어도 부분적으로 허용하거나 적어도 부분적으로 제한하기 위해 상기 밸브를 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 밸브는 제1 지점과 상기 부스트 어시스트 장치 사이에 또는 상기 부스트 어시스트 장치와 제2 지점 사이에 있는 상기 제1 세그먼트에 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 밸브는 제1 지점에 배치되는 3-웨이 밸브인 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 3-웨이 밸브는 하나의 흡입구 포트와 두 개의 배출구 포트들을 포함하며 상기 밸브는 하나 또는 그 이상의 상기 포트들을 완전히 폐쇄하거나, 하나 또는 그 이상의 상기 포트들을 완전히 개방시키거나, 또는 하나 또는 그 이상의 상기 포트들을 부분적으로 폐쇄하기 위해 조립되어 배열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 밸브는 제2 지점에 배치되는 3-웨이 밸브인 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 3-웨이 밸브는 두 개의 흡입구 포트들과 하나의 배출구 포트를 포함하 며 상기 밸브는 하나 또는 그 이상의 상기 포트들을 완전히 폐쇄하거나, 하나 또는 그 이상의 상기 포트들을 완전히 개방시키거나, 또는 하나 또는 그 이상의 상기 포트들을 부분적으로 폐쇄하기 위해 조립되어 배열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제17항에 있어서,
    상기 부스트 어시스트 장치로 들어가는 공기에 소용돌이를 일으키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제17항에 있어서,
    엔진 배기 시스템, 및 상기 배기 시스템에 있는 터빈과 상기 공기 흡입 시스템에 있는 공기 압축기를 포함하는 터보차저를 더 포함하며, 상기 제1 세그먼트는 개방 단부를 포함하며 상기 부스트 어시스트 장치는 상기 제1 세그먼트의 상기 개방 단부와 상기 터보차저의 상기 공기 압축기 사이에 있으며, 상기 엔진에 압축된 공기를 전달하도록 상기 터보차저의 압축기를 어시스트하기 위해 상기 부스트 어시스트 장치를 선택적으로 구동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 부스트 어시스트 장치를 구동시키는 단계는 기계, 전기, 공압 또는 유압 에너지 중의 적어도 하나를 상기 부스트 어시스트 장치에 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    컨트롤러 시스템을 더 포함하고 상기 컨트롤러 시스템에 의해 상기 밸브의 개방 및 폐쇄를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 엔진 속도와 관련하여 상기 컨트롤러 시스템에 입력을 제공하기 위해 조립되어 배열되는 엔진 속도 센서를 더 포함하며 상기 엔진 속도가 상기 엔진이 공회전 상태에 있거나 그 근처에 있는 것과 관련된 미리 결정된 범위 내에 있을 때 상기 부스트 어시스트 장치를 윈드밀링하기 위해 공기가 상기 부스트 어시스트 장치를 통해 흐르도록 상기 컨트롤러 시스템은 상기 밸브를 폐쇄하기 위해 조립되어 배열되며, 그리고 상기 입력에 응답하여 상기 밸브를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제26항에 있어서,
    엔진 속도 센서, 공기 액셀러레이터 센서, 터보차저 부품 속도 센서, 또는 배기 센서 중의 적어도 하나를 포함하는 센서 장치를 더 포함하며, 상기 센서 장치는 상기 컨트롤러 시스템에 입력을 제공하기 위해 조립되어 배열되며 상기 컨트롤러 시스템은 상기 센서 장치로부터 나오는 상기 입력에 응답하여 상기 밸브를 제어하기 위해 조립되어 배열되며, 그리고 상기 입력에 응답하여 상기 밸브를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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