KR20100054532A - 터보차저 엔진의 서지 제어장치 - Google Patents

터보차저 엔진의 서지 제어장치 Download PDF

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Abstract

엔진의 회전수 영역에 따라 터보차저 서지 발생을 감소시킬 수 있으며, 바이패싱되는 구간 및 작동 시간을 단축하여 엔진 과부하시 급격한 압력증대에 대한 응답성을 높일 수 있는 터보차저 엔진의 서지 제어장치를 제공한다. 터보차저 엔진의 서지 제어장치는 엔진의 배기 매니폴드에서 배출되는 배기가스의 압력을 이용하여 흡기 매니폴드에 가압된 공기를 공급하는 터보차저, 스로틀 밸브의 개폐상태를 검출하는 스로틀 밸브 위치 검출부, 엔진의 회전상태를 검출하는 엔진 회전수 검출부, 스로틀 밸브 위치 검출부와 엔진 회전수 검출부로부터 입력되는 신호를 각각 분석하여 스로틀 밸브의 닫힘시 엔진의 회전상태에 따라 해당되는 밸브 개폐신호를 발생하는 제어부, 및 터보차저의 컴프레서 주변에 복수로 장착되어 제어부로부터 공급되는 밸브 개폐신호의 입력에 따라 선택적으로 구동되며, 컴프레서 전단으로 재순환되는 고압의 흡입 공기 흐름을 단속하는 안티서지밸브를 포함한다.
엔진, 터보차저, 컴프레서, 서지

Description

터보차저 엔진의 서지 제어장치{SURGE CONTROL DEVICE OF TURBO CHARGER ENGIME}
본 발명은 터보차저 엔진 제어장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터보차저 엔진의 서지 제어장치에 관한 것이다.
일반적으로, 차량의 엔진에 장착되는 과급장치는 대기압보다 높은 압력으로 엔진의 흡기 매니폴드에 공기를 압송하는 장치이다. 과급장치 가운데, 엔진의 배기 압력을 이용하는 것으로 터보차저(turbo charger)가 있다.
터보차저는 배기 매니폴드에서 배출되는 배기가스의 압력을 이용하여 흡기 매니폴드에 가압된 공기를 공급한다. 그러면, 엔진의 연소실로 많은 양의 공기가 공급되어 흡기효율이 상승되므로 엔진의 출력을 향상시킬 수 있다.
한편, 엔진의 출력을 제어하기 위해 스로틀 밸브를 수시로 개폐하여 혼합기량을 조절한다. 스로틀 밸브를 개폐하는 경우 엔진 가속 후 가속 페달 해제시 출력이 저하되는 부분에서 스로틀 밸브가 급격하게 닫히면서 공기의 공급이 차단된다. 이에 따라 흡입 공기는 맥동파를 형성하여 인터쿨러를 거쳐 터보차저의 컴프레서 측에 충격을 주게 된다. 이때 공기압이 터보차저의 서지(surge) 영역으로 넘어가 서지 소음이 발생한다.
서지 소음은 엔진의 가속 후 무부하 상태로 변경되었을 때 3초 내지 5초 동안 발생하게 된다. 서지 소음은 차량의 탑승자가 인지할 수 있는 정도이기 때문에, 서지 소음은 차량 탑승자에게 불안감을 갖게 하는 문제점이 있다.
또한, 맥동파에 의한 압력 증대는 터보차저에 무리를 주어 축부분의 불균형을 야기할 수 있다. 심한 경우, 터보차저가 파손될 수 있는 문제점이 있다.
엔진의 회전수 영역에 따라 터보차저 서지 발생을 감소시킬 수 있으며, 바이패싱되는 구간 및 작동 시간을 단축하여 엔진 과부하시 급격한 압력증대에 대한 응답성을 높일 수 있는 터보차저 엔진의 서지 제어장치를 제공한다.
터보차저 엔진의 서지 제어장치는 엔진의 배기 매니폴드에서 배출되는 배기가스의 압력을 이용하여 흡기 매니폴드에 가압된 공기를 공급하는 터보차저, 스로틀 밸브의 개폐상태를 검출하는 스로틀 밸브 위치 검출부, 엔진의 회전상태를 검출하는 엔진 회전수 검출부, 스로틀 밸브 위치 검출부와 엔진 회전수 검출부로부터 입력되는 신호를 각각 분석하여 스로틀 밸브의 닫힘시 엔진의 회전상태에 따라 해당되는 밸브 개폐신호를 발생하는 제어부, 및 터보차저의 컴프레서 주변에 복수로 장착되어 제어부로부터 공급되는 밸브 개폐신호의 입력에 따라 선택적으로 구동되며, 컴프레서 전단으로 재순환되는 고압의 흡입 공기 흐름을 단속하는 안티서지밸 브를 포함한다.
안티서지밸브는 터보차저의 컴프레서 하우징 후단측에서 인터쿨러로 연결되는 유로에 위치된 컴프레서 아웃 커플러에 구비되며, 엔진의 중/저속 회전 영역에서 열려 터보차저에서 압축된 신기(新氣)가 인터쿨러로 이동되는 도중에 터보차저의 인렛 호스(inlet hose)로 바이패스(bypass)하는 제1 안티서지밸브, 및 터보차저의 컴프레서 하우징에 일체로 구비되며, 엔진의 중/고속 회전 영역에서 열려 컴프레서 하우징의 압력을 이용하여 신기의 일부를 바이패스하며, 재순환된 신기와 압축된 신기가 믹싱(mixing)되어 컴프레서 아웃 커플러를 지나면서 제1 안티서지밸브가 작동하여 2차로 신기의 일부를 터보차저의 인렛 호스로 바이패스 하는 제2 안티서지밸브를 포함할 수 있다.
컴프레서 아웃 커플러와 터보차저의 인렛 호스를 연결하는 바이패스 라인을 더 포함하며, 제1 안티서지밸브는 컴프레서 아웃 커플러와 바이패스 라인이 연결되는 부분에 설치될 수 있다.
엔진의 중/저속 회전 영역은 800~1,500RPM으로 이루어질 수 있으며, 엔진의 중/고속 회전 영역은 1,400~2,700RPM으로 이루어질 수 있다.
제어부는 스로틀 밸브의 닫힘시 엔진이 중/저속 회전 상태이면 제1 안티서지밸브로 밸브 열림신호를 공급하고, 엔진이 중/고속 회전 상태이면 제2 안티서지밸브로 밸브 열림신호를 공급할 수 있다.
터보차저 엔진의 서지 제어장치는 컴프레서 아웃 커플러에 제1 안티서지밸브 를 구비하고, 터보차저의 컴프레서 하우징에 제2 안티서지밸브를 구비하여 엔진의 회전수 영역별로 안티서지밸브의 구동을 선택할 수 있다.
중/저속 영역에서는 터보차저 서지 발생을 막기 위해 컴프레서 아웃 커플러에 위치한 제1 안티서지밸브가 작동한다. 그리고 중/고속 영역에서는 과부하시 추가로 터보차저의 컴프레서 하우징내 제2 안티서지밸브가 작동하여 동시에 바이패싱함으로서 작동 범위 및 바이패싱 유량이 증대되어 터보차저 서징을 막을 수 있다.
특히, 터보차저의 컴프레서 하우징에 제2 안티서지밸브가 일체화로 장착됨에 따라 바이패싱되는 구간 및 작동 시간을 단축하여 엔진 과부하시 급격한 압력증대에 대한 응답성을 높일 수 있다.
또한, 레이아웃 및 시스템 작동 측면에서 차량 탑재시 사이즈가 컴팩트하므로 공간 활용도를 높일 수 있다.
또한, 제1 안티서지밸브 및 제2 안티서지밸브 작동을 위한 압력을 흡기 매니폴드 및 터보차저의 컴프레서에서 추출하므로 추가적인 압력 발생 장치가 필요 없다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 본 명세서 및 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터보차저 엔진의 서지 제어장치의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 터보차저 엔진의 서지 제어장치는 터보차저, 스로틀 밸브 위치 검출부(10), 엔진 회전수 검출부(20), 제어부(30), 안티서지밸브를 포함한다.
터보차저는 엔진의 배기 매니폴드에서 배출되는 배기가스의 압력을 이용하여 흡기 매니폴드에 가압된 공기를 공급한다.
스로틀 밸브 위치 검출부(10)는 스로틀 밸브의 개폐상태를 검출하며, 스로틀 밸브의 개폐상태에 따라 해당되는 스로틀 밸브 위치 신호를 전기적으로 발생한다. 스로틀 밸브 위치 검출부(10)는 스로틀 포지션 센서(throttle position sensor)로 이루어질 수 있다. 스로틀 밸브의 개폐상태를 검출하는 센서로 가속 페달의 답입상태를 검출할 수도 있다. 가속 페달을 밟게 되면 스로틀 밸브가 열린다. 이러한 상태에서, 가속 페달에 가해지는 답입력을 제하면 가속 페달은 원래의 위치로 돌아오게 된다. 이때, 스로틀 밸브는 닫히게 된다. 따라서, 가속 페달의 답입상태를 검출하는 것과 스로틀 밸브의 개폐상태를 검출하는 것은 서로 상관이 있다. 따라서, 가속 페달 위치를 직접 검출신호로 이용할 것인지 아니면 스로틀 밸브의 개폐신호를 이용할 것인지는 사용자의 필요에 따라 선택하여 사용할 수 있다.
엔진 회전수 검출부(20)는 엔진의 회전상태를 검출하며, 해당되는 엔진 회전수 검출 신호를 발생한다. 엔진 회전수 검출부(20)는 엔진의 플라이휠 회전상태를 검출한다.
제어부(30)는 스로틀 밸브 위치 검출부(10)와 엔진 회전수 검출부(20)로부터 입력되는 신호를 각각 분석하여 스로틀 밸브의 닫힘시 엔진의 회전상태에 따라 해당되는 밸브 개폐신호를 발생한다.
안티서지밸브는 터보차저의 컴프레서 주변에 복수로 장착되어 제어부(30)로부터 공급되는 밸브 개폐신호의 입력에 따라 선택적으로 구동된다. 안티서지밸브는 컴프레서 전단으로 재순환되는 고압의 흡입 공기 흐름을 단속한다.
안티서지밸브는 제1 안티서지밸브(40), 제2 안티서지밸브(42)를 포함한다.
제1 안티서지밸브(40)는 터보차저의 컴프레서 하우징(4) 후단측에서 인터쿨러로 연결되는 유로에 위치된 컴프레서 아웃 커플러(2)에 구비된다. 제1 안티서지밸브(40)는 엔진의 중/저속 회전 영역에서 열려 터보차저에서 압축된 신기(新氣)가 인터쿨러로 이동되는 도중에 터보차저의 인렛 호스(inlet hose)로 바이패스(bypass)하는 기능을 한다. 컴프레서 아웃 커플러(2)와 터보차저의 인렛 호스를 연결하는 바이패스 라인(8)을 더 포함하며, 제1 안티서지밸브(40)는 컴프레서 아웃 커플러(2)와 바이패스 라인(8)이 연결되는 부분에 설치될 수 있다.
제2 안티서지밸브(42)는 터보차저의 컴프레서 하우징(4)에 일체로 구비된다. 제2 안티서지밸브(42)는 엔진의 중/고속 회전 영역에서 열려 컴프레서 하우징(4)의 압력을 이용하여 신기의 일부를 바이패스하는 기능을 한다. 제2 안티서지밸브(42)는 재순환된 신기와 압축된 신기가 믹싱(mixing)되어 컴프레서 아웃 커플러(2)를 지나면서 제1 안티서지밸브(40)가 작동하여 2차로 신기의 일부를 터보차저의 인렛 호스로 바이패스한다.
본 발명의 실시예는 안티서지밸브가 작동되는 엔진의 회전영역을 설정한다. 예를 들어, 엔진의 중/저속 회전 영역은 800~1,500RPM으로 이루어질 수 있으며, 엔진의 중/고속 회전 영역은 1,400~2,700RPM으로 이루어질 수 있다.
제어부(30)는 스로틀 밸브의 닫힘시 엔진이 중/저속 회전 상태이면 제1 안티서지밸브(40)로 밸브 열림신호를 공급하고, 엔진이 중/고속 회전 상태이면 제2 안티서지밸브(42)로 밸브 열림신호를 공급한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 엔진이 중/저속 회전 상태에서 제1 안티서지밸브(40)가 작동하여 바이패스되는 흡입 공기의 흐름을 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 엔진이 중/고속 회전 상태에서 제1 안티서지밸브(40)와 제2 안티서지밸브(42)가 작동하여 바이패스되는 흡입 공기의 흐름을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 터보차저 엔진의 서지 제어장치의 동작을 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 안티서지밸브는 2단으로 장착하고 엔진의 회전영역에 따라 바이패스되는 흡입 공기의 흐름을 단속한다.
먼저, 제1 안티서지밸브(40)는 컴프레서 아웃 커플러(2)에 구비되며, 제2 안티서지밸브(42)는 터보차저의 컴프레서 하우징(4)에 일체로 구비된다. 상기한 바와 같이 안티서지밸브를 2단으로 장착하여 함에 따라 밸브 개폐를 통해 스로틀 밸브의 닫힘시 발생하는 고압의 흡입 공기를 컴프레서 전단으로 재순환시켜 맥동 충격 및 서지를 더 감소시킬 수 있다.
따라서, 안티서지밸브의 응답성 불만족에 따라 추가적인 터보차저 서징이 발생하여 소음 수준에 있어서 사용자의 불만족이 예상되는 부분을 어느 정도 해소할 수 있다. 그리고 지속적인 맥동 충격이 터보차저에 가해질 경우 발생될 수 있는 터보차저의 컴프레서 휠측 파손문제도 감소시킬 수 있다.
안티서지밸브가 컴프레서 아웃 커플러(2)에만 위치하는 경우 엔진 레이아웃(layout)측면에서 간극 협소로 인한 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 컴프레서 아웃 커플러(2) 주변에 차량 캡브릿지가 장착되는 경우 간극이 협소해지는 문제점이 있다.
그리고 터보차저 서징 측면을 고려해보면 터보차저의 컴프레서 하우징(4) 스크롤부에서 거리가 먼 컴프레서 아웃 커플러(2)에 장착하여 응답성 부족 현상이 발생할 수 있다. 즉, 컴프레서 아웃 커플러(2)에만 안티서지밸브가 위치할 경우 터보차저에서 압축된 신기(新氣)가 스크롤을 타고 나와 인터쿨러로 이동되는 도중에 인렛 호스(inlet hose)로 바이패스(bypass)된다. 따라서, 컴프레서 하우징(4)에서 직접 흡입 공기를 바이패스하는 것보다 이동시간 및 거리가 길어지므로 응답성이 부족하게 된다.
이러한 상태에서 안티서지밸브를 구동하는 것은 흡기 매니폴드의 압력을 이용하는데 전달되는 거리 및 흡기 매니폴드측 압력이 터보차저에서 압축된 직후에 비해 낮음으로 인하여 구동 시간에 지연(delay)이 생기며 구동 압력 또한 낮아 저속 구간에서의 터보차저 서징만 개선될 수 있는 한계가 있다.
한편, 안티서지밸브를 터보차저의 컴프레서 하우징(4)에만 일체화하는 경우 전술한 간극 협소 문제는 해결할 수 있다. 즉, 안티서지밸브를 컴프레서 아웃 커플러(2)에서 컴프레서 하우징(4) 본체로 이동함으로써 바이패스되는 흡입 공기의 유로가 짧아지게 된다. 그리고 안티서지밸브를 구동시키는 흡기 매니폴드의 압력 대신 컴프레서 하우징(4)에서 직접 압축공기를 바이패스하면, 구동 시간 측면 및 유로에 의한 지연이 작아짐으로써 응답성 측면이 개선될 수 있다.
그런데, 터보차저 서징측면에서 응답성을 일부 개선할 수 있으나 중/저속 회전수(800~1,500RPM) 영역에서는 안티서지밸브 작동 압력이 낮아 안티서지밸브의 작동이 어려워 서징이 추가로 발생할 수 있다.
예를 들어, 컴프레서 하우징(4)에서 밸브 구동 압력을 뽑아 구동할 경우 고속 회전수(1,400~2,700RPM) 영역에서의 서징을 막을 수 있지만, 중/저속의 경우 안티서지밸브 작동이 어려워 서징이 발생될 수 있다. 안티서지밸브의 구동 스프링을 조정할 경우에도 중/저속에서는 작동영역 외에서 동작하게 된다.
본 발명의 실시예는 이러한 문제점들을 개선하기 위해 제1 안티서지밸브(40)는 컴프레서 아웃 커플러(2)에 장착하고, 제2 안티서지밸브(42)는 컴프레서 하우징(4)에 일체형으로 장착한다. 그리고 제1 안티서지밸브(40)의 위치를 주변 부품들과의 간섭을 고려하여 개선전 장착위치에서 조정(측면에서 상부로)하여 보다 넓은 간극을 확보한다.
이어서, 엔진 회전수에 따른 응답성 및 회전수 영역별 작동을 설명한다.
중/저속 영역(800~1,500RPM)
제어부(30)는 스로틀 밸브 위치 검출부(10)와 엔진 회전수 검출부(20)로부터 입력되는 신호를 각각 분석하여 스로틀 밸브의 닫힘시 엔진이 중/저속 회전 상태이면 컴프레서 아웃 커플러(2)에 위치한 제1 안티서지밸브(40)로 밸브 열림신호를 공급한다. 즉, 엔진의 중/저속 영역에서는 제1 안티서지밸브(40)가 열리게 된다. 제1 안티서지밸브(40)가 열리면 흡기 매니폴드의 압력을 이용하여 압축 신기를 바이패스 라인(8)을 통해 터보차저의 인렛 호스로 바이패스시킨다. 이때, 재순환된 신기에 의해 서징이 방지된다.
중/고속 영역(1,400RPM~2,700RPM)
제어부(30)는 스로틀 밸브 위치 검출부(10)와 엔진 회전수 검출부(20)로부터 입력되는 신호를 각각 분석하여 스로틀 밸브의 닫힘시 엔진이 중/고속 회전 상태이면 컴프레서 하우징(4)에 위치한 제2 안티서지밸브(42)로 밸브 열림신호를 공급한다. 즉, 엔진의 중/고속 영역에서는 제2 안티서지밸브(42)가 열리게 된다. 제2 안티서지밸브(42)가 열리면 컴프레서 하우징(4)의 압력을 이용하여 신기의 일부를 바이패스 시킨다. 이때, 재순환된 신기와 압축된 신기가 믹싱(mixing)되어 인터쿨러로 가는 유로에 위치한(터보차저의 컴프레서 하우징(4) 후단) 컴프레서 아웃 커플러(2)를 지나면서 제1 안티서지밸브(40)가 작동하여 2차로 신기의 일부를 터보차저의 인렛 호스로 바이패스 시킨다. 즉, 엔진의 중/고속 영역에서는 제1 안티서지밸브(40)가 작동하면서 동시에 제2 안티서지밸브(42)가 함께 작동하여 바이패스함으로서 서징영역을 벗어나 터보차저가 작동할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예는 안티서지밸브의 작동 영역을 중/고속뿐만이 아닌 중/저속으로 확대시키기 위하여 컴프레서 아웃 커플러(2)와 컴프레서 하우징(4)에 안티서지밸브를 2단으로 장착하여 엔진의 회전수별 작동이 용이하게 한 것이다. 그리고 엔진 회전수 영역에서 오버랩(overlap)되는 구간을 만들어 엔진 전 영역에서 터보차저의 서지 및 소음을 감소시키고, 바이패싱되는 구간 및 작동 시간을 단축하여 엔진 과부하시 급격한 압력증대에 대한 응답성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터보차저 엔진의 서지 제어장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 엔진이 중/저속 회전 상태에서 제1 안티서지밸브가 작동하여 바이패스되는 흡입 공기의 흐름을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 엔진이 중/고속 회전 상태에서 제1 안티서지밸브와 제2 안티서지밸브가 작동하여 바이패스되는 흡입 공기의 흐름을 도시한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
2 ; 컴프레서 아웃 커플러 4 ; 컴프레서 하우징
8 ; 바이패스 라인 10 ; 스로틀 밸브 위치 검출부
20 ; 엔진 회전수 검출부 30 ; 제어부
40 ; 제1 안티서지밸브 42 ; 제2 안티서지밸브

Claims (6)

  1. 엔진의 배기 매니폴드에서 배출되는 배기가스의 압력을 이용하여 흡기 매니폴드에 가압된 공기를 공급하는 터보차저;
    스로틀 밸브 개폐상태를 검출하는 스로틀 밸브 위치 검출부;
    상기 엔진의 회전상태를 검출하는 엔진 회전수 검출부;
    상기 스로틀 밸브 위치 검출부와 상기 엔진 회전수 검출부로부터 입력되는 신호를 각각 분석하여 스로틀 밸브의 닫힘시 상기 엔진의 회전상태에 따라 해당되는 밸브 개폐신호를 발생하는 제어부, 및
    상기 터보차저의 컴프레서 주변에 2단으로 장착되어 상기 제어부로부터 공급되는 밸브 개폐신호의 입력에 따라 선택적으로 구동되며, 상기 컴프레서 전단으로 재순환되는 고압의 흡입 공기 흐름을 단속하는 안티서지밸브
    를 포함하는 터보차저 엔진의 서지 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 안티서지밸브는
    상기 터보차저의 컴프레서 하우징 후단측에서 인터쿨러로 연결되는 유로에 위치된 컴프레서 아웃 커플러에 구비되며, 상기 엔진의 중/저속 회전 영역에서 열려 상기 터보차저에서 압축된 신기(新氣)가 상기 인터쿨러로 이동되는 도중에 상기 터보차저의 인렛 호스(inlet hose)로 바이패스(bypass)하는 제1 안티서지밸브, 및
    상기 터보차저의 컴프레서 하우징에 일체로 구비되며, 상기 엔진의 중/고속 회전 영역에서 열려 상기 컴프레서 하우징의 압력을 이용하여 신기의 일부를 바이패스하며, 재순환된 신기와 압축된 신기가 믹싱(mixing)되어 상기 컴프레서 아웃 커플러를 지나면서 상기 제1 안티서지밸브가 작동하여 2차로 신기의 일부를 상기 터보차저의 인렛 호스로 바이패스 하는 제2 안티서지밸브
    를 포함하는 터보차저 엔진의 서지 제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 컴프레서 아웃 커플러와 상기 터보차저의 인렛 호스를 연결하는 바이패스 라인을 더 포함하며, 상기 제1 안티서지밸브는 상기 컴프레서 아웃 커플러와 상기 바이패스 라인이 연결되는 부분에 설치되는 터보차저 엔진의 서지 제어장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 엔진의 중/저속 회전 영역은 800~1,500RPM인 터보차저 엔진의 서지 제어장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 엔진의 중/고속 회전 영역은 1,400~2,700RPM인 터보차저 엔진의 서지 제어장치.
  6. 제2항 내지 제5항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는 스로틀 밸브의 닫힘시 상기 엔진이 중/저속 회전 상태이면 상기 제1 안티서지밸브로 밸브 열림신호를 공급하고, 상기 엔진이 중/고속 회전 상태이면 상기 제2 안티서지밸브로 밸브 열림신호를 공급하는 터보차저 엔진의 서지 제어장치.
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