KR20120006239A

KR20120006239A - 차량용 복합 과급 시스템 및 그 제어 방법

Info

Publication number: KR20120006239A
Application number: KR1020100066865A
Authority: KR
Inventors: 손진욱; 장원석; 차정화; 공진국; 김영남
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2010-07-12
Filing date: 2010-07-12
Publication date: 2012-01-18

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량용 복합 과급 시스템은, ⅰ)엔진의 배기 통로 및 흡기 통로에 연결되게 설치되어 상기 엔진에서 배출되는 배기 가스를 이용하여 유입되는 공기를 압축하는 터보 차져와, ⅱ)상기 흡기 통로에 연결되게 설치되며, 상기 엔진의 출력 측에서 전달되는 동력을 이용하여 공기를 압축하는 슈퍼 차져를 포함하며, 상기 슈퍼 차져는 공기를 압축하는 원심식 압축기와, 상기 엔진으로부터 동력을 전달받아 상기 원심식 압축기에 회전력을 제공하는 증속기와, 상기 엔진으로부터 상기 증속기로 전달되는 동력을 선택적으로 차단하는 클러치수단을 포함하여 이루어진다.

Description

차량용 복합 과급 시스템 및 그 제어 방법 {MULTIPLE CHARGER FOR VEHICLE AND CONTROL METHOD OF THE SAME}

본 발명의 예시적인 실시예는 차량용 복합 과급 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 터보 차져와 슈퍼 차져를 복합적으로 구성한 차량용 복합 과급 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차는 외부의 공기를 유입한 다음 그 유입된 공기와 연료를 적절한 비율로 혼합하여 엔진에서 연소시키게 된다.

엔진의 구동으로 동력을 발생시키는 과정에서 연소를 위해 외부의 공기를 충분히 공급하여야만 원하는 출력과 연소 효율을 얻을 수 있게 되며, 엔진의 연소 효율을 높이기 위한 연소용 공기를 과급시켜주는 장치로서 터보 차져(turbo-charger)가 사용되고 있다.

이러한 터보 차져는 엔진의 배기계로 배출되는 배기가스의 압력을 이용하여 흡기를 가압함으로써 엔진의 연소실로 유입되는 흡기의 충진 효율이 높아지도록 하는 것으로, 대부분의 디젤 엔진에 적용되고 있으며, 최근에는 가솔린 엔진에도 적용되고 있는 추세이다.

그러나, 상기 터보 차져는 엔진이 저속 운전영역에서 발진될 때에 과급되지 않은 상태에서 과급 상태까지 도달하는데 약간의 시간이 걸리게 되는 이른 바 터보 랙(turo-lag) 현상이 발생하게 되어 발진 초기에 응답성이 좋지 않다는 문제점을 내포하고 있다.

이에, 최근에는 터보 랙을 저감할 수 있는 가변기구 터보나 발진 초기의 응답성이 우수한 슈퍼 차져(super charger)를 채용한 2단 과급 시스템이 개시된 바 있다.

그런데, 상기와 같이 터보 차져와 슈퍼 차져를 복합적으로 구성한 종래 기술의 2단 과급 시스템에서는 전체 시스템의 중량 및 원가가 과도하게 증가하게 되고, 슈퍼 차져를 탑재함으로 인해 탑재 레이아웃에 제약이 따른다는 문제점을 내포하고 있다.

본 발명의 예시적인 실시예는 상기에서와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 터보 랙 현상을 방지하기 위해 터보 차져와 슈퍼 차져를 복합적으로 구성하고, 슈퍼 차져의 중량 및 원가를 절감할 수 있으며, 슈퍼 차져의 탑재 레이아웃에 제약을 받지 않도록 한 차량용 복합 과급 시스템 및 그 제어 방법을 제공한다.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량용 복합 과급 시스템은, ⅰ)엔진의 배기 통로 및 흡기 통로에 연결되게 설치되어 상기 엔진에서 배출되는 배기 가스를 이용하여 유입되는 공기를 압축하는 터보 차져와, ⅱ)상기 흡기 통로에 연결되게 설치되며, 상기 엔진의 출력 측에서 전달되는 동력을 이용하여 공기를 압축하는 슈퍼 차져를 포함하며, 상기 슈퍼 차져는 공기를 압축하는 원심식 압축기와, 상기 엔진으로부터 동력을 전달받아 상기 원심식 압축기에 회전력을 제공하는 증속기와, 상기 엔진으로부터 상기 증속기로 전달되는 동력을 선택적으로 차단하는 클러치수단을 포함하여 이루어진다.

상기 차량용 복합 과급 시스템에 있어서, 상기 흡기 통로에는 상기 슈퍼 차져의 정지 시, 흡기를 바이패스시키기 위한 바이패스 밸브가 설치될 수 있다.

상기 차량용 복합 과급 시스템은, 상기 원심식 압축기의 회전수는 엔진 회전수가 2000~2500rpm 일 때, 45000~50000rpm을 만족할 수 있다.

상기 차량용 복합 과급 시스템은, 상기 엔진과 증속기를 연결하는 벨트의 풀리비가 2:1~3:1을 만족하며, 상기 증속기의 총 증속비가 6:1~12.5:1을 만족할 수 있다.

상기 차량용 복합 과급 시스템은, 상기 증속기가 유성 기어 타입으로 이루어질 수 있다.

상기 차량용 복합 과급 시스템은, 상기 클러치수단이 전자식 클러치로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량용 복합 과급 시스템의 제어 방법은, 엔진의 배기 통로 및 흡기 통로에 연결되게 설치되는 터보 차져와, 상기 흡기 통로에 연결되게 설치되며 클러치수단을 통해 상기 엔진의 출력 측과 선택적으로 연결되는 슈퍼 차져와, 상기 흡기 통로에 설치되어 흡기를 바이패스시키는 바이패스 밸브를 포함하는 차량용 복합 과급 시스템에 있어서, (a) 엔진 회전수가 아이들 상태인지 판단하는 과정, (b) 상기 (a)과정에서 아이들 상태이면, 상기 슈퍼 차져를 작동시키는 과정, (c) 가속 페달의 팁 인(tip-in)에 의해 엔진 회전수가 고속 판정 회전수를 초과하는지 판단하는 과정, 및 (d) 엔진 회전수가 고속 판정 회전수를 초과하면 상기 슈퍼 차져를 작동 오프시키는 과정을 포함한다.

상기 차량용 복합 과급 시스템의 제어 방법은, 상기 (c)과정에서, 상기 가속 페달의 팁 인 후, 팁 아웃(tip-out)이 판정되면, 과급 방지를 위해 상기 슈퍼 차져를 작동 오프시키는 과정을 더 포함할 수 있다.

상기 차량용 복합 과급 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 (b)과정은 상기 클러치수단을 작동시켜 상기 엔진의 출력 측과 상기 슈퍼 차져를 연결하고, 일정 시간이 지연된 후 상기 바이패스 밸브를 작동 오프시킬 수 있다.

상기 차량용 복합 과급 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 (d)과정은 상기 클러치수단을 작동 오프시켜 상기 엔진의 출력 측과 상기 슈퍼 차져를 단속하고, 일정 시간이 지연된 후 상기 바이패스 밸브를 작동시킬 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량용 복합 과급 시스템 및 그 제어 방법에 의하면, 터보 차져와 슈퍼 차져를 복합적으로 구성함에 따라, 저속 운전 영역에서의 발진 초기 시에 슈퍼 차져가 작동됨으로 터보 차져의 터보 랙 현상을 방지할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 슈퍼 차져를 소형의 증속기와 원심식 압축기를 일체형으로 구성함에 따라, 원가 및 중량을 줄일 수 있으며, 소음 및 진동 저감 특성이 우수하고, 슈퍼 차져의 탑재 레이아웃에 제약을 받지 않게 되며, 증속기를 유성기어 타입으로 구성함에 따라 공기의 압축 효율을 더욱 증대시킬 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량용 복합 과급 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량용 복합 과급 시스템에 적용되는 슈퍼 차져를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량용 복합 과급 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량용 복합 과급 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량용 복합 과급 시스템(100)은 엔진(1)의 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기 가스의 압력을 이용하여 많은 양의 공기가 흡기 매니폴드로 흡입되도록 함으로써 엔진의 출력을 향상시키기 위한 것이다.

이러한 차량용 복합 과급 시스템(100)은 뒤에서 더욱 설명될 터보 차져(30)와 슈퍼 차져(60)를 포함하여 구성되는 바, 터보 차져(30)의 터보 랙(turbo-lag) 현상을 방지하기 위해 슈퍼 차져(60)를 터보 차져(30)와 함께 복합적으로 구성한 것이다.

여기서, 상기 터보 랙 현상이라 함은 엔진이 저속 운전영역에서 발진될 때에 과급되지 않은 상태에서 터보 차져(30)를 통해 과급 상태까지 도달하는데 시간이 걸리게 되는 현상을 말한다.

본 실시예에 의한 상기 차량용 복합 과급 시스템(100)은 터보 차져(30)와 슈퍼 차져(60)를 복합적으로 구성하여 터보 랙 현상을 방지하고, 터보 차져(30)와 슈퍼 차져(60)의 복합 구성에 따른 중량 및 원가를 절감할 수 있으며, 이들의 탑재 레이아웃에 제약을 받지 않는 구조로서 이루어진다.

상기에서, 터보 차져(30)는 엔진(1)의 배기 통로(3) 및 흡기 통로(5)에 연결되게 설치되는 것으로, 엔진(1)에서 배출되는 배기 가스를 이용하여 유입되는 공기를 압축한다.

여기서, 상기 터보 차져(30)는 엔진의 배기 통로(3)에 설치되는 터빈(31)과, 그 터빈(31)과 동일 축선 상으로 연결되며 흡기 통로(5)에 설치되는 컴프레셔(33)로서 이루어진다.

본 실시예에서, 상기 슈퍼 차져(60)는 흡기 통로(5)에 연결되게 설치되는 것으로서, 엔진(1)의 출력 측에서 전달되는 동력을 이용하여 공기를 압축하는 것이다.

이러한 슈퍼 차져(60)는 도 1 및 도 2에서와 같이, 공기를 압축하는 원심식 압축기(61)와, 엔진(1)으로부터 동력을 전달받아 원심식 압축기(61)에 회전력을 제공하는 증속기(63)와, 엔진(1)으로부터 증속기(63)로 전달되는 동력을 선택적으로 차단하는 클러치수단(65)을 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 증속기(63)는 원심식 압축기(61)와 일체형으로서 구성되며, 당 업계에서 널리 알려진 유성 기어 타입으로 이루어진다.

그리고, 상기 클러치수단(65)은 증속기(63)와 선택적으로 연결되게 구성되며, 벨트(B)를 통해 엔진(1)의 출력 측과 연결된다.

상기 클러치수단(65)은 전기적인 신호에 의해 엔진(1)의 출력 측으로부터 제공되는 동력을 증속기(63)에 전달하거나 그 동력을 단속하는 전자식 클러치로서 이루어진다.

이러한 클러치수단(65)은 당 업계에서 널리 사용되는 공지 기술의 전자식 클러치로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

구체적으로, 본 실시예에 의한 슈퍼 차져(60)는 클러치수단(65)을 이용하여 엔진(1)과 증속기(63)를 결합하고 그 증속기(63)를 통해 원심식 압축기(61)를 회전시켜 주는 것으로서, 엔진 회전수가 2000~2500rpm 일 때, 상기 원심식 압축기(61)의 회전수는 45000~50000rpm을 만족한다.

특히, 본 실시예에서는 엔진에서 증속기(63)까지 벨트(B)를 통해서 구동을 전달하게 되는 바, 이 때 벨트(B)의 풀리비가 대략 2:1~3:1로 전달하게 되어 실제 증속기(63)는 4000~7500rpm을 45000~50000rpm으로 증속하게 된다.

그러므로, 상기 증속기(63)의 총 증속비는 6:1~12.5:1을 만족하며, 이러한 증속비는 차량의 가속 성능 면에서의 특성과, 터보 차져(30)의 특성, 원심식 압축기(61)의 특성 등에 의해 결정될 수 있다.

한편, 상기 슈퍼 차져(60)가 설치된 흡기 통로(5)에는 그 슈퍼 차져(60)의 정지 시, 흡기를 바이패스시키기 위한 바이패스 밸브(70)가 설치된다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량용 복합 과급 시스템(100)의 제어 방법을 도 1 및 도 3을 참조하여 설명하면, 우선 본 실시예에서는 엔진 회전수를 검출하고(S1 단계), 엔진 조건이 아이들 상태(엔진 조건이 대략 400~800rpm)인지를 판단한다(S2 단계).

상기 S2 단계에서, 엔진 조건이 아이들 상태이면, 클러치수단(65)을 작동시킨다(S3 단계). 그러면, 엔진(1)의 출력 측과 슈퍼 차져(60)의 증속기(63)는 클러치수단(65)을 통해 상호 연결된다.

그리고 나서, 일정 시간이 지연된 후(S4 단계), 바이패스 밸브(70)를 작동 오프시켜 흡기 통로(5)를 폐쇄하게 되면(S5 단계), 엔진(1)의 출력 측에서 제공되는 동력이 벨트(B) 및 클러치수단(65)을 통해 증속기(63)로 전달되면서 슈퍼 차져(60)의 작동이 이루어진다(S6 단계).

즉, 상기 슈퍼 차져(60)는 증속기(63)를 통해 원심식 압축기(61)를 작동시킴으로써 공기를 압축시키고, 그 압축 공기를 흡기 통로(5)를 통해 엔진(1)의 흡기 매니폴드로 공급(과급)하게 된다.

여기서, 상기 바이패스 밸브(70)를 일정 시간이 지연된 후 작동 오프시키는 이유는 클러치수단(65)을 통해 엔진(1)의 출력 측과 증속기(63)를 연결하여 실제 슈퍼 차져(60)의 작동이 이루어지는데 걸리는 시간을 고려한 것이다.

다음으로, 본 실시예에서는 가속 페달의 팁 인(tip-in) 조건인지를 판단하는데(S7 단계), 상기 S7 단계에서 팁 인 조건이면, 슈퍼 차져(60)의 작동 상태를 유지시킨다(S8 단계).

그리고 나서, 가속 페달의 팁 인(tip-in) 후, 팁 아웃(tip-out)인지를 판단하여(S9 단계), 팁 아웃으로 판정되면 클러치수단(65)을 작동 오프시킨다(S10 단계). 그러면, 엔진(1)의 출력 측과 슈퍼 차져(60)의 증속기(63)는 클러치수단(65)을 통해 단속된다.

다음, 일정 시간이 지연된 후(S11 단계), 바이패스 밸브(70)를 작동시켜 흡기 통로를 개방한다(S12 단계).

따라서, 상기 클러치수단(65)을 통해 증속기(63)로 전달되는 엔진(1)의 동력이 차단되면서 슈퍼 차져(60)의 작동이 정지된다.

여기서, 상기 바이패스 밸브(70)를 일정 시간이 지연된 후 작동시키는 이유는 클러치수단(65)을 통해 엔진(1)의 출력 측과 증속기(63)를 단속하여 실제 슈퍼 차져(60)의 작동 정지가 이루어지는데 걸리는 시간을 고려한 것이다.

한편, 본 실시예는 S8 단계에서와 같은 팁 인 조건에서, 슈퍼 차져(60)의 작동 상태를 유지시킨 경우, 상기 S9 단계에서는 가속 페달의 팁 인(tip-in)에 의해 엔진 회전수가 고속 판정 회전수(기준 rpm으로서 엔진 조건이 대략 2500~3000rpm)를 초과하는지 판단한다.

다음, 상기 S9 단계에서 엔진 회전수가 고속 판정 회전수를 초과하면, 전술한 바와 같은 S10 단계에서 S12 단계를 거치며 슈퍼 차져(60)의 작동을 오프시킨다.

상기에서와 같이 슈퍼 차져(60)의 작동이 오프된 후, 본 실시예에서는 터보 차져(30)에 의해서 충분한 과급이 이루어진다.

지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량용 복합 과급 시스템(100)에 의하면, 터보 차져(30)와 슈퍼 차져(60)를 복합적으로 구성함에 따라, 저속 운전 영역에서의 발진 초기 시에 슈퍼 차져(60)가 작동됨으로 터보 차져(30)의 터보 랙 현상을 방지할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 슈퍼 차져(60)를 소형의 증속기(63)와 원심식 압축기(61)를 일체형으로 구성함에 따라, 원가 및 중량을 줄일 수 있으며, 소음 및 진동 저감 특성이 우수하고, 슈퍼 차져(60)의 탑재 레이아웃에 제약을 받지 않게 되며, 증속기(63)를 유성기어 타입으로 구성함에 따라 원심식 압축기(61)의 압축 효율을 더욱 증대시킬 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

30... 터보 차져 31... 터빈
33... 컴프레셔 60... 슈퍼 차져
61... 원심식 압축기 63... 증속기
65... 클러치수단 70... 바이패스 밸브

Claims

엔진의 배기 통로 및 흡기 통로에 연결되게 설치되어 상기 엔진에서 배출되는 배기 가스를 이용하여 유입되는 공기를 압축하는 터보 차져; 및
상기 흡기 통로에 연결되게 설치되며, 상기 엔진의 출력 측에서 전달되는 동력을 이용하여 공기를 압축하는 슈퍼 차져
를 포함하며,
상기 슈퍼 차져는 공기를 압축하는 원심식 압축기와, 상기 엔진으로부터 동력을 전달받아 상기 원심식 압축기에 회전력을 제공하는 증속기와, 상기 엔진으로부터 상기 증속기로 전달되는 동력을 선택적으로 차단하는 클러치수단을 포함하여 이루어지는 차량용 복합 과급 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 흡기 통로에는 상기 슈퍼 차져의 정지 시, 흡기를 바이패스시키기 위한 바이패스 밸브가 설치되는 차량용 복합 과급 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 원심식 압축기의 회전수는 엔진 회전수가 2000~2500rpm 일 때, 45000~50000rpm을 만족하는 차량용 복합 과급 시스템.
제3 항에 있어서,
상기 엔진과 증속기를 연결하는 벨트의 풀리비가 2:1~3:1을 만족하며, 상기 증속기의 총 증속비가 6:1~12.5:1을 만족하는 차량용 복합 과급 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 증속기가 유성 기어 타입으로 이루어지는 차량용 복합 과급 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 클러치수단이 전자식 클러치로 이루어지는 차량용 복합 과급 시스템.
엔진의 배기 통로 및 흡기 통로에 연결되게 설치되는 터보 차져와, 상기 흡기 통로에 연결되게 설치되며 클러치수단을 통해 상기 엔진의 출력 측과 선택적으로 연결되는 슈퍼 차져와, 상기 흡기 통로에 설치되어 흡기를 바이패스시키는 바이패스 밸브를 포함하는 차량용 복합 과급 시스템의 제어 방법으로서,
(a) 엔진 회전수가 아이들 상태인지 판단하는 과정;
(b) 상기 (a)과정에서 아이들 상태이면, 상기 슈퍼 차져를 작동시키는 과정;
(c) 가속 페달의 팁 인(tip-in)에 의해 엔진 회전수가 고속 판정 회전수를 초과하는지 판단하는 과정; 및
(d) 엔진 회전수가 고속 판정 회전수를 초과하면 상기 슈퍼 차져를 작동 오프시키는 과정
을 포함하는 차량용 복합 과급 시스템의 제어 방법.
제7 항에 있어서,
상기 (c)과정에서, 상기 가속 페달의 팁 인 후, 팁 아웃(tip-out)이 판정되면, 과급 방지를 위해 상기 슈퍼 차져를 작동 오프시키는 과정을 더 포함하는 차량용 복합 과급 시스템의 제어 방법.
제7 항에 있어서,
상기 (b)과정은,
상기 클러치수단을 작동시켜 상기 엔진의 출력 측과 상기 슈퍼 차져를 연결하고, 일정 시간이 지연된 후 상기 바이패스 밸브를 작동 오프시키는 차량용 복합 과급 시스템의 제어 방법.
제7 항에 있어서,
상기 (d)과정은,
상기 클러치수단을 작동 오프시켜 상기 엔진의 출력 측과 상기 슈퍼 차져를 단속하고, 일정 시간이 지연된 후 상기 바이패스 밸브를 작동시키는 차량용 복합 과급 시스템의 제어 방법.