KR20140024281A

KR20140024281A - 배기 매니폴드 압력을 증가시키기 위한 터보차저 제어 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20140024281A
Application number: KR1020137023624A
Authority: KR
Inventors: 피터 조한 메디나
Original assignee: 시냅스 엔지니어링 인코퍼레이티드
Priority date: 2011-02-09
Filing date: 2012-02-09
Publication date: 2014-02-28
Also published as: CN103459800A; EP2673486A1; MX2013009154A; US20120198837A1; WO2012109451A8; CA2825313A1; WO2012109451A1; BR112013020166A2; ZA201305624B; JP2014509366A

Abstract

배기 구동형 터보차징 시스템을 제어하기 위한 시스템은, 배기가스 흡기구, 배기구, 압축기 흡기구 및 압축기 배기구를 구비하는 터보차저; 제어 포트, 흡기 포트, 배기 포트 및 상기 배기 포트를 개폐시키기 위한 밸브를 포함하는 압축기 바이패스 밸브; 및 흡기구 및 배기구를 구비하는 엔진을 포함하며, 또한 웨이스트 게이트를 포함할 수 있다. 시스템에 있어서, 터보차저의 압축기 배기구는 상기 엔진의 흡기구에 연결되고, 또한 상기 압축기 바이패스 밸브의 흡기 포트에 연결된다. 상기 압축기 바이패스 밸브와 상기 웨이스트 게이트를 제어하는 것에 의해, 더 높은 터빈 입구 압력들이 시스템의 다른 영역에서 사용하기 위해 생성될 수 있다. 이는, 정상적으로 폐쇄 상태로 유지되는 내연 기관의 비전통적인 영역에서 압축기 바이패스 밸브를 개방시키는 것에 의해 달성된다.

Description

배기 매니폴드 압력을 증가시키기 위한 터보차저 제어 시스템 및 방법{TURBOCHARGER CONTROL STRATEGY TO INCREASE EXHAUST MANIFOLD PRESSURE}

이 출원은 2011년 2월 9일에 출원된 미국 가출원 제61/441,225호의 우선권을 주장한다.

이 출원은 내연 기관들 내의 터보차저 시스템, 특히 배기-구동 터보차저들과 내연 기관의 전력출력 및 전체 효율의 개선에 관한 것이다.

내연 기관들, 그 메커니즘들, 개량과 이터레이션(iteration)들이 다양한 이동 및 비이동 차량 또는 하우징들에서 사용되고 있다. 오늘날, 예를 들면, 내연 기관들은 지상 여객 차량 및 산업 차량, 해양 정치(marine stationary) 및 항공우주 애플리케이션(application)에서 발견되고 있다. 내연 기관에는 일반적으로 가스 또는 디젤, 보다 공식적으로는 불꽃 점화(spark ignited)(SI) 및 압축 착화(compression ignition)(CI)로 각각 언급되는, 대체로 2가지의 지배적 점화 사이클이 있다. 보다 최근에는, 배기-구동형 터보차저들은 엔진의 출력과 전체 효율을 개선시키기 위해 내연 기관에 연결된 시스템에 통합되어 있다.

디젤 엔진들은 전형적으로 스로틀 플레이트들의 사용을 채용하지 않으며, 그들의 애플리케이션에서 CBV의 필요성이 없다. 역사적으로, 스로틀 플레이트의 활성을 직접적으로 따르는 바이너리 디바이스(binary device)와는 별도로 임의의 방식으로 작동시키기 위해 CBV에 대한 임의의 사전고려사항 또는 요건이 없었다. CBV와 유사한 장치로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 팝-오프 밸브(pop-off valve, POV)들로서 알려진 장치들이 있다. 이들 팝-오브 밸브들은 ICE의 EDT의 작동 압력을 제한시키기 위해 스프링의 예비하중에 대하여, 또는 전자회로의 프로그램된 한계에 대하여 개방되는 공통 압력 릴리프 밸브로서 작용한다. 이들 장치들은 고장에 대비한 안전 장치(fail-safe device)들로서 사용되는 것을 의미한다. 본 발명은, 디젤을 포함하는 임의의 EDT 이용 가능 ICE에서 CBV를 채용할 필요성을 앞당긴다고 강하게 믿어진다.

효율 및 출력을 포함하여, 내연 기관의 개선을 계속할 필요가 있다. 따라서, 본 발명은 SI 및 CI 시스템 양쪽에서 유효한 시스템을 제공한다.

하나의 관점에 있어서, 배기 구동형 터보차저 시스템(exhaust driven turbocharger system)을 구비하는 내연 기관들은 엔진의 흡기 매니폴드 내의 압력을 유지시키면서 배기 구동형 터보차저의 터빈 입구 압력을 증가시키도록 상승적으로 작동 가능한 압축기 바이패스 밸브와 웨이스트 게이트 밸브(wastegate valve)를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 이 형태의 시스템은, 배기가스 흡기구, 배기구, 압축기 흡기구 및 압축기 배기구를 구비하는 터보차저; 제어 포트, 흡기 포트, 배기 포트 및 상기 배기 포트를 개폐시키기 위한 밸브를 포함하는 압축기 바이패스 밸브; 공기 흡기구 및 상기 터보차저의 배기가스 흡기구에 유체 연통으로 연결된 배기구를 구비하는 엔진; 및 상기 밸브의 개폐를 제어하기 위한 수단을 포함한다. 상기 터보차저의 압축기 배기구는 상기 엔진의 흡기구와 상기 압축기 바이패스 밸브의 흡기 포트 양쪽에 연결된다. 시스템은 또한 상기 엔진의 배기구에 연결된 웨이스트 게이트 밸브를 더 포함하며, 상기 웨이스트 게이트 밸브는 상기 압축기 바이패스 밸브의 밸브가 개방 위치에서 유지되는 동안, 폐쇄 위치에서 유지되도록 작동 가능하다. 이들 두 개의 밸브는, 상기 배기 매니폴드 압력을 바람직하게 증가시키는 동안 소정의 또는 소망 흡기 매니폴드 압력을 유지시키기 위해 상승적으로 개폐 가능하거나 또는 부분적으로 작동될 수 있다.

다른 관점에 있어서, 배기 구동형 터보차저의 터빈 입구 압력을 증가시키기 위해, 터보차저의 압축기 배출구에 배치된 압축기 바이패스 밸브를 이용한다. 전술하고, 본 명세서에서 상세하게 설명하는 시스템을 사용하여, 프로세스는, 정압 흡기 매니폴드 상태 동안 상기 압축기 바이패스 밸브를 개방시키는 것에 의해 배기 구동형 터보차지 내로 공급되는 배기 매니폴드 압력을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 프로세스는, 상기 압축기 바이패스 밸브의 제어 밸브의 기계적 작동 상태들에 대하여 상기 흡기 매니폴드 내의 압력을 참조하고, 또한 상기 배기 매니폴드 압력을 제어하기 위해 상기 제어 밸브를 작동시키는 것에 의해 상기 흡기 매니폴드 내의 소정의 부스트 압력을 유지시키는 것에 의해, 상기 배기 매니폴드 내의 압력을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.

도 1은 내연 기관 터보 시스템의 일 실시예의 흐름 경로와 흐름 방향을 포함하는 다이어그램이다.
도 2는 도 1의 터보 시스템을 제어하기 위한 제어 시퀀스, 특히 배기 매니폴드 압력을 증가시키기 위한 제어 시퀀스를 나타내는 플로우차트이다.
도 3은 터보 시스템 내의 제어 구성요소들의 상관관계 및 그들의 산출된 효과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 개방 위치에 있는 도 1의 압축기 바이패스 밸브의 확대 단면도이다.
도 5는 폐쇄 위치에 있는 도 1의 압축기 바이패스 밸브의 확대 단면도이다.

이하의 상세한 설명은 본 발명의 일반적인 원리들을 나타내며, 본 발명의 실시예들은 첨부하는 도면들에 부가적으로 나타나 있다. 도면들에 있어서, 유사한 참조 부호들은 동일하거나 또는 기능적으로 유사한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 참조 부호 "100"으로 나타낸 내연 기관 터보 시스템의 일 실시예를 도시한다. 터보 시스템(100)은 터보차저의 작동 파라미터들을 제어하는 하기의 구성요소들, 즉 터빈 섹션(22)과 압축기 섹션(24)을 구비한 배기-구동형 터보차저("EDT")(2), 통상적으로 웨이스트 게이트(13)로 언급되는 터빈 바이패스 밸브 및 압축기 바이패스 밸브("CBV")(6)을 포함한다. EDT는 공기를 섭취하여, 공기를 압축시키고, 내연 기관(10)의 흡입구(11) 내로 더 높은 작동 압력으로 공급하는 압축기 휠(28)을 회전시키기 위한 공통 샤프트를 통해 배기 에너지를 활용하여 이 배기 에너지를 기계적 일로 변환시키는 터빈 휠(26)을 수용하는 배기 하우징(17, 18)을 포함한다.

도 1을 참조하면, 웨이스트 게이트(13)는, 내연 기관(10)의 배기 매니폴드(12)로부터 나오는 배기가스 체적(16) 및 EDT 터빈 휠(26)을 작동시키는데 이용 가능한 에너지를 계량하기 위해 사용된, 제어 밸브이다. 웨이스트 게이트(13)는 배기가스가 터빈 휠(26)로부터 유동되도록 밸브(도시되지 않음)를 개방시키는 것에 의해 작동되어 배기가스를 바이패스시키며(19), 이에 의해 EDT(2)의 속도 및 ICE 흡기 매니폴드의 얻어진 작동 압력을 직접 제어한다. 웨이스트 게이트(13)는 본 출원인의 미국 특허 출원 제12/717,130호에 개시된 실시예들을 포함하는 임의 개수의 실시예들을 포함할 수 있으며, 이 문헌의 전체 내용이 본 명세서에 참조로 편입된다.

정의에 따르면, 압축기 바이패스 밸브(6)는, EDT(2)의 압축기 섹션(24)의 배기 포트(4)(또한, 배기구로 칭함)와 ICE 흡기구(11) 사이의 통로(5)에 위치되어 배기가스를 배기시키거나 기계적으로 구동시키는, 조절 밸브이다. 도 1, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, CBV(6)의 일 실시예는 배기 포트(8)를 포함한다. (도 1에 도시된 바와 같이) 배기 포트(8)는 배기가스를 대기로 방출시키거나 또는 압축기의 흡기구(3)로 재순환시킬 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.

CBV는 전형적으로 스로틀 플레이트(9)를 구비한 SI ICE에 독점적으로 사용된다. 어떤 주어진 ICE 작동 범위에서, EDT는 최대 200,000 분당회전수(RPM)까지 회전될 수 있다. 스로틀(9)의 갑작스러운 폐쇄는 EDT(2)의 RPM을 즉각적으로 감속시키지 않는다. 따라서, 이는 폐쇄된 스로틀과 EDT 압축기 섹션(24) 사이의 통로(5)와 같은 통로 내의 압력을 갑작스럽게 증가시킨다. CBV(6)는 EDT(2)의 압축기 섹션(24)으로부터 이 압력을 완화시키거나 또는 바이패스시키는 기능을 한다. 그러나 도 1, 도 3 및 도 4의 CBV(6)는, 디젤을 포함하는 임의의 EDT 이용 가능 ICE에서 채용될 수 있는 다중-챔버 밸브이다.

도 1, 도 4 및 도 5의 CBV(6)는 흡기 포트(7), (전술한) 배기 포트(8), 밸브(30), 밸브(30)에 연결된 피스톤(36) 및 하나 또는 그 이상의 제어 포트(38)들을 포함한다. 피스톤(36)은 제1 단부(41)와 제2 단부(42)를 구비하는 중앙 샤프트(40)를 포함한다. 제1 단부는 하우징(50)과 밀봉 맞물림되는 O-링과 같은 밀봉 부재(52)를 포함한다. 제2 단부(42)로부터 연장되는 부분은 제1 단부(41) 쪽으로 연장되는 플랜지(44)이며, 이 플랜지는 피스톤(36)의 중앙 샤프트(40)로부터 소정 거리로 이격되어 있다. 플랜지(44)는 O-링과 같은 제2 밀봉 부재(56)를 위한 시트(54)를 구비하는 두꺼운 림(45)에서 종단된다. 플랜지(44)는 중앙 샤프트와 플랜지 사이에 대체로 컵형상인 챔버(46)(도 5에 가장 잘 도시됨)를 형성하며, 하우징(50) 내측에 수용될 때 다수의 챔버(58)를 형성한다. 피스톤(36)은 편향 스프링(32)에 의해, 작동 압력(34)에 의해, 또는 이들의 조합에 의해, 개방 위치(도 1과 도 4에 도시됨)와 폐쇄 위치(도 5에 도시됨) 사이에서 이동 가능하다.

압축기 바이패스 밸브(6)는 또한 밸브(30)를 통해 축방향으로 형성된 제1 관통 포트(60) 및 피스톤(26)을 통해 축방향으로 형성된 제2 관통 포트(62)를 포함한다. 제2 관통 포트(62)는 제1 관통 포트(60)와 적어도 부분적으로 정렬된다. 제1 및 제2 관통 포트(60, 62)들은 흡기 포트(7)와 제어 포트(38)들 중 적어도 하나 사이에 유체 연통을 제공한다.

현대의 ICE는, 상용 제품으로 판매되기 전에 전 세계의 정부기관에 의한 승인을 만족시키기 위해 매우 엄격한 배기가스 규제를 갖는다. 또한, 시장에서도 ICE의 연비를 상당히 개선시키도록 자동차 및 산업상의 제조업자들에게 요구되고 있다. 이들 요인들은 배기가스 재순환(EGR)으로 알려진 전략의 사용을 유도하고 있다. 이는, 연소 프로세스로부터의 폐 배기가스(spent exhaust gas)를 엔진의 흡기구로 재도입시키는 공정이다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는, EGR이 효과적으로 작동되도록 하기 위해서는 EGR 공급원과 목표 흡기구 사이에서 압력차가 존재하는 것이 필요하다는 것을 이해할 것이다. ICE 엔지니어는 최대 효율을 유지하면서 유효 EGR의 요건을 만족시키는 밸런싱(balancing) EDT 설계의 과제에 항상 직면하게 된다.

임의의 EDT 시스템에서는, 압축기 흡기구(3), 흡기 매니폴드(5, 11)(IM), 배기 매니폴드 (12, 16)(EM) 및 배기가스(18, 21)에서 작동하는 압력이 존재한다. 도 1과 관련하여, EDT 압축기 흡기구는 흡기 시스템(1)으로부터 EDT 압축기 섹션(26)의 흡기구(3)로의 통로로 형성되며, 이 통로는 전형적으로 단일 스테이지 EDT 시스템에서의 주위 압력에서 작동된다. 엔진의 흡기 매니폴드는 EDT 압축기 배기구(4)와 ICE 흡기 밸브(11)(들) 사이의 통로로 형성된다. 배기구는 EDT 터빈 배기구(18) 뒤의 임의의 통로로 폭넓게 형성된다. 유효 EGR을 달성하기 위해, 배기 매니폴드 내의 압력은 배기가스가 그 방향으로 흐르도록 하기 위해 흡기 매니폴드에서 발견된 압력보다 상당히 높은 압력이어야 한다. EDT 및 압축기와 배기구의 크기의 다양한 조합들의 설계는 광범위하다. 요약하면, 보다 작은 EDT 배기구 프로파일들은 저비용 효율에서 보다 높은 소망 배기 매니폴드 압력들을 산출한다. 본 발명이 속하는 기술분야의 엔지니어들은 효율과 EGR 효과를 달성하는 것의 뛰어난 밸런스를 신중하게 생각한다는 것을 이해할 것이다.

본 발명은, ICE 엔지니어가 본 명세서에서 효과로서 언급되는 명령에 따라 배기 매니폴드(12, 16)의 작동 압력을 상당히 증가시키는 것을 가능하게 한다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, CBV(6)를 개방시키는 것에 의해, 임의의 지점에서, 흡기 매니폴드(5, 11) 내의 작동 압력이 정압(positive pressure)이거나 또는 통상적으로 부스트(boost)로서 언급되는 상태에 있을 때, 배기 매니폴드(12, 16) 내의 작동 압력이 비교 상태보다 더 높아지는 효과(Effect)가 산출될 것이며, CBV(6)는 폐쇄 상태를 유지한다. 일 실시예에 있어서, 조작자는 웨이스트 게이트(13) 대신에 CBV(6)를 이용하는 것에 의해 엔진의 흡기 매니폴드(5, 11)의 작동 압력을 효과적으로 제어한다. 이 상태에서는, 배기 매니폴드(12, 16) 내의 압력은, CBV(6)가 폐쇄되고 웨이스트 게이트(13)가 동일한 흡기 매니폴드 압력을 달성하기 위해 개방되는 비교 상태보다 더 높다.

또 다른 실시예에 있어서는, 넓은 작동 범위에 걸쳐 효과를 산출시키기 위해 흡기 매니폴드(5, 11) 내의 압력의 누출 또는 방출을 간단하게 산출시킬 수 있다. 다른 실시예는, 제한된 범위에 대하여 효과를 산출하도록 CBV(6)가 임의의 주어진 ICE(10)의 작동 범위 내에서 개방되어 작동될 때 매우 정밀한 제어를 실시할 수 있다. 이 범위는, ICE 엔지니어가 효과를 달성하기 위해 탐색하는, 증가된 EGR 유량(flow rate), 감소된 출력, 감소된 연료 소비 또는 저 배기가스 값을 포함하지만, 이들에 한정되지 않는, 다수의 인자들의 파라미터들에 의해 결정된다.

도 2를 참조하면, 효과를 최대화하기 위해, 웨이스트 게이트(13)는 가장 높은 배기 매니폴드(12, 16) 압력을 달성하도록 폐쇄되어 유지된다. 효과를 감소시키기 위해서는, 웨이스트 게이트(13)의 개방을 증가시키고 배기 매니폴드(12, 16) 내의 압력을 완화시킨다. 제어 전략을 사용하여 배기 매니폴드(12, 16) 압력을 증가시키는 효과는 CBV(6)의 제어에 완전하게 의존한다.

효과를 산출할 수 있는 CBV(6)의 실시예들의 개폐를 제어하기 위한 다수의 방법론이 존재한다. 일 실시예에 있어서, CBV(6)는 편향 스프링(32)에 대항하여 자연적으로 개방되는 것이 가능하며, 작동 압력이 스프링의 예비-하중의 힘을 초과할 때, 흡기 매니폴드(5, 11)에서 주어진 작동 압력을 유지시키기 위해, CBV(6)를 개방시킨 후에 예비-하중의 힘에 대항하여 조절된다. 다른 이터레이션(iteration)에 있어서, CBV(6)는, 파라미터가 도달되었을 때, 작동 압력(34)의 전달을 제어하는 것에 의해 CBV(6)를 작동시키도록, 직접 작동 솔레노이드(direct acting solenoid) 또는 모터 구동 유닛의 경우에는 직접적으로, 또는 제어 솔레노이드(control solenoid)(20)를 통해 공기압적으로, 전자회로에 의해 개방되도록 신호를 보낸다. 개방 신호가 전달되면, CBV(6)는 전술한 예와 유사하게 작동된다. 또한, 직접 작동 또는 공기압 작동 CBV(6)는, 흡기 매니폴드(5, 11) 내의 목표 작동 압력을 산출시키기 위해, 주어진 작동 주기를 갖는 제어 주파수를 공급하고, CBV(6)의 밸브(30)의 상승 및 위치를 조절하거나 또는 결정하도록 목표 작동 압력에 대항하여 회로를 갖는 것에 의해 개방 신호를 보낸다.

효과를 산출하기 위한 작동 메커니즘은 매우 논리적이다. EDT의 애플리케이션은 오늘날 터빈 속도 제어의 구현을 필요로 한다. 이 전략이 없으면, ICE 입구 밸브에서 작동 부스트 압력(boost pressure)이 바람직하지 않은 레벨로 계속 증가되거나, 또는 엔지니어는 최대 엔진 작동 속도에서 EDT 속도를 제한시키기 위해 부당하게 대형 터빈을 사용해야 하며, 이에 의해 ICE 출력 응답성을 희생시킨다. 따라서, ICE 엔지니어들은 터빈 속도 제어용 배기계 전략들의 사용을 채용한다. 터빈 속도 제어의 형태들로서는 가변 기하학적 구조 터빈(variable geometry turbine), 가변 노즐 면적 터빈(variable nozzle area turbine) 및 웨이스트 게이트(13)를 포함하며, 이들에 한정되는 것은 아니다. 이들 전략들의 모두는 배기가스량의 이용 가능성을 조절하는 것에 의해 터빈 휠로의 이용 가능한 에너지의 양을 제어하는 역할을 한다. 그 결과, EDT 터빈들과 그들의 특정의 효율 특성들은, 주어진 터빈을 통해 강제되지 않는 배기 체적(19)이 배분된다는 가정에 기초한 ICE들에 결부된다. 터빈 속도 제어를 산출하는 목표 제어 파라미터는 부스트 또는 흡입 밸브 작동 압력이다.

터빈을 통해 목표 부스트 압력을 제어하는 것으로부터 CBV(6)를 사용하는 것으로 전략을 전환시킬 때, 동일한 부스트 압력에서 ICE(10)에 의해 생성되는 배기류의 모두를 수용하도록 터빈을 효과적으로 강제시킨다. 본질적으로, 터빈은 그의 설계 파라미터들 이외 뿐만 아니라 그의 목표 효율 이외로 작동되며, 이에 의해 상당히 높은 배기 매니폴드 압력들의 효과를 산출한다. 따라서, 예를 들어 CBV(6)가 부스트 제어 전략으로서 사용될 때, 배기 매니폴드 압력들은 웨이스트 게이트(13)의 개폐를 제어하는 것에 의해 상하로 조정될 수 있다는 것이 논리적으로 그리고 경험적으로 입증되었다.

밸브의 기계적 작동에 대하여 시스템 작동 압력의 검출 또는 시스템 작동 압력을 참조하고, 효과를 달성하기 위한 출력을 산출하는 것이 가능한 다양한 제어 방법론이 알려져 있거나 또는 차후에 개발될 것이다. 시스템 구성은, 시스템에서 생성되는 공압식 연통 압력 신호들은 스프링 편향에 대하여 작동되는 기계적 액츄에이터 표면적에 대한 신호에 기반하는 것일 수 있다. 시스템 상태들을 변경할 때, 그 후 액츄에이터의 성능은 단순 폐루프 논리에 따라 변경될 것이다. 제어 시스템은 또한 그들의 신호들을 전자적으로 또는 비교값의 테이블에 대하여 적분하는 전자 처리 유닛에 신호들을 통신한 후, 액츄에이터의 작동을 공압식으로 제어하는 솔레노이드에 제어 신호를 출력하는, 압력 센서들을 포함하도록 복잡화될 수 있다.

ICE EDT의 제어 변수들 사이의 관계는 도 3의 상태들에 의해 가장 잘 특정되어 있다. 상태 "1"에서, 터보 시스템(100)은 임의의 부스트 압력 또는 배기 매니폴드 압력을 생산하지 않으며, 이에 따라 CBV(6)와 웨이스트 게이트(13)는, 시스템이 주어진 ICE 작동 속도에서, 흡기 매니폴드(5, 11)에 부스트 압력을 산출시키는 것을 가능하게 하도록 0% 개방 상태의 폐쇄로 유지된다. 상태 "2"에서, 시스템은 흡기 매니폴드(5, 11)에서 그의 목표 부스트 압력을 이미 달성하였으며, 이 목표 값을 유지하는 것이 필요하다. 따라서, 웨이스트 게이트(13)의 밸브는 흡기 매니폴드(5, 11)에서 목표 부스트를 지속시키는데 필요한 값의 100%로 개방되며, CBV(6)는 폐쇄 상태로 유지된다. 상태 "2"는 지금까지는 통상의 상태를 고려한 것이다. EDT(2)의 터빈 입구(17)에서의 배기 매니폴드 압력은 본 발명을 적용하지 않는 시스템들에서 공통적으로 보이는 기준값(baseline value)을 달성한다. 상태 "3"에서, 시스템은, 상태 "2"와 동일한 부스트 압력을 유지시키도록 계속된다는 것을 알 수 있을 것이다. 그러나, 웨이스트 게이트(13)의 개방은 동일한 부스트 압력을 유지시키는데 필요한 값의 50%로 감소시키며, 이에 따라 CBV(6)는 흡기 매니폴드(5, 11)에 대한 과잉 부스트 압력을 완화시키고 목표 값을 유지시키도록 개방되어야 한다. 상태 "4"에서, 도 3은, 시스템이 흡기 매니폴드(5, 11)에서 동일한 부스트 압력 값을 유지하고 있으며, 웨이스트 게이트(13)는 폐쇄되어 있으며, CBV(6)는 흡기 매니폴드(5, 11)에 대한 목표 부스트 압력을 달성하고 유지하는데 이용되고 있는 것을 도시한다. 그 결과, 배기 매니폴드 압력 값은 증가된다. 도 3은 도 2의 플로우차트에서 나타낸 바와 같이, CBV(6)와 웨이스트 게이트(13)의 제어는 흡기 매니폴드(5, 11)에 대해 주어진 부스트 압력을 유지시키기 위해 직접적으로 관련되는 것을 도시한다. CBV(6)가 폐쇄되고 웨이스트 게이트(13)의 개방이 감소된다면, 부스트 압력은 상승되어 목표를 초과할 것이다. 반대로, 웨이스트 게이트(13)의 개방이 증가된다면, 부스트 압력은 감소되어 목표값에 도달하지 않을 것이다. 웨이스트 게이트(13)가 100%에 있고 CBV(6)가 50%에 있으면, 상태 "5"에 나타낸 바와 같이, 부스트 압력이 또한 감소될 것이다. CBV(6)의 개방 동안 주어진 부스트 압력을 유지시키기 위해, 웨이스트 게이트(13)도 이에 따라 조정되어야 한다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는, 본 발명의 시스템이 흡기 매니폴드(5, 11)에서 목표 압력을 유지시키고, 배기 매니폴드 압력을 증가시키도록 한다는 것을 인식할 것이다.

효과의 산출은 다른 ICE 점화 전략(SI 및 CI의 양쪽) 및 EDT 변형(variation)들에서 입증되었다. 본 발명은, 엔진 배기 매니폴드 압력들을 제어하는 것에 관련된 오늘날의 ICE 엔지니어가 직면하는 많은 문제점들을 해결한다. 또한, 디젤 ICE들과 관련된 비용 증가와 함께, 효과는 입상 후처리 시스템(particulate after-treatment system)의 촉매들 중의 산소농도 제어를 지원하는 전략을 제공할 수 있으며, 린 NOX 촉매(lean NOX catalyst)들과 같은 미래의 기술들에 대한 온도제어를 지원할 수 있다. 전체적으로, 효과는 터보차지 ICE 건축 비용의 감소, 작동 효율의 증가 및 본 발명이 속하는 기술분야를 촉진시키기 위해 엔지니어에게 추가의 툴(tool)을 부여할 수 있다.

바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였으며, 이 실시예들은 첨부하는 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 변형 및 변경이 가능하다는 것을 인식할 것이다.

Claims

배기 구동형 터보차징 시스템을 제어하기 위한 시스템에 있어서,
배기가스 흡기구, 배기구, 압축기 흡기구 및 압축기 배기구를 구비하는 터보차저;
제어 포트, 흡기 포트, 배기 포트 및 상기 배기 포트를 개폐시키기 위한 밸브를 포함하는 압축기 바이패스 밸브;
공기 흡기구 및 상기 터보차저의 배기가스 흡기구에 유체 연통으로 연결된 배기구를 구비하는 엔진; 및
상기 밸브의 개폐를 제어하기 위한 수단을 포함하며,
상기 터보차저의 압축기 배기구는 상기 엔진의 흡기구에 유체 연통으로 연결되고, 또한 상기 압축기 바이패스 밸브의 흡기 포트에 유체 연통으로 연결되는, 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 엔진의 배기구에 연결된 웨이스트 게이트 밸브를 더 포함하며,
상기 웨이스트 게이트 밸브는, 상기 압축기 바이패스 밸브에서의 밸브가 개방 위치에서 유지되는 동안, 폐쇄 위치에서 유지 가능한, 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 엔진의 배기구에 연결된 웨이스트 게이트 밸브를 더 포함하며,
상기 웨이스트 게이트 밸브는, 상기 압축기 바이패스 밸브에서의 밸브가 폐쇄 위치에서 유지 가능한 동안, 개방 위치에서 유지 가능한, 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 밸브를 제어하기 위한 수단은, 배기가스 재순환 유량에 의해 결정된 소정의 작동 범위 동안, 상기 압축기 바이패스 밸브를 개방 위치에서 유지시키는, 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 밸브를 제어하기 위한 수단은, 목표 연료 소비율에 의해 결정된 소정의 작동 범위 동안, 상기 압축기 바이패스 밸브를 개방 위치에서 유지시키는, 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 밸브를 제어하기 위한 수단은, 배기가스 배출 값에 의해 결정된 소정의 작동 범위 동안, 상기 압축기 바이패스 밸브를 개방 위치에서 유지시키는, 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 압축기 바이패스 밸브는,
상기 밸브를 통해 축방향으로 형성된 제1 관통 포트; 및
피스톤을 통해 축방향으로 형성된 제2 관통 포트를 구비하는 피스톤을 더 포함하며,
상기 피스톤은 상기 제1 관통 포트와 적어도 부분적으로 정렬된 그의 제2 관통 포트에 의해 상기 밸브에 결합되며,
상기 피스톤은 상기 압축기 바이패스 밸브 내에 두 개 이상의 챔버를 적어도 부분적으로 형성하는, 시스템.
제 7 항에 있어서,
상기 두 개 이상의 내부 챔버들 중 제1 챔버는 상기 제어 포트에 연결되고, 상기 두 개 이상의 내부 챔버들 중 제2 챔버는 상기 제2 관통 포트에 연결되며, 이에 따라 상기 압축기 바이패스 밸브의 흡기 포트와 상기 두 개 이상의 내부 챔버들 중 제2 챔버 사이에 유체 연통이 제공되는, 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 압축기 바이패스 밸브의 배기 포트는 상기 터보차저의 압축기 흡기구에 유체 연통으로 연결되는, 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 밸브를 제어하기 위한 수단은 편향 부재, 전자 회로, 솔레노이드, 모터, 공기압 액츄에이터, 또는 상기 제어 포트에 연결된 그들의 조합을 포함하는, 시스템.
내연 기관에서의 터보차저를 제어하기 위한 방법에 있어서,
청구항 1의 시스템을 제공하는 단계; 및
흡기 매니폴드의 압력이 정압 상태인 동안 상기 압축기 바이패스 밸브를 개방시키는 것에 의해 배기 구동형 터보차지 내로 공급되는 배기 매니폴드 압력을 증가시키는 단계를 포함하는, 방법.
배기 구동형 터보차징 시스템을 제어하기 위한 방법에 있어서,
배기 매니폴드를 통해 엔진 배기 포트에 연결된 터보차저 흡기구, 압축기 바이패스 밸브의 흡기 포트에 연결되고 흡기 매니폴드를 사용하는 엔진 흡기 밸브에 연결된 터보차저 배기구, 상기 압축기 바이패스 밸브의 제어 포트에 연결된 솔레노이드 밸브를 구비하는 엔진을 제공하는 단계; 및
상기 압축기 바이패스 밸브의 제어 밸브의 기계적 작동 상태들에 대하여 상기 흡기 매니폴드 내의 압력을 참조하고, 또한 상기 배기 매니폴드 압력을 제어하기 위해 상기 제어 밸브를 작동시키는 것에 의해 상기 흡기 매니폴드 내의 소정의 부스트 압력을 유지시키는 것에 의해, 상기 배기 매니폴드 내의 압력을 증가시키는 단계를 포함하는, 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 배기 매니폴드에 연결된 웨이스트 게이트 밸브를 더 포함하며;
상기 흡기 매니폴드 내의 소정의 부스트 압력과 배기 매니폴드 압력을 상승적으로 유지시키기 위해, 상기 웨이스트 게이트 밸브와 상기 압축기 바이패스 밸브 양쪽을 작동시키는 것에 의해 상기 흡기 매니폴드 내의 소정의 부스트 압력을 유지시키는, 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 유지 단계는, 상기 웨이스트 게이트를 부분적으로 개방된 위치에서 유지시키면서 상기 압축기 바이패스 밸브를 부분적으로 개방된 위치에서 유지시키는 단계를 포함하는, 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 유지 단계는, 상기 웨이스트 게이트를 폐쇄 위치에서 유지시키면서 상기 압축기 바이패스 밸브를 개방 위치에서 유지시키는 단계를 포함하는, 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 유지 단계는, 상기 웨이스트 게이트를 부분적으로 개방된 위치에서 유지시키면서 상기 압축기 바이패스 밸브를 개방 위치에서 유지시키는 단계를 포함하는, 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 참조 단계는 EGR 유량을 참조하는 단계를 포함하는, 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 참조 단계는 목표 연료소비율을 참조하는 단계를 포함하는, 방법.