KR20160131417A - 차량용 터보 컴파운드 시스템 및 이의 제어 방법 - Google Patents

차량용 터보 컴파운드 시스템 및 이의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량용 터보 컴파운드 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것으로서, 엔진의 전체 운전영역 중 터보 컴파운드가 저항으로 작용하는 영역에서의 엔진 효율을 증대시킬 수 있도록 새롭게 개선된 차량용 터보 컴파운드 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 엔진의 전체 운전영역 중 터보 컴파운드가 저항으로 작용하는 엔진 운전영역에서 터보 컴파운드의 블로우 다운 터빈으로 유입되는 배기가스양을 조절하거나 차단하고, 또는 블로우 다운 터빈으로부터 엔진으로 전달되는 동력을 차단해줌으로써, 터보 컴파운드가 저항으로 작용하는 엔진 운전영역을 최소화시켜 엔진 효율을 보다 향상시킬 수 있도록 한 차량용 터보 컴파운드 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

차량용 터보 컴파운드 시스템 및 이의 제어 방법{Turbo compound system and method for controlling the same}
본 발명은 차량용 터보 컴파운드 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것으로서, 엔진의 전체 운전영역 중 터보 컴파운드가 저항으로 작용하는 영역에서의 엔진 효율을 증대시킬 수 있도록 새롭게 개선된 차량용 터보 컴파운드 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
차량의 엔진 구동에 따른 배출가스 등과 같이 버려지는 폐에너지를 회수하여 전기에너지 또는 기계에너지로 재생시키는 터보 컴파운드 시스템에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있다.
상기 터보 컴파운드(Turbo Compound) 시스템은 차량의 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 운동에너지를 회수하는 시스템으로서, 연료 공기의 흡기 과급에 사용되는 터보차저 터빈(Turbocharger Turbine) 이외에 블로우 다운 터빈(Blow-down Turbine)을 더 장착하여, 배기가스의 운동에너지를 회수하는 동시에 블로우 다운 터빈에서 회수한 에너지를 기계식 또는 전기식으로 사용처에서 활용할 수 있다.
여기서, 종래의 차량용 터보 컴파운드 시스템 구성 및 그 동작을 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 종래의 터보 컴파운드 시스템을 나타낸다.
도 1에서, 도면부호 11은 엔진(10)의 배기가스 에너지를 기계적 일로 변환시키는 터보차저 터빈을 지시하며, 이 터보차저 터빈(11)에는 콤프레서(12)가 동축으로 연결된다.
또한, 상기 터보차저 터빈의 배기가스 출구측에는 블로우 다운 터빈(13)이 배치된다.
이때, 상기 블로우 다운 터빈(13)은 엔진(10)의 크랭크축(14)에 감속기어열을 통하여 동력 전달 가능하게 연결된다.
즉, 상기 블로우 다운 터빈(13)의 출력축에 연결된 제1감속기어(15)가 상기 엔진(10)의 크랭크축(14)에 연결된 제2감속기어(16)에 동력전달 가능하게 연결된다.
따라서, 상기 엔진(10)이 구동되면, 엔진 구동에 따른 배기가스가 터보차저 터빈(11)을 회전시키는 동시에 터보차저 터빈(11)과 동축으로 연결된 콤프레서(12)가 회전되며, 이에 콤프레서(12)에서 연료 연소를 위한 흡기로서 외기를 압축하여 엔진에 과급한다.
연이어, 상기 터보차저 터빈(11)을 구동시킨 배기가스는 모두 블로우 다운 터빈(13)으로 배출되어 블로우 다운 터빈(13)을 회전 구동시킨다.
이때, 상기 블로우 다운 터빈(13)의 회전동력이 제1감속기어(15)와 제2감속기어(16)를 통하여 엔진(10)의 크랭크축(14)으로 전달됨으로써, 추가적인 연료 소모없이 엔진(10)의 출력을 증가시킬 수 있다.
그러나, 엔진 전체 운전영역에서 모든 배기가스가 터보차저 터빈(11)과 블로우 다운 터빈(13)을 포함하는 터보 컴파운드를 통과하므로, 터보 컴파운드가 저항으로 작용하는 엔진 운전영역에서 엔진 효율이 감소하는 단점이 있다.
첨부한 도 2를 참조하면, 엔진 전체 운전영역(전부하 영역) 중, 엔진 토크 또는 연료량 대비 엔진 회전수가 예를 들어, 500~2500rpm인 주사용 영역(주사용 영역을 이루는 엔진 회전수 엔진 등급에 따라 달라질 수 있음)에서 터보 컴파운드의 작동으로 인하여 엔진 효율이 증가하지만, 주사용 영역을 벗어난 엔진 운전영역에서는 터보 컴파운드가 저항으로 작용하여 오히려 엔진 효율이 감소하는 문제점이 있다.
이렇게 엔진의 전체 운전영역 중 주사용 영역을 벗어난 엔진 운전영역에서 터보 컴파운드가 배기저항으로 작용하는 이유는 터보 컴파운드가 엔진의 전체 운전영역 중 주사용 영역에서 최적의 효과를 나타내도록 개발되기 때문이다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 엔진의 전체 운전영역 중 터보 컴파운드가 저항으로 작용하는 엔진 운전영역에서 터보 컴파운드의 블로우 다운 터빈으로 유입되는 배기가스양을 조절하거나 차단하고, 또는 블로우 다운 터빈으로부터 엔진으로 전달되는 동력을 차단해줌으로써, 터보 컴파운드가 저항으로 작용하는 엔진 운전영역을 최소화시켜 엔진 효율을 보다 향상시킬 수 있도록 한 차량용 터보 컴파운드 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 엔진의 배기가스를 기계적 일로 변환시키는 터보차저 터빈과, 터보차저 터빈과 동축으로 연결된 콤프레서와, 터보차저 터빈의 배기가스 출구측에 배치되는 블로우 다운 터빈과, 블로우 다운 터빈을 엔진의 크랭크축에 동력 전달 가능하게 연결하는 감속기어열을 포함하는 차량용 터보 컴파운드 시스템에 있어서, 상기 터보차저 터빈과 블로우 다운 터빈 사이에 블로우 다운 터빈을 향하는 배기가스양을 조절하는 배기가스 분배장치를 장착하고, 상기 블로우 다운 터빈의 동력을 엔진의 크랭크축에 전달 또는 차단하도록 감속기어열에 클러치를 장착하여서 된 것을 특징으로 하는 차량용 터보 컴파운드 시스템을 제공한다.
바람직하게는, 상기 배기가스 분배장치는 블로우 다운 터빈을 향하는 배기라인으로부터 분기된 분기라인과, 배기라인 및 분기라인의 교차점에 장착되는 배기가스 분배기로 구성된 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 배기가스 분배장치는 블로우 다운 터빈을 향하는 배기라인으로부터 분기된 분기라인과, 분기라인에 장착되는 바이패스밸브로 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 클러치는 감속기어열 중 블로우 다운 터빈측에 연결된 제1감속기어와 엔진의 크랭크축에 연결된 제2감속기어 간의 연결축에 장착된 것을 특징으로 하는 차량용 터보 컴파운드 시스템을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 엔진의 배기가스에 의하여 터보차저 터빈이 회전 구동하는 단계와; 엔진의 운전영역이 터보 컴파운드가 저항으로 작용하는 영역인지 여부를 판정하는 단계와; 터보 컴파운드가 저항으로 작용하는 엔진 운전영역이면, 터보차저 터빈을 통과하여 블로우 다운 터빈으로 유입되는 배기가스양을 배기가스 분배장치를 이용하여 감소 조절하거나 차단하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 터보 컴파운드 시스템 제어 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 제어 방법은 상기 터보 컴파운드가 저항으로 작용하는 엔진 운전영역이면, 블로우 다운 터빈과 엔진의 크랭크축 간의 클러치를 해제하는 동력 전달 차단 제어 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 터보 컴파운드가 저항으로 작용하는 엔진 운전영역에서 터보 컴파운드의 블로우 다운 터빈으로 유입되는 배기가스 유량을 감소 또는 차단하여, 터보 컴파운드가 저항으로 작용하는 엔진 운전영역을 최소화시킬 수 있고, 결과적으로 엔진 효율을 증가시킬 수 있다.
둘째, 터보 컴파운드가 저항으로 작용하는 엔진 운전영역에서 터보 컴파운드의 블로우 다운 터빈으로 유입되는 배기가스를 감소 또는 차단함과 동시에 터보 컴파운드와 엔진 크랭크 간에 구축된 클러치를 해제하여 동력 전달 차단이 되도록 함으로써, 터보 컴파운드가 엔진 구동 저항으로 작용하는 것을 해제하여 엔진 효율을 보다 증대시킬 수 있다.
도 1은 종래의 터보 컴파운드 시스템 구성을 나타낸 개략도,
도 2는 종래의 터보 컴파운드 시스템이 적용된 엔진의 운전영역 및 효율을 도시한 그래프,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 컴파운드 시스템 구성을 나타낸 개략도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 터보 컴파운드 시스템 구성을 나타낸 개략도,
도 5는 본 발명에 따른 터보 컴파운드 시스템의 작동 제어예를 나타낸 순서도,
도 6은 본 발명에 따른 터보 컴파운드 시스템이 적용된 엔진의 운전영역 및 효율을 도시한 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 컴파운드 시스템 구성을 나타낸 개략도이다.
도 3에서 보듯이, 엔진(10)의 배기가스 에너지를 기계적 일로 변환시키는 터보차저 터빈(11)과 콤프레서(12)가 동축으로 연결되고, 상기 터보차저 터빈(11)의 배기가스 출구측에는 블로우 다운 터빈(13)이 배치된다.
또한, 상기 블로우 다운 터빈(13)의 출력축에 연결된 제1감속기어(15)가 상기 엔진(10)의 크랭크축(14)에 연결된 제2감속기어(16)에 동력전달 가능하게 연결된다.
여기서, 상기 터보차저 터빈(11)과 블로우 다운 터빈(13) 사이에 블로우 다운 터빈(13)을 향하는 배기가스양을 조절하는 배기가스 분배장치가 장착된다.
보다 상세하게는, 상기 배기가스 분배장치는 터보차저 터빈(11)으로부터 블로우 다운 터빈(13)을 향하는 배기라인(17)으로부터 외기쪽으로 분기된 분기라인(18)과, 배기라인(17) 및 분기라인(18)의 교차 시작점에 장착되는 배기가스 분배기(20)로 구성된다.
예를 들어, 상기 배기가스 분배기(20)는 배기라인(17) 또는 분기라인(18)으로 열림량 조절 가능한 3방향 밸브 등으로 채택될 수 있다.
또한, 상기 블로우 다운 터빈(13)의 동력을 엔진(10)의 크랭크축(14)에 전달 또는 차단하도록 한 클러치(22)가 감속기어열에 장착된다.
좀 더 상세하게는, 상기 클러치(22)는 감속기어열 중 블로우 다운 터빈(13)측에 연결된 제1감속기어(15)와 엔진(10)의 크랭크축(14)에 연결된 제2감속기어(16) 간의 연결축에 장착된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 첨부한 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 배기가스 분배장치를 블로우 다운 터빈(13)을 향하는 배기라인(17)으로부터 분기된 분기라인(18)과, 분기라인(18)에 장착되는 바이패스밸브(23)로 구성할 수 있다.
따라서, 상기 터보차저 터빈(11)을 지나서 배기라인(17)을 따라 블로우 다운 터빈(13)으로 유입되는 배기가스 유량을 상기 배기가스 분배기(20) 또는 바이패스밸브(23)의 열림량을 제어하여 감소 조절할 수 있고, 이렇게 블로우 다운 터빈(13)으로 향하는 배기가스 유량을 감소 조절함으로써, 터보 컴파운드가 저항으로 작용하는 엔진 운전영역을 최소화시킬 수 있다.
또는, 터보 컴파운드가 저항으로 작용하는 엔진 운전영역에서 터보 컴파운드의 블로우 다운 터빈(13)으로 유입되는 배기가스를 배기가스 분배기(20)를 이용하여 완전히 차단하는 동시에 블로우 다운 터빈(13)에 연결된 제1감속기어(15)와 크랭크축에 연결된 제2감속기어(16)를 클러치 해제 제어를 하여 동력전달 차단 가능하게 분리해줌으로써, 터보 컴파운드가 엔진의 저항으로 작용하는 것을 해제하여 엔진 효율을 보다 증대시킬 수 있다.
여기서, 상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 터보 컴파운드 시스템의 동작 및 그 제어 과정을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 5는 본 발명에 따른 터보 컴파운드 시스템의 작동 제어예를 나타낸 순서도이고, 도 6은 본 발명에 따른 터보 컴파운드 시스템이 적용된 엔진의 운전영역 및 효율을 도시한 그래프이다.
먼저, 엔진 시동에 따라 엔진의 배기가스에 의하여 터보차저 터빈(11)이 회전 구동한다.
이때, 엔진 전체 운전영역(전부하 영역) 중, 엔진 토크 또는 연료량 대비 엔진 회전수가 500~2500rpm인 주사용 영역에 있는지, 아니면 주사용 영역을 벗어나서 터보 컴파운드가 저항으로 작용하는 엔진 운전영역에 있는지 여부를 판정한다.
엔진의 운전영역이 주사용 영역에 있으면, 상기 배기가스 분배기(20)를 블로우 다운 터빈(13)쪽으로 완전하게 열어주고, 또는 상기 바이패스 밸브(23)를 완전하게 닫아주는 제어를 함으로써, 상기 터보차저 터빈(11)을 구동시킨 배기가스가 모두 블로우 다운 터빈(13)으로 배출되어 블로우 다운 터빈(13)을 회전 구동시킨다.
이에, 상기 블로우 다운 터빈(13)의 회전동력이 클러치(22) 연결 상태에서 제1감속기어(15)와 제2감속기어(16)를 통하여 엔진(10)의 크랭크축(14)으로 전달됨으로써, 엔진 전체 운전영역 중 주사용 영역에서 추가적인 연료 소모없이 엔진(10)의 출력을 증가시킬 수 있다.
반면, 터보 컴파운드가 저항으로 작용하는 엔진 운전영역이면, 터보차저 터빈(11)을 통과하여 블로우 다운 터빈(13)으로 유입되는 배기가스양을 배기가스 분배기(20)에서 감소 조절하거나 차단하고, 또는 바이패스 밸브(23)에서 감소 조절하도록 한다.
예를 들어, 상기 터보 컴파운드가 저항으로 작용하는 엔진 운전영역이면, 상기 배기가스 분배기(20)를 블로우 다운 터빈(13)쪽으로 닫아주는 동시에 분기라인(18)쪽으로 열어주는 제어를 함으로써, 배기가스의 일부 또는 전부가 블로우 다운 터빈(13)으로 공급되지 않고, 분기라인(18)을 따라 외부로 배출되도록 한다.
또는, 상기 터보 컴파운드가 저항으로 작용하는 엔진 운전영역이면, 상기 바이패스 밸브(23)를 열어주는 제어를 함으로써, 배기가스의 일부 또는 전부가 블로우 다운 터빈(13)으로 공급되지 않고, 분기라인(18)을 따라 외부로 배출되도록 한다.
이와 함께, 상기 클러치(22)를 해제 작동시켜서, 블로우 다운 터빈(13)과 엔진(10)의 크랭크축(14) 간의 동력 전달이 차단되는 상태가 되도록 한다.
이와 같이, 터보 컴파운드가 저항으로 작용하는 엔진 운전영역에서 터보 컴파운드의 블로우 다운 터빈(13)으로 유입되는 배기가스를 감소 또는 차단함과 동시에 엔진 크랭크축에 연결된 감속기어를 클러치(22)를 이용하여 분리해줌으로써, 터보 컴파운드가 엔진의 구동저항으로 작용하는 것을 해제하여 엔진 효율을 보다 증대시킬 수 있다.
즉, 터보컴파운드에 의한 저항은 엔진효율 감소를 유발하므로 블로우 다운 터빈으로 향하던 배기가스를 모두 분기라인 및 머플러로 통하여 외부로 배출시킴으로써, 터보 컴파운드가 저항으로 작용하는 엔진 운전영역에서 엔진효율 감소를 피할 수 있다.
10 : 엔진
11 : 터보차저 터빈
12 : 콤프레서
13 : 블로우 다운 터빈
14 : 크랭크축
15 : 제1감속기어
16 : 제2감속기어
17 : 배기라인
18 : 분기라인
20 : 배기가스 분배기
22 : 클러치
23 : 바이패스 밸브

Claims (6)

  1. 엔진의 배기가스를 기계적 일로 변환시키는 터보차저 터빈과, 터보차저 터빈과 동축으로 연결된 콤프레서와, 터보차저 터빈의 배기가스 출구측에 배치되는 블로우 다운 터빈과, 블로우 다운 터빈을 엔진의 크랭크축에 동력 전달 가능하게 연결하는 감속기어열을 포함하는 차량용 터보 컴파운드 시스템에 있어서,
    상기 터보차저 터빈과 블로우 다운 터빈 사이에 블로우 다운 터빈을 향하는 배기가스양을 조절하는 배기가스 분배장치를 장착하고, 상기 블로우 다운 터빈의 동력을 엔진의 크랭크축에 전달 또는 차단하도록 감속기어열에 클러치를 장착하여서 된 것을 특징으로 하는 차량용 터보 컴파운드 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기가스 분배장치는 블로우 다운 터빈을 향하는 배기라인으로부터 분기된 분기라인과, 배기라인 및 분기라인의 교차점에 장착되는 배기가스 분배기로 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 터보 컴파운드 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기가스 분배장치는 블로우 다운 터빈을 향하는 배기라인으로부터 분기된 분기라인과, 분기라인에 장착되는 바이패스밸브로 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 터보 컴파운드 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 클러치는 감속기어열 중 블로우 다운 터빈측에 연결된 제1감속기어와 엔진의 크랭크축에 연결된 제2감속기어 간의 연결축에 장착된 것을 특징으로 하는 차량용 터보 컴파운드 시스템.
  5. 엔진의 배기가스에 의하여 터보차저 터빈이 회전 구동하는 단계와;
    엔진의 운전영역이 터보 컴파운드가 저항으로 작용하는 영역인지 여부를 판정하는 단계와;
    터보 컴파운드가 저항으로 작용하는 엔진 운전영역이면, 터보차저 터빈을 통과하여 블로우 다운 터빈으로 유입되는 배기가스양을 배기가스 분배장치를 이용하여 감소 조절하거나 차단하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 터보 컴파운드 시스템 제어 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 터보 컴파운드가 저항으로 작용하는 엔진 운전영역이면, 블로우 다운 터빈과 엔진의 크랭크축 간의 클러치를 해제하는 동력 전달 차단 제어 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 터보 컴파운드 시스템 제어 방법.
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