KR20180056230A - 터보차저용 오일공급장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 터보차저의 부하조건에 맞춰 터보차저로 공급되는 오일의 유량을 효율적으로 조절함으로써 터보차저의 내구성을 향상시킴과 더불어 연비를 개선할 수 있는 터보차저용 오일 공급장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 터보차저용 오일공급장치는, 엔진윤활시스템의 오일팬의 오일을 펌핑하여 터보차저로 공급하는 터보차저용 오일펌프; 및 오일펌프의 토출압력을 제어하는 제어부;를 가질 수 있다.

Description

터보차저용 오일공급장치 및 그 제어방법{OIL SUPPLY APPARATUS FOR TURBO CHARGER AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME }
본 발명은 터보 차저용 오일공급장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터보차저의 부하조건에 맞춰 터보차저로 공급되는 오일의 유량을 효율적으로 조절함으로써 터보차저의 내구성을 향상시킴과 더불어 연비를 개선할 수 있는 터보차저용 오일공급장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
엔진은 회전중에 많은 부품들이 서로 마찰을 일으키며, 마찰부분에 사용되는 힘은 실린더의 팽창행정에서 얻은 힘에 대하여 모두가 저항이고 손실되는 힘이며, 부품끼리의 마찰은 부품의 마모를 가져와 수명을 짧게하고 엔진의 성능을 총합적으로 저하시키는 원인이 되며, 또한 마찰부분에는 반드시 열이 수반되고 연소가스열에 의해 가열되므로 부품열화를 가져오게 된다.
이 때문에 엔진내부의 마찰저항을 저감하고 동시에 냉각시키기 위해 오일을 공급하는 엔진윤활시스템이 마련되어 있다.
이러한 엔진윤활시스템은 실린더블록의 하부에 장착된 오일팬에 저장된 엔진오일을 오일펌프에 의해 펌핑하며, 도중에 오일여과기를 통과하게 하여 엔진내부를 순환하면서 포함된 금속가루 등의 이물질을 여과한다. 오일여과기로부터 이물질이 여과된 엔진오일은 메인갤러리를 통하여 엔진의 주요운동부분, 예를들면 크랭크 축, 커넥팅 로드, 피스톤, 각종 베어링, 밸브장치, 터보차저 등에 공급되어 윤활 및 냉각한 후 다시 오일팬으로 귀환되도록 되어 있다.
터보차저는 동축으로 연결된 터빈 및 압축기를 가지고, 터보차저의 터빈은 엔진의 배기가스에 의해 고속으로 회전함에 따라 압축기가 구동하여 흡기를 압축할 수 있다.
한편, 터보차저는 엔진의 운전조건에 일치하지 않는 부하조건이 많이 발생하지만, 터보차저로 공급되는 오일의 공급유량은 엔진의 RPM에 종속된다. 예컨대, 타율주행 등과 같이 엔진의 RPM은 증가하지만 터보차저의 부하가 저하되는 경우에는 엔진의 RPM 증가로 인해 터보차저 측으로 공급되는 오일의 유량이 과도해질 수 있다. 또한, 열부하가 높은 조건에서 엔진이 급격하게 정지할 때 터보차저 측으로 오일이 적절하게 공급되지 않으므로 오일이 터보차저의 회전마찰부(베어링 등)에 소착(코킹)될 수도 있다. 그리고, 엔진의 냉시동 시에는 오일의 점도가 높아 오일이 터보차저 측으로 원활하게 공급되지 않아 냉시동 안전성이 저하될 수도 있다.
이와 같이, 종래기술에 따르면 터보차저로 공급되는 오일의 공급압력이 엔진의 RPM에 종속됨에 따라 터보차저에 대한 윤활이 원활하게 이루어지지 못하는 단점이 있었다.
또한, 종래기술에 따르면 오일팬의 오일이 오일펌프에 의해 펌핑되어 오일필터, 메인 갤러리, 메인베어링, 실린더 블로의 유로, 터보차저의 회전마찰부 순으로 공급되는 구조로 이루어짐에 따라, 오일의 이송경로가 매우 길어져 오일 공급압력의 손실로 인해 터보차저의 회전마찰부로 오일의 공급이 원활하게 이루어지지 못할 수 있는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 안출한 것으로, 터보차저의 부하조건에 맞춰 터보차저로 공급되는 오일의 유량을 효율적으로 조절함으로써 터보차저의 내구성을 향상시킴과 더불어 연비를 개선할 수 있는 터보차저 오일공급장치 및 그 제어방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태는 터보차저 측으로 오일을 독립적으로 공급하기 위한 터보차저용 오일공급장치로서,
엔진윤활시스템의 오일팬의 오일을 펌핑하여 터보차저로 공급하는 터보차저용 오일펌프; 및
오일펌프의 토출압력을 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 차량의 ECU로부터 엔진의 RPM, 오일 온도, 터보차저의 RPM을 입력받아 터보차저의 부하조건을 판별하고, 판별된 터보차저의 부하조건에 따라 오일의 공급압력을 제어할 수 있다.
상기 터보차저용 오일펌프의 토출 측에 설치된 압력센서를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 상술한 터보차저용 오일공급장치의 제어방법으로,
오일 온도가 제1판별온도 보다 작으면 오일의 공급압력을 제1타겟압력으로 증가시키고,
오일 온도가 제1판별온도 이상인 상태에서 터보차저의 고부하 조건에 해당하면 오일의 공급압력을 터보차저의 RPM에 맞춰 제2타겟압력으로 조절할 수 있으며,
상기 제1판별온도는 냉시동을 판별하기 위한 기준온도이며, 상기 제2타겟압력은 상기 제1타겟압력 보다 낮게 설정될 수 있다.
상기 터보차저의 고부하 조건은 오일 온도가 제2판별온도 보다 크고, 터보차저의 RPM이 판별RPM 보다 큰 조건이고,
상기 제2판별온도 및 상기 판별RPM은 고부하 조건인지를 판별하기 위한 기준온도 및 기준RPM일 수 있다.
엔진의 RPM이 "0"이 아닌 상태에서 오일 온도가 제2판별온도 이하이거나 터보차저의 RPM이 판별RPM 이하일 경우에는 오일의 공급압력을 제3타켓압력으로 낮추며,
상기 제3타겟압력은 상기 제1타겟압력 보다 낮게 설정될 수 있다.
오일 온도가 제2판별온도 보다 크고 엔진의 RPM이 "0"이 되면, 엔진의 정지 이후에 설정시간 동안 오일의 공급압력을 제3타겟압력으로 유지할 수 있다.
본 발명에 의하면, 터보차저 측으로 오일을 독립적으로 공급하는 별도의 오일펌프를 설치함으로써 엔진의 부하조건과 별도로 터보차저의 부하조건에 맞춰 오일의 공급유량을 효과적으로 조절할 뿐만 아니라 터부차저의 회전마찰부로 공급되는 오일의 이송경로를 대폭 단축할 수 있고, 이를 통해 냉시동의 안정성, 오일 코킹 방지, 연비 개선 등을 효과적으로 구현할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 냉시동 시에 터보차저용 오일펌프의 토출압력을 증대시켜 오일의 공급압력을 증가시킴으로써 오일의 공급유량을 신속하게 증가시킬 수 있고, 이를 통해 냉시동 시에도 터보차저의 회전마찰부에 대한 윤활을 원활하게 진행할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 엔진의 RPM이 낮을지라도 터보차저의 고부하 조건에서는 오일의 공급압력을 터보차저의 RPM에 맞춰 적절히 조절함으로써 NVH 개선 및 휠 내구성 개선을 구현할 수 있다.
본 발명은 터보차저의 저부하 조건 즉, 엔진의 RPM이 높고 터보차저의 RPM이 낮을 경우에는 오일의 공급압력이 상대적으로 낮게 유지함으로써 연비 개선을 효과적으로 구현할 수 있다.
본 발명은 엔진의 과열 조건에서 급격하게 정지될 경우, 엔진의 정지 이후에도 설정시간 동안 오일의 공급압력을 제3타겟압력으로 유지하여 터보차저의 회전마찰부 또는 드레인 통로 등을 적절히 냉각할 수 있고, 이를 통해 배기계 금속의 과열로 인해 터보차저의 회전마찰부 또는 드레인 통로에 오일이 코킹(소착)됨을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터보차저용 오일 공급장치가 엔진 윤활시스템에 적용된 구조를 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터보차저용 오일 공급장치의 제어방법을 도시한 순서도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 발명을 설명하는 데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다. 또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하겠다.
도 1을 참조하면, 엔진 윤활시스템(10)은 오일이 저장된 오일팬(11)과, 오일팬(11)의 오일을 펌핑하는 오일펌프(13)와, 오일펌프(13)에 의해 펌핑된 오일을 수용하는 메인 갤러리(14)와, 메인 갤러리(14)에 소통하게 연결된 헤드(15) 및 헤드 갤러리(16)를 포함할 수 있다.
오일펌프(13)와 메인 갤러리(14) 사이에는 오일필터(12)가 배치되고, 오일필터(12)는 펌핑되는 오일 내의 이물질을 적절히 여과할 수 있다.
메인 갤러리(14)에 수용된 오일은 헤드(15) 및 헤드 갤러리(16)로 이송될 수 있다. 헤드(15)로 이송된 오일은 IVM(17)을 거쳐 CAM(18)으로 전달되어 각 부분의 회전마찰부를 윤활할 수 있다.
헤드 갤러리(16)로 이송된 오일은 유압식 밸브간극 조정기(19, HLA; Hydraulic Lash Adjuster)로 이송되어 회전마찰부를 윤활할 수 있다.
그리고, 메인 갤러리(14)에는 오일젯 서브 갤러리(20)가 소통하게 연결되고, 이에 메인 갤러리(14)의 오일이 오일제 서브 갤러리(20)를 거쳐 오일젯(21)으로 이송될 수 있다.
또한, 메인 갤러리(14)에는 메인 베어링(22)과 소통하게 연결되고, 메인 베어링(22)은 커넥팅로드 베어링(23) 및 터보차저(24)의 회전마찰부(베어링 등)와 소통하게 연결될 수 있다. 이에 메인 갤러리(14)의 오일은 메인 베어링(22)을 거쳐 커넥팅로드 베어링(23) 및 터보차저(24)의 회전마찰부 측으로 이송됨으로써 메인베어링(22), 커넥팅로드 베어링(23), 터보차저(24)의 베어링부 등이 적절히 윤활될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 터보차저용 오일 공급장치(30)는 오일팬(11)의 오일을 터보차저(24)의 회전마찰부로 독립적으로 펌핑하여 터보차저(24)의 회전마찰부 측으로 공급하는 터보차저용 오일펌프(31)와, 터보차저용 오일펌프(31)의 토출 측에 설치된 압력센서(32)와, 오일펌프(31) 및 압력센서(32)에 접속된 제어부(35)를 포함할 수 있다.
터보차저용 오일펌프(31)는 엔진 윤활시스템(10)의 오일팬(11)으로부터 오일을 펌핑하도록 설치될 수 있다. 이를테면, 터보차저용 오일펌프(31)는 엔진 윤활시스템(10)의 오일팬(11)을 엔진 윤활시스템(10)과 공용으로 사용한다.
압력센서(32)는 터보차저용 오일펌프(31)의 하류 측에 인접하게 설치될 수 있고, 이를 통해 터보차저(24)로 유입되는 오일의 공급압력을 실시간으로 검출할 수 있다.
제어부(35)에는 압력센서(32) 및 터보차저용 오일펌프(31)가 접속될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어부(35)에는 차량의 ECU(34, 전자제어유닛)가 접속될 수 있고, 이에 차량의 ECU(34)로부터 엔진의 RPM, 오일의 온도, 터보차저의 RPM 등과 같은 데이터를 전송받을 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 제어부(35)는 차량의 ECU(34)에 통합될 수도 있다.
제어부(35)는 ECU(34)로부터 입력받은 오일의 온도, 엔진의 RPM, 터보차저의 RPM 등과 같은 데이터를 이용하여 터보차저(24)의 부하조건을 판별하고, 그 판별된 터보차저(24)의 부하조건에 따라 오일의 공급압력을 제어할 수 있다.
예컨대, 냉시동 상태일 경우에는 제어부(35)는 오일의 공급압력을 터보차저용 오일펌프(31)의 최대값까지 증가시킴으로써 저온조건에서 낮은 점도의 오일을 터보차저(24)으로 원활하게 공급할 수 있다. 그리고, 터보차저(24)의 고부하 조건일 경우에는 제어부(35)는 터보차저(24)의 RPM에 맞춰 오일의 공급압력을 조절할 수 있다. 또한, 차량의 고부하 급정지 등과 같이 오일의 온도가 과도하게 상승할 경우에는 제어부(35)는 오일의 공급압력을 일정수준으로 일정시간 동안 유지시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터보차저용 오일공급장치의 제어방법을 도시한 순서도이다.
엔진의 시동이 된 이후에(S1), 제어부(35)는 차량의 ECU(34)로부터 엔진의 RPM(RPMENG), 오일 온도, 터보차저의 RPM(RPMTC) 등의 데이터를 입력받는다(S2).
제어부(35)는 오일 온도가 제1판별온도 보다 작은지를 판단한다(S3). 여기서, 제1판별온도는 차량이 냉시동 상태인지를 판별하기 위한 기준온도로서, 주변환경에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 예컨대, 제1판별온도는 -20℃일 수 있다.
오일 온도가 제1판별온도 보다 작을 경우에는 제어부(35)는 냉시동 조건인 것으로 판단하고, 터보차저용 오일펌프(31)의 RPM을 증가시키거나 터보차저용 오일펌프(31) 내의 압력조절구조를 통해 터보차저용 오일펌프(31)의 토출압력을 터보차저용 오일펌프(31)의 최대출력값까지 증가시킬 수 있으며, 이를 통해 오일의 공급압력을 제1타겟압력으로 증가시킨다(S4). 여기서, 제1타겟압력은 터보차저용 오일펌프(31)의 최대토출압력에 해당하는 압력으로, 터보차저용 오일펌프(31)의 사양에 따라 다양하게 변경가능하다. 에컨대, 제1타겟압력은 5bar일 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 냉시동 시에 터보차저용 오일펌프(31)의 토출압력을 증대시켜 오일의 공급압력을 증가시킴으로써 오일의 공급유량을 신속하게 증가시킬 수 있고, 이를 통해 냉시동 시에도 터보차저(24)의 회전마찰부에 대한 윤활을 원활하게 진행할 수 있는 장점이 있다.
오일 온도가 제1판별온도 이상인 경우에는 제어부(35)는 냉시동 조건이 아닌 것으로 판단할 수 있고, 오일 온도가 제2판별온도 보다 크고 터보차저(24)의 RPM(RPMTC)이 판별RPM 보다 큰지를 판단한다(S5). 여기서, 제2판별온도는 터보차저(35)가 오일 온도가 고부하 조건에 해당하는지를 판별하기 위한 기준온도이고, 제2판별온도 보다 높을 경우에는 오일의 점도를 안정되게 유지할 수 없으며, 제2판별온도는 터보차저(24)의 사양 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 예컨대, 제2판별온도는 120℃일 수 있다. 판별RPM은 터보차저(24)의 RPM이 고부하 조건에 해당하는지를 판별하기 위한 기준치로, 터보차저(24)의 사양 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 예컨대, 판별RPM은 100000RPM 일수 있다.
S5단계에서, 오일 온도가 제2판별온도 보다 크고 터보차저(35)의 RPM(RPMTC)이 판별RPM 보다 크면 제어부(35)는 터보차저가 고부하 조건인 것으로 판단하고, 터보차저(24)의 RPM(RPMTC)에 맞춰 오일의 공급압력을 제2타겟압력으로 조절한다(S6).
제2타겟압력은 제1타겟압력 보다 낮게 설정되며, 이러한 제2타겟압력은 아래의 [수학식 1]과 같은 실험식을 통해 산출될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, A는 보정계수로서 터보차저용 오일펌프(31)의 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 예컨대, A는 0.0000164일 수 있다. B는 터보차저용 오일펌프(31)의 최소토출압력에 해당하는 것으로, 터보차저용 오일펌프(31)의 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 예컨대, B는 0.5bar일 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 엔진의 RPM(RPMENG)이 낮을지라도 터보차저(24)의 고부하 조건에서는 오일의 공급압력을 제2타겟압력으로 조절함으로써 NVH 개선 및 휠 내구성 개선을 구현할 수 있다.
S5단계에서, 엔진의 RPM(RPMENG)이 "0"이 아닌 상태(즉, 엔진의 구동이 유지되는 상태)에서 오일 온도가 제2판별온도 이하이거나 터보차저(25)의 RPM(RPMTC)이 판별RPM 이하일 경우에는 제어부(35)는 터보차저(25)가 저부하 조건인 것으로 판단하고, 터보차저용 오일펌프(31)의 토출압력을 정상적으로 제어하여 오일의 공급압력을 제3타켓압력으로 낮출 수 있다(S7).
여기서, 제3타겟압력은 제1타겟압력 보다 낮게 설정될 수 있다. 제3타겟압력은 터보차저(24)의 부하조건이 고부하 조건 또는 냉시동 조건 등이 아닌 일반적으로 상태일 때 오일의 공급이 원활하게 이루어질 수 있는 임계압력으로, 터보차저용 오일펌프(31)의 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 예컨대, 제3타켓압력은 2bar 일 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 터보차저(24)의 저부하 조건 즉, 타력주행 등과 같이 엔진의 RPM(RPMENG)이 높고 터보차저(25)의 RPM(RPMTC)이 낮을 경우에는 오일의 공급압력이 상대적으로 낮게 유지함으로써 연비 개선을 효과적으로 구현할 수 있다.
한편, 오일 온도가 제2판별온도 보다 크고 엔진의 RPM(RPMENG)이 "0"이 되는(엔진의 정지)지를 판단한다(S8).
오일 온도가 제2판별온도 보다 크고 엔진의 RPM(RPMENG)이 "0"이 되면, 즉 엔진의 과열조건에서 급격하게 정지되면 제어부(35)는 엔진의 정지 이후에 설정시간 동안 오일의 공급압력을 제3타겟압력으로 유지한다(S9).
이와 같이, 본 발명은 엔진의 과열 조건에서 급격하게 정지될 경우, 엔진의 정지 이후에도 설정시간 동안 오일의 공급압력을 제3타겟압력으로 유지하여 터보차저(24)의 회전마찰부 또는 드레인 통로 등을 적절히 냉각할 수 있고, 이를 통해 배기계 금속의 과열로 인해 터보차저(24)의 회전마찰부 또는 드레인 통로에 오일이 코킹(소착)됨을 방지할 수 있다.
여기서, 설정시간은 오일의 코킹이 방지될 수 있을 정도의 시간을 의미하며, 터보차저(24)의 사양 또는 오일의 온도 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 예컨대, 설정시간은 10초 일 수 있다.
이상, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 이 명세서에 개시된 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되지 않으며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 이내에서 당업자에 의하여 다양하게 변형될 수 있다.
10: 엔진윤활시스템
11: 오일팬
12: 오일필터
13: 오일펌프
14: 메인 갤러리
30: 터보차저용 오일공급장치
31: 터보차저용 오일펌프
32: 압력센서
35: 제어부

Claims (7)

  1. 엔진윤활시스템의 오일팬의 오일을 펌핑하여 터보차저로 공급하는 터보차저용 오일펌프; 및
    오일펌프의 토출압력을 제어하는 제어부;를 포함하는 터보차저용 오일공급장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 차량의 ECU로부터 엔진의 RPM, 오일 온도, 터보차저의 RPM을 입력받아 터보차저의 부하조건을 판별하고, 판별된 터보차저의 부하조건에 따라 오일의 공급압력을 제어하는 터보차저용 오일공급장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 터보차저용 오일펌프의 토출 측에 설치된 압력센서를 더 포함하는 터보차저용 오일공급장치.
  4. 청구항 1에 따른 터보차저용 오일공급장치의 제어방법으로,
    오일 온도가 제1판별온도 보다 작으면 오일의 공급압력을 제1타겟압력으로 증가시키고,
    오일 온도가 제1판별온도 이상인 상태에서 터보차저의 고부하 조건에 해당하면 오일의 공급압력을 터보차저의 RPM에 맞춰 제2타겟압력으로 조절할 수 있으며,
    상기 제1판별온도는 냉시동을 판별하기 위한 기준온도이며, 상기 제2타겟압력은 상기 제1타겟압력 보다 낮게 설정되는 터보차저용 오일공급장치의 제어방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 터보차저의 고부하 조건은 오일 온도가 제2판별온도 보다 크고, 터보차저의 RPM이 판별RPM 보다 큰 조건이고,
    상기 제2판별온도 및 상기 판별RPM은 고부하 조건인지를 판별하기 위한 기준온도 및 기준RPM인 터보차저용 오일공급장치의 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    엔진의 RPM이 "0"이 아닌 상태에서 오일 온도가 제2판별온도 이하이거나 터보차저의 RPM이 판별RPM 이하일 경우에는 오일의 공급압력을 제3타켓압력으로 낮추며,
    상기 제3타겟압력은 상기 제1타겟압력 보다 낮게 설정되는 터보차저용 오일공급장치의 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    오일 온도가 제2판별온도 보다 크고 엔진의 RPM이 "0"이 되면, 엔진의 정지 이후에 설정시간 동안 오일의 공급압력을 제3타겟압력으로 유지하는 터보차저용 오일공급장치의 제어방법.
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