KR100774349B1

KR100774349B1 - 유성치차를 이용한 가변속 압축 과급시스템

Info

Publication number: KR100774349B1
Application number: KR1020060124088A
Authority: KR
Inventors: 장진석
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2007-11-08

Abstract

본 발명에 개시된 유성치차를 이용한 가변속 압축 과급시스템은 터빈과 컴프레서의 회전속도를 인위적으로 조절하게 설치된 유성치차와; 엔진의 배기가스로부터 에너지를 공급받아 회전하게 설치된 터빈과; 상기 유성치차로부터 속도 및 토크를 부여받아 유입공기를 원하는 목표치로 과급시키는 컴프레서와; 요구 대비 과다한 배기가스의 일부를 엔진 하류로 배출시키는 웨이스트게이트와; 유성치차에 연결되어 터빈속도 및 엔진요구조건에 따라 컴프레서의 속도를 임의 가변조절하는 전기모터, 모터를 구동시키게 구동시키게 회로부 및 전자제어회로부로 이루어지는 제어부와; 터빈 휠 스피드 센서를 재는 홀센서로 구성된다.

이와 같은 유성치차를 이용한 가변속 압축 과급시스템은 내연기관에서 사용되는 과급기(TurboCharger)를 개량, 유성치차 및 전기모터를 이용하여 엔진의 부하 및 요구 과급량에 대해 연속적으로 컴프레서 회전속도를 조절하여 과급하게 되는 효과가 있다.

터빈, 컴프레서, 유성치차, 컴프레서, 웨이스트게이트, 전기모터

Description

유성치차를 이용한 가변속 압축 과급시스템{PLANETARY- GEARED TURBOCHARGER }

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유성치차를 이용한 가변속 압축 과급시스템을 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

2:가변속 압축 과급시스템

4:터빈

6:컴프레서

8:유성치차

10:웨이스트게이트

12:전기모터

14:전자제어장치

18:제어부

20:터빈 휠 스피드 센서

22:홀센서

본 발명은 유성치차를 이용한 가변속 압축 과급시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내연기관에서 사용되는 과급기(TurboCharger)를 개량, 유성치차 및 전기모터를 이용하여 엔진의 부하 및 요구 과급량에 대해 연속적으로 컴프레서 회전속도를 조절하여 과급하게 되는 유성치차를 이용한 가변속 압축 과급시스템에 관한 것이다.

일반적으로 알려진 과급시스템을 설명하면,

WGT (WasteGate Turbocharger):

고전적인 터보차저임. 컴프레서 및 터빈에 베인이 존재하지 않으므로 주어진 엔진조건에서 과급량을 임의조절할수 없음. 전부하시 효율 증대를 위해 터빈 입구압력이 기준치 이상 증대되면 웨이스트게이트(Wastegate) 밸브가 열려 배기가스의 일부를 바이패스시킴. 장점은 내구성이 좋고 가격이 저렴하다는 점이며, 단점은 베인이 고정되어있으므로 최대출력에 한계가 있으며 임의의 과급량 조절이 불가능함 문제점이 있었다.

VGT (Variable Geometry Turbocharger):

컴프레서 휠의 회전속도를 능동적으로 조절하여 원하는 과급량을 맞추기 위해 터빈의 베인(Vane)을 공압 또는 스텝모터에 의해 가변시킴. 원하는 과급량을 베인의 조절에 따라 맞출수 있다는 점이 장점임.

단점은 엔진최대출력을 맞추기 위해 용량이 커지므로 이에 따라 관성이 커지므로 저속에서의 낮은 유량(에너지)에서는 과급의 응답성이 낮고, 또한 저속의 로 우-엔드-토크(low-end torque)를 증대시키는데 있어 서징(surging) 때문에 한계가 있음. 또한 베인의 동작기작이 많은 원가를 차지하며, 기존 터보차저에 비해 내구성이 떨어지는 문제점이 있었다.

VGC (Variable Geometry Compressor):

VGT 대비 컴프레서에도 베인을 추가시킨 상태임. 컴프레서의 베인 역시 공압 또는 모터에 의해 가변시킬수 있음. 장점은 저속에서 베인을 충분히 가변시켜 닫음으로써 저속(저유량)에서도 가능한 최대의 과급이 가능하므로 높은 로우-엔드-토크를 얻고 서징을 최대한 피할 수 있다.

그러나 단점은 베인이 터빈, 컴프레서 양쪽에 모두 달리게 되므로 원가가 VGT 대비 더욱 높고, 내구성이 더 떨어지며, 자유도(베인)가 증가하므로 제어하기가 어려움. 컴프레서의 베인조절을 위해 기존 VGT 대비 더 큰 부피를 차지하는 문제점이 있었다.

2-Stage Turbocharger:

2개의 터보차저를 직렬로 연결한 상태로, 저속에서는 낮은 용량의 HP(High Pressure) 터보차저가 주로 사용되며, 고속에서는 큰 용량의 LP(Loww Pressure) 터보차저가 사용되어 과급을 담당함. HP 및 LP Stage 사이의 장점은 터빈, 컴프레서 모두 베인이 없으므로 내구성이 좋음. 또한 LP 및 HP Stage의 적절한 조합으로 높은 로우-엔드-토크 및 높은 최고출력을 동시에 실현할수 있으며, HP의 낮은 관성 때문에 저속에서의 응답성이 우수하다.

다만, 단점은 일단 부피가 기존 터보차저 대비 훨씬 크기 때문에 차량탑재시 레이아웃 설계에 난점으로 작용하고 배기가스 유로 설계가 매우 복잡하며, 최소 3개의 밸브가 필요하므로 제어하기가 힘들다는 문제점이 있었다.

상기한 바와 같이 이루어지는 종래기술의 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로 본 발명의 목적은 내연기관에서 사용되는 과급기(TurboCharger)를 개량, 유성치차 및 전기모터를 이용하여 엔진의 부하 및 요구 과급량에 대해 연속적으로 컴프레서 회전속도를 조절하여 과급하게 되는 유성치차를 이용한 가변속 압축 과급시스템를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

이와 같은 기술적 과제들을 달성하기 위하여,

터빈과 컴프레서의 회전속도를 인위적으로 조절하게 설치된 유성치차와;

엔진의 배기가스로부터 에너지를 공급받아 회전하게 설치된 터빈과;

상기 유성치차로부터 속도 및 토크를 부여받아 유입공기를 원하는 목표치로 과급시키는 컴프레서와;

요구 대비 과다한 배기가스의 일부를 엔진 하류로 배출시키는 웨이스트게이트와;

유성치차에 연결되어 터빈속도 및 엔진요구조건에 따라 컴프레서의 속도를 임의 가변조절하는 전기모터, 모터를 구동시키게 구동시키게 회로부 및 전자제어회로부로 이루어지는 제어부와; 터빈 휠 스피드 센서를 재는 홀센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 유성치차를 이용한 가변속 압축 과급시스템을 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유성치차를 이용한 가변속 압축 과급시스템을 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 유성치차를 이용한 가변속 압축 과급시스템(2)는 터빈(4)과 컴프레서(6)의 회전속도를 인위적으로 조절하게 설치된 유성치차(8)와; 엔진의 배기가스로부터 에너지를 공급받아 회전하게 설치된 터빈(4)과; 상기 유성치차(8)로부터 속도 및 토크를 부여받아 유입공기를 원하는 목표치로 과급시키는 컴프레서(6)와; 요구 대비 과다한 배기가스의 일부를 엔진 하류로 배출시키는 웨이스트게 이트(10)와; 유성치차(8)에 연결되어 터빈속도 및 엔진요구조건에 따라 컴프레서(6)의 속도를 임의 가변조절하는 전기모터(12), 모터(12)를 구동시키게 터보챠져조정장치(14)와 전자제어장치(16)로 이루어지는 제어부(18)와; 터빈 휠 스피드 센서(20)를 재는 홀센서(22)로 구성된다.

상기 유성치차는 컴프레셔축으로 연결되는 선기어(S)와, 상기 선기어(S)에 치합되고 터빈축에 연결 설치되는 캐리어(C)와, 상기 선기어(S)에 치합되고 모터(12)에 모터축(24)으로 연결 설치되는 링기어(R)로 구성된다.

외부에서 흡기시스템을 거쳐 유입된 신기(Fresh Air)는 대기압 수준의 압력이며, 컴프레서(6)의 회전에 의해 원하는 수준까지 과급(Pressurized)된다.

또한 엔진 내부의 연소실에서 배기매니폴드를 거쳐 배출된 고온-고압의 배기가스는 터빈(4)에 원하는 만큼의 토크 및 회전에너지를 야기시키고 저온-저압으로 떨어져서 배기관으로 배출된다.

또한, 지나치게 많은 양의 배기가스가 터빈(4)으로 들어가면 배압의 상승으로 효율이 저하되므로 엔진이 요구하는 과급상황에 따라 주로 고속영역에서 웨이스트게이트 밸브(10)가 열려 배기가스를 터빈(4)을 거치지 않고 배기관으로 바이패스시킨다.

기존 터보차저와 같이 윤활/냉각의 입력/출력이 존재하여 터보차저의 내부 윤활 및 냉각을 담당한다.

상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명의 작용을 설명하면, 기존의 터보차저시스템과 유사하나, 모터 및 유성치차가 도입된 부분이 본 고안의 핵심부분이다.

모터(12)의 축(24)은 유성치차(8)를 통하여 터빈(4) 및 컴프레서(6)의 축(26)과 연결되어 터빈(4)에서 발생된 운동에너지를 컴프레서축(26)에 전달한다.

이때 유성치차(8)의 기어비에 따른 속도비에 의해 모터(12)의 속도를 제어함으로써 현재 엔진상태에 따라 엔진이 요구하는 컴프레서(6) 회전속도를 생성한다.

터빈(4)휠의 회전속도는 터빈휠스피드센서(20)를 통한 실측되어 전자제어장치(16)로 들어간다. 모터의 속도제어는 터보챠져조정장치(14) (TurboCharger Control Unit) 회로로 명명된 모터제어회로가 담당하며 본 회로는 원하는 모터회전속도를 전자제어장치(16)와 통신하여 제어한다.

전자제어장치(16)는 현재 생성된 과급압 및 모터의 회전속도, 터빈휠의 회전속도, 엔진의 회전속도, 엔진분사연료량, 대기압, 공기량 등의 입력자료로부터 원하는 과급압과 이에 따른 컴프레서(6)의 요구속도를 검출하고, 이를 터보챠져조정장치(14)에 명령을 내리고 피드백(되먹임)을 받게 된다.

또한 ECU는 기존의 고안과 동등하게 엔진의 상태(속도 및 부하)에 따라 배기가스의 바이패스가 요구될때에는 웨이스트게이트(10)를 움직이는 공압밸브를 개변시켜 터빈(4)의 운동량을 제한하도록 한다.

모터, 터빈, 컴프레서가 맞물려있는 유성치차와 관련된 식은 다음과 같다.

: 모터의 회전속도

: 컴프레서의 회전속도

: 터빈의 회전속도

: 모터측 링기어의 기어치수

: 컴프레서측 선기어의 기어치수

웨이스트게이트가 적절히 제어된다고 가정하면, 주어진 엔진의 회전속도 및 부하량에 따라 터빈의회전속도

는 결정된다.

이때 엔진이 요구하는 과급량에 따라 컴프레서 회전속도

역시 결정되므로 위의 식을 이용하여 모터의 회전속도

를 결정지을 수 있다.

이에 결정된 모터 회전속도

에 맞도록 모터를 제어해주면 된다. 이는 곧, 주어진 터빈속도에 대해 모터의 속도를 알맞게 제어함으로 컴프레서의 속도를 원하는 대로 제어할수 있음을 의미한다.

터보차저(2-Stage Turbochager 및 Variable Geometry Compressor)의 단점을 극복하고 엔진의 상태 및 운전자의 요구에 따른 목표 과급량에 더 효율적으로 도달할수 있는 가변속 압축 과급시스템인 PGT(Planetary-Geared Turbocharger)를 실현할수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명은 최신의 터보차저(2-Stage Turbochager 및 Variable Geometry Compressor)의 단점을 극복하고 엔진의 상태 및 운전자의 요구에 따른 목표 과급량에 더 효율적으로 도달할수 있는 가변속 압축 과급시스템인 PGT(Planetary-Geared Turbocharger)를 실현할수 있는 효과가 있다.

종래의 WGT, VGC, VGT, 2-Stage 등 터보차저 시스템에서는 터빈과 컴프레서 휠이 직결되어 있어 양 휠간의 회전속도가 언제나 동등하므로 이에 따라 엔진상태에 따른 과급성능에 제한이 해소되는 효과가 있다.

엔진이 저속상태일때에는 터빈유량이 부족하므로 기존의 터보차저에서는 터빈회전속도에 한계가 있어 컴프레서 측에서 충분한 과급을 하는데 한계가 있으며(VGT, WGT) 이를 극복하기 위해 컴프레서에 베인을 장착하여 저속의 과급효율을 극대화하거나(VGC), 저속에서 주로 사용되는 저용량의 터보차저 병용(2-Stage)이 가능하게 되는 효과가 있다.

또, 본 발명의 터보차저는 터빈 유량이 적을때에도 모터의 속도를 제어함으로써 컴프레서의 회전속도를 충분히 올려줄수 있으므로 손쉽게 높은 로우-엔드-토크를 확보할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한 기존 VGT, VGC의 경우 기계적인 베인시스템이므로 급가속시 등 급격한 변화가 요구될 때보다 응답속도에 한계가 있으나 본 고안은 전기적인 모터의 속도제어를 이용하므로 2-Stage 터보차저처럼 커다란 부피를 사용하지 않더라도 빠른 응답속도를 확보할수 있게 되는 효과가 있다.

또한 저속영역에서 낮은 유량의 터빈 에너지만으로도 높은 속도의 컴프레서 속도 및 과급량을 구현가능하므로 여분의 배기가스 유량을 EGR 시스템으로 돌려 기존의 터보차저 대비 더 높은 EGR 양의 확보가 가능하므로 이는 배기가스 (NOx) 저감에 더욱 유리한 효과가 있다.

또한 상기의 장점을 유지한 상태에서 고속 영역에서도 컴프레서 회전속도를 한계치까지 원하는대로 사용할수 있으므로 부피가 적고 제어가 더 간단하다는 측면에서 2-Stage 터보차저보다 유리한 효과가 있다.

따라서 본 고안은 저속과급량 증대, 과도특성 우수, 고속 과급량 동등이상, 간결하고 비교적 적은 부피의 시스템, 배기가스 저감 잠재력 증대 등의 장점을 갖고 있으며 이에 따라 기존의 터보차저 시스템이 각각 갖고 있는 단점을 보완하게 되는 장점이 있다.

Claims

터빈과 컴프레서의 회전속도를 인위적으로 조절하게 설치된 유성치차와;

엔진의 배기가스로부터 에너지를 공급받아 회전하게 설치된 터빈과;

상기 유성치차로부터 속도 및 토크를 부여받아 유입공기를 원하는 목표치로 과급시키는 컴프레서와;

요구 대비 과다한 배기가스의 일부를 엔진 하류로 배출시키는 웨이스트게이트와;

유성치차에 연결되어 터빈속도 및 엔진요구조건에 따라 컴프레서의 속도를 임의 가변조절하는 전기모터, 모터를 구동시키게 제어하는 제어부;

터빈 휠 스피드 센서를 재는 홀센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 유성치차를 이용한 가변속 압축 과급시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 유성치차는 컴프레셔축으로 연결되는 선기어(S)와, 상기 선기어(S)에 치합되고 터빈축에 연결 설치되는 캐리어(C)와, 상기 선기어(S)에 치합되고 모터(12)에 모터축(24)으로 연결 설치되는 링기어(R)로 구성되는 것을 특징으로 하는 유성치차를 이용한 가변속 압축 과급시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 터빈 휠 스피드 센서는 터빈에 형성된 홀센서를 감지하여 전자제어장치에 신호를 전달되는 것을 특징으로 하는 유성치차를 이용한 가변속 압축 과급시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 웨이스트게이트 밸브는 엔진이 요구하는 과급상황에 따라 주로 고속영역에서 열려 배기가스를 터빈을 거치지 않고 배기관으로 바이패스시키게 되는 되는 것을 특징으로 하는 유성치차를 이용한 가변속 압축 과급시스템.