KR101601157B1 - 터보차저와 슈퍼차저를 갖는 엔진 시스템 - Google Patents

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남기훈
전종만
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 터보차저와 슈퍼차저를 갖는 엔진 시스템은, 외부공기를 흡입하는 제1흡기라인, 상기 제1흡기라인과 별도로 형성되어 외부공기를 흡입하는 제2흡기라인, 상기 제1흡기라인과 상기 제2흡기라인이 합류되고, 엔진의 흡기매니폴드와 연결되는 메인흡기라인, 상기 엔진의 배기매니폴드와 연결되고, 상기 엔진의 배기가스를 외부로 배출하는 배기라인, 상기 배기라인을 지나는 배기가스에 의해서 회전하는 터빈과 상기 터빈에 의해서 상기 제1흡기라인에 장착된 컴프레서를 회전시켜 흡기를 압축시켜 상기 메인흡기라인으로 전달하는 터보차저, 및 상기 제2흡기라인에 설치되어 운행조건에 따라서 선택적으로 작동되어 흡기를 압축하여 상기 메인흡기라인으로 전달하는 슈퍼차저를 포함할 수 있다.

Description

터보차저와 슈퍼차저를 갖는 엔진 시스템{ENGINE SYSTEM HAVING TURBO CHARGER AND SUPER CHARGER}
본 발명은 터보차저를 통해서 흡기의 부스트압을 형성하되, 슈퍼차저를 이용하여 부족한 부스트압을 보완하는 동시에, 배기라인에서 흡기라인으로 이지알가스를 안정적으로 공급함으로써 배기가스의 품질을 향상시키고 연료소모를 줄일 수 있는 터보차저와 슈퍼차저를 갖는 엔진 시스템에 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 터보차져(turbo charger)가 사용되고 있다.
이러한 터보 차저는 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 차저는 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 차저(super charger)를 채용한 2단 과급 시스템이 개시된 바 있다.
따라서, 상기와 같이 터보 차저와 슈퍼 차저를 복합적으로 구성한 2단 과급 시스템에서, 저압이지알(LP-EGR: low pressure exhaust gas recirculation) 시스템이 적용되는 경우에, 부스트압을 안정적으로 유지된다.
그런데, 터보차저와 슈퍼차저의 동시작동으로 흡기측 부스트압력이 상승하여, 배기가스가 충분하게 재순환되지 않을 수 있다.
본 발명의 목적은 터보차저와 슈퍼차저가 적용된 상태에서 저압 이지알가스를 흡기측으로 안정적으로 공급하고, 터보차저를 통해서 전체적으로 흡기를 압축하되, 슈퍼차저를 통해서 급가속이나 초기가속시에 터보랙을 줄일 수 있는 터보차저와 슈퍼차저를 갖는 엔진 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 터보차저와 슈퍼차저를 갖는 엔진 시스템은, 외부공기를 흡입하는 제1흡기라인, 상기 제1흡기라인과 별도로 형성되어 외부공기를 흡입하는 제2흡기라인, 상기 제1흡기라인과 상기 제2흡기라인이 합류되고, 엔진의 흡기매니폴드와 연결되는 메인흡기라인, 상기 엔진의 배기매니폴드와 연결되고, 상기 엔진의 배기가스를 외부로 배출하는 배기라인, 상기 배기라인을 지나는 배기가스에 의해서 회전하는 터빈과 상기 터빈에 의해서 상기 제1흡기라인에 장착된 컴프레서를 회전시켜 흡기를 압축시켜 상기 메인흡기라인으로 전달하는 터보차저, 및 상기 제2흡기라인에 설치되어 운행조건에 따라서 선택적으로 작동되어 흡기를 압축하여 상기 메인흡기라인으로 전달하는 슈퍼차저를 포함할 수 있다.
지나는 외기를 냉각시키도록 상기 메인흡기라인에 설치되는 인터쿨러, 상기 터보차저의 상기 터빈의 상류측에서 분기되어 상기 인터쿨러의 하류측으로 합류되어 배기가스를 재순환시키도록 배치되는 고압이지알라인, 상기 고압이지알라인에 설치되어 재순환 배기가스를 냉각시키는 고압이지알쿨러, 및 상기 고압이지알라인을 지나는 재순환 배기가스를 제어하는 고압이지알밸브를 포함할 수 있다.
상기 터보차저의 하류측에 설치되어 지나는 배기가스를 정화하는 촉매유닛,상기 촉매유닛의 하류측에서 분기되어, 상기 터보차저의 상기 컴프레서의 상류측 상기 제1흡기라인으로 합류되어 배기가스를 재순환시키도록 배치되는 저압이지알라인, 상기 저압이지알라인에서 설치되어 재순환 배기가스를 냉각시키는 저압이지알쿨러, 및 상기 저압이지알라인을 지나는 재순환 배기가스를 제어하는 저압이지알밸브를 포함할 수 있다.
상기 슈퍼차저는 상기 엔진의 크랭크샤프트의 회전력을 전달받고, 상기 슈퍼차저와 상기 크랭크샤프트 사이에는 회전력을 선택적으로 전달하는클러치가 구비될 수 있다.
상기 슈퍼차저는 모터에 의해서 선택적으로 동작될 수 있다.
운행조건에 따라서 상기 클러치 또는 상기 모터의 동작을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 운행조건에 따라서, 차량의 정속조건, 완가속조건, 및 급가속조건을 판단할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 정속조건에서, 상기 슈퍼차저를 오프시키고, 저압이지알라인을 통해서 배기가스가 재순환되도록 하는 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 완가속조건에서, 상기 슈퍼차저를 온시키고, 저압이지알라인을 통해서 배기가스가 재순환되도록 하는 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 급가속조건에서, 상기 슈퍼차저를 온시키고, 저압이지알라인을 통해서 배기가스가 재순환되지 안도록 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 메인흡기라인에서 상기 흡기매니폴드로 공급되는 흡기의 압력을 감지하고, 목표부스트압력이 만족되면, 상기 슈퍼차저는 오프시킬 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따라서, 터보차저와 슈퍼차저가 적용됨으로써, 부스트압이 낮을 경우에는 슈퍼차저가 작동되어 부스트압을 보완할 수 있다.
또한, 터보차저와 슈퍼차저가 모두 구비된 상태에서 저압 이지살가스를 흡기측으로 안정적으로 공급하여 전체적인 배기가스의 특성을 향상시키고, 연료소모를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터보차저와 슈퍼차저를 갖는 엔진 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터보차저와 슈퍼차저를 갖는 엔진 시스템의 제어방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 터보차저와 슈퍼차저를 갖는 엔진 시스템의 제어방법을 보여주는 플로우차트이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터보차저와 슈퍼차저를 갖는 엔진 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 엔진 시스템은, 제1흡기라인(115), 제2흡기라인(100), 메인흡기라인(130), 엔진(140), 배기라인(145), 고압이지알라인(175), 저압이지알라인(160), 슈퍼차저(105), 슈퍼차저클러치(109), 인터쿨러(110), 압력센서(132), 터보차저(120), 촉매유닛(150), 고압이지알밸브(185), 고압이지알쿨러(180), 저압이지알밸브(155), 이머전시필터(165), 저압이지알쿨러(170), 및 제어부(190)를 포함한다.
상기 제1흡기라인(115)과 상기 제2흡기라인(100)이 서로 간격을 두고 형성되고, 이들이 합류되어 상기 메인흡기라인(130)으로 연결되고, 상기 제1흡기라인(115)과 상기 제2흡기라인(100)은 각각 외기를 흡입하고, 상기 메인흡기라인(130)으로 전달한다.
상기 메인흡기라인(130)에서 상기 엔진(140)으로 공급된 흡기와 연료가 연소되고, 연소된 배기가스는 상기 배기라인(145)을 통해서 배출된다.
상기 터보차저(120)의 터빈은 상기 배기라인(145)의 일측에 배치되고, 상기 터보차저(120)의 컴프레서는 상기 제1흡기라인(115)에 배치되며, 상기 터보차저(120)는 상기 배기라인(145)을 흐르는 배기가스에 의해서 작동되어 상기 제1흡기라인을 흐르는 흡기를 압축한다.
상기 제2흡기라인(100)에는 상기 슈퍼차저(105)가 배치되고, 상기 슈퍼차저(105)는 엔진(140)의 크랭크샤프트로부터 회전력을 전달받아서 작동되고, 상기 클러치(109)는 상기 슈퍼차저(105)로 전달되는 회전력을 선택적으로 차단할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 슈퍼차저(105)는 별도의 모터(미도시)에 의해서 선택적으로 작동될 수 있다.
상기 메인흡기라인(130)에는 상기 터보차저(120) 또는 상기 슈퍼차저(105)에 의해서 압축된 압축공기를 냉각시키도록 인터쿨러(110)가 배치되고, 상기 엔진(140)의 흡기매니폴드에는 흡기의 압력을 감지하는 압력센서(132)가 배치된다.
상기 고압이지알라인(175)은 상기 터보차저(120)의 터빈과 엔진(140) 사이의 상기 배기라인(145)에서 분기되어, 상기 메인흡기라인(130)으로 합류되고, 상기 고압이지알라인(175)에는 상기 고압이지알밸브(185)와 상기 고압이지알쿨러(180)가 배치된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 고압이지알라인(175)은 상기 엔진의 배기매니폴드에서 분기될 수 있다.
상기 촉매유닛(150)은 상기 배기라인(145)에서 상기 터보차저(120)의 터빈의 하류측에 배치되고, 상기 저압이지알라인(160)은 상기 촉매유닛(150)의 하류측 상기 배기라인(145)에서 분기되어 상기 제1흡기라인(115)의 상기 터보차저(120)의 상기 컴프레서의 상류측으로 합류된다.
상기 저압이지알라인(160)에는 상기 저압이지알밸브(155), 상기 이머젼시필터(165), 및 상기 저압이지알쿨러(170)가 배치된다.
상기 고압이지알쿨러(180)와 상기 저압이지알쿨러(170)는 재순환되는 배기가스를 냉각하여 상기 엔진(140)의 흡기측으로 재순환시키고, 상기 고압이지알밸브(185)와 상기 저압이지알밸브(155)는 상기 제어부(190)에 의해서 그 개도량이 조절된다.
상기 제어부(190)는 차량의 운행조건에 따라서 상기 슈퍼차저(105)의 상기 클러치(109), 상기 저압이지알밸브(155), 및 상기 고압이지알밸브(185)를 제어하고, 상기 압력센서(132)로부터 부스트압력을 감지하여, 상기 슈퍼차저(105)의 동작을 온/오프로 제어한다.
아울러, 상기 제어부(190)는 가속페달(미도시)의 작동량과 변환율을 감지하여, 정속조건, 완속조건, 및 급가속조건을 판단하여, 각 구성요소를 제어할 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예에서, 상기 제어부(190)는 상기 슈퍼차저(105)의 동작을 제어하기 위해서 상기 클러치(109)를 온 또는 오프시키는데, 상기 클러치(109)가 온되면 상기 엔진(140)의 회전력은 상기 슈퍼차저(105)로 공급되지 않고, 상기 클러치(109)가 오프되면 상기 엔진(140)의 회전력이 상기 슈퍼차저(105)로 공급될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서, 상기 클러치(109) 대신에 상기 슈퍼차저(105)를 동작시키는 모터(미도시)가 배치되고, 상기 제어부(190)는 상기 모터()의 동작을 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 저압이지알라인(160)은 상기 촉매유닛(150)의 하류측에서 상기 터보차저(120)의 컴프레서의 상류측으로 공급되기 때문에 배기가스를 충분하게 재순환 시킬 수 있다.
또한, 급가속과 같이 부스트압이 부족할 경우에, 상기 슈퍼차저(105)를 통해서 부스트압을 상승시킴으로써 출력과 응답성을 향상시킬 수 있다.
상기 제어부(190)는 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 마이크로 프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 후술하는 본 발명의 실시예에 따른 방법을 수행하기 위한 일련의 명령을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터보차저와 슈퍼차저를 갖는 엔진 시스템의 제어방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 2를 참조하면, S200에서 제어가 시작되고, S210에서 차량의 운행조건이 감지된다. 상기 운행조건은 차속, 엔진 회전속도, 연료분사량, 부하, 가속페달 작동량, 및 가속페달 작동 변화율을 포함할 수 있다.
S220에서 운행조건을 기초로, 차량의 주행상태를 결정한다. 상기 차량의 주행 상태는 정속, 완가속, 및 급가속을 포함할 수 있다.
따라서, S230에서 주행조건이 정속조건으로 설정되면, S240을 수행하고, S232에서 주행조건이 완가속으로 설정되면, S242가 수행되고, S234에서 주행조건이 급가속으로 판단되면, S244가 수행된다.
S240에서, 상기 제어부(190)는 상기 터보차저(120)를 동작시키고, 상기 슈퍼차저(105)를 오프시키고, 상기 저압이지알밸브(155)를 개방하여 배기가스를 재순환시킨다.
상기 제어부(190)가 상기 터보차저(120)를 동작시키는 방법에 대해서는 공지기술을 참조하며, 상기 터보차저(120)는 상기 배기라인(145)을 흐르는 배기가스에 의해서 동작되므로, 배기가스의 흐름양에 따라서 상기 터보차저(120)는 동작될 수 있으며, 웨이스트게이트나 바이패스밸브를 닫아서 배기가스가 상기 터보차저(120)를 지나도록 제어할 수 있다.
S242에서, 상기 제어부(190)는 상기 터보차저(120)를 동작시키고, 상기 슈퍼차저(105)를 온시키고, 상기 저압이지알밸브(155)를 개방하여 배기가스를 재순환시킨다.
S244에서, 상기 제어부(190)는 상기 터보차저(120)를 동작시키고, 상기 슈퍼차저(105)를 온시키고, 상기 저압이지알밸브(155)를 폐쇄하여 배기가스를 재순환시키지 않는다.
다음, S250에서 상기 흡기매니폴드에 부착된 상기 압력센서(132)를 통해서 부스트압력이 만족되는지 판단된다. 부스트 압력이 만족되지 않으면, S210을 다시 수행하고, 부스트 압력이 만족되면, S260에서 상기 슈퍼차저(105)를 오프시킨다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 터보차저와 슈퍼차저를 갖는 엔진 시스템의 제어방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 3을 참조하면, S300에서 제어가 시작되고, S310에서 차량의 운행조건이 감지된다. 상기 운행조건은 차속, 엔진 회전속도, 연료분사량, 부하, 가속페달 작동량, 및 가속페달 작동 변화율을 포함할 수 있다.
S320에서 운행조건을 기초로, 차량의 주행상태를 결정한다. 상기 차량의 주행 상태는 완가속, 및 급가속을 포함할 수 있다.
따라서, S330에서 주행조건이 완가속으로 설정되면, S340가 수행되고, S332에서 주행조건이 급가속으로 설정되면, S342가 수행된다.
S340에서, 상기 제어부(190)는 상기 터보차저(120)를 동작시키고, 상기 슈퍼차저(105)를 온시키고, 상기 저압이지알밸브(155)를 개방하여 배기가스를 재순환시킨다.
S342에서, 상기 제어부(190)는 상기 터보차저(120)를 동작시키고, 상기 슈퍼차저(105)를 온시키고, 상기 저압이지알밸브(155)를 폐쇄하여 배기가스를 재순환시키지 않는다.
다음, S350에서 상기 흡기매니폴드에 부착된 상기 압력센서(132)를 통해서 부스트압력이 만족되는지 판단된다. 부스트 압력이 만족되지 않으면, S310을 다시 수행하고, 부스트 압력이 만족되면, S360에서 상기 슈퍼차저(105)를 오프시킨다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 제2흡기라인 105: 슈퍼차저
109: 슈퍼차저클러치 110: 인터쿨러
115: 제1흡기라인 120: 터보차저
130: 메인흡기라인 132: 압력센서
140: 엔진 145: 배기라인
150: 촉매유닛 155: 저압이지알밸브
160: 저압이지알라인 165: 이머전시필터
170: 저압이지알쿨러 175: 고압이지알라인
180: 고압이지알쿨러 185: 고압이지알밸브
190: 제어부

Claims (11)

  1. 외부공기를 흡입하는 제1흡기라인;
    상기 제1흡기라인과 별도로 형성되어 외부공기를 흡입하는 제2흡기라인;
    상기 제1흡기라인과 상기 제2흡기라인이 합류되고, 엔진의 흡기매니폴드와 연결되는 메인흡기라인;
    상기 엔진의 배기매니폴드와 연결되고, 상기 엔진의 배기가스를 외부로 배출하는 배기라인;
    상기 배기라인을 지나는 배기가스에 의해서 회전하는 터빈과 상기 터빈에 의해서 상기 제1흡기라인에 장착된 컴프레서를 회전시켜 흡기를 압축시켜 상기 메인흡기라인으로 전달하는 터보차저;
    상기 제2흡기라인에 설치되어 운행조건에 따라서 선택적으로 작동되어 흡기를 압축하여 상기 메인흡기라인으로 전달하도록 모터에 의해서 선택적으로 동작되는 슈퍼차저; 및
    운행조건에 따라서 차량의 정속조건, 완가속조건, 및 급가속조건을 판단하고, 상기 모터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 정속조건에서, 상기 슈퍼차저를 오프시키고, 저압이지알라인을 통해서 배기가스가 재순환되도록 하는 제어하고, 상기 완가속조건에서, 상기 슈퍼차저를 온시키고, 저압이지알라인을 통해서 배기가스가 재순환되도록 하는 제어하고, 상기 급가속조건에서, 상기 슈퍼차저를 온시키고, 저압이지알라인을 통해서 배기가스가 재순환되지 않도록 제어하며, 상기 메인흡기라인에서 상기 흡기매니폴드로 공급되는 흡기의 압력을 감지하고, 목표부스트압력이 만족되면, 상기 슈퍼차저를 오프시키는 것을 특징으로 하는 터보차저와 슈퍼차저를 갖는 엔진 시스템.
  2. 제1항에서,
    지나는 외기를 냉각시키도록 상기 메인흡기라인에 설치되는 인터쿨러;
    상기 터보차저의 상기 터빈의 상류측에서 분기되어 상기 인터쿨러의 하류측으로 합류되어 배기가스를 재순환시키도록 배치되는 고압이지알라인;
    상기 고압이지알라인에 설치되어 재순환 배기가스를 냉각시키는 고압이지알쿨러; 및
    상기 고압이지알라인을 지나는 재순환 배기가스를 제어하는 고압이지알밸브;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저와 슈퍼차저를 갖는 엔진 시스템.
  3. 제1항에서,
    상기 터보차저의 하류측에 설치되어 지나는 배기가스를 정화하는 촉매유닛;
    상기 촉매유닛의 하류측에서 분기되어, 상기 터보차저의 상기 컴프레서의 상류측 상기 제1흡기라인으로 합류되어 배기가스를 재순환시키도록 배치되는 저압이지알라인;
    상기 저압이지알라인에서 설치되어 재순환 배기가스를 냉각시키는 저압이지알쿨러; 및
    상기 저압이지알라인을 지나는 재순환 배기가스를 제어하는 저압이지알밸브;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저와 슈퍼차저를 갖는 엔진 시스템.
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