KR20070049801A - Variable geometry turbocharger control device of used piezo electric ceramic - Google Patents

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KR20070049801A KR1020050106974A KR20050106974A KR20070049801A KR 20070049801 A KR20070049801 A KR 20070049801A KR 1020050106974 A KR1020050106974 A KR 1020050106974A KR 20050106974 A KR20050106974 A KR 20050106974A KR 20070049801 A KR20070049801 A KR 20070049801A
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Abstract

본 발명은 가변형 터보차져(VGT; Variable Geometry Turbocharger)에 관한 것으로, 가변형상 터보차져에서 터빈 입구의 베인(vane)을 압전효과에 의해 굴곡변위를 가지는 압전 세라믹 방식의 베인으로 대체하여, 압전 세라믹 베인이 닫히고 열릴 때 엔진의 배기가스가 터빈 입구로 유입되는 유동과 베인 입구로 유입되는 유동의 각도를 최초 터빈 설계시의 최적 각도로 항상 일정하게 유지시켜 터빈이 항상 설계점에서 작동할 수 있도록 하는 압전 세라믹을 이용한 가변형상 터보차져 제어장치를 제공한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a variable geometry turbocharger (VGT), wherein a vane of a turbine inlet is replaced with a piezoelectric ceramic vane having a bending displacement by a piezoelectric effect in a variable turbocharger. Piezoelectric, which ensures that the angle of flow of engine exhaust into the turbine inlet and flow into the vane inlet is always constant at the optimum angle in the initial turbine design when the engine is closed and opened to ensure that the turbine is always operating at the design point. Provided is a variable shape turbocharger control apparatus using ceramics.

압전세라믹, 베인, 터보차져 Piezoceramic, Vane, Turbocharger

Description

압전세라믹을 이용한 가변형상 터보차쳐 제어장치{Variable Geometry Turbocharger Control Device of used Piezo Electric Ceramic}Variable Geometry Turbocharger Control Device of used Piezo Electric Ceramic}

도 1은 종래 터보차져의 구조도.1 is a structural diagram of a conventional turbocharger.

도 2의 a,b는 종래 베인의 구조도.2, a and b is a structural diagram of a conventional vane.

도 3은 종래 베인 구동장치의 구성도.3 is a configuration diagram of a conventional vane driving device.

도 4a는 종래 베인의 닫힘상태도.Figure 4a is a closed state of the conventional vane.

도 4b는 종래 베인의 열림 상태도.Figure 4b is an open state of the conventional vane.

도 5는 종래 베인의 작동 원리도.5 is a working principle of the conventional vane.

도 6은 본 발명의 일실시예로 압전 세라믹을 이용한 가변형상 터보차져 제어장치의 전체적인 구성도.6 is an overall configuration diagram of a variable shape turbocharger control apparatus using piezoelectric ceramics as an embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 일실시예로 압전세라믹으로 구성되는 베인의 굴곡변위가 발생된 상태를 보인 개략적인 도면.Figure 7 is a schematic diagram showing a state in which the bending displacement of the vane is composed of a piezoelectric ceramic in one embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 일실시예로 압전세라믹으로 이루어진 베인의 닫힘상태도.Figure 8 is a closed state of the vane made of a piezoelectric ceramic in one embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 일실시예로 압전세라믹으로 이루어진 베인의 열림 상태도.Figure 9 is an open state diagram of the vane made of a piezoelectric ceramic in one embodiment of the present invention.

도 10은 바이몰프형 압전세라믹에 대한 구조 및 작동원리도.10 is a structure and principle of operation of the bimorph piezoceramic.

도 11은 전압이 가해지지 않은 상태의 압전세라믹 원리도.11 is a piezoceramic principle diagram in a state where no voltage is applied.

도 12는 전압이 가해진 상태의 압전세라믹 원리도.12 is a piezoceramic principle diagram in a state where a voltage is applied.

도 13은 압전세라믹의 인가전압에 따른 정적 변위 시험 결과 그래프.13 is a graph of static displacement test results according to an applied voltage of a piezoelectric ceramic.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

1 ; 컴프레서 2 ; 터빈One ; Compressor 2; turbine

13; 베인 20; 전원공급부13; Vane 20; Power supply

30; 전자제어유닛30; Electronic control unit

본 발명은 가변형 터보차져(VGT; Variable Geometry Turbocharger)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가변형상 터보차져에서 터빈 입구의 베인(vane)을 압전효과에 의해 굴곡변위를 가지는 압전 세라믹 방식의 베인으로 대체하여, 압전 세라믹 베인이 닫히고 열릴 때 엔진의 배기가스가 터빈 입구로 유입되는 유동과 베인 입구로 유입되는 유동의 각도를 최초 터빈 설계시의 최적 각도로 항상 일정하게 유지시켜 터빈이 항상 설계점에서 작동할 수 있도록 하는 압전 세라믹을 이용한 가변형상 터보차져 제어장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a variable geometry turbocharger (VGT), and more particularly, to replace a vane of a turbine inlet with a piezoelectric ceramic vane having a bending displacement by a piezoelectric effect in a variable turbocharger. When the piezoelectric ceramic vanes are closed and opened, the angle of flow of engine exhaust into the turbine inlet and flow into the vane inlet is always kept constant at the optimum angle in the initial turbine design so that the turbine can always operate at the design point. The present invention relates to a variable shape turbocharger control apparatus using piezoelectric ceramics.

주지된 바와같이, 디젤차량의 엔진에 사용되는 가변형상 터보차져는 엔진의 운전상태에 따라 전자제어장치의 제어에 의해서 과급되는 공기량을 조절하는 것으 로, 도 1에서와 같이 컴프레서(1)와 터빈(2)으로 구성되고, 터빈 하우징과 로터 사이에 도 2와 같은 베인(3)을 설치하도록 하였다.As is well known, the variable shape turbocharger used in the engine of a diesel vehicle adjusts the amount of air charged by the control of the electronic controller according to the operating state of the engine, and the compressor 1 and the turbine as shown in FIG. It consists of (2), and the vane 3 like FIG. 2 is provided between a turbine housing and a rotor.

즉, 고속 고부하에서는 도 3에서와 같이 액추에이터(4)의 구동에 따른 메인아암(5)의 위치제어가 이루어지면서 롤러(6)와 핀노즐(7)이 결합된 베인(3)을 열어 터빈(2) 입구의 면적을 크게 하고, 저속 저부하시에는 베인(3)을 닫아 터빈 입구의 면적을 작게 하여 배기 에너지의 효율을 극대화하여 배기량의 증가가 없이도 흡입 공기량을 증대시켜 보다 높은 출력을 얻을 수 있도록 하는 한편, 동일한 부하에서 더 많은 공기량을 흡입시킬 수 있어 공기부족에 의한 불완전 연소의 발생을 억제시킴으로써 배기(emission)를 감소할 수 있도록 한 것이다.That is, at high speed and high load, as shown in FIG. 3, the vane 3 in which the roller 6 and the pin nozzle 7 are coupled is opened while the position control of the main arm 5 is performed according to the driving of the actuator 4. 2) Increasing the inlet area and closing the vane (3) at low speed and low load to make the turbine inlet area smaller, maximizing the efficiency of exhaust energy, and increasing the intake air volume without increasing the exhaust volume to obtain higher output. On the other hand, it is possible to reduce the emission by suppressing the generation of incomplete combustion due to the lack of air by being able to suck more air volume at the same load.

또한 엔진 출력의 향상으로 여유 출력이 증대되고 이로인해 동일한 부하 조건에서 여유 출력만큼 상대적으로 좋은 연비를 얻을 수 있게 되는 것이다.In addition, the increase in the engine power increases the marginal power, which allows the fuel economy to be as good as the marginal power under the same load conditions.

이때, 종래의 가변형상 터보차져는 도 4의 a,b에서와 같이 엔진의 배기가스가 터빈의 입구로 유입되는 유동(x의 화살표방향)에 대하여 베인(3)의 가운데에 위치한 회전식 지지점(p)을 기준으로 베인(3)의 움직임에 따라 입구 면적이 조절되어 과급압력을 변화시키지만, 도 4a에서 베인(3)이 완전 닫힐 경우에는 베인(3)의 입구로 유입되는 유동(y의 화살표방향)에 대하여 최초 터빈 설계시에 최적의 각도를 유지하게 된다.In this case, the conventional variable turbocharger has a rotary support point p positioned in the center of the vane 3 with respect to a flow (in the direction of the arrow of x) in which the exhaust gas of the engine flows into the inlet of the turbine as shown in FIGS. The inlet area is adjusted according to the movement of the vane 3 to change the supercharging pressure, but when the vane 3 is completely closed in FIG. 4A, the flow flowing into the inlet of the vane 3 (the arrow direction of y) The optimum angle is maintained during initial turbine design.

그러나, 종래의 가변형상 터보차져는 도 4b 및 도 5에서와 같이 베인(3)이 열릴때에는 엔진의 배기가스가 터빈의 입구로 유입되는 유동(x)과 베인(3)의 입구 로 유입되는 유동(y)의 각도 차이가 커짐에 따라 베인(3)의 입구로 유입되는 유동(y)이 베인(3)과 큰 각도를 이루면서 베인(3)을 따라 원활하게 흐르지 못해 터빈이 탈설계점에서 작동하고, 이는 곧 터빈의 심각한 효율저하를 초래할 수 밖에 없었다.However, in the conventional variable turbocharger, as shown in FIGS. 4B and 5, when the vane 3 is opened, the flow of the exhaust gas of the engine into the inlet of the turbine and the inlet of the vane 3 are introduced. As the angle difference of (y) increases, the flow (y) flowing into the inlet of the vane (3) does not flow smoothly along the vane (3) at a large angle with the vane (3), so the turbine operates at the off-design point. This inevitably resulted in a serious decrease in the efficiency of the turbine.

또한, 종래에는 가변형상 터보차쳐에 있어 베인(3)의 위치제어방식이 도 3에서와 같이 액추에이터(4), 메인아암(5), 롤러(6), 핀노즐(7) 등의 여러가지 부품으로 구성된 회전 구동체로서 베인(3)의 가운데에 위치한 도 4의 회전식 지지점(p)을 기준으로 베인(3)을 움직이는 방식인 바, 그 작동구조가 복잡하고, 오랜시간 사용함에 따라 베인(3)과 액추에이터(4)의 연결부 등에 마모 및 파손이 발생하여 정확한 베인(3)의 위치 제어가 불가능하게 되고, 이는 곧 엔진의 성능 저하 및 배기 과다와 같은 문제점을 초래할 수 밖에 없었다.In addition, conventionally, the position control method of the vane 3 in the variable-shaped turbocharger is composed of various components such as the actuator 4, the main arm 5, the roller 6, the pin nozzle 7, and the like. The rotating drive body is a method of moving the vanes 3 with respect to the rotary support point p of FIG. 4 located in the center of the vanes 3, the operation structure of which is complicated, and the vanes 3 with prolonged use. Abrasion and breakage occur in the connection part of the actuator 4 and the like, so that accurate position control of the vane 3 is impossible, which inevitably leads to problems such as deterioration of engine performance and excessive exhaustion.

또한, 종래에는 베인(3)의 위치 제어에 있어 액추에이터(4)에 진공압력을 가하거나 제거하여 회전 구동체를 작동시키면서 베인(3)의 가운데에 위치하는 회전식 지지점(p)을 기준으로 베인(3)을 움직이게 하는 작동 구조인 바, 차량의 가속이나 감속시에 베인(3)의 위치제어에 대한 반응속도가 느리고, 타임 딜레이(time delay)가 발생하면서 서지성 소음이나 터보랙과 같은 문제점을 초래하였다.In addition, in the conventional control of the position of the vane 3, the vane (based on the rotary support point p located in the center of the vane 3 while operating the rotary drive body by applying or removing the vacuum pressure to the actuator 4) 3) It is an operating structure that moves the bar. When the vehicle accelerates or decelerates, the response speed to the position control of the vane 3 is slow, and a time delay is generated, which causes problems such as surge noise and turbo rack. Caused.

또한, 터빈(2)의 입구로 유입되는 엔진의 배기가스는 그 온도가 높으므로, 항상 높은 열에 의한 베인(3)의 변형 가능성이 존재하게 되는데, 종래에는 이러한 점을 감안하여 높은 온도에서도 잘 견딜 수 있도록 단가가 높은 특수한 재질의 소 재를 사용해야 하는 단점이 있다.In addition, since the exhaust gas of the engine flowing into the inlet of the turbine 2 has a high temperature, there is always a possibility of deformation of the vane 3 due to high heat, and in view of this point, it is conventionally well tolerated even at a high temperature. The disadvantage is that special materials with high unit cost must be used.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 가변형상 터보차져의 베인을 압전효과에 의해 굴곡변위를 가지는 압전 세라믹으로 구성하여, 압전 세라믹 베인이 닫히고 열릴 때 엔진의 배기가스가 터빈 입구로 유입되는 유동과 베인 입구로 유입되는 유동의 각도를 최초 터빈 설계시의 최적 각도로 항상 일정하게 유지시켜 터빈이 항상 설계점에서 작동할 수 있도록 하는 압전 세라믹을 이용한 가변형상 터보차져 제어장치를 제공하려는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, by configuring the vane of the variable-shaped turbocharger of the piezoelectric ceramic having a bending displacement by the piezoelectric effect, the exhaust of the engine when the piezoelectric ceramic vane is closed and opened Variable turbochargers using piezoelectric ceramics that ensure that the angle of the gas entering the turbine inlet and the vane inlet is always constant at the optimum angle for the initial turbine design, allowing the turbine to always operate at the design point. The purpose is to provide a control device.

또한, 본 발명은 베인의 구동을 전자적으로 제어하여, 종래 기계식에 의해 발생되는 베인의 정확한 위치 제어 오류는 물론, 엔진의 성능 저하 및 배기 과다와 같은 문제를 개선하고, 아울러 차량의 가속이나 감속시 베인의 위치제어에 대한 반응속도가 신속하게 이루어지도록 하면서 타임 딜레이에 의한 서지성 소음이나 터보랙과 같은 문제를 방지할 수 있도록 하려는데 또 다른 목적이 있다.In addition, the present invention electronically controls the operation of the vanes, to improve the problem of accurate positioning control of the vanes caused by conventional mechanical, as well as problems such as engine performance degradation and excessive exhaust, and at the time of acceleration or deceleration of the vehicle It is another object of the present invention to prevent a problem such as a turbo rack or a surge noise caused by a time delay while making the vane's response speed to the position control quick.

이하, 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 6은 본 발명의 일실시예로 압전 세라믹을 이용한 가변형상 터보차져 제어장치의 전체적인 구성도이고, 도 7은 본 발명의 일실시예로 압전세라믹으로 구성되 는 베인의 굴곡변위가 발생된 상태를 보인 개략적인 도면이며, 도 8은 본 발명의 일실시예로 압전세라믹으로 이루어진 베인의 닫힘상태도이고, 도 9는 본 발명의 일실시예로 압전세라믹으로 이루어진 베인의 열림 상태도 이다.6 is an overall configuration diagram of a variable shape turbocharger control apparatus using piezoelectric ceramics as an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a state in which a bending displacement of a vane composed of piezoelectric ceramics is generated as an embodiment of the present invention. 8 is a closed state diagram of a vane made of a piezoelectric ceramic in one embodiment of the present invention, Figure 9 is an open state diagram of the vane made of a piezoelectric ceramic in one embodiment of the present invention.

도 6 내지 도 9에 도시된 바와같이, 컴프레서(1)와 터빈(2)으로 구성되고, 터빈 하우징과 로터 사이에 베인(13)을 설치한 가변형상의 터보차져에 있어서,As shown in Figs. 6 to 9, in a variable turbocharger composed of a compressor 1 and a turbine 2, and having vanes 13 disposed between the turbine housing and the rotor,

상기 베인(13)은 압전효과에 의해 굴곡변위를 가지는 압전 세라믹으로 구성하고,The vane 13 is composed of a piezoelectric ceramic having a bending displacement by the piezoelectric effect,

상기 압전 세라믹으로 이루어진 베인(13)이 굴곡변위를 일으켜 열림상태로 변화되도록 전압을 공급하는 전원공급부(20) 및,A power supply unit 20 for supplying a voltage such that the vanes 13 made of the piezoelectric ceramics change in an open state by causing a bending displacement;

상기 전원공급부(20)의 전압 공급을 제어하는 전자제어유닛(30)을 포함하여 구성함을 특징으로 한다.Characterized in that it comprises an electronic control unit 30 for controlling the voltage supply of the power supply unit 20.

다른 일면에 따라, 상기 전자제어유닛(30)에는 엔진의 작동영역인 엔진의 회전수(RPM)와 부하(Torque)에 따라 베인(13)이 조금 열리거나 닫히는 제어가 이루어지도록 베인(13)으로 인가되는 전원공급부(20)의 전압 크기를 조절하는 제어프로그램이 탑재 구성됨을 특징으로 한다.According to another aspect, the electronic control unit 30 to the vane 13 so that the vane 13 is slightly opened or closed according to the engine speed (RPM) and the load (Torque) of the engine. It is characterized in that the control program for adjusting the magnitude of the voltage applied to the power supply unit 20 is mounted.

또 다른 일면에 따라, 상기 압전세라믹으로 이루어진 베인(13)의 시작부분인 고정식 지지점(p1)을 각각 전선으로 연결한 후 이를 하나의 전선으로 전원공급부(20)에 배선하도록 구성함을 특징으로 한다.According to yet another aspect, characterized in that configured to connect the fixed support point (p1), which is the beginning of the vane 13 made of the piezoelectric ceramics with wires, and then wire them to the power supply unit 20 with one wire. .

이와같이 구성된 본 발명의 일실시예에 대한 작용을 첨부된 도 6 내지 도 9 를 참조하여 설명하면 다음과 같다.Referring to Figures 6 to 9 attached to the operation of an embodiment of the present invention configured as described above are as follows.

먼저, 압전세라믹에 대하여 살펴보면, 상기 압전세라믹은 기계적 에너지를 전기적 에너지로 혹은 전기적 에너지를 기계적 에너지로 바꿔주는 이른바 압전 효과(Piezoelectric Effect)를 가지고 있기 때문에 응용성이 뛰어나 소형, 경량, 고밀도화에 필수적인 기능성 재료로 사용되고 있다.First of all, the piezoceramic has a so-called piezoelectric effect that converts mechanical energy into electrical energy or mechanical energy into mechanical energy. It is used as a material.

따라서 본 발명은 전압을 가하면 수축과 팽창이 일어나는 압전 세라믹의 단순 진동을 선형으로 바꾸는 독창적인 구조를 적용한 것이다.Therefore, the present invention applies a unique structure that linearly changes the simple vibration of the piezoelectric ceramic, which contracts and expands when a voltage is applied.

이때, 상기 압전 세라믹의 종류는 압전 세라믹의 구조에 따라 적층형 압전 세라믹과 바이몰프형 압전 세라믹으로 구별되는데, 상기 적층형 압전 세라믹은 적은 작용 변위를 갖고 큰 힘을 얻을 수 있으며, 또한 인가 전압과 변위의 관계가 일직선적인 상관관계를 가진다.In this case, the piezoelectric ceramics are classified into multilayer piezoelectric ceramics and bimorph piezoelectric ceramics according to the structure of the piezoelectric ceramics. The multilayer piezoelectric ceramics can have a large force with a small working displacement, and also have an applied voltage and displacement Relationships have a straight line correlation.

상기 바이몰프형 압전 세라믹은 압전 세라믹의 전계 인가 방향과 직각 방향의 신축을 이용하여 이 압전 세라믹을 두 장 접합한 구조 즉, 금속 탄성판을 중심전극으로 압전 세라믹의 얇은 판을 양쪽 면에 접합시켜 이룬 구조로 되어 있으며, 두 장의 압전 세라믹이 전압에 의해 한 면은 늘어나게 하고 다른 한 면은 수축하게 하여 인가 전압에 대하여 도 10에서와 같이 굴곡 변위를 일으키게 된다.The bimorph piezoelectric ceramic has a structure in which two piezoelectric ceramics are bonded by stretching in a direction perpendicular to the electric field application direction of the piezoelectric ceramic, that is, a thin plate of piezoelectric ceramic is bonded to both sides using a metal elastic plate as a center electrode. In this structure, the two piezoelectric ceramics cause one side to be stretched by the voltage and the other side to be contracted to cause the bending displacement as shown in FIG. 10 with respect to the applied voltage.

여기서 압전 세라믹의 양과 인가 전압의 크기에 따라 압전 세라믹의 형상과 굴곡 변위의 크기가 결정된다.Here, the shape of the piezoelectric ceramic and the magnitude of the bending displacement are determined according to the amount of the piezoelectric ceramic and the magnitude of the applied voltage.

이를 보다 구체적으로 살펴보면, 전압이 가해지지 않은 상태에서는 도 11에 서와 같이 압전 세라믹이 아무 변화 없이 원래의 형상을 유지한다.In more detail, when the voltage is not applied, the piezoelectric ceramic maintains its original shape without any change as shown in FIG. 11.

반면, 도 12에서와 같이 전압이 가해진 상태에서는 압전 세라믹의 압전 효과에 의해서 서로 반대의 특성을 가진 두 장의 압전 세라믹 중에 한 면은 늘어나게 되고 다른 한 면은 수축하게 되어 한쪽 방향으로 휘는 굴곡 변위를 일으키게 된다.On the other hand, in the state where voltage is applied as shown in FIG. 12, one side of two piezoelectric ceramics having opposite characteristics due to the piezoelectric effect of the piezoelectric ceramic is stretched and the other side contracts to cause bending displacement in one direction. do.

여기서 압전 세라믹이 한쪽 방향으로 휘는 굴곡 변위의 변위량은 인가 전압의 크기에 비례하므로 압전 세라믹의 최소 변위와 최대 변위 사이에서 인가 전압의 크기로 압전 세라믹의 굴곡 변위의 크기를 손쉽게 제어할 수 있다.Since the amount of displacement of the bending displacement that the piezoelectric ceramic is bent in one direction is proportional to the magnitude of the applied voltage, the magnitude of the bending displacement of the piezoelectric ceramic may be easily controlled by the magnitude of the applied voltage between the minimum and maximum displacement of the piezoelectric ceramic.

이때, 상기 압전 세라믹으로 전압이 가해지지 않은 상태로 돌아가면, 상기 압전세라믹은 다시 도 11과 같이 원래의 형상으로 돌아가는 특성을 갖는다.At this time, when the voltage is not applied to the piezoelectric ceramic, the piezoceramic has a characteristic of returning to its original shape as shown in FIG. 11 again.

한편, 압전 세라믹의 작동 장치는 크게 전압 공급 장치, 압전 세라믹, 압전 세라믹의 고정을 위한 지그, 레이저 변위 측정 장치, 데이터 수집 장치로 구성되는데, 압전 세라믹과 연결되어 있는 전선을 전압 공급 장치(DC Power Supply, Function Generator)에 연결하여 사인파를 공급해 주면 압전 세라믹은 좌우 횡진동을 하며 굴곡 변위를 일으키게 된다.On the other hand, the operating device of the piezoelectric ceramic is largely composed of a voltage supply device, a piezoelectric ceramic, a jig for fixing the piezoelectric ceramic, a laser displacement measuring device, and a data collection device. The wires connected to the piezoelectric ceramic are connected to a voltage supply device (DC Power). If a sine wave is supplied by connecting to a supply or function generator, the piezoelectric ceramic vibrates from side to side and causes bending displacement.

그리고, 압전 세라믹의 인가 전압에 따른 굴곡 변위의 크기 변화 시험 결과는 도 13과 같이 나타나며, 이는 인가 전압에 따라 압전 세라믹의 굴곡 변위의 크기는 비례하게 됨을 알 수 있다.In addition, the test result of the magnitude change of the bending displacement according to the applied voltage of the piezoelectric ceramic is shown in FIG. 13, which indicates that the magnitude of the bending displacement of the piezoelectric ceramic becomes proportional to the applied voltage.

여기서 압전 세라믹을 제작할 때 압전 세라믹의 양을 더 많이 하면 동일한 인가 전압에 대하여 압전 세라믹의 굴곡 변위의 크기는 더 많아 질 것이다. 따라서 압전 세라믹의 양과 인가 전압의 크기에 따라 압전 세라믹의 형상과 굴곡 변위의 크기가 결정되는 것이다.Here, when the piezoelectric ceramic is manufactured, the larger the amount of the piezoelectric ceramic, the larger the magnitude of the bending displacement of the piezoelectric ceramic will be for the same applied voltage. Therefore, the shape of the piezoelectric ceramic and the magnitude of the bending displacement are determined according to the amount of the piezoelectric ceramic and the magnitude of the applied voltage.

따라서, 본 발명은 상기의 작동원리를 통해 나타나는 압전 세라믹의 굴곡변위를 이용한 것으로 그 동작에 대하여 살펴보면 다음과 같다.Therefore, the present invention uses the bending displacement of the piezoelectric ceramic exhibited through the above operating principle.

먼저 도 6에서와 같이 컴프레서(1)와 터빈(2)으로 구성되는 가변형상의 터보차쳐에 있어, 상기 터빈(2)의 하우징과 로터 사이에 설치된 베인(13)을 압전효과에 의해 굴곡변위가 가능한 압전 세라믹으로 구성하는 한편, 상기 베인(13)의 시작부분인 고정식 지지점(p1)을 각각 전선으로 연결한 후 이를 하나의 전선으로 전원공급부(20)에 배선시킨다.First, as shown in FIG. 6, in the variable turbocharger composed of the compressor 1 and the turbine 2, the vane 13 provided between the housing and the rotor of the turbine 2 can be deflected by a piezoelectric effect. The piezoelectric ceramics are connected to a fixed support point p1, which is the start of the vane 13, by wires, and then wired to the power supply unit 20 using a single wire.

이후, 전자제어유닛(30)에 의해 전원공급부(20)에서 압전 세라믹으로 이루어진 베인(13)으로 전압이 인가되지 않을 경우, 도 7,8에서와 같이 압전세라믹으로 이루어진 베인(13)은 x1의 화살표방향으로 원래의 상태 즉, 닫힘상태를 유지하게 된다.Subsequently, when no voltage is applied from the power supply unit 20 to the vane 13 made of piezoelectric ceramic by the electronic control unit 30, the vane 13 made of piezoelectric ceramic is x1 as shown in FIG. The original state, that is, the closed state, is maintained in the direction of the arrow.

반면, 상기 전자제어유닛(30)에 의해 전원공급부(20)에서 압전세라믹으로 이루어진 베인(13)으로 전압을 인가하는 경우, 도 7,9에서와 같이 압전세라믹으로 이루어진 베인(13)은 y1의 화살표방향으로 굴곡변위를 일으키면서 완전히 열린상태로 변환된다.On the other hand, when the voltage is applied from the power supply unit 20 to the vane 13 made of piezoelectric ceramic by the electronic control unit 30, the vane 13 made of piezoelectric ceramic as shown in FIG. It is converted to a fully open state by causing a bending displacement in the direction of the arrow.

즉, 본 발명은 도 4의 종래에서와 같이 엔진의 배기가스가 터빈 입구로 유입되는 유동(x)이 일정할 경우, 베인(13)이 닫힐 때의 베인(13) 입구로 유입되는 유 동(y)에 대하여 베인(13)이 열릴 때의 베인(13) 입구로 유입되는 유동(y)이 큰 각도를 이루게 되어 베인(13) 입구로 유입되는 유동(y)이 베인(13)을 따라 원활하게 흐르지 못하는 문제를 개선한 것으로,That is, according to the present invention, when the flow x of the engine exhaust gas flowing into the turbine inlet is constant, as shown in the related art of FIG. 4, the flow rate flowing into the inlet of the vane 13 when the vane 13 is closed ( With respect to y), the flow (y) flowing into the inlet of the vane 13 when the vane 13 is opened has a large angle so that the flow y flowing into the vane 13 inlet flows smoothly along the vane 13. To solve the problem of not flowing

도 7에서와 같이 엔진의 배기가스가 터빈 입구로 유입되는 유동(x1)이 일정할 경우, 압전 세라믹을 이용한 베인(13)이 닫힐 때의 베인(13) 입구로 유입되는 유동(y1)에 대하여 압전 세라믹을 이용한 베인(13)이 열릴 때의 입구로 유입되는 유동(y1)이 항상 일정한 각도를 유지하게 되어 압전 세라믹을 이용한 베인(13) 입구로 유입되는 유동(y1)이 베인(13)을 따라 원활하게 흐를 수 있도록 한 것이다.As shown in FIG. 7, when the flow x1 of the engine exhaust gas flowing into the turbine inlet is constant, the flow y1 flowing into the inlet of the vane 13 when the vane 13 using the piezoelectric ceramic is closed. The flow y1 flowing into the inlet when the vane 13 using the piezoelectric ceramic is opened is always maintained at a constant angle so that the flow y1 flowing into the inlet of the vane 13 using the piezoelectric ceramic causes the vane 13 to flow. It is to be able to flow smoothly.

이때, 본 발명에서는 도 7에서와 같이 엔진의 배기가스가 터빈 입구로 유입되는 유동(x1)과 베인(13)의 입구로 유입되는 유동(y1)의 각도를 항상 일정하게 유지하기 위하여 압전 세라믹을 이용한 베인(13)의 입구(베인과 유동(y1)이 처음 만나는 지점)에 고정식 지지점(p1)을 기준으로 압전 세라믹을 이용한 베인(13)이 굴곡 변위를 가지는 방식으로 작동하도록 한 것이다.At this time, in the present invention, as shown in FIG. 7, the piezoelectric ceramic is used to maintain a constant angle between the flow x1 flowing into the turbine inlet and the flow y1 flowing into the inlet of the vane 13. The vane 13 using the piezoelectric ceramic is operated in a manner having a bending displacement based on the fixed support point p1 at the inlet of the used vane 13 (a point where the vane and the flow y1 first meet).

한편, 엔진의 작동영역 즉, 엔진의 회전수(RPM)와 부하에 따라 상기 전자제어유닛(30)은 베인(13)으로 인가되는 전원공급부(20)의 전압 크기를 조절하게 되는 바,On the other hand, according to the operating area of the engine, that is, the engine speed (RPM) and the load of the electronic control unit 30 is to adjust the magnitude of the voltage of the power supply unit 20 applied to the vanes 13,

상기 조절되는 전압 크기에 따라 상기 베인(13)의 열림 또는 닫힘상태는 조금씩 이루어질 수 있게 되는 것이다.According to the voltage level to be adjusted, the open or closed state of the vane 13 can be made little by little.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명은 베인을 굴곡변위를 가지는 압전세라믹으로 구성하면서 다음의 효과를 얻을 수 있다As described above, the present invention can obtain the following effects while the vane is composed of a piezoelectric ceramic having a bending displacement.

첫째, 엔진의 배기가스가 터빈 입구로 유입되는 유동(x1)이 일정할 경우, 압전 세라믹을 이용한 베인이 완전히 닫힐 때의 압전 세라믹을 이용한 베인 입구로 유입되는 유동(y1)에 대하여 최초 터빈 설계 시에 최적의 각도를 선정하게 되면, 엔진의 배기가스가 터빈 입구로 유입되는 유동(x1)이 일정할 경우, 압전 세라믹을 이용한 베인이 열릴 때에도 엔진의 배기가스가 터빈 입구로 유입되는 유동(x1)과 압전 세라믹을 이용한 베인의 입구로 유입되는 유동(y1)의 각도가 최초 터빈 설계 시에 최적의 각도를 항상 일정하게 유지하게 됨에 따라 압전 세라믹을 이용한 베인의 입구로 유입되는 유동(y1)이 항상 압전 세라믹을 이용한 베인을 따라 원활하게 흘러 터빈이 설계점에서 작동함으로서 높은 효율을 유지하는 효과를 얻는다.First, when the flow (x1) in which the exhaust gas of the engine flows into the turbine inlet is constant, the initial turbine design is performed for the flow (y1) flowing into the vane inlet using the piezoelectric ceramic when the vane using the piezoelectric ceramic is completely closed. When the optimum angle is selected, if the flow of the engine exhaust gas into the turbine inlet (x1) is constant, the flow of the engine exhaust gas into the turbine inlet (x1) even when the vane using piezoelectric ceramic is opened. As the angle of the flow (y1) flowing into the inlet of the vane using the piezoelectric ceramic is always maintained at the optimum angle at the initial turbine design, the flow (y1) flowing into the inlet of the vane using the piezoelectric ceramic is always Flowing smoothly along the vanes using piezoelectric ceramics, the turbine is operated at the design point to achieve high efficiency.

둘째, 압전 세라믹을 이용한 베인의 위치 제어 방식이 압전 세라믹을 이용한 베인의 입구에 고정식 지지점을 기준으로 압전 세라믹을 이용한 베인이 굴곡 변위를 가지는 방식으로 작동함에 따라 구조가 간단하고 오랜 시간 사용으로 발생할 수 있는 베인 등의 마모 및 파손의 위험이 없으므로 정확한 베인의 위치 제어가 가능하게 되어 엔진의 성능 향상 및 배기 감소를 기대할 수 있다.Second, since the vane position control method using piezoelectric ceramics operates in such a way that the vane using piezoelectric ceramics has a bending displacement based on a fixed support point at the entrance of the vane using the piezoelectric ceramics, the structure is simple and can be generated by using for a long time. Since there is no risk of abrasion and damage of the vanes, it is possible to accurately control the position of the vanes, thereby improving engine performance and reducing exhaust.

셋째, 압전 세라믹을 이용한 베인의 위치 제어 방식이 인가 전압의 파형에 대하여 압전 세라믹을 이용한 베인이 굴곡 변위를 일으키는 방식으로 작동함에 따라 차량의 가속이나 감속 시에 압전 세라믹을 이용한 베인의 위치 제어에 대한 반 응 속도가 빠르고 시간 지연을 없애 서지성 소음이나 터보랙의 발생을 방지하는 효과를 얻을 수 있게 되는 것이다.Third, as the vane position control method using piezoelectric ceramics operates in a manner in which the vane using piezoelectric ceramics causes a bending displacement with respect to the waveform of the applied voltage, the vane position control using the piezoelectric ceramics during acceleration or deceleration of the vehicle is performed. The response speed is fast and the time delay is eliminated, thereby preventing the occurrence of surge noise and turbo racks.

넷째, 압전 세라믹을 이용한 베인은 높은 열에 잘 견디는 성질을 가지는 세라믹 소재이므로 터빈 입구로 유입되는 엔진의 배기가스가 높은 온도임에도 불구하고 항상 안전하게 작동하는 효과 또한 얻을 수 있는 것이다.Fourth, since the vane using the piezoelectric ceramic is a ceramic material having a high heat resistance property, it is also possible to obtain an effect of always operating safely despite the high temperature of the engine exhaust gas flowing into the turbine inlet.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.

Claims (3)

컴프레서와 터빈으로 구성되고, 터빈 하우징과 로터 사이에 베인을 설치한 가변형상의 터보차져에 있어서,In a variable turbocharger composed of a compressor and a turbine and provided with vanes between the turbine housing and the rotor, 상기 베인은 압전효과에 의해 굴곡변위를 가지는 압전 세라믹으로 구성하고,The vane is composed of a piezoelectric ceramic having a bending displacement by the piezoelectric effect, 상기 압전 세라믹으로 이루어진 베인이 굴곡변위를 일으켜 열림상태로 변화되도록 전압을 공급하는 전원공급부 및,A power supply unit supplying a voltage such that the vanes made of the piezoelectric ceramics change in an open state due to a bending displacement; 상기 전원공급부의 전압 공급을 제어하는 전자제어유닛을 포함하여 구성함을 특징으로 하는 압전 세라믹을 이용한 가변형상 터보차져 제어장치.An apparatus for controlling a variable shape turbocharger using piezoelectric ceramics, characterized in that it comprises an electronic control unit for controlling the voltage supply of the power supply unit. 제 1 항에 있어서, 상기 전자제어유닛에는 엔진의 작동영역인 엔진의 회전수(RPM)와 부하(Torque)에 따라 베인이 조금 열리거나 닫히는 제어가 이루어지도록 베인으로 인가되는 전원공급부의 전압 크기를 조절하는 제어프로그램이 탑재 구성됨을 특징으로 하는 압전 세라믹을 이용한 가변형상 터보차져 제어장치.According to claim 1, wherein the electronic control unit has a voltage level of the power supply unit applied to the vane so that the vane is controlled to open or close slightly depending on the RPM (RPM) and the load (Torque) of the engine operating area of the engine A variable shape turbocharger control apparatus using piezoelectric ceramics, characterized in that the control program for controlling is mounted. 제 1 항에 있어서, 상기 압전세라믹으로 이루어진 베인의 시작부분인 고정식 지지점을 각각 전선으로 연결한 후 이를 하나의 전선으로 전원공급부에 배선하도록 구성함을 특징으로 하는 압전 세라믹을 이용한 가변형상 터보차져 제어장치.2. The variable turbocharger control according to claim 1, wherein the fixed support points, which are the start portions of the vanes made of the piezoelectric ceramics, are connected to each other by wires, and then wired to the power supply unit with a single wire. Device.
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