KR20080106972A

KR20080106972A - 배기가스 터보차저의 컴프레서를 제어하기 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20080106972A
Application number: KR1020087025072A
Authority: KR
Inventors: 알프레드 그숀코스키; 폴카 뮬라
Original assignee: 보르그워너 인코퍼레이티드
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2007-03-28
Publication date: 2008-12-09
Also published as: WO2007112911A1; US20100095670A1; EP1999352A1; JP2009531588A; CN101415919A

Abstract

본 발명은 내연기관(4)의 배기가스 터보차저(3)의 컴프레서(2)를 제어하기 위한 컴프레서 제어 방법에 관한 것으로, 주변 공기 압력(P_U)을 측정하는 단계; 내연기관 입구의 상류측 정압(P_V)을 측정하는 단계; 상기 배기가스 터보차저(3)의 회전 속도(U)를 측정하는 단계; 컴프레서 입구 라인(22)의 진공도(P_dyn)를 계산하고, 측정된 상기 주변 공기 압력(P_U)에서 이 계산된 진공도(P_dyn)를 뺌으로써, 컴프레서 입구(11)에 직접 존재하는 정압(P_E)을 측정하는 단계; 컴프레서 출구 라인(18)의 압력 손실(P_DV)을 계산하고, 이 계산된 압력 손실(P_DV)을 측정된 상기 내연기관 입구의 상류측 정압(P_V)에 더함으로써, 컴프레서 출구(12)에 직접 존재하는 정압(P_A)을 측정하는 단계; 및 결정된 정압 값(P_E 또는 P_A) 중 하나 이상의 정압 값과 상기 회전 속도 신호(S_U)에 상응하여 상기 제어 유닛(5)으로 상기 컴프레서의 작동을 제어하는 단계;를 포함하는 컴프레서 제어 방법에 관한 것이다.

내연기관, 터보차저, 컴프레서, 공기 압력, 정압, 회전 속도, 압력 손실

Description

배기가스 터보차저의 컴프레서를 제어하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR REGULATING OR CONTROLLING A COMPRESSOR OF AN EXHAUST GAS TURBOCHARGER}

본 발명은 청구항 1과 8항에 따른, 내연기관의 배기가스 터보차저의 컴프레서를 제어하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

DE 10 2004 059 369 A1은 터보차저의 컴프레서를 제어하기 위해 압력 센서가 상기 컴프레서의 입구에 직접 배치되는 엔진 터보차저 제어 관리 시스템을 개시한다. 추가적인 압력 센서는 컴프레서 출구 라인에서 상기 컴프레서의 출구에 직접 제공된다. 또한, 예컨대 터보차저 축의 회전 속도를 결정함으로써 컴프레서의 회전 속도를 결정하는 회전 속도 센서가 제공된다.

DE 10 2004 059 369 A1의 실시예에 기술된 바와 같이, 압축되지 않은 유체의 압력이 상기 컴프레서의 입구에서 직접 측정되기 때문에, 상기 지점에서는, 컴프레서 입구 라인에 깨끗한 공기뿐만 아니라, 예를 들면, 가해지는 천연가스도 존재하므로 압력의 측정이 어려우며, 컴프레서 입구에서 직접 행해지는 압력측정은 가해 지는 천연가스의 압력 변동으로 인해 자주 왜곡된다. 게다가, 최근의 터보차저들에서는 엔진 블로바이(blowby)가 컴프레서 입구 라인으로 재순환되며, 상기 블로바이는 상류측에 오일 필터가 있음에도 불구하고 자주 오일을 여전히 함유하며, 상기 컴프레서에 의해 흡입되는 깨끗한 공기에 혼합된다.

게다가, 배기가스가 재순환된 엔진 배기 가스는 부분적으로 상기 컴프레서 입구 라인으로 재순환된다. 입자 필터가 상류측에 있음에도 불구하고, 입자들과 배기가스 응축물이 상기 컴프레서 입구 라인을 통과하여 심각한 측정 문제들을 초래하는 것을 방지하는 것은 불가능하다.

어느 경우에도, 센서가 접근하기 어려운 장소에 설치되어야 하고 그곳의 작동 조건들에 적합해야 하므로 상기 컴프레서에서의 압력 측정은 특별한 비용이 든다.

이는 상기 컴프레서 입구 라인과 상기 컴프레서 출구 라인에서의 압력측정에 적용된다. 특히, 뒤틀림(curvatures) 또는 비연속 단면 확대(cross-sectional widenings)와 같은 기하학적 불균일성과/또는 난류의 결과로서의 불균일한 속도 분포는 압력 측정에 나쁜 영향을 미칠 수 있다.

그러므로 본 발명의 목적은 배기가스 터보차저의 컴프레서를 제어하기 위한 방법 및 장치를 창조하는 것이며, 이 방법은 컴프레서 특성도(characteristic map)의 최적 범위에서 상기 컴프레서의 작동 거동의 제어가 개선될 수 있도록 충분히 정밀하고 더 간단한 방식으로 실제의 컴프레서 압력비를 결정한다.

상기 목적은 청구항 1과 청구항 8의 특징들에 의해 달성된다.

상기 내연기관 입구에서의 압력측정과 관련하여 주변 압력의 측정을 이용함으로써, 실제의 컴프레서 압력비에 대한 충분히 정확한 근사치를 간단한 방식으로 만드는 것이 가능하다. 이 목적을 위해서, 첫째로 상기 컴프레서 입구 라인의 진공도와 둘째로 스로틀 플랩(throttle flap)과 차지-에어 냉각기(charge-air cooler)의 손실들의 결과로서의 상기 컴프레서 출구 라인에서의 압력 손실을 수학적으로 결정하는 것이 가능하다. 미리 정해진 컴프레서 라인 구성에 대해, 컴프레서 압력비를 계산하기 위해 필요한 데이터는 특정 작용점에서(in an operating-point-specific manner) 미리 결정될 수 있다.

주변 압력, 바람직하게는 상기 내연기관에 가까운 주변 압력을 측정함으로써, 흐르는 가스 혼합물의 진공도를 측정하는 대신에 기술적 의미에서 아주 더 간단하고 비용효율성이 더 높은 상기 주변 공기의 정압(static pressure)을 측정하는 것이 가능하다. 이는 위에서 기술한 방식의 비용효율성이 높고 충분히 정밀한, 상기 컴프레서의 제어를 초래한다.

종속항 2 내지 7은 그들의 내용으로서 본 발명에 따른 방법의 유익한 세부 개선들(refinements)을 가진다.

상기 주변 압력이 제어 유닛에서 직접 측정된다면, 압력 센서가 상기 제어 유닛에 부착되거나 통합되는 것이 가능하며, 이는 본 발명에 따른 제어 시스템의 설계를 단순화한다.

압축된 유체의 압력을 내연기관의 상류측이나 입구 라인에서 직접 측정함으로써, 차지 압력(charge pressure)의 제어/모니터링을 위한 내연기관 입구의 상류측의 기존의 압력 측정이 사용될 수 있다. 측정점의 상류측에 있는 상기 스로틀 플랩과 상기 차지-에어 냉각기는 상기 유체의 압력에 상당한 댐핑 효과를 가지며, 압력 변동을 상당히 감소시킨다.

본 발명에 따른 장치는 청구항 8 내지 11에서 정의된다.

아래에서, 본 발명의 실시예가 도면을 근거로 더 상세히 설명된다.

도 1은 본 발명에 따른 구조와 방법을 설명하기 위한, 본 발명에 따른 제어 시스템(1) 의 개략적이고 아주 단순화된 도면이다.

참조번호들의 리스트

1 제어 시스템/제어 장치

2 컴프레서

3 터보차저

4 내연기관

5 제어 유닛

6 제1 압력 센서

7 제2 압력 센서

8 회전 속도 센서

9 축

10 터빈

11 컴프레서 입구

12 컴프레서 출구

13 스로틀 플랩

14 차지-에어 냉각기

15 흡기 다기관

16 배기 다기관

17 출구 라인

18 컴프레서 출구 라인

19 바이패스 라인

20 바이패스 밸브

21 처리 유닛

22 컴프레서 입구 라인

P_U 주변 공기 압력

P_V 내연기관 입구의 상류측의 정압

P_E 컴프레서 입구(11)에서의 정압

P_A 컴프레서 출구(12)에서의 정압

P_dyn 컴프레서 입구 라인(22)에서의 진공도(동압)

P_DV 스로틀 플랩(13) 및/또는 차지-에어 냉각기(14)의 하류의 컴프레서 출구 라인(18)에서의 압력 손실

내연기관(4)을 위한 터보차저(3)의 컴프레서(2)의 본 발명에 따른 제어 시스템(1)은 첫째로 종래의 디자인일 수 있는 제어 유닛(5)을 가진다.

도면에 설명된 특히 바람직한 실시예에서, 제1 압력 센서(6)는 상기 제어 유닛(5)에 직접 배열되거나 직접 통합되며 주변 압력(P_U), 바람직하게는 상기 내연기관에 가까운, 주변 공기의 정압인, 주변 압력을 측정하기 위해 사용된다. 상기 측정은 상기 제어 유닛(5)의 처리 유닛(21)에 공급되는 신호(S_PU)를 생성한다.

본 발명에 따른 상기 제어 장치(1)는 상기 내연기관(4)의 흡기 다기관(inlet collecting line, 15)의 상류측에 배열되어 있거나, 상기 설명된 실시예의 대안으로서, 상기 흡기 다기관(15)에 배열될 수 있는 제2 압력 센서(7)도 가진다. 상기 압력 센서(7)는 상기 유체가 상기 내연기관(4)으로 들어가기 전에 상기 컴프레서(2)에 의해 압축된 상기 유체의 압력을 나타내는 제2 압력(P_V)을 측정한다. 그 결과로 생성된 측정 신호(S_PV)는 마찬가지로 상응하는 신호 라인을 통하여 상기 제어 유닛(5)에 공급된다.

컴프레서의 회전 속도(U)를 결정하기 위한 회전 속도 센서인 제3 센서(8)도 역시 제공된다. 상기 회전 속도 센서(8)가 상기 터보차저(3)의 터빈(10)에 상기 컴프레서(2)를 연결하는 축(9)의 회전 속도를 감지할 수 있거나, 컴프레서 휠이나 터빈 휠(어느 것도 도면에 도시되지 않음)의 회전 속도가 마킹들(markings)이나 블레이드들(blades)에 의해 생성되는 신호들을 이용하여 직접 결정되는 것도 가능하다.

상기 회전 속도 신호는 추가로 배기가스 터보차저가 과속하는 것을 방지하기 위해 사용될 수 있다.

본 명세서를 완전하게 하기 위하여, 상기 터보차저의 상기 터빈(10)이, 공급된 내연기관 배기 가스에 의해 회전이 되고 이에 의해 상기 컴프레서(2)의 상기 컴프레서 휠을 구동하기 위해서, 출구 라인(17)에 의해 상기 내연기관(4)의 상기 배기 다기관(16)을 통하여 상기 내연기관(4)에 연결되는 것이 기술되어야 하지만, 이는 본 발명의 원리들을 위해 더 이상 상세히 설명될 필요가 없는 종래의 구조이다.

도면은 바이패스 밸브(20)를 가진 바이패스 라인(19)을 보이며, 이들은 마찬가지로 종래의 방식으로 실행될 수 있는 상기 컴프레서(2)를 제어하기 위한 가능한 수단(option)을 나타낸다.

본 발명에 따른 방법의 원리들에 대응하여, 상기 제어 유닛(5)에 공급되는 상기 신호들(S_U, S_PU 및 S_PV)은 상기 제어 유닛(5)의 상기 처리 유닛(21)에 의해 평가되고, 이에 의해 상기 컴프레서(2)가 상기 특성도의 최적 작동 범위 내에서 작동될 수 있도록 하기 위해 각각의 컴프레서 특성도에 대응하여 상기 컴프레서(2)의 회전이 실행된다.

제어 전략은 마찬가지로 종래의 원리들에 상응하며, 이를 위해, 예를 들면, 앞에서 설명된 DE 10 2004 059 369 A1가 참조될 수 있으며, 이의 개시는 본 출원의 개시에 대한 명백한 참조자료로서 여기에 포함된다.

Claims

내연기관(4)의 배기가스 터보차저(3)의 컴프레서(2)를 제어하기 위한 컴프레서 제어 방법으로서,

- 주변 공기 압력(P_U)을 측정하고, 상기 주변 공기 압력(P_U)을 나타내는 신호(S_PU)를 제어 유닛(5)으로 전송하는 단계;

- 상기 내연기관 입구의 상류측 정압(P_V)을 측정하고, 상기 내연기관 입구의 상류측 정압(P_V)을 나타내는 신호(S_PV)를 상기 제어 유닛(5)으로 전송하는 단계;

- 상기 배기가스 터보차저(3)의 회전 속도(U)를 측정하고, 상기 회전 속도(U) 값을 나타내는 신호(S_PU)를 상기 제어 유닛(5)으로 전송하는 단계;

- 컴프레서 입구 라인(22)의 진공도(P_dyn)를 계산하고, 측정된 상기 주변 공기 압력(P_U)에서 이 계산된 진공도(P_dyn)를 뺌으로써, 컴프레서 입구(11)의 정압(P_E)을 측정하는 단계;

- 컴프레서 출구 라인(18)의 압력 손실(P_DV)을 계산하고, 이 계산된 압력 손실(P_DV)을 측정된 상기 내연기관 입구의 상류측 정압(P_V)에 더함으로써, 컴프레서 출구(12)의 정압(P_A)을 측정하는 단계; 및

- 측정된 정압 값(P_E 또는 P_A) 중 하나 이상의 정압 값과 상기 회전 속도 신 호(S_U)에 따라 상기 제어 유닛(5)으로 상기 컴프레서의 작동을 제어하는 단계;를 포함하는 컴프레서 제어 방법.
제1항에 있어서,

상기 주변 공기 압력(P_U)을 상기 제어 유닛(5)에서 측정하는 것을 특징으로 하는 컴프레서 제어 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

압축된 유체의 압력을 상기 내연기관(4)의 흡기 다기관(15) 상류측에서 측정하는 것을 특징으로 하는 컴프레서 제어 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

압축된 유체의 압력을 상기 내연기관(4)의 흡기 다기관(15)에서 측정하는 것을 특징으로 하는 컴프레서 제어 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

압축된 유체의 압력을 상기 내연기관(4)의 스로틀 플랩(13)과 차지-에어 냉각기(14) 사이에서 측정하는 것을 특징으로 하는 컴프레서 제어 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

압축된 유체의 압력을 상기 컴프레서 출구 라인(18)의 스로틀 플랩(13) 상류측에서 측정하는 것을 특징으로 하는 컴프레서 제어 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

압축된 유체의 압력 측정점으로, 차지-압력을 제어하기 위한 기존의 전형적인 측정점을 동일하게 사용하는 것을 특징으로 하는 컴프레서 제어 방법.
제어 장치(1)로서,

- 컴프레서 입구(11)의 상류측에 배치되며 주변 공기 압력(P_U)을 측정하는 제1 압력 센서(6);

- 내연기관 입구의 상류측 정압(P_V)을 측정하는 제2 압력 센서(7);

- 배기가스 터보차저(3)의 회전 속도를 측정하는 회전 속도 센서(8); 및

- 상기 컴프레서 입구(11)의 비압축 유체의 정압(P_E)을 측정하고 컴프레서 출구(12)의 정압(P_A)을 측정하는 처리 유닛(21)을 구비한 제어 유닛(5);을 포함하는 제어 장치.
제8항에 있어서,

상기 제1 압력 센서(6)는 상기 제어 유닛(5)에 배치되는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
제8항 또는 제9항에 있어서,

상기 제2 압력 센서(7)는 상기 내연기관(4)의 차지-에어 냉각기(14)와 흡기 다기관(15) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
제8항 또는 제9항에 있어서,

상기 제2 압력 센서(7)는 상기 내연기관(4)의 흡기 다기관(15)에 배치되는 것을 특징으로 하는 제어 장치.