KR20130134178A

KR20130134178A - 터보 차져 시스템

Info

Publication number: KR20130134178A
Application number: KR1020120057498A
Authority: KR
Inventors: 오완수
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2013-12-10

Abstract

본 발명은 터보 차져 시스템에 관한 것으로, 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 이용하여 구동되는 터빈; 상기 터빈과 회전축에 의해 연결되어 상기 터빈의 회전에 의해 구동되는 제1 컴프레서; 상기 제1 컴프레서와 상기 엔진을 연결하는 유로가 분기되어 형성된 제1 유로상에 상기 엔진에 공급되는 공기의 양을 조절하는 조절 밸브; 상기 유로가 분기되어 형성된 제2 유로상에 형성되어 상기 엔진에 공급되는 공기를 압축하는 제2 컴프레서; 상기 제2 컴프레서에 선택적으로 직결되어 상기 제2 컴프레서에 동력을 전달하는 클러치; 및 일측은 상기 클러치에 연결되고, 타측은 상기 회전축에 결합된 동력전달수단과 연결되어 동력을 상기 클러치에 선택적으로 전달하는 모터/발전기; 를 포함하는 터보 차져 시스템이 제공된다.

Description

터보 차져 시스템{TURBO CHARGER SYSTEM}

본 발명은 터보 차져 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엔진 스피드에 따라 엔진에 공급되는 공기의 양을 조절하는 터보 차져 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 터보랙(Turbo lag)이란 스로틀 밸브(throttle valve)가 열리는 시간과 터보 차져(turbo charger)가 더 많은 힘을 제공할 때까지의 지체 시간으로 아이들 상태인 터빈이 부스트 스피드(boost speed)까지 도착하는 시간과 더불어 인터쿨러와 튜닝이 진공상태로부터 채워져 압력이 생길 때까지 걸리는 시간을 의미한다.

종래의 터보차져 장착 엔진은 차량이 발진시 터보랙 현상 발생으로 인해 흡입 공기량이 부족하여 그 출력이 일시적으로 적게 나오는 경우가 있었으며, 특히 정지 후 출발시 또는 저속영역에서 터보랙 현상이 심하였으며 경사로나 등판 발진시 엔진의 출력저하 및 매연의 다량 방출 원인이기도 하다.

즉, 엔진의 회전수가 낮은 상태에서 급격히 가속할 때 터빈에 전달되는 배기 에너지가 터빈을 회전시키기에 충분하지 않아 엔진이 가속하거나 부하가 증가할 때 공급되는 부스트압은 동일한 회전수와 연료량에 대해 정상상태일 때에 비하여 낮은 수준을 유지하였다.

상기와 같은 문제점은 흡입 공기량이 그 분사연료가 연소하는데 정상적으로 공급되는 공기량에 비하여 부족하고, 이로 인하여 엔진의 연소성능이 저하되어 매연 발생과 더불어 순간 토크 부족을 유발하게 되었다.

만약, 초기 차량 발진시 유입되는 공기량의 부족으로 일정한 연료를 주입하였을 때 매연의 발생량을 줄이기 위해 연료량을 감소시키면 이로 인하여 차량 토크도 감소된다. 결국, 차량 발진성이 떨어지며, 언덕에서의 차량 밀림 현상 등이 발생하는 문제가 있다.

종래에는 상기와 같은 터보 랙 현상을 개선하기 위해 여러 가지의 방법들이 시행되고 있었는데, 예를 들면 저속구간에서 터빈 하우징의 베인을 작동시켜 속도 에너지를 최대화하는 VGT터보를 사용하는 경우가 있다.

그러나, 상기 VGT터보의 경우에는 터보차져와의 매칭이 어려울 뿐만 아니라, 가격이 상승함은 물론 터보차져의 부피가 증가되는 단점을 가지고 있다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명은 엔진 부하에 따라 충전 및 발전이 가능한 모터/발전기 및 엔진으로 공급되는 공기의 양을 조절할 수 있는 공기 조절밸브를 이용한 터보 차져 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 이용하여 구동되는 터빈; 상기 터빈과 회전축에 의해 연결되어 상기 터빈의 회전에 의해 구동되는 제1 컴프레서; 상기 제1 컴프레서와 상기 엔진을 연결하는 유로가 분기되어 형성된 제1 유로상에 상기 엔진에 공급되는 공기의 양을 조절하는 조절 밸브; 상기 유로가 분기되어 형성된 제2 유로상에 형성되어 상기 엔진에 공급되는 공기를 압축하는 제2 컴프레서; 상기 제2 컴프레서에 선택적으로 직결되어 상기 제2 컴프레서에 동력을 전달하는 클러치; 및 일측은 상기 클러치에 연결되고, 타측은 상기 회전축에 결합된 동력전달수단과 연결되어 동력을 상기 클러치에 선택적으로 전달하는 모터/발전기; 를 포함하는 터보 차져 시스템이 제공될 수 있다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예의 동력전달수단은 벨트 또는 기어 어셈블리인 것을 특징으로 하며, 상기 제2 컴프레서는 상기 회전축의 회전에너지를 선택적으로 전달받는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서 동력전달수단이 기어 어셈블리인 경우에는 기어비에 의해 전달되는 동력의 크기를 제어하는 것을 특징으로 하고, 모터/발전기는 상기 터빈의 잉여에너지를 충전하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서의 조절밸브는 차속, 엔진 스피드(RPM) 및 가속페달위치(APS)에 따라 제어되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면 터빈의 회전에너지를 이용함과 동시에 충/방전이 가능한 모터/발전기를 도입하여 차량이 저속상태일 때 터보차져의 터빈 휠의 회전에너지와 모터/발전기의 모터에너지를 합산하여 가속도를 증가시키면서 엔진의 토크를 증대시켜 터보 랙 현상을 방지함은 물론, 차량의 출발 지연 및 언덕에서의 차량 밀림현상을 방지하는 등 차량의 발진 가속 성능을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 버려지는 배기가스를 이용하므로 추가적인 동력 소모가 없으며, 터보차져의 부피 및 무게를 증가시키지 않더라도 저속구간에서 터보랙 현상을 방지하면서 그 터보 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터보 차져 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 저속 영역에서의 터보 차져 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 중속 영역에서의 터보 차져 시스템의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고속 영역에서의 터보 차져 시스템의 개략도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터보 차져 시스템의 개략도인데, 본 발명에 따른 실시예의 터보 차져 시스템에서는 엔진(50)으로부터 배출되는 배기가스(14)를 이용하여 구동되는 터빈(10), 상기 터빈(10)과 회전축(15)에 의해 연결되어 상기 터빈(10)이 회전함에 따라 함께 회전함으로써 구동되어 신기(fresh air, 12)를 1차적으로 압축하는 제1 컴프레서(20), 상기 제1 컴프레서(20)와 상기 엔진(50)을 연결하는 유로가 분기되어 형성된 제1 유로(25)상에 상기 엔진(50)에 공급되는 공기의 양을 조절하는 조절 밸브(60), 상기 제1 컴프레서(20)와 엔진(50)을 연결하는 유로가 분기되어 형성된 제2 유로(26)상에 형성되어 상기 엔진(50)에 공급되는 공기를 압축하는 제2 컴프레서(30), 상기 제2 컴프레서(30)에 선택적으로 직결되어 상기 제2 컴프레서(30)에 동력을 전달하는 클러치(70)와, 일측은 상기 클러치(70)에 연결되고, 타측은 상기 회전축(15)에 결합된 동력전달수단(80)과 연결되어 동력을 상기 클러치(70)에 선택적으로 전달하는 모터/발전기(40)를 포함한다. 이때, 상기 제1 유로(25)와 제2 유로(26)는 상기 엔진(50)의 전단에서 합류하도록 되어 있다.

이때, 상기 동력전달수단(80)은 벨트 또는 기어 어셈블리일 수 있는데, 상기 동력전달수단(80)이 기어 어셈블리인 경우에는 기어비에 의해 전달되는 동력의 크기를 제어할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따른 실시예에서 상기 제1 컴프레서(20)는 용량이 큰 저압 컴프레서이고, 제2 컴프레서(30)는 용량이 작은 고압 컴프레서이다.

상기 모터/발전기(40)는 상기 터빈(10)의 잉여에너지를 충전할 수 있다. 즉, 엔진 스피드가 고속인 경우에는 상기 모터/발전기(40)를 작동시킬 필요가 없으므로 상기 제1 컴프레서(20)를 구동시키고 남는 잉여에너지는 상기 모터/발전기(40)에 충전하여 상기 모터/발전기(40) 작동시에 에너지를 소모(방전)하도록 한다. 즉, 상기 모터/발전기(40)는 고속 영역에서 충전되고, 중저속 영역에서 방전된다.

상기의 엔진 흡배기 시스템에서 터보 차져는 엔진(50)에서 배출되는 배기가스(14)의 열에너지에 의해 터빈(10)이 회전되고, 이에 따라 컴프레서가 동작되어 공기를 압축시켜 많은 양의 공기를 엔진(50)으로 유입시킴으로서, 엔진(50)의 출력 향상과 에미션 안정화를 제공한다.

상기 터보 차져란 배기가스(14)로 배출되는 에너지를 이용하여 터빈(10)을 구동하는 한편, 동일축(15)상에 있는 컴프레서(20)의 임펠러를 고속으로 구동시키면서 흡기라인(22)을 통해 신기(12)를 압축시켜 연소실내로 과급하는 장치를 말하며, 이는 공기의 충진 효율을 높여 차량의 연소 성능을 향상시키고 고출력 엔진(50)을 구현하기 위함이다.

즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 터보 차져 시스템은 터빈(10)과 제1, 제2 컴프레서(20,30)로 구성되는 터보차져를 사용하여 흡입 공기량을 증가시켜 출력을 향상시키는 구조를 이루고 있다.

즉, 배기라인(24)을 통해 터빈(10)으로 배기가스(14)가 유입됨과 동시에 통과하면서 상기 터빈(10)에 에너지를 공급하게 되고, 상기 터빈(10)은 회전축(15)에 의해 연결된 제1 컴프레서(20)에 회전에너지로 변환시켜 전달하게 된다. 이때, 상기 제1 컴프레서(20)는 흡기라인(22)을 통하여 유입되는 신기(12)를 압축한 후 이를 흡기다기관으로 보낸다.

이때, 흡기라인(22)을 통해 유입된 신기(12)는 상기 제1, 제2 컴프레서(20,30)에 의해 압축되어 엔진(50)으로 유입된다.

이하에서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 엔진 스피드에 따른 터보 차져 시스템의 작동과정에 대하여 설명한다.

먼저, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 저속 영역에서의 터보 차져 시스템의 개략도인데, 도 2를 참조하면, 조절밸브(60)가 닫혀 있어 제1 컴프레서(20)를 통해 압축된 공기는 제2 컴프레서(30)를 통하도록 유로를 조절한다. 즉, 제1 유로(25)를 차단하여 흡기(13)가 제2 유로(26)를 통해서만 엔진(50)으로 유입되도록 한다. 본 발명에 따른 실시예에서의 흡기(13)는 제1, 제2 컴프레서(20,30)를 통해 압축된 신기(12)를 의미한다.

저속 영역에서는 엔진(50)으로 유입되는 압축공기의 양을 증가시키기 위하여 제1 컴프레서(20) 및 제2 컴프레서(30)를 모두 작동시키는데, 상기 제1 컴프레서(20)를 통과하면서 신기(12)가 다소 압축되나 회전축(15)을 통해 전달되는 회전에너지가 작아서 모터/발전기(40)를 작동시키고, 상기 모터/발전기(40)의 에너지를 클러치(70)를 통하여 제2 컴프레서(30)에 전달함으로써 제2 고압 컴프레서가 원활하게 작동되도록 한다.

공기가 제1 컴프레서(20)를 먼저 통과하므로 적은 양이지만 터빈(10)의 배기에너지로 제1 컴프레서(20)를 구동하고, 동력전달수단(80)을 통해서 제2 컴프레서(30)의 작동을 돕는다.

즉, 저속 영역에서는 제1 유로(25)를 차단하고 클러치(70)를 상기 모터/발전기(40)와 직결(클러치(70) ON)시켜 제2 컴프레서(30)를 작동시켜 충분한 양의 공기가 엔진(50)으로 공급되도록 한다.

상기와 같이 작동됨으로써 저속 영역에서의 터보랙을 저감시키고 저속 토크를 상승시킬 수 있다.

상기 저속 영역은 초기 발진시와 같이 엔진 스피드가 낮은 경우로써 예를 들면, 2000rpm 이하의 엔진 스피드 영역을 의미하지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고속 영역에서의 터보 차져 시스템의 개략도인데, 이 때는 터빈(10)에서의 배기에너지만으로도 충분히 제1 컴프레서(20)를 작동시킬 수 있으므로 신기(12)는 제2 컴프레서(30)를 통과하지 않는다. 즉, 고속 영역에서는 제2 컴프레서(30)에는 상기 회전축(15)의 회전에너지가 전달되지 않고, 상기 회전에너지는 오로지 모터/발전기(40)를 충전하는데 사용된다.

즉, 제1 유로(25)가 완전히 열리고, 클러치(70)도 작동하지 않아 제2 컴프레서(30)가 작동하지 않으며, 신기(12)를 제1 컴프레서(20)만으로 압축하여 엔진(50)에 공급한다. 이때는 컴프레서 작동시 발생하는 드래그(drag) 저항 또는 마찰이 감소된다. 즉, 제2 컴프레서(30)를 저속으로 작동시키게 되면 드래그 저항이 커지게 되므로 상기 제2 컴프레서(30)를 완전히 정지시킴으로써 드래그 저항을 감소시킨다.

이때, 상기 터빈(10)에 의한 잉여에너지는 동력전달수단(80)을 통하여 모터/발전기(40)에 발전에너지로 충전되고, 나머지 에너지는 제1 컴프레서(20)를 구동시키는데 사용된다.

상기의 고속 영역은 예를 들면 엔진 스피드가 3000rpm 이상인 경우를 의미하지만, 이는 본 발명의 일실시예일 뿐이므로 상기 수치에 한정되는 것은 아니다.

도 3은 본 발명에 따른 실시예의 중속 영역에서의 터보 차져 시스템의 개략도인데, 중속 영역에서는 상기 저속 영역과 고속 영역의 중간 단계로 제1 유로(25) 및 제2 유로(26)를 통해 흡기(13)를 엔진(50)에 공급하고, 상기 터빈(10)의 배기에너지로 제1 컴프레서(20) 및 제2 컴프레서(30)를 동시에 구동시킴과 동시에 상기 모터/발전기(40)를 이용하여 제2 컴프레서(30)를 작동시킨다. 이를 위해 상기 클러치(70)를 상기 모터/발전기(40)와 직결시킨다.

상기와 같이 배기에너지와 모터/발전기(40)를 동시에 사용함으로써 모터의 전력 손실을 저감시킬 수 있다. 본 발명에 따른 실시예에서의 중속 영역은 일례로 엔진 스피드가 2000~3000rpm인 경우를 의미하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

이때, 상기 조절밸브(60)는 차속, 엔진 스피드(rpm), 가속페달위치(Accel pedal Position, APS)에 따라 개도율이 제어된다.

상기의 중속 영역은 일실시예로 엔진 스피드가 2000~3000rpm의 범위의 영역을 의미하나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

엔진으로부터 배출되는 배기가스를 이용하여 구동되는 터빈;
상기 터빈과 회전축에 의해 연결되어 상기 터빈의 회전에 의해 구동되는 제1 컴프레서;
상기 제1 컴프레서와 상기 엔진을 연결하는 유로가 분기되어 형성된 제1 유로상에 상기 엔진에 공급되는 공기의 양을 조절하는 조절 밸브;
상기 유로가 분기되어 형성된 제2 유로상에 형성되어 상기 엔진에 공급되는 공기를 압축하는 제2 컴프레서;
상기 제2 컴프레서에 선택적으로 직결되어 상기 제2 컴프레서에 동력을 전달하는 클러치; 및
일측은 상기 클러치에 연결되고, 타측은 상기 회전축에 결합된 동력전달수단과 연결되어 동력을 상기 클러치에 선택적으로 전달하는 모터/발전기;
를 포함하는 터보 차져 시스템.
제1항에 있어서,
상기 동력전달수단은 벨트 또는 기어 어셈블리인 것을 특징으로 하는 터보 차져 시스템.
제2항에 있어서,
상기 동력전달수단이 기어 어셈블리인 경우에는 기어비에 의해 전달되는 동력의 크기를 제어하는 것을 특징으로 하는 터보 차져 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제2 컴프레서는 상기 회전축의 회전에너지를 선택적으로 전달받는 것을 특징으로 하는 터보 차져 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 모터/발전기는 상기 터빈의 잉여에너지를 충전하는 것을 특징으로 하는 터보 차져 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 조절밸브는 차속, 엔진 스피드(RPM) 및 가속페달위치(APS)에 따라 개도율이 제어되는 것을 특징으로 하는 터보 차져 시스템.