KR101490918B1

KR101490918B1 - 엔진의 과급시스템

Info

Publication number: KR101490918B1
Application number: KR20130022419A
Authority: KR
Inventors: 임현준; 한동희; 김윤주; 전재영; 한승국; 박종일
Original assignee: 현대자동차 주식회사
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2015-02-09
Also published as: US9322362B2; CN104018934B; KR20140108820A; DE102013112784B4; DE102013112784A1; CN104018934A; US20140238016A1

Abstract

엔진의 과급시스템이 개시된다. 연소실을 형성하는 실린더 블록, 상기 실린더 블록에 외기를 공급하도록 연결된 흡기 다기관, 상기 연소실로부터 배출되는 배기가스를 포집하여 외부로 유도하는 배기 다기관, 상기 흡기 다기관의 입구를 상기 배기 다기관에 연결하는 제3과급 경로, 및 상기 제3과급 경로를 통해 상기 배기 다기관에 압축 공기를 공급하는 전동식 슈퍼 차져를 포함하여, 엔진의 응답성을 향상시키고, 엔진의 안정화를 도모한다.

Description

엔진의 과급시스템{Supercharging system for engine}

본 발명은 엔진의 과급시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전동식 슈퍼 차져를 이용하여 배기 다기관에 공기를 분사하는 엔진의 과급시스템에 관한 것이다.

일반적으로 차량은 외부의 공기를 유입한 다음에 상기 공기와 연료를 혼합하여 엔진으로 공급하고, 상기 엔진은 연료와 공기의 혼합물을 연소에서 차량의 구동에 필요한 동력을 얻도록 되어 있다.

상기 엔진의 구동으로 동력을 발생시키는 과정에서 연소를 위해 외부의 공기를 충분히 공급해야만 엔진의 원하는 출력과 연소 효율을 얻게 되는 바, 엔진의 연소 효율을 높이고 엔진의 출력을 향상시키기 위해 연소용 공기를 가압하여 공급하는 과급기 혹은 터보 차져가 차량에 적용되고 있다.

상기 과급기는 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 압력을 이용하여 엔진으로 공급되는 공기를 압축하는 구조로 이루어진다.

그런데 차량의 주행 상황에 따라 배기가스의 압력만으로 흡입 공기를 압축하여 엔진으로 공급하는 데에는 한계가 있으므로, 최근에는 별도의 전동 모터를 사용하여 압축기를 구동해서 흡입 공기를 압축하여 공급하는 전동식 슈퍼 차져가 차량에 적용되고 있다.

상기 전동식 슈퍼 차져는 상기 터보 차져가 작동하기 이전의 터보 랙(turbo- lag) 구간에서 엔진의 응답성을 향상시키기 위해 배기 다기관 쪽으로 공기를 2차적으로 분사하는 역할을 한다.

상기와 같이 전동식 슈퍼 차져를 이용하여 배기 다기관 쪽으로 공기를 2차적으로 분사하는 시스템에서 공기 분사 유로의 길이를 짧게 하여 엔진의 응답성을 향상시키고, 2차 공기의 분사후 과급된 공기를 외부로 방출하여 엔진을 안정화시킬 필요가 있었다.

본 발명의 실시 예는, 전동식 슈퍼 차져를 이용하여 압축 공기를 배기 다기관 쪽으로 짧은 유로를 통해 효과적으로 분사하여 엔진의 응답성을 향상시키고, 압축 공기를 배기 다기관 쪽으로 분사한 후에 과급 공기를 외부로 배출하여 엔진을 안정화시킬 수 있는 엔진의 과급시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 과급시스템은, 연소실을 형성하는 실린더 블록, 상기 실린더 블록에 외기를 공급하도록 연결된 흡기 다기관, 상기 연소실로부터 배출되는 배기가스를 포집하여 외부로 유도하는 배기 다기관, 상기 흡기 다기관의 입구를 상기 배기 다기관에 연결하는 제3과급 경로, 및 상기 제3과급 경로를 통해 상기 배기 다기관에 압축 공기를 공급하는 전동식 슈퍼 차져를 포함할 수 있다.

상기 제3과급 경로를 통해 상기 배기 다기관으로 공급되는 상기 압축 공기의 공급을 제어하도록 상기 제3과급 경로에 설치된 공기제어밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 연소실에서 배출되는 배기가스의 압력을 이용하여 외기를 압축해서 상기 연소실에 공급하는 터보 차져, 상기 터보 차져로부터 상기 연소실로 공급되는 압축 공기를 냉각하는 인터쿨러, 상기 터보 차져와 상기 인터쿨러를 연결하는 제1과급 경로, 및 상기 인터쿨러와 상기 흡기 다기관을 연결하는 제2과급 경로를 더 포함하고, 상기 전동식 슈퍼 차져는 상기 제2과급 경로에 연결될 수 있다.

상기 제2과급 경로를 개폐하는 바이패스 밸브를 더 포함하고, 상기 전동식 슈퍼 차져의 입구는 상기 바이패스 밸브와 상기 인터쿨러 사이의 상기 제2과급 경로에 연결되고, 상기 전동식 슈퍼 차져의 출구는 상기 바이패스 밸브와 상기 흡기 다기관 사이의 상기 제2과급 경로에 연결될 수 있다.

상기 제3과급 경로 내의 상기 압축 공기를 외부로 방출시키기 위한 재순환 밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 터보 차져에는 외기를 흡입하기 위한 흡기 경로가 연결되고, 상기 흡기 경로에는 상기 외기에 포함된 이물질을 걸러주는 에어 클리너가 설치되며, 상기 흡기 경로를 개폐하는 개폐밸브가 설치되고, 상기 배기 다기관을 통해 배출되는 상기 배기가스의 일부를 상기 흡기 경로로 유입시키는 재순환 경로가 상기 흡기 경로에 연결되며, 상기 재순환 경로에는 상기 배기가스를 냉각시키는 EGR쿨러가 설치되고, 상기 재순환 경로를 통해 상기 흡기 경로로 유입되는 배기가스를 제어하는 제어밸브가 구비될 수 있다.

상기 제어밸브와 상기 개폐밸브는 통합된 밸브유니트를 구성할 수 있다.

상기 제3과급 경로의 압력을 감지하는 압력센서가 구비되고, 상기 압력센서로 상기 제3과급 경로의 압력을 감지해서 상기 재순환 밸브와 상기 바이패스 밸브를 제어하는 엔진제어유니트가 구비될 수 있다.

상기 엔진제어유니트는 상기 압력센서로 감지한 상기 제3과급 경로의 압력이 설정 압력 이상이면, 상기 제3과급 경로 내의 압축 공기를 외부로 배출하기 위해 상기 재순환 밸브를 개방하도록 제어할 수 있다.

상기 엔진제어유니트는 상기 전동식 슈퍼 차져를 작동시키도록 제어하는 단계, 상기 공기제어밸브 및 상기 바이패스 밸브가 개방되도록 제어하는 단계, 소정 시간이 경과된 후에 상기 공기제어밸브 및 상기 바이패스 밸브가 닫히도록 제어하는 단계, 상기 전동식 슈퍼 차져가 오프 되도록 제어하는 단계, 상기 압력센서를 매개로 상기 제3과급 경로의 압력을 감지하는 단계, 및 상기 압력센서로 감지한 압력에 따라 상기 재순환 밸브를 개폐 제어하는 단계를 순차적으로 수행할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 과급시스템에 의하면, 전동식 슈퍼 차져가 인터쿨러와 흡기 다기관 사이에 배치되어 전동식 슈퍼 차져를 통해 배기 다기관 쪽으로 분사되는 압축 공기의 분사 유로의 길이가 짧아져서 엔진의 응답성을 향상시킬 수 있다.

또한 전동식 슈퍼 차져를 통해 압축 공기를 분사한 이후에 전동식 슈퍼 차져에 의해 과급된 압축 공기를 재순환 밸브를 통해 외부로 효과적으로 배출하여 엔진의 안정화를 도모함과 더불어 전동식 슈퍼 차져의 비정상 작동시에 안정성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 과급시스템의 구성도이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1을 참조하면, 엔진의 연소실을 형성하는 실린더 블록(10)에 공기 혹은 공기와 연료의 혼합기를 유입시키는 흡기 다기관(20)이 연결되고, 상기 연소실에서 연소되어 생성된 배기가스를 상기 실린더 블록(10)으로부터 배출하기 위해 배기 다기관(30)이 상기 실린더 블록(10)에 연결된다.

상기 배기 다기관(30)을 통해 배출되는 배기가스의 압력을 이용하여 공기를 압축해서 상기 흡기 다기관(20)으로 공급하기 위해 상기 배기 다기관(30)과 흡기 다기관(20)에 각각 터보 차져(TC; Turbo-Charger)가 연결된다.

즉 상기 터보 차져(TC)를 구성하는 터빈은 상기 배기 다기관(30)에 연결되고, 상기 터보 차져(TC)를 구성하는 임펠러는 흡기 다기관(20)에 연결된다.

또한 상기 배기 다기관(30)에 유입된 배기가스를 외부로 유도하도록 상기 배기 다기관(30)에 배기 경로(40)가 연결된다.

상기 배기 경로(40)를 통해 배출되는 배기가스에 포함된 유해 성분을 저감하기 위해 상기 배기 경로(40)에는 촉매 컨버터가 설치된다. 상기 촉매 컨버터는 웜업 촉매 컨버터(WCC; Warm-up Catalytic Converter)와 언더 플로워 촉매 컨버터(UCC; Under-floor Catalytic Converter)를 포함할 수 있다.

상기 2개의 촉매 컨버터(WCC, UCC) 사이의 배기 경로(40)에는 배기가스의 일부를 상기 실린더 블록(10)으로 재순환시키기 위해 재순환 경로(42)가 연결되고, 상기 재순환 경로(42)에는 배기가스의 온도를 저감시키기 위해 배기가스 재순환 쿨러(50; Exhaust Gas Recirculation Cooler)가 설치된다.

상기 터보 차져(TC)에는 외기를 흡입하기 위한 흡기 경로(52)가 연결되고, 상기 흡기 경로(52)에 상기 재순환 경로(42)가 연결되어, 상기 터보 차져(TC)는 상기 외기와 배기가스의 일부를 압축하여 상기 실린더 블록(10)으로 공급하게 된다.

상기 재순환 경로(42)를 통해 상기 흡기 경로(52)로 유입되는 배기가스를 제어하기 위해 상기 재순환 경로(42)에는 제어밸브(60)가 설치된다.

상기 흡기 경로(52)의 개폐를 제어하기 위해 개폐밸브(70)가 상기 흡기 경로(52)에 설치되며, 상기 제어밸브(60)와 개폐밸브(70)는 통합된 밸브유니트로 구성될 수 있다.

상기 흡기 경로(52)에는 외부로부터 유입되는 외기에 포함된 이물질을 걸러주는 에어 클리너(80)가 설치된다.

상기 터보 차져(TC)의 출구는 과급 경로를 통해 상기 흡기 다기관(20)에 연결된다.

상기 과급 경로의 도중에는 상기 터보 차져(TC)에서 압축되어 토출되는 과급 공기를 냉각하여 상기 흡기 다기관(20)에 공급하기 인터쿨러(90)가 설치된다.

즉 상기 터보 차져(TC)의 출구와 상기 인터쿨러(90)의 입구는 제1과급 경로(92a)를 통해 연결되고, 상기 인터쿨러(90)의 출구와 상기 흡기 다기관(20)은 제2과급 경로(92b)를 통해 연결된다.

공기를 압축하여 상기 흡기 다기관(20)이나 상기 배기 다기관(30)에 공급하기 위해 상기 인터쿨러(90)와 상기 흡기 다기관(20) 사이의 상기 제2과급 경로(92b)에 전동식 슈퍼 차져(110)가 설치된다.

상기 전동식 슈퍼 차져(110)의 입구는 상기 인터쿨러(90)와 상기 바이패스 밸브(100) 사이의 상기 제2과급 경로(92b)에 연결되고, 상기 전동식 슈퍼 차져(100)의 출구는 상기 바이패스 밸브(100)와 상기 흡기 다기관(20) 사이의 제2과급 경로(92b)에 연결된다.

또한, 상기 바이패스 밸브(100)와 상기 흡기 다기관(20) 사이의 상기 제2과급 경로(92b)에는 상기 전동식 슈퍼 차져에 의해 과급된 압축 공기를 외부로 배출하기 위한 재순환 밸브(RCV; Recirculation Valve)가 설치된다.

상기 재순환 밸브(RCV)는 상기 터보 차져(TC)로 공기를 압축하여 과급한 후에 급격한 엔진 부하의 하강시에 발생하는 터보 차져(TC)의 압축기의 서지(Surge)를 방지하는 역할도 한다.

상기 터보 차져(TC)가 작동하기 이전의 터보 랙(turbo-lag) 구간에서 엔진의 응답성을 향상시키기 위해 상기 전동식 슈퍼 차져(110)에 의해 압축된 공기를 상기 배기 다기관(30)으로 공급하기 위한 제3과급 경로(92c)가 구비된다.

상기 제3과급 경로(92c)는 상기 재순환 밸브(RCV)와 상기 흡기 다기관(20) 사이의 제2과급 경로(92b)를 상기 배기 다기관(30)에 연결하여, 상기 제2과급 경로(92b) 내의 압축 공기를 상기 배기 다기관(30)으로 공급한다.

상기 제3과급 경로(92c)를 통한 압축 공기의 공급을 제어하기 위해 상기 제3과급 경로(92c)에는 공기제어밸브(120)가 설치된다.

또한 상기 제2과급 경로(92b) 내부의 공기 압력을 감지하기 위해 상기 바이패스 밸브(100)와 상기 흡기 다기관(20) 사이의 상기 제2과급 경로(92b)에는 압력센서(130)가 설치된다.

그리고 상기 압력센서(130)에 의해 감지된 압력 신호는 전자제어유니트 혹은 엔진제어유니트(ECU)로 입력되게 상기 압력센서(130)가 엔진제어유니트(ECU)의 입력단에 연결된다.

상기 엔진제어유니트(ECU)의 출력단에는 상기 전동식 슈퍼 차져(110)와, 재순환 밸브(RCV), 상기 바이패스 밸브(100), 상기 공기제어밸브(120)가 각각 접속되어, 이들은 엔진제어유니트(ECU)의 제어신호에 따라 그 작동이 제어된다.

차량의 주행 중에 상기 엔진제어유니트(ECU)는 상기 터보 차져(TC)가 작동하기 이전의 터보 랙 구간에서 상기 전동식 슈퍼 차져(100)에 구동 신호를 인가한다.

상기 전동식 슈퍼 차져(100)가 구동될 때에, 상기 재순환 밸브(RCV)는 오프 상태(상기 제2과급 경로(92b)를 외부와 차단한 상태)로 유지되고, 상기 바이패스 밸브(100)는 인터쿨러(90)와 흡기 다기관(20) 사이의 제2과급 경로(92b)를 차단하도록 오프 상태를 유지한다.

상기 전동식 슈퍼 차져(110)는 상기 엔진제어유니트(ECU)의 구동 신호를 인가받아 구동되면서, 상기 인터쿨러(90)와 상기 바이패스 밸브(100) 사이의 제2과급 경로(92b)를 통해 외기를 흡입하여 압축한 다음에 상기 바이패스 밸브(100)와 흡기 다기관(20)사이의 제2과급 경로(2b)로 압축 공기를 공급한다.

상기와 같이 전동식 슈퍼 차져(110)에 의해 압축 공기가 공급될 때에, 상기 엔진제어유니트(ECU)는 상기 공기제어밸브(120)와 상기 바이패스 밸브(100)에 제어신호를 인가하여, 상기 제2과급 경로(92b)와 제3과급 경로(92c)가 각각 개방되게 한다.

이에 따라 상기 압축 공기는 상기 제3과급 경로(92c)를 통해 상기 공기제어밸브(120)를 거쳐서 상기 배기 다기관(30)으로 분사되고, 상기 배기 다기관(30)으로 분사된 압축 공기는 상기 터보 차져(TC)에 작동압으로 작용하게 되며, 흡기의 압력을 상승시켜 엔진으로 공급하게 된다.

상기와 같이 경로의 길이가 짧은 제3과급 경로(92c)를 통해 압축 공기를 배기 다기관(30)으로 공급함으로써, 엔진의 응답성이 향상된다.

한편, 상기 전동식 슈퍼 차져(110)를 가동하여 배기 다기관(30)으로 공기를 분사하여 엔진의 운전이 안정화된 이후에, 즉 소정 시간이 경과된 이후에, 상기 엔진제어유니트(ECU)는 상기 공기제어밸브(120) 및 상기 바이패스 밸브(100)에 제어신호를 인가해서 상기 제3과급 경로(92c)가 폐쇄되게 하여 상기 배기 다기관(30)을 통한 배기가스의 역류를 방지하고, 상기 전동식 슈퍼 차져(110)의 구동 신호를 차단하여 전동식 슈퍼 차져(11)의 작동을 멈추게 한다.

이어서 상기 엔진제어유니트(ECU)는 상기 압력센서(130)를 매개로 제2과급 경로(92b) 내부의 압력을 감지하며, 감지한 압력이 설정 압력보다 높은 것으로 판단될 경우에는 상기 재순환 밸브(RCV)에 제어신호를 인가하여 재순환 밸브(RCV)를 개방시킴으로써, 제2과급 경로(92b) 내의 압축 공기가 재순환 밸브(RCV)를 통해 외부로 방출되어, 과도하게 상승한 제2과급 경로(92b)의 압력이 해소된다.

물론 상기 제2과급 경로(92b) 내부의 압력이 설정 압력보다 낮은 경우에는 상기 재순환 밸브(RCV)의 오프 상태가 유지된다.

이상과 같이, 본 발명은 한정된 실시 예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

10: 실린더 블록 20: 흡기 다기관
30: 배기 다기관 40: 배기경로
50: EGR 쿨러 60: 제어밸브
70: 개폐밸브 80: 에어 클리너
90: 인터쿨러 100: 바이패스 밸브
110: 전동식 슈퍼 차져 120: 공기제어밸브
130: 압력센서

Claims

연소실을 형성하는 실린더 블록;
상기 실린더 블록에 외기를 공급하도록 연결된 흡기 다기관;
상기 연소실로부터 배출되는 배기가스를 포집하여 외부로 유도하는 배기 다기관;
상기 흡기 다기관의 입구를 상기 배기 다기관에 연결하는 제3과급 경로;
상기 제3과급 경로를 통해 상기 배기 다기관에 압축 공기를 공급하는 전동식 슈퍼 차져; 및
상기 제3과급 경로 내의 상기 압축 공기를 외부로 방출시키기 위한 재순환 밸브를 포함하는 엔진의 과급시스템.
제1항에 있어서,
상기 제3과급 경로를 통해 상기 배기 다기관으로 공급되는 상기 압축 공기의 공급을 제어하도록 상기 제3과급 경로에 설치된 공기제어밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진의 과급시스템.
제2항에 있어서,
상기 연소실에서 배출되는 배기가스의 압력을 이용하여 외기를 압축해서 상기 연소실에 공급하는 터보 차져;
상기 터보 차져로부터 상기 연소실로 공급되는 압축 공기를 냉각하는 인터쿨러;
상기 터보 차져와 상기 인터쿨러를 연결하는 제1과급 경로; 및
상기 인터쿨러와 상기 흡기 다기관을 연결하는 제2과급 경로를 더 포함하고;
상기 전동식 슈퍼 차져는 상기 제2과급 경로에 연결된 것을 특징으로 하는 엔진의 과급시스템.
제3항에 있어서,
상기 제2과급 경로를 개폐하는 바이패스 밸브를 더 포함하고;
상기 전동식 슈퍼 차져의 입구는 상기 바이패스 밸브와 상기 인터쿨러 사이의 상기 제2과급 경로에 연결되고;
상기 전동식 슈퍼 차져의 출구는 상기 바이패스 밸브와 상기 흡기 다기관 사이의 상기 제2과급 경로에 연결된 것을 특징으로 하는 엔진의 과급시스템.
삭제
제3항에 있어서,
상기 터보 차져에는 외기를 흡입하기 위한 흡기 경로가 연결되고;
상기 흡기 경로에는 상기 외기에 포함된 이물질을 걸러주는 에어 클리너가 설치되며;
상기 흡기 경로를 개폐하는 개폐밸브가 설치되고;
상기 배기 다기관을 통해 배출되는 상기 배기가스의 일부를 상기 흡기 경로로 유입시키는 재순환 경로가 상기 흡기 경로에 연결되며;
상기 재순환 경로에는 상기 배기가스를 냉각시키는 EGR쿨러가 설치되고;
상기 재순환 경로를 통해 상기 흡기 경로로 유입되는 배기가스를 제어하는 제어밸브가 구비된 것을 특징으로 하는 엔진의 과급시스템.
제6항에 있어서,
상기 제어밸브와 상기 개폐밸브는 통합된 밸브유니트를 구성하는 것을 특징으로 하는 엔진의 과급시스템.
제4항에 있어서,
상기 제3과급 경로의 압력을 감지하는 압력센서가 구비되고;
상기 압력센서로 상기 제3과급 경로의 압력을 감지해서 상기 재순환 밸브와 상기 바이패스 밸브를 제어하는 엔진제어유니트가 구비된 것을 특징으로 하는 엔진의 과급시스템.
제8항에 있어서,
상기 엔진제어유니트는
상기 압력센서로 감지한 상기 제3과급 경로의 압력이 설정 압력 이상이면, 상기 제3과급 경로 내의 압축 공기를 외부로 배출하기 위해 상기 재순환 밸브를 개방하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진의 과급시스템.
제9항에 있어서,
상기 엔진제어유니트는
상기 전동식 슈퍼 차져를 작동시키도록 제어하는 단계;
상기 공기제어밸브 및 상기 바이패스 밸브가 개방되도록 제어하는 단계
소정 시간이 경과된 후에 상기 공기제어밸브 및 상기 바이패스 밸브가 닫히도록 제어하는 단계;
상기 전동식 슈퍼 차져가 오프 되도록 제어하는 단계;
상기 압력센서를 매개로 상기 제3과급 경로의 압력을 감지하는 단계; 및
상기 압력센서로 감지한 압력에 따라 상기 재순환 밸브를 개폐 제어하는 단계;
를 순차적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 엔진의 과급시스템.