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KR101558386B1 - 터보차저 제어 방법 및 장치 - Google Patents

터보차저 제어 방법 및 장치 Download PDF

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Publication number
KR101558386B1
KR101558386B1 KR1020140131633A KR20140131633A KR101558386B1 KR 101558386 B1 KR101558386 B1 KR 101558386B1 KR 1020140131633 A KR1020140131633 A KR 1020140131633A KR 20140131633 A KR20140131633 A KR 20140131633A KR 101558386 B1 KR101558386 B1 KR 101558386B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
motor
value
motor torque
boost pressure
controlling
Prior art date
Application number
KR1020140131633A
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English (en)
Inventor
양재식
황태원
김성원
염기태
Original Assignee
현대자동차 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차 주식회사 filed Critical 현대자동차 주식회사
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02B37/12—Control of the pumps
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Abstract

본 발명은 전동식 터보차저 제어 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 터빈, 컴프레서, 및 모터를 포함하는 전동식 터보차저를 제어하는 방법은, 가속 조건을 만족하는지를 판단하는 단계; 상기 가속 조건을 만족하면, 부스트압 목표값을 계산하는 단계; 상기 부스트압 목표값에 따라 모터 토크를 제어하는 단계; 현재의 모터 회전수가 제1 설정값 보다 크거나 같으면, 현재의 모터 회전수와 설정 시간 이전의 모터 회전수의 차이값을 계산하는 단계; 및 상기 차이값이 제2 설정값 보다 작으면, 모터 토크를 제한하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

터보차저 제어 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING TURBOCHARGER}
본 발명은 터보차저 제어 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량의 가속감을 향상시킬 수 있는 터보차저 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 터보차저는 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 이용하여 터빈을 회전시키고, 그 회전력으로 컴프레서를 회전시켜 엔진에 고압의 공기를 과급하여 엔진의 출력을 높이는 장치이다.
배기가스만을 이용하여 흡입 공기를 압축하여 엔진으로 공급하는 것은 한계가 있어, 종래의 터보차저 시스템의 경우 부스트압이 부스트압 목표값을 빠르게 추종하지 못하였다.
최근에는 터보 차저의 회전축을 모터로 구동시킬 수 있도록 하여 저속 토크에서는 상기 모터에 의해 컴프레서를 구동시키고, 고속 토크에서는 배기가스에 의해 회전하는 터빈의 회전력을 이용하여 컴프레서를 구동시키는 전동식 터보 차저가 적용된 전동식 터보차저 시스템이 사용되고 있다.
종래의 전동식 터보차저 시스템의 경우 부스트압을 조절하기 위해 웨이스트 게이트 밸브(waste gate valve)가 배기 라인 상에 설치된다. 웨이스트 게이트 밸브의 개도에 따라 부스트압을 증가시키거나 감소시킬 수 있다.
도 4는 전동식 터보차저에 적용되는 모터의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 모터의 운전 영역을 제1 영역(R1)과 제2 영역(R2)으로 구분할 수 있다. 모터 회전수가 소정의 회전수(V1) 보다 작은 제1 영역(R1)에서는 모터의 회전수가 변하더라도 모터 토크는 변하지 않는다. 반면, 모터 회전수가 상기 소정의 회전수(V1) 보다 큰 제2 영역(R2)에서는 모터의 회전수가 감소하면 모터 토크가 증가한다.
상기 웨이스트 게이트 밸브의 개도에 따라 부스트압이 변동하면 모터 회전수가 급격하게 감소하는 경우가 발생할 수 있다. 상기 제1 영역(R1)에서 모터 회전수가 감소하면 모터 토크가 일정하기 때문에 부스트압이 급격하게 변하지 않는다. 그러나, 상기 제2 영역(R2)에서 모터 회전수가 급격하게 감소하면 모터 토크가 급격하게 상승하기 때문에, 부스트압이 급격하게 상승하여 운전자는 비선형적인 가속감을 느끼게 된다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 모터 토크가 급격하게 변동하는 것을 방지하고 모터의 효율을 향상시킬 수 있는 터보차저 제어 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 터빈, 컴프레서, 및 모터를 포함하는 전동식 터보차저를 제어하는 방법은, 가속 조건을 만족하는지를 판단하는 단계; 상기 가속 조건을 만족하면, 부스트압 목표값을 계산하는 단계; 상기 부스트압 목표값에 따라 모터 토크를 제어하는 단계; 현재의 모터 회전수가 제1 설정값 보다 크거나 같으면, 현재의 모터 회전수와 설정 시간 이전의 모터 회전수의 차이값을 계산하는 단계; 및 상기 차이값이 제2 설정값 보다 작으면, 모터 토크를 제한하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 모터 토크를 제한하는 단계는 모터 토크 맵을 사용하여 상기 모터 토크를 보정하는 단계를 포함하고, 상기 모터 토크 맵에는 상기 현재의 모터 회전수와 상기 차이값에 따른 모터 토크가 설정되어 있을 수 있다.
상기 가속 조건의 만족 여부는 가속 페달의 위치값, 가속 페달의 위치 변화값, 차량의 가속도, 및 변속단을 기초로 판단될 수 있다.
상기 부스트압 목표값은 가속 페달의 위치값, 엔진 회전수, 흡기량, 및 흡기온을 기초로 계산될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 터빈, 컴프레서, 및 모터를 포함하는 전동식 터보차저를 제어하는 장치는, 상기 전동식 터보차저를 제어하기 위한 데이터를 검출하는 데이터 검출부; 및 상기 데이터 검출부로부터 전달 받은 전기적인 신호를 기초로 가속 조건을 만족하는지를 판단하고, 상기 가속 조건을 만족하면 부스트압 목표값을 계산하며, 상기 부스트압 목표값에 따라 모터 토크를 제어하는 제어부;를 포함하되, 상기 제어부는 현재의 모터 회전수가 제1 설정값 보다 크거나 같으면 현재의 모터 회전수와 설정 시간 이전의 모터 회전수의 차이값을 계산하고, 상기 차이값이 제2 설정값 보다 작으면, 모터 토크를 제한할 수 있다.
상기 모터 토크를 제한할 때, 상기 제어부는 모터 토크 맵을 사용하여 상기 모터 토크를 보정하고, 상기 모터 토크 맵에는 상기 현재의 모터 회전수와 상기 차이값에 따른 모터 토크가 설정되어 있을 수 있다.
상기 제어부는 가속 페달의 위치값, 가속 페달의 위치 변화값, 차량의 가속도, 및 변속단을 기초로 상기 가속 조건을 만족하는지를 판단할 수 있다.
상기 제어부는 가속 페달의 위치값, 엔진 회전수, 흡기량, 및 흡기온을 기초로 상기 부스트압 목표값을 계산할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 모터 토크가 급격하게 변동하는 것을 방지하여 운전자에게 선형적인 가속감을 제공할 수 있다. 또한, 모터가 불필요하게 과급을 보조하는 것을 방지하여 모터의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전동식 터보차저 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전동식 터보차저 제어 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전동식 터보차저 제어 방법의 흐름도이다.
도 4는 전동식 터보차저에 적용되는 모터의 특성을 나타내는 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성은 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전동식 터보차저 시스템의 구성도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전동식 터보차저 제어 장치의 블록도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전동식 터보차저 시스템은 전동식 터보차저(110), 흡기 라인(120), 스로틀 밸브(131), 제1 배기 라인(150), 제2 배기 라인(160), 웨이스트 게이트 밸브(151), 및 제어부(20)를 포함할 수 있다.
상기 전동식 터보차저(110)는 터빈(111), 컴프레서(112), 및 모터(113)를 포함한다. 상기 터빈(111)은 배기 가스에 의해 회전하고, 상기 컴프레서(112)는 상기 터빈(111)의 회전에 의해 발생하는 동력에 의해 회전한다.
상기 터빈(111)과 컴프레서(112)를 연결하는 샤프트(114)에 모터(113)가 배치된다. 엔진(140)의 출력이 낮을 때, 상기 모터(113)에서 출력되는 모터 토크는 컴프레서(111)의 회전을 보조하여 엔진(140)의 출력을 높일 수 있다.
흡기 라인(120)은 엔진(140)의 흡기 매니폴드(135)로 공기를 공급한다. 상기 흡기 라인(120)으로 유입되는 공기는 에어크리너(100)를 통해 정화될 수 있다. 상기 컴프레서(112)가 회전하면서 외부에서 유입된 공기가 압축되어 엔진(140)으로 공급된다. 따라서, 고압의 공기가 공급되어 엔진(140)의 출력을 높일 수 있다. 상기 컴프레서(112)를 통과하는 공기를 냉각하기 위해 인터 쿨러(105)가 상기 흡기 라인(120) 상에 구비될 수 있다.
스로틀 밸브(131)는 스로틀 바디(130)내에 구비될 수 있고, 상기 스로틀 바디 내에는 흡기량 센서(132) 및 부스트압 센서(133)가 구비될 수 있다. 상기 스로틀 밸브(131)의 개도에 따라 상기 흡기 라인(120)으로부터 엔진(140)으로 공급되는 공기의 흐름이 제어된다.
제1 배기 라인(150)은 배기 매니폴드(145)의 배기 가스를 배출하도록 형성된다. 상기 제1 배기 라인(150) 상에는 촉매를 포함하는 후처리장치(155)가 구비되어 배기가스의 유해 성분을 저감할 수 있다.
제2 배기 라인(160)은 배기 매니폴드(145)로부터 배출되는 배기 가스의 일부가 상기 터빈(111)을 거쳐 상기 제1 배기 라인(150)에 합류하도록 형성된다.
웨이스트 게이트 밸브(150)의 개도에 따라 상기 제1 배기 라인(150)으로부터 배출되는 배기 가스의 흐름이 제어된다.
제어부(20)는 차량의 운전 조건에 따라 스로틀 밸브(131)와 웨이스트 게이트 밸브(151)의 개도를 제어하고, 엔진(140)에 구비된 인젝터(142)의 작동을 제어한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전동식 터보차저 제어 장치(200)는 데이터 검출부(10), 제어부(20), 및 모터(113)를 포함할 수 있다.
데이터 검출부(10)는 전동식 터보차저(110)를 제어하기 위한 데이터를 검출하여 제어부(20)에 전달한다. 데이터 검출부(10)는 가속 페달 위치 센서(11), 부스트압 센서(133), 차속 센서(12), 변속단 센서(13), 엔진 회전수 센서(14), 흡기량 센서(132), 흡기온 센서(15), 및 모터 회전수 센서(16)를 포함할 수 있다.
가속 페달 위치 센서(11)는 가속 페달의 위치값(가속 페달이 눌린 정도)을 측정하여 이에 대한 신호를 제어부(20)에 전달한다. 가속 페달이 완전히 눌린 경우에는 가속 페달의 위치값이 100%이고, 가속 페달이 눌리지 않은 경우에는 가속 페달의 위치값이 0%이다.
부스트압 센서(133)는 흡기 매니폴드(135)로 공급되는 공기의 부스트압을 측정하여 이에 대한 신호를 제어부(20)에 전달한다. 제어부(20)는 부스트압 측정값을 미분함으로써 부스트압 측정값의 변화율을 계산할 수 있다.
차속 센서(12)는 차속을 측정하여 이에 대한 신호를 제어부(20)에 전달한다. 차속 센서(12)는 차량의 휠에 장착될 수 있다. 제어부(20)는 차속을 미분함으로써 차량의 가속도를 계산할 수 있다.
변속단 센서(13)는 현재 체결되어 있는 변속단을 검출하고 이에 대한 신호를 제어부(20)에 전달한다. 예를 들어, 6속 변속기의 경우 체결될 수 있는 변속단은 1속, 2속, 3속, 4속, 5속, 6속, 및 후진 변속단이다.
엔진 회전수 센서(14)는 크랭크 샤프트의 위상 변화로부터 엔진 회전수를 측정하여 이에 대한 신호를 제어부(20)에 전달한다.
흡기량 센서(132)는 흡기 매니폴드(135)로 공급되는 공기의 유량을 측정하여 이에 대한 신호를 제어부(20)에 전달한다.
흡기온 센서(15)는 흡기 매니폴드(135)로 공급되는 공기의 온도를 측정하여 이에 대한 신호를 제어부(20)에 전달한다.
모터 회전수 센서(16)은 모터(113)의 회전수를 측정하여 이에 대한 신호를 제어부(20)에 전달한다.
제어부(20)는 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 마이크로프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 후술하는 본 발명의 실시예에 따른 전동식 터보차저(110)를 제어하는 방법에 포함된 각 단계를 수행하기 위한 일련의 명령을 포함하는 것으로 할 수 있다.
제어부(20)는 상기 데이터 검출부(10)로부터 전달 받은 전기적인 신호를 기초로 제어 전류를 모터(113)로 인가하여, 모터 토크를 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전동식 터보차저 제어 방법의 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전동식 터보차저(110)를 제어하는 방법은 가속 조건을 만족하는지 판단함으로써 시작된다(S100). 즉, 제어부(20)는, 이에 한정되지는 않지만, 가속 페달 위치값, 가속 페달 위치 변화값, 차량의 가속도, 및 변속단을 기초로 가속 조건을 만족하는지 판단할 수 있다. 예를 들어, 상기 가속 조건은 사고 페달 위치값과 가속 페달 위치 변화값이 0 보다 크고, 변속단이 후진 변속단이 아닌 경우 만족되는 것으로 할 수 있다.
상기 S100 단계에서 상기 가속 조건을 만족하지 않으면, 본 발명의 일실시예에 따른 전동식 터보차저(110)를 제어하는 방법은 종료된다.
상기 S100 단계에서 상기 가속 조건을 만족하면, 제어부(20)는 부스트압 목표값(BPT)을 계산한다(S110). 상기 제어부(20)는, 이에 한정되지는 않지만, 가속 페달 위치값, 엔진 회전수, 흡기량, 및 흡기온을 기초로 상기 부스트압 목표값(BPT)을 계산할 수 있다.
제어부(20)는 상기 부스트압 목표값(BPT)에 따라 상기 모터(113)에 제어 전류를 인가하여 모터 토크를 제어한다(S120). 이하, 모터(113)가 1 Nm의 모터 토크를 출력하여 컴프레서(111)의 회전을 보조하는 것으로 가정한다.
제어부(20)는 현재의 모터 회전수(MRPM1)와 제1 설정값(V1)을 비교한다(S130). 상기 제1 설정값(V1)은 모터(113)의 특성을 고려하여 당업자가 바람직하다고 판단되는 값으로 설정할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 모터 회전수가 상기 제1 설정값(V1) 보다 작은 제1 영역(R1)에서는 모터 토크가 일정하고, 모터 회전수가 상기 제1 설정값(V1) 보다 큰 제2 영역(R2)에서는 모터 회전수가 감소하면 모터 토크가 증가한다.
상기 S130 단계에서 상기 현재의 모터 회전수(MRPM1)가 상기 제1 설정값(V1) 보다 작으면, 본 발명의 실시예에 따른 전동식 터보차저(110)를 제어하는 방법은 종료된다.
상기 S130 단계에서 상기 현재의 모터 회전수(MRPM1)가 상기 제1 설정값(V1) 보다 크거나 같으면, 제어부(20)는 상기 현재의 모터 회전수(MRPM1)와 설정된 시간 이전의 모터 회전수(MRPM00)의 차이값(MRPMD)을 계산한다(S140). 상기 설정된 시간은 당업자가 바람직하다고 판단되는 값으로 설정할 수 있다. 예를 들어, 상기 현재의 모터 회전수(MRPM1)가 100,000 RPM 이고 상기 설정된 시간 이전의 모터 회전수(MRPM0)가 110,000 RPM 이면, 상기 차이값(MRPMD)은 -10,000 이다.
제어부(20)는 상기 차이값(MRPMD)과 제2 설정값(V2)을 비교한다(S150). 상기 제2 설정값(V2)은 모터 토크를 제한할 것인지 여부를 결정하는 기준이 되는 값으로서 모터(113)의 특성을 고려하여 당업자가 바람직하다고 판단되는 값으로 설정할 수 있다.
상기 S150 단계에서 상기 차이값(MRPMD)이 상기 제2 설정값(V2) 보다 크거나 같으면, 본 발명의 실시예에 따른 전동식 터보차저(110)를 제어하는 방법은 종료된다.
상기 S150 단계에서 상기 차이값(MRPMD)이 상기 제2 설정값(V2) 보다 작으면, 제어부(20)는 상기 모터 토크를 제한한다(S160). 즉, 상기 차이값(MRPMD)이 상기 제2 설정값(V2) 보다 작으면, 모터 회전수가 급격하게 감소하는 경우이다. 따라서, 모터 토크가 급격하게 상승할 수 있어 모터 토크를 제한할 필요가 있다. 예를 들어, 상기 제2 설정값(V2)이 -5,000 으로 설정된 경우, 상기 차이값(MRPMD = -10,000)이 제2 설정값(V2 = -5,000) 보다 작으므로 제어부(20)는 상기 모터 토크를 제한한다.
이때, 제어부(20)는 모터 토크 맵을 사용하여 상기 모터 토크를 보정할 수 있다. 상기 모터 토크 맵에는 상기 현재의 모터 회전수(MRPM1)와 상기 차이값(MRPMD)에 따른 모터 토크가 설정되어 있을 수 있다.
상기 S100 단계 내지 S160 단계가 반복 수행됨에 따라 선형적인 가속감을 운전자에게 제공할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 모터 토크가 급격하게 변동하는 것을 방지하여 운전자에게 선형적인 가속감을 제공할 수 있다. 또한, 모터(113)가 불필요하게 과급을 보조하는 것을 방지하여 모터(113)의 효율을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 데이터 검출부 20: 제어부
100: 에어크리너 110: 전동식 터보차저
111: 터빈 112: 컴프레서
113: 모터 114: 샤프트
120: 흡기 라인 130: 스로틀 바디
131: 스로틀 밸브 132: 흡기량 센서
133: 부스트압 센서 135: 흡기 매니폴드
140: 엔진 142: 인젝터
145: 배기 매니폴드 150: 제1 배기 라인
151: 웨이스트 게이트 밸브 155: 후처리 장치
160: 제2 배기 라인 200: 전동식 터보차저 제어 장치

Claims (8)

  1. 터빈, 컴프레서, 및 모터를 포함하는 전동식 터보차저를 제어하는 방법에 있어서,
    가속 조건을 만족하는지를 판단하는 단계;
    상기 가속 조건을 만족하면, 부스트압 목표값을 계산하는 단계;
    상기 부스트압 목표값에 따라 모터 토크를 제어하는 단계;
    현재의 모터 회전수가 제1 설정값 보다 크거나 같으면, 현재의 모터 회전수와 설정 시간 이전의 모터 회전수의 차이값을 계산하는 단계; 및
    상기 차이값이 제2 설정값 보다 작으면, 모터 토크를 제한하는 단계;
    를 포함하는 전동식 터보차저 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모터 토크를 제한하는 단계는
    모터 토크 맵을 사용하여 상기 모터 토크를 보정하는 단계를 포함하고,
    상기 모터 토크 맵에는 상기 현재의 모터 회전수와 상기 차이값에 따른 모터 토크가 설정되어 있는 전동식 터보차저 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가속 조건의 만족 여부는 가속 페달의 위치값, 가속 페달의 위치 변화값, 차량의 가속도, 및 변속단을 기초로 판단되는 전동식 터보차저 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 부스트압 목표값은 가속 페달의 위치값, 엔진 회전수, 흡기량, 및 흡기온을 기초로 계산되는 전동식 터보차저 제어 방법.
  5. 터빈, 컴프레서, 및 모터를 포함하는 전동식 터보차저를 제어하는 장치에 있어서,
    상기 전동식 터보차저를 제어하기 위한 데이터를 검출하는 데이터 검출부; 및
    상기 데이터 검출부로부터 전달 받은 전기적인 신호를 기초로 가속 조건을 만족하는지를 판단하고, 상기 가속 조건을 만족하면 부스트압 목표값을 계산하며, 상기 부스트압 목표값에 따라 모터 토크를 제어하는 제어부;
    를 포함하되,
    상기 제어부는 현재의 모터 회전수가 제1 설정값 보다 크거나 같으면 현재의 모터 회전수와 설정 시간 이전의 모터 회전수의 차이값을 계산하고, 상기 차이값이 제2 설정값 보다 작으면, 모터 토크를 제한하는 것을 특징으로 하는 전동식 터보차저 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 모터 토크를 제한할 때, 상기 제어부는 모터 토크 맵을 사용하여 상기 모터 토크를 보정하고,
    상기 모터 토크 맵에는 상기 현재의 모터 회전수와 상기 차이값에 따른 모터 토크가 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 전동식 터보차저 제어 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는 가속 페달의 위치값, 가속 페달의 위치 변화값, 차량의 가속도, 및 변속단을 기초로 상기 가속 조건을 만족하는지를 판단하는 전동식 터보차저 제어 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는 가속 페달의 위치값, 엔진 회전수, 흡기량, 및 흡기온을 기초로 상기 부스트압 목표값을 계산하는 전동식 터보차저 제어 장치.
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