KR101198807B1 - 엔진의 이지알시스템 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 엔진의 이지알시스템 제어방법은, 엔진으로 공급되는 공기의 질량과 실린더 안으로 들어가는 공기의 질량을 이용하여 이지알가스의 목표질량유량(목표 이지알 질량유량)을 연산하는 단계, 상기 이지알가스의 목표질량유량과 이지알밸브의 전후단 조건을 이용하여 상기 이지알밸브의 유효흐름면적(EFA: effective flow area)을 연산하는 단계, 및 상기 유효흐름면적을 이용하여 설정된 커브피팅식(curve fitting formula)을 이용하여 상기 이지알밸브의 밸브개도량을 연산하는 단계를 포함한다.
따라서, 운전조건에 따라서, 이지알라인을 흐르는 이지알가스의 목표질량유량을 정확하고 신속하게 연산하고, 이에 따른 이지알밸브의 개도량을 정확하고 신속하게 반영하여, 이지알가스의 유량을 정확하고 신속하게 제어할 수 있다.

Description

엔진의 이지알시스템 제어방법{CONTROLING MEHOD FOR EGR SYSTEM OF ENGINE}
본 발명은 배기라인의 배기가스를 흡기라인으로 재순환시키고, 재순환가스의 유량을 정밀하게 제어하는 엔진의 이지알(EGR: exhaust gas recirculation)시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 차량에 탑재되는 대부분의 디젤엔진(diesel engine)에는 배기가스 규제에 대응하기 위해 배기가스 재순환 시스템이 설치된다.
배기가스 재순환 시스템은 엔진에서 배출되는 배기가스의 일부를 실린더의 흡기 장치로 되돌림으로써 엔진의 연소 온도를 내리고, NOx의 발생량을 저감시킨다.
재순환되는 배기가스(이지알 가스: EGR gas)는 설정온도로 냉각되어 흡기매니폴드로 공급되도록, 이지알밸브와 이지알쿨러가 배치된다.
엔진의 회전속도와 연료분사량을 적용하여 피드포워드(feed forward) 제어로 이지알밸브를 제어하여 이지알 가스의 유량을 제어하고, MAF는 이지알가스의 유량을 간접적으로 감지한다.
한편, 엔진의 회전속도와 연료분사량에 따라서 설정되는 이지알가스의 유량은 여러 가지로 가변될 수 있으며, 이지알가스의 실제 유동이 반영되지 않으며, 특정 조건에서는 실제로 피드백 제어에 방해가 되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 배기라인에서 흡기라인으로 재순환되는 배기가스의 유량을 정밀하게 제어하여, 연료소모를 감소시키고 배기가스의 품질(quality)을 향상시키는 엔진의 이지알시스템 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 엔진의 이지알시스템 제어방법은, 엔진으로 공급되는 공기의 질량과 실린더 안으로 들어가는 공기의 질량을 이용하여 이지알가스의 목표질량유량(목표 이지알 질량유량)을 연산하는 단계, 상기 이지알가스의 목표질량유량과 이지알밸브의 전후단 조건을 이용하여 상기 이지알밸브의 유효흐름면적(EFA: effective flow area)을 연산하는 단계, 및 상기 유효흐름면적을 이용하여 설정된 커브피팅식(curve fitting formula)을 이용하여 상기 이지알밸브의 밸브개도량을 연산하는 단계를 포함한다.
상기 이지알가스의 목표질량유량는 수식(1),
Figure 112010080231649-pat00001
에 의해서 연산된다.
여기서,
Figure 112010080231649-pat00002
는 이지알가스의 목표질량유량이고,
Figure 112010080231649-pat00003
는 흡기되는 공기의 계측된 질량유량이고,
Figure 112010080231649-pat00004
는 실린더 안으로 흡입된다.
상기 유효흐름면적(EFA)는 수식(2),
Figure 112010080231649-pat00005
에 의해서 연산된다.
여기서, Rexh은 배기가스의 기체상수이고, Texh는 배기가스의 온도이며, PR은 상기 이지알밸브의 전후단 압력비이고, k는 비열비이며, pcr 은 설정치인 임계값이다.
상기 커브피팅식은 수식(3),
Figure 112010080231649-pat00006
이다.
여기서, EGR valve lift는 상기 이지알밸브의 목표 밸브개도량을 나타내고, P1, P2, P3, P4 는 상수이며, EFA는 유효흐름면적이다.
상기
Figure 112010080231649-pat00007
는
Figure 112010080231649-pat00008
이며,
Figure 112010080231649-pat00009
는 실린더의 체적효율이고,
Figure 112010080231649-pat00010
는 흡입되는 공기의 밀도이고,
Figure 112010080231649-pat00011
는 실린더 행정체적이고, N은 엔진회전수이다.
상기
Figure 112010080231649-pat00012
는
Figure 112010080231649-pat00013
이고, R은 기체상수이며, Tint는 흡입되는 공기의 온도이다.
앞에서 기재된 바와 같이 본 발명에 따른 엔진의 이지알시스템 제어방법에서, 운전조건에 따라서, 이지알라인을 흐르는 이지알가스의 목표질량유량을 정확하고 신속하게 연산하고, 이에 따른 이지알밸브의 개도량을 정확하고 신속하게 반영하여, 이지알가스의 유량을 정확하고 신속하게 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 이지알시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 이지알시스템 제어방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 이지알시스템 제어방법에서 제어인자들을 보여준다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 이지알시스템 제어방법에 의한 효과를 보여주는 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 이지알시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 엔진의 이지알시스템은 엔진(100), 배기라인(120), 촉매(110), 흡기라인(160), 이지알라인(140), 이지알밸브(130), 이지알쿨러(150), 및 제어부(170)를 포함한다.
아울러, 상기 이지알밸브(130)의 전후단 차압을 감지하는 차압센서(미도시), 상기 이지알라인(140)을 지나는 이지알가스의 실제유량을 감지하는 이지알유량감지부(미도시), 및 상기 흡기라인(160)을 지나는 흡기의 실제유량을 감지하는 흡기유량감지부(미도시)를 포함한다.
상기 엔진(100)에서 생성되는 배기가스는 상기 배기라인(120)을 통해서 대기로 방출되는데, 상기 촉매(110)에서 유래물질이 저감되고, 일부는 상기 이지알라인(140)을 통해서 상기 흡기라인(160)으로 재순환된다.
상기 제어부(170)는 상기 이지알밸브(130)의 개도량을 제어하여, 상기 이지알라인(140)을 통해서 흐르는 이지알가스를 정밀하게 제어한다.
도 2 및 도 3을 참조하여, 이지알밸브의 개도량을 제어하는 방법에 대해서 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 이지알시스템 제어방법을 보여주는 플로우차트이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 이지알시스템 제어방법에서 제어인자들을 보여준다.
도 2의 ①을 참조하면, intake manifold model은 흡기매니폴드 모델로써, 상기 제어부(170)는 운전조건(operating condition)으로써 흡기압력(Pint), 흡기온도(Tint), 엔진회전수(RPM)을 감지하고, 상기 흡기매니폴드모델을 실행한다. 여기서, Target MAF는 목표 흡기유량을 나타낸다.
도 3의 ①을 참조하면, 목표EGR질량유량은 상기 이지알라인(140)을 흐르는 이지알 가스의 목표질량유량을 의미하는 것으로,
Figure 112010080231649-pat00014
은 흡기되는 공기의 질량유량(
Figure 112010080231649-pat00015
)과 실린더안으로 흡입되는 공기의 질량유량(
Figure 112010080231649-pat00016
)에 의해서 연산된다.
좀 더 상세하게는 목표EGR질량유량(이지알가스의 목표질량유량)은 아래 수식(1)에 의해서 연산된다.
[수식1]
Figure 112010080231649-pat00017
여기서,
Figure 112010080231649-pat00018
는
Figure 112010080231649-pat00019
이며,
Figure 112010080231649-pat00020
는 실린더의 체적효율이고,
Figure 112010080231649-pat00021
는 흡입되는 공기의 밀도이고,
Figure 112010080231649-pat00022
는 실린더 행정체적이고, N은 엔진회전수이며, 상기
Figure 112010080231649-pat00023
는
Figure 112010080231649-pat00024
이고, R은 기체상수이며, Tint는 흡입되는 공기의 온도이다.
도 2의 ②를 참조하면, Inverse valve flow model g-1은 EGR의 유량모델을 의미하는 것으로, 상기 제어부(170)는 운전조건(operating condition)으로 흡기압력(Pint), 흡기온도(Tint), 엔진회전수(RPM)을 감지하고, 상기 EGR의 유량모델을 실행한다.
도 3의 ②를 참조하면, EGR질량모델은 목표EGR질량유량(이지알가스의 목표질량유량)
Figure 112010080231649-pat00025
에 의해서 계산된다.
좀 더 상세하게는 EGR유량모델은 상기 이지알밸브(130)의 유효흐름면적(EFA: effective flow area)을 구하기 위한 것으로 아래 수식(2)에 의해서 연산된다.
[수식2]
Figure 112010080231649-pat00026

여기서, Rexh은 배기가스의 기체상수이고, Texh는 배기가스의 온도이며, PR은 상기 이지알밸브(130)의 전후단 압력비이고, k는 비열비이며, pcr 은 설정치인 임계값이며, 배기가스의 온도와 상기 이지알밸브(130)의 전후단 압력은 차압센서(미도시)와 온도센서(미도시)에 의해서 감지된다. 본 발명의 실시예에서, 차압센서와 온도센서에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 2의 ③을 참조하면, Inverse poppet valve model은 상기 이지알밸브(130)의 목표개도량을 구하는 모델로써, 도 3의 ②에서 연산된 EFA(effective flow area: 유료흐름면적)에 의해서 연산된다.
좀 더 상세하게는 상기 이지알밸브(130)의 목표개도량은 아래 수식(3)에 의해서 연산된다.
[수식3]
Figure 112010080231649-pat00027
여기서, 상기 수식(3)은 실험데이터에 의해서 수학적으로 만들어진 그래프에 맞게 만들어진 커브피팅식(curve fitting formula)로써, EGR valve lift는 상기 이지알밸브(130)의 목표 밸브개도량을 나타내고, P1, P2, P3, P4 는 상수이며, EFA는 유효흐름면적을 나타낸다. 아울러, 상기 커브피팅식은 밸브의 설계사양에 따라서 달라질 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 상기 수식(3)에 의해서 연산된 상기 이지알밸브(130)의 목표 밸브개도량을 앞먹임제어(feed forward control)의 목표값으로 설정하여, 상기 이지알밸브(130)의 개도량을 제어한다. 도 2에서, FF valve lift는 앞먹임제어(fast forward)로 밸브개도량(valve lift)을 제어한다는 것을 의미한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 이지알시스템 제어방법에 의한 효과를 보여주는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 상기 이지알라인(140)을 흐르는 이지알가스의 질량유량(MAF: mass air flow)을 보여준다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 제어가 미적용된 경우보다 적용된 경우에, 안정화시간(settling time)이 약 1.43초에서 0.45초로 개선된 것을 보여준다.
즉, 본 발명의 제어가 적용된 경우에 상기 이지알밸브(130)가 신속하게 반응하여, 목표하는 이지알가스의 목표 질량유량을 신속한 시간에 구현할 수 있는 것이다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 엔진
110: 촉매
120: 배기라인
130: 이지알밸브
140: 이지알라인
150: 이지알쿨러.
160: 흡기라인
170: 제어부

Claims (6)

  1. 엔진으로 공급되는 공기의 질량과 실린더 안으로 들어가는 공기의 질량을 이용하여 이지알가스의 목표질량유량(목표 이지알 질량유량)을 연산하는 단계;
    상기 이지알가스의 목표질량유량과 이지알밸브의 전후단 조건을 이용하여 상기 이지알밸브의 유효흐름면적(EFA: effective flow area)을 연산하는 단계; 및
    상기 유효흐름면적을 이용하여 설정된 커브피팅식(curve fitting formula)을 이용하여 상기 이지알밸브의 밸브개도량을 연산하는 단계; 를 포함하는 엔진의 이지알시스템 제어방법.
  2. 제1항에서,
    상기 이지알가스의 목표질량유량는 수식(1),
    Figure 112010080231649-pat00028
    에 의해서 연산되는 것을 특징으로 하는 엔진의 이지알시스템 제어방법.
    여기서,
    Figure 112010080231649-pat00029
    는 이지알가스의 목표질량유량이고,
    Figure 112010080231649-pat00030
    는 흡기되는 공기의 계측된 질량유량이고,
    Figure 112010080231649-pat00031
    는 실린더 안으로 흡입되는 공기의 질량유량이다.
  3. 제1항에서,
    상기 유효흐름면적(EFA)는 수식(2),
    Figure 112010080231649-pat00032
    에 의해서 연산되는 것을 특징으로 하는 엔진의 이지알시스템 제어방법.
    여기서, Rexh은 배기가스의 기체상수이고, Texh는 배기가스의 온도이며, PR은 상기 이지알밸브의 전후단 압력비이고, k는 비열비이며, pcr 은 설정치인 임계값이다.
  4. 제1항에서,
    상기 커브피팅식은 수식(3),
    Figure 112010080231649-pat00033
    인 것을 특징으로 하는 엔진의 이지알시스템의 제어방법.
    여기서, EGR valve lift는 상기 이지알밸브의 목표 밸브개도량을 나타내고, P1, P2, P3, P4 는 상수이며, EFA는 유효흐름면적이다.
  5. 제2항에서,
    상기
    Figure 112010080231649-pat00034
    는
    Figure 112010080231649-pat00035
    이며,
    Figure 112010080231649-pat00036
    는 실린더의 체적효율이고,
    Figure 112010080231649-pat00037
    는 흡입되는 공기의 밀도이고,
    Figure 112010080231649-pat00038
    는 실린더 행정체적이고, N은 엔진회전수인 것을 특징으로 하는 엔진의 이지알시스템의 제어방법.
  6. 제5항에서,
    상기
    Figure 112010080231649-pat00039
    는
    Figure 112010080231649-pat00040
    이고, R은 기체상수이며, Tint는 흡입되는 공기의 온도인 것을 특징으로 하는 엔진의 이지알시스템의 제어방법.
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