KR101567718B1

KR101567718B1 - 디젤 연소음 제어 방법 및 그 제어 시스템.

Info

Publication number: KR101567718B1
Application number: KR1020140095971A
Authority: KR
Inventors: 정인수
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2014-07-28
Filing date: 2014-07-28
Publication date: 2015-11-10
Also published as: US9506419B2; US20160025032A1

Abstract

디젤 연소음 제어 방법이 소개된다.
이를 위해 본 발명은, 최대 열발생율 발생 위치인 크랭크 각도의 제1목표값과 연소음 지수의 제2목표값을 설정하는 단계와, 차량의 현재 상태에서의 크랭크 각도와 상기 제1목표값과의 차이인 X값과 차량의 현재 상태에서의 연소음 지수와 상기 제2목표값과의 차이인 Y값을 연산하는 단계와, 상기 X값에 대한 Y값의 제3목표값을 설정하는 단계 및 상기 Y값과 제3목표값의 차이에 따라 엔진 측에 분사되는 연료의 파일럿 연료량을 조절하는 단계를 포함한다.

Description

디젤 연소음 제어 방법 및 그 제어 시스템.{METHOD ADD SYSTEM FOR CONTROLLING IGINITION NOISE OF DIESEL}

본 발명은 디젤 연소음 제어 방법 및 그 제어 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미리 설정된 최대 열발생율 발생 위치인 크랭크 각도와 연소음 지수를 이용 엔진과 실린더압력레벨에 대해 엔진의 분사변수를 제어함과 동시에 주 분사시기를 조절함으로써 디젤 엔진의 연소음을 줄이고, 연비를 향상시키는 디젤 연소음을 제어하는 방법 및 그 제어 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 내연 기관의 연소 제어에서는 기관 운전 상태에 따라서 연료 분사 모드의 변경이 수행된다.

이를 위해 엔진의 주 분사에 선행해서 제1 파일럿 분사 및 제2 파일럿 분사를 행하는 제1 분사 모드와 주 분사를 수행하는 제2 분사 모드가 연료 운전 상태에 따라 선택되고, 선택된 연료 분사 모드에 따라서 연료 분사가 수행된다.

이에 최적의 열 발생률의 발생 위치의 크랭크 각도의 변화 패턴은 한 가지가 아니라, 기관 운전 상태에 따라서 크게 달라진다.

특히, 연소 압력에 기인한 열 발생률(heat release rate) 기준이 50%가 되는 크랭크 각을 엠에프비50(MFB50:Mass Fraction Burned 50%)라고 하고, 이를 연소 제어의 판단 기준으로 삼는다.

한편, 일반적으로, 엔진의 연료 분사 제어에 있어서 개회로(Open loop)제어가 많이 이용되었으나, 에미션(Emission), 운전성 및 각종 하드웨어의 편차 등으로 인해서 발생 되는 엔진 동작의 불안정함을 보정 하기 위해서, 피드백 제어하는 폐회로(Closed loop)제어로 제어방식이 변경되고 있다.

이를 위한 폐회로 제어는 엔진이 표준 상황(온도 및 연료 상태 등)에서 동작할 때의 연소 압력을 통해 목표 값을 선정하고, 이 목표 값과 동일한 산출 방법에 의해서 현재 엔진의 연소 상태에 따른 실측값을 산출한 후에, 상기 목표 값과 상기 실측 값이 상이할 경우에는 엔진에 연료가 분사되는 주 연료 분사 시기 등을 보정하여 엔진의 연소가 표준 상황과 동일하도록 안정화시켜서, 배출 가스를 저감시킬 수 있다.

이와 같은 배출가스 저감을 위해서 실측값이 목표 값에 비해서 지각(retard)되었을 경우에는, 주 연료 분사시기를 진각(advance) 시켜서 엔진의 연소가 표준 상황과 동일하도록 안정화시킨다.

한편, 디젤 연료 세탄가 변화가 큰 북미에서는 실린더 압력 센서를 이용하여 연소의 안정성을 도모하고 있으며, 이를 위해 세탄가 변화에 관계없이 최대 연소압을 제어하기 위해 엔진 측으로의 연료의 주 분사시기를 제어하고 있다.

이때, 상기와 같은 종래의 구성 및 시스템의 경우 연소 안정성을 도모하기 위한 제어 로직인 반면, 본 발명은 상기와 같은 연소 안정성을 위한 제어 로직을 활용하는 대신, 연소음 지수 개념을 도입하여 연료의 주 분사에 앞서 파일럿 분사량을 조절함으로써 연소음을 줄일 수 있는 디젤 연소음 제어 방법 및 그 제어 시스템에 관한 것이다.

이와 관련된 선행 기술로, 한국공개특허공보 제10-2013-0137395호인 "디젤 엔진 연소음 저감을 위한 연료분사방법"이 개시되어 있으나, 상기 발명의 경우 엔진 측에 분사되는 총 연료분사량을 파일럿 분사와 스플릿 분사로 균일화시켜줌으로써 연소실 내 연소압력(실린더 압력)의 압력 상승 기울기 저감율이 크게 높아지는 효과가 있으나, 본 발명처럼 연소음 지수의 개념을 도입하여 미리 설정된 목표값과 비교한 뒤 파일럿 연료 분사량을 조절하는 기술적 사상을 개시하지 못하고 있는 한계를 가지고 있다.

본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

한국공개특허공보 제10-2013-0137395호(2013.12.17)

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해, 디젤 엔진의 연소음과 상관성이 높은 연소음 지수의 개념을 도입하여 미리 설정된 연소음 지수와 실제 측정된 연소음 지수와의 차이를 이용하여 엔진 측으로 분사되는 연료의 분사변수를 제어함은 물론, 주 분사시기도 조절함으로써 연비도 향상시키고 연소음도 줄일 수 있는 디젤 차량의 연소음을 제어하는 방법과 그 제어 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

디젤 연소음 제어 방법이 소개된다.

이를 위해 본 발명은, 최대 열발생율 발생 위치인 크랭크 각도의 제1목표값과 연소음 지수의 제2목표값을 설정하는 단계; 차량의 현재 상태에서의 크랭크 각도와 상기 제1목표값과의 차이인 X값과 차량의 현재 상태에서의 연소음 지수와 상기 제2목표값과의 차이인 Y값을 연산하는 단계; 상기 X값에 대한 Y값의 제3목표값을 설정하는 단계; 및 상기 Y값과 제3목표값의 차이에 따라 엔진 측에 분사되는 연료의 파일럿 연료량을 조절하는 단계를 포함한다.

상기 제1목표값과 제2목표값은 연료량, 엔진 회전수, 기어 단수, 흡기온 및 냉각수온의 값을 이용하여 설정되는 것을 특징으로 한다.

차량의 현재 상태의 크랭크 각도와 상기 제1목표값과의 차이인 X값을 연산한 뒤 그 차이에 따라 연료의 주분사시기를 조절하는 것을 특징으로 한다.

상기 Y값과 제3목표값의 차이에 따라 파일럿 연료량을 조절하는 단계에서 Y값이 상기 제3목표값보다 큰 경우에는 파일럿 연료량을 증대시키고, Y값이 제3목표값보다 작은 경우에는 파일럿 연료량을 감소시키는 것을 특징으로 한다.

디젤 연소음 제어 시스템이 소개된다.

이를 위해 본 발명은, 차량의 운전 상태를 검출하는 검출부; 상기 검출부에서 측정된 차량의 현재 상태의 크랭크 각도와 최대 열발생율 발생 위치인 크랭크 각도인 제1목표값과의 차이인 X값과 상기 검출부에서 측정된 차량의 현재 상태의 연소음 지수와 설정된 연소음 지수인 제2목표값과의 차이인 Y값을 측정하는 연산부; 상기 제1목표값, 제2목표값 및 상기 X값에 대한 Y값의 제3목표값이 설정된 데이터 저장부; 및 상기 Y값에 대한 제3목표값과의 차이에 따라 파일럿 연료량을 조절하는 제어부를 포함한다.

상기 데이터 저장부는. 연료량, 엔진 회전수, 기어 단수, 흡기온 및 냉각수온의 값을 이용하여 상기 제1목표값과 상기 제2목표값이 저장되는 것을 특징으로 한다.

상기 제어부는, 차량의 현재 상태의 크랭크 각도와 상기 제1목표값과의 차이인 X값에 따라 조정되어진 연료분사시기 신호를 주연료분사부에 송신하는 것을 특징으로 한다.

상기 제어부는, Y값이 상기 제3목표값보다 큰 경우에는 파일럿 연료량을 증대시키는 신호를, Y값이 제3목표값보다 작은 경우에는 파일럿 연료량을 감소시키는 신호를 파일럿연료분사부에 송신하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명인 디젤 연소음 제어 방법 및 그 제어 시스템에 의한다면 엔진의 연소음이 저감됨은 물론, 엔진의 연소 안정성도 동시에 발현되어 연비도 향상되는 등 다양한 효과가 구현된다.

도 1은 본 발명인 디젤 연소음 제어 방법의 전체 순서도.
도 2는 미리 설정된 목표값의 예시.
도 3은 연소음 지수와 엔진 연소음과의 상관 관계를 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명인 디젤 연소음 제어 방법의 각 단계에 대한 구체적인 순서도.
도 5는 본 발명인 디젤 연소음 제어 시스템의 전체 구성도.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명인 디젤 연소음 제어 방법 및 그 제어 시스템의 바람직한 실시 예를 설명한다.

도 1은 본 발명인 디젤 연소음 제어 방법의 전체 순서도이고, 도 4는 본 발명인 디젤 연소음 제어 방법의 각 단계에 대한 구체적인 순서도이다.

도시된 바와 같이 본 발명은 크게, 최대 열발생율 발생 위치인 크랭크 각도의 제1목표값과 연소음 지수의 제2목표값을 설정하는 단계(S100), 차량의 현재 상태에서의 크랭크 각도와 제1목표값과의 차이인 X값과 차량의 현재 상태에서의 연소음 지수와 제2목표값과의 차이인 Y값을 연산하는 단계(S200), X값에 대한 Y값의 제3목표값을 설정하는 단계(S300) 및 Y값과 제3목표값의 차이에 따라 엔진 측에 분사되는 연료의 파일럿 연료량을 조절하는 단계(S400)를 포함한다.

우선, 최대 열발생율 발생 위치인 크랭크 각도의 제1목표값을 설정하는 단계(S100)가 이루어지는데, 이는 연료량, 엔진 회전수, 기어 단수, 흡기온 및 냉각수온의 값을 이용하여 미리 저장된 값이다.

도 2(a)에 이러한 최대 열발생율 발생 위치인 크랭크 각도의 제1목표값이 예시되어 있다.

예를 들어, 엔진이 현재 1500RPM이고, 연료량이 10mg 인 경우에 최대 열발생율 발생 위치인 크랭크 각도는 16°로 제1목표값이 설정되는 것이다.

한편, 연소음 지수의 제2목표값 역시 설정되는데, 이 연소음 지수는 그 측정 방법을 이하 구체적으로 후술하겠지만, 도 3에 도시된 바와 같이 엔진의 연소음과 상관성이 높게(상관 계수 R=0.91) 제안되는 개념으로, 엔진의 연소음이 클수록 연소음 지수도 이에 비례하여 증가한다.

이 연소음 지수 역시, 최대 열발생율 발생 위치인 크랭크 각도의 제1목표값을 설정하는 단계처럼, 연료량, 엔진 회전수, 기어 단수, 흡기온 및 냉각수온의 값을 이용하여 미리 저장된 값이다.

도 2(b)에는 이러한 연소음 지수의 제2목표값이 예시되어 있다.

예를 들어, 엔진이 현재 1500RPM이고, 연료량이 10mg 인 경우에 연소음 지수는 167dB로 제2목표값이 설정된다.

한편, 그 다음 단계로 차량의 현재 상태에서의 크랭크 각도와 상기 제1목표값과의 차이인 X값과 차량의 현재 상태에서의 연소음 지수와 상기 제2목표값과의 차이인 Y값을 연산하는 단계(S200)가 이루어진다.

동일한 엔진RPM, 연료량에서의 크랭크 각도와 미리 설정된 제1목표값과의 차이인 X값을 연산하고, 같은 방식으로 동일한 엔진 rpm, 연료량에서의 연소음 지수와 미리 설정된 제2목표값과의 차이인 Y값을 연산하게 된다.

이때, 현재 차량의 상태에서의 연소음 지수를 측정하는 방법을 도 4를 참조로 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

엔진에 장착된 연소압 센서를 통해 실린더 압력을 측정(S10)하고, 소정 크랭크 각도(예를 들어 BTDC 30°~ ATDC 20°) 내의 연소압 파형을 FFT(Fast Fourier Transformation)로 신호 처리하여 1/3 옥타브 밴드로 실린더 압력 레벨(CPL)로 변환(S20)한다.

주지하다시피, 1/3 옥타브 밴드는 1옥타브에 대해 3개로 나누어 보여주는 것을 의미하고, TDC(Top Dead Center)는 이른바 상사점을 나타내며, BTD(Bottom Dead Center)는 이른바 하사점을 나타내며, ATDC(After Top Dead Center)인바, 상사점 후를 나타내고, BTDC(Before Top Dead Center)는 상사점 전을 나타낸다.

즉, 측정된 실린더 압력을 FFT로 신호 처리함으로써 웨이브 파형을 주파수별로 분리할 수 있는데, 이 실린더 압력을 실린더 압력 레벨(CPL)로 변환하고, 특정 주파수 범위에 대해 overall level 까지 진행하게 된다.

이러한 연소음 지수를 계산하는 수식이 아래 [수학식 1]에 개시되어 있다.

연소음 지수(CNI, Combustion Noise Index) =

10log((10⁽¹ ^kHz ^{1/3 옥타브 레벨/10)} + 10^(1.25 ^kHz ^{1/3 옥타브 레벨/10)} +10^(1.6 ^kHz ^{1/3 옥타브 레벨/10)} +10^{(2kHz 1/3 옥타브 레벨/10)} + 10^(2.5 ^kHz ^{1/3 옥타브 레벨/10)} + 10^(3.15 ^kHz ^{1/3 옥타브 레벨/10)} )

[수학식 1]

즉, 상기와 같은 연소음 지수를 계산하는 수식에 의해 측정된 현재 차량의 연소음 지수와 미리 설정된 연소음 지수값인 제2목표값과의 차이인 Y값을 연산하는 단계가 수행되는 것이다.

한편, 그 다음 단계로 상기 X값에 대한 Y값의 제3목표값을 설정하는 단계(S300)가 이루어지는데, 도 2(c)에 도시된 바와 같이, 차량의 현재 상태에서의 크랭크 각도와 제1목표값과의 차이인 X에 대해 차량의 RPM에 대해 각각의 연소음 지수와 제2목표값과의 차이인 미리 설정된 Y값인 제3목표값이 저장되어 있다.

예를 들어, 차량의 현재 상태에서의 크랭크 각도와 제1목표값과의 차이가 3°이고, RPM이 1500인 경우, 연소음 지수와 제2목표값과의 차이는 4dB로 미리 그 제3목표값이 설정되어 있다.

상기와 같은 맵을 이용한 본 발명의 제어과정을 설명하면 다음과 같다.

임의의 RPM과 연료량에서 제2목표값인 연소음 지수가 170dB이고, 측정된 연소음 지수가 172dB인 경우, 그 차이인 Y값은 2dB로 제2목표값보다 2dB 높다.

이때, 최대 열발생율 발생 위치인 크랭크 각도와 제1목표값인 크랭크 각도와의 차이인 X값이 3°인 경우 그에 대한 제3목표값인 Y가 첨부된 도면 2(c)에 1dB로 저장되어 있다면, 실제 그 차이가 2dB로 저장된 1dB 보다 1dB 만큼 높기 때문에 이 경우에는 연소음이 발생한다고 판단하여 연료의 파일럿 연료량을 증가시키게 된다.

즉, Y값과 제3목표값의 차이에 따라 엔진 측에 분사되는 연료의 파일럿 연료량을 조절하게 되는 것으로, Y값이 상기 제3목표값보다 큰 경우에는 파일럿 연료량을 증대시키고, Y값이 제3목표값보다 작은 경우에는 파일럿 연료량을 감소시킨다.

한편, 파일럿 분사는 주지하다시피, 엔진 측으로 연료의 주 분사가 일어나기 전에 연소 분위기(연소실의 온도를 상승시켜 연료 및 공기의 혼합을 개선)를 조성하는 것으로, 착화지연을 줄이고 주 분사에 의한 연소 압력 상승률을 낮추어 준다.

이를 통해 파일럿 분사가 수행됨으로써 연소실 내 연소압력의 압력상승기울기를 저감할 수 있고, 연소 압력의 급격한 상승이 방지됨으로써 연소음을 발생시키는 진동 가진원을 개선할 수 있는 효과가 구현된다.

한편, 본 발명은 상기와 같이 연소음이 높다고 판단되는 경우 엔진 측에 공급하는 파일럿 연료량을 증대시킴으로써 연소음을 저감 시킴은 물론, 차량의 현재 상태의 크랭크 각도와 제1목표값과의 차이인 X값을 연산한 뒤 그 차이에 따라 연료의 주 분사시기를 조절하는 단계(S500)를 더 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

즉, 실측 크랭크 각도가 제1목표값에 비해 지각된 경우에는 주 분사 시기를 진각(advance)시키고, 실측 크랭크 각도가 제1목표값에 비해 진각된 경우에는 주 분사 시기를 지각(retard)시켜서 연소를 안정화시켜서 연비를 개선 시킴은 물론 그에 따라는 엔진의 소음 역시 감소시킨다.

한편, 도 5는 본 발명인 디젤 연소음 제어 시스템의 전체 구성도로 도시된 바와 같이 본 발명은 크게, 검출부(100), 연산부(200), 데이터 저장부(300) 및 제어부(400)로 구성되며, 제어부(400)에 의한 연료 분사 신호를 수신받는 주연료분사부(410)와 파일럿연료분사부(420)를 포함한다.

주연료분사부(410)와 파일럿연료분사부(420)는 엔진 측으로 연료를 분사할 수 있는 장치라면 어떠한 구성이라도 채용 가능하다.

한편, 검출부(100)는, 현대 차량의 운전 상태를 검출하는데, 예를 들면 차량의 RPM과 연료량 등을 검출한다.

이때, 연산부(200)는, 검출부(100)에서 측정된 차량의 현재 상태의 크랭크 각도와 최대 열발생율 발생 위치인 크랭크 각도인 제1목표값과의 차이인 X값과 검출부에서 측정된 차량의 현재 상태의 연소음 지수와 설정된 연소음 지수인 제2목표값과의 차이인 Y값을 측정한다.

한편, 이 연산부(200)는 제1목표값, 제2목표값 및 상기 X값에 대한 Y값의 제3목표값이 설정된 데이터저장부(300)에 기초하여 상기와 같은 연산을 수행하고, 제어부(400)는 Y값에 대한 제3목표값과의 차이에 따라 파일럿 연료량을 조절함으로써 연소음을 저감시킴은 물론 연비도 향상시키게 된다.

이때, 데이터저장부(300)는.연료량, 엔진 회전수, 기어 단수, 흡기온 및 냉각수온의 값을 이용하여 제1목표값과 제2목표값이 저장된다.

상기와 같은 구성으로 차량의 현재 상태의 크랭크 각도와 제1목표값과의 차이인 X값에 따라 조정 되어진 주 연료분사시기 신호를 주연료분사부(410)에 송신하며, Y값이 제3목표값보다 큰 경우에는 파일럿 연료량을 증대시키는 신호를, Y값이 제3목표값보다 작은 경우에는 파일럿 연료량을 감소시키는 신호를 파일럿연료분사부(420)에 송신하게 된다.

구체적인 제어 작동 과정은 이미 설명한바 여기서는 생략한다.

100 : 검출부 200 : 연산부
300 : 데이터 저장부 400 : 제어부
410 : 주 연료 분사부 420 : 파일럿 연료 분사부

Claims

최대 열발생율 발생 위치인 크랭크 각도의 제1목표값과 연소음 지수의 제2목표값을 설정하는 단계;
차량의 현재 상태에서의 크랭크 각도와 상기 제1목표값과의 차이인 X값과 차량의 현재 상태에서의 연소음 지수와 상기 제2목표값과의 차이인 Y값을 연산하는 단계;
상기 X값에 대한 Y값의 제3목표값을 설정하는 단계; 및
상기 Y값과 제3목표값의 차이에 따라 엔진 측에 분사되는 연료의 파일럿 연료량을 조절하는 단계를 포함하는, 디젤 연소음 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제1목표값과 제2목표값은 연료량, 엔진 회전수, 기어 단수, 흡기온 및 냉각수온의 값을 이용하여 설정되는 것을 특징으로 하는, 디젤 연소음 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
차량의 현재 상태의 크랭크 각도와 상기 제1목표값과의 차이인 X값을 연산한 뒤 그 차이에 따라 연료의 주분사시기를 조절하는 것을 특징으로 하는, 디젤 연소음 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 Y값과 제3목표값의 차이에 따라 파일럿 연료량을 조절하는 단계에서 Y값이 상기 제3목표값보다 큰 경우에는 파일럿 연료량을 증대시키고,
Y값이 제3목표값보다 작은 경우에는 파일럿 연료량을 감소시키는 것을 특징으로 하는, 디젤 연소음 제어 방법.
차량의 운전 상태를 검출하는 검출부;
상기 검출부에서 측정된 차량의 현재 상태의 크랭크 각도와 최대 열발생율 발생 위치인 크랭크 각도인 제1목표값과의 차이인 X값과 상기 검출부에서 측정된 차량의 현재 상태의 연소음 지수와 설정된 연소음 지수인 제2목표값과의 차이인 Y값을 측정하는 연산부;
상기 제1목표값, 제2목표값 및 상기 X값에 대한 Y값의 제3목표값이 설정된 데이터 저장부; 및
상기 Y값에 대한 제3목표값과의 차이에 따라 파일럿 연료량을 조절하는 제어부를 포함하는, 디젤 연소음 제어 시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 데이터 저장부는.
연료량, 엔진 회전수, 기어 단수, 흡기온 및 냉각수온의 값을 이용하여 상기 제1목표값과 상기 제2목표값이 저장되는 것을 특징으로 하는, 디젤 연소음 제어 시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 제어부는,
차량의 현재 상태의 크랭크 각도와 상기 제1목표값과의 차이인 X값에 따라 조정되어진 연료분사시기 신호를 주연료분사부에 송신하는 것을 특징으로 하는, 디젤 연소음 제어 시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 제어부는,
Y값이 상기 제3목표값보다 큰 경우에는 파일럿 연료량을 증대시키는 신호를, Y값이 제3목표값보다 작은 경우에는 파일럿 연료량을 감소시키는 신호를 파일럿연료분사부에 송신하는 것을 특징으로 하는, 디젤 연소음 제어 시스템.