KR101578648B1 - 내연 기관 구동용 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내연 기관의 하나 이상의 연소 모드를 활성화하거나 및/또는 요청하는 둘 이상의 모드 관리기들을 구비하는 내연 기관 구동용 시스템을 개시한다. 상기 시스템은 연소 관리기(9)를 더 포함하는데, 모든 연소 모드 요청들이 동시에 액티브되도록 상기 모든 연소 모드 요청들을 모으고 순위를 정하기 위해서, 상기 모드 관리기들(1 내지 7)의 출력의 각각이 적어도 연소 관리기(9)의 하나의 입력으로 귀착된다.

Description

내연 기관 구동용 시스템{A SYSTEM FOR RUNNING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 독립항 제1 항의 전제부에 따른 내연 기관의 하나 이상의 연소 모드를 요청하거나 및/또는 활성화하는 둘 이상의 모드 관리기(mode manager)들을 구비하는 내연 기관 구동용 시스템과 그 방법에 관한 것이다.
배출 관련 법률들의 엄격한 다가오는 요구를 충족시키기 위해서, 내연 기관은 계속적으로 향상되어야 하는 동시에 엔진 제어 유닛(ECU)의 비용에 관해서 타협하지 않아야 한다. 엔진 관리 시스템(Engine Management System; EMS)은 연소 모드 및 분사의 수의 증가와 이로 인한 비용 증가 및 ECU 메모리 크기 및 그 연산 시간의 증가에 위협받고 있다. 연소 모드는 소프트웨어에 의해서 제어될 수 있는 일련의 연소 파라미터들로서 기술될 수 있다. 전형적으로 DS EU 4 어플리케이션에 대하여 소프트웨어에 의해서 제어되는 연소 파라미터들은: 분사된 연료 질량, 분사 위치, 레일 압력, 공기 질량 유동, 부트 압력 및 EGR 비율이다. EMS는 매 연소 모드마다 튜닝될 것을 요하는 더 많은 연소 파라미터들을 관리하는 것을 필요로 한다. 지난 수년들 동안 특정한 조건들에 적용되는 엔진 관리 제어 모드의 수가 급속하게 증가하였다. 이에 대한 가장 잘 알려진 예시는 매 수백 킬로미터마다 필터 재생(filter regeneration)을 활성화하는 디젤 입자 필터(Diesel particle filter; DPF) 전략(strategy)이다.
연소 모드의 수의 증가로 인한 EMS에서의 다른 단점은, 측정 맵(calibration map)의 많은 수로 인한 빠르게 증가하는 ROM 소모이다. 이것은, 소모, 노이즈, 배출 등과 같은 해당 목표(relevant target)에 도달하기 위해서, 측정 엔지니어들이 매 연소 모드마다 각 동작점에서 모든 연소 파라미터들을 측정하는 것을 필요로 하기 때문에 발생한다.
이러한 전형적으로 알려진 EMS 아키텍쳐(architecture)가 도 1에 도시되어 있다. 연소 모드 수의 증가로 인하여 다음과 같은 문제점들이 야기된다. 먼저, 단지 하나의 연소 모드가 한 번에 실행될 수 있다. 따라서 둘 이상의 연소 모드들이 요청된다면, 결정이 취해질 것을 요한다. 연소 모드들 간의 충돌을 해결하기 위해서, 소프트웨어에서 서로 다른 레벨들에서 순위정함(priorisation)이 실행된다. 새로운 모드 관리기가 도입될 때마다 아마도 도 1에서의 DPF 관리기 또는 RTE 관리기와 같은 모든 다른 모드 관리기들이 변형되어야 할 필요가 있고 이로써 모드 순위정함에 대한 불명확하고 퍼진 결정 알고리듬(spread decision algorithm)을 야기할 수 있다. 부가적으로 연소 모드들 간의 천이가 토크 중립적인 방식(torque neutral way)으로 핸들링되어야만 한다.
모든 연소 셋-포인트들의 튜닝 및 새로운 연소 모드마다 그 새로운 카피를 만드는 것을 허용하는 캘리브레이션 구조를 생성하는 것에 관한 간단한 접근은 실행가능하지 않다. 그 이유는 이를 위해 요구되는 ROM 리소스가 ECU 비용을 급격히 증가시킬 것이고 많은 경우들에서 더 나은 프로세서로 업그레이드할 것을 강요하여 부가적인 비용이 증가하기 때문이다.
이에 본 발명의 과제는 증가하는 요구들과 제한된 ECU 사이에서 균형을 찾는 내연 기관 구동용 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제는 독립항 제1 항에 따른 시스템에 의해서 해결된다.
소프트웨어의 복잡성 증가를 핸들링하기 위한 해결책은 순위정함과 조율(coordination)을 처리하는 중앙 기능성(central functionality)을 생성하는 것임이 밝혀졌다. 연소 관리기는 분사 시스템의 제어를 떠안을 필요가 있는 모든 소프트웨어 전략들(strategies)과 연소 파라미터 연산을 관리하는 전략들 사이의 연결 수단(bridge)으로서 작용한다.
큰 메모리 요구를 핸들링하기 위한 해결책은 정의된 연소 모드 및 분사에 앞서서 캘리브레이션 테이블들을 할당하지 아니하고, DPF 재생 모드에서의 제1 파일럿 분사와 같은 정의된 물리적인 이벤트에 이용가능한 테이블들 또는 맵들을 링크할 유연성을 측정 엔지니어들에게 부여하는 것이다. 이로써 분사들에 걸쳐서 또는 나아가 연소 모드들을 거쳐서도 테이블들의 재사용이 허용된다.
본 발명의 다른 이로운 실시예들이 다른 종속항들에서 주어진다.
이하 첨부된 도식적인 도면을 참조하여 본 발명을 설명하는데 여기서:
도 1은 종래 기술에 따른 탈집중화된 구조(decentralized structure)를 구비한 엔진 관리 시스템의 아키텍쳐 개관을 나타내고.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 집중화된 관리기를 구비하는 엔진 관리 시스템의 아키텍쳐 개관을 나타내고,
도 3은 동일한 시간 척도로 나타낸 세 개의 그래프를 나타내는데,
도 3a는 시간에 따른 모드 관리기의 요청들을 나타내고,
도 3b는 시간에 따른 상응하는 천이 인자(transition factor)를 나타내고,
도 3c는 세 개의 모드와 도 3a로부터의 요청에 대한 반응을 나타내고,
도 4는 5 개의 엔진 파라미터들의 시간 의존성을 나타내고,
도 5는 천이에 의존하여 천이 인자들을 읽는 블록 다이어그램을 나타내고,
도 6은 하나의 연소 셋 포인트에 대하여 모드들, 서브-모드들 및 캘리브레이션 테이블들 간의 측정 링크들을 나타내고,
도 7은 서로 다른 연소 모드에서의 두 그래프를 나타내고-이들 두 연소 모드들은 단지 하나의 서브 모드만 다름-,
도 8a는 엔진 회전에 따른 이력 커브(hysteresis curve)를 나타내고,
도 8b는 토크에 따른 이력 커브를 나타낸다.
도 2는 디젤 커먼 레일 EMS에서의 연소 관련 전략들의 아키텍쳐를 도식적으로 나타낸다. 연소 관리 전략의 주요 입력들은 운전자로부터의 토크 요청(관리기 1)과 외부 관리기들(2 내지 7)로부터 요청된 연소 모드들이다. 모드 관리기는 각 연소 모드들에 대한 활성화와 요청이 연산되는 소프트웨어이다. 연소 관리기(9)의 주요 출력들은 분사 실현(16), 연료 압력 실현(17) 및 액추에이터들을 제어하는 공기 경로 실현과 같은 전략들에의 입력들인 연료 질량 셋포인트(10), 분사 위상 셋포인트(11), 분사 위상 셋포인트(12), 공기 질량 셋포인트(13), 부스트 압력 셋포인트(14), EGR 셋포인트(15)와 같은 개별 연소 셋 포인트들이다.
예시로서: DPF 관리기(2)는 입자 필터가 필요한 이벤트를 결정하고 이어서 DPF 재생 모드를 개시하기 위해 연소 관리기(9)에 요청을 보낸다. 연소 관리기(9)는 차례로 액추에이터들이 DPF 재생을 수행할 것을 명령할 것이다. 외부 관리기들의 속성(nature) 및 수는 시스템 구성요소들 및 최종 OEM(Original Equipment Manufacturer)에 따른다. 이러한 외부 관리기들의 수는 일반적으로 배출 관련 법률과 함께 증가하는 경향을 보이고 있다.
외부 관리기 전략에 따라서, 하나 이상의 연소 모드들이 할당된다. 일반적으로 연소 모드는 특정한 연소 목표(예를 들어, 엔진 시동, DPF 필터 가열, DPF 필터 재생 등)로서 이해될 수 있다. EMS에 있어서 중앙 조율 전략(central coordination strategy)으로서 연소 관리기(9)가 도입된다. 상기 전략은 모드 요청 순위정함을 관리하고 연소 모드들 간의 천이를 제어한다.
연소 관리기(9)는 외부 관리기들(2 내지 7)과 개별 연소 셋 포인트 전략들(10 내지 16) 간의 연결 수단(bridge)으로서 작용한다. 이렇게 연소 관리 전략의 외부 환경과 독립적인 제네릭 연소 셋 포인트 전략을 개발하는 유연성이 부여된다.
연소 관리기(9)는 엔진 내 세 개의 독립적인 시스템들에 대하여 개별 연소 셋 포인트들을 명령한다:
■ 분사기들(16)
■ 레일 압력 시스템 액추에이터들(17)
■ 공기 경로 액추에이터들(18)
시스템들 각각은 서로 다른 반응 시간을 가진다. 연소 모드들 간의 천이의 조율에 대하여 이러한 측면들을 고려하는 것은 중요하다. 예를 들어 모드 천이가, 더 빠른 시스템에 대하여 셋 포인트가 뒤따르는(레일 압력 시스템 액추에이터들에 대하여, 파라미터 FUP_SP: 연료 압력 셋포인트에 의해서), 더 느린 시스템에 대하여 셋 포인트들의 천이를 트리거할 수 있고(공기 경로 액추에이터들에 대하여, 파라미터들 MAP SP: 질량 공기 압력 셋포인트 그리고 MAF SP: 질량 공기 유동 셋포인트에 의해서), 그리고 마지막으로 가장 빠른 시스템 구성요소들에 대하여 셋 포인트들의 천이를 트리거할 수 있다(분사기들에 대하여, 파라미터들 MF_SP: 연료 질량 셋포인트 그리고 SOI_SP: 분사 셋 포인트의 시작에 의해서). 도 4는 연소 모드 x로부터 연소 모드 y로의 천이에 관한 가능한 시행의 단순화된 예시를 나타낸다. 질량 공기 압력(MAP_SP)에 대한 천이 인자(T5)와 질량 공기 유동(MAF SP)에 대한 천이 인자(T4)는 동일하고 이러한 예시에서 T4,5 = t4 - t1 (여기서 t1은 천이 시작 시간이고 t4는 천이 종료 시간이다)를 결과한다. 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 천이 인자들(T4 및 T5)는 t4 - t2로서 정의되는 연료 압력(FUP_SP)의 천이 인자(T3)가 뒤따르는 가장 긴 것이다. 질량 연료(MF)에 대한 가장 짧은 천이 인자(Tl)와 분사 시작(SOI)에 대한 천이 인자(T2)는 t4-t3 로서 정의된다. 이러한 천이 인자들에 의해서, 하나의 모드로부터 다른 하나의 모드로 천이하되 이것에 의해서 각각의 파라미터가 동시에 다른 연소 모드에 도달하는 것이(여기서는 시각 t4에서) 가능하다.
각각의 연소 셋포인트에 대한 천이 시간 및/또는 지연을 정의하는 것이 가능하다. 어찌되었든, 도 5에 도시된 바와 같이 제한된 일련의 시간들이 정의되고 사용될 수 있는 것 대신에, 각각의 가능한 천이에 대하여 이들 시간들을 측정하는 것은 가능하지 않다. 이러한 피겨가 행들(lines)이 목표 모드를 정의하고 열들이 현재 모드를 정의하는, 왼쪽 아랫 코너의 5x5 행렬에 도시된다. 하나의 연소 모드로부터 다른 연소 모드로의 천이에 따르면, 자동적으로 천이 인자 세트가 정의된다. 여기서 이러한 예시에서 엔진은 현재 모드(3)에 있고, 이러한 모드(3)로부터 목표 모드(2)로의 천이가 요청된다. 이러한 5x5 행렬의 중간에 검은 박스(20)가 표시되어 있다. 이러한 박스(20)에서 포인터(23)가 천이 시간 테이블(21)로부터 천이 인자 세트(22)(검은 행으로 표시됨)을 가리키면서 저장된다. 천이 인자 세트(22)는 예를 들어 도 5의 우편에 도시한 바와 같은 천이 시간들(Tl 내지 T5)이다.
도 3a는 시간에 따른 하나 또는 몇몇 관리기들(1 내지 7)로부터 요청된 모드들을 나타낸다. 도 3b에서 상응하는 천이 인자들이 그에 의해서 단지 하나의 파라미터의 천이 인자를 나타내도록, 예를 들어 질량 공기 유동의 T4를 나타내도록 도시되었다. 도 3c에서 하나의 파라미터에 대한 서로 다른 연소 모드들(CMl 내지 CM3)이 도시되어 있다. 시작시 엔진은 연소 모드 CMl으로 동작한다. 시간 t5에서 연소 모드 CM2로의 점프가 요청된다. 시스템은 즉시 반응한다. 파라미터는 도 3c에 도시된 바와 같이 CM2로 설정된다. 시간 t6에서 천이 시간 Ta에서 연소 모드 CM3가 요청된다. 자동적으로 도 3b에서 (램프로서 도시된) 천이 시간 Ta가 설정된다.
t11 및 t14 사이에 노말 케이스가 도시된다. 시간 t11에서 천이 시간 TC (= t13 - t11)에서 연소 모드 CM2가 요청된다. 이러한 CMl으로부터 CM2로의 천이 동안 시간 t12에서 다른 연소 모드 CM3가 요청된다. 하나의 모드로부터 다른 모드로의 천이가 종료되지 않은 한 새로운 요청은 무시된다. CM2로부터 CM3로의 천이는 오직 이전의 천이가 종료되었을 때에만 시작한다. 이러한 상황이 천이 인자가 새로운 램프를 수용하는 것으로서 시간 t13 에서 보여질 수 있다.
특정한 상황에서 예를 들어 0 토크 또는 갑작스런 높은 토크가 요청될 때 앞서에서의 규칙이 깨져야 한다. 이러한 경우에서 점프가 연소 모드들의 어떤 순위정함을 압도한다(overrule). 이것이 t8 및 t9 사이에 도시되어 있다. 시간 t8에서 천이 시간 Tb (=t10 - t8)에서 연소 모드 CM2가 요청된다. 시간 t9에서 연소 모드 CM1으로의 점프가 요청된다. CM3로부터 CM2로의 천이가 시간 t10에서 규칙적으로 종료되지 않을지라도, 점프 요청이 이미 수행되어서 이에 의해서 CM3로부터 CM2로의 천이를 압도한다.
현재의 모드(예를 들어 CMl)으로부터 목표 모드(예를 들어 CM2)로의 요청이 항상 중립 명목 모드(neutral nominal mode)(NM)를 경유할 수 있음을 덧붙인다. 그러면 요청은 CMl --> NM --> CM2로서 번역될 것이다. 이러한 명목 모드를 경유하는 우회가 가지는 큰 잇점은, 미리 정의된 천이들의 수가 줄어들고 제네릭 프로젝트의 OEM-프로젝트에 대한 적응이 훨씬 더 간단해지고 이로써 개발 동안 소요되는 시간과 경비를 줄인다는 것이다.
캘리브레이션 테이블들에 대하여 알려진 접근은 매 연소 모드에서 각각의 연소 셋 포인트에 대하여 캘리브레이션 구조를 정의하는 것일 수 있는데, 이것은 캘리브레이션 구조가 연소 모드의 특정한 요구에 적응될 수 있는 잇점을 준다. 다른 한편으로, ECU 리소스의 낭비가 보여질 수 있는데, 캘리브레이션 테이블들이 연소 모드들에 거쳐서 재사용될 수 없기 때문이다. 덧붙여, 위상(phase) 전환 후에 많은 캘리브레이션 테이블들이 사용되지 않은 채로 있을 수 있다. 더 깊은 분석에 의하면, 캘리브레이션 구조들에 대하여 요구되는, 요청된 토크, 엔진 속도 및 냉각제 온도와 같은 기본적인 의존성들이 연소 모드들에 걸쳐서 동일하다는 것이 보여진다. 이것은, 특정한 연소 모드에서 특정한 연소 셋 포인트와 캘리브레이션 테이블들 간의 하드 코딩된 링크(hard coded link)의 패러다임을 깨는 것을 가능하게 만든다. 하나의 스케일링가능한(scalable) 캘리브레이션 구조를 도입함에 의해서, 캘리브레이션 테이블들, 연소 셋 포인트들 및 연소 모드들 간의 유연한 링크(flexible linking)가 훨씬 더 효율적인 방식으로 이 문제를 해결한다.
도 6은 주어진 연소 셋 포인트에 대하여 연소 모드들, 서브-모드들 및 캘리브레이션 테이블들 간의 링크들이 어떻게 설정될수 있는지를 나타내는 도식적인 예시를 나타낸다. 링크들의 양 레이어들은 활성들(activities)을 튜닝하는 동안 측정 팀에 의해서 자유로이 선택될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 캘리브레이션 테이블들의 재사용은 서로 다른 두 레벨들에서 가능하다:
■ 제1 레벨에서 둘 이상의 연소 모드들이 동일한 서브-모드들을 공유하여서 모든 연소 셋 포인트들의 측정이 동일한 영역들을 공유할 수 있다. 도 7은, 높은 엔진 속도의 영역을 제외한 대부분의 동작 영역에서 모드들 0과 1이 동일한 측정을 공유하는 예시를 나타낸다.
■ 제2 레벨에서 둘 이상의 연소 서브-모드들이 동일한 캘리브레이션 테이블을 재사용할 수 있다. 도면에서 이것은 서브 모드들(1, 2, 및 3)에 있어서 이들 모두가 테이블 MAP[1]에 링크된 것과 같은 케이스이다.
연소 모드는 연소 서브-모드로 전환된다. 연소 서브-모드는 분사 프로파일(액티브 분사들(active injections)의 패턴)로서 이해될 수 있다. 토글링(toggling)을 피하기 위해서 엔진 회전에 대하여 도 8a에 도시된 바와 같이 그리고 토크 출력에 대하여 도 8b에 도시된 바와 같이 이력(hysteresis)이 실행된다.
각각의 프로젝트의 요구에 대한 연소 관리 전략의 적응성을 향상시키기 위해서, 캘리브레이션 테이블들은 하나의 요소들로서 정의되지 아니하고 몇몇 테이블들의 행렬들로서 정의되는데, 여기서 각각의 행렬 요소의 크기와 요소들의 수가 구성될 수 있다.
주어진 연소 셋 포인트에 대하여 하나의 행렬로서 캘리브레이션 테이블들을 정의하는 것은 가장 큰 요청된 테이블의 크기를 모두 공유하는 불이익을 가질 것이고 이로써 CPU 리소스들이 낭비된다.
이러한 문제를 극복하기 위해서, 몇몇 캘리브레이션 테이블 유형들이 각각의 연소 셋 포인트에 대하여 실행된다. 각각의 테이블 유형에 대하여 크기들은 개별적으로 구성될 수 있다. 실행된 테이블 유형들 중 하나가 요구되지 않는 경우에, 요소들의 수는 1로 줄어들 수 있고, 요소 크기는 최소 (2x2)로 줄어들 수 있어서, ROM 소모를 무시할 수 있게 된다.
디젤 커먼 레일 프로젝트들에서 연소 모드들의 증가하는 수는 측정 엔지니어들에서의 최적화 수고를 증가시킨다. 배출, 노이즈 및 연료 소모 목표에 도달하기 위해서, 적어도 다음의 연소 셋 포인트들이 각각의 동작점에서 튜닝될 필요가 있다:
■ 분사 활성화 프로파일
■ 각각의 액티브(active) 분사에 대한 연료 질량
■ 각각의 액티브 분사 위치(Injection phasing)
■ 레일 압력
■ 공기 질량 유동 또는 배기 가스 재순환(EGR) 비율
■ 부스트 압력
최적화에 도달하기 위해 사용된 측정 방법들과 무관하게, EMS가 각각의 연소 셋 포인트의 측정에 대하여 동일한 소프트웨어 아키텍쳐(architecture)를 보인다면, 측정 엔지니어들의 작업은 수월해진다.
EMS에 대하여 설정된 요구들의 증가에 기인하여, 최적화된 연소 관리 전략이 필수적인 것이 되었다. 주된 특징들로서 집중된 연소 관리 및 유연한 캘리브레이션 구조를 구비하는 전략은 현재와 미래의 배출 표준들을 충족하는 시스템들에 대하여 적절한 해결책이라고 간주된다.
요약하면, 집중된 연소 관리의 이점은 전략이 용이하게 구성될 수 있으며 초기 프로젝트 단계들에서 또는 프로젝트 개발의 이후의 단계들에서도 요구에 따라서 적응될 수 있다는 것이다. 현재의 실시로부터의 지적(Indications from current implementations)에 의해서, 적절한 연소 전략 구성 및 주의 깊은 측정 전략에 의해서 유로 4 시스템들과 비교하여 CPU 리소스 소모의 유의미한 증가 없이 유로 5 목표들에 도달할 수 있다는 것이 보여진다.

Claims (8)

  1. 내연 기관의 하나 이상의 연소 모드의 활성화 및 요청 중 하나 이상을 수행하는 둘 이상의 모드 관리기들(1 내지 7)을 구비하는
    내연 기관 구동용 시스템에 있어서,
    모드 관리기는 연소 모드에 대한 활성화 및 요청이 계산되는 소프트웨어이고,
    상기 시스템은 하나의 연소 관리기(9)를 더 포함하고,
    동시에 액티브되는 모든 연소 모드 요청들을 모으고 순위를 정하기 위해서, 상기 모드 관리기들(1 내지 7) 각각의 출력이 적어도 상기 연소 관리기(9)의 하나의 입력으로 귀착되고,
    상기 연소 관리기(9)는, 개별적인 연소 셋 포인트들을 출력하도록 구성되며
    상기 연소 관리기(9)는, 현재 연소 모드(CMl)로부터 목표 연소 모드(CM2)로의 천이를 수행하는, 연소 모드 천이 관리기를 포함하는,
    내연 기관 구동용 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 목표 연소 모드(CM2)는 액티브 연소 모드 요청들의 순위정함 결과에 따르는,
    내연 기관 구동용 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 시스템은, 상기 현재 연소 모드와 상기 목표 연소 모드가 상이한 경우에 상기 연소 모드 천이 관리기를 활성화하는 활성화 수단을 더 포함하는,
    내연 기관 구동용 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 연소 관리기(9)는, 새로운 연소 모드 요청이 상기 목표 연소 모드보다 우선 순위를 가지고 상기 연소 모드 요청이 점프를 요청 중인 경우, 구동 중인 상기 연소 모드 천이 관리기를 중단하는 중단 유닛을 더 포함하는,
    내연 기관 구동용 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    연소 모드 점프 요청은 0 토크 요청 또는 갑작스런 높은 토크 요청인,
    내연 기관 구동용 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 연소 모드 천이 관리기는, 명목 모드(nominal mode; NM)를 거쳐서 상기 현재 연소 모드(CMl)로부터 상기 목표 연소 모드(CM2)로의 천이를 수행하는 수단을 포함하는,
    내연 기관 구동용 시스템.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은, 캘리브레이션 테이블들, 연소 셋 포인트들 및 연소 모드들 간의 유연한 링크(linking)를 가능케 하는, 하나의 스케일링가능한(scalable) 캘리브레이션 구조를 사용하는,
    내연 기관 구동용 시스템.
  8. 삭제
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