KR101610107B1 - 엔진시스템의 배기가스 재순환 제어방법 - Google Patents

엔진시스템의 배기가스 재순환 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 엔진시스템의 배기가스 재순환 제어방법은, 배기라인에서 흡기라인으로 재순환되는 재순환 배기가스와 상기 흡기라인으로 유입되는 신기를 제어하는 흡기스로틀밸브의 개도량을 제어하는 단계, 및 터보차저의 하류측의 부스트압과 상기 흡기라인을 흐르는 흡기유량을 통해서 상기 흡기스로틀밸브의 개도량을 보정하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

엔진시스템의 배기가스 재순환 제어방법{EXHAUST GAS RECIRCULATION CONTROL METHOD OF ENGINE SYSTEM}
본 발명은 흡입되는 흡기량과 배기라인에서 흡기라인으로 재순환되는 배기가스를 제어하되, 흡기스로틀밸브의 개도량을 보정하여 운전 반응성을 향상시키는 엔진시스템의 배기가스 재순환 제어방법에 관한 것이다.
엔진에는 배가가스의 일부를 다시 흡기계로 재순환시켜 연소시 최고 온도를 낮추어 줌으로써 Nox의 발생을 억제 하여 주는 EGR 시스템이 장착된다.
엔진은 각각의 운전 영역에 따라 목표 공기량이 설정되고, EGR 듀티비의 제어를 통해 EGR량과 신기 흡기량을 조절하고 있다.
EGR을 제어하는 방법은 각 운전 영역별로 EGR 밸브의 변위량을 미리 결정하여 맵 테이블로 설정하고, 현재의 운전 영역을 판정하여 맵 테이블로부터 위치 제어값을 추출한 다음 EGR 밸브를 제어하는 변위 제어가 적용된다.
디젤 엔진에는 공기의 충진효율을 높여 출력을 증대시키고, 에미션(Emission)을 안정화시키며, 연비향상을 제공하기 위해 배기가스를 이용하여 흡입 공기를 압축 과급시키는 터보 차저(Turbo Charger)가 장착된다.
통상적으로 디젤 엔진에서는 터보 차저의 전단에 형성되는 고온/고압의 배기가스를 흡기계로 재순환시켜 에미션을 저감하는 방법을 적용하고 있다.
그러나 이러한 방법은 터보 차저의 전단에 형성되는 고온 가스를 재순환시키기 때문에 EGR 쿨러를 통과하더라도 온도 저감의 효과에 한계가 있으며, 여과되지 않은 배기가스를 이용하기 때문에 에미션의 저감에도 한계가 있다.
상기의 방법은 Euro4 규제에 대해서는 대응이 가능하지만, 향후 강화되는 에미션 규제인 Euro5, Euro6규제 및 북미 Tier II Bin5의 규제에 대응하기 위해서는 후처리 시스템의 적용과 더불어 엔진 자체의 에미션을 40% 이상 저감시킬 수 있는 기술 개발이 필요하다.
디젤 엔진에서 에미션을 저감하기 위한 기술 중에 하나로 저압 EGR 장치(Low Pressure EGR System)가 개발되어 적용되고 있다.
저압 EGR 장치는 입자상 필터의 후단에 형성되는 배기가스를 EGR 쿨러로 냉각시킨 다음 재순환하는 방식을 적용하고 있다.
따라서, 기존의 고압 EGR 장치와 대비하여 EGR 가스 유로가 길며, 저압이기 때문에 응답성 및 제어성 측면에서 안정적이지 못한 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 이지알 가스와 흡기의 공급을 보다 적극적으로 제어함으로써 응답성과 제어성을 향상시켜서, 연료소모를 줄이고 배기가스의 품질을 향상시키는 엔진시스템의 배기가스 재순환 제어방법을 제공하는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 엔진시스템의 배기가스 재순환 제어방법은, 배기라인에서 흡기라인으로 재순환되는 재순환 배기가스와 상기 흡기라인으로 유입되는 신기를 제어하는 흡기스로틀밸브의 개도량을 제어하는 단계, 및 터보차저의 하류측의 부스트압과 상기 흡기라인을 흐르는 흡기유량을 통해서 상기 흡기스로틀밸브의 개도량을 보정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 부스트압의 실제부스트압값과 목표부스트압의 부스트압편차를 연산하는 단계, 운전조건에 따라서 상기 부스트압의 부스트압허용치를 연산하는 단계, 상기 부스트압편차값을 상기 부스트압허용치로 나눈 압력비를 연산하는 단계를 포함하고, 상기 압력비를 기초로 미리 설정된 데이터에 의해서 상기 흡기스로틀밸브의 개도값의 보정량을 산출할 수 있다.
흡기라인의 입구를 통해서 상기 흡기라인으로 공급되는 신기의 유량을 연산하는 단계, 상기 이지알라인을 통해서 상기 흡기라인으로 추가되는 이지알가스의 유량을 연산하는 단계, 상기 신기의 유량과 상기 이지알가스의 유량을 더해서, 실제흡입공기량을 연산하는 단계;
운행조건에 따라서 기준흡기공기량을 연산하는 단계, 상기 실제흡입공기량을 상기 기준흡기공기량으로 나누어서 유량비를 연산하는 단계, 상기 유량비를 기초로 미리 설정된 데이터에 의해서 상기 흡기스로틀밸브의 개도값의 보정량을 산출할 수 있다.
상기 배기라인에는 상기 터보차저의 터빈과 촉매유닛이 배치되고, 상기 이지알라인은 상기 촉매유닛의 하류측에서 분기되고, 상기 흡기라인에는 상기 터보차저의 컴프레서와 인터쿨러가 배치되고, 상기 이지알라인은 상기 컴프레서의 상류측으로 합류될 수 있다.
상기 흡기라인에서 엔진의 연소실로 공급되는 부분에 부스트압을 감지하는 제2압력센서가 배치될 수 있다.
상기 이지알라인의 입구측과 배출측 사이에 차압을 감지하는 차압센서가 배치될 수 있다.
상기 흡기스로틀밸브는 상기 이지알라인과 상기 흡기라인이 만나는 지점에 배치될 수 있다.
상기 흡기스로틀밸브는 상기 흡기라인을 흐르는 신기와 상기 이지알라인을 흐르는 재순환 배기가스를 동시에 제어하는 3-way 타입일 수 있다.
상기 이지알라인은 상기 배기라인의 촉매유닛의 하류측에서 분기되어 상기 흡기라인의 상기 터보차저의 상류측으로 합류되는 저압이지알라인일 수 있다.
상기 배기라인의 촉매유닛의 상류측에서 분기되어 상기 흡기라인의 상기 터보차저의 하류측으로 합류되는 고압이지알라인을 포함할 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따라서, 운행조건에 따라서 흡기스로틀밸브의 개도량을 1차로 제어하고, 부스트압력에 따른 압력비에 따라서 개도율을 보정하고, 실제흡입공기량에 따른 유량비에 따라서 개도율을 보정함으로써, 과도구간에서 전체적인 흡기효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 운행조건 즉, 엔진회전수, 연료분사량, 냉각수온, 대기온, 및 대기압에 따라서 흡기스로틀밸브의 개도량을 제어하고, 부스트압력에 의해서 압력비를 연산하고, 상기 압력비에 의해서 상기 흡기스로틀밸브의 개도량을 보정함으로써, 응답성과 제어성을 향상시켜서, 연료소모를 줄이고 배기가스의 품질을 향상시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 저압이지알라인을 흐르는 재순환 배기가스와 흡기라인을 통해서 흡입되는 신기에 따라서 실제흡입공기량을 연산하고, 상기 실제흡입공기량에 의해서 유량비를 연산하고, 상기 유량비에 의해서 상기 흡기스로틀밸브의 개도량을 다시 보정하여, 응답성과 제어성을 향상시켜서, 연료소모를 줄이고 배기가스의 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엔진시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 엔진시스템의 배기가스 재순환 제어방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 엔진시스템에서 압력비를 이용하는 제어방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 엔진시스템에서 유량비를 이용하는 제어방법을 보여주는 플로우차트이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엔진시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 엔진시스템은 흡기라인(105), 엔진(135), 배기라인(140), 고압이지알라인(155), 저압이지알라인(170), 터보차저(120), 인터쿨러(125), 촉매유닛(145), 고압이지알밸브(160), 고압이지알쿨러(165), 이머전시필터(175), 저압이지알쿨러(177), 흡기스로틀밸브(110), 제1압력센서(115), 제2압력센서(130), 제3압력센서(150), 및 제어부(100)를 포함한다.
상기 흡기라인(105)을 통해서 외기가 흡입되고, 상기 터보차저(120), 상기 인터쿨러(125)를 지나서 상기 엔진(135)의 연소실로 공급되고, 상기 연소실에서 연료와 함께 연소된 배기가스는 상기 배기라인(140), 상기 터보차저(120), 및 상기 촉매유닛(145)을 지나서 외부로 배출된다.
상기 고압이지알라인(155)은 상기 터보차저(120)와 상기 엔진(135) 사이의 상기 배기라인(140)에서 분기되어 상기 인터쿨러(125)의 하류측 상기 흡기라인(105)으로 합류되고, 상기 고압이지알라인(155)에는 재순환 배기가스를 제어하는 상기 고압이지알밸브(160)가 배치되고, 재순환 배기가스를 냉각시키는 상기 고압이지알쿨러(165)가 배치된다.
상기 저압이지알라인(170)은 상기 촉매유닛(145)의 하류측의 상기 배기라인(140)에서 분기되어 상기 터보차저(120)의 상류측의 상기 흡기라인(105)으로 합류되고, 이물질을 걸러내는 상기 이머전시필터(175), 재순환 배기가스를 냉각시키는 상기 저압이지알쿨러(177), 및 재순환배기가스의 흐름을 제어하는 상기 흡기스로틀밸브(110)가 순차적으로 배치된다.
상기 흡기스로틀밸브(110)는 3-way 타입으로, 상기 저압이지알라인(170)을 흐르는 재순환 배기가스와 흡기를 동시에 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 흡기라인(105)에 설치되는 상기 제2압력센서(130)는 부스트압을 감지하고, 이 신호를 상기 제어부(100)로 송신하며, 상기 제1압력센서(115)와 상기 제3압력센서(150)는 각각 상기 저압이지알라인(170)의 입구측과 출구측 압력을 감지하고, 상기 제어부(100)는 차압센서를 통해서 상기 제1,3압력센서(115, 150) 사이의 차압을 감지한다.
상기 흡기스로틀밸브(110)는 상기 저압이지알라인(170)과 상기 흡기라인(105)이 만나는 지점에 설치되어 내열성에 대한 조건이 완화되어 원가가 절감될 수 있다.
상기 제어부(100)는, 상기 제1,3압력센서(115, 150)에 의한 차압, 상기 제1압력센서(115)의 부스트압, 상기 흡기스로틀밸브(110)의 개도량(밸브위치)를 감지하고, 운행조건에 따라서 상기 흡기스로틀밸브(110)의 개도량을 제어한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제어부(100)는 운행조건 즉, 엔진회전수, 연료분사량, 냉각수온, 대기온, 및 대기압에 따라서 상기 흡기스로틀밸브(110)의 개도량을 제어한다. 그리고, 상기 제2압력센서(130)에서 감지되는 부스트압력에 의해서 압력비를 연산하고, 상기 압력비에 의해서 상기 흡기스로틀밸브(110)의 개도량을 보정한다.
또한, 상기 저압이지알라인(170)을 흐르는 재순환 배기가스와 상기 흡기라인(105)을 통해서 흡입되는 신기에 따라서 실제흡입공기량을 연산하고, 상기 실제흡입공기량에 의해서 유량비를 연산하고, 상기 유량비에 의해서 상기 흡기스로틀밸브(110)의 개도량을 다시 보정한다.
따라서, 본 발명의 실시예에서, 운행조건에 따라서 상기 흡기스로틀밸브(110)의 개도량을 1차로 제어하고, 부스트압력에 따른 압력비에 따라서 개도율을 보정하고, 실제흡입공기량에 따른 유량비에 따라서 개도율을 보정함으로써, 과도구간에서 전체적인 흡기효율을 향상시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 엔진시스템의 배기가스 재순환 제어방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 2를 참조하면, S200에서 제어가 시작되고, S210에서 배기가스 재순환(EGR: exhaust gas recirculation) 공급조건이 만족되는 지 판단한다.
그리고, S215에서 상기 저압이지알라인(170)을 통해서 저압 재순환 배기가스(LP-EGR)의 공급조건이 만족되는 지 판단한다.
조건이 만족되면, S220에서 상기 흡기스로틀밸브(110)의 개도 제어값이 결정되고, S230에서 상기 흡기스로틀밸브(110)의 개도량이 PID 제어된다.
그 다음, S240에서 상기 흡기스로틀밸브(110)의 개도량을 보정하기 위한 모드에 진입하고, S235에서 상기 흡기스로틀밸브(110)의 개도량에 대한 보정량이 연산된다. 마지막으로, S245에서 최종적으로 보정된 개도량으로 상기 흡기스로틀밸브(110)를 제어한다.
아래의 도 3a 및 도 3b를 참조하여, 상기 흡기스로틀밸브(110)의 개도량에 대한 보정량을 연산하는 방법에 대해서 보다 상세하게 설명한다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 엔진시스템에서 압력비를 이용하는 제어방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 3a를 참조하면, S300에서 연산이 시작되고, S305에서 부스트압에 대한 편차가 연산된다. 상기 편차는 상기 부스트압에 대한 목표값에서 실제값을 뺀 값으로 연산된다.
S310에서 상기 부스트압력의 편차값에 대한 허용치가 연산되는데, 상기 허용치는 엔진회전수(N)과 연료분사량(q)에 의해서 선택 또는 연산될 수 있다.
S320에서 상기 편차값과 상기 허용치 사이에 압력비를 연산한다. 상기 압력비는 상기 편차를 상기 허용치로 나눈 값이 될 수 있다.
S330에서 상기 압력비의 값이 설정값(예를 들어, 1)보다 큰 것으로 판단되면, S350을 수행하고, 상기 압력비의 값이 1 이하인 것으로 판단되면, S340을 수행한다.
S350에서 상기 압력비에 따른 보정량이 선택되고, 상기 보정량에 따라서 상기 흡기스로틀밸브(110)의 개도량이 보정된다. 그리고, S340에서 상기 압력비에 따른 보정량은 0으로 설정된다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 엔진시스템에서 유량비를 이용하는 제어방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 3b를 참조하면, S355에서 제어가 시작된다. S360에서, 실제흡입공기량이 연산되는데, 상기 실제흡입공기량은 신기와 저압 이지알 가스(LP-EGR)를 포함한다.
상기 신기의 유량은 유량감지센서(미도시)를 통해서 감지되고, 상기 저압 이지알 가스의 유량은 차압센서에서 감지되는 차압과 상기 흡기스로틀밸브(110)의 개도량에 따라서 미리 설정된 프로그램에 의해서 연산된다.
그리고, S370에서 기준 흡입공기량이 선택 또는 연산되는데, 상기 기준흡입공기량은 상기 엔진의 회전수(N)과 연료분사량(q)에 의해서 연산될 수 있다.
S375에서 상기 실제흡입공기량과 상기 기준흡입공기량 사이에 유량비를 연산한다. 상기 유량비는 상기 실제흡입공기량을 상기 기준흡입공기량으로 나눈 값으로 설정될 수 있다.
그리고, S380에서 상기 유량비의 값이 설정값(예를 들어, 1)과 비교되고, 상기 유량비의 값이 설정값보다 큰 것으로 판단되면, S390이 수행되고, 상기 유량비의 값이 설정값 이하인 것으로 판단되면, S385가 수행된다.
S390에서 상기 유량비에 따라서 보정량이 결정되고, 상기 보정량에 따라서 상기 흡기스로틀밸브의 개도량이 보정된다. 그리고, S385에서는 상기 유량비에 따른 보정량은 0으로 결정된다.
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: 제어부 105: 흡기라인
110: 흡기스로틀밸브 115: 제1압력센서
120: 터보차저 125: 인터쿨러
130: 제2압력센서 135: 엔진
140: 배기라인 145: 촉매유닛
150: 제3압력센서 155: 고압이지알라인
160: 고압이지알밸브 165: 고압이지알쿨러
170: 저압이지알라인 175: 이머전시필터
177: 저압이지알쿨러

Claims (10)

  1. 이지알라인을 통해서 배기라인에서 흡기라인으로 재순환되는 재순환 배기가스 및 상기 흡기라인으로 유입되는 신기를 제어하는 흡기스로틀밸브의 개도량을 제어하는 단계; 및
    터보차저의 하류측의 부스트압과 상기 흡기라인을 흐르는 흡기유량을 통해서 상기 흡기스로틀밸브의 개도량을 보정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진시스템의 배기가스 재순환 제어방법.
  2. 제1항에서,
    상기 부스트압의 실제부스트압값과 목표부스트압의 부스트압편차를 연산하는 단계;
    운전조건에 따라서 상기 부스트압의 부스트압허용치를 연산하는 단계;
    상기 부스트압편차값을 상기 부스트압허용치로 나눈 압력비를 연산하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 압력비를 기초로 미리 설정된 데이터에 의해서 상기 흡기스로틀밸브의 개도값의 보정량을 산출하는 것을 특징으로 하는 엔진시스템의 배기가스 재순환 제어방법.
  3. 제1항에서,
    흡기라인의 입구를 통해서 상기 흡기라인으로 공급되는 신기의 유량을 연산하는 단계;
    상기 이지알라인을 통해서 상기 흡기라인으로 추가되는 이지알가스의 유량을 연산하는 단계;
    상기 신기의 유량과 상기 이지알가스의 유량을 더해서, 실제흡입공기량을 연산하는 단계;
    운행조건에 따라서 기준흡기공기량을 연산하는 단계;
    상기 실제흡입공기량을 상기 기준흡기공기량으로 나누어서 유량비를 연산하는 단계;
    상기 유량비를 기초로 미리 설정된 데이터에 의해서 상기 흡기스로틀밸브의 개도값의 보정량을 산출하는 것을 특징으로 하는 엔진시스템의 배기가스 재순환 제어방법.
  4. 제1항에서,
    상기 배기라인에는 상기 터보차저의 터빈과 촉매유닛이 배치되고, 상기 이지알라인은 상기 촉매유닛의 하류측에서 분기되고,
    상기 흡기라인에는 상기 터보차저의 컴프레서와 인터쿨러가 배치되고, 상기 이지알라인은 상기 컴프레서의 상류측으로 합류되는 것을 특징으로 하는 엔진시스템의 배기가스 재순환 제어방법.
  5. 제2항에서,
    상기 흡기라인에서 엔진의 연소실로 공급되는 부분에 부스트압을 감지하는 제2압력센서가 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진시스템의 배기가스 재순환 제어방법.
  6. 제3항에서,
    상기 이지알라인의 입구측과 배출측 사이에 차압을 감지하는 차압센서가 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진시스템의 배기가스 재순환 제어방법.
  7. 제1항에서,
    상기 흡기스로틀밸브는 상기 이지알라인과 상기 흡기라인이 만나는 지점에 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진시스템의 배기가스 재순환 제어방법.
  8. 제7항에서,
    상기 흡기스로틀밸브는 상기 흡기라인을 흐르는 신기와 상기 이지알라인을 흐르는 재순환 배기가스를 동시에 제어하는 3-way 타입인 것을 특징으로 하는 엔진시스템의 배기가스 재순환 제어방법.
  9. 제1항에서,
    상기 이지알라인은 상기 배기라인의 촉매유닛의 하류측에서 분기되어 상기 흡기라인의 상기 터보차저의 상류측으로 합류되는 저압이지알라인인 것을 특징으로 하는 엔진시스템의 배기가스 재순환 제어방법.
  10. 제9항에서,
    상기 배기라인의 촉매유닛의 상류측에서 분기되어 상기 흡기라인의 상기 터보차저의 하류측으로 합류되는 고압이지알라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진시스템의 배기가스 재순환 제어방법.
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