KR101857276B1 - 디젤 엔진의 스로틀을 활용한 과도 구간 공기량 제어방법 - Google Patents

디젤 엔진의 스로틀을 활용한 과도 구간 공기량 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디젤 엔진의 저부하 영역 또는 과도 영역에서의 공기량 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 흡기 스로틀 밸브를 사용하여 디젤 엔진의 저부하 영역 또는 과도 영역에서 공기량을 제어하는 제어방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 공기량을 수학적 모델링 기법을 적용하여 제어하는 디젤 엔진으로서 상기 수학적 모델링 기법을 보완하기 위하여 EGR 시스템과 VGT 시스템이 장착되는 디젤 엔진의 공기량 제어 방법에 있어서, 상기 디젤 엔진이 과도 구간에 있는지 여부를 판정하는 과도구간 판정단계; 상기 디젤 엔진이 상기 과도 구간에 있다고 판정된 경우, 상기 디젤 엔진의 실린더로 유입되는 흡기량과 상기 실린더로부터 배출되는 배기량을 제어하는 스로틀 협동 제어단계; 및 상기 디젤 엔진이 상기 과도 구간에 있지 않다고 판정된 경우, 상기 실린더로부터 배출되는 배기량을 제어하는 배기량 제어단계;를 포함하는 디젤 엔진의 공기량 제어 방법을 제공한다.

Description

디젤 엔진의 스로틀을 활용한 과도 구간 공기량 제어방법{Method for Air-control in Transient States Using Diesel Engine Throttle}
본 발명은 디젤 엔진의 저부하 영역 또는 과도 영역에서의 공기량 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 흡기 스로틀 밸브를 사용하여 디젤 엔진의 저부하 영역 또는 과도 영역에서 공기량을 제어하는 제어방법에 관한 것이다.
최근 날로 엄격해지고 있는 자동차 배기규제에 대응하기 위해서 자동차 제어 분야, 특히 자동차에 들어가는 공기의 유량 및 압력의 제어방법은 기존의 단순 실험을 바탕으로 하던 제어방법과는 다르게, 물리적인 해석을 시도하면서 보다 정밀하면서도 다양한 제어 기법들을 활용하게 되었다.
특히, 수학적인 모델링을 기반으로 한 모델 기반 제어방법이 자동차 공기 제어에 다양하게 시도되고 있는데, 이를 통하여 과도 구간에서의 제어기의 강건성을 유지하면서도 기존의 실험 위주의 맵 테이블(Map-table) 기반의 제어방법과 대비하여 보다 빠르고 직관적인 제어를 할 수 있게 되었다. 이는 앞으로 등장할 배기가스 저감을 목적으로 하는 다양한 운전 모드, 즉, 랜덤하게 적용되는 과도 구간에서의 배기가스 배출량 제어 측면에서는 반드시 적용해야 할 요소다.
모델 기반 제어방법은 전술한 바와 같이 많은 장점을 가지고 있기는 하지만 수학적 모델을 기반으로 하므로 엔진의 다양한 비선형적 특성, 모델 불확실성(Uncertainty) 등을 모두 커버하지 못하는 문제가 있다.
특히, 디젤 엔진의 비선형성이 크게 나타나는 저부하 과도 구간에서는 연료량이 극히 작아서 토크 특성이 불분명하고, 외부 공기의 압력 역시 엔진으로 들어오는 공기의 압력과 비슷하여, 공기의 흐름 역시 빠르지 않아 문제가 된다. EGR 및 VGT 의 제어시 불분명성이 더욱 커지므로 더 큰 문제가 된다.
더욱이, 이러한 제어방법은 과도 구간에서 언더슈트(undershoot) 또는 오버슈트(overshoot) 현상의 발생을 유도하므로 배기가스 규제 대응 측면에서도 불리하다.
따라서 이러한 모델 기반 제어방법이 기능을 제대로 발휘하지 못하는 특정 과도 구간에서의 보정 또는 대응 방법이 절실하다.
이에 본 발명에 따른 일 측면은, 전술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 디젤 엔진에서 시동 오프시에 활용하는 스로틀 또는 LP-EGR의 가스 압력 밸브를 활용하여 특정 과도 구간에서 제어 타겟을 제어할 수 있는 제어방법을 제공함에 있다.
일반적으로 디젤 엔진에는 흡기쪽에 스로틀 밸브를 사용하지는 않지만, 본 발명에서는 공기량 제어를 위해 스로틀 밸브를 사용하여 기존에 다루지 못했던 제어 타겟을 제어할 수 있는 제어방법을 제공한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
위에 제기된 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 공기량을 수학적 모델링 기법을 적용하여 제어하는 디젤 엔진으로서 상기 수학적 모델링 기법을 보완하기 위하여 EGR 시스템과 VGT 시스템이 장착되는 디젤 엔진의 공기량 제어 방법에 있어서, 상기 디젤 엔진이 과도 구간에 있는지 여부를 판정하는 과도구간 판정단계; 상기 디젤 엔진이 상기 과도 구간에 있다고 판정된 경우, 스로틀을 이용해 상기 디젤 엔진의 실린더로 유입되는 흡기량을 제어하고, 상기 실린더로부터 배출되는 배기량을 제어하는 스로틀 협동 제어단계; 및 상기 디젤 엔진이 상기 과도 구간에 있지 않다고 판정된 경우, 상기 실린더로부터 배출되는 배기량을 제어하는 배기량 제어단계;를 포함하는 디젤 엔진의 공기량 제어 방법을 제공할 수 있다.
본 측면에 의한 디젤 엔진의 공기량 제어 방법에서 상기 배기가스는 상기 EGR 시스템 또는 상기 VGT 시스템을 통하여 제어될 수 있다.
여기서 상기 과도 구간은 상기 수학적 모델링 기법의 부정확성으로 인하여 상기 디젤 엔진에 언더슈트 또는 오버슈트 현상이 생기는 구간으로 정의될 수 있다.
여기서 상기 과도구간 판정단계는 상기 디젤 엔진의 출력을 기준으로 하여 판정하는 것으로 구성될 수 있다.
실시예에 따라서는 상기 과도구간 판정단계는 상기 디젤 엔진의 출력이 최대 출력의 20% 이하인 경우 과도 구간으로 판정하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따라서는 상기 과도 구간에 해당하는 경우 스로틀 협동 제어단계에서 흡기량 제어 파라미터에 가중치를 상향 설정하고, 상기 배기가스 제어단계에서, 배기량 제어 파라미터에 가중치를 하향 설정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 공기량을 수학적 모델링 기법을 적용하여 제어하는 디젤 엔진으로서 EGR 시스템이 장착되는 디젤 엔진의 공기량 제어 장치에 있어서, 상기 디젤 엔진이 과도 구간에 있는지 여부를 판정하는 과도구간 판정부; 상기 과도구간 판정부가 상기 디젤 엔진이 상기 과도 구간에 있다고 판정한 경우, 상기 디젤 엔진의 실린더로 유입되는 흡기량과 실린더로부터 배출되는 배기량을 제어하고, 상기 디젤 엔진이 상기 과도 구간에 있지 않다고 판정한 경우는, 상기 실린더로부터 배출되는 배기가스를 제어하는 공기흐름 제어부; 및 상기 공기흐름 제어부로부터 제어신호를 입력받아 상기 흡기량 또는 상기 배기가스를 조절하는 엑추에이터; 중에서 적어도 하나를 포함하는 디젤 엔진의 공기량 제어 장치를 제공할 수 있다.
여기서 상기 과도구간 판정부는 상기 디젤 엔진의 상태 정보를 입력받아 상기 과도 구간에 있는지 여부를 판정하도록 구성될 수 있다.
실시예에 따라서 상기 상태 정보는 상기 디젤 엔진의 엔진 회전수, 냉각수 온도를 포함하도록 구성될 수 있다.
실시예에 따라서 상기 흡기량을 조절하는 상기 엑추에이터는 상기 디젤 엔진의 상기 실린더로 유입되는 흡기량을 조절하는 스로틀 밸브 엑추에이터일 수 있다.
또한, 실시예에 따라서 상기 배기가스를 조절하는 상기 엑추에이터는 상기 디젤 엔진의 상기 실린더로부터 배출되는 배기가스를 제어하는 EGR 밸브 엑추에이터일 수 있다.
여기서 상기 과도 구간은 실시예에 따라서 상기 수학적 모델링 기법의 부정확성으로 인하여 상기 디젤 엔진에 언더슈트 또는 오버슈트 현상이 생기는 구간으로 정의될 수 있다.
본 실시예에서도 과도 구간에 해당하는 경우 흡기량 제어 파라미터에 가중치를 상향 설정하고, 배기량 제어 파라미터에 가중치를 하향 설정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 공기량을 수학적 모델링 기법을 적용하여 제어하는 디젤 엔진으로서 상기 수학적 모델링 기법을 보완하기 위하여 EGR 시스템과 VGT 시스템이 장착되는 디젤 엔진의 공기량 제어 장치에 있어서, 상기 EGR 시스템을 조절하는 EGR 엑추에이터; 상기 VGT 시스템을 조절하는 VGT 엑추에이터; 상기 디젤 엔진의 흡기량을 조절하는 스로틀 엑추에이터; 및 상기 디젤 엔진이 과도 구간에 있는지 여부를 판정하고, 상기 디젤 엔진이 상기 과도 구간에 있다고 판정한 경우, 상기 스로틀 엑추에이터를 작동시켜 상기 디젤 엔진의 실린더로 유입되는 흡기량을 조절하고, 상기 과도 구간에 있지 않다고 판정한 경우, EGR 엑추에이터 또는 VGT 엑추에이터를 작동시켜 상기 실린더로부터 배출되는 배기가스를 제어하는 제어부;를 포함하는 디젤 엔진의 공기량 제어 장치를 제공할 수 있다.
여기서 상기 과도 구간은 실시예에 따라서 상기 수학적 모델링 기법의 부정확성으로 인하여 상기 디젤 엔진에 언더슈트 또는 오버슈트 현상이 생기는 구간으로 정의될 수 있다.
또한, 상기 제어부는 실시예에 따라서는 상기 디젤 엔진의 출력이 최대 출력의 20% 이하인 경우 상기 과도 구간으로 판정하도록 구성될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존의 있던 액추에이터를 활용하여 공기량을 제어하게 되므로 비용의 증가 없이 저부하 영역에서 디젤 엔진의 공기량의 정밀한 제어가 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 모델기반 제어기의 문제점을 보상하기 위한 파라미터 튜닝에 대한 노고를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명이 적용되는 디젤 엔진의 일 실시예를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤 엔진의 공기량 제어 방법의 실시예를 나타낸다.
도 3은 본 발명이 일 실시예에 의한 디젤 엔진의 공기량 제어 장치의 제1 실시예를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 디젤 엔진의 공기량 제어 장치의 제2 실시예를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 디젤 엔진의 공기량 제어 방법의 실시예를 나타낸다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
도 1은 본 발명이 적용되는 디젤 엔진의 일 실시예를 나타낸다.
엔진의 연소실(10)에는 공기 혹은 공기와 연료의 혼합기를 유입시키는 흡기 매니폴드(11)가 일 측에 연결되고, 상기 연소실(10)에서 연소되어 생성된 배기가스를 배출하기 위한 배기 매니폴드(12)가 타 측에 연결된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 배기 매니폴드(12)를 통해 배출되는 배기의 압력을 이용하여 공기를 압축하고 이를 상기 흡기 매니폴드(11)로 공급하기 위한 구성으로서, 터보 차져(Turbo-Charger)가 연결된다. 상기 터보차져를 구성하는 터빈(21)은 상기 배기 매니폴드(12)에 연결되고, 상기 터보차져를 구성하는 컴프레서(혹은 임펠러, 22)는 흡기 매니폴드(11) 측과 연결될 수 있다. 상기 배기 매니폴드에는 배기가스를 외부로 유도하도록 배기 유로가 연결되고, 상기 흡기 매니폴드로는 외기가 유입되는 외기 유입유로가 연결된다. 참고로 여기서 터보차져는 VGT가 해당될 수 있다.
컴프레서(22)측으로 들어온 외기는 흡기 매니폴드 측으로 유입되는 과정에서 인터쿨러(31)를 지나면서 연소하기에 적당한 혼합기의 온도로 조절될 수 있다. 인터쿨러(31)를 통과한 혼합기는 스로틀(32)을 통과하여 흡기 매니폴드(11)측으로 유입된다.
배기 매니폴드(12) 측에는 EGR 유로가 연결된다. EGR 유로는 배기 매니폴드(12)측으로부터 배출된 배기가스를 흡기 매니폴드(11) 측으로 재순환 시키기 위한 구성으로서, 유로 상에 재순환되는 배기가스의 유량을 조절하는 EGR 밸브(41)와 EGR 쿨러(42)를 구비한다. 도 1 에서의 EGR은 HP-EGR(High Pressure EGR)인 것처럼 되어 있으나, 도면은 이를 개념적으로 표시한 것으로서 LP-EGR(Low Pressure EGR)이 해당될 수 있음을 유의하여야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따라서는 스로틀을 통한 과도 구간 정밀 제어와 함께 EGR 파라미터로서 LP-EGR인 것으로 한정할 수도 있다. LP-EGR은 촉매컨버터 후단을 지나므로 정화된 EGR 가스를 쓸 수 있다는 장점과 낮은 온도의 배기가스를 사용할 수 있는 장점이 있다.
다음으로 도 2 내지 도 4를 참조로, 본 발명의 디젤 엔진의 스로틀을 활용한 과도 구간 공기량 제어방법에 대해서 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 디젤 엔진의 공기량 제어 방법의 일 실시예를 나타낸다.
본 실시예에 따른 디젤 엔진의 공기량 제어 방법은 공기량을 수학적 모델링 기법(Model Based Control)을 적용하여 제어하는 디젤 엔진으로서 상기 수학적 모델링 기법을 보완하기 위하여 EGR 시스템과 VGT 시스템이 장착되는 디젤 엔진에 적용되는 것일 수 있다.
본 실시예에 따른 디젤 엔진의 공기량 제어 방법은 상기 디젤 엔진이 과도 구간에 있는지 여부를 판정하는 과도구간 판정단계(S100); 상기 디젤 엔진이 상기 과도 구간에 있다고 판정된 경우, 상기 디젤 엔진의 실린더로 유입되는 흡기량을 제어하고, 상기 디젤 엔진의 실린더로부터 배출되는 배기량을 제어하는 스로틀 협동 제어단계(S110); 및 상기 디젤 엔진이 상기 과도 구간에 있지 않다고 판정된 경우, 상기 실린더로부터 배출되는 배기량을 제어하는 배기량 제어단계(S120);를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서 상기 배기량은 상기 EGR 시스템 또는 상기 VGT 시스템을 통하여 제어될 수 있다. 나아가 여기서 EGR 시스템은 LP-EGR 시스템인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 과도 구간은 실시예에 따라서는 상기 수학적 모델링 기법의 부정확성으로 인하여 상기 디젤 엔진에 언더슈트 또는 오버슈트 현상이 생기는 구간인 것으로 정의될 수 있다.
상기 과도구간 판정단계(S100)는 상기 디젤 엔진의 출력을 기준으로 하여 판정하도록 구성될 수 있다. 실시예에 따라서는 상기 과도구간 판정단계(S100)는 상기 디젤 엔진의 출력이 최대 출력의 20% 이하인 경우 과도 구간으로 판정하도록 구성될 수 있다. 여기서 최대 출력의 20% 이하인 경우라 함은 예컨대, 차량이 시내를 주행하는 정도의 출력을 의미하는 것일 수 있다.
또한, 상기 흡기량 제어단계(S110)는 상기 디젤 엔진의 스로틀 밸브를 조절하여 제어하도록 구성될 수 있다.
한편, 아래의 [수학식 1] 내지 [수학식 4]는 디젤엔진의 흡기 및 배기의 압력, 유량, 온도, 분율의 미분 방정식들로서 수학적 모델링식을 나타낸다.
[수학식 1]
Figure 112016121805963-pat00001
[수학식 2]
Figure 112016121805963-pat00002
[수학식 3]
Figure 112016121805963-pat00003
[수학식 4]
Figure 112016121805963-pat00004
참고로, 여기서 상기 [수학식 1] 내지 [수학식 4]는 PV = mRT(이상기체 방정식)을 바탕으로 미분방정식으로 전개된 식이며,
P는 압력을, W는 유량을 나타내고 아래 첨자는 당해 파라미터를 검출하는 위치를 나타낸다. 예컨대, Wc는 컴프레서의 인터쿨러를 흐르는 유체의 유량을 나타내고, Wegr은 EGR 시스템을 흐르는 유체의 유량을 나타내며, Wt는 VGT 시스템을 흐르는 유체의 유량을 나타내고, Wei, Weo는 디젤엔진의 실린더 내부를 흐르는 유체의 유량을 나타낸다.
그리고 여기서 Ra, Re는 기체상수를 Xo는 공기유량을 표현하는 파라미터가 해당될 수 있다.
아울러, 아래 첨자 im은 흡기 매니폴드 측에 해당하는 파라미터임을, 아래첨자 em은 배기 매니폴드 측에 해당하는 파라미터임을 나타낸다.
따라서, [수학식 3]에서 Xoim 이라 하면, 흡기 매니폴드 측에서 질량의 분율(fraction)을 나타낸다. 또한, [수학식 4] Xoem 이라 하면, 배기 매니폴드 측에서 질량의 분율(fraction)을 나타낸다.
한편, 상기 [수학식 1]을 참고하면, 예컨대, 흡기에서의 순간적으로 남아 있는 흡기 유량은 들어오는 유량(Wc+Wegr)과 나가는 유량(Wei)의 차이값으로 구할 수 있다.
종래의 디젤엔진의 공기량 제어에 있어서는 단순히 맵 테이블(map-table)을 이용한 모델기반 공기량 제어 방법을 사용하였다. 구체적으로 종래 디젤 엔진에서는 과도구간에서 실제 측정된 공기량을 기반으로 interpolation 기법으로 맵 테이블을 작성하고, 각 상황에 맞는 데이터를 입력하여 제어하는 방식을 취하였다. 즉, 디젤에서는 가솔린과 달리 과급 공기로 압축시켜서 폭발을 일으키기 때문에 스로틀이 필수적이지 않아, "Wc" 인자를 고려하지 않았었다.
그러나 상기 [수학식 1]과 상기 [수학식 3]을 통해 표시한 바와 같이 본 발명에서는 Wc 인자를 적용하여 공기유량을 해석하므로 그 정밀도가 종래에 비해 높아질 수 있다. 다만, 스로틀(32)은 차량의 출력 특성에 많은 영향을 미치기 때문에 Wc를 고려하는 활용시점의 결정이 중요하다.
본 발명에서는 EGR과 VGT가 엔진의 배기가스에 의한 공기 유량 제어요소인 점을 감안, 배기가스를 이용한 공기흐름 제어에 많은 시간지연(delay)이 발생한다는 점을 이용하여, 스로틀(32)의 적용시점을 한정하고, EGR과 VGT의 공기 유량 제어에 대한 인자의 가중치를 조절하는 것을 특징으로 삼는다. 이에 대해서는 상세히 후술하기로 한다.
일반적으로 엑추에이터의 개수와 다룰 수 있는 미분방정식의 개수는 동일한 것이 바람직하며, 엑추에이터 개수만큼의 미분방정식으로 공기량 제어기를 설계할 수 있는데, 입력값을 Wegr과 Wt로 결정하고, 제어 타겟을 흡기압과 배기압으로 선택한 경우 나머지 분율 미분방정식은 직접적으로 제어를 하지는 못하는 타겟이 된다. 분율 미분방정식은 시간이 흐름에 따라서 어떠한 값으로 수렴하겠지만 직접적인 제어 타겟이 아니어서 과도 구간에서는 어떻게 움직일지 예측하기 어렵다. 따라서 이러한 제어 타겟들에서 언더슈트나 오버슈트가 생긴다.
종래 알려진 일반적인 미분 방정식에서는 과도 구간에서 스로틀을 활용하지 않아 스로틀의 인자를 미분 방정식에 적용하지 않았고, 따라서, 제어 타겟들에서 언더슈트나 오버슈트가 발생하여, 정밀한 공기량 제어를 할 수 없었다.
그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 공기량 제어 방법에 의하면 기존의 엑추에이터의 입력값이 아니었던 Wc가 입력값으로 작용하여 흡기계통의 가스 분율을 제어할 수 있게 된다. 즉, 순간적으로 발생하는 분율의 오버슈트 또는 언더슈트 현상을 종래 기술에 비해 보다 정확하게 보상할 수 있다.
수학적 모델링 기법은 맵 값을 기반으로 하는 제어 기법과는 달리 물리적으로 해석이 가능하기 때문에 과도 구간에서 제어가 쉽게 구현될 수 있지만, 디젤 엔진의 다이나믹(Dynamics)은 수많은 비선형(Nonlinear)성과 10차 이상의 미분방정식으로 이루어져 있기 때문에 이를 수학적으로 완벽히 풀어내기는 어렵다.
즉, 엔진 제어의 엑추에이터는 엔진 자체의 다이나믹(Dynamics) 미분방정식 개수 보다 적기 때문에 모든 제어 타겟(Target)들을 직접적으로 추정하기 어렵다.
그러나 본 실시예에 따른 디젤 엔진의 공기량 제어 방법에 의하면 저부하 과도 구간에서 EGR 제어로 인해서 발생할 수 있는 간접적 제어 타겟인 가스 분율(Gas Fraction)의 언더슈트 또는 오버슈트를 스로틀의 일시적인 제어를 통해서 잡을 수 있는 효과가 있다.
이것이 가능한 이유는 저부하 영역에서는 출력 특성이 미비하고, 특히 언더슈트 또는 오버슈트는 예컨대 1초 내외로 매우 일시적으로 발생하므로 스로틀(32)의 작은 움직임만으로도 이를 제어할 수 있기 때문이다.
또한, 스로틀(32)은 엔진 연소실에 흐르는 유체의 흐름을 기준으로 가장 전방에 존재하므로, 과도 구간(또는 저부하 구간)에서 스로틀(32)을 제어하는 것은 다른 제어기 즉, VGT, EGR 제어기 대비 이러한 일시적으로 발생하는 현상에 대해서 즉각적으로 대응이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
과도 구간(또는 저부하 구간)에서는 유량이 흐름이 낮은 관계로 EGR 제어가 정확히 이루어지지 않으며 이 경우 가스 분율의 언더슈트 또는 오버슈트가 발생할 수 있는데 이를 방지하기 위하여 해당 구간에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기량 제어 방법과 같이 디젤 엔진의 스로틀 밸브를 이용할 수 있는 것이다.
한편, 본 실시예에 따른 공기량 제어 방법에서 스로틀의 제어는 차량의 출력 특성에 큰 영향을 미치므로 사용시 이를 고려하여 과도 구간(또는 저부하 구간)에서만 주로 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 과도 구간에 해당하는 경우 스로틀 협동 제어단계에서 스로틀에 의한 흡기량 제어 파라미터(Wc)에 가중치를 상향 설정하고, 상기 배기량 제어단계에서, 배기량 제어 파라미터(Wegr, Wt)의 가중치를 하향 설정할 수 있다.
본 실시예에 따르면 기존의 스로틀 엑추에이터를 그대로 활용하게 되므로 엔진 설계 변경 등 비용적 증가가 발생하지 않는 장점이 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면 전술한 공기량 제어 방법을 구현하는 제어 장치를 제공할 수 있다. 본 명세서에서는 전술한 공기량 제어 방법을 구현하는 제어 장치의 제1 실시예와 제2 실시예를 설명한다. 하지만 본 실시예에 따른 공기량 제어 장치는 반드시 이후 설명할 제1 실시예와 제2 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명이 다른 측면에 의한 디젤 엔진의 공기량 제어 장치의 제1 실시예를 나타낸다.
본 실시예에 따른 디젤 엔진의 공기량 제어 장치(200)는 공기량을 수학적 모델링 기법을 적용하여 제어하는 디젤 엔진으로서 EGR 시스템이 장착되는 디젤 엔진의 공기량 제어 장치(200)에 있어서, 상기 디젤 엔진이 과도 구간에 있는지 여부를 판정하는 과도구간 판정부(210); 상기 과도구간 판정부(210)가 상기 디젤 엔진이 상기 과도 구간에 있다고 판정한 경우, 상기 디젤 엔진의 실린더로 유입되는 흡기량을 제어하고, 상기 디젤 엔진이 상기 과도 구간에 있지 않다고 판정한 경우는, 상기 실린더로부터 배출되는 배기가스를 제어하는 공기흐름 제어부(220); 및 상기 공기흐름 제어부(220)로부터 제어신호를 입력받아 상기 흡기량 또는 상기 배기가스를 조절하는 엑추에이터(230);를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서 상기 과도 구간은 상기 수학적 모델링 기법의 부정확성으로 인하여 상기 디젤 엔진에 언더슈트 또는 오버슈트 현상이 생기는 구간으로 정의될 수 있다.
여기서 상기 과도구간 판정부(210)는 상기 디젤 엔진의 상태 정보를 입력받아 상기 디젤 엔진이 상기 과도 구간에 있는지 여부를 판정하도록 구성될 수 있다. 실시예에 따라서는 상기 상태 정보는 상기 디젤 엔진의 엔진 회전수, 냉각수 온도를 포함하는 것일 수 있다.
다른 실시예에 따르면 상기 과도구간 판정부(210)는 상기 디젤 엔진의 출력을 기준으로 하여 상기 디젤 엔진이 상기 과도 구간에 있는지 여부를 판정하도록 구성될 수 있다. 실시예에 따라서 상기 과도구간 판정부(210)는 상기 디젤 엔진의 출력이 최대 출력의 20% 이하인 경우 과도 구간으로 판정하도록 설정될 수 있다.
실시예에 따라서 상기 흡기량을 조절하는 상기 엑추에이터(230)는 상기 디젤 엔진의 상기 실린더로 유입되는 흡기량을 조절하는 스로틀 밸브 엑추에이터(231)일 수 있으며, 상기 배기가스를 조절하는 상기 엑추에이터(230)는 상기 디젤 엔진의 상기 실린더로부터 배출되는 배기가스를 제어하는 EGR 밸브 엑추에이터(232)일 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 측면에 의한 디젤 엔진의 공기량 제어 장치의 제2 실시예를 나타낸다.
본 실시예에 따른 디젤 엔진의 공기량 제어 장치(300)는 공기량을 수학적 모델링 기법을 적용하여 제어하는 디젤 엔진으로서 상기 수학적 모델링 기법을 보완하기 위하여 EGR 시스템과 VGT 시스템이 장착되는 디젤 엔진의 공기량 제어 장치(300)에 있어서, 상기 EGR 시스템을 조절하는 EGR 엑추에이터(320); 상기 VGT 시스템을 조절하는 VGT 엑추에이터(330); 상기 디젤 엔진의 흡기량을 조절하는 스로틀 엑추에이터(340); 및 상기 디젤 엔진이 과도 구간에 있는지 여부를 판정하고, 상기 디젤 엔진이 상기 과도 구간에 있다고 판정한 경우, 상기 스로틀 엑추에이터(340)를 작동시켜 상기 디젤 엔진의 실린더로 유입되는 흡기량을 조절하고, 상기 과도 구간에 있지 않다고 판정한 경우, EGR 엑추에이터(320) 또는 VGT 엑추에이터(330)를 작동시켜 상기 실린더로부터 배출되는 배기가스를 제어하는 제어부(310);를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서 상기 과도 구간은 상기 수학적 모델링 기법의 부정확성으로 인하여 상기 디젤 엔진에 언더슈트 또는 오버슈트 현상이 생기는 구간으로 정의될 수 있다.
실시예에 따라서 상기 제어부(310)는 상기 디젤 엔진의 상태가 상기 과도 구간에 해당하는지 여부를 상기 디젤 엔진의 출력을 기준으로 하여 판정하도록 구성될 수 있다. 실시예에 따라서 상기 제어부(310)는 상기 디젤 엔진의 출력이 최대 출력의 20% 이하인 경우 과도 구간으로 판정하도록 설정될 수 있다.
디젤 엔진 자체의 비선형성으로 인하여 제어기가 모든 부분을 다 커버하기에는 문제가 있다. 즉, 디젤 엔진에는 공기 흐름 제어를 담당하는 EGR 엑추에이터와 VGT 엑추에이터가 있으나, 과도 구간에서는 수학적 모델링 기법의 부정확성으로 인해서 언더슈트 또는 오버슈트 현상이 발생할 수 밖에 없다. 이러한 현상은 배출가스(Emission)의 제어에 부정적으로 작용한다. 즉, 다량의 배출가스가 이와 같은 과도 구간에서 발생하는 것이다.
본 실시예에 따른 디젤 엔진의 공기량 제어 장치(300)에 의하면 EGR 제어와 VGT 제어로 담당할 수 없는 과도 구간에서의 미세 제어의 불확실성의 처리를 스로틀 제어가 담당하도록 하는 구성을 채용함으로써 배출가스를 줄일 수 있는 효과가 있다.
마지막으로 도 5를 참조로 디젤 엔진의 공기량 제어 방법에 대한 실시예를 추가적으로 설명한다. 도 5는 도 1과 다른 실시예에 따른 디젤 엔진의 공기량 제어 방법의 실시예를 나타낸다.
예컨대, 디젤 엔진의 공기량 제어 방법에 있어서, 운전자 요구 토크가 발생하면, 토크 변화량을 판정(S210)한다. 토크 변화량이 없는 경우 곧바로 통상의 배기량 제어 단계(S240)로 진행하고, 소정의 토크 변화량이 있는 상태에서 토크 변화량에 따라 현재의 운전영역이 저 부하 구간인 것으로 판별(S220)된 경우, 본 발명의 스로틀 협동 제어 단계(S230)로 진행한다. 스로틀 협동 제어 이후 배기량 제어 단계를 거치지 않고, 바로 절차 종료될 수 있는 점에서 도 1의 실시예와 차이점을 가진다. 상기 실시예에서 저 부하 구간은 과도 구간으로 치환 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
200: 디젤 엔진의 공기량 제어 장치의 제1 실시예
210: 과도구간 판정부
220: 공기흐름 제어부
230: 엑추에이터
231: 스로틀 밸브 엑추에이터
232: EGR 밸브 엑추에이터
300: 디젤 엔진의 공기량 제어 장치의 제2 실시예
310: 제어부
320: EGR 엑추에이터
330: VGT 엑추에이터
340: 스로틀 엑추에이터

Claims (8)

  1. 공기량을 수학적 모델링 기법을 적용하여 제어하는 디젤 엔진으로서 상기 수학적 모델링 기법을 보완하기 위하여 EGR 시스템과 VGT 시스템이 장착되는 디젤 엔진의 공기량 제어 방법에 있어서,
    상기 디젤 엔진이 과도 구간에 있는지 여부를 판정하는 과도구간 판정단계;
    상기 디젤 엔진이 상기 과도 구간에 있다고 판정된 경우, 스로틀을 이용하여 상기 디젤 엔진의 실린더로 유입되는 흡기량과 상기 실린더로부터 배출되는 배기량을 제어하는 스로틀 협동 제어단계; 및
    상기 디젤 엔진이 상기 과도 구간에 있지 않다고 판정된 경우, 상기 실린더로부터 배출되는 배기량을 제어하는 배기량 제어단계;
    를 포함하되, 상기 과도 구간은 상기 수학적 모델링 기법의 부정확성으로 인하여 상기 디젤 엔진에 언더슈트 또는 오버슈트 현상이 생기는 구간인 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 공기량 제어 방법
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배기량은 상기 EGR 시스템 또는 상기 VGT 시스템을 통하여 제어되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 공기량 제어 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 과도 구간에 해당하는 경우 스로틀 협동 제어단계에서 흡기량 제어 파라미터에 가중치를 상향 설정하고, 상기 배기량 제어단계에서, 배기량 제어 파라미터에 가중치를 하향 설정하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 공기량 제어 방법.
  5. 공기량을 수학적 모델링 기법을 적용하여 제어하는 디젤 엔진으로서 EGR 시스템이 장착되는 디젤 엔진의 공기량 제어 장치에 있어서,
    상기 디젤 엔진이 과도 구간에 있는지 여부를 판정하는 과도구간 판정부;
    상기 과도구간 판정부가 상기 디젤 엔진이 상기 과도 구간에 있다고 판정한 경우, 상기 디젤 엔진의 실린더로 유입되는 흡기량과 상기 실린더로부터 배출되는 배기량을 제어하고, 상기 디젤 엔진이 상기 과도 구간에 있지 않다고 판정한 경우는, 상기 실린더로부터 배출되는 배기량을 제어하는 공기흐름 제어부; 및
    상기 공기흐름 제어부로부터 제어신호를 입력받아 상기 흡기량 또는 상기 배기량을 조절하는 엑추에이터;
    를 포함하되, 상기 과도 구간은 상기 수학적 모델링 기법의 부정확성으로 인하여 상기 디젤 엔진에 언더슈트 또는 오버슈트 현상이 생기는 구간인 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 공기량 제어 장치
  6. 제5항에 있어서,
    상기 과도구간 판정부는 상기 디젤 엔진의 엔진 회전수, 냉각수 온도를 포함하는 상태 정보를 입력받아 상기 과도 구간에 있는지 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 공기량 제어 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 흡기량을 조절하는 상기 엑추에이터는 상기 디젤 엔진의 상기 실린더로 유입되는 흡기량을 조절하는 스로틀 밸브 엑추에이터인 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 공기량 제어 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 과도 구간에 해당하는 경우, 흡기량 제어 파라미터에 가중치를 상향 설정하고, 배기량 제어 파라미터에 가중치를 하향 설정하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 공기량 제어 장치.




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