KR101956474B1 - 터보차저 베인 및 egr 밸브 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가속페달의 밟음량에 따른 요구토크 변화량을 기반으로 차량의 가속과 감속 조건을 판단한 후, 감속 조건시에는 터빈의 베인과 EGR 밸브의 최대 열림량을 제한하고, 재가속 조건시에는 EGR 밸브의 닫힘속도를 듀티 제어를 통해 증대시킴으로써, 엔진에 대한 흡기 공기량을 최적 공급량으로 조절할 수 있고, 배기가스 저감 효율을 향상시킬 수 있는 터보차저 베인 및 EGR 밸브 제어 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

터보차저 베인 및 EGR 밸브 제어 방법{Method for controlling turbo charger vane and EGR valve}
본 발명은 터보차저 베인 및 EGR 밸브 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량의 감속과 가속 조건에 따라 터보차저 베인 및 EGR 밸브의 개도 등을 제어하여 엔진에 대한 흡기 공기량을 최적 공급량으로 조절하는 동시에 배기가스 저감 효율을 향상시킬 수 있도록 한 터보차저 베인 및 EGR 밸브 제어 방법에 관한 것이다.
자동차의 배기가스 배출 규제에 따라 질소산화물 등의 배기가스를 저감시키는 여러 기술이 개발되고 있으며, 그 중 하나가 배기가스 중의 일부를 흡기부로 재순환시켜 배기가스 속에 포함되어 있는 NOx 등의 배출을 감소시킬 수 있는 배기가스 재순환장치(Exhaust Gas Recirculation, 이하 EGR이라 칭함)를 들 수 있고, 배기가스 재순환은 터빈과 컴프레서를 포함하는 터보차저에 의하여 이루어진다.
첨부한 도 1은 엔진에 터보차저와 EGR 밸브가 적용된 예를 도시한 개략도로서, 도면부호 10과 12는 각각 엔진의 흡기라인과 배기라인을 지시한다.
상기 흡기라인(10)과 배기라인(12) 간에는 배기가스 재순환 라인이 연결되어 있고, 배기가스 재순환 라인에는 EGR 밸브(20)가 장착되어 있다.
또한, 상기 흡기라인(10)과 배기라인(12)에는 터보차저(30)가 장착된다.
상기 터보차저(30)는 배기라인(12)에 장착되어 배기압에 의하여 회전 구동하는 터빈(32)과, 이 터빈(32)과 동축으로 연결되면서 흡기라인(10)에 장착되는 컴프레서(34)로 구성된다.
따라서, 엔진이 구동되면 배기라인(12)을 통해 배출되는 배기가스의 압력에 의하여 터빈(32)이 회전하게 되고, 이와 동시에 터빈(32)과 동축으로 연결된 컴프레서(34)가 회전하면서 흡기라인(10)으로 유입되는 흡기를 과급하게 되며, 이때의 과급에 의하여 흡기는 저온 고압의 상태를 유지하며 연소실로 공급되므로 엔진의 연소효율을 향상시킬 수 있다.
이와 함께, 상기 EGR 밸브(20)가 개방되면 배기라인(12)으로 배출되는 배기가스의 일부가 터빈(32) 전단의 압력과 컴프레서(34) 후단의 압력차에 의해 EGR 밸브(20)를 통과하여 흡기라인(10)으로 흐른 후 신기와 혼합되어 엔진으로 재공급됨으로써, 배기가스 속에 포함되어 있는 NOx 등의 배출을 감소시킬 수 있다.
이때, 배기가스 재순환 량을 조절하기 위하여 상기 EGR 밸브(20)의 개도를 조절하는 제어가 이루어질 수 있고, 또한 가변 지오메트리 터보 차저 제어 기술로서 상기 터빈(32)의 베인 개도를 가변적으로 제어하는 기술이 적용되고 있다.
한편, 차량의 감속중 목표 부스트 압력이 낮아짐에 따라 부스트 압력 저감을 위해 터빈의 베인 개도를 너무 많이 개방하면, 터빈의 전단 압력이 낮아져서 배기가스 재순환 흐름을 위한 충분한 차압(터빈 전단 압력과 컴프레서 후단 압력 간의 차이)이 형성되지 않게 된다.
그리고, 상기 EGR 밸브의 듀티가 증가할수록 배기가스가 EGR 밸브를 통과할 때, EGR 밸브의 유효면적 증가가 크지 않게 되어, 결국 EGR 밸브가 하드웨어 한계치까지 열리더라도 충분한 배기가스 재순환 공급이 어렵게 된다.
따라서, 감속시에는 부스트 압력이 목표대비 높더라도 충분한 차압 형성을 위하여 터빈의 베인을 일정수준 이상 닫아주어야 EGR 공급이 원활해질 수 있다.
반면, 차량의 감속 후 재가속 시에는 높아진 목표 부스트 압력을 추종하기 위해 상기 터빈의 베인이 닫히게 되고, 이는 차압 증가로 이어지는 바, 따라서 상기 EGR밸브가 충분히 빠르게 닫히지 않으면 배기가스가 흡기라인쪽으로 과다하게 공급되어 스모크가 증가하게 된다.
이렇게 흡기라인으로 배기가스 재순환량이 과다하게 증가하여 신기와 혼합되면, 신기(흡입 공기량)의 순간적인 감소를 말하는 언더슈트(Undershoot)가 발생하여 차량이 주행중 울컥거리는 저크(Jerk) 현상이 발생하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 가속페달의 밟음량에 따른 요구토크 변화량을 기반으로 차량의 가속과 감속 조건을 판단한 후, 감속 조건시에는 터빈의 베인과 EGR 밸브의 최대 열림량을 제한하고, 재가속 조건시에는 EGR 밸브의 닫힘속도를 듀티 제어를 통해 증대시킴으로써, 엔진에 대한 흡기 공기량을 최적 공급량으로 조절할 수 있고, 배기가스 저감 효율을 향상시킬 수 있는 터보차저 베인 및 EGR 밸브 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은: ⅰ) 차량이 가속 조건인지 아니면 감속 조건인지를 판정하는 단계; ⅱ) 상기 ⅰ) 단계 판정 결과 감속 조건으로 판정되면, 상기 EGR 밸브 및 터보 베인의 최대 개방 듀티를 설정 듀티값으로 제한하는 단계; 및 ⅲ) 상기 ⅰ) 단계 판정 결과, 이전의 감속 후 설정된 시간 내에 다시 가속이 이루어지는 가속 조건으로 판정되면, EGR 밸브의 듀티비 제어에 따른 닫힘속도를 증대시키는 제어가 이루어지는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저 베인 및 EGR 밸브 제어 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 ⅰ) 단계는 가속페달의 밟음량 변화에 따른 요구토크 변화량을 기반으로 판정되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 요구토크 변화량이 양의 설정값 이상이면 가속 상태로 판정하고, 음의 설정값 이하이면 감속으로 판정하는 것을 특징으로 한다.
상기 ⅱ) 단계에서, 상기 터보 베인의 최대 개방 듀티를 제한하는 설정 듀티값은 재순환 배기가스를 EGR 밸브를 통해 흡기라인쪽으로 보낼 수 있는 일정 이상의 차압이 확보될 수 있는 수준으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 ⅱ) 단계에서, 상기 EGR 밸브의 최대 개방 듀티를 제한하는 설정 듀티값은 EGR 밸브 듀티값의 단위 증가에 대응한 EGR 밸브의 유효 개방 면적의 증가가 소정량 이하가 되는 시점에 해당하는 듀티값으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
상기 ⅲ) 단계에서, 상기 EGR 밸브가 완전히 닫히는 것을 방지하기 위하여 EGR 밸브는 최소 개방량을 유지하는 수준의 설정 듀티비로 제어되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 감속 조건시 터보 베인이 최대로 개방되는 것을 제한하는 듀티 제어를 하여 일정 이상의 차압이 용이하게 확보될 수 있도록 함으로써, 재순환 배기가스가 EGR 밸브를 통해 흡기라인쪽으로 원활하게 공급할 수 있고, 그에 따라 신기의 목표공기량 추종성을 향상시킬 수 있고, 배기가스 재순환이 원활하게 이루어짐에 따른 NOx 등의 유해물질 배출을 저감시킬 수 있다.
둘째, 재가속 조건시에는 EGR 밸브의 닫힘속도를 듀티 제어를 통해 증대시킴으로써, 과도한 재순환 배기가스가 과도하게 흡기라인쪽으로 공급되는 것을 조절하여 신기의 언더슈트 현상을 방지할 수 있고, 결국 신기의 목표공기량 추종성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 엔진에 터보차저와 EGR 밸브가 적용된 예를 도시한 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 터보차저 베인 및 EGR 밸브 제어 방법을 위한 시스템 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 터보차저 베인 및 EGR 밸브 제어 방법을 도시한 순서도,
도 4는 EGR 밸브의 개도를 제어하기 위한 EGR 밸브 듀티 대 EGR 밸브 유효면적 간의 관계를 도시한 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 터보차저 베인 및 EGR 밸브 제어 방법의 시험 결과를 도시한 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
전술한 바와 같이, 엔진 감속 시 목표 부스트 압력값이 낮아지면, 이를 추종하기 위하여 터보차저의 터빈 베인이 열림으로 제어됨으로써, 터빈의 전단 압력 즉, 배압이 감소하게 되고, 이로 인하여 차압(터빈 전단 압력과 컴프레서 후단 압력 간의 차이)이 감소하여 재순환 배기가스가 EGR 밸브를 통해 흡기쪽으로 원활하게 공급되지 않게 되며, EGR 밸브가 많이 열려도 재순환 배기가스가 흡기쪽으로 원활하게 흐르지 않게 된다.
예를 들어, 상기 EGR 밸브가 약 55% 열림 제어되거나, 약 60% 열림 제어되어도 차압이 충분하지 못하므로, 흡기라인쪽으로 흐르는 재순환 배기가스량을 유사하게 된다.
반면, 엔진의 재가속 시 목표 부스트 압력값이 상향되면, 이를 추종하기 위해 터보차저의 터빈 베인(이하, 터보 베인으로 약칭함)이 급격하게 닫힘 제어됨으로써, 터빈의 전단 압력 즉, 배압이 급격하게 증가하게 되고, 이로 인하여 감속 중 많이 열려있던 EGR 밸브가 재가속 시 빠른 속도로 닫히지 못하면 재순환 배기가스가 EGR 밸브를 통해 흡기쪽으로 과도하게 공급된다.
이에, 흡기라인으로 배기가스 재순환량이 과다하게 증가하여 신기와 혼합되면, 배기가스 재순환량의 과다로 인한 스모크가 증가하게 되고, 특히 신기(흡입 공기량)의 순간적인 감소를 말하는 언더슈트(Undershoot)가 발생하여 차량이 주행중 울컥거리는 저크(Jerk) 현상이 발생하게 된다.
이러한 기존의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 가속페달 밟음량 변화를 통해 요구토크 변화량이 음수일 때 감속으로 인식하여, 목표 부스트 압력값 대비 부스트 압력이 높더라도 터보 베인의 개폐를 위한 제어기(ECU)의 듀티(duty) 제어시 터보 베인이 최대로 개방되는 것을 제한하는 듀티 제어가 이루어지도록 함으로써, 일정 이상의 차압(터빈 전단 압력과 컴프레서 후단 압력 간의 차이)이 확보될 수 있고, 그에 따라 재순환 배기가스가 EGR 밸브를 통해 흡기쪽으로 원활하게 공급될 수 있도록 한 점에 특징이 있다.
또한, 본 발명은 가속페달 밟음량 변화를 통해 요구토크 변화량이 음수일 때 감속으로 인식하여, 위와 같이 터보 베인이 최대로 개방되는 것을 제한하는 듀티 제어를 하는 동시에 EGR 밸브의 열림을 위한 제어기의 듀티 제어시 EGR밸브 듀티를 EGR 밸브의 유효면적 변곡점까지만 제한하여 EGR 밸브의 최대 개방량을 제한함으로써, 재가속 시 EGR 밸브가 닫혀야하는 변위량을 줄여주어 EGR 밸브가 닫히는 시간을 단축시킬 수 있도록 한 점에 특징이 있다.
또한, 본 발명은 가속페달 밟음량 변화를 통해 요구토크 변화량이 양수일 때 가속으로 인식하여, EGR 밸브의 닫힘 시간, 즉 단위시간당 EGR 밸브의 닫힘 변위량을 증가시켜 재순환 배기가스가 과다하게 흡기라인쪽으로 공급되어 신기량이 언더슈트(undershoot) 되는 현상을 방지할 수 있도록 한 점에 특징이 있다.
여기서, 본 발명의 터보차저 베인 및 EGR 밸브 제어 방법을 위한 시스템 구성을 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 2에서 보듯이, 본 발명에 따른 터보 베인 및 EGR 밸브 제어 방법을 위한 시스템 구성은 센서부(100)와, 센서부로부터의 정보를 기반으로 EGR 밸브 및 터보 베인에 대한 개폐를 위한 듀티 제어를 하는 제어기(200)와, EGR 밸브와 터빈의 베인을 개폐 작동시키는 액츄에이터(300)를 포함하여 구성된다.
상기 센서부(100)는 가속 및 감속 상태를 판단하기 위한 가속페달 밟음량 센서(=악셀페달 개도 센서) 외에 신기 공기량을 감지하는 공기량 센서, 가감속에 따른 부스트 압력을 감지하는 부스트 압력 센서, EGR 밸브 개도를 감지하는 EGR 밸브 포지션센서와, 터보 베인의 개도를 감지하는 터보 베인 포지션센서와, 엔진속도를 감지하는 크랭크 포지션 센서 등을 포함한다.
상기 제어기(200)는 가속페달 밟음량 변화에 의한 운전자 요구토크 및 요구토크 변화량을 기반으로 엔진의 가속 또는 감속 상태를 판정하고, 가속 및 감속에 따른 목표공기량 및 목표 부스트 압력을 조절하며, EGR 밸브 및 터보 베인의 개폐를 위한 듀티 제어를 한다.
상기 액츄에이터(300)는 제어기(200)의 듀티 제어 명령에 따라 작동하여 EGR 밸브의 개도 및 터보 베인의 개도를 조절한다.
이하, 위와 같은 시스템 구성을 기반으로 이루어지는 본 발명의 터보 베인 및 EGR 밸브 제어 방법을 첨부한 도 3의 순서도를 참조로 상세하게 살펴보기로 한다.
먼저, 운전자가 가속페달을 밟거나 떼는 등의 동작시, 가속페달 밟음량 감지센서에서 가속페달의 밟음량(가속페달 위치) 변화를 감지하여 제어기로 전송하면, 제어기에서 요구토크 변화량을 계산한다(S101).
이어서, 상기 요구토크 변화량을 기반으로 차량이 가속 조건인지 아니면 감속 조건인지, 가속 및 감속 조건이 아닌 정속 조건인지를 판정한다(S102).
이때, 상기 요구토크 변화량이 양의 설정값 이상이면 가속 상태로 판정하고, 음의 설정값 이하이면 감속으로 판정하며, 요구토크 변화량이 없으면 가속 및 감속조건이 아닌 정속 상태로 판정하여 본 발명의 로직이 종료된다.
상기 S102 단계에서의 판정 결과, 감속 조건이면 상기 제어기의 듀티 제어에 의하여 이루어지는 EGR 밸브 및 터보 베인의 최대 개방 듀티를 설정 듀티값으로 제한한다(S103).
예를 들어, 상기 터보 베인의 최대 개방 듀티를 제한하는 설정 듀티값은 재순환 배기가스를 EGR 밸브를 통해 흡기라인쪽으로 보낼 수 있는 일정 이상의 차압(터빈 전단 압력과 컴프레서 후단 압력 간의 차이)이 확보될 수 있는 수준으로 설정된다.
이에, 상기 터보 베인의 최대 개방 듀티가 설정 듀티값에 의하여 제한됨으로써, 터보 베인의 개도가 일정 이상의 차압(터빈 전단 압력과 컴프레서 후단 압력 간의 차이)이 확보될 수 있는 수준으로 조절된다.
따라서, 감속 조건시 터보 베인이 최대로 개방되는 것을 제한하는 듀티 제어가 이루어져, 일정 이상의 차압이 용이하게 확보됨으로써, 재순환 배기가스가 EGR 밸브를 통해 흡기쪽으로 원활하게 공급될 수 있다.
또한, 상기 S103 단계에서 EGR 밸브의 최대 개방 듀티를 제한하는 설정 듀티값은 첨부한 도 4에 도시된 바와 같이, EGR 밸브 듀티 대 EGR 밸브 유효면적(재순환 배기가스가 유효하게 통과할 수 있는 면적) 간의 변곡점 시점(EGR 밸브 듀티값이 늘어나더라도 EGR 밸브의 유효면적이 증가가 크지 않게 되는 시점)에 해당하는 듀티값으로 설정된다.
이에, 상기 EGR밸브의 최대 개방 듀티를 EGR 밸브의 유효면적 변곡점 수준에 해당하는 듀티값으로 제한하여 EGR 밸브의 최대 개방량을 제한함으로써, 재가속 시 EGR 밸브가 닫혀야하는 변위량을 줄여줄 수 있고, EGR 밸브가 닫히는 시간을 단축시킬 수 있다.
한편, 상기 S102 단계에서의 판정 결과 가속 조건이면, 이때의 가속 조건 이전 시점이 감속조건인지 판별하고(S104), 이전 시점을 정하는 시간 길이는 설정 가능하다.
즉, 상기 S102 단계에서의 판정 결과에 따른 가속 조건이 감속 후 설정된 시간 내에 다시 가속하는 조건인지를 판정하고(S104), 감속 후 일정 시간 내에 다시 가속하는 조건이 아니면 본 발명의 로직이 종료된다.
다음으로, 상기 S104 단계에서의 판정 결과, 이전의 감속 후 설정된 시간 내에 다시 가속이 이루어지는 가속 조건으로 판정되면, EGR 밸브의 듀티비 제어에 따른 닫힘속도를 증대시키는 제어가 이루어지며(S105), EGR 밸브의 닫힘속도 증대를 위한 듀티비는 요구토크 변화량의 절대값에 따라서 변경 가능하다.
이때, 상기 단계 S103에서 EGR밸브의 최대 개방 듀티가 EGR 밸브의 유효면적 변곡점 수준에 해당하는 듀티값으로 제한되어 EGR 밸브의 최대 개방량이 이미 제한된 상태이므로, 위의 단계 S105에서 EGR 밸브가 닫혀야하는 변위량을 줄어들게 되고, EGR 밸브가 닫히는 시간도 더 단축될 수 있다.
바람직하게는, 상기 EGR 밸브가 완전히 닫히면 배기가스 재순환 기능이 상실되어 NOx 등의 유해 물질 배기량이 증가하게 되므로, 상기 단계 S105에서 EGR 밸브가 완전히 닫히는 것을 방지하기 위하여, EGR 밸브는 최소 개방량을 유지하는 수준의 설정 듀티비로 제어된다.
이와 같이, 감속 후 일정 시간내 가속 조건일 때, EGR 밸브의 닫힘 시간, 즉 단위시간당 EGR 밸브의 닫힘 변위량을 증가시켜 재순환 배기가스가 과다하게 흡기라인쪽으로 공급되는 것을 차단할 수 있고, 그에 따라 첨부한 도 5의 시험예 결과를 나타내는 그래프에서 보듯이 기존에 과다한 재순환 배기가스로 인한 스모크 발생량을 줄일 수 있고, 신기량이 언더슈트(undershoot) 되는 현상을 용이하게 방지할 수 있다.
100 : 센서부
200 : 제어기
300 : 액츄에이터

Claims (6)

  1. ⅰ) 차량이 가속 조건인지 아니면 감속 조건인지를 판정하는 단계;
    ⅱ) 상기 ⅰ) 단계 판정 결과 감속 조건으로 판정되면, EGR 밸브 및 터보 베인의 최대 개방 듀티를 설정 듀티값으로 제한하는 단계;
    ⅲ) 상기 ⅰ) 단계 판정 결과, 이전의 감속 후 설정된 시간 내에 다시 가속이 이루어지는 가속 조건으로 판정되면, EGR 밸브의 듀티비 제어에 따른 닫힘속도를 증대시키는 제어가 이루어지는 단계;
    를 포함하되,
    상기 ⅱ) 단계에서, 상기 EGR 밸브의 최대 개방 듀티를 제한하는 설정 듀티값은 EGR 밸브 듀티값의 단위 증가에 대응한 EGR 밸브의 유효 개방 면적의 증가가 소정량 이하가 되는 시점에 해당하는 듀티값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 터보차저 베인 및 EGR 밸브 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 ⅰ) 단계는 가속페달의 밟음량 변화에 따른 요구토크 변화량을 기반으로 판정되는 것을 특징으로 하는 터보차저 베인 및 EGR 밸브 제어 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 요구토크 변화량이 양의 설정값 이상이면 가속 상태로 판정하고, 음의 설정값 이하이면 감속으로 판정하는 것을 특징으로 하는 터보차저 베인 및 EGR 밸브 제어 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 ⅱ) 단계에서, 상기 터보 베인의 최대 개방 듀티를 제한하는 설정 듀티값은 재순환 배기가스를 EGR 밸브를 통해 흡기라인쪽으로 보낼 수 있는 일정 이상의 차압이 확보될 수 있는 수준으로 설정되는 것을 특징으로 하는 터보차저 베인 및 EGR 밸브 제어 방법.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 ⅲ) 단계에서, 상기 EGR 밸브가 완전히 닫히는 것을 방지하기 위하여 EGR 밸브는 최소 개방량을 유지하는 수준의 설정 듀티비로 제어되는 것을 특징으로 하는 터보차저 베인 및 EGR 밸브 제어 방법.
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