KR20020015320A - 내연기관의 과급압 제어 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
내연기관(1)의 배기가스관(3) 내에 장착된 배기가스 터보 충전기의 터빈(4)은 변경 가능한 기하구조를 갖는다. 과급압은 터빈 기하구조의 조정에 의해 제어된다. 배기가스관(3) 내의 터빈(4) 이전에 형성되는 배기가스 역압(pag)에 따라 터빈 기하구조를 위한 제어값(vtg)이 결정됨으로써, 목표 값을 초과하여 터보 충전기에 손상을 끼치지 않도록, 과급압 제어의 부하 감소를 위한 신속한 반응이 가능하게 된다.
Description
예를 들어, 독일 특허 제41 07 693 A1호 및 유럽 특허 제04 54 943 A1호에 공지된 바와 같이, 제어 장치는 목표 과급압과 실제 과급압 사이의 편차에 따라 제어값을 형성함으로써, 통상 과급압 제어가 달성된다. 이 제어값은, 충전기의 터빈을 배기가스관 내에서 연결하는 바이패스관 내의 밸브를 조정(독일 특허 제41 07 693 A1호)하거나 또는, 유동적인 기하구조를 갖는 터빈의 조정 가능한 터빈 블레이드를 조정(유럽 특허 제04 54 943 A1호)하는데 적용된다.
엔진의 경우, 배기가스 특성값 및 연료 소비 특성값과 관련된 점점 더 높은 수준의 사항들이 요구되고 있다. 유동적인 터빈 기하구조를 갖는 배기가스 터보 충전기는 터빈 블레이드 조정에 의해 실제적인 엔진 작동시점의 제어를 가능하게 한다. 이러한 기술에 의해 배기가스 터보 충전기의 지연 작동(turbo lag)을 줄이고,동시에 엔진의 작동효율을 향상시킬 수 있다. 가속과정은 터보 충전기에 기계 역학적으로 과다한 부하를 주는 과급압의 급증을 종종 유발할 수 있다. 또한, 가속 단계중에 유동적인 터빈 기하구조의 갑작스런 차단은, 바람직하지 않은 높은 배기가스 역압을 야기시켜 엔진의 추진력과 작동 효율에 악영향을 끼칠 수 있다.
본 발명의 목적은, 상기 과급압 제어 방법 및 장치에 있어서, 부하 변경시에 소정의 과급압 목표값의 경과에 가능한 신속하게 동조되나, 배기가스 터보 충전기를 불필요한 부하로부터 보호하기 위해 과급압 목표값이 초과되지 않는 것을 보장하는 것에 있다.
본 발명은, 내연기관의 배기가스관 내에 장착된 터빈이 변경 가능한 기하구조를 갖고, 그 터빈 기하구조의 위치 조정에 의해 과급압(boost pressure)이 제어되는 배기가스 터보 충전기(turbo charger)가 장착된 내연기관의 과급압 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
도면으로 구현된 다음의 실시예를 통하여 본 발명이 상세히 설명된다.
도1은 배기가스 터보 충전기가 장착된 내연기관의 블록선도이다.
도2는 과급압의 제어를 위한 기능 선도이다.
이러한 목적은, 청구항 제1항 및 제3항에 있어서, 터빈의 배기가스관 내에서 터빈 이전에 지속되는 배기가스 역압에 따라 독립적인 터빈 기하구조에 대한 제어값을 결정함으로써 해결된다. 배기가스 역압은 예를 들어, 회전수 변화, 부하 변경, 배기가스 환원의 변화 등의 제어 프로세스의 변화 상태에 대해, 또는 예를 들어 제어 시스템 내의 장애에 대해, 과급압보다 현저히 신속하게 반응한다. 본 발명에 따라, 제어값의 도출을 위해 배기가스 역압을 적용하면, 소정의 목표 과급압의 변화에 대한 과급압 제어의 신속한 반응을 달성할 수 있다.
본 발명에 따른 장치 또는 방법의 유리한 개선은 종속 청구항에서 후술된다. 그에 따라, 목표 과급압과 실제 과급압 사이의 편차로부터 제1 제어기에 의해 목표 배기가스 역압이 결정되고, 목표 배기가스 역압과 측정되거나 추정된 실제 배기가스 역압으로부터 제2 제어기에 의해 터빈 기하구조에 대한 제어값이 도출된다.
도1은 흡기관(2)과 배기가스관(3)이 포함된 내연기관(1)을 나타내고 있다. 배기가스관(3)에는 터빈(4)이, 그리고 흡기관(2)에는 배기가스 터보 충전기의 압축기(5)가 배열되어 있다. 또한, 배기가스관(3)을 흡입관(2)에 연결하는 배기가스 환원도관(6)은 내연기관에 장착될 수 있다. 배기가스 환원도관(6) 내에는 제어 가능한 밸브(7)가 존재한다. 흡입관(2)에는 과급압(pld) 측정을 위한 압력 센서(8)와 흡입된 공기량(lmd)을 측정하기 위한 공기량 측정 센서(9)가 배열된다. 그외에도, 흡입관(6)에는 스로틀 밸브(10)가 제공된다. 센서(11)는 내연기관의 회전수(mmot)를 파악하고, 배기가스관(3) 내의 압력 센서(12)는 터빈(4) 이전의 배기가스 역압(pag)을 측정한다. 터빈 기하구조에 작용하는 즉, 터빈 블레이드를 조정하는 액츄에이터(13)가 제공된다. 액츄에이터(13)는 제어 장치(14)로부터 제어값(vtg)을 수용한다. 제어 장치(14)는 터빈 기하구조를 위한 제어값(vtg)과 배기가스 환원도관을 위한 제어값(arf)을 도출하기 위해, 엔진 회전수(nmot), 스로틀 밸브의 위치(dk), 흡기된 공기량(lm), 과급압(pld), 그리고 배기가스 역압(pag)을 입력 변수로서 이용한다.
제어 장치(14)가 상기 입력 변수들로부터 터빈 기하구조의 제어값(vtg)을 유도하는 방법은 도2의 기능 선도를 참조로 상세히 설명된다. 프로세서(PZ)는, 엔진 회전수(nmot), 운전자의 요구를 구현하는 스로틀 밸브 위치(dk), 그리고 경우에 따라서는 언급되지 않은 내연기관의 다른 작동 변수를 통해서 목표 과급압(plds)을 결정한다. 목표 과급압의 도출은 종래 기술 분야에 속하기에 여기서 더 상세히 설명되지 않았다. 제1 결합 지점(V1)에서 목표 과급압(plds)과 실제 과급압(pld) 사이의 편차(△plds)가 결정된다. 과급압을 위한 편차값(△plds)은 제1 제어기(R1, 예를 들어, PI 혹은 PID-제어기)에 전달된다. 제1 제어기(R1)의 출력값은 배기가스관(3)의 배기가스 역압의 목표값(pags)과 일치한다. 제2 결합 지점(V2)에서는 목표 배기가스 역압(pags)과 실제 배기가스 역압(pag)의 편차값(△pag)이 결정된다. 배기가스 역압의 편차값(△pag)은 제2 제어기(R2)에 전달되어, 결국 유동적인 터빈 기하구조를 위한 제어값(vtg)을 형성한다.
실제 과급압(pld)는 흡입관(2)의 압력 센서를 통해서 측정되거나, 혹은 내연기관의 다양한 작동 변수들로부터 프로세서(PZ)에 의해 실제 과급압을 위한 추정값을 도출할 수 있다. 도2의 일점 쇄선은 실제 과급압(pld)이 프로세서(PZ)에 의해 결정된 추정값임을 보여준다. 실제 배기가스 역압(pag)은 배기가스관(3) 내의 압력 센서(12)의 측정치일 수 있다. 하지만, 실제 배기가스 역압(pag)은 내연기관의 여러 작동 변수로부터 프로세서(PZ)에 의해 유도된 추정값일 수도 있다. 프로세서(PZ)로부터 제2 결합점(V2)으로 연결된 일점 쇄선은 실제 배기가스 역압(pag)이 프로세서(PZ)에 의해 산출된 추정값임을 나타낸다. 실제 목표 과급압(pld)과 실제 배기가스 역압(pag)의 산출에 대한 것은 종래 기술에서 공지된방법이므로, 본원에서 더이상 상세히 설명되지 않는다.
터빈 기하구조의 차단은 터빈의 배기가스관(3) 내의 배기가스 역압(pag)을 상승시키고, 이를 통해, 터빈 내로 전달된 에너지를 또한 상승시킨다. 이로써, 충전기의 회전수와 흡입관(2)의 과급압(pld)을 동시에 상승시킨다. 도1에 나타난 바와 같이, 배기가스 환원이 존재하는 경우에 배기가스 역압(pag)이 과급압(pld)보다 크다면, 배기가스는 밸브(7)의 개방으로 배기가스 환원도관(6)을 통해서 흡입관에 도달할 수 있다. 배기가스 환원 밸브(7)이 개방되면, 배기가스 역압(pag)은 하강하고, 이로써, 흡입관(2)의 과급압(pld) 또한 하강한다.
본 발명은, 터빈 기하구조의 조정에 있어서 배기가스 역압(pag)이 과급압(pld)보다 근본적으로 더욱 빠르게 반응한다는 관찰 결과에 기초한다. 부스트 압력(pld)은 우선 배기가스 터보 충전기의 시간 상수만큼 지연되도록 한다. 이를 통해, 과급압 제어기의 출력값이 배기가스 터보 충전기의 관성 모멘트를 통해서 제한된다. 그러나, 그 결과 발생하는 시간 상수는 본질적으로, 제어 프로세스의 시간에 따라 변화하는 상황과, 배기가스 환원 밸브(7)의 개폐와, 터빈(4)의 배전기의 오류 등으로 인해 시스템에 작용하는 일련의 방해에 의해 발생하는 시간 상수 보다 크다. 터빈 배전기의 장애, 밸브 행정의 변화 또는 내연기관의 작동 시점의 변화는 배기가스 역압(pag)에 대해 매우 직접적으로 작용하며, 이로 인해 하위 레벨(lower-level)인 제어 회로에서 제어기(R2)와 매우 신속하게 비교될 수 있다. 제어기(R1)를 갖는 상위 레벨인 제어 회로는 제어기(R2)를 갖는 제어 회로보다 천천히 제어되어야 한다. 그러나, 과급압(pld)이 배기가스 역압(pag)보다 신속히 반응하기 때문에 이러한 조건은 자동적으로 충족된다.
Claims (4)
- 내연기관(1)의 배기가스관(3) 내에 장착된 터빈(4)은 변경 가능한 기하구조를 갖고, 터빈 기하구조의 위치 조정에 의해 과급압 제어가 가능한 내연기관의 과급압 제어 방법에 있어서,배기가스관(3) 내에서 터빈(4) 이전에 형성되는 배기가스 역압(pag)에 따라 터빈 기하구조를 위한 제어값(vtg)이 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 목표 과급압(plds)과 실제 과급압(pld) 사이의 편차값(△pld)으로부터 목표 배기가스 역압(pags)이 제1 제어기(R1)에 의해 결정되고, 목표 배기가스 역압(pags)과 측정 또는 추정된 실제 과급압(pld) 사이의 편차값(△pag)으로부터 터빈 기하구조를 위한 제어값(vdg)이 제2 제어기(R1)에 의해 유도되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 내연기관(1)의 배기가스관(3) 내에 장착된 터빈(4)은 변경 가능한 기하구조를 갖고, 터빈 기하구조의 위치 조정에 의해 과급압의 제어가 가능한 내연기관의 과급압 제어 장치에 있어서,제어기(R2)는 배기가스관(3) 내에서 터빈(4) 이전에 형성되는 배기가스 역압(pag)에 따라 터빈 기하구조를 위한 제어값(vtg)을 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제3항에 있어서, 목표 과급압(plds)과 실제 과급압(pld) 사이의 편차값(△pld)으로부터 목표 배기가스 역압(pags)이 제1 제어기(R1)에 의해 결정되고, 목표 배기가스 역압(pags)과 측정 또는 추정된 실제 과급압(pld) 사이의 편차값(△pag)으로부터 터빈 기하구조를 위한 제어값(vdg)이 제2 제어기(R1)에 의해 유도되는 것을 특징으로 하는 장치.
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