KR20200074519A - 가변 밸브 듀레이션 기구 및 액티브 퍼지 시스템을 구비한 차량의 공연비 제어 방법 - Google Patents

가변 밸브 듀레이션 기구 및 액티브 퍼지 시스템을 구비한 차량의 공연비 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 퍼지 펌프를 이용하여 연료 증발 가스를 퍼지시키는 액티브 퍼지 시스템 및 가변 밸브 듀레이션 장치를 구비한 차량의 공연비 제어 방법으로서, 신기량과, 엔진의 실린더 내부에 잔류하는 잔류 공기량과, 흡기 밸브와 배기 밸브의 밸브 오버랩 시의 실린더 내부로의 역류 가스량을 이용하여 엔진의 실린더에 충전되는 공기량을 산출하고, 이를 액티브 퍼지 시스템의 동작 시에 엔진의 흡기 매니폴드로 공급되는 퍼지 가스 유량으로 보정하는 한편, 액티브 퍼지 시스템의 동작 시에 퍼지 가스에 포함되는 연료 성분의 양으로 연료 분사 장치에 의해 분사되는 연료량 보정하여 최종 연료량을 산출하고, 이 최종 공기량 및 최종 연료량을 기초로 공연비 제어를 실시한다.

Description

가변 밸브 듀레이션 기구 및 액티브 퍼지 시스템을 구비한 차량의 공연비 제어 방법{AIR-FUEL RATIO CONTROL METHOD IN VEHICLE COMPRISING CONTINUOSLY VARIABLE VALE DURATION APPRATUS AND ACTIVE PURGE SYSTEM}
본 발명은 차량의 공연비 제어 방법에 관한 발명으로서, 보다 상세하게는 가변 밸브 듀레이션 기구 및 액티브 퍼지 시스템을 구비한 차량에 있어서, 액티브 퍼지 시스템의 구동에 의해 공기량 및 연료량에 변화가 발생하는 경우에 이를 반영하여 공연비를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.
종래 밸브 듀레이션을 변경하기 위한 기구로서, 밸브가 엔진 회전수에 따라 다른 리프트로 동작하도록 구현되는 CVVL(Continuously Variable Valve Lift) 기술이 개발되고 있으나, 이러한 CVVL 시스템의 경우 밸브 듀레이션이 가변되지만 동시에 밸브 리프트가 변화하기 때문에, 제어의 자유도가 떨어진다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것이, 특허문헌 1에서 개시된 바와 같은 가변 밸브 듀레이션 기구(Continuously Variable Valve Dulation appratus; CVVD)이다. CVVD 기술의 경우, 도 3에서 도시되는 바와 같이 밸브 리프트의 변화없이 밸브 듀레이션을 효과적으로 가변할 수 있다. 또한 밸브의 개방/폐쇄 시점을 독립적으로 제어함으로써, 최적의 밸브 개폐 시점을 설정할 수 있다.
한편, 차량의 연료 탱크에 저장된 연료는 연료 탱크 내 유동 및 내부 온도에 따라 증발하여 연료 증발 가스가 발생된다. 이러한 연료 증발 가스가 대기로 유출되면 환경 오염문제를 일으키게 된다. 이를 방지하기 위하여, 특허문헌 2에서 개시된 기술과 같이, 증발가스를 캐니스터에 포집하였다가 이를 흡기 부압을 이용하여 엔진의 흡기 계통으로 유입시켜 재연소하는 퍼지 시스템이 현재 적용 중에 있다.
특허문헌 2와 같은 종래의 퍼지 시스템의 경우, 특히 터보차저(Turbo Charger)가 장착된 엔진의 경우에는, 엔진 흡기밸브 전단의 부압 생성이 어려워 기존의 흡기부압을 이용한 퍼지(Purge) 시스템의 적용이 어렵다.
이를 해결하기 위해 퍼지 펌프를 작동시켜 강제로 증발 가스의 퍼지를 수행하는 액티브 퍼지 시스템(Active Purge System, APS)에 대한 개발이 출원인에 의해 진행 중에 있다.
특허문헌 1: 대한민국 등록특허 제10-1326818호 (2013.11.11.) 특허문헌 2: 대한민국 등록특허 제10-0290337호 (2001.10.24.)
차량의 엔진의 흡입 공기량 및 공급 연료량을 정확히 계산하는 것은 엔진의 성능 및 연비를 좋게 하는데 필수적인 요소이다. 또한 배출가스의 성분을 결정할 수 있는 중요한 요소이기도 하다. 만약, 엔진의 흡입 공기량을 실제 값보다 크게 계산하게 되면, 그에 해당하는 연료가 많이 분사되어 연비의 악화 및 유해 가스(CO, HC) 배출 문제가 발생하게 된다. 또한 반대로 엔진의 흡입 공기량을 실제값 보다 작게 계산하게 되면, 그에 해당하는 연료가 상대적으로 적게 분사되게 되어, 엔진의 출력 성능이 악화되고, 유해 가스(NOx) 배출 문제가 발생한다.
그런데, 액티브 퍼지 시스템이 적용된 차량의 경우, 퍼지 시스템이 작동되면 퍼지 펌프로부터 압출된 가스가 흡기 매니폴드로 공급되게 되는데, 연료 성분이 농후한 퍼지 가스가 공회전 상태에 유입되거나, 반대로 희박한 공기가 유입되는 경우, 너무 희박하거나 농후한 연소 분위기가 조성되어 엔진이 꺼지는 현상이 유발될 수 있다.
도 11은 이와 같은 현상을 도시하고 있다. 퍼지 펌프가 작동하면, 소정 농도(HC 농도)의 퍼지 가스의 유동이 발생하고, 일정 시간이 경과한 후 퍼지 라인을 따라 흡기 매니폴드에 도달(도 11의 '①')하게 된다. 이 경우, 퍼지 가스에 포함된 연료 성분(HC)에 의해 람다 센서에 의해 측정되는 람다 값이 변화하고, 그 결과 ECU는 공연비 제어를 위해 측정된 람다 값에 따라 분사 연료량을 보정하게 된다. 이 과정에서 람다값의 편차가 크게 발생하고 따라서 연료량 보정 중의 연소 과정이 매우 불안정하게 된다(도 11의 '③').
그 결과 전술하는 바와 같이, 엔진이 꺼지거나 또는 시동성이 저하되는 문제가 발생될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 액티브 퍼지 시스템의 구동 시에 공기량 및 연료량을 정확히 계산하여 정확한 공연비 제어를 실시하는 것이 필요하다. 특히, 가변 밸브 듀레이션 기구를 채용한 차량에 있어서는, 공기량 계산에 있어서, 신기량 뿐만 아니라, 밸브 오버랩 시의 역류 가스량을 고려하여야 하는 바, 보다 정확한 공기량 및 연료량 계산이 필요하다.
본 발명은 상기한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 가변 밸브 듀레이션 기구 및 액티브 퍼지 시스템을 채용한 차량에 있어서, 공기량 및 연료량을 정확히 산출하여 적절한 공연비 제어를 할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 퍼지 펌프를 이용하여 연료 증발 가스를 퍼지시키는 액티브 퍼지 시스템 및 가변 밸브 듀레이션 장치를 구비한 차량의 공연비 제어 방법으로서, 스로틀 밸브를 통해 외부에서 유입되는 신기량과, 흡기 밸브의 열림 시점에 엔진의 실린더 내부에 잔류하는 잔류 공기량과, 흡기 밸브와 배기 밸브의 밸브 오버랩 시에 연속 가변 밸브 듀레이션 기구의 동작에 의해 변경되는 밸브 듀레이션에 근거하여 산출되는, 실린더 내부로의 역류 가스량을 이용하여 엔진의 실린더에 충전되는 공기량을 산출하는 단계, 액티브 퍼지 시스템의 동작 시에 엔진의 흡기 매니폴드로 공급되는 퍼지 가스 유량을 산출하는 단계, 산출된 공기량을 퍼지 가스의 유량으로 보정하여 최종 공기량을 산출하는 단계, 액티브 퍼지 시스템의 동작 시에 퍼지 가스에 포함되는 연료 성분의 양을 산출하는 단계, 연료 분사 장치에 의해 분사되는 연료량을 퍼지 가스에 포함되는 연료 성분의 양으로 보정하여 최종 연료량을 산출하는 단계와 최종 공기량 및 최종 연료량을 기초로, 목표 공연비를 만족하도록 혼합기의 공연비를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 퍼지 가스 유량은, 퍼지 펌프의 회전수와 퍼지 펌프의 양단에서의 압력차를 이용하여 산출된다.
퍼지 가스에 포함되는 연료 성분의 양을 산출할 때에는, 퍼지 펌프의 회전수와, 퍼지 펌프 후단에서의 압력을 이용하여 퍼지 가스의 농도를 산출하고, 산출된 퍼지 가스 농도를 이용하여 퍼지 가스 중 연료 성분의 밀도를 산출하고, 연료 성분의 밀도와 퍼지 가스 유량을 이용하여, 퍼지 가스에 포함된 연료 성분의 질량을 산출한다.
퍼지 농도를 보다 정확하게 산출하기 위해서는, 퍼지 농도를 산출하는 단계는, 퍼지 유로를 개폐하는 퍼지 밸브가 닫혀있는 상태에서 행해지는 것이 바람직하다.
차량이 위치하는 지점의 고도 및 온도의 영향이 반영될 수 있도록, 퍼지 가스에 포함되는 연료 성분의 양을 산출하는 단계에서는,산출된 연료 성분의 밀도를 차량 외기 온도 및 고도에 따라 보상하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
흡기 매니폴드로 퍼지 가스가 유입되는 시점 및 그 때의 퍼지 농도를 정확히 산출하기 위하여, 퍼지 펌프에 의해 토출되어, 퍼지 유로를 통해 엔진의 흡기계로 유입될 때 까지의 퍼지 가스의 확산/지연 모델을 이용하여 흡기계로 유입되는 퍼지 가스의 농도를 결정하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 실린더에 충전되는 공기량을 산출하는 단계에 있어서, 역류 가스량은 밸브 오버랩 구간에서 배기 압력, 흡기 압력, 배기 온도 및 밸브 오버랩 기간을 기준으로 결정되는 기본 역류 가스량을, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구의 동작에 의해 변경되는 밸브 듀레이션에 근거하여 보정한 값이 된다.
바람직하게는, 상기한 기본 역류 가스량의 보정 시에, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 최대 열림 시점(MOP) 및 밸브 닫힘 시점에 근거하여 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정한다.
바람직하게는, 상기한 기본 역류 가스량의 보정 시에, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 최대 열림 시점(MOP) 및 밸브 열림 시점에 근거하여 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하여도 된다.
바람직하게는, 상기한 기본 역류 가스량의 보정 시에, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 열림 시점 및 닫힘 시점에 근거하여 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하여도 된다.
바람직하게는, 상기한 기본 역류 가스량의 보정 시에, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 밸브 듀레이션 및 최대 열림 시점에 근거하여 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 상기 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하여도 된다.
바람직하게는, 상기한 기본 역류 가스량의 보정 시에, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 밸브 듀레이션의 함수로 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 상기 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하여도 된다.
배기가스 재순환 장치(EGR)가 설치된 차량의 경우, EGR량을 공기량에 반영하기 위하여, 퍼지 가스의 유량으로 보정된 공기량을, 배기가스 재순환 장치(EGR)를 통해 재순환되는 배기가스의 유량으로 보정하여 최종 공기량을 산출한다.
본 발명에 따르면, 액티브 퍼지 시스템에 의해 증발 가스를 퍼지하는 경우에 있어서, 퍼지 가스에 의해 추가 공급되는 연료량을 정확히 산출하고, 이를 이용하여 현재 시점에 엔진에 공급되는 연료량을 정확히 산출할 수 있어, 적절한 공연비 제어가 가능하다.
또한 본 발명에 따르면, 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 밸브 듀레이션이 변경되는 경우의 신기량, 잔류 공기량 및 역류 공기량과, 액티브 퍼지 작동 시에 공급되는 퍼지 가스 유량을 고려하여 현재 시점에 엔진에 공급되는 공기량을 정확히 산출할 수 있어, 적절한 공연비 제어가 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면, 액티브 퍼지 시스템에 의해 증발가스를 퍼지하는 경우에 있어서, 퍼지 유로를 따라 흐르는 퍼지 가스의 확산 및 공급 지연을 반영하여 소정 시점에서 흡기 매니폴드로 공급되는 퍼지 가스의 농도 성분을 정확히 예측할 수 있다. 따라서, 이를 고려한 정확한 공연비 제어를 실시할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 퍼지 가스의 유입에 따른 엔진의 발진 불량, 공회전 불안정, 시동 꺼짐 현상등을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 차량의 공연비 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 차량의 공연비 제어 방법에 있어서, 실린더 공기 충전량을 계산하기 위한 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 변화되는 밸브 듀레이션 및 그 때의 밸브 프로파일의 변화를 나타내는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 밸브 오버랩 시에, 가변 밸브 듀레이션 기구를 이용하여 각각 흡기 밸브와 배기 밸브의 듀레이션을 변경한 경우, 밸브 프로파일의 변화를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 차량의 공연비 제어 방법에 있어서, 액티브 퍼지 시스템의 구동 시의 퍼지 가스 중 연료 성분량(퍼지 연료량) 및 퍼지 가스 유량을 계산하기 위한 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6은 퍼지 가스 유량과 퍼지 펌프의 전후단 압력차의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 퍼지 농도와 퍼지 펌프 후단 압력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8a 내지 도 8d는 퍼지 가스의 확산/지연 모델을 이용하여 흡기 매니폴드에 유입되는 퍼지 가스 농도를 산출하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9은 본 발명에 따른 공연비 제어 방법이 적용될 수 있는 가변 밸브 듀레이션 기구의 일 예의 개력적인 구성도이다.
도 10은 본 발명에 따른 공연비 제어 방법이 적용될 수 있는 액티브 퍼지 시스템의 구성도이다.
도 11은 액티브 퍼지 시스템의 작동 시에 퍼지 공기의 유입에 따른 람다 제어의 불안정을 나타내기 위한 신호도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 퍼지 농도 산출 제어 방법 및 이를 이용한 연료량제어 방법에 대해서 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
먼저, 도 9 및 도 10을 참조하여, 본 발명에 따른 공연비 제어 방법이 적용될 수 있는 차량의 가변 밸브 듀레이션 기구 및 액티브 퍼지 시스템에 대해서 설명한다.
도 9은 본 발명에 따른 공연비 제어 방법이 적용될 수 있는 가변 밸브 듀레이션 기구의 일 예의 개력적인 구성도이다.
가변밸브 듀레이션 기구(100)는 캠 샤프트 슬롯(112)이 형성된 캠 샤프트(110), 캠 샤프트(110)에 상대적 위상이 가변될 수 있도록 구비되며, 캠(121, 122) 및 캠 슬롯(124)이 형성되고, 그 회전 중심이 캠 샤프트(110)의 회전 중심과 일치하는 캠부(120)를 구비한다.
그리고, 가변밸브 듀레이션 기구(100)는 롤러 안내부(130)를 구비하고, 롤러 안내부(130)는 그 내부에서 캠 샤프트 슬롯(112) 및 캠 슬롯(124)과 연결된다. 롤러 안내부(130)의 일단은 힌지(131)와 브라켓(150)을 통해 엔진에 결합하고, 타단에서는 제어 슬롯(132)이 형성된다. 또한 가변밸브 듀레이션 기구(100)는, 캠 샤프트(110)와 평행하게 구비되며 제어 슬롯(132)에 삽입되는 제어 핀(141)이 그 중심에서 편심되어 형성된 제어 샤프트(140)를 구비한다.
롤러 안내부(130)의 회전 중심은 캠 샤프트(110)의 회전 중심과 평행하며, 도시되지 않은 제어부에 의해 제어되는 액추에이터 또는 모터 등을 이용하여 그 회전 중심이 이동될 수 있다. 롤러 안내부(130)의 회전 중심과 캠 샤프트(110)의 회전 중심이 차이를 발생시킴으로써, 캠 샤프트 슬롯(112)과 캠 슬롯(124)의 상대적인 위상각이 가변될 수 있어 캠 샤프트(110)과 캠(120)의 상대적인 회전 속도가 가변되고, 이를 통해 밸브 리프트의 열림과 닫힘 시간 사이의 경과 시간이 밸브 듀레이션이 가변될 수 있다.
또한, 가변밸브 듀레이션 기구(100)는, 힌지(131)의 위치 설계에 따라, 밸브 열림 시점(valve opening) 또는 밸브 닫힘 시점(valve closing)을 고정하고, 나머지 시점을 변경함으로써, 밸브 듀레이션을 가변하도록 할 수 있으며, 또한 최대 열림 시점(Most Opening Position, MOP)를 고정하고 밸브 열림 시점(valve opening) 및 밸브 닫힘 시점(valve closing)이 가변됨으로써, 밸브 듀레이션을 가변할 수도 있다. 상기한 가변 밸브 듀레이션 기구(100)와 종래의 가변 밸브 타이밍 기구를 조합하면, 밸브 타이밍 및 밸브 듀레이션을 용이하게 가변 제어할 수 있다.
도 9에서 도시된 가변 밸브 듀레이션 기구(100)는 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따른 제어 방법이 적용될 수 있는 가변 밸브 듀레이션 기구의 예시에 불과하며, 본원 발명에 따른 제어 방법이 적용될 수 있는 가변 밸브 듀레이션 기구는 위 도 9에서 도시된 기구의 구조에 한정되지 않는다.
도 10은 본 발명에 따른 공연비 제어 방법이 적용될 수 있는 액티브 퍼지 시스템의 구성도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 공연비 제어 방법이 적용될 수 있는 차량의 액티브 퍼지 시스템은 연료 탱크(11), 캐니스터(12), 캐니스터 벤트 밸브(13), 캐니스터 필터(14), 압력 및 온도 센서(15), 퍼지 펌프(16), 압력 센서(17), 퍼지 밸브(18) 등으로 구성된다.
액티브 퍼지 시스템에서는 연료 탱크(11)에서 저장된 연료가 증발하여 형성되는 연료 증발 가스가 캐니스터(12)에 포집된다. 캐니스터(12)에 포집된 연료 증발 가스는 퍼지 펌프(16)에 의해 압출하고, 퍼지 펌프(16)에 의해 압출된 연료 증발 가스(퍼지 가스)는 퍼지 라인(22)을 따라 흡기 매니폴드(5)로 공급된다. 이 때 공급되는 퍼지 가스의 유량은 퍼지 펌프(16)의 회전수 및 퍼지 밸브(18)의 개도에 의해 조절된다. 퍼지 펌프(16)와 캐니스터(12) 사이와, 퍼지 펌프(16)와 퍼지 밸브(18) 사이에서는 각각 퍼지 펌프(16)의 전단과 후단에서의 퍼지 가스의 압력을 측정하기 위한 압력 센서(15, 17)가 구비된다.
도 10에서 도면부호 6은 엔진제어유닛(ECU)이며, 엔진제어유닛(6)에 의해 본 발명에 따른 공연비 제어가 이루어진다.
도 10에서 도시된 액티브 퍼지 시스템은 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따른 제어 방법이 적용될 수 있는 바람직한 예시에 불과하며, 본원 발명에 따른 제어 방법이 적용될 수 있는 액티브 퍼지 시스템은 위 도 10에서 도시된 기구의 구조에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 공연비 제어 방법을 도시한 순서도이다.
공연비 제어를 위해서는 현재 엔진에 유입되는 공기량 및 연료량을 정확히 산출해 내는 것이 필요하다.
이를 위해 엔진제어유닛(6)은, 먼저 액티브 퍼지 시스템이 구동되지 않는 경우의 흡기 행정 시에 엔진의 실린더 내부에 충진되는 공기량을 산출(S10)한다. 이 때의 엔진의 실린더 내부에 충진되는 공기량은, 스로틀 밸브(4)를 통해 유입되는 신기량과, 흡기 밸브의 열림 시점에 엔진의 실린더 내부에 잔류하는 잔류 공기량과, 흡기 밸브와 배기 밸브의 밸브 오버랩 시에 실린더 내부로 역류하는 가스량을 합한 값이 된다. 구체적인 공기량 산출하는 방법은 이후에 다시 상세히 설명한다.
한편, 액티브 퍼지 시스템이 구동되면 퍼지 펌프(16)에 의해 압출된 퍼지 가스가 퍼지 유로(22)를 따라 엔진의 흡기 매니폴드(5)로 유입된다. 따라서, 엔진에 유입되는 공기량은 퍼지 가스 유량 만큼 증가하게 된다.
따라서, 정확한 공기량을 산출하기 위하여, 엔진제어유닛(6)은 퍼지 가스 유량을 산출한다(S20). 구체적인 퍼지 가스 유량 산출 방법은 이후에 다시 상세히 설명한다. 그리고, 엔진제어유닛(6)은 단계 S20에서 산출된 퍼지 가스 유량을 단계 S10에서 산출된 실린더 충전 공기량과 합하여 최종 공기량을 산출한다(S30).
한편, 액티브 퍼지 시스템이 구동되면 퍼지 펌프(16)에 의해 압출된 퍼지 가스가 퍼지 유로(22)를 따라 엔진의 흡기 매니폴드(5)로 유입됨에 따라, 퍼지 가스 내에 포함된 연료 성분(HC)의 양만큼, 실린더로 유입되는 연료량이 증가하게 된다.
따라서, 정확한 공기량을 산출하기 위하여, 엔진제어유닛(6)은 퍼지 가스 내에 포함된 연료 성분(HC)의 양을 산출(S40)한다. 구체적인 공기량 산출하는 방법은 이후에 다시 상세히 설명한다. 그리고, 엔진제어유닛(6) 단계 S40에서 산출된 퍼지 가스 내에 포함된 연료 성분의 양을 연료 분사 장치에 의해 분사되는 연료량과 합하여 최종 연료량을 산출한다(S50).
그리고, 엔진제어유닛(6)은 단계 S30에서 산출된 최종 공기량 및 단계 S60에서 산출된 최종 연료량에 기초하여 현재 엔진의 실린더에 공급되는 혼합기의 공연비를 확정하고, 이를 바탕으로 목표로 하는 최적 공연비를 달성하기 위하여, 엔진의 스로틀 밸브(4), 연료 분사 장치 등을 제어하는 공연비 제어를 실시한다(S60).
한편, 배기가스 저감을 위한 수단으로서, 배기계로 배출되는 배기가스의 일부를 흡기 매니폴드(5)로 재유입 시키는 배기가스 재순환 장치(EGR)를 채용할 수 있다. 이 경우, 엔진에 유입되는 공기량을 정확히 산출하기 위해서는, 액티브 퍼지 시스템에 의해 유입되는 퍼지 가스 이외에 배기가스 재순환 장치(EGR)를 통해 흡기 매니폴드(5)로 유입되는 재순환 가스량을 고려하여야 한다. 따라서, 배기가스 재순환 장치의 작동 시에, 엔진제어유닛(6)은 단계 S30에서 산출된 최종 공기량을, 배기가스 재순환 장치(EGR)를 통해 재순환되는 배기가스의 유량으로 보정하여 최종 공기량으로 산출한다. 즉, 단계 S30에서 산출된 최종 공기량과, 배기가스 재순환 장치(EGR)를 통해 재순환되는 배기가스의 유량을 합산하여 최종 공기량으로 한다. 여기서, 배기가스 재순환 장치(EGR)를 통해 재순환되는 배기가스의 유량은, 배기가스 재순환 장치에 사용되는 EGR 밸브의 개도, 배기가스 재순환 장치(EGR)의 출구 부분의 배기압등을 이용하여 산출될 수 있다.
이하에서는 도 1의 단계 S10에서 실행되는, 액티브 퍼지 시스템이 구동되지 않는 경우에 있어서, 흡기 행정 시에 엔진의 실린더 내부에 충진되는 공기량을 산출하는 방법에 대해서 보다 상세히 설명한다.
가변 밸브 듀레이션 기술의 경우, 도 3에서 도시되는 바와 같이 밸브 리프트의 변화없이 밸브 듀레이션을 효과적으로 가변할 수 있다. 또한 밸브의 개방/폐쇄 시점을 독립적으로 제어함으로써, 최적의 밸브 개폐 시점을 설정할 수 있다. 그런데, 가변 밸브 듀레이션 기구를 적용하면, 도 4a 및 도 4b에서 도시된 바와 같이, 밸브의 프로파일이 변경되게 된다.
도 4a는 배기 밸브는 밸브 듀레이션이 고정되고, 흡기 밸브의 밸브 듀레이션을 가변 밸브 듀레이션 기구를 이용하여 변경한 경우의 밸브 프로파일의 형태 변화를 나타내고 있다. 도 4a에서 x축은 밸브의 작동각이고 y축은 밸브 리프트량을 나타낸다. 도 4a에서는 가변 밸브 듀레이션 기구를 이용하여 흡기 밸브의 열림 시점(IO)이 고정된 상태에서 밸브의 닫힘 시점을 가변(IC1 내지 IC3) 시키고 있다. 이 경우, 밸브 오버랩 구간은 동일하지만 흡기 밸브의 밸브 듀레이션을 변경함에 따라 밸브 오버랩이 이루어지는 유효 면적이 달라지게 된다.
도 4b의 예에서는 반대로 흡기 밸브는 밸브 듀레이션이 고정되고, 배기 밸브는 닫힘 시점(EC)을 고정한 상태에서 열림 시점을 진각 내지 지각시켜 밸브 듀레이션이 변경되도록 하고 있다. 도 4b의 예에서도 도 4a의 예와 마찬가지로, 밸브 오버랩 구간은 동일하지만 배기 밸브의 밸브 듀레이션을 변경함에 따라 밸브 오버랩이 이루어지는 유효 면적이 달라지게 된다.
밸브 오버랩이 이루어지는 유효 면적이 달라진다는 것은 밸브 오버랩 구간에서의 유량의 이동이 달라지는 것을 의미한다. 즉, 역류 가스량이 달라지게 되고, 따라서 최종적으로는 실린더 내부에 충전되는 공기량이 달라지게 된다. 도 4a 및 도 4b에서 도시되어 있는 바와 같이, 흡기 또는 배기 밸브의 듀레이션이 커지게 되면, 동일한 밸브 오버랩 구간에서도 밸브의 유효 열림 면적이 작아지게 되므로, 역류 가스의 유량이 작아지게 된다.
이와 같은 현상을 반영하지 못하면, 밸브 듀레이션이 큰 경우 실린더 공기 충전량을 실제보다 크게 계산하게 되고, 이 경우, 연료는 실제 공기량 대비 작게 분사되므로, 성능이 저하된다. 반대로 밸브 듀레이션이 작은 경우, 실린더 공기 충전량은 실제보다 작게 계산된다. 이 경우, 연료는 실제 공기량 대비 크게 분사되므로, 연비가 악화될 수 있다.
따라서, 가변 밸브 듀레이션 기구가 장착된 차량의 실린더 충전 공기량을 계산할 때에는 이러한 특성을 고려하여 계산하여야 한다. 이하에서는 도 2를 참조하여 이러한 가변 밸브 듀레이션 기구가 장착된 차량에 있어서, 상기한 특성을 고려한 실린더 충전 공기량 계산 방법에 대해서 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 차량의 공연비 제어 방법에 있어서, 실린더 충전 공기량을 계산하기 위한 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2에 따르면, 엔진제어유닛(6)은 먼저 스로틀 밸브(4)로부터 유입되는 신기량을 측정(S100)한다. 바람직하게는, 신기량은 스로틀 밸브(4) 후단에 설치된 공기량 센서(MASS AIF FLOW SENSOR, MAF 센서)를 통해 측정될 수 있다.
다음, 엔진제어유닛(6)은, 흡기 밸브(20)의 열림 시점(IVO)에서의 기본 실린더 잔류 가스량(VRESIDUAL)을 계산한다(S110). 엔진제어유닛(6)은 엔진의 실린더 내부의 체적 및 내부 압력과 배기 가스 온도등을 기준으로, 흡기 밸브의 밸브 열림 시점에 엔진의 실린더 내부에 잔류하는 잔류 가스량(VRESIDUAL)을 계산한다. 이때 실린더 내부의 체적은 흡기 밸브의 열림 시점일 때의 실린더 내의 연소실의 용적을 의미한다. 그리고 실린더의 내부 압력은 흡기계의 MAP 센서(Manifold Absolute Pressure Sensor)로 측정되는 서지 탱크의 압력과 배기 가스의 압력을 이용하여 계산될 수 있다. 배기 가스의 온도는 배기계 내에 설치되는 온도 센서를 통해 측정될 수 있다.
다음으로, 엔진제어유닛은, 기본 역류 가스량을 계산하기 위하여 밸브 오버랩이 발생하였는지 여부를 판단한다(S120). 밸브 오버랩은 배기 밸브의 닫힘 시점(EVC) 이전에 흡기 밸브의 열림 시점(IVO)이 존재하여 배기 밸브와 흡기 밸브가 모두 개방되어 있는 상태를 의미한다. 따라서, 배기 밸브의 닫힘 시점(EVC) 및 흡기 밸브의 열림 시점(IVO)으로부터 밸브 오버랩 발생 여부를 확인할 수 있다.
밸브 오버랩이 발생하지 않은 경우, 배기 가스의 실린더 내부로의 역류 현상이 존재하지 않으므로, 엔진제어유닛(6)은, 단계 S100에서 측정된 신기량과, 단계 S110에서 계산된 기본 실린더 잔류 가스량(VRESIDUAL)을 합하여 최종 실린더 충전 공기량으로 산출한다(S160).
만약 밸브 오버랩이 발생한 것으로 판단되는 경우, 최종 실린더 충전 공기량을 결정하기 위해, 엔진제어유닛(6)은, 밸브 오버랩 구간에서 흡기로 역류하는 기본 역류 가스량(VBACK)을 계산한다(S130). 밸브 오버랩 시에 발생하는 배기 가스의 역류는 흡기 측의 압력과 배기 측의 압력 차이에 의해 발생한다. 그리고, 역류 시의 기체의 거동은 배기 가스의 온도 및 소정 작동각 동안의 밸브 오버랩 기간에 따라 달라지게 된다.
따라서, 엔진제어유닛(6)은, 흡기 측의 압력과 배기 측의 압력의 측정값 및 배기 가스 온도의 측정값과 밸브 오버랩 기간을, 이들 값과 역류 가스량의 관계를 규정하는, 미리 정해진 맵에 입력함으로써 흡기 밸브 쪽으로 역류되는 배기 가스의 총량(VBACK)을 계산해 낼 수 있다. 이 때의 기본 역류 가스량(VBACK)은 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 밸브 제어가 이루어지지 않은 경우의 기본 밸브 프로파일과 관련된 값이다.
다음으로, 엔진제어유닛(6)은, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)의 동작에 의해 변경되는 밸브 듀레이션에 근거하여 기본 역류 가스량(VBACK)을 보정한다(S140).
도 4a 및 도 4b에서 도시되어 있는 바와 같이, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)의 동작 시에는 제어의 대상이 되는 흡기 밸브(도 4a) 또는 배기 밸브(도 4b)의 밸브 프로파일이 변경되게 된다. 여기서 밸브 프로파일은 밸브의 작동각에 따른 밸브 리프트량의 변화를 나타내는 것으로서, 밸브 프로파일 내부의 면적은 해당 밸브의 유효 개방 면적을 나타낸다.
도 4a에 있어서, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 밸브 듀레이션의 제어가 이루어지지 않는 경우의 흡기 밸브(20)의 밸브 듀레이션(ISTANDARD)을 흡기 밸브의 열림 시점(IO)로부터 닫힘 시점(IC2)라고 가정한다. 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 흡기 밸브(20)의 열림 시점(IO)을 고정한 상태에서 닫힘 시점을 IC2에서 IC3로 증가시키면 최대 밸브 리프트량은 그대로 유지된 채 밸브 듀레이션이 증가되어 밸브 프로파일이 변경된다.
따라서, 동일한 기간(IO~EC) 사이에 오버랩이 발생한 경우라도 밸브 오버랩 시에 흡기 밸브(20)와 배기 밸브(30)의 밸브 프로파일이 겹쳐지는 부분의 면적(유효 개방 면적)이 달라지게 된다. 그 결과 밸브 오버랩 시의 역류 가스의 유량도 변경되게 된다. 따라서, 엔진제어유닛(6)에서는 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)의 동작에 의해 변경되는 밸브 듀레이션에 근거하여, 단계S130에서 계산된 기본 역류 가스량을 보정한다.
바람직하게는 이를 위해서 엔진 제어 유닛(6)은, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)의 동작에 의해 밸브 듀레이션이 변경되는 경우에 유효 개방 면적의 변화로부터 보정 팩터를 계산하고 이 보정 팩터를 기본 역류 가스량(VBACK)에 곱하여 기본 역류 가스량(VBACK)을 보정한다.
상술한 도 5a의 예에서, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 제어되지 않는 경우의 흡기 밸브(20)의 기본 밸브 프로파일(IO->IC2)은 차량에 적용된 밸브의 사양에 따라 미리 정해진 값으로서 엔진제어유닛(6)에 저장되어 있다. 따라서, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 제어되지 않는 경우, 밸브 오버랩시에 흡기 밸브(20)의 밸브 프로파일(IO->IC2)과 배기 밸브(30)의 프로파일(EO->EC)이 겹쳐지는 면적(A1)은 흡기 밸브의 열림 시점(IO)과 배기 밸브의 닫힘 시점(EC)에 의해 결정될 수 있다.
한편, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 제어되는 경우의 흡기 밸브(20)의 밸브 프로파일(IO->IC3)는 밸브 듀레이션의 변화에 따라 밸브 프로파일(IO->IC2)을 일정 비율로 변경한 값이 된다. 변경된 밸브 프로파일(IO->IC3)이 구해지면, 해당 밸브 프로파일(IO->IC3)과 위 흡기 밸브의 열림 시점(IO)과 배기 밸브의 닫힘 시점(EC)을 이용하여, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 제어되는 경우의 흡기 밸브(20)의 밸브 프로파일과 배기 밸브(30)의 프로파일(EO->EC)이 겹쳐지는 면적(A2)을 구할 수 있다.
상술한 바와 같이, 밸브 듀레이션이 증가하게 되면 동일 밸브 오버랩 구간에서 유효 열림 면적이 작아지고, 반대로 밸브 듀레이션이 감소하게 되면 동일 밸브 오버랩 구간에서 유효 열림 면적이 커지게 된다. 따라서, 이를 반영하기 위한 보정 팩터는 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 제어되지 않는 경우, 흡기 밸브(20)의 밸브 프로파일(IO->IC2)과 배기 밸브(30)의 프로파일(EO->EC)이 겹쳐지는 면적(A1)과 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 제어되는 경우의 흡기 밸브(20)의 밸브 프로파일과 배기 밸브(30)의 프로파일(EO->EC)이 겹쳐지는 면적(A2)의 비(A2/A1)으로 산출될 수 있다.
상술한 바와 같이, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의한 밸브 제어 시의 밸브 프로파일(IO->IC2)은 밸브 듀레이션의 변화에 의해 결정되게 된다.
따라서, 바람직하게는, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의한 밸브 제어 시의 밸브 프로파일(IO->IC2)은 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 제어되는 밸브의 최대 열림 시점(MOP) 및 밸브 닫힘 시점(IC2)을 구하여 그에 관한 미리 정해진 함수로서 밸브 프로파일(IO->IC2)을 구할 수 있다.
또한, 다른 바람직한 예에서는, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 제어되는 밸브의 최대 열림 시점(MOP) 및 밸브 열림 시점(IO)을 구하여 그에 관한 미리 정해진 함수로서 밸브 프로파일(IO->IC2)을 구할 수도 있다.
또한, 다른 바람직한 예에서는, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 제어되는 밸브의 열림 시점(IO) 및 닫힘 시점(IC2)을 구하여 그에 관한 미리 정해진 함수로서 밸브 프로파일(IO->IC2)을 구할 수도 있다.
또는 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 제어되는 밸브의 밸브 듀레이션 및 최대 열림 시점(MOP)을 구하여 그로부터 밸브 프로파일(IO->IC2)을 구할 수도 있다.
또는 밸브 프로파일(IO->IC2)은 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 제어되는 밸브의 밸브 듀레이션 단독의 함수로서 규정되고, 밸브 듀레이션 값을 구하여 그로부터, 밸브 프로파일(IO->IC2)을 구할 수도 있다.
상기한 방법에 의해 구해진 밸브 프로파일에 근거하여, 엔진제어유닛(6)은 보정 팩터를 결정하고, 이 보정 팩터와 기본 역류 가스량(VBACK)를 곱함으로써 기본 역류 가스량(VBACK)을 보정한다(S140).
다음으로, 엔진제어유닛(6)은, 신기량과, 보정된 기본 역류 가스량(VBACK')과 기본 실린더 잔류 가스량(VRESIDUAL)을 합산함으로써, 최종 실린더 충전 공기량을 산출한다(S150).
이하에서는, 5 내지 도 7을 참조하여, 도 1의 단계 S20 및 단계 S40에서의, 액티브 퍼지 시스템의 구동 시, 퍼지 가스 유량과, 퍼지 가스 내 연료 성분의 양을 산출하는 방법에 대해서 보다 상세하게 설명한다.
도 5는 액티브 퍼지 시스템의 구동 시, 퍼지 가스 유량과, 퍼지 가스 내 연료 성분의 양을 산출하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5에서 나타나 있는 바와 같이, 차량의 주행 상태 등이 퍼지 가능 상태를 만족하는 경우, 엔진제어유닛(6)은 목표 퍼지 유량(S200)을 결정한다. 바람직하게는, 목표 퍼지 유량은 이전 단계에서 산출된 퍼지 가스의 농도, 유량 및 차량의 운전 상태, 엔진으로의 흡입 공기량 및 공급 연료량 등을 종합적으로 고려하여 결정될 수 있다.
목표 퍼지 유량이 결정되면 엔진제어유닛(6)은 목표 퍼지 유량에 적합한 퍼지 펌프(16)의 목표 회전 속도를 결정(S210)하고, 결정된 목표 회전 속도로 구동되도록 퍼지 펌프(16)를 제어한다(220).
엔진제어유닛(6)은, 퍼지 펌프(16)의 작동을 개시한 후 일정 시간이 경과하였거나, 퍼지 펌프(16)의 목표 회전수와 현재의 퍼지 펌프(16)의 회전수의 차이가 소정 범위 내에 도달하였을 때에는 퍼지 가스 유량 및 퍼지 농도를 정확히 계산할 수 있는 환경이 이루어졌다고 판단하여, 퍼지 가스 유량 계산 단계(S230) 및 퍼지 농도 계산 단계(S240)를 실시한다.
단계 230에서, 엔진제어유닛(6)은 압력 센서(15, 17)에서 각각 측정된 퍼지 펌프(16)의 전후단의 압력의 차이값을 이용한다.
본원 도 6에서는 퍼지 펌프(16)의 구동 RPM이 15000RPM인 경우와, 30000RPM인 각각의 경우에 있어서, 퍼지 펌프(16)의 전후단 압력차(ΔP)와 퍼지 유량(Q)의 관계를 도시하고 있다. 퍼지 펌프(16)의 회전수 마다 그에 대응하는 퍼지 펌프(16)의 전후단 압력차(ΔP)와 퍼지 퍼지 유량(Q)의 관계를 맵으로 작성하여 두면, 엔진제어유닛(6)은 압력 센서(17)로 측정한 퍼지 펌프(16)의 전후단의 압력값과, 이 맵을 이용하여 퍼지 가스 유량(Qest)를 계산해 낼 수 있다.
단계 240에서, 엔진제어유닛(6)은 퍼지 펌프(16)의 회전수와, 퍼지 펌프(16)의 후단에서의 압력값의 관계를 이용하여 퍼지 농도를 결정한다.
하기의 식 (1)의 에너지 방정식에서 잘 나타나 있는 바와 같이, 퍼지 펌프에서의 양단의 압력차(ΔPAPP)는 공기의 밀도(ρ)와 비례 관계에 있다.
Figure pat00001
...식(1)
그리고, 연료 성분(탄화수소)이 포함된 퍼지 가스는 순수 공기보다 밀도가 높아진다. 따라서, 특히 퍼지 밸브(18)가 닫힌 상태에서 퍼지 펌프(16)를 동작시키면, 순수 공기인 경우에 있어서 퍼지 펌프(16)의 후단의 압력보다, 탄화수소가 포함된 퍼지 가스인 경우에 있어서 퍼지 펌프(16)의 후단의 압력이 더 높게 된다. 따라서, 퍼지 펌프(16)의 후단의 압력값과 퍼지 농도는 일정한 관계를 가지게 된다.
도 7은 특정 rpm으로 구동하는 퍼지 펌프에 있어서, 퍼지 농도와 퍼지 펌프 후단 압력의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 7에서 나타나 있는 바와 같이, 퍼지 펌프(16)의 특정 회전수에 있어서, 퍼지 펌프(16) 후단의 압력과 퍼지 농도는 선형 관계를 가지고 있다. 따라서, 이러한 선형 관계를 이용하면, 소정의 회전수로 구동하는 퍼지 펌프(16)의 후단의 압력(Pmeas)을 알고 있을 때에 퍼지 농도(Cest)를 예측하는 것이 가능하다. 퍼지 펌프(16)의 회전수 마다 그에 대응하는 퍼지 펌프(16)의 후단의 압력(Pmeas)과 퍼지 농도(Cest)의 관계를 맵으로 작성하여 두면, 엔진제어유닛(6)은 압력 센서(17)로 측정한 퍼지 펌프(16)의 후단의 압력값과, 이 맵을 이용하여 퍼지 농도를 계산해 낼 수 있다.
한편, 퍼지 밸브(18)가 닫혀 있는 경우에 있어서, 퍼지 펌프(16)의 후단의 압력 변화가, 퍼지 밸브(18)가 개방된 경우에 있어서, 퍼지 펌프(16)의 후단의 압력 변화보다 훨씬 크다. 따라서, 퍼지 농도를 정확히 측정하기 위해서는 퍼지 밸브(18)가 닫혀 있는 상태에서 퍼지 펌프(16)를 구동하는 것이 바람직하다.
단계 S230에서 퍼지 가스 유량이 산출되고, 단계 S240에서 퍼지 농도가 산출되면, 이를 이용하여 현재 퍼지 가스 내에 포함된 연료 성분의 질량을 계산해 낼 수 있다(S250). 앞서 계산한 퍼지 농도는 체적비이기 때문에, 퍼지 농도를 알면 이하의 식 2를 통해 퍼지 가스의 밀도를 알 수 있다.
Figure pat00002
...식(2)
(여기서, ρbas: 퍼지 가스 내 HC 밀도, ρHC: HC의 기준밀도, c: 퍼지 농도(HC 농도))
한편, 차량의 고도 및 차량 외기의 온도에 따라 퍼지 가스 내의 HC 밀도 값이 달라지게 되므로, 이부분을 보정할 필요가 있다.
또한, 보다 정확하게 퍼지 가스 내에 포함된 연료 성분의 질량을 산출해내기 위해서는 상기 퍼지 가스 내 HC 밀도(ρbas) 값에 대해, 차량의 고도 및 차량 외기의 온도에 따라 이하와 같은 식(3)을 이용하여 보정하여, 최종 HC 밀도값(ρact)를 산출한다.
Figure pat00003
...식(3)
(여기서, P: 차량의 고도에 따른 대기압, temp: 외기온도)
최종 HC 밀도값(ρact)이 산출되면, 이 값을 퍼지 가스 유량(Qset)과 곱하여 이하의 식(4)와 같이 퍼지 가스 내의 연료 성분의 질량(M)을 산출해 낼 수 있다(S250).
Figure pat00004
...식(4)
한편, 퍼지 펌프(16)로부터 흡기 매니폴드(5) 사이에서 퍼지 가스가 공급되는 퍼지 라인(22)이 길기 때문에 퍼지 펌프(16)로부터 토출되는 퍼지 가스가 흡기 매니폴드(5)에 도달하기 까지에는 시간의 지연이 이루어진다. 따라서, 도 5에서 도시된 퍼지 농도 산출 제어 방법에 의해 퍼지 농도를 정확히 산출한다 하더라도, 퍼지 라인(22)을 통해 흡기 매니폴드(5)에 유입되는 가스의 유입 시점 및 그 때의 농도를 예측하기는 용이하지 않다.
따라서, 본 발명에서는 퍼지 펌프(16)에 의해 토출되어, 퍼지 유로(22)를 통해 엔진의 흡기 매니폴드(5)로 유입될 때까지의 퍼지 가스의 확산/지연 모델을 이용하여 특정 시점에 흡기계로 유입되는 퍼지 가스의 농도를 결정하도록 한다. 이하에서는 도 8a 내지 도 8d를 참고하여 퍼지 가스의 확산/지연 모델을 이용한 퍼지 가스의 유량 및 농도를 결정 방법에 대해서 상세히 설명한다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명에 따른 제어 방법에서 사용되는 퍼지 가스의 확산/지연 모델 및 이를 이용한 퍼지 가스의 지연 확산 예측을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a에서 도시된 바와 같이, 퍼지 가스의 확산/지연 모델은 소정의 개수(N개, 본 예에서는 100개)의 셀로 이루어진 버퍼를 구비한다. 각각의 셀은 길이 방향으로 연장하여 구비되고, 전체 셀은 퍼지 라인(22)을 나타낸다. 따라서, 전체 버퍼 길이는 퍼지 라인의 길이(L)을 나타내고, 이 버퍼는 N개의 셀로 이루어지게 되는 1개 셀의 단위 길이(dl)은 전체 길이(L)를 셀의 개수(N) 만큼 나눈 값(L/M)이 된다.
도 8(a)에서 도시된 바와 같이, 최초의 셀(1)은 퍼지 펌프(16)에 의해 압출되어 퍼지 밸브(18)에 의해 유량이 제어된 퍼지 가스가 퍼지 라인으로 유입되는 입구가 된다. 그리고 마지막 셀(100)은 흡기 매니폴드(5)로 퍼지 가스가 유출되는 퍼지 라인(22)의 출구가 된다. 즉, 퍼지 가스는 첫번째 셀(1)로 유입되고, 마지막 셀(100)로 유출된다. 이때, 도 8b에서 도시된 바와 같이, 퍼지 라인(22) 내부의 유속(v)는 일정한 것으로 가정하고, 해당 유속(v)에 해당하는 속도로, 유입된 퍼지 가스는 출구쪽으로 이동하는 것으로 가정한다. 즉, 퍼지 라인(22) 내에서 퍼지 가스의 압축은 없는 것으로 가정한다. 이 때의 유속(v)은, 퍼지 라인(22)의 길이를, 퍼지 가스가 입구로부터 출구까지 도달하는 지연 시간(tdelay)으로 나눈 값(L/tdelay)이 된다.
도 8b에서 도시하고 있는 바와 같이, 퍼지 라인(22) 내에서 퍼지 가스는 연속적으로 이동하고 있으므로, 하나의 셀은 소정의 시간 동안 소정 셀의 개수만큼 이동하게 된다.
즉, 모델에서의 샘플링 시간을 dT라고 하면, 샘플링 시간 동안 이동한 거리(dflow)는 유속(v)과 샘플링 시간(dT)를 곱한 값, 즉 L/tdelay×dT가 되고, 따라서, 샘플링 시간 동안 이동한 셀의 개수는 L/tdelay×dT를 셀당 길이로 나눈 값이 되고, 따라서, dT×N/tdelay이 된다. 이 때, 셀 개수는 정수이므로 소수점 이하는 버린 값이 샘플링 시간 동안 이동하는 셀의 개수가 된다.
도 8a에서 도시된 퍼지 가스의 확산/지연 모델을 이용한 퍼지 가스의 지연 확산 예측 과정은 다음과 같은 순서로 이루어질 수 있다.
도 8a에서의 퍼지 가스의 확산/지연 모델의 실시예는 100개의 셀로 이루어진 버퍼를 구비한다. 그리고, 퍼지 가스 유량(Q) 등의 퍼지 가스의 유속과 관련된 정보를 이용하여 지연 시간을 도출하고, 이를 미리 정해진 소정의 샘플링 시간(dT)와 셀 개수를 이용하여 샘플링 시간(dT) 동안 이동하는 셀의 개수를 계산한다. 본 예에서는 샘플링 시간(dT) 동안 이동하는 셀의 개수는 10개이다. 따라서, 도 8(a)에서 진하게 채색된 마지막 10개의 셀이 샘플링 시간(dT) 동안 흡기 매니폴드(10)로 이동하게 되는 퍼지 가스를 나타낸다.
최초 퍼지 가스가 퍼지 유료(22)에 유입할 때에는 첫번째 셀(1)부터 앞서 확정된 셀 개수(본 예에서는 10개) 만큼의 셀(10)에 해당하는 버퍼에 해당 시점의 퍼지 농도 및 유량을 할당한다. 이때 10개의 셀에는 모두 동일한 값이 할당된다.
그리고, 도 8b에서 도시된 바와 같이, 샘플링 주기마다 버퍼 내부의 데이터를 모두 출구 쪽을 향해 확정된 셀 개수 만큼 이동시킨다. 이 때, 도 8(a)에서 진하게 채색된 마지막 10개의 셀에 저장된 퍼지 가스 농도의 평균값이 흡기 매니폴드(5)에 유입되는 퍼지 가스의 농도가 된다.
한편, 도 8c에서 도시된 바와 같이, 신규 퍼지 가스가 연이어 유입되는 경우에는, 첫번째 셀부터 확정된 셀 개수 만큼의 셀에 해당하는 버퍼에 유입되는 퍼지 가스의 유량 및 농도를 새로이 할당한다. 계속해서 퍼지 가스가 퍼지 라인(22)으로 유입되는 경우 도 8b와 도 8c의 과정이 반복하여 실시되게 된다. 한편, 그 과정에서 퍼지 가스 유량이 변경되는 경우, 샘플링 시간(dT) 동안 이동하는 셀의 개수를 다시 계산하여, 셀을 이동(각 셀의 버퍼에 저장되는 값을 갱신)시킨다.
한편, 도 8d와 같이 신규 퍼지 가스의 유입이 중단되는 경우, 퍼지 가스 유입이 중단된 상태의 샘플링 주기 동안의 셀은, 퍼지 농도가 할당되지 않는 비어 있는 버퍼가 된다. 그리고 이 때, 흡기 매니폴드(5)로 유입되는 퍼지 가스의 농도는, 현재까지 버퍼에 퍼지 가스 농도가 입력된 셀의 개수의 비율을, 셀에 할당된 퍼지 가스 농도의 평균값과 곱하여 산출한다. 도 8d의 예에서는 90개의 셀에 퍼지 가스 농도가 할당되어 있는바, 이 때의 퍼지 농도는, 셀에 저장된 퍼지 농도의 평균값의 90%가 된다.
상기한 퍼지 가스의 확산/지연 모델을 이용하면, 간이한 방법으로 흡기 매니폴드(5)에 퍼지 가스가 도달하는 시점에서의 퍼지 가스의 농도를 계산해 낼 수 있다. 따라서, 계산해 낸 퍼지 가스의 농도를 이용하여, 엔진에 공급되는 총 연료량을 보다 정확하게 계산해 낼 수 있다.
본 명세서와 첨부된 도면에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 쉽게 설명하기 위한 목적으로 사용된 것일 뿐, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니며, 따라서 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
1: 에어필터
2: 터보차저
3: 인터쿨러
4: 스로틀
5: 흡기 매니폴드
6: 엔진제어유닛
11: 연료 탱크
12: 캐니스터
13: 캐니스터 벤트 밸브
14: 캐니스터 필터
15: 압력 및 온도 센서
16: 퍼지 펌프
17: 압력 센서
18: 퍼지 밸브
21: HC포집 라인
22: 퍼지 라인
31: 잔류 HC가스 회수 유로
32: 캐니스터 바이패스 유로
33: 밸브
34: 삼방 밸브
100: 가변 밸브 듀레이션 기구(CVVD)
110: 캠 샤프트
120: 캠부
130: 롤러 안내부
140: 제어 샤프트
150: 브라켓
200: 밸브

Claims (13)

  1. 퍼지 펌프를 이용하여 연료 증발 가스를 퍼지시키는 액티브 퍼지 시스템 및 가변 밸브 듀레이션 장치를 구비한 차량의 공연비 제어 방법으로서,
    스로틀 밸브를 통해 외부에서 유입되는 신기량과, 흡기 밸브의 열림 시점에 엔진의 실린더 내부에 잔류하는 잔류 공기량과, 흡기 밸브와 배기 밸브의 밸브 오버랩 시에 상기 연속 가변 밸브 듀레이션 기구의 동작에 의해 변경되는 밸브 듀레이션에 근거하여 산출되는, 상기 실린더 내부로의 역류 가스량을 이용하여 엔진의 실린더에 충전되는 공기량을 산출하는 단계,
    액티브 퍼지 시스템의 동작 시에 엔진의 흡기 매니폴드로 공급되는 퍼지 가스 유량을 산출하는 단계;
    산출된 상기 공기량을 상기 퍼지 가스의 유량으로 보정하여 최종 공기량을 산출하는 단계;
    액티브 퍼지 시스템의 동작 시에 퍼지 가스에 포함되는 연료 성분의 양을 산출하는 단계;
    연료 분사 장치에 의해 분사되는 연료량을 상기 퍼지 가스에 포함되는 연료 성분의 양으로 보정하여 최종 연료량을 산출하는 단계; 및
    상기 최종 공기량 및 상기 최종 연료량을 기초로, 목표 공연비를 만족하도록 혼합기의 공연비를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량의 공연비 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 퍼지 가스 유량을 산출하는 단계에서는,
    상기 퍼지 펌프의 회전수와 상기 퍼지 펌프의 양단에서의 압력차를 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 차량의 공연비 제어 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 퍼지 가스에 포함되는 연료 성분의 양을 산출하는 단계에서는,
    상기 퍼지 펌프의 회전수와, 상기 퍼지 펌프 후단에서의 압력을 이용하여 퍼지 가스의 농도를 산출하는 단계;
    상기 산출된 퍼지 가스 농도를 이용하여 퍼지 가스 중 연료 성분의 밀도를 산출하는 단계;
    연료 성분의 밀도와 퍼지 가스 유량에 의해 퍼지 가스에 포함된 연료 성분의 질량을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 공연비 제어 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 퍼지 농도를 산출하는 단계는, 퍼지 유로를 개폐하는 퍼지 밸브가 닫혀있는 상태에서 행해지는 것을 특징으로 하는 차량의 공연비 제어 방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 퍼지 가스에 포함되는 연료 성분의 양을 산출하는 단계에서는,
    상기 산출된 연료 성분의 밀도를 차량 외기 온도 및 고도에 따라 보상하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 공연비 제어 방법.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 퍼지 펌프에 의해 토출되어, 퍼지 유로를 통해 엔진의 흡기계로 유입될 때 까지의 퍼지 가스의 확산/지연 모델을 이용하여 흡기계로 유입되는 퍼지 가스의 농도를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 공연비 제어 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 역류 가스량은 밸브 오버랩 구간에서 배기 압력, 흡기 압력, 배기 온도 및 밸브 오버랩 기간을 기준으로 결정되는 기본 역류 가스량을, 상기 연속 가변 밸브 듀레이션 기구의 동작에 의해 변경되는 밸브 듀레이션에 근거하여 보정한 값인, 차량의 공연비 제어 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 기본 역류 가스량의 보정 시에,
    상기 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 최대 열림 시점(MOP) 및 밸브 닫힘 시점에 근거하여 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 상기 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하는 것을 특징으로 하는 차량의 공연비 제어 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 기본 역류 가스량의 보정 시에,
    상기 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 최대 열림 시점(MOP) 및 밸브 열림 시점에 근거하여 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 상기 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하는 것을 특징으로 하는 차량의 공연비 제어 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 기본 역류 가스량의 보정 시에,
    상기 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 열림 시점 및 닫힘 시점에 근거하여 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 상기 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하는 것을 특징으로 하는 차량의 공연비 제어 방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 기본 역류 가스량의 보정 시에,
    상기 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 밸브 듀레이션 및 최대 열림 시점에 근거하여 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 상기 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하는 것을 특징으로 하는 차량의 공연비 제어 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 밸브 듀레이션의 함수로 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 상기 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하는 것을 특징으로 하는 차량의 공연비 제어 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    퍼지 가스의 유량으로 보정된 공기량을, 배기가스 재순환 장치(EGR)를 통해 재순환되는 배기가스의 유량으로 보정하여 최종 공기량을 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 공연비 제어 방법.
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