KR20230163837A - 불꽃 점화 엔진의 토크 모델 보정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

불꽃 점화 엔진의 토크 모델 보정 장치 및 방법이 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 불꽃 점화 엔진의 토크 모델 보정 장치는 차량의 엔진 정보와 환경 정보를 감지하는 운전 정보 감지부; 엔진의 실린더 내부의 연소압을 측정하는 연소압 센서; 및 엔진의 연소압 센서의 이상 여부에 따라 미리 저장된 HR50(heat release 50%) 기반의 토크 모델을 기초로 상기 엔진을 제어하거나, 또는 미리 저장된 점화 시기 기반의 토크 모델을 상기 연소압 센서에서 감지되는 연소압을 기초로 보정된 점화 시기 기반의 토크 모델을 기초로 상기 엔진을 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.

Description

불꽃 점화 엔진의 토크 모델 보정 장치 및 방법 {APPARATUS FOR CORRECTING TORQUE MODEL OF SPARK IGNITION ENGINE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 불꽃 점화 엔진의 토크 모델 보정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 연소압 센서에 의해 측정된 연소압을 기반으로 엔진의 토크 모델을 보정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 점화 장치에 의해 작동되는 내연기관, 특히 가솔린 엔진은 토크 모델을 이용하여 제어된다.
토크 모델은 엔진의 점화 시기에 따른 엔진의 출력 토크로 구성된다. 즉, 토크 모델은 엔진에서 출력되는 최고 토크를 기준으로 점화 시기의 지각에 따른 출력 토크로 이루어진 효율 곡선으로 이루어진다.
차량의 주행 중에, 운전자의 요구 토크가 입력되면, 미리 결정된 토크 모델을 기초로 엔진 점화 시기와 공기량이 결정되고, 점화 시기와 공기량에 따라 엔진의 토크가 출력된다.
종래의 토크 모델은 엔진의 점화 시기를 기반으로 결정되기 때문에, 엔진의 운전 조건에 따른 연소 속도의 차이에 의해 발생하는 공연비(AFR: air fuel ratio), 배기가스 재순환 장치의 사용으로 인해 엔진으로 공급되는 EGR 가스의 유량 등 다양한 인자들을 반영한 보정이 필요하다.
즉, 종래 기술에 의하면, 엔진의 운전 조건에 따라 토크 모델의 점화 효율이 변경되기 때문에, 정확하게 엔진의 토크를 제어하기 어려운 문제가 발생하였다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 점화 시기를 기반으로 한 토크 모델의 정확성을 향상시킬 수 있는 불꽃 점화 엔진의 토크 모델 보정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 불꽃 점화 엔진의 토크 모델 보정 장치는 차량의 엔진 정보와 환경 정보를 감지하는 운전 정보 감지부; 엔진의 실린더 내부의 연소압을 측정하는 연소압 센서; 및 엔진의 연소압 센서의 이상 여부에 따라 미리 저장된 HR50(heat release 50%) 기반의 토크 모델을 기초로 상기 엔진을 제어하거나, 또는 미리 저장된 점화 시기 기반의 토크 모델을 상기 연소압 센서에서 감지되는 연소압을 기초로 보정된 점화 시기 기반의 토크 모델을 기초로 상기 엔진을 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.
상기 제어기는 상기 연소압 센서가 정상인 경우, 상기 HR50 기반의 토크 모델을 기초로 상기 엔진을 제어하고, 상기 연소압 센서가 비정상인 경우, 상기 보정된 점화 시기 기반의 토크 모델을 기초로 상기 엔진을 제어할 수 있다.
상기 제어기는 상기 운전 정보 감지부에서 감지된 엔진 정보와 환경 정보를 기초로 설정된 엔진 운전 조건과 환경 조건이 충족되면, 상기 연소압 센서에서 감지된 연소압을 기초로 미리 저장된 점화 시기 기반의 토크 모델에서 기준 토크, 기준 점화 시기, 및 효율 곡선을 보정할 수 있다.
MBT 운전 영역 이내에서, 상기 연소압 센서에서 측정된 연소압의 도시평균유효압력(IMEP)으로 산출된 실측 토크가 상기 기준 토크로 보정될 수 있다.
MBT 운전 영역 이내에서, 상기 연소압 센서에서 측정된 연소압으로부터 산출된 HR50(heat release 50%)에서의 크랭크 각도를 기준 점화 시기로 보정될 수 있다.
상기 MBT 운전 영역은 상기 연소압 센서에서 측정된 연소압으로부터 산출된 HR50(heat release 50%)이 설정된 크랭크 각도 범위 이내인 경우를 의미할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 불꽃 점화 엔진의 토크 모델 보정 방법은 연소압 센서의 이상여부를 판단하는 단계; 및 상기 연소압 센서의 이상여부에 따라 미리 저장된 HR50(heat release 50%) 기반의 토크 모델을 기초로 엔진을 제어하거나, 또는 미리 저장된 점화 시기 기반의 토크 모델을 상기 연소압 센서에서 감지되는 연소압을 기초로 보정된 점화 시기 기반의 토크 모델을 기초로 상기 엔진을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 연소압 센서가 정상인 경우, 상기 HR50 기반의 토크 모델을 기초로 상기 엔진을 제어하고, 상기 연소압 센서가 비정상인 경우, 상기 보정된 점화 시기 기반의 토크 모델을 기초로 상기 엔진을 제어할 수 있다.
보정된 점화 시기 기반의 토크 모델을 기초로 상기 엔진을 제어하는 단계는 운전 정보 감지부에 의해, 운전 정보를 감지하는 단계; 연소압 센서에 의해, 엔진의 실린더 내부의 압력을 측정하는 단계; 제어기에 의해, 상기 운전 정보 감지부에 의해 감지되는 운전 정보를 기초로 엔진 운전 조건과 환경 조건이 충족되는지 여부를 판단하는 단계; 상기 엔진 운전 조건과 상기 환경 조건이 충족되면, 상기 제어기에 의해, 상기 연소압 센서에 의해 측정된 연소압을 기초로 미리 저장된 토크 모델의 기준 토크, 기준 점화 시기, 및 효율 곡선을 보정하는 단계를 포함할 수 있다.
MBT 운전 영역 이내에서, 상기 연소압 센서에서 측정된 연소압의 도시평균유효압력(IMEP)으로 산출된 실측 토크가 상기 기준 토크로 보정될 수 있다.
상기 MBT 운전 영역은 상기 연소압 센서에서 측정된 연소압으로부터 산출된 HR50(heat release 50%)이 설정된 크랭크 각도 범위 이내인 경우를 의미할 수 있다.
MBT 운전 영역 이내에서, 상기 연소압 센서에서 측정된 연소압으로부터 산출된 HR50(heat release 50%)의 크랭크 각도가 기준 점화 시기로 보정될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 불꽃 점화 엔진의 토크 모델 보정 장치 및 방법에 의하면, 연소압 센서를 통해 측정되는 연소압을 이용하여 토크 모델을 보정함으로써, 정확한 토크 모델을 통한 오차를 줄일 수 있다.
또한, 토크 모델의 정확도를 향상시켜, 운전성 및 타 시스템과의 협조 제어를 개선시킬 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 불꽃 점화 엔진의 토크 모델 보정 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 불꽃 점화 엔진의 토크 모델 보정 방법을 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 토크 모델을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 HR50을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 토크 모델 보정을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 지압선도를 도시한 그래프이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 불꽃 점화 엔진의 토크 모델 보정 장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 불꽃 점화 엔진의 토크 모델 보정 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 불꽃 점화 엔진의 토크 모델 보정 장치는 운전 정보 감지부(30), 연소압 센서(20), 및 제어기(50)를 포함할 수 있다.
운전 정보 감지부(30)는 차량의 주행에 필요한 운전 정보를 감지하고, 감지된 운전 정보는 제어기(50)로 전송된다.
운전 정보 감지부(30)에서 감지되는 운전 정보는 엔진 정보, 및 환경 정보를 포함할 수 있다. 엔진 정보는 엔진(10) 속도, 엔진(10)으로 공급되는 공기량, 냉각수 온도, 공연비, 및 EGR(exhaust gas recirculation) 유량을 포함할 수 있다. 환경 정보는 대기압, 외기 온도, 및 외기 습도를 포함할 수 있다.
이를 위해, 운전 정보 감지부(30)는 엔진(10) 속도를 감지하는 속도 센서, 공기량을 감지하는 흡기 유량 센서(예를 들어, AFM: air flow meter), 냉각수 온도를 감지하는 냉각수 온도 센서, 및 EGR 유량을 감지하는 유량 센서를 포함할 수 있다.
또한, 운전 정보 감지부(30)는 대기압을 감지하는 압력 센서, 외기 온도를 감지하는 외기 온도 센서, 및 외기 습도를 감지하는 외기 습도 센서를 포함할 수 있다.
연소압 센서(20)는 엔진(10)의 각 기통에서의 연소압을 측정하고, 측정된 연소압은 제어기(50)로 전송된다.
제어기(50)는 엔진의 연소압으로부터 산출되는 미리 저장된 HR50(heat release 50%) 기반의 토크 모델을 기초로 엔진(10)을 제어하거나 또는 미리 저장된 점화 시기 기반의 토크 모델을 기초로 엔진(10)을 제어한다.
본 발명의 실시예에서, 제어기(50)는 연소압 센서(20)의 이상 여부에 따라 미리 저장된 HR50(heat release 50%) 기반의 토크 모델 또는 미리 저장된 점화 시기 기반의 토크 모델을 기초로 엔진(10)을 제어한다. 이때, 연소압 센서(20)가 정상이면, 제어기(50)는 HR50(heat release 50%) 기반의 토크 모델을 기초로 엔진(10)을 제어하고, 연소압 센서(20)가 비정상이면, 제어기(50)는 점화 시기 기반의 토크 모델을 기초로 엔진(10)을 제어한다.
또한, 제어기(50)는 운전 정보 감지부(30)에서 감지되는 운전 정보를 기초로 점화 시기 기반의 토크 모델의 보정을 위한 엔진 운전 조건과 환경 조건이 충족되는지 여부를 판단한다. 엔진 운전 조건과 환경 조건이 충족되면, 제어기(50)는 연소압 센서(20)에서 측정된 연소압을 기초로 미리 저장된 점화 시기 기반의 토크 모델을 보정한다.
제어기(50)는 차량에 탑재되어 엔진(10)을 제어하는 ECU(engine control unit) 또는 EMS(engine management system)을 통해 구현될 수 있다.
이를 위해, 제어기(50)는 설정된 프로그램에 의하여 작동하는 하나 이상의 프로세서로 구비될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진(10)의 토크 모델의 보정 방법의 각 단계를 수행하도록 되어 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시 예에 따른 엔진(10)의 토크 모델 보정 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진(10)의 토크 모델 보정 방법을 도시한 순서도이다. 도 3은 도 2에 도시된 S300 단계를 구체적으로 도시한 순서도이다. 그리고 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 토크 모델을 도시한 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제어기(50)는 연소압 센서(20)의 이상 유무를 감지한다(S100). 제어기(50)는 연소압 센서(20)에서 출력되는 신호를 기초로 연소압 센서(20)의 이상 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 연소압 센서(20)에서 출력되는 신호가 설정 범위 이내이면, 연소압 센서(20)가 정상인 것으로 판단할 수 있다. 그리고 연소압 센서(20)에서 출력되는 신호가 설정 범위를 벗어나거나, 또는 연소압 센서(20)에서 신호가 출력되지 않으면 연소압 센서(20)가 비정상인 것으로 판단할 수 있다.
연소압 센서(20)에 이상이 없는 경우(또는 연소압 센서(20)가 정상적으로 동작하는 경우), 제어기(50)는 HR50 기반의 토크 모델을 기초로 엔진을 제어한다(S200).
앞에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에서, 제어기(50)에는 점화 시기 기반의 토크 모델과 HR50 기반의 토크 모델이 미리 탑재된다.
도 4를 참조하면, 토크 모델은 엔진 속도와 엔진(10)으로 공급되는 공기량을 일정한 값으로 설정하고, 기준 점화 시기에서 출력되는 엔진 토크를 1로 정규화(normalization)한 후, 점화 시기에 따라 엔진(10)에서 출력되는 토크를 도시한 효율 곡선으로 구성된다.
도 4의 토크 모델에서 가로축은 엔진(10)의 점화 시기(IGA: ignition angle)을 의미하고, 좌측 세로축은 엔진(10)의 토크를 의미하며, 우측 세로축은 엔진(10)의 토크 효율을 의미한다.
토크 모델에서 엔진(10)에서 최대 브레이크 토크(MBT: maximum brake torque)가 출력되는 크랭크 각도가 기준 점화 시기(IGA_REF)이고, 기준 점화 시기(IGA_REF)에서 최대 브레이크 토크(MBT)가 출력되기 때문에 기준 점화 시기(IGA_REF)에서의 엔진(10)의 효율이 가장 높다. 따라서, 엔진(10)의 토크가 최대가 되는 기준 점화 시기(IGA_REF)에서의 효율을 1로 정의한 후, 점화 시기를 점차적으로 지각시키면서 엔진(10)에서 출력되는 토크를 정규화하여 효율 곡선이 결정된다.
이러한 점화 시기를 기반으로 한 토크 모델은 엔진의 시험 셀에서의 동력계를 사용한 정상 상태(steady state)에서의 표준 환경 조건을 기준으로 개발되어 차량의 제어기(50)에 미리 저장된다.
즉, 점화 시기를 기반으로 한 토크 모델은 기준 점화 시기, 기준 점화 시기에서의 기준 토크, 및 효율 곡선으로 이루어진다. 기본 점화 시기(IGA_BAS)는 표준 작동 조건에서의 실제 점화 시기를 의미하며, 기본 점화 시기(IGA_BAS)에서의 기본 토크(TQI_BAS)는 기준 토크(TQI_REF)에 점화시기-토크 효율(EFF_IGA)를 곱하여 계산된다.
그리고 HR50 기반의 토크 모델은 점화 시기 기반의 토크 모델과 동일한 구조에 점화 시기 관련 인자를 HR50 관련 인자로 변경함으로써 구현할 수 있다.
예를 들어, 점화 시기 기반의 토크 모델에서 기준 점화 시기(IGA_REF)는 기준 HR50(HR50_REF)으로 치환되고, 기본 점화 시기(IGA_BAS)는 기본 HR50(HR50_BAS)으로 치환된다.
기준 HR50(HR50_REF)는 점화 시기 기반의 토크 모델에서 기준 점화 시기와 대응되는 인자이고, 기준 HR50(HR50_REF)은 최대 브레이크 토크(MBT)가 출력될 때의 크랭크 각도를 의미한다.
기준 HR50(HR50_REF)에서 최대 브레이크 토크(MBT)가 출력되기 때문에 기준 HR50(HR50_REF)에서 엔진(10)의 효율이 가장 높다. 따라서, 엔진(10)의 토크가 최대가 되는 기준 HR50(HR50_REF)에서의 효율을 1로 정의한 후, 점화 시기를 점차적으로 지각시키면서, 엔진(10)에서 출력되는 토크를 정규화하여 효율 곡선이 결정된다.
이러한 HR50을 기반으로 한 토크 모델은 엔진의 시험 셀에서의 동력계를 사용한 정상 상태(steady state)에서의 표준 환경 조건을 기준으로 개발되어 차량의 제어기(50)에 미리 탑재된다.
여기서, HR50(heat release 50%)은 연료의 연소가 50% 진행된 시점에서의 크랭크 각도를 의미한다. 연소압 센서(20)에서 측정된 연소압(P)을 기초로 엔진 크랭크 각도에 따른 연소실 부피(V)와 반응 기체의 비열비(γ)를 통해 아래의 수학식 1과 같이 열 발생률(heat release rate)를 산출하고, 각각의 크랭크 각도에서의 열 발생률을 누적하여 아래의 수학식 2와 같이 총 열 발생량(total heat release)이 산출된다. 총 열 발생량의 50%가 발생되는 시점의 크랭크 각도를 HR50으로 정의하게 된다(도 5 참조).
[수학식 1]
[수학식 2]
종래에는 앞에서 설명한 점화 시기 기반의 토크 모델에서 점화 시기를 기준으로 엔진 토크를 산출하여 엔진을 제어하였다. 그러나 점화 시기는 연소 시작 시점을 결정하는 제어 신호이기 때문에, 실제 연소 속도에 차이가 발생하거나, 또는 엔진의 운전 조건이 변화하는 경우 토크 모델에 편차가 발생할 수 있다.
반면, HR50은 연소압 센서를 통해 측정된 실제 엔진의 연소 상태이기 때문에, 토크 모델의 기준을 점화 시기가 아닌 HR50으로 변경하면, 이론적으로 연소 상태(또는 엔진의 운전 조건)에 따른 오차없이 엔진(10)에서 출력되는 실제 토크를 반영하여 정확한 엔진 토크를 산출할 수 있다.
S100 단계에서, 연소압 센서(20)가 정상적으로 동작하는 경우, 제어기(50)는 설정된 간격으로 점화 시기 기반의 토크 모델을 보정한다(S300).
도 3에 도시된 바와 같이, 운전 정보 감지부(30)는 운전 정보를 감지하고, 운전 정보 감지부(30)에서 감지된 운전 정보는 제어기(50)로 전송된다(S310).
연소압 센서(20)는 엔진(10)의 연소압을 측정하고, 연소압 센서(20)에서 측정된 연소압은 제어기(50)로 전송된다(S320).
제어기(50)는 운전 정보 감지부(30)에서 감지되는 운전 정보를 기초로 엔진 운전 조건과 환경 조건이 충족되는지 여부를 판단한다(S330).
차량이 주행할 때는 엔진의 회전수와 엔진으로 유입되는 공기량이 운전자의 요구에 따라 변화하는 과도 상태(transient state)에서 운전되고, 환경 조건(예컨대, 대기압, 외기온, 습도 등) 또한 변화한다.
그러나 엔진의 점화 시기를 기반으로 한 토크 모델은 일반적으로 엔진의 시험 셀에서의 동력계를 사용한 정상 상태(steady state)에서의 표준 환경 조건을 기준으로 개발되기 때문에, 실제 차량이 주행할 때의 엔진 제어 조건과 환경 조건의 편차에 의해 실제 엔진 토크는 차이가 발생하게 된다. 따라서, 토크 모델을 보정하기 전에 차량의 주행 상태에서 엔진 운전 조건과 환경 조건의 충족 여부를 판단해야 한다.
엔진 운전 조건은 현재 엔진 회전수와 공기량에서 연소 속도에 영향을 주는 제어 인자들의 상태로부터 판단할 수 있다.
예를 들어, 엔진 운전 조건을 판단하기 위해 인자들은 흡기 밸브와 배기 밸브의 타이밍 및/또는 리프트를 포함하는 가변 밸브 제어 인자, 가변 흡기 매니폴드의 유로 제어 및/또는 가변 흡기 유동 제어를 포함하는 가변 흡기 시스템의 제어 인자, 흡기의 과급 압력, 공연비, EGR율, 및 연료 분사압, 연료 분사 횟수, 및/또는 연료 분사 시기를 포함하는 연료 분사 제어 인자를 포함할 수 있다.
각각의 제어 인자별로의 실제 엔진 토크의 편차가 설정 범위(예컨대, 3%) 이내를 충족하면, 엔진 운전 조건이 충족되는 것으로 판단할 수 있다. 그러나 본 발명의 권리 범위에 이에 한정되는 것은 아니며, 당업자의 필요에 따라 설정 범위는 적절히 변경될 수 있다.
환경 조건은 시험 셀에서의 조건과 동일하게 설정될 수 있다. 예를 들어, 대기압, 외기온, 습도를 포함하는 환경 조건이 설정 범위 이내이면 환경 조건이 충족되는 것으로 판단할 수 있다. 다만, 엔진 개발시에 환경 조건에 대한 토크 모델의 보상 조건이 개발된 경우, 보상된 모델 토크를 기준으로 토크 모델을 보정할 수 있다.
엔진 운전 조건과 환경 조건이 충족되면, 제어기(50)는 연소압 센서(20)에서 측정된 연소압을 기초로 토크 모델의 기준 토크(TQI_REF), 기준 점화 시기(IGA_REF: reference ignition angle), 및 점화 시기-토크 효율 곡선을 보정한다.
제어기(50)는 엔진 운전 조건과 환경 조건이 충족된 것으로 판단되면, 연소압 센서(20)에서 측정된 연소압을 통해 HR50을 산출한다.
제어기(50)는 연소압 센서(20)에서 측정된 연소압을 기초로 최대 브레이크 토크와 기준 점화 시기를 보정한다(S340).
기준 점화 시기(IGA_REF)가 운전 조건에 따라 변경되는 것과 달리 기준 HR50(HR50_REF)은 운전 조건에 무관하게 MBT 운전 영역(ATDC 6~8)에서 변하지 않는다. 따라서, 해당 운전 영역에서 MBT 운전 여부의 판단이 가능하다. HR50 기준의 토크 모델은 기존의 점화 시기 기준의 토크 모델을 완전히 대체하여 사용하거나, 또는 기존의 토크 모델을 유지하면서 토크 모니터링과 보정을 위해 사용될 수 있다.
이하에서는 도 6을 참조하여, 기준 토크, 기준 점화 시기, 및 토크 효율을 보정하는 방법에 대해 설명하도록 한다.
[기준 토크 보정]
먼저, 기준 토크(TQI_REF)는 아래와 같이 보정할 수 있다.
엔진의 운전 영역이 MBT 운전 영역(ATDC 6~8도) 이내인 경우, 제어기(50)는 연소압 센서(20)에서 측정된 연소압의 도시평균유효압력(IMEP)으로부터 실측 토크를 산출하고, 산출된 실측 토크를 기준 토크로 보정한다.
연소압 센서(20)에서 연소압이 측정되면, 각 실린더(11)의 연소압을 지압선도(indicator diagram)(도 7 참조)에 적용하여 도시평균유효압력(IMEP: indicated mean effective pressure)를 계산하고(도 6의 'H' 표시 참조), 도시평균유효압력을 통해 토크를 산출할 수 있다.
도 7의 지압선도에서 high pressure loop의 면적은 1 사이클 당 1개의 실린더(11)에서 수행된 일을 의미한다. high pressure loop의 면적을 동일한 면적의 직사각형으로 대체할 수 있다. 이때, 직사각형의 가로 변의 길이는 해당 기관의 행정(Vh)과 동일하고, 직사각형의 세로 변의 길이는 도시평균유효압력(Pmi)이 된다. 도시평균유효압력은 단위체적 당 피스톤의 일을 의미하고, [kPa] 또는 [bar]의 단위로 표시된다.
엔진의 운전 영역이 MBT 이외의 운전 영역(ATDC 8도보다 지각)인 경우, 제어기(50)는 연소압 센서(20)에서 측정된 연소압의 도시평균유효압력(IMEP)으로부터 실측 토크를 산출하고, 산출된 실측 토크를 HR50 기반의 토크 모델의 효율 곡선을 이용하여 기준 토크를 보정한다.
예를 들면, MBT 이외의 운전 영역에서 기준 토크는 다음의 수학식 3 및 수학식 4를 통해 계산될 수 있다.
[수학식 3]
TQI_REF = TQI_PCYL / EFF_HR50(HR50_DIF)
[수학식 4]
HR50_DIF = HR50 - HR50_REF
위의 수학식들에서, TQI_REF는 기준 토크를 의미하고, TQI_PCYL는 연소압 센서를 통해 측정된 실측 토크를 의미하며, HR50은 연료의 연소가 50% 진행된 시점에서의 크랭크 각도를 의미하고, HR50_REF는 기준 HR50을 의미한다. 제어기(50)에 저장된 효율 곡선을 통해 산출된 HR50_DIF로부터 HR50 토크 효율(EFF_HR50)이 계산된다. 즉, 수학식 3에서 EEF_HR50은 HR50_DIF를 변수로 하는 함수이다.
[기준 점화 시기 보정]
기준 점화 시기는 아래와 같이 보정할 수 있다.
엔진의 운전 영역이 MBT 운전 영역(ATDC 6~8도) 이내인 경우, 제어기(50)는 해당 점화 시기를 기준 점화로 보정한다. 이 경우, 기본 점화 시기 (IGA_BAS)가 기준 점화 시기 (IGA_REF)와 일치하게 된다.
엔진의 운전 영역이 MBT 운전 영역 이외인 경우(ATDC 8도보다 지각되는 경우), 실제 작동하는 기본 점화 시기(IGA_BAS)가 기준 점화 시기(IGA_REF)보다 지각되어 있다. 이때, 제어기(50)는 HR50 토크 효율(EFF_HR50)이 점화 시기 토크 효율(EFF_IGA)와 같아지도록 점화 시기 효율 곡선을 통해 기준 점화 시기(IGA_REF)를 보정한다.
[수학식 6]
EFF_HR50(HR50_DIF) = EFF_IGA(IGA_DIF)
[수학식 7]
HR50_DIF = HR50 - HR50_REF
[수학식 8]
IGA_REF = IGA + IGA_DIF
위의 수학식 6 내지 수학식 8에서, 제어기(50)에 저장된 점화 시기 차이(IGA_DIF)와 점화 시기 효율(EFF_IGA) 간의 역함수 관계를 사용하여 주어진 EFF_IGA에 대한 IGA_DIF가 산출되고, IGA_DIF와 현재 점화 시기(IGA)로부터 기준 점화 시기(IGA_REF)가 산출된다. 즉, EFF_HR50은 HR50_DIF를 변수로 하는 함수이고, EFF_IGA는 IGA_DIF를 변수로 하는 함수이다.
이와 같이, 기준 토크와 기준 점화 시기가 보정되면, 도 6에 도시된 바와 같이, 종래의 기준 토크(TQI_REF)는 보정된 기준 토크(TQI_REF_COR)로 이동하고, 종래의 기준 점화 시기(IGA_REF)는 보정된 기준 점화 시기(IGA_REF_COR)로 이동하게 된다.
즉, 종래의 기준 토크(TQI_REF)와 기준 점화 시기(IGA_REF)이 만나는 지점에 보정된 기준 토크(TQI_REF_COR)와 기준 점화 시기(IGA_REF_COR)가 만나는 지점으로 이동하게 된다.
그리고 이때의 효율 곡선의 형태는 종래의 형태와 동일한 형태를 유지할 수 있다.
[효율 곡선 보정]
기준 토크와 기준 점화 시기가 보정되면, 제어기(50)는 기준 토크와 기준 점화 시기를 기초로 토크 모델의 효율 곡선을 보정한다(S350). 점화 시기 기준의 토크 효율 곡선은 점화 시기 차이(IGA_DIF)에 따른 함수 또는 룩업 테이블 (lookup table) 형태로 제어기(50)에 미리 저장될 수 있다.
토크 모델의 효율 곡선은 다음과 같은 과정으로 보정된다.
앞에서 설명한 바와 같이, 기존의 점화 시기 기준의 토크 모델에서 기준 토크와 기준 점화 시기가 보정되면, 기존의 효율 곡선(도 5에서 실선의 효율 곡선 참조)에서의 기준 토크(TQI_REF)와 기준 점화 시기(IGA_REF)가 보정된 기준 토크(TQI_REF_COR)와 보정된 기준 점화 시기(IGA_REF_COR)로 이동한다.
그리고 종래의 기준 토크(TQI_REF)와 기준 점화 시기(IGA_REF)를 기준으로 형성된 효율 곡선(도 4에서 실선의 효율 곡선)은 보정된 기준 토크(TQI_REF_COR)와 보정된 기준 점화 시기(IGA_REF_COR)를 기준으로 한 효율 곡선(도 5에서 이점 쇄선의 효율 곡선)을 형성하게 된다.
보정된 기준 토크와 보정된 기준 점화 시기가 결정되면, 제어기(50)는 보정된 기준 토크와 보정된 기준 점화 시기를 기준으로 HR50 기준의 모델 토크와 점화시기 기준의 모델 토크를 비교한다. HR50 기준의 모델 토크와 점화시기 기준의 모델 토크의 차이가 발생하면, 룩업 테이블(lookup table)의 수치를 이용하여 최종적으로 보정된 효율 곡선을 산출한다.
이와 같이, 효율 곡선이 보정되면, 도 6에 도시된 바와 같이, 보정된 기준 토크(TQI_REF_COR)와 기준 점화 시기(IGA_REF_COR)를 기준으로 종래의 효율 곡선(도 6에서 실선의 효율 곡선)이 보정된 효율 곡선(도 6에서 점선의 효율 곡선)으로 수정된다.
S100 단계에서, 연소압 센서(20)가 비정상적으로 동작하는 경우, 제어기(50)는 보정된 점화 시기 기반의 토크 모델을 기초로 엔진(10)을 제어한다. 즉, 운전자의 요구 토크가 입력되면, 보정된 점화 시기 기반의 토크 모델을 기준으로 엔진(10)의 점화 시기 및/또는 공기량을 제어하여 엔진(10)에서 출력되는 토크를 제어한다.
이와 같이, 엔진(10)의 토크 모델이 보정(또는 학습)되면, 제어기(50)는 학습된(또는 보정된) 점화 시기 기반의 토크 모델을 이용하여 엔진(10)의 점화 시기 및/또는 공기량을 제어하여 엔진(10)의 출력 토크를 제어한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진(10)의 토크 모델의 보정 장치 및 방법에 의하면, 연소압 센서의 정상 동작 여부에 따라 HR50 기반의 토크 모델 또는 보정된 점화 시기 기반의 토크 모델을 기초로 엔진을 제어한다.
HR50 기반의 토크 모델은 엔진의 운전 조건에 무관하여 일정한 토크 효율 곡선을 얻을 수 있기 때문에, 운전 조건에 따른 엔진 토크의 편차를 개선할 수 있다.
그리고 연소압 센서가 정상적으로 작동하는 동안 연소압을 기반으로 보정된 점화 시기 기반의 토크 모델을 제공함으로써, 엔진(10)의 운전 조건에 따른 별도의 보정을 할 필요가 없다. 또한, 엔진(10)의 지속적인 동작에 따라 발생하는 부품별 편차가 보정된 토크 모델에 반영되기 때문에, 보정된 토크 모델이 정확한 엔진 토크를 산출하는 기준으로 사용될 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 엔진
11: 실린더
20: 연소압 센서
30: 운전 정보 감지부
50: 제어기

Claims (12)

  1. 차량의 엔진 정보와 환경 정보를 감지하는 운전 정보 감지부;
    엔진의 실린더 내부의 연소압을 측정하는 연소압 센서; 및
    엔진의 연소압 센서의 이상 여부에 따라 미리 저장된 HR50(heat release 50%) 기반의 토크 모델을 기초로 상기 엔진을 제어하거나, 또는 미리 저장된 점화 시기 기반의 토크 모델을 상기 연소압 센서에서 감지되는 연소압을 기초로 보정된 점화 시기 기반의 토크 모델을 기초로 상기 엔진을 제어하는 제어기;
    를 포함하는 불꽃 점화 엔진의 토크 모델 보정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 연소압 센서가 정상인 경우, 상기 HR50 기반의 토크 모델을 기초로 상기 엔진을 제어하고,
    상기 연소압 센서가 비정상인 경우, 상기 보정된 점화 시기 기반의 토크 모델을 기초로 상기 엔진을 제어하는 불꽃 점화 엔진의 토크 모델 보정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 운전 정보 감지부에서 감지된 엔진 정보와 환경 정보를 기초로 설정된 엔진 운전 조건과 환경 조건이 충족되면,
    상기 연소압 센서에서 감지된 연소압을 기초로 미리 저장된 점화 시기 기반의 토크 모델에서 기준 토크, 기준 점화 시기, 및 효율 곡선을 보정하는 불꽃 점화 엔진의 토크 모델 보정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    MBT 운전 영역 이내에서, 상기 연소압 센서에서 측정된 연소압의 도시평균유효압력(IMEP)으로 산출된 실측 토크가 상기 기준 토크로 보정되는 불꽃 점화 엔진의 토크 모델 보정 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    MBT 운전 영역 이내에서, 상기 연소압 센서에서 측정된 연소압으로부터 산출된 HR50(heat release 50%)에서의 크랭크 각도를 기준 점화 시기로 보정되는 불꽃 점화 엔진의 토크 모델 보정 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 MBT 운전 영역은 상기 연소압 센서에서 측정된 연소압으로부터 산출된 HR50(heat release 50%)이 설정된 크랭크 각도 범위 이내인 경우를 의미하는 불꽃 점화 엔진의 토크 모델 보정 장치.
  7. 연소압 센서의 이상여부를 판단하는 단계; 및
    상기 연소압 센서의 이상여부에 따라 미리 저장된 HR50(heat release 50%) 기반의 토크 모델을 기초로 엔진을 제어하거나, 또는 미리 저장된 점화 시기 기반의 토크 모델을 상기 연소압 센서에서 감지되는 연소압을 기초로 보정된 점화 시기 기반의 토크 모델을 기초로 상기 엔진을 제어하는 단계;
    를 포함하는 불꽃 점화 엔진의 토크 모델 보정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연소압 센서가 정상인 경우, 상기 HR50 기반의 토크 모델을 기초로 상기 엔진을 제어하고,
    상기 연소압 센서가 비정상인 경우, 상기 보정된 점화 시기 기반의 토크 모델을 기초로 상기 엔진을 제어하는 불꽃 점화 엔진의 토크 모델 보정 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    보정된 점화 시기 기반의 토크 모델을 기초로 상기 엔진을 제어하는 단계는
    운전 정보 감지부에 의해, 운전 정보를 감지하는 단계;
    연소압 센서에 의해, 엔진의 실린더 내부의 압력을 측정하는 단계;
    제어기에 의해, 상기 운전 정보 감지부에 의해 감지되는 운전 정보를 기초로 엔진 운전 조건과 환경 조건이 충족되는지 여부를 판단하는 단계;
    상기 엔진 운전 조건과 상기 환경 조건이 충족되면, 상기 제어기에 의해, 상기 연소압 센서에 의해 측정된 연소압을 기초로 미리 저장된 토크 모델의 기준 토크, 기준 점화 시기, 및 효율 곡선을 보정하는 단계;
    를 포함하는 불꽃 점화 엔진의 토크 모델 보정 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    MBT 운전 영역 이내에서, 상기 연소압 센서에서 측정된 연소압의 도시평균유효압력(IMEP)으로 산출된 실측 토크가 상기 기준 토크로 보정되는 불꽃 점화 엔진의 토크 모델 보정 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 MBT 운전 영역은 상기 연소압 센서에서 측정된 연소압으로부터 산출된 HR50(heat release 50%)이 설정된 크랭크 각도 범위 이내인 경우를 의미하는 불꽃 점화 엔진의 토크 모델 보정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    MBT 운전 영역 이내에서, 상기 연소압 센서에서 측정된 연소압으로부터 산출된 HR50(heat release 50%)의 크랭크 각도가 기준 점화 시기로 보정되는 불꽃 점화 엔진의 토크 모델 보정 방법.
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