JP2018096371A - エンジンシステム制御方法および装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】エンジンの速度が低い領域で加速性能および燃費を向上させることができるエンジンシステム制御方法および装置を提供する。
【解決手段】本発明の連続可変バルブデュレーション(continuous variable valve duration;CVVD)装置を含むエンジンシステムを制御する方法は、エンジンシステムを制御するためのデータを検出する段階と、エンジンの速度が設定された速度より小さいかを判断する段階と、前記エンジンの速度が前記設定された速度より小さい場合、加速ペダルの位置値が設定された位置値より大きいかを判断する段階と、前記加速ペダルの位置値が前記設定された位置値より大きいと、前記CVVD装置を作動させてバルブオーバーラップを増加させる段階と、前記バルブオーバーラップが増加した後、ノック制御を行う段階と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図3

Description

本発明はエンジンシステム制御方法および装置に係り、より詳しくは連続可変バルブデュレーション装置を含むエンジンシステムを制御するエンジンシステム制御方法および装置に関する。
一般に、内燃機関は、燃焼室に燃料と空気を受け入れてこれを燃焼することによって動力を生成する。空気を吸入する時にはカム軸(camshaft)の駆動によって吸気バルブ(intake valves)を作動させ、吸気バルブが開いている間の空気が燃焼室に吸入される。また、カム軸の駆動によって排気バルブを作動させて排気バルブが開いている間の空気が燃焼室から排出される。
しかし、最適の吸気バルブ/排気バルブの動作は、エンジンの回転速度に応じて変わる。つまり、エンジンの回転速度に応じて適切なリフト(lift)またはバルブのオープニング/クロージングタイムが異なる。このようにエンジンの回転速度に応じて適切なバルブ動作を実現するため、バルブを駆動させるカムの形状を複数設計したり、バルブがエンジン回転数に応じて異なるリフト(lift)に作動するようにする連続可変バルブリフト(continuous variable valve lift、CVVL)装置が研究されている。
また、バルブの開放時間を調節するものとして連続可変バルブタイミング(Continuous Variable Valve Timing、CVVT)技術が開発されてきたが、これはバルブデュレーションが固定された状態でバルブ開閉時点が同時に変更される技術である。
しかし、従来のCVVLまたはCVVTは構成が複雑でかつ費用が高いという問題がある。
したがって、エンジンの作動状態に応じてバルブのデュレーションを調節できる連続可変バルブデュレーション(continuous variable valve duration;CVVD)装置が研究されている。
前記CVVD装置が適用されたエンジンシステムの運転性能および燃費を向上させることができる方法が必要である。
韓国特許出願第10−2015−0178650号
本発明は前記問題点を解決するためになされたものであって、本発明が解決しようとする課題は、エンジンの速度が低い領域で加速性能および燃費を向上させることができるエンジンシステム制御方法および装置を提供することにある。
本発明の連続可変バルブデュレーション(continuous variable valve duration;CVVD)装置を含むエンジンシステムを制御する方法は、エンジンシステムを制御するためのデータを検出する段階と、エンジンの速度が設定された速度より小さいかを判断する段階と、前記エンジンの速度が前記設定された速度より小さい場合、加速ペダルの位置値が設定された位置値より大きいかを判断する段階と、前記加速ペダルの位置値が前記設定された位置値より大きいと、前記CVVD装置を作動させてバルブオーバーラップを増加させる段階と、前記バルブオーバーラップが増加した後、ノック制御を行う段階と、を含むことを特徴とする。
前記ノック制御を行う段階は、点火時期を進角させる段階を含むことを特徴とする。
前記制御方法は、点火時期を進角させる途中、ノッキングが発生するかを判断する段階と、前記ノッキングが発生したと判断されると、点火時期を遅角させる段階と、をさらに含むことを特徴とする。
前記制御方法は、前記バルブオーバーラップが増加した後、空燃比制御を行う段階をさらに含むことを特徴とする。
前記空燃比制御を行う段階は、空燃比を薄く制御する段階を含むことを特徴とする。
前記CVVD装置を作動させてバルブオーバーラップを増加させる段階は、吸気バルブのデュレーションを増加させる段階を含むことを特徴とする。
前記CVVD装置を作動させてバルブオーバーラップを増加させる段階は、排気バルブのデュレーションを増加させる段階を含むことを特徴とする。
本発明の連続可変バルブデュレーション(continuous variable valve duration;CVVD)装置を含むエンジンシステムを制御する装置は、エンジンのシリンダの振動を検出するノックセンサと、クランク軸の回転角度を測定するクランク軸位置センサと、加速ペダルの位置値を測定する加速ペダル位置センサと、前記エンジンから排出される排気ガス内の酸素量を測定する酸素センサと、前記ノックセンサ、クランク軸位置センサ、加速ペダル位置センサ、および酸素センサの信号に基づいてインジェクタ、点火プラグ、スロットルバルブ、EGR(exhaust gas recirculation)バルブ、ウエストゲートバルブ、および前記CVVD装置の作動を制御する制御器と、を含み、前記制御器はエンジンの速度が設定された速度より小さく、かつ加速ペダルの位置値が設定された位置値より大きいと、前記CVVD装置を作動させてバルブオーバーラップを増加させて、前記バルブオーバーラップが増加した後ノック制御を行うことを特徴とする。
前記制御器は、前記ノック制御遂行時、点火時期を進角させることを特徴とする。
前記制御器は、前記点火時期を進角させる途中、ノッキングが発生したと判断されると、点火時期を遅角させることを特徴とする。
前記制御器は、前記バルブオーバーラップが増加した後、空燃比制御を行うことを特徴とする。
前記制御器は、前記空燃比制御遂行時、空燃比を薄く制御することを特徴とする。
前記制御器は、エンジンの速度が設定された速度より小さく、かつ加速ペダルの位置値が設定された位置値より大きいと、前記CVVD装置を作動させて吸気バルブのデュレーションを増加させることを特徴とする。
前記制御器は、エンジンの速度が設定された速度より小さく、かつ加速ペダルの位置値が設定された位置値より大きいと、前記CVVD装置を作動させて排気バルブのデュレーションを増加させることを特徴とする。
本発明によれば、エンジンの速度が低い領域でバルブオーバーラップを増加させて、タービンの回転速度増加に応じたトルク応答性を得ることができる。また、バルブオーバーラップ増加時、点火時期を進角させて空燃比を薄く制御し加速性能および燃費を向上させることができる。
本発明の実施形態によるエンジンシステムの構成図である。 本発明の実施形態によるエンジンシステム制御装置のブロック図である。 本発明の実施形態によるエンジンシステム制御方法のフローチャートである。 本発明の実施形態によるエンジンシステム制御方法を説明するためのグラフである。
以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態について詳しく説明する。
図1は本発明の実施形態によるエンジンシステムの構成図であり、図2は本発明の実施形態によるエンジンシステム制御装置のブロック図である。
図1および図2に示す通り、本発明の実施形態によるエンジンシステムは、エンジン10、ターボチャージャ20、吸気ライン30、スロットルバルブ40、第1排気ライン50、第2排気ライン60、低圧EGR(low pressure exhaust gas recirculation;LP−EGR)装置70、連続可変バルブデュレーションCVVD(continuous variable valve duration)装置80を含む。
エンジン10は、燃料と空気を燃焼させて化学的エネルギを機械的エネルギに変換する。エンジン10は、シリンダ11、ピストン12、クランク軸(crank shaft)13、吸気バルブ14、排気バルブ15を含む。
シリンダ11の内部にはピストン12およびクランク軸13が取り付けられている。ピストン12は燃料の爆発力によって往復運動をし、クランク軸13を回転させる。シリンダ11とピストン12との間には燃焼室16が設けられる。
エンジン10は吸気ライン30に連結されて空気の流入を受け、燃焼過程で発生した排気ガスは第1排気ライン50を介してエンジン10の外部に排出される。吸気ライン30は、吸気バルブ14によって開放または遮断され、第1排気ライン50は排気バルブ15によって開放または遮断される。吸気バルブ14は、CVVD装置80の吸気カム81によって駆動され、排気バルブ15は排気カム83によって駆動される。
インジェクタ17は燃料を燃焼室16の内部に噴射し、点火プラグ18はインジェクタ17によって噴射された燃料と空気とが混合された混合ガスを点火させる。
シリンダ11には冷却水温度センサ11a、ノックセンサ(knock sensor)11b、およびクランク軸位置センサ11cが取り付けられている。冷却水温度センサ11aは、冷却水の温度を測定してこれに対する信号を制御器100に伝達する。ノックセンサ11bは振動を検出してこれに対する信号を制御器100に伝達し、制御器100はノックセンサ11bの信号に基づいてノッキング(knocking)発生の有無を判断する。クランク軸位置センサ11cはクランク軸13の回転角度を測定し、これに対する信号を制御器100に伝達し、制御器100はクランク軸位置センサ11cの信号に基づいてエンジン10の速度を計算する。
ターボチャージャ20は、タービン21およびコンプレッサ22を含む。タービン21は排気ガスによって回転し、コンプレッサ22はタービン21の回転によって発生する動力によって回転する。
吸気ライン30はエンジン10に空気を供給する。コンプレッサ22が回転しながら外部から流入した空気が圧縮されてエンジン10に供給される。したがって、高圧の空気が供給されてエンジン10の出力を高める。コンプレッサ22を通過する空気を冷却するためにインタークーラ(inter cooler)31が吸気ライン30上に取り付けられる。
スロットルバルブ40は吸気ライン30上に取り付けられ、スロットルバルブ40の開度に応じて吸気ライン30からエンジン10に供給される空気の流れが制御される。
吸気圧力センサ94はスロットルバルブ40とエンジン10との間の吸気ライン30上に取り付けられ、吸気圧力を測定し、これに対する信号を制御器100に伝達する。
第1排気ライン50はエンジン10から排出される排気ガスを車両の外部に排出させる。第1排気ライン50上には触媒51が装着されて排気ガスの有害成分を低減する。
第2排気ライン60は、排気ガスの一部がタービン21を経て第1排気ライン50に合流するように形成される。第1排気ライン50上に取り付けられたウェストゲートバルブ52の開度に応じてタービン21を通過する排気ガスの量が制御される。
排気圧力センサ95は第1排気ライン50上に取り付けられ、排気圧力を測定し、これに対する信号を制御器100に伝達する。
酸素センサ96は第1排気ライン50上に取り付けられ、エンジン10から排出される排気ガス内の酸素量を測定し、これに対する信号を制御器100に伝達する。酸素センサ96の測定値はラムダ(lambda)で示される。ラムダは理論空燃比に対する実際空燃比を示す。ラムダが1より大きいと希薄な雰囲気であり、ラムダが1未満であれば濃厚な雰囲気である。
低圧EGR装置70は、EGRライン71、EGRクーラー72、およびEGRバルブ73を含む。
EGRライン71は前記触媒51の下流と吸気ライン30とを連結する。触媒51から排出される排気ガスの一部がEGRライン71を介してエンジン10に再供給される。
EGRクーラー72はEGRライン71上に取り付けられ、吸気ライン30に供給される排気ガスを冷却する。
EGRバルブ73はEGRライン71上に取り付けられる。EGRバルブ73が開放されると、触媒51から排出される排気ガスの一部がEGRライン71を介してエンジン10に再供給される。EGRバルブ73が閉鎖されると、触媒51から排出される排気ガスはEGRライン71を介してエンジン10に再供給されない。EGRバルブ73の開放に応じてEGRライン71を介して吸気ライン30に供給される排気ガスを外部EGRガスという。
CVVD装置80は吸気バルブ14のデュレーションを調節する。CVVD装置80は吸気カム81およびカム軸82を含む。CVVD装置80はカム軸82に対する吸気カム81の相対的な回転速度を変化させる。つまり、CVVD装置80の作動に応じて吸気バルブ14のデュレーションが増加または減少する。CVVD装置80は韓国特許出願第10−2015−0178650号に開示されているので、これに関する詳細な説明は省略する。また、韓国特許出願第10−2015−0178650号に含まれているすべての内容は参考として本明細書にすべて含まれている。韓国特許出願第10−2015−0178650号に開示されたCVVD装置80は、本発明の技術的な思想が適用できるCVVD装置の一例として、本発明の技術的な思想は韓国特許出願第10−2015−0178650号に開示されたCVVD装置80だけでなく多様なCVVD装置に適用される。
CVVD装置80の作動によって吸気バルブ14と排気バルブ15とが同時に開放された区間であるバルブオーバーラップ(valve overlap)が発生する。バルブオーバーラップを増加させることによりスカベンジング(scavenging)効果を増加させる。バルブオーバーラップが増加すると、排気ガスの流動が増加してタービン21の回転速度が増加し、トルク応答性が向上する。したがって、バルブオーバーラップが非常に大きい場合、空燃比を薄く制御して燃費を向上させることができる。また、バルブオーバーラップが増加すると、燃焼室16内の残留ガス量が減少して燃焼室16の温度を低減する。一方、本発明の実施形態ではCVVD装置80が吸気バルブ14のデュレーションを調節する場合を例示したが、CVVD装置80が排気バルブ15のデュレーションを調節する場合にも本発明の技術的な思想が適用される。
本発明の実施形態によるエンジンシステム制御装置は、データ検出部90、制御器100、インジェクタ17、点火プラグ18、スロットルバルブ40、EGRバルブ73、ウェストゲートバルブ52、およびCVVD装置80を含む。
データ検出部90は、エンジンシステムを制御できるデータを検出して制御器100に伝達する。データ検出部90は、ノックセンサ11b、クランク軸位置センサ11c、加速ペダル位置センサ91、および酸素センサ96を含む。
ノックセンサ11bは、エンジン10のシリンダ11の振動を検出し、これに対する信号を制御器100に伝達する。制御器100はノックセンサ11bの信号に基づいてノッキング発生の有無を判断する。
クランク軸位置センサ11cは、クランク軸13の回転角度を測定し、これに対する信号を制御器100に伝達する。制御器100は、クランク軸位置センサ11cの信号に基づいてエンジン10の速度を計算する。
加速ペダル位置センサ91は、加速ペダルの位置値(加速ペダルが押された程度)を測定し、これに対する信号を制御器100に伝達する。加速ペダルが完全に押された場合は加速ペダルの位置値が100%であり、加速ペダルが押されてない場合は加速ペダルの位置値が0%である。
酸素センサ96は、エンジン10から排出される排気ガス内の酸素量を測定し、これに対する信号を制御器100に伝達する。酸素センサ96の測定値はラムダ(lambda)で示される。ラムダは理論空燃比に対する実際空燃比を示す。ラムダが1より大きいと希薄な雰囲気であり、ラムダが1未満であれば濃厚な雰囲気である。
制御器100は、データ検出部90によって検出されたデータに基づいてインジェクタ17、点火プラグ18、スロットルバルブ40、EGRバルブ73、ウェストゲートバルブ52、およびCVVD装置80の作動を制御する。制御器100は、データに基づいてノック制御(knock control)および空燃比制御を行う。ノック制御は、点火プラグ18の点火時期を調節して行われ、空燃比制御は、インジェクタ17から噴射される燃料の量を調節して行われる。制御器100は、設定されたプログラムによって動作する一つ以上のプロセッサとして具現され、設定されたプログラムは後述する本発明の実施形態によるエンジンシステムの制御方法に含まれている各段階を行うための一連の命令を含む。
以下、図3および図4を参照して本発明の実施形態によるエンジンシステム制御方法を詳しく説明する。
図3は本発明の実施形態によるエンジンシステム制御方法のフローチャートであり、図4は本発明の実施形態によるエンジンシステム制御方法を説明するためのグラフである。
図3および図4に示す通り、制御器100はエンジンシステムを制御するためのデータを検出する(S101)。つまり、ノックセンサ11bはエンジン10のシリンダ11の振動を検出し、クランク軸位置センサ11cはクランク軸13の回転角度を測定し、加速ペダル位置センサ91は加速ペダルの位置値を検出し、酸素センサ96はエンジン10から排出される排気ガス内の酸素量を測定する。制御器100はクランク軸位置センサ11cの信号に基づいてエンジン10の速度を計算する。
制御器100はエンジン10の速度が設定された速度より小さいかを判断する(S102)。設定された速度はエンジン10が低速区間で作動中であるかを判断するために当業者が好ましいと判断される値に設定する。例えば、設定された速度は1700RPMである。
S102段階において、エンジン10の速度が設定速度より大きいかまたは等しい場合、本発明の実施形態によるエンジンシステム制御方法は終了する。
S102段階において、エンジン10の速度が設定速度より小さい場合、制御器100は加速ペダルの位置値が設定された位置値より大きいかを判断する(S103)。設定された位置値は運転者の加速意志を判断するために当業者が好ましいと判断する値に設定できる。
S103段階において、加速ペダルの位置値が設定された位置値より小さかまたは同一であれば、本発明の実施形態によるエンジンシステム制御方法は終了する。
S103段階において、加速ペダルの位置値が設定された位置値より大きいと、制御器100はCVVD装置80を作動させて吸気バルブ14のデュレーションを増加させる(S104)。吸気バルブ14のデュレーションが増加することによって吸気バルブ14と排気バルブ15とが同時に開放された区間であるバルブオーバーラップが増加する。そのため、排気ガスの流動が増加してタービン21の回転速度が増加してトルク応答性が向上する。吸気バルブ14のデュレーションの増加量は、実験により当業者が好ましと判断する値に設定できる。一方、制御器100はエンジン10の速度および加速ペダルの位置値に基づいて、スロットルバルブ40の開度量、EGRバルブ73の開度量、およびウェストゲートバルブ52の開度量を決定できる。つまり、制御器100はスロットルバルブ40、EGRバルブ73、およびウェストゲートバルブ52の開度量を制御してブースト圧力(boost pressure)を増加させる。
吸気バルブ14のデュレーションが増加した後、制御器100はノック制御(knock control)を行う(S105)。具体的には、制御器100は点火時期を進角させる。一般に、基本点火時期(baseig nition timing)はピストン12が上死点(Top Dead Center;TDC)である時のクランク軸13の回転角度より設定された角度だけ進角した位置に設定されている。点火時期を進角させることによってエンジン10のトルクを増加させる。制御器100は点火時期を最大トルクが発生する最小点火時期(Minimum spark advance for Best Torque;MBT)まで進角させる。MBTは実験によりノッキングが発生する点火時期より遅角された位置に設定される。
点火時期を進角させる途中、制御器100はノッキングが発生するかを判断する(S106)。具体的には、制御器100はノックセンサ11bの信号に基づいて、燃焼過程で発生する振動量が設定された振動量以上であれば、ノッキングが発生したと判断する。点火時期がMBTに向かって進角されることによって、ノッキングが発生する。
S106段階でノッキングが発生したと判断されない場合、制御器100は点火時期を継続して進角させる。
S106段階でノッキングが発生したと判断されると、制御器100は点火時期を遅角させてノッキング発生を防止できる(S107)。
一方、S105段階で制御器100は空燃比制御を行う。具体的には、制御器100は空燃比を薄く制御することができる。つまり、インジェクタ17から噴射される燃料量を減少させることによって、燃焼雰囲気を希薄な雰囲気に制御することができる。そのため、理論空燃比で制御する場合より燃費を向上させて燃焼室16の温度を低減することができる。制御器100はラムダが1.2ないし1.4となるように空燃比制御を行う。
一方、本発明の実施形態ではCVVD装置80が吸気バルブ14のデュレーションを調節する場合を例示したが、CVVD装置80が排気バルブ15のデュレーションを調節する場合にも上述したエンジンシステム制御方法を行うことができる。
前述のように、本発明の実施形態によれば、エンジンの速度が低い領域でバルブオーバーラップを増加させてタービン21の回転速度増加に応じたトルク応答性を向上させることができる。また、バルブオーバーラップ増加時に点火時期を進角させて空燃比を薄く制御して加速性能および燃費を向上させることができる。
以上、本発明に関する好ましい実施例を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の属する技術分野を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。
10:エンジン
20:ターボチャージャ
30:吸気ライン
40:スロットルバルブ
50:第1排気ライン
60:第2排気ライン
70:低圧EGR装置
80:CVVD装置
90:データ検出部
100:制御器

Claims (14)

  1. 連続可変バルブデュレーション(continuous variable valve duration;CVVD)装置を含むエンジンシステムを制御する方法において、
    エンジンシステムを制御するためのデータを検出する段階と、
    エンジンの速度が設定された速度より小さいかを判断する段階と、
    前記エンジンの速度が前記設定された速度より小さい場合、加速ペダルの位置値が設定された位置値より大きいかを判断する段階と、
    前記加速ペダルの位置値が前記設定された位置値より大きいと、前記CVVD装置を作動させてバルブオーバーラップを増加させる段階と、
    前記バルブオーバーラップが増加した後、ノック制御を行う段階と、を含むことを特徴とするエンジンシステム制御方法。
  2. 前記ノック制御を行う段階は、
    点火時期を進角させる段階を含むことを特徴とする請求項1に記載のエンジンシステム制御方法。
  3. 前記点火時期を進角させる途中ノッキングが発生するかを判断する段階と、
    前記ノッキングが発生したと判断されると、点火時期を遅角させる段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項2に記載のエンジンシステム制御方法。
  4. 前記バルブオーバーラップが増加した後、空燃比制御を行う段階をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のエンジンシステム制御方法。
  5. 前記空燃比制御を行う段階は、
    空燃比を薄く制御する段階を含むことを特徴とする請求項4に記載のエンジンシステム制御方法。
  6. 前記CVVD装置を作動させてバルブオーバーラップを増加させる段階は、
    吸気バルブのデュレーションを増加させる段階を含むことを特徴とする請求項1に記載のエンジンシステム制御方法。
  7. 前記CVVD装置を作動させてバルブオーバーラップを増加させる段階は、
    排気バルブのデュレーションを増加させる段階を含むことを特徴とする請求項1に記載のエンジンシステム制御方法。
  8. 連続可変バルブデュレーション(continuous variable valve duration;CVVD)装置を含むエンジンシステムを制御する装置において、
    エンジンのシリンダの振動を検出するノックセンサと、
    クランク軸の回転角度を測定するクランク軸位置センサと、
    加速ペダルの位置値を測定する加速ペダル位置センサと、
    前記エンジンから排出される排気ガス内の酸素量を測定する酸素センサと、
    前記ノックセンサ、クランク軸位置センサ、加速ペダル位置センサ、および酸素センサの信号に基づいてインジェクタ、点火プラグ、スロットルバルブ、EGR(exhaust gas recirculation)バルブ、ウェストゲートバルブ、および前記CVVD装置の作動を制御する制御器と、を含み、
    前記制御器は、エンジンの速度が設定された速度より小さく、かつ加速ペダルの位置値が設定された位置値より大きいと、前記CVVD装置を作動させてバルブオーバーラップを増加させて、
    前記バルブオーバーラップが増加した後ノック制御を行うことを特徴とするエンジンシステム制御装置。
  9. 前記制御器は、
    前記ノック制御遂行時、点火時期を進角させることを特徴とする請求項8に記載のエンジンシステム制御装置。
  10. 前記制御器は、
    前記点火時期を進角させる途中ノッキングが発生したと判断されると、点火時期を遅角させることを特徴とする請求項9に記載のエンジンシステム制御装置。
  11. 前記制御器は、
    前記バルブオーバーラップが増加した後、空燃比制御を行うことを特徴とする請求項8に記載のエンジンシステム制御装置。
  12. 前記制御器は、
    前記空燃比制御遂行時、空燃比を薄く制御することを特徴とする請求項11に記載のエンジンシステム制御装置。
  13. 前記制御器は、
    エンジンの速度が設定された速度より小さく、かつ加速ペダルの位置値が設定された位置値より大きいと、前記CVVD装置を作動させて吸気バルブのデュレーションを増加させることを特徴とする請求項8に記載のエンジンシステム制御装置。
  14. 前記制御器は、
    エンジンの速度が設定された速度より小さく、かつ加速ペダルの位置値が設定された位置値より大きいと、前記CVVD装置を作動させて排気バルブのデュレーションを増加させることを特徴とする請求項8に記載のエンジンシステム制御装置。
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