KR100439906B1 - 적분 게인(Ｉ Ｇａｉｎ) 학습을 통한 자동차의 배출가스저감제어방법 - Google Patents

적분 게인(Ｉ Ｇａｉｎ) 학습을 통한 자동차의 배출가스저감제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적분 게인(I Gain) 학습을 통한 자동차의 배출가스 저감 제어방법에 관한 것으로 특히, 제어부에서 현재 엔진이 피드백 조건인지를 판단하는 과정과; 상기에서 판단한 결과 피드백 조건이 아니면 적분 게인 합습을 금지시키는 과정과; 상기에서 판단한 결과 엔진이 피드백 조건이면 피드백보정계수가 "1"인지를 판단하여 "1"이면 적분 게인 학습을 완료시키는 과정과; 상기에서 판단한 결과 "1"이 아니면 아이들시 적분 게인 학습을 시작하여 적분계수에 일정증가치를 곱해준 값을 일정학습이 경과될 때 까지 적용시킨 후 다시 피드백보정계수가 "1"인지를 판단하는 과정으로 되돌아가는 과정;으로 실시하여, I Gain 값이 고정치가 아니라 학습보정을 통하여 변화할 수 있는 값으로 설정해 주는 방식을 통해 이론공연비에 더 접근시켜 자동차의 배출가스를 대폭 저감시킬 수 있도록 한 것이다.

Description

적분 게인(Ｉ Ｇａｉｎ) 학습을 통한 자동차의 배출가스 저감 제어방법{Reduction Control Method of Vehicle Exhaust Gas Through I Gain Learning}
본 발명은 적분 게인(I Gain) 학습을 통한 자동차의 배출가스 저감 제어방법에 관한 것으로 더욱 상세히는, 학습영역을 적분계수영역과 동일하게 영역을 나누어 학습을 행하고 또한 적분 게인(이하 I Gain이라 약칭함)의 별도로 학습을 하여 이론공연비에 더 접근 할 수 있도록 발명한 것이다.
다시말해서, I Gain값이 고정치가 아니라 학습보정을 통하여 변화할 수 있는 값으로 설정을 해 주어 이론공연비에 더 접근할 수 있도록 한 자동차의 배출가스 저감 제어방법에 관한 것이다.
현재의 자동차 기술은 배출가스의 저감 및 연료저감을 위하여 산소센서를 통한 피드백(이하 F/B라 약칭함) 제어를 하고 있으며, 이 F/B 제어의 목적은 차량간의 편차를 줄이기 위해 F/B 시의 학습치를 통하여 차량간의 편차를 줄이고 있다.
즉, 학습치=1.의 경우가 가장 이상적인 연소를 행해지고 있는 것이며, 각 단품들마다의 특성에 따라 이 학습치가 천차 만별이다. 이러한 것을 이론공연비에 맞게 보정을 하는 것으로 농후(Rich) 할 경우 학습치는 1 이하로 되어 이론공연비를 맞추어 주며, 희박(Lean)일 경우는 학습치가 1 이상이 되어 이론공연비를 맞추어 주는 것으로 되어 있다.
보통의 F/B 보정의 경우는 PI 제어로 행해지며 보정연산식은 다음과 같다.
KFB(피드백보정계수) = 1 ± KP(비례계수) ± KI(적분계수)
윗식은 산소(O2)센서의 전압값을 기본으로 행해지며, O2센서는 보통 배기 메니폴드(Ex.Mani)에 장착이 되어지며 산소센서는 배기가스 중 함유된산소의 양을 측정해 그 출력압을 컴퓨터(ECU)로 전달하는 역할을 한다. 컴퓨터는 산소센서의 신호를 받아 인젝터의 시간을 제어해 항상 이론공연비에 가깝도록 자동 조정함으로써 촉매변환기의 정화율을 높여준다.
센서 감지부 내측은 대기가 흡입되고 외측은 배기가스가 접촉된다. 이 때 산소 농도 차이에 의해 기전력이 발생한다. 발생 전압은 0.1~0.9V 정도이다. 하지만 이 기전력은 항상 발생하는 것은 아니며 일정한 조건일 때만 작동한다. 즉 배기 온독 약 250℃ 이상 때 작동을 시작해 약 400~800℃ 사이에서 원활하게 작동한다.
산소센서는 이러한 작동조건 하에서 이론공연비인 14.7:1을 유지하기 위해 ECU와 함께 지속적으로 정보를 주고받아 피드백 작동을 하는 센서이다.
즉, O2센서 제품의 편차가 있게 마련이지만 0.5V 를 기준으로 0.5V 이하이면 희박(Lean), 그 이상이면 농후(Rich)하게 되는 것이다.
이를 이용하여 윗식에서 KP비례계수로서 O2센서의 희박, 농후에 응하고 소정KP값을 가산 또는 감산한다, 즉, 희박(Lean) 경우 가산, 농후(Rich)일 경우 KP값을 감산한다.
KI는 적분계수로서 KI＝ΣGI즉, O2센서가 희박시 GI를 가산하고，농후시 GI를 감산한다．
GI적분계수의 경우는 AF Rich 보정 및 AF Lean화 보정의 맵(Map)의 고정값으로 되어 있는데, 이는 실험을 통하여 가장 좋은 배출가스의 영역으로 설정을 한다.
또한, 적분계수는 존(ZONE)별로 나누어져서 충진효율과 rpm 영역으로 나누어져 있으며 보통 6개의 영역과 아이들(IDLE) 영역으로 나누어진다.
기본 공기량만으로는 A/F를 일정한 값으로 제어하는 것은 불가능하며 이를 위해 PI 콘트롤을 적용한 연료량의 피드백 보정이 요구된다.
도 1의 (a)(b)는 PI 컨트롤에 따른 A/F와 보정신호 파형도를 도시화한 것으로, P 콘트롤은 희박이라고 판단이 되면 P 게게인 만큼 P 점프로써 순간적으로 연료량을 증가시켜주며, 농후라고 판단이 되면 P 게인 만큼 P 점프로써 연료량을 줄여준다.
결국 P 게인의 경우 도 1의 (b)에서 수직의 크기가 되는 것이다.
I Gain의 경우 희박이라고 판단이 되면 P 점프후 일정한 기울기에 의해 연료를 증가시켜 주며, 농후라고 판단이 되면 P 점프후 일정한 기울기에 의해 연료를 줄여준다.
도 1의 (b)에서 사선의 기울기가 I Gain이다. 즉, I Gain은 Rich화 보정(상승기울기)와 Lean화 보정(하강기울기) 두가지로 나누어 컨트롤을 하게 된다
도 2는 피드백 영역을 도시한 것으로, 이에 나타낸 바와 같이 종래의 기술은 EC(충진효율-공기량환산치)와 Ne(엔진 RPM)으로 6개 영역과 아이들영역으로 정해져 있으면 각 영역마다 I Gain 값이 고정된 Map으로 설정되어 있다.
그런데 종래 이와같은 제어 방법은, 이러한 적분계수의 값이 실험을 통한 고정 Map값으로 되어 있다보니 운전자의 운전습관 편차에 및 여러 규제 모드(LA4, EU, 11Lab) 마다 I Gain 값을 별도로 설정해야 하는 어려움이 있다.
이러한 이유로 Nox의 경우는 주로 고온에서 가속시 순간적으로 많이 배출되게 되는데 I Gain이 고정값이므로 대응이 어려워 질소산화물(Nox)의 배출량에 문제가 있다.
또한, 적분계수는 ZONE 별로 상기 종래기술에서 보이듯 7개의 영역으로 나누어 지나 학습영역은 충진효율과 rpm 등으로 아이들 및 저부하, 고부하 영역으로 나누어져 있어서 각 영역별 학습보정에 문제가 있다.
본 발명은 이와같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 학습영역을 적분계수영역과 동일하게 영역을 나누어 학습을 행하고, 또한 I Gain을 별도로 학습을 하는 방식을 통해 이론공연비에 더 접근 할 수 있는, 즉 I Gain 값이 고정치가 아니라 학습보정을 통하여 변화할 수 있는 값으로 설정을 해 주는 방식을 통해 이론공연비에 더 접근시켜 자동차의 배출가스를 대폭 저감시킬 수 있는적분 게인(I Gain) 학습을 통한 자동차의 배출가스 저감 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적은, 아이들 영역에서의 적분 게인 피드백 학습 제어방법을 실시함에 있어서, 제어부에서 현재 엔진이 피드백 조건인지를 판단하는 과정과; 상기에서 판단한 결과 피드백 조건이 아니면 적분 게인 합습을 금지시키는 과정과; 상기에서 판단한 결과 엔진이 피드백 조건이면 피드백보정계수가 "1"인지를 판단하여 "1"이면 적분 게인 학습을 완료시키는 과정과; 상기에서 판단한 결과 "1"이 아니면 아이들시 적분 게인 학습을 시작하여 적분계수에 일정증가치를 곱해준 값을 일정학습이 경과될 때 까지 적용시킨 후 다시 피드백보정계수가 "1"인지를 판단하는 과정으로 되돌아가는 과정;으로 구성하므로써 달성할 수 있다.
따라서, 운전자의 주행 습관 및 모드, 또는 각 국가의 EM 배출가스 규제 모드와 상관없이 각 영역별로 I Gain 값이 유동적으로 변하여 되도록 A/F가 이론 공연비에 수렴할 수 있도록 할 수 있어 차량 개발시 각 국가별로 규제에 따른 I Gain 맷칭을 별도로 할 필요가 없고, 또 I Gain 값을 수시로 변동시켜 고온시 희박(Lean)화에 의한 Nox 저감에 큰 힘이 될 수 있으며, 보통 배출가스 중 HC나 CO의 경우는 촉매가 400~500도 이상이고 엔진이 난기후 상태라면 A/F의 크나 큰 편차(OPEN LOOP)가 아니라면 정화 효율이 100%에 가깝지만 Nox의 경우는 고온시 Lean 상태에서 대부분 발생함으로 작은 편차에 의해서도 Nox의 배출량은 많아지는데 이를 개선할 수 있어 자동차의 배출가스를 대폭 저감시킬 수 있는 것이다.
도 1의 (a)(b)는 종래PI 컨트롤에 따른 A/F와 보정신호 파형도.
도 2는 종래 피드백 영역도.
도 3은 본 발명 방법이 적용된 장치의 블럭 구성도.
도 4는 본 발명 방법을 설명하기 위한 플로우챠트.
도 5는 종래의 I Gain 맵을 나타낸 도표.
도 6은 본 발명을 적용하였을시 유해가스 배출 비율 대 혼합비를 나타낸 그래프.
* 도면중 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 산소 센서 2 : 스로틀 포지션 센서
3 : 캠 포지션 센서 4 : 크랭크 앵글 센서
5 : 노크 센서 6 : 오일탱크 프레셔 센서
7 : 맵 센서 8 : 전자제어 유니트
9 : 연료 인젝터 10 : 이그네이터
11 : 아이들 스피드 콘트롤 어큐뮬레이더
12 : 에버 퍼지 솔레노이드 밸브
13 : EGR 콘트롤 솔레노이드 밸브 14 : 캐니스터 클로즈 밸브
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명 방법이 적용된 장치의 블럭 구성도를 나타낸 것이고, 도 4는 본 발명 방법을 설명하기 위한 플로우챠트를 나타낸 것이다.
이에 따르면, 산소 센서(1)와 스로틀 포지션 센서(2), 캠 포지션 센서(3), 크랭크 앵글 센서(4), 노크 센서(5), 오일탱크 프레셔 센서(6), 맵 센서(7) 등으로 부터 전자제어 유니트(8)에서 소정의 입력신호들을 받아 소정 프로그램을 수행한 후 그 결과에 부응하는 신호를 연료 인젝터(9), 이그네이터(10), 아이들 스피드 콘트롤 어큐뮬레이더(11), 에버 퍼지 솔레노이드 밸브(12), EGR 콘트롤 솔레노이드 밸브(13), 캐니스터 클로즈 밸브(14) 등을 출력시켜 자동차의 배출가스를 제어함에 있어서,
상기 전자제어 유니트(8)에서 각종 센서들을 통해 입력받은 데이타를 분석하여 엔진이 스피드 백 조건인지를 검출하여 스피드 백 조건이 아니면 적분 게인 학습을 금지시키는 단계와;
상기에서 검출한 결과 엔진이 피드백 조건이면 피드백보정계수(KFB)가 "1"인지를 검출하여 "1"이면 적분 게인 학습을 완료하는 단계와;
상기에서 검출한 결과 피드백보정계수(KFB)가 "1"이 아니면 아이들시 적분 게인 학습을 시작하여 적분계수(Ki)에 일정증가치(△Kii)를 곱한 값을 일정학습이 경과될 때 까지 적용시킨 후, 일정시간이 경과되면 다시 피드백보정계수(KFB)가 "1"인지를 판단하는 과정으로 되돌아가는 과정;으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이와같이 과정으로 이루어진 본 발명 방법의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명의 핵심은 학습영역을 적분계수 영역과 동일하게 영역을 나누어 학습을 행하고, 또한 I Gain을 별도로 학습을 함으로써 이론공연비에 더 접근 할 수 있도록 하는데 있다.
즉 I Gain 값이 고정치가 아니라 학습보정을 통하여 변화할 수 있는 값으로 설정을 해 줄 수 있도록 한 것이다.
본 발명에 의한 F/B 보정연산식은 KFB(피드백보정계수) = 1 ± KP(비례계수) ± KI(적분계수)로써, 본 발명 방법에서 각 영역별 학습영역은 다음과 같다.
KFB1(피드백보정계수) = 1 ± KP(비례계수) ± KI1(적분계수) - 1 zone
KFB2(피드백보정계수) = 1 ± KP(비례계수) ± KI2(적분계수) - 2 zone
KFB3(피드백보정계수) = 1 ± KP(비례계수) ± KI3(적분계수) - 3 zone
KFB4(피드백보정계수) = 1 ± KP(비례계수) ± KI4(적분계수) - 4 zone
KFB5(피드백보정계수) = 1 ± KP(비례계수) ± KI5(적분계수) - 5 zone
KFB6(피드백보정계수) = 1 ± KP(비례계수) ± KI6(적분계수) - 6 zone
KFBI(피드백보정계수) = 1 ± KP(비례계수) ± KII(적분계수) - 아이들 zone
위 학습영역 7개의 영역에서 적분계수의 경우는 기존의 맵에 일정한 량씩 증가시켜 피드백 보정계수의 값이 "1"이 될때까지 가산 및 감산을 행한 것이다.
한편, 종래의 자동차에서 실시되던 I Gain 맵은 도 5로 도시한 표와 같다.
도 5에 나타낸 ZONE 별 I Gain 값의 적용시 각 영역별 피드백보정계수(일정영역에서) = 1이 아니라면 즉, 1보다 작으면 전반적으로 농후(Rich)의 경우이므로 A/F, F/B 적분 Gain TO Lean화 보정값을 일정치 만큼 증가시켜 피드백 보정계수의 값을 맞추며, 1로 맞추어 졌을 경우의 I Gain 값을 그 영역의 I Gain 학습치라고 명명한다.
상기 설명에서 일정치 만큼 증가시켜 주는 것은 정하기 나름이며, 예를 들면 Zone 6 영역에서 0.128%의 I Gain 값이라고 하면, 여기에 1% 즉, 0.128 * 1.01%의 값을 증가시켜 주며 이를 계속적으로 반복하여 원하는 수치에 맞춘다.
KFBI(피드백보정계수) = 1 ± KP(비례계수) ± KII(적분계수)*Δki1
윗식은 아이들 상태에서의 피드백보정계수 이며, Δki1은 일정증가치이다.
즉, 윗식에서 KFB가 1이 될때까지 Δki1을 증가시켜 맞추며 이때 KII(적분계수)*Δki1을 I Gain 아이들 영역 학습치라고 한다.
본 발명에서는 이 처럼 운전자의 주행 습관 및 모드, 또는 각 국가의 EM 배출가스 규제 모드와 상관없이 각 영역별로 I Gain 값이 유동적으로 변하여 되도록A/F가 이론 공연비에 수렴할 수 있도록함으로써 차량 개발시 각 국가별로 규제에 따른 I Gain 맷칭을 별도로 할 필요가 없다.
이와같이 본 발명 방법을 통하여 I Gain 값의 수시로 변동하여 고온시 희박(Lean)화에 의한 Nox 저감에 큰 힘이 될 수 있다.
보통 배출가스 중 HC나 CO의 경우는 촉매가 400~500도 이상이고, 엔진이 난기후 상태라면 A/F의 크나 큰 편차(OPEN LOOP)가 아니라면 정화효율이 100%에 가깝지만 Nox의 경우는 고온시 Lean 상태에서 대부분 발생함으로 작은 편차에 의해서도 Nox의 배출량은 많아지는데 본 발명 방법을 적용시키므로써 이를 개선할 수 있다.
이하에서 혼합비와 배출가스와의 관계를 보면 작은 편차에 의해서도 Nox의 배출량이 많아지는 이유를 이해할 수 있을 것 같아 참고로 도시한다.
먼저, 혼합비와 유해가스의 관계로써, 고성능 엔진에 공급되는 혼합비는 도 6과 같이 연소 효율이 가장 높은 이론 혼합비(무게비로 공기 14.7: 연료 1)를 중심으로 하여 이보다 조금 희박한 경제 혼합비(16:1)와 더 농후한 최대 출력 혼합비(12.5:1)의 범위에서 사용된다.
이러한 혼합비는 엔진의 성능면에서 가장 좋은 것이나, 이 혼합기의 농도에 따라 그 연소 속도에 큰 차이가 있으며, 혼합비와 배기가스에 함유된 유해가스의 발생량과의 사이에는 다음과 같은 관계가 있다.
즉, 농후한 혼합기에서는 NOX는 감소하나 HC가 증가하고, 희박한 혼합기에서는 CO와 HC는 감소하나 NOX는 증가하며, 매우 희박한 혼합기에서는 NOX와 CO는 감소하나 HC는 증가한다
즉, 도 6에서 보듯이 약간의 희박한 공연비에 의해서 Nox의 증가가 두드러지는 경향을 보인다.
본 발명은 IDLE 영역 상태에서의 I Gain F/B 학습방법으로, 전자제어 유니트(8)에서 각종 센서들을 통해 입력받은 데이타를 분석하여 엔진이 스피드 백 조건이 아니면 적분 게인 학습을 금지시키고, 엔진이 피드백 조건이면 피드백보정계수(KFB)가 "1"인지를 검출하게 된다.
그 결과 "1"이면 적분 게인 학습을 완료하되, 피드백보정계수(KFB)가 "1"이 아니면 아이들시 적분 게인 학습을 시작하게 되는데, 먼저 적분계수(Ki)에 일정증가치(△Kii)를 곱한 값을 일정학습이 경과될 때 까지 적용시킨 후, 일정시간이 경과되면 다시 피드백보정계수(KFB)가 "1"인지를 판단하는 과정을 반복한다.
이처럼 각 ZONE 별 동일한 방법으로 학습을 행하게 된다.
위에서 (Ki*Δkii)n에서 Ki는 아니들 영역의 I Gain 이며, Δkii는 아이들 영역에서의 학습 증가계수로서 Δkii만큼씩 계속 증가시켜 KFB=1이 될 때 까지 반복한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 운전자의 주행 습관 및 모드, 또는 각 국가의 EM 배출가스 규제 모드와 상관없이 각 영역별로 I Gain 값이 유동적으로 변하여 되도록 A/F가 이론 공연비에 수렴할 수 있도록 할 수 있어 차량 개발시 각 국가별로 규제에 따른 I Gain 맷칭을 별도로 할 필요가 없고, 또 I Gain 값을 수시로 변동시켜 고온시 희박(Lean)화에 의한 Nox 저감에 큰 힘이 될 수 있으며, 보통 배출가스 중 HC나 CO의 경우는 촉매가 400~500도 이상이고 엔진이 난기후 상태라면 A/F의 크나 큰 편차(OPEN LOOP)가 아니라면 정화 효율이 100%에 가깝지만 Nox의 경우는 고온시 Lean 상태에서 대부분 발생함으로 작은 편차에 의해서도 Nox의 배출량은 많아지는데 이를 개선할 수 있어 자동차의 배출가스를 대폭 저감시킬 수 있는 것이다.

Claims (1)

  1. 산소 센서(1)와 스로틀 포지션 센서(2), 캠 포지션 센서(3), 크랭크 앵글 센서(4), 노크 센서(5), 오일탱크 프레셔 센서(6), 맵 센서(7)부터 전자제어 유니트(8)에서 소정의 입력신호들을 받아 소정 프로그램을 수행한 후 그 결과에 부응하는 신호를 연료 인젝터(9), 이그네이터(10), 아이들 스피드 콘트롤 어큐뮬레이더(11), 에버 퍼지 솔레노이드 밸브(12), EGR 콘트롤 솔레노이드 밸브(13), 캐니스터 클로즈 밸브(14)에 출력시켜 자동차의 배출가스를 제어함에 있어서,
    상기 전자제어 유니트(8)에서 각종 센서들을 통해 입력받은 데이타를 분석하여 엔진이 스피드 백 조건인지를 검출하여 스피드 백 조건이 아니면 적분 게인 학습을 금지시키는 단계와;
    상기에서 검출한 결과 엔진이 피드백 조건이면 피드백보정계수(KFB)가 "1"인지를 검출하여 "1"이면 적분 게인 학습을 완료하는 단계와;
    상기에서 검출한 결과 피드백보정계수(KFB)가 "1"이 아니면 아이들시 적분 게인 학습을 시작하여 적분계수(Ki)에 일정증가치(△Kii)를 곱한 값을 일정학습 시간이 경과될 때 까지 적용시킨 후, 일정시간이 경과되면 다시 피드백보정계수(KFB)가 "1"인지를 판단하는 과정으로 되돌아가는 과정;으로 이루어진 것을 특징으로 하는 적분 게인(I Gain) 학습을 통한 자동차의 배출가스 저감 제어방법.
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KR10-2002-0019038A KR100439906B1 (ko) 2002-04-08 2002-04-08 적분 게인(Ｉ Ｇａｉｎ) 학습을 통한 자동차의 배출가스저감제어방법

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01313641A (ja) * 1988-06-14 1989-12-19 Mitsubishi Motors Corp 内燃機関の空燃比制御装置
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KR19990058559A (ko) * 1997-12-30 1999-07-15 정몽규 가속시 연료량 보상 방법
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