KR100757741B1 - 연소실내 압력을 이용한 디젤 엔진의 착화시기 검출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소실내 압력을 이용한 디젤 엔진의 착화시기 검출 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 디젤 엔진의 연소 압력과 모터링 압력의 차이를 이용하여 연소를 효과적으로 제어하기 위하여 필요한 착화시기(SOC: Start Of Combustion)를 추정하는 방법에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명의 특징은 연소실 내부압력과 모터링 압력차이(DP: Difference Pressure)로 정의되는 DP값을 검출하는 단계와; DP 값이 특정 압력이 되는 크랭크각도(CA_DPxx)를 검출하는 단계와; SOC와 CA_DPxx를 측정하는 실험을 통해 SOC와 CA_DPxx의 차이로 정의되는 검출지연각(ΔCA_DD)을 결정하는 단계와; 식

을 이용하여 착화시기를 간단하고 정확하게 검출할 수 있도록 한 점, 그리고 검출지연각을 엔진 회전 속도에 대한 간단한 함수로 정의한 점에 있다.

연소실 압력, 디젤 엔진, 착화시기(SOC: Start Of Combustion), 검출 방법

Description

연소실내 압력을 이용한 디젤 엔진의 착화시기 검출 방법{Detection method for start of combustion using in-cylinder pressure of diesel engine}

도 1은 디젤엔진에 있어서, 분사지령, 연료분사율, 연소실 내 열발생율을 나타내는 그래프,

도 2는 SOC의 변화와 디젤 엔진의 NOx와 HC의 배출량과의 관계를 도식화한 그래프,

도 3은 본 발명에 따른 SOC 검출 방법을 도식화한 그래프,

도 4는 1500 rpm에서 SOC와 CA_DP10 사이의 관계를 나타낸 그래프,

도 5은 2000 rpm에서 SOC와 CA_DP10 사이의 관계를 나타낸 그래프,

도 6은 2500 rpm에서 SOC와 CA_DP10 사이의 관계를 나타낸 그래프,

도 7은 3000 rpm에서 SOC와 CA_DP10 사이의 관계를 나타낸 그래프,

도 8는 엔진 속도 변화에 대한 ΔCA_DD의 변동 경향을 나타낸 그래프.

도 9는 2000 rpm에서 150개의 서로 다른 운전조건(분사 시간, SOE, 커먼 레일 압력 변화)에 대하여 검출지연각을 나타내는 그래프.

본 발명은 연소실내 압력을 이용한 디젤 엔진의 착화시기 검출 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 연소를 효과적으로 제어하기 위하여 디젤 엔진의 연소 압력과 모터링 압력(연소를 시키지 않은 사이클의 연소실내 압력)의 차이를 이용하여 착화시기(SOC: Start Of Combustion)를 추정하는 방법에 관한 것이다.

첨부한 도 1은 디젤 엔진에 있어서, 일반적인 분사지령(Injection Command), 연료분사율(Injection Rate), 그리고 열발생율(Rate of Heat Release)을 표현한 그래프이다.

도 1에서 보듯이, SOE(Start Of Energizing, 이하 SOE라 칭함)는 EMS(Engine Management System) 로부터 인젝터의 솔레노이드 또는 피에조 액추에이터로 인가명령을 주는 시점을 크랭크각을 기준으로 정의한 것이다.

또한, 분사시기(SOI: Start Of Injection, 이하 SOI라 칭함)는 실제 인젝터의 노즐이 열려 연소실로 연료가 분사되는 시점을 크랭크각을 기준으로 정의한 것이며, 착화시기(이하, SOC라 칭함)는 총 열발생량의 1%의 열량이 발생되는 시점의 크랭크각으로 정의된다.

이때, 상기 SOE와 SOI 간의 시간 간격을 분사지연이라 정의하고, 상기 SOI와 SOC 사이의 시간을 점화지연이라고 정의한다.

이에, 분사된 연료는 점화지연 시간 동안 기화되고 공기와 혼합되어 자착화 를 유도하는 새로운 화학적 성분으로 분해된다.

따라서, 상기 SOC는 SOE, 분사지연, 점화지연에 의해 결정된다.

일반적으로, 상기 SOC는 엔진의 전체적인 성능에 영향을 주는 것으로 알려져 있다.

즉, 연소가 상사점(TDC: Top Dead Center) 이전에서 일찍 시작되었을 경우, 연소압력이 급격히 증가하여 피스톤이 상사점으로 올라가는 이동을 방해하게 되고, 이는 결국 연소 효율을 저하시키며 큰 엔진 작동음을 발생시킨다.

그리고, 연소는 연소 효율 향상과 배기가스 저감을 위하여 반드시 배기밸브가 열리기 전에 완료되어야 한다.

첨부한 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 SOC가 진각 될 경우, 연소 최고 온도가 증가하여 NOx 배출량이 증가하게 되고, 반면 상기 SOC가 지각 될 경우 배기 밸브가 열리기 전에 연소가 완료되지 못하는 경우가 발생되며, 그 결과 다량의 UHC(Unburned HydroCarbon: 미연소 하이드로카본)가 생성된다.

또한, 연료와 공기의 혼합정도 또한 상기 SOC에 의해 결정되기 때문에 불완전연소의 산물인 그을음 발생에도 영향을 미친다.

이와 같이, HC 배출량과 NOx 배출량은 SOC의 시기에 따라 정 반대의 경향을 가지므로, 결국 모든 운전조건에서 HC와 NOx를 동시에 저감하기 위해서는 운전조건에 대한 최적 SOC 값을 유지할 수 있어야 한다.

대부분의 양산 디젤엔진 연료분사 시스템은 앞먹임 SOC 제어로 이루어지고 있으며, 일반적으로 전 부하 상태에서는 연소효율 및 기관 출력 증가를, 그리고 부 분 부하 상태에서는 배기가스 저감을 기본적인 제어 전략으로 하고 있다.

그러나, 실제의 SOC를 측정하지 않기 때문에 SOC를 직접적으로 제어하지 못하고 SOE 제어를 통하여 간접적으로 SOC를 제어하므로, 양산시 적절한 SOE를 결정하였다 하더라도 분사 및 점화 지연시간의 예기치 못한 변화가 발생 시 SOC가 원하는 시점으로 제어되지 않는다.

상기 분사 지연 시간은 인젝터의 생산 오차, 레일 압력 등에 따라, 그리고 상기 점화 지연시간은 디젤연료의 사용량, 각 개별 연소실로 들어가는 흡기온도 및 압축비 등에 따라 각각 변화하기 때문에 이를 보상해 줄 참조표(Look-up table)를 주로 이용하며, 참조표의 작성을 위해 수많은 실험이 요구된다.

또한, 이러한 앞먹임 제어에 있어서 주유된 연료의 점성이나 설계공차, 엔진 및 인젝터 부품의 노후 등이 분사 및 착화 시점에 변동을 가져오게 되고, 그 결과 고정된 SOE 참조표로는 SOC를 더 이상 정확하게 제어하는 것이 불가능하게 된다.

비록, 인젝터 생산시 허용 오차 범위를 강화함으로써 이러한 현상을 완화할 수 있지만, 정밀한 생산 과정이 요구되어 생산 효율이 감소하고 비용 증가를 가져오게 되며, 앞먹임 SOC 제어로는 분사, 점화 지연의 연소실 및 사이클 간의 변동을 보상할 수 없다.

따라서, 정확한 연료 분사 시스템을 구성하기 위해서는 이러한 두 가지 지연시간의 변동을 반드시 보상해야 하며 이를 위하여 되먹임 SOC 제어와 정확한 SOC 측정 또는 추정이 요구된다.

이와 관련하여, 디젤 엔진에 있어서 SOC를 검출하기 위한 여러가지 방법이 연구되어 제안되어 왔다.

도 1의 SOI는 인젝터의 니들 변위를 측정하여 알 수 있으나, 이 방법은 비용 상승 뿐만아니라 분사시스템의 복잡성을 증가시켜 내구성 하락을 유발시키는 단점이 있는 것으로 알려져 있으며, 이 방법은 SOI를 검출하는 방법이므로 실제 엔진의 성능과 배기에 직접적으로 연관된 SOC를 검출하는 방법이 아니다.

이와 달리, SOC의 직접적인 검출을 위해 광학 연소 타이밍 센서(연소 불꽃의 크기, 색깔 등을 이용하여 검출하는 센서), 이온화 기술(연소 시 발생하는 이온화 전류의 세기를 이용하여 검출하는 방법)을 이용한 SOC 센서 등이 사용되어 왔다.

그러나, 상기 광학 연소 타이밍 센서와 이온화 기술을 이용한 SOC 센서를 이용하는 방법은 디젤 엔진에서 발생하는 그을음 등의 오염으로 인하여 센서의 샘플링 성능을 저하시키며 내구성에도 악영향을 끼치므로, 결국 장시간 사용시 정확도가 떨어지는 문제점이 있고, 뿐만 아니라 이들 두 가지의 센싱 방법은 샘플링 영역이 센서 부근으로만 한정되어 연소실 내부의 모든 영역을 대표하지 못하는 문제점도 있다.

한편, 상기 SOC를 추정하는 다른 방법으로는 열발생 분석과 같은 연소실 내부의 압력 정보를 통하여 직접적으로 SOC를 추정하는 방법이 있다.

그러나, 열역학 법칙을 기반으로 한 열발생 분석은 수학적으로 매우 복잡할 뿐만 아니라 매우 낮은 기준치 레벨(1%)을 이용하기 때문에 노이즈에 민감한 단점이 있으며, 이를 보상하기 위하여 수십 사이클 동안의 압력 신호를 평균하여 사용함에 따라 느린 응답속도를 가지게 되는 문제점이 있다.

상기 방법에서 추정 응답 속도를 개선하기 위하여 SOC를 50% 질량 연소된 시점의 크랭크 각도로 정의하는 방법이 있다.

이 방법은 노이즈에 강건하여 상기 열발생 분석을 이용한 SOC 추정 방법에 비하여 응답 속도가 빠르지만 여전히 계산이 복잡하며, 50% 질량 연소에 해당하는 크랭크 각과 SOC간의 관계가 일정하지 않아서 실제 SOC와 추정된 SOC와의 차이가 존재하는 문제점이 있다.

또한, 상기 SOC를 추정하기 위한 또 다른 방법으로 압력차이(Difference Pressure, 이하 DP로 칭함)의 무게중심의 위치를 이용한 SOC 추정 방법이 연구되어 왔으며, 여기서 상기 DP는 연소가 발생하였을 시의 연소실 내부압력과 모터링 압력차이로 정의된다.

그러나, 상기 DP의 무게중심의 위치를 이용한 SOC 추정 방법은 추정된 SOC의 편차가 심하여 제어 보다는 차량 진단(OBD: On Board Diagnosis)의 목적으로 사용된다.

이에, 실용적인 SOC 추정을 위해서는 더욱 정확하고 간단하며 실시간으로 적용 가능할 정도로 응답속도가 충분히 빠른 방법이 요구된다.

그러나, 상술한 바와 같은 종래의 기술(광학 연소 타이밍 또는 이온화 전류 센서를 이용한 측정, 열발생 분석을 통한 추정 등)로는 SOC 검출에 있어서 되먹임 제어를 위하여 충분한 정확도와 속도를 얻을 수가 없는 문제점에 직면해 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 연구된 결과물로서, 간단하면서도 실시간으로 적용 가능할 정도로 응답속도가 충분히 빠르고, 디젤 엔진의 모든 운전조건에서 HC와 NOx를 동시에 저감하기 위해서 최적 SOC 값을 유지시킬 수 있는 SOC의 되먹임 제어에 사용될 수 있도록 한 연소실내 압력을 이용한 디젤 엔진의 착화시기 검출 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은:

ⅰ) 연소실 내부압력과 모터링 압력차이(Difference Pressure)로 정의되는 DP값을 검출하는 단계와;

ⅱ) 검출된 DP 값이 특정 압력이 되는 크랭크각도(CA_DPxx)를 검출하는 단계와;

ⅲ) 착화시기(SOC: Start Of Combustion)와 CA_DPxx의 각도 차이를 검출지연각(ΔCA_DD)으로 정의하고, SOC와 CA_DPxx를 측정하는 실험을 통해 ΔCA_DD값을 결정하는 단계;

ⅳ)

상기 식을 이용하여 SOC를 검출하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 연소실내 압력을 이용한 디젤 엔진의 착화시기 검출 방법을 제공한다.

ⅴ) 또한, 상기 식에서 검출지연각을 엔진의 회전 속도에 대한 함수로 나타 내는 방법을 제공하는 바, 상기 검출지연각(ΔCA_DD)은 엔진 회전 속도에 대해 아래의 식과 같이 정의되는 것을 특징으로 한다.

ΔCA_DD(N)=k₂N²+k₁N+k₀

여기서, N은 엔진의 분당 회전수, k₀,k₁,k₂ 는 N과 ΔCA_DD의 관계를 적절히 표현하기 위한 임의의 수.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 디젤엔진의 SOC 검출에 대한 새로운 방법을 제시하는 점에 주안점이 있다.

본 발명에서 착화시기 검출에 CA_DPxx를 이용한 이유는 아래과 같다.

엔진의 착화시기에 영향을 주는 변수들은 여러 가지가 있지만 많은 요인(노이즈, 운전조건 변화, 연소특성의 변동 등)에 의하여 착화시기를 정확히 검출하는 것이 어려우므로, 착화시기 검출을 위한 변수 선정에 있어서, 1) 측정 및 계산이 용이, 2) 외부 요인에 대하여 강건할 것, 3) 착화시기를 정확히 검출할 수 있도록 착화시기와 밀접한 관계를 가질 것을 요구하며, 이를 만족하는 변수가 CA_DPxx이다.

일정한 엔진 회전 속도와 레일 압력 하에서 여러 가지의 SOE 값과 웨이스트 게이트(Waste Gate)의 개폐, 그리고 연료의 분사 기간에 따라 DP를 계산한 결과, SOC 직후의 크랭크 각에 대한 DP의 기울기는 이러한 운전조건의 변화에 상관없이 거의 일정하다. 이는 SOC 직후의 DP가 일정 압력이 되는 크랭크각이 SOC와 연소 조건과는 거의 무관하게 일정 각도차가 됨을 의미한다.

이에, 본 발명은 연소실 내부압력과 모터링 압력차이로 정의되는 DP값을 토대로 SOC를 추정하고자 한 것이다.

따라서, 본 발명은 연소실내 압력센서를 이용하여 연소실 내부압력과 모터링 압력차이로 정의되는 DP(Difference Pressure)값을 먼저 검출하게 된다.

예를 들어, 해당 DP값이 10바(bar)인 지점에서의 크랭크각도(CA_DP10)를 검출한 뒤, 이 변수와 검출지연각(ΔCA_DD) 사이의 관계를 실험을 통해 수립하고, 엔진속도와 검출지연각 사이의 관계를 수립하는 단계를 통해 SOC를 검출할 수 있는 식을 유도하게 된다.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 SOC 검출 방법을 도식화한 그래프이다.

도 3에서 보는 바와 같이, 상기 DP가 10bar인 지점은 CA_DP10, SOC와 CA_DP10 사이의 각도를 검출 지연각(ΔCA_DD)이라 정의한다.

첨부한 도 9는 2000 rpm에서 150개의 서로 다른 운전조건 (분사 시간, SOE, 커먼 레일 압력 변화)에 대하여 검출지연각을 나타내는 그래프로서, 실험 결과에 따르면 커먼 레일압력, 부스트 압력, 분사연료량에 상관없이 검출지연각도가 1.49˚CA로 일정함을 알 수 있으며, 이는 아래의 식(1)과 같이 표현된다.

-------(1)

위의 검출지연각은 일정한 엔진 회전 속도에서는 동일하다고 볼 수 있으며, 이는 엔진 회전 속도에 대한 함수로 나타난다.

상기 SOC와 CA_DP10의 대응 관계는 SOC 검출에 있어서 CA_DP10의 매우 두드러진 특징이며, 더욱이 상기 CA_DP10으로부터 추정된 SOC는 정상상태 운전 조건에서 열발생 분석을 통해 계산된 SOC에 비하여 더 낮은 표준편차를 가지며, 일정한 엔진 회전 속도에서 CA_DP10은 SOC와 선형적인 관계를 가지지만 SOC를 제외한 다른 조건과는 무관하다.

그러나, SOC와 CA_DP10 사이의 차이는 엔진의 회전속도와 밀접한 관계를 가진다.

다시 말해서, 검출 지연각(ΔCA_DD)은 일정한 엔진 회전 속도에서는 고정된 값을 가지지만, 엔진 회전 속도가 변함에 따라 다른 값을 가지게 되며, 그러므로, 이 관계를 엔진 회전 속도에 대한 일반적인 형태로 표현하면 다음의 식 (2)와 같다.

-------(2)

여기서 N은 엔진의 회전 속도를 나타내고 ΔCA_DD는 검출지연각이다.

첨부한 도 4 내지 도 7의 그래프는 SOC와 CA_DP10의 관계를 각각 엔진 회전 속도 (1500, 2000, 2500, 3000 rpm)에 따라 표현한 것이다.

즉, 각 엔진 회전 속도에 대하여 분사기간, SOE, 레일 압력의 변화에 따라 200개 이상의 서로 다른 정상상태 조건에서 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 4 내지 도 7의 그래프에서 보는 바와 같이, 상기 SOC와 CA_DP10의 관계는 일정한 엔진 회전 속도에서 거의 선형적인 특성을 가짐을 알 수 있다.

아래의 표 1은 첨부한 도 4 내지 도 7에서부터 계산된 ΔCA_DD값의 통계량을 나타낸 것이다.

위의 표 1에 따르면, ΔCA_DD가 엔진 회전 속도에 따라 변화하는 바, 이때 ΔCA_DD의 연소실간 차이는 검출된 SOC의 표준 편차의 범위 내에 존재함을 알 수 있다.

그러므로, ΔCA_DD는 엔진 회전 속도에 대한 함수로 생각될 수 있으며, 이러한 ΔCA_DD와 엔진 회전 속도의 관계는 첨부한 도 8에 나타낸 바와 같다.

첨부한 도 8에서 네 개의 연소실을 대표하는 적절한 근사식은 다음의 식(3)과 같이 표현된다.

-------(3)

여기서 N은 엔진의 분당 회전 수를 나타내며 단위는 krpm이다. (단, 1krpm=1000 rpm 임)

결과적으로, 상기 SOC는 위의 식(3)으로 표현되는 엔진 회전 속도와 ΔCA_DD의 관계, 그리고 상기의 식(2)를 이용함으로써 추정될 수 있으며, 이는 다양한 운전조건에서 SOC가 연소 압력과 모터링 압력의 차이를 이용하여 추정될 수 있다는 것을 의미한다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연소실내 압력을 이용한 디젤 엔진의 착화시기 검출 방법에 의하면 다음과 같은 장점을 제공한다.

1) 본 발명에 따라 유도된 식인

을 이용한다면, SOC를 기존의 방법보다 신속하고 정확히 추정할 수 있다.

2) 본 발명에 따른 방법에 의거, SOC의 실시간 검출이 간단하면서도 실시간 으로 적용 가능할 정도로 응답속도가 충분히 빠르게 이루어지고, 검출되는 SOC를 디젤 엔진의 모든 운전조건에서 HC와 NOx를 동시에 저감하기 위해서 SOC의 되먹임 제어 시스템에 적용하여 연소실 및 사이클 간의 분사, 점화 지연시간의 변동으로 인해 발생하는 여러가지 문제점들을 해결할 수 있는 수단으로 이용할 수 있다.

3) 본 발명의 방법에 의거, 정확한 연소 시작 시기를 추정 가능하게 함으로써 디젤 엔진의 출력을 향상시키고 배기 규제를 충분히 만족시킬 수 있는 기반을 마련할 수 있다.

4) 본 발명의 방법은 기존의 복잡하고 시간이 많이 소모되는 열발생 분석을 통한 SOC 추정 방법에 비하여 보다 신속하면서도 간단한 SOC 추정이 가능하여, 실제 디젤 엔진의 SOC 추정에 널리 이용될 수 있다.

Claims (2)

1. ⅰ) 연소실 내부압력과 모터링 압력차이(Difference Pressure)로 정의되는 DP값을 검출하는 단계와;

   ⅱ) 검출된 DP 값이 특정 압력이 되는 크랭크각도(CA_DPxx)를 검출하는 단계와;

   ⅲ) 착화시기(SOC: Start Of Combustion)와 CA_DPxx의 각도 차이를 검출지연각(ΔCA_DD)으로 정의하고, SOC와 CA_DPxx를 측정하는 실험을 통해 ΔCA_DD값을 결정하는 단계;

   ⅳ)

   

   상기 식을 이용하여 SOC를 검출하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 연소실내 압력을 이용한 디젤 엔진의 착화시기 검출 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 검출지연각(ΔCA_DD)은 엔진 회전 속도에 대해 아래의 식과 같이 정의되는 것을 특징으로 하는 연소실내 압력을 이용한 디젤 엔진의 착화시기 검출 방법.

   ΔCA_DD(N)=k₂N²+k₁N+k₀

   여기서, N은 엔진의 분당 회전수, k₀,k₁,k₂ 는 N과 ΔCA_DD의 관계를 적절히 표현하기 위한 임의의 수.

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