KR100792884B1

KR100792884B1 - 배기가스 저감을 위한 하이브리드 전기 차량의 엔진 제어방법

Info

Publication number: KR100792884B1
Application number: KR1020060097017A
Authority: KR
Inventors: 한권희
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-10-02
Filing date: 2006-10-02
Publication date: 2008-01-08

Abstract

본 발명은 배기가스 저감을 위한 하이브리드 전기 차량의 엔진 제어 방법에 관한 것으로서, 연료 컷 및 연료 컷 확장을 거쳐 아이들 스탑 상태로 진입시에 연료 컷 상태부터 계산된 촉매 내 산소 과충전량에서 연료 무효 분사량을 계산한 뒤, 이후 엔진이 스톨 상태로 진입하면 설정값 미만의 엔진 회전수 상태에서 상기 계산된 연료 무효 분사량에 따라 연료 무효 분사를 실시함으로써, 이때 분사된 연료가 엔진 실린더를 거쳐 촉매로 진입하여 과충전된 산소를 제거하도록 하고, 이를 통해 종래 연료 컷 및 아이들 스탑시 촉매에 과충전된 산소로 인해 아이들 스탑 해제 이후 배출되었던 NOx를 효과적으로 저감시킬 수 있는 하이브리드 전기 차량의 엔진 제어 방법에 관한 것이다.

하이브리드 전기 차량, HEV, 연료 컷, 아이들 스탑(idle stop), 촉매, 산소, 과충전, NOx, 배기가스 저감

Description

배기가스 저감을 위한 하이브리드 전기 차량의 엔진 제어 방법 {Engine control method of hybrid electric vehicle for exhaust gas reduction}

도 1은 하이브리드 전기 차량에 구비되는 각 장치 및 제어기를 나타낸 개략도,

도 2는 하이브리드 전기 차량의 제어기간 협조제어의 예를 나타낸 개략도,

도 3은 종래기술에 따른 배기가스 저감을 위한 제어 방법을 나타낸 순서도,

도 4는 본 발명에 따른 배기가스 저감을 위한 제어 방법을 나타낸 순서도.

본 발명은 배기가스 저감을 위한 하이브리드 전기 차량의 엔진 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료 컷 및 연료 컷 확장을 거쳐 아이들 스탑 상태로 진입시에 연료 컷 상태부터 계산된 촉매 내 산소 과충전량에서 연료 무효 분사량을 계산한 뒤, 이후 엔진이 스톨 상태로 진입하면 설정값 미만의 엔진 회전수 상태에서 상기 계산된 연료 무효 분사량에 따라 연료 무효 분사를 실시함으로써, 이때 분사된 연료가 엔진 실린더를 거쳐 촉매로 진입하여 과충전된 산소를 제거하도록 하고, 이를 통해 종래 연료 컷 및 아이들 스탑시 촉매에 과충전된 산소로 인해 아이들 스탑 해제 이후 배출되었던 NOx를 효과적으로 저감시킬 수 있는 하이브리드 전기 차량의 엔진 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 넓은 의미의 하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미하나, 대부분의 경우는 연료를 사용하는 엔진과 배터리의 전력으로 구동되는 전기모터에 의해 구동력을 얻는 차량을 의미하며, 이를 하이브리드 전기 차량, 즉 HEV(hybrid electric vehicle)라 부르고 있다.

상기한 하이브리드 전기 차량은 엔진과 전기모터를 동력원으로 하여 다양한 구조를 형성할 수 있는데, 현재까지 연구되고 있는 대부분의 차량은 병렬형이나 직렬형 중에서 하나를 채택하고 있다.

이 중에서 병렬형은 엔진이 배터리를 충전시키기도 하나 전기모터와 함께 차량을 직접 구동시키도록 되어 있는 것으로, 구조가 직렬형보다 상대적으로 복잡하고 제어로직이 복잡하다는 단점은 있지만, 엔진의 기계적 에너지와 배터리의 전기에너지를 동시에 사용할 수 있어 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다는 장점 때문에 승용차 등에 널리 채택되고 있는 구조이다.

특히, 엔진과 전기모터의 최적 작동영역을 이용하므로 구동 시스템 전체의 연비를 향상시킴은 물론 제동시에는 전기모터로 에너지를 회수하므로 효율적인 에너지의 이용이 가능하다.

한편, 도 1은 하이브리드 전기 차량에 구비되는 각 장치 및 제어기를 나타낸 개략도로서, 이에 나타낸 바와 같이 하이브리드 전기 차량에는 차량 전반의 제어를 담당하는 차량 제어기(Hybrid Control Unit, 이하 "HCU"라 함)가 탑재되어 있고, 또한 시스템을 구성하는 각 장치별로 제어기를 구비하고 있다.

예컨대, 엔진 작동의 전반을 제어하는 엔진 제어기(Engine Control Unit, 이하 "엔진 ECU"라 함), 전기모터 작동의 전반을 제어하는 모터 제어기(Motor Control Unit, MCU), 변속기를 제어하는 변속기 제어기(Transmission Control Unit, TCU), 배터리의 작동을 제어하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS), 실내 온도 제어를 담당하는 에어컨 제어기(Full Auto Temperature Controller, FATC) 등이 구비되어 있다.

이러한 제어기들은 HCU를 중심으로 고속 CAN 통신라인(예, 500kbps)으로 연결되어, 제어기들 상호간에 정보를 주고받으면서 상위 제어기는 하위 제어기에 명령을 전달하도록 되어 있다.

이와 같이 하이브리드 전기 차량에서는 HCU를 상위 제어기로 하여 이를 포함한 복수개의 제어기들이 상호간 협조제어를 수행한다.

도 2는 하이브리드 전기 차량의 제어기간 협조제어의 예를 나타낸 개략도로서, 이에 나타낸 바와 같이 HCU는 각 제어기들과 CAN 통신을 통해 상호간 정보를 교환하고 또한 하위 제어기들을 제어하는데, 엔진 ECU와의 사이에서는 HCU가 엔진 ECU로부터 엔진 토크 및 엔진 회전수 정보, 시동키 정보, 스로틀/엔진수온(냉각수온) 정보 등을 전달받도록 되어 있고, 또한 HCU가 엔진 ECU에 연료분사명령, 엔진 스톱 명령, 연료분사금지 명령, 전기모터 시동 정보, 아이들 스톱(idle stop) 정보 등을 전달하도록 되어 있다.

또한 도 2에 나타낸 바와 같이 HCU는 MCU를 통해 전기모터의 구동을 실질적으로 제어하게 되는데, 이때 MCU는 상위 제어기인 HCU에서 인가되는 제어신호에 따라 구동원인 전기모터의 구동 토크와 구동 속도를 제어하여 주행성을 유지시키게 된다.

이와 같이 하이브리드 전기 차량에서는 제어기간의 협조제어가 매우 중요하며, 이러한 제어기간의 협조제어는 시동시부터 사용자가 시동키를 오프할 때까지 모든 경우에 수행되고 있다.

한편, 자동차 배기가스에 포함된 유해가스는 인체의 호흡기 장애와 같은 질병의 원인이 되며, 특히 광화학 스모그 및 지구 온난화의 주원인으로 밝혀져 있고, 이에 따라 전 세계적으로 자동차 유해가스에 대한 규제를 강화하고 있는 추세이다.

국내에서도 2005년 1월 1일부터 시행되고 있는 '수도권 대기 환경 개선에 대한 특별법'을 통해 HEV와 같은 저공해차의 배기가스 규제를 ULEV(Ultra Low Emission Vehicle) 수준에서 SULEV(Super Ultra Low Emission Vehicle) 수준으로 요구하고 있는 상태이다.

최근 SULEV 배기가스 규제에 대응하기 위하여 기존 ULEV 차량에서 인젝터, 촉매 및 점화플러그 등의 하드웨어적인 변경과 더불어 엔진 ECU와 HCU 간의 협조제어에 의한 배기가스 저감 로직이 다양하게 개발되어 적용되고 있다.

SULEV 수준의 배기가스 규제를 만족시키기 위해서는 무엇보다도 자동차 배기 가스 중 NOx 저감이 시급한 실정이며, 배기가스에서 NOx는 배기가스 시험 결과를 보면 연료 컷(fuel cut) 및 아이들 스탑(idle stop) 이후에 많이 배출되는 것으로 확인되고 있다.

그 원인은 연료 컷 상황이나 아이들 스탑 상황에서 과다한 린(Lean) 조건에 놓이게 되면서 배기가스를 정화시키는 삼원촉매에 과다하게 산소가 충전되어 NOx 정화효율이 저하되는데서 기인한다.

하이브리드 전기 차량의 아이들 스탑 후 NOx 저감을 위한 종래의 기술로는 "하이브리드 차량의 엔진 제어 방법"의 명칭으로 출원된 특허출원번호 제2006-44771호가 있다.

이는 하이브리드 차량의 주행 도중 엔진 아이들 정지(아이들 스탑)시에 정지시간이 딜레이 타임보다 길어지면 실린더의 내부로 소량의 연료를 분사함으로써 차량의 주행 도중 엔진 동작이 정지된 후 재동작할 때에 연료 희박에 의한 NOx 배출량을 감소시키는 것에 주된 특징이 있는 것이다.

즉, 도 3에 나타낸 바와 같이, 차량의 주행 상태에 따라 엔진과 전기모터의 동작이 번갈아 이루어지게 하는 하이브리드 차량의 엔진 제어 방법에 있어서, 엔진의 동작에 의해 차량이 주행하는 단계(ST10), 차량 엔진의 아이들 정지 상태인 것을 감지하는 단계(ST20), 엔진을 정지하는 단계(ST30), 엔진 정지 단계(ST30)의 지속 시간을 감지하는 단계(ST40), 연료 무효 분사 단계(S50)로 구성되는 것에 주된 특징이 있는 것이며, 하이브리드 차량이 아이들 스탑에 들어가 엔진이 정지된 후 미리 설정된 시간(딜레이 타임)보다 엔진 정지 시간이 길어지면 연료의 무효 분사 를 설정된 시간 동안 수행하는 것을 주 요지로 하고 있다.

그러나, 아이들 스탑 상태로 진입하는 단계는, 일정 차속 이상에서 운전자의 제동의지에 의해 연료 컷이 걸려 감속되면서 HCU에서 운전자가 차량을 멈출려는 의지가 있는지를 파악하여 연료 컷을 해제하지 않고 연료 컷을 연장시킨 상황에서 아이들 스탑으로 진입하는 경우와, 연료 컷이 발생하지 않고 아이들 스탑으로 진입하는 경우가 있을 수 있다.

실제로 아이들 스탑 이후 NOx가 많이 배출되는 이유는 단지 차량이 아이들 스탑으로 진입해서가 아니라 아이들 스탑으로 진입하는 과정에서 발생하는 연료 컷 상황이 주요 원인으로 작용하게 된다.

배기가스 시험 결과를 보면, 상기한 종래기술을 적용하였을 때에는 연료 컷 상황이 아닌 상태에서 아이들 스탑 상태로 진입한 경우에 오히려 HC가 증가하는 경향을 보인다.

또한 엔진이 정지하고 있을 때 연료를 분사하게 되면 연료는 그대로 흡기포트에 묻혀 있게 되고, 다시 시동이 걸려 엔진이 회전하게 될 때 엔진 실린더를 통해 촉매로 들어가기 때문에 아이들 스탑 이후의 시동성에 악영향을 미치게 된다.

또한 촉매의 과충전 산소를 제거하는 시점 및 시간도 길어질 수밖에 없다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 연료 컷 및 연료 컷 확장을 거쳐 아이들 스탑 상태로 진입시에 연료 컷 상태부터 계산된 촉매 내 산소 과충전량에서 연료 무효 분사량을 계산한 뒤, 이후 엔진이 스톨 상태로 진입하면 설정값 미만의 엔진 회전수 상태에서 상기 계산된 연료 무효 분사량에 따라 연료 무효 분사를 실시함으로써, 이때 분사된 연료가 엔진 실린더를 거쳐 촉매로 진입하여 과충전된 산소를 제거하도록 하고, 이를 통해 종래 연료 컷 및 아이들 스탑시 촉매에 과충전된 산소로 인해 아이들 스탑 해제 이후 배출되었던 NOx를 효과적으로 저감시킬 수 있는 하이브리드 전기 차량의 엔진 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, 배기가스 저감을 위한 하이브리드 전기 차량의 엔진 제어 방법에 있어서,

엔진 ECU가 차량 주행 상태에서 연료 컷 상태를 판단하는 단계와;

연료 컷 상태로 판단되면 촉매 내 산소 과충전량 계산을 시작하는 단계와;

이후 연료 컷 확장 상태를 판단하면 계산된 촉매 내 산소 과충전량을 미리 설정된 값과 비교하여 설정값보다 크면 연료 무효 분사 제어를 활성화하는 단계와;

이 상태에서 HCU로부터 아이들 스탑 요구 신호가 입력되면 그때까지 계산된 촉매 산소 과충전량으로부터 연료 무효 분사량을 계산하는 단계와;

이후 엔진이 스톨 상태로 진입하여 엔진 회전수가 미리 설정된 회전수보다 작은 상태에서 상기 계산된 분사량에 따라 연료 무효 분사를 실시하여 촉매에 과충 전된 산소를 제거하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 저감을 위한 하이브리드 전기 차량의 엔진 제어 방법을 제공한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 배기가스 저감을 위한 하이브리드 전기 차량의 엔진 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 하이브리드 전기 차량의 엔진 제어기(엔진 ECU)와 차량 제어기(HCU) 간의 협조제어에 있어서, 연료 컷 및 아이들 스탑시에 촉매에 과충전되는 산소로 인하여 종래 아이들 스탑 해제 이후 일정 시간 동안 배출되었던 NOx를 효과적으로 저감하기 위한 협조제어 기술에 관한 것이다.

통상의 하이브리드 전기 차량에서 NOx는 연료 컷 및 아이들 스탑 이후에 많이 배출되는데, 이는 연료 컷 상황이나 아이들 스탑 상황에서 과다한 린(Lean) 조건에 놓이게 되면서 삼원촉매에 과다한 산소가 충전되어 NOx 정화효율이 저하되는데에 기인하며, 따라서 NOx를 줄이기 위해서는 엔진 운전 조건에서 촉매에 과충전된 산소를 빠르게 소진시켜야 한다.

도 4는 본 발명에 따른 배기가스 저감을 위한 제어 방법의 실시예를 나타낸 순서도로서, 본 발명은 하이브리드 전기 차량에서 NOx 저감을 위해 아이들 스탑시 과충전된 산소를 신속히 제거하는 도 4의 로직에 의하여 구현된다.

본 발명의 제어 과정은 촉매 내 과충전 산소 제거를 위한 연료 무효 분사의 필요 여부를 판단하는 부분, 과충전된 산소 제거를 위한 연료의 무효 분사 양을 결 정하는 부분, 그리고 실제 연료 무효 분사가 이루어지는 시점을 제어하는 부분으로 구성된다.

우선, 연료 무효 분사 판단 로직은 도 4의 ST110 단계로부터 ST160 단계의 과정으로서, 엔진 ECU가 차량 주행 상태(ST110)에서 운전자 의지에 의해 연료 컷(fuel cut) 상태가 발생함을 판단하게 되면(ST120), 촉매 내 산소 과충전량(촉매에 과충전된 산소의 양)(Q_air)의 계산을 시작하게 된다(ST130).

여기서, 촉매의 산소 과충전량(Q_air)은 흡입공기량을 적분하여 계산된다.

엔진은 차속과 엔진 회전수를 이용하여 연료 재분사 시점을 정하여 연료 재분사를 수행하게 되는데, 하이브리드 전기 차량(HEV)에서는 운전자가 브레이크를 밟은 상태로 차속이 계속 감소하게 되면 운전자가 차량 정지를 원하는 것으로 판별하게 되고, 이때 엔진이 연료 컷 상태라면 연료 재분사를 금지하여 연료 컷 상태를 확장시키게 된다.

따라서, 엔진 ECU는 연료 컷 확장 상태인가를 판단하여(S140) 연료 컷 확장 상태임을 판단하면 계산된 촉매의 산소 과충전량(Q_air)을 미리 설정된 매칭 파라미터, 즉 과충전 산소량에 대한 설정값(P1)과 비교하게 되고(ST150), 촉매 산소 과충전량(Q_air)이 상기 설정값(P1)보다 크면 연료 무효 분사 제어를 활성화시키게 된다(S160).

이 상태에서 HCU로부터 CAN을 통해 아이들 스탑을 요구하는 신호가 들어오게 되면 아이들 스탑 상태로 판단하여(S170) 엔진 ECU는 그때까지 계산된 촉매 산소 과충전량(Q_air)으로부터 연료 무효 분사량(Q_fuel)을 결정하게 된다(ST180).

이후, 엔진 스톨 단계로 진입하게 되면, 엔진 회전수가 미리 설정된 매칭 파라미터, 즉 엔진 회전수에 대한 설정값(P2)보다 작은 경우에서(ST190), 결정된 연료 무효 분사량(Q_fuel)에 따라 연료 무효 분사를 실시하여(ST200), 이때 분사된 연료가 엔진 실린더를 거쳐 촉매로 들어가도록 하고, 결국 촉매로 들어간 연료에 의해 과충전된 산소가 제거되도록 한다.

이러한 본 발명의 제어 과정이 기존의 제어 과정과 다른 점은 연료 무효 분사를 하는 조건과 연료 무효 분사량 설정, 연료 무효 분사가 되는 시점에 있다.

다시 말해, 본 발명에서는 엔진이 연료 컷 및 연료 컷 확장을 거쳐 아이들 스탑으로 진입하는 경우 계산된 과충전 산소량 팩터(factor)에 의해 연료 무효 분사의 활성화 여부를 판단하게 되고, 이 팩터로부터 연료 무효 분사량을 결정한 뒤, 엔진이 스톨로 진입하는 단계, 즉 엔진이 회전하고 있는 단계에서 연료 무효 분사를 수행하여 이때 분사된 연료가 실린더를 거쳐 촉매로 진입하도록 하는 것이다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 엔진 제어 방법에서는, 아이들 스탑시 촉매에 과충전되는 산소로 인해 아이들 스탑 해제 이후에 일정 시간 동안 배출되는 경향을 보이는 NOx를 저감하기 위하여, 연료 컷 및 연료 컷 확장을 거쳐 아이들 스탑 상태로 진입시에 연료 컷 상태부터 계산된 촉매의 산소 과충전량에서 연료 무효 분사량을 계산한 뒤, 이후 엔진이 스톨 상태로 진입하면 설정값 미만의 엔진 회전수 상태에서 상기 계산된 연료 무효 분사량에 따라 연료 무효 분사를 실시함으로써, 이때 분사된 연료가 엔진 실린더를 거쳐 촉매로 진입하여 과충전된 산소를 제거하도록 하고, 이를 통해 NOx를 효과적으로 저감시킬 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 배기가스 저감을 위한 하이브리드 전기 차량의 엔진 제어 방법에 의하면, 연료 컷 및 연료 컷 확장을 거쳐 아이들 스탑 상태로 진입시에 연료 컷 상태부터 계산된 촉매의 산소 과충전량에서 연료 무효 분사량을 계산한 뒤, 이후 엔진이 스톨 상태로 진입하면 설정값 미만의 엔진 회전수 상태에서 상기 계산된 연료 무효 분사량에 따라 연료 무효 분사를 실시함으로써, 이때 분사된 연료가 엔진 실린더를 거쳐 촉매로 진입하여 과충전된 산소를 제거하도록 하고, 이를 통해 종래 연료 컷 및 아이들 스탑시 촉매에 과충전된 산소로 인해 아이들 스탑 해제 이후 배출되었던 NOx를 효과적으로 저감시킬 수 있게 된다.

Claims

배기가스 저감을 위한 하이브리드 전기 차량의 엔진 제어 방법에 있어서,

엔진 ECU가 차량 주행 상태에서 연료 컷 상태를 판단하는 단계와;

연료 컷 상태로 판단되면 촉매 내 산소 과충전량 계산을 시작하는 단계와;

촉매 내 산소 과충전량 계산 후, 엔진 ECU가 연료 컷 확장 상태인가를 판단하여, 연료 컷 확장 상태임을 판단하면 계산된 촉매 내 산소 과충전량을 미리 설정된 값과 비교하여 설정값보다 크면 연료 무효 분사 제어를 활성화하는 단계와;

연료 무효 분사 제어 활성화 상태에서 HCU로부터 아이들 스탑 요구 신호가 입력되면 그때까지 계산된 촉매 산소 과충전량으로부터 연료 무효 분사량을 계산하는 단계와;

연료 무효 분사량 계산 후, 엔진이 스톨 상태로 진입하여 엔진 회전수가 미리 설정된 회전수보다 작은 상태에서 상기 계산된 연료 무효 분사량에 따라 연료 무효 분사를 실시하여 촉매에 과충전된 산소를 제거하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 저감을 위한 하이브리드 전기 차량의 엔진 제어 방법.