KR100936978B1 - 디젤엔진 제어장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디젤엔진에서 터보차저 전단에 형성되는 배기가스의 온도를 모델링을 통해 검출하고, 모델링된 배기가스의 온도에 따라 엔진 출력을 제한 제어하는 것이다.
본 발명은 시동 온 상태에서 엔진 회전수와 람다센서의 신호를 검출하는 과정, 엔진 회전수별 람다센서 신호와 배기온도의 상관관계를 이용하여 터보차저 전단의 배기가스 온도를 모델링하는 과정, 모델링된 배기가스 온도가 설정된 제1기준값을 초과하였는지 판단하는 과정, 배기가스 온도가 제1기준값을 초과하였으면 배가가스 온도의 과다 상승으로 인식하여 엔진 출력제한 제어 및 CPF의 재생을 중지시키는 과정, 엔진 출력 제한 제어에 의해 모델링된 배기가스 온도가 설정된 제2기준값 미만이면 엔진 출력 제한 제어를 해제하고, 조건이 충족되는 경우 CPF의 재생 제어를 실행하는 과정을 포함한다.
모델링, 람다센서, 디젤엔진, 터보차저, 배가가스 온도

Description

디젤엔진 제어장치 및 방법{DIESEL ENGINE CONTROL SYSTEM AND METHOD THEREOF}
본 발명은 디젤엔진에 관한 것으로, 더 상세하게는 터보차저 전단에 형성되는 배기가스의 온도를 모델링(Modeling)을 통해 검출하고, 모델링된 배기가스의 온도에 따라 엔진 제한 제어를 실행하는 디젤엔진 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 디젤엔진에는 배기가스를 이용하여 흡기를 과급시켜 연소실로 흡입되는 공기의 충진 효율을 높여주어 매연저감과 출력을 증대시키는 터보차저가 장착된다.
이와 같이 공기의 충진효율을 높여주는 터보차저가 과열될 경우 터보차저를 냉각시키는 오일의 인화로 인한 화재 발생 위험이 있다.
또한, 디젤엔진은 뛰어난 연비, 출력 등에도 불구하고, 특성상 공기 과잉율이 큰 상태에서 연소가 이루어지기 때문에 배출가스 중에는 가솔린 엔진과는 달리 일산화탄소(CO)나 탄화수소(HC)의 배출량이 적은 반면 질소산화물(이하, "NOx" 라 한다.)과 입자성 물질이 상당히 많이 배출되는 단점이 있다.
입자성 물질의 배출에 대하여 연소 제어를 통해 많은 저감이 이루어지고 있 으나, 입자성 물질과 Nox는 서로 상반되는 관계가 있어 Nox를 줄이면 입자성 물질이 증가하고, 입자성 물질을 줄이면 반대로 Nox가 증가하게 되어 양자를 동시에 저감 제어하는데 있어 다소간의 곤란한 상황이 발생된다.
입자성 물질은 대기를 오염시키는 가장 중요한 주원인으로 각종 매체에서 보도되고, 인체에 많은 해를 미친다.
따라서, 디젤엔진에는 입자성 물질을 저감시키기 위하여 입자성 물질필터인 CPF(Diesel Catalyzed Particulate Filter)를 장착하고 있다.
CPF는 엔진에서 배출되는 입자성 물질을 필터내에 물리적으로 포집하며, 일정량 이상의 포집이 이루어지면 후분사를 통해 배기가스의 온도를 일정온도 이상으로 높여주어 CPF에 포집된 입자성 물질을 태워버림으로써, CPF를 재생시킨다.
디젤엔진에는 터보차저의 과부하를 방지하고 엔진의 배기온도를 제한하며, CPF의 과다 온도상승을 방지하기 위한 목적으로 터보차저의 전단에 배기가스 온도센서가 적용되고 있다.
그리고, 공연비 측정을 통해 EGR 듀티 제어 및 연료 분사량을 보정하기 위한 목적으로 터보차저의 후단에 람다센서가 적용되고 있다.
따라서, 엔진제어수단은 터보차저 전단 및 후단에 적용되어 있는 배기가스 온도센서와 람다센서의 정보에 따라 연료 분사량 제한 제어와 스로틀 밸브의 개도량 조정 및 후분사 제한 제어 등을 실행한다.
상기와 같이 터보차저 전단에 적용되는 배기가스 온도센서는 생산 공정에서 작업공수를 많게 하여 생산율을 저하시키고, 차량의 생산원가를 높여 가격 경쟁력 을 저하시키는 문제점을 발생시킨다.
또한, 그을음 등의 퇴적으로 인하여 터보차저 전단에 적용되는 배기가스 온도센서가 정상적인 기능을 발휘하지 못하는 경우 배기가스의 온도 제한이 실행되지 못하여 터보차저의 과열로 인한 차량의 화재 위험이 발생되고, CPF의 재생제어가 실행되지 못하는 문제점이 있다.
따라서, 배가가스 온도센서를 차량에 실질적으로 적용하지 않고 배기가스의 온도를 추정하는 다양한 기술들이 제시되어 있는데, 일본공개특허 2005-351106호에는 배기통로에 설치된 공연비 센서의 히터 저항치를 이용하여 배기가스의 온도를 추정하는 방법이 기재되어 있다.
또한, 일본공개특허 2006-161625호에는 람다센서의 소자 임피던스와 내장된 히터의 발열량으로부터 배기가스의 온도를 추정하는 방법이 기재되어 있다.
또한, 일본공개특허 평9-049448호에는 공기 흡입량과 목표 공연비로부터 배기가스의 온도를 예측하는 기술이 기재되어 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 실측되는 엔진 회전수별 람다센서의 신호와 배기온도의 상관관계를 이용하여 터보차저 전단의 배기가스 온도를 모델링(Modeling)하고 이에 따라 연료 분사량 및 공기량 제어와 CPF의 재생 제어가 제공되도록 하는 것이다.
또한, 본 발명은 람다센서가 고장인 경우에는 흡입되는 공기량과 연료분사량 을 이용하여 엔진 회전수별 람다센서의 신호를 추정하고, 추정되는 람다센서의 신호와 배기온도의 상관관계를 이용하여 터보차저 전단의 배기가스 온도를 모델링 한 다음 그에 따라 연료 분사량 및 공기량 제어와 CPF의 재생 제어가 제공되도록 하는 것이다.
상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 특징에 따른 디젤엔진 제어장치는, 엔진 회전수를 검출하는 엔진 회전수 센서; 터보차저의 후단에 설치되어 배기가스에 포함되어 있는 산소의 농도로부터 공연비를 검출하는 람다센서; 연소실로 흡입되는 공기량을 측정하는 공기유량센서; 연소실에 분사되는 연료량을 조정하는 인젝터 및 엔진 회전수별 람다센서의 신호와 배기온도의 상관관계를 이용하여 터보차저 전단의 배기가스 온도를 모델링하고, 이에 따라 연료 분사량 및 공기량 제어와 CPF의 재생 제어를 실행하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는 람다센서가 고장인 경우 림프 홈 모드로 진입한 다음 흡입 공기량과 연료분사량을 이용하여 엔진 회전수별 람다값을 추정하고, 추정된 람다값과 배기온도의 상관관계를 이용하여 터보차저 전단의 배기가스 온도를 모델링한 다음 그에 따라 연료 분사량 및 공기량 제어와 CPF의 재생 제어를 실행한다.
또한, 본 발명의 특징에 따른 디젤엔진 제어방법은, 시동 온 상태에서 엔진 회전수와 람다센서의 신호를 검출하는 과정; 엔진 회전수별 람다센서 신호와 배기온도의 상관관계를 이용하여 터보차저 전단의 배기가스 온도를 모델링하는 과정; 모델링된 배기가스 온도가 설정된 제1기준값을 초과하였는지 판단하는 과정; 배기 가스 온도가 제1기준값을 초과하였으면 배가가스 온도의 과다 상승으로 인식하여 엔진 출력제한 제어 및 CPF의 재생을 중지시키는 과정; 엔진 출력 제한 제어에 의해 모델링된 배기가스 온도가 설정된 제2기준값 미만이면 엔진 출력 제한 제어를 해제하고, 조건이 충족되는 경우 CPF의 재생 제어를 실행하는 과정을 포함한다.
전술한 구성에 의하여 본 발명은 디젤엔진에서 터보차저의 전단에 적용되는 배기온도 센서를 삭제함으로써, 제작 공정의 단순화와 생산 원가의 절감을 제공하고, 연료 분사량, 공기량 제어 및 배기가스 온도의 제어에 안정성을 제공하는 효과를 기대할 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 디젤차량의 엔진 제어장치에 대한 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명은 엔진 회전수 센서(101)와 람다센서(102), 공기 유량센서(103), 제어부(1040 및 인젝터(105)를 포함한다.
엔진 회전수 센서(101)는 크랭크 축의 위치를 검출하는 CPS(Crank Position Sensor) 혹은 캠 축의 각도를 검출하는 CAS(Cam Angle Sensor)로, 현재의 엔진 회전수를 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(104)에 제공한다.
람다센서(102)는 터보차저의 후단에 설치되어 배기가스에 포함되어 있는 산소의 농도로부터 공연비를 측정하여 그에 대한 정보를 제어부(104)에 제공한다.
공기유량센서(103)는 대기로부터 연소실로 흡입되는 공기량을 측정하여 그에 대한 정보를 제어부(104)에 제공한다.
제어부(104)는 데이터 테이블로 설정되는 엔진 회전수별 람다센서(102)의 신호와 배기온도의 상관관계를 이용하여 터보차저 전단의 배기가스 온도를 모델링한 다음 모델링된 배기가스의 온도 조건에 따라 연료 분사량 및 공기량 제어와 CPF의 재생 제어를 실행한다.
또한, 상기 제어부(104)는 람다센서(102)가 고장인 경우에는 흡입되는 공기량과 연료분사량을 이용하여 엔진 회전수별 람다센서의 신호를 추정하고, 추정된 람다센서(102)의 신호와 배기온도의 상관관계를 이용하여 터보차저 전단의 배기가스 온도를 모델링한 다음 그에 따라 연료 분사량 및 공기량 제어와 CPF의 재생 제어를 실행한다.
인젝터(105)는 상기 제어부(104)에서 인가되는 제어신호에 따라 각각의 연소실에 분사되는 연료량을 조정한다.
전술한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명에 따른 디젤엔진의 제어 동작에 대하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 2를 참조하여 터보차저 후단에 적용되는 람다센서가 정상적인 경우 터보차저 전단의 배기온도를 모델링하여 검출하고, 그에 따라 엔진제어를 실행하는 동작에 대하여 설명한다.
디젤엔진의 시동이 온을 유지하는 상태에서(S101) 엔진의 제반적인 동작을 제어하는 제어부(104)는 엔진 회전수 센서(101)로부터 현재의 엔진 회전수를 검출하고(S102), 람다센서(102)로부터 공연비를 검출한다(S103).
이후, 엔진 회전수 센서(101)에서 실측되는 엔진 회전수와 람다센서(102)에서 검출되는 공연비로부터 터보차저 전단의 배기가스 온도를 모델링한다(S104).
통상적으로 터보차저 전단 및 후단의 배기가스 열량은 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
△Q = Cw ×△m공기량 ×△T3
△Q = QLHV ×△m연료량
상기의 수학식 1 및 수학식 2에서 Cw : 작동유체의 비열[j/g/k]이고, △m공기량 : 연소실에 유입되는 공기량[g]이며, △T3 : 터보차저 전/후단의 배기가스 온도 변화량이고, QLHV : 최저 가열값을 의미한다.
상기의 수학식 1과 2에 의해 하기의 수학식 3이 유도된다.
△T3 = [QLHV ×△m연료량] / [Cw × △m공기량] = 1/λ
수학식 3에서 λ는 공연비를 의미한다.
상기의 수학식 3의 유도에서 알 수 있는 바와 같이, 공연비 람다(λ) 값의 역수는 터보차저 전/후단의 배기가스 온도와 비례하는 것이 유추되었다.
도 4는 1.5리터급 디젤엔진에서 4000RPM의 엔진 회전수 조건에서 측정한 터보차저 전/후단의 배기가스와 람다센서 신호의 관계를 도시한 그래프이다.
그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 부스트 압력, 흡기온도, 분사량 변화에 따른 터보차저 전/후단의 배기가스 온도와 람다센서의 신호는 반비례하는 특성을 관계식으로 나타낼 수 있으며, 상기의 관계식은 엔진 회전수의 조건에 따라 변화되는 특성이 추출되었다.
따라서, 제어부(104)는 현재 실측되는 엔진 회전수와 람다센서(102)의 신호로부터 엔진 회전수별 람다센서 신호의 상관관계를 통해 터보차저 전단의 배기가스 온도를 모델링할 수 있다.
상기 엔진 회전수 별 람다센서의 신호와 터보차저 전단 배기가스 온도의 상관관계는 반복적인 실험을 통해 추출되며, 이는 제어부(104)에 데이터 테이블로 설정된다.
상기 S104의 과정에서 터보차저 전단의 배기가스 온도가 모델링을 통해 산출 되면 모델링된 배기가스의 온도가 설정된 제1기준온도, 일 예를 들어 800℃를 초과하였는지를 판단한다(S105).
상기 S105의 판단에서 모델링된 터보차저 전단의 배기가스 온도가 제1기준온도를 초과한 상태이면 배기가스 온도의 과다 상승으로 인식한다(S106).
이후, 인젝터(105)를 제어하여 연료 분사량을 제한 제어함으로써, 엔진의 출력을 제한시켜 터보차저에 과부하가 걸리는 것을 방지한다(S107).
동시에 후분사를 통한 CPF의 재생 동작을 중시키시고(S108), 도시되지 않은 공기유량 조절밸브를 작동시켜 연소실로 유입되는 공기량을 제한하여 엔진 출력을 제한한다(S109).
상기한 동작에 따른 엔진의 출력 제한에 의해 모델링되는 터보차저 전단의 배기가스 온도가 설정된 제2기준온도, 일 예를 들어 750℃ 미만으로 검출되지를 판단한다(S110).
상기 S110의 판단에서 터보차저 전단의 배기가스 온도가 설정된 제2기준온도를 초과하는 상태이면 상기 S107로 리턴되어 전술한 바와 같이 엔진 출력 제한 제어를 반복하고, 제2기준온도 미만으로 검출되면 터보차저 전단의 배기가스는 안정화 상태로 인식한다(S111).
이후, 연료 분사량 제한 제어 및 공기량 제한 제어를 해제하고(S112)(S113) 조건이 총족되는 경우에 후분사 제어를 통해 CPF를 재생하는 동작을 실행한다(S114).
상기 CPF의 재생 동작은 CPF 양단간의 차압을 검출하여 설정된 기준값 이상 인 경우 입자성 물질이 기준량 이상으로 포집된 것으로 판단하여, 이를 태워 없애는 동작을 진행한다.
상기한 설명은 터보차저 후단에 적용되는 람다센서가 정상적인 경우에 대하여 설명하였으나, 람다센서의 고장이 발생된 경우에 대해서는 도 3을 참조하여 설명한다.
디젤엔진의 시동이 온을 유지하는 상태에서(S201) 엔진의 제반적인 동작을 제어하는 제어부(104)는 람다센서(102)의 고장이 검출되면 림프 홈 모드로 진입한 다음 엔진 회전수 센서(101)로부터 현재의 엔진 회전수를 검출하고(S202), 공기유량센서(103)로부터 연소실로 흡입되는 공기량을 검출한다(S203).
이후, 엔진 회전수(101)에서 실측되는 엔진 회전수별 공연비를 산출하여 람다값을 추정하고, 추정된 람다값을 적용하여 설정된 데이터 테이블의 상관관계로부터 터보차저 전단의 배기가스 온도를 모델링한다(S204).
그리고, 모델링된 배기가스의 온도가 설정된 제1기준온도, 일 예를 들어 800℃를 초과하였는지를 판단한다(S205).
상기 S205의 판단에서 모델링된 터보차저 전단의 배기가스 온도가 제1기준온도를 초과한 상태이면 배기가스 온도의 과다 상승으로 인식한다(S206).
이후, 인젝터(105)를 제어하여 연료 분사량을 제한 제어함으로써, 엔진의 출력을 제한시켜 터보차저에 과부하가 걸리는 것을 방지한다(S207).
동시에 후분사를 통한 CPF의 재생 동작을 중시키시고(S208), 도시되지 않은 공기유량 조절밸브를 작동시켜 연소실로 유입되는 공기량을 제한하여 엔진 출력을 제한한다(S209).
상기한 동작에 따른 엔진의 출력 제한에 의해 모델링되는 터보차저 전단의 배기가스 온도가 설정된 제2기준온도, 일 예를 들어 750℃ 미만으로 검출되지를 판단한다(S210).
상기 S210의 판단에서 터보차저 전단의 배기가스 온도가 설정된 제2기준온도를 초과하는 상태이면 상기 S207로 리턴되어 전술한 바와 같이 엔진 출력 제한 제어를 반복하고, 제2기준온도 미만으로 검출되면 터보차저 전단의 배기가스는 안정화 상태로 인식한다(S211).
이후, 연료 분사량 제한 제어 및 공기량 제한 제어를 해제하고(S212)(S213) 조건이 총족되는 경우에 후분사 제어를 통해 CPF를 재생하는 동작을 실행한다(S214).
상기 CPF의 재생 동작은 CPF 양단간의 차압을 검출하여 설정된 기준값 이상인 경우 입자성 물질이 기준량 이상으로 포집된 것으로 판단하여, 이를 태워 없애는 동작을 진행한다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 디젤차량의 엔진 제어장치 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 디젤차량에서 엔진 제어절차를 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 디젤차량에서 람다센서값과 배기온도의 관계를 도시한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101 : 엔진 회전수 센서 102 : 람다센서
103 : 공기유량센서 104 : 제어부
105 : 인젝터

Claims (7)

  1. 엔진 회전수를 검출하는 엔진 회전수 센서;
    터보차저의 후단에 설치되어 배기가스에 포함되어 있는 산소의 농도로부터 공연비를 검출하는 람다센서;
    연소실로 흡입되는 공기량을 측정하는 공기유량센서;
    연소실에 분사되는 연료량을 조정하는 인젝터 및;
    엔진 회전수별 람다센서의 신호와 배기온도의 상관관계를 이용하여 터보차저 전단의 배기가스 온도를 모델링하고, 이에 따라 엔진 출력 제한 제어를 실행하는 제어부를 포함하는 디젤엔진 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 람다센서가 고장인 경우 림프 홈 모드로 진입한 다음 흡입 공기량과 연료분사량을 이용하여 엔진 회전수별 람다값을 추정하고, 추정된 람다값과 배기온도의 상관관계를 이용하여 터보차저 전단의 배기가스 온도를 모델링한 다음 그에 따라 연료 분사량 및 공기량 제어와 CPF의 재생 제어를 실행하는 디젤엔진 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 엔진 회전수별 람다센서의 신호와 배기온도의 상관관계가 데 이터 테이블로 설정되는 디젤엔진 제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부의 엔진 출력 제한 제어는 연료 분사량 및 공기량 제어와 CPF의 재생 제어를 포함하는 디젤엔진 제어장치.
  5. 시동 온 상태에서 엔진 회전수와 람다센서의 신호를 검출하는 과정;
    엔진 회전수별 람다센서 신호와 배기온도의 상관관계를 이용하여 터보차저 전단의 배기가스 온도를 모델링하는 과정;
    모델링된 배기가스 온도가 설정된 제1기준값을 초과하였는지 판단하는 과정;
    배기가스 온도가 제1기준값을 초과하였으면 배가가스 온도의 과다 상승으로 인식하여 엔진 출력제한 제어 및 CPF의 재생을 중지시키는 과정;
    엔진 출력 제한 제어에 의해 모델링된 배기가스 온도가 설정된 제2기준값 미만이면 엔진 출력 제한 제어를 해제하고, 조건이 충족되는 경우 CPF의 재생 제어를 실행하는 과정을 포함하는 디젤엔진 제어방법.
  6. 제5항에 있어서,
    람다센서의 고장이 판정되면 림프 홈 모드로 진입하고 흡입 공기량과 연료 분사량을 검출하여, 엔진 회전수별 람다값을 추정하는 과정;
    람다값이 추정되면 배기온도와의 상관관계를 이용하여 터보차저 전단의 배기 온도를 모델링하는 과정;
    모델링되는 배기가스의 온도에 따라 엔진 출력 제어를 실행하는 과정을 더 포함하는 디젤엔진 제어방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 모델링되는 배기가스 온도에 상한값과 하한값으로 이루어지는 히스테리시스 구간이 설정하는 디젤엔진 제어방법.
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