KR101034020B1 - 디젤엔진의 ｃｖｖａ 제어장치 및 방법 - Google Patents

디젤엔진의 ｃｖｖａ 제어장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 CVVA(continuous variable valve lift actuator)가 적용되는 디젤엔진에서 연소상황과 운전의도에 연동하여 흡/배기 밸브의 리프트(left) 및 타이밍을 가변 제어하여 배기가스의 안정화 및 성능 향상을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 운전정보와 배기측 각 부분에서 배기가스의 온도를 검출하고 배기가스에 포함된 NOx의 농도를 검출하여 운전의도와 연소상황을 인식하는 과정, 운전의도와 연소상황을 기 설정된 맵 테이블에 적용하여 흡/배기밸브의 목표 리프트 위치와 타이밍을 결정하는 과정, CVVA를 작동시켜 흡/배기밸브의 리프트 위치 및 타이밍을 제어하는 과정, 연소압력을 측정하여 연소압력에 따라 연료량을 보정하는 과정을 포함한다.
CVVA, CVVL, 연속 가변밸브 리프트, 타이밍, 연소압력, 리프트 위치

Description

디젤엔진의 ＣＶＶＡ 제어장치 및 방법{CONTROL SYSTEM FOR CONTINUOUS VARIABLE VALVE LIFT ACTUATOR OF DIESEL ENGINE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 CVVA(continuous variable valve lift actuator)가 적용되는 디젤엔진에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연소상황과 운전의도에 연동하여 흡/배기 밸브의 리프트(left) 및 타이밍을 가변 제어하여 배기가스의 안정화 및 성능 향상을 제공하기 위한 디젤엔진의 CVVA 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 내연기관(internal combustion engine)은 연소실에서 연료와 공기의 혼합기를 연소함으로써 동력을 발생시킨다. 크랭크 축(crank shaft)과 연결되는 타이밍 벨트에 의해 캠 축(cam shaft)이 구동되어 흡/배기밸브(intake/exhaust valve)가 작동되며, 흡기밸브가 열려있는 동안 연소실로 공기의 흡입이 이루어지고, 배기밸브가 열려있는 동안 연소실에서 연소된 가스의 배출이 이루어진다.
이러한 흡/배기밸브의 동작은 엔진의 회전속도에 따라 적절하게 리프트(lift) 및 개폐 시간이 조절되어야 최적의 엔진 성능을 확보할 수 있다.
이와 같이, 엔진의 회전속도에 따라 흡/배기밸브의 동작을 적절하게 구현하기 위하여 흡/배기밸브를 구동시키는 캠의 형상을 복수개로 설계하거나 흡/배기밸 브가 엔진회전수에 따라 다른 리프트로 동작하도록 구현하는 연속 가변 밸브 리프트(continuous variable valve lift ; CVVL)시스템이 연구되고 있다.
이러한 CVVL 시스템은 흡/배기밸브를 개폐하도록 구비되는 드라이브 샤프트 이외에 밸브 리프트를 제어하기 위한 액추에이터와 상기 액추에이터의 제어를 통해 드라이브 샤프트와 연동하여 밸브 리프트를 조절하는 콘트롤 샤프트 등의 구성을 더 포함한다.
가솔린 엔진에서는 스로틀 밸브를 제어하여 배기가스 제어와 연소제어 및 연비향상을 도모하는 기술들이 제시되어 있으나, 디젤엔진에서는 가변밸브기구의 제어를 통해 배기가스 안정화와 연소 성능향상을 제공하기 위한 기본적인 방법이 제시되어 있지 않다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 CVVA가 적용되는 디젤엔진에서 연소상황과 운전자의 운전의도에 연동하여 흡/배기밸브의 리프트 및 개폐 시간을 연속적으로 가변 제어하여 배기가스의 안정화 및 성능 향상을 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 특징에 따른 디젤엔진의 CVVA 제어장치는, 차량의 제반 운전정보를 검출하는 운전정보검출부; 배기측 설정된 위치에서 배기가스의 온도를 검출하는 온도검출부; 배기가스에 포함된 NOx의 농도를 검출 하는 NOx검출부; 실린더의 연소압력을 검출하는 연소압검출부; 리프트 및 타이밍이 연속 가변되는 흡/배기밸브의 위치를 검출하는 밸브위치검출부; 상기 운전정보로부터 운전자의 운전의도를 인식하고, 배기가스의 온도와 NOx 양에 따라 엔진의 연소상황을 인식한 다음 설정된 맵 테이블에 적용하여 운전의도와 연소상황에 따라 흡/배기밸브의 목표 위치와 타이밍을 결정하여 위치 및 타이밍을 연속 가변 제어하는 제어부; 상기 제어부의 제어에 따라 흡/배기밸브를 작동시키는 액추에이터를 포함한다.
또한, 본 발명의 특징에 따른 디젤엔진의 CVVA 제어방법은, 운전정보와 배기측 각 부분에서 배기가스의 온도를 검출하고, 배기가스에 포함된 NOx의 농도를 검출하여 운전의도와 연소상황을 인식하는 과정; 운전의도와 연소상황을 기 설정된 맵 테이블에 적용하여 흡/배기밸브의 목표 리프트 위치와 타이밍을 결정하는 과정; CVVA를 작동시켜 흡/배기밸브의 리프트 위치 및 타이밍을 제어하는 과정; 연소압력을 측정하여 연소압력에 따라 연료량을 보정하는 과정을 포함한다.
전술한 구성에 의하여 본 발명은 운전상황과 운전자의 의도를 감안한 CVVA의 연속 가변제어를 통해 엔진 성능 향상과 배기가스 안정화를 얻게되는 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 상 세히 설명한다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 디젤엔진의 CVVA 제어장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명은 운전정보검출부(10)와 온도검출부(20), NOx검출부(30), 연소압측정부(40), 밸브위치검출부(50), 제어부(60) 및 액추에이터(70)를 포함한다.
운전정보검출부(10)는 본 발명에 따른 디젤차량의 운행 중에 발생되는 제반적인 정보, 예를 들어 차속, 엔진 회전속도, 가속페달의 위치 정보를 검출하여 제어부(60)에 제공한다.
상기 운전정보검출부(10)는 변속기의 출력축 회전수를 검출하여 현재의 차속을 인식하는 차속센서(11)와 크랭크 축의 회전속도를 인식하여 엔진 회전속도를 인식하는 RPM센서(12), 운전자가 작동시키는 가속페달의 위치 정보를 인식하는 가속페달센서(13)를 포함한다.
온도검출부(20)는 배기측 각각의 위치에서 배기가스의 온도를 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(60)에 제공한다.
상기 온도검출부(20)는 터보차저를 작동시키는 배기가스의 온도를 검출하는 제1온도센서(21), WCC(warming up catalytic converter)의 입구측에서 배기가스 온도를 검출하는 제2온도센서(22), 입자상 물질을 포집하여 정화하는 DPF(diesel particulate filter)의 입구측에서 배기가스 온도를 검출하는 제3온도센서(23), SCR(selective catalytic reduction)의 우레아(urea) 분사 위치에서 배기가스 온도를 검출하는 제4온도센서(24)를 포함한다.
NOx검출부(30)는 배기가스에 포함된 유해물질인 NOx의 농도를 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(60)에 제공한다.
상기 NOx검출부(30)는 SCR촉매 전단 입구에서 배기가스에 포함된 NOx의 농도를 검출하는 제1NOx센서(31)와 SCR촉매 후단 출구에서 배기가스에 포함된 NOx의 농도를 검출하는 제2NOx센서(32)를 포함한다.
연소압측정부(40)는 글로우 플러그(glow plug)의 위치에 배치되어 각 실린더의 연소압력을 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(60)에 제공한다.
밸브위치검출부(50)는 액추에이터(CVVA)의 작동에 의해 리프트 및 타이밍이 연속적으로 가변되는 흡/배기밸브의 위치를 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(60)에 제공한다.
제어부(60)는 검출되는 차량의 운전정보로부터 운전자의 운전의도를 판정하고, 배기측 각각의 부분에서 검출되는 배기가스의 온도와 배기가스에 포함된 NOx 양에 따라 엔진의 연소상황을 판정한 다음 운전의도와 연소상황을 기 설정된 맵 테이블에 적용하여 흡/배기밸브의 목표 리프트 위치와 타이밍을 결정한 다음 액추에이터(70)를 작동시켜 흡/배기밸브의 위치 및 타이밍 제어를 실행한다.
또한, 상기 제어부(60)는 흡/배기밸브의 위치 및 타이밍 제어를 실행하는 상태에서 각 실린더의 연소압에 따라 연료량을 보정하여 배기가스의 안정화 및 엔진 성능 향상을 제공한다.
상기 제어부(60)는 흡/배기밸브의 위치 및 타이밍 제어의 실행에서 흡기밸브에 대하여 열림시기(open timing)를 고정, 닫힘시기를 단축 혹은 지연시키고, 리프트 변경을 실행하며, 배기밸브에 대하여 열림시기 및 닫힘시기를 단축 혹은 지연시키고, 리프트 변경을 실행한다.
액추에이터(70)는 상기 제어부(70)에서 인가되는 제어신호에 따라 유압식 혹은 모터식으로 CVVL를 작동시켜 흡/배기밸브의 위치 및 타이밍 제어를 수행시킨다.
전술한 바와 같은 기능을 포함하여 구성되는 본 발명에서 CVVA의 제어를 통해 흡/배기밸브의 리프트 및 타이밍을 연속적으로 가변 제어하는 동작은 다음과 같이 실행된다.
본 발명이 적용되는 디젤엔진 차량의 운행이 개시되면 제어부(60)는 운전정보검출부(10)로부터 차속, 엔진 회전속도, 가속페달 위치 정보를 포함하는 운전정보를 측정하고(S101), 배기측의 각 부분에 설치된 온도검출부(20)로부터 터보차저에 공급되는 배기가스의 온도, WCC 입구측 배기가스의 온도, DPF 입구측 배기가스의 온도, 우레아 분사 위치의 배기가스 온도를 검출하며(S102), NOx검출부(30)로부터 SCR에 공급되는 배기가스에 포함된 NOx양과 SCR을 통과한 배기가스에 포함된 NOx 양을 측정한다(S103).
이후, 상기 제어부(60)는 상기와 같이 측정되는 운전정보로부터 운전의도를 인식하고, 배기가스 온도 및 NOx양으로부터 연소상황을 인식한 다음 기 설정된 맵 테이블에 적용하여(S104) 흡/배기밸브의 목표 위치를 계산하고(S105), 흡/배기밸브 의 개방 및 폐쇄의 타이밍을 결정한다(S106).
상기와 같이 흡/배기밸브의 목표 위치 및 타이밍이 결정되면 제어부(60)는 액추에이터(70)를 작동시켜 흡/배기밸브의 위치 및 타이밍을 연속적으로 가변 제어한다(107).
상기와 같이 흡/배기밸브의 위치 및 타이밍의 연속적인 가변 제어가 수행되는 상태에서 밸브위치 검출부(50)를 통해 흡/배기밸브의 위치를 측정하여(S108) 목표 위치로 정상적인 제어가 수행되고 있는지 판단한다(S109).
상기 S109의 판단에서 목표 위치로 정상 제어가 수행되지 않는 상태이면 상기 S105의 과정으로 리턴되어 위치 흡/배기밸브의 연속적인 가변 제어에 위치 보정이 이루어질 수 있도록 한다.
상기 S109의 판단에서 목표 위치로 정상 제어가 수행되고 있는 상태이면 각 실린더의 글로우 플러그의 위치에 배치되는 연소압 측정부(40)를 통해 각 실린더의 연소 압력을 측정하여(S110) 연소 압력에 따라 연료량 보정을 수행함으로써(S111) NOx 양이 최소화되어 배기가스가 안정된다(S112).
상기 제어부(60)의 제어에 따른 액추에이터(70)의 작동으로 연속 가변 제어되는 흡/배기밸브의 위치 및 타이밍은 도 3에 도시된 바와 같이 상황에 따라 P1 내지 P5로 가변 되며, 흡기밸브에 대하여 열림시기(open timing)를 고정시키고, 닫힘시기를 지연시켜 배기가스의 안정화와 연비향상을 제공한다.
또한, 배기밸브의 열림시기를 단축시켜 배기가스의 온도 상승을 제공하여 촉매의 활성화 시간을 단축시키고, 토크 응답성을 향상시키며, 배기밸브의 열림시기 를 지연시켜 연소실의 팽창비를 향상시킴으로써 연비 향상을 제공하며, 배기밸브의 닫힘시기를 단축시켜 냉시동성을 향상시키게 된다.
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 포함된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 디젤엔진의 CVVA 제어장치를 개략적으로 도시함 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 디젤엔진에서 CVVA 제어 절차를 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 디젤엔진에서 CVVA 제어에 따른 흡/배기밸브의 제어위치를 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 운전정보검출부 20 : 온도검출부
30 : NOx검출부 40 : 연소압측정부
50 : 밸브위치검출부 60 : 제어부
70 : 액추에이터

Claims (12)

  1. 차량의 제반 운전정보를 검출하는 운전정보검출부;
    배기측 설정된 위치에서 배기가스의 온도를 검출하는 온도검출부;
    배기가스에 포함된 NOx의 농도를 검출하는 NOx검출부;
    실린더의 연소압력을 검출하는 연소압검출부;
    리프트 및 타이밍이 연속 가변되는 흡/배기밸브의 위치를 검출하는 밸브위치검출부;
    상기 운전정보로부터 운전자의 운전의도를 인식하고, 배기가스의 온도와 NOx 양에 따라 엔진의 연소상황을 인식한 다음 설정된 맵 테이블에 적용하여 운전의도와 연소상황에 따라 흡/배기밸브의 목표 위치와 타이밍을 결정하여 위치 및 타이밍을 연속 가변 제어하는 제어부;
    상기 제어부의 제어에 따라 흡/배기밸브를 작동시키는 액추에이터;
    를 포함하는 디젤엔진의 CVVA 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 운전정보검출부는,
    차속을 인식하는 차속센서;
    엔진 회전속도를 인식하는 RPM센서,
    가속페달의 위치 정보를 인식하는 가속페달센서;
    를 포함하는 디젤엔진의 CVVA 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 온도검출부는,
    터보차저를 작동시키는 배기가스의 온도를 검출하는 제1온도센서;
    WCC의 입구측 배기가스 온도를 검출하는 제2온도센서;
    DPF의 입구측 배기가스 온도를 검출하는 제3온도센서;
    우레아 분사 위치의 배기가스 온도를 검출하는 제4온도센서;
    를 포함하는 디젤엔진의 CVVA 제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 NOx검출부는,
    SCR촉매의 전/후단에 배치되는 제1,2NOx센서로 이루어지는 디젤엔진의 CVVA 제어장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    흡/배기밸브의 위치 및 타이밍을 연속 가변 제어하는 상태에서 배기가스 안정화를 위해 실린더의 연소압력에 따라 연료량을 보정하는 디젤엔진의 CVVA 제어장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    배기가스 안정화 및 연비향상을 위해 흡기밸브의 열림시기를 고정 제어하고, 닫힘시기를 지연 제어하는 디젤엔진의 CVVA 제어장치..
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    배기가스 온도 상승, 촉매 활성화 시간 단축, 토크 응답성 향상을 위해 배기밸브의 열림시기를 단축 제어하는 디젤엔진의 CVVA 제어장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    연소실의 팽창비를 높이기 위해 배기밸브의 열림시기를 지연 제어하는 디젤엔진의 CVVA 제어장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    냉시동성을 위해 배기밸브의 닫힘시기를 단축 제어하는 디젤엔진의 CVVA 제어장치.
  10. 운전정보와 배기측 각 부분에서 배기가스의 온도를 검출하고, 배기가스에 포함된 NOx의 농도를 검출하여 운전의도와 연소상황을 인식하는 과정;
    운전의도와 연소상황을 기 설정된 맵 테이블에 적용하여 흡/배기밸브의 목표 리프트 위치와 타이밍을 결정하는 과정;
    CVVA를 작동시켜 흡/배기밸브의 리프트 위치 및 타이밍을 제어하는 과정;
    연소압력을 측정하여 연소압력에 따라 연료량을 보정하는 과정;
    을 포함하는 디젤엔진의 CVVA 제어방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 배기가스 온도는,
    터보차저 전단에 공급되는 배기가스 온도, WCC의 전단에 공급되는 배기가스 온도, DPF의 전단에 공급되는 배기가스 온도, 우레아 분사 위치의 배기가스 온도에 대하여 측정하는 디젤엔진의 CVVA 제어방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 흡/배기밸브의 타이밍은,
    배기가스 안정화 및 연비향상을 위해 흡기밸브의 열림시기를 고정 제어하고, 닫힘시기를 지연 제어하는 과정;
    배기가스 온도 상승, 촉매 활성화 시간 단축, 토크 응답성 향상을 위해 배기 밸브의 열림시기를 단축 제어하는 과정;
    연소실의 팽창비를 높이기 위해 배기밸브의 열림시기를 지연 제어하는 과정;
    냉시동성을 위해 배기밸브의 닫힘시기를 단축 제어하는 과정;
    을 포함하는 디젤엔진의 CVVA 제어방법.
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