KR101154311B1

KR101154311B1 - 가변터보차저의 연료제어방법

Info

Publication number: KR101154311B1
Application number: KR1020050109442A
Authority: KR
Inventors: 정자철
Original assignee: 기아자동차주식회사
Priority date: 2005-11-16
Filing date: 2005-11-16
Publication date: 2012-06-13
Also published as: KR20070051980A

Abstract

본 발명은 터보 스피드 및 부스트압력의 제어를 통해 고지에서 주행성능을 향상시키는 가변터보차저의 연료제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 커먼레일 디젤 차량의 대기압이 850hpa이하로 현저히 낮은 고지에서 주행할 경우 터보차저의 터빈 휠 스피드가 스피드 한계값인 20만5천 RPM을 초과하게 되는데, 이를 낮추기 위해 대기압 센서가 장착되어 있는 경우 대기압 정보와 엔진 회전수(Engine speed) 정보에 의존하여 터보차저의 부스트압력을 보정하여 터빈 휠 스피드 한계를 저감하는 기존의 제어방식을 탈피하고, 터빈 휠 스피드의 정보를 ECU가 선택적으로 받아들여 터빈 휠 스피드 한계를 넘지 않도록 부스트압력을 제어함과 동시에, 연료량을 제어하여 연료량 증량을 통한 엔진 토오크를 증대시킴으로써, 고지 주행시에도 차량성능에 부담없이 운전성능이 발휘될 수 있도록 한 가변터보차저의 연료제어방법에 관한 것이다.

가변터보차저, 연료제어, 터보 스피드, 부스트압력

Description

가변터보차저의 연료제어방법{Method for fuel control of Variable turbo charger}

도 1은 종래에 따른 가변터보차저의 터보 스피드 제어방법을 나타내는 흐름도.

도 2는 터보 스피드의 모니터링 정보를 나타내는 그래프.

도 3은 엔진회전수에 따른 터보 스피드 및 대기압을 나타내는 그래프.

도 4는 엔진회전수에 따른 터보 한계회전수 초과 운전 영역의 모니터링 정보를 나타내는 그래프.

도 5는 고지 2500m 등판주행시 개선된 터보 스피드를 나타내는 그래프.

도 6은 본 발명에 따른 가변터보차저의 연료제어방법을 나타내는 흐름도.

본 발명은 가변터보차저의 연료제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 커먼레일 디젤 차량의 대기압이 850hpa이하로 현저히 낮은 고지에서 주행할 경우 터보차저의 터빈 휠 스피드가 스피드 한계값인 20만5천 RPM을 초과하게 되는데, 이를 낮추기 위해 대기압 센서가 장착되어 있는 경우 대기압 정보와 엔진 회전수(Engine speed) 정보에 의존하여 터보차저의 부스트압력을 보정하여 터빈 휠 스피드 한계를 저감하는 기존의 제어방식을 탈피하고, 터빈 휠 스피드의 정보를 ECU가 선택적으로 받아들여 터빈 휠 스피드 한계를 넘지 않도록 부스트압력을 제어함과 동시에, 연료량을 제어하여 연료량 증량을 통한 엔진 토오크를 증대시킴으로써, 고지 주행시에도 차량성능에 부담없이 운전성능이 발휘될 수 있도록 한 가변터보차저의 연료제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 커먼레일 디젤엔진을 탑재한 차량에 있어서 대기압 850hpa 이하의 고지(高地, High altitude) 주행을 할 경우 터보차저의 컴프레서 휠 스피드(Compressor Wheel Speed)가 본래의 고유 한계 회전수(Compressor Wheel Speed Limit)를 대부분 초과하므로, 이 한계 회전수 이내로 제어 할 필요가 있다.

특히, 가변터보차저(VGT)의 경우 과도구간의 컴프레서 휠 스피드(Compressor Wheel Speed)(＝터빈 휠 스피드;Turbin Wheel Speed)가 내구한계, 즉 스피드 한계(Speed Limit) 값인 20만 5천 RPM을 초과하는 경우가 자주 발생되고 있다.

디젤엔진의 성능증대를 위해 고압화된 FIE 시스템 및 가변터보차져(VGT)의 적용은 연소압력의 상승 및 배기온도의 상승을 가져왔고, 이는 결국 하드웨어의 내구 및 열해측면에서 매우 불리한 방향으로 전개되었다.

가변터보차져(VGT)의 회전 스피드 한계(Speed Limit)에 대한 실차 검증작업은 개발단계의 매우 중요한 절차(Procedure)가 되었으며, 특정영역 과도구간에서의 터빈 휠 스피드(Turbin Wheel Speed)가 한계치를 넘어가는 경우가 발생함에 따라 휠(Wheel)의 변형을 가져와 가변터보차져(VGT)의 파손 및 엔진에 심각한 손상(Damage)을 줄 수 있다.

도 1은 종래의 고유 한계회전수 이내로 저감시키는 터빈 휠(=터보) 스피드의 제어방법을 나타내는 흐름도로서, 대기압 센서, 흡기측 부스트 센서 및 엔진 회전수 센서를 이용하여 대기압, 부스트압력 및 엔진 회전수를 측정한 결과, 대기압 850hpa 이하 및 엔진 회전수 2500RPM 이상의 고지 주행조건에서는 터보차저의 터빈 휠 스피드의 한계를 초과하게 되는데, 이때 측정된 부스트압력과 엔진회전수를 ECU가 읽어들여서 해당 주행 영역에서의 최종목표 부스트압력을 ECU가 보정해 줌으로써, 터보차저의 터빈 휠 스피드를 스피드 한계 이내 값으로 저감시켜 준다.

기존의 고유 한계를 저감시키는 방식은 주로 대기압에 따른 터보차저의 부스트압력을 조정하여 부스트압력 저감에 따른 회전수 저감방식이다.

그러나, 단순히 대기압에 따른 터보 차저의 목표 부스트압력을 저감하여 터빈 휠 스피드(Turbin Wheel Speed)를 스피드 한계 이내로 저감하게 되는 종래방법의 경우는 터보차저의 부스트압력이 저감됨으로써, 이로 인한 터보의 과도 응답성이 현저히 떨어지게 되므로, 차량의 동력성능에 악영향을 끼치게 되어 차량 등판발진성능의 감소, 가속시 가속응답성 저하, 발진시 디젤 매연 악화 등과 같이 차량 주행성능에 심각한 악영향을 주게 되고, 이는 품질문제 등에 대한 운전자의 불만 요인으로 나타나고 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 터빈 휠 스피드의 정보를 ECU가 선택적으로 받아들여 터빈 휠 스피드 한계를 넘지 않도록 부스트압력을 제어함과 동시에, 연료량을 제어하여 연료량 증량을 통한 엔진 토오크를 증대시킴으로써, 고지 주행시에도 차량성능에 부담없이 운전성능이 발휘될 수 있고, 일반적인 구배도로 조건에서도 차량 성능향상 측면에서 유리하게 되며, 배출가스 저감 및 터보차저의 내구 신뢰성을 확보할 수 있도록 한 가변터보차저의 연료제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 가변터보차저의 연료제어방법에 있어서,

엔진 시동을 온시키는 단계와; 엔진의 부하변동조건을 측정하여 ECU에 입력하는 단계와; 상기 ECU가 터보 스피드 저감조건의 만족여부를 판단하는 단계와; 상기 터보 스피드 저감조건을 만족하면 ECU가 터빈 휠 제어수단에 작동신호를 출력하는 단계와; 상기 터빈 휠 제어수단에 의해 터보 스피드가 터보 한계회전수 이내로 저감되는 단계와; 상기 터보 스피드의 저감시 부스트압력의 급격한 하락을 방지하기 위해 상기 ECU가 부스트압력을 보정하고, 동시에 연료량을 보정하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 엔진의 부하변동조건은 엔진회전수, 부스트압력, 터보 스피드, 부하에 따른 공기량 및 대기압이고, 상기 엔진회전수는 엔진회전수 센서를 통해, 상기 부스트압력은 부스트압력 센서를 통해, 상기 터보 스피드는 터보 스피드 센서를 통해, 상기 부하에 따른 공기량은 TPS를 통해, 상기 대기압은 대기압 센서를 통해 측정되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 터보 스피드 저감조건은 엔진회전수가 3000RPM 이상이고, 부스트압력이 2.2bar 이상이고, 터보 스피드가 20만 5천RPM 이상이며, 대기압이 850hpa 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 터빈 휠 제어수단은 터빈 휠과 연동되어 회전하는 휠 제어용 모타와, 이 휠 제어용 모타의 회전수를 제어하는 듀티 솔레노이드 밸브로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 ECU는 상기 엔진회전수 센서, 부스트압력 센서, 터보 스피드 센서, TPS 및 대기압 센서의 감지신호를 입력받아 듀티 솔레노이드밸브의 작동을 제어하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

첨부한 도 2는 터보 스피드의 모니터링 정보를 나타내는 그래프이고, 도 3은 엔진회전수에 따른 터보 스피드 및 대기압을 나타내는 그래프이고, 도 4는 엔진회전수에 따른 터보 한계회전수 초과 운전 영역의 모니터링 정보를 나타내는 그래프이며, 도 5는 고지 2500m 등판주행시 개선된 터보 스피드를 나타내는 그래프이며, 도 6은 본 발명에 따른 가변터보차저의 연료제어방법을 나타내는 흐름도이다.

본 발명은 터보 스피드 및 부스트압력의 제어를 통해 고지에서 주행성능을 향상시키도록 한 가변터보차저의 연료제어방법에 관한 것이다.

본 발명은 휠 제어용 모터 및 듀티 솔레노이드를 이용하여 터보 스피드를 저감시키고, 부스트압력을 일정범위로 보정함과 동시에 연료량을 증량함으로써, 엔진 성능의 급격한 저하가 일어나지 않도록 한 점에 주안점이 있다.

본 발명에 따른 가변터보차저의 연료제어방법은 다음과 같은 순서에 따라 이루어진다.

1. 터보 스피드 모니터링(대기압센서를 통해 측정된 대기압이 850hpa 이하인 경우)

도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 고도 500m ~ 2300m의 고지 주행중 터보차저의 터빈 휠(Turbin wheel)에 장착된 터보 스피드센서를 통해 터빈 휠의 회전수 정보와, 부스트 압력센서를 통한 부스트압력 정보와, 대기압센서를 통해 대기압 정보 및 엔진회전수 센서를 통해 엔진회전수 정보를 ECU로 읽어 들이고, 주행 중 터빈 휠 회전수(이하,"터보 스피드)가 스피드 한계(이하,"터보 한계회전수"라 함)인 20만 5천RPM을 초과하는지를 모니터링(Monitoring) 한다.

이때, 주로 측정 결과는 다음과 같다.

1) 고도 1500m 이하 에서는 터보(터빈 휠) 한계회전수(Turbo Speed Limits)를 넘지 않았다.

이는 다른 측면에서 보면 고도 1500m이상 영역에서 터보 한계회전수의 보정이 반드시 수행되어야 함을 알 수 있다.

2) 터보차저의 부스트압력이 높을수록 터보 스피드(Turbo Speed)가 높다. 특 히 부스트압력이 1.8Bar이상인 경우 터보 스피드가 높아진다.

3) 엔진회전수가 4000RPM이상 고회전으로 운전할수록 터보 스피드가 높아진다.

고도 1500m이상에서는 부스트압력이 낮더라도, 엔진회전수가 높을 경우에는 터보 한계회전수를 넘을 수 있다

2. 터보 한계회전수 초과 운전 영역 모니터링

도 4에 도시한 바와 같이, 고지 등판 주행영역에서의 엔진회전수 측정 정보와 터보 스피드센서에서 읽어들인 터보 스피드를 ECU로 보낸다. 이때, 입력된 정보로부터 고지에서 터보 한계회전수를 초과하는 영역을 구해낸다.

상기 엔진회전수가 2500RPM 이상에서 터보 한계회전수를 초과하는 영역이 나타나게 되며, 이때 터보 스피드를 터보 한계회전수 이내로 저감하기 위해 부스트 압력의 보정을 하게 된다.

이는 부스트압력의 보정을 통해 터보 스피드가 터보 한계회전수(205,000RPM)이내에서 제어됨으로써, 터보 차저의 내구신뢰성을 확보할 수 있도록 해준다.

3. 터보 스피드 제어 및 결과 모니터링

여기서, 아래와 같이 ECU 제어인자에 따라 터보 스피드를 제어하도록 ECU에 맵(MAP)을 설정한다.

3-1. ECU 제어 입력인자

1) 엔진회전수(N)

2) 부스트압력(hpa)

3) 터보 스피드(T_ RPM)

4) 부하에 따른 공기량(air flow meter측정)

5) 대기압(hpa)

3-2. ECU 제어 출력인자

1) 인젝터 연료량 (Q, mm³/str)

2) 연료 레일압력(P_rail ,Bar)

3-3. 신규 채택 사양 : 터보 차저 터빈 휠 제어 전자식소형 모터 및 듀티(duty) 솔레노이드밸브

3-4. 설정 맵 : 엔진 부하 영역별 터보 스피드 한계값

상기 ECU 제어 인자에 대한 기본 맵(MAP)을 바탕으로 차량 고지 주행 중에 ECU에서 읽어드린 정보를 기준으로 하여 주행 조건에 따라 제어 가능한 터보 스피드의 최대-최소값에 대해 맵을 설정한다.

3-5. 제어 진입 조건

아래와 같이 4가지 주행조건 중 하나의 경우에 해당되면, 터보 스피드 제어 및 연료량 증량조건으로 진입하게된다.

1) 엔진회전수가 3000RPM 이상

2) 부스트압력의 2.2bar 이상 상승

3) 터보 스피드가 20만5천RPM 이상

4) 대기압 850hpa이하 만족

3-6. 차량 주행( 엔진부하 변동)조건(가속,정속,감속)에 따라 터보 스피드센서에서 측정된(T_ RPM) 터보 스피드가 최대 한계값(터보 한계회전수 20만 5천RPM)을 초과할 경우 또는 부스트압력이 기준 대비 2.2bar 이상 상승 또는 엔진회전수 3,000RPM이상, 대기압이 850hpa이하의 조건에 진입하게되면, ECU에서 미리 연산된 맵(MAP)에 의하여 ECU는 터보차저의 터빈에 내장되어 있는 휠 제어용 모타의 구동을 위한 듀티 솔레노이드밸브로 듀티 신호를 보내게 되며, 이 신호를 받은 듀티 솔레노이드밸브는 듀티값(5%:노말 오픈 ~ 100%:노말 클로우즈)에 따라 휠 제어용 모터를 노말 오픈(nomal open)에서 노말 클로우즈(nomal close)로 서서히 클로우즈(closed)시켜줌으로써, 이 휠 제어용 모타와 연동되어 회전하는 터빈 휠의 스피드를 터보 한계회전수인 20만 5천RPM 이내로 감속제어하게 해준다.

이와 동시에, 터보 스피드가 터보 한계회전수 이내로 급격히 줄게되면 부스트압력의 급격한 하락이 발생하여 터보의 응답성능이 저하되므로, 이를 방지하기 위해 터보 스피드 저감과 동시에 부스트압력의 변동을 엔진부하에 따라 일정하게 유지하도록 ECU는 대기압에 따른 부스트압력의 보정을 위한 조건으로 진입하게 되어 급격한 부스트압력의 하강을 막아주게 된다.

이때, 부스트압력의 보정(맵 기준 압력값 ~ 2.2bar 이하로 조정)과 동시에 연료량 보정(연료량 Q : 맵 기준 대비 엔진 회전수 3000RPM이상 전영역에서 1~3Q 증량)으로 엔진 성능의 급격한 저하가 일어나지 않도록 선택적으로 연료를 제어해 준다.

4. 터보 스피드가 터보 한계회전수 이내로 제어되면 본 발명에 따른 제어방 법은 초기 제어 조건으로 복귀하게된다.

5. 이후 다시 초기부터 모니터링을 반복하여 수행한다,

도 5에 도시한 바와 같이, 이와 같은 제어방법에 따라 2500m 이상의 고지 등판주행시 모니터링한 결과, 안정적인 터보 스피드의 작동영역을 확보할 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 가변터보차저의 연료제어방법에 의하면, 터빈 휠 스피드의 정보를 ECU가 선택적으로 받아들여 터빈 휠 스피드 한계를 넘지 않도록 부스트압력을 제어함과 동시에, 연료량을 제어하여 연료량 증량을 통한 엔진 토오크를 증대시킴으로써, 고지 주행시에도 차량성능에 부담없이 운전성능이 발휘될 수 있고, 일반적인 구배도로 조건에서도 차량 성능향상 측면에서 유리하게 되며, 배출가스 저감 및 터보차저의 내구 신뢰성을 확보할 수 있다.

Claims

가변터보차저의 연료제어방법에 있어서,

엔진 시동을 온시키는 단계와;

엔진의 부하변동조건을 측정하여 ECU에 입력하는 단계와;

상기 ECU가 터보 스피드 저감조건의 만족여부를 판단하는 단계와;

상기 터보 스피드 저감조건을 만족하면 ECU가 터빈 휠 제어수단에 작동신호를 출력하는 단계와;

상기 터빈 휠 제어수단에 의해 터보 스피드가 터보 한계회전수 이내로 저감되는 단계와;

상기 터보 스피드의 저감시 부스트압력의 급격한 하락을 방지하기 위해 상기 ECU가 부스트압력을 보정하고, 동시에 연료량을 보정하는 단계;

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변터보차저의 연료제어방법.
청구항 1에 있어서, 엔진의 부하변동조건은 엔진회전수, 부스트압력, 터보 스피드, 부하에 따른 공기량 및 대기압이고, 상기 엔진회전수는 엔진회전수 센서를 통해, 상기 부스트압력은 부스트압력 센서를 통해, 상기 터보 스피드는 터보 스피드 센서를 통해, 상기 부하에 따른 공기량은 TPS를 통해, 상기 대기압은 대기압 센서를 통해 측정되는 것을 특징으로 하는 가변터보차저의 연료제어방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 터보 스피드 저감조건은 엔진회전수가 3000RPM 이상이고, 부스트압력이 2.2bar 이상이고, 터보 스피드가 20만 5천RPM 이상이며, 대기압이 850hpa 이하인 것을 특징으로 하는 가변터보차저의 연료제어방법.
청구항 2에 있어서, 상기 터빈 휠 제어수단은 터빈 휠과 연동되어 회전하는 휠 제어용 모타와, 이 휠 제어용 모타의 회전수를 제어하는 듀티 솔레노이드밸브로 구성된 것을 특징으로 하는 가변터보차저의 연료제어방법.
청구항 4에 있어서, 상기 ECU는 상기 엔진회전수 센서, 부스트압력 센서, 터보 스피드 센서, TPS 및 대기압 센서의 감지신호를 입력받아 듀티 솔레노이드밸브의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 가변터보차저의 연료제어방법.