KR101175966B1 - 디젤 엔진의 배기 가스 재순환 제어장치 - Google Patents

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Abstract

EGR 밸브 및 흡기 스로틀 밸브가 일 제어 지령 신호에 의해 서로 연관되면서 동작되도록 구성되는 배기 가스 재순환 제어장치가 개시되며, 여기서, EGR 율 (EGR 가스량) 및 가속 응답성의 제어가능성이 흡기 밸브 및 EGR 밸브에 고유한 불감대 영역을 보상함으로써 향상된다. 배기 가스 재순환 제어장치는 포함된 EGR 가스 내의 미연소 공기량으로 산출된 추정된 공기 과잉율의 변화율이 소정 값보다 작은 경우에는 EGR 밸브 (27) 또는 흡기 스로틀 밸브 (29) 가 불감대 영역에 있는 것으로 판단하는 불감대 영역 판단 수단 (64), 및 EGR 밸브 (27) 또는 흡기 스로틀 밸브 (29) 가 과도 동작 동안 및 불감대 영역에 있다는 판단이 행해질 때 EGR 밸브 (27) 와 흡기 스로틀 밸브 (29) 의 관련 동작에 상기 불감대 영역이 영향을 주지 않도록 EGR 밸브 (27) 또는 흡기 스로틀 밸브 (29) 의 개도 지령 값을 보정하는 불감대 영역 보상 수단 (66) 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

디젤 엔진의 배기 가스 재순환 제어장치{EXHAUST GAS RECIRCULATION CONTROLLER OF DIESEL ENGINE}
본 출원은 디젤 엔진의 EGR (Exhaust Gas Re-circulation; 배기 가스 재순환) 제어장치에 관한 것이다.
디젤 엔진으로부터 방출된 배기 가스에서 문제가 되는 NOx (질소 산화물) 을 저감하기 위해 사용되는 기술로서, EGR (Exhaust Gas Re-circulation; 배기 가스 재순환) 방법이 공지된다.
또한, EGR 방법이 적용될 때, 엔진에 의해 흡입되는 신선한 공기량 (신선한 흡기 유량) 이 비교적 감소하는데, 이는 엔진이 급가속되거나 엔진의 연료 진입구 (fuel admission opening) 가 급격히 확대될 때 엔진의 연소실에 O2-부족 (산소-부족) 분위기를 야기하기 쉽다.
상세하게는, EGR 율 (일반적으로, 엔진의 실린더로 흡입되는 공기-가스 혼합물에서의 EGR 가스의 비율) 을 올리기 위하여 엔진의 EGR 밸브 및 흡기 스로틀 밸브가 동시에 사용될 때, EGR 밸브를 완전히 개방하는 것만으로는 충분한 EGR 율이 달성될 수 없다. 따라서, EGR 밸브와 비교하면, 흡기 스로틀 밸브는 흡입된 신선한 공기를 감소시키고 EGR 율 (EGR 가스 유량) 을 높이도록 폐방향으로 활성화된다. 그 결과, 엔진의 연소실에서는 O2-부족 (산소-부족) 분위기가 발생하기 쉽다.
엔진의 EGR 밸브 및 흡기 스로틀 밸브를 동시에 사용하는 경우에, EGR 밸브 제어 및 흡기 스로틀 밸브 제어가 종래에는 독립적으로, 즉, 비연성 모드 (uncoupled mode) 로 수행된다. 예를 들어, 일 예의 기술이 특허문헌 1 (JP2006-90204) 에 개시되며, 여기서 EGR 밸브 및 흡기 스로틀 밸브가 상이한 지령 신호들에 의해 독립적으로 제어된다. 따라서, 특허문헌 1 에 의한 기술에서는, 밸브 제어 동작과 관련한 자유도에 대한 수가 커진다. 따라서, 최적의 제어 상태를 결정하기 위한 캘리브레이션 맨-아워 (calibration man-hour) 가 증가되어야 한다.
캘리브레이션 작업을 단순화하기 위하여, 마치 2 개의 밸브가 하나의 밸브로 통합된 것처럼 EGR 밸브 움직임이 흡기 스로틀 밸브 움직임과 관련되는 것이 공지되며; 즉, 도 11 및 도 12 에 도시한 바와 같이, EGR 밸브 개도 지령과 흡기 스로틀 밸브 개도 지령의 세트가 단일의 (simple) 제어 지령 신호에 응답하여 포워딩된다.
(공지된 기술에 관한) 도 12 는 도면에서 신호 θ 에 대응하는 상기 언급된 단일의 제어 지령 신호의 일 예를 도시하며; 여기서, 신호 θ 는 목표 흡기 유량의 신호가 실제 흡기 유량의 신호와 함께 제어 지령 신호를 생성하는 피드백 시스템의 일부인 제어 블록도 (도 12 그 자체) 내의 제어 지령 신호이다. 더 정확히 말하면, 목표 흡기 유량 산출 수단 (01) 이 샷당 연료 분사량 및 엔진 속도에 응답하여 목표 공기 유량을 산출하고; 그 목표 공기 유량은 공기 유량계 (air flow meter; 02) 에 의해 검출되는 실제 공기 유량과 비교되며; 유량 간의 차가 가감산기 (03) 를 통하여 산출되고; 그 차에 기초하여, PI 제어 산출 수단 (04) 이 제어 지령 신호 θ 를 출력하며; 출력된 제어 지령 신호 θ 는 EGR 밸브 개도 지령 생성기 (05) 를 통과하여 EGR 밸브 개도 지령 신호로 변환되며 (도 12 참조); 신호 θ 는 또한 스로틀 밸브 개도 지령 생성기 (06) 를 통과하여 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 신호로 변환된다 (도 12 참조).
그러나, 도 11 및 도 12 에 도시한 바와 같이 밸브들 양자를 동작시키기 위하여 단일의 제어 지령 신호에 의해 EGR 밸브와 흡기 스로틀 밸브의 움직임을 연동시키는 것은 이하 설명한 바와 같은 몇몇 어려움을 포함한다.
밸브들의 각 함수 (개도와 공기/가스 유량 간의 관계) 는 개도가 일정 레벨을 초과할 때 공기/가스 유량이 변화하지 않는 불감대 (dead zone; 도 11) 를 가지며; 따라서, 흡기 스로틀 밸브가 개방중인 경우에는, 제어 지령 신호가 도 11 에서 포인트 θX 로부터 우측으로 이동하고, 흡기 스로틀 밸브가 포인트 P2 (도 11) 로부터 완전 개방 포인트까지 개방향으로 활성화되며; 이로써, EGR 밸브의 개도는 포인트 P1 (도 11) 로부터 우측으로 이동하고, 잠시동안 불감대 Q (도 11) 에서 계속 완전히 개방되며; 따라서, EGR 밸브 개도가 어느 정도까지 좁아지게 되지 않으면, EGR 가스 유량은 감소할 수 없고; 이렇게 하여, 흡기 스로틀 밸브가 완전 개방을 향하여 활성화될 때조차, 충분한 양의 공기가 연소실로 신속히 흡입될 수 없으며; 그 결과, 엔진이 불충분한 응답성으로 고생하는 어려움이 존재한다.
또한, EGR 밸브가 개방중인 경우에는, 제어 지령 신호가 도 11 에서 포인트 θY 로부터 좌측으로 이동하고, EGR 밸브가 포인트 P2' (도 11) 로부터 완전 개방 포인트까지 개방향으로 활성화되며; 이로써, 흡기 스로틀 밸브의 개도는 포인트 P1' (도 11) 로부터 좌측으로 이동하고, 잠시동안 불감대 Q (도 11) 에서 계속 완전히 개방되며; 따라서, 흡기 스로틀 밸브 개도가 어느 정도까지 좁아지게 되지 않으면, 흡기 유량은 감소할 수 없고; 이렇게 하여, EGR 밸브가 완전 개방을 향하여 활성화될 때조차, 충분한 양의 EGR 가스 (충분한 EGR 율) 가 신속히 증가될 수 없으며; 그 결과, 엔진이 불충분한 응답성으로 고생하는 어려움이 존재한다.
따라서, 마치 2 개의 밸브가 하나의 밸브로 통합된 것처럼 EGR 밸브 움직임이 흡기 스로틀 밸브 움직임과 관련되는 경우에는, EGR 밸브 및 흡기 스로틀 밸브에 고유한 불감대 특성으로 인해, EGR 가스 유량은 물론 엔진 가속에 대한 응답성도 악화되기 쉽다.
상기 진술된 종래의 기술 및 이에 대한 예상 해결책을 고려하여, 본 개시물은 EGR 제어장치를 제공하는 것을 목표로 하며, 이 장치는 EGR 밸브 및 흡기 밸브를, 밸브들 양자가 연성 모드 (coupled mode) 에서 동작되게 하는 단일의 제어 지령 신호로 제어하도록 구성되며, 여기서, EGR 가스 유량은 물론 가속 동안의 엔진 속도에 대한 응답성도 흡기 스로틀 밸브 및 EGR 밸브에 고유한 불감대에 관한 보상에 의하여 향상된다.
특히, 본 개시물은 내부 연소 기관의 EGR 제어장치를 목표로 하며, 여기서, EGR 시스템은 급한 가속에 응답하여 더 큰 EGR 유량 상태의 순간부터 순식간에 중단될 수 있다. 이로써, 더 큰 EGR 유량 상태는 EGR 밸브가 완전히 개방되고, 흡기 스로틀 밸브가 흡입된 신선한 공기를 감소시키도록 폐방향으로 활성화되며, 상당한 양의 EGR 가스가 엔진으로 흡입되는 상태를 의미한다는 것을 알게 된다.
언급한 것처럼 상기 목표들을 달성하기 위하여, 본 명세서는 디젤 엔진을 제어하는 EGR 제어장치를 개시하며, 이 엔진은 :
엔진의 EGR 유량이 조정되는 EGR 밸브,
엔진의 흡기 유량이 조정되는 흡기 스로틀 밸브, 및
EGR 밸브의 개도가 흡기 스로틀 밸브의 개도에 관련하여 동작되는 메커니즘을 포함하며,
EGR 밸브 및 흡기 스로틀 밸브의 개도에 대한 개도 결정 라인들 (특성 곡선들) 각각은 밸브의 개도가 일정 개도 이상 증가되더라도 유량이 변화하지 않은 채 있는 불감대 부분을 가지며;
EGR 제어장치에는 EGR 가스 내의 잔류 산소를 고려하여 추정 공기 과잉율 λ 을 산출하는 불감대 평가 수단이 제공되고; 이로써, 산출된 추정 공기 과잉율 λ 의 변화율에 기초하여, 그 추정 공기 과잉율 λ 의 변화율이 소정 레벨보다 작을 때 EGR 밸브와 흡기 스로틀 밸브 중 적어도 하나가 불감대에서 동작되는 것으로 판단되며; 또한,
EGR 제어장치에는, 불감대 평가 수단이 EGR 밸브와 흡기 스로틀 밸브 중 적어도 하나가 불감대에서 동작되는 것으로 판단하고, 엔진이 과도 응답 상태 하에 있을 때, 불감대가 공동의 (conjunct) 개도 동작에 관한 메커니즘을 방해하지 않도록 EGR 밸브 및 흡기 스로틀 밸브에 대한 개도 지령 신호들에 관하여 보정을 행하는 불감대 보상 수단이 제공된다.
본 발명에 의하면, 엔진의 배기 가스 시스템으로부터 흡기 시스템으로 환류되는 EGR 가스 내의 잔류 공기 (산소) 를 고려하여 산출되는 추정 공기 과잉율 λ 에 대한 변화율을 이용하여 밸브들이 불감대에서 동작되는지 여부가 판단되며; 즉, 그 판단은 EGR 가스 유량 뿐만 아니라 EGR 가스 내의 잔류 공기 (유량) 를 고려하여 행해지며; 따라서, 유량 변화에 대한 검출 정확도가 향상될 수 있고, 불감대에 대한 정확한 판단이 수행될 수 있다.
또한, 불감대 보상 수단이 제공되며, 이로써, 그 수단은 불감대 평가 수단이 EGR 밸브와 흡기 스로틀 밸브 중 적어도 하나가 불감대 내의 일 상태 하에서 동작되는 것으로 판단할 때의 경우에, 불감대가 공동의 개도 동작에 관한 매커니즘을 방해하지 않도록 EGR 밸브 및 흡기 스로틀 밸브에 대한 개도 지령 신호에 대해 보정을 행하며; 예를 들어, 흡기 스로틀 밸브가 개방중인 경우에는, 제어 지령 신호가 도 11 에서 포인트 θX 로부터 우측으로 이동하고, 흡기 스로틀 밸브가 포인트 P2 (도 11) 로부터 완전 개방 포인트까지 개방향으로 활성화되며; 이로써, EGR 밸브의 개도는 포인트 P1 (도 11) 로부터 우측으로 이동하고, 잠시동안 불감대 Q (도 11) 에서 계속 완전히 개방되며; 따라서, EGR 밸브 개도가 어느 정도까지 좁아지게 되지 않으면, EGR 가스 유량은 감소할 수 없고; 이렇게 하여, 흡기 스로틀 밸브가 완전 개방을 향하여 활성화될 때조차, 충분한 양의 공기가 연소실로 신속히 흡입될 수 없으며; 그 결과, 엔진이 불충분한 응답성으로 고생하는 어려움이 존재하였다. 그러나, 본 발명에 의하면, 불감대 보상 수단은 EGR 밸브가 불감대 Q 의 영향 없이 포인트 P1 로부터 이동하도록 EGR 밸브에 대한 개도 지령 신호에 관하여 보정을 행하며; 따라서, 흡기 스로틀 밸브가 개방중인 동안 EGR 밸브의 신속한 폐쇄에 의하여 응답성이 향상된다.
또한, 예를 들어, EGR 밸브가 개방중인 경우에는, 제어 지령 신호가 도 11 에서 포인트 θY 로부터 좌측으로 이동하고, EGR 밸브가 포인트 P2' (도 11) 로부터 완전 개방 포인트까지 개방향으로 활성화되며; 이로써, 흡기 스로틀 밸브의 개도는 포인트 P1' (도 11) 로부터 좌측으로 이동하고, 잠시동안 불감대 Q (도 11) 에서 계속 완전히 개방되며; 따라서, 흡기 스로틀 밸브 개도가 어느 정도까지 좁아지게 되지 않으면, 흡기 유량은 감소할 수 없고; 이렇게 하여, EGR 밸브가 완전 개방을 향하여 활성화될 때조차, 충분한 양의 EGR 가스 (충분한 EGR 율) 가 신속히 증가될 수 없으며; 그 결과, 엔진이 불충분한 응답성으로 고생하는 어려움이 존재하였다. 그러나, 본 발명에 의하면, 불감대 보상 수단은 흡기 스로틀 밸브가 불감대 Q 의 영향 없이 포인트 P1' 로부터 이동하도록 흡기 스로틀 밸브에 대한 개도 지령 신호에 관하여 보정을 행하며; 따라서, EGR 밸브가 개방중인 동안 흡기 스로틀 밸브의 신속한 폐쇄에 의하여 (연소실 내로의 EGR 가스의 스무스한 흐름으로) 응답성이 향상된다.
상기 실시형태에 따른 바람직한 모드는 디젤 엔진을 제어하는 EGR 제어장치이며, 이 장치는 EGR 밸브 개도 지령 신호 및 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 신호가 단일의 제어 지령 신호로부터 생성되는 EGR 및 스로틀 밸브 개도 설정 수단을 더 포함하며, 여기서 밸브들 각각에 대한 개도 지령 결정 라인이 단일의 제어 지령 신호의 함수로서 특정되며;
흡기 스로틀 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인은 단일의 제어 지령 신호가 증가함에 따라 계속 선형 상승되는 반면,
EGR 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인은 단일의 제어 지령 신호가 증가함에 따라 계속 선형 하락되며;
흡기 스로틀 밸브 개도 지령 신호의 상승 라인 부분과 EGR 밸브 개도 지령 신호의 하락 라인 부분은 서로 교차하고;
불감대 보상 수단에서, 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인, 및 EGR 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인은 단일의 제어 지령 신호의 증가 또는 감소에 응답하여 단일의 제어 지령 신호에 대한 축 방향을 따라 시프트된다.
상기 바람직한 모드에 의하면, 불감대 보상 수단에서, 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인, 및 EGR 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인은 단일의 제어 지령 신호에 대한 함수로서 생성되며; 또한 개도 결정 라인들은 서로 교차하며; 그리고, 개도 결정 라인들은 단일의 제어 지령 신호의 증가 또는 감소에 응답하여 단일의 제어 지령 신호에 대한 축 방향을 따라 시프트되며; 따라서 흡기 스로틀 밸브 및 EGR 밸브에 대한 불감대의 영향이 제거될 수 있다.
상기 모드에 따른 바람직한 변형은 디젤 엔진을 제어하는 EGR 제어장치이며, 여기서, 불감대 보상 수단은 EGR 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인을, 흡기 스로틀 밸브의 개도 증가에 응답하여 EGR 밸브의 불감대가 좁아지게 되는 방향으로 시프트하며, 그 개도는 흡기 스로틀 밸브에 대한 신호인 단일의 제어 지령 신호의 명령 (order) 에 기초하여 그의 개도 결정 라인을 따라 이동한다.
상기 변형과 관련한 추가 바람직한 변형은 디젤 엔진을 제어하는 EGR 제어장치이며, 여기서, 불감대 보상 수단은, 흡기 스로틀 밸브에 대한 신호인 단일의 제어 지령 신호가 불감대가 좁아지게 되는 EGR 밸브 개도 결정 라인에 대한 하락 라인 부분이 상기 단일의 제어 지령 신호에 대한 수평축과 교차하는 포인트에 도달한 후에는 물론, 흡기 스로틀 밸브에 대한 신호인 단일의 제어 지령 신호가 그 포인트를 증가 방향으로 통과한 후에도, EGR 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인을 EGR 밸브에 대한 불감대가 좁아지게 되지 않는 원위치로 다시 시프트한다.
상기 바람직한 변형에 의하면, EGR 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인은 도 3 에 나타낸 바와 같이 시프트량 SE 만큼 좌측으로 시프트되며, 이로써, 점선은 EGR 밸브에 대한 보정된 결정 라인을 도시하며; 이 보정된 라인에 기초한 제어 명령에 따라, EGR 밸브 개방 움직임은 불감대 Q 의 영향으로부터 자유로울 수 있으며; 따라서 EGR 밸브는 불감대의 영향 없이 그 자신의 폐쇄 시작을 서두를 수 있다. 이렇게 하여, EGR 밸브의 폐쇄 움직임은 흡기 스로틀 밸브를 통한 공기 흐름이 스무스하게 수행될 수 있도록 서두르게 되며; 그 결과, 흡기 스로틀 밸브 개방 동안의 엔진 속도 응답이 향상될 수 있다.
EGR 밸브 개도 결정 라인의 불감대가 좁아지게 되도록 EGR 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인이 시프트된 후에 단일의 제어 지령 신호가 증가함에 따라 EGR 밸브가 완전히 폐쇄되는 경우에 있어서 EGR 밸브 개도가 증가 패턴으로부터 감소 패턴으로 바뀌는 경우, EGR 밸브 개도가 증가되는 것을 요구하며; 그러나, 상기 언급된 경우에는, 단일의 제어 지령 신호가 도 3 의 θ
Figure 112010022373596-pct00001
θb 의 구역에서 막 감소하려고 하고, EGR 개도 지령 레벨이 널값으로 유지되며; 그 결과, 비록 EGR 밸브가 개방하도록 요구되더라도 EGR 밸브가 개방되지 않을 것이라는 문제가 야기된다.
상기 설명한 바와 같이 추후 변형에 의하면, 이 문제가 해결될 수 있다. 그 이유는 다음과 같다. 단일의 제어 지령 신호 θ 가 θb 이상이 되는 상기 언급된 경우에 있어서, EGR 밸브 개도 결정 라인은 단일의 제어 지령 신호의 값에 응답하여 원위치를 향하여 다시 돌아간다 (도 4 참조). 즉, 단일의 제어 지령 신호 θ 가 포인트 θb 보다 위쪽의 도 4 의 수평축 위, 예를 들어 포인트 θc, θd ??? 위에 차례로 존재할 때, EGR 밸브 개도 결정 라인은 도 4 에 도시한 바와 같이 단일의 제어 지령 신호 θ 의 움직임에 응답하여 원위치를 향하여 다시 돌아가며; 따라서, EGR 밸브 개도가 증가 패턴으로부터 감소 패턴으로 바뀔 때조차, EGR 밸브는 즉시 개방될 수 있다. 따라서, EGR 율 (EGR 가스 유량) 에 대한 응답성이 향상되며, 배기 가스 방출 특성이 개선된다.
전술된 모드에 따른 바람직한 변형은 디젤 엔진을 제어하는 EGR 제어장치이며, 여기서, 불감대 보상 수단은 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인을, EGR 밸브의 개도 증가에 응답하여 흡기 스로틀 밸브의 불감대가 좁아지게 되는 방향으로 시프트하며, 그 개도는 EGR 밸브에 대한 신호인 단일의 제어 지령 신호의 명령에 기초하여 그의 개도 결정 라인을 따라 이동한다.
상기 변형과 관련한 추가 바람직한 변형은 디젤 엔진을 제어하는 EGR 제어장치이며, 여기서, 불감대 보상 수단은, 흡기 스로틀 밸브에 대한 신호인 단일의 제어 지령 신호가 불감대가 좁아지게 되는 흡기 스로틀 밸브 개도 결정 라인에 대한 상승 라인 부분이 상기 단일의 제어 지령 신호에 대한 수평축과 교차하는 포인트에 도달한 후에는 물론, 흡기 스로틀 밸브에 대한 신호인 단일의 제어 지령 신호가 그 포인트를 감소 방향으로 통과한 후에도, 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인을 흡기 스로틀 밸브에 대한 불감대가 좁아지게 되지 않는 원위치로 다시 시프트한다.
상기 바람직한 변형에 의하면, 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인은 도 5 에 나타낸 바와 같이 시프트량 ST 만큼 우측으로 시프트되며, 이로써, 실선은 흡기 스로틀 밸브에 대한 보정된 결정 라인을 도시하며; 이 보정된 라인에 기초한 제어 명령에 따라, 흡기 스로틀 밸브 개방 움직임은 불감대 Q 의 영향으로부터 자유로울 수 있으며; 따라서, 흡기 스로틀 밸브는 불감대의 영향 없이 그 자신의 폐쇄 시작을 서두를 수 있다. 이렇게 하여, 흡기 스로틀 밸브의 폐쇄 움직임은 연소실 내로의 EGR 가스 흐름이 스무스하게 수행될 수 있도록 서두르게 되며; 그 결과, EGR 율 (EGR 가스 유량) 에 대한 엔진 속도 응답이 향상될 수 있다.
흡기 스로틀 밸브 개도 결정 라인의 불감대가 좁아지게 되도록 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인이 시프트된 후에 단일의 제어 지령 신호가 감소함에 따라 흡기 스로틀 밸브가 완전히 폐쇄되는 경우에 있어서 흡기 스로틀 밸브 개도가 감소 패턴으로부터 증가 패턴으로 바뀌는 경우, 흡기 스로틀 밸브 개도가 증가되는 것을 요구하며; 그러나, 상기 언급된 경우에는, 단일의 제어 지령 신호가 도 6 의 θ
Figure 112010022373596-pct00002
θb 의 구역에서 막 증가하려고 하고, 흡기 스로틀 개도 지령 레벨이 널값으로 유지되며; 그 결과, 비록 흡기 스로틀 밸브가 개방하도록 요구되더라도 흡기 스로틀 밸브가 개방되지 않을 것이라는 문제가 야기된다.
상기 설명한 바와 같이 흡기 스로틀 밸브에 관한 추후 변형에 의하면, 이 문제가 해결될 수 있다. 그 이유는 다음과 같다.
단일의 제어 지령 신호 θ 가 θb 이하가 되는 상기 언급된 경우에 있어서, 흡기 스로틀 밸브 개도 결정 라인은 단일의 제어 지령 신호의 값에 응답하여 원위치를 향하여 다시 돌아간다 (도 6 참조). 즉, 단일의 제어 지령 신호 θ 가 포인트 θb 보다 아래 쪽의 도 6 의 수평축 위, 예를 들어 포인트 θc, θd, ??? 위에 차례로 존재할 때, 흡기 스로틀 밸브 개도 결정 라인은 도 6 에 도시한 바와 같이 단일의 제어 지령 신호 θ 의 움직임에 응답하여 원위치를 향하여 다시 돌아가며; 따라서 흡기 스로틀 밸브 개도가 감소 패턴으로부터 증가 패턴으로 바뀔 때조차, 흡기 스로틀 밸브는 즉시 개방될 수 있다. 따라서, 흡기 스로틀 밸브 개도에 대한 응답성 및 엔진 가속성이 향상된다.
전술된 실시형태에 따른 바람직한 모드는 디젤 엔진을 제어하는 EGR 제어장치이며, 이 장치에는 EGR 통로 및 흡기 통로에 대한 합류점의 하류측에 있는 공기 또는 가스 통로에 산소 농도계가 제공되며,
여기서, 산출된 추정 공기 과잉율을 이용하는 불감대 평가 수단은 산출된 추정 공기 과잉율이 아니라 산소 농도계에 의해 검출되는 산소 농도에 기초하여 흡기 스로틀 밸브와 EGR 밸브 중 적어도 하나가 불감대에서 동작되는지 여부를 판단하는 불감대 평가 수단으로 교체된다.
본 발명의 상기 모드에 의하면, 연소실로 흡입되는 공기 또는 가스의 산소 농도는 EGR 통로 및 흡기 통로에 대한 합류점의 하류측에 있는 공기 또는 가스 통로인 인렛 매니폴드에 제공되는 산소 농도계에 의해 검출되며; 또한, 산소 농도의 변화율에 기초하여, 밸브들이 그들의 불감대에서 동작되는지 여부가 판단되며; 즉, 그 판단은 연소실로 흐르는 공기/가스 흐름의 변화가 아니라 공기/가스 흐름의 검출된 산소 농도의 변화율에 기초한다. 따라서, 정확한 판단이 실현될 수 있다.
또한, 상기 설명된 판단을 행하는데 있어서, 산소 농도계로부터의 신호만이 사용되며; 따라서, 추정 공기 과잉율 λs 이 소정의 식들을 통하여 산출되도록 흡입된 공기/가스 압력 및 온도가 검출되는 방법과 비교하여 밸브 개도 제어가 단순화될 수 있다.
본 발명에 의하면, 디젤 엔진을 제어하는 EGR 제어장치가 제공될 수 있고, 그 장치는 EGR 밸브 및 흡기 밸브를, 밸브들 양자가 연성 모드에서 동작되게 하는 단일의 제어 지령 신호로 제어하도록 구성되며, 여기서, EGR 가스 유량은 물론 가속 동안의 엔진 속도에 대한 응답성도 흡기 스로틀 밸브 및 EGR 밸브에 고유한 불감대에 관한 보상에 의하여 향상된다.
특히, 본 발명은 내부 연소 기관의 EGR 제어장치를 제공할 수 있으며, 여기서, EGR 시스템은 급한 가속에 응답하여 더 큰 EGR 유량 상태의 순간부터 순식간에 중단될 수 있다. 이로써, 다시 더 큰 EGR 유량 상태는 EGR 밸브가 완전히 개방되고, 흡기 스로틀 밸브가 흡입된 신선한 공기를 감소시키도록 폐방향으로 활성화되며, 상당한 양의 EGR 가스가 엔진으로 흡입되는 상태를 의미한다는 것을 알게 된다.
도 1 은 본 발명의 실시형태에 따른 디젤 엔진의 EGR (Exhaust Gas Re-circulation; 배기 가스 재순환) 제어장치의 전체 구성을 도시한 도면이다.
도 2 는 흡기 스로틀 밸브 개도 및 EGR 밸브 개도에 대한 기본 특성의 제어 지령 라인을 도시한 도면이다.
도 3 은 EGR 밸브 개도 제어 지령 라인에 대한 시프트 절차를 도시한 도면이다.
도 4 는 EGR 밸브 개도 제어 지령 라인에 대한 리턴 시프트 절차를 도시한 도면이다.
도 5 는 흡기 스로틀 밸브 개도 제어 지령 라인에 대한 시프트 절차를 도시한 도면이다.
도 6 은 흡기 스로틀 밸브 개도 제어 지령 라인에 대한 리턴 시프트 절차를 도시한 도면이다.
도 7 은 EGR 밸브 개도 제어 지령 라인 및 흡기 스로틀 밸브 개도 제어 지령 라인의 시프트 절차에 대한 주제어 흐름도이다.
도 8 은 EGR 밸브 개도 제어 지령 라인의 시프트 절차에 대한 제어 흐름도이다.
도 9 는 흡기 스로틀 밸브 개도 제어 지령 라인의 시프트 절차에 대한 제어 흐름도이다.
도 10 은 불감대 평가 수단에 대한 다른 변형의 전체 구성을 도시한 도면이다.
도 11 은 공지된 기술을 설명하는 도면이다.
도 12 는 공지된 기술을 설명하는 도면이다.
이후에, 도면에 도시된 실시형태들을 참고하여 본 발명을 상세하게 설명할 것이다. 그러나, 이들 실시형태들에서 설명되는 컴포넌트의 치수, 재질, 형상, 상대 배치 등은 특별히 특정 언급이 행해지지 않는다면 본 발명의 범위를 제한하는 것으로서 해석되어서는 안된다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 디젤 엔진의 배기 가스 재순환 제어장치의 전체 구성을 도시한다. 도 1 에 나타낸 바와 같이, 4 행정 사이클의 디젤 엔진 (1) 에는 피스톤 외주가 실린더의 내부벽 상에서 미끄러지도록 실린더 (3) 내에서 왕복 운동을 수행하는 피스톤 (5) 이 제공되며; 또한 디젤 엔진에는 연결봉 (7) 을 통해 피스톤 (5) 에 연결된 크랭크축 (미도시) 이 제공되며, 그 연결봉 (7) 을 통해 피스톤 (5) 의 왕복 운동은 크랭크축의 회전 움직임으로 변환된다.
디젤 엔진 (1) 에서, 피스톤 (5) 의 최상면 상부와 실린더의 내부면 내에는 연소실 (9) 이 형성되며; 흡입 밸브 (15) 에 의해 개폐되는 흡기 (가스) 포트를 통해 연소실 (9) 에는 흡기 통로 (13) 가 연결된다. 또한, 배기 밸브 (21) 에 의해 개폐되는 배기 가스 포트를 통해 연소실 (9) 에는 배기 가스 통로 (19) 가 연결된다.
배기 가스 통로 (19) 의 도중에, EGR (Exhaust Gas Re-circulation; 배기 가스 재순환) 통로 (23) 는 그 통로 (23) 가 흡기 스로틀 밸브 (29) 의 하류측에서 흡기 통로 (13) 와 병합하도록 분기되며; 이로써, EGR 통로 (23) 상에, 그 통로 (23) 를 통해 흐르는 EGR 가스를 냉각시키는 EGR 냉각기 (25) 가 제공되고; 또한, EGR 냉각기 (25) 의 하류측에 있는 통로 상에, EGR 가스의 유량을 조정하는 EGR 밸브 (27) 가 제공된다.
디젤 엔진 (1) 에는 압축기가 주변 공기를 가압하고 가압된 공기를 흡기 통로 (13) 를 통하여 중간 냉각기 (33) 로 보내는 배기 가스 터보차저 (12) 가 제공되며; 중간 냉각기에 의해 냉각되는 가압된 공기는 흡기 통로 (13) 를 통하여 엔진 (즉, 연소실 (9)) 으로 흡입된다.
흡기 스로틀 밸브 (29) 의 개도는 연소실 (9) 로 흡입되는 흡기의 유량을 조정하도록 제어된다. 디젤 엔진의 경우에, 흡기 스로틀 밸브 (29) 는 통상적으로 완전 개방 상태로 유지되고; 그리고, 흡기 스로틀 밸브의 개도는 EGR 제어가 수행될 때 흡기 스로틀 밸브 (29) 를 폐쇄하는 방향으로 동작된다. 흡기 스로틀 밸브 (29) 의 개도는 물론, EGR 밸브 (27) 의 개도도 후술하는 바와 같이 배기 가스 재순환 제어장치 (40) 에 의해 제어된다.
연소실 (9) 에는, 연료 분사 밸브가 연료 분사 펌프 (미도시) 에 의해 가압된 연료를 연소실 (9) 로 분사할 수 있도록 디젤 엔진 (1) 의 각 실린더에 설치된 연료 분사 밸브 (42) 가 제공되며; 샷당 연료 분사량 및 연료의 분사 타이밍은 연료 제어 유닛 (44) 에 의해 제어된다.
배기 가스 터보차저 (12) 의 압축기의 상류에는, 흡기 통로 (13) 를 통하여 연소실 (9) 로 흡입되는 신선한 흡기의 유량을 측정하는 공기 유량계 (50) 가 흡기 통로 (13) 의 도중에 설치되며; 그 공기 유량계 (50) 로부터, 신선한 공기의 유량에 대한 신호가 EGR (배기 가스 재순환) 제어장치 (40) 로 입력된다. 유사하게, EGR 밸브 (27) 의 상류에는, EGR 가스 통로 (23) 를 통하여 흡기 통로 (13) 로 흐르는 EGR 가스의 (체적) 유량을 측정하는 EGR 가스 유량계 (52) 가 EGR 가스 통로 (23) 의 도중에 설치된다.
또한, 디젤 엔진에는 엔진의 인렛 매니폴드 내의 압력을 검출하는 인렛 매니폴드 압력 센서 (54) 는 물론 인렛 매니폴드 내의 온도를 검출하는 인렛 매니폴드 온도 센서 (56), 및 엔진의 엔진 속도를 검출하는 엔진 속도 센서 (58) 가 제공되며; 그 센서들 (54, 56 및 58) 로부터, 압력 신호, 온도 신호 및 엔진 속도 신호가 EGR (배기 가스 재순환) 제어장치 (40) 로 입력된다.
다음에, EGR (배기 가스 재순환) 제어장치 (40) 가 설명된다. EGR (배기 가스 재순환) 제어장치 (40) 는 EGR 및 스로틀 밸브 개도 설정 수단 (60), 추정 공기 과잉율 (λ) 산출 수단 (62), 불감대 평가 수단 (64) 및 불감대 보상 수단 (66) 을 포함한다.
EGR 및 스로틀 밸브 개도 설정 수단 (60) 에서, 파라미터인 단일의 제어 지령 신호 θ 로부터, EGR 밸브 개도 지령 신호 및 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 신호가 생성되며, 여기서, EGR 밸브 (27) 의 개도가 흡기 스로틀 밸브 (29) 의 개도에 관련하여 동작되며; EGR 밸브 개도 지령 신호 및 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 신호를 생성하는데 있어서, 개도 지령 결정 라인들 (함수들) 이 도입되며; 즉, 일 함수가 단일의 제어 지령 신호 θ 를 EGR 밸브 개도 지령 신호로 변환하는 반면, 타 함수가 단일의 제어 지령 신호 θ 를 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 신호로 변환하도록 2 개의 함수들이 사용된다.
종래의 기술을 설명하는 도 12 에서의 경우와 같이, 제어 지령 신호 θ 는 엔진 속도 및 연료 유량 (연료 분사량) 에 기초하여 산출되는 목표 공기 유량을 만족시키기 위해 실제 공기 유량에 피드백 제어가 적용될 때 생성되는 제어 지령 신호 등과 같이, 엔진의 동작 상태에 응답하여 EGR (배기 가스 재순환) 제어장치로부터 출력되는 지령 신호이다.
또한, 도 2 는 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인 (함수) L1 은 물론 EGR 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인 (함수) L2 를 도시하며; 또한, 도 2 는 본 발명의 밸브 개도에 대한 기본적인 라인으로서 간주되는 개도 결정 라인들 (L1 및 L2) 간의 관계를 나타낸다.
도 2 에서, 가로축 및 세로축은 각각 제어 지령 신호 θ 및 밸브 개도를 나타내며; 세로축 상에서, 숫자 1 (100%) 및 0 (0%) 은 각각 완전히 개방된 상태 및 완전히 폐쇄된 상태에 대응한다. 도 2 에 실선으로 나타낸 바와 같이, 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인 (함수) L1 은 파라미터 (제어 지령 신호) θ 가 θ0 에서 θ1 까지 증가함에 따라 계속 선형 상승되고 (즉, 개도 증가); θ = θ1 에서, 흡기 스로틀 밸브는 완전히 개방된 상태에 있으며; θ
Figure 112010022373596-pct00003
θ1 일 때, 완전히 개방된 상태가 계속된다. 한편, EGR 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인 (함수) L2 는 파라미터 (제어 지령 신호) θ 가 θ0 에서 θ1 까지 증가함에 따라 완전히 개방된 상태에 대응하는 평탄한 레벨에 있고; θ
Figure 112010022373596-pct00004
θ1 일 때, EGR 밸브 개도 지령 신호에 대한 라인 L2 는 파라미터 (제어 지령 신호) θ 가 θ1 을 넘어 증가함에 따라 계속 선형 하락되며 (즉, 개도 감소); θ = θ2 에서, 흡기 스로틀 밸브는 완전히 폐쇄된 상태에 있으며; θ
Figure 112010022373596-pct00005
θ2 일 때, 완전히 폐쇄된 상태가 계속된다.
도 2 는 EGR 밸브 (27) 및 흡기 스로틀 밸브 (29) 의 개도에 대한 개도 결정 라인들 (함수들) L1 및 L2 각각이 밸브의 개도가 일정 개도 이상 증가될 때조차 유량이 변화하지 않은 채 있는 불감대 부분을 갖는다는 것을 도시한다.
불감대를 검출하기 위하여, 불감대 평가 수단 (64) 은 EGR 가스 내의 잔류 공기 (연소실 내의 미사용 공기 [산소]) 를 포함한 추정 공기 과잉율 λ 을 산출한다. 산출된 추정 공기 과잉율 λ 의 변화율에 기초하여, 추정 공기 과잉율 λ 의 변화율이 소정 레벨보다 작을 때, EGR 밸브 (27) 와 흡기 스로틀 밸브 (29) 중 적어도 하나가 불감대 내의 일 상태 하에 있는 것으로 판단된다.
추정 공기 과잉율 λ 의 산출은 다음의 식들을 이용하여 추정 공기 과잉율 λ 산출 수단 (62) 에 의해 수행되며 :
Figure 112010022373596-pct00006
Figure 112010022373596-pct00007
여기서,
Ga 는 흡입 공기 질량 유량이고;
Gegr 은 EGR 가스 질량 유량이고;
Gegra 는 EGR 가스 유량 내의 공기 질량 유량이고;
Gf 는 샷당 분사된 연료 질량이고;
Lth 는 이론적 공연비이며;
(n-1) 은 전자 (former) 의 데이터 샘플링 사이클에 대한 전자의 연산 결과를 나타내는 인덱스이다.
식 (1) 에서의 흡입 공기 질량 유량 (Ga) 은 공기 유량계 (50) 로부터의 검출된 신호를 이용하여 산출되고; EGR 가스 질량 유량 (Gegr) 은 EGR 가스 유량계 (52) 에 의해 검출된 EGR 가스 체적 유량 또는 EGR 냉각기 (25) 를 통한 EGR 가스의 차압 (pressure drop) 에 대한 측정치에 기초한 수치 계산을 통하여 산출된다. 이로써, 차압 측정에 대한 디바이스가 첨부된 도면에 도시되지 않는다는 것을 알게 된다.
EGR 가스 유량 내의 공기 질량 유량 (Gegra) 은 식 (2) 를 이용하여 전자의 데이터 샘플링의 산술 처리로부터 획득된, 연산 결과인 추정 공기 과잉율 λ(n-1) 을 이용하여 추정된다.
불감대 평가 수단 (64) 에서, θ 에 대한 λ 의 미분 계수, 즉, dλ/dθ 가 산출되고; dλ/dθ 의 값이 소정 값
Figure 112010022373596-pct00008
보다 작을 때, EGR 밸브 (27) 와 흡기 스로틀 밸브 (29) 중 적어도 하나가 불감대 내의 일 상태 하에 있는 것으로 판단된다.
상기 설명한 바와 같이 EGR (배기 가스 재순환) 제어장치에서, EGR 밸브 및 흡기 스로틀 밸브에 대한 밸브 개도가 불감대에 있는지 여부는 배기 가스 시스템으로부터 흡기 시스템으로 환류되는 EGR 가스 내의 잔류 공기 (연소실 내의 미사용 공기 [산소]) 를 고려하여 산출되는 추정 공기 과잉율 λ 의 변화율을 이용하여 평가되며; 또한, EGR 가스 유량 뿐만 아니라 잔류 공기 (산소) 도 상기 산출 시에 고려되며; 따라서, 불감대에 있는지 여부는 향상된 유량 검출로 인해 정확하게 추정될 수 있다.
이제, 불감대 평가 수단 (64) 에 대한 상기 설명에 이어, 도 7 의 흐름도를 참조하여 불감대 보상 수단 (66) 에 대해 설명된다.
단계 S1 에서, 일련의 처리가 시작되며; 단계 S2 에서, 제어 지령 신호 θ(t) 및 θ(t-1) 이 판독되며, 여기서, θ(t) 는 현재의 밸브 제어 지령 신호를 나타내고, θ(t-1) 는 일 동작 (또는 샘플링) 사이클 전의 전자의 연산 단계에서의 밸브 제어 지령 신호를 나타낸다.
단계 S3 에서, 추정 공기 과잉율 λ 이 식 (1) 에 기초하여 추정 공기 과잉율 λ 산출 수단 (62) 에 의해 산출된다. 단계 S4 에서, θ 에 대한 λ 의 미분 계수, 즉 상기 설명된 dλ/dθ 가 상기 설명된 소정 값
Figure 112010022373596-pct00009
보다 작은지 여부가 판단된다.
단계 S4 에서, 추정 결과가 예이면, 단계 S4 다음에는, 상기 θ(t) 가 도 2 의 θ1 이하인지 여부가 판단되는 단계 S5 가 후속되며; 상기 추정 결과가 아니오이면, 단계 S10 이 단계 S4 를 따른다.
단계 S5 에서, θ(t) 가 θ1 이하인 것으로 추정될 때, 단계 S5 다음에는, 라인 L2 (도 2 참조) 에 대한 시프트량 SE (도 3 참조) 으로서 양 (θ1 - θ(t)) 이 확립되는 단계 S6 이 후속되며; 그리고, 단계 S7 에서, 라인 L2 에 대한 플래그 FE 로서 플래그 1 이 설정된다. 라인 L2 는 전술한 바와 같이 EGR 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인 (함수) L2 이라는 것을 알게 된다.
즉, 도 2 에서 θ = θ(t) 일 때, (흡기 스로틀 밸브가 완전 개방 상태를 향하고 있는 도중이기 때문에, 즉, θ(t) 가 증가중이기 때문에) EGR 밸브가 불감대에 있는 것으로 추정되고; 이로써, 흡기 스로틀 밸브의 개도는 그 자신의 완전 개방 상태에 도달하지 않으며; 이제, EGR 밸브 개도 지령 신호에 대한 라인 L2 는, λ 이 변할 수 없는 불감대 효과가 제거될 수 있도록 시프트량 SE = (θ1 - θ(t)) 만큼 화살표 방향 (도 3 참조) 으로 시프트된다.
상기 방법에 있어서, 도 3 에 도시한 바와 같이, EGR 밸브 (27) 는 θ 가 θ1 에 도달하기 전인 θ = θ(t) 에서 폐쇄되기 시작한다. 따라서, EGR 밸브 (27) 의 폐쇄 타이밍이 앞당겨 질 수 있으며; 따라서, EGR 밸브 (27) 는 (EGR 밸브 개도 지령 신호에 대한) L2 의 불감대의 영향 없이 그 자신의 폐쇄 시작을 서두를 수 있다. 이렇게 하여, EGR 밸브의 폐쇄 움직임은 흡기 스로틀 밸브 (29) 를 통한 공기 흐름이 스무스하게 수행될 수 있도록 서두르게 되고; 그 결과, θ(t) 의 급한 증가 동안 (즉, 급한 가속 동안) 의 엔진 속도 응답이 향상될 수 있다.
한편, 단계 S5 에서, θ(t) 가 θ1 을 초과하는 것으로 판단되는 경우, 단계 S5 다음에는, 라인 L1 (도 5 참조) 에 대한 시프트 움직임량 ST (도 5 참조) 로서 양 (θ1 - θ(t)) 이 확립되는 단계 S8 이 후속되며; 후속 단계 S9 에서, 라인 L1 에 대한 플래그 FT 로서 플래그 1 이 설정된다. 라인 L1 은 전술한 바와 같이 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인 (함수) L1 이라는 것을 알게 된다.
즉, 도 2 에서 θ = θ(t) [우측 θ(t)] 일 때, (EGR 밸브가 완전 개방 상태를 향하고 [도 2 의 좌측을 향하고] 있는 도중이기 때문에, 즉, θ(t) 가 감소중이기 때문에) 흡기 스로틀 밸브 (29) 가 불감대에 있는 것으로 추정되며; 이로써, EGR 밸브의 개도는 완전 개방 상태에 도달하지 않으며; 이제, 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 신호에 대한 라인 L1 은, λ 이 변할 수 없는 불감대 효과가 제거될 수 있도록 양 ST = (θ1 - θ(t)) 만큼 화살표 방향 (도 5 참조) 으로 시프트된다.
상기 방법에 있어서, 도 5 에 도시한 바와 같이, 흡기 스로틀 밸브 (29) 는 θ 가 θ1 에 도달하기 전인 θ = θ(t) 에서 폐쇄되기 시작하며; 이로써, θ(t) 가 지금 수평축의 우측 절반에서 좌측을 향하여 이동중인 것을 알게 된다. 따라서, 흡기 스로틀 밸브 (29) 의 폐쇄 타이밍이 앞당겨 질 수 있으며; 따라서, 흡기 스로틀 밸브는 (흡기 스로틀 밸브 개도 지령 신호에 대한) L1 의 불감대의 영향 없이 그 자신의 폐쇄 시작을 서두를 수 있다. 이렇게 하여, 흡기 스로틀 밸브의 폐쇄 움직임은 연소실로의 EGR 가스 흐름이 스무스하게 수행될 수 있도록 서두르게 되며; 그 결과, EGR 가스 흐름 또는 EGR 율에 대한 응답이 향상될 수 있다.
다음에, 단계 S10 에서, EGR 밸브 개도에 대한 지령 신호 레벨이 라인 L2' (도 3 참조) 에 기초하여 제어 지령 신호 θ 에 응답하여 산출되고; 이로써, 라인 L2' 는 EGR 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인 (함수) L2 의 상기 설명된 시프트에 의해 획득되는 라인으로서 정의된다. 또한, 단계 S11 에서, 흡기 스로틀 밸브 개도에 대한 지령 신호 레벨이 라인 L1' (도 5 참조) 에 기초하여 제어 지령 신호 θ 에 응답하여 산출되며; 이로써, 라인 L1' 는 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인 (함수) L1 의 상기 설명된 시프트에 의해 획득되는 라인으로서 정의된다. 다음 단계 S12 에서, 산출된 지령 신호 레벨들이 EGR 밸브 및 흡기 스로틀 밸브에 대한 제어 지령 신호로서 이용하도록 기억된다. 단계 S13 에서, 일련의 처리가 종료된다.
도 3 에 나타낸 바와 같이, θ(t) 가 증가중인 경우에, EGR 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인 L2 가 시프트되고 EGR 밸브 (27) 의 동작이 앞당겨 지게 된다면, EGR 밸브는 θ(t) 가 θ2 에 도달하기 전에 완전히 폐쇄된다 (개도 = 0). EGR 밸브가 완전히 폐쇄될 때 θ(t) 가 θb 와 같은 것으로 가정하면, EGR 밸브 개도는 θ(t) 가 θb 이상인 조건 하에서, 개도가 증가될 수 없는 상태에 있어야 하며; 이 경우에, θ(t) 가 θb 보다 작게 되지 않으면, EGR 밸브 개구가 개방될 수 없다. 따라서, θ(t) 가 감소 패턴으로 바뀌는 경우에, EGR 밸브 제어 지령 라인 L2' 은 본 발명에서 표준 라인 L2 로 돌아가게 된다. 이 절차는 본 명세서에서 리턴-백 절차로 불리게 된다.
상기 리턴-백 절차는 도 8 에서 절차 A 로서 언급되고, 이제 도 4 및 도 8 에서의 흐름도를 참조하여 설명된다.
도 8 에서, 일련의 처리가 단계 S21 에서 시작된 후에, 제어 지령 신호들 (θ(t) 및 θ(t-1)) 이 단계 S22 에서 판독되고; 단계 S23 에서, EGR 밸브에 대한 지령 개도가 라인 L2 가 시프트된 것인 라인 L2' 및 θ(t) 에 기초하여 산출된다.
후속 단계 S24 에서, EGR 밸브 개도 지령 라인에 대한 플래그 FE 가 1 인지 여부가 판단되고, FE = 1 이면 (라인 시프트 [L2' 에서 L2] 가 수행되고, 플래그 FE 가 도 7 의 단계 S7 에서 설정되는 경우에), 단계 S24 다음에 단계 S25 가 후속된다. 단계 S25 에서, EGR 밸브 개도 지령 레벨이 0 (완전히 폐쇄) 인지 여부가 판단된다. 그 레벨이 0 (완전 폐쇄) 이면, 단계 S25 다음에는 단계 S26 이 후속된다. 단계 S26 에서, 값 (θ(t) - θ(t-1)) 이 포지티브인지 여부가 판단되며; 그 값이 포지티브이면, 제어 지령 신호 θ(t) 가 증가중인 것으로 추정된다. 값 (θ(t) - θ(t-1)) 이 증가중이면, 단계 S26 다음에는, EGR 밸브 개도 지령 라인에 대한 시프트량 SE 가 값 (θ2 - θ(t-1)) 으로 재확립되는 단계 S27 이 후속된다. 후속 단계 S28 에서, (θ2 - θ(t)) 와 같은 시프트량 SE 가 넌-포지티브인지 여부가 판단되고; 즉, θ(t) 가 θ2 에 도달하는지 여부가 판단되며; SE 가 θ2 에 도달하지 않는다면, SE 가 θ2 에 도달하지 않는 동안 단계 S22 로의 리턴이 수행되며 (계속되며); 따라서, 시프트량 SE 의 결정에 대한 반복 산출이 매 연산 사이클 (θ(t) 또는 θ(t-1) 에 대한 매 임포트 (import)) 마다 반복된다. θ(t) 가 최종적으로 θ2 에 도달할 때, 단계 S28 다음에는, EGR 밸브 개도 지령 라인에 대한 플래그 FE 가 0 으로 클리어되는 단계 S29 가 후속된다. 단계 S30 에서, 일련의 처리가 종료된다.
상기 설명된 절차 A 에 관한 상세한 상황이 도 4 를 참조하여 설명된다.
EGR 밸브 개도 지령 라인에 대한 시프트량 SE (= θ2 - θ(t)) 은 매 연산 사이클마다 반복적으로 산출되고; 그 시프트량 SE 는 SEb 에서 SEc, SEd, ??? 를 향하여 변하고; 따라서, 시프트 완료 후의 라인 L2' 는 표준 라인 L2 로 다시 돌아가고; 이로써, EGR 밸브 개도가 널이 되는 라인 풋 포인트 θb 는 우측으로 이동하여, θc 및 θd 와 같은 포인트들을 통과하며; 따라서, 라인 L2' 는 θ(t) 가 우측으로 이동할 때 우측으로 이동한다. 따라서, θ(t) 움직임이 좌측 방향 (즉, 감소 방향) 으로 바뀌더라도, EGR 밸브가 충분히 그리고 즉시 개방될 수 없다는 걱정이 없다. 따라서, EGR 밸브의 개폐 응답성이 향상될 수 있다. 그 결과, 엔진에 대한 낮은 방출성이 향상될 수 있다.
EGR 밸브 개도에 대한 상기 설명된 절차 A 의 개념은 흡기 스로틀 밸브 (29) 에 대한 절차 B 에 적용된다. 절차 B 는 이제 도 6 및 도 9 에서의 흐름도를 참조하여 설명된다.
도 6 에 나타낸 바와 같이, θ(t) 가 감소중인 경우에, 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인 L1 이 시프트되고 흡기 스로틀 밸브 (29) 의 동작이 앞당겨 지게 되는 경우, 흡기 스로틀 밸브 (29) 는 θ(t) 가 θ0 에 도달하기 전에 완전히 폐쇄 (개도 = 0) 된다.
흡기 스로틀 밸브 (29) 가 완전히 폐쇄될 때 θ(t) 가 θb 와 같은 것으로 가정하면, 흡기 스로틀 밸브 개도는 θ(t) 가 θb 이하인 조건 하에서, 개도가 증가될 수 없는 상태에 있어야 하며; 이 경우에, θ(t) 가 θb 을 초과하지 않으면, 흡기 스로틀 밸브 개구가 개방될 수 없다. 따라서, θ(t) 가 증가 패턴으로 바뀌는 경우에, 흡기 스로틀 밸브 제어 지령 라인 L1' 는 본 발명에서 표준 라인 L1 로 돌아가게 된다. 이 절차는 또한 본 명세서에서 리턴-백 절차로 불리게 된다.
도 9 에서, 일련의 처리가 단계 S41 에서 시작된 후에, 제어 지령 신호들 (θ(t) 및 θ(t-1)) 이 단계 S42 에서 판독되고; 단계 S43 에서, 흡기 스로틀 밸브 (29) 에 대한 지령 개도는 라인 L1 이 시프트된 것인 라인 L1' 및 θ(t) 에 기초하여 산출된다.
후속 단계 S44 에서, 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 라인에 대한 플래그 FT 가 1 인지 여부가 판단되고, FT = 1 이면 (라인 시프트 [L1' 에서 L1] 가 수행되고, 플래그 FT 가 도 7 의 단계 S9 에서 설정되는 경우에), 단계 S44 다음에 단계 S45 가 후속된다. 단계 S45 에서, 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 레벨이 0 (완전 폐쇄) 인지 여부가 판단되고, 레벨이 0 (완전 폐쇄) 이면, 단계 S45 다음에 단계 S46 이 후속된다. 단계 S46 에서, 값 (θ(t) - θ(t-1)) 이 네거티브인지 여부가 판단되고, 그 값이 네거티브이면, 제어 지령 신호 θ(t) 가 감소중인 것으로 추정된다. 값 (θ(t) - θ(t-1)) 이 감소중인 경우, 단계 S46 다음에는, 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 라인에 대한 시프트량 ST 가 값 (θ(t) - θ0) 으로 재확립되는 단계 S47 이 후속된다.
후속 단계 S48 에서, (θ(t) - θ0) 와 같은 시프트량 ST 가 넌-포지티브인지 여부가 판단되고; 즉, θ(t) 가 θ0 에 도달하는지 여부가 판단된다. SE 가 θ0 에 도달하지 않는 경우, ST 가 θ0 에 도달하지 않는 동안 단계 S42 로의 리턴이 수행된다 (계속된다). 따라서, 시프트량 ST 의 결정에 대한 반복 산출이 매 연산 사이클 (θ(t) 또는 θ(t-1) 에 대한 매 임포트) 마다 반복된다. θ(t) 가 최종적으로 θ0 에 도달할 때, 단계 S48 다음에는, 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 라인에 대한 플래그 FT 가 0 으로 클리어되는 단계 S49 가 후속된다. 단계 S50 에서, 일련의 처리가 종료된다.
상기 설명된 절차 B 에 관한 상세한 상황이 도 6 을 참조하여 설명된다. 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 라인에 대한 시프트량 ST (= θ(t) - θ0) 는 매 연산 사이클마다 반복적으로 산출된다. 시프트량 ST 는 STb 에서 STc, STd, ??? 를 향하여 변하며, 따라서, 시프트 완료 후의 라인 L1' 는 표준 라인 L1 로 다시 돌아가며, 이로써, 흡기 스로틀 밸브 개도가 널이 되는 라인 풋 포인트 θb 는 우측으로 이동하여, θc 및 θd 와 같은 포인트들을 통과하고; 따라서, 라인 L2' 는 θ(t) 가 우측으로 이동할 때 우측으로 이동한다. 따라서, θ(t) 움직임이 좌측 방향 (즉, 증가 방향) 으로 바뀌더라도, 흡기 스로틀 밸브가 충분히 그리고 즉시 개방될 수 없다는 걱정이 없다. 따라서, 흡기 스로틀 밸브의 개폐 응답성이 향상될 수 있다. 그 결과, 엔진에 대한 낮은 방출성이 향상될 수 있다.
이하에, 불감대 평가 수단 (64) 에 관련한 다른 실시형태가 이제 설명된다. 전술한 바와 같이, 불감대 평가 수단 (64) 에서, 추정 공기 과잉율 λ 이 산출되고, θ 에 대한 λ 의 미분 계수, 즉, dλ/dθ 가 또한 산출된다. 즉, 추정 공기 과잉율 λ 의 변화율이 소정 레벨
Figure 112010022373596-pct00010
보다 작을 때, 즉, EGR 밸브 (27) 또는 흡기 스로틀 밸브 (29) 에 대한 유량의 변화율이 실질적으로 무시해도 좋을 정도일 때, EGR 밸브 (27) 와 흡기 스로틀 밸브 (29) 중 적어도 하나가 불감대 내의 일 상태 하에 있는 것으로 판단된다. 그러나, 이로써 설명되는 실시형태에서 (불감대 평가 수단 (100) 에서) 는, 밸브들이 그들의 불감대에서 동작되는지 여부를 평가하기 위하여 산출된 추정 공기 과잉율 λ 대신에 산소 농도계 (102) 에 의해 검출되는 산소 농도가 사용된다.
도 10 은 본 실시형태의 구성을 나타낸다. 산소 농도계 (102) 가 EGR 통로 (23) 및 흡기 통로 (13) 에 대한 합류점의 하류측에 있는 공기 또는 가스 통로인 인렛 매니폴드에 제공된다. 도 10 에 나타낸 바와 같이, EGR 제어장치 (104) 내의 불감대 평가 수단 (100) 은 산소 농도계 (102) 에 의해 검출된 산소 농도의 변화율이 소정의 임계 레벨 이하인지 여부를 판단한다. 검출된 산소 농도가 임계 레벨 이하인 경우, 불감대 평가 수단 (100) 은 밸브들 (27 및 29) 중 적어도 하나가 불감대에서 동작되는 것으로 판단한다. 불감대 평가 수단 (100) 내의 불감대 보상 수단 (66) 은 흡기 스로틀 밸브 (29) 에 대한 개도 지령 라인 L1 및 EGR 밸브 (27) 에 대한 개도 지령 라인 L2 에 대해 보정을 행한다.
따라서, 연소실로 흡입되는 공기 또는 가스의 산소 농도가 EGR 통로 (23) 및 흡기 통로 (13) 에 대한 합류점의 하류측에 있는 공기 또는 가스 통로인 인렛 매니폴드에 제공되는 산소 농도계 (102) 에 의해 검출되며; 이로써, 잔류 공기 (연소실에서 미사용되는 공기 [또는 산소]) 가 고려된다. 또한, 산소 농도의 변화율에 기초하여, 밸브들이 그들의 불감대에서 동작되는지 여부가 판단되고; 즉, 그 판단은 연소실로 흐르는 공기/가스 흐름의 변화가 아니라 공기/가스 흐름의 검출된 산소 농도의 변화율에 기초한다. 따라서, 정확한 판단이 실현될 수 있다.
본 실시형태에서, 상기 설명된 판단을 행하는데 있어서, 산소 농도계 (102) 로부터의 신호들만이 필요하게 된다. 따라서, 흡입된 공기/가스 압력 및 온도가 검출되고 추정 공기 과잉율 λs 이 소정의 식들을 통해 산출되는 방법과 비교하여 밸브 개도 제어가 단순화될 수 있다.
본 발명에 의하면, 디젤 엔진을 제어하는 EGR 제어장치가 제공될 수 있고, 그 장치는 EGR 밸브 및 흡기 밸브를, 밸브들 양자가 연성 모드에서 동작되게 하는 단일의 제어 지령 신호로 제어하도록 구성되고, 여기서, EGR 가스 유량은 물론 가속 동안의 엔진 속도에 대한 응답성이 흡기 스로틀 밸브 및 EGR 밸브에 고유한 불감대에 관한 보상에 의하여 향상된다. 특히, 본 발명은 내부 연소 기관의 EGR 제어장치를 제공할 수 있으며, 여기서, EGR 시스템은 급한 가속에 응답하여 더 큰 EGR 유량 상태의 순간부터 순신간에 중단될 수 있으며, 더 큰 EGR 유량 상태는 EGR 밸브가 완전히 개방되고 흡기 스로틀 밸브가 흡입된 신선한 공기를 감소시키도록 폐방향으로 활성화되며, 상당한 양의 EGR 가스가 엔진으로 흡입되는 상태를 의미한다. 따라서, 본 발명은 디젤 엔진과 같은 내부 연소 기관에 적용가능하다.

Claims (7)

  1. 디젤 엔진을 제어하는 EGR (Exhaust Gas Re-circulation; 배기 가스 재순환) 제어장치로서,
    상기 디젤 엔진은,
    상기 디젤 엔진의 EGR 유량이 조정되는 EGR 밸브,
    상기 디젤 엔진의 흡기 유량이 조정되는 흡기 스로틀 밸브, 및
    상기 EGR 밸브의 개도가 상기 흡기 스로틀 밸브의 개도에 관련하여 동작되는 메커니즘을 포함하며;
    상기 EGR 밸브 및 상기 흡기 스로틀 밸브의 개도에 대한 개도 결정 라인들 (특성 곡선들) 각각은 밸브의 개도가 일정 개도 이상 증가되더라도 유량이 변화하지 않은 채 있는 불감대 부분 (dead zone part) 을 가지며;
    상기 EGR 제어장치에는 EGR 가스 내의 잔류 산소를 고려하여 추정 공기 과잉율 λ 을 산출하는 불감대 평가 수단이 제공되며; 이로써, 상기 산출된 추정 공기 과잉율 λ 의 변화율에 기초하여 상기 추정 공기 과잉율 λ 의 변화율이 소정 레벨보다 작을 때 상기 EGR 밸브와 상기 흡기 스로틀 밸브 중 적어도 하나의 밸브가 불감대에서 동작되는 것으로 판단되며;
    상기 EGR 제어장치에는 상기 불감대 평가 수단이 상기 EGR 밸브와 상기 흡기 스로틀 밸브 중 적어도 하나의 밸브가 불감대에서 동작되는 것으로 판단하고 상기 디젤 엔진이 과도 응답 상태 하에 있을 때 불감대가 공동의 (conjunct) 개도 동작에 관한 상기 메커니즘을 방해하지 않도록 상기 EGR 밸브 및 상기 흡기 스로틀 밸브에 대한 개도 지령 신호들에 관하여 보정을 행하는 불감대 보상 수단이 제공되는, EGR 제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 EGR 제어장치는 EGR 밸브 개도 지령 신호 및 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 신호가 단일의 (simple) 제어 지령 신호로부터 생성되는 EGR 및 스로틀 밸브 개도 설정 수단을 더 포함하며, 상기 흡기 스로틀 밸브 및 상기 EGR 밸브 각각에 대한 개도 지령 결정 라인은 상기 단일의 제어 지령 신호의 함수로서 특정되며;
    상기 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인은 상기 단일의 제어 지령 신호가 증가함에 따라 계속 선형 상승되는 반면,
    상기 EGR 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인은 상기 단일의 제어 지령 신호가 증가함에 따라 계속 선형 하락되며;
    상기 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 신호의 상승 라인 부분과 상기 EGR 밸브 개도 지령 신호의 하락 라인 부분은 서로 교차하며;
    상기 불감대 보상 수단에서, 상기 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인, 및 상기 EGR 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인은 상기 단일의 제어 지령 신호의 증가 또는 감소에 응답하여 상기 단일의 제어 지령 신호에 대한 축 방향을 따라 시프트되는, EGR 제어장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 불감대 보상 수단은 상기 EGR 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인을 상기 흡기 스로틀 밸브의 개도 증가에 응답하여 상기 EGR 밸브의 불감대가 좁아지게 되는 방향으로 시프트하며, 상기 개도는 상기 흡기 스로틀 밸브에 대한 신호인 상기 단일의 제어 지령 신호의 명령 (order) 에 기초하여 그의 개도 결정 라인을 따라 이동하는, EGR 제어장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 불감대 보상 수단은 상기 흡기 스로틀 밸브에 대한 신호인 상기 단일의 제어 지령 신호가 불감대가 좁아지게 되는 상기 EGR 밸브 개도 결정 라인에 대한 상기 하락 라인 부분이 상기 단일의 제어 지령 신호에 대한 수평축과 교차하는 포인트에 도달한 후에는 물론, 상기 흡기 스로틀 밸브에 대한 신호인 상기 단일의 제어 지령 신호가 상기 포인트를 증가 방향으로 통과한 후에도, 상기 EGR 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인을 상기 EGR 밸브에 대한 불감대가 좁아지게 되지 않는 원위치로 다시 시프트하는, EGR 제어장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 불감대 보상 수단은 상기 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인을 상기 EGR 밸브의 개도 증가에 응답하여 상기 흡기 스로틀 밸브의 불감대가 좁아지게 되는 방향으로 시프트하며, 상기 개도는 상기 EGR 밸브에 대한 신호인 상기 단일의 제어 지령 신호의 명령에 기초하여 그의 개도 결정 라인을 따라 이동하는, EGR 제어장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 불감대 보상 수단은 상기 흡기 스로틀 밸브에 대한 신호인 상기 단일의 제어 지령 신호가 불감대가 좁아지게 되는 상기 흡기 스로틀 밸브 개도 결정 라인에 대한 상기 상승 라인 부분이 상기 단일의 제어 지령 신호에 대한 수평축과 교차하는 포인트에 도달한 후에는 물론, 상기 흡기 스로틀 밸브에 대한 신호인 상기 단일의 제어 지령 신호가 상기 포인트를 감소 방향으로 통과한 후에도, 상기 흡기 스로틀 밸브 개도 지령 신호에 대한 개도 결정 라인을 상기 흡기 스로틀 밸브에 대한 불감대가 좁아지게 되지 않는 원위치로 다시 시프트하는, EGR 제어장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 EGR 제어장치에는 EGR 통로 및 흡기 통로에 대한 합류점의 하류측에 있는 공기 또는 가스 통로에 산소 농도계가 제공되며,
    상기 산출된 추정 공기 과잉율을 이용하는 상기 불감대 평가 수단은 상기 산출된 추정 공기 과잉율이 아니라 상기 산소 농도계에 의해 검출되는 산소 농도에 기초하여 상기 흡기 스로틀 밸브와 상기 EGR 밸브 중 적어도 하나의 밸브가 불감대에서 동작되는지 여부를 판단하는 불감대 평가 수단으로 교체되는, EGR 제어장치.
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