KR101241219B1 - 엔진의 이지알시스템 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 엔진의 이지알시스템 제어방법은, 본 발명에 따른 엔진의 이지알시스템 제어방법은, 이지알라인을 흐르는 이지알가스의 목표질량유량(
Figure 112010080224641-pat00029
)을 연산하는 단계, 상기 이지알라인에 설치된 이지알밸브의 유효흐름면적(EFA: effective flow area)을 연산하는 단계, 상기 목표질량유량을 상기 유효흐름면적으로 나누어 이지알흐름감도(EGR flow sensitivity)를 계산하는 단계, 및 상기 이지알흐름감도를 상기 이지알밸브의 목표개도량에 반영하여 상기 이지알밸브의 실제 개도량을 제어하는 단계를 포함한다.
따라서, 이지알가스의 목표질량유량과 상기 이지알밸브의 유효흐름면적에 따라서, 감도(sensitivity)를 실시간으로 변동시킴으로써, 이지알밸브의 실제개도량을 정밀하고 신속하게 제어할 수 있다.

Description

엔진의 이지알시스템 제어방법{CONTROLING MEHOD FOR EGR SYSTEM OF ENGINE}
본 발명은 배기라인의 배기가스를 흡기라인으로 재순환시키고, 재순환가스의 유량을 정밀하게 제어하는 엔진의 이지알(EGR: exhaust gas recirculation)시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 차량에 탑재되는 대부분의 디젤엔진(diesel engine)에는 배기가스 규제에 대응하기 위해 배기가스 재순환 시스템이 설치된다.
배기가스 재순환 시스템은 엔진에서 배출되는 배기가스의 일부를 실린더의 흡기 장치로 되돌림으로써 엔진의 연소 온도를 내리고, NOx의 발생량을 저감시킨다.
재순환되는 배기가스(이지알 가스: EGR gas)는 설정온도로 냉각되어 흡기매니폴드로 공급되도록, 이지알밸브와 이지알쿨러가 배치된다.
엔진의 회전속도와 연료분사량을 적용하여 피드포워드(feed forward) 제어로 이지알밸브를 제어하여 이지알 가스의 유량을 제어하고, MAF는 이지알가스의 유량을 간접적으로 감지한다.
한편, 엔진의 회전속도와 연료분사량에 따라서 설정되는 이지알가스의 유량은 여러 가지로 가변될 수 있으며, 이지알가스의 실제 유동이 반영되지 않으며, 특정 조건에서는 실제로 피드백 제어에 방해가 되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 배기라인에서 흡기라인으로 재순환되는 배기가스의 유량을 정밀하게 제어하여, 연료소모를 감소시키고 배기가스의 품질(quality)을 향상시키는 엔진의 이지알시스템 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 엔진의 이지알시스템 제어방법은, 이지알라인을 흐르는 이지알가스의 목표질량유량(
Figure 112010080224641-pat00001
)을 연산하는 단계, 상기 이지알라인에 설치된 이지알밸브의 유효흐름면적(EFA: effective flow area)을 연산하는 단계, 상기 목표질량유량을 상기 유효흐름면적으로 나누어 이지알흐름감도(EGR flow sensitivity)를 계산하는 단계, 및 상기 이지알흐름감도를 상기 이지알밸브의 목표개도량에 반영하여 상기 이지알밸브의 실제 개도량을 제어하는 단계를 포함한다.
상기 이지알가스의 목표질량유량는 수식(1),
Figure 112010080224641-pat00002
에 의해서 연산되고, 여기서,
Figure 112010080224641-pat00003
는 이지알가스의 목표질량유량이고,
Figure 112010080224641-pat00004
는 흡기되는 공기의 계측된 질량유량이고,
Figure 112010080224641-pat00005
는 실린더 안으로 흡입되는 공기의 질량유량이다.
상기 유효흐름면적(EFA)는 수식(2),
Figure 112010080224641-pat00006
에 의해서 연산되는 것을 특징으로 하고, 여기서, Rexh은 배기가스의 기체상수이고, Texh는 배기가스의 온도이며, PR은 상기 이지알밸브의 전후단 압력비이고, k는 비열비이며, pcr 은 설정치인 임계값이다.
앞에서 기재된 바와 같이 본 발명에 따른 엔진의 이지알시스템 제어방법에서, 운전조건에 따라서, 이지알라인을 흐르는 이지알가스의 목표질량유량을 정확하고 신속하게 연산하고, 이에 따른 이지알밸브의 개도량을 정확하고 신속하게 반영하여, 이지알가스의 유량을 정확하고 신속하게 제어할 수 있다. 즉, 이지알가스의 목표질량유량과 상기 이지알밸브의 유효흐름면적에 따라서, 게인값을 실시간으로 변동시킴으로써, 이지알밸브의 실제개도량을 정밀하고 신속하게 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 이지알시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 이지알시스템 제어방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 이지알시스템 제어방법에서 제어인자들을 보여준다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 이지알시스템 제어방법에 의한 효과를 보여주는 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 이지알시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 엔진의 이지알시스템은 엔진(100), 배기라인(120), 촉매(110), 흡기라인(160), 이지알라인(140), 이지알밸브(130), 이지알쿨러(150), 및 제어부(170)를 포함한다.
아울러, 상기 이지알밸브(130)의 전후단 차압을 감지하는 차압센서(미도시), 상기 이지알라인(140)을 지나는 이지알가스의 실제유량을 감지하는 이지알유량감지부(미도시), 및 상기 흡기라인(160)을 지나는 흡기의 실제유량을 감지하는 흡기유량감지부(미도시)를 포함한다.
상기 엔진(100)에서 생성되는 배기가스는 상기 배기라인(120)을 통해서 대기로 방출되는데, 상기 촉매(110)에서 유래물질이 저감되고, 일부는 상기 이지알라인(140)을 통해서 상기 흡기라인(160)으로 재순환된다.
상기 제어부(170)는 상기 이지알밸브(130)의 개도량을 제어하여, 상기 이지알라인(140)을 통해서 흐르는 이지알가스를 정밀하게 제어한다.
도 2 및 도 3을 참조하여, 이지알밸브의 개도량을 제어하는 방법에 대해서 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 이지알시스템 제어방법을 보여주는 플로우차트이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 이지알시스템 제어방법에서 제어인자들을 보여준다.
도 2를 참조하면, 상기 제어부(170)는 운전조건(operating condition)으로써 흡기압력(Pint), 흡기온도(Tint), 엔진회전수(RPM), 배기압력(Pexh), 배기온도(Texh)을 감지하고, ①모델(model)을 실행한다. 여기서, Target MAF는 목표 흡기유량을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 목표EGR질량유량은 상기 이지알라인(140)을 흐르는 이지알 가스의 목표질량유량을 의미하는 것으로,
Figure 112010080224641-pat00007
은 흡기되는 공기의 질량유량(
Figure 112010080224641-pat00008
)과 실린더안으로 흡입되는 공기의 질량유량(
Figure 112010080224641-pat00009
)에 의해서 연산된다.
좀 더 상세하게는 목표EGR질량유량(이지알가스의 목표질량유량)은 아래 수식(1)에 의해서 연산된다.
[수식1]
Figure 112010080224641-pat00010
여기서,
Figure 112010080224641-pat00011
는
Figure 112010080224641-pat00012
이며,
Figure 112010080224641-pat00013
는 실린더의 체적효율이고,
Figure 112010080224641-pat00014
는 흡입되는 공기의 밀도이고,
Figure 112010080224641-pat00015
는 실린더 행정체적이고, N은 엔진회전수이며, 상기
Figure 112010080224641-pat00016
는
Figure 112010080224641-pat00017
이고, R은 기체상수이며, Tint는 흡입되는 공기의 온도이다.
도 2를 참조하면, 상기 제어부(170)는 운전조건(operating condition)으로 흡기압력(Pint), 흡기온도(Tint), 엔진회전수(RPM)을 감지하고, ①모델을 더 실행한다.
도 3을 참조하면, EGR질량모델은 목표EGR질량유량(이지알가스의 목표질량유량)
Figure 112010080224641-pat00018
에 의해서 계산된다.
좀 더 상세하게는 EGR유량모델은 상기 이지알밸브(130)의 유효흐름면적(EFA: effective flow area)을 구하기 위한 것으로 아래 수식(2)에 의해서 연산된다.
[수식2]
Figure 112010080224641-pat00019
여기서, Rexh은 배기가스의 기체상수이고, Texh는 배기가스의 온도이며, PR은 상기 이지알밸브(130)의 전후단 압력비이고, k는 배기가스의 비열비이며, pcr 은 설정치인 임계값이며, 배기가스의 온도와 상기 이지알밸브(130)의 전후단 압력은 차압센서(미도시)와 온도센서(미도시)에 의해서 감지된다. 본 발명의 실시예에서, 차압센서와 온도센서에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 2를 참조하면, 상기 이지알밸브(130)의 목표개도량(FF valve lift)은 아래 수식(3)에 의해서 연산된다.
[수식3]
Figure 112010080224641-pat00020

여기서, 상기 수식(3)은 실험데이터에 의해서 수학적으로 만들어진 그래프에 맞게 만들어진 커브피팅식(curve fitting formula)로써, EGR valve lift는 상기 이지알밸브(130)의 목표 밸브개도량을 나타내고, P1, P2, P3, P4 는 상수이며, EFA는 유효흐름면적을 나타낸다. 아울러, 상기 커브피팅식은 밸브의 설계사양에 따라서 달라질 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 상기 수식(3)에 의해서 연산된 상기 이지알밸브(130)의 목표 밸브개도량을 앞먹임제어(feed forward control)의 목표값으로 설정하여, 상기 이지알밸브(130)의 개도량을 제어한다.
도 2에서, FF valve lift는 앞먹임제어(fast forward)로 밸브개도량(valve lift)을 제어한다는 것을 의미한다.
본 발명의 실시예에 따라서, 도 2에서, 상기 제어부는 모델②(EGR flow sensitivity model)을 수행하여, 제어용 게인(controller gain)을 구하고, 선형제어부(linear controller)를 이용하여 상기 밸브개도량(EGR valve lift)을 보정하여, 모델③에서, 상기 이지알밸브(130)에 대한 개도량 신호(실제 EGR valve 개도량 신호 출력)를 출력한다.
지금부터, 상기 모델②에서 이지알흐름감도(EGR flow sensitivity)를 구하는 방법에 대해서 설명한다.
도 3을 참조하면, 이지알흐름감도(EGR flow sensitivity)는 이지알가스의 목표질량유량(
Figure 112010080224641-pat00021
)을 상기 이지알밸브(130)의 유효흐름면적(EFA)로 나눈 값이다.
여기서, 상기 이지알가스의 목표질량유량(
Figure 112010080224641-pat00022
)은 수식(1)을 참조하여 구할 수 있고, 상기 유효흐름면적(EFA)는 수식(2)에 의해서 구할 수 있다.
일반적으로 제어게인(controller gain)이 크면, 실제 제어인자(본 실시예에서는 이지알밸브의 개도량)가 과도하게 커지거나, 일정 주파수를 따라서 변동할 수 있으며, 제어게인이 작으면, 제어기의 반응속도(이지알밸브의 반응속도)가 느려지는 문제점이 있다.
그러나, 본 발명의 실시예에서는, 이지알가스의 목표질량유량과 상기 이지알밸브의 유효흐름면적에 따라서, 감도(sensitivity 또는 게인값)를 실시간으로 변동시킴으로써, 이지알밸브(130)의 실제개도량을 정밀하고 신속하게 제어할 수 있다.
따라서, 이지알가스의 질량유량에 대한 감도(sensitivity)가 높은 경우에는 게인값이 작아지고, 저부하나 저알피엠 같이 감도가 낮은 경우에는 게인값이 높아져, 이지알밸브(130)의 개도량이 과도하게 커지거나 반응속도가 느려지는 문제를 실시간으로 줄인다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 이지알시스템 제어방법에 의한 효과를 보여주는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 상기 이지알라인(140)을 흐르는 이지알가스의 질량유량(MAF: mass air flow)과 에러율을 보여준다.
도시한 바와 같이, Ref는 이지알가스 질량유량의 기준값을 나타내고, Meas는 측정된 이지알가스의 질량유량을 나타내는 것으로, 측정된 값이 기준값을 신속하게 따라가는 특성을 보여주고 있다. 아울러, 에러율(error rate)도 대부분의 영역에서 10 내지 20% 이내에서 변동하는 것을 볼 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 엔진
110: 촉매
120: 배기라인
130: 이지알밸브
140: 이지알라인
150: 이지알쿨러.
160: 흡기라인
170: 제어부

Claims (3)

  1. 이지알라인을 흐르는 이지알가스의 목표질량유량(
    Figure 112012109407233-pat00023
    )을 연산하는 단계;
    상기 이지알라인에 설치된 이지알밸브의 유효흐름면적(EFA: effective flow area)을 연산하는 단계;
    상기 목표질량유량을 상기 유효흐름면적으로 나누어 이지알흐름감도(EGR flow sensitivity)를 계산하는 단계; 및
    상기 이지알흐름감도를 상기 이지알밸브의 목표개도량에 반영하여 상기 이지알밸브의 실제 개도량을 제어하는 단계; 를 포함하며,
    상기 유효흐름면적(EFA)는 수식(2),
    Figure 112012109407233-pat00034
    에 의해서 연산되는 것을 특징으로 하는 엔진의 이지알시스템 제어방법.
    여기서, Pexh는 배기압력이며, Rexh은 배기가스의 기체상수이고, Texh는 배기가스의 온도이며, PR은 상기 이지알밸브의 전후단 압력비이고, k는 배기가스의 비열비이며, pcr 은 설정치인 임계값이다.
  2. 제1항에서,
    상기 이지알가스의 목표질량유량는 수식(1),
    Figure 112010080224641-pat00024
    에 의해서 연산되는 것을 특징으로 하는 엔진의 이지알시스템 제어방법.
    여기서,
    Figure 112010080224641-pat00025
    는 이지알가스의 목표질량유량이고,
    Figure 112010080224641-pat00026
    는 흡기되는 공기의 계측된 질량유량이고,
    Figure 112010080224641-pat00027
    는 실린더 안으로 흡입되는 공기의 질량유량이다.
  3. 삭제
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