KR101317413B1 - 녹스 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가상의 센서를 이용하여 상기 녹스의 발생량을 예측하고, 녹스 예측값을 기설정된 녹스 목표값과 비교하여, 상기 녹스 예측값이 상기 녹스 목표값을 추종하도록 녹스 발생량을 제어하는 녹스 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면 별도의 장비 없이도 녹스 발생량을 실시간으로 예측할 수 있고, 예측된 녹스 발생량을 이용하여 운전 상황에 맞추어 목표값을 설정함으로써 녹스 배출을 줄일 수 있는 방향으로 제어함으로써 배기성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다

Description

녹스 제어 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING NOX}
본 발명은 녹스 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 별도의 녹스 측정 센서 없이도 차량의 엔진에서 발생하는 녹스의 양을 예측하고 이를 이용하여 녹스를 제어할 수 있는 녹스 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
내연 기관들을 구비하는 차량에서의 오염물 배출 허용에 관한 법규들이 점점 더 엄격해지면서, 내연 기관의 동작 동안 오염물 배출을 가능한 한 낮게 유지하는 것이 요구되고 있다. 이를 얻을 수 있는 방법들 중 하나는 내연 기관의 각각의 실린더 내 공기/연료 혼합물의 연소 동안 발생하는 오염물 배출을 줄이는 것이다.
다른 하나는 내연 기관들 내 배기 가스 후처리 시스템을 사용하는 것인데, 배기 가스 후처리 시스템은 각각의 실린더 내 공기/연료 혼합물의 연소 프로세스 동안 발생한 배출된 오염물을 무해한 물질로 변환한다. 이런 목적으로 일산화탄소, 탄화수소 및 질소산화물을 무해한 물질로 변환하는 촉매 컨버터들이 사용된다.
이러한 배기 가스 촉매 컨버터를 사용하여 효율적으로 오염 성분을 변환하기 위해서는 녹스를 제어하는 기술이 필요하며, 녹스를 제어하기 위해서는 그 전제로서 엔진에서 발생하는 질소산화물 즉, 녹스(Nitrogen Oxides)의 양을 정확하게 측정하는 것이 필요하다.
종래기술의 경우 녹스의 양을 예측하기 위하여 별도로 배기 분석 장치나, 녹스 측정을 위한 센서를 구비하였다. 그러나 상기와 같은 배기 분석 장치나 녹스 측정 센서를 별도로 구비할 경우 비용이 상승되는 문제가 있었고, 엔진 배기가스 내의 조성물들이 배기 분석 장치나 녹스 센서를 오염시킴으로써 센서 자체가 오작동되는 문제가 있었다.
또한, 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 종래 녹스 예측 기술이 제시되었으나, 이러한 종래 기술들의 경우 지나치게 복잡한 계산과정을 통하거나, 단순화된 열발생율 식으로부터 계산된 온도를 이용하여 녹스를 예측하기 때문에 신뢰성이 떨어지는 문제가 있었다.
따라서, 상기와 같은 종래기술에 따르면 녹스의 양을 정확하고 신뢰성있게 예측하기 어려우므로 이를 기반으로 한 녹스 제어 기술 역시 신뢰할 수 없는 문제가 있었다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 연소압력 및 엔진의 운전 변수를 이용하여 별도의 배기 분석 장치나 녹스 측정 센서 없이도 정확하게 녹스의 양을 예측하고 이를 이용하여 녹스를 제어함으로써 신뢰성을 향상시킬 수 있는 녹스 제어 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명의 실시예에서는 녹스 제어 방법을 제공한다. 몇몇 실시예에서, 상기 녹스 제어 방법은 가상의 센서를 이용하여 상기 녹스의 발생량을 예측하는 단계; 상기 녹스 예측값을 기설정된 녹스 목표값과 비교하는 단계; 및 상기 녹스 예측값이 상기 녹스 목표값을 추종하도록 녹스 발생량을 제어하는 단계; 를 포함할 수 있다.
상기 제어 단계 이후 상기 녹스의 발생량을 예측하는 단계를 다시 실시하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제어 단계는 녹스 예측값이 상기 목표값 보다 작은 경우에는 연비 또는 출력 향상 모드로 운전하고, 상기 녹스 예측값이 상기 목표값 보다 큰 경우에는 배기 모드로 운전하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제어 단계는 연료량, 연료 분사시기, EGR율 및 부스트 압력 중 적어도 하나 이상을 제어함으로써 상기 녹스 발생량을 제어하는 것을 할 수 있다.
상기 가상의 센서를 이용하여 녹스의 발생량을 예측하는 단계는 엔진 연소압력 및 엔진 운전 변수를 이용하여 NO 발생률을 계산하는 단계와, 상기 엔진 연소압력을 이용하여 NO 생성기간을 산출하는 단계와, 상기 NO 발생률과 상기 NO 생성기간으로부터 NO 발생량을 계산하는 단계 및 상기 NO 발생량과 엔진 운전영역에 따른 NO와 NO2의 비율로부터 NO2 발생량을 산출하여 녹스(NOx) 발생량을 예측하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 엔진 운전 변수는 연료량, 엔진 회전수(RPM), 공연비(AF) 및 EGR 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 NO 발생률은 하기 수학식 1을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
<수학식 1>
Figure 112011092539194-pat00001
(상기 수학식 1에서 d[NO]/dt는 시간에 따른 NO 발생률이고, T는 화염 온도이며, [O2]는 연소실 내 산소농도이고, [N2]는 연소실 내 질소 농도이며, A와 B는 상수이다.)
상기 NO 생성기간은 MFB40-80 구간(Mass Fraction Burn, 질량연소분율, 40-80%) 또는 MFB50-90 구간(Mass Fraction Burn, 질량연소분율, 50-90%)을 사용하여 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에서는 녹스 제어 시스템을 제공한다. 몇몇 실시예에서, 상기 녹스 제어 시스템은 가상의 센서를 이용하여 상기 녹스의 발생량을 예측하는 측정부; 상기 녹스 예측값을 기설정된 녹스 목표값과 비교하는 판단부; 및 상기 녹스 예측값이 상기 녹스 목표값을 추종하도록 녹스 발생량을 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 녹스 예측값이 상기 목표값 보다 작은 경우에는 연비 또는 출력 향상 모드로 운전하고, 상기 녹스 예측값이 상기 목표값 보다 큰 경우에는 배기 모드로 운전하도록 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제어부는 연료량, 연료 분사시기, EGR율 및 부스트 압력 중 적어도 하나 이상을 제어함으로써 상기 녹스 발생량을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 가상의 센서는 엔진 연소압력 및 엔진 운전 변수를 이용하여 NO 발생률을 계산하고, 상기 엔진 연소압력을 이용하여 NO 생성기간을 산출하며, 이로부터 NO 발생량을 계산하고, 상기 NO 발생량과 엔진 운전영역에 따른 NO와 NO2의 비율로부터 NO2 발생량을 산출하여 녹스(NOx) 발생량을 예측하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 엔진 운전 변수는 연료량, 엔진 회전수(RPM), 공연비(AF) 및 EGR 중 적어도 하나 이상을 포함 할 수 있다.
상기 NO 발생률은 하기 수학식 1을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
<수학식 1>
Figure 112011092539194-pat00002
(상기 수학식 1에서 d[NO]/dt는 시간에 따른 NO 발생률이고, T는 화염 온도이며, [O2]는 연소실 내 산소농도이고, [N2]는 연소실 내 질소 농도이며, A와 B는 상수이다.)
상기 NO 생성기간은 MFB40-80 구간 (Mass Fraction Burn, 질량연소분율, 40-80%) 또는 MFB50-90 구간 (Mass Fraction Burn, 질량연소분율, 50-90%)을 사용하여 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 녹스 제어 시스템 및 방법에 따르면 복잡한 과정 없이 몇 가지 변수만으로 연소 과정에서 생성되는 녹스의 양을 예측할 수 있으며, 계산 시간이 짧으므로 엔진에 적용되어 실시간으로 녹스 예측이 가능하다.
또한, 예측된 녹스 발생량을 이용하여 운전 상황에 맞추어 목표값을 설정함으로써 녹스 배출을 줄일 수 있는 방향으로 제어하여 배기성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 녹스 제어 시스템의 구성도이다.
도 2는 EGR율 및 분사시기와 녹스 발생량과의 관계에 대한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 녹스 제어 방법의 흐름도이다.
도 4은 본 발명의 실시예에 따른 녹스 발생량 예측 방법의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 녹스 발생량 예측 방법의 개념도이다.
도 6은 산소농도와 질소농도 및 화염온도와 녹스 발생률과의 관계에 대한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 NO 생성기간을 도시한 그래프이다.
도 8는 본 발명의 실시예에 따른 NO 발생량에 관련된 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 녹스 제어 시스템(1)의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 녹스 제어 시스템(1)은 가상의 센서를 이용하여 상기 녹스의 발생량을 예측하는 측정부(10)와, 상기 녹스 예측값을 기설정된 녹스 목표값과 비교하는 판단부(20) 및 상기 녹스 예측값이 상기 녹스 목표값을 추종하도록 녹스 발생량을 제어하는 제어부(30)를 포함할 수 있다.
상기 측정부(10)는 녹스의 발생량을 예측하는 역할을 하는 부분으로서, 종래기술과 같이 별도의 녹스 양을 측정하는 센서를 구비하지 않고 가상의 센서를 이용하여 녹스의 발생량을 예측한다.
본 발명의 경우 상기와 같이 가상의 센서를 이용하여 녹스 발생량을 예측하기 때문에 종래기술에서 배기가스 내의 조성물들이 센서를 오염시켜 센서 자체가 오작동되는 문제를 해소할 수 있다.
상기 가상의 센서를 이용하여 녹스의 발생량을 예측하는 방법에 대해서는 하기 녹스 제어 방법 부분에서 상세하게 기술하도록 한다.
한편, 상기 판단부(20)는 상기 측정부(10)에서 예측된 녹스의 발생량의 예측값을 기설정된 녹스 목표값과 실시간으로 비교하고 판단하는 역할을 한다. 녹스 목표값은 차량의 환경 조건이나 운전 영역 등의 조건에 따라 달라질 수 있으며, 이러한 차량의 환경조건이나 운전 영역 등을 고려하여 녹스 목표값을 미리 설정할 수 있다.
상기 제어부(30)는 상기 녹스 예측값이 상기 녹스 목표값이 되도록 녹스의 발생량을 제어하는 역할을 하는 부분으로서 차량의 ECU(Electric Cotrol Unit) 등이 이에 해당될 수 있다.
하나 또는 다수의 실시예에서 상기 제어부(30)는 상기 녹스 예측값이 상기 목표값 보다 작은 경우에는 연비 또는 출력 향상 모드로 운전하고, 상기 녹스 예측값이 상기 목표값 보다 큰 경우에는 배기 모드로 운전하도록 제어할 수 있다.
상기 판단부(20)에서 비교한 결과 상기 녹스 예측값이 녹스 목표값 보다 작은 경우에는 녹스 발생량에 여유가 있으므로 상기 제어부(30)에서 연비 또는 출력 향상 모드로 운전하도록 제어하고 이렇게 제어하게 되면 녹스의 발생량이 증가하여 녹스 목표값에 근접하게 된다. 상기 측정부(10)는 실시간으로 녹스의 발생량을 측정하고, 판단부(20)에서도 녹스의 발생량이 목표값에 도달하는지 계속적으로 판단하므로 이를 통해 상기 제어부(30)에서 지속적으로 차량의 운전 모드를 제어하게 된다.
한편, 상기 판단부(20)에서 비교한 결과 상기 녹스 예측값이 녹스 목표값 보다 큰 경우에는 녹스 저감을 위해 상기 배기 모드로 운전하도록 제어한다.
하나 또는 다수의 실시예에서 상기 제어부(30)는 연료량, 연료 분사시기, EGR율 및 부스트 압력 중 적어도 하나 이상을 제어함으로써 상기 녹스 발생량을 제어할 수 있다. 도 2의 (a)에 실시예로 도시된 바와 같이 EGR율이 떨어질수록 녹스의 배출량은 상승하고, 도 2의 (b)에 실시예로 도시된 바와 같이 연료 분사시기가 커질수록 녹스 배출량이 커지게 된다. 연료량과 부스트 압력의 경우에도 마찬가지로 녹스 배출량과 소정의 관계를 가지게 되므로 이러한 특성을 이용하여 제어부(30)에서 연료량, 연료 분사시기, EGR율, 부스트 압력 중 어느 하나 이상을 제어함으로써 측정부(10)에서 산출되는 녹스 예측값이 상기 녹스 목표값에 도달하도록 제어할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 녹스 제어 방법에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 녹스 제어 방법은 가상의 센서를 이용하여 상기 녹스의 발생량을 예측하는 단계(S10)와, 상기 녹스 예측값을 기설정된 녹스 목표값과 비교하는 단계(S20) 및 상기 녹스 예측값이 상기 녹스 목표값을 추종하도록 녹스 발생량을 제어하는 단계(S30)를 포함할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 녹스 제어 방법은 실제 녹스 측정 센서를 구비하지 않고, 가상의 센서를 이용하여 녹스 발생량을 실시간으로 예측하고, 예측된 녹스 발생량이 설정된 목표값에 도달하도록 제어하는 것을 특징적인 구성으로 한다.
먼저, 가상의 센서를 이용하여 녹스의 발생량을 예측한다(S10).
이하에서는 가상의 센서를 이용하여 녹스의 발생량을 예측하는 방법(S10)에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 가상의 센서를 이용하여 녹스의 발생량을 예측하는 방법은 상술한 바와 같이 상기 녹스 제어 시스템에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 4은 본 발명의 실시예에 따른 가상의 센서를 이용한 녹스 발생량 예측 방법(S10)의 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가상의 센서를 이용한 녹스 발생량 예측 방법(S10)의 플로우차트이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 녹스 발생량 예측 방법(S10)은 보다 상세하게는, 엔진 연소압력(100) 및 엔진 운전 변수(200)를 이용하여 NO 발생률(300)을 계산하는 단계(S11)와, 상기 엔진 연소압력(100)을 이용하여 NO 생성기간(400)을 산출하는 단계(S12)와, 상기 NO 발생률(300)과 상기 NO 생성기간(400)으로부터 NO 발생량(500)을 계산하는 단계(S13) 및 상기 NO 발생량(500)과 엔진 운전영역에 따른 NO와 NO2의 비율로부터 NO2 발생량을 산출하여 녹스(NOx) 발생량을 예측하는 단계(S14)를 포함할 수 있다.
우선 엔진의 연소압력(100)(Pressure) 및 엔진 운전 변수(200)들을 이용하여 NO(일산화질소)의 발생률(300)을 계산한다(S11).
상기 엔진 운전 변수(200)에는 연료량(210)(mfuel)과, 엔진 회전수(220)(RPM)와, 공연비(230)(AF) 및 EGR량, EGR율(EGR_rate)과 같은 EGR(240) 정보가 포함될 수 있다. 이러한 엔진 운전 변수(200)들을 기초로 하여 NO 발생률(300)을 계산하게 된다.
하나 또는 다수의 실시예에서 상기 NO 발생률(300)은 하기의 수학식 1을 사용하여 계산할 수 있다.
Figure 112011092539194-pat00003
상기 수학식 1에서 d[NO]/dt는 NO 발생률(300)이고, T는 화염온도(310)이며, [O2]는 연소실 내 산소농도(320)이고, [N2]는 연소실 내 질소농도(330)이며, A와 B는 실험이나 해석에 의해 정해지는 경험 상수이다. 하나 또는 다수의 실시예에서 상기 A값은 6*1016이 될 수 있으며, 상기 B값은 -69090이 될 수 있다.
따라서, 상기 NO 발생률(300)(d[NO]/dt)을 구하기 위해서는 연소실의 화염 온도(T)(310)와 연소실 내의 산소 농도[O2](320) 및 질소 농도[N2](330)를 알아야 한다.
이하에서는 연소실의 화염 온도(T)와 연소실 내의 산소 농도[O2] 및 질소 농도[N2]를 구하는 방법을 각각 설명한다.
상기 연소실의 화염온도(T=Tflame)(310)는 단열 화염 온도(Tad)에 연소시 압력 상승에 의한 추가적인 연소실 상승 온도 고려하여 계산할 수 있다.
하나 또는 다수의 실시예에서 상기 연소실의 화염온도(310)는 하기의 수학식 2에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112011092539194-pat00004
상기 수학식 2에서 Tflame은 화염 온도(T)(310)를 나타내고, 상기 Tad는 단열 화염 온도이며, 상기 Pi는 연소시작시점의 압력이고, 상기 Pmax는 최고 연소압이며, 상기 k는 비열비(specific heat ratio)로서 Cv(정적비열)/Cp (정압비열) 값에 해당한다.
상기 Pi(연소시작시점의 압력)와 Pmax(최고 연소압)은 상기 엔진의 연소압력(100)을 측정하는 엔진의 연소압 센서로 측정될 수 있으며 그 정보는 전기적 신호로 전환되어 차량의 ECU(Electric Control Unit)와 같은 제어부로 전송된다.
그리고 상기 수학식 2에서 상기 단열 화염 온도(Tad)는 하나 또는 다수의 실시예에서 하기의 수학식 3에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112011092539194-pat00005
상기 수학식 3에서 Tsoc는 연소 시작시점에서 연소실 온도이고, [O2]는 연소실 내 산소농도(320)이다.
상기 연소 시작시점의 연소실 온도(Tsoc)는 도 5에 도시된 바와 같이 연소실의 연소압력(100)(Pressure) 및 열발산율(Heat Release Rate, HRR)로부터 연소 시작시점(Start Of Converstion, SOC)을 결정하고, 결정된 연소 시작시점(Start Of Converstion, SOC)을 이용하여 구할 수 있다.
하나 또는 다수의 실시예에서 상기 연소 시작시점의 연소실 온도(Tsoc)는 하기의 (3-1) 식에 의해 구할 수 있다.
(3-1)
Figure 112011092539194-pat00006
상기 식에서 상기 Pi는 연소시작시점의 압력으로서, 상기에서 결정된 연소 시작시점(SOC)을 이용하여 그 시점에서 상기 엔진의 연소압력 센서로 측정된 값이고, 상기 R은 이상기체 상태 방정식의 기체상수이다.
그리고, 상기 m은 실린더 내부의 혼합기체 전체의 양을 나타내는 값으로서 하기 (3-2)의 식에 의해 구할 수 있다.
(3-2)
Figure 112011092539194-pat00007
여기서, AF는 공연비(230)이고, mfuel은 차량의 ECU 신호로 알 수 있는 연료량(210)이다. AF와 mfuel 모두 상기 엔진의 운전 변수(200)로서 입력되는 값이다.
한편, 상기 V는 연소 시작점의 부피로서 하기 (3-2)의 식에 의해 계산될 수 있다.
(3-3)
Figure 112011092539194-pat00008
상기 식에서 Vc는 클리어런스 볼륨(clearance volume)이고, rc는 압축비(compression ratio)이며, r은 커넥팅 로드 길이(connecting rod length)이며, a는 크랭크 오프셋(crank offset)이 되고, 상기 B는 실린더의 직경, S는 피스톤 왕복 높이가 된다.
따라서, 상기 (3-2)과 (3-3) 식으로부터 구한 m과 V 값을 상기 (3-1)식에 대입하여 연소 시작시점의 연소실 온도(Tsoc)를 알 수 있게 된다.
한편, 상기 단열 화염 온도(Tad)를 구하기 위하여 수학식 3을 계산하기 위해서는 연소실 내 산소농도 [O2]를 구하여야 하는데 이를 구하는 방법에 대해서는 하기에서 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이 연소실 내 산소농도 [O2](320)를 구하게 되면 이로부터 수학식 3을 계산하여 단열 화염 온도(Tad)를 알 수 있고, 이를 이용하여 연소실의 화염온도(T=Tflame)(310)를 구할 수 있게 된다.
하나 또는 다수의 실시예에서 상기 수학식 1의 연소실 내의 산소 농도[O2]와 질소 농도[N2]는 하기 수학식 4에 의해 계산할 수 있다.
Figure 112011092539194-pat00009
상기 수학식 4에서 상기 O2_in과 N2_in은 연소실 내의 산소농도[O2]와 질소농도[N2]을 나타내고, 상기 EGR_rate는 EGR율이며, O2_Air[vol,%]와 N2_Air[vol,%]는 각각 공기 중 산소와 질소의 농도를 나타내고, O2_EGR[vol,%]과 N2_EGR[vol,%]는 각각 EGR가스 중 산소와 질소의 농도를 나타낸다.
결국, 연소실 내의 산소농도[O2](320)는 흡입 공기 중 산소농도 O2_Air[vol,%]와 EGR가스 중 산소 농도 O2_EGR[vol,%]로부터 구할 수 있으며, 연소실 내의 질소농도[N2](330)는 흡입 공기 중 질소농도 N2_Air[vol,%]와 EGR가스 중 질소 농도 N2_EGR[vol,%]로부터 구할 수 있다.
상기 EGR율(EGR_rate)은 배기가스 재순환율로서 일반적으로 EGR 가스량/(EGR 가스량 + 흡입공기량) * 100로 계산하거나, 배기분석 장치로 흡기관 내의 이산화탄소의 농도에서 대기 중의 이산화탄소를 뺀 것과 배기가스 내 이산화탄소의 농도에서 대기 중의 이산화탄소를 뺀 것의 비를 측정하여 산출할 수 있다.
상기 O2_Air[vol,%]와 N2_Air[vol,%]는 흡입 공기 중 산소와 질소의 농도를 나타내는 것으로서 공기 중 산소의 농도와 질소의 농도를 사용한다.
상기 O2_EGR[vol,%]과 N2_EGR[vol,%]는 EGR가스 중 산소 농도와 질소 농도로서 하기의 (4-1) 내지 (4-3) 식에 의해 구할 수 있다.
(4-1)
Figure 112011092539194-pat00010
(4-2)
Figure 112011092539194-pat00011
(4-3)
Figure 112011092539194-pat00012
상기 (4-3) 식에서 상기 AF는 공연비(230)로서 연소에 사용된 연료에 대한 공기의 중량 비율을 나타내며 본 발명에서는 엔진 운전 변수(200)로서 측정되어 입력된다. 그리고 상기 AFstoi는 이론 공연비로서 연료의 종류에 따라 결정되는 값이며 해당 연료에서 이상적인 공연비가 된다. 상기 y 역시 연료에 따라 결정되는 값이며 해당 연료의 분자식의 수소(H)와 탄소(C)의 비율(y=H/C_ratio)에 의해 정해진다.
상기 (4-2) 식에서 상기 Q는 EGR가스에서 질소의 조성비로서 이는 연료에 따라 정해지는 값이 된다. 예를 들어 디젤 연료인 경우 상기 Q값은 3.773이 될 수 있다.
결국 상기 (4-1) 내지 (4-3)의 식에서 측정되어 입력되는 값은 공연비 (AF)(230) 하나이며, 나머지 Q, AFstoi 및 y 값은 연료의 종류에 따라 결정되는 값이 된다.
따라서, 상기 (4-3) 식과 상기 (4-2)식으로부터 상기 (4-1) 식의 O2_EGR[vol,%]과 N2_EGR[vol,%]을 구할 수 있으며 이를 다시 상기 수학식 4에 대입하면 연소실 내의 산소농도[O2]와 연소실 내의 질소농도[N2]를 구할 수 있게 된다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이 상기에서 구한 연소실 내의 산소농도[O2](320)를 상기 수학식 3에 대입하면 상기 단열 화염 온도(Tad)를 구할 수 있고, 상기 Tad로부터 수학식 2에 의해 화염온도(T)(310)가 구해진다.
결국, 상기에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면 상기 화염온도(310)(T)와 산소 농도[O2](320) 및 질소 농도[N2](330)를 모두 구할 수 있게 되므로 이를 수학식 1에 적용하여 NO 발생률(d[NO]/dt)(300)을 구할 수 있게 된다.
그리고, 상기 엔진 연소압력(Pressure)(100)을 이용하여 NO 생성기간(400)을 산출한다(S12).
NO 생성기간(400)은 NO의 발생이 MFB(Mass Fraction Burn, 질량연소분율)의 변화와 유사하게 나타나는 점을 이용한다. 이를 위해, 도 5에 도시된 바와 같이 엔진의 연소압력(100)으로부터 열발산율(Heat Release Rate, HRR)을 구하고, 열발산율(HRR)을 적산하여 최대(Maximum)가 되는 지점을 기준으로 MFB(Mass Fraction Burned; 질량연소분율)를 계산할 수 있다.
연소 압력으로부터 연소 해석을 통하여 MFB(Mass Fraction Burned)의 변화를 도출하여 NO 생성기간(400)을 정하게 된다.
하나 또는 다수의 실시예에서 상기 NO 생성기간(400)은 MFB40-80 구간 (Mass Fraction Burn, 질량연소분율, 40-80%) 또는 MFB50-90 구간 (Mass Fraction Burn, 질량연소분율, 50-90%)을 사용하여 산출할 수 있다. 도 7에서 실시예로 도시된 바와 같이 상기 NO가 20~90% 생성되는 구간을 NO 생성기간(400)으로 가정할 때 이와 매칭되는 MFB의 구간은 MFB40-80 구간이 해당된다. 따라서 MFB40-80 구간이나 MFB50-90 구간을 이용하면 유효하게 NO의 생성기간(400)을 산출할 수 있게 된다.
상기와 같이 NO 생성기간(400)이 산출되면, 도 8에 실시예로 도시된 바와 같이 상기 수학식 1에서 구한 NO 발생률(d[NO]/dt)(300)과 상기 NO 생성기간(t)(400)으로부터 NO 발생량(500)을 계산한다(S13).
상기 NO 발생량(500)과 엔진 운전영역에 따른 NO와 NO2의 비율로부터 NO2 발생량을 산출하여 녹스(NOx) 발생량(600)을 예측한다(S14).
하나 또는 다수의 실시예에서 상기 NO2의 발생량은 엔진 운전 영역에 따라서 NO 발생량(500)과 NO2 발생량의 비율을 실험식을 활용하여 산출할 수 있다.
상기 녹스(NOx)의 발생량(600)은 NO 발생량(500)과 NO2 발생량을 더한 값으로 예측된다.
그 다음 도 3에 도시된 바와 같이 상기와 같이 예측된 녹스 발생량의 예측값을 기설정된 녹스 목표값과 비교한다(S20). 녹스 목표값은 차량의 환경 조건이나 운전 영역 등의 조건에 따라 달라질 수 있으며, 이러한 차령의 환경조건이나 운전 영역 등을 고려하여 녹스 목표값을 미리 설정할 수 있다.
그리고 상기 녹스 예측값과 녹스 목표값이 차이가 나는 경우 상기 녹스 예측값이 녹스 목표값을 추종하도록 녹스 발생량을 제어한다(S30).
하나 또는 다수의 실시예에서 상기 제어 단계에서는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 녹스 예측값이 상기 목표값 보다 작은 경우(S31)에는 연비 또는 출력 향상 모드로 운전하고, 상기 녹스 예측값이 상기 목표값 보다 큰 경우(S32)에는 배기 모드로 운전하도록 제어할 수 있다.
상기 수학식 1에서도 알 수 있듯이 화염온도(T), 산소농도[O2], 질소농도[N2]를 제어하면 NO 발생률을 제어할 수 있고, 결국 녹스의 발생량도 제어할 수 있게 된다.
특히, 도 6에 도시된 바와 같이 산소농도[O2]와 화염온도(T)는 질소농도[N2]에 비해 녹스 발생량에 큰 영향을 미친다.
따라서, 하나 또는 다수의 실시예에서 상기 산소농도[O2]와 화염온도(T)를 변화시켜 녹스 발생량을 제어할 수 있으며, 이를 위해서 차량의 연료량, 연료 분사시기, EGR율 및 부스트 압력 중 적어도 하나 이상을 제어할 수 있다. 일반적으로 화염온도(T)는 산소농도[O2]와 분사 연료량 및 연료 분사시기 등에 의해 결정되고, 산소농도[O2]는 EGR율이나 부스트 압력 등에 의해 결정되기 때문이다.
이와 같은 실시예로서 변화된 EGR율 또는 연료 분사시기에 의해 변화되는 녹스 발생량의 관계는 도 2에 도시되어 있다. 차량의 ECU와 같은 제어부에서는 이러한 관계를 고려하여 차량의 연료량, 연료 분사시기, EGR율 및 부스트 압력 등을 제어함으로써 녹스 발생량을 제어할 수 있게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 녹스 제어 시스템 및 방법에 따르면 복잡한 과정 없이 몇 가지 변수만으로 연소 과정에서 생성되는 녹스의 양을 예측할 수 있으며, 계산 시간이 짧으므로 엔진에 적용되어 실시간으로 녹스 예측이 가능하다. 그리고 상기와 같이 예측된 녹스 발생량을 이용하여 운전 상황에 맞추어 목표값을 설정함으로써 녹스 배출을 줄일 수 있는 방향으로 제어하여 배기성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명에서 제안된 가상 센서를 이용하여 녹스 발생량을 예측하는 기술은 LNT 또는 SCR과 같은 녹스 후처리 장치의 제어에도 적용할 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.
1: 녹스 제어 시스템 10: 측정부
20: 판단부 30: 제어부
100: 엔진 연소압력 200: 엔진 운전 변수
210: 연료량(mfuel) 220: 엔진 회전수(RPM)
230: 공연비(AF) 240: EGR
300: NO 발생률 310: 화염온도(T)
320: 산소농도[O2] 330: 질소농도[N2]
400: NO 생성기간 500: NO 발생량
600: NOx 발생량

Claims (15)

  1. 녹스 제어 방법에 있어서,
    가상의 센서를 이용하여 상기 녹스의 발생량을 예측하는 단계;
    상기 녹스 예측값을 기설정된 녹스 목표값과 비교하는 단계; 및
    상기 녹스 예측값이 상기 녹스 목표값을 추종하도록 녹스 발생량을 제어하는 단계; 를 포함하며,
    상기 가상의 센서를 이용하여 녹스의 발생량을 예측하는 단계는
    엔진 연소압력 및 엔진 운전 변수를 이용하여 NO 발생률을 계산하는 단계와, 상기 엔진 연소압력을 이용하여 NO 생성기간을 산출하는 단계와, 상기 NO 발생률과 상기 NO 생성기간으로부터 NO 발생량을 계산하는 단계 및 상기 NO 발생량과 엔진 운전영역에 따른 NO와 NO2의 비율로부터 NO2 발생량을 산출하여 녹스(NOx) 발생량을 예측하는 단계를 포함하며,
    상기 제어 단계는 녹스 예측값이 상기 목표값 보다 작은 경우에는 연비 또는 출력 향상 모드로 운전하고, 상기 녹스 예측값이 상기 목표값 보다 큰 경우에는 배기 모드로 운전하는 것을 특징으로 하는 녹스 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 단계 이후 상기 녹스의 발생량을 예측하는 단계를 다시 실시하는 것을 특징으로 하는 녹스 제어 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어 단계는 연료량, 연료 분사시기, EGR율 및 부스트 압력 중 적어도 하나 이상을 제어함으로써 상기 녹스 발생량을 제어하는 것을 특징으로 하는 녹스 제어 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 엔진 운전 변수는 연료량, 엔진 회전수(RPM), 공연비(AF) 및 EGR 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 녹스 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 NO 발생률은 하기 수학식 1을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 녹스 제어 방법.
    <수학식 1>
    Figure 112011092539194-pat00013

    (상기 수학식 1에서 d[NO]/dt는 시간에 따른 NO 발생률이고, T는 화염 온도이며, [O2]는 연소실 내 산소농도이고, [N2]는 연소실 내 질소 농도이며, A와 B는 상수이다.)
  8. 제6항에 있어서,
    상기 NO 생성기간은 MFB40-80 구간 (Mass Fraction Burn, 질량연소분율, 40-80%)또는 MFB50-90 구간(Mass Fraction Burn, 질량연소분율, 50-90%)을 사용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 녹스 제어 방법.
  9. 녹스 제어 시스템에 있어서,
    가상의 센서를 이용하여 상기 녹스의 발생량을 예측하는 측정부;
    상기 녹스 예측값을 기설정된 녹스 목표값과 비교하는 판단부; 및
    상기 녹스 예측값이 상기 녹스 목표값을 추종하도록 녹스 발생량을 제어하는 제어부;
    를 포함하고,
    상기 가상의 센서는
    엔진 연소압력 및 엔진 운전 변수를 이용하여 NO 발생률을 계산하고, 상기 엔진 연소압력을 이용하여 NO 생성기간을 산출하며, 이로부터 NO 발생량을 계산하고, 상기 NO 발생량과 엔진 운전영역에 따른 NO와 NO2의 비율로부터 NO2 발생량을 산출하여 녹스(NOx) 발생량을 예측하며,
    상기 제어부는 상기 녹스 예측값이 상기 목표값 보다 작은 경우에는 연비 또는 출력 향상 모드로 운전하고, 상기 녹스 예측값이 상기 목표값 보다 큰 경우에는 배기 모드로 운전하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 녹스 제어 시스템.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는 연료량, 연료 분사시기, EGR율 및 부스트 압력 중 적어도 하나 이상을 제어함으로써 상기 녹스 발생량을 제어하는 것을 특징으로 하는 녹스 제어 시스템.
  12. 삭제
  13. 제9항에 있어서,
    상기 엔진 운전 변수는 연료량, 엔진 회전수(RPM), 공연비(AF) 및 EGR 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 녹스 제어 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 NO 발생률은 하기 수학식 1을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 녹스 제어 시스템.
    <수학식 1>
    Figure 112011092539194-pat00014

    (상기 수학식 1에서 d[NO]/dt는 시간에 따른 NO 발생률이고, T는 화염 온도이며, [O2]는 연소실 내 산소농도이고, [N2]는 연소실 내 질소 농도이며, A와 B는 상수이다.)
  15. 제13항에 있어서,
    상기 NO 생성기간은 MFB40-80 (Mass Fraction Burn, 질량연소분율, 40-80%) 구간 또는 MFB50-90 구간(Mass Fraction Burn, 질량연소분율, 50-90%)을 사용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 녹스 제어 시스템.
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