KR101490933B1

KR101490933B1 - 연소압 센서를 이용한 부스트 압력 측정 방법

Info

Publication number: KR101490933B1
Application number: KR20130081605A
Authority: KR
Inventors: 유성은; 유준; 남기훈; 한경찬; 대 최
Original assignee: 현대자동차 주식회사
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2013-07-11
Publication date: 2015-02-06
Also published as: KR20150007537A

Abstract

본 발명은 터보차져 디젤 엔진에 적용되는 연소압 센서를 이용하여 부스트 압력을 측정하는 연소압 센서를 이용한 부스트 압력 측정 방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 실시예는, 터보차져 디젤 엔진에 적용되는 연소압 센서를 이용하여 부스트 압력을 측정하는 방법으로서, 상기 연소압 센서를 이용하여 흡기밸브담힘(IVC; intake valve close) 이후의 압력으로서 제1 압력(P₁) 및 이 제1 압력(P₁)에 대응하는 제1 실린더 부피(V₁)를 획득하는 단계; 상기 연소압 센서를 이용하여 연료분사 전의 압력으로서 제2 압력(P₂) 및 이 제2 압력(P₂)에 대응하는 제2 실린더 부피(V₂)를 획득하는 단계; 상기 연소압 센서를 이용하여 하사점(BDC)의 압력(P_BDC)을 획득하는 단계; 보일의 법칙을 이용하여 상기 제1 압력(P₁)과 제2 압력(P₂) 간의 차이를 산출하는 단계; 및 상기 제1 압력(P₁)과 제2 압력(P₂) 간의 차이 및 상기 하사점 압력(P_BDC)을 기초로 부스트압을 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

연소압 센서를 이용한 부스트 압력 측정 방법 {Method of measuring boost pressure using combustion pressure sensor}

본 발명은 터보차져 디젤 엔진에 적용되는 연소압 센서를 이용하여 부스트 압력을 측정하는 연소압 센서를 이용한 부스트 압력 측정 방법에 관한 것이다.

잘 알려져 있는 바와 같이, 대기압보다 높은 압력으로 엔진에 공기를 과급하면, 배기량이 같은 엔진에서도 다량으로 공기를 충전할 수 있고, 이와 더불어 연료 분사량을 증가시키면 엔진의 출력을 증대시킬 수 있다.

상기와 같이 엔진에 공기를 과급하는 장치로서 배기 가스의 유동에너지를 이용하여 터빈을 회전시키고, 이 터빈과 회전축으로 연결된 블로어를 회전시켜 외부로부터 공기를 흡입한 후 가압하여 엔진의 실린더로 보내는 터보차져가 사용되고 있다.

예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 터보차져(100)는 베인(130)의 각도가 변화됨에 따라 배기가스 유로(120a)의 면적이 변화되므로 엔진(150) 출력이 향상될 수 있는 가변터보차져(VGT, Variable Geometry Turbocharger)로서, 크게 엔진(150)의 배기가스의 유동에너지에 의해 베인(130)이 회전되는 터빈(120)과, 베인(130)의 회전과 동기하여 블로어(미도시)가 회전하여 외부의 공기가 흡입되면 압축시키는 압축기(110)로 구성된다.

압축기(110) 내부에는 베인(130)의 회전과 동기하여 회전되는 블로어가 장착되어 있어, 이 블로어의 회전력에 의해 흡기가 흡기관(111)을 통해 유입되어 엔진(150) 측으로 과급될 수 있다.

터빈(120)의 내부에는 엔진(150)의 작동조건에 따라(고속 영역, 저속 영역 등) 배기가스 유로(120a)의 면적을 변화시켜 출력 및 토크를 최적화하는 베인(130)이 마련되어 있다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 엔진(150)이 고속 영역으로 운전되는 경우 베인(130)의 각도가 커져 배기가스 유로(120a)가 확대되어 배기 유량이 최대화 되고(도 2의 (a)), 엔진(150)이 저속 영역으로 운전되는 경우 베인(130)의 각도가 작아져 배가가스 유로(120a)가 축소되어 속도에너지를 최대화할 수 있게 된다(도 2의 (b)).

이와 같은 가변터보차져(VGT, 100)가 장착된 디젤 엔진(150)에서는 인터쿨러 후단에 장착된 부스트압(력) 센서(BOOST PRESSURE SENSOR)를 이용하여 흡기 압력(부스트 압력)을 감지함으로써 가변터보차져(100)의 베인(130) 각도를 제어(고속 영역시 베인(130)의 각도를 크게 하여 배기가스 유로(120a)의 면적을 확대시키고, 저속 영역시 베인(130)의 각도를 작게 하여 배기가스 유로(120a)의 면적을 축소함)하여, 엔진(150)의 작동조건에 따라 가변터보차져(100)의 기능을 최적화하고 있다.

한편, 디젤 엔진(150)에는 연소압(력) 센서가 연소실을 향해 마련되는데, 이에 의해 실린더별 또는 싸이클별 연소실 내부 압력이 측정 가능하여 연소시점을 정밀하게 제어할 수 있게 된다.

그런데, 이러한 종래의 디젤 엔진에 있어서는, 가변터보차져를 제어하기 위한 부스트압 센서와 연소시점을 제어하기 위한 연소압 센서 모두 장착되어야 하므로, 원가가 상승되는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 즉 연소압 센서를 활용하여 부스트압을 측정함으로써 부스트압 센서를 제거하는 방법이 개발되어 있다.

예를 들어, 연소압 센서를 활용하여 부스트압을 측정함으로써 부스트압 센서를 제거하는 방법의 일례는 아래와 같은 공식을 이용하는 것이다.

상기 공식에서 P_IVC가 부스트압으로 가정된다.

상기 공식에서 부호의 명칭 및 설명은 아래와 같다.

V_IVC : Intake Valve Close(IVC; 흡기밸브닫힘) 시의 실린더 부피(V)

P_poly, V_poly : 흡기 밸브가 닫힌 후부터 연료가 분사되기 전까지 사이의 임의 지점에서의 실린더 압력과 부피

k : 열역학에서 정의되는 비열비

C : 상수(Constant)

그런데, 상기와 같은 공식을 이용하여 부스트압을 측정하는 경우, 도 3에 도시한 바와 같이 IVC 부근에서의 압력파 발생 및 BDC(Bottom Dead Center)와 IVC 사이에 압력차가 있어 정확한 부스트압을 산정하는 것이 어려울 수 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는, 흡기밸브담힘(IVC) 이후의 특정압력(P₁)과 연료분사 전의 특정압력(P₂)을 단열압축과정으로 가정하고 하사점(BDC)의 압력을 부스트압으로 산정함으로써 부스트압의 정확도 향상을 달성할 수 있는 연소압 센서를 이용한 부스트 압력 측정 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 연소압 센서를 이용한 부스트 압력 측정 방법은, 터보차져 디젤 엔진에 적용되는 연소압 센서를 이용하여 부스트 압력을 측정하는 방법으로서, 상기 연소압 센서를 이용하여 흡기밸브담힘(IVC; intake valve close) 이후의 압력으로서 제1 압력(P₁) 및 이 제1 압력(P₁)에 대응하는 제1 실린더 부피(V₁)를 획득하는 단계; 상기 연소압 센서를 이용하여 연료분사 전의 압력으로서 제2 압력(P₂) 및 이 제2 압력(P₂)에 대응하는 제2 실린더 부피(V₂)를 획득하는 단계; 상기 연소압 센서를 이용하여 하사점(BDC)의 압력(P_BDC)을 획득하는 단계; 보일의 법칙을 이용하여 상기 제1 압력(P₁)과 제2 압력(P₂) 간의 차이를 산출하는 단계; 및 상기 제1 압력(P₁)과 제2 압력(P₂) 간의 차이 및 상기 하사점 압력(P_BDC)을 기초로 부스트압을 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.

상기 제1, 제2 압력(P₁, P₂)은 단열압축과정으로 가정하여 측정될 수 있다.

상기 제1, 제2 압력(P₁, P₂)과 하사점 압력(P_BDC)은 아래 공식을 만족하고, 아래 공식에서 P_BDC가 부스트압일 수 있다. (k: 비열비, C: 상수)

상기 공식에서 비열비(k)는 1.296, 1.298, 1.319, 1.272, 1.324, 및 1.335 중의 어느 하나일 수 있다.

상기 단열압축과정에서 단열압축 시작 지점은 BTDC 120°CA로 하고, 단열압축 종료 지점은 BTDC 60°CA로 할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 흡기밸브담힘(IVC) 이후의 특정압력(P1)과 연료분사 전의 특정압력(P2)을 단열압축과정으로 가정하고 하사점(BDC)의 압력을 부스트압으로 산정함으로써 부스트압의 정확도 향상을 달성할 수 있다.

도 1 및 도 2는 일반적인 터보차져 디젤 엔진을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 종래기술에 따른 연소압 센서를 이용한 부스트 압력 측정 방법의 단점을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연소압 센서를 이용한 부스트 압력 측정 방법을 구현하기 위한 터보차져 디젤 엔진 시스템의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연소압 센서를 이용한 부스트 압력 측정 방법의 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연소압 센서를 이용한 부스트 압력 측정 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연소압 센서를 이용한 부스트 압력 측정 방법과 종래기술의 방법을 비교하기 위한 테이블이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 연소압 센서를 이용한 부스트 압력 측정 방법의 비열비(k)을 보이기 위한 테이블이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연소압 센서를 이용한 부스트 압력 측정 방법을 구현하기 위한 터보차져 디젤 엔진 시스템의 개략적인 구성도이다.

도 4에 도시된 터보차져(10), 디젤 엔진(20) 및 연소압 센서(22)는 일반적인 터보차져, 디젤 엔진 및 연소압 센서일 수 있다.
예를 들면, 상기 연소압 센서(22)는 일반적으로 연소실 내부 압력을 절대값으로 측정하는 것이 아니고 상대적인 압력으로 측정하는 상대압 센서이다. 따라서, 상기 연소압 센서(22)에 의해 측정된 상대적인 압력은 제어값으로 이용되기 위해서는 절대적인 압력수치로 보정을 하게 된다는 것은 당업자에게 자명한 것이다.

컨트롤러(30)는 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 마이크로프로세서 및/또는 마이크로프로세서를 포함하는 하드웨어로서, 상기 설정된 프로그램은 후술할 본 발명의 실시예에 따른 연소압 센서를 이용한 부스트 압력 측정 방법을 수행하기 위한 일련의 명령 및/또는 디젤 엔진(20)과 터보차져(10)를 제어하기 위한 일련의 명령을 포함할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 연소압 센서를 이용한 부스트 압력 측정 방법을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연소압 센서를 이용한 부스트 압력 측정 방법의 흐름도이다.

도 5를 참조하면, 컨트롤러(30)는 연소압 센서(22)를 통해 흡기밸브담힘(IVC; intake valve close) 이후의 압력으로서 도 6에 도시한 바와 같은 제1 압력(P₁) 및 이 제1 압력(P₁)에 대응하는 제1 실린더 부피(V₁)를 획득한다(S100).

제1 압력(P₁) 및 제1 실린더 부피(V₁)를 획득했으면, 컨트롤러(30)는 연소압 센서(22)를 통해 연료분사 전의 압력, 즉 상대적인 압력으로서 도 6에 도시한 바와 같은 제2 압력(P₂) 및 이 제2 압력(P₂)에 대응하는 제2 실린더 부피(V₂)를 획득한다(S200).

상기와 같이 해서 제1, 2 압력 및 제1, 2 실린더 부피를 획득했으면, 컨트롤러(30)는 연소압 센서(22)를 이용하여 하사점(BDC)의 압력(P_BDC)을 획득할 수 있다(S300).

상기에서 제1, 2 압력 및/또는 하사점 압력은 단열압축과정으로 가정하여 측정될 수 있다.

컨트롤러(30)는 보일의 법칙을 이용하여 상기 제1 압력(P₁)과 제2 압력(P₂) 간의 압력 차이를 산출할 수 있다(S400).

S100 내지 S400을 통해 상기 제1 압력(P₁)과 제2 압력(P₂) 간의 차이 및 상기 하사점 압력(P_BDC)을 획득했으면, 컨트롤러(30)는 이들을 기초로, 예를 들면 아래와 같은 공식을 통해 부스트압을 산출할 수 있다(S500). 아래 공식에서 부스트압은 P_BDC일 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 엔진(20)에 장착되는 연소압 센서(22)는 상대압 센서이기 때문에 이 연소압 센서(22)에 의해 측정된 측정값을 이용할 때는 절대적인 압력 수치로 보정을 해야 한다는 것은 당업자에게 자명하다.
따라서, 상대압 센서인 연소압 센서(22)로 측정된 상기 P_BDC값은 절대적인 압력수치가 아니므로, 상기한 공식을 통해 도출해야 하며, 이를 위해 제2 압력(P2)와 제1 압력(P1)의 압력 차인 ΔP_2-1가 필요하기 때문에 결국 제2 압력(P2)이 측정되어야 한다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 상기 공식에서 알 수 있듯이 측정된 압력값 간의 차이값 만을 이용하고 있기 때문에 상대압 센서인 연소압 센서(22)를 사용할 수 있는 것이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 산출된 부스트압과 종래기술의 방법에 따라 산출된 부스트압을 비교할 때, 오차율이 상당히 감소함을 알 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 비열비(k)는 디젤 엔진 회전수 대비 연료량의 맵을 통해 설정할 수 있거나, 또는 도 8에 도시한 바와 같이 1.296, 1.298, 1.319, 1.272, 1.324, 및 1.335 중의 어느 하나로 설정할 수 있다.

더불어서, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 단열압축과정에서 단열압축 시작 지점은 BTDC 120°CA로 고정하고, 단열압축 종료 지점은 BTDC 60°CA로 고정하여 부스트압의 오차율 범위를 최적화할 수 있다.

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 속하는 것이다.

10: 터보차져
20: 디젤엔진
22: 연소압 센서
30: 컨트롤러

Claims

터보차져 디젤 엔진에 적용되는 연소압 센서를 이용하여 부스트 압력을 측정하는 방법으로서,
상기 연소압 센서를 이용하여 흡기밸브담힘(IVC; intake valve close) 이후의 압력으로서 제1 압력(P₁) 및 이 제1 압력(P₁)에 대응하는 제1 실린더 부피(V₁)를 획득하는 단계;
상기 연소압 센서를 이용하여 연료분사 전의 압력으로서 제2 압력(P₂) 및 이 제2 압력(P₂)에 대응하는 제2 실린더 부피(V₂)를 획득하는 단계;
상기 연소압 센서를 이용하여 하사점(BDC)의 압력(P_BDC)을 획득하는 단계;
보일의 법칙을 이용하여 상기 제1 압력(P₁)과 제2 압력(P₂) 간의 차이를 산출하는 단계; 및
상기 제1 압력(P₁)과 제2 압력(P₂) 간의 차이 및 상기 하사점 압력(P_BDC)을 기초로 부스트압을 산출하는 단계;를 포함하고,
상기 제1, 제2 압력(P₁, P₂)과 하사점 압력(P_BDC)은 아래 공식을 만족하고, 아래 공식에서 P_BDC가 부스트압인 것을 특징으로 하는 연소압 센서를 이용한 부스트 압력 측정 방법.
(k: 비열비, C: 상수)
제1항에서,
상기 제1, 제2 압력(P₁, P₂)은 단열압축과정으로 가정하여 측정되는 것을 특징으로 하는 연소압 센서를 이용한 부스트 압력 측정 방법.
삭제
제1항에서,
상기 비열비(k)는 1.296, 1.298, 1.319, 1.272, 1.324, 및 1.335 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연소압 센서를 이용한 부스트 압력 측정 방법.
제2항에서,
상기 단열압축과정에서 단열압축 시작 지점은 BTDC 120°CA로 하고, 단열압축 종료 지점은 BTDC 60°CA로 하는 것을 특징으로 하는 연소압 센서를 이용한 부스트 압력 측정 방법.