KR101543009B1 - 엔진의 배기가스 재순환 시스템의 제어 방법 - Google Patents

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KR101543009B1 KR1020140170350A KR20140170350A KR101543009B1 KR 101543009 B1 KR101543009 B1 KR 101543009B1 KR 1020140170350 A KR1020140170350 A KR 1020140170350A KR 20140170350 A KR20140170350 A KR 20140170350A KR 101543009 B1 KR101543009 B1 KR 101543009B1
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Abstract

본 발명은 흡기밸브(흡기 스로틀링 밸브)와 EGR(exhaust gas recirculation) 밸브를 하나의 모터로 제어하는 배기가스 재순환 시스템에서 EGR 유량을 정밀하게 제어하도록 직교성이 확보된 등가단면적, 실린더 당 흡입 공기량, 및 엔진속도를 토대로 3차원 맵을 구성할 수 있도록 하는 공식을 구성함으로써 EGR 밸브의 복잡한 유동을 정확하게 모델링하고 산출할 수 있도록 한 엔진의 배기가스 재순환 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.

Description

엔진의 배기가스 재순환 시스템의 제어 방법 {METHOD FOR CONTROLLING EXHAUST GAS RECIRCULATION SYSTEM FOR ENGINE}
본 발명은 엔진의 배기가스 재순환 시스템의 제어 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 흡기밸브(흡기 스로틀링 밸브)와 EGR(exhaust gas recirculation) 밸브를 하나의 모터로 제어하는 배기가스 재순환 시스템에서 EGR 유량을 정밀하게 제어하도록 직교성이 확보된 등가단면적, 실린더 당 흡입 공기량, 및 엔진속도를 토대로 3차원 맵을 구성할 수 있도록 하는 공식을 구성함으로써 EGR 밸브의 복잡한 유동을 정확하게 모델링하고 산출할 수 있도록 한 엔진의 배기가스 재순환 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 엔진의 배기가스에는 CO, HC, NOx(질소화합물) 등과 같은 유해 성분이 다량 포함된다. 특히, 엔진의 연소 온도가 높아지면 NOx의 생성량이 증가하게 되므로, 배기가스 중에 NOx의 양을 줄이기 위해서는 엔진의 연소 온도를 저감시킬 필요가 있다.
엔진의 연소 온도가 높아지는 이유 중에서, 연소실 내에 혼합기의 밀도가 높은 상태에서 점화 플러그에서 점화된 화염의 전파 속도가 빨라짐에 따라 순간적인 고온의 열이 발생되어 엔진의 연소 온도를 높이는 것이 가장 큰 원인이다.
배기가스 중에 NOx의 양을 줄이기 위해 엔진의 연소 온도를 낮추는 방법으로써, 배기가스의 일부를 흡입 혼합기에 포함시켜 연소실로 유입시킴으로써 혼합기의 자체 공연비는 변화시키지 않으면서 혼합기의 밀도를 저하시켜 엔진의 연소 온도를 낮추는 배기가스 재순환(EGR, Exhaust Gas Recirculation) 방법이 있다.
배기가스 재순환 방법은 배기가스 중의 NOx의 양을 줄일 뿐만 아니라, 엔진의 연비를 향상시키기 위해 사용된다. 배기가스 재순환 방법을 사용함으로써, 연소실의 온도를 낮추어 NOx의 양을 저감하는 동시에 노킹(knocking) 발생영역을 피해 점화시기를 앞당길 수 있다. 이에 따라, 엔진의 출력을 향상시키고 연비를 향상시킬 수 있다.
배기가스 재순환의 정밀한 제어를 위해서는 흡기 매니폴드(manifold)로 재순환되는 EGR, 즉 EGR 가스의 양을 제어할 필요가 있다.
EGR을 제어하는 방법은, 예를 들어 각 운전 영역별로 저압 EGR 밸브의 변위량을 미리 결정하여 맵 테이블로 설정하고, 현재의 운전 영역을 판정하여 맵 테이블로부터 위치 제어값을 추출한 다음 저압 EGR 밸브를 제어하는 변위 제어를 이용할 수 있다.
상기와 같은 EGR 제어 방법을 구현하기 위한 구조로는, 배기 계통에서 추출된 EGR 가스를 컴프레서 전단으로 유입시키는 구조이기 때문에 EGR 추출점과 유입점의 압력 차이가 적을 수 있다.
상기 EGR 추출점과 유입점 간의 낮은 압력에도 불구하고 높은 유량을 확보하기 위해 도 1에 도시한 바와 같이 컴프레서(미도시) 전단을 스로틀링하여 차압의 확보를 하고 있지만, 이에 따른 비선형적 유량 특성으로 정밀한 유량 제어가 어려울 수 있다.
도 1에서 부재번호 10은 상기 스로틀링을 위한 흡기 스로틀링 밸브(흡기밸브)이고, 20은 EGR 가스의 양을 제어하기 위한 EGR 밸브이고, 30은 상기 밸브(10)(20)의 개도를 제어하기 위한 모터이다.
도 1에 도시한 바와 같은 하나의 모터(30)에 의해 EGR 밸브(20)와 스로틀링 밸브(10)가 동시에 제어되는 구성에 따르면, EGR 밸브(20)를 통과하는 배기 가스 유량은 아래 공식과 같은 1차원 압축성 유동식으로 표현될 수 있다.
Figure 112014117153771-pat00001
Figure 112014117153771-pat00002
(
Figure 112014117153771-pat00003
: 등가단면적,
Figure 112014117153771-pat00004
: 비열비)
그런데, 상기 공식에 따르면, EGR 밸브(20) 사이의 차압(
Figure 112014117153771-pat00005
)이 적고; 공식의 변수들이 2개의 밸브(10)(20)와 압력 맥동(pulsation)이 존재하는 배기 및 흡기 유동에 연관되어 있어 일반적으로 사용되는 밸브 개도(
Figure 112014117153771-pat00006
)와 등가단면적(
Figure 112014117153771-pat00007
)의 관계식
Figure 112014117153771-pat00008
에 의한 제어가 도 2에 도시한 바와 같이 어려울 수 있다.
상기 관계식
Figure 112014117153771-pat00009
에 의해 제어가 어려운 이유는, 공기 유량(
Figure 112014117153771-pat00010
)에 의한 압력(
Figure 112014117153771-pat00011
)(
Figure 112014117153771-pat00012
)의 평균 압력이 변화하고; 엔진 속도(N)에 따른 압력(
Figure 112014117153771-pat00013
)(
Figure 112014117153771-pat00014
)의 맥동 위상이 변화하기 때문이다.
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.
공개특허공보 제10-2012-0062379호(2012.06.14.)
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는, 흡기밸브(흡기 스로틀링 밸브)와 EGR(exhaust gas recirculation) 밸브를 하나의 모터로 제어하는 배기가스 재순환 시스템에서 EGR 유량을 정밀하게 제어하도록 직교성이 확보된 등가단면적, 실린더 당 흡입 공기량, 및 엔진속도를 토대로 3차원 맵을 구성할 수 있도록 공식을 구성함으로써 EGR 밸브의 복잡한 유동을 정확하게 모델링하고 산출할 수 있도록 한 엔진의 배기가스 재순환 시스템의 제어 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템의 제어 방법은, 제어모터에 의해 구동되는 흡기 스로틀링 밸브와 EGR(exhaust gas recirculation) 밸브를 포함하는 엔진의 배기가스 재순환 시스템의 제어 방법으로, 엔진이 동작하면, 엔진속도(N) 및 실린더 당 흡입 공기량(
Figure 112014117153771-pat00015
)을 검출하는 단계; 상기 엔진속도(N) 및 실린더 당 흡입 공기량(
Figure 112014117153771-pat00016
)을 토대로 상기 엔진에 공급되는 공기 유량(
Figure 112014117153771-pat00017
)을 산출하는 단계; 상기 공기 유량(
Figure 112014117153771-pat00018
)을 토대로 상기 EGR 밸브의 등가단면적(
Figure 112014117153771-pat00019
)을 산출하는 단계; 상기 엔진속도(N), 실린더 당 흡입 공기량(
Figure 112014117153771-pat00020
)과, 상기 산출된 공기 유량(
Figure 112014117153771-pat00021
) 및 등가단면적(
Figure 112014117153771-pat00022
)을 토대로 상기 EGR 밸브의 개도(
Figure 112014117153771-pat00023
)를 산출하는 단계; 및 상기 산출된 EGR 밸브의 개도(
Figure 112014117153771-pat00024
)를 이용하여 상기 EGR 밸브를 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 공기 유량(
Figure 112014117153771-pat00025
)은 아래 공식을 이용하여 산출될 수 있다.
Figure 112014117153771-pat00026
(n: 엔진 기통수)
상기 EGR 밸브의 등가단면적(
Figure 112014117153771-pat00027
)은 아래 공식을 이용하여 산출될 수 있다.
Figure 112014117153771-pat00028
Figure 112014117153771-pat00029
(
Figure 112014117153771-pat00030
: 비열비)
상기 EGR 밸브의 개도(
Figure 112014117153771-pat00031
)는 아래의 개도 산출함수를 이용하여 산출될 수 있다.
Figure 112014117153771-pat00032
상기 EGR 밸브의 개도(
Figure 112014117153771-pat00033
)는 상기 개도 산출함수에 따라 3차원 맵으로 설정될 수 있다.
상기 3차원 맵의 3축은 각각 엔진속도(N), 실린더 당 흡입 공기량(
Figure 112014117153771-pat00034
) 및 EGR 밸브 등가단면적(
Figure 112014117153771-pat00035
)일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 흡기밸브(흡기 스로틀링 밸브)와 EGR(exhaust gas recirculation) 밸브를 하나의 모터로 제어하는 배기가스 재순환 시스템에서 EGR 유량을 정밀하게 제어하도록 직교성이 확보된 등가단면적, 실린더 당 흡입 공기량, 및 엔진속도를 토대로 3차원 맵을 형성할 수 있는 공식을 구성함으로써 EGR 밸브의 복잡한 유동을 정확하게 모델링하고 산출할 수 있고, 이로써 엔진 제어의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 흡기 스로틀링 밸브와 EGR 밸브를 하나의 모터로 제어하는 배기가스 재순환(EGR) 시스템을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2는 종래기술에 따른 EGR 시스템 제어 방법의 문제점을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 EGR 시스템의 제어 방법을 구현하기 위한 시스템의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 EGR 시스템의 제어 방법의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 EGR 시스템의 제어 방법에 따른 3차원 맵의 구성도이다.
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.
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. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 EGR 시스템을 개략적으로 도시한 하이브리드 자동차의 배터리 충전 제어 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 EGR 시스템은, EGR 시스템 전체를 제어하기 위한 EGR 제어기(100), EGR를 검출하기 위한 EGR 센서(50), 및 공기량을 검출하기 위한 공기량 센서(60)를 포함하고; 하나의 모터(30)에 의해 EGR 밸브(20)와 흡기 스로틀링 밸브(10)가 제어되는 구성을 갖는다.
상기 모터(30), EGR 밸브(20), 흡기 스로틀링 밸브(10), EGR 센서(50), 공기량 센서(60)는 도 1에 도시한 것을 그대로 사용할 수 있다.
상기 EGR 제어기(100)는 설정된 프로그램에 의해 동작하는 하나 이상의 마이크로프로세서 및/또는 마이크로프로세서를 포함하는 하드웨어로서, 상기 설정된 프로그램은 후술할 본 발명의 실시예에 따른 제어 방법을 수행하기 위한 일련의 명령으로 형성될 수 있다.
상기 EGR 제어기(100)는 도 3에 도시한 바와 같이 엔진(1)을 제어하는 엔진제어장치(ECU; engine control unit)(11)에 포함되거나, 또는 ECU(11)를 포함하는 구성으로 될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 EGR 시스템 제어 방법을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 EGR 시스템의 제어 방법의 흐름도이다.
도 4를 참조하면, EGR 제어기(100)는 엔진(1)이 동작하는지 확인하여 EGR 제어를 수행한다(S100).
엔진(1)의 동작 여부는 ECU(11)의 신호를 통해 확인할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
S100 단계에서 엔진(1)의 동작이 확인되었으면, 제어기(100)는 엔진속도(N) 및 실린더 당 흡입공기량(
Figure 112014117153771-pat00036
)을 검출한다(S200).
상기 엔진속도(N)는 상기 ECU(11)를 통해서 검출 또는 확인할 수 있고, 상기 실린더 당 흡기공기량(
Figure 112014117153771-pat00037
)은 공기량 센서(60) 및/또는 상기 ECU(11)를 통해 검출 또는 확인할 수 있다.
상기 엔진속도(N) 및 실린더 당 흡입공기량(
Figure 112014117153771-pat00038
)이 검출되었으면, 제어기(100)는 상기 엔진속도(N) 및 실린더 당 흡입 공기량(
Figure 112014117153771-pat00039
)을 토대로 엔진(1)에 공급되는 공기 유량(
Figure 112014117153771-pat00040
)을 아래의 공식을 이용하여 산출한다(S300).
Figure 112014117153771-pat00041
(n: 엔진 기통수)
상기 공기 유량(
Figure 112014117153771-pat00042
)을 산출한 후, 제어기(100)는 산출된 공기 유량(
Figure 112014117153771-pat00043
)을 토대로 상기 EGR 밸브(20)의 등가단면적(
Figure 112014117153771-pat00044
)을 아래의 공식을 이용하여 산출한다(S400).
Figure 112014117153771-pat00045
Figure 112014117153771-pat00046
(
Figure 112014117153771-pat00047
: 비열비)
상기 EGR 밸브(20)의 등가단면적(
Figure 112014117153771-pat00048
)까지 산출한 후, 제어기(100)는 상기 엔진속도(N), 실린더 당 흡입 공기량(
Figure 112014117153771-pat00049
)과, 상기 산출된 공기 유량(
Figure 112014117153771-pat00050
) 및 등가단면적(
Figure 112014117153771-pat00051
)을 토대로 상기 EGR 밸브의 개도(
Figure 112014117153771-pat00052
)를 아래의 개도 산출함수를 이용하여 산출하고(S500), 상기 산출된 EGR 밸브(20)의 개도(
Figure 112014117153771-pat00053
)를 이용하여 EGR 밸브(20)를 제어한다(S600).
Figure 112014117153771-pat00054
상기 EGR 밸브의 개도(
Figure 112014117153771-pat00055
)는 상기 개도 산출함수에 따라 도 5에 도시한 바와 같이 엔진속도(N) 축, 실린더 당 흡입 공기량(
Figure 112014117153771-pat00056
) 축 및 EGR 밸브 등가단면적(
Figure 112014117153771-pat00057
) 축으로 이루어지는 3차원 직교 맵으로 설정될 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같은 3차원 직교 맵은, 엔진 회전수 별로 3차원 맵으로 형성할 수 있고, 이를 통해 EGR 밸브 개도 설정치를 정확하게 정할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 흡기밸브(흡기 스로틀링 밸브)와 EGR(exhaust gas recirculation) 밸브를 하나의 모터로 제어하는 배기가스 재순환 시스템에서 EGR 유량을 정밀하게 제어하도록 직교성이 확보된 등가단면적, 실린더 당 흡입 공기량, 및 엔진속도를 토대로 3차원 맵을 형성할 수 있는 공식을 구성함으로써 EGR 밸브의 복잡한 유동을 정확하게 모델링하고 산출할 수 있고, 이로써 엔진 제어의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 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: 흡기밸브(흡기 스로틀링 밸브)
20: EGR 밸브
30: 모터
100: EGR 제어기

Claims (6)

  1. 제어모터에 의해 구동되는 흡기 스로틀링 밸브와 EGR(exhaust gas recirculation) 밸브를 포함하는 엔진의 배기가스 재순환 시스템의 제어 방법으로,
    엔진이 동작하면, 엔진속도(N) 및 실린더 당 흡입 공기량(
    Figure 112015035961835-pat00058
    )을 검출하는 단계;
    상기 엔진속도(N) 및 실린더 당 흡입 공기량(
    Figure 112015035961835-pat00059
    )을 토대로 상기 엔진에 공급되는 공기 유량(
    Figure 112015035961835-pat00060
    )을 산출하는 단계;
    상기 공기 유량(
    Figure 112015035961835-pat00061
    )을 토대로 상기 EGR 밸브의 등가단면적(
    Figure 112015035961835-pat00062
    )을 산출하는 단계;
    엔진속도(N) 축, 실린더 당 흡입 공기량(
    Figure 112015035961835-pat00063
    ) 축, 및 등가단면적(
    Figure 112015035961835-pat00065
    ) 축으로 이루어지는 3차원 맵을 이용하여, 상기 검출된 엔진속도(N), 상기 검출된 실린더 당 흡입 공기량(
    Figure 112015035961835-pat00084
    ), 및 상기 산출된 등가단면적(
    Figure 112015035961835-pat00085
    )을 토대로 상기 EGR 밸브의 개도(
    Figure 112015035961835-pat00066
    )를 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 EGR 밸브의 개도(
    Figure 112015035961835-pat00067
    )를 이용하여 상기 EGR 밸브를 제어하는 단계;
    를 포함하는 엔진의 배기가스 재순환 시스템의 제어 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 공기 유량(
    Figure 112014117153771-pat00068
    )은 아래 공식을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기가스 재순환 시스템의 제어 방법.
    Figure 112014117153771-pat00069
    (n: 엔진 기통수)
  3. 제1항에서,
    상기 EGR 밸브의 등가단면적(
    Figure 112014117153771-pat00070
    )은 아래 공식을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기가스 재순환 시스템의 제어 방법.
    Figure 112014117153771-pat00071

    Figure 112014117153771-pat00072

    (
    Figure 112014117153771-pat00073
    : 비열비)
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
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