KR101554469B1 - 내연 기관 및 내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치 - Google Patents

내연 기관 및 내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배기 가스 터보차지 장치를 구비하는 내연 기관의 배기 가스 터보차지 제어 장치에 관한 것이고, 상기 장치는 배기 가스 터보차지 장치의 터빈 시스템(2)을 거치는 질량 유동(MFτ, mdl)을 결정하는 예측치 유닛(13)과, 명목 충전 압력(p2 , sp) 및 실제 충전 압력(p2)에 따라서 레귤레이팅 배기 가스 배압(P3,ctl)을 결정하는 레귤레이팅 유닛과 터빈 시스템(2)을 거치는 질량 유동(MFτ, mdl) 및 레귤레이팅 배기 가스 배압 (P3 , ctl)에 따라서 상기 터빈 시스템(2)의 하나 이상의 액추에이터에 대한 하나 이상의 액추에이팅 신호(SVTG , HP, SVTG , LP, SWG , HP, SBYP , HP, SWG , LP)을 생성하는 액추에이팅 신호 생성 유닛(16)을 포함하는데, 여기서 상기 예측치 유닛(13)이 터빈 시스템(2)의 예측된 전체적인 효율(ητ)을 결정하기 위한 터빈 시스템 모델과 둘 이상의 압축기들을 구비하는 배기 가스 터보차지 장치의 압축기 시스템(4)의 예측된 전체적인 효율(ηc)을 결정하는 압축기 시스템 모델을 포함하고, 그리고 상기 레귤레이팅 유닛이 예측된 전체적인 효율들(ητ, ηc)을 사용하여 레귤레이팅 배기 가스 배압(P3,ctl)을 결정하도록 셋업된다. 본 발명은 또한 상응하는 제어 장치를 구비하는 내연 기관에 관한 것이다.

Description

내연 기관 및 내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치 {DEVICE FOR CONTROLLING THE EXHAUST-GAS TURBOCHARGING OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE, AND INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 독립항(principal claim)의 전제부에 따른 배기 가스 터보차지 장치를 구비하는 내연 기관의 배기 가스 터보차지를 제어하기 위한 장치 및 이러한 유형의 장치를 포함하는 내연 기관에 관한 것이다.
개루프 충전 압력(charge pressure) 제어 또는 충전 압력 장치로서 역할을 하는 배기 가스 터보차지 장치들을 위한 이러한 유형의 제어 장치들에 대한 요구는, 한편으로 배출, 대응 품질(responding qualities) 및 안락함(comfort)에 관한 내연 기관들에 대한 증가하는 요구에 기인하는 것이고 다른 한편으로는 내연 기관들에 사용되는 배기 가스 터보차저의 점점 더 복잡해지는 구성에 기인한 것이다. 제네릭(generic) 장치는 내연 기관의 물리적 모델 상에 구축되는 예측치 유닛과, 동작 파라미터로서 측정된 또는 동작 파라미터들로부터 유도된 명목 충전 압력 및 실제 충전 압력에 의존하여, 일반적으로 레귤레이팅 배기 가스 배압을 수반하는 하나 이상의 레귤레이팅 매개 변수 또는 명목 배기 가스 배압(back pressure)에 의존하는 변수를 결정하는 레귤레이팅 유닛과, 터빈 시스템의 하나 이상의 액추에이터에 대한 하나 이상의 액추에이팅 신호를 생성하는 액추에이팅 신호 생성 유닛을 포함한다.
배기 가스 터보차지 제어를 위한 이러한 유형의 장치가 예를 들어 WO 2006/ 106058 A1에 알려져 있다. 터빈 시스템과 압축기 시스템을 포함하는 이러한 내연 기관의 기술적 구성들(features)의 모델링을 요하는, 상응하는 내연 기관의 물리적 모델이 예측치 유닛, 레귤레이팅 유닛, 및 액추에이팅 신호 생성 유닛에 사용되는 한, 이것은 모델-기반 제어의 형태이다. 수많은 매우 상이한 엔진 및 배기 가스 터보차저 구성들의 개선에 관하여, 상응하게 상이한 알고리즘들 및 기능들을 구비하는 이들 상이한 구성들에 대하여 이들 제어 장치들의 개발 및 유지보수에 관하여 불이익하게 높은 노력을 필요로 한다는 문제가 야기될 수 있다.
이에 본 발명의 목적은 최소한의 경비/노력으로 배기 가스 터보차지 장치들의 상이한 시스템 구성들의 제어에 적응될 수 있는 배기 가스 터보차지의 상응하는 제어 장치를 개발하는 것이다. 이에 있어서 목표는 새로운 프로그래밍 없이 변경된(altered) 데이터 입력을 통해 다른 시스템 구성에의 상기 장치의 적응이 용이하게 가능한 것이어야 한다. 또한 본 발명의 목적은 제어 장치 설치가 상응하게 용이한 것을 특징으로 하는 내연 기관을 제안하는 것이다.
본 발명에 따르면, 청구항 제1 항의 전제부의 기술적 구성들과 함께 제1 항의 특징부의 기술적 구성들을 구비하는 장치에 의해 그리고 청구항 제20 항의 전제부 및 특징부를 구비하는 내연 기관에 의해서 성취된다. 본 발명의 이로운 실시예들과 개선들이 종속항들의 기술적 구성에 의해서 나타난다.
이에 따르면, 상기 터빈 시스템의 예측된 전체적인 효율을 결정하기 위한 터빈 시스템 모델과, 둘 이상의 압축기들을 구비하고 내연 기관의 흡입 시스템 내에 셋업된 배기 가스 터보차지 장치의 압축기 시스템의 예측된 전체적인 효율을 결정하는 압축기 시스템 모델을 상기 예측치 유닛이 포함하고, 레귤레이팅 배기 가스 배압 또는 하나 이상의 다른 레귤레이팅 매개 변수를 상기 터빈 시스템 및 상기 압축기 시스템의 예측된 전체적인 효율을 사용하는 것에 의해서 결정하기 위해 상기 레귤레이팅 유닛이 구비되거나; 및/또는 상기 액추에이팅 신호 생성 유닛이, 일반적으로 상기 레귤레이팅 배기 가스 배압을 수반하는 하나 이상의 다른 레귤레이팅 매개 변수에 의존하여 그리고 하나 이상의 다른 동작 파라미터 또는 상기 예측치 유닛에서 결정된 예측치에 의존하여, 하나 이상의 액추에이팅 신호를 생성하기 위한 바람직하게는 둘 이상의 터빈들을 구비하는 터빈 시스템에 대한 인버스 터빈 시스템 모델을 포함하는 것이 의도된다.
터빈 시스템 모델이 터빈 시스템의 전체적인 효율을 결정하고 압축기 시스템 모델이 압축기 시스템의 전체적인 효율을 결정하되, 적어도 상기 압축기 시스템이 둘 이상의 압축기들을 포함하는 한 복잡하다면, 단지 단일 단계 충전(single-stage charge)을 구비하는 단순한 배기 가스 터보차저에 대한 상응하는 제어의 상응하는 인터페이스들과, 그리고 특히 단 하나의 터빈을 구비하는 단순한 터빈 시스템에 의해 동력이 제공되는 단 하나의 압축기를 구비하는 단순한 압축기 시스템과, 이들 인터페이스들이 다르지 않도록, 예측치 유닛, 레귤레이팅 유닛 및 액추에이팅 신호 생성 유닛 사이의 인터페이스들을 배치하는 것이 이로운 방식으로 가능해진다. 터빈 시스템의 그리고 압축기 시스템의 예측된 전체적인 효율들에 의존하여, 하나 이상의 레귤에이팅 매개 변수 - 특히 바람직하게는 레귤레이팅 배기 가스 배압 또는 명목 배기 가스 배압에 의존하는 변수 - 를 결정하도록 셋업된 레귤레이팅 유닛을 통해서 성취된다. 따라서 상기 인터페이스들은 배기 가스 터보차지 장치를 위한 터빈 시스템의 그리고 압축기 시스템의 선택된 시스템 구성과 독립적이다. 부가적으로, 이로써 다른 시스템 구성에 대한 장치의 적응이 용이하게 가능한데, - 압축기 시스템 모델, 터빈 시스템 모델 및/또는 인버스 터빈 시스템 모델이 서로 독립적이고, 이것은 일반적으로 얻어진 장치의 상응하는 프로그램 조정에 의해서 그리고 전체 구조에 영향을 미치지 아니하면서 가능하다. 특히 터빈 시스템 또는 압축기 시스템의 내부 동작 파라미터들에 대하여 예측치 유닛, 레귤레이팅 유닛 및 액추에이팅 신호 생성 유닛 간의 어떠한 인터페이스들도 요구되지 아니하는데, 그 정의는 터빈 시스템 및 압축기 시스템의 내부 구조에 따라서 달라진다. 많은 경우들에 있어서, 배기 가스 터보차지 장치의 다른 시스템 구성에 대한 상기 장치의 적응을 위하여, 압축기 시스템 모델, 터빈 시스템 모델 및/또는 인버스 터빈 시스템 모델을 재프로그래밍하는 것이 심지어 필요하지 않을 것이고 단지 새로운 데이터 입력이 필요할 것이다. 결과적으로 새로운 엔진 및/또는 배기 가스 터보차지 모델에 대한 상응하는 제어 장치의 실현이 예외적으로 작은 노력과 경비에 의해서 가능하다.
간단한 실행가능성(feasibility)과 관련하여, 본 발명의 실제적인 실시예에 있어서, 상기 예측치 유닛이 상기 내연 기관의 흡입관 내에 위치된 배기 가스 터보차지 장치의 터빈 시스템을 거치는 질량 유동을 상기 내연 기관의 동작 파라미터들에 의존하여 결정하도록 셋업되고, 여기서 상기 액추에이팅 신호 생성 유닛이 하나 이상의 액추에이팅 신호를, 상기 터빈 시스템을 거치는 예측된 질량 유동에 의존하여 그리고 바람직하게는 추가적으로 상기 터빈 시스템의 하류에서 배기 가스 압력에 의존하여 그리고 상기 터빈 시스템의 상류에서 배기 가스 온도에 의존하여 생성하도록 셋업된다. 예측치 유닛이 예측된 배기 가스 배압을 결정하도록 셋업될 수도 있다.
가장 흔한 배기 가스 터보차지 구성들에 적합한 제어 장치는, 상기 압축기 시스템 모델에 의해서 모델링되는 압축기 시스템이 저압 압축기와 상기 저압 압축기의 하류에 직렬 연결된 고압 압축기를 포함할 때 주어지는데, 상기 내연 기관의 동작 파라미터들에 의존하여 그리고 엔진 맵들 상에 모델링된 상기 저압 압축기 및 상기 고압 압축기의 효율에 의존하여, 상기 압축기 시스템 모델이 상기 압축기 시스템의 전체적인 효율을 결정하도록 셋업된다. 이런 방식으로 예를 들어 다음과 같이 또는 그로부터 유도되는 변수로서 압축기 시스템의 전체적인 효율이 결정될 수 있다:
Figure 112010071827033-pct00001
여기서 ηC는 압축기 시스템의 전체적인 효율을 나타내고, ηC, LP는 저압 압축기의 효율을 나타내고 ηC, HP는 고압 압축기의 효율을 나타내고, a, b 및 c는 단지 실제 충전 압력에, 압축기 시스템의 상류에서 동작 파라미터들에 적절한 석션 압력에 그리고 저압 압축기 및 고압 압축기 간의 흡입관 내 우세한 중간 압력에 의존하는 변수들을 나타낸다. 이러한 중간 압력은 간단히 측정되거나 계산될 수 있다. 본 명세서에서 용어 "동작 파라미터"는 일반적으로 측정된 변수들 또는 그로부터 유도된 변수들을 나타낸다.
각각의 압축기의 효율들에 대한 상응하는 엔진 맵들의 선택을 통해 알려진 방식으로 매우 상이한 압축기 시스템들에 상응하는 장치를 적응시킬 수 있는데, 여기서 또한 단 하나의 압축기를 구비한 간단한 배기 가스 터보차저에의 적응이 어떠한 문제 없이 가능한데, 고압 압축기의 효율 또는 저압 압축기의 효율 중 하나가 ηC, HP =1 또는 ηC, LP =1로서 정의되고 동시에 중간 압력이 압축기 시스템의 상류에서 석션 압력에 의해 또는 압축기 시스템의 하류에서 실제 충전 압력에 의해 식별된다(identified).
더 낮은 계산 비용 및 노력을 요하고 이로써 더 빠른 배기 가스 터보차지 장치의 제어는 제어 품질(control quality)로서의 레귤레이팅 배기 가스 배압에 의해서 가능한데, 상기 내연 기관의 동작 파라미터들에 의존하여 그리고 명목 충전 압력 및 상기 터빈 시스템 및 상기 압축기 시스템의 예측된 전체적인 효율들에 의존하여 파일럿 제어 배기 가스 배압을 결정하기 위한 진성(intrinsic) 제어기와 일치하는(concurrent) 파일럿 제어를 레귤레이팅 유닛이 포함할 때 그러하다. 파일럿 제어에 의해서 결정되는 파일럿 제어 배기 가스 배압을 사용하는 것에 의해서 레귤레이팅 배기 가스 배압을 결정하도록 제어기가 상응하게 셋업된다. 상기 파일럿 제어 배기 가스 배압을 결정하기 위해 상기 파일럿 제어에 의해서 사용되는 동작 파라미터들 또는 그로부터 유도되는 변수들은, 특히 압축기 시스템의 상류에서 석션 압력과 터빈 시스템의 하류에서 배기 가스 압력과 압축기 시스템의 상류에서 흡입 공기 온도와 터빈 시스템의 상류에서 배기 가스 온도와 그리고 압축기 시스템을 거치는 질량 유동과 터빈 시스템을 거치는 예측된 질량 유동을 포함할 수 있다. 본 발명의 간단한 실시예들에 있어서, 레귤레이팅 유닛은 일반적으로 가속 페달 위치 및 실제 충전 압력에 의존하여 결정되는 명목 충전 압력을 변론으로 하고 추가적인 입력 변수들을 요하지 아니한다. 특히 레귤레이팅 유닛에 의해서 특히 파일럿 제어에 의해서 사용되는 동작 파라미터들은 상기 압축기 시스템의 또는 상기 터빈 시스템의 어떠한 내부 동작 파라미터들도 포함하지 아니하고, 필요하다면 예측치 유닛에서 고려되는 의존성을 가지고 그러한 내부 동작 파라미터들에 간접적으로 의존한다. 이런 방식으로 예를 들면, 터빈 시스템의 전체적인 효율이 터빈 시스템의 액추에이팅 부재의 위치에 의존하는데, 그러나 여기서 상응하는 의존성은 터빈 시스템 모델에서 고려되고 레귤레이팅 유닛의 구조 또는 레귤레이팅 유닛의 인터페이스에 어떠한 영향도 미치지 아니한다.
추가적으로 배기 가스 터보차지 장치가 배기 가스 재순환 제어와 함께 내연 기관에 구비되는 것이 제공될 수 있다. 그러면 배기 가스 재순환 제어의 제어 회로로부터 배기 가스 터보차지의 여기서 기술된 제어 회로를 디커플링하는 이로운 디커플링이 디커플링 유닛을 통해 얻어질 수 있는데, 상기 디커플링 유닛은, 배기 가스 재순환 제어의 피제어 변수 또는 상태 변수에 의존하여, 상기 터빈 시스템을 거치는 예측된 질량 유동을 보정하는 것에 의해서 디커플링 질량 유동을 결정하도록 셋업된다. 따라서 두 제어 회로들의 디커플링이 용이하게 성취되는데, 상기 인버스 터빈 시스템 모델이 상기 디커플링 질량 유동에 의존하여 하나 이상의 액추에이팅 신호를 생성하기 때문이고, 그것이 터빈 시스템을 거치는 예측된 질량 유동에 단지 간접적으로 의존하는 한 그러하다.
일반적으로 상기 터빈 시스템 모델 및 상기 인버스 터빈 시스템 모델 상에 모델링된 터빈 시스템이 압축기 시스템의 둘 이상의 압축기들에 동력을 제공하기 위한 둘 이상의 터빈들을 포함할 수 있다. 이런 방식으로 터빈 시스템이 특히 고압 압축기에 동력을 제공하기 위한 고압 터빈과 저압 압축기에 동력을 제공하고 상기 고압 터빈의 하류에 직렬 연결된 저압 터빈을 포함할 수 있다.
상기 장치에 의해서 제어되는 모델 기반 터빈 시스템은 또한 각각 상기 터빈들 중 제1 터빈과 제2 터빈에 대하여 액추에이팅 신호 생성 유닛(16)에 의해 제어되는 하나 이상의 액추에이터를 포함할 수 있다. 이런 방식으로, 배기 가스 터보차지 장치의 이로운 정확한 제어가 가능해진다. 이에 의해서 상기 제1 터빈의 하나 이상의 액추에이터에 대한 하나 이상의 액추에이팅 신호 (SVTG , HP, SWG , HP, SBYP , HP)와 상기 제2 터빈의 하나 이상의 액추에이터에 대한 하나 이상의 액추에이팅 신호(SVTG , LP, SWG , LP)를 동일한 방식으로 생성하도록 상기 액추에이팅 신호 생성 유닛(16)이 셋업될 수 있고, 그 결과 피제어 변수의 임계치가 초과되었거나 도달되지 아니하였는가 의존하여, 단지 상기 제1 터빈에 할당된 하나 이상의 액추에이팅 신호가 변하되 상기 제2 터빈의 하나 이상의 액추에이터가 일정한 극단적인 위치를 취하거나; 또는 단지 상기 제2 터빈에 할당된 하나 이상의 액추에이팅 신호가 변하되 상기 제1 터빈의 하나 이상의 액추에이터가 일정한 극단적인 위치를 취할 수 있다. 이롭게도 이를 목적으로, 상기 임계치가 초과되었거나 도달되지 아니하였으면, 상기 인버스 터빈 시스템 모델에 포함된 두 상이한 엔진 맵들 간에 스위칭이 이루어지고, 이것은 어느 경우에서든 터빈에 대한 하나 이상의 액추에이팅 신호를 결정하는 결정하는 역할을 하고 하나 이상의 액추에이터는 단지(just) 충전 압력 제어 장치로서 역할을 한다.
하나 이상의 액추에이팅 신호(SVTG , HP , SVTG , LP, SWG , HP, SBYP , HP, SWG , LP; SVTG, SWG, SC)를 결정하기 위하여 상기 인버스 터빈 시스템 모델은 특히 하나 이상의 엔진 맵을 포함할 수 있는데, 상기 하나 이상의 엔진 맵은 압력 몫에 의존하여 상응하는 액추에이팅 신호 또는 액추에이팅 신호들 또는 이들 액추에이팅 신호들의 조합을 정의하고 상기 압력 몫은 레귤레이팅 배기 가스 압력 그리고 상기 터빈 시스템의 하류에서 동작 파라미터로서 계산되거나 측정된 배기 가스 압력으로부터 생성되고 그리고 그것이 상기 터빈 시스템(2)을 거치는 예측된 질량 유동에 의존하여 생성되는 압력- 및 온도- 정규화된 질량 유동에 의해 생성된다. 이러한 프로세스에 있어서 압력- 및 온도- 정규화된 질량 유동의 사용이 특히 이로운데, 그것이 엔진 맵 및 이로 인하여 인버스 터빈 시스템 모델의 특히 간단한 표현을 허용하기 때문이다. 앞서 언급한 레귤레이팅 배기 가스 배압과 동작 파라미터로서 측정되거나 계산된 배기 가스 온도가, 터빈 시스템의 상류에서 배기 가스관에서 매우 간단한 방식으로 압력- 및 온도- 정규화된 질량 유동을 생성하는 데에 사용될 수 있다. 이를 위하여 터빈 시스템을 거치는 예측된 질량 유동 또는 필요한 경우 그로부터 계산되는 디커플링 질량 유동이, 터빈 시스템의 상류에서 배기 가스관 내 배기 가스 온도의 제곱근에 의해 곱해질 수 있고 레귤레이팅 배기 가스 배압에 의하여 나누어질 수 있는데, 몇몇 경우들에서는 정규화 인자에 의한 추가적인 곱셈이 병행될 수 있다. 각각의 경우에 인버스 터빈에 의해서 사용되는 상기 하나 이상의 엔진 맵이 터빈 시스템의 내부 동작 파라미터들에 어떠한 의존성도 나타내지 않도록 생성될 수 있고 다시 말해서 그 정의가 터빈 시스템의 시스템 구성에 의존하는 그러한 동작 파라미터들에 대한 어떠한 의존성도 나타내지 않도록 생성될 수 있다.
차례로 터빈 시스템의 전체적인 효율을 결정하기 위하여 사용되는 터빈 시스템 모델이 사용되는데 하나 이상의 엔진 맵에 의해서 실현될 수 있는데, 하나 이상의 엔진 맵은 앞서 명명된 압력 몫(레귤레이팅 배기 가스 배압과 터빈 시스템의 하류에서 측정되거나 계산된 배기 가스 압력의 몫)과 하나 이상의 액추에이터의 현재의 위치에 의존하여 이러한 전체적인 효율을 결정하는 것을 허용한다. 터빈 시스템의 하나 이상의 액추에이터의 주어진 위치에서, 이러한 엔진 맵은 차례로 터빈 시스템의 내부 동작 파라미터들에 대한 어떠한 의존성도 나타내지 아니하는데, 이것은 또한 정확한 모델링을 위해 필요하지 아니하고 그리고 시스템 구성에 독립적이고 예측치 유닛과 레귤레이팅 유닛과 액추에이팅 신호 생성 유닛 간의 인터페이스들의 배열을 용이하게 한다.
터빈 시스템의 각각의 터빈은 오직(only) 액추에이터로서 또는 터빈 형상 액추에이터를 위해 사용된 액추에이터로서 웨이스트게이트를 구비할 뿐만 아니라 가변 터빈 형상을 구비할 수 있고 상응하게 터빈 형상 액추에이터를 구비할 수 있다. 통상적인(common) 일 파라미터적(one-parametric) 액추에이팅 신호가 각각의 터빈의 상응하는 액추에이터들을 제어하기 위해 사용될 수 있고, 이것은 터빈 시스템의 간단한 모델링과 액추에이터들의 유용한 제어를 허용한다. 이를 목적으로, 웨이스트게이트가 닫히고 상응하는 터빈이 최소 개방 횡단면을 나타내는 극단적인 위치에서 시작하여, 우선 웨이스트게이트가 닫힌 채로 터빈의 횡단면이 열리도록 액추에이팅 신호 생성 유닛이 설계될 수 있는데, 여기서 터빈이 완전히 열렸을 때 다시 말해서 터빈의 최대 유동 횡단면을 유지하는 동안 단지 웨이스트게이트가 열리기 시작한다. 이어서, 본 발명의 바람직한 실시예들에서, 필요하다면, 그 앞에 연결된 고압 터빈이 이미 완전히 열렸을 때 및/또는 고압 터빈의 웨이스트게이트 밸브가 열렸을 때, 웨이스트게이트 및/또는 터빈 횡단면을 점차 여는 것(gradual opening)을 통해서, 먼저 저압 터빈이 선택된다. 대안적으로 또는 부가적으로 고압 터빈이 또한 바이패스 밸브를 구비할 수 있고, 이것은 고압 터빈의 바이패스와 그리고 이로써 저압 터빈으로의 터빈 시스템의 효과적인 적응(reduction)을 허용한다.
마지막으로, 바이패스 밸브가 제공될 수 있는데, 바이패스 밸브는 고압 터빈에 의해 구동되는 고압 압축기의 바이패스를 허용하고 이것은 이후 고압 터빈 및/또는 고압 터빈의 웨이스트게이트 및/또는 고압 터빈의 바이패스 밸브가 완전히 열렸을 때 정확하게 적절히(expediently) 열린다. 이들 기술된 경우들의 각각에서, 압축기 시스템과 터빈 시스템의 뚜렷하게 간단한 모델링이 어떠한 문제 없이 가능하고, 이에 의해서 필요하다면 상이한 엔진 맵들이 참조(refer to)될 것이고 - 터빈들의 이것에 의존하여 제어됨 - 다시 말해서 그 액추에이터 위치가 달라지지만 반면 각각의 다른 터빈의 액추에이터 위치들은 일정하다.
도 1a, 도 1b 및 도 2 내지 도 6에서 본 발명의 예시적인 실시예들이 추가적으로 설명될 것이다.
도 1a는 가능한 액추에이터들의 확대집합을 구비하는 직렬 배기 가스 터보차지를 구비하는 내연 기관의 다이어그램이다.
도 1b는 가능한 액추에이터들의 확대집합을 구비하는 병렬 배기 가스 터보차지가 실현된 대안적인 구성의 배기 가스 터보차지 장치를 구비하는 내연 기관의 상응하는 다이어그램이다.
도 2는 도 1a의 내연 기관의 배기 가스 터보차지 제어 장치의 흐름도이다.
도 3은 3차원으로 도시된, 이러한 장치에서 사용되는 인버스 터빈 시스템 모델을 위한 엔진 맵이다.
도 4는 상기 장치 내 상이한 위치에서 사용되는 터빈 시스템 모델을 유사한 다이어그램으로 나타낸다.
도 5는 배기 가스 터보차지 장치를 위한 결합된 액추에이팅 신호의 생성을 도식적으로 나타낸다.
도 6은 내연 기관의 상이한 동작 파라미터들의 범위들을 나타내는 다이어그램이다.
도 1a에 도시된 내연 기관은 여기서는 6개의 실린더들을 구비하는 것으로 도시된 엔진 블록 이외에, 터빈 시스템을 구비하는 배기관과, 그리고 중간냉각기(intercooler)(3) 이외에 압축기 시스템(4)을 포함하는 흡입관을 특징으로 한다.
터빈 시스템(2)은 차례로 두 터빈들을 포함하는데 다시 말해서 가변 터빈 형상(variable turbine geometry)을 가진 고압 터빈(5)과 역시 가변 터빈 형상을 가지고 배기가스관 내 하류에서 고압 터빈(5)에 직렬연결되는 저압 터빈(6)을 포함한다. 고압 터빈(5) 및 저압 터빈(6)의 터빈-형상 액추에이터들이 각각 화살표에 의해서 도시된다. 고압 터빈(5)에 부착된 추가적인 액추에이터로서, 고압 터빈(5)에 병렬 연결되는 웨이스트게이트(wastegate valve)(7)가 제공된다. 또한, 바이패스 밸브(8)를 여는 것에 의해서 고압 터빈(5)이 완전히 바이패스될 수 있다. 마지막으로 저압 터빈(6)의 추가적인 액추에이터로서 고려될 수 있는 추가적인 웨이스트게이트(9)가 터빈 시스템(2) 내부에서 저압 터빈(6)에 평행한 배기 가스관의 경로 내에(in a path) 연결된다.
압축기 시스템(4)은 저압 터빈(6)에 의해 구동되는 저압 압축기(10)와 고압 터빈(5)에 의해 구동되고 저압 압축기(10)의 하류에서 흡입관 내에 직렬 연결된 고압 압축기(11)를 특징으로 한다. 추가적인 바이패스 밸브(12)가 고압 압축기(11)에 병렬 연결되어서 이 바이패스 밸브를 여는 것에 의해서 고압 압축기가 바이패스될 수 있다.
터빈 시스템(2)은 압축기 시스템(4)과 함께, 도시된 내연 기관의 배기 가스 터보차지를 위한 배기 가스 터보차지 장치를 형성하고, 이것은 그 자체가 도시되지는 아니한 제어 장치에 의해서, 실제로는 두 터빈들의 터빈 형상 액추에이터를 통해 그리고 웨이스트게이트들(7 및 9)과 바이패스 밸브(8)를 통해 주어지는, 터빈 시스템(2)의 액추에이터들을 제어하는 것을 통해서, 제어될 수 있다. 압축기 시스템에 할당된 추가적인 액추에이터로서, 동일한 제어 장치 또한 바이패스 밸브(12)를 제어한다.
교호(alternatively) 구현되는 터보차저를 구비하는 상응하는 내연 기관이 도 1b에 도시되는데, 여기서 다시 반복되는 구성요소들(features)에는 동일한 참조 부호가 부여된다. 이러한 내연 기관의 배기 가스 터보차지 장치는 다시 터빈 시스템(2')과 압축기 시스템(4')을 포함하고, 여기서 터빈 시스템(2')은 제1 터빈(5')과 이전의 예시를 벗어나 병렬로 연결되는 제2 터빈(6')을 특징으로 한다. 이러한 프로세스에 있어서, 제1 터빈(5')은 압축기 시스템(4')의 제1 압축기(10')를 구동하고 제2 터빈은 제1 압축기(10')에 병렬 연결된 제2 압축기(11')를 구동한다. 여기서, 제1 터빈(5')을 바이패스하기 위한 웨이스트게이트(7')와, 제2 터빈(6')을 차단(close off)하기 위한 컷-오프 밸브(8')와, 제2 압축기(11')를 위한, 편의상 이러한 컷-오프 밸브(8')와 함께, 선택된 컷-오프 밸브(12')와, 두 터빈들(5' 및 6')의 가변 터빈 형상들을 위한 추가적인 액추에이터들이, 액추에이터로서 도시되었다. 도 1a에서의 예시에 있어서, 상기 액추에이터들의 가능한 액추에이터 조합들의 확대집합으로서 그 부분 집합이 다른 실시예에서 구현될 수도 있는 확대집합으로서 이해되어야 한다. 다시, 도 1b에 도시되지 아니한 제어 장치가 액추에이터들의 제어 목적으로 제공된다.
도 1a에서의 내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치가 도 2에 도식적으로 도시되는데, 도 1b로부터의 교호 배기 가스 터보차지를 위한 제어 장치가 정확하게 동일한 방식으로 구현될 수 있다. 제어 장치의 상이한 구성요소들(components)이 도 2에서 블록들에 의해서 도시되는데, 이들이 반드시 객관적으로 분리될 것을 요구되는 것은 아니며 오히려 상이한 서브프로그램들을 통해 기술적으로 간단히 구현될 수 있다.
배기 가스 터보차지를 제어하는 도시된 장치는 특히 예측치 유닛(estimated value unit)(13)을 특징으로 하는데, 상기 예측치 유닛은 내연 기관의 물리적 모델을 포함하고 그 중에서도 내연 기관의 동작 파라미터들(BG)에 의존하여 터빈 시스템(2)을 통하는 예측된 질량 유동(MFT , mdl )을 결정하도록 셋업된다. 특히 측정 변수들로서 결정되는 연료 질량 유동(FF) 및 압축기 시스템(4)을 통하는 흡입 공기의 질량 유동(MFC)이 이런 방식으로 동작 변수들(BG)로서 사용될 것이다. 또한, 예측치 유닛(13)은 터빈 시스템(2)의 모델링된 전체적인 효율(ηT)을 결정하기 위한 터빈 시스템 모델과 압축기 시스템(4)의 모델링된 전체적인 효율(ηC)을 결정하기 위한 압축기 시스템 모델을 포함한다.
나아가, 제어 장치는 명목 충전 압력(p2 , sp)과 동작 파라미터로서 측정된 실제 충전 압력(충전 압력)(p2)에 의존하여 레귤레이팅 배기 가스 배압(배압)(p3,ctl)을 결정하기 위한, 파일럿 제어(14)와 제어기(15)로 구성된, 레귤레이팅 유닛을 특징으로 한다. 레귤레이팅 배기 가스 배압(p3 , ctl)은 터빈 시스템(2)의 예측된 전체적인 효율(ηT) 및 압축기 시스템(4)의 예측된 전체적인 효율(ηC)을 사용하는 것에 의해서 결정된다. 이를 목적으로 전체적인 효율들(ηT 및 ηC) 및 예측된 질량 유동(MFT , mdl)이 할당되는 파일럿 제어(14)가 인터페이스를 통해 예측치 유닛(13)으로부터 전달될 것이고, 우선(first of all) 예측치 유닛(13)으로부터 얻어진 변수들에 의존하여 그리고 명목 충전 압력(p2 , sp) 및 일반적으로 직접 측정되는 내연 기관의 추가적인 동작 파라미터들에 의존하여 파일럿 제어 배기 가스 배압(p3 , pre)을 결정한다. 이어서 파일럿 제어 배기 가스 배압(p3 , pre)으로부터 상응하게 프로그래밍된 제어기(15)에 의해서 레귤레이팅 배기 가스 배압(p3 , ctl)이 얻어지는데 여기서 명목 충전 압력(p2 , sp)과 실제 충전 압력(p2) 간의 차이에 의존하여 보정 값이 결정되고 이것이 이후 파일럿 제어 배기 가스 배압(p3 , pre)에 부가된다. 파일럿 제어 배기 가스 배압(p3,pre)를 결정하기 위해 파일럿 제어(14)에 의해 사용되는 동작 파라미터들은 압축기 시스템(4)의 상류에서 석션 압력(p1)과 터빈 시스템(2)의 하류에서 배기 가스 압력(p4)과 압축기 시스템(4)의 상류에서 흡입 공기 온도(T1)와 터빈 시스템(2)의 상류에서 배기 가스 온도(T3)와 그리고 압축기 시스템(4)을 통해 흐르는 흡입 공기의 질량 유동(MFC)을 포함한다. 내연 기관의 흡입관 및 배기 가스관 내 상응하는 센서들이 이들 동작 파라미터들 전부 또는 일부를 측정하기 위해 제공된다. 특정한 환경에서 상기 동작 파라미터들 중 일부는 예를 들어 예측치 유닛(13)에서 계산될 수도 있어서, 적어도 즉각적인 측정이 필요하지 아니하다. 그런데, 파일럿 제어(14) 및 제어기(15) 중 어느 것도 터빈 시스템(2)의 압축기 시스템(4)의 내부 동작 파라미터들을 사용하지 아니하고 따라서 예측치 유닛(13) 및 레귤레이팅 유닛 사이에 이러한 내부 동작 파라미터들에 대한 어떠한 인터페이스도 제공되지 아니한다. 파일럿 제어 배기 가스 배압(p3 , pre)은 특히 다음과 같이 파일럿 제어(14)에 의해서 결정될 수 있다:
Figure 112010071827033-pct00002

이러한 수학식에서, Cp , air는 일정한 압력 하에서 공기의 비열 파라미터(specific heat parameter)를 나타내고 Cp , exh는 일정한 압력 하에서 배기 가스관을 통해 지나가는 배기 가스의 비열 파라미터를 나타내고 Kair는 공기의 등엔트로피 지수(isentropic exponent)를 나타내고 Kexh는 배기 가스의 등엔트로피 지수를 나타낸다. 특히, 등엔트로피 지수들(Kair 및 Kexh)가 일정하다는 단순화하는 가정 하에서 이러한 방정식이 엔진 맵으로서 매우 쉽게 표현될 수 있다.
마지막으로, 도 2에 도시된 제어 장치는 액추에이터 신호 발생 유닛(16)을 특징으로 하는데, 신호 발생 유닛(16)은 인버스 터빈 시스템 모델을 포함하고 그리고 레귤레이팅 배기 가스 배압(p3 , ctl)에 의존하여 그리고 터빈 시스템(2)을 거치는 예측된 질량 유동(MFt , mdl)에 의존하여 터빈 시스템(2)의 이미 언급된 액추에이터들에 대한 엑추에이팅 신호들(SVTG , HP , SWG , HP, SBYP , HP, SVTG,LP 및 SWG,LP)을 생성하도록 셋업된다. 이런 프로세스에 있어서, SVTG , HP는 고압 터빈(5)에 대한 터빈 형상 액추에이팅 신호를 나타내고, SWG , HP는 웨이스트게이트(7)에 대한 액추에이팅 신호를 나타내고, SBYP , HP는, 바이패스 밸브(8)와 동시에 열리는 바이패스 밸브(12)에 의존하는, 바이패스 밸브(8)에 대한 액추에이팅 신호를 나타내고, SVTG,LP는 저압 터빈(6)에 대한 터빈 형상 액추에이팅 신호를 나타내고 그리고 SWG,LP는 웨이스트게이트(9)에 대한 액추에이팅 신호를 나타낸다.
도시된 제어 장치는 배기 가스 터보차지의 제어 회로의 일부를 형성하고 이에 의해서 특히 충전 압력(p2)이 레귤레이트되어야 한다. 이제 도 1a에 도시되고 제어 장치에 의해 제어되는 내연 기관에 여기서는 도시되지 않은 배기 가스 재순환 장치를 더 구비한다. 이러한 배기 가스 재순환 장치의 제어 회로로부터 배기 가스 터보차지의 제어 회로를 디커플링하기 위하여, 도 2에 도시된 제어 장치는 추가적으로 디커플링 유닛(17)을 특징으로 하고, 상기 디커플링 유닛(17)은, 여기서 상태 변수로서 사용되는 배기 가스 반환 유동에 연관되는 배기 가스 재순환 장치의 피제어 변수(MF, EGR , ctl) 또는 상태에 의존하여, 예측치 유닛(13)에 의해 예측된 질량 유동(MFT , mdl)을 보정하는 것에 의해서 디커플링 질량 유동(MFT , dec)을 결정하기 위해 셋업된다. 액추에이팅 신호 생성 유닛(16)에 의해서 포함되는(encompass) 터빈 시스템 모델은 본 예시적인 실시예에 대하여 따라서 디커플링 유닛(17)으로부터 유도된 디커플링 질량 유동(MFT , dec)을 포함하는 한, 예측된 질량 유동(MFT , mdl)에 의존하여 직접적으로 액추에이팅 신호를 생성한다. 두 제어 회로들의 동등한(comparable) 디커플링이 WO 2006/106058 A1에 보다 상세하게 기술되어 있다. 엔진 맵들의 도움에 의해서 액추에이팅 신호들(SVTG , HP, SWG , HP, SBYP , HP, SVTG , LP 및 SWG , LP)을 결정하는 인버스 터빈 시스템 모델은 측정된 동작 파라미터들을 다시 말해서 특히 터빈 시스템(2)의 상류에서 배기 가스관 내에서 측정되거나 예측치 유닛(13)에서 계산된 배기 가스 온도(T3) 그리고 터빈 시스템(2)의 하류에서 배기 가스관 내에서 측정되거나 계산된 배기 가스 압력(p4)을 사용한다. 그러나 인버스 터빈 시스템 모델에 의해서 사용되는 엔진 맵들은 터빈 시스템(2)의 내부 동작 파라미터들에 대한 의존성을 전혀 나타내지 아니한다. 액추에이터-제어(18)가 액추에이팅 신호 생성 유닛(16)로부터 수신하는 액추에이팅 신호들(SVTG , HP, SWG , HP, SBYP , HP, SVTG , LP 및 SWG , LP)에 의존하는 이미 명명된 액추에이터들은 도 2에서 가장 잘 도시된, 액추에이터-제어(18)에 의해서 구성되고 이에 의해서 액추에이터들은 상응하는 드라이브들 또는 액추에이터들을 포함한다.
액추에이팅 신호 생성 유닛(16)은 또한, 한계값들에 이르렀을 때, 액추에이팅 신호 생성 유닛(16)의 입력 값 또는 출력 값에 의해 제어기(15)에 보내지는 한계값 표시자들(indicators)을 생성하기 위해 셋업될 수 있고 따라서 오버드라이브를 피하도록 제어 프로세스를 제한할 수 있다.
예측치 유닛(13)에 의해 포함되는 압축기 시스템 모델은, 내연 기관의 동작 파라미터들(BG)에 의존하여 그리고 개별적인 엔진 맵들에 의해서 모델링되는 저압 압축기(10) 및 고압 압축기(11)의 효율들(ηC LP 및 ηC HP)에 의존하여 압축기 시스템(4)의 전체적인 효율(ηC)을 결정한다. 바이패스 밸브(12)가 열린 경우에 압축기 시스템(4)의 전체적인 효율(ηC)이 저압 압축기(10)의 효율(ηC LP)과 함께 식별(identify)될 수 있다. 그렇지 않으면, 본 예시적인 실시에서 압축기 시스템(4)의 전체적인 효율(ηC)은 다음과 같이 압축기 시스템 모델에 의해서 결정된다:
Figure 112010071827033-pct00003
여기서 변수들(a, b 및 c)은 단지 실제 충전 압력(p2)에, 압축기 시스템(4)의 상류에서 동작 파라미터로서 측정된 석션 압력(p1)에 그리고 저압 압축기(10) 및 고압 압축기(11) 간의 우세한 중간(intermediate) 압력(pinter)에 의존하고 다음과 같이 정의된다:
Figure 112010071827033-pct00004

이를 목적으로, 중간 압력(pinter)이 압축기 시스템(4)의 내부 동작 파라미터로서 측정될 수 있거나 또는 석션 압력(p1) 및 저압 압축기(10)의 효율(ηC LP)에 의존하여 간단한 방식으로 계산될 수 있다. 이를 목적으로, 물리 변수로서 전체적인 효율(ηC)가 압축기 시스템(4)의 등엔트로피 압축 수행으로부터의 몫(quotient)을 나타내고 그리고 압축기 시스템(4) 내 압축기의 기계적인 성능의 합을 나타낸다.
저압 압축기(10)의 효율(ηC LP)이 결정되도록 하는 엔진 맵은 어쨌든 측정되는 흡입 공기 온도(T1)에의 의존성을 나타내고, 한편, 맵은 반드시 측정되어야 할 필요는 없는 저압 압축기(10) 및 고압 압축기(11) 사이 흡입관 내 우세한 온도에 의존한다. 이것이 흡입 공기 온도(T1) 및 저압 압축기(10)의 효율(ηC LP)로부터의 계산에 의해서 주어지기 때문이다. 추가적으로, 저압 압축기(10) 및 고압 압축기(11) 내에서 부여된(invest) 기계적 성능이 다른 동작 파라미터들로부터 용이하게 얻어지는 것이 가능하다.
인버스 터빈 시스템 모델은 액추에이팅 신호들(SVTG , HP, SWG , HP 및 SBYP , HP)을 결정하기 위한 엔진 맵과 액추에이팅 신호들(SVTG , LP 및 SWG , LP)을 생성하기 위한 추가적인 엔진 맵을 포함한다. 이를 목적으로, 하나의 터빈에 할당된 액추에이팅 신호들(SVTG , HP, SWG,HP 및 SBYP , HP , 또는 SVTG , LP 및 SWG , LP)을 임의의 경우에 결합된 액추에이팅 신호(SC)와 함께 가져온다. 인버스 터빈 시스템 모델의 이러한 유형의 엔진 맵이 도 3에 도시된다. 도 3은 PQT = p3 , ctl/p4로서 정의된 압력 몫(PQT)에 의존하고 그리고 디커플링 질량 유동(MFT , dec)으로부터의 표현에 따라서 생성되는 압력- 및 온도- 정규화된 질량 유동(MFT , dec [R·T3]1/2/p3 , ctl)에 의존하고 그리고 이에 의해서 예측된 질량 유동(MFT , mdl)에 의존하는 상응하는 결합된 액추에이팅 신호(SC)를 나타내는데, 여기서 R은 정규화 상수를 나타낸다. 액추에이팅 신호 생성 유닛(16)이 이를 목적으로 상응하게 프로그래밍된다.
유사한 방식으로, 예측치 유닛(13)에 의해 포함된 터빈 시스템 모델이 엔진 맵들에 의해서 구현되는데, 이것은 이미 명명된 압력 몫(PQT)과 현재의 결합된 액추에이터 위치(SC)에 의존하여 전체적인 효율(ηT)을 제공한다. 개개의 액추에이터 위치(SC)와는 별개로, 이들 엔진 맵들은 터빈 시스템(2)의 내부 동작 파라미터들에 대한 어떠한 의존성도 나타내지 아니한다. 이들 엔진 맵들 중 하나가 도 4에서의 예시로서 도시된다.
도 5는 동일한(identical) 터빈에 할당된 웨이스트게이트(SWG)에 대한 액추에이팅 신호에 의존하여 그리고 터빈 형상 액추에이팅 신호(SVTG)에 의존하여 결합된 액추에이터 위치들(SC)이 어떻게 생성되는지를 나타내는 그래프이다. 이를 목적으로 터빈 형상 액추에이팅 신호(SVTG)에 의존하여 가변 터빈 형상을 구비한 터빈에 구성된(adapted) 액추에이터의 액추에이터 위치(POSVTG)가 셋팅되고 반면 상응하는 웨이스트게이트의 액추에이터 위치(POSWG)는 액추에이팅 신호(SWG)에 의존하여 셋팅된다. 이러한 터빈에 할당되는 이들 두 액추에이터들은 적절하게(expediently) 구동되어 웨이스트게이트가 닫혔을 때에만 터빈 형상이 조정되고 한편 터빈 형상이 최대 유동 횡단면에 상응하게 셋팅될 때에만 웨이스트게이트가 조정된다. 이런 방식으로, 두 액추에이터 위치들(POSVTG 및 POSWG)과 무관하게, 일 파라미터적(one-parametric) 결합된 액추에이터 위치(POSC)가 터빈에 대하여 정의될 수 있고 이것은 도 5의 맨위 섹션에 표현된 결합된 액추에이팅 신호(SC)에 의해서 주어지거나 결정된다. 결합된 액추에이팅 신호(SC)는 두 액추에이팅 신호들(SVTG 및 SWG)에 명확하게 상응하게 연결된다. 기술된 방식에 있어서, 결합된 액추에이팅 신호(SC)가 고압 터빈(5) 및 저압 터빈(6) 각각에 대하여 정의된다. 마지막으로, 고압 터빈(5)의 결합된 액추에이팅 신호(SC)가 웨이스트게이트(7) 및 고압 터빈(5)의 완전한 열림을 결정할 때 바이패스 밸브(8)가 정확하게 열린다.
마지막으로 도 6에서, 다이어그램에서 동작 파라미터들(19, 20, 21 및 22)의 상이한 범위들이 도시되는데, 이들은 내연 기관의 회전 모멘트(M) 및 내연 기관의 회전수(N)의 상이한 값들에서 서로 다르다. 이를 목적으로 회전 모멘트(M)는 회전수(N) 및 실제 충전 압력(p2)에 의존하여 주어지고 이것은 차례로 기술된 방식으로 명목 충전 압력(p2 , sp)에 관하여(on) 정규로(normally) 레귤레이트되고, 이 때 충전 압력(p2 , sp)은 가속 페달 위치에 의존하여 정의된다.
도 6의 중앙에서, 천이 영역(23)이 음영으로 나타나는데, 천이 영역은 동작 파라미터 영역들(21 및 22)로부터 동작 파라미터 영역들(19 및 20)을 분리한다. 도 6의 다이어그램에서 단지 천이 영역(23)의 왼쪽에 놓인 낮은 회전수(N)를 가지는 동작 상태시 완전히 닫힌 웨이스트게이트(9)에 의해 그리고 저압 터빈(6)의 명목 유동 횡단면에 의해 고압 터빈(5)의 액추에이터들을 조정하는 것에 의해서 충전 압력(p2)의 제어가 발생하도록; 반면, 도 6의 다이어그램에서 천이 영역(23)의 오른쪽에 놓인 높은 회전수(N)를 가지는 동작 상태시 저압 터빈(6)에 할당된 액추에이터들의 조정에 의해서 - 이 때 고압 터빈(5), 웨이스트게이트(7) 및 바이패스 밸브(8)는 완전히 열림 - 충전 압력(p2)의 제어가 발생하도록, 배기 가스 터보차지의 제어 장치가 프로그래밍된다. 이를 목적으로, 천이 영역(23)은 유한한 폭을 가지고 이에 의해서 인접한 동작 파라미터 범위들(19 및 22 또는 20 및 21)에 따른 제어 방법들 간의 불필요한 점프를 피하는 히스테리시스(hysteresis, 이력(履歷) 현상)이 정의된다.
매우 작은 회전 모멘트들(M)에 상응하는 동작 파라미터들(20 및 21)에 있어서, 충전 압력(p2)이 레귤레이트되지 아니하고 오히려 단지 액추에이터들의 레귤레이트되지 않은 제어에 의해서 제어된다. 그러나, 위에 위치한 동작 파라미터 범위들(19 및 22)에 있어서 앞서 기술한 제어 장치에 의해서 본래적인(original) 충전 압력 제η어가 발생한다.
배기 가스 터보차지의 그리고 이로써 충전 압력(p2)의 래귤레이트된 제어를 위하여, 단지 고압 터빈(5)에 할당된 액추에이팅 신호들(SVTG , HP, SWG , HP 및 SBYP , HP) 및 그에 의존하는 도 5에 따라 정의된 결합된 액추에이팅 신호(SC) 중 하나가 변하되, 저압 터빈(6)의 액추에이터들이 가능한 가장 큰 극단적인 닫힌 위치를 취하도록; 또는 단지 저압 터빈(6)에 할당된 액추에이팅 신호들(SVTG , LP 및 SWG , LP) 또는 도 5에서 그로부터 상응하게 생성되는 결합된 액추에이팅 신호(SC)가 변하되, 고압 터빈의 액추에이터들이 완전히 열리도록, 액추에이팅 신호 생성 유닛(16)이 상응하게 셋업된다. 동작 파라미터 범위들(19 및 22) 간의 천이 영역(23)을 횡단하도록 내연 기관의 동작 상태가 변한다면, 인버스 시스템 모델의 두 상이한 엔진 맵들 사이에서 및 전체적인 효율(ηT)을 결정하기 위해 예측치 유닛(13)에 의해서 사용되는 두 엔진 맵들 사이에서 시스템이 상응하게 스위칭될 것이다. 각각의 경우에서 '스위칭'은 엔진 맵들 중 하나로의 접근으로부터 나머지 하나의 엔진 맵에의 접근으로의 변화를 의미한다. 이를 목적으로, 천이 영역(23)은 이러한 유형의 스위칭이 발생하는, 히스테리시스 균형을 위하여 배치된(spaced) 회전수(N)에 대한 두 임계치들을 각각의 회전 모멘트(M)에 대하여 정의한다.

Claims (22)

  1. - 내연 기관의 물리적 모델을 포함하는 예측치 유닛(13),
    - 동작 파라미터로서 측정되거나 동작 파라미터로부터 유도된, 명목(nominal) 충전 압력(p2,sp) 및 실제 충전 압력(p2)에 의존하여 레귤레이팅 배기 가스 배압(p3,ctl) 또는 하나 이상의 다른 레귤레이팅 매개 변수를 결정하는 레귤레이팅 유닛,
    - 터빈 시스템(2)의 하나 이상의 액추에이터에 대한 하나 이상의 액추에이팅 신호(SVTG,HP, SVTG,LP, SWG,HP, SBYP,HP, SWG,LP; SVTG, SWG, SC)를 생성하는 액추에이팅 신호 생성 유닛(16)을 포함하는,
    배기 가스 터보차지 장치를 구비하는 내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치에 있어서,
    - 상기 예측치 유닛(13)이 상기 터빈 시스템(2)의 예측된 전체적인 효율(ηT)을 결정하기 위한 터빈 시스템 모델과, 둘 이상의 압축기들을 구비하고 상기 내연 기관의 흡입 시스템 내에 셋업된 배기 가스 터보차지 장치의 압축기 시스템(4)의 전체적인 효율(ηC)을 결정하는 압축기 시스템 모델을 포함하고,
    상기 레귤레이팅 배기 가스 배압(p3,ctl) 또는 상기 하나 이상의 다른 레귤레이팅 매개 변수를 상기 터빈 시스템(2) 및 상기 압축기 시스템(4)의 예측된 전체적인 효율들(ηT, ηC)을 사용하는 것에 의해서 결정하기 위해 상기 레귤레이팅 유닛이 셋업되는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 예측치 유닛(13)이 상기 내연 기관의 흡입관 내에 셋업된(set up) 배기 가스 터보차지 장치의 터빈 시스템(2)를 거치는 질량 유동(MFT,mdl)을 상기 내연 기관의 동작 파라미터들(BG)에 의존하여 결정하도록 셋업되고
    이에 의해서 상기 액추에이팅 신호 생성 유닛(16)이 하나 이상의 액추에이팅 신호 (SVTG,HP, SVTG,LP, SWG,HP, SBYP,HP, SWG,LP; SVTG, SWG, SC)를, 상기 터빈 시스템(2)을 거치는 예측된 질량 유동(MFT,mdl)에 의존하여 생성하도록 셋업되거나, 또는 추가적으로 상기 터빈 시스템(2)의 하류에서의 배기 가스 압력(p4), 및 상기 터빈 시스템(2)의 상류에서의 배기 가스 온도(T3)에 의존하여 생성하도록 셋업되는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 압축기 시스템 모델에 의해서 모델링되는 압축기 시스템(4)이 저압 압축기(10)와 상기 저압 압축기(10)의 하류에 직렬 연결된 고압 압축기(11)를 포함하고,
    상기 내연 기관의 동작 파라미터들(BG)에 의존하여 그리고 엔진 맵들에 의해 모델링된 상기 저압 압축기(10) 및 상기 고압 압축기(11)의 전체적인 효율들(ηC,LP,ηC,HP)에 의존하여, 상기 압축기 시스템 모델이 상기 압축기 시스템(4)의 전체적인 효율(ηC)을 결정하도록 셋업되는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 압축기 시스템 모델이 상기 압축기 시스템(4)의 전체적인 효율(ηC)을 다음과 같이 또는 그로부터 유도되는 변수로서 결정하기 위해 셋업되고
    Figure 112015024850313-pct00005

    여기서 ηC는 압축기 시스템(4)의 전체적인 효율을 나타내고, ηC,LP는 저압 압축기(10)의 효율을 나타내고 ηC,HP는 고압 압축기(11)의 효율을 나타내고,
    a, b 및 c는 단지 실제 충전 압력(p2)에, 압축기 시스템(4)의 상류에서 동작 파라미터(BG)로서 측정된 석션 압력(p1)에, 그리고 저압 압축기(10)와 고압 압축기(11) 간의 흡입관 내 우세한(prevail) 중간(intermediate) 압력에 의존하는 변수들을 나타내는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 레귤레이팅 유닛은,
    상기 내연 기관의 동작 파라미터들에 의존하여, 그리고 명목 충전 압력(p2,sp) 및 상기 터빈 시스템(2) 및 상기 압축기 시스템(4)의 예측된 전체적인 효율들(ηT, ηC)에 의존하여, 파일럿 제어 배기 가스 배압 (p3,pre)을 결정하기 위한 파일럿 제어(14)와 제어기(15)를 포함하고,
    상기 레귤레이팅 배기 가스 배압(p3,ctl)를 결정하기 위해 상기 파일럿 제어 배기 가스 배압 (p3,pre)을 사용하는 것에 의해서 상기 제어기(15)는 셋업되는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 파일럿 제어 배기 가스 배압을 결정하기 위해 상기 파일럿 제어(14)에 의해서 사용되는 동작 파라미터들 또는 그로부터 유도되는 변수들은,
    압축기 시스템(4)의 상류에서의 석션 압력(p1)과 터빈 시스템(2)의 하류에서의 배기 가스 압력(p4)과 압축기 시스템(4)의 상류에서의 흡입 공기 온도(T1)와 터빈 시스템(2)의 상류에서의 배기 가스 온도(T3)와 그리고 압축기 시스템(4)을 거치는 질량 유동(MFC)과 터빈 시스템(2)을 거치는 예측된 질량 유동(MFT,mdl)을 포함하지만, 상기 압축기 시스템(4)의 또는 상기 터빈 시스템(2)의 어떠한 내부 동작 파라미터들도 포함하지 아니하는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 내연 기관의 배기 가스 재순환 장치의 제어 회로로부터 배기 가스 터보차지의 제어 회로를 디커플링하기 위한 디커플링 유닛(17)을 포함하고,
    상기 디커플링 유닛(17)은, 배기 가스 재순환 제어의 피제어 변수(MF,EGR,ctl) 또는 상태 변수에 의존하여, 상기 터빈 시스템(2)를 거치는 예측된 질량 유동(MFT,mdl)을 보정하는 것에 의해서 디커플링 질량 유동(MFT,dec)을 결정하도록 셋업되고,
    이에 의해서, 인버스(inverse) 터빈 시스템 모델이 상기 디커플링 질량 유동(MFT,dec)에 의존하여 하나 이상의 액추에이팅 신호 (SVTG,HP, SVTG,LP, SWG,HP, SBYP,HP, SWG,LP; SVTG, SWG, SC)를 생성하는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 터빈 시스템 모델 및 인버스 터빈 시스템 모델에 의해서 모델링된 터빈 시스템(2)이, 둘 이상의 압축기들에 동력을 제공하기 위한 둘 이상의 터빈들을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 터빈들은 고압 터빈(5)과 상기 고압 터빈(5)의 하류에 직렬 연결된 저압 터빈(6)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 터빈 시스템은 각각이 상기 터빈들 중 제1 터빈과 제2 터빈에 대하여 액추에이팅 신호 생성 유닛(16)에 의해 제어되는 하나 이상의 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 터빈의 하나 이상의 액추에이터에 대한 하나 이상의 액추에이팅 신호(SVTG,HP, SWG,HP, SBYP,HP)와 상기 제2 터빈의 하나 이상의 액추에이터에 대한 하나 이상의 액추에이팅 신호(SVTG,LP, SWG,LP)를 생성하도록 상기 액추에이팅 신호 생성 유닛(16)이 셋업되고,
    그 결과 피제어 변수의 임계치(threshold value)가 초과되었거나 도달되지 아니하였는가 의존하여, 단지 상기 제1 터빈에 할당된 하나 이상의 액추에이팅 신호가 변하되 상기 제2 터빈의 하나 이상의 액추에이터가 일정한 극단적인(extremal) 위치를 취하거나; 또는 단지 상기 제2 터빈에 할당된 하나 이상의 액추에이팅 신호가 변하되 상기 제1 터빈의 하나 이상의 액추에이터가 일정한 극단적인 위치를 취하고,
    이에 의해서 상기 임계치가 초과되었거나 도달되지 아니하였으면, 인버스 터빈 시스템 모델에 포함된 두 개의 상이한 엔진 맵들 간에 스위칭이 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치.
  12. 제1 항에 있어서,
    하나 이상의 액추에이팅 신호(SVTG,HP, SVTG,LP, SWG,HP, SBYP,HP, SWG,LP; SVTG, SWG, SC)를 생성하기 위한 인버스 터빈 시스템 모델이,
    압력- 및 온도- 정규화된 질량 유동(MFT,dec [R·T3]1/2/p3,ctl) - 상기 압력- 및 온도- 정규화된 질량 유동은 상기 터빈 시스템(2)을 거치는 예측된 질량 유동(MFt,mdl)에 의존하여 생성됨 - 에 의하여, 그리고 압력 몫(PQT) - 상기 압력 몫은 레귤레이팅 배기 가스 배압(p3,ctl) 그리고 상기 터빈 시스템(2)의 하류에서 동작 파라미터로서 계산되거나 측정된 배기 가스 압력(p4)으로부터 생성됨 - 에 의하여, 의존하는 하나 이상의 엔진 맵을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    인버스 터빈 시스템 모델의 하나 이상의 엔진 맵이 결합된 액추에이팅 신호(SC)를 도출하고(read out), 상기 결합된 액추에이팅 신호(SC)는 적어도 제1 액추에이터와 제2 액추에이터에 할당될 수 있고 그 결과, 상기 결합된 액추에이팅 신호(SC)의 단조 변화(monotonous varying) 동안 우선(first of all) 제2 액추에이터의 일정한 제1 위치에서, 제1 액추에이터가 제1 액추에이터의 제1 위치로부터 제2 위치로 단조로이 변화하고, 이에 의해서 제1 액추에이터의 제2 위치 도달시 제2 액추에이터가 제2 액추에이터의 제1 위치로부터 제2 위치로 단조로이 변화하는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 터빈 시스템(2)의 상류에서의 배기관에서 동작 파라미터로서 측정된 배기 가스 온도(T3) 및 레귤레이팅 배기 가스 배압(p3,ctl)에 의존하여, 압력- 및 온도- 정규화된 질량 유동(MFT,dec[R·T3]1/2/p3,ctl)을 생성하도록 상기 액추에이팅 신호 생성 유닛(16)이 셋업된 것을 특징으로 하는,
    내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치.
  15. 제11 항에 있어서,
    인버스 터빈 시스템 모델에 의해서 사용되는 하나 이상의 엔진 맵이 상기 터빈 시스템(2)의 내부 동작 파라미터들에 대한 어떠한 의존성도 나타내지 아니하는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치.
  16. 제1 항에 있어서,
    상기 터빈 시스템(2)의 전체적인 효율(ηT)이 상기 예측치 유닛(13)에서 결합된 액추에이팅 신호(SC)에 의해서 결정되는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치.
  17. 제1 항에 있어서,
    상기 예측치 유닛(13)에 있어서 상기 터빈 시스템(2)의 상류에서 배기 가스 배압(p3)이, 결합된 액추에이팅 신호(SC)에 의해서 결정되는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치.
  18. 제1 항에 있어서,
    상기 터빈 시스템(2)의 전체적인 효율(ηC)을 결정하기 위하여, 터빈 시스템 모델이 상기 터빈 시스템(2)의 하류에서 동작 파라미터(BG)로서 측정된 배기 가스 압력(p4) 및 레귤레이팅 배기 가스 배압(p3,ctl)으로부터 생성된 압력 몫(PQT)에, 그리고 하나 이상의 액추에이터의 현재 위치에, 의존하는 하나 이상의 엔진 맵을 특징으로 하는,
    내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 터빈 시스템 모델에 의해 사용되는 하나 이상의 엔진 맵이, 상기 터빈 시스템(2)의 하나 이상의 액추에이터의 주어진 위치에서, 상기 터빈 시스템(2)의 내부 동작 파라미터들에 대한 어떠한 의존성도 나타내지 아니하는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치.
  20. 내연 기관의 흡입관 내에 셋업된 터빈 시스템(2)과 상기 내연 기관의 흡입관 내에 셋업된 두 개 이상의 압축기들을 구비하는 압축기 시스템(4)을 포함하는 배기 가스 터보차지 장치를 포함하는 내연 기관에 있어서,
    제1 항 내지 제19 항 중 어느 한 항에 따른 배기 가스 터보차지 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관.
  21. - 내연 기관의 물리적 모델을 포함하는 예측치 유닛(13),
    - 동작 파라미터로서 측정되거나 동작 파라미터로부터 유도된, 명목 충전 압력(p2,sp) 및 실제 충전 압력(p2)에 의존하여 레귤레이팅 배기 가스 배압(p3,ctl) 또는 하나 이상의 다른 레귤레이팅 매개 변수를 결정하는 레귤레이팅 유닛,
    - 터빈 시스템(2)의 하나 이상의 액추에이터에 대한 하나 이상의 액추에이팅 신호(SVTG,HP, SVTG,LP, SWG,HP, SBYP,HP, SWG,LP; SVTG, SWG, SC)를 생성하는 액추에이팅 신호 생성 유닛(16)을 포함하는,
    배기 가스 터보차지 장치를 구비하는 내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치에 있어서,
    - 상기 액추에이팅 신호 생성 유닛(16)이, 상기 레귤레이팅 배기 가스 배압 (p3,ctl) 또는 하나 이상의 다른 레귤레이팅 매개 변수에 의존하여 그리고 하나 이상의 다른 동작 파라미터 또는 상기 예측치 유닛(13)에 의해 결정된 예측치에 의존하여, 하나 이상의 액추에이팅 신호 (SVTG,HP, SVTG,LP, SWG,HP, SBYP,HP, SWG,LP; SVTG, SWG, SC)를 생성하기 위한 인버스 터빈 시스템 모델을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치.
  22. - 내연 기관의 물리적 모델을 포함하는 예측치 유닛(13),
    - 동작 파라미터로서 측정되거나 동작 파라미터로부터 유도된, 명목 충전 압력(p2,sp) 및 실제 충전 압력(p2)에 의존하여 레귤레이팅 배기 가스 배압(p3,ctl) 또는 하나 이상의 다른 레귤레이팅 매개 변수를 결정하는 레귤레이팅 유닛,
    - 터빈 시스템(2)의 하나 이상의 액추에이터에 대한 하나 이상의 액추에이팅 신호(SVTG,HP, SVTG,LP, SWG,HP, SBYP,HP, SWG,LP; SVTG, SWG, SC)를 생성하는 액추에이팅 신호 생성 유닛(16)을 포함하는,
    배기 가스 터보차지 장치를 구비하는 내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치에 있어서,
    - 상기 예측치 유닛(13)이 상기 터빈 시스템(2)의 예측된 전체적인 효율(ηT)을 결정하기 위한 터빈 시스템 모델과, 둘 이상의 압축기들을 구비하고 상기 내연 기관의 흡입 시스템 내에 셋업된 배기 가스 터보차지 장치의 압축기 시스템(4)의 전체적인 효율(ηC)을 결정하는 압축기 시스템 모델을 포함하고,
    상기 레귤레이팅 배기 가스 배압(p3,ctl) 또는 상기 하나 이상의 다른 레귤레이팅 매개 변수를 상기 터빈 시스템(2) 및 상기 압축기 시스템(4)의 예측된 전체적인 효율들(ηT, ηC)을 사용하는 것에 의해서 결정하기 위해 상기 레귤레이팅 유닛이 셋업되며
    - 상기 액추에이팅 신호 생성 유닛(16)이, 상기 레귤레이팅 배기 가스 배압 (p3,ctl) 또는 하나 이상의 다른 레귤레이팅 매개 변수에 의존하여, 그리고 하나 이상의 다른 동작 파라미터 또는 상기 예측치 유닛(13)에 의해 결정된 예측치에 의존하여, 하나 이상의 액추에이팅 신호 (SVTG,HP, SVTG,LP, SWG,HP, SBYP,HP, SWG,LP; SVTG, SWG, SC)를 생성하기 위한 인버스 터빈 시스템 모델을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관의 배기 가스 터보차지의 제어 장치.
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