KR101571119B1 - 엔진 유해 배기배출물 저감을 위한 엔진 제어 장치 및 방법 - Google Patents

엔진 유해 배기배출물 저감을 위한 엔진 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 제어 장치는 엔진의 배기가스로부터 배출되는 유해 배기 배출물의 현재 배출량을 검출하는 감지부, 감지부를 통해 검출한 현재 배출량이 엔진 운전 조건에 따라 정의해 둔 유해 배기 배출물의 기준값을 초과하는지 비교하는 비교부, 현재 배출량이 기준값을 초과하는 경우 현재 배출량과 기준값간 오차를 이용한 비례 적분 제어 알고리즘을 통해 유해 배기 배출물의 생성을 억제하는 방향으로 엔진 제어 인자의 보정량을 산출하는 보정량 산출부, 및 산출한 보정량을 반영하여 엔진 제어 인자의 목표값을 설정하고 상기 목표값에 추종하도록 제어하는 엔진제어부(ECU)를 포함한다.

Description

엔진 유해 배기배출물 저감을 위한 엔진 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING ENGINE FOR EMISSIONS REDUCTION}
본 발명의 실시예들은 엔진의 유해 배기배출물을 저감하기 위한 엔진 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
디젤 엔진은 가솔린 엔진에 비해 높은 열효율(즉, 우수한 연료 경제성) 및 저속에서의 높은 토크(torque)를 가지는 장점으로 인하여 최근 운송수단(vehicle)의 동력원으로 각광을 받고 있다. 디젤 엔진은 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)의 농도가 가솔린 엔진에 비해 상대적으로 적으나 질소산화물(NOx) 및 입자상 물질(PM)이 대기 오염의 40%를 차지할 정도로 주 유해 가스로 인식되고 있다.
이러한 이유로 디젤 엔진뿐만 아니라 다양한 엔진에 대하여 차량의 배출 가스에 포함된 유해 물질의 발생량을 줄이도록 차량의 배기가스 규제가 날로 강화되고 있다.
종래 기술에 따르면 디젤 엔진의 유해 물질을 저감하기 위해 차량에 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation, EGR)시스템, 가변용량 터보차저(Variable Geometry Turbocharger, VGT), 커먼레일 직분사(Common-Rail Direct Injection, CRDI) 시스템 등이 설치되고 있다.
그런데, 상기 EGR 시스템과 VGT 시스템은 다중 입출력 비선형 특성을 나타내어 정밀 제어에 많은 어려움이 있다. 특히, EGR 시스템은 질소산화물(NOx) 저감을 위해 제어하는 제어 인자 MAF(Mass Air Flow)가 오히려 질소산화물(NOx)의 배출량과 연관성이 낮다.
또한, 상기의 EGR 시스템과 VGT 시스템은 유해 물질의 배출에 대하여 피드백이 없는 제어 구조로 되어 있어서 다양한 엔진 운전 조건에서 배기 규제를 만족하기 위하여 수많은 캘리브레이션 항목들이 사용된다. 게다가, 엔진 운전 조건에 따른 배기배출물의 드리프트(drift)를 초래하는 주요 원인이 되고 있다.
본 발명의 일 실시예는 유해 배기배출물의 생성에 가장 영향을 많이 미치는 엔진 제어 인자의 제어값을 피드백 구조를 통하여 보정하여 유해 배기 배출물의 생성을 저감하는 엔진 제어 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 제어 장치는, 엔진의 배기가스로부터 배출되는 유해 배기 배출물의 현재 배출량을 검출하는 감지부; 상기 감지부를 통해 검출한 현재 배출량이 엔진 운전 조건에 따라 정의해 둔 유해 배기 배출물의 기준값을 초과하는지 비교하는 비교부; 상기 현재 배출량이 상기 기준값을 초과하는 경우 상기 현재 배출량과 기준값간 오차를 이용한 비례 적분 제어 알고리즘을 통해 유해 배기 배출물의 생성을 억제하는 방향으로 엔진 제어 인자의 보정량을 산출하는 보정량 산출부; 및 상기 보정량 산출부를 통해 산출한 보정량을 반영하여 엔진 제어 인자의 목표값을 설정하고 상기 목표값에 추종하도록 제어하는 엔진제어부(ECU)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유해 배기 배출물을 저감하기 위한 엔진 제어 방법은, 차량의 주행 중 엔진의 배기가스로부터 배출되는 유해 배기 배출물의 현재 배출량을 검출하는 단계; 상기 현재 배출량이 엔진 운전 조건에 따라 정의해 둔 유해 배기 배출물 기준값을 초과하는지 비교하는 단계; 상기 현재 배출량이 상기 기준값을 초과하는 경우 상기 현재 배출량과 기준값간 오차를 이용한 비례 적분 제어 알고리즘을 통해 유해 배기 배출물의 생성이 억제되도록 엔진 제어 인자의 보정량을 산출하는 단계; 및 상기 보정량을 반영하여 엔진 제어 인자의 목표값을 설정하고 상기 목표값에 추종하도록 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 엔진 구성품의 생산 공차 및 노후화 등에 따른 드리프트(drift) 현상에 의하여 증가하는 유해 배기 배출물을 복잡한 캘리브레이션 과정 없이도 배기 피드백을 통해 효과적으로 저감할 수 있다.
더욱이, 다양한 엔진에 대하여 유해 배기 배출물 배출량을 기준값 수준으로 유지할 수 있으므로 배기규제 초과를 방지하고 환경을 보호할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엔진 제어 장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 엔진 제어 장치의 피드백 구조를 상세히 도시한 도면이다.
도 3은 흡기매니폴드 산소 농도(IOC)를 보정하여 질소산화물(NOx)을 저감하는 엔진 제어의 예를 보인 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유해 배기 배출물을 저감하기 위한 엔진 제어 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
도 5는 도 4의 상세흐름도이다.
도 6은 엔진 실험을 통해 본 발명의 실시예에 따른 엔진 제어 장치의 성능을 검증한 결과 그래프이다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엔진 제어 장치를 도시한 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 엔진 제어 장치는 감지부(110)와, 비교부(120), 보정량 산출부(130), 엔진 제어부(140)를 포함한다.
상기 감지부(110)는 차량 주행시 엔진의 배기가스로부터 발생하는 유해 배기 배출물의 현재 배출량을 검출한다.
본 실시예에서는 엔진의 회전속도를 감지하는 엔진 회전속도 감지부(112)와, 연료 분사량을 감지하는 연료 감지부(114)를 포함하여 구성할 수 있다. 따라서, 상기 감지부(110)는 엔진의 회전속도에 따라 분사되는 연료 분사량에 따라 유출되는 유해 배기 배출물을 검출한다.
이때, 상기 엔진의 회전속도 및 연료 분사량은 엔진 운전 조건을 나타내는 기본적인 변수로 엔진 제어 인자가 달라지더라도 그대로 사용될 수 있다. 다만, 선정된 엔진 제어 인자에 따라 엔진 회전속도와 연료 분사량에 엔진 운전 조건을 나타내는 다른 변수가 추가될 수 있다. 이 경우 상기 감지부(110)는 다른 변수를 감지하는 수단이 추가 구성될 수 있을 것이다.
상기 비교부(120)는 상기 감지부(110)를 통해 검출한 현재 배출량과 동일한 엔진 운전 조건 시 배출되는 유해 배기 배출물의 기준값을 비교한다. 상기 비교를 통해 현재 배출량이 기준값을 초과하는 지를 확인한다.
여기서, 엔진 운전 조건 시 배출되는 유해 배기 배출물의 기준값은 각 운전 조건마다 사전에 정의해 둔 유해 배출물의 기준(또는 평균) 값이 된다.
상기 보정량 산출부(130)는 상기 현재 배출량이 상기 기준값을 초과하는 경우 유해 배기 배출물의 생성을 억제하는 방향으로 제어하기 위한 보정량을 산출한다. 보정량은 엔진 제어 인자에 대한 목표값을 보정하기 위한 값이다. 그리고, 상기 엔진 제어 인자는 유해 배기 배출물의 생성에 가장 영향을 미치는 제어 변수이다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 유해 배기 배출물이 질소산화물(NOx)이고, 보정 대상인 엔진 제어 인자는 흡기매니폴드 산소 농도(IOC)가 될 수 있다.
또한, 상기 보정량 산출부(130)는 보정량 산출을 상기 현재 배출량과 기준값간 오차를 이용한 비례 적분 제어 알고리즘을 통해 도출할 수 있다. 이의 구성에 대해서는 하기 도 2에서 후술한다.
엔진 제어부(140)(ECU: Engine Control Unit)는 상기 보정량 산출부(130)를 통해 산출한 보정량을 반영하여 엔진 제어 인자의 목표값을 설정하고 상기 목표값에 추종하도록 제어한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 엔진 제어 장치의 피드백 구조를 상세히 도시한 도면이다.
비교부(120)에서는 감지부를 통해 검출한 유해 배기 배출물의 배출량(계측량)을 엔진 운전 조건에서의 유해 배기 배출물의 기준값과 비교한다. 이때, 유해 배기 배출물의 기준값은 감지부의 계측 동특성을 반영할 수 있도록 필터(filter)를 통해 필터링한다.
따라서, 상기 비교부(120)는 유해 배기 배출물의 배출량과 기준값간 오차를 출력한다.
그리고, 보정량 산출부(130)는 상기 비교부(120)를 통해 출력되는 오차를 비례 적분 제어 알고리즘에 적용하여 엔진 제어 인자의 목표값을 보정한다. 즉, 오차를 입력으로 비례 제어기(132) 및 적분 제어기(134)를 각각 통과하여 계산하고 상기 비례 제어기(132)의 출력값과 상기 적분 제어기(134)의 출력값을 합산하여 상기 엔진 제어 인자의 보정을 위한 최종값으로 산출한다.
이때, 상기 보정량 산출부(130)는 비례 제어기(132)의 이득(즉, 비례 제어 이득(K(p)))과 적분 제어기(134)의 이득(즉, 적분 제어 이득(K(i)))을 결정하여 반영한다. 즉, 비례 제어 이득은 유해 배기 배출물의 현재 배출량에 대한 엔진 제어 인자의 민감도를 이용하여 결정할 수 있다. 예를 들어, 도 3에서 예시한 바와 같이 현재 배출되고 있는 질소산화물을 기준으로 흡기매니폴드 산소 농도의 민감도를 이용할 수 있다. 적분 제어 이득은 유해 배기 배출물의 현재 배출량과 기준값의 오차를 저감하기 위하여 사용한다.
또한, 상기 보정량 산출부(130)는 엔진 제어 인자에 대한 목표값의 빠른 변화에 의하여 야기될 수 있는 엔진 구동의 불안정성을 방지하기 위하여 상기 엔진 제어 인자의 보정량을 추가 필터(136)에 통과하여 엔진 제어 인자의 목표값에 반영한다.
이렇게 비교부(120) 및 보정량 산출부(130)를 포함한 피드백 구조에 의해 본 발명의 실시예에 따른 엔진 제어 장치는 복잡한 캘리브레이션 과정 없이도 비교적 간단한 제어 방법에 의해 유해 배기 배출물의 생성을 억제할 수 있다.
도 3은 도 2의 피드백 제어 구조에 질소산화물(NOx)을 유해 배기 배출물로, 흡기매니폴드 산소 농도(IOC)를 엔진 제어 인자로 적용한 예를 보여주고 있다.
도 6은 엔진 실험을 통하여 확인한 질소산화물의 저감 성능이다. 엔진 운전 조건 중 하나인 스월밸브 개도량을 ④에 도시한 바와 같이 변경하여 그때 발생하는 질소산화물 배출량을 계측하였다. 그 결과 배기 피드백이 없는 구조(③)는 질소산화물 배출량이 기준값(①)을 이탈하여 증가된 상태로 유지되었으나, 배기 피드백이 있는 구조(②)의 경우 질소산화물 배출량이 기준값(①)으로 유지되는 것을 확인할 수 있다.
이상의 구성에 기초하여 유해 배기 배출물을 저감하기 위한 엔진 제어 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 엔진 제어 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이고, 도 5는 도 4의 상세흐름도이다.
처음 단계(S100)에서, 상기 엔진 제어 장치는 엔진의 회전속도 및 엔진으로부터 배출되는 연료 분사량을 감지하여 배기가스에 포함되어 있는 유해 배기 배출물의 배출량(이하, 현재 배출량)을 검출한다.
다음으로, 단계(S110)에서 상기 엔진 제어 장치가 현재 배출량과 각 운전 조건의 유해 배기 배출물의 기준값을 비교한다.
이를 이용하여, 단계(S120)에서 상기 엔진 제어 장치는 현재 배출량이 기준값을 초과하는지를 판단할 수 있다.
현재 배출량이 기준값 이하이면 유해 배기 배출물의 생성을 억제하지 않아도 무방하다. 따라서, 유해 배기 배출물을 저감하기 위한 동작을 종료할 수 있다.
한편, 현재 배출량이 기준값을 초과하면 다음 단계(S130)에서, 상기 엔진 제어 장치가 현재 배출량과 기준값간 오차를 이용한 비례 적분 제어 알고리즘을 통해 엔진 제어 장치의 보정량을 산출한다.
이후, 단계(S140)에서 상기 엔진 제어 장치가 보정량에 따른 엔진 제어 인자의 목표값을 설정하여 유해 배기 배출물의 생성을 억제하도록 제어한다.
구체적으로, 상기의 보정량 산출 단계(S130)는 비례 제어 및 적분 제어 알고리즘을 이용하기 위한 비례 제어 이득 및 적분 제어 이득을 결정하는 단계(S132)를 더 포함한다.
비례 제어 알고리즘은 현재 배출량과 기준값간 오차에 비례 제어 이득을 곱하여 엔진 제어 인자에 대한 제어값을 설계한다. 따라서, 비례 제어 이득은 앞서 설명한 바와 같이 유해 배기 배출물의 현재 배출량에 대한 엔진 제어 인자의 민감도를 이용하여 결정할 수 있다.
적분 제어 알고리즘은 현재 배출량과 기준값간 오차에 적분 제어 이득을 곱하여 적분함으로써 유해 배기 배출물의 현재 배출량과 기준값의 오차를 저감하는 방향으로 설계하였다.
또, 비례 제어 알고리즘을 통한 출력값과 적분 제어 알고리즘을 통한 출력값을 합산하여 엔진 제어 인자의 보정량을 산출하는 단계(S134)를 더 포함할 수 있다.
이러한 단계들을 거친 본 발명의 엔진 제어 장치는 배기 피드백을 통하여 효과적으로 유해 배기 배출물의 생성을 억제할 수 있다. 특히 다양한 엔진에 대하여 유해 배기 배출물의 배출량을 기준값 수준으로 유지할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예들에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 감지부 112: 엔진 회전속도 감지부
114: 연료 감지부 120: 비교부
130: 보정량 산출부 140: 엔진 제어부

Claims (9)

  1. 엔진의 배기가스로부터 배출되는 유해 배기 배출물의 현재 배출량을 검출하는 감지부;
    상기 감지부를 통해 검출한 현재 배출량이 엔진 운전 조건에 따라 정의해 둔 유해 배기 배출물의 기준값을 초과하는지 비교하는 비교부;
    상기 현재 배출량이 상기 기준값을 초과하는 경우 상기 현재 배출량과 기준값간 오차를 이용한 비례 적분 제어 알고리즘을 통해 유해 배기 배출물의 생성을 억제하는 방향으로 엔진 제어 인자의 보정량을 산출하는 보정량 산출부; 및
    상기 보정량 산출부를 통해 산출한 보정량을 반영하여 엔진 제어 인자의 목표값을 설정하고 상기 목표값에 추종하도록 제어하는 엔진제어부(ECU)를 포함하고,
    상기 감지부는 차량 주행시 상기 엔진의 회전속도를 감지하는 엔진 회전속도 감지부와, 상기 차량의 연료 분사량을 감지하는 연료 감지부를 포함하고,
    상기 보정량 산출부의 비례 적분 제어알고리즘은 상기 현재 배출량에 대한 엔진 제어 인자의 민감도를 이용하여 비례 제어 이득을 결정하고,
    상기 보정량 산출부는 비례 제어의 출력값과 적분 제어의 출력값을 합산하여 상기 엔진 제어 인자의 보정을 위한 최종값을 산출하되 상기 엔진 제어 인자에 대한 목표값의 빠른 변화에 의하여 야기될 수 있는 엔진 구동의 불안정성을 방지하기 위하여 상기 엔진 제어 인자의 보정량을 필터링하는 필터를 포함하고,
    상기 비례 제어 알고리즘은 상기 현재 배출량과 기준값간 오차에 비례 제어 이득을 곱하여 엔진 제어 인자에 대한 제어값을 설계하고,
    상기 적분 제어 알고리즘은 상기 현재 배출량과 기준값간 오차에 적분 제어 이득을 곱하여 엔진 제어 인자에 대한 제어값을 설계하고,
    상기 엔진 제어 인자는 흡기매니폴드의 산소 농도(IOC)이고,
    상기 엔진제어부는 상기 흡기매니폴드의 산소 농도(IOC)의 목표값을 제어하며,
    상기 유해 배기 배출물은 질소산화물(NOx)인 것을 특징으로 하는 유해 배기 배출물을 저감하기 위한 엔진 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 차량의 주행 중 엔진의 배기가스로부터 배출되는 유해 배기 배출물의 현재 배출량을 검출하는 단계;
    상기 현재 배출량이 엔진 운전 조건에 따라 정의해 둔 유해 배기 배출물 기준값을 초과하는지 비교하는 단계;
    상기 현재 배출량이 상기 기준값을 초과하는 경우 상기 현재 배출량과 기준값간 오차를 이용한 비례 적분 제어 알고리즘을 통해 유해 배기 배출물의 생성이 억제되도록 엔진 제어 인자의 보정량을 산출하는 단계; 및
    상기 보정량을 반영하여 엔진 제어 인자의 목표값을 설정하고 상기 목표값에 추종하도록 제어하는 단계;를 포함하고,
    상기 현재 배출량을 검출하는 단계는, 차량 주행시 상기 엔진의 회전속도를 감지하는 단계와, 상기 차량의 연료 분사량을 감지하는 단계를 포함하고,
    상기 엔진 제어 인자의 보정량을 산출하는 단계는, 상기 현재 배출량에 대한 엔진 제어 인자의 민감도를 이용하여 비례 제어 이득을 결정하는 단계와, 비례 제어의 출력값과 적분 제어의 출력값을 합산하여 상기 엔진 제어 인자의 보정을 위한 최종값을 산출하는 단계 및 상기 엔진 제어 인자에 대한 목표값의 빠른 변화에 의하여 야기될 수 있는 엔진 구동의 불안정성을 방지하기 위하여 상기 엔진 제어 인자의 보정량을 필터링하는 단계를 포함하고,
    상기 비례 제어 알고리즘은 현재 배출량과 기준값간 오차에 비례 제어 이득을 곱하여 엔진 제어 인자에 대한 제어값을 설계하고,
    상기 적분 제어 알고리즘은 현재 배출량과 기준값간 오차에 적분 제어 이득을 곱하여 적분함으로써 상기 현재 배출량과 기준값의 오차를 저감하는 방향으로 설계하고,
    상기 엔진 제어 인자는 흡기매니폴드의 산소 농도(IOC)이고,
    상기 제어 단계에서는 상기 흡기매니폴드의 산소 농도(IOC)의 목표값을 제어하며,
    상기 유해 배기 배출물은 질소산화물(NOx)인 것을 특징으로 하는 유해 배기 배출물을 저감하기 위한 엔진 제어 방법.
  9. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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