KR101585867B1 - 터보차지되는 압축 착화 엔진 시스템에서 배기 가스 재순환의 제어 - Google Patents

터보차지되는 압축 착화 엔진 시스템에서 배기 가스 재순환의 제어 Download PDF

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Abstract

엔진(12), 상기 엔진과 상류측에서 소통하는 유입 서브시스템(14), 상기 엔진과 하류측에서 소통하는 배기 서브시스템(16), 터보차저 터빈(38) 상류측과 터보차저 압축기(28) 하류측의 상기 배기 및 유입 서브시스템들 사이에 배치된 고압 EGR 통로(46), 및 상기 터보차저 터빈 하류측과 상기 터보차저 압축기(28) 상류측의 상기 배기 및 유입 서브시스템들 사이에 배치된 저압 EGR 통로(48)를 포함하는 터보차지되는 압축 착화 엔진 시스템(10)에서 배기 가스 재순환(EGR)을 제어하는 방법이 개시된다. 배기가스 배출 기준들을 따르는 목표 총 EGR율이 결정된 후, 상기 결정된 목표 총 EGR율의 제한범위 내에서 다른 엔진 시스템 기준들을 최적화하도록 목표 HP/LP EGR비가 결정된다.

Description

터보차지되는 압축 착화 엔진 시스템에서 배기 가스 재순환의 제어{CONTROLLING EXHAUST GAS RECIRCULATION IN A TURBOCHARGED COMPRESSION-IGNITION ENGINE SYSTEM}
본 출원은 2005년 12월 20일에 출원된 미국 가출원 60/752,415의 이익을 주장한다.
본 명세서의 전반적인 관련 분야는 터보차지되는 압축 착화 엔진 시스템 내에서 배기 가스 재순환(exhaust gas recirculation; EGR)을 제어하는 것을 포함한다.
터보차지되는 엔진 시스템은 기계적 동력으로 변환시키기 위해 공기와 연료를 연소시키는 연소 챔버들, 유입 가스를 상기 연소 챔버들로 전달하는 유입 서브시스템, 및 엔진 배기 서브시스템을 구비한 엔진들을 포함한다. 상기 배기 서브시스템들은 일반적으로 배기 가스를 상기 엔진 연소 챔버로부터 제거하고, 엔진 배기 소음을 억제시키며, 엔진 연소 온도가 높아질수록 증가하는 질소 산화물(NOx)과 배기 가스 입자를 감소시킨다. 배기 가스는 배기 가스 서브시스템에서 배출되어 외기(fresh air)와의 혼합을 위한 유입 서브시스템으로 유입된 다음, 엔진으로 종종 재순환된다. 배기 가스 재순환은 비활성 가스의 양을 증가시킴과 아울러 부수적으로 유입 가스내의 산소를 감소시킴으로써, 엔진 연소 온도를 감소시켜 NOx 생성을 감소시킨다.
방법의 일 실시예는 엔진, 상기 엔진의 상류측과 소통하는 유입 서브시스템, 상기 엔진의 하류측과 소통하는 배기 서브시스템, 터보차저 터빈의 상류에 있는 상기 배기 서브시스템과 터보차저 압축기의 하류에 있는 상기 유입 서브시스템 사이의 고압 EGR 통로, 및 상기 터보차저 터빈 하류측의 상기 배기 서브시스템과 상기 터보차저 압축기 상류측의 상기 유입 서브시스템 사이의 저압 EGR 통로를 포함하는 터보차지되는 압축 착화 엔진 시스템에서 배기 가스 재순환(EGR)을 제어하는 것을 포함한다. 우선, 목표 총 EGR율(EGR fraction)은 배기가스 배출 기준들에 따라 결정된다. 그 다음, 목표 고압/고압(HP/LP) EGR비(ratio)가 결정된 목표 총 EGR율의 범위 내에서 기타 엔진 시스템 기준들을 최적화하도록 결정된다.
상기 제어 방법의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 총 EGR율은 하나 이상의 엔진 시스템 모델에 대한 입력값으로서의 프록시 파라미터(proxy parameter)에 응답하여 추정될 수 있으며, HP 또는 LP EGR 플로우 센서나 총 EGR 플로우 센서에 의해 직접적으로 측정되지 않는다. 또한, 목표 총 EGR율은 HP 및/또는 LP EGR율에 대한 폐루프 조정(closed-loop adjustment)에 의해 폐루프 제어될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들은 아래의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하지만, 그 상세한 기재와 특정 예들은 단지 설명을 위한 것이지 본 발명의 범위를 제한하기 위한 의도가 아니다.
본 발명의 예시적 실시예들은 상세한 설명과 첨부 도면들로부터 더욱 확실히 이해될 것이다.
본 발명에 의해 총 EGR율은 하나 이상의 엔진 시스템 모델에 대한 입력값으로서의 프록시 파라미터(proxy parameter)에 응답하여 추정될 수 있으며, HP 또는 LP EGR 플로우 센서나 총 EGR 플로우 센서에 의해 직접적으로 측정되지 않는다. 또한, 목표 총 EGR율은 HP 및/또는 LP EGR율에 대한 폐루프 조정(closed-loop adjustment)에 의해 폐루프 제어될 수 있다.
도 1은 예시적인 제어 서브시스템을 포함하는 엔진 시스템의 일 실시예를 나타내는 개략도.
도 2는 도 1의 엔진 시스템에 있어서 상기 예시적인 제어 서브시스템의 블록도.
도 3은 도 1의 엔진 시스템에 적용될 수 있는 EGR 제어 방법의 일 실시예를 나타내는 플로우챠트.
도 4는 도 3의 제어 방법에 있어서 바람직한 제어 플로우 부분을 설명하고 총 EGR 추정 블록과 고압 및 저압 EGR 개루프 제어 블록을 포함하는 블록도.
도 5a~5c는 도 4의 추정 블록의 실시예들을 나타낸 도면.
도 6a~6b는 도4의 고압 및 저압 EGR 개루프 블록들의 실시예들을 나타낸 도면.
도 7은 목표 총 EGR율 대 밸브 위치의 예시적인 플롯(plot)을 나타내는 그래프.
도 8은 도 3의 제어 방법에 있어서 제 2 제어 플로우 부분을 나타내는 블록도.
도 9는 도 3의 제어 방법에 있어서 제 3 제어 플로우 부분을 나타내는 블록도.
도 10은 도 3의 제어 방법에 있어서 제 4 제어 플로우 일부를 나타내는 블록도.
실시예(들)에 대한 아래 설명은 본질상 단지 예시적인 것이며, 본 발명과 그의 적용 또는 이용들을 제한하도록 의도된 것이 결코 아니다.
제어 방법의 일 실시예에 의하면, 배기 가스 재순환(EGR)은 고압(HP) 및 저압(LP) EGR 통로를 구비한 터보차지되는 압축 착화 엔진 시스템에서 제어된다. 바람직하게는, 총 EGR율은 하나 이상의 엔진 시스템 모델들에 대한 입력값으로서의 프록시 파라미터에 응답하여 추정되며, HP 또는 LP EGR 플로우 센서나 총 EGR 플로우 센서에 의해 직접적으로 측정되지 않는다. 목표 총 EGR율은 배기가스 배출 기준들에 따라 결정된다. 그 다음, 연비 목표, 엔진 시스템 성능 목표, 또는 엔진 시스템 보호나 유지보수 규격(specification) 중 적어도 하나와 같은, 기타 기준들을 결정된 목표 총 EGR율의 범위 내에서 최적화하도록 목표 HP/LP EGR비가 결정된다. 또한, 바람직하게는 목표 총 EGR율은 HP 및/또는 LP EGR율에 대한 폐루프 조정에 의해 폐루프 제어된다. 이하, 상기 제어 방법을 실시하기 위한 예시적인 시스템이 설명되고, 예시적인 제어 방법 및 예시적인 제어 플로우도 또한 설명된다.
예시적인 시스템
예시적인 작동 환경이 도1에 도시되며, 현재 개시되는 EGR 제어 방법을 실시하는데에 적용될 수 있다. 상기 제어 방법은 어떤 적절한 시스템을 사용하여 실시될 수 있고, 바람직하게는, 시스템(10)과 같은 엔진 시스템과 함께 실시된다. 아래의 시스템 설명은 단지 하나의 예시적인 엔진 시스템의 간단한 개요를 제공하지만, 본 명세서에 도시되지 않은 기타 시스템들과 구성요소들도 현재 개시되는 방법을 지지할 수 있다.
일반적으로, 시스템(10)은 연료와 유입 가스의 혼합물의 내부 연소로부터 기계적 동력을 생성하는 내연 엔진(12), 상기 유입 가스를 상기 엔진(12)으로 일반적으로 공급하는 유입 서브시스템(14), 및 연소 가스를 상기 엔진(12)으로부터 일반적으로 배출시키는 배기 서브시스템(16)을 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 유입 가스라는 단어는 외기와 재순환된 배기 가스를 포함할 수 있다. 상기 시스템(10)은 또한 연소를 증대시켜 엔진 출력을 증가시키기 위하여 유입 공기를 압축하기 위해, 상기 배기 및 유입 서브시스템들(14, 16)을 통해서 소통되는 터보차저(turbocharger; 18)를 일반적으로 포함할 수 있다. 상기 시스템(10)은 상기 엔진 시스템(10)의 배출 성능을 증대시키도록 외기와의 혼합을 위해서 배기 가스를 재순환시키기 위하여, 상기 배기 및 유입 서브시스템들(14, 16) 사이에 배기 가스 재순환 서브시스템(20)을 일반적으로 포함할 수 있다. 상기 시스템(10)은 또한 상기 엔진 시스템(10)의 구동을 제어하는 제어 서브시스템(22)을 일반적으로 포함할 수 있다. 어떤 적절한 액상 및/또는 가스 상태의 연료를 유입 가스와 함께 연소시키기 위하여 상기 엔진(12)으로 공급하는 연료 서브시스템(도시되지 않음)이 제공된다는 것을 당업자는 인정하게 될 것이다.
내연 엔진(12)는 디젤 엔진과 같은 자기착화 또는 압축착화 엔진 등의 어떤 적절한 형태의 엔진일 수 있다. 상기 엔진(12)은 그 내부에 실린더와 피스톤(개별적으로 도시되지 않음)을 가지는 블록(24)을 포함할 수 있으며, 상기 실린더와 피스톤은 실린더 헤드(개별적으로 도시되지 않음)와 함께 연료와 유입 가스의 혼합물의 내부 연소를 위한 연소 챔버(미도시)를 구획한다.
상기 유입 서브시스템(14)은, 적절한 도관(conduit) 및 커넥터들에 추가해서, 유입되는 공기를 여과하는 공기 필터(미도시)를 가질 수 있는 유입단부(26)와, 상기 유입 공기를 압축하기 위해 상기 유입단부(26)의 하류측에 터보차저 압축기(28)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 유입 서브시스템(14)은 압축된 공기를 냉각시키기 위해 상기 터보차저 압축기(28)의 하류측에 공기 냉각기(charge air cooler; 30), 및 냉각된 공기의 유동을 상기 엔진(12)으로 스로틀링(throttling)시키기 위해 상기 공기 냉각기(30)의 하류측에 흡기 스로틀 밸브(32)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 유입 서브시스템(14)은 스로틀링된 공기를 받아서 엔진 연소 챔버들로 분산시키기 위해 상기 스로틀 밸브(32)의 하류측 및 상기 엔진(12)의 상류측에 흡기 매니폴드(intake manifold; 34)를 포함할 수 있다.
상기 배기 서브시스템(16)은, 적절한 도관 및 커넥터들에 추가해서, 상기 엔진(12)의 연소 챔버들로부터 배기 가스를 모아서 상기 배기 서브시스템(16)의 하류측의 나머지 부위로 전달하기 위해 배기 매니폴드(36)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 배기 서브시스템(16)은 상기 배기 매니폴드(36)와 하류측에서 소통하는 터보차저 터빈(38)을 포함할 수 있다. 상기 터보차저(18)는 가변 터빈 구조(VTG; variable turbine geometry) 타입의 터보차저, 듀얼 스테이지 터보차저(dual stage turbocharger), 또는 웨이스트게이트(wastegate)나 바이패스 장치를 구비한 터보차저 등일 수 있다. 어떤 경우에도, 상기 터보차저(18) 및/또는 어떤 터보차저 보조 장치(들)은 다음의 파라미터들, 즉 터보차저 부스트 압력(turbocharger boost pressure), 공기 유량, 및/또는 EGR 플로우, 중 하나 이상에 영향을 미치도록 조정될 수 있다. 또한, 상기 배기 서브시스템(16)은 근접장착식 디젤 산화 촉매 장치(close-coupled diesel oxidation catalyst; DOC), 질소 산화물 흡수제(NOx adsorber) 유닛, 또는 입자 필터 등의 촉매 변환기와 같은 어떤 적절한 배출 장치(들)(40)를 포함할 수 있다. 상기 배기 서브시스템(16)은 또한 배기구(44)의 상류측에 배치된 배기 스로틀 밸브(42)를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 EGR 서브시스템(20)은 배기 가스의 일부를 상기 엔진(12)에서 연소시키기 위해 상기 배기 서브시스템(16)으로부터 상기 유입 서브시스템(14)으로 재순환시키는 하이브리드 또는 듀얼 통로 EGR 서브시스템이다. 따라서, 상기 EGR 서브시스템(20)을 2개의 통로인, 고압(HP) EGR 통로(46)와 저압 (LP) EGR 통로(48)를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 HP EGR 통로(46)는 상기 터보차저 터빈(38)의 상류측에서 상기 배기 서브시스템(16)과 연결되고, 상기 터보차저 압축기(28)의 하류측에서 상기 유입 서브시스템(14)에 연결된다. 또한, 바람직하게는, 상기 LP EGR 통로(48)는 상기 터보차저 터빈(38)의 하류측에서 상기 배기 서브시스템(16)과 연결되며, 상기 터보차저 압축기(28)의 상류측에서 상기 유입 서브시스템(14)과 연결된다. 또한, 내부 HP EGR을 유도하기 위한 내연 엔진 가변 밸브 타이밍 및 리프트의 사용 등과 같은 다른 형태의 HP EGR을 포함하여 상기 배기 및 유입 서브시스템들(14, 16) 사이의 어떤 다른 적절한 연결도 고려된다.
상기 HP EGR 통로(46)는, 적절한 도관과 커넥터들에 추가해서, 상기 배기 서브시스템(16)으로부터 상기 유입 서브시스템(14)으로의 배기 가스의 재순환을 제어하는 HP EGR 밸브(50)를 포함할 수 있다. 상기 HP EGR 밸브(50)는 그 자체에 액츄에이터를 구비한 독립형(stand-alone) 장치이거나, 상기 흡기 스로틀 밸브(32)와 합체되어 공지의 액츄에이터를 구비한 결합 장치로 될 수 있다. 또한, 상기 HP EGR 통로(46)는 HP EGR 가스를 냉각시키기 위해 상기 HP EGR 밸브(50)의 상류측에, 또는 선택적으로는 하류측에, HP EGR 냉각기(52)를 포함할 수도 있다. 바람직하게는, HP EGR 가스와 스로틀링된 공기 및 기타 유입 가스(상기 공기는 LP EGR을 가질 수 있음)를 혼합시키기 위해 상기 터보차저 터빈(38)의 상류측 및 상기 스로틀 밸브(32)의 하류측에 상기 HP EGR 통로(46)가 연결된다.
상기 LP EGR 통로(48)는, 적절한 도관 및 커넥터들에 추가해서, 상기 배기 서브시스템(16)으로부터 상기 유입 서브시스템(14)으로의 배기 가스 재순환을 제어하기 위해 LP EGR 밸브(54)를 포함할 수 있다. 상기 LP EGR 밸브(54)는 그 자체에 액츄에이터를 구비한 독립형 장치이거나, 상기 배기 스로틀 밸브(42)와 합체되어 공지의 액츄에이터를 구비한 결합 장치로 될 수 있다. 또한, 상기 LP EGR 통로(48)는 LP EGR 가스를 냉각시키기 위해 상기 LP EGR 밸브(54)의 하류측에, 또는 선택적으로 상류측에, LP EGR 냉각기(56)를 포함할 수 있다. 바람직하게는, LP EGR 가스와 여과된 유입 공기를 혼합시키기 위해 상기 터보차저 터빈(38)의 하류측 및 상기 터보차저 압축기(28)의 상류측에 상기 LP EGR 통로(48)가 연결된다.
도2를 참조하면, 제어 서브시스템(22)은 본 명세서에 개시된 제어 방법 중 적어도 일부를 실행시키기 위한 어떤 적절한 하드웨어, 소프트웨어, 및/또는 펌웨어를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제어 서브시스템(22)은 각종 엔진 센서들(60) 뿐만 아니라 앞에서 언급된 상기 엔진 시스템 액츄에이터(58)의 일부 또는 전부를 포함할 수 있다. 상기 엔진 시스템 센서들(60)은 도면상에 개별적으로 도시되지 않았지만, 엔진 시스템 파라미터들을 모니터링하기 위해 어떤 적절한 장치들을 포함할 수 있다.
예를 들면, 엔진 속도 센서는 엔진 크랭크축(미도시)의 회전 속도를 측정하고, 엔진 연소 챔버들과 소통하는 압력 센서들은 엔진 실린더 압력을 측정하며, 흡기 및 배기 매니폴드 압력 센서들은 엔진 실린더로 출입 유동하는 가스의 압력을 측정하고, 유입 공기 유량 센서는 상기 유입 서브시스템(14) 내에 유입되는 공기유동을 측정하며, 매니폴드 유량 센서는 상기 엔진(12)으로 유입되는 가스 유동을 측정한다. 다른 예에서, 상기 엔진 시스템(10)은 엔진 실린더로 유동하는 유입 가스의 온도를 측정하기 위해 온도 센서를 포함할 수 있으며, 공기 필터의 하류측 및 상기 터보차저 압축기(28)의 상류측에 온도 센서를 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 상기 엔진 시스템(10)은 그 자체의 회전 속도를 측정하기 위해 상기 터보차저 압축기(28)와 적절히 결합된 속도 센서를 포함할 수 있다. 집적된 각도 위치 센서와 같은 스로틀 위치 센서는 상기 스로틀 밸브(32)의 위치를 측정한다. 위치 센서는 상기 가변 구조 터빈(38)의 위치를 측정하기 위해 상기 터보차저(18)와 근접하게 배치된다. 상기 배기 서브시스템(16)을 빠져나오는 배기 가스의 온도를 측정하기 위해 테일파이프 배기구의 바로 상류측에 테일파이프 온도 센서가 배치될 수 있다. 또한, 유입구(들) 및 배기구(들)에서의 배기 가스 온도를 측정하기 위해 상기 배출 장치(들)(40)의 상류측 및 하류측에 온도 센서들이 배치된다. 마찬가지로, 하나 이상의 압력 센서가 상기 배출 장치(들)(40)에 걸쳐 배치되어 그곳에서의 압력 하강을 측정한다. 배기 가스 및/ 또는 유입 가스 내의 산소를 측정하기 위해 산소(O2) 센서가 상기 배기 및/또는 유입 서브시스템(14, 16)에 설치된다. 최종적으로, 위치 센서들은 상기 HP 및 LP EGR 밸브(50, 54)와 배기 스로틀 밸브(42)의 위치를 측정한다.
본 명세서에서 설명된 센서(60)에 추가해서, 어떤 다른 적절한 센서들 및 이들과 관련된 파라미터들이 현재 개시되는 시스템 및 방법들에 포함될 수 있다. 예를 들면, 상기 센서들(60)은 액셀레이터 센서, 차량 속도 센서, 파워트레인 속도 센서, 필터 센서, 기타 유동 센서, 진동 센서, 녹크 센서(knock sensor), 및 흡입 및 배기 압력 센서 등도 포함할 수 있다. 다시 말해서, 전기적, 기계적, 및 화학적 파라미터들을 포함한, 어떤 적절한 물리적 파라미터들을 감지하기 위한 어떠한 센서라도 사용될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 센서라는 용어는 어떠한 엔진 시스템 파라미터 및/또는 이들 파라미터들의 다양한 조합을 감지하기 위해 사용된 어떤 적절한 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 포함한다.
또한, 상기 제어 서브시스템(22)은 센서 입력 신호를 수신해서 처리하고 액츄에이터 출력 신호들을 전송하기 위해, 액츄에이터들(58) 및 센서들(60)과 소통하는 하나 이상의 컨트롤러(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 컨트롤러(들)는 하나 이상의 적절한 프로세서 및 메모리 장치(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 메모리는 상기 엔진 시스템(10)의 기능 중의 적어도 일부를 제공하고 상기 프로세서(들)에 의해서 실행될 수 있는 데이터와 명령어를 저장하도록 구성될 수 있다. 조견표(look-up table), 맵(map), 및 모델 등으로서 메모리에 저장된 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 및 다양한 엔진 시스템 데이터나 명령어들에 의해 상기 방법 중 적어도 일부가 실시될 수 있다. 어떤 경우에도, 상기 제어 서브시스템(22)은 상기 센서(60)로부터 입력 신호들을 수신하고, 센서 입력 신호들에 따라 명령이나 알고리즘을 실행시켜, 적당한 출력 신호들을 다양한 상기 액츄에이터들(58)로 전송함으로써 엔진 시스템 파라미터들을 제어한다.
상기 제어 서브시스템(22)은 컨트롤러(들)에 다수의 모듈들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 탑 레벨 엔진 제어 모듈(62)은 어떤 적절한 엔진 시스템 입력 신호들을 수신하여 처리하며 출력 신호를 유입 제어 모듈(64), 연료 제어 모듈(66), 및 어떤 기타 적절한 제어 모듈(68)로 전달한다. 이하에서 더욱 상세히 설명되겠지만, 상기 탑 레벨 엔진 제어 모듈(62)은 하나 이상의 엔진 시스템 파라미터 센서(60)로부터의 입력 신호들을 수신하고 처리하여 어떤 적절한 방식으로 총 EGR율을 추정한다.
EGR율을 추정하는 다양한 방법은 당업자에게 공지되어 있다. 여기에서 사용되는 "총 EGR 율"이라는 용어는 하나 이상의 구성 파라미터를 포함하고, 아래의 방정식에 의해 나타낼 수 있다.
Figure 112014056327664-pat00001
여기에서,
MAF는 유입 서브시스템 내로의 외기 유량이고,
MEGR은 유입 서브시스템 내의 EGR 유량이며,
MENG은 엔진으로의 유입 가스 유량이고,
rEGR은 재순환된 배기 가스에 기인될 수 있는 엔진으로 들어가는 유입 가스의 일부를 포함한다.
*상기 방정식으로부터, 외기 유량 센서, 및 센서로부터 또는 그 추정값으로부터의 유입 가스 유량을 사용하거나, 총 EGR율 자체의 추정값 및 유입 가스 유량을 사용하여 총 EGR율이 계산될 수 있다. 어느 경우에도, 하나 이상의 엔진 시스템 모델들의 입력값들로서의 추정값들 또는 하나 이상의 유량 센서 측정값으로부터 총 EGR율을 직접 추정하기 위해 상기 탑 레벨 엔진 제어 모듈(62)은 적절한 데이터 입력값을 포함할 수 있다.
여기에서 사용되는 "모델"이라는 용어는 조견표, 맵, 알고리즘 등과 같은 변수들을 사용하여 어떤 것을 나타내는 어떠한 개념(construct)을 포함한다. 모델들은 어떤 주어진 엔진 시스템의 정확한 디자인과 성능 규격들에 대한 특정적이면서 특유한 어플리케이션이다. 일 예에서, 상기 엔진 시스템 모델들은 엔진 속도와 흡기 매니폴드 압력과 온도에 의존될 수 있다. 상기 엔진 시스템 모델들은 엔진 파라미터가 변할 때마다 업데이트되며, 흡입 압력, 온도, 및 일반 기체 상수에 의해 결정될 수 있는 엔진 속도 및 엔진 흡입 밀도를 포함하는 입력값을 사용하는 다차원 조견표일 수 있다.
상기 총 EGR율은 그 구성요소들을 통해, 추정되거나 감지된 공기 유량, O2, 또는 엔진 시스템 온도(들)와 같은 하나 이상의 엔진 시스템 파라미터들과 직접적이거나 간접적으로 관련될 수 있다. 이러한 파라미터들은 총 EGR율과 관련되는 어떤 적절한 방식에 의해 분석될 수 있다. 예를 들면, 총 EGR율은 다른 엔진 시스템 파라미터들과 공식적으로(formulaically) 연관될 수 있다. 또 다른 예에서, 엔진 보정(calibration)이나 모델링으로부터 상기 총 EGR율이 경험적이고 통계적으로 다른 엔진 파라미터들과 연관될 수 있다. 상기 총 EGR율이 어떤 다른 엔진 시스템 파라미터(들)와 신뢰성있게 연관된다는 것이 발견된 어떤 경우에도, 그 연관성은 공식적, 경험적, 및 음향적 등으로 모델링될 수 있다. 예를 들면, 경험적 모델들이 적절한 시험으로부터 만들어질 수 있고, 기타 엔진 시스템 파라미터값들과 함께 상기 총 EGR율 값을 상호참조할 수 있는 조견표, 및 맵 등을 포함할 수 있다.
따라서, 총 EGR율 및/또는 개별 HP 및/또는 LP EGR 플로우의 직접적인 센서 측정값에 대한 프록시로서 엔진 시스템 파라미터가 사용될 수 있다. 따라서, 총 EGR, HP EGR, 및 LP EGR 플로우 센서들이 제거될 수 있음으로써, 엔진 시스템 비용 및 무게를 줄일 수 있다. 또한, 이러한 센서들의 제거는 배선(wiring), 커넥터 핀들, 컴퓨터 프로세싱 파워 및 메모리 등과 같은 기타 센서와 관련된 하드웨어, 소프트웨어, 및 비용의 제거를 가져온다.
또한, 바람직하게는 상기 탑 레벨 엔진 제어 모듈(62)은 터보차저 부스트 압력 세트포인트(setpoint) 및 목표 총 EGR 세트포인트를 계산해서, 이 세트포인트들을 유입 제어 모듈(64)로 전송한다. 마찬가지로, 상기 탑 레벨 엔진 제어 모듈(62)은 적절한 타이밍 및 연료주입(fueling) 세트포인트들을 계산해서 이들을 연료 제어 모듈(66)로 전송하고, 기타 세트포인트들을 계산해서 이들을 기타 제어 모듈(68)로 전송한다. 상기 연료 및 기타 제어 모듈(66, 68)은 이 입력값들을 수신하고 처리해서, 연료 인젝터, 연료 펌프, 또는 기타 장치들과 같은 어떤 적절한 엔진 시스템 장치에 대한 적절한 명령 신호를 생성한다.
대안으로, 상기 탑 레벨 엔진 제어 모듈(62)은 목표 총 EGR 세트포인트 대신에, 부스트 압력 세트포인트와 총 흡입 공기 유량 세트포인트(파선으로 도시됨)를 계산해서 전송할 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 실제 유량 센서의 판독으로부터 실제 총 EGR율이 추정되는 방법과 거의 동일한 방법으로, 그 후에 상기 총 EGR 세트포인트가 공기 유량 세트포인트로부터 결정된다. 두번째 대안으로, 제어 방법 전체에 걸쳐서 공기 유량이 총 EGR율을 대체한다. 이것은 사용된 데이터의 형태와 HP 및 LP EGR 플로우 목표값이 설정되는 방식을 변경시키지만, 컨트롤러의 기본적 구조와 제어 방법의 흐름은 동일하다.
상기 유입 제어 모듈(64)은, 상기 탑 레벨 엔진 제어 모듈(62)로부터 수신된 세트포인트들 이외에, 어떤 적절한 엔진 시스템 파라미터값들을 수신한다. 예를 들면, 상기 유입 제어 모듈(64)은 터보차저 부스트 압력과 같은 유입 및/또는 배기 서브시스템 파라미터값들, 및 유량을 수신한다. 상기 유입 제어 모듈(64)은 수신된 파라미터값들을 처리해서, LP 및 HP EGR 세트포인트들, 및 터보차저 세트포인트들과 같은 어떤 적절한 출력값들을 각각의 LP EGR, HP EGR, 및 터보차저 제어 서브모듈들(72, 74, 76)로 전송하는 탑 레벨 유입 제어 서브모듈(70)을 포함할 수 있다. 상기 LP EGR, HP EGR, 및 터보차저 제어 서브모듈들(72, 74, 76)은 상기의 유입 제어 서브모듈 출력값들을 처리하여, LP EGR 밸브(54), 배기 스로틀 밸브(42), HP EGR 밸브(50) 및 흡기 스로틀 밸브(32), 및 하나 이상의 터보차저 액츄에이터(19)와 같은 다양한 엔진 시스템 장치들에 대한 적절한 명령 신호들을 생성한다. 다양한 모듈들 및/또는 서브모듈들은 도시된 바와 같이 분리될 수 있거나, 하나 이상 결합된 모듈들 및/또는 서브모듈들로 합체될 수 있다.
<예시적인 방법(들)>
LP 및 HP EGR을 제어하는 방법이 본 명세서에서 개시되어 상기의 엔진 시스템(10)의 작동 환경 범위 내에서 하나 이상의 컴퓨터 프로그램으로서 실행될 수 있다. 또한, 다른 작동 환경 범위들 내에서 다른 엔진 시스템들을 사용하여 상기 제어 방법이 실시될 수 있다는 점을 당업자들은 인정하게 될 것이다. 지금 도 3을 참조하여, 전형적인 방법(300)이 플로우챠트 형태로 나타내어진다.
단계(305)에서 도시된 바와 같이, 방법(300)은 어떤 적절한 방식으로도 시작될 수 있다. 예를 들면, 상기 방법(300)은 도 1의 엔진 시스템(10)에서의 엔진(12) 시동시에 시작될 수 있다.
단계(310)에서, 외기가 엔진 시스템의 유입 서브시스템으로 유입되어, 상기 유입 서브시스템을 통해 유입 가스가 상기 엔진 시스템의 엔진 내로 유입된다. 예를 들면, 외기가 상기 유입 시스템(14)의 유입구(26) 내로 유입되고, 유입 가스가 상기 흡기 매니폴드(34)를 통해 상기 엔진(12)으로 유입될 수 있다.
단계(315)에서, 배기 가스가 엔진 시스템의 배기 서브시스템을 통해 엔진으로부터 배출된다. 예를 들면, 배기 가스는 상기 배기 매니폴드(36)를 통해 상기 엔진(12)으로부터 배출 될 수 있다.
단계(320)에서, 고압 또는 저압 EGR 통로 중의 하나 또는 둘 다를 통해 배기 가스가 배기 서브시스템으로부터 엔진 시스템의 유입 서브시스템으로 재순환된다. 예를 들면, 상기 HP 및 LP EGR 통로(46, 48)를 통해 HP 및 LP 배기 가스가 상기 배기 서브시스템(16)으로부터 상기 유입 서브시스템(14)으로 재순환될 수 있다.
단계(325)에서, 총 EGR율을 지시하는 하나 이상의 프록시 파라미터들이 감지될 수 있다. 예를 들면, 상기 프록시 파라미터는 공기 유량, O2, 및/또는 엔진 시스템 온도를 포함할 수 있고, 상기 엔진 시스템(10)의 각각의 센서들(60)에 의해 측정될 수 있다.
단계(330)에서, 목표 총 EGR율은 배기가스 배출 기준들을 따르도록 결정된다. 예를 들면, 미리 결정된 배출 기준들을 따르도록 하기 위해 상기 탑 레벨 엔진 제어 모듈(62)은 원하는 총 EGR율 값들과 현재 엔진 작동 파라미터들을 상호참조하는 어떤 적절한 엔진 시스템 모델(들)을 사용할 수 있다. 본 명세서에서 사용된 "목표값(target)"이라는 용어는 단일값, 다수의 값들, 및/또는 소정 범위의 값들을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 "기준(criteria)" 이라는 용어는 단수와 복수의 기준을 포함한다. 적절한 EGR율(들)을 결정하기 위해 사용된 기준의 예들은 속도와 부하에 기초를 둔 보정된 테이블(calibrated table), 실린더 온도 목표값들을 결정하고 EGR율로 변환하는 모델 기초 접근법(model based approach), 및 변동하는 작동이나 일정한 상태의 작동 등의 작동 상태들을 포함한다. 절대 배출 기준은 미국 환경 보호국(EPA) 등의 환경 단체에 의해 지정될 수 있다.
단계(335)에서는, 단계(330)에서 결정된 목표 총 EGR율에 의해 제한되면서, 연비 목표값들, 엔진 시스템 성능 목표값들, 또는 엔진 시스템 보호나 유지보수 규격들과 같은 하나 이상의 기타 엔진 시스템 기준을 최적화하도록 목표 HP/LP EGR비가 결정된다.
단계(340)에서, 각각의 HP EGR 및/또는 LP EGR 세트포인트는 단계(335)에서 결정된 목표 HP/LP EGR비에 따라서 산출될 수 있다.
단계(345)에서, 상기 HP 및 LP EGR 세트포인트에 대응하는 목표 HP 및 LP EGR 개방율(opening percentage)이 결정될 수 있다. 예를 들면, 개루프 컨트롤러들은 상기 개방율을 산출하기 위해 모델들을 사용하여 상기 HP 및 LP EGR 세트포인트와 기타 엔진 시스템 파라미터들을 처리할 수 있다.
단계(350)에서는, 앞에서 설명된 바와 같이 어떤 적절한 엔진 시스템 모델들의 입력값으로 사용되는 프록시 파라미터(들)에 응답하여 총 EGR율이 추정될 수 있다. 예를 들면, 상기 총 EGR율 추정값은 상기 총 EGR율에 상기 프록시 파라미터(들)를 공식적으로 또는 경험적으로 연관시키기 위한 엔진 시스템 모델들을 포함한다. 상기 모델들은 프록시 파라미터값들과 EGR율 값들을 상호참조할 수 있는 조견표와 맵 등을 포함할 수 있고, 엔진 속도, 흡기 매니폴드 압력 및 온도에 기초를 둘 수 있다. 어떤 경우에도, 실제적으로 상기 총 EGR율은 각각의 HP 및/또는 LP EGR 플로우 센서나 조합된 총 EGR 플로우 센서를 사용하여 실제로 직접적으로 측정되지 않는다.
단계(355)에서, 추정된 총 EGR율을 통한 폐루프 제어를 사용하여 각각의 HP EGR 및/또는 LP EGR율 중의 하나 또는 둘 모두가 조정될 수 있다. 상기 HP 및/또는 LP EGR율은 각각의 HP 및/또는 LP EGR 세트포인트나 밸브 및/또는 스로틀 개방율 중의 어느 하나 또는 둘 모두에 대한 폐루프 제어를 통해 조정될 수 있다. 예를 들면, 이하에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 폐루프 컨트롤러는 HP 및/또는 LP EGR 세트포인트 출력값 트림 명령(trim command)을 생성하기 위해, 추정된 상기 총 EGR율을 프로세스 변수 입력값으로 처리하고 총 EGR율 세트포인트를 세트포인트 입력값으로 처리할 수 있다. 따라서, 상기 목표 총 EGR율은 HP 및/또는 LP EGR율에 대한 폐루프 조정에 의해 폐루프 제어되는 것이 바람직하다. 이러한 조정은 실제 HP/LP EGR율을 변화시킬 수 있다.
단계(360)에서, 단계(350)로부터의 HP EGR 및 LP EGR 개방율들은 하나 이상의 HP EGR, LP EGR, 흡기 스로틀, 또는 배기 스로틀 밸브에 각각 적용될 수 있다. 상기 HP 및/또는 LP EGR 개방율은 개루프 제어 블록들의 하류측에서 직접 조정되거나 상기 개루프 제어 블록들의 상류측에서 세트포인트 조정을 통해 간접적으로 조정된다.
<예시적인 제어 플로우>
지금 도 4의 제어 다이어그램을 참조하여, 도 3에서의 제어 방법(300)의 일부가 EGR 제어 플로우(400)로서 블록 형태로 나타내어진다. 예를 들면, 제어 플로우(400)는 도 2의 예시적인 제어 서브시스템 내에서, 특히 상기 제어 서브시스템의 상기 유입 제어 모듈(64) 내에서 실행될 수 있다. 따라서, 도 4는 상기 HP 및 LP EGR 제어 서브모듈들 또는 블록들(72, 74) 및 상기 터보차저 부스트 제어 서브모듈 또는 블록(76)을 나타낸다. 마찬가지로, 최적화 블록(402), EGR율 추정기 블록(404), 및 EGR율 폐루프 제어 블록(406)은 또한 상기 유입 제어 모듈(64) 내에서, 특히 도 2의 상기 탑 레벨 유입 제어 서브모듈(70) 내에서 실행될 수 있다.
첫번째로, 도 5a~5c를 참조하면, 상기 실제 총 EGR율 추정기 블록(404)은 엔진 부하, 엔진 속도, 터보차저 부스트 압력, 및 엔진 시스템 온도와 같은 기타 표준 엔진 시스템 파라미터들에 추가해서 실제 총 EGR율에 대한 프록시 파라미터(들)를 사용하여 실행되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 도 5a는 바람직한 프록시 파라미터가 공기 유량(414a)이라는 것을 나타내고, 공기 유량(414a)은 어떤 적절한 공기 유량 측정값으로부터 얻어지거나 흡입 공기 유량 센서 등으로부터 판독될 수 있다. 다른 예로서, 도 5b는 프록시 파라미터가 상기 유입 서브시스템(14)에 배치된 O2 센서와 같은 O2센서로부터의 산소율(414b)일 수 있다는 것을 나타낸다. 예를 들면, 상기 O2 센서는 상기 흡기 매니폴드(34)에 위치될 수 있는 범용 배기 가스 산소 센서(universal exhaust gas oxygen sensor; UEGO)일 수 있다. 다른 예로서, 상기 프록시 파라미터는 온도 센서들로부터 얻어진 유입 서브시스템 및 배기 서브시스템 온도(414c)일 수 있다는 것을 도 5c가 나타낸다. 예를 들면, 유입 공기 온도는 공기 유입 온도 센서 등으로부터 사용될 수 있고, 배기 온도는 배기 온도 센서 등으로부터 사용될 수 있으며, 매니폴드 온도는 흡기 매니폴드 온도 센서로부터 사용될 수 있다. 상기한 모든 방안(approach)에 있어서, 실제 총 EGR율(416)은 하나 이상의 프록시 파라미터 타입으로부터 추정될 수 있다.
둘째로, 도 4를 다시 참조하면, 최적화 블록(402)은 최적 HP/LP EGR비를 확인하고 그 비율에 따라 HP EGR 세트포인트를 생성하기 위해 다양한 엔진 시스템 입력값들을 수신하여 처리한다. 예를 들면, 상기 최적화 블록(402)은 상기 엔진 시스템(10)내의 대응하는 센서들과 같은 것으로부터 엔진 부하 신호(407)와 엔진 속도 신호(408)를 수신할 수 있다. 상기 엔진 부하 신호(407)는 매니폴드 압력, 및 연료 주입 플로우 등과 같은 어떠한 파라미터들을 포함할 수 있다. 상기 최적화 블록(402)은 상기 탑 레벨 엔진 제어 모듈(62) 등과 같은 것으로부터 총 EGR율 세트포인트(418)도 수신할 수 있다.
최적 HP/LP EGR비를 확인하고 그에 대응하는 HP EGR 세트포인트를 생성하기 위해 상기 최적화 블록(402)은 연비 기준을 우선 순위로 둘 수 있다. 연비 최적화에 따라서, 상기 최적화 블록(402)은 펌핑 손실과, 터빈 및 압축기 효율 등과 같은 각종 파라미터들을 포함하는 어떤 적절한 순(net) 터보차저 효율 모델을 포함할 수 있다. 상기 효율 모델은 상기 엔진 유입 서브시스템(14)의 원리에 근거한 수학적 표현, 일련의 엔진 시스템 보정 테이블들 등을 포함할 수 있다. 연비 기준을 충족하기 위한 바람직한 EGR비들을 결정하는데에 사용되는 기준의 예는 흡입 또는 배기 스로틀을 폐쇄(closing)할 필요없이 총 EGR율이 달성되도록 하는 비율을 설정하는 것을 포함할 수 있는데, 여기서, 폐쇄는 연비에 부정적인 영향을 미치는 경향이 있고, 최대 연비를 위해 최적 유입 공기 온도를 달성하도록 상기 비율이 조정될 수 있다.
또한, 상기 최적화 블록(402)은 어떤 적절한 목적을 위한 기타 엔진 시스템 기준들을 최적화하기 위해 상기 연비 기준을 오버라이딩(overriding)할 수도 있다. 예를 들면, 차량 가속을 위한 운전자의 요구에 대한 응답해서 증가된 토크 출력값과 같은 향상된 엔진 시스템 성능을 제공하는 HP/LP EGR비를 제공하기 위해 상기 연비 기준이 오버라이딩될 수 있다. 이 경우에, 상기 컨트롤러는 터보 래그(turbo lag)를 감소시키기 위해 터보차저 가속을 허용하는, 더 높은 퍼센트(percentage)의 LP EGR을 선호할 수 있다. 다른 예에 있어서, 터보차저 과속 상태 또는 과도한 압축기 팁 온도를 회피하거나 터보차저 응축물 형성을 감소시켜 상기 엔진 시스템(10)을 보호하기 위해 상기 오버라이드(override)는 상이한 HP/LP EGR비를 제공할 수 있다. 또 다른 예에서, 상기 오버라이드는 예를 들어 유입 또는 배기 서브시스템 온도에 영향을 줌으로써 상기 엔진 시스템(10)을 유지하도록 또 다른 HP/LP EGR비를 제공할 수 있다. 예를 들면, 배기 서브시스템 온도가 디젤 입자 필터를 재생시키기 위해 증가될 수 있고, 유입 온도가 상기 엔진(12)을 냉각시키기 위해 감소될 수 있다. 다른 예로서, 응축수가 유입구의 유입 통로에서 형성될 가능성을 감소시키기 위해 유입 공기 온도가 제어될 수 있다.
어떤 경우에도, 상기 최적화 블록(402)은 상기 목표 HP/LP EGR비를 결정하여 HP EGR 세트포인트(420)를 생성하기 위해 그의 모델(들)에 따라 입력값들을 처리하며, 상기 HP EGR 세트포인트(420)는 하류측의 HP EGR 제어 블록(74) 및, LP EGR 세트포인트(424)를 산출하기 위해 상기 탑 레벨 엔진 제어 모듈(62)로부터 상기 총 EGR율 세트포인트(418)을 수신하는 산술 노드(422)로 제공된다.
셋째로, 계속해서 도 4를 참조하면, 총 EGR율 폐루프 제어 블록(406)은 총 EGR율을 제어하기 위한, PID 컨트롤러 블록 등과 같은 어떤 적절한 폐루프 제어 수단일 수 있다. 상기 폐루프 제어 블록(406)은 상기 탑 레벨 엔진 제어 모듈(62)로부터 상기 목표 총 EGR율 세트포인트를 수신하기 위해 세트포인트 입력값(406a)을 포함하고, 상기 추정기 블록(404)으로부터 실제 총 EGR율 추정값을 수신하기 위해 프로세스 변수 입력값(406b)을 또한 포함할 수 있다. 상기 총 EGR율 제어 블록(406)은 이들 입력값을 처리하여, LP EGR 제어 블록(72)에서의 하류측 입력값을 위해 다른 산술 노드(426)에서 LP EGR 세트포인트(424)와 합산을 위한 피드백 제어 신호 또는 트림 명령(406c)을 생성한다. 이러한 트림 조정은 LP EGR 밸브에 대한 조정 및/또는 배기 스로틀 밸브 개방율 명령(들)으로서 계산될 수 있고, 상기 LP EGR 개루프 제어 블록(72) 이후에 추가될 수 있다. 따라서, 상기 제어 블록(406)과 그 관련 노드들은 밸브에 대한 적절한 세트포인트들 및 스로틀 개방율들을 조정하기 위해 그의 하류측에서 상기 개루프 제어 블록(72)과 서로 소통될 수 있다.
상기 HP EGR 플로우는 오직 개루프 제어되기 때문에, 상기 목표 총 EGR율을 달성하기 위해 상기 LP EGR 플로우 또는 비율은 상기 폐루프 제어 블록(406)에 의해 조정된다. 더욱 구체적으로, 배기가스 배출과 엔진 연비는 총 EGR율에 크게 의존하고 상기 HP/LP EGR비에 적게 의존하기 때문에, 상기 HP 및/또는 LP EGR율 및/또는 HP/LP EGR비는 최대 원가절감 및 효율을 위해 적어도 부분적으로 개루프 제어되는 반면에 상기 총 EGR율은 최대 제어를 위해 폐루프 제어된다. 이 개루프 제어 블록들(72, 74)은 양호한 응답 시간을 제공하고, 컨트롤러 상호의존성을 감소시키며, 센서 신호들의 변동 및 교란의 영향을 감소시킨다. 이는 하나의 예시적인 방안이고, 다른 방안들이 도 8~10을 참조하여 아래에서 설명된다.
넷째로, 상기 LP 및 HP EGR 제어 블록들(72, 74)은 상기 터보차저 부스트 압력(409)과 엔진 부하 및 속도 입력값들(407, 408)에 추가해서 그들 각각의 LP 및 HP EGR 세트포인트들을 수신한다. 상기 LP 및 HP EGR 제어 블록들(72, 74)은 그들 각각의 LP 및 HP EGR 액츄에이터의 개루프 또는 피드포워드 제어용 입력값들을 수신한다. 예를 들면, 상기 LP 및 HP EGR 제어 블록들(72, 74)은 LP EGR 밸브 및/또는 배기 스로틀 명령들(430, 432)과, HP EGR 밸브 및/또는 흡기 스로틀 명령들(438, 440)을 출력한다. 상기 LP 및 HP EGR 제어 블록들(72, 74)은 하나 이상의 모델을 사용하여 HP 및 LP EGR 플로우를 적절한 HP 및 LP EGR 밸브 및/또는 스로틀 위치들과 연관시킬 수 있다.
도 6a 및 6b에 도시된 바와 같이, 상기 LP 및 HP EGR 제어 블록들(72, 74)은 다양한 개루프 제어 모델들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 목표 HP/LP EGR비를 달성하는데 도움이 되도록 LP EGR 세트포인트(424)를 LP EGR 밸브 위치와 연관시키기 위해 상기 LP EGR 제어 블록(72)은 어떤 적절한 모델(426)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 목표 HP/LP EGR비를 달성하는데 도움이 되도록 상기 LP EGR 세트포인트(424)를 배기 스로틀 위치와 연관시키기 위해 상기 LP EGR 제어 블록(72)은 어떤 적절한 모델(428)을 포함할 수 있다. 상기 모델들(426, 428)은 엔진 부하(407), 엔진 속도(408), 및 터보차저 부스트 압력(409)과 같은 어떤 적절한 입력값들을 수신할 수 있다. 각각의 액츄에이터에 의해 사용되는 LP EGR 밸브 명령(430) 및/또는 배기 스로틀 명령(432)을 각각 생성하도록 상기 모델들(426, 428)이 실행된다. 상기 액츄에이터들은 개루프 모드에서 작동하거나, 목표 퍼센트를 달성하기 위해 액츄에이터 위치를 측정하고 명령들을 조정하기 위해 어떤 적절한 센서들과 동적으로 연결될 수 있다는 점을 유념한다.
마찬가지로, 상기 목표 HP/LP EGR비를 달성하는데 도움이 되도록 상기 HP EGR 세트포인트(420)를 HP EGR 밸브 위치와 연관시키기 위해 상기 HP EGR 제어 블록(74)은 어떤 적절한 모델(434)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 목표 HP/LP EGR비를 달성하는데 도움이 되도록 상기 HP EGR 세트포인트(420)를 흡기 스로틀 위치와 연관시키기 위해 상기 HP EGR 제어 블록(74)은 어떤 적절한 모델(436)을 포함할 수 있다. 또 다시, 상기 모델들(434, 436)은 엔진 부하(407), 엔진 속도(408), 및 터보차저 부스트 압력(409)과 같은 어떤 적절한 입력값들을 수신할 수 있다. 각각의 액츄에이터에 의해 사용되는 HP EGR 밸브 명령(438) 및/또는 흡기 스로틀 명령(440)를 각각 생성하도록 상기 모델들(434, 436)이 실행된다.
도 7은 예시적인 LP EGR 밸브 및 배기 스로틀 개방율 대 목표 총 EGR율에 대한 그래프를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 상기 LP EGR 밸브(54)는 약 0% EGR부터 약 20% EGR까지 실질적으로 닫혀진 상태로 유지되는 반면에, 상기 스로틀 밸브(42)는 약 0% EGR에서 실질적으로 닫혀질 수 있고 약 20% EGR에서 실질적으로 100% 개방 위치로 점차 개방된다. 그 후, 상기 총 EGR이 약 70%에 도달할 때까지 상기 배기 스로틀(42)은 100% 개방된 상태를 유지하고, 상기 LP EGR 밸브(54)는 약 70% EGR에서 실질적으로 100% 개방 상태로 되도록 점차 개방된다. 그 후, 상기 배기 스로틀 밸브(42)는 100% EGR에서 확실히 닫혀질 때까지 점차 닫혀지는 반면에, 상기 LP EGR 밸브(54)는 실질적으로 100% 개방된 상태를 유지한다. 단일 밸브 장치가 상기한 밸브 개방 상태를 실질적으로 달성할 수 있는 한, 2개의 분리형 밸브들 대신에 단일, 결합형 LP EGR 및 배기 스로틀 밸브가 사용될 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 상기 터보차저 부스트 제어 블록(76)은, 터보차저 액츄에이터들을 조정해서 안전한 터보 작동 범위 내에서 목표 부스트 압력을 얻기 위한, 적절한 PID 제어 블록과 같은 어떤 적절한 폐루프 제어 수단이다. 상기 제어 블록(76)은 상기 탑 레벨 엔진 제어 모듈(62)로부터 부스트 세트포인트를 수신하기 위한 세트포인트 입력값(76a)과, 상기 터보차저 부스트 센서로부터의 실제 부스트 압력 입력값(76b)을 포함할 수 있다. 상기 제어 블록(76)은 이들 입력값을 처리해서 상기 터보차저(18)의 가변 날개들을 조정하기 위해 가변 터빈 구조 명령(444)과 같은 어떤 적절한 터보차저 명령 출력값을 생성한다.
이제 도 8을 참조하면, 선호되는 제어 플로우(400) 대신에 다른 제어 플로우(800)가 사용될 수 있다. 이 실시예는 도 4의 실시예와 많은 면에서 유사하며, 실시예들 간의 동일한 숫자는 도면부호에 대한 다수의 표현에 걸쳐 동일하거나 대응하는 구성요소를 일반적으로 나타낸다. 그리고, 이전의 실시예에 대한 설명이 참조자료로 포함되고 공통 주제는 일반적으로 여기에서 반복되지 않을 수 있다.
상기 대안형 제어 플로우(800)는 LP EGR 대신에 HP EGR의 폐루프 조정을 포함한다. 다시 말해, LP EGR 세트포인트(424) 대신에 HP EGR 세트포인트(420)가 상기 총 EGR율을 제어하기 위해 조정될 수 있다. 따라서, 폐루프 제어 블록(406)은 LP EGR율 대신에 HP EGR율을 조정하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다. 제어 전략에서 이러한 변경에 수용하기 위해, 상기 HP EGR 세트포인트(420) 대신에 상기 LP EGR 세트포인트(424)를 출력하기 위해 최적화 블록(402)이 제공될 수 있다. 이러한 트림 조정은 HP EGR 밸브 및/또는 흡기 스로틀 밸브 개방율 명령(들)에 대한 조정으로서 계산될 수 있고, 상기 HP EGR 개루프 제어 블록(74) 이후에 추가될 수 있다. 따라서, 상기 제어 블록(406)과 그의 관련 노드들은 밸브 및 스로틀 개방율에 대한 적절한 세트포인트들을 조정하기 위해 그 하류측에서 상기 개루프 제어 블록(74)과 서로 소통될 수 있다. 다른 점에서는, 상기 플로우(800)는 실질적으로 플로우(400)과 유사하다.
이제, 도 9를 참조하면, 선호되는 제어 플로우(400) 대신에 제 2 제어 플로우(900)가 사용될 수 있다. 이 실시예는 도 4의 실시예와 많은 면에서 유사하며, 실시예들간의 동일한 숫자는 도면부호에 대한 다수의 표현에 걸쳐 동일하거나 대응하는 구성요소를 일반적으로 나타낸다. 그리고, 이전의 실시예에 대한 설명이 참조자료로서 포함되고 공통 주제는 여기에서 일반적으로 반복되지 않을 수 있다.
상기 제 2 제어 플로우(900)에서, 폐루프 제어가 HP 및 LP EGR 세트포인트들과 동일한 비율로서 HP 및 LP EGR율에 할당될 수 있다. 다시 말해, HP 및 LP EGR율들은 둘 다 그들 각각의 HP 및 LP EGR 세트포인트들에 비례해서 폐루프조정된다.
제어 전략에서 이러한 변경을 촉진시키기 위해, 상기 폐루프 제어 블록(406)은 상류의 산술 노드(426)를 경유해서 그의 트림 명령(406c)을 플로우(400)에서와 같이 오직 상기 LP EGR 제어 블록(72)만으로는 출력하지 않는다. 오히려, 상기 트림 명령은 LP 및 HP EGR 제어 블록들(72, 74) 모두로 출력된다. 이러한 변경을 더욱 촉진하기 위해, 비례적 산술 블록들(950, 952)은 각각의 HP 및 LP EGR 세트포인트들과 총 EGR 세트포인트(418)를 수신한다. 이에 대한 폐루프 트림 명령(406c)의 비례적 할당을 위해 승산 산술 블록(multiplication arithmetic block)(954, 956)에서 상기 산술 블록(950, 952)으로부터의 비례적 출력값이 수신된다. 승산 출력값들은 하류의 산술 노드(426, 926)에서 LP 및 HP EGR 세트포인트와 하류의 LP 및 HP EGR 제어 블록(72, 74)의 입력값을 위해 합산된다. 상기 총 EGR율 세트-포인트가 0일 경우 0으로 나누어지는 것을 피하기 위해 적절한 체크가 상기 산술 블록들 내부에서 수행될 수 있다. 다른 점에서는, 상기 플로우(900)은 실질적으로 플로우(400) 및/또는 플로우(800)와 유사하다.
이제, 도 10을 참조하면, 선호되는 제어 플로우(400) 대신에 제 3의 예시적인 제어 플로우(1000)가 사용될 수 있다. 이 실시예는 도 4의 실시예와 많은 면에서 유사하며, 실시예들간의 동일한 숫자는 도면부호에 대한 다수의 표현에 걸쳐 동일하거나 대응하는 구성요소를 일반적으로 나타낸다. 그리고, 이전의 실시예에 대한 설명이 참조자료로서 포함되고 공통 주제는 여기에서 일반적으로 반복되지 않을 수 있다.
상기 제 3 제어 플로우(1000)에 있어서, 폐루프 제어는 어떤 주어진 순간의 엔진 작동 조건에 따라 LP 및 HP EGR 개루프 제어 블록들(72, 74) 사이에 교대로 스위칭될 수 있다. 다시 말해, HP 또는 LP EGR 세트 포인트가 폐루프 제어를 통해 조정될 수 있다. 예를 들면, 엔진 시스템 온도가 상대적으로 높을 때나 총 EGR율의 신속한 변경이 요구될 때, 또는 터보차저 성능이 덜 중요하거나 요구되지 않을 때 터보차저의 응축을 피하기 위해 HP EGR이 폐루프 제어될 수 있다.
제어 전략에서 상기 변경을 달성하기 위해, 폐루프 제어 블록(1006)은 상류의 산술 노드(426)를 통해 출력값을 플로우(400)에서와 같이 단지 LP EGR 제어 블록(72)만으로 출력하지는 않는다. 오히려, 상기 제어 블록(1006)은 LP 및 HP EGR 제어 블록(72, 74) 모두로 출력값을 제공한다. 상기 폐루프 제어 블록(1006)은 상기 탑 레벨 엔진 제어 모듈(62)로부터 상기 목표 총 EGR율 세트포인트(418)를 수신하기 위해 세트포인트 입력값(1006a)을 포함할 수 있고, 상기 추정기 블록(404)으로부터 실제 총 EGR율 추정값을 수신하기 위해 프로세스 변수 입력값(1006b)을 또한 포함할 수 있다. 상기 총 EGR율 제어 블록(1006)은 이들 입력값을 처리하여 대안용 트림 명령인, 하류의 상기LP EGR 제어 블록(72)의 입력값을 위해 산술 노드(426)에서 상기 LP EGR 세트포인트(424)와 합산을 위한 LP EGR 트림 명령(1006c), 및 하류의 상기 HP EGR 제어 블록(74)의 입력값을 위해 또 다른 산술 노드(1026)에서 상기HP EGR 세트포인트(420)와 합산을 위한 HP EGR 트림 명령(1006d)을 생성한다. 상기 목표 총 EGR율을 달성하기 위해 상기 LP EGR율 또는 HP EGR율이 상기 폐루프 제어 블록(1006)에 의해 조정될 수 있도록 상기 제어 블록(1006)은 상기 두 출력값(1000c, 1000d) 사이에서 스위칭될 수 있다. 다른 면에서는, 상기 플로우(1000)는 플로우(400) 및/또는 플로우(800)와 실질적으로 유사하다.
상기의 하나 이상의 다양한 예시적인 실시예는 하나 이상의 아래 장점들을 포함할 수 있다. 첫째, 총 목표 EGR율은 우선 배출 규제 기준을 따른 후에 엔진 연비 및 성능을 최적화함과 아울러 엔진 시스템을 보호하고 유지하는 방식으로 HP 및 LP EGR 통로에 할당될 수 있다. 둘째, 각각의 총 EGR, HP EGR, 또는 LP EGR 플로우 센서들의 사용이 필요하지 않게 되는데, 상기 센서들은 비용이 많이 들고 엔진 시스템을 복잡하게 할 뿐만 아니라 오류 모드를 야기한다. 셋째, 각각의 HP 및 LP EGR 플로우들 뿐만 아니라 목표 총 EGR율을 제어하기 위해 하나의 표준 폐루프 제어 수단이 사용될 수 있음으로써, 현재의 엔진 제어 설계면에서 실용적이고 비용절감적인 수행을 할 수 있게 한다. 넷째, 단일의 공지의 액츄에이터에 의해 제어되는 결합형 LP EGR 밸브 및 배기 스로틀 밸브가 사용될 수 있으며, 마찬가지로, 단일의 공지의 액츄에이터에 의해 제어되는 결합형 HP EGR 밸브 및 흡기 스로틀 밸브도 또한 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 대한 상기의 설명은 본질상 단지 예시적인 것이고, 따라서, 이들의 변형들은 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나는 것으로 간주되지 않을 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 터보차지되는 압축 착화 엔진 시스템 내에서 배기 가스 재순환(exhaust gas recirculation; EGR)을 제어하는 것 등에 이용된다.

Claims (12)

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  8. 배기 가스 재순환을 제어하는 방법으로서,
    배기 통로 장치의 온도를 증가시키기 위해 저압 EGR 통로 또는 고압 EGR 통로 중 적어도 하나를 통해 흐르는 EGR 가스의 양을 변경시키는 단계와,
    배기 배출 기준에 따르도록 하기 위해 목표 총 EGR율을 결정하는 단계와;
    배기 배출 기준에 따르도록 하기 위해 결정된 목표 총 EGR율의 제한 내에서 배기 온도를 증가시키기 위해 목표 고압 EGR/저압 EGR 비를 결정하는 단계를
    포함하는, 배기 가스 재순환을 제어하는 방법.
  9. 제 8항의 방법을 수행하는데 사용하기 위해 내연 엔진을 위한 배기 가스 재순환 장치로서,
    배기 통로에서의 터빈과, 압축기와, 흡기 통로를 구비한 터보차저와;
    터빈의 하류측의 배기 통로를 압축기의 상류측의 흡기 통로에 연결시키는 저압 EGR 통로와;
    터빈의 상류측의 배기 통로를 압축기의 하류측의 흡기 통로에 연결시키는 고압 EGR 통로와;
    흡기 통로에서의 유입 서브시스템 장치, 및 배기 통로에서의 배기 서브시스템 장치와;
    유입 서브시스템 장치 또는 배기 통로 장치의 온도가 제어되도록, 저압 EGR 통로 또는 고압 EGR 통로 중 적어도 하나를 통해 흐르는 EGR 가스의 양을 변경시키는 적어도 하나의 EGR 밸브를
    포함하는, 배기 가스 재순환 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 배기 통로 장치는 촉매 변환기인, 배기 가스 재순환 장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 배기 통로 장치는 디젤 입자 필터인, 배기 가스 재순환 장치.
  12. 제 9 항에 있어서, 배기 통로 장치는 질소 산화물 흡수제 유닛을 포함하는, 배기 가스 재순환 장치.
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