KR101646384B1

KR101646384B1 - 터보차저 제어 듀티 편차 보상 방법

Info

Publication number: KR101646384B1
Application number: KR1020140163437A
Authority: KR
Inventors: 허동한
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2016-08-05
Also published as: DE102015111713B4; CN105626238B; KR20160061039A; CN105626238A; DE102015111713A1; US20160146131A1

Abstract

본 발명의 터보차저 제어 듀티 편차 보상 방법은 제어기에 의한 엔진의 요구 엔진 부스트 압력 목표 값에 일치하는 부스트 제어듀티값으로 터보차저 제어가 시작되면, 터보차저모델을 이용해 계산된 목표포지션과 터보차저의 실제포지션이 갖는 편차와 함께 대기압을 고려한 학습조건을 판단하고, 터보차저 액추에이터 제어듀티 모델을 이용해 계산된 목표제어듀티값과 터보차저의 실제제어듀티값의 제어듀티 편차보상제어의 필요 시 (100-목표제어듀티)/(100-실제제어듀티)로 학습 값을 계산한 후, 목표포지션에 의한 제어듀티값이 계산된 학습값으로 보정되어 터보차저가 제어됨으로써 웨이스트 게이트 터보차저(Waste Gate Turbocharger)나 가변형 터보차저(Variable Geometry Turbocharger)의 각각에 연계된 구동기구의 하드웨어 특성 차이나 또는 단품 편차를 정확히 반영된 제어가 이루어지는 특징을 갖는다.

Description

터보차저 제어 듀티 편차 보상 방법{Turbocharger Control Duty Compensation Method}

본 발명은 터보차저에 관한 것으로, 특히 터보차저(Turbocharger)의 제어 듀티가 터보차저 하드웨어 특성 및 단품 편차를 고려해 보상되는 터보차저 제어 듀티 편차 보상 방법에 관한 것이다.

일반적으로 흡기 시스템에 적용된 터보차저는 배기 에너지를 재활용하여 흡기 압력을 높임으로써 연비개선과 고출력 및 NOx 저감에 기여한다.

특히, 웨이스트 게이트 터보 차저(Waste Gate Turbocharger, 이하 WGT)와 가변형 터보차저(Variable Geometry Turbocharger, 이하 VGT)는 배기가스의 유동하는 에너지를 이용하여 회전되는 터빈(Turbine), 터빈에 회전축으로 연결되어 연소실로 공급되는 공기를 압축하는 압축기(Compressor), 터빈으로 유입되는 배기가스의 통과 면적을 가변적으로 운용하기 위한 구동기구를 구비한다, 상기 구동기구는 액추에이터, DC 모터, 진공타입 솔레노이드밸브로 구체화되고, WGT나 VGT의 특성에 맞춰 적용된다. 그러므로, WGT나 VGT의 제어는 ECU와 연계된다.

일례로, ECU는 에어 압력과 연료 분사량 및 엔진 회전수(RPM)를 분석함과 더불어 3차원 부스트 맵(Boost Map)을 통해 설정된 부스트 압력의 목표 값을 듀티(Duty)값으로 출력하고, 상기 듀티 값으로 WGT나 VGT의 구동기구가 제어됨으로써 보다 향상된 성능을 구현한다. 특히, VGT는 베인(Vane)을 적용해 터빈으로 유입되는 배기가스의 통과 면적을 가변적으로 운용함으로써 WGT에 비해 전 RPM 영역에서 보다 최적에 가까운 부스트 압력을 얻게 해 주는 장점을 갖는다.

일본등록특허2005-98250(2005.4.14)

WGT나 VGT는 ECU의 듀티 값으로 제어되는 구동기구를 거쳐 작동된다. 하지만, ECU 내에서 기 설정된 듀티 값이 터보차저 및 DC 모터, 솔레노이드밸브 등 구동기구 각각이 갖는 하드웨어 특성 차이나 또는 단품 편차를 정확히 반영하지 못함으로써 WGT나 VGT의 작동이 듀티 값에 정확히 일치하지 않을 수 있게 된다. 예를 들어, 상한치 솔레노이드 밸브가 적용된 경우 상대적으로 강한 구동력이 작동하여 WGT의 waste gate를 개방하기 때문에, 순간적인 부스트 압력 감소, 발진감 저하 및 출력 감소 등이 나타날 수 있고, 하한치 솔레이노이드 밸브가 적용된 경우 WGT의 waste gate를 여는 힘이 상대적으로 작기 때문에 순간적인 부스트 압력 상승에 따른 터보차져 내구성 저하를 가져올 수 있다.

이러한 구동기구의 하드웨어 특성 차이나 또는 단품 편차에 의한 영향은 ECU의 부스트 압력의 피드백(Feedback) 제어를 통하여 어느 정도 해소될 수 있으나

하드웨어 특성 차이나 단품 편차가 큰 경우 부스트 압력 반응성이 늦어지고, 부스트 압력 오실레이션(oscillation)이 발생하는 등 제어 불안정을 유발 할 가능성이 있다.

이에 본 발명은 WGT와 VGT의 각각에 연계된 구동기구의 하드웨어 특성 차이나 또는 단품 편차를 정확히 반영한 제어듀티(Duty)값으로 WGT와 VGT가 제어됨으로써 엔진의 목표 부스트 압력 제어에 대한 정밀성이 높아질 수 있는 터보차저 제어 듀티 편차 보상 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 터보차저 제어 듀티 편차 보상 방법은 (A) 작동되는 엔진의 요구 엔진 부스트 압력 목표 값에 일치하는 부스트 제어듀티값으로 터보차저를 작동한 제어기가 상기 터보차저의 실제포지션을 검출하고, 상기 터보차저와 일치하는 터보차저모델로부터 목표포지션을 계산하며, 상기 실제포지션과 상기 목표포지션의 포지션편차를 판단하는 포지션차이검출단계; (B) 상기 포지션 편차와 함께 대기압을 고려한 학습조건으로 상기 부스트 제어듀티값의 제어듀티 편차보상제어의 여부를 판단하는 편차보상 판단단계; (C) 상기 제어듀티 편차보상제어의 필요 시 상기 실제포지션에 의한 실제제어듀티값을 계산하고, 터보차저 액추에이터 제어듀티 모델로부터 상기 목표포지션에 의한 목표제어듀티값을 각각 계산한 후 학습값을 결정하는 편차보상 계산단계; (D) 상기 터보차저의 제어듀티값이 상기 학습값으로 보정되고, 보정된 터보차저의 제어듀티값으로 상기 터보차저가 제어되는 학습값 적용단계; 로 수행되는 것을 특징으로 한다.

상기 터보차저모델은 터보차저 컴프레서 압력비와 터보차저 컴프레서 유량 선도를 맵(Map)으로 구축해 상기 목표포지션을 계산하고, 상기 터보차저 액추에이터 제어듀티 모델은 터보차저 액추에이터 포지션과 제어듀티 선도를 맵(Map)으로 구축해 상기 목표제어듀티값을 계산한다. 상기 터보차저모델과 상기 터보차저 액추에이터 제어듀티 모델은 웨이스트 게이트 터보차저(Waste Gate Turbocharger)나 가변형 터보차저(Variable Geometry Turbocharger)이다.

상기 (B)에서, 상기 학습조건은 컴프레서 압력비, 부스트 압력 변화, 터보차저 포지션, 쓰로틀 사용 여부, 센서 이상 여부, 냉각수온, 대기온, 배터리전압이 을 포함한다.

상기 (C)에서, 상기 학습 값은 (100-목표제어듀티)/(100-실제제어듀티)로 정의된다. 상기 학습 값은 팩터(Factor)와 한도(최소한도(minimum limitation)/최대한도(maximum limitation) 및 필터링(Filtering)된다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 터보차저 제어 듀티 편차 보상 방법에는 상기 제어듀티 편차 보상제어의 불필요 시 상기 목표포지션을 추종하는 제어듀티값으로 상기 터보차저가 제어되는 학습값 미 적용단계가 더 포함된 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명의 WGT나 VGT의 제어 듀티가 구동기구의 하드웨어 특성 차이나 단품 편차에 의한 영향을 반영해 정확히 예측됨으로써 엔진에서 필요한 목표 부스트압력을 정밀하게 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 WGT나 VGT의 제어 듀티가 구동기구의 하드웨어 특성 차이나 단품 편차에 의한 영향을 반영함으로써 정밀한 제어를 통한 하드웨어 제한(상/중/하한에 대한 limit)으로부터의 마진 축소가 가능하고, 이를 통한 하드웨어 성능 증대도 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 WGT나 VGT의 제어 듀티가 구동기구의 하드웨어 특성 차이나 단품 편차에 의한 영향을 반영함과 더불어 대기압력을 포함한 다양한 학습조건이 고려됨으로써 다양한 환경조건에서 정밀한 부스트압력 제어가 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 WGT나 VGT의 제어 듀티가 터보 포지션 센서의 적용 없이도 정밀하게 구현됨으로써 원가절감 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 터보차저 제어 듀티 편차 보상 방법의 순서도이고, 도 2,3은 각각 본 발명에 따른 터보차저 제어 듀티 편차 보상이 적용되는 터보차저 및 액추에이터 성능 예이며, 도 4는 본 발명에 따른 터보차저 제어 듀티 편차 보상을 위한 목표 포지션계산의 예이고, 도 5는 본 발명에 따른 터보차저 제어 듀티 편차 보상을 위한 학습조건의 예이며, 도 6은 본 발명에 따른 터보차저 제어 듀티 편차 보상을 위한 목표 포지션계산의 예이고, 도 7은 본 발명에 따른 터보차저 제어 듀티 편차 보상을 위한 학습 값 계산의 예이며, 도 8은 본 발명에 따른 터보차저 제어 듀티 편차 보상 결과에 의한 터보차저 제어듀티 출력의 예이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 실시예에 따른 터보차저 제어 듀티 편차 보상 방법의 순서도를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 터보차저 제어 듀티 편차 보상 방법은 S1과 같이 터보차저 제어시작이 이루어지면, WGT나 VGT 및 이들 각각에 연계된 구동기구인 액추에이터의 하드웨어 특성 차이나 또는 단품 편차를 정확히 반영한 학습 값이 계산되고, S2과 같이 터보차저 제어 중단전 까지 상기 학습 값에 의한 WGT나 VGT의 제어가 이루어진다. 본 실시예에서 학습 값 계산 및 학습 값 계산에 의한 WGT나 VGT의 제어는 ECU(Engine Control Unit 또는 Electronic Control Unit)으로 수행된다.

구체적으로, S10과 같이 터보차저 모델과 터보차저 액추에이터 제어듀티 모델이 선택된다. 상기 터보차저 모델의 구축예는 도 2를 통해 예시된다. 도시된 바와 같이 터보차저 모델(10)은 이론 컴프레서 압력비(1)를 입력 값으로 하여 이론 액추에이터 포지션(2)을 출력 값으로 발생한다. 이는, 터보차저 액추에이터 포지션이 컴프레서 압력비와 컴프레서 유량의 함수이고, 컴프레서 압력비와 컴프레서 유량을 알고 있으면 터보차저 엑추에이터 포지션이 예측됨에 기반한다. 특히, 예시된 컴프레서 압력비는 터보차저 액추에이터의 상한치/중앙치/하한치로 구분된 성능 중 중앙치 하드웨어가 장착된 엔진에서 직접 시험을 통해 획득된 실험치이다, 그러므로, 컴프레서 압력비 선도가 공통으로 적용되는 WGT(Waste Gate Turbocharger)나 VGT(Variable Geometry Turbocharger)는 터보차저 제어 듀티 편차 보상 방법의 적용에 제한을 받지 않는다.

상기 터보차저 액추에이터 제어듀티 모델의 구축예는 도 3을 통해 예시된다. 도시된 바와 같이 터보차저 액추에이터 제어듀티 모델(20)은 이론 액추에이터 포지션(2)을 입력 값으로 하여 이론 제어듀티(3)를 출력 값으로 발생한다. 이는, 예시된 터보차저 액추에이터 포지션이 제어듀티에 비례함에 기반된다. 그러므로, 제어듀티 선도가 공통으로 적용되는 액추에이터에 연계된 모터 또는 솔레노이드 밸브가 구동기구를 구성함으로써 터보차저 제어 듀티 편차 보상 방법의 적용에 제한을 받지 않는다. 다만, 솔레노이드 밸브의 경우 엑추에이터 포지션은 스프링 상수에 의해 결정됨과 같이 DC모터의 역시 제어듀티와 포지션 관계를 미리 설정 가능하지만, 터보차저 및 구동기구 단품 편차에 따라 엑추에이터 포지션과 제어듀티와의 상관관계가 일부 상이해질 수 있음을 고려하여 준다.

그러므로, S10에서 선택된 터보차저 액추에이터 제어듀티 모델은 솔레노이드 밸브나 DC 모터를 구동기구로 갖는 터보차저 모델일 수 있다. 이러한 터보차저 모델은 WGT나 또는 VGT일 수 있으나 본 실시예에서 WGT나 VGT는 동일한 방식으로 제어됨으로써 그 종류를 구분하지 않고 터보차저로 설명된다. 하지만, WGT와 VGT는 하나만 차량에 적용됨이 명확하므로, 본 발명의 터보차저 제어 듀티 편차 보상 방법에 WGT나 VGT가 특정되도록 설계되었다면 S10의 터보차저 모델 선택과정은 생략될 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, S20과 같이 S10에서 선택된 터보차저 모델에 대해 목표포지션과 실제포지션을 계산하여 준다. 이는, 도 4를 통해 예시된 바와 같이, 목표포지션(2A)은 도 2에 적용된 터보차저 모델(10)을 이용해 구축된 맵에 목표컴프레서압력비(1A)가 입력값으로 제공된 상태에서 터보차저 액추에이터가 반응하는 이론적인 위치변동 값이고, 실제포지션(2B)은 실 차량에 장착된 터보차저(10-1)인 WGT나 VGT의 터보차저에 실제컴프레서압력비(1B)가 입력값으로 제공된 상태에서 터보차저 액추에이터가 반응하는 실제적인 위치변동 값을 의미한다.

이어, S30과 같이 학습조건을 판단하고, 그 결과 학습조건이 만족되지 않으면 WGT나 VGT의 터보차저 액추에이터가 목표포지션을 추종하는 제어듀티로 제어되지만 반면 학습조건 만족 시 S40으로 진입함으로써 터보차저 제어 듀티 편차 보상을 위한 절차가 지속된다. 도 5는 ECU(30)에서 처리하는 학습조건 판단을 위한 학습조건항목(2-1)의 예로서, 상기 학습조건항목(2-1)은 컴프레서 압력비, 부스트 압력 변화, 터보차저 포지션, 쓰로틀 사용 여부, 센서 이상 여부, 대기압, 냉각수온, 대기온, 배터리전압, 목표/실제포지션 편차 등이 적용된다. 이러한 데이터는 차량에 장착된 센서 등을 통해 검출되는 항목이므로 상세 설명을 생략한다.

다시 도 1을 참조하면, S40과 같이 S10에서 선택된 터보차저 모델에 대해 목표제어듀티와 실제제어듀티를 계산하여 준다. 이는, 도 6을 통해 예시된 바와 같이, 목표제어듀티(3A)는 도 2에 적용된 터보차저 액추에이터 제어듀티 모델(20)을 이용해 구축된 맵에 목표포지션(2A)이 입력값으로 제공되어 터보차저 액추에이터의 제어듀티로 나가는 이론적인 출력 값이고, 실제제어듀티(3B)는 실 차량에 장착된 터보차저 액추에이터(20-1)에 실제포지션(2B)이 입력값으로 제공되어 터보차저 액추에이터의 제어듀티로 나가는 실제적인 출력 값을 의미한다.

이어, S50과 같이 학습 값 계산이 이루어진 다음 S60과 같이 계산된 학습 값 계산이 즉시 반영됨으로써 선택된 터보차저(10-1)와 터보차저 액추에이터(20-1)의 하드웨어 특성 차이나 또는 단품 편차가 정확히 보정된다. 도 7은 학습 값 계산의 예로서, 학습 값 = (100-목표제어듀티)/(100-실제제어듀티)로 정의되고, 계산된 학습 값에 팩터(Factor)와 한도(최소한도(minimum limitation)/최대한도(maximum limitation) 및 필터링(Filtering)함으로써 학습값(2B-1)으로 결정된다. 그러면, 도 8과 같이 터보차저 액추에이터(20-1)에 입력 값으로 제공된 목표포지션(2A)이 학습값(2B-1)으로 보정되고, 그 결과 터보차저 액추에이터제어듀티모델(20)의 출력 값은 학습값(2B-1)으로 보정되지 않은 목표제어듀티(3A) 대신 학습값(2B-1)으로 보정된 보정제어튜티(3A-1)로 바뀌게 된다.

그 결과, 터보차저는 제어기의 보정제어튜티(3A-1)로 제어됨으로써 WGT나 VGT 및 이들 각각에 연계된 구동기구인 액추에이터의 하드웨어 특성 차이나 또는 단품 편차가 정확히 반영된 제어가 이루어진다. 이 경우, 터보차저의 제어듀티값은 상기 학습값(2B-1)으로 영구보정될 수 있다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 터보차저 제어 듀티 편차 보상 방법은 제어기에 의한 엔진의 요구 엔진 부스트 압력 목표 값에 일치하는 부스트 제어듀티값으로 터보차저 제어가 시작되면, 터보차저모델을 이용해 계산된 목표포지션과 터보차저의 실제포지션이 갖는 편차와 함께 대기압을 고려한 학습조건을 판단하고, 터보차저 액추에이터 제어듀티 모델을 이용해 계산된 목표제어듀티값과 터보차저의 실제제어듀티값의 제어듀티 편차보상제어의 필요 시 (100-목표제어듀티)/(100-실제제어듀티)로 학습 값을 계산한 후, 목표포지션에 의한 제어듀티값이 계산된 학습값으로 보정되어 터보차저가 제어됨으로써 WGT나 VGT의 각각에 연계된 구동기구의 하드웨어 특성 차이나 또는 단품 편차를 정확히 반영된 제어가 이루어진다.

1 : 이론 컴프레서 압력비 1A : 목표 컴프레서 압력비
1B : 실제 컴프레서 압력비 2 : 이론 액추에이터 포지션
2A : 목표 포지션 2B : 실제 포지션
2B-1 : 제어튜티 학습값 2-1 : 학습조건항목
3 : 이론 제어듀티
3A : 목표 제어튜티 3B : 실제 제어튜티
3A-1 : 보정 제어튜티
10 : 터보차저모델 10-1 : 터보차저
20 : 터보차저 액추에이터 제어듀티모델
20-1 : 터보차저 액추에이터
30 : ECU(Electronic Control Unit)

Claims

(A) 제어기가 작동되는 엔진의 요구 엔진 부스트 압력 목표 값에 일치하는 부스트 제어듀티값으로 터보차저의 제어를 시작하면, 상기 터보차저의 실제포지션을 검출하고, 상기 터보차저와 일치하는 터보차저모델로부터 목표포지션을 계산하며, 상기 실제포지션과 상기 목표포지션의 포지션편차를 판단하는 포지션차이검출단계;
(B) 상기 포지션 편차와 함께 대기압을 고려한 학습조건으로 상기 부스트 제어듀티값의 제어듀티 편차보상제어의 여부를 판단하는 편차보상 판단단계;
(C) 상기 제어듀티 편차보상제어의 필요 시 상기 실제포지션에 의한 실제제어듀티값을 계산하고, 터보차저 액추에이터 제어듀티 모델로부터 상기 목표포지션에 의한 목표제어듀티값을 각각 계산한 후 학습값을 결정하는 편차보상 계산단계;
(D) 상기 터보차저의 제어듀티값이 상기 학습값으로 보정되고, 상기 학습값으로 보정된 터보차저의 제어듀티값으로 상기 터보차저가 제어되는 학습값 적용단계;
상기 실제포지션은 상기 터보차저의 실제 컴프레서 압력비가 입력값으로 제공된 상태에서의 위치변동값이고, 상기 터보차저모델은 터보차저 컴프레서 압력비와 터보차저 컴프레서 유량 선도를 맵(Map)으로 구축해 상기 목표포지션을 계산하고, 상기 터보차저 액추에이터 제어듀티 모델은 터보차저 액추에이터 포지션과 제어듀티 선도를 맵(Map)으로 구축해 상기 목표제어듀티값을 계산하는 것을 특징으로 하는 터보차저 제어 듀티 편차 보상 방법.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 터보차저모델과 상기 터보차저 액추에이터 제어듀티 모델은 웨이스트 게이트 터보차저(Waste Gate Turbocharger)나 가변형 터보차저(Variable Geometry Turbocharger)인 것을 특징으로 하는 터보차저 제어 듀티 편차 보상 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 (B)에서, 상기 학습조건은 컴프레서 압력비, 부스트 압력 변화, 터보차저 포지션, 쓰로틀 사용 여부, 센서 이상 여부, 냉각수온, 대기온, 배터리전압이 을 포함한 것을 특징으로 하는 터보차저 제어 듀티 편차 보상 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 (C)에서, 상기 학습 값은 (100-목표제어듀티)/(100-실제제어듀티)로 정의되는 것을 특징으로 하는 터보차저 제어 듀티 편차 보상 방법.
청구항 5에 있어서, 상기 학습 값은 팩터(Factor)와 한도(최소한도(minimum limitation)/최대한도(maximum limitation) 및 필터링(Filtering)되는 것을 특징으로 하는 터보차저 제어 듀티 편차 보상 방법.
청구항 1에 있어서, (E) 상기 제어듀티 편차 보상제어의 불필요 시 상기 목표포지션을 추종하는 제어듀티값으로 상기 터보차저가 제어되는 학습값 미 적용단계;
가 포함된 것을 특징으로 하는 터보차저 제어 듀티 편차 보상 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 제어기는 ECU(Electronic Control Unit)인 것을 특징으로 하는 터보차저 제어 듀티 편차 보상 방법.