KR101811879B1

KR101811879B1 - 질량 흐름을 개회로 제어하기 위한 플랩 액추에이터의 작동 방법 및 작동 장치와, 플랩 액추에이터

Info

Publication number: KR101811879B1
Application number: KR1020110034600A
Authority: KR
Inventors: 토마스 블라일레; 파트릭 메놀트
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2010-04-15
Filing date: 2011-04-14
Publication date: 2017-12-22
Also published as: DE102010027778B4; FR2959032B1; CN102220906B; KR20110115533A; CN102220906A; DE102010027778A1; FR2959032A1

Abstract

본 발명은, 제어 요소, 특히 플랩을 위한 위치 설정 장치, 특히 플랩 액추에이터를 이용하여, 내연기관을 포함하는 엔진 시스템에서 질량 흐름을, 특히 기체 질량 흐름을 개회로 제어하기 위한 방법이며,
- 제어 요소(4)에 의해 조정될 질량 흐름을 나타내는 제어 변수를 제공하는 단계(S1)와,
- 제어 변수가 사전 설정된 제어 변수 임계값보다 크다면, 제어 변수에 할당된 제어 요소(4)의 위치에 따라 위치 설정 장치(2)를 트리거링하는 단계(S3)와,
- 제어 변수가 사전 설정된 제어 변수 임계값보다 작다면, 제어 요소(4)가 폐쇄 위치에 위치하고 제어 요소(4)의 폐쇄력은 제어 변수에 따라 조정되도록 위치 설정 장치(2)를 트리거링하는 단계(S4)를 포함하는 질량 흐름 제어 방법에 관한 것이다.

Description

질량 흐름을 개회로 제어하기 위한 플랩 액추에이터의 작동 방법 및 작동 장치와, 플랩 액추에이터{METHOD AND DEVICE FOR OPERATION A FLAP ACTUATOR FOR CONTROLLING A MASS FLOW AS WELL AS A FLAP ACTUATOR}

본 발명은, 질량 흐름을 개회로 제어하기 위한 플랩 액추에이터이며, 특히 자동차의 엔진 시스템에서 흡기 구간 또는 배기 구간 내 기체 질량 흐름을 개회로 제어하기 위한 플랩 액추에이터에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 플랩 액추에이터의 개회로 제어 장치를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.

최근의 내연기관은, 내부에서 기체 질량 흐름이 이동하는 흡기 구간 및 배기구간을 포함한다. 흡기 구간은 주변 공기를 내연기관의 실린더들로 운반하는 역할을 하며, 배기 구간은 실린더들로부터 배출되는 연소 배기 가스를 배출하는 역할을 한다.

상기 기체 질량 흐름을 개회로 제어하기 위해, 예컨대 스로틀 밸브용 스로틀 밸브 액추에이터, 터보차저의 바이패스 라인 내 웨이스트 게이트 플랩용 웨이스트 게이트 액추에이터, 배기 가스 재순환 밸브용 밸브 액추에이터 등과 같은 이른바 플랩 액추에이터가 제공된다. 이와 같은 플랩 액추에이터는 일반적으로, 플랩 액추에이터의 제어 요소를, 특히 개회로 제어할 기체 질량 흐름 내에 배치되는 개회로 제어 플랩을 조정하는 것을 가능하게 하는 위치 피드백용 장치를 포함한다.

흐름 방향에서 각각의 플랩의 전방 또는 후방에서 압력을 조정하기 위해 상기와 같은 플랩 액추에이터를 이용할 시에, 통상적으로 엔진 제어 장치 내에서 실시될 수 있는 압력 폐회로 제어에 의해, 플랩 액추에이터의 설정 위치가 연산된다. 상기 압력 폐회로 제어는 예컨대 수퍼차저와 스로틀 밸브 사이의 흡기 구간의 영역에서 과급압을 조정하기 위해 제공될 수 있다. 이 경우 스로틀 밸브 액추에이터의 설정 위치는 하위의 위치 폐회로 제어에 따른 위치 피드백을 통해, 상응하는 폐회로 제어 장치가 플랩 액추에이터에 제공된 경우라면 플랩 액추에이터에 의해 조정되고, 또는 마찬가지로 엔진 제어 장치에 의해 조정된다.

상기와 같은 플랩 액추에이터는 위치 피드백을 위한 위치 측정이 플랩 액추에이터가 거의 폐쇄되었음을 표시하는 작동점들을 보유한다. 그러나 특히 내연기관의 배기 구간 내 터보차저의 웨이스트 게이트 액추에이터의 경우에는, 비록 플랩 액추에이터가 거의 폐쇄된 상태이거나, 또는 위치 측정에 의해 거의 폐쇄된 것으로서 표시된다고 하더라도, 그럼에도 플랩을 통한 압력 강하는 플랩 액추에이터의 압박 폐쇄력, 즉 폐쇄력에 의해 변경된다는 점을 확인할 수 있다. 다시 말하면, 비록 위치 측정이 완전히 폐쇄된 플랩 액추에이터를 표시한다고 하더라도, 기체 질량 흐름은 플랩 액추에이터를 통해 흐른다. 그리고 상기 기체 질량 흐름은 폐쇄력의 추가 상승을 통해 감소하거나 완전히 저지될 수 있다. 이런 상황은, 주기적으로 변동하는 기체 배압에 기인할 수 있는데, 이러한 기체 배압은 폐쇄력에 대항하여 폐쇄된 위치로부터 동적으로 그리고/또는 플랩의 정지부 테두리에서의 (압착력에 좌우되는) 밀봉력에 의해 플랩을 약간 들어올린다. 결과적으로 완전히 폐쇄된 플랩이 표시되는 플랩의 위치에서 플랩 액추에이터를 통해 흐르는 기체 질량 흐름은 폐쇄력에 좌우된다.

따라서 위치 측정에 의해 측정되는 플랩의 위치는 모든 작동점들에서 플랩을 통한 기체 질량 흐름을 정확하게 조정하기 위해 신뢰할 수 있는 변수는 아니다.

그러므로 본 발명의 목적은, 플랩 액추에이터를 작동시키기 위한 작동 방법뿐 아니라, 이에 따른 플랩 액추에이터 시스템에 있어서, 기체 질량 흐름이 조정될 수 있는 관류 영역, 특히 소량의 기체 질량 흐름 영역이 더욱 정확하게 조정될 수 있는, 상기 작동 방법 및 플랩 액추에이터 시스템을 제공하는 것에 있다.

상기 목적은 청구항 제1항에 따라 플랩 액추에이터를 조정하기 위한 방법과, 대등의 청구항들에 따른 플랩 액추에이터 및 플랩 액추에이터 시스템에 의해 달성된다.

추가의 바람직한 실시예들은 종속항들에 기재되어 있다.

제1 개념에 따라서는, 제어 요소, 특히 플랩을 위한 위치 설정 장치, 특히 플랩 액추에이터를 이용하여, 내연기관을 포함하는 엔진 시스템 내에서 질량 흐름을, 특히 기체 질량 흐름을 개회로 제어하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은,

- 제어 요소에 의해 조정될 질량 흐름을 나타내는 제어 변수를 제공하는 단계와,

- 제어 변수가 사전 설정된 제어 변수 임계값보다 크다면, 제어 변수에 할당된 제어 요소의 위치에 따라 위치 설정 장치를 트리거링하는 단계와,

- 제어 변수가 사전 설정된 제어 변수 임계값보다 작다면, 제어 요소가 폐쇄 위치에 위치하고 제어 요소의 폐쇄력은 제어 변수에 따라 조정되도록 위치 설정 장치를 트리거링하는 단계를 포함한다.

앞서 설명한 제어 방법의 개념은, 제어 요소가 특정 위치를 취하는 방식으로 위치 설정 장치를 제1 작동 영역에서 트리거링한다는 점에 있다. 개회로 제어하는 매체의 소량의 질량 흐름이 실현되어야 한다면, 위치 설정 장치는 폐쇄 위치로 이동되거나, 폐쇄 위치에서 유지되어, 폐쇄 위치에서 폐쇄력을 조정할 수 있도록, 폐쇄 압력의 조정을 통해 트리거링된다. 폐쇄력은 제어 요소를 거쳐 흐르는 질량 흐름을 결정한다.

또한, 위치 설정 장치가 구동 장치를 포함할 수 있고, 폐쇄력은 예컨대 트리거링 전류, 트리거링 전압, 트리거링 압력과 같이 제어 변수에 좌우되는 구동 장치에 대한 트리거링 변수의 조정을 통해 조정될 수 있다.

일 실시예에 따라, 제어 변수 임계값은 제어 요소를 통한 압력 차이에 따라, 그리고/또는 개회로 제어할 매체의 점도에 따라 사전 설정될 수 있다.

제어 변수에 할당되는 위치에 따른 위치 설정 장치의 트리거링은 제어 요소의 순간 위치에 대한 정보를 제공하는 위치 피드백의 이용 하에 위치 설정 장치의 위치 폐회로 제어에 의해 실행될 수 있다.

특히 제어 변수 임계값은, 위치 폐회로 제어의 이용 하에 조정될 수 있는 제어 요소의 위치를 통해 조정될 수 있는 질량 흐름에 의해 사전 설정될 수 있다.

또한, 위치 설정 장치를 트리거링하기 위한 트리거링 변수에, 제어 변수, 즉 제어 요소를 통한 압력 차이를 할당하는 것은 특성맵에 의해 실행될 수 있다.

추가 개념에 따라, 제어 요소, 특히 플랩을 위한 위치 설정 장치, 특히 플랩 액추에이터를 이용하여, 내연기관을 포함하는 엔진 시스템에서 질량 흐름을, 특히 기체 질량 흐름을 개회로 제어하기 위한 장치가 제공된다. 상기 장치는,

- 제어 요소에 의해 조정될 질량 흐름을 나타내는 제어 변수를 수신하고,

- 제어 변수가 사전 설정된 제어 변수 임계값보다 크다면, 제어 변수에 할당되는 제어 요소의 위치에 따라 위치 설정 장치를 트리거링하고,

- 제어 변수가 사전 설정된 제어 변수 임계값보다 작다면, 제어 요소가 폐쇄 위치에 위치하고 제어 요소의 폐쇄력은 제어 변수에 따라 조정되도록 위치 설정 장치를 트리거링하기 위해 형성될 수 있다.

추가의 개념에 따라 액추에이터 시스템이 제공된다. 액추에이터 시스템은 질량 흐름 내 제어 요소를 조정하기 위한 위치 설정 장치와 앞서 언급한 제어 장치를 포함한다.

또한, 위치 설정 장치는 배기 가스 터보차저의 웨이스트 게이트 밸브를 조정하기 위해 형성될 수 있다.

추가의 개념에 따라 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품이 제공되며, 프로그램 코드는 데이터 처리 유닛에서 실행되면 앞서 언급한 제어 방법을 실행한다.

본 발명에 의해, 플랩 액추에이터를 작동시키기 위한 작동 방법뿐 아니라, 이에 따른 플랩 액추에이터 시스템에 있어서, 기체 질량 흐름이 조정될 수 있는 관류 영역, 특히 소량의 기체 질량 흐름 영역이 더욱 정확하게 조정될 수 있는, 상기 작동 방법 및 플랩 액추에이터 시스템을 제공할 수 있다.

바람직한 실시예들은 다음에서 첨부한 도면에 따라 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 플랩 액추에이터를 작동시키기 위한 제어 장치를 포함하는 플랩 액추에이터 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 플랩 액추에이터를 작동시키기 위한 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 1에는 위치 설정 장치로서 플랩 액추에이터(2)를 포함하는 플랩 액추에이터 시스템(1)이 도시되어 있다. 이러한 유형의 플랩 액추에이터(2)는 예컨대 자동차의 흡기 구간 내 스로틀 밸브 액추에이터로서, 또는 배기 구간 내 배기 가스 터보차저의 터빈의 바이패스 라인 내 웨이스트 게이트 액추에이터로서 제공될 수 있다.

또한, 이러한 유형의 플랩 액추에이터(2)는 예컨대 터보차저의 터빈의 바이패스 라인 내 웨이스트 게이트에서, 또는 2단 터보차저에서의 바이패스 밸브용 바이패스 라인 내 웨이스트 게이트에서 이용될 수 있다. 그러나 이러한 플랩 액추에이터 시스템의 이용은 상기 적용예에만 국한되는 것이 아니고, 내연기관의 흡기 구간 및 배기 구간 내 각각의 플랩 액추에이터를 위한 이러한 플랩 액추에이터 시스템, 또는 매체의 질량 흐름을 개회로 제어하기 위한 기타 시스템들 중 하나가 이용될 수 있다.

플랩 액추에이터(2)는 라인(3)을 통과하는 매체의 질량 흐름을 개회로 제어하는 역할을 한다. 이를 위해 플랩 액추에이터(2)는 제어 요소로서 플랩(4)을 포함하고, 이 플랩은 라인(3) 내에 위치하여 개회로 제어될 흐름 내에 배치된다. 플랩(4)은 실질적으로 중심이 제어 샤프트(5)와 연결되고, 이 제어 샤프트를 중심으로 플랩은 회전 가능하게 배치된다. 플랩(4)은, 폐쇄 위치에서 라인(3)을 완전하게 폐쇄하고, 개방 위치에서는 플랩(4)의 위치, 다시 말해 조절각, 경사각 등과, 흐름 방향에서 플랩(4)의 전방 영역과 플랩(4)의 후방 영역 간의 압력 차이 중에서 한 가지를 조정하는 방식으로 형성된다. 비록 본 실시예에서 플랩(4)이 실질적으로 중심이 제어 샤프트(5)와 연결되어 있지만, 또 다른 형태의 플랩들(4), 특히 일측에서만 선회 가능하게 지지되는 플랩들도 제공될 수 있다.

제어 샤프트(5)는 구동 장치(6)를 통해 트리거링된다. 이를 위해 구동 장치(6)는 제어 샤프트(5)와 구동 장치(6)의 전동기의 출력 축을 연결하기 위해 (미도시한) 변속기를 포함할 수 있다. 또한, 제어 샤프트(5)에, 예컨대 플랩(4) 맞은편에 위치하는 제어 샤프트(5)의 단부에는 위치 센서(7)가 제공되며, 이러한 위치 센서는, 위치 정보로서 조절각, 개구 횡단면 등의 형태로 플랩(4)의 위치를 검출하여, 조절각의 상응하는 측정 변수를 제공한다.

실질적으로 조정할 질량 흐름을 나타내는 사전 설정된 제어 변수(S)에 따라, 플랩(4)의 위치를 조정하기 위해 구동 장치(6)를 트리거링하는 제어 장치(10)가 제공된다. 제어 변수는, 플랩(4)에 대한 조절각 또는 조절 위치, 구동 장치(6)가 전기 방식으로 형성된다면 플랩(4)에 대한 트리거링 전류, 조정할 기체 흐름의 질량 흐름을 나타낼 수 있다. 구동 장치(6)의 트리거링은 도 2의 흐름도에 도시된 방법에 따라 이루어진다.

단계(S1)에서는, 제어 장치(10)가 조정할 질량 흐름에 대한 정보일 수 있는 제어 변수(S)를 수신한다. 또한, 대체되는 실시예에 따라, 제어 변수(S)는 플랩 액추에이터(2)의 목표하는 개방 위치에 대한 정도를 나타낼 수도 있다.

단계(S2)에서는, 제어 변수(S)가 사전 설정된 제어 변수 임계값보다 큰지의 여부가 검사된다. 제어 변수(S)가 사전 설정된 제어 변수 임계값보다 크다면(도면: 예), 단계(S3)에서 플랩(4)은 제어 장치(10) 내에서 구현되는 위치 폐회로 제어에 따라 조정된다.

위치 폐회로 제어를 실현하기 위해, 위치 센서(7)로부터 피드백되는, 조절각, 개구 횡단면 등의 측정 변수가 위치 피드백을 위한 위치 정보로서 사용된다. 이때 위치 센서(7)로부터 제공된 위치 정보와, 상응하는 설정 위치를 나타내는 사전 설정된 제어 변수로부터 구해지는 차이는 제어 편차로서 이용된다.

제어 변수(S)가 질량 흐름을 나타내면, 이로부터 스로틀 방정식을 이용하고 플랩을 통한 압력 강하를 알고 있는 조건에서, 필요한 위치가 유도될 수 있다.

단계(S2)에서 제어 변수가 제어 변수 임계값을 하회하는 것이 확인된다면(도면: 아니오), 단계(S4)에서는 수신된 제어 변수(S)에 따라 플랩(4)이 폐쇄 위치로 이동하고 폐쇄력은 제어 변수(S)에 따라 조정된다. 폐쇄력의 조정은 예컨대 구동 장치(6) 내 전동기에 적합하게 전류를 공급함으로써 이루어질 수 있다. 이때 전동기는, 이 전동기를 폐쇄 위치로 이동시키기 위해 전동기에 전류가 공급될 시, 플랩이 라인(3) 내 상응하는 정지부 쪽에 압착되도록 플랩(4)과 연결된다. 구동 장치(6)를 위해 전동기를 이용할 경우, 제공되는 모터 전류가 높아질수록, 전동기의 제공되는 제어 토크도 더욱 커지고, 플랩(4)을 정지부에 압착하는 폐쇄력도 더욱 강해진다.

조정할 폐쇄력은, 0의 질량 흐름을 나타내는 제어 변수(S)의 조건에서, 폐쇄력이 최대값으로 선택되도록 선택된다. 최대 폐쇄력은 구동 장치의 사전 설정된 최대 에너지 소비량 및/또는 전동기의 최대 허용 제어 전류 또는 사전 설정된 제어 전류로부터 생성되며 예컨대 상응하는 측정을 통해 산출될 수 있다.

제어 변수(S)가, 플랩의 위치 폐회로 제어와 작동력의 조정을 통한 개회로 제어 작동 간의 전환 한계가 상응하는 제어 변수 조정 값에 상응한다면, 폐쇄력은 최소값으로 선택되므로, 위치 폐회로 제어에 의해 조정될 최소 질량 흐름에 상응하는 질량 흐름은 플랩 액추에이터(2)에 의해 조정된다. 조정되는 질량 흐름은 흐름 방향에서 플랩(4)의 전방에 위치하는 라인(3) 영역과 흐름 방향에서 플랩(4)의 후방에 위치하는 라인(3) 영역 사이의 압력 차이와 개회로 제어할 매체의 점도에 의해 결정되기 때문에, 상황에 따라서는 제어 변수(S)의 각각의 형식에 따라 제어 변수 조정 값은 플랩을 통한 압력비와 매체의 점도에 좌우되므로, 실질적으로 제어 변수 임계값의 영역 내에서 조정 가능한 질량 흐름에 대한 제어 변수(S)에서의 점프는 야기되지 않게 된다. 최소 폐쇄력(최소 전류 공급)에 의해 야기되는 질량 흐름과, 위치 폐회로 제어에 의해 조정될 수 있는 플랩(4)에 대한 제어 변수에 의해 결정되는 질량 흐름은 모든 작동점에서, 다시 말해 모든 압력 차이에서, 그리고 점도의 영역에 걸쳐 동일하다는 사실이 일반적으로 적용되어야 한다.

바람직하게는 제어 장치(10) 내에는, 플랩을 통한 압력 차이에 따라, (플랩이 다양한 점도의 매체를 개회로 제어할 수 있도록 제공되는 한) 매체의 점도에 따라, 그리고 폐쇄력에 따라 질량 흐름을 나타내는 특성맵이 구현되어 있다. 이와 같은 방식으로, 알고 있는 (측정되거나 모델링된) 압력 차이에 따라, 그리고 조정할 질량 흐름에 따라, 필요한 폐쇄력 또는 이를 위해 필요한 모터 전류가 각각 산출될 수 있다.

Claims

제어 요소(4)를 위한 위치 설정 장치(2)를 이용하여 질량 흐름을 개회로 제어하기 위한 방법이며,
- 상기 제어 요소(4)에 의해 조정될 질량 흐름을 나타내는 제어 변수를 제공하는 단계(S1)와,
- 상기 제어 변수가 사전 설정된 제어 변수 임계값보다 크다면, 상기 제어 변수에 할당된 상기 제어 요소(4)의 위치에 따라 상기 위치 설정 장치(2)를 트리거링하는 단계(S3)와,
- 상기 제어 변수가 사전 설정된 제어 변수 임계값보다 작다면, 상기 제어 요소(4)가 폐쇄 위치에 위치하고, 상기 제어 요소(4)의 폐쇄력은 상기 제어 변수에 따라 조정되도록 상기 위치 설정 장치(2)를 트리거링하는 단계(S4)를 포함하는 질량 흐름 제어 방법.
제1항에 있어서, 상기 위치 설정 장치(2)는 구동 장치를 포함하고, 상기 폐쇄력은 제어 변수에 좌우되는, 상기 구동 장치를 위한 트리거링 변수의 조정을 통해 조정되는 질량 흐름 제어 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 제어 변수 임계값은 상기 제어 요소(4)를 통한 압력 차이와, 개회로 제어할 매체의 점도 중 어느 하나에 따라 또는 이 둘 모두에 따라 사전 설정되는 질량 흐름 제어 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 위치 설정 장치(2)의 트리거링은, 상기 제어 변수에 할당되는 상기 제어 요소(4)의 위치에 따라, 상기 제어 요소(4)의 순간 위치에 대한 정보를 제공하는 위치 피드백의 이용 하에, 상기 위치 설정 장치(2)의 위치 폐회로 제어에 의해 실행되는 질량 흐름 제어 방법.
제4항에 있어서, 제어 변수 임계값은 위치 폐회로 제어의 이용 하에 조정될 수 있는 상기 제어 요소(4)의 위치에 의해 조정될 수 있는 질량 흐름을 나타내는 제어 변수에 의해 사전 설정되는 질량 흐름 제어 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 위치 설정 장치(2)를 트리거링하기 위한 트리거링 변수에 제어 요소를 통한 압력 차이가 특성맵에 의해 할당되는 질량 흐름 제어 방법.
제어 요소(4)를 위한 위치 설정 장치(2)를 이용하여 질량 흐름을 개회로 제어하기 위한 장치이며,
상기 질량 흐름 제어 장치는,
- 상기 제어 요소(4)에 의해 조정될 질량 흐름을 나타내는 제어 변수를 수신하고,
- 상기 제어 변수가 사전 설정된 제어 변수 임계값보다 크다면, 상기 제어 변수에 할당되는 상기 제어 요소(4)의 위치에 따라 상기 위치 설정 장치(2)를 트리거링하고,
- 상기 제어 변수가 사전 설정된 제어 변수 임계값보다 작다면, 상기 제어 요소(4)가 폐쇄 위치에 위치하고 상기 제어 요소(4)의 폐쇄력은 상기 제어 변수에 따라 조정되도록 상기 위치 설정 장치(2)를 트리거링하기 위해 형성되는 질량 흐름 제어 장치.
액추에이터 시스템(1)이며,
- 질량 흐름 내 제어 요소(4)를 조정하기 위한 위치 설정 장치(2)와,
- 제7항에 따른 질량 흐름 제어 장치를 포함하는 액추에이터 시스템.
제8항에 있어서, 상기 위치 설정 장치(2)는 배기 가스 터보차저의 웨이스트 게이트 밸브를 조정하기 위해 형성되는 액추에이터 시스템(1).
프로그램 코드가 데이터 처리 유닛에서 실행되면 제1항 또는 제2항에 따르는 제어 방법을 실행하는 프로그램 코드를 갖는, 컴퓨터 프로그램 제품이 저장된 기계 판독 가능한 매체.
제1항에 있어서, 상기 질량 흐름은 내연기관을 포함하는 엔진 시스템에서의 기체 질량 흐름이고, 상기 위치 설정 장치는 플랩 액추에이터이며, 상기 제어 요소는 플랩인 질량 흐름 제어 방법.
제7항에 있어서, 상기 질량 흐름은 내연기관을 포함하는 엔진 시스템에서의 기체 질량 흐름이고, 상기 위치 설정 장치는 플랩 액추에이터이며, 상기 제어 요소는 플랩인 질량 흐름 제어 장치.
제2항에 있어서, 상기 구동 장치를 위한 트리거링 변수는 트리거링 전류, 트리거링 전압, 또는 트리거링 압력인 질량 흐름 제어 방법.