KR101897888B1 - 과급식 내연기관 - Google Patents

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도요타지도샤가부시키가이샤
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Abstract

압축기에 대해 상류측의 흡기 통로 안으로 EGR 가스를 도입할 수 있는 과급식 내연기관이 제공된다. EGR 밸브의 온도가 미리결정된 값(X1) 이하인 상황 하에서 EGR 가스의 도입이 개시되는 경우에서 요구 WGV 개방도가 하한값(WGVmin) 미만인 경우, WGV 개방도는 하한값(WGVmin)을 요구 WGV 개방도로서 사용하여 EGR 가스의 도입이 개시된 후 보호 시간(T3) 동안 제어된다.

Description

과급식 내연기관{SUPERCHARGED INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 과급식 내연기관에 관한 것이며, 더 구체적으로는 흡기를 과급하는 압축기에 대해 상츄측에서 흡기 통로 안으로 EGR 가스를 도입할 수 있는 과급식 내연기관에 관한 것이다.
과급식 내연기관은 예를 들어 특허문헌 1에 이미 개시되어 있다. 상기 내연기관은 과급된 흡기를 냉각하는 인터쿨러와 압축기에 대해 상류측에서 흡기 통로 안으로 도입되는 EGR 가스를 냉각하는 EGR 쿨러를 포함한다. EGR 가스량은 인터쿨러 및 EGR 쿨러에서 응축수가 발생되지 않도록 제어된다.
EGR 가스의 도입이 냉각 상태로부터 시동을 시작한 후에 초기 웜업 단계 동안 실행되는 경우, 응축수가 발생되기 쉽다. 결과적으로, EGR 밸브는 통상적으로 초기 웜업 단계 동안 폐쇄되어 있다. 그러나, EGR 밸브가 폐쇄된 상태에 있는 경우에도, EGR 밸브에 대해 EGR 가스 유동의 상류측의 EGR 통로에는 배기 가스가 존재한다. 그러므로, 일부 경우에, 차가운 EGR 밸브에 닿는 배기 가스에 포함되는 수분의 결과로서, 배기 가스에 노출되는 측의 EGR 밸브의 표면에서 수분의 응축이 발생하고 응축수가 발생된다.
상기 방식으로 발생되는 응축수의 발생을 억제하기 위해서, 압축기에 대해 상류측의 EGR 가스의 유로의 벽면을 가열하기 위해 조치를 취하는 것을 고려할 수 있다. 그러나, 상기 상태는 폐쇄되어 있는 EGR 밸브가 저온의 새로운 공기와 배기 가스 사이에 개재되어 있는 상태이기 때문에, EGR 밸브 자체를 직접적으로 가열하고 EGR 밸브를 온난한 상태로 유지하는 것은 어렵다. 결과적으로, 냉간 시동 후에 엔진 냉각수 온도가 상승하고 EGR 가스의 도입을 허용하는 조건이 확립될 때, 이때의 상태는 배기 가스가 접촉하는 측의 EGR 밸브 표면에 응축수가 부착되어 있는 상태이다. 또한, 엔진을 웜엄할 때 이외의 시간에도, 엔진 동작 동안 폐쇄된 상태에 있는 EGR 밸브가 저온 흡기에 의해 냉각되는 경우, EGR 밸브의 표면에 응축수가 부착되는 경우가 있다.
상술한 바와 같이 EGR 밸브에서의 응축수의 발생에 대한 특별한 고려 없이 EGR 가스를 도입하기 위해 EGR 밸브를 개방하는 경우, EGR 밸브에 부착된 응축수가 흡기 통로 안으로 유동할 수 있다. 흡기 통로 안으로 유동한 응축수가 압축기 안으로 흡인되는 경우, 응축수의 방울이 압축기의 임펠러에 충돌하고 임펠러에서 침식 현상의 발생을 초래할 우려가 있다.
일본 특허 공개 번호 2012-087779
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 안출되었으며, 본 발명의 목적은, 하드웨어 구성에 대한 특별한 부가 또는 변경 없이 EGR 밸브가 개방될 때 EGR 밸브의 표면에서 발생하는 응축수가 압축기 안으로 유동하는 것에 의한 침식 현상의 발생을 억제할 수 있는 과급식 내연기관을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 양태는 과급식 내연기관이다. 과급식 내연기관은, 흡기를 과급하도록 구성되는 압축기; 압축기에 대해 상류측의 흡기 통로를 배기 통로와 연결시키는 EGR 통로; EGR 통로에 제공되며 EGR 통로를 통해 유동하는 EGR 가스의 양을 조절하는 EGR 밸브; 및 엔진 속도 및 엔진 부하 파라미터에 기초하여 결정되는 기본 요구 압축기 회전 속도에 따라 압축기 회전 속도를 제어하는 압축기 제어 수단을 포함한다. 기본 요구 압축기 회전 속도가 미리결정된 회전 속도보다 높은 경우에서 EGR 가스의 도입이 시작되는 경우, 압축기 제어 수단은 EGR 가스의 도입이 시작된 후에 압축기 회전 속도를 규제하여 압축기 회전 속도가 미리결정된 회전 속도 이하가 되도록 한다.
또한, 본 발명의 제2 양태에 따르면, 제1 양태에서, 기본 요구 압축기 회전 속도가 미리결정된 회전 속도보다 높은 경우에서 내연기관의 냉간 시동 후에 제1 시간 동안 EGR 가스의 도입이 시작될 때, 압축기 제어 수단은 압축기 회전 속도의 규제를 실행할 수 있다.
또한, 본 발명의 제3 양태에 따르면, 제1 양태에서, 기본 요구 압축기 회전 속도가 미리결정된 회전 속도보다 높은 경우에서 EGR 가스의 도입이 EGR 밸브의 온도가 EGR 밸브가 폐쇄되어 있는 동안 EGR 통로에 존재하는 배기 가스의 노점 온도 또는 노점 온도보다 미리결정된 여유만큼 높은 온도 이하인 상황 하에서 시작될 때, 압축기 제어 수단은 압축기 회전 속도의 규제를 실행한다.
또한, 본 발명의 제4 양태에 따르면, 제3 양태에서, 압축기 제어 수단은, EGR 밸브가 개방되는 시점으로부터 물방울이 EGR 밸브로부터 분리되기 시작하는 시점까지의 시간과 물방울이 EGR 밸브로부터 분리되기 시작하는 시점으로부터 물방울이 압축기의 입구에의 도달을 완료하는 시점까지의 시간의 합계인 시간이 경과할 때까지, EGR 가스의 도입이 개시된 후에 압축기 회전 속도를 규제할 수 있다.
또한, 본 발명의 제5 양태에 따르면, 제3 또는 제4 양태에서, 과급식 내연기관은, 엔진 동작 조건에 따르는 기본 요구 EGR 밸브 개방도에 따라 EGR 밸브 개방도를 제어하기 위한 EGR 밸브 제어 수단을 포함하는 스파크-점화 내연기관일 수 있다. 기본 요구 압축기 회전 속도는 엔진 회전 속도 및 엔진 부하 파라미터 이외에 기본 요구 EGR 밸브 개방도에 기초하여 결정될 수 있다. EGR 밸브 제어 수단은, 기본 요구 EGR 밸브 개방도 미만인 제1 요구 EGR 밸브 개방도에 따라, EGR 가스의 도입이 시작된 후에 압축기 제어 수단에 의해 압축기 회전 속도의 규제가 실행될 때에 EGR 밸브 개방도를 제어할 수 있다. 제1 요구 EGR 밸브 개방도는, 압축기 회전 속도가 미리결정된 회전 속도 이하인 압축기 회전 속도로 설정되는 상황 하에서 얻어지는 과급압 하에서 도입될 수 있으며, EGR 밸브의 개방 전과 후 사이의 흡기량의 변화를 억제하는 상태에서 도입될 수 있는 EGR 가스량인, EGR 가스량에 대응하는 EGR 밸브 개방도일 수 있다.
또한, 본 발명의 제6 양태에 따르면, 제3 또는 제4 양태에서, 과급식 내연기관은, 엔진 동작 조건에 따르는 기본 요구 EGR 밸브 개방도에 따라 EGR 밸브 개방도를 제어하기 위한 EGR 밸브 제어 수단을 포함하는 스파크-점화 내연기관일 수 있다. 기본 요구 압축기 회전 속도는 엔진 회전 속도 및 엔진 부하 파라미터 이외에 기본 요구 EGR 밸브 개방도에 기초하여 결정될 수 있다. EGR 밸브 제어 수단은, 압축기 회전 속도가 미리결정된 회전 속도로 설정되어 있는 상황 하에서 얻어지는 과급압 하에 도입될 수 있는 EGR 가스량에 대응하는 EGR 밸브 개방도 미만인 제2 요구 EGR 밸브 개방도에 따라, EGR 가스의 도입이 시작된 후에 압축기 제어 수단에 의해 압축기 회전 속도의 규제가 실행될 때 EGR 밸브 개방도를 제어할 수 있다. 압축기 제어 수단은, 제2 요구 EGR 밸브 개방도를 사용할 때 EGR 밸브의 개방 전과 후 사이의 흡기량의 변화를 억제할 수 있는 제1 요구 압축기 회전 속도에 따라 EGR 가스의 도입이 시작된 후에 압축기 회전 속도를 규제할 수 있다.
또한, 본 발명의 제7 양태에 따르면, 제5 또는 제6 양태에서, 흡기 온도가 노점 온도 또는 노점 온도보다 미리결정된 여유만큼 높은 온도 이하일 때, 압축기 제어 수단은 EGR 밸브의 온도가 노점 온도 또는 노점 온도보다 미리결정된 여유만큼 높은 온도 이하라고 결정할 수 있다.
또한, 본 발명의 제8 양태에 따르면, 제7 양태에서, 흡기 온도가 노점 온도 또는 노점 온도보다 미리결정된 여유만큼 높은 온도 이하인 상황 하에서 EGR 가스의 도입이 개시되는 제1 경우가 적용되는 때에도, 엔진 동작 중에 EGR 밸브가 폐쇄되는 시점으로부터의 경과 시간이 EGR 밸브가 폐쇄되는 시점으로부터 물방울이 EGR 밸브의 표면에 부착될 때까지의 시간 미만인 제2 경우에는, 압축기 제어 수단은, 기본 요구 압축기 회전 속도에 따라, EGR 가스가 개시된 후에 압축기 회전 속도를 제어할 수 있다. 제1 경우가 적용되는 때에도, 제2 경우에는, EGR 밸브 제어 수단은, 기본 요구 EGR 밸브 개방도에 따라, EGR 가스의 도입이 개시된 후에 EGR 밸브 개방도를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 제9 양태에 따르면, 제7 양태에서, 흡기 온도가 노점 온도 또는 노점 온도보다 미리결정된 여유만큼 높은 온도 이하인 상황 하에서 EGR 가스의 도입이 개시되는 제1 경우가 적용되는 때에도, 엔진 냉각수 온도 또는 엔진 윤활유 온도게 기초하여 추정되는 엔진 시동 시의 EGR 밸브의 온도가 노점 온도 또는 노점 온도보다 미리결정된 여유만큼 높은 온도보다 높은 제3 경우에는, 압축기 제어 수단은, 기본 요구 압축기 회전 속도에 따라, EGR 가스의 도입이 개시된 후에 압축기 회전 속도를 제어할 수 있다. 제1 경우가 적용되는 때에도, 제3 경우에는, EGR 밸브 제어 수단은, 기본 요구 EGR 밸브 개방도에 따라, EGR 가스의 도입이 개시된 후에 EGR 밸브 개방도를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 제10 양태에 따르면, 제3 또는 제4 양태에서, 흡기 온도가 노점 온도 또는 노점 온도보다 미리결정된 여유만큼 높은 온도 이하일 때, 압축기 제어 수단은 EGR 밸브의 온도가 노점 온도 또는 노점 온도보다 미리결정된 여유만큼 높은 온도 이하라고 결정할 수 있다.
또한, 본 발명의 제11 양태에 따르면, 제10 양태에서, 흡기 온도가 노점 온도 또는 노점 온도보다 미리결정된 여유만큼 높은 온도 이하인 상황 하에서 EGR 가스의 도입이 개시되는 때에도, 엔진 동작 중에 EGR 밸브가 폐쇄되는 시점으로부터의 경과 시간이 EGR 밸브가 폐쇄되는 시점으로부터 물방울이 EGR 밸브의 표면에 부착될 때까지의 시간 미만인 경우에는, 압축기 제어 수단은, 기본 요구 압축기 회전 속도에 따라, EGR 가스의 도입이 개시된 후에 압축기 회전 속도를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 제12 양태에 따르면, 제10 양태에서, 흡기 온도가 노점 온도 또는 노점 온도보다 미리결정된 여유만큼 높은 온도 이하인 상황 하에서 EGR 가스의 도입이 개시되는 때에도, 엔진 냉각수 온도 또는 엔진 윤활유 온도에 기초하여 추정되는 엔진 시동 시의 EGR 밸브의 온도가 노점 온도 또는 노점 온도보다 미리결정된 여유만큼 높은 온도보다 높은 경우에는, 압축기 제어 수단은, 기본 요구 압축기 회전 속도에 따라, EGR 가스의 도입기 개시된 후에 압축기 회전 속도를 제어할 수 있다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, EGR 가스의 도입이 개시되는 경우, 압축기 회전 속도는 미리결정된 회전 속도를 초과하지 않도록 규제된다. 상술한 바와 같이, EGR 가스의 도입을 개시할 때 EGR 밸브가 차가운 경우, 응축수가 EGR 밸브의 표면에 부착될 가능성이 있다. 응축수가 밸브 표면에 부착되는 경우, EGR 밸브가 개방될 때 응축수가 EGR 밸브로부터 분리되어 압축기 안으로 유동할 가능성이 있다. 압축기에서의 침식 현상의 발생은 물방울과 임펠러 사이의 상대 속도가 크고 물방울의 관성(질량)이 크다는 사실에 기인한다. 본 발명에 따르면, EGR 가스의 도입이 개시될 때, 상기 상대 속도는 압축기 회전 속도를 규제함으로써 낮아질 수 있다. 따라서, 상기 미리결정된 회전 속도를 적절히 설정함으로써, EGR 밸브로부터의 응축수에 의해 유발되는 압축기에서의 침식 현상의 발생은 하드웨어 구성에의 특별한 부가나 그 변경 필요 없이 억제될 수 있다.
냉간 시동 시에는, 온도가 낮기 때문에, EGR 밸브의 표면에 응축수가 부착될 가능성이 높다. 따라서, 본 발명의 제2 양태에 따르면, 냉간 시동 후에 제1 시간 동안 EGR 가스의 도입이 개시되는 경우를 대상으로 하는 방식으로 압축기 회전 속도를 억제하는 구성을 채용함으로써, 임펠러에서의 침식 현상의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 폐쇄 상태에 있는 EGR 밸브에서 응축수가 발생했거나 응축수가 발생할 가능성이 있는 상황 하에서 EGR 가스의 도입이 개시되는 경우, 압축기 회전 속도는 미리결정된 회전 속도를 초과하지 않도록 규제된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 규제가 실행되는 상황을 더 적절히 확인하면서 압축기 회전 속도의 규제를 실행할 수 있다.
본 발명의 제4 양태에 따르면, 압축기를 보호하기 위해 압축기 회전 속도의 규제가 실행되어야 하는 시간을 적절히 설정할 수 있다.
스파크-점화 내연기관에서, 흡기량은 엔진 토크를 제어하기 위해 조절된다. 압축기 회전 속도가 EGR 가스의 도입 전과 후에 동일한 경우, 흡기량은 도입되는 EGR 가스의 양에 따라 감소할 것이다. 본 발명의 제5 양태에 따르면, 기본 요구 EGR 밸브 개방도(즉, 요구 EGR 가스량)를 고려하여 결정되는 기본 요구 압축기 회전 속도에 따라 압축기 회전 속도가 제어된다는 선행조건에 기초하는 구성에서, 상술한 응축수에 대한 대책으로서, EGR 가스의 도입이 개시된 후의 압축기 회전 속도는 미리결정된 회전 속도를 초과하지 않도록 규제된다. 또한, 압축기 회전 속도의 규제에 수반하여, EGR 가스의 도입이 개시된 후의 EGR 밸브 개방도는 상술한 제1 요구 EGR 밸브 개방도로 감소된다. 이에 의해, 압축기 회전 속도를 제어함으로써 침식 현상의 발생을 억제할 수 있으며, 또한 압축기 회전 속도의 규제 및 EGR 가스의 도입에 수반하는 엔진 토크의 변화를 억제할 수 있다.
본 발명의 제6 양태에 따르면, 기본 요구 EGR 밸브 개방도 미만의 제2 요구 EGR 밸브 개방도가 사용된다. 기본 요구 EGR 밸브 개방도는, 상술한 미리결정된 회전 속도 자체를 이용하여 압축기 회전 속도를 규제하면서 EGR 가스를 도입하는 경우의 EGR 밸브 개방도에 대응한다. 이에 의해, EGR 가스의 도입이 개시된 후에 EGR 밸브를 통과하는 EGR 가스의 유속이 증가될 수 있다. 결과적으로, EGR 밸브로부터의 물방울의 분리가 촉진될 수 있고, 따라서 EGR 가스의 도입이 개시된 후에 압축기 회전 속도를 규제해야 하는 시간이 감소될 수 있다. 따라서, EGR 가스를 도입한 직후의 EGR 가스량이 상술한 기본 요구 EGR 밸브 개방도를 이용하는 경우에 비해 감소하더라도, EGR 밸브로부터의 물방울의 분리의 촉진에 의해 결국에는 원래 요구된 EGR 가스량을 더 신속하게 도입할 수 있다.
본 발명의 제7 또는 제10 양태에 따르면, 상황이 EGR 밸브에서 응축수가 발생한 상황인지의 여부는 내연기관에 흔히 장착되는 온도 센서를 이용하여 측정될 수 있는 흡기 온도를 이용하여 결정될 수 있다.
EGR 밸브는 열용량을 갖는다. 따라서, EGR 가스의 도입 후 EGR 밸브가 폐쇄된 후에, EGR 밸브의 온도는 저온 흡기에 노출된 결과로서 흡기 온도에 접근한다. 본 발명의 제8 또는 제11 양태에 따르면, EGR 밸브에서의 응축수의 존재 또는 부재가 흡기 온도를 지표로 사용하여 결정되는 경우, EGR 밸브가 폐쇄된 시점 이후 짧은 시간만이 경과했기 때문에 흡기 온도가 낮음에도 불구하고 EGR 밸브에서 응축수가 발생하지 않은 상황 하에서는, EGR 가스의 도입을 개시할 때의 압축기 회전 속도의 불필요한 규제를 회피할 수 있다. 또한, 본 발명의 제8 양태에 따르면, EGR 가스의 불필요한 감소 또한 회피할 수 있다.
EGR 밸브는 열용량을 갖는다. 따라서, EGR 가스의 도입 후에 EGR 밸브가 폐쇄된 후에, 내연기관이 정지되는 경우, EGR 밸브의 온도는 시간의 경과에 수반하여 외부 공기 온도에 접근한다. 본 발명의 제9 또는 제12 양태에 따르면, EGR 밸브에서의 응축수의 존재 또는 부재가 흡기 온도를 지표로 사용하여 결정되는 경우, EGR 밸브가 폐쇄된 시점 이후 짧은 시간만이 경과했기 때문에 흡기 온도가 낮음에도 불구하고 EGR 밸브에서 응축수가 발생하지 않은 상황 하에서, EGR 가스의 도입을 개시할 때의 압축기 회전 속도의 불필요한 규제를 회피할 수 있다. 또한, 본 발명의 제12 양태에 따르면, EGR 가스의 불필요한 감소 또한 회피할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1의 내연기관의 시스템 구성을 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 EGR 밸브의 특정 구성 예 및 배치 환경을 설명하는 다중 시점 도면이다.
도 3은, 본 발명의 실시형태 1에서 사용되는 엔진 부하 인자와 관련한 스로틀 개방도 및 WGV 개방도의 설정을 나타내며, 또한 임펠러 회전 속도의 관점에서 상술한 설정 하에서 응축수의 발생이 문제가 되는 엔진 부하 영역을 나타내는 다중 시점 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 영역 B를 대상으로 하여 실행되는 임펠러 회전 속도 제어의 개요를 설명하기 위한 타임 차트를 나타내는 다중 시점 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시형태 1에서 실행되는 루틴의 흐름도이다.
도 6은 균일한 배기 가스 유량 하에서의 터빈 회전 속도(Nt)와 WGV 개방도 사이의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은, 압축기 안으로 유동하는 물방울의 직경에 따라 결정되는 물방울 허용 한계 회전 속도(Ntmax), 임펠러 회전 속도(Nt)가 Ntmax를 초과하지 않는 범위 내의 WGV 개방도, 및 EGR 밸브 개방도 사이의 조합을 설명하는 다중 시점 도면이다.
도 8은 임펠러 회전 속도 제어가 본 발명의 실시형태 2에서 실행될 때의 동작을 나타내는 타임 차트를 도시하는 다중 시점 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시형태 2에서 실행되는 루틴의 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 실시형태 3에서 실행되는 루틴의 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 실시형태 3의 변형에서 실행되는 루틴의 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 실시형태 4에서 실행되는 루틴의 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 실시형태 5에서 실행되는 루틴의 흐름도이다.
실시형태 1
<내연기관의 시스템 구성>
도 1은 본 발명의 실시형태 1의 내연기관(10)의 시스템 구성을 설명하는 도면이다. 본 실시형태의 시스템은 내연기관(일례로서, 스파크-점화 가솔린 엔진)(10)을 포함한다. 흡기 통로(12) 및 배기 통로(14)는 내연기관(10)의 각각의 실린더와 연통한다.
에어 클리너(16)가 흡기 통로(12)의 입구 부근에 설치된다. 흡기 통로(12) 안으로 흡인되는 공기의 유량에 따라 신호를 출력하는 공기 유량계(18) 및 흡기의 온도를 검출하기 위한 흡기 온도 센서(20)가 에어 클리너(16)에 각각 제공된다. 과급기(22)의 압축기(22a)는 공기 클리너(16)의 하류에 배치된다. 압축기(22a)는 연결 샤프트를 통해 배기 통로(14)에 배치된 터빈(22b)과 일체적으로 연결된다. 이 경우에, 일례로서 압축기(22a)가 원심 임펠러를 갖는 유형인 것을 상정하지만, 본 발명의 대상인 압축기가 이하에서 설명되는 문제(임펠러와 충돌하는 물방울에 의해 유발되는 임펠러와 관련한 침식 현상)가 발생하는 종류인 한, 압축기는 원심 임펠러를 갖는 유형으로 한정되지 않는다.
압축기(22a)에 의해 압축된 공기를 냉각하기 위한 수냉식 인터쿨러(24)는 압축기(22a)의 하류에 제공된다. 전자 제어식 스로틀 밸브(26)가 인터쿨러(24)의 하류에 제공된다.
배기 가스 정화 촉매(일례로서, 3원 촉매)(28)가 터빈(22b)에 대해 하류측에 있는 위치에서 배기 통로(14)에 배치된다. 배기 바이패스 통로(30)가 또한 배기 통로(14)에 연결된다. 배기 바이패스 통로(30)는 터빈(22b)을 우회하는 방식으로 터빈(22b)의 입구측과 출구측을 연결한다. 배기 바이패스 통로(30)를 개방 및 폐쇄하기 위한 웨이스트 케이트 밸브(WGV)(32)가 배기 바이패스 통로(30)에 설치된다. 일례로서, WGV(32)는 전기 모터에 의해 구동되는 웨이스트 게이트 밸브인 것으로 상정한다.
도 1에 도시된 내연기관(10)은 또한 저압 루프(LPL) 타입 EGR 장치(34)를 포함한다. EGR 장치(34)는 배기 가스 정화 촉매(28)의 하류측의 배기 통로(14)를 압축기(22a)의 상류측의 흡기 통로(12)와 연결하는 EGR 통로(36)를 포함한다. EGR 쿨러(38) 및 EGR 밸브(40)는, EGR 가스가 흡기 통로(12) 안으로 도입될 때의 EGR 가스의 유동의 상류측으로부터 기재된 순서로 EGR 통로(36)에 각각 제공된다. EGR 쿨러(38)는 EGR 통로(36)를 통해 유동하는 EGR 가스를 냉각하기 위해 제공된다. EGR 밸브(40)는 EGR 통로(36)를 통과하고 흡기 통로(12)로 재순환하는 EGR 가스의 양을 조절하기 위해 제공된다.
도 1에 도시된 시스템은 또한 ECU(전자 제어 유닛)(50)를 포함한다. ECU(50)는 중앙 처리 유닛(CPU), ROM 및 RAM 등에 의해 구성되는 메모리 회로, 및 입력 및 출력 포트 등을 포함한다. 전술한 공기 유량계(18) 및 흡기 온도 센서(20) 이외에, 엔진 속도를 검출하기 위한 크랭크 각 센서(52), 엔진 냉각수 온도를 검출하기 위한 수온 센서(54), 및 엔진 윤활유 온도를 검출하기 위한 오일 온도 센서(55) 등의 내연기관(10)의 동작 상태를 검출하기 위한 다양한 센서가 ECU(50)의 입력 포트에 전기적으로 연결된다. 또한, 전술한 스로틀 밸브(26), WGV(32) 및 EGR 밸브(40) 이외에, 내연기관(10)에 연료를 공급하기 위한 연료 분사 밸브(56) 및 실린더 내의 공기-연료 혼합물을 점화하기 위한 점화 장치(58) 등의 내연기관(10)의 동작을 제어하기 위한 다양한 액추에이터가 ECU(50)의 출력 포트에 전기적으로 연결된다. 또한, 내연기관(10)이 장착된 차량의 액셀러레이터 페달의 답입량(액셀러레이터 위치)을 검출하기 위한 액셀러레이터 위치 센서(60)가 또한 ECU(50)의 입력 포트에 연결된다. ECU(50)는 위에서 설명된 다양한 센서의 출력 및 미리결정된 프로그램에 따라 다양한 액추에이터를 작동시킴으로써 내연기관(10)의 동작을 제어한다.
도 2는 도 1에 도시된 EGR 밸브(40)의 특정 구성 예 및 배치 환경을 설명하는 다중 시점 도면이다. 예를 들어, 도 2의 (A) 내지 도 2의 (C)에 도시되는 포펫-타입(poppet-type) EGR 밸브(40a), 플랩-타입 EGR 밸브(40b), 또는 버터플라이-타입 EGR 밸브(40c)가 본 실시형태의 EGR 밸브(40)로서 사용될 수 있다. 이들 구성에 따르면, EGR 밸브(40)가 폐쇄된 상태에 있을 때, 흡기 통로(12) 측의 밸브 몸체 및 밸브 스템의 표면은 저온 흡기(새로운 공기)에 노출된다. 내연기관(10)에서, EGR 통로(36) 및 EGR 밸브(40) 주위의 흡기 통로의 벽면(12)은 엔진 냉각수에 의해 가열되도록 구성된다는 것을 유의하라.
<EGR 밸브 표면에서의 응축수의 발생에 수반하는 문제>
냉간 상태로부터의 시동의 개시 후의 초기 웜업 단계에서, EGR 가스가 도입되는 경우 응축수가 발생하기 쉽다. 따라서, EGR 밸브는 통상적으로 초기 웜업 단계 동안 폐쇄되어 있다. 그러나, EGR 밸브가 폐쇄된 상태에 있는 경우에도, EGR 밸브에 대해 EGR 가스 유동의 상류측의 EGR 통로에는 고습도 배기 가스가 존재한다. 결과적으로, 배기 가스에 포함된 수분이 차가운 상태의 EGR 밸브에 접촉하는 경우, 일부 경우에, 배기 가스에 노출되는 측에 있는 EGR 밸브의 표면에서 수분의 응축이 발생하여, 응축수를 발생시킨다. 이러한 사실은, 냉각수 온도는 초기 웜업 단계 동안에는 낮기 때문에, EGR 밸브 주위의 통로의 벽면이 도 2의 (A) 내지 (C)에 도시된 구성에서와 같이 냉각수에 의해 가열되는 구성을 채용하는 경우에도 마찬가지로 적용된다.
또한, 도 2의 (A)에 도시된 구성에서와 같이, EGR 밸브가 폐쇄되어 있는 동안 흡기 통로(12) 측의 EGR 밸브의 표면이 흡기에 직접적으로 노출되기 쉽도록 구성되어 있는 경우, EGR 밸브 주위의 통로의 벽면이 가열되더라도, EGR 밸브 자체를 따뜻해지게 해서 EGR 밸브도 따뜻한 상태로 유지하는 것이 어렵다. 그러므로, 웜업이 완료된 후에도, 폐쇄된 상태에 있는 EGR 밸브가 저온 흡기에 의해 배기 가스(더 구체적으로는, EGR 밸브에 대해 상류측의 EGR 통로 내에 존재하는 배기 가스)의 노점 온도 이하의 온도로 냉각되는 경우, EGR 밸브의 표면에 응축수가 발생할 것이다. 또한, 도 2의 (A) 내지 (C)에 도시된 구성과 달리, EGR 밸브가 폐쇄되어 있을 때, 흡기 통로 측의 EGR 밸브의 단부로부터 분리되어 있는 위치인 EGR 통로를 따른 도중의 위치에 EGR 밸브가 배치되는 경우에도, EGR 밸브에 대해 하류측의 EGR 통로는 흡기의 맥동에 의해 새로운 공기로 충전된다. 그러므로, EGR 밸브가 흡기 통로 측의 EGR 통로의 단부에 배치되는 경우에 비하여 EGR 밸브가 흡기에 노출되기가 덜 용이하다 하더라도, 이러한 배치가 채용되는 경우에도, 폐쇄된 상태에 있는 EGR 밸브는 저온 흡기에 의해 냉각된다.
상술한 바와 같이 EGR 밸브에서의 응축수의 발생에 대한 특별한 고려 없이 EGR 가스의 도입을 실행하기 위해서 EGR 밸브를 개방하는 경우, EGR 밸브에 부착된 응축수가 갑자기 흡기 통로 안으로 유동할 것이다. 더 구체적으로는, 밸브가 개방될 때 EGR 밸브에 부착된 물방울이 EGR 밸브로부터 분리될 것이며, 큰 직경을 갖는 물방울은 압축기 안으로 유동할 가능성이 있다. 흡기 통로 안으로 유동한 물방울이 압축기 안으로 흡인되는 경우, 물방울이 압축기의 임펠러와 충돌하고 따라서 임펠러에서 침식 현상이 발생할 우려가 있다.
임펠러에서의 침식 현상의 발생은 물방울과 임펠러 사이의 상대 속도가 크고 물방울의 관성(질량) 또한 크다는 사실에 의해 유발된다. 즉, 전술한 현상의 발생은 임펠러가 물방울으로부터 받는 충격이 크다는 사실로 인한 것이다. 따라서, 침식 현상의 발생은 압축기 안으로 유동하는 물방울의 크기를 감소시키거나 임펠러의 회전 속도를 낮춤으로써 방지될 수 있다고 할 수 있다.
<실시형태 1의 특징적인 임펠러 회전 속도 제어>
도 3은, 본 발명의 실시형태 1에서 사용되는 엔진 부하 인자와 관련한 스로틀 개방도 및 WGV 개방도의 설정을 나타내며, 또한 임펠러 회전 속도의 관점에서 전술한 설정 하에서 응축수의 발생이 문제가 되는 엔진 부하 영역을 나타내는 다중 시점 도면이다.
(임펠러 회전 속도 제어의 선행조건으로서 스로틀 밸브 및 WGV를 제어하는 방법)
우선, EGR 가스가 도입되지 않는 경우를 설명한다. 도 3의 (A) 및 도 3의 (B)에 도시된 바와 같이, 저 부하 측의 영역에서, 엔진 부하 인자(흡기량)는 WGV(32)가 완전히 개방된 상태에서 스로틀 개방도를 조정함으로써 제어된다. 즉, 이 영역에서, 스로틀 밸브(26)는 요구 엔진 부하 인자의 증가에 수반하여 개방된다. 이 영역에서, WGV 개방도는 일정하기 때문에, 임펠러 회전 속도는 엔진 부하 인자의 증가에 대해 약간만 증가한다.
스로틀 개방도가 완전 개방도가 되는 엔진 부하 인자에 대해 고부하측의 영역에서, WGV(32)는 스로틀 개방도가 일정하게 유지되는 상태에서 요구 엔진 부하 인자의 증가에 따라 폐쇄측으로 제어된다. WGV(32)가 이러한 방식으로 완전 개방도에 대해 폐쇄됨으로써, 터빈(22b)은 배기 에너지에 의해 회전되고 실제 과급이 시작된다. 결과적으로, 임펠러 회전 속도는 WGV 개방도의 증가에 수반하여 증가한다.
이어서, EGR 가스가 도입되는 경우를 설명한다. EGR 가스의 도입은 WGV(32)가 완전히 개방되는 자연 흡기 영역에서뿐만 아니라 WGV(32)가 완전 개방도에 대해 폐쇄되는 과급 영역의 일부에서도 실행된다. EGR 가스가 도입되는 경우에 스로틀 밸브(26) 및 WGV(32)를 제어하는 기본적인 방법은 EGR 가스가 도입되지 않는 경우와 동일하다. 그러나, EGR 가스의 도입이 실행될 때, EGR 가스가 도입되지 않을 때에 생성되는 토크와 동등한 토크를 내연기관(10)이 생성할 수 있게 하기 위해서, 스로틀 개방도는 동일한 엔진 부하 인자 하에서 EGR 가스가 도입되지 않는 경우의 스로틀 개방도보다 더 커진다. 따라서, 엔진 부하 인자가 EGR 가스가 도입되지 않을 때의 값에 비해 낮은 값일 때는, 스로틀 개방도는 완전 개방도가 된다. 따라서, WGV(32)는, EGR 가스가 도입되지 않는 경우의 값보다 낮은 엔진 부하 인자에서 WGV(32)가 폐쇄되기 시작하도록 구성된다. 각각 도 3의 (A) 및 도 3의 (B)에 도시된 스로틀 개방도와 WGV 개방도 각각에 대한 실선에 대한 파선의 발산 정도는 소정 EGR 율에서의 발산 정도이며, 그 발산 정도는 사용되는 EGR 율이 증가함에 따라 증가한다.
그러므로, 상술한 이유로, EGR 가스의 도입에 수반하여 도달할 수 있는 엔진 부하 영역 내에서는, EGR 가스 도입 동안의 임펠러 회전 속도는 EGR 가스가 도입되지 않을 때에 비해 전체적으로 높아진다. 구체적으로는, 저부하측의 비과급 영역(자연 흡입 영역)에서는, EGR 가스 도입 동안의 임펠러 회전 속도는, 동일한 엔진 부하 인자를 확보하기 위해 스로틀 개방도가 비교적 높아지기 때문에, EGR 가스가 도입되지 않을 때보다 높아진다. 또한, EGR 가스 도입 동안에는, 임펠러 회전 속도가 과급의 시작으로 인해 상당한 증가를 나타내기 시작하는 엔진 부하 인자의 값은 EGR 가스가 도입되지 않을 때에 비하여 저부하측으로 변화된다.
(임펠러 회전 속도 제어의 대상인 엔진 부하 영역)
본 실시형태의 제어에 있어서, 물방울 허용 한계 회전 속도(이하, 간단히 "한계 회전 속도"라고도 칭함)(Ntmax)는 임펠러 회전 속도와 관련하여 설정된다. 물방울 허용 한계 회전 속도(Ntmax)는, 폐쇄된 EGR 밸브(40)에 부착된 응축수가 EGR 밸브(40)가 개방될 때 압축기(22a) 안으로 유동하는 경우에도 침식 현상의 발생이 우려되지 않는 임펠러 회전 속도로서 미리결정된 여유를 포함하도록 미리 설정되는 값이다. 즉, 물방울 허용 한계 회전 속도(Ntmax)는, 폐쇄된 EGR 밸브(40)에 부착된 응축수의 액적이 EGR 밸브(40)가 개방될 때 압축기(22a) 안으로 유동하는 것이 가정되는 경우에 허용되는 압축기 회전 속도이다. 더 구체적으로는, 압축기(22a) 안으로 유동하는 물방울의 직경은 내연기관(10)의 하드웨어 조건(예를 들어, EGR 통로(36)와의 결합 부분으로부터 압축기 입구까지의 흡기 통로(12)의 길이)에 의존한다. 이후에 설명되는 도 7의 (A)에 도시된 관계는, 물방울의 직경과 임펠러 회전 속도 사이에 존재하며, 상정된 물방울의 직경 하의 한계 회전 속도(Ntmax)는 도 7의 (A)를 고려하여 결정된다. 과급기(22)에서, 압축기(22a)의 임펠러의 회전 속도(즉, 압축기 회전 속도)는 터빈 회전 속도(Nt)와 동일하다는 것을 유의하라. 따라서, 전술한 2개의 회전 속도는 이하의 설명에서 서로 특별히 구별되지 않으며 "임펠러 회전 속도(Nt)" 또는 "터빈 회전 속도(Nt)"라 칭한다.
도 3의 (C)에 도시되는 영역 A는, EGR 가스가 도입되는 상태에서 임펠러 회전 속도(Nt)가 한계 회전 속도(Ntmax)에 도달하는 때의 엔진 부하 인자가 상한으로서 취급되는 엔진 부하 영역이다. 즉, 영역 A는, 임펠러 회전 속도(Nt)가 EGR 가스의 도입 동안 증가되는 경우에도 임펠러 회전 속도(Nt)가 한계 회전 속도(Ntmax)를 초과하지 않는 영역이다. 따라서, 영역 A에서, 상술한 응축수의 압축기(22a) 안으로의 유입과 관련하여 특별한 대응책을 실행할 필요가 없다고 할 수 있다.
영역 B는 영역 A로부터 연속되는 엔진 부하 영역이며, 영역 A에 대해 고부하측에 있다. 영역 B의 상한은, EGR 가스가 도입되지 않는 상태에서 임펠러 회전 속도(Nt)가 한계 회전 속도(Ntmax)에 도달하는 엔진 부하 인자이다. 따라서, 영역 B에서는, EGR 가스가 도입되지 않는 경우에는 임펠러 회전 속도(Nt)가 한계 회전 속도(Ntmax)를 초과하지 않아도, 임펠러 회전 속도(Nt)가 EGR 가스의 도입에 수반하여 증가할 때는 임펠러 회전 속도는 한계 회전 속도를 초과할 것이다.
그러므로, 본 실시형태에 따르면, EGR 밸브(40)의 온도가 미리결정된 값(X1) 이하이고 EGR 가스의 도입을 개시할 때 요구되는 임펠러 회전 속도(Nt)가 한계 회전 속도(Ntmax)보다 높은 상황 하에서 EGR 가스의 도입이 개시되는 경우에, EGR 가스의 도입이 개시된 후의 임펠러 회전 속도(Nt)가 한계 회전 속도(Ntmax)를 초과하지 않도록 규제되게 하는 구성이 채용된다. 구체적으로는, 이 경우, EGR 가스의 도입이 개시된 후 보호 시간(T3) 동안 한계 회전 속도(Ntmax)를 초과하지 않도록 임펠러 회전 속도(Nt)를 규제하는 구성이 채용된다. 또한, 스로틀 밸브(26) 및 WGV(32)가 도 3의 (A) 및 도 3의 (B)에 도시된 제어 방법에 따라 제어된다는 선행조건에 기초하여, 이러한 종류의 임펠러 회전 속도 제어는, "엔진 부하 영역이 영역 B에 있고 EGR 밸브(40)에서 응축수가 발생되는 상황 하에서 EGR 가스의 도입을 개시하기 위해 EGR 밸브(40)가 개방되는 경우에 EGR 가스의 도입이 개시된 후 보호 시간(T3) 동안 임펠러 회전 속도(Nt)를 한계 회전 속도(Ntmax) 미만인 속도로 낮추는 것"에 대응한다. 본 임펠러 회전 속도 제어는 본 실시형태의 특징적인 제어이며, 그 상세를 이하에서 설명한다. 영역 A와 영역 B 사이의 경계인 엔진 부하 인자는 EGR 율이 변화됨에 따라 변화한다는 것을 유의하라. 따라서, EGR 율이 변화하면, 본 임펠러 회전 속도 제어의 대상인 영역 B역시 변화한다.
영역 C는 영역 B로부터 연속되는 엔진 부하 영역이며, 영역 B에 대해 고부하측에 있다는 것을 유의하라. 영역 C에서는, EGR 가스가 도입되지 않는 상태에서 임펠러 회전 속도(Nt)가 한계 회전 속도(Ntmax)를 초과한다. 따라서, 엔진 부하 영역이 영역 C에 있는 상황 하에서, EGR 가스의 도입이 개시된 때에 EGR 밸브(40)에서 응축수가 발생하는 경우에도, 임펠러 회전 속도(Nt)는 한계 회전 속도(Ntmax) 이하인 속도로 낮아질 수 없다. 결과적으로, 이 경우, EGR 가스의 도입(EGR 밸브(40)의 개방)은, EGR 밸브(40)의 온도가 EGR 밸브(40)에 부착된 응축수가 제거되는(증발되는) 온도로 상승할 때까지 또는 엔진 부하 영역이 영역 C에 대해 저부하측에 있는 영역 B 또는 영역 A로 전이될 때까지 금지된다.
(임펠러 회전 속도 제어의 개요)
도 4는 도 3에 도시된 영역 B를 대상으로 하여 실행되는 임펠러 회전 속도 제어의 개요를 설명하기 위한 타임 차트를 나타내는 다중 시점 도면이다. 일례로서, 도 4는 EGR 가스의 도입이 액셀러레이터 위치가 일정한 상태(즉, 운전자가 내연기관(10)에 대해 요구하는 토크가 일정한 상태)에서 웜업 운전 동안 시작되는 상황을 나타낸다.
도 4의 (B)에 도시된 바와 같이, 엔진 웜업 동안, 엔진 냉각수 온도는 서서히 증가하는 한편, 흡기 온도(외부 공기 온도)는 낮게 유지된다. 엔진 냉각수 온도가 EGR 가스의 도입이 허가되는 EGR 허가 수온까지 증가할 때, EGR 허가 플래그가 도 4의 (C)에 도시된 바와 같이 "ON"이 된다. 결과적으로, EGR 가스의 도입이 개시된다.
도 4의 (D) 내지 (F)에서 파선에 의해 도시되는 파형은 통상적인 시간(더 구체적으로는, 폐쇄 상태에 있는 EGR 밸브(40)의 표면에서 응축수가 발생하지 않는 높은 흡기 온도의 시간)에서의 동작을 나타낸다. EGR 밸브(40)가 어떠한 특별한 고려없이 개방되는 경우, EGR 가스가 흡기 통로(12) 안으로 도입될 때 흡기량은 감소할 것이고, 그에 수반하여 엔진 토크는 감소할 것이다. 영역 B는 엔진 부하 인자(흡기량)가 상술한 바와 같이 WGV 개방도를 조절함으로써 제어되는 영역이다. 결과적으로, 상술한 바와 같이 흡기량의 감소를 회피하기 위해서, WGV 개방도는 도 4의 (D)에서 파선으로 나타낸 바와 같이 EGR 밸브(40)의 개방에 수반하여 도 4의 (E)에서 파선으로 나타낸 바와 같이 폐쇄측을 향하는 개방도로 제어된다. 이와 같이 WGV 개방도를 제어함으로써 임펠러 회전 속도(Nt)가 도 4의 (F)에서 파선으로 나타낸 바와 같이 증가될 때, EGR 가스의 도입에 수반하여 흡기량이 감소하지 않도록 과급압이 증가될 수 있다. 흡기 통로(12) 안으로 도입되는 EGR 가스의 양이 엔진 냉각수 온도에 따라 변화되는 구성이 채용된다는 것을 유의하라. 결과적으로, 운전이 웜업 기간 동안에 실행되는 것을 상정한 도 4에 도시된 제어 예에서, EGR 가스의 도입이 개시된 후, 시간의 경과에 수반하여 엔진 냉각수 온도가 상승함에 따라, EGR 밸브 개방도는 EGR 가스량을 증가시키기 위해서 증가된다. WGV 개방도는 이러한 EGR 밸브 개방도의 변화에 수반하여 폐쇄측을 향해 제어된다.
반대로, 흡기 온도(외부 공기 온도)가 낮기 때문에 EGR 밸브(40)에서 응축수가 발생하는 경우에(더 구체적으로는, EGR 밸브(40)의 온도가 EGR 가스의 노점 이하인 경우에), WGV 개방도는 현재의 배기 가스 유량 하에서의 한계 회전 속도(Ntmax)에 대응하는 WGV 개방도인 WGVmin이 되도록 설정된다(도 4의 (E)의 실선 참조). 즉, 통상적인 운전 시의 WGV 개방도보다 더 개방측에 있는 개방도(WGVmin)가 사용된다. 이에 의해, 도 4의 (F)에서 실선으로 나타낸 바와 같이 임펠러 회전 속도(Nt)는 한계 회전 속도(Ntmax)로 규제되기 때문에, EGR 밸브(40)의 개방에 수반하여 물방울이 압축기(22a) 안으로 유동할 때의 물방울과 임펠러 사이의 충돌 속도는 낮아질 수 있다(즉, 임펠러가 물방울로부터 받는 충격이 감소될 수 있다). 결과적으로, 침식 현상의 발생이 방지될 수 있다.
(EGR 가스의 도입 전과 후의 토크 조절)
응축수에 대한 대책으로서 상술한 바와 같이 WGV 개방도가 개방측에 있는 개방도(WGVmin)로 설정될 때에 EGR 밸브(40)의 상승량(개방도)이 통상적인 운전 시의 값으로 유지되는 경우, 통상적인 운전 시와 달리, 흡기량(엔진 토크)은 EGR 가스의 도입 전과 후에 대해 일정한 양으로 유지될 수 없다. 더 구체적으로는, 임펠러 회전 속도(Nt)가 낮아지는 경우 과급압은 저하될 것이다. 과급압이 저하되는 경우, 흡기량 및 EGR 가스량 또한 저하될 것이다(즉, 실린더 안으로 흡인되는 전체적인 가스량이 저하될 것이다). 이러한 상황 하에서 흡기량을 일정하게 유지시키기 위해서 EGR 가스량을 감소시킬 필요가 있다. 따라서, 도 4의 (D)에서 실선으로 나타낸 바와 같이, EGR 밸브 개방도는 통상시에 비해 작은 값으로 설정된다. 이러한 경우의 EGR 밸브 개방도(EGR1)는, EGR 밸브(40)의 개방 전과 후의 흡기량의 변화 없이 WGV 개방도가 개방도(WGVmin)로 제어된 상황 하에서 얻어지는 과급압 하에 도입될 수 있는 EGR 가스량(이하에서 설명되는 Gegr1)에 대응하는 개방도이다.
(임펠러 회전 속도 제어를 실행하기 위한 보호 시간(T3))
도 4에 도시된 바와 같이, 상술한 임펠러 회전 속도 제어를 위한 WGV 개방도 및 EGR 밸브 개방도의 제어는 EGR 가스의 도입이 개시된 후에 미리결정된 보호 시간(T3) 동안 실행된다. 보호 시간(T3)은 EGR 밸브(40)에 부착된 물방울이 EGR 밸브(40)의 개방 후에 압축기(22a) 안으로 유동할 가능성이 있는 기간이다. 예를 들어, 상술한 방법에 따라 보호 시간(T3)을 설정하는 것이 바람직하다.
본 방법에 따르면, 임펠러를 보호하기 위한 보호 시간(T3)은 밸브 분리 시간(T1)과 흡기관 이동 시간(T2)의 합으로서 나타낸다. 밸브 분리 시간(T1)은 EGR 밸브(40)가 개방되기 시작하는 시점으로부터 폐쇄된 EGR 밸브(40)의 표면에 부착된 물방울이 EGR 가스의 유동에 의해 흡인된 결과로서 EGR 밸브(40)로부터 분리되기 시작하는 시점까지의 시간이다. 흡기관 이동 시간(T2)은 물방울이 EGR 밸브(40)로부터 분리되기 시작하는 시점으로부터 물방울이 압축기(22a)의 입구에의 도달을 완료한 시점까지의 시간이다.
흡기관 이동 시간(T2)과 관련하여, 이하의 3개의 형태 (a) 내지 (c)가 EGR 밸브(40)로부터 분리된 후 흡기 통로(12) 안으로 유동하는 물방울의 이동 형태로서 상정된다. 형태 (a)는 물방울이 흡기 통로(12)의 벽면에 부착되고, 벽면을 따라 유동하며, 압축기(22a)의 입구에 도달하는 형태이다. 형태 (b)는 물방울이 흡기 통로(12)의 벽면에 부착되고 벽면을 따라 유동하지만 물방울이 압축기(22a)의 입구에 도달하기 전에 증발되는 형태이다. 형태 (c)는 물방울이 흡기 통로(12)의 내부 공간을 통해 비행하여 흡기 통로(12)의 벽면에 부착하지 않고 압축기(22a)에 도달하는 형태이다. 실제로는, 흡기 통로(12) 안으로 유동하는 물방울의 일부는 형태 (c)의 방식으로 이동하고, 나머지 물방울은 형태 (a) 및 형태 (b) 중 어느 하나 또는 양자 모두의 방식으로 이동하는 것으로 고려된다.
흡기 통로의 벽면에 부착된 물방울이 압축기의 입구에 도달하거나 흡기 통로를 따르는 도중에 증발하는지 여부는 기본적으로 내연기관의 하드웨어 조건(구체적으로는, EGR 가스 도입부로부터 압축기까지의 흡기 통로의 길이)에 의존한다고 할 수 있다. 또한, 내연기관(10)의 경우에서와 같이, 압축기의 상류측의 흡기 통로가 엔진 냉각수에 의해 가열되는 구성이 채용되는 경우, 물방울이 벽면을 따라 유동하여 압축기의 입구에 도달하거나 흡기 통로를 따르는 도중에 증발하는지 여부는 엔진 냉각수 온도에 따라 변하는 것으로 생각할 수도 있다. 한편, 형태 (c)에서 물방울이 비행을 완료하는데 필요한 시간(여기서, "비행 시간(T22)"이라고도 함)은 형태 (a)에서 물방울이 벽면을 통해 압축기의 입구에의 도달을 완료하는데 필요한 시간(여기서, "활주 시간(T21)"이라고도 함)에 비해 실질적으로 짧다고 할 수 있다.
상술한 것에 기초하면, (1) 내연기관이, 상술한 하드웨어 조건에 기초한 결정에 기초하여, 흡기 통로의 벽면에 부착된 물방울이 압축기 입구에 도달하지 않는다고 할 수 있는 엔진인 경우, 비행 시간(T22)이 흡기관 이동 시간(T2)으로서 간주될 수 있다고 할 수 있다. 한편, (2) 내연기관이, 상술한 하드웨어 조건에 기초한 결정에 기초하여, 흡기 통로의 벽면에 부착된 물방울이 때때로 압축기 입구에 도달하지 않는다고 할 수 있는 엔진인 경우, 활주 시간(T21)이 흡기관 이동 시간(T2)으로서 간주될 수 있다고 할 수 있다. 그러나, (2)의 경우에도, 물방울이 벽면을 따라 유동하여 압축기 입구에 도달하거나 벽면을 따르는 도중에 증발되는지 여부가 엔진 냉각수 온도에 따라 변하는 내연기관의 경우에, 흡기관 이동 시간(T2)으로서 사용되는 시간은 엔진 냉각수 온도에 따라 변할 수 있다. 구체적으로는, 엔진 냉각수 온도가 높기 때문에 물방울이 증발한다고 할 수 있는 수온 조건 하에서는 비행 시간(T22)이 흡기관 이동 시간(T2)으로서 간주될 수 있고, 엔진 냉각수 온도가 낮기 때문에 물방울이 압축기 입구에 도달한다고 할 수 있는 수온 조건 하에서는 활주 시간(T21)이 흡기관 이동 시간(T2)으로서 간주될 수 있다.
(실시형태 1의 구체적 처리)
도 5는 본 발명의 실시형태 1에서 ECU(50)에 의해 실행되는 루틴을 나타내는 흐름도이다. 본 루틴은 각각의 미리결정된 제어 기간 동안 반복적으로 실행된다는 것을 유의하라.
도 5에 도시된 루틴에서, 제1 ECU(50)는 미리결정된 EGR 도입 조건(Cegr)이 성립되었는지 여부를 결정한다(단계 100). 더 구체적으로는, EGR 도입 조건은, 엔진 냉각수 온도가 미리결정된 범위 내에 있고 미리결정된 EGR 금지 조건이 성립되지 않을 때 성립된다. EGR 가스의 도입은 EGR 도입 조건의 성립에 수반하여 개시된다.
단계 100에서 EGR 도입 조건이 성립되지 않았다고 결정되는 경우, ECU(50)는 통상적인 WGV 제어를 실행한다(단계 102). 통상적인 WGV 제어에 따르면, WGV 개방도는 현재 엔진 부하 인자 및 엔진 속도에 따라 요구 WGV 개방도가 되도록 제어된다. 다음으로, ECU(50)는 단계 103으로 진행하고 요구 EGR 밸브 개방도(EGRreq)를 0으로 설정한다. 즉, 이 경우, EGR 가스의 도입은 실행되지 않는다(금지된다).
반대로, 단계 100에서 EGR 도입 조건이 성립되었다고 결정되는 경우, ECU(50)는 후속하여 EGR 밸브(40)의 온도(TMPegr)가 미리결정된 값(X1) 이하인지 여부를 결정한다(단계 104). 여기서, "미리결정된 값(X1)"이라는 용어는 EGR 밸브(40)에서 수분의 응축이 시작되어 발생하게 되는 온도(즉, 폐쇄 상태에 있는 EGR 밸브(40) 부근에 존재하는 배기 가스의 노점 온도)를 말한다. 본 단계 104에서의 처리를 실행함으로써, 현재 상황이 EGR 밸브(40)에서 응축수가 발생한 상황인지 여부를 결정한다. 본 단계 104에서 결정된 결과가 긍정 또는 부정인지 여부는 본 실시형태의 임펠러 회전 속도 제어를 실행할 필요가 있는지 여부에 직접적으로 관련된다. 본 임펠러 회전 속도 제어의 실행은, EGR 밸브 온도가 배기 가스의 노점 온도 이하이기 때문에 EGR 밸브(40)의 표면에서 응축수가 실제로 발생될 것이라고 결정되는 경우로 한정되지 않는다. 즉, 본 제어는, EGR 밸브 온도가 노점 온도보다 높지만, EGR 밸브 온도가 노점 온도에 근접한 온도이기 때문에 EGR 밸브(40)에서 응축수가 발생할 가능성이 있는 상황 하에서 제어가 실행되도록 안전 여유를 포함하는 방식으로도 실행될 수 있다. 따라서, 배기 가스의 상술한 노점 온도에 대해 미리결정된 여유만큼 높은 온도도 상술한 미리결정된 값(X1)으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 미리 결정된 일정한 값이 미리결정된 값(X1)으로서 사용되는 배기 가스의 노점 온도로서 사용될 수 있다. 그러나, EGR 밸브(40) 부근에 존재하는 배기 가스의 온도를 추정 또는 검지하는 것이 가능한 경우, 노점 온도는 배기 가스의 온도에 기초하는 가변적인 값으로서 계산될 수 있다. 또한, 이 경우에 계산된 노점 온도는 EGR 밸브(40) 부근의 EGR 통로(36)에 정체되어 있는 배기 가스(즉, 고정된 수분 비율을 포함하는 가스)의 노점 온도이기 때문에, 상술한 바와 같이 일정한 값 등이 사용될 수 있다. 그러나, 노점 온도는 가스의 습도에 따라 변화되는 값이다. 따라서, 정체된 배기 가스의 습도가 검지되거나 추정되고, 노점 온도가 습도를 고려하는 방식으로 계산되는 구성도 채용될 수 있다.
단계 104에서 EGR 밸브(40)의 온도를 취득하는 수단은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 EGR 밸브 온도는 흡기 온도, 엔진 냉각수 온도 및 시간의 함수에 의해 계산되는 값으로서 추정될 수 있다. 구체적으로는, 흡기 온도 및 엔진 냉각수 온도와의 관계에 의해 EGR 밸브(40)의 온도의 기본값(Teo)을 규정하는 맵(도면에는 도시되지 않음)이 ECU(50)에 저장된다. 여기서, "기본값(Teo)"이라는 용어는, 흡기 온도와 엔진 냉각수 온도가 각각 임의의 온도일 때의 EGR 밸브(40)의 정상 상태 온도를 말한다. 본 방법에 따르면, 흡기 온도 센서(20)에 의해 검지되는 흡기 온도에 대응하는 값(Teo)과 수온 센서(54)에 의해 검지되는 엔진 냉각수 온도가 맵을 참조하여 취득된다. 값(Teo)에 기초하여, 흡기 온도와 엔진 냉각수 온도의 변화의 영향을 받을 때 일시적인 지연을 수반하는 방식으로 변화하는 EGR 밸브(40)의 현재 온도(Tn)가 식 (1)에 따라 계산된다. 식 (1)에서, Tn -1은 EGR 밸브(40)의 온도의 이전 값을 나타내고, k는 미리 설정된 평활 계수(0<k<1)를 나타낸다는 것의 유의하라. 또한, 수온 센서(54)는 EGR 밸브(40)의 하우징의 엔진 냉각수 온도와 상관관계를 갖는 위치에서 엔진 냉각수 온도를 측정하는 것으로 상정한다.
Tn = Tn -1+(Teo - Tn -1)×k ... (1)
또한, 단계 104에서 사용되는 EGR 밸브 온도는 가능한 경우 센서에 의해 검지되는 온도일 수 있다. 대안적으로, 예를 들어, 실시형태 3에서 후술하는 바와 같이, 흡기 온도가 미리결정된 값(X1) 이하일 때, 상황은 EGR 밸브 온도가 미리결정된 값(X1) 이하인 상황인 것으로 결정될 수 있다. EGR 밸브(40)가 배치되는 장소에 근접한 위치(즉, 압축기 입구 부근의 위치)에서의 온도는 이 경우에서 참고되는 흡기 온도인 것이 바람직하다. 그러나, 온도가 압축기 입구에서의 흡기 온도와 상관관계를 갖는 한, 흡기 온도 센서(20)에 의해 검지되는 흡기 통로(12)의 입구에서의 흡기 온도(외부 공기 온도와 거의 동일)는 압축기 입구에서의 흡기 온도로 대체될 수 있거나, 외부 공기 온도 자체가 사용될 수 있거나, 또는 압축기의 하류측의 온도가 사용될 수 있다.
단계 104에서 EGR 밸브의 온도가 미리결정된 값(X1)보다 높은 것으로 결정되는 경우, ECU(50)는 단계 118로 진행된다. 반대로, EGR 밸브의 온도가 미리결정된 값(X1) 이하인 경우, ECU(50)는 EGR 밸브 온도가 미리결정된 값(X1) 아래로 떨어진 후에 현재 처리 사이클이 첫번째 사이클인지 여부를 결정한다(단계 106). 본 결정의 결과가 긍정인 경우, ECU(50)는 단계 108 내지 114의 일련의 처리를 실행한다. 한편, 본 결정의 결과가 부정인 경우, ECU(50)는 단계 116으로 진행한다.
단계 108에서, ECU(50)는 밸브 분리 시간(T1)을 계산한다. EGR 밸브(40)를 통과하는 EGR 가스의 유량은 밸브 분리 시간(T1)과 관련하여 지배 인자이다. 따라서, 이 경우, ECU(50)는 EGR 밸브 개방도의 함수이도록 밸브 분리 시간(T1)을 미리규정하는 맵(도면에는 도시되지 않음)에 따라 밸브 분리 시간(T1)을 계산한다. 이 맵에서, 밸브 분리 시간(T1)은 EGR 밸브 개방도가 감소함에 따라(즉, EGR 가스의 유량이 증가함에 따라) 짧아지도록 설정된다.
단계 110에서, ECU(50)는 흡기관 이동 시간(T2) 시간으로서 활주 시간(T21) 또는 비행 시간(T22)을 계산한다. 예를 들어, 상술한 방법은 본 단계 110에서 활주 시간(T21) 및 비행 시간(T22) 중 어느 것이 계산될지를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 활주 시간(T21)과 관련하여, 흡기량(질량 유량)의 기여는 크다. 결과적으로, 이 경우, ECU(50)는 흡기량의 함수이도록 활주 시간(T21)을 미리규정하는 맵(도면에는 도시되지 않음)에 따라 활주 시간(T21)을 계산한다. 이 맵에서, 활주 시간(T21)은 흡기량이 증가함에 따라 짧아지도록 설정된다. 또한, 비행 시간(T22)과 관련하여, 흡기의 유량의 기여는 크다. 또한, 흡기의 유량은 흡기량과 비례 관계에 있다. 결과적으로, 이 경우, ECU(50)는 흡기량의 함수이도록 비행 시간(T22)을 미리규정하는 맵(도면에는 도시되지 않음)에 따라 비행 시간(T22)을 계산한다. 이 맵에서, 비행 시간(T22)은 흡기량이 증가함에 따라 짧아지도록 설정된다.
단계 112에서, ECU(50)는 밸브 분리 시간(T1)과 활주 시간(T21)의 합 또는 밸브 분리 시간(T1)과 비행 시간(T22)의 합으로서 보호 시간(T3)을 계산한다. 이어서, ECU(50)는 현재 배기 가스 유량 하의 한계 회전 속도(Ntmax)에 대응하는 WGV 개방도의 하한값(WGVmin)을 계산한다(단계 114).
도 6은 동일한 배기 가스 유량 하에서의 터빈 회전 속도(Nt)와 WGV 개방도 사이의 관계를 나타내는 도면이다. 배기 가스 유량이 일정한 경우, 도 6에 도시된 바와 같이, 터빈 회전 속도(Nt)는 WGV 개방도가 감소함에 따라 증가한다. 이 경우, 개방 상태(엔진 속도 및 엔진 부하 인자)에 의존하지 않는 일정한 값으로서 미리 설정되는 값이 한계 회전 속도(Ntmax)로서 사용된다. 한계 회전 속도(Ntmax)는 상술한 충격의 크기를 고려하여 설정되기 때문에, 한계 회전 속도(Ntmax)는 EGR 밸브(40)에서 발생하는 응축수의 양에 따라 변할 수 있다는 것을 유의하라. 구체적으로는, 발생되는 응축수의 양은 추정 등에 의해 취득되는 EGR 밸브(40)의 온도가 저하됨에 따라 증가하기 때문에, 그에 수반하여 한계 회전 속도(Ntmax)는 낮아질 수 있다.
ECU(50)는 각각의 미리결정된 배기 가스 유량에 대해 도 6에 도시된 바와 같은 터빈 회전 속도(Nt)와 WGV 개방도 사이의 관계를 나타내는 정보(맵 등)를 가지며, 본 단계 114에서 한계 회전 속도(Ntmax)에 대응하는 하한값(WGVmin)은 현재의 배기 가스 유량에서 상술한 관계를 이용하여 계산된다. 배기 가스 유량은 정상 상태 하에서의 총 실린더 내 흡기 가스량(Gcyl)과 연료 분사량의 합과 동등하며, 공기 유량계(18)에 의해 측정되는 흡기량(Ga), EGR 가스량(Gegr), 및 연료 분사량의 합으로서 계산될 수 있다는 것을 유의하라. EGR 가스량(Gegr)은 흡기와 배기 가스 사이의 차압 및 EGR 밸브 개방도에 기초하여 계산될 수 있다.
이어서, ECU(50)는 요구 WGV 개방도(WGVreq)가 하한값(WGVmin) 미만인지 여부를 결정한다(단계 116). 엔진 부하 인자가 WGV 개방도에 의해 제어되는 영역 B 이상인 엔진 부하 영역에서 동작 중에 EGR 가스가 도입되는 상황 하에서, 액셀러레이터 위치에 따른 요구 엔진 부하 인자가 얻어지는 것을 보장하기 위해서, ECU(50)는 엔진 부하 파라미터, 엔진 속도 및 기본 요구 EGR 밸브 개방도에 기초하는 값으로서 요구 WGV 개방도를 순차적으로 계산하기 위해 본 루틴과 상이한 처리를 사용한다. 엔진 부하 인자(실린더 내 공기 충전율) 또는 흡기량(Ga) 등이 이 경우의 엔진 부하 파라미터에 대응한다. 또한, WGV 개방도는 계산된 요구 WGV 개방도가 되도록 제어된다. 기본 요구 EGR 밸브 개방도 또한 본 루틴과 상이한 처리에 의해 순차적으로 계산된다. 구체적으로는, 기본 요구 EGR 밸브 개방도는 엔진 부하 파라미터, 엔진 속도 및 엔진 냉각수 온도에 기초하는 값으로서 계산된다.
단계 116에서 요구 WGV 개방도가 하한값(WGVmin) 이상이라고 결정되는 경우, ECU(50)는 단계 118로 진행되고 통상적인 지시에 따른 값을 사용하여 요구 WGV 개방도(WGVreq)를 설정한다(즉, 요구 WGV 개방도의 조절이 실행되지 않는다). 이어서, ECU(50)는 단계 120으로 진행하고 통상적인 지시에 따른 값(즉, 기본 요구 EGR 밸브 개방도)을 사용하여 요구 EGR 밸브 개방도(EGRreq)를 설정한다. 즉, 요구 EGR 밸브 개방도의 조절 또한 실행되지 않는다.
반대로, 단계 116에서 요구 WGV 개방도가 하한값(WGVmin) 미만이라고 결정되는 경우(요구 WGV 개방도가 하한값에 대해 폐쇄측에 있음), ECU(50)는 현재의 EGR 가스 도입 직전의 WGV 개방도(요구 WGV 개방도 또는 실제 WGV 개방도)(WGVnoegr)가 하한값(WGVmin) 미만인지 여부를 결정한다(단계 122). 본 결정의 결과가 긍정인 경우, 즉 현재의 EGR 가스 도입 직전의(즉, EGR 가스가 도입되고 있지 않은 상태에서의) 임펠러 회전 속도(Nt)가 이미 한계 회전 속도(Ntmax)보다 높은 경우, ECU(50)는 단계 102로 진행한다. 이 처리에 따르면, 엔진 부하 영역이 상술한 영역 C에 있기 때문에, 임펠러 회전 속도 제어가 실행될 수 없는 경우, EGR 가스의 도입이 금지된다(단계 103).
반대로, 단계 122에서 결정된 결과가 부정인 경우, ECU(50)는 EGR 도입이 개시되는 시점(Tcnt)으로부터의 연속적인 시간이 상술한 보호 시간(T3)보다 짧은지 여부를 결정한다(단계 124). 결과로서 보호 시간(T3)이 경과되지 않았다고 결정되는 경우, ECU(50)는 기본 요구 WGV 개방도(WGVreq)를 하한값(WGVmin)으로 변경하고(단계 126) 또한 요구 EGR 밸브 개방도를 하한값(WGVmin)에 따른 EGR 밸브 개방도(EGR1)(도 4의 (D) 참조)로 변경한다(단계 128). 또한, 보호 시간(T3)이 경과한 경우, 단계 118 및 120의 처리가 실행된다.
EGR 밸브(40)의 온도가 미리결정된 값(X1) 이하인 상황 하에서 EGR 도입 조건이 성립되고 EGR 가스의 도입이 개시되는 경우는 폐쇄 상태에 있는 EGR 밸브(40)에 부착된 응축수가 EGR 밸브(40)의 개방에 수반하여 압축기(22a) 안으로 유동할 가능성이 있는 경우에 대응한다. 상술한 도 5에 도시된 루틴에 따르면, 이러한 경우에, EGR 가스 도입이 개시될 때의 요구 WGV 개방도가 하한값(WGVmin)보다 낮은 경우(하한값에 대해 폐쇄측에 있음), 요구 WGV 개방도는 하한값(WGVmin)으로 규제된다. 또한, 이러한 요구 WGV 개방도의 규제는 EGR 가스의 도입이 시작되는 시점으로부터 보호 시간(T3) 동안 계속된다. 보호 시간(T3)은 EGR 밸브(40)로부터의 응축수의 물방울이 압축기(22a) 안으로 유동할 가능성이 있는 시간이다. 이러한 임펠러 회전 속도 제어에 따르면, 물방울이 압축기(22a) 안으로 유동할 가능성이 있는 상황 하에서 임펠러 회전 속도(Nt)가 물방울 허용 한계 회전 속도(Ntmax)보다 높아지는 상태가 회피될 수 있다. 이에 의해, 하드웨어 구성의 특별한 부가 또는 변경 없이 임펠러가 물방울과 충돌하는 속도를 낮춤으로써(충격을 감소시킴으로써) 임펠러에서의 침식 현상의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 본 제어는 폐쇄된 EGR 밸브(40)에 부착된 물방울이 EGR 밸브(40)가 개방될 때 EGR 가스와 함께 흡기 통로(12) 안으로 유입되는 것 자체가 허용되는 대책이라고 할 수 있다. 따라서, 침식 현상의 발생을 억제하기 위해서 EGR 가스의 도입이 단순히 규제되는 구성과 비교하여, 본 대책은 EGR 가스를 도입하는 경우를 가능한 많이 유지하면서(예를 들어, 엔진 웜업 동안의 초기 단계에서 EGR 가스를 도입하면서) 침식 현상의 발생을 억제할 수 있다고 말할 수 있다.
또한, 상술한 루틴에 따르면, 보호 시간(T3)은 밸브 분리 시간(T1)과 흡기관 이동 시간(T2)(활주 시간(T21) 또는 비행 시간(T22))에 기초하여 결정된다. 이에 의해, 임펠러 회전 속도(Nt)가 규제되는 보호 시간(T3)은 EGR 밸브(40)로부터 분리되어 흡기 통로(12) 안으로 유동하는 물방울의 거동 및 또한 물방울이 흡기 통로(12) 안으로 유동한 후 물방울의 이동 형태에 주로 영향을 주는 파라미터(상기 예에서는, EGR 밸브 개방도 및 흡기량)을 고려하는 방식으로 요구 최소 시간으로 설정될 수 있다. 이에 의해, 임펠러 회전 속도(Nt)의 규제에 수반하는 토크 변화를 억제하기 위한 EGR 가스량의 규제 또한 요구 최소한으로 억제할 수 있으며 따라서 NOx 배출물에 대한 본 제어의 악영향을 최소로 억제할 수 있다.
상술한 실시형태 1에서, 요구 WGV 개방도를 계산할 때의 배기 가스 유량 하의 WGV 개방도가 단계 116의 처리에서 계산되는 요구 WGV 개방도가 되도록 제어되는 상태에서 획득되는 압축기 회전 속도는 본 발명의 제1 양태에서의 "기본 요구 압축기 회전 속도"에 대응하며, 물방울 허용 한계 회전 속도(Ntmax)는 본 발명의 제1 양태의 "미리결정된 회전 속도"에 대응한다는 것을 유의하라. 또한, 본 발명의 제1 양태의 "압축기 제어 수단"은 하한값(WGVmin)이 되도록 WGV(32)를 제어하는 ECU(50)에 의해 실현된다.
또한, 엔진 부하 파라미터, 엔진 속도 및 엔진 냉각수 온도에 기초하는 값으로서 ECU(50)에 의해 계산되는 기본 요구 EGR 밸브 개방도는 본 발명의 제5 양태의 "기본 요구 EGR 밸브 개방도"에 대응하며, EGR 밸브 개방도(EGR1)는 본 발명의 제5 양태의 "제1 요구 EGR 밸브 개방도"에 대응한다. 또한, 본 발명의 제5 양태의 "EGR 밸브 제어 수단"은 EGR 밸브 개방도(EGR1)가 되도록 EGR 밸브 개방도를 제어하는 ECU(50)에 의해 실현된다.
실시형태 2
이어서, 본 발명의 실시형태 2를 도 7 내지 도 9를 참고하여 설명한다.
본 실시형태의 시스템은 도 1에 도시된 하드웨어 구성을 사용하여 그리고 ECU(50)가 도 5에 도시된 루틴 대신에 후술하는 도 9에 도시된 루틴을 실행하게 함으로써 실현될 수 있다.
<실시형태 2의 특징적인 제어(임펠러 회전 속도 제어에 수반하는 EGR 제어)>
도 7은, 압축기(22a) 안으로 유동하는 물방울의 직경에 따라 결정되는 물방울 허용 한계 회전 속도(Ntmax), 임펠러 회전 속도(Nt)가 Ntmax를 초과하지 않는 범위 내의 WGV 개방도, 및 EGR 밸브 개방도의 조합을 설명하는 다중 시점 도면이다.
도 7의 (A)에 도시된 "NG 영역" 및 "OK 영역"은 임펠러 침식 현상이 문제가 되는 영역 및 임펠러 침식 현상이 문제가 되지 않는 영역을 각각 나타낸다. 따라서, 침식 현상의 관점에서 허용되는 물방울의 직경과 임펠러 회전 속도(Nt) 사이에는, 물방울 직경이 증가함에 따라 한계 회전 속도(Ntmax)가 저하되는 관계가 존재한다. 또한, 내연기관(10)에서 실제로 발생할 수 있는 물방울의 직경은 앞에서 설명된 바와 같이 내연기관(10)의 하드웨어 조건에 의해 결정되기 때문에, 물방울의 직경은 실험 등에 의해 미리 확인될 수 있다. 따라서, 한계 회전 속도(Ntmax)는 NG 영역과 OK 영역 사이의 경계선 및 내연기관(10)에서 실제로 발생할 수 있는 물방울의 직경에 기초하여 도 7의 (A)에 도시된 바와 같이 결정될 수 있다. 이에 의해, 한계 회전 속도(Ntmax)는 내연기관(10)의 하드웨어 조건에 따라 규정될 수 있다.
임펠러 회전 속도(Nt), 과급압(Pim), 및 실린더 안으로 흡인되는 총 실린더 내 흡기 가스량(=Ga + Gegr)은 서로 비례 관계에 있다. 실시형태 1에서 상술한 바와 같이, EGR 가스의 도입시에, 임펠러 회전 속도(Nt)는 흡기량(Ga)(엔진 토크)을 변화시키지 않도록 증가된다. 따라서, 실시형태 1의 예에 따르면, 임펠러 회전 속도(Nt)가 한계 회전 속도(Ntmax)를 초과하지 않는 것을 보장하도록 고려하면서, WGV 개방도가 EGR 가스 도입 직전의 WGV 개방도 미만인 하한값(WGVmin)이 되도록 제어된다. 도 7의 (B)에 도시된 EGR 가스량(Gegr1)은, EGR 밸브(40)의 개방 전과 후의 흡기량(Ga)의 변화 없이 WGV 개방도가 하한값(WGVmin)으로 설정된 상황 하에서 얻어지는 과급압(Pim) 하에 도입될 수 있는 EGR 가스량이다.
임펠러 회전 속도(Nt)가 한계 회전 속도(Ntmax)를 초과하지 않도록 규제되는 조건 하에서의 WGV 개방도와 EGR 밸브 개방도 사이의 조합이 WGV 개방도를 하한값(WGVmin)보다 높게 하는(WGV 개방도를 하한값(WGVmin)에 대해 개방측으로 설정하는) 한은, 조합은 하한값(WGVmin)과 실시형태 1에서 사용되는 EGR 밸브 개방도(EGR1) 사이의 조합(설정예 1)으로 제한되지 않는다. 도 7의 (B)에 도시된 설정예 2는 WGV 개방도(WGV2)와 EGR 밸브 개방도(EGR2)의 조합을 사용하는 예이다. EGR 밸브 개방도(EGR2)는 EGR 밸브 개방도(EGR1)보다 작다. WGV 개방도(WGV2)는 EGR 밸브 개방도(EGR2)를 사용할 때 흡기량(Ga)이 EGR 밸브(40)의 개방 전과 후 사이에 변화되지 않게 하는 WGV 개방도이다. 설정예 2에 따르면, 설정예 1의 EGR 가스량(Gegr1) 미만인 EGR 가스량(Gegr2)은 하한값(WGVmin)에 대해 보다 개방측에 있는 WGV 개방도(WGV2) 하에 얻어진다. 마찬가지로, WGV 개방도를 WGV 개방도(WGV2)에 대해 보다 더 개방측으로 설정하는 한편 또한 EGR 밸브 개방도를 EGR 밸브 개방도(EGR2)에 대해 폐쇄측으로 보다 더 설정함으로써 흡기량(Ga)을 변화시키지 않으면서 EGR 가스량이 Gegr2 미만이 되는 설정이 또한 얻어질 수 있다.
설정예 1에 따르면, 임펠러 회전 속도(Nt)가 한계 회전 속도(Ntmax)를 초과하지 않도록 규제되는 상황 하에서 최대 EGR 가스량(Gegr1)이 확보될 수 있다고 말할 수 있다. 한편, EGR 밸브 개방도를 낮춤으로써, EGR 밸브(40)를 통과하는 EGR 가스의 유량을 증가시키는 효과를 예상할 수 있다. EGR 밸브(40)를 통과하는 EGR 가스의 유량이 증가하는 경우, 단시간에 폐쇄된 EGR 밸브(40)에 부착되는 응축수를 블로우 오프(blow off)시킬 수 있다. 즉, 밸브 분리 시간(T1)을 감소시킬 수 있다.
따라서, 본 실시형태에 따르면, 임펠러 회전 속도 제어를 실행할 때의 EGR 밸브 개방도는 실시형태 1에서 사용되는 EGR 밸브 개방도(EGR1) 미만의 EGR 밸브 개방도(EGR2)로 설정된다. 이제 엔진이 일례로서 웜업되고 있는 때를 취하는 도 8을 참고하여 이 EGR 밸브 개방도 설정을 사용하는 내연기관(10)의 동작을 설명한다.
도 8에 도시된 제어 예에서, EGR 밸브 개방도(EGR2)의 사용에 수반하여, 하한값(WGVmin)에 대해 보다 개방측에 있는 WGV 개방도(WGV2)를 사용한다. 결과적으로, 임펠러 회전 속도(Nt)는 한계 회전 속도(Ntmax) 미만의 임펠러 회전 속도(Nt2)로 제어된다. EGR 밸브 개방도(EGR2)를 사용함으로써 실시형태 1의 제어에 비하여 밸브 분리 시간(T1)이 감소하기 때문에, 임펠러에 대한 보호 시간(T3)이 단축된다. 즉, 임펠러 회전 속도 제어가 실행되는 시간을 단축할 수 있고 보다 빠른 시기에 통상의 WGV 개방도 및 EGR 밸브 개방도 제어로 복귀할 수 있다.
(실시형태 2의 구체적 처리)
도 9는 본 발명의 실시형태 2에서 ECU(50)에 의해 실행되는 루틴을 나타내는 흐름도이다. 도 9에서, 실시형태 1에 따른 도 5에 도시된 단계와 동일한 단계는 동일한 참조 번호로 나타내고 이 단계에 대한 설명을 생략하거나 간략화한다는 것을 유의하라.
도 9에 도시된 루틴에서, 단계 124에서 보호 시간(T3)이 경과되지 않았다고 결정되는 경우, ECU(50)는 단계 200 및 202의 처리를 그 순서대로 실행한다.
단계 200에서, ECU(50)는 요구 EGR 밸브 개방도(EGRreq)를 EGR 가스 도입 개시 시의 기본 요구 EGR 밸브 개방도로부터 EGR 밸브 개방도(EGR2)로 변화시킨다(도 8의 (D) 참조). EGR 밸브 개방도(EGR2)는 실시형태 1에서 사용되는 EGR 밸브 개방도(EGR1)보다 작은 EGR 밸브 개방도 범위 내의 적절한 값으로서 설정된다. EGR 밸브 개방도(EGR1)는, WGV 개방도가 하한값(WGVmin)보다 더 많이 폐쇄되어 있지 않는 조건 하에서 EGR 가스량이 최대화될 수 있는 EGR 밸브 개방도이다. 보다 구체적으로는, EGR 밸브 개방도가 EGR 밸브 개방도 범위 내에서 감소되는 경우, EGR 밸브 개방도는 결국 완전 완전 폐쇄 상태에 도달한다. EGR 밸브 개방도가 완전 폐쇄 상태에 접근함에 따라, EGR 가스의 유동은 중단되고, 결과적으로 물방울이 EGR 밸브(40)로부터 분리되기가 어려워진다. 따라서, 실험 결과 등에 기초하여 미리 설정되는 EGR 밸브 개방도(EGR2)는, EGR 밸브 개방도가 EGR 밸브 개방도(EGR1)로 설정되는 경우에 비하여 EGR 밸브를 통과하는 가스의 유속을 적절히 증가시킬 수 있는 값으로서 ECU(50)에 저장된다.
단계 202에서, ECU(50)는 EGR 가스 도입 개시 시의 요구 WGV 개방도(WGVreq)를 WGV 개방도(WGV2)로 변화시킨다. 위에서 설명된 바와 같이, WGV 개방도(WGV2)는 EGR 밸브 개방도(EGR2)를 사용할 때 흡기량(Ga)이 EGR 밸브(40)의 개방 전과 후 사이에 변화되지 않게 하는 WGV 개방도로서 미리 설정되는 값이다.
상술한 실시형태 1의 임펠러 회전 속도 제어와도 마찬가지의 도 9에 도시된 상술한 루틴에 따르면, 임펠러에서의 침식 현상의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 본 제어에 따르면, 실시형태 1의 제어에 비하여, EGR 가스 도입 직후의 EGR 가스량이 저하되더라도, EGR 밸브(40)로부터의 물방울의 분리를 촉진함으로써 결국 원래 요구되었던 양의 EGR 가스의 도입이 보다 빠른 단계에서 실행될 수 있다.
상술한 실시형태 2에서, EGR 밸브 개방도(EGR2)는 본 발명의 제 6 양태의 "제2 요구 EGR 밸브 개방도"에 대응하고, WGV 개방도(WGV2) 계산 시의 배기 가스 유량 하의 WGV 개방도가 WGV 개방도(WGV2)가 되도록 제어되는 상태에서 획득되는 압축기 회전 속도는 본 발명의 제6 양태의 "제1 요구 압축기 회전 속도"에 대응한다는 것을 유의하라.
실시형태 3
이어서, 본 발명의 실시형태 3을 도 10을 참고하여 설명한다.
본 실시형태의 시스템은 도 1에 도시된 하드웨어 구성을 사용하여 그리고 ECU(50)가 실시형태 1의 도 5에 도시된 루틴 대신에 후술하는 도 10에 도시된 루틴을 실행하게 함으로써 실현될 수 있다. 본 실시형태의 제어는 실시형태 2의 제어(도 9에 도시된 루틴)와 조합되는 제어일 수 있다.
<실시형태 3의 특징적인 제어>
본 실시형태에서, 상황이 EGR 밸브 온도가 미리결정된 값(X1) 이하가 되는 상황인지의 여부가 흡기 온도가 미리결정된 값(X1) 이하인지 여부에 기초하여 결정되는 것을 전제조건으로 한다(이후에 설명되는 단계 301 참조).
EGR 밸브(40)는 열용량을 갖는다. 결과적으로, EGR 밸브 온도가 미리결정된 값(X1) 이하인 상태로부터의 냉간 시동 시를 제외하고, 개방 시의 고온 EGR 가스에 의해 가열된 상태에서 EGR 밸브(40)가 폐쇄된 경우에는, 흡기 온도가 미리결정된 값(X1) 이하라 하더라도, EGR 밸브 온도가 즉시 미리결정된 값(X1) 이하가 되지 않는다. 이 경우에는, EGR 가스의 도입이 정지되고 EGR 밸브(40)가 엔진 동작 중에 폐쇄된 후에, 엔진 동작이 계속되는 중에 EGR 가스의 도입이 재개되는 경우에 대해 물방울 부착 시간(T4)이 고려된다. 물방울 부착 시간(T4)은, 개방 중에 고온 EGR 가스에 의해 가열된 EGR 밸브(40)가 폐쇄되는 시점으로부터 저온 흡기에 노출되는 EGR 밸브(40)로 인해 밸브 표면에 물방울이 부착되기 시작하는 시점까지의 시간이다.
물방울 부착 시간(T4)이 경과되지 않은 경우, EGR 밸브(40)가 폐쇄되어 있는 동안 흡기 온도가 미리결정된 값(X1) 이하가 되는 상황 하에서도 물방울이 밸브 표면에 부착되지 않는다. 이로 인해, 물방울 부착 시간(T4)이 경과되지 않았기 때문에 물방울이 밸브 표면에 부착되지 않는 이러한 상황 하에서 EGR 가스의 도입이 재개될 때에 상술한 임펠러 회전 속도 제어가 실행되는 경우, EGR 가스의 양은 불필요하게 저하될 것이다. 따라서, 본 실시형태에서는, 흡기 온도가 미리결정된 값(X1) 이하이고 EGR 도입이 정지되는 시간이 물방울 부착 시간(T4) 이상인 시간 동안 계속될 때에, 상황이 EGR 밸브(40)에서 응축수가 발생하는 상황이라고 결정되는 구성이 채용된다. 또한, 물방울 부착 시간(T4)이 경과된 시점 또는 그 후에 EGR 가스의 도입이 개시되는 경우, 상술한 임펠러 회전 속도 제어가 실행된다.
(실시형태 3의 구체적 처리)
도 10은 본 발명의 실시형태 3에서 ECU(50)에 의해 실행되는 루틴을 나타내는 흐름도이다. 도 10에서, 실시형태 1에 따른 도 5에 도시된 단계와 동일한 단계는 동일한 참조 번호로 나타내고 이 단계에 대한 설명을 생략하거나 간략화한다는 것을 유의하라.
도 10에 도시된 루틴에 따르면, 단계 100에서 EGR 도입 조건(Cegr)이 성립되는 경우, ECU(50)는 상황이 EGR 밸브 온도가 미리결정된 값(X1) 이하가 되는 상황인지 여부를 흡기 온도(TMPin)가 미리결정된 값(X1) 이하인지 여부에 기초하여 결정한다(단계 301). 한편, 단계 100에서 EGR 도입 조건이 성립되지 않는다고 결정되는 경우, ECU(50)는 EGR 도입이 정지된 시간(EGR 차단 기간)이 물방울 부착 시간(T4) 이상인지 여부를 결정한다(단계 300). 소정 온도에 있는 EGR 밸브(40)에 대한 물방울의 부착은 EGR 밸브(40)가 저온 흡기에 의해 냉각되는 시간에 기초하여 결정된다. 결과적으로, 이 경우, ECU(50)는 물방울 부착 시간(T4)이 흡기 온도 및 흡기량의 함수이도록 미리 규정되는 맵(도면에는 도시되지 않음)에 따라 물방울 부착 시간(T4)을 계산한다. 이 맵에서, 물방울 부착 시간(T4)은 흡기 온도가 저하되거나 흡기량이 증가함에 따라 짧아지도록 설정된다. 물방울 부착 시간(T4)은 EGR 밸브(40)가 폐쇄되는 시점에서의 EGR 밸브 온도를 고려하는 방식으로 결정될 수 있다.
본 결정의 결과가 부정인 경우 ECU(50)는 단계 102로 진행되는 한편, 본 결정의 결과가 긍정인 경우 ECU(50)는 단계 302로 진행된다. 단계 302에서, 상황은 EGR 밸브(40)에서 응축수가 발생하는 상황이기 때문에, ECU(50)는 응축 플래그를 "ON"으로 설정한다.
또한, 본 루틴에서, 단계 116의 처리 전에, ECU(50)는 응축 플래그가 "ON"으로 설정되어 있는지 여부를 결정한다(단계 304). 결과로서, ECU(50)가 응축 플래그가 "OFF"인 것으로 결정하는 경우, ECU(50)는 단계 118로 진행한다. 즉, 이 경우, EGR 도입 조건의 성립 후에 물방울 부착 시간(T4)은 아직 경과되지 않았기 때문에, 임펠러 회전 속도 제어의 실행이 금지된다. 한편, ECU(50)가 응축 플래그가 "ON"인 것으로 결정하는 경우, ECU(50)는 단계 116으로 진행한다. 단계 120의 처리가 실행된 후에 응축 플래그가 "OFF"로 설정된다(단계 306).
상술한 도 10에 도시된 루틴에 따르면, 흡기 온도가 미리결정된 값(X1) 이하인 상황 하에서 EGR 도입 조건이 성립되고 EGR 가스의 도입이 개시되는 경우에도, 물방울 부착 시간(T4)이 경과되지 않은 경우에는 임펠러 회전 속도 제어는 실행되지 않는다. 이에 의해, 흡기 온도가 미리결정된 값(X1) 이하인지 여부에 대한 결정이 EGR 밸브 온도를 추정하기 위한 간단한 방법으로서 이용되는 경우에, EGR 가스의 도입을 개시할 때 불필요한 압축기 회전 속도의 규제 및 불필요한 EGR 가스량의 저하를 회피할 수 있다.
상술한 실시형태 3에서는, EGR 가스의 도입을 일시적으로 정지시키기 위해서 EGR 밸브(40)를 폐쇄한 후에 엔진의 동작이 계속되는 상태에서 EGR 가스의 도입을 재개하는 경우를 대상으로 하는, EGR 가스의 도입을 일시적으로 정지한 직후의 흡기 온도와 EGR 밸브 온도 사이의 일시적인 차이를 고려한 제어를 설명하였다. 그러나, 이러한 제어는 EGR 가스의 도입을 정지하기 위해 EGR 밸브(40)를 폐쇄한 후에 내연기관(10)의 동작이 정지되고, EGR 밸브 온도가 엔진의 동작이 정지된 상태에서 미리결정된 값(X1) 이하인 온도로 저하되는 시점까의 기간 중에 엔진이 재시동는 경우에도 적용될 수 있다. 즉, 엔진이 정지되어 있는 상태에서는, EGR 밸브(40)가 저온 흡기의 유동에 노출되지 않는 경우에도, EGR 밸브 온도는 시간의 경과에 수반하여 외부 공기 온도를 향해 저하된다. 엔진이 정지되어 있는 상태에서의 EGR 밸브 온도는 EGR 밸브 온도와 엔진 냉각수 온도 또는 엔진 윤활유 온도 사이의 관계를 미리 확인함으로써 엔진 냉각수 온도 또는 엔진 윤활유 온도에 기초하여 추정될 수 있다. 이러한 추정 방법을 이용함으로써, 엔진 시동이 개시되는 시점에서 EGR 밸브 온도를 추정할 수 있다. 따라서, 도 11을 참고하여 이하에서 설명되는 바와 같이, 흡기 온도가 미리결정된 값(X1) 이하인 상황 하에서 EGR 가스의 도입이 개시되는 경우에도, 엔진 시동 시의 추정된 EGR 밸브 온도 값이 미리결정된 값(X1)보다 높은 경우에는, 상술한 임펠러 회전 속도 제어를 실행하지 않는 구성을 채용할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시형태 3의 변형에서 ECU(50)에 의해 실행되는 루틴을 나타내는 흐름도이다. 도 11에서, 실시형태 3에 따른 도 10에 도시된 단계와 동일한 단계는 동일한 참조 번호로 나타내고 이 단계에 대한 설명을 생략하거나 간략화한다는 것을 유의하라.
도 11에 도시된 루틴에 따르면, 단계 100에서 EGR 도입 조건(Cegr)이 성립되지 않았다고 결정되는 경우, ECU(50)는 엔진 시동 시의 EGR 밸브(40)의 온도(TMPegrsta)가 미리결정된 값(X1) 이하인지 여부를 결정한다(단계 400). 상술한 바와 같이, 엔진 시동 시의 EGR 밸브(40)의 온도는 수온 센서(54)에 의해 검지되는 엔진 냉각수 온도에 기초하여 또는 오일 온도 센서(55)에 의해 검지되는 엔진 윤활유 온도에 기초하여 추정될 수 있다.
단계 400에서 결정된 결과가 엔진 시동 시의 EGR 밸브(40)의 온도가 미리결정된 값(X1) 이하라고 하는 경우, 응축 플래그는 "ON"으로 설정된다(단계 302). 반대로, 단계 400에서 결정된 결과가 엔진 시동 시의 EGR 밸브(40)의 온도가 미리결정된 값(X1)보다 높다라고 하는 경우, 응축 플래그는 "ON"으로 설정되지 않는다. 따라서, 엔진 시동 시의 EGR 밸브(40)의 온도가 미리결정된 값(X1)보다 높다면, 기재된 순서로 실행되는 단계 100 및 단계 301에서 결정된 결과가 긍정인 경우에도(즉, 흡기 온도가 미리결정된 값(X1)(노점 온도) 이하인 상황 하에서 EGR 가스의 도입이 개시되는 경우에도), 응축 플래그가 "ON"으로 설정되지 않기 때문에 단계 304의 결정 결과는 부정이다. 그러므로, 단계 126의 처리에 의한 임펠러 회전 속도(Nt)의 규제는 실행되지 않는다. 또한, 이 경우, 단계 304의 결정의 결과는 부정이기 때문에, 단계 128의 처리에 의한 EGR 밸브 개방도의 감소 또한 실행되지 않는다.
상술한 제어에서 이하의 점 또한 고려되는 것이 바람직하다. 즉, 엔진 시동 시의 엔진 냉각수 온도가 EGR 허용 수온보다 낮은 경우, 엔진 냉각수 온도가 EGR 허용 수온까지 상승하는데 요구되는 시간량에 대응하는 시간 차가 엔진 시동이 시작되는 시점과 EGR 도입 조건이 성립되는 시점 사이에서 발생한다. EGR 밸브(40)는 엔진 시동 후의 흡기의 유동에 노출되기 때문에, 상술한 시간 차가 발생한 경우, 엔진 냉각수 온도 등에 기초하여 추정되는 EGR 밸브 온도와 EGR 도입 조건이 성립되는 시점에서의 EGR 밸브 온도 사이에서 차이가 발생한다. 결과적으로, 시동이 개시되는 시점에서의 EGR 밸브 온도가 미리결정된 값(X1)보다 높더라도, 그 후 EGR 도입 조건이 성립되는 시점에서의 EGR 밸브 온도는 미리결정된 값(X1) 이하가 되는 상황이 발생할 수 있다. 한편, 시동 개시 후의 EGR 밸브 온도의 변화는 시동 개시 시점에서의 흡기 온도, 흡기량, 및 경과 시간 사이의 관계에 기초하여 확인될 수 있다. 따라서, EGR 도입 조건이 성립되는 시점에서의 EGR 밸브 온도를 정확하게 추정하기 위해서는, 엔진 냉각수 온도 등에 기초하여 추정되는 엔진 시동 시의 EGR 밸브 온도와 관련하여, 시동 개시 시점으로부터의 흡기 온도, 흡기량 및 경과 시간에 기초하는 EGR 온도 보정량을 고려하는 것이 바람직하다.
실시형태 4
이어서, 본 발명의 실시형태 4를 도 12를 참고하여 설명한다.
실시형태에 도시된 하드웨어 구성을 사용함으로써 그리고 ECU(50)가 실시형태 1의 도 5에 도시된 루틴 대신에 후술하는 도 12에 도시된 루틴을 실행하게 함으로써 본 실시형태의 시스템이 실현될 수 있다.
<실시형태 4의 특징적인 제어>
상술한 실시형태 1 내지 3에서, EGR 도입 조건이 성립되는 경우에 EGR 가스의 도입을 개시할 때의 EGR 밸브(40)의 온도가 미리결정된 값(X1)(폐쇄 상태에 있는 EGR 밸브(40) 부근에 존재하는 배기 가스의 노점 온도) 이하인 경우, 요구 WGV 개방도를 하한값(WGVmin) 이하인 양으로 규제함으로써 임펠러 회전 속도(Nt)가 물방울 허용 한계 회전 속도(Ntmax)를 초과하지 않도록 규제되는 구성을 채용한다.
본 발명의 압축기 회전 속도(임펠러 회전 속도(Nt))의 제어는, EGR 밸브(40)가 개방될 때 압축기(22a) 안으로 유동하는 EGR 밸브(40)의 표면에서 발생하는 응축수에 의해 유발되는 침식 현상의 발생을 억제하기 위해 실행되며, 반드시 상술한 방식으로 실행되는 제어로 제한되는 것은 아니다. 구체적으로는, 도 12를 참고하여 이하에서 설명되는 바와 같이, 본 제어는, EGR 밸브(40)의 온도가 미리결정된 값(X1) 이하인지 여부의 결정 없이, EGR 가스의 도입이 개시될 때 임펠러 회전 속도(Nt)를 물방울 허용 한계 회전 속도(Ntmax)를 초과하지 않도록 규제하는 방식으로 간단히 실행되는 제어일 수 있다. 이는, 이러한 방식으로 실행되는 경우에도, EGR 밸브(40)에서 응축수가 실제로 발생되는 상황 하에서 상술한 목적이 달성될 수 있기 때문이다.
(실시형태 4의 구체적 처리)
도 12는 본 발명의 실시형태 4에서 ECU(50)에 의해 실행되는 루틴을 나타내는 흐름도이다. 본 루틴은, ECU(50)가 EGR 밸브(40)의 온도가 미리결정된 값(X1) 이하인지 여부를 결정하는 단계 104를 포함하지 않고 단계 106 대신에 단계 500을 포함한다는 점을 제외하고, 실시형태 1의 도 5에 도시된 루틴과 동일하다.
단계 500의 처리는, 현재의 처리 사이클이 EGR 도입 조건이 성립된 후의 첫번째 처리 사이클인지 여부를 결정하는 처리이다. 상술된 도 9에 도시된 루틴의 단계 200 및 202의 처리가 본 루틴의 단계 126 및 128의 처리 대신에 실행되는 구성이 또한 채용될 수 있다는 것을 유의하라. 즉, 실시형태 2의 제어에 기초하여, EGR 밸브(40)의 온도가 미리결정된 값(X1) 이하인지 여부의 결정 없이 임펠러 회전 속도(Nt)의 제어가 실행되는 구성이 또한 채용될 수 있다.
도 12에 도시된 루틴의 처리에 따르면, 단계 100에서 EGR 도입 조건(Cegr)이 성립되었다고 결정된 상황 하에서, 단계 116에서 요구 WGV 개방도가 하한값(WGVmin) 미만인 것으로 결정되는 경우, 현재의 EGR 가스 도입 직전의 임펠러 회전 속도(Nt)가 이미 한계 회전 속도(Ntmax)보다 높은 경우(단계 122에서 결정된 결과가 긍정인 경우)를 제외하고, 임펠러 회전 속도(Nt)는 물방울 허용 한계 회전 속도(Ntmax)를 초과하지 않도록 규제된다(단계 126).
실시형태 5
이어서, 본 발명의 실시형태 5를 도 13을 참고하여 설명한다.
본 실시형태의 시스템은 도 1에 도시된 하드웨어 구성을 사용함으로써 그리고 ECU(50)가 실시형태 1의 도 5에 도시된 루틴 대신에 후술하는 도 13에 도시된 루틴을 실행하게 함으로써 실현될 수 있다.
<실시형태 5의 특징적인 제어>
본 발명에 따른 압축기 회전 속도(임펠러 회전 속도(Nt))의 제어는 실시형태 1 내지 4에서 상술된 방식으로 실행되는 대신에 도 13을 참고하여 이하에서 설명되는 방식으로 실행되는 제어일 수도 있다. 구체적으로는, 실시형태 4와 마찬가지로, 본 실시형태의 압축기 회전 속도의 제어 또한 EGR 밸브(40)의 온도가 미리결정된 값(X1) 이하인지 여부의 결정 없이 실행된다. 또한, 본 실시형태의 제어는, 내연기관(10)의 냉간 시동 후 제1 시간 동안 EGR 가스의 도입이 개시될 때에만 임펠러 회전 속도(Nt)가 물방울 허용 한계 회전 속도(Ntmax)를 초과하지 않도록 규제된다는 점에서 실시형태 4의 제어와 상이하다.
냉간 시동 시에는, 온도가 낮기 때문에, EGR 밸브(40)의 표면에 응축수가 부착될 가능성이 높다. 따라서, 냉간 시동 후 제1 시간 동안에 EGR 가스의 도입이 개시될 때만을 대상으로 하는 방식으로 임펠러 회전 속도(Nt)를 규제하도록 하는 구성을 채용함으로써, 규제가 실행되는 경우를 가능한 감소시키면서 임펠러에서의 침식 현상의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.
(실시형태 5의 구체적 처리)
도 13은 본 발명의 실시형태 5에서 ECU(50)에 의해 실행되는 루틴을 나타내는 흐름도이다. 본 루틴은, ECU(50)가 EGR 밸브(40)의 온도가 미리결정된 값(X1) 이하인지 여부를 결정하는 단계 104를 포함하지 않고 단계 106 대신에 단계 600 및 602를 포함한다는 점을 제외하고, 실시형태 1의 도 5에 도시된 루틴과 동일하다.
단계 600의 처리는, 단계 100에서의 EGR 도입 조건(Cegr)의 성립이 내연기관(10)의 냉간 시동 후 EGR 도입 조건이 성립된 첫번째인지 여부를 결정한다. 내연기관(10)의 시동이 냉간 시동인지 여부는, 시동시의 엔진 냉각수 온도에 기초하여(예를 들어, 시동 시의 엔진 냉각수 온도가 외부 공기 온도와 동등한지 여부에 기초하여) 결정될 수 있다. 단계 602의 처리는, 현재의 처리 사이클이 단계 600에서 결정된 결과가 긍정인 후 첫번째 처리 사이클인지 여부를 결정한다. 상술된 도 9에 도시된 루틴의 단계 200 및 202의 처리가 본 루틴의 단계 126 및 128의 처리 대신에 실행될 수 있다는 것을 유의하라. 즉, 실시형태 2의 제어에 기초하여, EGR 밸브(40)의 온도가 미리결정된 값(X1) 이하인지 여부의 결정 없이 임펠러 회전 속도(Nt)의 제어가 냉간 시동 후 EGR 가스의 도입이 첫번째로 실행되는 때에 실행되는 구성이 또한 채용될 수 있다.
도 13에 도시된 루틴의 처리에 따르면, 단계 100 및 600의 처리에 의해 냉간 시동 후 제1 시간 동안 EGR 도입 조건이 성립되었다고 결정된 상황 하에서, 단계 116에서 요구 WGV 개방도가 하한값(WGVmin) 미만인 것으로 결정되는 경우, 현재의 EGR 가스 도입 직전의 임펠러 회전 속도(Nt)가 이미 한계 회전 속도(Ntmax)보다 높은 경우(단계 122에서 결정된 결과가 긍정인 경우)를 제외하고, 임펠러 회전 속도(Nt)는 물방울 허용 한계 회전 속도(Ntmax)를 초과하지 않도록 규제된다(단계 126).
상술된 실시형태 1 내지 3에서는, 임펠러 회전 속도(압축기 회전 속도)(Nt)가 WGV 개방도를 조절함으로써 조절될 수 있는 내연기관(10)을 예로하여 본 발명을 설명하였다. 그러나, 본 발명의 "압축기 제어 수단"에 의한 압축기 회전 속도의 제어는 WGV(32)를 이용하는 제어로 한정되지 않는다. 즉, 예를 들어 내연기관에 WGV 개방도의 제어 대신에 터빈 안으로 유동하는 배기 가스의 속도를 변화시킬 수 있는 가변 노즐을 포함하는 과급기가 설치되는 경우, 본 발명의 압축기 회전 속도의 제어는 동일한 개념에 기초하는 가변 노즐의 제어를 이용하여 실행될 수 있다. 또한, 예를 들어, 내연기관이 전기 모터에 의해 구동되는 유형의 압축기를 포함하는 경우(과급기의 압축기가 전기 모터에 의해 보조되는 경우를 포함), 본 발명의 압축기 회전 속도의 제어를 실행하기 위해 압축기가 전기 모터에 의해 직접적으로 구동되는 구성이 채용될 수 있다.
또한, 실시형태 2의 제어는 흡기량(Ga)을 조절함으로써 엔진 토크를 제어하는 스파크-점화 내연기관에 관한 것이지만, 실시형태 1 및 3의 제어 대상인 내연기관은 스파크-점화 엔진으로 한정되지 않고 압축-점화 엔진일 수 있다.
또한, 실시형태 1에서는, EGR 가스의 도입 시에 흡기량(Ga)의 변화를 억제하기 위해서 압축기 회전 속도(임펠러 회전 속도(Nt))를 증가시키는 제어를 실행하는 것을 전제조건으로 하는 구성을 채용한다. 그러나, 본 발명에 따른 압축기 회전 속도의 제어(특히, 본 발명이 압축-점화 내연기관에 적용되는 경우)가 EGR 가스의 도입에 수반하여 압축기 회전 속도를 증가시키는 것을 전제조건으로 하여 실행되는 것이 본질적인 것은 아니다. 즉, 예를 들어 압축-점화 내연기관에서 EGR 가스의 도입 시에 연료 분사량의 증가에 의해 엔진 토크의 변화를 억제하는 상황 하에서는, 제어는 엔진 토크를 조절하기 위한 압축기 회전 속도의 조절 없이 순전히 응축수의 발생에 대한 대책으로서의 필요에 따라 압축기 회전 속도를 규제하는 제어일 수 있다. 또한, 스파크-점화 내연기관과 관련하여서도, 흡기량(Ga)(엔진 토크)이 도 3의 (A) 및 도 3의 (B)에 도시된 스로틀 개방도 및 WGV 개방도를 제어하는 방법 이외의 방법에 의한 제어를 사용한다는 전제조건에 기초하여 제어되는 경우, 압축기 회전 속도를 조절하는 것 이외의 방법에 의해(예를 들어, 스로틀 개방도, 점화 시기, 흡기 밸브 타이밍, 또는 배기 밸브 타이밍을 조절함으로써) EGR 가스의 도입 전과 후에 흡기량(Ga)을 조절하는 것이 가능하다면, 엔진 토크를 조절하기 위해 압축기 회전 속도를 조절하는 것이 항상 필요한 것은 아니다. 이러한 사실은, EGR 가스의 도입을 개시하는 때를 위해 계획된 EGR 가스량이 작다는 이유 등에 의해, EGR 가스 도입에 수반하는 압축기 회전 속도의 규제에 의해 유발되는 엔진 토크의 변화량의 적어도 일부가 허용되는 상황 하에서도 마찬가지로 적용된다. 따라서, 본 발명의 대상인 압축기 회전 속도 제어의 형태는, EGR 가스의 도입에 수반하여 엔진 토크를 조절하기 위해 도 4의 (F)에 도시된 파선에 의해 나타낸 바와 같은 방식으로 임펠러 회전 속도(Nt)가 원래 상승되어야 하는 상황에서 임펠러 회전 속도(Nt)의 증가량을 물방울 허용 한계 회전 속도(Ntmax)를 초과하지 않도록 규제하는 제어로 한정되지 않는다. 즉, 예를 들어, 제어는, EGR 가스의 도입 직전의 압축기 회전 속도가 물방울 허용 한계 회전 속도(Ntmax)보다 높게 제어되는 상황 하에서, EGR 가스의 도입 개시 시에 압축기 회전 속도를 물방울 허용 한계 회전 속도(Ntmax) 이하가 되도록 규제할 수 있다.
또한, 특히 압축-점화 내연기관의 경우, EGR 가스가 원래 계획되었던 양으로 도입되더라도 엔진 토크 조절을 실행하는 것이 가능한 경우, 응축수 대책으로서의 압축기 회전 속도의 규제가 EGR 밸브 개방도의 저하 없이 필요에 따라 실행될 수 있다.
또한, 상술한 실시형태 1 내지 3에서, 보호 시간(T3) 동안의 임펠러 회전 속도(Nt)는 WGV 개방도를 하한값(WGVmin)이 되도록 제어하거나 WGV 개방도(WGV2)를 일정한 값이 되도록 제어함으로써 일정한 속도로 제어된다. 그러나, EGR 가스의 도입이 개시된 후에 규제되는 압축기 회전 속도가 물방울 허용 한계 회전 속도를 초과하지 않도록 제어되는 한, 압축기 회전 속도는 일정한 속도로 제어되는 속도로 반드시 한정되는 것은 아니다.
10 내연기관
12 흡기 통로
14 배기 통로
16 공기 클리너
18 공기 유량계
20 흡기 온도 센서
22 과급기
22a 압축기
22b 터빈
24 인터쿨러
26 스로틀 밸브
28 배기 가스 정화 촉매
30 배기 바이패스 통로
32 웨이스트 게이트 밸브(WGV)
34 EGR 장치
36 EGR 통로
38 EGR 쿨러
40(40a 내지 40c) EGR 밸브
50 ECU(전자 제어 유닛)
52 크랭크 각 센서
54 수온 센서
56 연료 분사 밸브
58 점화 장치
60 액셀러레이터 위치 센서

Claims (12)

  1. 과급식 내연기관이며,
    흡기를 과급하도록 구성되는 압축기,
    압축기에 대해 상류측에 있는 흡기 통로를 배기 통로에 연결하는 EGR 통로,
    EGR 통로에 제공되고, EGR 통로를 통해 유동하는 EGR 가스의 양을 조절하는 EGR 밸브, 및
    엔진 속도 및 엔진 부하 파라미터에 기초하여 결정되는 기본 요구 압축기 회전 속도에 따라 압축기 회전 속도를 제어하는 압축기 제어 수단을 포함하며,
    기본 요구 압축기 회전 속도가 미리결정된 회전 속도보다 높은 상태에서 EGR 가스의 도입이 시작되는 경우, 압축기 제어 수단은 EGR 가스의 도입이 개시된 후에 압축기 회전 속도를 규제하여 압축기 회전 속도가 미리결정된 회전 속도 이하가 되도록 하는, 과급식 내연기관.
  2. 제1항에 있어서,
    기본 요구 압축기 회전 속도가 미리결정된 회전 속도보다 높은 상태에서 내연기관의 냉간 시동 후의 제1 시간 동안 EGR 가스의 도입이 개시될 때, 압축기 제어 수단은 압축기 회전 속도의 규제를 실행하는, 과급식 내연기관.
  3. 제1항에 있어서,
    기본 요구 압축기 회전 속도가 미리결정된 회전 속도보다 높은 상태에서 EGR 밸브의 온도가 EGR 밸브가 폐쇄되어 있는 동안 EGR 통로에 존재하는 배기 가스의 노점 온도 또는 노점 온도보다 미리결정된 여유만큼 높은 온도 이하인 상황 하에서 EGR 가스의 도입이 개시될 때, 압축기 제어 수단은 압축기 회전 속도의 규제를 실행하는, 과급식 내연기관.
  4. 제3항에 있어서,
    압축기 제어 수단은, EGR 밸브가 개방되는 시점으로부터 물방울이 EGR 밸브로부터 분리되기 시작하는 시점까지의 시간과 물방울이 EGR 밸브로부터 분리되기 시작하는 시점으로부터 물 방울이 압축기의 입구에의 도달을 완료하는 시점까지의 시간의 합계인 시간이 경과할 때까지, EGR 가스의 도입이 개시된 후에 압축기 회전 속도를 규제하는, 과급식 내연기관.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 과급식 내연기관은 스파크-점화 내연기관이며,
    엔진 동작 조건에 따르는 기본 요구 EGR 밸브 개방도에 따라 EGR 밸브 개방도를 제어하는 EGR 밸브 제어 수단을 더 포함하고,
    기본 요구 압축기 회전 속도는 엔진 회전 속도 및 엔진 부하 파라미터 이외에 기본 요구 EGR 밸브 개방도에 기초하여 결정되고,
    EGR 밸브 제어 수단은, 기본 요구 EGR 밸브 개방도 미만인 제1 요구 EGR 밸브 개방도에 따라, EGR 가스의 도입이 시작된 후에 압축기 제어 수단에 의해 압축기 회전 속도의 규제가 실행될 때에 EGR 밸브 개방도를 제어하며,
    제1 요구 EGR 밸브 개방도는, 압축기 회전 속도가 미리결정된 회전 속도 이하인 압축기 회전 속도로 설정되는 상황 하에서 얻어지는 과급압 하에서 도입될 수 있으며, EGR 밸브의 개방 전과 후 사이의 흡기량의 변화를 억제하는 상태에서 도입될 수 있는 EGR 가스량인 EGR 가스량에 대응하는 EGR 밸브 개방도인, 과급식 내연기관.
  6. 제3항 또는 제4항에 있어서, 과급식 내연기관은 스파크-점화 내연기관이며,
    엔진 동작 조건에 따르는 기본 요구 EGR 밸브 개방도에 따라 EGR 밸브 개방도를 제어하는 EGR 밸브 제어 수단을 더 포함하고,
    기본 요구 압축기 회전 속도는 엔진 회전 속도 및 엔진 부하 파라미터 이외에 기본 요구 EGR 밸브 개방도에 기초하여 결정되고,
    EGR 밸브 제어 수단은, 압축기 회전 속도가 미리결정된 회전 속도로 설정되어 있는 상황 하에서 얻어지는 과급압 하에 도입될 수 있는 EGR 가스량에 대응하는 EGR 밸브 개방도 미만인 제2 요구 EGR 밸브 개방도에 따라, EGR 가스의 도입이 시작된 후에 압축기 제어 수단에 의해 압축기 회전 속도의 규제가 실행될 때 EGR 밸브 개방도를 제어하며,
    압축기 제어 수단은, 제2 요구 EGR 밸브 개방도를 사용할 때 EGR 밸브의 개방 전과 후 사이의 흡기량의 변화를 억제할 수 있는 제1 요구 압축기 회전 속도에 따라 EGR 가스의 도입이 시작된 후에 압축기 회전 속도를 규제하는, 과급식 내연기관.
  7. 제5항에 있어서,
    흡기 온도가 노점 온도 또는 노점 온도보다 미리결정된 여유만큼 높은 온도 이하일 때, 압축기 제어 수단은 EGR 밸브의 온도가 노점 온도 또는 노점 온도보다 미리결정된 여유만큼 높은 온도 이하라고 결정하는, 과급식 내연기관.
  8. 제7항에 있어서,
    흡기 온도가 노점 온도 또는 노점 온도보다 미리결정된 여유만큼 높은 온도 이하인 상황 하에서 EGR 가스의 도입이 개시되는 제1 경우가 적용되는 경우에도, 엔진 동작 중에 EGR 밸브가 폐쇄되는 시점으로부터의 경과 시간이 EGR 밸브가 폐쇄되는 시점으로부터 물방울이 EGR 밸브의 표면에 부착될 때까지의 시간 미만인 제2 경우에는, 압축기 제어 수단은, 기본 요구 압축기 회전 속도에 따라, EGR 가스의 도입이 개시된 후에 압축기 회전 속도를 제어하며,
    제1 경우가 적용되는 경우에도, 제2 경우에는, EGR 밸브 제어 수단은, 기본 요구 EGR 밸브 개방도에 따라, EGR 가스의 도입이 개시된 후에 EGR 밸브 개방도를 제어하는, 과급식 내연기관.
  9. 제7항에 있어서,
    흡기 온도가 노점 온도 또는 노점 온도보다 미리결정된 여유만큼 높은 온도 이하인 상황 하에서 EGR 가스의 도입이 개시되는 제1 경우가 적용되는 경우에도, 엔진 냉각수 온도 또는 엔진 윤활유 온도에 기초하여 추정되는 엔진 시동 시의 EGR 밸브의 온도가 노점 온도 또는 노점 온도보다 미리결정된 여유만큼 높은 온도보다 높은 제3 경우에는, 압축기 제어 수단은, 기본 요구 압축기 회전 속도에 따라, EGR 가스의 도입이 개시된 후에 압축기 회전 속도를 제어하며,
    제1 경우가 적용되는 경우에도, 제3 경우에는, EGR 밸브 제어 수단은, 기본 요구 EGR 밸브 개방도에 따라, EGR 가스의 도입이 개시된 후에 EGR 밸브 개방도를 제어하는, 과급식 내연기관.
  10. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    흡기 온도가 노점 온도 또는 노점 온도보다 미리결정된 여유만큼 높은 온도 이하일 때, 압축기 제어 수단은 EGR 밸브의 온도가 노점 온도 또는 노점 온도보다 미리결정된 여유만큼 높은 온도 이하라고 결정하는, 과급식 내연기관.
  11. 제10항에 있어서,
    흡기 온도가 노점 온도 또는 노점 온도보다 미리결정된 여유만큼 높은 온도 이하인 상황 하에서 EGR 가스의 도입이 개시되는 경우에도, 엔진 동작 중에 EGR 밸브가 폐쇄되는 시점으로부터의 경과 시간이 EGR 밸브가 폐쇄되는 시점으로부터 물방울이 EGR 밸브의 표면에 부착될 때까지의 시간 미만인 상태에서는, 압축기 제어 수단은, 기본 요구 압축기 회전 속도에 따라, EGR 가스의 도입이 개시된 후에 압축기 회전 속도를 제어하는, 과급식 내연기관.
  12. 제10항에 있어서,
    흡기 온도가 노점 온도 또는 노점 온도보다 미리결정된 여유만큼 높은 온도 이하인 상황 하에서 EGR 가스의 도입이 개시되는 경우에도, 엔진 냉각수 온도 또는 엔진 윤활유 온도에 기초하여 추정되는 엔진 시동 시의 EGR 밸브의 온도가 노점 온도 또는 노점 온도보다 미리결정된 여유만큼 높은 온도보다 높은 상태에서는, 압축기 제어 수단은, 기본 요구 압축기 회전 속도에 따라, EGR 가스의 도입이 개시된 후에 압축기 회전 속도를 제어하는, 과급식 내연기관.
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