KR101947833B1 - 제어 실시를 위한, 특히 차량에서 이용하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 과급 엔진(2)을 갖는 엔진 시스템(1)에서 과급압 제어 장치의 작동을 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은 하기 단계들을, 즉
- 목표 제어 변수(y_D)와 실제 제어 변수(y_ist)에 근거하여 과급압 제어를 실시하는 단계,
- 제공된 목표 과급압(p_2,D)으로부터 제1 모델 및 제 2 모델을 이용하여 목표 제어 변수(y_D)를 검출하는 단계,
- 제공된 실제 과급압(p_2,ist)으로부터 제1 모델을 이용하여 중간 변수(p_3,E)를 검출하는 단계,
- 실제 과급압보다 더 높은 다이내믹을 가지며, 엔진 시스템(1)에서 동적 상태 변경을 나타내는, 제공된 동적 변수(p_3,ist)를 이용하여 중간 변수(p_3,E)를 수정하는 단계, 및
- 수정된 중간 변수(p₃ ^*)로부터 제2 모델을 이용하여 실제 제어 변수(y_ist)를 검출하는 단계를 포함한다.

Description

제어 실시를 위한, 특히 차량에서 이용하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR PERFORMING A COTROL, IN PARTICULAR FOR USE IN A MOTOR VEHICLE}

본 발명은 엔진, 특히 과급압 제어 장치를 갖는 과급 디젤 엔진에 관한 것이다.

현대의 엔진은 신선한 공기를 고압하게 엔진에 제공할 수 있도록 일반적으로 과급 장치를 이용한다. 통상적인 과급 장치는 예를 들어 배기 가스 터보차저이다. 과급 장치는 엔진의 작동점에 의존하여 신선한 공기를 과급 압력하에 공급하는데 이용된다. 배기 가스 터보차저의 경우에 신선한 공기를 압축하기 위한 에너지가 배기 가스 엔탈피로부터 얻어지므로, 현재 작동점을 위해 필요한 만큼만 과급 압력을 높게 조절하는 것이 바람직한데, 그렇지 않으면 배기 가스 터보차저의 터빈을 통해 야기되는 배기 가스 배압이 오히려 엔진의 효율을 떨어뜨리기 때문이다.

본 발명에 따라 제1항에 따른 엔진 시스템의 과급압 제어 장치의 작동을 위한 방법 및 다른 청구항들에 따른 장치, 엔진 시스템 및 컴퓨터 프로그램 제품이 제공된다.

본 발명의 유리한 다른 실시예들이 종속항에 제시되어 있다.

제1 양태에 따르면, 과급 엔진을 갖는 엔진 시스템에서 과급압 제어 장치의 작동을 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 하기 단계들을, 즉

- 목표 제어 변수와 실제 제어 변수에 근거하여 과급압 제어를 실시하는 단계,

- 제공된 목표 과급압으로부터 제1 모델 및 제 2 모델을 이용하여 목표 제어 변수를 검출하는 단계,

- 제공된 실제 과급압으로부터 제1 모델을 이용하여 중간 변수를 검출하는 단계,

- 실제 과급압보다 더 높은 다이내믹을 가지며, 엔진 시스템에서 동적 상태 변경을 나타내는, 제공된 동적 변수를 이용하여 중간 변수를 수정하는 단계,

- 수정된 중간 변수로부터 제2 모델을 이용하여 실제 제어 변수를 검출하는 단계를 포함한다.

상기 방법의 사상은 과급압 제어의 품질을 개선하며 특히 동적 작동 동안 과급압 제어의 더 신속한 반응을 달성하는 데 있다. 이를 달성하기 위해, 실제 과급압보다 더 높은 다이내믹을 가지며 엔진 시스템에서 동적 상태 변경을 나타내는 동적 변수 또는 예를 들어 배기 가스 배압의 경우에서처럼 실제 과급압보다 더 빠르게 다이내믹을 추구하는 동적 변수가 과급압 제어시 고려된다. 그러므로 동적 변수는 엔진의 동적 작동 또는 장애 변수 관여로 인한 변경을 과급압보다 더 빠르게 인식하는데 적합하다.

상기 방법에 따르면, 과급압 제어시 적절한 전략을 이용하여 동적 변수의 다이내믹에 대한 정보를 고려한다. 커플링의 목표는 더 양호한 위상 위치와 더 높은 다이내믹의 이용뿐 아니라 순수 과급압 제어와 비교할 때 제어 루프 다이내믹의 개선이다.

또한, 제공된 동적 변수 또는 바로 이 동적 변수를 발생시키는 변수의 고정 또는 저주파 성분이 고정 모델(stationary model) 적응에 이용되는 것을 생각해 볼 수 있다. 그러므로 동적 변수의 기초가 되는 모델의 품질이 개선될 수 있고 모델 에러나 시스템 허용오차가 보상될 수 있다.

또한, 동적 변수의 고주파 성분이 중간 변수에 가산됨으로써, 중간 변수가 수정될 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 중간 변수는 엔진 시스템의 배기 가스 배출 섹션에서 추정된 배기 가스 배압을 제시할 수 있으며 동적 변수는 측정되거나 모델화된 배기 가스 배압을 제시할 수 있다.

이미 제공된 과급압 정보로부터 배기 가스 배압 정보를 검출하기 위해, 제1 모델이 배기 가스 배압 모델에 상응하는 것이 제공될 수 있다. 그러므로 과급압 제어시 적절한 배기 가스 배압 모델의 이용하에 실제 과급압으로부터 추정된 실제 배기 가스 배압이 검출되고 모델화되거나 측정될 수 있는 배기 가스 배압의 동적 변경을 제공받으므로, 실제 제어 변수가 검출된다.

이제 과급압 제어는 실제 과급압 및 배기 가스 배압의 동적 성분으로부터 검출된 실제 제어 변수에 근거한다. 그러므로 제어기의 거동은 가속화될 수 있는데, 배기 가스 배압이 일반적으로 엔진의 동적 작동 동안의 변화들을 인식하거나 과급압보다 더 빠르게 장애 변수의 영향을 인식할 수 있기 때문이다. 이와 같은 방식으로 개선된 터보차저 보호 또는 엔진 보호가 보장될 수 있으며 장래의 배기 가스 배출 가이드라인에의 도달 가능성이 지원될 수 있다.

또한, 배기 가스 배압에 대한 정보로부터 제어 변수가 검출되도록 제2 모델이 제어 변수 모델에 상응할 수 있다.

동적 변수의 저주파 성분이 제1 모델의 적응에 이용될 수 있다.

다른 양태에 따르면, 과급 엔진을 갖는 엔진 시스템에 과급압 제어 장치의 작동을 위한 장치가 제공되며, 상기 장치는

- 목표 제어 변수와 실제 제어 변수에 근거하여 과급압 제어를 실시하기 위해,

- 제공된 목표 과급압으로부터 제1 및 제2 모델을 이용해 목표 제어 변수를 검출하기 위해,

- 제공된 실제 과급압으로부터 제1 모델을 이용해 중간 변수를 검출하기 위해,

- 실제 과급압보다 더 높은 다이내믹을 가지며, 엔진 시스템에서 동적 상태 변경을 나타내는, 제공된 동적 변수를 이용하여 중간 변수를 수정하기 위해, 그리고

- 수정된 중간 변수로부터 제2 모델을 이용하여 실제 제어 변수를 검출하기 위해 형성되어 있다.

또 다른 양태에 따라 엔진 시스템이 제공된다. 상기 엔진 시스템은

- 공기 공급 섹션에 의해 신선한 공기가 엔진에 제공되고 배기 가스 배출 섹션에 의해 연소 배기 가스가 배출되는 엔진과,

- 과급압 하에서 신선한 공기를 공급하기 위한 과급 장치와,

- 과급압 제어 장치의 작동을 위한 상기 장치를 포함한다.

또 다른 양태에 따라, 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터 프로그램 제품이 제공되되는데, 상기 프로그램 코드가 데이터 처리 장치에서 실행되면 상기 방법을 실시한다.

본 발명의 바람직한 실시예들이 하기에서 첨부 도면들을 참고로 상세히 설명된다.
도 1은 과급 장치를 갖는 엔진 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1의 엔진 시스템의 작동을 위한 과급압 제어의 기능 블록도이다.
도 3은 배기 가스 배압을 과급압 제어에 커플링하기 위한 실시예의 기능도이다.
도 4는 또 다른 실시예에 따라 도 1의 엔진 시스템의 작동을 위한 과급압 제어의 기능 블록도이다.

도 1에는 디젤 엔진, 가솔린 엔진 등으로서 형성될 수 있는 엔진(2)을 갖는 엔진 시스템(1)이 개략적으로 도시되어 있다. 하기의 설명을 위해 엔진(2)으로서 디젤 엔진을 가정한다.

주변으로부터 신선한 공기가 공기 공급 섹션(3)에 의해 엔진(2)의 실린더에 제공된다. 실린더 내에서 연료가 연소된다. 연소 배기 가스의 발생시 연소 배기 가스가 배기 가스 배출 섹션(4)에 의해 엔진(2)으로부터 배출된다.

또한, 배기 가스 배출 섹션(4)에 배치된 터빈(51)을 갖는 배기 가스 터보차저(5)가 제공되어, 엔진(2)으로부터 흘러나온 연소 배기 가스가 터빈에서 구동 에너지로 변환된다.

터빈(51)은 공기 공급 섹션(3)에 배치된 압축기(52)와 결합되어 있다. 터빈(51)에 의해 구동되는 압축기(52)는 주변으로부터 신선한 공기를 흡입하고 이 신선한 공기는 공기 공급 섹션(3)의 과급압 영역(6)에서 과급압(p₂)하에 이용된다.

또한, 공기 공급 섹션(3)에 스로틀 밸브(7)가 제공되는데, 스로틀 밸브를 통해 과급압 영역(6)이 흡기관 영역(8)으로부터 분리된다. 엔진(2)의 실린더 안으로 유입되는 공기의 양은 스로틀 밸브(7)에 의해 신속하게 영향을 받을 수 있다.

자동차의 경우, 예를 들어 가속 페달의 위치에 따라 표시될 수 있는, 예를 들어 운전자 희망 토크와 같은 외부 입력 변수(V)를 이용해 또는 엔진 시스템(1)의 상태 변수에 의존하여 엔진(2)을 제어하는 제어 유닛(10)이 제공된다. 엔진(2)의 작동은, 예를 들어 실린더 안으로 또는 흡기관 영역(8) 안으로 분사되는 연료량, 스로틀 밸브(7)의 위치, 배기 가스 터보차저(5)의 토출 용량의 설정, 과급압(p₂)의 설정 등의 변경을 통해 실행될 수 있다.

과급압(p₂)의 조정을 위해, 배기 가스 터보차저(5)에는 VTG형 터빈(51) 또는 내부에 위치하는 웨이스트 게이트 밸브를 갖는 웨이스트 게이트가 제공될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서 과급압(p₂)은, 예를 들어 바이패스 라인(54) 내에 바이패스 밸브(53)를 이용해 -이때 상기 바이패스 라인은 압축기(52)의 입력측과 출력측을 연결한다- 조정될 수 있거나 또는 영향을 받을 수 있다.

공기 공급 섹션(3)의 과급압 영역(6) 내 과급압(p₂)의 제어를 위해, 제어 유닛(10)은 바이패스 밸브(53)를 적절하게 제어하여, 과급압 영역(6)에서 압축된 신선한 공기를 압축기(52)의 입력측으로 재순환시켜 과급압(p₂)을 낮출 수 있다. 바이패스 밸브(53)의 개방(통로 확대)을 통해 또는 바이패스 밸브(53)의 폐쇄(통로 축소)를 통해 과급압(p₂)이 낮아지거나 높아질 수 있다.

제어 유닛(10)에서 과급압(p₂)에 관한 정보(과급압 정보)가 이용되고, 과급압 정보는 과급압 센서(9)를 통해 센서 변수로서 또는 대안적으로는 모델 변수로서 이용될 수 있으며, 과급압(p₂)은 엔진 시스템(1)의 다른 상태 변수를 통해 모델화된다. 또한, 배기 가스 배압(p_{3 , ist})에 관한 정보(배기 가스 배압 정보)를 검출하고 과급압 제어의 입력 변수로서 제공하기 위해, 배기 가스 배압 센서(11)가 제공될 수 있다.

도 2에는 제어 유닛(10) 내에서 실행되는 과급압 제어의 개략적인 기능도가 도시되어 있다. 도 2에 도시된 과급압 제어에 있어서, 기본적인 과급압 모델에 의거해 과급압 정보로부터 제어 변수(y)가 생성되며, 과급압 제어는 상기 제어 변수에 근거한다. 그러므로 목표 과급압(p_2,D)으로부터 목표 제어 변수(y_D)를 생성하고 실제 과급압(p_2,ist)으로부터 실제 제어 변수(y_ist)를 생성하기 위해 과급압 모델이 이용된다.

제어 변수(y)는 예를 들어 바이패스 밸브(53)의 위치에 상응하거나 압축기(52)의 토출 용량의 설정을 위한 나머지 조절기의 위치에 상응할 수 있다. 제어기(21)의 출력 변수는, 바이패스 밸브(53)를 위한 구동을 제공하는 제어 변수(S) 또는 효율을 조절하기 위한 과급 장치의 다른 유형의 구동에 상응하는 제어 변수(S)이다. 예를 들어 제어 변수는 바이패스 밸브(53)의 구동를 위한 펄스 점유율에 상응할 수 있다.

기본적인 과급압 모델은 본 실시예에서 2가지 부분 모델에 근거하며, 한 모델은, 과급압(p₂) 정보에 근거하는 배기 가스 배압(p₃)을 검출하기 위해, 제1 및 제2 배기 가스 배압 모델 블록(22₁, 22₂)에서 두 번 이용되는 배기 가스 배압 모델이며, 다른 모델은 제1 및 제2 제어 변수 블록(23₁, 23₂)에서 두 번 이용되는 제어 변수 모델이다.

제1 배기 가스 배압 모델 블록(22₁)은 제공된 목표 과급압(p_2,D)으로부터 목표 배기 가스 배압(p_3,D)(목표 배기 가스 배압 정보)을 생성하는데 이용되며, 목표 과급압은 특히 사전 설정된 운전자 희망 토크에 의존하여 엔진 모델으로부터 제공된다. 제2 배기 가스 배압 모델 블록(22₂)은 예를 들어 과급압 센서(9)에 의해 제공된 실제 과급압(p_2,ist)으로부터 추정된 배기 가스 배압(p_3,E)을 생성하는데 이용된다.

또한, 제1 제어 변수 블록(23₁)은 목표 배기 가스 배압(p_3,D)으로부터 목표 제어 변수(y_D)를 생성하는데 이용된다. 제2 제어 변수 블록(23₂)은 수정된 배기 가스 배압(p₃ ^*)으로부터 실제 제어 변수(y_ist)를 생성하는데 이용된다.

수정된 배기 가스 배압(p₃ ^*)은 추정된 배기 가스 배압(p_3,E)과 측정된 (또는 모델화된) 배기 가스 배압(p_3,ist)으로부터 커플링 블록(24)에서 검출된다. 커플링 블록(24)은 배기 가스 배압(p_3,ist)의 동적 성분과 제2 배기 가스 배압 모델 블록(22₂)에서 추정된 배기 가스 배압(p_{3, E})을 결합하기 위해 이용된다. 추정된 배기 가스 배압(p_{3 ,E})이 제공된 실제 과급압(p_2,ist)으로부터 검출되기 때문에, 엔진(2)의 작동 상태의 신속하고도 동적인 변경은 단지 지연되어, 즉 작동 상태에서의 변경이 과급압(p₂)의 변경에 표현되는 경우에야 비로소 표시될 수 있다. 측정된 배기 가스 배압(p_3,ist)의 동적 성분을 추정된 배기 가스 배압(p_3,E)에 제공하는 것은 수정된 배기 가스 배압(p₃ ^*)을 얻는데 도움이 되는데, 수정된 배기 가스 배압은 단지 과급압(p₂)으로부터 추정된 배기 가스 배압(p_3,E)보다 더 양호한 위상 위치를 갖는다.

도 3에는 커플링 블록(24)의 기능이 더 상세하게 도시되어 있다. 커플링 블록(24)의 핵심은 저역 통과 필터(26)이며, 저역 통과 필터는 실제 배기 가스 배압(p_3,ist)과 추정된 배기 가스 배압(p_{3 ,E}) 사이의 차이로서 감산 부재(27)에서 검출된 배기 가스 배압차(Δp₃)를 저역 통과 필터링하고 저역 통과 필터링된 배기 가스 배압차(Δp₃ ^*)를 제공한다. 저역 통과 필터링된 배기 가스 배압차(Δp₃ ^*)는 제2 감산 블록(28)에서 배기 가스 배압차(Δp₃)로부터 감산되어, 수정된 배기 가스 배압차(Δp_{3 ,K})가 수득된다.

가산 블록(29)에서 수정된 배기 가스 배압차(Δp_3,K)에 대해 제2 배기 가스 배압 모델 블록(22₂)으로부터 상기 추정된 배기 가스 배압(p_3,E)이 가산되어, 수정된 배기 가스 배압(p₃ ^*)이 수득된다. 그러므로 수정된 배기 가스 배압(p₃ ^*)은 실제 배기 가스 배압(p_{3 , ist})의 고주파 성분을 제공받는, 추정된 배기 가스 배압에 상응하며, 이때 추정된 배기 가스 배압은 과급압 모델에 의거하여 과급압으로부터 검출되었다. 물론, 수정된 배기 가스 배압(p₃ ^*)은, 이 변수가 배기 가스 배압의 동적 성분, 즉 고주파 성분을 고려한다면, 다른 방식으로 검출될 수도 있다. 예를 들어 고주파 성분이 고역 통과 필터를 이용해 제공될 수도 있다.

상기 변수를 이용하면, 실제 과급압과 목표 과급압(p_2,D)의 편차가 상당히 커지기 전에, 과급압 제어시 엔진(2)의 작동 상태의 빠른 변경에 관여할 수 있다. 이는, 배기 가스 배압이 엔진(2)의 작동 상태의 변경에, 특히 동적 변수들에 대해 더 신속하게 반응하기 때문에 가능하다. 그러므로 제어는 더 바람직한 위상 위치를 이용할 수 있으므로 배기 가스 배압의 높은 다이내믹을 고려할 수 있다.

필터링된 배기 가스 배압차(Δp₃ ^*)는 실제 배기 가스 배압 신호의 저주파 성분을 나타낸다. 도 4의 기능 블록도에 도시된 것처럼, 상기 신호는 추가의 모델 적응 블록(25)에서 이용되어, 배기 가스 배압 모델 블록(22₁, 22₂)에서 배기 가스 배압 모델을 적절한 방식으로 적응시킬 수 있는 적응 변수(A)가 생성될 수 있다. 그러므로 노후화, 마모 등으로 인한 시스템 거동의 장시간에 걸친 변화가 배기 가스 배압 모델에서 고려될 수 있다. 따라서, 배기 가스 배압 모델의 품질이 개선되고 모델 에러 또는 시스템 허용오차가 보상된다.

Claims (9)

1. 과급 엔진(2)을 갖는 엔진 시스템(1)에서 과급압 제어 장치의 작동을 위한 방법으로서, 하기 단계들을, 즉
   - 목표 제어 변수(y_D)와 실제 제어 변수(y_ist)에 근거하여 과급압 제어를 실시하는 단계,
   - 제공된 목표 과급압(p_2,D)으로부터 제1 모델 및 제 2 모델을 이용하여 목표 제어 변수(y_D)를 검출하는 단계,
   - 제공된 실제 과급압(p_2,ist)으로부터 제1 모델을 이용하여 중간 변수(p_3,E)를 검출하는 단계,
   - 실제 과급압보다 더 높은 다이내믹을 가지며, 엔진 시스템(1)에서 동적 상태 변경을 나타내는, 제공된 동적 변수(p_3,ist)를 이용하여 중간 변수(p_3,E)를 수정하는 단계, 및
   - 수정된 중간 변수(p₃ ^*)로부터 제2 모델을 이용하여 실제 제어 변수(y_ist)를 검출하는 단계를 포함하는, 과급압 제어 장치의 작동 방법.
2. 제1항에 있어서, 동적 변수(p_{3 , ist})의 고주파 성분이 중간 변수에 가산됨으로써, 중간 변수(p_{3 ,E})가 수정되는, 과급압 제어 장치의 작동 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 중간 변수(p_{3 ,E})가 엔진 시스템(1)의 배기 가스 배출 섹션에서 추정된 배기 가스 배압을 제시하고 동적 변수는 측정되거나 모델화된 배기 가스 배압(p_3,ist)을 제시하는, 과급압 제어 장치의 작동 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 모델은 제공된 과급압 정보로부터 배기 가스 배압 정보를 검출하기 위해 배기 가스 배압 모델에 상응하는, 과급압 제어 장치의 작동 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제2 모델은 배기 가스 배압(p_{3 ,D}, p₃ ^*) 정보로부터 제어 변수(y_D, y_ist)를 검출하기 위해 제어 변수 모델에 상응하는, 과급압 제어 장치의 작동 방법.
6. 제1항에 있어서, 동적 변수(p_{3 , ist})의 저주파 성분이 제1 모델의 적응에 이용되는, 과급압 제어 장치의 작동 방법.
7. 과급 엔진(2)을 갖는 엔진 시스템(1)에서 과급압 제어 장치의 작동을 위한 장치로서, 상기 장치는
   - 목표 제어 변수(y_D)와 실제 제어 변수(y_ist)에 기반한 과급압 제어를 실시하기 위해,
   - 제공된 목표 과급압(p_2,D)으로부터 제1 및 제2 모델을 이용해 목표 제어 변수(y_D)를 검출하기 위해,
   - 제공된 실제 과급압으로부터 제1 모델을 이용해 중간 변수(p_3,E)를 검출하기 위해,
   - 실제 과급압보다 더 높은 다이내믹을 가지며, 엔진 시스템(1)에서 동적 상태 변경을 나타내는, 제공된 동적 변수(p_3,ist)를 이용하여 중간 변수(p_3,E)를 수정하기 위해, 그리고
   - 수정된 중간 변수(p₃ ^*)로부터 제2 모델을 이용하여 실제 제어 변수(y_ist)를 검출하기 위해 형성되어 있는, 과급압 제어 장치의 작동 장치.
8. - 공기 공급 섹션(3)에 의해 신선한 공기가 제공되고 배기 가스 배출 섹션(4)에 의해 연소 배기 가스가 배출되는 엔진(2)과,
   - 과급압(p₂) 하에서 신선한 공기를 공급하기 위한 과급 장치(5)와,
   - 제7항에 따른 과급압 제어 장치의 작동 장치를 포함하는 엔진 시스템(1).
9. 데이터 처리 장치에서 실행되는 경우 제1항 또는 제2항에 따른 방법을 실행하는 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램이 저장된 저장 매체.

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