KR102187578B1 - 실린더 공기량 연산 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 흡기 라인의 컴프레서 전단의 압력 변화를 감지하는 단계, 상기 압력 변화를 감지하는 단계에 의해 압력 변화가 감지되면, 압력 편차를 기준으로 동적 유량 값을 연산하는 단계, 상기 동적 유량 값을 반영하여 상기 컴프레서 전단의 유량을 연산하는 단계 및 상기 컴프레서 전단의 유량을 기준으로 실린더 공기량을 연산하는 단계를 포함하는 실린더 공기량 연산 방법으로서, 본 발명에 의하면, 흡기라인의 압력 변화에 의해 동적인 공기량 오차가 예상되는 경우에도 최대한 정확하게 실린더 공기량을 연산할 수 있게 한다.

Description

실린더 공기량 연산 방법{CALCULATING METHOD OF AN AMOUNT OF NTAKE AIR IN A CYLINDER}

본 발명은 자동차 엔진 실린더의 흡기량을 연산하는 방법에 관한 것이다. 특히 배기가스 재순환장치를 구비한 시스템에 적용되는 연산 방법이다.

최근에는 자동차 엔진의 연비 향상을 위해 배기가스 재순환 장치(EGR, Exhaust Gas Recirculation)가 개발되어 적용되고 있다.

배기가스 재순환 장치(EGR)는 배기가스 내의 NOx를 저감하는 한 방법으로, 불활성인 배기가스의 일부를 흡입 계통으로 재순환시키고, 엔진에 흡입되는 혼합 가스에 혼합되어서 연소 시의 최고 온도를 내려 NOx의 생성을 적게 하는 장치이다.

더불어, 운전성 확보를 위해 흡기 온도, 냉각수 온도, 차속이나 변속 기어 위치를 감지하여 운전 상태에 따라 가장 적합한 제어 하에서 배기가스의 일부를 흡입관으로 재순환시키도록 제어된다.

즉, 도 1에서 참조되는 바와 같이, EGR 기술은 실린더(10)에서 배기된 배기가스를 메인 촉매(20, MCC) 후단에서 취득하여 컴프레서(30, Compressor) 전단에 전달하도록 구성되는 시스템이며, 상대적으로 대기압에 가까운 낮은 압력에서 가스 전달이 이루어지므로, LP(Low Pressure)라는 수식을 붙여 LP-EGR 기술이라 한다.

나아가, LP-EGR 시스템에서 EGR을 통해 많은 가스를 전달하기 위해서는 EGR 밸브(41) 하류의 압력이 상류의 압력보다 작게 형성되어야 하나, 메인 촉매(20) 후단과 컴프레서(30) 전단의 압력은 거의 대기압 수준으로 낮게 형성되므로, EGR 밸브(41) 상류와 하류의 압력 차이가 크게 나지 않는 경우가 있다.

그래서, 이러한 경우 EFR 하류의 압력을 낮게 형성하여 차압을 생성하기 위해 컴프레서 전단에 차압 생성 밸브(42, DPV, Differential Pressure Valve)가 적용될 수 있다. 이는 차압이 필요한 경우 차압 생성 밸브(42)를 닫힘 방향으로 제어하여 컴프레서(30) 전단에 부압을 형성하는 방식이다.

한편, 가솔린 엔진은 이론 공연비로 제어가 되는 것이 기본이기 때문에 공기량의 정확한 연산이 무엇보다 중요하다. 공기량 오차가 발생될 경우, 동력 성능뿐만 아니라 연비에도 큰 손실을 가져오게 된다.

도 1과 같은 시스템에서의 공기량의 연산은 MAF 센서(51, Mass Air Flow sensor)의 측정 유량을 사용하여 흡기 매니폴드 압력을 모델링하고, 해당 압력을 기준으로 실린더 공기 충전량을 연산하게 된다.

그런데, 이러한 구조의 공기량 모델에서는 동적 상태(transient condition)의 공기량 모델 오차가 발생될 가능성이 있다. 특히, 차압 생성 밸브(42)와 같이 흡기 라인에서의 압력 변화를 유도하는 시스템이 적용되는 경우에는, 동적(transient) 공기량 모델의 오차가 크게 벌어질 수가 있다.

그래서, transient 공기량 모델이 정확하지 않으면 순간적으로 lean peak 나 rich peak를 유발할 수 있으며, 연비 측면에서 크게 손실을 볼 수가 있다.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

한국등록특허공보 제10-0440163호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 흡기라인의 압력 변화에 의해 동적인 공기량 오차가 예상되는 경우에도 최대한 정확하게 실린더 공기량을 연산할 수 있는 실린더 공기량 연산 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 관점에 의한 실린더 공기량 연산 방법은, 흡기 라인의 컴프레서 전단의 압력 변화를 감지하는 단계, 상기 압력 변화를 감지하는 단계에 의해 압력 변화가 감지되면, 압력 편차를 기준으로 동적 유량 값을 연산하는 단계, 상기 동적 유량 값을 반영하여 상기 컴프레서 전단의 유량을 연산하는 단계 및 상기 컴프레서 전단의 유량을 기준으로 실린더 공기량을 연산하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 컴프레서 전단의 압력 변화를 감지하는 단계는 상기 컴프레서 전단에 구비되는 차압 생성 밸브의 동작에 의한 압력 변화를 감지하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 컴프레서 전단의 압력 변화를 감지하는 단계는 상기 차압 생성 밸브와 상기 컴프레서 간에 구비되는 압력 센서에 의해 감지하는 것을 특징으로 한다.

보다 구체적으로, 상기 동적 유량 값을 연산하는 단계는, 상기 컴프레서 전단의 측정 압력 기울기를 추출하는 단계 및 상기 압력 기울기를 기준으로 이상기체 상태 방정식을 적용하여 총 유량 변화량(delta mass flow)을 연산하는 단계를 포함한다.

그리고, 상기 컴프레서 전단의 유량을 연산하는 단계는, 상기 총 유량 변화량을 MAF 센서(Mass Air Flow sensor) 측정 유량에서 차감하여 컴프레서 입력 유량을 계산하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 MAF 센서는 상기 컴프레서 전단의 차압 생성 밸브 전단에 구비되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 동적 유량 값을 연산하는 단계 전, 상기 압력 변화를 감지하는 단계에 의해 감지되는 압력 변화가 설정값보다 과도한지 여부를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 동적 유량 값을 연산하는 단계는 상기 압력 변화가 설정값보다 과도하지 않은 경우 수행하는 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 압력 변화가 설정값보다 과도한 경우, 상기 컴프레서 후단의 쓰로틀 통과 유량 모델을 사용하여 공기량을 연산하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 쓰로틀 통과 유량 모델을 사용하여 공기량을 연산하는 단계는, 배기가스 재순환 유로에 구비되는 EGR 밸브 통과 유량 모델과 MAF 센서(Mass Air Flow sensor) 측정 값 사이의 비율로 상기 배기가스 재순환 유로 성분을 제외하여 연산하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 MAF 센서는 상기 컴프레서 전단의 차압 생성 밸브 전단에 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실린더 공기량 연산 방법에 의하면 DPV 적용에 따라 흡기라인의 압력 변화에 의해 동적인 공기량 오차가 예상되는 경우에도 최대한 정확하게 실린더 공기량을 연산할 수 있게 한다.

즉, DPV의 동작에 의해 컴프레서 전단 압력 변화가 발생될 경우, 압력 변화를 기준으로 공기량의 동적 모델을 통해 최종 공기량 모델의 오차를 보완 가능하게 한다.

따라서, 본 발명의 동적 공기량 모델 보정을 통해 최대한 정확한 공기량을 모델링하여, 연비 효과를 극대화하고, 동력 성능 및 운전성 측면에서도 긍정적인 효과를 볼 수가 있다.

도 1은 본 발명의 실린더 공기량 연산 방법이 적용되는 흡기 계통을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실린더 공기량 연산 방법을 순서적으로 도시한 것이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실린더 공기량 연산 방법이 적용되는 흡기 계통을 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 실린더 공기량 연산 방법을 순서적으로 도시한 것이다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 실린더 공기량 연산 방법을 설명하기로 한다.

본 발명은 배기가스 재순환 장치 및 차압 생성 밸브가 적용된 시스템에서, 컴프레서(30) 전단 압력 변화가 발생될 경우, 압력 변화를 기준으로 공기량의 동적 모델을 통해 최종 공기량을 연산하기 위한 것이다. 컴프레서(30) 전단의 압력 변화는 차압 생성 밸브(42)의 동작에 의해서 발생할 수 있으며, 그 외 컴프레서(30) 전단에 구비되는 추가 밸브에 의해 발생할 수도 있다.

실린더 충전량(Charg_Ld)은 다음 식에서 참고되는 바와 같이, 흡기 매니폴드의 압력값(P_s)과 흡기 밸브가 닫히는 시점의 실린더 체적(V_H), 흡배기 밸브의 열림/닫힘 시점 등을 기준으로 모델링된다.

여기서, irg는 Inert Residual Gas, s는 Surge tank(또는 인매니), thr은 Throttle valve를 의미한다.

EGR이 적용된 시스템에서는 EGR 가스가 제외된 신기 성분만을 고려하기 위해 MAF 센서(51) 측정 유량을 토대로 인매니 압력을 모델링하게 되고, 해당 모델 압력을 실린더 충전량으로 변환하여 공기량을 연산하게 된다.

그러나, 차압 생성 밸브(42) 후단과 컴프레서(30) 전단의 압력은 차압 생성 밸브(41) 동작의 영향에 의해 실시간으로 변경이 된다.

이러한 압력의 변동은 해당 계의 입력과 출력 유량의 차이를 유발시키게 된다.

해당 압력의 변화는 압력 센서(52) 측정값으로 실시간 확인이 가능하며, 아래와 같이 정의되는 수식을 토대로 이상기체 상태 방정식을 통해 압력의 변화량을 유량의 변화량으로 환산할 수가 있다.

그러면, 이렇게 환산된 유량을 반영하여 차압 생성 밸브(42) 후단의 유량을 보정함으로써 동적 상태의 공기량을 모델링할 수 있게 된다.

한편, 차압 생성 밸브(42)가 과도하게 변경되어 후단의 모델 공기량이 부정확하다고 판단될 경우에는, 복잡한 압력 변화를 통과한 쓰로틀 밸브(43)의 통과 유량 모델로 전환하여 모델의 오차를 회피하는 방법을 적용할 수 있다.

즉, EGR 밸브(41) 통과 유량 모델과 MAF 센서(51) 유량의 비율을 통해서 쓰로틀 통과 유량의 구기 성분을 제외하여 외기로 인지하도록 연산하는 것이다.

본 발명은 이상에서 언급한 바와 같이, 차압 생성 밸브(DPV)의 동작에 의해 압력 변동이 발생되고, 이로 인해 공기 유량 모델의 오차가 예상되는 경우에 모델링 오차가 최소화되도록 제어하는 것이다.

도 2를 참조하여 순서적으로 설명하면, 먼저 운전 중 EGR 유량을 제어하기 위해 차압 생성 밸브(42, DPV)가 동작되면, 그에 따라 컴프레서(30) 전단의 압력 값이 큰 폭으로 변경되게 된다.

이와 같이 운전 중 차압 생성 밸브 동작으로 압력 변화가 발생하였는지를 컴프레서(30) 전단의 압력 센서(52)를 통해 감지한다(S10).

그러면, 압력 센서(52)에 의해 감지된 압력 변화가 과도한지 여부를 정해진 설정값에 따라 판단한다(S20).

S20 판단 결과, 압력 변화가 발생하였으나 과도하지 않은 경우, 압력 편차 기준으로 이상기체방정식을 통해 동적 유량 모델에 의한 연산을 실시한다(S30).

즉, 앞서 살펴본 바와 같이, 컴프레서(30) 전단의 측정 압력 기울기(dP)를 추출한다. 그리고, 압력 편차와 유량 편차가 비례하므로 추출된 압력 기울기를 기준으로 이상기체 상태 방정식을 적용하여 총 유량 변화량(delta mass flow, dm)을 연산한다.

다음, 컴프레서 전단 유량 연산시 동적 유량 값을 반영한 후(S40), 보정된 값을 기준으로 공기량을 연산한다(S50).

즉, S30에서 연산된 delta mass flow를 MAF 센서(51) 측정 유량에서 차감하여, 보정된 값을 기준으로 컴프레서 입력 유량(

)을 계산한다.

반면, S20 판단 결과 압력 변화가 과도한 경우에는 쓰로틀 통과 유량 모델을 사용하여 공기량을 연산한다(S21).

즉, 외기 성분만 고려하기 위해 EGR 밸브(41) 통과 유량 모델과 MAF 센서(51) 측정 값 사이의 비율로 EGR 성분을 제외하여 외기로 인지하도록 연산한다.

EGR 밸브(41)한 유량은 이미 연소된 구기 성분이고, MAF 센서(51)를 통과한 유량은 새로 들어온 신기 성분이며, 쓰로틀 밸브를 통과하는 유량은 구기+신기로 조합된 유량이므로, 이 중 신기 성분만 모델링하기 위해 EGR 밸브(41) 통과 유량 모델과 MAF 센서(51) 측정 유량의 비율을 사용하여 연산하는 것이다.

이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

10 : 실린더
20 : 메인 촉매
30 : 컴프레서
41 : EGR 밸브 42 : DPV 밸브 43 : 쓰로틀 밸브
51 : MAF 52 : 압력 센서

Claims (11)

1. 흡기 라인의 컴프레서 전단의 압력 변화를 감지하는 단계;
   상기 압력 변화를 감지하는 단계에 의해 압력 변화가 감지되면, 압력 편차를 기준으로 동적 유량 값을 연산하는 단계;
   상기 동적 유량 값을 반영하여 상기 컴프레서 전단의 유량을 연산하는 단계; 및
   상기 컴프레서 전단의 유량을 기준으로 실린더 공기량을 연산하는 단계를 포함하는,
   실린더 공기량 연산 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 컴프레서 전단의 압력 변화를 감지하는 단계는 상기 컴프레서 전단에 구비되는 차압 생성 밸브의 동작에 의한 압력 변화를 감지하는 것을 특징으로 하는,
   실린더 공기량 연산 방법.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 컴프레서 전단의 압력 변화를 감지하는 단계는 상기 차압 생성 밸브와 상기 컴프레서 간에 구비되는 압력 센서에 의해 감지하는 것을 특징으로 하는,
   실린더 공기량 연산 방법.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 동적 유량 값을 연산하는 단계는,
   상기 컴프레서 전단의 측정 압력 기울기를 추출하는 단계; 및
   상기 압력 기울기를 기준으로 이상기체 상태 방정식을 적용하여 총 유량 변화량(delta mass flow)을 연산하는 단계를 포함하는,
   실린더 공기량 연산 방법.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 컴프레서 전단의 유량을 연산하는 단계는, 상기 총 유량 변화량을 MAF 센서(Mass Air Flow sensor) 측정 유량에서 차감하여 컴프레서 입력 유량을 계산하는 것을 특징으로 하는,
   실린더 공기량 연산 방법.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 MAF 센서는 상기 컴프레서 전단의 차압 생성 밸브 전단에 구비되는 것을 특징으로 하는,
   실린더 공기량 연산 방법.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 동적 유량 값을 연산하는 단계 전, 상기 압력 변화를 감지하는 단계에 의해 감지되는 압력 변화가 설정값을 초과하는지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는,
   실린더 공기량 연산 방법.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 동적 유량 값을 연산하는 단계는 상기 압력 변화가 설정값을 초과하지 않은 경우 수행하는 것을 특징으로 하는,
   실린더 공기량 연산 방법.
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 압력 변화가 설정값을 초과한 경우, 상기 컴프레서 후단의 쓰로틀 통과 유량 모델을 사용하여 공기량을 연산하는 단계를 더 포함하는,
   실린더 공기량 연산 방법.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 쓰로틀 통과 유량 모델을 사용하여 공기량을 연산하는 단계는, 배기가스 재순환 유로에 구비되는 EGR 밸브 통과 유량 모델과 MAF 센서(Mass Air Flow sensor) 측정 값 사이의 비율로 상기 배기가스 재순환 유로 성분을 제외하여 연산하는 것을 특징으로 하는,
    실린더 공기량 연산 방법.
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 MAF 센서는 상기 컴프레서 전단의 차압 생성 밸브 전단에 구비되는 것을 특징으로 하는,
    실린더 공기량 연산 방법.

Images