KR102394271B1 - 제어 방법 - Google Patents

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KR102394271B1
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Abstract

본 발명은, 기술적 변수를 제어하기 위한 방법 및 그에 상응하는 제어부에 관한 것이다. 여기서는, 제어부의 틀 안에서 계산되어 적용된 제어 변수의 목표값이 가능한 제1의 값까지의 시간 범위 안에 놓인다. 제1 시점보다 앞에 놓이는 제2 시점에, 제어 변수에 대한 예상 목표값이 동적으로 결정된다.

Description

제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING}
본 발명은, 특히 자동차 내에서의 제어 방법 및 이 방법을 수행하기 위한 제어부에 관한 것이다. 이 방법은 특히 배기가스 재순환 시 공기 유량을 제어하기 위해 이용된다.
배기가스 재순환(EGR)이란, 예를 들어 자동차에 사용되는 내연 기관에서, 유해 물질 배출을 줄이기 위해 사용되는 방법을 말한다. 이 방법에서는, 배기가스의 일부분이 내연 기관의 흡입관으로 역이송됨으로써 연소 최고 온도가 낮아지고, 특히 디젤 엔진의 경우에는 질소 산화물의 양이 줄어든다. 오토 엔진의 경우에는, 배기가스 재순환이 주로 연료 소비를 줄이기 위해 이용된다.
재순환되는 배기가스의 양 및 유입되는 신선 공기의 양 그리고 그와 더불어 실린더 내에서의 연소 시 신선 공기 및 배기가스의 조성은 배기가스 재순환 제어의 범주 안에서 조정된다. 제어 변수로서는 신선 공기 질량이 언급되며, 이 신선 공기 질량에 대해서는 제어 장치 내부에서 계속 이에 적합한 배기가스 비율이 결정된다. 공기 유량을 제어할 때 제어 부재는, 실시예에 따라, 스로틀 플랩(throttle flap), 고압(HP) EGR 밸브, 배기가스 플랩(flap)과 조합된 저압(LP) EGR 밸브 또는 저압(LP)신선 공기 스로틀 또는 LP 3-way 밸브일 수 있다.
디젤 엔진용 배기가스 재순환 제어부에서는, 운전 방법, 작동점 및 시스템 영향에 따라, 요구되는 공기 유량을 설정하기 위해, 제어 부재 중 EGR 밸브 및/또는 LP EGR 밸브를 완전히 폐쇄하고, 제어 부재 중 스로틀 플랩(배기가스 플랩/LP 신선 공기 스로틀)을 개방하는 것이 필요하다. 이와 같은 경우들에서는, 적용된 설정 공기 유량이 물리적으로 최대로 도달할 수 있는 공기 유량보다 크다. 부분적으로는, 최대로 가능한 공기 유량의 설정을 보장하기 위해, 설정 공기 유량도 물리적으로 도달할 수 없는 높은 값에 맞추어 적용된다. 이와 같은 경우는 예컨대 배기가스 재순환이 능동적이지 않은, 차량이 더 높은 부하로 가속되는 경우에 해당한다.
이 경우, 현재 공기 유량은 최대로 가능한 공기 유량에 따라 변동된다. 이와 같은 최대로 가능한 공기 유량이 적용된 설정 공기 유량을 재차 초과하자마자, 그때 비로소 목표값의 조절을 시도하는 조절부를 위해 유효한 목표값이 인가된다. 다른 무엇보다도 용적 저장 효과에 의해 야기되는 시스템 관성으로 인해서 또는 제어 부재가 정지 마찰에 의해 밸브 시트(valve seat) 혹은 스토퍼(stopper)로부터 아주 서서히 떼어질 수 있는 경우에는, 완벽하게 설정된 제어기에 의해서도 공기 유량 오버슈팅이 발생한다. 이와 같은 공기 유량 오버슈팅은 NOx-배출의 상승을 야기하며, 이러한 상황은 배출 관련 법규의 관점에서 부정적으로 작용한다. 이와 같은 오버슈팅은 불가피한데, 그 이유는 목표값이 물리적으로 조절 가능한 범위 안으로 강하하는 경우에 비로소 제어기가 반응할 수 있기 때문이다.
특성 맵에 기반을 둔 구조들의 적용을 통해서는, 다시 말해 현재 목표값 구조의 이용을 통해서는 오버슈팅을 피할 수 없는데, 그 이유는 최대로 가능한 공기 유량의 물리적인 한계가 엔진의 충전 압력, 온도, 공기 효율(air efficiency), 수명에 걸친 시스템 변동 및 운전자 특성과 같은 시스템 변수에 의해 동적으로 영향을 받아서 정확하게 검출될 수 없기 때문이다. 그와 달리, 적용된 목표값들은 꾸준히 도출된다.
상기와 같은 내용을 배경으로 해서, 청구항 1의 특징들을 갖는 방법 및 청구항 10에 따른 제어부가 소개된다.
실시예들은 종속 청구항들 및 상세한 설명에 제시된다.
소개된 방법은 기술적 변수, 특히 자동차 내에서의 기술적 변수를 제어하기 위해 이용된다. 이 방법은, 제어부의 범주 안에서 계산되어 적용된 제어 변수의 목표값이 제1 시점까지의 시간 범위 안에서 물리적으로 가능한 값 위에 놓이는 경우에는 항상 적용될 수 있으며, 그 결과 상기 시간적인 범위 안에서 제어 변수의 제한이 수행된다. 이제, 제어 변수 제한을 제1 시점보다 앞에 놓이는 제2 시점에 이미 끝내고, 제어 변수에 대한 예상 목표값을 동적으로 결정하는 점이 제공된다.
이 방법은 이하에서 배기가스 재순환 시 공기 유량 제어와 연계해서 기술된다. 하지만, 소개된 이 방법은 이와 같은 적용예에만 한정되는 것이 아니라 오히려 다른 여러 분야에서도 마찬가지로 사용될 수 있다. 따라서, 이 방법은 충전 압력 제어를 위해서도 사용될 수 있다.
이 방법은 기본적으로, 제어 시 물리적으로 불가능한 목표값이 계산되거나 사전에 결정되는 경우에는 항상 적합하다. 목표값 거동을 예상할 수 있는 제어 시 이 방법을 사용하는 것이 제공된다. "예상할 수 있는"이라는 표현은 예를 들어 가속 단계가 항상 끝을 갖는다는 것을 의미한다.
계산된 목표값이 물리적으로 불가능한 경우에는 항상, 최대 또는 최소 목표값을 사전에 결정하는 제어 변수 제한이 수행된다. 이 경우, 제어 변수 제한이 존재하는 시간 범위 안에서, 통상적으로 이 범위를 벗어나기 직전에 상기 제어 변수 제한을 끝내고, 제어 변수에 대한 예상 목표값을 계산하며, 이 목표값을 제어부 내부에 입력하는 것이 제공된다.
이와 같은 방식에 의해서는, 예를 들어 도면과 연계해서 앞으로 본 명세서에서 추가로 설명될 오버슈팅과 같은 불리한 작용이 방지될 수 있다.
한 실시예에서는, 이 방법이 사전에 이미 시스템 관성에 의해 규정된 시간만큼 물리적으로 최대의 공기 유량값으로부터 그리고 이로써 제한으로부터 벗어나는 보정된 공기 유량 목표값의 예견 또는 예상을 가능하게 함으로써, 결과적으로 제어기가 더 빨리 작동되거나 제어 변수 제한을 벗어나고, 공기 유량 실제값은 오버슈팅 없는 원래의 목표값에 맞추어 조정된다.
특히 바람직한 사실은 NOx-피크가 피해질 수 있다는 것이며, 이와 같은 사실은, EU 표준 및 US 표준을 토대로 하는 여러 나라에서 현재의 그리고 미래의 법적인 규정을 준수하도록 도와준다. 언급된 특성은 OBD 배출 인증 사이클(OBD: On-Board-Diagnose)에서 자주 나타나고, WLTC 또는 RDE(Real Driving Emission)와 같은 미래의 인증 사이클에서 요구되는 더 높은 동특성에 의해서 증가할 것이며, 이로써 질소 산화물 배출을 줄이기 위해 반드시 필요하다.
또한, 오버슈팅의 회피를 통해 이후에 더 나은 제어 거동이 가능해지는데, 이는 그렇지 않은 경우에 발생하는 큰 공기 유량 오버슈팅의 보상을 위해 제어기 이득(gain)이 증가할 필요가 없기 때문에, 차후의 공기 유량 오버슈팅이 회피될 수 있기 때문이다.
소개된 방법은 배기가스 재순환의 제어에만 한정되지 않는다. 배기가스 재순환의 제어는, 제어 시 물리적으로 불가능한 목표값이 사전 설정된 경우에는 항상 사용될 수 있다. 따라서, 상기 방법은 예를 들어 충전 압력의 제어 시에도 사용될 수 있다.
소개된 제어부는 특히 전술한 방법을 수행하도록 설계되고, 제어 변수의 목표값의 적응 및 그에 따른 참조 변수의 적응을 제공한다.
도 1은 배기가스가 재순환되는 내연 기관을 개략도로 보여준다.
도 2는 제어 변수 제한의 종료 시 공기 유량 제어부의 거동을 그래프로 보여준다.
도 3은 제어 변수 제한의 조기 종료를 위한 예상 목표값의 계산을 그래프로 보여준다.
본 발명은, 실시예들을 참조하여 각각의 도면에 개략적으로 도시되어 있고, 이하에서 이들 도면을 참조하여 상세하게 설명된다.
도 1은, 배기가스 재순환 시스템(12)을 구비한 내연 기관(10)을 개략도로 보여준다. 본 경우에 4개의 실린더(14)를 구비한 디젤 엔진으로서 형성되어 있는 내연 기관(10)은 가속 페달의 작동을 이용해서 운전자로부터 토크 요구(mF 16)를 수신하고, 회전수(n 20)를 제공한다.
본 실시예에서, 배기가스 재순환 시스템(12)은 고압 배기가스 재순환부(30)(HP EGR) 및 저압 배기가스 재순환부(32)(LP EGR)를 포함한다. 고압 배기가스 재순환부(30) 내에는, 바이패스(36) 및 HP EGR 밸브(38)를 갖춘 HP 냉각기(34)가 제공되어 있다. 저압 배기가스 재순환부(32)는 바이패스(42) 및 LP EGR 밸브(44)를 갖춘 LP 냉각기(40)를 포함한다. 또한, 본 도시 예는 소음기(50), 배기가스 플랩(52), 디젤 입자 필터(54), 촉매 변환기(56), 그리고 터빈(60) 및 압축기(62)를 갖춘 터보 차저(58)를 보여준다. 더 나아가, 본 도면은 공기 필터(72), 신선 공기 유량 측정기(74), 신선 공기 스로틀(76), 충전 공기 냉각기(78) 및 스로틀 플랩(80)을 갖춘 신선 공기 공급부(70)를 보여준다.
HP EGR 밸브(38), LP EGR 밸브(44), 배기가스 플랩(52) 또는 신선 공기 스로틀(76) 및 스로틀 플랩(80)은 공기 유량을 제어하기 위한 배기가스 재순환 시스템(12)의 제어 부재이다.
주목해야 할 사실은, 실제 적용에서는 통상 신선 공기 스로틀(76) 또는 배기가스 플랩(52)이 사용된다는 것이다.
도 2에는, 최대로 가능한 공기 유량을 사용하는 전형적인 가속 단계에서의 시간에 따른 거동이 도시되어 있으며, 이 단계 다음에서는 적용된 설정 공기 유량이 최대로 가능한 공기 유량을 초과한다. 본 도시 예는 물리적으로 최대로 가능한 공기 유량(100)의 거동, 현재의 실제 공기 유량(102)의 거동, 목표값 형성(104)으로부터 적용된 설정 공기 유량의 거동을 보여준다. 목표값 형성(104)으로부터 적용된 설정 공기 유량의 거동이 물리적으로 최대로 가능한 공기 유량(100)의 거동을 초과하면, 이 값은 설정될 수가 없다. 그로부터, 도면 부호 "108"로 표기되어 있는, 제어를 위해 물리적으로 가능한 공기 유량 목표값의 범위가 나타난다.
이와 같은 제어 방식에서는, 실제 공기 유량(102)의 오버슈팅(110)이 나타나는데, 그 이유는, 적용된 설정 공기 유량이 최대로 가능한 공기 유량 아래로 떨어진 후에는, 제어기가 제1 시점(112)에 비로소 설정 제한으로부터 벗어나기 때문이다. 그렇기 때문에, 소개된 방법에서는, 본 실시예에서 시스템으로부터 기인하며 본 도면에 파선(115)으로 표시되어 있는 오버슈팅을 갖는, 도출된 실제값이 최초에 적용된 목표값에 가깝게 진행하도록, 제어기를 제2 시점(114)에 이미 일시적으로 작동시키기 위해, 최대로 가능한 목표값보다 작은 공기 유량 목표값의 계산이 더 이른 제2 시점(114)에 이루어진다. 이와 같은 공기 유량 목표값 거동은 도면 부호 "116"으로 표기되어 있다.
이와 같은 해결책은 도 3에 상세하게 설명되어 있다. 본 실시예에 따라, 시스템으로부터 기인하는 오버슈팅을 갖는, 도출되는 실제값이 최초에 적용된 목표값에 가깝게 이 목표값을 따라 진행하도록 제어기를 일시적으로 작동시키기 위해, 최대로 가능한 목표값보다 작은 공기 유량 목표값의 계산이 이루어진다.
도 3은, 제어 변수 한계를 더 빨리 벗어나기 위해 예상된 목표값의 가능한 계산을 보여준다. 본 도시 예는, 적용된 설정 공기 유량(150)의 거동, 물리적으로 최대로 가능한 설정 공기 유량(152)의 거동 및 예상되는 설정 공기 유량(154)의 거동을 보여준다.
계산 및 예상되는 공기 유량 목표값으로의 전환은 다음과 같이 이루어진다:
제1 단계에서는, 최대 공기로부터의 시간상 너무 이른 이탈 및 이로써 카본 블랙 배출의 증가와 결부된 너무 적은 공기 유량을 피하기 위해, 릴리스 조건/활성화 조건이 작성된다.
물리적으로 최대로 가능한 공기 유량(152)에 대한 적용된 설정 공기 유량(150)의 간격(델타_m 160)이 적용 가능한 한계값보다 작아야 하는 점이 준수되어야 한다. 또한, PT1-필터링되고 물리적으로 유효한 설정 공기 유량의 제2 접선(164)과, PT1-필터링되어 적용된 설정 공기 유량의 제1 접선(162)의 교차점은 적용 가능한 시간격(델타_t 166) 내에 놓인다. 또한, 적용된 설정 공기 유량은 물리적으로 최대로 가능한 공기 유량보다 크다. 또한, 물리적으로 최대로 가능한 공기 유량의 최소 증가가 나타난다.
제2 단계에서는 예상 목표값의 동적 계산이 실시된다. 전술한 릴리스 조건이 충족된 경우, 예상 설정 공기 유량(
Figure 112016012287506-pat00001
=
Figure 112016012287506-pat00002
)과 현재 시점(t_Strt 170)의 시작값이 저장된다. 예상 설정 공기 유량은 하기의 1차 방정식,
Figure 112016012287506-pat00003
으로서 작성되며, 이 경우 증가는 설정 공기와 물리적으로 최대인 공기 유량과 예상 지평선(
Figure 112016012287506-pat00004
)의 차로부터 구해진다.
상기 방정식에서:
Figure 112016012287506-pat00005
는 1차 방정식의 시작값이며,
Figure 112016012287506-pat00006
은 시점(t_Strt 170)에서 물리적으로 가능한 설정 공기 유량이다.
제3 단계에서는, 적용된 목표값으로의 역전환이 이루어진다. 이와 같은 역전환은, 기간이 적용 가능한 예상 지평선을 초과하거나, 예상 목표값이 적용된 목표값을 초과하거나, "릴리스 조건"으로서 언급된 제1의 두 가지 조건이 선택적으로 더 이상 충족되지 않은 경우에 곧바로 이루어진다.
한계값을 적용할 때에 유의해야만 할 사실은:
변수(델타_m 및 델타_t)가 함수로서 최대 공기의 변화량에 따라 그리고 이로써 예상될 오버슈팅에 따라 적용될 수 있다는 것이다. 또 다른 영향 요인들은 보정으로서, 예컨대 특성 곡선 혹은 특성맵으로서 고려될 수 있다.
예상 목표값(
Figure 112016012287506-pat00007
)은 다양한 형태를 취할 수 있는데, 예를 들면 전술된 바와 같이 1차 방정식으로서, 또는 2개 접선의 교차점의 PT1 필터링 혹은 PT2 필터링된 값으로서 존재할 수 있다.
이 방법에서는 일련의 대안들을 생각할 수 있다:
따라서, 이용은 기본적으로 제어 부재의 개수와 무관하게, 예컨대 특히 LP EGR 시스템을 위해서도, 또는 예를 들어 물리적으로 가능한 목표값보다 큰 목표값이 적용될 수 있고, 이로써 제어 변수가 제어 변수 한계 안에 있으며, 시스템이 자체 관성에 의해서 목표값을 초과할 수 있는 충전 압력 제어 또는 자동차 분야 이외의 시스템과 같은 다른 시스템 내 모든 제어를 위해서도 사용될 수 있다.
목표값 접선은 공기 유량과 상관 관계에 있는 다른 시스템 변수, 예를 들어 엔진 회전수, 충전 압력 및 배기가스 온도를 토대로 해서 계산 또는 보정될 수 있다.
실제의 물리적인 특성을 더 정확하게 시뮬레이션하기 위해, 예상 목표값은 직선으로서 형성될 수 있을 뿐만 아니라, PT1 또는 PT2로서도 형성될 수 있다.
소개된 방법이 갖는 장점은, 시스템 관성을 고려함으로써 NOx-증가가 피해질 수 있다는 것이며, 이와 같은 사실은 현재의 그리고 미래의 배기가스-관련 법규의 준수를 위해 상당한 기여를 한다. 이와 같은 상황은, 보정된 공기 유량 목표값이 예견될 수 있되, 특히 제어될 공기 유량이 시스템으로부터 기인하는 오버슈팅에 의해서 최초 목표값에 맞추어 설정되는 방식으로 예견될 수 있음으로써 달성된다. 이때에는 목표값 형성으로의 개입이 실행되기 때문에, 이 방법은 후속하는 폐회로 제어 또는 개회로 제어 방식과 무관하다.
이 방법은, 제어를 위해 이용되는 목표값이 시간상으로 지나치게 빨리 벗어나는 것을 방지하기 위해, 제어를 위해 이용되는 목표값이 한계로부터 벗어나기 시작하는 간격의 자유로운 규정 및 예상 목표값을 위한 시간 지평선의 자유로운 규정을 가능하게 한다. 또한, 예를 들어 도 3에서 알 수 있는 바와 같이 간격, 경도 및 예상 지평선으로 이루어지는 예상의 간단한 파라미터화가 이루어진다. 이 방법의 실시를 위해 필요한 저장 수요는 적은데, 그 이유는 특성 맵을 토대로 하는 목표값 보정이 전혀 실행되지 않기 때문이다.
주목해야 할 사실은, 소개된 방법이 최대로 가능한 공기 유량 제어 변수에 정확하게 제한되는 공기 유량 목표값에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 오프셋을 뺀 물리적으로 제한된 목표값에도 적용될 수 있음으로써, 결과적으로 제한된 목표값이 물리적으로 가능한 값보다 작다는 것이다. 따라서, 제어 부재는 더 이상 일정한 한계 안에 있지 않고, 오히려 이 한계가 예를 들어 적용된 최소 EGR율에 의해서 연속으로 확정된다.
이때 고려해야만 할 사실은, 적용된 공기 유량 목표값이 최대로 가능한 값보다 크더라도, 최소 EGR율이 요구된다는 것, 더 상세하게 말하자면 항상 "약간의" 배기가스가 재순환된다는 것이다. 다시 말해, x%만큼 최대로 가능한 제어 변수 아래에 놓여 있는 목표값이 제어부에 사전에 제공된다. 이 경우에 제어 부재가 일정한 한계/제어 변수 한계 안에 놓여 있지 않아서 최대로 가능한 목표값보다 작은 목표값이 제어부에 사전에 제공된다 하더라도, 최초에 적용된 목표값이 오프셋을 뺀 최대로 가능한 목표값보다 크기만 하면, 시스템 관성에 의해서, 예를 들어 용적 저장 효과에 의해서 나타나는 오버슈팅을 줄이기 위해서는, 추후에 당연히 간격을 뺀 최대로 가능한 목표값으로부터 벗어나는 예상된 목표값으로의 전환이 장점이 될 수 있다. 이 경우에는 제어 부재 한계를 조기에 벗어나는 것은 더 이상 중요치 않으며, 오히려 간격과 연관된 물리적으로 최대인 목표값이 미래에 예상될 적용된 목표값의 방향으로 조기에 전환되는 것이 중요하다.

Claims (11)

  1. 기술적 변수를 제어하기 위한 방법으로서,
    상기 제어의 범주 안에서 계산되어 적용된 제어 변수의 목표값(104, 150)이 제1 시점(112)까지의 시간 범위 안에서 물리적으로 가능한 값(100, 152) 위에 놓이며,
    상기 제1 시점(112)보다 앞에 놓이는 제2 시점(114)에, 제어 변수에 대한 예상 목표값(154)이 동적으로 결정되는, 기술적 변수의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제2 시점(114)까지의 시간 범위 안에서 제어 변수의 제한이 이루어지고, 제어 변수 제한은 제2 시점(114)에 끝나는, 기술적 변수의 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 릴리스 조건들이 체크되는, 기술적 변수의 제어 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 예상 목표값(154)은 1차 방정식에 의해 산출되는, 기술적 변수의 제어 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 배기가스 재순환 시스템(12)에서 공기 유량을 제어하기 위해 사용되는, 기술적 변수의 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서, 고압 배기가스 재순환부(30) 및 저압 배기가스 재순환부(32)를 갖춘 배기가스 재순환 시스템에서 사용되는, 기술적 변수의 제어 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 충전 압력의 제어를 위해 사용되는, 기술적 변수의 제어 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 예상 목표값(154)이 적용된 목표값(104, 150)을 초과하는 경우에는, 적용된 목표값(104, 150)으로의 역전환이 이루어지는, 기술적 변수의 제어 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 릴리스 조건들 중 적어도 하나의 조건이 더 이상 충족되지 않는 경우에는, 적용된 목표값(104, 150)으로의 역전환이 이루어지는, 기술적 변수의 제어 방법.
  10. 제어 변수의 목표값의 적응이 수행되는, 기술적 변수의 제어를 위한 제어부로서,
    상기 제어부의 범주 안에서 계산되어 적용된 제어 변수의 목표값(104, 150)이 제1 시점(112)까지의 시간 범위 안에서 물리적으로 가능한 값(100, 152) 위에 놓이며,
    상기 제어부는, 상기 제1 시점(112)보다 앞에 놓이는 제2 시점(114)에, 제어 변수에 대한 예상 목표값(154)을 동적으로 결정하도록 구성되는, 기술적 변수를 제어하기 위한 제어부.
  11. 제10항에 있어서, 제2 시점(114)까지의 시간 범위 안에서 제어 변수의 제한이 이루어지며, 이때 제어부는 제어 변수 제한을 제2 시점(114)에 끝내도록 구성되는, 기술적 변수를 제어하기 위한 제어부.
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