KR20020038940A - 배기가스 재순환밸브의 제어방법 - Google Patents

Abstract

배기가스의 재순환계중에 구비한 배기가스 재순환밸브의 구동용 모터에 대해 100% 통전을 일정시간이상 계속해도 개폐밸브가 동작하지 않는다고 판단되었을때는 상기 모터에의 통전을 정지함으로써 모터의 소부사고로 발전하는 것을 방지한다.

Description

배기가스 재순환밸브의 제어방법{METHOD FOR CONTROLLING EXHAUST GAS RECIRCULATION VALVE}

도 1은 엔진 E의 배기통로 a와 흡기통로 b를 연통하는 배기환류통로 c에 EGR밸브의 제어밸브(11)를 배치한 구성도이다. 이 EGR밸브의 제어방법은, 예를 들면 엔진컨트롤유닛(이하 ECU라 칭한다)(51)에 의해 하이브리드 PM형 4상등의 스테핑모터 M를 구동제어하고, 이 스테핑모터 M에 의해 제어밸브(11)를 개폐제어하도록 되어 있고, 그 스테핑모터 M를 스텝 각 단위로 오픈루프제어함으로써, 제어밸브(11)의 개도가 조정된다.

그런데, 이와 같은 스테핑모터 M를 사용한 제어방법은, 스테핑모터 M의 스텝 각 단위로만 제어밸브(11)의 개도를 제어할 수가 없으므로, 제어밸브(11)의 조정개도의 분해능에 한계가 있었다. 또 스테핑모터 M의 오픈루프제어에서는, 탈조현상이 생기는 일이 있으므로 응답성에도 한계가 있고, 또 한번 탈조한 경우에는 제어량에 오차가 발생한대로 이므로 신뢰성이 악화된다는 문제가 있었다.

그래서, 종래의 EGR밸브의 제어방법은, 작동수단에 의해 제어밸브(11)의 폐방향에 소정의 리턴토크를 부여하고, 또 직류모터 M(이하, 모터 M라 칭한다)의 한방향의 구동에 의해, 제어밸브(11)를 개방방향으로 가변하는 모터토크를 부여하고, 이들의 토크밸런스에 의해 제어밸브(11)를 개폐하는 것이다.

그리고 상기 제어밸브(11)의 목표개폐위치에 따른 모터토크를 발생시키도록 상기 모터 M를 오픈루트제어하는 오픈루트제어계와, 상기 제어밸브(11)의 목표개폐위치에 대응하는 입력데이터와 상기 제어밸브(11)의 현개폐위치의 검출데이터와의 편차에 따라, 상기 모터 M를 피드백제어하는 피드백제어계를 구비한 것이 예를 들면 일본국 특개평11-159405호 공보에 기재되어 있다.

우선 이 모터 M를 사용한 구동방식에 대해 설명한다.

제어밸브(11)의 개도를 모터 M에 의해 피드백제어하는 경우, 제어밸브(11)의 개도를 접동저항식과 같은 포지션센서를 사용해서 연속적으로 검지하고, 피드백함으로써, 모터 M의 발생토크를 연속적으로 제어해서 제어밸브(11)의 조정개도의 분해능을 이론상 무한히 작게 할 수가 있다.

이와 같은 모터 M를 사용한 EGR밸브의 제어방법은, 소위 토크밸런스방법을 채용하고, 작동수단으로서의 스프링에 의해 폐쇄방향으로 소정의 리턴토크를 부여하고 또 모터 M의 개방향의 구동에 의해 개방향으로 가변의 모터 M토크를 부여하고 이들의 토크밸런스에 의해 개방밸브위치를 결정한다.

이와 같은 제어방법의 경우, EGR밸브에는, 항상 리턴토크가 부여되게 되므로, 도 2와 같은 플릭션에 의한 히스테리시스를 갖은 라인A,B의 경사에 의해 개폐위치(시프트량)가 변화하게 된다.

여기서, 라인A는 모터토크를 증대시켜서 제어밸브(11)를 열때의 작동특성, 라인B는 모터토크를 감소시켜서 제어밸브(11)를 닫을때의 작동특성이고, 리턴토크를 부여하는 스프링의 스프링정수에 의해 작동특성 A,B의 경사가 변화하고, 그 세트토크의 크기에 의해 동작특성 A,B가 도 2중의 좌우에 시프트한다.

지금, 이 같은 작동특성의 제어밸브(11)를 제어하기 위해, 단지 제어밸브 (11)의 목표개폐위치에 대응하는 입력데이터와 이 제어밸브의 현 개폐위치의 검출데이터와의 편차에 따라 모터를 P(비례) I(적분)제어하는 방법을 채용한 경우를 상정하면, 이 경우에는, 도 2와 같은 작동특성 A,B의 관련으로부터 제어밸브(11)를 목표개구위치에 안정시키는 것이 어렵게 된다.

즉 모터토크를 증대시켜서 제어밸브(11)를 목표개구위치까지 열게하기 위해서는 도 2의 작동특성 A상을 따른 제어를 실행하도록 P게인과 I게인을 증가시켜야만 한다. 그러나 이와 같은 제어하에서, PI제어에 의해 모터토크를 증대시킨 경우에는 제어밸브(11)가 목표개구위치까지 열리자 마자 이 제어밸브의 개구위치의 편차가 "0"이 되어, P성분이 "0", I성분이 클리어되고, 리턴토크에 의해 제어밸브 (11)가 폐쇄되기 시작한다.

이것이 폐쇄되기 시작한 초기단계(소편차시)에서는 P,I성분이 모두 작으므로 모터토크가 리턴토크에 이겨내지 못하고 편차가 커진다. 그 후 편차가 어느 정도 커져서 모터토크와 리턴토크가 균형이 잡혔다고 해도 모터 M의 이너셔 때문에 제어밸브(11)의 폐쇄동작은 급정지가 않되고, 즉시 제어밸브(11)를 열어 동작시킬 수가 없다. 가령, 소편차시에도 비교적 큰 모터토크를 발생시키도록 게인을 크게 한 경우에는 도 3과 같이 오버슈트와 언더슈트의 증가를 초래하는 악순환이 되어 버린다.

이와 같은 사태를 고려해, 모터 M를 사용한 소위 토크밸런스의 구동방식에 의한 제어밸브(11)의 제어방법의 구성을 도 4에서 도 6까지로 설명한다. 도 4에서, 1은 배기가스의 재순환계중에 개재하는 배기환류통로 c의 일부를 이루는 통로가 내부에 형성된 밸브보디이고, 제어밸브(11)가 도면과 같이 상동해서 시트(12)에 접함으로써 배기환류통로 c가 폐쇄되고, 제어밸브(11)가 하동해서 시트(12)로부터 이탈됨으로써 배기환류통로 c가 열린다.

2는 모터 M를 내장하는 모터케이스이다. 이 모터케이스(2)내에서, 21은 코일(22)이 감긴 로터, 23은 마그넷(24)을 구비한 요크이고, 로터(21)의 하단부는 베어링(27)에 의해 밸브보디(1)에 회전이 자유롭게 지지되어 있다.

로터(21)의 내부에는 모터샤프트(31)가 돌려끼워지고, 그 모터샤프트(31)는 보디(1)의 가이드부시(13)에 의해 돌아가는 것을 방지하고 있다. 따라서, 로터 (21)의 회동량에 따라 모터샤프트(31)가 상하동하게 된다. 모터샤프트(31)의 하단에는 밸브샤프트(14)가 당접되어 있고, 그 밸브샤프트(14)의 중간부는 가이드실 (15)과 가이드플레이트(16)에 의해 밸브보디(1)에 상하동이 자유롭게 가이드되고 또 밸브샤프트(14)의 하단에는 제어밸브(11)가 부착되어 있다.

17은 가이드실커버이다. 밸브샤프트(14)의 상단에 부착된 스프링시트(18)와가이드플레이트(16) 사이에는 밸브샤프트(14)를 상방, 즉 제어밸브(11)의 폐방향으로 작동하기 위한 리턴스프링(19)이 개재되어 있다.

이와 같이 구성된 제어밸브(11)는 전술한 바와 같은 토크밸런스방식에 의해 구동된다. 즉 제어밸브(11)는 작동수단으로서의 리턴스프링(19)에 의해 제어밸브 (11)의 폐쇄방향으로 소정의 리턴토크가 부여되고, 또 모터 M의 구동에 의해 개방밸브방향으로 가변의 모터토크를 부여하고, 이들의 토크밸런스에 의해 제어밸브 (11)를 개폐제어한다.

도 5는 모터 M에 제어신호를 공급하는 ECU(51)를 표시하는 회로블록도이고, 50은 모터구동전압을 결정하는 마이크로컴퓨터 형태의 제어부, 52는 배터리, 53은 제어부(50)의 출력을 변환해서 모터 M에 공급하는 모터구동전압변환부이고, 제너다이오드(53a), 모터 M에 흐르는 전류를 한방향만으로 하는 다이오드(53b), FET(전해효과형 트랜지스터)(53c), 제어부(50)와 FET(53c)사이에 설치된 인터페이스(53d)로 구성되어 있다. 56은 제어부(50)의 구동전압(5V)을 확보하기 위한 레귤레이터이다.

제어부(50)에는, 차량 각부에 설치된 센서 예를 들면 크랭크각센서등의 운전상태량센서(57)로부터의 검출신호와 포지션센서(40)로부터의 검출신호가 각각 인터페이스(58),(59)를 통해서 입력된다. 본 예의 포지션센서(40)는, 전압공급부(60)에서 정전압(5V)이 인가되는 저항체(41)상에서 이동하는 가동접점부(42)를 구비하고 있고, 그 가동접점부(42)가 로터(21)의 회동에 따라 이동함으로써, 이 가동접점부(42)로부터 모터샤프트(31)의 이동위치에 따른 전압이 검출신호로 출력된다.

또 상기 모터구동전압변환부(53)는 모터 M에 가하는 전압을 일정주기로 오프시켜 그 1주기당의 온시간과 오프시간의 비(구동듀티)에 따른 PWM신호에 의해 FET(53c)를 스위치동작시켜서, 모터 M에 가하는 평균구동전압을 제어하도록 되어 있다.

도 6은 제어부(50)의 구성도이다. 도 6에서, 61은 운전상태량센서(57)의 검출신호에 따라 제어밸브(11)의 최적한 개폐위치를 구하기 위한 목표위치 연산부이고, 그 목표위치에 대응하는 전압(이하 「목표치」라 칭한다)을 출력한다.

62는 포지션센서(40)의 검출신호를 A/D변환하는 A/D변환부(이하, 「현재치」라 칭한다)를 출력한다.

71은 목표치와 현재치의 가감산부, 63은 목표치와 현재치의 편차에 따라, 비례성분(P성분), 적분성분(I성분)을 합친 PI제어량(전압)을 연산해서 출력하는 PI제어량 연산부, 64는 PI제어량 연산부(63)의 출력에 따라 모터 M에 공급하는 듀티를 연산하는 구동듀티 연산부이다.

다음, 동작에 대해 설명한다.

외부에서 목표치가 부여되면, 포지션센서(40)에서 검출된 현재치와 상기 목표치를 가감산부(71)에서 가감산해서 편차를 구한다. PI제어량 연산부(63)는 얻어진 편차에서 PI제어량을 연산해서 구동듀티 연산부(64)에 출력하고, 구동듀티 연산부(64)는 그 PI제어량에 구동듀티를 연산해서 모터 M에 공급한다.

종래의 배기가스 재순한밸브의 제어방법은, 이상과 같이 구성되어 있으므로, 과잉접합, 먼지등으로 막혀있어, 밸브가 움직이지 않는 경우, 이 밸브샤프트에 당접한 모터샤프트에 움직이지 않게 되어, 모터는 통전전류에 기인해서 이상상태로 발열하고, 소부사고로 발전할 염려가 있으나, 이를 신속하고 또 적절하게 대처할 수가 없다는 과제가 있었다.

본 발명은 상기한 과제를 해소하기 위해 된것으로, 밸브샤프트가 움직이지 않게 되었을때 모터의 소부사고로 발전하는 것을 미연에 방지할 수가 있는 배기가스 재순환밸브의 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

(발명의 개시)

본 발명에 관한 배기가스 재순환밸브의 제어방법은 작동수단에 의해 부여되는 폐쇄밸브방향의 리턴토크가 모터에 의해 부여되는 개방밸브방향의 모터토크의 토크밸런스에 의해 개방밸브위치를 제어하는 배기가스 재순환밸브의 제어방법에서, 상기 모터에 대해, 100% 통전을 일정시간이상 계속해도 개폐밸브가 동작하지 않는다고 판단되었을때는, 상기 모터에의 통전을 정지한다.

이로써, 과잉접촉, 먼지막힘등으로 밸브샤프트가 움직이지 않게 되었을때도 모터의 소부사고로 발전하는 것을 미연에 방지할 수가 있다.

본 발명에 관한 배기가스 재순환밸브의 제어방법은, 상기 모터에 대해 100% 통전을 일정시간이상 계속해도 밸브샤프트가 동작하지 않는다고 판단되었을때는, 상기 모터를 상기한 바와는 역의 방향으로 구동한 후, 다시 원래의 방향으로 구동한다.

이로써, 과잉접촉, 먼지막힘등으로 샤프트가 움직이지 않게 된 경우에도, 먼지막힘등을 해소해서, 다시 밸브샤프트를 구동가능하게 할 수가 있다.

본 발명에 관한 배기가스 재순환밸브의 제어방법은, 정상상태에서는 목표위치를 초과한 개방밸브위치로부터 모터에 대한 구동전류를 서서히 감소시키고, 리턴토크에 의해 폐쇄밸브방향으로 이동시켜서 개방밸브위치를 목표위치에 일치시킨다.

이로써, 적은 구동전류에 의해, 신속하고 또 안정해서 목표위치에 개방밸브시킬 수가 있다.

본 발명에 관한 배기가스 재순환밸브의 제어방법은, 모터급전회로를 개폐하는 ON듀티가 설정치보다 커지면, 상기 모니터급전회로를 개폐하는 구동주파수를 저하시킨다.

이로 인해, 밸브샤프트가 움직이기 힘들어지고, 모터에 대한 구동전력이 증대했을때는 모터급전회로를 개폐회수를 감소할 수가 있어, 이 결과, 스위칭소자의 발열에 의한 손상 및 모터의 소부현상을 미연에 회피할 수가 있다.

본 발명은 배기가스의 재순환계중에 구비되는 배기가스 재순환「이하, EGR (Exhaust Gas Recirculation)이라 칭한다」밸브의 제어방법에 관한 것이다.

도 1은 엔진배기계의 개략 설명도.

도 2는 토크밸런스 구동방식의 EGR밸브에의 모터토크 대제어밸브의 개폐위치의 특성도.

도 3은 시간과 모터샤프트의 동작위치와의 관계를 표시하는 특성도.

도 4는 EGR밸브의 종단면도.

도 5는 모터를 사용한 소위 토크밸런스의 구동방식에 의한 EGR밸브의 제어방법을 실시하는 ECU장치의 구성도.

도 6은 이 ECU에서의 제어부의 구성도이다.

도 7은 본 발명의 제어방버을 설명하는 플로차트.

도 9는 이상시 EGR제어를 설명하는 플로차트.

도 10은 EGR트랜지스터듀티 출력을 설명하는 플로차트.

(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위해, 본 발명을 실시하기 위한 최량의 형태에 대해 첨부한 도면에 따라 이를 설명한다.

실시의 형태 1.

본 발명은 개폐밸브의 한방향(폐쇄밸브방향)에 작동수단으로 리턴토크를 부여하고, 다른 방향(개방밸브방향)에 모터 M로 모터토크를 부여하고, 이 양토크의 토크밸런스에 의해 개폐밸브를 목표위치에 개방밸브시키는 유니폴리구동에 의한 배기가스 재순환밸브의 제어방법에서, 상기 모터 M에 대해 100% 통전을 일정시간이상 계속해도 개폐밸브가 동작하지 않는다고 판단되었을때는 상기 모터에의 통전을 정지하도록 한것이다.

다음 동작에 대해 설명한다. 도 7은 본 발명의 실시의 형태 1의 동작을 설명하는 플로차트, 도 8에서 도 10은 서브플로차트이다. 우선, 도 9에서, 조작량을 연산, 즉 프로세스듀티(P_duty)하고, (스텝 ST1), 이 조작량이 100% 통전(1_0) 또는 비통전(0_0)으로 포화하고 있는지의 여부를 판정해서(스텝 ST2), YES이면, 포화회수(e_count)를 「+1」해서(스텝 ST3), 이 포화회수로 결정되는 시간이 미리 정한 100% 통전하는 시간(E_TIME_UP_1)을 초과하고 있는지를 판정한다(스텝 ST4).

한편, 상기 스텝 ST2의 판정결과가 NO인 경우는 포화회수를 「0」으로 하고(스텝 ST5), 상기 스텝 ST4의 판정이 NO인 경우와 함께, 모터 M의 급전회로를 개폐하는 트랜지스터(스위칭소자)를 ON,OFF시키는 트랜지스터듀티(tr_duty)를 상기한 계산된 프로세스듀티(P_duty)로 하고(스텝 ST6), EGR트랜지스터듀티를 출력한다(스텝 ST7). 또 상기 스텝 ST4의 판정결과가 YES인 경우는, 이상시 EGR제어에 이행한다. 또 상기한 연산주기는, EGR_SAMPLETIME마다에 실행한다.

다음에 상기 동작과정에서의 조작량연산을 설명하는 서브플로차트, 이상시 EGR제어를 설명하는 서브플로차트, EGR트랜지스터듀티출력의 서브플로차트에 대해 설명한다.

도 8은 조작량연산을 설명하는 서브플로차트이고, functin(X)를 target_ position으로 하고, 포지션센서(40)로 검출된 밸브리스트량을 현재치(real_ position)으로 하고, 편차(error_position)을 (real_position)-(target_position)에서 구한다(스텝 ST11~스텝 ST13).

계속해, 하기한 계산식으로부터 조작량의 변화폭(def_duty)계산을 한다(스텝 ST14).

-(error_position)×I_GAIN(적분정수)-(error_position-old_error_position)×P_GAIN(비례정수)

이런 다음, 지난번의 편차치(old_error_position) 대신에 상기 계산으로 구한 편차치(error_position)를 설정하고(스텝 ST15), 이 편차치에 따라 정상판정을 한다(스텝 ST16). 이 경우 예를 들면, 편차치가 오차의 허용범위내에서 상기 트랜지스터듀티의 증가분이 있으면 정상이라고 판정한다. 그리고 판정결과, YES인 경우는, 트랜지스터듀티의 증가분을 「0」으로 하고(스텝 ST17), 프로세스듀티를 설정한다(스텝 ST18).

이 프로세스듀티가 100% 통전 이상인가를 판정하고, YES이면 프로세스듀티를 100% 통전으로 하고, NO이면, 프로세스듀티가 비통전이하인가를 판정해서, YES이면 프로세스듀티가 비통전으로 해서 조작량연산을 끝낸다(스텝 ST19~스텝 ST22).

도 9는 이상시 EGR제어를 설명하는 서브플로차트이고, 우선 포화회수로 정해지는 시간이 미리 정한 100% 통전하는 시간을 3회를 초과하였는지(E_TIME_UP_3)를 판정하고(스텝 ST31), NO이면 포화회수로 결정되는 시간으로 미리 정한 100% 통전하는 시간을 나눈 결과, 나머지가 있는가를 판정하고(스텝 ST32), 나머지가 있는 경우는 트랜지스터듀티=프로세스듀티로 하고, 나머지가 없는 경우는 트랜지스터듀티=1-프로세스듀티로 해서, 포화방향을 반전 즉 모터 M을 역전시킨다(스텝 ST32~스텝 ST34).

한편 스텝 ST31의 판정결과, YES 즉 포화회수로 결정되는 시간이 미리 정한 100% 통전하는 시간을 3회 초과한 경우는, 포화회수로 결정되는 시간을 미리 정한 100% 통전하는 시간을 4회 초과한 것으로 해서, 트랜지스터듀티를 비통전의 값으로 하고 이상시 EGR제어의 동작을 종료한다(스텝 ST35~스텝 ST36).

도 10은, EGR트랜지스터듀티의 출력에 대해서 설명하는 서브플로차트이고, 우선 트랜지스터듀티가 미리 실험적 또는 시뮬레이션에 의해 구해지는 정수인 판정듀티(HI_DUTY_RATE)보다 작은가를 판정해서(스텝 ST41), YES이면, 기본 주파수인 베이스주파수(BASE_FREQUENCY)를 트랜지스터주파수(Tr_frequency)로 하고(스텝 ST42), EGR구동트랜지스터의 구동주파수를 트랜지스터주파수로 하고(스텝 ST43), EGR구동트랜지스터의 구동듀티를 트랜지스터듀티로 한다(스텝 ST44). 또 상기한 판정결과가 NO인 경우는,

BASE_FREQUENCY × (1-tr_duty) / (1 - MOD_DUTY)의 식의 연산결과를 트랜지스터주파수로 해서 스텝 ST43으로 이행한다(스텝 ST45).

이상과 같이, 이 실시의 형태 1에 의하면, 모터에 대해 100% 통전을 일정시간이상 계속해도 개폐밸브가 동작하지 않는다고 판단되었을때는 상기 모터에의 통전을 정지함으로써, 초과접촉번지로 막히는 등으로 밸브샤프트가 움직이지 않게 된 경우에도 모터가 불필요한 통전에 의해 소부사고로 발전하는 것을 미연에 방지 할 수가 있다.

또 모터에 대해 100% 통전을 일정시간이상 계속해도 밸브샤프트가 동작하지 않는다고 판단되었을때는 상기 모터를 반대방향으로 구동한 후, 다시 원래의 방향으로 구동함으로써 초과접촉, 먼지로 막힘등을 해소해서 다시 밸브샤프트를 구동가능하게 할 수가 있다.

또, 정상상태에서는 목표위치를 초과한 개방밸브위치로부터 모터에 대한 구동전류를 서서히 감소시켜, 리턴토크에 의해 폐쇄밸브방향으로 이동시켜, 목표위치에 일치시킴으로써 적은 구동전류에 의해, 신속하고 또 안정되게 개방밸브위치를 목표위치에 일치시킬 수가 있다.

또 모터급전회로를 개폐하는 ON듀티가 설정치보다 크게 되면 상기 모터급전회로를 개폐하는 구동주파수를 저하시킴으로써 밸브샤프트가 움직이기 힘들게 되고, 모터에 대한 급전전력이 증대했을때는 모터급전회로의 개폐회수를 감소시킬 수가 있고, 이 결과, 스위칭소자의 발열에 의한 손상 및 모터의 소부를 미연에 회피할 수가 있다.

상기 각 실시의 형태에서는 PI제어에 대해 설명하였으나, 당연한 일이나 PI제어의 일종이므로 PID제어에 사용해도 된다.

이상과 같이 본 발명에 관한 배기가스 재순환밸브의 제어장치는 배기통로(a)의 배기의 일부를 흡기통로(b)에 되돌리는 것을 엔진의 작동상태의 변화에 신속히 응답해서 실시하는데 적합하다.

Claims (3)

1. 작동수단에 의해 부여되는 폐밸브방향의 리턴토크와 모터에 의해 부여되는 개밸브방향의 모터토크와의 토크밸런스에 의해 개밸브위치를 제어하는 배기가스 재순환밸브의 제어방법에서, 상기 모터에 대해 100% 통전을 일정시간이상 계속해도 개폐밸브가 동작하지 않는다고 판단되었을때는 상기 모터에의 통전을 정지하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환밸브의 제어방법.
2. 제 1항에 있어서, 모터에 대해 100% 통전을 일정시간이상 계속해도 개폐밸브가 동작하지 않는다고 판단되었을때는 상기 모터를 상기 개폐밸브의 폐방향으로 구동한 후, 다시 개방향으로 구동하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환밸브의 제어방법.
3. 제 1항에 있어서, 정상상태에서는 목표위치를 초과한 개밸브위치로부터, 모터에 대한 구동전류를 서서히 감소하고, 리턴토크에 의해 폐밸브방향으로 이동시켜 개밸브위치를 목표위치에 일치시키는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환밸브의 제어방법.