KR20040026832A

KR20040026832A - 가변 형상 터보 차저 엔진에서 이지알 제어 방법

Info

Publication number: KR20040026832A
Application number: KR1020020058438A
Authority: KR
Inventors: 신범식
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2004-04-01

Abstract

본 발명은 가변 형상 터보 차저 엔진에서 EGR 제어를 행함에 있어서, VGT 의 영향을 고려한 공기 유량 관련식을 적용하여 VGT 영향에 의한 EGR 변동을 독립적으로 분리하여 가버너 변수를 설정할 목적으로;

공기 요구량을 설정하는 단계와; 실제 공기량을 입력받은 다음, 가변 형상 터보차저의 영향을 고려한 실제 공기량을 산출하는 단계와; 공기 요구량과 실제 공기량에 따른 시간 지연 상수 대비 보상 시간 상수를 연산하여 이지알 제어 값을 산출하여 해당 제어신호를 출력하는 단계로 이루어져 있어서, 가변 형상 터보 차저의 영향에 따른 공기량에 의해 EGR 파이프를 통한 유량 교란분 만큼을 보상하여 실제 EGR 밸브 및 파이프만의 제어 값을 얻음으로서, 정확한 EGR 제어의 안정성 및 응답성을 향상시킬 수 있다.

Description

가변 형상 터보 차저 엔진에서 이지알 제어 방법{a method for EGR governor controling at variable geometry turbo charger in diesel engine}

본 발명은 가변 형상 터보 차저(variable geometry turbo charge : 이하 VGT 라 칭함) 엔진에서 이지알(이하 EGR 이라 칭함) 제어 방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 가변 형상 터보 차저의 영향을 고려하여 상기 가변 형상 터보 차저에 의한 공기량 변동을 독립적으로 분리하여 이지알 가버너의 변수를 설정하고 이에 따라 이지알 제어를 수행하기 위한 가변 형상 터보 차저 엔진에서 이지알 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 EGR(50)은 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 엔진에서 배출되는 연소가스를 엔진 흡기 측으로 재순환시켜 NOx를 저감시키기 위한 장치이며, VGT(20)는 터보차저 터빈 측의 유동 면적을 조절하여 공기 압축 압력을 제어하는 장치로고 출력 엔진에 최근 적용이 늘고 있다.

엔진에 새로 유입되는 공기와 EGR 가스는 엔진 흡기 다기관에서 썩여 엔진 내로 유입된다. 이 때 EGR 가스의 양은 EGR 밸브(54)의 열림 면적과 밸브의 양단의 차압에 의해 조절된다. 상기 EGR 밸브(54) 양단의 차압은 터빈(24) 입구 압력과 흡기압력과의 차이로 엔진 운전조건에 다르게 나타난다.

이러한 EGR 밸브(54) 양단의 차압은 터보차저에 의한 영향을 받는다. 이러한 이유로 엔진 제어 장치(이하 ECU라 칭함)에서는 공기량계의 공기량을 기준으로 하여 EGR 밸브(54)의 열림 개도를 조절하여 EGR 량을 제어한다.

도 1에 도시되어 있는 바와같이 가변 형상 터보차저 엔진에서 VGT(20)는 흡기 다기관에 있는 공기 압력 센서를 이용하여 목표하는 공기 압력에 도달하기 위해 부스터 압력 액츄에이터(26)를 작동시킨다.

상기에서 부스터 압력 액츄에이터(26)의 작동으로 인해 터빈(24) 입구의 유동 면적 변화가 생기고, 터빈(26) 입구 압력과 흡기 압력의 변동이 발생한다.

따라서, 상기와 같이 EGR(50)과 VGT(20)는 흡기 공기와 배기가스 유동을 통해 연동되어 있다.

따라서, EGR(50)과 VGT(20)는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 공기량 센서(130)와 부스터 압력센서(140)를 이용하여 모니터링 및 제어하여 EGR량은 EGR 밸브(54)를 제어 하되, 상기 EGR 량에 따라 공기량 센서(130)에서 이를 감지하여 엔진의 회전수(110)와 가속페달 개도 센서(120)의 위치에 따라 원하는 목표값에 도달시키기 위해 EGR 밸브(54)에 ECU에서 제어신호를 출력한다. VGT(20)는 엔진의 회전수(110)와 가속페달 개도 센서(120)의 위치에 따라 목표하는 부스터 압력을 맞추기 위해 ECU에서 VGT(20)에 동작신호를 출력하여 제어를 한다.

이 때, EGR(50)과 VGT(20) 각각에 대해 목표값과 실제 측정치 사이에 차이가 생기는 것을 제어하기 위한 가버너(미도시)가 있어 원하는 값에 도달하도록 액추에이터(미도시)를 동작시킨다.

상기 가버너(미도시)는 통상 PI 제어 혹은 PID 제어(P : 비례 제어, I : 적분 제어, D : 미분 제어)를 하고 있으며, 각각의 파라미터를 선정하여 사용한다.

상기 가버너(미도시)의 제어 값을 선정함에 있어서 중요한 것은 제어시스템이 안정 될 수 있도록 하는 것과 오차를 최소로 하는 것 그리고 목표 값에 도달하는 시간을 줄이는 것이다.

즉, 상기한 EGR(50)과 VGT(20)는 각각의 제어 가버너(미도시)가 있어 이에 대한 각각의 PID 변수 값을 설정해주고 있다.

이는 시스템이 연동되어 있어 이를 독립적으로 유지하기 위해 EGR(50)과 VGT(20) 가버너(미도시) 중 하나를 작동시키지 않은 상태에서 다른 것에 대한 시스템 분석을 통해 제어 변수 값을 선정하고 있다.

상기한 시스템 분석을 위해 사용하고 있는 방법 중 하나가 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 ECU(200)에서 요구하는 공기 요구량 값(△Y)과 실측되는 실제 공기량(△X)에 의해 산출되는 시간 지연 상수(Tu)와 보상 시간 상수(Tg)의 값에 의해 PI(미분, 적분) 상수를 결정하게 된다.

그러나, 상기한 종래의 방법은 VGT의 영향을 고려하지 않아, EGR과 VGT 거동의 목표 도달 시간과 오차가 크게 다르게 나타나는 문제점을 내포하고 있다.

즉, 엔진 제어 장치에서 차량 동작상태 변화에 따라 순차적으로 입력되는 값을 줄이게 되어 순간적으로 공기 요구량을 소정의 값(△Y) 만큼 급격한 공기량의 변화를 요구할 때, 엔진의 공기 흐름에 변동이 생겨 부스터 압력의 변화가 나타나게 되고 이로 인해 VGT도 원하는 부스터 압력을 확보하기 위해 제어를 하기 때문에 터빈 상단의 압력차가 생겨나 실제 공기량(△X)에는 EGR 밸브에 의한 동특성과 VGT에서 밴(Vane)에 의한 특성이 혼합되어 나타나는 문제점을 내포하고 있다.

따라서, 이로 인해 순차적으로 입력되는 값이 줄어들 때 EGR 시스템을 파악하여 근사값을 구하는 방식(Kupfmuller approximation)에 의해 미분 제어 상수와 비례제어 상수 대비 적분 제어 상수의 차에 대한 값을 정확하게 구하지 못함에 따라 정확한 EGR 제어가 이루어지지 못하여 엔진 제어의 정확성이 떨어지는 문제점을 내포하고 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 가변 형상 터보 차저 엔진에서 EGR 제어를 행함에 있어서, VGT 의 영향을 고려한 공기 유량 관련식을 적용하여 VGT 영향에 의한 EGR 변동을 독립적으로 분리하여 가버너 변수를 설정하기 위한 가변 형상 터보 차저 엔진에서 이지알 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.

도 1은 가변 형상 터보 차저 엔진의 구성도 이고,

도 2는 가변 형상 터보 차저 엔진의 이지알 제어 장치 구성 블록도이고,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가변 형상 터보 차저 엔진의 이지알 제어 방법 동작 순서도 이고,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가변 형상 터보 차저 엔진의 이지알 제어 그래프이고,

도 5는 종래의 가변 형상 터보 차저 엔진의 이지알 제어 그래프 이고,

다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 공기 정화기 20 : 가변 형상 터보 차저(VGT)

22 : 콤퓨레셔 24 : 터빈

26 : 부스터 압력 조절 밸브 28 : 부스터 압력 조절관로

30 : 인터쿨러 40 : 엔진

50 : 이지알(EGR) 52 : 이지알 파이프

54 : 이지알 밸브 100 : 차량 동작상태 검출장치

110 : 엔진 회전수 검출부 120 : 가속페달 개도 검출부

130 : 흡입 공기량 검출부 140 : 부스터 압력 검출부

150 : 흡기온 검출부 200 : 엔진 제어 장치

300 : 구동장치

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

공기 요구량을 설정하는 단계와;

실제 공기량을 입력받은 다음, 가변 형상 터보차저의 영향을 고려한 실제 공기량을 산출하는 단계와;

공기 요구량과 실제 공기량에 따른 시간 지연 상수 대비 보상 시간 상수를 연산하여 이지알 제어 값을 산출하여 해당 제어신호를 출력하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시에를 첨부한 도면에 의하여 더욱 상세하게 설명한다.

본 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니고, 단지 일예로 제시된 것이며, 도면에서 종래의 구성과 동일한 부분에는 동일 부호를 부여하고, 중복되는 설명은 생략한다.

도 3은 가변 형상 터보 차저 엔진의 이지알 제어 장치 구성 블록도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가변 형상 터보 차저 엔진의 이지알 제어 방법 동작 순서도 이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가변 형상 터보 차저 엔진의 이지알 제어 그래프이다.

도 3은 가변 형상 터보 차저 엔진에서 이지알 제어 장치 구성 블록도로서, 차량의 동작상태 변화에 따라 가변되는 엔진 회전수, 가속페달 개도, 흡입 공기량, 부서터 압력 및 흡입 공기온도 등을 검출하는 차량 동작상태 검출장치(100)와;

상기 차량 동작상태 검출장치(100)에서 검출되어 인가되는 엔진 회전수, 가속페달 개도, 흡입 공기량, 부서터 압력 및 흡입 공기온도 등을 입력받아, 공기 요구량을 설정한 후, 실제 공기량을 입력받은 다음, 가변 형상 터보차저의 영향을 고려한 실제 공기량을 산출하여 공기 요구량과 실제 공기량에 따른 시간 지연 상수 대비 보상 시간 상수를 연산하여 이지알 제어 값을 산출하여 해당 제어신호를 출력하는 엔진 제어 장치(200)와;

상기 엔진 제어 장치(200)에서 출력되는 제어신호에 동기되어 가변 형상 터보차저의 영향을 고려한 EGR 밸브를 조절하는 구동장치(300)로 이루어져 있다.

상기에서, 차량 동작상태 검출장치(100)는 차량의 동작상태 변화에 따라 가변되는 엔진 회전수 변화를 검출하는 엔진 회전수 검출부(110)와;

운전자의 가속페달 조작에 따라 가변되는 가속페달 개도 변화를 검출하는 가속페달 개도 검출부(120)와;

차량의 동작상태 변화에 따라 엔진으로 흡입되는 공기량 변화를 검출하는 흡입 공기량 검출부(130)와;

차량의 동작상태 변화에 따라 가변되는 부스터 압력 변화를 검출하는 부스터 압력 검출부(140)와;

차량의 동작상태 변화에 따라 가변되는 흡입 공기 온도 변화를 검출하는 흡기온 검출부(150)로 이루어져 있다.

상기한 구성으로 이루어진 가변 형상 터보 차저 엔진에서 이지알 제어 방법을 첨부한 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다.

도 1에 도시되어 있는 바와 같이 주행중인 가변 형상 터보 차저(20)를 구비한 차량에서, 차량 동작상태 검출장치(100)는 차량의 동작상태 변화에 따라 가변되는 엔진 회전수, 가속페달 개도, 흡입 공기량, 부서터 압력 및 흡입 공기온도 등을 검출한다.

이에, 엔진 제어 장치(200)는 상기 차량 동작상태 검출장치(100)에서 검출되는 엔진 회전수, 가속페달 개도, 흡입 공기량, 부서터 압력 및 흡입 공기온도 등을 입력받기 위해 소정의 제어신호를 출력하면, 차량 동작상태 검출장치(100)는 상기 엔진 제어 장치(200)에서 인가되는 제어신호에 동기되어 검출된 엔진 회전수, 가속페달 개도, 흡입 공기량, 부서터 압력 및 흡입 공기온도 등을 출력한다.

따라서, 엔진 제어 장치(200)는 상기 차량 동작상태 검출장치(100)에서 인가되는 엔진 회전수, 가속페달 개도, 흡입 공기량, 부스터 압력 및 흡입 공기온도 등을 입력받은 후, 공기 요구량(△Y)을 설정한다(S100,S110).

이 후, 엔진 제어 장치(200)는 가변 형상 터보차저(20)의 영향에 따른 공기량(Q)을 산출한 후, 상기 산출된 가변 형상 터보차저(20)의 영향에 따른 공기량을 실제 흡입되는 공기량(△X1)과 연산하여 그 차이 값(△X)을 산출한다(S120,S130).

상기에서 가변 형상 터보 차저(20)의 영향에 따른 공기량(Q)은 공기 요구량을 순차적으로 입력하기 전의 터보차저의 압력(P1)과 순차적으로 입력된 후의 터보차저의 압력(P2) 및 EGR 파이프의 면적(A) 그리고, EGR 파이프의 유동계수(Cd) 등을 계산하여 산출할 수 있다.

Q = A * Cd ( P1 - P2)

이어서, 엔진 제어 장치(200)는 상기 공기 요구량(△Y)과 상기에서 산출된 가변 형상 터보 차저의 영향을 고려한 실제 공기량 산출 값(△X)에 의해 시간 지연 상수(Tu)와 보상 시간 상수(Tg) 산출하여 연산 한 후, 가변 형상 터보 차저의 영향을 고려한 EGR 제어를 위한 PI 게인 상수를 결정한 후, 해당하는 EGR 밸브 제어 신호를 출력한다(S150,160).

이로서, 가변 형상 터보 차저의 영향에 따른 공기량에 의해 EGR 파이프(54)를 통한 유량 교란분 만큼을 보상하여 실제 EGR 밸브(56) 및 파이프(54)만의 제어 값을 얻음으로서, 정확한 EGR 제어의 안정성 및 응답성을 향상시킬 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 가변 형상 터보 차저의 영향에 따른 공기량에 의해 EGR 파이프를 통한 유량 교란분 만큼을 보상하여 실제 EGR 밸브 및 파이프만의 제어 값을 얻음으로서, 정확한 EGR 제어의 안정성 및 응답성을 향상시킬 수 있다.

Claims

공기 요구량을 설정하는 단계와;

실제 공기량을 입력받은 다음, 가변 형상 터보차저의 영향을 고려한 실제 공기량을 산출하는 단계와;

공기 요구량과 실제 공기량에 따른 시간 지연 상수 대비 보상 시간 상수를 연산하여 이지알 제어 값을 산출하여 해당 제어신호를 출력하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변 형상 터보 차저 엔진에서 이지알 제어 방법.
제 1 항에 있어서, 실제 공기량은 가변 형상 터보차저의 영향을 고려한 실제 공기량은 가변 형상 터보차저의 영향에 따른 공기량을 산출한 후, 상기 산출된 가변 형상 터보차저의 영향에 따른 공기량을 실제 흡입되는 공기량과 연산하여 그 차이 값에 따른 엔진으로 흡입되는 실제 공기량을 산출하는 단계를 포함하는 가변 형상 터보 차저 엔진에서 이지알 제어 방법.