KR20040031215A - 디젤 엔진의 공연비 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 크랭크축 포지션 센서(CPS)를 이용하여 각속도 변동량을 계측한 뒤, 그 변동폭으로부터 각 실린더별 공연비를 환산하여 배출물이나 출력 성능을 얻기 위한 맵핑시 선정된 최적의 공연비 조건에서 엔진이 운전될 수 있고, 이러한 공연비를 통해 각 실린더별 편차를 최소화하는 디젤 엔진의 공연비 제어방법에 관한 것으로, 공연비 폐회로 제어모드 및 개회로 제어모드 조건을 검출하는 단계와; 상기 공연비 제어모드 검출단계에서 공연비 폐회로 제어모드이면, 상기 디젤 엔진에서의 크랭크축 포지션 센서(CPS)로부터 각속도 변동폭을 측정하는 단계와; 상기 측정된 각속도 변동폭에 따라 공연비를 환산하는 단계와; 상기 환산된 공연비와 맵핑시 결정된 최적의 공연비를 비교하는 단계와; 상기 비교된 공연비의 크기에 따라 연료 분사량의 증감을 제어하는 단계를 포함하여 이루어진다.

Description

디젤 엔진의 공연비 제어방법{FUEL-AIR RATIO CONTROLLING METHOD OF DIESEL ENGINE}

본 발명은 디젤 엔진에 관한 것으로서, 특히 디젤 엔진의 공연비 제어방법에 관한 것이다.

통상적으로, 디젤 엔진에서의 공연비는 분위기 온도에 더불어 점화지연을 지배하며, 이는 연소 및 배출물 특성과 연관되고 동일한 엔진 회전 속도에서 부하의증가에 따라 연료량도 증가하기 때문에 적절한 공연비 제어는 매우 중요하다.

자연 급기식 디젤 엔진에서의 공연비는 엔진 회전 속도에 따라 증가하는 공기량에 맞추어 부하에 따라 분사량을 조정함으로써 제어된다.

그러나, 터보 차저 엔진에서는 과급된 공기량이 동일한 엔진 회전 속도에서도 달라지므로, 이에 따라 변하는 공기량에 따라 분사량도 제어된다.

이때 터보 차저는 웨이스트 게이트 터보 차저(WGT ; Waste Gate Turbocharger)와 베리어블 지오메트리 터보 차저(VGT ; Variable Geometry Turbocharger)가 있다.

이 가운데 저속 영역에서의 특성을 향상시킬 수 있고, 과급 공기량의 제어 범위가 넓은 베리어블 지오메트리 터보 차저(VGT)가 최근에 주목받고 있다.

이는 공연비의 제어를 분사량과 함께 과급압도 웨이스트 게이트 터보 차저(WGT)에 비하여 탄력적인 제어가 가능하기 때문이다.

따라서, 엔진 회전 속도 및 부하 조건에 따라 과급시의 공기량과 연료량을 적절하게 매칭시켜 입자상 물질이나 질소 산화물 등의 배출물 특성과 연료 소비율과 관련된 엔진 성능 특성을 동시에 만족시키도록 맵핑하고 있으며, 흡입 공기량에 따라 미리 맵핑된 자료를 근거로 제어하는 개회로(Open Loop) 제어방식을 사용한다.

이때, 맵핑시 사용하는 입력 신호는 냉각수 온도, 공기량 센서(AFS)신호, 이 신호를 보정하기 위한 흡기 온도 및 흡기 압력 신호, 과급 압력 센서(BPS)신호, 부하 측정을 위한 액셀 개도 신호 및 엔진 회전속도를 측정하기 위한 크랭크 위치 센서(CPS)신호 등이다.

따라서, 대상 및 차량에서 이들 신호에 따라 성능 및 배출물 특성을 모니터링 하면서 연료 분사량 및 배기가스 재순환(EGR) 율을 맵핑한다.

결국, 종래 기술에 따른 디젤 엔진에서의 공연비 제어는 맵핑 자료에 근거한 개회로 제어방식이므로, 상기 입력 신호 중 문제가 발생하면 잘못된 분사량 및 배기가스 재순환(EGR) 율을 설정하므로, 배출물 등에 악영향을 끼칠 수 있다.

이와는 반대로 인젝터나 배기가스 재순환(EGR) 밸브 등에 이상이 있더라도 개회로 제어방식으로는 파악하기 곤란한 문제점이 있었다.

상기한 바와 같이 현재 베리어블 지오메트리 터보 차저(VGT)가 장착된 디젤 엔진에서의 공연비는 미리 맵핑된 분사량으로 제어되는 개회로이기 때문에, 맵핑 데이터를 만들기 위해서 터보 차저와 디젤 엔진간의 개별적인 맵핑 자료와 더불어 이들을 다시 매칭시키기 위한 맵핑 작업도 병행해야 된다.

따라서, 동일한 터보에 대해서도 엔진에 따라 매칭시키면서 새로운 맵핑을 매번 해야된다는 번거로움이 상존한다.

이에 따라 양자간의 매핑을 위하여 개발 기간도 상당히 요구되는 것이 현실이다.

특히, 베리어블 지오메트리 터보 차저(VGT)가 장착된 디젤 엔진에서 엔진과의 매칭시 저속 영역에서의 스톨(Stall)과 고속 영역에서의 터빈 속도의 오버런(Overrun)에 의한 베리어블 지오메트리 터보 차저(VGT)의 내구성과 관련하여 아직까지 불완전한 요소가 존재하고 있다.

이는 최적의 연소 조건을 형성하기 위한 공연비의 폐회로 제어가 아닌, 가능한 최대의 공기를 공급시키기 위한 과급압의 상승이라는 관점에서 당량비의 개회로 제어라는 관점에서 파생된 문제라고 할 수 있다.

또한, 맵핑 과정에 있어서도 최적의 공연비 조건이 베리어블 지오메트리 터보 차저(VGT)의 특성상 저속의 고부하 영역에서는 공연비를 증가시키는 방향으로, 고속의 고부하 조건에서는 최적의 공연비보다 더 커질 수 있기 때문에, 공연비를 감소시키는 방향으로 이동하도록 맵핑하는 것이 바람직하기 때문에 이러한 특성을 고려한 매칭이 이루어지도록 해야한다.

그러나 대상에서 매칭시 이러한 점을 고려하여 맵핑하였더라도 입력 신호의 변화나 맵핑시 사용한 인젝터와 편차가 존재하는 인젝터 등이 적용되었다면 상기 매칭이 무의미해질 수 있고, 이는 매연의 증가나 출력의 감소 등의 문제를 야기할 수 있다.

이외에도 디젤 엔진에서의 최적의 공연비는 점화 지연이라는 관점에서도 중요한 데, 통상 당량비로 0.6~0.9 범위에서 최소가 된다고 알려져 있다.

그러나, 현재의 단순한 개회로 제어방식으로는 앞서 언급한 공연비의 능동적인 제어가 불가능하다.

특히, 과도적으로 변화하는 운전 조건, 흡기 온도나 압력의 변화 및 배기 가스 온도 증가에 의한 터보 차저의 회전 속도 변화에 따른 흡입 공기량의 편차 등에 의한 변화가 발생할 때, 이러한 맵핑 데이터에 의한 공연비의 개회로 제어방식만으로는 최적의 공연비 조건에서 엔진이 운전되도록 제어하는 것은 사실상 불가능하다.

한편, 과급시 존재하는 실린더별 유입 공기량의 편차와 인젝터 간의 편차에 의하여 각 실린더별 공연비의 개별적인 제어도 필요하나, 개회로 제어방식은 모든 실린더간의 편차가 없다는 전제 하에 맵핑 자료를 결정하였기 때문에 실린더별 공연비 제어는 불가능한 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 크랭크축 포지션 센서(CPS)를 이용하여 각속도 변동량을 계측한 뒤, 그 변동폭으로부터 각 실린더별 공연비를 환산하여 배출물이나 출력 성능을 얻기 위한 맵핑시 선정된 최적의 공연비 조건에서 엔진이 운전될 수 있고, 이러한 공연비를 통해 각 실린더별 편차를 최소화하는 디젤 엔진의 공연비 제어방법을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 디젤 엔진의 공연비 제어방법을 도시한 흐름도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 4실린더 엔진의 합성 토크(Te)를 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 합성 토크(Te) 변동과 각속도 변동의 관계를 도시한 도면.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 공연비와 각속도 변동폭간의 관계를 도시한 도면.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 디젤 엔진의 공연비 제어방법에 있어서, 공연비 폐회로 제어모드 및 개회로 제어모드 조건을 검출하는 단계와; 상기 공연비 제어모드 검출단계에서 공연비 폐회로 제어모드이면, 상기 디젤 엔진에서의 크랭크축 포지션 센서(CPS)로부터 각속도 변동폭을 측정하는 단계와; 상기 측정된 각속도 변동폭에 따라 공연비를 환산하는 단계와; 상기 환산된 공연비와 맵핑시 결정된 최적의 공연비를 비교하는 단계와; 상기 비교된 공연비의 크기에 따라 연료 분사량의 증감을 제어하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해 예시한 것으로 본 발명이 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 디젤 엔진의 공연비 제어방법을 설명한다.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 디젤 엔진의 공연비 제어장치 구성을 설명한다.

본 발명의 실시예는 디젤 엔진의 공연비 제어동작을 전반적으로 수행하는 엔진 제어부(ECU), 냉각수 온도 검출센서(WTS) 및 크랭크각 검출센서(CPS)를 포함하는 공연비 제어모드 조건 검출부, 엔진 제어부(ECU)로부터 공급되는 연료 공급 제어신호의 입력에 따라 구동되어 연료 분사 동작을 수행하는 인젝터를 포함하여 구성한다.

상기와 같은 구성의 본 발명의 실시예는 도 1에 도시된 제어동작을 수행한다.

도 1의 (S110)에서 엔진 제어부(ECU)는 디젤 엔진의 시동상태를 검출한다.

디젤 엔진이 시동된 상태이면 엔진 제어부(ECU)는 (S112~S116)으로 진행하여 공연비 폐회로 제어모드 및 개회로 제어모드 조건을 검출한다.

여기서, 공연비 폐회로 제어모드 및 개회로 제어모드 조건을 검출하는 단계는 냉각수 온도 검출센서(WTS)를 통해 디젤 엔진의 냉각수 온도를 검출하고, 검출된 냉각수 온도와 설정온도(예를 들어, 80℃)를 비교하여 냉각수 온도가 설정온도 이상이고, 엔진이 오버히트(Overheat) 상태가 아니면 엔진 제어부(ECU)는 (S118)으로 진행하여 공연비 폐회로 제어모드를 수행한다.

만약, 검출된 냉각수 온도가 설정온도 미만이거나, 엔진이 오버히트 상태이면 엔진 제어부(ECU)는 (S118-1)으로 진행하여 공연비 개회로 제어모드를 수행한다.

한편, 전술한 공연비 제어모드 검출단계(S112~S116)에서 공연비 폐회로 제어모드로 검출되면, 엔진 제어부(ECU)는 공연비 제어모드 조건 검출부로부터 입력되는 각각의 신호들을 분석하여 최적 공연비 결정을 위한 기본 신호를 검출한다.

그리고, 엔진 제어부(ECU)는 (S120)으로 진행하여 디젤 엔진에서의 크랭크축 포지션 센서(CPS)로부터 각속도 변동폭을 측정한다.

이어서, 엔진 제어부(ECU)는 (S122)으로 진행하여 크랭크각 검출센서(CPS)를 통해 각속도 변동폭을 측정한다.

그리고, (S124)으로 진행하여 측정된 각속도 변동폭에 따라 공연비를 환산한다.

이어서, 엔진 제어부(ECU)는 (S126)으로 진행하여 환산된 공연비와 맵핑시 결정된 최적의 공연비를 비교한다.

그리고, 비교된 공연비의 크기에 따라 연료 분사량의 증감을 제어하는 단계를 수행한다.

예를 들어, 전술한 (S126)에서 환산된 공연비가 최적의 공연비 보다 크면 엔진 제어부(ECU)는 (S128)으로 진행하여 인젝터로 연료 분사량을 증가시키는 연료 증가 제어신호를 공급한다.

이와는 반대로, 전술한 (S126)에서 환산된 공연비가 최적의 공연비 보다 크지 않으면 엔진 제어부(ECU)는 (S128-1)으로 진행하여 인젝터로 연료 분사량을 감소시키는 연료 감소 제어신호를 공급한다.

본 발명의 실시예는 기존의 디젤 엔진에서의 공연비 제어를 위한 매칭 과정에서 개회로 제어방식으로부터 발생될 수 있는 문제점, 즉 실린더별 최적의 공연비 조건으로 운전될 수 없고, 운전 조건에 따라 최적의 공연비로 제어하는 것이 불가능하다는 문제점을 해결하기 위한 폐회로 제어방법이다.

이를 위하여 엔진 제어부(ECU)는 크랭크축 포지션 센서(CPS)로부터 각속도 변동폭을 측정하고, 공연비와 각속도 변동폭간의 특성을 미리 결정한 뒤, 이를 이용하여 맵핑시 결정된 최적의 공연비 조건에서 운전되는 지의 여부를 판단함으로써 연료량이나 과급압 등을 제어할 수 있다.

특히, 별도의 하드웨어의 추가나 변경없이 제어 로직상의 추가, 변경만으로 기존의 개회로 제어방식을 폐회로 제어방식으로 변경한다.

본 발명의 실시예에서 추구하고자 하는 크랭크축 각속도 변동에 의한 공연비 제어를 위한 작동 과정 및 원리를 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 엔진에서의 크랭크축에 가해지는 합성 토크(Te)는 연소 압력에의한 토크(Tg), 관성에 의한 왕복 운동과 관련된 기계 토크(Tm), 마찰 토크(Tf) 등으로 구성되며, 운전 조건에 따라 도 2에 도시된 바와 같이 합성 토크(Te)가 변동하기 때문에 도 3에 도시된 바와 같이 크랭크축 각속도도 1사이클 내에서 변동하게 된다.

Te = Tg - Tm - Tf

한편, 연소 압력은 공연비에 따라 점화지연시간의 변화에 따라 연소 기간이 변하기 때문에 특정 크랭크 앵글에서의 연소 압력비는 공연비에 따라 일정하며, 기계 토크(Tm)나 마찰 토크(Tf)는 엔진 회전 속도에 따라 거의 일정하므로, 결국 합성 토크(Te)는 연소 압력 토크(Tg) 특성을 추종한다.

또한, 전술한 바와 같이 크랭크축 각속도 변동에는 도 3에 도시된 바와 같이 연소 압력에 관한 정보를 포함한 합성 토크(Te) 특성에 따라 변동되며, 연소 압력의 크기에 따라 합성 토크(Te)의 변동폭도 변화된다.

여기서, 합성 토크(Te)의 변동폭은 다시 크랭크축 각속도의 변동폭으로 반영되기 때문에, 평균 각속도에 대해서 최대와 최소 각속도 변동간의 비는 상기한 공연비와 관련된 연소 압력비를 추종한다.

따라서, 이러한 크랭크축 각속도의 최대와 최소간의 비와 공연비간의 관계를 미리 보정하면 도 4에 도시된 바와 같은 선형적인 관계식을 도출할 수 있다.

이 보정식을 이용하여 현재 운전 중인 실린더의 공연비를 간접적으로 추정할 수 있고, 이 값을 이용하여 맵핑된 최적의 공연비와의 비교를 통해서 폐회로 제어를 수행할 수 있다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이 각 실린더의 합성 토크에 따라 각속도 변동 특성도 1사이클 동안 4번(4실린더 기준)의 변동을 보이기 때문에, 점화 순서를 고려하면(통상 1⇒3⇒4⇒2) 각 실린더별 공연비도 알 수 있기 때문에 실린더별 최적 공연비 제어도 가능하므로, 각 실린더간 공연비 편차를 최소화할 수 있다.

한편, 공연비에 따른 각속도 변동폭은 연소 압력뿐만 아니라 기계 및 마찰 토크에 따라 변화될 수 있기 때문에 엔진별로 도 4에 도시된 바와 같은 관계식은 별도로 도출하여야 하며, 마찰 토크(Tf) 또는 기계 토크(Tm) 등은 냉각수 온도나 오일 온도에 따라 변화될 수 있으므로, 정확한 폐회로 제어를 위해서는 엔진이 워밍업(냉각수 온도 80도 이상)된 이후에 적용하고 그 이전에는 개방형으로 제어되도록 한다.

한편, 폐회로 제어시 보정 공연비와 최적의 공연비간의 편차가 특정값 이상으로 과도하게 차이가 나면, 이는 공기량 측정과 관련된 센서나 배기가스 재순환(EGR) 밸브의 고장과 관련될 수 있기 때문에, 이때 분사량 증가는 특정값 이하로 증가되지 못하게 하고, 경고등을 작동하게 함으로써 유럽 환경오염 방지규제(EOBD)와 관련된 기능도 부가시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 디젤 엔진의 공연비 제어방법은 기존의 개회로 공연비 제어방식을 보완하여 크랭크축 각속도 변동폭을 이용한 폐회로 제어방식을 적용함으로써 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

먼저, 맵핑시 사용한 인젝터보다 유량이 작은 인젝터일지라도 폐회로 제어에의하여 이에 대한 보정이 가능하므로, 성능 편차를 최소화할 수 있다.

또한, 실린더간 공연비 편차도 최소로 될 수 있기 때문에 개발시의 성능을 충분히 보장할 수 있다.

또한, 인젝터간의 유량 편차를 최소화하기 위하여 MVI(Mean Value Injector)에 대해 유량 편차가 있는 인젝터를 분류하여 엔진의 각 실린더에 투입시키는 작업을 삭제할 수 있다.

또한, 환경오염 방지규제(EOBD)에서 규정한 배출물 관련된 각종 센서(공기량 센서, 과급압 센서 등)나 액츄에이터(EGR 밸브 등) 등의 고장을 별도의 추가 장치 없이 소프트웨어적으로 진단할 수 있어 원가를 절감할 수 있다.

즉, 폐회로 제어에 의해서도 최적의 공연비와 각속도 변동으로 측정된 공연비간의 편차가 너무 크거나 보정된 분사량의 증감이 너무 크거나 작다면 측정된 공기량이 너무 크거나 작다는 것을 의미하고, 이는 인젝터가 불량이 아니라면 각각 공기량 측정 센서나 배기가스 재순환(EGR) 밸브 쪽에 문제가 있음을 의미한다.

따라서, 부가적인 장치없이 모니터링이 가능할 수 있다.

또한, 맵핑 과정을 단순화 할 수 있기 때문에 엔진 개발이 용이해지며, 개발 기간을 단축시킬 수 있다.

또한, 실린더별 공연비의 편차를 최소화할 수 있기 때문에 엔진 성능 및 승차감 향상에 기여할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 디젤 엔진의 공연비 제어방법에 있어서,

   공연비 폐회로 제어모드 및 개회로 제어모드 조건을 검출하는 단계와;

   상기 공연비 제어모드 검출단계에서 공연비 폐회로 제어모드이면, 상기 디젤 엔진에서의 크랭크축 포지션 센서(CPS)로부터 각속도 변동폭을 측정하는 단계와;

   상기 측정된 각속도 변동폭에 따라 공연비를 환산하는 단계와;

   상기 환산된 공연비와 맵핑시 결정된 최적의 공연비를 비교하는 단계와;

   상기 비교된 공연비의 크기에 따라 연료 분사량의 증감을 제어하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 공연비 제어방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 공연비 폐회로 제어모드 및 개회로 제어모드 조건을 검출하는 단계는

   상기 디젤 엔진의 냉각수 온도를 검출하는 단계와;

   검출된 냉각수 온도와 설정온도를 비교하는 단계와;

   상기 비교된 냉각수 온도의 크기에 따라 공연비 폐회로 제어모드 및 개회로 제어모드 조건을 구분하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 공연비 제어방법.
3. 제2항에 있어서, 검출된 냉각수 온도가 설정온도 이상이면 공연비 폐회로 제어모드를 수행하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 공연비 제어방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 환산된 공연비가 최적의 공연비 보다 크면 연료 분사량을 증가하는 제어동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 공연비 제어방법.