KR20090065372A - 차량의 연소안정장치와 그 연소안정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 연소안정장치 및 연소안정방법에 관한 것으로, 배기라인에 마련되어 배기가스에 섞여 있는 산소의 양을 감지하는 산소센서와; 상기 산소센서에서 감지된 연소신호의 미분최대편차와 상기 연소신호의 기울기의 변화를 기초로 연소안정성을 판단하는 제어부를 포함하는 것을 포함한다. 이에 의하여, 별도의 하드웨어 추가 없이 산소센서를 이용하여 연소안정성을 산출하고 계산할 수 있다.

Description

차량의 연소안정장치와 그 연소안정방법{COMBUSTION STABILITY APPARATUS AND COMBUSTION STABILITY METHOD HAVING THE SAME OF VEHICLE}

본 발명은 연소안정장치와 그 연소안정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산소센서에서 감지한 연소신호를 통해 연소 안정성을 모델화하고, 이에 따라 캠 오버랩 및 점화시기를 피드백 제어하는 연소안정장치와 그 연소안정방법에 관한 것이다.

일반적으로 가솔린엔진의 연비 향상을 위해 적용되고 있는 가변밸브타이밍 기구는 오버랩(overlap)을 증가시킴으로써 내부 EGR가스량을 증량하고, 이에 따라 펌핑 손실이 줄어드는 원리를 이용하여 연비를 향상시킨다.

그러나 지나치게 오버랩을 증가시키면 내부 EGR 가스량이 급격히 증가하여 연소안정성 악화, 노킹(knocking)을 유발할 수 있으며, 이 중 연소 안정성은 악화될 경우 서지(surge) 등의 운전성 문제를 유발할 수 있어 오버랩결정에 중요한 제약 조건이 된다.

통상 연소 안정성의 판단 기준은 실린더 내 연소압력 IMEP(Indicated Mean Effective Pressure)를 통계적으로 계산한 COV_IMEP가 사용되며 그 정의는 아래와 같다.

COV_IMEP (Covariance of IMEP) = 표준편차_IMEP / 평균_IMEP

도1은 COV_IMEP와 오버랩과의 관계를 나타낸 그래프이다. 오버랩이 클수록 연비가 향상되나 COV_IMEP는 커짐을 볼 수 있다. 즉, 연소안정성은 악화되는데, 일반적으로 COV_IMEP가 3%를 넘게되면 서지(surge) 등의 운전성 문제가 발생한다. 따라서, 도1a의 그래프의 경우 연비와 운전성을 고려하여 최적 오버랩으로 37정도를 선택하여 매핑하게된다.

오버랩에 의한 연비와 연소안정성은 trade-off관계가 있으므로, 각 운전조건에서 연소안정성을 모두 측정하여 COV_IMEP가 3%이하에서 최대의 오버랩을 매핑함으로써 연비를 극대화 한다.

한편, 캠 오버랩보다는 그 상관성이 작으나 점화시기 진지각도 연소안정성에 어느정도 영향을 준다. 도2는 점화시기에 따른 IMEP의 STD (Standard Deviation)을 나타내는데 STD_IMEP가 작을수록 연소는 안정하다.

도1b에 도시한 바와 같이 연소가 가장 안정한 곳은 점화시기 32도 부근이나, 매핑점은 이보다 진각하여 38도 부근인데 이는 연비가 더욱 좋기 때문이다. 즉, 점화시기도 오버랩과 유사하게 연비와 연소안정성이 trade-off관계일 수 있는데, 마찬가지로 연소가 운정성에 영향을 미치지 않는한 최적의 연비점에 점화시기를 진각 매핑하게 된다.

상술한 바와 같이 연소안정성을 위해서는 연소 안정성 기준에 부합하는 한도 내에서 CAM overlap은 최대로 크게하고, 점화시기는 최 진각하여 매핑하게 된다.

그러나 연소 안정성이란 엔진 편차, 차량 주행거리 축적 등에 따라 변동이 발생할 수 있다는데 문제가 있다. 엔진 매핑시는 대표 엔진 몇대를 통해 연소 안정성을 확인하며 오버랩과 점화시기를 최적화하나, 엔진 편차 등의 이유로 매핑시보다 연소 안정성이 악화되는 경우 연소 안정성을 판정하고 이를 피드백제어하는 기능이 요구된다.

여기서, 매핑시 연소 안정성은 연소압 센서를 이용하여 실린더내 연소압을 직접 측정하여 계산할 수 있다. 즉, 연소압 측정법을 이용하여 연소안정성을 모니터링하고 피드백 제어할 수는 있겠으나, 연소압센서는 매우 고가이며 내구성도 좋지 않아 이 방법을 양산에 적용하는 것은 거의 불가능한 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 별도의 하드웨어 구성 또는 센서의 추가 없이 기존에 장착되어 사용되던 산소센서의 감지신호를 통해 연소안정성을 모델화하고, 이에 따라 캠 오버랩 및 점화시기를 피드백 제어하여 연소안정성 및 연비가 최적화될 수 있는 연소안정장치와 연소안정방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은 본 발명에 따른 연소안정장치에 있어서, 배기라인에 마련되어 배기가스에 섞여 있는 산소의 양을 감지하는 산소센서와; 상기 산소센서에서 감지 된 연소신호의 미분최대편차와 상기 연소신호의 기울기의 변화를 기초로 연소안정성을 판단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소안정장치에 의해 달성될 수 있다.

여기서, 상기 제어부는 상기 미분최대편차와 상기 연소신호의 기울기 각각에 대한 임계치와 상기 산소센서에서 감지된 각각의 값을 비교하여 상기 임계치 이상일 경우 오버랩과 점화시기를 제어하는 할 수 있다.

한편, 본 발명의 목적은 연소안정제어방법에 있어서, 산소센서에서 감지한 감지신호를 기초로 연소안정을 위한 지표를 산출하는 단계와; 산출된 지표를 기매핑된 임계치와 비교하는 단계와; 산출된 지표가 상기 임계치를 초과할 경우 점화시기 및 오버랩제어를 이용하여 연소안정성을 피드백제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소안정제어방법에 의해 달성될 수 있다.

여기서, 상기 지표가 상기 임계치를 기준치 미만으로 초과하는 경우 점화시기만으로 상기 피드백제어를 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 지표가 상기 임계치를 기준치 이상으로 초과하는 경우 오버랩제어를 함께 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 연소안정장치와 연소안정방법에 따르면 별도의 추가구성없이 산소센서의 감지신호에 의해 연소안정성을 모델화하고, 캠오버랩신호와 점화시기를 피드백제어하여 연소안정성 및 연비를 최적하할 수 있다.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연소안정장치와 연소안정방법을 설명한다.

본 발명에 따른 연소안정장치는 배기라인에 부착되어 배기가스 중에 포함된 산소의 양을 감지하는 산소센서와, 산소센서로부터 감지된 감지신호 즉 연소신호를 통해 연소안정성을 계산하고 이에 따라 오버랩 및 점화시기를 피드백제어하는 제어부를 포함한다.

이하에서는 제어부의 연소안정성 계산과정과 오버랩 및 점화시기를 피드백하는 과정을 설명한다. 도2a 내지 2d는 연소안정성에 따른 산소센서의 감지신호 파형을 나타내는 그래프이다.

여기서, 도2a는 오버랩이 O이고 COV_IMEP=1.5%일 때의 그래프이고, 도2b는 오버랩이 25이고 COV_IMEP=2.5%일 때, 도2c는 오버랩이 35이고 COV_IMEP=3.2%일 때, 도2d는 오버랩이 40이고 COV_IMEP=4.5%일 때의 감지신호 파형을 각각 나타낸다.

도2a에 도시된 바와 같이 정상 연소시 산소센서의 감지신호파형은 연료 PID 피드백제어에 따라 깨끗한 사인파를 보인다. 그러나 연소가 불안정해지면 불안한 상태가 발생하여 사인파의 왜란이 발생한다. 도2c와 도2d에 도시한 바와 같이 COV_IMEP가 3%를 넘게되면 사인파 왜란은 급격히 심해지며 오버랩 40의 경우에 보이는 바와 같이, 상태가 제어부(ECU) 연료제어와는 거의 무관하게 나타나게 된다.

상기와 같이 연소안정성이 악화되는 정도에 따라 산소센서의 감지신호의 사인파형 왜곡이 심해지는 것을 이용하는데, 파형 왜곡 정도를 수치화하기 위해 산소 센서의 감지신호 파형을 미분하고 이를 수학적으로 처리하여 연소안정성 지표를 계산한다.

도3a 내지 3d는 도2a 내지 도2d에 도시한 산소센서의 감지신호 파형을 미분한 데이타와 ECU의 희박/농후 피드백제어 게인을 각각 같이 나타낸 그래프들이다. 여기서 미분치의 각 주기당 최대치의 변화와 +- 변환 횟수에 주목한다.

제어부는 상술한 그림을 통해 다음과 같은 두 가지 연소안정성모델링을 할 수 있다.

먼저, 산소센서 감지신호 파형을 미분한 후 각 주기당 최대치만 주목하면 연소가 나쁠수록 그 편차가 커짐을 알 수 있다. 즉, 연소안정성이 나쁠수록 산소센서 감지신호파형의 미분 최대치 편차는 커진다.

그리고, 분홍색 사각파는 제어부가 연료제어시 사용되는 PID 게인값인데 정상 연소시는 게인의 희박/농후 반복 횟수와 산소센서 감지신호의 미분치의 +, - 변환 횟수가 일치하나, 연소가 불안정할수록 제어부가 희박/농후 제어하는 의도와 무관하게 +, - 변환 횟수가 많아짐을 알 수 있다. 즉, 연소안정성이 나쁠수록 ECU 연료 희박/농후 제어 반복 회수대비 실제 산소센서의 감지신호의 +,- 변환 횟수가 많아진다.

상술한 2가지 특성을 이용하여 아래와 같이 연소안정성 지표를 산출한다.

연소안정성 지표 = σ_max * (O2 +- 변환 가중치)

σ_max : 산소센서 감지신호 미분 후 각 주기당 최대치의 편차

O2 +- 변환 가중치 : (산소센서 감지신호 미분치의 +-변환 횟수) /

(ECU 연료 PID 게인 희박/농후 반복 횟수)

상술한 연소안정성 지표를 연소가 정상인 엔진에서 각 운전 조건에서 시험 평가하여 임계치를 선정하고, 실제 차량은 임계치와 비교하여 연소 안정성을 판정할 수 있다.

한편, 연소안정성을 제어하기 위해 캠오버랩 및 점화시기 제어를 병행할 수 있다. 제어부는 연소 안정성 지표를 모니터링하고 일정 방식으로 매핑한 임계치를 넘을시 제어를 시작한다.

연소 안정성은 통상 점화시기에 의한 영향보다 오버랩에 의한 영향도가 더 크다. 이에 따라 연소안정성 제어는 오버랩제어와 점화시기제어 두 부분으로 구성되고 연소안정성 지표가 임계치만 넘으면 점화시기 지각 제어를 하고, 이 보다 연소안정성이 더욱 안 좋을 때, 예를 들어 임계치의 1.5배를 넘으면 오버랩 축소제어함으로써 구현한다.

도4는 본 발명에 따른 연소안정방법을 설명한 흐름도이다. 도시한 바와 같이 제어부는 먼저 연소안정성 제어영역이 존재하는지 판단한다(S110). 여기서, 연소안정성 제어영역이 존재하는 경우 산소센서의 감지신호를 통해 연소안정성 지표를 산출한다(S120). 그리고, 산출된 연소안정성 지표를 임계치와 비교하고(S130), 비교결과 연소안정성 지표가 임계치를 초과할 경우 그 초과정도를 판단하여(S140) 오버랩축소제어(S150) 또는 점화시기 지각제어(S160)을 실시한다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 연소안정장치와 연소안정방법은 별도의 하드웨어 구성의 추가 없이 산소센서의 감지신호를 통해 연소안정성을 계산하고 제어할 수 있다.

도 1a는 오버랩과 연비의 관계를 도시한 그래프이고,

도 1b는 점화시기와 연소안정성과의 관계를 도시한 그래프이고,

도 2a 내지 도2d는 오버랩과 COV_IMEP의 값을 변화시켰을 때 산소센서의 감지신호 파형을 각각 나타낸 그래프이고,

도 3a 내지 도 3d는 도 2a 내지 도 2d의 감지신호 파형을 미분한 데이터와 제어부의 희박/농후 피드백 제어 게인을 나타낸 그래프이고,

도 4는 본 발명에 따른 연소안정제어방법을 도시한 흐름도이다.

Claims (5)

1. 연소안정장치에 있어서,

   배기라인에 마련되어 배기가스에 섞여 있는 산소의 양을 감지하는 산소센서와;

   상기 산소센서에서 감지된 연소신호의 미분최대편차와 상기 연소신호의 기울기의 변화를 기초로 연소안정성을 판단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 연소안정장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제어부는 상기 미분최대편차와 상기 연소신호의 기울기 각각에 대한 임계치와 상기 산소센서에서 감지된 각각의 값을 비교하여 상기 임계치 이상일 경우 오버랩과 점화시기를 제어하는 것을 특징으로 하는 차량의 연소안정장치.
3. 차량의 연소안정제어방법에 있어서,

   산소센서에서 감지한 감지신호를 기초로 연소안정을 위한 지표를 산출하는 단계와;

   산출된 지표를 기매핑된 임계치와 비교하는 단계와;

   산출된 지표가 상기 임계치를 초과할 경우 점화시기 및 오버랩제어를 이용하여 연소안정성을 피드백제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 연소 안정제어방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 지표가 상기 임계치를 기준치 미만으로 초과하는 경우 점화시기만으로 상기 피드백제어를 하는 것을 특징으로 하는 차량의 연소안정제어방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 지표가 상기 임계치를 기준치 이상으로 초과하는 경우 오버랩제어를 함께 하는 것을 특징으로 하는 차량의 연소안정제어방법.

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