KR20100128306A - 배기-가스 과급기를 구비한 내연기관을 작동시키기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

배기-가스 과급기를 구비한 내연기관을 작동시키기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

과급기(turbocharger)를 구비한 내연기관을 작동시키기 위해, 배기 가스 과급기의 압축기(42)의 하류 및 상기 내연기관의 실린더 유입부의 상류에서 작동하는 가압 압력이 미리 결정된 목표된 가압 압력값(PUT_SP)으로 조절된다. 목표된 가압 압력값(PUT_SP)으로 상기 가압 압력을 조절하기 위해 조절기의 조절기 동작 신호 성분(DELTA_PWM_WG)이 결정된다. 조절기 동작 신호 성분(DELTA_PWM_WG)에 따라 그리고 상기 내연기관의 작동 포인트에 따라 조절기 동작 신호 성분(DELTA_PWM_WG)에 관련된 과급기 신호 변화(DELTA_N_TCHA)가 결정된다. 결정된 과급기 신호 변화(DELTA_N_TCHA)에 따라 과급기 속도의 한계값(N_TCHA_MAX)이 결정된다.

Description

배기-가스 과급기를 구비한 내연기관을 작동시키기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR THE OPERATION OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE COMPRISING AN EXHAUST GAS TURBOCHARGER}
본 발명은 내연기관을 작동시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 내연기관은 배기 가스 과급기(exhaust-gas turbocharger)를 갖는다.
최신 내연기관은 규칙적으로 배기 가스 과급기들을 포함한다. 원칙적으로 배기 가스 과급기는 내연기관의 배기 가스관(exhaust-gas tract)에 배치되는 터빈, 및 내연기관의 흡입관에 배치되며 터빈에 기계적으로 커플링되는 압축기를 포함한다. 과급기 속도로서 일컬어질 수 있는 압축기 의 회전 속도는 예들 들어 배기 가스관의 터빈 주위의 바이패스에 배치되는 방출 밸브(waste gate)에 의해 조절될 수 있다.
문서 DE 10 2005 007 558 A1는 적어도 하나의 변수를 모니터리하는 것을 개시한다 : 증가 속도, 과급기 속도 및 엔진에 연결된 과급기를 배기가스 브레이크 밸브를 갖는 차량에서 과속으로부터 보호하기 위한 과급기 속도. 제 1 한계값 이상인 과급기 속도의 증가 속도 및 제 2 한계값 이상인 과급기 속도에 응답으로서 각각의 경우 과급기의 속도를 감소시키도록 배기 가스 브레이크의 클로징이 추가적으로 개시된다.
문서 DE 10 2004 042 272 A1는 내연기관의 공기 공급장치에 압축기를 갖는 내연기관의 가압 압력(boost pressure)의 제어 또는 조절을 개시하고, 여기서 액츄에이터가 제공되고, 상기 액츄에이터에 의해 압축기의 가압 압력이 조절된다. 압축기의 회전 속도에 따라 액츄에이터에 대한 출력 신호가 결정된다.
본 발명의 기본 목적은 내연기관의 과급기의 회전 속도의 용이하고 안정적으로 조절이 가능한 내연기관을 작동시키기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은 독립항들의 특징에 의해 달성된다. 바람직한 개선예들이 종속항들에 지시된다.
본 발명은 내연기관을 작동하기 위한 방법과 장치에 의해 특징화된다. 내연기관은 배기 가스 과급기를 갖는다. 배기 가스 과급기의 압력기의 하류에서 및 내연기관의 실린더 유입부의 상류에서 작동하는(prevailing) 가압 압력은 가압압력의 미리 조절된 설정포인트 값으로 조절된다. 가압압력의 설정포인트 값으로 가압 압력을 조절하기 위한 조절기의 조절기 동작 신호 성분이 결정된다. 조절기 동작 신호 성분에 따라 그리고 내연기관의 작동 포인트에 따라 과급기 속도 변화가 결정되며, 이는 조절기 동작 신호 성분과 관계된다. 과급기 속도의 한계값이 결정된 과급기 속도 변화에 따라 결정된다.
이것은 조절기 동작 신호 성분으로 인해 배기 가스 과급기에 대한 임계 범위에 도달하는 것으로부터 과급기 속도, 특히 압축기의 회전 속도를 지키는 간단한 방법이다. 과급기 속도는 과급기 속도의 한계값에 따라 바람직하게 제한된다. 예를 들어, 과급기 속도의 한계 값이 도달될 때, 내연기관의 설정포인트 토크가 자동으로 감소된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 과급기 속도의 한계값에 따라 추가적인 안전 조치가 수행되고 및/또는 예를 들어 내연기관의 에러 메모리에 엔트리가 만들어질 수 있다.
바람직한 개선에서, 압축기의 하류 및 실린더 유입부의 상류에서 누설에 의해 야기된 조절기 작동 신호 성분 때문에 일어날 수 있는 과급기 속도 변화에 상응하도록 과급기 속도 변화가 결정된다. 즉, 임의의 조절기 동작 신호 성분은 압축기의 하류 및 실린더 유입부의 상류에서 누설에 의해 야기되는 것으로 해석된다. 이것은 예를 들어 생산 오차 또는 마모로 인해 조절기 동작 신호 성분이 잘못 해석되는 반면, 그러나, 과급기 속도가 과급기 속도의 임계 범위 밖에 안정적으로 남아서, 압축기가 결코 과회전하지 않게 하는 결과를 가져온다.
다른 바람직한 개선에서, 과급기 속도의 미리 조절된 기본 한계값이 결정된 과급기 속도 변화에 의해 감소된다는 점에서 결정된 과급기 속도 변화에 따라 과급기 속도의 한계값이 결정된다. 이것은 과급기 속도의 한계값이 결정된 과급기 속도 변화에 따라 결정되게 하는 간단한 방법이다.
다른 바람직한 전개에서, 내연 기관의 작동 포인트는 내연기관의 회전 속도 및 내연기관의 부하 변수의 값을 포함한다.
이제 도표 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예들에 대한 상세한 설명은 다음과 같다.
도 1은 내연기관이고,
도 2는 내연기괸을 작동하기 위한 프로그램의 순서도이다.
2개의 도면에서 동일 구조 또는 기능의 실시예는 동일한 도면 부호에 의해 표시된다.
내연기관(도 1)은 흡입관(1), 엔진 블록(2), 실린더 헤드(3) 및 배기 가스관(4)을 포함한다. 흡입관(1)은 바람직하게 스로틀 밸브(5), 및 콜렉터(6) 및 실린더 유입부를 통해 엔진 블록(2) 내로 실린더(Z1)의 연소 챔버의 방향으로 연장하는 흡기 매니폴드(7)를 포함한다. 엔진 블록(2)은 크랭크축(8)을 포함하며, 이는 연결 로드(10)에 의해 실린더(Z1)의 위치(11)에 커플링된다. 배기 가스관(4)에서, 예를 들어 3원 촉매 변환기(three-way catalytic converter)의 형태로 배기 가스 촉매 변환기(29)가 바람직하게 배치된다. 실린더 Z1이외에, 하나 이상의 추가 실린더 (Z2 내지 Z4)가 제공될 수 있다. 더욱이 임의의 목표된 수의 실린더(Z1 내지 Z4)가 제공될 수 있다.
실린더 헤드(3)는 가스 유입 밸브들(12) 및 가스 유출 밸브들(13)인 가스 교환 밸브들을 갖는 밸브 기어, 및 이와 관련된 밸브 드라이브들(14, 15)을 포함한다. 실린더 헤드(3)는 분사 밸브(22) 및 스파크 플러그(23)을 포함한다. 내연기관이 디젤 엔진이면, 내연 기관은 대안적으로 어떠한 스파크 플러그(23)도 포함하지 않을 수 있다. 대안적으로, 분사 밸브(22)는 흡기 매니폴드 (7)에 배치될 수 있다.
다양한 측정된 변수들을 습득하고 각 경우에서 측정된 변수의 값을 결정하는 센서들이 관련된 제어 장치(25)가 제공된다. 작동 변수는 측정 변수 및 상기 측정 변수로부터 파생된 변수를 포함한다. 내연기관의 작동 포인트가 작동 변수의 하나 이상의 값에 의해, 바람직하게 복수의 작동 변수들 중 각각 하나의 값에 의해 한정된다. 하나 이상의 측정 변수에 따라 제어 장치(25)는 상응하는 작동자에 의해 최종 제어 요소들을 제어하기 위해 이후 하나 이상의 동작 신호들로 변환되는 조작 변수들을 결정한다. 제어 장치(25)는 내연기관을 작동하기 위한 장치로 또한 지칭될 수 있다.
센서는 가속기 페달(27)의 가속기 페달 위치를 획득하는 페달 위치 센서(26), 스로틀 밸브(5)의 상류에서 공기 질량 흐름을 획득하는 공기 질량 센서(28), 스로틀 밸브(5)의 개방 각도를 획득하는 스로틀 밸브 위치 센서(30), 스로틀 밸브(5)의 상류 및 압축기(42)의 하류에서 가압 압력을 획득하는 가압-압력 센서(31), 흡입 공기 온도를 획득하는 온도 센서(32), 콜렉터(6)에서 흡기-메니폴드 압력을 획득하는 흡기-매니폴드 압력 센서(34), 속도 N(도 2)이 이후 관련되는 크랭크축 각도를 습득하는 크랭크축 센서(36)이다. 람다 센서(43)가 추가적으로 제공될 수 있고, 이의 측정 신호는 배기 가스의 산소량을 나타내고 따라서 내연기관의 혼합 조성물에 대한 정보를 공급한다.
본 발명의 구현의 형태에 따라 설명된 센서들의 임의의 목표된 서브세트가 제공될 수 있거나 추가적인 센서들이 또한 제공될 수 있다.
최종 제어 요소는 예를 들어, 스로틀 밸브(5)를 조절하기 위한 스로틀 밸브 액츄에이터(33), 가스 유입-및 가스 배출 밸브(12, 13), 분사 밸브(22), 스파크 밸브(23), 압축기 바이패스 밸브(44)를 조절하기 위한 액츄에이터, 및/또는 터빈 바이패스 밸브(50)를 조절하기 위한 밸브 액츄에이터이다.
압축기(42)는 스로틀 밸브(5)의 상류 및 공기 필터(38)의 하류에서 흡기관(1)에 배치된다. 압축기 바이패스(40)에 의해, 압축기 바이패스 밸브(44)를 조절하기 위한 액츄에이터의 한정된 활성화에 따라, 새로운 공기가 압축기(42)를 통해 흐른 후에, 압축기(42)의 흡입면에 다시 지향될 수 있다.
배기 가스 과급기는 압축기(42), 및 상기 압축기(42)를 구동하기 위해 압축기(42)에 기계적으로 커플링되며 연소 프로세스로부터 연소 챔버(9) 내로 배기 가스에 의해 구동될 수 있도록 배기 가스관(4)에 배치되는 터빈(48)을 포함한다. 터빈 바이패스(46)에 의해 터빈 바이패스(46)를 통해 지향된 배기가스가 터빈(48)을 구동하지 않는 방식으로 배기 가스가 터빈(48)을 지나게 지향될 수 있다. 배기 가스는 터빈 바이패스 밸브(50)를 조절하기 위한 밸브 액츄에이터의 미리 조절된 활성화에 따라 터빈(48)을 지나게 지향된다. 터빈 바이패스 밸브(50)는 방출 밸브(waste gate)로서 또한 일컬어질 수 있다. 방출 밸브에 대안적으로 또는 추가적으로 터빈은 가변 터빈 기하형상(geometry)에 의해 제어될 수 있다.
압축기(42)의 회전 속도를 바람직하게 나타내는 과급기 속도는 터빈 바이패스 밸브(50)를 조절하기 위한 밸브 액츄에이터의 활성화에 의해 바람직하게 조절된다. 터빈 바이패스 밸브(50)를 조절하기 위한 밸브 액츄에이터의 활성화는 파일럿 제어에 의존하는, 특히 내연기관의 작동 포인트에 의존하는 파일럿 값에 의존하는 방출 가스 동작 신호(PWM_WG)에 의해 바람직하게 영향을 받는다. 파일럿 값은 예를 들어, 특성 맵에 의해 작동 포인트에 따라 결정될 수 있고, 상기 특성 맵은 임의의 다른 특성맵과 같이, 예를 들어 엔진 테스트 베드상에 기록되고 제어 장치(25)의 저장 매체 상에 바람직하게 저장된다. 터빈 바이패스 밸브(50)를 조절하기 위한 밸브 액츄에이터의 활성화는 과급기 속도를 조절하기 위해 조절기에 의해 발생된 조절기 동작 신호 성분(DELTA-PWM-WG)에 의해 추가적으로 영향을 받는다. 즉, 조절기 동작 신호 성분(DELTA-PWM-WG)은 파일럿 값에 기초한 작동 신호로부터의 조절기-조정 동작 신호 편차를 나타낸다. 조절기 동작 신호 성분(DELTA-PWM-WG)은 바람직하게 예를 들어 내연기관의 누설과 같은 생산 오차, 마모 또는 결함이 보완되는 방식으로 파일럿 제어에 기초하여 방출 밸브 동작 신호(PWM_WG)를 가변시킨다. 작동 포인트는 예를 들어 내연기관의 회전 속도(N) 및 내연기관의 부하 변수의 값, 예를 들어 가압 압력의 설정 포인트 값(PUT_SP)을 포함한다.
과급기 엔진 작동 동안 압축기(42)의 하류 및 실린더 유입부의 상류에서 누설이 발생할 때, 흡기 매니폴드 압력 센서(34)에 의해 획득된 흡기 매니폴드 압력 및/또는 가압 압력 센서(34)에 의해 획득된 가압 압력은 과급기 속도가 일정한 채로 남은 동안 감소된다. 상응하는 설정 포인트 값까지 흡기 매니폴드 압력을 발생시키기 위해, 조절기는 조절기 동작 신호 성분(DELTA-PWM-WG)에 의해 과급기 속도를 증가시킨다.
내연기관을 작동시키기 위한 프로그램은 제어 장치(25)의 저장 매체에 바람직하게 저장된다. 이 프로그램은 또한 높은 조절기 동작 신호 성분(DELTA-PWM-WG)의 경우에, 예를 들어 압축기(42)의 하류 및 실린더 유입부의 상류에서 누설로 인하여 과급기 속도가 과급기 속도의 임계 범위 아래인 상태가 되도록 과급기 속도의 한계값을 결정하는데 사용된다.
이 프로그램(도 2)은 바람직하게 단계(S1)에서 시작하며, 여기서 예를 들어 내연기관의 엔진 시동에 근접한 시간에서 선택적으로 변수들이 초기화된다.
단계(S2)에서 조절기 작동 신호 성분(DELTA-PWM-WG)은 가압 압력의 설정포인트 값(PUT_SP)과 실제 값(PUT_AV) 사이의 차이에 따라 그리고 내연기관의 작동 포인트에 따라 결정된다. 내연기관의 작동 포인트는 내연기관의 속도(N) 및 가압 압력의 설정포인트 값(PUT_SP)에 의해 바람직하게 한정된다.
단계(S3)에서, 조절기 작동 신호 성분(DELTA-PWM-WG) 및 내연기관의 작동 포인트에 따라 과급기 속도 변화(DELTA-N-TCHA)가 결정된다. 이러한 목적을 위해, 제어 장치(25)의 저장 매체에서 바람직하게 추가적인 특성 맵이 저장되며, 이 특성 맵에서 과급기 속도 변화(DELTA-N-TCHA)가 작동 포인트에 대비되어 및 조절기 동작 신호 성분(DELTA-PWM-WG)에 대비되어 도시된다. 특성 맵은 예를 들어 압축기(42)의 하류 및 실린더 유입부의 상류에서 한정된 누출들을 도입하여 그리고 조절기 작동 신호 성분(DELTA-PWM-WG)을 관찰하여 엔진 테스트 베드 상에 기록된다.
단계(S4)에서, 과급기 속도 변화(DELTA-N-TCHA)에 따라 과급기 속도의 한계값(N-TCHA-MAX)이 결정된다. 바람직하게 과급기 속도의 한계값(N-TCHA-MAX)은 과급기 속도의 기본 한계값(C-N-TCHA-MAX)에 따라 그리고 바람직하게 단계(S4)에 지시된 계산 사양에 따라, 과급기 속도 변화(DELTA-N-TCHA)에 따라 결정된다.
단계(S5)에서 프로그램이 종료될 수 있습니다. 그러나, 바람직하게, 프로그램은 내연기관의 작동 동안 정기적으로 실행된다. 또한, 바람직하게 과급기 속도의 결정된 한계값(N-TCHA-MAX)에 따라 과급기 속도, 특히 압축기(42)의 속도가 결정된다. 더욱이, 조절기 동작 신호 성분(DELTA-PWM-WG)에 따라 및/또는 과급기 속도의 한계값(N-TCHA-MAX)에 따라 하나 이상의 추가적인 백-업 기능이 활성화되고 및/또는 엔트리가 내연기관의 에러 메모리에서 만들어질 수 있다.

Claims (4)

  1. 배기 가스 과급기(exhaust-gas turbocharger)를 구비한 내연기관을 작동시키기 위한 방법으로서,
    상기 배기 가스 과급기의 압축기(42)의 하류 및 상기 내연기관의 실린더 유입부의 상류에서 작동하는(prevailing) 가압 압력이 상기 가압 압력의 미리 조절된 설정 포인트 값(PUT_SP)으로 조절되고,
    상기 가압 압력의 설정 포인트 값(PUT_SP)으로 상기 가압 압력을 조절하기 위해 조절기의 조절기 동작 신호 성분(DELTA_PWM_WG)이 결정되고,
    상기 조절기 동작 신호 성분(DELTA_PWM_WG)에 따라 그리고 상기 내연기관의 작동 포인트에 따라 상기 조절기 동작 신호 성분(DELTA_PWM_WG)에 관련된 과급기 신호 변화(DELTA_N_TCHA)가 결정되며,
    상기 결정된 과급기 신호 변화(DELTA_N_TCHA)에 따라 상기 과급기 속도의 한계값(N_TCHA_MAX)이 결정되는
    배기 가스 과급기를 구비한 내연기관을 작동시키기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 과급기 속도의 미리 조절된 기본 한계값(C_N_TCHA_MAX)이 상기 결정된 과급기 속도 변화(DELTA_PWM_WG)에 의해 감소된다는 점에서 상기 과급기 속도의 한계값(N_TCHA_MAX)이 상기 결정된 과급기 속도 변화(DELTA_PWM_WG)에 따라 결정되는
    배기 가스 과급기를 구비한 내연기관을 작동시키 위한 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 내연기관의 작동 포인트가 상기 내연기관의 부하 변수의 값 및 상기 내연기관의 회전 속도(N)를 포함하는
    배기 가스 과급기를 구비한 내연기관을 작동시키 위한 방법.
  4. 배기 가스 과급기(exhaust-gas turbocharger)를 구비한 내연기관을 작동시키기 위한 장치로서,
    상기 배기 가스 과급기의 압축기(42)의 하류 및 상기 내연기관의 실린더 유입부의 상류에서 작동하는 가압 압력을 상기 가압 압력의 미리 조절된 설정 포인트 값(PUT_SP)으로 조절하고,
    상기 가압 압력의 설정 포인트 값(PUT_SP)으로 상기 가압 압력을 조절하기 위해 조절기의 조절기 동작 신호 성분(DELTA_PWM_WG)을 결정하고,
    상기 조절기 동작 신호 성분(DELTA_PWM_WG)에 따라 그리고 상기 내연기관의 작동 포인트에 따라 상기 조절기 동작 신호 성분(DELTA_PWM_WG)에 관련된 과급기 신호 변화(DELTA_N_TCHA)를 결정하고,
    상기 결정된 과급기 신호 변화(DELTA_N_TCHA)에 따라 상기 과급기 속도의 한계값(N_TCHA_MAX)을 결정하기 위한
    배기 가스 과급기를 구비한 내연기관을 작동시키기 위한 장치.
KR1020107021472A 2008-02-27 2009-02-03 배기-가스 과급기를 구비한 내연기관을 작동시키기 위한 방법 및 장치 KR101548908B1 (ko)

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