KR20110052646A - 가솔린 열 기관 및 대응하는 재순환 시스템의 배기 가스 순환 회로 관리 방법 - Google Patents

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세바스띠엥 뽀또
프레데릭 꾸셍
루아 비올레뜨
다미엥 푸르니고
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발레오 시스템므 드 꽁트롤르 모뙤르
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Abstract

본 발명은 가솔린 열 기관의 배기 가스 재순환 회로 관리 방법에 관한 것이며, 상기 열 기관은 상기 재순환 회로가 그 사이로 연장되는 유입 라인 및 배기 라인에 연결되는 적어도 하나의 연소실을 포함하며, 상기 재순환 회로는 유량 조절 밸브를 포함하고, 상기 방법은 유량 설정점에 기초하여 유량 조절 밸브를 조절하는 단계를 포함하며, 상기 방법은, 유동 조절 밸브에 대한 상류 압력과 하류 압력 사이의 압력차를 나타내는 작동 파라메타를 탐지하는 단계, 및 최소 압력차에 대응하는 문턱값과 상기 파라메타를 비교한 이후에, 압력차를 증가시키기 위해 라인들 중 적어도 하나에서 유량을 조절하는 단계를 더 포함한다.

Description

가솔린 열 기관 및 대응하는 재순환 시스템의 배기 가스 순환 회로 관리 방법{METHOD FOR MANAGING THE EXHAUST GAS CIRCULATION CIRCUIT OF A PETROL THERMAL ENGINE AND CORRESPONDING RECIRCULATION SYSTEM}
본 발명은 가솔린 내연 기관의 배기 가스 재순환 회로의 관리 방법 및 이 내연 기관의 가스 순환 시스템에 관한 것이다.
연소 기관은 신선한 가스의 유입 라인 및 연소된 가스의 배기 라인에 연결되는 연소실을 한정하는 엔진 블록을 포함한다. 유입 라인에는 유동 조절용 버터플라이 밸브가 장착되어 있으며, 유동 조절용 버터플라이 밸브의 위치는 엔진의 회전 속도를 제어하기 위해 차량의 스로틀 페달이 눌리는 정도에 의해 결정된다. 유입 라인에 장착되는 압축기를 구동하는 터빈은 일반적으로 배기 라인에 장착된다.
디젤 내연 기관에서 배기 가스를 유입 라인으로 재순환시키는 배기 가스 재순환 회로를 유입 라인과 배기 라인 사이에 결합시키는 것은 그 실시가 공지되어 있다. 이러한 재순환 회로는 일반적으로 재순환 회로를 통과하는 유동을 조절하는 밸브를 포함한다. 재순환 회로는 일반적으로 터빈의 상류에서 배기 라인에 연결되고 압축기의 하류에서 유입 라인에 연결된다(이는 고압 회로로서 공지되어 있는 재순환 회로 타입임).
이러한 안은, 향후에, 배기 온도를 낮추고 이들 엔진의 핑 현상(pinging)에 대한 내성을 높이기 위해, 터빈의 하류에서, 그리고 보다 구체적으로는 촉매 컨버터의 하류에서 배기 라인에 연결되고 압축기의 상류에서 유입 라인에 연결되는 재순환 회로를 가솔린 내연 기관에 갖추려는 것이다(이때 재순환 회로는 저압 타입임). 그러나, 이는, 재순환 회로를 통과하는 가스의 유량에 의해, 이 엔진의 오염물 배출을 제한하기 위해 전체 엔진 작동 범위에 걸쳐 정확하고 신뢰성있게 조절될 수 있으며, 연소가 안정화되고, 핑 현상의 개시가 방지된다는 것을 가정한다. 일반적으로 재순환 회로 유동 조절 밸브의 상류 압력과 하류 압력 사이의 압력차를 측정하는 것을 이용하여 조절이 행해진다. 그러나, 부하가 작은 경우, 이러한 압력차는 작고, 압력 센서의 가격이 높아질 정도의 정확도를 갖는 압력 센서를 이용하는 원인이 된다.
본 발명의 목적은 가솔린 내연 기관을 위한 배기 가스 재순환 회로에서 유동 조절이 더욱 신뢰성 있지만 간단하고 저렴한 방식으로 이루어질 수 있도록 하는 수단을 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 가솔린 내연 기관의 배기 가스 재순환 회로 관리 방법을 제공하며, 엔진은 재순환 회로가 그 사이로 연장되는 유입 라인 및 배기 라인에 연결되는 적어도 하나의 연소실을 포함하고, 재순환 회로는 유동 조절 밸브를 포함하며, 상기 방법은 유량 설정점에 따라 유동 조절 밸브를 작동시키는 단계를 포함하고, 상기 방법은,
- 유동 조절 밸브의 상류 압력과 하류 압력 사이의 압력차를 나타내는 작동 파라메타를 탐지하는 단계,
- 최소 압력차에 대응하는 문턱값에 대해 상기 파라메타를 비교하는 단계, 및
- 압력차를 증가시키기 위해 라인들 중 적어도 하나에서 유량을 조절하는 단계
를 포함한다.
다시 말하면, 파라메타와 문턱값의 비교는, 유동 조절 밸브를 통한 압력차가 최소값 미만인지를 나타내며, 라인들 중 적어도 하나에서의 압력은 이 압력차를 증가시키기 위해 조절된다.
대표적인 작동 파라메타는, 예컨대 엔진 속도일 수 있다.
최소 압력차는 밸브를 통한 유량에 대한 요구를 충족시키기 위해 결정되지만(엔진 작동을 위해 결정됨), 특히 자동차 산업에서 보통 사용되는 압력 센서 및/또는 유량 센서가 큰 유량에서는 만족할만한 정확도를 나타내는 반면 작은 유량에 대해서는 충분히 민감하지 못하고 이에 따라 그 정확도가 저하되기 때문에 유량에 대한 충분히 정확한 평가가 이루어질 수 있도록 보장하기 위해 결정된다.
따라서, 라인들 중 하나에서의 유량은, 재순환 회로 유동 조절 밸브의 작동이 용이하게 되도록 하고, 특히 유량이 더욱 정확하게 측정될 수 있도록 하기에 충분하도록 재순환 회로의 유동 조절 밸브를 통한 압력차를 현저하게 증가시키도록 하는 방식으로 조절된다.
일부 변형례에 따르면,
- 압력차의 증가는, 재순환 회로의 상류에 위치하는 유입 라인의 소정 영역에서 유량을 조절하는 것에 의해, 재순환 회로 및 상기 영역의 하류에서 유입 라인의 압력을 감소시키는 방식으로 달성되며,
- 압력차의 증가는 재순환 회로의 배기 라인 단부에서의 압력을 증가시키기 위해 재순환 회로의 하류에 있는 배기 라인에서 유동을 조절하는 것에 의해 달성된다.
이 경우 선호에 따라, 유입 라인은 재순환 회로의 하류에서 엔진 속도를 조절하는 버터플라이 밸브를 포함하며, 상기 방법은 유입 라인에서 또는 배기 라인에서 압력의 변동을 보상하기 위해 버터플라이 밸브에 작용하는 단계를 포함한다.
이에 따라 엔진 속도를 조절하기 위해 사용되는 버터플라이 밸브는, 압력차를 증가시키려는 목적으로 유입 라인에서 또는 배기 라인에서 발생되는 압력 변동을 보상하는 추가적인 기능을 행한다.
유리하게는, 압력차를 증가시키기 위한 조절은, 관련 라인에 장착되는 적어도 하나의 추가적인 밸브에 의해 행해지며, 상기 방법은,
- 유량에 대한 요건을 충족시키고/충족시키거나 재순환 회로 유동 조절 밸브에서의 유량이 결정될 수 있도록 하기에 충분한 최소 압력차를 결정하는 단계,
- 적어도 최소 압력차에 기초하여 추가적인 밸브에 대한 위치 설정점을 결정하는 단계, 및
- 재순환 회로에서 압력차를 나타내는 측정값에 따라 추가적인 밸브의 위치를 보정하는 단계
를 포함한다.
이 실시예에 의해, 루프 제어를 위한 비교적 짧은 응답 시간을 획득할 수 있으며, 유량 요건을 충족시킬 수 있고/있거나 유동 조절 밸브에서 정확하게 유량을 결정할 수 있다.
한 가지 바람직한 특성에 따르면, 최소 압력차는 추가적인 밸브의 상류 압력 및 하류 압력을 유도하기 위해 사용되며, 상류 압력 및 하류 압력은 Barre Saint Venant 모델을 이용하여 추가적인 밸브를 통과하는 유량을 결정하기 위해 사용된다.
본 발명의 다른 주제는, 가솔린 내연 기관의 가스를 순환시키는 시스템이며, 상기 시스템은 배기 가스 재순환 회로가 연결되는 유입 라인 및 배기 라인, 재순환 회로의 하류에서 유입 라인에 장착되는 엔진 속도 조절용 버터플라이 밸브, 재순환 회로에 장착되는 제1 유동 조절 밸브 및 라인들 중 하나에 장착되는 제2 유동 조절 밸브를 포함하고, 상기 버터플라이 밸브 및 제2 유동 조절 밸브는 제1 유동 조절 밸브 및 버터플라이 밸브의 상류 압력과 하류 압력 사이의 압력차를 증가시켜 이러한 압력 변동을 보상하는 방식으로 제2 유동 조절 밸브를 작동시키도록 구성되는 제어 유닛에 연결된다.
따라서, 밸브를 통한 압력차는 증가하게 되며, 버터플라이 밸브는 엔진에서의 압력 변동(압력차 증가의 결과로서 발생함)을 보상하도록 하는 방식으로 작동되어 이 엔진의 작동을 방해하지 않거나 엔진의 성능에 부정적인 영향을 주지 않는다.
제2 유동 조절 밸브는 재순환 회로의 상류에 있는 유입 라인에 배치될 수 있다. 이는 또한 재순환 회로의 상류에 있는 배기 라인에 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 특성 및 장점은 본 발명의 구체적이며 비한정적인 2가지 실시예에 관한 후속하는 설명을 읽음으로써 드러날 것이다.
본 발명에 따르면, 가솔린 내연 기관을 위한 배기 가스 재순환 회로에서 유동 조절이 더욱 신뢰성 있지만 간단하고 저렴한 방식으로 이루어질 수 있도록 하는 수단을 얻을 수 있다.
첨부 도면을 참고할 것이다.
- 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 순환 시스템을 포함하는 엔진의 개략도이다.
- 도 2는 이러한 가스 순환 시스템에서 본 발명에 따른 방법을 실시하는 것을 도시하는 블록 선도이다.
- 도 3은 도 2의 도면과 유사한 도면이지만, 변형례를 도시하는 도면이다.
- 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 순환 시스템을 구비하는 엔진의 개략도이다.
도 1 및 도 4를 참고하면, 엔진은 유입 라인(3) 및 배기 라인(4)에 연결된 연소실(2)을 한정하는 엔진 블록(1)을 포함한다. 배기 라인(4)에는, 자체로 유입 라인(3)에 장착된 압축기(6)를 구동하는 터빈(5)이 장착된다.
엔진 블록(1)과 압축기(6) 사이에서, 유입 라인에는, 과급 공기 냉각기(8) 및 엔진 속도 조절용 버터플라이 밸브(7)가 장착된다.
터빈(5)의 하류에서 배기 라인에는 촉매 컨버터(9)가 장착된다.
배기 가스 재순환(또는 EGR) 회로(10)는 배기 라인(4)과 유입 라인(3) 사이에 장착된다. EGR 회로(10)의 일단부는 촉매 컨버터(9)의 하류에서 배기 라인(4)에 연결되며, 일단부는 압축기(6)의 상류에서 유입 라인(3)에 연결된다. EGR 회로는 냉각기(12)를 포함하며, 자체로 공지된 냉각기는 냉각 경로 및 비냉각 경로를 포함하고, 이들 경로 사이에는 배기 가스의 유동이 선택적으로 냉각 경로로 또는 비냉각 경로로 향하도록 하는 바이패스 부재가 장착된다. EGR 회로(10)는 또한 유동 조절 밸브(13)를 포함하며, 이 경우에 유동 조절 밸브는 냉각기(12)와 유입 라인(3) 사이에 장착된다.
엔진 제어 유닛(14) 또는 ECU는 버터플라이 밸브(7)에, 유동 조절 밸브(13)에, 점화 회로(도시되어 있지 않음)에, 그리고 연료 분사 회로(도시되어 있지 않음)에 연결되어 이들이 엔진 작동 특징을 감지하는 센서에 의해 제공되는 정보에 따라 그리고 예컨대 스로틀 페달, 선택된 기어비, 선택된 구동 모드 등을 통해 운전자에 의해 발생되는 명령에 따라 작동되도록 한다.
보다 구체적으로 도 1 및 도 2를 참고하면, 배기 라인(4)은 배압 밸브(15; backpressure valve)로서 공지된 추가적인 밸브를 포함하며, 이 배압 밸브는 배기 라인(4)과 EGR 회로(10) 사이의 연결부의 하류에 장착된다. 이러한 배압 밸브(15)는, 배압 밸브가 엔진 제어 유닛에 따라 작동될 수 있도록 엔진 제어 유닛에 연결된다.
이제 또한 도 2를 참고하여 본 발명에 따른 방법을 설명할 것이다.
측정 또는 평가, 그리고 유동 조절 밸브(13)의 상류 온도, 유동 조절 밸브(13)를 통한 압력, 유동 조절 밸브(13)의 위치(다시 말해서 개방 정도), 및 유동 조절 밸브(13)에 대한 유량 설정점(유입 라인 내로 연소된 가스를 도입하기 위한 요건에 따라 사전에 결정될 것임)에 기초하여, 엔진 제어 유닛(14)은, 이 경우에 계산(단계 100)에 의해 유동 조절 밸브(13)의 상류 압력(Pupstream) 및 유동 조절 밸브(13)를 통한 실제 유량이 결정되도록 하기에 충분한 유동 조절 밸브(13)의 하류 압력과 상류 압력 사이의 계산된 압력차(ΔP)를 결정한다. 이로부터, 배압 밸브(15)의 상류 압력(P'upstream)이 유도된다. 상류 압력(P'upstream)은 압력(Pupstream)과 동일하다. 배압 밸브(15)의 위치는 다음으로 대응하는 유량, 배압 밸브(15)의 상류 온도, 및 배압 밸브(15)의 하류 압력으로부터 계산된다(단계 101). POScpe로 표시되는 이 위치는 다음으로 보정값을 이용하여 보정된다(단계 102). 보정값은 계산된 압력차(ΔP) 및 유동 조절 밸브(13)를 통한 압력차의 측정값(측정된 ΔP)에 대해 행해지는 PID(비례, 적분, 미분) 유형의 보정으로부터 나온다. PID 유형의 보정으로 인해, 위치는 재정렬될 수 있으며, 이는 파울링(fouling), 마모 등의 결과로서 발생할 수 있는 임의의 시프트에 대한 해결책을 제공한다. 따라서, 보정된 위치는 필터링되고(단계 104), 다음으로 배압 밸브(15)를 작동시키기 위해 설정점으로서 사용된다. 배압 밸브(15)의 위치(POScpe)는 우선 개방 루프에서 모두 계산되며(단계 101), 다음으로 폐쇄 루프에서 계산된다(단계 102)는 것을 이해할 것이다.
제2 실시예의 후속하는 설명에 있어서, 이미 설명된 것과 동일하거나 유사한 것에는 동일한 도면 부호가 사용된다.
제2 실시예와 함께 도시된 엔진은,
- 배기 라인에는 배압 밸브가 존재하지 않거나, 또는 적어도 이러한 밸브는 유동 조절 밸브(13)의 상류 압력과 하류 압력 사이의 압력차를 증가시킬 목적으로 사용되지 않으며,
- 유입 라인(3)은 EGR 회로(10)와 유입 라인(3) 사이의 연결부의 상류에 장착되는 추가적인 밸브(25)를 포함한다
는 것을 제외하고는 제1 실시예를 참고하여 설명된 엔진과 동일하다. 추가적인 밸브(25)는, 앞서와 같이, 유동 조절 밸브(13)의 상류 압력과 하류 압력 사이의 압력차를 증가시키기 위해 버터플라이 밸브(7)와 추가적인 밸브(25) 사이에서 압력을 감소시키도록 하는 방식으로 엔진 제어 유닛(14)에 의해 작동된다. 추가적인 밸브(25)를 작동시키기 위해 사용되는 제어 방법은, 추가적인 밸브(25) 및 유동 조절 밸브(13)의 위치를 결정하는 파라메타가 추가적인 밸브(13)의 상류 압력 및 유동 조절 밸브(13)의 하류 압력이라는 점을 제외하고는 배압 밸브(15)를 위해 사용되는 방법과 동일하다.
도 3의 방법에 있어서, 버터플라이 밸브(7)에 대한 작용도 또한 계획된다.
대안적인 형태에 있어서, 이러한 계획은 유동 조절 밸브(13)의 상류 압력과 하류 압력 사이의 압력차를 나타나는 작동 파라메타를 결정하는 것이다. 최소 압력차에 대응하는 문턱값에 대해 파라메타를 비교할 때, 상기 방법은 압력차를 증가시키기 위해 추가적인 밸브(25)에 작용하는 단계를 포함한다. 보다 구체적으로, 추가적인 밸브(25)에 대해 적용되는 명령은 유동 조절 밸브(13)의 하류 압력을 감소시키는 것을 목적으로 한다. 또한, 유입 라인, 다시 말하면 유동 조절 밸브(13)의 하류에서의 압력을 증가시켜 엔진에서 제어 명령에 의해 야기되는 압력 변동을 보상하기 위해, 버터플라이 밸브(7)의 제어에 작용하는 계획도 존재한다.
이러한 대안적인 형태에 있어서, 단계 100 내지 단계 105는 이미 설명된 것과 동일하다.
추가적인 밸브(25)의 위치(POS25)는, 밸브(13)를 통한 압력차(ΔP)(설정점)를 갖기 위해 요구되는 유동 조절 밸브(13)의 하류 압력과 동일하며 단계 100의 과정 동안 계산되는 추가적인 밸브(25)의 하류 압력(P'downstream), 유량(설정점), 추가적인 밸브(25)의 상류 온도(T), 밸브(25)의 상류 압력의 평가에 기초하여 결정된다.
유동 조절 밸브(13)에 대한 유량 설정점 및 유동 조절 밸브(13)를 통해 측정되는 압력차(ΔP)는 이때 또한 유동 조절 밸브(13)에 대한 위치 설정점을 결정하기 위해 엔진에서 공기 스트림을 모델링하는 데(단계 106) 사용된다.
버터플라이 밸브(7)의 위치는 재순환 회로와 버터플라이 밸브(7) 사이의 유입 라인에서의(즉, 재순환 회로의 하류에서의) 압력 측정값에 따라 보정된다.
밸브의 위치를 결정하기 위해 선택되는 파라메타는 항상 유동 조절 밸브(13)의 하류 압력과 상류 압력 사이의 압력차를 나타낸다는 것을 주목할 것이다.
물론, 본 발명은 설명된 실시예로 한정되지 않으며, 청구범위에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 실시예에 대한 변형이 설명된 실시예에 적용될 수 있다.
도 2 및 도 3의 방법은 시스템의 2가지 실시예에서 사용될 수 있다.
1 : 엔진 블록 2 : 연소실
3 : 유입 라인 4 : 배기 라인
5 : 터빈 6 : 압축기
7 : 버터플라이 밸브 9 : 촉매 컨버터
10 : EGR 회로 12 : 냉각기
13 : 유동 조절 밸브 14 : 엔진 제어 유닛
15 : 배압 밸브 25 : 추가적인 밸브

Claims (10)

  1. 가솔린 내연 기관의 배기 가스 재순환 회로를 관리하는 방법으로서, 상기 내연 기관은 재순환 회로가 그 사이로 연장되는 유입 라인 및 배기 라인에 연결되는 적어도 하나의 연소실을 포함하며, 상기 재순환 회로는 유동 조절 밸브를 포함하고, 상기 방법은 유량 설정점에 따라 유동 조절 밸브를 작동시키는 단계를 포함하며, 상기 방법은,
    - 유동 조절 밸브의 상류 압력과 하류 압력 사이의 압력차를 나타내는 작동 파라메타를 탐지하는 단계,
    - 최소 압력차에 대응하는 문턱값에 대해 상기 파라메타를 비교하는 단계, 및
    - 압력차를 증가시키기 위해 라인들 중 적어도 하나에서 유량을 조절하는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압력차의 증가는 재순환 회로의 하류 및 상류에 위치하는 유입 라인의 영역들에서 유량을 조절함으로써, 이들 2개의 영역 사이에서 유입 라인에서의 압력을 감소시키는 방식으로 달성되는 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 압력차의 증가는 재순환 회로의 하류에 있는 배기 라인 및 재순환 회로의 하류에 있는 유입 라인에서의 유량을 조절하는 것에 의해, 재순환 회로의 배기 라인 단부에서 압력을 증가시키고 재순환 회로의 유입 라인 단부에서 압력을 감소시키는 방식으로 달성되는 것인 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 유입 라인은 재순환 회로의 하류에서 엔진 속도를 조절하는 버터플라이 밸브를 포함하며, 상기 방법은 유입 라인에서 또는 배기 라인에서 압력의 변동을 보상하기 위해 엔진에서 버터플라이 밸브에 작용하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 압력차를 증가시키기 위한 조절은, 관련 라인에 장착되는 적어도 하나의 추가적인 밸브에 의해 행해지며, 상기 방법은,
    - 재순환 회로 유동 조절 밸브에서의 유량이 결정될 수 있도록 하기에 충분한 최소 압력차를 결정하는 단계,
    - 적어도 최소 압력차에 기초하여 추가적인 밸브에 대한 위치 설정점을 결정하는 단계, 및
    - 재순환 회로에서의 압력차를 나타내는 측정값에 따라 추가적인 밸브의 위치를 보정하는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
  6. 제5항에 있어서, 최소 압력차는 추가적인 밸브의 상류 압력 및 하류 압력을 유도하기 위해 사용되며, 상류 압력 및 하류 압력은 Barre Saint Venant 모델을 이용하여 추가적인 밸브를 통과하는 유량을 결정하기 위해 사용되는 것인 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 유동 조절 밸브의 상류 압력과 하류 압력 사이의 압력차를 나타내는 작동 파라메타는 엔진 속도인 것인 방법.
  8. 가솔린 내연 기관의 가스를 순환시키는 시스템으로서, 상기 시스템은 배기 가스 재순환 회로가 연결되는 배기 라인 및 유입 라인, 재순환 회로의 하류에서 유입 라인에 장착되는 엔진 속도 조절용 버터플라이 밸브, 재순환 회로에 장착되는 제1 유동 조절 밸브 및 상기 라인들 중 하나에 장착되는 제2 유동 조절 밸브를 포함하고, 상기 버터플라이 밸브 및 제2 유동 조절 밸브는 제1 유동 조절 밸브 및 버터플라이 밸브의 상류 압력과 하류 압력 사이의 압력차를 증가시켜 엔진에서 이러한 압력 변동을 보상하는 방식으로 제2 유동 조절 밸브를 작동시키도록 구성되는 제어 유닛에 연결되는 것인 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제2 유동 조절 밸브는 재순환 회로의 상류에 있는 유입 라인에 배치되는 것인 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제2 유동 조절 밸브는 재순환 회로의 상류에 있는 배기 라인에 배치되는 것인 시스템.
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