KR20110063169A - 디젤엔진의 저압 이지알 제어방법 - Google Patents

디젤엔진의 저압 이지알 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디젤엔진의 EGR(Exhaust Gas Recirculation)장치로, 모델기반으로 저압 EGR율과 저압 EGR 양 및 전체 EGR중에서 저압 EGR이 차지하는 비율을 정확하게 예측하여 공기량의 정밀 제어를 제공하는 것이다.
본 발명은 엔진회전수, 부하를 검출하여 엔진상태를 판정하고 엔진 상태에 따른 저압 EGR 목표를 설정하는 과정, 저압 EGR 시스템의 모델링을 통해 저압 EGR 양과, 저압 EGR 가스의 온도와 압력, 전체 EGR 중에서 저압 EGR이 차지하는 비율을 계산하는 과정, 엔진 상태에 따른 저압 EGR 목표값과 모델링을 통해 계산된 현재의 저압 EGR 값을 비교하여 차이값을 추출하는 과정, 차이값에 따라 저압 EGR 밸브의 위치를 모델 기반으로 예측하여 피드 포워드(Feed Forward) 제어로 저압 EGR 목표 위치를 추종시키는 과정, 피드백 보정으로 저압 EGR 밸브의 위치를 조정하는 과정을 포함한다.
저압 EGR, 모델링, 엔진회전수, 부하, 피드백 보정

Description

디젤엔진의 저압 이지알 제어방법{METHOD FOR CONTROL LOW PRESSURE EXHAUST GAS RECIRCULATION OF DIESEL ENGINE}
본 발명은 디젤엔진의 EGR(Exhaust Gas Recirculation)장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모델기반으로 저압 EGR율과 저압 EGR 양 및 전체 EGR중에서 저압 EGR이 차지하는 비율을 정확하게 예측하여 공기량의 정밀 제어를 제공하는 디젤엔진의 저압 이지알 제어방법에 관한 것이다.
디젤 엔진에는 배가가스의 일부를 다시 흡기계로 재순환시켜 연소시 최고 온도를 낮추어 줌으로써 Nox의 발생을 억제하여 주는 EGR 장치가 장착되고, 배기가스를 이용하여 흡입 공기를 압축 과급시키는 터보 차저(Turbo Charger)가 장착된다.
통상적으로 디젤 엔진에서는 터보 차저의 전단에 형성되는 고압의 배기가스를 흡기계로 재순환시켜 에미션(Emission)을 저감하는 방법을 적용하고 있다.
그러나 이러한 방법은 터보 차저의 전단에 형성되는 고온 가스를 재순환시키기 때문에 EGR 쿨러(Cooler)를 통과하더라도 온도 저감의 효과에 한계가 있으며, 여과되지 않은 배기가스를 이용하기 때문에 에미션의 저감에도 한계가 있다.
상기의 방법은 Euro4 규제에 대해서는 대응이 가능하지만, 향후 강화되는 에 미션 규제인 Euro5, 6규제 및 북미 Tier II Bin5의 규제에 대응하기 위해서는 후처리 시스템의 적용과 더불어 엔진 자체의 에미션을 40% 이상 저감시킬 수 있는 기술 개발이 필요하다.
디젤 엔진에서 에미션을 저감하기 위한 기술 중에 하나로 저압(LP) EGR 장치(Low Pressure EGR System)가 개발되어 적용되고 있다.
저압(LP) EGR 장치는 촉매의 후단에 형성되는 배기가스를 EGR 쿨러로 냉각시킨 다음 재순환하는 방식을 적용하고 있어, 고압 EGR 장치와 대비하여 EGR 가스 유로가 길며, 저압이기 때문에 응답성 및 제어성 측면에서 안정적이지 못한 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 모델기반으로 저압 EGR율과 저압 EGR 양 및 전체 EGR중에서 저압 EGR이 차지하는 비율을 정확하게 예측하여 공기량의 정밀 제어를 제공하도록 하는 것이다.
상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 특징에 따른 디젤엔진의 이지알 제어방법은,
엔진회전수, 부하를 검출하여 엔진상태를 판정하고 엔진 상태에 따른 저압 EGR 목표를 설정하는 과정;
저압 EGR 시스템의 모델링을 통해 저압 EGR 양과, 저압 EGR 가스의 온도와 압력, 전체 EGR 중에서 저압 EGR이 차지하는 비율을 계산하는 과정;
엔진 상태에 따른 저압 EGR 목표값과 모델링을 통해 계산된 현재의 저압 EGR 값을 비교하여 차이값을 추출하는 과정;
상기 차이값에 따라 저압 EGR 밸브의 위치를 모델 기반으로 예측하여 피드 포워드(Feed Forward) 제어로 저압 EGR 목표 위치를 추종시키는 과정;
피드백 보정으로 저압 EGR 밸브의 위치를 조정하는 과정을 포함한다.
전술한 구성에 의하여 본 발명은 실시간 운전 상태에 따른 저압 EGR 율, 저압 EGR 양, 전체 EGR중에서 저압 EGR이 차지하는 비율에 대한 정보를 알 수 있어 엔진의 상태 정보 파악이 용이하며, 미래 상황에 대한 예측 제어 수행이 가능한 효과가 제공된다.
또한, 기존의 PID 제어 알고리즘의 경우 센서로부터 측정되는 결과 값을 기준으로 제어를 수행하였으나 모델 기반 제어의 경우 실시간 운전상태를 분석하여 예측 제어를 수행 할 수 있기 때문에 응답성이 빠르고 정밀한 제어 수행이 가능하여 엔진의 안정성을 제공하고, 에미션을 안정화하는 효과가 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실 시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 디젤엔진의 EGR 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명은 동력원인 엔진(100)과 필터(101), 터보차저(102), 촉매(103), 인터쿨러(104), 부스트 압력센서(105), 고압 EGR장치(110), 저압 EGR장치(120) 및 제어부(200)를 포함한다.
엔진(100)은 압축 착화를 통한 연소로 차량의 운행에 필요한 동력을 발생시킨다.
필터(101)는 대기로부터 엔진(100)에 입되는 공기에 포함되어 있는 수분이나 먼지 등의 이물질을 제거한다.
터보차저(102)는 터빈과 컴프레서로 구성되며, 엔진(100)에서 배출되는 배기가스의 열에너지에 의한 터빈의 동작에 따라 컴프레서는 흡입되는 공기를 과급하며, 제어부(200)에서 인가되는 제어신호에 의해 터빈의 베인 각도가 조정되어 과급 압력을 가변시킨다.
촉매(103)는 디젤산화촉매(DOC) 및 디젤매연필터(DPF)를 포함하며, 배출가스에 포함된 유해물질인 NOx, HC, 입자상 물질(PM), 그을음(Soot) 등을 정화하여 에미션을 안정화시킨다.
인터쿨러(104)는 터보차저(102)에서 과급되는 공기를 냉각시켜 안정된 산소의 분포로 엔진(100)에 공급한다.
부스트 압력센서(105)는 엔진(100)에 공급되는 공기의 과급 압력을 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(200)에 제공한다.
고압 EGR장치(110)는 터보 차저(102)의 전단에 형성되는 고온의 배기가스를 엔진으로 재순환시키며, 제어부(200)의 제어신호(EGR_Duty1)에 따라 엔진(100)으로 재순환되는 EGR량을 조정하는 제1EGR밸브(111)와 재순환되는 고온의 배기가스를 냉각시켜 엔진(100)으로 유입시키는 제1EGR 쿨러(112)로 구성된다.
저압 EGR장치(120)는 촉매(103)의 후단에 형성되는 저온 배기가스를 엔진으로 재순환시키며, 제어부(200)의 제어신호(EGR_Duty2)에 따라 엔진(100)으로 재순환되는 EGR량을 조정하는 제2EGR밸브(121)와 재순환되는 배기가스를 냉각시켜 흡기관으로 공급시키는 제2EGR쿨러(122)로 구성된다.
제어부(200)는 연료량, 엔진회전수, 과급되는 공기압력 및 온도에 따라 제1EGR장치(110) 및 제2EGR장치(120)내의 제1EGR밸브(111) 및 제2EGR 밸브(121)의 개폐 정도를 PWM(Pulse Width Modulation) 신호로 조정시켜 엔진(100)으로 재순환되는 전체적인 EGR량을 조정한다.
상기 제어부(200)는 저압 EGR과 고압 EGR이 동시에 사용되기 시작하는 구간에서는 저압 EGR장치(120) 및 고압 EGR장치(110)를 엔진회전수와 부하(연료량)의 조건으로 결정되는 값을 적용하여 오픈 루프로 제어한다.
상기 제어부(200)에는 저압 EGR(120) 장치에 대하여 저압 EGR밸브인 제2밸브(121)와 저압 EGR 쿨러인 제2쿨러(122) 및 저압 EGR가스와 흡입공기와 혼합되는 구간의 모델링이 설정된다.
상기 저압 EGR 밸브인 제2밸브(121)에 대해서는 이상기체 상태방정식과 등엔트로피 관계식을 통한 이상적인 경우의 노즐 통과 유량모델이 구성되며, 상기 노즐의 실제 유동은 이상 유동에서 가정한 1차원, 정상, 단열가역과정이 아니기 때문에 이를 보상하기 위하여 유효유량면적이 포함된 모델로 구성한다.
상기 저압 EGR 밸브인 제2밸브(121)의 모델링을 위한 과정에서 저압 EGR 계산을 위해 저압 EGR 양을 조절하는 밸브 전단과 후단의 압력이 요구되므로, 상기의 압력에 대하여 계산을 통해 예측하거나 차압센서를 통해 측정할 수 있다.
또한, 상기 저압 EGR 밸브의 전후단에 각각 절대압 센서를 적용하여 측정하거나 계산과 측정의 조합으로 예측할 수 있다.
상기 저압 EGR 쿨러인 제2쿨러(122)에 대해서는 압력저하가 없다는 가정하에 대류 열전달 측면에서 모델로 구성한다.
저압 EGR가스와 흡입공기가 혼합되는 구간의 모델링은 저압 EGR 비율, 저압 EGR 양, 전체 EGR 양에서 저압 EGR이 차지하는 비율을 예측하는 모델로 구성된다.
흡입공기와 저압 EGR가스가 구간의 제어 체적에서 입력과 출력은 질량과 에너지의 흐름이며 제어체적의 상태를 나타내는 변수는 온도와 압력이다.
따라서, 흡기 매니폴드는 압력, 온도, 공기의 조성 등과 같은 열역학적 상태들이 전체 체적내에서 균일하고, 혼합 구간 벽면을 통한 열전달이나 질량 이동이 없으며, 유체 흐름 내부의 에너지 변화가 없고, 제어체적 내의 유체는 이상기체 상태방정식을 적용할 수 있다고 가정하여 모델링을 수립한다.
또한, 상기 제어부(200)는 실시간 모델로부터 계산되는 저압 EGR 비율, 저압 EGR 양, 전체 EGR 양에서 저압 EGR이 차지하는 비율을 기반으로 피드 포워드(Feed Forward) 제어를 수행한다.
목표 저압 EGR 비율 또는 저압 EGR 양 또는 전체 EGR 양에서 저압 EGR이 차지하는 비율을 프리 콘트롤(Pre-Control)을 위한 인버스(Inverse) 저압 EGR 모델과, 운전영역의 온도/압력 조건에서 목표 저압 EGR 비율 또는 저압 EGR 양, 전제 EGR 양에서 저압 EGR이 차지하는 비율을 추종하기 위한 저압 EGR 밸브의 위치모델이 적용된다.
전술한 기능이 포함되는 본 발명에서 저압 EGR을 제어하는 절차에 대하여 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 디젤엔진이 시동 온 되면 제어부(200)는 엔진회전수, 부하(연료량)를 검출하여 엔진상태를 판단하고(S101), 엔진상태에 따라 저압 EGR 율과 저압 EGR 양, 전체 EGR 양에서 저압 EGR이 차지하는 비율 등에 대하여 목표값을 설정한다(S102).
이후, 저압 EGR 밸브의 모델값을 적용하여 저압 EGR 양을 결정한다(S103).
상기 저압 EGR 시스템의 모델링 영역은 저압 EGR 밸브, 저압 EGR 쿨러, 저압 EGR가스와 흡입 공기가 혼합되는 구간으로 그 영역을 정의하여 모델을 구성한다.
상기 저압 EGR 밸브인 제2밸브(121)에 대해서는 이상기체 상태방정식과 등엔트로피 관계식을 통한 이상적인 경우의 노즐 통과 유량모델이 구성되며, 상기 노즐의 실제 유동은 이상 유동에서 가정한 1차원, 정상, 단열가역과정이 아니기 때문에 이를 보상하기 위하여 유효유량면적이 포함된 모델로 구성한다.
Figure 112009075175198-PAT00001
Figure 112009075175198-PAT00002
상기 저압 EGR 쿨러인 제2쿨러(122)에 대해서는 압력저하가 없다는 가정하에 대류 열전달 측면에서 모델로 구성한다.
Figure 112009075175198-PAT00003
저압 EGR가스와 흡입공기가 혼합되는 구간의 모델링은 저압 EGR 비율, 저압 EGR 양, 전체 EGR 양에서 저압 EGR이 차지하는 비율을 예측하는 모델로 구성된다.
흡입공기와 저압 EGR가스가 구간의 제어 체적에서 입력과 출력은 질량과 에너지의 흐름이며 제어체적의 상태를 나타내는 변수는 온도와 압력이다.
따라서, 흡기 매니폴드는 압력, 온도, 공기의 조성 등과 같은 열역학적 상태들이 전체 체적내에서 균일하고, 혼합 구간 벽면을 통한 열전달이나 질량 이동이 없으며, 유체 흐름 내부의 에너지 변화가 없고, 제어체적 내의 유체는 이상기체 상태방정식을 적용할 수 있다고 가정하여 모델링을 수립한다.
모델링을 위한 체적의 정의는 도 3과 같이 설정한다.
도 3의 정의에서, 수학적인 모델을 수립하면 다음과 같다.
Figure 112009075175198-PAT00004
질량 보존의 법칙에 따라 혼합되는 구간에 유입되는 외부 흡입공기와 저압 EGR 질량 변화율의 합은 터보 차저의 컴프레셔로 유입되는 질량과 같다.
Figure 112009075175198-PAT00005
따라서, 저압 EGR과 외부 흡입공기의 혼합기의 온도, 압력, 질량 및 저압 EGR 배율과 저압 EGR 양 및 전체 EGR 중에서 저압 EGE이 차지하는 비율을 예측할 수 있다.
상기한 각 영역별 저압 EGR 쿨러의 모델값을 적용하여 저압 EGR 가스의 온도와 압력을 결정하며(S104), 흡입공기와 저압 EGR가스가 혼합되는 구간의 모델값을 적용하여 저압 EGR율과 저압 EGR 양 및 전체 EGR 중에서 저압 EGR이 차지하는 비율을 계산한다(S105).
그리고, 상기 엔진회전수와 부하의 조건으로 결정한 목표 저압 EGR 값과 모델링으로 결정되는 현재의 값을 비교하여(S106) 차이가 발생되는지 판단한다(S107).
상기 S107에서 차이가 발생되면 그에 따라 저압 EGR 밸브인 제2EGR 밸브(121)의 위치를 보정 제어하여 엔진회전수와 부하(연료량)의 조건으로 결정되는 목표 저압 EGR을 추종시킨다(S109).
즉, 실시간 엔진 운전영역(온도/압력 등의 조건)에 따라 목표 저압 EGR 비율, 저압 EGR 양, 전체 EGR 중에서 저압 EGR이 차지하는 비율을 만족하는 저압 EGR 밸브의 위치를 모델 기반으로 예측하여 피드 포워드(Feed Forward)를 적용하여 정밀한 제어를 제공한다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 디젤엔진의 EGR 제어장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 디젤엔진에서 저압 EGR 제어절차를 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 디젤 엔진에서 외부 흡입공기와 저압 EGR 가스의 혼합구간에 대한 모델링을 위한 체적 정의를 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101 : 필터 102 : 터보차저
103 : 촉매 104 : 인터쿨러
105 : 부스트 압력센서 110 : 고압 EGR
120 : 저압 EGR 200 : 제어부

Claims (9)

  1. 엔진회전수, 부하를 검출하여 엔진상태를 판정하고 엔진 상태에 따른 저압 EGR 목표를 설정하는 과정;
    저압 EGR 시스템의 모델링을 통해 저압 EGR 양과, 저압 EGR 가스의 온도와 압력, 전체 EGR 중에서 저압 EGR이 차지하는 비율을 계산하는 과정;
    엔진 상태에 따른 저압 EGR 목표값과 모델링을 통해 계산된 현재의 저압 EGR 값을 비교하여 차이값을 추출하는 과정;
    상기 차이값에 따라 저압 EGR 밸브의 위치를 모델 기반으로 예측하여 피드 포워드(Feed Forward) 제어로 저압 EGR 목표 위치를 추종시키는 과정;
    피드백 보정으로 저압 EGR 밸브의 위치를 조정하는 과정;
    을 포함하는 디젤엔진의 저압 이지알 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    온도, 압력을 포함하는 운전조건에 따라 목표 저압 EGR 비율, 저압 EGR 양, 전체 EGR 중에서 저압 EGR이 차지하는 비율을 만족하는 저압 EGR 밸브의 위치를 모델 기반으로 예측하여 피드 포워드(Feed Forward) 제어를 실행하는 과정을 더 포함하는 디젤엔진의 저압 이지알 제어방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 엔진 상태에 따른 저압 EGR 목표는 저압 EGR율, 저압 EGR 양, 전체 EGR 중에서 저압 EGR이 차지하는 비율에 대하여 설정되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 저압 이지알 제어방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 저압 EGR 시스템의 모델링은,
    저압 EGR 밸브와 저압 EGR 쿨러 및 저압 EGR가스와 외부 흡입공기가 혼합되는 영역에 대하여 실행하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 저압 이지알 제어방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 저압 EGR 밸브 영역의 모델링은,
    이상기체 상태방정식과 등엔트로피 관계식을 통해 노즐 통과 유량모델로 구성하고, 상기 노즐의 실제 유동은 이상 유동에서 가정한 1차원, 정상, 단열가역과정이 아니기 때문에 이를 보상하기 위하여 유효유량면적을 포함하여 저압 EGR 비율, 저압 EGR 양, 전체 EGR 중에서 저압 EGE이 차지하는 비율을 모델로 구성하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 저압 이지알 제어방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 저압 EGR 쿨러 영역의 모델링은,
    압력저하가 없다는 가정하에 대류 열전달을 적용하여 저압 EGR 비율, 저압 EGR 양, 전체 EGR 중에서 저압 EGE이 차지하는 비율을 모델로 구성하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 저압 이지알 제어방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 저압 EGR가스와 흡입공기가 혼합되는 영역의 모델링은,
    흡기 매니폴드의 압력, 온도, 공기의 조성 등의 열역학적 상태는 전체 체적내에서 균일하고, 혼합 구간 벽면을 통한 열전달이나 질량 이동이 없으며, 유체 흐름 내부의 에너지 변화가 없고, 제어체적 내의 유체는 이상기체 상태방정식을 적용할 수 있다는 가정을 적용하여 저압 EGR 비율, 저압 EGR 양, 전체 EGR 중에서 저압 EGE이 차지하는 비율을 모델로 구성하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 저압 이지알 제어방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 저압 EGR 밸브의 모델링에서,
    저압 EGR 밸브의 전단과 후단의 압력에 대하여 계산을 통해 예측하거나 양단에 설치되는 차압센서를 이용하여 측정하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 저압 이지알 제어방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 저압 EGR 밸브의 모델링에서,
    저압 EGR 밸브의 전단 및 후단의 압력에 대하여 양단간에 설치되는 절대압 센서를 이용하여 측정하거나 계산과 측정의 조합으로 예측하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 저압 이지알 제어방법.
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