KR20120054713A - Ｅｃｕ 특성 곡선의 변경을 통해 배압조절밸브의 제어 안정성을 향상하는 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 HP EGR시스템과 LP EGR 시스템을 동시에 구비하여 엔진의 작동 상태에 따라 HP EGR시스템과 LP EGR 시스템을 동시에 제어하여 응답성을 향상시키며 연비를 개선할 수 있는 EGR시스템에 있어 압력제어밸브의 개폐량 제어시 이상 요구 특성을 만족키 위한 입력 신호 및 배압 특성 방정식을 제공함으로서, ECU 특성 곡선의 변경을 통해 배압조절밸브의 제어 안정성을 향상하는 제어방법을 제공하는 데 있다. 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 EGR시스템에 있어 압력제어밸브의 개폐량 제어시 다음의 입력 신호 및 배압 특성 방정식에 의해 이상 요구 특성을 만족시키도록 제어하게 되는 것을 특징으로 한다.
Y = 0.164X + 2.37
여기서, Y는 배압이며, X는 입력 PWM(Pulse Width Modulation)이다.

Description

ＥＣＵ 특성 곡선의 변경을 통해 배압조절밸브의 제어 안정성을 향상하는 제어방법{Control method improving control stability of back control valve through ECU}

본 명세서의 전반적인 관련 분야는 터보차지되는 압축 착화 엔진 시스템들 내에서 배기 가스 재순환(exhaust gas recirculation)을 제어하는 것을 포함하는 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량의 운전 상태에 따라 HP EGR과 LP EGR을 효율적으로 이용하여 응답성을 향상시킬 수 있게 ECU 특성 곡선의 변경을 통해 배압조절밸브의 제어 안정성을 향상하는 제어방법에 관한 것이다.

터보차지되는 엔진 시스템은 기계적 동력으로 변환시키기 위해 공기와 연료를 연소시키는 연소 챔버들, 유입 가스를 상기 연소 챔버들로 전달하는 유입 서브시스템, 및 엔진 배기 서브시스템을 구비한 엔진들을 포함한다.

상기한 터보챠저 엔진은 주로 디젤 자동차에 적용되며, 이들 디젤자동차의 주된 대기오염 물질은 질소산화물(NOx)과 입자상물질(Particulate matter)이다. 따라서, 이들 배기 유해 물질들은 디젤자동차 배기가스 규제의 주요한 대상물질이 되고 있다.

상기 배기 서브시스템들은 일반적으로 배기 가스를 상기 엔진 연소 챔버로부터 제거하고, 엔진 배기 소음을 억제시키며, 엔진 연소 온도가 높아질수록 증가하는 질소 산화물(NOx)과 배기 가스 입자를 감소시킨다. 배기 가스는 배기 가스 서브시스템에서 배출되어 외기(fresh air)와의 혼합을 위한 유입 서브시스템으로 유입된 다음, 엔진으로 종종 재순환된다. 배기 가스 재순환은 비활성 가스의 양을 증가시킴과 아울러 부수적으로 유입 가스 내의 산소를 감소시킴으로써, 엔진 연소 온도를 감소시켜 NOx 생성을 감소시킨다.

이처럼 질소산화물(NOx) 저감을 위한 배기 가스 재 순환 장치 (EGR; Exhaust Recirculation)는 연소 후 배출되는 배기가스의 일부를 흡입 혼합 기에 포함시켜 연소 실로 유입시킴으로써, 혼합기의 자체 공연 비는 변화시키지 않으면서 혼합기의 밀도를 저하시켜 연소 온도를 저하시키는 특성을 갖게 된다.

즉, 상기 EGR 장치는 엔진의 운전 상태에 따라 NOx와 같은 에미션(Emission)을 저감시킬 필요가 있을 때, 배기가스의 일부를 EGR 밸브를 통하여 흡기 인테이크에 제공하여 혼합기와 함께 연소 실로 유입시키면, 상기 연소실로 유입된 배기 가스는 불활성 가스로서 흡입 가스의 체적은 변화하지 않으므로 상대적으로 혼합기의 밀도가 저하되어 화염의 전파 속도를 저하시킴으로써 연소속도가 저하되고, 이에 따라 연소 온도의 상승을 방지하여 NOx와 같은 에미션(Emission)의 발생을 줄여 주게 된다.

이러한 EGR은 터보 챠져의 터빈을 지난 배기가스를 컴프레셔 전단의 흡기통로로 재순환시키는 저압 EGR(LP-EGR; low pressure EGR)과 배기 매니폴드와 터빈 사이에서 배기가스를 추출하여 컴프레셔 및 인터쿨러를 지난 흡기통로로 재순환시키는 고압 EGR(HP-EGR; high pressure EGR)로 나뉠 수 있다.

도1은 종래의 일반적인 EGR 시스템의 구성을 나타내는 도면으로서, 상기한 종래 EGR 시스템은 엔진(10)의 배기구(13)와 상기 엔진(10)의 흡기구(15) 를 연결하는 고압 EGR 라인(60), 상기 고압 EGR 라인(60)에 구비된 고압 EGR 밸브(65), 터보 챠저(30)로 유입되는 공기에 배기가스를 공급하도록 매연 필터 후방(40)과 상기 엔진의 배기구(13)에 연결된 터보 챠저(30) 전방을 연결하는 저압 EGR 라인(50), 상기 저압 EGR 라인(50)에 구비된 저압 EGR 밸브(55) 및 상기 고압 EGR 밸브(65)와 상기 저압 EGR 밸브(55)를 제어하는 ECU(20)를 포함하고 있다.

그리고 상기 고압 EGR 밸브(65)와 상기 저압 EGR 밸브(55) 중 어느 하나는 엔진(10)의 작동 상태에 따라 폐쇄 루프 콘트롤(close loop control)로 제어되고, 다른 하나는 개방 루프 콘트롤(open loop control) 제어된다.

상기 ECU(20)는 엔진 회전수 센서(70), 연료 유입량 센서(80) 및 가속 패달 개도각 센서(90)를 포함하는 각종 센서와 연결되어 엔진 회전수, 연료 유입량, 가속 패달 개도각 변화를 포함하는 엔진의 작동상태 정보를 입수하여 상기 고압 EGR 밸브(65)와 상기 저압 EGR 밸브(55)를 제어하도록 구성되어 있다.

EGR의 응답성 측면에서 보면 LP-EGR 시스템은 고속 고부하에서의 응답성이 빠르고 HP EGR 시스템은 저속 저부하에서의 응답성이 빠르다. 그러나 LP-EGR system은 터빈을 지나서 배기가스를 추출하므로 터보 챠져에 영향을 주지 않으며, 배기가스 에너지를 모두 사용할 수 있기 때문에 터보 챠져의 응답성 향상, 즉 운전성에 도움을 줄 수 있다.

또 상기한 LP EGR 시스템은 터보챠저 후단의 EGR 가스를 재순환시켜 터보 효율을 증대하여 연비를 개선시키며, DPF 후단의 배기가스를 LP EGR 쿨러 및 인터쿨러를 거쳐 재순환되므로 많은 량의 EGR 가스의 사용이 가능하여 Nox를 저감하는 효과가 있다.

여기서 밸브의 가스 유로 면적을 변경하여 재순환되는 가스량을 조절하기 위해 LP EGR 밸브(55)를 사용하고, DPF 후단의 가스 유로(배기 파이프)를 막아 상기 LP EGR 밸브로 가스 흐름이 발생토록 압력을 형성하기 위한 수단으로 도2에 도시하는 것처럼 배기관로에 배압조절밸브(67)를 사용하고 있는데, 도시한 상기 배압조절밸브(67)는 하우징(68) 내에서 회동 작동하여 유로 단면적을 조절하는 플랩(69)과, 그 플랩(69)을 회동 작동시키기 위한 수단인 액츄에이터(71)로 구성되어, ECU에 의해 회동각이 제어되도록 되어 있다.

그런데 밸브(67)의 플랩밸브(69)의 제어각과 가스의 압력 간의 이상적 요구 특성은 도3에 점선으로 도시하는 것처럼 선형적 비례 관계를 나타내야 하나, 실제 측정한 값은 이상적 요구 특성과는 많이 상이한 곡선이며(실선 도시 참조), 일정 입력 제어 신호(0~50% 구간)에서는 입력 신호 변화량 대비 출력 특성의 변화 부족으로 사용이 불가한 반면(도3의 실측정값을 나타낸 곡선을 보면 제어각 0 내지 45°구간에서의 압력 변화가 거의 없다), 주 사용영역인 밸브 개폐각 63°~80°사이에서는 작은 제어각 변경에 따른 압력 변화가 너무 과다하여(곡선이 급상승하고 있음) 안정적 제어가 어려워 차량이 울컥거리는 현상이 발생하는 문제가 있었다.

이 같은 이유는 도4에서 도시하는 것과 같이 종래의 경우 PWM 듀티의 입력값에 대해 플랩밸브의 회동 개폐 작동각이 선형적으로 이루어지는 데 대하여, 플랩밸브가 선형적으로 개폐되면 PWM 50% 이하 구간에서의 배압(Kpa)의 변화량이 미미하게 되며, PWM 60%를 넘어서는 순간부터는 배압 특성의 기울기가 급증하기 때문이다.

본 발명의 목적은 HP EGR시스템과 LP EGR 시스템을 동시에 구비하여 엔진의 작동 상태에 따라 HP EGR시스템과 LP EGR 시스템을 동시에 제어하여 응답성을 향상시키며 연비를 개선할 수 있는 EGR시스템에 있어 압력제어밸브의 개폐량 제어시 이상 요구 특성을 만족키 위한 입력 신호 및 배압 특성 방정식을 제공함으로서, ECU 특성 곡선의 변경을 통해 배압조절밸브의 제어 안정성을 향상하는 제어방법을 제공하는 데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 EGR시스템에 있어 압력제어밸브의 개폐량 제어시 다음의 입력 신호 및 배압 특성 방정식에 의해 이상 요구 특성을 만족시키도록 제어하게 되는 것을 특징으로 한다.

Y = 0.164X + 2.37

여기서, Y는 배압이며, X는 입력 PWM(Pulse Width Modulation)이다.

또 본 발명에 의하면 선형 특성 만족을 위한 PWM(%) 대비 센서 신호(V) 값의 ECU 특성 테이블값은 다음과 같은 것을 특징으로 한다.

PWM(%)	20	30	40	50	60	70	80
출력센서 신호(V)	0.5	2.6	3.1	3.4	3.6	3.9	4.5

또 본 발명에 의하면 선형 특성 만족을 위한 PWM(%) 대비 센서 신호(V), 배압(Kpa) 및 작동각(°)의 ECU 특성 테이블은 다음과 같은 것을 특징으로 한다.

PWM(%)	20	30	40	50	60	70	80
배압(Kpa)	5.65	7.3	8.94	10.58	12.22	13.86	15.5
작동각(˚)	0	48	58.5	65.25	71.25	76.5	90
출력센서 신호(V)	0.5	2.6	3.1	3.4	3.67	3.9	4.5

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면 종래 0~ 약 50°구간 사이에서 입력 신호 대 출력 신호의 변화량이 너무 작아 실제 사용 입력 범위가 40~55% 사이로 너무 제어 범위가 작은 문제점과, 플랩의 형상 변경 등에 의한 하드웨어적 개선의 경우 급격한 압력 변동이 일어나는 변곡점(약 60도) 이후에서의 변화량이 너무 다는 문제가 있었던 것을 하드웨어의 변경 없이 ECU의 제어 특성 곡선의 변경만으로 요구되는 특성을 개선할 수 있는 효과가 있다.

도1은 종래 일반적 구조의 EGR 시스템을 나타낸 도면이다.
도2는 종래 일반적 구조의 EGR 시스템에서 사용하고 있는 배압 조절밸브 구조를 나타낸 도면이다.
도3은 플랩밸브의 제어각과 압력 특성 관계를 나타낸 그래프이다.
도4는 종래 PWM 듀티 값(%)과 플랩밸브의 작동각의 상관관계를 나타낸 테이블이다.
도5는 본 발명에 의한 PWM 듀티 값(%)과 배압의 이상적 요구 특성 곡선을 나타낸 그래프이다.
도6은 본 발명에 의한 PWM 듀티 값(%) 대비 출력센서신호(V)의 선형 특성 만족을 위한 개선된 ECU 제어 특성을 나타내는 그래프이다.
도7은본 발명에 의한 PWM 듀티 값(%) 대비 출력센서신호(V)의 선형 특성 만족을 위한 개선된 ECU 제어 특성을 수치로 대비하여 나타낸 테이블이다.
도8은 본 발명에 의한 PWM 듀티 값(%) 대비 출력신호(V), 배압(Kpa) 및 작동각(°)의 선형 특성 만족을 위한 개선된 ECU 제어 특성을 수치로 대비하여 나타낸 테이블이다.

이하에 본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도5는 본 발명에 의한 PWM 듀티 값(%)과 배압의 이상적 요구 특성 곡선을 나타낸 그래프로서, PWM 듀티 값(%)을 증가시켜 나갈 때 종래의 배압(Kpa) 변화는 PWM 50% 까지는 거의 변화가 없다가 60~80% 구간에서 배압(Kpa)이 급증하고 있으며, 출력센서신호(V)는 PWM 듀티 값(%)과 선형적 비례 관계를 가지고 플랩밸브가 작동되나, 이상적인 PWM 듀티 값(%)과 배압의 관계는 정비례 관계로 증가하는 것이 가장 이상적임을 고려하여 이상요구 특성 곡선을 상정하였다.

이 같은 이상 요구 특성 곡선을 만족하기 위해서는 도6에 도시하는 것과 같이 PWM 듀티 50% 까지는 출력센서신호(V)를 종래 보다 더 큰 값이 되도록 설정하고, PWM 듀티 값이 50% 이상 구간에서는 상대적으로 상관곡선의 기울기를 작게 가져가도록 ECU에 입력 설정한다.

이 같이 하여 출력센서신호(V) 가 보정되면 도5와 같이 직선형의 이상 요구 특성곡선이 얻어지게 되는 것인 데, 이러한 이상 요구 특성을 만족키 위한 PWM 입력신호값 대비 배압(Kpa) 특성 방정식은 다음과 같은 식에 의해 구해지며, 이 식에 의해 ECU에서 보정된 값으로 배압조절밸브의 개폐량을 제어하게 되는 것이다.

Y = 0.164 X + 2.37 ----------------- (식)

여기서, Y는 배압(Kpa)이고, X 값은 PWM 듀티 입력 신호값(%)이다.

상기 보정된 방정식에 근거한 PWM 듀티 입력신호값 대비 출력센서신호(V), 배압(Kpa) 및 작동각(°)을 구하여 선형성 만족을 위한 특성 테이블을 작성한 것이 도6과 도7이다.

상기 도8은 각 배압(Kpa) 조건에 해당하는 실제 작동각 및 출력센서신호값을 찾기 위한 테이블로서, 상기 테이블 값은 도5의 이상 요구 특성곡선과 실측한 배압곡선 및 센서출력신호를 이용하여 역 산출하여 구한 값이다.

도6의 그래프에 의하면 종래의 특성은 PWM 듀티 입력 신호값과 출력센서신호값이 선형적 비례관계에 있으나. 본 발명은 특성 곡선이 왜곡되도록 소프트 웨어적으로 ECU에서 제어하게 되며, 이 같이 하여 도7의 테이블 값을 얻을 수 있게 되는 것이다.

상술한 바와 같이 고압 EGR과 저압 EGR을 포함하는 EGR 시스템 및 그 제어방법에 의하면, HP EGR 시스템과 LP EGR 시스템을 동시에 구비하여 엔진의 작동 상태에 따라 HP EGR시스템과 LP EGR 시스템을 동시에 제어하여 응답성을 향상시키며 연비를 개선할 수 있음은 종래와 동일하며, 여기에 덧붙여 배압조절밸브의 하드웨어적인 변경 없이도 ECU를 통한 제어 특성 곡선의 변경 제어만으로 안정적 제어가 가능하여 주사용 영역에서의 차량의 울컥거림 현상이 사라지는 등 요구되는 특성의 개선이 가능한 것이다.

이상에서 설명된 본 발명의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (3)

1. EGR시스템에 있어 압력제어밸브의 개폐량 제어시 다음의 입력 신호 및 배압 특성 방정식에 의해 이상 요구 특성을 만족시키도록 제어하게 되는 것을 특징으로 하는 ECU 특성 곡선의 변경을 통해 배압조절밸브의 제어 안정성을 향상하는 제어방법.
   Y = 0.164X + 2.37
   여기서, Y는 배압(Kpa)이며, X는 입력 PWM(Pulse Width Modulation)이다.
   
2. 테이블 값은 다음과 같은 것을 특징으로 하는 ECU 특성 곡선의 변경을 통해 배압조절밸브의 제어 안정성을 향상하는 제어방법.
   
   PWM(%) 20 30 40 50 60 70 80
   출력센서 신호(V) 0.5 2.6 3.1 3.4 3.6 3.9 4.5
   
   
   
   
   
3. 제2항에 있어서, 선형 특성 만족을 위한 PWM(%) 대비 출력센서 신호(V), 배압(Kpa) 및 작동각(°)의 ECU 특성 테이블 값은 다음과 같은 것을 특징으로 하는 ECU 특성 곡선의 변경을 통해 배압조절밸브의 제어 안정성을 향상하는 제어방법.
   
   PWM(%) 20 30 40 50 60 70 80
   배압(Kpa) 5.65 7.3 8.94 10.58 12.22 13.86 15.5
   작동각(˚) 0 48 58.5 65.25 71.25 76.5 90
   출력센서 신호(V) 0.5 2.6 3.1 3.4 3.67 3.9 4.5
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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