KR20140029195A - 내연 기관의 제어 방법 및 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

내연 기관은 터보 과급기를 갖는다. 제어 장치는 엔진내의 연료 분사량과 엔진 회전수에 기초하여 연료 유량을 산출한다. 제어 장치는 터빈 임펠러의 상류측의 상류측 압력과 온도와 터빈 유량을 산출한다. 제어 장치는, 터빈 압력비가, 터빈 유량과, 압력비ㆍ터빈 유량 특성에 기초한 소정의 비율 이하가 되도록 터버 과급기의 가변 노즐의 개도 정도(opening degree level)의 상한 문턱값(upper limit threshold value)을 산출한다. 상기 압력비ㆍ터빈 유량 특성은, 터빈 압력비와, 터빈 유량 및, 가변 노즐의 개도 정도 사이의 관계를 나타내는 미리 저장된 정보이다. 제어 장치는 가변 노즐의 개도가 상한 문턱값 이하가 되도록 제어한다.

Description

내연 기관의 제어 방법 및 제어 장치{CONTROL METHODS AND CONTROL APPARATUSES OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES}
본 발명의 실시 형태는 내연 기관의 제어 방법 및 제어 장치에 관한 것이다. 내연 기관은 터보 과급기(turbo supercharger)를 갖는 것이 통상적이다. 터보 과급기는, 터빈 임펠러(turbine impeller)로 배기되는 가스의 유동 속도를 조절할 수 있는 가변 노즐(variable nozzle)을 갖는다.
최근, 내연 기관이 널리 퍼져 있다. 상기 내연 기관은 가변 노즐을 구비한 터보 과급기를 갖는다. 가변 노즐의 개도(opening degree)를 조절하므로써, 내연 기관의 엔진 회전수가 낮더라도 적절한 과급압(supercharging pressure)을 얻을 수 있다. 그에 따라, 내연 기관의 출력을 향상시킬 수 있다.
내연 기관이 고부하 및 고회전 상태로 작동시, 터빈 임펠러의 전후로 큰 압력차가 발생한다. 이러한 압력차와 배기 맥동(exhaust pulsation)으로 인해 터빈 임펠러 전후에서 응력(stress)이 발생한다. 배기 맥동은 내연 기관의 매 폭발 행정으로 인해 발생하기도 한다. 만일 터빈 임펠러가 장기간 동안 소정치 이상의 응력에 연속적으로 노출될 경우, 내연 기관의 수명이 단축될 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위한 방법이 공지되어 있으며, 이 방법에 있어서는, 터빈 임펠러의 전후 압력비(before-after pressure ratio)가 소정의 압력비 이하가 되도록 내연 기관이 제어된다. 상기 전후 압력비는 터빈후의 압력(pressure after turbine)에 대한 터빈전의 압력(pressure before turbine)의 비율이다.
일본 공개 특허 공보 특개 2010-31829 호에는, 과급압의 피드백 제어를 향상시키기 위해 목표(target) 상류측 배기압 산출부와 베인(vane) 개도 제어부를 구비한 내연 기관의 제어 장치가 개시되어 있다. 상기 목표 상류 배기압 산출부는, 실제의(actual) 과급압이 목표 과급압에 일치하도록 목표 상류측 배기 압력을 산출한다. 상기 베인 개도 제어부는, 실제의 상류측 배기압이 목표 상류측 배기압과 일치하도록 목표 전후 배기 압력비를 산출한다. 상기 베인 개도 제어부는, 소정의 터빈 모델에 기초하여 목표 전후 배기 압력비에 대응하는 베인 개도(가변 노즐 개도)를 결정한다.
내연 기관은 배기 가스중의 질소 산화물(NOx)를 저감하기 위하여, 배기 가스 재순환(EGR; Exhaust Gas Recirculation)을 구비한다. 터빈의 상류측과 하류측에는 각각 압력 센서가 설치된다. 목표 전후 배기 압력비는, 터빈의 상류측의 압력인 실제의 상류측 배기압을 이용하여 얻어진다. EGR이 OFF 상태에서 ON 상태로 전환시, 가변 노즐의 개도는 순간적으로 변한다. 그러나, EGR량과 실제의 상류측 배기압은 약간 늦게 변한다. 이러한 반응 지연으로 인해, 터빈 전후의 배기 압력비가 짧은 시간 동안 허용치를 초과할 수도 있다. 이로 인해, 터빈 임펠러가 어떤 상황에서는 충분히 보호될 수 없다.
전후 배기 압력비(실제의 상류측 배기압/실제의 하류측 배기압)이 실제로 얻어지고, 목표 전후 배기 압력비와의 차이에 따른 제어가 행해진다. 이로 인해, 제어를 위해 실제의 하류측 배기압이 요구되며, 따라서, 터빈 하류측에 압력 센서가 필요하고, 터빈 상류측에 온도 센서도 필요해 진다.
그러므로, 종래의 내연 기관의 제어 방법과 제어 장치에 있어서는, 터빈 임펠러의 전후 압력비를 우수한 반응성을 갖고 소망의 압력비로 적절히 제어할 필요가 있으며, 또한, 검출 수단(센서)의 수효를 저감할 필요가 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따라, 터빈 임펠러로 배기되는 가스의 유동 속도를 조절할 수 있는 가변 노즐을 구비한 터보 과급기를 갖는 내연 기관이 제공된다. 제어 장치는 내연 기관을 다음과 같은 단계들로 제어한다. 상기 제어 장치는, 내연 기관내의 연료 분사량과 엔진의 회전수에 기초하여 연료 유량(fuel flow rate)을 산출한다. 또, 상기 제어 장치는, 터빈 임펠러의 상류측의 상류측 압력을 산출 또는 검출한다. 또한, 상기 제어 장치는, 터빈 임펠러의 상류측의 상류측 온도를 산출 또는 검출한다. 또, 상기 제어 장치는, 터빈 임펠러를 향해 유동하는 가스의 터빈 유량을 산출 또는 검출한다. 또한, 상기 제어 장치는, 터빈 압력비가, 터빈 유량과, 압력비ㆍ터빈 유량 특성에 기초한 소정의 비율 이하가 되도록 가변 노즐의 개도 정도(opening degree level)의 상한 문턱값(upper limit threshold value)을 산출한다. 또, 상기 터빈 압력비는 터빈 임펠러의 하류측 압력에 대한 상류측 압력의 비율이며, 상기 압력비ㆍ터빈 유량 특성은, 터빈 압력비와, 터빈 유량 및, 가변 노즐의 개도 정도 사이의 관계를 나타내는 미리 저장된 정보이다. 또한, 상기 제어 장치는, 상기 가변 노즐의 개도가 상기 상한 문턱값 이하가 되도록 제어한다.
본 발명의 제어 방법에 따라, 좀 더 우수한 반응성을 갖고 소망의 터빈 압력비로 제어될 수 있는 내연 기관이 제공된다.
본 발명의 다른 실시 형태에 따라, 상기 제어 장치는 흡입 공기 유량과, 연료 유량 및, 대기압에 기초하여, 상기 상류측 압력을 산출할 수도 있다. 상기 흡입 공기 유량은 내연 기관내로 유입된다. 또, 상기 제어 장치는, 분사량과, 흡입 공기 유량 및, 연료 유량에 기초하여 상기 상류측 온도를 산출할 수도 있다. 또한, 상기 제어 장치는, 연료 유량과, 흡입 공기 유량과, 상류측 압력 및, 상류측 온도에 기초하여 터빈 유량을 산출할 수도 있다.
따라서, 상기 상류측 압력은 압력 센서에 의해 검출되는 것이 아니라, 흡입 공기 유량과, 연료 유량 및, 대기압을 이용하여 산출된다. 예컨대, EGR이 OFF 상태에서 ON 상태로 전환하면 상기 흡입 공기 유량은 순간적으로 변한다. 이로 인해, 상기 흡입 공기 유량은 터빈 임펠러의 상류측 배기 압력에 대하여 우수한 반응성을 갖고 변한다. 이러한 내연 기관에서는 터빈 임펠러의 상류측과 하류측에 압력 센서를 설치할 필요가 없고, 또한, 터빈 임펠러의 상류측에 온도 센서를 설치할 필요도 없다. 따라서, 내연 기관의 센서의 수효를 더욱 저감하는 것이 가능해 진다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따라, 상기 제어 장치는, 터빈 임펠러의 상류측의 압력을 검출할 수 있는 압력 센서로 부터의 검출 신호에 기초하여 상류측 압력을 얻을 수도 있다. 따라서, 터빈 임펠러의 상류측의 배기 압력이 산출되는 것이 아니라, 압력 센서로 부터의 검출 신호에 기초하여 얻어진다. 그에 따라, 보다 높은 정도(精度)를 갖고 배기 압력을 얻을 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따라, 상기 제어 장치는, 터빈 임펠러의 상류측의 온도를 검출할 수 있는 온도 센서로 부터의 검출 신호에 기초하여 상류측 온도를 얻을 수도 있다. 따라서, 터빈 임펠러의 상류측의 배기 온도가 산출되는 것이 아니라, 온도 센서로 부터의 검출 신호에 기초하여 얻어진다. 그에 따라, 보다 높은 정도를 갖고 배기 온도를 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따라, 터보 과급기와, 개도 조절 장치와, 기억부 및, 제어부를 구비한 내연 기관이 제공된다. 상기 터보 과급기는, 터빈 임펠러로 배기되는 가스의 유동 속도를 조절할 수 있는 가변 노즐을 갖는다. 상기 개도 조절 장치는, 가변 노즐의 개도를 조절한다. 상기 기억부는, 터빈 압력비와, 터빈 유량 및, 가변 노즐의 개도 정도 사이의 관계를 나타내는 압력비ㆍ터빈 유량 특성을 저장한다. 상기 터빈 압력비는 터빈 임펠러의 하류측의 압력에 대한 터빈 임펠러의 상류측의 압력의 비율이다.
상기 제어부는, 내연 기관내로의 연료의 분사를 위해 분사기(injector)로 보내지는 분사 지령 신호에 기초하여 내연 기관내로의 연료의 분사량을 검출한다. 상기 제어부는, 공기 유량 검출 센서로 부터의 검출 신호에 기초하여 내연 기관내에 수용되는 흡입 공기 유량을 검출한다. 상기 제어부는, 내연 기관의 엔진 회전수 검출 장치로 부터의 검출 신호에 기초하여 내연 기관의 엔진 회전수를 검출한다. 상기 제어부는, 대기압 센서로 부터의 검출 신호에 기초하여 대기압을 검출한다. 상기 제어부는, 분사량과, 내연 기관의 엔진 회전수에 기초하여 연료 유량을 산출한다. 상기 제어부는, 터빈 임펠러의 상류측의 상류측 압력을 산출 또는 검출한다. 상기 제어부는, 터빈 임펠러의 상류측의 상류측 온도를 산출 또는 검출한다. 상기 제어부는, 터빈 유량을 산출한다. 상기 제어부는, 터빈 압력비가 터빈 유량과 압력비ㆍ터빈 유량 특성에 기초한 소정치 이하가 되도록 가변 노즐의 개도 정도의 상한 문턱값을 산출한다. 상기 제어부는, 개도 조절 장치를 이용하여, 상기 개도가 상한 문턱값 이하가 되도록 가변 노즐의 개도를 조절한다.
본 발명의 다른 실시 형태에 따라, 상기 제어부는, 흡입 공기 유량과, 연료 유량 및, 대기압에 기초하여 상류측 압력을 산출할 수도 있다. 또, 상기 제어부는, 분사량과, 흡입 공기 유량 및, 연료 유량에 기초하여 상류측 온도를 산출할 수도 있다. 또한, 상기 제어부는, 연료 유량과, 흡입 공기 유량과, 상류측 압력 및, 상류측 온도에 기초하여 터빈 유량을 산출할 수도 있다.
따라서, 상기 상류측 압력은 압력 센서에 의해 검출되는 것이 아니라, 흡입 공기 유량과, 연료 유량 및, 대기압을 이용하여 산출된다. 예컨대, EGR이 OFF 상태에서 ON 상태로 전환하면 상기 흡입 공기 유량은 순간적으로 변한다. 이로 인해, 상기 흡입 공기 유량은 터빈 임펠러의 상류측 배기 압력에 대하여 우수한 반응성을 갖고 변한다. 이러한 내연 기관에서는 터빈 임펠러의 상류측과 하류측에 압력 센서를 설치할 필요가 없고, 또한, 터빈 임펠러의 상류측에 온도 센서를 설치할 필요도 없다. 따라서, 내연 기관의 센서의 수효를 더욱 저감하는 것이 가능해 진다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따라, 상기 제어부는, 터빈 임펠러의 상류측의 압력을 검출할 수도 있다. 따라서, 터빈 임펠러의 상류측의 배기 압력이 산출되는 것이 아니라, 압력 센서로 부터의 검출 신호에 기초하여 얻어진다. 그에 따라, 보다 높은 정도를 갖고 배기 압력을 얻을 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따라, 상기 제어 장치는, 터빈 임펠러의 상류측의 온도를 검출할 수 있는 온도 센서로 부터의 검출 신호에 기초하여 상류측 온도를 얻을 수도 있다. 따라서, 터빈 임펠러의 상류측의 배기 온도가 산출되는 것이 아니라, 온도 센서로 부터의 검출 신호에 기초하여 얻어진다. 그에 따라, 보다 높은 정도를 갖고 배기 온도를 얻을 수 있다.
이상과 이하에 개시되는 부가적인 특징과 교시의 각각은 내연 기관의 개선된 제어 방법과 제어 장치를 제공하기 위해, 개별적으로나 여타의 특징과 교시와 조합하여 이용될 수도 있다.
이들 부가적인 특징과 교시가 개별적으로나 여타의 특징과 교시와 조합하여 이용되는 본 발명의 대표적 예에 대하여, 첨부 도면을 참조로 상세히 설명키로 한다. 이들 상세한 설명은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 바람직한 실시 형태를 교시하기 위한 목적일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 이하 설명코자 하는 상세한 설명에 개시된 특징과 단계의 조합이 넓은 의미에서 본 발명을 구현하는데 필요하지 않을 수도 있으며, 본 발명의 대표적인 예를 상세히 교시하기 위함이다. 또한, 본 발명의 여타의 유용한 구성을 제공하기 위해, 이들 대표적인 예와 종속 청구항의 다양한 특징이 구체적으로 열거되지 않은 형태로 조합될 수도 있다.
이하, 첨부 도면을 참조로, 본 발명의 실시 형태를 설명키로 한다.
도 1 은 본 발명의 제어 방법이 적용될 수 있는 내연 기관의 개략도이다.
도 2 는 본 발명의 제어 방법을 설명하기 위한 블록도(block diagram)이다.
도 3 은 도 2의 블록도의 과정에 대한 흐름도(flowchart)이다.
도 4 는 압력비와 터빈 유량 사이의 관계를 예시하는 그래프이다.
도 5a 는 종래 기술의 제어 방법에 있어서의 압력비를 예시하는 그래프이다.
도 5b 는 종래 기술의 제어 방법에 있어서의 가변 노즐의 개도를 예시하는 그래프이다.
도 5c 는 본 발명의 실시 형태의 제어 방법에 있어서의 압력비를 예시하는 그래프이다.
도 5d 는 본 발명의 실시 형태의 제어 방법에 있어서의 가변 노즐의 개도를 예시하는 그래프이다.
도 6a 는 본 발명의 실시 형태와 종래 기술의 제어 방법에 있어서의 엔진 회전수를 예시하는 그래프이다.
도 6b 는 본 발명의 실시 형태와 종래 기술의 제어 방법에 있어서의 연료 분사량을 예시하는 그래프이다.
도 6c 는 본 발명의 실시 형태와 종래 기술의 제어 방법에 있어서의 과급압을 예시하는 그래프이다.
도 1은 내연 기관으로서의 엔진(10)(예컨대, 디젤 엔진)을 나타낸다. 상기 엔진(10)은 흡입관(11)과 배기관(12)에 접속된다. 흡입관(11)은 엔진(10)의 각 실린더(45A 내지 45D)에 흡입 공기를 유도한다. 배기관(12)은 각 실린더(45A 내지 45D)로 부터의 배기 가스를 배출한다. 흡입관(11)에는 과급압 검출 수단(압력 센서; 24)이 설치되어 있다. 제어 수단(제어부; 51)은, 과급압 검출 수단(24)으로부터의 검출 신호에 기초하여 흡입 공기의 과급압을 검출할 수도 있다. 엔진(10)에는 회전수 검출 수단(회전수 검출 센서; 22)이 설치되어 있다. 회전수 검출 수단(22)은, 내연 기관의 회전수(예컨대, 크랭축의 회전수)와, 회전각(각 실린더의 압축 상사점의 시기)등을 검출할 수 있다. 제어 수단(51)은, 회전수 검출 수단(22)으로 부터의 검출 신호에 기초하여 엔진(10)의 회전수와 회전각등을 얻거나 검출할 수 있다.
연료는 연료 탱크(도시 안됨)로 부터 코먼 레일(common rail; 41)로 공급된다. 코먼 레일(41)내의 연료는 고압으로 유지되어 연료관(42A 내지 42D)을 통해 각 분사기(43A 내지 43D)로 공급된다. 상기 분사기(43A 내지 43D)는 각 실린더(45A 내지 45D)마다 존재하며, 제어 수단(51)으로 부터의 제어 신호에 반응하여 소정의 시기에 각 실린더내로 소정량의 연료를 분사한다. 상기 제어 수단(51)은, 여러 검출 수단으로 부터의 검출 신호를 수신하고, 엔진(10)의 작동 상태를 검출하여, 분사기(43A 내지 43D)을 구동시키기 위한 제어 신호를 출력한다. 제어 수단(51)은, 분사기(43A 내지 43D)로 출력되는 제어 신호(분사 지령 신호)에 기초하여 각 실린더(45A 내지 45D)로 공급되는 연료 유량을 검출할 수도 있다.
터보 과급기(30)는, 압축 임펠러(35A)를 갖는 압축기(35)와, 터빈 임펠러(36A)를 갖는 터빈(36)을 구비한다. 터빈(36)에는 터빈 임펠러(36A)로 배기되는 가스의 유동 속도를 조절할 수 있는 가변 노즐(33)이 설치되어 있다. 상기 가변 노즐(33)의 개도는 구동 수단(구동 유닛; 31)에 의해 조절된다. 제어 수단(51)은, 가변 노즐(33)의 개도를 조절하기 위해, 개도 조절 수단(개도 조절 장치; 52)을 통해 구동 수단(31)으로 제어 신호를 출력할 수도 있다. 또, 제어 수단(51)은 개도 검출 수단(센서; 32)으로 부터의 검출 신호에 기초하여 가변 노즐(33)의 개도를 검출할 수 있다.
압축기(35)는 흡입 통로(11A)와 흡입관(11)에 접속된다. 또한, 압축기(35)는 흡입 통로(11A)로 부터 흡입 공기를 수용한다. 압축기 임펠러(35A)는 흡입 공기를 압축하고, 압축된 흡입 공기는 흡입관(11)으로 토출된다. 이에 따라, 압축기(35)는 엔진(10)을 과급한다. 흡입 통로(11A)에는 흡입 공기의 유량을 검출할 수 있는 유량 검출 수단(센서; 21)이 설치되어 있다. 제어 수단(51)은 유량 검출 수단(21)으로 부터의 검출 신호에 기초하여 내연 기관에 의해 수용되는 흡입 공기의 유량을 얻거나 검출할 수 있다. 터빈(36)은 배기 통로(12A)와 배기관(12)에 접속된다. 또한, 배기관(12)으로 부터의 고온 및 고압의 배기 가스가 터빈(36)내로 도입되어 터빈 임펠러(36A)(및 압축기 임펠러(35A))를 회전시킨다.
배기관(12)은 EGR 통로(13)를 통해 흡입관(11)과 연통(communication)한다. EGR 통로에는 EGR 밸브(14)가 배치된다. 상기 EGR 밸브(14)는 제어 수단(51)에 의해 제어된다. 이렇게 하여, 배기관(12)내의 배기 가스가 흡입관(11)으로 귀환할 수 있다. 제어 수단(51)에는 대기압 검출 수단(압력 센서; 23)가 설치되어 있다. 상기 대기압 검출 수단(23)으로 부터의 검출 신호에 기초하여, 제어 수단(51)은 대기압을 얻거나 검출할 수 있다. 제어 장치(50)는 제어 수단(제어부; 51)과, 개도 조절 수단(52) 및, 저장 수단(기억부; 53)을 구비한다.
내연 기관이 상당한 고 부하와 고 회전 상태로 작동시, 터빈 임펠러(36A) 전후에는 큰 압력차가 발생한다. 또한, 내연 기관의 각 폭발 행정에 기인하여 배기 맥동이 발생한다. 이러한 압력차와 배기 맥동에 기인하여 터빈 임펠러(36A) 전후로는 응력이 발생한다. 만일 터빈 임펠러(36A)가 장기간 동안 소정치 이상의 응력에 연속적으로 노출될 경우, 내연 기관의 수명이 단축될 수 있다. 이것을 방지하기 위해, 도 2에 나타낸 제어 블록도와 도 3에 나타낸 흐름도 과정을 이용하여 가변 노즐(33)의 개도가 제어된다. 그에 따라, 터빈 임펠러(36A)의 전후 압력비(터빈전 압력/터빈후 압력)가 소정의 압력비 이하로 된다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 내연 기관의 제어 장치(50)는 제어 블록(51Z)과 제어 블록(51Y)을 구비한다. 제어 블록(51Z)은 가변 노즐(33)의 임시 개도(temporary opening degree)를 산출하기 위한 기존의 제어 블록이다. 제어 장치(50)는 제어 블록(51Z)에 추가하여 제어 블록(51Y)을 이용하므로써 가변 노즐(33)의 개도의 상한 문턱값을 설정한다. 제어 장치(50)는, 터빈 임펠러(36A)의 전후 압력비(터빈전 압력/터빈후 압력)가 소정의 압력비 이하가 되도록 가변 노즐(33)의 개도를 적절히 제어한다.
도 3에 나타낸 흐름도 과정은 소정 시간(예컨대, 수 ms 내지 수십 ms의 소정의 시간 간격)에 행해진다. 단계 S10에서, 제어 수단(51)은 회전수 검출 수단(장치; 22)으로 부터의 검출 신호에 기초하여 내연 기관 엔진의 회전수를 검출한다. 제어 수단(51)은 분사기(43A 내지 43D)로 보내지는 제어 신호(분사 지령 신호)에 기초하여 내연 기관내로의 연료 분사량을 검출한다. 제어 수단(51)은 유량 검출 수단(21)으로 부터의 검출 신호에 기초하여 내연 기관에 의해 수용되는 흡입 공기의 유량을 검출한다. 제어 수단(51)은 대기압 검출 수단(23)으로 부터의 검출 신호에 기초하여 대기압을 검출한다. 제어 수단(51)은 비중 검출 수단으로 부터의 검출 신호에 기초하여 연료의 비중을 검출하거나 미리 설정된 비중값을 읽는다. 제어 수단(51)은 과급압 검출 수단(24)으로 부터의 검출 신호에 기초하여 과급압을 검출한다. 이어, 단계 S10에서 단계 S11로 과정이 진행된다.
연료의 비중은 일반적으로 내연 기관의 작동 상태에 따라 변하지 않고 대략 일정치를 갖는다. 이 때문에, 연료 비중은 소정의 연료 비중 상수(coefficient)로서 취급될 수도 있다. 연료 비중이 가변치가 아니고 소정의 연료 비중 상수를 갖는 것으로 취급될 경우, 가변적인 연료 비중이 요구되는 제어 블록에 연료 비중을 입력할 필요가 없게 된다. 따라서, 연료 비중에 대응되는 소정의 연료 비중 상수가, 연료 비중이 요구되는 제어 블록에 미리 설정될 수도 있다. 이에 따라, 연료 비중의 입력이 생략될 수도 있다.
단계(연료 유량 산출 단계) S11에서는, 도 2의 제어 블록(51A)의 과정이 행해진다. 제어 수단(51)은, 내연 기관의 엔진 회전수와, 분사량 및, 연료 비중(연료 비중은 생략될 수도 있음)에 기초하여, 단위 시간당의 연료량인 연료 유량(GF[g/s])을 산출한다. 이어, 단계 S11에서 단계 S12로 과정이 진행된다.
단계(상류측 압력 산출 단계) S12에서는, 도 2의 제어 블록(51C)의 과정이 행해진다. 제어 수단(51)은, 흡입 공기 유량과, 연료 유량(GF) 및, 대기압에 기초하여, 터빈 임펠러(36A)의 상류측의 압력인 상류측 압력(P4[KPa])을 산출한다. 이어, 단계 S12에서 단계 S13으로 과정이 진행된다.
단계(상류측 온도 산출 단계) S13에서는, 도 2의 제어 블록(51D)에 관련된 과정이 행해진다. 제어 수단(51)은, 흡입 공기 유량과, 연료 유량(GF)과, 분사량과, 연료 비중(생략 가능함) 및, 과급압(생략 가능함)에 기초하여, 터빈 임펠러(36A)의 상류측의 온도인 상류측 온도(T4[℃])를 산출한다. 이어, 단계 S13에서 단계 S14로 과정이 진행된다.
단계(배기 가스 유량 산출 단계) S14에서는, 도 2의 제어 블록(51B)에 관련된 과정이 행해진다. 제어 수단(51)은, 연료 유량(GF)와 흡입 공기 유량에 기초하여, 단위 시간당의 배기 가스 유량(G4[cm2/s])을 산출한다. 이어, 단계 S14에서 단계 S15로 과정이 진행된다.
단계(터빈 유량 산출 단계) S15에서는, 도 2의 제어 블록(51E)에 관련된 과정이 행해진다. 제어 수단(51)은, 배기 가스 유량(G4)와, 상류측 압력(P4)과, 상류측 온도(T4)에 기초하여, 터빈 유량(Q4[cm2/s])을 산출한다. 터빈 유량(Q4)은 터빈(36)을 통해 유동하는 가스의 유량이거나, 터빈 임펠러(36A)를 통해 유동하는 가스의 유량이다. 이어, 단계 S15에서 단계 S16으로 과정이 진행된다.
단계(상한 문턱값 산출 단계) S16에서는, 도 2의 제어 블록(51F)에 관련된 과정이 행해진다. 제어 수단(51)은, 터빈 유량(Q4)과, 저장 수단(53)에 저장된 압력비ㆍ터빈 유량 특성에 기초하여, 가변 노즐(33)의 개도 정도의 상한 문턱값을 산출한다. 이어, 단계 S16에서 단계 S17로 과정이 진행된다.
도 4는 압력비ㆍ터빈 유량 특성의 일예를 나타낸다. 저장 수단(53)은 미리, 압력비ㆍ터빈 유량 특성을 저장한다. 도 4에 도시된 선도(graph)의 횡축은 압력비(터빈 임펠러 상류측 압력(P4)/터빈 임펠러 하류측 압력(P6))를 나타내며, 종축은 터빈 유량(Q4)을 나타낸다. 선도(K1 내지 K5)는 각각 가변 노즐(33)의 개도가 100%(완전 폐쇄 상태), 75%, 50%, 25% 및, 0%(완전 개방 상태)인 경우의 특성을 가리킨다.
도 4의 압력비ㆍ터빈 유량 특성을 이용하여 압력비가 3.00 이하로 제어된 경우에 대해 설명키로 한다. 단계 S15에서 산출된 터빈 유량이 q1일 경우, 가변 노즐(33)의 개도는 75% 이하가 된다. 그에 따라, 압력비는 3.00 이하가 된다. 따라서, 소망의 압력비가 3.00 이하이고 터빈 유량이 q1 인 경우, 상한 문턱값은 75%로 산출된다.
단계(가변 노즐의 최종 개도 산출 단계) S17에서는, 도 2의 제어 블록(51G)에 관련된 과정이 행해진다. 제어 수단(51)은 기존의 제어 블록(51Z)에 대응하는 단계에서 산출된 가변 노즐(33)의 임시 개도와, 단계 S16에서 산출된 상한 문턱값을 비교한다. 제어 수단(51)은 임시 개도와 상한 문턱값중의 작은 쪽을 최종 개도로서 선택한다. 이어, 단계 S17에서 단계 S18로 과정이 진행된다.
단계(가변 노즐 제어 단계) S18에서, 제어 수단(51)은 제어 신호를 개도 조절 수단(52)을 경유하여 구동 수단(31)으로 출력한다. 제어 수단(51)은 가변 노즐(33)의 개도를 최종 개도로 설정하도록 제어한다. 최종 개도는 상한 문턱값 이하로 선택된다.
전술한 바와 같이, 상류측 압력(P4)은 단계 S12에서 산출된다. 이와는 달리, 터빈 임펠러(36A)의 상류측의 압력을 검출하기 위한 압력 검출 수단(압력 센서)을 설치할 수도 있다. 이 경우, 상류측 압력(P4)은 압력 검출 수단으로 부터의 검출 신호에 기초하여 직접 얻어질 수도 있다.
전술한 바와 같이, 상류측 온도(T4)는 단계 S13에서 산출된다. 이와는 달리, 터빈 임펠러(36A)의 상류측 온도를 검출하기 위한 온도 검출 수단(온도 센서)을 설치할 수도 있다. 이 경우, 상류측 온도(T4)는 온도 검출 수단으로 부터의 검출 신호에 기초하여 직접 얻어질 수도 있다.
전술한 바와 같이, 터빈 유량(Q4)은 단계 S15에서 산출된다. 이와는 달리, 터빈 유량(Q4)을 검출하기 위한 유량 검출 수단을 설치할 수도 있다. 이 경우, 터빈 유량(Q4)은 유량 검출 수단으로 부터의 검출 신호에 기초하여 직접 얻어질 수도 있다.
도 5a 내지 도 5d와 도 6a 내지 도 6c는 내연 기관의 제어 방법에 따른 효과의 예를 보여주고 있다. 도 5a와 도 5b는 내연 기관이 종래 기술에서의 제어 방법에 따른 소정의 작동 모드로 작동될 때의 효과를 보여준다. 도 5a의 선도(GA1)는 시간에 대한 압력비(P4/P6= 터빈 상류측 압력/터빈 하류측 압력)의 변동을 나타내고 있다. 도 5b의 선도(GA2)는 시간에 대한 가변 노즐의 개도의 변동을 나타내고 있다.
도 5c와 도 5d는 내연 기관이 본 발명의 실시 형태에서의 제어 방법에 따른 동일한 작동 모드로 작동될 때의 효과를 보여준다. 도 5c의 선도(GB1)는 시간에 대한 압력비(P4/P6= 터빈 상류측 압력/터빈 하류측 압력)의 변동을 나타내고 있다. 도 5d의 선도(GB2)는 시간에 대한 가변 노즐의 개도의 변동을 나타내고 있다.
도 5a와 도 5c에 있어, 압력비(P4/P6)는 Dmax 이하(직선 L1 이하)로 설정된다. 도 5b와 도 5d에 있어, 가변 노즐의 개도를 나타내는 종축에 있어서의 100%의 값은 완전히 폐쇄된 상태를 나타낸다. 또, 0%의 값은 완전히 개방된 상태를 나타낸다.
종래 기술의 제어 방법에 있어서는, 도 5a의 선도(GA1)에서 볼 수 있는 바와 같이 반응 속도가 낮다. 이 때문에, 압력비(P4/P6)는 영역(AA)에서 Dmax를 초과한다. 압력비(P4/P6)가 Dmax를 초과하는 시간은 짧은 시간으로, 이 시간은 순간적 브레이킹(instantaneous breaking)을 일으키기에는 너무 짧은 시간이다. 그러나, 터빈 임펠러의 수명은 피로 브레이킹(fatigue breaking)의 관점으로부터 Dmax를 초과하는 시간의 총합(integrated value)에 관련된다. 이 때문에, 터빈 임펠러를 장기간 동안 보증하기 위해서는 Dmax를 초과하는 것이 바람직하지 않다. 만일 가변 노즐의 개도가 도 5b의 선도(GA2)의 영역(AB)에서 더욱 개방되도록 제어된다면, 선도(GA1)의 영역(AA)은 Dmax 이하로 억제될 수 있다. 그러나, 반응 속도가 낮아, 소망의 개도로의 제어를 행할 수 없다.
이에 반해, 본 발명의 실시 형태의 제어 방법에 있어서는, 도 5c의 선도(GB1)에서 볼 수 있는 바와 같이 영역(BA)에 있어 압력비(P4/P6)는 Dmax 이하로 확실히 억제된다. 도 5d의 선도(GB2)에서 볼 수 있는 바와 같이, 영역(BB)에 있어서의 가변 노즐의 개도는 도 5b의 선도(GA2)에서의 영역(AB)에 있어서의 개도 보다 더욱 개방되도록 제어된다. 도 5d에 있어서의 선도(GB3)는 단계 S16(제어 블록(51F))에서 얻어지는 가변 노즐의 상한 문턱값을 나타낸다.
본 발명의 실시 형태의 제어 방법은 종래 기술의 제어 방법과 대비할 때 반응성이 현저히 향상된다. 따라서, 본 발명의 실시 형태의 제어 방법에 있어서는, 소망의 압력비(P4/P6)가 되도록 가변 노즐의 개도가 적절한 개도로 제어될 수 있다.
도 6a는, 내연 기관이 소정의 작동 모드에서 작동할 때의 시간에 대한 내연 기관의 엔진 회전수의 변동을 나타낸 것이다. 선도(GA)는 본 발명의 실시 형태의 제어 방법에 있어서의 회전수 변동을 가리키며, 선도(HA)는 종래 기술의 제어 방법에 있어서의 회전수 변동을 가리킨다. 도 6b는, 내연 기관이 동일한 작동 모드에서 작동할 때의 시간에 대한 내연 기관내로의 연료의 분사량의 변동을 나타낸 것이다. 선도(GB)는 본 발명의 실시 형태의 제어 방법에서의 회전수 변동을 가리키며, 선도(HB)는 종래 기술의 제어 방법에서의 분사량 변동을 가리킨다. 도 6c는, 내연 기관이 동일한 작동 모드에서 작동할 때의 시간에 대한 과급압의 변동을 나타낸 것이다. 선도(GC)는 본 발명의 실시 형태의 제어 방법에 있어서의 과급압 변동을 가리키며, 선도(HC)는 종래 기술의 제어 방법에 있어서의 과급압 변동을 가리킨다.
도 6a에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시 형태와 종래 기술에 있어서는 내연 기관의 엔진 회전수의 차이가 거의 없다. 도 6b에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시 형태와 종래 기술에 있어서는 분사량의 차이가 거의 없다. 따라서, 엔진이 차량등에 사용될 때, 본 발명의 실시 형태와 종래 기술의 운행 성능은 서로 대등함을 알 수 있다.
한편, 도 6c에 나타낸 영역(CA)에 있어서, 종래 기술의 제어 방법에 관한 선도(HC)는 돌출된 피크를 갖는다. 따라서, 선도(HC)에서는 과급압의 오버 슈트(overshoot)가 발생한다. 최근, 흡입관(11)은 수지등으로 흔히 제조되어, 과급압의 상한치가 설정된다. 따라서, 과급압의 오버 슈트가 상한치를 초과하지 않도록 제어할 필요가 있다. 환언하면, 본 발명의 실시 형태의 제어 방법에서는, 종래 기술에 있어서와 동일한 운행 성능을 실현하면서, 과급압의 오버 슈트를 더욱 저감시킬 수 있다. 그에 따라, 본 발명의 실시 형태의 제어 방법에 있어서는 적절한 제한치로 개선될 수 있어, 종래 기술의 제어 방법보다 더욱 바람직한 제어 방법이 된다.
본 발명의 실시 형태에 따른 내연 기관의 제어 방법에 있어서는, 터빈 상류측의 압력 검출 수단과, 터빈 하류측의 압력 검출 수단 및, 터빈 상류측의 온도 검출 수단을 생략할 수도 있다. 그로 인해, 검출 수단의 수효를 더욱 저감시킬 수 있어, 내연 기관의 제조비를 더욱 저감시킬 수 있다.
전술한 제어 방법을 실행하기 위한 내연 기관의 제어 장치(50)는 도 1에 나타낸 바와 같은 터보 과급기를 구비한다. 상기 터보 과급기는 터빈 임펠러로 배기되는 가스의 유동 속도를 제어할 수 있는 가변 노즐을 구비한다. 상기 제어 장치(50)는 개도 조절 수단(개도 조절 장치(52))과, 저장 수단(53) 및, 제어 수단(제어 장치(51))을 구비한다. 개도 조절 수단(52)은 가변 노즐의 개도를 조절한다. 저장 수단(53)은 압력비ㆍ터빈 유량 특성(도 4 참조)을 저장한다. 압력비ㆍ터빈 유량 특성에 있어서는, 터빈 임펠러(36A)의 하류측의 압력에 대한 터빈 임펠러(36A)의 상류측의 압력의 비에 따른 터빈 유량이 가변 노즐의 각 개도 정도에서 설정된다. 압력비ㆍ터빈 유량 특성은 가변 노즐의 개도 정도에 의존한다.
제어 수단(51)은 도 3의 단계 S10에 나타낸 바와 같이, 흡입 공기 유량과, 연료의 분사량과, 내연 기관의 엔진 회전수 및, 대기압을 검출한다. 흡입 공기 유량은 내연 기관에 의해 수용되는 흡입 공기의 유량으로, 유량 검출 수단(21; 흡입 공기 유량 미터)으로 부터의 검출 신호에 기초하여 검출된다. 내연 기관내로의 연료 분사량은 분사기로 보내지는 분사 지령 신호에 기초하여 검출된다. 분사기는 내연 기관내로 연료를 분사한다. 내연 기관의 엔진 회전수는 회전수 검출 수단(22; 내연 기관 엔진 회전수 검출 수단 또는 검출 장치)으로 부터의 검출 수단에 기초하여 검출된다. 대기압은 대기압 검출 수단(23)으로 부터의 검출 수단에 기초하여 검출된다.
제어 수단(51)은 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 연료의 유량과, 상류측 압력 및, 상류측 온도를 산출한다. 연료 유량은 내연 기관으로 공급되는 연료량으로, 분사량과 내연 기관의 엔진 회전수에 기초하여 산출된다. 상류측 압력은 터빈 임펠러의 상류측의 압력으로, 흡입 공기 유량과, 연료 유량 및, 대기압에 기초하여 산출된다. 상류측 온도는 터빈 임펠러의 상류측의 온도로서, 분사량과, 흡입 공기 유량 및, 연료 유량에 기초하여 산출된다.
제어 수단(51)은 터빈 유량과 상한 문턱값을 산출한다. 터빈 유량은 연료 유량과, 흡입 공기 유량과, 상류측 압력 및, 상류측 온도에 기초하여 산출된다. 가변 노즐의 개도 정도의 상한 문턱값은, 터빈 유량과 압력비ㆍ터빈 유량 특성에 기초하여 티빈 임펠러의 하류측의 압력에 대한 상류측의 압력의 비가 소정의 비율 이하가 되도록 산출된다. 제어 수단(51)은, 개도 조절 수단(52)을 이용하므로써, 가변 노즐(33)의 개도를 상한 문턱값 이하가 되도록 조절한다.
특정의 구성을 참조로 본 발명의 실시 형태를 설명했지만, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에 의해, 본 발명의 범위를 일탈하지 않고, 많은 선택, 수정 및 변형이 가능함을 말할 나위도 없다. 따라서, 본 발명의 실시 형태는 첨부의 특허청구범위의 사상과 보호 범위내에서 행해 질 수 있는 모든 선택예와, 수정예 및, 변형예를 모두 포함할 수 있다. 예컨대, 본 발명의 실시 형태는 전술한 대표적 구성예로 한정되지 않고, 예를 들어 다음과 같이 변형될 수도 있다.
내연 기관의 제어 방법과 제어 장치의 목표 제어 시스템은 도 1에 나타낸 시스템으로 될 수도 있으나, 이와는 달리, 목표 제어 시스템은, 가변 노즐을 갖는 터보 과급기를 구비하는 다른 내연 기관일 수도 있다.
이상(≥)과, 이하(≤)와, 초과(＞) 및, 미만(＜)등의 부호는 등호(equal sign)를 포함할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있다.
본 발명의 실시 형태에서 사용된 수치는 일례로서, 본 발명이 이들 수치로 한정되는 것은 아니다.

Claims (8)

  1. 터빈 임펠러로 배기되는 가스의 유동 속도를 조절할 수 있는 가변 노즐을 구비한 터보 과급기를 갖는 내연 기관의 제어 방법으로서,
    내연 기관내의 연료 분사량과 엔진의 회전수에 기초하여 연료 유량(fuel flow rate)을 산출하는 단계와,
    터빈 임펠러의 상류측의 상류측 압력을 산출 또는 검출하는 단계와,
    터빈 임펠러의 상류측의 상류측 온도를 산출 또는 검출하는 단계와,
    터빈 임펠러를 향해 유동하는 가스의 터빈 유량을 산출 또는 검출하는 단계와,
    터빈 압력비가, 터빈 유량과, 압력비ㆍ터빈 유량 특성에 기초한 소정의 비율 이하가 되도록 가변 노즐의 개도 정도(opening degree level)의 상한 문턱값(upper limit threshold value)을 산출하는 단계 및(여기서, 상기 터빈 압력비는 터빈 임펠러의 하류측 압력에 대한 상류측 압력의 비율이며, 상기 압력비ㆍ터빈 유량 특성은 터빈 압력비와, 터빈 유량 및, 가변 노즐의 개도 정도 사이의 관계를 나타내는 미리 저장된 정보임),
    상기 가변 노즐의 개도가 상기 상한 문턱값 이하가 되도록 제어하는 단계를 포함하는 제어 장치에 의해 행해지는 내연 기관의 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 내연 기관내에 수용되는 흡입 공기 유량과, 연료 유량 및, 대기압에 기초하여, 상기 상류측 압력을 산출하고,
    상기 제어 장치는, 분사량과, 흡입 공기 유량 및, 연료 유량에 기초하여 상기 상류측 온도를 산출하며,
    상기 제어 장치는, 연료 유량과, 흡입 공기 유량과, 상류측 압력 및, 상류측 온도에 기초하여 터빈 유량을 산출하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 터빈 임펠러의 상류측의 압력을 검출할 수 있는 압력 센서로 부터의 검출 신호에 기초하여 상류측 압력을 얻는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 터빈 임펠러의 상류측의 온도를 검출할 수 있는 온도 센서로 부터의 검출 신호에 기초하여 상류측 온도를 얻는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 방법.
  5. 내연 기관의 제어 장치로서,
    터빈 임펠러로 배기되는 가스의 유동 속도를 조절할 수 있는 가변 노즐을 갖는 터보 과급기와,
    가변 노즐의 개도를 조절하도록 구성된 개도 조절 장치와,
    터빈 압력비와, 터빈 유량 및, 가변 노즐의 개도 정도 사이의 관계를 나타내는 압력비ㆍ터빈 유량 특성을 저장하도록 구성된 기억부 및(여기서, 상기 터빈 압력비는 터빈 임펠러의 하류측의 압력에 대한 터빈 임펠러의 상류측의 압력의 비율임),
    공기 유량 검출 센서로 부터의 검출 신호에 기초하여 내연 기관내에 수용되는 흡입 공기 유량을 검출하도록 구성된 제어부를 포함하며,
    상기 제어부가, 내연 기관내로의 연료의 분사를 위해 분사기로 보내지는 분사 지령 신호에 기초하여 내연 기관내로의 연료의 분사량을 검출하도록 구성되고,
    상기 제어부가, 내연 기관의 엔진 회전수 검출 장치로 부터의 검출 신호에 기초하여 내연 기관의 엔진 회전수를 검출하도록 구성되고,
    상기 제어부가, 대기압 센서로 부터의 검출 신호에 기초하여 대기압을 검출하도록 구성되고,
    상기 제어부가, 분사량과, 내연 기관의 엔진 회전수에 기초하여 연료 유량을 산출하도록 구성되고,
    상기 제어부가, 터빈 임펠러의 상류측의 상류측 압력을 산출 또는 검출하도록 구성되고,
    상기 제어부가, 터빈 임펠러의 상류측의 상류측 온도를 산출 또는 검출하도록 구성되고,
    상기 제어부가, 터빈 유량을 산출하도록 구성되고,
    상기 제어부가, 터빈 압력비가 터빈 유량과 압력비ㆍ터빈 유량 특성에 기초한 소정치 이하가 되도록 가변 노즐의 개도 정도의 상한 문턱값을 산출하도록 구성되며,
    상기 제어부가, 개도 조절 장치를 이용하여, 상기 개도가 상한 문턱값 이하가 되도록 가변 노즐의 개도를 조절하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부가, 흡입 공기 유량과, 연료 유량 및, 대기압에 기초하여 상류측 압력을 산출하도록 구성되고,
    상기 제어부가, 분사량과, 흡입 공기 유량 및, 연료 유량에 기초하여 상류측 온도를 산출하도록 구성되며,
    상기 제어부가, 연료 유량과, 흡입 공기 유량과, 상류측 압력 및, 상류측 온도에 기초하여 터빈 유량을 산출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부가, 터빈 임펠러의 상류측의 압력을 검출할 수 있는 압력 센서로 부터의 검출 신호에 기초하여 상류측 압력을 얻도록 구성되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부가, 터빈 임펠러의 상류측의 온도를 검출할 수 있는 온도 센서로 부터의 검출 신호에 기초하여 상류측 온도를 얻도록 구성되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
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