KR20190031686A - 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 내부 egr량 산출 장치 및 산출 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(Continuously Variable Valve duration, CVVD)를 구비한 엔진의 내부 EGR량을 산출하는 방법 및 장치에 관한 발명이다. 본 발명에서는 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 밸브 오버랩 시에, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구의 동작에 의해 변경되는 밸브 듀레이션에 근거하여, 역류 가스량을 보정함으로써, 내부 EGR량을 산출하는 것을 특징으로 한다.

Description

가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 내부 EGR량 산출 장치 및 산출 방법{INTERNAL EGR CALCULATION DEVICE AND METHOD FOR ENGINE COMPRISING CONTINUOUSLY VARIABLE VALVE DURATION APPARATUS}
본 발명은 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 내부 EGR량을 산출하기 위한 장치 및 방법에 관한 발명으로서, 보다 상세하게는 가변 밸브 듀레이션 기구의 동작에 의해 밸브 프로파일이 변경되는 경우 이를 반영하여 엔진의 내부 EGR량을 산출하기 위한 장치 및 방법에 관한 발명이다.
차량의 엔진의 흡입 공기량을 정확히 계산하는 것은 엔진의 성능 및 연비를 좋게 하는데 필수적인 요소이다. 또한 배출가스의 성분을 결정할 수 있는 중요한 요소이기도 하다. 특히, 가솔린 엔진에서는 엔진의 흡입 공기량을 기준으로 이론 공연비 제어가 이루어지도록 연료를 분사하게 되므로, 엔진의 흡입 공기량을 정확히 계산하는 것이 중요하게 된다. 만약, 엔진의 흡입 공기량을 실제 값보다 크게 계산하게 되면, 그에 해당하는 연료가 많이 분사되어 연비의 악화 및 유해 가스(CO, HC) 배출 문제가 발생하게 된다. 또한 반대로 엔진의 흡입 공기량을 실제값 보다 작게 계산하게 되면, 그에 해당하는 연료가 상대적으로 적게 분사되게 되어, 엔진의 출력 성능이 악화되고, 유해 가스(NOx) 배출 문제가 발생한다.
한편, 엔진의 흡입 공기량을 정확하게 계산하기 위해서는 밸브 오버랩 시에 발생하는 내부 EGR량을 정확히 계산할 수 있어야 한다. 연소에 사용되는 공기는 흡기 밸브를 통해 유입되는 신기인데, 실린데 내부의 연소된 가스량(내부 EGR량)에 의해 신기의 충전량이 연동될 수 있기 때문이다.
도 7 및 도 8은 엔진의 실린더(40), 밸브(20,30) 등으로 이루어지는 흡기계의 구조를 나타내는 도면이다. 흡입 공기는 스로틀 밸브(10)를 통과하여 서지 탱크에 포집되고, 흡입 밸브(20)가 열려 있는 동안 실린더(40) 내부로 들어오게 된다. 이때, 흡입 공기의 유량은 MAP 센서로 측정되는 서지 탱크의 압력과 배기 압력으로부터 계산된 실린더 내부 압력을 이용하여 계산된다. 실린더(10) 내부에 충전 가능한 신기 유량은, 흡입 공기의 실린더(10) 내부 유입 전, 실린더(40) 내부에 잔류한 내부 EGR량을 제외한 유량으로 제한된다.
도 7은 밸브 오버랩이 없는 경우의 내부 EGR을 나타내는 도면이다. 밸브 오버랩이 없는 경우, 도 7에서 도시된 바와 같이, 배기 밸브(30)가 닫히는 시점에 실린더(10) 내에 잔류하는 잔류 배기가스의 유량으로서 계산된다.
도 8은 밸브 오버랩이 존재하는 경우에 내부 EGR을 나타내는 도면이다. 특허문헌 1에서도 나타나 있는 바와 같이, 밸브 오버랩이 발생되는 구간에서는 배기 압력이 흡기 압력보다 일반적으로 높기 때문에, 배기 밸브(30)를 통과한 배기 가스가 다시 흡기 밸브(20) 쪽으로 역류하는 현상이 있고, 배기 밸브(30)가 닫힌 이후, 흡기 행정에서는 해당 역류 가스는 다시 실린더(40) 내부로 충전이 된다.
따라서, 밸브 오버랩이 발생하는 경우, 내부 EGR량을 계산하기 위해서는 밸브 오버랩 구간에서는 배기 밸브(30)가 닫힌 시점에서 실린더(40)내부에 잔류하는 잔류 가스량과 함께 흡기 행정에서 유입되는 역류 가스량을 모두 고려하여야 한다.
특허문헌 1: 대한민국 등록특허공보 제10-0412592호 (2003.12.12.) 특허문헌 2: 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0063819호(2013. 6. 17)
종래 밸브 듀레이션을 변경하기 위한 기구로서, 밸브가 엔진 회전수에 따라 다른 리프트로 동작하도록 구현되는 CVVL(Continuously Variable Valve Lift) 기술이 개발되고 있으나, 이러한 CVVL 시스템의 경우 밸브 듀레이션이 가변되지만 동시에 밸브 리프트가 변화하기 때문에, 제어의 자유도가 떨어진다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것이, 특허문헌 2에서 개시된 바와 같은 가변 밸브 듀레이션 기구(Continuously Variable Valve duration appratus; CVVD)이다. CVVD 기술의 경우, 도 4에서 도시되는 바와 같이 밸브 리프트의 변화없이 밸브 듀레이션을 효과적으로 가변할 수 있다. 또한 밸브의 개방/폐쇄 시점을 독립적으로 제어함으로써, 최적의 밸브 개폐 시점을 설정할 수 있다.
그런데, 가변 밸브 듀레이션 기구를 적용하면, 도 5a 및 도 5b에서 도시된 바와 같이, 밸브의 프로파일이 변경되게 된다.
도 5a는 배기 밸브는 밸브 듀레이션이 고정되고, 흡기 밸브의 밸브 듀레이션을 가변 밸브 듀레이션 기구를 이용하여 변경한 경우의 밸브 프로파일의 형태 변화를 나타내고 있다. 도 5a에서 x축은 밸브의 작동각이고 y축은 밸브 리프트량을 나타낸다. 도 5a에서는 가변 밸브 듀레이션 기구를 이용하여 흡기 밸브의 열림 시점(IO)이 고정된 상태에서 밸브의 닫힘 시점을 가변(IC1 내지 IC3) 시키고 있다. 이 경우, 밸브 오버랩 구간은 동일하지만 흡기 밸브의 밸브 듀레이션을 변경함에 따라 밸브 오버랩이 이루어지는 유효 면적이 달라지게 된다.
도 5b의 예에서는 반대로 흡기 밸브는 밸브 듀레이션이 고정되고, 배기 밸브는 닫힘 시점(EC)을 고정한 상태에서 열림 시점을 진각 내지 지각시켜 밸브 듀레이션이 변경되도록 하고 있다.
도 5b의 예에서도 도 5a의 예와 마찬가지로, 밸브 오버랩 구간은 동일하지만 배기 밸브의 밸브 듀레이션을 변경함에 따라 밸브 오버랩이 이루어지는 유효 면적이 달라지게 된다.
밸브 오버랩이 이루어지는 유효 면적이 달라진다는 것은 밸브 오버랩 구간에서의 유량의 이동이 달라지는 것을 의미한다. 즉, 역류 가스량이 달라지게 되고, 따라서 최종적으로는 내부 EGR의 유량이 달라지게 된다.
도 5a 및 도 5b에서 도시되어 있는 바와 같이, 흡기 또는 배기 밸브의 듀레이션이 커지게 되면, 동일한 밸브 오버랩 구간에서도 밸브의 유효 열림 면적이 작아지게 되므로, 역류 가스의 유량이 작아지게 된다.
이와 같은 현상을 반영하지 못하면, 밸브 듀레이션이 큰 경우 내부 EGR량을 실제보다 크게 계산하게 되고, 그에 따라 신기 유량은 실제보다 작게 계산되게 된다. 신기 유량이 작게 계산되면, 연료를 그만큼 적게 분사하게 되고, 엔진의 출력 성능이 저하된다. 반대로 밸브 듀레이션이 작은 경우, 내부 EGR량은 실제보다 작게 계산되고, 신기 유량은 크게 계산된다. 이 경우, 연료는 실제 공기량 대비 크게 분사되므로, 연비가 악화될 수 있다.
그러나,가변 밸브 듀레이션 기구를 적용한 엔진의 흡기량 제어 시에, 가변 밸브 듀레이션 기구의 적용에 따른 밸브 듀레이션 변화를 고려하여 흡기량을 제어하도록 하는 기술은 현재까지 제시되고 있지 않다.
본 발명은 상기한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 가변 밸브 듀레이션 기구의 적용에 따른 밸브 듀레이션 변화를 고려하여 내부 EGR량을 정확히 계산할 수 있는 제어 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 내부 EGR량을 산출하는 방법으로서, 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 밸브 오버랩 시에, 상기 연속 가변 밸브 듀레이션 기구의 동작에 의해 변경되는 밸브 듀레이션에 근거하여 내부 EGR량을 산출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 내부 EGR량은, 엔진의 실린더 내부의 잔류 가스량과 밸브 오버랩 시에 실린더 내부로 역류되는 역류 가스량의 합으로서 산출되고, 역류 가스량은 밸브 오버랩 구간에서 배기 압력, 흡기 압력, 배기 온도및 밸브 오버랩 기간을 기준으로 결정되는 기본 역류 가스량을, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구의 동작에 의해 변경되는 밸브 듀레이션에 근거하여 보정한 값으로 한다.
바람직하게는, 상기 기본 역류 가스량의 보정 시에, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 최대 열림 시점(MOP) 및 밸브 닫힘 시점에 근거하여 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하도록 한다.
바람직하게는, 상기 기본 역류 가스량의 보정 시에, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 최대 열림 시점(MOP) 및 밸브 열림 시점에 근거하여 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하도록 한다.
바람직하게는, 상기 기본 역류 가스량의 보정 시에, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 열림 시점 및 닫힘 시점에 근거하여 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하도록 한다.
바람직하게는, 상기 기본 역류 가스량의 보정 시에,연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 밸브 듀레이션 및 최대 열림 시점에 근거하여 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하도록 한다.
바람직하게는, 상기 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 밸브 듀레이션의 함수로 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하도록 한다.
바람직하게는, 상기 계산된 내부 EGR량에 근거하여 실린더에 충전되는 신기(fresh air)의 양을 결정하고, 결정된 신기량에 따라 엔진의 흡기량을 제어한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 내부 EGR량 산출 방법은, 엔진의 실린더 내부의 잔류 가스량을 계산하는 단계; 밸브 오버랩 발생 여부를 판단하는 단계; 밸브 오버랩 발생 시 해당 밸브 오버랩 구간에서 흡기로 역류하는 기본 역류 가스량을 계산하는 단계; 연속 가변 밸브 듀레이션 기구의 동작에 의해 변경되는 밸브 듀레이션에 근거하여 기본 역류 가스량을 보정하는 단계; 엔진의 실린더 내부의 잔류 가스량과 상기 보정된 기본 역류 가스량을 합산하여 내부 EGR량을 계산하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
상기 단계들에 있어서, 바람직하게는, 밸브 오버랩이 발생하지 않은 것으로 판단되는 경우, 엔진의 실린더 내부의 잔류 가스량을 내부 EGR량으로서 계산하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 단계들에 있어서, 상기 계산된 내부 EGR량에 근거하여 실린더에 충전되는 신기량을 결정하고, 결정된 신기량에 따라 엔진의 흡기량를 제어하는 단계를 더 포함한다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 내부 EGR량 산출 장치는, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 실린더 내부의 체적 및 내부 압력과 배기 가스 온도를 기준으로 엔진의 실린더 내부의 잔류 가스량을 계산하는 실린더 잔류 가스량 계산부, 배기 압력, 흡기 압력 및 배기 온도를 이용하여, 밸브 오버랩 시에 배기 밸브를 통해 실린더 내부로 역류하는 가스량을 계산하는 기본 역류 가스량 계산부, 실린더 잔류 가스량 계산부에서 계산된 실린더 잔류 가스량과, 기본 역류 가스량 계산부에서 계산된 기본 역류 가스량을 이용하여 내부 EGR량을 계산하는 내부 EGR량 계산부를 포함하고, 내부 EGR량 계산부는 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 밸브 오버랩 시에, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구의 동작에 의해 변경되는 밸브 듀레이션에 근거하여 기본 역류 가스량을 보정하여 내부 EGR량을 계산하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 내부 EGR량 계산부에서 계산된 내부 EGR량에 근거하여 실린더에 충전되는 신기의 양을 결정하고, 결정된 신기량에 따라 상기 엔진의 흡기량을 제어하는 흡기량 제어부를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 내부 EGR량 계산부는, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 최대 열림 시점(MOP) 및 밸브 닫힘 시점에 근거하여 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하도록 구성된다.
바람직하게는, 상기 내부 EGR량 계산부는, 상기 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 최대 열림 시점(MOP) 및 밸브 열림 시점에 근거하여 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하도록 구성된다.
바람직하게는, 상기 내부 EGR량 계산부는, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 열림 시점 및 닫힘 시점에 근거하여 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하도록 구성된다.
바람직하게는, 상기 내부 EGR량 계산부는, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 밸브 듀레이션 및 최대 열림 시점에 근거하여 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하도록 구성된다.
바람직하게는, 상기 내부 EGR량 계산부는, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 밸브 듀레이션의 함수로 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하도록 구성된다.
본 발명에 따른 제어 방법 및 장치에 의하면, 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 밸브 듀레이션이 변경되는 경우에 내부 EGR량을 정확히 계산해 낼 수 있어, 필요로 하는 정확한 양의 공기를 엔진에 공급할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명에 의하면, 과도한 연료 공급을 억제할 수 있어 연비를 개선할 수 있으며, 실제 필요로 하는 연료량보다 소량의 연료가 공급되는 것을 억제할 수 있어 엔진 출력의 저하를 막을 수 있고, 유해한 배출 가스의 발생을 억제할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 제어 방법 및 장치가 적용될 수 있는 가변 밸브 듀레이션 기구의 일 예의 개력적인 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 내부 EGR량 산출 장치의 구성을 나타내는 블럭도,
도 3은 본 발명에 따른 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 내부 EGR량 산출 방법을 나타내는 순서도,
도 4는 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 변화되는 밸브 듀레이션 및 그 때의 밸브 프로파일의 변화를 나타내는 도면,
도 5a 및 도 5b는 밸브 오버랩 시에, 가변 밸브 듀레이션 기구를 이용하여 각각 흡기 밸브와 배기 밸브의 듀레이션을 변경한 경우, 밸브 프로파일의 변화를 나타내는 도면,
도 6a는 비교예에서의 엔진 회전수에 따른, 계산 공기량과 실측 공기량의 비율의 변화를 나타내는 도면,
도 6b는 본원 실시예에서의 엔진 회전수에 따른, 계산 공기량과 실측 공기량의 비율의 변화를 나타내는 도면,
도 7은 밸브 오버랩 미 발생시의 흡기계의 내부 EGR을 나타내는 도면,
도 8은 밸브 오버랩 발생시의 흡기계의 내부 EGR을 나타내는 도면.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 제어 방법이 적용될 수 있는 가변 밸브 듀레이션 기구(100)의 일 예의 개력적인 구성도이다.
가변밸브 듀레이션 기구(100)는 캠 샤프트 슬롯(112)이 형성된 캠 샤프트(110), 캠 샤프트(110)에 상대적 위상이 가변될 수 있도록 구비되며, 캠(121, 122) 및 캠 슬롯(124)이 형성되고, 그 회전 중심이 캠 샤프트(110)의 회전 중심과 일치하는 캠부(120)를 구비한다.
그리고, 가변밸브 듀레이션 기구(100)는 롤러 안내부(130)를 구비하고, 롤러 안내부(130)는 그 내부에서 캠 샤프트 슬롯(112) 및 캠 슬롯(124)과 연결된다. 롤러 안내부(130)의 일단은 힌지(131)와 브라켓(150)을 통해 엔진에 결합하고, 타단에서는 제어 슬롯(132)이 형성된다. 또한 가변밸브 듀레이션 기구(100)는, 캠 샤프트(110)와 평행하게 구비되며 제어 슬롯(132)에 삽입되는 제어 핀(141)이 그 중심에서 편심되어 형성된 제어 샤프트(140)를 구비한다.
롤러 안내부(130)의 회전 중심은 캠 샤프트(110)의 회전 중심과 평행하며, 도시되지 않은 제어부에 의해 제어되는 액추에이터 또는 모터 등을 이용하여 그 회전 중심이 이동될 수 있다. 롤러 안내부(130)의 회전 중심과 캠 샤프트(110)의 회전 중심이 차이를 발생시킴으로써, 캠 샤프트 슬롯(112)과 캠 슬롯(124)의 상대적인 위상각이 가변될 수 있어 캠 샤프트(110)과 캠(120)의 상대적인 회전 속도가 가변되고, 이를 통해 밸브 리프트의 열림과 닫힘 시간 사이의 경과 시간인 밸브 듀레이션이 가변될 수 있다.
또한, 가변밸브 듀레이션 기구(100)는, 힌지(131)의 위치 설계에 따라, 밸브 열림 시점(valve opening) 또는 밸브 닫힘 시점(valve closing)을 고정하고, 나머지 시점을 변경함으로써, 밸브 듀레이션을 가변하도록 할 수 있으며, 또한 최대 열림 시점(Most Opening Position, MOP)를 고정하고 밸브 열림 시점(valve opening) 및 밸브 닫힘 시점(valve closing)이 가변됨으로써, 밸브 듀레이션을 가변할 수도 있다.
도 1에서 도시된 가변 밸브 듀레이션 기구(100)는 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따른 제어 방법이 적용될 수 있는 가변 밸브 듀레이션 기구의 예시에 불과하며, 본원 발명에 따른 제어 방법이 적용될 수 있는 가변 밸브 듀레이션 기구는 위 도 1에서 도시된 기구의 구조에 한정되지 않는다.
도 2는 본 발명에 따른 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 내부 EGR량 산출 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
바람직한 일 실시예에 따른 본 발명에 따른 내부 EGR량 산출 장치는 실린더 잔류 가스량 계산부, 기본 역류 가스량 계산부 및 내부 EGR량 계산부로 구성된다.
실린더 잔류 가스량 계산부는, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 실린더 내부의 체적 및 내부 압력과 배기 가스 온도등을 기준으로, 흡기 밸브(20)의 밸브 열림 시점에 엔진의 실린더 내부에 잔류하는 잔류 가스량(VRESIDUAL)을 계산한다. 이때 실린더 내부의 체적은 흡기 밸브(20)의 열림 시점일 때의 실린더(40) 내의 연소실의 용적을 의미한다. 그리고 실린더(40)의 내부 압력은 흡기계의 MAP 센서(Manifold Absolute Pressure Sensor)로 측정되는 서지 탱크의 압력과 배기 가스의 압력을 이용하여 계산될 수 있다. 배기 가스의 온도는 배기계 내에 설치되는 온도 센서를 통해 측정될 수 있다.
실린더 잔류 가스량 계산부는 상기한 실린더 내부의 체적 및 내부 압력과 배기 가스 온도값과, 위 값들과 실린더 내부의 잔류 가스량의 관계를 규정한, 미리 정해진 맵을 이용하여 잔류 가스량을 계산해 낸다. 밸브 오버랩이 발생하지 않는 경우에는, 역류되는 가스가 존재하지 않으므로, 실린더(40)의 잔류 가스량은 그대로 내부 EGR량으로서 설정되게 된다.
기본 역류 가스량 계산부는 밸브 오버랩이 발생한 경우, 흡기 밸브 쪽으로 역류되는 배기 가스의 양을 계산한다. 밸브 오버랩 시에 발생하는 배기 가스의 역류는 흡기 측의 압력과 배기 측의 압력 차이에 의해 발생한다. 그리고, 역류 시의 기체의 거동은 배기 가스의 온도 및 소정 작동각 동안의 밸브 오버랩 기간에 따라 달라지게 된다.
따라서, 기본 역류 가스량 계산부는, 흡기 측의 압력과 배기 측의 압력의 측정값 및 배기 가스 온도의 측정값과 밸브 오버랩 기간을, 이들 값과 역류 가스량의 관계를 규정하는, 미리 정해진 맵에 입력함으로써 흡기 밸브 쪽으로 역류되는 배기 가스의 총량(VBACK)을 계산해 낼 수 있다.
내부 EGR량 계산부는 실린더 잔류 가스량 계산부 및 기본 역류 가스량 계산부의 계산 결과를 이용하여 최종 내부 EGR량(VTOTAL)을 계산한다.
기본적으로는 최종 내부 EGR량(VTOTAL)은 밸브 닫힘 시점에 엔진의 실린더 내부에 잔류하는 실린더 내부 잔류 가스량(VRESIDUAL)과 기본 역류 가스량(VBACK)을 합한 값이다. 한편, 상술한 바와 같이, 밸브 오버랩이 발생하지 않는 경우, 배기 가스의 역류 현상이 존재하지 않으므로, 최종 내부 EGR량(VTOTAL)은 실린더 내부 잔류 가스량(VRESIDUAL)으로 설정되게 된다.
그런데, 도 5a 및 도 5b에서 도시되어 있는 바와 같이, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)의 동작 시에는 제어의 대상이 되는 흡기 밸브(20)(도 5a) 또는 배기 밸브(30)(도 5b)의 밸브 프로파일이 변경되게 된다. 여기서 밸브 프로파일은 밸브의 작동각에 따른 밸브 리프트량의 변화를 나타내는 것으로서, 밸브 프로파일 내부의 면적은 해당 밸브의 유효 개방 면적을 나타낸다.
도 5a에 있어서, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 밸브 듀레이션의 제어가 이루어지지 않는 경우의 흡기 밸브(20)의 밸브 듀레이션(ISTANDARD)을 흡기 밸브의 열림 시점(IO)로부터 닫힘 시점(IC2)라고 가정한다. 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 흡기 밸브(20)의 열림 시점(IO)을 고정한 상태에서 닫힘 시점을 IC2에서 IC3로 증가시키면 최대 밸브 리프트량은 그대로 유지된 채 밸브 듀레이션이 증가되어 밸브 프로파일이 변경된다.
따라서, 동일한 기간(IO~EC) 사이에 오버랩이 발생한 경우라도 밸브 오버랩 시에 흡기 밸브(20)와 배기 밸브(30)의 밸브 프로파일이 겹쳐지는 부분의 면적(유효 개방 면적)이 달라지게 된다. 그 결과 밸브 오버랩 시의 역류 가스의 유량도 변경되게 된다. 따라서, 내부 EGR량 계산부에서는 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)의 동작에 의해 변경되는 밸브 듀레이션에 근거하여, 기본 역류 가스량 계산부에서 계산된 기본 역류 가스량을 보정한다.
바람직하게는 이를 위해서 내부 EGR량 계산부에서는 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)의 동작에 의해 밸브 듀레이션이 변경되는 경우에 유효 개방 면적의 변화로부터 보정 팩터를 계산하고 이 보정 팩터를 기본 역류 가스량(VBACK)에 곱하여 기본 역류 가스량(VBACK)을 보정한다.
상술한 도 5a의 예에서, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 제어되지 않는 경우의 흡기 밸브(20)의 기본 밸브 프로파일(IO->IC2)은 차량에 적용된 밸브의 사양에 따라 미리 정해진 값으로서 내부 EGR량 계산부에 저장되어 있다. 따라서, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 제어되지 않는 경우, 밸브 오버랩시에 흡기 밸브(20)의 밸브 프로파일(IO->IC2)과 배기 밸브(30)의 프로파일(EO->EC)이 겹쳐지는 면적(A1)은 흡기 밸브의 열림 시점(IO)과 배기 밸브의 닫힘 시점(EC)에 의해 결정될 수 있다.
한편, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 제어되는 경우의 흡기 밸브(20)의 밸브 프로파일(IO->IC3)은 밸브 듀레이션의 변화에 따라 밸브 프로파일(IO->IC2)을 일정 비율로 변경한 값이 된다. 변경된 밸브 프로파일(IO->IC3)이 구해지면, 해당 밸브 프로파일(IO->IC3)과 위 흡기 밸브의 열림 시점(IO)과 배기 밸브의 닫힘 시점(EC)을 이용하여, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 제어되는 경우의 흡기 밸브(20)의 밸브 프로파일과 배기 밸브(30)의 프로파일(EO->EC)이 겹쳐지는 면적(A2)을 구할 수 있다.
상술한 바와 같이, 밸브 듀레이션이 증가하게 되면 동일 밸브 오버랩 구간에서 유효 열림 면적이 작아지고, 반대로 밸브 듀레이션이 감소하게 되면 동일 밸브 오버랩 구간에서 유효 열림 면적이 커지게 된다. 따라서, 이를 반영하기 위한 보정 팩터는 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 제어되지 않는 경우, 흡기 밸브(20)의 밸브 프로파일(IO->IC2)과 배기 밸브(30)의 프로파일(EO->EC)이 겹쳐지는 면적(A1)과 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 제어되는 경우의 흡기 밸브(20)의 밸브 프로파일과 배기 밸브(30)의 프로파일(EO->EC)이 겹쳐지는 면적(A2)의 비(A2/A1)으로 산출될 수 있다.
상술한 바와 같이, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의한 밸브 제어 시의 밸브 프로파일(IO->IC2)은 밸브 듀레이션의 변화에 의해 결정되게 된다.
따라서, 바람직하게는, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의한 밸브 제어 시의 밸브 프로파일(IO->IC2)은 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 제어되는 밸브의 최대 열림 시점(MOP) 및 밸브 닫힘 시점(IC2)을 구하여 그에 관한 미리 정해진 함수로서 밸브 프로파일(IO->IC2)을 구할 수 있다.
또한, 다른 바람직한 예에서는, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 제어되는 밸브의 최대 열림 시점(MOP) 및 밸브 열림 시점(IO)을 구하여 그에 관한 미리 정해진 함수로서 밸브 프로파일(IO->IC2)을 구할 수도 있다.
또한, 다른 바람직한 예에서는, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 제어되는 밸브의 열림 시점(IO) 및 닫힘 시점(IC2)을 구하여 그에 관한 미리 정해진 함수로서 밸브 프로파일(IO->IC2)을 구할 수도 있다.
또는 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 제어되는 밸브의 밸브 듀레이션 및 최대 열림 시점(MOP)을 구하여 그로부터 밸브 프로파일(IO->IC2)을 구할 수도 있다.
또는 밸브 프로파일(IO->IC2)은 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 제어되는 밸브의 밸브 듀레이션 단독의 함수로서 규정되고, 밸브 듀레이션 값을 구하여 그로부터, 밸브 프로파일(IO->IC2)을 구할 수도 있다.
보다 바람직하게는, 본 발명에 따른 내부 EGR량 산출 장치는 내부 EGR량 계산부에서 계산된 내부 EGR량에 근거하여 실린더(40)에 충전되는 신기의 양을 결정하고, 결정된 신기량에 따라 엔진의 흡기량을 제어하는 흡기량 제어부를 더 포함할 수 있다.
흡기량 제어부는 스로틀 밸브(10)등을 제어함으로써, 내부 EGR량이 증가되면 그에 따라 신기량을 감소시키고, 내부 EGR량이 감소되면 그에 따라 신기량을 증가시키는 제어를 실행한다. 이로부터 배기 가스 발생을 억제하고, 엔진 효율을 증가시킬 수 있도록 하는 최적의 흡기량 제어가 가능하게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 내부 EGR량 산출 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3에 따르면, 실린더 잔류 가스량 계산부에서는 흡기 밸브(20)의 열림 시점(IVO)에서의 기본 실린더 잔류 가스량(VRESIDUAL)을 계산한다(S10). 상술한 바와 같이, 실린더(40)의 잔류 가스량 계산부에서는 실린더 내부의 체적 및 내부 압력과 배기 가스 온도로부터 실린더(40)의 잔류 가스량을 계산해 낼 수 있다.
다음으로, 기본 역류 가스량 계산부는 기본 역류 가스량을 계산하기 위하여 밸브 오버랩이 발생하였는지 여부를 판단한다(S20). 밸브 오버랩은 배기 밸브(30)의 닫힘 시점(EVC) 이전에 흡기 밸브(20)의 열림 시점(IVO)이 존재하여 배기 밸브(30)와 흡기 밸브(20)가 모두 개방되어 있는 상태를 의미한다. 따라서, 배기 밸브(30)의 닫힘 시점(EVC) 및 흡기 밸브(20)의 열림 시점(IVO)으로부터 밸브 오버랩 발생 여부를 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 밸브 오버랩이 발생하지 않은 경우, 배기 가스의 역류 현상이 존재하지 않으므로, 내부 EGR 계산부에서는, 단계 S(10)에서 계산된 기본 실린더 잔류 가스량(VRESIDUAL)을 최종 내부 EGR량으로서 결정한다(S60).
만약 밸브 오버랩이 발생한 것으로 판단되는 경우, 최종 내부 EGR량을 결정하기 위해, 기본 역류 가스량 계산부는, 밸브 오버랩 구간에서 흡기로 역류하는 기본 역류 가스량(VBACK)을 계산한다(S30). 상술한 바와 같이, 기본 역류 가스량 계산부는 배기 압력, 흡기 압력 및 배기 온도와 밸브 오버랩 기간으로부터 기본 역류 가스량(VBACK)을 계산해 낼 수 있다. 이 때의 기본 역류 가스량(VBACK)은 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 밸브 제어가 이루어지지 않은 경우의 기본 밸브 프로파일과 관련된 값이다.
다음으로, 내부 EGR량 계산부는, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)의 동작에 의해 변경되는 밸브 듀레이션에 근거하여 기본 역류 가스량(VBACK)을 보정한다(S40). 상술한 바와 같이, 기본 역류 가스량 계산부에서는 밸브 듀레이션 변경에 따른 밸브 프로파일에 근거하여 보정 팩터를 결정하고, 이 보정 팩터와 기본 역류 가스량(VBACK)를 곱함으로써 기본 역류 가스량(VBACK)을 보정한다. 기본 역류 가스량 계산부에서 행해지는 기본 역류 가스량(VBACK)의 보정 과정은 도 2를 참조하여 이미 상세하게 설명하였는바, 구체적인 설명은 생략한다.
다음으로, 내부 EGR량 계산부는 보정된 기본 역류 가스량(VBACK')과 기본 실린더 잔류 가스량(VRESIDUAL)을 합산함으로써, 최종 내부 EGR량을 계산한다(S50).
그리고, 흡기량 제어부는, 내부 EGR량 계산부에 의해 계산된 최종 내부 EGR량에 근거하여 최종 실린더 신기 충전량을 계산한다(S70). 최종 실린더 신기 충전량은, 엔진 효율을 극대화할 수 있는 것과 더불어, 유해 배기 가스 발생을 억제할 수 있는 최적 공연비에 대응되는 흡기량과, 상기 계산된 최종 내부 EGR량과의 차이로서 구해질 수 있다.
최종 실린더 신기 충전량이 결정되면, 흡기량 제어부는 최종 실린더 신기 충전량에 대응되는 신기가 유입되도록 흡기계의 스로틀 밸브(10) 등을 제어하여 흡기량을 제어한다(S80).
도 6a와 도 6b는 엔진의 회전수에 따른, 계산 공기량(실린더 충전량)과 실측 공기량의 비율을 나타내는 도면이다. 도 6a는 본 발명에 따른 내부 EGR량 산출 방법을 적용하지 않은 비교예의 결과를 나타낸 것이고, 도 6b는 본 발명에 따른 내부 EGR량 산출 방법을 적용한 실시예의 결과를 도시하고 있다.
본 발명에 따른 내부 EGR량 산출 방법을 적용하지 않아, 밸브 듀레이션의 변경에 의한 영향을 고려하지 않고 내부 EGR량을 산출하여 실린더 충전량을 계산한 비교예의 경우, 계산 공기량/실측 공기량의 표준 편차가 대략 3.67% 였는데 반해, 본 발명에 따른 내부 EGR량 산출 방법을 적용하여 내부 EGR량을 보정한 본원 실시예의 경우, 계산 공기량/실측 공기량의 표준 편차가 대략 1.84%로서 편차를 절반 가까이 감소시킬 수 있었다.
이와 같이, 본 발명에 따른 제어 방법 및 장치에 의하면, 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 밸브 듀레이션이 변경되는 경우에 내부 EGR량을 정확히 계산해 낼 수 있어, 필요로 하는 정확한 양의 공기를 엔진에 공급할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명에 의하면, 과도한 연료 공급을 억제할 수 있어 연비를 개선할 수 있으며, 실제 필요로 하는 연료량보다 소량의 연료가 공급되는 것을 억제할 수 있어 엔진 출력의 저하를 막을 수 있고, 유해한 배출 가스의 발생을 억제할 수 있는 효과가 있다.
10:스로틀 밸브 20: 흡기 밸브
30: 배기 밸브 40: 실린더
50: 피스톤 100: 가변 밸브 듀레이션 기구(CVVD)
110: 캠 샤프트 120: 캠부
130: 롤러 안내부 140: 제어 샤프트
150: 브라켓 200: 밸브

Claims (18)

  1. 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(Continuously Variable Valve duration, CVVD)를 구비한 엔진의 내부 EGR량을 산출하는 방법으로서,
    흡기 밸브 또는 배기 밸브의 밸브 오버랩 시에, 상기 연속 가변 밸브 듀레이션 기구의 동작에 의해 변경되는 밸브 듀레이션에 근거하여 내부 EGR량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 내부 EGR량 산출 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 내부 EGR량은,
    상기 엔진의 실린더 내부의 잔류 가스량과 밸브 오버랩 시에 실린더 내부로 역류되는 역류 가스량의 합으로서 산출되고,
    상기 역류 가스량은 밸브 오버랩 구간에서 배기 압력, 흡기 압력, 배기 온도및 밸브 오버랩 기간을 기준으로 결정되는 기본 역류 가스량을, 상기 연속 가변 밸브 듀레이션 기구의 동작에 의해 변경되는 밸브 듀레이션에 근거하여 보정한 값인, 연속 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 내부 EGR량 산출 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 기본 역류 가스량의 보정 시에,
    상기 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 최대 열림 시점(MOP) 및 밸브 닫힘 시점에 근거하여 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 상기 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 내부 EGR량 산출 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 기본 역류 가스량의 보정 시에,
    상기 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 최대 열림 시점(MOP) 및 밸브 열림 시점에 근거하여 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 상기 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 내부 EGR량 산출 방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 기본 역류 가스량의 보정 시에,
    상기 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 열림 시점 및 닫힘 시점에 근거하여 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 상기 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 내부 EGR량 산출 방법.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 기본 역류 가스량의 보정 시에,
    상기 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 밸브 듀레이션 및 최대 열림 시점에 근거하여 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 상기 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 내부 EGR량 산출 방법.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 밸브 듀레이션의 함수로 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 상기 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 내부 EGR량 산출 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    계산된 상기 내부 EGR량에 근거하여 실린더에 충전되는 신기(fresh air)의 양을 결정하고, 상기 결정된 신기량에 따라 상기 엔진의 흡기량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 내부 EGR량 산출 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진의 실린더 내부의 잔류 가스량을 계산하는 단계;
    밸브 오버랩 발생 여부를 판단하는 단계;
    밸브 오버랩 발생 시 해당 밸브 오버랩 구간에서 흡기로 역류하는 기본 역류 가스량을 계산하는 단계;
    연속 가변 밸브 듀레이션 기구의 동작에 의해 변경되는 밸브 듀레이션에 근거하여 기본 역류 가스량을 보정하는 단계;
    상기 엔진의 실린더 내부의 잔류 가스량과 상기 보정된 기본 역류 가스량을 합산하여 내부 EGR량을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 내부 EGR량 산출 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    밸브 오버랩이 발생하지 않은 것으로 판단되는 경우,
    상기 엔진의 실린더 내부의 잔류 가스량을 내부 EGR량으로서 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 내부 EGR량 산출 방법.
  11. 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
    상기 계산된 내부 EGR량에 근거하여 실린더에 충전되는 신기량을 결정하고, 상기 결정된 신기량에 따라 상기 엔진의 흡기량를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 내부 EGR량 산출 방법.
  12. 연속 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 실린더 내부의 체적 및 내부 압력과 배기 가스 온도를 기준으로 엔진의 실린더 내부의 잔류 가스량을 계산하는 실린더 잔류 가스량 계산부,
    배기 압력, 흡기 압력 및 배기 온도를 이용하여, 밸브 오버랩 시에 배기 밸브를 통해 상기 실린더 내부로 역류하는 가스량을 계산하는 기본 역류 가스량 계산부,
    상기 실린더 잔류 가스량 계산부에서 계산된 실린더 잔류 가스량과, 상기 기본 역류 가스량 계산부에서 계산된 기본 역류 가스량을 이용하여 내부 EGR량을 계산하는 내부 EGR량 계산부를 포함하고,
    상기 내부 EGR량 계산부는 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 밸브 오버랩 시에, 상기 연속 가변 밸브 듀레이션 기구의 동작에 의해 변경되는 밸브 듀레이션에 근거하여 상기 기본 역류 가스량을 보정하여 내부 EGR량을 계산하는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 내부 EGR량 산출 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 내부 EGR량 계산부에서 계산된 내부 EGR량에 근거하여 상기 실린더에 충전되는 신기의 양을 결정하고, 상기 결정된 신기량에 따라 상기 엔진의 흡기량을 제어하는 흡기량 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진의 내부 EGR량 산출 장치.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 내부 EGR량 계산부는, 상기 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 최대 열림 시점(MOP) 및 밸브 닫힘 시점에 근거하여 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 상기 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 내부 EGR량 산출 장치.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 내부 EGR량 계산부는, 상기 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 최대 열림 시점(MOP) 및 밸브 열림 시점에 근거하여 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 상기 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 내부 EGR량 산출 장치.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 내부 EGR량 계산부는, 상기 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 열림 시점 및 닫힘 시점에 근거하여 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 상기 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 내부 EGR량 산출 장치.
  17. 청구항 12에 있어서,
    상기 내부 EGR량 계산부는, 상기 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 밸브 듀레이션 및 최대 열림 시점에 근거하여 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 상기 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 내부 EGR량 산출 장치.
  18. 청구항 12에 있어서,
    상기 내부 EGR량 계산부는, 상기 연속 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 밸브 듀레이션의 함수로 결정되는 밸브 프로파일을 이용하여, 상기 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정하는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비한 엔진의 내부 EGR량 산출 장치.
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