KR20200020929A - 내연 기관의 가스 안내 시스템의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법 및 이와 같은 방법을 실행하기 위한 엔진 제어부 - Google Patents

내연 기관의 가스 안내 시스템의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법 및 이와 같은 방법을 실행하기 위한 엔진 제어부 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 압축기(202), 터빈(200), 압축기(202)와 터빈(200)을 연결하는 샤프트, 및 터빈(200)을 통과하는 유동 속도 또는 터빈(200)에 걸친 압력비를 변화시키기 위한 터보차저 액추에이터를 구비하는 터보차저(20)를 갖는, 내연 기관(1)의 가스 안내 시스템(2)의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 배기가스 배압을 계산하는 단계(40)이며, 이 경우 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 터빈(200)을 통과하는 유동 속도 또는 터빈(200)에 걸친 압력비는 최소인 단계와, 그리고 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 계산된 배기가스 배압에 따라 기본 부스트 압력을 결정하는 단계(43)를 포함한다. 본 발명은, 또한 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법을 실행하기 위한 엔진 제어부에 관한 것이다.

Description

내연 기관의 가스 안내 시스템의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법 및 이와 같은 방법을 실행하기 위한 엔진 제어부
본 발명은, 내연 기관의 가스 안내 시스템의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법 및 이와 같은 방법을 실행하기 위한 엔진 제어부에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 자동차의 내연 기관, 예를 들어 자동차의 가솔린 엔진 또는 디젤 엔진의 가스 안내 시스템의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법, 및 이와 같은 방법을 실행하기 위한 엔진 제어부에 관한 것이다.
최근의 자동차 엔진에서는 엔진 충전이 중요한 역할을 하는데, 그 이유는 엔진 충전을 통해서 엔진의 효율에 현저한 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 그렇기 때문에, 통상적으로 엔진은 충전부(충전 설정 기관)를 조절하기 위한 액추에이터를 구비한다. 엔진의 충전 설정 기관의 예는, 스로틀 밸브 및 터보차저, 바람직하게는 웨이스트 게이트 또는 가변-터빈 기하구조-차저(VTG 차저)를 갖는 터보차저이다.
스로틀 밸브와 터보차저는 동시에, 다시 말해 병렬 작동 중에 조정될 수 있다. 이와 같은 상황은, 2개의 액추에이터가 서로에 대해 능동적으로 동작한다는 것을 의미한다. 따라서, 터보차저에 의해 부스트 압력 레벨이 증가하고, 스로틀 밸브가 스로틀링하는, 다시 말해 그와 반대로 동작하는 상황이 발생할 수 있으며, 이와 같은 상황은 장치의 초과 소비를 야기한다. 이와 같은 동작을 방지하는 것이 중요하다.
하지만, 2개의 조절기가 명확하게 상호 구별될 수 있다면(비활성화 및 활성화), 터보차저는, 더 많은 충전에 대한 요구가 스로틀 밸브의 추가 개방에 의해서 더 이상 설정될 수 없는 경우에 비로소 동작한다. 이와 같은 조절기의 전달은 기본 부스트 압력의 한계에서 일어날 수 있다. 상기 압력 임계값 아래에서는 스로틀 밸브가 동작하고, 상기 압력 임계값 위에서는 부스트 압력 조절기가 터보차저에 의해서 동작한다.
그렇기 때문에, 현재의 기본 부스트 압력을 결정하는 것이 필수적이다. 이와 같은 결정은, 예를 들어 DE 102 43 268 A1호에서 언급되는 바와 같이, 기본 부스트 압력의 모델링에 의해서 이루어질 수 있다. DE 102 35 013 A1호는, 회전 속도에 좌우되는 기본 값을 사용해서 부스트 압력 목표 값을 결정하기 위한 방법을 기술한다.
하지만, 공지된 기본 부스트 압력 모델은 다만 중간 수준의 정확도만을 갖는다. 기본 부스트 압력의 범위가 소정의 불명료성을 수반하기 때문에, 통상적으로는 2개의 조절기들이 병렬로 동작하고 이와 같은 상황이 약간의 초과 소비를 의미한다는 타협으로써, 우수한 주행 거동을 보장하는 데이터 입력이 소프트웨어 내에서 이루어진다. 이와 같은 타협은, 특히 밀러 연소 공정을 기반으로 하는 엔진에서 문제를 야기하는데, 그 이유는 기본 부스트 압력이 엔진 컨셉에 뚜렷한 영향을 미치기 때문이다.
본 발명의 과제는, 전술된 단점들을 적어도 부분적으로 극복하는 방법 및 엔진 제어부를 제공하는 것이다.
상기 과제는, 청구항 제1항에 따른 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 본 발명에 따른 방법에 의해서 그리고 청구항 제13항에 따른 엔진 제어부에 의해서 해결된다.
제1 양태에 따르면, 본 발명은, 압축기, 터빈, 압축기와 터빈을 연결하는 샤프트, 및 터빈을 통과하는 유동 속도 또는 터빈에 걸친 압력비를 변화시키기 위한 터보차저 액추에이터를 구비하는 터보차저를 갖는 내연 기관의 가스 안내 시스템의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법과 관련이 있으며, 이 방법은, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 배기가스 배압을 계산하는 단계이며, 이 경우 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 터빈을 통과하는 유동 속도 또는 터빈에 걸친 압력비는 최소인 단계와, 그리고 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 상기 계산된 배기가스 배압에 따라 기본 부스트 압력을 결정하는 단계를 포함한다.
제2 양태에 따르면, 본 발명은, 압축기, 터빈, 압축기와 터빈을 연결하는 샤프트, 및 내연 기관의 터빈을 통과하는 유동 속도 또는 터빈에 걸친 압력비를 변화시키기 위한 터보차저 액추에이터를 구비하는 터보차저를 갖는 가스 안내 시스템을 갖춘 내연 기관용 엔진 제어부와 관련이 있으며, 상기 엔진 제어부는, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 배기가스 배압을 계산하는 단계이며, 이 경우 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 터빈을 통과하는 유동 속도 또는 터빈에 걸친 압력비는 최소인 단계와, 그리고 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 상기 계산된 배기가스 배압에 따라 기본 부스트 압력을 결정하는 단계를 포함하는, 내연 기관의 가스 안내 시스템의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법, 특히 제1 양태에 따른 방법을 실행하도록 설계되어 있다.
제3 양태에 따르면, 본 발명은, 제2 양태에 따른 엔진 제어부를 갖는 내연 기관과 관련이 있다.
제4 양태에 따르면, 본 발명은, 제3 양태에 따른 내연 기관을 갖춘 자동차와 관련이 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예들은, 종속 청구항들 및 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 나타난다.
본 발명은, 압축기, 터빈, 압축기와 터빈을 연결하는 샤프트, 및 터빈을 통과하는 유동 속도 또는 터빈에 걸친 압력비를 변화시키기 위한 터보차저 액추에이터를 구비하는 터보차저를 갖는 내연 기관의 가스 안내 시스템의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법과 관련이 있다. 가스 안내 시스템은 스로틀 밸브, 흡기 라인, 배기가스 라인 및 또 다른 가스 안내 구성 요소를 더 포함할 수 있다. 흡기 라인은, 내연 기관에 신선한 공기를 공급하기 위하여, 예를 들어 가솔린 엔진, 밀러 방법에 따라 동작하는 연소 엔진 또는 디젤 엔진과 연결될 수 있다. 흡기 라인 내에는, 터보차저의 압축기 및 유동 방향으로 후속해서 스로틀 밸브가 수용될 수 있으며, 이 경우에는 압축기 뒤에서의 압력 또는 스로틀 밸브 앞에서의 압력이 부스트 압력으로서 지칭된다. 배기가스 라인은, 내연 기관으로부터 배기가스를 배출하기 위하여, 내연 기관과 연결될 수 있다.
기본 부스트 압력은, 스로틀 밸브가 최대로 개방되어 있고, 터빈을 통과하는 유동 속도 또는 터빈에 걸친 압력비가 최소인 개방 터보차저 액추에이터의 개방 위치에 터보차저 액추에이터가 있을 때에 우세한 부스트 압력이다. 그에 상응하게, 터빈이, 개방된 터보차저 액추에이터 위치와는 다른 터보차저 액추에이터 위치에 있을 때에는, 기본 부스트 압력이 현재의 부스트 압력과 구별될 수 있다. 기본 부스트 압력은, 또한 터보차저의 터빈의 터빈 기하구조에도 좌우될 수 있다. 다른 말로 표현하자면, 기본 부스트 압력은 터보차저가 구동되지 않을 때에 스로틀 밸브 앞에서 설정되는 압력에 의해서 정의된다. 다시 말해, 기본 부스트 압력은, 터보차저가 구동되지 않더라도 소정의 압축 파워를 발생한다는 사이드 노트(side note)로써 전체 흡입 부하를 개략적으로 기술한다. 다시 말해, 이와 같은 상황은 터보차저 기하구조에 따라 기본 부스트 압력을 주변 압력을 초과하도록 다소 상승시킨다.
본 발명에 따른 방법에 따르면, 배기가스 배압은 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서 계산되되, 특히 모델링 되며, 이 경우 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 터빈을 통과하는 유동 속도 또는 터빈에 걸친 압력비가 최소이다. 개방된 액추에이터 위치에서는, 터보차저에 의해 야기되는 부스트 압력 비율이 최소로 될 수 있다. 예컨대, 개방된 액추에이터 위치에서는 터빈의 그리고/또는 터빈 둘레의 유동 횡단면이 최대로 될 수 있으며, 이로 인해 유동 속도는 최소로 될 수 있고, 필요한 경우에는 터보차저의 부스트 압력 비율이 최소로 될 수 있다. 배기가스 배압은 터빈 앞에서의 압력일 수 있다.
본 발명에 따른 방법에 따르면, 그 다음에 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 계산된 배기가스 배압에 따라 기본 부스트 압력이 결정된다. 기본 부스트 압력은, 또한 가스 안내 시스템의 현재 주도적인 조건에 좌우될 수도 있다. 기본 부스트 압력의 결정은 더 아래에서 상세하게 설명된다.
터보차저의 개방 위치에 대해 결정된, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 배기가스 역압에 의해서는, 기본 부스트 압력이 매우 신뢰할 만하게 결정될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 터보차저는, 액추에이터로서 조정 가능한 가이드 베인을 갖는 가변-터빈 기하구조-차저(VTG-차저)일 수 있고, 가이드 베인은 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서 가장 경사가 큰 위치에 있을 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 터보차저는 액추에이터로서 밸브를 갖는 웨이스트 게이트를 구비할 수 있으며, 상기 밸브는 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서는 완전히 개방되어 있다.
몇몇 실시예에서, 배기가스 역압은 개방된 터빈 액추에이터 위치에서의 배기가스 역압 모델을 사용해서 또는 개방된 터빈 액추에이터 위치에서의 웨이스트 게이트 모델을 사용해서 결정될 수 있다. 특히, 터보차저가 액추에이터로서 조정 가능한 가이드 베인을 갖는 가변-터빈 기하구조-차저인 경우에, 배기가스 배압은 가장 경사가 클 수 있는 위치에서 가이드 베인을 갖는 터빈이 토대가 되는 배기가스 배압 모델을 사용해서 결정될 수 있다. 터보차저가 밸브를 액추에이터로서 갖는 웨이스트 게이트를 구비하는 경우에, 배기가스 배압은 완전히 개방된 웨이스트 게이트를 갖는 터보차저가 토대가 되는 웨이스트 게이트 모델을 사용해서 결정될 수 있다.
몇몇 실시예에서는, 방법에 따르면, 또한 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 모델링된 배기가스 배압에 따라, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 터빈 회전 속도가 결정될 수 있다. 이때, 기본 부스트 압력은, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 결정된 터빈 회전 속도에 따라 결정될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 터빈 회전 속도는, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 모델링된 배기가스 배압에 따라, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 터빈에 걸친 압력비가 결정되고, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 배기가스 질량 흐름(터빈 질량 흐름으로도 언급됨)이 결정되며, 결정된 압력비 및 결정된 배기가스 질량 흐름에 따라 터빈 회전 속도가 결정됨으로써 결정된다. 압력비는 예를 들어 모델링 되었다. 배기가스 질량 흐름도 모델링될 수 있다. 배기가스 질량 흐름 대신에, 표준화된 배기가스 질량 흐름이 결정되어, 터빈 회전 속도를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 표준화된 배기가스 질량 흐름을 결정하기 위해, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 배기가스 온도가 결정, 특히 모델링될 수 있고, 표준화된 배기가스 질량 흐름(
Figure pct00001
)은 다음과 같은 비례 관계
Figure pct00002
을 토대로 하여 배기가스 질량 흐름(
Figure pct00003
) 및 배기가스 온도(
Figure pct00004
)로부터 계산될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 터빈 회전 속도는 회전 속도 모델, 특히 터빈 특성 맵을 사용해서 결정될 수 있다. 터빈 특성 맵은, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 압력비 및 배기가스 질량 흐름에 걸쳐 정의될 수 있는 터빈 특성 맵일 수 있다. 이 경우에, 출력은 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 터빈 회전 속도이다. 추가로, 입력은 배기가스 온도에 맞추어 표준화될 수 있다. 압력비의 부분인, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 모델링된 배기가스 배압에 의해서는, 기본 부스트 압력이 신뢰할 만하게 결정될 수 있다.
따라서, 터빈 회전 속도는 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 배기가스 배압, 터빈 뒤에서의 압력, 배기가스 질량 흐름, 배기가스 온도 및 개방된 터보차저 액추에이터 위치에 좌우될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 압축기 회전 속도는 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 터빈 회전 속도에 상응할 수 있다. 이와 같은 상황은, 압축기와 터빈이 샤프트를 통해 서로 단단히 결합되어 있기 때문에 항상 동일한 속도로 회전한다는 사실로부터 나타난다. 따라서, 예를 들어 터빈 측에서의 회전 속도 모델을 사용해서는, 예를 들어 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 배기가스 배압 모델을 계산함으로써, 압축기 측에 대해 다음과 같은 균형이 만들어질 수 있다:
Figure pct00005
이 경우
Figure pct00006
는 터빈의 회전 속도(터빈 회전 속도)이고,
Figure pct00007
는 압축기의 회전속도(압축기 회전 속도)이다. 터빈 회전 속도 및 그 결과로 압축기 회전 속도가, 개방된 터보차저의 상태에 상응하고, 반드시 터빈 회전 속도 또는 압축기 회전 속도의 현재 값에 상응하지는 않는다는 특이점이 있다.
몇몇 실시예에서, 본 방법에서는, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 압축기 회전 속도가, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 모델링된 배기가스 배압에 따라 결정될 수 있으며, 특히 전술된 방식과 다른 방식으로, 예를 들어 적절한 특성 맵을 통해서 결정될 수 있다. 그 다음에, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 결정된 압축기 회전 속도에 따라 기본 부스트 압력이 결정될 수 있다. 재차, 모델링된 배기가스 배압의 사용은, 기본 부스트 압력의 신뢰할만한 결정을 가능하게 한다.
몇몇 실시예에서는, 본 방법에 따라, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 신선한 공기 질량 흐름이 얻어질 수 있고, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 압축기 회전 속도 및 신선한 공기 질량 흐름에 따라, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 압축기에 걸친 압력비가 결정될 수 있다. 그 다음에, 기본 부스트 압력은 상기 압력비에 따라 결정될 수 있다. 신선한 공기 질량 흐름 대신에, 표준화된 신선한 공기 질량 흐름이 결정될 수 있고, 기본 부스트 압력을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 표준화된 신선한 공기 질량 흐름을 결정하기 위해, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 신선한 공기 온도가 결정될 수 있고, 표준화된 신선한 공기 질량 흐름(
Figure pct00008
)은 다음과 같은 비례 관계
Figure pct00009
을 토대로 하여 신선한 공기 질량 흐름(
Figure pct00010
) 및 신선한 공기 온도(
Figure pct00011
)로부터 계산될 수 있다.
몇몇 실시예에서는, 신선한 공기 질량 흐름이 측정될 수 있다. 예컨대, 신선한 공기 질량 흐름은 공기 질량 센서, 바람직하게는 고온 필름 공기 질량 측정계(HFM)를 사용해서 측정될 수 있다. 대안적으로, 신선한 공기 질량 흐름은 예를 들어 압력 기반의 충전 검출을 사용해서 모델링될 수 있다.
몇몇 실시예에서는, 압축기 특성 맵을 사용해서 압력비가 결정될 수 있다. 계산된 압축기 회전 속도 및 신선한 공기 질량 흐름을 사용해서, 압축기 특성 맵의 도움에 의해, 압축기에 걸친 압력비가 결정될 수 있다.
몇몇 실시예에서는, 본 방법에 따라, 압축기 앞에서의 사전-압축기 압력이 결정될 수 있다. 그 다음에, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 압력비 및 결정된 사전-압축기 압력에 따라 기본 부스트 압력이 결정될 수 있다. 특히, 기본 부스트 압력, 다시 말해 터보차저 액추에이터가 트리거링 되지 않은 경우에 압축기 뒤에서의 압력을 얻기 위하여, 압축기에 걸쳐 결정된 압력비가 사전-압축기 압력과 곱해진다.
사전-압축기 압력은 주변 압력에 기초하여 결정될 수 있다. 예컨대, 압축기 앞에서의 압력은, 주변 압력에 기초한 모델을 통해서 매핑될 수 있다. 상기 모델로부터, 흡기 라인 내에서의 공기 필터의 수동적인 유동 저항에 상응하는 압력 손실이 모델링 되고 감산될 수 있다.
따라서, 기본 부스트 압력은, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 압축기 회전 속도, 압축기 앞에서의 압력, 신선한 공기 질량 흐름 및 신선한 공기 온도에 따라 좌우될 수 있다.
기본 부스트 압력을 신뢰할만하게 결정함으로써는, 충전 압력 보유량이 감소될 수 있는데, 그 이유는 스로틀 밸브가 더 이상 토크를 설정할 수 없는 경우에 비로소 터보차저가 접속되기 때문이다. 결과적으로, 스로틀링이 적어지고, 이로 인해 초과 소비가 줄어들 수 있다.
요약하자면, 본 발명은 다음과 같은 단계들을 기초로 할 수 있다:
Figure pct00012
먼저, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 배기가스 배압이 결정된다.
Figure pct00013
이어서, 터빈 회전 속도가 결정될 수 있다. 터빈 회전 속도는, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 터빈에 걸친 압력비(개방됨) 및 배기가스 질량 흐름과 같은 입력 변수를 통한 터빈 특성 맵을 사용해서 결정될 수 있다. 다시 말해, 회전 속도 결정을 위해 사용되는 압력비는, 압력비 계산에 입력되는 가변적인 터빈 기하구조의 위치 또는 웨이스트 게이트의 개방 정도(터빈 둘레로의 우회)가, 완전히 개방된 값으로 고정 설정된 경우의 압력비이다. 그에 따라, 바람직한 방식으로는, 현재 존재하는 터빈 회전 속도가 결정되는 것이 아니라, 오히려 VTG(가변적인 터빈 기하구조) 또는 웨이스트 게이트의 완전히 개방된 상태에 대한 터빈 회전 속도(개방됨)가 결정된다. 배기가스 질량 흐름 및 터빈에 걸친 압력비가 모델링될 수 있다.
Figure pct00014
그 다음에, 터빈 회전 속도(개방됨)가 압축기 회전 속도(개방됨)로 전달될 수 있다.
Figure pct00015
그 다음에, 압축기에 걸친 압력비가 결정될 수 있다. 이 압력비는, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 신선한 공기 질량 흐름(모델링 됨 또는 측정됨) 및 압축기 회전 속도(개방됨)가 입력되는 압축기 특성 맵을 사용해서 결정될 수 있다.
Figure pct00016
마지막으로, 기본 부스트 압력이 결정된다. 기본 부스트 압력은, 압축기 앞에서의 압력(보정된 주변 압력)과 압축기에 걸친 압력비(개방됨)로부터 나타날 수 있다.
본 발명은, 터보차저의 사용과 스로틀 밸브의 사용 사이의 경계를 매우 신뢰할만하게 모델링하고, 열역학적인 경계 조건을 매우 우수하게 매핑한다. 이와 같은 사실은, 횡단로에서의 충전 조절을 안정시키고 소비를 감소시킨다.
본 발명은, 또한 압축기, 터빈, 압축기와 터빈을 연결하는 샤프트, 및 터빈을 통과하는 유동 속도 또는 터빈에 걸친 압력비를 변화시키기 위한 터보차저 액추에이터를 구비하는 터보차저를 갖는 가스 안내 시스템을 갖춘 내연 기관용 엔진 제어부와도 관련이 있다. 가스 안내 시스템은 전술된 바와 같이 설계될 수 있다. 엔진 제어부는, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 배기가스 배압이 계산되는, 내연 기관의 가스 안내 시스템의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법을 실행하도록 설계되어 있으며, 이 경우 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 터빈을 통과하는 유동 속도 또는 터빈에 걸친 압력비는 최소이고, 기본 부스트 압력은 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 계산된 배기가스 배압에 따라 결정된다. 엔진 제어부는, 특히 배기가스 배압에 따라 터빈 회전 속도를 결정하도록, 터빈 회전 속도를 압축기 회전 속도로 전달하도록, 그리고 압축기 회전 속도에 따라 기본 부스트 압력을 결정하도록 설계되어 있다. 바람직한 방식으로, 엔진 제어부는, 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 전술된 방법을 실행하도록 설계될 수 있다.
엔진 제어부는, 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 전술된 방법을 실행하기 위한 프로세서, 특히 마이크로 프로세서를 구비할 수 있다. 제어 장치는, 또한 특성 맵, 모델 및 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 전술된 방법을 실행하기 위해서 필수적인 다른 파라미터 및 정보가 저장될 수 있는 메모리, 예를 들어 데이터 메모리를 구비할 수 있다. 또한, 엔진 제어부는, 측정 데이터 또는 다른 파라미터를 수신하기 위한 데이터 입력, 및 결정된 기본 부스트 압력을 출력하기 위한 또는 스로틀 밸브 및 터보차저를 제어하기 위한 데이터 출력을 구비할 수 있다.
본 발명은, 또한 압축기, 터빈, 압축기와 터빈을 연결하는 샤프트, 및 터빈을 통과하는 유동 속도 또는 터빈에 걸친 압력비를 변화시키기 위한 터보차저 액추에이터를 구비하는 터보차저를 갖는 가스 안내 시스템을 갖춘 내연 기관과도 관련이 있으며, 이 경우 상기 내연 기관은 전술된 엔진 제어부를 구비한다. 내연 기관은 가솔린 엔진, 밀러 방법에 따라 동작하는 연소 엔진 또는 디젤 엔진일 수 있거나 이들을 포함할 수 있다.
본 발명은, 또한 전술된 내연 기관을 갖는 자동차와도 관련이 있다.
본 발명의 실시예들은 이제 예시적으로 그리고 첨부된 도면을 참조하여 기술된다. 도면부에서,
도 1은 내연 기관의 개략적인 구성 및 웨이스트 게이트를 갖는 터보차저를 갖춘 상기 내연 기관의 가스 안내 시스템의 개략적인 구성을 도시하고,
도 2는 도 1에 도시된 내연 기관의 가스 안내 시스템의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법의 개략적인 흐름도를 도시하며,
도 3은 터빈 회전 속도를 결정하기 위한 방법의 개략적인 흐름도를 도시하고,
도 4는 웨이스트 게이트 밸브가 개방된 상태에서의 터빈 특성 맵의 개략도를 도시하며,
도 5는 압력비를 결정하기 위한 방법의 개략적인 흐름도를 도시하고,
도 6은 웨이스트 게이트 밸브가 개방된 상태에서의 압축기 특성 맵의 개략도를 도시하며, 그리고
도 7은 내연 기관의 개략적인 구성 및 가변적인 터빈 기하구조를 갖는 터보차저를 갖춘 상기 내연 기관의 가스 안내 시스템의 개략적인 구성을 도시한다.
도 1은, 내연 기관(1), 및 내연 기관(1)의 가스 안내 시스템(2)의 제1 실시예를 보여준다. 가스 안내 시스템(2)은 배기가스 터보차저(20), 스로틀 밸브(21), 흡기 채널(22) 및 배기가스 채널(23)을 구비한다. 내연 기관(1)은 흡기 채널(21) 및 배기가스 채널(23)과 연결되어 있다. 흡기 채널(22) 내의 부스트 압력을 조절하기 위해 제공된 배기가스 터보차저(20)는 터빈(200), 웨이스트 게이트(201) 및 압축기(202)를 구비하며, 상기 압축기는 샤프트를 통해 터빈(200)과 연결되어 있다. 터빈(200)은, 배기가스 채널(23) 내에 배열되어 있고, 내연 기관(1)으로부터 유출되는 배기가스에 의해서 구동된다. 웨이스트 게이트(201)는, 배기가스를 터빈(200)을 거치지 않도록 안내하기 위하여, 터빈(200) 앞에 있는 배기가스 채널(23)의 일 섹션을 터빈(200) 뒤에 있는 배기가스 채널(23)의 일 섹션과 연결한다. 터빈(200)을 거치지 않도록 안내되는 배기가스를 조절하기 위해, 웨이스트 게이트(201)는 웨이스트 게이트 밸브(도시되지 않음)를 구비한다. 압축기(202)는, 흡기 채널(22) 내에 배열되어 있고, 터빈(200)에 의해 구동된 상태에서 흡기 채널(22) 내의 신선한 공기를 압축시킨다. 스로틀 밸브(21)는, 유동 방향(화살표 24)으로 흡기 채널(22) 내 배기가스 터보차저(20)의 압축기(202) 뒤에 배열되어 있고, 흡기 채널(22) 내의 부스트 압력을 제어하도록 설계되어 있다.
도 1은 또한 엔진 제어부(3)를 보여준다. 엔진 제어부(3)는 내연 기관(1), 웨이스트 게이트(201) 내의 웨이스트 게이트 밸브, 및 스로틀 밸브(21)와 각각 연결되어 있다. 엔진 제어부(3)는, 내연 기관(1), 웨이스트 게이트 밸브 및 스로틀 밸브(21)를 제어하도록 설계되어 있다. 이 목적을 위해, 엔진 제어부(3)는, 도 2 내지 도 6을 참조하여 기술된, 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법(4)에 따라 가스 안내 시스템(2)의 기본 부스트 압력을 결정하고, 상기 기본 부스트 압력을 내연 기관(1) 및 가스 안내 시스템(2), 다시 말해 웨이스트 게이트 밸브 및 스로틀 밸브를 제어하기 위해 이용한다.
도 2는, 도 1에 도시된 가스 안내 시스템(2) 내에서 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법(4)의 흐름도를 보여준다.
"40"에서는, 웨이스트 게이트 밸브가 완전히 개방되어 있고 터빈 및 웨이스트 게이트를 통과하는 유동 속도가 최소인 상태에서, 터빈 앞에서의 배기가스 배압이 모델링된다.
"41"에서는, 웨이스트 게이트 밸브가 완전히 개방된 상태에서의 배기가스 배압에 따라 터빈 회전 속도가 결정된다. 예컨대, 터빈 회전 속도는, 도 3 및 도 4를 참조하여 예시적으로 기술된 방법을 사용해서 결정될 수 있다.
도 3의 "410"에서는, 터빈 뒤에 있는 배기가스 채널 내의 압력이 모델을 사용해서 모델링된다. "411"에서는, 웨이스트 게이트 밸브가 완전히 개방된 상태에서의 배기가스 배압 및 터빈 뒤에서의 모델링된 압력으로부터, 터빈에 걸친 압력비가 계산된다. 이 목적을 위해, 웨이스트 게이트 밸브가 완전히 개방된 상태에서의 배기가스 배압은 터빈 뒤에서의 모델링된 압력에 의해 나누어진다.
"412"에서는, 배기가스 채널 또는 터빈 및 웨이스트 게이트를 통과하는 배기가스 질량 흐름이 모델을 사용해서 모델링된다. "413"에서는, 배기가스 채널 내의 배기가스의 배기가스 온도가 결정된다. 그 다음에, "414"에서는, 배기가스 질량 흐름 및 배기가스 온도로부터, 표준화된 배기가스 질량 흐름이 결정된다.
"415"에서는, 웨이스트 게이트 밸브가 완전히 개방된 상태에서의 압력비로부터 터빈 특성 맵을 사용해서 터빈 회전 속도가 결정된다. 터빈 특성 맵은, 웨이스트 게이트 밸브가 완전히 개방된 상태에서의 압력비 및 표준화된 배기가스 질량 흐름에 걸쳐 정의되었고, 터빈 회전 속도의 판독을 가능하게 한다. 도 4에는, 터빈 특성 맵의 개략도가 예시적으로 도시되어 있다. 수평 축(x-축)에는 압력비(pvT/pnT)가 도시되어 있고, 수직 축(y-축)에는 표준화된 배기가스 질량 흐름(
Figure pct00017
)이 도시되어 있다. 터빈 특성 맵은, 상이한 터빈 회전 속도(nT)에 대하여, 압력비(pvT/pnT)에 좌우되어 표준화된 배기가스 질량 흐름(
Figure pct00018
)의 변경을 보여준다. 각각의 터빈 회전 속도(nT)에 대하여, 배기가스 질량 흐름(
Figure pct00019
)은 압력비(pvT/pnT)가 증가함에 따라 감소하는 기울기로 증가한다. 터빈 회전 속도(nT)가 커질수록 배기가스 질량 흐름(
Figure pct00020
)은 그만큼 더 높아진다. 상기 터빈 특성 맵으로부터 터빈 회전 속도(nT)가 결정될 수 있다.
도 2의 "42"에서는, 완전히 개방된 웨이스트 게이트 밸브에서의 터빈 회전 속도(nT)가, 완전히 개방된 웨이스트 게이트 밸브에서의 압축기 회전 속도(nV)로 전달된다. 터보차저의 샤프트가 터빈과 압축기를 견고하게 연결하기 때문에, 터빈 회전 속도(nT)는 항상 압축기 속도(nV)에 상응하고, 두 가지 회전 속도는 동일하게 설정될 수 있다.
"43"에서는, 기본 부스트 압력이 압축기 회전 속도에 따라 결정된다. 예컨대, 기본 부스트 압력은 도 5 및 도 6을 참조하여 예시적으로 기술된 방법을 사용해서 결정될 수 있다.
"430"에서는, 흡기 채널 또는 압축기를 통과하는 신선한 공기 질량 흐름이 측정된다. 대안적으로는, 신선한 공기 질량 흐름이 또한 모델링될 수도 있다. "431"에서는, 흡기 채널 또는 압축기를 통과해서 흐르는 신선한 공기의 신선한 공기 온도가 측정된다. "432"에서는, 신선한 공기 질량 흐름 및 신선한 공기 온도로부터, 표준화된 신선한 공기 질량 흐름이 결정된다.
"433"에서는, 완전히 개방된 웨이스트 게이트 밸브 및 표준화된 신선한 공기 질량 흐름에서의 압축기 회전 속도에 따라 압축기 특성 맵을 사용해서, 완전히 개방된 웨이스트 게이트 밸브에서의 압축기에 걸친 압력비가 결정된다. 압축기 특성 맵은, 표준화된 신선한 공기 질량 흐름 및 압축기에 걸친 압력비에 걸쳐 정의되고, 상이한 압축기 회전 속도에 대한 압력비의 판독을 가능하게 한다. 도 6에는, 압축기 특성 맵의 개략도가 예시적으로 도시되어 있다. 수평 축(x-축)에는 표준화된 신선한 공기 질량 흐름(
Figure pct00021
)이 도시되어 있고, 수직 축(y-축)에는 압축기에 걸친 압력비(pnV/pvV)가 도시되어 있다. 이 특성 맵은, 상이한 압축기 회전 속도(nV)에 대하여, 압력비(pnV/pvV)에 따른 압력비의 변경을 보여준다. 각각의 압축기 회전 속도에 대하여, 압력비(pnV/pvV)는 표준화된 신선한 공기 질량 흐름(
Figure pct00022
)이 증가함에 따라, 증가하는 기울기로 감소한다. 압축기 회전 속도(nV)가 커질수록 신선한 공기 질량 흐름(
Figure pct00023
)은 그만큼 더 상승한다. 상기 압축기 특성 맵으로부터, 완전히 개방된 웨이스트 게이트 밸브에서의 압축기 회전 속도(nV)에 대한 압력비(pnV/pvV)가 결정될 수 있다.
"434"에서는, 압축기 앞에 있는 흡기 채널 내의 압력이 모델을 사용해서 결정된다. 압축기 앞에서의 압력은, 주변 압력에 기초하는 모델을 통해서 매핑되며, 이 경우 상기 주변 압력에 의해서는, 흡기 라인 내에 있는 공기 필터의 수동적인 유동 저항에 상응하는 압력 손실이 모델링 되고 감산된다.
"435"에서는, 압축기에 걸친 압력비 및 압축기 앞에서의 압력으로부터 기본 부스트 압력이 계산된다. 이 목적을 위해, 압축기에 걸친 압력비가 압축기 앞에서의 압력과 곱해진다.
그 다음에, 결정된 기본 부스트 압력이 스로틀 밸브, 터보차저 및 내연 기관을 제어하기 위해 사용될 수 있다.
도 7은, 내연 기관(1) 및 내연 기관(1)의 가스 안내 시스템(2')의 제2 실시예를 보여준다. 가스 안내 시스템(2')은, 도 1에 도시된 웨이스트 게이트(201)를 갖는 터보차저(20) 대신에, VTG-터보차저(20')(가변-터빈 기하구조-차저)를 구비한다. VTG-터보차저(20')에 가변적인 터빈 기하구조가 제공되어 있음으로써, 결과적으로 터빈(200')의 터빈 블레이드(도시되지 않음)는 가장 경사가 작은 가능한 설정과 가장 경사가 큰 가능한 설정 사이에서 설정될 수 있다. 가장 경사가 작은 가능한 설정에서는 터빈(200) 앞에서의 배기가스 배압이 최대인 한편, 가장 경사가 큰 가능한 설정에서는 터빈(200) 앞에서의 배기가스 배압이 최소이다.
엔진 제어부(3')는, 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법을 실시하도록 설계되어 있다. 이 경우에는, 도 2 내지 도 6을 참조하여 기술된 방법이 유사하게 실행되며, 이 경우에는 완전히 개방된 웨이스트 게이트 밸브에서의 배기가스 배압 대신에 가이드 베인의 가장 경사가 큰 가능한 설정에서의 배기가스 배압이 가정된다. 그 다음에, 결정된 기본 부스트 압력을 토대로 하여, 엔진 제어부(3')가 터빈의 가이드 베인, 스로틀 밸브 및 내연 기관을 제어한다.
1: 내연 기관
2: 가스 안내 시스템
20, 20': 터보차저
200, 200': 터빈
201: 웨이스트 게이트
202, 202': 압축기
21: 스로틀 밸브
22: 흡기 채널
23: 배기가스 채널
24: 유동 방향
3, 3': 엔진 제어부
4: 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법
40: 완전히 개방된 웨이스트 게이트 밸브에서의 배기가스 배압의 모델링
41: 배기가스 배압에 따른 터빈 회전 속도의 결정
410: 터빈 앞에서의 압력의 결정
411: 터빈에 걸친 압력비의 계산
412: 배기 질량 흐름의 모델링
413: 배기가스 온도의 결정
414: 표준화된 배기가스 질량 흐름의 결정
415: 터빈 특성 맵을 이용한 터빈 회전 속도의 결정
42: 터빈 회전 속도를 압축기 회전 속도로 전달
43: 압축기 회전 속도에 따른 기본 부스트 압력의 결정
430: 신선한 공기 질량 흐름의 측정
431: 신선한 공기 온도의 측정
432: 표준화된 신선한 공기 질량 흐름의 결정
433: 압축기 특성 맵을 이용한 압력비의 결정
434: 압축기 앞에서의 압력의 결정
435: 기본 부스트 압력의 계산

Claims (15)

  1. 압축기(202), 터빈(200), 압축기(202)와 터빈(200)을 연결하는 샤프트, 및 터빈(200)을 통과하는 유동 속도 또는 터빈(200)에 걸친 압력비를 변화시키기 위한 터보차저 액추에이터를 구비하는 터보차저(20)를 갖는 내연 기관(1)의 가스 안내 시스템(2)의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법이며, 상기 내연 기관의 가스 안내 시스템의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법은,
    개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 배기가스 배압을 계산하는 단계(40)이며, 이 경우 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 터빈(200)을 통과하는 유동 속도 또는 터빈(200)에 걸친 압력비는 최소인 단계와, 그리고
    개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 상기 계산된 배기가스 배압에 따라 기본 부스트 압력을 결정하는 단계(43)를 포함하는, 내연 기관의 가스 안내 시스템의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    터보차저는, 액추에이터로서 조정 가능한 가이드 베인을 갖는 가변-터빈 기하구조-차저(20')이고, 가이드 베인은 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서 가장 경사가 큰 위치에 있으며, 그리고/또는
    터보차저(20)는 액추에이터로서 밸브를 갖는 웨이스트 게이트(201)를 구비하고, 상기 밸브는 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서 완전히 개방되어 있는, 내연 기관의 가스 안내 시스템의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    배기가스 역압은 개방된 터빈 액추에이터 위치에서의 배기가스 역압 모델을 사용해서 또는 개방된 터빈 액추에이터 위치에서의 웨이스트 게이트 모델을 사용해서 결정되는, 내연 기관의 가스 안내 시스템의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 모델링된 배기가스 배압에 따라, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 터빈 회전 속도를 결정하는 단계(41)이며, 이 경우 기본 부스트 압력은, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 결정된 터빈 회전 속도에 따라 결정되는 단계를 더 포함하는, 내연 기관의 가스 안내 시스템의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 모델링된 배기가스 배압에 따라, 터빈에 걸친 압력비를 결정하는 단계(411),
    배기가스 질량 흐름, 특히 표준화된 배기가스 질량 흐름을 결정하는 단계(412, 413, 414), 및
    압력비 및 배기가스 질량 흐름에 따라 터빈 회전 속도를 결정하는 단계(415)를 더 포함하는, 내연 기관의 가스 안내 시스템의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    터빈 회전 속도는 회전 속도 모델, 특히 터빈 특성 맵을 사용해서 결정되는(415), 내연 기관의 가스 안내 시스템의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 압축기 회전 속도는, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 터빈 회전 속도에 상응하는, 내연 기관의 가스 안내 시스템의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 모델링된 배기가스 배압에 따라, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 압축기 회전 속도를 결정하는 단계이며, 이 경우 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 결정된 압축기 회전 속도에 따라 기본 부스트 압력이 결정되는 단계를 포함하는, 내연 기관의 가스 안내 시스템의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법.
  9. 제4항 또는 제7항에 있어서,
    신선한 공기 질량 흐름을 얻는 단계(430, 431, 432), 특히 표준화된 신선한 공기 질량 흐름을 결정하는 단계, 및
    개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 압축기 회전 속도 및 신선한 공기 질량 흐름에 따라, 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 압축기에 걸친 압력비를 결정하는 단계(433)이며, 이 경우 기본 부스트 압력은 상기 압력비에 따라 결정되는 단계를 더 포함하는, 내연 기관의 가스 안내 시스템의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    신선한 공기 질량 흐름은 측정 또는 모델링 되는(430), 내연 기관의 가스 안내 시스템의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    압력비는 압축기 특성 맵을 사용해서 결정되는(433), 내연 기관의 가스 안내 시스템의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    압축기 앞에서의 사전-압축기 압력을 결정하는 단계(434)이며, 이 경우 기본 부스트 압력은 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 압력비 및 결정된 사전-압축기 압력에 따라 결정되는 단계를 더 포함하는, 내연 기관의 가스 안내 시스템의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법.
  13. 압축기(202), 터빈(200), 압축기(202)와 터빈(200)을 연결하는 샤프트, 및 터빈(200)을 통과하는 유동 속도 또는 터빈(200)에 걸친 압력비를 변화시키기 위한 터보차저 액추에이터를 구비하는 터보차저(20)를 갖는 가스 안내 시스템(2)을 갖추고 있는 내연 기관(1)용 엔진 제어부(3)이며, 상기 내연 기관용 엔진 제어부는,
    개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 배기가스 배압을 계산하는 단계(40)이며, 이 경우 개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 터빈을 통과하는 유동 속도 또는 터빈에 걸친 압력비는 최소인 단계를 포함하고, 그리고
    개방된 터보차저 액추에이터 위치에서의 상기 계산된 배기가스 배압에 따라 기본 부스트 압력을 결정하는 단계(43)를 포함하는, 내연 기관의 가스 안내 시스템의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법(4), 특히 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하도록 설계되어 있는, 내연 기관용 엔진 제어부.
  14. 압축기(202), 터빈(200), 압축기(202)와 터빈(200)을 연결하는 샤프트, 및 터빈(200)을 통과하는 유동 속도 또는 터빈(200)에 걸친 압력비를 변화시키기 위한 터보차저 액추에이터를 구비하는 터보차저(20)를 갖는 가스 안내 시스템(2)을 갖추고 있는 내연 기관(1)이며, 상기 내연 기관은 제13항에 따른 엔진 제어부(3)를 구비하는, 내연 기관.
  15. 제14항에 따른 내연 기관(1)을 갖는, 자동차.
KR1020207002858A 2017-08-03 2018-07-24 내연 기관의 가스 안내 시스템의 기본 부스트 압력을 결정하기 위한 방법 및 이와 같은 방법을 실행하기 위한 엔진 제어부 KR102223103B1 (ko)

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