KR101836787B1 - 내연 기관용 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 작동 상태 정보(FW, SB), 즉 상한치 및 누적된 실제 변수를 고려해서 참조 변수[x(t)]를 결정하는 함수를 갖는, 내연 기관(2)용 제어 장치(1)에 관한 것이며, 상기 참조 변수는, 하나의 작동 기간 내에서 무작위 순서로 설정된, 내연 기관(2)의 임의의 상이한 작동 상태들의 조합에 의해, 누적된 실제 변수들이 상기 작동 기간 동안 상한치를 초과하지 않는 방식으로 복수의 실제 변수가 설정되도록, 내연 기관(2)의 작동 상태에 영향을 미치며, 이 경우 상기 참조 변수[x(t)]가 무차별 곡선(I)을 이용하여 파레토 최적의 옵션들로부터 선택됨으로써 목적 함수가 최소화된다.

Description

내연 기관용 제어 장치{CONTROL DEVICE FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은, 내연 기관과 관련한 하나 이상의 참조 변수를 결정하기 위한 내연 기관용 제어 장치에 관한 것이다.

제어 장치는, 차량 분야에서 중요한 엔진 기능들을 제어하는 데 이용된다. 특히, 제어 장치는, 연소실 구성과 같은 구조적 조치들, 및 혼합물 생성에 미치는 분사 시스템 및 분사 방법의 영향을 보완하여, 엔진 작동 중 연료 소비 및 이와 관련된 CO₂ 배출량, 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx)과 같은 주요 배기가스 성분들, 그리고 카본 블랙 및 입자를 감소시키는 데에도 이용된다.

제어 장치의 공지된 함수들은 엔진 작동 상태에 대한 정보들[예컨대 회전수, 토크, 희망 토크, 온도, DPF(디젤 입자 필터) 포집량, 그리고 작동 중 소비 및 배출에 영향을 미치는 특정 참조 변수들]을 획득한다.

상기 참조 변수들을 결정하기 위하여, 제어 장치 내에 저장된 엔진 특성 맵도 종종 사용되며, 이 엔진 특성 맵 내에는 예를 들어 전술한 작동 상태에 기초한 설정 배기가스 재순환율 또는 설정 과급압이 저장되어 있다.

적합한 참조 변수들로는 예컨대 배기가스 재순환율, 배기가스 재순환 분배, 충전 레벨, 분사 시점, 점화 시점이 있다. 이들 참조 변수로부터 제어 변수[예컨대 스로틀 밸브 위치, VTG(Variable Turbine Geometry)의 위치]가 도출된다.

이와 관련하여 "내연 기관"이라는 용어는, 자신의 모든 유닛, 보조 유닛 및 제어 요소들을 구비한 완전한 내연 기관 시스템을 포함한다.

상기 전략(strategy)에 의해, 확정된 속도 프로파일들로의 특정 참조 변수들의 최적화된 할당을 통해 배출 상한치가 초과되지 않는 점이 보장될 수 있다. 이와 같은 속도 프로파일에 대한 일례로, 정규화된 주행 모드들, 예를 들어, 배기가스 값 및/또는 연비 값을 결정하기 위해 진행되는 NEDC(New European Driving Cycle)가 있다. 이러한 모드들을 위해, 예를 들어 「Heiko Sequenz: Emission Modelling and Model-Based Optimisation of the Engine Control, D17 Darmstaedter Dissertationen 2012」에 명시된 바와 같은 전역적 최적화 접근법(global optimization approaches)이 공지되어 있다.

실제 주행 모드(와 경우에 따라 이른바 Real Driving Emission 테스트 방식)에서는 이제, 주행 전에 그리고 주행 동안에 공지되지 않은 임의의 상이한 속도 프로파일들 및 작동 상태들이 발생한다.

개별 작동 상태들은 엔진 제어와 무관하게 이미 상이한 배출 값을 갖기도 하기 때문에, 상기와 같은 임의의 상이한 주행 프로파일에서는 연비 값 및 배출 값(l/100km 및 mg/km)이 부분적으로 상당히 밑돌거나 웃돌 수 있다. 따라서, 공지된 제어 전략에 의해서는, 예를 들어 배출 한계치의 미초과 시 연료 소비 또는 CO₂ 배출의 전역적 최적화가 더 이상 불가능하다.

특히, 예를 들어 디젤 엔진에서 카본 블랙 (입자) 배출 및 질소산화물 배출 시 발생하는 것과 같은 상충하는 배출 변수들의 경우, 예를 들어 하나의 속도 프로파일에서 허용 질소산화물 배출량은 초과되고, 허용 카본 블랙 배출량은 명백히 미달되는 상황들이 발생할 수 있다.

따라서, 본 발명의 과제는, Real Driving Emission 테스트 방식에서 연료 소비와 AdBlue 소비 그리고 배출 변수들의 관점에서, 예를 들어 배기가스 재순환율(EGR rate), EGR 분배(고압/저압), 충전 레벨, 레일 압력과 같은 참조 변수들뿐만 아니라, 예를 들어 디젤 입자 필터 및 SCR(선택적 촉매 환원)과 같은 배기가스 후처리 시스템의 활용을 최적화하기에 적합하며, 전술된 문제점들을 적어도 부분적으로 해소하는 기능을 갖는 내연 기관용 제어 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제는, 청구항 제1항에 청구된 본 발명에 따른 제어 장치, 제8항에 따른 내연 기관 및 제9항에 따른 차량에 의해 해결된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 구성들은 종속 청구항들 및 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 이하의 상세한 설명을 참조한다.

내연 기관의 본 발명에 따른 제어 장치는 작동 상태 정보, 배출 상한치 및 누적된 실제 배출 변수를 고려해서, 내연 기관으로 송출될 참조 변수(예컨대 EGR율, EGR 분배, 충전량)를 결정한다.

작동 상태 정보는 예컨대 회전수, 현재 토크, 희망 토크, 온도, DPF 과급 및 기타 변수들을 포함한다.

누적된 실제 배출 변수는 특정 작동 모드 기간 이내에 내연 기관으로부터 배출되는 모든 배출량의 총합을 포함한다.

상기 참조 변수(들)를 통해, 특정 작동 모드 기간 내에서 무작위 순서로 설정된, 내연 기관의 임의의 상이한 작동 상태들의 조합에 의해, 누적된 실제 배출 변수들이 상기 작동 모드 기간 동안 배출 상한치를 초과하지 않고(mg/km), 목적 함수가 가능한 한 많이 감소하는 방식으로 복수의 실제 배출 변수가 영향을 받도록, 내연 기관의 하나 이상의 작동 상태가 설정된다. 여기서, 최소화될 혹은 최적화될 변수를 목적 함수라 칭한다(예컨대, 연료 소비량 또는 이에 의존하는 CO₂ 배출량, 카본 블랙 입자 필터와 같은 다양한 배기가스 후처리 시스템의 재생 간격, AdBlue 소비량, NOx 배출량 등 또는 이들 변수의 조합).

"임의의" 작동 상태라는 개념은, 내연 기관의 적절한 정상 작동 모드에서 나타날 수 있는, 기술적으로 유의미한 모든 작동 상태를 포함한다.

따라서, 제어 컨셉은, 예를 들어 비임계적인 실제 배출 변수가 참조 변수의 변동에 의해, 임계 배출량 변수에 대한 일 배출 변수의 배출 한계 수준(배출 한계 값)에 미달하거나 소정 기간 이내에 초과되지 않는 점이 보장될 정도로 임계 실제 배출 변수가 줄어들도록, 증가한다는 장점이 있다.

이 경우, 일 실시예에서는, 하나 또는 복수의 참조 변수(들)가 무차별 곡선(indifference curve)에 의해 파레토 최적의 옵션들 중에서 - 예를 들어 분사량, 실제 배출량 및/또는 AdBlue 투입량 중에서 - 선택된다. 이는, 누적된 실제 배출량과 그 한계 수준의 편차를 고려하는 발견적 해결 방법(heuristic)에 따라 수행된다. 즉, 상기 방법에서는 참조 변수가 다이내믹하게 그리고 상황에 기인하여 결정되거나 적응된다.

이 경우, 작동 상태 정보가 하나 이상의 회전수(n) 및 목표 토크(M)를 포함하는 실시예들이 존재한다.

일 실시예에서, 실제 배출 변수는 하기 변수들 중 2개 이상의 변수를 포함한다. 이들 변수에는, NOx 배출량, HC 배출량, CO 배출량, CO₂ 배출량, HC 배출량과 NOx 배출량의 조합, 카본 블랙 입자 수, 카본 블랙 입자 질량, 디젤 입자 필터의 상태, NOx 저장 촉매 컨버터의 상태가 속한다.

또 다른 일 실시예에서 참조 변수는, 배출 특성에 작용하는 다음과 같은 변수들, 즉, EGR율, EGR 분배, 충전 레벨, 점화 시점 중 하나 이상의 변수를 포함한다. 이 경우, 이들 변수로부터 유도된 제어 변수들은 최근의 엔진들에서 원하는 참조 변수를 야기할 수 있게 하는 다음과 같은 변수들, 즉, 스로틀 밸브 위치, 가변 터빈 기하구조 설정, 분사 시점, 캠샤프트 조정 중 하나를 포함한다.

또 다른 일 실시예에서는 2개의 실제 배출 변수가 고려되며, 더 구체적으로는 특히, 디젤 엔진에서 상충하는 질소 산화물 배출량 및 카본 블랙 배출량이 고려된다.

본 발명에 따른 제어 장치를 구비한 내연 기관에 의해, 개선된 연비 값 및 배출 값이 실현될 수 있다. 그럼으로써 내연 기관이 차량에 더욱 적합하게 된다.

본 발명의 실시예들은 이제 예시적으로 그리고 첨부된 도면을 참조해서 기술될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 제어 장치를 구비한 엔진 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 제어 장치의 입력 변수 및 출력 변수, 그리고 정보 처리의 개략도이다.
도 3은 EGR율에 의존적인 카본 블랙 배출량 및 NOx 배출량이 재현되어 있는 래프이다.
도 4는 특정 카본 블랙 배출량 및 특정 NOx 배출량이 적용되는 파레토 최적의 동작점들을 표시한 그래프이다.
도 5는 특정 (증가한) 누적 NOx 배출량에서 카본 블랙 배출량과 NOx 배출량의 관계를 토대로 한 무차별 곡선에 의한 참조 변수의 선택을 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 5에 도시된, 누적 NOx 배출량이 더 낮을 경우의 선택을 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 5에 도시된, 누적 NOx 배출량이 과잉인 경우의 선택을 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 5에 도시된, CO₂ 배출량과 NOx 배출량의 관계를 토대로 한 선택을 나타낸 그래프이다.
도 9는 도 5에 도시된, 비선형 무차별 곡선에 의한 선택을 나타낸 그래프이다.

도 1에는, 본 발명에 따른 제어 장치(1)를 통해 폐회로 제어 또는 개회로 제어되는 엔진 구조가 도시되어 있다. 왕복 피스톤 엔진(2)(디젤 엔진 또는 오토 엔진)으로서 형성되어, 밸브(3)와 급기 라인(4)을 통해 충전되고, 배기가스 라인(5)을 통해 배기되는 내연 기관이 도시되어 있다. 유입 공기는 공기 필터(6) 및 가변 터빈 기하구조를 갖는 배기가스 터보차저(7)를 거쳐, 인터쿨러(8)를 통과하여, 유입 밸브(3)를 통해 실린더 내에 도달하며, 이곳에서 상황에 따라 분사 시스템을 통해 연료가 공급된다. 공기/연료 혼합물의 압축 및 연소 후에는, 생성된 배기가스가 배출 밸브(3)를 거쳐 배기가스 라인을 통해 방출된다.

이때, 압축된 배기가스는 배기가스 터보차저(7)를 통과하고, 이 배기가스 터보차저를 구동시켜 과급 공기를 압축한다. 이어서, 배기가스는 질소 저장 촉매 컨버터(10) 및 디젤 입자 필터(11)를 통과하고, 최종적으로 배기가스 플랩(12)을 거쳐 배기 파이프(13) 내에 도달한다.

밸브들(3)은 가변 캠샤프트(14)를 통해 구동된다. 조정은, 제어 장치(1)에 의해서 제어될 수 있는 캠샤프트 조정 장치(15)를 통해 수행된다.

배기가스의 일부는 고압 배기가스 재순환 밸브(16)를 통해 과급 공기 라인(4) 내부로 유입될 수 있다. 배기가스 처리된 부분 흐름은 배기가스 터보차저(7) 이후의 저압 영역에서, 상응하는 배기가스 냉각기(17) 및 배기가스 재순환 저압 밸브(18)를 통해 과급 공기 라인(4) 내부로 안내될 수 있다. 배기가스 터보차저(7)의 터빈 기하구조는 액추에이터(19)를 통해 조정될 수 있다. 과급 공기("가스") 공급은 메인 스로틀 밸브(20)를 통해 제어된다.

제어 장치(1)를 통해, 무엇보다 배기가스 재순환 저압 밸브(18), 액추에이터(19), 메인 스로틀 밸브(20), 배기가스 재순환 고압 밸브(16), 캠샤프트 조정 장치(15) 그리고 배기가스 플랩(12)이 제어될 수 있다(실선).

더 나아가, 제어 장치(1)는 센서 및 목적 값 송신기를 통해 예를 들어 온도 정보[인터쿨러(8), 배기가스 냉각기(17)] 및 (예컨대 센서 또는 물리적인/경험적 모델로부터) 실제 배출 값을 제공받는다.

이를 위해, 가속 페달 위치, 스로틀 밸브 위치, 공기 유량, 배터리 전압, 엔진 온도, 크랭크샤프트 회전수 및 상사점, 변속단, 차량 속도와 같은 또 다른 작동 상태 정보들이 더 제공될 수 있다.

따라서, 엔진 작동 모드를 상이한 작동 상태들에서 상이한 목적 변수와 관련해서 설정하고, 제어하며, 최대한 최적화해야 하는 복잡한 개회로 제어 및 폐회로 제어 시스템이 존재한다.

후속 실시예들은, 사전 설정된 배출 상한치 및 누적된 실제 값에 의존한 배출 값의 개회로 제어 및 폐회로 제어와 관련이 있다.

상기와 같은 기본 시스템이 도 2에 도시되어 있다. 도 2에서, 제어 장치(1)는 배출에 영향을 미치기 위해 필요한 하나 또는 복수의 유효 참조 변수[x(t)]를 결정한다.

이들로부터, 내연 기관(2) 또는 내연 기관의 구성 요소[예컨대 메인 스로틀 밸브(20)의 제어, 캠샤프트 조정, 배기가스 터보차저(7)의 터빈 기하구조의 조정, 배기가스 플랩(12)의 조정 등]에서 내연 기관의 배출량(예컨대 NOx, HC, CO, 카본 블랙)에 영향을 미치는 제어 변수가 도출된다. 이들 제어 변수는 질량 유량(배출율)(Em^DS)으로서 검출된다(예컨대 시간 당 유량[mg/s]). 상기 배출량으로부터, 배출량들의 누적된 실제 값(Em^K)이 도출된다(배출율의 시간에 걸친 적분).

상기 누적된 실제 값(Em^K)으로부터, 제어 장치(1)에서는 경과한 작동 시간(t) 또는 주행한 구간(s), 공지되었거나 사전 설정된 배출 상한치(Em^G) 및 운전자 요구(FW)에 대한 정보들(예컨대, 가속: a^목표; 토크: M^목표) 및 그 외 내연 기관(2)의 작동 조건들(SB)(예컨대, 속도: v; 회전수: n)과 함께 참조 변수(들)[x(t)])가 결정된다.

도 3은, 여기서 참조 변수[x(t)]를 형성하는 배기가스 재순환율(EGR)의 함수로서 NOx 배출량과 카본 블랙 배출량 간의 관계를 예시적으로 보여준다. 이 그래프는, EGR의 증가에 의해 NOx 배출량은 감소할 수 있지만 카본 블랙 배출량은 증가한다는 것을 보여준다.

도 4는, 특정 NOx 배출량에 대해 기입된, 특정 카본 블랙 배출량의 참조 변수 조합들을 갖는 그래프를 보여준다. 이제, 예컨대, 한 (임의의) 작동 상태에서 카본 블랙 배출량을 최소화/감소시키는 동시에 (누적된) NOx 한계 값을 유지해야 한다면, 과거의 (경우에 따라 임의의, 무작위 순서로 설정된 상이한) 작동 상태들에 대한 배출 이력[누적된 실제 값(Em^G)]이 고려되어야 한다.

NOx 배출량이 증가할 경우에만 카본 블랙 배출량이 계속 감소할 수 있는 파레토 최적의 목적 변수 조합들이 점(x)으로 표시되어 있다. 모든 파레토 최적의 목적 변수 조합들은 상기 점들(x)을 서로 연결하는 이른바 파레토 프런트(Pareto front)를 형성한다. 최소화의 문제에서는, 파레토 프런트 좌측 하부(빗금친 영역)에 있는 점들이 실현될 수 없고, 우측 상부에 제공된 모든 목적 변수 조합들은 파레토 최적이 아닌데, 그 이유는 카본 블랙 배출량뿐만 아니라 NOx 배출량과 관련해서도 파레토 프런트 상에서 더 유리하게 실현될 수 있는 조합들(점 x)이 각각 존재하기 때문이다.

파레토 최적의 목적 변수 조합들로부터 2개의 목적 변수(NOx 배출량 및 카본 블랙 배출량)의 선택을 도 5의 그래프에서 볼 수 있다. 우측의 칼럼에는 배출 상한치(Em^G)로서 NOx 한계 값(NOx-G)(파선)이 명시되어 있고, 그 아래에 도시된 칼럼의 빗금친 영역은 누적된 실제 값(Em^K)으로서 지금까지 누적된 NOx 배출량(NOx-K₁)을 보여준다. 누적된 NOx 배출량(NOx-K₁)이 이미 NOx 한계 값(NOx-G)에 비교적 가깝기 때문에, 여기서는 NOx 한계 값(NOx-G)을 초과하지 않기 위해, 목적 변수인 카본 블랙 배출량과 NOx 배출량 간의 비교적 높은 교환비가 선택되었다(카본 블랙 배출량 증가, NOx 감소에 유리). 상기 목표 교환율은, 여기서 비교적 급하강하는 것으로 도시된 무차별 곡선(I)에 의해 명시되어 있고, 이어서 상기 작동점을 위해 특정 카본 블랙 배출량 및 특정 NOx 배출량이 실현될 수 있는, 바로 다음에 놓인 목적 변수 조합으로 이동(shift)된다. 이 목적 변수 조합에는, 이어서 도 3의 그래프로부터 공지된 정보를 이용하여 EGR이 적합한 파레토 최적의 참조 변수[x(t)]로서 할당된다.

도 6은, 누적된 NOx 배출량(NOx-K₂)이 NOx 한계 값(NOx-G)보다 훨씬 더 아래에 놓여 있는 예를 보여준다. 여기서는, 무차별 곡선(I)의 교환비가 더 작다(직선이 더 완만하게 하강함). 즉, 여기서는, NOx 한계 값(NOx-G)이 초과될 위험이 존재하지 않으면서 더 높은 NOx 배출량이 용인될 수 있다. 이로써, 카본 블랙 배출량이 더 적게 유지될 수 있다. 더 완만하게 진행하는 상기 직선은, 특정 NOx 배출량 및 상응하는 카본 블랙 배출량이 관련 참조 변수[x(t)](여기서는 도 3의 상응하는 EGR)에 의해 실현될 수 있는 바로 다음의 목적 변수 조합으로 이동된다.

도 7은, 누적된 NOx 배출량(NOx-K₃)이 NOx 한계 값(NOx-G)을 초과한 예를 보여준다. 여기서는, 직선 I(수직 무차별 곡선)의 교환비가 거의 무한이다. 카본 블랙 배출량의 레벨을 고려하지 않은 상황에서, 최소 NOx 배출량을 위한 참조 변수[x(t)]가 선택된다.

도 8은, 누적된 NOx 배출량에 따라 CO₂가 최소화되어야 하는, 도 5와 유사한 예를 보여준다.

도 9는, 무차별 곡선이 비선형으로 진행하는, 도 5와 유사한 예를 보여준다.

설명한 접근법에 의해, 작동 중에 그리고 변동되는 경계 조건들에 따라 배출 값(목적 함수)이 개선된다. 여기에 설명한, 배출 변수들이 쌍으로 고려되었다는 문제점 외에, 본원 방법은 다차원적인 문제들로 확장될 수도 있다. 따라서, 예컨대, 다중 조합(예컨대 CO₂ 배출량, 카본 블랙 배출량 및 NOx 배출량)에 대해 파레토 최적화된 참조 변수[x(t)]를 결정할 수 있다. 참조 변수(EGR)에 대한 보완책으로서, 제어를 위해 파레토 최적화된 또 다른 참조 변수[x(t)]가 결정될 수도 있다(예컨대 VTG 위치 또는 레일 압력).

1: 제어 장치
2: 왕복 피스톤 엔진
2a: 변속기
3: 밸브
4: 과급 공기 라인
5: 배기가스 라인
6: 공기 필터
7: 배기가스 터보차저
8: 인터쿨러
9: 실린더
10: NOx 저장 촉매 컨버터
11: 디젤 입자 필터
12: 배기가스 플랩
13: 배기 파이프
14: 캠샤프트
15: 캠샤프트 조정 장치
16: EGR 고압 밸브
17: 배기가스 냉각기
18: EGR 저압 밸브
19: 액추에이터
20: 메인 스로틀 밸브
x(t): 참조 변수
NOx-G: 한계 값
NOx-K₁: 누적된 실제 값
FW: 운전자 요구
SB: 그 밖의 작동 조건들
EM^G: 배출 상한치
EM^K: 누적된 배출 값
EM^DS: 배출 처리율
I: 무차별 곡선

Claims (9)

1. 작동 상태 정보(FW, SB), 즉
   - 상한치 및
   - 누적된 실제 변수
   를 고려해서, EGR율, EGR 분배, 충전 레벨, 과급압, 분사 시점, 점화 시점, 또는 레일 압력 중에서 하나 이상의 변수를 포함하는 참조 변수[x(t)]를 결정하는 함수를 갖는, 내연 기관(2)용 제어 장치(1)로서,
   상기 참조 변수는, 하나의 작동 기간 내에 무작위 순서로 설정된 내연 기관(2)의 임의의 상이한 작동 상태들의 조합에 의해, 누적된 실제 변수들이 상기 작동 기간 동안 상한치를 초과하지 않는 방식으로 복수의 실제 변수가 설정되도록, 내연 기관(2)의 작동 상태에 영향을 미치며, 상기 참조 변수[x(t)]가 무차별 곡선(I)을 이용하여 파레토 최적의 옵션들로부터 선택됨으로써, 실제 배출 변수(Em^DS), 연료 소비량 및/또는 CO₂ 배출량을 포함하는 목적 함수가 최소화되는, 내연 기관용 제어 장치(1).
2. 제1항에 있어서, 작동 상태 정보(SB, FW)는 회전수(n) 및 목표 토크(M)를 포함하는, 내연 기관용 제어 장치(1).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 주행의 상이한 작동 상태들 및 작동 기간이 공지되어 있는, 내연 기관용 제어 장치(1).
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 실제 배출 변수들(Em^DS)은 다음과 같은 변수들, 즉, NOx 배출량, HC 배출량, CO 배출량, CO₂ 배출량, HC 배출량과 NOx 배출량의 조합, 카본 블랙 입자 수, 카본 블랙 입자 질량, AdBlue 소비량 중에서 2개 이상의 변수를 포함하는, 내연 기관용 제어 장치(1).
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 2개 이상의 실제 배출 변수(Em^DS)가 고려되는, 내연 기관용 제어 장치(1).
6. 제5항에 따른 제어 장치(1)를 구비한 내연 기관(2).
7. 제6항에 따른 내연 기관(2)을 구비한 차량.
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