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KR102518657B1 - 밸브 듀티 차등화 방식 egr 제어 방법 및 egr 시스템 - Google Patents

밸브 듀티 차등화 방식 egr 제어 방법 및 egr 시스템 Download PDF

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KR102518657B1
KR102518657B1 KR1020180081083A KR20180081083A KR102518657B1 KR 102518657 B1 KR102518657 B1 KR 102518657B1 KR 1020180081083 A KR1020180081083 A KR 1020180081083A KR 20180081083 A KR20180081083 A KR 20180081083A KR 102518657 B1 KR102518657 B1 KR 102518657B1
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egr
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valve duty
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강진석
박기민
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Abstract

본 발명의 EGR 시스템(1)에 적용된 EGR 제어 방법은 컨트롤러(10)를 통해 가속이 적용된 운전영역, 공기-연료 농후가 적용된 혼합기, 냉각수온과 고지대 및 기어단수가 적용된 외부요인이 각각 밸브제어조건으로 검출되고, 흡입공기량 대비 목표공기량으로 설정된 EGR 밸브 듀티를 상기 밸브제어조건에 맞춰 최소 EGR 밸브 듀티(H)로 산출하여 EGR 밸브(3)에 대한 EGR 밸브 듀티로 적용해주는 밸브 듀티 차등화 제어를 구현함으로써 최소 열림 EGR 밸브 듀티(B)를 통한 EGR 밸브 듀티 이원화 및 보정 계수를 통한 최소 EGR 밸브 듀티(H)로 과도한 NOx Peak의 원인인 EGR 공급 끊김 방지와 함께 연소불안정과 토크저하 및 매연 과다 현상 방지가 가능한 특징을 갖는다.

Description

밸브 듀티 차등화 방식 EGR 제어 방법 및 EGR 시스템{Method for Exhaust Gas Recirculation Control using Differentiated Valve Duty and EGR System thereof}
본 발명은 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 제어에 관한 것으로, 특히 EGR 밸브 듀티 보정 변수를 이용한 밸브 듀티 값의 차등화로 EGR 제어가 이루어지는 EGR 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 차량에 적용된 배기가스재순환(Exhaust Gas Recirculation) 시스템(이하, EGR 시스템)은 흡입공기 압축에 의한 공기 공급량 증대에 더해 EGR의 공급으로 엔진 고출력화와 함께 성능향상 및 연비향상에 기여한다.
이를 위해 EGR 시스템에선 터보차저의 터빈 전단에서 흡기매니폴드로 이어지는 EGR라인(EGR Line)에 구비된 EGR 밸브(EGR Valve)가 ECU(Electronic Control Unit)로 제어되고, EGR 밸브의 개폐 정도에 따라 엔진에서 발생되어 배기 매니폴드를 나와 터보차저 쪽에서 빠져나온 배기가스 중 일부 배기가스가 흡기와 섞어진 EGR 가스로 EGR이 공급된다.
그러므로 EGR 시스템은 엔진의 연소 조건에 따른 공기량 추종이 이루어지는 방식으로 EGR 제어를 수행하고, 이러한 목표공기량 추종방식 EGR 제어는 NOx와 같은 질소산화물을 줄여야 하는 디젤엔진에 적합하다.
일례로 목표공기량 추종방식 EGR 제어는 크랭크포지션센서와 엑셀페달 개도 및 엔진속도와 연료 분사량에 맞춰 목표공기량을 산출하고, 피드백 된 흡입공기량센서신호를 산출된 목표공기량과 대비하여 EGR 밸브의 PWM 듀티(Pulse Width Modulation duty)를 제어함으로써 흡입공기량이 산출된 목표공기량을 추종하도록 한다.
이로부터 EGR 시스템은 디젤엔진 차량에 대해 요구되는 NOx, O/HC 배출 규제 법규가 준수될 수 있다.
일본공개특허 2009-209748(2009.9.17)
하지만 EGR 시스템의 EGR 제어는 EGR 밸브의 제어에 유연성을 갖지 못함으로써 NOx 발생을 줄이기 위해 목표공기량을 추종함에도 NOx 발생이 증가될 수 있다.
이러한 현상은 EGR 제어 시 목표공기량 대비 현재 측정공기량이 낮아 EGR 밸브를 닫아 주었는데도 불구하고 EGR 밸브를 완전하게 닫히도록 제어되기 때문이다.
일례로 EGR 밸브 제어의 유연성 부족 현상은 차량의 가속조건 및 급가속조건에서 발생된다. 즉, 상기 가속조건 및 급가속조건은 터보차저의 터보 랙(turbo lag)(가속 응답성 지연)으로 부스트 압(Boost Pressure)(엔진 흡기계의 흡기관내 평균압력)의 형성을 지연시키고, 충분치 않은 부스트 압 상태는 높은 연료분사량 조건에서 목표공기량 상승에 비해 흡입공기량이 미치지 못하는 경우로 발전된다. 이와 같이 충분치 않은 부스트 압으로 인해 실제 공기량이 목표 공기량보다 낮은 상태에서 단순히 목표공기량을 피드백 받아 제어되는 EGR 밸브는 흡입 공기량 부족에 맞춰 완전 폐쇄로 전환된다. 그 결과 EGR 시스템은 엔진에 대한 EGR 공급을 중단함으로써 목표공기량 추종을 위한 EGR 제어를 수행함에도 불구하고 엔진에선 순간적으로 배출가스 내 NOx 농도가 치솟는 NOx Peak(최대치)의 상태가 발생될 수밖에 없다.
다른 예로 EGR 밸브 제어의 유연성 부족 현상은 엔진의 실린더 내 공기/연료 비율이 과농 조건에서 발생된다. 즉, 상기 실린더 내 공기/연료 비율의 과농 조건에선 EGR 밸브가 많이 열리도록 EGR 밸브 듀티를 설정값보다 낮춰줘야 하나 EGR 밸브 듀티 조정이 불가함으로써 연소불안정에 기인한 토크저하와 매연 과다가 발생될 수밖에 없다.
또 다른 예로 EGR 밸브 제어의 유연성 부족 현상은 차량의 운전조건에서 발생된다. 즉, 상기 냉각수온이 낮은 엔진의 냉간 상태, 고지와 같은 공기가 희박한 환경조건, 엔진속도의 상승속도차이를 가져오는 기어단수 변화 등으로 달라지는 차량의 운전조건은 EGR 밸브의 개폐 정도에 변화를 요구하나 EGR 밸브 듀티 조정 불가로 엔진 성능 저하가 발생될 수밖에 없다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 운전영역 조건, 혼합기 조건, 외부요인 조건의 각각을 EGR 밸브 듀티 보정 변수로 적용하여 운전영역 조건의 EGR 밸브 듀티 이원화, 혼합기 조건의 EGR 밸브 듀티 최소화, 외부요인 조건의 EGR 밸브 듀티 가변화로 EGR 밸브 듀티 보정이 이루어짐으로써 NOx를 과도하게 발생시키는 EGR 공급 끊김을 방지함과 더불어 토크저하와 매연 과다 현상을 일으키는 연소불안정이 방지되는 밸브 듀티 차등화 방식 EGR 제어 방법 및 EGR 시스템의 제공에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 EGR 제어 방법은 EGR 시스템을 제어하는 컨트롤러에 의해 엔진운전영역, 혼합기영역, 외부요인영역이 EGR 밸브 듀티 보정 변수를 위한 밸브제어조건으로 검출되고, 흡입공기량 대비 목표공기량으로 설정된 EGR 밸브 듀티(A)에 상기 EGR 밸브 듀티 보정 변수가 적용되어 최소 EGR 밸브 듀티(H)를 산출한 후 EGR 밸브에 EGR 밸브 듀티로 출력되는 밸브 듀티 차등화 제어;가 포함되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 엔진운전영역은 가속 또는 급가속을 조건으로 하고, 상기 혼합기영역은 엔진의 실린더 내 공기-연료의 과농을 조건으로 하며, 상기 외부요인영역은 냉각수온과 고지대 및 기어단수를 조건으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 밸브 듀티 차등화 제어는 상기 엔진운전영역과 상기 혼합기영역 및 상기 외부요인영역의 각각에서 상기 EGR 밸브 듀티 보정 변수를 산출하는 조건 제어, 설정연료량에 적합한 엔진운전구간을 이용하는 밸브 듀티 선택 제어, 설정연료량을 벗어난 엔진운전구간을 이용하는 밸브 듀티 신뢰성확립 제어로 구분된다.
바람직한 실시예로서, 상기 조건 제어는 상기 엔진운전영역에서 상기 EGR 밸브 듀티 보정 변수가 산출되는 운전영역조건 제어, 상기 혼합기영역에서 상기 EGR 밸브 듀티 보정 변수가 산출되는 혼합기조건 제어, 상기 외부요인영역에서 상기 EGR 밸브 듀티 보정 변수가 산출되는 외부요인조건 제어로 구분된다. 상기 운전영역조건 제어는 목표공기량 EGR 밸브 듀티(A), 최소 열림 EGR 밸브 듀티(B), 엔진운전영역 EGR 밸브 듀티(C), EGR 밸브 람다 목표 듀티(a)를 상기 EGR 밸브 듀티 보정 변수로 산출하고, 상기 혼합기조건 제어는 람다 듀티 보정 계수(D)를 상기 EGR 밸브 듀티 보정 변수로 산출하며, 상기 외부요인조건 제어는 대기압 듀티 보정 계수(E), 냉각수온 듀티 보정 계수(F), 기어단수 듀티 보정 계수(G)를 상기 EGR 밸브 듀티 보정 변수로 산출한다.
바람직한 실시예로서, 상기 운전영역조건 제어는 엑셀페달 위치로 운전자 요구토크 계산으로 엔진운전영역이 검출되는 단계, 상기 엔진운전영역에서 결정된 목표공기량을 현재공기량과 비교하여 상기 EGR 밸브 듀티가 흡입공기량 대비 목표공기량으로 설정되는 단계, 상기 엔진운전영역에서 EGR 공급라인의 유효단면적이 상기 EGR 밸브로 완전 폐쇄되자 않는 최소 열림 EGR 밸브 듀티(B)가 결정되고 더불어 상기 엔진운전영역에 맞춘 엔진운전영역 EGR 밸브 듀티(C)가 결정되는 단계, 상기 엔진운전영역 EGR 밸브 듀티(C)를 상기 혼합기조건 제어의 람다 듀티 보정 계수(D)로 전부하 운전구간 람다 보정값(K)으로 변환시켜 설정연료량에 맞춰진 엔진운전구간이 판단되는 단계로 수행된다.
바람직한 실시예로서, 상기 혼합기조건 제어는 이슬점온도(dew Point)를 이용한 람다센서 활성화가 판단되는 단계, 람다센서신호를 적용한 람다 센서 값 또는 공기량센서 신호와 연료분사량을 적용한 람다 계산 값이 설정되는 단계, 상기 람다 센서 값 또는 상기 람다 계산 값으로 상기 람다 듀티 보정 계수(D)가 산출되어 출력되는 단계로 수행된다.
바람직한 실시예로서, 상기 외부요인조건 제어는 검출된 대기압에 따른 대기압 듀티 보정 계수(E)가 산출되어 출력되는 단계, 검출된 냉각수온에 따른 냉각수온 듀티 보정 계수(F)가 산출되어 출력되는 단계, 검출된 기어단수에 따른 기어단수 듀티 보정 계수(G)가 산출되어 출력되는 단계로 수행된다.
바람직한 실시예로서, 상기 밸브 듀티 선택 제어는 상기 EGR 밸브 듀티 보정 변수를 적용하여 상기 최소 EGR 밸브 듀티(H)가 산출되는 단계, 상기 EGR 밸브 듀티(A)와 상기 최소 EGR 밸브 듀티(H)에 대한 적용이 판단되는 단계, 상기 EGR 밸브 듀티(A) 또는 상기 최소 EGR 밸브 듀티(H)가 결정되어 출력되는 단계로 수행된다.
바람직한 실시예로서, 상기 최소 EGR 밸브 듀티(H)는 상기 운전영역조건 제어의 최소 열림 EGR 밸브 듀티(B), 상기 혼합기조건 제어의 람다 듀티 보정 계수(D), 상기 외부요인조건 제어의 대기압 듀티 보정 계수(E), 냉각수온 듀티 보정 계수(F), 기어단수 듀티 보정 계수(G)를 적용한다. 상기 최소 EGR 밸브 듀티(H)의 산출은 상기 최소 열림 EGR 밸브 듀티(B), 상기 람다 듀티 보정 계수(D), 상기 대기압 듀티 보정 계수(E), 상기 냉각수온 듀티 보정 계수(F), 상기 기어단수 듀티 보정 계수(G)를 함께 곱하여 이루어진다. 상기 EGR 밸브 듀티(A)와 상기 최소 EGR 밸브 듀티(H)는 서로에 대해 큰 값으로 적용 판단이 이루어진다.
바람직한 실시예로서, 상기 밸브 듀티 신뢰성확립 제어는 상기 엔진운전구간이 적용되고 EGR 제어모드가 고려되어 EGR 밸브 람다 목표 듀티(a)를 상기 EGR 밸브로 출력해 주는 람다 듀티 제어, 상기 엔진운전구간이 적용되지 않고 EGR 제어모드가 고려되어 상기 EGR 밸브 듀티(A)를 상기 밸브 듀티 선택 제어로 출력해 주는 목표 듀티 제어로 구분된다.
바람직한 실시예로서, 상기 람다 듀티 제어는 상기 EGR 제어모드가 EGR 제어모드 불변 조건 및 EGR 제어모드 변경 조건으로 판단되는 단계, 상기 EGR 제어모드 변경 조건에서 EGR 제어모드 변경 전후 단차가 확인되는 단계, 상기 EGR 제어모드 불변 조건 또는 상기 EGR 제어모드 변경 전후 단차 미 존재 조건에서 상기 조건 제어 중 운전영역조건 제어의 엔진운전영역 EGR 밸브 듀티(C) 및 혼합기조건 제어의 람다 듀티 보정 계수(D)로 EGR 밸브 람다 목표 듀티(a)가 출력되는 단계, 상기 EGR 제어모드 변경 전후 단차 존재 조건에서 상기 EGR 밸브 듀티(A)를 상기 EGR 밸브 람다 목표 듀티(a)로 변경시켜주는 단계로 수행된다. 이 경우 상기 EGR 밸브 듀티(A)는 상기 엔진운전영역 EGR 밸브 듀티(C) 및 상기 혼합기조건 제어의 람다 듀티 보정 계수(D)를 곱하여 상기 EGR 밸브 람다 목표 듀티(a)로 변경된다.
바람직한 실시예로서, 상기 목표 듀티 제어는 상기 EGR 제어모드가 EGR 제어모드 불변 조건 및 EGR 제어모드 변경 조건으로 판단되는 단계, 상기 EGR 제어모드 변경 조건에서 EGR 제어모드 변경 전후 단차가 확인되는 단계, 상기 EGR 제어모드 불변 조건 또는 상기 EGR 제어모드 변경 전후 단차 미 존재 조건에서 상기 EGR 밸브 듀티(A)가 출력되는 단계, 상기 EGR 제어모드 변경 전후 단차 존재 조건에서 상기 EGR 밸브 람다 목표 듀티(a)를 상기 EGR 밸브 듀티(A)로 변경시켜주는 단계로 수행된다. 이 경우 상기 EGR 밸브 람다 목표 듀티(a)는 상기 엔진운전영역 EGR 밸브 듀티(C) 및 상기 혼합기조건 제어의 람다 듀티 보정 계수(D)를 곱하여 상기 EGR 밸브 듀티로 변경된다.
그리고 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 EGR 시스템은 가속이 적용된 운전영역, 공기-연료 농후가 적용된 혼합기, 냉각수온과 고지대 및 기어단수가 적용된 외부요인이 각각 밸브제어조건으로 검출되고, 흡입공기량 대비 목표공기량으로 설정된 EGR 밸브 듀티를 상기 밸브제어조건에 맞춰 최소 EGR 밸브 듀티로 산출하여 EGR 밸브에 대한 EGR 밸브 듀티로 적용해주는 밸브 듀티 차등화 제어를 구현하는 컨트롤러; 가 포함되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 컨트롤러는 운전영역조건 제어 맵, 혼합기조건 제어 맵, 외부요인조건 제어 맵을 포함하고; 상기 운전영역조건 제어 맵에는 목표공기량 EGR밸브 듀티(A)와 엔진운전영역 EGR 밸브 듀티(C) 및 최소 열림 EGR 밸브 듀티(B)가 테이블로 구축되고, 상기 혼합기조건 제어 맵에는 공기/연료 비율의 과농에 대한 람다 값이 테이블로 구축되며, 상기 외부요인조건 제어 맵에는 냉각수온, 공기량, 기어단수가 테이블로 구축된다.
바람직한 실시예로서,상기 컨트롤러에는 센서 유닛이 연결되고, 상기 센서 유닛은 엑셀 폐달의 스트로크를 검출하는 APS, 엔진의 크랭크샤프트 회전위치를 검출하는 크랭크포지션센서, 상기 엔진으로 이어진 흡기라인의 신기를 검출하는 공기량센서, 상기 EGR 밸브의 밸브개도위치를 검출하는 EGR 밸브 포지션센서, 상기 엔진으로 이어진 배기라인의 배기가스 성분을 검출하는 람다센서, 상기 엔진의 실린더로 분사되는 연료를 검출하는 인젝터센서, 차량 주변의 대기압을 검출하는 대기압센서, 상기 엔진의 실린더블록을 흐르는 냉각수온을 검출하는 냉각수온센서, 변속레버의 조작에 따른 변속단을 검출하는 변속센서를 포함한다.
이러한 본 발명의 EGR 시스템은 EGR 제어를 밸브 듀티 차등화 방식으로 수행함으로써 하기와 같은 작용 및 효과를 구현한다.
첫째, EGR 밸브 듀티의 이원화를 각 운전영역 별 EGR 밸브 최소 듀티로 구현함으로써 최소 설정 듀티에 의한 EGR 밸브의 완전 폐쇄가 방지된다. 둘째, EGR 밸브 듀티의 이원화에 의한 최소 설정 듀티로 NOx 중가를 가져오는 엔진 운전 중 EGR 공급 중단이 예방된다, 셋째, 엔진의 가속/급가속 조건에서도 최소한의 EGR 밸브 듀티 유지가 이루어짐으로써 기존의 EGR 공급 중단으로 인해 발생되는 NOx Peak 현상을 감소시켜 배출가스 성능이 이루어진다. 넷째, 엔진 연소의 람다값 모니터링을 통해 EGR 밸브의 최소 듀티값이 보정됨으로써 EGR 밸브 조정에 실린더 내의 연료/공기 혼합비율을 반영할 수 있다. 다섯째, EGR 밸브 듀티의 최소 듀티값 보정으로 엔진 운전 중 토크저하 및 매연 과다를 가져오는 연소불안정이 예방된다, 여섯째, 냉각수온이 낮은 엔진의 냉간 상태나 고지와 같은 공기가 희박한 환경조건 그리고 기어단수에 따른 엔진속도의 상승속도차이를 EGR 밸브 듀티 보정 변수로 함으로써 엔진 운전 중 엔진 성능 저하가 예방된다,
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 밸브 듀티 차등화 방식 EGR 제어 방법의 순서도이며, 도 3은 본 발명에 따른 밸브 듀티 차등화 방식 EGR 제어를 수행하는 EGR 시스템의 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 EGR 시스템에 적용된 컨트롤러의 EGR 밸브 제어 동작의 예이며, 도 5는 본 발명에 따른 밸브 듀티 차등화를 위한 EGR 밸브 듀티 선도의 예이며, 도 6은 본 발명에 따른 밸브 듀티 차등화 방식 EGR 제어의 신뢰성확립 제어 순서도이고, 도 7은 본 발명에 따른 신뢰성확립 제어의 EGR 제어 모드 변경의 예이며, 도 8은 본 발명에 따른 밸브 듀티 차등화 방식 EGR 제어의 운전영역조건 제어 순서도이고, 도 9는 본 발명에 따른 EGR 밸브의 최소 설정 듀티 적용 선도의 예이며, 도 10은 본 발명에 따른 밸브 듀티 차등화 방식 EGR 제어의 혼합기조건 제어 및 외부요인조건 제어 순서도이고, 도 11은 본 발명에 따른 혼합기조건 제어의 람다 보정 선도 및 외부요인조건 제어의 냉각수온, 대기압, 기어단수 별 보정 선도의 예이다.
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시 예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
도 1 및 도 2를 참조하면, EGR 제어 방법은 S1의 EGR 시스템 동작과 S2의 EGR 밸브 동작 사이에서 검출된 EGR 밸브 듀티 보정 변수(S10)로 운전영역/혼합기/외부요인 조건제어(S20~S40)를 구분한 후 설정연료량에 맞춰져 엔진의 전부하 성능(Engine Full Performance)이 고려된 전부하 운전구간 판단(S50)에 따라 밸브 듀티 선택 제어(S60~S63-2)나 또는 밸브 듀티 신뢰성확립 제어(S70~S90)를 수행함에 그 특징이 있다. 그러므로 상기 EGR 제어 방법은 밸브 듀티 차등화 제어로 특징되는 밸브 듀티 차등화 방식 EGR 제어 방법로 구현된다.
특히 상기 운전영역/혼합기/외부요인 조건제어(S20~S40)의 각각은 가속/급가속조건, 공기/연료 과농 조건, 엔진 냉간 조건, 환경조건, 기어단수 조건으로 구분된 EGR 밸브 듀티 보정 변수에 맞춰 보정이 이루어짐으로써 어떠한 운전 조건에서도 연소불안정과 토크저하 및 매연 과다의 현상을 방지하면서 EGR 공급 끊김에 의한 NOx 피크(peak)의 발생도 방지하여 준다.
일례로 상기 운전영역 조건제어(S20)는 가속/급가속 시에 터보랙에 의한 부스트 지연발생 시 흡입공기량이 목표공기량 보다 낮아 EGR 밸브가 닫힐 때 EGR 밸브의 완전한 폐쇄를 방지하도록 각 운전영역 별로 설정된 EGR밸브 최소 듀티가 최소 열림 EGR 밸브 듀티로 이원화함으로써 EGR 공급중단 현상이 막아져 NOx Peak 현상을 개선시켜 준다.
일례로 상기 혼합기 조건제어(S30)는 람다센서 활성화 전에 이루어지는 공기량센서와 연료분사량으로 계산한 람다에 대한 람다보정 방식 대신 활성화된 람다센서로 람다센서로 엔진실린더 내의 공기/연료 비율을 모니터링하고, 이로부터 과농후 조건 시 최소 열림 EGR 밸브 듀티를 보정하여 과도한 토크 저하 및 매연 발생을 방지시켜준다. 그러므로 상기 혼합기 조건제어(S30)는 전부하 운전중 다양한 환경조건으로 변화되는 연료량을 람다값 변화로 반영하여 일정한 EGR 밸브 열림 최소 듀티가 유지되도록 함으로써 EGR 공급의 안전성을 개선시켜 준다.
일례로 상기 외부요인 조건제어(S40)는 냉각수온이 낮은 냉간조건에서 최소 열림 EGR 밸브 듀티를 보정하여 냉간조건에 따른 연소불안정을 해소시키고, 대기압이 낮아 공기가 희박한 고지 조건에서 최소 열림 EGR 밸브 듀티를 보정하여 공기량 부족으로 인한 과농후에 기인한 토크 저하 및 매연 발생을 방지시켜주며, 엔진의 가감속 정도를 달라하는 기어단수조건에서 최소 열림 EGR 밸브 듀티를 보정하여 가감속정도에 기인한 토크 저하 및 매연 발생을 방지시켜 준다. 그러므로 상기 외부요인 조건제어(S40)는 냉각수온이 낮은 냉간 상태나 고지와 같은 공기가 희박한 환경조건 그리고 기어단수에 따라 엔진속도의 상승속도차이를 반영하여 일정한 EGR 밸브 열림 최소 듀티가 유지되도록 함으로써 EGR 공급의 안전성을 개선시켜 준다.
따라서 상기 밸브 듀티 차등화 방식 EGR 제어 방법에선 기존의 EGR 제어가 목표공기량으로 EGR 밸브 듀티 제어를 하여 엔진에 대한 EGR 공급 중단을 발생시킬 수 있었던 단점이 완전하게 해소된다.
도 3을 참조하면, 차량에 적용된 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 시스템(1)은 터보차저(2), EGR 밸브(3), 센서 유닛(6) 및 컨트롤러(10)를 포함한다. 이 경우 상기 EGR 시스템(1)은 EGR 쿨러(도시되어 있지 않음)를 통과하여 흡기라인(4-2)에 연결된 EGR 공급라인(5)으로 EGR을 보내 신기와 혼합시켜주는 고압배기가스 순환방식(High Pressure-EGR 시스템)으로 설명되나, 촉매를 거쳐 정화된 배기가스의 일부를 터보차저(2)로 바이패스 시킨 후 EGR을 보내 신기와 혼합시켜주는 저압배기가스 순환방식(Low Pressure-EGR 시스템)에도 동일하게 적용될 수 있다.
구체적으로 상기 터보차저(2)는 엔진(7)에서 나온 배기라인(4-1)으로 위치된 터빈과 엔진(7)에 이어진 흡기라인(4-2)으로 위치된 컴프레서로 구성되고, 상기 터빈은 배기가스로 회전되어 신기를 압축시키는 상기 컴프레서를 회전시켜준다. 상기 EGR 밸브(3)는 엔진(7)에서 나와 배기라인(4-1)을 흐르는 배기가스의 일부가 터빈전단의 압력과 컴프레서 후단의 압력차에 의해 EGR로 빠져나와 배기라인(4-1)에서 흡기라인(4-2)으로 분기되도록 하고, 배기라인(4-1)에서 흡기라인(4-2)으로 빠져나가는 EGR 가스량을 조절하도록 컨트롤러(10)의 제어로 EGR 공급라인(5)의 유효단면적이 조절된다. 이를 위해 상기 EGR 밸브(3)는 배기라인(4-1)과 흡기라인(4-2)을 연결하는 EGR 공급라인(5)에 설치되고, 컨트롤러(10)의 제어 신호에 반응하는 액추에이터를 구비한다.
구체적으로 상기 센서 유닛(6)은 APS(Accelerator Pedal Sensor 또는 Accelerator Pedal Scope)(6a), 크랭크포지션센서(6b), 공기량센서(6c), EGR 밸브 포지션센서(6d), 람다센서(6e), 인젝터센서(6f), 대기압센서(6g), 냉각수온센서(6h) 및 변속센서(6i)를 포함하고, 컨트롤러(10)와 CAN 네트워크로 연결되어 검출 신호를 컨트롤러(10)에 전송한다.
일례로 상기 APS(6a)는 엑셀 폐달(8)의 조작에 따른 스트로크를 검출한다. 상기 크랭크포지션센서(6b)는 엔진(7)의 크랭크샤프트 회전위치를 검출한다. 상기 공기량센서(6c)는 흡기라인(4-2)으로 들어오는 신기를 검출한다. 상기 EGR 밸브 포지션센서(6d)는 EGR 밸브(3)의 밸브개도위치를 검출한다. 상기 람다센서(6e)는 배기라인(4-1)을 흐르는 배기가스 성분을 검출하며, 파손 방지를 위해 이슬점온도(dew Point)(주어진 공기덩이가 일정한 압력과 일정한 수증기 함량에서 냉각될 때 포화가 발생하는 온도)에 도달하기 전까지 활성화 되지 않다가 이슬점온도(dew Point) 도달 시 활성화되어 검출 신호를 발생한다. 상기 인젝터센서(6f)는 엔진(7)의 기통(즉, 실린더)으로 연료분사를 하는 인젝터(7-1)의 동작을 검출한다. 상기 대기압센서(6g)는 차량 주변의 대기압을 검출한다. 상기 냉각수온센서(6h)는 엔진(7)의 실린더블록을 흐르는 냉각수온을 검출한다. 상기 변속센서(6i)는 변속레버(9)의 조작에 따른 변속단(즉, 기어단수)을 검출한다.
구체적으로 상기 컨트롤러(10)는 운전영역조건 제어 맵(11), 혼합기조건 제어 맵(12), 외부요인조건 제어 맵(13) 및 듀티출력부(20)를 포함하고, 센서 유닛(6)의 신호를 입력 데이터로 하여 EGR 밸브(3)의 액추에이터 제어로 EGR 공급라인(5)에 대한 EGR가스통로의 유효단면적을 조절한다.
일례로 상기 운전영역조건 제어 맵(11)은 부스트 지연의 터보랙 현상을 가져오는 가속/급가속 조건 해소를 위해 목표공기량 EGR밸브 듀티와 엔진운전영역 EGR 밸브 듀티의 EGR 밸브 듀티 이원화 테이블이 구축되고, 최소 열림 EGR 밸브 듀티를 결정하여 EGR 공급중단을 방지한다. 상기 혼합기조건 제어 맵(12)은 엔진(7)의 기통에 대한 공기/연료 비율 과농후 현상을 가져오는 혼합기 조건 해소를 위해 활성화된 람다센서(6c)의 모니터링 결과에 따른 람다보정 값이 구축되고, 최소 열림 EGR 밸브 듀티를 보정하여 EGR 공급의 안전성을 개선시켜 준다. 상기 외부요인조건 제어 맵(13)은 냉간 상태나 고지환경 기어단수로 발생되는 외부요인 조건 해소를 위해 냉각수온, 공기량, 기어단수 별 테이블이 구축되고, 최소 열림 EGR 밸브 듀티를 보정하여 EGR 공급의 안전성을 개선시켜 준다.
일례로 상기 듀티출력부(20)는 컨트롤러(10)의 제어 신호를 EGR 밸브(3)의 액추에이터로 출력한다. 이 경우 상기 제어 신호는 PWM(Pulse Width Modulation) DUTY로 생성된다.
이하 도 1 및 도 2의 밸브 듀티 차등화 방식 EGR 제어 방법을 도 3 내지 도 5를 참조로 상세히 설명한다. 이 경우 제어 주체는 컨트롤러(10)이고, 제어 대상은 EGR 밸브(3)(즉, 액추에이터)이다.
컨트롤러(10)는 EGR 시스템(1) 동작(S1)이 이루어짐에 따라 S10의 EGR 밸브 듀티 보정 변수 검출 및 EGR 제어 조건 구분 단계를 수행하고, 이어 S20의 운전영역조건 제어 단계, S30의 혼합기조건 제어 단계, S40의 외부요인조건 제어 단계를 각각 수행한다. 그 결과 상기 운전영역조건 제어(S20)에선 S20-1과 같이 EGR 밸브 듀티(A)(즉, 목표공기량 EGR밸브 듀티)(S25), 최소 열림 EGR 밸브 듀티(B)(S26), 엔진운전영역 EGR 밸브 듀티(C)(S27), 전부하 운전구간 람다 보정값(K)[예, (K = C x D)](S28)가 산출되고, 상기 혼합기조건 제어(S30)에선 S30-1과 같이 람다 듀티 보정 계수(D)가 산출되며, 상기 외부요인조건 제어(S40)에선 S40-1과 같이 대기압 듀티 보정 계수(E), 냉각수온 듀티 보정 계수(F), 기어단수 듀티 보정 계수(G)를 보조 듀티 보정 계수로 각각 산출된다.
도 4를 참조하면, 상기 EGR 밸브 듀티 보정 변수 검출은 컨트롤러(10)가 센서유닛(6)의 데이터를 읽어 이루어진다. 일례로 상기 컨트롤러(10)는 APS(6a), 크랭크포지션센서(6b), 공기량센서(6c), EGR 밸브 포지션센서(6d), 람다센서(6e), 인젝터센서(6f), 대기압센서(6g), 냉각수온센서(6h) 및 변속센서(6i)에서 보내온 각 검출값들을 읽고, 이들로부터 확인된 운전자 요구토크, 엔진속도(즉, 회전수), 목표공기량, 현재공기량, EGR밸브듀티, 람다센서 값, 기어단수, 대기압, 냉각수온에 기반 하여 EGR 시스템 동작시점의 엔진(7)의 상태를 파악한 후 액추에이터를 제어하기 위한 제어신호를 EGR 밸브(3)로 출력한다.
도 5를 참조하면, 람다/냉각수온/기어단수/대기압에 따라 어떻게 최소 EGR 밸브 듀티(즉, 최소 열림 EGR 밸브 듀티 또는 보정된 최소 열림 EGR 밸브 듀티) 및 최종 출력 EGR 밸브 듀티를 결정하는지가 예시된다.
상기 최소 EGR 밸브 듀티 결정에 대한 "A-B-C-D-E" 구간이 갖는 의미는 하기와 같다.
“A”구간까지는 냉각수온이 상승 중 이므로 최소 EGR 밸브 듀티가 상승될 수 있음이 예시된다. 이러한 이유는 일반적으로 냉각수온이 상승할수록 연소안정성이 좋아지며 따라서 더 많은 EGR을 공급하여도 연소안정성에 문제가 없기 때문이다. 이 경우 냉각수온에 따른 EGR 밸브 듀티 보정 계수 값은 설정하기에 따라 다르게 사용가능하지만 일반적으로 상승 시 EGR 밸브 듀티 보정 계수 값도 상승하도록 하고, 통상 최대 웜업(Full Warm Up)시 적용된 1에서 웜업 정도가 낮아질수록 1보다 작은 값을 사용한다.
“B-C” 구간에서는 “B”시점까지 기어단수가 낮아짐에 따라서 최소 EGR 밸브 듀티를 다르게 설정할 수 있음이 예시되고, “C”시점까지 냉각수온이 계속 상승하므로 최소 EGR 밸브 듀티를 상승시켜 줄 수 있음이 예시된다.
“C~D” 구간에서는 람다 값이 감소했다가 다시 상승하므로 람다가 낮아질 때 동시에 최소 EGR 밸브 듀티가 낮아지는 방향으로 EGR 밸브 듀티 보정 계수가 설정되는 반면 람다가 높아질 때는 반대로 최소 EGR 밸브 듀티가 높아지는 방향으로 EGR 밸브 듀티 보정 계수가 설정되어야 함이 예시된다. 이러한 이유는 람다가 1이상인 린(Lean)한 조건에서 엔진연소(예, 디젤엔진)의 발생을 감안하여 1이하이거나 1근방의 람다인 경우 연소안정성 및 매연발생량이 급격히 악화됨을 감안하기 위함이다.
“E”구간 이후에서는 대기압이 낮아져 공기가 희박해지므로 연소에 필요한 공기 부족을 감안하여 최소 EGR 밸브 듀티가 낮아지는 방향으로 EGR 밸브 듀티 보정 계수가 설정되어야 함이 예시된다.
따라서 최종 EGR 밸브 듀티는 목표공기량 기반으로 계산되어 출력되는 EGR 밸브 듀티(즉, 목표공기량 EGR밸브 듀티) 와 최소 EGR 밸브 듀티(즉, 최소 열림 EGR 밸브 듀티 또는 보정된 최소 열림 EGR 밸브 듀티) 중 더 큰 값으로 선정된다. 이로부터 상기 최종 EGR 밸브 듀티가 컨트롤러(10)에서 EGR 밸브(3)로 출력되더라도 EGR 공급라인(5)의 유효단면적이 EGR 밸브(3)로 완전히 폐쇄되는 현상을 방지할 수 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 컨트롤러(10)는 S50의 전부하 운전구간 판단 단계를 수행한다. 이러한 이유는 터보차저 장착 엔진 전부하 운전 구간에서는 목표출력을 위한 연료량이 제한되어 있고 그에 따른 목표 부스트압력이 주어짐에 기인한다. 그러므로 상기 전부하 운전구간 판단(S50)은 운전영역조건 제어(S20)의 EGR 밸브 듀티(A)(S25)에 매칭된 설정연료량을 초과하는 엔진(7)의 운전구간을 조건으로 적용하여 이루어진다.
그 결과 상기 전부하 운전구간 판단(S50)에서 설정연료량의 운전구간조건인 경우 S60의 밸브 듀티 선택 제어로 진입되는 반면 설정연료량의 운전구간 초과조건인 경우 S70의 밸브 듀티 신뢰성확립 제어로 전환된다.
이어 컨트롤러(10)는 밸브 듀티 선택 제어(S60)에 대해 S61의 최소 EGR 밸브 듀티 산출, S62의 EGR 밸브 듀티 유지 조건 판단, S63-1의 EGR 밸브 듀티(A) 출력 또는 S6302의 최소 EGR 밸브 듀티(H)(즉, 최소 열림 EGR 밸브 듀티) 출력으로 수행한다.
이 경우 상기 최소 EGR 밸브 듀티 산출(S61)은 하기 최소 듀티 산출식을 적용한다. 상기 EGR 밸브 듀티 유지 조건(S63)은 듀티 유지 조건식을 적용하고, 이에는 밸브 듀티 신뢰성확립 제어(S70)의 EGR 밸브 목표 듀티로 EGR 밸브 듀티(A) (A)를 적용하는 조건(S80)도 포함한다.
최소 듀티 산출식 : H = B x D x E x F x G
듀티 유지 조건식 : A > H
여기서 “H”는 최소 EGR 밸브 듀티(즉, 최소 열림 EGR 밸브 듀티)이고, “B”는 최소 열림 EGR 밸브 듀티이며, “D”는 람다 듀티 보정 계수이고, “E”는 대기압 듀티 보정 계수이며, “F”는 냉각수온 듀티 보정 계수이고, “G”는 기어단수 듀티 보정 계수이며, “A"는 EGR 밸브 듀티(즉, 목표공기량 EGR밸브 듀티)이다. ”x"는 두 값의 곱셈기호이고, “>”는 두 값의 크기관계를 나타내는 부등호이다.
이로부터 상기 최소 EGR 밸브 듀티(H)는 최소 열림 EGR 밸브 듀티(B)에 람다 듀티 보정 계수(D)와 대기압 듀티 보정 계수(E), 냉각수온 듀티 보정 계수(F) 및 기어단수 듀티 보정 계수(G)를 모두 고려하여 산출된다. 상기 듀티 유지 조건은 최소 EGR 밸브 듀티(H)에 대한 EGR 밸브 듀티(A)의 크고 작음으로 결정되므로 S63-1의 EGR 밸브 듀티(A) 출력은 최소 EGR 밸브 듀티(H) 보다 클 때 인 반면 S63-2의 최소 EGR 밸브 듀티(H) 출력은 EGR 밸브 듀티(A) 보다 클 때 이루어진다.
따라서 상기 밸브 듀티 선택 제어(S60)를 통한 S2의 EGR 밸브 동작은 EGR 밸브 듀티(A)(S63-1) 또는 최소 EGR 밸브 듀티(H)(S63-2)로 이루어짐으로써 EGR 공급라인(5)의 유효단면적이 EGR 밸브(3)로 완전히 폐쇄됨이 방지된다.
반면 컨트롤러(10)는 밸브 듀티 신뢰성확립 제어(S70)에 대해 S80의 EGR밸브 목표 듀티(즉, EGR 밸브 듀티(A)) 출력 판단, S90의 EGR밸브 람다 목표 듀티(a) 출력으로 수행한다.
따라서 상기 밸브 듀티 신뢰성확립 제어(S70)를 통한 S2의 EGR 밸브 동작은 EGR 밸브 람다 목표 듀티(a)(S90)로 이루어짐으로써 EGR 공급라인(5)의 유효단면적이 EGR 밸브(3)로 완전히 폐쇄됨이 방지된다.
도 6을 참조하면, 상기 밸브 듀티 신뢰성확립 제어(S70)는 EGR 제어모드 변경을 고려한 EGR 밸브 듀티 보정을 위한 것으로서 전부하 운전구간이 적용된 S71-1 ~ S74-1의 람다 듀티 제어와 전부하 운전구간이 적용되지 않은 S71-2 ~ S74-2의 목표 듀티 제어로 구분된다.
도 7을 참조하면, EGR 제어는 목표공기량에 따라 EGR 밸브 듀티가 제어되다가 전부하영역 진입으로 고정 EGR 밸브 듀티로 제어될 때 혹은 반대의 경우에 엔진의 연소 불안정 및 운전성 문제를 야기하는 EGR 밸브 듀티 단차가 심하게 발생될을 예시한다. 그러므로 EGR 제어모드는 목표공기량 추종 EGR 밸브 듀티 제어 모드와 전부하 EGR 밸브 듀티 제어 모드의 사이로 천이구간(즉, 램프 구간(Ramp Range))을 필요로 하고, 상기 천이구간(즉, 램프 구간(Ramp Range))은 램프 출력으로 천이에 따른 단차문제를 해소하여 EGR 밸브 작동이 부드럽게 되어 엔진의 연소불안정 문제가 개선되는 효과를 가져올 수 있다.
이로부터 상기 람다 듀티 제어(S71-1 ~ S74-1)는 목표공기량 추종 EGR 밸브 듀티 제어 모드에서 전부하 EGR 밸브 듀티 제어 모드로 변경 또는 그 역으로 변경되는 경우를 반영하고, 상기 목표 듀티 제어(S71-2 ~ S74-2)는 목표공기량 추종 EGR 밸브 듀티 제어 모드로 유지되는 경우를 반영한다.
다시 도 6을 참조하면, 상기 람다 듀티 제어(S71-1 ~ S74-1)와 상기 목표 듀티 제어(S71-2 ~ S74-2)는 아래와 같이 구현된다.
일례로 상기 람다 듀티 제어(S71-1 ~ S74-1)는 S71-1의 EGR 제어모드가 EGR 제어모드 불변 조건인지 또는 EGR 제어모드 변경 조건인지에 대한 판단, S72-1의 EGR 제어모드 불변 조건(S71-1) 또는 EGR 제어모드 변경 전후 단차 미 존재(S73-1)에서 EGR 밸브 람다 목표 듀티(a)(S90)로 출력 변경, S73-1의 EGR 제어모드 변경 전후 단차(즉, 천이구간(즉, 램프 구간(Ramp Range)) 존재 확인, S74-1의 EGR 제어모드 변경 전후 단차 존재(S73-1)에서 EGR 밸브 람다 목표 듀티(a)(S90) 출력을 위한 EGR 밸브 듀티 변경으로 수행된다.
특히 상기 EGR 밸브 듀티 변경(S74-1)은 EGR 제어모드 변경 전후 단차 미 존재(S73-1)의 확인시까지 반복되고, 이를 위해 EGR밸브 목표 듀티(즉, EGR 밸브 듀티(A))가 엔진운전영역 EGR 밸브 듀티(C)와 람다 듀티 보정 계수(D)를 곱한 EGR 밸브 람다 목표 듀티(a)(S90)로 치환되는 방식을 적용한다. 그러므로 상기 EGR 밸브 람다 목표 듀티(a)(S90)는 전부하 운전구간 람다 보정값(K)(S28)과 동일하다.
일례로 상기 목표 듀티 제어(S71-2 ~ S74-2)는 S71-2의 EGR 제어모드가 EGR 제어모드 불변 조건인지 또는 EGR 제어모드 변경 조건인지에 대한 판단, S71-2의 EGR 제어모드 불변 조건(S71-2) 또는 EGR 제어모드 변경 전후 단차 미 존재(S73-2)에서 EGR밸브 목표 듀티(즉, EGR 밸브 듀티(A))(S80)로 출력 유지, S73-2의 EGR 제어모드 변경 전후 단차(즉, 천이구간(즉, 램프 구간(Ramp Range)) 존재 확인, S74-2의 EGR 제어모드 변경 전후 단차 존재(S73-2)에서 EGR밸브 목표 듀티(즉, EGR 밸브 듀티(A))(S80) 출력을 위한 EGR 밸브 람다 목표 듀티(a)(S90) 변경으로 수행된다.
특히 상기 EGR 밸브 듀티 변경(S74-2)은 EGR 제어모드 변경 전후 단차 미 존재(S73-2)의 확인시까지 반복되고, 이를 위해 엔진운전영역 EGR 밸브 듀티(C)와 람다 듀티 보정 계수(D)를 곱한 EGR 밸브 람다 목표 듀티(a)(S90)가 EGR밸브 목표 듀티(즉, EGR 밸브 듀티(A))로 치환되는 방식을 적용한다. 그러므로 상기 EGR 밸브 람다 목표 듀티(a)(S90)는 전부하 운전구간 람다 보정값(K)(S28)과 동일하다.
한편 도 1 및 도 2의 운전영역 조건제어(S20), 혼합기조건 제어(S30) 및 외부요인조건 제어(S40)는 도 8 내지 도 11을 통해 설명된다.
도 8을 참조하면, 상기 운전영역조건 제어(S20)에서는 S21-1의 엑셀페달 위치에 따른 운전자 요구토크 및 S21-2의 크랭크포지션 위치로 엔진회전수를 각각 계산(또는 검출)하고, S22의 운전자 요구토크(S21-1)와 엔진회전수(S21-2)에 기반 하여 엔진운전영역을 검출하고, S23의 목표공기량 결정, S24의 목표공기량과 현재공기량 비교, S25의 EGR 밸브 듀티(A) 결정이 이루어진다.
특히 상기 엔진운전영역 검출(S22)에서는 S26의 최소 열림 EGR 밸브 듀티(B) 결정이 이루어지고, 상기 최소 열림 EGR 밸브 듀티(B)는 S61의 최소 EGR 밸브 듀티 산출을 의해 사용된다. 또한 상기 엔진운전영역 검출(S22)에서는 S27의 엔진운전영역 EGR 밸브 듀티(C) 결정이 이루어지고, S28의 전부하 운전구간 람다 보정값(K) 출력이 이루어진다. 이 경우 상기 엔진운전영역 EGR 밸브 듀티(C)는 전부하 운전구간 람다 보정값(K)에 사용되고, 상기 전부하 운전구간 람다 보정값(K)은 엔진운전영역 EGR 밸브 듀티(C)와 혼합기조건 제어(S30)의 람다 듀티 보정 계수(D)를 곱해 산출되므로 EGR 밸브 람다 목표 듀티(a)(S90)와 동일하다.
도 4를 참조하면, 상기 컨트롤러(10)는 크랭크포지션센서(6b)로 엔진(7)의 엔진속도를 인식하고, APS(6a)로 인식한 엑셀페달(8)의 개도로 부터 운전자 요구토크 계산하여 인젝터(7-1)의 엔진 연료분사량을 결정하며, 엔진속도와 연료분사량에 따라서 목표공기량을 계산하고, 공기량센서(6c)로 현재 공기량을 파악하여 목표공기량과 현재 공기량 비교에 따른 EGR 밸브 제어 듀티(즉, 목표공기량 EGR 밸브 듀티)를 결정한다.
도 9를 참조하면, EGR 밸브 듀티(A)와 최소 열림 EGR 밸브 듀티(B) 또는 EGR 밸브 람다 목표 듀티(a)의 차이를 알 수 있다.
도시된 바와 같이, EGR 제어가 목표공기량을 추종하는 방식으로 이루어지는 경우 가속 또는 급가속 시 터보렉에 의해 부스트 압력 형성이 지연됨에 따라 고부하에서 목표공기량 상향에 의한 EGR공급 불가로 실제 공기량이 목표공기량에 미치지 못하는 상황으로 발전된다. 이로 인해 EGR 밸브(3)가 최소 설정 듀티 이하로 출력되는 EGR 밸브 듀티(즉, EGR 밸브 듀티(A))로 인해 닫히므로 NOx Peak가 발생되는 EGR 공급 중단 현상을 발생시킬 수 있다. 그러나 최소 EGR 밸브 듀티(즉, 최소 열림 EGR 밸브 듀티(B) 또는 EGR 밸브 람다 목표 듀티(a))는 최소 설정 듀티 보다 높게 설정되므로 공기량이 목표공기량 보다 낮은 상황에서도 최소한의 EGR 공급을 유지함으로써 NOx Peak가 발생되는 EGR 공급 중단 현상을 방지할 수 있다.
도 10을 참조하면, 상기 혼합기조건 제어(S30)와 상기 외부요인조건 제어(S40)는 아래와 같이 수행된다.
일례로 상기 혼합기조건 제어(S30)에서는 S31의 이슬점온도(dew Point)를 이용한 람다센서 활성화 판단, S32의 이슬점온도(dew Point) 감지(S31)에 따른 람다센서신호를 적용한 람다 센서 값 설정, S33의 이슬점온도(dew Point) 미감지(S31)에 따른 공기량센서 신호와 연료분사량을 적용한 람다 계산 값 설정, S34의 람다 센서 값(S32) 또는 람다 계산 값(S33)에 따른 람다 듀티 보정 계수(D) 산출이 이루어진다.
그 결과 상기 람다 듀티 보정 계수(D)(S34)는 운전영역조건 제어(S20)의 전부하 운전구간 람다 보정값(K) 출력(S28 및 밸브 듀티 선택 제어(S60)의 최소 EGR 밸브 듀티 산출(S61)에 사용된다.
일례로 상기 외부요인조건 제어(S40)는 S41의 대기압센서(6g)에 의한 대기압 검출, S42의 대기압에 따른 대기압 듀티 보정 계수(E) 산출, S43의 냉각수온센서(6h)에 의한 냉각수온 검출, S44의 냉각수온에 따른 냉각수온 듀티 보정 계수(F) 산출, S45의 기어단센서(6i)에 의한 기어단수 검출, S46의 기어단수에 따른 기어단수 듀티 보정 계수(G) 산출이 이루어진다.
그 결과 상기 대기압 듀티 보정 계수(E)(S42), 냉각수온 듀티 보정 계수(F)(S44), 기어단수 듀티 보정 계수(G)(S46)는 밸브 듀티 선택 제어(S60)의 최소 EGR 밸브 듀티 산출(S61)에 사용된다.
도 11을 참조하면, 람다/냉각수온/기어단수/대기압에 따른 최소 EGR 밸브 듀티(H) 및 전부하 EGR 밸브 듀티 보정계수(EGR 밸브 람다 목표 듀티(a)가 예시된다.
람다 듀티 보정 계수(D)가 적용된 람다 선도는 낮은 람다 조건에서 실린더 내의 연료/공기 혼합비율이 너무 농후하여 EGR을 더 공급할 경우 연소 및 매연배출이 더 악화 될 수 있으므로 EGR 공급량을 감소시켜줌을 나타낸다. 그 결과 상기 람다 선도는 낮아지는 람다로 인해 공기가 희박해지고 심할 경우 연소불안정 및 과도한 매연 발생이 일어나지 않도록 한다.
대기압 듀티 보정 계수(E)가 적용된 대기압 선도는 대기압이 낮아질수록 EGR 공급량을 감소시켜줌을 나타낸다. 그 결과 상기 대기압 선도는 낮아지는 대기압으로 인해 공기밀도가 낮아지고 연소에 필요한 공기량이 감소하더라도 연소안정성을 확보할 수 있도록 한다.
냉각수온 듀티 보정 계수(F)가 적용된 냉각수온 선도는 냉간 상태에서 EGR 공급량을 감소시켜줌을 나타낸다. 그 결과 상기 냉각수온 선도는 낮은 냉각수온으로 인해 연소온도가 너무 낮아서 발생되는 연소불안정을 방지할 수 있도록 한다.
기어단수 듀티 보정 계수(G)가 적용된 기어단수 선도는 차량에 따라 엔진속도의 상승속도 정도를 달리하는 기어단수에 따른 EGR 공급 자유도 확보로 토크 저하를 방지할 수 있도록 한다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 EGR 시스템(1)에 적용된 EGR 제어 방법은 컨트롤러(10)를 통해 가속이 적용된 운전영역, 공기-연료 농후가 적용된 혼합기, 냉각수온과 고지대 및 기어단수가 적용된 외부요인이 각각 밸브제어조건으로 검출되고, 흡입공기량 대비 목표공기량으로 설정된 EGR 밸브 듀티를 상기 밸브제어조건에 맞춰 최소 EGR 밸브 듀티(H)로 산출하여 EGR 밸브(3)에 대한 EGR 밸브 듀티로 적용해주는 밸브 듀티 차등화 제어를 구현함으로써 최소 열림 EGR 밸브 듀티(B)를 통한 EGR 밸브 듀티 이원화 및 보정 계수를 통한 최소 EGR 밸브 듀티(H)로 과도한 NOx Peak의 원인인 EGR 공급 끊김 방지와 함께 연소불안정과 토크저하 및 매연 과다 현상 방지가 가능하다.
1 : EGR(Exhaust Gas Recirculation) 시스템
2 : 터보차저 3 : EGR 밸브
4-1 : 배기라인 4-2 : 흡기라인
5 : EGR 공급라인
6 : 센서 유닛 6a : APS(Accelerator Pedal Sensor)
6b : 크랭크포지션센서 6c : 공기량센서
6d : EGR 밸브 포지션센서 6e : 람다센서
6f : 인젝터센서 6g : 대기압센서
6h : 냉각수온센서 6i : 변속센서
7 : 엔진 7-1 : 인젝터
8 : 엑셀 폐달 9 : 변속레버
10 : 컨트롤러 11 : 운전영역조건 제어 맵
12 : 혼합기조건 제어 맵 13 : 외부요인조건 제어 맵
20 : 듀티 출력부

Claims (20)

  1. EGR 시스템을 제어하는 컨트롤러에 의해 엔진운전영역, 혼합기영역, 외부요인영역이 EGR 밸브 듀티 보정 변수를 위한 밸브제어조건으로 검출되고, 흡입공기량 대비 목표공기량으로 설정된 EGR 밸브 듀티에 상기 EGR 밸브 듀티 보정 변수가 적용되어 최소 EGR 밸브 듀티를 산출한 후 EGR 밸브에 EGR 밸브 듀티로 출력되는 밸브 듀티 차등화 제어;가 포함되며;
    상기 밸브 듀티 차등화 제어는 상기 엔진운전영역과 상기 혼합기영역 및 상기 외부요인영역의 각각에서 상기 EGR 밸브 듀티 보정 변수를 산출하는 조건 제어, 설정연료량에 적합한 엔진운전구간을 이용하는 밸브 듀티 선택 제어, 설정연료량을 벗어난 엔진운전구간을 이용하는 밸브 듀티 신뢰성확립 제어로 구분되고;
    상기 밸브 듀티 선택 제어는 상기 EGR 밸브 듀티 보정 변수를 적용하여 상기 최소 EGR 밸브 듀티가 산출되는 단계, 상기 EGR 밸브 듀티와 상기 최소 EGR 밸브 듀티에 대한 적용이 판단되는 단계, 상기 EGR 밸브 듀티 또는 상기 최소 EGR 밸브 듀티가 결정되어 출력되는 단계로 수행되는 것을 특징으로 하는 EGR 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 엔진운전영역은 가속 또는 급가속을 조건으로 하고, 상기 혼합기영역은 엔진의 실린더 내 공기-연료의 과농을 조건으로 하며, 상기 외부요인영역은 냉각수온과 고지대 및 기어단수를 조건으로 하는 것을 특징으로 하는 EGR 제어 방법.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 조건 제어는 상기 엔진운전영역에서 상기 EGR 밸브 듀티 보정 변수가 산출되는 운전영역조건 제어, 상기 혼합기영역에서 상기 EGR 밸브 듀티 보정 변수가 산출되는 혼합기조건 제어, 상기 외부요인영역에서 상기 EGR 밸브 듀티 보정 변수가 산출되는 외부요인조건 제어로 구분되는 것을 특징으로 하는 EGR 제어 방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 운전영역조건 제어는 목표공기량 EGR 밸브 듀티, 최소 열림 EGR 밸브 듀티, 엔진운전영역 EGR 밸브 듀티, EGR 밸브 람다 목표 듀티를 상기 EGR 밸브 듀티 보정 변수로 산출하고, 상기 혼합기조건 제어는 람다 듀티 보정 계수를 상기 EGR 밸브 듀티 보정 변수로 산출하며, 상기 외부요인조건 제어는 대기압 듀티 보정 계수, 냉각수온 듀티 보정 계수, 기어단수 듀티 보정 계수를 상기 EGR 밸브 듀티 보정 변수로 산출하는 것을 특징으로 하는 EGR 제어 방법.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 운전영역조건 제어는 엑셀페달 위치로 운전자 요구토크 계산으로 엔진운전영역이 검출되는 단계, 상기 엔진운전영역에서 결정된 목표공기량을 현재공기량과 비교하여 상기 EGR 밸브 듀티가 흡입공기량 대비 목표공기량으로 설정되는 단계, 상기 엔진운전영역에서 EGR 공급라인의 유효단면적이 상기 EGR 밸브로 완전 폐쇄되자 않는 최소 열림 EGR 밸브 듀티가 결정되고 더불어 상기 엔진운전영역에 맞춘 엔진운전영역 EGR 밸브 듀티가 결정되는 단계, 상기 엔진운전영역 EGR 밸브 듀티를 상기 혼합기조건 제어의 람다 듀티 보정 계수로 전부하 운전구간 람다 보정값으로 변환시켜 설정연료량에 맞춰진 엔진운전구간이 판단되는 단계
    로 수행되는 것을 특징으로 하는 EGR 제어 방법.
  7. 청구항 4에 있어서, 상기 혼합기조건 제어는 이슬점온도(dew Point)를 이용한 람다센서 활성화가 판단되는 단계, 람다센서신호를 적용한 람다 센서 값 또는 공기량센서 신호와 연료분사량을 적용한 람다 계산 값이 설정되는 단계, 상기 람다 센서 값 또는 상기 람다 계산 값으로 람다 듀티 보정 계수가 산출되어 출력되는 단계
    로 수행되는 것을 특징으로 하는 EGR 제어 방법.
  8. 청구항 4에 있어서, 상기 외부요인조건 제어는 검출된 대기압에 따른 대기압 듀티 보정 계수가 산출되어 출력되는 단계, 검출된 냉각수온에 따른 냉각수온 듀티 보정 계수가 산출되어 출력되는 단계, 검출된 기어단수에 따른 기어단수 듀티 보정 계수가 산출되어 출력되는 단계
    로 수행되는 것을 특징으로 하는 EGR 제어 방법.
  9. 삭제
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 최소 EGR 밸브 듀티는 상기 엔진운전영역의 최소 열림 EGR 밸브 듀티, 상기 혼합기영역의 람다 듀티 보정 계수, 상기 외부요인영역의 대기압 듀티 보정 계수, 냉각수온 듀티 보정 계수, 기어단수 듀티 보정 계수를 적용하는 것을 특징으로 하는 EGR 제어 방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 최소 EGR 밸브 듀티의 산출은 상기 최소 열림 EGR 밸브 듀티, 상기 람다 듀티 보정 계수, 상기 대기압 듀티 보정 계수, 상기 냉각수온 듀티 보정 계수, 상기 기어단수 듀티 보정 계수를 함께 곱하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 EGR 제어 방법.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 EGR 밸브 듀티와 상기 최소 EGR 밸브 듀티는 서로에 대해 큰 값으로 적용 판단이 이루어지는 것을 특징으로 하는 EGR 제어 방법.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 밸브 듀티 신뢰성확립 제어는 상기 엔진운전구간이 적용되고 EGR 제어모드가 고려되어 EGR 밸브 람다 목표 듀티를 상기 EGR 밸브로 출력해 주는 람다 듀티 제어, 상기 엔진운전구간이 적용되지 않고 EGR 제어모드가 고려되어 상기 EGR 밸브 듀티를 상기 밸브 듀티 선택 제어로 출력해 주는 목표 듀티 제어
    로 구분되는 것을 특징으로 하는 EGR 제어 방법.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 람다 듀티 제어는 상기 EGR 제어모드가 EGR 제어모드 불변 조건 및 EGR 제어모드 변경 조건으로 판단되는 단계, 상기 EGR 제어모드 변경 조건에서 EGR 제어모드 변경 전후 단차가 확인되는 단계, 상기 EGR 제어모드 불변 조건 또는 상기 EGR 제어모드 변경 전후 단차 미 존재 조건에서 상기 조건 제어 중 운전영역조건 제어의 엔진운전영역 EGR 밸브 듀티 및 혼합기조건 제어의 람다 듀티 보정 계수로 EGR 밸브 람다 목표 듀티가 출력되는 단계, 상기 EGR 제어모드 변경 전후 단차 존재 조건에서 상기 EGR 밸브 듀티를 상기 EGR 밸브 람다 목표 듀티로 변경시켜주는 단계
    로 수행되는 것을 특징으로 하는 EGR 제어 방법.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 EGR 밸브 듀티는 상기 엔진운전영역 EGR 밸브 듀티 및 상기 혼합기조건 제어의 람다 듀티 보정 계수를 곱하여 상기 EGR 밸브 람다 목표 듀티로 변경되는 것을 특징으로 하는 EGR 제어 방법.
  16. 청구항 13에 있어서, 상기 목표 듀티 제어는 상기 EGR 제어모드가 EGR 제어모드 불변 조건 및 EGR 제어모드 변경 조건으로 판단되는 단계, 상기 EGR 제어모드 변경 조건에서 EGR 제어모드 변경 전후 단차가 확인되는 단계, 상기 EGR 제어모드 불변 조건 또는 상기 EGR 제어모드 변경 전후 단차 미 존재 조건에서 상기 EGR 밸브 듀티가 출력되는 단계, 상기 EGR 제어모드 변경 전후 단차 존재 조건에서 상기 EGR 밸브 람다 목표 듀티를 상기 EGR 밸브 듀티로 변경시켜주는 단계
    로 수행되는 것을 특징으로 하는 EGR 제어 방법.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 EGR 밸브 람다 목표 듀티는 상기 엔진운전영역의 엔진운전영역 EGR 밸브 듀티 및 상기 혼합기영역의 람다 듀티 보정 계수를 곱하여 상기 EGR 밸브 듀티로 변경되는 것을 특징으로 하는 EGR 제어 방법.
  18. 청구항 1,2,4 내지 8 및 10 내지 17 중 어느 한 항에 의한 EGR 제어 방법을 수행하는 EGR시스템에 있어서,
    가속이 적용된 운전영역, 공기-연료 농후가 적용된 혼합기, 냉각수온과 고지대 및 기어단수가 적용된 외부요인이 각각 밸브제어조건으로 검출되고, 흡입공기량 대비 목표공기량으로 설정된 EGR 밸브 듀티를 상기 밸브제어조건에 맞춰 최소 EGR 밸브 듀티로 산출하여 EGR 밸브에 대한 EGR 밸브 듀티로 적용해주는 밸브 듀티 차등화 제어를 구현하는 컨트롤러;
    가 포함되는 것을 특징으로 하는 EGR시스템.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 컨트롤러는 운전영역조건 제어 맵, 혼합기조건 제어 맵, 외부요인조건 제어 맵을 포함하고;
    상기 운전영역조건 제어 맵에는 목표공기량 EGR밸브 듀티와 엔진운전영역 EGR 밸브 듀티 및 최소 열림 EGR 밸브 듀티가 테이블로 구축되고, 상기 혼합기조건 제어 맵에는 공기/연료 비율의 과농에 대한 람다 값이 테이블로 구축되며, 상기 외부요인조건 제어 맵에는 냉각수온, 공기량, 기어단수가 테이블로 구축되는 것을 특징으로 하는 EGR시스템.
  20. 청구항 18에 있어서, 상기 컨트롤러에는 센서 유닛이 연결되고, 상기 센서 유닛은 엑셀 폐달의 스트로크를 검출하는 APS(Accelerator Pedal Sensor), 엔진의 크랭크샤프트 회전위치를 검출하는 크랭크포지션센서, 상기 엔진으로 이어진 흡기라인의 신기를 검출하는 공기량센서, 상기 EGR 밸브의 밸브개도위치를 검출하는 EGR 밸브 포지션센서, 상기 엔진으로 이어진 배기라인의 배기가스 성분을 검출하는 람다센서, 상기 엔진의 실린더로 분사되는 연료를 검출하는 인젝터센서, 차량 주변의 대기압을 검출하는 대기압센서, 상기 엔진의 실린더블록을 흐르는 냉각수온을 검출하는 냉각수온센서, 변속레버의 조작에 따른 변속단을 검출하는 변속센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 EGR시스템.
KR1020180081083A 2018-07-12 2018-07-12 밸브 듀티 차등화 방식 egr 제어 방법 및 egr 시스템 KR102518657B1 (ko)

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