KR101361409B1 - 혼합연소 엔진 시스템의 과도 운전구간 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 혼합연소 엔진 시스템에서의 연소 모드 전환 시 다이나믹 모델링 기반의 EMS 제어를 통해 제어 안정성을 확보할 수 있는 혼합연소 엔진 시스템의 과도 운전구간 제어방법에 관한 것이다.

Description

혼합연소 엔진 시스템의 과도 운전구간 제어방법{Transient operation section control method for Gasoline/Diesel Duel fuel powered combustion engine system}

본 발명은 제어안정성을 확보할 수 있는 혼합연소 엔진 시스템의 과도 운전구간 제어방법에 관한 것이다.

최근 들어, 연비가 좋은 디젤 엔진 연소의 장점과 NOx, 스모크(Smoke) 저감에 유리한 가솔린 엔진 연소방식의 장점을 모두 취한 가솔린 디젤 혼합연소 엔진에 대한 기술 개발이 진행되고 있다.

상기 가솔린 및 디젤 연료를 동시에 연소시키는 혼합연소 엔진 시스템의 경우 디젤연료의 착화 안정성 확보와 가솔린 연료의 노킹(Knocking) 방지를 위해 기존 디젤엔진보다 낮은 압축비를 적용한다.

이로 인하여 저부하 운전영역에서 디젤엔진의 착화 안정성 확보에 어려움이 있다.

또한, 디젤 연료를 착화원으로 활용하기 위해 기존의 가솔린 엔진보다는 높은 압축비를 적용하게 되며, 이로 인하여 고부하 운전 영역에서 가솔린 연료의 노킹 문제가 발생한다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 상기 혼합연소 엔진 시스템은 아이들 근처의 저부하 운전영역과 BMEP(Brake mean effective pressure) 13 bar 이상의 고부하 운전영역에서 가솔린 SI 연소를 활용하고 있으며, 가솔린 연료의 노킹 방지를 위해 압축비 가변 기술(예, 가변압축비 기구, 가변 밸브 기구)를 적용하고 있다.

도 1은 혼합연소 엔진의 운전영역별 연소모드를 보여주는 그래프로서, 엔진의 중간 부하(middle load) 영역에서는 가솔린 및 디젤 혼합연소 모드로, 저부하(low load) 및 고부하(high load) 영역에서는 가솔린 PFI(Port Fuel Injection) 연소 모드로 엔진이 운전된다.

그러나, 주행 시 시간에 따라 엔진 운전점(엔진 스피드 및 연료량 등)이 변하는 과도(Transient) 운전 구간에서 혼합연소 모드(Diesel-triggered Compression Ignition; 압축착화) 및 가솔린 SI(Spark Ignition;스파크 점화) 연소 모드의 전환이 요구되며, 모드 전환 시 급격한 유효압축비 변경 및 연료 조성 변화로 인하여 제어 안정성 확보에 어려움이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 혼합연소 엔진 시스템에서의 연소 모드 전환 시 다이나믹 모델링 기반의 EMS 제어를 통해 제어 안정성을 확보할 수 있는 혼합연소 엔진 시스템의 과도 운전구간 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 혼합연소 엔진 시스템의 과도 운전구간 제어방법은 가솔린 및 디젤 연료를 동시에 사용하여 연소시키는 혼합연소 엔진 시스템에서의 연소 모드 전환 시, 엔진 운전조건을 검출하는 단계; EMS(electronic management system)는 상기 엔진 운전조건에 따라 EMS 파라미터를 결정하는 단계; 상기 검출된 엔진 운전조건과 결정된 EMS 파라미터에 기반하여 다이나믹 모델을 통해 모델링 값을 산출하는 단계; 상기 산출된 모델링 값이 목표경계조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계; 상기 산출된 모델링 값이 목표경계조건을 만족하는 경우에 기존의 EMS 파라미터에 의해 액츄에이터를 제어하고, 목표경계조건을 만족하지 못하는 경우에 역 다이나믹 모델을 통해 기존의 EMS 파라미터를 보정하는 단계; 및 상기 보정된 EMS 파라미터에 의해 각종 액츄에이터를 제어하는 단계를 포함하여, 엔진의 연소 모드 전환 시 제어 안정성을 확보할 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 다이나믹 모델은 엔진의 동적 거동 특성, 즉 NOx, CO, THC(탄화수소), 노킹, SOC(Angle of Start of Combustion)이 반영되는 것을 특징으로 한다.

상기 EMS 파라미터는 가솔린 및 디젤 연료비율, 점화시기, 분사시기, 유압압축비인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 혼합연소 엔진 시스템에서의 과도 운전구간 제어방법의 장점을 설명하면 다음과 같다.

혼합연소 엔진 시스템에서 연소 모드 전환시 다이나믹 모델에 기반하여 유효압축비, 가솔린 및 디젤 연료량, 점화시기, 각종 공기계 액츄에이터를 제어하고, 다이나믹 모델에 의해 산출된 모델링 값이 목표경계조건을 만족하지 못하는 경우에 역 다이나믹 모델을 통해 목표경계조건을 만족할 수 있도록 EMS 파라미터를 보정함으로써, 과도 운전구간에서 연소모드 전환 시 제어 안정성을 확보할 수 있다.

도 1은 혼합연소 엔진의 운전영역별 연소모드를 보여주는 그래프
도 2는 본 발명에 따른 혼합연소 엔진 시스템의 과도 운전구간 제어방법의 순서도
도 3은 본 발명에 따른 다이나믹 모델 기반의 EMS 제어를 설명하기 위한 블록도

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 혼합연소 엔진 시스템의 과도 운전구간 제어방법의 순서도이고, 도 3은 본 발명에 따른 다이나믹 모델 기반의 EMS 제어를 설명하기 위한 블록도이다.

본 발명은 혼합연소 엔진 시스템에서 연소 모드 전환 시 다이나믹 모델링 기반의 EMS(Electronic Management System) 제어를 통한 제어 안정성을 확보할 수 있는 혼합연소 엔진 시스템에서의 과도 운전구간 제어방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 혼합연소 엔진 시스템에서의 과도 운전구간 최적 제어방법을 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 과도 운전구간 최적 제어방법은 엔진의 동적 거동 특성이 반영되는 다이나믹 모델(Dynamic model)에 기반하여 유효압축비, 가솔린 및 디젤 연료량, 점화시기(spark timing), 각종 공기계 액츄에이터를 제어한다.

먼저 엔진 운전조건을 검출한다.

상기 엔진 운전조건이란 엔진스피드, 악셀개도, 환경조건을 말하고, 환경조건은 흡기매니폴드의 온도 등을 포함한다.

그 다음, EMS는 상기 엔진 운전조건에 따라 EMS 파라미터를 결정한다.

상기 EMS는 엔진스피드센서, 악셀포지션센서 및 흡기온도센서로부터 각각 신호를 입력받아 엔진스피드, 악셀 개도 및 흡기매니폴드의 온도를 감지하고, 이 엔진 조건에 따라 EMS 파라미터를 결정한다.

상기 EMS 파라미터는 연료량, 가솔린 및 디젤 연료비율, 점화시기, 분사시기, 캠포지션, 부스트 압력 등을 말한다.

다이나믹 모델은 엔진의 동적 거동 특성, 예를 들어 NOx, PM량, 노킹, SOC(Angle of Start of Combustion) 등이 반영되는 모델로서, EMS는 다이나믹 모델을 통해 측정된 엔진 운전조건과 이에 따라 결정된 EMS 파라미터에 기반하여 이미션(Emission), 노크(Knock), SOC(Angle of Start of Combustion)를 예측할 수 있다.

다시 말해서, 현재 운전조건에서의 엔진스피드, 연료량 및 흡기 매니폴드 온도와 같은 환경조건과, 엔진 운전조건에 따른 가솔린 및 디젤 연료비율, 점화시기(spark plug), 분사시기(disel injector), 유효압축비 가변, 흡기 매니폴드 압력 목표값에 기반하여 다이나믹 모델인 이미션(NOx, CO, THC(탄화수소)), 노크, SOC 모델을 통해 NOx(model), CO(model), THC(model), 노크 레벨(knock level model), SOC(Angle of Start of Combustion)의 모델링 값을 산출한다.

이어서, 상기 이미션, 노크 레벨, SOC 모델링 값이 목표경계조건(목표값)을 만족하는지 여부를 판단한다.

상기 이미션, 노크 레벨, SOC 모델링 값이 목표경계조건을 만족하는 경우에 현재의 엔진운전조건 및 이에 따라 결정된 EMS 제어를 통해 각종 액츄에이터를 제어한다.

하지만, 상기 이미션, 노크 레벨, SOC 모델링 값이 목표경계조건을 만족하지 않는 경우에 목표경계조건을 만족시킬 수 있는 역 다이나믹 모델(Inverse dynamic model)을 통해 현재의 EMS 파라미터를 보정한다.

EMS는 역 다이나믹 모델을 통해 다이나믹 모델에서 산출된 모델링 값 및 엔진스피드, 연료량, 현재 엔진에서의 흡기매니폴드 온도, 압력, 공기량 등 환경조건 및 센서값을 기반으로 목표경계조건을 만족시킬 수 있도록 각 EMS 파라미터를 보정한다.

다시 말해서, 기존의 다이나믹 모델에서 산출된 모델링 값과, 현재 엔진 운전조건, 환경조건 및 센서값을 기반하여 목표값을 만족시킬 수 있는 연료비율 모델, 점화시기 모델, 분사시기 모델, 유효 압축비 모델, 흡기 매니폴드 압력 모델을 통해 각 EMS 파라미터, 즉 가솔린/디젤 연료비율, 점화시기, 분사시기, 유효 압축비 가변 및 흡기 매니폴드 압력 등을 보정한다.

계속해서, 상기 보정된 EMS 파라미터에 따라 각종 액츄에이터를 작동시킨다.

따라서, 본 발명에 의하면 혼합연소 엔진 시스템에서 연소 모드 전환시 다이나믹 모델에 기반하여 유효압축비, 가솔린 및 디젤 연료량, 점화시기, 각종 공기계 액츄에이터를 제어하고, 다이나믹 모델에 의해 산출된 모델링 값이 목표경계조건을 만족하지 못하는 경우에 역 다이나믹 모델을 통해 목표경계조건을 만족할 수 있도록 EMS 파라미터를 보정함으로써, 과도 운전구간에서 연소모드 전환 시 제어 안정성을 확보할 수 있다.

Claims (3)

1. 가솔린 및 디젤 연료를 동시에 사용하여 연소시키는 혼합연소 엔진 시스템의 과도 운전구간 제어방법에 있어서,
   엔진 운전조건을 검출하는 단계;
   EMS(electronic management system)는 상기 엔진 운전조건에 따라 EMS 파라미터를 결정하는 단계;
   상기 검출된 엔진 운전조건과 결정된 EMS 파라미터에 기반하여 다이나믹 모델을 통해 모델링 값을 산출하는 단계;
   상기 산출된 모델링 값이 목표경계조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계;
   상기 산출된 모델링 값이 목표경계조건을 만족하는 경우에 기존의 EMS 파라미터에 의해 액츄에이터를 제어하고, 목표경계조건을 만족하지 못하는 경우에 역 다이나믹 모델을 통해 기존의 EMS 파라미터를 보정하는 단계;
   상기 보정된 EMS 파라미터에 의해 각종 액츄에이터를 제어하는 단계;
   를 포함하여, 엔진의 연소 모드 전환 시 제어 안정성을 확보할 수 있는 것을 특징으로 하는 혼합연소 엔진 시스템의 과도 운전구간 제어방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 다이나믹 모델은 엔진의 동적 거동 특성, 즉 NOx, CO, THC(탄화수소), 노킹, SOC(Angle of Start of Combustion)이 반영되는 것을 특징으로 하는 혼합연소 엔진 시스템의 과도 운전구간 제어방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 EMS 파라미터는 가솔린 및 디젤 연료비율, 점화시기, 분사시기, 유압압축비인 것을 특징으로 하는 혼합연소 엔진 시스템의 과도 운전구간 제어방법.
   

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