KR0121315B1 - 내연 기관용 개방/차단 루프 제어 시스템 - Google Patents

내연 기관용 개방/차단 루프 제어 시스템

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KR0121315B1
KR0121315B1 KR1019890701459A KR890701459A KR0121315B1 KR 0121315 B1 KR0121315 B1 KR 0121315B1 KR 1019890701459 A KR1019890701459 A KR 1019890701459A KR 890701459 A KR890701459 A KR 890701459A KR 0121315 B1 KR0121315 B1 KR 0121315B1
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하르트 슈나이벨 에버
슈나이더 에리흐
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랄프 베렌스, 게오르그 뮐러
로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

내연 기관(12)의 공기/연료 혼합을 조정하기 위한 개방/차단 루프 제어 시스템은 내연 기관(12)의 배기가스에 노출되어 연료/공기 비율 λ의 측정치를 나타내는 출력 신호를 출력하는 산소 프로우브(λ-프로우브(14))와; 선정된 연료/공기 비율 λ에 대해 내연 기관(12)을 미리 제어하기 위해 내연 기관(12)의 동작특성에 따라 연료 미터링 시간을 저장하는 기본 저장부(10)와; 내연기관(12)의 동작 특성에 따라 연료/공기 비율 λ의 세트포인트를 저장하는 세트포인트 저장부(18)및; 각 경우에 측정된 상기 λ-프로우브의 출력신호 및 상기 세트포인트 저장부(18)로부터 판독된 관련 세트포인트에 따라, 상기 기본 저장부(10)(부가된 λ 제어)로부터 판독된 상기 연료 미터링 시간을 보정하는 차단 루프 제어 소자부(20)를 구비한다. 상기 세트포인트 저장부(12)는 연료/공기 비율 λ의 역수값을 세트포인트로서 저장되며, 상기 기본 저장부(10)로부터 판독된 각 경우의 연료 미터링 시간은 소정의 연료/공기 비율 λ 의 변화에 적응된 연료 미터링 시간을 얻기 위해 상기 세트포인트 저장부(18)로부터 판독된 연료/공기 비율 λ의 연관된 상기 역수값에 승산되며, 변환 장치(16)는 λ-프로우브의 출력 신호와 연료/공기 비율 λ 사이의 근사하게 공지된 프로우브 특성관계식을 이용하여, 출력 신호를 실제값으로서 연료/공기 비율 λ 의 대응 역수값으로 변환한다.
연료/공기 비율 λ의 역수값과 연료량사이의 선형 관계식을 고려함으로써, 간단한 선형 차단 제어 장치에 의해 신속하고 정확한 제어가 실현된다.

Description

[발명의 명칭]
내연 기관용 개방/차단 루프 제어 시스템
[도면의 간단한 설명]
본 발명의 실시예는 도면에 도시되며 본 발명의 실시예는 더 세부적으로 후술된다. 도면은
Figure kpo00001
값에 기초하여 연료 주입 시간을 제어하는 개방/차단 루프 제어 시스템의 실시예에 대한 블럭도를 도시한다.
[발명의 상세한 설명]
본 발명은 내연 기관의 공기/연료 혼합을 조정하기 위한 개방/차단 루프 제어 시스템에 관한 것이다.
[종래의 기술]
상기 시스템은 내연 기관의 배기 가스에 노출된 λ-프로우브를 가지며, 이 λ-프로우브는 연료/공기 비율 λ를 표시하는 신호를 출력한다. 특히, λ-프로우브는 λ=1(네른스트형 λ-프로우브)의 범위에서 실질적으로 스탭형 변화를 나타내는 특성이 있다. 또, 상기 개방/차단 루프 제어 시스템은 기본 저장부, 세트포인트 저장부, 및 차단 루프 제어 소자부를 가진다. 상기 기본 저장부에 있어서, 연료 미터링 시간(예를 들면 내연 기관의 주입 밸브에 대한 주입 시간)들은 내연 기관의 동작 특성에 따라 저장되며, 상기 세트포인트 저장부에 있어서는, 연료/공기 비율 λ의 세트포인트들은 내연 기관의 동작 특성에 따라 저장된다. 상기 차단 루프 제어 소자부는 각 경우의 측정된 λ-프로우브의 출력 신호 및 상기 세트포인트 저장부의 관련된 세트포인트 판독에 따라 기본 저장부의 각 경우의 판독된 연료미터링 시간을 보정한다.
낮은 오염 차량은 내연 기관의 배연가스중에 제공된 3-방식 촉매 컨버터로 동작된다. 촉매 컨버터의 최적 변화 비율을 보장하기 위해서, λ=1인 연료/공기 비율이 거의 정확하게 유지되는 것이 필수적인데, 다시말해서 연료/공기 비율 λ가 λ=1의 값에 근사한 특정 허용량(소위 촉매 컨버터 윈도우)까지만 변동해야 한다.
실제로 구성된 차단 루프 제어 시스템에 있어서, 제어는 λ=1로 정확하게 실행되는 것이 드물며 λ
Figure kpo00002
1(예를 들면, λ=0.998)로 실행될 것이다. 다음 내용에 있어서, λ=1인 제어는 단순성의 이유로 계속 이용될 것이며, λ
Figure kpo00003
1도 또한 고려된다.
만약 촉매 컨버터가 제공되지 않으면, 내연 기관의 배기 가스의 특정 오염성분을 감소시키기 위한 또다른 가능성은 내연 기관이 λ1인 범위에서 동작하는데 있다. 그래서 배기 가스에 포함된 일산화질화물(NOx)의 큰 감소, 예를 들면, λ=1.4의 연료/공기 비율이 실현된다. 배기 가스의 일산화탄소(CO) 함유는 λ=1의 연료/공기 비율로 이미 매우 낮다. 그러나, 큰 연료/공기 비율(λ
Figure kpo00004
1.1)을 갖는 배기 가스의 하이드로카본 함유(HC)에 증가가 있다. 그런데, 내연 기관의 구동 특성은 연료/공기 비율 λ를 증가시키고 상기 오염 성분의 감소가 가능한 방식으로 나타난다. 임의의 동작 상태에서 내연 기관의 적절한 구동 특성을 획득하기 위해서, 임의의 상황하에서 연료/공기 비율 λ의 값이 1 이하로 발생하도록 부가 연료량을 증가시킴으로써 특정 동작 상태(예를 들면 아이들링(idling), 전부하)에서 공기/연료 혼합물을 증가시키는 것이 필요하다.
차단 루프 제어 기술에 의하여 광역 제어 범위(λ
Figure kpo00005
0.9 내지 1.4)를 확실하게 커버할 수 있도록, 종래 기술에서 가능한 해결책에 따라 정교한 회로 측정에 의한 개개의 제어 범위간의 스위치-오버를 실현하거나 여러 제어기를 사용하는 것이 필수적이다. 따라서, λ=1 범위 및 λ1범위에 대해서 스위칭 가능한 제어범위를 가진 내연 기관의 혼합 성분에 대한 차단 루프 제어 시스템은 독일특허공보 제32 31 122호에서 공지되어 있으며, λ=1인 제어는 두-위치 제어기의 변경된 세트포인트를 통하거나 일정 제어기를 통해 두-위치 제어기 및 λ1인 제어에 의해 영향 받는다.
본 발명은 특히, λ1인 범위에서의 연료/공기 혼합의 조정을 위한 개방/차단 루프 제어 시스템을 개선시키는 것을 목적으로 한다.
[발명의 장점]
본 발명은 청구범위 제1항의 특징에 의해 주어진다. 본 발명의 장점 실시예 및 다른 개선안은 종속항에 주어진다.
본 발명에 따른 개방/차단 루프 제어 시스템은 세트포인트 저장부에 연료/공기 비율 λ의 역수값을 저장하며, 내연 기관의 동작 특성에 따라, 선정된 연료/공기 비율 λ에 대해 내연 기관을 미리 제어하기 위해 기본 저장부의 판독된 각 경우의 연료 미터링 시간은 선정된 연료/공기 비율 λ의 변화에 적응되는 연료 미터링 시간을 획득하기 위해 상기 세트포인트 저장부의 판독된 연료/공기 비율 λ의 연관된 역수값과 승산된다. 방해 변수의 영향을 고려하기 위해서, λ의 제어가 선행 제어에 부가된다. 상기 목적을 위해, 본 발명에 따른 개방/차단 루프 제어 시스템은 λ-프로우브의 출력 신호와 연료/공기 비율 λ 사이의 프로우브 특성 관계식을 이용하여, 출력 신호를 연료/공기 비율 λ의 대응 역수값으로 변환하는 변환 소자를 가지며, 본 발명에 따른 개방/차단 루프 제어 시스템의 차단 루프 제어 소자에 제어 에러가 제공되며, 상기 에러는 내연 기관의 동작 특성에 따라서 세트포인트 저장부의 판독된 연료/공기 비율 λ의 역수값과, λ-프로우브의 출력 신호에 기초한 변환 유닛에 의한 실제 값으로서 결정된 연료/공기 비율의 역수값의 차에 의해 결정된다.
공지된 시스템과 비교하여, 본 발명에 따른 개방/차단 루프 제어 시스템은 예를 들면 범위(λ
Figure kpo00006
0.9 내지 1.4)에서 제어로, 단지 한개의 차단 루프 제어 소자가 전체 범위에서 필수적이며 부가의 정교한 회로 측정이 불필요하다는 장점을 가진다. 공지된 차단 루프 제어 시스템은 연료/공기 비율 λ에 대해 제어하며 제어 에러에 비례하여 연료 미터링 시간을 변화시킨다. 그러나, 현실성을 감안하여 연료/공기 비율 λ와 부가된 연료량 사이에 비선형 관계가 존재한다. 그래서, 연료/공기 비율 λ는 연료량의 역수값에 비례하며, 반대로, 부가된 연료량은 연료/공기 비율 λ의 역수값에 비례한다. λ=1에 대한 제어로, 연료/공기 비율 λ가 상기 범위에서 비율의 역수값과 거의 동일하므로, 제어 에러를 충분히 작게한다면, 비교적 작은 에러가 연료 미터링에 비례하여 획득된다. 그러나, λ1인 전체 범위에서 차단 루프 제어 소자를 사용하는 것은, λ1 범위의 연료 미터링시의 연료량과 연료/공기 비율 λ 사이의 비선형 관계에 기인하여 상당한 에러를 유도한다.
이들 에러는 본 발명에 따른 개방/차단 루프 제어 시스템에서 연료/공기 비율 λ의 역수값을 제어함으로써 방지된다. 본 발명에 따른 개방/차단 루프 제어 시스템은 차단 루프 제어 소자부의 변환 장치가 연료/공기 비율 λ의 역수값을 제공하기 때문에 제어될 전체 λ 범위에서 선형성을 가지며, 특수하게 λ-프로우브의 출력 신호가 제어를 위해 직접 사용되는 장점을 가진다. 각 세트포인트의 크기에 상관없이, 세트포인트에 관련되는 특정 퍼센트의 제어 에러는 제어기의 이득이 세트포인트에 대해 독립적으로 선택될 수 있도록 동일의 동작 변수에 대응한다.
본 발명의 양호한 개선점에서, 저장부(기본 저장부, 세트포인트 저장부), 차단 루프 제어 소자, 및 변환 장치는 마이크로 컴퓨터의 기능 장치이다. 연료 미터링 시간, 연료/공기 비율 λ의 세트포인트, 및 내연 기관의 동작 특성에 의하여 어드레싱되는 곡선 군(set)에서 연료/공기 비율 λ와 λ-프로우브의 출력 신호사이의 프로우브 특성 관계를 저장하는 장점이 있다.
[실시예의 설명]
도면에 따른 개방/차단 루프 제어 시스템은 내연 기관(BKM)(12)을 미리 제어하기 위해 연료 미터링 시간 TLKF이 판독되는 기본 저장부(10)를 가진다. 회전 속도 n 및 내연 기관(12)의 부하 특성 L은 기본 저장부(10)에 대해 입력 파라미터로서 사용된다. 센서 소자, 내연 기관의 조절 밸브 위치에 따라, 내연 기관의 흡입관의 압력이나 내연 기관에 의해 취해진 공기 질량이 부하 특성으로서 이용될 수 있다.
상기 개방 차단 루프 제어 시스템은 λ-프로우브(14), 변환장치(16), 세트포인트 저장부(18), 및 차단 루프 제어 소자부(20)로 구성된다. 상기 차단 루프 제어 소자부(20)는 타이밍 부분(20.1) 및 보정 소자부(20.2)를 가진다. 게다가, 스위치 오버 소자부(22) 및 제어 인에이블 소자부(24)가 제공된다.
기본 저장부(10)처럼 내연 기관의 부하특성 및 회전속도를 통해서 어드레싱 할 수 있는 세트포인트 저장부(18)는 3부분으로 분할되는데, 즉, 1보다 크거나 작은 λ에 대해 연료/공기 비율 λ의 역수값이 저장되는 부분과, 연료/공기 비율 λ=1의 역수값이 촉매 컨버터를 사용한 제어를 위해 저장되는 부분과, 연료/공기 비율 λ의 역수값이 특정 동작(예를들면, 개시 상태, 가속 상태, 감속 상태)에서 내연 기관(12)을 제어하기 위해 저장되는 부분이 있다. 내연 기관의 온도 Tw부하특성의 변화율 dL/dt 및 내연 기관의 배기가스 중에 촉매 컨버터의 존재에 대한 정보가 제공되고, 연료/공기 비율 λ의 역수값이 세트포인트로서 저장된 관련 부분을 스위치(22.1)를 통해 그 크기에 기초하여 동작시키는 스위치 오버 소자부(22)는 3부분중의 한 부분으로부터 연료/공기 비율 λ의 역수값이 판독될 때를 판단한다.
기본 저장부(10)는 λ=1에 대해 개방 차단 루프 제어를 위한 연료 미터링 시간동안 기본 곡선으로서 적절히 구성된다. 이와 같은 기본 곡선은 많은 차량에 대해 측정 및 시험된다. 이들 연료 미터링 시간은 일상적으로 시험 장소에서 설정된다.
기본 저장부(10)로부터 판독된 연료 미터링 시간 TLKF은 스위치 오버 소자부(22)의 스위치(22.1)에 대한 위치에 따라 세트포인트 저장부로부터 판독된 연료/공기 비율 λ의 역수값과 승산되며, 동시에 보정 계수(MKF)를 표시하며, 상기 결과가 연료 미터링 시간 TLKF이 된다. 만약, 내연 기관(12)이 엔진의 동작 온도에 아직 도달되지 않거나 내연 기관(12)이 불안정한 상태(가속, 감속)에 있다면, 연료 미터링 시간 TLKF는 내연 기관(12)을 미리 제어하기 위해 사용된다.
만약 내연 기관(12)이 엔진의 정상 동작 온도에 도달되었으며 안정 모드에서 동작하면, 다시 말해서 부하 특성의 변화율의 량이 선정된 값보다 작다면, 제어 인에이블 소자부(24)는 스위치(24.1)를 닫으며 연료 미터링 시간 TLKF은 차단 루프 제어 소자부(20)에 의해 보정 계수 FALK에 승산된다. 그 결과, 연료 미터링 시간 TE이 된다. 보정 계수 FALK의 결정은 다음에서 세부적으로 설명된다.
우선, 내연 기관(12)의 배기 가스중의 λ-프로우브(14)는 변환 장치(16)에 공급되는 출력 신호 Us를 출력한다. λ-프로우브(14)의 출력 신호와 연료/공기 비율 λ사이의 근사적으로 공지된 프로우브 특성 관계를 이용하여, 변환 장치(16)는 연료/공기 비율 λ의 대응 역수값을 결정한다. 연료/공기 비율 λ의 상기 현재의 역수값은 실제값으로서 비교기(26)에 공급된다. 동시에, 세트포인트 저장부(18)로부터 판독된 연료/공기 비율 λ의 대응 역수값은 비교기(26)에서 세트포인트로서 존재한다. 실제 값과 연료/공기 비율 λ의 세트포인트사이의 차는 차단 루프 제어 소자(20)의 타이밍 부분(20.1)에 제어 에러로서 공급된다. 그때, 후속 보정 소자(20.2)가 보정 계수 FALK를 결정한다.
실제값으로부터 비교적 큰 세트포인트 편차를 갖는 연료/공기 비율 λ에서의 스텝형 변화 및 이에 따른 연료 미터링 시간에서의 스텝형 변화는 내연 기관의 토오크에서의 스텝형 변화를 초래한다. 내연 기관의 구동기는 상기 사실을 차량의 졸트(jolt) 동작으로부터 인지한다. 상기 졸트는 가속 단계에서 아주 바람직하다.
그러나, 감속 단계에서 λ1인 범위의 연료/공기 비율 λ의 스텝형 변화(증가)가 발생한다면, 졸트는 네가티브 현상들을 발생시킨다. 그래서, 예를 들면, 약 20%(예를 들면, 이전의 공칭 λ=1.2, 새로운 공칭 λ1=1.3)의 연료/공기 비율에 대한 약한 혼합물로의 스텝은 약 10 내지 15%의 출력 저하를 발생한다. 이러한 출력 저하가 갑자기 발생하지만 않는다면 공칭의
Figure kpo00007
의 값은 본 발명에 따른 개방/차단 루프 제어 시스템의 양호한 또다른 개선안에서 차단 루프 하강 제어 장치(27)에 의하여 소정의 저하율로 이전의 공칭
Figure kpo00008
값으로 부터 새로운 공칭
Figure kpo00009
값으로 천천히 저하된다. 저하하는 비율은 초당 세트포인트에서 몇 퍼셋트만의 변화가 되도록 선택된다.
제어의 정확도를 증가시키기 위해서, 예를 들어 실린더로부터 실린더로의 공기/연료 혼합물의 퍼짐(spread) 또는 또다른 간섭 신호에 그 원인을 갖는 프로우브 신호의 고주파 성분을 필터링 장치로 필터링해내어 프로우브 신호가 노이즈 실림이지 않게 하는 장점이 존재한다.
한 특정의 실시예에 있어서, 개방/차단 루프 제어 시스템의 모든 저장부 및 장치들은 전자 제어 소자내의 마이크로컴퓨터의 기능 장치이다. 예를 들면, PID특성을 가진 차단 루프 제어 소자부의 파라미터를 변화시킬 수 있는 파라미터 세팅 소자를 장치하는 것은 부가적인 상기 접속에 있어 유리해진다. 이것은 λ=1제어와 λ1인 제어에 있어 동일 구조를 갖는 전자 제어 소자부를 사용하는 것을 가능하게 한다. 이것은 만약 네른스트 형의 λ-프로우브가 제공된다면, 즉, λ-프로우브의 출력 신호가 λ=1의 범위에서 스텝형 동작을 보인다면, 촉매 컨버터 윈도우를 유지하기 위하여 제어 파라미터는 차단 루프 제어 소자가 그 발진의 한계에 근접하게 동작하도록 설정되어야 하므로, 그 구동 동작에 관련하여 안전하게 저하시킬 수 있는 소정의 좁은 촉매 컨버터 윈도우를 유지하기 위해, λ=1인 제어시의 차단 루프 제어 소자가 높은 제어률을 보여야 하기 때문이다. 그러나, 이와 같은 높은 제어율, 즉 소자의 안정한 한계 부근에서 차단 루프 제어의 동작은 프로우브 신호가 λ1인 범위에서 일정한 동작을 보이기 때문에 λ1인 제어를 요구하지 않는다. 파라미터 세팅 소자는 각 경우(λ=1인 제어 λ1인 제어)에 존재하는 제어 개념에 차단 루프 제어 소자를 최적으로 설정할 수 있게 한다.
네른스트형 λ-프로우브가 사용될 때, λ-프로우브의 출력 신호는 λ1인 범위에서 작은 크기(약 100내지 30mV)를 갖는다. 모터 차량 공학에서 오늘날 사용되는 측정 소자를 사용하여, λ1인 범위에서 출력신호를 증폭(예를 들면 이득=7)하도록 하는 것이 필수적이다. 출력 신호는 λ=1의 범위에서 4 내지 5인 계수에 의해 증폭되며, λ1인 범위에서 출력 신호를 증폭하는 것은 필수적이지 않다. 상기 상황을 고려하여, 변환장치를 3부분, 즉 λ=1(예를 들면 λ=0.97 및 λ=1.03)인 범위에서 제어하기 위한 부분과, λ1인 범위(예를 들면 λ0.97)부분, 및 λ1인 범위(예를 들면 λ1.03) 부분으로 세분하는 것이 특히 유리하다. 이것은 λ-프로우브의 측정된 출력 신호로부터 λ의 역수 값을 결정하는데 필요한 계산 시간을 감소시킨다.

Claims (3)

  1. 내연 기관(12)의 배기 가스에 노출되어 연료/공기 비율 λ의 측정치를 나타내는 출력 신호를 출력하는 λ-프로우브(14)와; 선정된 연료/공기 비율 λ에 대해 내연 기관(12)을 미리 제어하기 위해 내연 기관(12)의 동작 특성에 따라 연료 미터링 시간을 저장하는 기본 저장부(10)와; 내연 기관(12)의 동작 특성에 따라 연료/공기 비율 λ의 세트포인트를 저장하는 세트포인트 저장부(18) 및; 각 경우에 측정된 상기 λ-프로우브의 출력 신호 및 상기 세트포인트 저장부(18)로부터 판독된 관련 세트포인트에 따라, 상기 기본 저장부(10)(부가된 λ제어)로부터 판독된 상기 연료 미터링 시간을 보정하는 차단 루프 제어 소자부(20)를 구비하는 내연 기관의 공기/연료 혼합 조정용의 개방/차단 루프 제어 시스템에 있어서, 상기 세트포인트 저장부(12)는 연료/공기 비율 λ의 역수값을 세트포인트로서 저장하며, 상기 기본 저장부(10)로부터 판독된 각 경우의 연료 미터링 시간은 소정의 연료/공기 비율 λ의 변화에 적응된 연료 미티링 시간을 얻기 위해 상기 세트포인트 저장부(18)로부터 판독된 연료/공기 비율 λ의 연관된 상기 역수값에 승산되며, λ-프로우브의 출력 신호와 연료/공기 비율 λ 사이의 근사하게 공지된 프로우브 특성 관계식을 이용하여, 출력 신호를 실제값으로서 연료/공기 비율 λ의 대응 역수값
    Figure kpo00010
    로 변환하는 변환 장치(16)가 구비되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 공기/연료 혼합 조정을 위한 개방/차단 루프 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기본 저장부(10), 상기 세트포인트 저장부(18), 상기 차단 루프 제어 소자, 및 상기 변환 장치(16)는 마이크로컴퓨터에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 공기/연료 혼합 조정을 위한 개방/차단 루프 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 기본 저장부(10) 및 상기 세트포인트 저장부(18)의 저장된 값, 및 λ-프로우브의 출력 신호와 연료/공기 비율 λ간의 프로우브 특성 관계에 대한 저장된 값은 내연 기관(12)의 동작 특성에 의하여 어드레싱 가능한 곡선 군(set)에 저장되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 공기/연료 혼합 조정을 위한 개방/차단 루프 제어 시스템.
KR1019890701459A 1987-12-08 1988-11-03 내연 기관용 개방/차단 루프 제어 시스템 KR0121315B1 (ko)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
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