KR0161699B1 - 내연기관의 공연비 제어장치 - Google Patents

Abstract

내연 기관의 공연비 흐름도 제어 정도를 향상시키는 것을 목적으로 한다.

내연 기관의 공연비 피드백 제어에 사용하는 산소 센서의 특성이 열화 등에 의해 농후 측(희박 측)으로 이동했을 때 산소 센서 출력에 대응하는 공연비의 특성 도표를 농후(희박) 출력의 편차△V_R(△V_L)의 함수f(△V_R)(g(△V_L))을 원래의 값에서 감산(가산)해서 수정한다. 이것에 의해, 산소 센서의 출력치와 공연비의 관계가 정상으로 유지되고 양호한 공연비 피드백 제어를 유지할 수 있다.

Description

내연 기관의 공연비 제어 장치

본 발명은 내연 기관의 공연비 제어 장치에 관한 것으로, 특히 배기 중의 산소 농도에 감응해서 출력치가 변화하는 산소 센서의 출력치에 대응해서 공연비를 선형적으로 검출하고, 그 검출치에 기초해 공연비를 목표 공연비에 가까워지도록 피드백 제어하도록 한 장치의 제어 정도의 안정화를 꾀한 기술에 관한 것이다.

전자 제어 연료 분사 장치를 갖춘 내연 기관에 있어서는 배기 통로에 공연비를 검출하는 산소 센서를 갖추고, 소정의 운전 조건으로 상기 검출된 공연비에 의거해 공연비를 피드백 제어하는 것이 일반적으로 행해지고 있다(특개소 58-10644호 공보 참조).

통상의 공연비 피드백 제어에서는 산소 센서의 출력을 슬라이스 레벨(slice level)과 비교하고, 슬라이스 레벨보다 높은 경우, 낮은 경우에 공연비가 농후, 희박이라고 검출해서 각각의 공연비를 농후하게 하는 방향, 희박하게 하는 방향으로 제어하고 있다. 구체적으로는 공연비가 농후(희박)이라고 판정되면 처음에 비례분 P 등으로 급격히 공연비를 희박(농후)하게 하고, 그리고 나서 적분분 I 등에 의해 서서히 공연비를 희박(농후)하도록 연료 공급량을 증감 제어하고 있다.

이런 제어에 대응해서, 통상의 산소 센서는 목표 공연비를 경계로 해서 비교적 급격하게 값을 반전하도록 형성되어 있다.

그러나 상기와 같이 공연비 센서의 출력으로부터 목표 공연비에 대한 농후, 희박의 판정만을 행하는 제어 방식에서는, 상기와 같은 PI 제어를 행한다고 하더라도 공연비의 변화에 양호하게 대응하는 공연비 제어를 행하고 있다고는 할 수 없어 배기방출 성능이나 운전 성능에 개선의 여지가 있었다.

그래서, 상기와 같은 통상의 산소 센서의 변화하는 출력에 대응하는 공연비를 미리 구하여 두고, 그 출력치로부터 구해진 공연비에 따라 비례분 P 나 적분분 I 등의 제어 정수를 가변적으로 설정해서 실제 공연비에 맞춘 세밀한 피드백제어를 행함으로써 공연비의 이탈을 작게 해서 배기 정화 성능, 운전 성능을 보다 개선하는 것이 제안되고 있다.

그러나 이런 류의 산소 센서에서는 열화나 제품의 산포에 의해 출력치와 공연비와의 대응 관계에 이탈을 발생시키는 일이 있고, 공연비 피드백 제어 정도를 저하시켜 버리는 일이 있다.

본 발명은 이런 종래의 문제점을 감안하여 창안된 것으로, 산소 센서의 출력치와 공연비의 대응을 항상 바른 관계로 유지함으로써 공연비 피드백 제어 정도를 양호하게 유지할 수 있도록 한 내연 기관의 공연비 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 제1도에 도시한 바와 같이,

기관의 배기 중의 산소 농도에 감응해서 출력치가 변화하는 산소 센서 A를 갖추고, 그 산소 센서 A의 출력치에 대응해서 기관에 공급되는 혼합기의 공연비를 설정한 도표 B에 의거해 공연비를 검출하고, 공연비를 목표 공연비에 가까워지도록 피드백 제어하는 공연비 피드백 제어 수단 C을 갖춘 내연 기관의 공연비 제어 장치에 있어서,

상기 산소 센서 A의 출력치가 안정된 기관의 특정 운전 상태를 검출하는 특정 운전 상태 검출 수단 D와,

상기 특정 운전 상태에서 산소 센서 A의 출력치에 의거해 상기 도표의 설정치를 수정하는 설정치 수정 수단 E를 갖춘 것을 특징으로 한다.

산소 센서가 열화하거나 제품 산포를 발생시키고 있거나 하면, 공연비가 목표 공연비(이론 공연비)에 대해 농후 상태 또는 희박 상태에서 안정되어 있을 때의 출력치가 기준치에 대해서 이탈되어 있고, 그것에 수반해 출력치와 공연비와의 대응 관계도 초기에 설정된 특성에 대해서 이탈되게 된다.

그래서 특정 운전 상태 검출 수단으로 운전 상태가 농후 상태나 희박 상태에서 안정적인 특정 운전 상태를 검출하고, 그 운전 상태에서 산소 센서의 출력치에 의거해 도표의 설정치를 설정치 수정 수단으로 수정함으로써 산소 센서의 출력치와 공연비의 대응 관계가 양호하게 유지되며, 따라서 공연비 피드백 제어 정도를 양호하게 유지할 수 있다.

제1도는 본 발명의 구성, 기능을 도시한 블록도.

제2도는 본 발명의 일 실시예의 구성도.

제3도는 상기 실시예에서 사용한 산소 센서의 출력 특성의 도시도.

제4도는 상기 실시예의 공연비 제어 루틴을 도시한 흐름도.

제5도는 산소 센서의 열화에 의한 특성 변화의 도시도.

제6도는 상기 실시예의 도표 수정 루틴을 도시한 흐름도.

제7도는 상기 실시예에서 농후측으로의 이동시와 희박측으로의 이동시의 도표의 수정을 보인 도시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 내연 기관 13 : 풍량계

15 : 연료 분사 밸브 16 : 제어 유니트

19 : 산소 센서 21 : 크랭크각 센서

이하에 본 발명의 실시예를 도면에 의거해 설명한다.

일실시예의 구성을 보인 제2도에 있어서, 기관(11)의 흡기 통로(12)에는 흡입 공기 유량 Q을 검출하는 풍량계(13) 및 엑셀러레이터 페달과 연동해서 흡입 공기 유량 Q을 제어하는 미터링 밸브(metering valve)(14)가 설치되고, 하류의 매니폴드 부분에는 기통마다 연료 공급 수단으로서의 전자식 연료 분사 밸브(15)가 설치된다.

연료 분사 밸브(15)는 마이크로 컴퓨터를 내장한 제어 유니트(16)로부터 분사 펄스 신호에 따라 밸브 개방 구동되고, 도시하지 않은 연료 펌프로부터 압송되어 압력 조정기에 의해 소정 압력으로 제어된 연료를 분사 공급한다. 또 기관(11)의 냉각수통 내의 냉각수 온도 Tw를 검출하는 수온 센서(17)가 설치되어 있다.

한편, 배기 통로(18)에는 매니폴드 집합부에 배기 중 산소 농도를 검출함으로써 흡입 혼합기의 공연비를 검출하는 산소 센서(17)가 설치되고, 그 하류 측의 배기관에 배기 중의 CO, HC의 산화와 NOx의 환원을 행해 정화하는 배기 정화 촉매로서의 삼원 촉매(20)가 설치되어 있다. 상기 산소 밸브(19)는, 예를 들어 기준 기체로서의 대기 중의 산소 농도와 배기 중의 산소 농도의 비에 따른 기전력을 발생시키는 이미 공지한 바의 지르코니아 산소 센서로서, 공연비(공연 과잉율 λ)에 대해 제3도에 도시한 바와 같은 정적 출력 특성을 갖는다. 단, 산소 센서(19)는 상기 지르코니아 산소 센서에 한정되는 것은 아니다.

또, 제2도에 도시하지 않은 배전기에는 크랭크각 센서(21)가 내장되어 있고, 그 크랭크각 센서(21)로부터 기관 회전과 동기해서 출력된 크랭크각 단위각 신호를 일정 시간 카운트해서, 또는 크랭크 기준각 신호의 주기를 계측해서 기관 회전 속도 N을 검출한다.

이어, 제어 유니트(16)에 의해 연료 분사량을 제어함으로써 공연비를 제어하는 루틴을 제4도의 흐름도에 따라 설명한다.

단계(도면에서는 S 라 기재한다) 1에서는 풍량계(13)로 검출된 흡입 공기 유량 Q와 크랭크각 센서(22)로부터의 신호에 의거해 산출한 기관 회전 속도 N에 의거해 단위 회전당 흡입 공기량에 상당하는 기본 연료 분사량 T_P를 다음 식에 의해 연산한다.

T_P=K×Q/N (K는 정수)

단계 2에서는, 수온 센서(17)에 의해 검출된 냉각수 온도 T_W등에 의거해 각종 보정 계수 COEF를 설정한다.

단계 3에서는, 산소 센서(19)의 출력치(전압) V₂를 읽어 들인다.

단계 4에서는, 상기 출력치 V₂에 대응하는 공연비를 도표로부터의 검색에 의해 구한다. 여기서, 상기 도표는 바꿔 쓰기 가능한 RAM에 산소 센서(19)의 출력치에 대응하는 공연비의 값으로서 설정되어 있고, 후술하는 루틴에 의해 산소 센서(19)의 열화나 제품의 산포에 따라 수정된다.

제5단계에서는 단계 4에서 구해진 공연비에 의거해 공연비 피드백 제어에 있어 공연비 보정량α을 설정한다. 구체적으로 공연비 보정량을 PID제어에 의해 설정하는 경우에 대해 나타내면 구해진 공연비와 목표 공연비의 편차에 대해 비례적으로 설정된 비례분 P와, 매회 구해진 상기 편차를 적분한 값에 대해 비례적으로 설정된 비례분 I와, 편차의 변화량, 즉 현재 값과 전회 값의 차에 대해 비례적으로 설정된 미부분 D을 가산함으로서 설정된다.

단계 5에서는, 배터리 전압치에 의거해 전압 보정분 T_S설정한다. 이것은 배터리 전압 변동에 의한 연료 분사 밸브(15)의 분사 유량 변화를 보정하기 위한 것이다.

단계 6에서는, 최종적인 연료 분사량 T₁을 다음 식에 따라 연산하고, 그 연산된 연료 분사량 T₁을 출력용 레지스터에 세트한다.

T₁=T_P×COEF×α＋T_S

이것에 의해 미리 예정된 기관 회전 동기의 연료 분사 타이밍이 되면, 연산된 연료 분사량 T₁의 펄스 폭을 갖는 구동 펄스 신호가 연료 분사 밸브(15)에 주어져 연료 분사가 행해진다.

이어, 산소 센서의 열화에 의해 기본적인 특성 변화에 대해 설명한다.

산소 센서의 열화는 다음 두 가지 패턴으로 크게 구분할 수 있다.

① 농후측으로 이동

고온에 의한 열화나 납(Pb)에 의한 피독에 의해, 제5a도에 나타낸 바와 같이 농후 출력이 저하하고, 공연비의 제어 점이 농후측으로 이동한다.

② 희박측으로 이동

실리콘(Si)이나 인(P)에 의한 피독을 받으면, 제5b도에 나타낸 바와 같이 소출력이 상승하고, 공연비의 제어 점이 희박측으로 이동한다.

이런 산소 센서의 열화나 제품 산포에의한 특성 변화에 대처할 수 있도록 도표의 설정치를 수정하는 본 발명에 따른 루틴을 제6도의 흐름도에 따라 설명한다.

단계 11에서는, 산소 센서(19)가 활성화하고 있는가의 여부를 판정한다. 활성화하고 있지 않을 때는 수정을 행할 수 있는 조건이 아니므로 수정을 행할 수 없고, 단계 28에서 후술하는 값 n, m을 0으로 리세트한 후 이 루틴을 종료하며, 또 활성화하고 있는 경우는 단계12로 나아간다.

단계 12에서는, 연료 분사량이 증량 보정 중인가의 여부를 판정한다.

단계 12에서 증량 보정중이라고, 즉 농후 제어 상태라고 판정된 경우는 단계 13으로 나아가 산소 센서(19)의 출력치 V_R을 읽어 들여 기억한다. 여기서 농후 제어 상태이므로 산소 센서(19)의 출력치(전압) V_R은 최대가 되어 있다.

이어 단계 14로 나아가 상기 단계 13에서 읽어 들인 회수 n을 증대시키고, 단계15에서 회수n이 소정치 N에 달했는가의 여부를 판정해서 달했을 때는 16으로 나아간다.

단계 16에서는, n을 0으로 리세트함과 동시에 상기 농후 상태에서 산소 센서(19)의 n회분 출력치 V_N의 평균치와 V_RAV전회의 농후 제어 상태에서 같은 방법으로 해서 구해진 n 회분 출력치의 평균치 V_RAV0와의 편차 △V_R을 연산한다.

단계 17에서는, 상기 편차 △V_R이 설정치 A에 달했는가 여부를 판정한다.

그리고 설정치 A에 달하고 있지 않을 때는 단계 11로 되돌아가지만, 설정치 A에 달했을 때는 단계 18로 나아가 상기 도표의 출력치 V에 대응하는 공연비의 설정치 λ_T(V)를 현재의 값에서 상기 편차 △V_R의 함수 f(△V_R)를 감소한 값으로 수정 변경한다. 여기서 상기 함수 f(△V_R)은 제7a도에 도시한 바와 같이, 출력치 V의 증대에 따라 증대되도록 설정되지만, 예를 들면 동시에 편차 △V_R에 대해 비례적으로 설정한 {f(△V_R)=a·△V_R·f'(V)}로 출력치의 저하 량에 맞춘 특성으로 수정할 수 있다.

단계 19에서는, 다음 회의 연산을 위해, 이번 회의 출력치의 평균치 V_RAV를 전회 출력치의 평균치 V_RAV0으로 해서 세트한다.

한편, 상기 단계 12에서 연료 증량중이 아니라고 판정되었을 때는 단계 20으로 나아가고, 연료 차단 중인가 또는 이차 공기 공급중(에어 펌프 작동), 즉 희박 제어 상태인가의 여부를 판정한다.

그리고, 상기 희박 제어 상태가 아닌 경우는 도표를 수정하는 조건이 아니므로, 이 루틴을 종료하지만, 희박 제어 상태라 판정되었을 때는 단계21로 나아간다.

단계 21에서는, 산소 센서(19)의 출력치 V_L을 읽어 들여 기억한다. 여기서 그 출력치 V_L은 희박 제어 상태이므로 최소로 되어 있다.

이하, 상기 농후 제어 상태의 경우와 같이 해서 단계 22에서 읽어 들여 회수 m을 증대시키고, 단계 23에서 그 회수 m을 소정치 M과 비교해서 M에 달하면 단계 24에서 m을 0으로 리세트함과 동시에 이번 회의 m 회의 출력치 V_L의 평균치 V_LAV와 전회의 평균치 V_LAV0와의 편차 △V_L을 연산하고, 단계 25에서 편차 △V_L을 설정치 B와 비교해서 △V_L≥B 일 때에 단계 25에서 도표의 출력치 V에 대응하는 공연비의 설정치 λ_T(V)를 현재의 값에 상기 편차 △V_L의 함수g(△V_L)를 가산한 값에서 수정 갱신한다. 여기서, 상기 함수 g(△V_L)는 제7b도에 도시한 바와 같이 출력치 V의 감소에 따라 증대되도록 설정되지만, 예를 들면 동시에 편차 △V_L에 대해서 비례적으로 설정되는 {g(△V_L)=b·△V_L·g'(V)}로 출력치의 저하 량에 맞춘 특성으로 수정할 수 있다. 단계 26에서는, 이번 회의 평균치 V_LAV를 전회의 출력치의 평균치 V_LAV0으로 해서 세트한다.

이렇게 해서, 산소 센서(19)의 출력 특성이 열화나 제품 산포에 의해 기준 특성에 대해서 이탈을 발생시킬 경우에는, 농후 제어 상태에서 최대 출력이나 희박 제어 상태에서 최소 출력의 기준치에 대한 이탈의 크기에 따라 공연비를 항상 양호하게 검출할 수 있고, 따라서 공연비를 목표 공연비에 양호하게 피드백 제어할 수 있어 배기 정화 성능, 운전 성능을 가급적으로 양호하게 유지할 수 있다.

또, 본 발명은 원래 목표 공연비에 대해 농후, 희박을 검출하는 유형의 산소 센서에 대해서 적용할 수 있지만, 공연비에대한 출력치의 경사를 보다 원활하게 하기 위해 형성된 유형의 것에 적용할 수 있는 것은 물론이고, 같은 센서 소자를 이용하지만 그 센서 소자를 통전하여 소정의 공실에서의 산소 농도가 기준치가 되도록 배기 중에서 그 센서 소자를 통해 산소를 수송하고, 그 때의 통전 전류치(한계 전류)로부터 공연비를 선형적으로 구하는 소위 광역형 공연비 센서에도 적용 가능하다. 이 경우에는, 농후 제어 상태 혹은 희박 제어 상태에서 전류치가 센서의 열화나 제품의 산포에 따라 변화해 가므로 그 변화량에 따라 전류치에 대응해서 공연비의 도표를 수정하면 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 산소 센서의 출력치에 대해서 공연비를 설정한 도표를 산소 센서의 특정 운전 상태에서의 출력치에 의거해 수정하는 구성으로 이루어지기 때문에 열화나 제품의 산포에 의해 출력치와 공연비의 대응이 이탈을 발생시키더라도 적절히 수정되므로 항상 양호한 목표 공연비로의 피드백 제어를 행해서 배기 정화 성능, 운전 성능을 가급적으로 양호하게 유지할 수 있다.

Claims (1)

1. 기관의 배기 중의 산소 농도에 감응해서 출력치가 변화하는 산소 센서를 갖추고, 그 산소 센서의 출력치에 대응해서 기관에 공급되는 혼합기의 공연비를 설정한 도표에 의거해 공연비를 검출하고, 공연비를 목표 공연비에 가까워지도록 피드백 제어하는 공연비 피드백 제어 수단을 갖춘 내연 기관의 공연비 제어 장치에 있어서, 상기 산소 센서의 출력치가 안정된 기관의 특정 운전 상태를 검출하는 특정 운전 상태 검출 수단과, 상기 특정 운전 상태에서의 산소 센서의 출력치에 의거해 상기 도표의 설정치를 수정하는 설정치 수정 수단을 갖춘 것을 특징으로 하는 내연 기관의 공연비 제어 장치.