KR100306723B1

KR100306723B1 - 엔진의연소절환제어장치및제어방법

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Publication number: KR100306723B1
Application number: KR1019980056333A
Authority: KR
Inventors: 도시오 호리; 신지 나까가와; 도모히꼬 다까하시; 다까히로 요시노; 하쯔오 나가이시
Original assignee: 하나와 요시카즈; 닛산 지도우샤 가부시키가이샤; 가나이 쓰토무; 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1998-12-18
Publication date: 2001-11-15
Also published as: KR19990063235A; EP0924419B1; DE69833601D1; EP0924419A3; JP3971004B2; DE69833601T2; US6142117A; JPH11182297A; EP0924419A2

Abstract

내연 기관에 대한 엔진 제어 시스템은 성층 연소 모드 등의 제1 모드에서 균질 연소 모드 등의 제2 모드로 연소 모드를 절환하기 위한 연소 시스템과, EGR 제어 밸브로 엔진으로의 EGR 유동을 제어하기 위한 EGR 시스템으로 구성된다. 제어기는 제1 모드에 대한 제1 비율로부터 제2 모드에 대한 제2 비율로 점진적으로 변하는 지연된 목표 당량비를 계산하며, EGR 가스의 양을 고려하여 보정 목표 당량비를 추가로 계산한다. 제어기는 EGR 가스의 영향을 고려한 보정 목표 당량비를 기초로 한 매개변수를 감시함으로써 연소 절환 타이밍을 결정한다.

Description

엔진의 연소 절환 제어 장치 및 제어 방법 {COMBUSTION CHANGEOVER CONTROL FOR ENGINE}

본 발명은 당량비(공연비/이론 공연비)의 상이한 연소 범위를 갖는 복수개의 연소 모드 사이에서 내연 기관 또는 엔진 내의 연소 절환을 제어하기 위한 기술에 관한 것이며, 특히 EGR(Exhaust Gas Recirculation; 배기 가스 재순환) 시스템이 설치된 엔진에 대한 연소 절환 타이밍을 제어하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

최근에, 가솔린 엔진과 같은 스파크 점화 엔진에서의 실린더 내로의 직접 연료 분사 기술이 성층 급기 연소와 균질 급기 연소를 선택적으로 사용함으로써 연료 효율과 배기 성능을 향상시키기 위해 개발 중이다.

저부하 및 중간 부하 영역에서, 그러한 종류의 제어 시스템은 성층 가연 혼합기를 점화 플러그 주위에 밀접하게 생성하기 위해 압축 행정 동안에 연소실 내로 직접 연료를 분사함으로써 성층 급기 연소 모드에서 엔진을 작동시킨다. 이렇게 성취된 성층 연소는 초희박 혼합기로 안정된 연소를 가능하게 하며, 따라서 연료 효율 및 엔진의 배기 제어 성능에서의 상당한 향상을 가능하게 한다.

소정 엔진 부하 이상의 고부하 영역에서, 엔진은 더 높은 출력의 토오크에 대한 요구를 충족시키기 위해 균질 급기 연소 모드로 작동된다. 균질 연소 모드에서, 연료는 균질 공기 연료 혼합기를 생성하기 위해 흡입 행정 동안에 분사된다(몇몇 예에서, 연료 분사 밸브가 흡입 포트에 별도로 제공된다).

제어 시스템은 하나 이상의 엔진 작동 상태에 따라 성층 연소 모드와 균질 연소 모드 사이에서 연소 모드를 절환한다.

NOx 배기를 감소시키기 위해, 자동차용 엔진에는 배기 가스의 일부를 배기 시스템에서부터 흡입 시스템으로 재순환시키기 위한 EGR 시스템이 대체로 설치된다. 요구되는 목표 EGR율은 성층 연소와 균질 연소 사이에서 동일하지 않다. 따라서, 연소의 절환에 따라 목표 EGR율을 전환할 필요성이 있다. 대체로, EGR은 성층 급기 연소 모드와 균질 화학 양론 연소 모드에서 수행되는 반면에 EGR은 안정된 연소를 유지하기 위해 균질 희박 연소 모드에서는 차단된다. 이러한 종류의 EGR 제어 시스템은 일본 특허 공개 (평)7-269416호에 기재되어 있다.

본 발명의 목적은 EGR의 악영향을 최소화하는 원활한 방식으로 연소 모드를 절환할 수 있는 엔진 제어 장치와 방법을 제공하는 것이다.

제1 모드로부터 제2 모드로의 연소 절환에서 토오크 단차를 피하기 위해, 제1 모드로부터 제2 모드로의 절환에 대한 요구에 응하여 제1 모드에 대해 요구되는 제1 비율로부터 제2 모드에 대해 요구되는 제2 비율로 점진적으로 실제 공연비를 변화시키는 것과, 실제 공연비가 제2 모드에서 안정된 연소를 보장하는 소정 레벨에 도달할 때 제1 모드로부터 제2 모드로 연소 절환을 수행하는 것이 효과적이다. 그러나, EGR 가스 포함되어 있을 때 공연비는 연소 절환 타이밍을 결정하기 위해 반드시 적절한 매개변수는 아니다. 실제 EGR 가스량은 EGR 밸브의 작동에서의 지연(lag)과 EGR 가스의 수송 지체(거리/속도 지체)로 인해 점진적으로 변한다.따라서, 성층 연소 모드로부터 균질 연소 모드로의 연소 절환 후에 EGR을 정지시키는 것은 연소 상의 잔류 EGR 가스의 영향의 관점에서 타당하지 않다. 차라리, 잔류 EGR 가스의 영향을 줄이고 균질 희박 연소의 안정성을 보장하기 위해 성층 모드로부터 균질 모드로의 연소 절환 요구에 응하여 더 일찍 EGR를 정지시키는 것이 바람직하다.

그러나, EGR 밸브가 성층 급기 연소로부터 균질 급기 연소로의 연소 절환 요구를 수용할 때 즉시 EGR을 정지시키기 위해 폐쇄될지라도, 성층 급기 연소 동안의 대량의 EGR은 상당한 양의 EGR 가스를 잔류시킨다. 잔류 EGR 가스는 연료 절환 타이밍을 결정하기 위한 매개변수로서의 공연비의 적절성을 손상시키며, 연소 안정성을 유지하기에는 너무 희박한 공연비에서 이른 연소 절환을 야기하는 경향이 있다.

따라서, 본 발명은 단지 공연비 대신에 새로운 흡입 공기와 재순환된 배기 가스의 실제 흡입 가스 혼합기 상태를 반영하는 매개변수를 감시함으로써 균질 희박 연소 모드 등의 연소 모드의 연소 제한치를 보다 정확히 검출하고자 하며, 그럼으로써 시기 적절한 방식으로 연소를 절환하고자 한다.

감시되는 매개변수로서 공연비(또는 연료-공기비를 나타내는 TFBYA4와 같은 변수)의 사용은 희박 연료 가스 혼합비에서(도4에 도시된 지점 B에서) 너무 일찍 균질 모드로의 절환을 야기하는 경향이 있어서, 연소 안정성을 저하시키며, 실화(misfire)의 가능성을 증가시키며, 지연과 원하지 않은 엔진 속도 감소를 야기한다. EGR의 정지로부터 공연비 절환의 개시까지의 지연은 잔류 EGR 가스의 영향을 효과적으로 제거하는 것으로 간주된다. 그러나, 지연은 연소 절환을 방해하고,성층 연소 모드에서 EGR 차단 기간을 연장하며, 배기 제어 성능에 영향을 주는 경향이 있다.

본 발명에 따라, 엔진 제어 장치 또는 방법은, 엔진 작동 상태에 따라 복수개의 연소 모드 사이에서 엔진 내의 연소 상태를 절환하기 위한 흡입 시스템 및 연료 시스템 등의 연소 시스템과, 배기 가스의 일부를 엔진으로의 흡기 유동으로 재순환시키기 위한 EGR 시스템이 설치된 내연 기관을 위해 설계되었다. 엔진 제어 장치 또는 방법은 이하의 부분 또는 단계로 구성된다.

제1 부분(또는 단계)은 성층 급기 연소 모드와 같은 제1 연소 모드로부터 균질 급기 연소 모드와 같은 제2 연소 모드로의 절환을 요구하기 위한 (FSTR0에서의 단계 변화와 같은) 제1 모드 대 제2 모드 연소 절환 요구 신호를 생성하기 위한 것이다.

제2 부분(또는 단계)은 절환 요구 신호에 응하여 제1 연소 모드에 대해 요구되는 제1 비율 레벨로부터 제2 연소 모드에 대해 요구되는 제2 비율 레벨로 점진적으로 실제 당량비(또는 실제 공연비)를 변화시키기 위한 것이다. 예컨대, 실제 당량비는 계산된 목표 당량비를 성취하기 위해 흡기량과 연료 공급량을 제어함으로써 변화된다.

제3 부분(또는 단계)은 EGR 시스템의 EGR량을 계산하기 위한 것이다.

제4 부분(또는 단계)은 EGR량을 고려하여 보정 당량비를 계산하기 위한 것이다.

제5 부분(또는 단계)은 보정 당량비에 따라 제1 연소 모드로부터 제2 연소모드로 연소 상태를 절환하기 위한 것이다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템의 개략도.

도2는 도1에 도시된 제어 유니트에 의해 수행되는 연소 절환 제어 루틴의 제1 부분을 도시하는 흐름도.

도3은 도2에 도시된 연소 절환 제어 루틴의 제2 부분을 도시하는 흐름도.

도4는 본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템의 작동을 도시하는 시간 차트.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

3 : 공기 유동 센서

4 : 엔진

6 : 연료 분사기

7 : 점화 플러그

10 : 드로틀 제어 유니트

11 : 엔진 제어 유니트

14 : EGR 밸브

15 : EGR 제어 유니트

16 : 공연비 센서

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 엔진 제어 시스템을 도시한다.

가속 페달 위치 센서(1)는 자동차의 가속 페달의 개도(opening degree)(또는 누름도(depression degree))를 감지한다.

이러한 예의 크랭크각 센서(2)는 각각의 단위 크랭크각에서의 위치 신호와, 각각의 실린더 행정 위상차에서의 기준 신호를 발생한다. 제어 시스템은 위치 신호의 단위 시간당 펄스의 수를 측정하거나 기준 신호의 펄스 발생 주기를 측정함으로써, 엔진 속도를 결정할 수 있다.

공기 유동 센서(또는 공기 유량계, 3)는 엔진(4)에 대한 흡기량을 감지한다.

수온 센서(5)는 엔진 냉각수의 온도를 감지한다.

엔진(4)에는 실린더에 대한(또는 각각의 실린더에 대한) 연료 분사기(6)와 점화 플러그(7)가 설치된다. 연료 분사기(6)는 연료 분사 제어 신호에 응하여 엔진(4)의 연소실로 직접 연료를 분사하며, 점화 플러그(7)는 연소실에서 점화를 개시한다. 드로틀 밸브(9)는 엔진(4)의 흡기 통로(8) 내에 배치된다. 드로틀 제어 유니트(10)는 DC 모터와 같은 드로틀 작동기로 드로틀 밸브(9)의 개도를 전기적으로 제어하도록 구성된다. 드로틀 밸브(9)는 엔진(4)으로의 신기(新氣) 흡입량을 제어하기 위한 흡기 계량 밸브로서 역할한다. 연료 분사기(6)는 성층 급기 연소 모드 및 균질 급기 연소 모드 중 하나로 제어된다. 성층 연소 모드에서, 연료 분사기(6)는 매우 희박한 공기 연료 혼합기로 성층 연소를 성취하기 위해 압축 행정에서 연료를 연소실로 분사한다. 고부하 상태하에서, 연료 분사기(6)는 균질 연소 모드로 제어되며, 더 많은 동력 출력을 제공하도록 균질 연소를 성취하기 위해 흡입 행정에서 연료를 연소실로 분사한다.

엔진 제어 유니트(11)는 엔진 작동 상태에 대한 입력 정보를 수집하기 위해 센서로부터의 신호를 수용하여 엔진 작동 상태에 따라, 드로틀 제어 유니트(10)로 드로틀 밸브(9)의 개도를 제어하고 연료 분사기(6)로 연료 분사량(또는 연료 공급량)을 제어하고 점화 플러그(7)로 점화 타이밍을 제어한다. 특히, 제어 유니트(11)는 흡기량과 연료 분사량을 제어함으로써 엔진 내에 제공되거나 생성된 공기 연료 혼합기의 공연비를 광범위하게 변화시키며, 엔진 연소 모드를 성층 모드와 균질 모드 사이에서 절환하기 위해 연료 분사 타이밍을 변화시킨다.

이러한 예에서, 엔진 제어 유니트(11)는 제어기의 주요소이다. 도1의 제어 유니트(11)는 적어도 중앙 처리 유니트(CPU), ROM과 RAM을 갖는 메모리부, 입력부 및 출력부를 포함하는 적어도 하나의 컴퓨터를 포함한다.

연료 분사기(6)는 엔진(4)의 연료 시스템의 요소인데, 이러한 예에서는 연료 분사 시스템의 요소이다. 점화 플러그(7)는 엔진(4)의 점화 시스템의 요소이다. 엔진(4)에는 흡입 통로(8), 드로틀 밸브(9) 등으로 구성된 흡입 시스템과, 적어도 엔진의 배기 가스 통로(12)를 포함하는 배기 시스템과, 배기 시스템과 흡입 시스템을 연결하는 EGR(배기 가스 재순환) 시스템이 추가로 설치된다.

엔진(4)에 대한 EGR 시스템은 배기 통로(12)를 흡입 통로(8)와 연결시키는 EGR 통로(13)와, EGR 통로(13) 내에 배치된 EGR 제어 밸브(14)로 구성된다. EGR제어 유니트(15)는 EGR 밸브(14)의 개도를 전기적으로 제어하도록 구성된다. 이러한 예에서, EGR 제어 유니트(15)는 EGR 밸브(14)의 위치를 정밀하게 제어하기 위한 스테퍼 모터(stepper motor)를 포함한다. EGR 제어 유니트(15)는 EGR 밸브(14)의 개도를 변화시킴으로써 EGR량을 제어한다.

이러한 예의 제어 시스템은 배기 가스 혼합기 내의 산소와 같은 소정 성분의 농도를 감지함으로써 공기 연료 혼합기의 공연비를 감지하기 위한, 엔진의 배기 통로(12) 내에 제공된 공연비 센서(16)를 추가로 포함한다.

엔진 제어 유니트(11)는 가속 페달 개도(θa)와 엔진 회전 속도(Ne)로부터 목표 흡기량을 계산하며, 구동 신호를 드로틀 밸브 제어 유니트(10)에 전송함으로써 목표 흡기량을 성취하기 위해 드로틀 밸브(9)의 개도를 제어한다. 엔진 제어 유니트(11)는 흡기량에 따라 연료 분사량을 제어함으로써 (공연비에 비례하는) 실제 당량비를 추가로 제어한다. 엔진 제어 유니트(11)는 구동 신호(또는 EGR 제어 신호)를 EGR 제어 유니트(15)로 보냄으로써 EGR 밸브(14)의 개도를 추가로 제어하여 엔진(4)의 EGR 상태를 변화시킨다. 제어 유니트(11)는 요구되는 목표 EGR율(EGR 가스량/흡기량)을 성취하기 위해 소정 엔진 작동 영역(EGR 영역) 내에서 EGR을 행한다. EGR 영역은 (가속 페달 개도(θa) 또는 연료 분사량과 같은) 엔진 부하와 엔진 속도에 의해 표시된다. 더욱이, 엔진 제어 유니트(11)는 흡기와 재순환되는 배기 가스의 총량에 대한 연료량의 연료 가스비를 나타내는 (보정 당량비와 같은) 매개변수를 계산하며, 도2 및 도3을 참조하여 더 상세히 설명된 바와 같이 매개변수에 따라 연소 절환 타이밍을 제어한다.

도2 및 도3은 본 발명의 실시예에 따른 성층 모드로부터 균질 모드로의 절환 제어 과정을 도시한다. 이러한 실시예에서, 도2 및 도3의 제어 루틴은 정기적인 시간 간격으로 수행된다.

단계 S1에서, 제어 유니트(11)는 가속 페달 개도(θa), 엔진 속도(Ne) 및 엔진 냉각수 온도(Tw)와 같은 하나 이상의 엔진 작동 상태에 따라 성층 급기 연소 모드로부터 균질 급기 연소 모드로의 천이에 대해 상태가 충족되는 지의 여부를 판단한다. 일본 특허 출원 (평)9-168419호를 기초로 하여 1998년 6월 25자로 출원한 미국 특허 출원 제09/104,359호에는 요구되는 목표 연소 모드를 선택하기 위한 유사한 판단 단계가 기재되어 있다. 이러한 미국 특허 출원의 기재 내용은 본 명세서에 참조되어 합체되어 있다.

성층 급기 연소 모드로부터 균질 급기 연소 모드로의 천이에 대한 상태가 충족되면, 제어 유니트(11)는 단계 S1으로부터 단계 S2로 진행하며, 도4에 도시된 바와 같이 연소 모드 선택 플래그(flag)(FSTR0)를 0으로 재설정한다. 따라서, 제어 유니트(11)는 요구되는 목표 연소 모드로서 성층 연소 모드와 균질 연소 모드 중 하나의 모드를 선택하며, 감지된 엔진 작동 상태에 따라 연소 절환 요구 신호를 생성한다.

단계 S2의 다음 단계 S3에서, 제어 유니트(11)는 성층 모드의 생성 시점으로부터 균질 모드 절환 요구 신호의 생성 시점까지의 소정 지연 시간(DLTFM)이 모드 선택 플래그(FSTR0)를 1에서 0으로 재설정한 이후에 경과되었는 지의 여부를 결정한다. 지연 시간(DLTFM)이 경과하기 전에, 제어 유니트(11)는 단계 S5로 도약하여당량비 맵(map) 선택 플래그(FSTR1)가 성층 모드 당량비 맵을 유지하도록 1로 유지된다. 지연 시간(DLTFM)이 경과한 후에 제어 유니트(11)는 단계 S4로 진행된다. 단계 S4에서, 제어 유니트(11)는 성층 모드 목표 당량비 맵 대신에 균질 모드 목표 당량비 맵을 선택하기 위해 도4에 도시된 바와 같이 당량비 맵 선택 플래그(FSTR1)가 0으로 재설정된다.

지연 시간(DLTFM)은 EGR 시스템의 응답 지연 또는 증기 연료 제어 시스템의 응답 지연으로부터의 영향을 피하기 위해 절환 요구에 대해 요구되는 목표 당량비(TFBYA00)의 절환을 지연하는 기능을 한다.

단계 S5에서, 제어 유니트(11)는, 목표 당량비 맵 선택 플래그(FSTR1)의 값에 따라 성층 모드 목표 당량비 맵과 균질 모드 목표 당량비 맵으로부터 선택된 목표 당량비 맵을 참조함으로써 엔진 속도(Ne)와 목표 토오크(tTc)와 같은 엔진 작동 상태에 따라 요구되는 목표 당량비(TFBYA00)를 결정한다. 예컨대, 목표 토오크(tTc)는 가속 페달 누름도(APS)와 엔진 속도(Ne)에 따라 결정된다. 도4에 도시된 예에서, 요구되는 목표 당량비(TFBYA00)는 지연 시간(DLTFM)의 말기에 단계 변화의 방식으로 증가된다. 미국 특허 출원 제08/804,454호에는 목표 당량비를 결정하고 목표 당량비에 따라 흡기량 및 연료 분사량을 제어하기 위한 엔진 제어 시스템이 기재되어 있다. 이러한 미국 특허 출원의 기재 내용은 본 명세서에 참조되어 합체되어 있다.

단계 S5의 다음 단계 S6에서, 제어 유니트(11)는 요구되는 목표 당량비(TFBYA00)에 대한 위상 지연 보정을 수행함으로써 지연된 목표당량비(TFBYA4)를 결정한다. 이러한 예에서, 지연된 당량비(TFBYA4)는 이하의 식에서 주어진다.

TFBYA4 = FLOAD × TFBYA00 + (1-FLOAD) × TFBYA4(n-1)

이러한 식에서, FLOAD는 가중 평균에 대한 가중 계수이고, TFBYA4(n-1)은 지연된 당량비의 이전 값이다. 이러한 예에서, 가중 계수 FLOAD는 엔진 작동 상태에 따라 결정된다.

이러한 위상 지연 보정으로, 제어 시스템은 흡기량의 느린 변화에 보조를 맞추기 위해 당량비를 변화시킬 수 있다. 목표 당량비(TFBYA00)가 성층 연소 모드와 균질 연소 모드 사이의 연소 모드 절환을 요구하는 엔진 작동 상태에서의 변화에 응하여 변화될 때, 제어 시스템은 목표 당량비(TFBYA00)의 변화에 따라 지연없이 또는 약간의 지연으로 연료 분사량을 변화시킬 수 있다. 그러나, 흡기량은 드로틀 밸브(9)의 이동의 지체와 흡입 시스템의 체적에 기인한 지체 때문에 즉시 변화될 수 없다. 따라서, 이러한 예의 제어 시스템은 흡기량의 느린 변화에 보조를 맞추기 위해 위상 지연 보정에 의해 지연된 목표 당량비(TFBYA4)를 결정함으로써 엔진의 출력 토오크를 성층 모드로부터 균질 모드로의 천이에서 특히 원활하게 제어한다. 요구되는 목표 당량비(TFBYA00)는 급격히 변화하는 반면에, 지연된 목표 당량비(TFBYA4)는 도4에 도시된 바와 같이 점진적으로 변화한다.

이렇게 결정된 지연된 당량비(TFBYA4)로부터, 제어 시스템은 이후에 언급되는 바와 같이, 지연된 당량비에 대해 연소 효율 보정, 고응답 보정 및 연료 차단의 지연에서의 제한 작동을 추가로 수행함으로써 최종 목표 당량비를 결정한다. 이후에, 제어 시스템은 최종 목표 당량비를 성취하기 위해 드로틀 밸브(9)의 개도를 제어함으로써 실제 흡기량을 제어하며 다른 루틴(도시 안됨)을 거쳐 진행함으로써 실제 연료 분사량을 제어한다.

단계 S7에서, 제어 유니트(11)는 맵을 사용하여 가속 페달 누름도 또는 목표 토오크 및 엔진 속도와 같은 하나 이상의 엔진 작동 상태에 따라 요구되는 목표 EGR율(TGEGR)을 결정한다.

단계 S8에서, 제어 유니트(11)는 목표 EGR율(TGEGR)에 대한 위상 지연 보정을 수행함으로써 위상 지연 EGR율(TGEGR)을 결정한다. EGR율에 대한 위상 지연 보정의 이유는 지연된 당량비(TFBYA4)에 대한 위상 지연 보정의 이유와 유사하다. 실제 EGR율은 목표 EGR율에 못 미치며, EGR 밸브(14)의 이동의 지체와 실린더 또는 각각의 실린더에 대한 EGR 밸브(14)로부터의 EGR 시스템의 체적 때문에 EGR 제어 신호의 생성과 실제 EGR율에 대한 요구되는 효과 사이에서 상당한 시간 지연 또는 지체가 발생한다. 따라서, 제어 유니트(11)는 목표 당량비의 위상 지연 보정과 동일한 방식으로 가중 평균 처리를 수행함으로써 위상 지연 EGR율(TEGRD)을 계산한다. 성층 연소 모드로부터 균질 연소 모드로의 연소 절환에서, 이러한 예의 제어 시스템은 도4에 도시된 바와 같이 단계 변화의 방식으로 목표 EGR율(TGEGR)을 0으로 감소시킴으로써 EGR을 정지시키며, 위상 지연 EGR율(TEGRD)은 흡입 시스템에 잔류하는 잔류 EGR 가스 때문에 실제 EGR율을 시뮬레이션하는 점진적인 방식으로 감소한다.

단계 S8의 다음 단계 S9에서, 제어 유니트(11)는 잔류 EGR 가스량을 고려하여 보정한 보정 당량비(TFBYG4)를 계산한다. 이러한 예에서, 보정 당량비(TFBYG4)는 이하의 식에 따른 지연된 EGR율(TEGRD)에 따라 지연된 당량비(TFBYA4)를 보정함으로써 결정된다.

TFBYG4 = TFBYA4 / (TEGRD + 100[%])

따라서, 보정 당량비(TFBYG4)는 EGR 가스를 신기로 취급함으로써 결정된다. EGR 가스와 신기는 O2 농도와 H2O 농도 등의 조성에서 상이하다. 그러나, 성층 급기 연소에서와 같이 매우 희박한 공연비에서의 초희박 연소에서, 이러한 차이는 작은 것이며 계산에 있어서 신기 대신에 EGR 가스로 치환하는 것은 연소에 있어서 거의 차이가 나지 않는다. 따라서, EGR 가스량을 등가 흡기량으로 변환함으로써 결정되는 당량비(TFBYG4)의 연소 제한치는 EGR이 없는 희박 혼합기의 당량비의 연소 제한치에 밀접하다고 생각할 수 있다. 지연된 당량비(TFBYA4)는 신기 흡입량에 대한 연료 공급량의 비를 나타내며 보정 당량비(TFBYG4)는 신기 흡입량과 EGR 가스량의 합계인 흡입 가스량에 대한 연료 공급량의 비를 나타낸다. 보정 당량비(TFBYG4)는 EGR 가스량이 0이며 따라서 지연된 EGR율(TEGRD)이 0일 때 지연된 당량비(TFBYA4)와 동일하다. 보정 당량비(TFBYA4)는 EGR 가스량이 증가함에 따라 감소한다.

단계 S10에서, 제어 유니트(11)는 연소 효율 보정과 고응답 토오크 보정을 수행한다. 연소 효율은 이론 공연비보다 희박한 공연비에서의 희박 연소 모드에서 더 높으며, 화학 양론에서 또는 인근에서의 균질 화학 양론 연소 모드에서보다 성층 급기 연소 모드에서 더 높으며, 동일한 토오크를 생성하기 위해 요구되는 연료분사량은 연소 효율이 높아짐에 따라 감소한다. 공기량은 이론 공연비에 의해 결정된 기본 목표 연료 분사량으로 목표 당량비를 성취하기 위해 제어되며, 한편 연료 분사량은 연소 효율에 따라 보정된다. 따라서, 실제 당량비는 연소 효율의 향상에 의해 목표 당량비보다 작아진다. 고응답 토오크 보정은 토오크 증가에 응하여 당량비를 증가시키는 보정이다. 지체 때문에, 흡기량의 제어는 자동 변속기의 변속 작동에서의 요구되는 목표 토오크를 성취하기에 불충분하다. 따라서, 성층 연소 모드에서, 고응답 토오크 보정이 당량비를 보정하기 위해 행해진다. 이러한 예에서, 제어 유니트(11)는 이하의 식을 사용하여 임시 당량비(TFATMP)를 결정한다.

TFATMP = TFBYG4 × ITAFTMP × PIPHIT

이러한 식에서, ITAFTMP는 연소 효율 보정의 보정 계수이며, PIPHIT는 고응답 토오크 보정의 보정 계수이다. 임시 당량비(TFATMP)는 도4에 도시된 바와 같이 TFBYA4 곡선 아래에서 곡선을 따라 점진적으로 증가한다.

단계 S11에서, 제어 유니트(11)는 연소 명령 플래그(FSTRR)를 점검함으로써 엔진이 성층 모드 상태인지의 여부를 결정한다. 제어 유니트(11)는 성층 모드가 현재 작동 중이면 단계 S12로 진행하며, 균질 모드가 작동 중이면 이러한 루틴을 종료한다. 연소 명령 플래그(FSTRR)는 도4에 도시된 바와 같이 균질 모드 동안에 0으로 설정되며 성층 모드 동안에 1로 설정된다.

단계 S12에서, 제어 유니트(11)는 연료 차단 진입 지연이 진행 중인 지의 여부를 결정한다. 자동차가 연료 차단 상태가 충족되는 감속 작동 상태에 있을 때,이러한 예의 제어 시스템은 토오크 단차를 완화하기 위해 감속의 시작부터 소정 지연 시간의 말기까지 연료 차단을 연기한다. 단계 S12의 응답은 이러한 지연 시간의 기간 동안 예(YES)이다.

단계 S12의 응답이 예(YES)이면, 제어 유니트(11)는 단계 S13으로 진행하며 임시 당량비(TFATMP)가 소정 제한치(FCSTFMX)보다 크다거나 또는 동일한 지의 여부를 결정한다. 그렇다면, 제어 유니트(11)는 TFATMP를 단계 S14에서 FCSTFMX와 동일하게 함으로써 임시 당량비(TFATMP)를 제한치(FCSTFMX)까지 제한하고 이후에 단계 S15로 진행한다. 단계 S14의 이러한 제한 작동은 연료 차단시 토오크 단차를 완화하는 데 도움을 준다. 단계 S12의 응답이 아니오(No)이거나 TFATMP가 FCSTFMX보다 작으면, 제어 유니트(11)는 단계 S14를 바이패스하여 단계 S15에 도달한다.

단계 S15에서, 제어 유니트(11)는 성층 모드에서 균질 모드로의 연소 절환의 여부를 결정한다. 이러한 예에서, 제어 유니트(11)는 임시 당량비(TFATMP)가 소정의 임계치(TFACH)보다 크거나 또는 동일한 지의 여부를 단계 S15에서 결정한다. 제어 유니트(11)는 TFATMP가 TFACH보다 크거나 같을 때 단계 S16으로 진행하며, TFATMP가 TFACH보다 작을 때 단계 S16으로 진입하지 않고 이러한 루틴을 종료한다.

단계 S16에서, 제어 유니트(11)는 모든 상태들이 균질 모드로의 절환에 대해 충족되었다고 간주하고, 연소 명령 플래그(FSTRR)를 0으로 전환함으로써 성층 모드로부터 균질 모드로의 연소 절환 명령을 내린다. 그러면, 제어 시스템은 플래그(FSTRR)에 의해 열거된 연소 모드에서 실제 연소를 제어한다.

본 실시예에 따른 제어 시스템은 도4에 도시된 TFBYA4와 TFATMP 사이의 해칭선 영역에서 발생하는 실화로 인한 요구되지 않은 지연 또는 엔진 속도 감소를 방지할 수 있다. 제어 시스템은 흡입 가스량의 실제 상태를 더 정확히 나타내는 보정 목표 당량비(TFBYG4)를 기초로 한 임시 당량비(TFATMP)를 감시하며, 실제 상태가 안정한 균질 희박 연소를 보장하는 영역으로 진입한 후에만 균질 모드로 연소 절환을 수행한다. 본 실시예에 따른 제어 시스템은 TFBYA4를 비교하는 대신에 TFATMP와 TFACH를 비교함으로써 도4에 도시된 지점 B 대신에 지점 A에서 성층 모드에서 균질 모드로 연소 모드를 절환한다. 지점 B에서, 신기 흡입량과 임시 당량비(TFATMP)로 나타낸 EGR 가스량의 전체 흡입 가스량에 대한 연료량의 실제 비율은 실화없이 균질 모드로의 절환을 적절히 수행하기에 여전히 낮다. 연소 절환 타이밍을 지점 A로 설정함으로써, 제어 시스템은 대량의 EGR을 갖는 성층 모드로부터 균질 모드로의 천이에서 잔류 EGR 가스의 요구되지 않은 영향을 최소화할 수 있으며, 성층 모드로부터 균질 모드로의 원활하고 시기 적절한 절환을 수행할 수 있다.

이러한 실시예는 EGR의 정지로부터 목표 당량비 절환의 시작까지의 지연 시간을 설정하기 위한 지연 작동에 대한 필요성을 제거한다. 이러한 실시예에 따른 제어 시스템은 절환 요구에 응하여 가능한 한 신속히 연소 절환을 수행할 수 있다. 그러나, 본 발명은 그러한 지연 작동을 갖는 시스템에도 적용 가능하다. 지연 시간이 짧다면, 잔류 EGR 가스의 영향은 남아 있으며, 보정 당량비(TFBYG4)를 기초로 한 연소 절환 타이밍의 결정은 잔류 EGR 가스의 영향을 피하는 것에 대해 효과적이다.

성층 급기 연소 모드로부터 균질 화학 양론 연소 모드로의 연소 절환의 경우에, 제어 시스템은 EGR 작동을 잠시 중단시키고, 실제 당량비 상태가 연소의 안정성을 저하시키지 않고 EGR 작동을 허용하는 소정 영역으로 진입할 때 EGR 작동을 다시 시작한다. 이러한 예에서, 제어 시스템은 성층 모드에서 대량의 EGR을 수행하기 위해 높은 수준으로 EGR량을 증가시키고 균질 희박 연소 모드에서 EGR량을 0으로 감소시키며, 균질 농후(화학 양론) 연소 모드에서 적절한 EGR을 다시 수행하기 위해 적절한 수준으로 EGR량을 증가시킨다.

균질 화학 양론 연소 모드로부터 성층 연소 모드로의 연소 절환의 경우에도, 제어 시스템은 잔류 EGR 가스를 고려하여 계산된 당량비를 감시함으로써 연소 절환 타이밍을 결정할 수 있으며, 이럼으로써 연소 절환을 반응하여 시기 적절하게 성취할 수 있다.

본 발명의 도시된 예에 따라 이렇게 구성된 제어 시스템은 EGR 절환 작동뿐만 아니라 공연비 절환 작동을 감시함으로써 연소 절환 타이밍을 결정한다. 제어 시스템은 흡기량과 재순환되는 배기 가스량의 합에 대한 연료량의 실제 연료 가스비를 시뮬레이션하는 (TFBYG4 또는 TFATMP와 같은) 연소성 표시 매개변수에 의해 소정 상태가 충족될 때, 제1 연소 모드로부터 제2 연소 모드로 연소 절환을 명령하기 위해 (FSTRR 또는 다른 형태의 결과 신호에서의 단계 변화와 같은) 제1 모드 대 제2 모드 연소 명령 신호를 생성한다. 연소성 표시 매개변수는 공연비 절환 작동에 의해 제어되는 실제 공연비를 나타내는 (TFBYA4와 같은) 비율 매개변수와 EGR 절환 작동에 의해 제어되는 실제 EGR량을 나타내는 (TEGRD와 같은) EGR 매개변수의함수이다.

본 출원은 일본 특허 출원 (평)9-351493호에 기초한다. 일본에서 1997년 12월 19일자로 출원된 이러한 일본 특허 출원 (평)9-351493호의 내용이 본 명세서에 참조되어 합체되어 있다.

본원의 엔진 제어 장치 및 방법은 단지 공연비 대신에 새로운 흡입 공기와 재순환된 배기 가스의 실제 흡입 가스 혼합기 상태를 반영하는 매개변수를 감시함으로써 균질 희박 연소 모드 등의 연소 모드의 연소 제한치를 더 정확히 검출하여 시기 적절한 방식으로 연소를 절환할 수 있으며 EGR의 악영향을 최소화하는 원활한 방식으로 연소 모드를 절환할 수 있다.

Claims

엔진 작동 상태에 따라 복수개의 연소 모드 사이에서 엔진 내의 연소 상태를 절환하기 위한 연소 시스템과, 엔진으로부터의 배기 가스의 일부를 엔진으로의 흡기 유동으로 재순환시키기 위한 EGR 시스템이 설치된 내연 기관용 엔진 제어 장치에 있어서,

제1 연소 모드로부터 제2 연소 모드로의 절환을 요구하기 위해 제1 모드 대 제2 모드 연소 절환 요구 신호를 생성하기 위한 제1 부분과,

절환 요구 신호에 응하여 제1 연소 모드에 대해 요구되는 제1 비율 레벨로부터 제2 연소 모드에 대해 요구되는 제2 비율 레벨로 점진적으로 실제 당량비를 변화시키기 위한 제2 부분과,

제1 비율 레벨로부터 제2 비율 레벨로의 실제 당량비의 점진적인 변화 동안에 EGR 시스템의 EGR량을 계산하기 위한 제3 부분과,

EGR량을 고려하여 보정 당량비를 계산하기 위한 제4 부분과,

보정 당량비에 따라 제1 연소 모드로부터 제2 연소 모드로 연소 상태를 절환하기 위한 제5 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 제어 장치.
제1항에 있어서, 제1 연소 모드 및 제2 연소 모드 중 하나는 성층 급기 연소 모드이며, 다른 하나의 연소 모드는 균질 급기 연소 모드인 것을 특징으로 하는 엔진 제어 장치.
제2항에 있어서, 제3 부분은 EGR 시스템이 성층 연소 모드 동안에 EGR 작동을 수행하도록 하며, 성층 모드로부터 균질 모드로의 연소 절환을 요구하는 연소 절환 요구 신호를 수신하는 즉시 EGR 작동을 정지하도록 하기 위한 EGR 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 제어 장치.
제3항에 있어서, EGR 제어부는 실제 당량비가 EGR 작동을 허용하는 소정 레벨에 도달할 때 EGR 시스템이 EGR 작동을 다시 개시하도록 하는 것을 특징으로 하는 엔진 제어 장치.
제1항에 있어서, 제3 부분은 요구되는 목표 EGR량을 계산하며, 요구되는 목표 EGR량에 대한 위상 지연 보정을 수행함으로써 지연된 EGR량을 추가로 계산하며, 제4 부분은 지연된 EGR량에 따라 보정 당량비를 계산하는 것을 특징으로 하는 엔진 제어 장치.
제5항에 있어서, 지연된 EGR량은 요구되는 목표 EGR량에 못 미치는 요구되는 목표 EGR량의 함수이며, 제2 부분은 제1 모드 대 제2 모드 연소 절환 요구 신호에 응하여 요구되는 제1 비율 레벨로부터 요구되는 제2 비율 레벨로 실제 당량비를 점진적으로 변화시키기 위해 지연된 목표 당량비를 계산하며, 제4 부분은 지연된 목표 당량비와 지연된 EGR량으로부터 보정 당량비를 계산하는 것을 특징으로 하는 엔진 제어 장치.
엔진 제어 장치에 있어서,

내연 기관과,

공연비 제어 신호에 따라 제1 연소 모드에 대해 요구되는 제1 비율 레벨로부터 제2 연소 모드에 대해 요구되는 제2 비율 레벨로 점진적으로 엔진에 대한 공기 연료 혼합기의 실제 연료 공기비를 변화시키며, 제1 모드 대 제2 모드 연소 절환 요구 신호에 응하여 제1 연소 모드로부터 제2 연소 모드로 엔진 내의 실제 연소 상태를 절환하기 위한 연소 시스템과,

엔진으로부터의 배기 가스를 엔진으로의 흡기 유동으로 재순환시키며, EGR 제어 신호에 응하여 제1 연소 모드에 대해 요구되는 제1 EGR량으로부터 제2 연소 모드에 대해 요구되는 제2 EGR량으로 실제 EGR량을 변화시키기 위한 EGR 시스템과,

엔진의 엔진 작동 상태를 감지하기 위한 센서와,

센서에 의해 감지된 엔진 작동 상태에 따라 제1 연소 모드로부터 제2 연소 모드로의 연소 절환을 요구하기 위해 제1 모드 대 제2 모드 연소 절환 요구 신호를 생성하며, 절환 요구 신호에 응하여 연료 공기비 제어 신호를 변화시킴으로써 제1 연소 모드에 대해 요구되는 제1 비율 레벨로부터 제2 연소 모드에 대해 요구되는 제2 비율 레벨로 점진적으로 실제 연료 공기비를 변화시키기 위해 연료 공기비 절환 작동을 수행하며, 절환 요구 신호에 응하여 EGR 제어 신호를 변화시킴으로써 제1 EGR의 요구량으로부터 제2 EGR의 요구량으로 실제 EGR량을 변화시키기 위해EGR 절환 작동을 수행하며, 연소 절환 타이밍에서 제1 연소 모드로부터 제2 연소 모드로의 연소 절환을 명령하기 위해 제1 모드 대 제2 모드 연소 명령 신호를 생성하기 위한 제어기를 포함하며,

상기 제어기는 EGR 절환 작동뿐만 아니라 연료 공기비 절환 작동을 감시함으로써 연소 절환 타이밍을 결정하는 것을 특징으로 하는 엔진 제어 장치.
제7항에 있어서, 제어기는 연소성 표시 매개변수가 소정 상태를 충족시킬 때 제1 연소 모드로부터 제2 연소 모드로의 연소 절환을 명령하기 위해 제1 모드 대 제2 모드 연소 명령 신호를 생성하며, 연소성 표시 매개변수는 흡기량과 재순환된 배기 가스량의 합에 대한 연료량의 연료 가스비를 나타내는 변수이며, 제어기는 연료 공기비 절환 작동에 의해 제어되는 실제 연료 공기비를 나타내는 비율 매개변수와 EGR 절환 작동에 의해 제어되는 실제 EGR량을 나타내는 EGR 매개변수에 따라 연소성 표시 매개변수를 결정하는 것을 특징으로 하는 엔진 제어 장치.
제8항에 있어서, 비율 매개변수는 지연된 목표 당량비이며, 제어기는 제1 비율 레벨로부터 제2 비율 레벨로 실제 연료 공기비를 점진적으로 변화시키기 위해 지연된 목표 당량비를 결정하며, 제어기는 지연된 목표 당량비에 따라 연료 공기비 제어 신호를 생성하며, EGR 매개변수는 추정 EGR량이며, 제어기는 요구되는 목표 EGR량에 따라 EGR 제어 신호를 생성하고 절환 요구 신호에 응하여 제1 EGR의 요구량으로부터 제2 EGR의 요구량으로 실제 EGR량을 변화시키기 위해 제1 요구량으로부터 제2 요구량으로 요구되는 목표 EGR량을 변화시키며, 추정 EGR량이 제1 요구량으로부터 제2 요구량으로 요구되는 목표 EGR량에 못 미치는 점진적인 속도로 변화하도록 추정 EGR량을 계산하며, 제어기는 지연된 목표 당량비에 따라 추정 연료 가스비를 계산하며, 추정 연료 가스비에 따라 연소성 표시 매개변수를 결정하는 것을 특징으로 하는 엔진 제어 장치.
제9항에 있어서, 추정 연료 가스비는 추정 EGR량이 0일 때 지연된 당량비와 동일하며, 추정 연료 가스비는 추정 EGR량이 증가함에 따라 감소하는 것을 특징으로 하는 엔진 제어 장치.
제10항에 있어서, 추정 EGR량은 흡기량에 대한 재순환된 배기 가스량의 비율을 나타내며, 추정 연료 가스비는 (1 + 추정 EGR)으로 나누어진 지연된 당량비와 동일한 것을 특징으로 하는 엔진 제어 장치.
제9항에 있어서, 제2 연소 모드에 대해 요구되는 제2 EGR량은 제1 연소 모드에 대해 요구되는 제1 EGR량보다 작으며, 제2 연소 모드에 대해 요구되는 제2 비율 레벨은 제1 연소 모드에 대해 요구되는 제1 비율 레벨보다 높은 것을 특징으로 하는 엔진 제어 장치.
제12항에 있어서, 제1 연소 모드는 성층 급기 연소 모드이며, 제2 연소 모드는 균질 급기 연소 모드인 것을 특징으로 하는 엔진 제어 장치.
제13항에 있어서, 요구되는 제2 EGR량은 EGR 시스템의 최소 설정치와 동일하며, 제어기는 제1 모드 대 제2 모드 절환 요구 신호를 수신한 즉시 제1 EGR의 요구량으로부터 제2 EGR의 요구량으로 실제 EGR량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 엔진 제어 장치.
제14항에 있어서, 제어기는 연소성 표시 매개변수가 균질 연소 모드 동안에 소정 레벨과 동일해지거나 커질 때 제2 EGR의 요구량으로부터 제2 EGR의 요구량보다 큰 제3 EGR의 요구량으로 실제 EGR량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 엔진 제어 장치.
제7항에 있어서, 연소 시스템은 실제 흡기량을 제어하기 위한 흡입 시스템과, 엔진의 연소실 내로 직접 연료를 분사하며 절환 명령 신호에 응하여 제1 모드에 대해 요구되는 제1 분사 타이밍으로부터 제2 모드에 대해 요구되는 제2 분사 타이밍으로 실제 연료 분사 타이밍을 변화시키기 위한 분사 시스템으로 구성되며, 센서는 엔진의 엔진 속도 상태를 감지하기 위한 제1 센서와, 엔진의 엔진 부하 상태를 감지하기 위한 제2 센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진 제어 장치.
엔진 작동 상태에 따라 복수개의 연소 모드 사이에서 엔진 내의 연소 상태를절환하기 위한 연소 시스템과, 엔진으로부터의 배기 가스의 일부를 엔진으로의 흡기 유동으로 재순환시키기 위한 EGR 시스템이 설치된 내연 기관을 위한 엔진 제어 방법에 있어서,

제1 연소 모드로부터 제2 연소 모드로의 절환을 요구하기 위해 제1 모드 대 제2 모드 연소 절환 요구 신호를 생성하기 위한 제1 단계와,

절환 요구 신호에 응하여 제1 연소 모드에 대해 요구되는 제1 비율 레벨로부터 제2 연소 모드에 대해 요구되는 제2 비율 레벨로 점진적으로 실제 당량비를 변화시키기 위한 제2 단계와,

제1 비율 레벨로부터 제2 비율 레벨로의 실제 당량비의 점진적인 변화 동안에 EGR 시스템의 EGR량을 계산하기 위한 제3 단계와,

EGR량을 고려하여 보정 당량비를 계산하기 위한 제4 단계와,

보정 당량비에 따라 제1 연소 모드로부터 제2 연소 모드로 연소 상태를 절환하기 위한 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 제어 방법.
제17항에 있어서, 제1 및 제2 연소 모드 중 하나는 성층 급기 연소 모드이고 다른 하나의 연소 모드는 균질 급기 연소 모드이며, 제3 단계는 EGR 시스템이 성층 연소 모드 동안에 EGR 작동을 수행하도록 하며, 성층 모드로부터 균질 모드로의 연소 절환을 요구하는 연소 절환 요구 신호를 수신한 즉시 EGR 작동을 정지시키도록 하는 제1 서브 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 제어 방법.
제17항에 있어서, 제3 단계는 요구되는 목표 EGR량을 계산하기 위한 작동과, 요구되는 목표 EGR량에 대한 위상 지연 보정을 수행함으로써 지연된 EGR량을 추가로 계산하기 위한 작동을 포함하며, 제4 단계는 지연된 EGR량에 따라 보정 당량비를 계산하기 위한 작동을 포함하며, 지연된 EGR량은 요구되는 목표 EGR량에 못미치는 요구되는 목표 EGR량의 함수이며, 제2 단계는 제1 모드 대 제2 모드 연소 절환 요구 신호에 응하여 요구되는 제1 비율 레벨로부터 요구되는 제2 비율 레벨로 점진적으로 실제 당량비를 변화시키기 위해 지연된 목표 당량비를 계산하기 위한 서브 단계를 포함하며, 제4 단계는 지연된 목표 당량비와 지연된 EGR량으로부터 보정 당량비를 계산하기 위한 서브 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 제어 방법.