KR100413402B1 - 모델을이용하여내연기관실린더내측으로의공기질량을측정하는방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스로틀 개방각의 입력 변수 및 주변 압력의 입력 변수로부터 및, 밸브 제어 기어를 나타내는 변수로부터 분사시간이 결정되는 것에 기초한 부하 변수를 제공하는 흡입튜브 충전 모델의 지원과 함께 실린더 안으로 실제 유동하는 공기 질량을 산출하는 방법에 관한 것이다. 더욱이, 이러한 부하 변수는 분사시간에 관한 현재의 산출보다 나중의 적어도 하나의 표본 단계인 상수에서의 부하 변수를 산출하기 위하여 예상용으로 이용된다.

Description

모델을 이용하여 내연기관 실린더 내측으로의 공기 질량을 측정하는 방법
본 발명은 특허청구의 범위 제 1항의 전제부, 즉 흡기 튜브 및 내부에 배치된 스로틀 밸브, 스로틀 밸브의 개방각을 검출하는 스로틀 위치 센서를 구비하는 흡기 시스템과, 내연 기관의 부하 신호를 생성하는 센서와, 그리고 측정된 부하 신호와 내연 기관의 속도에 기초하여 기본 분사 시간을 연산하는 전자 제어 장치를 구비하는 내연 기관의 실린더로 유입되는 공기 질량을 결정하기 위한 방법에 있어서, 모델 지원으로 내연 기관 실린더로 유입되는 공기 질량을 결정하는 방법에 관한 것이다.
연료분사로 작동하는 내연기관용 엔진관리 시스템은 엔진 부하의 측정으로서 엔진에 의해 취해진 공기의 질량(mZyl)을 필요로 한다. 이러한 변수는 요구된 공연비를 인식하기 위한 기초를 이룬다. 자동차에 의한 오염물질 방출의 감축과 같이, 엔진 관리 시스템에 부과되는 요구가 커짐으로, 허용가능한 낮은 오차를 가지고 정상 상태 및 비정상 상태 작동에 대한 부하변수를 결정할 필요성이 대두된다. 상기 작동의 경우에 추가하여, 내연기관의 공회전 상태(warming-up)시 부하의 정확한 검출은 오염물질을 감축하는데 상당히 기여하게 된다.
공기 질량에 의해 제어되는 엔진 관리 시스템에서, 비정상 상태의 작동시, 스로틀 밸브 하류의 흡기 튜브의 체적은 충진되거나 비워져야 하는 저장기로 작용하기 때문에 흡기 튜브의 상류에 배치되는 공기 질량 측정기의 신호로서 내연 기관의 부하 신호로 제공되는 신호는 실린더의 실제 충진 측정이 아니다. 그러나, 분사시간을 산출하기 위한 중대한 공기 질량은 흡기 튜브로부터 유출되어 개개의 실린더로 유입되는 공기 질량이다.
비록 흡기 튜브 압력에 의해 제어되는 엔진 관리 시스템에서 압력 센서의 출력신호로부터 흡기 튜브 내의 실제 압력상태가 재생되더라도, 특히 측정된 변수의 요구된 평균화 때문에 비교적 나중까지 이용할 수 없다.
경험적으로 획득된 모델에 가변 흡기 시스템 및 가변 밸브 타이밍 장치를 도입하는 것은 대응 모델 파라미터에 영향을 끼치는 다수의 영향 변수를 만들었다.
물리적 접근에 근거한 모델 지원 연산 방법(model-aided computational method)은 공기 질량( mZyi)을 정확하게 결정하기 위한 바람직한 시작점이다.
독일 특허 제 39 19 448 C2호는 제어에 대한 장치를 설명하고 있으며 흡기 튜브 압력에 의해 제어되는 내연기관 흡입 공기 양의 개선된 결정 방법을 개시하는데, 여기서 스로틀 개방각 및 엔진 속도는 엔진의 연소챔버 안으로 취해진 공기의 현재값을 산출하기 위한 기초로서 이용된다. 이러한 산출된 흡입공기의 현재량은 계산이 실행되는 점으로부터 시작하는 특정 시간에 엔진 연소챔버 내로 취해질 흡입공기 양의 사전 결정값을 산출하기 위한 기초로서 이용된다. 스로틀 밸브의 하류에서 측정되는 압력신호가 이론적인 관계의 지원으로 수정되어, 내부로 취해지는 공기 질량을 결정하는 것이 개선되고, 이로 인해 분사시간에 관한 더욱 정확한 연산이 이로인해 가능하다.
그러나 내연기관의 비정상 상태 작동에 있어서, 여전히 더욱 정확하게 실린더 안으로 유입되는 공기 질량을 결정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은 내연기관의 실린더 안으로 유입되는 실제 공기 질량이 매우 정확하게 결정될 수 있는 방법을 기술하기 위한 것이다. 더욱이, 그 목표는 연료 진각(fuel advance) 및 연산시간 때문에 분사시간을 산출하는 경우에 발생할 수 있는 시스템 유도형 데드 타임을 보상하기 위한 것이다.
이러한 목적은 특허청구의 범위 제 1항의 특징부에 따라 달성된다.
바람직한 개선이 종속항에 주어져 있다.
공지된 접근으로부터 시작하여, 비선형 미분 방정식에 근거한 모델 기술이 달성된다. 이러한 비선형 방정식의 근사는 하기된다. 이러한 근사의 결과로서, 시스템의 거동은 실시간 조건하에서 자동차의 엔진 관리 유닛에 관련된 해(soulution)을 빠르게 구할 수 있게 만드는 쌍일차 방정식에 의해 설명될 수 있다. 이러한 경우에 선택된 모델 접근은 가변 흡기 시스템의 모델 및 가변 밸브 타이밍 장치를 갖춘 시스템의 모델을 포함한다. 이러한 배열체에 의해 그리고 동적 재충전에 의해, 즉 흡기 튜브 내 압력파의 반사에 의해 초래되는 효과는 정상 상태에서 결정될 수 있는 모델에 관한 변수를 선택함으로써 매우 효과적이고 독점적으로 고려될 수 있다. 모든 모델 파라미터는 한편으로는 물리적으로 해석될 수 있고, 다른 한편으로는 정상 상태 측정치로부터 독점적으로 달성될 것이다.
여기에 사용된 모델의 반응을 설명하는 미분 방정식의 이산 시간 해법에 대한 대부분의 알고리즘은, 주로 스로틀 밸브를 가로지른 압력 강하가 작은 경우, 즉전 부하(full load)의 경우에 숫적으로 안정된 방식의 작동을 위하여 연산단계의 매우 작은 폭을 요구한다. 결과적으로 부하변수를 결정하는 계산에 있어 수용할 수 없는 경비를 발생시킬 것이다. 부하 검출 시스템은 구획 동기 방식(segment-synchronous fashion), 즉 4 실린더 기관에 대하여 측정값이 매 180°CS마다 샘플링되기 때문에, 모델 방정식도 유사하게 구획 동기 방식으로 해를 구해야 한다. 이하에서는 미분 방정식을 풀기 위한 절대적으로 안정된 미분 기법을 이용하는데, 상기 기법은 주어진 단계 폭에 대하여 수치 안정성을 확보한다.
또한, 본 발명에 따른 모델 지원된 연산 방법은 선택 가능한 다수의 샘플링 단계에 의해 부하 신호의 예상 가능성, 즉 가변적인 예상 범위와 함께 부하신호의 예상을 말하는 것이다. 만일 일정한 속도가 주어진 예상범위에 비례하는 예상 시간이 그다지 길지 않게 되면, 결과적으로 정확도가 높은 예상 부하 신호가 발생한다.
데드 타임은 관련 측정값의 검출과 부하 변수의 산출 사이에서 증대되기 때문에 상기 예상이 요구된다. 더욱이, 혼합 준비를 이유로 각각의 실린더 흡입 상태의 실제 시작 전에 분사밸브를 통하여 가능한 한 정확하게 연료 질량이 측정될 필요가 있는데, 상기 연료 질량은 절박한 흡기 상태의 경우 공기 질량(mZyi)에 대하여 소정의 비를 갖는다. 가변적인 예상 범위는 비정상 상태 엔진 작동시 연료 계측의 질을 개선한다. 구획 시간의 감소로 속도가 상승하기 때문에, 분사작동은 보다 느린 속도의 경우보다는 보다 큰 수의 구획만큼 먼저 시작되어야 한다. 측정될 연료질량을 가능한 한 정확하게 결정할 수 있도록, 이 경우에 요구되는 공연비를 보다 잘 유지하기 위하여 연료 진각이 시작되는 구획 수만큼 부하변수의 예상이 요구된다. 이와 같이, 부하변수의 예상은 비정상 상태의 엔진 작동시 요구되는 공연비를 유지함에 있어서 실제적인 개선으로 기여한다. 모델 지원식 부하 검출용 시스템은 공지된 엔진 관리 시스템 내에 있는데, 이는 공기 질량에 의해 제어되거나 또는 흡기 튜브 압력에 의해 제어되는 엔진 관리 시스템의 경우에 수정 알고리즘이 모델 제어루프의 형태로 아래에 형성된다는 것을 의미하는데, 상기 모델 제어루프는 모델 변수에서 발생하는 부정확성의 경우에 정확성을 위해 영구적인 개선을 허용하고, 이는 정상 상태 및 비정상 상태의 작동에서의 모델 조정을 말하는 것이다.
본 발명에 따른 방법의 실시예는 하기에 개략도로 설명된다.
도 1은 가변 및 측정된 가변 대응 모델을 포함하는 불꽃 점화식 내연기관의 흡입 시스템의 개략도이다.
도 2는 유량 함수 및 통합된 다각형의 근사치를 도시한 도면이다.
도 3은 공기 질량에 의해 제어된 엔진 관리 시스템용 모델 제어루프의 블록선도이다.
도 4는 흡기 튜브 압력에 의해 제어된 엔진 관리 시스템용 모델 제어루프의 블록선도이다.
부하 가변 공식의 모델 지원 연산(model-aided calculation)은 도 1에 도시된 장치로부터 진행한다. 명확히 하면, 여기에는 내연기관 실린더 한 개만이 도시되어 있다. 도면 부호(10)는 내부에 스로틀 밸브(11)가 장착되어 있는 내연기관의 흡기 튜브를 가리킨다. 스로틀 밸브(11)는 스로틀 밸브의 개방각을 결정하는 스로틀 위치센서(14)에 연결된다. 공기 질량에 의해 제어되는 엔진 관리 시스템의 경우, 공기 질량 측정기(12)가 스로틀 밸브(11)의 상류에 배치되는 반면, 흡기 튜브 압력에 의해 제어된 엔진 관리 시스템의 경우, 흡기 튜브 압력센서(13)가 흡기 튜브 내에 배열된다. 따라서, 부하 검출 형태에 따라 두 구성부재(12,13) 중 한 개만이 존재한다. 공기 질량 측정기(12), 스로틀 위치센서(14) 및, 상기 공기 질량 측정기(12)의 대안으로서 도시된 흡기 튜브 압력센서(13)의 출력부는 내연기관의 도시되지는 않았으나 그 자체로 공지된 전자제어 기구의 입력부에 연결된다. 또한 도 1에는 흡입밸브(15), 배기밸브(16) 및, 실린더(17) 내에서 움직일 수 있는 피스톤(18)이 개략적으로 추가 도시되어 있다.
도 1에는 또한 흡기 시스템의 선택 변수가 도시되어 있다. 여기에서 변수위의 부호(^)는 그것이 모델 변수라는 것을 나타내며, 부호(^)가 없는 변수는 측정된 변수를 나타낸다. 상세하게 설명하자면, PU는 주위 압력을, PS는 흡기 튜브 압력을, TS는 흡기 튜브 내에서 공기 온도를, 그리고 VS는 흡기 튜브의 체적을 각각 의미한다.
점으로 된 부호를 구비한 변수는 해당 변수의 제 1 시간 도함수와 동일하다. 이와 같이
Figure pct00001
는 스로틀 밸브에서의 공기의 유량(air mass flow)이고,
Figure pct00002
은 내연기관의 실린더 안으로 실제 유입되는 공기의 유량이다.
엔진 부하상태의 모델 지원 연산에서의 기본적인 작업은, 흡기 튜브(TS) 내에서 공기의 일정한 온도를 가정하여 이상기체 상태 방정식으로부터 유도될 수 있는 흡기 튜브 압력에 대한 미분 방정식을 푸는 것이다.
Figure pct00003
여기에서, RL은 일반 기체 상수를 나타낸 것이다.
부하 변수(
Figure pct00004
)는 실린더 질량 유량(
Figure pct00005
)을 적분함으로써 결정된다. 식(2.1)에 의해 기술된 상태는 램 튜브(전환가능한 흡기 튜브) 및/또는 구조적인 변화가 없는 공진 흡기 시스템(resonance intake systems)을 갖춘 다기통 내연기관에 적용될 수 있다.
다수의 분사밸브에 의해 연료가 측정되는 다중점 분사를 갖는 시스템에 대해서, 상기 시스템 내에서의 연료 측정이 수행되고, 식 (2.1)은 단일 점 분사에 대한 경우, 즉 단일 연료 분사 밸브에 이해 연료가 계측되는 분사의 경우 보다 정확하게 상기 상태를 재생시킬 것이다. 연료측정에 관한 제 1 형태의 경우에, 전체 흡기 시스템은 거의 공기로 채워진다. 공기-연료 혼합물은 흡기 밸브 상류의 작은 구역에만 위치된다. 이와는 달리, 분사밸브는 스로틀 밸브의 상류에 배열되어 있기 때문에 밸브당 단일점 분사 시스템의 경우에 전체 흡기 튜브는 스로틀 밸브로부터 흡기 밸브에 이르기까지 공기-연료 혼합물로 충전된다. 이러한 경우에, 이상 기체의 가정(assumption)이 다점 분사의 경우보다 더 정확한 근사치를 나타낸다. 단일점 분사에서
Figure pct00006
를 따라 연료가 계측되며, 다점 분사의 경우에
Figure pct00007
를 따라 연료가 계측된다.
질량 유량(
Figure pct00008
및
Figure pct00009
)을 연산하는 것이 아래에 더욱 상세하게 기술된다.
스로틀 밸브에서의 공기 질량 유량(
Figure pct00010
)의 모델 변수는 스로틀링 점을 통한 이상 기체의 유량 방정식에 의해 설명된다. 스로틀링 점에서 발생하는 유량 손실(flow loss)은 감소된 흐름 단면(
Figure pct00011
)에 의한 계산으로 얻어진다. 따라서, 공기 질량 흐름(
Figure pct00012
)은
Figure pct00013
에 의해 결정되는데,
여기서 초 임계(hypercritical) 압력관계에 대하여는
Figure pct00014
이거나,
임계 압력 관계에 대하여는
Figure pct00015
= 상수이다. (2.2)
Figure pct00016
: 스로틀 밸브에서의 공기 질량 유량의 모델 변수
Figure pct00017
: 감소된 유량 횡단면
Figure pct00018
: 단열 지수
RL: 일반 기체 상수
TS: 흡기 튜브 내의 공기 온도
Figure pct00019
: 주변 압력의 모델 변수
Figure pct00020
: 흡기 튜브 압력의 모델 변수
Figure pct00021
: 유량 함수
스로틀링 점에서 즉, 스로틀 밸브에서 발생하는 유량 손실은
Figure pct00022
의 적절한 선택을 통하여 고려된다. 스로틀링 점의 상류 및 하류에서의 공지된 압력 및 스로틀링 점을 통한 공지된 질량 유량이 주어지는 경우, 정상 상태(steady-state)의 측정치가 스로틀 위치 센서(14)에 의해 결정된 스로틀 각과 대응 감소 단면(
Figure pct00023
) 사이의 할당을 특정하는데 이용될 수 있다.
스로틀 밸브에서의 공기 질량 유량(
Figure pct00024
)은 식(2.2)로 기술되는 경우, 그 결과는 미분 방정식(2.1)의 정확한 수치 해를 위한 알고리즘이 복잡해진다. 유량함수(
Figure pct00025
)는 연산 비용을 줄이기 위해 폴리곤(polygon)으로 근사된다.
도 2는 유량함수(
Figure pct00026
)의 특성 및 상기 유량함수에 제공된 주요 근사치를 나타낸다. 단면(i; i=1...k) 내에서, 유량함수(
Figure pct00027
)는 직선으로 나타난다. 따라서, 허용가능한 개수의 직선 단면으로 우수하게 근사될 수 있다. 이러한 접근법을 이용하여, 스로틀 밸브 공식에서의 질량 유량을 계산하기 위한 식(2.2)은 아래의 관계식으로 근접될 수 있다.
Figure pct00028
여기서, i=(1...k)이다.
이러한 형태에서,
Figure pct00029
는 기울기를 설명하는 것이고
Figure pct00030
는 각각의 직선 단면의 절대 항목을 설명하는 것이다. 기울기 값 및 절대 항목에 대한 값은 흡기 튜브 압력 대 주변압력 비의 함수(
Figure pct00031
)로서 도표내에 저장된다.
이러한 경우에, 압력비(
Figure pct00032
)는 도 2의 횡좌표 상에 표시되고, 유량 함수(
Figure pct00033
)의 함수값(0 내지 0.3)은 세로좌표 상에 표시된다.
압력비(
Figure pct00034
)에 대하여
Figure pct00035
= 상수인데, 즉 스로틀링 점에서의 유량은 단지 단면 상에만 의존하고 더 이상 압력비에 관해서는 의존하지 않는다.
상기 공기의 질량은 충진 사이클에 상당히 의존하기 때문에, 내연기관 각각의 실린더 안으로 유입되는 공기의 질량은 간신히 해석적으로만 결정될 수 있다. 실린더의 충진은 흡기 튜브 압력, 속도 및 밸브 타이밍에 의해 최대 한도로 결정된다.
각각의 실린더 안으로의 질량 유량(
Figure pct00036
)을 가능한 한 정확하게 산출할 목적으로, 한편으로는 내연기관의 흡입 트랙 내에서의 비를 편미분 방정식으로 설명할 필요가 있고, 다른 한편으로는 필수 경계조건으로서의 유량 방정식에 따른 흡기 밸브에서의 질량 유량을 계산할 필요가 있다. 단지 이러한 복잡한 접근은 동적 재충전 효과(dynamic recharging effects)로 취해질 계산을 허용하는데, 상기 동적 재충전 효과는 결정적으로 속도, 흡기 튜브 기하학, 실린더의 개수 및 밸브 타이밍에 의해 영향을 받는다.
내연기관의 전자제어 장치에서의 상기 접근에 따른 계산은 이해할 수 없기 때문에, 한 가능한 근사는 흡기 튜브 압력(
Figure pct00037
)과 실린더 질량 유량(
Figure pct00038
) 사이의단순한 관계로부터 진행한다. 이를 위해, 감지할 수 있는 밸브 타이밍에 대하여 아래 식 (2.4)의 선형 접근으로 인해 바람직한 정도까지 근사시킬 수 있다.
Figure pct00039
근본적인 영향을 끼치는 모든 요소들을 고려하여, 식(2.4)의 기울기(γ1) 및 절대 항목(γ0)은 속도, 흡기 튜브 기하 구조, 실린더의 개수, 밸브 타이밍 및 흡기 튜브 내의 공기 온도(TS)의 함수이다. 속도, 흡기 튜브 기하 구조, 실린더의 개수 및 밸브 타이밍 및 밸브 리프트 곡선과 같은 영향력 있는 변수에 대한 기울기(γ1) 및 절대 항목(γ0)의 종속성은 정상 상태 측정을 통해 결정될 수 있다. 내연기관에 의해 취해진 공기 질량에 대한 램 튜브 및/또는 공진 흡입 시스템의 영향은 이러한 값 결정을 통해 유사하게 재생될 수 있다. 기울기(γ1) 및 절대 항목(γ0)의 값은 전자 엔진 관리장치의 엔진 특성도에 저장된다.
흡기 튜브의 압력(PS)은 엔진 부하를 결정하기 위한 결정 변수로서 선택된다. 이 변수는 서로 다른 모델 미분 방정식의 도움으로 가능한 한 정확하고 빠르게 계산될 것이다. 흡기 튜브 압력(PS)의 계산은 식(2.1)에 의해 풀어진다.
식 (2.2) 및 식 (2.3)의 지원으로 소개된 단순화를 이용하여, 식(2.1)은 아래의 식(2.5)으로 근사될 수 있다.
Figure pct00040
식 (2.1)을 유도하기 위한 사전 조건에 따라 흡기 튜브(TS) 내에서의 공기 온도는 천천히 변화하는 측정 변수로서 간주되고,
Figure pct00041
가 입력 변수로서 간주되는 경우, 다른 식(2.1)의 비선형 형태는 쌍일차 방정식(2.5)으로 근사될 수 있다.
이러한 관계는 식(2.5)을 풀기 위하여 적절한 차분 방정식으로 변형된다.
구성될 차분 방정식 해법의 특성에 위치된 하기 주요 요구사항은 적절한 차분 기법을 선택하기 위한 기준(criterion)으로서 공식화될 수 있다.
1. 거대한 동적 요구하에 있을지라도 차분 기법은 보존적이어야 하는데, 다시 말하자면 차분 방정식의 해가 미분 방정식의 해에 대응하여야 한다는 것이다.
2. 최대의 가능한 구획 시간과 대응되는 샘플링 시간에서 흡기 튜브 압력의 전체 작동범위에 걸쳐 수치적 안정성이 확보되어야 한다.
상기 첫번째 요구는 절대적인 컴퓨터 연산에 의해 수행될 수 있다. 상기 차분 방정식이 양함수 형태로 전환될 수 있기 때문에, 쌍일차 방정식에 의한 비선형 미분 방정식(2.1)의 근사치로 인하여, 최종적인 음함수 해 기법(implicit solution scheme)은 반복적으로 사용되지 않고 해결될 수 있다.
미분 방정식(2.1)의 조절 및 상기 미분 방정식의 근사치(2.5)의 조정때문에, 두 번째 요구는 절대적으로 안정된 방식으로 작동하는 차분 방정식을 형성하기 위한 연산 규칙(computing rule)에 의해서만 수행될 수 있다. 이러한 방법은 A-안정 방법(A-stable method)으로서 설계된다. 이러한 A-안정성에 관한 특성은 안정된 초기 문제의 경우에 샘플링 시간의 임의의 값에 대하여, 수치적으로 안정되어 있는 알고리즘에 의해 유지된 특성인데, 다시 말해서 이는 구획 시간(TA)으로 언급된다. 트래피조이달 규칙(사다리꼴 규칙, trapezoidal rule)은 두 요구를 만족시키는 미분 방정식의 수치해에 대하여 가능한 연산 규칙이다.
트래피조이달 규칙을 제공함으로써 만들어진 차분 방정식은 본 경우에 아래와 같이 정의된다.
Figure pct00042
여기서, N= (1...∞ )이다.
식 (2.5)에 대하여 이러한 규칙을 제공함으로써 하기의 관계식이 산출된다.
Figure pct00043
여기서, 엔진 부하의 측정으로서 흡기 튜브 압력(
Figure pct00044
)을 산출하기 위하여, N= (1 ... ∞ )이고 i= (1 ... k)이다.
이러한 경우에, [N]은 현재의 구획 또는 현재의 연산 단계를 나타내고,[N+1]은 다음 구획 또는 다음 연산 단계를 나타낸다.
현재 및 전술된 부하 신호의 계산은 하기에 설명된다.
실린더 안으로 유입되는 공기 질량 유량(
Figure pct00045
)을 상기 식 (2.4)로부터 결정하는데, 연산된 흡기 튜브 압력 (
Figure pct00046
)을 사용할 수 있다. 단순한 적분 알고리즘이 적용되는 경우, 내연기관의 1회 흡기 사이클 동안 취해지는 공기 질량에 대해 아래와 같은 관계를 얻게 된다.
Figure pct00047
여기서, N= (1 ... ∞ )이다.
이러한 경우에 부하 변수의 초기값은 0으로 가정된다. 구획 동기성의 부하
감지(segment-synchronous load detection)에 대하여, 구획 시간은 증가하는 속도와 함께 강하하는 한편, 연료 진각이 시작되는 만큼의 구획의 수는 증가하여야 한다. 이러한 이유로, 가변 예상 범위(H), 즉 주로 회전 속도에 관한 함수인 특정 구획수(H)에 대한 부하 신호 예상을 설계할 필요가 있다. 이러한 가변 예상 범위(H)를 고려함에 있어서, 식 (2.8)을 아래의 형태로 기술할 수 있다.
Figure pct00048
여기서, N= (1... ∞ )이다.
구획시간(TA) 및, 흡기 튜브 압력(
Figure pct00049
)으로부터 질량 유량(
Figure pct00050
)을 결정하기 위해 요구되는 식(2.4)의 변수(γ1및 γ0)가 예상시간을 지나 변화하지 않는다는것도 추가적으로로 고려되어야 한다. 이러한 예비조건과 함께, (
Figure pct00051
)에 대한 값에 대한 예상은 대응 압력값(
Figure pct00052
)을 예상함으로써 달성된다. 결과적으로, 공식(2.9)는 하기의 공식으로 정리될 수 있다.
Figure pct00053
여기서, N= (1 ... ∞)이다.
전술된 방법의 경우에, 흡기 튜브 압력(
Figure pct00054
)에서의 일시적인 변동은 해석적 형태로 존재하기 때문에, 압력값(
Figure pct00055
)의 예상은 트래피조이달 규칙의 H-폴드 적용에 의해 아래와 같이 달성된다. 이러한 경우에, 하기의 관계식이 달성된다.
Figure pct00056
여기서, N= (1 ... ∞)이다.
압력(
Figure pct00057
)이 유사한 방식으로 결정된다면, N= (1 ... ∞)에 대한 하기의 공식은 예상된 부하 신호에 대해 특정화될 수 있다.
Figure pct00058
만일 1 내지 3 구획의 크기 순서에 관한 값이 예상 범위(H)에 대해 선택된다면, 부하 신호는 사용하는 식(2.12)에 의해 우수하게 예상될 수 있다.
공기 질량 및 흡기 튜브 압력에 의해 제어되는 엔진제어 시스템에 대한 모델조정의 원리가 하기에 설명된다.
γ1및 γ0의 값은 제조 허용한계와 노화현상 및 온도의 영향에 의해 가변 밸브 타이밍 및/또는 가변 흡기 튜브 형상을 구비하는 엔진을 사용함으로써 초래되는 불확실성의 정도에 의해 영향을 받는다. 실린더 내에서의 질량 유량을 측정하기 위한 방정식의 파라미터는 전술한 바와 같이 영향을 끼치는 다양한 변수의 함수이고, 대단히 중요한 변수만이 감지될 수 있다.
스로틀 밸브에서의 질량 유량을 연산함에 있어서, 모델 변수는 스로틀 각의 감지 오차 및 유량 함수(ψ)의 폴리곤 근사에서의 근사 오차를 측정함으로써 영향을 받는다. 특히 작은 스로틀 각의 경우에, 가장 먼저 언급된 오차에 대한 시스템 감도는 특히 크다. 결과적으로, 스로틀 위치에서의 작은 변화는 질량 유량 또는 흡기 튜브의 압력에 상당한 영향을 미친다. 이들 영향의 효과를 감소시키기 위해, 정밀도를 개선하는 정상 상태 및 비정상 상태의 엔진 작동에 대한 모델 개선을 수행할 수 있도록, 적응될 모델 산출에 있어서 영향을 미치는 특정 변수를 허용하는 방법이 아래에 제시된다.
내연기관의 부하 변수를 결정할 목적의 모델에 관한 근본적인 변수의 적응은 감소된 단면(
Figure pct00059
)을 수정함으로써 실행되고, 수정 변수(
Figure pct00060
)에 의해 스로틀 각의 측정값으로부터 결정된다.
이와 같이, 흡기 튜브 압력에 관한 수정된 산출을 위해 입력 변수(
Figure pct00061
)는 하기 관계식에 의해 설명된다.
Figure pct00062
더욱이, 식(2.2)과 공식에서
Figure pct00063
는
Figure pct00064
로 대체된다. 제어 루프의 동시 반응을 개선하기 위해, 스로틀 각의 측정값으로부터 유도되는 감소형 스로틀 밸브 단면(
Figure pct00065
)이 모델 연산에 통합된다. 수정 변수(
Figure pct00066
)는 모델 제어 루프를 이해함으로써 이루어진다.
공기 질량에 의해 제어되는 엔진 관리 시스템에 대해, 공기 질량 측정기에 의해 스로틀 밸브에서 측정된 공기 질량 유량(
Figure pct00067
)은 이러한 제어 루프의 기준변수인 반면, 측정된 흡기 튜브 압력(PS)은 흡기 튜브 압력에 의해 제어되는 시스템용 기준 변수로서 이용된다. (
Figure pct00068
)의 값은 기준 변수와 대응 제어 변수 사이의 시스템 편차가 최소화되도록 추적 제어(follow-up control)에 의해 결정된다.
상기 방법에 의해 동적 작동에서의 정밀도를 개선하기 위하여, 기준 변수의 측정값 감지는 가능한 한 정확하게 시뮬레이션되어야 한다. 대부분의 경우에, 여기에서 그것은 공기 질량 측정기나 흡기 튜브 압력 센서와 같은 세너의 동적인 반응 및 후속적으로 실행되는 평균화 작업을 고려하는 것이 필요하다.
각각의 센서에 관한 동적 반응은 작동점의 함수인 지연시간(T1)을 가질 수 있는 제 1 차 시스템으로서 제 1 근사치로 모델링될 수 있다. 공기의 질량에 의해 제어되는 시스템의 경우에, 센서 반응을 설명하기 위한 가능한 방정식은 하기의 식과 같다.
Figure pct00069
주변압력(
Figure pct00070
)은 최대 가능 질량 유량(
Figure pct00071
)에 상당한 영향을 갖는 변수이다. 이러한 이유로, 이 변수의 일정값으로부터 진행하는 것은 불가능하고, 적응은 대신 하기의 방식으로 실행된다.
수정 변수(
Figure pct00072
)의 절대값이 특정 문턱값을 초과하는 경우, 또는 압력비(
Figure pct00073
)가 선택가능한 상수보다 더 큰 경우에, 주변 압력 값(
Figure pct00074
)은 변화된다. 이것은 주변 압력에의 적응이 부분 부하 작동에서 및 전부하 작동에서 확실히 실행될 수 있는 것을 확보한다.
공기의 질량에 의해 제어되는 엔진 관리 시스템을 위한 모델 조정은 아래에 설명된다. 도 3에 도시된 모델 구조는 이러한 시스템을 위해 특정될 수 있다.
(도 1의) 스로틀 위치 센서(14)는 예를들어 스로틀 개방각과 같은 신호를 제공하는데, 상기 신호는 스로틀 밸브(11)의 개방각에 대응한다. 이러한 스로틀 개방각의 다양한 값과 연계된 스로틀 밸브의 감소된 단면에 대한 값(
Figure pct00075
)은 전자엔진제어 유닛의 엔진 특성맵에 저장된다. 이는 도 3 및 도 4에서 "정지 모델(static model)"이라 명명된 블록에 의해 도시된다. 도 3 및 도 4에서 "흡기 튜브 모델"이라 명명된 하위 구조는 식 (2.7)에 의해 설명된 반응을 나타낸다. 이러한 모델 제어 루프의 기준 변수는 스로틀 밸브에서 한 구획 전체에 걸쳐 평균된 공기 질량 유량(
Figure pct00076
)의 측정값이다. 만일 PI 제어장치가 이러한 모델 제어 루프 내의 제어장치로서 사용된다면, 잔여 시스템 편차는 사라지는데, 다시 말하자면 스로틀 밸브에서의 공기 질량 유량에 관한 모델 변수 및 공기 질량 유량에 관한 측정 변수가 동일하게 된다. 4기통 엔진의 경우에 주로 관찰되는데, 스로틀 밸브에서의 공기 질량 유량에 관한 진동 현상은 절대 양을 형성하는 공기 질량 측정기의 경우에 상당한 양의 측정 오차 및 이 오차에 상당한 영향을 받는 기준 변수를 유도한다. 제어 장치를 스위칭 오프시킴으로써 즉, 제어기 파라미터를 제거함으로써 제어식 모델-지원 작동으로 전이될 수 있다. 따라서, 동적 관계를 고려하고, 거의 방해받지 않는 기준 변수가 존재하는 영역에서의 경우와 동일한 방법을 사용하여, 상기 진동이 발생하는 영역이 처리되는 것이 가능하다. 정상 상태 작동점에서의 적절한 측정값만을 고려하는 방법과는 달리, 기술되는 시스템은 거의 제한없이 작동상태를 유지한다. 공기 질량 신호 및 스로틀 위치 센서로부터의 신호에 오류가 있는 경우에, 실제하는 시스템은 적합한 대체 신호를 용이하게 이룰수 있다. 기준 변수에 결함이 있는 경우, 제어되는 작동이 실현되어야 하는 반면, 다른 경우에 제어된 작동은 상기 시스템의 작동성이 거의 손상되지 않는 것을 확보한다.
"흡기 튜브 모델"이라고 명명된 블록은 식 (2.7)의 도움으로 기술되는 비를 나타내므로, 출력 변수로서의 모델 변수(
Figure pct00077
)와 시간 미분치(
Figure pct00078
) 및 변수(
Figure pct00079
)를 갖는다. 센서 반응 특성, 즉 공기 질량 측정기의 반응 특성을 모델링하고 샘플링한 후에, 모델 변수(
Figure pct00080
)가 평균되어, 평균화된 값(
Figure pct00081
) 및 공기 질량측정기에 의해 측정된 평균 공기 질량 유량(
Figure pct00082
)은 비교기에 공급될 수 있다. 두 신호 사이의 차이는 감소된 유량 단면(
Figure pct00083
)에서의 변화(
Figure pct00084
)를 초래하므로, 모델 조정은 정상 상태 및 비정상 상태 기간에서 실행될 수 있다.
도 4에 도시된 모델 구조는 흡기 튜브 압력에 의해 제어된 엔진 관리 시스템을 위해 특정된 것이며, 도 3과 동일한 블록은 동일하게 지정된다. 공기 질량에 의해 제어된 엔진 관리 시스템의 경우에서와 같이, 하위 구조 "흡기 튜브 모델"은 미분 방정식(2.7)에 따른 결과를 나타낸다. 이러한 모델 제어루프의 기준 변수는 한 구획 전체에 걸쳐 평균된 흡기 튜브 압력(
Figure pct00085
)의 측정값이다. 만일 도 3에서와 같이 PI 제어장치가 사용된다면, 흡기 튜브 내의 압력(
Figure pct00086
)의 측정값은 모델 변수(
Figure pct00087
)를 가진 정상상태의 경우에 동일하다. 전술된 바와 같이, 흡기 튜브 압력 신호 또는 스로틀 각에 대한 측정값에 오류가 있는 경우에 적합한 대체 신호가 형성될 수 있기 때문에, 본 시스템은 또한 거의 제한없이 작동한다.
흡기 튜브 모델에 의해 달성된 모델 변수(
Figure pct00088
)는 "예상"이라고 명명된 블록에 공급된다. 흡기 튜브에서의 압력변화도 모델을 사용하여 산출되기 때문에, 이들 압력 변화는 흡기 튜브 내의 장래 압력변화를 산출하고 이에 따라 다음 구획 [N+1] 또는 다음 구획들[N+H]에 대한 실린더 공기 질량을 산출하는데 사용될 수 있다. 이어서, 변수(
Figure pct00089
) 또는 다른 변수(
Figure pct00090
)가 연료가 분사되는 분사시간을 정확하게 산출하는데 사용된다.

Claims (11)

  1. - 흡기 튜브(10) 및 내부에 배치된 스로틀 밸브(11), 그리고 상기 스로틀 밸브(11)의 개방각을 검출하는 스로틀 위치 센서(14)를 구비하는 흡기 시스템,
    - 내연 기관의 부하 신호(
    Figure pct00091
    )를 생성하는 센서(12; 13), 그리고
    - 상기 측정된 부하 신호(
    Figure pct00092
    )와 상기 내연 기관의 속도에 기초하여 기본 분사 시간을 연산하는 전자 제어 장치를 구비하는 내연 기관의 실린더(들)로 유입되는 공기 질량을 결정하기 위한 방법에 있어서,
    - 상기 흡기 시스템의 상태가 흡기 튜브 충진 모델을 통하여 시뮬레이션되고, 여기서 상기 스로트 밸브(11)의 개방각, 주변 압력(PU) 그리고 상기 밸브 위치를 나타내는 파라미터가 상기 흡기 튜브 충진 모델의 입력 변수로서 사용되는 것과,
    - 상기 스로틀 밸브(11)에서의 상기 공기 질량 유량에 대한 모델 변수(
    Figure pct00093
    )가 스로틀링 점을 통과하는 이상 기체 유량에 대한 방정식 (
    Figure pct00094
    )에 대한 방정식을 통하여 기술되는 것과,
    - 실린더(들)로 유입되는 공기 질량 유량에 대한 모델 변수(
    Figure pct00095
    )는 상기공기 질량 유량(
    Figure pct00096
    )의 질량 평형을 통하여 흡기 튜브 압력의 선형 함수 (
    Figure pct00097
    )로서 기술되는 것과,
    -상기 모델 변수가 미분 방정식(식 2.5;
    Figure pct00098
    으로 결합되고, 이로부터 상기 흡기 튜브 압력(
    Figure pct00099
    )이 상기 내연 기관의 실제 부하를 결정하기 위한 결정 변수로서 연산되는 것
    Figure pct00100
    과 , 그리고,
    - 상기 실린더(들)(17)로 유입되는 공기 질량(
    Figure pct00101
    )은 상기 연산되는 흡기 튜브 압력(
    Figure pct00102
    )과 상기 실린더(들)(17)로 유입되는 공기 질량 유량(
    Figure pct00103
    )에 대한 모델 변수 사이의 선형 관계식(
    Figure pct00104
    )으로부터 적분되어 얻게되고, 여기서,
    Figure pct00105
    : 감소된 유량 횡단면
    x: 단열 지수
    RL: 일반 기체 상수
    TS: 흡기 튜브 내의 공기 온도
    Figure pct00106
    : 주변 압력의 모델 변수
    Figure pct00107
    : 흡기 튜브 압력의 모델 변수
    Figure pct00108
    : 유량 함수로서 초 임계(hypercritical) 압력관계에 대하여는
    Figure pct00109
    이거나 임계 압력 관계에 대하여는
    Figure pct00110
    = 상수,
    γ1: 기울기
    γ0: 절대 항목
    Figure pct00111
    : 직선 섹션의 기울기
    Figure pct00112
    : 직선 섹션의 절대항목인 것을 특징으로 하는 내연 기관 실린더(들)로 유입되는 공기 질량을 결정하기 위한 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 부하 센서(12; 13)에 의하여 측정되는 상기 부하 신호(
    Figure pct00113
    )는 상기 모델 변수(
    Figure pct00114
    )의 수정과 조정을 위하여 폐 제어 루프에서 사용되고, 상기 부하 신호( *)는 상기 폐 제어 루프의 기준 변수로서 제공되는 것을 특징으로 하는 내연 기관 실린더(들)로 유입되는 공기 질량을 결정하기 위한 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 조정은 상기 내연 기관의 정상 상태나 비정상 상태에서 실행되고, 그리고 상기 부하 센서(12; 13)의 반응이 상기 과정에서 고려되는 것을 특징으로 하는 내연 기관 실린더(들)로 유입되는 공기 질량을 결정하기 위한 방법.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 스로틀 개방각의 각각의 측정값에 상기 스로틀 밸브의 감소 단면적(
    Figure pct00115
    )의 값이 할당되고, 상기 기준 변수와 대응하는 모델 변수 사이의 시스템 편차가 최소화되는 방식으로 수정 변수(
    Figure pct00116
    )를 통하여 감소 단면적(
    Figure pct00117
    )을 수정함으로써 상기 모델 값의 조정이 실행되는 것을 특징으로 하는 내연 기관 실린더(들)로 유입되는 공기 질량을 결정하기 위한 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 감소 단면적(
    Figure pct00118
    )은 엔진 테스트 베드에서의 정지 측정으로부터 결정되고 그리고 전자 제어 장치 메모리의 엔진 특성 맵에 저장되는 것을 특징으로 하는 내연 기관 실린더(들)로 유입되는 공기 질량을 결정하기 위한 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 스로틀 밸브(11)에서의 공기 질량 유량에 대한 모델 변수(
    Figure pct00119
    )를 나타내는 경우 상기 유량 방정식(식 2.2)에 나타나는 유량 함수(
    Figure pct00120
    )는 개별적인 섹션으로 분할되고(i= 1, ..., k) 그리고 이러한 섹션은 직선 섹션으로 근사되고, 상기 개개의 직선 섹션의 기울기(
    Figure pct00121
    )와 절대항목(
    Figure pct00122
    )은 상기 흡기-튜브 압력(
    Figure pct00123
    ) 대 상기 주변 압력(
    Figure pct00124
    ) 비의 함수로서 결정되고 그리고 엔진 특성 맵에 저장되는 것을 특징으로 하는 내연 기관 실린더(들)로 유입되는 공기 질량을 결정하기 위한 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 실린더(들)로 유입되는 공기 질량 유량에 대한 모델 변수(
    Figure pct00125
    )의 선형 함수의 상기 기울기(γ1) 및 상기 절대항목(γ0)은 상기 내연 기관의 속도, 실린더의 개수, 흡기 튜브 기하 구조, 상기 흡기 튜브(10)에서의 공기 온도(TS) 및 밸브 제어 타이밍 중의 하나 이상의 파라미터의 함수로서 설정되는 것을 특징으로 하는 내연 기관 실린더(들)로 유입되는 공기 질량을 결정하기 위한 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 파라미터는 상기 엔진 테스트 베드 상에서의 정상 상태 측정을 통하여 결정되고 그리고 엔진 특성 맵에 저장되는 것을 특징으로 하는 내연 기관 실린더(들)로 유입되는 공기 질량을 결정하기 위한 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 실린더로 유입되는 공기 질량(
    Figure pct00126
    )은
    Figure pct00127
    의 관계식을 통하여 연산되고, 여기서,
    TA: 샘플링 시간 또는 구획 시간
    Figure pct00128
    : 현재 샘블링 단계 또는 구획 동안의 공기 질량 유량의 모델 변수
    Figure pct00129
    : 전 샘플링 단계 또는 구획 동안의 공기 질량 유량의 모델 변수
    인 것을 특징으로 하는 내연 기관 실린더(들)로 유입되는 공기 질량을 결정하기 위한 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    Figure pct00130
    의 관계식에 따라 대응 압력 값을 추정함으로써, 샘플링 순간[N]에서의 현재 부하 검출에 대하여 장래에 맞게 되는 특정 예상 범위(H)에 대하여 상기 실린더(들)로 유입되는 공기 질량(
    Figure pct00131
    )이 추정되고, 여기서
    TA: 샘플링 시간 또는 구획 시간
    H: 예상 범위, 장래에 맞게 되는 샘플링 단계의 개수
    γ1: 선형 방정식의 기울기
    γ0:
    Figure pct00132
    을 결정하기 위한 절대 항목
    N: 현재 샘플링 단계인 것을 특징으로 하는 내연 기관 실린더(들)로 유입되는 공기 질량을 결정하기 위한 방법.
  11. 제 10항에 있어서, 장래에 대한 부하 신호가 추정되는 구획의 수(H)는 속도의 함수로서 고정되는 것을 특징으로 하는 내연 기관 실린더(들)로 유입되는 공기 질량을 결정하기 위한 방법.
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