KR100440163B1 - 실린더 흡입 공기량 산출방법 및 시스템 그리고 이를이용한 엔진 연료 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

실린더 흡입 공기량 산출방법 및 시스템 그리고 이를이용한 엔진 연료 제어 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

연료분사 시점으로부터 설정된 목표시점까지 시간지연이 있는 경우에, 그 지연시간 경과 후의 스로틀 밸브 개도량 예측값, 흡기 매니폴드 흡입 공기량, 그리고 흡기 매니폴드 압력을 예측함으로써 지연시간 경과 후의 실린더 흡입 공기량을 예측할 수 있고, 따라서 이렇게 예측된 실린더 흡입 공기량에 따라 연료를 분사함으로써 엔진을 보다 안정되게 제어할 수 있다.

Description

실린더 흡입 공기량 산출방법 및 시스템 그리고 이를 이용한 엔진 연료 제어방법 및 시스템{METHOD AND APPARATUS FOR CALCULATING AIR MASS INFLOW INTO A CYLINDER, AND METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLING FUEL USING THEREOF}
본 발명은 실린더 내에 흡입되는 공기의 양을, 스로틀 개도량을 이용하여 예측하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
가솔린 엔진은 공기를 흡입하고 흡입되는 공기의 양에 적절한 연료를 분사하여 연소실에서 연소시킴으로써 동력을 발생시키는 장치이다. 이러한 가솔린 엔진은 흡입되는 공기의 양을 스로틀 밸브(Throttle valve)를 통해 조절함으로써 출력을 조절하며, 분사되는 연료의 양은 흡입되는 공기의 양에 의존하여 산출되는 양이다. 따라서 적절한 양의 연료를 분사하기 위해서는 엔진에서 흡입하는 공기의 양을 검출해야 한다.
흡입되는 공기의 양을 검출하기 위해, 일예로 맵(Manifold Air Pressure; MAP) 센서를 사용하고 있다. MAP센서를 이용한 방식에서는 흡기 매니폴드(Intake Manifold)의 압력과 공기의 온도를 측정하고, 이를 공기량으로 환산하여 사용하게 된다.
도 1은 운전자가 스로틀 밸브를 급격히 조작했을 경우, 일예로 스로틀 밸브를 급격히 열었을 경우에 MAP센서의 출력값(흡기 매니폴드 내의 압력)의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 스로틀 밸브가 급격히 조작된 경우에는 흡기 매니폴드 내의 압력변화도 급격하며, 결과적으로 흡기 매니폴드를 통해 공기를 공급받는 연소실에의 공기공급량 또한 급변하게 된다. 이러한 경우에 매 연료 분사시마다 정밀한 연료의 양을 산정하는 것이 힘들게 되고 따라서 연료의 양이 부정확한 경우 배출가스 과다 발생의 원인이 된다.
이러한 점을 개선하기 위해서 종래에는, (1) 스로틀 개도량 및 매니폴드 압력 각각의 변화율을 계산하여 (2) 스로틀 개도량 변화율이 제1설정값을 초과하는 경우에 이에 따른 제1연료보정량을 계산하고 (3) 매니폴드 압력 변화율이 제2설정값을 초과하는 경우에 이에 따른 제2연료보정량을 계산하며 (4) 이렇게 계산된 각 연료보정량을, 흡기온도, 엔진 회전수, 스로틀 개도량 등을 기초로 통상의 방법에 의해 계산되는 연료량에 합산함으로써 스로틀 밸브 개도량이 급변하는 경우에 대처하도록 하고 있다.
그런데, 이러한 방식으로 급격한 스로틀 개도 변화에도 안정된 엔진을 구현하기 위해서는, 첫째로, 스로틀 개도 변화율 및 매니폴드 압력변화율에 따른 연료보정량을 각각 설정해야 하며, 또한, 새로이 설정되는 스로틀 개도 변화율 및 매니폴드 압력변화율에 따른 연료보정량에 의하여 기존의 스로틀 개도량, 엔진 회전수, 흡기온도 각각에 따른 연료량 산정방법을 보정해야 할 것이다.
그런데, 이를 위해서는 방대한 실험이 선행될 것이 요구되므로, 특정한 엔진의 제어방법을 개발하기 위한 비용과 시간이 매우 크다. 이러한 방대한 선행실험과 결과적으로 늘어나는 개발비용 및 시간은 엔진마다 고려되어야 하므로, 그 폐해는 더욱 심각하다. 뿐만 아니라 이러한 종래기술에 의해서는 엔진의 노화 등 엔진의 동작상태가 변화되는 경우에도 이에 대처하지 못함은 자명하다.
그런데, 이와 같이 연료량을 보정하기 위한 변수간에 복잡한 연관관계가 발생하는 주된 원인은 다음과 같다. 즉, 가감속 구간에서는 흡입 공기량(및 이를 기초로 산출되는 연료량)을 산출하기 위하여 현재 매니폴드에서 생성된 압력을 검출하는 시점과 이렇게 산출되어 분사된 연료가 실제로 연소실에서 혼합기로 흡입되는 시점에 불일치가 생기기 때문이다.
도 2는 연료분사시기와 혼합기 형성시기와의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 흡입 공기량 계산을 통해 연료량을 계산하고 이렇게 계산된 연료를 분사하는 시점(A점)과 흡기밸브가 열려 연소실로 실제 혼합기가 생성되는 시점(P점) 사이에는, 분사방식이 동기식 혹은 비동기식인가에 따라 달라질 수 있으나, 최소 크랭크축 1회전 이상의 시간차이가 발생하게 된다.
따라서 급격한 매니폴드의 압력 변동이 수반되는 급가속/급감속 상황에서는, 이 두 시점 사이에 공기량의 변화가 크게 발생하게 되어 혼합기가 공연비를 유지하기 어렵게 된다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 스로틀 밸브의 동작속도에 무관하게 실린더에 실시간 흡입되는 공기량에 따라 적절한 연료를 분사하여 엔진을 안정되게 제어할 수 있도록, 실제로 실린더에 흡입되는 공기량을 연료분사시점에서 미리 산출하는 방법 및 시스템을 제공하고, 이를 이용하여 엔진의 연료량을 제어하는 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
도 1은 운전자가 스로틀 밸브를 급격히 조작했을 경우, 일예로 스로틀 밸브를 급격히 열었을 경우에 MAP센서의 출력값(흡기 매니폴드 내의 압력)의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 2는 연료분사시기와 혼합기 형성시기와의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 흡입 공기량 산출 시스템 및 이를 이용한 엔진 연료 제어 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 흡입 공기량 산출 방법을 설명하는데 필요한 변수들을 정의하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 흡입 공기량 산출 방법을 도시한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예의 실린더 흡입 공기량 산출방법에서 연료분사 시점으로부터 지연시간() 후에서의 스로틀 밸브 개도량 예측값()을 산출하는 과정(S520)에 관한 상세 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시예의 실린더 흡입 공기량 산출방법에서 흡기 매니폴드 흡입 공기량 예측값() 산출과정(S530)에 관한 상세 흐름도이다.
도 8은 스로틀 밸브 전후의 압력비를 기초로 기본유량()을 보정하는 이유를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에서 흡기 매니폴드 압력 예측값()과 실린더 흡입 공기량 예측값() 사이의 관계를 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예의 실린더 흡입 공기량 산출방법을 이용한 연료 제어방법을 도시한 흐름도이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 실린더 흡입 공기량 산출 시스템은, 스로틀 밸브 개도량을 검출하는 스로틀 밸브 개도 검출기; 엔진 회전수를 검출하는 엔진 회전수 검출기; 흡기 매니폴드의 압력을 검출하는 흡기 매니폴드 압력 검출기; 흡기 매니폴드에 흡입되는 공기의 온도를 검출하는 흡기온도 검출기; 및 상기 각 검출기로부터 수신되는 신호를 기초로 실린더 내로의 흡입 공기량을 산출하는 전자제어유닛을 포함하되, 상기 전자제어유닛은 후술하는 흡입 공기량 산출방법을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 실린더 흡입 공기량 산출 방법은, 스로틀 밸브 개도량(TPS)을 검출하는 단계; 엔진 회전수(RPM)를 검출하는 단계; 흡기 매니폴드 흡입 공기량()을 검출하는 단계; 연료분사 시점으로부터 설정된 목표시점까지의 지연시간()을 산출하는 단계; 상기 지연시간() 경과 후의 스로틀 밸브 개도량 예측값()을 산출하는 단계; 상기 지연시간() 경과 후의 흡기 매니폴드 흡입 공기량 예측값()을 산출하는 단계; 상기 지연시간() 경과 후의 흡기 매니폴드 압력 예측값()을 산출하는 단계; 및 상기 흡기 매니폴드 압력 예측값()을 기초로 상기 지연시간() 경과 후의 실린더 흡입 공기량 예측값()을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 스로틀 밸브 개도량 예측값() 산출단계는, 설정차수 항까지의 뉴턴 차분법을 기초로 산출되는 것이 바람직하다.
상기 스로틀 밸브 개도량 예측값() 산출단계는, 스로틀 밸브 개도 1차 변화량(DTPS)을 산출하는 단계; 스로틀 밸브 개도 2차 변화량()을 산출하는 단계; 및 수학식를 기초로 스로틀 밸브 개도량 예측값을 산출하는 단계를 포함하는 과정에 의해 산출될 수 있다. (단, 여기서는 현재 및 이전 스로틀 밸브 개도량(TPS,) 검출시기 사이의 시간간격을 말한다.)
상기 흡기 매니폴드 흡입 공기량 예측값() 산출단계는, 스로틀 밸브개도량 예측값() 및 엔진 회전수(RPM)를 기초로 스로틀 밸브를 통과하는 기본유량()을 산출하는 단계; 흡기 매니폴드에 흡입되는 공기의 흡기온도()를 검출하는 단계; 상기 흡기온도에 의한 보정계수()를 산출하는 단계; 지연시간() 경과 후의 스로틀 밸브 전 압력 예측값() 및 지연시간() 경과 후의 흡기 매니폴드 압력예측값() 사이의 압력비()를 산출하는 단계; 상기 압력비()에 의한 보정계수()를 산출하는 단계; 상기 산출된 보정계수들()를 기초로 상기 기본유량을 보정함으로써 흡기 매니폴드 흡입 공기량 예측값()을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 흡기온도에 의한 보정계수() 산출단계는, 설정온도() 및 흡기온도()를 기초로,의 값으로 보정계수()을 산출할 수 있다.
상기 압력비()에 의한 보정계수() 산출단계는, 지연시간() 경과 후의 흡기 매니폴드 흡입 공기량 임시추정값()을 선형 보간법 (extrapolation)에 의하여 산출하는 단계; 상기 임시추정값()을 기초로 스로틀 밸브 전 압력예측값()을 산출하는 단계; 지연시간() 경과 후의 흡기 매니폴드 압력예측값()을 선형 보간법(extrapolation)에 의해 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 압력비()에 의한 보정계수()를 산출단계는, 설정된 임계압력비 이상에서 단조 감소되어 설정된 압력비에서 0으로 수렴하는 함수에 의해 보정계수()를 산출할 수 있다.
상기 지연시간() 경과 후의 흡기 매니폴드 압력예측값()을 산출하는 단계는, 현재의 흡기 매니폴드 압력을 검출하는 단계; ""의 값으로 흡기 매니폴드 압력 변화량()을 연산하는 단계; 상기 검출된 현재 흡기 매니폴드 압력에 상기 연산된 압력 변화량()을 더함으로써 흡기 매니폴드 압력 예측값()을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 흡기 매니폴드 압력 예측값()을 기초로 상기 지연시간() 경과 후의 실린더 흡입 공기량 예측값()을 산출하는 단계는,의 식에 의해 실린더 흡입 공기량 예측값을산출하는 것이 바람직하다. (단,및는 엔진 회전수를 변수로 기설정된 함수이다)
본 발명에 의한 엔진 연료 제어 시스템은, 스로틀 밸브 개도량을 검출하는 스로틀 밸브 개도 검출기; 엔진 회전수를 검출하는 엔진 회전수 검출기; 흡기 매니폴드의 압력을 검출하는 흡기 매니폴드 압력 검출기; 흡기 매니폴드에 흡입되는 공기의 온도를 검출하는 흡기온도 검출기; 연료를 엔진 내부로 분사하는 인젝터; 및 상기 각 검출기로부터 수신되는 신호를 기초로 연료량을 계산하여 상기 인젝터를 구동하는 전자제어유닛을 포함하되, 상기 전자제어유닛은 후술하는 본 발명의 연료 제어방법을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 엔진 연료 제어방법은, 실린더 흡입 공기량 예측값 산출조건을 만족하는지 판단하는 예측값 산출 판단단계; 실린더 흡입 공기량 예측값 산출조건이 만족된 경우에, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법에 의해 실린더 흡입 공기량 예측값()을 산출하는 예측값 산출단계; 상기 산출된 실린더 흡입 공기량 예측값()을 기초로 연료량을 계산하는 연료량 계산단계; 및 상기 계산된 연료량을 기초로 인젝터를 구동하는 인젝터 구동단계를 포함한다.
상기 실린더 흡입 공기량 예측값 산출조건은, (1) 엔진이 시동되고 설정시간 경과하였을 것, (2) 스로틀 밸브 개도량 검출기, 흡기 매니폴드 압력 검출기, 및 흡기온도 검출기의 검출신호에 이상이 없을 것, (3) 스로틀 밸브 개도량 변화율이 제1설정 변화율 이상일 것, 및 (4) 흡기 매니폴드 압력 변화율이 제2설정 변화율이상일 것을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 엔진연로제어방법에서, 상기 산출된 실린더 흡입 공기량 예측값()과 현재의 흡기 매니폴드 흡입 공기량()과의 차이가 설정값 이상인가 판단하는 단계를 더 포함하고, 따라서, 상기 연료량 계산단계는, 상기 차이가 상기 설정값 이상인 경우에 수행되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면의 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 흡입 공기량 산출 시스템 및 이를 이용한 연료 제어 시스템의 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예의 시스템(300)은, 스로틀 밸브 개도량을 검출하는 스로틀 밸브 개도 검출기(310); 엔진 회전수를 검출하는 엔진 회전수 검출기(320); 흡기 매니폴드의 압력을 검출하는 흡기 매니폴드 압력 검출기 (330); 흡기 매니폴드에 흡입되는 공기의 온도를 검출하는 흡기온도 검출기(340); 연료를 엔진 내부로 분사하는 인젝터(360); 및 상기 각 검출기로부터 수신되는 신호를 기초로 실린더 내로의 흡입 공기량을 산출하는 전자제어유닛(350)을 포함한다.
상기 전자제어유닛(350)은 후술하는 본 발명의 실시예의 흡입 공기량 산출방법을 수행함으로써 흡입 공기량을 산출하고, 이를 기초로 연료량을 계산하고, 상기 계산된 연료량을 기초로 인젝터(360)를 구동한다.
상기 각 검출기(310~330) 및 인젝터(360)에 대한 구체적인 사항은 당업자에 자명하므로 더욱 상세한 기재를 생략한다.
상기 전자제어유닛(350)은 설정된 프로그램에 의해 동작하는 마이크로프로세서로 할 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 후술하는 본 발명의 실시예의 흡입 공기량 산출방법 및 본 발명의 실시예의 연료 제어방법을 수행하기 위한 일련의 명령으로 할 수 있고, 상기 일련의 명령을 수행하는 과정에서 필요한 참조테이블 및 변수들을 저장하기 위한 메모리를 구비한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 흡입 공기량 산출 방법을 설명하는데 필요한 변수들을 정의하기 위한 그래프이다.
도 4에서는 시간이 경과함에 따라 스로틀 개도량()이 급증하는 변화를 도시하고 있으며, 현재 시각()에서 스로틀 개도량이 A 점에 존재하는 경우에 P 점에서의 실린더(즉, 연소실) 흡입 공기량()을 예측하고자 하는 것이다.
이를 위해 매 시간간격()마다 필요한 데이터의 검출이 반복되고 있으며, 실린더로 흡입되는 흡입 공기량의 예측이 필요한 시점()과 현재 시점() 사이의 시간간격(이하 "지연시간"이라 칭한다)을라고 정의한다.
상기 실린더에의 흡입 공기량 예측이 필요한 시점()의 설정은 당업자에 의해 임의의 기준에 의해 설정할 수 있으나, 혼합기가 생성되는 시점을 기준으로 하는 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 흡입 공기량 산출 방법을 도시한 흐름도이다.
이하에서 변수의 위에 붙은 틸드(TILDE;) 표시는 그 변수의 예측값을 의미한다.
본 발명의 실시예에 의한 흡입 공기량 산출 방법에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이, 먼저, 스로틀 밸브 개도량(TPS)을 검출하고(S505), 엔진 회전수()를 검출한다(S510).
그리고 상기 검출된 엔진 회전수를 기초로 지연시간()을 산출한다(S515). 상기 지연시간()은 현재 시점(즉, 연료분사시점)을 시각라고 할 때, 현재 시점과 실린더 내에 공기가 흡입되는 시점()과의 시간 갭을 의미한다. 이하, 설명의 편의를 위하여 현재 시점을 "0"으로 두고 설명한다.
상기 지연시간()은, 엔진 회전수(RPM)에 의존하는 양으로서, 둘 사이의 관계는 당업자에게 자명한 바 더욱 상세한 기재를 생략한다.
상기 엔진 회전수()를 기초로 지연시간()을 산출(S515)함에 있어서, ECU(350)내에 기설정되어 저장된 참조테이블(lookup table)로부터 추출하는 것으로 할 수 있다.
지연시간()을 산출한 후에는, 연료분사 시점으로부터 지연시간() 후에서의 스로틀 밸브 개도량 예측값()을 현재 시점을 기준으로 한 테일러 전개(Taylor Expansion)를 기초로 산출한다(S520).
상기 단계(S520)에 관해서는 도 6을 참조로 더욱 상세히 설명한다.
연료분사 시점으로부터 지연시간() 후에서의 스로틀 밸브 개도량 예측값 ()을 산출(S520)하기 위하여, 먼저, 현재 검출된 스로틀 밸브 개도량 ()과 이전에 검출된 스로틀 밸브 개도량()과의 차이를 계산하고 이를 스로틀 개도 1차 변화량()(first order difference in throttle valve angle) 변수에 저장한다(S610).
즉, 스로틀 개도 1차 변화량()은 ""의 식에 의해 계산되는 것이다.
그리고, 이렇게 계산된 스로틀 개도 1차 변화량(DTPS)와 이전에 계산된 스로틀 개도 1차 변화량()과의 차이를 계산하고 이를 스로틀 개도 2차 변화량() 변수에 저장한다(S620).
즉, 스로틀 개도의 2차 변화량()은 ""의 식에 의해 계산되는 것이다.
이와 같이(S610,S620) 스로틀 밸브 개도의 1차 및 2차 변화량을 계산한 후에는, 지연시간() 후에서의 스로틀 밸브 개도량 예측값()을 아래 수식1을 참조로 산출한다(S630).
(단, 여기서는 현재 및 이전 스로틀 밸브 개도량(TPS) 검출시기 사이의 시간간격을 말한다.)
상기 [수학식 1]은 함수의 테일러 전개(Taylor Expansion)에 관한 2차 미분 항(2nd order derivative term)-혹은 뉴톤 차분법에 의한 2차 차분항(2nd order difference term)-까지를 표시한 것으로 이와 같은 전개에 관한 사항은 당업자에 자명하므로 더욱 상세한 기재를 생략한다.
본 발명의 실시예에서는 스로틀 밸브 개도량 예측값()을 계산함에 있어 2차 미분항(혹은 2차 차분항)까지만을 사용하였으나, 그 이상 차수의 항까지 계산하여 예측값()을 산출할 수 있음은 자명하며 따라서 이에 관한 보다 상세한 설명은 생략한다.
지연시간() 후에서의 스로틀 밸브 개도량 예측값()을 산출(S630)한 후에는, 다음 번의 스로틀 개도 검출시에 데이터를 계산하기 위하여, 이전의 스로틀 밸브 개도량 변수()에 현재 검출된 스로틀 밸브 개도량() 값을, 그리고 이전의 스로틀 개도 1차 변화량 변수()에 현재 스로틀 개도 1차 변화량() 값을 저장한다(S640).
따라서 지연시간() 후에서의 스로틀 밸브 개도량 예측값()을산출(S520)한 후에는, 다시 도 5를 참조로, 현재로부터 지연시간() 후에 스로틀 밸브를 통과하여 흡기 매니폴드로 흡입되는 공기량의 예측값()을 산출한다 (S530).
이하, 상기 흡기 매니폴드 흡입 공기량 예측값() 산출과정(S530)은 도 7을 참조로 더욱 상세히 설명한다.
먼저, 지연시간() 후의 스로틀 통과 기본유량()을 산출한다 (S710~S725).
상기 기본유량()을 산출함에 있어, 먼저 스로틀 밸브의 공회전 속도 조절기(Idle Speed Actuator; 이하 "ISA"라 한다)를 통과하는 공기량()을 산출하고(S710), 스로틀 밸브가 닫힌 경우에 밸브 틈으로 새어들어가는 누설공기량 ()을 산출한다(S715). ISA통과공기량()은 ISA개도량에 따라 기설정된 값으로, 누설공기량()은 기설정된 값으로 할 수 있으며, 이러한 기설정된 값들은 ISA의 제원 혹은 실험을 통해 쉽게 얻을 수 있으므로 더욱 상세한 기재를 생략한다.
그리고, 스로틀 밸브 개도량 예측값() 및 엔진 회전수()을 기초로 스로틀 밸브를 통과하는 변동공기량()을 산출한다(S720).
상기 RPM은 시각에서의 엔진 회전수이나, 엔진 회전수는 지연시간()동안 크게 변하지 않으므로 현재 시각()에서의 엔진 회전수 값을 사용하여도 무방하다.
상기 변동공기량()은 ISA통과공기량()및 누설공기량 ()을 제외하고 스로틀 밸브를 통과하는 양으로서 기계산된 맵 값으로 추출될 수 있다. 상기 기계산된 맵 값은, 특정한 엔진에 대하여 실험을 통해 당업자가 자명하게 설정할 수 있으므로 더욱 상세한 기재를 생략한다.
이와 같이 산출되는 ISA 통과 공기량(), 누설공기량(), 및 변동공기량()을 더함으로써 상기 기본유량()을 산출한다(S725).
기본유량()을 산출(S725)한 후에는, 흡기온도를 기초로 이를 보정하고 (S730, S735), 스로틀 밸브 전후의 압력비를 기초로 이를 보정한다(S740 ~ S760).
이를 위하여 먼저, 흡기 매니폴드의 흡기온도()를 검출하고(S730), 흡기온도()에 대한 보정계수()를의 식으로부터 산출한다 (S735). 단, 여기서는 온도의 기준이 되는 기준온도로서, 바람직하게는 섭씨0도의 절대온도(즉, 273)로 할 수 있다.
스로틀 밸브 전후의 압력비를 기초로 기본유량()을 보정하는 이유는 도 8을 참조로 설명된다.
도 8은 특정한 스로틀 밸브 개도량에 대하여 스로틀 밸브 전후의 압력비에대한 스로틀 밸브 통과유량비를 나타낸 것이다. 가로축은 스로틀 밸브 전후의 압력비를 나타내고, 세로축은 스로틀 통과유량()의 최대통과유량()에 대한 비()를 나타낸다.
상기 특정한 스로틀 밸브 개도량에서의 최대통과유량()은 상기 계산된 기본유량()에 대응되는 값이다.
도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 특정한 스로틀 개도량에서 스로틀 밸브 전후의 압력비가 특정한 값(임계압력비, 0.5283) 이하일 경우(즉, 압력차가 큰 경우)에는 공기유량이 일정하며, 그 이상에서는 도 8과 같은 형태로 점점 줄어들어 압력비가 1인 경우(즉, 스로틀 밸브 전후 압력이 동일한 경우)에는 스로틀 밸브로 공기가 통과하지 않는다.
도 8에 관한 유도과정 및 관련된 계산식 등 보다 구체적인 사항은 Internal "Combustion Engine Fundamentals(McGrawHill, John.B.Heywood)"의 Appendix C를 참조로 하면 된다.
따라서, 상기 계산된 기본유량()을 도 8, 특히 상기 임계압력비 이상의 압력비인 부분을 기초로 보정하는 것이 필요하다.
따라서, 스로틀 밸브 전후의 압력비를 기초로 기본유량()을 보정하기 위하여, 먼저 지연시간() 후의 매니폴드 흡입 공기량의 제1예측값()을 산출한다(S740).
매니폴드 흡입 공기량의 제1예측값()의 산출(S740)은, 현재 매니폴드 흡입 공기량() 및 이전의 매니폴드 흡입 공기량()을 기초로 보간법(extrapolation)에 의해 추정될 수 있고, 따라서 상기 단계(S740)에서의 흡기 매니폴드 흡입 공기량 임시추정값()은 아래 식에 의해 계산될 수 있다.
그리고, 지연시간() 후의 스로틀 밸브 전의 압력 예측값()을 흡입 공기량 임시추정값()으로부터 연산한다(S745).
지연시간() 후의 스로틀 밸브 전의 압력()은 스로틀 밸브를 통과하는 공기량, 즉, 매니폴드로 흡입되는 공기량()에 의해 압력이 강하되고, 따라서, 지연시간()후의 실린더 흡입 공기량()에 의한 함수로 주어진다. 이 함수는 당업자에게 자명한 바 더욱 상세한 기재를 생략하며, 함수값은 미리 계산되어 ECU(350) 내에 저장된 참조테이블을 기초로 추출될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 지연시간()후의 실린더 흡입 공기량()에 해당하는 값으로서 상기 흡입 공기량 임시추정값()을 사용하고 있는 것이다.
지연시간() 후의 흡기 매니폴드 압력 예측값()에 관하여도 현재 흡기 매니폴드 압력() 및 이전의 흡기 매니폴드 압력()을 기초로 보간법(extrapolation)에 의해 다음과 같이 산출한다(S750).
지연시간() 후의 시점에 대하여 스로틀 밸브 전의 압력예측값() 및 흡기 매니폴드 압력예측값()을 산출(S745,S750)한 후에는, 압력비에 의한 보정계수()를 산출한다(S755).
압력비에 의한 보정계수() 산출(S760)은, 보다 구체적으로, 압력비에 의한 함수로서의 식에 의해 산출된다. 단, 여기서함수는 도 8과 같은 그래프가 되도록 형성된 임의의 함수로서, 그 함수값은 기계산되어 ECU(350) 내에 저장된 참조테이블로부터 추출되는 것으로 할 수 있다.
상기함수는 일예로,와 같이 정의될 수 있다. 단 여기서는 비열비(specific heat ratio; 정적비열에 대한 정압비열의 비)로서 공기 사이클에서는 약 1.4, 연료-공기 사이클에서는 약 1.26~1.27 정도의 값으로 사용될 수 있다. (공기 사이클의 비열비는 1.4이고, 연료-공기 사이클의 비열비는 이론공연비일 때 약 1.26~1.27 정도가 된다고 알려져 있다)
기본유량(), 흡기온도()에 의한 보정계수(), 및 압력비에 의한보정계수()를 산출한 후에는, 이들을 모두 곱함으로써 지연시간() 후의 흡기 매니폴드 흡입 공기량 예측값()을 산출한다(S760)
이와 같이 지연시간() 후의 흡기 매니폴드 흡입 공기량 예측값()을 산출(S530)한 후에는, 다시 도 5를 참조로, 지연시간() 후의 흡기 매니폴드 압력 예측값()을 산출한다(S540).
더욱 상세하게는, 지연시간() 후의 흡기 매니폴드 압력 예측값()은 흡기 매니폴드 압력 검출기(330)로부터 입력되는 현재의 흡기 매니폴드 압력에서 흡기 매니폴드 압력 변화량()을 더함으로써 흡기 매니폴드 압력 예측값 ()을 산출하게 되는데, 상기 흡기 매니폴드 압력 변화량()은의 값으로 계산된다. 단, 여기서 R은 기체상수를, V_s는 흡기 매니폴드의 유효체적을 의미한다.
상기 흡기 매니폴드 압력변화량 계산식은 이상기체 상태방정식을 이용하여 흡기 매니폴드 내 공기 질량 변화를 압력변화로 환산한 것이다.
지연시간() 후의 흡기 매니폴드 압력 예측값()을 산출(S540)한 후에는, 지연시간() 후의 실린더 흡입 공기량 예측값()을 산출한다(S550).
보다 구체적으로 실린더 흡입 공기량 예측값()은 아래 [수학식 2]에의해 산출된다.
상기값은 실린더 내부의 잔류기체에 의한 압력을 의미하는 값으로서 엔진 회전수를 기초로 기설정된 함수에 의해 계산되고, 바람직하게는 기계산되어 ECU(350) 내에 저장된 참조테이블로부터 추출되는 것으로 할 수 있다.
상기값은 실린더 흡입 공기량()이 흡기 매니폴드 압력에 비례하는 비례상수를 말하고, 엔진 회전수를 기초로 기설정된 함수에 의해 계산되고, 바람직하게는 기계산되어 ECU(350) 내에 저장된 참조테이블로부터 추출되는 것으로 할 수 있다.
[수학식 2]에 의한 흡기 매니폴드 압력 예측값()과 실린더 흡입 공기량 예측값() 사이의 관계는 도 9에 도시한 바와 같이 비례관계가 성립한다.
상기및함수는 엔진의 제원에 따라 달라질 수 있으며, 이러한 함수값은 몇 번의 실험을 통해 당업자가 자명하게 얻을 수 있으므로 더욱 구체적인 값들에 대한 기재를 생략한다.
이상과 같이 본 발명의 실시예의 실린더 흡입 공기량 산출방법을 설명하였으며, 이를 이용한 본 발명의 실시예의 연료 제어방법에 관해 상세히 설명한다.
도 10은 본 발명의 실시예의 실린더 흡입 공기량 산출방법을 이용한 연료 제어방법을 도시한 흐름도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예의 연료 제어방법은, 실린더 흡입 공기량 예측값 산출조건을 만족하는지 판단(S1050)하고, 만족되는 경우에는 실린더 흡입 공기량 예측값을 산출(S1060)하여, 산출된 실린더 흡입 공기량 예측값을 연료량 계산에 이용할 것인지 판단하고(S1070), 이용할 것으로 판단된 경우에는 산출된 실린더 흡입 공기량 예측값을 기초로 연료량을 계산(S1080)한 후, 계산된 연료량을 기초로 인젝터(S1090)를 제어한다.
상기 실린더 흡입 공기량 예측값 산출조건은, (1) 엔진이 시동되고 설정시간 경과하였을 것(S1010), (2) 스로틀 밸브 개도량 검출기, 흡기 매니폴드 압력 검출기, 및 흡기온도 검출기의 검출신호에 이상이 없을 것(S1015), (3) 스로틀 밸브 개도량 변화율이 제1설정 변화율 이상일 것(S1020), 및 (4) 흡기 매니폴드 압력 변화율이 제2설정 변화율 이상일 것(S1025)을 포함한다.
상기 실린더 흡입 공기량 예측값 산출조건이 만족된 경우에는, 도 4를 참조로 전술한 본 발명의 실시예의 실린더 흡입 공기량 산출방법에 따라서 실린더 흡입 공기량 예측값()을 산출한다(S1060).
실린더 흡입 공기량 예측값을 산출(S1060)한 후에는 산출된 실린더 흡입 공기량 예측값을 연료량 계산에 이용할 것인지 판단한다(S1070).
상기 판단(S1070)은, 실린더 흡입 공기량 예측값()과 현재의 흡기 매니폴드 흡입 공기량()과의 차이가 설정값 이상인 경우에 산출된 실린더 흡입공기량 예측값()을 사용하는 것으로 할 수 있다. 상기 설정값은, 특정한 엔진에서의 적용타당성을 검토하여 당업자가 바람직하다고 판단되는 임의의 값으로 설정할 수 있다.
산출된 실린더 흡입 공기량 예측값()을 연료량 계산에 이용할 것으로 판단(S1070)된 경우에는 산출된 실린더 흡입 공기량 예측값()을 기초로 연료량을 계산하고(S1080), 산출된 실린더 흡입 공기량 예측값()을 연료량 계산에 이용하지 않을 것으로 판단(S1070)된 경우에는 종래 기술에 의한 방법으로 연료량을 계산한다(S1085).
상기 연료량 계산단계(S1080)는 흡입 공기량을 기초로 이에 적절한 연료량을 계산하는 것으로서 그 구체적인 계산방식은 당업자에게 자명한 바 상세한 기재를 생략한다.
연료량을 계산(S1080)한 후에는 계산된 연료량을 기초로 인젝터(S1090)를 구동한다.
이상으로 본 발명의 실린더 흡입 공기량 산출방법 및 시스템 그리고 이를 이용한 연료 제어방법 및 시스템에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 실린더 내에 흡입되는 시점에서의 공기의 실제흡입량을 추산하여 이에 적합한 연료를 분사할 수 있으므로, 스로틀 밸브의 급조작 등 엔진의 운전상태가 급격히 변화하는 상황에서도 적절한 연료량을 산출할 수 있고, 따라서 엔진의 공연비를 항상 이상적인 상태로 유지할 수 있다.
또한, 엔진의 개발시 각각의 상황에 따른 맵테이블을 작성하기 위한 선행실험의 양을 줄임으로써 엔진의 개발에 투입되는 시간과 비용을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면 실측된 데이터를 기초로 짧은 지연시간후의 흡입 공기량을 예측하게 되므로 엔진의 노화 등 엔진 상태가 변화되는 경우에도 이에 적절한 연료량을 산출할 수 있다.

Claims (14)

  1. 스로틀 밸브 개도량()을 검출하는 단계;
    엔진 회전수()를 검출하는 단계;
    흡기 매니폴드 흡입 공기량()을 검출하는 단계;
    연료분사 시점으로부터 설정된 목표시점까지의 지연시간()을 산출하는 단계;
    상기 지연시간() 경과 후의 스로틀 밸브 개도량 예측값()을 산출하는 단계;
    상기 지연시간() 경과 후의 흡기 매니폴드 흡입 공기량 예측값()을 산출하는 단계;
    상기 지연시간() 경과 후의 흡기 매니폴드 압력 예측값()을 산출하는 단계; 및
    상기 흡기 매니폴드 압력 예측값()을 기초로 상기 지연시간() 경과 후의 실린더 흡입 공기량 예측값()을 산출하는 단계를 포함하는 실린더 흡입 공기량 산출방법.
  2. 제1항에서,
    상기 스로틀 밸브 개도량 예측값() 산출단계는,
    설정차수 항까지의 뉴턴 차분법을 기초로 산출되는 것을 특징으로 하는 실린더 흡입 공기량 산출방법.
  3. 제1항에서,
    상기 스로틀 밸브 개도량 예측값() 산출단계는,
    스로틀 밸브 개도 1차 변화량()을 산출하는 단계;
    스로틀 밸브 개도 2차 변화량()을 산출하는 단계; 및
    수학식를 기초로 스로틀 밸브 개도량 예측값을 산출하는 단계를 포함하는 실린더 흡입 공기량 산출방법.
    (단, 여기서는 현재 및 이전 스로틀 밸브 개도량(,) 검출시기 사이의 시간간격을 말한다.)
  4. 제1항에서,
    상기 흡기 매니폴드 흡입 공기량 예측값() 산출단계는,
    스로틀 밸브 개도량 예측값() 및 엔진 회전수()를 기초로 스로틀 밸브를 통과하는 기본유량()을 산출하는 단계;
    흡기 매니폴드에 흡입되는 공기의 흡기온도()를 검출하는 단계;
    상기 흡기온도에 의한 보정계수()를 산출하는 단계;
    지연시간() 경과 후의 스로틀 밸브 전 압력 예측값() 및 지연시간 () 경과 후의 흡기 매니폴드 압력예측값() 사이의 압력비()를 산출하는 단계;
    상기 압력비()에 의한 보정계수()를 산출하는 단계;
    상기 산출된 보정계수들(,)를 기초로 상기 기본유량을 보정함으로써 흡기 매니폴드 흡입 공기량 예측값()을 산출하는 단계;
    를 포함하는 실린더 흡입 공기량 산출방법.
  5. 제4항에서,
    상기 흡기온도에 의한 보정계수() 산출단계는,
    설정온도() 및 흡기온도()를 기초로,의 값으로 보정계수()을 산출하는 것을 특징으로 하는 실린더 흡입 공기량 산출방법.
  6. 제4항에서,
    상기 압력비()에 의한 보정계수() 산출단계는,
    지연시간() 경과 후의 흡기 매니폴드 흡입 공기량 임시추정값()을 선형 보간법(extrapolation)에 의하여 산출하는 단계;
    상기 임시추정값()을 기초로 스로틀 밸브 전 압력예측값()을 산출하는 단계;
    지연시간() 경과 후의 흡기 매니폴드 압력예측값()을 선형 보간법(extrapolation)에 의해 산출하는 단계;
    를 포함하는 실린더 흡입 공기량 산출방법.
  7. 제4항에서,
    상기 압력비()에 의한 보정계수()를 산출단계는,
    설정된 임계압력비 이상에서 단조 감소되어 설정된 압력비에서 0으로 수렴하는 함수에 의해 보정계수()를 산출하는 것을 특징으로 하는 실린더 흡입 공기량 산출방법.
  8. 제1항에서,
    상기 지연시간() 경과 후의 흡기 매니폴드 압력예측값()을 산출하는 단계는,
    현재의 흡기 매니폴드 압력을 검출하는 단계;
    ""의 값으로 흡기 매니폴드 압력 변화량 ()을 연산하는 단계;
    상기 검출된 현재 흡기 매니폴드 압력에 상기 연산된 압력 변화량()을 더함으로써 흡기 매니폴드 압력 예측값()을 계산하는 단계;
    를 포함하는 실린더 흡입 공기량 산출방법.
  9. 제1항에서,
    상기 흡기 매니폴드 압력 예측값()을 기초로 상기 지연시간() 경과 후의 실린더 흡입 공기량 예측값()을 산출하는 단계는,
    의 식에 의해 실린더 흡입 공기량 예측값을 산출하는 것을 특징으로 하는 실린더 흡입 공기량 산출방법.
    (단,및는 엔진 회전수를 변수로 기설정된 함수이다)
  10. 스로틀 밸브 개도량을 검출하는 스로틀 밸브 개도 검출기;
    엔진 회전수를 검출하는 엔진 회전수 검출기;
    흡기 매니폴드의 압력을 검출하는 흡기 매니폴드 압력 검출기;
    흡기 매니폴드에 흡입되는 공기의 온도를 검출하는 흡기온도 검출기;
    상기 각 검출기로부터 수신되는 신호를 기초로 실린더 내로의 흡입 공기량을 산출하는 전자제어유닛을 포함하되,
    상기 전자제어유닛은 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 흡입 공기량 산출방법을 수행하는 것을 특징으로 하는 실린더 흡입 공기량 산출시스템.
  11. 실린더 흡입 공기량 예측값 산출조건을 만족하는지 판단하는 예측값 산출 판단단계;
    실린더 흡입 공기량 예측값 산출조건이 만족된 경우에, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법에 의해 실린더 흡입 공기량 예측값()을 산출하는 예측값 산출단계;
    상기 산출된 실린더 흡입 공기량 예측값()을 기초로 연료량을 계산하는 연료량 계산단계; 및
    상기 계산된 연료량을 기초로 인젝터를 구동하는 인젝터 구동단계;
    를 포함하는 엔진의 연료 제어방법.
  12. 제11항에서,
    상기 실린더 흡입 공기량 예측값 산출조건은,
    (1) 엔진이 시동되고 설정시간 경과하였을 것, (2) 스로틀 밸브 개도량 검출기, 흡기 매니폴드 압력 검출기, 및 흡기온도 검출기의 검출신호에 이상이 없을 것, (3) 스로틀 밸브 개도량 변화율이 제1설정 변화율 이상일 것, 및 (4) 흡기 매니폴드 압력 변화율이 제2설정 변화율 이상일 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진의 연료 제어방법.
  13. 제11항에서,
    상기 산출된 실린더 흡입 공기량 예측값()과 현재의 흡기 매니폴드 흡입 공기량()과의 차이가 설정값 이상인가 판단하는 단계를 더 포함하고,
    상기 연료량 계산단계는, 상기 차이가 상기 설정값 이상인 경우에 수행되는 것을 특징으로 하는 엔진의 연료 제어방법.
  14. 스로틀 밸브 개도량을 검출하는 스로틀 밸브 개도 검출기;
    엔진 회전수를 검출하는 엔진 회전수 검출기;
    흡기 매니폴드의 압력을 검출하는 흡기 매니폴드 압력 검출기;
    흡기 매니폴드에 흡입되는 공기의 온도를 검출하는 흡기온도 검출기;
    연료를 엔진 내부로 분사하는 인젝터; 및
    상기 각 검출기로부터 수신되는 신호를 기초로 연료량을 계산하여 상기 인젝터를 구동하는 전자제어유닛을 포함하되,
    상기 전자제어유닛은 제11항의 연료 제어방법을 수행하는 것을 특징으로 하는 연료 제어 시스템.
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