KR100462458B1 - 외부배기가스를재순환하는내연기관의실린더로유입되는맑은공기의질량을모델을이용하여결정하는방법 - Google Patents

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Abstract

유입관 충전 모델에 의해 실린더 내로 유입되는 실제의 맑은 공기 매스를 계산할 수 있으며, 모델은 비선형 미분 방정식을 기초로 한다. 본 경우에서 선택된 모델 접근법은 외부 배기가스 재순환, 다양한 유입구 시스템, 및 다양한 밸브 제어를 갖춘 시스템으로 구성된 모델링을 포함한다. 이러한 모델에 의한 부하 탐지는 공기 매스 및 유입관 압력에 기초한 엔진 제어 시스템 내에 사용될 수 있다. 모델제어 루프의 형태인 정정 연산은 모델 변수가 부정확할 때, 즉 모델 균형이 안정 및 불안정 작동 상태에 있을 때 정확성을 영구적으로 개선시킨다.

Description

외부 배기가스를 재순환하는 내연기관의 실린더로 유입되는 맑은 공기의 질량을 모델을 이용하여 결정하는 방법
본 발명은 특허청구범위 제 1항의 전제부에 따라 외부 배기가스를 재순환하는 내연기관의 실린더로 유입되는 맑은 공기(fresh air)의 질량을 모델의 도움으로 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.
연료 분사에 의해 작동되는 내연기관용 엔진 제어 시스템은 엔진 부하의 척도로서 유입관의 압력이나 엔진에 의해 흡입되는 공기의 질량을 이용한다.
따라서, 분사 시점을 계산하기 위하여, 공기 질량에 기초한 엔진 제어 시스템은 유입관의 외부에서 각각의 실린더로 흐르는 맑은 공기 질량을 규정하는 입력을 필요로 한다. 만일 내연 기관이 외부 배기가스 재순환 장치를 갖추고 있다면, 이들의 도움으로 배기가스의 일부가 유입관 내로 재순환되는데, 이 때, 예컨데 외부 배기가스 재순환률 및/또는 드로틀 밸브 세팅 등의 변화에 의해 발생 가능한 비정상 상태(unsteady state)에서는, 드로틀 밸브의 하류에 배치된 공기 질량 계량기 의 신호가 실린더 안으로의 실제 유동의 측정을 나타내지 않는다. 유동은 유입관 내의 맑은 가스의 부분 압력의 변화에 따라서 달라지므로, 부하 변수를 정확하게 결정하기 위하여 유입관 내의 부분 압력 및 절대 압력을 알 필요가 있다.
유입관 압력에 기초한 엔진 제어 시스템은 압력 측정 장치를 이용시 유입관내의 절대 압력만을 탐지할 수 있다. 그러나, 연료의 비율조절은 맑은 가스의 부분 압력에 의해 결정되기 때문에, 맑은 가스 부분압력 및 배기가스 재순환에 기초한 제어의 경우에 잔여가스의 부분 압력이 적당한 방법으로 결정되는 것이 필요하다.
물리적 접근법에 기초한 모델을 이용하여 계산하는 방법은 공기 질량의 정확한 결정을 위한 훌륭한 접근 방법을 제공한다.
본 출원의 우선일 시점에서 공개되지 않은 본 출원인의 출원인 독일 특허출원 P 195 13 601.2 호에는, 배기가스의 재순환 없이 내연기관의 실린더 내로 흐르는 공기 질량을 모델을 이용하여 결정하는 방법이 개시되어 있다. 유입관 유동모델의 도움으로, 유입관 압력, 드로틀 밸브에서 흐르는 공기 질량 유동 및 실린더내로 유입되는 공기 질량 유동과 같은 변수들은 드로틀 밸브가 개방되는 정도(degree) 및 엔진 속도로부터 지정되고, 상기 변수들로부터 부하 변수가 계산되며, 이것을 기초로 분사 시점이 결정된다.
부하 감지 센서, 즉 공기 질량 계량기 또는 유입관 압력 센서의 신호를 기초로 하여, 유입관 유동 모델에서의 변수 오차의 영향은 측정된 변수와 상응하는 모델 변수간의 편차를 최소화함으로써 모델 제어 루프를 통해 감소된다. 이러한 접근법은 정상 및 비정상 모터 작동에서의 영구 모델 수정을 가능케 하므로, 내연기관의 부하 변수가 높은 정확도로 평가된다.
DE 39 19 488 C2에는 유입관 압력을 기초로 하여 제어되는 내연기관의 흡입공기량을 우선하여 제어하고 결정하기 위한 장치가 기재되어 있다. 여기서 드로틀밸브가 개방되는 정도 및 엔진 속도는 엔진의 연소챔버 내로 수용되는 공기의 현재 값을 계산하기 위한 근거로서 이용된다. 그런 다음, 이같이 계산된 현 흡입 공기 량은, 상기 계산이 수행되는 지점으로부터 이후 특정 시점에서 엔진의 연소챔버 내에 취해지는 흡입 공기량을 위하여 미리 결정되는 값을 계산하는 근거로 이용된다. 드로틀 밸브의 하류에서 측정된 압력신호는 이론적 관계에 의해 수정되기 때문에, 취해지는 공기 질량의 결정이 개선되어 분사시점의 보다 정확한 계산이 가능하다.
본 발명의 목적은, 배기가스가 재순환하는 내연기관에 있어서 유입관 내의 맑은- 그리고 잔여-가스의 분압이 정상 및 비정상 엔진 작동의 경우에 가능한 한 정확하게 결정되며, 이것이 분사시점의 정확한 계산을 위한 근거로서 사용될 수 있는, 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 첨부된 청구범위 제 1항의 특징부에 의해 달성된다. 다른 개선점은 종속항에 기술된다.
본 발명에 따른 방법의 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 기술된다.
도 1은 상응하는 모델 및 측정된 변수를 포함하는, 오토-사이클 내연기관의 유입구 시스템에 대한 개략도이고,
도 2는 유동 함수 및 관련 다각형 근사치를 도시하는 도면이고,
도 3은 배기가스 재순환이 이루어지는 경우에 내연기관의 실린더로 유입되는 맑은 공기 질량을 결정하기 위한 모델 제어루프에 대한 개략도이고, 그리고
도 4는 배기가스 재순환이 중단되었을 때 유입관 압력과 공기 질량 사이의 관계를 수정하기 위한 모델 제어 루프에 대한 개략도이다.
공지된 접근법을 기초로 하여, 비선형 미분방정식에 기초한 모델이 기술된다. 이러한 비선형 미분방정식의 근사화는 아래에서 주어질 것이다. 이러한 근사화의 결과로서, 실시간 상황 하에서 자동차의 엔진 제어 유닛 내의 관계를 신속하게 해석하는 쌍일차 방정식에 의해 시스템의 작용이 기술될 수 있다. 이 경우에서 선택된 모델 접근법은 외부 배기가스 재순환, 가변 유입구 시스템, 및 가변 밸브 제어 시스템의 모델링을 포함한다. 이러한 배열 및 2차 동적 부하, 즉 유입관 내의 압력파의 반사에 기인한 영향은, 모델의 정상 상태-결정 가능 변수의 선택을 통해서만 참작될 수 있다. 모든 모델의 변수들은 한편으로는 물리적으로 해석될 수 있으며, 다른 한편으로는 정상 상태의 측정으로부터만 얻어질 수 있다.
흡입 시스템의 모델에 대한 미분 방정식의 이산-시간(time-discrete) 해답을 위한 대부분의 연산은, 특히 드로틀 밸브에 걸쳐 작은 압력강하가 있을 때, 즉 최대 부하일 때, 수치적 안정성을 갖고 작업하기 위해 계산 단계의 크기가 매우 적을 필요가 있다. 부하 변수를 결정함에 있어 허용할 수 없는 정도의 비용이 초래될 수 있다. 부하 탐지 시스템은 통상적으로 세그먼트 동기(sychrony)로 작동하기 때문에, 즉 4실린더 모터용 크랭크축 각도의 매 180°마다 표본이 추출되기 때문에, 모델 방정식도 역시 세그먼트 동기로 해석되어야 한다. 미분 방정식을 풀기 위하여 절대적으로 안정된 차분 구조(difference scheme)가 하기에서 사용될 것인데, 이것은 임의의 단계의 크기로써 수적 안정성을 보장한다.
모델을 이용하여 부하를 탐지하기 위한 이러한 시스템은 종래의 엔진 제어 시스템, 즉, 공기 질량 및 유입관 압력에 기초한 엔진 제어 시스템에 사용될 수 있으며, 모델 변수에 부정확성이 발생될 때 정확성의 영구 개선, 즉, 정상 및 비정상작동에서 모델 균형화로서 작용하는 모델 제어 유동의 형태로, 수정 연산을 하기에서 공식화할 것이다.
도 1의 개략도는 모델을 이용하여 내연기관의 실린더 내로 유입되는 맑은 공기 질량을 계산하는 원리에 이용된다. 도시를 명확히 하기 위하여, 단 하나의 내연기관 실린더만이 도시되었다. 내연기관의 유입관(10) 내에 드로틀 밸브(11)가 배열되어 있다. 드로틀 밸브(11)는 드로틀 밸브가 개방되는 정도를 결정하는 드로틀 밸브 세팅 센서(14)에 연결되어 있다. 공기 질량 계량기(12)가 드로틀 밸브(11)의 상류에 배치되어 있고, 유입관 압력 센서(13)가 드로틀 밸브(11)의 하류에서 유입관(10) 내에 배치되어 있다. 공기 질량 계량기(12)의 출력신호( ),드로틀 밸브 세팅 센서(14)의 출력신호(DKW), 및 유입관 압력 센서(13)의 출력신호()는 내연기관의 전자 제어 장치(도시하지 않았지만 공지되어 있음)의 입력 부에 연결된다. 또한, 도 1은 흡입 밸브(15), 출구 밸브(16), 및 실린더(17) 내에서 이동하는 피스톤(18)을 도시하고 있다.
화살표로 표기된 방향으로 배기가스의 일부를 재순환하기 위하여, 배기가스 재순환 라인(19)이 배기가스 트랙(20)과 유입관(10)에 연결되어 있어서, 배기가스가 드로틀 밸브(11)의 하류에 있는 유입관(10)으로 유입될 수 있다. 배기가스 트랙(20) 내에 배치된 온도 센서(32)는 내연기관의 제어장치로 배기가스의 온도에 상응하는 신호를 출력한다. 배기가스 재순환 밸브(21)는 배기가스 재순환 라인(19)내로 연결되어 있고, 이 밸브는 공기작동식 밸브로 형성되어 듀티 비(duty ratio)를 사용하는 전공 변환기(electropneumatic transducer)에 의해 구동되거나, 또는 전기 작동식 밸브로서 제조되고, 내연기관의 전자 제어 장치로부터의 상응하는 구동신호를 통해 배기가스 재순환 라인(19)의 개구 단면을 변화시킨다. 배기가스 재순환 밸브(21)에는 배기가스 재순환 밸브(21)가 전자 제어장치로 개방되는 정도(degree)에 상응하는 신호(AGRW)를 출력시키는 세팅 센서(22)가 할당되어 있다.
또한, 도 1은 유입구 시스템의 선택된 변수들을 나타내고 있다. 여기서, 변수 위의 모자 기호(＾)는 모델 변수임을 나타내고, 모자 기호가 없는 변수는 측정된 변수임을 나타낸다.
특히, Pu는 대기압을, Ps는 유입관 압력을, Ts는 유입관 내의 공기의 온도를, Vs는 유입관의 체적을, P A 는 배기가스 배압(back pressure)을, T A 는 배기 가스 온도를, P RG 는 유입관 내의 잔여가스 부분압력을, 그리고 P FG 는 유입관 내의 맑은 공기의 부분압력을 나타낸다.
도트(dot) 기호를 갖춘 변수는 시간에 대한 대응변수의 1차 도함수를 나타낸다. 따라서, ( )는 드로틀 밸브에서의 공기의 질량 유량을, ( )는 배기가스 재순환 밸브에서의 잔여가스 질량 유량을, ( )는 실린더 내로의 맑은 공기 질량 유량을, ( )는 잔여가스 질량 유량을, 그리고 ( )는 실린더 내로의 전체 질량 유량을 나타낸다.
배기가스 배압, 배기가스 재순환 밸브가 개방되는 정도, 및 배기가스 온도가 주어지면, 작동 포인트에 따라 성능 특성(performance characteristics)을 이용하여 변수화하거나, 또는 상응 센서로부터의 신호를 평가함으로써, 배기가스 재순환밸브(21)를 통과하는 질량 유량을 계산할 수 있다.
유입관 내의 공기가 일정온도라고 가정하고, 유입관 내의 절대압력을 계산하기 위한 미분 방정식은 이상 기체상태 방정식으로부터 설정될 수 있다(도 1 참조).
(1.0)
여기서, : 시간에 대한 모델 변수 유입관 압력의 도함수
R L : 일반적인 가스 상수
Ts : 유입관 내의 공기 온도
V S : 유입관 체적
: 드로틀 밸브에서의 모델 공기 질량 유량
: 배기가스 재순환 밸브에서의 모델 잔여가스 질량 유량
: 실린더로 유입되는 전체 질량 유량의 모델 변수
식(1.0)에 의해 설명된 상태는 램 파이프(ram pipe) 및/또는 공진 유입구 시스템을 갖춘 다중 실린더 내연기관에 대하여 구조적 변경 없이 사용될 수 있다.
다수의 분사밸브를 통해 연료가 배분되는 다점(multipoint) 분사 시스템에 있어서, 식(1.0)은 단일 연료 분사밸브에 의해 연료가 배분되는 단일점 분사의 경우보다 정확한 상태를 재현한다. 다점 분사식 연료 배분에서, 전체 유입구 시스템은 거의 공기로 채워진다. 연료/공기 혼합물은 유입구 밸브 앞의 적은 구역 내에만 존재한다. 이와 반대로, 단일점 분사 시스템에서는, 분사 밸브가 드로틀 밸브앞에 배치되기 때문에 드로틀 밸브로부터 흡입 밸브로 이어지는 모든 유입관이 연료/공기 혼합물로 채워진다. 이 경우에, 이상 기체의 가정은 다중 분사의 경우보다 근사함을 보인다. 단일점 분사의 경우에는 연료가 에 따라서 배분되고, 다점 분사의 경우에는 연료가 에 따라서 배분된다. 질량 유량인 및 셀의 계산은 아래에서 설명된다.
드로틀 밸브에서의 공기 질량 유량( )의 모델 변수는 드로틀 위치를 통한 이상 기체에 대한 유동 방정식에 의해 설명된다. 공기 질량 유량( )은 다음의 관계에 의해 결정된다.
여기서 유동 함수가, 각각, 초임계 압력 상태에 대해서는,
임계 압력 상태에 대해서는,
ψ= 상수
이 식에서 :
: 드로틀 밸브에서의 공기 질량 유량의 모델 변수
: 감소된 유동 단면
k : 단열 멱지수
R L : 일반적인 기체 상수
Ts : 유입관 내의 공기 온도
: 대기압의 모델 변수
: 유입관의 모델 변수
Ψ : 유동 함수
드로틀 밸브(11)인 드로틀 지점에서 일어나는 유동 손실은 드로틀 밸브에서의 감소된 단면( )에 의해 계산된다. 정상 상태 측정치로부터, 드로틀 지점의 전방 및 후방에서의 알려진 압력과 드로틀 지점을 통과한 알려진 질량 유량을 이용하여, 드로틀 밸브 세팅 센서(14)에 의해 결정된 드로틀 밸브 각도(DKW)와, 상응하는 감소된 단면( ) 간의 관계를 알 수 있다.
드로틀 밸브에서의 공기 질량 유량( )이 식(2.0)에 의해 기술되면, 이것은 절대적으로 안정된 차분 구조(difference scheme)를 갖춘 미분 방정식(1.0)의 숫자 정정 해법을 위한 복잡한 연산을 수반한다. 계산 비용을 감소시키기 위하여, 유동 함수(Ψ)는 다항식에 의해 근사화된다.
도 2는 유동 함수( Ψ) 및 이에 적용된 근사 법칙의 그래프를 도시하고 있다. 한 구간(i, j) (i, j = 1...k) 내에서, 유동 함수( Ψ)는 직선으로 나타난다. 따라서, 허용 가능한 수의 직선 구간들에 대해, 유량 함수의 양호한 근사화가 다음 식에 의해 달성될 수 있다.
여기서, m l 는 기울기를 나타내고, n t 는 각각의 직선 구간의 오프셋을 나타낸다. mi 및 n i 값은 개개의 선형화 구간 내에서 각각 유효하다. 기울기 및 오프셋을 위한 값은 대기압에 대한 유입관 압력의 비 ()의 함수로서 표에 기입된다.
압력비() 또는 배기가스 배압에 대한 유입관 압력의 비 ()가 도 2의 가로좌표 상에 기입되고, 유동 함수(Ψ)의 함수값(0 내지 0.3)이 세로좌표 상에 기입된다.
이러한 유형의 접근법을 통해, 드로틀 밸브에서의 공기 질량 유량( )을 계산하기 위해 방정식(2.0)을 다음의 방정식에 의하여 근사화할 수 있다.
여기서, i=(1...k).
마찬가지로, 배기가스 재순환 밸브(21)에서의 잔여가스 질량 유량은 드로틀지점에 대한 이상 기체 유동 방정식으로 계산된다. 그러나, 배기가스 재순환 밸브에서, 이것은 배기가스 배압(P A )과 작동 압력인 유입관 압력(Ps) 사이의 압력 강하와 배기가스 온도 레벨(T A )이다. 유동 함수(Ψ)의 근사를 위해, 대기압( )이 배기가스 배압( )과 다르기 때문에 이 경우에 고려되는 것은 m i , 및 n t 값이다(도 2). 발생되는 유동 손실은 배기가스 재순환 밸브의 드로틀 지점에서 감소된 유동 단면(A RRG )에 의해 설명된다.
(3.0)
내연기관의 각각의 실린더로 유입되는 공기 질량은 충전 사이클에 상당한 영향을 받기 때문에 매우 어렵게 분석적으로 계산될 수 있다. 실린더의 충전은 유입 관 압력, 엔진 속도 및 밸브 제어시간에 의해 광범위하게 결정된다.
각각의 실린더 내로의 질량 유량( )의 최대한 정확한 계산은, 한편으로는, 부분 미분 방정식에 의한 내연기관의 흡입 트랙 내의 상태의 설명을 요구하고, 다른 한편으로는, 필수 한계조건(boundary condition)으로서 유동 방정식에 따른 흡입 밸브에서의 질량 유량의 계산을 요구한다. 이러한 복잡한 접근법만이 엔진속도, 유입관 기하구성, 실린더 수 및 밸브 제어시간에 의해 결정적으로 영향을 받는 동적 2차 충전 효과를 감안할 수 있다.
전술한 접근법에 따른 계산은 내연기관의 전자 제어장치에서 실행할 수 없기 때문에, 유입관 압력( )과 실린더 질량 유량( )의 단순한 관계의 근사가 필요하다. 넓은 범위의 실제 밸브 제어시간에 대하여, 다음의 선형 공식이 양호한 근사에 이용될 수 있다.
방정식(4.0) 내의 기울기( ) 및 오프셋( )은 이 경우에 있어서 모든 기본적인 영향을 미치는 요소, 엔진속도, 유입관 기하, 실린더 수, 밸브 제어시간 및 유입관 내의 공기온도( Ts)를 고려한다. 엔진속도의 함수, 유입관 기하, 실린더 수 및 밸브 제어시간의 영향 변수 및 밸브 편위 곡선에 대한 및 값의 의존은 이 경우에 있어서 정상 상태 측정을 통해 결정될 수 있다. 또한, 이러한 값의 결정은 내연기관에 의해 취해지는 공기 질량에 대한 램 파이프 및/또는 공진 유입구 시스템의 영향을 재현한다. 및 값은 엔진속도(n)의 함수로서 전자 모터 제어장치의 성능 특성에 기입된다.
엔진부하를 결정하기 위한 결정 변수로서, 유입관 압력(Ps)이 선택된다. 모델 미분 방정식에 의해, 상기 변수는 가능한 한 신속 정확하게 평가된다. 의 평가는 방정식(1.0)의 해결을 요구한다.
식(2.3, 3.0 및 4.0)에 의해, 공식(1.0)은 다음 방정식으로 근사될 수 있다.
여기서, I, j = (1...k)
방정식(5.0)을 풀기 위하여, 이러한 관계가 적당한 차분 방정식으로 바뀐다.
형성하고자 하는 차분 방정식의 해답 특성을 위한 다음의 기본 요건은 적당한 차분 구조를 선택하기 위한 기준으로서 공식화될 수 있다:
1. 차분 구조는 극한의 동적 요건 하에서도 보존되어야 한다. 즉, 차분 방정식의 해답이 미분 방정식의 해답에 상응해야 한다.
2. 수적 안정성은 유입관 압력의 작업범위(동적 범위)에 걸쳐, 최대 가능 세그먼트 시간에 상응하는 샘플링 시간에 대해 보장되어야 한다.
제 1요건은 함축 계산 연산(implicit computation algorithm)에 의해 만족될 수 있다. 쌍일차 방정식(5.0)에 의한 비선형 미분 방정식(1.0)의 근사로 인해, 차분 방정식이 함축된 형태로 변할 수 있기 때문에, 최종 함축 해답 구조가 반복법(iterative method)을 사용하지 않고서도 풀릴 수 있다.
미분 방정식(1.0) 및 이의 근사화(5.0)의 조건으로 인하여, 제 2요건은 차분방정식을 형성하기 위한 절대 안정성에 대해서도 유효한 계산법에 의해서만 만족될 수 있다. 이러한 방법은 A-안정 방법으로도 불려진다. 상기 A-안정의 특성은 알고리즘의 특성 즉, 안정 개시 문제를 위해, 세그먼트 시간( T AB )인 샘플링 시간의 임의값에 대해 수치적으로 안정하다는 것이다. 상기 두 개의 요건을 만족시키는, 미분 방정식의 수적 해답을 위한 한가지 가능한 계산법은 사다리꼴법이다.
본 경우에서, 사다리꼴법의 적용으로부터 얻어지는 차분 방정식은 다음과 같다.
여기서, N = (1...∞)
T AB 는 2개의 표본 단계(N) 사이의 시간을 나타낸다.
미분 방정식(5.0)이 사다리꼴법(5.1)에 의해 풀린다면, 샘플링 단계(N)에 대한 유입관 압력에 대하여 다음 방정식이 도출된다:
여기서, N = (1...∞) 및 i, j = (1...k)
이 경우에, [N]은 현재 세그먼트 또는 현재 계산 단계를 나타내고, [N+1]은 다음 세그먼트 또는 다음 계산 단계를 나타낸다.
유입관 내의 전체 압력을 알고 있다면, 유입관 내의 잔여가스 부분 압력(P RG )은 다음 관계에 의해 계산될 수 있다.
여기서, 방정식(3.0)을 이용하면, 배기가스 재순환 밸브를 통과한 잔여가스 질량 유량으로서,
외부 배기가스 재순환을 통해 실린더로 유입되는 잔여가스 질량 유량으로서,
사다리꼴법(5.1)이 유입관 내의 잔여가스 부분압력을 위한 미분 방정식(6.0)을 풀기 위해 적용된다면, 다음 관계가 도출된다:
이는 시간(N)에서의 잔여가스 부분압력을 계산하기 위한 식이다. 또한, 다음 관계가 만족된다.
따라서, 맑은 공기 부분압력( )은 다음과 같다.
그러므로, 정상 및 비정상 엔진 작동에서의 유입관 내의 맑은 가스와 잔여가스 부분압력을 알 수 있다. 맑은 가스 부분압력을 이용하여, 각각의 실린더 내로 유입되는 맑은 공기 질량을 계산할 수 있다.
단순한 적분 연산을 통해, 흡입 단계 동안 내연기관에 의해 취해진 공기 질량이 얻어진다.
연료 계측 및 연료의 필수 선-축적에서 시스템에 기인한 정지 시간(dead time)으로 인하여, 선택 가능한 예측 범위(Prediction horizon)로 내연기관에 의해 취해지는 공기 질량을 예측하는 것이 바람직한데, 그 이유는 이러한 방식에 의해서만, 비정상 작동시, 원하는 공기/연료 비율을 정확하게 유지하는 것이 가능하기 때문이다.
전술된 방법에서, 흡입 시스템 내의 부분 압력의 시간 편차의 모델 변수는 분석 형태로 존재한다. 사다리꼴법의 H-포울드(fold) 적용을 통해, 맑은 가스 부분압력은 다음 관계에 의한 H 세그먼트에 의해 예고될 수 있다.
상수인 및 이 예측 시간에 걸쳐 추정된다면, 실린더 내의 예측된 맑은 공기 질량은 다음 방정식에 의해 결정될 수 있다.
예측 범위(H)에 대해 1....3의 차수(order)가 선택되면, 내연기관에 의해 취해진 맑은 가스 질량을 위한 예측 결과는 공식(10.3)을 사용하여 매우 정확하게 얻을 수 있다.
유입관 압력 및 공기 질량에 기초한 엔진 제어 시스템을 균형잡기 위한 모델의 원리가 아래에 기술된다.
가변 밸브 제어 및/또는 변하는 유입관 기하를 갖는 엔진을 사용하기 때문에, 온도의 영향은 물론, 제조 오차 및 노화현상 때문에, 및 은 다소 불확실하다. 전술한 바와 같이, 실린더 내의 질량 유량을 결정하기 위한 방정식의 변수들은 가장 중요한 일부만이 탐지되는 다양한 영향 변수의 함수이다.
드로틀 밸브에서의 질량 유량을 계산할 때, 드로틀 밸브 각도를 탐지하는데 있어서의 측량 오류 및 유동 함수(Ψ)의 다항 근사에 있어서의 근사 오류는 모델 변수에 영향을 받는다. 특히 드로틀 밸브 각도가 매우 작을 때는, 전술한 오류에 대한 시스템의 민감성이 특히 높아진다. 이러한 결과로 드로틀 밸브 세팅에서의 작은 변동은 질량 유량 또는 유입관 압력에 심각한 영향을 미친다. 이러한 영향을 감소시키기 위하여, 모델 계산에 영향을 주는 특정 변수를 정정할 수 있도록, 정상 및 비정상 엔진 작동에 대하여 정확성-강화 모델이 실행될 수 있다.
내연기관의 부하 변수를 결정하기 위한 모델의 기본 변수의 적응은, 측정된 드로틀 밸브 각도에 의해 결정되는 감소된 유동 단면( )이 정정 변수( )에 의해 정정되는 다음의 방법으로 실행된다.
어떤 부하 감지 센서가 이용되는가에 따라, 정정 변수( )의 계산이 모델 제어 루프 내에서 이루어진다. 공기 질량 측정의 경우에, 드로틀 밸브에서 측정된 공기 질량 유량과 드로틀 밸브에서의 모델 공기 질량 유량 사이의 편차가 계산된다.
유입관 측정의 경우에, 모델 유입관 압력과 측정된 유입관 압력 사이의 편차가 계산된다.
공기 질량에 기초한 엔진 제어 시스템에 있어서, 드로틀 밸브에서 공기 질량 계량기에 의해 측정된 공기 질량 유량( )은 상기 제어 루프의 기준 변수(reference variable)이고, 유입관 압력에 기초한 시스템에 있어서, 유입관 압력센서에 의해 측정된 유입관 압력(P S-SEN )도 기준 변수로서 이용된다. 폐쇄 루프 제어를 통하여, 값( )은 기준 변수와 상응 제어 변수간의 편차를 최소화하는 방법으로 결정된다.
동적 작동에 있어서도 전술한 방법으로 정확성을 기하기 위하여, 측정 탐지는 가능한 한 정확하게 기준 변수를 재현해야 한다. 대부분의 경우에, 공기 질량 계량기 또는 유입관 압력 센서 등과 같은 센서의 동적 반응 및 후속하여 형성되는 평균화가 고려될 필요가 있다.
각각의 센서의 동적 반응은 제 1근사화에서 작업 지점에 따르는 지연시간( T1)을 갖는 1차 시스템으로서 모델링될 수 있다.
유입관 압력에 기초한 엔진 제어 시스템의 경우에, 센서 반응을 설명하기 위한 한 가지 가능한 방정식은 다음과 같다.
(12.0)
한편, 공기 질량에 기초한 시스템의 경우에는, 다음의 관계가 설정된다.
(13.0)
T l 은 각 센서의 지연 시간을 나타낸다.
제어 장치 내에서 실행되는, 세그먼트에 걸친 측정의 평균은 다음의 방정식에 의해 모델링될 수 있다.
또는
두 개의 부하 탐지 센서가 존재한다면, 드로틀 밸브에서의 감소된 유동 단면 또는 대기압은 측정된 공기 질량 유량을 갖는 드로틀 밸브에서의 공기 질량 유량을 균형잡는데 사용될 수 있다. 배기가스 재순환 작동에서, 유입관 압력 센서는 배기가스 재순환 밸브에서의 감소된 유동 단면을 결정하거나 또는 배기가스 배압을 결정하는데 이용될 수 있다.
모델 유입관 압력과 측정된 유입관 압력 사이에 차이가 발생한다면, 이들은 에 의한 의 정정을 통해 잔여가스 질량 유량을 적응시킴으로써 평형을 이루게 된다(도 3). 정정 변수( )가 양의 방향으로 한계값을 초과한다면, 배기가스 배압의 모델 변수가 증가되고, 음으로 적용되는 한계값 아래로 떨어지면, 배기가스 배압의 모델 변수는 감소한다.
배기가스 재순환 밸브가 폐쇄될 때, 유입관 압력과 공기 질량 간의 관계는 변수()에 의해 유입관 압력 센서를 사용하여 정정된다(도 4). 정정 변수는 엔진 속도의 함수로서 결정되고 제어장치의 비휘발성 기억장치 내에 기입된다.
두 개의 부하 탐지 센서(공기 질량 계량기 및 유입관 압력 센서)가 존재하는 경우를 위하여 엔진 제어 시스템을 위한 모델 균형 방법이 아래에 기술된다. 이러한 시스템에 있어서, 모델 구조가 도 3 및 도 4에 도시되어 있다.
드로를 밸브 세팅 센서(14; 도 1)는 드로틀 밸브(11)가 개방되는 정도, 예를 들어, 어떠한 드로틀 밸브 개구 각도(DKW)에 상응하는 신호를 전달한다. 전자 엔진 제어장치의 제 1성능 특성(KF1)에서, 드로틀 밸브의 감소된 단면( )의 관계값은 상기 드로틀 밸브 개구 각도의 변수값을 위해 저장된다. 도 3 및 도 4에서 서브시스템(subsystem) '유입관 모델'이 방정식(5.2) 및 (8.1)에 의해 설명된 바와 같은 거동을 나타낸다.
모델 제어 루프의 기준 변수는 유입관 압력(P S-SEN ) 및 드로틀 밸브에서의 공기 질량 유량( )의, 세그먼트에 걸쳐 평균화된, 변수의 측정값이다. PI 제어기가 모델 루프 내의 제어기로서 사용된다면, 잔여 편차는 0, 즉 모델 변수 및 상응 측정 변수는 정상 상태의 경우에서와 동일하다.
4-실린더 엔진에서 주로 관측되는 드로틀 밸브에서의 공기 질량 유량의 진동현상은, 공기 질량 계량기가 밸브를 형성하는 경우, 상당한 양의(positive) 측정 오류를 초래하기 때문에 오류에 의해 상당한 영향을 받는 기준 변수를 초래한다. 상응하는 제어기를 오프시킴으로써, 즉 제어기 변수를 감소시킴으로써 제어된 모델-도움 작동으로 변화될 수 있다. 따라서, 전술한 진동 현상이 발생하는 영역은, 동적 관계를 고려함과 동시에, 실질적으로 교란되지 않은 기준 변수가 존재하는 영역과 마찬가지로 동일한 방법으로 처리될 수 있다. 정상 작동점에서만 관련 측정치를 고려하는 방법에 비해, 전술한 방법은 사실상 제한없이 작업 가능하다. 공기 질량 계량기 또는 드로틀 밸브 세팅 센서로부터의 신호가 없어진다면, 상기 제안된 시스템은 상응하는 대리 신호를 형성할 수 있다. 기준 변수가 없어진다면, 제어된 작동이 실행되며, 나머지 경우에는 제어된 작동이 시스템의 기능적 능력이 거의 손상되지 않도록 보장한다.
'유입관 모델' 블록은 방정식(5.2) 및 (8.1)에 의해 설명된 바와 같은 비율로 나타나고, 결과적으로, 외향 변수(outward variable)로서 모델 변수( 및 ), 및 내연기관의 실린더로 유입되는 맑은 공기 질량 유량의 값( )을 가지며, 기본 분사 시간을 결정하기 위한 기초로서 사용된다. 공기 질량 계량기 및 유입관 압력 센서의 센서 반응의 모델링 후에(방정식(12.0 및 13.0)), 모델 변수( 및 )는 방정식(12.1) 또는 (13.1)에 따른 평균화에 영향을 받으므로, 평균 변수( ) 및 유입관 압력 센서에 의해 측정된 값( ), 또는 공기 질량 계량기에 의해 측정된 공기 질량 유량( ) 각각이, 각 경우에 비교점(23, 24)에 공급될 수 있다.
비교점(24)에서 형성된, 드로틀 밸브에서의 평균 질량 유량의 모델 변수 및 측정된 변수 사이의 차이는 제어기(27) 내의 정정값( )을 계산하기 위한 기초로서 도 3 및 도 4에서 사용된다. 감소된 단면의 모델 변수는 방정식(11.0)에 따라서 형성되고, 안정 및 불안정 엔진 작동 상태의 드로틀 밸브에서의 질량 유량의 모델 변수를 정정하는 것을 가능하게 한다.
도 3에서, 유입관 압력의 상응 모델 변수 및 평균 측정 변수 사이의 차이는 배기가스 재순환 밸브에서의 잔여가스 유동에 영향을 주기 위하여 정정값( )을 계산하는데 사용된다. 정정값()이 한계 단계(29) 내에 설정된 값을 초과한다면, 배기가스 배압( )은 의 부호에 따라 양 또는 음의 방향으로 정정된다.
도 4에서, 유입관 압력의 상응 모델 변수와 평균 측정 변수 사이의 차이가 의 영향에 의해 실린더로 유입되는 질량 유량을 절정하는데 사용된다.
도 3에서 제안된 방법은, 부하 변수 평가를 위한 모델 내에 변수 오류가 있는 경우에도, 정정 측정치 및 부하 변수 차수(order)의 차이가 1이기 때문에 부하변수의 부드러운 형태가 기대될 수 있다는 이점이 있다. 그러나, 압력비 또는 값( )의 함수로서 대기압을 평가할 필요가 있다. 도 4에서 제안된 방법은 큰 압력비()의 경우에도, 실린더로 유입되는 질량 유량이 광범위하게 변할 수 있다는 이점을 갖고 있다. 흡입 밸브의 유동 계수의 변화는 상기 방법으로 쉽게 정정될 수 있다.

Claims (17)

  1. 내연기관의 실린더로 유입되는 맑은 공기의 질량을 결정하기 위한 방법으로서,
    유입관(10), 상기 유입관(10) 내에 설치된 드로틀 밸브(11), 및 상기 드로틀 밸브(11)가 개방되는 정도(DKW)를 탐지하는 센서 장치(14)와,
    배기가스 재순환 밸브(21)를 갖춘 배기가스 재순환 라인(19), 상기 배기가스 재순환 밸브(21)가 개방되는 정도(AGRW)를 탐지하는 센서 장치(22)와,
    상기 내연기관을 위한 부하 신호( )를 생성하는 센서(12: 13)와, 그리고
    상기 내연기관의 속도(n) 및 상기 측정된 부하 신호( )를 기초로 하여 기본 분사 시간을 계산하는 전자 제어장치를 포함한, 내연기관의 실린더로 유입되는 맑은 공기의 질량을 결정하기 위한 방법에 있어서,
    상기 유입관(10) 내의 상태가 유입관 충전 모델을 이용하여 재현되고(방정식5.2, 8.1), 적어도, 상기 드로틀 밸브(11)가 개방되는 정도(DKW), 상기 배기가스 재순환 밸브(21)가 개방되는 정도(AGRW), 대기압(Pu), 배기가스 온도(T A ), 상기 유입관 내의 온도( Ts) 및 밸브 세팅을 나타내는 변수들이 상기 모델의 입력 변수로서 사용되고,
    각각의 경우에 모델 변수가 상기 드로틀 밸브(11)에서의 공기 질량 유량( ) 및 상기 배기가스 재순환 밸브(21)에서의 잔여가스 질량 운량( )을 위하여 형성되고(방정식 2.3; 3.0),
    모델 변수가 유입관 압력( ) 및 잔여가스 부분압력( ) 각각의 함수로서 상기 실린더 내로 유입되는 공기 질량 유량( ) 및 상기 실린더 내로 유입되는 잔여가스 질량 유량( )을 위하여 각각의 경우에 형성되고(방정식 4.0; 7.0),
    상기 드로틀 밸브에서의 공기 질량 유량( ), 상기 배기가스 재순환 밸브에서의 잔여가스 질량 유량( ) 및 상기 실린더 내로 유입되는 공기 질량 유량( )의 모델 변수로부터 상기 내연기관의 실제 부하를 결정하기 위한 결정적인 변수로서 상기 유입관 압력( )이 계산되고(방정식 5.2),
    상기 유입관 내의 잔여가스 부분압력( )이 상기 배기가스 재순환 밸브에서의 잔여가스 질량 유량( ) 및 상기 실린더 내로 유입되는 잔여가스 질량 유량( )의 모델 변수로부터 계산되고(방정식 8.1),
    상기 맑은 가스 부분압력( )이 상기 유입관 압력( ) 및 상기 잔여가스부분압력( )으로부터 결정되고, 그리고
    상기 실린더(17) 내로 유입되는 공기 질량( )이 상기 맑은 가스 부분압력( )과 상기 실린더 내로 유입되는 맑은 공기 질량 유량( ) 사이의 관계로부터의 적분에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더로 유입되는 맑은 공기 질량을 결정하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 드로틀 밸브(11)에서의 공기 질량 유량( ) 및 상기 배기가스 재순환 밸브(21)에서의 잔여가스 질량 유량( )을 위한 상기 모델 변수가 드로틀 지점을 통과하는 이상 기체에 대한 유동 방정식에 의해 기술되는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더로 유입되는 맑은 공기 질량을 결정하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 드로틀 지점(11, 21)에서 발생하는 유동 손실이 상기 드로틀 지점에서 감소된 유동 단면( )을 이용함으로써 각각의 경우에 계산되는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더로 유입되는 맑은 공기 질량을 결정하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 감소된 유동 단면( )을 위한 값이 엔진 시험 베드 상에서 상기 배기가스 재순환 밸브가 개방되는 정도(AGRW)의 함수로서 정상 상태 측정치로부터 설정되고, 상기 제어장치의 기억장치 내의 성능특성(KF1, KF4) 내에 기입되는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더로 유입되는 맑은 공기 질량을 결정하는 방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 드로틀 밸브(11)에서의 공기 질량 유량( ) 및 상기 배기가스 재순환 밸브(21)에서의 잔여가스 질량 유량( )을 위한 상기 모델 변수의 표현에서, 유동 방정식 내에 존재하는 유동 함수(Ψ)가 개개의 섹션(i,j = 1‥‥k)으로 분할되고 상기 섹션이 직선 섹션에 의해 근사화되고, 상기 각각의 직선 섹션의 오프셋(n i,j )과 기울기(m i,j )의 값은 각각의 경우에 각각 상기 유입관 압력( ) 대 상기 대기압( )의 비와 상기 유입관 압력( ) 대 배기가스 배압( )의 비의 함수로서 결정되며, 상기 제어장치의 기억장치 내의 성능 특성 내에 저장되는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더로 유입되는 맑은 공기질량을 결정하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 실린더 내로 유입되는 공기 질량 유량( )을 위한 모델 변수가 상기 유입관 압력( )의 선형 함수로서 기술되고(방정식 4.0), 상기 선형 함수의 기울기(rl)와 오프셋(r0)은 상기 내연기관의 속도,실린더 수, 유입관 기하, 상기 유입관(10) 내의 공기온도( Ts) 및 밸브 제어 시간의 변수들 중 하나 이상의 함수로서 성립되는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더로 유입되는 맑은 공기 질량을 결정하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 실린더 내로 유입되는 잔여가스 질량 유량()을 위한 모델 변수가 상기 잔여가스 부분압력( )의 선형 함수로서 기술되고(방정식 7.0), 상기 선형 함수의 기울기()는 상기 내연기관의 속도, 실린더 수, 유입관 기하, 상기 유입관(10) 내의 공기온도( Ts) 및 밸브 제어 시간의 변수들 중 하나 이상의 함수로서 성립되는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더로 유입되는 맑은 공기 질량을 결정하는 방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 변수들이 상기 엔진 시험 베드 상의 정상 상태 측정치에 의해 결정되고, 상기 제어장치의 기억장치 내의 성능 특성(KF2, KF3) 내에 기입되는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더로 유입되는 맑은 공기 질량을 결정하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 부하 센서(12; 13)에 의해 측정된 상기 부하 신호( )가 모델 제어 루프 내의 유입관 압력( ) 및 상기 드로틀 밸브에서의 공기 질량 유량( )의 모델 변수를 정정하여 균형잡기 위해 사용되고, 상기 부하 신호( )는 상기 제어 루프의 기준 변수로서 이용되는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더로 유입되는 맑은 공기 질량을 결정하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 균형잡기가 상기 내연기관의 정상 또는 비정상 작동 상태에서 실행되고, 상기 부하 센서(12; 13)의 반응이 상기 경우에 계산되는(방정식 12.0; 13.0) 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더로 유입되는 맑은 공기 질량을 결정하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 부하 센서(12, 13)의 반응이 작업 지점에 따른 지연 시간( T 1 )을 갖춘 제 1 차 시스템에 의해 모델링되는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더로 유입되는 맑은 공기 질량을 결정하는 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 드로틀 밸브가 개방되는 정도의 각각의 측정치(DKW)가 상기 드로틀 밸브의 감소된 단면( )의 값에 할당되고, 상기 드로틀 밸브에서의 공기 질량 유량의 모델 변수( )의 균형잡기는 상기 기준 변수( )와 상기 모델 변수( ) 사이의 편차를 최소화하는 방법으로 정정 변수( )에 의해 상기 감소된 단면( )을 정정함으로써 실행되는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더로 유입되는 맑은 공기 질량을 결정하는 방법.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 배기가스 재순환 밸브(21)가 개방되는 정도(AGRW)의 각각의 측정치가 상기 배기가스 재순환 밸브의 감소된 단면값( )에 할당되고, 상기 유입관 압력의 모델 변수( )의 균형잡기는 상기 기준 변수(Ps-S EN )와 모델 변수( ) 사이의 편차를 최소화하는 방법으로 정정 변수( )에 의해 상기 감소된 단면( )을 정정함으로써 실행되는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더로 유입되는 맑은 공기 질량을 결정하는 방법.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 모델 변수들이 균형잡기 단계 전에 평균화되는(방정식 12,1; 13,1) 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더로 유입되는 맑은 공기 질량을 결정하는 방법.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 정정 변수( )가 양의 방향으로 소정의 한계치를 초과할 때에는 상기 배기가스 배압( )의 모델 변수가 증가하고, 상기 정정 변수( )가 음의 적용 가능한 한계치 아래로 떨어질 때에는 상기 배기가스 배압( )의 모델 변수가 감소하는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더로 유입되는 맑은 공기 질량을 결정하는 방법.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 실린더 내로 유입되는 공기 질량( )이
    여기서, T A : 샘플링 시간 또는 세그먼트 시간
    : 현재 샘플링 단계 또는 세그먼트 동안의 공기 질량 유량의 모델 변수
    : 이전 샘플링 단계 또는 세그먼트 동안의 공기 질량 유량의 모델 변수,
    에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더로 유입되는 맑은 공기 질량을 결정하는 방법.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 내연기관의 실린더 내로 유입되는 맑은 가스 질량( )이 특정 예측 범위(H)에 대해, 상기 유입관(10) 내의 부분압력의 모델 변수( ) 내의 시간 편차를 기초로 하여 평가되어, 샘플링 시간(N)에서의 현재 부하 탐지에 비교하여 놓여지는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더로 유입되는 맑은 공기 질량을 결정하는 방법.
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