KR100465609B1

KR100465609B1 - 내연기관의주기적연소변동을검출하기위한방법

Info

Publication number: KR100465609B1
Application number: KR10-1998-0704522A
Authority: KR
Inventors: 안톤 앙어마이어; 슈테판 슈나이더
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 1995-12-21
Filing date: 1996-12-03
Publication date: 2005-04-06
Also published as: EP0868660B1; BR9612227A; CZ9801955A3; DE59610790D1; WO1997022786A2; CN1137378C; MX9804855A; CZ293641B6; WO1997022786A3; CN1205772A; KR20000064421A; EP0868660A2; US6082188A

Abstract

크랭크 축의 각 속도 변동에 비례하는 편심값은 연속하는 연소 사이클의 편심값의 평균값 형성 후에 실제 편심값과 관련 평균값의 비교에 의해 편차량을 검출하는데 사용된다. 편차량은 주기적인 연소 변동에 비례한다. 이후,편차량이 개별 실린더 한계치와 비교되고, 편차량이 한계치를 초과하면 주기적 연소 변동으로 검출된다.

Description

내연 기관의 주기적 연소 변동을 검출하기 위한 방법

본 발명은 청구범위 제 1 항의 전제부에 기재된 내연 기관의 주기적 연소 변동을 검출하기 위한 방법에 관한 것이다.

희박 혼합물(lean mixture) 및/또는 높은 배기 가스 재순환률을 가지고 내연기관을 작동시키는 것은 연료 소모 및 산화질소 방출을 감소시키기 위한 좋은 방법이다. 그러나, λ≒1.4 정도의 전형적인 공연비를 가진 린번(lean-burn) 엔진에서 발생하는 종류인 극도의 희박 혼합물, 또는 배기 가스 재순환에 의한 혼합물 내의 높은 함량의 불활성 가스는 결국 혼합물의 가연성을 저하시킨다. 재순환률이 지나치게 높거나 혼합물이 너무 희박하면, 주기적 연소 변동이 증가하며 나아가 불안정한 연소(combustion misfires)를 일으킨다.

따라서, 높은 재순환률 또는 희박 혼합물로 내연 기관의 작동이 신뢰할 수 있도록 위해, 주기적 연소 변동을 검출하고 평가할 필요가 있다. 내연 기관의 실린더 내의 연소는 색인(index) 평균 압력과 같은 특성 변수의 계산을 연속해서 수행하면서 실린더 압력 코스(coarse)를 측정함으로써 측정될 수 있다. 이들 변수에서의 주기적인 변동은 주기적 연소 변동과 정비례한다.

불안정한 연소의 검출을 위해 크랭크 축 속도를 측정해서 평가하는 방법이 공지되어 있다. 이러한 방법에서는, 크랭크 축이 일정한 각 간격(이하, 세그먼트 (segment)라 한다) 만큼 회전하는 시간 간격이 측정된다. 시간 측정은 통상적으로 크랭크 축에 제공된 변환기 휠의 마킹과 이러한 휠에 배치된 센서에 의해 이루어진다. 불안정한 연소는 크랭크 축의 각 속도를 느리게 함으로써, 연속하는 시간 간격의 차이를 증가시킨다.

유럽 특허 공개 제 0 576 705호에는 크랭크 축의 각 속도 변동에 의한 불안정한 연소의 검출 방법이 공지되어 있다. 여기서는 일반적인 엔진 속도의 경향과, 부가로 불규칙적인 엔진 속도의 변동이 고려된다. 여기에 개시된 방법은 크랭크 축의 각 속도의 변화에 비례하는 편심값(nonconcentricity value)(LUn)을 제공한다. 이후, 얻어진 편심값은 한계치와 비교되며, 편심값이 한계치를 초과하면 불안정한 연소가 측정된다.

도 1은 편심값을 결정하기 위한 플로우 챠트이고,

도 2는 안정된 연소와 첫 번째 불안정한 연소 발생 사이의 천이 범위를 검출하기 위한 플로우 챠트이며,

도 3은 측정점 및 방법을 실시하기 위한 액추에이터를 포함하는 장치의 개략 블록 회로이고,

도 4는 여러 배기 가스 재순환률에서 색인 평균 압력에 대한 편차량 및 변동값을 나타낸 다이어그램이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 엔진 블록 11 : 흡기 매니폴드

12 : 배기 가스 시스템 13 : 공기량 측정기

14 : 전자 제어 장치 15 : 스로틀 밸브(15)

16,19,21 : 센서 17 : 분사 밸브

18 : 점화 장치 20 : 변환기 휠

22 : 람다 센서 23 : 파이프

24 : 배기 가스 재순환 밸브 25 : 메모리

AGR : 배기 가스 재순환률 TKW : 냉각제

LM : 출력 신호

본 발명의 목적은 안정한 연소와 첫 번째 불안정한 연소 발생 사이의 천이 범위를 확실하게 검출할 수 있는, 내연 기관의 불안정한 연소 검출 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 본 발명에 따른 청구범위 제 1항의 특징부에 의해 달성된다. 바람직한 실시예가 청구범위의 종속항에 제시되어 있다.

크랭크 축의 각 속도 변동에 근거하여 임의의 방법으로 검출된 편심값을 통계적으로 평가함으로써, 주기적 연소 변동에 비례하는 값이 유도된다. 따라서, 안정된 연소와 첫 번째 불안정한 연소 발생 사이의 천이 범위(transitional range)가 확실하게 검출될 수 있다.

아래에, 본 발명의 실시예를 도시한 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

서브 프로그램 단계(SI)에서 편심값의 계산이 실행된다. 이러한 서브루틴(subroutine)은 상술한 유럽 특허 제 0 576 705호에 따라 실현될 수도 있으며, 도 1의 플로우 차트를 참조로 설명되어 있다.

단계(S1.1)에서 크랭크 축 상의 마킹(marking)에 근거하여, 실린더의 작동 사이클 동안 일정 크랭크 각, 예컨대 4기통 내연기관의 경우 180°의 크랭크 각(KW) 만큼 크랭크 축을 회전시키는 데 필요한 시간 간격(T_n)이 측정된다.

연속해서 측정된 값은 단계(S1.2)에서 일시 저장된다.

단계(S1.3)에서 각각 2개의 연속하는 시간 간격(T_n),(T_n+1)으로부터 정적 성분(static component)(LUS_n)이 계산된다.

여기에 사용된 표준화 인자(standardizing factor)(NO)는 단계(S1.4)에서 동적 성분(dynamic component)의 계산시 사용되는 측정 윈도우(n-x 내지 n+y)에 의존한다. 배율은 식 NO = x+y, 즉 본 실시예에서는 NO = 3+3 = 6에 따라 계산된다.

단계(S1.4)에서, 보다 떨어져서 시간 간격의 차가 형성되는 방식으로 동적성분(LUD_n)이 계산된다. 본 실시예서는 현재 시간 간격(T_n)과 관련해서 최근 3번째 시간 간격(T_n-3)과 현재 이후의 3번째 시간 간격(T_n+3)이 사용된다. 현재 시간 간격(T_n)에 대해 비대칭으로 위치하는 측정 윈도우가 사용될 수도 있다. 이후, 동적 성분(LUD_n)이 역전, 즉 마이너스가 된다.

단계(S1.5)에서 변동 성분(LUK_n)이 계산된다. 현재 시간 간격(T_n)에 대해 대칭으로 2개의 편차량, 본 실시예에서는 T_n-3- T_n 및 T_n - T_n+3이 형성된다. 이들 2개의 값으로부터 다시 차가 형성되고 이것이 0보다 크면 평가 인자(weighting factor)(BF)로 평가된다. 이들 차가 0보다 작으면 0에 설정된다.

이러한 변동 성분(LUK_n)은 단계(S1.6)에서 일시 저장되고, 단계(S1.7)에서 슬라이딩 평균 작동(sliding averaging operation)하게 된다. 여기서는, 예컨대 식: GLUK_n = GLUK_n-1 * (1-MITKO) + LUK_n * MITKO 에 따라 슬라이딩 평균 작동하게 된다. 상기 식에서, MITKO는 0 내지 1의 값 범위를 가진 평균 상수를 나타낸다.

동적 성분 및 변동 성분의 계산시 측정 윈도우(n, n-x, n+y, n-z, n+z)는 바람직하게는 상응하는 실린더(n, n-x, n+y, n-2, n+z)에서 크랭크 축의 동일한 기계적 세그먼트의 시간 간격이 측정되도록 선택된다. 이 경우에 개별 크랭크 축 세그먼트의 크기에 존재할 수도 있는 비동일성은 어떠한 측정 오차도 발생시키지 않는다.

단계(S1.8)에서, 이들 개별 성분으로부터, 이제 개별 성분의 추가에 의해 시간 간격(T_n) 동안의 편심값(LU_n)이 형성된다.

상기 편심값(LU_n)은 주기적인 연소 변동에 비례하는 변수를 검출하기 위해 다른 단계에서 사용된다. 후속 처리를 위한 출발값으로는 크랭크 축의 각 속도의 변동에 비례하며 임의의, 공지된 방법에 따라 얻어지는 모든 형태의 편심값이 사용될 수 있다.

단계(S2)에서, 연속하는 연소 사이클의 편심값(LU_n)의 평균값(MW_LU_n)은 각각의 실린더에 대해 개별적으로 먼저 계산된다. 이러한 계산은 여러 가지 식에 따라 이루어질 수 있다:

상기 식에서, n=실린더 세그먼트, j=연소 사이클, i=사이클의 수이다.

편차량(S_LU_n)을 결정함으로써, 현재 편심값(LU_n)과 각각의 실린더에 대한 평균값(MW_LU_n)의 비교가 이루어진다. 이러한 편차량은 주기적인 연소 변동에 비례하는 값으로 사용될 수 있다 단계(S3)에서 편차량(S_LU_n)은 여러 계산법으로 계산될 수 있다:

상기 식에서, n =실린더 세그먼트, i =사이클 수이다.

이러한 계산법에서 평균값(MW_LU_n)으로는 상술한 모든 평균값이 사용될 수 있다.

주기적인 연소 변동이 허용 한계치를 초과하는지를 검출하기 위해, 단계(S7)에서 편차량(S_LU_n)과 개별 실린더 한계치(limit value)(S_LU_gn)가 비교된다. 단계(S1-S3)에서의 편심값, 평균값 및 편차량의 계산과 병행해서, 작동 매개 변수 즉, 속도, 부하 및 엔진 온도가 측정된다(단계 S4)). 이들 값의 기능에 따라, 내연 기관 전자 제어장치의 메모리의 특성 필드(characteristic field)로부터 관련 한계치(S_LU_gn)가 판독되어 메모리에 저장된다(단계 S5 및 S6). 편차량의 평가와 연속하는 연소 과정이 안정되게 진행되는지의 여부에 대한 질의(단계 S7 및 S8)는 여러방식으로 실행될 수 있다:

a) 편차량(S_LU_n)이 한계치(S_LU_gn) 보다 크면, 주기적인 연소 변동이 일정값을 초과하고, 연소가 불안정한 것으로 검출된다. 편차량(S_LU_n)이 한계치(S_LU_gn)보다 작으면, 안정한 연소가 기록되고 공정이 종료된다.

b) 편차량(S_LU_n)과 한계치(S_LU_gn)의 차가 식 D_LU_n = S_LU_gn - S_LU_n에 따라 형성된다. 이로 인해, 안정한 연소로부터 불안정한 연소로의 천이를 검출할 수 있고, 또한 주기적인 연소 변동의 강도(intensity)를 평가할 수 있다.

c) 편차량(S_LU_n)과 한계치(S_LU_gn)의 몫(quotient)이 식 Q_LU_n = ｜S_LU_n｜/S_LU_gn에 따라 형성된다. 몫이 1 이하이면 연소가 안정하고, 몫이 1보다 크면 연소가 불안정한 것으로 결정된다. 몫의 값으로부터 주기적인 연소 변동의 강도가 평가될 수 있다.

d) 평가를 할 수 있는 다른 방법은 편차량(S_LU_n)이 한계치를 초과(한계치 S_LU_gn)하는 횟수를 통계적으로 분석하는 것이다. 이러한 과정에서, 한계치를 초과하는 통계적 빈도가 일정 한계를 넘어서면 연소가 불안정한 것으로 평가된다.

연소가 불안정한 것으로 결정되면, 즉 주기적인 연소 변동이 일정 값을 초과하면, 점화, 공기 비율 또는 배기 가스 재순환률에 대한 적합한 제어에 의해 연소가 안정화된다(단계 S9). 예컨대, 배기 가스가 재순환되는 내연기관에서 불안정한 연소의 검출시 재순환률이 감소되거나 또는 점화각이 늦은 방향으로 조절될 수 있다. 희박 혼합물로 작동되는 내연기관의 경우 혼합물의 공급 또는 점화각 조절이 연소를 안정화시킨다. 불안정한 연소의 검출과 더불어, 주기적 변동의 강도가 평가되면, 이러한 평가치는 배기 가스 재순환률, 공기 비율 또는 점화각의 제어를 위한 입력 변수로서 사용될 수 있다.

도 3에는 연소 변동을 검출하기 위해 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 장치의 블록 회로도가 도시되어 있다. 상세히 도시되지 않은 4개의 실린더를 가진 엔진 블록(10)이 도시되며, 엔진 블록(10)에는 흡기 매니폴드(11)가 연결되어 있다. 이러한 흡기 매니폴드(11)는 실린더 수에 상응하는 수의 개별 흡기관과 배기가스 시스템(12)을 포함한다. 흡기 매니폴드(11)에는 공기량 측정기(13)가 설치되며, 이러한 공기량 측정기(13)는 흡기에 따라 출력 신호(LM)를 전자 제어 장치(14)로 출력한다. 흡기 매니폴드(11)에는 충진 제어를 위해 사용되는 스로틀 밸브(15)와, 흡기 압력(ps)을 검출하기 위한 센서(16)가 또한 배치된다. 내연 기관의 각각의 실린더에는 분사 밸브(17) 및 점화 장치(18)가 배치된다. 분사 밸브(17)는 적합한 분사 펄스(ti)를 통해 촉발(trigger)될 수 있다. 점화 장치(18)는 도면에 화살표로만 도시되어 있으며 점화 타이밍(ZZP)은 제어장치(14)의 신호에 의해 조절될 수 있다.

내연 기관의 적합한 장소에 엔진 블록(10)의 온도 또는 냉각제(TKW)의 온도를 검출하기 위한 센서(19)가 배치된다. 센서(21)에 의해 스캐닝(scanning)되는 마킹을 가진 변환기 휠(20)이 내연 기관의 크랭크 축에 연결된다. 센서(21)는 엔진 속도(N)(rpm) 및 절대 크랭크 각(KW)을 나타내는 제어 장치(14)에 신호를 출력한다.

배기 가스 시스템(12)에는 배기 가스 중의 잔류 산소 함유량에 상응하는 신호(UL)를 제어 장치(14)로 전달하는 람다 센서(lambda sensor)(22)가 배치된다. 배기 가스 시스템(12)으로부터 파이프(23)가 분기된다. 이러한 파이프(23)는 스로틀 밸브(15)의 하류에서 흡기 매니폴드(11) 안으로 배기 가스를 배출시킨다. 이로써, 배기 가스는 내연 기관의 임의의 작동점에서 재순환되어 신선한 공기와 혼합될 수 있다. 파이프(23) 안으로 삽입되며 제어 장치(14)의 제어 신호를 통해 활성화 될 수 있는 배기 가스 재순환 밸브(24)의 도움으로, 재순환되는 배기 가스의 량즉, 배기 가스 재순환률(AGR)을 조절할 수 있다.

제어 장치(14)의 핵심 부품은 정해진 프로그램에 따라 내연 기관의 작동에 필요한 모든 기능을 제어하는 마이크로 컴퓨터이다. 프로그램 루틴은 연소 변동을 검출하기 위해 상술한 방법을 실행한다. 이러한 목적을 위해 필요한 사상이 제어 장치(14)의 메모리(25)에 저장된다.

여러 다양한 배기 가스 재순환률에 대한 편차량(S_LU_n, 상술한 계산법 a)에 따라 계산됨)과 평균값(MW_LU_n), 상술한 식 b)에 따라 결정됨)의 코스의 실례가 도4에 도시된다. 이와함께,색인 평균 압력의 변동 범위의 코스가 플롯된다. 재순환률이 높을 때 평균 압력 변동 및 편차량 모두가 상승한다. 이러한 증가는 주기적 연소 변동의 증가에 기인한다.

Claims

다기통 내연 기관에서의 주기적 연소 변동을 검출하기 위한 방법에 있어서,

-크랭크 축의 각 속도 변동에 비례하는, 내연 기관의 각각의 실린더에 대한 편심값(LU_n)을 검출하는 단계와,

- 상기 각각의 실린더에 대해 개별적으로 연속하는 연소 사이클의 편심값(LU_n)으로부터 평균값(MW_LU_n)을 계산하는 단계와,

- 상기 각각의 실린더에 대한 현재 편심값(LU_n)과 평균값(MW_LU_n)의 비교에 의해 주기적인 연소 변동에 비례하는 편차량(S_LU_n)을 결정하는 단계와,

- 내연 기관의 작동 매개변수에 따른 개별 실린더 한계치(S_LU_gn)를 상기 편차량(S_LU_n)과 비교하는 단계와, 그리고

- 상기 비교의 결과가 소정의 조건을 충족시키지 못하면, 내연 기관의 연소가 주기적으로 변동됨을 검출하는 단계를 포함하는, 다기통 내연 기관에서의 주기적 연소 변동을 검출하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 평균값(MW_LU_n)의 계산이 다음 식에 따라 이루어지는 것을 특징으로 하는, 다기통 내연 기관에서의 주기적 연소 변동을 검출하기 위한 방법:

상기 식에서, i는 연소 사이클의 수이고, n은 가변 실린더 세그먼트임.
제 1 항에 있어서, 상기 평균값(MW_LU_n)의 계산이 다음 식에 따라 이루어지는 것을 특징으로 하는, 다기통 내연 기관에서의 주기적 연소 변동을 검출하기 위한 방법:

상기 식에서, i는 연소 사이클의 수이고, n은 가변 실린더 세그먼트이며, j는 가변 연소 사이클임.
제 1 항에 있어서, 상기 평균값(MW_LU_n)의 계산이 다음 식에 따라 이루어지는 것을 특징으로 하는, 다기통 내연 기관에서의 주기적 연소 변동을 검출하기 위한 방법:

상기 식에서, i는 연소 사이클의 수이고, n은 가변 실린더 세그먼트임.
제 1 항에 있어서, 상기 편차량(S_LU_n)이 다음 계산법에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는, 다기통 내연 기관에서의 주기적 연소 변동을 검출하기 위한 방법 :

상기 식에서, i는 연소 사이클의 수이고, n은 가변 실린더 세그먼트임.
제 1 항에 있어서, 상기 편차량(S_LU_n)이 다음 계산법에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는, 다기통 내연 기관에서의 주기적 연소 변동을 검출하기 위한 방법 :

상기 식에서, n은 가변 실린더 세그먼트임.
제 1 항에 있어서, 상기 편차량(S_LU_n)이 다음 계산법에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는, 다기통 내연 기관에서의 주기적 연소 변동을 검출하기 위한 방법:

상기 식에서, n은 가변 실린더 세그먼트임.
제 1항에 있어서, 상기 편차량(S_LU_n)이 다음 계산법에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는, 다기통 내연 기관에서의 주기적 연소 변동을 검출하기 위한 방법:

상기 식에서, n은 가변 실린더 세그먼트임.
제 1 항에 있어서, 상기 편차량(S_LU_n)이 다음 계산법에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는, 다기통 내연 기관에서의 주기적 연소 변동을 검출하기 위한 방법:

상기 식에서, n은 가변 실린더 세그먼트임.
제 1 항에 있어서, 상기 편차량(S_LU_n)이 상기 한계치(S_LU_gn)를 초과하면 내연 기관의 연소가 주기적으로 변동됨을 검출하는 것을 특징으로 하는, 다기통 내연 기관에서의 주기적 연소 변동을 검출하기 위한 방법.
제 1항에 있어서, 상기 편차량(S_LU_n)과 상기 한계치(S_LU_gn)의 차이가 형성되고 상기 차이가 소정의 한계치를 초과하면, 내연 기관의 연소가 주기적으로 연소 변동됨을 검출하는 것을 특징으로 하는, 다기통 내연 기관에서의 주기적 연소 변동을 검출하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 편차량(S_LU_n)과 상기 한계치(S_LU_gn)의 몫이 식 Q_LU_n=｜S_LU_n｜/S_LU_gn에 따라 형성되고,

상기 몫이 1보다 크면 내연 기관의 연소가 주기적으로 변동됨을 검출하는 것을 특징으로 하는, 다기통 내연 기관에서의 주기적 연소 변동을 검출하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 편차량이 한계치를 초과하는 통계적 빈도가 일정 한계를 초과하면, 주기적인 연소 변동에 기인한 불안정한 연소가 검출되는 것을 특징으로 하는, 다기통 내연 기관에서의 주기적 연소 변동을 검출하기 위한 방법 .
제 1 항에 있어서, 상기 개별 실린더 한계치(S_LU_gn)가 내연 기관의 작동 파라미터에 따라 제어 장치의 메모리의 특성 필드에 저장되는 것을 특징으로 하는, 다기통 내연 기관에서의 주기적 연소 변동을 검출하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서, 주기적인 불안정 연소의 검출 시, 연소를 안정화하기 위한 점화 제어 조치가 이루어지는 것을 특징으로 하는, 다기통 내연 기관에서의 주기적 연소 변동을 검출하기 위한 방법.
제 15 항에 있어서, 상기 제어 조치는 점화 시점을 조절하는 단계, 공기 비율을 변동시키는 단계, 및 배기 가스 재순환률을 변동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다기통 내연 기관에서의 주기적 연소 변동을 검출하기 위한 방법.