KR100572390B1 - 노킹 지표값 산출 장치 및 그 산출 방법 - Google Patents

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Abstract

스파크 점화식 엔진(1)의 노킹 지표값 산출 장치의 컨트롤러(31)는, 엔진(1)의 운전 조건을 판정하고, 이들 운전 조건을 이용하여 압축 상사점 후의 소정 크랭크 위치에 설정된 기준 크랭크 각에서의 기통 내 압력을 연산하고, 이들 운전 조건을 이용하여 기준 크랭크 각에서의 기통 내의 미연소 가스의 온도를 연산하며, 기통 내 압력과 미연소 가스 온도를 이용하여 노킹 지표값을 산출한다.

Description

노킹 지표값 산출 장치 및 그 산출 방법{KNOCKING INDEX VALUE CALCULATION DEVICE AND CALCULATION METHOD THEREOF}
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 엔진의 제어 시스템도,
도 2는 엔진 컨트롤러에 의해 실행되는 점화 시기 제어의 블록도,
도 3은 연소실의 압력 변화를 도시하는 도면,
도 4는 연소 질량 비율의 변화를 설명하는 특성도,
도 5는 물리량 값의 계산을 설명하기 위한 플로우 차트,
도 6은 엔진의 크랭크샤프트와 커넥팅 로드 간의 위치관계를 설명하는 도면,
도 7은 수온 보정 계수의 특성도,
도 8은 당량비 보정 계수의 특성도,
도 9는 기준 크랭크 각의 특성도,
도 10은 초기 연소 기간의 계산을 설명하기 위한 플로우 차트,
도 11은 온도 상승률의 특성도,
도 12는 주 연소 기간의 계산을 설명하기 위한 플로우 차트,
도 13은 기본 점화 시기의 계산을 설명하기 위한 플로우 차트,
도 14는 본 발명을 적용한 점화 시기 제어의 처리 수순을 도시하는 플로우 차트,
도 15는 노킹 지표값의 특성도,
도 16은 트레이스 노크를 제공하는 MBT(최대 토크를 얻기 위한 최소 진각값)에 대한 지각량의 특성도,
도 17a 및 도 17b는 본 실시예의 제어에 관한 타임 차트이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 엔진 5 : 연소실
13 : 점화 코일 14 : 점화 플러그
15 : 흡기 밸브 16 : 배기 밸브
21 : 연료 인젝터 27 : 흡기 VTC 기구
28 : 배기 VTC 기구 31 : 엔진 컨트롤러
33, 34 : 크랭크 각 센서 43 : 흡기 온도 센서
44 : 흡기 압력 센서 45 : 배기 온도 센서
46 : 배기 압력 센서
본 발명은, 스파크 점화식 엔진의 점화 시기 제어 등에 사용하기 적합한 연산 장치에 관한 것으로, 특히 노킹 발생의 표시가 되는 지표값을 산출하기 위한 장치에 관한 것이다.
1998년 일본 특허청에 의해 공개된 JP10-30535A호에는, 노킹을 고려하여 수 행되는 스파크 점화식 엔진의 점화 시기 제어가 개시되어 있다. 이 종래 기술에서는, 노킹 한계 부근의 점화 시기(트레이스 노크점(trace knock point))가, 각 모델에 대해 실험에 의해 구해지고, 맵화된 다음에, 컨트롤 유닛에 의해 판독되어 점화 시기 제어를 수행한다.
전술한 종래 기술에서는, 점화 시기 맵을 작성할 때에, 기온, 기압, 습도, 엔진 온도, 연료 옥탄가 등과 같은 조건을 안정하게 계측하기 곤란하므로, 이들 조건의 조정과 이것에 대한 감도 보정이 수행된다. 그 결과, 맵화에 필요한 단계 수가 상당히 증가되고, 이 맵을 엔진에 매칭시키는데 많은 시간이 필요하다. 또한, 엔진 부품의 형상, 치수, 재질 등과 같은 사양에 따라 노킹의 가능성이 변화하므로, 각 변경시마다 다시 다수의 단계를 필요로 하는 이 매칭 작업이 수행되어야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은, 점화 시기 제어 장치 등에서 매칭 단계 수를 감소시키고, 그 제어 시스템의 연산 부하를 경감하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 엔진의 운전 조건을 판정하고; 상기 운전 조건에 기초하여, 압축 상사점 후의 소정 크랭크 위치에 설정된 기준 크랭크 각에서의 기통 내 압력을 연산하고; 상기 운전 조건에 기초하여, 상기 기준 크랭크 각에서의 기통 내의 미연소 가스의 온도를 연산하며; 상기 기통 내 압력과 미연소 가스의 온도를 이용하여 노킹이 일어나기 쉬움을 나타내는 값인 노킹 지표값을 산출하도록, 기능하는 컨트롤러를 포함하는 스파크 점화식 엔진의 노킹 지표값 산출 장치를 제공한다.
본 발명의 상세한 것이 다른 특징 및 이점과 함께 명세서의 나머지 부분에서 설명되고 첨부 도면에 도시되어 있다.
도 1은 본 발명의 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.
공기는 흡기 컬렉터(2)에 축적된 후, 흡기 매니폴드(3)를 통해 각 기통의 연소실(5)에 도입된다. 연료는 각 기통의 흡기 포트(4)에 배치된 연료 인젝터(21)로부터 분사에 의해 공급된다. 공기 중에 분사된 연료는 기화하면서 공기와 혼합함으로써, 가스(혼합 공기(air-fuel mixture))를 생성하여 연소실(5)에 유입된다. 이 혼합 공기는, 흡기 밸브(15)가 폐쇄될 때 연소실 내에 밀폐되고, 피스톤(6)이 상승할 때 압축된다.
이 압축된 혼합 공기의 점화를 스파크에 의해서 수행하기 위해서, 파워 트랜지스터에 내장된 점화 코일이 각 기통에 배치된 전자 배전 시스템의 점화 장치(11)가 제공된다. 이 점화 장치(11)는, 전지로부터의 전기에너지를 축적하기 위한 점화 코일(13), 점화 코일(13)의 1차측과의 통전과 차단을 행하기 위한 파워 트랜지스터, 연소실(5)의 천장에 제공되며, 점화 코일(13)의 일차 전류가 차단될 때 점화 코일(13)의 2차측에 발생되는 고 전압을 수신하여 스파크 방전을 행하는 점화 플러그(14)로 구성되어 있다.
압축 상사점보다 약간 앞에서, 점화 플러그(14)에 의해 스파크가 일어나 압축된 혼합 공기가 착화된다. 화염이 전파됨에 따라, 혼합 공기가 급속히 연소하기 시작하고, 이 연소에 의해 가스 압력이 피스톤(6)을 아래쪽으로 가압한다. 이 아 래쪽으로의 가압은 크랭크샤프트(7)의 회전력으로서 출력된다. 연소 후의 가스(배기 가스)는 배기 밸브(16)가 개방될 때 배기 통로(8)로 배출된다.
배기 통로(8)에는 삼원 촉매(9)가 제공된다. 삼원 촉매(9)는, 배기 가스의 공연비(air-fuel ratio)가 이론 공연비를 중심으로 한 좁은 범위 내에 있을 때, 배기 가스에 포함되는 HC, CO, 및 NOx를 동시에 효율적으로 제거할 수 있다. 공연비는 흡입 공기량과 연료량의 비이므로, 엔진의 각 사이클(4 사이클 엔진에서는 720도 크랭크 각 구간)로 연소실(5)에 도입되는 흡입 공기량과, 연료 인젝터(21)로부터의 연료 분사량이 이론 공연비에 도달하도록, 엔진 컨트롤러(31)에 의해서 에어-플로우 미터(air-flow meter)(32)로부터의 흡입 공기 유량 신호와 크랭크 각 센서(33, 34)로부터의 신호에 기초하여 연료 인젝터(21)로부터의 연료 분사량이 구해진다. 엔진 컨트롤러(31)는 또한 삼원 촉매(9)의 상류에 제공된 O2 센서(35)로부터의 신호에 기초하여 공연비를 피드백 제어하고 있다.
흡기 컬렉터(2)의 상류에는 스로틀 모터(24)에 의해 구동되는 스로틀 밸브(23)를 갖는 전자 제어 스로틀(22)이 제공된다. 운전자가 요구하는 토크는 액셀러레이터 페달(41)의 밟음량으로 실현되므로, 엔진 컨트롤러(31)에서는, 액셀러레이터 센서(42)로부터의 신호에 기초하여 목표 토크를 구하고, 이 목표 토크를 실현하기 위한 목표 공기량을 구하고, 이 목표 공기량이 얻어지도록 스로틀 모터(24)를 통하여 스로틀 밸브(23)의 개도를 제어한다.
흡기 밸브용 캠샤프트(25), 배기 밸브용 캠샤프트(26), 및 크랭크샤프트(7)의 전방부에는 각각 캠 스프로켓(sprocket)과 크랭크 스프로켓이 부착된다. 이들 스프로켓 둘레에 타이밍 체인을 걸어, 캠샤프트(25, 26)가 엔진의 크랭크샤프트(7)에 의해 구동된다. 이 캠 스프로켓과 흡기 밸브용 캠샤프트(25) 사이에, 일정한 작동 각으로 흡기 밸브용 캠의 위상을 연속적으로 제어할 수 있는 흡기 밸브 타이밍 제어 기구(이하 흡기 VTC 기구라고 함)(27)가 제공되고, 캠 스프로켓과 배기 밸브용 캠샤프트(26) 사이에, 일정한 작동 각으로 배기 밸브용 캠의 위상을 연속적으로 제어할 수 있는 배기 밸브 타이밍 제어 기구(이하 배기 VTC라고 함)(28)가 제공된다. 흡기 밸브(15)의 개폐 시기와 배기 밸브(16)의 개폐 시기가 변화되면, 연소실(5)에 잔류하는 불활성 가스의 양이 변화한다. 운전 조건에 따라, 연소실(5) 내의 불활성 가스의 양이 증가할수록 펌핑 손실이 감소하고 연비가 높아지므로, 운전 조건에 따라 연소실(5) 내에 잔류될 수 있는 불활성 가스의 양이 목표 흡기 밸브 폐쇄 시기와 목표 배기 밸브 폐쇄 시기로서 미리 정해져 있다. 엔진 컨트롤러(31)에서는 그 때의 운전 조건(엔진 부하와 회전 속도)에 따라 목표 흡기 밸브 폐쇄 시기와 목표 배기 밸브 폐쇄 시기를 구한 다음에, 이들 목표값이 얻어지도록 흡기 VTC 기구(27)와 배기 VTC 기구(28)의 각 액츄에이터를 통하여 흡기 밸브 폐쇄 시기와 배기 밸브 폐쇄 시기를 제어한다.
흡입 공기 온도 센서(43)로부터의 흡입 공기 온도의 신호, 흡입 공기 압력 센서(44)로부터의 흡입 공기 압력의 신호, 배기 가스 온도 센서(45)로부터의 배기 가스 온도의 신호, 및 배기 가스 압력 센서(46)로부터의 배기 가스 압력의 신호가, 수온 센서(37)로부터의 냉각수 온도의 신호와 함께 엔진 컨트롤러(31)에 입력된다. 그 다음에 엔진 컨트롤러(31)에서는, 파워 트랜지스터(13)를 통하여 점화 플러그(14)의 일차측 전류의 차단 시기인 점화 시기를 제어한다.
도 2는, 엔진 컨트롤러(31) 내에서 수행되는 점화 시기 제어의 블록도로, 주로 MBT(최대 토크를 얻기 위한 최소 진각(advance)값)가 얻어지는 점화 시기(MBTCAL)를 구하기 위한 부분을 상세히 도시하고 있다. 이 시스템은, 크게, 점화 시기 연산부(51)와 점화 시기 제어부(61)로 구성되어 있다. 점화 시기 연산부(51)는, 또한, 초기 연소 기간 계산부(52), 주 연소 기간 계산부(52), 연소 기간 계산부(54), 기본 점화 시기 계산부(55), 전회 연소 개시 시기 계산부(56), 점화 시기 지령값 계산부(57)로 구성되어 있다.
초기 연소 기간 계산부(52)에서는, 혼합 공기의 착화부터 화염 핵(flame kernel)이 형성될 때까지의 기간이 초기 연소 기간(BURN1)으로서 계산된다. 주 연소 기간 계산부(53)에서는, 화염 핵의 형성부터 연소 압력이 최대값(Pmax)이 얻어질 때까지의 기간이 주 연소 기간(BURN2)으로서 계산된다. 연소 기간 계산부(54)에서는, 초기 연소 기간(BURN1)과 주 연소 기간(BURN2)의 합계를, 점화부터 최대 연소 압력(Pmax)을 얻기까지의 연소 기간(BURN)으로서 계산된다. 기본 점화 시기 계산부(55)에서는, 이 연소 기간(BURN)에 기초하여 MBT가 얻어지는 점화 시기(이 점화 시기를 기본 점화 시기라고 함)(MBTCAL)가 계산된다.
점화 시기 지령값 계산부(57)에서는, MBTCAL이, 후술되는 본 발명에 의한 방법에 의해 구해진 노크 제한 점화 시기(KNKCAL)와 비교되어, 더 작은 값(더 늦은 점화 시기)이 점화 시기 최소값(PADV)으로서 선택된다. 이 점화 시기 최소값(PADV)에 각종 보정이 행하여져 점화 시기 지령값(QADV)을 산출하여 점화 시 기 제어부(61)에 출력된다.
점화 시기 제어부(61)에서는, 전술한 바와 같이 하여 구해진 점화 시기 지령값(QADV)에 따라 점화 플러그(14)가 연소실(5) 내의 혼합 공기를 착화하도록, 점화 코일(13)로의 통전각과 비-통전각이 제어된다.
이하, 전술한 기본 점화 시기(MBTCAL) 및 노크 제한 점화 시기(KNKCAL)의 산출 방법이 더욱 상세히 설명된다.
도 3에 도시되는 바와 같이, MBT(최대 토크를 얻기 위한 최소 진각값)로 혼합 공기가 점화된 경우에 혼합 공기의 연소 압력이 최대값(Pmax)에 도달하는 크랭크 각이 기준 크랭크 각(θPMAX[deg ATDC])으로서 설정된다. 기준 크랭크 각(θPMAX)은, 연소 방식에 상관없이 거의 일정하며, 일반적으로 12~15도, 최대 10~20도의 범위 내에 있다.
도 4는 스파크 점화식 엔진의 연소실 내의 연소 해석에 의해 얻어진 연소 질량 비율(R)의 변화를 도시한다. 연소실에 공급된 연료에 대한 연소 질량의 비율을 나타내는 연소 질량 비율(R)은, 점화시에 0%이고, 완전 연소시 100%에 이른다. 기준 크랭크 각(θPMAX)에서의 연소 질량 비율(Rmax)은 약 60%로 정해져 있다.
연소 질량 비율(R)이 0%일 때부터 기준 크랭크 각(θPMAX)에서의 약 60%에 이를 때까지의 연소 기간은, 점화 직후에 연소 질량 비율에도, 연소 압력에도 거의 변화 없는 기간인 초기 연소 기간과, 연소 질량 비율과 연소 압력이 급격히 증가하는 주 연소 기간으로 나뉘어진다. 초기 연소 기간은, 연소 개시부터 화염 핵이 형성될 때까지의 단계이고, 화염 핵은 연소 질량 비율이 2%~10%일 때의 시기에 형성 되고 있다. 이 기간 중에, 연소 압력이나 연소 온도의 상승 속도가 작고, 따라서 연소 질량 비율의 변화에 대해 초기 연소 기간은 길다. 초기 연소 기간의 길이는 연소실 내의 온도와 압력 변화에 의해 영향을 쉽게 받는다.
한편, 주 연소 기간에는, 화염 핵에서 외측의 층류(laminar flow) 영역으로 화염이 전파하고, 연소 속도가 급상승한다. 이 때문에, 주 연소 기간 동안의 연소 질량 비율의 변화는 초기 연소 기간 동안의 연소 질량 비율의 변화보다 크다.
엔진 컨트롤러(31)에서는, 연소 질량 비율이 2%에 도달할 때까지의 기간이 초기 연소 기간(BURN1)으로서 분류되고, 초기 연소 기간(BURN1)의 종료부터 기준 크랭크 각(θPMAX)에 도달할 때까지의 기간(연소 질량 비율로 말하면 2%부터 약 60%에 도달할 때까지)이 주 연소 기간(BURN2[deg])으로서 분류된다. 그 다음에, 초기 연소 기간(BURN1)에 주 연소 기간(BURN2)을 더하여 얻어진 합계인 연소 기간(BURN[deg])을 계산한 후, 이 연소 기간(BURN)에서 기준 크랭크 각(θPMAX[deg ATDC])이 공제되고, 후술되는 점화 시기 부동 시간(dead time) 상당 크랭크 각(IGNDEAD[deg])이 더해진 크랭크 각 위치가, MBT가 얻어지는 점화 시기인 기본 점화 시기(MBTCAL[deg BTDC])로서 설정된다.
화염 핵의 형성되는 초기 연소 기간 동안의 연소실(5) 내의 압력과 온도는, 점화시의 압력과 온도와 거의 동일하지만, 점화 시기가 계산될 때에, 초기에 정확한 점화 시기를 설정하는 것은 불가능하다. 따라서, 도 2에 도시되는 바와 같이, 전회 연소 개시 시기 계산부(56)에 의해서 전회 기본 점화 시기값이 전화 연소 개시 시기(MBTCYCL[deg BTDC])로서 계산되고, 이 값이 초기 연소 기간 계산부(52)에 제공된다. 그 다음, 초기 연소 기간 계산부(52)에서는, 초기 연소 기간의 계산이 반복되고, 이것에 의해 정밀도 높은 결과가 시간 지연 없이 출력되고 있다.
다음에, 엔진 컨트롤러(31)에 의해 실행되는 점화 시기 지령값(QADV)의 계산이 다음 플로우 차트를 참조하여 상세히 설명된다.
도 5는 점화 시기의 계산에 필요한 각종 물리량 값을 계산하기 위한 플로우이다. 도 5를 포함하여, 다음 설명에서 사용되는 플로우 차트는, 예를 들면 약 10msec 주기로 컨트롤러(31)에 의해 반복 실행되는 연산 처리의 수순을 나타내고 있다는 것에 유의하여야 한다.
먼저, 단계 S11에서는, 흡기 밸브 폐쇄 시기(IVC[deg BTDC]), 온도 센서(43)에 의해 검출되는 컬렉터 내 온도(TCOL[K]), 온도 센서(45)에 의해 검출되는 배기 가스 온도(TEXH[K]), 내부 불활성 가스율(MRESFR[%]), 온도 센서(37)에 의해 검출되는 냉각수 온도(TWK[K]), 목표 당량비(TFBYA), 크랭크 각 센서에 의해 검출되는 엔진 회전 속도(NRPM[rpm]), 및 점화 부동 시간(DEADTIME[㎲ec])이 판독된다.
크랭크 각 센서는, 크랭크샤프트(7)의 위치를 검출하는 위치 센서(33)와, 흡기용 캠샤프트(25) 위치를 검출하는 위상 센서(34)로 구성되어 있다. 이들 2개의 센서(33, 34)로부터의 신호에 기초하여 엔진 회전 속도(NRPM[rpm])가 계산되고 있다.
흡기 밸브 폐쇄 시기(IVC)는 흡기 VTC 기구(27)에 제공되는 지령값으로부터 습득될 수 있다. 대안으로, 위상 센서(34)에 의해 실제의 흡기 밸브 폐쇄 시기가 검출되어도 된다.
내부 불활성 가스율(MRESFR)은 연소실 내에 잔류하는 불활성 가스량을 연소실 내의 총 가스량으로 나눈 값이다. 그 산출 방법으로서 2001년 일본국 특허청에 의해 공개된 JP2001-221105A에 개시된 방법이 이용될 수 있다. 점화 부동 시간(DEADTIME)은 고정값이다.
목표 당량비(TFBYA)는 도면에 도시되지 않은 연료 분사량의 계산 플로우에서 계산되고 있다. 목표 당량비(TFBYA)는 절대 수이고, 이론 공연비를 14.7이라고 가정하면, 다음 식 (1)에 의해 표시된다.
TFBYA = 14.7/tR …(1)
여기서, tR : 목표 공연비이다.
예를 들면, 목표 공연비(tR)가 이론 공연비일 때 TFBYA는 0이고, 목표 공연비(tR)가 예를 들면 22.0으로 린(lean)측의 값일 때, TFBYA는 1.0 미만의 양의 값이다.
단계 S12에서는, 연소실(5)의 흡기 밸브 폐쇄 시기(IVC)에서의 용적(즉 압축 개시 시기에서의 용적)(VIVC[㎥])이 계산된다. 연소실(5)의 흡기 밸브 폐쇄 시기에서의 용적(VIVC)은, 피스톤(6)의 스트로크 위치에 의해서 구해진다. 피스톤(6)의 스트로크 위치는 엔진의 크랭크 각 위치에 의해서 구해진다.
도 6을 참조하면, 엔진 크랭크샤프트(71)의 회전 중심(72)이 기통의 중심축(73)으로부터 오프셋하고 있는 경우가 생각된다. 커넥팅 로드(74), 커넥팅 로드(74)와 크랭크샤프트(71)를 접속하는 결절점(node)(75), 커넹팅 로드(74)와 피스톤을 접속하는 피스톤 핀(76)이 서로 도면에 도시되는 바와 같은 관계에 있다. 연소실(5)의 흡기 밸브 폐쇄 시기에서의 용적(VIVC)은 다음 식(2)~식(6)으로 표시될 수 있다.
VIVC = f1(θivc)
= Vc + (π/4) ·D2 ·H …(2)
Vc = (π/4) ·D2 ·H / (ε-1) …(3)
H = {(CND + ST2/2) - (CRoff - PISoff)2}1/2
- {(ST/2) ·cos(θivc + θoff)}
+ (CND2 - X2)1/2 …(4)
X = (ST/2) ·sin(θivc + θoff) - CRoff + PISoff …(5)
θoff = arcsin{(CRoff - PISoff)/(CND ·ST/2))} …(6)
여기서, Vc : 간극 용적[㎥],
ε: 압축비,
D : 기통 구경[m],
ST : 피스톤의 전체 스트로크 길이[m],
H : 피스톤 핀(76)의 TDC로부터의 거리[m],
CND : 커넥팅 로드(74)의 길이[m],
CRoff : 결절점(75)의 기통 중심축(73)으로부터의 오프셋 거리[m],
PISoff : 크랭크샤프트 회전 중심(72)의 기통 중심축(73)으로부터의
오프셋 거리[m],
θivc : 흡기 밸브 폐쇄 시기의 크랭크 각[deg ATDC],
θoff : 피스톤 핀(76)와 크랭크샤프트 회전 중심(72)을 연결하는
선이 TDC에서 수직선과 이루는 각도[deg],
X : 결절점(75)과 피스톤 핀(76) 간의 수평 거리[m]이다.
흡기 밸브 폐쇄 시기에서의 크랭크 각(θivc)은, 전술한 바와 같이, 엔진 컨트롤러(31)에서 흡기 VTC 기구(27)로의 지령 신호에 의해서 구해지므로, 지령 신호로부터 습득될 수 있다. 이 때의 크랭크 각(θivc(= IVC))을 식(2)~식(6)에 대입하면, 연소실(5)의 흡기 밸브 폐쇄 시기에서의 용적(VIVC)이 계산될 수 있다. 따라서, 실용상은 연소실(5)의 흡기 밸브 폐쇄 시기에서의 용적(VIVC)으로서 흡기 밸브 폐쇄 시기(IVC)를 파라미터로 하는 테이블에 설정된 값이 이용된다. 흡기 밸브 폐쇄 시기(IVC)는, 흡기 VTC 기구(27)가 제공되지 않을 때에, 상수로서 제공될 수 있다.
단계 S13에서는, 연소실(5)의 흡기 밸브 폐쇄 시기(IVC)에서의 온도(즉, 압축 개시 시기에서의 온도)(TINI[K])가 계산된다. 연소실(5)의 흡기 밸브 폐쇄 시기(IVC)에서의 온도(TINI)는, 연소실(5)에 도입되는 새로운 공기와 연소실(5)에 잔류하는 불활성 가스를 혼합함으로써 연소실에 형성되는 가스의 온도이다. 연소실(5)에 도입되는 새로운 기체의 온도는 흡기 컬렉터(2) 내의 새로운 공기 온도(TCOL)와 같다. 연소실(5) 내에 잔류하는 불활성 가스의 온도는 배기 포트부 근방의 배기 가스 온도(TEXH)로부터 근사될 수 있다. 그러므로, TINI는, 흡기 컬렉 터(2) 내의 새로운 공기 온도(TCOL), 배기 가스 온도(TEXH), 및 연소실(5) 내에 잔류하는 불활성 가스의 비율인 내부 불활성 가스율(MRESFR)로부터 다음 식 (7)에 의해 구해질 수 있다.
TINI = TEXH ×MRESFR + TCOL ×(1-MRESFR) …(7)
단계 S14에서는, 연소실(5) 내의 혼합 공기의 연소 가능성을 나타내는 반응 확률(RPROBA[%])이 계산된다. 반응 확률(RPROBA)은, 3개의 파라미터, 즉 잔류 불활성 가스율(MRESFR), 냉각수 온도(TWK[K]), 목표 당량비(TFBYA)에 의존하는 무-차원의 값이므로, 다음 식 (8)에 의해 표시될 수 있다.
RPROBA = f3(MRESFR, TWK, TFBYA) …(8)
보다 구체적으로 설명하면, 3개의 파라미터(MRESFR, TWK, 및 TFBYA) 조합에 의해서 얻어지는 반응 확률의 최대값이 100%로 설정되고, 이들 파라미터와 반응 확률(RPROBA) 간의 관계가 실험에 의해 구해지고, 구해진 반응 확률(RPROBA)이 이들 파라미터에 대응하는 테이블로서 엔진 컨트롤러(31)의 메모리에 미리 저장된다. 단계 S14에서는, 파라미터에 따라 이 테이블을 검색함으로써 반응 확률(RPROBA)이 구해진다.
보다 구체적으로는, 냉각수 온도(TWK)에 대응하여 도 7에 도시되는 바와 같은 특성을 갖는 수온 보정 계수의 테이블, 동일하게 설정된 내부 불활성 가스율 보정 계수의 테이블(도면에 도시되지 않음), 및 목표 당량비(TFBYA)에 대응하여 도 8에 도시되는 바와 같은 특성을 갖는 당량비 보정 계수의 테이블이 미리 메모리에 저장된다. 각 보정 계수의 최대값은 1.0이다. 3개의 보정 계수의 곱에 100%의 반 응 확률의 최대값을 곱함으로써, 반응 확률(RPROBA)이 산출된다.
각 테이블을 설명하면, 도 7에 도시되는 수온 보정 계수는 냉각수 온도(TWK)가 높을수록 커지고, 냉각수 온도(TWK)가 80℃ 이상일 때는 1.0로 된다. 도 8에 도시되는 당량비 보정 계수는 목표 당량비(TFBYA)가 1.0일 때, 즉 이론 공연비일 때에 1.0의 최대값으로 되고, 목표 당량비가 1.0보다 커지거나 작아져도 당량비 보정 계수는 감소한다. 내부 불활성 가스율 보정 계수는 도면에 도시되지 않았지만, 내부 불활성 가스율(MRESFR)이 0일 때에 1.0으로 된다.
단계 S15에서는, 기준 크랭크 각(θPMAX[deg ATDC])이 계산된다. 전술한 바와 같이, 기준 크랭크 각(θPMAX)은 그다지 변동하지 않지만, 그래도 엔진 회전 속도(NRPM)의 상승에 따라 진각하는 경향이 있다. 기준 크랭크 각(θPMAX)은 엔진 회전 속도(NRPM)의 함수로서 다음 식 (9)로 표시될 수 있다.
θPMAX = f4(NRPM) …(9)
구체적으로는, 엔진 회전 속도(NRPM)에 기초하여, 엔진 컨트롤러(31)의 메모리에 미리 저장된 도 9에 도시되는 특성을 갖는 테이블을 검색함으로써 기준 크랭크 각(θPMAX)이 구해진다. 계산을 용이하게 하기 위해서, 기준 크랭크 각(θPMAX)을 일정하게 하는 것도 가능하다.
마지막으로, 단계 S16에서는, 점화 부동 시간 상당 크랭크 각(IGNDEAD[deg])이 계산된다. 점화 부동 시간 상당 크랭크 각(IGNDEAD)은, 엔진 컨트롤러(31)로부터 점화 코일(13)의 일차 전류를 차단하는 신호를 출력한 시기부터 점화 플로그(14)가 실제로 점화할 때까지의 크랭크 각 구간에 상당하고, 다음 식 (10)에 의해 표시될 수 있다.
IGNDEAD = f5(DEADTIME, NRPM) …(10)
여기서, 점화 부동 시간(DEADTIME)은 200㎲ec로 설정된다. 식 (10)은, 엔진 회전 속도(NRPM)부터 점화 부동 시간(DEADTIME)에 상당하는 크랭크 각인 점화 부동 시간 상당 크랭크 각(IGNDEAD)을 계산하기 위한 것이다.
도 10은 초기 연소 기간(BURN1[deg])을 계산하기 위한 플로우를 도시하고, 도 12는 주 연산 기간(BURN2[deg])을 계산하기 위한 플로우를 도시한다. 이들 플로우는 일정 시간 간격으로(예를 들면, 10msec마다) 실행한다. 도 10 및 도 12는 도 5 후에 실행된다. 도 10과 도 12 중 어느 하나가 먼저 실행되어도 된다.
먼저, 도 10부터 설명하면, 단계 S21에서는, 전회 연소 개시 시기(MBTCYCL[deg BTDC]), 도 5의 단계 S12에서 계산되어 있는 연소실(5)의 흡기 밸브 폐쇄 시기에서의 용적(VIVC[㎥]), 도 5의 단계 S13에서 계산되어 있는 연소실(5)의 흡기 밸브 폐쇄 시기에서의 온도(TINI[K]), 엔진 회전 속도(NRPM[rpm]), 및 도 5의 단계 S14에서 계산되어 있는 반응 확률(RPROBA[%])이 판독된다. 전회 연소 개시 시기(MBTCYCL)는, 기본 점화 시기(MBTCAL[deg BTDC])의 1사이클 전의 값이고, 그 계산에 대해서는 후술된다.
단계 S22에서는, 연소실(5)의 연소 개시 시기에서의 용적(V0[㎥])이 계산된다. 전술한 바와 같이, 여기서의 점화 시기(연소 개시 시기)는 이 사이클로 연산되는 기본 점화 시기(MBTCAL)가 아니라 기본 점화 시기의 1사이클 전의 값이다. 즉, 기본 점화 시기의 1 사이클 전의 값인 MBTCYCL로부터 다음 식 (11)에 의해 연 소실(5)의 연소 개시 시기에서의 용적(V0)이 계산된다.
V0 = f6(MBTCYCL) …(11)
보다 구체적으로는, 전회 연소 개시 시기(MBTCYCL)에서의 피스톤(6)의 스트로크 위치와, 연소실(5)의 구경으로부터, 연소실(5)의 MBTCYCL에서의 용적(V0)이 계산된다. 도 5의 단계 S12에서는, 연소실(5)의 흡기 밸브 폐쇄 시기(IVC)에서의 용적(VIVC)이, 흡기 밸브 폐쇄 시기를 파라미터로서 갖는 흡기 밸브 폐쇄 시기에서의 용적 테이블을 검색함으로써 구해졌지만, 여기에서는, MBTCYCL을 파라미터로서 갖는 전회 연소 개시 시기에서의 용적 테이블을 검색함으로써, 연소실(5)의 전회 연소 개시 시기(MBTCYCL)에서의 용적(V0)이 구해지게 된다.
단계 S23에서는, 연소 개시 시기에서의 유효 압축비(Ec)가 계산된다. 유효 압축비(Ec)는, 다음 식 (12)로 나타내어지는 바와 같이 연소실(5)의 연소 개시 시기에서의 용적(V0)을 연소실(5)의 흡기 밸브 폐쇄 시기에서의 용적(VIVC)으로 나눔으로써 얻어지는 무-차원의 값이다.
Ec = f7(V0, VIVC) = V0/VIVC …(12)
단계 S24에서는, 흡기 밸브 폐쇄 시기(IVC)부터 연소 개시 시기까지의 연소실(5) 내의 온도 상승률(TCOMP)이 다음 식 (13)으로 나타내는 바와 같이 유효 압축비(Ec)에 기초하여 계산된다.
TCOMP = f8(Ec) = Ecκ-1 …(13)
여기서, κ: 비열비이다.
식 (13)은 단열 압축되는 가스의 온도 상승률을 나타낸다.
부호 κ는 단열 압축되는 가스의 정압 비열을 정량 비열로 나누어 얻어진 값이다. 단열 압축되는 가스가 공기이면, κ = 1.4이고, 간단하게 이 값을 이용하면 된다. 그러나, 혼합 공기에 대해 k의 값을 실험에 의해 구함으로써, 한층 더 계산 정밀도가 향상될 수 있다.
도 11은 식 (13)을 다이어그램의 형태로 도시한다. 이와 같은 특성을 갖는 테이블이 미리 엔진 컨트롤러(31)의 메모리에 저장될 수 있고, 유효 압축비(Ec)에 기초하여 이 테이블을 검색함으로써 온도 상승률(TCOMP)이 구해질 수 있다.
단계 S25에서는, 연소실(5)의 연소 개시 시기에서의 온도(T0[K])가, 연소실(5)의 흡기 밸브 폐쇄 시기에서의 온도(TINI)에 온도 상승률(TCOMP)을 곱함으로써, 즉 다음 식 (14)에 의해 계산된다.
TO = TINI ×TCOMP …(14)
단계 S26에서는, 다음 식 (15)에 의해 층류 연소 속도(SL1[m/sec])가 계산된다.
SL1 = SLstd ×(T0 ×Tstd)2.18 ×(P0/Pstd)-0.16 …(15)
여기서, Tstd : 기준 온도[K],
Pstd : 기준 압력[Pa],
SLstd : 기준 온도(Tstd)와 기준 압력(Pstd)에서의
기준 층류 연소 속도[m/sec],
T0 : 연소실(5)의 연소 개시 시기에서의 온도[K],
P0 : 연소실(5)의 연소 개시 시기에서의 압력[Pa]이다.
기준 온도(Tstd), 기준 압력(Pstd), 및 기준 층류 연소 속도(SLstd)는 실험에 의해 미리 구해지는 값이다.
연소실(5)의 2 바(bar)의 통상의 압력 이상의 압력하에서는, 식 (15)의 압력 항((P0/Pstd)-0.16)은 작은 값이 된다. 그러므로, 압력 항((P0/Pstd)-0.16 )을 일정값으로 하여, 기준 층류 연소 속도(SLstd)가 기준 온도(Tstd)만으로 정의되는 것도 가능하다.
따라서, 기준 온도(Tstd)가 550[K]이고, 기준 층류 연소 속도(SLstd)가 1.0[m/sec]이고, 압력 항이 0.7인 경우의 연소 개시 시기에서의 온도(T0)와 층류 연소 속도(SL1)의 관계는 근사적으로 다음 식 (16)으로 정의할 수 있다.
SL1 = f9(T0)
= 1.0 ×0.7 ×(T0/550)2.18 …(16)
단계 S27에서는, 초기 연소중의 가스 유동의 난류(turbulence) 세기(ST1)가 계산된다. 이 가스 유동의 난류 세기(ST1)는, 연소실(5)에 유입하는 새로운 공기 유속과 연료 인젝터(21)에 의해 분사된 연료의 침투력에 의존하는 무-차원의 값이다.
연소실(5)에 유입하는 새로운 공기의 유속은, 흡기 통로의 형상, 흡기 밸브(15)의 작동 상태, 및 흡기 밸브(15)가 제공되는 흡기 포트(4)의 형상에 의존한다. 분사된 연료의 침투력은 연료 인젝터(21)의 분사 압력, 연료 분사 기간, 및 연소 분사 시기에 의존한다.
최종적으로, 초기 연소중의 가스 유동의 난류 세기(ST1)는, 엔진 회전 속도(NRPM)의 함수로서 다음 식 (17)에 의해 표시될 수 있다.
ST1 = f10(NRPM) = C1 ×NRPM …(17)
여기서, C1 : 상수이다.
난류 세기(ST1)를 회전 속도(NRPM)를 파라미터로서 갖는 테이블로부터 구하는 것도 가능하다.
단계 S28에서는, 층류 연소 속도(SL1)와 난류 세기(ST1)로부터, 초기 연소중 의 가스 연소 속도(FLAME1)가 다음 식 (18)에 의해 계산한다.
FLAME1 = SL1 ×ST1 …(18)
연소실(5) 내에 가스 난류가 존재하면 가스 연소 속도가 변화한다. 식 (18)은 이 가스 난류의 연소 속도에의 기여(영향)을 고려한 것이다.
단계 S29에서는, 다음 식 (19)에 의해 초기 연소 기간(BURN1[deg])이 계산된다.
BURN1 = {(NRPM ×6) ×(BR1 ×V0)}
/(PRROBA ×AF1 ×FLAME1) …(19)
여기서, AF1 : 화염 핵의 반응 면적(고정값)[㎡]이다.
여기서, 식 (19) 우변의 BR1은 연소 개시 시기부터 초기 연소 기간(BURN1)의 종료 시기까지의 연소 질량 비율의 변화량이고, 여기에서는 BR1=2%로 설정되어 있다. 식 (19) 우변의 (NRPM ×6)은 측정 단위를 rpm에서 크랭크 각(degree)으로 변환시키기 위해 취해진 계측이다.
도 12의 플로우로 이동하면, 단계 S31에서는, 회전 속도(NRPM)와, 도 5의 단계 S14에서 계산되어 있는 반응 확률(RPROBA)이 판독된다.
단계 S32에서는, 주 연소중의 가스 유동의 난류 세기(ST2)가 계산된다. 이 가스 유동의 난류 세기(ST2)도, 초기 연소중의 가스 유동의 난류 세기(ST1)와 동일하게, 엔진 회전 속도(NRPM)의 함수로서 다음 식 (20)으로 표시될 수 있다.
ST2 = f11(NRPM) = C2 ×NRPM …(20)
여기서, C2 : 상수이다.
난류 세기(ST2)는 회전 속도를 파라미터로서 갖는 테이블로부터 구해지는 것도 가능하다.
단계 S33에서는, 층류 연소 속도(SL2[m/sec])와 주 연소중의 가스 유동의 난류 세기(ST2)로부터, 주 연소중의 연소 속도(FLAME2[m/sec])가 다음 식 (21)에 의해 계산된다.
FLAME2 = SL2 ×ST2 …(21)
여기서, SL2 : 층류 연소 속도[m/sec]이다.
식 (21)은, 식 (18)과 같이, 가스 난류의 연소 속도에의 기여를 고려한 것이다.
전술한 바와 같이, 주 연소 기간(BURN2)의 길이는 연소실(5) 내의 온도와 압력의 변화에 의해 영향을 받지 않고 있다. 따라서, 층류 연소 속도(SL2)에는 미리 실험에 의해 구해진 고정값이 적용된다.
단계 S34에서는, 주 연소 기간(BURN2[deg])이 식 (19)에 유사한 다음 식 (22)로 계산된다.
BURN2 = {(NRPM ×6) ×(BR2 ×V2)}
/(PRROBA ×AF2 ×FLAME2) …(22)
여기서, V2 : 연소실(5)의 주 연소 기간 개시에서의 용적[㎥],
AF2 : 화염 핵의 반응 면적[㎡]이다.
여기서, 식 (22) 우변의 BR2는 주 연소 기간의 개시 시기부터 종료 시기까지의 연소 질량 비율의 변화량이다. 초기 연소 기간의 종료 시기에, 연소 질량 비율이 2%로 된 후, 주 연소 기간이 개시한다. 연소 질량 비율이 60%일 때 주 연소 기간이 종료한다고 생각되고 있으므로, BR2는 60%-2% = 58%로 설정되고 있다. AF2는 화염 핵의 성장 과정에서의 평균 반응 면적이고, 식 (19)의 AF1과 같이, 미리 실험에 의해 구해진 고정값으로서 설정된다. 연소실(5)의 주 연소 기간 개시에서의 용적(V2)도 고정값이다.
도 13은 기본 점화 시기(MBTCAL[deg])를 계산하기 위한 플로우로, 일정 시간 간격으로(예를 들면, 10msec마다) 실행된다. 도 13의 플로우는 도 10과 도 12 중 늦게 실행되는 플로우 다음에 실행된다.
단계 S41에서는, 도 10의 단계 S29에서 계산되어 있는 초기 연소 기간(BURN1), 도 12의 단계 S34에서 계산되어 있는 주 연소 기간(BURN2), 도 5의 단계 16에서 계산되어 있는 점화 부동 시간 상당 크랭크 각(IGNDEAD), 및 도 5의 단계 S15에서 계산되어 있는 기준 크랭크 각(θPMAX)이 판독된다.
단계 S42에서는, 초기 연소 기간(BURN1)과 주 연소 기간(BURN2)의 합계가 연 소 기간(BURN[deg])으로서 계산된다.
단계 S43에서는, 다음 식 (23)에 의해 기본 점화 시기(MBTCAL[deg BTDC])가 계산된다.
MBTCAL = BURN - θPMAX + IGNDEAD …(23)
단계 S44에서는, 기본 점화 시기(MBTCAL)에서 점화 부동 시간 상당 크랭크 각(IGNDEAD)을 공제하여 얻어진 값이 전회 연소 개시 시기(MBTCYCL [deg BTDC])로서 계산된다.
계산된 기본 점화 시기(MBTCAL)는, 후술되는 노크 제한 점화 시기와 비교되어, 이들 중의 최소값(가장 지각(retardation)측의 값)이 점화 시기 최소값(PADV[deg BTDC])으로서 선택된다. 이 점화 시기 최소값(PADV)에 대해, 조기에 배기 온도 상승을 위한 지각화, 변속시 토크 감소를 위한 지각화 등의 각종 보정이 적용되어, 점화 시기 지령값(QADV[deg BTDC])이 산출된다. 이 점화 시기 지령값(QADV)은, 점화 레지스터로 이동되고, 실제의 크랭크 각이 이 점화 시기 지령값(QADV)과 일치할 때 일차 전류를 차단하는 점화 신호가 엔진 컨트롤러(31)에서 점화 코일(13)로 출력된다.
이 사이클의 점화 시기 지령값으로서 단계 S43에서 계산된 기본 점화 시기(MBTCAL)가 이용된다고 가정하면, 다음 사이클의 점화 시기까지, 단계 S44에서 계산된 전회 연소 개시 시기(MBTCYCL)가 도 10의 단계 S22에서 이용된다.
전술한 바와 같이, 본 실시예에서는, 연소실(5) 내의 미연소 가스 질량 등의 질량 계산을 행하지 않고 MTB를 얻기 위한 점화 시기인 기본 점화 시기(MBTCAL)가 계산되므로, 계산 부하가 낮은 레벨로 억제될 수 있다.
또한, 상기 식 (19)에 나타낸 바와 같이, 초기 연소 기간(BURN1)은, 연소 개시 시기에서의 연소실 용적(V0), 혼합 공기의 연소 가능성을 나타내는 반응 확률(RPROBA), 및 연소 속도(FLAME1)의 함수로서 표시되고 있다. 여기서, 연소 개시 시기에서의 연소실 용적(V0)이 클수록, 반응 확률(RPROBA)이 작을수록, 연소 속도(FLAME1)가 감소할수록, 초기 연소 기간(BURN1)이 길어지고, 그 결과 기본 점화 시기(MBTCAL)가 진각한다.
마찬가지로, 상기 식 (22)에 나타낸 바와 같이, 주 연소 기간(BURN2)은, 주 연소 기간 개시 시기에서의 연소실 용적(V2), 혼합 공기의 연소 가능성을 나타내는 반응 확률(RPROBA), 및 연소 속도(FLAME2)의 함수로서 표시되고 있다. 여기서, 주 연소 기간 개시 시기에서의 연소실 용적(V2)이 클수록, 반응 확률(RPROBA)이 작을수록, 연소 속도(FLAME2)가 감소할수록, 주 연소 기간(BURN2)이 길어지고, 그 결과 점화 시기(MBTCAL)가 진각한다.
연소 기간(BURN1과 BURN2)을 연소 기간에 영향을 주는 여러가지 파라미터의 함수로서 계산함으로써, 연소 기간(BURN1과 BURN2)이 정확히 계산될 수 있다. 그 결과, 연소 기간(BURN1과 BURN2)에 기초하여 계산되는 기본 점화 시기(MBTCAL)도 높은 정밀도로 계산될 수 있다. 또한, 연소 기간(BURN)이, 온도와 압력이 높고 이 기간의 영향을 받기 쉬운 화염 핵 성장 기간에 상당하는 초기 연소 기간(BURN1)과, 온도와 압력의 영향이 적은 주 연소 기간으로 나누어 계산함으로써, 연소 기간(BURN)의 계산 정밀도가 향상한다. 연소 기간(BURN)을 3개 이상의 기간으로 분할함으로써, 계산 정밀도가 더욱 더 향상되는 것도 가능하다.
여기에서는, 초기 연소 기간(BURN1)의 계산에 이용되는 연소 속도(FLAME1)가 층류 연소 속도(SL1)와 난류 세기(ST1)의 곱으로서 계산되고, 주 연소 기간(BURN2)의 계산에 이용되는 연소 속도(FLAME2)가 층류 연소 속도(SL2)와 난류 세기(ST2)의 곱으로서 계산된다는 것에 유의하여야 한다. 그러나, 연소 속도(FLAME1과 FLAME2)는, 전술한 JP10-30535A에 기재되어 있는 바와 같이, 가산 방법을 이용하여 구하여도 된다. 또한, 초기 연소 기간이 0 내지 2%의 연소 질량 비율(즉, BR1 = 2%)로서 규정되고, 주 연소 기간이 2% 내지 60%의 연소 질량 비율(즉, BR2 = 58%)로 규정되었지만, 본 발명은 반드시 이들 수 값으로 한정되는 것은 아니다.
다음에, 전술한 기본 점화 시기(MBTCAL)를 이용하여 실행되는 점화 시기 제어의 플로우가 도 14 내지 도 16을 참조하여 설명된다. 이 제어 과정중에, 본 발명의 특징인 노킹 지표값(MBTKN)의 산출과 이 노킹 지표값(MBTKN)이 적용된 노킹 한계 점화 시기(KNKCAL)의 산출이 수행된다.
도 14를 참조하면, 먼저, 단계 S81에서는, 기통 내에 배기되지 않고 남은 잔류 가스의 질량(MASSZ)과 온도(Te)가 산출된다. 잔류 가스 질량(MASSZ)은 연소실의 잔류 가스 질량과 흡배기 밸브의 오버랩 중에 배기 시스템으로부터 흡기 시스템으로 역류한 배기 가스의 질량을 가산하여 구해질 수 있다. 온도(Te)는 흡입 공기량 등에 기초하여 근사적으로 테이블을 이용하여 구해질 수 있다. 남은 잔류 가스의 질량(MASSZ)과 온도(Te)의 산출 방법으로서 전술한 JP2001-221105A에 개시된 방법이 이용되어도 된다.
다음에, 단계 S82에서는, 에어-플로우 미터(32)와 흡입 공기 온도 센서(43)(도 1 참조)의 각각의 출력 결과로부터 새로운 공기의 질량(MASSA)과 온도(Ta)가 판독된다.
다음에, 단계 S83에서는, MASSA, Te, MASSZ, 및 Ta가 다음 식 (24)와 식 (25)에 이용되어, 각각 압축 개시 시간에서의 혼합 공기 질량(MASSC)과 혼합 공기의 온도(IVT : 흡기 밸브 폐쇄 시간)를 구한다.
MASSC = MASSA + MASSZ …(24)
Tc0 = (MASSA ×Ta + MASSZ ×Te)
/(MASSA + MASSZ) …(25)
또한, 압축 개시 시간에서의 압력(Pc0)이, 흡입 공기 압력 센서(44)(도 1 참조)의 출력 결과로부터 구해진다. 압력(Pc0)으로서 흡입 공기량과 회전 속도로부터 예측된 값이 이용되어도 된다.
다음에, 단계 S84에서는, 전술한 방법에 의해 MBT(최대 토크를 얻기 위한 최소 진각값)가 얻어지는 기본 점화 시기(MBTCAL)가 구해진다. 본 실시예에서는 MBTCAL의 연산 과정(도 12)에서 구해진 주 연소 기간(BURN2)이 연소 속도의 대표값으로서 다음 연산에 이용된다는 것에 유의한다.
단계 S85 이후는, 노크 제한 점화 시기(KNKCAL)를 계산하기 위한 처리가 수행된다. 먼저, 단계 S85에서는, 노킹 지표값(MBTKN)이 구해진다. 노킹 지표값(MBTKN)은 MBT에서의 연소 압력 최대값을 나타내는 크랭크 각부터 온도 최고값을 나타내는 크랭크 각 근방까지의 순간적인 자동-착화 기간(msec)이다. 여기 서, 압력 최대값을 나타내는 크랭크 각이 13 deg ATDC(이하, θPMAX = 13도로 표시됨)로 설정된 예가 도 17의 타임 차트를 참조하여 설명된다. θPMAX는, 전술한 바와 바와 같이, 통상 12 내지 15 deg ATDC의 범위 내에 있고, 엔진 특성에 따르면 최대 10 내지 20 deg ATDC의 범위 내에 있다.
먼저 θPMAX = 13도에서의 평균 온도(Tc [K])와 압력(기준 기통 내 압력)(Pc [ata])이 각각 다음 식 (26)과 식 (27)로부터 구해진다.
Tc = Tc0 ×εpt-1 + TUP# ×Q/MASSC …(26)
Pc = Pc0 ×εpt ·(Tc + TUP#×Q/MASSC)/Tc ×VUP# …(27)
여기서, ε: 압축 비율,
Q : 연소 발열량,
TUP# : 온도 상승 계수,
pt : 폴리트로픽(politropic) 지수 = 1.35,
VUP# : 가스 용적 변화율이다.
압축 비율(ε)은, 흡기 밸브 폐쇄 시기(IVC)에서의 용적의, θPMAX = 13도에서의 용적에 대한 비율이다. 흡기 밸브의 개폐 시기를 제어할 수 있는 가변 흡기 밸브 기구를 구비한 엔진에서는, 압축 비율(ε)이 그 제어값으로부터 구해져도 되고, 개폐 시기가 고정되면, 압축 비율(ε)이 알려진 상수로서 설정되어도 된다. 정밀도를 더욱 높이기 위해서는, 실제 흡입 공기량이 구해진 유효 IVC = IVC가 이용될 수 있지만, 이것은 회전 속도에 따라 크랭크 각 진각 방향으로 이동하기 때문 에, 회전 속도로부터 ε를 구하는 방법이 또한 이용되어도 된다.
연소중의 발열량(Q)은, θPMAX = 13도에서의 연소 비율이 60%로 설정되었을 때의 혼합 공기의 연소에 의한 발열량이다.
온도 상승 계수(TUP#)는, 연소중의 발열량(Q)이 MASSC와 동일한 양의 혼합 공기를 가열할 때에 수행되는 계산에 적용되는 계수이다. TUP#에는 물론 비열이 포함된다.
가스 용적 변화율(VUP#)은, 가솔린과 공기의 혼합물의 60%가 연소하여 연소 도중의 가스로 되었을 때의 분자 질량 변화에 의한 가스 용적 변화율이다. 보다 구체적으로는, 가스 용적 변화율(VUP#)에 1보다 약간 큰 값(예를 들면, 1.03 정도)이 적용될 수 있다.
그 다음, 피스톤의 상승과 연소 가스의 승온 팽창에 의해 압축된 미연소 가스의 온도(T[K])가, 다음 식 (28)에 의해 구해진다.
T = Tc0 ×εpt-1 ·(TC/Tc0 ×εpt-1)pt-1 …(28)
마지막으로, 전술한 바와 같이 하여 구해진 θPMAX = 13도에서의 압력(Pc)과 미연소 가스 온도(T)가 다음 식 (29)에 이용되어 노킹 지표값(MBTKN[msec])을 구한다.
MBTKN = OCT ×Pc-1.7 ×exp(3800/T) …(29)
이 식 중의 OCT는, 연료의 옥탄가에 의해서 결정되는 계수이고, 예를 들면 하이-옥탄 가솔린(프리미엄 가솔린)에서 15 정도, 레귤러 가솔린에서 10 정도의 값 을 이용한다. 이 식은 원소 반응의 자동-착화 기간을 구하기 위한 식이다.
노킹 지표값(MBTKN)은 자동-착화 기간을 나타내고 있고, 이 기간이 경과하면 자동-착화, 즉 노킹이 발생된다. 따라서, MBTKN가 감소할수록 노킹이 발생하기 쉬워지는 관계가 성립된다. 그러나, 연소실 내의 온도와 압력은 일정하지는 않고 시시각각 변화하므로, MBTKN는 사이클 중의 자동-착화 기간의 최소값에 상당하도록 구해지고 있다.
단계 S86에서는, 노킹 지표값(MBTKN)에 대한 연소 속도 보정 계수(KNFLV)가 구해진다. 엔진의 노킹 발생 중에는, 온도와 압력의 변화에 따라, 실제의 자동-착화 기간은 온도와 압력이 높은 레벨로 유지되는 기간에 의해 영향을 강하게 받으므로, 연소가 빠르면 노킹이 발생하기 어렵지만, 연소가 늦으면 노킹이 발생하기 쉽다. 그래서 본 실시예에서는, MBT 계산 중에 구해진 주 연소 기간(BURN2)이 이용되어 전술한 보정 계수(KNFLV)를 구한다. KNFLV의 특성예가 도 15에 도시된다. 주 연소 기간(BURN2)이 길 때, 즉 연소가 늦으면, KNFLV는 작은 값으로 되므로, 노킹 지표값(MBTKN)은 노킹이 일어나기 쉬운 방향으로 보정되는 특성을 갖고 있다.
다음에, 단계 S87에서는, 전술한 MBTKN과 KNFLV를 이용한 맵 검색에 의해, 트레이스 노크를 얻기 위한 MBT 점화 시기로부터의 지각량(KNRT)이 구해진다. 도 16에는 그 특성예를 도시된다. 종축이 MBTKN × KNFLV이고 횡축이 회전 속도(NRPM)인 맵으로부터 지각량(KNRT)이 구해진다. 이 맵은, 종축의 수 값이 증가할수록, 회전 속도가 저하할수록 지각량이 증대하는 특성으로 되어 있다.
다음에, 단계 S88에서는, 다음 식 (30)으로부터 노크 한계 점화 시기(KNKCAL)가 구해진다.
KNKCAL = MBTCAL - KNRT …(30)
단계 S89, S90에서는, MBTCAL과 KNKCAL 중 적은 각, 즉 지각측의 값이, 점화 시기 최소값(PADV)으로서 선택되고, 이것에 각종 보정이 적용되어, 도 2의 점화 시기 제어부(61)에 인도하는 점화 시기 지령값(QADV)으로서 설정된다. 거기서, 금회의 처리를 종료한다.
도 17a의 타임 차트에 도시된 바와 같이, 기통 내 압력(Pc)은 피스톤 상승에 의해 압축되고, IVC에서의 값(Pc0)으로부터 상승하기 시작하여 상사점까지 압축된다. 상사점 근방을 지나치면, 연소에 의해 압력이 상승되고, 피크값(Pc)을 지난 다음에, 팽창에 의해 저하된다. 온도(T)는, 동일하게, IVC에서의 온도(Tc0)의 출발점부터 상사점까지 압축에 의해 상승되고, 그 다음에 연소에 의해 더욱 상승된다.
도 17b에는 3개의 파형을 도시되어 있다. 파선은 피스톤 압축에 기인하는 온도 변화를 나타내는 파형이고, 실선은 기통 내의 평균 온도로 연소에 의해 크게 상승한다. 일점쇄선은 미연소 가스의 온도(T)로 본 발명의 노킹에 직접 기여한다. 기통 내 압력(P)이 연소에 의해 상승될 때, 미연소 혼합 공기가 압축되므로, 온도가 상승한다. 따라서, 온도(T)는 평균 온도보다도 상당히 낮은 값이 된다. 또한, 기통 내 압력에 의해 압축되므로, 미연소 가스 온도(T)가 최대값으로 되는 크랭크 각은 기통 내 압력(Pc)이 최대값으로 되는 크랭크 각과 동일하다.
10 내지 20 deg ATDC의 크랭크 각 영역은, 통상 노킹이 가장 발생하기 쉬운 영역, 즉 자동-착화 기간이 짧아지는 시기이므로, 이 범위 내의 온도 및 압력을 산출함으로써, 노킹이 보다 높은 정밀도로 예측될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서는, 스파크 점화식 엔진의 운전 조건으로부터, 압축 상사점 후의 소정 크랭크 위치에 설정된 기준 크랭크 각에서의 기통 내 압력과 미연소 가스 온도가 구해진 후, 기통 내 압력과 미연소 가스 온도가 노킹 지표값을 산출하는데 이용된다. 이러한 운전 조건에 기초한 연산 처리에 의해, 노킹 지표값, 즉 노킹 발생 가능성이 판정될 수 있고, 그 결과 매우 많은 수의 단계들이 필요한 다수의 맵에 기초하여 노킹을 취급할 필요가 없어진다.
즉, 본 발명에 의한 노킹 지표값을 적용함으로써, 점화 시기 제어 장치 등의 매칭 처리의 수가 감소될 수 있고, 제어 시스템의 연산 부하가 경감될 수 있다. 그러나, 본 발명의 노킹 지표값은, 점화 시기 제어로 한정되지 않고, 공연비 등의 노킹의 발생에 관한 엔진 제어 요소에 널리 적용될 수 있다는 것에 유의하여야 한다.
여기에 일본국 특허 출원 P2003-0389018(2003년 2월 17일 출원됨)의 전체 내용이 참조를 위해 포함되어 있다.
본 발명이 본 발명의 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 전술된 실시예로 한정되는 것은 아니다. 당해 기술분야의 숙련된 자에게는 상기 교시로 미루어보아 전술한 실시예의 변형 및 변화가 가능하다. 본 발명의 범주는 다음 특허청구범위를 참조하여 정의된다.

Claims (9)

  1. 스파크 점화식 엔진(1)의 노킹 지표값 산출 장치에 있어서,
    엔진(1)의 운전 조건을 판정하고;
    상기 운전 조건에 기초하여, 압축 상사점 후의 소정 크랭크 위치에 설정된 기준 크랭크 각에서의 기통 내 압력을 연산하고;
    상기 운전 조건에 기초하여, 상기 기준 크랭크 각에서의 기통 내의 미연소 가스의 온도를 연산하며;
    상기 기통 내 압력과 미연소 가스의 온도를 이용하여 노킹이 일어나기 쉬움을 나타내는 값인 노킹 지표값을 산출하도록, 기능하는 컨트롤러(31)를 포함하는 것을 특징으로 하는 노킹 지표값 산출 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기준 크랭크 각은 압축 상사점 후 10 내지 20도의 범위 내의 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 노킹 지표값 산출 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러(31)는,
    상기 엔진(1)의 운전 조건으로서, 흡기 밸브 폐쇄시의 기통 내 압력, 흡기 밸브 폐쇄시의 기통 내의 미연소 가스의 온도, 및 연료 연소에 의해 발생된 열의 양을 구하고;
    흡기 밸브 폐쇄시의 기통 내 압력, 흡기 밸브 폐쇄시의 기통 내의 미연소 가스의 온도, 및 연료 연소에 의해 발생된 열의 양에 기초하여, 상기 기준 크랭크 각에서의 기통 내 압력과 미연소 가스의 온도를 연산하도록, 더 기능하는 것을 특징으로 하는 노킹 지표값 산출 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러(31)는 상기 노킹 지표값을 연소 속도에 기초하여 보정하도록 더 기능하는 것을 특징으로 하는 노킹 지표값 산출 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 컨트롤러(31)는, 상기 연소 속도가 감소할수록 상기 노킹 지표값이 감소하도록, 상기 노킹 지표값을 보정하도록 더 기능하는 것을 특징으로 하는 노킹 지표값 산출 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨트롤러(31)는, 상기 노킹 지표값에 기초하여, 최대 토크를 얻기 위한 최소 진각값에 관한 점화 시기의 지각량을 산출하도록 더 기능하는 것을 특징으로 하는 노킹 지표값 산출 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 컨트롤러(31)는 노킹 지표값이 클수록 점화 시기의 지각량을 증가시키도록 더 기능하는 것을 특징으로 하는 노킹 지표값 산출 장치.
  8. 스파크 점화식 엔진(1)의 노킹 지표값 산출 장치에 있어서,
    엔진(1)의 운전 조건을 판정하기 위한 수단;
    상기 운전 조건에 기초하여, 압축 상사점 후의 소정 크랭크 위치에 설정된 기준 크랭크 각에서의 기통 내 압력을 연산하기 위한 수단;
    상기 운전 조건에 기초하여, 상기 기준 크랭크 각에서의 기통 내의 미연소 가스의 온도를 연산하기 위한 수단; 및
    상기 기통 내 압력과 미연소 가스의 온도를 이용하여 노킹이 일어나기 쉬움을 나타내는 값인 노킹 지표값을 산출하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 노킹 지표값 산출 장치.
  9. 노킹 지표값 산출 방법에 있어서,
    스파크 점화식 엔진(1)의 운전 조건을 판정하는 단계;
    상기 운전 조건에 기초하여, 압축 상사점 후의 소정 크랭크 위치에 설정된 기준 크랭크 각에서의 기통 내 압력을 연산하는 단계;
    상기 운전 조건에 기초하여, 상기 기준 크랭크 각에서의 기통 내의 미연소 가스의 온도를 연산하는 단계; 및
    상기 기통 내 압력과 미연소 가스의 온도를 이용하여 노킹이 일어나기 쉬움을 나타내는 값인 노킹 지표값을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 노킹 지표값 산출 방법.
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