KR100721476B1 - 내연 기관 제어 장치 - Google Patents

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다까히로 요시노
하쯔오 나가이시
마사히로 아라이
šœ이찌 요시까와
미쯔히꼬 구보따
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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명에 따른 내연 기관 제어 장치는 기본적으로 기본 흡입 공기량 계산 섹션과, 최대 흡입 공기량 계산 섹션과, 엔진 제어 섹션을 포함한다. 기본 흡입 공기량 계산 섹션은 흡입 공기가 음속 유동으로서 도입될 때에 대응하는 기본 흡입 공기량을 계산하도록 구성된다. 최대 흡입 공기량 계산 섹션은 이론적인 최대 흡입 공기량을 계산하도록 구성된다. 엔진 제어 섹션은 기본 흡입 공기량을 최대 흡입 공기량으로 나눔으로써 얻어진 제1 값과 흡기 밸브의 밸브 특성에 대응하는 실제 흡입 공기량을 최대 흡입 공기량으로 나눔으로써 얻어진 제2 값 사이에 흡입 공기량 함수를 사용하여 엔진을 제어하도록 구성된다.
내연 기관 제어 장치, 최대 흡입 공기량, 흡기 밸브, 엔진 제어 섹션

Description

내연 기관 제어 장치{INTERNAL COMBUSTION ENGINE CONTROL APPARATUS}
도1은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 내연 기관 제어 장치의 전체적인 개략도.
도2는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 내연 기관의 가변 밸브 작동 기구의 사시도.
도3은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 도2에 도시된 가변 밸브 작동 기구의 작동각 가변 기구의 확대된 부분 측면도.
도4는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 도2에 도시된 가변 밸브 작동 기구의 위상 가변 기구의 확대된 단면도.
도5는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 실린더 흡입 공기량을 측정하기 위한 내연 기관 제어 장치 내에서 수행되는 제어 단계의 주요 블록도.
도6은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 내연 기관 제어 장치의 기본 흡입 공기량 계산 유닛에 의해 수행된 계산 단계의 블록도.
도7은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 내연 기관 제어 장치의 최대 흡입 공기량 계산 유닛에 의해 수행된 계산 단계의 블록도.
도8은 내연 기관 내에 흡입 스트로크 동안 밸브 특성, 실린더 압력 및 흡기 밸브를 통한 공기 유량이 어떻게 변하는지를 도시한 시간 도표.
도9는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 배기 블로백량(blowback quantity)을 계산하기 위해 수행되는 계산 단계의 블록도.
도10은 본 발명의 양호한 실시예에 다른 흡입 공기 온도 변화량과 흡입 공기 압력 변화량을 계산하기 위해 수행되는 계산 단계를 도시한 블록도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 엔진
2 : 흡기 밸브
10 : 작동각 변경 기구
20 : 위상 변경 기구
30 : ECU
34 : 흡입 압력 센서
35 : 흡입 온도 센서
101 : 공기 흡입 통로
102 : 쓰로틀 밸브
103 : 연료 분사기
104 : 실린더
106 : 점화 플러그
107 : 배기 통로
108 : 배기 밸브
관련 출원과의 연계
본 출원은 35 U.S.C. 119조 하에 일본특허출원 제2004-296620호, 제2004-296621호 및 제2004-296627호를 우선권 주장한다. 일본특허출원 제2004-296620호, 2004-296621호 및 제2004-296627호의 전반적인 내용은 본 명세서에 참조로 결합된다.
본 발명은 엔진의 실린더 내로 도입되는 흡입 공기량을 측정하도록 구성된 내연 기관 제어 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 흡기 밸브의 밸브 타이밍을 변경시킴으로써 실린더 흡입 공기량을 제어하도록 구성된 엔진 내에 간단한 방식으로 실제 실린더 흡입 공기량을 측정하도록 구성된 내연 기관 제어 장치에 관한 것이다.
종래의 가솔린 엔진에는 흡입 공기량을 제어하기 위한 쓰로틀 밸브가 제공되며, 쓰로틀 밸브를 통과한 공기량은 쓰로틀 밸브의 상류에 제공된 기류 계량기에 의해 측정된다. 이런 종래의 엔진에서, 쓰로틀 밸브를 통과하여 측정된 공기량은 통상 엔진을 제어하기 위한 파라미터로 사용되는 로드 지표(load indicator)로 사용된다. 예컨대, 일본특허공개 제2002-256938호는 내연 기관(가솔린 엔진)의 흡입 공기량이 쓰로틀 밸브를 사용하여 제어되어 목표 토크를 달성하는 종래의 내연 기관 엔진 제어 장치를 개시하고 있다. 전술된 문헌에서, 쓰로틀 밸브를 통과하는 흡입 공기량이 측정되고, 측정된 흡입 공기량은 목표 토크를 설정하도록 로드 지표 로 사용된다.
종래의 다른 형태의 엔진에서는, 실린더로 유동하는 공기량(이하 "실린더 흡입 공기량"이라 함)이 쓰로틀 밸브를 통과하는 공기량 대신에 측정되어, 실린더 흡입 공기량이 로드 지표로 사용된다. 예컨대, 일본특허공개 제2001-050091호는 기류 계량기의 출력에 기초하여 흡기 매니폴드로 유동하는 공기량을 계산하고, 흡기 매니폴드 내로 유동하는 검출된 공기량과 흡기 매니폴드에서 실린더로 유동하는 공기량(실린더 흡입 공기량) 사이에 차이에 기초하여 흡기 매니폴드 내측에 공기량과 실린더 흡입 공기량을 계산하도록 구성된 이런 형태의 종래 엔진을 개시하고 있다.
이러한 것을 고려하면, 개선된 내연 기관 제어 장치가 필요하다는 것이 당업자에게는 명백하다. 본 발명은 이러한 필요성 뿐만 아니라 다른 필요성을 다루며, 본 명세서로부터 당업자에게 명백하게 될 것이다.
근래에, 쓰로틀 밸브를 제어하는 것 이외에 흡기 밸브의 작동 특성을 가변적으로 제어함으로써 흡입 공기량(즉, 실린더 흡입 공기량)이 제어되는 기술이 개시되었다. 즉, 쓰로틀 밸브의 쓰로틀 손실을 제거하고 연료 효율을 향상시키기 위해 흡기 밸브의 작동 특성(예컨대, 밸브 타이밍 및 밸브 상승량)을 가변적으로 제어함으로써 흡입 공기량이 제어된다. 그러한 종래 엔진에서도, 흡입 공기량이 목표 토크를 달성하기 위해 제어될 때, 흡기 밸브를 통해 실린더 내로 통과하는 흡입 공기량(실린더 흡입 공기량)은 측정되고 실린더 흡입 공기량을 제어하기 위해 쓰로틀 밸브 제어가 제어될 때와 유사한 방식으로 목표 토크를 설정하도록 로드 지표로서 사용될 필요가 있다. 엔진이 실린더 흡입 공기량에 기초하여 제어될 때, 로드 지 표가 각 개별 실린더의 각 흡입 스트로크용으로 제공될 수 있고, 각 개별 싸이클에 대해 목표 토크가 실현될 수 있다(이는 엔진이 쓰로틀 밸브를 통과하는 공기량에 기초하여 제어될 때는 달성되지 않는다). 결과적으로, 엔진 출력은 작동 조건이 일시적일 때 매우 정밀하게 제어될 수 있다.
그러나, 실린더 흡입 공기량이 흡기 밸브의 작동 특성을 변경함으로써 제어될 때, 실린더 흡입 공기량은 밸브 타이밍 및 밸브 상승량에 크게 의존하여 변한다. 따라서, 실린더 흡입 공기량을 측정하기 위해 다수의 파라미터가 요구된다. 파라미터의 증가를 수용하기 위해 (더 높은 차수의 맵을 포함한) 다수의 맵이 사용된다면, 대단히 큰 ROM 용량이 요구되며 순응 단계(adaptation step) 수가 거대해져 제어 방법을 채용할 수 없게 만든다.
더욱이, 실린더 흡입 공기량은 흡입 공기 맥동에 의해 커다란 영향을 받으며, 그에 따라 흡입 공기 맥동의 영향을 고려하면서 간단한 방식으로 실린더 흡입 공기량을 측정할 수 있는 기술이 요구된다.
본 발명은 이런 문제를 고려한 것이다. 본 발명의 목적은 흡기 밸브를 사용하여 흡입 공기량을 제어하도록 구성된 내연 기관 제어 장치를 제공하는 것으로, 제어 장치는 다수의 맵을 사용하지 않고 최소량의 계산으로 실린더 흡입 공기량을 측정함으로써 ROM 용량과 순응 단계 수를 억제할 수 있도록 구성된다.
본 발명의 다른 목적은 흡입 공기 맥동의 영향을 고려하면서 간단한 방식으로 실린더 흡입 공기량을 측정하도록 구성된 내연 기관 제어 장치를 제공하는 것이 다.
본 발명의 전술한 목적 및 다른 목적을 달성하기 위해, 내연 기관 엔진 제어 장치에는 엔진의 흡기 밸브의 밸브 특성을 변경시키도록 구성 및 배열된 가변 밸브 작동 기구를 갖는 엔진이 제공된다. 내연 기관 제어 장치는 기본적으로 기본 흡입 공기량 계산 섹션과, 최대 흡입 공기량 계산 섹션과, 엔진 제어 섹션을 포함한다. 기본 흡입 공기량 계산 섹션은 흡기 밸브의 밸브 특성에 상응하는 흡기 밸브 개방 면적에 대해 음속 유동으로서 실린더 내에 흡입 공기가 도입될 때에 대응하는 기본 흡입 공기량을 계산하도록 구성된다. 최대 흡입 공기량 계산 섹션은 흡입 스트로크의 개시 타이밍부터 종료 타이밍까지의 실린더 스트로크 체적이 흡기 밸브의 상류에 존재하는 흡입 공기 압력에서 흡입 공기로 채워질 때에 대응하는 이론적인 최대 흡입 공기량을 계산하도록 구성된다. 엔진 제어 섹션은 기본 흡입 공기량을 최대 흡입 공기량으로 나눔으로써 얻어지는 제1 값과 흡기 밸브의 밸브 특성에 상응하는 실제 흡입 공기량을 최대 흡입 공기량으로 나눔으로써 얻어진 제2 값 사이에 흡입 공기량 함수를 사용함으로써 엔진을 제어하도록 구성된다. 엔진 제어 섹션은 제2 값에 대한 제1 값의 각 값을 유일하게 결정하고, 제1 값에 대한 제2 값의 각 값을 유일하게 결정하도록 구성된다.
본 발명의 이런 그리고 다른 목적, 특징, 태양 및 잇점은 첨부된 도면과 함께 본 발명의 양호한 실시예를 설명하고 있는 이하의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백하게 될 것이다.
본 발명의 선택된 실시예가 도면을 참조하여 설명될 것이다. 본 발명의 실시예의 이하 설명은 첨부된 청구항 및 등가물에 의해 한정된 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니며 단지 설명을 위해 제공된다는 것이 당업자에게는 명백할 것이다.
먼저 도1을 참조하면, 본 발명의 양호한 실시예에 따른 내연 기관(1, 예컨대 불꽃 점화 엔진) 내에 장착된 내연 기관 제어 장치가 도시되어 있다. 엔진(1)은 바람직하게는 도1에 도시된 바와 같이 공기 흡입 통로(101) 내에 제공된 전기적으로 제어되는 쓰로틀 밸브(102)를 포함한다. 바람직하게는 한 쌍의 흡기 밸브(2, 도1에는 하나만 도시됨)가 엔진(1)의 각 실린더(104) 내에 제공된다. 공기 흡입 통로(101) 내로 도입된 흡입 공기량은 쓰로틀 밸브(102)의 개방 및 폐쇄를 제어함으로써 제어될 수 있지만, 흡입 공기량은 바람직하게는 본 발명의 양호한 실시예에서는 흡기 밸브의 밸브 타이밍을 제어함으로써 주로 제어된다. 쓰로틀 밸브(102)는 엔진(1)의 밸브 타이밍 제어를 달성하기 위해 요구되는 바와 같이 흡입 공기 압력(PMAN)을 제어하는데 사용된다. 엔진(1)에는 또한 흡입 통로(101) 내에 장착된 연료 분사기(103)가 제공된다. 연료 분사기(103)는 밸브 타이밍 제어에 의해 달성된 흡입 공기량에 기초하여 소정의 등가비를 달성하는데 요구되는 연료량을 분사하도록 제어된다.
각 흡기 밸브(2)는 바람직하게는 포핏형 흡기 밸브이며 공기 흡입 통로(101)의 흡기 포트부(101a) 내에 배열된다. 흡기 밸브(2)는 흡기 밸브(2) 상에 배열된 가변 밸브 작동 기구(이하 "흡기 밸브 작동 기구")에 의해 구동되어 흡기 밸브(2)가 개방되는 기간동안 흡입 공기와 연료의 혼합기가 엔진(1)의 실린더(104) 내로 배향된다. 본 발명의 양호한 실시예에서, 흡기 밸브 작동 기구(100)는 작동각(이하 "흡기 밸브 작동각")을 그리고 연속해서 흡기 밸브(2)의 상승량은 변경(변화)시키도록 구성되고, 또 연속해서 흡기 밸브 작동각의 중심 위상(이하 "작동 중심각")을 변경시키도록 구성된다.
실린더 헤드(H)가 엔진(1)의 주본체 상에 제공되고, 점화 플러그(106)는 그 팁이 연소실의 중앙 상부 쪽에 대면하도록 실린더 헤드(H) 내에 장착된다. 점화 플러그(106)는 실린더(104) 내로 도입되는 연료-공기 혼합기를 점화하도록 구성 및 배열된다.
연소 후에는, 연소동안 발생된 배기 가스가 배기 통로(107)로 배출된다. 한 쌍의 포핏형 배기 밸브(108, 도1에는 하나만 도시됨)가 바람직하게는 배기 통로(107)의 배기 포트 섹션(107a) 내에 배열된다. 배기 밸브(108)는 배기 밸브(108) 상에 배열된 밸브 작동 기구(이하 "배기 밸브 작동 기구")에 의해 구동되어 배기 밸브(108)가 개방되는 기간동안 배기 가스가 배기 통로(107)로 배출된다. 본 발명의 양호한 실시예에서, 배기 밸브(108)의 작동 중심각, 상승량 및 작동각은 모두 고정되어 있다. 그러나, 당업자라면 흡기 밸브 작동 기구(100)가 흡기 밸브 작동 기구(100) 또는 다른 종래의 가변 밸브 작동 기구와 유사한 기구를 채용함으로써 흡기 밸브(2)의 밸브 특성을 제어하는 것과 유사한 방식으로, 배기 밸브 작동 기구(101)는 배기 밸브(108)의 다른 밸브 특성 및 작동각을 변경하도록 구성 및 배열되도록 엔진(1)이 배열될 수 있다는 것을 알 것이다.
엔진(1)에는 또한 전기 제어 유닛을 포함하는 엔진 제어 유닛(ECU, 30)이 제 공된다. ECU(30)는 쓰로틀 밸브(20)와 흡기 밸브 작동 기구(100)의 작동을 제어하도록 구성된다. ECU(30)는 바람직하게는 가속기 센서(32), 크랭크각 센서(33), 흡입 압력 센서(37), 흡입 온도 센서(35), 배기 압력 센서(36), 배기 온도 센서(37) 등에 작동식으로 결합된다. ECU(30)는 가속기 페달(6)의 가압량[가속기 상태 (APO)]을 나타내는 가속기 센서(32)로부터의 검출 신호와, 크랭크 샤프트의 회전 상태를 나타내는 크랭크각 센서(33)로부터의 검출 신호와[엔진 회전 속도(Ne)는 이 신호를 기초로 계산된다], 흡기 밸브(2)의 흡기 매니폴드 상류 내에 압력에 대응하는 공기 흡입 통로(101) 내측(본 실시예에서는 서지 탱크 내측)의 흡입 공기 압력(PMAN)을 나타내는 흡입 압력 센서(34)로부터의 검출 신호와, 흡기 밸브(2)의 흡기 매니폴드 상류 내에 온도에 대응하는 공기 흡입 통로(101) 내측의 온도(TMAN)를 나타내는 흡입 온도 센서(35)로부터의 검출 신호와, 배기 통로(107) 내측의 배기 압력(PE)을 나타내는 배기 압력 센서(36)로부터의 검출 신호와, 배기 통로(107) 내측에 배기 압력(TE)을 나타내는 배기 온도 센서(37)로부터의 검출 신호를 수신하도록 구성된다. 검출 신호를 기초로 하여, ECU(30)는 흡기 밸브 작동 기구(100)에 의해 흡기 밸브(2)의 작동 중심각과 흡기 밸브 작동각을 제어하도록 구성되고 쓰로틀 밸브(102)의 개방도를 제어하도록 구성된다. 본 발명의 양호한 실시예에서, ECU(30)는 내연 기관 제어 장치의 구성 요소이다. 쓰로틀 개방 제어의 부분으로서, ECU(30)는 실린더(104) 내로 실제로 도입된 공기량에 대응하는 흡입 공기량(QCYL)을 계산하도록 구성된다.
특히, ECU(30)는 바람직하게는 이하에서 논의되는 바와 같이 흡입 공기량의 계산을 제어하는 흡입 공기량 측정 제어 프로그램을 갖는 마이크로컴퓨터를 포함한다. ECU(30)는 입력 인터페이스 회로와, 출력 인터페이스 회로와 ROM(판독 전용 기억 장치) 및 RAM(임의 추출 기억 장치)와 같은 저장 소자등의 다른 종래 구성 성분을 포함할 수 있다. ECU(30)의 마이크로컴퓨터는 엔진(1)의 다양한 구성 성분을 제어하도록 프로그램된다. 메모리 회로는 프로세서 회로에 의해 작동되는 흡입 공기량 측정 작동용과 같은 제어 프로그램 및 프로세싱 결과물을 저장한다. ECU(30)는 종래의 방식으로 전술한 다양한 센서 및 엔진(1)의 다른 구성 성분에 작동식으로 결합된다. ECU(30)의 내부 RAM은 작동 플래그 및 다양한 제어 데이터의 상태를 저장한다. ECU(30)의 내부 ROM은 다양한 작동용 맵 및 데이터를 저장한다. ECU(30)은 제어 프로그램에 따라 제어 시스템의 임의의 구성 성분을 선택적으로 제어할 수 있다. 본 명세서로부터 ECU(30)를 위한 정확한 구조 및 알고리즘은 본 발명의 기능을 수행할 소프트웨어 및 하드웨어의 임의의 조합일 수 있다는 것은 당업자에게는 명백할 것이다. 즉, 명세서 및 청구범위에 사용된 것과 같은 "기능적 수단(means plus function)"절은 "기능적 수단"절의 기능을 수행하는데 유용할 수 있는 임의의 구조 또는 하드웨어 및/또는 알고리즘 또는 소프트웨어를 포함한다.
도2는 본 발명에 따른 흡기 밸브 작동 기구(100)의 사시도이다. 도2에서 알 수 있듯이, 바람직하게는 각 실린더(104) 상에 한 쌍의 흡기 밸브(2)가 제공되고, 중공 흡기 밸브 구동 샤프트(3)는 실린더(104)가 배열된 방향을 따라 연장하도록 흡기 밸브(2) 상에 배열된다. 복수의 로킹 캠(4)은 흡기 밸브 구동 샤프트(3)에 대해 회전할 수 있도록 흡기 밸브 구동 샤프트(3) 상에 배열된다. 로킹 캠(4)은 각 흡기 밸브(2)의 밸브 리프터(2a)에 대해 접촉함으로써 흡기 밸브(2)를 개방 및 폐쇄하도록 구성된다.
흡기 밸브 작동 기구(100)는 바람직하게는 전동식 작동각 변경 기구(10) 및 전동식 위상 변경 기구(20)를 포함한다. 작동각 변경 기구(10)는 흡기 밸브 구동 샤프트(3)와 로킹 캠(4) 사이에 배치되며, 흡기 밸브 작동각[즉, 흡기 밸브(2)의 작동각]과 연속적으로 변형 가능한 방식으로 밸브 상승량을 변경시키도록 구성된다. 위상 변경 기구(20)는 흡기 밸브 구동 샤프트(3)의 일 단부 상에 배치되며, 흡기 중심 위상 또는 연속적으로 변형 가능한 방식으로 크랭크 샤프트(도시되지 않음)에 대해 흡기 밸브 구동 샤프트(3)의 위상을 변형시킴으로써 흡기 작동 중심각(즉, 흡기 밸브 작동각의 중심 위상)을 변경시키도록 구성된다.
도2 및 도3에 도시된 바와 같이, 작동각 변경 기구(10)는 바람직하게는 원형 구동 캠(11), 링형 링크(12), 제어 샤프트(13), 원형 제어 캠(14), 로커 암(15) 및 로드형 링크(16)를 포함한다. 원형 구동 캠(11)은 편심식으로 흡기 밸브 구동 샤프트(3)에 고정된다. 링형 링크(12)는 구동 캠(11)에 대해 회전할 수 있도록 구동 캠(11)의 외측 상에 끼워 맞춤된다. 제어 샤프트(13)는 실린더(104)가 흡기 밸브 구동 샤프트(3)에 사실상 평행하게 되도록 정렬되는 방향을 따라 연장된다. 원형 제어 캠(14)은 편심식으로 제어 샤프트(13)에 고정된다. 로커 암(15)은 제어 캠(14)에 대해 회전할 수 있도록 제어 캠(14)의 외측 상에 끼워 맞춤되고 그 일단부에서 링형 링크(12)의 팁 단부에 결합된다. 로드형 링크(16)는 로킹 캠(4) 및 로커 암(15)의 타 단부에 결합된다. 제어 샤프트(13)는 전동식 액츄에이터(17)에 의 해 소정의 제어 범위 내에서 회전식으로 구동되고, 액츄에이터(17)의 운동은 기어 트레인(18)을 통해 제어 샤프트(13)로 전달된다.
따라서, 흡기 밸브 구동 샤프트(3)가 크랭크 샤프트의 회전으로 인해 회전할 때, 구동 캠(11)은 링형 링크(12)가 사실상 병진 운동 방향으로 이동하도록 하고 로커 암(15)은 제어 캠(14)의 중심축에 대해 요동한다. 결과적으로, 로드형 링크(16)는 로킹 캠(4)이 흡기 밸브(2)를 요동시키고 개방 및 폐쇄시키도록 한다.
제어 샤프트(13)의 회전각을 변경시킴으로써, 로커 암(15)의 요동 중심으로 작용하는 제어 캠(14)의 중심축의 위치가 변경되고 로킹 캠(4)의 상태가 변경된다. 결과적으로, 흡기 밸브 작동각 및 상승량은 연속적으로 변형 가능한 방식으로 변경되면서 흡기 중심 위상은 사실상 일정하게 유지된다.
예컨대 구동 캠(11)의 베어링부 및 제어 캠(14)의 베어링부와 같은 작동각 변경 기구(10)의 다양한 부재의 연결부는 면접촉 상태에 있도록 구성되기 때문에, 연결부는 윤활되기 쉽고 우수한 내구성 및 신뢰성을 보인다. 흡기 밸브(2)를 구동하는 로킹 캠(4)은 흡기 밸브 구동 샤프트(3)에 대해 동축이 되도록 정렬되기 때문에. 제어 정밀도는 예컨대 로킹 캠이 흡기 밸브 구동 샤프트(3) 이외의 별도의 지지 샤프트에 의해 지지되는 기구에 비해 더 우수하다. 또한, 장치 자체가 더욱 콤팩트해지고 우수한 엔진 장착 특성을 갖는다. 특히, 장치는 레이아웃에 큰 보정을 가하지 않고 직접 구동 밸브 트레인 내에 채용될 수 있다. 더욱이, 복귀 스프링이나 다른 스프링 로딩 수단이 요구되지 않기 때문에 밸브 트레인 내의 마찰은 낮은 수준으로 유지될 수 있다. 물론, 본 명세서로부터 흡기 밸브(2)의 작동 중심각 및 흡기 밸브 작동각을 연속적으로 변경시키도록 구성 및 배열되기만 한다면 다른 형태의 종래의 가변 밸브 작동 기구가 전술한 흡기 밸브 작동 기구(100) 용으로 사용될 수 있다는 것은 당업자에게 명백하다.
도4는 위상 변경 기구(20)의 단면도이다. 도4에서 알 수 있듯이, 위상 변경 기구(20)는 바람직하게는 제1 회전 본체(21), 제2 회전 본체(22), 원통형 중간 기어(23), 전자기식 리타더(24) 및 캠 스프라킷(25)을 포함한다. 제1 회전 본체(21)는 엔진(1)의 크랭크샤프트와 동조하여 회전하는 캠 스프라킷(25)에 고정되고 캠 스프라킷(25)과 일체 유닛으로서 회전하도록 구성된다. 제2 회전 본체(22)는 볼트(22a)와 흡기 밸브 구동 샤프트(3)의 일단에 고정되고 흡기 밸브 구동 샤프트(3)와 일체 유닛으로서 회전한다. 원통형 중간 기어(23)는 제1 회전 본체(21)의 방사상 내향으로 대면하는 표면과 나선형 스플라인(26)에 의해 제2 회전 본체(22)의 방사상 외향으로 대면하는 표면과 맞물린다.
드럼(27)은 3중 나사산 스크류(28)를 통해 중간 기어(23)에 결합되고 비틀림 스프링(29)이 드럼(27)과 중간 기어(23) 사이에 배열된다. 중간 기어(23)는 비틀림 스프링(29)에 의해 지각 방향(더욱 지각된 각도의 방향, 즉 도4에서 좌측 방향)으로 스프링 로드되고, 전압이 전자기식 리타더(24)에 인가되어 전자기력을 발생시킬 때 3중 나사산 스크류(28) 및 드럼(27)에 의해 진각 방향(즉, 도4에서 우측 방향)으로 이동된다. 중간 기어(23)의 축 위치에 따라, 제1 및 제2 회전 본체(21, 22)의 상대적인 위치가 변경되고, 그에 따라 크랭크샤프트에 대한 흡기 밸브 구동 샤프트(3)의 위상이 변경된다. 따라서, 위상 변경 기구(20)는 크랭크샤프트에 대 한 구동 샤프트(3)의 위상을 변경시킴으로써 흡기 밸브(2)의 작동 중심각을 변경시키도록 구성된다. 물론, 본 명세서로부터 캠 스프라킷에 대한 구동 샤프트(3)의 위상을 변경하도록 구성된 임의의 종래의 가변 밸브 작동 기구가 위상 변경 기구(20)로서 사용될 수 있다는 것은 당업자에게 명백하다. 전자기식 리타더(24)는 엔진(1)의 작동 조건에 따른 ECU(30)으로부터 제어 신호에 의해 제어(구동)된다.
ECU(30)는 (도2에 도시된) 각도 검출 센서(31, 32)에 의해 검출된 제어 샤프트(13) 및 흡기 밸브 구동 샤프트(3)의 각도 및 (센서에 의해 검출 또는 측정된) 크랭크각, 엔진 회전 속도, 로드 및 엔진 온도와 같은 엔진 작동 상태에 기초한 연료 분사 제어 및 점화 타이밍 제어와 같은 일반적인 엔진 제어를 수행하도록 구성된다. 추가적으로, ECU(30)는 흡기 밸브 작동 기구(100)를 제어함으로써 흡기 밸브(2)의 흡기 중심 위상(밸브 타이밍) 및 흡기 밸브(2)의 흡기 밸브 작동각(밸브 상승량)을 제어하도록 구성된다.
특히, ECU(30)는 가속기 가압량(APO) 및 엔진 회전 속도(Ne)와 같은 작동 특성에 기초하여 엔진(1)에 의해 발생될 목표 토크(tTe)를 계산 및 설정하도록 구성된다. 그후, ECU(30)는 계산된 목표 토크(tTe)에 기초하여 쓰로틀 밸브(102) 및 흡기 밸브 작동 기구(100)를 작동하도록 구성된다. 즉, ECU(30)는 목표 토크(tTe)에 도달하기 위해 요구되는 목표 신선 공기량(tQCYL)을 계산하고 목표 신선 공기량(tQCYL)에 기초하여 목표 흡기 밸브 작동각(tθeven)을 설정하도록 구성된다. 그리고 ECU(30)는 목표 흡기 밸브 작동각(tθeven)에 기초하여 흡기 밸브 작동 기구(100)를 작동하도록 구성된다. ECU(30)는 또한 실린더(104) 내로 실제로 도입된 보정된 실제 흡입 공기량(rQCYL)을 측정하고 목표 신선 공기량(tQCYL)과 보정된 실제 흡입 공기량(rQCYL) 사이에 차이(tQCYL-rQCYL)를 감소시키도록 하는 위치로 쓰로틀 밸브(102)를 작동시킴으로써 흡입 공기 압력(PMAN)을 조절하도록 구성된다.
본 발명에서, ECU(30)는 비율(QCYL/QMAX)에 대한 비율(QD/QMAX)의 각 값을 유일하게 정하고 비율(QD/QMAX)에 대한 비율(QCYL/QMAX)의 각 값을 유일하게 정하는 비율(QD/QMAX) 및 비율(QCYL/QMAX)의 함수를 확립하도록 기본 흡입 공기량(QD), 이론 최대 흡입 공기량(QMAX) 및 실제 실린더 흡입 공기량(QCYL)을 사용하고, 엔진(1)을 제어하는 함수를 사용하도록 구성된다. 기본 흡입 공기량(QD)은 공기가 흡기 밸브(2)의 밸브 특성에 상응하는 흡기 밸브 개방 면적에 대해 음속 유동으로서 실린더(104) 내에 도입될 때를 가정하여 흡입 공기량에 대응한다. 최대 흡입 공기량(QMAX)은 흡입 스트로크의 개시 타이밍부터 종료 타이밍까지의 실린더 스트로크 체적이 흡기 밸브(2)의 상류에 존재하는 흡입 공기 압력에서 흡입 공기로 채워질 때를 야기하는 이론적인 최대 흡입 공기량이다. 실제 실린더 흡입 공기량(QCYL)은 흡기 밸브(2)의 밸브 특성에 대응하는 흡입 공기량이다.
본 발명의 발명자는 전술한 바와 같이 정의된 기본 흡입 공기량(QD)과 최대 흡입 공기량(QMAX)이 사용될 때, 최대 흡입 공기량(QMAX)에 대한 실제 실린더 흡입 공기량(QCYL)의 비율(QCYL/QMAX)이 최대 흡입 공기량(QMAX)에 대한 기본 흡입 공기량(QD)의 비율(QD/QMAX)에 대해 유일하게 결정된다는 것을 발견하였다. 본 발명에서, 비율(QD/QMAX)은 제1 값을 구성하고, 비율(QCYL/QMAX)은 제2 값을 구성한다.
결과적으로, 흡기 밸브(2)의 밸브 타이밍 또는 다른 특성이 엔진(1)의 일시 적인 작동 상태하에 변경될 때, 비율(QCYL/QMAX) 대 비율(QD/QMAX)의 함수는 높은 정확도로 실제 실린더 흡입 공기량(QCYL)을 측정하는데 사용될 수 있고 최적의 연료 분사 제어가 양호한 응답으로 달성될 수 있으며, 그로 인해 엔진(1)의 작동 성능 및 배기 성능을 향상시킨다. 추가적으로, 비율(QCYL/QMAX)은 파라미터의 수가 크더라도 2차원 맵을 사용한 비율(QD/QMAX)에 기초하여 유일하게 결정될 수 있기 때문에, 실제 실린더 흡입 공기량(QCYL)은 다중 맵을 사용하지 않고 최소수의 계산으로 측정될 수 있다. 결과적으로, 요구되는 ROM 용량과 순응 단계 수가 억제된다.
추가적으로, 본 발명에서는 기본 흡입 공기량(QD)과 최대 흡입 공기량(QMAX)을 계산하는데 사용되는 흡입 스트로크의 개시 타이밍은 배기 압력과 사실상 동일한 압력으로부터 흡기 밸브(2)의 상류에 흡입 공기 압력과 사실상 동일한 압력까지 겹치는 기간동안[즉, 흡기 밸브(2)와 배기 밸브(5) 모두가 개방될 때] 감소하도록 실린더(104) 내측 압력에 대해 요구되는 지연 시간을 고려함으로써 결정된다. 따라서, 기본 흡입 공기량(QD)과 최대 흡입 공기량(QMAX)은 더욱 정확하게 결정될 수 있고, 실제 실린더 흡입 공기량(QCYL)은 높은 정확도로 결정될 수 있다.
더욱이, 본 발명에서는 엔진(1)이 흡입 공기의 유동이 쵸크되는 제1 영역[즉, 실린더(104) 내로 도입된 흡입 유동이 사실상 음속 유동인 영역) 또는 모든 다른 영역을 포함하는 제2 영역[즉, 실린더(104) 내에 상태가 유사 정적인 방식으로 변경된 영역) 내에서 작동하는지의 여부에 따라 보정된 실제 흡입 공기량(rQCYL)을 결정하도록 실제 실린더 흡입 공기량(QCYL)에 상이한 계산 방법(보정 방법)이 인가 된다. 특히, 본 발명의 내연 기관 제어 장치는 바람직하게는 엔진(1)이 제1 영역 내에서 작동할 때 실제 실린더 흡입 공기량(QCYL)에 대한 보정량을 사실상 0으로 설정하도록, 그리고 흡입 공기 맥동의 영향을 고려함으로써 실제 실린더 흡입 공기량(QCYL)을 보정하도록 구성된다. 즉, 엔진(1)이 제2 영역에서 작동할 때 실제 실린더 흡입 공기량(QCYL)은 공기 칼럼 진동을 고려한 실제 흡입 공기 온도의 역수에 비례하고 공기 칼럼 진동을 고려한 실제 흡입 공기 압력에 비례하는 특성에 기초하여 보정된다. 따라서, 실제 실린더 흡입 공기량(QCYL)은 각 작동 영역에 잘 맞는 방식으로 정확하게 보정될 수 있다. 특히, 엔진(1)이 제2 영역 내에서 작동할 때, 흡입 공기 맥동의 영향을 고려한 보정된 실제 흡입 공기량(rQCYL)의 정확한 계산이 간단한 방식으로 달성될 수 있다.
도5 내지 도10을 참조하면, ECU(30)에 의해 수행된 흡입 공기량 제어동안 시행되는 보정된 실제 흡입 공기량(rQCYL)의 계산이 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도5는 보정된 실제 흡입 공기량(rQCYL)을 측정하기 위해 ECU(30) 내에서 수행된 제어 단계의 주요 블록도를 도시하고 있다.
도5에서 알 수 있듯이, QD 계산 유닛(200, 기본 흡입 공기량 계산 섹션)은 흡기 밸브 개방 타이밍(IVO), 흡기 밸브 폐쇄 타이밍(IVC), 중첩 중심각(O/LCA), 상사점 오프셋량(TDCOFS), 흡입 공기량(매니폴드 내 압력의 평균값, PMAN), 흡입 공기 압력(매니폴드 내 온도의 평균값, TMAN) 및 엔진 회전 속도(NE)를 수신하도록 구성되고, 기본 흡입 공기량(QD)을 계산하도록 구성된다. 전술한 바와 같이, 기본 흡입 공기량(QD)은 공기가 흡기 밸브(2)의 밸브 특성에 대응하는 흡기 밸브 개방 영역에 대한 음속 유동으로서 실린더(104) 내로 도입되는 것으로 가정하여 얻어진 흡입 공기량에 대응한다.
특히, 기본 흡입 공기량(QD)은 아래에 도시된 수학식1을 사용하여 계산된다.
(수학식1)
Figure 112005056630650-pat00001
수학식1에서, AIV는 소정의 크랭크각(Δθ) 당 검출된 흡기 밸브 개방 면적이고, ΣAIV는 AIV 값의 적분값(합계)이다. 즉, ΣAIV는 흡기 밸브(2)가 개방 면적 AIV이 합계된(적분된) 각거리인 소정의 단위 크랭크각(Δθ)만큼 개방되는 기간동안 흡기 포트(101)의 총 개방 면적(즉, 단위 크랭크각 당 개방 면적 AIV의 합계)이다. Ra는 공기의 기체 상수이고, k는 공기의 비열이고, TMAN은 흡입 공기의 온도이다. 값(Δt)은 소정의 크랭크각(Δθ)이 시간값으로 변환되고 수학식 Δt=Δθ/(6×Ne)에 의해 계산될 때 얻어진다.
본 발명에서, 흡입 스트로크동안 실린더(104) 내에 상태의 변화가 단열 팽창으로 인해 발생되는 것으로 가정할 때 흡기 밸브(2)의 (도8의) 작동 중심각 IVctr에서 얻어진 실린더 압력(Pctr)은 상기 수학식1 내에 실린더 압력(PCYL)으로서 사용된다. 이런 방식으로 정의된 실린더 압력[PCYL,(=Pctr)]은 열역학의 이론 방정식을 사용하게 쉽게 계산될 수 있다. 단열 팽창 조건의 가정하에 얻어진 압력 (Pctr)이 전술한 바와 같이 실린더 압력(PCYL)으로 사용될 때, 흡입 공기의 유동은 이론적으로는 엔진(1)의 전체 작동 영역(모든 작동 영역)에 걸쳐 쵸크되고, 흡입 공기는 음의 속도(음속)로 실린더 내로 유동하는 것으로 가정될 수 있다. 결과적으로, 수학식1에서 압력 비율(PCYL/PMAN)은 상수인 임계 압력 비율(=[2/(κ+1)]κ/(κ-1))에 항상 대응한다고 가정될 수 있다. 따라서, 전술한 수학식1과 관련하여, 이론적인 음속 유동 상태는 흡기 밸브(2)를 통과하는 흡입 공기의 유동 속도가 음속으로 일정하게 존재한다. 따라서, 수학식1에서 계산된 기본 흡입 공기량(QD)은 가정 음속 흡입 공기량에 대응한다.
전술한 바와 같이, 음속 유동 상태에서, 수학식1 내에 흡입 공기 압력(PMAN)에 대한 실린더 압력(PCYL)의 비율(PCYL/PMAN)은 임계 압력 비율 이하의 값이다. 즉, 흡기 밸브(2)의 바로 상류 및 바로 하류의 압력의 비율은 임계 압력 비율에서 일정하게 유지된다. 따라서, 공기의 임계 압력 비율이 상수이기 때문에(PCYL/PMAN=[2/(κ+1)]κ/(κ-1)), 수학식1의 우변의 제3 요소는 고정값(상수) qSONIC로 간단하게 될 수 있다.
따라서, 수학식1은 아래의 수학식2로 다시 쓰여질 수 있다.
(수학식2)
Figure 112005056630650-pat00002
도6은 기본 흡입 공기량(QD)을 계산하기 위한 QD 계산 유닛(200)에 의해 수행되는 계산 단계를 도시한 블록도이다.
도6에서 알 수 있듯이, 개방 면적 적분 유닛(201)은 흡기 밸브 개방 타이밍(IVO)과 흡기 밸브 폐쇄 타이밍(IVC)을 수신하도록 구성되고, 밸브 상승량을 포함하는 흡기 밸브(2)의 밸브 특성을 결정하도록 구성된다. 흡기 밸브 개방 타이밍(IVO)과 흡기 밸브 폐쇄 타이밍(IVC)은 실행된 계산의 마지막(이전) 시간(즉, 이전 제어 싸이클)에 결정된 흡기 밸브 작동각과 작동 중심각으로부터 유도될 수 있다.
그리고, 개방 면적 적분 유닛(201)은 실제로 흡입 스트로크가 중첩 중심각(O/LCA)과 상사점 오프셋량(TDCOFS)에 기초한 단열 변화로 인해 개시되는 유효 상사점(이하 "유효 TDC")을 계산하도록 구성된다. 중첩 중심각(O/LCA)은 흡기 밸브(2)의 상승량과 배기 밸브(5)의 상승량 사이의 차이가 사실상 제로 또는 가장 작은 크랭크각이다. 본 발명의 본 실시예에서, 배기 밸브(5)의 밸브 타이밍이 고정되어 있기 때문에 중첩 중심각(O/LCA)은 흡기 밸브 작동각 및 작동 중심각으로부터 유도될 수 있다.
개방 면적 적분 유닛(201)은 또한 흡기 밸브(2)의 밸브 특성에 기초하여 흡기 밸브 폐쇄 타이밍(IVC)과 유효 TDC 사이에 흡기 밸브(2)가 개방되는 기간 동안 단위 크랭크각(Δθ) 당 흡기 밸브 개방 면적 AIV을 계산하도록 구성된다. 그리고, 개방 면적 적분 유닛(201)은 개별적으로 계산된 AIV 값을 적분(합산)함으로써 개방 면적 적분값 ΣAIV을 계산하도록 구성된다. 본 발명에서, 전술한 수학식1의 전체 개방 면적 ΣAIV 부분을 계산하기 위한 계산 기간 PRDQD(도8)는 밸브 특성에 대응하는 흡기 밸브(2)의 유효 TDC로부터 흡기 밸브 폐쇄 타이밍(IVC)까지의 기간으로 설정된다. 유효 TDC를 계산하는 방법은 이하에서 더 상세하게 설명될 것이다.
도6에서 알 수 있듯이, QD 계산 유닛(200)은 기체 상수(Ra)를 흡입 공기 온도(TMAN)에 곱하고(제어 단계 202), 맵을 참조하여 그것의 1/2승[즉, (TMAN×Ra)1/2]을 계산하고(제어 단계 203), 1/2승 값[(TMAN×Ra)1/2]으로 흡입 공기 압력(PMAN)을 나누도록(제어 단계 204) 구성된다. 이 방법에서, 전술한 수학식 2의 우변의 제2 부분[(PMAN/(TMAN×Ra)1/2]이 계산된다.
추가로, QD 계산 유닛(200)은 적분 시간 간격(Δt)을 계산하도록 엔진 회전 속도(Ne) 곱하기 6(즉, 6×Ne)으로 소정의 크랭크각(Δθ)을 나누도록 구성된다(제어 단계 205).
그리고, 전술한 바와 같이 제어 단계 206 내지 208에서 계산된 흡기 밸브 개방 면적 적분값 ΣAIV, 값 PMAN/(TMAN×Ra)1/2, 상수 qSONIC 및 적분 시간 간격 Δt를 연속적으로 곱함으로써, QD 계산 유닛(200)은 전술한 수학식2에 따라 기본 실린더 흡입 공기량(QD)을 계산하도록 구성된다.
다시 도5를 참조하면, QD 계산 유닛(200)과 유사하게, QMAX 계산 유닛(300, 최대 흡입 공기량 계산 섹션)은 흡기 밸브 개방 타이밍(IVO), 흡기 밸브 폐쇄 타이밍(IVC), IVC 오프셋량(IVCOFS), 상사점 오프셋량(TDCOFS), 흡입 공기량(PMAN), 흡 입 공기 압력(TMAN) 및 엔진 회전 속도(NE)를 수신하도록 구성되고, 아래에 설명된 흡입 공기량(QMAX)을 계산하도록 구성된다.
도7은 최대 흡입 공기량(QMAX)을 계산하기 위해 QMAX 계산 유닛(300)에 의해 수행된 계산 단계를 도시한 블록도이다.
전술한 바와 같이, 최대 흡입 공기량(QMAX)은 흡입 스트로크의 개시 타이밍부터 종료 타이밍까지의 실린더 스트로크 체적이 흡기 밸브(2)의 상류에 존재하는 흡입 공기 온도 및 압력(또는 밀도)에서 흡입 공기로 채워질 때를 야기하는 이론적인 흡입 공기량으로 정의된다. 즉, 최대 흡입 공기량(QMAX)은 흡기 밸브(2)의 밸브 타이밍 특성을 고려하여 흡입 스트로크 동안 실린더(104) 내로 이론적으로 도입될 수 있는 최대 흡입 공기량에 대응한다. 정적 관점에서, 스트로크 체적은 흡기 밸브 폐쇄 타이밍(IVC)에서의 실린더 체적으로부터 상사점(TDC)에서의 실린더 체적을 뺌으로써 얻어진 값이다. 그러나, 실제로는 흡입 스트로크의 개시 타이밍 및 흡입 스트로크의 종료 타이밍은 각각 상사점(TDC) 및 흡기 밸브 폐쇄 타이밍(IVC)과 동시에 발생하지 않는다.
예컨대, 도8은 흡입 스트로크 동안 크랭크각(CA)과 흡기 밸브(2)의 흡기 밸브 상승량(IV, 밸브 특성 중 하나) 및 배기 밸브(5)의 배기 밸브 상승량(EV)과, 실린더 압력(PCYL)과, 흡기 밸브(2)를 통한 공기의 유량(QIV, 단위 크랭크각 당 실린더 흡입 공기량) 사이의 관계를 도시하는 시간 도표이다. 도8은 흡기 밸브 폐쇄 타이밍(IVC)이 하사점 후에 발생하도록 제어된 경우를 도시하고 있다.
도8에 도시된 바와 같이, 실린더 내측 압력[실린더 압력(PCYL)]은 흡기 밸브 폐쇄 타이밍(IVC)에 도달되기 전에 공기 흡입 압력(PMAN)에 도달한다. 또한, 단열 압축 효과 또는 변화가 흡기 밸브 폐쇄 타이밍(IVC)에 도달하기 전에 개시된다. 즉, 흡입 스트로크의 실제 종료 타이밍은 흡기 밸브 폐쇄 타이밍(IVC)으로부터 IVC 오프셋량 IVCOFS(흡입 단부 타이밍 오프셋값)만큼 오프셋된다. 흡입 스트로크의 실제 종료 타이밍이 흡기 밸브 폐쇄 타이밍(IVC)보다 더 진각된 IVC 오프셋량(IVCOFS)은 관성 효과가 증가하기 때문에 엔진 회전 속도(Ne) 및 밸브 상승량을 증가시킨다.
따라서, 도7의 블록도에 도시된 바와 같이, QMAX 계산 유닛(300)은 먼저 흡기 밸브 개방 타이밍(IVO)과 흡기 밸브 폐쇄 타이밍(IVC)에 기초하여 결정된 것과 같은 흡기 밸브(2)의 밸브 특성에 기초하여 밸브 상승량(최대 상승량, Iv)을 계산하도록 구성된다.
다음으로, QMAX 계산 유닛(300)은 IVC 오프셋량(IVCOFS)[즉, 실제 흡입 스트로크의 종료 타이밍이 흡기 밸브 폐쇄 타이밍(IVC)보다 더 진행된 양] 대 엔진 회전 속도(Ne) 및 밸브 상승량(Iv)을 도시하는 맵을 판독하도록 그리고 IVC 오프셋량(IVCOFS)을 찾기 위해 맵을 참조하도록 구성된다(제어 단계 302). 제어 단계 302에 사용된 맵은 바람직하게는 도7에 도시된 것보다 엔진 회전 속도(Ne)가 더 높고 흡기 밸브(2)의 밸브 상승량(Iv)이 더 작을 때 IVC 오프셋량(IVCOFS)이 더 큰 값으로 설정되도록 하는 특정을 갖는다.
그리고, QMAX 계산 유닛(300)은 흡입 스트로크가 실제로 종료된 때(즉, 흡입 스트로크의 종료 타이밍)에 대응하는 유효 IVC로서 사용될 크랭크각 상태를 계산하 도록 흡기 밸브 폐쇄 타이밍(IVC)으로부터 맵에서 얻어진 IVC 오프셋량(IVCOFS)을 빼도록 구성된다(제어 단계 303). 즉, 본 발명에서 유효 IVC는 흡기 밸브 폐쇄 타이밍(IVC)이 IVC 오프셋량(IVCOFS)만큼 진각할 때 타이밍으로서 계산된다.
더욱이, 흡입 상사점(TDC)과 흡입 스트로크의 개시 타이밍[즉, 실린더 압력이 흡입 공기 압력(PMAN)고 정합하고 흡입 스트로크가 단열 팽창 효과 또는 변화로 인해 개시되는 타이밍] 사이에 편차가 흡기 밸브(2)와 배기 밸브(5) 모두 개방되는 밸브 중첩에 의해 야기된 배기 블로백으로 인해 발생한다. 즉, 도8에 도시된 바와 같이, 밸브 중첩 상태하에 흡기 밸브(2)가 개방된 후에 실린더(104) 내측 압력은 배기 압력(PE)으로부터 점차 감소하여 흡입 상사점(TDC)의 발생보다 더 늦은 타이밍에서 흡입 공기 압력(PMAN)에 도달한다. 이런 더 늦은 타이밍에서 단열 팽창으로 인해 흡입 스트로크(즉, 유효 TDC)가 개시된다. 실린더(104) 내측 압력은 흡기 밸브(2)의 개방 면적이 작기 때문에 흡기 밸브(2)가 개방하기 시작한 직후에 감소하지 않는다. 실린더 압력의 현저한 감소는 도8에서 알 수 있듯이 배기 브로백 유량이 가장 큰 중첩 중심각(O/LCA)의 근처에서 시작된다. 따라서, 유효 TDC는 중첩 중심각(O/LCA)에서 실린더 압력(PCYL)이 흡입 공기 압력(PMAN)에 도달하는 타이밍까지 사이에 오프셋량[TDC 오프셋량(TDCOFS)] 또는 지연 타이밍에 기초하여 결정된다. 관성 효과가 증가하고 실린더 압력 내의 경사도가 감소하기 때문에 실린더 압력이 감소하기 시작하는 타이밍 뒤에 [즉, 중첩 중심각(O/LCA)의 근처에서] 유효 TDC(즉, 흡입 스트로크가 개시된 실제 타이밍)가 지연되는 양이 엔진 회전 속도(Ne)가 증가하고 밸브 중첩량(중첩 개방 면적)이 감소하는 것과 같이 증가한다.
따라서, 도7에 도시된 바와 같이, QMAX 계산 유닛(300)은 흡기 밸브 개방 타이밍(IVO)과 흡기 밸브 폐쇄 타이밍(IVC)을 판독하고 밸브 중첩 중심각(O/LCA)을 결정하도록 구성된다(제어 단계 304). 특히, QMAX 계산 유닛(300)은 흡기 밸브 폐쇄 타이밍(IVC)과 흡기 밸브 개방 타이밍(IVO)에 기초하여 흡기 밸브 특성(IV)을 결정하고 흡기 밸브 특성(IV)과 고정된 배기 밸브 특성(EV) 모두의 상승량이 동일한 크랭크각(즉, 2개의 특성의 교차점)을 계산하도록 구성된다. 계산된 크랭크각은 중첩 중심각(O/LCA)으로 사용된다.
다음으로, QMAX 계산 유닛(300)은 소정의 맵을 참조하여 중첩 중심각(O/LCA)에 대응하는 중첩 개방 면적(O/LA,=흡기 밸브 개방 면적=배기 밸브 개방 면적)을 계산하도록 구성된다(제어 단계 305). 제어 단계 305에 사용된 소정의 맵의 특성은 중첩 중심각(O/LCA)이 작을수록(즉, 더 진각할수록) 중첩 개방 면적(O/LA)이 크게 된다.
다음으로, QMAX 계산 유닛(300)은 TDC 오프셋량(TDCOFS, 흡입 개시 타이밍 오프셋값, 즉 중첩 중심각(O/LCA) 뒤에 지연된 유효 TDC량) 대 엔진 회전속도(Ne) 및 중첩 개방 면적(O/LA)을 도시하는 맵을 판독하고, 맵을 참조하여 TDC 오프셋량(TDCOFS)을 찾도록 구성된다(제어 단계 306). 도7에서 알 수 있듯이, 제어 단계 306에 사용된 맵은 바람직하게는 중첩 기간동안 중첩 개방 면적(O/LA) 더 작을 때 그리고 엔진 회전 속도(Ne)가 더 클 때 TDC 오프셋량(TDCOFS)이 더 큰 값으로 설정되는 특성을 갖는다.
QMAX 계산 유닛(300)은 유효 TDC로 사용될 크랭크각을 얻도록 중첩 중심각 (O/LCA)에 TDC 오프셋량(TDCOFS)을 더하도록 구성된다(제어 단계 307). 중첩 개방 면적에 대해, 흡기 밸브 개방 타이밍(IVO)에서 중첩 중심각(O/LCA)까지 기간동안 발생하는 흡기 밸브 개방 면적의 적분값(ΣAIV)을 사용하는 것이 허용된다. 이러한 적분값은 후술되는 배기 가스 블로백량의 계산에도 사용된다.
유효 TDC(즉, 흡입 스트로크의 실제 개시 타이밍)와 유효 IVC(즉, 흡입 스트로크의 실제 종료 타이밍)에 기초하여, QMAX 계산 유닛(300)은 아래 도시된 수학식3을 사용하여 흡입 스트로크 동안 실린더 내로 도입될 수 있는 공기의 최대량[즉, 최대 흡입 공기량(QMAX)]을 계산하도록 구성된다.
(수학식3)
Figure 112005056630650-pat00003
VEIVC : 유효 IVC에서 실린더 체적
VETDC : 유효 TDC에서 실린더 체적
도7에 도시된 바와 같이, QMAX 계산 유닛(300)은 흡기 밸브 개방 타이밍(IVO), 흡기 밸브 폐쇄 타이밍(IVC) 및 유효 TDC를 획득하고 맵을 참조함으로써 흡기 밸브 특성에 기초하여 유효 TDC에서 실린더 체적(VETDC)을 계산하도록 구성된다(제어 단계 308). 마찬가지로, QMAX 계산 유닛(300)은 흡기 밸브 개방 타이밍 (IVO), 흡기 밸브 폐쇄 타이밍(IVC) 및 유효 IVC를 획득하고 맵을 참조함으로써 유효 IVC에서 실린더 체적(VEIVC)을 계산하도록 구성된다(제어 단계 309).
QMAX 계산 유닛(300)은 실린더 체적(VEIVC)에서 실린더 체적(VETDC)을 뺌으로써 유효 스트로크 체적(VE,=VEIVC-VETDC)을 계산하도록 구성된다(제어 단계 310).
또한, QD 계산 유닛(200)에서 수행된 계산과 유사하게, QMAX 계산 유닛(300)은 기체 상수(Ra)를 흡입 공기 온도(TMAN)에 곱하고(제어 단계 311), 맵을 참조하여 그것의 1/2승[즉, (TMAN×Ra)1/2]을 계산하고(제어 단계 312), 1/2승 값[(TMAN×Ra)1/2]으로 흡입 공기 압력(PMAN)을 나누도록(제어 단계 313) 구성된다. 마지막으로 QMAX 계산 유닛(300)은 유효 스트로크 체적(VE)을 PMAN/(TMAN×Ra)1/2에 곱함으로써 전술한 수학식3에 따른 최대 흡입 공기량(QMAX)을 계산하도록 구성된다(제어 단계 314).
본 발명의 발명자는 실험, 시뮬레이션 등에 의해 실린더 내로 도입될 수 있는 최대 공기량에 대한 실제 실린더 흡입 공기량(QCYL)의 비율로 정의된 파라미터[즉, 최대 흡입 공기량(QMAX)]는 앞선 문단에서 설명된 것과 같이 계산된 최대 흡입 공기량(QMAX)과 기본 흡입 공기량(QD)의 비율(QD/QMAX)로 정의된 파라미터[즉, 그 순간에 효과적으로 흡기 밸브(2)의 특정 밸브 특성의 조건하에 실린더(104) 내로 도입될 수 있는 공기의 최대량에 대한 음속 유동에 의해 실린더 내로 도입될 수 있는 공기량의 비율로 정의된 파라미터)에 대해 유일하게 결정된다는 것을 확인하였 다. "비율(QCYL/QMAX)은 비율(QD/QMAX)에 대해 유일하게 결정된다"는 표현은 밸브 타이밍, 밸브 상승량 및 다른 밸브 특성의 차이로 인해 기본 흡입 공기량(QD)과 최대 흡입 공기량(QMAX)이 변할 때 조차도 비율(QD/QMAX)이 동일한 값을 갖기만 하면 비율(QCYL/QMAX)은 동일한 값을 가질 것이라는 것을 의미한다[즉, 비율(QCYL/QMAX)의 각 값은 밸브 특성의 변화와 상관없이 비율(QD/QMAX)의 동일한 유일한 값과 대응하고 역으로도 대응한다). 따라서, 비율(QCYL/QMAX)과 실제 실린더 흡입 공기량(QCYL)은 단지 기본 흡입 공기량(QD)과 최대 흡입 공기량(QMAX)을 찾음으로써 측정될 수 있고, 실제 실린더 흡입 공기량(QCYL)은 최소 파라미터 수로 2차원 맵을 사용하여 측정될 수 있다.
따라서, 본 발명에서, 비율(QCYL/QMAX)과 비율(QD/QMAX) 사이의 관계(함수)는 실험이나 시뮬레이션에 의해 미리 발견되고, 비율(QCYL/QMAX) 대 비율(QD/QMAX)을 좌표에 도시한 맵이 준비되고 바람직하게는 ECU(30)의 메모리 소자(ROM과 같은) 내에 저장된다. 특히, 실린더 흡입 공기량(QCYL)을 측정하기 위해, 실제 실린더 흡입 공기량(QCYL)과 실린더 압력(PCYL,=Pctr)에 기초하여 앞서 도시된 수학식1을 사용하여 계산된 기본 실린더 흡입 공기량(QD) 사이에 관계는 이론적인 최대 흡입 공기량(QMAX)을 사용하여 무차원 데이터로 ECU(30)에 저장된다. 즉, 이론적인 최대 흡입 공기량(QMAX)에 대한 실린더 흡입 공기량(QCYL)의 비율(제2 값=QCYL/QMAX)과 이론적인 최대 흡입 공기량(QMAX)에 대한 기본 실린더 흡입 공기량(QD)의 비율(제1 값=QD/QMAX) 사이의 유일한 일대일 관계가 표 데이터(즉, 도5의 제어 단계 402에 도시된 표 데이터)로 형성되고 ECU(30)의 메모리 소자 내에 저장된다.
도5를 참조하면, QD 계산 유닛(200)에 의해 계산된 기본 흡입 공기량(QD)은 QMAX 계산 유닛(300)에 의해 계산된 최대 흡입 공기량(QMAX)으로 나누어지고(제어 단계 401), 결과값(QD/QMAX)은 결과값(QCYL/QMAX)에 대해 맵을 조사하기 위한 파라미터로 사용된다(제어 단계 402). 따라서, 제어 단계 402는 본 발명의 엔진 제어 섹션의 적어도 일부를 구성한다.
그리고, 실제 실린더 흡입 공기량(QCYL)은 맵으로부터 얻어진 값(QCYL/QMAX)을 초기 실제 실린더 흡입 공기량(QCYL0)을 얻기 위해 최대 흡입 공기량(QMAX)의 계산된 값과 곱함으로써 계산된다(제어 단계 403). 이 방식에서 계산된 초기 실제 실린더 흡입 공기량(QCYL0)은 실린더(104) 내에 실제로 도입된 가스의 양이지만, 밸브 중첩 기간동안 흡기 포트(101a)를 통해 실린더(104)로 복귀하는 배기 블로백 가스를 포함한다. 엔진 제어를 위해 요구되는 신선 흡입 공기량을 측정하기 위해, 블로백 배기 가스량과 같은 양을 빼야한다.
따라서, ECU(30)는 도5에 도시된 바와 같이 QIFB 계산 유닛(500, 배기 블로백 보정 섹션) 내에 배기 블로백량(QIFB)을 계산하도록 구성된다.
도9는 배기 블로백량(QIFB)을 계산하기 위해 QIFB 계산 유닛(500)에 의해 수행되는 계산 단계를 도시한 블록도이다.
실린더(104) 내측에 연속적인 압력 변화를 검출하는 것이 사실상 불가능하기 때문에, 기본 상태에 대응하는 배기 블로백량(QIFB)에 대한 기본값[기본 배기 블로백량(QIFB0)]이 측정되고, 기본 배기 블로백량(QIFB0)은 배기 블로백량(QIFB)을 측정하도록 엔진(1)의 작동 상태에 기초하여 보정된다. 흡기 밸브 개방 타이밍(IVO) 부터 중첩 중심각(O/LCA)까지 기간동안 발생하는 흡기 밸브 개방 면적(AIV)의 적분값(ΣAIV)은 밸브 중첩 기간동안 개방 면적으로 사용되고, 실린더(104) 내측 압력이 배기 압력(PE)과 동일한 것으로 가정되는 상태에 대응하는 기본 배기 블로백량값(QIFB0)이 아래의 수학식4를 사용하여 계산된다. 이 수학식은 전술한 수학식1과 유사하다.
(수학식4)
Figure 112005056630650-pat00004
수학식4에서 V0는 아래와 같이 정의된 유량 계수이다.
Figure 112005056630650-pat00005
여기서, 흡기 밸브(2)의 바로 상류 그리고 바로 하류의 비율이 임계 압력 이하일 때, 압력 비율(PMAN/PE)은 일정한 임계 압력 비율로 대체되고 V0의 값은 음속 유동에 대응하는 고정값으로 된다.
그리고, 유효 TDC의 계산과 관련하여 설명된 바와 같이, 엔진 회전 속도(Ne)가 더 높을수록 실린더 압력이 배기 압력(PE)으로부터 감소하는 타이밍은 더 느려지고 배기 블로백량은 더 커진다.
도9에 도시된 바와 같이, QIFB 계산 유닛(500)은 흡기 밸브 개방 타이밍(IVO)에서부터 중첩 중심각(O/LCA)까지의 기간동안 발생하는 흡기 밸브 개방 면적(AIV)의 적분값(ΣAIV)을 먼저 계산하도록 구성된다(제어 단계 501).
다음으로, QIFB 계산 유닛(500)은 배기 가스 온도(TE)를 기체 상수(Ra)와 곱하고(제어 단계 502), 맵을 참조하여 그것의 1/2승[즉, (TE×Ra)1/2]을 계산하고(제어 단계 503), 1/2승 값[(TE×Ra)1/2]으로 배기 압력(PE)을 나누고(제어 단계 504), 그로 인해 수학식 4의 우변의 제2 부분[(PE/(TE×Ra)1/2]을 계산한다. 싸이클당 배기 통로(107) 내측에 평균 압력 및 평균 온도는 바람직하게는 각각 배기 압력(PE)과 배기 가스 온도(TE)로서 사용된다.
파라미터로서 압력 비율(PMAN/PE)을 사용하여, QIFB 계산 유닛(500)은 유량 계수(V0) 대 압력 비율(PMAN/PE)을 도시한 맵을 참조함으로써 유량 계수(V0)를 계산하도록 구성된다(제어 단계 505).
전술한 기본 흡입 공기량(QD)의 계산과 마찬가지로, 소정의 크랭크각(Δθ)은 엔진 회전 속도(Ne)와 6의 곱(즉, 6×Ne)으로 나누어져서 적분 시간 간격[Δt,=Δθ/(6×Ne)]을 계산한다(제어 단계 506).
QIFB 계산 유닛(500)은 또한 엔진 회전 속도(Ne)에 기초하여 맵을 참조함으로써 보정 계수(K3)를 계산하도록 구성된다(제어 단계 507). 계수(K3)는 바람직하게는 도9에서 알 수 있듯이 1 이상의 값으로 설정되며 엔진 회전 속도(Ne)에 비례한다.
QIFB 계산 유닛(500)은 전술된 것처럼 흡기 밸브 개방 면적 적분값(ΣAIV), PE/(TE×Ra)1/2 값, 상수(V0) 및 계산된 적분 시간 간격(Δt)을 연속적으로 곱함으로써 기본 배기 블로백량(QIFB0)을 계산하도록 구성되고(제어 단계 508 내지 510), 기본 배기 블로백량(QIFB0)에 보정 계수(K3)를 곱함으로써 최종 배기 블로백량(QIFB)을 계산하도록 구성된다(제어 단계 511).
다시 도5를 참조하면, ECU(30)는 초기 실제 실린더 흡입 공기량(QCYL0)에서 배기 블로백량(QIFB)을 뺌으로써 실린더 신선 공기 흡입량(QCYL1)을 계산하도록 구성된다(제어 단계 404).
계산된 신선 공기 흡입량(QCYL1)은 실린더(104) 내로 도입되는 신선 공기량에 대응하지만, 전술한 계산은 매니폴드 흡입 공기 압력(PMAN)에 대한 복수의 검출값의 평균을 사용하고, 그에 따라 흡입 공기 맥동으로부터 야기되는 매니폴드 흡입 공기 압력(PMAN)의 변화가 매끄러워진다. 즉, 신선 공기 흡입량(QCYL1)은 흡입 압력(PCYL)과 흡입 공기 압력(PMAN)에 기초하여 정적인 실린더 공기량으로서 계산된다.
실제로, 흡입 공기 압력(PMAN)은 흡입 공기 맥동으로 인해 변하고 흡입 공기 온도(TMAN)가 또한 그에 따라 변한다. 흡입 공기 압력(PMAN)과 흡입 공기 온도(TMAN)의 변화의 결과로 실린더 내로 도입되는 신선 공기량이 변하기 때문에, 신선 공기 흡입량은 흡입 공기 맥동을 보상하는 보정을함으로써 더욱 정밀하게 측정될 수 있다. 따라서, 보정된 실제 실린더 흡입 공기량(rQCYL)을 계산하기 위해, ECU(30)는 흡입 공기 맥동으로부터 야기된 실린더 흡입 공기량의 변화량에 기초하여 신선 흡입 공기량(QCYL)에 대한 보정을 하도록 구성된다.
본 발명에서, 실린더 흡입 공기량 특성은 엔진(1)의 작동 영역에 따라, 즉 엔진(1)이 흡입 공기의 유동이 쵸크되는(음속 유동 상태) 제1 영역에서 작동하는지 또는 제1 영역 이외의 모든 영역을 포함하는 제2 영역에서 작동하는지에 따라 상이한 2개의 특성으로 한정된다. 제2 영역에서, 실린더(104) 내측의 상태 또는 조건의 변화는 유사 정적인 방식으로 진행될 것이라고 가정한다. 따라서, ECU(30)는 엔진(1)이 제1 영역에 있는지 제2 영역에 있는지에 따라 상이한 보정 특성을 사용함으로써 신선 흡입 공기량(QCYL1)을 보정하도록 구성된다.
흡입 공기 맥동을 보상하기 위한 제어 단계가 설명될 것이다.
먼저, 흡기 밸브(2)를 통과하는 흡입 공기의 단위 시간(Δt) 당 유량(ΔQCYL)이 아래의 수학식5로 표현된다.
(수학식5)
Figure 112005056630650-pat00006
실제 실린더 신선 공기 흡입량(QCYL)은 흡입 스트로크 동안 계산된 ΔQCYL값을 적분함으로써 계산된다.
단위 시간(Δt) 당 유량(ΔQCYL)이 음속 유동에 대응하는 제1 영역에서는, 흡기 밸브(2)의 바로 상류 및 하류의 압력의 비율[즉, 수학식 5에서 (QCYL/QMAX)]은 흡입 공기 맥동으로부터 야기되는 흡입 공기 압력 변화에 의해 영향을 받지 않고 임계 압력 비율로 고정된다. 따라서, 전술한 수학식5의 제3 요소(1/2승 부분)는 고정된 값(상수)일 것이다. 결과적으로, 아래의 수학식6에 의해 표현되는 관계가 제1 영역 내에 존재할 것이다.
(수학식6)
Figure 112005056630650-pat00007
전술한 수학식6은 제1 영역(QCYLfst) 내의 실린더 흡입 공기량이 흡입 공기 압력(PMAN)에 비례하고 흡입 공기 온도(TMAN)의 1/2승의 역수에 비례한다는 것을 나타낸다.
한편, 유동 속도(ΔQCYL/AIV)가 0에 가까우면서 실린더 체적이 유사 정적인 방식으로 변하는 제2 영역에서는, 흡입 스트로크의 마지막[흡기 밸브(2)가 폐쇄될 때]에 실린더(104) 내측의 압력 및 온도는 흡기 매니폴드 내측의 흡입 공기 압력 및 흡입 공기 온도와 동일하다. 따라서, 아래의 수학식7에 표현된 관계는 흡기 밸브 폐쇄 타이밍(IVC)에서 실린더가 흡입 통로(101) 내측에 흡입 공기의 밀도 및 온도에서 흡입 공기로 채워진다는 것을 가정하에 기체 상태 방정식에 기초하여 명백하다. 즉, 제2 영역(QCYLscd) 내에 실린더 흡입 공기량이 이런 조건들의 가정을 기초한 상태 방정식으로 표현될 때, 흡입 공기 맥동으로부터 야기되는 흡입 공기 압력 변화(ΔPMANIVC) 및 흡입 공기 온도 변화(ΔTMANIVC)가 고려된다면 이하의 관계가 야기된다.
(수학식7)
Figure 112005056630650-pat00008
전술한 수학식7은 제2 영역(QCYLscd) 내의 실린더 흡입 공기량이 공기 칼럼 진동을 고려한 실제 흡입 공기 압력(PMAN+ΔPMANIVC)에 비례하고 공기 칼럼 진동을 고려한 실제 흡입 공기 온도(TMAN+ΔTMANIVC)에 비례한다는 것을 나타낸다. 상기 수학식7에서, PMAN과 TMAN은 평균 또는 대표 압력 및 온도값이고 ΔPMANIVC 및 ΔTMANIVC는 평균 흡입 공기 압력(PMAN)과 평균 흡입 공기 압력(TMAN)에 대한 흡기 밸브 폐쇄 타이밍(IVC)에서 흡입 공기 압력(PMANIVC) 및 흡입 공기 온도(TMANIVC)의 변화량이다. 본 실시예에서, 기호 ∝는 수학식의 좌변 상의 값이 수학식의 우변 상의 값에 비례한다는 것을 의미한다.
도10은 흡입 공기 압력 변화(ΔPMANIVC) 및 흡입 공기 온도 변화(ΔTMANIVC)를 계산하기 위해 ECU(30)에 의해 수행되는 계산 단계를 도시한 블록도이다.
흡입 압력 변화 및 흡입 온도 변화에 대한 기본 값(ΔP0 및 ΔT0)은 각각 시뮬레이션에 기초하여 진행되어 준비된 맵을 참조함으로써 계산된다(제어 단계 601 및 602). 이 제어 단계 601 및 602에 사용된 맵은 파라미터로서 흡기 밸브 폐쇄 타이밍(IVC)에서 흡기 밸브 개방 타이밍(IVO)을 뺌으로써 얻어진 차이[즉, 흡기 밸브 작동각(IVC-IVO)] 및 엔진 회전 속도(Ne)를 사용하도록 구성된다. 기본 값(ΔP0 및 ΔT0)은 흡입 공기 압력 변화(ΔPMANIVC) 및 흡입 공기 온도 변화(ΔTMANIVC)를 계산하도록 로드 비율로서 압력 비율(PMAN/P0)을 (PMAN은 매니폴드 내 흡입 공기 압력이고, P0는 대기압이다) 모두 곱한다(제어 단계 603 내지 605). 따라서, 기본 값(ΔP0 및 ΔT0)은 흡입 공기 압력 변화(ΔPMANIVC) 및 흡입 공기 온도 변화(ΔTMANIVC)를 계산하도록 각각 실제 흡입 공기 압력(PMAN) 및 실제 흡입 공기 온도(TMAN)에 기초하여 보정된다.
그리고, 엔진(1)의 전체 작동 영역(제1 및 제2 영역을 포함)을 커버하도록 수학식7에 표현된 제2 특성 및 수학식 6에 표현된 제1 특성 모두를 만족하는 단일 특성(제3 특성)이 가장 정확할 것 같은 방식으로 근사치 계산된다. 특히, (아래 도시된) 전술한 수학식7에 표현된 유사 정적으로 변하는 상태와 수학식6에 표현된 음속 유동 상태를 포함하는 모든 영역(QCYLall) 내에 흡입 공기량을 표현하는 일반 수학식8이 보정 계수(K1 및 K2)를 설정함으로써 얻어질 수 있다. 수학식6에 의해 표현된 음속 상태로부터 수학식7에 의해 표현된 유사 정적으로 변하는 상태로 흡입 상태가 바뀜에 따라, 보정 계수(K1)는 흡입 맥동으로부터 야기된 변화량이 증가된다는 사실을 보상하도록 작용한다. 보정 계수(K2)는 수학식6에 의해 표현된 음속 상태로부터 수학식7에 의해 표현된 유사 정적으로 변하는 상태로의 이행을 매끄럽게 하는 작용을 한다. 본 실시예에서, 보정 계수(K1 및 K2)는 흡입 공기 유동의 상태에 따라 변할 수 있다. 보정 계수(K1 및 K2) 각각은 바람직하게는 0 이상이고 1이하이다. 보정 계수(K1 및 K2)의 값은 바람직하게는 비율(QCYL/QMAX)이 커짐에 따라 보정 계수(K1 및 K2)가 설정되는 값이 커지도록 이론 최대 흡입 공기량(QMAX)에 대한 실린더 흡입 공기량(QCYL)의 비율에 따라 설정된다.
(수학식8)
Figure 112005056630650-pat00009
한편, 흡입 공기 맥동이 고려되지 않을 때[즉, 흡입 공기 압력 변화(ΔPMANIVC) 및 흡입 공기 온도 변화(ΔTMANIVC)가 0일 때] 신선 흡입 공기량(QCYL1)을 계산하는 수학식9는 일반 방정식8로부터 아래와 같이 얻어질 수 있다.
(수학식9)
Figure 112005056630650-pat00010
전술한 수학식8 및 수학식9를 기초로 하여, 이하의 관계가 얻어질 수 있다.
Figure 112005056630650-pat00011
그리고, 보정량(PRATE) 및 보정량(TRATE)이 아래와 같이 정의된다.
Figure 112005056630650-pat00012
따라서, 수학식9와 동일한 관계는 아래와 같이 보정된 실제 실린더 흡입량(rQCYL)을 얻도록 수학식10으로 표현될 수 있다.
(수학식10)
rQCYL=QCYL1×PRATE×TRATE
도5를 참조하면, ECU(30)는 앞서 전술한 바와 같이 맵으로부터 얻어진 비율(QCYL/QMAX)에 기초하여 맵을 참조함으로써 흡입 공기 맥동에 대응하는 보정 계수(K1)를 계산하도록 구성된다(제어 단계 405). 도5에 도시된 바와 같이, 실린더(104) 내측 상태 변화가 유사 정적 변화에 근접하기 때문에, 보정 계수(K1)는 0 이상 1 이하이며 비율(QCYL/QMAX)에 대한 제2차수 방식으로 증가하도록 설정된다.
그리고, ECU(30)는 흡입 공기 압력 변화(ΔPMANIVC)에 보정 계수(K1)를 곱하고(제어 단계 406), 그 값(K1×ΔPMANIVC)에 흡입 공기 압력(PMAN)을 더하고(제어 단계 407), 그 값(PMAN+K1×ΔPMANIVC)을 흡입 공기 압력(PMAN)으로 나누고(제어 단계 408), 그로 인해 흡입 공기 압력의 변화를 보상하도록 구성된 보정량(PRATE) 을 계산하도록 구성된다.
한편, ECU(30)는 흡입 공기 온도 변화(ΔTMANIVC)에 보정 계수(K1)를 곱하고(제어 단계 409), 그 값(K1×ΔTMANIVC)에 흡입 공기 압력(TMAN)을 더하고(제어 단계 410), 그 값(TMAN+K1×ΔTMANIVC)을 흡입 공기 온도(TMAN)로 나누고(제어 단계 411), 그로 인해 흡입 공기 온도의 변화에 대응하는 기본 온도 보정량(TRATE0)을 계산하도록 구성된다.
ECU(30)는 또한 QCYL/QMAN에 기초하여 맵을 참조함으로써 음속 유동 영역에서부터 유사 정적 변화 영역까지의 변화를 매끄럽게 하는 보정 계수(K2)를 계산하도록 구성된다. 보정 계수(K2)는 0 이상 1 이하이며 비율(QCYL/QMAX)에 대한 제2차수 방식으로 증가하도록 설정된다.
그리고, 기본 온도 보정량(TRATE0)과 보정 계수(K2)에 기초하여, ECU(30)는 맵을 참조함으로써 [-1/(2-K2)]배로 상승된 기본 온도 보정량(TRATE0)을 계산하고, 그로 인해 흡입 공기 온도의 변화를 보상하도록 구성된 보정량(TRATE)을 계산하도록 구성된다.
흡입 공기 맥동으로부터 야기되는 변화를 보상하도록 보정된 실제 실린더 신선 공기 흡입량(rQCYL)은 [초기 실제 실린더 흡입 공기량(QCYL0)에서 배기 블로백량(QIFB)을 뺌으로써 얻어진] 신선 실린더 공기 흡입량(QCYL1)을 보정량(PRATE)과(제어 단계 414) 보정량(TRATE)에(제어 단계 415) 곱함으로써 계산된다. 따라서, 도5의 제어 단계 405 내지 415는 바람직하게는 본 발명의 흡입 공기 맥동 보정 섹션을 구성한다.
따라서, 전술한 내연 기관 제어 장치에 의해, 밸브 타이밍 또는 다른 밸브 특성이 일시적인 작동 조건하에 변하더라도 비율(QCYL/QMAX) 대 비율(QD/QMAX)의 함수가 높은 정밀도로 엔진(1)의 실린더(104) 내로 도입되는 공기량[실제 실린더 흡입 공기량(QCYL)]을 측정하는데 사용될 수 있다. 결과적으로, 최적의 연료 분사 제어가 양호하게 달성되고, 그로 인해 엔진(1)의 작동 성능 및 배기 성능을 향상시킨다. 또한, 비율(QCYL/QMAX)은 파라미터의 수가 클 때조차도 2차원 맵을 사용하여 QD/QMAX에 대해 유일하게 계산될 수 있기 때문에, 실제 실린더 흡입 공기량(QCYL)은 다중 맵을 사용하지 않고 최소의 계산량으로 측정될 수 있고, 그로 인해 ROM 용량 및 순응 단계 수를 억제할 수 있다.
더욱이, 흡입 공기의 유동이 쵸크되는 제1 영역인지 또는 실린더(104) 내의 상태가 유사 정적인 방식으로 변하는 제2 영역인지에 따라 실제 실린더 흡입 공기량(QCYL)을 보정하는데 상이한 특징이 사용되기 때문에, 실제 실린더 흡입 공기량(QCYL)은 각각의 작동 영역에 잘 맞는 방식으로 더욱 정확하고 용이하게 보정될 수 있다. 한 마디로, 흡입 공기 맥동의 영향을 고려하여 정확하게 보정된 실제 실린더 흡입 공기량(rQCYL)은 본 발명에 의해 간단한 방식으로 계산될 수 있다.
더욱이, 흡입 공기 유동 조건에 따라 변할 수 있는 보정 계수(K1 및 K2)가 엔진(1)의 전체 작동 영역(제1 영역 및 제2 영역을 포함)에 걸쳐 사용될 수 있는 보정량(PRATE 및 TRATE)을 설정하도록 사용된다. 따라서, 실제 실린더 흡입 공기량(QCYL)의 보정은 쵸킹이 발생하는지의 여부(엔진이 제1 영역 내에서 작동하는지 의 여부)에 관계없이 단일 방정식을 사용하여 달성될 수 있다. 따라서, 흡입 공기량을 측정하기 위해 다중 맵을 사용하는 것이 방지될 수 있다. 결과적으로, 보정된 실제 실린더 흡입 공기량(rQCYL)을 계산하기 위해 요구되는 계산 로드가 감소될 수 있다.
또한, 기본 흡입 공기량(QD)과 이론 최대 흡입 공기량(QMAX)을 한정하고 기본 흡입 공기량(QD), 최대 흡입 공기량(QMAX) 및 실린더 흡입 공기량(QCYL) 사이에 유일한 일대일 관계를 확립함으로써, 엔진(1)의 실제 작동동안 관계에 기초하여 밸브 타이밍에 독립적으로 실제 실린더 흡입 공기량(QCYL)이 계산될 수 있다. 결과적으로, 실린더 흡입 공기량(QCYL)을 계산하는데 요구되는 계산 로드가 감소될 수 있다.
본 발명에 의해, 보정된 실제 실린더 흡입 공기량(rQCYL)은 신선 흡입 공기량(QCYL1)을 얻기 위해 계산된 초기 실제 흡입 공기량(QCYL0)에서 블로백 가스량(QFIB)을 뺌으로써 더욱 정확하게 계산될 수 있다.
전술한 실시예를 설명하기 위해 본 명세서에 사용된 바와 같이, 구성 성분, 섹션, 소자 등에 의해 수행되는 작동 또는 기능을 설명하는데 사용되는 용어 "검출"은 물리적 검출을 요구하지 않는 구성 성분, 섹션, 소자 등을 포함하며, 작동 또는 기능을 수행하기 위한 결정, 측정, 모델링, 예측 또는 계산등을 포함한다. 구성 성분, 섹션 또는 소자의 일부를 설명하기 위해 본 명세서에 사용된 용어 "구성된"은 원하는 기능을 수행하기 위해 구성되고 그리고/또는 프로그램된 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 포함한다. 더욱이, 청구항에 "기능적 수단"으로 표현된 용 어는 본 발명의 일부의 기능을 수행하는데 사용될 수 있는 임의의 구조를 포함한다. 본 발명에 사용된 "사실상", "약" 및 "거의"와 같은 정도의 용어는 최종 결과가 현저하게 변하지 않는 보정된 용어의 적절한 편차량을 의미한다. 예컨대, 편차가 보정된 단어의 의미를 부정하지 않는다면 보정된 용어의 ±5% 이상의 편차를 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
일부 실시예만이 본 발명의 설명을 위해 선택되었지만, 첨부된 청구항에 한정된 바와 같은 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 다양한 수정예 및 변형예가 만들어질 수 있다는 것이 본 명세서로부터 당업자에게 명백하다. 또한, 본 발명에 따른 실시예의 전술한 설명은 단지 설명을 위해 제공된 것이며 첨부된 청구항 및 등가물에 의해 한정된 바와 같은 본 발명을 한정하고자 하는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 범주는 설명된 실시예에 한정되지 않는다.

Claims (23)

  1. 엔진의 흡기 밸브의 밸브 특성을 변화시키도록 구성 및 배열된 가변 밸브 작동 기구를 갖는 엔진용 내연 기관 제어 장치이며,
    흡기 밸브의 밸브 특성에 대응하는 흡기 밸브 개방 면적에 대한 음속 유동으로 흡입 공기가 실린더 내에 도입될 때에 대응하는 기본 흡입 공기량을 계산하도록 구성된 기본 흡입 공기량 계산 섹션과,
    흡입 스트로크의 개시 타이밍에서부터 종료 타이밍까지의 실린더 스트로크 체적이 흡기 밸브의 상류에 존재하는 흡입 공기 압력에서 흡입 공기로 채워질 때에 대응하는 이론적인 최대 흡입 공기량을 계산하도록 구성된 최대 흡입 공기량 계산 섹션과,
    기본 흡입 공기량을 최대 흡입 공기량으로 나눔으로써 얻어진 제1 값과 흡기 밸브의 밸브 특성에 대응하는 실제 흡입 공기량을 최대 흡입 공기량으로 나눔으로써 얻어진 제2 값 사이의 흡입 공기량 함수를 사용하여 엔진을 제어하도록 구성되며, 제2 값에 대한 제1 값의 각각의 값을 유일하게 결정하고 제1 값에 대한 제2 값의 각각의 값을 유일하게 결정하도록 구성된 엔진 제어 섹션을 포함하는 내연 기관 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 최대 흡입 공기량 계산 섹션은 또한 단열 압축이 흡입 스트로크의 종료 타이밍과 같이 실린더 내측에서 시작될 때에 대응하는 유효 흡기 밸브 폐쇄 타이밍을 결정하도록 구성된 내연 기관 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 최대 흡입 공기량 계산 섹션은 또한 흡기 밸브의 밸브 상승량과 엔진 회전 속도에 기초하여 계산된 흡입 종료 타이밍 오프셋값에 의해 실제 흡기 밸브 폐쇄 타이밍을 보정함으로써 유효 흡기 밸브 폐쇄 타이밍을 계산하도록 구성된 내연 기관 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 엔진 제어 섹션은 또한 엔진의 작동 상태에 기초하여 계산된 최대 흡입 공기량과 기본 흡입 공기량에 의한 제1 값을 계산하고, 파라미터로서 제1 값을 사용하여 흡입 공기량 함수의 맵으로부터 제2 값을 찾고, 최대 흡입 공기량을 제2 값과 곱함으로써 실제 흡입 공기량을 결정하도록 구성된 내연 기관 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서, 흡기 밸브와 배기 밸브가 모두 개방되는 중첩 기간동안 블로백되는 배기 가스량에 대응하는 배기 블로백량을 계산하도록 구성되고, 최대 흡입 공기량을 제1 값과 곱함으로써 계산된 실제 흡입 공기량에서 배기 블로백량을 뺌으로써 실린더 내로 도입되는 신선 공기량과 유일하게 대응하는 신선 흡입 공기량을 계산하도록 구성된 배기 블로백 보정 섹션을 더 포함하는 내연 기관 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서, 흡입 공기 맥동에 따른 흡입 공기량 함수를 사용하여 계산된 실제 흡입 공기량을 보정하여 보정된 흡입 공기량을 얻도록 구성된 흡입 공기 맥동 보정 섹션을 더 포함하는 내연 기관 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기본 흡입 공기량 계산 섹션은 흡입 스트로크의 최소한의 개시 타이밍을 사용하여 기본 흡입 공기량을 계산하도록 구성되고,
    상기 최대 흡입 공기량 계산 섹션은 흡입 스트로크의 최소한의 개시 타이밍을 사용하여 최대 흡입 공기량을 계산하도록 구성되고,
    상기 기본 흡입 공기량 계산 섹션과 최대 흡입 공기량 계산 섹션은 또한 실린더 내측 압력을 흡기 밸브와 배기 밸브 모두가 개방되는 중첩 기간동안 배기 압력과 동일한 값에서부터 흡기 밸브 상류의 흡입 공기 압력과 동일한 값까지 감소시키기 위해 요구되는 지연 시간에 기초하여 흡입 스트로크의 개시 타이밍을 결정하도록 구성되는 내연 기관 제어 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 기본 흡입 공기량 계산 섹션과 최대 흡입 공기량 계산 섹션은 실린더 내측 압력이 흡입 스트로크의 개시 타이밍과 같이 흡기 밸브 상류에 흡입 공기 압력과 동일한 값에 도달하는 유효 상사점을 결정하도록 구성된 내연 기관 제어 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 기본 흡입 공기량 계산 섹션과 최대 흡입 공기량 계산 섹션은 배기 밸브 및 흡기 밸브의 밸브 상승량이 중첩 기간동안 중첩 개방 면적과 엔진 회전 속도에 기초하여 동일하게 되는 중첩 중심각으로부터 흡입 스트로크의 개시 타이밍이 오프셋되는 오프셋량을 나타내는 흡입 개시 타이밍 오프셋값을 계산하도록 구성되고, 흡입 개시 타이밍 오프셋값에 기초하여 흡입 스트로크의 개시 타이밍을 계산하는 내연 기관 제어 장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 엔진 제어 섹션은 또한 엔진의 작동 상태에 기초하여 계산된 최대 흡입 공기량과 기본 흡입 공기량에 의한 제1 값을 계산하고, 파라미터로서 제1 값을 사용하여 흡입 공기량 함수의 맵으로부터 제2 값을 찾고, 최대 흡입 공기량을 제2 값과 곱함으로써 실제 흡입 공기량을 결정하도록 구성된 내연 기관 제어 장치.
  11. 제10항에 있어서, 중첩 기간동안 블로백되는 배기 가스량에 대응하는 배기 블로백량을 계산하도록 구성되고, 최대 흡입 공기량을 제1 값과 곱함으로써 계산된 실제 흡입 공기량에서 배기 블로백량을 뺌으로써 실린더 내로 도입되는 신선 공기량과 유일하게 대응하는 신선 흡입 공기량을 계산하도록 구성된 배기 블로백 보정 섹션을 더 포함하는 내연 기관 제어 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 배기 블로백 보정 섹션은 또한 중첩 기간동안 배기 온도, 배기 압력 및 중첩 개방 면적에 기초하여 기본 배기 블로백량을 계산하도록 구성되고, 엔진 회전 속도에 기초하여 설정된 보정량을 사용하여 기본 배기 블로백량을 보정함으로써 배기 블로백량을 계산하도록 내연 기관 제어 장치.
  13. 제7항에 있어서, 흡입 공기 맥동에 따른 흡입 공기량 함수를 사용하여 계산된 신선 흡입 공기량을 보정하여 보정된 흡입 공기량을 계산하도록 구성된 흡입 공기 맥동 보정 섹션을 더 포함하는 내연 기관 제어 장치.
  14. 제6항에 있어서, 상기 흡입 공기 맥동 보정 섹션은 또한 실제 흡입 공기량을 보정하여 엔진이 실린더를 향한 공기 유동이 쵸크되는 제1 영역에서 작동하는지 또는 제1 영역과는 상이한 제2 영역에서 작동하는지에 따라 상이한 보정 특성을 사용함으로써 보정된 흡입 공기량을 계산하도록 구성된 내연 기관 제어 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 흡입 공기 맥동 보정 섹션은 또한 엔진이 제1 영역에서 작동할 때 흡입 맥동에 따른 실제 흡입 공기량의 보정량이 제로인 보정 특성을 사용하도록 구성된 내연 기관 제어 장치.
  16. 제14항에 있어서, 상기 흡입 공기 맥동 보정 섹션은 또한 실제 흡입 공기량의 보정량이 엔진이 제2 영역에서 작동할 때 공기 칼럼 진동을 고려한 실제 흡입 공기 온도의 역수에 비례하고 공기 칼럼 진동을 고려한 실제 흡입 공기 압력에 비례하는 보정 특성을 사용하도록 구성된 내연 기관 제어 장치.
  17. 제14항에 있어서, 상기 기본 흡입 공기량 계산 섹션은 실린더 압력이 흡입 공기 압력으로 감소하는 유효 상사점과 밸브 특성에 대응하는 흡기 밸브 폐쇄 타이밍 사이의 기간동안 실린더 내로 도입된 흡입 공기량으로서 기본 흡입 공기량을 계산하도록 구성된 내연 기관 제어 장치.
  18. 제14항에 있어서, 상기 최대 흡입 공기량 계산 섹션은 실린더 압력이 흡입 공기 압력으로 감소하는 유효 상사점과 실린더 내측 흡입 공기의 압축이 시작되는 유효 흡기 밸브 폐쇄 타이밍 사이의 기간동안 실린더 내로 도입되는 흡입 공기량으로서 최대 흡입 공기량을 계산하도록 구성된 내연 기관 제어 장치.
  19. 제14항에 있어서, 흡기 밸브와 배기 밸브가 모두 개방되는 중첩 기간동안 흡입 통로로 블로백되는 배기 가스량에 대응하는 배기 블로백량을 계산하도록 구성되고, 실제 흡입 공기량에서 배기 블로백량을 뺌으로써 실린더 내로 도입되는 신선 공기량과 유일하게 대응하는 신선 흡입 공기량을 계산하도록 구성된 배기 블로백 보정 섹션을 더 포함하는 내연 기관 제어 장치.
  20. 제14항에 있어서, 상기 흡입 공기 맥동 보정 섹션은 아래와 같이 보정된 흡입 공기량을 계산하도록 구성되는 내연 기관 제어 장치.
    rQCYL=QCYL1×PRATE×TRATE
    Figure 112005056630650-pat00013
    여기서, rQCYL 는 보정된 흡입 공기량,
    QCYL1는 실제 흡입 공기량,
    PRATE는 압력 보정 계수,
    TRATE는 온도 보정 계수,
    PMAN은 대표 흡입 공기 압력,
    TMAN은 대표 흡입 공기 온도,
    ΔPMANIVC는 밸브 특성에 대응하는 흡기 밸브 폐쇄 타이밍에서 대표 흡입 공기 압력 PMAN에 대한 흡입 공기 압력의 변화량,
    ΔTMANIVC는 밸브 특성에 대응하는 흡기 밸브 폐쇄 타이밍에서 대표 흡입 공기 온도 TMAN에 대한 흡입 공기 온도의 변화량,
    K1은 0 이상이고 1 이하인 보정 계수,
    K2는 0 이상이고 1 이하인 보정 계수.
  21. 엔진의 흡기 밸브의 밸브 특성을 변화시키도록 구성 및 배열된 가변 밸브 작동 기구를 갖는 엔진의 실린더 내로 도입되는 실린더 흡입 공기량을 측정하는 방법 이며,
    흡기 밸브의 밸브 특성에 대응하는 흡기 밸브 개방 면적에 대한 음속 유동으로서 흡입 공기가 실린더 내에 도입될 때에 대응하는 기본 흡입 공기량을 계산하는 단계와,
    흡입 스트로크의 개시 타이밍에서부터 종료 타이밍까지의 실린더 스트로크 체적이 흡기 밸브의 상류에 존재하는 흡입 공기 압력에서 흡입 공기로 채워질 때에 대응하는 이론적인 최대 흡입 공기량을 계산하는 단계와,
    기본 흡입 공기량을 최대 흡입 공기량으로 나눔으로써 얻어진 제1 값과 흡기 밸브의 밸브 특성에 대응하는 실제 흡입 공기량을 최대 흡입 공기량으로 나눔으로써 얻어진 제2 값 사이의 흡입 공기량 함수를 사용하여 엔진을 제어하고, 제2 값에 대한 제1 값의 각각의 값을 유일하게 결정하고 제1 값에 대한 제2 값의 각각의 값을 유일하게 결정함으로써 수행되는 엔진 제어 단계를 포함하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 엔진이 제1 영역에서 작동할 때 흡입 공기 압력에 비례하고 흡입 공기 온도의 1/2승의 역수에 비례하는 실제 흡입 공기량의 제1 특성을 확립하는 단계와,
    엔진이 제2 영역에서 작동할 때 공기 칼럼 진동을 고려한 실제 흡입 공기 압력에 비례하고 공기 칼럼 진동을 고려한 실제 흡입 공기 온도의 역수에 비례하도록 실제 흡입 공기량의 제2 특성을 확립하는 단계와,
    엔진이 제1 및 제2 영역 중 하나에서 작동할 때 사용될 수 있는 실제 흡입 공기량의 제3 특성을 얻도록 제1 및 제2 특성을 근접시키는 단계와,
    공기 칼럼 진동에 따른 변화량이 제로일 것으로 가정하면서 제3 특성에 의해 얻어진 흡입 공기량과, 공기 칼럼 진동을 고려하여 제3 특성에 의해 얻어진 흡입 공기량 사이에 비율에 기초하여 실제 흡입 공기량을 보정하기 위한 보정 특성을 확립하는 단계를 더 포함하는 방법.
  23. 엔진의 흡기 밸브의 밸브 특성을 변화시키도록 구성 및 배열된 가변 밸브 작동 기구를 갖는 엔진용 내연 기관 제어 장치이며,
    흡기 밸브의 밸브 특성에 대응하는 흡기 밸브 개방 면적에 대한 음속 유동으로서 흡입 공기가 실린더 내에 도입될 때에 대응하는 기본 흡입 공기량을 계산하기 위한 기본 흡입 공기량 계산 수단과,
    흡입 스트로크의 개시 타이밍에서부터 종료 타이밍까지의 실린더 스트로크 체적이 흡기 밸브의 상류에 존재하는 흡입 공기 압력에서 흡입 공기로 채워질 때에 대응하는 이론적인 최대 흡입 공기량을 계산하기 위한 최대 흡입 공기량 계산 수단과,
    기본 흡입 공기량을 최대 흡입 공기량으로 나눔으로써 얻어진 제1 값과 흡기 밸브의 밸브 특성에 대응하는 실제 흡입 공기량을 최대 흡입 공기량으로 나눔으로써 얻어진 제2 값 사이의 흡입 공기량 함수를 사용하여 엔진을 제어하며, 제2 값에 대한 제1 값의 각각의 값을 유일하게 결정하고 제1 값에 대한 제2 값의 각각의 값을 유일하게 결정하기 위한 엔진 제어 수단을 포함하는 내연 기관 제어 장치.
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