KR100826691B1 - 내연기관 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 방법은 내부로 인입되는 공기 질량을 확실하게 결정하기 위해 실린더로부터 배출되는 잔존 가스를 고려한다. 이를 위해, 흡입 압력 상에서 내부로 인입되는 공기 질량의 종속성은 3 개의 영역으로 분할되며, 이러한 영역의 평균 영역은 흡입 압력 상에서 내부로 인입되는 공기 질량의 비-선형적 종속성으로서 유형화된다.

Description

내연기관 제어 방법 {METHOD FOR CONTROLLING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 하나 이상의 실린더와 흡입 덕트, 배기 가스 덕트 및 상기 실린더에 할당되는 흡기 밸브와 배기 밸브를 가지는 내연기관을 제어하는 방법에 관한 것이다.
내연기관에 있어서, 흡기 밸브가 개방될 때 잔존 가스가 흡입 덕트 내로 역류하게 된다. 따라서, 실린더에 충전(filling)되는 신선 공기(fresh air)는 어느 정도의 잔존 가스를 포함하게 되며, 이는 신선 공기의 질량을 계산할 때 고려되어야 한다.
DE 198 44 085 C1 호는 배기 가스 압력의 함수로서 내연기관을 제어하는 방법을 개시하고 있다. 상기 방법은 하나의 모델을 사용하여, 흡입 덕트 내의 흡입 매니폴드 압력 및 실린더 내로 유동하는 공기 질량 흐름을 계산하는 단계를 포함한다. 수정 계수(correction factor)가 밸브 오버랩(valve overlap) 동안의 평균 배기 압력을 위해 제공되며, 이러한 수정 계수는 밸브 오버랩의 무게 중심각(center of gravity angle)에 종속된다.
EP 1 030 042 A2 호는 조절판(throttle) 없이 엔진의 실린더 충전을 결정하는 방법을 개시한다. 이러한 방법은 상사점(upper dead point) 전방의 흡기 덕트 내로 역류하는 잔존 가스가 흡입 작동 후에만 다시 수용된다는 사실을 고려하고 있다. 이른바, 스토퍼 모델(stopper model)을 가정하면, 상사점 전방에 위치되는 흡입 밸브면은 두 배로 되고 최대 밸브 개방면으로부터 공제된다.
본 발명의 목적은 신선 공기 질량, 특히 밸브 오버랩의 경우에 있어서의 신선 공기 질량을 결정하고자 하는 경우에, 간단한 수단을 사용하여 흡기 덕트 내로 역류하는 잔존 가스를 확실하게 고려하는 내연기관 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, 상기 목적은 청구항 제 1 항의 특징을 구비하는 방법에 의해 달성된다. 유리한 실시예들이 종속 청구항의 주요 내용을 형성한다.
본 발명에 따른 방법에 있어서, 흡입 매니폴드 절대 압력을 위해 2개의 임계값이 제공되며, 상기 모델에서 기록되고 계산되는 신선 공기 질량은 그 종속성(dependency)을 변경한다. 작은 임계값인 제 1 임계값 이하에서, 기록된 공기 질량은 흡입 매니폴드 압력에 비례하는 것으로 측정된다. 흡입 매니폴드 압력이 높을 수록, 기록된 신선 공기 질량은 커진다. 제 2 임계 흡입 매니폴드 압력값 이상에서, 기록된 신선 공기 질량은 다시 흡입 매니폴드 압력에 비례하는 것으로 가정된다. 그러나, 제 2 임계값 이상의 영역에서는 비례에 따른 신선 공기 질량에 상수값이 추가된다. 여기서, 비례 인자는 동일하거나 상이할 수 있다. 임계값 사이의 과도 영역에서, 기록된 신선 공기 질량은 비선형적으로 흡입 매니폴드 압력에 종속되는 것으로 유형화된다. 본 발명에 따른 방법에서, 흡입 매니폴드 압력에 대한 기록된 신선 공기 질량의 종속성은 2 개의 선형부로 분할되며, 상기 선형부 사이에서 비-선형적 특징이 관찰된다.
바람직한 실시예에서, 상기 중간영역에서 내부로 흐르는 공기 흐름 질량은 배기 가스 역 압력(exhaust gas back pressure) 및 흡입 매니폴드 압력의 비율의 함수로서 결정된다. 이러한 종속성은 내부로 흐르는 신선 공기 및 외부로 흐르는 잔존 가스가 조절 점(throttle point)에서와 마찬가지로 흡기 밸브에서도 동일하게 거동하여, 관통하는 흐름 양이 본질적으로 상기 압력 비율에 종속된다는 고려에 기초한다. 바람직하게는, 상기 비율에 종속되는 값은 속도 및 밸브 오버랩에 종속되는 인자에 의해 곱해진다.
추가적으로, 과도 영역은 밸브 오버랩 및 엔진 속도의 함수로서 비-선형적 특성을 결정하는 것이 유리한 것으로 입증되어 있다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 개선예에서, 내부로 흐르는 공기 질량과 흡입 매니폴드 압력 사이의 비례 인자는 흡기 밸브를 닫을 때의 크랭크샤프트의 위치 및/또는 속도에 종속된다. 선형 영역에서의 변위를 유형화하기 위해, 제 1 및 제 2 상수를 제공하는 것이 본 발명에 따른 방법의 개선에 있어서 특히 유리하다는 것이 입증되어 있다. 양 상수 모두 속도에 종속되며, 제 1 상수는 밸브 오버랩에 대한 값에 종속되고, 반면에 제 2 상수는 배기 밸브를 닫을 때의 크랭크샤프트의 위치에 종속된다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 개선예에서, 실린더 내로 흐르는 신선 공기 질량을 결정하기 위해 흡입 매니폴드 내의 흐름 속도에 종속되는 압력 손실이 고려된다. 공기 질량을 위한 이러한 보정항(correction term)은, 고속으로 흡입 매니폴드를 통과하여 흐르는 공기 질량이 흐름 속도의 2차 방정식에 따라 증가하는 압력 손실을 갖는다는 고려에 기초한다. 이러한 관계는 이상 액체에 대해 베르누이 방정식에 의해 설명된다.
상기 방법을 실행하기 위해, 제어 장치에 저장되는 하나 이상의 변수의 함수로서 흐름의 속도에 종속되는 압력 손실을 고려하는 것이 유리하다고 입증되어 있다. 바람직하게는, 형상, 덕트 저항, 스월 플랩(swirl flap)의 위치, 밸브 변위 등이 고려된다.
본 발명의 방법은 바람직한 전형적인 실시예를 기초로 이하 보다 상세하게 설명된다.
도 1은 내연기관의 개략도이며,
도 2는 흡입 매니폴드 압력의 함수로서 실린더에서 내부로 흐르는 공기 질량의 특성을 도시하며,
도 3은 본 발명에 따른 방법의 블록도이다.
도 1은 일 예로서 하나의 실린더를 구비한 내연기관(10)을 도시한다. 물론, 본 발명에 따른 방법은 2개 이상의 실린더를 구비한 내연기관용으로도 사용될 수 있다. 신선 공기는 흡입 덕트(12)를 통해 내부로 인입된다. 신선 공기의 온도는 온도 센서(14)를 사용하여 기록된다. 유입되는 신선 공기는 예를 들어, 공기 질량 센서(16)에 의해 측정된다. 이와 유사하게, 공기 질량 센서 대신 충전 센서로서 압력 센서를 제공하는 것이 가능하며, 상기 압력 센서는 조절 밸브와 흡기 밸브 사이에 위치된다. 조절 밸브(18)는 흡기 덕트로 향하는 공기 질량 흐름을 제어한다. 보다 우수한 제어를 위해, 조절 밸브의 각 위치가 센서(20)에 의해 측정된다.
신선 공기가 흡기 밸브(22)를 통해 실린더의 내부(24)로 유입된다.
실린더(26)는 개략적으로 도시되고, 커넥팅 로드(connecting rod)(30)를 구비한 피스톤(28)을 가지며, 크랭크샤프트(32)를 구동시킨다. 크랭크샤프트(32)의 속도는 속도 센서(34)에 의해 기록된다.
연료 분사는 도면에서는 상세하게 도시되지 않는다. 분사된 연료는 점화 유니트(36)를 사용하여 점화된다. 점화 후에, 잔존 가스가 출구 밸브(38)를 통해 배기 가스 덕트(40) 내로 배출된다. 배기 가스 계통에 있어서, 람다 프로브(lambda probe)(42)가 배기 가스에 포함되는 산소 함유량을 측정한다.
내연기관은 엔진 제어 유니트(44)에 의해 제어된다. 엔진 제어 유니트(44)에 제시되는 입력 변수로는 속도, 조절 밸브 각도, 산소 함유량 및 인입되는 신선 공기의 주변 온도 등이 있다. 추가적으로, 인입되는 신선 공기에 대한 측정된 값 역시 제시된다.
도 2는 흡입 매니폴드 내에서 압력의 함수로서 실린더 내로 향하는 공기 질량 흐름에 근사하는 모델을 도시한다. 만약 흡입 매니폴드 내의 압력이 제 1 임계 압력(P1)보다 작다면, 내부로 인입되는 공기 질량 흐름은 흡입 압력에 비례하는 것으로 유형화된다. 축선을 따라 설정된 영점(zero point)을 검토함으로써 소정의 최소 압력에 도달되어서야 비로소 실린더에서 공기 질량 흐름이 개시된다는 것을 알 수 있다.
제 2 임계 압력(P2)보다 큰 압력에서, 내부에 인입된 공기 질량은 흡입 압력에 비례하는 것으로 결정되며, 공기 질량 유동을 따르는 직선은 초기의 직선에 비해 OFF2 만큼 오프셋된다. 직선들은 반드시 평행일 필요는 없으며, 상이한 구배(gradient)를 가질 수 있다. 압력(P1) 및 압력(P2) 사이의 과도 영역에서의 거동은 비-선형성을 띠며, PSI 함수의 형태로 배기 가스 압력에 대한 유입 압력의 비율에 종속된다. 오프셋 OFF2의 값은 속도, 밸브 오버랩(VO) 및 흡입 매니폴드 절대 압력과 배기 압력의 비율에 종속된다.
실린더(24)의 내부로 흐르는 공기 질량에 대한 이전의 계산과 달리, 본 발명의 방법은 질량 균형 상태로, 오버랩 상태 동안 역으로 흐르는 잔존 가스를 고려한다. 흡기 밸브가 개방될 때, 역으로 흐르는 이러한 비율에 대해 중요한 것으로는 밸브 제어 시간, 흡기 압력과 배기 역 압력 사이의 비율(이 때, 배기 역 압력은 대략적으로 연소 챔버 압력과 일치) 및 이러한 조건이 적용되는 시간 등이 있다.
도 3은 본 발명의 방법에 대한 블록도를 도시한다. 블록도를 보다 상세하게 설명하기 전에, 이러한 블록도가 기초로 하는 물리적 모델이 설명되어야 한다.
실린더 내의 질량 흐름은 일반적으로 속도, 유입 덕트 내의 압력(Pim), 흡기 밸브(ES)가 닫힐 때의 캠샤프트 위치와 배기 밸브(AS)가 닫힐 때의 캠샤프트 위치의 함수이다. 내연기관의 제어에 대한 이러한 복잡한 종속성을 적절하게 매개 변 수화시키기 위해, 이하의 접근이 특히 유리하다는 것이 입증되어 있다.
Figure 112004045555451-pct00001
이러한 접근에 있어서, 속도(N), 흡입 매니폴드 절대 압력(pim) 및 배기 가스 역 압력(pex)은 측정된 변수로서 이용 가능하거나, 모델값(model value)으로서 엔진 제어 유니트에 의해 계산된다. 밸브 오버랩은 "VO"로 표시되며, 상기 모델 내에서 캠샤프트 압력을 계산하거나 측정하는 것이 가능하다.
이러한 접근에 있어서, 각각의 값은 특성 영역(characteristic field)에 저장될 수 있고 dmcyl,0/dt 및 pim 의 연속적인 계산을 위해 사용될 수 있다. 특성 라인의 곡선은 래스터 측정법(raster measurement) 또는 특정 작동점의 표적 선택(targeted selection), 예를 들어 실험적 설계(DOE)에 의해 내연 기관을 위해 결정된다.
구배 ηs(N, ES) 및 상수 η01(N, VO)와 η02(N, AS)를 계산할 때, 흡입 매니폴드 절대 압력의 평균을 내기 위해 낮은 값이 본질적으로 고려되어야 한다. 공기 질량 흐름에 대한 지배적인 비례식은 다음과 같다.
Figure 112004045555451-pct00002
배기 가스 역 압력과의 차이는 낮은 흡입 매니폴드 절대 압력에서 가장 크기 때문에, 이러한 조건하에서, 가장 많은 양의 잔존 가스가 흡입 덕트 내로 역류하여 들어가게 되며, 그 결과 충전 사이클의 종결에 이를 때까지 보다 적은 양의 신선 공기가 연소 챔버에 도달한다.
밸브 제어 시간 및 압력 비율 외에, 흡입 덕트로 역류하여 흐르는 총 질량에 가장 큰 영향을 끼치는 것은 유효 시간이다. 이것은 또한 이러한 결과가 왜 특히 저속에서 명백한지를 설명한다.
구배 및 변위에 대한 공지된 특징적 특성으로, 내부로 인입되는 신선 공기가 제 1 임계 변수(P1)에 이르기까지 우수하게 계산될 수 있다. 흡입 매니폴드 압력이 증가함에 따라, 엔진에 의해 실질적으로 인입되는 것과 계산된 신선 공기분에 대해 상기 서술된 선형 종속성 사이의 보다 큰 편차가 발생하게 된다. 이것은 흡입 매니폴드 절대 압력이 흡입 매니폴드와 배기 가스 라인 사이에서 증가됨에 따라 감소하게 되는 압력 차에 기인한다. 이러한 편차는 아래의 표현으로 고려된다.
Figure 112004045555451-pct00003
변수를 결정하기 위해, 실린더 내로 흐르는 공기 질량 흐름이 측정되며 증가하는 흡입 매니폴드 절대 압력에 맞춰 조정된다.
일단, 특성 라인이 결정되고 제어 유니트에 저장되면, 흡입 압력 및 실린더 내로 흐르는 공기 질량 흐름이 연속적으로 계산될 수 있다. 도 3에서 도시된 것처럼, 상수 η01(N, VO) 및 η02(N, EC)는 제어 유니트(46)의 모듈(48)에서 결정된다. 추가적으로, 구배 ηs(N, IC) 역시 계산되며, 여기서 "IC" 는 흡기 밸브를 닫을 때의 각 위치를 나타내며, "EC" 는 배기 밸브를 닫을 때의 각 위치를 그리고 "VO" 는 밸브 오버랩을 나타낸다. 각 오버랩 "VO"(66) 뿐 아니라, 흡기 및 배기 밸브를 닫을 때의 각 위치도 입력 변수로서 제어 모듈(48)에 제시된다. 흡기 덕트로부터의 가스 온도(52) 역시 제시된다. 속도(56)가 고려되는 것처럼, 주변 압력(pamb)이 고려된다. 내부로 흐르는 공기 질량(58) 및 흡기 영역(60)의 압력을 위한 방법의 최종 단계에서 결정되는 값들 역시 모듈(48)에 제시된다. 흡기 및 배기 덕트 내의 압력의 비율에 종속되는 항은 비-선형성 과도 영역을 결정하기 위해 결정된다. 이를 위해, 배기 덕트(64) 내의 압력 및 이전 단계에서 모델에 의해 계산되는 흡기 덕트(60)의 압력이 입력 변수로서 제시된다. 이와 유사하게, 실린더 내로 흐르는 질량 흐름에 대한 방법의 이전 단계에서 계산되는 값 역시 유니트(62)에 제시된다.
실린더 내로 흐르는 공기 질량 흐름 및 흡기 덕트 내의 압력에 대한 새로운 값이 이러한 방식으로 결정되는 변수들의 블록(68)에서 계산된다. 이전 단계(72)에서 계산되는 부분(70)의 지속시간 역시 고려될 수 있다. 추가적으로, 배기 가스 재순환이 제시되는 경우, 배기 가스 재순환에 의해 발생하는 질량 흐름 "dmEGR/dt"(74) 역시 고려된다. 조절 밸브 각도(76)의 조력으로, 흡기 덕트의 감소된 단면적(78)이 결정되어, 높은 흐름 속도의 경우에 속도-종속성 흐름 손실이 고려된다. 흡기 덕트 내의 가스 밀도를 결정하기 위해, 흡입 덕트 내의 가스 온도(80) 역시 흡기 덕트에 제시된다.

Claims (9)

  1. 흡입 덕트, 하나 이상의 실린더, 배기 가스 덕트(40) 및 상기 하나 이상의 실린더(26)에 할당되는 흡기 밸브와 배기 밸브(32, 38)를 구비하는 내연기관을 제어하는 방법으로서,
    상기 하나 이상의 실린더 내로 흐르는 신선 공기 질량(MAF)을 계산하는 단계를 포함하고,
    상기 신선 공기 질량이, 흡입 매니폴드 압력(MAP)의 제 1 임계값(P1)까지는 상기 흡입 매니폴드 압력에 비례하고, 상기 흡입 매니폴드 압력의 제 2 임계값(P2)부터는 공기 질량 상수를 더하여 상기 흡입 매니폴드 압력에 비례하며, 상기 흡입 매니폴드 압력에 대한 상기 2개의 임계값 사이의 과도 영역에서 비-선형적으로 변하는,
    내연기관 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 과도 영역에 대하여, 내부로 흐르는 공기 질량은 상기 흡입 매니폴드 압력과 배기 가스 역 압력의 비율의 함수로서 결정되는 것을 특징으로 하는,
    내연기관 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 함수에, 속도(56)와 밸브 오버랩(66)에 따라 결정된 상수가 곱해지는 것을 특징으로 하는,
    내연기관 제어 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 과도 영역에 대하여, 상기 내부로 흐르는 공기 질량은 상기 밸브 오버랩과 엔진 속도(N)의 함수로서 결정되는 것을 특징으로 하는,
    내연기관 제어 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 내부로 흐르는 신선 공기 질량과 상기 흡입 매니폴드 압력 사이의 비례 인자는 상기 흡기 밸브가 닫힐 때의 크랭크샤프트의 위치(ES)와 엔진 속도 중 하나 이상에 종속되는 것을 특징으로 하는,
    내연기관 제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 공기 질량 상수는 제 1 상수(η01)를 가지며, 상기 제 1 상수의 값은 상기 엔진 속도(N) 및 상기 밸브 오버랩(VO)에 대한 값에 종속되는 것을 특징으로 하는,
    내연기관 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 공기 질량 상수는 제 2 상수(η02)를 가지며, 상기 제 2 상수의 값은 상기 배기 밸브가 닫힐 때의 상기 크랭크샤프트의 위치(AS) 및 엔진 속도(N)에 종속되는 것을 특징으로 하는,
    내연기관 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 실린더 내로 흐르는 상기 신선 공기 질량(MAF)에 대하여, 상기 흡입 매니폴드 내의 흐름의 속도에 종속되는 압력 손실이 추가적으로 고려되는 것을 특징으로 하는,
    내연기관 제어 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    흐름의 속도에 종속되는 상기 압력 손실은 형상, 덕트 저항, 스월 플랩의 위치, 및 밸브 변위에 관한 하나 이상의 변수의 함수로서 결정되는 것을 특징으로 하는,
    내연기관 제어 방법.
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