KR101698355B1 - 내연 기관의 작동 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연소 챔버(26)를 구비하는 하나 이상의 실린더(Z1-Z4)를 포함하는 내연 기관을 작동하기 위한 내연 기관의 작동 방법 및 내연 기관의 작동 장치에 관한 것이다. 상기 실린더(Z1-Z4) 내로 연료가 분사된다. 특히 상기 실린더 내로의 연료 분사를 차단하기 위한 로직값(LV_FCUT)이 상기 내연 기관의 작동 방법에 의해서 설정되는데, 상기 내연 기관의 작동 방법은, 상기 내연 기관의 회전 속도(N_FAST)의 높은 시간 해상도를 가지는(highly time-resolved) 측정 신호의 프로파일(course)에 따라서, 회전 속도의 국소 최대값(N_FAST_MAX)이 결정되는 단계와, 상기 회전 속도의 현재 측정값(N_FAST_MES) 및 상기 국소 최대값(N_FAST_MAX) 간의 회전 속도차(N_FAST_DIF)가 결정되는 단계와, 그리고 결정된 상기 회전 속도차(N_FAST_DIF)에 따라서 상기 로직값(LV_FCUT)이 설정되는 단계를 포함한다.

Description

내연 기관의 작동 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR OPERATING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연 기관의 작동 방법 및 장치에 관한 것이다.
기술 서적 "내연 기관 핸드북(Handbuch Verbrennungsmotor)"(편집: Richard von Basshuysen, Fred Schaefer, 2판, Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, 2002년 6월)의 79페이지 내지 80페이지에는 내연 기관의 크랭크축에 강성으로(rigidly) 커플링된 제1 원심 질량(centrifugal mass) 및 클러치를 매개로 트랜스미션에 커플링된 제2 플라이휠 질량을 구비하는 듀얼 매스 플라이휠이 개시된다. 제1 플라이휠 매스 및 제2 플라이휠 매스는 스프링들에 의해서 회전적으로 탄성인 방식으로 서로에 커플링된다. 여기서, 첫째 구동렬(驅動列; drivetrain) 내 이동하는 질량들(moving masses)의 불균형으로부터 야기되는 비균일함 그리고 둘째 내연 기관의 피스톤들의 움직임들로부터 야기되는 회전적 비균일함은 스프링들에 의해서 댐핑(damp)될 수 있다. 따라서 구동렬의 양호한 진동 특성 및 이로써 높은 레벨의 구동 안락함(driving comfort)이 얻어질 수 있다.
듀얼 매스 플라이휠은 스프링-매스 시스템으로서 기술될 수 있다. 상기 시스템은 스프링 상수에 의존하고 제1 및 제2 원심 질량들의 질량들에 의존하며 마찰값들에 의존하는 자연 주파수를 가진다.
내연 기관의 특정한 회전 속도들에서 공진이 발생할 수 있고 이러한 공진은 은 구동 매끄러움에 영향(repercussion)을 미칠 수 있다. 공진 주파수는 일반적으로 아이들 회전 속도 아래에 놓인다. 내연 기관의 시동 및 정지 동안, 보통은 상기 공진들이 발생하지 않도록 빠르게 상기 범위가 지나쳐진다. 그러나 만약 예를 들어 시동기(starter)가 시동 동안 너무 빨리 분리(disengaged)되거나 또는 만약 작동 동안 내연 기관이 클러치에 의해서 그 아이들 회전 속도 아래에서 강요된다면(forced), 상기 회전 속도 범위 내에서의 작동이 듀얼 매스 플라이휠의 공진과 함께 발생할 수 있다. 둘째, 예를 들어 매우 낮은 온도에서 내연 기관의 시동 동안 공진이 발생하지 아니하면서 상기 회전 속도 범위 내에서의 작동이 발생할 수 있다.
공진이 발생하는 경우에, 듀얼 매스 플라이휠에의 손상을 방지하기 위해서 내연 기관의 제어 내로의 적합한 개입(intervention)이 이루어져야 한다. 상기 개입은 예를 들어 분사(injection)를 차단하는 것(shutting off)에 의해서 내연 기관의 토크를 실질적으로 감소시켜야 한다. 그러나 공진이 발생하지 않은 상태에서 상응하는 회전 속도 범위 내에서 내연 기관이 구동되는 경우에, 토크의 감소 또는 심지어 분사의 차단도 발생되어서는 아니되는데, 그 이유는 그렇지 아니하면 예를 들어 낮은 온도에서의 내연 기관의 시동이 가능하지 아니하기 때문이다.
본 발명의 목적은 내연 기관의 작동 방법 및 장치로서 공진의 발생 여부를 명확하게 탐지할 수 있고 공진이 발생한 경우에만 제어로의 적합한 개입이 발생할 수 있도록 하는 내연 기관의 작동 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은 독립항들의 기술적특징들(features)에 의해 성취된다. 본 발명의 이로운 실시예들이 종속항들에서 특징지워진다.
본 발명은 연소 챔버를 구비하는 하나 이상의 실린더를 포함하는 내연 기관을 작동하기 위한 내연 기관의 작동 방법 및 상응하는 장치에 의해 특징지워지는데, 상기 실린더 내로 연료가 분사되고 특히 상기 실린더 내로의 연료 분사를 차단하기 위한 로직값이 설정되며, 상기 내연 기관의 작동 방법은: 상기 내연 기관의 회전 속도의 높은 시간 해상도를 가지는(temporally highly resolved) 측정 신호의 프로파일에 따라서, 회전 속도의 국소 최대값이 결정되는 단계; 상기 회전 속도의 현재 측정값 및 상기 국소 최대값 간의 회전 속도차가 결정되는 단계; 그리고 결정된 상기 회전 속도차에 따라서 상기 로직값이 설정되는 단계;를 포함한다.
특히 상기 실린더 내로의 연료 분사를 차단하기 위한 로직값은 일반적으로 내연 기관의 제어를 위한 역할을 하는데, 로직값을 설정하는 것에 의해서 일 조치( a measure)가 개시되고 이에 의해서 회전 속도의 현재 측정값 및 상기 국소 최대값 간의 회전 속도차가 상기 로직값을 설정하는 것을 야기하는 값을 취하는(assume) 내연 기관의 상태(state)가 유도된다는 점에서 그러하다. 상기 로직값은 바람직하게는 또한 내연 기관의 토크를 감소시키기 위한 로직값으로서도 구성되는데, 상기 내연 기관의 토크를 감소시키는 것은 특히 실린더 내로의 연료의 분사를 차단하는 것이다.
이것은, 내연 기관에 커플링된 듀얼 매스 플라이휠의 자연 진동들이 발생되었음이 탐지될 때 내연 기관이 정지(shut down)될 수 있다는 이점을 가진다. 가능한 자연 진동들을 탐지하기 위해 단지 높은 시간 해상도를 가지는 형태의 내연 기관의 회전 속도의 측정 신호의 프로파일만이 요구된다. 회전 속도 측정을 차치하고, 자연 진동들의 탐지를 위해서 변수들의 어떠한 추가적인 측정도 요구되지 아니한다. 따라서 자연 진동들의 매우 신뢰성 있는 탐지가 가능해진다.

이로운 일 실시예에 따르면, 상기 회전 속도차가 상기 회전 속도차의 기정의된 임계값과 같거나 상기 임계값보다 크면 카운터 값이 증분된다. 상기 카운터 값이 카운터의 기정의된 임계값과 같거나 상기 임계값보다 크면 상기 로직값이 설정된다.
이것이 가지는 이점은 그들의 크기와 관련하여 듀얼 매스 플라이휠의 자연 진동들에 기여할 수 있는 회전 속도의 변동들(variations)의 수가 기정의될 수 있다는 것이다.
이로운 다른 실시예에 따르면, 내연 기관의 회전 속도의 측정 신호가 약 10 밀리세컨드의 시간 해상도(temporal resolution)에 의해 탐지된다.
이것이 가지는 장점은 이러한 샘플링율(sampling rate)에 의해서 듀얼 매스 플라이휠의 자연 진동들을 탐지하기 위해 요구되는 내연 기관의 회전 속도의 변동들이 유효한 방식으로 결정될 수 있다는 것이다.
이하 도식적인 도면들을 기초로 하여 예시적인 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 제어 장치와 함께 내연 기관을 나타낸다.
도 2는 구동렬의 블록 회로 다이어그램을 나타낸다.
도 3은 제어 장치 내에서 처리되는 프로그램의 순서도를 나타낸다.
도 4는 내연 기관의 신호들의 시간 프로파일들(time profiles)을 나타낸다.
동일한 디자인 또는 기능을 가지는 요소들이 도면들에 걸쳐서 동일한 참조 부호로 표시된다.
도 1은 흡입관(intake tract)(10), 엔진 블록(12), 실린더 헤드(13), 및 배기관(exhaust tract)(14)을 구비하는 내연 기관을 나타낸다. 흡입관(10)은 바람직하게는 쓰로틀 플랩(15), 콜렉터(16) 및 흡입 파이프(17)를 포함한다. 흡입 파이프(17)는 유입 덕트에서 실린더(Z1)까지 안내되어 엔진 블록(12)의 연소 챔버(26) 내로 안내된다. 엔진 블록(12)은 커넥팅 로드(20)를 매개로 실린더(Z1)의 피스톤(21)에 커플링되는 크랭크축(18)을 포함한다.
실린더 헤드(13)는 가스 유입 밸브(22) 및 가스 유출 밸브(24)를 구비하는 밸브 드라이브(valve drive)를 포함한다. 실린더 헤드(13)는 분사 밸브(28)를 더 포함한다. 분사 밸브(28)는 대안적으로 흡입 파이프(17) 내에 배치될 수도 있다.
내연 기관은 제어 장치(35)를 더 포함하는데, 상기 제어 장치는 상이한 측정 변수들을 탐지하고 각각 측정 변수들의 값을 결정할 수 있는 센서들을 구비한다. 측정 변수들 중 하나 이상에 따라서, 제어 장치(35)는 액추에이팅 변수들(actuating variables)을 결정하는데 상기 액추에이팅 변수들은 이어서 상응하는 액추에이팅 드라이브들에 의해서 액추에이팅 요소들을 제어하기 위한 하나 이상의 액추에이팅 신호들로 변환될 수 있다. 제어 장치(35)는 내연 기관을 작동하기 위한 내연 기관의 작동 장치로로서 지칭될 수 있다. 액추에이팅 요소들은 예를 들어, 쓰로틀 플랩(15), 가스 유입 밸브(22), 가스 유출 밸브(24) 또는 분사 밸브(28)이다.
센서들은 크랭크축 각 센서(40)를 포함하는데, 상기 크랭크축 각 센서는 크랭크축 각 - 내연 기관의 회전 속도가 상기 크랭크축 각에 할당될 수 있음 - 을 탐지한다.
바람직하게는 실린더(Z1) 이외에, 추가적인 실린더들(Z2 내지 Z4)가 더 제공되며, 상기 추가적인 실린더들에는 마찬가지로 상응하는 액추에이팅 요소들과 그리고 적절한 경우 센서들이 할당된다. 따라서 내연 기관은 희망하는 임의의 수의 실린더들을 포함할 수 있다.
도 2는 구동렬(50)의 블록 회로 다이어그램을 나타내는데, 상기 구동렬은 듀얼 매스 플라이휠(52)에 커플링된 크랭크축(18)을 구비한다. 듀얼 매스 플라이휠(52)은 제1 원심 질량(54) 및 제2 원심 질량(56)을 구비한다. 상기 제1 원심 질량(54) 및 상기 제2 원심 질량(56)은 탄성 요소들(58) 및/또는 댐핑 요소들(60)에 의해서 서로에게로 연결된다. 구동렬(50)은 클러치(62) 및 트랜스미션(64)을 구비하고 이것은 모터 차량의 구동 휠들에 커플링된다. 듀얼 매스 플라이휠(52)은 기계적인 저역 통과 필터로서 작용하고 상기 듀얼 매스 플라이휠(52)에 의해서 특히 크랭크축(18)의 회전의 불균일함이 트랜스미션(64)으로 전달(transmission)되는 것이 방지될 수 있다.
내연 기관의 작동을 위하여, 프로그램이 제어 장치(35)의 프로그램 메모리에 저장될 수 있고 내연 기관의 작동 동안 실행될 수 있다. 내연 기관의 토크를 감소시키기 위한 조치들이 상기 프로그램에 의해서 구현될 수 있다. 특히, 분사 밸브(28)를 매개로 하는 실린더 내로의 예를 들어 연소 챔버(26) 내로의 연료의 공급이 방지될 수 있다.
내연 기관의 작동 방법을 실행하기 위한 프로그램이 도 3에 도시된다.
단계 S10에서, 바람직하게는 모터 차량의 작동의 시작에 시간적으로 근접하여, 프로그램이 시작되고 적절한 경우 변수들이 초기화된다. 시작은 바람직하게는 내연 기관의 작동이 시작될 때 발생된다.
단계 S12에서, 내연 기관의 회전 속도(N_FAST)가 높은 시간 해상도를 가지는 측정에 의해서 탐지되고 바람직하게는 10 밀리세컨드의 샘플링율에 의해서 탐지된다.
단계 S14에서,내연 기관의 회전 속도(N_FAST)의 결정된 프로파일로부터 내연 기관의 회전 속도의 국소 최대값(N_FAST_MAX)이 결정된다. 국소 최대값(N_FAST_MAX)은 특히 내연 기관의 회전 속도(N_FAST)의 프로파일의 가장 최근의 국소 최대이다.
단계 S16에서, 회전 속도의 현재 측정값(N_FAST_MES) 및 국소 최대값(N_FAST_MAX) 간의 회전 속도차(N_FAST_DIF)가 결정된다.
단계 S18에서, 회전 속도차(N_FAST_DIF)가 회전 속도차의 기정의된 임계값(C_N_FAST_DIF_MAX)과 같거나 상기 임계값보다 큰지를 체크한다. 단계 S18에서 회전 속도차(N_FAST_DIF)가 회전 속도차의 기정의된 임계값(C_N_FAST_DIF_MAX)보다 작다고 탐지되면, 프로그램은 단계 S16으로 계속된다. 회전 속도차(N_FAST_DIF)가 회전 속도차의 기정의된 임계값(C_N_FAST_DIF_MAX)과 같거나 상기 임계값보다 크면, 프로그램은 후속 단계 S20으로 계속된다.
단계 S20에서, 카운터 값(CTR_N_DIF_MAX)이 증분된다.
후속 단계 S22에서, 카운터 값(CTR_N_DIF_MAX)이 카운터의 기정의된 임계값(C_CTR_N_DIF_MAX)과 같거나 상기 임계값보다 큰지를 체크한다. 그렇지 아니하다면, 프로그램은 단계 S14로 계속된다. 카운터 값(CTR_N_DIF_MAX)이 카운터의 기정의된 임계값(C_CTR_N_DIF_MAX)과 같거나 상기 임계값보다 크면, 프로그램은 단계 S24로 계속된다.
단계 S24에서, 로직값(LV_FCUT)이 로직값(TRUE)으로 설정된다. 로직값(LV_FCUT)을 로직값(TRUE)으로 설정하는 것은, 회전 속도차(N_FAST_DIF)가 로직값(LV_FCUT)을 설정하는 것을 야기하는 값을 취하는 내연 기관의 상태가 유도되는 조치의 개시에 연계된다(linked). 바람직하게는 이를 위해서 내연 기관의 토크를 감소시키기 위한 조치가 개시된다. 특히, 분사 밸브(28)를 매개로 실린더들 내로 연료가 공급되는 것이 방지된다.
단계 S26에서, 내연 기관을 작동시키기 위한 프로그램이 종료된다.
도 4는 내연 기관의 회전 속도(N_FAST)의 높은 시간 해상도를 가지는 측정 신호의, 회전 속도의 국소 최대 값(N_FAST_MAX)의, 카운터 값(CTR_N_DIF_MAX)의, 그리고 로직값(LV_FCUT)의 프로파일들을 나타낸다.
시간축(T) 상에 예시적으로 작동된 값들로부터 알 수 있는 바와 같이, 바람직하게는 약 10 밀리세컨드의 시간 해상도로 내연 기관의 회전 속도(N_FAST)의 측정 신호가 탐지된다. 10 밀리세컨드의 해상도에서, 듀얼 매스 플라이휠(52)의 자연 진동들의 발생에 대하여 중요한 내연 기관의 회전 속도(N_FAST)의 다이나믹스(dynamics)가 특히 명확하게 식별될 수 있다.
회전 속도의 국소 최대값(N_FAST_MAX)의 신호는 최대 표시자(maximum indicator)에 상응하게 형성(configured)되는데, 내연 기관의 회전 속도(N_FAST)의 국소 최대에 도달시, 최대 표시자가 회전 속도의 도달된(attained) 국소 최대값(N_FAST_MAX)의 값으로 설정된다. 회전 속도(N_FAST)의 높은 시간 해상도를 가지는 측정 신호의 감소 동안, 내연 기관의 회전 속도의 국소 최소(N_FAST_MIN)에 도달할 때까지 최대 표시자가 회전 속도의 도달된 국소 최대값(N_FAST_MAX)의 값에서 머무른다. 이어서 최대 표시자는 0으로 설정된다.
내연 기관의 회전 속도의 도달된 국소 최소값(N_FAST_MIN) 및 국소 최대값(N_FAST_MAX) 간의 회전 속도차(N_FAST_DIF)가 회전 속도차의 기정의된 임계값(C_N_FAST_DIF_MAX)보다 크거나 상기 임계값과 같으면, 카운터 값(CTR_N_DIF_MAX)이 증분된다(도 4에서 시간 T_1 및 T_3).
내연 기관의 회전 속도의 도달된 국소 최소(N_FAST_MIN) 및 국소 최대값(N_FAST_MAX) 간의 회전 속도차(N_FAST_DIF)가 회전 속도차의 기정의된 임계값(C_N_FAST_DIF_MAX)보다 작으면, 카운터 값(CTR_N_DIF_MAX)이 변하지 않고 유지된다(도 4에서 시간 T_2).
카운터 값(CTR_N_DIF_MAX)이 카운터의 기정의된 임계값(C_CTR_N_DIF_MAX)(도 4의 예시에 있어서, 상기 임계값(C_CTR_N_DIF_MAX)은 3임)보다 크거나 상기 임계값과 같은 값에 도달하면, 실린더들 내로 연료를 분사하는 것을 차단하기 위한 로직값(LV_FCUT)이 로직값(TRUE)으로 설정된다(도 4에서 시간 T_3).
상기 방법에 의해서, 크랭크축(18)을 매개로 내연 기관에 커플링된 듀얼 매스 플라이휠(52)의 자연 진동들의 여기가 발생할 수 있는 내연 기관의 상태가 유도될 수 있다. 특히, 듀얼 매스 플라이휠(52)의 자연 공진을 야기할 수 있다고 알려진 다이나믹스를 내연 기관의 회전 속도(N_FAST)의 높은 시간 해상도를 가지는 측정 신호가 나타내고 있음이 탐지되었을 때, 내연 기관의 실린더들 내로의 연료의 분사가 감소될 수 있거나 정지될 수 있다.
이것이 특히 이로운 것은, 듀얼 매스 플라이휠(52)의 자연 진동들의 가능한 여기를 방지하기 위해서, 단지 높은 시간 해상도를 가지는 형태인 내연 기관의 회전 속도(N_FAST)의 측정 신호의 프로파일을 아는 것만이 요구된다는 것이다. 듀얼 매스 플라이휠(52)의 자연 진동들이 여기되는 상황 및 이러한 여기 없이 작동되는 상황 간을 구별하기 위해 어떠한 추가적인 측정 변수들도 결정될 필요가 없다. 따라서 특히 낮은 외부 온도에서 내연 기관을 시동하는 동안, 전술한 방법에 의하면 내연 기관의 실린더들 내로 연료를 분사하는 것을 불필요하게 차단하는 것을 방지할 수 있고 그리고 또한 듀얼 매스 플라이휠(52)의 자연 진동들의 여기를 신뢰성 있게 탐지할 수 있는데, 그 이유는 전술한 방법에 의하면 내연 기관의 구동 특성이 직접적으로 결정되고 그리고 추가적인 측정 변수들 및 모델에 의해서 대략적으로 단지 재생되지(reproduced) 않기 때문이다. 상응하게, 듀얼 매스 플라이휠(52)의 자연 진동들의 여기의 신뢰성 있는 탐지가 운전자에 의한 에러가 있는 클러치 작동의 경우에 얻어질 수 있다.
따라서 전체적으로 듀얼 매스 플라이휠(52)의 자연 진동들의 가능한 여기를 매우 신뢰성 있는 방식으로 식별하는 것이 가능해지고 그리고 다른 신호 트랜스미터들의 측정 결과들의 오역(misinterpretation)을 방지하는 것이 가능해진다.

Claims (4)

  1. 연소 챔버(26)를 구비하는 하나 이상의 실린더(Z1-Z4)를 포함하는 내연 기관을 작동하기 위한 내연 기관의 작동 방법으로서, 상기 실린더(Z1-Z4) 내로 연료가 분사되고, 상기 방법은:
    - 상기 내연 기관의 회전 속도(N_FAST)의 높은 시간 해상도를 가지는(temporally highly resolved) 측정 신호의 프로파일에 따라서, 상기 내연 기관의 회전 속도의 국소 최대값(N_FAST_MAX)을 결정하는 단계,
    - 상기 회전 속도의 현재 측정값(N_FAST_MES)과 상기 국소 최대값(N_FAST_MAX) 간의 회전 속도차(N_FAST_DIF)를 결정하는 단계,
    - 상기 회전 속도차(N_FAST_DIF)가 상기 회전 속도차의 기정의된(predefined) 임계값(C_N_FAST_DIF_MAX)보다 크거나 같으면, 카운터 값(CTR_N_DIF_MAX)을 증분하는 단계,
    - 증분된 카운터 값(CTR_N_DIF_MAX)을 카운터의 상기 기정의된 임계값(C_N_FAST_DIF_MAX)과 비교하는 단계 ― 상기 카운터의 기정의된 임계값(C_N_FAST_DIF_MAX)은 1보다 큼 ―, 및
    - 상기 증분된 카운터 값이 상기 카운터의 기정의된 임계값(C_N_FAST_DIF_MAX)보다 크거나 같다고 결정하는 것에 응답하여, 상기 내연 기관의 토크를 감소시키도록 상기 내연 기관을 제어하는 단계를 포함하는,
    내연 기관의 작동 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 내연 기관의 회전 속도(N_FAST)의 측정 신호가 약 10 밀리세컨드의 시간 해상도(temporal resolution)에 의해 탐지되는,
    내연 기관의 작동 방법.
  4. 연소 챔버(26)를 구비하는 하나 이상의 실린더(Z1-Z4)를 포함하는 내연 기관을 작동하기 위한 내연 기관의 작동 장치로서, 상기 실린더 내로 연료를 분사하도록 설계되고, 상기 장치는:
    - 상기 내연 기관의 회전 속도(N_FAST)의 높은 시간 해상도를 가지는(temporally highly resolved) 측정 신호의 프로파일에 따라서, 상기 내연 기관의 회전 속도의 국소 최대값(N_FAST_MAX)을 결정하고,
    - 상기 회전 속도의 현재 측정값(N_FAST_MES)과 상기 국소 최대값(N_FAST_MAX) 간의 회전 속도차(N_FAST_DIF)를 결정하고,
    - 상기 회전 속도차(N_FAST_DIF)가 상기 회전 속도차의 기정의된 임계값(C_N_FAST_DIF_MAX)보다 크거나 같으면, 카운터 값(CTR_N_DIF_MAX)을 증분하고,
    - 증분된 카운터 값(CTR_N_DIF_MAX)을 카운터의 상기 기정의된 임계값(C_N_FAST_DIF_MAX)과 비교하고 ― 상기 카운터의 기정의된 임계값(C_N_FAST_DIF_MAX)은 1보다 큼 ―, 그리고
    - 상기 증분된 카운터 값이 상기 카운터의 기정의된 임계값(C_N_FAST_DIF_MAX)보다 크거나 같다고 결정하는 것에 응답하여, 상기 내연 기관의 토크를 감소시키도록 상기 내연 기관을 제어하도록 구성되는,
    내연 기관의 작동 장치.
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