KR101758404B1 - 내연기관에서의 제어되지 못한 연소를 검출하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 내연기관에서 점화 플러그를 통한 점화와 무관하게 발생하는 제어되지 못한 연소를 검출하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법에서는 그러한 연소를 통해 야기되는 연소실 내 압력 진동이 검출되어 평가된다. 점화 플러그를 통한 점화 전에 그리고/또는 주어진 점화 시점의 정상적인 연소 시작 전에 언제라도 제어되지 못한 연소를 검출할 수 있도록, 압력 진동의 영향을 받은 내연기관(1)의 크랭크축(10)의 회전 속도(n)가 평가된다.

Description

내연기관에서의 제어되지 못한 연소를 검출하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR RECOGNIZING UNCONTROLLED COMBUSTION IN A COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연기관에서 점화 플러그를 통한 점화와 무관하게 발생하는 제어되지 못한 연소를 검출하기 위한 방법 및 이 방법의 실시를 위한 장치에 관한 것으로, 상기 방법에서는 그러한 연소를 통해 야기되는 연소실 내 압력 진동이 검출되어 평가된다.

가솔린 엔진에서는 공급된 연료-공기-혼합기의 연소에 의해 차량 주행이 개시되거나 유지된다. 이 경우 연료-공기-혼합기의 연소는 점화 플러그의 점화 스파크를 통해 개시된다. 연소실에서 화염 선단이 확산하는 동안, 테일 가스 영역에서는 높은 압력과 온도에 의해 자연 점화가 발생한다. 그런 경우 갑자기 발생하는 연소는 가솔린 엔진의 연소실에서 강력한 압력 상승을 야기하고, 이런 압력 상승은 확산하여 연소실을 제한하는 벽에 충돌하는 압력파를 발생 시키며, 상기 벽에서는 고주파 진동이 구조 전달 소음으로 전환된다. 엔진 손상을 방지하기 위해 이런 진동은 노킹(knocking) 센서(구조 전달 소음 센서)를 통해 검출되고 노킹 제어를 통해 가솔린 엔진을 제어할 때 고려된다. 이 경우 가솔린 엔진은 최적의 효율로 언제나 노킹 한계에서 작동되므로, 노킹에 의한 가솔린 엔진의 손상이 방지된다.

또는, 전술한 노킹 발생 연소 외에 연소실의 고온 지점, 오일 액적 또는 연료-공기-혼합기의 고온 잔류 가스 영역을 통해 야기되는 자연 점화도 발생한다. 이런 자연 점화는 점화 스파크의 발생 전 사전 점화로서 그리고 점화 스파크의 발생 후 사후 점화로서 발생할 수 있다. 자연 점화는 매우 빠르게 엔진 손상을 초래할 수 있는 큰 압력 진폭을 갖는 연소 압력을 특징으로 한다.

EP 1 715 179 A2호에 따라 사전 점화는 노킹 센서에 의해 결정된다. 그러나 그러한 자연 점화는 고주파 압력 성분으로 인한 노킹 발생 연소만을 유발하기 때문에, 연소실 벽의 구조 전달 소음에 영향을 주지 않는 주된 저주파 압력 거동을 갖는 자연 점화는 노킹 센서로 검출될 수 없다.

내연기관에서의 제어되지 못한 연소를 검출하기 위한 본 발명에 따른 방법은, 점화 플러그의 점화 스파크를 통해 발생하지 않으며 고주파 압력 성분을 선택적으로 포함하는 저주파 압력 거동을 초래하는 자연 점화가 언제든지 확실하게 검출될 수 있는 장점을 갖는다. 점화 플러그를 통한 점화 전에 그리고/또는 정해진 점화 시점의 정상적 연소 시작 전에 제어되지 못한 연소를 확인하기 위해, 압력 진동의 영향을 받는 내연기관 크랭크축의 회전 속도가 평가되므로, 평가를 위한 노킹 센서가 불필요하다. 제어되지 못한 연소의 검출은 크랭크축의 회전 속도 거동의 평가에만 근거한다. 엔진의 개폐 루프 제어를 위해 크랭크축의 회전 속도가 측정되기 때문에, 이런 회전 속도의 측정을 위한 부가적인 하드웨어 비용이 발생하지는 않는다.

바람직하게는 크랭크축의 회전 속도가 결정되고, 측정된 회전 속도에 의존하여 연소를 특성화하는 파라미터가 검출되며, 이 파라미터는 점화 플러그의 점화로 인한 제어된 연소 시 결정된 대응 파라미터와 비교되고, 기준 파라미터에 대해 이 파라미터의 편차 발생 시 제어되지 못한 연소의 존재가 추론된다. 그와 같은 과정은 높은 출력 밀도에 의해, 특히 다운사이징 컨셉을 통해 특성화되는 엔진 컨셉에서 특히 유리하게 사용될 수 있다. 연소 압력 성분의 변동으로 인한 자연 점화는 연소실 내 압력 거동의 변위를 야기하기 때문에, 이는 크랭크축의 회전 속도 신호의 평가를 통해 용이하게 검출될 수 있다.

실시예에서 회전 속도에 의존적인 파라미터는 상기 연소로 인한 연소실 내 압력 진동에 의해 크랭크축에 작용하는 가스 토크이다. 압력 그래프를 통해 가솔린 엔진의 피스톤의 커넥팅 로드에 작용하는 힘이 크랭크축의 속도를 변화시키기 때문에, 이것은 가솔린 엔진 실린더의 압축 상태에서 크랭크축 속도의 감속을 야기하지만, 연소 시에는 크랭크축의 속도가 증가한다. 가스 토크를 통해 야기된 그러한 속도 변화는 이 속도 변화로 인해 변하는 회전 속도로부터 잘 표현될 수 있다.

한 개선예에서 회전 속도에 의존적인 파라미터는 변경되는 연소 위치이다.

바람직하게는 결정된 가스 토크 및/또는 결정된 연소 위치는 점화 플러그를 통한 점화로 인한 제어된 연소 시 검출된 기준 값과 비교되며, 이 비교 시 실제 제어 변수와 내연기관의 작동점이 고려된다. 기준 값들은 각각 내연기관의 실제 상태와의 관계에서 선택되므로, 회전 속도로부터 도출되는 파라미터와의 비교는 특히 신뢰성이 있는데, 이는 파라미터의 결정 시점에 내연기관의 실제 작동 조건이 함께 고려되기 때문이다.

한 변형예에서는, 연소를 통해 야기되는 연소 위치와 점화 플러그를 통한 점화에 의한 제어된 연소 시 발생하는 연소 위치의 비교 시 실제 제어 변수로서 점화각, 부하 및 회전 속도가 고려된다.

한 실시예에서는, 연소를 통해 야기되는 연소 위치는 실제 제어 변수를 포함하는 하나 이상의 특성도 및/또는 실제 제어 변수를 포함하는, 물리학에 기초한 수학적 모델에 의해 결정된다. 특성도는 내연기관의 생각할 수 있는 모든 작동 상태에 대해 측정 시작 전에 용이하게 검출될 수 있으므로, 이 비교 시 실제로 발생하는 연소 위치의 빠른 검출이 제공된다.

실시예에서 연소로 인한 연소실 내 압력 진동에 의해 크랭크축에 발생하는 가스 토크가 교번 토크로서 검출된다. 이 교번 토크는 회전 속도의 거동으로부터 용이하게 검출될 수 있는데, 이는 교번 토크가 크랭크축의 감속 또는 가속을 통해 야기되기 때문이다.

바람직하게는 교번 토크가 진동 질량 및/또는 교번 토크의 거동 곡선들 및/또는 센서 휠 에러와 관련하여 수정된다. 진동 질량은 그 적용시 교번 토크 거동에 불리하게 작용하는, 주로 내연기관의 실린더의 피스톤으로 형성되므로, 상기 진동 질량의 비율은 교번 토크로부터 산술적으로 제거된다. 그러므로 제어되지 못한 연소의 검출에서 더 정확한 결과가 얻어진다.

한 변형예에서 교번 토크의 거동 곡선은 각각 적절한 범위에서 모든 실린더에 대해 적절한 크랭크축 윈도우 내 각각 하나의 최종 적분 값에 합산되며, 상기 값으로부터 각각 내연기관의 모든 실린더에 대해 개별 실린더의 가스 토크가 추론된다. 상기 적분은 모든 실린더에 대해 개별적으로 실시되므로, 그와 같은 개별 실린더의 가스 토크에 기초하여 내연기관의 어느 실린더에서 제어되지 못한 연소가 발생하는지가 결정될 수 있다.

대안적으로 교번 토크의 거동 곡선 2개 이상의 영역으로 분할되고, 모든 영역에 대해 최종 적분 값이 계산되어 각각의 최종 적분 값과 기준 최종 적분 값의 비교 또는 2개의 최종 적분 값의 비교가 이루어지며, 편차 발생 시 제어되지 못한 연소가 추론된다. 상기 두 영역은 바람직하게, 제1 영역으로부터 정해진 적분 값은 점화 플러그의 점화 스파크에 의해 개시되는 연소에 대해 민감한 반면, 제2 영역은 비정상적으로 이른 연소 위치를 갖는 연소를 나타내는 적분 값을 표시하도록 구성된다. 이때, 상기 영역들은 적어도 엔진의 작동점과 점화각에 의존적이다.

한 실시예에서는, 제어되지 못한 연소가 있는지에 대한 결정을 위해 선행하는 연소 위치들의 값들로부터 한출되는 기준 값이 이용된다. 그럼으로써, 기준 값으로 대표되었던, 점화 플러그의 점화 스파크를 통해 개시된 제어된 연소 동안 실제 연소 위치에 대한 엔진 고유 정보가 구체화된다. 상기 기준 값은 회전 속도 의존적인 조사하려는 연소 위치와의 비교 시, 제어되지 못하고 개시된 연소의 검출에 있어 정확성의 향상에 기여한다.

한 개선예에서 회전 속도의 평가는 크랭크축에 설치되는 센서 휠의 투쓰 타임(tooth-time)에 기반하여 이루어진다. 그러므로 가솔린 엔진에서 제어되지 못한 연소의 검출을 위한 방법에서 일반적인 회전 속도 결정 방법이 이용된다. 대안적으로 복수의 투쓰 타임을 갖는 세그먼트들도 이용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 개선예는, 내연기관에서 점화 플러그를 통한 점화와 무관하게 발생하는 제어되지 못한 연소의 검출을 위한 장치에 관한 것으로서, 상기 장치에서는 연소를 통해 발생하는 연소실 내 압력 진동이 평가된다. 점화 플러그의 점화 스파크를 통해 발생하지 않은 자연 점화를 언제라도 확실히 검출할 수 있도록, 점화 플러그를 통한 점화 전에 제어되지 못한 연소의 확인을 위해 압력 진동의 영향을 받는 내연기관의 크랭크축의 회전 속도를 평가하는 수단들이 존재한다. 그러므로 본 발명에 따른 방법의 평가를 위해 노킹 센서는 불필요한데, 그 이유는 상기 검출이 엔진 제어 및 분사라는 다른 목적을 위해 측정되는 크랭크축 회전 속도의 평가에 근거하기 때문이다. 저주파 압력 거동을 보이며 선택적으로 고주파 압력 성분도 포함할 수 있는 연소들이 상기 이용 수단을 통해 검출된다.

본 발명은 수많은 실시예들을 허용한다. 그 중 하나를 도면들을 토대로 상세히 설명한다.
도 1은 가솔린 엔진에서 제어되지 못한 연소의 결정을 위한 장치를 도시한 도이다.
도 2는 정상 연소와 제어되지 못한 연소의 비교 그래프이다.
도 3은 제어되지 못한 연소의 검출을 위한 방법의 원리도이다.
도 4는 제어되지 못한 연소의 검출을 위한 알고리즘에 대한 실시예를 도시한 도이다.

동일한 특징들은 동일한 도면부호로 표시되어 있다.

도 1에는 가솔린 엔진(1)에서 연소를 측정하기 위한 장치가 도시되어 있다. 가솔린 엔진(1)은 이 실시예에서 4개의 실린더(2, 3, 4, 5)를 가지며, 실린더(2, 3, 4, 5) 내에서 운동하는 도면에 도시되지 않은 피스톤은 각각 커넥팅 로드(6, 7, 8, 9)에 의해 크랭크축(10)과 연결되어, 연소를 통해 야기되는 압력 변화에 근거해 상기 크랭크축을 구동한다. 실린더(2, 3, 4, 5)는 스로틀 플랩(12)에 의해 공기 흡입관(13)에 대해 폐쇄되는 흡기관(11)과 연결되어 있다. 연료 분사를 위한 노즐(14)이 공기 흡입관(13) 내로 돌출해 있으므로, 연료-공기-혼합기가 형성된다. 대안적으로 가솔린 엔진(1), 특히 다운사이징 엔진은 각각의 실린더에 대해 인젝터에 의해 연료를 독립적으로 분사하는 직접 분사 방식을 취할 수 있다. 그 외에도 본질적인 특징은, 일반적으로는 도면에 도시되지 않은 하나의 터보 과급기로 구성되나 2단계로 구성될 수도 있는 과급에 있다.

크랭크축(10)에는 크랭크축(10)의 회전 속도를 검출하여 제어 장치(16)에 전송하는 회전 속도 센서(15)가 배치되어 있으며, 제어 장치는 검출된 회전 속도를 토대로 연소를 분류한다. 또한, 제어 장치(16)는 스로틀 플랩(12) 및 연료 분사 노즐(14)과 연결되어 있다.

스로틀 플랩(12)의 개방시 연료-공기-혼합기는 흡기관(11) 안으로 그리고 실린더(2, 3, 4, 5) 안으로 흡입된다. 도면에 도시되지 않은 점화 플러그에 의해 발생하는 스파크를 통해 실린더(2, 3, 4, 5) 안에서 차례로 연소가 발생하고, 이 연소는 실린더 내 압력 상승을 유발하며, 압력 상승은 피스톤과 커넥팅 로드(6, 7, 8, 9)에 의해 크랭크축(10)에 전달되어 크랭크축을 가동다. 이러한 제어된 정상 연소 시 나타나는 크랭크축각의 변화에 대한 압력은 도 2에서 곡선 (A)로 표시되어 있다.

제어된 연소 외에도, 매우 이른 연소 시작을 가지거나 점화 플러그의 점화 시점 전 연소 위치를 갖는 연소들이 발생한다. 이런 연소들은 슈퍼 노커(super knocker)로도 지칭된다. 그러한 슈퍼 노커는 도 2에서 그래프(B)로 도시되고, 이로부터 슈퍼 노커가 정상 연소와 비교해 가솔린 엔진(1)에 손상을 줄 수 있는 훨씬 더 높은 압력을 발생 시키는 것을 알 수 있다.

제어 장치(16)는 정상 연소 시 연소와 슈퍼 노커를 분류하기 위해 도 3에 도시된 것과 같은 알고리즘(17)을 갖는다. 입력 값으로서 크랭크축(10)의 회전 속도(n)가 알고리즘에 이용된다. 어느 정도의 압력이 실린더(2, 3, 4, 5)의 피스톤과 커넥팅 로드(6, 7, 8, 9)에 작용하는지 여부에 따라서 크랭크축(10)을 구동하는 힘이 변한다. 이때 크랭크축(10)이 가속되거나 크랭크축(10)의 운동이 감속된다. 실린더(2, 3, 4, 5)가 압축 단계에 있으면 즉, 피스톤이 상사점을 향하여 운동하면, 크랭크축(10)의 회전 속도가 감속된다. 실린더(2, 3, 4, 5)가 연소 단계에 있으면, 피스톤은 발생하는 폭발성 연소를 통해 상사점으로부터 멀어지므로, 크랭크축(10)의 회전 속도가 증가한다. 이는 진동 질량을 통해 야기되는 진동을 통해 회전 속도(n)에 중첩된다. 크랭크축(10)의 회전 속도 평가를 목적한 대로 가솔린 엔진의 실제 작동 상황에 맞추기 위해 슈퍼 노커의 유무 여부를 확인할 수 있도록 작동 파라미터로서 가솔린 엔진(1)의 점화각(δ)과 작동점(C)이 고려된다.

제어되지 못한 연소의 검출을 위한 알고리즘에 대한 실시예가 도 4를 이용해 설명된다. 먼저, 회전 속도 센서(15)에 의해 검출되는 크랭크축(10)의 회전 속도(n)가 크랭크각(φ)에 기초하여 블록(100)에서 각속도로 환산된다. 블록(101)에서는 주로 실린더(2, 3, 4, 5)의 피스톤을 통해 야기되는 진동 질량의 효과가 보상된다. 또한, 이 블록(101)에서는 소위 투쓰 에러를 통해 야기된 각속도 에러가 수정된다. 투쓰 에러는 예를 들어 센서 휠의 부정확한 제작 및 설치로 인해 발생하며, 종래기술에 공지된 방법을 통해 검출될 수 있다. 이를 통해, 수정된 각속도(ω_koor)가 얻어지고, 이 각속도는 블록(102)에서 먼저 크랭크축각(φ)에 따라 미분된 다음 크랭크축(10)의 전체 회전 관성과 곱해진다. 이로부터 가솔린 엔진(1)의 점화 작동의 가스 토크 거동 곡선[T(φ)]이 얻어진다.

이와 병행하여 블록(103)에서 과급 압력(p22)과 대기 압력(p0)의 측정치 및 실제 크랭크축각(φ)으로부터 스러스트 가스 토크[TSchub(φ)]가 결정되고, 이때 예를 들어 엔진 온도 및/또는 냉각수 온도와 같은 주변 파라미터의 변화 역시 수정에 의해 고려된다.

스러스트 가스 토크[TSchub(φ)]는 가스 토크 거동 곡선[T(φ)]으로부터 감산되고, 그 결과 연소의 가스 토크 그래프[T Diff(φ)]가 얻어진다. 이를 통해 슬립 작동과 과급 압력의 효과들이 고려된다. 블록(104)에서 필터링 후 개별 실린더의 특징들이 얻어진다. 블록(105)에서는 제1 특징으로서 연소 위치(POS)가 계산되고, 블록(106)에서는 평균 가스 토크(Tind)가 결정된다. 이 경우 필터링된 가스 토크 편차 곡선[Tdiff(φ)]은 크랭크축각(φ)의 φ1 내지 φ2의 각도 범위에 걸쳐 적분된다.

계속해서 블록(107)에서는, 정상 연소 즉, 점화 플러그의 점화 스파크를 통해 발생한 연소의 연소 위치가 회전 속도(n)와 전체 연료량(q)의 함수로서 저장되어 있는 특성도로부터 검출된 기준 값(PosRef)과 연소 위치(POS)의 비교가 실시된다.

산출된 평균 가스 토크(Tind) 역시, 크랭크축(10)의 회전 속도(n)와 연료량(q)에 따라 특성 곡선에 저장된 기준 값(TindRef)과 비교된다[블록(108)]. 연소 위치(POS)에서, 또는 평균 가스 토크(Tind)에서, 또는 두 경우 모두에서 각각 결정된 기준 값(PosRef 또는 TindRef)에 대한 편차가 발생한다면, 제어 장치(16)는 비교 결과(E)에서 슈퍼 노커, 즉 너무 이른 연소 위치를 갖는 연소인 것으로 판단한다.

Claims (15)

1. 점화 플러그를 통한 점화와 무관하게 발생하는 제어되지 못한 연소를 통해 야기되는 연소실 내 압력 진동이 검출되어 평가되는, 내연기관에서의 제어되지 못한 연소를 검출하기 위한 방법이며,
   점화 플러그를 통한 점화 이전, 또는 정해진 점화 시점의 정상적인 연소 시작 이전, 또는 상기 두 시점 모두에 제어되지 못한 연소를 확인하기 위해 압력 진동의 영향을 받은 내연기관(1)의 크랭크축(10)의 회전 속도(n)가 평가되고,
   회전 속도(n)의 평가를 통해, 연소로 인한 연소실 내 압력 진동에 의해 크랭크축(10)에 작용하는 가스 토크(Tind) 또는 변경된 연소 위치(POS)가 결정되며,
   결정된 가스 토크(Tind) 또는 결정된 연소 위치(POS)는, 점화 플러그를 통한 점화로 인한 제어된 연소 시 검출되었던 기준 값(PosRef, TindRef)과 비교되고, 이 비교 시 실제 제어 변수로서 점화각(δ), 부하(C) 및 회전 속도(n)가 고려되는 것을 특징으로 하는, 내연기관에서의 제어되지 못한 연소의 검출 방법.
2. 제1항에 있어서, 가스 토크(Tind)가 대응 기준 값(TindRef)과 차이가 나거나, 연소 위치(POS)가 대응 기준 값(PosRef)과 차이가 날 경우, 제어되지 못한 연소의 존재가 추론되는 것을 특징으로 하는, 내연기관에서의 제어되지 못한 연소의 검출 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 연소 위치(POS)의 결정 시, 실제 제어 변수(δ, C)을 포함하는 하나 이상의 특성도, 또는 실제 제어 변수(δ, C), 또는 이들 모두를 포함하는, 물리학에 기초한 수학적 모델이 이용되는 것을 특징으로 하는, 내연기관에서의 제어되지 못한 연소의 검출 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 가스 토크(Tind)의 결정 시, 연소로 인한 연소실 내 압력 진동에 의해 크랭크축(10)에 발생하는 가스 토크(Tind)가 교번 토크로서 검출되는 것을 특징으로 하는, 내연기관에서의 제어되지 못한 연소의 검출 방법.
5. 제4항에 있어서, 교번 토크는 진동 질량, 교번 토크의 거동 곡선들, 센서 휠 에러 중 하나 이상과 관련하여 수정되는 것을 특징으로 하는, 내연기관에서의 제어되지 못한 연소의 검출 방법.
6. 제5항에 있어서, 교번 토크(Tind)의 거동 곡선은 각각 모든 실린더(2, 3, 4, 5)에 대해 미리 결정된 영역에서 각각 하나의 최종 적분 값에 합산되고, 이 최종 적분 값으로부터 각각 내연기관(1)의 모든 실린더(2, 3, 4, 5)에 대해 개별 실린더의 가스 토크가 추론되는 것을 특징으로 하는, 내연기관에서의 제어되지 못한 연소의 검출 방법.
7. 제5항에 있어서, 교번 토크(Tind)의 거동 곡선은 2개 이상의 영역으로 분할되고, 모든 영역에 대해 최종 적분 값이 계산되어, 각각의 최종 적분 값과 기준 최종 적분 값의 비교 또는 2개의 최종 적분 값 상호간의 비교가 실시되며, 편차 발생 시 제어되지 못한 연소가 추론되는 것을 특징으로 하는, 내연기관에서의 제어되지 못한 연소의 검출 방법.
8. 제7항에 있어서, 2개 이상의 영역은 연소엔진(1)의 점화각(δ), 또는 작동점(C), 또는 이들 모두에 의존적인 것을 특징으로 하는, 내연기관에서의 제어되지 못한 연소의 검출 방법.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 회전 속도(n)의 평가는 크랭크축(10)에 설치된 센서 휠의 투쓰 타임에 기반하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 내연기관에서의 제어되지 못한 연소의 검출 방법.
10. 점화 플러그를 통한 점화와 무관하게 발생하는 제어되지 못한 연소를 통해 야기되는 연소실 내 압력 진동이 검출되어 평가되는, 내연기관에서의 제어되지 못한 연소를 검출하기 위한 장치이며,
    점화 플러그를 통한 점화 전에 제어되지 못한 연소를 확인하기 위해 압력 진동의 영향을 받은 내연기관(1) 크랭크축(10)의 회전 속도(n)를 평가하는 수단(16)이 존재하고,
    회전 속도의 평가를 통해 연소로 인한 연소실 내 압력 진동에 의해 크랭크축(10)에 작용하는 가스 토크(Tind) 또는 변경된 연소 위치(POS)가 결정되며,
    결정된 가스 토크(Tind) 또는 결정된 연소 위치(POS)는, 점화 플러그를 통한 점화로 인한 제어된 연소 시 검출되었던 기준 값(PosRef, TindRef)과 비교되고, 이 비교 시 실제 제어 변수로서 점화각(δ), 부하(C) 및 회전 속도(n)가 고려되는 것을 특징으로 하는, 내연기관에서의 제어되지 못한 연소의 검출 장치.
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