KR101778484B1 - 내연기관에서 공연비를 제어하기 위한 방법과 배열체 - Google Patents

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Abstract

내연기관에서 공연비를 제어하기 위한 AFR 제어 시스템으로서, - 측정된 공기 양 지표를 설정값 (410) 에 비교하고 그리고 피드백 제어 출력 (403) 을 생성하도록 구성되는 피드백 제어기 (402), - 공지된 작동 요건에 기초하여 정상 상태 설정값 (405) 을 선택하도록 구성되는 설정치 선택기 (404), - 상기 내연기관의 연료 요구에서의 변경에 대한 응답으로서 과도 설정치 오프셋 (408) 을 생성하도록 구성되는 제 1 과도 제어기 (407), 및 - 상기 정상 상태 설정값 (405) 또는 상기 설정값 (410) 중 하나에서의 변화에 대한 응답으로서 과도 출력 오프셋 (412, 812) 을 생성하도록 구성되는 제 2 과도 제어기 (411, 811) 를 포함하고, 상기 설정값 (410) 은 상기 정상 상태 설정값 (405) 과 상기 과도 설정치 오프셋 (408) 의 조합이고, 상기 AFR 제어 시스템의 출력 (414) 은 상기 피드백 제어 출력 (403) 및 상기 과도 출력 오프셋 (412, 812) 의 조합이다.

Description

내연기관에서 공연비를 제어하기 위한 방법과 배열체 {METHOD AND ARRANGEMENT FOR CONTROLLING AIR TO FUEL RATIO IN AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본원은 통상적으로 대형 디젤 엔진과 같은 내연기관들의 기술에 관한 것이다. 특히, 본원은 작동 조건의 변경 중에 또한 그 직후에 공연비가 제어되는 방법에 관한 것이다.
대형 디젤 엔진들과 같은 많은 현대의 내연기관들은, 연소실안으로 여분의 공기를 강제하기 위한 터보과급기 또는 슈퍼과급기와 같은 강제 도입 디바이스를 포함한다. 공연비 또는 간략하게 AFR 은 사이클마다 연소실안으로 전달되는 공기와 연료의 상대적인 양들을 나타낸다. AFR 은 중요한 매개변수이고, 이 매개변수의 값은 엔진의 적합한 작동을 보장하기 위한 특정 한계내에 유지되어야 한다. AFR 제어의 중요성은 가스 연료식 디젤 엔진들에서 보다 더 유망해지고 있는데, 이는 가스 연료의 적합한 점화와 연소가 액체 연료만을 연소시키는 엔진들에서보다 AFR 에 보다 더 밀접하게 의존하기 때문이다.
공기의 양은 통상적으로 터보과급기에 의해 유동하는 배기 가스의 양 및/또는 실린더안으로 유동하지 않으면서 나오는 압축된 흡기 공기의 양을 조절하는 1 개 이상의 웨이스트 게이트들 (waste gates) 에 의해 제어된다. 간단한 접근법은 압축된 흡기 공기의 압력을 제어함으로써 AFR 을 제어하는 것을 포함한다.
흡기 공기의 압력을 가능한 설정치에 근접하게 유지하기 위해서 피드백 제어를 적용할 수도 있다. 도 1 은 피드백 제어를 적용하는 프로세스 (101) 및 제어기 (102) 의 일반적인 개략도이다. 이러한 경우에, 프로세스 (101) 는 흡기 공기의 압축이라고 가정할 수 있다. 센서 (103) 는 프로세스 (101) 의 상태를 모니터하고 피드백 값을 생성하며, 이 피드백 값은 현재의 흡기 공기의 압력과 같은 측정된 동적인 양의 지표 (indicator) 이다. 제어기 (102) 는 피드백 값을 설정값과 비교하고 이러한 비교 결과를 나타내는 출력을 생성시킨다. 이 출력은 엑츄에이터 (104) 로의 제어 신호를 구성하고, 이 제어 신호는 상기 실시예에서 웨이스트 게이트(들)를 돌린다. 통상적으로, 피드백 제어는 프로세스 (101) 를 정상 상태로 유지하는 것을 목표로 하고, 그리하여 제어기 (102) 의 출력은 피드백 값과 설정값 사이의 차에 비례하며, 엑츄에이터 (104) 의 영향은 프로세스 (101) 의 상태에서 유발되는 변경으로 피드백 값을 설정값에 더 근접하게 구동시키려는 것이다.
왜란 (disturbances) 은 프로세스 (101) 의 상태를 변경하는 경향을 가진 인자들이다. 측정가능한 왜란은, 그 영향이 이전에 공지되어 있고 그리고/또는 합리적인 정확성으로 온라인 측정될 수 있는 왜란이다. 추가로, 예를 들어 프로세스 (101) 에서 구성품들의 기계적 마모를 포함할 수 있는 측정불가능한 왜란들이 있다. 프로세스 (101) 의 상태에 대한 측정불가능한 왜란의 영향은, 불가능하지 않다면, 예측하기가 어렵다.
도 1 에서와 같이 단순한 폐쇄 루프 피드백 제어는, 프로세스에서 이미 실시한 영향들에만 반응하고 그리고 어떠한 잠재성을 포함하는 내재하는 단점을 포함한다. 설정값이 동일하게 유지되는 도 1 에 도시된 가장 간단한 형태에 있어서, AFR 제어에 적합하지 않은데, 이는 예를 들어 부하 및/또는 속도의 변경이 연료 양의 변경을 유발하고, 이러한 연료 양의 변경은 또한 공기 양의 변경을 필요로 하기 때문이다.
도 2 에서는 피드포워드 제어의 어떠한 요소를 실시하는 설정치 선택기를 추가함으로써 상기 단점이 적어도 부분적으로 처리될 수 있는 방법을 도시한다. 도 2 에 도시된 제어 시스템은, 도 1 과 관련하여 전술한 요소들 이외에, 설정치 선택기 (201) 를 포함한다. 이 설정치 선택기는 측정가능한 왜란들을 나타내는 1 개 이상의 입력값들을 수신하도록 구성된다. 이러한 경우에, 부하 및/또는 속도가 변경되는 방법을 설명한다. 설정치 선택기 (201) 는 단순한 룩업 테이블 (look-up table) 의 특성을 가질 수 있고, 이 룩업 테이블은 부하 및/또는 속도 정보에 기초하여 새로운 설정값을 생성한다. 설정값의 변경은 피드백 값에서의 어떠한 측정가능한 변경이 있기 전에 이미 제어 루프에 영향을 주기 시작한다.
도 2 의 제어 접근법은 제어 루프가 측정가능한 왜란들에 보다 더 신속하게 반응하도록 하지만 과도적인 영향 (transient effects) 에 대한 문제가 여전히 남아 있다. 예를 들어, 출력 동력의 신속한 증가를 원하는 상황을 가정한다. 원하는 새로운 출력 동력 레벨에서는 실린더로의 어떤 특정 연료의 양 및 어떠한 특정 공기의 양의 전달을 필요로 한다. 터보과급기를 더 빠르게 스핀시킴으로써 (즉, 배기측 웨이스트 게이트를 폐쇄 방향으로 회전시킴으로써) 공기의 양 증가를 실시할 수 있다. 터보과급기의 스핀닝 임펠러는 상당한 관성을 가지고, 이는 즉 변경시 상당한 양의 에너지가 터보과급기의 회전 속도를 증가시키는데 사용될 것이라는 것이다. 이러한 과도적인 에너지 요구는 일시적으로 엔진으로부터 이용가능한 출력 에너지를 저감시킨다. 변경 후에 정상 상태 출력 동력에 대응하도록 새로운 설정값이 선택된다면, 새로운 터보 스핀닝 속도가 달성되고 그리고 다른 과도적인 에너지 요구가 만족된 후에, 오직 비교적 서서히 원하는 새로운 출력 동력에 도달될 것이다.
이하에서는 다양한 본원의 실시형태들의 몇몇 양태들의 기본적인 이해를 돕도록 간단한 요약을 나타낸다. 이러한 요약은 본원의 광범위한 개요가 아니다. 이는 본원의 핵심적인 또는 중요한 요소들을 식별하거나 본원의 관점을 설명하려는 의도가 아니다. 이하의 요약은 단지 본원의 예시적인 실시형태의 보다 상세한 설명에 대한 서막으로서 간단한 형태로 본원의 몇몇 개념들을 나타낸다.
AFR 제어의 틀내에서 출력 동력에 대한 부하 및/또는 속도 변경의 과도적인 영향이 저감될 수 있는 방법, 제어 시스템 및 내연기관이 필요하다.
본원의 유리한 목적들은, 변경시 동적으로 설정치가 선택되고 또한 설정값의 변경시 동적으로 엑츄에이터에 출력 신호를 형성하는 2 단계의 변경 감응성 제어 (change-sensitive control) 를 사용함으로써 달성된다.
피드백 제어기는 측정된 공기 양 지표를 설정값에 비교할 수 있고 피드백 제어 출력을 생성할 수 있다. 정상 상태 설정값은 또한 공지된 작동 요건에 기초하여 선택된다. 제 1 과도 제어기는 연료 요구 변경에 대한 응답으로서 과도 설정치 오프셋을 생성할 수 있다. 제 2 과도 제어기는 설정값 변경에 대한 응답으로서 과도 출력 오프셋을 생성할 수 있다. 사용될 실제 설정값은 정상 상태 설정값 및 상기 과도 설정치 오프셋의 조합일 수 있다. 제어 시스템의 출력은 피드백 제어 출력 및 과도 출력 오프셋의 조합일 수 있다.
변경 감응성 제어의 제 1 단계는, 설정값의 의도된 변경이 하나의 정상 상태 설정치에서 다른 정상 상태 설정치로 단지 점프하여 형성되지 않고 일시적으로 "과장 (exaggerate)" 될 수 있는 설정치 변경 곡선에 따라서 프로세스에 보다 신속하게 영향을 주도록 필요한 변경으로서 형성됨을 보장해준다. 유사한 방식으로, 변경 감응성 제어의 제 2 단계는, 제어 배열체의 출력 신호가 변경하는 설정값에 대하여 일시적으로 "과반응 (over-react)" 할 수 있고, 이는 또한 제어된 프로세스의 전체 거동에 사전 효과 (proactive effect) 를 줌을 보장해준다.
상기 특허 출원에 개시된 본원의 예시적인 실시형태들은, 첨부된 청구범위의 적용에 제한하려는 것으로 해석되어서는 안된다. "포함하도록" 이라는 동사는, 상기 특허 출원에서 또한 개시하지 않은 특징들의 존재를 배제하지 않는 개방형 제한으로서 사용된다. 종속항들에 개시된 특징들은 다르게 명확하게 설명하지 않는 한 상호 자유롭게 조합가능하다.
본원의 특징으로서 여겨지는 신규한 특징들은 특히 첨부된 청구범위에 개시되어 있다. 하지만, 본원 자체는, 본원의 구성 및 작동 방법 둘 다에 대해서, 이들의 추가의 목적들과 장점들과 함께, 첨부된 도면들과 연계하여 판독할 때 특정 실시형태들의 이하의 설명으로부터 잘 이해될 것이다.
도 1 은 선행 기술의 피드백 제어 기법을 도시한다.
도 2 는 공지된 피드백 및 설정치 선택의 조합을 도시한다.
도 3 은 시스템 및 방법에서 2 단계 변경 감응성 제어의 원리를 도시한다.
도 4 는 공연비를 제어할 시 2 단계 변경 감응성 제어의 일 실시형태를 도시한다.
도 5 는 제 1 과도 제어기의 일 실시예를 도시한다.
도 6 은 제 2 과도 제어기의 일 실시예를 도시한다.
도 7 은 신호들의 조합을 도시한다.
도 3 은 2 단계 변경 감응성 제어의 원리를 개략적으로 도시한다. 도 3 은 방법 또는 배열체의 개략도로서 시험될 수 있다. 내부 제어 루프는 변경 감응성 제어기 (301) 를 포함하고, 이 변경 감응성 제어기는, 센서 (103) 로부터 측정된 지표값을 수신하고 이 지표값을 설정값에 비교하며 그리고 엑츄에이터 (104) 를 통하여 제어된 프로세스 (101) 의 상태에 영향을 주는 제어 출력을 생성한다는 점에서 피드백 제어기의 기능들을 포함한다. 제어 출력은 측정된 지표값과 설정값 사이에서 발견되는 차에 비례하지만, 이러한 비례는 변경에 대하여 어떠한 감응성을 포함하며: 설정값 변경시에 (및/또는 그 직후에) 과도 기간이 나타나고, 이 과도 기간 동안의 비례는 정상 상태시의 비례와는 상이하다. 특히, 제어기 (301) 의 변경 감응성이 선택되어, 엑츄에이터 (104) 로 향한 제어 출력은, 그렇지 않으면 설정값 변화를 나타내는 작동 상태에서의 이러한 변경에 대하여 프로세스 (101) 의 응답을 지연시키는 영향에 사전에 대항한다.
설정값은 설정치 선택기 (302) 로부터 변경 감응성 제어기 (301) 로 가고, 설정치 선택기 자체는 또한 변경에 감응성이다. 설정치 선택기 (302) 의 목적은, 프로세스 (101) 에 작용할 측정가능한 왜란들에 대한 정보에 기초하여, 설정값을 선택하는 것이고, 그리하여 매시간 새로운 설정값이 새로운 측정가능한 왜란들에 따라서 프로세스 (101) 를 적합하게 제어하도록 내부 제어 루프를 구동한다. 변경에 대한 감응성은, 본원에서 제어기 (301) 에 대하여 전술한 바와 유사한 특징을 의미하며: 심지어 측정가능한 왜란들이 하나의 정상 상태 레벨에서 다른 정상 상태 레벨로만 변경되면, 선택된 설정치는 이전의 (old) 정상 상태 설정치에서 새로운 정상 상태 설정치로 단지 점프하지 않고 그렇지 않으면 프로세스 (101) 에서 발생하는 지연 및/또는 다른 원하지 않는 과도적인 영향들에 대하여 사전 보상하기 위한 목적의 천이 패턴 (transition pattern) 을 따른다.
도 4 에서는 내연기관에서 공연비를 제어하기 위해 2 단계 변경 감응성 제어의 원리를 적용할 수 있는 방법의 일 실시예를 도시한다. 도 4 에서 우측에 개략적으로 도시된 밸브 (401) 는, 예를 들어 터보과급기의 터빈의 웨이스트 게이트 또는 흡기 매니폴드 공기 압력에 영향을 주는 과급 공기 유입구의 웨이스트 게이트일 수 있다. 일반적으로, 과급 공기 압력을 직접적으로 또는 간접적으로 제어하도록 구성된 엑츄에이터에 대해 설명할 것이다. 피드백 제어기 (402) 는, 예를 들어 측정된 과급 공기 압력과 같은 측정된 공기 양 지표를 설정값에 비교하도록 구성된다. 측정된 공기 양 지표는 도 4 에서 간단하게 피드백 값이라고 한다.
피드백 제어기 (402) 는 또한 이 피드백 제어기 (402) 가 측정된 공기 양 지표와 설정값 사이에서 발견되는 차에 비례하는 양만큼 변경되는 피드백 제어 출력 (403) 을 생성하도록 구성된다. 상기 설명에서, 비례라는 용어는 비례 상수를 통하여 선형 종속성만을 포함하는 엄밀하게 수학적인 면에서 사용되지 않는다. 오히려, 측정된 공기 양 지표가 설정값과 동일하다면, 피드백 제어기 (402) 는 중립적인 출력값 (즉, 제어된 프로세스의 현재 상태를 변경하기 위한 목적이 아닌 값) 을 생성하도록 구성되고, 그렇지 않다면 이러한 상황을 더 열악하게 보정하려는 출력값을 생성하여, 측정된 공기 양 지표가 설정값으로부터 더 멀어진다. 비례에 대한 이러한 광범위한 규정은, 예를 들어 기하급수형 종속성, 설정값의 정확한 값 근방의 사구역들 (dead zones), 과장된 출력값 컷-오프들, 및 피드백 제어의 다른 공지된 특징들을 포함한다.
설정치 선택기 (404) 는 공지된 작동 요건에 기초하여 정상 상태 설정값 (405) 을 선택하도록 구성된다. 예를 들어, 설정치 선택기 (404) 는 룩업 테이블 (406) 의 형태를 취할 수 있고, 이 룩업 테이블로부터 원하는 과급 공기 압력값은 엔진이 특정 부하상태로 있어야 하는 회전 속도에 따라서 판독된다. 입력값들 (즉, 공지된 작동 요건들을 나타내는 입력값들) 각각이 허용가능한 값들의 범위에 있는 정상 상태 설정값을 선택하는 일은 설정치 선택기에게 통상적이다. 도 4 에 도시된 룩업 테이블에서, 이들은 룩업 테이블의 행 및 열에 라벨을 부여하는 해칭된 박스들로 나타내어진다. 실제로 직면할 수 있는 작동 요건들의 각 조합의 영향을 - 시험, 시뮬레이션 또는 이 둘의 조합을 통하여 - 밝힐 수 있고, 그리하여 적합한 정상 상태 설정값은 룩업 테이블에서 적합한 위치에 선택 및 저장될 수 있다.
제 1 과도 제어기 (407) 는 내연기관의 연료 요구에서의 변경에 대한 응답으로서 과도 설정치 오프셋 (408) 을 생성하도록 구성된다. 상기 설명에서, "과도 제어기" 라는 용어는 변경들에 반응할 때 특별하고 (주로 정상 상태 입력들에 작용하는 제어기들과는 반대임) 그리고 변경 기간 동안 또는 변경 이후의 대부분 비교적 짧은 간격으로만 지속하는 출력을 생성하는 제어기를 의미한다. 상기 설명 후반부에서는 과도 제어기들의 실시예들을 제공할 것이다.
제 1 컴바이너 (409) 는 정상 상태 설정값 (405) 및 과도 설정치 오프셋 (408) 의 조합 (410) 을 생성하도록 구성된다. 이러한 조합은 단순 합일 수 있거나, 몇몇 가중 합일 수 있거나, 조건부 선택, 필터링, 클립핑, 및/또는 시간 의존 가중과 같은 보다 개선된 조합 특징들을 포함할 수 있다. 어떠한 경우에, 정상 상태 설정값 (405) 과 과도 설정치 오프셋 (408) 의 조합 (410) 은 피드백 제어기 (402) 에 전달된 설정값을 구성한다. 이와 함께, 설정치 선택기 (404), 제 1 과도 제어기 (407), 및 컴바이너 (409) 는 도 3 에서 변경 감응성 설정치 선택기 (302) 로서 도시된 기능들을 실시한다. 부하, 속도 및 연료 요구에 대한 지식은, 도 4 에서 흡기 공기의 압축인 프로세스의 상태에 영향을 주는 측정가능한 왜란들을 나타낸다. 흡기 공기 압력은 공연비를 결정하는 중요한 인자이기 때문에, 보다 일반적으로 도 4 에서 제어될 프로세스가 연소실안으로 공기와 연료를 적합한 비로 전달하는 것이라고 할 수 있다.
제 2 과도 제어기 (411) 는 단지 피드백 제어기 (402) 처럼 입력으로서 제 1 컴바이너 (409) 로부터의 설정값을 수신한다. 제 2 과도 제어기 (411) 는 설정값 변화에 대한 응답으로서 과도 출력 오프셋 (412) 을 생성하도록 구성된다. 제 2 컴바이너 (413) 는 피드백 제어 출력 (403) 과 과도 출력 오프셋 (412) 의 조합 (414) 을 생성하도록 구성된다. 이러한 조합 (414) 은 AFR 제어 시스템의 출력을 구성하고 그리고 밸브 (401) 를 실제로 돌리는데 (또는 보다 일반적으로 제어된 프로세스의 상태에 영향을 주는 엑츄에이터를 구동시키는데) 사용된다. "조합" 이라는 용어에 대하여 전술한 바와 동일한 일반적인 소견을 또한 여기에 적용한다. 이와 함께, 피드백 제어기 (402), 제 2 과도 제어기 (411), 및 제 2 컴바이너 (413) 는, 도 3 에서 변경 감응성 제어기 (301) 로서 나타내어지는 기능들을 실시한다.
도 5 에서는 제 1 과도 제어기 (407) 의 가능한 일 실시형태를 도시한다. 제 1 과도 제어기는 현재의 연료 요구를 나타내는 신호에 대한 시간 미분을 생성하도록 구성된 제 1 시간 미분 산출기 (501) 를 포함한다. 현재의 연료 요구를 나타내도록 어떠한 측정된 피드백 값을 사용하지 않고 엔진에서 연료 전달 배열체를 구동하는데 있어서 능동적인 역할을 하는 최초 제어 신호 또는 지령을 사용하여 중요한 이점을 얻을 수 있다. 측정된 피드백 신호는 지연 및 반응성 (reactiveness) 의 추가 요소를 도입하는 반면, 최초 제어 신호 또는 지령은 적합한 정보를 얻는 가장 신속하고 가장 사전적인 방식이다. 제 1 이득 유닛 (502) 은 연료 요구의 시간 미분을 가중하도록 구성되고, 제 1 저역 통과 필터 (503) 는 연료 요구의 가중된 시간 미분을 필터링하도록 구성된다. 저역 통과 필터링은, 오직 간섭 또는 다른 소스들 또는 에러로 인한 변동들을 필터링함으로써, 연료 요구에서의 실제 변경들에 대한 제 1 과도 제어기의 영향에 집중하는데 도움을 준다. 과도 설정치 오프셋 (408) 은 제 1 저역 통과 필터 (503) 의 출력이다.
도 6 에 도시된 바와 같이, 제 2 과도 제어기 (411) 의 예시적인 실시형태는 제 1 과도 제어기 (407) 의 예시적인 실시형태와 비교적 밀접하게 유사할 수 있다. 도 6 의 제 2 과도 제어기 (411) 는 제 1 컴바이너 (409) (도 4 참조) 로부터 수신된 설정값의 시간 미분을 생성하도록 구성된 제 2 시간 미분 산출기 (601) 를 포함한다. 제 2 이득 유닛 (602) 은 설정값의 상기 시간 미분을 가중하도록 구성되고, 제 2 저역 통과 필터 (603) 는 설정값의 가중된 시간 미분을 필터링하도록 구성되어, 상기 과도 출력 오프셋 (412) 은 상기 제 2 저역 통과 필터의 출력이다. 도 6 의 예시적인 실시형태와 도 5 의 예시적인 실시형태 둘 다에서, 효과에 실제로 중요한 것이 얻어지지 않는 체인에서 이득 유닛과 저역 통과 필터는 위치들을 전환할 수 있다.
도 7 은, 도 4 에 도시된 종류의 AFR 제어기가 과급 공기 압력을 증가시키는데 사용되었을 때, 다양한 신호들이 어떻게 보여질 수 있는지의 실시예를 도시한다. 간단하게 하기 위해서, 제 1 과도 제어기 (407) (도 4 참조) 는 최상부 곡선 (701) 으로 도시된 바와 같이 연료 요구가 급격하게 증가하는 정보를 수신한다고 가정한다. 연료 요구의 증가는 부하 및/또는 회전 속도의 동시 증가를 의미하고, 그리하여 설정치 선택기 (404) 의 출력에서 정상 상태 설정치 (405) 는, 설정치 선택기가 룩업 테이블을 참고하고 그리고 출력시에 최종 새로운 정상 상태 설정치를 제공하는 정도의 지연만큼만, 유사한 계단형 증가를 나타낸다.
제 1 과도 제어기 (407) 는 도 5 에 도시된 내부 구조물을 가지면, 연료 요구 곡선 (701) 의 시간 미분을 산출한다. 급격하게 변경하는 연료 요구의 시간 미분은 매우 뾰족하고, 매우 높은 피크를 구성하는데, 이는 엄밀하게 수학적인 면에서 시간 미분은 한 지점에서 유한값을 가지고 다른 어떤 곳에서 제로값을 갖기 때문이다. 저역 통과 필터링된 시간 미분은 보다 더 평탄한 형태를 갖지만 도 7 에서 제 2 곡선 (702) 으로 도시된 바와 같이 여전히 비교적 좁은 피크일 수 있다. 컴바이너 (409) 가 가중된 합에 적용되도록 구성되면, 설정값 (410) 은 제 3 곡선 (703) 을 따를 수 있고: 하나의 정상 상태 설정값에서 다른 정상 상태 설정값으로 단지 점핑하는 대신에, 설정값은 일시적으로 2 개의 정상 상태 설정값들 사이의 차만큼보다 더 많이 증가하고, 그 이후에만 피크 형성된 과도 설정치 오프셋 (408) 의 효과가 없어질 때 새로운 정상 상태 설정값으로 정해진다.
도 7 에서 제 4 곡선 (704) 은 제 2 과도 제어기 (411) 에서 산출된 바와 같이 설정값의 필터링된 시간 미분을 도시한다. 제 5 곡선 (705) 은 또한 피드백 제어기 (402) 가 도 7 의 변경하는 설정값에 어떻게 반응하는지를 도시하고: 우선 새로운 정상 상태 설정값이 필요로 하는 것보다 더 많이 출력 신호를 증가시키고 (즉, 웨이스트 게이트 (401) 를 폐쇄 방향으로 돌림) 그리고 결국에는 새로운 정상 상태 설정값으로 표시된 과급 공기 압력을 생성하는 웨이스트 게이트 설정에 도달함으로써, 피드백 값이 설정값을 따르도록 한다.
제 6 곡선 (706) 은 제 4 곡선과 제 5 곡선의 가중 합을 나타내고, 즉, 제 2 컴바이너 (413) 가 AFR 제어 시스템의 출력 (414) 으로서 생성된다는 것이다. 곡선 (704) 으로 도시된 과도 출력 오프셋에서 양방향 스윙 효과는 2 배 (two-fold) 가 되고: 이는 가중 합에서의 초기 증가를 더 급격하게 만들며 그리고 곡선 (705) 에서 상향 스윙의 지연된 후미를 약하게 한다. 일반적으로, AFR 제어 시스템은, 웨이스트 게이트를 다소 과장된 정도로 신속하게 폐쇄한 후 새로운 작동 조건에서 적합한 레벨로 웨이스트 게이트 설정을 비교적 신속하게 안정화함으로써, 연료 요구에서의 증가 (이는 부하 또는 회전 속도에서의 원하는 증가와 동기화됨) 에 응답한다고 결론지을 수 있다. 웨이스트 게이트를 폐쇄할 시 초기의 과장은, 증가된 부하 및/또는 회전 속도 요구에 응답하는 경우에 그렇지 않으면 내재하는 지연들을 극복하는데 필요한 정도의 추가의 과급 공기 압력만큼 생성한다.
도 8 에서는 2 단계 변경 감응성 제어의 다른 실시형태를 도시한다. 도 4 에서와 같이 본질적으로 동일한 구성품들과 기능들로서는 피드백 제어기 (402), 설정치 선택기 (404), 제 1 과도 제어기 (407), 제 1 컴바이너 (409), 및 제 2 컴바이너 (413) 이다. 설정치 선택기 (404) 와 제 1 과도 제어기 (407) 는 도식을 명확하게 하기 위해서 플립된 순서 (flipped order) 로만 도시되었고, 이는 도 4 와는 상이하게 제 2 과도 제어기 (811) 가 제 1 컴바이너 (409) 에 의해 생성된 설정값 (410) 으로부터가 아니라 설정치 선택기 (404) 에 의해 생성된 정상 상태 설정치 (405) 로부터 직접 입력을 취한다. 제 2 과도 제어기 (811) 가 도 6 에서 전술한 실시예서와 동일한 시간 미분 산출 원리, 증폭 및 저역 통과 필터링을 적용하면, 과도 출력 오프셋 (812) 은 정상 상태 설정값에서의 단일의 급격한 변경만이 실시되는 상황에서 곡선 (704) 의 양방향 스윙 대신에 곡선 (702) 의 단일 피크와 유사할 것이다.
본원의 일 실시형태에 따른 AFR 제어 시스템의 물리적 실시는 내연기관의 ECU (엔진 제어 유닛) 의 일부, CCM (실린더 제어 모듈) 또는 ECM (엔진 제어 모듈) 의 일부로서 실시될 수 있다. 예를 들어 마이크로제어기들, 마이크로처리기들, 및/또는 프로그램가능한 논리 배열들과 같은 ECU, CCM 또는 ECM 프로그램가능한 디바이스들에 포함되는 것은 공지되어 있다. 전술한 설명에 기초하여, 당업자는 이러한 프로그램가능한 디바이스를 프로그램할 수 있고, 그리하여 머신-판독가능한 지령들 형태의 프로그램을 실행함으로써 프로그램가능한 디바이스를 본원의 일 실시형태에 따른 방법을 실행할 수 있도록 해준다.
보정된 청구범위의 범위를 벗어나지 않는다면 전술한 실시형태들에 대한 변형과 수정이 가능하다. 예를 들어, 제 1 과도 제어기 (407) 로의 입력 신호는 연료 요구 대신에 엔진 부하, 실린더 압력 (예를 들어 산출된 IMEP) 또는 작동 상태, 예를 들어 연소 상태를 나타내는 다른 신호들일 수 있다.

Claims (6)

  1. 내연기관에서 공연비를 제어하기 위한 AFR 제어 시스템으로서,
    - 측정된 공기 양 지표를 설정값 (410) 에 비교하고 그리고 피드백 제어 출력 (403) 을 생성하도록 구성되는 피드백 제어기 (402),
    - 공지된 작동 요건들에 기초하여 정상 상태 설정값 (405) 을 선택하도록 구성되는 설정치 선택기 (404),
    - 상기 내연기관의 연료 요구에서의 변경에 대한 응답으로서 과도 설정치 오프셋 (408) 을 생성하도록 구성되는 제 1 과도 제어기 (407), 및
    - 상기 정상 상태 설정값 (405) 또는 상기 설정값 (410) 중 하나에서의 변화에 대한 응답으로서 과도 출력 오프셋 (412, 812) 을 생성하도록 구성되는 제 2 과도 제어기 (411, 811) 를 포함하고,
    상기 설정값 (410) 은 상기 정상 상태 설정값 (405) 과 상기 과도 설정치 오프셋 (408) 의 조합이고, 상기 AFR 제어 시스템의 출력 (414) 은 상기 피드백 제어 출력 (403) 및 상기 과도 출력 오프셋 (412, 812) 의 조합인, AFR 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 과도 제어기 (407) 는 상기 연료 요구의 시간 미분을 생성하도록 구성된 제 1 시간 미분 산출기 (501), 상기 연료 요구의 시간 미분을 가중하도록 구성된 제 1 이득 유닛 (502), 및 상기 연료 요구의 가중된 시간 미분을 필터링하도록 구성된 제 1 저역 통과 필터 (503) 를 포함하고, 그리하여 상기 과도 설정치 오프셋 (408) 은 상기 제 1 저역 통과 필터 (503) 의 출력인, AFR 제어 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 과도 제어기 (411) 는 상기 설정값의 시간 미분을 생성하도록 구성된 제 2 시간 미분 산출기 (601), 상기 설정값의 시간 미분을 가중하도록 구성된 제 2 이득 유닛 (602), 및 상기 설정값의 가중된 시간 미분을 필터링하도록 구성된 제 2 저역 통과 필터 (603) 를 포함하고, 그리하여 상기 과도 출력 오프셋 (412) 은 상기 제 2 저역 통과 필터 (603) 의 출력인, AFR 제어 시스템.
  4. 내연기관으로서,
    - 연소실안으로 강제될 여분의 공기 양을 조절하기 위한 조절 밸브 (401) 또는 밸브 시스템, 및
    - 제 1 항에 따른 AFR 제어 시스템을 포함하고,
    상기 AFR 제어 시스템의 출력 (414) 은 상기 조절 밸브 (401) 를 작동시키도록 결합되는, 내연기관.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 조절 밸브 (401) 또는 밸브 시스템은 이하: 터보과급기의 터빈의 웨이스트 게이트, 과급 공기 유입구의 웨이스트 게이트 중 적어도 하나를 포함하는, 내연기관.
  6. 내연기관에서 공연비를 제어하기 위한 방법으로서,
    - 측정된 공기 양 지표를 설정값 (410) 에 비교 (402) 하고 그리고 피드백 제어 출력 (403) 을 생성하는 단계,
    - 공지된 작동 요건들에 기초로 하여 정상 상태 설정값 (405) 을 선택 (404) 하는 단계,
    - 상기 내연기관의 연료 요구에서의 변경에 대한 응답으로서 과도 설정치 오프셋 (408) 을 생성 (407) 하는 단계, 및
    - 상기 정상 상태 설정값 (405) 또는 상기 설정값 (410) 중 하나에서의 변화에 대한 응답으로서 과도 출력 오프셋 (412, 812) 을 생성 (411, 811) 하는 단계를 포함하고,
    상기 설정값 (410) 은 상기 정상 상태 설정값 (405) 과 상기 과도 설정치 오프셋 (408) 의 조합이고, 상기 공연비를 제어하기 위한 출력 (414) 은 상기 피드백 제어 출력 (403) 및 상기 과도 출력 오프셋 (412, 812) 의 조합인, 내연기관에서 공연비를 제어하기 위한 방법.
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