KR101779306B1 - 내연 기관을 동작시키기 위한 방법 및 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각 가스 입구 밸브(12)와 가스 출구 밸브(13)와 연관된 복수의 실린더(Z1 내지 Z4)를 구비하는 내연 기관에 관한 것이다. 내연 기관의 현재 동작점에 의존하여, 오버런 공기 라인의 구배가 내연 기관의 적어도 하나의 주위 변수의 현재 주위값에 대해 결정된다. 오버런 공기 라인은, 지정된 내연 기관이 동작 온도에 있는 경우에, 상기 내연 기관은 연료 계량과 연소 없이 잠시 동안 동작될 때, 가스 교환 밸브의 폐쇄 후에 각 실린더 내에 위치된 공기량의 특성을 나타낸다. 가스 입구 밸브와 가스 출구 밸브를 포함하는 가스 교환 밸브가 폐쇄된 후 각 실린더(Z1 내지 Z4) 내에 위치된 실린더 공기량은, 오버런 공기 라인의 구배와, 주위 변수에 의해 영향을 받은 특성 변수의 현재 특성값에 의존하여, 현재 동작점과 적어도 하나의 주위 변수의 각각의 현재 주위값에 대해 결정된다.

Description

내연 기관을 동작시키기 위한 방법 및 디바이스{METHOD AND DEVICE FOR OPERATING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 가스 입구 밸브가 각각 할당된 하나 이상의 실린더를 구비하는 내연 기관을 동작시키기 위한 방법 및 디바이스에 관한 것이다.

내연 기관이 내부에 배열된 자동차에 허용되는 오염물 방출량에 관한 규제가 훨씬 더 엄격해져서, 내연 기관의 동작 동안 오염물 방출량을 가능한 한 낮게 유지하는 것이 필요하다. 이것은 첫째 내연 기관의 각 실린더에서 공기/연료 혼합물이 연소하는 동안 발생하는 오염물 방출량을 감소시키는 것에 의해 실현될 수 있다. 둘째, 각 실린더에서 공기/연료 혼합물이 연소 공정 동안 생성된 오염 방출물을 위험하지 않은 물질종으로 변환하는 배기-가스 후처리 시스템을 내연 기관에 사용하는 것이다. 이 목적을 위하여, 일산화탄소, 탄화수소 및 산화질소를 위험하지 않은 물질종으로 변환하는 배기-가스 촉매 컨버터가 사용된다.

각 실린더에서 연소하는 동안 오염 방출물의 생성에 타깃화된 영향을 미치고 오염물 성분을 배기-가스 촉매 컨버터에 의해 고효율로 변환하려면 각 실린더에 매우 정확히 설정된 공기/연료 비율을 필요로 한다.

흡입 파이프 충전 모델(intake pipe charging model)이 예를 들어 전문가 책("Handbuch Verbrennungsmotor, Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven" ["Internal combustion engine compendium, principles, components, systems, perspectives"], 2^nd improved edition, publisher Richard van Basshuysen/Fred Sch

fer, 2^nd improved edition, June 2002, Friedrich Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbden, pages 557 to 559)에 설명되어 있다. 나아가, 상기 유형의 흡입 파이프 모델은 또한 EP 0820559 B1 및 EP 0886725 B1에도 설명되어 있다.

본 발명이 기초로 하는 목적은, 방출량이 낮고 내연 기관을 신뢰성 있게 동작시키는데 기여하는, 내연 기관을 동작시키기 위한 방법 및 디바이스를 제공하는 것이다.

상기 목적은 독립 청구항의 특징에 의해 달성된다. 유리한 개선은 종속 청구항에서 특징으로 제시된다.

본 발명은 가스 입구 밸브와 가스 출구 밸브가 각각 할당된 하나 이상의 실린더를 구비하는 내연 기관을 동작시키기 위한 방법 및 대응하는 디바이스를 특징으로 한다. 가스 교환 밸브는 가스 입구 밸브와 가스 출구 밸브를 포함한다.

내연 기관의 현재 동작점(operating point)에 따라, 오버런-공기 라인(overrun-air line)의 구배(gradient)가 내연 기관의 적어도 하나의 주위 변수(ambient variable)의 현재 주위값(current ambient value)에 대해 결정된다. 각각의 현재 동작점은 특히 부하를 나타내는 내연 기관의 동작 변수의 세트로 특징지어진다. 상기 동작 변수는 예를 들어 엔진 속력 및/또는 흡입 파이프 압력 및/또는 실린더에 근접한 작동체(actuator)들, 예를 들어, 위상 및/또는 리프트를 위한 캠샤프트 조절기, 스월 플랩(swirl flap), 가변 흡입 파이프 등의 조절 특성을 포함할 수 있다. 각 주위 변수는 특히 동작점을 특성화하는데 사용되는 변수와는 상이하다.

상기 오버런-공기 라인은, 내연 기관이 미리 한정되게 동작 온도에 있는 경우, 상기 내연 기관이 연료 계량(fuel metering)과 연소 없이 잠시 동안 동작될 때, 가스 교환 밸브의 폐쇄 후 각각의 실린더에 위치된 공기량(air mass)의 특성을 나타낸다.

가스 교환 밸브의 폐쇄 후 각각의 실린더에 위치된 실린더 공기량은, 구체적으로 오버런-공기 라인의 구배와 주위 변수에 의해 영향을 받은 특성 변수의 현재 특성값에 의존하여 각각의 현재 동작점과 적어도 하나의 주위 변수의 각각의 현재 주위값에 대해 결정된다. 특성 변수는 예를 들어 각 가스 입구 밸브의 구역에서의 흡입 공기 온도 및/또는 흡입 파이프 압력일 수 있다.

이런 방식으로, 특히 메모리 용량을 보존하는 방식으로 실린더의 공기량을 특히 정확히 결정하는 것이 가능하다.

하나의 유리한 개선에서, 주위 변수는 주위 온도 및/또는 주위 압력 및/또는 배기 다기관 압력이다. 이런 방식으로, 예를 들어, 엔진 테스트 스탠드에서 미리 결정된 데이터를 사용하여 실린더 공기량을 정확히 결정하는 것이 각 주위 온도와 각 주위 압력에 간단히 적응시킴과 함께 특히 간단한 방식으로 가능하다.

추가적인 유리한 개선에서, 각각의 실린더의 잔류 가스량(residual gas mass)은 현재 동작점에 의존하여 적어도 하나의 주위 변수와 대해 미리 한정된 기준 조건 하에서 결정된다.

각각의 실린더의 잔류 가스량은 현재 동작점에 의존하여 적어도 하나의 주위 변수의 각각의 현재 주위값을 고려하여 결정된다.

실린더 공기량은 미리 한정된 기준 조건 하에서의 각각의 실린더의 잔류 가스량에 따라 그리고 적어도 하나의 주위 변수의 각각의 현재 주위값을 고려한 각각의 실린더의 잔류 가스량에 따라 결정된다. 이런 방식으로, 실린더 공기량은 데이터 메모리 자원을 경제적으로 사용하여 특히 정확한 방식으로 결정될 수 있다.

추가적인 유리한 개선에서, 기준 흡입 파이프 온도는 현재 동작점에 의존하여 적어도 하나의 주위 변수에 대해 미리 한정된 기준 조건 하에서 결정된다. 실린더 공기량은 기준 흡입 파이프 온도에 따라 결정된다.

추가적인 유리한 개선에서, 기준 배기 다기관 온도는 현재 동작점에 의존하여 적어도 하나의 주위 변수에 대해 미리 한정된 기준 조건 하에서 결정된다. 실린더 공기량은 기준 배기 다기관 온도에 따라 결정된다.

추가적인 유리한 개선에서, 기준 배기 다기관 압력은 현재 동작점에 의존하여 적어도 하나의 주위 변수에 대해 미리 한정된 기준 조건 하에서 결정된다. 실린더 공기량은 기준 배기 다기관 압력에 따라 결정된다.

추가적인 유리한 개선에서, 기준 입구 공기량(reference inlet air mass)은 현재 동작점에 의존하여 적어도 하나의 주위 변수에 대해 미리 한정된 기준 조건 하에서 결정된다. 실린더 공기량은 기준 입구 공기량에 따라 결정된다.

추가적인 유리한 개선에서, 기준 소기 공기량(reference scavenging air mass)은 현재 동작점에 의존하여 적어도 하나의 주위 변수에 대해 미리 한정된 기준 조건 하에서 결정된다. 실린더 공기량은 기준 소기 공기량에 따라 결정된다.

특히, 모델-기반 접근법은 실린더 공기량을 결정하는데 사용된다.

본 발명과 그 개선은, 특히, 다음 장점을 제공한다. 주위 압력의 영향을 정정(correction)하는 것이 데이터로-구동되는 국부적 정정에 의해서가 아니라 수식 세트에 의해 결정될 수 있는 것에 의해 각 데이터 및/또는 프로그램 메모리에 상당한 메모리 용량을 절감하는데 기여할 수 있다.

나아가, 엔진의 기하학적 형상을 고려하는 것으로 인해, 변화된 주위 조건 하에서 각 내연 기관을 측정하는 것이 훨씬 거친 래스터(much coarser raster)로 감소될 수 있기 때문에 교정 비용이 매우 낮은, 특히 크게 감소될 수 있다.

나아가, 소위 부품 유도체(component derivative), 구체적으로 차량 유도체(vehicle derivative)의 여러 배기 시스템을 재현하는 것이 특히 기존의 소프트웨어 구현에 베이스 데이터세트를 유지하면서 특히 간단한 방식으로 가능하다.

본 발명의 예시적인 실시예는 개략 도면을 참조하여 아래에서 보다 상세히 설명된다:
도 1은 연관된 제어 디바이스를 갖는 내연 기관을 도시하는 도면;
도 2는 내연 기관의 공기량 흐름 곡선을 도시하는 도면;
도 3은 오버런-공기 직선 라인을 도시하는 도면;
도 4는 추가적인 오버런-공기 직선 라인을 도시하는 도면; 및
도 5는 더 추가적인 오버런-공기 직선 라인을 도시하는 도면.
동일한 구성이나 기능을 갖는 구성요소는 도면 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호로 표시된다.

내연 기관은 흡입관(intake tract)(1), 엔진 블록(2), 실린더 헤드(3) 및 배기관(exhaust tract)(4)을 포함한다.

흡입관(1)은 바람직하게는 쓰로틀 플랩(throttle flap)(5), 다기관(6) 및 흡입 파이프(7)를 포함하고, 흡입 파이프는 입구 덕트를 통해 엔진 블록(2)의 연소 챔버(9)로 가는 실린더(Z1)로 이어진다. 엔진 블록(2)은 커넥팅 로드(10)에 의해 실린더(Z1)의 피스톤(11)에 결합된 크랭크샤프트(8)를 포함한다. 내연 기관은 바람직하게는 실린더(Z1)에 더하여 추가적인 실린더(Z2, Z3, Z4)를 포함한다. 그러나 내연 기관은 임의의 원하는 다른 개수의 실린더를 더 포함할 수 있다. 내연 기관은 바람직하게는 자동차 내에 배열된다.

실린더 헤드(3)에는 바람직하게는 분사 밸브(18)와 점화 플러그(19)가 배열된다. 대안적으로, 분사 밸브(18)는 또한 흡입 파이프(7) 내에 배열될 수 있다.

배기관(4)에는, 바람직하게는 3방 촉매 컨버터(three-way catalytic converter)의 형태인 배기-가스 촉매 컨버터(21)가 바람직하게 배열된다.

나아가, 위상 조절 수단이 또한 제공될 수 있고, 이 위상 조절 수단은 예를 들어 크랭크샤프트(8)와 입구 캠샤프트에 결합된다. 입구 캠샤프트는 각 실린더의 가스 입구 밸브에 결합된다. 위상 조절 수단은 크랭크샤프트(8)에 대해 입구 캠샤프트의 위상을 조절하도록 설계된다. 나아가, 위상 조절 수단은 기본적으로 대안적으로 또는 추가적으로 크랭크샤프트(8)에 대해 출구 캠샤프트의 위상을 조절하도록 더 설계될 수 있고, 여기서 출구 캠샤프트는 가스 출구 밸브(13)에 결합된다.

나아가, 또한 유효 흡입 파이프 길이를 가변시키는 스위칭 플랩(switching flap) 또는 일부 다른 스위칭 기구가 흡입관(1)에 제공될 수 있다. 나아가 예를 들어 또한 하나 이상의 스월 플랩이 더 제공될 수 있다.

나아가, 또한 예를 들어 배기-가스 터보차저(turbocharger) 형태일 수 있고 터빈과 압축기를 포함하는 수퍼차저(supercharger)가 제공될 수 있다.

제어 디바이스(25)가 제공되고, 이 제어 디바이스에는, 여러 측정 변수를 측정하고, 각 경우에, 이 측정 변수의 측정값을 결정하는 센서가 할당된다. 내연 기관의 동작 변수는 측정 변수와 이 측정 변수로부터 유도된 변수를 포함한다. 제어 디바이스(25)는, 적어도 하나의 측정 변수에 따라, 제어 변수를 결정하도록 설계되고, 이 제어 변수는 이후 대응하는 제어 드라이브에 의해 제어 요소를 제어하는 하나 이상의 제어 신호로 변환된다. 제어 디바이스(25)는 또한 내연 기관을 동작시키기 위한 디바이스라고도 지칭될 수 있다. 센서는 예를 들어 가속기 페달(27)의 가속기 페달 위치를 검출하는 페달 위치 트랜스듀서(26), 쓰로틀 플랩(5)의 상류의 공기량 흐름을 검출하는 공기량 센서(28), 쓰로틀 플랩(5)의 개방도를 검출하는 쓰로틀 플랩 위치 센서(30), 내연 기관의 주변에서 주위 압력을 검출하는 주위 압력 센서(32), 다기관에서 흡입 파이프 압력을 검출하는 흡입 파이프 압력 센서(34), 내연 기관의 속력이 할당된 크랭크샤프트 각도를 검출하는 크랭크 각도 센서(36)를 포함한다. 나아가, 배기-가스 촉매 컨버터(21)의 상류에 배열되고, 예를 들어, 내연 기관의 배기 가스의 잔류 산소 함량을 검출하는 배기-가스 탐침(42)이 제공되고, 그 측정 신호는 연소 전에 배기-가스 탐침(42)의 상류에서 공기/연료 비율을 나타낸다. 입구 캠샤프트 및/또는 출구 캠샤프트의 위치를 검출하기 위하여, 입구 캠샤프트 센서 및/또는 출구 캠샤프트 센서가 제공될 수 있다. 나아가, 내연 기관의 주위 온도를 검출하는 온도 센서가 제공되고, 및/또는 추가적인 온도 센서가 제공되고, 그 측정 신호는 흡입관(1)의 흡입 공기 온도를 나타내는 것이 바람직하다. 나아가, 또한 배기-가스 압력 센서가 제공될 수 있고, 그 측정 신호는 배기 다기관 압력, 다시 말해 배기관(4) 내 압력을 나타낸다.

실시예에 따라, 언급된 센서들의 임의의 원하는 서브셋이 제공되거나, 또는 추가적인 센서들이 더 제공될 수 있다.

제어 요소는 예를 들어 쓰로틀 플랩(5), 가스 입구 밸브와 가스 출구 밸브(12, 13), 분사 밸브(18) 또는 위상 조절 수단 또는 점화 플러그(19) 또는 배기-가스 재순환 밸브이다.

4-행정 원리에 기초하여 동작하는 내연 기관은 연료를 연소시키기 위해 의도된 공기를 흡입 행정 동안 이 목적을 위하여 개방되는 가스 입구 밸브(12)를 통해 각 실린더(Z1 내지 Z4)로 유입한다. 실린더(Z1 내지 Z4)에서 연료가 연소된 결과 생성된 배기 가스는 배기 행정에서 이 목적을 위하여 개방되는 가스 출구 밸브(13)를 통해 배기관(4)으로 방출된다. 이 경우에 이론적으로 최대 가능한 에워싸인 실린더 공기량(m _air , _cyl,th )은 실린더(Z1 내지 Z4)의 전체 스위프(sweep)된 볼륨(V _disp )을 정확히 충전할 수 있는 공기량을 말하는데, 다시 말해, 상사점(top dead center)에서 남아 있는 실린더 사볼륨(dead volume)을 배기 가스로 충전하면서, 내연 기관 주위에 나타나는 주위 압력(p ₀ )에서 그리고 내연 기관 주위에 나타나는 주위 온도(T ₀ )에서 하사점(bottom dead center)과 상사점에서 실린더 볼륨들 사이의 차이를 말한다:

, 여기서 R _air - 공기의 비기체상수((1))

실제 엔진 동작 동안, 연료의 연소시에 수반되는 신선한-공기 충전량(m _air , _cyl )은 여러 이유 때문에 이론적으로 최대 가능한 에워싸인 신선한-공기 충전량(m _air,cyl,th )과는 상이하다.

하나의 이유는 가스 입구 밸브(12)의 상류에 나타나는 흡입 파이프 압력(p _im )이 내연 기관의 공기 경로의 부품, 예를 들어 공기 필터 또는 쓰로틀 플랩에서 쓰로틀되는 것으로 인해 주위 압력 미만이거나, 또는 예를 들어 터보차저에 의해 수퍼차징되는 경우에 주위 압력을 초과하는 것에 있다.

추가적인 이유는 가스 입구 밸브(12)의 상류에 나타나는 흡입 파이프 온도(T _air,im )가 일반적으로 내연 기관으로부터 신선한 공기로 열이 전달된 결과 주위 온도(T ₀ )를 초과하는 것에 있다.

추가적인 이유는 각 실린더(Z1 내지 Z4)로 흐른 공기의 온도(T _air,cyl )가 일반적으로 실린더 벽으로부터 열을 전달한 결과 흡입 파이프 온도(T _air,im )를 초과하는 것에 있다.

추가적인 이유는 흡입관, 특히 각 흡입 파이프, 및 또한 배기 다기관으로도 지칭될 수 있는 배기관(4) 내 압력 진동이 정상 상태/시간적으로 평균된 상태로부터 편차를 야기하는 것에 있다.

추가적인 이유는 이전의 동작 사이클에서 생성된 배기 가스가 - 부분적으로 의도적으로 - 각 실린더(Z1 내지 Z4)로부터 완전히 방출되지 않는 것에 있다. 가스 출구 밸브(13)의 폐쇄 후 실린더(Z1 내지 Z4) 내에 또는 내연 기관의 흡입관(1) 내에 남아 있는 가스는 잔류 가스라고 지칭된다. 희박(thin) 공기/연료 혼합물의 경우에, 잔류 가스는 배기 가스를 포함할 뿐만 아니라 연소에 의해 소비되지 않은 공기를 포함하거나, 또는 희박 공기/연료 혼합물의 경우에, 잔류 가스는 탄화수소를 포함한다. 화학양론적인 공기/연료 혼합물이 이후 관찰(observation)을 위해 가정된다. 따라서, 잔류 가스는 배타적으로 연소된 가스라고도 지칭되는 배기 가스로 구성된다. 각 실린더 내 잔류 가스량은 m _bg,cyl 로 지칭된다.

희박 공기/연료 혼합물에서, 이후 관찰은 잔류 가스에서 공기를 고려하는 것에 의해 대응하여 확장될 수 있다. 농후(rich) 공기/연료 혼합물에서, 이후 관찰은 잔류 가스에서 연소되지 않은 연료를 고려하는 것에 의해 대응하여 확장될 수 있다.

더 추가적인 이유는, 외부 배기-가스 재순환을 갖는 내연 기관의 경우에, 흡입관(1)으로부터 가스 입구 밸브(12)를 통해 각 실린더(Z1 내지 Z4)로 유입되는 것은 순수 공기가 아니라 배기 가스-공기 혼합물이고, 이에 따라 공기가 - 의도적으로 - 배기 가스에 의해 변위된 것에 있다. 외부 배기-가스 재순환을 하지 않는 내연 기관이 이후 관찰을 위해 가정된다. 외부 배기-가스 재순환을 갖는 엔진에서, 이후 관찰은 흡입 파이프 가스 혼합물에서 배기 가스를 고려하는 것에 의해 대응하여 확장될 수 있다.

추가적인 이유는, 연료의 흡입 파이프 분사, 액체 연료의 증발, 또는 가스 연료의 팽창을 갖는 내연 기관의 경우에, 각 실린더(Z1 내지 Z4) 내 가스 혼합물이 각 실린더(Z1 내지 Z4)에 에워싸이기 전에 이미 냉각되어 그 밀도가 증가된 것에 있다. 직접 분사를 하는 엔진, 다시 말해, 연료의 흡입 파이프 분사를 하지 않는 엔진이 이후 관찰에 가정된다. 흡입 파이프 분사를 하는 내연 기관에서, 이후 관찰은 실린더 가스 혼합물에 있는 연료를 고려하는 것에 의해 대응하여 확장될 수 있다.

더 추가적인 이유는, 밸브 오버랩을 하는 동작점에서, 가스 입구 밸브를 개방하는 위상 동안 가스 입구 밸브를 통해 내연 기관에 의해 유입되는 입구 공기량(m _air,inv )(약어 INV는 입구 밸브를 나타낸다)에 흡입 파이프로부터 배기 다기관까지 압력 구배(p _im > p _em )가 있는 경우에, 일부 m _air,scav 가 실린더(Z1)를 통해 배기 다기관으로 소기될 수 있다는 것에 있다. 이것은 또한 소기라고도 지칭되고, 일부 m _air,cyl 만이 각 실린더(Z1)에 에워싸여서 실린더 공기량으로 지칭된다.

m _air,inv = m _air,cyl + m _air,scav ((2))

실린더(Z1)에서 에워싸인 실린더 공기량(m _air,cyl )과 가스 입구 밸브(12)를 통해 유입되는 입구 공기량(m _air,inv ) 사이의 비율은 트랩 효율(trapping efficiency)(

)이라고 지칭된다,

((3)).

각 실린더(Z1 내지 Z4)에서 현재 에워싸인 실린더 공기량(m _air,cyl )과 이론적으로 최대 가능하게 유입되는 공기량(m _air,cyl,th ) 사이의 비율은 또한 볼륨 효율(volumetric efficiency)(η)이라고 지칭된다:

((4)).

볼륨 효율(η)은 - 또한 엔진 속력으로도 지칭되는 크랭크샤프트(8)의 속력(N _eng ), 흡입 파이프 압력(p _im )(여기서 입구 밸브(12)의 폐쇄 시에 가스 입구 밸브(12)의 상류 압력이 중요하다), 흡입관(1)의 온도, 특히 - 또한 흡입 파이프 온도(T _air,im )라고도 지칭되는 각 가스 입구 밸브(12)의 상류 온도, 구체적으로 특히 가스 출구 밸브(13)의 폐쇄 시에 배기관(4)의 배기-가스 압력(p _em ), 배기관(4)의 배기-가스 온도(T _bg,em ), 모든 충전량에-영향을 미치는 작동체의 위치, 예를 들어, 위상 조절 수단의 위치, 가스 입구 밸브 및/또는 가스 출구 밸브(12, 13)의 리프트를 조절하는 리프트 조절 수단의 위치, 스월 플랩 또는 변수 흡입 파이프의 위치, 나아가, 연료의 분사량, 분사 방식, 및 분사 시간, 및 가능하게 추가적인 영향력 있는 변수, 예를 들어 냉각제 온도, 공기/연료 비율 등에 의해 결정된다.

또한 실린더 공기량이라고도 지칭되는 각 실린더(Z1 내지 Z4) 내로 유입되는 공기량의 추정된 값(m _air,cyl )은 연료 계량을 결정하는 메인 입력 변수이고, 이는 특히 오염물 방출량의 제한값을 준수하기 위하여 모든 엔진 동작 조건 하에서 제어 디바이스(25)에서 수 퍼센트 내로 정확히 알려져야 한다.

가스 입구 밸브(12)를 통해 유입되는 입구 공기량(m _air,inv )은 예를 들어 공기량 센서에 의해 모든 관련 있는 엔진 동작점에서 엔진 테스트 스탠드에서 알려진 주위 조건(기준 주위 압력(p _0,ref )과 기준 주위 온도(T _0,ref )) 하에서 기준 엔진에 대해 측정된다. 여기서, 통상적으로 엔진 속력(N _eng ), 흡입 파이프 압력(p _im ), 및 모두 n개의 충전물에-영향을 미치는 작동체들의 위치(s = [s ₁ , s ₂ ,..., s _n ])가 전체 조절 범위에 걸쳐 가변되고, 엔진 동작점은 상기 파라미터들의 조합으로 결정된다. 여기서 측정된 기준 입구 공기량

((5))

과, 여기서 측정된 기준 소기 공기량

((6))

은 이 경우에 높은 정확도로 모델에서 저장된다. 따라서 실린더 공기량은 기준 조건에 가까운 엔진 동작점에서 높은 정확도로 모델링되는 것이 보장된다. 함수

는 일반적으로 엔진 속력(N _eng )과 작동체 위치(s)에서 엔진의 공기량 흐름 곡선이라고 지칭된다. 아래에서는, 엔진 속력과 작동체 위치에 대한 엔진의 공기량 흐름 곡선은 여러 흡입 파이프 압력들에 대해 저장된 다수의 입구 공기량을 선형 보간한 것이 저장된 것으로 가정된다. 다른 모델들이 이후 관찰을 제한하지 않는다.

각 이러한 엔진 동작점과 각 흡입 파이프 압력에 대해, 기준 엔진에 설치된 배기 시스템(= 기준 배기 시스템)과 사용된 흡입 공기 온도 조건에 따라 그리고 정상 상태 조건 하에서, 엔진 동작점의 특성을 나타내는 기준 흡입 파이프 온도(T _air,im,ref ), 기준 배기 다기관 압력(p _im,ref ) 및 기준 배기 다기관 온도(T _bg,em,ref )가 발생된다. 기준 조건으로부터 현재 엔진 동작 조건의 편차를 정량화하기 위하여, 다음이 또한 기준 조건 하에서 측정된다:

- 기준 흡입 파이프 온도

((7)),

- 기준 배기 다기관 온도

((8)),

- 기준 배기 다기관 압력

((9))이 또한 모델에 저장된다.

엔진의 기준 상태의 정확한 모델링이 이후 주어지도록 가정되고, 설명된 접근법에서는 중요하지 않다. 아래에 설명된 접근법의 목적은 기준 상태로부터 입구 밸브의 상류에서 그리고 출구 밸브의 하류에서 가스 상태의 편차에 의해 야기된 실린더 공기량(m _air,cyl )의 감소 또는 증가를 설명하는 것이다. 흡입 파이프 압력(p _im )(= 입구 밸브의 상류 압력)의 변동이 이미 기준 엔진의 측정의 일부이고, 그 영향은 기준 입구 공기량(m _air,inv,ref )과 기준 소기 공기량(m _air,scav,ref )에 의해 이미 설명되었으므로, 그 목적은 기준 상태로부터 흡입 파이프 온도(T _air,im ), 배기 다기관 압력(p _em ), 및 배기 다기관 온도(T _bg,em )의 편차에 의해 실린더 공기량(m _air,cyl )이 감소하거나 증가하는 것을 설명하는 것으로 감소된다.

영향력 있는 변수, 즉 흡입 파이프 온도(T _air,im ), 배기 다기관 압력(p _em ), 및 배기 다기관 온도(T _bg,em )의 전체 변동을 포함하도록 기준 엔진의 측정을 확장하는 것은 실제로 가능하지 않다. 이것은,

1. 수 회 이상 측정을 길어지게 하고,

2. 극히 비싸고 희귀한, 기후 및 고도 시뮬레이션 테스트 스탠드(climate and altitude simulation test stand)에서 완전한 측정을 수행하며, 그리고

3. 이렇게 할 때, 상기 3개의 영향력 있는 변수(예를 들어, 배기 시스템, 터보차저, 흡입 경로, 충전물-공기 냉각기)에 영향을 미치고 상이한 차량의 엔진 유형과 잠재적으로 상호 작용하는 모든 엔진 부품의 전체 변동을 살펴볼 것을 요구할 수 있다.

이 때문에, 다음 접근법이 가능하다:

- 먼저, 실린더 공기량은 엔진 테스트 스탠드에서 입구 공기량과 소기 공기량으로부터 기준 조건 하에서 결정된다, 그리고

- 기준 조건으로부터 흡입 파이프 온도(T _air,im ), 배기 다기관 압력(p _em ), 및 배기 다기관 온도(T _bg,em )의 편차의 영향이 냉각/가열/고도 테스트 동안 차량의 측정과, 기후 및/또는 고도 시뮬레이션 테스트 스탠드에서 소수의 측정에 기초하여 나중에 결정된다.

이 측정을 시간적으로 그리고 조직적으로 서브 분할한 것에 대응하여, 엔진 제어 유닛에서, 실린더 공기량 모델에 대해 흡입 파이프 온도(T _air,im ), 배기 다기관 압력(p _em ), 및 배기 다기관 온도(T _bg,em )의 영향이 기준 조건 하에서 중립 효과(다시 말해, 효과 없음)를 가지는 정정으로 구성될 수 있고, 이 기준 조건으로부터 편차가 증가함에 따라 모델링된 실린더 공기량에 대한 영향이 증가하는 것이 일반적이다.

다음 접근법이 기본적으로 추종될 수 있다:

1. 엔진 동작점에서 기준 입구 공기량(m _air,inv,ref )의 모델을 선형화하고, 흡입 파이프 온도(T _air,im ), 배기 다기관 압력(p _em ), 및 배기 다기관 온도(T _bg,em )에 따라 상기 선형화의 구배와 오프셋을 정정하는 것에 기초한 전체적인 접근법. 이 전통적인 접근법은 수퍼차징이 없는 엔진에 대해 그리고 큰 작동체 조절 범위 없는 엔진에 대해서는 충분하지만, 큰 밸브 오버랩을 갖는 수퍼차징된 엔진의 경우에는 매우 부정확한 것으로 밝혀졌다.

2. 입구 공기량이 현재 엔진 동작점에 대해 보간되기 전에 엔진 제어 유닛에 저장된, 기준 입구 공기량(m _air,inv,ref )의 데이터를, 데이터-집약 방식으로, 흡입 파이프 온도(T _air,im ), 배기 다기관 압력(p _em ), 배기 다기관 온도(T _bg,em ), 및 관련 있는 것으로 식별된 작동체 조절값에 따라 개별적으로 정정할 수 있는 국부적 접근법. 이 접근법은 큰 밸브 오버랩을 갖는 수퍼차징된 엔진이라 하더라도 적절히 설명하지만, 기준 입구 공기량(m _air,inv,ref )의 동일한 데이터세트를 사용하여, 흡입 파이프 온도(T _air,im ), 배기 다기관 압력(p _em ), 및 배기 다기관 온도(T _bg,em )에 따라 정정하는 것만으로 다른 배기 시스템의 영향을 설명하는 것을 추구하는 경우 요구되는 정확도가 제한된다.

오버런-공기 라인의 정의

실린더 공기량(m _air,cyl )의 변수에 대한 잔류 가스에 의한 신선한 공기의 변위 효과를 다른 효과들과 분리하기 위하여, "오버런-공기 라인"이라는 표현이 정의된다: 연료 분사와 연소 없이 기준 조건 하에서 고온 엔진의 잠시 동안의 오버런 동작 동안, 연소 배기 가스가 생성되지 않는데, 다시 말해 공기만이 임의의 시점에서 실린더에 위치된다. 흡입 파이프와 실린더 사이에 불완전한 압력 등화 효과와 고온 실린더 벽으로부터 실린더 내 공기로 열이 전달되는 효과는 발화된 동작 동안의 효과와 매우 유사하다. 입구 밸브들이 폐쇄 시에 (사볼륨(dead volume) = 상사점에서 실린더 볼륨을 포함하여) 실린더에 에워싸인 실린더 공기량(m _air,cyl,s )은 오버런 동작 동안 (사볼륨 = 상사점에서 실린더 볼륨을 포함하여) 현재 실린더 볼륨(v _cyl,InvClp ), 현재 실린더 내부 온도(T _{air,cyl,InvClp,s} ), 및 현재 실린더 압력(p _cyl,InvClp,s )에 의해 결정된다:

((10)).

입구 밸브의 폐쇄 시 실린더 압력과 흡입 파이프 압력 사이의 비율은 특히 밸브 제어에 의해, 다시 말해 실린더 볼륨이 입구 밸브의 폐쇄 시 여전히 사이즈 증가하고 있는지 여부 또는 이미 사이즈 감소되었는지 여부에 의해 결정된다. 실린더 압력은 엔진 속력과 작동체 위치에 대해 다음 수식으로 근사화된다:

, 여기서

((11)) (const는 상수를 나타낸다).

입구 밸브들의 폐쇄 시 현재 실린더 볼륨은 배타적으로 작동체 위치에 의해서만 결정되고, 구체적으로 오버런 동작 동안 결정되는 것은 아니다. 따라서, 오버런 동작 동안, 엔진 속력/작동체 위치에 대해, 실린더 공기량(m _air,cyl,s )은 다음 수식으로 설명된다:

,

여기서

((12)).

상기 함수

는 이후 오버런-공기 라인으로 지칭될 수 있다.

제1 근사값으로, 실린더 내부 온도가, 엔진 속력/작동체 위치에 대해, 다음 수식, 즉

, 여기서

((13))

으로 설명되면, 오버런 동작에서, 엔진 속력/작동체 위치에 대해, 실린더 공기량(m _air,cyl,s )이 흡입 파이프 압력에 비례하게 된다:

((14))

오버런-공기 라인의 특수한 경우로서 상기 함수

는, 이후 오버런 구배(σ_s)를 갖는 오버런-공기 직선 라인이라고 지칭될 수 있다.

오버런 동작 동안 입구 밸브들의 폐쇄 시 실린더 내 공기의 밀도는 다음 수식으로 결정된다:

((15))

수식 ((11))을 넘어 가는 실린더 압력을 가능한 보다 정확히 근사한 근사값, 또는 수식 ((13))을 넘어 가는 실린더 내부 온도를 가능한 보다 정확히 근사한 근사값, 및 이로부터 발생하는 비-선형 오버런-공기 라인은 이하의 관찰을 제한하지 않는다. 오버런-공기 라인은 여전히 연소 온도에서 오버런하고 있는 엔진의 거동을 설명하도록 명시적으로 의도되어 있으므로, 이것은 정상 상태에서는 직접 측정될 수 없다. 선형 오버런-공기 라인의 파라미터화가 아래에 설명된다.

오버런-공기 라인 접근법에 따른 잔류 가스 모델

임의의 엔진 속력/작동체 위치에 대해, 오버런-공기 라인은 - 이전의 동작 사이클(잔류 가스)로부터 실린더 내에 남아 있는 배기 가스에 의한 공기의 변위를 제외하고 - 실린더 공기량(m _air,cyl )에 대해 전술한 물리적 영향을 모두 설명한다:

- 흡입 파이프 압력의 영향,

- 흡입 파이프 온도의 영향,

- 흡입 파이프와 실린더 사이에 불완전한 압력 등화의 영향,

- 실린더 내 공기로 열의 전달,

- 입구 밸브들의 폐쇄 시 현재 실린더 볼륨에 대한 밸브 제어의 영향.

이것은 잠시 동안의 오버런 동작 동안 실린더 공기량(m _air,cyl,s )과 잔류 가스 (변위된 공기)에 의해 변위된 공기량(m _air,dpl ) 사이의 차이로 실린더 공기량(m _air,cyl )을 산출한다:

((16))

소기 없는 엔진 동작점

에서, 수식 ((2))은, 발화된 동작에 대해,

을 산출한다.

도 4는 일반적인 오버런-공기 직선 라인(잠시 동안의 오버런 엔진 동작 동안 실린더 공기량)(m _air,cyl,s )과 소기 없는 엔진 동작점에서 입구 공기량(m _air,inv ) = 실린더 공기량(m _air,cyl )을 도시한다.

소기 있는 엔진 동작점에서, 입구 공기량(m _air,inv )은 실린더 공기량(m _air,cyl )을 초과한다. 실린더 공기량은, 상기 엔진 동작점에 대해, 오버런 동작 동안 각 실린더 공기량(m _air,cyl,s )과 입구 공기량(m _air,inv ) 중 최소값이다.

((17))

도 5는 일반적인 오버런-공기 직선 라인(잠시 동안의 오버런 엔진 동작시 실린더 공기량)(m _air,cyl,s )과 소기 있는 엔진 동작점에서 입구 공기량(m _air,inv ) = 실린더 공기량(m _air,cyl )을 도시한다.

발화된 동작 동안, 가스 입구 밸브의 폐쇄 시까지, 실린더 볼륨의 일부는, 동일한 압력에서, 배기 가스에 의해 차지되고, 신선한 공기는 변위된다.

((18)),

여기서 R _bg = 배기 가스의 비기체상수(specific gas constant)이고, 이것은

((19))을 산출한다.

2개의 공간적으로 혼합되지 않고 상이한 밀도를 갖는 가스 패킷(gas packet)들이 분리된 볼륨에서, 상기 가스 패킷들이 임의로 혼합된 경우에서와 같이 동일한 압력이 발생하기 때문에, 다시 말해, 혼합 정도는 볼륨 내 압력에 영향을 미치지 않기 때문에, 이후 입구 밸브의 폐쇄 시, 실린더 내 공기는 입구 밸브에 근접한 잠시 동안의 오버런 엔진 동작 동안과 동일한 온도에서 컴팩트한 가스의 양으로 위치되는 반면, (만약 존재하는 경우) 실린더 내 배기 가스는 출구 밸브에 근접한 컴팩트한 가스의 양으로 위치되는 것으로 가정될 수 있다.

((20))

실린더 내에는 공기와 배기 가스가 자명하게 존재하고 바람직하게 혼합되어 있다는 추상적 개념은 실린더 압력을 변화시키지 않고 또 흐름량이 입구 밸브와 출구 밸브를 통해 존재하기 때문에, 실린더 내 공기와 배기-가스량을 계산하는 것이 가능하다.

밸브 오버랩을 갖지 않는 엔진 동작점에서, 가스 출구 밸브(배기 밸브 폐쇄점 - EXVCLP)의 폐쇄 시, 배기-가스 다기관 압력(p _cyl,ExvClp = p _em )과 배기 다기관 온도(T _{bg,cyl,ExvClp} = T _bg,em )의 배기 가스가 실린더에 에워싸인다. 실린더 벽과 배기 가스 사이에 열 전달을 무시하면, 배기 가스는 가스 입구 밸브의 개방 직전(입구 밸브 개방점 - IVOP)까지 피스톤이 움직이는 것에 의해 등엔트로피 상태(isentropically)로 팽창/압축된다. 가스 입구 밸브의 개방 시에, 배기 가스는 흡입 파이프 압력에 근접한 가스 입구 밸브의 폐쇄 시 실린더 압력(p _cyl,InvClp )으로 팽창/압축된다. 상기 2개의 등엔트로피 상태 변화는 초기 상태에서 배기 다기관 압력(p _cyl,ExvClp = p _em )과 배기 다기관 온도(T _{bg,cyl,ExvClp} = T _bg,em )와, 가스 입구 밸브의 폐쇄 시에 실린더 압력(p _cyl,InvClp )의 등엔트로피 상태 변화로 설명될 수 있다.

밸브 오버랩을 갖는 엔진 동작점에서, 가스 입구 밸브의 개방 시에, 실린더와 배기 다기관은 배기 다기관 압력(p _cyl,ExvClp = p _em )과 배기 다기관 온도(T _{bg,cyl,ExvClp} = T _bg,em )의 배기 가스로 충전된다. 엔진 동작점에서, 배기 다기관과 흡입 파이프 사이에 압력 구배(p _im < p _em )가 발생하면, 배기 가스가 밸브 오버랩 동안 팽창하고 흡입 파이프의 방향으로 흐른다. 엔진 동작점에서, 흡입 파이프와 배기 다기관 사이에 압력 구배(p _im > p _em )가 발생하면, 배기 가스는 밸브 오버랩 동안 압축되고 배기 다기관의 방향으로 흐른다. 소기의 극한 경우에, 배기 가스는 완전히 소기된다. 실린더 벽과 배기 가스 사이에 열 전달을 무시하면, 상기 상태 변화는 또한 초기 상태에서 배기 다기관 압력(p _cyl,ExvClp = p _em )과 배기 다기관 온도(T _{bg,cyl,ExvClp} = T _bg,em )와, 입구 밸브의 폐쇄 시 실린더 압력(p _cyl,InvClp )의 등엔트로피 상태 변화로 고려될 수 있다. 이 상태 변화를 받은 배기-가스량은 압력 조건에 따라, 밸브 오버랩이 없는 것에 비해 매우 크게 변한다.

등엔트로피 상태 변화에 대해, 다음 수식, 즉:

((21))이 성립하고, 여기서

= 배기 가스의 등엔트로피 지수(isentropic exponent)이고,

이것은,

((22))을 산출한다.

((20))과 ((22))를 ((19))에 대입하면, 배기 가스로 변위된 공기량(변위된 공기)(m_air,dpl)은 다음 수식으로 결정된다:

((23))

((23))을 ((16))에 대입하면,

((24))이 산출된다.

선형 모델 ((10)) 및 ((13))을 취하면, ((24))는,

((25)),

, 여기서

((26))을 산출하거나,

또는 다음 수식으로 간략화된다:

((27)).

모델 ((2)) 및 ((14))을 취하면, ((27))은 다음 수식, 즉:

((28))을 산출한다.

(그 유도를 위해, 아래 참조) 알려진 오버런 구배(σ_s)를 취하면, 수식 ((28))은, 수식 ((2))을 대입하는 것에 의해, 실린더에 에워싸인 배기-가스량(m _bg,cyl )(잔류 가스량)을 계산하도록 재배열될 수 있다:

((29))

수식 ((29))은 이후 오버런-공기 라인 접근법("OAL" 접근법)에 따라 잔류 가스 모델이라고 지칭될 수 있다.

오버런-공기 라인 접근법에 따른 실린더 공기량 모델

수식 ((29))은, 일반적으로 임의의 엔진 동작점에 대해, 구체적으로 또한 기준 조건 하에서 임의의 엔진 속력/작동체 위치에 대해 실린더에 에워싸인 배기-가스량(m _bg,cyl )(잔류 가스량)을 설명한다:

((30)),

여기서

- 기준 입구 공기량(m _air,inv,ref )은 수식 ((5))에 따라 모델에서 엔진 제어 유닛에 저장되고,

- 기준 소기 공기량(m _air,scav,ref )은 수식 ((6))에 따라 모델에서 엔진 제어 유닛에 저장되고,

- 기준 흡입 파이프 온도(T _air,im,ref )는 수식 ((7))에 따라 모델에서 엔진 제어 유닛에 저장되고,

- 기준 배기 다기관 온도(T _bg,em,ref )는 수식 ((8))에 따라 모델에서 엔진 제어 유닛에 저장되고, 그리고

- 기준 배기 다기관 압력(p _im,ref )은 수식 ((9))에 따라 모델에서 엔진 제어 유닛에 저장된다.

흡입 파이프 압력(p _im )에서 기준 조건 하에서 잔류 가스량을 결정하기 위하여, 기준 조건(ref) 하에서 오버런 구배(σ_s)(그 유도를 위해, 아래 참조)가 여전히 누락되어 있다.

수식 ((28))은, 일반적으로 임의의 엔진 동작점에 대해, 구체적으로 또한 임의의 현재 조건 하에서 동일한 엔진 속력/작동체 위치에 대해 실린더 공기량(m _air,cyl )을 설명한다:

((31)),

여기서,

- 현재 흡입 파이프 온도(T _air,im,cur ),

- 현재 배기 다기관 온도(T _bg,em,cur ), 및

- 현재 배기 다기관 압력(p _em,cur )은,

제어 유닛에서 계속 진행 중에 측정/모델링되고, 다시 말해, 알려진다. 현재 흡입 파이프 압력(p _im,cur )과 비교되는 기준 흡입 파이프 압력(p _im,ref )은 기준 모델이 임의의 흡입 파이프 압력에 대해 엔진 거동을 설명하기 때문에 자유로이 선택될 수 있다. 그리하여, 흡입 파이프 압력에 대해, 기준 조건과 현재 조건 사이를 구별할 필요가 없고, 그리하여 다음 수식으로 된다:

((32)).

현재 조건 하에서 알려진 오버런 구배(σ_s,cur)(그 유도를 위해, 아래 참조)를 취하면, 현재 조건(m _air,cyl,cur ) 하에서 실린더 공기량은 다음 수식으로 계산될 수 있다:

((33)).

수식 ((33))으로 설명되는 모델은 이후 오버런-공기 라인 접근법("OAL" 접근법)에 따라 실린더 공기량 모델이라고 지칭될 수 있다.

따라서, 현재 조건(m _air,cyl,cur ) 하에서 실린더 공기량을 결정하기 위하여, 현재 조건 하에서 오버런 구배(σ_s,cur)와 잔류 가스량(m _bg,cyl,cur )이 여전히 누락되어 있다.

이로부터. 현재 조건 하에서 실린더 공기량(m _air,cyl,cur )을 계산하기 위해서는,

- 기준 조건 하에서 오버런 구배(σ_s,trg),

- 현재 조건 하에서 오버런 구배(σ_s,cur), 및

- 기준 조건으로부터 현재 조건까지 잔류 가스량의 변화를

결정하는 것이 필요하게 된다:

((34)).

FVV 잔류 가스 모델의 확장

제안 번호 740 "Development of a generally applicable residual gas model for internal combustion engines" (2002)에서 연소 엔진 연구 협회(Research Association for Combustion Engines) (Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen, FVV)는 이후 FVV 잔류 가스 모델이라고 지칭되는 잔류 가스 모델을 개발하였다. 최종 리포트(페이지 61-65)에서, 내연 기관의 잔류 가스량(m _bg,cyl,FVV )은,

- 화학양론적인 연료/공기 혼합물을 가지고,

- 실린더 공기량에 대해 연료량에 영향을 미침이 없이, 다시 말해 직접 분사를 하며,

- 밸브 오버랩을 하는 동작점에서, 그리고

- 소기 없는 동작점에서,

여기서 지금까지 사용된 전문 용어로 변환되고, 다음 수식의 합계로 제시된다:

((35)),

여기서 Opp는 개방점을 의미한다,

- 입구 밸브의 개방 시 실린더에 위치된 배기-가스량:

((36)),

여기서 V _cyl,InvOpp = 입구 밸브의 개방 시 실린더 볼륨이다,

- (배기 가스의 유효 방출이 음의 값인 경우) 실린더 볼륨의 변화(ΔV)로 인해 밸브 오버랩 동안 피스톤이 움직이는 것에 의해 배기 다기관으로부터 실린더로 효과적으로 유입되는 배기-가스량:

((37)),

여기서

= 현재 크랭크 각도,

= 입구 밸브의 개방 시 크랭크 각도,

= 출구 밸브의 폐쇄 시 크랭크 각도,

= 현재 실린더 볼륨, A _Inv (

) = 입구 밸브의 현재 유효 개방 단면, A _Exv (

) = 출구 밸브의 현재 유효 개방 단면, ω = 크랭크샤프트의 각속도(angular speed),

- 배기 다기관 압력으로부터 흡입 파이프 압력까지의 압력 구배(Δp)로 인해 밸브 오버랩 동안 실린더로 그리고 가능하게 흡입 파이프로 다시 소기되는 배기-가스량:

((38)),

여기서 ω = 크랭크샤프트의 각속도.

수식 ((35-38))을 유도하기 위해, 전체 내용이 본 명세서에 병합된 FVV 제안 번호 740 "Development of a generally applicable residual gas model for internal combustion engines" (2002)의 최종 리포트를 참조한다.

특정 엔진 속력과 작동체 위치에 대해,

= 가스 입구 밸브의 개방 시 크랭크 각도,

= 가스 출구 밸브의 폐쇄 시 크랭크 각도, V _cyl,InvOpp = 입구 밸브의 개방 시 실린더 볼륨, A _Inv (

) = 가스 입구 밸브의 현재 유효 개방 단면, 및 A _Exv (

) = 가스 출구 밸브의 현재 유효 개방 단면과, 이에 따라 상수 K₁ 및 K₂가 한정된다.

배기 다기관으로부터 흡입 파이프까지 압력 구배(p _im < p _em )를 갖는 엔진 동작점에서, 수식 ((38))은 밸브 오버랩 동안 흡입 파이프의 방향으로 배기-가스량이 흐르는 것을 설명한다:

((39))

흡입 파이프로부터 배기 다기관까지 압력 구배(p _im > p _em )를 갖는 엔진 동작점에 대해, 수식 ((38))은 음의 값으로 밸브 오버랩 동안 배기 다기관의 방향으로 배기-가스량이 흐르는 것을 설명한다:

((40))

흡입 파이프로부터 배기 다기관까지 증가하는 흡입 파이프 압력(p _im )과 이에 따라 증가하는 압력 구배(p _im > p _em )는 수식 ((36))에 따라 가스 입구 밸브의 개방 시 실린더에 위치된 배기-가스량에 큰 영향을 미침이 없이 수식 ((40))에 따라 밸브 오버랩 동안 배기 다기관의 방향으로 배기-가스량의 흐름을 증가시키거나, 또는 수식 ((37))에 따라 밸브 오버랩 동안 피스톤이 움직이는 것에 의해 배기 다기관으로부터 실린더 내로 효과적으로 유입되는 배기-가스량을 증가시킨다. 수식 ((35))의 극한 경우는 0이다:

((41))은,

공기가 배기 다기관으로 소기됨이 없이 잔류 가스가 공기에 의해 배기 다기관으로 완전히 소기된 상태를 설명한다.

공기가 배기 다기관으로 소기되면, 수식 ((35))은 물리적으로 무의미한 음의 잔류 가스량

을 산출한다. 전제 조건에 따라, 오버랩 동안 잔류 가스(배기 가스)는 항상 배기 다기관의 배기 가스와 동일한 가스 상태이어서, 이에 따라 밀도

((42))

와, 그리하여 볼륨

((43))을 구비한다.

이 "결여된(absent)" 잔류 가스 볼륨은 배기 다기관으로 소기된 소기 공기의 볼륨으로 해석될 수 있다.

소기 공기가 배기 다기관에 위치되고 배기 가스와 혼합되지 않은 가스 패킷으로 고려되는 경우, 소기 공정 동안, 이 공기는 배기 다기관 압력(p _em )을 취하더라도, 이 공기는 배기 다기관의 배기 가스의 높은 온도(T _bg,em )를 취하지는 않는다. 상기 소기 공기의 온도는 수식 ((13))에 따라 잠시 동안의 오버런 동작의 경우에 실린더 내 공기 온도와 동일한 것으로 설명될 수 있다.

, 여기서

((44)),

이는

으로 간략화될 수 있다:

((45)).

소기 공기는 그리하여 밀도

((46))

와, 그리하여 볼륨

((47))

을 가진다.

수식 ((43))과 수식 ((47))에 있는 볼륨들을 같게 놓으면, 다음 수식, 즉:

((48))

이 된다.

요약하면, 잔류 가스량을 설명하는 수식 ((35))은 양의 값으로 제한되고:

((49)),

그리고 수식 ((35))의 음의 값은 수식 ((48))에 따라 소기 공기량에 소기가 발생하는 것을 설명한다:

((50))

수식 ((49))으로 설명되는 모델은 이후 FVV 접근법에 따라 확장된 잔류 가스 모델이라고 지칭될 수 있다. 수식 ((50))으로 설명되는 모델은 이후 FVV 접근법에 따라 소기 공기량 모델이라고 지칭될 수 있다.

모델의 스케일링

수식 ((5))에 따른 기준 입구 공기량(m _air,inv,ref )과 수식 ((6))에 따른 기준 소기 공기량(m _air,scav,ref )의 모델은, 상기 모델의 구조의 선택과 데이터의 범위를 통해, 기준 조건 하에서 이용가능한 측정값과 임의의 원하는 정확도로 정렬될 수 있다. OAL 접근법, 수식 ((33))에 따라 이에 기초한 실린더 공기량 모델은 정확히 기준 실린더 공기량(m _air,cyl,ref )을 설명한다. 이것은 OAL 접근법의 장점이다. 그러나 OAL 접근법에 따른 실린더 공기량 모델은 수식 ((34))에 따른 기준 조건으로부터 현재 조건까지 잔류 가스량의 변화

와, 그리하여 기준 조건과는 상이한 현재 조건 하에서 실린더 공기량(m _air,cyl,cur )을 설명하는데에는 부적절하다; → 이는 OAL 접근법의 단점이다.

확장된 FVV 잔류 가스와 소기 공기량 모델은 잔류 가스와 소기 공기량에 대해 가변 주위 조건이 영향을 미치는 특성을 물리적으로 정확히 반영하고, 다시 말해, 이 모델은 발생하는 단조성(monotonicity)과 강성(intensification)을 극단적으로 정확히 모델링한다. 이것은 FVV 접근법의 장점이다.

그러나 유도하는 동안 이루어지는 단순화로 인해, 임의로 선택된 기준 조건, 특히 엔진 측정 동안 엔진 테스트 스탠드에 나타나는 조건은, 수식 ((5))에 따른 기준 입구 공기량(m _air,inv,ref )과 수식 ((6))에 따른 기준 소기 공기량(m _air,scav,ref )의 모델보다 덜 부정확하다. 이것은 FVV 접근법의 단점이다.

확장된 FVV 잔류 가스 모델((49))은 주위 조건 흡입 파이프 압력(p _im ), 배기 다기관 압력(p _em ), 배기 다기관 온도(T _bg,em ) 및 배기 다기관 압력(p _em )에 따라 엔진 동작점에서 잔류 가스량을 다음 수식으로 설명한다:

.

OAL 접근법에 따라 수식 ((30))과 유사하게, FVV 접근법, 수식 ((49))에 따른 기준 조건 하에서 엔진의 잔류 가스량은,

((51))으로 쓸 수 있다.

수식 ((51))과 유사하게, FVV 접근법, 수식 ((49))에 따른 현재 조건 하에서 엔진의 잔류 가스량은, 다음 수식

((52))으로 쓸 수 있다.

따라서, 수식 ((34))에 추상적으로 설명된 기준 조건으로부터 현재 조건까지의 잔류 가스량의 변화는 다음 수식, 즉

((53))으로 표현될 수 있다.

FVV 잔류 가스 모델은 OAL 잔류 가스 모델에 정정을 제공한다. 수식 ((53))으로 설명된 모델은 이후 스케일링된 오버런-공기 라인 접근법(scaled overrun-air line approach: "SOAL" 접근법)에 따라 잔류 가스량 모듈이라고 지칭될 수 있다. ((30,53))을 ((33))에 대입하면 다음 수식으로 된다:

((54)).

수식 ((54))으로 설명된 모델은 이후 스케일링된 오버런-공기 라인 접근법 ("SOAL" 접근법)에 따라 실린더 공기량 모델이라고 지칭될 수 있다.

이 모델은 OAL 접근법과 FVV 접근법의 장점을 결합시킨다:

- 기준 조건에 근접하게, 실린더 공기량(m _air,cyl,cur )의 정확도는, 잔류 가스량(m _{bg,cyl,cur,FVV} - m _{bg,cyl,ref,FVV} )의 정정량이 작으므로 기준 입구 공기량(m _air,inv,ref )과 기준 소기 공기량(m _air,scav,ref )에 의해 결정된다.

- 기준 조건으로부터 편차가 상대적으로 큰 경우에는, 이 모델은 실린더 공기량(m _air,cyl,cur )에 대해 가변 주위 조건이 미치는 영향의 특성을 물리적으로 정확히 모델링하는데 - 다시 말해 발생하는 단조성과 강성이 반영된다.

오버런 구배의 결정

이제까지, 각 엔진 동작점에 대해 오버런 구배(σ_s)의 값은 항상 알려진 것으로 가정되었다. 각 엔진 동작점에 대해 저장된 추가적인 교정 데이터 없이 모델로부터,

- 수식 ((5))에 따른 기준 입구 공기량,

- 수식 ((6))에 따른 기준 소기 공기량, 및

- 수식 ((7 - 9))에 따라 기준 상태를 설명하는 흡입 파이프 온도, 배기 다기관 온도, 및 배기 다기관 압력이 결정되어야 한다.

모든 엔진 속력/작동체 위치에 대해, 오버런 구배(σ_s)를 계산하기 위해서, 흡입 파이프 압력(p _im )에 대해 잔류 가스에 의해 변위된 공기량(m _air,dpl )을 아는 것만으로 충분한데, 여기서 상기 공기량은 잔류 가스량(m _bg,cyl )에 비례한다. 잔류 가스가 상기 흡입 파이프 압력에 대해 최소 가능한 것인 경우 계산 시 에러는 최소가 된다. 잔류 가스량은,

- 소기가 일어나는 엔진 속력/작동체 위치에 대해, 구체적으로 소기가 일어나는 주위 압력을 약간 초과하는 흡입 파이프 압력(p _im )에서 최소이다. 이때 잔류 가스량은 m _bg,cyl = 0이다.

- 소기가 일어나지 않는 엔진 속력/작동체 위치에 대해, 흡입 파이프로부터 배기 다기관까지 압력 구배(p _im > p _em )가 나타나는 주위 압력을 약간 초과하는 흡입 파이프 압력(p _im )에서 최소이거나, 또는 배기 다기관으로부터 흡입 파이프까지 압력 구배(p _em > p _im )가 가능한 작은 경우에 최소이다.

오버런 구배(σ_s)를 결정하는 상기 오버런 구배 흡입 파이프 압력(

)은 각 주위 압력(p ₀ )에 대해 전체적으로 선택될 수 있다:

, 여기서

, 전체 상수 ((55))

이 오버런 구배 흡입 파이프 압력(

)에 대해, 확장된 FVV 잔류 가스 모델, 즉 수식 ((49))에 따른 잔류 가스량은, 다음 수식으로 결정된다:

((56))

구체적으로, 수식 ((56))에 따른 확장된 FVV 잔류 가스 모델에 따른 상기 잔류 가스량은 기준 조건에 적용되고:

((57))

그리고 현재 조건에 적용된다:

((58))

엔진 테스트 스탠드에서 엔진을 측정하는 동안 나타나는 기준 조건에서, 기준 오버런 구배(σ_s,ref)는, 수식 ((5))에 따른 기준 입구 공기량, 수식 ((6))에 따른 기준 소기 공기량, 및 수식 ((7))에 따른 기준 흡입 파이프 온도에 대해 저장된 모델로부터 드러난다.

수식 ((27))은 다음 수식으로 일반적으로 유효한 방식으로 잠시 동안의 오버런 엔진 동작 동안 실린더 공기량을 설명한다:

((59)).

구체적으로, 기준 조건 하에서, 오버런 구배 흡입 파이프 압력

에 대해, 다음 수식이 적용된다:

((60)).

수식 ((2))에 따른 기준 조건 하에서 소기를 하는 동작점에서, 다음 수식이 적용되고:

((61)),

그리고 잔류 가스는 생성되지 않는다, 즉

. 이것은, 기준 조건 하에서 소기 동작점에서, ((61)) → ((60))을 산출한다:

((62)).

소기 없는 동작점에서, 기준 조건 하에서, 잔류 가스가 생성되고, 수식 ((17))에 따라, 다음 수식이 적용된다:

((63)).

이것은, 기준 조건 하에서 소기 없는 동작점에 대해, ((63)) → ((60))을 산출한다:

((64))

잔류 가스량과 소기 공기량은 결코 동시에 >0일 수 없으므로, 소기 있는 동작점과 소기 없는 동작점에 대해 수식 ((62))과 수식 ((64))을 결합하면 다음 수식으로 된다:

((65))

기준 조건 하에서 오버런 구배에 대해, 수식 ((14))은 다음 수식으로 된다:

((66)),

여기서,

-

= 수식 ((5))에 따른 기준 입구 공기량,

-

= 수식 ((6))에 따른 기준 소기 공기량,

-

= 수식 ((56))에 따른 기준 잔류 가스량이다.

수식 ((66))은, 기준 조건 하에서, 다시 말해, T _air,im,ref 에서 오버런 구배를 설명한다. 수식 ((14))에 따라, 엔진 속력/작동체 위치에 대해 오버런 구배는 흡입 파이프 온도(T _air,im )에 간접적으로 비례한다:

((67))

이것은 기준 조건과 임의의 현재 조건에 모두 적용되고:

((68)),

이것은,

((69))

을 산출하고,

((66)) → ((69))에 대입하면, 다음 수식으로 된다:

((70))

요약하면, 스케일링된 오버런-공기 라인 접근법에 따라 현재 엔진 동작 조건 하에서 실린더 공기량(m _{air,cyl,cur,SOAL} )을 결정하는 다음 접근법이 획득된다:

선택된 엔진 속력/작동체 위치에 대해 엔진 테스트 스탠드에서 엔진을 측정하는 동안,

- 수식 ((5))에 따른 기준 입구 공기량,

- 수식 ((6))에 따른 기준 소기 공기량, 및

- 수식 ((7 - 9))에 따라 기준 상태를 설명하는 흡입 파이프 온도, 배기 다기관 온도, 및 배기 다기관 압력이 모델에 저장된다.

현재 엔진 동작 조건 하에서 지속시간 동안, 제어 디바이스(25)에서, 현재 동작점(엔진 속력/작동체 위치/흡입 파이프 압력)에 대해,

1. 다음 기준 모델이 판독/보간되고:

i. ((7))에 따른 기준 흡입 파이프 온도(T _air,im,ref )

ii. ((8))에 따른 기준 배기 다기관 온도(T _bg,em,ref )

iii. ((9))에 따른 기준 배기 다기관 압력(p _em,ref )

iv. ((5))에 따른 기준 입구 공기량(m _air,inv,ref )

v. ((6))에 따른 기준 소기 공기량(m _air,scav,ref )

2. ((57))에 따라 계산된 기준 조건(m _{bg,cyl,FVV,ref} ) 하에서 계산된 잔류 가스량

3. ((58))에 따라 계산된 현재 조건(m _{bg,cyl,FVV,cur} ) 하에서 잔류 가스량

4. ((70))에 따라 계산된 현재 조건(σ_s,cur) 하에서 오버런-공기 라인의 구배

5. ((54))에 따라 계산된 현재 조건(m _{air,cyl,cur,SOAL} ) 하에서 실린더 공기량

변수의 약어:

m = 흐름량(mass)

p = 압력

R = 비기체상수

T = 온도

V = 볼륨

= 가스 조성과 온도에 따른 등엔트로피 계수

= 가스 밀도

σ = 직선 라인의 구배

색인의 약어:

air = 일반적으로 FG와 BG로 구성될 수 있다

bg = 배기 가스(연소된 가스)

CLP = 밸브의 폐쇄 시간(폐쇄점)과 관련된 변수

cur = 현재 동작 조건, 일반적으로 결과에 기여를 제공하는 정정

dpl = 변위된 = RG에 의해 변위된 (변위(스위프된 볼륨)와 혼동되지 않기 위해)

em = 배기 다기관

EXV = 출구 밸브(배기 밸브)와 관련된 변수

im = 흡입 다기관

INV = 입구 밸브와 관련된 변수

OPP = 밸브의 개방 시간(개방점)과 관련된 변수

ref = 엔진 테스트 스탠드에서 엔진을 측정하는 동안 나타나는 기준 조건

rg = 잔류 가스

s = 잠시 동안의 오버런 엔진 동작과 관련된 변수;

s 없는 변수는 정상 발화된 엔진 동작과 관련된다

scav = 소기, 이는 IM으로부터 유입되는 공기량이 연소에 참가함이 없이 배기관(4)으로 직접 안내되는 엔진 동작 상태를 설명한다

접근법은 다음 장점을 제공한다:

- 주위 압력의 영향을 정정하는 것이 데이터로-구동되는 국부적인 정정에 의한 것이 아니라 이제 수식 세트로부터 계산되기 때문에, 제어 디바이스에서 상당한 양의 메모리 용량이 절감된다 - 수 kB.

- 나아가, 엔진의 기하학적 형상을 고려하는 것으로 인해, 변화된 주위 조건 하에서 엔진을 측정하는 것이 훨씬 거친 래스터로 감소될 수 있어서 교정 비용은 크게 감소된다.

- 부품 유도체(구체적으로 차량 유도체의 여러 배기 시스템)을 맵핑하는 것이 (기존의 소프트웨어 솔루션에) 베이스 데이터세트를 유지하면서 처음으로 가능하게 이루어진다.

- 기본 FVV 잔류 가스 접근법은, 절대 잔류 가스량이, 일부 상황 하에서, 단지 매우 부정확하게만 결정되는 문제를 가지고 있다. 이것은 실제 엔진 동작 동안 문제를 야기한다. 데이터로-구동되는 접근법과 조합해서, 이론적인 충전량을 고려하여 베이스 공기량 흐름 곡선을 맵핑하면, FVV 접근법의 상대적인 잔류 가스 프로파일을 절대값으로 표준화하는데 매우 우수한 스케일링 도구를 양산할 수 있다.

제어 디바이스(25)는, 전술한 접근법을 수행하여, 특히, 구체적으로 오버런-공기 라인의 구배와 주위 변수에 의해 영향을 받은 특성 변수의 현재 특성값에 의존하여 현재 동작점과 적어도 하나의 주위 변수에 대해 가스 교환 밸브의 폐쇄 후 각각의 실린더에 위치된 실린더 공기량을 결정하도록 설계된다.

이런 상황에서, 제어 디바이스는 특히, 전술한 접근법 중 나머지를 고려하여 "발명의 내용"란에 설명된 접근법을 수행하도록 설계된다. 이 목적을 위하여, 제어 디바이스는, 특히, 프로그램과 데이터 메모리, 및 대응하는 처리 유닛, 예를 들어, 마이크로프로세서를 구비한다.

Claims (9)

1. 가스 입구 밸브(12)와 가스 출구 밸브(13)가 각각 할당된 하나 이상의 실린더(Z1 내지 Z4)를 구비하는 내연 기관을 동작시키기 위한 방법으로서, 가스 교환 밸브가 가스 입구 밸브(12)와 가스 출구 밸브(13)를 포함하되, 상기 방법은,
   - 상기 내연 기관의 현재 동작점에 의존하여, 상기 내연 기관의 적어도 하나의 주위 변수(ambient variable)의 현재 주위값(current ambient value)에 대해 오버런-공기 라인(overrun-air line)의 구배(gradient)를 결정하는 단계로서, 상기 오버런-공기 라인은 내연 기관이 미리 한정되게 동작 온도에 있는 경우, 상기 내연 기관이 연료 계량(metering)과 연소 없이 잠시 동안 동작될 때, 상기 가스 교환 밸브의 폐쇄 후 각각의 실린더에 위치된 공기량(air mass)의 특성을 나타내는, 상기 구배를 결정하는 단계, 및
   - 구체적으로 상기 오버런-공기 라인의 구배와 상기 주위 변수에 의해 영향을 받은 특성 변수의 현재 특성값에 의존하여, 각각의 현재 동작점과 상기 적어도 하나의 주위 변수의 각각의 현재 주위값에 대해 상기 가스 교환 밸브의 폐쇄 후 각각의 실린더에 위치된 실린더 공기량을 결정하는 단계를 포함하는, 내연 기관을 동작시키기 위한 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 주위 변수는 주위 온도 및/또는 주위 압력인, 내연 기관을 동작시키기 위한 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   - 상기 각각의 실린더의 잔류 가스량이 상기 현재 동작점에 의존하여 상기 적어도 하나의 주위 변수에 대해 미리 한정된 기준 조건 하에서 결정되고,
   - 상기 각각의 실린더의 잔류 가스량이 상기 현재 동작점에 의존하여 상기 적어도 하나의 주위 변수의 각각의 현재 주위값을 고려하여 결정되며,
   - 미리 한정된 기준 조건 하에서의 상기 각각의 실린더의 잔류 가스량과, 상기 적어도 하나의 주위 변수의 각각의 현재 주위값을 고려한 상기 각각의 실린더의 잔류 가스량에 따라 상기 실린더 공기량이 결정되는, 내연 기관을 동작시키기 위한 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   - 상기 현재 동작점에 의존하여 상기 적어도 하나의 주위 변수에 대해 미리 한정된 기준 조건 하에서 기준(reference) 흡입 파이프 온도가 결정되고,
   - 상기 기준 흡입 파이프 온도에 따라 상기 실린더 공기량이 결정되는, 내연 기관을 동작시키기 위한 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   - 상기 현재 동작점에 의존하여 상기 적어도 하나의 주위 변수에 대해 미리 한정된 기준 조건 하에서 기준 배기 다기관 온도(reference exhaust manifold temperature)가 결정되고,
   - 상기 기준 배기 다기관 온도에 따라 상기 실린더 공기량이 결정되는, 내연 기관을 동작시키기 위한 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   - 상기 현재 동작점에 의존하여 상기 적어도 하나의 주위 변수에 대해 미리 한정된 기준 조건 하에서 기준 배기 다기관 압력이 결정되고,
   - 상기 기준 배기 다기관 압력에 따라 상기 실린더 공기량이 결정되는, 내연 기관을 동작시키기 위한 방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   - 상기 현재 동작점에 의존하여 상기 적어도 하나의 주위 변수에 대해 미리 한정된 기준 조건 하에서 기준 입구 공기량이 결정되고,
   - 상기 기준 입구 공기량에 따라 상기 실린더 공기량이 결정되는, 내연 기관을 동작시키기 위한 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   - 상기 현재 동작점에 의존하여 상기 적어도 하나의 주위 변수에 대해 미리 한정된 기준 조건 하에서 기준 소기 공기량(reference scavenging air mass)이 결정되고,
   - 상기 기준 소기 공기량에 따라 상기 실린더 공기량이 결정되는, 내연 기관을 동작시키기 위한 방법.
9. 가스 입구 밸브(12)가 각각 할당된 다수의 실린더(Z1 내지 Z4)를 구비하는 내연 기관을 동작시키기 위한 디바이스로서, 제1항 또는 제2항의 방법을 수행하도록 설계된, 내연 기관을 동작시키기 위한 디바이스.

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