KR101881919B1 - 내부 연소 엔진의 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

다수 실린더 내부 연소 엔진의 각각의 회전 동안의 시간에서 변화되는 제어 파라미터에 응답하여 다수 실린더 내부 연소 엔진의 작동 이벤트들의 수행을 제어하는 방법은, 제어 파라미터의 순간 값들을 포착하는 단계, 제어 파라미터의 순간 값들을 디지털 제어 파라미터 신호로서 제어 유닛들에 통신하는 단계, 보상 데이터를 데이터 메시지들에 포함시키고 제어 유닛들에 의해 연속적인 데이타 메시지들의 수신 사이의 간격에서 제어 파라미터의 평가된 값들의 계산함으로써 실시간 통신으로부터의 편위를 보상하는 단계를 포함하고, 상기 계산은 제어 파라미터의 순간 값의 포착 순간에서의 시간과 데이타 메시지의 수신 시간 사이의 시간 차이(time difference) 및 제어 파라미터의 포착된 순간 값으로부터 이루어진다.

Description

내부 연소 엔진의 제어 방법 및 시스템{Control method and system for an internal combustion engine}
본 발명은 다수 실린더(multi-cylinder) 내부 연소 엔진의 각각의 회전 동안의 시간에 변화되는 제어 파라미터에 응답하여 다수-실린더 내부 연소 엔진의 각각의 실린더에 대하여 각각의 연소 사이클 동안 작동 이벤트(operational event)들의 수행을 제어하는 방법에 관한 것으로서, 그 방법은 적어도 하나의 센서 장치(sensor arrangements)에 의해 각각의 회전 동안 복수개의 개별 순간들에서 제어 파라미터의 순간 값들을 포착하는 단계, 다수 실린더의 내부 연소 엔진의 각각의 실린더의 각각의 연소 사이클 동안에 작동 이벤트들의 수행을 제어하고 타이밍을 정하도록 제어 유닛들에 제어 파라미터의 순간 값들을 디지털 제어 파라미터 신호들로서 통신시키는 단계, 통신 네트워크를 통한 송신을 위하여 디지털 제어 파라미터 신호를 데이타 메시지로 포함시키는 단계, 보상 데이타를 데이타 메시지에 포함시키고 제어 유닛들에 의해 연속적인 데이타 메시지들의 수신 사이의 간격에서 제어 파라미터의 평가값을 계산함으로써 통신 네트워크를 통한 송신에 의해 야기되는 디지털 제어 파라미터 신호들의 실시간 통신으로부터의 편위를 보상하는 단계를 포함한다.
다수 실린더의 내부 연소 엔진에서 각각의 실린더의 각각의 연소 사이클 동안의 작동 이벤트들의 수행을 제어하고 정확한 타이밍을 정하는 것은 매우 중요하고 크랭크샤프트의 순간적인 각도 위치에 대한 업데이트(update)되고 정확한 정보에 의존한다. 예를 들어 각각의 연소 사이클 동안의 시간에서 제어되어야 하는 작동 이벤트들은 연소 분사, 점화 및 배기 밸브들의 작동 순간들과 실린더에 대한 압축 공기 및 윤활유의 공급을 포함한다.
본 발명이 관련되는 종류의 제어 방법 및 시스템들은 당해 기술 분야에 공지되어 있으며, 예를 들어 출원인 소유의 일본 특허 JP 3483743 B2 에 공지되어 있고, 이것은 제어 시스템 또는 그것의 중요한 부품들의 고장에 의해 야기되는 작동의 중단 위험성을 최소화시키도록 높은 정도의 오류 공차(error tolerance)를 달성하는 주 목적을 가진 제어 시스템을 개시한다. 그러한 목적은 2 개의 중앙 엔진 제어 유닛들, 엔진 크랭크샤프트의 속도 및 각도 위치의 검출을 위한 2 개의 분리된 센서 장치들 및, 중앙의 엔진 제어 유닛들과 개별적인 실린더 제어 유닛들 사이의 2 개의 분리된 통신 라인들을 포함하는 완전히 중복적인 시스템(redundant system)으로서 종래 기술의 시스템을 구성함으로써 충족된다. 그러나, 이러한 종래 기술의 시스템은 다수의 개별적인 광학적 검출 부재들을 각각 포함하고 크랭크샤프트에 근접하게 위치된 센서 장치들에 의하여 높은 정확도를 가지고 결정되는 개별의 순간 크랭크샤프트 위치 값을 포함하는 제어 파라미터의 실시간 데이타 송신에 대한 불가피한 필요성에 의존한다.
출원인 소유의 일본 특허 JP 4415027 B2 는 서두에 언급된 종류의 방법 및 시스템을 개시하는데, 여기에서 내부 연소 엔진의 제어와 관련된 모든 통신은, 실린더 제어 유닛들에 의해 이용되는 제어 파라미터의 평가된 값들을 계산할 때, 통신 네트워크를 통한 송신에 의해 야기되는 지연 및 네트워크 유닛들에서의 프로세싱 시간을 보상함으로써 동일한 통신 네트워크상에서 수행된다. 따라서, 작동 이벤트들의 타이밍(timing) 및 제어는, 제어 파라미터 데이터가 사실상 실시간으로 통신되었던 것과 같은 동일한 수준의 정확도에서 각각의 연소 사이클 동안 실린더 제어 유닛들에 의해 이루어질 수 있다.
전통적으로, 그러한 종래 기술의 시스템들은 일정한 송신 시간 및, 예를 들어 상징적으로, 미리 결정된 송신 계획을 가진 멀티-드롭 버스 네트워크(multi-drop bus network)에 기초하며, 상대적으로 낮은 송신 용량의 단점을 겪는다. 그러한 시스템들 내에 전개된 실린더 제어 유닛들에서 유용한 프로세싱 파워(processing power)의 증가와 함께, 유용한 프로세싱 파워를 이용하기 위하여 더 많은 네트워크 송신 용량에 대한 필요성이 있으며, 그에 의하여, 다수 실린더의 내부 연소 엔진에서 작동 이벤트들의 수행에 대한 더 정확한 타이밍 및 더 낳은 제어를 시스템에 제공한다.
이러한 배경에서, 본 발명의 목적은 다수 실린더의 내부 연소 엔진의 각각의 실린더에서 각각의 연소 사이클 동안 작동 이벤트들을 제어하기 위하여 증가된 처리량을 가진 신뢰성 및 이중 안전성(fail safe)의 시스템을 제공하는 것이다.
상기의 목적 및 다른 목적들은 서두에서 정의된 바와 같은 시스템으로써 달성되는데, 이것은 보상 데이터가 제어 파라미터의 순간 값의 포착(capture) 순간에서의 시간을 나타내고, 제어 유닛 및 적어도 하나의 센서 장치에 의해 통신 네트워크를 통하여 송신되는 클록 데이터 메시지에는 송신의 순간에 송신 시간 (transmission time) 및 수신의 순간에 수신 시간(reception time)이 할당되고, 클록 데이터 메시지들에 할당된 송신 시간 및 수신 시간과 통신 네트워크에서 정해진 마스터 클록(master clock)에 기초하여, 통신 네트워크에서의 제어 유닛들과 적어도 하나의 센서 장치 사이의 시간 오프셋(time offset)이 결정되고, 제어 파라미터의 순간 값의 포착 순간에서의 시간은 결정된 시간 오프셋(time offset)에 기초하여 보상되고, 상기 계산은, 제어 파라미터의 순간 값의 포착 순간에서의 시간과 제어 파라미터의 포착된 순간 값을 포함하는 데이타 메시지의 수신 시간 사이의 시간 차이(time difference) 및 제어 파라미터의 포착된 순간 값으로부터 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이것은 같은 통신 네트워크상에서 센서 장치로부터 제어 유닛들로의 제어 파라미터 데이타의 통신 뿐만 아니라, 선박에서 추진 기계로서 특히 사용되는 바와 같이, 내부 연소 엔진의 제어에 관한 모든 데이타 통신을 수행할 수 있게 하며, 이는 통신 네트워크에서 사용된 송신 계획(transmission scheme)이 미리 결정된 송신 계획 및 일정한 송신 시간을 가지고 있지 않을지라도, 다른 목적을 위해서도 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 방법은 제어 시스템이 결정적(deterministic)이고 일정한 송신 시간을 가지지 않는 유형의 통신 네트워크 유형을 이용하여 수행될 수 있게 하여, 미리 결정된 송신 계획을 수행하고 일정한 송신 시간을 가진 네트워크들과 비교하여 저렴한 비용으로 증가된 처리량을 제공한다. 표준적인 네트워크를 이용할 때 서비스 및 유지 관리를 용이하게 하는 것과는 별개로, 개별적인 네트워크 장치들 사이의 구역 시간(local time)에서의 시간 오프셋의 보상은 예를 들어 데이타 처리에 관하여 상이한 특성들을 가진 네트워크 장치들을 이용하는 것을 허용한다.
제어 패널의 포착된 순간 값들을 포함하는 데이타 메시지들의 송신과 독립적으로 데이타 메시지를 더 보내고 또한 송신의 순간 및 수신의 순간에 시간 스탬프(time stamp)를 그러한 독립적인 데이타 메시지들에 제공함으로써, 센서 장치들과 제어 유닛들 사이의 구역 시간에서의 시간 오프셋(time offset)을 결정할 수 있다. 상기 추가의 데이타 메시지 각각에 할당된 시간 스탬프들은 작동 이벤트들의 수행 제어 및 필요로 하는 정확한 타이밍을 획득하기 위한 정밀도를 가지고, 즉, 적어도 마이크로초(microsecond) 범위의 정밀도를 가지고 시간 오프셋을 결정하기 위한 매우 효율적이고 신뢰성이 있는 것으로 나타났다. 명백히, 제어 파라미터의 포착된 순간 값들의 송신을 위해 이용되는 데이타 메시지들에는 오프셋을 결정하는데 이용되는 시간 스탬프들이 제공될 수 있고, 원칙적으로 데이타 메시지마다 시간 스탬프들에 더하여 제어 파라미터를 포함할 수 있다.
상기 언급된 제어 방법에 따른 방법의 수행을 위하여, 본 발명의 다른 특징에 따라서, 다수 실린더의 내부 연소 엔진의 각각의 회전 동안의 시간에서 변화되는 제어 파라미터에 응답하여 다수 실린더 내부 연소 엔진의 각각의 실린더의 각각의 연소 사이클 동안 작동 이벤트들의 수행을 제어하기 위한 시스템이 제공되는데, 이것은,
각각의 회전 동안 복수의 개별 순간들에서 제어 파라미터의 순간 값들을 포착하는 적어도 하나의 센서 장치,
다수 실린더 내부 연소 엔진의 각각의 실린더의 각각의 연소 사이클 동안에 작동 이벤트들의 수행을 제어하고 타이밍을 정하기 위한 제어 유닛들로 디지털 제어 파라미터 신호들로서 제어 파라미터의 순간 값들을 통신하기 위한 통신 네트워크로서, 디지털 제어 파라미터 신호는 통신 네트워크를 통한 송신을 위한 데이타 메시지 안에 포함되는, 통신 네트워크,
제어 파라미터의 순간 값의 포착시의 시간을 나타내는 보상 값을 포함함으로써 통신 네트워크를 통한 송신에 의해 야기되는 디지털 제어 파라미터 신호들의 실시간 통신으로부터의 편차(deviation)를 보상하는 제어 유닛을 포함하고, 적어도 하나의 센서 장치 및 제어 유닛들에 의해 통신 네트워크를 통해 송신되는 클록 데이터 메시지들에는 송신 순간의 송신 시간 및 수신 순간의 수신 시간이 할당되고, 통신 네트워크는 마스터 클록(master clock)을 포함하고, 마스터 클록은 클록 데이타 메시지에 할당된 송신 시간 및 수신 시간과 함께, 적어도 하나의 센서 장치와 통신 네트워크내의 제어 유닛들 사이의 시간 오프셋(time offset)을 결정하도록 이용되고, 제어 파라미터의 순간적인 값의 포착 순간의 시간은 결정된 시간 오프셋에 기초하여 보상되고, 상기 계산은 제어 파라미터의 포착된 순간 값을 포함하는 데이타 메시지의 수신 시간 및 제어 파라미터의 순간 값의 포착 순간의 시간 사이의 시간 차이 및, 제어 파라미터의 포착된 순간 값으로부터 이루어진다.
바람직한 구현예에서, 제어 파라미터의 순간 값은 상기 실린더들 각각의 피스톤 부재들과 연결된 엔진 크랭크 샤프트의 순간적인 위치를 포함한다.
본 발명을 구현하는 시스템 및 제어 방법의 특히 바람직한 구현예에서, 시스템은 2 개의 독립적인 센서 장치들의 사용을 포함하는 중복적인 작용을 위하여 구성되며, 센서 장치들 각각은 독립적인 통신 네트워크를 통하여 제어 유닛들에 데이타 메시지를 송신한다. 그에 의하여, 제어 유닛들 각각은 센서 장치들 각각으로부터 데이타 메시지들을 수신할 수 있고, 적어도 2 개의 독립적인 통신 네트워크들을 통하여 그러한 메시지들을 통신함으로써, 높은 수준의 신뢰성 및 2 중 안전의 작동이 얻어진다. 각각의 센서 장치가 데이타 메시지들을 양쪽의 중복적인 통신 네트워크들에 걸쳐 통신시킬 때, 양쪽 센서 장치들로부터의 데이타 메시지는 통신 네트워크들중 하나의 신호 라인이 고장났을지라도 제어 유닛들에 통신될 수 있다.
그러한 교차 중복성(cross-redundancy)을 제공하는 본 발명에 따른 방법 및 시스템의 다른 특성은 시스템이 적어도 2 개의 독립적인 엔진 제어 유닛들의 이용을 포함하는 중복적인 작동을 위하여 구성되는 것에서 얻어질 수 있는데, 엔진 제어 유닛들 각각은 적어도 2 개의 독립적인 통신 네트워크들을 통하여 실린더들상에 분포된 실린더 제어 유닛들로 데이타 메시지들을 송신한다. 이것은 상이한 카테고리의 계산이 상이한 유형의 제어 유닛들에서 수행되는 것을 허용하고, 그에 의하여 통신 네트워크에서의 데이타 메시지의 송신을 제한하는데, 이는 작동 이벤트들의 수행의 더욱 정확한 타이밍의 결과를 가져온다.
더욱 개선된 구현예에서, 적어도 2 개의 독립적인 엔진 제어 유닛들중 하나 또는 적어도 2 개의 독립적인 센서 장치들중 하나가 2 개의 독립적인 통신 네트워크들의 마스터 클록(master clock)을 형성하도록 선택된다.
센서 장치들 및 엔진 제어 유닛들이 중복적이고(redundant), 그들중 하나가 2 개의 독립적인 통신 네트워크들의 마스터 클록을 형성하도록 선택되었을 때, 선택된 마스터 클록의 고장 또는 파손의 경우에 새로운 마스터 클록이 용이하게 선택될 수 있다. 이것은 나머지 엔진 제어 유닛들 및 센서 장치들이 중복적으로 연결되고 따라서 선택된 마스터 클록의 고장을 발견할 수 있기 때문에 가능하다. 그러한 경우에 마스터 클록을 선택하기 위한 루틴(routine)은 나머지 엔진 제어 유닛들 및 센서 장치들 사이에서 시작될 것이다.
다음의 설명으로부터 명백해지는 바로서, 본 발명에 따른 방법을 시험하는 작업은, 센서 장치로부터 제어 유닛들로의 실시간 메시지 통신으로부터의 편차(deviatoin)를 보상함으로써 각각의 연소 사이클 동안의 작동 이벤트들의 제어가 얻어질 수 있는 것으로 확인되었는데, 이것은 신뢰성 및 정확성과 관련하여, 일정한 송신 시간 및 미리 결정된 송신 계획(transmission scheme)을 가진 송신 모드(transmission mode)에 기초한 시스템의 실행에 대하여 완전히 경쟁력이 있는 것이다.
본 발명의 유리한 구현예의 바람직한 구현의 실행을 위하여, 상기 통신 네트워크를 통한 상기 데이타 메시지의 송신은 적어도 하나의 센서 장치에 의하여 제어 파라미터의 순간 값의 포착과 독립적으로 이루어지고, 데이타 메시지에 포함된 보상 데이타는 제어 파라미터의 순간 값의 포착 순간에 데이타 메시지에 포함된 디지털 제어 파라미터 신호의 변화 비율을 나타내는 보상 데이타를 더 포함한다.
이러한 정보를 가까이에 두고, 제어 유닛이 작동 이벤트를 수행하는 크랭크샤프트 위치의 시간에서의 순간을 계산할 수 있다. 그에 의하여, 데이타 메시지들이 수신되자마자 계산이 이루어질 수 있고, 제어 유닛은 대기 상태일 수 있거나, 또는 작동 이벤트가 이루어져야 하는 시간의 순간을 단순히 대기할 수 있다.
그러한 중복적인 방법 및 시스템의 수행에서, 각각의 제어 유닛에 대하여 제어 파라미터의 상기 평가된 값들은 상기 센서 장치들 각각으로부터 송신된 메시지들에 대하여 발생되며, 상기 센서 장치들중 단일한 하나로부터의 메시지들로부터 얻어진 제어 파라미터의 평가된 값들의 선택은 적어도 하나의 선택 판단 기준(selection criteria)에 순응하는 선택에 의해 이루어지는 것이 바람직스럽다.
다음의 작동에서, 본 발명의 제어 방법 및 시스템의 구조 및 장점들은 개략적인 도면에 도시된 바람직한 구현예를 통해 상세하게 설명될 것이다.
도 1 은 4 개 실린더 디젤 엔진의 중복적인 전자 제어 시스템의 개략적인 도면이다.
도 2 는 본 발명에 따른 전자 제어 시스템에서 이용된 네트워크 장치들의 예시적인 동기화를 위하여 수행된 데이타 메시지 송신에 대한 개략적인 도면이다.
도 1 에서 매우 개략적인 도면은 본 발명에 따른 중복적 전자 제어 시스템(redundant electronic controll system)을 구현하는 디젤 엔진을 도시한다. 이러한 전자 제어 시스템은, 엔진 크랭크샤프트의 각도 위치를 나타내는 제어 파라미터의 개별적인 순간 값들이 2 개의 통상적으로 광전자 센서 장치(3,3') 각각에 있는 다수의 검출기 부재들에 의해 검출 및 포착되고, 센서 장치(3,3')로부터 수신된 디지털 제어 파라미터 신호들과 독립적으로, 각각의 실린더에서의 연소 과정의 타이밍(timing) 및 제어를 위하여 엔진 실린더(2)들과 관련된 다수의 실린더 제어 유닛(5) 및, 센서 장치(3,3')로부터 2 개의 중복적 중앙 엔진 제어 유닛(4,4')으로의 독립된 중복적 통신 네트워크(10,10')에서 전용의 개별 신호를 통하여 데이터 메세지내의 디지털 제어 파라미터 신호들로서 통신되는 방식으로 작동된다. 도 1 에 도시된 구현예에서, 센서 장치(3,3')들은 양쪽 통신 네트워크(10,10')에 중복적으로 연결되지만, 본 발명은 센서 장치(3,3')들이 오직 통신 네트워크(10,10')들중 하나에만 연결되는 시스템으로서 구현될 수도 있다. 각각의 중앙 엔진 제어 유닛(4,4')은 한편으로 중복적인 통신 네트워크(10,10')를 통하여 각각의 실린더 제어 유닛(5)과 더 연결되고, 다른 한편으로 다수의 외부 명령 및/또는 모니터용 터미널과 연결된다. 본 발명의 바람직한 구현예에서 네트워크 통신은 이더넷(Ethernet)과 같은 네트워크 유형에 기초하며, 여기에서 송신 시간은 일정하지 않고 미리 결정된 송신 계획(transmission scheme)은 없다. 중복적인 네트워크(10,10') 각각은 중앙의 네트워크 유닛(11,11')을 포함하고, 바람직스럽게는 이더넷 스위치(Ethernet switch)를 포함하여, 네트워크 장치들을 연결시키며, 즉, 센서 장치(3), 중앙 엔진 제어 유닛(4,4') 및 실린더 제어 유닛(5)들을 연결시킨다.
일반적으로, 중앙의 엔진 제어 유닛(4,4')은 엔진상에 위치된 복수개의 감지 유닛, 개별의 감지 위치에서 엔진 크랭크샤프트의 순간 각도 위치를 적어도 포착하는 센서 장치(3,3') 및 외부 유닛으로부터 모니터 및 제어 신호를 수신하고, 제어 신호를 실린더 제어 유닛 및 다른 공통의 엔진 유닛으로 통신시킨다. 따라서 중앙 엔진 제어 유닛은 제어 파라미터의 순간적인 값들에 관한 제어 신호를 실린더 제어 유닛(5)으로 통신시키는 역할을 할 뿐만 아니라, 탑재된 다른 엔진 제어 기능들의 작동을 위해서도 이용된다.
센서 장치(3,3')들로부터의 제어 신호들은 중앙 엔진 제어 유닛(4,4') 및 실린더 제어 유닛(5) 양쪽으로 통신되기 때문에, 제어 파라미터의 평가된 값을 계산하는 것은 중앙 엔진 제어 유닛(4,4') 또는 실린더 제어 유닛(5)에서 수행될 수 있다. 그러나, 통신 네트워크(10,10')에서의 데이터 패킷(data packet)의 양을 감소시키기 위하여, 중앙 엔진 제어 유닛(4,4') 및 개별의 실린더 제어 유닛(5) 양쪽에서 계산이 수행되고 분산되는 것이 바람직스럽다. 그러한 경우에 중앙 엔진 제어 유닛(4,4')으로부터 통신되는 제어 신호들은 소망의 작동 조건 또는 엔진 부하의 변화에 관한 것이고, 실린더 제어 유닛들은 수신된 제어 신호들에 기초한 엔진 부하 또는 작동 조건을 변화시키는데 필요한 제어 파라미터의 값을 평가하기 위하여 필요한 계산을 수행하도록 프로그램될 수 있다. 시스템이 이더넷 통신에 의해 수행될 때, 통신은 브로오드 캐스트(broadcast) 또는 멀티 캐스트(multi cast)에 기초하고, 스타 토폴로지(star topology)로서 시스템을 구현하는 스위치들에 의해 이루어지는 가능한 재송신(retransmission)과는 별도로, 모든 네트워크 장치들이 원칙적으로 포착된 제어 파라미터를 포함하는 데이터 메시지를 수신할 것이다. 네트워크 통신을 이루는 스위치와 같은 중앙 네트워크 장치의 존재는 결국 데이터 메시지의 재송신 및 재송신된 데이터 메시지의 비-결정론적(non-deterministic) 지연의 결과를 가져온다. 바람직스럽게는, 상기 통신 네트워크(10,10')를 통한 상기 데이터 메시지의 통신은 적어도 하나의 센서 장치(3,3')에 의한 제어 파라미터의 순간적인 값들의 포착과 독립적으로 이루어지고, 데이터 메시지에 포함되고 계산을 위해 이용된 보상 데이터는 제어 파라미터의 순간적인 값의 포착 순간에 데이터 메시지에 포함된 디지털 제어 파라미터 신호의 변화 비율을 나타내는 보상 데이터를 더 포함한다.
중앙 제어 유닛(4,4')은, 예를 들어 실린더 안으로 분사되는 연료량을 계산함으로써 엔진 속도를 제어하도록 엔진 크랭크샤프트의 순간 각도 위치를 적어도 이용하고, 중앙 엔진 유닛(4,4')에 의해 계산된 연료 분사를 이루기 위하여 어떤 실린더가 언제 명령을 받았는지를 판단하도록 엔진 크랭크샤프트의 위치를 이용한다. 엔진 크랭크샤프트의 순간적인 각도 위치와 관련하여, 실린더 제어 유닛(5)은 중앙 엔진 유닛(4,4')에 의해 계산된 양의 연료 분사를 계산하고 수행한다.
제어 파라미터의 평가된 값들, 즉, 시간중의 특정한 순간에서의 엔진 크랭크샤프트의 위치의 제어 유닛(4,4';5)에서의 계산은 연속적인 데이터 메세지들의 수신 사이에서 간격을 두고 수행되며, 예를 들어 엑스트라폴레이션(extrapolation)에서 크랭크샤프트의 일정한 속도를 가정한 선형 엑스트라폴레이션(linear extrapolation)에 기초할 수 있다. 엑스트라폴레이션 주기(extrapolation period, textrapolation)는, 제어 파라미터 포착 순간의 시간과, 포착된 제어 파라미터를 포함하는 데이터 메시지 수신 순간의 시간 사이의, 시간차로서 판단된다.
크랭크샤프트 위치의 포착 순간에서의 시간이 크랭크샤프트 위치의 각각의 포착에 할당되었을 때, 크랭크샤프트의 각속도는 다수의 포착된 값들을 저장함으로써 크랭크샤프트의 위치들의 연속적인 측정들 사이의 시간 차이에 의해 계산될 수 있다. 이러한 계산은 센서 장치들에서 이루어질 수 있고 제어 유닛에 통신될 수 있거나, 또는 대안으로서 계산이 제어 유닛에서 이루어질 수 있다. 실린더 안으로 분사되어야 하는 연료량의 계산과 같은 어떤 목적을 위하여, 엔진 크랭크샤프트의 순간적인 각도 위치의 가장 최근의 수신 값과 이전의 값 사이의 차이를 계산함으로써 각속도가 계산될 수 있으며, 따라서 예를 들어 5 번째 마다 또는 10 번째 마다 포착된 값 사이의 차이가 이용된다. 이는 높은 분해능을 가지는, 계산된 평균 각속도를 제공하며, 이는 일부 계산에 대해서는 유리하지만, 작동 이벤트(operational event)들의 수행을 위해서는 그렇지 않다.
각각의 제어 유닛(4,4';5)에 대한 제어 파라미터의 상기 평가된 값들은, 상기 센서 장치들 각각으로부터 수신된 데이터 메시지들에 대하여 독립적으로 발생되도록 시스템을 중복적으로 작동시키는 것이 유리하고, 상기 센서 장치들중 단일의 하나로부터의 메세지에서 얻어진 제어 파라미터의 평가된 값들의 선택은 적어도 하나의 선택 기준과 순응하는 선택에 의해 이루어진다.
선택 기준은, 예를 들어, 활성화된 것으로 선택되는 센서 장치(3,3')로부터 도달된 데이터 메시지의 빈도(frequency) 및, 제어 유닛(4,4';5)에서의 계산 수행을 위해 이용된 제어 파라미터일 수 있다. 활성화된 센서 장치가 의미하는 것은 제어 파라미터를 포함하는 데이터 메시지를 송신하는 센서 장치로서, 이것은 제어 파라미터의 평가된 값들의 계산을 위해 이용되는 반면에, 포착된 제어 파라미터가 계산을 위해 이용되지 않는 다른 센서 장치는 대기 상태(stand-by)에 있는 것으로 지칭될 수 있다. 예를 들어, 만약 시간의 기간 동안 센서 장치가 데이터 메시지를 송신하지 않는다면, 다른 센서 장치가 활성화된 것으로 선택될 것이며, 만약 센서 장치로부터 수신된 2 개의 데이터 메시지들 사이의 시간 주기가 2 개의 데이터 메시지들 사이의 이전 시간 주기로부터 현저하게 편향되었다면, 그것은 엔진에서 가능한 가속 또는 감속과 비교하여 현실적이지 않은 것으로서, 데이터 메시지는 버려질 수 있고 다른 센서 장치가 활성화된 것으로 선택된다. 또한, 센서 장치의 검출기 부재, 즉, 바람직스럽게는 광전자 엔코더들이 그레이 코드(Gray-codes) 및 직교 엔코딩(quadrature encoding)을 이용하여 구현된다.
센서 장치들의 기능 부전(malfunction)의 검출을 제공하는 구현예에서, 각각의 센서 장치에는 크랭크샤프트의 캠 위치를 검출하는 근접 센서가 제공되며, 즉, 근접 센서(proximity sensor)는 크랭크샤프트의 각각의 전체 회전에 대한 캠 검출 신호를 제공한다. 이러한 정보는 센서 장치들의 검출기 부재들이 크랭크샤프트에 대하여 회전되는지 여부를 검출하도록 이용될 수 있다.
송신 시간(transmission time) 및 송신의 순간이 예측 가능하지 않은, 이더넷(Ethernet)과 같은 비-결정적 송신 시간(non-deterministic transmission time)을 가진 네트워크 유형들에 통신 네트워크(10,10')가 기초하는 것을 허용하기 위하여, 네트워크 장치(3,3';4,4';5;11,11')는 마스터 장치(master device)로서 선택되고 통신 네트워크(10,10')의 마스터 클록(master clock)을 형성하며, 나머지 네트워크 장치들은 그러한 마스터 클록을 동기화 기준(synchronization reference)으로서 이용하는 슬레이브 장치(slave device)들이다. 각각의 네트워크 장치는 실시간 클록(real time clock)을 가지며, 네트워크 장치가 마스터 장치로서 선택될 때 다른 네크워크 장치들은 슬레이브 장치들이고, 슬레이브 장치들은 그것의 실시간 클록을 마스터 장치의 실시간 클록과 동기화시켜야 한다
바람직한 구현예에서, 적어도 2 개의 독립적인 엔진 제어 유닛(4,4')들중 하나 또는 적어도 2 개의 독립적인 센서 장치(3,3')들중 하나가 2 개의 독립적인 통신 네트워크(10,10')의 마스터 클록으로서 선택된다. 명백히, 통신 네크워크(10,10')에서 통신하는 네트워크 장치(3,3';4,4';5;11,11')들을 위한 마스터 클록으로서 선택되는 유일한 목적을 가지고 하나 또는 그 이상의 추가적인 중복적 네트워크 장치들이 통신 네트워크들에 부착될 수 있다. 그러한 경우에 미리 결정된 네트워크 장치가 마스터 클록을 형성하는 마스터 장치로서 선택된다. 그러나, 마스터 장치는 다양한 유형의 선택 판단 기준을 사용하여 네트워크 장치들 사이의 클록 데이터 메시지의 교환에 의해 선택됨으로써, 마스터 클록으로서 선택된 네트워크 장치의 일시적인 작동 실패 또는 고장의 경우에 새로운 네트워크 장치가 마스터 클록으로서 선택되는 것이 바람직스럽다. 이것은 통신 네트워크에서의 변화 이후에 작동하는 동안 신속한 재구성(reconfiguration)을 가능하게 하며, 시스템이 결함에 더욱 내구성을 가지게 한다
더욱이, 양쪽 통신 네트워크(10,10')에 부착되고 중복적인(redundant) 네트워크 장치들만이 마스터 클록으로서 선택되고 그에 의하여 양쪽 네트워크(10,10')들을 위한 마스터 클록으로서의 역할을 하는 것이 바람직스럽다. 따라서 마스터 장치는 엔진 제어 유닛(4,4') 또는 센서 장치(3,3')들중 하나에서 선택됨으로써, 마스터 장치로서 작용하는 네트워크 장치의 고장의 경우에 새로운 마스터 장치가 선택될 수 있는 것이 바람직스럽다. 활성화된 센서 장치(3,3')들의 선택과 관련하여 이용된 상기 언급된 예와 조화되는 상이한 종류의 선택 판단 기준이 통신 네트워크들의 마스터 장치를 선택할 목적을 위해 이용될 수도 있다.
포착된 제어 파라미터들을 포함하는 데이터 메시지를 송신할 때의 정밀도(degree of precision)는 네트워크 장치들의 실시간 동기화(real time synchronizatoin)에 달려있다. 네트워크 장치(3,3';4,4';5;11,11')들의 실시간 클록들을 동기화하기 위하여, 추가적인 클록 데이터 메시지들은 포착 제어 파라미터들(captured control parameter)을 포함하는 데이터 메시지의 송신과 독립적으로 적어도 하나의 센서 장치(3,3') 및 제어 유닛(4,4';5)들에 의하여 통신 네트워크(10,10')를 통하여 송신되고, 송신의 순간에 송신 시간 및 수신의 순간에 수신 시간이 할당된다. 통신 네트워크(10,10')에서 선택된 마스터 장치 및 클록 데이터 메시지에 할당된 송신 시간 및 수신 시간은 통신 네트워크에서의 제어 유닛(4,4';5)과 적어도 하나의 센서 장치(3,3') 사이의 구역 시간(local time)의 시간 오프셋(time offset)을 결정하도록 이용된다. 그에 의하여, 슬레이브 장치들은 마스터 장치의 실시간 클록에 대응하도록 구역 실시간 클록들을 동기화시킬 수 있거나, 또는 그렇지 않으면 마스터 장치와 슬레이브 장치들 사이의 실시간 오프셋을 고려함으로써 포착된 제어 파라미터에 할당된 시간의 순간이 보상된다.
시간 오프셋을 판단하기 위하여, 마스터 장치로서 선택된 네트워크 장치는 주기적으로 동기화 메시지내의 현재 시간을 슬레이브 장치들에 송신하고, 송신의 순간에 마스터 장치는 동기화 메시지에 송신 시간 스탬프(transmission time stamp)를 제공하고, 동기화 메시지의 수신시에 각각의 슬레이브 장치는 동기화 메시지에 수신 시간 스탬프(receipt time stamp)를 제공한다. 네크워크 장치들 사이의 시간 오프셋을 결정하기 위하여, 슬레이브 장치들은 동기화 메시지들의 네트워크 주행 시간(network transit time)을 개별적으로 결정한다. 따라서 네트워크 주행 시간은 각각의 슬레이브 클록으로부터 마스터 클록으로의 왕복 시간을 연속적으로 측정함으로써 간접적으로 결정된다.
도 2 는 네트워크 장치들 사이의 실시간 오프셋을 결정함으로써 슬레이브 장치로서 작용하는 네트워크 장치와 마스터 클록 사이의 동기화를 가능하게 하도록 수행된 클록 데이터 메세지의 송신을 나타낸다. 일반적으로, 슬레이브 장치와 마스터 장치 사이의 특정 시간에서의 시간 오프셋은 O(t) =S(t)-M(t) 로서 주어지며, 여기에서 S(t)는 물리적인 시간(t)에 슬레이브 장치에서 측정된 실시간이고, M(t)는 물리적인 시간(t)에 마스터에서 측정된 실시간이다. 이러한 오프셋은 실제로 매우 작고 제로에 가까운 것으로서 경험되는데, 왜냐하면 그것이 네트워크 장치들에서의 소프트웨어 및 하드웨어 구현의 차이에 관한 것이어서 네트워크 장치들의 실시간 클록들의 차이를 초래하기 때문이다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 시간(t1)에 마스터 장치(20)는 동기화 메시지(20)를 동일한 송신 네트워크에 연결된 모든 슬레이브 장치(40)로 송신하며, 이러한 예에서는 원리를 설명할 때의 단순화를 위하여 오직 하나의 슬레이브 장치(40)가 존재하며 스위치는 생략되어 있다. 마스터 장치(20)로부터의 송신시에 동기화 메시지(21)는 시간 스탬프(time stamp, t1)에 할당되고 수신시에 슬레이브 장치(40)는 구역 시간(t1')에 유의한다. 마스터 장치(20)에 동기화되기 위하여, 슬레이브 장치(40)는 동기화 메시지(41)의 네트워크 주행 시간(ttransit)을 결정하여야 한다. 네트워크 주행 시간(ttransit)은 슬레이브 장치(40)에 의하여 시간(t2)에서의 주행 시간 메시지(41)를 마스터 장치(20)로 보냄으로써 결정되는데, 수신시에 주행 시간 메시지(41)에 시간(t2')을 할당하고 할당된 시간(t2')을 포함하는 답변 메시지(reply message, 22)를 가지고 응답함으로써 슬레이브 장치(40)는 시간(t1, t1', t2 및 t2')에 대한 지식을 수집한다. 상기 예시된 클록 데이터 메시지들의 교환으로부터의 지식(knowledge)은 다음의 관계 t1'-t1 = O(t) + ttransmit 및 t2'-t2 =-O(t) + ttransmit 를 설정하는데 이용되고, 이것은 방정식 O(t)=(t1'-t1-t2'+t2)/2 으로 조합될 수 있는데, 이는 슬레이브 장치와 마스터 장치 사이의 네트워크 주행 시간 및 실시간 클록에서의 차이를 고려하여 오프셋을 형성하며, 이는 네트워크 송신 시간이 항시적이 아니고(non-constant) 비결정적(non-deterministic)이기 때문에 시간에 걸쳐 변화할 것이다. 시간(tn 및 tn+1)에서 클록 데이터 메시지들의 송신에 의해 도 2 에 표시된 바와 같이, 데이타 메시지의 통신은 진행되는 과정이다.
본 발명의 실제로 바람직한 구현예에서, 마스터 장치 및 슬레이브 장치들의 클록 데이터 메시지들의 계속적인 동기화 및 송신은 마스터 장치와 슬레이브 장치 사이의 시간 오프셋(time offset)이 매우 작은 것을 이용함으로써 구현될 수 있다. 이것은 시간 오프셋의 현저한 변화를 초래하는 클록 데이터 메시지를 폐기하고 슬레이브 장치의 실시간이 조절되기 전에 다음의 데이타 메시지를 기다림으로써 달성된다. 이것은 결정된 시간 오프셋에서의 현저한 변화가 충돌 및 대응되는 스위치에서의 재송신(retransmission)에 의해 야기되는 지연으로부터 발생될 수 있기 때문에 유리하다. 대안으로서, 전개된 스위치들은, 예를 들어 지연에 관한 정보를 데이타 메시지에 추가함으로써, 데이타 메시지들의 그러한 재송신에 의해 야기되는 지연에 관한 정보를 제공하도록 적합화될 수 있어서, 모든 클록 데이타 메시지들이 이용될 수 있다.
일반적으로, 슬레이브 장치들의 실시간 클록들은, 위상 잠금(phase-locked)의 전압 제어 오실레이터(voltage controlled oscillator)를 이용하거나, 또는 시간 단위당 클록 신호들의 수를 조절함으로써 디지털 방식으로, 대안으로는 시간 오프셋이 결정되는 시간 주기(time period)를 단축시키기거나 또는 연장시킴으로써, 결정된 시간 오프셋을 가지고 조절될 수 있다. 따라서 마스터 장치와 슬레이브 장치들 사이의 시간 오프셋은 슬레이브 장치들에서 국부적으로(locally)으로 이루어지고 제어 파라미터의 평가된 값들의 계산에 관한 계산으로부터 분리된다.
마스터 장치와 슬레이브 장치 사이의 시간 오프셋에 대한 이러한 결정은 위에서 설명되고 도 2 에 도시된 데이타 메시지의 교환이 짧은 시간 주기에 걸쳐 수행됨으로써 시간 오프셋이 시간 주기에 걸쳐 일정한 것으로 가정될 수 있고, 마스터 장치로부터 슬레이브 장치로의 송신 및 그 역으로의 작용 때 주행 시간(transit time)이 같다는 가정하에 기초한다. 더욱이 마스터 장치 및 슬레이브 장치들이 데이타 메시지의 송신 및 수신의 시간을 할당할 수 있는 것이 필요하다.
따라서, 바람직한 구현예에서 본 발명에 따른 방법 및 시스템은 2 가지의 목적을 가진 데이타 메시지들의 통신을 포함한다. 첫째, 데이타 메시지는 센서 장치들에 의해 포착된 제어 파라미터들을 제어 유닛에 제공할 목적을 가지고 통신 네트워크를 통해 송신된다. 둘째, 네트워크 장치들 사이의 국부적인 실시간에서의 시간 오프셋을 결정하기 위하여 클록 데이타 메시지들이 소통된다.
본 발명은, 엔진의 크랭크샤프트 위치와 같은 제어 파라미터가 하나의 네트워크 장치에서 포착되어 비결정적(non-deterministic)이고 항시적이 아닌(non-constant) 송신 시간을 가지고 통신 네트워크에 걸쳐 송신될 때, 내부 연소 엔진에서 다수 실린더의 각각의 실린더에 대한 각각의 연소 주기(combustion cycling) 동안 작동 이벤트들의 수행을 제어할 수 있는 시스템 및 방법을 개시한다는 점에서 유리하다.
3.3'. 센서 장치 4.4'. 엔진 제어 유닛
10.10. 통신 네트워크

Claims (7)

  1. 다수-실린더 내부 연소 엔진의 각각의 회전 동안의 시간에서 변화되는 제어 파라미터에 응답하여, 다수 실린더 내부 연소 엔진(1)의 각각의 실린더(2)에 대한 각각의 연소 사이클 동안 작동 이벤트(operational event)들의 수행을 제어하는 방법으로서,
    적어도 하나의 센서 장치(3,3')로써 각각의 회전중의 복수개의 개별 순간들에 제어 파라미터의 순간 값들을 포착(capture)하는 단계;
    통신 네트워크(10,10')를 통한 송신을 위하여 데이타 메시지에 디지털 제어 파라미터 신호를 포함시킴으로써, 다수-실린더 내부 연소 엔진의 각각의 실린더(2)의 각각의 연소 사이클 동안에 작동 이벤트(operational event)들의 수행을 제어하고 타이밍을 정하기위한 제어 유닛(4,4';5)으로 제어 파라미터의 순간 값을 디지털 제어 파라미터로서 통신하는 단계;
    보상 데이타(compensating data)를 데이타 메시지들에 포함시키고 제어 유닛(4,4';5)들에 의한 연속적인 데이타 메시지들 수신 사이 간격에서의 제어 파라미터의 평가 값들을 계산함으로써, 통신 네트워크(10,10')를 통한 송신에 의해 야기되는 디지털 제어 파라미터 신호들의 실시간 통신으로부터의 편차(deviation)를 보상하는 단계;를 포함하고,
    보상 데이타는 제어 파라미터의 순간 값들의 포착 순간에서의 시간을 나타내고, 제어 유닛(4,4';5) 및 적어도 하나의 센서 장치(3,3')에 의해 통신 네트워크(10,10')를 통하여 송신되는 클록 데이터 메시지에는 송신의 순간에 송신 시간 (transmission time)및 수신의 순간에 수신 시간(reception time)이 할당되고,
    클록 데이터 메시지들에 할당된 송신 시간 및 수신 시간과 통신 네트워크(10,10')에서 정해진 마스터 클록에 기초하여, 통신 네트워크에서의 제어 유닛(4,4';5)들과 적어도 하나의 센서 장치(3,3') 사이의 시간 오프셋(time offset)이 결정되고, 제어 파라미터의 순간 값의 포착 순간에서의 시간은 결정된 시간 오프셋에 기초하여 보상되고,
    상기 계산은, 제어 파라미터의 순간 값의 포착 순간에서의 시간과 제어 파라미터의 포착된 순간 값을 포함하는 데이타 메시지의 수신 시간 사이의 시간 차이(time difference) 및 제어 파라미터의 포착된 순간 값으로부터 이루어지는 것을 특징으로 하는, 다수 실린더 내부 연소 엔진의 작동 이벤트의 수행 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제어 파라미터의 순간 값은 상기 실린더들 각각의 피스톤 부재들과 연결된 엔진 크랭크샤프트의 순간 위치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다수 실린더 내부 연소 엔진의 작동 이벤트의 수행 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    데이타 메시지들을 독립적인 통신 네트워크(10,10')를 통하여 제어 유닛(4,4';5)들로 각각 송신시키는 2 개의 독립적인 센서 장치(3,3')들의 사용을 포함하는 중복적인 작동(redundant operation)을 특징으로 하는, 다수 실린더 내부 연소 엔진의 작동 이벤트의 수행 제어 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    데이타 메시지들을 적어도 2 개의 독립적인 통신 네트워크(10,10')를 통하여 실린더(2)상에 분포된 실린더 제어 유닛(5)들로 각각 송신시키는 적어도 2 개의 독립적인 엔진 제어 유닛(4,4')들의 사용을 포함하는 중복적인 작동(redundant operation)을 특징으로 하는, 다수 실린더 내부 연소 엔진의 작동 이벤트의 수행 제어 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    적어도 2 개의 독립적인 엔진 제어 유닛(4,4')들중 하나 또는 적어도 2 개의 독립적인 센서 장치(3,3')들중 하나는 2 개의 독립적인 통신 네트워크(10,10')들의 마스터 클록을 형성하도록 선택되는 것을 특징으로 하는, 다수 실린더 내부 연소 엔진의 작동 이벤트의 수행 제어 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 통신 네트워크(10,10')를 통한 상기 데이타 메시지들의 송신은 적어도 하나의 센서 장치(3,3')에 의하여 제어 파라미터의 순간 값들의 포착에 대해 독립적으로 이루어지고, 데이타 메시지에 포함된 보상 데이타는 제어 파라미터의 순간 값의 포착 순간에 데이타 메시지에 포함된 디지털 제어 파라미터 신호의 변화율(rate of change)을 나타내는 보상 데이타를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 다수 실린더 내부 연소 엔진의 작동 이벤트의 수행 제어 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 제어 유닛(4,4';5)에 대하여 제어 파라미터의 상기 평가된 값들은 상기 센서 장치(3,3')들 각각으로부터 송신된 데이타 메시지들에 대하여 발생되고, 상기 센서 장치들중 하나로부터의 메시지에서 얻어진 제어 파라미터의 평가 값들의 선택은 적어도 하나의 선택 판단 기준(selection criteria)에 맞춘 선택에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 다수 실린더 내부 연소 엔진의 작동 이벤트의 수행 제어 방법.
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