KR102061992B1 - 내연 엔진의 정상 동작 동안 연료의 분사 시작 시간과 분사량을 결정하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 내연 엔진의 실린더에 할당될 수 있는 각각의 내연 엔진의 입구관에서 동적 압력 변동을 정상 동작 동안 흡기-동기 연료 분사 동안 한정된 동작점에서 측정하고, 이로부터, 동시에 측정된 크랭크샤프트 위상각 신호에 대한 압력 변동 신호를 결정하는 방법에 관한 것이다. 상기 압력 변동 신호로부터 기준 기본 압력 변동 신호를 감산함으로써 연료 분사에 의해 야기된 분사 신호 성분이 계산되고, 상기 분사 신호 성분의 신호 위상 위치 및 신호 진폭이 크랭크샤프트 위상각 신호에 대해 결정된다. 이후, 상기 분사 시작 시간은 기준 위상 위치를 사용하여 상기 분사 신호 성분의 결정된 신호 위상 위치에 기초하여 결정되고, 상기 분사량은 기준 진폭을 사용하여 상기 분사 신호 성분의 결정된 신호 진폭에 기초하여 결정된다.

Description

내연 엔진의 정상 동작 동안 연료의 분사 시작 시간과 분사량을 결정하는 방법

본 발명은 내연 엔진의 정상 동작 동안 흡기관 압력 신호로부터 내연 엔진의 연료의 분사 시작 시간과 분사량을 결정하는 방법에 관한 것이다.

본 상황에서 이후 축약된 형태로 단순히 내연 엔진이라고도 지칭되는 왕복 피스톤 내연 엔진은 하나의 왕복 피스톤이 각각 배치되는 하나 이상의 실린더를 갖는다. 왕복 피스톤 내연 엔진의 원리를 설명하기 위해, 아래에서는 도 1을 참조하며, 도 1은 예로서 가장 중요한 기능 유닛들과 함께 다기통 내연 엔진일 수도 있는 내연 엔진의 실린더를 도시한다.

각각의 왕복 피스톤(6)은 각각의 실린더(2) 내에 선형으로 이동 가능한 방식으로 배치되고, 실린더(2)와 함께 연소 챔버(3)를 둘러싼다. 각각의 왕복 피스톤(6)은 소위 커넥팅 로드(7)에 의해 크랭크샤프트(9)의 각각의 크랭크 핀(8)에 연결되고, 크랭크 핀(8)은 크랭크샤프트의 회전축(9a)에 대해 편심으로 배치된다. 연소 챔버(3)에서 연료-공기 혼합물이 연소한 결과, 왕복 피스톤(6)은 선형 "하방으로" 구동된다. 왕복 피스톤(6)이 병진 행정 운동하는 것은 커넥팅 로드(7) 및 크랭크 핀(8)에 의해 크랭크샤프트(9)로 전달되어 크랭크샤프트(9)의 회전 운동으로 변환되고, 이 회전 운동은 왕복 피스톤(6)이 실린더(2)에서 하사점을 통과한 후 그 관성으로 인해 반대 방향인 상사점으로 다시 상방으로 이동하게 한다. 내연 엔진(1)이 연속적으로 동작하기 위해, 실린더(2)의 소위 작동 사이클(working cycle) 동안, 먼저 연소 챔버(3)가 연료-공기 혼합물로 충전되고, 연료-공기 혼합물이 연소 챔버(3)에서 압축되고, 이후 (가솔린 내연 엔진의 경우에는 점화 플러그에 의해 그리고 디젤 내연 엔진의 경우에는 극압 점화에 의해) 점화되고 연소되어, 왕복 피스톤(6)을 구동하고, 최종적으로는 연소 후에 남아 있는 배기 가스가 연소 챔버(3)로부터 배출되는 것이 필요하다. 이 시퀀스가 연속적으로 반복되면 내연 엔진(1)이 연속적으로 동작되어 연소 에너지에 비례하는 방식으로 일이 출력된다.

엔진 개념에 따라, 실린더(2)의 작동 사이클은 1번의 크랭크샤프트 회전(360°)(2-행정 엔진)에 걸쳐 분포된 2개의 행정으로 나누어지거나 또는 2번의 크랭크샤프트 회전(720°)(4-행정 엔진)에 걸쳐 분포된 4개의 행정으로 나누어진다.

현재까지, 4-행정 엔진은 자동차 구동 장치로 자리 잡았다. 흡기 행정에서, 왕복 피스톤(6)이 하방 운동하여, (대안으로 도 1에 파선으로 도시된 분사 밸브(5a)에 의해 흡기관으로 분사하는 경우) 연료-공기 혼합물(21) 또는 (분사 밸브(5)에 의해 직접 연료를 분사하는 경우에) 신선한 공기만이 공기 흡기관(20)으로부터 연소 챔버(3)로 도입된다. 이후 압축 행정 동안, 왕복 피스톤(6)이 상방 운동하여, 연료-공기 혼합물 또는 신선한 공기가 연소 챔버(3)에서 압축되고, 적절한 경우, 연료가 분사 밸브(5)에 의해 개별적으로 분사된다. 이후 작동 행정(working stroke) 동안, 예를 들어 가솔린 내연 엔진의 경우에 연료-공기 혼합물이 점화 플러그(4)에 의해 점화되고, 연소 및 팽창되어 왕복 피스톤(6)이 하방 운동하여 일을 출력한다. 마지막으로, 배기 행정에서 왕복 피스톤(6)이 또 다시 상방 운동하여, 나머지 배기 가스(31)가 연소 챔버(3)로부터 배기 가스관(30)으로 배출된다.

내연 엔진의 흡기관(20) 또는 배기 가스관(30)에 대해 연소 챔버(3)를 한정하는 것은 일반적으로 및 특히 여기서 기초로 취해진 예에서 입구 밸브(22) 및 출구 밸브(32)에 의해 실현된다, 현재의 종래 기술에서, 상기 밸브들은 적어도 하나의 캠샤프트에 의해 작동된다. 도시된 예는 입구 밸브(22)를 작동시키기 위한 입구 캠샤프트(23)를 구비하고, 출구 밸브(32)를 작동시키기 위한 출구 캠샤프트(33)를 갖는다. 밸브들과 각 캠샤프트 사이에 제공된 힘 전달을 위한 통상 또 다른 기계적 구성 요소(여기서는 도시되지 않음)들이 존재하며, 이들 구성 요소는 또한 밸브 유격 보상 수단(예를 들어, 버킷 태핏(bucket tappet), 로커 레버(rocker lever), 핑거형 로커(finger-type rocker), 태핏 로드(tappet rod), 유압 태핏(hydraulic tappet) 등)을 포함할 수 있다.

입구 캠샤프트(23) 및 출구 캠샤프트(33)는 내연 엔진(1) 자체에 의해 구동된다. 이를 위해, 예를 들어, 톱니 기어(toothed gear), 스프로킷(sprocket) 또는 벨트 풀리(belt pulley)와 같은 적절한 입구 캠샤프트 제어 어댑터(24) 및 출구 캠샤프트 제어 어댑터(34)에 의해, 및 예를 들어 톱니 기어 기구, 제어 체인 또는 톱니 제어 벨트를 갖는 제어 기구(40)의 도움으로 각각의 경우에 입구 캠샤프트(23) 및 출구 캠샤프트(33)는 대응하여 톱니 기어, 스프로킷 또는 벨트 풀리로 형성된 대응하는 크랭크샤프트 제어 어댑터(10)에 의해 크랭크샤프트(9)에 대해 및 서로에 대해 미리 한정된 위치에서 크랭크샤프트(9)에 결합된다. 이 연결에 의해, 크랭크샤프트(9)의 회전 위치에 대해 입구 캠샤프트(23)의 회전 위치 및 출구 캠샤프트(33)의 회전 위치는 원칙적으로 한정된다. 예로서, 도 1은 벨트 풀리 및 톱니 제어 벨트에 의해 입구 캠샤프트(23) 및 출구 캠샤프트(33)와 크랭크샤프트(9) 사이의 결합을 도시한다.

하나의 작동 사이클 동안 크랭크샤프트에 의해 커버되는 회전각은 이후 작동 위상(working phase) 또는 간단히 위상으로 지칭될 것이다. 따라서, 하나의 작동 위상 내에서 크랭크샤프트에 의해 커버되는 회전각은 위상각이라고 지칭된다. 크랭크샤프트(9)의 각각의 현재 크랭크샤프트 위상각은 크랭크샤프트(9) 또는 크랭크샤프트 제어 어댑터(10)에 연결된 위치 인코더(43)에 의해 및 관련 크랭크샤프트 위치 센서(41)에 의해 연속적으로 검출될 수 있다. 여기서, 위치 인코더(43)는 예를 들어 원주에 걸쳐 등거리로 분포되도록 배치된 다수의 톱니를 갖는 톱니 기어로서 형성될 수 있고, 여기서 개별 톱니의 개수는 크랭크샤프트 위상각 신호의 해상도를 결정한다.

또한 추가적으로, 적절한 경우, 입구 캠샤프트(23) 및 출구 캠샤프트(33)의 현재 위상각은 대응하는 위치 인코더(43) 및 관련 캠샤프트 위치 센서(42)에 의해 연속적으로 검출될 수 있다.

미리 한정된 기계적 결합으로 인해, 각각의 크랭크 핀(8)과 이와 함께 왕복 피스톤(6), 입구 캠샤프트(23) 및 이와 함께 각각의 입구 밸브(22), 및 출구 캠샤프트(33) 및 이와 함께 각각의 출구 밸브(32)는 크랭크샤프트 회전에 의존하는 방식으로 서로에 대해 미리 한정된 관계로 이동하기 때문에, 상기 기능적 구성 요소들은 크랭크샤프트에 대해 동기적으로 각각의 작동 위상을 통과한다. 따라서, 왕복 피스톤(6), 입구 밸브(22) 및 출구 밸브(32)의 각각의 회전 위치 및 행정 위치는, 각각의 변속비를 고려하여, 크랭크샤프트 위치 센서(41)에 의해 미리 한정된 크랭크샤프트(9)의 크랭크샤프트 위상각과 관련하여 설정될 수 있다. 따라서 이상적인 내연 엔진에서, 모든 특정 크랭크샤프트 위상각에는 특정 크랭크 핀 각도, 특정 피스톤 행정, 특정 입구 캠샤프트 각도, 및 이에 따라 특정 입구 밸브 행정, 및 또한 특정 출구 캠샤프트 각도, 및 이에 따라 특정 출구 캠샤프트 행정이 할당되는 것이 가능하다. 즉, 언급된 모든 구성 요소는 회전하는 크랭크샤프트(9)와 동위상에 있거나 동위상으로 이동한다.

그러나, 현대의 내연 엔진(1)에서는, 추가적인 위치 지정 요소들이, 예를 들어, 입구 캠샤프트 어댑터(24)와 출구 캠샤프트 어댑터(34)에 통합된 방식으로 크랭크샤프트(9)와 입구 캠샤프트(23) 및 출구 캠샤프트(33) 사이에 기계적 결합 경로 내에 제공될 수 있고, 여기서 위치 지정 요소들은 크랭크샤프트(9)와 입구 캠샤프트(23) 및 출구 캠샤프트(33) 사이에 원하는 제어 가능한 위상 시프트를 수행한다. 이들 위치 지정 요소는 소위 가변 밸브 구동부에서 소위 위상 조절기로 알려져 있다.

내연 엔진의 동작을 (배출량, 소비량, 동력, 동작 평활도 등과 관련하여) 최적화하기 위해, 연료를 효율적으로 연소시키는 것과 관련된 모든 동작 변수는 미리 한정되고 가능한 정확하게 유지되어야 한다.

동작 변수를 결정하는 종래 기술은 모든 발생하는 동작 상태(엔진 속력, 부하, 모든 액추에이터의 작동, 상이한 밸브 행정, 플랩의 작동, 입구 및 출구 밸브, 배기 가스 터보 과급기, 압축기 등을 위한 위상 조절기의 작동)에서 소위 기준 내연 엔진을 측정하고, 대응하는 시리즈 생산형(series-production) 내연 엔진의 엔진 제어 유닛의 대응하는 특성 맵에 상기 측정 값(또는 그 유도 값 또는 그 거동을 나타내는 모델-기반 접근법)을 저장하는 것이다. 동일한 유형의 시리즈의 모든 구조적으로 동일한 시리즈 생산 내연 엔진은 생성된 이 기준 데이터 세트로 동작된다. 따라서, 제1 근사로서, 동작 변수들은 알려진 것으로 가정될 수 있다.

그러나, 시리즈 내연 엔진의 의도된 동작 동안, 구성 요소 공차, 마모 현상 또는 환경적 영향은 기준 데이터 세트에 기초하여 추구된 동작 변수로부터 실제 동작 변수에 편차를 야기한다. 이러한 동작 변수의 편차를 없애기 위해서는 먼저 실제 동작 변수를 검출한 다음, 실제 동작 변수를 원하는 미리 설정된 값으로 보정하거나 또는 근사하기 위해 기준 데이터 세트에 또는 작동에 적응을 수행하는 것이 필요하다.

여기서 고려해야 할 두 가지 중요한 동작 변수는 연료의 분사 시작 시간 및 얻어진 분사량이다.

분사 밸브 자체의 공차(예를 들어, 기계적 제조 공차) 또는 그 전기적 작동 공차로 인해, 연료의 원하는 분사량과 실제 분사량 사이에 편차가 발생할 수 있다. 또한, 연료의 원하는 분사 시작 시간과 실제 분사 시작 시간 사이에 편차가 발생할 수 있다. 분사량의 편차는 배기 가스가 미처리되어 배출되어 유해를 야기해서 전체 시스템의 배출량을 악화시킬 수 있다. 혼합물 준비에 위해를 야기하는 것으로 인해, 분사 시간이 원치 않게 시프트되어 배출량에 위해를 야기할 수 있다.

그리하여 실제 분사량 및 분사 시작 시간을 가능한 정확하게 검출하고, (예를 들어 공차로 인해) 설정점 값으로부터 벗어나는 편차를 식별하고, 작동을 적응시키는 것에 의해 보정 조치를 실현하는 것이 필요하다. 점점 더 높은 분사 압력, 더 복잡한 분사 밸브 및 더욱 엄격한 배출량 요구조건으로 인해 이 주제는 점점 더 중요해지고 있다.

그러나, 분사량 및 분사 시작 시간의 경우, 현재의 동작 변수를 직접 검출/측정하는 것은 불가능하거나 간접적인 수단에 의해서만 결정될 수 있다. 종래 기술에서, 이를 위해, 예를 들어, 연료 공급의 압력 강하에 기초하여 또는 동적 토크 변동에 기초하여, 또는 람다 탐침(lambda probe)에 의해 측정된 측정 밸브에 기초하여 분사량을 결정하는 방법이 제안된다.

분사 시작 시간을 결정하기 위해, 예를 들어, 전기적으로 구동되는 인젝터 상의 전류 또는 전압 신호를 역으로 측정하고, 측정된 신호를 분석하는 것에 기초하여 분사 시작 시간을 결정하는 방법이 제안된다.

그러나 긴 기능 체인으로 인해 이러한 방법은 매우 복잡하고, 에러 가능성이 있고 부정확성이 존재한다.

그리하여, 본 발명이 기초하는 목적은, 가능한 한 추가적인 센서 배치 및 장치 비용 없이, 가능한 한 정확하게 분사량 및 분사 시작 시간을 검출하여 진행 중인 동작을 최적화하기 위해 동작 파라미터들을 대응하여 적응시킬 수 있는 방법을 제시하는 것이다.

상기 목적은 독립 청구항에 따라 내연 엔진의 정상 동작 동안 연료의 분사 시작 시간 및 분사량을 결정하는 본 발명에 따른 방법에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 방법의 개선 및 예시적인 실시예는 종속 청구항의 주제이다.

본 발명에 따르면, 상기 방법의 구현예에서, 각각의 내연 엔진의 입구관에서 내연 엔진의 실린더에 할당될 수 있는 동적 압력 변동(dynamic pressure fluctuation)이 정상 동작 동안 흡기-동기 연료 분사 동안 한정된 동작점에서 측정되고, 이로부터, 대응하는 압력 변동 신호가 생성된다. 동시에 크랭크샤프트 위상각 신호가 결정된다.

연료 분사에 의해 야기된 분사 신호 성분은 상기 압력 변동 신호로부터 기준 기본 압력(reference base pressure) 변동 신호를 감산함으로써 계산되고, 이에 기초하여, 크랭크샤프트 위상각 신호에 대한 분사 신호 성분의 신호 위상 위치 및 신호 진폭이 결정된다.

이어서, 기준 위상 위치를 고려하여 분사 신호 성분의 결정된 신호 위상 위치에 기초하여 분사 시작 시간이 결정되고, 기준 진폭을 고려하여 분사 신호 성분의 결정된 신호 진폭에 기초하여 분사량이 결정된다.

본 발명이 기초하는 내연 엔진의 기능(상기 참조), 및 본 발명에 따른 방법의 기능을 위한 기초로서 압력 변동 신호의 신호 프로파일을 설명하기 위해, 도면을 참조한다.

도 1은, 가장 중요한 기능적 구성 요소를 갖는, 본 명세서에서 축약된 형태로 내연 엔진이라고 지칭되는 왕복 피스톤 내연 엔진의 간략화된 도면; 및
도 2는 압력 변동 신호의 신호 성분의 프로파일을 나타내는 그래프를 도시한 도면.

본 발명은, 흡기-동기 연료 분사를 가정하면, 흡기관 압력 변동 신호의 프로파일과, 내연 엔진의 입구관에서 연료의 분사 시작 시간 및 또한 분사량 사이에 고유한 관계가 있다는 발견에 기초한다.

본 발명에 따른 방법에서, 각각의 내연 엔진의 입구관에서 내연 엔진의 실린더에 할당될 수 있는 동적 압력 변동이 먼저 정상 동작 동안 흡기-동기 연료 분사 동안 한정된 동작점에서 측정되고, 이로부터, 대응하는 압력 변동 신호가 생성된다. 동시에, 내연 엔진의 크랭크샤프트 위상각 신호가 그대로 기준 신호로서 결정된다.

하나의 가능한 동작점은 예를 들어 미리 한정된 회전 속력에서 유휴(idle) 동작이다. 여기서, 흡기-동기 분사는, 입구 밸브가 개방된 상태에서 신선한 가스가 연소 챔버 내로 공급되는 시간 기간에 분사하는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 이것은 입구 밸브가 동시에 개방된 상태에서 각각의 실린더의 연소 챔버 내로 직접 연료를 분사하거나 또는 흡기관 내로 연료를 분사하는 것에 의해 실현될 수 있다. 정상 동작은, 예를 들어 자동차에서 내연 엔진의 의도된 동작을 특징으로 하고, 여기서 내연 엔진은 동일한 설계의 시리즈의 내연 엔진의 일례이다. 또한 이 상황에서 대응하여 사용될 상기 유형의 내연 엔진에 대한 다른 통상적 용어는 시리즈 내연 엔진이다.

압력 변동 프로파일은 각각의 시리즈 내연 엔진의 흡기관 내의 (어쨌든 일반적으로 제공되는) 압력 센서에 의해 측정될 수 있다. 기준 내연 엔진에 대해 미리 결정된 (알려진 분사 시작 시간 및 알려진 분사량을 갖는) 기준 압력 변동 프로파일과 측정된 압력 변동 프로파일을 비교함으로써, 시리즈 내연 엔진의 현재 분사 시작 시간 및 현재 분사량을 결정할 수 있다.

흡기관에서 동적 압력 변동에 대한 연료 분사의 영향은 다음 기본 물리적 공정에 기초한다:

- 분사된 연료가 증발하고, 이 과정에서 신선한 가스로부터 이 목적을 위해 필요한 증발 열을 추출한다.

- 동시에, 증발된 연료가 공기를 대체한다. 그러나, 냉각 효과는 이 대체에 비해 우세하여, 연소 챔버 또는 입구 덕트에 위치된 가스는 연료 분사 없는 상태에 비해 감소된 체적을 갖는다.

- 그 결과 흡기관으로부터 추가적인 공기의 후속 흐름이 발생할 수 있으며, 이에 따라 초기에는 거기서 압력 감소가 초래된다. 공기가 흡기관으로 후속해서 흐르면 궁극적으로 다시 압력 증가가 초래된다.

- 이 설명된 효과에, 다양한 실린더의 주기적 흡기 공정에 의해 야기되는 흡기 시스템의 압력 변동이 중첩된다.

따라서 동작 동안 흡기관에서 측정된 압력 변동 신호는, 연료 분사와는 독립적이고 본 상황에서 기본 압력 변동 신호로 불리는 성분, 및 본 상황에서 분사 신호 성분으로 불리는 연료 분사에 의해 야기된 성분으로 구성된다. 따라서, 분사 시작 시간 및 분사량의 분사 파라미터의 영향은 분사 신호 성분의 프로파일에서만 나타난다. 기본 압력 변동 신호가 알려져 있다는 가정 하에, 분사 신호 성분은 측정된 압력 변동 신호로부터 기본 압력 변동 신호를 감산하는 것에 의해 얻어지고, 이후 개별적으로 분석될 수 있다.

이러한 관계는 도 2에 그래프로 도시되어 있다. 이 그래프에는 흡기관에서 측정된 압력 변동 신호(P_mes), 및 이와 작은 간격을 두고 기본 압력 변동 신호(P_bas)가 도시되어 있다. 또한, 압력 변동 신호(P_mes)로부터 기본 압력 변동 신호(P_bas)를 감산하여 얻어진 분사 신호 성분(P_inj)은 각각의 경우 크랭크 위상각(KwPhw)에 대한 진폭으로 도시된다.

여기서, 특히, 크랭크샤프트 위상각에 대해 분사 신호 성분(P_inj)의 위상 위치, 이하에서 신호 위상 위치라고 지칭되는 위상 위치는 분사 시작 시간에 의존하고, 분사 신호 성분(P_inj)의 진폭, 이하에서 신호 진폭으로 불리는 진폭은 연료의 분사량에 의존하는 것으로 발견되었다.

위상 위치 및 진폭과 관련하여 분사 신호 성분을 분석하기 위해, 상기 분사 신호 성분은 이산 푸리에 변환(discrete Fourier transformation: DFT)을 받을 수 있다. 이를 위해 고속 푸리에 변환(fast Fourier transformation: FFT)으로 알려진 알고리즘이 DFT를 효율적으로 계산하기 위해 사용될 수 있다. DFT에 의해 분사 신호 성분이 이제 개별 신호 주파수들로 분해되고, 이들 개별 신호 주파수는 이후 진폭 및 위상 위치와 관련하여 단순화된 방식으로 개별적으로 분석될 수 있다.

이를 위해, 내연 엔진의 기본 주파수 또는 제1 고조파로서의 흡기 주파수에 대응하거나 또는 흡기 주파수의 배수, 즉 제2 고조파 내지 제n 고조파에 대응하는 신호 주파수만을 고려하는 것이 유리하고, 여기서 흡기 주파수는 차례로 내연 엔진의 속력과 고유한 관계를 갖는다. 이후, 적어도 하나의 선택된 신호 주파수에 대해, 병렬로 검출된 크랭크샤프트 위상각 신호를 고려하여, 상기 선택된 신호 주파수의 위상 위치 및 진폭이 크랭크샤프트 위상각과 관련하여 결정된다.

이후, 결정된 신호 위상 위치에 기초하여, 기준 위상 위치를 고려하여 분사 시작 시간이 결정된다. 이를 위해, 동일한 설계의 기준 내연 엔진에 대해 미리 결정된 기준 위상 위치가 관련된 분사 시작 시간으로 이용 가능하게 이루어진다. 결정된 신호 위상 위치와 상관 관계가 있는 기준 위상 위치에 의해, 분사 시작 시간이 추론될 수 있다.

그리고, 결정된 신호 진폭에 기초하여, 기준 진폭을 고려하여 분사량이 결정된다. 이를 위해, 동일한 설계의 기준 내연 엔진에 대해 미리 결정된 기준 진폭이 관련된 분사량으로 이용 가능하게 이루어진다. 결정된 신호 진폭과 상관 관계가 있는 기준 진폭에 의해, 분사량이 추론될 수 있다.

본 발명에 따른 방법을 간단히 구현하기 위해, 하나의 예시적인 실시예에서, 동일한 설계의 시리즈의 내연 엔진의 기준 내연 엔진에 대해 미리 결정된 기준 특성 값, 크랭크샤프트 위상각의 함수로서의 기준 기본 압력 변동 신호, 분사 시작 시간의 함수로서의 기준 위상 위치, 및 분사량의 함수로서의 기준 진폭이 비교를 위해 액세스될 수 있는 기준 값 특성 맵에 저장되어 본 발명에 따른 방법에서 사용하도록 이용 가능하게 이루어진다.

기준 위상 위치에 대한 이러한 특성 맵의 가장 간단한 형태는, 내연 엔진의 특정 동작점에 대해 기준 위상 위치 곡선 형태로 기준 위상 위치와 각각의 관련된 분사 시작 시간 사이의 의존성을 나타내는 그래프로 이루어진다.

기준 진폭에 대한 이러한 특성 맵의 가장 간단한 형태는, 내연 엔진의 특정 동작점에 대해 기준 진폭 곡선의 형태로 기준 진폭과 각각의 관련된 분사량 사이의 의존성을 나타내는 그래프로 이루어진다.

대응하는 더 포괄적인 특성 맵은 예를 들어 내연 엔진의 상이한 동작점에 대한 대응하는 기준 위상 위치 곡선 또는 기준 진폭 곡선을 포함할 수 있다.

이 예에서, 분사 시작 시간 또는 분사량을 결정하는 것은, 내연 엔진의 정상 동작 동안 결정된 신호 위상 위치 또는 신호 진폭으로부터 진행하여, 기준 위상 위치 곡선 또는 기준 진폭 곡선 상의 관련 기준점이 결정되고, 이로부터 진행하여, 관련된 분사 시작 시간 또는 관련 분사량이 결정되는 간단한 방식으로 수행될 수 있다.

추가적인 대안적인 가능성은 기준 기본 압력 변동 신호가 크랭크샤프트 위상각 및 대응하는 모델 함수의 함수로서 저장된 형태로 이용 가능하게 이루어지고, 여기서 모델 함수는 기준 위상 위치 곡선 및 기준 진폭 곡선을 특성화하고, 여기서 모델 함수는 기준 위상 위치와 분사 시작 시간 사이 및 기준 진폭과 분사량 사이의 관계를 나타낸다. 결정된 신호 위상 위치 또는 결정된 신호 진폭을 지정함으로써, 최근 분사 시작 시간 및 분사량이 각각 계산될 수 있다. 이 대안의 장점은 전체적으로 더 적은 메모리 용량이 이용 가능하다는 사실에 있다.

본 방법의 구현예에서, 기준 기본 압력 변동 신호, 상이한 분사 시작 시간에 대한 기준 위상 위치, 및 상이한 분사량에 대한 기준 진폭이 본 방법을 구현하는데 이용 가능한 것으로 가정된다.

이를 위해, 본 발명에 따른 방법의 개선에서, 기준 기본 압력 변동 신호는 크랭크샤프트 위상각의 함수로서 결정되고, 기준 위상 위치는 분사 시작 시간의 함수로서 결정되고, 기준 진폭은 정상 동작 전에 기준 내연 엔진에 대해 분사량의 함수로서 결정된다.

여기서, 기준 내연 엔진은 대응하는 시리즈의 내연 엔진과 동일한 설계의 내연 엔진이며, 여기서 특히 가능한 한 거동에 영향을 주는 편차가 구조적 공차에 존재하지 않는 것이 보장된다. 이에 의해, 분사 시작 시간과 기준 위상 위치 또는 분사량 및 기준 진폭 사이의 관계가 가능한 한 정확하게 그리고 다른 교란 요인의 영향 없이 결정되는 것을 보장하는 것이 추구된다.

대응하는 기준 위상 위치 또는 기준 진폭을 결정하는 것은 흡기 매체의 온도, 냉각제 온도 또는 엔진 속력과 같은 추가적인 동작 파라미터의 미리 설정된 값 또는 그 변화에 따라 그리고 상이한 동작점에서 기준 내연 엔진에 의해 가능하다. 이렇게 생성된 기준 값 특성 맵은 특히 내연 엔진에 할당 가능한 전자 처리 유닛의 메모리 영역에 저장된 동일한 설계의 모든 시리즈 내연 엔진에서 유리하게 이용 가능하게 이루어질 수 있다.

기준 위상 위치 및 기준 진폭을 전술된 바와 같이 미리 결정하는 것의 개선에서, 결정된 기준 위상 위치 또는 결정된 기준 진폭 및 관련 분사 시작 시간 또는 분사량으로부터, 예를 들어, 대응하는 다항식 접근법에 의해, 각각의 경우에 하나의 모델 함수를 도출하는 것이 가능하고, 여기서 모델 함수는 기준 위상 위치와 분사 시작 시간 사이 또는 기준 진폭과 분사량 사이의 관계를 적어도 나타낸다.

여기서, 선택적으로 또한, 예를 들어, 흡기관 내 흡입된 매체의 온도, 내연 엔진을 냉각시키는데 사용되는 냉각제의 온도, 및 내연 엔진의 엔진 속력과 같은 추가적인 파라미터들이 더 통합될 수 있고, 이들 추가적인 파라미터는, 아래에서 보다 상세히 논의될 바와 같이, 방법의 정확도를 증가시키기 위해, 추가적으로 고려될 수 있다.

따라서, 신호 위상 위치 또는 신호 진폭을 지정하고 전술한 추가적인 파라미터들을 가능하게 통합하는 것에 의해, 각각의 최근 분사 시작 시간 및 분사량을 계산할 수 있는 각각의 모델 함수가 생성된다.

모델 함수는 특히 내연 엔진에 할당 가능한 전자 처리 유닛의 메모리 영역에 저장된 동일한 설계의 모든 시리즈 내연 엔진에서 유리하게 사용될 수 있다. 장점은 모델 함수가 포괄적인 기준 값 특성 맵보다 더 적은 메모리 공간을 필요로 한다는 사실에 있다.

본 발명의 개선에서, 사용된 연료의 조성을 결정하는 정확도를 더 증가시키기 위해, 내연 엔진의 추가적인 동작 파라미터들이 연료 조성을 결정할 때 고려될 수 있다. 이를 위해,

- 흡기관 내 흡기 매체의 온도,

- 내연 엔진을 냉각시키는데 사용되는 냉각제의 온도, 및

- 내연 엔진의 엔진 속력

중 적어도 하나의 추가적인 동작 파라미터가 분사 시작 시간 및 분사량을 결정하는데 고려될 수 있다.

흡입된 매체의 온도, 즉 실질적으로 흡기 공기의 온도는 이 매체 내 음속에 직접 영향을 미쳐서, 입구관에서 압력이 전파되는 것에 영향을 미친다. 이 온도는 흡기관에서 측정될 수 있어서 알려져 있다.

냉각제의 온도는 입구 덕트 및 실린더에서 열 전달이 일어나는 것으로 인해 흡입된 매체 내 음속에도 영향을 미칠 수 있다. 이 온도는 일반적으로 또한 모니터링되고, 이를 위해 측정되므로, 어떠한 경우에도 이용 가능하여서, 연료 조성을 결정하는데 고려될 수 있다.

엔진 속력은 내연 엔진의 동작점을 특징짓는 변수들 중 하나이며, 입구 덕트에서 압력이 전파되는데 이용 가능한 시간에 영향을 미친다. 엔진 속력은 또한 지속적으로 모니터링되어서 연료 조성을 결정하는데 이용 가능할 수 있다.

따라서, 전술한 추가적인 파라미터들은 어떠한 경우에도 이용 가능하거나 또는 간단한 방식으로 결정될 수 있다. 압력 변동 신호에 대한 언급된 파라미터들 각각의 영향은 이 경우에 알려진 것으로 가정되고, 예를 들어, 기준 내연 엔진을 측정하는 동안 결정되고, 기준 값 특성 맵에 함께 저장된다. 모델 함수에 의해 분사 시작 시간 및 분사량을 계산할 때 대응하는 보정 계수 또는 보정 함수에 의해 통합하면 또한 연료 조성을 결정할 때 이러한 추가적인 다른 동작 파라미터들을 고려할 가능성을 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 방법을 유리하게 구현 가능한 실시예에서, 연료 분사에 의해 야기되는 분사 신호 성분을 계산하고, 크랭크샤프트 위상각 신호와 관련하여 분사 신호 성분의 신호 위상 위치 및 신호 진폭을 결정하고, 또한 내연 엔진의 정상 동작 동안 연료의 분사 시작 시간 및 분사량을 결정하는 것은 내연 엔진에 할당된 전자 처리 유닛, 예를 들어 내연 엔진의 중앙 엔진 제어 장치(CPU)의 도움으로 수행되고, 여기서 기준 기본 압력 변동 신호 및 기준 특성 맵 또는 모델 함수는 전자 처리 유닛의 적어도 하나의 메모리 영역에 저장된다. 이러한 방식으로, 본 발명에 따른 방법은 시리즈 내연 엔진의 동작 동안 자동적으로, 매우 신속하게 및 반복적으로 구현될 수 있다.

일 구현예에서, 기준 기본 압력 변동 신호, 및 분사 신호 성분의 기준 위상 위치 및 기준 진폭을 미리 결정하는 것은 측정 모드에서 적어도 하나의 한정된 동작점에서 기준 내연 엔진을 측정하는 것에 의해 수행될 수 있다.

여기서, 기준 기본 압력 변동 신호를 결정하기 위해, 입구관에서 기준 내연 엔진의 실린더에 할당될 수 있는 동적 압력 변동이 연료 분사가 없는 경우 또는 폐쇄된 연소 챔버 내로 연료를 직접 분사하는 경우에 측정 모드에서 크랭크샤프트 위상각 신호와 관련하여 측정되고, 이로부터, 대응하는 압력 변동 신호가 생성되어 연료 분사의 영향이 없는 기준 기본 압력 변동 신호로서 저장된다.

또한, 입구관에서 기준 내연 엔진의 실린더에 할당될 수 있는 동적 압력 변동이, 흡기-동기 연료 분사의 경우 및 분사 시작 시간 및 분사량이 변하는 경우에, 크랭크샤프트 위상각 신호와 관련하여 추가적으로 측정되고, 이로부터, 각각 대응하는 기준 압력 변동 신호가 생성된다.

이어서, 각각의 기준 압력 변동 신호로부터 기준 기본 압력 변동 신호를 감산하는 것에 의해 기준 분사 신호 성분이 계산된다. 기준 분사 신호 성분에 기초하여, 각각의 기준 분사 신호 성분의 각각의 기준 위상 위치 및 각각의 기준 진폭이 결정되고, 결정된 기준 위상 위치가 각각의 분사 시간의 함수로서 저장되고, 결정된 기준 진폭이 기준 값 특성 맵에 각각의 분사량의 함수로서 저장된다.

이러한 접근법은 일부 상황 하에서 기준 기반 압력 신호, 기준 위상 위치 및 기준 진폭을 결정하는 매우 포괄적이고 값 비싼 측정이 기준 내연 엔진에 대해 한번만 수행될 필요가 있어서 동일한 디자인의 모든 시리즈 내연 엔진에 저가로 이용 가능하다는 장점을 갖는다.

데이터베이스를 확장하고 추가적인 파라미터의 영향을 통합하기 위해, 예를 들어, 상이한 동작점에서, 특정 영향을 미치는 동작 파라미터를 변화시켜서 전술한 접근법을 반복할 수 있다. 이에 의해, 본 방법을 구현할 때, 특정 파라미터를 정확히 고수하는 것에 의존하지 않기 때문에 동작 동안 본 방법을 용이하게 구현할 수 있다.

본 발명에 따른 방법에 의해, 기준 내연 엔진에 대해 결정된 기준 기본 압력 변동 신호를 사용하여, 각각의 분사 시작 시간 및 분사량은 이미 양호한 정확도로 결정될 수 있지만, 상이한 시리즈 내연 엔진과 비교 측정한 결과, 기준 내연 엔진에 대해 결정된 기준 기본 압력 변동 신호에 대해 각각 측정된 기본 압력 신호에 엔진별 공차로-유도된 편차가 존재하고 이는 분사 시작 시간 및 분사량을 결정하는 품질에 악영향을 미칠 수 있는 것으로 나타났다.

따라서, 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 기준 기본 압력 신호는, 기준 내연 엔진에 대해 전술된 결정을 행하는 것의 대안으로, 각각의 시리즈 내연 엔진에 대해 정상 동작 전에 결정될 수 있다. 이것은 생산 라인의 끝(라인 끝)에서 각각의 시리즈 내연 엔진의 측정 모드에서 압력 변동 신호를 결정함으로써 그대로 생산 공정의 최종 단계로서 수행될 수 있다. 여기서, 시리즈 내연 엔진은 연료 분사가 없는 경우 또는 폐쇄된 연소 챔버 내로 연료를 직접 분사하는 경우에, 크랭크샤프트 위상각 신호와 관련하여 특정 동작점에서 측정되고, 이로부터, 대응하는 압력 변동 신호가 생성되어 기준 기본 압력 변동 신호로서 저장된다. 이렇게 결정된 기준 기본 압력 변동 신호는 기준 내연 엔진으로부터 엔진별 편차를 포함하고, 이 편차를 고려하면, 분사 신호 성분을 훨씬 더 정확히 결정할 수 있고, 이로부터 신호 위상 위치 및 분사 시작 시간 및 신호 진폭 및 분사량을 훨씬 더 정확히 결정할 수 있다.

본 발명에 따른 방법을 구현하기 위해, 흡기관에서 동적 압력 변동이 흡기관 내 시리즈 생산형 압력 센서에 의해 유리하게 측정되는 것이 더 가능하다. 이것은 추가적인 압력 센서가 요구되지 않는다는 장점을 가져서, 이것은 비용 장점을 나타낸다.

추가적인 예에서, 본 발명에 따른 방법을 구현하기 위해, 크랭크샤프트 위치 피드백 신호는 톱니 기어 및 홀(Hall) 센서에 의해 결정될 수 있는데, 여기서 이것은 크랭크샤프트 회전을 검출하기 위해 어쨌든 내연 엔진에 존재할 수 있는 통상적인 센서 배열이다. 톱니 기어는 이 경우에 예를 들어 플라이휠 또는 크랭크샤프트 타이밍 어댑터(10)(또한 도 1 참조)의 외부 원주 상에 배치된다. 이것은 추가적인 센서 배치가 요구되지 않는다는 장점을 가져서, 이것은 비용 장점을 나타낸다.

상기 방법은, 상기 방법을 구현하고 기준 기본 압력 변동 신호, 기준 특성 맵 또는 모델 함수를 저장하는 전자 처리 유닛이 내연 엔진을 제어하는 엔진 제어 유닛(CPU)이고, 연료의 분사 시작 시간 및 분사량을 제어하는 제어 변수 또는 제어 루틴을 적응시키는 것이, 연료의 분사 시작 시간 및 분사량에 대해 미리 한정된 설정점 값에 근사하도록, 결정된 분사 시작 시간 및 결정된 분사량의 함수로서 엔진 제어 유닛에 의해 수행되는 경우 특히 유리하게 구현될 수 있다.

이것은 첫째, 별도의 전자 처리 유닛이 필요하지 않아서, 다수의 처리 유닛들 사이에서 고장날 가능성이 있는 추가적인 인터페이스가 존재하지 않는다는 장점이 있다. 둘째, 본 발명에 따른 방법은 내연 엔진의 제어 루틴의 일체 구성 부분으로 이루어질 수 있어서, 이에 의해 내연 엔진의 제어 변수 또는 제어 루틴을 신속히 적응시킬 수 있다.

다시 한번 간단히 요약하면, 내연 엔진의 정상 동작 동안 연료의 분사 시작 시간 및 분사량을 결정하는 본 발명에 따른 방법의 경우에, 각각의 내연 엔진의 흡기관에서 내연 엔진의 실린더에 할당될 수 있는 동적 압력 변동은 정상 동작 동안 흡기-동기 연료 분사 동안 한정된 동작점에서 측정되고, 이로부터, 동시에 측정된 크랭크샤프트 위상각 신호와 관련하여 압력 변동 신호가 결정된다. 연료 분사에 의해 야기된 분사 신호 성분은 이 압력 변동 신호로부터 기준 기본 압력 변동 신호를 감산함으로써 계산되고, 크랭크샤프트 위상각 신호에 대한 그 신호 위상 위치 및 신호 진폭이 결정된다.

이후, 기준 위상 위치를 고려하여 분사 신호 성분의 결정된 신호 위상 위치에 기초하여 분사 시작 시간이 결정되고, 기준 진폭을 고려하여 분사 신호 성분의 결정된 신호 진폭에 기초하여 분사량이 결정된다.

Claims (12)

1. 내연 엔진의 정상 동작 동안 연료의 분사 시작 시간과 분사량을 결정하는 방법으로서,
   - 각각의 내연 엔진의 입구관에서 상기 내연 엔진의 실린더에 할당될 수 있는 동적 압력 변동을 정상 동작 동안 흡기-동기 연료 분사 동안 한정된 동작점에서 측정하고, 이로부터, 대응하는 압력 변동 신호를 생성하고, 동시에, 크랭크샤프트 위상각 신호를 결정하는 단계;
   - 상기 압력 변동 신호로부터 기준 기본 압력 변동 신호를 감산함으로써 상기 연료 분사에 의해 야기되는 분사 신호 성분을 계산하는 단계;
   - 상기 크랭크샤프트 위상각 신호와 관련하여 상기 분사 신호 성분의 신호 위상 위치 및 신호 진폭을 결정하는 단계;
   - 기준 위상 위치를 고려하여 상기 분사 신호 성분의 결정된 신호 위상 위치에 기초하여 상기 분사 시작 시간을 결정하는 단계; 및
   - 기준 진폭을 고려하여 상기 분사 신호 성분의 결정된 신호 진폭에 기초하여 상기 분사량을 결정하는 단계를 포함하는, 연료의 분사 시작 시간과 분사량을 결정하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 기준 기본 압력 변동 신호는 상기 크랭크샤프트 위상 각의 함수로서 저장된 형태로 이용 가능하게 이루어지고, 상기 기준 위상 위치는 상기 분사 시작 시간의 함수로서 저장된 형태로 이용 가능하게 이루어지고, 상기 기준 진폭은 기준 값 특성 맵에 상기 분사량의 함수로서 저장된 형태로 이용 가능하게 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료의 분사 시작 시간과 분사량을 결정하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 기준 기본 압력 변동 신호는 상기 크랭크샤프트 위상각 및 대응하는 모델 함수의 함수로서 저장된 형태로 이용 가능하게 이루어지고, 상기 모델 함수는 기준 위상 위치와 분사 시작 시간 사이 및 기준 진폭과 분사량 사이의 관계를 나타내는 것을 특징으로 하는 연료의 분사 시작 시간과 분사량을 결정하는 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기준 기본 압력 변동 신호는 상기 크랭크샤프트 위상각의 함수로서 결정되고, 상기 기준 위상 위치는 상기 분사 시작 시간의 함수로서 결정되고, 상기 기준 진폭은 상기 정상 동작 전에 기준 내연 엔진에 대해 상기 분사량의 함수로서 결정되는 것을 특징으로 하는 연료의 분사 시작 시간과 분사량을 결정하는 방법.
5. 제3항에 있어서, 상기 모델 함수는, 상기 정상 동작 전에, 상기 기준 위상 위치 및 관련 분사 시간으로부터 그리고 상기 기준 진폭 및 관련 분사량으로부터 도출되고, 기준 위상 위치와 분사 시작 시간 사이 및 기준 진폭과 분사량 사이의 관계를 나타내는 것을 특징으로 하는 연료의 분사 시작 시간과 분사량을 결정하는 방법.
6. 제1항에 있어서,
   - 상기 입구관 내 흡기 매체의 온도,
   - 상기 내연 엔진을 냉각시키는데 사용되는 냉각제의 온도, 및
   - 상기 내연 엔진의 엔진 속력
   중 적어도 하나의 추가적인 동작 파라미터가 상기 연료의 분사 시간 및 분사량을 결정할 때 추가적으로 고려되는 것을 특징으로 하는 연료의 분사 시작 시간과 분사량을 결정하는 방법.
7. 제2항에 있어서, 상기 연료 분사에 의해 야기된 상기 분사 신호 성분을 계산하고, 상기 크랭크샤프트 위상각 신호와 관련하여 상기 분사 신호 성분의 신호 위상 위치 및 신호 진폭을 결정하고, 또한 상기 내연 엔진의 정상 동작 동안 상기 연료의 분사 시작 시간 및 분사량을 결정하는 것은 상기 내연 엔진에 할당된 전자 처리 유닛에 의해 수행되고,
   상기 기준 기본 압력 변동 신호 및 기준 값 특성 맵은 상기 전자 처리 유닛의 적어도 하나의 메모리 영역에 저장되는 것을 특징으로 하는 연료의 분사 시작 시간과 분사량을 결정하는 방법.
8. 제4항에 있어서, 상기 기준 기본 압력 변동 신호, 및 상기 분사 신호 성분의 기준 위상 위치 및 기준 진폭을 미리 결정하는 것은 적어도 하나의 한정된 동작점에서 측정 모드에서 기준 내연 엔진을 측정하는 것을 특징으로 하고,
   - 상기 기준 기본 압력 변동 신호를 결정하기 위해, 상기 입구관에서 상기 기준 내연 엔진의 실린더에 할당될 수 있는 상기 동적 압력 변동은 연료 분사가 없는 경우에 또는 폐쇄된 연소 챔버 내로 연료를 직접 분사하는 경우에, 상기 크랭크샤프트 위상각 신호와 관련하여 측정되고, 이로부터, 대응하는 압력 변동 신호가 생성되어 기준 기본 압력 변동 신호로서 저장되고,
   - 상기 입구관에서 상기 기준 내연 엔진의 실린더에 할당될 수 있는 상기 동적 압력 변동은 흡기-동기 연료 분사의 경우 및 분사 시작 시간 및 분사량이 변하는 경우에 상기 크랭크샤프트 위상각 신호와 관련하여 추가적으로 측정되고, 이로부터, 각각 대응하는 기준 압력 변동 신호가 생성되고,
   - 상기 각각의 기준 압력 변동 신호로부터 상기 기준 기본 압력 변동 신호를 감산하는 것에 의해 기준 분사 신호 성분이 계산되고,
   - 상기 각각의 기준 분사 신호 성분의 각각의 기준 위상 위치 및 각각의 기준 진폭이 결정되고, 그리고
   - 기준 값 특성 맵에 결정된 기준 위상 위치는 각각의 분사 시간의 함수로서 저장되고, 결정된 기준 진폭은 각각의 분사량의 함수로서 저장되는 것을 특징으로 하는 연료의 분사 시작 시간과 분사량을 결정하는 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 동적 압력 변동은 상기 입구관에서 시리즈 생산형 압력 센서에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는 연료의 분사 시작 시간과 분사량을 결정하는 방법.
10. 제1항에 있어서, 크랭크샤프트 위치 피드백 신호는 톱니 기어 및 홀 센서에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 연료의 분사 시작 시간과 분사량을 결정하는 방법.
11. 제7항에 있어서, 상기 전자 처리 유닛은 상기 내연 엔진을 제어하는 엔진 제어 유닛이고, 상기 연료의 분사 시작 시간 및 분사량을 제어하는 제어 변수 또는 제어 루틴을 적응시키는 것은, 상기 연료의 분사 시작 시간 및 분사량에 대해 미리 한정된 설정점 값에 근사하도록, 결정된 분사 시작 시간 및 결정된 분사량의 함수로서 상기 엔진 제어 유닛에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 연료의 분사 시작 시간과 분사량을 결정하는 방법.
12. 제3항에 있어서, 상기 연료 분사에 의해 야기된 상기 분사 신호 성분을 계산하고, 상기 크랭크샤프트 위상각 신호와 관련하여 상기 분사 신호 성분의 신호 위상 위치 및 신호 진폭을 결정하고, 또한 상기 내연 엔진의 정상 동작 동안 상기 연료의 분사 시작 시간 및 분사량을 결정하는 것은 상기 내연 엔진에 할당된 전자 처리 유닛에 의해 수행되고,
    상기 기준 기본 압력 변동 신호 및 모델 함수는 상기 전자 처리 유닛의 적어도 하나의 메모리 영역에 저장되는 것을 특징으로 하는 연료의 분사 시작 시간과 분사량을 결정하는 방법.

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