KR102194333B1

KR102194333B1 - 내연 엔진의 점화 진각을 결정하는 방법 및 이러한 방법을 사용하여 엔진을 제어하는 방법

Info

Publication number: KR102194333B1
Application number: KR1020197002316A
Authority: KR
Inventors: 드 알렝카 모타 조아오 칸토; 다비드 레제르부아시에
Original assignee: 르노 에스.아.에스.
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2017-06-20
Publication date: 2020-12-22
Also published as: EP3475556A1; JP6957534B2; FR3053118A1; KR20190018010A; WO2017220921A1; JP2019519723A; EP3475556B1; FR3053118B1

Abstract

본 발명은 불꽃점화 엔진의 토크의 함수로서 점화 진각(spark advance)을 결정하는 방법에 관한 것이다. 적어도 부하(load)를 포함하는, 엔진의 동작점(operating point)을 나타내는 고정 파라미터들의 세트(set)에 대해, 토크가 임계값(threshold)보다 높을 때 포물선 방정식의 역수 방정식에 따라 토크의 함수로서 진각이 계산된다. 본 발명에 따르면, 상기 토크가 상기 임계값보다 낮을 때, 상기 진각은 선형 방정식의 역수 방정식에 따라 토크의 함수로서 계산된다. 얻어진 값은 포물선 방정식의 역수 방정식에 의해 계산된 것보다 더 높으며 후자를 과소평가하는 것을 방지한다. 본 발명은 점화 진각을 순간적으로 증가시킴으로써 엔진의 토크가 빠르게 감소되는 엔진을 제어하는 방법에서 사용될 수 있다.

Description

내연 엔진의 점화 진각을 결정하는 방법 및 이러한 방법을 사용하여 엔진을 제어하는 방법

본 발명은 불꽃점화 내연 엔진(spark-ignition internal-combustion engine)의 점화 진각(spark advance)을 결정하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 방법에 기인한 점화 진각 모델을 사용하여 이러한 엔진을 제어하는 방법에 관한 것이다.

휘발유-구동 불꽃점화 내연 엔진들에서, 적어도 엔진의 속도와 부하, 또는 흡입 공기의 양을 포함하는 엔진의 작동 파라미터들의 세트의 함수로서 점화 진각 각도를 결정하는 것은 알려져 있으며, 상기 부하는 특히 엔진의 흡입구에서 공기 유량을 조절하는 쓰로틀 바디(throttle body)의 개방 각 위치로부터 결정된다.

엔진의 설계에 따라, 몇몇의 추가적인 파라미터들이 감안될 필요가 있을 수 있다.

특히, 엔진이 과급되는(supercharged) 경우에, 엔진의 부하는 쓰로틀 바디의 개방 각 위치뿐만 아니라 터보차저(turbocharger)의 터빈 내에서 배기가스의 팽창 비율을 나타내는 파라미터에 의존하며, 배기가스로부터의 팽창 에너지는 터보차저의 압축기에서 흡입 공기를 압축시키는데 사용된다. 이는 일반적으로 배기가스 배출 밸브(또는 웨이스트게이트)의 개방도일 수 있다.

또한, 엔진이 엔진의 흡입 캠샤프트 또는 배기 캠샤프트를 위한 가변 위상 조정 수단(variable phasing means)을 가지는 경우에, 예를 들어, 흡기 밸브들과 배기 밸브들이 열리기 시작하는 순간에, 엔진의 점화 진각도 상기 캠샤프트들의 위상 조정(phasing)에 의존할 수 있다.

또한, 엔진이 직접-분사 엔진인 경우, 예를 들어 엔진의 실린더들 내부로 연료의 즉각적인 분사가 시작되는 연료 분사 패턴의 위상 조정을 할 수 있기 때문에, 이론 공연비(stoichiometric ratio)에 대해 공기-연료 혼합물의 농후도(richness)가 변하는 정도까지 농후도도 고려될 수 있다.

고려되는 파라미터들의 조합에 상관없이, 점화 진각은 엔진 성능을 최적화하기 위한 테스트 벤치(test bench)에 관해 설정된다. 예를 들어, 엔진 속도, 부하 및 다른 파라미터들에 대한 일정한 조건들 하에서 엔진에 의해 생성되는 토크를 최대화하는 "최적의 진각(optimum advance)"으로서 언급되는 진각이 엔진 노크(engine knock)를 초래하지 않는 경우에, 상기 진각 값은 상기 최적의 진각 값(optimum advance value)으로 설정될 수 있다. 그렇지 않은 경우에, 엔진 노크를 방지하기 위해, 점화 진각 값은 압축 행정의 끝인 실린더 내의 상사점(top dead center)에 비해 충분히 감소될 수 있다.

모터를 장착한 차량의 가속 페달을 가압하는 것은 엔진의 프로세서에 의해 차량을 구동시키기 위해 운전자에 의해 요구되는 토크 설정값(setpoint)으로서 해석된다. 이러한 토크 설정값과 엔진의 속도에 따라, 프로세서는 부하, 연료 분사 및 점화 진각을 조절하기 위해 엔진의 다양한 액추에이터들을 제어한다. 점화 진각 값들 모두는 고려되는 파라미터들(엔진 속도, 부하, 등)의 조합의 다양한 값들에 따른 맵(map)의 형태로 프로세서의 메모리 내에 저장된다. 따라서, 이러한 맵들은 메모리 내에 많은 공간을 차지한다.

더욱이, 어떤 조건들하에서, 생성된 토크의 거의-즉각적인 감소를 가져오도록 엔진의 점화 진각을 수정하는 것도 알려져 있으며, 이 방법은 엔진의 공기 경로를 조절함으로써 엔진의 부하를 변경하는 것보다 훨씬 빠르다. 실제로, 점화 진각을 변경하는 것은 엔진의 실린더들 내의 연소의 진행에서 즉각적인 변화를 초래하지만, 쓰로틀 바디의 개방도를 변경하는 것은, 예를 들어, 쓰로틀 바디와 실린더들 사이의 공기의 질량이 이동될 거리 때문에 실린더 내의 흡입 공기의 질량에 대해 지연된 효과를 가진다.

이는 다른 상황들 중에서도 운전자가 기어 변경을 위해 가속 페달로부터 발을 빠르게 들어올리는 경우에 발생할 수 있다. 이러한 순간에, 토크 요구는 0이거나 또는 매우 낮으며, 엔진의 프로세서는 이에 따른 토크에 맞추기 위해 즉각적으로 진각(advance)을 감소시킨다. 유사하게, 엔진이 차량 내의 자동 기어박스에 결합된 경우에, 기어박스의 프로세서는 기어를 변경하기 위해 현재의 토크보다 낮은 엔진의 토크 요구(torque demand)를 만들 수 있다. 요구되는 토크 값은 엔진의 점화 진각을 변경함으로써 얻어질 수도 있다.

이를 위해, 점화 진각에서의 변화들은 엔진 속도와 부하 (그리고 위에서 언급된 것과 같은 적용 가능한 다른 파라미터들)의 함수로서뿐만 아니라 토크의 함수로서도 알고 있을 필요가 있다.

종래 기술에서, 엔진 속도, 부하 및 토크의 함수로서의 진각 값의 캘리브레이션은 프로세서의 메모리 내에 저장될 수 있다. 이는 저장될 다수의 캘리브레이션들은 선택된 토크 값들의 수에 의해 곱해지며, 이는 메모리 공간의 면에서 매우 비용이 많이 든다.

계산 블록에서 엔진 토크와 최대 토크 사이의 비율의 값의 함수로서 진각 수정 값이 계산되는, 내연 엔진의 점화 진각을 수정하는 방법은 공개 특허 US6481416호로부터 알려져 있다. 보다 구체적으로, 이 계산 블록은 엔진 토크와 (최적 토크로 알려진) 최대 토크 값을 진각에 일대일로(biunivocally) 관련시키는 포물선 곡선을 시행한다. 각각의 진각을 각각의 토크 값에 개별적으로 관련시키는 어떠한 캘리브레이션에 대한 필요성도 없이, 포물선 곡선에 대응되는 단일의 방정식이 엔진의 프로세서 내에 저장되고, 얻어지는 토크 값의 함수로서 적용될 진각 수정을 계산하는데 사용되는 것으로 이해된다.

그러나, 토크가 포물선에 대응되는 2차 다항식의 형태로 진각의 함수로서 모델화되는 이러한 방법은, 첨부된 도 2에 도시된 바와 같이, 충분히 정확하지 않다.

도 2에서 X 축은 엔진의 동일한 동작점(적용될 수 있는 경우, 동일한 엔진 속도, 동일한 부하 및 동일한 다른 추가적인 파라미터들)에 대해 현재의 점화 진각 값(AA)과 최적 진각 값(AAopti) 사이의 차이를 보여준다. 종래에는, 이 경우에 진각 값들(advance values)은, 엔진의 실린더들 내에서 상사점으로부터 뒤로 이동할 때, 즉, 엔진의 실린더 내에서 압축 스트로크의 끝에서 피스톤이 상사점에 도달하기 전에 점화가 일어날 때, 양으로 계수된다(counted positively). 그 결과, X 축은 좌측을 향해 지향된다. Y 축은 엔진에 의해 생산된 토크(C)와 최적 진각(AAopti)에 대응되는 최대 토크(Copti) 사이의 관계를 보여준다.

도 2에 도시된 개개의 점들은 출원인에 의해 제조된 자연 흡기 휘발유 엔진의 2.0리터의 단일-실린더에 대한 테스트 벤치에서 얻은 물리적인 측정값을 나타내며, 실선은 예를 들어 최소 제곱법(least squares)을 사용하여 다양한 개별의 점들로부터 추론될 수 있는 포물선이다.

이러한 모델은 아래의 유형의 방정식에 대응된다.

(방정식 1) C/Copti = 1 - k * (AA-AAopti)²

여기서, 파라미터 k는 양의 상수이다.

본 출원인은 이 모델은, 토크 값이 낮을 때, 주어진 진각 값에 대해 얻어진 토크 값을 충분히 정확하게 나타내지 않는다고 판단하였다. 더욱 구체적으로, 도 2는, (이 특정 예에서) 크랭크 샤프트 각도 30° 내지 40° 사이인 최적 진각에 대한 진각 감소 값들에서, 포물선 곡선은 주어진 감소가 적용된 때 얻어진 토크를 실제 값들과 비교하여 더 낮게 추산한다는 것을 보여준다.

다시 말해서, 계산기가 토크를 0 또는 낮은 설정값으로 조절하기 위해 오직 포물선 관계를 사용하여 진각 감소를 명령하는 경우, 그 다음에, 얻어진 토크는 실제로는 상기 설정값보다 더 높을 것이며, 이는 특히 차량의 폐쇄(shuttering)를 유발할 수 있다.

본 발명은, 점화 진각을 결정하는 알려진 방법들과 모델을 사용하여 점화 진각을 결정하는 이러한 방법들을 사용하여 엔진을 제어하는 방법들에서의 단점들을 극복하는 것을 제안한다.

더욱 구체적으로, 본 발명은, 프로세서(processor)의 메모리 내에 제한된 공간을 차지하면서 저장될 수 있으며 정확한, 토크(torque)의 함수로서 점화 진각을 나타내는 모델을 제안한다.

이를 위해, 본 발명은 모델링(modelling)에 의해 불꽃점화 내연 엔진의 토크의 함수로서 점화 진각(spark advance)을 결정하는 방법을 제공하며,

상기 방법은, 주어진 엔진의 동작점(operating point)을 나타내는 파라미터들의 세트에 대해:

- 상기 진각(advance)(AA)의 값이 최적 진각 값과 최대 진각 값 사이에서 점증적으로 증가하는 단계로서, 최적 진각 값에서 토크는 최적 토크와 동일하고, 최대 진각 값에서 엔진에 의해 생성된 토크가 최소이며, 상기 진각 값은 플로트되는(plotted), 단계,

- 진각이 증가되는 선행 단계로부터의 각각의 진각 값에 대해 엔진에 의해 생성된 토크 값이 플로트되는 단계,

- 상이한 조절 증분들(increments)에 대응되는 진각 값(AA)/토크 값(C)의 쌍들 모두가 플로트되는 단계,

- 상기 값들의 쌍들이 아래 유형의 방정식 1을 사용하여 토크(C)와 진각(AA) 사이의 포물선 관계를 결정하는데 사용되는 단계로서,

(방정식 1) C/Copti = 1 - k * (AA - AAopti)²

여기서, k는 양의 상수인, 단계를 포함하며,

상기 방법은 적어도 아래의 단계들:

- 토크 임계값(Cs)을 생성하는 진각 임계값이 플로트되는 단계로서, 진각 임계값 위에서 진각(AA)에 의해 생성된 토크(C)의 플로트된 값은 상기 포물선 관계에 대응되는 방정식에 의해 계산된 값보다 크고, 진각(AA)이 상기 진각 임계값(AAlin)보다 큰 진각 값/토크 값의 쌍들의 하위 세트(subset)가 아래 유형의 방정식 2를 사용하여 토크(C)와 진각 사이의 선형 관계를 결정하는데 사용되며,

(방정식 2) C/Copti = K * ((AA₀ - AAopti) - (AA - AAopti)),

여기서, K는 양의 상수인, 단계, 및

- 상기 방정식들이 역수로 변환되고(inverted), 아래 유형의 방정식 3과 4를 사용하여 토크(C)의 함수로서 진각(AA)을 결정하는 단계로서,

상기 토크 임계값(Clin)과 최적 토크(Copti) 사이의 토크 값들에 대해,

(방정식 3) AA = AAopti + a * (1 - C/Copti)^1/2,

0과 상기 토크 임계값(Clin) 사이의 토크 값들에 대해,

(방정식 4) AA = AAopti - b * (C/Copti) + C,

여기서, 상기 파라미터들 a, b 및 c는 양의 상수들인, 단계를 더 포함하며,

- 상기 파라미터들은 상기 엔진의 프로세서의 메모리 내에 저장되고, 토크(C)의 함수로서 점화 진각(AA)을 조절할 수 있는 상기 엔진의 프로세서의 계산 블록은 상기 조절을 위한 일련의 명령들을 프로그램하는데 사용되며, 상기 명령들은 적어도 토크를 토크 임계값(Clin)과 비교하는 단계와, 상기 비교의 결과의 함수로서 방정식 3에 따라 또는 방정식 4에 따라 진각을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징들과 이점들은 첨부된 도면들을 참조하면서 비제한적인 실시예에 대한 설명에서 나타난다.
- 도 1은 본 발명에 따른 방법의 시행에 적합한 예시적인 불꽃점화 내연 엔진이며,
- 도 2는 위에서 논의된 종래 기술에 따른 결정 방법에서 엔진 토크와 점화 진각 사이의 포물선 관계를 보여주는 도표이며,
- 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 점화 진각을 결정하는 방법의 단계들의 흐름도이며,
- 도 4는 본 발명에 따른 방법을 사용하여 엔진 토크와 점화 진각 사이의 직선 또는 포물선 관계를 보여주는 그래프이다.

도 1은 (휘발유로 구동되는) 불꽃점화 내연 엔진을 보여주며, 더욱 구체적으로 엔진 블록의 실린더(1)의 단면을 보여준다. 흡기 회로(intake circuit)(2)와 배기 회로(exhaust circuit)(3)는 각각 상기 실린더(1)의 흡기관(4) 및 배기관(5)과 연통된다. 온도 센서(6)는 흡입 공기 온도(Tair)를 측정하기 위해 상기 흡기 회로(2) 내에 장착된다. 공기 유량 조절 밸브 또는 쓰로틀 바디(7)는 상기 흡기 회로(2) 내에서 상기 온도 센서(6)의 하류에 장착된다. 흡기 매니폴드(8)는 상기 흡기 회로(2) 내에서 상기 쓰로틀 바디(7)의 하류에 장착된다. 압력 센서(9)는 매니폴드 압력(Pcoll)을 측정하기 위해 상기 흡기 매니폴드(8)에, 예를 들어 상기 흡기 매니폴드(8)의 플리넘(plenum)에 장착된다.

이 경우에, 상기 엔진은, 필수적인 것은 아니지만, 간접-분사 엔진이며: 연료 분사기(10)는 상기 흡기관(4) 내부로 휘발유를 분사하기 위해 상기 흡기관(4) 내부로 전개된다. 도시되지 않은 변형에서, 상기 엔진은 직접-분사 엔진일 수 있다.

상기 실린더(1)는 엔진의 실린더 헤드(11)에 의해 덮인다. 상기 실린더 헤드(11)는 상기 흡기관(4)을 개방 및 폐쇄하기 위해 사용되는 흡기 밸브(12)를 가진다. 상기 흡기 밸브는 엔진의 연소 사이클 중에 상기 흡기 밸브가 개방되는 시기를 변화시키도록 설계된 가변 위상 조정 수단(variable phasing means)을 구비한다. 캠 각도 센서(13)는 상기 흡기 밸브(12)의 개방을 검출하기 위해 이러한 가변 위상 조정 수단과 연계된다.

상기 실린더 헤드(11)는 또한 상기 배기관(5)을 개방 및 폐쇄하기 위해 사용되는 배기 밸브(14)를 가진다. 이 경우에, 상기 배기 밸브(14)는 상기 흡기 밸브에서와 유사한 가변 위상 조정 수단을 가지지 않는다. 당연히, 도시되지 않은 변형 실시예들에서, 상기 엔진은 흡기 및 배기에서 가변 위상 조정 수단을 가지거나, 또는 반대로 가변 위상 조정 수단을 가지지 않는다.

상기 실린더(1)는 상기 실린더(1)의 보어(bore)(16) 내부에서 하사점(BDC)과 상사점(TDC) 위치들 사이에서 번갈아 이동하도록 설계된 피스톤(15)과, 상기 피스톤(17)과 상기 실린더 헤드(11) 사이에 한정된 공간 내에 형성된 연소실(17)을 포함한다.

점화 플러그(18)는 상기 실린더 헤드(11)에 장착되며, 상기 점화 플러그의 전극들은 상기 연소실(17) 내부로 전개된다. 상기 엔진 내에서 노킹(knocking)의 발생을 검출하기 위해 상기 실린더(1)에 노크 센서(knock sensor)(18)가 장착될 수 있다. 크랭크샤프트 각도 센서(19)는 상기 엔진의 크랭크샤프트(20)와 연계된다. 농후도(richness) 또는 산소 센서(21)는 상기 엔진의 배기관(3) 내에 적어도 하나의 가스 후처리 장치(미도시), 예를 들어 3-방향 촉매 변환기의 상류에 장착된다.

상기 엔진의 프로세서(processor)(미도시)는, 상기 엔진의 적어도 토크(C)와 속도(N)를 포함하는 엔진의 동작을 나타내는 파라미터들의 세트(set)의 함수로서 적어도 하나의 부하 값(load value)(Qair)과 하나의 점화 진각 값(spark advance value)(AA)을 결정하도록 설계된 수단을 가진다. 본 발명에 따르면, 상기 프로세서는, 토크 설정값(setpoint)(C)의 변화의 함수로서 상기 진각(AA)을 조절하도록 설계된 계산 블록(claculation block)을 포함하며, 상기 계산 블록 내부에는, 적어도 상기 토크 설정값(C)과 임계값(threshold)(Clin)의 비교 및 상기 비교의 결과에 의존하는 방정식에 따라 조절될 진각 값(AA)의 계산을 포함하는 일련의 명령들이 프로그램된다. 아래에서 세 개의 방정식이 상세하게 설명된다.

본 발명에 따른 방법을 시행하는데 사용되는 엔진은 도 1의 예에서 도시되지 않은 다른 특성들을 가질 수도 있다. 예를 들어, 과급 엔진의 경우에, 상기 엔진은 압축기와 터빈을 포함하는 터보차저(turbocharger)를 가질 수 있으며, 상기 압축기는 상기 흡기 회로(2) 내에 상기 매니폴드(9)의 하류에 장착되고, 상기 터빈은 상기 배기 회로(5) 내에 상기 산소 센서(21)의 상류에 장착된다. 상기 엔진의 과급 압력을 조절하기 위해, 상기 배기 회로(3)는 상기 엔진의 배기가스를 위한 배기 우회 분기관(exhaust bypass branch)을 포함할 수 있으며, 상기 우회 분기관은 배출 밸브(또는 "웨이스트 게이트(wastegate)")와 결합되고, 상기 배출 밸브의 개방도(degree of opening)는 상기 터빈을 통과하는 배기가스들의 비율을 조절할 수 있도록 한다.

도 3을 참조하면, 모델링(modelling)에 의해 불꽃점화 내연 엔진에서 토크의 함수로서 점화 진각(AA)을 결정하는 방법은 아래의 단계들을 포함할 수 있다.

제1 단계(100)에서, 적어도 토크 값(C)과 엔진 속도(N)를 포함하는 상기 엔진의 동작점(operating point)을 나타내는 파라미터들의 세트(set)가 엔진 테스트 벤치(test bench)에 플로트된다(plotted).

토크(C)를 얻기 위해, 상기 엔진은 단계(200)에서 공칭 설정(nominal setting)으로 설정되며, 이는 적어도 부하(Qair)와 공칭 점화 진각 값(AAnom)을 설정하는 것을 포함한다. 추가적인 파라미터들, 특히 캠 각도 센서(13)를 사용하여 측정된 흡기 및/또는 배기 캠들(cams)의 가변 위상 조정 수단의 위치(αVVT), 상기 산소 센서(21)를 사용하여 측정된 공기-연료 혼합물의 농후도(r), 등은 상기 엔진의 구성에 따라 설정될 수 있다.

테스트 벤치에서 상기 부하(Qair)는 상기 엔진의 프로세서에 의해 상기 쓰로틀 바디(7)의 개방도(αpap)를 조절함으로써 조절될 수 있다. 추가적인 파라미터들, 특히 상기 엔진이 과급되는 경우에, 배기가스 배출 밸브(웨이스트 게이트)의 개방도(RCOwg)도 조절될 수 있다. 상기 부하(Qair)는, 상기 흡기 매니폴드 내의 압력(Pcoll), 상기 쓰로틀 바디(7)의 개방도(αpap)에 의존한 쓰로틀 바디의 단면적, 및 공기 온도 센서(6)에 의해 측정된 흡입 공기의 온도(Tadm)를 사용하여 알려진 방식으로 결정된다.

상기 프로세서는 또한 상기 점화 플러그(18)의 전극들 사이에 스파크를 촉발함으로써 공칭 점화 진각(AAnom)을 조절한다.

다음의 본 방법의 두 단계들은 반복적으로 수행된다. 단계(300)에서, 상기 엔진의 토크(C)는 우선 현재의 값으로부터 최적 토크 값(Copti)으로 증가된다. 이를 위해, 상기 엔진의 점화 진각(AA)은 공칭 값(AAnom)으로부터 토크를 최대화하는 (최적 토크) 진각 값으로, 즉, 최적 진각(optimum advance)(AAopti)까지 감소된다.

상기 엔진이 보통 생산 차량들에 사용되는 상업적 연료로 운전될 때, 상기 최적 진각(AAopti)이 노크 존(knock zone)에 있을 수 있기 때문에, 상기 노크 센서(18)가 노킹을 검출함이 없이 최적 진각(AAopti)이 실제로 달성되도록 보장하기 위해, 특정한 매우-높은-옥탄가의 연료로 사전예방 측정 단계(300)가 수행된다.

상기 최적 진각(AAopti)으로부터, 상기 엔진의 점화 진각(AA)은 점진적으로, 예를 들어, 크랭크 샤프트 각도의 10분의 몇의 점증으로 증가하며, 단계(200)에서 조절 파라미터들(공기 부하(Qair), 등)은 상기 진각(AA)을 제외하고 변하지 않고 유지된다. 다시 말해서, 점화 진각은 상사점 이전에 발생할 때 관례적으로 양으로 계수되기 때문에, 상기 진각 감소는 증가한다. 조절된 진각 값은 각각의 점증에서 플로트된다(plotted).

단계(400)에서, 단계(300)에서 플로트된 각각의 점화 진각 값에 대해, 얻어진 상기 엔진 토크(C)가 플로트된다. 상기 점화 진각(AA)이 증가함에 따라, 상기 토크(C)는 감소한다. 각각의 단계(400) 후에, 상기 방법은 단계(400)에서 측정된 토크(C)가 0 또는, 예를 들어 상기 엔진의 작동 안전 한계에 대응되는, 0이 아닌 최소 토크 값(Cmin)과 동일하게 될 때까지 단계(300)에서 재시작된다.

다음의 단계(500)는 상기 최소 토크(Cmin)를 생성하는 최대 점화 진각 값(AAmax)을 알게 될 때 시작한다. 만약 상기 엔진에 특정한 작동 문제점 없이 0의 토크 값이 달성될 수 있는 경우에, 이 최대 진각(AAmax)은 특정 점화 진각 값(AA₀)와 동일하며, 이는 이후에 제로 토크 진각(AA₀)으로서 지칭된다. 단계(500)에서, 단계(300)에서 진각 점증들 모두에 대해 얻어진 진각(AA)/토크(C) 값의 쌍들 모두가 플로트된다.

단계(600)에서, 단계(500)에서 플로트된 점들을 사용하여 토크(C)와 점화 진각(AA) 사이의 포물선 관계가 모델링되며, 즉, 예를 들어 최소 제곱법(least squares)을 사용하여, 아래의 유형의 2차 방정식: C = u * AA² + v * AA + w으로 모델링된다. 상기 포물선의 정점은 최적 진각(AAopti)에 대해 얻어진 최적 토크 값(Copti)이다. 포물선의 추세는 도 4에서 곡선(P)이며, 또한 도 4에서 점선을 사용하여 도시된 곡선 부분을 포함한다.

상기 2차 방정식은 상술한 바와 같이 방정식 1의 형태로 재작성될 수 있다.

(방정식 1) C/Copti = 1 - k * (AA-AAopti)²

다음 단계(700)에서, 토크가 방정식 1에 의해 결정된 포물선 곡선을 떠나는 점화 진각 임계값(AAlin)이 플로팅된다. 더욱 구체적으로, (감소의 방향으로) 높은 점화 진각 값들(AA)에 대응되는 낮은 토크 값들(C)에 대하여, 포물선 방정식의 모델에 의해 계산된 토크 값은 측정된 값보다 작다는 것이 규명되었다. 본 발명에 따른 방법은, 도 4의 점(T)에 대응되는 임계값(AAlin)보다 큰 진각 값들(AA)에 대응되는 토크 임계값(Clin) 아래의 이러한 낮은 토크 값들에 대해, 포물선 모델을 수정하도록 의도되었다.

단계(700)에서, 단계(300)에서 측정된 토크 값들(C)은 예를 들어 동일한 진각 값(AA)에 대해 계산된 값들과 비교될 수 있으며, 이로부터 측정된 토크 값이 계산된 값보다 큰 진각(AA)/토크(C) 값들의 쌍들의 하위 목록(sublist)을 추출한다. 그 다음에, 이 값들의 하위 목록은, 낮은 토크 구역에서, 토크(C)와 진각(AA) 사이의 선형 관계를, 예를 들어 최소 제곱법(least squares)을 사용하여, 아래의 유형의 1차 방정식: C = d * AA + e의 형태로 모델링하기 위해 사용된다. 이 방정식은 포물선 방정식으로부터 기인한 계산값보다 더 큰 토크 값(C)을 계산할 수 있게 만든다.

변형예에서, 단계(700)는, 오직 최소 토크(Cmin)/최대 점화 진각(AAmax) 값들의 쌍을 사용하고, 1차 방정식에 의해 정의된 직선(D)(도 4 참조)은 2차 방정식에 의해 정의된 포물선(P)(도 4 참조)에 대해 접선을 이루는 추가적인 조건을 적용함으로써, 선형 방정식을 직접 결정함으로써, 상이하게 수행될 수 있다.

최소 토크(Cmin)가 제로 토크보다 엄격히 큰 경우에, 최대 진각(AAmax)은 제로 토크 진각(AA₀)보다 엄격히 작다. 제로 토크 진각 값(AA₀)은, 포물선(P)과 접촉하는 점(T)과 최대 진각(AAmax)/최소 토크(Cmin) 쌍에 대응되는 점(S)(도 4 참조)을 통과하는 직선(D)을 연장시킴으로써 생성된 직선(D)의 1차 방정식을 사용하여 계산된다.

마지막으로, 선형 관계는 아래의 방정식의 형태로 재공식화된다.

(방정식 2) C/Copti = K * ((AA₀ - AAopti) - (AA-AAopti))

여기서, 파라미터 K는 양의 상수이다.

단계(800)에서, 점화 진각(AA)을 토크(C)의 함수로서 표현하기 위해 방정식 1과 2는 역수 방정식(inverse equations)으로 변형된다.

그 결과는 아래의 방정식이다.

토크(C)가 토크 임계값(Clin)보다 큰 경우, 즉, Clin < C < Copti인 경우에,

(방정식 3) AA = AAopti + a * (1 - C/Copti)^1/2

그리고,

토크(C)가 토크 임계값(Clin)보다 작은 경우, 즉, 0 < C < Clin 인 경우에,

(방정식 4) AA = AAopti - b * C/Copti + c

여기서, 파라미터 a, b 및 c는 양의 상수들이다.

마지막으로, 엔진의 동작점을 나타내는 파라미터들의 세트 각각에 대해, 방정식 3과 4의 파라미터들 a, b 및 c는 관련된 토크 값(C) 조건과 함께 프로세서의 메모리 내에 저장되는데, 이는 종래 기술의 방법과 달리 오직 적은 양의 메모리 공간을 요구한다. 더욱이, 점화 진각(AA)을 토크(C)의 함수로서 조절할 수 있는 상기 엔진의 프로세서의 계산 블록은 상기 조절을 위한 일련의 명령들을 프로그램하는데 사용되며, 상기 일련의 명령들은 적어도 토크를 토크 임계값(Clin)과 비교하는 단계와, 상기 비교의 결과의 함수로서 방정식 3 또는 방정식 4에 따라 진각을 계산하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 상기 파라미터들 a, b 및 c는, 토크가 토크 임계값(Clin)보다 작을 때, 아래의 조건이 준수되도록 결정된다.

(방정식 5) AAopti - b * (C/Copti) + c > AAopti + a * (1 - C/Copti)^1/2

따라서, 진각 값(AA)을 수정함으로써 배타적으로 얻어지게 될 임계값(Clin)보다 작은 주어진 토크(C)에 대해, 종래 기술에 따른 방정식 3(포물선 곡선의 역)에 의해 추산된 적용될 진각 값은, 더 높고 방정식 4(선형 관계의 역)에 의해 추산된 실제 값에 더 가까운 진각 값(AA)에 의해 교체된다.

점화 진각(AA)을 토크의 함수로서 결정하는 이러한 방법은 도 1에 따른 불꽃점화 내연 엔진을 제어하는 방법에서 유리하게 시행된다.

이러한 방법에서, 엔진을 장착한 차량의 운전자는 그 발을 주어진 누름 값(depression value)으로 차량의 가속 페달상에 유지하며, 이는, 차량의 속도 및 엔진의 속도(N)에 대응되는 기어박스 비율을 위해, 엔진의 프로세서에 의해 엔진을 위한 토크 설정값(Ccons)으로서 해석된다.

엔진의 프로세서는, 공급되는 토크가 토크 설정값(Ccons)과 동일하게 되도록 보장하기 위해, 엔진의 동작점을 나타내는 파라미터들의 세트를 조절하며, 상기 파라미터들은 적어도 부하(Qair)와 점화 진각 설정값(AAcons)을 포함한다.

그 다음에, 토크 설정값에서 갑작스런 하락이 발생한다. 기어 비율의 변경이 필요한 경우에, 예를 들어, 새로운 토크 설정값(Ccons,n)이 엔진과 연계된 자동 또는 반자동 기어박스의 프로세서에 의해 요구될 수 있다. 또한, 차량의 ESP 시스템이 촉발된 경우에도, 차량의 프로세서에 의해 새로운 토크 설정값(Ccons,n)이 요구될 수 있다. 이는, 운전자가 그 발을 가속기로부터 빠르게 들어 올린 경우에도 발생될 수 있다. 엔진의 프로세서는 페달의 새로운 위치를 이전의 Ccons보다 작은 새로운 토크 설정값(Ccons,n)으로서 해석한다.

그 다음에 프로세서는 엔진의 동작점을 나타내는 다른 파라미터들(특히 부하(Qair))을 변경하지 않고 엔진의 점화 진각(AA)을 조절할 수 있다. 이를 위해, 프로세서는, 도 3에서 설명된 바와 같이, 토크의 함수로서 진각을 결정하는 방법을 시행한다.

그 다음에 프로세서는, 새로운 토크 설정값(Ccons,n)을 엔진의 동작점(부하(Qair))에 대응되는 미리 결정된 임계값(Clin)과 비교하는 단계를 수행한다.

새로운 토크 설정값(Ccons,n)이 상기 임계값보다 큰 경우에, 프로세서는 방정식 3을 사용하여 진각(AA)을 조절한다. 새로운 토크 설정값(Ccons,n)이 상기 임계값보다 작은 경우에, 프로세서는 반대로 방정식 4를 사용하여 진각(AA)을 조절한다.

Claims

모델링(modelling)에 의해 불꽃점화 내연 엔진의 토크(C)의 함수로서 점화 진각(spark advance)(AA)을 결정하는 방법으로서,
상기 방법은, 주어진 엔진의 동작점(operating point)을 나타내는 파라미터들의 세트에 대해:
- 상기 진각(advance)의 값(AA)이 최적 진각 값(AAopti)과 최대 진각 값(AAmax) 사이에서 점증적으로 증가하는 단계(300)로서, 최적 진각 값(AAopti)에서 토크(C)는 최적 토크(Copti)와 동일하고, 최대 진각 값(AAmax)에서 엔진에 의해 생성된 토크(C)가 최소이며, 상기 진각 값은 플로트되는(plotted), 증가하는 단계(300);
- 진각이 증가되는 선행 단계(300)로부터의 각각의 진각 값에 대해 엔진에 의해 생성된 토크 값(C)이 플로트되는 단계(400);
- 상이한 조절 증분들(increments)에 대응되는 진각 값(AA)/토크 값(C)의 쌍들 모두가 플로트되는 단계(500);
- 상기 값들의 쌍들이 아래 유형의 방정식 1을 사용하여 토크(C)와 진각(AA) 사이의 포물선 관계를 결정하는데 사용되는 단계(600)로서,
(방정식 1) C/Copti = 1 - k * (AA - AAopti)²
여기서, k는 양의 상수인, 사용되는 단계(600);
- 토크 임계값(Cs)을 생성하는 진각 임계값(AAlin)이 플로트되는 단계(700)로서, 진각 임계값 위에서 진각(AA)에 의해 생성된 토크(C)의 플로트된 값은 상기 포물선 관계에 대응되는 방정식에 의해 계산된 값보다 크고, 진각(AA)이 상기 진각 임계값(AAlin)보다 큰 진각 값/토크 값의 쌍들의 하위 세트(subset)가 아래 유형의 방정식 2를 사용하여 토크(C)와 진각(AA) 사이의 선형 관계를 결정하는데 사용되며,
(방정식 2) C/Copti = K * ((AA₀ - AAopti) - (AA - AAopti)),
여기서, K는 양의 상수인, 단계(700); 및
- 상기 방정식들이 역수로 변환되고(inverted), 아래 유형의 방정식 3과 4를 사용하여 토크(C)의 함수로서 진각(AA)을 결정하는 단계(800)로서,
상기 토크 임계값(Clin)과 최적 토크(Copti) 사이의 토크 값들에 대해,
(방정식 3) AA = AAopti + a * (1 - C/Copti)^1/2,
0과 상기 토크 임계값(Clin) 사이의 토크 값들에 대해,
(방정식 4) AA = AAopti - b * (C/Copti) + C,
여기서, 상기 파라미터들 a, b 및 c는 양의 상수들인, 결정하는 단계(800);를 포함하며,
- 상기 파라미터들은 상기 엔진의 프로세서의 메모리 내에 저장되고, 토크(C)의 함수로서 점화 진각(AA)을 조절할 수 있는 상기 엔진의 프로세서의 계산 블록은 상기 조절을 위한 일련의 명령들을 프로그램하는데 사용되며, 상기 명령들은 토크를 토크 임계값(Clin)과 비교하는 단계와, 상기 비교의 결과의 함수로서 방정식 3에 따라 또는 방정식 4에 따라 진각을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 점화 진각을 결정하는 방법.
제1항에 있어서,
적어도 부하(load)(Qair)와 엔진의 속도(N)를 포함하는 엔진의 동작점을 나타내는 파라미터들의 다수의 세트들을 위해, 상기 파라미터들은 상기 프로세서의 메모리 내에 저장되는, 점화 진각을 결정하는 방법.
제2항에 있어서,
엔진의 동작점을 나타내는 파라미터들의 세트는 엔진의 가변 캠 위상 조정 수단(variable cam phasing means)의 위치(αVVT) 및/또는 엔진의 공기-연료 혼합물의 농후도(richness)(r)를 더 포함하는, 점화 진각을 결정하는 방법.
제1항에 있어서,
진각(AA)을 변화시키기 위한 상기 단계(300)는, 노킹(knocking) 없이 테스트 벤치(test bench)에서 최적 진각(AAopti)을 달성하기 위해, 엔진을 위해 의도된 상업적 연료보다 더 높은 옥탄가를 가진 연료를 사용하는 엔진 테스트 벤치에서 수행되는, 점화 진각을 결정하는 방법.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
진각(AA)을 변화시키기 위한 상기 단계(300)의 실행을 위해, 적어도 엔진의 쓰로틀 바디(throttle body)(7)의 개방도(degree of opening)(αpap)를 조절함에 의해, 테스트 벤치에서 부하(Qair)가 결정되는, 점화 진각을 결정하는 방법.
제5항에 있어서,
엔진의 터보차저(turbocharger)의 터빈의 웨이스트게이트(wastegate)의 개방도(RCOwg)를 조절함에 의해서도 상기 부하(Qair)가 결정되는, 점화 진각을 결정하는 방법.
제1항에 있어서,
포물선 관계와 선형 관계에 대응되는, 토크(C)를 결정하기 위한 방정식들은 최소 제곱법(method of least squares)을 사용하여 얻어지는, 점화 진각을 결정하는 방법.
불꽃점화 내연 엔진을 제어하는 방법으로서,
엔진을 장착한 차량의 운전자에 의해 가속 페달이 눌려진 값(depression value)에 대응되는 토크 설정값(Ccons)과 엔진의 속도(N)에 대해:
- 엔진의 부하(Qair)와 공칭 점화 진각 값(nominal spark advance value)(AAnom)을 조절하는 단계,
- 새로운 토크 설정값(Ccons,n)을 낮추는 단계,
- 진각(AA)을 새로운 토크 설정값(Ccons,n)의 함수로서 결정되는 새로운 값으로 조절하는 단계를 포함하며,
상기 방법은:
- 새로운 토크 설정값(Ccons,n)을 토크 임계값(Clin)과 비교하는 단계,
- 새로운 토크 설정값(Ccons,n)이 상기 토크 임계값(Clin)보다 큰 경우에, 진각(AA)을 아래 유형의 방정식 3에 의해 결정하는 단계로서,
(방정식 3) AA = AAopti + a * (1 - Ccons,n/Copti)^1/2,
여기서, 파라미터 a는 양의 상수이고, AAopti는 엔진으로부터 최적 토크를 생성하는 최적 점화 진각인, 단계,
- 새로운 토크 설정값(Ccons,n)이 상기 토크 임계값(Clin)보다 작은 경우에, 진각(AA)을 아래 유형의 방정식 4에 의해 결정하는 단계로서,
(방정식 4) AA = AAopti - b * (C/Copti) + c,
여기서, 파라미터들 a, b 및 c는 양의 상수이고, AAopti는 엔진의 최적 진각인, 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 불꽃점화 내연 엔진을 제어하는 방법.