KR20000053439A - 내연기관의 진단장치 및 진단방법 - Google Patents

내연기관의 진단장치 및 진단방법 Download PDF

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가나이 쓰도무
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Abstract

배기밸브 또는 흡기밸브의 개방시간을 제어하기 위한 명령값 신호 및 내연기관의 흡기 매니폴드를 통과하여 흐르는 흡입공기의 흐름방향의 유량을 측정하는 수단을 사용함으로써, 명령값 신호에 대응하는 공기유량이 측정된다. 밸브기구는 내연기관의 각 실린더용 흡기밸브 및 배기밸브를 구비하고, 밸브기구를 제어하는 밸브제어수단에 의해 제어된다. 밸브기구의 작동상태의 고장진단이 수행될 수 있다.

Description

내연기관의 진단장치 및 진단방법{AN APPARATUS OF DIAGNOSING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND A METHOD OF DIAGNOSING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관의 진단장치 및 진단방법에 관한 것으로서, 특히 내연기관 진단장치가 밸브기구 타이밍이 가변인 밸브기구를 구비한 내연기관의 진단장치 및 진단방법에 관한 것이다.
일본국 특개평4-91330호(1992) 공보에는 밸브의 개폐타이밍을 변화시키는 솔레노이드의 온·오프 명령에 의한 내연기관의 회전속도 사이의 차에 따라 가변타이밍 제어유닛의 고장을 판별하는 내연기관장치가 개시되어 있다.
일본국 특개평6-317115호(1994) 공보에는 엔진 회전신호로부터 출력변동을 얻고, 가변 밸브타이밍 제어 솔레노이드를 오프(off) 제어하며, 출력변동과 흡기밸브 및 배기밸브의 오버랩량 사이의 관계를 계산함으로써 가변 타이밍 제어유닛의 고장을 판단하는 다른 내연기관장치가 개시되어 있다.
일본국 특개평6-317117호(1994) 공보에는 가변 밸브타이밍 제어 솔레노이드의 온·오프 상태를 판단하고, 운전조건에 대하여 설정된 변동레벨에 의해 실제적으로 측정된 엔진 흡입공기의 변동레벨을 비교함으로써, 가변 타이밍 제어유닛의 고장을 판단하는 내연기관장치가 개시되어 있다.
또한, 일본국 특개평7-293287호(1995) 공보에는 가변 밸브타이밍 제어 솔레노이드의 온·오프 상태를 판정하고, 운전조건에 대하여 설정된 변동 사이클에 의해 실제적으로 측정된 엔진 흡기의 변동 사이클을 비교함으로써, 가변 타이밍 제어유닛의 고장을 판단하는 다른 내연기관장치가 개시되어 있다.
상술된 종래의 가변 타이밍 제어유닛의 고장을 판단하는 내연기관장치는 밸브기구가 흡기밸브뿐만 아니라 배기밸브에 의해서도 제어되는 동안 흡기밸브 및 배기밸브가 오버랩하는 다양한 모드조건에서 고장을 판정하는데 어려운 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 내연기관의 싸이클효율이 향상될수 있는 내연기관 진단장치 및 진단방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 내연기관의 제어유닛의 신뢰성이 보장될 수 있는 내연기관 진단장치 및 진단방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 내연기관의 제어유닛의 고장진단을 위해 장치가 사이클 효율을 증가시키고 제어유닛의 신뢰성을 보장하는 밸브기구를 구비한 내연기관 진단장치 및 진단방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 상술된 목적은 흡기밸브 또는 배기밸브가 전기신호에 의하여 내연기간의 각 실린더를 개폐하는 내연기관의 진단장치에 있어서, 내연기관의 흡기매니폴드내로 흐르는 역류량 및 흡기밸브와 배기밸브 사이의 오버랩 개방시간에 따라 밸브기구 및 밸브기구의 제어장치의 이상이 진단되거나 또는 내연기관의 흡기매니폴드내로 흐르는 역류량 및 미리 설정된 내연기관의 목표 EGR량에 따라 밸브기구 및 밸브기구의 제어장치의 이상이 진단됨으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 상술된 목적은 흡기밸브 또는 배기밸브가 전기신호에 의하여 내연기관의 각 실린더를 개폐하는 내연기관의 진단장치에 있어서, 내연기관의 흡기 매니폴드내로 흐르는 역류량, 흡기밸브와 배기밸브의 오버랩 개방시간, 및 내연기관의 회전속도에 따라 밸브기구 및 밸브기구의 제어장치의 이상이 진단됨으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 상술된 목적은 흡기밸브 또는 배기밸브가 전기신호에 의하여 내연기관의 각 실린더를 개폐하는 내연기관의 진단방법에 있어서, 흡기밸브와 배기밸브 사이의 오버랩 개방시간과 내연기관의 흡기 매니폴드의 역류시간(Tbi)에 따라 이상을 진단하는 제 l 단계, 및 내연기관의 목표 EGR량과 내연기관의 흡기 매니폴드의 역류 공기질량(Qbi)에 따라 이상을 진단하는 제 2 단계를 포함하는 내연기관 진단방법에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 상술된 목적은 흡기밸브 또는 배기밸브가 전기신호에 의하여 내연기관의 각 실린더를 개폐하는 내연기관의 진단방법에 있어서, 흡기밸브와 배기밸브사이의 오버랩 개방시간과 내연기관의 흡기 매니폴드의 역류시간(Tb2)에 대한 순류시간(Tn1)의 비(Tn1/Tb2)에 따라 이상을 진단하는 제 1 단계, 및 내연기관의 목표 EGR량과 역류공기질량의 최고치(un)에 대한 순류공기질량의 최고치(dn)의 비(dn/un)에 따라 이상을 진단하는 제 2 단계를 포함하는 내연기관 진단방법에 의해 달성될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예의 내연기관의 진단장치 및 진단방법의 밸브기구를 사용하는 시스템의 개략도,
도 2는 도 1의 밸브기구에 도시된 일부분의 확대도,
도 3은 본 발명에 따른 제 1 실시예의 센서시스템을 나타내는 기능 블럭다이어그램,
도 4는 본 발명에 따른 제 1 실시예의 공기유량계를 나타내는 회로도,
도 5는 본 발명에 따른 일 실시예의 발열 저항체의 예를 나타내는 도,
도 6은 본 발명에 따른 일 실시예의 발열 저항체의 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 일 실시예의 발열 저항유닛의 가열온도를 나타내는 설명도,
도 8은 본 발명에 따른 제 1실시예를 나타내는 작동 파형도,
도 9는 흡기밸브 및 배기밸브가 설정된 시간 주기동안 개방되었을때 본 발명에 따른 제 1 실시예의 가변밸브의 오버랩(overlap)시의 작동 파형도,
도 10은 본 발명에 따른 일 실시예의 역류위상과 오버랩 명령값 사이의 관계를 나타내는 그래프,
도 11은 본 발명에 따른 일 실시예의 역류량과 오버랩 명령값 사이의 관계를 나타내는 그래프,
도 12는 본 발명에 따른 제 1 실시예의 가변 밸브기구를 나타내는 진단 알고리즘,
도 13은 본 발명에 따른 제 2 실시예의 센서시스템을 나타내는 기능 블럭 다이어그램,
도 14는 본 발명에 따른 제 2 실시예의 공기유량 측정장치를 나타내는 회로도,
도 15는 본 발명에 따른 흡기밸브 및 배기밸브가 설정된 시간 주기동안 개방되었을때 본 발명에 따른 제 2 실시예의 가변밸브의 오버랩(overlap)시의 작동 파형도,
도 16은 본 발명의 제 2실시예에 따른 방향 신호비와 오버랩 명령값 사이의 관계를 나타내는 그래프,
도 17은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 최고값 비와 오버랩 명령값 사이의 관계를 나타내는 그래프,
도 18은 본 발명에 따른 제 2 실시예의 가변 밸브기구를 나타내는 진단 알고리즘.
이하, 본 발명에 따른 내연기관의 진단장치 및 진단방법의 일 실시예가 도면을 참조하여 설명된다.
본 발명의 이 실시예에 따른 내연기관은 가변 밸브 타이밍을 사용하여 경부하시에서의 린번(lean burn)제어, 밸브가 개방된 동안 엔진의 실린더내에 잔류하는 배기가스량의 조절, 공기압축비의 조절, 노킹 방지제어, 연소압 제어, 회전속도 제어, 공기량 증대에 따라 연료분사 제어 또는 엔진의 실린더내 공기압을 균일하게 하도록 실린더내 압력제어등을 수행한다.
도 1에 도시된 내연기관(1)은 커넥팅 로드(4) 및 크랭크샤프트(5)로 구성되는 크랭크 기구를 구비한다. 연소실(3)은 크랭크 기구에 연결된 피스톤(2) 및 엔진(1)의 엔진헤드(8)에 의하여 형성되고, 엔진헤드(8)상의 흡기밸브(10), 배기밸브(11), 및 점화플러그(12)에 의하여 밀폐된다. 피스톤(2)은 엔진(1)의 실린더(1a)내로 수용된다.
흡기밸브(10) 및 배기밸브(11)는 가변밸브기구(40, 41)에 의해 각각 구동된다. 엔진(1)은 스로틀 밸브(17)의 작동과 피스톤(2)의 왕복운동에 의해 연소에 필요한 공기를 연소실(3)내로 흡입한다. 스로틀 밸브(17)는 전자적 스로틀밸브 제어모터(18)에 따라 작동된다. 공기는 연소실(3)내로 흡입되기 전에 공기정화기(15)에 의해 여과되고, 공기유량계(20)에 의해 측정된다. 이 흡기량은 분사될 연료량을 계산하는데 사용된다.
스로틀밸브(17)가 조금 개방된 경우, 연소실(3)내 및 스로틀밸브(17)의 하류측의 흡기포트(19)내의 공기압은 대기압보다 낮다. 흡기 매니폴드내의 압력센서(14)는 흡기 매니폴드내의 공기압을 항상 측정하고, 그 결과는 엔진(1)을 제어하는데 사용된다.
엔진(1)을 제어하는 제어유닛(63)은 여러 센서로부터의 신호에 따라 엔진(1)의 운전상태를 검출하는 운전상태 검출수단(64), 엔진(1)상의 가변밸브기구(40, 41)를 제어하는 가변밸브 제어수단(30), 및 분사기(13)로부터 분사되는 연료량과 연료 분사시기를 제어하는 연료분사 제어수단으로 구성된다.
이 내연기관(1)을 구비한 차량의 운전자(60)가 가속페달(61)상에 발을 올려놓으면, 페달(61)의 움직임은 전위차계(62)에 의하여 전기신호로 변환되어 제어유닛(63)내의 운전상태 검출수단(64)에 입력된다.
운전상태 검출수단(64)은 크랭크샤프트(5)상에 장착된 요소(6, 7)로 구성되는 크랭크각 센서로부터, 상술된 공기유량계(20)로부터, 흡기 매니폴드내 압력센서(14)로부터, 흡기 매니폴드내에 제공된 공연비센서(24)로부터, 배기포트(23)내 배기촉매(26)의 온도를 검출하는 온도센서(25)로부터, 연소실(3)내에 제공되고 연소실(3)내의 압력을 검출하는 압력센서(21) 및 노킹을 검출하는 노킹센서(22)로부터 신호를 수신한다.
가변밸브 제어수단(30)은 운전상태 검출수단(64)으로부터의 신호를 수신하고 흡기밸브(10)를 구동시키는 가변밸브기구(40) 및 스로틀밸브(17)를 구동시키는, 전자적으로 제어되는 스로틀밸브 구동모터(18)에 제어신호를 출력하여 엔진(1)내로 흡입되는 공기량을 제어한다. 연료분사 제어수단(66)은 운전상태 검출수단(64)으로부터 신호를 수신하고, 연료분사기(13)에 제어신호를 출력하여 분사될 연료량과 분사시기를 제어한다.
본 발명에 따른 이 실시예의 내연기관 진단장치는 흡기밸브(10) 및 배기밸브(11)의 직사각형의 밸브 리프트량 형상(valve lift value shape)을 사용하였으나, 밸브 개방/폐쇄 작동속도를 낮출수 있는 사다리꼴 형상의 밸브 리프트량 형상을 이용하여도 동일한 효과가 얻어진다.
본 발명에 따른 이 실시예의 내연기관(1) 진단장치의 가변밸브기구(40)가 도 2를 참조하여 자세하게 설명될 것이다. 흡기밸브(10)는 엔진헤드(8)상에 장착된 밸브가이드(31)를 따라 이동할 수 있다. 흡기밸브(10)의 스템(stem, 10a)은 전자석수단(50, 51)에 의해 끌릴 수 있는 플레이트(32) 및 플레이트(32)를 흡기밸브의 스템(10a)에 고정시키는 부재(33)를 구비한다.
도 1에 도시된 제어유닛(63)이 전자석수단(50, 51)에 제어신호를 보내면, 플레이트(32)는 전자기적으로 전자석수단(50 또는 51)에 끌려 흡기밸브(10)를 개폐한다. 다시 말하면, 흡기밸브(10)를 개방시키기 위해, 제어유닛(63)은 전자석 수단(50)에 제어신호를 보내고, 연속적으로 플레이트(32)는 전자석 수단(50)에 끌리게 된다.
흡기밸브(10)의 밸브헤드(10c)는 엔진헤드(8)상의 밸브시트부로부터 멀어진다. 결과적으로, 흡기포트(19)는 연소실(3)로 개방되어 공기가 연소실(3)내로 들어가게 된다. 흡기밸브가 개방된 동안, 신호는 여전히 전자석 수단(50)에 인가되고 플레이트(32)는 전자석 수단(51)에 여전히 끌리게 된다.
따라서, 흡기밸브(10)는 최대 밸브리프트(valve lift)에 가깝게 설정된 밸브리프트를 계속 유지하게 된다. 흡기밸브(10)를 폐쇄하기 위해, 제어유닛(63)은 전자석 수단(50)에 신호를 보내는 것을 중단하고, 전자석 수단(51)에 신호를 보내기 시작한다. 플레이트(32)는 전자석 수단(51)에 끌린다. 결과적으로, 흡기밸브(10)의 밸브헤드(10c)는 밸브시트에 밀착하고 흡기포트(19)는 연소실(3)과 차단된다. 따라서, 연소실(3)로의 공기공급은 종료된다.
도 1에 도시된 본 발명에 따른 이 실시예의 내연기관 진단장치에 있어서, 흡기밸브(10)는 배기밸브(11)가 닫히기 전에 크랭크각도 85°에서 개방되기 시작하며, 즉시 최대 밸브리프트에 가깝게 설정된 밸브리프트 또는 최대 밸브리프트에 이르러, 소정의 시간주기동안 이 밸브리프트를 유지한다. 일반적으로 엔진 진단장치의 설계에 있어서, 흡기밸브(10)의 최대 밸브리프트는 배기밸브(11)의 최대 밸브리프트보다 크다.
이하에서는 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 일 실시예의 가변밸브기구(40)의 진단에 사용되는 공기유량계(20)의 구성이 설명될 것이다. 전원공급기(201)에 연결된 센서회로(210)는 발열저항체(211)를 소정의 온도를 유지하도록 가열하여 공기의 속도에 대응하는 열손실로부터 발열저항체(211)를 흐르는 공기유량을 측정하는 열선식 공기유량계(thermal air flow meter, 20)의 센싱부(sensing part)를 구성한다.
마이크로 프로세서(220)를 갖춘 오차보정유닛은 센서회로(210)로부터 신호(Vin, Vbi)를 받아 아날로그·디지털 변환기(A/D 변환기, 221)에 의해 디지털값으로 변환하고, 재입력 가능한 메모리(223)내에 저장된 보정 데이터에 따라 연산회로(222)에 의해 값을 보정하고, 디지털·아날로그 변환기(D/A 변환기)에 의해 센서회로(210)의 전압값과 동일한 전압값을 갖도록 값을 변환한 후, 엔진(1)의 제어유닛(63)에 결과를 출력한다. 센서회로(210), 마이크로 프로세서(220), 및 기준전압을 발생시키는 전원공급회로(203)를 포함하는 오차보정유닛은 공기유량계(20)를 구성한다.
엔진제어유닛(63)은 공기유량계(20)로부터 신호(Vout)를 받아 아날로그·디지털변환기(A/D변환기, 631)에 의해 디지털값으로 변환하고 그 결과를 엔진제어에 사용한다. 동시에, 엔진제어유닛(63)은 입출력단자(I/O, 632)로부터의 제어신호를 가변밸브 제어수단(30)에 보내고, 마이크로프로세서(220)의 입출력단자(I/O, 225)에 가변밸브 제어타이밍을 보내 공기유량계(20)가 가변밸브기구의 작동상태를 파악하여 고장진단을 할 수 있도록 한다. 이 제어신호는 밸브타이밍을 직접적으로 제어하는 신호 및 진폭데이터(amplitude data)같은 펄스로 전송되는 제어명령중 어느것이어도 된다.
이하에 본 발명에 따른 실시예의 하드웨어의 상세한 구성이 설명될 것이다. 전원공급기(201)에 연결된 센서회로(210)는 공기유량에 비례하여 출력한다. 센서회로(210)는 발열저항체(발열성 저항 또는 발열성 도체, 21la 및 21lb), 온도보상저항(211c), 저항(213, 214), 차동증폭기(215), 및 트랜지스터(216)를 구비한 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)로 구성된다.
발열저항체(211a, 21lb)를 통과하여 흐르는 전류는 브리지 중심의 전위차가 제로가 되도록 차동증폭기(215) 및 트랜지스터(216)에 의해 제어된다. 이러한 구성은 공기유속에 상관없이 발열저항체(21la, 21lb)의 저항치를 일정하게, 즉 발열저항체(21la, 21lb)를 설정된 온도로 유지하도록 제어한다. 발열저항체(21la, 21lb)에 의해 결정되는 공기유량을 지시하는 신호는 차동증폭기(2121), 저항(2l22, 2123, 2124, 2125, 2126, 2127)로 구성된 제로스팬회로(zero-span circuit, 2120)에 입력된다.
공기흐름의 방향을 나타내는 방향검출신호(Vbi)는 발열 저항체(21la, 21lb)와 공기흐름을 따라 병렬로 위치된 브리지회로의 저항(212a, 212b), 및 차동 증폭기(2131, 2141), 저항(2132, 2133, 2134, 2135, 2136, 2142, 2l43, 2144)을 포함하는 방향검출회로(2130)에 의해 얻어진다.
상술된 발열저항체(21la, 21lb)는 백금, 니켈 또는 텅스텐과 같은 금속화합물의 얇은 또는 두께운 발열필름 또는 유리, 세라믹, 또는 실리콘 플레이트같은 기판상의 폴리실리콘 저항체로 만들어진다.
사용하는 발열저항체의 종류에 따라서는, 공기흐름의 방향이 변할때 열적 반응지연으로 인해 방향신호(Vbi)와 제로스팬회로(2120)의 출력 사이에 위상차가 생길 수도 있다. 예를 들어 저항(2151) 및 커패시터(2152)로 구성되는 위상지연회로(2150)를 부가함으로써 위상차가 없는 전압출력(Vin)을 얻을 수 있다. 이 예에서는 위상지연회로로서 주요 필터(primary filter)를 사용하였으나, 제로스팬회로(2120)의 저항(2125)에 병렬로 커패시터를 부가하여 위상지연을 생기게 하는 것도 가능하다.
상술된 발열저항체(21la, 21lb)는 자동차등의 내연기관의 흡기 매니폴드내에 제공되고, 흡기통로를 통과하여 흐르는 공기 이동량 또는 유량에 비례하여 차동증폭기(2121)의 전압출력(Vin)의 형태로 전압을 출력한다.
이 전압출력(Vin)은 마이크로 프로세서(220)내에 내장된 아날로그·디지털변환기(221)에 입력되어 디지털 신호로 변환되고, 마이크로 프로세서(220)내의 CPU(222a)에 의해 출력전압 대 공기유량의 공식에 따라 공기유량으로 조작된다. 이 결과는 오차보정 및 디지털·아날로그 변환기(224)에 의한 디지털·아날로그 변환을 거치고, 엔진제어유닛등에 전압값으로서 출력한다.
마이크로 프로세서(220)의 다른 요소는 유량맵(flow-rate map) 및 프로그램을 저장하는 비휘발성 메모리(ROM, 222c), 발열저항체(21la, 2llb)의 저항의 변동 데이타같은 개개의 다른 정보를 저장하는 재입력 가능한 메모리(PROM, 223), CPU(222a)의 작업영역으로서 사용되는 랜덤엑세스메모리(RAM, 222b), 내부 클럭을 발생시키는 발진기(OSC, 226), 및 입출력단자(I/O, 225)이다.
재입력가능한 메모리(PROM, 223)는 마이크로프로세서(220)내에 내장될 필요는 없다. 저장용량이 한번 입력되는데 충분한 한, 재입력가능한 메모리(PROM, 223)는 퓨즈형의 ROM, 전기적으로 지울수 있는 롬(EEPROM), 한번에 소거할 수 있는 플래시 메모리, 또는 강유전성 필름의 분극특성을 이용한 고속 비휘발성 메모리일 수 있다.
다음, 이하에 발열저항체(21la, 21lb)의 특성이 발열저항체(21la, 21lb)의 예를 도시하는 도 5를 참조하여 설명될 것이다. 이 예는 편평한 실리콘 기판(211)상에 폴리실리콘 저항체를 구비한다. 발열저항체(211a, 21lb)는 실리콘기판(211)상에 서로 평행하게 배치되고, 브리지회로용 전압은 발열저항체(211a, 21lb)의 중심으로부터 취해진다. 실리콘기판(211)은 또한 그 위에 온도보상저항(211c)을 구비한다.
공기흐름의 방향을 검출하는데 가장 중요한 것은 서로 평행하게 배치된 발열저항체(21la, 21lb) 사이의 거리(L)이다. 이 센싱유닛의 단면을 도시하는 도 6을 참조하면, 실리콘기판(211)은 발열저항체(211a, 21lb) 아래에 공간(s)을 제공하도록 에칭되고, 이는 발열저항체(211a, 211b)를 용이하게 열적으로 절연하고 공기흐름에 대한 응답성을 향상시킨다.
도 7은 공기가 실리콘기판(2l1)상에서 방향(A)으로부터 방향(B)로 흐르는 경우의 온도분포를 나타낸다. 비록 발열저항체(21la, 21lb)가 균일하게 가열되어도, 공기흐름의 하류측의 발열저항체(21lb)는 상류측의 발열저항체(21la)보다 약간 더 뜨거워진다.
이 온도차는 발열저항체(21la, 21lb) 사이의 거리(L)가 넓어질수록 커지고 브리지회로의 감도는 높아진다. 하지만, 이는 가열되어야 하는 면적이 늘어나기 때문에 열지연을 증가시킨다. 본 발명에 따른 이 실시예는 거리(L)가 감도를 보장할만큼 충분히 넓은 경우라도 공기흐름에 비례하여 정확한 유량신호를 얻을 수 있다.
도 8은 상세한 작동파형을 나타낸다. (1)실제 공기유량이 엔진(1)으로부터의 역류를 포함하는 맥동파형인 경우에 있어서, (2)방향검출신호(Vbi)는 열적 반응지연 때문에 위상차를 가진다. (3)방향신호는 소정의 레벨(Vof)에서 (2)방향검출신호(Vbi)를 파악함으로써 얻어질 수 있다.
(2)방향검출신호(Vbi)는 기본적으로 감도가 낮기 때문에, 방향검출회로(2130)내에서 크게 증폭되어야 한다. 결과적으로, (2)방향검출신호(Vbi)는 연산증폭기등의 드리프트(drift)에 의해 영향을 받기 쉽다.
이 문제를 해결하기 위해, 유량감도가 크고 다이나믹 레인지(dynamic range)가 넓은 제로스팬회로의 출력을 사용하는 것이 바람직하다. 다시 말하면, (4)유량신호는 (2)방향검출신호(Vbi)에 대하여 응답지연이 적다. 동시에, 이 구조는 공기흐름의 방향을 검출할 수 없기 때문에, 역류에 대한 신호는 또한 정측으로 출력하는 파형이다.
여기서, 상술된 위상지연회로는 위상이 합쳐진 (5)유량신호를 얻도록 위상을 조절한다. 마지막으로, 마이크로프로세서(220)는 방향신호에 따라 (5)유량신호에 신호를 주도록 내부적으로 신호를 처리한다. 이렇게 함으로써, 정확한 (6)합성유량신호가 얻어질 수 있다.
흐름방향을 검출할 수 있는 상술된 공기유량계(20)를 사용함으로써 밸브기구의 작동상태를 진단하는 것이 용이하게 된다. 비록 본 발명에 따른 이 실시예는 역류량 및 흐름방향을 측정하는 수단의 하나이지만, 그 구조는 비교적 단순하고 저가이다.
도 9를 참조하여, 이하에 본 발명에 따른 하나의 내연기관 진단예가 설명될 것이다. 도 9에 있어서, 가변 밸브기구의 배기신호의 타이밍(Pin1)과 흡기신호의 타이밍(Pin2)은 서로 오버랩(overlap)한다고 가정한다. (1)밸브작동타이밍은 각 흡기밸브(10) 및 배기밸브(11)의 밸브리피트량과 각 흡기밸브(10) 및 배기밸브(11)의 밸브타이밍을 보여준다.
흡기밸브 및 배기밸브는 타이밍신호에 따라 소정의 오버랩 시간주기동안 개방된다. (2)실제 공기유량은 이 오버랩량에 따른 역류를 포함한다. 이 오버랩량은 오버랩시간(Ts) 및 흡배기내의 내부 EGR 량(Qegr)으로부터 얻어진다.
본 발명에 따른 상술된 실시예에 있어서, (4)방향신호 및 순류/역류 주기는 (3)방향검출신호(Vbi)의 역류구간을 소정의 레벨(Vof)로 판정함으로써 측정될 수 있다. 또한, 역류량(Qbi)은 순류/역류의 주기 및 유량신호(Vin)를 이용하여 얻어질 수 있다.
도 10은 예측된 측정결과로서 역류위상(Tbi) 및 명령값으로서의 오버랩시간주기(Ts) 사이의 관계를 나타내는 그래프를 도시한다. 역류위상(Tbi)은 오버랩시간주기(Ts)가 커짐에 따라 커진다. 하지만, 이것은 명령값으로서 설정되는 조건에 따라 다르다.
예를 들어, 신호는 엔진(1)의 속도에 따라 변한다. 여기서, 설정1은 엔진속도가 낮은 경우, 설정2는 엔진속도가 중간인 경우, 설정3은 엔진속도가 높은 경우이다. 추정 출력값 및 명령값 사이의 관계는 각 설정조건하의 센서특성으로서의 기준값으로 저장된다. 실제적으로 검출된 값은 이 저장값에 의해 비교되어 가변밸브기구가 정상 작동상태인가를 판단한다.
도 11은 예측된 측정결과로서, 역류가 발생한때의 역류량(Qbi) 및 명령값과 동일한 시간에 개방된 흡기밸브(10) 및 배기밸브(11)의 내부 EGR량(Qegr) 사이의 관계를 나타내는 그래프를 도시한다. 역류량(Qbi)은 명령값(Qegr)(목표 EGR 량)이 커짐에 따라 커진다. 그러나 이것은 명령값으로서 설정되는 조건에 따라 다르다.
예를 들어 신호는 엔진(1)의 속도에 따라 변한다. 여기서, 설정1은 엔진속도가 낮은 경우, 설정2는 엔진속도가 중간인 경우, 설정3은 엔진속도가 높은 경우이다. 추정 출력값 및 명령값 사이의 관계는 각 설정조건하의 센서특성으로서의 기준값으로 저장된다. 실제적으로 검출된 값은 이 저장값에 의해 비교되어 가변밸브기구가 정상 작동상태인가를 판단한다. 도 12는 작동진단에 대한 조작 흐름을 나타낸다.
엔진진단장치는 밸브타이밍 명령값에 의해 명령값(Ts, Qegr)을 받고(701), 센서신호검출기로부터의 출력(Vbi, Vin)을 얻고(702), 내부적으로 정의된 전압 대 유량 변환맵(conversion map)에 따라 공기유량변환기에 의해 출력값을 유량(Qa)으로 변환하고(703), 역류가 발생했을때 방향신호로부터 역류량(Qbi)을 검출하며 (704), 역류위상검출기로부터 역류위상(Tbi)을 얻어(705), 명령값(Ts)의 설정조건하에서 역류위상(Tbi)과 목표 맵 값을 비교한다(706).
예를 들어 역류위상값이 목표값보다 작은 경우, 엔진진단결과는 "비정상A"(708, 역류위상 오류)을 알린다. 역류위상(Tbi)이 목표값내인 경우, 엔진진단장치는 명령값(Qegr)의 설정조건하에서 역류량(Qbi)과 목표 맵 값을 비교한다(707). 만약 역류량(Qbi)이 목표값보다 작은 경우, 엔진진단결과는 "비정상B"(709, 역류량 오류)를 알린다.
역류량(Qbi)이 만족할만하게 목표값내인 경우, 엔진진단장치는 진단처리를 종료한다. 이 조작흐름은 역류위상만의 오류 및 역류위상 존재시 역류량 없음의 검출과 같은 정밀한 내연기관진단을 가능하게 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 명령값 신호를 측정하는 수단을 이용하여 공기흐름의 방향과 함께 흡기/배기밸브 개방주기 및 엔진(1)의 흡기 매니폴드를 통과하는 공기흐름의 유량을 제어하는 본 발명에 따른 제 1실시예의 엔진진단장치는 엔진진단장치의 밸브기구의 작동상태진단을 용이하게 할 수 있다.
명령신호를 받아 배기밸브 또는 흡기밸브의 개방시간을 제어하는 공기유량계(20)는 공기유량의 측정 및 가변밸브기구의 진단을 가능하게 한다. 밸브기구의 비정상상태를 나타내도록 낮은 출력레벨 또는 높은 출력레벨을 강제적으로 설정하는 것이 가능하지만, 통신기능을 제공하여 공기유량 및 진단결과를 보내게 하는 것도 가능하다.
이하에, 도 13을 참조하여 본 발명에 따른 제 2 실시예의 내연기관 진단장치 및 진단방법이 설명될 것이다. 본 발명에 따른 이 실시예의 공기유량계(20)는 가변밸브기구의 작동상태를 진단하는 기능은 없다.
전원공급기(201)에 연결된 센서회로(210)는 발열저항체(211)를 소정의 온도를 유지하도록 가열하고 발열저항체(211)로부터의 열량을 감지함으로써 발열저항체(211)에 흐르는 공기유량을 측정한다. 전원공급회로(203)와 함께 이 센서회로는 공기유량계(20)를 구성한다.
엔진제어유닛(63)은 공기유량계(20)로부터 신호(Vin)를 받아, 아날로그·디지털변환기(631)에 의하여 디지털값으로 변환하여 엔진제어에 사용한다. 동시에, 엔진제어유닛(63)은 입출력단자(I/O, 632)로부터의 제어신호를 가변밸브 제어수단(30)에 보냄과 동시에 공기유량계(20)로부터 흐름방향에 비례하는 맥동형상의 방향신호(Vbs)를 받는다.
이하에, 도 14를 참조하여 본 발명에 따른 실시예의 엔진진단장치의 상세한 하드웨어 구조가 설명될 것이다. 전원공급기(201)에 연결된 센서회로(210)는 공기유량에 비례하여 신호를 출력한다. 센서회로(210)는 발열저항체(21la, 21lb), 온도보상저항(21lc), 및 저항(213, 214)을 구비한 휘트스톤 브리지, 차동증폭기(215), 및 트랜지스터(216)로 구성된다.
발열저항체(211a, 21lb)를 통해 흐르는 전류는 브리지의 중심에서 전위차가 제로가 되도록 차동증폭기(215) 및 트랜지스터(216)에 의해 제어된다. 이 구조는 발열저항체(21la, 21lb)의 저항을 일정하게, 즉 발열저항체(21la, 21lb)의 온도를 소정의 온도로 유지되도록 제어한다.
발열저항체(211a, 21lb)에 의해 결정된 공기유량에 나타내는 신호는 차동증폭기(2121), 저항(2122, 2123, 2124, 2125, 2126, 2127)으로 구성된 제로스팬회로(2120)에 입력된다. 제로점 및 스팬은 예를 들어 저항(2125, 2126)을 저항트리밍(resistance trimming)함으로써 조절될 수 있다.
맥동형상의 방향신호(Vbs)는 저항(212a, 212b) 및 공기흐름에 평행하게 배치된 발열저항체(21la, 21lb)로 구성되는 브리지회로로부터의 신호를 차동증폭기(2131) 및 저항(2132, 2134, 2135, 2l36, 2138)에 의하여 증폭하여, 이 결과를 비교기(2145) 및 저항(2147, 2148, 2146)에 의해 처리함으로써 얻어질 수 있다.
상술된 발열저항체(21la, 21lb)는 백금, 니켈 또는 텅스텐과 같은 금속화합물의 얇은 또는 두께운 발열필름 또는 유리, 세라믹, 또는 실리콘 플레이트같은 기판상의 폴리실리콘 저항체로 만들어 진다.
사용하는 발열저항체의 종류에 따라서는, 공기흐름의 방향이 변할때 열적 반응지연으로 인해 방향신호(Vbs)와 제로스팬회로(2120)의 출력 사이에 위상차가 생길 수도 있다. 예를 들어 저항(2151) 및 커패시터(2152)로 구성되는 위상지연회로(2150)를 부가함으로써 위상차가 없는 전압출력(Vin)을 얻을 수 있다. 이 예에서는 위상지연회로로서 주요 필터를 사용하였으나, 제로스팬회로(2120)의 저항(2125)에 병렬로 커패시터를 부가하여 위상지연을 생기게 하는 것도 가능하다.
상술된 발열저항체(21la, 21lb)는 자동차등의 내연기관의 흡기 매니폴드내에 제공되고, 흡기통로를 통과하여 흐르는 공기 이동량 또는 유량에 비례하여 차동증폭기(2121)의 전압출력(Vin)의 형태로 전압을 출력한다.
이 출력전압(Vin)은 엔진제어유닛(63)내에 내장된 아날로그· 디지털변환기(631)에 입력되어 디지털 신호로 변환되고, 엔진제어유닛(63)내의 CPU에 의해 출력전압 대 공기유량의 공식에 따라 공기유량으로 조작된다. 이 결과는 여러 제어에 사용된다.
본 발명에 따른 이 실시예의 엔진진단장치는 맥동형상의 방향신호(Vbs) 및 공기흐름에 독립적인 전압출력(Vin)을 이용함으로써 가변밸브기구의 작동상태를 진단한다. 다시 말하면, 가변밸브기구는 별도의 진단 프로세서없이엔진 제어유닛(63)에 의해 진단될 수 있다.
이하에, 도 15를 참조하여 복수실린더 엔진에 있어서의 1개의 가변밸브에 이상이 발생하였을 때의 진단방법에 대하여 설명될 것이다. (1)밸브작동타이밍에 있어서, 만약 1개의 실린더에 이상이 있으면, (2)실제 공기유량내의 공기유량 또는 역류범위는 정상 밸브작동의 공기유량 또는 역류범위보다 작을 것이다. 흐름방향을 검출할 수 있는 공기유량계(20)에 의해 측정하면, 이러한 감소는 고장을 일으킨 실린더 전후에서 (3)유량신호(Vin)의 낮은 피크치로 나타난다. 마이크로 프로세서(220)는 내부적으로 이상이 있는 실린더의 피크값과 각 실린더의 피크값을 비교하여 차이(배기량)를 판단한다. 또한, 밸브고장은 고장을 일으킨 실린더의 전후에서 종종 그 차이가 있기 때문에, (4)방향신호의 순류방향범위 및 역류방향범위의 비에 의해서도 검출될 수 있다.
도 16은 예측된 측정결과로서, 방향신호비(Tn1/Tn2) 및 명령값으로서의 오버랩시간(Ts2) 사이의 관계를 나타내는 그래프를 도시한다. 방향신호비(Tn1/Tn2)는 오버랩시간(Ts)이 커짐에 따라 커진다. 방향신호비 때문에, 명령값으로서 설정된 조건에 의한 값의 변동은 매우 적다.
추정출력값 및 명령값 사이의 관계는 각 설정조건하에서의 센서특성인 기준값으로 저장된다. 실제적으로 검출된 값은 이 저장된 값과 비교되어 가변밸브기구가 정상작동상태에 있는지를 판단한다. 또한 크랭크각 신호를 이용하여 고장난 실린더를 특정하고, 고장난 실린더의 판별도 가능하다.
유사하게, 도 17은 순류 피크값과 역류 피크값의 비(dn/un) 및 명령값으로서의 오버랩시간동안 흡기가스와 배기가스내의 내부 EGR량(Qegr2) 사이의 관계를 나타내는 그래프를 도시한다. 피크값의 비(dn/un)는 명령값(Qegr2)이 커짐에 따라 커진다. 피크값의 비때문에, 명령값으로서 설정된 조건에 의한 값의 변동은 매우 적다.
추정출력값 및 명령값 사이의 관계는 각 설정조건하에서의 센서특성인 기준값으로 저장된다. 실제적으로 검출된 값은 이 저장된 값과 비교되어 가변밸브기구가 정상작동상태에 있는지를 판단한다. 도 18은 작동진단에 대한 조작흐름을 나타낸다.
엔진진단장치는 밸브타이밍명령값에 의하여 명령값(Ts2, Qegr2)을 받고(721), 센서신호검출기로부터 출력(Vin, Vbs)을 얻고(722), 이 출력을 내부적으로 정의된 전압 대 유량 변환맵에 따라 공기유량변환기에 의해 유량(Qa)으로 변환하여(723), 방향신호검출기에 의해 방향신호(Tnl, Tn2)를 검출한다(724).
유사하게, 엔진진단장치는 방향신호에 따라 순류/역류 흐름검출을 수행하고(725), 순류 피크값(un) 및 역류 피크값(dn)를 얻어, 검출된 값(un, dn)의 비를 계산(726)하여 방향신호비(tnr) 및 피크값의 비(udr)를 얻는다.
엔진진단장치는 명령값(Ts2)의 설정조건하에서 방향신호비(tnr)와 목표 맵 값을 비교(727)한다. 만약 비가 목표값보다 작은 경우, 진단결과는 "비정상A"(729, 역류위상오류)을 알린다. 방향신호비(tnr)가 목표값내인 경우, 엔진진단장치는 명령값(Qegr2)의 설정조건하에서 피크값의 비(udr)과 목표 맵 값을 비교(728)한다.
만약 비가 목표값보다 작은 경우, 엔진진단결과는 "비정상B"(730, 역류량 오류)을 알린다. 피크값의 비(udr)가 만족할만큼 목표값내인 경우, 엔진진단장치는 진단처리를 종료한다.
이 조작흐름은 역류위상만의 오류 및 각 실린더의 복합적인 이상 판별같은 내연기관(1)의 정밀한 진단을 가능하게 한다. 특히, 비를 이용함으로써 측정은 엔진속도에 의한 영향에 더욱 독립적이 되며, 설정조건하에서의 목표 맵 값의 수는 예를 들어 1개로 감소될 수 있다.
공기흐름방향을 검출할 수 있는 공기유량계(20)에 의해, 엔진제어유닛(63)은 내장된 진단 소프트웨어에 의해 판단을 수행할 수 있다. 소프트웨어는 가변밸브 구동타이밍신호 및 밸브타이밍 명령값을 포함하기 때문에, 엔진진단장치는 추가적인 배선 및 교류를 필요로 하지 않고, 이는 시스템을 더욱 호환성있게 한다.
내연기관이 린번상태로 운전시 문제가 있다. 배기가스중에는 다량의 산소가 포함되어 있고 배기가스의 질소산화물은 통상의 삼원(three way)촉매에 의해서는 제거될 수 없다. 질소산화물은 엔진(1)의 연소과정에서 발생하고 연소온도가 증가할수록 증가된다. 질소산화물 가스를 감소시키기 위해, 배기가스를 연소실(3)내에 다시 유입시켜 연소온도를 낮추는 EGR(배기가스 재순환)기술이 널리 알려져 있다.
배기가스를 연소실(3)내로 다시 유입시키는 EGR방식으로서 엔진(1)으로부터의 배기가스를 흡기 매니폴드로 바이패스시키는 외부 EGR방식과, 연소실(3)내에 배기가스의 일부분을 잔류시키는 내부 EGR방식이 있다.
EGR기술에 있어서, 재유입된 배기가스를 새롭게 흡입된 공기와 혼합시키는 것이 중요하다. 외부 EGR방식은 재유입된 배기가스와 새롭게 흡입된 공기를 충분히 혼합시킬수 있지만, 바이패스통로 및 바이패스되는 배기가스량을 제어하는 밸브를 필요로 하여 생산비용이 증가된다. 반면, 내부 EGR방식은 재유입된 배기가스와 새롭게 흡입된 공기를 충분히 혼합할 수 없어, 연소실(3)내에 잔류할 배기가스량을 제어할 수 없다.
배기밸브(11)는 크랭크각도 75°에서 개방하기 시작하여 배기가스가 배기관으로 나가도록 한다. 이 배기행정에 있어서, 배기밸브(11)는 크랭크각도 95°및 96°사이에서 개방하여 배기가스를 흡기포트(19)로 유입시킨다. 흡기포트(19)내 배기가스는 이어지는 흡입행정에서 흡입된 맑은 공기와 혼합된다.
이 혼합가스(EGR가스) 및 맑은 공기는 흡기밸브(10)가 크랭크각도 85°에서 개방되면 연소실(3)내로 흡입된다. EGR가스량은 배기행정중에 개방하는 흡기밸브(10)에 주어진 흡기신호(P2)에 의해 제어될 수 있다.
본 발명에 따른 이 실시예의 엔진진단장치는 내부 EGR방식을 채택하였기 때문에, 바이패스 통로 및 밸브같은 부가장치를 필요로 하지 않아 생산비용을 감소시킨다. 또한, 본 발명에 따라 가변밸브기구를 구비한 이 실시예는 내부 EGR가스량을 용이하게 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 엔진 진단장치 및 진단방법은 신호를 사용하여 가변밸브기구내에 내장된 전자석수단 및 공기흐름의 방향을 검출할 수 있는 공기유량계를 구동시킨다. 이렇게 함으로써, 진단장치 및 진단방법은 연속적으로 엔진의 가변밸브기구의 작동상태를 진단할 수 있어 엔진 시스템의 안정성을 증가시킨다.

Claims (12)

  1. 흡기밸브 또는 배기밸브가 전기신호에 의해 내연기관의 각 실린더를 개폐하는 내연기관의 진단장치에 있어서,
    밸브기구 및 상기 밸브기구의 제어장치의 비정상이 상기 내연기관의 흡기 매니폴드내로 흐르는 역류량, 및 상기 흡기밸브와 상기 배기밸브 사이의 오버랩 개방시간주기에 따라 진단되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 진단장치.
  2. 흡기밸브 또는 배기밸브가 전기신호에 의해 내연기관의 각 실린더를 개폐하는 내연기관의 진단장치에 있어서,
    밸브기구 및 상기 밸브기구의 제어장치의 비정상이 상기 내연기관의 흡기 매니폴드내로 흐르는 역류량, 및 내연기관의 미리 설정된 목표 EGR량에 따라 진단되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 진단장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 내연기관 진단장치는 상기 내연기관의 상기 흡기 매니폴드내로 흐르는 역류량, 상기 흡기밸브 및 상기 배기밸브 사이의 상기 오버랩 개방시간주기, 및 상기 비정상조건의 관계를 저장하는 메모리수단을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 진단장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 내연기관 진단장치는 상기 내연기관의 상기 흡기 매니폴드내로 흐르는 역류량, 상기 내연기관의 미리 설정된 목표 EGR량, 및 상기 비정상조건의 관계를 저장하는 메모리수단을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 진단장치.
  5. 흡기밸브 또는 배기밸브가 전기신호에 의해 내연기관의 각 실린더를 개폐하는 내연기관의 진단장치에 있어서,
    밸브기구 및 상기 밸브기구의 제어장치의 비정상이 상기 내연기관의 흡기 매니폴드내로 흐르는 역류량, 상기 흡기밸브와 상기 배기밸브 사이의 오버랩 개방시간주기, 및 상기 내연기관의 회전속도에 따라 진단되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 진단장치
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 내연기관 진단장치는 상기 내연기관의 상기 흡기 매니폴드내로 흐르는 역류량, 상기 흡기밸브 및 상기 배기밸브 사이의 상기 오버랩 개방시간주기, 상기 내연기관의 회전속도, 및 상기 비정상조건의 관계를 저장하는 메모리수단을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 진단장치.
  7. 제 1항 내지 제 6항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 역류량은 상기 내연기관의 상기 흡기 매니폴드내에 제공된 열식 공기유량계에 의해 측정된 역류공기질량(Qbi), 역류시간주기(Tbi), 및 역류시간주기(Tn2)에 대한 순류시간주기(Tn1)의 비(Tn1/Tn2)중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 내연기관의 진단장치.
  8. 제 1항 내지 제 6항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 역류량은 상기 내연기관의 상기 흡기 매니폴드내에 제공된 열식 공기유량계에 의해 측정된 역류공기질량(Qbi), 역류시간주기(Tbi), 및 역류공기질량의 피크치(un)에 대한 순류공기질량의 피크치(dn)의 비(dn/un)중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 내연기관의 진단장치.
  9. 흡기밸브 또는 배기밸브가 전기신호에 의해 내연기관의 각 실린더를 개폐하는 내연기관의 진단방법에 있어서,
    상기 흡기밸브 및 상기 배기밸브 사이의 오버랩 개방시간주기, 및 상기 내연기관의 상기 흡기 매니폴드의 역류시간주기(Tbi)에 따라 비정상을 진단하는 제 1단계; 및
    상기 내연기관의 목표 EGR량 및 상기 내연기관의 상기 흡기 매니폴드내 역류공기질량(Qbi)에 따라 비정상을 진단하는 제 2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 진단방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1단계는 상기 내연기관의 상기 회전속도에 따라 상기 비정상을 진단하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 진단방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 제 2단계는 상기 내연기관의 상기 회전속도에 따라 상기 비정상을 진단하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 진단방법.
  12. 흡기밸브 또는 배기밸브가 전기신호에 의해 내연기관의 각 실린더를 개폐하는 내연기관의 진단방법에 있어서,
    상기 흡기밸브 및 상기 배기밸브 사이의 오버랩 개방시간주기, 및 상기 내연기관의 상기 흡기 매니폴드의 역류시간주기(Tb2)에 대한 순류시간주기(Tn1)의 비(Tn1/Tb2)에 따라 비정상을 진단하는 제 1단계; 및
    상기 내연기관의 목표 EGR량 및 역류공기질량의 피크치(un)에 대한 순류공기질량의 피크치(dn)의 비(dn/un)에 따라 비정상을 진단하는 제 2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 진단방법.
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