KR20010074864A - 내연 기관의 공기 대 연료비를 결정하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

내연 기관의 공기 대 연료비를 결정하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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KR20010074864A
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조셉알. 그리핀
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크리스티안 반겔
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Abstract

방법은 내연 기관의 공기 대 연료비를 결정하기 위해 컴퓨터 사용으로 나타내며, 여기에서 내연 기관의 공기 대 연료비, 내연 기관의 배기 가스 온도, 내연 기관의 속도 및 내연 기관의 부하와 관련되는 파라미터에 관계가 있는 내연 기관의 정보 특성이 상기 컴퓨터에 미리 저장된다. 상기 방법은 내연 기관의 배기 가스 온도를 측정하는 단계; 내연 기관의 속도를 측정하는 단계; 내연 기관의 부하와 관련되는 파라미터를 측정하는 단계; 미리 저장된 정보, 측정된 배기 가스 온도, 측정된 속도 및 부하와 관련되는 측정된 파라미터에 기초가 되는 공기 대 연료비를 계산하는 단계; 및 공기 대 연료비를 나타내는 신호를 출력하는 단계를 포함한다.

Description

내연 기관의 공기 대 연료비를 결정하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING THE A/F RATIO OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
내연 기관의 배기 가스에서 바람직하지 않은 방출을 감소시키기 위한 장치는: (1) 내연 기관의 배기 매니폴드에서 측정되어 내연 기관에서 발생되는 바람직하지 않은 방출을 최소화시키는 내연 기관 동작 파라미터의 특정한 세트를 갖는 내연 기관을 동작시키는 것, 및 (2) 내연 기관 배기 가스의 후 처리를 사용하고 배기관 출구에서 측정되는 바람직하지 않은 방출을 최소화시키는 내연 기관 동작 파라미터를 조정하는 것을 포함한다.
자동차와 같은 부분-스로틀 적용에 사용되는 내연 기관의 경우에 있어서, 내연 기관 배기 가스의 후 처리를 위한 3 방향 촉매 컨버터를 사용하는 것이 현재의 실시이다. 14.7의 화학량론 공기 대 연료비를 갖는 내연 기관 배기 가스로 동작되는 3방향 촉매 컨버터는 배기관 출구에서 CO, HC, 및 NOX를 감소시키는데 매우 효과적이다. 그러나, 바람직하지 않은 배기관 방출의 최대 감소를 달성하기 위하여, 내연 기관 배기 가스의 공기 대 연료비는 14.7의 값으로 제어되어야 한다.
자동차 배기 시스템의 내연 기관 배기 경로에 장착되는 스위칭 형태 배기 가스 산소(EGO) 센서는 내연 기관 배기 가스의 공기 대 연료비가 바람직한 배기 가스의 공기 대 연료비인 14.7 이상이거나 또는 이하를 지시하는데 일반적으로 사용된다.
스위칭 형태 EGOs는 촉매 컨버터에 요구되는 빈틈없이 제어된 배기 가스 공기 대 연료비를 제공하는데 민감하며, 정확하며, 비용이 저렴하며, 단단하고 잘 정합된다. 연료 분사 내연 기관에 사용되는 자동차 방출 제어 시스템은 각각의 실린더를 위한 내연 기관 연료 분사 주기를 조정함으로써 평균값이 14.7인 공기 대 연료비를 조정하는 폐 루프 제어 시스템에서 1 또는 그 이상의 EGOs를 일반적으로 사용한다.
자동차의 방출 후, 미국에서 내연 기관으로부터 공기 오염의 가장 심각한 근원은 잔디 깎는 기계에 동력을 공급하는 가솔린 공급 내연 기관이다. 따라서, 잔디 깎는 기계로부터 바람직하지 않은 방출을 감소시키는 것이 바람직하다.
잔디 깎는 기계(및 또한 선박)에 사용되는 것과 같은 내연 기관은 연속적인 고부하 조건하에서 동작한다. 이러한 내연 기관은 내연 기관의 낮은 중량을 동시에 갖는 내연 기관으로부터의 최대 전력 및 내연 기관의 허용 냉각을 발생시키기 위하여 높은 공기 대 연료비(즉 14.7보다 실질적으로 낮은 공기 대 연료비)로 동작한다. 14.7의 공기 대 연료비 이외의 내연 기관 동작은 내연 기관 배기 가스의 후 처리를 위한 3 방향 촉매 컨버터를 사용하여 배제된다. 따라서, 잔디 깎는 기계 및 유사한 기계에 동력을 공급하는 내연 기관으로부터의 바람직하지 않은 방출을 감소시키는 수단은 3 방향 촉매 컨버터의 도움없이 행해져야만 한다.
내연 기관의 냉각은 잔디 깎는 기계 및 선박에 동력을 공급하는데 사용되는 것과 같은 전체 부하로 내연 기관의 동작에 필요하다. 내연 기관의 냉각이 증가됨에 따라 공기 대 연료비는 14.7 아래로 감소된다. 그러나, CO 및 HC 방출이 신속하게 증가됨에 따라 공기 대 연료비가 값이 14.7 이하로 감소된다.
잔디 깎는 기계 및 선박의 적용에 있어서, 예를 들면, 새로운 내연 기관의 공기 대 연료비를 폐 루프 공기 대 연료비 제어없이 내연 기관의 동력 출력 및 냉각 조건에 의해 지시되는 미리 결정된 높은 값으로 미리 설정되는 것이 일반적인 실시이다. 미리 조절된 내연 기관의 공기 대 연료비는 내연 기관의 마모로서 공기 대 연료비의 높은 값으로 드리프트되는 것이 잘 공지되어 있다. 따라서, 적당한 내연 기관의 냉각은 내연 기관의 수명이 유지되는 것을 보장하기 위하여, 고부하 조건에서 동작하도록 설계되는 새로운 내연 기관의 공기 대 연료비를 내연 기관의 허용 냉각 및 동력에 필요한 것 보다 낮은 값으로 미리 설정되는 것이 일반적인 실시이다. 공기 대 연료비는 내연 기관의 오랜 수명 동안 내연 기관의 허용 동작에 필요한 것 보다 낮게 설정되므로, 내연 기관에서 발생되는 바람직하지 않은 방출은 공기 대 연료비가 내연 기관의 수명 동안 더 최적으로 유지될 수 있는 경우 보다 더 높다.
내연 기관 배기 가스의 실제 공기 대 연료비가 직접 측정될 수 있다면, 높은공기 대 연료비로 동작되는 내연 기관은 현재 일반적으로 사용되는 것 보다 높은 값의 공기 대 연료비로 설정되고 유지되는 폐 루프 제어 시스템에 의해 제어될 수 있으며, 이것에 의해 허용 동작 성능을 유지하고 동시에 바람직하지 않은 CO 및 HC 내연 기관 방출을 감소시킨다. 그러나, 자동차의 적용에 사용되는 바와 같이, 스위칭 형태 EGO 센서는 공기 대 연료비가 14.7의 값에 있을 때 배기 가스 공기 대 연료비를 측정하는데 적당하다. 따라서, 동작 내연 기관의 공기 대 연료비를 정확히 측정하는데 실제적으로 유일한 대안은 유니버설 배기 가스 산소(UEGO) 센서이다. 그러나, UEGO 센서는 잔디 깎는 기계 모터와 같은 적용에 너무 비싸고, 선박에서 발생되는 것과 같은 물에 노출될 때 신뢰할 수 없다. 따라서, 잔디 깎는 기계 및 선박에 동력을 공급하는데 사용되는 내연 기관은 내연 기관 배기 가스 공기 대 연료비의 폐 루프 제어없이 일반적으로 동작된다.
수 많은 연구원은 내연 기관 배기 가스의 온도 및/또는 자동차에서 촉매 컨버터의 온도를 계산하기 위한 방법을 발전시켜 왔다. 이러한 방법은 배기 가스 및 배기 가스 공기 대 연료비의 측정에 기초가 되는 촉매 컨버터 온도를 일반적으로 계산한다. 예를 들면, 미국특허 제 4,656,829 호는 배기 가스 공기 대 연료비, 질량 공기 흐름 및 특정 내연 기관/촉매 컨버터 조합의 실험에 의한 테이터 특성에 기초가 되는 촉매 컨버터 온도를 계산하는 분석 방법을 나타낸다. 유사하게도, 미국특허 제 5,303,168 호는 공기 대 연료비, 배기 가스 재순환(EGR) 비, 점화 타이밍, 질량 공기 흐름 및 내연 기관 속도에 기초가 되는 내연 기관 배기 가스 온도를 측정하는 방법을 나타낸다. 따라서, 내연 기관의 공기 대 연료비 및 내연 기관의배기 가스 온도 사이의 예상할 수 있는 관계가 있다는 것이 제안되고 있다.
내연 기관의 공기 대 연료비 및 내연 기관의 배기 가스 온도 사이의 관계가 있다는 것이 제안되었지만, 공기 대 연료비/배기 가스 온도 관계를 나타내는 이전에 개발된 모델은 촉매 컨버터를 사용하는 자동차에 사용되는 것과 같은 부분 스로틀에 적용되어 왔으며, 여기에서 내연 기관은 화학량론적인 조건에서 동작된다. 또한, 각각의 상술한 모델은 측정된 공기 대 연료비로부터 배기 가스 온도를 계산하고, 공기 대 연료비 측정 이외에도 질량 공기 흐름과 같은 민감한 다른 센서 입력을 필요로 한다. 이러한 공지된 방법은 비화학량론적 조건에서 한 세트의 내연 기관 측정으로부터 공기 대 연료비를 결정하는 반대 공정을 나타내지 않는다. 따라서, 예를 들면 잔디 깎는 기계 및 선박에 사용되는 형태의 내연 기관과 같은 고전력이 유지되는 조건에서 높은 공기 대 연료비로 동작되는 내연 기관의 공기 대 연료비를 정확히 결정하는 수단이 필요하고, 이것은 단지 가격이 저렴하고 신뢰성 있는 센서에 의존한다.
본 발명은 내연 기관에 관한 것으로, 특히 엔진의 배기 가스 온도 측정에 기초가 되는 내연 기관의 공기 대 연료비를 측정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 스로틀 위치 및 내연 기관 속도의 상이한 값을 위한 공기 대 연료비 및 배기 가스 온도의 관계를 도시하는 그래프이며;
도 2는 본 발명에 따른 내연 기관의 공기 대 연료비를 제어하기 위한 장치의 바람직한 실시예에 대한 개략적인 블럭 다이어그램이며;
도 3a은 내연 기관 속도 및 내연 기관 스로틀 위치의 상이한 값을 위해 바람직한 실시예로 계산되는 공기 대 연료비의 값을 도시하는 그래프이며;
도 3b는 상이한 종류의 연료에 대한 내연 기관 속도 및 내연 기관 스로틀 위치의 상이한 값을 위해 바람직한 실시예로 계산되는 공기 대 연료비의 값을 도시하는 그래프이며;
도 4는 공기 대 연료비 계산 모델을 도시하는 그래프이며; 및
도 5는 본 발명에 따른 내연 기관의 공기 대 연료비를 설정하기 위한 바람직한 실시예의 흐름도이다.
간단히 말하면, 본 발명은 내연 기관의 공기 대 연료비를 결정하기 위해 컴퓨터를 사용하는 방법을 포함하며, 여기에서 내연 기관의 공기 대 연료비, 내연 기관의 배기 가스 온도, 내연 기관의 속도 및 내연 기관의 부하와 관련되는 파라미터에 관계가 있는 내연 기관의 정보 특성은 컴퓨터에 미리 저장된다. 상기 방법은 배기 가스 온도, 속도 및 부하와 관련되는 파라미터를 측정하는 단계; 미리 저장된 정보, 측정된 배기 가스 온도, 측정된 속도 및 부하와 관련되는 측정된 파라미터에기초가 되는 공기 대 연료비를 계산하는 단계; 및 공기 대 연료비를 나타내는 신호를 출력하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명은 내연 기관의 공기 대 연료비를 결정하는 시스템을 포함한다. 상기 시스템은 공기 대 연료비, 배기 가스 온도, 속도 및 내연 기관의 부하와 관련되는 파라미터에 관계가 있는 내연 기관의 정보 특성을 저장하는 기억 장치; 내연 기관의 배기 가스 온도를 측정하는 센서; 내연 기관의 속도를 측정하는 센서; 내연 기관의 부하와 관련되는 파라미터를 측정하는 센서; 저장된 내연 기관 정보, 측정된 배기 가스 온도, 측정된 내연 기관 속도 및 내연 기관의 부하와 관련되는 측정된 파라미터에 기초가 되는 계산을 결정하고 공기 대 연료비를 나타내는 신호를 출력하는 컴퓨터를 포함한다.
또한, 본 발명은 내연 기관의 공기 대 연료비를 계산하는 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장되는 컴퓨터 실행 가능 소프트웨어 코드를 포함한다. 상기 컴퓨터 실행 가능 소프트웨어 코드는 공기 대 연료비, 배기 가스 온도, 내연 기관의 속도 및 내연 기관의 부하와 관련되는 파라미터에 관계가 있는 내연 기관의 정보 특성; 내연 기관의 배기 가스 온도 측정을 수용하는데 반응하는 코드; 내연 기관의 속도 측정을 수용하는데 반응하는 코드; 내연 기관의 부하와 관련되는 파라미터의 측정을 수용하는데 반응하는 코드; 및 측정된 배기 가스 온도, 측정된 내연 기관의 속도, 내연 기관의 부하와 관련되는 측정된 파라미터와 공기 대 연료비, 내연 기관의 배기 가스 온도, 내연 기관의 속도 및 내연 기관의 부하와 관련되는 파라미터에 관계가 있는 정보에 기초가 되는 공기 대 연료비를 계산하는 코드를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대한 다음의 상세한 설명 뿐만 아니라 하기 요약은 첨부된 도면과 관련하여 설명될 때 더 이해하기 용이하다. 본 발명을 설명할 목적으로, 도면에 도시되는 실시예가 바람직하다. 그러나, 본 발명은 도시되는 정확한 배치 및 수단에 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
도면을 참조하면, 숫자는 도 1에 도시되는 것을 통하여 요소를 지시하는데 사용되며, 일련의 실험 결과는 내연 기관 동작의 정보 특성을 수집하기 위한 500㏄가솔린 기관으로 처리된다. 도 1에 도시되는 데이터는 12:1 내지 14:1을 초과하는 공기 대 연료비의 범위에 대해서 내연 기관의 공기 대 연료비, 배기 가스 온도, 속도 및 스로틀 위치 사이의 단일 값 관계를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 시스템(10)에 미리 저장되는 내연 기관(14)의 정보 특성에 기초가 되고 내연 기관(14)의 배기 가스 온도, 속도 및 스로틀 위치 측정에 기초가 되는 내연 기관(14)의 공기 대 연료비를 측정하기 위한 시스템(10)의 바람직한 실시예에 대한 개략적인 블럭 다이어그램이 도시된다.
시스템(10)의 바람직한 실시예에 있어서, 내연 기관(10)은 연료로서 가솔린을 사용하고 가솔린 및 공기의 풍부한 혼합으로 동작되며, 내연 기관(14)으로부터 이론적으로 거의 최대 전력 출력을 달성하기 위하여, 상기 혼합은 범위가 거의 12 내지 14인 공기 대 연료비를 갖는다. 내연 기관(14)으로부터의 배기물은 배기 시스템(34)에 의해 대기로 배출된다. 배기 시스템(34)은 소음기를 포함하지만 촉매 컨버터와 같은 오염 물질 후 처리 장치를 일반적으로 포함하지 않는다. 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 시스템(10)이 12 내지 13의 공기 대 연료비내에서 또는 풍부한 혼합을 갖거나 또는 후 처리 장치없이 내연 기관의 동작을 제어하는데 제한되지 않는다는 것을 알고 있다. 예를 들면, 최저 수준의 공기 대 연료비를 갖는 내연 기관의 동작은 본 발명의 정신 및 범위 내에 있다.
기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 바와 같이, 내연 기관의 속도, 내연 기관의 배기 가스 온도 및 내연 기관의 부하 사이의 상호 의존성이다. 바람직한 실시예에 있어서, 내연 기관의 부하는 스로틀 위치 센서(TPS)(28)를 갖는스로틀의 위치와 같은 부하와 관련된 파라미터를 측정함으로써 결정되며, 스로틀 위치는 잔디 깎는 기계에 사용되는 내연 기관과 같은 소규모 내연 기관의 부하를 측정하는데 특히 적합하다. 바람직한 실시예에 있어서, TPS(28)는 저항 전위차계이며, 전위차계의 와이퍼는 스로틀의 몸체에 부착되고 스로틀의 위치에 신호를 보내는 스로틀의 샤프트에서 회전한다. 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 바와 같이, 내연 기관의 부하는 (1) 내연 기관의 속도 및 흡입 다기관 공기 압력; (2) 흡입 다기관에서의 공기 유출량; 또는 (3) 크랭크축의 위치를 측정하는 센서의 출력과 같은 부하와 관련된 다른 파라미터로부터 결정된다. 따라서, 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 바와 같이, 본 발명은 스로틀 위치를 측정함으로써 내연 기관의 부하를 측정하는데 제한되지 않는다. 상술한 바와 같이 내연 기관의 부하를 측정하기 위한 다른 방법은 본 발명의 정신 및 범위 내에서 사용될 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 내연 기관의 속도는 엔진 속도 센서(ESS)(30)로 감지된다. 바람직한 실시예에 있어서, ESS(30)는 내연 기관(14)의 캠축과 연결되는 홀 효과 장치이다. 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 바와 같이, 가변 자기 저항 센서와 같은 내연 기관에 대한 속도 센서의 다른 형태는 본 발명의 정신 및 범위 내에서 내연 기관(14)의 속도를 감지하는데 사용될 수 있다.
또한, 바람직한 실시예는 배기 시스템(30)을 통하여 내연 기관(14)에 의해 배출되는 가스를 측정하기 위한 배기 시스템(30)과 연결되는 배기 가스 온도 센서(EGTS)(20)를 포함한다. EGTS(20)는 배기 가스의 순간 온도에 비례하거나 또는배기 가스의 순간 온도를 나타내는 전기 출력 신호를 발생시킨다. 바람직한 제 1 실시예에 있어서, EGTS(20)는 헤라우스 일렉트로-나이트 모델 번호 ECO-TS200s 백금 저항 온도 검출기 센서이며, 이것은 0℃ 내지 1,000℃의 감지된 온도 범위에 걸쳐 실질적으로 선형적인 저항의 변화에 제공된다. 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 바와 같이, 적당한 정확도, 안정도 및 신뢰도를 갖는 다른 제조업자로부터의 온도 센서에 대한 다른 형태는 본 발명의 정신 및 범위 내에서 EGTS(20)로 사용될 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 스로틀 위치 센서(28)로부터의 신호 출력, 엔진 속도 센서(30) 및 배기 가스 온도 센서(20)는 내연 기관 제어 모듈(12)에 설치된다. 바람직한 실시예에 있어서, 내연 기관 제어 모듈(12)은 상업적으로 이용할 수 있는 컴퓨터, 중앙 처리 장치(CPU)를 포함하는 컴퓨터, 휘발성 임의 접근 기억 장치(RAM), 비휘발성 프로그램 가능 판독 전용 기억 장치(PROM) 및 아나로그-디지털 변환기와 디지털-아나로그 변환기 신호 입/출력 성분을 포함한다. 내연 기관 제어 모듈(12)은 컴퓨터 PROM에서 내연 기관의 정보 특성을 포함하는 컴퓨터 실행 가능 소프트웨어 코드를 저장한다. 컴퓨터 실행 가능 소프트웨어 코드는 EGTS(20), TPS(28) 및 ESS(30)로부터의 입력 신호를 받기 위해 내연 기관 제어 모듈(12)에서 아나로그-디지털 변환기를 제어하며, 소트프웨어 코드 및 저장된 내연 기관의 정보 특성에 따라 아나로그-디지털 변환기로부터 받은 신호를 처리하고 내연 기관(14)의 공기 대 연료비를 나타내는 출력 신호를 발생시킨다.
기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 바와 같이, 내연 기관 제어 모듈(12)은 상업적으로 이용할 수 있는 컴퓨터를 포함하는데 제한되지 않는다. 예를 들면, 응용 주문형 집적 회로(ASIC)는 저장된 컴퓨터 프로그램 또는 포선 논리(hard wired logic) 또는 상술한 모든 것의 조합을 통합하므로, 내연 기관 제어 모듈(12)은 개별 전자 부품으로 구성되는 하드 코드 논리 요소로 수행될 수 있다. 또한, 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 바와 같이, 내연 기관 제어 모듈(12)은 분리 장치가 아니라 다른 제어 기능에 사용되는 현재의 전자 어셈블리일 수 있으며, 이러한 어셈블리는 시 분할을 기초로 하여 공기 대 연료비 제어 기능을 지원하기 위해 프로그램된다.
바람직한 실시예에 있어서, 공기 대 연료비를 나타내는 출력 신호는 내연 기관(14)의 공기 대 연료비로부터 폐 루프 제어를 기초로 하여 사용된다. 따라서, 공기 대 연료비 출력 신호는 컴퓨터의 기억 장치에 저장되는 다수의 미리 결정된 공기 대 연료비 값 중 선택되는 하나의 값을 가지고 컴퓨터에서 비교된다. 공기 대 연료비 출력 신호 및 미리 결정된 공기 대 연료비 값 중 선택되는 하나의 값 사이의 대수 차는 내연 기관(14)에 부착된 공기 대 연료비 액추에이터(32)의 제어를 위한 폐 루프 공기 대 연료비 제어 신호(50)를 발생시키는데 사용된다. 연료 분사가 갖추어진 내연 기관에 대해, 공기 대 연료비 액추에이터(32)는 실린더의 각각의 경우에 내연 기관(14)의 연료 분사 주기를 조정함으로써 내연 기관의 배기 가스 공기 대 연료비를 제어한다. 기화기가 갖추어진 내연 기관의 공기 대 연료비는 퍼지(purge) 밸브를 사용하여 기화기 벤투리로부터 공기를 추출함으로써 조정된다.
바람직한 제 1 실시예에 있어서, 배기 가스 온도가 미리 결정된 값보다 작거나 또는 같을 때, 공기 대 연료비의 미리 결정된 제 1 값이 미리 결정된 다수의 값으로부터 선택되고, 배기 가스 온도가 미리 결정된 값보다 클 때, 공기 대 연료비의 미리 결정된 제 2 값이 선택된다. 공기 대 연료비의 미리 결정된 제 1 값은 내연 기관(14)이 냉각될 때 내연 기관(14)을 제어하는데 사용되고 미리 결정된 제 2 값은 내연 기관(14)이 가열될 때 내연 기관(14)을 제어하는데 사용된다. 내연 기관 제어 모듈(12)은 EGTS(20), TPS(28) 및 ESS(30)에 의해 발생되는 신호를 받아들임으로써; PROM에 저장되는 내연 기관의 정보 특성과 조합하여 EGTS(20), TPS(28) 및 ESS(30)에 의해 발생되는 신호가 기초가 된 공기 대 연료비를 계산함으로써; 측정된 공기 대 연료비와 미리 결정된 제 1 또는 제 2 공기 대 연료비를 비교함으로써; 에러 신호(ε)를 발생시키고 미리 결정된 제 1 또는 제 2 값 및 계산된 공기 대 연료비 사이의 대수 차를 나타냄으로써; 및 에러 신호(ε)에 기초가 된 공기 대 연료비 제어 신호(50)를 내연 기관의 공기 대 연료비를 제어하는 내연 기관의 액추에이터(32)로 출력함으로써, 이것에 의해 측정된 공기 대 연료비 및 미리 결정된 제 1 또는 제 2 공기 대 연료비 사이의 차이를 최소화함으로써; 미리 결정된 제 1 또는 제 2 공기 대 연료비로 내연 기관이 동작되는 것을 제어한다.
바람직한 실시예에 있어서, PROM에 저장되는 내연 기관에 대한 정보는 내연 기관(14)의 특성을 나타내는 한 세트의 상수이고 내연 기관(14)의 공기 대 연료비를 계산하기 위한 실험으로 얻은 대수식의 계수로서 사용된다. 제 1 실시예에 사용되는 대수식은 다음과 같다.
(A/F)C= - 0.2060 - 0.035408 ×TP - 0.0013878 ×RPM + 0.06038 ×EGT - 0.88682 ×10-4×(EGT)2+ 0.5015 ×10-7×(EGT)3+ 0.27743 ×10-4×RPM ×TP - 0.60241 ×10-10×(RPM ×TP)2+ 0.50765 ×10-16×(RPM ×TP)3, ------ (1)
여기에서, (A/F)C는 계산된 공기 대 연료비이며, TP는 전체 스로틀의 퍼센트로 측정 스로틀 위치이며, EGT는 ℃로 배기 가스의 측정 온도이고 RPM은 분당 회전으로 내연 기관의 측정 속도이다. 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이해하는 바와 같이, 특정 계수 및 대수 방정식의 형태는 내연 기관이 다른 내연 기관으로 변경될 때 변화되고 정제된 데이터에 또한 종속적이다. 따라서, 본 발명은 방정식 1에 나타나는 특정 계수 및 대수 표현의 형태에 제한되지 않는다. 공기 대 연료비를 계산하기 위한 다른 계수 및 대수 표현은 내연 기관의 부하에 기초가 되며, 내연 기관의 속도 및 내연 기관의 배기 가스 온도는 본 발명의 정신 및 범위내에 있다.
도 3a 및 도 3b는 전지형(全地形) 자동차에 사용되는 형태의 500㏄ 실린더 가솔린 기관에 대한 공기 대 연료비를 계산하기 위해 방정식 (1)을 적용하는 실시예를 도시한다. 도 3a에 있어서, 방정식 (1)로 계산되는 바와 같이, 공기 대 연료비는 상이한 속도 및 스로틀 파라미터를 위한 호리바(Horiba) 공기 대 연료비 분석기로 측정되는 공기 대 연료비와 비교된다. 도 3b에 있어서, 방정식 (1)로 계산되는 바와 같이, 공기 대 연료비는 연료의 상이한 형태를 위한 호리바 공기 대 연료비 분석기로 측정되는 공기 대 연료비와 비교된다.
제어 시스템(10)의 다른 실시예에 있어서, 도 4에 도식으로 도시된 바와 같이, 실험으로 얻은 다수의 조사표는 내연 기관(14)의 공기 대 연료비를 계산하기 위한 비휘발성 기억 장치에 저장된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 다른 실시예는 다수의 조사표를 포함하며, 각각의 조사표는 내연 기관(14)의 미리 결정된 속도 범위 및 내연 기관(14)의 스로틀 위치 및 배기 가스 온도의 주어진 값을 공기 대 연료비의 단일 값에 제공하는 각각의 표를 포함한다. 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 바와 같이, 공기 대 연료비는 저장된 조사표 또는 대수 방정식 이외에 다른 방법으로 계산될 수 있다. 예를 들면, 신경망은 공기 대 연료비를 계산하는데 사용될 수 있고 본 발명의 정신 및 범위내에 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 컴퓨터 실행 가능 소프트웨어 코드는 내연 기관(14)의 공기 대 연료비를 계산하기 위한 내연 기관의 제어 모듈(12)에 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 소프트웨어 코드는 내연 기관(14)의 공기 대 연료비, 내연 기관(14)의 배기 가스 온도, 내연 기관(14)의 속도 및 내연 기관(14)의 부하에 관련된 파라미터의 측정 값 사이의 관계를 제공하는 정보 특성; 내연 기관(14)의 배기 가스 측정 값을 수용하는데 반응하는 코드; 내연 기관(14)의 속도 측정 값을 수용하는데 반응하는 코드; 내연 기관(14)의 부하와 관련되는 파라미터의 측정 값을 수용하는데 반응하는 코드; 측정된 배기 가스 온도, 측정된 내연 기관(14)의 속도, 내연 기관(14)의 부하와 관련되는 파라미터의 측정 값 및 내연 기관(14)의 공기 대 연료비, 내연 기관(14)의 배기 가스 온도, 내연 기관(14)의 속도와 내연기관(14)의 부하와 관련되는 파라미터에 관계가 있는 정보에 기초가 되는 내연 기관(14)의 공기 대 연료비를 측정하는 코드를 포함한다. 또한, 소프트웨어 코드는 공기 대 연료비의 미리 결정된 다수의 값; 공기 대 연료비의 미리 결정된 다수의 값 중 하나의 값을 갖는 계산된 공기 대 연료비를 비교하는 코드; 계산된 공기 대 연료비 및 미리 결정된 다수의 값 중 하나의 값 사이의 차이에 기초가 되는 공기 대 연료비 제어 신호를 발생시키는 코드를 포함한다. 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 바와 같이, 컴퓨터 실행 가능 소프트웨어 코드는 내연 기관의 제어 모듈(12)에 있는 것이 아니라 분리 장치에 있다. 또한, 공기 대 연료비의 계산은 실행 가능 소프트웨어 코드 이외에 다른 수단에 의해 수행될 수 있다. 예를 들면, 공기 대 연료비는 개별 전자 부품에 의해 또는 응용 주문형 집적 회로(ASIC)에 의해 또는 상술한 모든 것의 조합에 의해 수행되는 포선 논리로 계산될 수 있으며, 본 발명의 정신 및 범위내에 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 내연 기관(14)의 공기 대 연료비를 제어하기 위한 바람직한 방법(100)의 흐름도가 도시된다. 단계 101에서 내연 기관(14)의 점화를 한 다음, EGT 센서(20)로부터의 배기 가스 온도는 단계 102에서 내연 기관 제어 모듈(12)에서 판독된다. 단계 104에서 측정된 배기 가스 온도는 미리 결정된 온도(TC), 일반적으로 750℃의 부근에서, 보다 작거나 또는 같다면, 내연 기관(14)은 냉각되는 것이 결정되고 내연 기관 제어 모듈(12)은 단계 106에서 출력 공기 대 연료비 제어 신호(5)를 액추에이터(32)로 보내고 공기 대 연료비의 미리 결정된 제1 값과 실질적으로 같은 공기 대 연료비를 제어한다. 바람직한 실시예에 있어서, 내연 기관의 공기 대 연료비 제어는 배기 가스 온도가 TC보다 작거나 또는 같을 때 개방 루프이다.
도 5의 흐름도에 있어서, 내연 기관 제어 모듈(12)은 단계 102에서 배기 가스 온도를 판독하고 배기 가스 온도가 TC보다 큰 값이 결정될 때까지 단계 104에서 배기 가스 온도와 TC를 계속해서 비교한다. 배기 가스 온도가 TC보다 큰 값이 결정될 때, 내연 기관 제어 모듈(12)은 공기 대 연료비의 폐루프 제어를 위한 제어 세트 점으로서 공기 대 연료비의 미리 결정된 제 2 값을 선택한다. 단계 114에서 내연 기관 속도 센서(30)의 출력은 내연 기관 제어 모듈(12)에서 판독되고 단계 116에서 스로틀 위치 센서(28)의 출력은 내연 기관 제어 모듈(12)에서 판독된다. 단게118에서 내연 기관 제어 모듈(12)은 내연 기관(14)의 저장된 정보 특성과 배기 가스 온도를 사용하는 내연 기관(14)의 공기 대 연료비, 내연 기관의 속도 및 스로틀 위치를 계산한다. 단계 120에서 내연 기관 제어 모듈(12)에 의해 계산되는 공기 대 연료비는 공기 대 연료비 제어 신호(50)를 발생시키는 공기 대 연료비의 미리 결정된 제 2 값과 비교된다. 단계 122에서 공기 대 연료비 제어 신호(50)는 공기 대 연료비 액추에이터(32)로 출력된다. 바람직한 실시예에 있어서, 컴퓨터 프로그램은 미리 결정된 제 1 또는 제 2 값 중에서 내연 기관(14)의 공기 대 연료비를 결정하기 위해 거의 초당 10회 반복의 속도로 단계 102를 통하여 계속해서 반복된다. 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 바와 같이, 본 발명은 공기 대연료비의 미리 결정된 제 1 및 제 2 값 또는 도 5에 도시되어 있는 특정한 제어도에 대한 공기 대 연료비를 제어하는데 제한되지 않는다. 다른 내연 기관(14)의 제어도는 본 발명의 정신 및 범위 내에 있으며, 이것의 기초는 배기 가스 온도, 속도 및 내연 기관의 부하로부터 공기 대 연료비의 계산이다.
본 발명의 넓은 개념으로부터 벗어나는 것이 없이 상술한 실시예가 변형되는 것은 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해된다. 예를 들면, 본 발명은 잔디 깎는 기계 및 선박 기관에 제한되는 것이 아니라 내연 기관(14)의 공기 대 연료비가 결정될 수 있는 어떠한 내연 기관의 동작에도 동일하게 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 나타내는 특정한 실시예에 제한되는 것이 아니라 부가된 청구항에 정의된 바와 같이 본 발명의 정신 및 범위내에서의 변형을 포함한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 내연 기관의 공기 대 연료비를 결정하기 위한 방법 및 장치는 고전력이 유지되는 조건에서 높은 공기 대 연료비로 동작되는 내연 기관의 공기 대 연료비를 정확히 결정하며, 가격이 저렴한 효과가 있다.

Claims (24)

  1. 내연 기관의 공기 대 연료비를 결정하기 위해 컴퓨터를 사용하는 방법에 있어서,
    내연 기관의 공기 대 연료비, 내연 기관의 배기 가스 온도, 내연 기관의 속도 및 내연 기관의 부하와 관련되는 파라미터에 관계가 있는 내연 기관의 정보 특성이 상기 컴퓨터에 미리 저장되고,
    상기 방법은 배기 가스 온도를 측정하는 단계;
    속도를 측정하는 단계;
    부하와 관련되는 파라미터를 측정하는 단계;
    미리 저장된 정보, 측정된 배기 가스 온도, 측정된 속도 및 부하와 관련되는 측정된 파라미터에 기초가 되는 공기 대 연료비를 계산하는 단계; 및
    공기 대 연료비를 나타내는 신호를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    부하와 관련되는 측정된 파라미터는 내연 기관의 질량 공기 흐름인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    부하와 관련되는 측정된 파라미터는 내연 기관의 스로틀 위치인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    부하와 관련되는 측정된 파라미터는 내연 기관의 팽창 스토로크 시간 지속에 대한 압축비인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    부하와 관련되는 측정된 파라미터는 내연 기관의 흡입 다기관 압력인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    내연 기관의 정보 특성은 실험적으로 얻은 수개의 조사표에 저장되고, 각각의 조사표는 내연 기관의 미리 결정된 범위 및 내연 기관의 부하와 관련되는 파라미터를 커버하고 배기 가스 온도의 주어진 값에 공기 대 연료비의 단일 값을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    내연 기관의 정보 특성은 한 세트의 계수로서 실험적으로 얻은 대수식에 저장되고, 상기 대수식은 변수로서 배기 가스 온도, 속도 및 부하와 관련되는 파라미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    공기 대 연료비의 미리 결정된 수개의 값은 컴퓨터에 미리 저장되고, 상기 방법은 공기 대 연료비의 미리 결정된 수개의 값 중 하나를 갖는 공기 대 연료비를 나타내는 출력 신호를 비교하는 단계 및 비교에 기초가 되는 제어 신호를 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    공기 대 연료비의 미리 결정된 제 1 값은 배기 가스 온도가 미리 결정된 값보다 작거나 또는 같을 때 공기 대 연료비의 미리 결정된 수개의 값으로부터 선택되고 공기 대 연료비의 미리 결정된 제 2 값은 배기 가스 온도가 미리 결정된 값보다 클 때 공기 대 연료비의 미리 결정된 수개의 값으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 내연 기관의 공기 대 연료비를 결정하는 시스템에 있어서,
    공기 대 연료비, 배기 가스 온도, 속도 및 내연 기관의 부하와 관련되는 파라미터에 관계가 있는 내연 기관의 정보 특성을 저장하는 기억 장치;
    내연 기관의 배기 가스 온도를 측정하는 센서;
    내연 기관의 속도를 측정하는 센서;
    내연 기관의 부하와 관련되는 파라미터를 측정하는 센서;
    저장된 내연 기관 정보, 측정된 배기 가스 온도, 측정된 내연 기관 속도 및 내연 기관의 부하와 관련되는 측정된 파라미터에 기초가 되는 계산으로부터 공기 대 연료비를 결정하고 공기 대 연료비를 나타내는 신호를 출력하는 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    내연 기관의 부하와 관련되는 파라미터를 측정하는 상기 센서는 질량 공기 흐름 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    내연 기관의 부하와 관련되는 파라미터를 측정하는 상기 센서는 스로틀 위치 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제 10 항에 있어서,
    내연 기관의 부하와 관련되는 파라미터를 측정하는 상기 센서는 크랭크 축 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제 10 항에 있어서,
    내연 기관의 부하와 관련되는 파라미터를 측정하는 상기 센서는 흡입 다기관공기 압력 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제 10 항에 있어서,
    배기 가스 온도를 측정하는 센서는 백금 저항 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 기억 장치는 공기 대 연료비 중 수개의 미리 결정된 값을 저장하며, 상기 컴퓨터는 미리 결정된 값 중 하나를 갖는 공기 대 연료비를 나타내는 출력 신호를 비교하고 비교에 기초가 되는 제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 내연 기관과 연결되는 공기 대 연료비 액추에이터를 더 포함하는 제 16 항에 있어서,
    상기 제어 신호는 1개의 미리 결정된 값과 실질적으로 동일한 내연 기관의 공기 대 연료비를 제어하는 액추에이터에 제공되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  18. 내연 기관의 공기 대 연료비를 측정하는 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장되는 컴퓨터 실행 가능 소프트웨어 코드에 있어서,
    공기 대 연료비, 배기 가스 온도, 내연 기관의 속도 및 내연 기관의 부하와관련되는 파라미터에 관계가 있는 내연 기관의 정보 특성;
    내연 기관의 배기 가스 온도 측정을 수용하는데 반응하는 코드;
    내연 기관의 속도 측정을 수용하는데 반응하는 코드;
    내연 기관의 부하와 관련되는 파라미터의 측정을 수용하는데 반응하는 코드; 및
    측정된 배기 가스 온도, 측정된 내연 기관의 속도, 내연 기관의 부하와 관련되는 측정된 파라미터와 공기 대 연료비, 내연 기관의 배기 가스 온도, 내연 기관의 속도 및 내연 기관의 부하와 관련되는 파라미터에 관계가 있는 정보에 기초가 되는 공기 대 연료비를 계산하는 코드를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 실행 가능 소프트웨어 코드.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 정보는 실험적으로 얻은 수개의 조사표의 형태로 저장되며, 각각의 조사표는 내연 기관의 미리 결정된 속도 범위 및 내연 기관의 부하와 관련되는 파라미터를 커버하고 배기 가스 온도의 주어진 값에 공기 대 연료비의 단일 값을 제공하며, 상기 컴퓨터 실행 가능 소프트웨어 코드는 내연 기관의 측정된 속도 및 내연 기관의 부하와 관련되는 측정된 파라미터에 기초가 되는 다수의 표 중 하나를 선택함으로써 공기 대 연료비를 결정한 후에 측정된 배기 가스 온도 값으로부터 공기 대 연료비를 결정하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 실행 가능 소프트웨어 코드.
  20. 제 19 항에 있어서,
    내연 기관의 부하와 관련되는 파라미터는 스로틀의 위치인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 실행 가능 소프트웨어 코드.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 정보는 한 세트의 계수로서 경험적으로 얻은 대수식으로 저장되며, 컴퓨터 실행 가능 소프트웨어 코드는 배기 가스 온도의 측정된 값, 내연 기관의 측정된 속도 및 내연 기관의 부하와 관련되는 측정된 파라미터와 조합하여 대수식에 계수를 사용하여 해결함으로써 공기 대 연료비를 결정하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 실행 가능 소프트웨어 코드.
  22. 제 21 항에 있어서,
    내연 기관의 부하와 관련되는 파라미터는 스로틀의 위치인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 실행 가능 소프트웨어 코드.
  23. 제 18 항에 있어서,
    공기 대 연료비의 미리 결정된 다수의 값을 저장하고, 공기 대 연료비의 미리 결정된 저장 값 중 하나의 값을 갖는 계산된 공기 대 연료비를 비교하고, 계산된 공기 대 연료비 및 미리 결정된 다수의 값 중 1개의 미리 결정된 값 사이의 차이에 기초가 되는 제어 신호를 출력하는 코드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는컴퓨터 실행 가능 소프트웨어 코드.
  24. 제 23 항에 있어서,
    배기 가스 온도가 미리 결정된 값보다 작거나 또는 같을 때 공기 대 연료비의 미리 결정된 수개의 값으로부터 공기 대 연료비의 미리 결정된 제 1 값을 선택하고 배기 가스 온도가 미리 결정된 값보다 클 때 공기 대 연료비의 미리 결정된 제 2 값을 선택하는 코드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 실행 가능 소프트웨어 코드.
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