KR20020014695A - 엔진의 작동 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

적어도 2개의 작동 방식으로 작동되며, 그 중 하나의 작동 방식이 선택되며 엔진의 요구된 회전 모멘트가 상기 작동 방식을 위한 공연비의 한계를 유지하면서 실행 가능할 때, 상기 작동 방식이 허용되는 엔진의 작동 방법 및 장치가 제안된다. 최대 가능한 회전 모멘트는 상기 작동 방식을 위한 람다 한계에서 결정되며 정적인 소정의 모멘트와 비교된다. 최대 가능한 회전 모멘트가 초과될 때, 상기 작동 방식을 위한 가능 신호는 리셋된다. 높은 모멘트가 요구될 때 적어도 람다 한계가 지속적으로 미달될 경우, 정적인 소정의 모멘트로서, 상기 작동 방식에서 실제적으로 설정되야 하는 목표 모멘트가 고려된다.

Description

엔진의 작동 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR OPERATING OF AN ENGINE}

본 발명은 엔진, 특히 연료 직분식 엔진의 작동 방법 및 장치에 관한 것이다.

연료 직분식 엔진은 적어도 하나의 가능 신호(enabling signal)에 따라 전환되는 2가지 작동 방식으로 작동된다. 작동 방식은 특히 균질 연소 방식 및 성층 연소 방식으로 불린다. 이러한 작동 방식은 예로써 독일 특허 제198 50 584호에 공지되어 있다. 작동 방식은 엔진의 작동 상태에 따르는 특성 영역에 따라 선택된다. 더 나아가, 실제 작동 방식을 위한 가능 신호는, 특히 그 작동 방식에서 요구된 회전 모멘트가 공연비(람다 한계값)를 위해 제시된 한계를 유지한 상태에서 발생되지 못할 경우 리셋(reset)되며 다른 작동 방식으로 전환된다. 가령 이러한 경우, 현재 작동 방식인 성층 연소 작동에서 성층 연소 작동 방식을 위한 가능 신호가 리셋되고, 예를 들어 균질 연소 작동으로 전환된다.

이러한 작동 방식의 인가는 모멘트 간의 비교를 통해서 실행된다. 최소 내지 최대 람다 효율도가 도출되는, 작동 방식에 타당한 람다 한계값(성층 연소 작동에서는 최소값)이 제시된다. 마찬가지로 상기 작동 방식에서 설정되어야 할 공기 충전(목표 충전)을 위해 최적의 회전 모멘트가 작동 방식 및 회전수에 따른 특성 영역으로부터 도출된다. 이러한 특성 영역은, 소정의 표준 조건에 대해, 또한 공연비에 대해서도 유효함으로서, 상기 언급된 람다 효율도는 람다값이 표준값으로부터 일정하게 벗어나는 경우에 있어서의 회전 모멘트를 나타낸다. 람다 효율도와 최적의 회전 모멘트를 연결시킴으로서 작동 방식을 위한 최소 내지 최대 가능한 회전 모멘트가 형성된다. 최대 가능한 회전 모멘트는 소정의 목표 충전과 (람다 한계를 고려한) 최대 가능한 정적(stationary) 연료 공급에서 발생하는 모멘트를 나타낸다. 이러한 최대 가능한 모멘트는 요구된 목표 회전 모멘트와 비교된다. 요구된 목표 회전 모멘트가 최대 가능한 모멘트 이하이면, 작동 방식은 허용되는데, 이는 제시된 작동 방식을 위해 요구된 회전 모멘트가 미리 주어진 람다 한계 내에서 실행될 수 있기 때문이다.

상기와 같은 방법에 의한 작동 방식의 허용은 소정의 목표 충전을 기초로 하여 이루어진다. 그러나, 엔진의 회전 모멘트가 일차적으로 연료 경로(fuel path)를 통해 설정되는 작동 방식도 있다. 그러므로, 작동 방식을 허용하기 위한 상기 방법은 연료 경로를 통해서 구현된 모멘트가 공기 경로를 통해 소정의 모멘트에 정적으로 일치해야하는 것을 전제로 한다. 그러나, 연료 경로를 통한 모멘트가 공기경로의 모멘트로부터 정적으로 벗어나면, 이는 정적 작동 한계를 지속적으로 초과하는 결과를 초래한다. 이것은 가령, 모멘트 요구가 공회전 제어로 인한 연료 경로를 통해 오랜 시간 동안 증가되었을 경우일 수 있다. 이 경우 증가된 연료 공급으로 인해 강한 농후화(concentrate)가 야기되어, 결국 정적 람다 한계가 초과 된다. 이러한 상태는 비록 단기간의 동적(dynamic) 작동으로 허용될 수는 있지만, 장기간은 불가능 한데, 이는 이런 한계(연소 한계)를 초과함으로써 그을음 형성 및/또는 실화(misfire)가 야기될 수 있기 때문이다.

독일 특허 제197 28 112호에는 모멘트를 기초로 하는 연료 직분식 엔진을 위한 제어 시스템이 공지되어 있다. 교축 균질 연소 작동에서 회전 모멘트는 종래의 제어 시스템에서 공지된 바와 같이, 공기 경로를 통한 모멘트 요구를 기초로 하여 조정되며, 미리 주어진 공연비(통상적인 이론비)에 따라 분사되는 연료의 양이 정해진다. 성층 연소 작동을 위한 조건이 제시될 경우 작동 방식은 전환된다. 즉, 성층 연소 작동 방식이 허용된다. 이 작동 방식에서 모멘트 요구는 연료 경로를 통해서 조정되는데, 이 때 드로틀 밸브는 대체로 개방 된다.

엔진이 비 교축적으로 작동되는 작동 방식, 특히 성층 연소 작동 방식 또는 다른 작동 방식에서 가능 신호를 결정할 때, 연로 경로를 통한 모멘트 요구를 고려함으로써 정적 작동 한계를 장기간 지속적으로 초과하는 것과 그을음 형성 또는 연소 실화를 효과적으로 방지할 수 있다.

또 다른 장점은 실제로 요구된 모멘트가 원하는 작동 방식에서도 구현되는가를 알아보는 검사가 단지 정적 작동 한계를 초과했을 경우에만 검토된 다는 것이다.

그 외의 장점들은 이어서 언급될 실시예 및 종속 청구항에서 기술한다.

도1은 연료 직분식 엔진을 제어하기 위한 제어 장치의 블록 선도.

도2는 예를 들어 성층 연소 작동 방식에서 작동 방식을 위한 허용 비트의 형성을 도시하는 흐름 블록 선도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 제어 유닛

12: 입력 신호

14: 마이크로컴퓨터

16: 출력 회로

22: 측정 장치

54: 분사 밸브

42 내지 46: 출력선

58: 드로틀 밸브

100: 비교 장치

102: 스위치 요소

106: AND-게이트

118: OR-게이트

이하, 본 발명은 도면을 참조로 설명된 실시예에서 상세히 설명된다.

도1에는 적어도 하나의 입력 회로(12), 마이크로컴퓨터(14), 출력 회로(16) 및 이들을 서로 연결시키는 통신 시스템(18)을 요소들로서 포함하는 제어 유닛(10)이 도시된다. 해당 측정 장치로부터의 신호가 전송되는 입력선들이 입력 회로(12)에 연결되며, 상기 신호는 작동 변수를 나타내며, 그리고 상기 신호로부터 작동 변수가 도출된다. 예를 들자면, 입력선(20)은 제어 유닛에 측정 장치(22)를 연결시키며, 상기 측정 장치(22)는 주행 페달의 작동 효율도(β)를 나타내는 변수를 결정한다. 입력선(24)은 측정 장치(26)로부터 시작하며, 상기 입력선을 통해 엔진 회전 속도(Nmot)를 나타내는 변수가 전송된다. 입력선(28)은 공급된 공기량(HFM)을 나타내는 신호를 발생시키는 측정 장치(30)를 제어 유닛(10)에 연결시킨다. 또한, 입력선(36 내지 40)은 작동 변수를 나타내는 추가의 신호를 발생시키는 측정 장치(42 내지 46)로부터 안내된다. 엔진의 제어 시 사용되는 이러한 종류의 작동변수는 예를 들어 온도 변수, 드로틀 밸브의 위치 및 배기 가스 성분 등이 있다. 엔진을 제어하기 위해서는 도1에서 볼 수 있듯이, 분사 밸브(54)를 제어하기 위한 출력선(48 내지 52)과, 전기 모터로 조정 가능한 드로틀 밸브(58)를 제어하기 위한 출력선(56)이 출력 회로(16)로부터 연결된다. 또한 점화각이 제어된다(개관성의 이유로 도시되지 않음).

엔진을 제어하기 위해서 모멘트 요구가 형성되며, 모멘트 요구를 형성하기 위한 다양한 내부 및/또는 외부 모멘트 요구가 엔진에서 조정된다. 이러한 모멘트 요구의 예로는 운전자와, 구동 슬립 제어 장치와 같은 외부적인 시스템 등을 들 수 있다. 모멘트 요구의 전환은 엔진의 선택된 작동 방식에 따라 다르게 달성된다. 균질 연소 작동의 경우, 결과로서 생기는 목표 모멘트는 서서히 반응하는 충전 경로 및 빠르게 작용하는 크랭크축 동조 경로로 구분된다. 여기서, 정적 회전 모멘트를 설정하는 충전 경로가 주 경로이다. 드로틀 밸브의 설정을 통해 설정된 목표 충전이 목표 모멘트로부터 산출된다. 크랭크축 동조 경로에서는 점화 시점 및/또는 연료 할당의 영향으로 인해 원하는 회전 모멘트가 동적으로 설정된다.

발생되는 목표 모멘트는 성층 연소 작동에서도 역시 서서히 반응하는 충전 경로 및 빠르게 작용하는 크랭크축 동조 경로로 나뉘어진다. 이때 크랭크축 동조 경로가 주요 경로로 작용한다. 모멘트 손실 우려 때문에 드로틀 밸브가 가능한 많이 개방되야 함으로, 성층 연소 작동에서 목표 충전 및 드로틀 밸브의 설정은 목표 모멘트에 따르는 것이 아니라 최소로 필요한 흡기관 진공에 따른다. 그 다음, 목표 모멘트는 분사되어야 하는 연료량이 결정됨으로서 전환된다. 이것은 균질 희박 작동과 같은 비 교축적인 다른 작동 방식에도 유효하다. 예를 들어 공회전 제어와 같은 추가 기능의 출력 신호는 적어도 비 교축적인 작동에서 빠른 경로(연료 경로)를 위한 목표 모멘트에 연결되어 목표 모멘트를 정적으로 변화시키거나 특히 증가시킬 수 있다.

실제 작동 방식의 선택은 작동 방식 특성 영역을 이용하여 이루어지며, 회전 속도 및 부하 또는 회전 모멘트에 따라 실제 작동 방식이 선택된다. 이러한 선택은 특정한 상황 하에서 우선권을 갖게 된다. 그러한 상황 중 하나는 선택된 작동 방식에서 요구된 모멘트가 람다 한계의 범주 내에서 제어가 불가능 하다는 것이다. 이러한 경우, 실제 작동 방식의 가능 신호는 리셋된다. 즉, 그 작동 방식이 금지되고 다른 작동 방식으로 전환된다. 이러한 관점에서, 요구된 모멘트가 상기 작동 방식의 람다 한계의 범주 내에서 설정 가능할 경우, 각 작동 방식을 허용하는 값을수용하는 가능 신호가 형성된다. 이러한 신호의 형성 및 작동 방식의 인가 내지 금지는 도2에 도시된 블록 선도에서 더 자세히 설명된다.

도2의 블록 선도는 제어 유닛(10)의 계산 유닛에서 진행되는 프로그램을 나타내고 있다. 여기서 사용된 요소 및 심볼은 프로그램의 단계 또는 프로그램의 일부분을 나타내고 있으며, 연결선은 정보의 흐름을 나타내고 있다.

도2의 프로그램은 연료 직분식 엔진의 성층 연소 작동을 위한 가능 신호(B_schen)의 형성을 나타낸다. 다른 작동 방식에서도 그에 상응하는 프로그램과 가능 신호의 형성이 존재하며, 각각의 한계값과 신호 역시 상응되게 적용된다.

실제 작동 상태에서 람다 한계를 유지하며 최대 가능한 모멘트(MIMAXSCH)와 요구된 모멘트(MIENSCH, 목표 모멘트)가 비교되는 비교 장치(100)에서, 가능 신호(B_schen)는 형성된다.

모멘트 비교(100)의 기초가 되는 최대 모멘트(MIMAXSCH)는 성층 연소 작동(MIOPTSCH)을 위한 최적의 모멘트 및 최소 가능한 람다값을 위한 람다 효율도(ETALAMSCH)로부터 연결점(124, 증가 지점)에서 형성된다. 람다 효율도는 효율도 특성 영역(126)으로부터 최소 가능한 람다 변수(LAMBDA MINSCH)에 따라 형성되는 반면, 최적의 모멘트는 특성 영역(128)으로부터 엔진 회전 속도(NMOT) 및 목표 충전(RLSOLL)에 따라 형성된다. 다른 작동 방식에서는 다른 특성 영역, 특성 곡선 및 변수가 사용된다.

모멘트 비교의 기초가 되는 요구된 모멘트(MIENSCH)는 통상적으로 (스위치 요소(102)의 실선 위치 참조) 정적으로 공기 경로를 통해 소정된모멘트(MISOLLUFT)를 나타낸다. 위에서 언급 했듯이, 이런 방법은 소정의 양호하지 못한 상황 하에서 정적인 연소 한계를 오래도록 초과할 수 있고, 이로 인해 그을음 형성 및 실화 유발할 수 있다는 것이 한 적용예에서 밝혀졌다. 이러한 것을 방지하기 위해 스위치 요소(102)는 특정한 조건 하에서 점선 위치로 전환됨으로서 비교부(100)를 기초로하는 모멘트 요구 신호(MIENSCH)가 연료 경로(MISOLLKR)를 위한 요구 신호로부터 형성된다. 이것은 특정한 작동 상황에서 공기 경로를 통해서 요구된 모멘트와 차이가 있을 수 있는데, 이는 예를 들어 공회전 같은 추가 기능이 연료 경로를 위한 모멘트 요구 신호에 추가로 연결되어 모멘트를 증가시키기 때문이다. 스위치 요소(102)는 정적 람다 한계가 높은 모멘트 요구에서 장시간 초과될 때 전환된다. 그러한 목적으로 비교 장치(104)에서, 성층 연소 작동(LAMBDAMINSCH)의 최소 가능한 람다값과 모멘트 구조로부터 비롯된, 동적으로 가능한 영역으로 제한된 목표 람다인 목표 람다 한계값(LAMBDASCH)이 성층 연소 작동에서 비교된다. 목표 람다가 최소값에 미달할 경우, AND-게이트(And-Gate, 106)로 전송되는 신호가 비교 장치(104)에서 발생한다. 마찬가지로 비교 장치(108)에서 연료 경로(MISOLLKR)를 위한 요구 모멘트와 공기 경로를 위한 요구 모멘트(MISOLLUFT)가 비교된다. 연료 경로를 위한 요구 모멘트(MISOLLKR)가 공기 경로의 요구 모멘트(MISOLLUFT)보다 크면, 비교 장치(108)는 AND-게이트(106)로 전송되는 신호를 발생시킨다. 2가지 조건이 제공되면, AND-게이트(106)는 또 다른 AND-게이트(110)로 전송되는 출력 신호를 발생시킨다. AND-게이트(106)의 출력 신호가 제공되면, 이는 높은 모멘트 요구, 공기 경로를 통해 구현되어야 하는 소정의모멘트보다 높은, 연료 경로를 통한 모멘트 요구를 의미하며, 공기 경로에서 높은 모멘트가 요구될 때 정적 람다 한계가 미달되는 것이다. AND-게이트(110)에서는 AND-게이트(106)의 출력 신호 외에 실제 작동 방식이 성층 연소 작동의 여부를 나타내는 상태 신호(B_sch)가 연결된다. 성층 연소 작동일 경우 상태 신호는 양(positive)이되어, AND-게이트(106)에 존재하는 출력 신호에 의해, AND-게이트(110)는 출력 신호를 발생시킨다. 이 신호는 플립 플롭 기능부(112)을 설정한다. 모멘트 비교를 기초로하는 신호의 전환이 높은 모멘트 요구에서 람다 한계를 장시간 초과할 경우에만 이루어지도록, 지연 부재(114)가 제공되며, 상기 지연 부재에서는 플립 플롭 기능부(112)의 출력 신호가 지연된다. 그러면 지연 단계(114)의 출력 신호는 경우에 따라서 스위치 요소(102)를 점선 위치로 전환시킨다.

플립 플롭 기능부(112)의 리셋 및 스위치 요소(102)의 리셋은 다양한 조건 하에서 이루어진다. 그러한 조건은 다음과 같다. 람다 한계가 더 이상 미달되지 않는 경우, 또는 정적 모멘트 요구가 경우에 따라서 연료 경로를 통한 히스테리시스(hysteresis) 값이 공기 경로를 통해 구현되어야 하는 모멘트보다 작은 경우, 또는 실제 작동 방식에서 모멘트 비교가 다시 만족될 경우, 즉, 스위치 요소(102)를 위한 스위치 신호가 설정된 후, 동시에 가능 신호(B_schen)가 설정되는 경우이다. 도2에서 이러한 조건들은 도2에서 AND-게이트(106)의 출력 신호가 인버터(inverter, 116)에서 변환되어 OR-게이트(118)로 전송되도록 나타난다. 그것의 출력 신호는 플립 플롭 기능부(112)를 리셋시킨다. OR-게이트(118)의 또 다른 입력부는 AND-게이트(120)의 출력 신호를 설정하며, AND-게이트(120)에서는 가능 신호 (B_schen)의 변경에 대한 정보가 엣지 검출부(122, edge detection) 및 출력 신호의 상태를 이용하여 지연 단계(114)에 연결된다. 스위치 요소(102)의 전환 신호가 설정되고 동시에 가능 신호에서 엣지가 제공되면, 플립 플롭 기능(112)이 리셋된다.

상기 언급한 내용으로, 우선 연료 경로에서 높은 모멘트가 요구될 때 정적 람다 한계가 지속적으로 미달되는지가 파악된다. 증가된 모멘트 요구는, 연료 경로를 통해 실행되어야 하는 모멘트가 장시간 동안 공기 경로를 통해 실행되어야 하는 소정의 모멘트 보다 큰 경우에만 제공된다. 연료 경로의 모멘트를 위한 요구 신호에서는, 예를 들어 공회전 제어와 같이 정적 변화를 발생시키는 기능들이 고려되는 반면, 예를 들어 저크(jerk) 방지 기능과 같이 단지 동적 간섭 기능들은 고려되지 않는다. 그러므로 연료 경로에서 높은 모멘트가 요구될 때 정적 람다 한계가 미달되면, 일정한 시간 뒤에 인가를 위해 모멘트 비교를 기초로 하는 목표 모멘트는, 공기 경로에서 원하는 모멘트 값으로부터 연료 경로를 통해 실행되어야 하는 모멘트 값으로 전환된다.

모멘트 비교의 토글(toggle)을 방지하기 위해 연료 경로를 통해 실행되어야 하는 모멘트는 연결점(130)에서 히스테리시스 값(MSOLLHYST)과 합해진다. 지연 단계(114)의 출력부에서 신호가 발생할 경우 스위치 요소(132)는 계속되는 비교부(108)를 위해 더 큰 값을 가지도록 점선 위치로 전환된다. 출력부(114)의 출력 신호와 모멘트 비교의 토글은 효과적으로 방지된다.

모멘트 비교에서는 전술된 방식으로 결정된 정적인 소정의 모멘트가 이론적으로 최대 가능한 모멘트와 실제 작동 방식에서 비교된다. 정적 한계에서 정적인 소정의 모멘트가 최대 가능한 모멘트보다 크면, 그 작동 방식은 허용되지 않는다. 그렇지 않은 경우에는 작동 방식이 허용된다. 이로써, 상기 언급된 조건들이 달성되면, 실제 작동 방식이 자동적으로 금지되는 것이 아니라, 정적 모멘트가 연료 경로를 통해 정적 작동 한계에서 벗어났을 경우에만 금지된다. 가능 신호(B_schen)가 설정되면 선택된 실제 작동 방식이 실행되고, 금지 신호가 설정되면 다른 작동 방식으로의 전환이 실행되어야 한다. 정적인 소정 모멘트의 전환은 새로운 작동 방식에서도 발생된다. 모멘트 비교가 여전히 이루어지지 않았다면, 마지막 작동 방식(제시된 실시예에서는 성층 연소 작동 방식)이 허용되지 않는다. 이로써, 이전의 작동 방식으로 즉각적인 전환, 반복적인 금지 및 그로부터 비롯되는 작동 방식의 토글이 방지된다.

적어도 전술된 작동 상태에서 가능 신호의 상태에 영향을 미치기 위해 그 작동 상태에서 실제로 설정되어야 할 목표 모멘트가 고려된다.

본 발명에 따르면, 엔진이 비 교축적으로 작동되는 작동 방식에서 가능 신호를 결정할 때, 연로 경로를 통한 모멘트 요구를 고려함으로써 정적 작동 한계를 장기간 지속적으로 초과하는 것과 그을음 형성 또는 연소 실화를 효과적으로 방지할 수 있는 효과가 제공된다.

Claims (7)

1. 적어도 2가지 작동 방식으로 작동되는 단계와, 그 중 하나의 작동 방식이 선택되며 엔진의 요구된 회전 모멘트가 상기 작동 방식을 위한 공연비의 한계를 유지하면서 실행될 경우에만 상기 작동 방식이 허용되는 단계와, 최대 가능한 회전 모멘트가 상기 작동 방식을 위한 공연비 한계에서 결정되는 단계와, 요구된 모멘트가 상기 한계를 유지하면서 실행될 수 없으면 상기 작동 방식을 위한 가능 신호가 리셋되는 단계를 포함하는 엔진의 작동 방법에 있어서,

   요구된 모멘트가 실제로 설정되어야 하는 목표 모멘트인 것을 특징으로 하는 엔진의 작동 방법.
2. 제1항에 있어서, 요구된 모멘트는 공기 공급을 통해 설정되어야 하는 목표 모멘트, 연료 공급 및/또는 점화각을 통해 설정되어야 하는 목표 모멘트로 나뉘어지는 것을 특징으로 하는 엔진의 작동 방법.
3. 제2항에 있어서, 연료 공급 및/또는 점화각을 통해 설정되어야 하는 목표 모멘트에 정적으로 증가하는 부분의 목표 모멘트가 적용되는 것을 특징으로 하는 엔진의 작동 방법.
4. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 높은 모멘트가 요구될 때 한계를 지속적으로 초과할 경우, 엔진의 비 교축으로 작동되는 작동 방식에서 실제로 설정되어야 할 목표 모멘트는 연료 경로를 위한 목표 모멘트인 것을 특징으로 하는 엔진의 작동 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 작동 상태 이외에서 목표 모멘트는 공기 경로를 통해 설정되어야 하는 목표 모멘트인 것을 특징으로 하는 엔진의 작동 방법.
6. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 가능 신호가 리셋된 후에 작동 방식이 전환되는 것을 특징으로 하는 엔진의 작동 방법.
7. 적어도 2가지 작동 방식으로 작동되며, 그 중 하나의 작동 방식이 선택되며 엔진의 요구된 회전 모멘트가 상기 작동 방식을 위한 공연비의 한계를 유지하면서 실행될 경우에만 상기 작동 방식이 허용되며, 최대 가능한 회전 모멘트가 상기 작동 방식을 위한 공연비 한계에서 결정되어 요구된 모멘트와 비교되며, 최대 가능한 모멘트가 초과될 경우, 상기 작동 방식을 위한 가능 신호가 리셋되는 엔진의 작동 장치에 있어서,

   요구된 모멘트가 실제로 설정되어야 하는 목표 모멘트인 것을 특징으로 하는 엔진의 작동 장치.