KR20020058819A - 흡기 공기량 측정방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

이상 기체 상태 방정식을 이용하여 실린더 각각의 흡기 공기량을 측정하기 위하여,

흡기행정의 개시점에서의 실린더 내의 압력, 부피 및 온도의 초기값을 설정하고, 이를 기초로 이상기체 상태 방정식을 통해 공기 질량의 초기값을 설정하는 초기값 설정단계; 흡기 과정을 폴리트로픽 과정으로 가정하여 인접한 크랭크각 사이에서의 공기 질량 변화량을 흡기 행정이 종료될 때까지 반복 계산하는 질량 변화량 계산단계; 및 흡기 행정에서 유입된 총 흡기 공기의 질량을 계산하는 총 흡기 공기량 계산단계를 포함하는 흡기 공기량 측정방법을 제공하고,

크랭크축의 회전 위치를 검출하는 크랭크각 센서; 실린더 내에 설치되어 실린더 내의 압력을 측정하는 압력 검출 장치; 및 상기 크랭크각 센서 및 압력 검출 장치로부터 검출 값을 입력받아 상기 본 발명에 의한 흡기 공기량 측정방법을 수행하는 연산부를 포함하는 흡기 공기량 측정 시스템을 제공한다.

Description

흡기 공기량 측정방법 및 시스템{A METHOD FOR MEASURING MASS OF INDUCTED AIR AND A SYSTEM THEREOF}

본 발명은 흡기 공기량 측정방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 이상기체 상태 방정식을 이용하여 흡기 공기량을 측정하는 흡기 공기량 측정방법 및 시스템에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이 내연기관 엔진은 공기와 연료를 흡입하여 실린더 내에서 연소시킴으로써 그 폭발력을 이용하는 장치이다.

따라서, 실린더 내에서 적절한 연소를 일으키기 위해서는, 실린더 내에 공급되는 공기의 양을 정확하게 측정하여, 이를 기초로 적정한 연료를 공급하여 연소시키는 것이 중요하므로, 실린더 내에 공급되는 공기의 양을 정확하게 측정하는 것이 엔진의 성능에 큰 영향을 미치게 된다.

엔진에 공급되는 공기는 에어 클리너를 경유하여 흡기 매니폴드로 공급되고, 실린더 헤드의 흡기포트를 통해 실린더로 유입되게 된다. 이 때 실린더로 유입되는 공기의 양을 측정하기 위하여 종래에는 통상 (1) 흡기 매니폴드 전단에 설치되는 공기 흐름 센서(Air flow meter)를 이용하여 공기의 흐름양을 직접 측정하거나 (2) 흡기 매니폴드에 맵(MAP) 센서(Manifold Absolute Pressure Sensor)를 장착하여 상기 흡기 매니폴드 내의 압력을 통해 흡기 공기량을 간접 측정하는 방식이 널리 이용되고 있다.

그런데, 엔진의 구성상 각각의 실린더에 공급되는 공기는, 실린더에 유입되기까지의 경로에서 그 길이 및 흡기 저항 등 공기 유입량에 영향을 초래하는 요인에 의해 실린더마다 흡입량의 차이가 발생하게 된다.

그러나 상기한 종래의 방식으로서는 (1) 상기한 실린더 간에 발생하게 되는 흡기 공기량을 정확하게 측정할 수 없으며, (2) 흡기 공기량을 측정하기 위한 센서가 장착되는 위치로부터 실린더까지는 소정의 경로가 형성되기 때문에, 센서가 측정하는 값은 실제 실린더 내에 공기가 공급되는 시점의 공기량이 아니므로 오차가 발생하게 된다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 이상기체 상태 방정식을 이용하여 실린더 각각의 흡기 공기량을 측정하는 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 흡기 공기량 측정방법이 수행되는 흡기 공기량 측정 시스템의 블럭도이다.

도 2는 본 발명의 실시예의 흡기 공기량 측정방법을 나타낸 흐름도이다.

도 3은 본 발명의 실시예의 흡기 공기량 측정방법에 의해 측정된 각 크랭크각에서의 공기 흡입율(g/deg) 그래프이다.

도 4는 본 발명의 실시예의 공기 공기량 측정방법에 의해 측정된 각 그랭크각에서의 흡기 공기량(g) 그래프이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 흡기 공기량 측정방법은,

흡기행정의 개시점에서의 실린더 내의 압력, 부피 및 온도의 초기값을 설정하고, 이를 기초로 이상기체 상태 방정식을 통해 공기 질량의 초기값을 설정하는 초기값 설정단계;

흡기 과정을 폴리트로픽 과정으로 가정하여 인접한 크랭크각 사이에서의 공기 질량 변화량을 흡기 행정이 종료될 때까지 반복 계산하는 질량 변화량 계산단계;

흡기 행정에서 유입된 총 흡기 공기의 질량을 계산하는 총 흡기 공기량 계산단계;

를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 초기값 설정단계에서, 압력의 초기값은 실린더 내에 설치되는 압력 검출 장치로부터 직접 검출되며, 부피의 초기값은 크랭크각에 의해 연산되어지고, 온도의 초기값은 설정된 맵에 의해 추출되어지며, 공기 질량의 초기값은 상기 압력, 부피 및 온도의 초기값으로부터 이상기체 상태 방정식에 의해 연산되어지며,

상기 질량 변화량 계산단계에서 질량 변화량은에 의해계산되어지되, 상기 T_k는에 의해 계산되어지고,

상기 총 흡기 공기량 계산단계는, 흡기 행정이 종료시까지 상기 질량 변화량 계산단계에서 계산된 질량 변화량을 합산함으로써 계산된다.

또한 본 발명에 의한 흡기 공기량 측정 시스템은, 크랭크축의 회전 위치를 검출하는 크랭크각 센서; 실린더 내에 설치되어 실린더 내의 압력을 측정하는 압력 검출 장치; 및 상기 크랭크각 센서 및 압력 검출 장치로부터 검출 값을 입력받아 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 흡기 공기량 측정방법을 수행함으로써 흡기 공기량을 연산하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면의 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 흡기 공기량 측정방법이 수행되는 흡기 공기량 측정 시스템의 블럭도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 흡기 공기량 측정 시스템은, 크랭크축의 회전 위치를 측정하는 크랭크각 센서(110), 각 실린더 내에 설치되어 각 실린더 내의 압력을 측정하는 압력 검출 장치(120) 및 상기 크랭크각 센서(110) 및 압력 검출 장치(120)와 연결되어 상기 크랭크각 센서(110) 및 압력 검출 장치(120)로부터 검출 값을 입력받아 흡기 공기량을 연산하는 연산부(130)를 포함한다.

상기 연산부(130)는 후술할 본 발명의 실시예의 흡기 공기량 측정방법을 수행하며, 상기 측정방법을 수행하는 임의의 구성으로 할 수 있으나, 일예로는 상기 본 발명의 실시예의 측정방법은 프로그램으로 작성되고 상기 연산부(130)는 상기 프로그램에 의해 작동되는 마이크로프로세서(microprocessor)로 할 수 있다.

통상 엔진을 제어하기 위해서는 하나 이상의 전자제어유닛(ECU; Electronic Control Unit)을 사용하고 있으므로, 상기 연산부(130)는 상기 ECU로 하는 것이 바람직하다.

상기 압력 검출 장치(120)는 압력을 검출하는 임의의 센서로 할 수 있다.

상기 연산부(130)에는 실린더 초기 온도를 설정한 맵이 저장된다.

도 2는 본 발명의 실시예의 흡기 공기량 측정방법을 나타낸 흐름도이다.

주지하는 바와 같이 크랭크각 센서(110)의 출력은 크랭크축의 설정 회전각도마다 주기적으로 발생하는 펄스 신호이므로, 흡기 행정에서의 이 펄스 신호를 순차적으로으로 인덱싱 할 수 있다.

따라서 상기 압력 검출 장치(120)에서 검출되는 압력 값은 상기 펄스 신호의 인덱스에 기초하여 P_0, P_1, P_2, ... , P_N으로 인덱싱 할 수 있으며, 실린더 내의 온도는 T_0, T_1, T_2, ... , T_N으로, 피스톤이 동작하면서 변화되는 실린더의 부피는 V_0, V_1, V_2, ... , V_N으로 인덱싱 할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예의 흡기 공기량 측정방법은, 엔진이 회전함에 따라 크랭크각 센서(110)에서 출력되는 신호에 의해 흡기 개시점으로 판단되면 먼저, 초기값을 설정한다(S210).

이상기체 상태 방정식은 다음 수학식1과 같다.

상기 수학식 1에서 k는 크랭크각에 의한 인덱스를, m_k는 크랭크각 k에서의 실린더 내의 공기 질량을, P_k는 크랭크각 k에서의 실린더내의 압력을, V_k는 크랭크각 k에서의 실린더의 부피를, 그리고 R은 공기에 관한 기체상수를 의미한다.

따라서, 상기 초기값 설정단계(S210)는, P_0, V_0, T_0 및 m_0을 설정하는 단계이다. 상기 P_0는 실린더 내에 설치된 압력 검출 장치(120)로부터 직접 검출되며, V_0는 크랭크각에 의하여 계산되어진다. T_0는 상기 연산부(130)에 설정되어 저장된 맵 값으로부터 추출되어진다. 상기 설정된 T_0는 엔진의 특성에 따라서 실험에 의해 적절한 값으로 설정할 수 있다.

상기 P_0, V_0, 및 T_0가 결정되면 m_0는 상기 이상기체 상태 방정식에 의해 계산되어진다.

다음으로, 상기 크랭크각 센서(110)의 다음 펄스 신호 출력시에 실린더 내의 압력, 부피 및 온도를 검출 및 연산하고 이를 통해 실린더 내의 공기의 질량을 계산하고, 이를 기초로 크랭크각 설정 회전각도 회전함에 따라 유입된 공기의 질량 변화량을 계산한다(S220).

상기 질량 변화량 계산단계(S220)는 인접한 크랭크각 사이에서 유입된 공기의 질량을 계산하는 단계이다.

크랭크각 k-1에서 k로 변화되는 동안 유입된 공기의 질량()은 다음과 같이 계산된다.

먼저, P_k을 측정하고, V_k 및 T_k을 연산하여 이를 기초로 이상기체 상태 방정식으로부터 m_k을 연산한다.

이 때 상기 P_k은 상기 압력 검출 장치(120)로부터 직접 검출되며, V_k은 크랭크각에 의해 계산되어진다.

상기 T_k을 계산함에 있어서는 흡기 행정을 폴리트로픽 과정(polytropic process)으로 가정하여 다음 수학식 2에 의해 계산한다.

상기 수학식 2에서 c는 폴리트로픽 과정의 가정에서 설정되는 상수값이다.

따라서 현재 크랭크각에서의 실린더 내의 온도는, 이전 크랭크각에서의 압력 및 온도, 그리고 현재 크랭크각에서의 압력을 이용하여 계산되어질 수 있다.

따라서 m_k는 상기 수학식 1에 의해 계산되어질 수 있고,

크랭크각 k-1에서 k로 변화되는 동안 유입된 공기의 질량()은 m_k - m_k-1로서, 상기 수학식 1을 이용하면에 의해 직접 계산되어질 수 있다.

상기와 같이 질량 변화량()을 계산한 후에는, 흡기 행정이 종료되었는지 판단한다(S230).

상기 판단(S230)은, 크랭크각 센서(110)의 회전 위치를 표시하는 상기 인덱스에 의해 판단할 수 있다. 즉, 상기 인덱스가 N이 되었는지 판단한다.

상기 흡기 종료 판단(S230)에서 흡기 행정이 종료되지 않은 경우에는 상기 질량 변화량 계산단계(S220)로 진행한다.

상기 흡기 종료 판단(S230)에서 흡기 행정이 종료된 것으로 판단된 경우에는 상기 질량 변화량 계산단계(S220)에서 계산되어진 각 크랭크각 회전각도 사이에서의 질량 변화량을 합산함으로써 흡기 행정 개시에서부터 흡기 행정 종료시까지 유입된 공기의 총 질량을 구한다(S240).

즉,에 의해 계산되어진다.

상기와 같이 총 흡기 공기량을 계산한 후에는, 상기 흡기 공기량에 의해 연산되어지는 다른 엔진 제어 요소(일예로는 연료 분사량)의 결정에 이용되도록 상기 총 흡기 공기량을 출력한다(S250).

이상으로 본 발명의 흡기 공기량 측정방법 및 시스템에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

도 3은 본 발명의 실시예의 흡기 공기량 측정방법에 의해 측정된 각 크랭크각에서의 공기 흡입율(g/deg) 그래프로서 다수의 엔진 회전수에서 측정된 그래프이며, 도 4는 본 발명의 실시예의 흡기 공기량 측정방법에 의해 측정된 각 크랭크각에서의 흡기 공기량(g) 그래프 및 맵 센서에 의하는 종래 기술에 의한 흡기 공기량 측정방법에 의해 측정된 각 크랭크각에서의 흡기 공기량(g) 그래프이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의하면 크랭크각에 따라서 정밀하게 실린더 내의 흡기 공기량을 측정할 수 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이 종래 및 본 발명에 의한 흡기 공기량 측정방법은 약간의 차이를 보이게 되는데, 이러한 차이는 종래 기술의 흡기 공기량 측정방법에 포함되는 오차의 범위를 보여주는 것이다.

따라서 본 발명의 실시예에 의하면, 각각의 실린더 내로 유입되는 공기량을 개별적으로 측정할 수 있으므로 실린더마다 개별적인 엔진 제어를 가능하게 하며, 종래의 유입 공기량 측정 방식에서 발생하는 측정 시점과 실제 공기 유입시점 간의 시간차를 해소할 수 있어 정확한 측정이 가능하다.

Claims (5)

1. 흡기행정의 개시점에서의 실린더 내의 압력, 부피 및 온도의 초기값을 설정하고, 이를 기초로 이상기체 상태 방정식을 통해 공기 질량의 초기값을 설정하는 초기값 설정단계;

   흡기 과정을 폴리트로픽 과정으로 가정하여 인접한 크랭크각 사이에서의 공기 질량 변화량을 흡기 행정이 종료될 때까지 반복 계산하는 질량 변화량 계산단계;

   흡기 행정에서 유입된 총 흡기 공기의 질량을 계산하는 총 흡기 공기량 계산단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡기 공기량 측정방법.
2. 제1항에서,

   상기 초기값 설정단계에서, 압력의 초기값은 실린더 내에 설치되는 압력 검출 장치로부터 직접 검출되며, 부피의 초기값은 크랭크각에 의해 연산되어지고, 온도의 초기값은 설정된 맵에 의해 추출되어지며, 공기 질량의 초기값은 상기 압력, 부피 및 온도의 초기값으로부터 이상기체 상태 방정식에 의해 연산되어지는 것을 특징으로 하는 흡기 공기량 측정방법.
3. 제1항에서,

   상기 질량 변화량 계산단계에서 질량 변화량은에 의해 계산되어지되, 상기 T_k는에 의해 계산되어지는 것을 특징으로 하는 흡기 공기량 측정방법.
4. 제1항에서,

   상기 총 흡기 공기량 계산단계는, 흡기 행정이 종료시까지 상기 질량 변화량 계산단계에서 계산된 질량 변화량을 합산함으로써 계산하는 것을 특징으로 하는 흡기 공기량 측정방법.
5. 크랭크축의 회전 위치를 검출하는 크랭크각 센서;

   실린더 내에 설치되어 실린더 내의 압력을 측정하는 압력 검출 장치;

   상기 크랭크각 센서 및 압력 검출 장치로부터 검출 값을 입력받아 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 흡기 공기량 측정방법을 수행함으로써 흡기 공기량을 연산하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡기 공기량 측정 시스템.