KR20040016976A - 엔진의 개별 실린더 분사량 보상 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진에서 개별 실린더의 분사량 보상을 위한 방법에 관한 것이고, 상기 엔진에서 상기 방법이 실행될 수 있다. 수직 시험 계획에 따라 엔진 제어 장치에 의해 사전 설정된 각각의 실린더에서 목표된 분사량 변화의 효과는 공기비 람다로 분석되고, 이는 분사량의 보정을 결정하기 위한 회귀 다항식을 세우는 것을 가능케 하고, 상기 보정은 최적의 연소를 달성하기 위해 개별 실린더 내에서 조절될 수 있다.

Description

엔진의 개별 실린더 분사량 보상 방법 {METHOD FOR COMPENSATING INJECTION QUANTITY IN EACH INDIVIDUAL CYLINDER IN INTERNAL COMBUSTION ENGINES}

조절된 삼원 촉매 컨버터에 의한 배기 가스의 촉매식 후처리에서 공기-연료-혼합기는 유해 물질 감소를 위해 소정 질량비를 포함해야만 한다는 것이 공지되어 있다. 상기 질량비는 이른바 공기비 람다를 통해 주어지고 배기관 내에 존재하는 람다 센서를 통해 결정될 수 있다.

공지된 방법은, 엔진이 작동 중에 각각의 실린더의 분사량을 람다값에 따라 조절하는 제어 회로에 람다 센서의 측정값을 공급한다.

상기 조절은 배기관 내에 존재하는 각각의 람다 센서에서 각각의 실린더를 통해 결정된 람다값만을 기초로 한다.

분사량을 위한 제어 장치의 동일한 분사량 또는 동일한 설정값에도 불구하고 부품 허용 공차 및 노후 작용에 의해 발생하는 각각의 실린더 내의 혼합 차이는 검출될 수 없고, 개별 실린더 분사량의 측정에 대해서도 고려되지 않는다.

개선된 방법은 배기관을 관류하는 배기 가스의 시간 할당 및 각각의 실린더에 대한 람다값을 제공한다. 이로써, 기본적으로 각각의 람다 센서로 개별 실린더의 분사량 조절은 가능하지만, 시간에 따라 직접 연속되는, 배기관 내의 상이한 실린더의 연속 배기 가스량의 혼합 효과 및 와류를 통해 측정 정확도가 저하된다.

람다 센서가 각각의 실린더에 배치되는 해결책은 기술적인 면에서 매우 복잡하다.

본 발명은, 연료가 엔진의 실린더로 분사되고, 각각의 실린더로 분사되는 연료량이 보상되고, 엔진 배기관 내의 람다(lambda) 값이 결정되는, 특히 차량의 엔진 작동 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 방법의 실행을 위한 적합한 엔진에 관한 것이다.

도1은 본 발명에 따른 엔진의 실시예의 개략 블록 회로도이다.

도2는 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예의 흐름도이다.

도3은 네 개의 영향 변수를 갖는 수직 시험 계획의 일부분이다.

본 발명의 목적은 배기관 내에 배치된 람다 센서를 갖는 엔진에서 개별 실린더의 분사량 보상 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은 청구범위 제1항에 따른 엔진에서 개별 실린더의 분사량 보상 방법 및 청구범위 제11항에 따른 엔진을 통해 해결된다.

청구범위 제1항에 따른 방법은, 배기관 내에서 측정되고, 모든 실린더를 통해 평균된 공기비에 대한 각각의 실린더에 공급된 분사량의 영향을 결정하기 위해 통계적 시험 계획 방법을 사용한다.

제어 장치에 의해 사전 설정된 분사량은 수직 시험 계획(orthogonal experiment plan)에 따라 단계적으로 실린더 개별적으로 변화된다. 시험 계획의 각 단계에 따라 분사량 변화의 결과로서 발생하는 배기관 내의 람다값이 검출되고, 상기 검출된 값으로 각각의 실린더에 대한 시험 계획의 진행에 따라 분사량에 대한 보정값이 개별적으로 결정된다.

이들 보정값은 개별 실린더 분사량의 보상을 위한 다음의 분사 과정을 위해 사용됨으로써, 각각의 실린더 내에는 항상 최적의 공기-연료-혼합기가 제공된다.

본 발명에 따른 방법의 중요한 장점은 단일 람다 센서의 사용 하에 엔진의 각각의 실린더에 대한 최적의 분사량이 결정될 수 있다는 것이다.

이는 람다값의 수학적 모델링을 통해 달성된다. 람다값에 대한 복수의 독립 변수 영향은 종속 변수 람다에 대한 다항식 정리에 의해 결정된다.

독립 변수는 각각의 실린더에 개별적으로 공급되는 분사량에 상응함으로써, 수학적 모델 람다는 분사량의 함수로서 각각의 실린더에 공급되고, 다항식의 계수는 실린더 분사량 영향의 중요성을 나타낸다.

상기 계수는 예를 들어 수직 시험 계획의 범위 내에서 검출된 값으로부터 결정될 수 있다. 또한, 계수를 추측하는 것 또는 개연성 추론(plausible inference)을 통해 정하는 것도 가능하다.

또한, 방정식에 대해 선택된 다항식의 차수에 따라 복수의 실린더의 분사량 사이의 상호 작용이 결정될 수 있다.

이런 방식으로 람다에 대해 얻어진 수학적 모델은 예를 들어 람다 = 1인 람다 및 등식의 해답에 대한 목표 설정값의 사용 하에, 각각의 실린더에 대해 정해진 목표값이 형성되는 분사량의 계산을 가능케 한다.

상기 모델로 계산된 분사량은 일반적으로 제어 장치를 통해 사전 설정된 분사량과 상이하다. 이 차이는 대체로 상이한 연소 조건, 및 밸브 제어 장치 내의 또는 각각의 실린더의 밸브에서의 허용 공차에 기인하고, 이런 차이는 분사량의 보상을 위한 보정값을 형성한다.

다른 중요한 장점은 매우 큰 허용 공차를 갖는 분사 밸브를 사용할 수 있다는 것이다.

종래의 분사 시스템에서는, 분사 밸브에 있어서 제조 시에 상응하는 결함량을 야기하는 유량 허용 공차에 대한 요구가 매우 높다.

본 발명에 따른 보상 방법은 다양한 분사 밸브의 매우 상이한 유동 특성에서도 각각의 실린더 분사량에 상응하는 보상을 가능케 하고, 이에 의해 배기 가스 후처리를 위해 최적의 람다값이 조절될 수 있다.

따라서, 제안된 방법은 배기 가스 방출 상태의 개선뿐만 아니라 그에 상응하는 분사 시스템의 제조 비용을 절감하고, 더 큰 허용 공차를 갖는 비용면에서 더 효과적인 분사 밸브가 사용되고 본 발명에 따른 방법을 통해 람다값에 대한 상기 허용 공차의 영향이 감소된다.

또한, 본 발명에 따른 보상 방법은 엔진 또는 엔진을 조절하는 제어 장치의 전체 작동 시간 중에 실행되어야 할 필요가 없다는 장점을 갖는다. 이를 통해, 그 밖에 사용될 수 있는 제어 장치의 프로세서 수단의 주기 시간이 절약된다.

본 발명에 따른 방법의 바람직한 구성은, 결정된 보정값을 제어 장치 내에 저장하고, 상기 보정값을 다음의 차량 시동 시 호출하는 것이다. 예를 들어 차량의 보수 정비 시와 같이 정기적 시간 간격으로 새로운 보상을 계획하고, 다음 차량 작동을 위해 새로이 결정된 보정값을 사용하는 것도 가능하다.

또한, 주행 작동에서 보정값의 주기적 결정을 생각할 수 있고, 시스템은 예를 들어 노즐의 오염과 같은 분사 밸브 특성의 단기적 변화에 반응할 수 있고, 실린더 개별적으로 분사량을 새로운 상황에 적응시킬 수 있다.

차량의 제작 직후 차량 생산자에 의해 실행된 보상은 특히 바람직하다.

본 발명에 따른 방법의 다른 일 실시예는 0.7 < 람다 < 4의 구간에서 람다값을 연속값으로 검출하는 것을 가능케 하는 광역(broadband) 산소 센서가 사용되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 방법의 특히 바람직한 구성에서 특성 곡선 바운스를 갖는 람다 센서인 이른바 지르코니아 산소 센서가 사용된다. 지르코니아 산소 센서가 람다 = 1에서 특성 곡선 바운스를 포함하기 때문에, 즉 광역 산소 센서와 대조적으로 람다의 연속값 검출을 허용하지 않기 때문에, 상기 비용 효과적인 형태의 센서 사용에 있어서 람다값의 변화는, 예를 들어 람다 조절기의 조절 편차로부터 분사량의 변화에 따라 간접적으로 결정되어야 한다.

본 발명에 따른 방법의 다른 변형예는, 수직 시험 계획을 기초로 하는 회귀 다항식(regression polynom)의 차수가 람다에 따라 선택되는 것을 제공하는 것이다. 낮은 차수의 회귀 다항식과의 보상 경과에 따라 소정의 람다값이 충분히 정밀하게 조절될 수 없으면, 보상 방법의 정밀도를 개선하기 위해 고차 회귀 다항식을 선택하는 것이 본 실시예에서 가능하다.

특히 차량의 엔진 제어 장치용으로 제공되는 컴퓨터 프로그램의 형태로 본 발명에 따른 방법을 구현하는 것은 특히 중요하다. 이 때, 컴퓨터 프로그램은 특히 마이크로 프로세서 상에서 실행 가능하고, 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위해 적합하다. 상기의 경우에 본 발명은 컴퓨터 프로그램을 통해 구현됨으로써, 상기 컴퓨터 프로그램은 동일한 방식으로 컴퓨터 프로그램이 상기 방법의 실행에 적합한 방법으로 본 발명을 설명한다. 상기 컴퓨터 프로그램은 전기적 저장 매체, 예를 들어 플래시 메모리 또는 ROM 상에 저장될 수 있다.

이하, 본 발명의 다른 특징, 적용 가능성 및 장점은 본 발명의 실시예에 설명되고, 도면에 도시된다. 그밖에, 모든 설명되거나 또는 도시되는 특징들은 그 자체 또는 임의의 조합으로 본 발명의 대상을 청구범위 또는 그 인용관계의 연관성으로부터 독립적으로 그리고 명세서 또는 도면의 설명 또는 기술로부터 독립적으로 형성한다.

도1에는 실린더(3) 내에서 피스톤(2)이 왕복 운동 가능한 차량의 엔진(1)이 도시되어 있다. 실린더(3)에는 특히 피스톤(2), 흡기 밸브(5) 및 배기 밸브(6)를 통해 한정되는 연소실(4)이 제공된다. 흡기관(7)이 흡기 밸브(5)와, 그리고 배기관(8)이 배기 밸브(6)와 연결된다.

흡기 밸브(5) 및 배기 밸브(6)의 영역에서 분사 밸브(9) 및 점화 플러그(10)는 연소실(4) 내로 돌출한다. 또한, 분사 밸브(9)는 흡기관(7) 내에 배치될 수 있다.

연료는 분사 밸브(9)를 통해 연소실(4)로 분사될 수 있다. 연료는 점화 플러그(10)에 의해 연소실(4) 내에서 점화될 수 있다.

흡기관(7) 내에는 흡기관(7)에 공기 유입을 가능케 하는 회전 가능한 스로틀 밸브(11)가 배치된다. 유입된 공기량은 스로틀 밸브(11)의 각위치에 따른다. 각각의 실린더(3)의 배기관은 촉매 컨버터(12) 이전에 합류하여, 람다 센서(13)가 설치된 배기관(8)을 형성한다. 촉매 컨버터(12)는 연료의 연소를 통해 생성된 배기 가스의 정화에 사용되고, 람다 센서(13)는 배기관(8) 내의 공연비를 검출한다.

엔진(1) 작동 중에, 연료는 각각의 실린더(3)의 분사 밸브(9)를 통해 해당 연소실(4)로 분사된다. 점화 플러그(10)에 의해 연소실(3) 내에서 연소가 발생하고, 이에 의해 피스톤(2)이 왕복 운동된다. 상기 왕복 운동은 도시되지 않은 크랭크축으로 전달되고, 이 축상으로 토크가 가해진다.

제어 장치(15)는, 센서에 의해 측정된 엔진(1)의 작동 변수를 나타내는 입력 신호(16)에 의해 작동된다. 예를 들어 제어 장치(15)는 공기량 측정 센서, 회전수 센서 및 람다 센서(13)와 연결된다. 또한, 제어 장치(15)는 신호를 발생하는 가속 페달 센서와 연결되고, 상기 신호는 운전자에 의해 조작 가능한 가속 페달의 위치 및 요구되는 토크를 결정한다. 제어 장치(15)는 엑추에이터 또는 조절기를 통해 엔진(1) 상태에 영향을 미칠 수 있는 출력 신호(17)를 발생한다. 예를 들어 제어 장치(15)는 분사 밸브(9), 점화 플러그(10) 및 스로틀 밸브(11) 등과 연결되고, 제어에 필요한 신호를 발생한다.

무엇보다도 제어 장치(15)는 엔진(1)의 작동 변수를 제어 및/또는 조절하도록 제공된다. 예를 들어 분사 밸브(9)에 의해 연소실(4)로 분사되는 연료량은 제어 장치(15)에 의해 특히 적은 연료 소비 및/또는 적은 유해 물질 발생을 고려하여 제어 및/또는 조절된다. 이런 목적으로 제어 장치(15)에는 마이크로 프로세서가 제공되고, 상기 마이크로 프로세서는 저장 매체 특히 플래시 메모리 내에 상술된 제어 및/또는 조절을 실행하는데 적합한 컴퓨터 프로그램을 저장한다.

도2에는 엔진의 개별 실린더 분사량 보상을 위한 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예의 흐름도가 도시되어 있고, 상기 흐름도는 세 개의 방법 단계 (a), (b), (c)를 포함한다.

도2의 방법 단계 (a)는 수직 시험 계획의 처리를 포함하고, 첫 번째 네 단계(a1 내지 a4)는 예를 들어 도3의 표에 도시된다.

전체 시험 계획은 (도시되지 않은) N 단계를 포함하고, 예를 들어 선택된 4기통 엔진(1)의 실린더 수에 상응하게 네 개의 영향 변수(Z1 내지 Z4)를 포함하고, 상기 각각의 영향 변수는 해당 출력 변수(L_ai (i=1,..,N))에 영향을 미친다.

영향 변수(Zk (k=1,..,N))는 실린더(k)의 분사량, 즉 시험 계획의 범주 내에서 실린더(k)에 유입되는 연료량을 나타낸다.

출력 신호(L_ai)는 충분히 긴 시간을 통해 평균되고, 람다 센서(13)에 의해 배기관(8) 내에서 측정된 수직 시험 계획 단계(i (i=1,..,N))의 람다값에 상응한다.

수직 시험 계획의 목적은 가능한 한 적은 단계에서 배기관(8) 내의 람다값과각각의 실린더(3)의 분사량 사이의 분석 관계를 결정하는 것이다.

이에 다항식 정리의 사용 하에 2차 회귀 함수가 형성되고, 상기 함수는 분사량의 함수로서 람다를 모델화한다.

배기관(8) 내의 람다값에 대한 2차 회귀 다항식의 부분은 네 개의 실린더(3)의 분사량의 함수로서 다음에 제시되고, 고차 항의 개요 목적으로 인자(Z1)를 포함하는 것만 설명된다.

람다(Z1, Z2, Z3, Z4) = b0 + b1*Z1 + b2*Z2 + b3*Z3 + b4*Z4 + b11*Z1*Z1 + b12*Z1*Z2 + b13*Z1*Z3 + b14*Z1*Z4 + ....

미지의 계수(bi (i=0,..,N), bij (i,j=1,..,N, i<j) 및 bii (i=1,..,N))를 결정할 수 있도록 시험 계획의 N+1 단계가 실행되어야 한다.

단계(ai)는 도3에 도시된 도표 (Z1, Z2, Z3, Z4)에 네 개의 실린더(3)에 대한 분사량을 변화시키는 것이다. 그 후, 이 변화에 따라 조절되는 람다값(L_ai)이 검출된다.

분사량의 변화는 "+" 또는 "-"를 통해 심볼화되고, "+"는 예를 들어 4% 만큼의 상응하는 실린더(3)의 분사량의 증가, 그리고 "-"는 동일값의 감소를 나타낸다. 분사량의 상기 변화에 대한 출력값으로서 엔진(1)의 정상 작동을 위해 제어 장치(15)에 의해 사전 설정된 값이 사용된다.

예를 들어 도3으로부터 단계(a1)의 첫 번째 세 개의 실린더는 96%의 분사량을 공급하지만, 네 번째 실린더는 104%를 포함한다. 할당된 람다값(L_a1)은 예를 들어 1.03으로 결정된다. 이는 다음의 공식으로 나타내어진다.

L_a1 = 103% = b0 + b1*96% + b2*96% + b3*96% + b4*104% + 0(Z*Z)

개요 때문에 차수 Z*Z의 항은 합계 O(Z*Z)에 요약된다.

상술된 종류의 N+1 등식을 제공하는 시험 단계에 대해 충분히 큰 수 N+1에서 회귀 다항식의 계수(bi, bij, bii)가 결정될 수 있다.

통상적으로 복수의 계수 특히 고차항의 계수는 무시될 수 있고, 이를 통해 계산의 복잡함이 간소화되며, 즉 계수를 결정하기 위해 모든 N 시험 단계가 실행될 필요는 없다.

회귀 다항식의 계수 람다(Z1, Z2, Z3, Z4)를 인식한 상태에서, 본 발명에 따른 보상 방법의 도2의 방법 단계 (b)에서 각각의 실린더(3) 분사량에 대한 보정값이 결정될 수 있다. 상기 보정값은 람다(Z1, Z2, Z3, Z4) = 1의 등식의 해답으로서 결정된 분사량 및 제어 장치(15)에 의해 사전 설정된 분사량으로부터의 차이에 상응한다.

도2의 방법 단계 (c)는 각각의 실린더(3)에 대해 보정값의 사용 하에 제어 장치(15)에 의해 사전 설정된 분사량을 보상한다.

또한, 각각의 분사량의 보정을 통해 분사 밸브의 매우 큰 편차 특성이 보상될 수 있기 때문에, 상기 보상을 통해 매우 큰 허용 공차를 갖는 가격이 더욱 저렴한 분사 밸브를 사용하는 것이 가능하다.

고차 회귀 다항식이 선택됨으로써 보상 정밀도는 증가할 수 있다. 또한, 회귀 다항식의 차수의 선택은 람다-조절기의 조절 상태에 따라 수행된다.

람다값 측정은 람다 = 0.7과 람다 = 4 사이의 구간 내에서 람다의 연속값 검출을 가능케 하는 광역 산소 센서(13)에 의해 수행된다.

또한, 람다값 측정은 람다 = 1에서 특성 곡선이 바운스를 포함하는 지르코니아 산소 센서에 의해 수행된다. 지르코니아 산소 센서는 람다의 연속값 검출을 허용하지 않고, 람다 ≤ 0에서 람다 = 0으로의 전환부의 검출만을 가능케 하고 그 역도 가능케 한다.

람다를 이러한 지르코니아 산소 센서를 이용하여 결정하기 위해, 예를 들어 이른바 희박 작동(람다 > 1)에서 제1 람다값을 기초로 하는 분사량은 다음의 람다 바운스가 나타날 때까지, 즉 람다 > 1로부터 람다 < 1로의 변환이 발생할 때까지 증가되어야 한다.

이를 위해 필요한 분사량 상승은 제1 람다값에 대한 척도이다.

본 발명에 따른 보상 방법의 도2의 방법 단계 (b)에서 결정되는 보정값은 제어 장치(15) 내에 저장되어 차량의 시동 시에 호출되어 분사량 보정을 위해 사용될 수 있다.

보정값은 예를 들어 제어 장치에서 작동 변수의 저장을 위해 자주 사용되는 EEPROM-메모리 내에 저장될 수 있다.

보상 방법의 제1 실행은 차량의 제작 직후에 달성될 수 있다. 또한, 보상 시 분사 시스템 내의 단기 변화를 고려하기 위해, 보상 방법이 주행 작동에서 또는 유지 보수 시에 주기적으로 실행되는 것도 가능하다.

Claims (11)

1. 연료가 엔진(1)의 실린더(3)로 분사되고, 각각의 실린더(3)로 분사되는 연료량이 보상되고, 엔진 배기관(8) 내의 람다값이 결정되는, 특히 차량 엔진(1) 작동 방법에 있어서,

   (a) 제어 장치(3)에 의해 사전 설정된 분사량은 수직 시험 계획을 따라 각각의 실린더(3)에 대해 변화되고 시험 계획의 각각의 단계에 따라 배기 가스의 람다값이 결정되고,

   (b) 결정된 람다값으로부터 시험 계획의 진행에 따라 각각의 실린더(3)의 분사량에 대한 보정값이 결정되고,

   (c) 보정값은 제어 장치(15)에 의해 사전 설정된 분사량의 보상을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 차량 엔진 작동 방법.
2. 제1항에 있어서, 보정값은 제어 장치(3) 내에 저장되어 차량의 시동 시에 호출되고 엔진(1)의 작동을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 차량 엔진 작동 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 보정값은 차량 제작 직후 결정되는 것을 특징으로 하는 차량 엔진 작동 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 보정값은 주행 작동 중에 주기적으로 결정되는 것을 특징으로 하는 차량 엔진 작동 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 광역 산소 센서(13)가 사용되는 것을 특징으로 하는 차량 엔진 작동 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 지르코니아 산소 센서(13)가 사용되는 것을 특징으로 하는 차량 엔진 작동 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 수직 시험 계획의 기초가 되는 회귀 다항식의 차수는 람다값에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 차량 엔진 작동 방법.
8. 특히 차량의 엔진(1) 제어 장치(15)용 컴퓨터 프로그램에 있어서,

   제1항 내지 제7항 중 어느 항에 따른 방법의 실행을 위해 적합한 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램.
9. 제8항에 있어서, 전기적 저장 매체 특히 플래시 메모리 또는 ROM 상에 저장되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램.
10. 연료가 엔진(1)의 실린더(3)로 분사 가능하고, 각각의 실린더로 분사되는 연료량이 보상 가능하고, 엔진(1)의 배기관(8) 내의 람다값이 결정 가능한 특히 차량 엔진(1) 제어 장치에 있어서,

    제어 장치(15)에 의해 사전 설정된 분사량은 수직 시험 계획에 따라 변화 가능하고, 시험 계획의 각각의 단계에 따라 배기 가스의 람다값이 결정 가능하고, 결정된 람다값으로부터 시험 계획의 진행에 따라 각각의 실린더(3)의 분사량에 대한 보정값이 결정 가능하고, 보정값은 제어 장치(15)에 의해 사전 설정된 분사량의 보상을 위해 사용 가능한 것을 특징으로 하는 차량 엔진 제어 장치.
11. 연료가 엔진(1) 실린더(3)로 분사 가능하고, 각각의 실린더로 분사되는 연료량이 보상 가능하고, 엔진(1)의 배기관(8) 내의 람다값이 결정 가능한 특히 차량 엔진(1)에 있어서,

    제어 장치(15)에 의해 사전 설정된 분사량은 수직 시험 계획에 따라 변화 가능하고, 시험 계획의 각각의 단계에 따라 배기 가스의 람다값이 결정 가능하고, 결정된 람다값으로부터 시험 계획의 진행에 따라 각각의 실린더(3)의 분사량에 대한 보정값이 결정 가능하고, 보정값은 제어 장치(15)에 의해 사전 설정된 분사량의 보상을 위해 사용 가능한 것을 특징으로 하는 차량 엔진.