KR20060042087A

KR20060042087A - 내연 기관용 점화 시기 제어

Info

Publication number: KR20060042087A
Application number: KR1020050013354A
Authority: KR
Inventors: 다까히로 요시노; 유우지 사사끼; 하쯔오 나가이시
Original assignee: 닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2006-05-12
Also published as: US7212909B2; EP1571331A1; KR100674536B1; CN1657767A; DE602005021837D1; CN100529383C; US20050197762A1; EP1571331B1

Abstract

내연 기관(1)은 실린더 내의 공기/연료 혼합물이 스파크 플러그(14)에 의한 점화로 인해 연소되게 한다. 엔진 제어기(50)는 엔진(1)의 작동 상태에 기초하여 실린더 내의 온도 및 압력을 계산(531)하고, 실린더 내의 온도 및 압력에 기초하여 노킹이 발생되지 않는 한계 점화 시기를 계산(54)하고, 노킹이 발생되지 않는 한계 점화 시기에 맞게 점화 플러그(14)의 점화 시기를 제어한다. 따라서, 점화 시기의 적절한 제어가 소수의 조절 단계에 의해 성취된다.

점화 시기 제어 장치, 제어기, 내연 기관, 실린더, 공기/연료 혼합물, 스파크 플러그

Description

내연 기관용 점화 시기 제어{IGNITION TIMING CONTROL FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

도1은 본 발명에 따른 엔진을 위한 점화 시기 제어 장치의 개략도.

도2a 내지 도2d는 연소 노킹 발생 기구를 도시하는 타이밍 차트.

도3은 본 발명에 따른 노킹 발생 지표의 맵의 특성을 도시하는 도면.

도4는 노킹 발생 지표에 기초하여 추정된 연소 노킹 발생 타이밍 그리고 연소 노킹 발생 타이밍에 대한 실제 측정값을 비교하는 도면.

도5는 본 발명에 따른 점화 시기 제어의 개요를 도시하는 블록도.

도6은 본 발명에 따른 노킹 발생 지표 계산 유닛의 구성을 도시하는 블록도.

도7은 본 발명에 따른 노킹 발생 지표 계산 블록의 구성을 도시하는 블록도.

도8은 본 발명에 따른 평균 실린더 온도 및 압력 계산 블록의 구성을 도시하는 블록도.

도9는 본 발명에 따른 실린더 체적 계산 블록의 구성을 도시하는 블록도.

도10은 본 발명에 따른 발열 계산 블록의 구성을 도시하는 블록도.

도11은 본 발명에 따른 위브 함수 상수 설정 블록에 의해 실행될 때 발열 시작 타이밍(BURN_ini) 및 실제의 연소 기간(BURN_r)을 계산하는 과정을 도시하는 블록도.

도12는 본 발명에 따른 열발생율 계산 블록에 의해 실행될 때 열발생율을 계산하는 과정을 도시하는 블록도.

도13은 본 발명에 따른 질량 연소율 계산 블록에 의해 실행될 때 질량 연소율(X_burn) 그리고 특성을 계산하는 질량 연소율(X_burn_r)을 계산하는 과정을 도시하는 블록도.

도14는 본 발명에 따른 제1 발열 계산 블록에 의해 실행될 때 사이클 당 실린더 당 발열량을 계산하는 과정을 도시하는 블록도.

도15는 본 발명에 따른 제2 발열 계산 블록에 의해 실행될 때 발열량(Q_burn)을 계산하는 과정을 도시하는 블록도.

도16은 본 발명에 따른 냉각 손실 계산 블록의 구성을 도시하는 블록도.

도17은 열전달 계수 계산 블록에 의해 실행될 때 열전달 계수(h)를 계산하는 과정을 도시하는 블록도.

도18은 본 발명에 따른 냉각 손실 계산 블록에 의해 실행될 때 냉각 손실(Q_loss)을 계산하는 과정을 도시하는 블록도.

도19는 본 발명에 따른 실린더 온도 및 압력 계산 블록의 구성을 도시하는 블록도.

도20은 본 발명에 따른 가스 특성 계산 블록에 의해 실행될 때 실린더 내의 가스의 특성을 계산하는 과정을 도시하는 블록도.

도21은 본 발명에 따른 총 가스 체적 계산 블록에 의해 실행될 때 총 가스 체적을 계산하는 과정을 도시하는 블록도.

도22는 본 발명에 따른 노킹 발생 지표 출력 블록의 구성을 도시하는 블록도.

도23은 본 발명에 따른 재설정 플래그 계산 블록에 의해 실행될 때 재설정 플래그를 설정하는 과정을 도시하는 블록도.

도24는 본 발명에 따른 미연소 가스 온도 계산 블록의 구성을 도시하는 블록도.

도25는 본 발명에 따른 적분 블록에 의해 실행될 때 노킹 발생 지표(idx_knocr)를 계산하는 과정을 도시하는 블록도.

도26은 본 발명에 따른 진각 보정 한계 계산 유닛의 구성을 도시하는 블록도.

도27은 본 발명에 따른 점화 시기 계산 유닛에 의해 실행될 때 점화 시기(ADV)를 계산하는 과정을 도시하는 블록도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

27, 28: VTC 기구

33: 크랭크 각도 센서

34: 캠 센서

35: 산소 센서

42: 가속기 페달 답지 센서

43: 흡기 공기 온도 센서

44: 흡기 공기 압력 센서

45: 배기 가스 온도 센서

46: 배기 가스 압력 센서

50: 엔진 제어기

본 발명은 내연 기관의 노킹을 방지하기 위한 점화 시기의 제어에 관한 것이다.

스파크 점화 내연 기관에서, 점화 시기는 연료 소비 및 엔진 출력에 영향을 주고, 부적절한 점화 시기는 노킹, 점화 불량 등을 가져온다.

보통, 점화 시기는 10-15°상사점 후(°ATDC: °After Top Dead Center)에서 최대 압력에 도달되는 방식으로 설정된다. 그러나, 점화 시기를 설정하는 기초로서 사용되는 최상 토크를 위한 최소 점화 진각(이하, "MBT": Minimum Spark Advance for Best Torque)은 엔진 회전 속도, 엔진 부하, 엔진에 공급된 혼합물의 공기/연료 비율, 배기 가스 재순환(EGR: Exhaust Gas Recirculation) 비율 그리고 다른 인자에 따라 변화된다.

따라서, 종래의 점화 시기 제어에서, 점화 시기는 다양한 작동 상태를 위해 고안된 보정값의 맵과 함께 엔진 회전 속도 및 엔진 부하에 대응하는 기본 점화 시기 맵을 사용함으로써 작동 조건에 따라 결정된다. 이러한 방법에서, 제어의 정확성을 개선시키기 위해, 맵의 개수뿐만 아니라 각각의 맵의 격자 밀도를 증가시키는 것도 필요하다. 결과적으로, 상당량의 예비 실험이 맵을 생성시키기 위해 요구된다.

반면에, 노킹이 노킹 센서에 의해 검출되고 노킹이 검출되면 점화 시기가 피드백 제어에 의해 지체되는 방법도 공지되어 있다. 그러나, 점화 시기는 노킹이 실제로 일어난 후 피드백 제어가 적용되므로, 제어 절차에서 지연이 존재한다.

1995년에 일본 특허청에 의해 허여된 (도까이 헤이) 제7-332149호는 크랭크 각도에 대한 실린더 내측의 압력 그리고 계산의 시작에 대응하는 크랭크 각도에서의 실린더 내의 가스의 온도로부터 실린더 내의 가스의 단열 압축을 가정하여 실린더 내측의 가스의 온도가 계산되는 방법을 개시하고 있다.

실린더 내측의 가스의 온도가 1200K 이상에 도달되면, 노킹이 일어날 것으로 생각된다. 여기에서, K는 절대 온도를 지시한다.

그러나, 이러한 종래 기술의 기술은 압력 센서에 의해 연소 챔버 내측의 압력을 결정하므로, 엔진의 작동 상태의 변화에 맞게 계산을 조절하는 것이 필요하여, 요구된 조절 단계의 개수는 매우 크다.

따라서, 본 발명의 목적은 소수의 조절 단계에 의해 점화 시기의 적절한 제어를 성취하는 것이다.

전술된 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 실린더 내측의 공기/연료 혼합물이 스파크 플러그에 의한 점화에 의해 연소되게 하는 내연 기관용 점화 시기 제어 장치를 제공한다.

이러한 장치는 엔진의 작동 상태에 기초하여 실린더 내의 온도 및 압력을 계산하도록, 실린더 내의 온도 및 압력에 기초하여 노킹이 발생되지 않는 한계 점화 시기를 계산하도록, 노킹이 발생되지 않는 한계 점화 시기에 맞게 점화 플러그의 점화 시기를 제어한다.

본 발명의 다른 특징 및 장점뿐만 아니라 세부 사항은 명세서의 잔여부에 기재되어 있으며 첨부 도면에 도시되어 있다.

도면들 중 도1을 참조하면, 차량을 위한 다중-실린더 스파크-점화 가솔린 엔진(1)은 흡기 컬렉터(2) 및 흡기 매니폴드(3A)를 통해 흡기 통로(3)로부터 각각의 실린더의 연소 챔버(5) 내로 공기를 흡입한다. 흡기 밸브(15) 및 연료 인젝터(21)는 연소 챔버(5)에 흡기 매니폴드(3A)를 연결시키는 흡기 포트(4) 내에 제공된다.

연소 챔버(5)는 배기 통로(8)에 배기 밸브(16)를 통해 연결된다.

연소 챔버(5)는 공통 크랭크 샤프트(7)에 연결되는 피스톤(6)의 왕복 운동에 따라 확대 및 수축된다. 엔진(1)은 흡기, 압축, 팽창 및 배기의 4개 행정을 반복하는 4-행정 사이클 엔진이다.

흡기 행정 중, 흡기 밸브(15)는 개방되고, 피스톤(6)은 배기 밸브(16)가 폐쇄된 상태에 있는 상태로 하강되고, 공기가 흡기 매니폴드(3A)로부터 연소 챔버(5) 내로 흡입된다. 연료 인젝터(21)는 실린더 내로 수용된 공기 내로 가솔린 연료를 분사한다. 연료는 연소 챔버(5) 내로 흡입되는 공기/연료 혼합물을 형성하도록 흡기 공기와 혼합된다.

후속의 압축 행정 중, 흡기 밸브(15) 및 배기 밸브(16)는 모두 폐쇄되고, 피스톤(6)은 상승된다. 결국, 연소 챔버(5) 내측에 둘러싸인 혼합물은 압축된다.

엔진(1)은 압축된 공기/연료 혼합물을 점화시키는 점화 장치(11)를 포함한다.

점화 장치(11)는 배터리로부터의 전기 에너지를 저장하는 점화 코일(13), 온 및 오프로 점화 코일(13)의 제1 측면으로의 파워의 공급을 스위칭하는 파워 트랜지스터 그리고 연소 챔버(5) 내로 대면하며 제1 측면으로의 파워가 오프로 스위칭될 때 점화 코일(13)의 제2 측면 내에 발생된 높은 전압에 따라 전기 스파크 방전을 야기하는 스파크 플러그(14)를 포함한다.

스파크 플러그(14)는 압축 행정의 상사점 약간 전에 스파크 방전을 야기하고, 이러한 스파크에 의해 점화된 공기/연료 혼합물은 연소되고, 그로 인한 화염은 전개되고, 최종적으로 폭발이 야기된다.

후속의 팽창 행정에서, 연소된 가스의 압력은 하향으로 피스톤(6)을 가압하여, 크랭크 샤프트(7)가 회전되게 한다. 흡기 밸브(15) 및 배기 밸브(16)는 팽창 행정이 끝날 때까지 폐쇄된 상태로 유지된다.

후속의 배기 행정에서, 피스톤(6)은 재상승되고, 흡기 밸브(15)는 폐쇄된 상태로 유지되고, 배기 밸브(16)는 개방된다. 상승된 피스톤(6)은 배기 밸브(16)를 통해 배기 통로(8) 내로 연소된 가스를 배출시킨다. 피스톤(6)이 상사점에 도달될 때, 4-행정 사이클은 완료되며 다음의 4-행정 사이클은 시작된다. 엔진(1)의 2회 회전 중, 전술된 4-행정 사이클은 실린더들 사이의 소정의 위상차에서 각각의 실린 더 내에서 1회 수행된다.

엔진(1)은 흡기 공기의 유속을 조정하는 전자 드로틀(22)을 갖는다. 전자 드로틀(22)은 흡기 통로(3) 내에 제공된 드로틀 본체(23) 그리고 드로틀 본체(23)를 구동시키는 드로틀 모터(24)를 포함한다.

각각이 내장된 3-방향 촉매를 갖는 한 쌍의 3-방향 촉매 컨버터(9)는 엔진(1)의 배기 통로(8) 내에 제공된다. 연소되는 공기/연료 혼합물의 이론적인 공기/연료 비율에 집중된 협소한 범위 내에서, 3-방향 촉매는 배기 가스 내의 질소 산화물(NOx)의 재순환과 병행하여 탄화수소(HC) 및 탄소 일산화물(CO)의 산화를 촉진시킨다.

흡기 밸브(15)는 캠 샤프트(25) 상에 설치된 캠에 의해 구동된다. 캠 샤프트(25)는 체인 및 밸브 타이밍 제어(VTC: valve timing control) 기구(27)에 의해 크랭크 샤프트(7)에 커플링된다. VTC 기구(27)는 크랭크 샤프트(7)의 회전의 각도에 따라 흡기 밸브(15)의 개폐 타이밍을 연속적으로 변화시키는 기능을 갖는다.

배기 밸브(16)는 캠 샤프트(26) 상에 설치된 캠에 의해 구동된다. 캠 샤프트(26)는 체인 및 밸브 타이밍 제어(VTC: valve timing control) 기구(28)에 의해 크랭크 샤프트(7)에 커플링된다. VTC 기구(28)는 크랭크 샤프트(7)의 회전의 각도에 따라 배기 밸브(16)의 개폐 타이밍을 연속적으로 변화시키는 기능을 갖는다.

흡기 드로틀(23)의 개방의 정도, 연료 인젝터(21)에 의해 분사된 연료량 그리고 분사 타이밍, VTC 기구(27)에 의한 흡기 밸브의 개폐 타이밍의 제어, VTC 기구(28)에 의한 배기 밸브의 개폐 타이밍의 제어, 그리고 스파크 플러그(14)의 점화 시기는 모두 엔진 제어기(50)에 의해 제어된다.

엔진 제어기(50)는 중앙 처리 유닛(CPU: central processing unit), 판독 전용 메모리(ROM: read-only memory), 임의 접근 메모리(RAM: random access memory) 및 입력/출력 인터페이스(I/O interface)를 포함하는 마이크로컴퓨터에 의해 구성된다. 복수개의 마이크로컴퓨터에 의해 엔진 제어기(50)를 구성하는 것이 가능하다.

다양한 검출값이 입력 신호로서 엔진 제어기(50)에 입력된다. 이들 검출값은 엔진(1) 내의 흡기 공기의 유속을 검출하는 공기 유량계(32), 크랭크 샤프트(7)의 회전 속도 및 위치를 검출하는 크랭크 각도 센서(33), 흡기 캠의 회전 위치를 검출하는 캠 센서(34), 가속기 페달(41)의 답지량을 검출하는 가속기 페달 답지 센서(42), 3-방향 촉매 컨버터(9)의 상류 위치에서 배기 통로(8) 내의 배기 가스의 산소 농도를 검출하는 한 쌍의 산소 센서(35), 흡기 컬렉터(2) 내의 흡기 공기의 온도를 검출하는 흡기 온도 센서(43), 흡기 컬렉터(2) 내측의 흡기 공기의 압력을 검출하는 흡기 압력 센서(44), 3-방향 촉매 컨버터(9)의 상류 위치에서 배기 통로(8) 내의 배기 온도를 검출하는 배기 온도 센서(45) 그리고 3-방향 촉매 컨버터(9)의 상류 위치에서 배기 통로(8) 내의 배기 압력을 검출하는 배기 압력 센서(46)에 의해 공급된다.

엔진 제어기(50)는 다음의 방식으로 흡기 드로틀(23)의 개방의 정도를 제어한다.

엔진 제어기(50)는 가속기 페달 답지 센서(42)로부터의 신호에 기초하여 타 겟 토크를 특정하고, 다음에 이러한 타겟 토크를 성취하기 위해 타겟 공기 체적을 특정한다. 엔진 제어기(50)는 이러한 타겟 공기 체적이 얻어지는 방식으로 드로틀 모터(24)를 통해 드로틀(23)의 개방의 정도를 제어한다.

엔진 제어기(50)는 다음의 방식으로 VTC 기구(27)에 의해 흡기 밸브 개폐 타이밍 그리고 VTC 기구(28)에 의해 배기 밸브 개폐 타이밍을 제어한다.

흡기 밸브(15)의 개폐 타이밍 그리고 배기 밸브(16)의 개폐 타이밍이 변경될 때, 연소 챔버(5) 내측에 남아 있는 불활성 가스량은 그에 따라 변화된다. 연소 챔버(5) 내측의 불활성 가스량이 크면 클수록, 펌핑 손실 및 연료 소비는 작아진다. 연소 챔버(5) 내의 불활성 가스의 바람직한 잔여량은 엔진(1)의 회전 속도 및 부하에 따라 미리 설정된다. 불활성 가스의 잔여량이 결정된 때, 흡기 밸브(15)의 폐쇄 타이밍 그리고 배기 밸브(16)의 폐쇄 타이밍은 결정된다. 여기에서, 엔진 제어기(50)는 크랭크 각도 센서(33)에 의해 측정될 때의 엔진(1)의 회전 속도 그리고 가속기 페달 답지 센서(42)에 의해 결정될 때의 엔진 부하를 나타내는 가속기 페달의 답지량에 따라 흡기 밸브(15) 및 배기 밸브(16)에 대해 타겟 폐쇄 타이밍을 결정한다. 엔진 제어기(50)는 이들 타겟 폐쇄 타이밍이 성취되는 방식으로 VTC 기구(27, 28)를 제어한다.

엔진 제어기(50)는 다음의 방식으로 연료 인젝터(21)에 의한 연료의 분사를 제어한다.

엔진 제어기(50)는 공기 유량계(32)에 의해 측정된 흡기 공기 체적으로부터 엔진(1)의 4-행정 사이클 중 바꿔 말하면 엔진(1)의 720°회전마다 각각의 실린더 내로 수용될 공기의 체적을 계산한다.

3-방향 촉매 컨버터(9)가 바람직한 반응 효율을 표시하기 위해, 화학양론적 공기/연료 비율의 부근에서 공기/연료 비율을 유지하는 것이 필요하다. 따라서, 엔진 제어기(50)는 공기/연료 혼합물이 이론적인 공기/연료 비율의 부근에서 설정되는 타겟 공기/연료 비율을 갖는 방식으로 공기 흡기 체적으로부터 타겟 연료 분사 체적을 계산한다. 엔진 제어기(50)는 타겟 연료 분사량에 기초하여 연료 인젝터(21)에 의해 분사된 연료량을 제어하고, 동시에 산소 센서(35)에 의해 결정될 때의 배기 가스 내의 산소 농도로부터 연소된 공기/연료 혼합물의 실제의 공기/연료 비율을 계산한다. 엔진 제어기(50)는 실제의 공기/연료 비율이 타겟 공기/연료 비율과 일치되는 방식으로 타겟 연료 분사량의 피드백 보정을 수행한다.

엔진 제어기(50)는 연료가 소정의 타겟 분사 타이밍에서 각각의 실린더 내로 분사되는 방식으로 크랭크 각도 센서(33)에 의해 결정된 크랭크 각도 그리고 캠 센서(34)에 의해 결정될 때의 캠의 회전의 각도에 기초하여 각각의 연료 분사기(21)의 분사 타이밍을 제어한다.

엔진 제어기(50)는 다음의 방식으로 스파크 플러그(14)의 점화 시기를 제어한다.

엔진 제어기(50)는 크랭크 각도 센서(33)에 의해 결정될 때의 크랭크 각도 그리고 캠 센서(34)에 의해 결정될 때의 캠의 회전의 각도에 기초하여 각각의 실린더 내의 압축의 상사점 약간 전에 설정된 타겟 점화 시기를 결정한다. 각각의 실린더에서, 스파크 플러그(14)는 점화 장치(11)의 파워 트랜지스터를 통해 점화 코 일(13) 내의 제1 전류를 차단함으로써 각각의 타겟 점화 시기에서 스파크로 점화되게 한다.

다음에, 본 발명의 주요 제재인 타겟 점화 시기를 결정하는 과정을 설명하기로 한다.

우선, 도2a 내지 도2d 그리고 도3a 및 도3b를 참조하여 타겟 점화 시기 특정 과정의 개요를 설명하기로 한다. 도2a 내지 도2d에서, 수직축의 위치는 압축 상사점(CTDC: compression top dead center)에 대응한다.

공기/연료 혼합물의 연소가 스파크 플러그(14)에 의한 점화로 인해 시작될 때, 열발생율은 도2a에 도시된 바와 같이 급격하게 증가된다. 나아가, 도2b에 도시된 실린더 내의 내부 온도 그리고 도2c에 도시된 실린더 내의 내부 압력도 증가된다.

여기에서, 점화에 의해 생성된 화염이 전파되기 전 압축된 공기/연료 혼합물의 조기 점화가 압축의 열로 인해 일어나면, 소위 "연소 노킹(combustion knock)"이 엔진(1)에서 일어나고, 실린더의 내부 압력은 도2c에 도시된 바와 같이 변동된다. 연소 노킹이 엔진(1)을 손상시키므로, 엔진 제어기(50)는 연소 노킹을 방지하기 위해 스파크 플러그(14)의 점화 시기를 제어함으로써 노킹 제어를 수행한다.

압축된 공기/연료 혼합물이 압축의 열로 인한 자기 점화에 도달될 때까지 요구된 시간은 자기 점화 기간(tau)으로 불린다. 이러한 자기 점화 기간(tau)은 점화 온도 및 압력의 인자로서 표현된다. 자기 점화 기간의 역수 즉 1/tau은 점화 지연으로 불린다.

도2d에 도시된 바와 같이, 본 발명의 발명자는 연소 노킹이 점화 지연(1/τ)의 시간 적분(

)이 1이 될 때 일어난다는 것을 발견하였다.

도3은 실린더 내의 온도 그리고 실린더 내의 압력의 인자로서 압축 행정 중 점화 지연(1/τ)의 변동을 도시하는 맵이다. 점화 지연(1/τ)은 두꺼운 곡선에 의해 지시된다. 시간에 의한 이러한 곡선의 적분은 시간 적분값(

)을 제공한다. 여기에서, 시간 적분은 곡선의 상부 우측 단부에서 1과 동등하다. 다음의 설명에서, 시간 적분(

)은 노킹 발생 지표로 불린다.

도4는 전술된 방법에 의해 추정된 연소 노킹 타이밍과 노킹 센서를 사용하여 실제로 측정된 연소 노킹 타이밍 사이에서 본 발명의 발명자에 의해 수행된 비교의 결과를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 노킹 발생 지표에 기초하여 연소 노킹 타이밍을 추정하는 방법은 실제로 측정된 연소 노킹 타이밍과 거의 완전히 일치된다.

노킹 발생 지표는 도3a에 도시된 바와 같이 실린더 내의 압력 그리고 실린더 내의 온도에 기초하여 설정된다. 실린더 내의 압력 및 온도는 엔진의 실린더 내의 가스의 상태와 관련된 가장 기본적인 양이므로, 이들 인자에 의해 결정된 노킹 발생 지표(

)는 엔진의 형태와 무관하게 거의 균일한 특성을 갖는다.

엔진의 워밍-업 상태 또는 환경 조건 등의 인자가 실질적으로 어떠한 영향도 주지 않으므로, 노킹 발생 지표를 사용함으로써 높은 정도의 정확성으로써 실시간 으로 연소 노킹 타이밍을 추정하는 것이 가능하다.

다음에, 도5를 참조하여, 본 발명에 따른 노킹 발생 지표(

)에 기초한 점화 시기의 제어를 설명하기로 한다. 이러한 도면에 도시된 모든 블록은 제어기(50)의 기능을 설명하는 목적을 위한 가상 유닛이고, 물리적인 실체로서 존재하지 않는다.

도5를 참조하면, 작동 조건 결정 유닛(51)은 엔진(1)의 작동 조건과 관련된 변수를 결정하고, 기본 점화 시기 계산 유닛(52)은 이들 변수에 기초하여 연료 인젝터(21)를 위한 기본 점화 시기(MBTCAL)를 계산한다. 기본 점화 시기 계산 유닛(52)은 연소율 계산 서브-유닛(521), 연소 기간 계산 서브-유닛(522) 및 기본 점화 시기 계산 서브-유닛(523)을 포함한다.

미국 특허 제6,557,526호는 엔진(1)의 작동 조건에 기초하여 연소 챔버 내의 정상 연소의 경우에 공기/연료 혼합물을 위한 연소율, 연소 기간 및 기본 점화 시기를 계산하는 방법을 개시한다. 작동 조건 결정 유닛(51) 그리고 연소율 계산 서브-유닛(521), 연소 기간 계산 서브-유닛(522) 및 기본 점화 시기 계산 서브-유닛(523)을 포함한 기본 점화 시기 계산 유닛(52)은 각각의 항목을 계산하도록 이러한 공지된 계산 방법을 적용한다.

기본 점화 시기 계산 유닛(52)에 의해 계산된 기본 점화 시기(MBTCAL)는 미국 특허 제6,557,526호의 최상 토크를 위한 최소 점화 진각(MBT)에 대응한다.

노킹 발생 지표 계산 유닛(53)은 노킹 발생 지표를 계산한다.

진각 보정 한계 계산 유닛(54)은 노킹 발생 지표가 1이 되는 크랭크 각도를 계산한다. 이러한 크랭크 각도는 점화 시기를 위한 진각 보정 한계에 대응한다.

도6을 참조하여, 노킹 발생 지표 계산 유닛(53)의 구성을 설명하기로 한다. 엔진 제어기(50)는 엔진(1)의 작동 중 소정의 크랭크 각도(delta_theta)의 간격에서 후술된 바와 같은 계산 과정을 실행한다.

기본 점화 시기(MBTCAL), 크랭크 각도 간격(delta_theta) 및 노킹 발생 지표 계산 시작 요청(JOB_REQ)은 노킹 발생 지표 계산 유닛(53)에 입력된다.

노킹 발생 지표 계산 시작 요청(JOB_REQ)은 부울값(boolean value)이고, 크랭크 각도가 기본 점화 시기(MBTCAL)와 일치될 때, 0의 초기값으로부터 1로 변화된다.

노킹 발생 지표 계산 유닛(53)은 비교기(53001, 53004, 53005, 53006), 계수기(53002), 크랭크 각도 계산 블록(53003), AND 회로(53007, 53008) 및 노킹 발생 지표 계산 블록(530)을 포함한다.

노킹 발생 지표 계산 시작 요청(JOB_REQ)은 비교기(53001)에 입력된다. 동시에, 엔진 제어기(50)의 메모리 내에 저장된 노킹 발생 지표 계산 시작 요청(JOB_REQ)의 이전값은 비교기(53001)에 입력된다. 블록도의 Z ¹ 은 이전값을 지시한다.

비교기(53001)는 이전값과 노킹 발생 지표 계산 시작 요청(JOB_REQ)을 비교하고, 이전값이 노킹 발생 지표 계산 시작 요청(JOB_REQ)보다 크면, 1의 값을 출력 하고, 그렇지 않으면 0의 값을 출력한다. 이러한 블록도에서, 비교기(53001)로의 입력값은 2개의 평행한 화살표에 의해 지시된다. 이들 중에서, 상부 화살표에 의해 나타낸 입력값은 부등호 기호의 좌측 상에 놓이고, 하부 화살표에 의해 표현된 입력값은 부등호 기호의 우측 상에 놓인다.

또한, 전술된 관계는 다른 비교기에서의 입력값 및 비교 과정을 위해 사용된다.

비교기(53001)로부터의 출력은 노킹 발생 지표 계산 시작 요청(JOB_REQ)이 1이고 이전값(Z ¹ )이 0인 경우에 바꿔 말하면 노킹 발생 지표 계산 시작 요청이 처음으로 하달될 때 단지 1 이다. 노킹 발생 지표 계산 시작 요청(JOB_REQ)이 1에서 유지되면, 비교기(53001)의 출력은 0이 된다.

계수기(53002)는 비교기(53001)로부터의 비교 결과가 1이면 1의 값을 출력한다. 비교기(53001)로부터의 출력이 0이면, 계수기(53002)는 계수기(53002)의 이전의 출력값에 1을 가산함으로써 얻어진 값을 출력한다. 따라서, 노킹 발생 지표 계산 시작 요청(JOB_REQ)이 1의 상태에서 계속되면, 계수기(53002)의 출력값(i)은 계산 과정이 수행될 때마다 1의 값만큼 증분된다.

크랭크 각도 계산 블록(53003)은 비교기(53001)의 출력이 1일 때 크랭크 각도(CA_calc)에 대한 초기값으로서 기본 점화 시기(MBTCAL)를 출력한다. 비교기(53001)의 출력이 0이면, 크랭크 각도 계산 블록(53003)은 크랭크 각도의 이전값(Z ¹ )에 크랭크 각도 간격(delta_theta)을 가산하며 크랭크 각도(CA_calc)로서 그로 인한 값을 출력한다. 바꿔 말하면, 비교기(53001)의 출력이 0에서 계속되기만 하면, 크랭크 각도 계산 블록(53003)은 엔진 제어기(50)가 계산 과정을 실행할 때마다 크랭크 각도 간격(delta_theta)만큼 크랭크 각도(CA_calc)를 증분한다.

크랭크 각도(CA_calc) 및 계수기 출력값(i)은 처리된 크랭크 각도[CA_calc(i)]로서 노킹 발생 지표 계산 블록(530)에 입력된다.

노킹 발생 지표 계산 블록(530)은 처리된 크랭크 각도[CA_calc(i)]로부터 노킹 발생 지표(

) 및 질량 연소율(X_burn)을 계산한다. 관련된 계산은 상세하게 후술된다. 노킹 발생 지표 계산 블록(530)의 계산 결과는 계수기 출력값[i, idx_knocr(i)] 및 질량 연소율[X_burn(i)]과 조합된 노킹 발생 지표의 형태로 출력된다.

비교기(53004)는 1.0의 값과 노킹 발생 지표[idx_knocr(i)]를 비교한다. 노킹 발생 지표[idx_knocr(i)]가 1.0보다 작으면, 비교기(53004)는 1의 값을 출력한다. 노킹 발생 지표[idx_knocr(i)]가 1.0에 도달되면, 0의 값을 출력한다.

비교기(53005)는 연소의 종료 시의 연소율(X_burn_end)과 질량 연소율[X_burn(i)]을 비교한다. 연소의 종료 시의 연소율(X_burn_end)은 여기에서 60%로 설정된다. 질량 연소율[X_burn(i)]이 연소의 종료 시의 연소율(X_burn_end)보다 작으면, 비교기(53005)는 1의 값을 출력한다. 질량 연소율[X_burn(i)]이 연소의 종료 시의 연소율(X_burn_end)에 도달되면, 0의 값을 출력한다.

비교기(53004, 53005)의 출력은 AND 회로(53007)에 의해 처리된다. AND 회 로(53007)는 비교기(53004, 53005)의 출력이 모두 1이면 1의 값을 출력하고, 이들 출력 중 하나가 0이면 0의 값을 출력한다. AND 회로(53007)의 출력은 엔진 제어기(50)의 ROM 내에 저장된다.

반면에, 비교기(53006)는 소정의 번호의 크랭크 각도 계산(n_CA_calc)과 계수기(53002)의 출력값(i)을 비교한다. 비교기(53006)는 계수값(i)이 소정의 번호의 각도 계산(n_CA_calc)보다 작으면 1 값을 출력한다. 계수값(i)이 소정의 번호의 크랭크 각도 계산(n_CA_calc)에 도달되면, 0의 값을 출력한다.

비교기(53006)로부터의 입력 신호 그리고 RAM 내에 저장될 때의 AND 회로(53007)의 이전의 출력값이 모두 0이면, AND 회로(53008)는 엔진 제어기(50)의 인터럽트 계산 요청을 출력하고, 노킹 발생 지표 계산 블록(530)에 계산 허가를 출력한다. 비교기(53006)로부터의 입력 신호 또는 RAM 내에 저장된 AND 회로(53007)의 이전의 출력값 중 하나가 값 1인 것으로 가정하면, AND 회로(53008)는 인터럽트 계산 요청 및 계산 허가를 출력하는 것을 중단한다.

전술된 과정의 결과로서, 크랭크 각도가 기본 점화 시기(MBTCAL)와 일치될 때 노킹 발생 지표 계산 시작 요청(JOB_REQ)이 0으로부터 1로 변화되면, 노킹 발생 지표 계산 블록(530)은 소정의 크랭크 각도 간격(delta_theta)에서 노킹 발생 지표[idx_knocr(i)] 및 질량 연소율[X_burn(i)]을 계산하고, 노킹 발생 지표 계산 유닛(53)은 이들 값을 출력한다. 계산 과정의 초기의 단계에서, 노킹 발생 지표[idx_knocr(i)]의 값이 1.0보다 작고, 질량 연소율[X_burn(i)]은 연소의 종료 시의 연소율(X_burn_end)보다 작고, 계수기(53002)의 출력값(i)은 소정의 번호의 크랭크 각도 계산(n_CA_calc)보다 작다.

따라서, AND 회로(53008)의 출력 신호는 1이고, 노킹 발생 지표 계산 블록(530)에 공급된 인터럽트 계산 요청 및 계산 허가에 기초하여, 노킹 발생 지표[idx_knocr(i)] 및 질량 연소율[X_burn(i)]이 소정의 크랭크 각도 간격(delta_theta)에서 계산 및 출력된다.

노킹 발생 지표[idx_knocr(i)]의 이전값, 질량 연소율[X_burn(i)]의 이전값 그리고 계수기(53002)의 출력값(i) 중 어느 하나가 그 비교값에 도달될 때, AND 회로(53008)로의 입력들 중 하나가 0으로부터 1로 변화된다. 결국, AND 회로(53008)는 계산 요청 및 계산 허가를 출력하는 것을 중단한다.

다음에, 도7을 참조하여, 노킹 발생 지표 계산 블록(530)에 의해 수행된 노킹 발생 지표[idx_knocr(i)] 및 질량 연소율[X_burn(i)]의 계산을 설명하기로 한다.

노킹 발생 지표 계산 블록(530)은 평균 실린더 온도 및 압력 계산 블록(531) 그리고 노킹 발생 지표 출력 블록(532)을 포함한다.

다음의 값 즉 크랭크 각도(CA), 엔진 속도(NE), 기본 점화 시기(MBTCAL), 연료 분사 펄스 폭(TP), 실린더 체적의 초기값(V_cyl_ini), 실린더 온도의 초기값(T_cyl_ini), 실린더 압력의 초기값(P_cyl_ini), 점화 무효 시간(IGNDEAD), 연소 기간(BURN), 기준 연소율(X_ref) 그리고 잔여 가스 비율(MRESFR)은 평균 실린더 온도 및 압력 계산 블록(531)에 입력된다.

크랭크 각도 센서(33)에 의해 결정된 크랭크 각도는 크랭크 각도(CA)로서 사 용된다. 크랭크 각도 센서(33)에 의해 결정된 엔진 회전 속도는 크랭크 속도(NE)로서 사용된다. 연료 분사 펄스 폭(TP)은 공기 유량계(32)에 의해 측정된 공기 흡기 유속(Q) 그리고 크랭크 각도 센서(33)에 의해 결정된 엔진 속도(NE)에 따라 계산된다. 미국 특허 제5,345,921호에 개시된 바와 같은 주지된 계산 방법이 이러한 계산을 위해 사용된다.

실린더 체적의 초기값(V_cyl_ini)은 기본 점화 시기(MBTCAL)에서 실린더의 체적을 지시한다. 실린더 체적의 초기값(V_cyl_ini)은 전술된 미국 특허 제6,557,526호에 개시된 바와 같은 주지된 계산 방법에 의해 미리 결정된다. 실린더 체적의 초기값(V_cyl_ini)은 미국 특허 제6,557,526호에 한정된 바와 같은 실린더 체적의 초기값(VIVC)에 대응한다. 다음의 설명에서, 실린더 체적의 초기값(V_cyl_ini)은 고정된 값으로서 처리된다.

실린더 온도의 초기값(T_cyl_ini)은 기본 점화 시기(MBTCAL)에서 실린더 내의 온도를 지시한다. 실린더 온도의 초기값(T_cyl_ini)은 전술된 미국 특허 제6,557,526호에 개시된 바와 같은 주지된 계산 방법에 의해 미리 결정된다. 실린더 온도의 초기값(T_cyl_ini)은 미국 특허 제6,557,526호에 한정된 바와 같은 실린더 온도의 초기값(TINI)에 대응한다.

실린더 압력의 초기값(P_cyl_ini)은 기본 점화 시기(MBTCAL)에서 실린더의 압력을 지시한다. 실린더 압력의 초기값(P_cyl_ini)은 초기의 실린더 체적(V_cyl_ini) 그리고 초기의 실린더 온도(T_cyl_ini)로부터 결정된다.

점화 무효 시간(IGNDEAD)은 엔진 제어기(50)에 의한 점화 신호의 출력으로부 터 스파크 플러그(14)의 실제의 점화까지의 시간을 지시한다. 점화 무효 시간(IGNDEAD)은 엔진 속도(NE)에 의존되고, 미국 특허 제6,557,526호에 개시된 바와 같은 주지된 계산 방법에 의해 결정된다.

연소 기간(BURN)은 미국 특허 제6,557,526호에 개시된 바와 같은 초기의 연소 기간(BT1) 그리고 주요한 연소 기간(BT2)의 합이다.

기준 연소율(X_ref)은 미국 특허 제6,557,526호에 개시된 기준 연소율(R2)에 대응한다. 기준 연소율(R2)은 60 중량%이다.

잔여 가스 비율(MRESFR)은 연소된 공기/연료 혼합물 내에 남아 있는 불활성 가스의 비율을 지시한다. 잔여 가스 비율(MRESFR)은 미국 특허 제6,557,526호에 개시된 바와 같은 주지된 계산 방법에 의해 결정된다. 잔여 가스 비율(MRESFR)은 미국 특허 제6,557,526호에 개시된 바와 같은 잔여 가스 비율(EGRREM)에 대응한다.

미국 특허 제6,557,526호의 내용은 전술된 계산을 위해 참조로 여기에 수록된다.

도8을 참조하면, 평균 실린더 온도 및 압력 계산 블록(531)은 실린더 체적 계산 블록(5311), 발열 계산 블록(5312), 냉각 손실 계산 블록(5313) 그리고 실린더 온도 및 압력 계산 블록(5314)을 포함한다.

실린더 체적 계산 블록(5311)은 크랭크 각도(CA)에 기초하여 실린더 체적(V_cyl) 및 피스톤 변위(x_pis)를 계산한다.

도9를 참조하면, 실린더 체적 계산 블록(5311)은 피스톤 변위 계산 블록(53111) 및 실린더 체적 계산 블록(53112)을 포함한다. 피스톤 변위 계산 블록 (53111)은 다음의 수학식 (1)에 의해 크랭크 각도(CA)로부터 피스톤 변위(x_pis)를 계산한다.

(1)

여기에서, CRL = 크랭크 샤프트의 길이, CND = 커넥팅 로드의 길이 그리고 CA = 크랭크 각도.

실린더 체적 계산 블록(53112)은 다음의 수학식 (2)를 사용하여 실린더 체적(V_cyl)을 계산한다.

(2)

여기에서, Vc = 간극 체적(㎥) 그리고 D = 실린더 보어의 직경(m).

도8을 참조하면, 발열 계산 블록(5312)은 크랭크 각도(CA), 연료 분사 펄스 폭(TP), 기본 점화 시기(MBTCAL), 점화 무효 시간(IGNDEAD), 연소 기간(BURN), 기준 연소율(X_ref) 및 잔여 가스 비율(MRESFR)로부터 열발생율(Q_burn), 특성을 계산하는 질량 연소율(X_burn_r) 그리고 질량 연소율(X_burn)을 계산한다.

도10을 참조하면, 발열 계산 블록(5312)은 위브 함수 상수 설정 블록(53121), 열발생율 계산 블록(53122), 질량 연소율 계산 블록(53123), 사이클 당 실린더 당 발열량을 계산하는 제1 발열 계산 블록(53124) 그리고 계산 간격 당 실린더 당 발열량을 계산하는 제2 발열 계산 블록(53125)을 포함한다.

우선, 위브 함수 상수 설정 블록(5312)에 의해 사용된 위브 함수를 설명하기로 한다.

열발생율의 특성을 지시하는 질량 연소율[X(%)]은 크랭크 각도[θ(°)]의 함수로서 다음의 수학식 (3)의 형태로 표현될 수 있다.

(3)

여기에서, θ _S = 연속의 실제의 시작 시의 크랭크 각도(°), θ _B = 실제의 연소 기간(°) 그리고 a, n = 상수.

상수(a, n)는 엔진의 형태 즉 연소 챔버(5)의 형상, 스파크 플러그(14)의 위치, 연소 챔버(5) 내측의 가스 유동 특성 등에 의존한다. 상수(a, n)는 실험에 의해 미리 결정될 수 있다. 수학식 (3)은 위브 함수를 나타낸다.

수학식 (3)이 크랭크 각도(θ)에 대해 미분될 때, 열발생율을 지시하는 다음의 수학식 (4)가 얻어진다.

(4)

수학식 (4)가 실제의 연소 기간(θ _B )에 대해 풀릴 때, 다음의 수학식 (5)가 얻어진다.

(5)

도11을 참조하면, 위브 함수 상수 설정 블록(53121)은 기본 점화 시기(MBTCAL)에 점화 무효 시간(IGNDEAD)을 가산함으로써 발열 시작 타이밍(BURN_ini)을 계산한다. 나아가, θ = BURN, X = X_ref가 수학식 (5) 내로 치환될 때 얻어진 θ _B 의 값은 실제의 연소 기간(BURN_r)으로서 계산된다. 발열 시작 타이밍(BURN_ini) 및 실제의 연소 기간(BURN_r)은 발열 패턴으로서 주지되어 있다.

도12를 참조하면, 열발생율 계산 블록(53122)은 다음과 같이 즉 θ = CA, θ _S = BURN_ini 그리고 θ _B = BURN_r로서 수학식 (4) 내로 값을 치환함으로써 크랭크 각도(CA), 발열 시작 타이밍(BURN_ini) 및 실제의 연소 기간(BURN_r)으로부터 열발생율(

)을 유도한다.

도13을 참조하면, 질량 연소율 계산 블록(53123)은 크랭크 각도(CA), 발열 시작 타이밍(BURN_ini), 실제의 연소 기간(BURN_r) 그리고 잔여 가스 비율(MRESFR)에 기초하여 수학식 (3)을 계산함으로써 질량 연소율(X_burn) 그리고 특성을 계산하는 질량 연소율(X_burn_r)을 계산한다.

질량 연소율(X_burn)은 연소 혼합물 내에 남아 있는 불활성 가스를 고려하지 않은 값이고, 특성을 계산하는 질량 연소율(X_burn_r)은 연소 혼합물 내에 남아 있는 불활성 가스를 고려하는 질량 연소율이다.

도14를 참조하면, 제1 발열 계산 블록(53124)은 연료 분사 펄스 폭(TP), 상수(KCONST), 타겟 공기/연료 비율(TABYF) 및 낮은 열 값(Heat_Lower)에 기초하여 사이클 당 실린더 당 발열량을 계산한다.

타겟 공기/연료 비율(TABYF)은 별도의 유닛 내의 공기/연료 비율 제어기에 의해 수립될 때의 연소 혼합물의 공기/연료 비율에 대한 목표값이다. 낮은 열 값(Heat_Lower)은 연소에서 소비된 공기의 단위 질량 당 열량으로서 연료의 연소에 의한 발열량을 표현하는 값이다.

도15를 참조하면, 제2 발열 계산 블록(53125)은 열발생율 계산 블록(53122)에 의해 계산된 열발생율(

) 그리고 제1 발열 계산 블록(531241)에 의해 계산될 때의 사이클 당 실린더 당 발열량에 기초하여 열량(Q_burn)을 계산한다.

다음에, 도16을 참조하여 냉각 손실 계산 블록(5313)의 구성을 설명하기로 한다.

냉각 손실 계산 블록(5313)은 연소 챔버 표면적 계산 블록(53131), 평균 피스톤 속도 계산 블록(53132), 가스 특성 계산 블록(53133), 실린더 압력 계산 블록(53134), 실린더 온도 계산 블록(53135), 열전달 계수 계산 블록(53136) 및 냉각 손실 계산 블록(53137)을 포함한다.

연소 챔버 표면적 계산 블록(53131)은 피스톤 변위(x_pis)에 기초하여 연소 챔버(5)의 표면적을 계산한다. 평균 피스톤 속도 계산 블록(53132)은 엔진 속도(NE)에 기초하여 평균 피스톤 속도를 계산한다. 이들은 모두 산술 계산이고, 그 상세한 설명은 여기에서 생략된다.

가스 특성 계산 블록(53133)은 잔여 가스 비율(MRESFR)로부터 결정된 질량 연소율 그리고 실린더 온도에 기초하여 비열 비율(k)을 계산한다. 계산 방법은 도20에 도시된 가스 특성 계산 블록(53141)에 의해 사용된 것과 동일하다. 이러한 계산 방법은 후술된다.

실린더 압력 계산 블록(53134)은 실린더 압력의 이전값, 실린더 체적의 이전 값, 실린더 체적의 현재값 그리고 비열 비율(k)에 기초하여 실린더 내의 압력(P_cyl)을 계산한다. 이러한 계산은 단열 조건을 가정함으로써 수행된다.

실린더 온도 계산 블록(53135)은 실린더 온도의 이전값, 실린더 체적의 이전값, 실린더 체적의 현재값 그리고 비열 비율(k)에 기초하여 실린더 내의 온도(T_cyl)를 계산한다. 이러한 계산은 단열 조건을 가정함으로써 수행된다.

다음에, 열전달 계수 계산 블록(53136)을 설명하기로 한다.

우선, 열전달 계수 계산 블록(53136) 및 냉각 손실 계산 블록(53137)에 의해 취급된 냉각 손실을 나타내는 데 사용되는 보시니 수학식을 설명하기로 한다.

냉각 손실(QL)은 다음의 수학식 (6)에 의해 계산된다.

(6)

(7)

여기에서, h = 열전달 계수(

), d = 실린더 보어의 직경(m), V _S = 실린더의 체적(㎥), Cm = 평균 피스톤 속도(m/초), P _l = 공기 흡기 밸브가 폐쇄될 때의 실린더 내의 압력(㎏f/㎠), V _l = 공기 흡기 밸브가 폐쇄될 때의 실린더 내의 체적(㎥), T _l = 공기 흡기 밸브가 폐쇄될 때의 실린더 내의 온도(K), P _M = 실린더 내의 압력(㎏f/㎠), P = 실린더 내의 압력(㎏f/㎠), T = 실린더 온도(K), C1 = 6.18(배기 행정) 또는 2.28(압축 행정 및 팽창 행정), C2 = 3.24 × 10^-3(m/초·K).

C1 및 C2는 일반적으로 사용된 상수이다.

도17을 참조하면, 열전달 계수 계산 블록(53136)은 실린더 압력, 실린더 온도, 평균 피스톤 속도, 실린더 압력, 초기의 실린더 온도, 초기의 실린더 체적 그리고 초기의 실린더 압력에 기초하여 수학식 (8)에서 열전달 계수(h)를 계산한다.

도18을 참조하면, 냉각 손실 계산 블록(53137)은 실린더 온도, 연소 챔버 벽 온도, 연소 챔버 표면적, 열전달 계수 및 엔진 속도(NE)에 기초하여 수학식 (7)을 풀어 냉각 손실(Q_loss)을 계산한다.

다음에, 도19를 참조하여 실린더 온도 및 압력 계산 블록(5314)의 구성을 설명하기로 한다.

실린더 온도 및 압력 계산 블록(5314)은 가스 특성 계산 블록(54141), 총 가스 체적 계산 블록(53142), 단열 실린더 압력 계산 블록(53143), 단열 실린더 온도 계산 블록(53144), 실린더 온도 계산 블록(53145) 및 실린더 압력 계산 블록(53146)을 포함한다.

가스 특성 계산 블록(53141)은 질량 연소율 및 실린더 온도에 기초하여 가스의 물리적인 특성(즉, 비열 비율 그리고 일정한 체적에서의 비열)을 계산한다.

여기에서, 다음의 관계 즉 수학식 (8)은 연소된 가스의 비율 바꿔 말하면 특성을 계산하는 질량 연소율에 기초하여 가스 특성을 계산할 때 적용된다.

(가스 특성값) = (미연소 가스 특성값) × (연소된 가스 비율) + (미연소 가스 특성값) × (1 - 연소된 가스 비율) (8)

도20을 참조하면, 가스 특성 계산 블록(54141)은 실린더 온도(T_cyl)에 기초 하여 연소된 가스의 일정한 체적에서의 비열 및 비열 비율을 결정한다. 마찬가지로, 실린더 온도(T_cyl)에 기초하여 미연소 가스의 일정한 체적에서의 비열 및 비열 비율도 결정한다. 다음에, 연소된 가스 및 미연소 가스의 비율에 의해 각각 승산함으로써 실린더 내의 가스의 특성을 계산한다. 실린더 온도(T_cyl)의 초기값은 T_cyl_ini이다.

도21을 참조하면, 총 가스 체적 계산 블록(53142)은 연료 분사 펄스 폭(TP), 상수(KCONST) 및 타겟 공기/연료 비율(TABYF)에 기초하여 총 가스 체적을 계산한다.

도19를 참조하면, 단열 실린더 압력 계산 블록(53143)은 실린더 압력의 이전값, 실린더 체적의 이전값, 실린더 체적의 현재값 그리고 비열 비율(k)에 기초하여 단열 실린더 압력을 계산한다.

단열 실린더 온도 계산 블록(53144)은 실린더 온도의 이전값, 실린더 체적의 이전값, 실린더 체적의 현재값 그리고 비열 비율(k)에 기초하여 단열 실린더 온도를 계산한다.

실린더 온도 계산 블록(53145)은 단열 실린더 온도, 발열량, 냉각 손실, 총 가스 체적 그리고 고정된 체적에서의 비열에 기초하여 실린더 온도(T_cyl)를 계산한다.

실린더 압력 계산 블록(53146)은 단열 실린더 압력, 실린더 온도 및 단열 실린더 온도에 기초하여 실린더 압력(P_cyl)을 계산한다.

도7에 도시된 평균 실린더 온도 및 압력 계산 블록의 구성을 설명하기로 한 다.

다음에, 도7을 참조하여, 노킹 발생 지표 출력 블록(532)을 설명하기로 한다.

도22를 참조하면, 노킹 발생 지표 출력 블록(532)은 재설정 플래그 계산 블록(5321), 미연소 가스 온도 계산 블록(5322), 순간적인 점화 지연 역수 계산 블록(5323) 및 적분 블록(5324)을 포함한다.

도23을 참조하면, 재설정 플래그 계산 블록(5321)은 크랭크 각도(CA)가 기본 점화 시기(MBTCAL)를 초과하면 ON으로 재설정 플래그를 설정한다.

도24를 참조하면, 미연소 가스 온도 계산 블록(5322)은 미연소 가스 특성 계산 블록(53221) 그리고 미연소 가스 온도 계산 블록(53222)을 포함한다. 미연소 가스 특성 계산 블록(53221)은 가스 특성 계산 블록(53141)과 동일한 구성을 갖는다. 여기에서, 미연소 가스의 특성은 단지 0의 질량 연소율을 넣음으로써 계산된다. 미연소 가스 계산 블록(53222)은 미연소 가스 온도의 이전값, 실린더 압력의 현재값, 실린더 압력의 이전값 그리고 비열 비율(k)에 기초하여 미연소 가스 온도(T_ub)를 계산한다.

순간적인 점화 지연 역수 계산 블록(5323)은 실험을 통해 미리 수립된 맵을 참조함으로써 미연소 가스 온도(T_ub) 및 실린더 압력(P_cyl)에 기초하여 순간적인 점화 지연의 역수(tauinv)를 계산한다.

도25를 참조하면, 적분 블록(5324)은 엔진 속도(NE)로부터 소정의 크랭크 각도를 통한 회전을 위해 요구된 시간을 계산하고, 시간에 대해 순간적인 점화 지연 의 역수(tauinv)를 적분함으로써 노킹 발생 지표(idx_knocr)를 계산한다. 재설정 플래그가 ON일 때, 0이 노킹 발생 지표(idx_knocr)를 위한 초기값로서 입력된다.

도5에 도시된 노킹 발생 지표 계산 유닛(53)의 구성을 설명하기로 한다.

다음에, 도26을 참조하여, 도5에 도시된 진각 보정 한계 계산 유닛(54)의 구성을 설명하기로 한다. 진각 보정 한계 계산 유닛(54)은 크랭크 각도 계산 블록(541), 질량 연소율 계산 블록(542), 노킹 강도 계산 블록(543) 및 지체 폭 계산 블록(544)을 포함한다.

크랭크 각도 계산 블록(541)은 실험에 의해 미리 결정된 바와 같이 블록도에 도시된 것과 같은 특성 그래프에 기초하여 노킹 발생 지표[idx_knocr(i)] 및 처리된 크랭크 각도[CA_calc(i)]로부터 노킹 시의 크랭크 각도(CA_knk)를 결정한다. 여기에서, 노킹 발생 지표[idx_knocr(i)]가 1.0의 임계값에 도달될 때의 처리된 크랭크 각도[CA_calc(i)]는 노킹 시의 크랭크 각도(CA_knk)로서 취해진다. 수평축 상에 표시된 크랭크 각도[CA_calc(i)] 상의 화살표의 방향은 지체 방향에 대응한다.

질량 연소율 계산 블록(542)은 실험에 의해 미리 결정된 바와 같이 블록도에 도시된 것과 같은 특성 그래프에 기초하여 처리된 크랭크 각도[CA_calc(i)], 질량 연소율[X_burn(i)] 그리고 노킹 시의 크랭크 각도(CA_knk)로부터 노킹 시의 질량 연소율(X_bknk)을 결정한다.

노킹 강도 계산 블록(543)은 노킹 시의 크랭크 각도(CA_knk) 그리고 노킹 시의 질량 연소율(X_bknk)로부터 노킹 강도(I_knk)를 결정한다. 블록도에서, 화살표 에 의해 지시된 방향 바꿔 말하면 하향 방향은 지체 방향이다.

지체 폭 계산 블록(544)은 실험에 의해 미리 결정된 바와 같이 블록도에 도시된 것과 같은 특성 그래프에 기초하여 노킹 강도(I_knk)로부터 지체 폭(CA_rtd)을 결정한다. 지체 폭(CA_rtd)은 기본 점화 시기(MBTCAL)로부터의 지체량을 지시하고, 이는 진각 보정 한계에 대응한다.

다음에, 도27을 참조하여, 도5에 도시된 점화 시기 계산 유닛(55)을 설명하기로 한다. 점화 시기 계산 유닛(55)은 기본 점화 시기(MBTCAL)에 대한 지체 폭(CA_rtd)에 의해 지체되는 점화 시기(ADV)를 결정한다.

본 발명에서, 실린더 온도 및 실린더 압력은 엔진의 작동 상태에 기초하여 각각의 순간에 대해 계산되고, 각각의 순간에서의 순간적인 점화 지연은 이들 결과로부터 계산되고, 순간적인 점화 지연의 역수는 적분된다. 순간적인 점화 지연의 역수의 적분은 "노킹이 일어날 가능성(likelihood that knock will occur)"을 지시하는 지표를 제공한다. 따라서, 소정의 임계값과 이러한 지표를 비교함으로써, 노킹이 일어날 크랭크 각도를 결정하는 것이 가능하다. 실린더의 내부 압력 및 온도는 엔진의 실린더 내측의 가스의 상태를 지시하는 가장 기본적인 양이고, 이들 특성은 엔진 모델과 무관하게 실질적으로 동일하다. 따라서, 이들 인자에 기초하여 요구된 노킹 발생 지표는 임의의 형태의 엔진에서 실질적으로 균일한 특성을 보여줄 것이다. 나아가, 엔진의 워밍-업 상태 그리고 환경 조건은 이들 특성에 실질적으로 어떠한 영향도 주지 않으므로, 노킹 발생 지표를 사용함으로써 실시간으로 높 은 수준의 정확도까지 노킹 발생 타이밍을 추정하는 것이 가능하여, 점화 시기의 더욱 적절한 제어가 성취될 수 있다.

각각의 계산 크랭크 각도에서 계산 지점의 개수를 증가시킴으로써, 노킹 지표 계산의 정확성을 증가시키는 것이 가능하다.

노킹이 예측되면, 노킹의 실제의 발생은 노킹 타이밍에 지체 보정을 적용함으로써 회피될 수 있다. 기본 점화 시기는 항상 MBT로 설정될 수 있으므로, 조절 단계의 개수가 감소될 수 있으며 연료 소비가 개선될 수 있다. 적절한 지체 폭을 설정함으로써, 과도한 지체로 인해 연료 소비 및 작동 성능의 악화를 방지하는 것이 가능하다.

실린더의 내부 온도 및 압력은 센서를 사용하지 않고 작동 상태, 실린더 체적, 발열량 및 냉각 손실에 기초한 계산에 의해 유도된다. 따라서, 본 발명을 실행하는 비용은 정확한 값을 결정하면서 낮게 유지될 수 있다.

나아가, 발열 패턴의 기본적인 프로파일은 연소 챔버의 형상 그리고 스파크 플러그의 위치에 의해 거의 전체적으로 지배된다. 결국, 이러한 기본 패턴을 사용함으로써 용이하게 그리고 정확하게 발열 패턴을 결정하는 것이 가능하다.

발열 패턴은 작동 상태에 따라 계산되는 기본적인 점화 시간 및 전형적인 연소 속도에 기초하여 결정된다. 따라서, 내부 실린더 압력 센서를 사용하지 않고 작동 상태에 따라 정확한 발열 패턴을 결정하는 것이 가능하다. 나아가, 실린더 내의 연소된 가스에 의한 발열량은 발열 패턴에 기초하여 계산되므로, 발열은 용이하게 그리고 정확하게 계산될 수 있다.

점화 시간이 MBT인 것으로 취하면, 발열 패턴은 작동 상태에 따라 균일하게 결정된다. 따라서, 기본 점화 시간으로서 MBT를 취함으로써, 엔진의 작동 상태에 기초하여 용이하게 발열 패턴을 결정하는 것이 가능하다.

냉각 손실은 압축의 시작 시의 실린더 온도, 실린더 압력 및 실린더 체적 그리고 현재의 실린더 온도 및 실린더 압력에 기초하여 계산된 열전달 계수를 사용하여 유도된다. 따라서, 냉각 손실은 정확하게 계산될 수 있다.

열전달 계수는 압축의 시작 시의 실린더 압력, 실린더 온도 및 실린더 체적으로부터 계산될 때 현재의 실린더 온도 및 실린더 압력에 기초하여 구해진다. 냉각 손실을 유도하는 데 사용된 실린더 온도 및 실린더 압력을 계산할 때, 연소에 이러한 손실이 적용되지 않더라도, 냉각 손실의 효과를 고려하는 것이 필요하다. 그러나, 이는 냉각 손실을 계산할 때 매우 큰 영향을 주지 않는다. 따라서, 단열 변화를 가정함으로써 계산된 실린더 온도 및 실린더 압력을 치환함으로써, 계산 부하를 감소시키는 것이 가능하다.

실린더 내의 가스의 특성은 질량 연소율, 실린더 내의 모든 가스는 미연소 가스인 것으로 가정한 미연소 가스 특성 그리고 실린더 내의 모든 가스는 연소된 가스인 것으로 가정한 연소된 가스 특성에 기초하여 계산된다. 다음에, 실린더 온도 및 실린더 압력은 실린더 내의 가스의 이들 특성에 기초하여 계산된다. 가스 특성은 실린더 온도 및 실린더 압력의 계산을 위해 필수적이지만, 연소의 도중에 중간 생성물 그리고 몰수의 변화는 특성을 계산할 때 고려되어야 한다. 따라서, 특성값은 모든 가스가 연소되지 않는 경우 그리고 모든 가스가 연소된 가스인 경우 에 대해 모두 결정된다. 질량 연소율에 기초하여 이들 값의 가중 평균을 구함으로써, 요구된 정도의 정확성까지 용이하게 가스 특성을 계산하는 것이 가능하다.

나아가, 특성을 계산하는 질량 연소율은 잔여 가스 비율에 기초하여 계산되고, 실린더 내의 가스의 특성은 특성 즉 미연소 가스의 특성 그리고 연소된 가스의 특성을 계산하는 이러한 질량 연소율을 사용하여 계산된다. 이러한 방식으로, 더욱 정확하게 가스 특성을 계산하는 것이 가능하다.

노킹 한계 점화 시기는 내부 실린더 압력 센서를 사용하지 않고 계산될 수 있으므로, 본 발명을 실행하는 비용이 낮게 유지되는 것을 보증하는 것이 가능하다.

일본에서 2004년 2월 20일자로 출원된 (도꾸간) 제2004-044423호 그리고 2004년 2월 20일자로 출원된 (도꾸간) 제2004-044473호의 내용은 참조로 여기에 수록된다.

본 발명은 본 발명의 어떤 실시예를 참조하여 전술되었지만, 본 발명은 전술된 실시예에 제한되지 않는다. 전술된 실시예의 변경예 및 변화예가 특허청구범위의 범주 내에서 당업자에 의해 착안될 것이다.

예컨대, 전술된 실시예에서, 노킹 발생 지표는 시간에 대한 점화 지연의 역수(

)를 적분함으로써 유도되지만, 노킹 발생 지표는 시간 대신에 크랭크 각도(theta)에 대한 점화 지연의 역수를 적분함으로써 결정될 수도 있다.

전술된 실시예에서, 제어를 위해 요구된 변수는 센서를 사용하여 검출되지 만, 본 발명은 변수가 획득되는 방법과 무관하게 청구된 변수를 사용하여 청구된 제어를 수행하는 임의의 점화 시기 제어 장치 및 방법에 적용될 수 있다.

배타적 재산권 및 사용권이 청구되는 본 발명의 실시예는 다음과 같이 한정된다.

Claims

실린더 내측의 공기/연료 혼합물이 스파크 플러그(14)에 의한 점화에 의해 연소되게 하는 내연 기관(1)용 점화 시기 제어 장치에 있어서,

엔진(1)의 작동 상태에 기초하여 실린더 내의 온도 및 압력을 계산(531)하고,

실린더 내의 온도 및 압력에 기초하여 노킹이 발생되지 않는 한계 점화 시기를 계산(54)하고,

노킹이 발생되지 않는 한계 점화 시기에 맞게 점화 플러그(14)의 점화 시기를 제어(55)하도록 프로그래밍된 프로그래밍 가능한 제어기(50)를 포함하는 점화 시기 제어 장치.
제1항에 있어서, 작동 상태는 현재의 크랭크 각도 그리고 엔진(1)의 흡기 공기 체적을 포함하고,

제어기(50)는,

흡기 공기 체적에 기초하여 크랭크 각도에 대한 실린더 내의 가스의 발열 패턴을 계산(53121)하고,

발열 패턴에 기초하여 실린더 내의 온도 및 압력을 계산(531)하도록 더 프로그래밍되는 점화 시기 제어 장치.
제2항에 있어서, 제어기(50)는,

발열 패턴에 기초하여 특성을 계산하는 질량 연소율을 계산(53123)하고,

특성을 계산하기 위해 질량 연소율에 기초하여 실린더 내의 모든 가스가 미연소 가스인 것으로 가정하여 미연소 가스 특성을 계산(53141)하고,

특성을 계산하기 위해 질량 연소율에 기초하여 실린더 내의 모든 가스가 연소된 가스인 것으로 가정하여 연소된 가스 특성을 계산(53141)하고,

미연소 가스 특성 그리고 연소된 가스 특성에 기초하여 실린더 내의 온도 및 압력을 계산(531)하도록 더 프로그래밍되는 점화 시기 제어 장치.
제3항에 있어서, 제어기(50)는 잔여 가스 비율 및 발열 패턴에 기초하여 특성을 계산하는 질량 연소율을 계산(53123)하도록 더 프로그래밍되는 점화 시기 제어 장치.
제1항에 있어서, 제어기(50)는,

엔진(1)의 작동 상태에 기초하여 실린더 내의 연소된 가스에 의한 발열량을 계산(5312)하고,

크랭크 각도에 기초하여 실린더 체적을 계산(5311)하고,

압축의 시작 시의 실린더 내의 온도 및 압력에 기초하여 냉각 손실을 계산(5313)하고,

발열량, 실린더 체적 및 냉각 손실에 기초하여 실린더 내의 온도 및 압력을 계산(5314)하도록 더 프로그래밍되는 점화 시기 제어 장치.
제5항에 있어서, 작동 상태는 현재의 크랭크 각도 및 엔진(1)의 흡기 공기 체적을 포함하고,

제어기(50)는,

흡기 공기 체적에 기초하여 크랭크 각도에 대한 실린더 내의 가스의 발열 패턴을 계산(53121)하고,

발열 패턴에 기초하여 실린더 내의 가스에 의한 발열량을 계산(5312)하도록 더 프로그래밍되는 점화 시기 제어 장치.
제2항에 있어서, 제어기(50)는,

작동 상태에 기초하여 실린더 내의 가스에 대한 대표적인 연소 속도를 계산(521)하고,

대표적인 연소 속도에 기초하여 발열 패턴을 계산(53121)하도록 더 프로그래밍되는 점화 시기 제어 장치.
제7항에 있어서, 대표적인 연소 속도는 최대 열효율을 성취하는 점화 시기에서의 값인 점화 시기 제어 장치.
제5항에 있어서, 제어기(50)는,

압축의 시작 시의 실린더 온도, 실린더 압력 및 실린더 체적에 기초하여 열전달 효율을 계산(53136)하고,

열전달 효율에 기초하여 냉각 손실을 계산(5313)하도록 더 프로그래밍되는 점화 시기 제어 장치.
제9항에 있어서, 제어기(50)는 압축의 시작 시의 실린더 온도, 실린더 압력 및 실린더 체적과, 모터링 중의 실린더 온도 및 실린더 압력에 기초하여 열전달 계수를 계산(53136)하도록 더 프로그래밍되는 점화 시기 제어 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제어기(50)는,

실린더 내의 온도 및 압력에 기초하여 노킹의 발생의 지시자를 형성하는 노킹 발생 지표를 계산(53)하고,

노킹 발생 지표에 기초하여 노킹이 발생되지 않는 한계 점화 시기를 계산(54)하도록 더 프로그래밍되는 점화 시기 제어 장치.
제11항에 있어서, 제어기(50)는,

노킹 발생 지표에 기초하여 노킹 시의 크랭크 각도를 계산(541)하고,

노킹 시의 크랭크 각도에 기초하여 노킹이 발생되지 않는 지체 폭을 계산(54)하고,

작동 상태에 기초하여 기본 점화 시기를 계산(52)하고,

지체 폭에 기초하여 기본 점화 시기를 지체시킴으로써 노킹이 발생되지 않는 한계 점화 시기를 결정(55)하도록 더 프로그래밍되는 점화 시기 제어 장치.
제12항에 있어서, 기본 점화 시기는 최대 열효율을 성취하는 점화 시기인 점화 시기 제어 장치.