KR20060058122A

KR20060058122A - 내연기관의 흡기량 제어장치 및 흡기량 제어방법

Info

Publication number: KR20060058122A
Application number: KR1020067003781A
Authority: KR
Inventors: 하루후미 무토; 유지 미야노오; 아키라 에이라쿠; 마사시 하카리야
Original assignee: 도요다 지도샤 가부시끼가이샤
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2006-05-29
Also published as: CN100439677C; JP2005069141A; WO2005019625A1; US20060276954A1; EP1662118A4; US7373922B2; EP1662118B1; EP1662118A1; JP4114574B2; KR100849049B1; CN1842644A

Abstract

스로틀 밸브 및 그 스로틀 밸브와 연결된 흡기량 변화 수단이 제공된 내연기관에서 흡기량을 제어하기 위한 장치 및 방법으로서, 내연기관용 흡기량 제어 장치 및 방법은 엑셀러레이터 개도 및 엔진 속도에 기초하여 목표 흡기량 (mcta) 을 구하고(단계 101), 적어도 상기 목표 흡기량에 기초하여 상기 흡기량 변화 수단에 대한 목표 설정 (Cvta) 을 결정하고, 엔진 흡기 시스템의 모델을 만들고 상기 목표 흡기량 (mcta) 으로부터 엔진 흡기 시스템을 통과하는 공기를 표현하는 모델식에 기초하여 상기 목표 흡기량 (mcta) 및 목표 설정 (Cvta) 으로부터 목표 스로틀 개도 (θtta) 를 구하는(단계 107) 흡기량 제어 장치 및 방법이다.

흡기량, 밸브 리프트, 흡기 밸브, 배기 밸브, 내연기관

Description

내연기관의 흡기량 제어장치 및 흡기량 제어방법{DEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING SUCTION AIR AMOUNT IN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연기관용 흡기량 제어장치 및 흡기량 제어방법에 관한 것이다.

최근, 연비의 향상 등을 위해, 스로틀 밸브 및 다른 기구의 협력 제어에 의해 흡기량을 제어하도록 하는 내연기관이 알려져 있다. 그와 같은 기구로서, 일반적으로 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 개구 특성을 제어하기 위한 가변 밸브 작동 기구가 있지만, 또한 실린더수 가변 기구 또는 배기량 가변 기구 등도 있다.

또한, 흡기량 제어를 위한 그와 같은 부가 기구는, 액셀러레이터 개도 등(즉, 목표 흡기량)에 따른 흡기량 설정과 내연기관의 작동 상태에 따른 상태로 설정되어 연비, 배기, 토크 변동 및 다른 조건들이 최적화 되도록 하지만, 내연기관 그 자체는 운전자에 의해 가속 페달의 작동과 일치시켜 작동하도록(또는 토크를 발생시키도록) 기대되어, 어떤 기구가 설치되더라도 엑셀러레이터 개구에 대응하는 목표 흡기량을 실현시키는 것이 필요하다. 즉, 기구의 설정에 따른 목표 흡기량을 실현하기 위한 스로틀 밸브의 개도(즉, 목표 스로틀 개도)를 구하고, 그 개도에 스로틀 밸브의 개도를 조절하는 것이 필요하다.

스로틀 밸브의 목표 개도를 구하기 위한 방법으로서, 예를 들어 일본 특허 공개공보 제 2002-309993 호에서는 엑셀러레이터 개도로부터 요구되는 토크, 그 요구되는 토크로부터의 목표 흡기량, 그 목표 흡기량으로부터 목표 흡기압 및 그 목표 흡기압으로부터 스로틀 밸브의 목표 개도를 흡기 시스템 모델을 사용하여 연속적으로 계산하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 일본 특허공개공보 제 2002-309993 호가 개시하는 것은 흡기량을 제어하기 위해 단지 스로틀 밸브만을 사용하는 경우이다. 이는 흡기량을 제어하기 위한 부가적인 기구의 제공의 경우와는 일치하지 않는다.

다른 한 편, 그와 같은 기구를 제공하는 경우에도 다룰 수 있는 스로틀 밸브의 목표 개도를 구하기 위한 방법으로서, 인수로서 목표 흡기량과 작동 상태의 지표를 사용하는 목표 개도의 맵을 미리 작성하여 그 맵에 기초하여 목표 개도를 구하는 방법이 있다. 그러나, 실제로 그와 같은 맵을 준비하는 것은 엄청난 시간을 필요로 한다. 특히, 상술한 바와 같은 기구를 제공할 때에는, 그 설정 지수가 작동 상태의 지수로서 부가되어 맵 작업량이 매우 커지게 된다. 또한, 맵 작업량을 줄이기 위해 인수 또는 측정 개수를 줄인다면, 얻어지는 목표 개도의 정확도는 떨어지기 쉽다.

본 발명은 그와 같은 문제의 관점에서 이루어졌고, 그 목적은 스로틀 밸브와 그와 연결된 흡기량 변화 수단이 제공된 내연기관용 흡기량 제어장치 및 흡기량 제어방법 제공하는 것으로, 흡기량 제어장치 및 제어방법은 상술한 문제점들 없이 독창적인 방법에 의해 흡기량 변화 수단의 설정에 따라 스로틀 밸브의 목표 개도를 구하도록 설계된다.

본 발명은 청구범의의 청구항에서 설명하는 바와 같이 상술한 문제점들을 해결하기 위한 수단으로서 내연기관용 흡기량 제어장치 또는 제어방법을 제공한다.

본 발명의 제 1 태양에 따라, 스로틀 밸브 및 그 스로틀 밸브와 연결된 흡기량 변화 수단이 제공된 내연기관에서 흡기량을 제어하기 위한 장치가 제공되고, 상기 내연기관용 흡기량 제어 장치에는 엔진 흡기 시스템의 모델을 만들고 엔진 흡기 시스템을 통과하는 공기를 표시하는 모델식이 제공되고, 또한 엑셀러레이터 개도 및 엔진속도에 기초하여 목표 흡기량을 구하기 위한 수단, 적어도 그 목표 흡기량에 기초하여 상기 흡기량 변화 수단에 대한 목표 설정을 결정하기 위한 수단 및 상기 목표 흡기량과 상기 목표 설정으로부터 상기 모델식에 기초하여 목표 흡기량을 실현하기 위한 스로틀 개도인 목표 스로틀 개도를 구하기 위한 수단을 갖는다.

본 발명에 따라, 스로틀 밸브 및 그 스로틀 밸브에 연결된 흡기량 변화 수단이 제공된 내연기관에서, 흡기량을 제어할 때를 위한 목표 스로틀 개도는 엔진 흡기 시스템의 모델을 만들고 엔진 흡기 시스템을 통과하는 공기를 표시하는 모델식에 기초하여 목표 흡기량 및 목표 설정으로부터 구하여질 수 있다. 이로 인하여, 과거와 비교하여 목표 스로틀 개도를 구하기 위해 요구되는 맵을 만들기 위한 작업량은 대폭적으로 줄어들게 되었고, 또한 목표 스로틀 개도는 비교적 양호한 정확도로 구해질 수 있다.

본 명세서에서의 "흡기량" 은 내연기관의 작동 중 모든 실린더의 연소실로 흡입되는 공기량이다. 그에 따라, 예를 들어, 몇몇 실린더를 공회전 상태로 만들어 흡기량을 변화시키는 것이 가능하다. 또한, 흡기량은 예를 들어 실린더 충진 공기량, 실린더 흡기유량, 실린더 공기 충진율 등에 의해 표현될 수 있다.

본 발명의 제 2 태양에서, 목표 스로틀 개도를 구하기 위한 수단은 흡기량 변화 수단이 목표 설정으로 설정될 때 목표 흡기량을 실현하기 위한 스로틀 밸브의 하류 측에서의 흡기관의 내부 압력인 목표 흡기관 내부 압력을 목표 흡기량 및 목표 설정에 기초하여, 구하기 위한 수단 및 그 목표 흡기량 및 그 목표 흡기관 내부 압력에 기초하여 목표 스로틀 개도를 구하기 위한 수단을 갖는다.

이 태양에서도 마찬가지로, 제 1 태양에서와 실질적으로 동일한 작용과 효과가 얻어질 수 있다.

본 발명의 제 3 태양에서, 모델식으로서, 장치는 스로틀 밸브의 하류 측에서 흡기관 내부 압력과 스로틀 밸브 통과 공기유량 사이의 관계를 표현하면서 스로틀 개도에 따라 결정되는 제 1 식, 및 스로틀 밸브의 하류 측에서 흡기관 내부 압력과 실린더 흡기유량 사이의 관계를 표현하면서 적어도 흡기량 변화 수단의 설정및 엔진 속도에 따라 결정되는 제 2 식을 갖는다.

이러한 태양에서도 마찬가지로, 제 1 태양에서와 실질적으로 동일한 작용과 효과가 얻어질 수 있다.

본 발명의 제 4 태양에서, 목표 흡기량을 구하기 위한 수단은, 흡기량 변화 수단이 소정의 기준 상태인 경우에 있어 목표 스로틀 개도인 기준 목표 스로틀 개도를 엑셀러레이터 개도 및 엔진 속도에 기초하여 구하는 수단을 갖고, 기준 목표 스로틀 개도를 구하는 수단에 의해 구해지는 기준 목표 스로틀 개도에 의해 결정되는 제 1 식에 기초하여 구해지는 스로틀 밸브 통과 공기유량 및 흡기량 변화 수단이 기준 상태로 설정됨을 가정하여 적어도 엔진 속도에 의해 결정되는 제 2 식에 기초하여 구해지는 실린더 흡기유량이, 스로틀 밸브 하류 측에서의 동일한 흡기관 내부 압력에 대하여 같아지게 될 때에 대한 실린더 흡기유량을 구하며, 실린더 흡기유량을 목표 흡기량으로 하거나 또는 실린더 흡기유량으로부터 환산된 값을 목표 흡기량으로 한다.

이러한 태양에 따라, 운전자의 의도에 따라 목표 흡기량을 설정하는 것이 가능하다.

본 발명의 제 5 태양에 있어, 목표 스로틀 개도를 구하기 위한 수단은, 흡기량 변화 수단이 목표 설정으로 설정된 때 목표 흡기량을 실현하기 위한 스로틀 밸브의 하류 측에서의 흡기관 내부 압력인 목표 흡기관 내부 압력을 목표 흡기량과 목표 설정에 기초하여 구하기 위한 수단을 갖고, 목표 흡기관 내부 압력을 구하기 위한 수단은 실린더 흡기유량으로 표현된 목표 흡기량을 흡기량 변화 수단이 목표 설정으로 설정됨을 가정하여 적어도 엔진 속도에 의해 결정되는 제 2 식에 대입하여 목표 흡기관 내부 압력을 구한다.

이러한 태양에 따라, 목표 스로틀 개도를 구하는 프로세스에서 비교적 단순한 계산에 의해 목표 흡기관 내부 압력을 구하는 것이 가능하다.

본 발명의 제 6 태양에 있어서, 목표 스로틀 개도를 구하기 위한 수단은 목표 흡기량 및 목표 흡기관 내부 압력에 기초하여 목표 스로틀 개도를 구하기 위한 수단을 더 포함하고, 그 수단은 제 1 식에 기초하여 목표 스로틀 개도를 구하기 위해 실린더 흡기유량 및 목표 흡기관 내부 압력으로 표현된 목표 흡기량을 사용한다.

본 발명의 제 7 태양에 있어서, 흡기량 변화 수단은 흡기 밸브 및 배기 밸브 중 적어도 어느 하나의 개방 특성을 제어하기 위한 개방 특성 제어수단이다.

이 태양에 따라, 스로틀 밸브와 개방 특성 제어수단이 제공된 내연기관에서, 흡기량을 제어할 때를 위한 목표 스로틀 개도는 목표 흡기량 및 목표 설정 (더 정확히는 목표 개방 특성) 으로부터, 엔진 흡기 시스템의 모델을 만들고 엔진 흡기 시스템을 통과하는 공기를 표현하는 모델식에 기초하여 구해질 수 있다. 이로 인해, 과거와 비교하여, 목표 스로틀 개도를 구하기 위해 필요한 맵을 만들기 위한 작업량이 대폭 감소될 수 있고, 또한 목표 스로틀 개도는 비교적 양호한 정확도로 구해질 수 있다. 본 명세서에서, "개방 특성"은 밸브 리프트, 개방 각도 및 밸브 작동 시기 중 하나 이상을 의미한다.

본 발명의 제 8 태양에 있어, 스로틀 밸브 및 그 스로틀 밸브와 연결된 흡기량 변화 수단이 제공된 내연기관에서 흡기량 제어를 위한 방법이 제공되어, 그 내연기관을 위한 흡기량 제어방법에는, 엑셀러레이터 개도 및 엔진 속도에 기초하여 목표 흡기량을 구하는 단계, 적어도 상기 목표 흡기량에 기초하여 흡기량 변화 수단을 위한 목표 설정을 결정하는 단계, 및 엔진 흡기 시스템의 모델을 만들고 엔진 흡기 시스템을 통과하는 공기를 표현하는 모델식에 기초하여 상기 목표 흡기량 및 상기 목표 설정으로부터 목표 흡기량을 실현시키기 위한 스로틀 개도인 목표 스로틀 개도를 구하는 단계가 제공된다.

본 발명의 제 9 태양에 있어서, 목표 스로틀 개도를 구하는 단계는 흡기량 변화 수단이 목표 설정으로 설정될 때 목표 흡기량을 실현하기 위한 스로틀 밸브의 하류 측에서의 흡기관 내부 압력인 목표 흡기관 내부 압력을 목표 흡기량 및 목표 설정에 기초하여 구하는 단계, 및 목표 흡기량과 목표 흡기관 내부 압력에 기초하여 목표 스로틀 개도를 구하는 단계를 포함한다.

본 발명의 제 10 태양에 있어서, 모델식으로서, 스로틀 밸브의 하류 측에서의 흡기관 내부 압력과 스로틀 밸브 통과 공기유량 사이의 관계를 표현하고 스로틀 개도에 따라 결정되는 제 1 식, 및 스로틀 밸브 하류 측에서의 흡기관 내부 압력과 실린더 흡기유량 사이의 관계를 표현하고 적어도 흡기량 변화 수단의 설정 및 엔진 속도에 따라 결정되는 제 2 식이 적어도 사용된다.

본 발명의 제 11 태양에서, 목표 흡기량을 구하는 단계는 흡기량 변화 수단이 소정의 기준 상태로 설정되는 경우에 목표 스로틀 개도인 기준 목표 스로틀 개도를 엑셀러레이터 개도 및 엔진 속도에 기초하여 구하는 단계를 포함하고, 목표 흡기량을 구하는 단계에서, 기준 목표 스로틀 개도에 의해 결정된 제 1 식에 기초하여 구해진 스로틀 밸브 통과 공기유량 및 흡기량 변화 수단이 기준 상태로 설정됨을 가정하여 적어도 엔진 속도에 의해 결정되는 제 2 식에 기초하여 구해지는 실린더 흡기유량이 스로틀 밸브 하류 측에서의 동일한 흡기관 내부 압력에 대하여 서로 같게 될 때에 대하여 실린더 흡기유량이 구해지고, 실린더 흡기유량은 목표 흡기량이 되거나, 또는 실린더 흡기유량으로부터 환산된 값이 목표 흡기량이 된다. 이러한 태양에 따라, 운전자의 의도에 따라 목표 흡기량을 설정하는 것이 가능하다.

본 발명의 제 12 태양에 있어서, 목표 스로틀 개도를 구하는 단계는 흡기량 변화 수단이 목표 설정으로 설정될 때 목표 흡기량을 실현하기 위한 스로틀 밸브의 하류 측에서의 흡기관 내부 압력인 목표 흡기관 내부 압력을 목표 흡기량 및 목표 설정에 기초하여 구하는 단계를 포함하고, 목표 흡기관 내부 압력을 구하는 단계에서, 목표 흡기관 내부 압력은 실린더 흡기유량으로 표현되는 목표 흡기량을 흡기량 변화 수단이 목표 설정으로 설정됨을 가정하여 적어도 엔진 속도에 의해 결정되는 제 2 식에 대입하여 구해진다.

본 발명의 제 13 태양에서, 목표 스로틀 개도를 구하는 단계는 목표 흡기량 및 목표 흡기관 내부 압력에 기초하여 목표 스로틀 개도를 구하는 단계를 더 포함하고, 목표 스로틀 개도를 구하는 단계에서, 실린더 흡기유량으로 표현되는 목표 흡기량 및 목표 흡기관 내부 압력이 제 1 식에 기초하여 목표 스로틀 개도를 구하기 위해 사용된다.

본 발명의 제 14 태양에서, 흡기량 변화 수단은 흡기 밸브와 배기 밸브 중 적어도 하나의 개방 특성을 제어하기 위한 개방 특성 제어 수단이다.

이러한 태양에서도 마찬가지로, 제 7 태양에서와 실질적으로 동일한 작용과 효과가 얻어질 수 있다.

아래에서, 첨부된 도면과 본 발명의 바람직한 실시예의 설명을 통해 본 발명은 더 잘 이해될 것이다.

도 1 은 실린더내 분사형 불꽃 점화 내연기관에 본 발명을 적용하는 경우의 실시예에 대한 개략도이다.

도 2 는 밸브 리프트의 변화 및 밸브 리프트 변화기의 작동을 따라 흡기 밸브의 작동 각도의 상태를 나타내는 도이다.

도 3 은 작동 시기 이동장치의 작동에 따라 흡기 밸브의 작동 시기의 이동 상태를 나타내는 도이다.

도 4 는 스로틀 개구 및 유량 계수 사이의 관계를 나타내는 도이다.

도 5 는 함수 Φ(Pm/Pac) 를 나타내는 도이다.

도 6 은 스로틀 모델의 기본 개념을 나타내는 도이다.

도 7 은 흡기관 모델의 기본 개념을 나타내는 도이다.

도 8 은 흡기 밸브 모델의 기본 개념을 나타내는 도이다.

도 9 는 실린더를 채우는 공기량 및 실린더 흡기유량의 정의와 관련된 도이다.

도 10 은 본 발명의 실시예에서 흡기량 제어에 대한 제어 루틴의 플로우챠트이다.

도 11 은 도 10 의 제어 루틴의 단계 101 과 관련된 도로서, 목표 흡기량 mcta 를 보여준다.

도 12 는 도 10 의 제어 루틴의 단계 105 와 관련된 도로서, 목표 흡기관 내부 압력 Pmta 를 보여준다.

도 13 은 도 10 의 제어 루틴의 단계 107 과 관련된 도이다.

아래에서, 본 발명의 실시예는 도면을 참고하여 자세히 설명될 것이다. 도면에서, 동일하거나 또는 유사한 부품은 공통된 참조부호로 표시됨을 유의해야 한다.

도 1 은 실린더내 분사형 불꽃 점화 내연기관에 본 발명을 적용하는 경우의 실시예에 대한 개략도이다. 본 발명은 다른 불꽃 점화 내연기관에 또는 압축 점화 내연기관에 또한 적용될 수 있음을 유의해야 한다.

도 1 에서, "1" 은 내연기관 본체를 표시하고, "2" 는 흡기 밸브를 표시하며, "3" 은 흡기 포트를 표시하고, "4" 는 배기 밸브를 표시하고, "5" 는 배기 포트를 표시하고, "6" 은 실린더 (7) 에 형성된 연소실을 표시한다. 각 실린더의 흡기 포트 (3) 는 하류 측 흡기관 (8) 을 통하여 서지 탱크(surge tank) (9) 에 연결되고, 그 서지 탱크 (9) 는 상류 측 흡기관 (10) 을 통하여 공기 정화기 (11) 에 연결된다. 흡기관 (10) 은 그곳에 배치된 스로틀 밸브 (12) 를 갖는다. 다른 한 편, 각 실린더의 배기 포트 (5) 는 배기관 (13) 에 연결된다.

또한, "14" 는 밸브 리프트를 변환시키기 위한 밸브 리프트 변화기를 표시한다. 즉, 본 실시예에서, 밸브 리프트 변화기 (14) 를 작동시킴에 의해, 흡기 밸브 (2) 의 밸브 리프트가 제어될 수 있다.

흡기 밸브 (2) 의 밸브 리프트를 변화시키기 위해 밸브 리프트 변화기 (14) 를 작동시키면, 흡기 밸브 (2) 의 개구 면적이 변하게 된다. 본 실시예의 흡기 밸브 (2) 에서, 밸브 리프트가 증가하면 흡기 밸브 (2) 의 개구 면적이 증가하게 된다. 또한, 후에 설명되는 바와 같이, 본 실시예에서, 만일 밸브 리프트 변화기 (14) 가 흡기 밸브 (2) 의 밸브 리프트를 변화시키기 위해 사용된다면, 흡기 밸브 (2) 의 작동 각도가 변하게 된다.

다른 한 편, "15" 는 흡기 밸브 (2) 의 작동 각도 및 밸브 리프트를 변화시킴 없이 작동 시기를 이동시키기 위한 작동시기 이동기를 표시한다. 즉, 작동시기 이동기 (15) 를 작동시킴에 의해, 흡기 밸브 (2) 의 작동시기는 전진된 측으로 또는 지연 측으로 이동될 수 있고, 이로 인해 밸브 오버랩이 조절될 수 있다.

"16" 은 연료 분사기, "17" 은 점화 플러그, "18" 은 흡기 밸브 (2) 의 밸브 리프트, 작동각도 및 작동시기의 이동을 검출하는 개방 특성 센서, "19" 는 엔진속도를 검출하기 위한 엔진속도 센서를 각각 표시한다. "20" 은 내연기관 주위의 대기압을 검출하기 위한 대기압 센서를, "21" 은 내연기관 냉각수의 온도를 검출하기 위한 냉각수 온도 센서를, 그리고 "22" 는 내연기관 주위의 온도를 검출하기 위한 대기온도 센서를 표시한다. "23" 은 스로틀 밸브 (12) 의 개방 각도를 검출하기 위한 스로틀 개도 센서를, "24" 는 공기유량계를, 그리고 25 는 스로틀 밸브 (12) 로부터 하류 측에 있는 흡기관 내부의 압력을 검출하기 위한 흡기관 내부압력 센서를 표시한다. "26" 은 가속 페달 (27) 에 연결된 하중 센서를 표시하고, 그 하중 센서는 가속 페달 (27) 의 누름량(이하, "엑셀러레이터 누름"이라 한다)에 비례하는 출력값을 발생시킨다. "28" 은 ECU(electronic control unit)를 표시한다. 도 1 에서 나타난 바와 같이, 상기 센서의 출력값은 ECU (28) 에 대한 입력값이다.

본 실시예에 있어, 각 연료 분사기 (16) 는 ECU (28) 에 연결된다. ECU (28) 로부터 신호는 분사된 연료량 또는 분사 시기를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 유사하게, 각 점화 플러그 (17) 는 ECU (28) 에 연결된다. ECU (28) 로부터의 신호는 점화 시기를 제어하도록 이용될 수 있다. 또한, 스로틀 밸브 (12) 의 개도는 엑셀러레이터 누름에 관계 없이 변화될 수 있다. 스로틀 개도를 조절함에 의해, 스로틀 밸브의 하류 측의 흡기관에 있는 압력은 조절될 수 있다.

도 2 는 밸브 리프트 변화기 (14) 의 작동을 수반하는 흡기 밸브 (2) 의 밸브 리프트의 변화 상태를 보여준다. 도 2 에서 보듯이, 밸브 리프트 변화기 (14) 는 흡기 밸브 (2) 의 밸브 리프트가 연속적으로 변경되도록 할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 본 실시예에서, 밸브 리프트의 변화는 흡기 밸브 (2) 의 개방 시기에 대응하는 작동 각도의 변화를 수반한다. 더 정확히는, 흡기 밸브 (2) 의 밸브 리프트의 증가는 흡기 밸브 (2) 의 작동 각도의 증가(실선 → 점선 → 일점 쇄선)를 수반한다. 그러므로, 본 실시예에서, 밸브 리프트 변화기 (14) 는 리프트 제어 수단 및 작동 각도 제어 수단을 모두 포함한다.

또한, 본 실시예에서, 밸브 리프트 변화기 (14) 의 작동은 흡기 밸브 (2) 의 밸브 리프트가 최대로 되는 시기의 변화를 수반한다. 더 정확히는, 도 2 에서 보여지는 바와 같이, 흡기 밸브 (2) 의 밸브 리프트의 증가는 흡기 밸브 (2) 의 밸브 리프트가 최대로 되는 시기의 지연을 수반한다.

도 3 은 작동 시기 이동기 (15) 의 작동을 따르는 흡기 밸브 (2) 의 작동 시기의 이동 상태를 보여준다. 도 3 에서 보듯이, 작동 시기 이동기 (15) 는 흡기 밸브 (2) 의 작동 시기가 연속적으로 변화될 수 있도록 한다. 이 때, 흡기 밸브 (2) 의 작동 각도는 변하지 않는다.

본 실시예에서, 각 실린더의 연소실 (6) 에 흡입된 공기량은 흡기 밸브 (2) 의 개방 특성(리프트, 작동 각도 및 밸브 시기) 및 스로틀 밸브 (12) 의 개도(보다 정확히는 스로틀 밸브 하류 측의 흡기관 내부 압력) 의 협력적 제어에 의해 제어될 수 있다. 즉, 내연기관의 흡기량은 흡기 밸브 (2) 의 개방 특성 및 스로틀 밸브 (12) 의 개도의 협력적 제어에 의해 제어될 수 있다. 또한, 또 다른 실시예에서는, 이외에도 공회전 속도 제어 밸브(도시 생략)의 개도를 제어하여 흡기량을 제어할 수도 있다.

그러나, 최근 유체 역학 등에 의해 내연기관의 흡기 시스템의 모델들의 개발과 내연기관의 제어를 위한 제어 파라미터를 계산하기 위해 그 모델들을 사용하는 것이 연구되어 왔다. 즉, 예를 들어, 내연기관의 흡기 시스템에 대하여, 스로틀 모델, 흡기관 모델, 흡기 밸브 모델 등을 만들어 흡기 시스템을 통과하는 공기를 표현하는 모델식을 구하고, 이러한 모델식이 여러가지 종류의 제어를 위해 요구되는 파라미터들을 계산하기 위해 사용되며, 이러한 파라미터들은 내연기관의 제어를 위해 사용되도록 한다.

또한, 본 실시예에서 도 1 에서 보여지는 구성에서, 흡기 시스템의 모델은 스로틀 모델, 흡기관 모델 및 흡기 밸브 모델의 모델들에 의해 만들어지고, 아래에서 설명하는 바와 같은 모델식이 제공된다. 아래에서, 그 모델들과 모델식들을 설명한다.

첫째로, 스로틀 밸브를 설명한다. 스로틀 모델은 스로틀 밸브의 모델이다. 이에 따라, 스로틀 밸브 통과 공기유량 (mt) (g/s) 은 다음 식 (1) 에 의해 표시된다. 여기서, "Pac" (kPa) 는 스로틀 밸브 (12) 상류측에서의 흡기관 내부 압력(이하 "상류측 흡기관 내부 압력"이라 한다)이고 적어도 공기 정화기 (11) 의 압력 손실을 고려하여 구한 값이다. 또한, "Ta" (K) 는 대기온도, "Pm" (kPa) 는 스로틀 밸브 하류 측에서의 흡기관 내부 압력(이하, "하류 측 흡기관 내부 압력"이라 한다) 이고, "R" 은 기체 상수이다. 또한, "μ" 는 스로틀 밸브에서 유량 계수이고 스로틀 개도 (θt) 의 함수이며 도 4 에서 보여지는 바와 같은 맵으로부터 결정된다. 또한, "At" (m²) 은 스로틀 밸브의 개구의 단면적(이하, "스로틀 개구 면적"이라 한다) 으로, 스로틀 개도 (θt) 의 함수이다. 만일 유량계수 (μ) 와 스로틀 개구 면적 (At) 를 곱한 μ·At 를, 변수로서 스로틀 개도 (θt) 만을 갖는 함수 F(θt) 로 한다면, 식 (1) 은 식 (2) 로 다시 쓸 수 있다. 또한, 만일 실험, 시뮬레이션 등에 의해 이 함수 F(θt) 의 값을 구하여 인수로서 θt를 갖는 맵을 미리 작성하면, 그 맵은 스로틀 개도 (θt) 로부터 F(θt) 의 값을 구하는데 사용될 수 있다.

Φ(Pm/Pac) 는 아래의 식 (3) 에서 보여지는 함수이다. 이 식 (3) 에서 κ 는 비열비( κ = Cp (정압비열) / Cv (정적비열), 상수) 이다. 이 함수 Φ(Pm/Pac) 는 도 5 에서 보여지는 바와 같은 그래프에 의해 표현될 수 있다. 따라서, 그와 같은 그래프는 ECU (28) 에 맵으로 저장되고, 실제로는 계산을 위해 식 (3) 을 이용하지 않고 맵으로부터 Φ(Pm/Pac) 를 구하는 것이 또한 가능하다.

스로틀 모델의 모델식, 즉 식 (1) 내지 식 (3) 은 스로틀 밸브 (12) 상류 가스의 압력이 상류 측 흡기관 내부 압력 (Pac) 이 되고 스로틀 밸브 (12) 상류 가스의 온도가 대기온도 (Ta) 가 되며, 스로틀 밸브 (12) 를 통과하는 가스의 압력이 하류 측 흡기관 내부 압력 Pm 이 된다고 가정하여, 질량 보존의 법칙, 에너지 보존의 법칙 및 운동량 보존의 법칙, 또한 기체의 상태 방정식, 비열비를 정의하는 식 및 메이어의 관계식을 도 6 에서 보여지는 스로틀 밸브 (12) 의 모델에 적용하여 얻어진다.

여기서, 사용되는 스로틀 밸브 (12) 상류 가스의 압력은 대기압 (Pa) 이 아닌 상류측 흡기관 내부 압력 (Pac) 인데, 왜냐하면 스로틀 밸브 (12) 의 상류측에서의 실제 압력이 엔진 흡기 시스템에서 스로틀 밸브 상류 측에서의 압력 손실로 인해 엔진 작동 중 대기압 Pa 보다 더 낮게 되기 때문이다. 또한, 특히, 도 1 에서 보여지는 구성에 있어서, 엔진 흡기 시스템의 최상류부에는 공기 정화기 (11) 가 제공되기 때문에, 스로틀 밸브 통과 공기유량 (mt) 을 더 정확하게 구하기 위해서는, 적어도 공기 정화기 (11) 의 압력 손실을 고려하여 구해지는 상류측 흡기관 내부 압력 Pac 을 이용하는 것이 더 바람직하다고 판단된다.

이와 관련하여, 상류측 흡기관 내부 압력 (Pac) 은 스로틀 밸브 (12) 의 바 로 상류에 압력 센서를 제공하여 검출될 수 있지만, 압력 센서를 이용함 없이 계산될 수도 있다. 즉, 대기압 Pa 및 상류측 흡기관 내부 압력 Pac 간의 차는 베르누이의 식에 의해 다음 식 (4) 과 같이 표현될 수 있다.

여기서, ρ 는 대기밀도, v 는 공기 정화기 (11) 를 통과하는 공기의 유속, Ga 는 공기 정화기 (11) 를 통과하는 공기의 유량, 그리고 k 는 v 와 Ga 의 비례계수이다. 만일, 표준 대기밀도 ρ0 , 및 표준 대기밀도 ρ0 를 대기밀도 ρ 로 변화시키기 위한 압력 보정 계수 (ekpa) 와 온도 보정 계수 (ektha) 를 사용한다면, 식 (4) 는 다음 식 (5) 와 같이 다시 표현될 수 있다. 또한, 식 (5) 는 변수로서 유량 (Ga) 만을 갖는 함수 f(Ga) 를 사용하여 다음 식 (6) 으로 다시 표현될 수 있다. 또한, 실험, 시뮬레이션 등에 의해 이 함수 f(Ga) 의 값을 구하여 인수로서 Ga 를 갖는 맵을 미리 만든다면, 그 맵에 기초하여 유량 (Ga) 으로부터 f(Ga) 의 값을 구하는 것이 가능하다.

식 (6) 은 상류측 흡기관 내부 압력 (Pac) 을 나타내는 다음 식 (7) 으로 변형될 수 있다. 식 (7) 에서, 유량 (Ga) 은 공기 정화기 (11) 의 하류 측에 있는 공기유량계 (24) 에 의해 검출될 수 있다. 또한, 그 유량 Ga 는 상술한 f(Ga) 의 맵으로부터 f(Ga) 의 값을 구하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 압력 보정 계수 (ekpa) 는 검출된 대기압 (Pa) 에 의해 설정될 수 있고, 온도 보정 계수 (ektha) 는 검출된 대기온도 (Ta) 에 의해 설정될 수 있다.

또한, 식 (7) 에서, 공기 정화기 (11) 를 통과하는 공기유량 (Ga) 은 스로틀 밸브 통과 공기유량 (mt) 으로 간주될 수 있어서, 식 (7) 은 다음의 식 (8) 로 변형될 수 있다.

또한, 공기유량 (Ga) 는 엔진속도 (NE) 및 뒤에 설명되는 실린더 공기 충진율 (K1) 에 비례하여, 만일 j 를 비례계수로 한다면, 식 (7) 은 다음 식 (9) 와 같 이 변형될 수 있다.

다음으로, 흡기관 모델을 설명한다. 흡기관 모델은 스로틀 밸브 (12) 부터 흡기 밸브 (2) 까지 흡기관 (8) 등의 부분(이하, "흡기관 부분 (8') "이라 한다)에 대한 모델이다. 이에 따라, 하류 측 흡기관 내부 압력 (Pm) (kPa) 및 하류 측 흡기관 내부 온도 (Tm) (K) 에 대하여 다음 식 (10) 및 식 (11) 과 같은 모델식이 얻어진다. 여기서, mc (g/s) 는 실린더 흡기유량이고, Vm (m³) 은 흡기관 부분 (8') 의 부피와 동일한 상수이다.

여기서, 흡기관 모델을 도 7 을 참고하여 설명한다. 만일 흡기관 부분 (8') 의 총 가스량이 M 이라면, 질량보존의 법칙에 따라 시간에 따른 총 가스량의 변화는 흡기관 부분 (8') 에 유입하는 가스의 유량, 즉 스로틀 밸브 통과 공기유량 (mt) 과 흡기관 부분 (8') 으로부터 유출하는 가스량, 즉 실린더 흡기유량 (mc) 간 의 차와 같기 때문에, 아래의 식 (12) 가 얻어진다. 이 식 (12) 및 기체 상태 방정식 (Pm·Vm = M·R·Tm) 으로부터, 식 (10) 이 얻어진다.

또한, 시간에 따른 흡기관 부분 (8') 의 가스의 에너지 M·Cv·Tm 의 변화량은, 흡기관 부분 (8') 에 유입하는 가스의 에너지와 흡기관 부분 (8') 으로부터 유출하는 가스의 에너지 사이의 차와 동일하다. 이러한 이유로, 만일 흡기관 부분 (8') 에 유입하는 가스의 온도가 대기온도 (Ta) 이고, 흡기관 부분 (8') 으로부터 유출하는 가스의 온도가 하류 측 흡기관 내부 온도 (Tm) 이면, 에너지보존 법칙에 따라 아래의 식 (13) 이 얻어진다. 이 식 (13) 및 기체 상태 방정식으로부터 식 (11) 이 얻어진다.

마지막으로, 흡기 밸브 모델을 설명한다. 흡기 밸브 모델은 흡기 밸브의 모델이다. 이에 따라, 실린더 흡기유량 mc 은 아래의 식 (14) 와 같은 모델식에 의해 표현된다. 식 (14) 에서 A 및 B 는 적어도 엔진속도 (NE) 에 기초하여 결정된 적합 파라미터이고, 미리 맵을 준비하고 필요에 따라 그 맵을 통해 탐색하여 구해질 수 있다. 본 실시예에서는, 상술한 바와 같이 각 흡기 밸브 (2) 에는 흡기 밸브 (2) 의 작동 시기 및 밸브 리프트와 같은 개방 특성이 변화될 수 있 도록 하는 밸브 리프트 변화기 (14) 및 작동 시기 이동기 (15) 가 제공되어, 적합 파라미터 A 및 B 는 흡기 밸브 (2) 의 개방 특성의 설정에 기초하여 결정된다.

상술한 흡기 밸브 모델을 도 8 을 참고하여 설명한다. 일반적으로, 흡기 밸브 (2) 가 닫힌 때 연소실 (6) 에 충진된 공기량, 즉 실린더 충진 공기량 (Mc) 은 흡기 밸브 (2) 가 닫힌 때(흡기 밸브 폐쇄시) 결정되고, 흡기 밸브 폐쇄시 연소실 (6) 내의 압력에 비례한다. 또한, 흡기 밸브 폐쇄시 연소실 (6) 내부의 압력은 흡기 밸브의 상류의 가스 압력, 즉 하류 측 흡기관 내부 압력 (Pm) 과 같다고 간주될 수 있다. 그러므로, 실린더 충진 공기량 (Mc) 는 하류 측 흡기관 내부 압력 (Pm) 에 비례하는 것으로 근사화 될 수 있다.

여기서, 만일 단위 시간당 흡기관 부분 (8') 으로부터 유출하는 모든 공기량의 평균 또는 단위 시간당 흡기관 부분 (8') 으로부터 모든 연소실 (6) 에 유입되는 공기량을 하나의 실린더의 흡기 행정에 대해 평균한 것을 실린더 흡기유량 (mc) (아래에서 자세히 설명한다)으로 한다면, 실린더 충진 공기량 (Mc) 은 하류 측 흡기관 내부 압력 (Pm) 에 비례하기 때문에 실린더 흡기유량 (mc) 은 하류 측 흡기관 내부 압력 (Pm) 에 비례하는 것으로 또한 간주될 수 있다. 이로부터, 이론 및 경험법칙에 기초하여 식 (14) 가 얻어진다. 식 (14) 에서 적합 파라미터 A 는 비례계수이고, 적합 파라미터 B 는 배기 밸브의 폐쇄시에 연소실 (6) 에 남아있는 연소 가스의 양과 관련된 값이다.

동일한 엔진속도 등에 대해서도 하류 측 흡기관 내부 압력 (Pm) 이 큰 경우와 작은 경우에 대하여 적합 파라미터 A 및 B 를 서로 다른 두 개의 값으로 만들면(예를 들어, A1, B1 및 A2, B2), 즉 식 (14) 와 같은 식(즉, 하류 측 흡기관 내부 압력 (Pm) 의 일차식) 두 개로 실린더 흡기유량 (mc) 을 표현하면, 실린더 흡기유량 (mc) 은 어떤 경우에 더 정확하게 구해질 수 있다는 것을 알게 되었다. 이는 특히 흡기 밸브 (2) 및 배기 밸브 (4) 가 모두 열려있는 기간일 때(즉, 밸브 오버랩), 연소된 가스가 흡기 포트 (3) 로 역류하는 사실과 관련있는 것으로 생각된다. 즉, 밸브 오버랩이 있는 경우에, 하류 측 흡기관 내부 압력 (Pm) 이 소정의 압력 이상일 때, 하류 측 흡기관 내부 압력 (Pm) 이 높을수록, 연소된 가스의 역류가 더 현저하게 감소하게 되어, 소정의 압력보다 작은 때와 비교하여 A 의 값은 더 크게되고 B 의 값은 더 작게된다.

여기서, 실린더 흡기유량 (mc) 을 내연기관이 네 개의 실린더를 가진 경우에 대하여 도 9 를 참고하여 설명한다. 도 9 에서, 가로축은 크랭크축의 회전 각도를 나타내고 세로축은 단위 시간당 흡기관 부분 (8') 으로부터 연소실 (6) 에 실제 유입하는 공기량을 나타낸다. 도 9 에서 보여지는 바와 같이, 4-실린더 내연기관에서, 흡기 밸브 (2) 는 예를 들어 #1 실린더, #3 실린더, #4 실린더 및 #2 실린더의 순서로 열린다. 공기는 그 실린더에 대응하는 흡기 밸브 (2) 의 개방량에 따라 흡기관 부분 (8') 으로부터 실린더의 연소실 (6) 안으로 유입한다. 흡기관 부분 (8') 으로부터 실린더의 연소실 (6) 에 유입하는 공기의 유량의 변화 는 도 9 에서 점선으로 나타낸 바와 같다. 이들의 결합, 즉 흡기관 부분 (8') 으로부터 모든 실린더의 연소실 (6) 에 유입하는 공기의 유량은 도 9 에서 실선으로 나타낸 바와 같다. 또한, 예를 들어 #1 실린더로의 실린더 충진 공기량 (Mc) 은 도 9 에서 빗금친 부분에 해당한다.

이와 반대로, 실선으로 나타낸 흡기관 (8') 으로부터 모든 실린더의 연소실 (6) 에 유입하는 공기의 평균은 실린더 흡기유량 (mc) 이고 그 도면에서 일점 쇄선으로 나타내었다. 또한, 일점 쇄선으로 표시된 실린더 흡기유량 (mc) 에 4 실린더의 경우 크랭크축이 180°(즉, 4 행정 내연기관에서, 1 사이클에서 크랭크축의 회전 각도 720°를 실린더의 수로 나눈 값) 회전하기 위해 필요한 시간 ΔT₁₈₀ _°을 곱한 것은 실린더 충진 공기량 (Mc) 이 된다. 따라서, 흡기 밸브 모델 (M23) 에 의해 계산된 실린더 흡기유량 (mc) 에 ΔT₁₈₀ _° 을 곱하면, 실린더 충진 공기량 (Mc) 이 계산될 수 있다 (Mc = mc·ΔT₁₈₀ _°). 또한, 이러한 실린더 충진 공기량 (Mc) 을 1 기압 25℃ 에서 실린더 당 배기량에 해당하는 부피를 차지하는 공기의 질량으로 나누면, 실린더 공기 충진율 (K1) 이 계산될 수 있다. 이러한 방법으로, 실린더 충진 공기량 (Mc), 실린더 흡기유량 (mc) 및 실린더 공기 충진율 (K1) 은 상호 비례관계에 있다. 만일 이들 중 어느 하나를 구한다면, 다른 값들도 구해질 수 있다. 즉, 이러한 값들은 서로 환산이 가능하다.

본 명세서에서 내연기관의 흡기량은 (작동 중) 내연기관의 모든 실린더의 연소실로 흡입되는 공기의 양이다. 이것은 또한 실린더 충진 공기량 (Mc) , 실린 더 흡기유량 (mc) , 및 실린더 공기 충진율 (K1) 중 어느 하나를 사용하여 표현될 수 있다.

그러나, 본 실시예에서, 상술한 바와 같이 밸브 리프트 변화기 (14) 또는 작동시기 이동기 (15) 는 흡기 밸브 (2) 의 개방 특성 (리프트, 개방 각도, 밸브 시기) 이 제어되도록 할 수 있고, 스로틀 밸브 (12) 는 하류 측 흡기관 내부 압력이 제어되도록 할 수 있다. 또한, 스로틀 밸브 (12) 의 개방 특성 및 개도 (보다 정확히는 스로틀 밸브의 하류 측에서 흡기관 내부 압력) 를 협력 제어함에 의해, 흡기량이 제어된다. 즉, 밸브 리프트 변화기 (14) 및 작동 시기 이동기 (15) 를 포함하는 스로틀 밸브 및 개방 특성 제어 수단들은 흡기량을 제어하도록 협력한다. 또한, 본 실시예에서, 그와 같은 흡기량 제어시에, 상술한 모델식이 제어를 위해 사용된다. 아래에서, 도 10 의 플로우챠트를 참고하여 특정 방법을 설명한다.

도 10 은 본 실시예에서 흡기량 제어를 위한 제어 루틴의 플로우 챠트이다. 이 제어 루틴은 소정 시간마다, 즉 매 제어 주기 (Ts) 마다 ECU (28) 에 의해 수행된다.

이러한 제어 루틴이 시작할 때, 우선, 단계 101 에서 제어 주기 (Ts) 에 해당하는 시간의 경과 후 실현되는 목표 흡기량 (mcta) 이 구해진다. 상술한 바와 같이, 흡기량은 실린더 충진 공기량 (Mc) , 실린더 흡기유량 (mc) , 및 실린더 공기 충진율 (K1) 중 어느 하나를 사용하여 표현될 수 있지만, 다음의 설명에서 실린더 흡기유량 (mc) 을 사용하여 표현되었다. 그러므로, 목표 흡기량 (mcta) 은 더 정확히는 제어 주기 (Ts) 에 해당하는 시간의 경과 후 실현되는 실린더 흡기량 (mc) 이다.

이러한 목표 흡기량 (mcta) 은 내연기관의 작동 상태, 더 정확히는 엔진속도 (NE) 및 엑셀러레이터 누름 (L) 을 요구되는 토크 (TQr) 에 대응시키는 맵을, 그리고 그 요구되는 토크 (TQr) 를 목표 흡기량 (mcta) 에 대응시키는 맵을 미리 준비함에 의해, 그리고 그 맵들에 기초한 값을 구함에 의해 구해질 수 있지만, 본 실시예에서는 다음과 같은 방법으로 구했다.

즉, 본 실시예에서, 개방 특성이 엔진속도 (NE) 및 엑셀러레이터 누름 (L) 으로부터 소정의 기준 상태(즉, 기준 목표 스로트 개도)로 설정되는 경우에 스로틀 개도 (θtb) 를 구하기 위한 맵은 미리 준비되어 ECU (28) 에 저장된다. 여기서, 기준 상태는, 예를 들어 밸브 리프트 변화기 (14) 또는 작동 시기 이동기 (15) 를 갖지 않는 보통의 엔진에서 표준 밸브 리프트 또는 작동 각도 및 작동 시기가 만들어질 수 있다.

또한, 첫째로, 기준 목표 스로틀 개도 (θtb) 는 엔진속도 (NE) 및 엑셀러레이터 누름 (L) 으로부터 기준 목표 스로틀 개도 (θtb) 를 구하기 위한 맵에 기초하여 구하여진다. 또한, 이러한 기준 목표 스로틀 개도 (θtb) 는 상술한 스로틀 모델의 모델식 (식 (1)) 을 결정하기 위하여 사용된다(아래 식 (15)).

다른 한 편, 만일 개방 특성이 소정의 기준 상태로 설정된다면, 상술한 흡기 밸브의 모델식 (식 (14)) 의 적합 파라미터 A 및 B 는 엔진속도 (NE) 등으로부터 결정되어, 그 모델식이 결정된다. 만일 적합 파라미터 A 및 B 가 Ab 및 Bb 로 설정된다면, 다음 식 (16) 이 얻어진다.

또한, 흡기량이 목표 흡기량이 되는 상태는 수렴 상태이다. 이 때, 스로틀 밸브 통과 공기유량 (mt) 및 실린더 흡기유량 (mc) 은 같아지게 된다. 따라서, 만일 이러한 방법으로 결정된 스로틀 모델의 모델식 (식 (15)) 으로부터 얻어진 스로틀 밸브 통과 공기유량 (mtb) 및 이러한 방법으로 얻어진 흡기 밸브 모델의 모델식 (식 (16)) 으로부터 얻어진 실린더 흡기유량 (mcb) 이 동일한 하류 측 흡기관 내부 압력 (Pm) 에 대하여 동일하게 될 때 실린더 흡기유량 (mcb) 을 구하면, 이를 목표 흡기량 (mcta) 이라 할 수 있다.

또한, 상기 방법으로 목표 흡기량 (mcta) 을 구함은 상기 방법으로 결정된 스로틀 모델의 모델식 (식 (15)) 에 의해 표현되는 곡선 (mcb) 과 이러한 방법으로 결정되는 흡기 밸브 모델의 모델식 (식 (16)) 에 의해 표현되는 직선 (mcb) 사이의 교차점 (EPb) 을 구하여, 도 11 에서 묘사된 바와 같이 그 교차점 (EPb) 의 세로축의 좌표를 구함과 같다. 여기서, 교차점 (EPb) 을 구할 때, 만일 교차점 (EPb) 을 구하기 위해 시도하는 바와 같이 곡선 (mtb) 을 표현하는 식 (식 (15)) 을 이용한다면, 계산은 매우 복잡하게 될 것이다. 따라서, 그 계산을 단순화하기 위 해, 하류 측 흡기관 내부 압력 (Pm) 에 대한 복수의 직선식으로 곡선 (mtb) 을 표현하는 식 (식 (15)) 과 가깝게 할 수 있다. 즉, 곡선 (mtb) 은 복수의 직선에 의해 근사하게 표시된다. 특히, 예를 들어 스로틀 밸브 통과 공기유량 (mtb) 은 곡선 (mtb) 을 표현하는 식 (식 (15)) 에 기초하여 소정 간격의 하류 측 흡기관 내부 압력 (Pm) 에서 계산되어 소정 간격의 하류 측 흡기관 내부 압력 (Pm) 에서 곡선 (mtb) 의 포인트를 구하게 되고, 인접한 그 포인트들을 연결하는 직선은 곡선 (mtb) 을 근사하게 표현하는 직선으로 사용된다. 또한, 이러한 근사 직선을 표현하는 직선식이 곡선 (mtb) 을 표현하는 식 (식 (15)) 의 선형근사식이 된다.

이러한 관점에서, 곡선 (mtb) 을 표현하는 식은 교차점 (EPb) 을 구하는 것을 원활히 하기 위한 직선식에 근사하게 된다. 여기서 필요한 것은 교차점 (EPb) 근처의 선형근사식이다. 따라서, 이러한 선형근사식을 구하는 것이 또한 가능하다. 이 경우, 직선 (mcb) 을 표현하는 식 (식 (16)) 에 기초하여 소정 간격의 하류 측 흡기관 내부 압력 (Pm) 에서의 실린더 흡기유량 (mcb) 을 또한 미리 구함에 의해, 그리고 스로틀 밸브 통과 공기유량 (mtb) 및 실린더 흡기유량 (mcb) 의 크기가 뒤바뀌는 곳을 구함에 의해, 교차점 (EPb) 이 특정될 수 있다.

즉, 교차점 (EPb) 부근(즉, 스로틀 밸브 통과 공기유량 (mtb) 및 실린더 흡기유량 (mcb) 의 크기가 뒤바뀌는 부분에서)의 선형근사식은, 예를 들어 스로틀 밸브 통과 공기유량 (mtb) 과 실린더 흡기유량 (mcb) 의 크기가 뒤바뀌는 곡선 (mtb) 상의 지점 주위의 두 포인트를 연결하는 직선을 표현하는 직선식으로 만들어진다.

상기 설명으로부터 이해될 수 있듯이, 만일 기준 상태를 밸브 리프트 변화기 (14) 및 작동 시기 이동기 (15) 를 갖지 않는 보통의 엔진에서의 기준 밸브 리프트 또는 작동 각도 및 작동 시기로 만들고, 목표 흡기량 (mcta) 을 구하기 위해 상술한 방법을 이용한다면, 보통의 엔진에서 일정한 엑셀러레이터 누름 (Lc) 에 의해 운전자가 의도하는 흡기량과 동일한 흡기량을, 본 실시예에서 동일한 엑셀러레이터 누름 (Lc) 에 대한 목표 흡기량 (mcta) 으로서 구하는 것이 가능하다.

만일, 목표 흡기량 (mcta) 이 단계 101 에서 구해진다면, 그 다음 단계 103 에서, 흡기 밸브 (2) 의 목표 개방 특성 (Cvta), 즉 목표 리프트 (Ltta) 및 목표 작동 각도 (Sata), 그리고 목표 작동 시기 이동 (Vtta) (즉, 작동 시기 이동기에 의한 이동으로 인하여 기준 작동 시기로부터 빠르거나 지연된 크기) 이 결정된다. 상기 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본 실시예에서, 리프트 (Lt) 및 작동 각도 (Sa) 는 소정의 관계를 갖는다. 만일 작동 각도 (Sa) 가 결정되고, 또한 리프트 (Lt) 가 결정된다면, 목표 리프트 (Ltta) 및 목표 작동 각도 (Sata) 를 결정할 때, 실제 목표 작동 각도 (Sata) 는 그 맵을 이용하여 결정된다.

더 정확히는, 단계 103 에서, 목표 작동 각도 (Sata) 및 목표 작동 시기 이동 (Vtta) 은, 연비, 배기, 토크 변동 및 다른 조건들이 엔진속도 (NE) , 목표 흡기량 (mcta) 등에 대하여 최적으로 결합된 작동 각도 (Sa) 및 작동 시기 이동 (Vt) 를 얻기 위해 준비된 맵에 기초하여 결정된다. 이러한 맵은 실험 등에 의해 미리 구해져, ECU (28) 에 저장된다.

목표 개방 특성 (Cvta) 이 단계 103 에서 결정될 때, 다음 단계 105 에서, 목표 흡기관 내부 압력 (Pmta) 이 구해진다. 이 목표 흡기관 내부 압력 (Pmta) 은 흡기 밸브 (2) 의 개방 특성 (Cv) 이 목표 개방 특성 (Cvta) 으로 설정될 때 목표 흡기량 (mcta) 을 실현하기 위한 스로틀 밸브의 하류 측에서의 흡기관 내부 압력 (Pm) 이 된다.

또한, 본 실시예에서, 이러한 목표 흡기관 내부 압력 (Pmta) 은 상술한 흡기 밸브 모델의 모델식(식 (14)) 을 이용하여 아래에서와 같이 구해진다. 즉, 우선 개방 특성 (Cv) 이 목표 개방 특성 (Cvta) 으로 설정된다고 가정하면, 상술한 흡기 밸브 모델의 모델식 (식 (14)) 의 적합 파라미터 A 및 B 는 엔진속도 (NE) 등으로부터 결정되어 그 모델식이 결정된다. 즉, 만일 적합 파라미터 A 및 B 가 Af 및 Bf 로 결정된다면, 다음 식 (17) 이 얻어진다.

또한, 목표 흡기관 내부 압력 (Pmta) 은 이 식 (17) 에서 목표 흡기량 (mcta) 을 실현시키기 위한 하류 측 흡기관 내부 압력 (Pm) 이 되어, 식 (17) 에 기초한 다음 식 (18) 에서와 같이 표현된다.

흡기 밸브 모델의 모델식 (식 (17)) 에 의해 표현되는 직선 (mcf) 과 개방 특성 (Cv) 이 목표 개방 특성 (Cvta) 으로 설정되는 경우의 목표 흡기관 내부 압력 (Pmta) 을 설명한다면, 그 결과는 예를 들어 도 12 에서 보여지는 바와 같다.

목표 흡기관 내부 압력 (Pmta) 이 단계 105 에서 구해질 때, 다음 단계 107 에서 목표 스로틀 개도 (θtta) 가 구해진다. 이러한 목표 스로틀 개도 (θtta) 는 하류 측 흡기관 내부 압력 (Pm) 을 목표 흡기관 내부 압력 (Pmta) 으로 만들기 위한 스로틀 개도 (θt) 이다. 본 실시예에서, 이러한 목표 스로틀 개도 (θtta) 는 다음과 같이 상술한 스로틀 모델의 모델식 (식 (2)) 을 이용하여 구해진다.

즉, 스로틀 개도 (θt) 를 목표 스로틀 개도 (θtta) 로 만들 때, 하류 측 흡기관 내부 압력 (Pm) 은 목표 흡기관 내부 압력 (Pmta) 으로 수렴되어야 하고, 스로틀 밸브 통과 공기유량 (mt) 은 목표 흡기량 (mcta) 으로 수렴되어야 해서, 다음 식 (19) 이 성립한다.

또한, 식 (19) 는 다음 식 (20) 과 같이 변형될 수 있다.

또한, 여기서 식 (20) 의 좌변은 스로틀 개도 (θt) 만의 함수이어서, 식 (20) 의 우변의 값을 계산함에 의해 식 (20) 에 기초한 목표 스로틀 개도 (θtta) 를 구하는 것이 가능하다. 즉, 예를 들어 스로틀 개도 (θt) 로부터 F(θt) 의 값을 구하는 상술한 맵을 반대로 이용함에 의해, 목표 스로틀 개도 (θtta)를 구하기 위해 식 (20) 의 우변으로부터 계산된 값을 이용하는 것이 가능하다.

식 (20) 은 식 (8) 및 식 (18) 을 사용한다면 다음 식 (21) 로 다시 표현될 수 있다.

또한, 상기의 방법으로 구해지는 목표 스로틀 개도 (θtta) 를 식 (2) 에 대입하면, 다음 식 (22) 이 얻어진다. 또한, 만일 이 식 (22) 에 의해 표현된 스로틀 통과 공기유량 (mtf) 의 곡선을 설명하면, 도 13 에서 보여지는 바와 같이 교차점 (EPb) 을 통과하는 곡선 (Pmta, mcta) 이 얻어진다.

목표 스로틀 개도 (θtta) 가 단계 107 에서 구해질 때, 다음 단계 109 에서, 밸브 리프트 변화기 (14) 및 작동 시기 이동기 (15) 는 흡기 밸브 (2) 의 개방 특성 (Cv) 이 목표 개방 특성 (Cvta) 이 되도록 제어되고, 스로틀 밸브 (12) 는 스로틀 개도 (θt) 가 목표 스로틀 개도 (θtta) 가 되도록 제어된다. 이로 인해, 흡기량은 목표 흡기량 (mcta) 이 되도록 제어된다. 또한, 마무리 단계 109 에서, 루틴은 동일한 제어가 반복되는 단계 101 로 복귀하게 된다.

본 실시예에서, 밸브 리프트 변화기 (14) 및 작동 시기 이동기 (15) 는 흡기 밸브 (2) 의 개방 특성만을 변하도록 할 수 있고, 배기 밸브 (4) 의 개방 특성을 변하게 할 수는 없지만, 다른 실시예에서는 배기 밸브 (4) 의 개방 특성을 변하게 하기 위해 배기 밸브를 위한 밸브 리프트 변화기 및 작동 시기 이동기를 제공하는 것이 가능하다.

또한, 밸브 리프트 변화기 (14) 및 작동 시기 이동기 (15) 와 같은 가변 밸브 작동 기구와 스로틀 밸브 (12) 의 협력적 제어에 의해 흡기량을 제어하는 경우가 예로써 위에서 설명되었는데, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명은 가변 밸브 작동 기구 이외의 다른 흡기량 변화 수단, 예를 들어 가변 실린더 수 기구 또는 가변 배기 부피 기구와 스로틀 밸브 사이의 협력에 의해 흡기량의 제어를 하는 경우에도 적용될 수 있다. 즉, 이러한 흡기량 변화 수단의 설정에 맞추어 흡기 밸브 모델의 모델식의 적합 파라미터 A 및 B 를 적절히 결정한다면, 상술한 가변 밸브 작동 기구의 경우와 동일한 방법으로 목표 스로틀 개도 또는 목표 흡기량을 구하는 것이 가능하다.

본 발명은 특정 실시예에 기초하여 자세히 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 청구범위와 개념으로부터 벗어남 없이 이에 대한 여러 가지 변경, 변형을 할 수 있음을 유의해야 한다.

Claims

스로틀 밸브 및 그 스로틀 밸브와 연결된 흡기량 변화 수단이 제공된 내연기관에서 흡기량을 제어하기 위한 장치로서,

상기 내연기관용 흡기량 제어 장치에는 엔진 흡기 시스템의 모델을 만들고 엔진 흡기 시스템을 통과하는 공기를 표시하는 모델식이 제공되고,

또한 엑셀러레이터 개도 및 엔진속도에 기초하여 목표 흡기량을 구하기 위한 수단, 적어도 그 목표 흡기량에 기초하여 상기 흡기량 변화 수단에 대한 목표 설정을 결정하기 위한 수단, 및 상기 목표 흡기량과 상기 목표 설정으로부터 상기 모델식에 기초하여 상기 목표 흡기량을 실현하기 위한 스로틀 개도인 목표 스로틀 개도를 구하기 위한 수단을 갖는 흡기량 제어 장치.
제 1 항에 있어서, 목표 스로틀 개도를 구하기 위한 상기 수단은, 상기 흡기량 변화 수단이 상기 목표 설정으로 설정될 때 상기 목표 흡기량을 실현하기 위한 스로틀 밸브의 하류 측에서의 흡기관의 내부 압력인 목표 흡기관 내부 압력을 목표 흡기량과 목표 설정에 기초하여, 구하기 위한 수단, 및 그 목표 흡기량과 그 목표 흡기관 내부 압력에 기초하여 목표 스로틀 개도를 구하기 위한 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 흡기량 제어 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 모델식으로서, 스로틀 밸브 하류 측에서의 흡기관 내부 압력과 스로틀 밸브 통과 공기유량 사이의 관계를 표현하면서 스로틀 개도에 따라 결정되는 제 1 식, 및 스로틀 밸브 하류 측에서의 흡기관 내부 압력과 실린더 흡기유량 사이의 관계를 표현하면서 적어도 상기 흡기량 변화 수단의 설정 및 엔진 속도에 따라 결정되는 제 2 식을 갖는 것을 특징으로 하는 흡기량 제어 장치
제 3 항에 있어서, 목표 흡기량을 구하기 위한 상기 수단은, 흡기량 변화 수단이 소정의 기준 상태인 경우에 있어 목표 스로틀 개도인 기준 목표 스로틀 개도를 상기 엑셀러레이터 개도 및 상기 엔진 속도에 기초하여 구하는 수단을 갖고, 기준 목표 스로틀 개도를 구하는 상기 수단에 의해 구해지는 기준 목표 스로틀 개도에 의해 결정되는 상기 제 1 식에 기초하여 구해지는 스로틀 밸브 통과 공기유량 및 상기 흡기량 변화 수단이 기준 상태로 설정됨을 가정하여 적어도 엔진 속도에 의해 결정되는 상기 제 2 식에 기초하여 구해지는 실린더 흡기유량이, 스로틀 밸브 하류 측에서의 동일한 흡기관 내부 압력에 대하여 같아지게 될 때에 대한 실린더 흡기유량을 구하며, 상기 실린더 흡기유량을 목표 흡기량으로 하거나 또는 상기 실린더 흡기유량으로부터 환산된 값을 목표 흡기량으로 하는 것을 특징으로 하는 흡기량 제어 장치.
제 3 항에 있어서, 목표 스로틀 개도를 구하기 위한 상기 수단은, 상기 흡기량 변화 수단이 상기 목표 설정으로 설정된 때 상기 목표 흡기량을 실현하기 위한 스로틀 밸브 하류 측에서의 흡기관 내부 압력인 목표 흡기관 내부 압력을 상기 목 표 흡기량과 상기 목표 설정에 기초하여 구하기 위한 수단을 갖고, 목표 흡기관 내부 압력을 구하기 위한 상기 수단은 실린더 흡기유량으로 표현된 상기 목표 흡기량을 상기 흡기량 변화 수단이 목표 설정으로 설정됨을 가정하여 적어도 엔진 속도에 의해 결정되는 상기 제 2 식에 대입하여 목표 흡기관 내부 압력을 구하는 것을 특징으로 하는 흡기량 제어 장치.
제 5 항에 있어서, 목표 스로틀 개도를 구하기 위한 상기 수단은 상기 목표 흡기량 및 상기 목표 흡기관 내부 압력에 기초하여 상기 목표 스로틀 개도를 구하기 위한 수단을 더 포함하고, 상기 수단은 상기 제 1 식에 기초하여 상기 목표 스로틀 개도를 구하기 위해 실린더 흡기유량 및 상기 목표 흡기관 내부 압력으로 표현된 목표 흡기량을 사용하는 것을 특징으로 하는 흡기량 제어 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 흡기량 변화 수단은 흡기 밸브 및 배기 밸브 중 적어도 어느 하나의 개방 특성을 제어하기 위한 개방 특성 제어수단인 것을 특징으로 하는 흡기량 제어 장치.
스로틀 밸브 및 그 스로틀 밸브와 연결된 흡기량 변화 수단이 제공된 내연기관에서 흡기량 제어를 위한 방법으로서,

엑셀러레이터 개도 및 엔진 속도에 기초하여 목표 흡기량을 구하는 단계,

적어도 상기 목표 흡기량에 기초하여 상기 흡기량 변화 수단을 위한 목표 설 정을 결정하는 단계, 및

엔진 흡기 시스템의 모델을 만들고 엔진 흡기 시스템을 통과하는 공기를 표현하는 모델식에 기초하여 상기 목표 흡기량 및 상기 목표 설정으로부터 목표 흡기량을 실현시키기 위한 스로틀 개도인 목표 스로틀 개도를 구하는 단계를 포함하는 흡기량 제어방법.
제 8 항에 있어서, 목표 스로틀 개도를 구하는 상기 단계는, 상기 흡기량 변화 수단이 상기 목표 설정으로 설정될 때 상기 목표 흡기량을 실현하기 위한 스로틀 밸브 하류 측에서의 흡기관 내부 압력인 목표 흡기관 내부 압력을 상기 목표 흡기량 및 상기 목표 설정에 기초하여 구하는 단계, 및 상기 목표 흡기량과 상기 목표 흡기관 내부 압력에 기초하여 상기 목표 스로틀 개도를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡기량 제어방법
제 8 항에 있어서, 상기 모델식으로서, 스로틀 밸브 하류 측에서의 흡기관 내부 압력과 스로틀 밸브 통과 공기유량 사이의 관계를 표현하고 스로틀 개도에 따라 결정되는 제 1 식, 및 스로틀 밸브 하류 측에서의 흡기관 내부 압력과 실린더 흡기유량 사이의 관계를 표현하고 적어도 흡기량 변화 수단의 설정 및 엔진 속도에 따라 결정되는 제 2 식이 적어도 사용되는 것을 특징으로 하는 흡기량 제어방법.
제 10 항에 있어서, 목표 흡기량을 구하는 상기 단계는, 상기 흡기량 변화 수단이 소정의 기준 상태로 설정되는 경우에 목표 스로틀 개도인 기준 목표 스로틀 개도를 상기 엑셀러레이터 개도 및 상기 엔진 속도에 기초하여 구하는 단계를 포함하고,

목표 흡기량을 구하는 상기 단계에서, 상기 기준 목표 스로틀 개도에 의해 결정된 제 1 식에 기초하여 구해진 스로틀 밸브 통과 공기유량 및 상기 흡기량 변화 수단이 상기 기준 상태로 설정됨을 가정하여 적어도 엔진 속도에 의해 결정되는 제 2 식에 기초하여 구해지는 실린더 흡기유량이 스로틀 밸브 하류 측에서의 동일한 흡기관 내부 압력에 대하여 서로 같게 될 때에 대하여 상기 실린더 흡기유량이 구해지고, 이 실린더 흡기유량은 목표 흡기량이 되거나, 또는 상기 실린더 흡기유량으로부터 변환된 값이 목표 흡기량이 되는 것을 특징으로 하는 흡기량 제어방법.
제 10 항에 있어서, 목표 스로틀 개도를 구하는 상기 단계는, 상기 흡기량 변화 수단이 상기 목표 설정으로 설정될 때 상기 목표 흡기량을 실현하기 위한 스로틀 밸브 하류 측에서의 흡기관 내부 압력인 목표 흡기관 내부 압력을 상기 목표 흡기량 및 상기 목표 설정에 기초하여 구하는 단계를 포함하고,

목표 흡기관 내부 압력을 구하는 상기 단계에서, 상기 목표 흡기관 내부 압력은 상기 실린더 흡기유량으로 표현되는 상기 목표 흡기량을 상기 흡기량 변화 수단이 상기 목표 설정으로 설정됨을 가정하여 적어도 엔진 속도에 의해 결정되는 상기 제 2 식에 대입하여 구해지는 것을 특징으로 하는 흡기량 제어방법.
제 12 항에 있어서, 목표 스로틀 개도를 구하는 상기 단계는 상기 목표 흡기량 및 상기 목표 흡기관 내부 압력에 기초하여 상기 목표 스로틀 개도를 구하는 단계를 더 포함하고,

목표 스로틀 개도를 구하는 상기 단계에서, 실린더 흡기유량으로 표현되는 목표 흡기량 및 상기 목표 흡기관 내부 압력이 상기 제 1 식에 기초하여 상기 목표 스로틀 개도를 구하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 흡기량 제어방법.
제 8 항에 있어서, 상기 흡기량 변화 수단은 흡기 밸브와 배기 밸브 중 적어도 하나의 개방 특성을 제어하기 위한 개방 특성 제어 수단인 것을 특징으로 하는 흡기량 제어방법.