KR20130129903A - 내연 기관을 제어하는 방법 및 제어 유닛 - Google Patents

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KR20130129903A
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하리 쉴레
마르쿠스 슈투티카
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콘티넨탈 오토모티브 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 실린더(12)마다 적어도 하나의 연료 분사기(14), 및 흡기 밸브(16)들 및/또는 배기 밸브(18)들을 작동시키는 적어도 하나의 캠축(20)을 구비하는 한편, 내연 기관(10)의 시동 단계 동안 실린더(12)마다 1회의 연료 예비-분사를 각 경우에 분사하는 바와 같은 방식으로 상기 연료 분사기(14)를 제어하는 제어 유닛(24)을 구비하는, 단일-실린더 또는 다중-실린더 내연 기관(10)을 제어하는 방법 및 제어 유닛(24)에 관한 것이다. 상기 시동 단계 동안 가능한 예비-분사 전략을 개선하기 위해, 본 발명에 따르면, 실린더(12) 내의 압력을 측정하는 실린더 압력 센서(32)에 의해 공급되는 적어도 하나의 실린더 압력 신호(P)는 간섭 신호(S1)들에 관하여 평가되고, 그 평가 결과는 적어도 상기 시동 단계 동안 캠축 각도의 결정에 고려된다.

Description

내연 기관을 제어하는 방법 및 제어 유닛{METHOD AND CONTROL UNIT FOR CONTROLLING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연 기관을 제어하기 위한 청구항 1의 전제부에 따른 방법 및 청구항 7의 전제부에 따른 제어 유닛에 관한 것이다.
특히, 여기서의 관심사는, 예를 들어 "자동 시동/정지 기능(automatic start/stop function)"을 가진 자동차 또는 하이브리드 차량에서 동력원으로서 사용되는 불꽃 점화 엔진 또는 디젤 엔진의 제어이다. 이들 적용분야의 공통점은 관련 차량의 고연비 구동 관리의 일환으로서 내연 기관의 시동이 상대적으로 빈번하게 온 및 오프된다는 사실이다.
청구항 1 및 7의 전제부에 따른 방법 및 제어 유닛은 각각, 예컨대 DE 100 56 862 C1에 공지되어 있다.
이러한 종래 기술은, 크랭크축 각도 및 캠축 각도의 지실(complete knowledge)("동기화(synchronization)")을 이용 가능하기 전이어도, 엔진(내연 기관) 시동시에 각 실린더에 예비 연료 분사를 분사하는 특별한 "전략(strategy)"과 관련된다.
예비 분사는 시동 단계 동안 제 1 연소를 위한 점화성 혼합물을 각 실린더에 제공하도록 기능한다. 이 경우에, 엔진 시동 중에 미연소 연료의 배출 및 그에 따라 증가된 오염물질 배출을 최소화하기 위해서는 특별한 예비 분사 전략이 필요하다.
물론, 상기 크랭크축 및 캠축의 정확한 각위치(angular positions)를 알고 있을 때에만 상기 예비 분사를 출력함으로써, 과도한 오염물질 배출을 회피하는 것이 가능하다. 그러나, 크랭크축 및 캠축 센서의 통상적인 구조 때문에, 이것은 일정한 시간 또는 크랭크축 및 캠축 회전을 필요로 하므로, 엔진 시동이 현저하게 지연되게 된다.
DE 100 56 862 C1에 의해 제공된 예비 분사 전략은, 시동이 오프된 후 분리된 상태에 있는 크랭크축 및 캠축의 다수의 특정한 불연속 각위치 중 하나에서 내연 기관이 거의 언제나 멈추게 된다는 지식에 기초하며, 실린더의 개수에 대응하는 크랭크축 2회전(720°)에 걸친 불연속 각위치의 디자인 및 개수 때문에 몇 군데의 위치가 존재한다. 4 실린더의 경우에는, 예를 들어 크랭크축의 4개의 우선 정지 각도(preferential stoppage angles)가 존재한다. 시동 단계 동안 크랭크축 신호 및 캠축 신호의 평가시에 이 지식을 고려할 때조차, 이 기지의 전략에는 불확실도가 남게 된다. 물론, 기술되어 있는 예시적인 실시예에 있어서, 예를 들어, 흡기 밸브가 그 시점에서는 폐쇄 또는 대부분 폐쇄되는 실린더에 대해서만 예비 분사가 출력되는 것이 보장되므로, 이러한 예비 분사의 연소는 신뢰도 있게 보장된다. 그러나, 실제로는 이미 예비 분사에 적합한 것보다 빠른 시점에는 미치지 못할 수 있다는 단점이 있다.
따라서, 특히 향상된 예비 분사 전략이 가능하도록 시동 단계 동안 캠축 각도를 결정하기 위해 엔진의 상태에 대한 이용 가능한 추가 정보를 가지는 것이 바람직하다. 이는, 예를 들어 이 목적을 위해 여기에 제공된 센서 시스템(예컨대, 크랭크축 및 캠축 센서)에 대한 보완이다.
본 발명에 따르면, 이 목적은, 연관 실린더 내의 압력을 측정하기 위한 실린더 압력 센서에 의해 공급되는 적어도 하나의 실린더 압력 신호가 간섭 신호에 관하여 평가된다는 사실, 및 상기 평가 결과가 적어도 시동 단계 동안 캠축 각도의 결정에 고려된다는 사실에 의해 달성된다.
실린더 압력 센서는 그 자체로 엔진 공학 분야에 공지되어 있으며, 실린더 압력을 측정하는데 사용된다. 종래 기술에서는, 상기 실린더 압력 신호는 연소를 평가하기 위해서만 사용된다. 이 수단에 의해, 예를 들어, 연료의, 공기 질량의, 또는 연소 배기 가스의 재순환분(recirculated fraction)의 계량에 있어서의 오류를 판정 및/또는 수정하는 것이 가능하다. 이를 위해, 종래 기술에서는, 실린더들 중 하나에 있는 단일의 실린더 압력 센서만이 모든 실린더 전체를 대표해서 사용되거나, 또는 대안으로서, 각 실린더마다 전용의 실린더 압력 센서가 제공된다.
이러한 종류의 실린더 압력 센서는, 실린더 블럭, 예컨대 메탈 실린더 블럭을 통해 전파하는 간섭 노이즈(구조 기인 노이즈)에도 민감한 실린더 압력을 측정함에 있어서 상기와 같은 고감도 또는 고해상도를 가지는 것이 일반적이다. 본 발명의 기본 개념은, 시동 단계 동안의 엔진의 상태, 특히 캠축 각도에 관한 정보로서, 하나 이상의 실린더 압력 센서에 의해 검출된 하나 이상의 실린더 압력 신호에서 상기와 같은 간섭 노이즈에 의해 야기된 간섭 신호를 사용하는 것에 있다. 밸브를 구동(흡기 및 배기 밸브의 개방 및 폐쇄)하기 위해 하나 이상의 캠축이 회전하고 있을 때, 실린더 압력 신호 또는 신호들에서 특유의 간섭 신호를 초래하는 노이즈가 발생한다. 따라서, 상기와 같은 간섭 신호에 관하여 상기 (적어도 하나의) 실린더 압력 신호의 본 발명에 따른 평가는 캠축 각도에 대하여 유리한 방식으로 추단하는데 사용될 수 있다. 이는, 예를 들어, 밸브 기어에서의 프로세스의 식별을 엔진 제어 유닛에서 수행할 수 있게 하는 적절하게 미리 결정된 평가 기준을 채용함으로써 달성된다.
한 가지 가능한 평가 기준은, 예를 들어, 급격한 변화, 즉, 예컨대 상기 측정된 압력 프로파일에서의 단절구간 또는 "신호 피크(signal peaks)"를 검출하는 것, 및 그 특징(예를 들어, 진폭, 주파수 성분, 지속기간 등) 및/또는 엔진의 위치에 대한 추가 정보(예를 들어, 우선 정지 각도, 크랭크축 신호, 캠축 신호 등)를 상기 밸브 기어에서의 매우 특수한 프로세스에 할당하는데 사용하는 것에 있을 수 있다. 상기와 같은 절차는, 예를 들어 상기 측정된 압력 프로파일(실린더 압력 신호)과 미리 저장된 통상의 압력 프로파일간의 비교에 의거한 평가보다 현저하게 더 간단하고, 신속하며 또한 종종 더 정확하다.
특히, 흡기 밸브 및/또는 배기 밸브가 작동될 때 그들에 의해 야기되는 간섭 신호에 관하여 평가가 수행될 수 있다.
예를 들어, 밸브(흡기 또는 배기 밸브)의 폐쇄 프로세스가 종료될 때, 실제로 특히 명확하게 도출되며, 그에 따라 평가에 의해 상대적으로 간단하게 검출되는 간섭 신호가 발생한다. 그 시점에, 연관된 실린더의 범위를 규정하는 벽 구역에서 밀폐면 상에 밸브체(예를 들어, 밸브 디스크)의 안착이 발생하면, 실제 유효한 신호(대표적으로 실린더 압력)에서 간섭 신호(예를 들어, "신호 피크")로서 매우 명백한 기계적 충격이 초래된다.
다중-실린더(다기통) 내연 기관의 경우에, 특히 특정한 간섭 신호를 야기한 밸브의 간단하고 신뢰도 있는 식별에 관하여, 모든 실린더에 제각기 연관되는 실린더 압력 센서의 실린더 압력 신호가 평가되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 각 실린더에는, 예를 들어 관련되는 실린더 헤드 구역에 설치될 수 있는 적어도 하나의 실린더 압력 센서가 제공되어야 한다.
원칙적으로, 실린더 압력 센서 및 그것에 의해 공급된 실린더 압력 신호의 적정한 평가에 의해 흡기 및 배기 밸브의 개방 및 폐쇄의 노이즈를 검출하는 것이 가능하다. 상기 시동 단계 동안 캠축 각도를 결정하기 위해서는, 결국 흡기 밸브의 또는 배기 밸브의 개방 또는 폐쇄에 의해 야기된 간섭 신호의 시점이 특히 고려될 수 있다. 그렇게 해서 야기된 상기 간섭 신호들의 각각의 강도는, 예를 들어, 특별히 선택된 상기 센서의 설치 위치에 의존한다. 상기 실린더 압력 센서를 적정하게 설치함으로써, 예를 들어, 관련되는 실린더의 배기 밸브에보다 흡기 밸브에 더 가깝게 설치함으로써, 평가의 관점에서 질적으로 및/또는 양적으로 서로 구별될 수 있는, 한편으로는 흡기 밸브로부터, 또한 다른 한편으로는 배기 밸브로부터 간섭 신호를 유발하는 것이 가능하고, 그에 따라, 유리하게는, 특정한 간섭 신호(예를 들어, 간섭 신호 진폭으로부터)를 일으키는 밸브를 간단히 식별할 수 있게 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 시동 단계 동안 캠축 각도를 결정하는데 있어서는 크랭크축의 우선 정지 각도가 더 고려될 것으로 예상된다. 이 고려는, 예를 들어 서두에 언급한 DE 100 56 862 C1에서와 같이, 즉 상기 시동 단계에서 보다 신속하게 엔진 위치의 지실(동기화)을 얻기 위해, 크랭크축 각도 및 캠축 각도를 결정할 때 미리 알고 있는 또는 제어 유닛에 저장된 상기 크랭크축의 및/또는 캠축의 우선 정지 각도를 사용함으로써 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 엔진의 정밀한 위치에 대하여 보다 신속하게 확실성을 취하면서, 그에 따라 최적의 예비 분사 전략으로 급속 시동을 수행하는 것이 가능하다.
간섭 신호에 관하여 실린더 압력 신호를 평가한 결과를 상기 시동 단계 동안 고려하거나, 또는 정상적으로 존재하는 캠축 신호에 더하여 고려하면, 이는 보다 신속하게 엔진 위치에 대한 지식으로 이어진다. 디자인에 따라 취해지는 실린더의 개수 및 크랭크축의 우선 정지 각도에 따라, 본 발명에 의해, 시동 장치의 작동 후에 밸브의 제 1 작동(특히, 예를 들면 폐쇄)을 단지 몇 도의 크랭크각으로 결정하는 것이 종종 가능하며, 이는 특히 유리한 점이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 시동 단계 동안 및/또는 후속하는 정상 운전 단계에서 캠축 각도를 결정하는데 있어서는 캠축 센서에 의해 공급된 캠축 신호가 고려된다. 그러나, 이와 관련하여, 캠축 각도를 결정함에 있어서 캠축 센서의 사용 또는 그것에 의해 공급된 캠축 신호를 생략할 가능성에 주목해야 하고, 그 가능성은 원칙적으로 본 발명의 범위 내에서 가능한 것이다. 원칙적으로, 캠축 각도를 결정함에 있어서, 상기 시동 단계 동안이든 또는 후속하는 정상 운전 단계이든 간에, 이 목적을 위해 실린더 압력 신호의 간섭 신호에 관한 평가 결과를 사용하는 것이 가능하다.
크랭크축이 어떻게 또한 얼마나 신속하게 회전하는지에 대한 정보는 공지의 엔진의 경우에는 크랭크축 신호로부터 얻어진다. 이는 일반적으로 "치형 신호(tooth signal)"이며, 크랭크축 신호의 각 펄스는 다양한 치형이 제공되는 트랜스미터 휠 상의 하나의 치형에 대응한다. 각 크랭크축 회전(360°)에 제공된 동기화 펄스는 상기 대응하는 개수의 치형 이후의 단일 또는 이중 "치형 간극(tooth gap)"에 대응하는 것이 보통이다.
상기 캠축 신호는 캠축 각도의 코딩(coding)에 사용되며, 가장 간단하게는, 크랭크축의 2회의 연속 회전에 할당되는 2개의 상이한 레벨을 갖는다. 그러나, 상기 캠축 신호는 다른 신호 또는 펄스 형상을 가질 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 캠축 신호가 엔진의 각 작업 사이클을 2연속 크랭크축 회전(720°)에 대응하는 2개의 세그먼트(각 360°)로 분할되게 하는 것이 보장되어야 한다.
상기와 같이 그 자체로 공지되어 있는 크랭크축 신호 및 캠축 신호는 본 발명의 관점에서 유리하게 사용될 수도 있다.
본 발명의 개량에 있어서, 상기 평가 결과는 상기 시동 단계 동안 및/또는 상기 정상 운전 단계에서 사용되어, 상기 크랭크축 센서에 의해 공급된 크랭크축 신호의 및/또는 상기 캠축 센서에 의해 공급된 캠축 신호의 타당성(plausibility)을 검사할 것으로 예상된다. 이는, 예를 들어, 상기 캠축 신호의 오류(결함이 있는) 생성 및/또는 상기 캠축 신호를 진단하는 한편, 예를 들어 그것을 오류 입력으로서 자동차 내의 종래의 진단 메모리에 저장하는 것을 가능하게 한다. 대안으로서 또는 더불어서, 타당성 검사는 임의의 어셈블리 에러, 예를 들어 치형이 있는 벨트 또는 체인 등의 부정확하게 조립된 캠축 드라이브를 진단하는데 사용될 수도 있다.
대안으로서 또는 더불어서, 상기 크랭크축 및/또는 상기 캠축 신호의 상기 타당성 검사는 다른 용도로 기능할 수도 있다.
따라서, 개량에 따르면, 예를 들어, 간섭 신호에 관하여 상기 실린더 압력 신호의 평가 결과는, 미심쩍은 크랭크축 신호가 검출되는 경우에는, 이 크랭크축 신호의 대체로서 또는 이 크랭크축 신호를 수정하기 위해 사용되거나, 및/또는 미심쩍은 캠축 신호가 검출되는 경우에는, 이 캠축 신호의 대체로서 또는 이 캠축 신호를 수정하기 위해 사용될 것으로 예상된다.
특히, 본 발명에 따라 제공된 평가 결과는 오류가 있는 크랭크축 센서의 경우에 또는 (제어 유닛에 대한) 상기 크랭크축 신호의 제공 영역에서의 오류의 경우에 비상 가동을 실행하기 위해 및/또는 엔진 속도를 계산하기 위해 사용될 수도 있다. 상기 평가 결과는 오류가 있는 캠축 센서 또는 오류가 있는 캠축 신호의 제공의 경우에 적용된다.
본 발명의 추가적인 장점은, 관련되는 내연 기관(예를 들어, 불꽃-점화 엔진 또는 디젤 엔진)에서 캠축 센서를 완전히 생략하는 것이 가능하다는 사실에까지 확장된다. 본 발명의 범위 내에서, 크랭크축과 캠축간의 동기화의 생성은 상술한 실린더 압력 신호 평가의 결과를 사용함으로써 달성될 수도 있다.
본 발명의 범위 내의 다른 흥미로운 가능성은, 부품 공차 및/또는 시효에 기인하는 밸브 기어 내의 편차를 검출하고 나서 바람직하게는 보상마저 하기 위해 상기 평가 결과를 고려한다는 점에 있다. 부품 공차 및 시효는, 특히 밸브 개방 프로세스 및 밸브 폐쇄 프로세스에 대한 설계 시간 및 각도로부터 편차를 초래할 수 있다. 이 경우에, 캠축 신호로부터만 얻어진 정보는 실제 개방 및 폐쇄 프로세스의 시간 및 각도에 대하여 부정확할 수 있다. 그러나, 상기 밸브들의 실제 개방 및/또는 폐쇄 프로세스는 간섭 신호에 관한 상기 실린더 압력 신호의 평가에 의해 검출(정상 운전 단계에서조차)될 수 있기 때문에, 상기 평가 결과는, 상기 정상 운전 단계에서조차, 실제로 매우 가치 있는 엔진 제어 정보 소스를 나타낸다.
가장 간단하게는, 상기 캠축과 크랭크축 사이에서는 합동 회전(conjoint rotation)(캠축은 크랭크축의 절반의 속도로 회전함)의 결합에 의해 제공된 일정한 각도 연계가 존재한다. 그러나, "캠축 상 조정(camshaft phase adjustment)"에 의해, 엔진 운전 중에 상기 크랭크축에 대하여 제어된 방식으로, 일반적으로는 부하- 및/또는 엔진-속도-의존 방식으로 캠축이 회전되게 하는 것이 가능하다. 이를 위해 사용된, 상 변환기(phase converters)라고도 하는, 조정 시스템은 양산 자동차 엔진에서 가장 폭넓게 사용된 가변 밸브 타이밍(VVT) 시스템이다. 이러한 종류의 상 변환기의 경우에는, 캠 프로파일 자체 및 그에 따른 밸브 리프트 및 밸브 개방 기간은 변화없이 유지되는 것이 보통이다. 상 조정의 목적은 관련되는 엔진의 하나 이상의 운전 파라미터(예를 들어, 부하, 엔진 속도 등)에 따라 "밸브 오버랩(valve overlap)"을 변경하기 위한 것이다. 캠축 조정기는 2개의 불연속 각위치에 대하여, 및 관련 있는 다른 축에 대한 상기 캠축의 상대적인 각위치의 연속적으로 가변하는 조정에 대하여 사용되고 있다. 특히, 연속적으로 가변하는 캠축 상 조정의 경우에는, 종래 기술에서는, 캠축 센서 및 크랭크축 센서의 센서 신호만이 캠축 상 조정의 제어에서 입력 변수로서 고려된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 캠축 각도 상 조정은 정상 운전 단계에서 제공되고, 상기 평가 결과는 캠축 상 조정의 제어에서 입력 변수로서 고려된다.
간섭 신호에 관하여 실린더 압력 신호의 평가의 결과에 대한 전술한 고려(또는 크랭크축 신호 및 캠축 신호와 함께 고려)에 의해, 본 발명은 상기 캠축 조정 시스템의 정밀한 작동을 위해 추가적인 유용성을 또한 제공한다. 실린더 압력 신호에 기초하여 얻은 평가 결과는, 특히 캠축 상 조정을 위한 시스템에서 액추에이터의 위치 설정 또는 조정을 위해 정상 운전 단계에서 사용될 수 있다는 점이 이점이다. 상기 평가 결과는 상기 밸브 기어에서의 관련 프로세스에 대하여 정밀한 시점들을 제공하고, 이들은, 예를 들어 종래의 방식으로 구성된 다른 관점의 제어 또는 조절 시스템에 대해서는 가변적인 실제-값 정보로서 기능할 수 있다.
내연 기관을 제어하는데 사용된 제어 유닛은 전자 부품으로서, 특히 프로그램-제어식 제어 유닛(예를 들어, 마이크로컨트롤러)으로서 종래의 형태로 제공될 수 있다. 그러나, 본 발명의 관점에서는, 상기 제어 유닛은 전술한 유형의 제어 방법을 수행하는 바와 같은 방식으로 개량(예를 들어, 제어 소프트웨어의 적절한 변경에 의해)된다.
본 발명은 첨부 도면을 참조로 예시적인 실시예에 의해 하기에서 보다 상세히 기술된다:
도 1은 4-행정 불꽃-점화 엔진 형태의 내연 기관의 개략적인 단면도.
도 2는 도 1의 엔진에서 크랭크 각도에 따른 실린더 압력 신호 프로파일을 도시하는 도면.
도 3은 크랭크 각도에 대하여 묘사된, 고역 필터링 이후의 실린더 압력 신호를 도시하는 도면.
도 1은 내연 기관(10)을 도시하고, 이는, 예를 들어 4-실린더 4-행정 불꽃-점화 엔진이다.
각 실린더(12)에는 내연 기관(10)의 흡기측 흡입관 내로 연료(이 경우에는 가솔린)를 분사하는 적어도 하나의 분사 밸브 또는 연료 분사기(14)가 배속된다.
또한, 각 실린더(12)에는 적어도 하나의 흡기 밸브(16) 및 적어도 하나의 배기 밸브(18)와 상기 흡기 및 배기 밸브를 작동시키는 적어도 하나의 캠축이 배속된다. 도시된 예시적인 실시예에 있어서는, 흡기 밸브(16)를 작동시키기 위해 하나의 캠축(20)이 제공되는 한편, 배기 밸브(18)를 작동시키기 위해 다른 캠축(도시되지 않음)이 제공된다.
그 자체로 공지되어 있는 바와 같이, 상기 캠축들과 크랭크축(22) 사이에서는, 예를 들어 타이밍 체인 등에 의해 회전 결합(rotational coupling)이 구현되고, 상기 결합은, 4-행정 방법에 따라 작업 사이클 또는 가스 교환을 달성하기 위해 상기 내연 기관(10)의 운전 중에 상기 캠축들을 상기 크랭크축(22)의 절반의 속도로 회전시키는 것을 보장한다.
전자 제어 유닛(24)에의 입력들 중에는, 캠축(20)의 회전 위치에 의존하는 캠축 신호(CAM) 및 크랭크축(22)의 회전 위치에 의존하는 크랭크축 신호(CRK)가 있다. 이들 신호(CAM 및 CRK)는 적절한 센서 시스템에 의해, 이 경우에는 캠축 센서(26) 및 크랭크축 센서(28)에 의해 생성된다.
상기 신호(CAM 및 CRK)는 각각 그 자체로 공지되어 있는 방식으로 방형파 신호로서 생성된다.
상기 크랭크축 신호(CRK)의 각 펄스는 트랜스미터 휠의 하나의 치형에 대응하고, 이중 치형 간극은 크랭크축(22)의 각 전회전(360°) 이후에 동기화 펄스를 제공한다. 통상적으로, 예를 들어 30 또는 60개의 치형("간극"에서 누락되는 치형을 뺌)이 상기 트랜스미터 휠의 둘레에 배치된다.
상기 캠축 신호(CAM)의 2가지의 상이한 레벨은 크랭크축(22)의 2연속 회전에 대응한다.
크랭크축(22) 및 캠축(20)의 회전 위치의 이러한 코딩에 관하여, 이미 서두에 언급한 DE 100 56 862 C1의 공개 내용이 전부 본원에 참조로 포함되며, 여기에는 엔진 운전 동안의 결과인 상기 센서 신호(CRK 및 CAM)의 시간 프로파일이 보다 상세히 도시 및 기술된다.
내연 기관(10)의 운전 동안, 전자 제어 유닛(24)은, 특히 각각 연관된 연료 분사기(14)(작동 신호(INJ))에 의해 실린더(12) 내로의 연료 분사(분사 시간)를 제어한다. 또한, 내연 기관(10)의 다른 프로세스들, 이 경우에는, 특히 각 실린더(12)와 연관된 점화 플러그(30)(고전압 펄스(IGN))에 의해 가해진 점화(점화 시간)와 같은 프로세스가 제어 유닛(24)에 의해 제어된다.
내연 기관(10)의 시동 단계 동안(시동 장치의 작동 직후)에는, 전상 운전 단계에서, 상기 제어 유닛에서 가동되는 엔진 제어 소프트웨어에서 결정된 연료량을 사용하여 제어 유닛(24)에 의해 정상 순차 분사 모드로 분사가 수행되기 전에, 각 실린더(12)에 "예비 연료 분사(preliminary fuel injection)"가 분사된다.
이러한 종류의 공지된 내연 기관의 경우에는, 상기 센서 신호(CRK 및 CAM)로부터 크랭크축(22) 및 캠축(20)의 정밀한 회전 위치를 식별하는 것(엔진의 동기화)이 가능해지기 전에, 크랭크축(22) 및 캠축(20)의 특정 시간 또는 회전이 시동 장치의 작동 직후에 필요해진다는 점이 문제이다. 그러나, 이러한 종류의 지식, 특히 되도록 정확해야 하는 캠축(20)의 회전 위치의 지식은, 최적의 시동 프로세스, 특히 공해를 최소화한 시동 프로세스를 보장하기 위해 각 경우에 해당 실린더(12)에 대하여 상기 예비 분사가 출력되어야 하는 시기를 결정하는 것이 매우 중요하다.
도시된 내연 기관(10)의 경우에, 이 문제는 현재의 실린더 압력을 나타내는 실린더 압력 신호(P)(도 2 참조)를 제어 유닛(24)에 공급하는 실린더 압력 센서(32)를 각 실린더(12)에 배속함으로써 해결된다. 제어 유닛(24)에서 가동되는 엔진 제어 소프트웨어에 의해, 상기 실린더 압력 신호(P)는 실린더(12) 내의 연소를 평가하는데 사용되며, 이것에 기초하여, 연료, 공기 질량 또는 연소 배기 가스의 재순환분을 계량하는데 사용된다. 그러나, 내포된 간섭 신호들에 관하여 실린더 압력 신호(P)의 평가가 제어 유닛(24)에 의해 더 수행된다는 점 및 이 평가의 결과가 적어도 내연 기관(10)의 시동 단계 동안 캠축 각도를 결정하는데 고려된다는 점이 상술한 문제점의 해법에 대해서는 결정적이다. 아래에서 설명하는 바와 같이, 이들 간섭 신호에 의하면, 밸브들의 및/또는 캠축 각도의 위치들에 관해서는 결론이 내려진다.
각 실린더 압력 센서(32)는 종래 기술에 이미 공지되어 있는 모든 압력 측정 원리에 따라 유리하게 구성 및 동작될 수 있다. 그에 의해 공급된 센서 신호(P)가 주로 관련 실린더(12)에서 지배적인 압력에 의해 결정되더라도, 실제로는 어느 정도까지 압력 측정의 결과로서의 노이즈 또는 구조 기인 노이즈 때문에 상기 센서 신호(P)에의 영향이 있고, 이 노이즈는 실린더 압력 센서에 전달된다.
기본적으로, 상기와 같은 노이즈는, 예를 들어 밸브 기어에서의 모든 기계식 프로세스에 의해 야기된다. 이렇게 생성된 간섭 신호 중에는, 결국, 특히 밸브 폐쇄 프로세스의 종료에 의해 야기되는 것들이 가장 두드러진다. 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 엔진 블럭의 밸브 밀폐 영역 상에 상기 흡기 밸브(16)의 밸브 디스크가 안착되면, 실린더 압력 신호(P)에서 상응하는(특징적인) 간섭 신호가 초래된다.
상기 실린더 압력 신호(P)의 평가에 의해, 흡기 밸브(16)가 폐쇄되는 시점을 매우 정밀하게 검출하는 것이 가능하다.
이론상, 또한 도시된 예시적인 실시예로부터의 일탈로서, 기존의 실린더(12)에 대하여 1개 미만의 실린더 압력 센서를 사용하는 것을 생각할 수 있다. 특히, 내연 기관(10)의 각 밸브가 실린더 압력 센서에 대하여 상이한 공간적 관계(예를 들어, 거리)에 있기 때문에, 소정의 평가 기준에 의해 특정 간섭 신호를 특정 밸브에 할당되게 할 수 있다. 예시적인 실시예에서와 같이, 평가에 수반된 노력의 관점에서는, 각 실린더(12)에 대하여 각각의 실린더 압력 센서(32)가 배치(상기 실린더의 범위를 규정하는 벽 상에, 예를 들어 실린더 헤드에)되게 하는 것이 보다 양호하고 간편하다.
관련 실린더 압력 센서(32)를, 예를 들어 상기 밸브들 사이의 "중심에(in the center)" 배치하는 것이 아니라, 예를 들어 개개의 밸브에 대하여 현저하게 상이한 "음향 공간(acoustic spacings)"에 배치함으로써, 하나의 동일한 실린더(12)의 다양한 밸브들에 의해 야기된 간섭 신호들의 판별에 있어서의 간소화를 달성하는 것이 가능하다. 이 경우에는, 간섭 신호들의 진폭은, 특히 관련 음향 간섭 노이즈를 발생시킨 밸브에 따라 상이할 것이다.
도 1에 도시된 예시적인 실시예로부터의 일탈로서, 내연 기관(10)은 단 하나의 단일 실린더(12)를 가질 수도 있다. 상기와 같은 단일-실린더(단기통) 내연 기관은, 예를 들어 종종 모터사이클에 사용된다. 단일-실린더 내연 기관의 경우에도, 본 발명을 이용하면, 결정된 결과에 의거하여, 엔진 시동 시에 제 1 예비 연료 분사에 적합한 시점을 규정하기 위해 시동 단계 동안 캠축 각도의 결정을 개선하거나 가속하는 것이 가능하다.
상기 실린더 압력(P)의 평가를 실행하기 위한 한가지 가능성을 도 2 및 도 3을 참조로 하기에서 보다 상세히 설명한다.
도 2는 크랭크(축) 각도(CRA)에 따른, 실린더 압력 센서(16)에 의해 내연 기관(10)에서 측정된 실린더 압력 신호(P)의 예시적인 프로파일을 도시한다. 이 예시에서, CRA = 0°의 값은 실린더(12) 내에서의 피스톤 동작의 상사점 위치에 대응한다. 여기서, 상기 신호(P)의 프로파일은 내연 기관(10)의 외부 구동 운전의 경우에 대하여 도시된다. 그러나, 오버런 모드(overrun mode)에서도 유사한 신호 프로파일이 얻어진다.
도 2에는, 약 -140°의 크랭크 각도(CRA)에서 실제 실린더 압력 프로파일 상에 중첩된 간섭 신호(S1)가 명확하게 시인되며, 도시된 예에서는 상기 신호를 흡기 밸브(16)의 폐쇄에 할당하는 것이 가능하다.
상기와 같은 간섭 성분에 관하여 실린더 압력 신호(P)의 평가의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 실린더 압력 신호(P)는 무엇보다도 고역 필터링된다.
도 3은 도 2의 실린더 압력 신호(P)에 대한 고역 필터링 작업의 결과를 도시한다. 고역 필터링 이후의 신호(PD)는, 도 3으로부터 알 수 있듯이, 거의 전적으로 간섭 신호들로 구성되어, 후속 평가 단계에서 개별 간섭 신호들을 검출해서 밸브 기어에서의 관련 프로세스에 할당하는 것을 더 용이하게 만든다.
이러한 종류의 고역 필터링 작업 이후에는, 특히, 흡기 밸브 및/또는 배기 밸브에 의해 작동 중에 야기되는 간섭 신호들에 관하여 평가를 수행하는 것은 쉬운 일이다.
도 3이 명료하게 나타내는 바와 같이, 이렇게, 간단한 고역 필터를 사용하고 간섭 펄스들을 식별(예를 들어, 소정의 임계치를 초과하는 것으로부터)하는 것만에 의해, 실제 실린더 압력 신호(P)로부터 "밸브 폐쇄" 신호를 결정하는 것이 가능하다. 하나 이상의 소정의 임계치의 초과에 대하여 상기 필터링된 신호를 검사하는 것의 대안으로서 또는 그것에 더하여, 예를 들어, 실제 검출된 신호 패턴과 각각의 밸브 기어 프로세스에 할당된 미리 저장되어 있는 신호 패턴 사이의 패턴 비교가 수행될 수 있다. 그러나, 상기와 같은 패턴 비교는 전술한 바와 같이 이미 식별되어 있는 "간섭 신호 프로파일"에 대해서만 수행되는 것이 바람직하다. 앞서 언급한 바와 같이, 상기와 같은 간섭 신호 프로파일의 개시는, 예를 들어 실린더 압력 신호(P)에서의 급격한 또는 비정상적인 변화의 검출에 의해 식별될 수 있다. 얻어진 후속 신호 프로파일은 특정 밸브 기어 프로세스에 상기 간섭을 할당하기 위해 기동 이벤트를 식별할 목적으로 미리 저장되어 있는 신호 패턴과 비교될 수 있다. 보다 지연된 신호 프로파일에 대해서가 아니라, 단지 상기 간섭 신호 자체에 대해서 패턴 비교를 수행하는 상기와 같은 절차는 사용 가능한 평가 결과를 매우 신속하게 전달한다.
내연 기관(10)의 시동 단계에서의 캠축(20)의 회전 위치(캠축 각도)는 기본적으로 그 자체로 공지되어 있는 방식으로 크랭크축 신호(CRK) 및 캠축 신호(CAM)를 이용하여 결정된다. 또한, 크랭크축(22)의 우선 정지 각도는, 예를 들어 앞서 언급한 DE 100 56 862 C1 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 목표한 예비 분사 전략을 실행하기 위해 고려될 수 있다. 그러나, 해당 내연 기관(10)에 있어서, 실린더 압력 신호(P)(또는 고역 필터링된 그 PD 버전)의 상술한 평가 결과는 적어도 시동 단계 동안 캠축 각도를 결정하는 모든 경우에 고려된다.
요약하자면, 내연 기관(10)의 경우에 간섭 노이즈에 대한 실린더 압력 센서(32)의 민감성은 상기 내연 기관의 위치에 대한 정보를 그로부터 유도해서 내연 기관(10)의 급속 시동을 개선하기 위해 이용된다.
엔진 시동 운전에 이은 내연 기관(10)의 정상 운전 단계에 관해서도, 상기 실린더 압력 신호(P)로부터 얻은 정보는 다수의 이점을 제공한다.
예를 들어, 내연 기관(10)에 가변 밸브 타이밍 시스템(예를 들어, "상 변환기")으로서 공지되어 있는 것이 갖춰지면, 이는 상기 캠축 각도와 밸브 작동 사이의 연계가 더 이상 관련된 조정 시스템의 상태로부터 명확하지 않거나 또는 더 이상 그 상태에 의존하지 않는다는 것을 의미한다. 상기 실린더 압력 신호(P)로부터 결정된 "밸브 폐쇄" 등의 시점을 이용하면, 상기 밸브의 위치에 대한 진정한 물리적인 피드백을 항상 제어 유닛(24)이 이용할 수 있다. 따라서, 이 정보는 상응하는 조정 시스템의 작동시에 유리하게 사용될 수 있다.
또한, 이 정보는, 예를 들어 (가변 밸브 타이밍 시스템의) 캠축 위치 센서들에서의 오류 또는 편차를 검출 및 보상하기 위해 사용될 수 있다.
캠축 센서 없이 엔진을 운전하는 것도 가능하다(대신, 실린더 압력 신호(P)의 평가 결과를 이용). 예를 들어, 상기 크랭크축 센서 및/또는 상기 캠축 센서의 고장시에도 상기 엔진의 긴급 가동은 가능하다.
예를 들어 자동차 정비소에서 치형이 있는 캠축 벨트를 교환할 때와 같은, 상기 내연 기관(10)의 조립시에, 기본 위치에 있는 상기 캠축(20) 및 크랭크축(22)의 회전 각도들간의 연계가 정확하게 수행되지 못하면, 엔진 컨트롤러(24)는 캠축(22)의 위치에 대한 부정확한 정보를 갖게 된다. 일반적으로, 이는 엔진 제어 유닛(24)이 연소에 필요한 파라미터들을 정확하게 설정하는 것을 불가능하게 만들어, 배기가스의 증가, 빈약한 엔진 가동, 및 극단적인 경우에는, 엔진 손상까지도 초래할 수 있다. 제조 공차, 시효 등에 기인하는 편차에 의해 유사한 문제가 발생한다. 그러나, 상기와 같은 어셈블리 에러 및 후속 운전 중에만 발생하는 원하는 위치 또는 구성으로부터의 임의의 편차는, 상기 실린더 압력 신호(P)의 평가를 이용하여 유리하게 검출되어 고려될 수 있다.
요약하자면, 본 발명은 실린더(12)마다의 적어도 하나의 연료 분사기(14), 흡기 밸브(16)들 및/또는 배기 밸브(18)들을 작동시키는 적어도 하나의 캠축(20), 및 내연 기관(10)의 시동 단계 동안 각 실린더(12)에 예비 연료 분사를 분사하는 바와 같은 방식으로 상기 연료 분사기(14)를 제어하는 제어 유닛(24)을 갖는 단일-실린더 또는 다중-실린더 내연 기관(10)의 제어에 관한 것이다. 시동 단계 동안의 예비 분사 전략을 개선하기 위해, 본 발명에 따르면, 실린더(12) 내의 압력을 측정하는 실린더 압력 센서(32)에 의해 공급되는 적어도 하나의 실린더 압력 신호(P)가 간섭 신호(S1)들에 관하여 평가되고, 그 평가 결과는 적어도 시동 단계 동안 캠축 각도의 결정에 고려된다.

Claims (7)

  1. - 연료를 분사하는, 실린더(12)마다의 적어도 하나의 연료 분사기(14),
    - 크랭크축(22)의 절반의 속도로 회전하며, 흡기 밸브(16)들 및/또는 배기 밸브(18)들을 작동시키는 적어도 하나의 캠축(20),
    - 각 크랭크축 회전에 대한 동기화 펄스를 가지며 크랭크축 각도를 나타내는 크랭크축 신호(CRK)를 공급하는 크랭크축 센서(28), 및
    - 시동 단계(starting phase) 동안 각 실린더(12)에 예비 연료 분사를 분사하고 나서, 정상 운전 단계(normal operating phase)에 정상 분사 모드로 제어 유닛(24)에 의해 결정된 연료량을 분사하는 방식으로, 상기 연료 분사기(14)를 제어하는 제어 유닛(24)을 구비하는, 단일- 또는 다중-실린더 내연 기관(10)을 제어하는 방법에 있어서,
    연관된 실린더(12) 내의 압력을 측정하는 실린더 압력 센서(32)에 의해 공급되는 적어도 하나의 실린더 압력 신호(P)는 간섭 신호(S1)들에 관하여 평가되고, 상기 평가의 결과는 적어도 상기 시동 단계 동안에 캠축 각도의 결정에 고려되는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내연 기관(10)은 복수의 실린더(12)를 갖고, 상기 실린더(12)들 모두에 각각 연관되는 실린더 압력 센서(32)들의 실린더 압력 신호(P)들이 평가되는,
    방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 시동 단계 동안의 상기 캠축 각도의 결정에는, 상기 크랭크축(22)의 우선 정지 각도(preferential stoppage angles)가 또한 고려되는,
    방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캠축 각도의 결정에는, 캠축 센서(26)에 의해 공급된 캠축 각도(CAM)가 또한 고려되는,
    방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평가 결과는 상기 시동 단계 동안 및/또는 상기 정상 운전 단계에 사용되어, 상기 크랭크축 센서(28)에 의해 공급된 상기 크랭크축 신호(CRK)의 및/또는 캠축 센서(26)에 의해 공급되며 상기 캠축 각도에 의존하는 상기 캠축 신호(CAM)의 타당성을 검사하는,
    방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정상 운전 단계에 캠축 각도 상 조정(camshaft angle phase adjustment)이 제공되고, 상기 평가 결과는 캠축 상 조정의 제어에서 입력 변수로서 고려되는,
    방법.
  7. - 연료를 분사하는, 실린더(12)마다의 적어도 하나의 연료 분사기(14),
    - 크랭크축(22)의 절반의 속도로 회전하며, 흡기 밸브(16)들 및/또는 배기 밸브(18)들을 작동시키는 적어도 하나의 캠축(20),
    - 각 크랭크축 회전에 대한 동기화 펄스를 가지며 크랭크축 각도를 나타내는 크랭크축 신호(CRK)를 공급하는 크랭크축 센서(28), 및
    - 시동 단계 동안 각 실린더(12)에 예비 연료 분사를 분사하고 나서, 정상 운전 단계에 정상 분사 모드로 제어 유닛(24)에 의해 결정된 연료량을 분사하는 방식으로, 상기 연료 분사기(14)를 제어하는 제어 유닛(24)을 구비하는, 단일- 또는 다중-실린더 내연 기관(10)을 제어하는 제어 유닛(24)에 있어서,
    상기 제어 유닛(24)은, 연관된 실린더(12) 내의 압력을 측정하는 실린더 압력 센서(32)에 의해 공급되는 적어도 하나의 실린더 압력 신호(P)를 간섭 신호(S1)들에 관하여 평가하며, 상기 평가의 결과를 적어도 상기 시동 단계 동안에 캠축 각도의 결정에 고려하도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
    제어 유닛.
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