KR20180016736A - 공기 충전의 결정, 엔진 제어 유닛 및 내연 기관 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 내연 기관(33)의 실린더(35) 내 공기량(23)을 결정하기 위한 방법 및 엔진 제어 유닛에 관한 것으로, 상기 방법은, 실제 주변 기압(9, pu) 및 표준 주변 기압(13, punorm)에 따라 흡입관 압력(5, ps, p2) 및 배기가스 압력(7, p3)을 스케일링하는 단계와; 스케일링된 흡입관 압력(17) 및 스케일링된 배기가스 압력(19)을 토대로 표준 공기량(21, mLnorm)을 결정하기 위하여, 표준 주변 기압 작동 조건하에서 작성된 공기 충전 계산 알고리즘(15)을 실행하는 단계와; 공기량(23, mL)을 계산하기 위하여, 실제 주변 기압(9) 및 표준 주변 기압(13)에 따라 표준 공기량(21)을 스케일링하는 단계;를 포함한다. 또한, 본 발명은 내연 기관(33)과도 관련이 있다.

Description

공기 충전의 결정, 엔진 제어 유닛 및 내연 기관
본 발명은, 내연 기관의 실린더 내 공기량을 결정하기 위한 방법, 이 방법을 실시하도록 형성된 엔진 제어 유닛, 및 상기 엔진 제어 유닛을 구비한 내연 기관에 관한 것이다.
예컨대 오토 엔진과 같은 내연 기관(Internal Combustion Engine, ICE)에서는, 주변 공기 내에 포함되어 있는 산소와 연료로 이루어진 혼합물이 제어된 방식으로 연소된다. 최적의 연소를 가능하게 하기 위해서는, 예컨대 분사 당 연료량을 ICE의 연소실 내에 있는, 특히 오토 엔진의 실린더 내에 있는 공기량에 매칭시키는 것이 바람직하다.
따라서, 특히 오토 엔진의 경우에는 (그러나 디젤 엔진 또는 가스 터빈과 같은 다른 ICE의 경우에도) 작동 중에 있는 실린더 공기 충전(즉, 연료 점화 전에 또는 연료 공급 전에 실린더 내에 포함되어 있는 공기량)의 가급적 정확한 수집이 중요한 역할을 한다. 이와 같은 실린더 공기 충전을 토대로 하여 상응하는 연료량 또는 연료 질량이 실린더 내부 챔버 내로 공급될 수 있음으로써, 결과적으로 특히 실린더 공기 충전(또는 실린더 산소 충전)의 경우에 화학양론적 연소 공기 비율이 설정될 수 있다. 이로써 예컨대, 특히 배기가스 유해 물질의 방출을 최소화하고, 연소 또는 출력을 최적화하기 위해, 원하는 람다값(λ) 1(또는 다른 값)에 도달할 수 있다.
종래 방식에 따르면, 실린더 공기 충전은 일반적으로 측정되었거나 모델링된 흡입관 압력(실린더에 공급되는 공기의 압력에 상응하는 충전 압력으로도 지칭됨), 배기가스 역압(배기가스관 내의 배기가스 압력을 나타내는 배기가스 압력으로도 지칭됨) 및 실린더 내의 잔류 가스 비율에 대한 모델로부터 계산될 수 있다.
충전에 영향을 미치는 액추에이터(예컨대 흡기 캠 샤프트 및 배기 캠 샤프트, 급기 운동 플랩(charge movement flap)(밸브 행정 등)의 현재 위치도 관여하는 계산 알고리즘, 그리고 흡입 공기 온도 및 배기가스 온도가 있다. 범위가 넓고 시간 소모적인 엔진 검사대 측정을 참조해서 상응하는 엔진 제어 소프트웨어의 보정 필드가 데이터로 됨으로써 모델의 부정확성이 보정될 수 있다. 압력 및 온도와 같은 주변 인자들도 실제의 그리고 계산된 실린더 공기 충전에 영향을 미칠 수 있다.
전술된 바와 같은 보정 필드의 데이터화가 일반적으로는 검사대에서 압력 및 온도와 관련된 표준 조건하에서 이루어지기 때문에(예컨대 1,013mbar 및 21℃에서), 다른 주변 압력 조건하에서 차량이 작동하는 경우(예컨대 정상 제로를 초과하는 다양한 수준에서 작동하는 경우)에는 계산된 실린더 공기량과 실제 실린더 공기량 간에 상당한 편차가 발생할 수 있다.
상기와 같은 상황은, 상이한 주변 압력에서 차량을 실험하는 동안에 조정되는 추가의 보정 특성 필드를 통해 엔진 제어 소프트웨어 내에서 고려될 수 있다. 다른 무엇보다 배기가스 터빈(이 배기가스 터빈은 실린더 내부로 공급하기 위한 공급 공기를 예비 압축함)을 갖춘 급기된 엔진의 경우에는, 터빈 앞에서 연소 주기에 걸쳐 배기가스 압력의 강한 진동이 발생할 수 있다. 그렇기 때문에, 실린더 내의 잔류 가스 함량을 통해서 실린더 공기량의 계산에 관여하는 평균 배기가스 압력은 실린더 공기 충전의 정확한 계산을 위해 충분치 않은 경우가 많으며, 터빈 뒤에서 측정되었거나 모델링된 배기가스 압력과 같은 또 다른 변수들도 실린더 공기 충전을 결정하기 위해서 필요하다.
엔진 검사대에서 표준 주변 조건하에 실행되는 공기 충전 레벨 수집의 기본 데이터화는 모든 작동점 및 충전과 관련된 액추에이터 위치에 걸쳐 시스템적으로 이루어질 수 있다. 차량 검사에서 주변 압력에 기인한 필수 데이터화 보정을 위해서는 대개 이동 가능한 작동점들 중 일부 소량만 수집된다. 그렇기 때문에, 연속 작동에서 실제 실린더 공기 충전 레벨과 계산된 실린더 공기 충전 레벨 간의 편차를 완전히 피할 수는 없다. 다양한 주변 압력 조건하에서 실행되는 통상적인 데이터화 보정은 또한 시간 및 비용 소모적인 경우가 많다.
DE 10 2004 030 604 B3호는, 가스 교체 밸브들의 밸브 교차를 가변적으로 제어하기 위한 장치 및 충전 장치를 갖춘 내연 기관의 실린더 내 공기 질량을 결정하기 위한 방법을 개시한다. 본 출원서에서는, 실린더 내 공기 질량에 대한 기준 특성 곡선이 작동 조건에 따라 실린더 내 공기 질량과 흡입관 내 압력 간의 1차 관계를 기술한다. 흡입관 압력이 배기가스 역압을 초과하면, 기준 특성 곡선으로부터의 공기 질량의 값은, 흡입 다기관 내 압력 위에서의 작동 조건에 의존하는 특성 곡선으로서 정의된 급기 효율(trapping efficiency)에 대한 값에 의해서 보정된다.
DE 10 2007 012 340 B3호는, 내연 기관의 흡입관 내 공기 질량 흐름을 결정 및 조절하기 위한 방법을 개시한다. 본 출원서에서는, 모델 공기 질량 흐름이 모델링되고, 흡입관 앞에 있는 공기 흡입 다기관 내에서의 측정에 의해 결정된 하나 이상의 공기 질량 흐름과 균형을 맞추게 된다. 그리고 특히, 모델 공기 질량 흐름과 측정에 의해 결정된 공기 질량 흐름 간의 조절 편차가 단 하나의 정렬 분기(aligning branch) 내에서, 일반화된 적응에 의해 제공됨으로써, 이 적응은 다만 모델 공기 질량 흐름과 측정에 의해 결정된 공기 질량 흐름 간의 조절 편차가 얼마나 신속하게 보상되어야 하는지에 대한 시간 특성만을 포함하게 된다. 또한, 적응 목표 변수가 발생하고, 이 적응 목표 변수는 동일한 정렬 분기 내에서의 후속하는 적응 값 변환에 의해 흡입관의 물리적인 변수로 변환된다.
DE 10 2007 012 506 A1호는, 내연 기관의 흡입관 내 공기 질량 흐름을 결정 및 조절하기 위한 방법을 개시하며, 이 경우 하나의 공기 질량 흐름 모델은 흡입관의 스로틀 장치를 관류하는 모델 공기 질량 흐름을 모델링하며, 이 경우 공기 흡입 다기관 내로 유입되는 신선 공기의 공기 질량 흐름은 스로틀 장치 앞에 있는 센서에 의해서 측정되며, 이 경우 측정된 공기 질량 흐름은 스로틀 장치의 지점에서 가상으로 측정된 공기 질량 흐름으로 변환되고, 이와 같은 환산된 공기 질량 흐름은 스로틀 장치를 관류하는 모델 공기 질량 흐름과 비교된다.
실린더 공기 충전을 결정하기 위한 공지된 방법 및 장치는 필요한 설치에 있어서 매우 복잡하고, 시간 소모적이며 그리고/또는 비용 소모적이거나, 모든 작동 조건하에서 항상 원하는 정확성 및/또는 신뢰성을 제공해주지는 않는다.
본 발명의 과제는, 선행 기술에서 나타난 전술된 문제점들을 적어도 부분적으로 극복하거나 제거하는, 내연 기관의 실린더 내 공기량을 결정하기 위한 방법을 제안하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는, 적절한 시간 및 비용을 소비해서 신뢰할만하고 충분히 정확한 방식으로 실린더 공기 충전을 결정할 수 있는 엔진 제어 유닛, 및 이와 같은 유형의 엔진 제어 유닛을 갖춘 내연 기관을 제공하는 것이다.
상기 과제들은, 내연 기관의 실린더 내 공기량을 결정하기 위한 본 발명의 청구항 1에 따른 방법에 의해서, 청구항 14에 따른 엔진 제어 유닛에 의해서 그리고 청구항 15에 따른 내연 기관에 의해서 해결된다.
본 발명의 또 다른 특별한 실시예들 및 바람직한 개선예들은 종속 청구항들에 구체적으로 명시되어 있고, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 이하의 명세서에서 설명된다.
내연 기관(예컨대 오토 엔진, 가솔린 엔진, 디젤 엔진)의 일 실린더 내부에서(또는 신선 공기 및 연료로 채워지고 점화되는 복수의 실린더 내부에서) 공기량[특히 공기 질량, 공기 분자 등의 개수, 특히 산소량, 산소 질량 또는 산소 입자의 개수]을 결정하기 위한 본 발명에 따른 방법은, 실제 주변 기압(특히 내연 기관의 주변에서 우세한 대기압) 및 표준 주변 기압(특히 표준 온도가 예컨대 21℃인 경우에는 기압이 예컨대 1,013mbar임)에 따라 흡입관 압력(실린더에 공급되는 공기의 압력, 충전 압력으로도 지칭됨) 및 배기가스 압력(연소 후에 실린더로부터 방출되는 배기가스의 압력)을 스케일링하는 단계를 포함한다.
또한, 스케일링된 흡입관 압력(이 압력은 흡입관 압력의 스케일링에 의해서 얻어짐) 및 스케일링된 배기가스 압력(이 압력은 배기가스 압력의 스케일링에 의해서 얻어짐)을 토대로 표준 공기량(특히 표준 주변 기압 작동 조건이 존재할 때 실린더 내에 있는 것으로서 결정되는 공기량)을 결정하기 위하여, 표준 주변 기압 작동 조건(예컨대 1,013mbar의 압력이 우세하고 예컨대 21℃의 온도가 우세한 작동 조건)하에서 작성된 공기 충전 계산 알고리즘을 실행하는 단계가 제공되었다.
마지막으로, 실린더 내부에 있는 공기량을 계산하기 위하여, 실제 주변 기압 및 표준 주변 기압에 따라 표준 공기량을 스케일링하는 단계가 제공되었다.
이 방법은 예컨대 내연 기관의 엔진 제어 유닛 내에서 실시될 수 있는데, 특히 엔진 제어 유닛의 (소프트웨어-)모듈 내에서 실시될 수 있다. 이 방법은 컴퓨터에 의해서 구현되는 방법으로서 형성될 수 있다. 이 방법은 예컨대 실행을 위해 엔진 제어 유닛 내부에 프로그래밍될 수 있다. 이 목적을 위해, 엔진 제어 유닛은, 공기량을 결정하기 위한 방법을 실시하도록 형성되어 있는 명령을 포함하는 메모리에 액세스할 수 있다.
흡입관 압력(과급압이라고도 함) 및/또는 배기가스 압력은 적합한 센서를 이용한 측정에 의해서 결정될 수 있거나 부분적으로는 모델링에 의해서도 결정될 수 있다.
흡입관 압력 및 배기가스 압력은 방법을 위한 입력 변수일 수 있다.
또한, 주변 기압도 방법을 위한 입력 변수일 수 있다.
흡입관 압력 및 배기가스 압력의 스케일링은 상이하거나 동일하게 실시될 수 있다.
표준 공기량의 스케일링은 흡입관 압력 및/또는 배기가스 압력의 스케일링과 상이하거나 동일하게 실행될 수 있다.
주변 기압은 측정될 수 있거나 부분적으로는 모델링될 수도 있다.
공기 충전 계산 알고리즘은 종래의 엔진 제어 유닛 내에서 실행될 수 있다.
공기 충전 계산 알고리즘은, 물리적인/경험적인 모델로부터 특성 곡선의 도움으로 그리고 실험적으로 결정된 데이터를 사용해서 작성될 수 있다. 이 경우에는, 특히 21℃의 온도 및 1,013mbar의 주변 기압과 같은 표준 조건으로부터 출발할 수 있다. 이와 같은 조건하에서, 내연 기관은 실린더 내부에 있는 공기량(특히 흡기 밸브가 폐쇄된 상태에서)과 관련해서 그리고 변하는 흡입관 압력 및 배기가스 압력에 따라서 측정될 수 있다.
결과로서, 흡입관 압력 및 배기가스 압력을 입력할 때, 공기 충전 계산 알고리즘은 표준 주변 기압 작동 조건이 존재하는 경우에 실린더 내부에 포함되어 있는 표준 공기량을 나타낼 수 있다.
이 방법은 특히 공기 흡기 밸브가 폐쇄된 경우에 실린더 내에 있는 공기량을 결정할 수 있다. 공기 흡기 밸브가 폐쇄된 경우에 실린더 내에 있는 공기량은 추후에 공급되는 연료와 혼합된 상태에서 마지막으로 점화되는 공기량이다. 따라서, 이 시점에서 실린더 내에 있는 공기량은 연소의 최적화와 관련된 공기량이다.
본 발명에 의해서는, 표준 주변 기압으로부터 벗어나는 주변 기압에서 공기량을 결정하기 위하여 종래에 존재하던 공기 충전 계산 알고리즘이 사용될 수 있다. 이 목적을 위하여, 다만 흡입관 압력 및 배기가스 압력만이 실제 주변 기압 및 표준 주변 기압에 따라 스케일링되고, 스케일링된 변수가 공기 충전 계산 알고리즘으로 입력되며, 공기 충전 계산 알고리즘으로부터 출력된 공기량이 재차 실제 주변 기압 및 표준 주변 기압에 따라, 마지막으로 실제 주변 기압에서 실린더 내에 있는 공기량을 계산하기 위해 스케일링된다.
따라서, 신뢰할만하고 충분히 정확하며 비용적으로 그리고 시간상으로 바람직한 공기량의 모델링 및 결정에 도달할 수 있게 된다.
흡입관 압력, 배기가스 압력 및 표준 공기량의 스케일링은 선형의 스케일링을 포함할 수 있다(특히 일정하거나 가변적인 인자를 곱함). 이로써, 방법은 더욱 단순해질 수 있고, 특히 메모리 요구량이 줄어들 수 있다.
흡입관 압력 및 배기가스 압력의 스케일링은 통일적으로 이루어질 수 있다. 특히, 흡입관 압력 및 배기가스 압력의 스케일링은 흡입관 압력 및 배기가스 압력에 동일한 함수를 적용함으로써 실행될 수 있다. 이 함수는 예컨대 비-1차 함수 또는 1차 함수를 포함할 수 있다. 통일적인 스케일링에 의해서, 방법은 더욱 단순해질 수 있다.
흡입관 압력의 스케일링은 일 인자와 흡입관 압력의 곱셈을 포함할 수 있으며, 이 경우 인자는 표준 주변 기압과 실제 주변 기압의 비율(또는 이들의 역수)를 갖는다. 곱은 간단하게 그리고 신속하게 실행될 수 있다. 표준 주변 기압과 실제 주변 기압의 비율도 간단한 방식으로 계산될 수 있다.
또한, 표준 공기량의 스케일링도 인자의 역수와 표준 공기량의 곱셈을 포함할 수 있다. 이로써, 방법은 더욱 단순해질 수 있는데, 그 이유는 다양한 변수들의 변환이 단 하나의 인자로부터 추론될 수 있기 때문이다.
공기 충전 계산 알고리즘은 하나 또는 복수의 또 다른 입력 변수를 가질 수 있는데, 특히 충전에 영향을 미치는 액추에이터의 위치(또는 설정) 및/또는 내연 기관의 회전수 및/또는 흡기 캠 위치 및/또는 배기 캠 위치 및/또는 급기 운동 플랩의 위치 및/또는 하나 이상의 밸브 행정 및/또는 배기가스 온도 및/또는 공기 공급 온도(또는 충전 온도) 및/또는 터빈의 흐름 방향 상류에서 측정되었거나 모델링된 배기가스 압력 및/또는 주변 온도를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 또 다른 입력 변수들은 특히 적어도 내연 기관의 회전수, 입력 캠의 위치 및 출력 캠의 위치를 포함한다. 이와 같은 입력 변수들이 종래 방식으로 결정 또는 모델링될 수 있음으로써, 결과적으로 방법을 실행하기 위한 특별한 측정 장치가 전혀 필요치 않다.
공기 충전 계산 알고리즘은 소수의 특성 곡선 또는 표 및/또는 모델 함수를 포함할 수 있다.
공기 충전 계산 알고리즘은 순전히 경험적으로 그리고/또는 물리적/기술적인 모델을 토대로 작성될 수 있다.
종래의 엔진 제어 유닛 내에서는, 공기 충전 계산 알고리즘이 입력된 흡입관 압력 및 입력된 배기가스 압력으로부터, 실린더 내에 표준 주변 기압이 존재할 때 존재하는 실린더 내의 공기량을 결정할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 실린더의 일 흡기 밸브(이 흡기 밸브는 공기를 실린더 내부로 유입시키는 것을 가능하게 함)와 일 배기 밸브(이 배기 밸브는 배기가스를 실린더로부터 방출시키는 것을 가능하게 함)의 동시 개방 단계(시간적인 단계)를 지원할 수 있다. 흡기 밸브와 배기 밸브의 동시 개방 단계 동안에는, 한 편으로는 연소 후에 실린더 내에 있는 배기가스의 일 부분이 실린더로부터 (특히 배기가스관 내부로) 흐르고, 다른 한 편으로는 이미 공기가 (흡입관 또는 급기관으로부터) 실린더 내부로 유입된다.
이로써, 그 다음에 흡기 밸브가 재차 폐쇄되는 경우에는, 작동 단계가 실린더 내부에서 공기량의 결정을 어렵게 한다. 하지만, 흡입관 압력, 배기가스 압력 및 공기량과 같은 관련 변수들의 스케일링 또는 변환은 흡기 밸브 및 배기 밸브의 동시 개방 위상을 갖는 엔진 제어부에서도 사용될 수 있다. 따라서, 방법은 매우 많은 수의 엔진 작동 방법에 유연한 방식으로 적용 및 사용될 수 있다.
또한, 이 방법은 잔류 가스 재순환도 지원할 수 있다. 흡기 밸브 및 배기 밸브의 동시 개방 동안 실린더 내부로 흐르는 공기의 일 부분은 배기가스관 내부로 유입될 수 있지만, 흡입 다기관을 따라 계속 진행하면서 다시 실린더 내부로 귀환될 수 있다. 이와 같은 작동 모드도 공기량의 계산을 복잡하게 할 수 있다. 하지만, 이 방법은 물리적인 분석으로부터 더 아래에서 설명되는 바와 같이 상기와 같은 내연 기관 제어부 또는 내연 기관 조건에도 적용될 수 있다. 이로써, 방법은 내연 기관의 복수의 작동 방법에 적용될 수 있다.
공기 충전 계산 알고리즘은 내연 기관 검사대에서 표준 조건하에서, 특히 표준 온도(예컨대 21℃) 및 표준 주변 압력(예컨대 1,013mbar)하에서, 복수의 작동점에 걸쳐 그리고 충전에 영향을 미치는 액추에이터 위치들에 걸쳐 작성될 수 있다. 이 목적을 위해, 복수의 측정(특히 흡입관 압력, 배기가스 압력 및 공기량)이 실행될 수 있다. 따라서, 엔진 유닛과 관련된 알고리즘을 데이터화하기 위한 종래의 방법이 적용 또는 사용될 수 있다.
흡입관 압력 및 배기가스 압력은 각각 흡입관 또는 배기가스관 내에서 압력 측정 및/또는 모델링에 의해, 특히 압력 측정 및/또는 모델링의 평균치 산정에 의해 결정될 수 있다. 이와 같은 결정은 특히 실린더의 공기 흡기 밸브가 개방된 경우에 그리고/또는 배기가스 배기 밸브가 개방된 경우에 이루어질 수 있다. 이와 같은 압력 측정 방식은 종래의 내연 기관에서, 내연 기관의 설치를 변경하지 않고서도, 적합한 센서를 사용하여 실행될 수 있다. 따라서, 방법은 종래의 내연 기관에 대해서도 적합하다.
실제 주변 기압은 압력 측정 및/또는 레벨 측정에 의해서 그리고/또는 경우에 따라 원격으로도 결정되는 기상학적 데이터를 참조해서 획득될 수 있거나 결정될 수 있다. 따라서, 상기와 같은 입력 변수들이 유연하게 결정될 수 있다.
또한, 상기 과제는 하나 이상의 실린더를 갖춘 내연 기관을 제어하기 위한 방법에 의해서도 해결되며, 이 경우, 제어 방법 동안 실린더 내 공기량을 결정하기 위한 방법이 본원에 명시된 실시예들 중 일 실시예에 따라 실행된다.
또한, 제어 방법 동안에는 연료가 실린더 내부로 유입되며, 이 경우 연료량(예컨대 질량, 분자 수)은 결정된 공기량(예컨대 질량, 분자, 특히 산소 분자의 수)을 토대로 선택되는데, 특히 실린더 내부에서 연료와 공기량 또는 산소량 간의 (예컨대 반응 방정식에 따른) 화학양론적 비율에 도달하는 방식으로 선택된다.
본 발명에 따른 엔진 제어 유닛은 입력 모듈 및 프로세서(예컨대 하드웨어 및/또는 소프트웨어)를 구비한다. 입력 모듈은, 내연 기관의 실린더의 하나 이상의 흡입관 압력 및 배기가스 압력 그리고 실제 주변 기압을 얻도록 또는 엔진 제어 유닛 내부에서 사용 가능하도록 형성된다. 프로세서는, 흡입관 압력 및 배기가스 압력을 실제 주변 기압 및 표준 주변 기압에 따라 스케일링하고; 스케일링된 흡입관 압력(공기 공급 압력) 및 스케일링된 배기가스 압력을 토대로 표준 공기량을 결정하기 위하여, 표준 주변 기압 작동 조건하에서 작성된 공기 충전 계산 알고리즘을 실행하도록; 형성된다. 프로세서는 또한, 실린더 내 공기량을 결정하기 위하여, 실제 주변 기압 및 표준 주변 기압에 따라 표준 공기량을 스케일링하도록 형성된다. 마지막으로, 프로세서는, 결정된 공기량을 토대로 (특히 결정된 공기량의 산소량을 토대로 해서) 실린더 내부로 유입되는 연료량을 결정하도록 형성되어 있다. 엔진 제어 유닛은, 선행 실시예들 중 일 실시예에 따른 방법을 실시하거나 제어하도록 형성될 수 있다.
엔진 제어 유닛은 특히, 내연 기관의 실린더 내 공기량을 결정하기 위한 방법을 명시된 실시예들 중 일 실시예에 따라 실행하도록 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 내연 기관(예컨대 오토 엔진, 가솔린 엔진 또는 디젤 엔진 및 선택적으로는 추가의 전동기를 포함함)은 명시된 실시예들 중 일 실시예에 따라 흡입관 및 배기가스관을 갖춘 하나 이상의 실린더 및 엔진 제어 유닛을 포함한다. 이 경우, 엔진 유닛은, 실린더 내의 공기량을 결정하도록, 그리고 이를 토대로 마지막에 연소를 위해 공기량과 함께 실린더 내부로 유입될 수 있는 연료량을 결정하도록 형성된다. 엔진 제어 유닛은 이 목적을 위해 예컨대 연료 펌프 및 흡기 밸브를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예들이 이제 첨부 도면들을 참조해서 설명된다. 청구항들의 적용 범위는 기술되었거나 도시된 실시예들에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 내연 기관의 실린더 내 공기량을 결정하기 위한 방법을 실시하도록 형성되어 있는, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 제어 유닛의 모듈을 개략적으로 도시하며, 그리고
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 제어 유닛을 포함하는, 본 발명의 일 실시예에 따른 내연 기관의 일 부분을 도시한다.
본 발명의 실시예들은, 실린더 내부에서 실린더 공기 충전 또는 공기량을 경정할 수 있는 방법 및 장치, 특히 엔진 제어 유닛에 방향 맞추어져 있다. 이하의 방정식(Gl.1 내지 Gl.7)은, 실린더 내 공기량을 결정하기 위해 중요한 물리적인 변수들을 기술한다.
Figure pct00001
상기 방정식(Gl.1 내지 Gl.7)에 존재하는 변수들은 다음과 같은 의미를 갖는다:
mRG res : 잔여 잔류 가스
mRG reasp : 재흡입 잔류 가스
p 2 : 흡입관 압력
mLsca: 소기(scavenging) 공기 질량
p 3 : 배기가스 압력
T 2 : 흡입관 온도
T 3 : 배기가스 온도
p zyl : 흡기 밸브 폐쇄시 실린더 압력
T zyl : 흡기 밸브 폐쇄시 실린더 온도
p RG : 잔류 가스 부분 압력
p L : 공기 부분 압력
V AS : 배기 밸브 폐쇄시 실린더 용적
V ES : 흡기 밸브 폐쇄시 실린더 용적
R a : 고유 가스 상수
A: 밸브 과류 유효 면적
C: 상수
mL: 실린더 내 공기 질량
pu: 주변 압력
Gl.1은 실질적으로 배기가스 압력(p3)의 함수로서의 잔류 가스량을 기술한다. 잔류 가스량의 정확한 수집은 실린더 공기 충전의 정확한 결정을 위한 전제 조건이지만, 이와 같은 정확한 수집은 종래 방식에 따라 센서 장치에 의한 직접적인 측정에 의해서는 이루어질 수 없다.
사용적(dead volume) 내에 남아 있는 잔류 가스는 Gl.1에 따른 상응하는 실린더 용적(VAS), 배기가스 역압(p3) 및 배기가스 온도(T3)로부터 계산된다. 오토 엔진 분야에서 통용되는, 내부 잔류 가스 재순환 또는 신선 공기에 의한 잔류 가스량의 세정(소기) 방법에서는, 흡기 밸브 및 배기 밸브의 개방 시간이 교차하는 단계 동안 흡입 다기관의 상사점에서 잔류 가스 또는 신선 공기가 흡입관 용적과 배기가스 용적 사이에서 실린더를 통해 흐른다. 흡입 다기관을 따라 계속 흐르면서 재차 실린더 내부로 돌아오는 과류된 잔류 가스의 양은 실질적으로 Gl.2에 따른 배기가스 압력(p3)과 흡입관 압력(p2) 간의 압력 비율에 따라 결정된다.
상기와 같은 내용은 흡입관 압력과 배기가스 압력 사이에서 양의 압력 강하가 나타나는 경우에 실린더를 통해 소기된 신선 공기량에도 유사하게 적용된다(Gl.3 참조). 흡입관 압력(p2)과 배기가스 압력(p3)의 통일적인 스케일링이 이루어지는 경우에는 실린더 공기 충전(mL)도 동일한 크기 안에서 선형으로 스케일링된다는 사실이 나타난다(Gl.4 내지 Gl.7 참조).
예컨대 Gl.1 내지 Gl.7이 p2, p3 대신에 p'2=f*p2 및 p'3=s*p3로 기술되면, Gl.7은 mL'=f*mL로 나타난다. 이로써, 흡기 밸브가 폐쇄된 경우에 실린더 내에 있는 공기량은 정확하게 흡입관 압력(p2) 및 배기가스 압력(p3)과 동일하게 스케일링된다.
Gl.1은 배기 밸브의 폐쇄시 잔류 가스의 양을 기술한다. Gl.2 및 Gl.3에서, ψ는 sqrt(k/(k-1)*(x2/k-xk +1/k)로서 주어진 스로틀 배출 함수를 기술하며, 이때 k는 단열비(adiabatic exponent)이다. Gl.5는, 흡기 밸브의 폐쇄시에는 흡입관 내 압력과 실린더 내 압력 간에 압력 균형이 존재한다는 근사치로부터 출발한다.
흡입관 압력, 배기가스 역압 및 실린더 공기 충전이 동일한 방식으로 선형으로 스케일링 되는 상황은, 내연 기관의 실린더 내 공기량을 결정하기 위해 본 발명에 따라 제안된 방법의 기초가 된다.
본원에서, 방법은 계산된 실린더 공기 충전을 상이한 주변 압력(pu)에 따라 보정한다. 엔진 검사대에서 보정 에러의 적용이 이루어지는 표준 조건들로부터 벗어나는 주변 압력에서는, 흡입관 압력(p2) 및 배기가스 압력(p3)이, 이와 같은 엔진 작동점에서 표준 주변 압력 조건하에 주도적으로 나타나는 값으로 변환된다. 이와 같은 가상 작동점에서는, 엔진이 이미 측정되었고, 그 결과들이 엔진 제어 소프트웨어의 상응하는 보정 필드 내에 저장되었다. 그 다음에, 상기와 같은 가상 작동에서 표준 조건하에서 제1 모델에 의해 계산된 실린더 공기 충전(mLnorm)의 1차 역변환이 이루어진다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따라 실린더 내 공기량을 결정하기 위한 방법을 실시하도록 형성되어 있는, 그리고 예컨대 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 제어 유닛 내에 포함될 수 있는 모듈(1)을 개략도로 보여준다.
모듈(1)은, 하나 이상의 흡입관 압력(5)(ps로서도 지칭됨) 및 배기가스 압력(7)(p3로서도 지칭됨) 및 실제 주변 기압(9)(pu로서도 지칭됨)을 얻도록 형성되어 있는 입력 모듈(3)을 포함한다.
또한, 모듈(1)은, 실제 주변 기압(9) 및 표준 주변 기압(13)(punorm으로서도 지칭됨)에 따라 흡입관 압력(5) 및 배기가스 압력(7)을 스케일링하도록, 그리고 스케일링된 흡입관 압력(17) 및 스케일링된 배기가스 압력(19)을 토대로 표준 공기량(mLnorm)(21)을 결정하기 위해 표준 주변 기압 작동 조건하에서 작성된 공기 충전 계산 알고리즘(15)을 실행하도록 형성되어 있는 프로세서(11)를 포함한다.
프로세서(11)는 또한, 실린더 내부에 있는 공기량(23)(mL로서도 지칭됨)을 결정하기 위해 실제 주변 기압(9) 및 표준 주변 기압(13)에 따라 표준 공기량(21)(mLnorm으로서도 지칭됨)을 스케일링하도록 형성되어 있다.
이 목적을 위해, 계산 요소(25)에 의해서 표준 주변 기압(13)(punorm으로서도 지칭됨)과 실제 주변 기압(9) 간의 비율이 형성되며, 이 경우 압력 비율은 인자(f)를 나타낼 수 있는 참조 번호 27에 의해서 특징지어져 있다. 스케일링된 흡입관 압력(17)을 얻기 위해, 흡입관 압력(5)은 곱셈 요소(29)에 의해서 인자(27 또는 f)와 곱해진다. 스케일링된 배기가스 압력(19)을 얻기 위해, 동일한 방식으로 곱셈 요소(31)에 의해서 배기가스 압력(p3)이 인자(27 또는 f)와 곱해진다.
스케일링된 흡입관 압력(17)뿐만 아니라 스케일링된 배기가스 압력(19)도 공기 충전 계산 알고리즘(15)을 위한 입력 변수이다.
또 다른 입력 변수들은 E1, E2 및 En에 의해서 기재되어 있고, 예컨대 내연 기관의 회전수, 흡기 캠 위치 및 배기 캠 위치 또는 또 다른 입력 변수들을 포함할 수 있다.
도 2는, 예컨대 도 1에 도시되어 있는 모듈(1)을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 제어 유닛(34)을 포함하는, 본 발명의 일 실시예에 따른 내연 기관(33)의 일 부분을 개략도로 도시한다.
실린더(35) 내에는, 피스톤(37)이 실린더 내부 챔버(39) 내에서 실린더 축을 따라 이동할 수 있게 배치되어 있으며, 이 피스톤은 작동[실린더 내부 챔버(39) 내에서의 연소] 중에 커넥팅 로드를 통해서 크랭크 샤프트를 구동시킨다.
실린더(35)는, 피스톤(37)과 함께 실린더 내부 챔버(39)를 제한하는 실린더 벽(36)을 포함한다. 실린더(35)는, 흡입관(45)을 통해 공기(43)를 실린더의 내부 챔버(39)로 유입시키는 것을 가능하게 하는 흡기 밸브(41)를 포함한다. 또한, 실린더(35)는, 실린더 내부 챔버(39)로부터 배기가스관(49) 내부로 배기가스를 안내하는 것을 가능하게 하는 배기 밸브(47)를 포함한다.
측정 센서(51)는 흡입관 압력(5)을 측정하고, 흡입관 압력(5)을 엔진 제어 유닛(34)으로 전달한다. 배기가스관(49) 내에 있는 또 다른 압력 센서(53)는 배기가스 압력(7)을 측정하고, 배기가스 압력을 엔진 제어 유닛(34)으로 전달한다. 도 2에 도시되어 있지 않은 압력 센서는 또한 주변 압력(9)을 측정하여 이 주변 압력을 엔진 제어 유닛(34)에 입력 변수로서 제공한다. 연료 공기 혼합물은 실린더 내부 챔버(39) 내부에서 점화 플러그(55)에 의해 또는 선택적으로는 점화 플러그 없이, 예컨대 압축에 의해 점화될 수 있다.
엔진 제어 유닛(34)은 흡입관 압력(5), 배기가스 압력(7) 및 주변 압력(9)을 토대로 해서, 흡기 밸브(41)의 폐쇄 후에 실린더(35) 내에 있는 공기량(23)(mL)을 계산하고, 이 결정된 공기량(23)을 실린더(35)로 유입되는 연료량을 계산하기 위해서 사용한다.
엔진 제어부(34)는 분사 장치를 제어하기 위한 분사 제어 신호(57)를 출력할 수 있다. 이와 같은 방식으로 계산된 연료량은 도 2에 도시되어 있지 않은 분사 기구를 통해서 실린더(35)의 내부 챔버(39) 내부로 분사된다. 본 발명의 실시예들은 공기가 충전되거나 공기가 충전되지 않는 내연 기관에 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은, 표준 조건들로부터 벗어나는 주변 압력하에서도 실린더 공기 충전의 정확한 계산을 가능하게 할 수 있다.
이 방법은, Gl.1 내지 Gl.7에서 볼 수 있는 바와 같은 물리적인 보정을 토대로 하며, 따라서 이동 가능한 작동점을 포함한다.
종래의 방법과 달리, 차량 검사 동안 엔진 제어 유닛 내에서 보정 필드를 적응시킴으로써, 개별적인 작동점에서 다양한 주변 공기 조건하에 이루어지는 실린더 공기 충전 계산[알고리즘(15)]의 적응은 생략될 수 있다. 이렇게 함으로써, 개발 시간 및 비용이 절약될 수 있다.
동일한 엔진 작동점에서는, 다양한 주변 압력에서 평균 흡입관 압력 및 배기가스 역압이 선형으로 스케일링 될 뿐만 아니라, 잔류 가스 과류 또는 소기를 위해서 결정적으로 중요한, 밸브(41과 47)의 밸브 교차 시점 동안의 흡입관 용적과 배기가스 용적 간의 압력 비율도 스케일링 될 수 있다.
그럼으로써, 배기가스 측에서는 배기 밸브(47) 앞에서의 평균 배기가스 압력(p3)이 실린더 공기 충전을 계산하기 위한 입력으로서 충분하게 된다. 측정된 주변 압력(pu) 또는 충전된 시스템에서 터빈 뒤에서의 압력과 같은 또 다른 변수들은 실린더 공기를 계산하기 위한 제1 모델(15)에서 생략된다.
1: 계산 모듈
3: 입력 모듈
5: 흡입관 압력
7: 배기가스 압력
9: 주변 기압
11: 프로세서
13: 표준 주변 기압
15: 공기 충전 계산 알고리즘
17: 스케일링된 흡입관 압력
19: 스케일링된 배기가스 압력
21: 표준 공기량
23: 스케일링된 표준 공기량
25: 계산 요소
29: 계산 요소
31: 계산 요소
33: 내연 기관의 부분
34: 엔진 제어 유닛
35: 실린더
36: 실린더 벽
37: 피스톤
39: 실린더 내부 챔버
41: 흡기 밸브
43: 공기
45: 흡입관 또는 충전관
47: 배기 밸브
49: 배기가스관
51: 압력 센서
53: 압력 센서
55: 점화 플러그
57: 분사 제어 신호

Claims (15)

  1. 내연 기관(33)의 실린더(35) 내 공기량(23)을 결정하기 위한 방법으로서, 상기 방법은,
    실제 주변 기압(9, pu) 및 표준 주변 기압(13, punorm)에 따라 흡입관 압력(5, ps, p2) 및 배기가스 압력(7, p3)을 스케일링하는 단계와;
    스케일링된 흡입관 압력(17) 및 스케일링된 배기가스 압력(19)을 토대로 표준 공기량(21, mLnorm)을 결정하기 위하여, 표준 주변 기압 작동 조건하에서 작성된 공기 충전 계산 알고리즘(15)을 실행하는 단계와;
    공기량(23, mL)을 계산하기 위하여, 실제 주변 기압(9) 및 표준 주변 기압(13)에 따라 표준 공기량(21)을 스케일링하는 단계;를 포함하는, 내연 기관의 실린더 내 공기량의 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 흡입관 압력(5), 배기가스 압력(7) 및 표준 공기량(21)의 스케일링이 선형의 스케일링을 포함하며, 특히 공기 흡기 밸브가 폐쇄된 경우에 실린더(35) 내 공기량(23)이 결정되는, 내연 기관의 실린더 내 공기량의 결정 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 흡입관 압력(p2)과 배기가스 압력(p3)의 스케일링이 통일성 있게 수행되는, 내연 기관의 실린더 내 공기량의 결정 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 흡입관 압력(p2)의 스케일링이 인자(27, f)와 흡입관 압력(p2)의 곱셈을 포함하며, 상기 인자(27, f)는 표준 주변 기압(13)과 실제 주변 기압(9)의 비율을 포함하는, 내연 기관의 실린더 내 공기량의 결정 방법.
  5. 제4항에 있어서, 표준 공기량(21)의 스케일링이 인자(f)의 역수(1/f)와 표준 공기량의 곱셈을 포함하는, 내연 기관의 실린더 내 공기량의 결정 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 공기 충전 계산 알고리즘(15)이 하나 또는 복수의 또 다른 입력 변수, 즉, 특히 충전에 영향을 미치는 액추에이터의 위치, 내연 기관의 회전수, 흡기 캠 위치, 배기 캠 위치, 급기 운동 플랩 위치, 하나 이상의 밸브 행정, 배기가스 온도, 공기 공급 온도, 터빈의 흐름 방향 상류에서 측정되었거나 모델링된 배기가스 압력 및/또는 주변 온도를 갖는, 내연 기관의 실린더 내 공기량의 결정 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 실린더의 일 흡기 밸브(41)와 일 배기 밸브(47)의 동시 개방의 위상을 지원하는, 내연 기관의 실린더 내 공기량의 결정 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 잔류 가스 재순환을 지원하는, 내연 기관의 실린더 내 공기량의 결정 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 신선 공기에 의한 잔류 가스량의 소기를 지원하는, 내연 기관의 실린더 내 공기량의 결정 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 공기 충전 계산 알고리즘(15)이 내연 기관 검사대에서 표준 조건하에서, 특히 표준 온도에서, 복수의 작동점에 걸쳐 그리고 충전에 영향을 미치는 액추에이터 위치들에 걸쳐 작성되는, 내연 기관의 실린더 내 공기량의 결정 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 흡입관 압력(p2, ps) 및 배기가스 압력(p3)이 각각 특히 실린더의 공기 흡기 밸브(41)가 개방된 경우에는 흡입관(45) 내에서, 또는 특히 실린더의 배기가스 배기 밸브(47)가 개방된 경우에는 배기가스관(49) 내에서, 특히 압력 측정들 및/또는 모델링들의 평균치 산정에 의해 결정되는, 내연 기관의 실린더 내 공기량의 결정 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 실제 주변 기압(9)이 압력 측정, 레벨 측정, 및/또는 원격으로 결정된 기상학적 데이터의 획득을 통해 얻어지는, 내연 기관의 실린더 내 공기량의 결정 방법.
  13. 하나 이상의 실린더(35)를 갖춘 내연 기관(33)을 제어하기 위한 방법으로서, 상기 방법이
    제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따라 실린더 내 공기량(23, mL)을 결정하기 위한 방법을 수행하는 단계와;
    실린더(35) 내부로 연료를 공급하는 단계로서, 상기 결정된 공기량(21, mL)을 토대로 연료량이 선택되는 단계;를 포함하는, 내연 기관의 실린더 내 공기량의 결정 방법.
  14. 엔진 제어 유닛(34)으로서,
    내연 기관(33)의 실린더(35)의 하나 이상의 흡입관 압력(p2, ps) 및 배기가스 압력(p3) 그리고 실제 주변 기압(pu)을 획득하도록 형성된 입력 모듈(3)과;
    프로세서(11)로서,
    - 흡입관 압력(p2, ps) 및 배기가스 압력(p3)을 실제 주변 기압(pu) 및 표준 주변 기압(punorm)에 따라 스케일링하고,
    - 스케일링된 흡입관 압력 및 스케일링된 배기가스 압력을 토대로 표준 공기량(21, mLnorm)을 결정하기 위하여, 표준 주변 기압 작동 조건하에서 작성된 공기 충전 계산 알고리즘(15)을 실행하고,
    - 실린더 내 공기량(23, mL)을 결정하기 위하여, 실제 주변 기압 및 표준 주변 기압에 따라 표준 공기량을 스케일링하고,
    - 상기 결정된 공기량(23, mL)을 토대로 실린더 내부로 유입되는 연료량을 결정하도록 형성된 프로세서(11);를 구비한 엔진 제어 유닛(34).
  15. 흡입관(45) 및 배기가스관(49)을 갖춘 하나 이상의 실린더(35), 및
    제14항에 따른 엔진 제어 유닛(34)을 구비한,
    내연 기관(33).
KR1020187001046A 2015-06-12 2016-06-01 공기 충전의 결정, 엔진 제어 유닛 및 내연 기관 KR101978101B1 (ko)

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