KR920004511B1 - 내연기관의 공연비 제어장치 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

내연기관의 공연비 제어장치
제 1 도는 이 발명의 한실시예에 의한 내연기관의 공연비 제어장치의 전체구성도.
제 2a 도는 동상실시예의 압력센서의 정면도.
제 2b 도는 제 2a 도의 단면도.
제 3 도는 동상실시예의 압력센서의 부착상태를 나타낸 단면도.
제 4 도는 동상실시예를 설명하기 위한 실린더내의 압력상승비율의 최대치와 실린더내압 최대치의 비(dp/dθ)max/Pmax의 값과 공연비의 관계를 나타낸 설명도.
제 5a 도와 제 5b 도는 각각 동상실시예의 동작을 설명하기 위한 플로차트.
제 6 도는 종래의 내연기관의 공연비제어장치의 전체구성도.
제 7 도는 KMR의 데이타 테이블.
제 8 도는 종래의 내연기관의 공연비제어장치에 있어서, 각 보정의 연산과 센서의 관계를 나타내는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 에어클리너 2 : 에어플로미터
3 : 스로틀밸브 4 : 흡기매니폴드
5 : 실린더 6 : 수온센서
7 : 크랭크각센서 8 : 배기매니폴드
9 : 배기센서 10 : 연료분사밸브
11 : 점화플러그 13 : 압력센서
12 : 제어장치
이 발명은 내연기관에 공급시키는 혼합기의 공연비를 제어하는 내연기관의 공연비제어장치에 관한 것이다.
종래의 연료제어장치의 예로서는 여러가지가 있지만, 여기에서는 일본국 특개소 60-212643 호에 기재된 종래예를 예로들어서 설명한다.
제 6 도는 종래 내연기관의 공연비제어장치의 구성도이다.
제 6 도에 있어서, 1은 에어클리너, 2는 흡입공기량을 계측하는 에어플로미터, 3은 스로틀밸브, 4는 흡기매니폴드, 5는 실린더, 6은 기관의 냉각수온도를 검출하는 수온센서, 7은 크랭크각센서, 8은 배기매니폴드, 9는 배기가스성분농도(예컨대 산소농도)를 검출하는 배기센서, 10은 연료분사밸브, 11은 점화플러그, 12는 제어장치이다.
크랭크각센서(7)는 크랭크각의 기준위치마다(4기통기관에는 180도마다, 6기통기관에서는 120도마다)기준위치펄스를 출력시키고 또 단위각도마다(예컨대 1도마다)단위각펄스를 출력시킨다. 그리고, 제어장치(12)내에 있어서, 이 기준위치펄스가 입력된후의 단위각펄스의 수를 계산함으로서, 그때의 크랭크각을 알 수 있다. 또 단위각펄스의 주파수 또는 주기를 계측함으로써 기관의 회전속도를 알수도 있다.
제 6 도의 예에 있어서는, 디스트리뷰터내에 크랭크각센서가 설치되어 있는 경우를 예시하였다.
제어장치(12)는 CPU, RAM, ROM, 입출력인터페이스등으로 되는 마이크로컴퓨터로 구성되고, 상기 에어플로미터(2)에서 부여되는 흡입공기량센서 S1, 수온센서(6)에서 부여되는 수온신호 S2, 크랭크각센서(7)에서 부여되는 크랭크각신호 S3, 배기센서(9)에서 부여하는 배기신호 S4 및 도시하지 않은 배터리전압신호나, 스로틀 전폐신호등을 입력시키며, 이들의 신호에 따라 연산하고 기관에 공급시킬 연료분사량을 산출하여 분사신호 S5를 출력시킨다.
아 분사신호 S5에 의하여 연료분사밸브(10)이 작동되어 기관에 소정량의 연료를 공급시킨다.
상기 제어장치(12)내의 연료분사량 Ti의 연산은 다음식에 의한다.
Ti=Tp×(1+Ft+KMR/100)×β+Ts ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥⑴
상기식⑴식에 있어서, Tp는 기본분사량인데, 흡입공기량을 Q, 기관의 회전속도를 N, 정수를 K로 하였을때 Tp=K×Q/N에서 구할 수 있다.
또 Ft는 기관의 냉각수온도에 대응된 보정계수이며 냉각수온도가 낮을수록 큰 값이 된다. KMR는 고부하시에 있어서 보정계수인데 제 7 도에 표시한 것과 같이 기본분사량 Tp와 회전수 N에 따른 값으로서 미리 데이타테이블에 기억되어있던 값에서 테이블조사(table look-up)에 의하여 판독사용된다. Ts는 베터리전압에 의한 보정계수인데, 연료분사밸브(10)을 구동시키는 저압변동을 보정하기 위한 계수이다. 또 β는 배기센서(9)에서의 배기신호 S4에 따른 보정계수인데 이 β를 사용함으로서 혼합기의 공연비를 소정치, 예컨대 이론공연비 14.6근방의 값으로 피드백제어할 수 있다. 단, 이 배기신호 S4에 의한 피드백제어를 하고 있을 경우에는 항상 혼합기의 공연비가 일정치가 되도록 제어되므로 상기 냉각수온도에 의한 보정이나, 고부하에 의한 보정이 무의미하다.
따라서, 배기신호 S4에 의한 피득백제어는, 수온에 의한 보정계수 Ft나, 고부하에 있어서의 보정계수 KMR이 영(zero)일때에만 실행된다.
상기 각보정의 연산과 센서의 관계를 표시하면 제 8 도와 같이된다.
상기한 바와 같이 종래 내연기관의 공연비제어장치에 있어서는 배기센서의 신호에 따른 피드백제어는 행해지지만, 고부하조건에 의한 보정은 기본분사량 Tp와 회전속도 N, 즉 흡입공기량 Q와 회전속도 N에 의하여 결정되는 구성으로 되어있으며 그 보정은 개방루프제어에 의하여 이루워진다.
이 때문에 에어플로미터나, 연료분사밸브등의 편차와 경시변화등에 의하여 고부하시의 공연비가 최적공연비(이것은 발생토크를 최대로 하는 공연비이며 예컨대 13전후의 값을 취할때가 많으며 일반적으로 공연비의 피드백값과는 다르다)에서 벗어나서 토크가 저하하거나 안정성이 악화될 우려가 있다.
또 과도시에 있어서는 에어플로미터가 기관에 흡입되는 공기량뿐만 아니라 흡기관내에 괴는 공기량도 합쳐서 계측하여 버리기 때문에 공연비가 피드백을 하여도 실제공연비는 소정치를 되지않을때가 많다는 문제점이 있었다.
이 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 발명된것으로서 기관상태에 관계없이 그 공연비를 소정치로 제어할 수 있는 내연기관의 공여비제어장치를 얻는데 그 목적이었다.
이 발명에 관한 내연기관의 공연비제어장치는 1점화사이클내의 크랭크각 또는 시간에 관한 실린더내압력 상승비율의 최대치 및 실린더내압력 최대치를 검출하고, 양 최대치의 소정사이클 혹은 소정시간의 평균치를 산출하며, 양 최대치의 비를 산출하고 공연비에 대응하는 데이타를 산출하여 피드백제어하는 제어장치를 설치한 것이다.
이 발명의 제어장치는 1점화사이클내의 크랭크각 또는 시간에 관하여 구한 실린더내 압력상승비율의 최대치와 실린더내 압력최대치를 검출하고 이 최대치의 소정사이클 혹은 소정시간의 평균치를 산출하며 양 최대치의 평균치를 연산함으로써 공연비에 대응하는 데이터를 산출하여 소정사이클간 혹은 소정시간 평균치의 비에 따라 피드백제어하여 실린더내의 압력센서의 출력오프세트나, 개인의 변동 또는 온도드리프트등의 영향을 제거하여 기관동작조건에 적응시켜 공연비를 제어한다.
이 발명의 한 실시예를 도면에 의하여 설명한다. 제 1 도에 있어서 부호 1-12로 표시하는 부분은 제 6 도와 동일한 것이며 그 상세한 설명을 생략한다.
13은 실린더(5)내압력을 검출하는 압력센서이다. 이 압력센서(13)는 점화플러그(11)의 와셔(Washer)대신 사용되는 것이며 실린더내압력의 변화를 전기신호로 도출하는 것이다. 또 제어장치(12)는 마이크로컴퓨터로 구성되어있으며 에어플로미터(2)에서 부여되는 흡입공기량신호 S1, 수온센서(6)에서 부여되는 수온신호 S2, 크랭크각센서에서 부여되는 크랭크각신호 S3, 배기센서(9)에서 부여되는 배기신호 S4 및 압력센서(13)에서 부여되는 압력신호 S6등을 입력으로하고 소정의 연산을하여 분사신호 S5를 출력함으로서 연료분사밸브(10)을 제어한다.
기타는 제 6 도와 동일하다. 제 2 도는 압력센서(13)의 한 실시예를 표시한 도면으로서 제 2a 도는 정면도, 제 2b 도는 단면도이다.
제 2b 도의 13A는 압전소자, 13B는 (-)전극, 13C는 (+)전극이다.
제 3 도는 상기 압력센서(13)의 부착도면이며 실린더헤드⒁에 점화플러그(11)에 의하여 체결되어있다.
제 4 도는 이 발명의 특징인 소정기간에 있어서, 실린더내압력상승비율의 최대치(dp/dθ)max와, 실린더내 압력최대치 Pmax의 비 즉 (dp/dθ)max/Pmax와 공연비의 관계를 표시한다. (dp/dθ)max/Pmax의 값은 공연비에 대하여 회전수에 의하여 결정되는 1개의 곡선을 표시할 수 있다.
즉 제 4 도의 관계를 사용하면 회전수가 검출되면 부하의 변화는 무시되어 (dp/dθ)max/Pmax의 값에서 공연비를 산출할 수 있으며 기관 동작점에 대응되어 설정된 최적공연비와의 오차를 제어장치에 피드백시킴으로서 공연비제어가 가능한것이다. 발명자들은 다수의 실험결과, 이 사실을 발견하였다.
이것은 (dp/dθ)max와 Pmax는 양자공히 회전수, 부하에 의존하는 값이며, 이중에서도 부하에 관하여는 그 의존비율이 동일하기 때문에 양자의 비를 취함으로서 부하의 영향을 무시할 수 있다는 것을 나타낸다.
또 크랭크각 θ와 시간 t의 사이에는 θ=6Ndt가 성립힌다.
따라서 기관회전수 N가 변화하지 않으면, (dp/dθ)max=(dp/dt)max/(6N)로 되므로 (dp/dθ)max/Pmax대신에 (dp/dt)max/Pmax를 검출하여도 사이클마다의 공연비를 제어할 수 있는 것이다.
이로인하여 (dp/dt)max를 검출함으로써 고부하뿐만아니라, 엑셀을 밟을 때의 과시도에 있어서도 공연비를 제어할 수 있게 된다.
제 5a 도는 이 발명의 한실시예의 동작의 흐름을 나타내는 플로차트로서, 특히 1점화사이클내의 (dp/dθ)max 및 Pmax를 구하고 이들의 비를 연산하는 플로차트이다.
이예에서는 크랭크각으로서 1도마다 실린더내압력을 샘플링하여 소정사이클을 1사이클로하고 도시한 연산을 코프로세서(Coprocessor)내에서 실행한다.
메인루틴(호스트프로세서)에서 제 5a 도에 표시한 루틴(코프로세서)에들어가면 스텝(100)에서 크랭크각을 판독한다.
스텝(101)에서는, 스텝(100)의 크랭크각데이타가 압축행정 또는 연소행정(팽창행정)에 있는지의 여부를 판정하며 Yes이면 스텝(102)에서 실린더 압력P(θ)를 판독한 후 스텝(103)으로 전진하며 또 스텝(101)에서 NO이면 스텝(100)으로 되돌아가서 다음의 크랭크각을 기다린다.
스텝(103)에서는 상기 크랭크각이 흡기 BDC(하사점)인지의 여부를 판정하며 흡기 BDC이면 상기 실린더내압력데이타 P(θ)를 사용하여 P1=P(θ), △P=0으로서, P1과 △P를 메모리에 기억시키고(스텝 104), 다음의 스텝(105)에서는 P1을 Pmax의 초기치로하여 스텝(100)으로 되돌아간다.
한편, 스텝(103)에서 흡기 BDC가 아니면은 스텝(106)에서 다시 연소(팽창) BDC여부를 판단한다. 만약 연소(팽창) BDC가 아니면은 스텝(107)으로 진행하고 P2=P(θ)-P1 및 △P=△P2-△P1을 계산하고 △P2와 △P를 기억하는 동시에 스텝(108)로 진행한다.
스텝(108)에서는 △P
Figure kpo00001
0여부를 판단하며, Yes이면 △P1=△P2로하고 P1의 기억내용을 갱신하여서(스텝 109) No의 경우와 같이 스텝(110)으로 진행한다.
스텝(110)에서는 P(θ)＞Pmax여부를 판단하고 Yes이면은 스텝(111)로 진행하여 Pmax=P(θ)로하여 Pmax의 기억내용을 갱신하여서 No의 경우와 같이 스텝(100)으로 복귀한다.
스텝(106)에서 Yes(연소 BDC)이면, 스텝(112)로 진행하며, △P/Pmax의 연산을 한다. 즉 스텝(106)에서 Yes가 되기까지의 과정에서 1점화사이클내의 실린더내압력의 상승비율의 최대치(dp/dθ)max는 △P1로서, 또 실린더내압력최대치는 Pmax로서 연산되어 있는 것이다.
이 △P/Pmax의 연산을 함으로서, 실린더내압력센서의 출력이 경시변화등에 의하여 오프세트되거나, 개인이 변화하거나, 온도변화에 의하여 드리프트되거나하여도 그 영향은 상쇄되어 제어정밀도의 저하를 방지할 수 있다.
이예에서는, 크랭크각이 1도마다의 샘플링이므로, 또 샘플링마다의 압력차 dp와 압력구배(dp/dθ)의 값이 일치하므로 압력차 dp를 크랭크각의 샘플링간격으로 나눌 필요는 없다.
만약, 기관의 고속으로되어, 1도마다 샘플링을 할 수 없는 경우에는(예컨대 3000rpm 이상에서는 2도마다 샘플링),스텝(107),(108),(109)의 △P1, △P2, △P의 각값을 크랭크각의 샘플링 간격으로 나눈것에 환치시키면, 크랭크각이 1도마다의 샘플링의 경우와 전적으로 동일하게 (dp/dθ)max를 구할 수 있다.
이와 같은 연산은 매우 고속으로 하지 않으면 안되며(예컨대 크랭크각 1도의 시간내에서 제 5a 도의 루틴을 실행할 필요가 있다).
이러한 계산은 데이타플로형프로세서를 코프로세서로서 사용하여 상기 계산을 함으로서 가능한 것이다.
호스트프로세서(종래의 노이만형프로세서가)에서는 Ti나, 제 5b 도의 계산, 기관 동작점의 판단, 공연비의 제어동작, 제 5a 도의 루틴으로의 흐름의 제어등을 하면된다.
즉, 데이타플로형 프로세서는 연산이 데이타에 의하여 구동되는 특징으로 갖고 있으므로, 이 특징을 이용하여 제 5a 도의 루틴으로가는 흐름의 제어를 다음과 같이 할 수 있다.
예컨대, 호스트프로세서에 크랭크각의 신호가 입력되었을때, 호스트프로세서는 제 5a 도의 연산프로그램이 저장된 프로세서에 크랭크각도와 이때의 실린더내압 P(θ)의 데이타를 보냄으로서 제 5a 도의 루틴으로가는 흐름의 제어를 할 수 있다.
왜냐하면, 데이타플로형 프로세서는 필요한 데이타가 갖추어지게되면 자동적으로 연산을 실행하기 때문이다. 그리고, 제 5a 도의 연산프로그램의 리턴(return)에서는, 간단하게 호스트프로세서에 되돌아가면되고 제 5a 도의 연산프로그램의 R1에 도달하면 데이터플로형 프로세서는 △P1/Pmax의 값을 호스트프로세서에 반송시키면 된다. 이 데이타를 받은 호스트프로세서에서는 후술하는 제 5b 도의 플로차트에서 표시된 공연비제어를 실행한다.
만약 자립형의 데이타플로형 프로세서이면, 이것을 호스트프로세서로서 이용함으로서 크랭크각도데이타에 의하여 구동되는 제 5a 도의 연산프로그램을 실행하며 실린더내 압력의 압력상승비율의 최대치 (dp/dθ)max 및 실린더내압력최대치 Pmax를 구할 수 있다는 것은 말할나위도 없다.
이상은 압력상승비율의 최대치(dp/dθ)max 및 실린더내압력최대치 Pmax를 프로그램상에서 구하는 경우의 설명이지만, 한편, 피크치홀드회로등을 사용함으로써 회로적으로 양자를 구할 수 있다.
제 5b 도의 플로차트는 호스트프로세서에서 실행되어야 할 공연비제어의 플로차트이다. 즉 우선 스텝(113)에서는 제 5a 도에서 구한 △P1/Pmax가 소정의 범위내에 있는지의 여부를 판단한다.
만약, 범위내에 있으면 스텝(114)로 진행하며, 범위이외에 있으면 연료분사량을 기본 연료분사량으로 설정하여 공연비제어를 실시하지 않는다(스텝 120).
스텝(115)에서는 기관회전수 N과 흡입공기량 Q 또는 흡기관압력 Pb에서 기관동작점을 구하며 다음에 기관동작점에 따른 목표 공연비를 테이블조사에서 구한다(스텝 116).
이 테이블은 부하에 의존하지 않고 회전수의 변화에만 대응되도록 맵(map)화되어 있으므로 메모리용량을 대폭적으로 삭감할 수 있다.
다음의 스텝(117)에서는 목표공연비를 △P1/Pmax로 재기록한다.
스텝(118)에서 e=r-△P1을 계산하여 피드백제어에 필요한 오차신호를 만들어 PI 또는 PID제어를 한다(스텝119).
또 이 실시예에서는 실린더내압력의 절대치가 측정되는 경우에 관하여 설명하였지만, 압력의 변화비율이 측정되는 경우에는 상기 사실이 더욱 용이하게 된다는 것은 명백한 것이다.
이상과 같이 이 발명에 의하면 1점화사이클내의 크랭크각, 또 시간에 관하여 구해지는 (dp/dθ)max와 Pmax를 검출하고 양자의 소정사이클 혹은 소정시간의 평균치의 비를 산출함으로서 공연비를 제어하도록 구성하였으므로 기관으로의 부하에 관계없이 사이클마다, 또는 소정 사이클간의 공연비를 정확하게 제어할 수 있는 현저한 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 내연기관의 흡입공기량을 계측하는 에어플로미터와, 실린더내압력을 검출하는 압력센서와, 상기 내연기관의 크랭크각을 검출하는 크랭크각센서와, 소정시간에 있어서 실린더내압력상승비율의 최대치(dp/dθ)max와 상기 실린더내압력 최대치 Pmax의 비를 연산하고 이비가 상기 내연기과동작점에 대응한 목표공연비로 설정되도록 공연비제어신호를 생성하며 이 공연비제어신호에 따라 혼합기를 상기 내연기관에 공급하도록 피드백제어하는 제어장치와, 이 제어장치의 출력에 의하여 상기 내연기관에 소정의 연료를 분사시키는 연료분사밸브를 구비한 내연기관의 공연비제어장치.
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