KR930000346B1 - 내연기관의 희박연소 제어장치 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

내연기관의 희박연소 제어장치
제1도는 본 발명의 일실시예를 설명하기 위한 희박연소 제어의 흐름도.
제2도는 희박연소 제어장치의 개략도.
제3도는 공연비, 토오크 및 NOX특성도.
제4도는 공연비와 점화시기의 특성도.
제5도는 발명의 일실시예에 따른 엔진 제어계의 개략도.
제6도 및 제7도는 각각 연소광 센서의 단면도.
제8도는 본 발명의 상세구조를 나타내는 개략도.
제9도는 제8도의 부분도.
제10도는 연소광 센서와 NOX농도와의 관계도.
제11도는 연소압력과 연소광 강도의 특성도.
제12도는 점화시기와 공연비와의 관계도.
제13도는 상기 실시예의 부분 상세 흐름도.
제14도는 상기 실시예의 부분 상세 흐름도.
제15도는 본 발명에 따른 희박연소 제어의 전반적인 상세 흐름도.
제16도는 흑체센서의 단면도.
제17도는 제16도의 17-17선을 따라 취한 단면도.
제18도는 흑체센서와 엔진의 일부 단면도.
제19도는 흑체센서가 결합된 점화플러그의 단면도.
제20도는 분광방사 에너지와 파장간의 관계도.
제21도는 광전류와 온도와의 관계도.
제22도는 NOX와 온도와의 관계도.
제23도는 희박연소 제어장치의 다른 실시예의 처리 회로 블럭도.
제24도는 상세 흐름도.
제25도는 상세 흐름도.
제26도는 노크 제어장치의 일실시예의 블럭도.
제27a도는 광 검출기 회로도.
제27b도 및 제27c도는 각각 광검출기의 입력파형 및 출력 파형도.
제28도는 광검출기의 응답시간과 부하저항간의 관계도.
제29도는 광검출기의 상대감도와 파장간의 관계도.
제30도는 광검출기의 방사조도와 광전류간의 관계도.
제31도는 노크신호와 실린더 판별신호의 파형도.
제32a도 및 제32b도는 각각 노크 판정위치에서 노크레벨과 누적빈도분포의 관계곡선 그래프.
제33도는 실시예의 각단에서 측정한 노크신호의 파형도.
제34도(a)는 엔진의 각 실린더로 부터 얻어진 검출신호의 파형도이고, (b)는 광전송 소자에 의하여 취해진 노크신호의 파형도, (c)는 본 발명의 실시예의 정형회로에 의하여 얻어진 노크신호의 파형도.
제35도는 본 발명의 실시예의 동작 흐름도.
제36도 (a)~(b)는 각각 압전소자에 의해 검출된 노크파형도, 본 발명의 검출기에 의하여 검출된 노크파형도, 압전소자에 의하여 검출된 노크파형의 고주파 성분 분포의 파형도 및 본 발명의 검출기에 의하여 검출된 노크파형의 고주파 성분 분포의 파형도.
제37도는 압축비와 엔진출력간의 관계 및 노킹상태(a), 비노킹상태(b), 트레이스 노크상태(c)에 대한 점화시기와 압축비간의 관계를 나타낸 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
21 : 연소 검출단자 22 : 엔진
23 : 연소실 24 : 광섬유케이블
28 : 공연비 센서 29 : 드로틀밸브 개방도 스위치
30 : 공기흐름센서 31 : 수온센서
32 : 회전센서 33 : 인젝터
34 : 중심전극 35 : 고전압 단자
36 : 실리카 파이버 37 : 에자
38 : 밀봉부 39 : 접지전극
40 : 나사부 41 : 금속 하우징
42 : 광섬유 유도 단자 46 : 광학필터
47,48 : 광전변환기 10 : 검출기
111 : 광전송소자 112 : 흑체막
113 : 보호막 114 : 금속파이프
115 : 용융 글라스 116 : 연결부재
117 : 콘넥터 118 : 광학섬유
140 : 정형회로
본 발명은 내연기관의 희박연소 제어장치에 관한 것으로, 특히 희박연소(lean-burn) 엔진의 공연비 및 점화시기를 목표 영역내에 유지하도록 제어하는 장치에 관한 것이다.
내연기관의 제어장치에 있어서, 예를들면 종래의 희박연소 제어장치는 일본국 특허공개 제 87-279747호에 기재된 바와 같이 배기가스의 산소농도에 대응하는 신호를 발생하는 린센서(lean sensor)에 의하여 제어된 공연비를 검출하고, 검출된 공연비를 목표하는 희박공연비와 동일하게 되도록 제어한다.
목표하는 희박공연비는 엔진의 실화한계 공연비(misfire boundary air fuel ratio)와 배기가스의 규제를 클리어하는데 필요한 NOX한계에 의하여 결정된 공연비로써 한정된 공연비 범위내의 특정 공연비, 즉 목표 제어범위내의 특정 공연비로 설정된다.
그러나 상기 종래예에서는 시간에 따른 엔진변화를 충분히 고려하지 않았고 전술한 방법으로 설정된 목표희박공연비를 시간에 따른 엔진변화에 상관없이 일정치로 유지하였다. 시간에 따른 엔진변화, 연료특성변화, 대기 조건의 변화 등은 실화한계를 농후 공연비측으로 이동시키는 것이 예측되기 때문에 목표 희박공연비는 일반적으로 상기 실화한계의 이동을 감안하여 제3도에서 목표 제어범위의 연료농후측의 값으로 미리 설정된다. 이것은 연료비용을 증가시키고 차체의 무게가 증가함에 따라 NOX의 배출량이 증가하는 등의 문제를 가져오며 따라서 배기가스의 규제를 클리어하기가 어려워진다.
본 발명의 목적은 항상 적절한 목표 제어범위를 결정할 수 있고 목표 제어범위내에서 구동하도록 엔진을 제어할 수 있는 내연기관 제어장치의 제공에 있다.
본 발명의 다른 목적은 항상 시간에 따른 엔진변화 등에 일치하여 적절한 목표 제어범위를 결정할 수 있고, 목표범위내에 유지되도록 희박공연비를 제어할 수 있는 희박연소 제어장치의 제공에 있다.
본 발명의 양상에 따르면 희박연소 제어장치는 상기 엔진의 실화상태를 검출하는 실화수단과, 상기 엔진의 NOX농도 정보 검출수단, 상기 공연비와 상기 점화시기가 실화 검출기와 상기 NOX농도 정보 검출기의 신호에 따라 한정된 적당한 안정연소 범위이내로 강하하도록 제어하는 수단으로 구성되었고 이에 의하면 연소가 안정되고 적당한 농도의 NOX를 발생한다.
내연기관 제어에 있어서는, 연소실의 온도변화를 즉시 검지할 수 있고 얇은 흑체막과 상기 흑체막에 의하여 발생된 방사에너지를 전송하기 위하여 측체막에 연결된 광전송소자를 포함한 흑체(black body)를 사용한 검출기 또는 온도센서를 제공하는 것이 좋다.
이하 발명의 양상인 희박연소 제어에 대하여 설명한다.
먼저 희박연소 제어에 있어서 실화한계와 NOX한계가 검출된다.
실화한계와 NOX한계는 공연비와 점화시기에 대하여 제4도와 같은 특성을 갖는다. 실화한계는 조기 점화시기측의 실화한계(A)와 지연 점화시기측의 실화한계(B)로 이루어진다. NOX한계는 점화시기가 빨라짐에 따라 희박공연비에 더 근접한다. 자동차의 중량에 대한 엔진토오크가 희박연소의 진행으로 더 적어지면 NOX한계는 제4도에서 우측으로 이동하고 따라서 NOX한계와 실화한계에 의하여 한정된 목표 제어범위는 더 적어져서 제어가 곤란하여진다. 실화 사이클은 스파크가 화염핵(flame nucleus)을 발생하지 않는 불량 점화사이클(B)과 점화가 화염을 일으키지 않는 불량 화염 점화사이클 (A)로 이루어진다. 이들 두 사이클은 적은 연소 화염광을 발생하여 연소광의 강도 또는 연소온도로 부터 실화 사이클을 검출할 수 있게 하는 사이클이다. 반면에 NOX는 연소온도의 파라메터로 알려져 있다. 또한 NOX의 방출 스펙트럼은 파장이 5.3μm이고 이 파장에서의 광강도는 NOX농도의 함수임이 알려져 있다.
그러므로 실화 사이클과 NOX농도는 엔진 연소실의 연소온도 또는 연소광을 검출함으로써 검출될 수 있다.
다음에 내연기관의 희박연소를 행하기 위한 제어 목표 범위는 검출된 실화 사이클 및 검출된 NOX농도에 의하여 결정된다.
결국 점화시기와 공연비는 실화 사이클과 NOX농도에 의하여 한정된 제어범위내에서 설정된다.
내연기관의 제어에 있어서 엔진온도는 즉시 검출되는 것이 바람직하다. 이 온도검출에 적합한 흑체를 사용한 온도 검출기가 구성된다.
이하 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.
개략적인 제어흐름도를 나타낸 제1도에 있어서, 스텝 1과 2에서는 공연비 (A/F), 점화시기(Adv), 실화 및 NOX의 신호가 마이크로 컴퓨터의 디지탈 연산장치에 입력된다. 스텝 3에서 실화신호와 NOX신호가 실화한계 및 NOX한계에 의하여 결정된 목표 제어범위내에 있는지의 여부를 판단한다. 만일 이들 신호가 목표 제어범위밖에 있으면 처리는 목표 제어범위에 들어가도록 A/F와 Adv를 제어하기 위해 스텝 4의 보정운전모드로 이동한다. 만일 이 신호들이 목표 제어범위내에 있으면 처리는 통상 제어를 수행하기 위해 블럭 5의 통상 운전모드로 이동한다.
희박연소 제어장치의 일실시예를 나타내는 제2도에 있어서, 장치는 엔진(6)의 실화상태를 검출하는 실화 검출기(7), 엔진(6)에 의하여 발생되거나 엔진(6)으로부터 배출되는 NOX농도에 대응하는 신호를 출력하는 NOX검출기(8) 및 이들 검출기(7,8)의 신호를 입력하는 마이크로 컴퓨터의 디지탈 연산장치(9)를 포함한다.
이 신호들 외에도 엔진(6)에 공급된 연료공기 혼합기체의 공연비(A/F)와 점화시기(Adv)신호가 디지탈 연산장치(9)에 입력된다. 이들 정보에 의거하여 디지탈 연산장치(9)는 제1도의 제어 흐름도에 따라 통상 운전모드(10) 또는 보정 운전모드(11)를 선택한다. 선택된 운전모드가 시행되고 제어신호는 Adv 또는 A/F를 제어하도록 점화시기 제어수단(12) 또는 연료량 혹은 공기량 제어수단(13)으로 출력된다.
제4도를 참조하여 전술한 방법을 좀더 설명한다. 만일 실화한계를 고려한다면 목표 제어범위는 제4도의 실화한계의 좌측에 위치해야 하고, NOX한계를 고려한다면 목표 제어범위는 제4도의 NOX한계의 우측에 위치해야 한다. 그러므로 상기 둘다 고려한다면 목표 제어범위는 실화한계와 NOX한계로 둘러싸인 범위에서 설정되어야 한다. 실화검출기가 엔진의 실화상태를 검출하고 이 상태에서 A/F 및 Adv값을 점 P1으로 표시한다면 A/F는 농후방향으로 이동하여 점 P2에 위치하도록 제어되고 이로써 실화상태가 제거된다. 만일 NOX의 검출치가 NOX한계의 허용치 이하라면 목표 제어범위내에서 제어된 것으로 판단된다.
반면에 예를들면 NOX검출치가 허용치 이상인 점 P3에 신호가 위치한다면 A/F는 희박방향으로 이동하도록 제어되고 NOX가 허용치 내에 있는 점인 점 P4에 위치된다. 이 경우에 실화 검출기에 의하여 검출된 신호가 비실화 상태에 있다고 판단되면 실화 및 NOX신호는 목표 제어범위로 이동했다고 간주되며 보정제어는 이 단계에서 정지한다.
만일 실화 및 NOX신호가 예를들면 NOX검출기의 검출치가 허용치를 초과한 지점인 점 P5에 존재한다면, A/F는 희박방향으로 이동하도록 제어되고 P1의 경우와 마찬가지 방법으로 NOX가 허용치내에 있는 지점인 점 P6에 위치된다. 그러나 이 경우에 실화 검출기는 엔진이 실화상태에 있다고 판단하므로 두 조건은 만족될 수 없다.
이 경우에 임시로 점 P5에 되돌아 가서 A/F를 희박방향 및 점화시기(Adv)가 지연되는 방향으로 이동하여 점 P7에 도달하도록 제어하거나 혹은 실화 및 NOX신호가 점 P6에서 점 P7으로 이동하도록 A/F 및 Adv를 제어할 필요가 있다.
신호들이 예를들면 NOX는 허용치내에 있으나 실화신호는 실환한계를 초과한 것으로 판단되는 지점인 점 P8에 있으면 A/F는 더 농후해져 점 P9에 도달하고 이로써 실화한계로 부터 벗어난다. 그러나 NOX는 점 P9에서 허용한계를 초과하므로 점 P8에 임시 되돌아가서 점화시기(Adv)를 소정치만큼 진척시키고 동시에 A/F를 더 농후하게 하여 점 P10에 도달시켜서 실화 및 NOX의 두 조건에 만족시킬 필요가 있다. 이와 달리 전술한 바와 같이 점 P9로부터 P10으로의 제어도 가능하다.
제5도는 본 발명에 따른 희박연소 제어장치의 전체 구조를 나타내고 있다. 제5도에서 엔진의 실화상태 및 NOX농도 검출기능을 가진 연소센서는 엔진(22)의 연소실 (23)상에 연소실(23)과 통하도록 설치된 연소 검출단자(21)와, 연소 검출단자(21)와 광신호 처리회로(25)간의 광 전송을 수행하는 광섬유 케이블(24)과, 광신호 처리회로 (25)를 포함한다.
연소 검출단자는 제6도에 도시한 바와 같이 점화 플러그에 통합되어 제공되거나 제7도에 도시된 바와 같은 스탠드 얼론(Stand-alone)형일 수 있다. 제5도에서는 전자(former)형태의 검출단자가 장치에 설치되어 있다. 이 경우에 점화 펄스는 점화장치(26)를 통하여 내부 마이크로 컴퓨터를 가진 제어기(27)에 의하여 연소 검출단자 (21)에 제공되어서 연소 검출단자도 또한 점화플러그의 기능을 갖는다.
광신호 처리회로(25)에 의하여 광전변환 및 신호처리된 연소 광신호 또는 연소온도 신호는 제어기(27)에 유입된다. 제어기(27)에는 공연비 센서(또는 산소센서) (28)에 의하여 검출된 공연비신호, 드로틀밸브 개방도센서 또는 드로틀밸브 개방도 스위치(29)로 부터 인가된 드로틀밸브 개방도 정보신호, 공기흐름센서(30)에 의하여 검출된 공기유량신호, 수온센서(31)에 의하여 검출된 엔진냉각수 온도신호, 회전센서 (32)에 의하여 검출된 엔진회전수 신호 및 크랭크각도신호 등이 또한 입력된다.
제어기(27)는 다수의 신호를 연산처리 함으로써 최적연료량 및 최적 점화시기를 결정하고 인젝터(33)와 점화장치(26)에 제어신호를 출력한다. 인젝터(33)는 제어신호에 따라 최적연료량을 분사하고 엔진에 공급한다. 점화장치(26)는 최적 점화시기에 점화플러그에 스파크를 방전한다.
제5도에서는 다점연료 분사시스템이 사용되었으나 본 발명은 이것에 한정되지 않고 기화기 및 단점 연료 분사 시스템 등의 어떤 시스템도 사용될 수 있다. 비록 제5도에서는 공기흐름센서(30)를 사용한 공기유량 직접 측정방식이 사용되었더라도 엔진 회전수 및 흡입부압으로 공기유량을 산출하기 위한 속도 밀도방식과 엔진 회전수 및 드로틀밸브를 개방도로 부터 공기유량을 산출하는 방식 등의 어떤 다른 공기유량 측정방식도 사용될 수 있다.
제6도는 점화플러그에 일체로 제공된 형태의 연료검출단자에서 주요부를 단면도로 도시한 것이다. 직경이 약 1.0~1.5mm이고 광도체인 용융실리카 파이버(36)는 점화플러그의 중심전극(34) 및 고전압단자(35)의 중심축을 관통하는 방식으로 제공된다. 이들 부재(34,35,36)에는 도전성 유리 밀봉재의 열접착에 의하여 밀봉부(38)에서 에자(37)가 고착된다. 스파크 방전용 고전압은 고전압단자(35)와 도전성 유리밀봉부 (38)를 통하여 중심전극(34)에 인가되고 접지전극(39)과의 사이에서 스파크 방전을 수행한다. 연소실측에서 용융실리카 파이버의 선단부(36a) 구성은 연소실의 구성, 연소 검출단자(21)가 제공된 각도 등에 따라 블록렌즈, 평판형, 테이퍼형 등에서 선택된 적절한 구성으로 할 수 있다.
제7도는 스탠드 얼로운 형 연소 검출단자의 요부 단면도이다. 연소 검출단자에는 엔진에 연소 검출단자를 설치하기 위한 나사부(40)를 가진 금속 하우징(41)이 제공되고 용융실리카 파이버(36)는 광섬유 유도단자(42)의 중심축을 관통하여 제공된다. 이들 부재(41,36,42)들은 제6도에서와 마찬가지로 밀봉부(38)에서 유리밀봉재의 열접착에 의하여 서로 고착된다. 또한 제6도에서 밀봉재에 관한 서령은 생략하였지만 융점이 약 600~800℃인 재료가 밀봉재로 사용되어 엔진으로부터의 열전도 및 방사로 인한 고온에서도 적당한 접착 특성 및 부착을 확실히 한다. 용융실리카 파이버의 선단부 (36a)는 제6도의 것과 유사한 구조를 가지며 그 설명은 생략한다.
종래의 실화검출방법은 일반적으로 엔진의 회전 변동의 크기에서 추정하였다. 그러나 본 발명에서는 연소시에 연소 화염광의 강도 또는 연소온도로 부터 실화를 검출하는 방법이 사용된다.
본 발명에서 NOX농도는 연소실의 연소온도와 NOX농도 사이에 대응관계가 있다는 사실을 이용하여 연소온도로 부터 얻어졌다. 다른 방법으로서, NOX의 발광스펙트럼이 5.3μm인 점에 착안하여 파장이 5.3μm인 연소광 강도로부터 NOX농도를 구하는 방법이 사용된다. 이와 달리 연소실 직후의 배기가스 온도로부터 NOX농도를 추정하는 방법은 이 배기가스의 온도가 실질적으로 연소온도에 일치하므로 유효하다.
전술한 실화 및 NOX검출방법은 다음과 같이 요약된다.
(1) 연소광의 강도로 부터 실화 및 NOX를 검출하는 방법.
(2) 연소온도 검출에 의해 실화 및 NOX를 구하는 방법.
연소광의 강도로 부터 실화 및 NOX를 검출하는 방법 (1)에 대하여 먼저 설명한다.
이 경우에 연소 검출단자(21)의 선단부(36a)는 제6도 및 제7도의 도시와 같이 표면을 닦든가 하여 충분한 광 전송이 이루어지도록 설계된다.
제8도는 이 경우에 있어 광신호의 전송 및 처리의 구성을 개략적으로 나타낸다. 연소광 검출단자(21)는 제5도의 방법으로 각 연소실(23a~23b)에 설치된다. 본 발명은 하나의 특정연소실만을 검출하는 방식이어도 좋다. 연소광검출단자(21a~21d)의 광신호는 각각의 광섬유 케이블(24a~24d)을 통하여 광신호 처리회로(25)에 인가된다. 광섬유 케이블(24)로서는 약 140~150℃이상의 온도에 견딜 수 있는 고내열성 플라스틱 섬유가 좋다. 플라스틱 섬유는 제8도와 같이 다수의 섬유를 용융하여 하나의 섬유로 구성한 통합된 단심섬유(43)의 형성을 용이하게 한다. 4사이클 기관의 동력 또는 연소사이클은 4사이클중의 1사이클이다. 4기통(연소실)엔진의 경우에 있어서 각 연소실의 동력사이클은 약 180°에서 순차로 반복된다. 6기통 엔진의 경우에는 120°마다에서 반복되고 각 연소실간의 동력사이클의 중첩은 60°만큼 적다. 그러므로 단심섬유(43)를 사용해도 각 연소실로부터의 광신호는 거의 중첩되지 않고 중단없이 광신호 처리회로(25)에 인가되므로 한 실린더(연소실)로부터의 광신호를 다른 실린더로부터 광신호와 구별하기가 쉽다. 광은 각 실린더로부터 섬유의 통합없이 광학적으로 별개의 섬유를 통하여 전송될 수 있음을 물론이다.
제9도는 광신호 처리회로(25)의 구성도이다. 단심섬유(43)에 의하여 유입된 연소광은 여기에서 다시 2부분으로 분할되고 NOX농도검출용 섬유(44)와 실화 사이클 검출용섬유(45)에 인가된다. NOX농도검출용 광은 파장 5.3μm의 광만을 통과시키는 광학필터(46)를 통하여 제1광전변환기(47)에 유입된다. 여기에서 NOX농도에 대응하는 광강도가 검출되고 전기변환된다. 반면에 실화검출용 광은 제2광전변환기(48)에 직접 유입되어 전기 변환된다. 전기변환신호는 전기신호 처리회로(49,50)에서 처리되고 전기신호(49a,50a)를 출력하여 제어기(27)에 공급한다. 이 시스템의 경우에는 적외선 스펙트럼 범위에서 파장 5.3μm의 광을 전송할 필요가 있으므로 상기 플라스틱 섬유 등의 광도체는 전송손실이 커서 광신호 처리회로(25)에 충분한 빛을 공급하지 못하는 경우가 있다. 이 경우에는 적외선 분광범위내의 빛의 전송이 우수한 플루오르 광섬유가 사용된다. 다수의 섬유를 용융하여 하나의 섬유로 제조할 수 없을 때에 이들은 광신호 처리회로에서의 광학소자에 의하여 하나로 집적되거나 또는 광전변환기가 각 실린더(연소실)에 대응하여 제공된다.
이와 같이 얻어진 실화신호와 NOX신호는 제8도의 도시와 같이 제어기(27)에 유입되고 다른 많은 엔진 파라메터신호(22a)와 함께 계산되며 이로써 공연비제어 (13a) 및 점화시기제어(12a)가 시행된다.
제10도는 제8도 및 제9도에 도시한 방식을 사용한 경우의 NOX농도와 5.3μm의 연소광 강도 신호간의 관계도이다. 이들은 실제적으로 비례관계에 있으므로 제9도의 신호출력단(49a)에서 출력된 전기신호는 실질적으로 NOX농도에 대응하는 값을 갖는다.
제11도는 제8도와 제9도에 도시한 방식으로 검출된 실화상태 파형의 일예를 나타낸다. 제9도의 신호출력단(50a)에서 출력된 연소압력신호와 연소광 강도의 전기신호는 실화의 판단과 동시에 검출된다. 제11도에서 알수 있는 바와 같이 엔진이 실화되면 연소 광강도가 제로로 되어 파형발생이 없고, 한편 연소압력은 단지 압축압력으로만 이루어지고 연소에 따른 압력상승은 발전되지 아니한다.
그러므로 제11도에서 기호 S로 표시한 바와 같이 슬라이싱 레벨이 주어지고 신호가 이 값 이하의 값을 가지면 엔진은 실화상태에 있다고 판정되고 이 실화 사이클에 대응한 신호가 발생하여 제어기(27)에 전송된다. 따라서 실화정보는 제어기에 연속 전송된다.
제12도는 등고선으로 나타낸 점화시기 및 공연비에 대하여 제11도에 도시한 연소 광 강도신호의 수주기(several cycles)에 대한 첨두치의 평균치(Vp)를 나타낸다. 첨자가 Vp1처럼 적을수록 첨두치는 더 크고, Vpn이 가장 적다. 제12도에서 명료해진 바와 같이 Vp의 등고선은 제4도의 실화한계의 곡선에 잘 대응하는 형상이고 실화에 대한 판단도 또한 수주기 동안의 평균치(Vp)를 이용하여 행하여진다.
제13도는 NOX허용치를 판단하기 위한 흐름도이다. 스텝 51에서 신호는 광전변환기(47) 및 제9도에서 도시한 전기신호 처리회로(49)를 통하여 전기신호로 광전변환되고 스텝 52에서 전기신호는 NOX신호로서 제어기(27)에 입력된다. NOX농도는 스텝 53에서 제10도의 특성에 따라서 산출된다. 이 경우 수십동력 사이클 동안의 평균치를 얻는 것이 좋다. 스텝 54에서는 스텝 53에서 산출된 NOX값과 허용치(제4도의 NOX한계선의 우측 영역을 만족시키는 값)을 비교하고 산출 NOX값이 허용치의 범위내에 있는지를 판단한다. 만일 범위내에 있으면 처리는 통상 운전모드의 스텝 55로 진행하고 범위내에 없으면 처리는 보정 운전모드의 스텝 56으로 진행하여 여러가지 제어가 시행된다.
제14도는 실화상태를 판단하기 위한 흐름도이다. 스텝 57에서 연소광 강도신호는 광전변환기(48)와 제9도의 전기신호 처리회로(50)를 통하여 광전변환되고 스텝 58에서는 전기신호 처리회로(50)에서 실화펄스를 발생한다. 특히 제11도에 나타낸 연소광 강도신호의 파형은 스텝 58에서 입력되고 각 동력 행정에서 발생한 연소광 강도신호의 파형의 첨두치가 제11도에 나타낸 소정의 슬라이싱 레벨(S) 보다 더 큰지 적은지를 판단한다. 첨두치가 S보다 더 크면 행정은 실화되는 것으로 판단되고 실화펄스가 해당 행정의 소정기간 동안 발생되어 출력된다. 이와 같이 하여 얻어진 실화펄스는 스텝 59에서 제어기(27)에 입력된다. 스텝 59에서 발생된 카운트 값이 스텝 61에서 소정회수의 동력 행정동안 카운트되고 카운트 값이 스텝 61에 공급된다. 스텝 61에서는 카운트값이 소정치 이상인지의 여부를 판단하고 소정치 이상이면 처리는 보정운전모드(62)로 진행하고 소정치 이하이면 통상 운저모드(63)로 진행한다.
제13도의 A부분과 제14도의 A'부분은 제어기(27)에서 시행된다.
제15도는 A 및 A' 부분을 통합하고 보정 운전모드를 상세히 한 흐름도이다.
스텝 64에서 엔진회전수(NE) 및 공기유량(Q4)(또는 흡기관 압력과 드로틀밸브의 개방도 등의 부하정보)의 신호가 제어기(27)에 입력되고 또한 스텝 65에서 공연비(A/F)(X로 표시한 값)와 점화시기(Adv)(Y로 표시한 값)의 신호가 제어기(27)에 입력된다.
스텝 66에서는 제9도의 전기신호 처리회로(50)에서 발생한 실화펄스(M)신호와 전기신호 처리회로(49)에서 발생한 NOX(N)신호가 제어기(27)에 입력된다. N의 값은 각 동력사이클에 대한 피크 홀드 파형이다.
스텝 67에서 NOX농도는 제10의 특성을 이용하여 스텝 66에서 입력된 NOX신호(N)로부터 변환시킨다. 이 스텝에서, 주어진 수십동력 행정동안 이처럼 변환된 농도의 NOX값을 평균하여 평균치
Figure kpo00001
를 산출한다. 스텝 69에서는
Figure kpo00002
이 NE와 QA에 의하여 결정된 엔진의 운전상태에 따라 미리 결정된 NOX농도의 허용치 보다 더 큰지의 여부를 판단하고 더 크면 처리는 스텝 69 및 70으로 진행하고 더 작으면 스텝 71 및 72로 진행한다.
반면 소정회수의 동력사이클에서 실화펄스(M)의 수는 스텝 73에서 카운트되고 카운트 값(MX)은 스텝 74로 공급되어 카운트 값(MX)이 소정회수 보다 더 적은지를 판단한다. MX가 소정회수 이상이면 처리는 스텝 72와 70으로 진행하고 소정회수 이하이면 스텝 69와 71로 진행한다. 스텝 69,70,71,72에서 동작은 신호가 두 신호라인으로 부터 동시에 전송될 때에만 실행된다.
스텝 69에서는 NOX가 허용치 이상이고 실화가 허용치이내일 때에만 처리가 이루어진다. 환언하면 동작은 신호가 제4도의 P3,P5및 P9등의 지점에 위치하는 경우에 실행된다. 이 경우에 공연비는 증가하여 X=X+1의 형태로 소정치 만큼 희박해지고 제어신호는 A/F 보정제어스템 75로 전송된다. 스텝 75에서 연료 또는 공기량은 이 제어신호에 의하여 제어되고 공연비가 전회보다 더 희박한 혼합기체를 엔진에 공급한다. 예를들면 제4도의 P3의 경우에 이 모드는 반복되어 NOX신호와 실화신호를 두 조건에 만족하는 목표 제어범위, 예를들어 지점 P4로 이동하고 그후 처리는 통상 운전모드를 위해 스텝 71로 진행한다. 예를들어 P5와 P6의 경우에 스텝 69를 통하여 모드가 반복되면 신호는 NOX가 허용치 이내이고 실화가 허용치를 초과하는 범위, 예를들면 P6와 P8에 들어간다. 이 상태는 스텝 72에서 처리된다. 스텝 72에서는 엔진의 운전 상태에 따라 미리 설정된 설정 점화시기(Y0)와 현재시간의 점화시기(Y)와의 편차(△Y)를 △Y=Y-Y0로 취하고 스텝 76에서는 △Y가 포지티브, 즉 설정점화시기에 앞서는지의 여부를 판단한다. △Y포지티브이면, 즉 신호가 예를 들면 제4도의 P6점에 위치하면 공연비는 스텝 77에서 X=X-0.5의 형태로 농후측에 설정되고 신호는 스텝 75로 공급되어 A/F 보정제어를 실행한다. 또 처리는 스텝 78로 진행하여 점화시기는 Y=Y-1의 형태로 지연측에 설정하고 신호는 스텝 79로 전송되어 Adv 보정제어를 실행하고 P6의 상태는 P7점으로 표시한 상태로 된다.
반면에 △Y가 네거티브이고 그 상태가 P8로 나타낸 바와 같다면 처리는 스텝 80으로 진행하고 공연비는 X=X-0.5의 형태로 농후측에서 설정되고 신호는 스텝 75로 전송되어 A/F 보정제어를 실행한다. 동시에 점화시기는 스텝 81에서 Y=Y+1의 형태로 조기측에 설정되고 신호는 스텝 79로 전송되어 Adv 보정제어를 실행하여 P8의 상태는 P10점으로 나타낸 상태로 된다.
만일 NOX와 실화가 둘다 가각의 허용치를 초과한 값을 가진다면 처리는 스테 70으로 진행하고 점화시기의 편차는 △Y=Y-Y0의 형태로 얻어진다. △Y가 포지티브인지의 여부는 스텝 82에서 판단된다. △Y가 포지티브, 즉 제4도에서 점 P11로 표시한 상태라고 가정하면 공연비는 스텝 83에서 P1에서 보다 약간 농후측에서 X=X-0.1의 형태로 설정되고 신호는스텝 75로 전송되어 A/F 보정제어를 실행한다. 동시에 점화시기는 스텝 84에서 Y=Y-1.5의 형태로 현시기보다 좀더 지연된 측에서 설정되고 신호는 스텝 79로 전송되어 P11점이 목표제어범위로 들어가도록 Adv 보정제어를 실행한다. 반면에 △Y가 네거티브, 즉 제4도에 P12점으로 표시한 상태라 가정하면 처리는 스텝 85로 진행하고 공연비는 X=X+0.2의 형태로 P12에서 보다 좀더 희박측에서 설정되며 신호는 스텝 75로 전송되어 A/F 보정제어를 실행한다. 동시에 점화시기는 스텝 86에서 Y=Y-1.5의 형태로 매우 빨라진 측에서 설정되고, 신호는 스텝 79로 전송되어 P12의 상태가 목표 제어범위내로 되도록 Adv 보정제어를 실행한다.
상기 A/F X=X+1, X-0.1…과 Adv Y=Y+1.5, Y-1 등에서 숫자 ″1″,″0.5″,″1.5″ 등은 각각 1회 제어에서 얻어진 제어이득을 나타낸 것으로 예를 들면 ″1″은 X 또는 Y의 10%, 0.5는 X 또는 Y의 5%이다.
제어기(27)에서 A/F 및 Adv가 이 방법으로 목표제어 범위로 이동할 때 NE및 QA로 이루어진 맵 테이블(map table)에 A/F 및 Adv를 저장하고 다음 사이클에서 유사한 제어를 실행하여 새로운 A/F 및 Adv가 얻어지면 이들 값을 갱신하는 기능이 추가된 것은 좋다. 또한 전술한 제어를 반복하여 실화한계선과 NOX한계선을 얻고 이 한계선들은 A/F 및 Adv의 맵 테이블에 저장하는 것도 좋다. 이제 방법(2), 즉 검출된 연소온도로 부터 실화 및 NOX를 검출하고 제어하는 방법을 설명한다.
제16도 내지 제18도는 제5도의 시스템에서 사용된 연소검출단자(21)용으로 사용할 수 있는 연소온도 검출에 적합한 검출기(110)의 예를 도시하고 있다.
검출기(110)는 직경 약 1mm이고 연소실(23)의 300~1500℃의 온도에서 저항을 갖는 석영(또는 용융실리카 섬유)으로 만들어진 광 전송소자(111)의 단부와, 석영과 거의 같은 선형 신장계수를 가지며 광 전송소자(111)의 단부에 부착된 이리듐의 얇은 흑체막(112)으로 구성된다. 소자(111)의 단부는 분광방사 에너지를 검출하는 단면을 많이 제공하기 위해 비스듬히 절단된다. 그 끝에는 흑체막(112)이 부착되어 절단면을 포함한 소자 단부를 피복한다. 흑체막(112)은 석영 및 세라믹 등의 고내열재로 된 보호막(113)으로 피복되어 흑체막이 소자(111)로부터 벗겨지는 것을 방지하고 산화 및 부식으로 인한 흑체막(112)의 열화를 방지한다.
흑체(112)은 증착 또는 스퍼터링 등에 의하여 소자(111)의 단부에 형성된다. 보호막(113)도 또한 증착 또는 스퍼터링 등에 의하여 소자(111)의 표면상에 형성된다. 그 끝에는 보호막(113)이 융착되어 소자(111)에 단단히 점착된다. 소자(111) 대용으로는 사파이어 봉이 사용될 수 있다. 흑체막(112)과 보호막 (113)은 열보관의 관점에서 약 2~5μm정도로 얇은 것이 좋다. 그러나 충분한 점착이 얻어지지 않으면 막의 두께는 증가된다.
엔진(22)의 연소실(23)의 온도는 수 KHz의 주기로 변화하고 여소실(23)의 압력은 급격히 변화하지만 광전송소자(111)로서 석영을 사용하고 흑체(112)로서 이리듐을 사용하면 석영과 이리듐이 접착력이 좋고 거의 동일한 선형 신장계수를 갖기 때문에 좋은 열응답을 갖는 퍼엄 구조(firm structure)를 실현할 수 있다.
광 전송소자(111)의 일부를 포함하는 검출기(110)에서는 또한 흑체(112)로서 백금, 질화지르코늄 또는 흑연을 사용할 수 있고, 고온 측정이 필요하면 광전송 소자로서 사파이어를 사용할 수 있다.
제18도의 도시와 같이 검출기(110)와 광 전송소자(111)의 일부는 엔진의 연소실(23)내에 위치하고 나사수단에 의하여 연소실(23)의 벽부(22a)에 고정된다.
특히 금속파이프(114)는 용융글라스(115)에 의하여 광전송소자(111)의 외주변에 고정되고 금속파이프(114)의 외주변은 나삿니가 만들어진다. 금속파이프(114)와 맞물리는 암나사는 연소실(23)의 벽(22a)에 형성된다. 검출기(110)와 광 전송소자 (111)는 금속파이프(114)에 의하여 벽(22a)에 조여져서 고정된다.
이와 같이 연소실(23) 벽(22a)에 고정된 금속파이프(114)의 돌출단에는 연결부재(116)가 나사수단에 의하여 고정된다. 연결부재(116)는 광섬유(118)를 광 전송소자(111)에 연경하기 위한 콘텍터(117)를 포함한다. 그러므로 연결부재가 금속파이프(114)의 돌출단에 연결되면 광 전송소자(111)와 광섬유(118)는 광학적으로 서로 연결된다.
전술한 바와 같이 용융 글라스에 의하여 금속파이프로 광 전송소자(111)의 외주부를 피복함으로써 엔진의 연소실 압력이 외부로 누출되는 것을 방지하게 된다.
검출기의 다른 실시예로는 제19도에 도시한 플러그형이 있다.
검출부(36b)는 중심전극(34)에 배치된 용융실리카 또는 석영섬유(36)의 끝이다. 기타 고전압단자(35), 전기적 절연애자(37), 실링(38) 및 접지전극 등의 다른 구성은 제6도에서와 같다.
검출기부(36b)는 제16도 및 제17도에서와 동일하다. 즉, 이것은 섬유(36), 섬유(36)의 단부 및 표면에 점착된 흑체막, 그리고 보호막으로 구성되어 있다. 플러그형 검출기는 연소실에서의 공연혼합기의 점화 및 온도검출기능을 갖는다. 흑체는 온도에 대하여 방사에너지를 발생하는 것이 알려져 있다. 제20도는 흑체의 분광방사 에너지와 파장 및 온도간의 관계를 도시하고 있다. 어떤 파장에 대하여 방사 에너지를 검출함으로서 온도를 추정할 수 있다. 예를 들면 제20도의 P점의 파장에서 방사에너지를 검출하면 1000~5000℃의 온도가 얻어진다.
제16도에 도시한 흑체막(112)의 온도가 연소가스 때문에 상승하면, 즉 연소온도가 변화하면 그 변화에 따른 방사에너지(방사광)는 흑체막(112)으로부터 방사된다. 광학필터(제20도의 P점의 경우 550nm의 광투과성이 있는 것)를 거쳐 광전변환기가 이 방사에너지를 수신하면 연소온도에 대응하는 전기신호를 얻을 수 있다.
제21도는 광전변환기의 연소온도에 대한 광전류 특성을 나타낸다. 광전류는 온도변화에 대하여 로그스케일로 변화한다. 그러므로 광범위의 온도에서 검출하는 경우에는 광전류를 로그 다이오드를 거쳐 다수 압축하여 선형화하는 등의 기술이 추가된다.
제22도는 연소온도 NOX간의 관계를 나타낸다. 온도가 높아질수록, 그리고 공기 과잉률(x)가 커질수록, 다시 말하면 공연비(A/F)가 더 커지거나 희박해질수록 NOX농도는 더 높아진다. 그러나 연소실 압력의 1atm과 50atm간에서의 NOX농도에는 거의 차이가 없고 통상 운전 상태에서는 이 압력의 영향은 무시할 수 있는 것으로 보인다. 그러므로 특정시간에 공연비가 검출되면 NOX농도는 이 때의 연소온도로 부터 쉽게 산출된다. 평균 공연비에 대응하는 갑시 제5도의 도시와 같이 공연비 센서(28)에 의하여 검출되므로 연소온도가 검출되면 NOX농도를 산출할 수 있다.
제23도는 연소온도 검출방식을 사용하는 경우에 신호처리회로(25)의 구성을 나타낸다. 단심통합섬유(43)에 의하여 유입된 단부(110 또는 36b의) 흑체막(112)으로부터의 열방사광은 특정파장(예로서 700nm)의 광만을 통과시키는 광섬유(89)를 통하여 광전변환기에 유입된다. 방사광의 강도는 온도 함수이므로 연소온도의 정보는 광강도의 광전변환에 의하여 얻어진다. 실화사이클의 경우에 연소온도는 자연 상승되지 아니한다. 그러므로 신호의 전압이 소정의 전압레벨 이하이면, 사이클은 실화사이클이라 판단되고 신호는 비교기 및 파형정형기를 통과하여 실화신호를 출력한다. 연소온도의 절대치는 실질적으로 NOX농도에 비례하므로 광전변환된 전기신호의 첨두치 또는 적분치로부터 NOX농도에 대응하는 신호출력이 가능하다. 이들 처리는 전기신호 처리신호 (91)에서 실행된다.
전기신호 처리회로(91)는 각 사이클에 대하여 제20도 및 제21도에 도시한 특성을 이용하여 제11도에 도시한 연소온도신호의 파형과 실질적으로 동일한 연소온도 신호파형을 형성한다. 주어진 슬라이싱 레벨은 실화시에 연소온도 상승이 없다는 사실을 이용하여 설정되고 동력사이클에서의 연소온도 신호가 슬라이싱 레벨을 초과하지 않을 경우 실화펄스 하나를 그 동력사이클에서 발생시켜 그 신호를 출력단(92)에서 출력한다. 출력단(93)으로 부터는 각 동력사이클에서 피크홀드한 연소신호의 첨두치가 출력된다.
제24도는 NOX의 허용한계의 판정을 위한 흐름도이다. 제23도의 광전변환기 (90)에 의하여 광전변환되고 전기신호 처리회로(91)에 의하여 각 동력사이클에서 피크홀드된 신호(스텝 94)는 제어기(27)에서 전송되고 스텝 95에서 연소온도신호로서 입력된다.
스텝 96에서는 공연비 신호가 제5도의 공연비센서(28)로 부터 입력된다. 스텝 99에서는 제22도에 도시한 바와 같이 공연기(공기 과잉률)에 대한 NOX특성곡선을 이용하여 연소온도로 부터 NOX농도가 산출된다. 10사이클에 대한 NOX농도에 평균치가 또한 산출되고 그 결과는 NOX평균치로서 스텝 100으로 공급된다. 스텝 100에서는 NOX값의 허용치가 서로 비교되어 평균치가 허용한계내에 있는지의 여부를 판정한다. 허용 한계내에 있으면 처리는 통상 운전모드(101)로 진행하고 그렇지 않으면 보정운전모드(102)로 진행하여 제15도와 같은 제어가 실행된다.
제25도는 실화상태를 판정하기 위한 흐름도이다. 제23도의 광전변환기(90)에 의하여 광전변환함으로써 얻어지고(스텝 94) 전기신호 처리회로(91)에 의하여 발생된(스텝 103) 실화펄스는 제어기(27)에 전송되고 스텝 104에 실화펄스로서 입력된다. 스텝 105에서는 소정의 동력사이클 동안의 실화펄스수가 카운트되고 그 값이 설정치 이상인지의 여부에 대하여 판정한다. 그 값이 설정치 이하이면 연소상태는 비실화상태라 판정 되고 처리는 스텝 101로 진행한다. 반면에 그 값이 설정치 이상이면 상태는 실화상태라 판정되고 처리는스텝 102로 진행하며 제24도의 것과 동일한 제어 및 제25도의 B'부분이 제어기(27)에 의하여 실행된다.
B와 B'부분에서의 제어흐름의 상세는 제15도의 것과 동일하므로 그 설명은 생략한다.
제16도 내지 제19도에서 언급한 검출기와 같은 온도검출기를 사용하는 엔진제어시스템은 엔진 연소실의 온도를 센서가 즉각 검지하기 때문에 내연기관을 정확하고 효율적으로 제어할 수 있다.
이러한 엔진제어장치는 엔진의 노크 제어에도 응용할 수 있다. 예로서 노크제어에 관하여 제26도와 제27도를 참조하여 이하 설명한다.
내연기관에서는 노크에 대하여 3종류의 엔진 연소상태, 즉 37도에서 a,b,c로 각각 나타낸 비노크상태, 노크상태 및 트레이스 노크상태가 발생할 수 있다. 최적의 노크상태는 엔진 동력출력의 견지에서 볼때 트레이스 토크 상태이다. 노크상태 또는 강도는 점화시기 변화에 의하여 변화될 수 있다.
노크의 발생은 연소실 온도의 변화를 일으키고 노크강도는 연소실의 온도 검출에 의하여 검출될 수 있다.
먼저 제26도를 참조하면 발명에 따른 노크제어장치의 일실시예의 구성이 도시되어 있다.
제26도에 있어서 엔진의 연소실(23)에는 연소실(23)의 온도변화를 검출하기 위한 검출기(110)가 배치되고, 검출기(110)에 의하여 검출된 신호는 광 전송소자 (111), 콘넥터(116) 및 광학섬유(118)에 의하여 밴드 패스 필터(120)에 입력된다. 밴드 패스필터(120)의 출력단자는 광검출기(130)의 입력단자에 접속되고 광검출기 (130)의 출력단자는 정형회로(140)의 입력단자에 접속된다. 정형회로(140)는 신호증폭기(141), 선형처리부(142) 및 고역 필터로 구성된다. 광검출기(130)의 출력단자는 신호증폭기(141)의 입력단자에 접속되고, 그 출력단자는 선형처리부(142)의 입력단자에 접속된다. 선형처리부(142)의 출력단자는 고역필터(143)의 입력단자에 접속되고 그 출력단자는 점화시기 보정수단(150)의 입력단자에 접속된다.
검출기(110)는 제16도 내지 제18도에 도시된 바와 같다. 제19도에 도시한 검출기도 또한 노크제어장치에 사용될 수 있다.
실시예의 각부의 구서은 제20도와 제27도 내지 제30도를 참조하여 이하좀더 상세히 설명한다.
제20도를 참조하면 온도를 파라메터로 한 혹체의 분광 방사에너지와 파장간의 관계가 도시되어 있다. 연소실(23)에 배치된 검출기(110)는 열을 수신하고, 흑체 또는 막(112)은 일반적으로 제20도의 도시와 같이 온도에 대응하는 방사에너지를 발생한다. 따라서 특정 파장에서의 온도는 이 파장에서의 온도를 측정함으로써 얻어진다.
연소실(23)의 연소온도가 1000~2500℃이므로 0.6~0.7μm의 전송범위를 갖는 밴드 패스필터가 제26도의 밴드 패스필터(120)로 사용되어 1000~2500℃의 범위의 온도를 검지한다.
이 실시예에서는 제27a도와 같은 회로구성을 가진 Si 포토 트랜지스터가 광검출기(130)로 사용되고 포토 트랜지스터의 출력단에서는 에미터와 접지 사이에 부하저항 (131)이 연결된다. 포토 트랜지스터의 콜렉터와 접지 사이에는 바이어스 전압(Vcc)이 인가된다.
제29도는 이 실시예에서 광검출기(130)로서 사용된 Si 포토 트랜지스터의 특성도이다.
이것은 500~1200nm의 파장범위의 빛을 검출할 수 있다.
이와 같이 광검출기(130)로서 Si 포토 트랜지스터를 사용한 경우에 연소온도가 노크발생시 1000~2000℃ 범위에서 변화하면 방사 에너지는 제20도의 도시와 같이 5×10-1~1mW/cm2의 범위에서 변화한다.
전술한 바와 같이 하여 얻어진 콜렉터 전류(Ic)를 전압으로 변환하기 위하여 이 실시예에서는 제27a도의 부하저항(131)으로서 0.1KΩ의 부하저항을 연결하였다.
이와 같이 광검출기(130)로서 Si 포토 트랜지스터를 사용하는 경우, 제27b도에 도시한 입력신호에 대한 출력신호는 제27c도와 같이 된다.
제27c도의 응답시간(tr)과 부하저항(131)간에는 제28도와 같은 관계가 있다.
노크를 검출하기 위하여 약 10KHz 기간 동안의 온도변화를 검지할 필요가 있기 때문에 부하저항으로서는 전술한 바와 같이 0.1KΩ의 값이 선택된다.
이 실시예의 동작은 제31도 내지 제36도를 참조하여 설명한다.
제31도(a)와 (b)로 도시한 바와 같은 실린더 판별신호와 제31도(c)로 도시한 바와 같은 노크신호가 엔진에서 출력된다. 제34도(a)에서 기호 W1~W4로 표시한 노크의 분광방사 에너지에 대응하는 온도변화는 각 실린더에 대응하여 제26도에 도시한 검출기(110)에 의하여 검출된다. 이처럼 검출된 신호는 제34도의 (b)로 도시한 바와 같은 시간 직렬 광신호로서 광 전송소자(111)에 의하여 연소실(23)밖으로 취해 내어지고 연결부재(116)를 통하여 광학섬유(118)에 의하여 밴드 패스필터(120)에 입력된다.
밴드 패스필터(120)는 0.6~0.7μm의 통과대역을 가지며, 연소실의 연소온도 1000~2500℃에 대응하는 광학신호(QC)는 밴드 패스팰터(120)를 통하여 광검출기에 공급된다.
광검출기(130)는 전술한 바와 같이 Si 포토 트랜지스터로 구성된다. 제33도의 도시와 같이 (b)로 나타낸 콜렉터 전류는 (a)에 도시된 광학신호에 따라 흐르게 되고(c)에 도시된 바와 같은 출력전압 신호가 얻어진다. 출력전압신호(Vc)는 신호증폭기(141)에 의하여 증폭되어 제33도의 (d)에 도시된 바와 같은 출력전압신호(VA)를 형성하며, 또 선형처리부(142)에서 선형화되어 제33도의 (e)에 도시된 바와 같은 출력전압신호(VL)를 형성한다. 출력전압신호(VL)는 4KHz 이상의 통과대역을 갖는 고역필터 (143)에 입력으로 공급된다.
고역필터(143)는 출력전압신호(VL)밖의 노크성분만을 취하고, 제33도의 (f)에 도시된 바와 같은 노크신호(VS)가 고역필터(143)로부터 점화시기 보정수단(150)에 입력된다.
이와 같이 이 실시예에 따르면 제36도의 (d)에 도시된 바와 같은 노크신호가 정형회로(140)의 출력단자에 공급된다. 대조적으로 제36도 (c)는 본 발명에서와 동일한 과정으로 정형되고 압전소자에 의하여 검출된 노크신호가 노크아닌 다른 인자에 의하여 발생된 진동과 혼합되었음을 나타내고 이로써 이들간의 구별은 불가능해진다. 더구나 제36도에서의 측정은 엔진회전수가 6000rpm일때 실행된다.
전술한 바와 같이 점화시기 보정수단(150)은 정형회로(140)의 출력단자에 입력되어진 노크신호(VS)에 따라 엔진의 점화시기를 보정한다.
제32a도와 제32b도는 각각 노크가 발생되지 않는 상태(S), 트레이스 노크가 발생된 상태(T) 및 노크가 발생된 상태(U)에 대하여 제31도(C)에 도시한 밴드 패스팰터 (120)를 통하여 광신호를 통과시킨 후 변환하여 얻어진 S값의 누적빈도 분포를 1024점화분에 대하여 통계 처리하여 얻은 곡선이다.
이 곡선들을 이용함으로써 엔진의 점화시기는 다음과 같이 보정된다. 제35도 흐름도의 스텝 161에서, 엔진회전수(N)와 기본분사 펄스폭(TP(=QA/N)이 구해지고, 스텝 162에서는 최적 점화시기(θ0)가 스텝 161에서 구해진 값에 근거하여 맵(map)으로부터 판독된다. 스텝 163에서는 엔진회전수(N)가 4000rpm이하인지를 파단하고 이하이면 처리는 스텝 165로 진행한다.
스텝 165에서는 제32a도의 도시와 같이 트레이스 노크 상태에서 센서신호가 슬라이싱 레벨을 10% 초과하는 위치에 S/L값이 설정된다.
반면에 스텝 163에서 엔진회전수(N)가 4000rpm이라고 판정되면 처리는 스텝 164로 진행한다. 엔진이 이처럼 고속회전할 때에는 트레이스 노크상태에서 보다 더 큰 S값이 계속되는 것은 위험하므로 제32b도에 도시된 바와 같이 트레이스 노크상태에서 센서신호가 슬라이싱 레벨을 2% 초과하는 위치에서 S/L값이 설정된다.
스텝 164와 165에서 설정된 S/L값은 실험에 의하여 미리 구하여진다.
처리는 다음에 스텝 166으로 진행하고 전술한 방법으로 구해진 한실린더의 노크신호(VS)는 A/D변환되어 S값을 얻는다. 스텝 167에서는 이렇게 얻은 S값을 미리 구한 S/L값과 비교한다.
비교에 의하여 S값이 엔진회전속도에 따라 미리 설정된 S/L값 보다 크다고 판정되면 엔진은 노크상태에 있다고 판단되고 이로서 점화시기의 지연제어가 실행된다. 반면에 S값이 밀 설정된 S/L값보다 더 적으면 비노크상태라고 판정되고 점화시기의 진척 제어(advanced control)가 실행된다.
이 경우에, S값의 분포를 트레이스노크 상태의 분포에 일치시키기 위하여, 노크상태로 판정되는 S값의 비율과 진척 제어각도/지연 제어각도의 비율을 서로 합하여 제어한다. 특히 S/L보다 더 큰 S값의 발생률이 10%라고 가정하면 점화시기가 안정하게 제어된 상태에서 매 10회의 점화동작에 대해 한번의 진척 제어가 실행되기 때문에 진척 제어각 대 지연제어각의 비율은 1 : 10으로 설정된다. 예를들면 S값이 미리 설정된 S/L값에 대하여 +△S만큼 변화되었으면 점화시키는 △θ1만큼 지연되고 S값이 미리 설정된 S/L값에 대하여 -△S만큼 변화되었으면 점화시키는 △θ2만큼 빨라지면, △θ1/△θ2는 1/10으로 설정된다.
이와 같이 하여 스텝 167에서 S값이 미리 설정된 S/L값과 동일하면 처리하는 어떠한 점화시기의 보정도 없이 스텝 168로 진행한다. 스텝 167에서 S값이 미리 설정된 S/L값보다 더 크면 처리하는 스텝 169로 진행하여 △θ1의 지연제어각을 설정하고 스텝 171에서 점화시기는 지연제어를 받아서 θ=θ0+△θ1이 된다.
반면에 만일 스텝 167에서 S값이 미리 설정된 S/L보다 더 적다고 판정되면 처리는 스텝 170으로 진행하여 △θ2의 진척 제어각도를 설정하고 스텝 171에서 점화시키는 진척제어를 받아서 θ=θ0+△θ2로 된다.
처리는 다음에 스텝 172로 진행하여 n과 TP가 동일한지의 여부를 판정한다. 동일하면 스텝 166 내지 172의 동작을 반복하고, 동일하지 않으면 스텝 173으로 진행하여 θ는 θ0로 재장전된다.
이 실시예에서 진척제어각 대 지연제어각의 비율은 엔진회수가 4000rpm 이하일 경우에 1 : 10으로 설정되고, 엔진회전속도가 4000rpm 또는 그 이상일 때에는 1 : 50으로 설정된다. 이와 같이 S값이 빈도분포를 트레이스 노크상태의 빈도분포에 일치시키고 엔진을 제37도의 곡선 C로 표시한 상태에서 동작시킴으로서 최대 출력효율을 얻을 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면 연소실의 온도변화가 흑체의 방사를 이용하여 검지되고 노크신호는 이 검지신호에 의하여 얻어지므로 엔진의 고속회전 상태에서도 진동에 의한 에러가 없고 매연등에 의하여 얼룩진 검출표면에 의한 에러가 없이 노크강도를 검출할 수 있다. 엔진의 점화시기는 이와 같이 검출된 노크강도에 근거하여 보정되므로 본 발명의 실시예에 의하면 엔진을 항상 트레이스 노크상태에서 동작하게 할 수 있고 따라서 최대효율의 출력을 얻을 수 있게 된다.

Claims (8)

  1. 내연기관의 운전상태를 검출하기 위한 다수의 검출기와 공기연료 비율(공연비) 검출기로 부터의 신호가 입력되는 디지탈 연산장치를 구비하고, 상기 연산장치로 부터의 출력신호에 따라 공연비 및 점화시기를 제어하는 내연기관의 희박연소 제어장치에 있어서, 상기 엔진의 실화상태 검출을 위한 실화 검출수단; 상기 엔진의 NOX농도 정보의 검출수단; 실화검출기 및 상기 NOX농도 정보 검출기로 부터의 신호에 의하여 정해진 허용안정 연소범위에 들어가서 연소가 안정되고 허용농도의 NOX를 발생하도록 하기 위해 상기 공연비 및 점화시기 중 적어도 하나를 제어하는 제어수단을 포함한 것을 특징으로 하는 희박연소 제어장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 실화 검출수단이 상기 엔진의 연소광 강도를 측정하기 위한 검출기이고, 상기 NOX농도 검출수단이 특정파장을 갖는 엔진의 연소광 강도를 측정하기 위한 검출기인 것을 특징으로 하는 희박연소 제어장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 실화 검출수단과 상기 NOX농도 검출수단이 상기 엔진의 연소광를 온도로 변화하기 위한 검출기인 것을 특징으로 하는 희박연소 제어장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 실화 검출산단과 NOX농도 검출수단이 광 전송소자와, 상기 엔진의 연소실에 배치되고 상기 광 전송소자에 설치된 흑체를 포함한 온도검출기인 것을 특징으로 하는 희박연소 제어장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전송소자가 석영으로 되어 있고, 상기 흑체는 상기 광 전송소자의 단부에 접착되어 상기 단부를 피복하고 이리듐, 백금, 질화지르코늄 및 흑연으로 이루어진 그룹으로 부터 선택된 하나의 성분으로 만들어진 얇은 막인 것을 특징으로 하는 희박연소 제어장치.
  6. 제1항에 있어서, 연소광을 전기신호로 변환하는 변환수단이 각각 엔진의 실린더에 연결된 다수의 광섬유 소자를 통하여 연소광을 받고 상기 각 실린더의 점화시기에 따라 전기신호로써 연소광을 검출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 희박연소 제어장치.
  7. 제6항에 있어서, 공연비와 점화시기중 적어도 하나가 상기 전기신호에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 희박연소 제어장치.
  8. 제2항에 있어서, 엔진의 각 실린더에서 점화연소를 검출하기 위해 실린더에 관련되며 비선형 특성을 갖는 연소 화염 광학센서; 광학출력을 전기신호 출력으로 변환하기 위해 상기 광학센서에 연결된 광학신호 처리수단; 상기 전기신호출력을 선형화하기 위해 상기 광학신호 처리수단에 연결된 선형 처리수단으로 이루어지며, 상기 제어수단은 상기 선형처리수단의 출력을 이용하는 점화시기 및 공연비중 적어도 하나를 제어하는 것을 특징으로 하는 희박연소 제어장치.
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