KR960000439B1

KR960000439B1 - Ic 엔진 연료 분사용 자동 제어 시스템

Info

Publication number: KR960000439B1
Application number: KR1019920011096A
Authority: KR
Inventors: 단조 동-일
Original assignee: 조동일
Priority date: 1991-06-26
Filing date: 1992-06-25
Publication date: 1996-01-06
Also published as: US5190020A; KR930000815A

Abstract

내용 없음.

Description

IC 엔진 연료 분사용 자동제어 시스템

제1도는 일반적인 제어 시스템의 고레벨 블록도.

제2도는 일반적인 개방 루우프 시스템과 관련된 문제점을 나타내는 고레벨 블록도.

제3도는 일반적인 폐루프 제어 시스템의 고레벨 블록도.

제4도는 종래의 속도-밀도 타입 연료 분사 제어 시스템의 기능 블록도.

제5도는 종래의 산소 센서의 동작 특성을 나타내는 도면.

제6도는 종래의 질량 공기 유량계(mass air meter)타입 연료 분사 제어 시스템의 기능 블록 다이아그램.

제7도는 본 발명을 실행하기 위한 시스템의 고레벨 블록도.

제8도는 본 발명을 실행하기 위한 시스템의 알고리즘 시퀸스 및 타이밍의 세부 블록도.

제9도는 본 발명을 실행하기 위한 시스템의 알고리즘의 세부 흐름도.

제10도는 본 발명을 실행하기 위한 비선형 연료 분사 제어 시스템에 이용하기 위한 종래의 앤티-와인드-업(anti-wind-up)메카니즘의 고레벨 블록도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

51 : 물리적 시스템 70 : 피이드백 경로

71 : 마이크로 컴퓨터 81,108 : 흡입 다기관

82 : 엔진속도 센서 83 : 연소실

84 : MAT 센서 85 : MAP 센서

86,105 : ECM 88 : 피스톤

89,107 : 산소 센서 90 : 배기 다기관

102 : MAFM 센서 106 : 연료 분사기

본 발명은 내연 기관(internal combustion(IC)engine)용 마이크로 컴퓨터 제어 연료 분사 시스템, 특히 그러한 기관의 동작 특성을 교정함은 물론, 최적의 성능, 구동능력 및 배기 특성을 위해 공기 대 연료비를 감시 및 제어하고 내부 및 외부 상황의 변화에 자동적으로 적응하는 마이크로 컴퓨터에 기초한 자동 제어 시스템의 구성 방법에 관한 것이다.

자동차 시스템을 위한 전자 및 마이크로 프로세서 피이드백 제어는 증가하는 추세에 있다. 피이드백 제어 시스템에 대한 관심은 실시간 성능 및 효율을 감시 제어할 수 있는 고성능이면서 값은 저렴한 마이크로 프로세서의 유효성에서 비롯된다. 가장 흔한 예는 자동차 연료 분사 시스템에서 찾아볼 수 있는바, 다수의 내연 기관 응용분야에 널리 사용되고 있음을 발견할 수 있다.

제어 시스템의 목적은 물리적 시스템에 대한 유효한 제어 입력을 이용하여 물리적 시스템의 출력에 바람직한 방법으로 영향을 주어서 어떤 밈무를 성취하는 것이다. 제어 시스템은 2가지 범주로 나누어질 수 있는바, 개방 루우프 시스템과 폐루프(또는 피이드백) 시스템이 있다. 제1도는 개방 루우프 제어 시스템의 일반적인 다이아그램이다. 제어 입력(50)은 물리적 시스템(51)에 힘을 가하는데 이용되는데, 시스템(51)의 역할은 출력(52)의 원하는 동적 특성이 얻어질 수 있도록 수학적 입-출력 관계 또는 모델 H로 기술된다. 제어 입력 함수의 설계 방법은 단순히 모델 H의 역(즉, H^-1)을 계산해서 그것을 출력의 시간 변화와 곱하는 것이다. 이러한 타임의 개방 루우프 제어 시스템은 통상 자동차 캬브레이터, 다양한 제조 공정, 그리고 스페이스 셔틀(space shuttle)궤도 계산을 포함하여 다수의 실제 엔진니어링 시스템을 위해 사용된다. 이 방법과 관련한 문제점은 물리적 시스템의 어떠한 수학적 모델도 100% 정확성이 없다는 거과, 거의 모든 물리적 시스템이 알려지지 않은 외란에 의해 영향을 받는다는 것이다. 제2도는 그러한 문제점들을 나타내는 다이아그램이다. 실제 모델 관계 H가 결정될 수 없기 때문에, 최선의 모델 개산(estimate) H만이 제어 입력(60) 설계를 위해 이용될 수 있다. 실제 모델 H는 최선의 모델 개산 H와 모델릴 오차 dH로 구성되기 때문에, 제어 입력(60)은 블럭(61)과 블럭(63) 모두에 영향을 미친다. 이때, 실제 출력(64)은 모델(61)뿐만 아니라 모델링 오차(63)에 제어 입력이 곱해질 것이므로, 원하는 출력과는 매우 상이하게 될 것이다. 게다가, 외란 d가 전체 시스템, 특히 출력(64)에 영향을 미친다. 사실상, 모델링 오차(63)와 외란(62)은 아주 클 수 있고, 출력은 원하는 레벨로부터 인식할 수 있을 정도로 상당히 벗어날 수 있어, 극단적인 경우에 모델링 오차(63)와 외란(62)은 실제 물리적 시스템을 불안정하게 할 수 있다. 따라서, 전술한 개방 루우프 제어하는 양호한 방법은 아니다.

이러한 문제는 피이드백 또는 폐루프 제어의 적용을 통해 제거될 수 있다. 제3도는 피이드백 제어 시스템의 일반적 다이아그램이다. 출력 신호(72)는 외란과 모델링 오차의 정보를 포함하기 때문에, 이 출력 신호는 물리적 시스템의 입력 신호에 영향을 미치는데 사용됨으로써 원하는 출력이 얻어질 수 있다. 이것은 마이크로 컴퓨터(7)내에 포함되는 제어 전자 장치 및/또는 소프트웨어에 의해 동적으로 그리고 자동적으로 실행된다. 이때, 제어 입력은 피이드백 경로(70)를 통해 출력 및 외란 조건을 변화시킴으로써 자동적으로 조정될 수 있으므로 모델링 오차나 외란이 존재하는 경우에도 언제나 원하는 출력을 얻어질 수 있다.

자동차 연료 제어 시스템의 목적은 적절한 연소가 실행될 수 있도록 연소실로 유입되는 공기 대 연료의 비를 제어하는 것이다. 흡기 다기관을 지나 계속하여 연소실로 유입되는 연료의 양은 구동기(또는 크루즈(cruise) 제어 작동기)에 의해 작동되는 스로틀에 의해 제어되기 때문에, 상기 제어 시스템의 목적은 연소실로 들어가는 공기의 비율을 결정하고, 엔진 속도의 함수로서 상응하는 흡기 밸브 개방 지속 기간을 결정하고, 그리고 절절한 연료량을 분사하는 것이다.

연소실로 들어가는 공기의 비율을 결정하는데는 2가지 일반적인 방법이 있다. 2가지 방법중 첫번째 것은 속도-밀도 방법으로서 그것의 전형적인 실시예가 제4도에 도시되어 있다. 연소실로 들어가는 공기의 질량비의 최선의 개산(estimate)은 흡입 다기관(81)내의 공기밀도, 흡입 다기관의 전체공기 체적, 엔진속도 센서(82), 그리고(체적 효율로 공지된) 흡입 다기관 배관 및 밸브와 연소실(83)간의 계산된 물리적 전달 특성의 교정 테이타를 파악함으로써 결정된다. 흡입 다기관 내의 전체 공기 질량은 공지되어 있는 바와 같이 다기관 절대 온도(MAT:manifold absolute temperature) 센서(84)와 다기관 절대 압력(MAP:manifold absolute pressure) 센서(85)의 출력 신호에 의해 결정된다. 체적 효율 함수는 엔진의 유도 시스템의 효율의 측정값이고, 피스톤(88)에 의해 대체되는 실제 물리적 체적에 의해 나누어지는 연소실(83)로 들어가는 실제 체적으로서 정의된다. 체적 효율은 엔진 속도와 흡기 다기관 내의 전체 압력 뿐만 아니라 흡기 및 배기 다기관 배관의 복잡한 함수이다. 일반적으로, 상기 함수의 분석 형태가 결정될 수 없기 때문에, 결국 동력계에서는 정적으로, 자동차계에서는 동적으로 광범위한 측정이 실행될 수 밖에 없다. 어떻게 그리고 어떤 조건하에서 측정되는 가는 설계자의 경험에 기초하여 경험적으로 결정되며, 따라서 수많은 (몇백 내지 몇천) 기준점(datum points)이 발생한다. 그 기준점 표는 하나 또는 그 이상의 마이크로 컴퓨터를 포함하는 엔진 제어 모듈(ECM:engine control module)(86)에 저장된다. 바람직한 연료 분사율은 ECM(86)에 의해 계산되고, 그 계산된 연료 분사율은 연료 분사기(87)에 명령으로 주어진다.

엔진 속도 센서(82), MAT 센서(84), 그리고 MAP 센서(85)와 관련한 부정확도 및 노이즈는 물론, 체적 효율 함수를 계산함에 있어서의 피할 수 없는 오차로 인해 공기 대 연료비의 제어가 바람직하지 못하게 이루어질 것이다. 배기 다기관(90)에 위치하는 산소 센서(89)는 모델링 및 센서의 부정확도를 보상하는데 사용된다. 이 산소 센서는 배기 가스내의 산소의 존재를 검출하고, 흡입 공기 대 연료 질량비가 14,64 : 1 의 화학양론(stoichiometric) 비율보다 낮은(또는 풍부한) 경우 고전압을 출력하고 흡기 공기 대 연료 질량비가 화학양이론 비율보다 높은(또는 부족한) 경우 저전압을 출력한다. 산소 센서의 특징은, 제5도에 도시되어 있는 바와 같이, 연속적이기 보다는 이원(binary) 형태이다. 아울러, 산소 센서 출력 전압은 배기 가스 온도에 따라 현저하게 변한다. 그러므로, 산소 센서(89)는 피이드백 제어를 위한 이상적인 센서는 아니다. 그러나, 연속범위 센서의 경우 자동차에 적용하기에는 그 가격이 엄청나게 비싸기 때문에, 산소 센서(89)가 그대로 가장 일반적인 피이드백 센서로 이용되고 있다. 게다가, 산소 센서의 출력은 2엔진 회전, 공기가 배기 파이프를 따라 아래로 이동하여 산소 센서에 도달하는 시간, 그리고 센서 자체와 관련한 물리적 시간지연에 의해 제어될 실제 공기 대 연료비에 관한 정보를 지연시킨다. 이와 같은 불완전한 피이드백 센서를 사용해야 하므로 기존의 피이드백 제어 이론들은 ECM(86)에서 실행될 필요가 있는 피이드백 제어기의 구조 또는 이득을 결정하는데 사용될 수 없다. 그러므로, 제어기 구조를 결정하고 피이드백 이득을 교정하기 위해서는 경험적 수단이 사용되고, 일반적으로 많은수(몇백 내지 몇천)의 피이드백 이득들은 모든 상이한 자동차 시스템을 위해 시행 착오 과정을 거쳐 교정되어져야만 한다. 따라서, IC 엔진(내연 기관) 연료 분사 시스템은 매우 특정한 동작 상황을 위해 설계되는 다수의 제어 구조의 집합체이고, 상이한 구조로 언제 전환할 것인가를 계획하는 경험적으로 결정된 방법이다. 어떻게 그리고 어떠한 조건하에서 교정하는가 그리고 상이한 제어 구조로 언제 전환할 것인가는 엔진 설계자의 경험에 기초하여 경험적으로 결정된다.

2가지 일반적인 방법중 두번째는 질량 공기 유량계(MAFM:mass air flow meter)방법이고, 이 방법의 전형적인 실시예가 제6도에 도시되어 있다.

연소실로 들어가는 공기의 질량비의 최선의 개산은 흡입 다기관으로 들어가는 공기 질량비를 측정함으로써 결정된다. 흡기 다기관으로 들어가는 공기의 질량비은 흡기 다기관의 입구 근처에 위치되는 질량 공기 유량계(102)을 이용해 측정된다. 이러한 MAFM 방법은 전술한 속도 밀도 방법보다 간단한 반면, 이 방법은 일반적으로 MAFM 센서(102)의 가격이 비교적 비싸기 때문에 비용이 많이 든다. 연소실로 들어가는 공기 질량비의 최선의 개산는 MAFM 센서 자체의 시상수와 흡기 다기관을 채우고 비우는 것과 관련한 시상수에 의해 지연되는 흡기 다기관으로 들어가는 공기 질량비이다. 흡기 다기관을 채우고 비우는 것과 관련된 시상수는 무시될 수도 있고, 또는 좀더 양호한 제어 정확도를 위해 흡기 다기관 온도 및 압력 상태, 엔진 속도, 그리고 체적 효율 함수의 함수로서 개산될 수도 있다. 상기 두번째 방법이 이용된다면, 제4도에서 논의된 속도-밀도 방법에 대한 실시예의 엔진 속도 센서(82) 및 MAT 센서(84) 및 MAP 센서(85)가 또한 사용되어야만 한다. 속도 밀도 방법에서와 같이, MAFM 방법에서의 바람직한 연료 분사율은 ECM(105)에 의해 계산되고, 계산된 연료 분사율은 연료 분사기(106)에 명령으로 주어진다.

MAFM 센서(102)와 관련한 부정확도 및 노이즈는 물론 흡기 다기관으로 들어가는 공기 질량비로부터 연소실로 들어가는 공기 질량비를 계산함에 있어서의 부정확도 및 노이즈로 인해 공기 대 연료비의 제어가 부정확하게 된다. 배기 다기관(108)에 있는 산소 센서(107)는 전술한 속도-밀도 방법에서와 같이 모델링 및 센서의 부정확도를 보상하는데 사용된다.

피이드백 제어를 위해 산소 센서(107)를 이용하는 것과 관련한 문제점 및 요건들과 제어기 구조를 결정하고, 피이드백 이득을 교정하고, 그리고 이들을 계획하기 위해 경험적 수단을 사용하는 것에 대한 필요성은 속도-밀도 방법에서 언급된 바와 동일하다.

속도-밀도 방법 및 질량 공기 유량계 방법에서, 연료 분사 제어기의 구조 및 이득을 결정하는 것이 극히 어렵고 많은 시간이 소모된다. 이득 및 사건(event) 예정화는 극소수로 공지되어 있는 기술이다. 게다가, 연료 분사 제어기의 개발시에 이용되는 시행착오 과정과 관련한 경험적 방법 대문에, 성능 레벨이 항상 최적으로 되지는 않고, 알고리즘은 개발 과정에서 고려되지 않는 상황에 대해서는 바람직하지 못하다(전술한바와 같이 국부적으로 제어되고 이득 및 사건 예정되기 보다는).

전역(全域)적으로 유효한 비선형 연료 분사 제어기 설계 방법은 공지되어 있고, 1988년 7월 발행되 ASEM의 회보인 잡지 Emgineering for Gas Turbines and Power, 제110권에 실린, Cho 및 Hedrick의 “A Nonlinear Controller design Method for Fuel-Injected Automotive Engines:연료분사 자동차 엔진을 위한 비선형 제어기 설계 방법”과 1988년 12월, 시카고, ASME 동계 연례 회합에서 제출되고, 1991년 9월, Joumal of Dynamic Systems, Measurement and Control, ASME의 회보 공개 예정인, Cho 및 Hedrick 에 의한 “Sliding Mode Fuel Injection Control:Its Advangages:슬라이딩 모드 연료 분사 제어기 : 그 장점”에 상세히 기술되어 있다. 그러나, Cho 및 Hedrick(두개의 참조 문헌)에 의해 기술된 비선형 제어기 또는 슬라이딩 모드 제어기의 설계 방법은 실행하는데 비현실적으로 만드는 중대한 문제점을 갖고 있다. 좀더 구체적으로 말하면, 이 방법은 주어진 시간에 연소실로 유입되는 실제 연료량을 알 것을 요구한다(이것은 연료 송출 역학 때문에 필요하다. 연소실로 들어가는 실제 연료의 양과 연료 분사기에 의해 분사되는 연료의 양은 동일하지 않다).

이 정보는 항상 2가지 방법으로 얻어질 수 있다. 첫번째는 연소실로 들어가는 실제 연료량을 측정할 수 있는 센서를 설치하는 것이다. 이러한 타입의 센서는 통상 매우 비싸고, 따라서 자동차에 사용하기에는 비실용적이다. 두번째는 연소실로 들어가는 실제 연료의 양을 분석적으로 개산하는 것이다. 이것은 관찰자(observer) 또는 필터 기술에 의해 성취될 수 있다. 그러나, 폐루프 관찰자 또는 필터는 첫번째 대안과 동일한 이유로 피이드백 센서를 사용할 수 없기 때문에 구성될 수 없다. 이 문제는 앞서 제 1 및 2도에서 언급된 개방 루우프 제어기의 바람직하지 못한 문제점과 유사하다.

따라서, 본 발명의 목적은 통용되는 IC 엔진에 사용되는 종래의 사건 및 이득 계획된 선형 국부 제어 시스템과 관련된 난제와, 바람직하지 못한 성능 및 가격적 상승을 극복하고, Cho와 Hedrick에 의해 공개된 비선형 또는 슬라이딩 모드 자동차 연료 분사 제어기 설계 방법과 관련한 낙제 및 문제점을 극복하기 위해 자동차 연료 분사 시스템을 위한 비선형의 전역적인 제어 시스템을 실행하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 열악한 동작 조건하에서도 그리고 모델링 및 개산 오차 그리고 센서 노이즈의 존재하에서도 시스템 안정성을 유지하는 자동차 연료 분사 제어기를 설계하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 피이드백 이득이 구동기 명령의 변화 및 환경적 조건의 변화에 자동적으로 적용함으로써 광범위한 이득 및 사건 예정의 다수 국부 제어기에 대한 필요성을 제거하여 전역적으로 유효한 자동차 연료 분사 제어기를 설계하는 방법을 제공하는데 있다. 따라서, 본 발명의 방법은 종래의 어떤 공지된 방법보다도 교정하고, 조정하고, 그리고 진보시키는 것이 보다 용이하고 이에 필요한 시간이 보다 절약된다.

본 발명의 또다른 목적은 주어진 일련의 센서, 시스템 파라미터 및 시스템 모델을 위해 최적인 자동차 연료 분사 제어기를 설계하는 방법을 제공하는데 있다.

내연 기관 연료 분사 시스템용 자동 제어 방법 및 그 시스템이 이하에 기술된다. 이 작동 제어 방법은 역학이 매우 비선형적이고 복잡한 자동차 엔진에, 좀더 넓은 의미로는 모든 과도 및 준안정 상태 동작에 대한 모든 내외부적으로 변화하는 동작 및 환경 조건에 직접 적용되는 비선형 및 전역적인 방법이다. 게다가, 이 자동 제어 방법은 모델화 되지 않은 역학 및 외란에 대해서도 바람직하다. 이 자동 제어 방법은 엔진의 연소실로 들어가는 공기의 질량비를 개산 또는 측정하는 단계와, 그것의 시간 변화율을 개산 도는 계산하는 단계와, 그리고 규정된 폐루프 피이드백 보정항을 응용하는 단계로 구성된다. 이러한 연료 분사 제어 방법에서, 현재의 연료 명령의 질량비는 앞서 명령된 연료 공급비와, 2개의 분사 명령간의 경과된 시간 기간을 곱하고 원하는 공기 대 연료비로 나눈, 연소실로 들어가는 공기의 질량비의 변화에 따른 동적 보정항과, 연소실로 들어가는 공기의 질량비와 그것의 시간 변화율의 양에 따라 그리고 외부 및 내부 상황의 변화에 자동적으로 적응하도록 특별히 구성되는 센서에 기초한 피이드백 보정항과의 합이다. 최종적인 시스템은 내연 기관의 전체 동작 범위에 대해 원하는 공기 대 연료비의 안정한 특성 및 최적의 조정을 전역적으로 제공할 수 있다.

본 발명을 상세히 설명하기 전에, 앞으로 사용될 전문 용어를 이하에 기술한다.

본 발명의 주제인 비선형이며 전역적인 자동 연료 분사 제어기 설계 방법을 설명하기 위하여, 첫째 자동차 엔진의 수학적인 모델을 설명하는 것이 필요하다.

하기의 3가지 상태의 엔진 모델은 1988년 12월, 시카고, ASEM 동계 연례 회의에 제출되고 1991년 9월, ASEM의 회보인 잡지 Dynamic Systems, Measurement and Control에 공개될 Cho 및 Hedrick의 논문) “Sliding Mode Fuel Injection Controller : Its Advantages”에서 발췌한 것이다.

[수학식 1]

[수학식 2]

[수학식 3]

연료 분사 제어 시스템의 목적은 일반적으로 흡기 다기관에서 유출하고 연소실로 유입하는 공기의 질량비와 흡기 다기관에서 유출하고 연소실로 유입하는 연료의 질량비를 원하는 β의 비율로, 즉 일정한 흡기 지속 기간 동안

[수학식 4]

이 되도록 제어하는 것이다.

등가적으로, 연료 분사 제어 시스템의 목적은 일정한 흡기 지속 기간 동안 다음 식을 S =0으로 만드는 것이다 ;

[수학식 5]

식(5)에서, S(t)=0은 다차원 상태 공간에서의 다기관을 정의하고 ; S(t)=0인 다기관상에서, 공기 대 연료비는 소정값 β:1이다. S(t)(t)가 0 보다 적을 경우, s(t)=0인 표면은 “양호한” 표면이다. 이것은 다음과 같이 쉽게 알 수 있다 : S(t)가 양일 경우 s(t)는 음이 되고, 이것은 S(t)를 0을 향해 감소시킬 것이다; 역으로, S(t)가 음일 경우(t)는 양이 되고, 이것은 S(t)를 0을 향해 증가시킬 것이다. 게다가, S(t)가 큰 양수일때(t)는 보다 큰 음수가 되어 S(t)가 0 으로 접근할때 속도를 증가시키고, S(t)가 보다 작은 양수일때(t)는 보다 적은 음수가 되어 S(t)=0인 다기관을 오우버 슈트하기 위해 전위를 감소시키는 것이 바람직하다. 이것을 달성하기 위한 한가지 가능한 방법은 다음식

[수학식 6]

또는 등가적인 다음식

[수학식 7]

을 달성하도록 s(t)의 함수로서 제어 기능을 제공하는 피이드백 제어 법칙을 선택하는 것이다.

식(5)의 정의된 S(t)를 식(7)의 제어 조건에 대입하면 :

[수학식 8]

식(3)의 연료 역학을 식(8)에 대입하면 :

[수학식 9]

식(9)를 제어 변수 mfc(t)에 대하여 재배열 하면 :

[수학식 10]

식(10)의 제어 법칙은 IC 엔진의 연료 분사 시스템용 비선형 제어기이고, IC 엔진의 모든 동작 조건에 대하여 공기 대 연료비를 전역적으로 제어할 수 있다. 식(10)에서 연료 명령비는 3개의 항으로 구성된다. 제1항는 실제로 연소실로 유입하는 연료의 질량비이고, 제2항은 연료 송출 시상수 τ_f(t)로 곱해지고 원하는 공기 대 연료비 β로 나누어지는 연소실로 실제 유입하는 공기의 질량비의 변화율이다. 이들 2개의 항은 동적 모델에 기초한 개방 루프 연료 명령비이다. sgn(S(t))와 관련된 제3항은 피이드백 신호 S(t)를 기초로 하는 폐루프 연료 명령비이고, 이것은이다. 식(10)에서 비선형의 전역적인 제어기는 Cho 및 Hedrick에 의해 공개되었다.

식(10)에서의 비선형의 전역적인 제어기는 두가지 중요한 불확실한 문제점을 갖고 있는데, 이 문제점 역시 이전의 Cho 및 Hedrick 앞서의 참고 문헌에 의해 공개되었다. 제 1 문제점은 쉽게 얻어질 수 없는, sgn(S(t))의 연소실의 입구에서 실제 공기 대 연료비를 사용하는 필요성에 관한 것이다. 이 문제는 배기 시스템에 위치한 산소 센서로부터 출력 신호를 사용함으로써 개선될 수 있다. 제 5 도를 참조하면, 산소 센서 신호는 공기 대 연료비가 화학량론비보다 클때 600밀리볼트 보다 훨씬 크고, 산소 센서 신호는 공기 대 연료비가 화학량론비보다 적을때 200밀리볼트 보다 적다. 그러므로, 다음 관계식이 설정된다 :

[수학식 11]

그러나, 시간 t-△t에서 산소 센서 출력은 시간 t에서 이용할 수 없다. 시간 t에서는, 단지 산소 센서 출력만이 시간 V(O₂(t))에서 이용 가능하고, 이것은 시간(t-△t)에서 S의 정보에 상응한다. 따라서, 연료 분사 제어기 형태는 다음과 같게 된다 :

[수학식 12]

상기 참고 논문에는 피이드백 신호의 시간 지연 정보를 사용함으로써 성능 레벨이 약간 저하되지만 폐루프 안정성은 유지될 수 있다고 기술되어 있다.

식(10) 또는 식(12)에서 비선형 제어기와 관련되는 제 2 문제점은 제 1 문제점보다 더욱 불확신한 것으로, 그것은 Cho 및 Hedrick에 의해 공개된 비선형 제어기의 실행을 심하게 방해한다. 식(12)에서 처음 두개의 항의 실제값이 정확하게 알려진 것도 아니고 정확하게 측정할 수도 없으므로, 단지

최선의 개산만이 다음과 같이 실행될 수 있다.

[수학식 13]

공지된 방법으로 연소실로 유입하는 공기의 질량비의 시간 변화율과 연료 송출 시상수를 개산하는 것은 가능하지만, 연소실로 유입하는 연료의 실제 질량비를 개산하거나 또는 측정하는 것은 바람직한 방법으로 행할 수 없다. 식(3)을 이용하여, 개방 루우프 관찰자를 사용함으로써 변수를 개산하는 문제점을 해결하려 시도했던 Cho 및 Hedrick의 이전의 참고 논문에 연료 분사 제어기에 대해 실행될 다음의 식들이 제안되어 있다:

[수학식 14]

[수학식 15]

[수학식 16]

식(15)는 미분방적식을 수치 적분하기 위한 역 오일러 적분 방법이고, 다수의 다른 잘 알려진 수치 적분 방법도 또한 사용될 수 있다. 그러나, 식(14)의 내지 식(16)의 제어 방법은 다음과 같은 이유 때문에 바람직한 방법으로 실행될 수 없다 : 연소실로 유입하는 연료의 실제 질량비를 식(14) 및 (15)에서 처럼 간단한 적분에 의한 개방 루우프 방법으로 개산하는 것은 다수의 소오스의 수로부터 발생될 수 있는 바이어스 오차(bias error)에 매우 민감한데, 이 바이어스 오차는 t=0에서 식(15)는의 바로 제 1 단계 계산에서의 부적당한 조건뿐만 아니라 식(14)에서를 계산하는데 필요한의 계산에서의 센서 노이즈 및 모델링 오차를 포함한다. 게다가, 연료 분사 제어방정식(14)(16)는 적시에 전달되어 제어 시스템이 불안정해지고 치명적인 고장 가능성이 있기 때문에 이러한 중요하고 무시할 수 없는 오차 및 노이즈는 합성된다. 또한, 식(1)(3)으로 주어진 엔진 시스템의 수학적인 모델은 단지 제어기 설계를 용이하게 하도록 고안된 엔진 시스템이 단순화된 수학적 표현에 불과하다는 것을 주목해야 한다. 식(4)-(16)에서 도출된 비선형 연료 분사제어기는 실제가 아닌 물리적 엔진에 해당하는 식(1)(3)에서 수학적 엔진 모델의 구조로 가정됨을 또한 주목해야 한다.

예를 들면, 종래 연료 시스템의 연료 송출 역학은 식(3)에서 제 1 차 시간 지연으로 통상적으로 설계되지만, 실제 연료 송출 역학은 분무된 연료의 고속 가스 상태 모드 및 분무되지 않는 연료의 저속 액체 상태모드로 구성된다. 액체와 가스 상태간의 분리비는 환경 조건 및 연료 특성과 엔진의 동작 조건에 따라 변한다. 이들 모델링 가정 및 그에 따른 중요한 오차의 결과로써, 식(14)(16)의 제어기 구조는 바람직하지 않고 무리적 엔진으로 성공적으로 실행될 수 없고 좋은 성능 레벨을 제공하는 것을 기대할 수 없다.

Cho 및 Hedrick에 의해 공개된 방법의 성공적인 실행을 방해하는 연소실로 실제 유입하는 연료의 질량비를 얻기 위한 필요성과 곤란한 문제점을 제거하기 위해, 연료 송출 모델은 무시되고 새로운 엔진 모델이 본 발명에 사용된다. 이때,

[수학식 17]

본 발명의 연료 분사 제어 시스템의 목적은 시간 및 구동 상태에 따라 변화될 수 있는 공기 대 연료의 비를 어떤 원하는 값 β으로 제어하는 것이다. 제어기 목적은 S(t)=0이고, 여기서

[수학식 18]

앞서와 같이 S(t)=0 다기관의 흡인을 다음식으로 달성할 수 있다 :

[수학식 19]

상기 식(19)을 제어 변수 mg(t) 대한 식으로 재배열하면 :

[수학식 20]

그때에 실제 연료 명령비 (command rate)는 다음과 같다 :

[수학식 21]

상기 식(21)은 식(20)을 대입하여 하기와 같이 바꿔쓸 수 있다.

[수학식 22]

식(22)에서의 비선형 연료 분사 제어기 IC엔진의 모든 동작 조건에 대한 전역적인 제어를 제공하지만, Cho와 Hedrick에 의해 공개된 방정식(14)-(16)에서의 상술한 제어기가 불안정하게 구동되어질 수 있는 바람직하지 못한 문제점을 갖지는 않는다. 상기 방정식(14)-(16)에서의 제어기의 주요 문제점중 하나는 개방 루우프 방식의 단순화된 수학적 모델을 수치 적분함으로써 실제 연소실로 유입하는 연료의 질량비의 값을 개산()하는 것과 관련이 있다.를 개산해야 하는 필요성은 본 발명의 방정식(22)으로 기술된 제어기로 완전히 제거된다. 따라서 방정식(22)으로 기술된 연료 분사 제어기는 IC엔진을 위한 전역적인 비선형 연료 분사 제어 시스템을 실행하는 바람직한 방법이다.

상술된 전제 제어의 이저므을 부가하여, 방정식(22)으로 기술된 연료 분사 제어기의 구조는 또한 IC엔진에도 적합하다. 연료 분사기의 현재 연료 질량비의 신호는 앞서의 출력된 신호와, 2개의 분사 명령간의 경과 시간 지속 기간을 곱하고 원하는 공기 대 연료비로 나눈 연소실로 유입되는 공기 질량비의 변화에 따른 동적 보정항와, 동적항 계산의 부정확으로 인한 센서에 기초한 보정항의 합이다.

본 발명의 방정식(22)에서의 제어기의 전역 제어 및 구조적 이점뿐만 아니라, 최적의 공기 대 연료비 조절 및 폐루프 시스쳄의 안정정 모두를 위해 그 피이드백 이득(η)을 물리적으로 실행하고 결정하는 것은 간단하며, 그에 따라 종래 방법에서 필요한 임시 이득 교정과 이득 및 사건 예정화와 관련된 문제점들이 해소된다.는 실제로 연소실로 들어가는 질량 공기 유량의 시간 변화율로서, 정확히 공지되어 있지는 않으므로, 단지 그 개산 또는 모델만이 실행될 수 있을 뿐이다.를 직접 모델링한다는 것은 간단한 작업이 아니기 때문에,또는의 모델로부터를 얻는 것이 최선의 방법이다. 이러한 접근 방법은 피드백 제어 이득(η)을 교정할 시 추가의 이점을 가지며 이들은 나중에 도시된다. 연소실에 유입되는 공기 질량비는 앞서 기술된 바와 같이 2가지 일반적인 방법(속도 밀도 방법 또는 질량 공기 유량계)으로 모델화되거나 개산될 수 있다. 각각에 대해서, 개산 또는 모델화되는는 다음과 같은 결합된 모델링 및 측정 오차를 갖는다 :

[수학식 23]

이때,mao(t)의 시간 변화율은 다음과 같다.

[수학식 24]

상기 식(24)을 식(22)에 대입하면 :

[수학식 25]

상기 오차항 μ(t)와 μ(t)은 정확히 알수 없기 때문에 단지 다음식만이 물리적으로 실행될 수 있다 :

[수학식 26]

피이드백 제어 이득γ(t)를

[수학식 27]

보다 더 크게 선택하는 것이 S(t)-O 다기관의 절대적 안정성을 보증하고, 따라서 최악의 방법으로 모델링 오차 및 센서 노이즈가 결합하는 경우에도, 그리고 빠른 과도 상태를 포함하는 모든 엔진 동작 조건하에서 원하는 공기 대 연료비를 성취할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 식(27)에서, ψ는 연료 송출 역학을 무시한 오차이고, μ(t)는와 관련된 모델링 또는 개산오차이다. 식(26) 및 (27)에서 피이드백 이득γ(t)의 구조가 연료 분사시스템에 대해 적합한 것임을 유의해야 한다. 엔진 동작 조건이 극히 안정 상태이거나 준 안정 상태일때 상기 제 3항은 매우 작아진다. 그러므로, 준 안정 상태에서 첫번째 두개의 항 abs(ψ(t)),은 피이드백 제어 동작을 지배한다. 상기 두개의 항의 합은 또한 엔진 상태에 따라 자동적으로 변화한다. 예를 들면, 높은 엔진 속도에서는 연소실에 유입되는 공기의 질량비와 그 개산은 커지고, 그결과, 페루프 시스템이 큰 엔진속도에서 더욱 안정하게 된다. 다른예로서, 느린 상태에서 연소실에 입력되는 공기의 질량과 그 개산은 매우 작아지며, 그 결과 매우 타이트한 공기 대 연료비 변동을 제공할 수 있는 능력이 부여된다. 과도 상태 동안 연소실에 유입되는 공기의 질량비의 시간 변화율 또는 그 개산과 관련한 제 3항은 제어 동작을 지배하고, 이것은 과도 상태 동안 공기 대 연료 제어를 타이트하게 함과 아울러 안정성을 제공하기 위한 성능이 뛰어난 수단을 제공한다.

따라서 식(27)에서 피이드백 이득 구조는 극히 상수로 제어기 이득을 용이하게 조정 및 교정하는 완전한 수단을 제공한다. 또한 식(27)에서의 피이드백 이득과 함께 식(26)내에서의 제어기 구조는 IC엔진의 모든 동작 상태에 대해 전역적인 제어를 제공하는 완전한 수단을 제공하는 한편, S(t)-O 다기관의 흡입과 아울러 원하는, 폐루프 시스템의 안정도를 제공한다(또는 원하는 레벨에서 공기 대 연료비를 제어한다). 그러므로, 제4도 및 제6도에서 앞서 기술되어진 종래의 선형 국소 제어기 방법과 비교하여, 본 명세서에 기술된 제어기 방법은 동작 상태에서의 모든 내외부 변화에 따라 피이드백 제어 이득을 자동적으로 변화시키는 수단을 제공함으로써 사실적으로 전역적 제어를 제공한다. 더욱이, 피이드백 이득 파라메타 γ(t)에 모델링 오차 및 센서 노이즈의 양을 삽입함으로써 모든 동작 조건을 위해 바람직한 안정도가 제공한다. 또한 모델링 오차 및 센서 노이즈의 양에 따라 상기 피이드백 이득 파라이터 γ(t)를 선택함으로써 제어 시스템 내에서 사용되는 엔진 시스템 및 센서에 관한 일정한 지식을 위해 최적(또는 최상)의 성능 레벨이 얻어질 수 있다.

본 발명의 자동 연료 분사 제어 시스템은 제4도 및 제6도에서 논의된 종래 기술과 유사한 방법으로 IC엔진상에서 실행될 수 있다. 이제 제7도를 참조하면, 본 발명에 따른 하이 레벨 실행도가 도시되어 있다. 상기 도면 제7도는 단지 속도 - 밀도 타입 실행만을 도시하고 있지만, 질량 공기 유량계 타입 실행도 유사하는 것에 유의해야 한다. MAP, MAT, 크랭크 각 및 스로틀 위치센서(TPS)를 포함하는 이들 일련이 센서(110)는 흡기 다기관의 측정된 값과 엔진 상태 및 조건을 제공하는데 이들 A/D변환기를 통해 처리용 컴퓨터(112)에 공급된다. 피이드백 센서(111)는 산소센서, 공기 대 연료비 센서 또는 두가지 모두를 갖는 센서일 수도 있으며, 또한 A/D변환기를 통해 처리를 위한 컴퓨터(112)로 공급된다. 랜덤 액세서 메모리(random access memory : RAM)(113)는 연소실에 유입되는 공기의 질량비와, 그 변환율및 자동 제어 파라미터 γ(t)를 처리, 개산 및 계산하는 알고리듬용 코드를 포함한다. ROM(113)은 또한 센서 및 기타의 처리 작용으로부터 얻어지는 값에 대한 능동적 기억을 제공한다. 리드 온리 메모리(read only memory : ROM(114)는 고정된 파라미터에 대한 기억을 제공하고, 출력 라인(115)은 연료 분사 신호를 파라미터에 대한 기억을 제공하고, 출력 라인(115)은 연료 분사 신호를 제공한다.

제8도 및 제9도는 RAM내에서 알조리듬을 더욱 상세히 나타낸 각각의 다이어그램 및 흐름도이며, 엔진 사건 또는 크랭크 각에 대하여 그들의 처리 시퀸스 및 타이밍을 도시하고 있다. 상기 도시된 타이밍도 및 흐름도는 동시성 이중 연소(즉, 분사기는 매회 엔진 회전마다 연소됨) 실행용이며, 순서적 연소 실행(즉, 분사기는 2회 엔진 회전마다 연소됨)도 도한 유사함에 주의해야 한다. 상기 크랭크 각(CA)센서는 동시된 바와 같이 180도의 엔진 회전마다 고신호를 출력한다. 흡기 행정(intake stroke)의 상사점(TDC:topdead center)은 제 8 도에서 0도로 표시된 CA신호의 하강 예지부이다. 연료 분사기의 개방 신호는 TDC이전의 CA신호의 상승 예지부에서 개시된다. 상기 TDC신호와 제 8도에서 180도 표시된 다음번 하강 예지부에서 발생하는 하사점 (bottom dead center:BDC)신호간에서 다기관 절대 압력(MAP) 정보는 연속적으로 판독되고, 그 합은 나중 처리를 위해 기억된다. 연속하여 이중 판독하는 이유는 엔진의 다른 실린더로부터의 유도 처리에 의한 다기관 압력의 변동을 평활 처리하기 위해서이다. 하사점의 하강 예지 신호를 수신할 시 컴퓨터는 현재 시간과 이전의 하사점이 발생했던 시간 사이에 경과된 시간의 측정을 위해 그 타이머를 판독하는데, 이러한 경과된 시간은 엔진 속도를 결정하는데 이용된다. 그다음, 다기관 온도 정보의 판독 및 다기관 절대 압력(MAP)센서 신호의 평균화가 실행된다.

다음에 스로틀 위치 센서(TPS)및 산소 센서(O2)의 신호가 판독된다. 그다음, 이들 센서 출력 신호와 처리된 정보에 기초하여, 체적 효율 η_V, 연소실에 유입되는 공기의 질량비, 그 변화비가 계산된다. 연소실에 유입되는 공기의 질량비의 변화는 수치차(numerical differencing)방법을 이용하여 계산되는데, 이 방법은 여러 가지 센서의 전기적 노이즈로 인한 큰 값의 오차를 발생시키므로써 원하지 않는 센서 노이즈를 평활하기 위하여 2 내지 8회전 동안에 걸쳐 상기 공기의 질량비 mao(t)항의 계산된 값이 평균화도니다.의 모델 미분은 또한를 계산하는데 이용될 수 있으며, 유사한 방법으로 실행된다. 상술한 평균화 방법에서 전위 시간 지연(potential time lag)을 보상하기 위해 시간 스케일로를 유도하는 TPS신호가 이용되고 : 상기 TPS신호의 변화는계산에 가산된다. 다음 단계에서, 피이드백 이득 항 γ(t)는,, TPS와 연료 분사 오차 파라미터 ψ(t)의 처리 및 계산된 값으로부터 계산된다. 따라서, 상기 피이드백 이득 항 γ(t)은 IC엔진의 모든 내부 및 외부 동작 조건을 포함하며, 상태의 변화에 자동적으로 적응된다. 최종적으로, 연료 분사 지속 기간이 계산되어, 연료 분사기로 출력된다.

지금까지의 본 발명에 따른 IC엔진 연료 분사에 대한 자동 제어 시스템은 속도-밀도 타입 및 동시성 이중 연소 타입의 실행 방법을 취했다. 그러나, 본 발명의 범위는 이탈함이 없이 이분야에 통상 지식을 가진자에 의해 질량 공기 유량계 타입 및 시퀸스형 분사 타입을 포함하는 다른 타입에 적용될 수 있는 점은 주목할 필요가 있다. 따라서 본 발명은 그러한 수정 및 변경을 포함하도록 의도되어 있다.

게다가 지금까지의 본 발명에 따른 IC엔진 연료 분사에 대한 자동 제어 시스템은 피이드백 센서로서 산소 센서를 이용하여 공기 대 연료비를 제어하는 것이 가정하였다. 그러나, 피이드백 센서에 대한 다른 방안과 화학 양론비와 다른, 목표의 공기 대 연료비가 가능한 점을 주목할 필요가 있고, 본 발명은 첨부된 특허 청구 범위의 기술적 범위내에서 여기에 제한되지만은 않고 변경 및 수정을 포함하도록 의도되었다. 더욱이, 원하는 공기 대 연료비는 산소 센서를 이용하여 용이하게 다른 값으로 변경될 수 있다. 제5도에 있어서, 상기 산소 센서는 공기 대 연료비의 차이에 따라 서로 다른 전압을 출력시킨다. 예컨대, 큰 바이어스 제어를 위해 sgn [400V(O₂(t))]의 함수로서 피이드백 제어 신호를 이용하는 대신 sgn [750V(O₂))]이 이용될 수도 있다. 이것은 큰 바이어스 제어를 달성하기 위해 종래의 선형 국부 연료 분사 제어기에서 이용되는 방법과 유사하다. 작은 바이어스의 경우, 예컨대 sgn [75-(O₂(t))]이 사용될 수도 있다. 게다가, 본 발명의 주제인 비선형의 전역적인 연료 분사 제어 방법은 크거나 작은 바이어스를 달성하기 위해 도다른 수단을 제공한다. 큰 바이어스의 제어의 경우 다음의 피이드백 이득이 사용될 수 있다 :

[수학식 28]

단, α는 1이하의 작은 양의 상수이다.

작은 바이어스 제어의 경우 다음의 피이드백 이득이 사용될 수 있다 :

[수학식 29]

제 2 방법은 Cho와 Hedrick에 의해 기술되어진 제어기에 대한 연소실에 실제로 유입되는 연료의 질량비(t)를 계산하는 것과 관련된 바람직하지 않은 문제점을 해소할 수 있다. 식 (14)(16)으로 기술된 제어기의 가장 심각한 문제는 식(14)-(15)에서 수치 적분 방법을 이용하는 개방 루우프 개산이며, 이들은 노이즈 및 오차에 민감하게 반응한다. 이러한 문제는 엔티-와이드-업(anti-wind-up)의 사용 및 /또는 인자 알고리듬의 무시에 의해 개선될 수 있다. 상기 알고리듬중 하나가 제10도에 개략적으로 예시되어 있으며, 적분기(20)는 일단 소정 값에 도달하면 적분 동작을 턴 오프하는 피이드백 소자(21)와 결합하여 사용된다. 이러한 알고리듬의 디지탈 실행은 이하에 제공되어 있다.

[수학식 30]

[수학식 31]

파라미터 및 모델링 오차에 의한 드리프트 오차의 추가의 구별을 위햐, 상기 엔티-와인드-업 알조리즘으로 입력되는 신호는 고역통과 또는 대역통과 필터로 조절될 수 있다.

상술한 설명은 단지 본 발명을 예시한 것에 불과하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 기술적 범위를 이탈함이 없이 이 분야에 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다. 따라서, 본 발명은 첨부한 특허 청구 범위의 기술적 범위내에서 변경 및 수정을 포함하도록 기재되었다.

Claims

흡기 다기관을 통과하는 질량 유량을 나타내는 내연 기관의 흡기부에서 적어도 하나의 주위 상태를 감지하기 위한 적어도 하나의 흡기 다기관 센서와 ; 내연 기관으로부터 유출하는 배기 가스의 산소량을 감지하기 위한 배기 센서와, 내연 기관에 연료를 공급하는 적어도 하나의 연료 분사기와 ; 상기 센서들과 연료 분사기에 접속되는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 일정한 시간 간격으로 내연 기관에 급유될 연료의 량을 계산 및 제어하기 위한 상기 센서들로부터의 감지 신호에 응답하고, 각각의 시간 간격 동안 계산되어 급유되는 연료의 량은 바로 이전의 시간 간격 및 계산 및 상기 센서들로부터의 신호에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 분사 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 센서들로부터의 신호에 상기 계산의 일부는 흡기 다기관으로부터 유출하는 질량 유량의 변화율의 최선의 개산에, 피이듭개 제어 이득과 배기센서의 출력과의 곱을 플러스한 전체항에 상기 시간 간격을 곱하고 원하는 공기 대 연료비로 나눈 계산을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 분사 시스템.
흡기 다기관을 통과하는 공기 흐름을 나타내는 내연 기관의 흡기부에서 적어도 하나의 주위 상태를 감지하기 위한 적어도 하나의 흡기 다기관 센서와 ; 내연 기관으로부터 유출하는 배기 가스의 산소량을 감지하고, 전압 출력 V(O₂)을 제공하는 배기 센서와 ; 내연 기관에 연료를 공급하는 적어도 하나의 연료 분사기와 ; 상기 센서들과 상기 연료 분사기에 접속되는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 일정한 시간 간격으로 내연 기관에 급유될 연료의 량을 계산하고 그 게산의 결과에 따라 상기 연료 분사기를 제어하기 위해 상기 센서들로부터의 감지 신호에 응답하고, 상기 계산은 다음의 방정식에 따르는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 분사 시스템:

여기서

그리고, 여기서
내연 기관에서의 연료 분사를 제어하는 방법에 있어서, 흡기 다기관을 통과하는 공기 유량을 나타내는 내연 기관의 흡기 다기관 내의 적어도 하나의 주위 상태를 측정하는 단계와 ; 내연 기관으로부터 유출하는 산소를 측정하고, 내연 기관으로부터 배기 가스의 산소 함량을 나타내는 출력 전압을 발생시키는 단계와 ; 다음의 방식에 따라 일정한 시간 간격으로 내연 기관에 급유될 연료의 량을 계산하는 단계와 ;

여기서

그리고, 여기서

상기 계산된 연료량을 내연 기관으로부터 급유하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.