KR101216451B1 - 내연기관 제어 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

내연기관은 분사중에 연소 챔버 내부로 연료를 직접 계량하기 위한 분사 밸브를 구비한다. 분사 밸브는 주어진 분사 과정에 대해 가변적으로 행정이 조정될 수 있는 분사 니이들을 구비한다. 원하는 대로 균일하게 연료가 분배되는 내연기관의 균일한 작동중에, 본 발명의 방법은, 연료 압력 설정값(FUP_SP)을 미리 정하는 단계, 미리 정해진 최소 행정 설정값(L_MIN)과 분사 니이들 행정 설정값(L_SP)을 결합시키는 단계, 및 분사 기간 설정값(T_INJ_SP)을 수정함으로써, 상기 분사기간이 미리 정해진 최대 기간 값(T_MAX)과 동일하거나 그 미만인 경우, 계량 가능한 연료 질량 설정값(MFF_SP)을 조정하는 단계로 이루어진다. 만일 그렇지 않은 경우, 분사 니이들 행정 설정값(L_SP)은 상기 미리 정해진 최대 기간 값(T_MAX)과 동일하거나 그보다 클 때까지 수정된다. 그 후, 분사 니이들 행정 및 분사 기간 설정값(L_SP)이 각각 조정된다.

Description

내연기관 제어 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관을 제어하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 내연기관이 설치된 차량으로부터의 허용 가능한 유해 물질 방출에 관한 점점 더 엄중해지는 법규정으로 인하여, 내연기관의 작동중에 유해 물질의 방출을 가능한 적게 유지할 필요가 있다. 이는 한편으로 내연기관의 각 실린더에서 공기/연료 혼합물을 연소하는 동안 발생되는 유해물질의 방출량을 감소시킴으로써 이루어질 수 있다. 한편, 각각의 실린더에서 공기/연료 혼합물을 연소하는 동안 발생되는 유해물질 방출물을 무해한 물질로 변환시키는 배기가스 후처리 시스템이 내연기관에 사용된다.
매연 입자의 방출을 방지하는 것은 특히 큰 난제를 만들어 내며, 이러한 난제는 예를 들면, 적합하지만 매우 고가인 매연 입자 필터를 제공함으로써 충족될 수 있다.
분사 밸브가 배치되어 실린더의 각각의 연소 챔버 내부로 직접적으로 연료를 계량하는 내연기관에 관하여, 공기/연료 혼합물이 연소 챔버의 미리 정해진 영역에서 층상화되고 나머지 영역에는 매우 적은 양의 연료만이 있는 층상 급기 모드(stratified charge mode)에서 내연기관을 가능한 오래 작동시키는 것이 유리하다. 이에 따라, 내연기관이 부분 하중 하에서 작동하고 있을 때, 매우 높은 수준의 효율이 얻어질 수 있다. 이러한 층상 급기 작동중에 발생하는 산화 질소 방출의 결과로서, NOx 촉매 변환기는 일정하게 다시 재생될 필요가 있는 이러한 유형의 내연기관의 경우에 규칙적으로 제공되며, 이 작동은 실린더의 연소 챔버에 들어가는 농축된 공기/연료비를 갖는 균일한 작동 모드를 채택함으로써 지원된다. 균일한 작동의 경우, 공기/연료 혼합물은 실린더의 전체 연소 챔버를 통하여 가능한 균일하게 분배된다.
본 발명의 목적은 내연기관의 저공해 작동을 가능하게 하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 독립 청구항에 기재된 특징들에 의해 이루어진다. 본 발명의 유리한 실시예는 종속 청구항에 제공된다.
본 발명은 실린더의 연소 챔버로 연료가 직접적으로 계량될 수 있는 분사 밸브를 갖는 내연기관을 제어하는 방법 및 대응 장치를 특징으로 한다. 분사 밸브는 주어진 분사 과정에 대해 그 행정이 가변적으로 설정될 수 있는 분사 니이들을 구비한다. 각각의 연소 챔버에서 연료가 원하는 대로 균일하게 분배되는 내연기관의 균일한 작동중에, 희망 값은 분사 밸브에 가해지는 연료 압력에 대해 미리 정해진다. 미리 정해진 최소 행정은 분사 니이들의 행정에 대한 희망 값에 할당된다. 계량될 연료 질량에 대한 희망 값은 분사 기간에 대한 희망 값이 미리 정해진 최대 기간 값과 동일하거나 그 미만인 경우, 분사 기간에 대한 희망 값의 변화에 의해 설정된다. 그렇지 않으면, 분사 니이들의 행정에 대한 희망 값은 분사 기간에 대한 희망 값과 같은 시간이 미리 정해진 최대 기간 값과 동일하거나 그 미만이 될 때까지 변화된다. 따라서 그 후, 행정 [및] 분사 기간에 대한 희망 값이 실제로 설정된다. 이에 따라, 연료 압력에 대한 희망 값은 연소 챔버내에서 매우 우수한, 다시 말해 매우 정제된 연료의 미립화에 관하여 적합한 크기가 되도록 선택될 수 있으며, 이는 매우 우수한 혼합물 준비 및 매연 입자 발생 가능성의 감소를 가져온다. 매연 입자는 특히 실린더의 각각의 연소 챔버 내의 공기/연료 혼합물이 국부적으로 0.7 미만의 람다값을 갖고, 연소 온도가 1600 켈빈 내지 2100 켈빈 내에 있는 경우에 발생된다. 또한, 분사 밸브의 분사 니이들의 가능한 최소 행정은 연소 챔버에서 연료를 매우 우수하게 미립화하여 연소후에 매연 입자의 감소를 수반하는 매우 균일한 분배에 기여한다.
본 발명의 유리한 실시예에 따르면, 분사 니이들의 행정은 순차적인 단계로 변화된다. 이 실시예는 분사 밸브의 제어가 특히 단순한 방법으로 구성될 수 있는 이점을 갖는다.
본 발명의 다른 유리한 실시예에 따르면, 최대 기간 값은 가스 유입 밸브의 개방 기간을 표시하는 변수에 따라 결정된다. 이로 인해 미리 정해진 작동점에서 연료의 미립화를 더 개선할 수 있다. 이에 대해, 대표 변수가 내연기관의 회전 속도 및/또는 부하인 경우가 특히 유리하다.
본 발명의 다른 유리한 실시예에 따르면, 연료 압력에 대한 희망 값은 연료 질량 및 회전 속도에 대한 희망 값에 따라 결정된다. 이에 따라, 연료 압력에 대한 희망 값은 가능한 최대 연료 압력에서 용이하게 최적화될 수 있다.
이하 개략적인 도면을 참조로 본 발명의 실시예가 상세히 설명될 것이다.
도 1은 내연기관을 나타내는 도면이고,
도 2는 내연기관을 제어하는 프로그램에 대한 흐름도이다.
동일한 구성 및 기능을 갖는 요소는 모든 도면에서 동일한 참조 부호로 지시된다.
내연기관(도 1)은 흡기 트랙트(1), 엔진 블록(2), 실린더 헤드(3), 및 배기가스 트랙트(4)를 포함한다. 바람직하게 흡기 트랙트(1)는 스로틀 밸브(5), 수집기(6), 및 엔진 블록(2)으로의 유입 덕트에 의해 실린더(Z1)로 보내지는 유도 매니폴드(7)를 포함한다. 또한, 엔진 블록(2)은 크랭크샤프트(8)를 포함하며, 크랭크샤프트는 커넥팅 로드(10)에 의해 실린더(Z1)의 피스톤(11)에 결합된다.
실린더 헤드(3)는 가스 유입 밸브(12) 및 가스 배출 밸브(13)를 갖는 밸브 구동 시스템을 포함한다.
또한, 실린더 헤드(3)는 분사 밸브(18) 및 스파크 플러그(19)를 포함한다.
분사 밸브(18)는 분사 니이들을 포함하고, 분사 니이들은 분사 밸브의 액츄에이터에 의해, 주어진 실린더(Z1)의 연소 챔버 내부로 연료의 계량을 억제하는 폐쇄된 위치로부터 이동될 수 있다. 분사 니이들의 행정은 분사 과정중에 폐쇄된 위치로부터의 특정 행정을 나타낸다. 바람직한 외측 개방 분사 니이들의 경우, 가솔린 분사 밸브와 정기적으로 사용되기 때문에, 폐쇄된 위치로부터 벗어난 분사 니이들의 행정은 실린더(Z1)의 연소 챔버 방향으로 일어난다.
분사 밸브의 액츄에이터는 행정이 가변적으로 설정될 수 있도록 설계되고, 분사 니이들에 결합된다. 이를 위해 특히 압전 액츄에이터가 적합하다. 적합하게 설계된 분사 밸브의 실시예에 관하여, 액츄에이터는 예를 들면 전자기 액츄에이터와 같이, 당업자에게 공지되어 있는 상이한 액츄에이터일 수도 있다. 분사 밸브(18)는 고압하에서 연료를 전달하는 연료 전달 장치(18a)에 입력측이 유압으로 결합된다. 연료 전달 장치(18a)에서, 가솔린이 연료로 사용될 때, 연료의 압력은 약 200bar까지 또는 필요한 경우 그보다 높은 값으로 설정된다.
삼원 촉매 변환기(21) 형태를 갖는 배기가스 촉매 변환기는 배기가스 트랙트내에 배치된다. 또한, 바람직하게 NOX 촉매 변환기(23) 형태를 갖는 추가의 배기가스 촉매 변환기가 배기가스 트랙트내에 배치된다.
상이한 측정 변수들을 감지하고, 각각의 경우 측정 변수의 값을 결정하는 센서들이 할당되는 제어 장치(25)가 제공된다. 제어 장치(25)는 측정 변수 중 하나 이상에 따라, 적합한 액츄에이터에 의해 최종 제어 요소를 제어하는 하나 또는 그보다 많은 제어 신호로 변환되는 보정 변수를 결정한다. 또한, 제어 장치(25)는 내연기관을 제어하는 장치로 설명될 수 있다.
센서는, 가속 페달(27)의 가속 페달 위치를 감지하는 페달 위치 센서(26), 스로틀 밸브(5)의 공기 질량 유동 상류를 감지하는 공기 질량 센서(28), 흡기 온도를 감지하는 제 1 온도 센서(32), 회수기(6) 내의 흡입 매니폴드 압력을 감지하는 흡입 매니폴드 압력 센서(34), 크랭크 각도를 감지한 후 회전 속도(N)가 할당되는 크랭크 각도 센서(36)이다.
또한, 제 1 배기가스 프로브(42)가 제공되며, 제 1 배기가스 프로브(42)는 삼원 촉매 변환기(21)의 상류에 배치되고, 배기가스내의 잔류 산소 함유량을 감지하며, 제 1 배기가스 프로브의 측정 신호는 실린더(Z1)의 연소 챔버 및 연료의 산화 전에 상기 제 1 배기가스 프로브의 상류에서의 공기/연료비를 특징으로 한다. 또한, 제 2 배기가스 프로브(43)가 제공되며, 제 2 배기가스 프로브(43)는 삼원 촉매 변환기(21)의 하류에 배치되고, 배기가스내의 잔류 산소 함유량을 감지하며, 제 2 배기가스 프로브의 측정 신호는 실린더(Z1)의 연소 챔버 및 연료의 산화 전에 상기 제 2 배기가스 프로브(43)의 상류에서의 공기/연료비를 특징으로 한다.
또한, 연료 전달 장치, 특히 연료 전달 장치의 고압 저장소 내의 연료 압력을 감지하는 연료 압력 센서(40)가 제공된다.
본 발명의 실시예에 따라, 전술한 센서들의 임의의 바람직한 부분집합이 존재할 수 있거나 추가의 센서들이 존재할 수도 있다.
최종 제어 요소는 예를 들면 스로틀 밸브(5), 가스 유입 및 가스 배출 밸브(12, 13), 분사 밸브(18) 또는 스파크 플러그(19)이다.
실린더(Z1) 외에도, 바람직하게 추가의 실린더(Z2 내지 Z4)가 제공되어 상응하는 최종 연료 제어 요소, 적용 가능한 경우, 센서들이 또한 할당된다.
제어 장치(25)의 프로그램 메모리에는 프로그램이 저장되어 내연기관의 작동 중에 실행될 수 있다.
프로그램은 단계(S1)(도 2)에서 시작되며, 필요한 경우 단계(S1)에서 변수가 초기화된다.
단계(S2)에서, 내연기관이 일반적으로 균일한 작동(HS) 상태에 있는지 여부에 대한 검사가 이루어진다. 균일한 작동 상태에 있지 않은 경우, 바람직하게 단계(S2)의 상태는 미리 정해진 대기기간 후, 또는 미리 정할 수 있는 크랭크샤프트 각도가 통과된 후에 다시 검사된다.
그러나 단계(S2)에서 조건이 충족되면, 단계(S4)에서 연료 압력에 대한 희망 값(FUP_SP)이 회전 속도(N) 및, 계량될 연료 질량에 대한 희망 값(MFF_SP)에 따라 결정된다. 계량될 연료 질량에 대한 희망 값은 내연기관에 의해 발생될 토크에 따라 내연기관의 적합한 기능에 의해 결정된다. 또한, 바람직하게 이러한 희망 값은 토크 모델을 이용하여 종속적인 방식으로 결정되며, 토크 모델에서 요구되는 토크는 내연기관에 대한 추가의 측정 변수 및 페달 위치 센서로부터의 페달값에 따라 결정되며, 적용 가능할 경우, 차량 또는 내연기관의 유닛 또는 다른 기능에 대한 토크 필요조건을 고려하여 결정된다. 특히 바람직하게, 발생될 토크에 따라, 실린더 내부로 전달될 요구 공기 질량 유동이 결정되고 설정되며, 계량될 연료 질량(MFF_SP)은 각각의 실린더(Z1 내지 Z4) 내부로의 실제 공기 질량 유동 및 설정될 공기/연료비에 따라 결정된다.
단순한 프로그램 실시예에서, 연료 압력에 대한 희망 값(FUP_SP)이 또한 확 실히 미리 정해질 수 있다.
단계(S6)에서, 최소 행정 값(L_MIN)은 분사 니이들의 행정에 대한 희망 값(L_SP)에 할당된다. 최소 행정값(L_MIN)은 분사 밸브의 액츄에이터에 의해 원하는 정확도로 제어될 수 있도록 적합하게 미리 정해지며, 이에 따라, 최소 행정값(L_MIN)에서 연료를 충분히 정확하게 계량할 수 있다.
단계(S8)에서, 그 후 분사 기간에 대한 희망 값(T_INJ_SP)이 결정되며, 이러한 결정은, 계량될 연료 질량에 대한 희망 값(MFF_SP), 연료 압력 센서(40)에 의해 감지된 연료 압력에 대한 실제 값(FUP_AV), 실린더의 연소 챔버 내부로 연료를 계량하는 동안의 실린더 압력(P_CYL), 분사 니이들의 행정에 대한 희망 값(L_SP) 및 시간차 값(T_OFFSET)에 따라 이루어지며, 시간차 값은 분사 밸브(18)의 제어 특성을 고려하며, 바람직하게는 미리 정해진다. 연료의 계량중에 실린더 압력(P_CYL)은 적합한 압력 센서에 의해 감지될 수 있다. 그러나 바람직하게는 예를 들면 흡입 매니폴드 압력 및 회전 속도와 같은 추가의 측정 변수에 따라 물리적 모델에 의해 결정된다. 분사 기간에 대한 희망 값(T_INJ_SP)은 단계(S8)에서, 바람직하게는 특정화된 공식을 이용하여 결정되며, 이때, f, g는 여기서 함수 또는 특성 보간(characteristic interpolations)을 나타낸다.
단계(S10)에서, 최대 기간 값(T_MAX)이 결정된다. 최대 기간 값은 가스 유입 밸브(12)의 개방 기간에 좌우된다. 이는 연소 챔버 내에서 공기/연료 혼합물의 적합한 균일화가 일어날 수 있도록 초기 단계에서 균일한 작동(HS)중에 연료가 실린더(Z1 내지 Z4)의 각각의 연소 챔버 내부로 계량되어야 하기 때문이다. 최대 기간 값(T_MAX)은 가스 유입 밸브(12)의 개방 기간의 변수 대표값(variable representative)에 따라 단계(S10)에서 결정된다. 이러한 결정은 예를 들면 내연기관의 회전 속도(N) 및/또는 부하(LOAD)에 따라 일어난다. 이러한 부하는 예를 들면 흡입 매니폴드 압력 또는 공기 질량 유동에 의해 표시될 수 있다.
단계(S12)에서, 분사 기간에 대한 희망 값(T_INJ_SP)이 최대 기간값(T_MAX)보다 더 큰지 여부에 대한 검사가 이루어진다. 분사 기간에 대한 희망 값(T_INJ_SP)이 최대 기간값(T_MAX)보다 더 크지 않을 경우, 단계(S14)에서 분사 기간에 대한 희망 값(T_INJ_SP) 및 연료의 계량을 위한 분사 니이들의 행정에 대한 희망 값(L_SP)에 따라 분사 밸브(18)가 제어된다.
그러나 단계(S12)에서 조건이 충족되면, 단계(S16)에서 분사 니이들의 행정에 대한 희망 값(L_SP)은 증분값(DL)만큼 증가되며, 그 후 단계(S8)에서 처리가 계속된다. 이러한 상태에서, 증분값은 순차적인 단계에서 행정을 변화시키기 위하여 분사 밸브(18)에 따라 적합하게 형성된다.
도 2에 따른 프로그램에 의해, 또한 연료 압력이 내연기관의 균일한 작동(HS)중에 매우 높은 값으로 설정될 수 있도록 용이하게 보장될 수 있어서 연료의 매우 우수한 미립화가 보장될 수 있다. 또한, 분사될 연료 질량에 따르면, 분사 니이들의 행정에 대한 희망 값(L_SP)은 가능한 작게 설정된다. 이러한 설정은 또한 연료의 우수한 미립화를 제공한다.
단계(S16)에 대한 대안으로서, 단계(S12)가 충족될 때 실행되는 단계(S18)가 제공될 수 있다. 단계(S18)에서, 희망 값(T_INJ_SP)은 최대 기간 값(T_MAX)으로 설정된다. 그 후, 단계(S20)에서, 분사 니이들의 행정에 대한 희망 값(L_SP)이 결정되며, 이러한 결정은 단계(S8)에 따른 관계의 적합한 역전(reversal)에 의해 이루어진다. 그 후, 단계(S14)에서 처리가 계속된다.
단계(S4 내지 S20)의 실행은 적은 양의 연료 질량이 계량될 때 균일한 작동(HS)중인 상황에서 특히 적합한데, 이는 여기서 특히 미립화에 불리한 연료 압력에 대한 희망 값(FUP_SP)의 과도한 감소를 방지할 수 있기 때문이다. 균일한 작동(HS)은 이와 관련하여 특히 NOX 촉매 변환기(23)를 재생시키기 위해 발생한다. 균일한 작동중에 단계(S4 내지 S20)를 실행하는 동안, 압력은 적용 가능한 경우, 거의 내연기관의 층상 급기 작동(stratified charge operation)중 만큼 높게 설정될 수 있다.

Claims (6)

  1. 분사 밸브(18)를 갖는 내연기관 제어 방법으로서, 상기 분사 밸브(18)에 의해 실린더(Z1 내지 Z4)의 연소 챔버 내부로 직접적으로 연료가 계량될 수 있고, 분사 밸브는 주어진 분사 과정에 대해 행정이 가변적으로 설정될 수 있는 분사 니이들을 가지며, 상기 연소 챔버에 연료가 원하는 대로 균일하게 분배되는 내연기관의 균일한 작동(HS)중에,
    - 희망 값(FUP_SP)이 연료 압력에 대해 미리 정해지는 단계,
    - 미리 정해진 최소 행정 값(L_MIN)이 분사 니이들의 행정에 대한 희망 값(L_SP)에 할당되는 단계,
    - 분사 기간에 대한 희망 값(T_INJ_SP)이 미리 정해진 최대 기간 값(T_MAX)과 동일하거나 그 미만인 경우에, 계량될 연료 질량에 대한 희망 값(MFF_SP)이 상기 분사 기간에 대한 희망 값(T_INJ_SP)의 변화에 의하여 설정되는 단계, 및
    - 그렇지 않은 경우, 분사 기간에 대한 희망 값(T_INJ_SP)이 미리 정해진 최대 기간 값(T_MAX)과 동일하거나 그 미만이 되고, 그 후 행정에 대한 희망 값(L_SP) 및 분사 기간에 대한 희망값(T_INJ_SP)이 그에 따라 설정될 때까지, 분사 니이들의 행정에 대한 희망 값(L_SP)이 변화되는 단계를 포함하는
    내연기관 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사 니이들의 행정이 순차적인 단계로 변화되는
    내연기관 제어 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 최대 기간 값(T_MAX)이 가스 유입 밸브(12)의 개방 기간을 표시하는 변수에 따라 결정되는
    내연기관 제어 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 변수가 내연기관의 회전 속도(N) 및 부하(LOAD) 중 하나 이상인
    내연기관 제어 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    연료 압력에 대한 희망 값(FUP_SP)이 연료 질량 및 회전 속도(N)에 대한 희망 값(MFF_SP)에 따라 결정되는
    내연기관 제어 방법.
  6. 분사 밸브(18)를 갖는 내연기관 제어 장치로서, 상기 분사 밸브(18)에 의해 실린더(Z1 내지 Z4)의 연소 챔버 내부로 직접적으로 연료가 계량될 수 있고, 분사 밸브는 주어진 분사 과정에 대해 행정이 가변적으로 설정될 수 있는 분사 니이들을 가지며, 이로써 상기 연소 챔버에 연료가 원하는 대로 균일하게 분배되는 내연기관의 균일한 작동(HS) 중에, 상기 장치가,
    - 연료 압력에 대한 희망 값(FUP_SP)을 미리 정하고,
    - 분사 니이들의 행정에 대한 희망 값(L_SP)에 미리 정해진 최소 행정 값(L_MIN)을 할당하며,
    - 분사 기간에 대한 희망 값(T_INJ_SP)이 미리 정해진 최대 기간 값(T_MAX)과 동일하거나 그 미만인 경우, 상기 분사 기간에 대한 희망 값(T_INJ_SP)의 변화에 의하여 계량될 연료 질량에 대한 희망 값(MFF_SP)을 설정하고, 그리고
    - 그렇지 않은 경우, 분사 기간에 대한 희망 값(T_INJ_SP)과 같은 시간이 미리 정해진 최대 기간 값(T_MAX)과 동일하거나 그 미만이 되고, 그 후 행정에 대한 희망 값(L_SP) 및 분사 기간에 대한 희망값(T_INJ_SP)이 그에 따라 설정될 때까지, 분사 니이들의 행정에 대한 희망 값(L_SP)을 변화시키도록 설계된
    내연기관 제어 장치.
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