KR19990023479A - 내연기관의 흡기 공기 통로로 퍼지된 기화 연료의 농도를 평가하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

기화 연료 처리 장치를 갖는 소위 희박 연소 엔진에 있어서, 흡기 공기 통로 내로 퍼지(purge)된 기화 연료의 농도(소위, 퍼지 농도)는 통상의 산소 농도 센서를 이용하여 평가된다. 소정의 시간 간격이 경과할 때마다 엔진 연소 조건은 공기-연료 혼합비 피드백 제어 중에 산소 농도 센서로부터의 출력 신호에 따라 퍼지 농도가 평가되는 이론 공기-연료 혼합비 연소 조건으로 일시적으로 강제 변환된다.

Description

내연기관의 흡기 공기 통로로 퍼지된 기화 연료의 농도를 평가하기 위한 장치 및 방법
본 발명은 기화 연료 처리 장치가 설치되고 연소 조건이 희박 공기-연료 혼합비 연소와 이론 공기-연료 혼합비 연소 사이를 변환되는 내연기관의 흡기 공기 시스템 내로 퍼지된(purged) 기화 연료의 농도를 평가하기 위한 기술에 관한 것이다.
1995년 2월 10일자로 공개된 일본 특허출원공개 제7-42,588호는 활성 탄소로 기화 연료를 흡수하기 위한 캐니스터(canister)와 기화 연료의 퍼지량을 제어하기 위해 상기 캐니스터로부터 엔진의 흡기 공기 시스템으로 연결된 기화 연료의 퍼지 통로 내에 삽입된 퍼지 제어 밸브에 의해 형성되는 내연기관용의 이미 제안된 기화 연료 처리 장치를 전형적으로 개시하고 있다.
기화 연료의 농도에 따라 기화 연료 처리 장치를 갖는 내연기관에서는 기화 연료의 농도에 따라 연료 공급(분사)량을 보정하는 것이 필요하다.
산소 농도 센서는 농후한 또는 희박한 배기 가스 공기-연료 혼합비를 검출하기 위해 엔진의 배기 가스 통로 내에 설치된다.
공기-연료 혼합비가 이론적인 공기-연료 혼합비로 접근하도록 공기-연료 혼합비가 피드백 제어되는 엔진에 있어서, 공기-연료 혼합비 피드백 제어에 의해 전술한 보정이 달성될 수 있다.
그러나, 연소 조건이 적어도 소정의 엔진 작동 조건에서 희박 공기-연료 혼합비 연소로 변환되는 내연기관(소위, 희박 연소 엔진)에 있어서 배기 가스 공기-연료 혼합비의 희박 및 농후 정도를 검출하는 통상의 산소 농도 센서가 사용되므로, 목표 희박 공기-연료 혼합비로의 피드백 제어는 수행되지 않는다.
배기 가스 공기-연료 혼합비를 직접 검출하는 이러한 광범위한 형태의 산소 농도 센서가 사용된다하더라도, 이러한 형태의 산소 농도 센서는 값이 비싸며 엔진의 제조 비용이 증가하게 된다.
따라서, 자동차 산업계는 심지어 희박 연소 엔진에서도 연료 분사량의 보정 및 다른 다양한 종류의 엔진 작동 제어를 달성할 수 있도록 흡기 공기 시스템 내의 기화 연료 농도가 통상의 산소 농도 센서를 이용하여 평가되는 것을 요구한다.
그러므로, 본 발명의 목적은 연소 조건이 희박 공기-연료 혼합비 연소로 변환될 수 있는 내연기관(소위, 희박 연소 엔진)용의 기화 연료의 농도를 평가하는 방법 및 장치를 제공하는 것이며, 이럼으로써 통상의 산소(O2) 농도 센서를 이용하여 엔진으로 공급되는 흡기 공기(즉, 엔진의 흡기 공기 통로) 내의 기화 연료의 농도를 정확히 판단할 수 있다.
본 발명의 일 태양에 의하면, (a) 흡기 공기 통로와, (b) 연료 탱크와, (c) 연료 탱크로부터 기화 연료를 흡수하여 이로부터 흡기 공기 통로로 퍼지하기 위해 연료 탱크와 흡기 공기 통로 사이에 삽입된 기화 연료 제어 장치와, (d) 배기 가스 내의 산소 농도에 따라 공기-연료 혼합비를 검출하기 위해 배기 가스 통로 내에 설치된 산소 농도 센서와, (e) 엔진의 연소 조건을 이론적인 공기-연료 혼합비 연소로 강제적으로 변환시키기 위해 엔진으로 명령을 출력하는 명령 발생 장치와, (f) 이론적인 공기-연료 혼합비 연소 중에 흡기 공기 통로 내로 퍼지된 기화 연료의 농도를 평가하기 위한 평가 장치를 포함하는 내연기관이 제공된다.
본 발명의 다른 태양에 의하면, (a) 흡기 공기 통로를 준비하는 단계와, (b) 연료 탱크를 준비하는 단계와, (c) 기화 연료 처리 장치를 연료 탱크와 흡기 공기 통로 사이에 삽입하는 단계와, (d) 연료 탱크로부터 기화 연료 처리 장치로 기화 연료를 흡수하는 단계와, (e) 흡기 공기 통로 내로 기화 연료를 퍼지하는 단계와, (f) 배기 가스 통로 내에 산소 농도 센서를 설치하는 단계와, (g) 엔진의 연소 조건을 이론적인 공기-연료 혼합비 연소로 강제적으로 변환시키기 위해 엔진에 명령을 발생시키고 이를 출력하는 단계와, (h) 배기 가스 내의 산소 농도에 따라 산소 농도 센서에 의해 공기-연료 혼합비를 검출하는 단계와, (i) 이론적인 공기-연료 혼합비 연소 중에 흡기 공기 통로 내로 퍼지된 기화 연료의 농도를 평가하는 단계를 포함하는 내연기관에 적용할 수 있는 방법이 제공된다.
본 발명의 이러한 요약은 본 발명이 상기 특징들의 일부 조합이 될 수도 있도록 모든 필요한 특징들을 모두 기술한 것은 아니다.
도1a는 본 발명의 양호한 실시예에 의한 흡기 공기 내의 기화 연료의 농도를 평가하기 위한 장치가 적용될 수 있는 내연기관의 시스템 형상을 도시한 도면.
도1b는 도1a에 도시된 제어 장치의 구성을 도시한 도면.
도2는 도1a 및 도1b에 도시된 제1 실시예의 작동 시간 간격 가변 루틴을 도시한 흐름도.
도3은 도1a 및 도1b에 도시된 제1 실시예의 이론적인 공기-연료 혼합비 강제 명령 판단 루틴을 도시한 흐름도.
도4는 도1a 및 도1b에 도시된 제1 실시예의 연소 조건 제어 루틴을 도시한 흐름도.
도5는 도1a 및 도1b에 도시된 제1 실시예의 퍼지(purge) 농도 평가 루틴을 도시한 흐름도.
도6은 본 발명에 의한 흡기 공기 내의 기화 연료의 농도를 평가하는 장치의 양호한 제2 실시예에서의 작동 시간 간격의 흐름도.
도7은 본 발명에 의한 흡기 공기 내의 기화 연료의 농도를 평가하는 장치의 양호한 제3 실시예에서의 작동 시간 간격의 흐름도.
도8은 본 발명에 의한 흡기 공기 내의 기화 연료의 농도를 평가하는 장치의 양호한 제4 실시예에서의 작동 시간 간격의 흐름도.
도9는 본 발명에 의한 흡기 공기 내의 기화 연료의 농도를 평가하는 장치의 양호한 제5 실시예에서의 작동 시간 간격의 흐름도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 엔진 또는 내연기관 3 : 흡기 공기 통로
7 : 배기 공기 통로 9 : 연료 탱크
10 : 캐니스터 20 : 제어 장치
28 : 차속 센서 30 : 온도 센서
본 발명의 원활한 이해를 돕기 위해 첨부 도면을 참조한다.
도1a는 본 발명에 의한 흡기 공기 내의 기화 연료의 농도를 평가하기 위한 양호한 제1 실시예에 의한 장치가 적용될 수 있는 내연기관의 시스템 형상을 도시한다.
에어 클리너(2)로부터 공급된 흡기 공기는 쓰로틀 밸브(4; 소위, 전자 제어식 쓰로틀 밸브)로부터 그 양에 관해 제어를 받는 흡기 공기 통로(3)를 통해 차량에 장착된 엔진(1)의 각 실린더의 연소실 내로 흡입된다.
전자기식 연료 분사 밸브(5; 연료 분사기)는 소정량의 연료(가솔린)를 각각의 대응 연소실로 분사하기 위해 흡기 밸브에 인접한 흡기 공기 통로의 일부에 설치된다.
각각의 연료 분사 밸브(5)는 소정 압력으로 가압된 소정량의 연료가 분사되도록 제어 장치(20)에 의해 엔진 회전수와 동기화되어 대응 실린더의 흡기 행정 또는 압축 행정에서 출력되는 연료 분사 펄스 신호에 따라 개방되는 솔레노이드 부분을 갖는다.
분사된 연료는 각각의 대응 실린더의 흡기 행정에서 연료가 분사되는 경우에 균질 공기-연료 혼합기를 형성하기 위해 각각의 대응 연소실 위로 확산되고, 각각의 대응 실린더의 압축 행정에서 연료가 분사되는 경우에는 점화 플러그(6)의 주위에 집중되게 성층 공기-연료 혼합기가 형성된다.
제어 장치(20)로부터의 점화 신호에 응답하여, 점화 장치에 의해 형성되는 점화 플러그(6)는 점화되어, 공기-연료 혼합기가 소위 균질 연소 또는 성층 연소와 같은 연소 조건으로 연소되도록 각각의 연소실 내에서 상기 공기-연료 혼합기를 발화 및 연소시킨다.
엔진(1)에서의 연소 조건은 공기-연료 혼합비 제어의 조합에 따라 3개의 연소 조건, 즉 균질 이론 공기-연료 혼합비 연소와, 균질 희박 공기-연료 혼합비 연소(20 내지 30의 공기-연료 혼합비)와, 성층 희박 공기-연료 혼합비 연소(대략 40 정도의 공기-연료 혼합비)로 분류된다.
엔진(1)으로부터 배출된 배기 가스는 배기 가스 통로(7) 내에 배치되고, 촉매 변환기(8)는 배기 가스를 정화하도록 사용되고 상기 배기 가스 통로(7) 내에 삽입된다.
기화 연료 처리 장치를 형성하는 캐니스터(10)는 연료 탱크(9)에 의해 발생된 기화 연료를 처리하기 위해 엔진(1) 내에 설치된다. 연료 탱크(9)로부터 연결된 기화 연료 유입 도관(12)을 갖는 캐니스터(10)는 활성 탄소와 같은 흡착제(11; adsorbent)로 밀봉 용기 내에 충전된다.
따라서, 엔진(1)의 정지 중에 연료 탱크(9) 내에 형성된 기화 연료는 기화 연료 유입 도관(12)을 통해 캐니스터(10)로 유입되며, 캐니스터(10)의 흡착제(11) 상으로 흡착된다.
캐니스터(10)는 신규(외부) 공기 유입구(13)를 갖도록 형성되고, 퍼지 (가스) 통로(14)는 캐니스터(10)로 이어진다.
퍼지 통로(14)는 퍼지 제어 밸브(15)에 대해 흡기 공기 통로(3)의 하류측(흡기 매니폴드)에 연결된다. 퍼지 제어 밸브(15)는 엔진(1)의 소정의 엔진 작동 조건에서 제어 장치(20)로부터 출력된 신호에 따라 개방된다. 따라서, 퍼지 가능 연소가 엔진이 시동됨으로써 달성된다면, 퍼지 제어 밸브(15)는 엔진(1)의 흡기 공기 부압이 캐니스터(10)에 작용하도록 개방된다. 신규 공기 유입부(13)로부터 유입된 공기는 캐니스터(10)의 흡착제(11) 상으로 흡착된 기화 연료가 흡착제(11)로부터 흡착 해제(desorb)되게 하고, 흡착 해제된 기화 연료를 포함하는 퍼지 가스는 퍼지 가스 통로(14)를 통해 흡기 공기 통로(3)에 대해 흡기 공기 통로(3)의 하류측으로 흡입된다. 이후, 전술한 퍼지 가스는 엔진(1)의 각각의 연소실 내에서 연소된다.
제어 장치(20)는 도1b에 도시된 바와 같이 중앙 연산 장치(CPU)를 갖는 마이크로컴퓨터와, 읽기 전용 메모리(ROM)와, 직접 접근 메모리(RAM)와, 공통 버스와, A/D 변환기를 갖는 입력 포트와, D/A 변환기를 갖는 출력 포트를 포함한다.
다양한 엔진 작동 조건 센서로부터의 입력 신호를 수신하자마자, 제어 장치(20)는 입력 신호에 따라 다양한 연산/논리 작업을 수행하고, 각각의 연료 분사 밸브(5), 각각의 점화 플러그(6) 및 퍼지 제어 밸브(15)에 대한 작업을 제어한다.
다양한 형태의 센서들에는 엔진(1)의 크랭크축 회전 또는 캠축 회전을 검출하는 크랭크각 센서(21, 22)가 포함된다.
엔진(1)이 n개의 실린더를 갖는다면, 이들 크랭크각 센서(21, 22)는 720도/n의 크랭크 각도 위치가 제어 장치(20)로 입출력될 때마다 소정의 크랭크 각도 위치(예컨대, 각 실린더의 압축 행정 중에 상부 상사점전 110도)에서 기준 펄스 신호(REF)와, 1도 또는 2도의 크랭크 각도 위치가 회전될 때마다 단위 펄스 신호(POS)를 제어 장치(20)로 출력한다.
제어 장치(20)의 CPU는 기준 펄스 신호(REF)의 주기와 같은 것으로부터 엔진 속도(Ne)를 계산한다.
다른 센서로는 흡입 공기량(Qa)을 검출하기 위해 쓰로틀 밸브(4)에 대해 흡기 공기 통로(3)의 상류측에 위치된 공기 유동계(23)와, 운전자가 밟은 답입 각도(가속기 답입 각도; ACC)를 검출하기 위한 가속기 센서(24)와, [쓰로틀 밸브(4)가 완전히 폐쇄될 때 온(ON) 상태가 되는 아이들 스위치를 포함하는] 쓰로틀 밸브(4)의 개방 정도(TVO)를 검출하기 위한 쓰로틀 센서(25)와, 엔진(1)의 냉각수 온도(Tw)를 검출하기 위한 엔진 냉각수 온도 센서(26)와, (배기 가스 내의 산소 농도에 따라) 배기 가스 통로(7) 내의 배기 가스 공기-연료 혼합비의 농후 및 희박 상태에 대응되는 신호를 출력하기 위한 (통상의) 산소 농도 센서(소위, O2센서)와, 차속(VSP)을 검출하기 위한 차속 센서(28)가 포함된다.
더욱이, 필요하다면 공조 장치의 작동 가스 압력, 즉 공조 장치 내의 공기 압축기의 배출 압력을 검출하기 위한 공조 장치 작동 가스 압력 센서(29)와, 차량 외부의 외부 (대기) 공기 온도(Ta)를 검출하기 위한 외부 공기 온도 센서(30)와, 연료 탱크(9) 내의 연료 온도(Tt)를 검출하기 위한 연료 온도 센서와, 연료 탱크(9) 내의 공기 압력을 검출하기 위한 압력 센서(32)와 같은 다양한 센서들이 구비된다.
이어서, 본 발명에 의한 퍼지량으로서의 기화 연료 농도의 평가를 이하에서 설명한다.
제어 장치(20)의 마이크로컴퓨터는 이론적인 공기-연료 혼합비 연소(균질 이론 공기-연료 혼합비 연소)를 일시적으로 수행하도록 엔진(1)에 명령을 보낸다.
도1b에 도시된 바와 같이, 제어 장치(20)의 마이크로컴퓨터는 희박 공기-연료 혼합비 연소 조건(균질 희박 공기-연료 혼합비 연소 또는 성층 희박 공기-연료 혼합비 연소) 중에도 소정의 시간이 경과할 때마다 이론적인 공기-연료 혼합비 연소(균질 이론 공기-연료 혼합비 연소)로 일시적으로 강제되도록 엔진(1)에 명령을 보낸다.
전술한 이론 공기-연료 혼합비 연소 중에, 흡입 공기 내의 기화 연료의 농도는 산소(O2) 농도 센서(27)로부터 얻어진 신호에 따라 평가된다.
도2 내지 도9는 제어 장치(20)에 의해 수행되는 흐름도를 각각 도시한다.
도2는 소정의 시간 간격이 경과할 때마다 도1a에 도시된 제1 실시예에서 수행된 작동 시간 간격을 변경시키는 루틴을 도시하고 있다.
즉, 단계 S1에서 제어 장치(20)의 CPU는 차속 센서(28)에 의해 검출된 차속(VSP)을 판독한다.
단계 S2에서, 제어 장치(20)의 CPU는 차속(VSP)이 소정의 값(PRE)과 같거나 또는 그 이상인지를 판단하기 위해 차속(VSP)과 소정의 값(PRE)을 비교한다.
만약 단계 S2에서 VSP ≥ PRE가 성립되면, 즉 차속이 상대적으로 크다면, 상기 루틴은 단계 S3으로 진행한다.
만약 단계 S2에서 VSP PRE가 성립되면, 상기 루틴은 단계 S4로 진행한다.
단계 S3에서, 기화 연료의 발생 속도는 낮게 되므로, 제어 장치(20)의 CPU는 작동 간격(INTEVT)이 상대적으로 긴 시간 간격(TL)으로 설정(INTEVT = TL)되도록 상기 시간 간격(TL)을 작동 간격(INTEVT)에 할당한다. 상대적으로 긴 시간 간격(TL)의 값은 예컨대 10분이다.
차속이 커짐에 따라 차량의 고속 주행 중에 차체를 따라 형성되는 바람은 연료 탱크(9)를 냉각시키고, 기화 연료 발생량은 감소된다.
반대로, VSP PRE(즉, 상대적으로 낮은 차속)이라면, 제어 장치(20)의 CPU는 기화 연료의 발생 속도가 커서 상기 루틴은 단계 S4로 진행한다는 것을 판단할 수 있다.
단계 S4에서, 제어 장치(20)의 CPU는 작동 시간 간격(INTEVT)이 상대적으로 짧은 시간 간격(TS)으로 설정(INTEVT = TS)되도록 작동 시간 간격(INTEVT)에 상기 값(TS)을 할당한다. 상대적으로 짧은 시간 간격의 값(TS)은 예컨대 5분(300초)이다.
도3은 소정의 시간이 경과할 때마다 도1a에 도시된 제1 실시예에서 수행되는 이론 공기-연료 혼합비 강제 명령 판단 루틴을 도시하고 있다.
단계 S11에서, 제어 장치(20)의 CPU는 현재의 연소 조건이 희박 연소 조건(균질 희박 공기-연료 혼합비 연소 또는 성층 희박 공기-연료 혼합비 연소)에 해당하는가를 판단한다.
현재의 연소 조건이 단계 S11에서 희박 연소 조건[균질 이론 공기-연료(A/F) 혼합비 연소)이 아니라면(NO), 상기 루틴은 단계 S12로 진행한다.
단계 S12에서, 제어 장치(20)의 CPU는 타이머(TM)를 영(zero)으로 리셋(TM = 0)한다.
한편, 엔진(1)의 현재 연소 조건이 단계 S11에서 희박 공기-연료 혼합비가 된다면(YES), 상기 루틴은 단계 S13으로 진행하여 타이머(TM)는 도3의 루틴의 실행 시간 간격(ΔT)에 의해 증분된다(TM = TM + ΔT).
결과적으로, 제어 장치(20)의 CPU는 희박 공기-연료 혼합비 연소의 연속 시간을 나타내는 타이머(TM)의 계수치를 참조한다.
단계 S14에서, 제어 장치(20)의 CPU는 타이머(TM)의 값이 INTEVT와 동일하거나 또는 크다(TM ≥ INTEVT)는 것을 판단하기 위해 도3의 루틴에 의해 설정된 작동 시간 간격(INTEVT)과 타이머(TM)를 비교한다.
단계 S14에서, TM ≥ INTEVT(YES)라면, 상기 루틴은 단계 S15로 진행하여 제어 장치(20)의 CPU는 엔진(1)의 연소 조건이 이론 공기-연료 혼합비 연소로 강제되게 하는 명령을 발생시킨다.
단계 S16에서, 제어 장치(20)의 CPU는 타이머(TM)를 영(zero)으로 리셋(TM = 0)한다.
도4는 소정의 시간이 경과할 때마다 도1a에 도시된 제1 실시예에서 수행되는 연소 조건 제어 루틴을 도시한다.
단계 S22에서, 제어 장치(20)의 CPU는 현재의 구동 조건이 엔진(1)의 구동 조건에 따라 소정의 희박 연소 조건에 해당되는가를 판단한다.
단계 S22에서 희박 연소 조건이 성립(YES)되는 경우에, 상기 루틴은 단계 S23으로 진행하여, 제어 장치(20)의 CPU는 균질 이론 공기-연료 혼합비 연소로 강제되도록 엔진(1)에 명령을 발생시키는 시간으로부터 소정의 시간 내에 있게 된다.
단계 S22에서 현재 연소 조건이 희박 공기-연료 혼합비 연소 하에 있지 않거나(NO) 또는 단계 S23에서 상기의 명령이 발생된 시간으로부터 소정의 시간 내에 있으면(YES), 상기 루틴은 단계 S24로 진행하고 엔진(1)의 연소 조건은 균질 이론 공기-연료 혼합비 연소 상태에 있게 된다.
균질 이론 공기-연료 혼합비 연소시에, 단계 S25에서 제어 장치(20)의 CPU는 공기-연료 혼합비 피드백 제어(밀폐 루프 제어)를 수행하기 위해 공기-연료 혼합기의 목표 공기-연료 혼합비를 설정하고, 각각의 실린더가 균질 이론 공기-연료 혼합비 연소를 수행하도록 각 실린더의 흡기 행정시에 연료의 연료 공급 (분사) 시기를 설정한다.
한편, 단계 S25에서 제어 장치(20)의 CPU는 개방 루프 제어를 수행하기 위해 목표 공기-연료 혼합비를 희박 공기-연료 혼합비로 설정하고, 연료의 분사 시기는 균질 희박 공기-연료 혼합비 연소 또는 성층 희박 공기-연료 혼합비 연소를 수행하기 위해 각각의 흡기 행정 또는 각각의 압축 행정으로 설정된다.
단계 S31에서, 제어 장치(20)의 CPU는 현재의 연소 조건이 (공기-연료 혼합비의 피드백 제어 중에) 이론 공기-연료 혼합비 연소에 속하는가를 판단한다.
단계 S32에서, 제어 장치(20)의 CPU는 산소(O2) 농도 센서(27)로부터 출력 신호(출력 전압; VO2)를 판독한다.
단계 S33에서, 제어 장치의 CPU는 배기 가스 공기-연료 혼합비의 농후 상태 또는 희박 상태를 판단하기 위해 출력 신호(VO2)의 값을 소정의 슬라이스 수준(SL; slice level)과 비교한다.
비교 결과, 단계 S33에서 VO2≤ SL(농후)이라면, 상기 루틴은 단계 S34로 진행하고 연료 분사량을 보정하기 위해 사용되는 공기-연료 혼합비 피드백 보정 계수(α)는 소정의 적분 요소(I)만큼 감소된다(α=α-I).
반대로, VO2SL(희박)이라면, 상기 루틴은 단계 S35로 진행하고 공기-연료 혼합비 피드백 보정 계수(α)는 소정의 적분 요소(I)만큼 증가된다(α=α+I).
전술한 바와 같이, 제어 장치(20)의 CPU는 연료 공급(분사)량(Ti)이 계산될 때 적분 제어에 의해 증가 또는 감소된 공기-연료 혼합비 피드백 보정 계수(α)를 기본 연료 공급(분사)량에 곱한다.
결과적으로, 공기-연료 혼합비는 목표 공기-연료 혼합비, 즉 이론 공기-연료 혼합비와 일치하도록 제어될 수 있다.
공기-연료 혼합비 피드백 보정 계수(α)가 설정될 때 공기-연료 혼합비에 대해 비례-적분 제어(P-I)를 수행하도록 비례 제어가 적분 제어와 함께 사용된다는 것을 알아야 한다.
다음으로, 단계 S36에서 제어 장치(20)의 CPU는 공기-연료 혼합비 피드백 보정 계수(α)의 평균값(αmean)을 계산한다.
특히, 공기-연료 혼합비 피드백 보정 계수(α)의 증가 또는 감소 방향이 역전될 때마다 제어 장치(20)의 CPU는 즉시 순간 공기-연료 혼합비 피드백 보정 계수(α)를 램(RAM)과 같은 메모리 영역에 저장하고, 이어서 최신 αmax(증가 방향으로부터 감소 방향으로 역전될 때의 α)와 αmin(감소 방향으로부터 역전될 때의 α)에 근거하여 평균값의 αmean = (αmax + αmin)/2을 계산한다.
단계 S37에서, 제어 장치(20)의 CPU는 퍼지 농도(량) 평가치 중 하나인 기준값으로부터 피드백 보정 계수의 평균값(αmean)의 편차(Δα), 즉 Δα=1-αmean를 계산한다.
퍼지 가능 조건이 달성되기 전에, 퍼지가 수행되지 않는 중에 공기-연료 혼합비 피드백 보정 계수가 α0로서 저장될 수 있고 퍼지 평가치로서 Δα=1-αmean인 편차(Δα)를 계산할 수 있다는 것을 알아야 한다.
퍼지 농도의 크기는 상기와 같이 계산된 퍼지 농도 상당치(Δα)에 따라 판단될 수 있다.
전술한 바와 같이, 연소 조건이 희박 공기-연료 혼합비 연소로 변환된 후에 퍼지 농도에 근거하여 연료 공급(분사)량을 보정하는 것이 가능하다.
보정된 연료 공급(분사)량(Ti'lean)은 다음과 같이 계산된다.
Ti'lean = (Tilean) x (αo - αmean)
여기서, Tilean = Ti x η이고, Tilean은 희박 연소 조건 중의 목표 연료 공급(분사)량을 나타내고, η는 희박 공기-연료 혼합비 연소 중의 연료 효율을 나타내고, Tilean = Ti이고, Ti는 이론 공기-연료 혼합비 연소 중의 목표 연료 공급(분사)량이다. 물론, 상기 방정식에서 (αo- αmean)의 항은 (1-αmean)으로 대체될 수 있다.
또한, 퍼지 농도가 크게 되면, 잠시동안 균질 이론 공기-연료 혼합비 연소를 계속하기 위해 희박 공기-연료 혼합비 연소로의 복귀가 지연될 수도 있다. 퍼지 농도가 어느 정도 감소된 후, 현재의 연소는 (성층 연소 또는 균질 연소 중의 하나에 대응되는) 희박 공기-연료 혼합비 연소로 변환될 수 있다.
다음으로, 본 발명에 의한 엔진의 흡기 공기 시스템 내로 퍼지된 기화 연료의 농도를 평가하기 위한 장치에 관한 양호한 제2 내지 제5 실시에가 도6 내지 도9를 참조하여 설명된다.
도6은 본 발명의 제2 실시예로서 도2에 도시된 작동 시간 간격 가변 루틴 대신에 다른 작동 시간 간격 가변 루틴을 도시하고 있다.
단계 S101에서, 제어 장치(20)의 CPU는 공조 장치 가스 압력 센서(29)로부터 검출된 공조 장치 작동 가스 압력(Pd)을 판독한다.
단계 S102에서, 제어 장치(20)의 CPU는 공조 장치 작동 가스 압력(Pd)이 소정치(Pre)와 같거나 그 이상이 되는가를 판단하기 위해 공조 장치 작동 가스 압력(Pd)과 상기 소정치를 비교한다.
단계 S102에서 [공조 장치 작동 가스 압력(Pd)이 소정치보다 같거나 그 이상이 될 정도로 큰 경우에, 즉] Pd ≥ Pre(YES)라면, 상기 루틴은 단계 S103으로 진행하고 제어 장치(20)의 CPU는 작동 시간 간격(INTEVT)이 상대적으로 짧은 시간 간격(TS)의 값으로 설정(INTEVT = TS)되도록 상기 짧은 시간 간격(TS)을 작동 시간 간격(INTEVT)에 할당한다.
공조 장치 작동 가스 압력(Pd)이 더 크게 됨에 따라, 외부 공기 온도는 크게 될 수 있고 기화 연료의 형성량은 증가된다.
반대로, 단계 S102에서 Pd Pre(NO)라면, 상기 루틴은 단계 S104로 진행하고 제어 장치(20)의 CPU는 작동 시간 간격이 긴 시간 간격(TL)의 값으로 설정(INTEVT = TL)되도록 상기 시간 간격(TL)을 작동 시간 간격(INTEVT)에 할당한다.
전술한 바와 같이, 작동 시간 간격(INTEVT)은 공조 장치의 작동 조건[공조 장치 작동 가스 압력(Pd) 또는 공조 장치 동력 변환]에 따라 변경될 수 있다.
이는 공조 장치가 차량 내에 장착될 때 달성될 수 있다.
다른 구성 및 루틴은 도1a, 도1b, 도3, 도4 및 도5를 참조한 제1 실시예의 것과 동일하다는 것을 알 수 있다.
도7은 본 발명에 의한 양호한 제3 실시예로서 도2에 도시된 작동 시간 간격 루틴 대신에 다른 작동 시간 간격 가변 루틴을 도시하고 있다.
단계 S201에서, 제어 장치(20)의 CPU는 외부 공기 온도 센서(30)에 의해 검출된 외부 공기 온도(Ta)를 판독한다.
단계 S202에서, 제어 장치(20)의 CPU는 검출된 외부 공기 온도(Ta)가 소정치(pre)와 동일하거나 또는 그 이상이 되는가를 판단하기 위해 외부 공기 온도(Ta)를 소정치(Pre)와 비교한다.
단계 S202에서 [외부 공기 온도(Ta)가 소정치(Pre)와 동일하거나 그 이상이 될 정도로 크게 된다면, 즉] Ta ≥ Pre(YES)라면, 상기 루틴은 단계 S203으로 진행하고 제어 장치(20)의 CPU는 작동 시간 간격(INTEVT)이 상대적으로 짧은 시간 간격(TS)으로 설정(INTEVT = TS)되도록 상기 짧은 시간 간격(TS)을 작동 시간 간격(INTEVT)에 할당한다.
단계 S202에서 (상대적으로 낮은 온도인) Ta Pre(NO)라면, 상기 루틴은 단계 S204로 진행하고 제어 장치(20)의 CPU는 작동 시간 간격(INTEVT)이 상대적으로 긴 시간 간격(TL)으로 설정(INTEVT = TL)되도록 상기 긴 시간 간격(TL)을 작동 시간 간격(INTEVT)에 할당한다.
전술한 바와 같이, 외부 공기 온도(Ta)는 기화 연료의 형성 속도와 밀접한 관계를 가지므로, 기화 연료의 농도는 아주 정밀하게 평가될 수 있다.
다른 구성 및 루틴은 도1a, 도1b, 도3, 도4 및 도5에 도시된 제1 실시예의 것과 동일하다는 것을 알 수 있다.
도8은 본 발명에 의한 양호한 제4 실시예로서 도2에 도시된 루틴 대신에 또다른 작동 시간 간격 가변 루틴을 도시하고 있다.
단계 S301에서, 제어 장치(20)의 CPU는 연료 탱크(9) 내에 설치된 연료 온도 센서(31)에 의해 검출된 탱크내 연료 온도(Tt)를 판독한다.
단계 S302에서, 제어 장치(20)의 CPU는 탱크내 연료 온도(Tt)를 소정의 값과 비교한다.
단계 S302에서 [탱크내 연료 온도(Tt)가 소정의 값과 동일하거나 그 이상이 될 정도로 크게 된다면, 즉] Tt ≥ Pre(YES)라면, 제어 장치(20)의 CPU는 기화 연료의 형성 속도가 큰가를 판단하고, 상기 루틴은 단계 S303으로 진행한다.
단계 S303에서, 제어 장치(20)의 CPU는 작동 시간 간격(INTEVT)이 상대적으로 짧은 간격(TS)으로 설정(INTEVT = TS)되도록 상기 짧은 시간 간격(TS)을 작동 시간 간격(INTEVT)에 할당한다.
단계 S302에서 [탱크내 연료 온도(Tt)가 소정의 값보다 낮다면, 즉] Tt Pre(NO)라면, 제어 장치(20)의 CPU는 기화 연료의 형성 속도가 낮은가를 판단하고, 상기 루틴은 단계 S304로 진행한다.
단계 S304에서, 제어 장치(20)의 CPU는 INTEVT = TL의 식을 표현하도록 상대적으로 긴 시간 간격(TL)을 작동 시간 간격(INTEVT)에 할당한다.
전술한 바와 같이, 탱크내 연료 온도(Tt)는 기화 연료의 형성 속도를 직접 한정하는 인자이며, 탱크내 연료 온도(Tt)에 근거한 기화 연료의 농도가 평가될 수 있다.
다른 구성 및 루틴은 도1a, 도1b, 도3, 도4 및 도5에 도시된 제1 실시예의 것과 동일하다는 것을 알 수 있다.
도9는 본 발명에 의한 양호한 제5 실시예로서 도2에 도시된 루틴 대신에 또다른 작동 시간 간격 가변 루틴을 도시하고 있다.
단계 S401에서, 제어 장치(20)의 탱크내 압력 센서(32)에 의해 검출된 탱크내 공기 압력(Pt)을 판독한다.
단계 S402에서, 제어 장치(20)의 CPU는 탱크내 공기 압력(Pt)이 소정의 값(Pre)과 동일하거나 그 이상인가를 판단하도록 탱크내 공기 압력(Pt)을 소정의 값(Pre)과 비교한다.
단계 S402에서 (탱크내 공기 압력이 소정의 값과 동일하거나 그 이상이 될 정도로 크게 된다면, 즉] Pt ≥ Pre(YES)라면, 제어 장치(20)의 CPU는 기화 연료의 형성 속도가 큰가를 판단하고, 상기 루틴은 단계 S403으로 진행한다.
단계 S403에서, 제어 장치(20)의 CPU는 작동 시간 간격(INTEVT)이 상대적으로 짧은 간격(TS)으로 설정(INTEVT = TS)되도록 상기 짧은 시간 간격(TS)을 작동 시간 간격(INTEVT)에 할당한다.
(탱크내 공기 압력이 소정의 값보다 낮다면, 즉] Pt Pre(NO)라면, 단계 S404에서 제어 장치(20)의 CPU는 작동 시간 간격(INTEVT)이 상대적으로 긴 간격(TL)으로 설정(INTEVT = TL)되도록 상기 상대적으로 긴 시간 간격(TL)을 작동 시간 간격(INTEVT)에 할당한다.
전술한 바와 같이, 탱크내 공기 압력(Pt)은 기화 연료의 형성 속도의 변동의 측정 결과이므로, 기화 연료의 농도는 보다 정밀하게 평가될 수 있다.
다른 구성 및 루틴은 도1a, 도1b, 도3, 도4 및 도5에 도시된 제1 실시예의 것과 동일하다는 것을 알 수 있다.
비록 도1a 내지 도9에 관한 각각의 양호한 실시예에 있어서, 연료가 각각의 대응되는 연소실로 직접 분사되는 형태의 엔진이 개시되었으나, 본 발명은 연소 조건이 희박 공기-연료 혼합비 연소 및 이론 공기-연료 혼합비 연소로 분류되는 모든 엔진에 적용될 수 있다.
특허청구범위에 기재된 각각의 명령 발생 장치, 각각의 판단 장치, 연료 공급량 보정 장치 및 공기-연료 혼합비 피드백 제어 장치는 소프트웨어 관점에서 전술한 제어 장치(20)로 통합될 수 있다는 것을 알 수 있다.
본원 발명에 따라, 연소 조건이 희박 공기-연료 혼합비 연소로 변환될 수 있는 내연기관용의 기화 연료의 농도를 평가하는 방법 및 장치를 제공함으로써, 통상의 산소(O2) 농도 센서를 이용하여 엔진으로 공급되는 흡기 공기(즉, 엔진의 흡기 공기 통로) 내의 기화 연료의 농도를 정확히 판단할 수 있다.

Claims (15)

  1. (a) 흡기 공기 통로와,
    (b) 연료 탱크와,
    (c) 연료 탱크로부터 기화 연료를 흡착하여 흡기 공기 통로로 퍼지하기 위해 연료 탱크와 흡기 공기 통로 사이에 삽입된 기화 연료 제어 장치와,
    (d) 배기 가스 내의 산소 농도에 따라 공기-연료 혼합비를 검출하기 위해 배기 가스 통로 내에 설치된 산소 농도 센서와,
    (e) 엔진의 연소 조건을 이론 공기-연료 혼합비 연소로 강제로 변환시키기 위한 명령을 발생시켜 이를 엔진에 출력하기 위한 명령 발생 장치와,
    (f) 이론 공기-연료 혼합비 연소 중에 흡기 공기 통로 내로 퍼지된 기화 연료의 농도를 평가하기 위한 평가 장치를
    포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  2. 제1항에 있어서, 상기 평가 장치는 연료 탱크 내에서 기화된 연료량을 평가하기 위한 다른 평가 장치를 포함하고 연료 탱크 내에서 기화된 평가된 연료량으로부터 흡기 공기 통로 내로 퍼지된 기화 연료의 농도를 평가하고, 상기 명령 발생 장치는 소정의 시간 간격이 경과할 때마다 연소 조건을 이론 공기-연료 혼합비 연소로 강제 변환시키도록 엔진에 명령을 출력하고, 연료 탱크 내의 기화 연료의 평가가 상기 다른 평가 장치에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  3. 제2항에 있어서, 상기 다른 평가 장치는 엔진이 장착된 차량의 차속을 검출하기 위한 차속 센서를 포함하고, 또한 검출된 차속이 소정의 차속과 동일하거나 그 이상인가를 판단하기 위한 제1 판단 장치를 더 포함하며, 차속이 소정의 차속과 동일하거나 그 이상인가를 상기 제1 판단 장치가 판단할 때 소정의 시간 간격은 상대적으로 짧게 설정되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  4. 제2항에 있어서, 상기 다른 평가 장치는 공조 장치가 장착된 차량의 공조 장치가 작동되는가를 검출하기 위한 공조 장치 작동 센서를 포함하고, 상기 공조 장치 작동 센서가 공조 장치가 작동되는 것을 검출할 때 소정의 시간 간격이 상대적으로 짧게 설정되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  5. 제2항에 있어서, 상기 다른 평가 장치는 엔진이 장착되는 차량 외부의 공기 온도를 검출하기 위한 외부 공기 온도 센서를 포함하고 또한 검출된 공기 온도가 소정의 공기 온도와 동일하거나 그 이상인가를 판단하는 제2 판단 장치를 더 포함하며, 검출된 공기 온도가 소정의 공기 온도와 동일하거나 그 이상인가를 상기 제2 판단 장치가 판단할 때 소정의 시간 간격은 상대적으로 짧게 설정되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  6. 제2항에 있어서, 상기 다른 평가 장치는 연료 탱크 내의 연료의 온도를 검출하기 위한 연료 온도 센서를 포함하고 또한 연료 탱크 내의 검출된 연료 온도가 소정의 온도값과 동일하거나 그 이상인가를 판단하는 제3 판단 장치를 더 포함하며, 연료 탱크 내의 검출된 연료 온도가 소정의 온도값과 동일하거나 그 이상인가를 상기 제3 판단 장치가 판단할 때 소정의 시간 간격은 상대적으로 짧게 설정되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  7. 제2항에 있어서, 상기 다른 평가 장치는 연료 탱크 내의 공기 압력을 검출하기 위한 공기 압력 센서를 포함하고 또한 연료 탱크 내의 검출된 공기 압력이 소정의 공기 압력값과 동일하거나 그 이상인가를 판단하는 제4 판단 장치를 더 포함하며, 연료 탱크 내의 검출된 공기 압력이 소정의 공기 압력값과 동일하거나 그 이상인가를 상기 제4 판단 장치가 판단할 때 소정의 시간 간격은 상대적으로 짧게 설정되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  8. 제1항에 있어서, 상기 판단 장치는 이론 공기-연료 혼합비 연소 중에 공기-연료 혼합비 피드백 보정 계수(α)에 근거하여 흡기 공기 통로 내로 퍼지된 기화 공기의 농도를 평가하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  9. 제8항에 있어서, 산소 농도 센서에 의해 검출된 공기-연료 혼합비를 이론 공기-연료 혼합비 연소 중의 이론 공기-연료 혼합비로 접근시키기 위해 공기-연료 혼합비에 대한 피드백 제어를 수행하기 위한 피드백 제어 장치를 더 포함하며, 상기 판단 장치는 피드백 제어 장치에 의해 산소 농도 센서의 출력 신호로부터 유도된 공기-연료 혼합비 피드백 보정 계수(α)에 근거하여 흡기 공기 통로 내로 퍼지된 기화 연료의 농도를 평가하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  10. 제9항에 있어서, 상기 평가 장치는 그 기준값에 대한 공기-연료 혼합비 피드백 보정 계수(α)의 최대값(αmax)과 최소값(αmin) 사이의 평균값(αmean)의 편차(Δα)에 의해 흡기 공기 통로 내로 퍼지된 기화 연료의 농도를 평가하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  11. 제9항에 있어서, 상기 평가 장치는 기화 연료의 흡기 공기 통로로의 퍼지 중의 공기-연료 혼합비 피드백 보정 계수(αo)로부터 공기-연료 혼합비 피드백 보정 계수(α)의 최대값(αmax)과 최소값(αmin) 사이의 평균값(αmean)의 편차(Δα)에 의해 엔진의 흡기 공기 통로 내로 퍼지된 기화 연료의 농도를 평가하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  12. 제1항에 있어서, 연소 조건을 소정의 엔진 구동 조건 중의 희박 공기-연료 혼합비 연소로 변환하도록 엔진으로 명령을 발생 및 출력하기 위한 희박 연소 조건 명령 발생 장치와 희박 공기-연료 혼합비 연소 중에 흡기 공기 통로 내로 퍼지된 평가된 기화 연료량에 근거하여 판단된 인자에 의해 엔진으로의 연료 공급량을 보정하기 위한 연료 공급량 보정 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  13. 내연기관에 적용될 수 있는 방법에 있어서,
    (a) 흡기 공기 통로를 제공하는 단계와,
    (b) 연료 탱크를 제공하는 단계와,
    (c) 연료 탱크와 흡기 공기 통로 사이에 기화 연료 처리 장치를 삽입시키는 단계와,
    (d) 연료 탱크로부터 기화 연료 처리 장치로 기화 연료를 흡착하는 단계와,
    (e) 기화 연료를 흡기 공기 통로 내로 퍼지하는 단계와,
    (f) 배기 가스 통로 내에 산소 농도 센서를 설치하는 단계와,
    (g) 엔진의 연소 모드를 이론 공기-연료 혼합비 연소로 강제 변환시키는 명령을 발생시켜 이를 엔진으로 출력하는 단계와,
    (h) 배기 가스 내의 산소 농도에 따라 산소 농도 센서에 의해 공기-연료 혼합비를 검출하는 단계와,
    (i) 이론 공기-연료 혼합비 연소 중에 흡기 공기 통로 내로 퍼지된 기화 연료의 농도를 평가하는 단계를
    포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 연료 탱크 내의 기화 연료량을 평가하는 단계 (j)를 더 포함하며, 상기 단계 (i)의 평가 단계는 상기 단계 (j)에서 연료 탱크 내의 평가된 기화 연료량으로부터 흡기 공기 통로 내로 퍼지된 기화 연료의 농도를 평가하고, 상기 명령 발생 장치는 상기 단계 (j)에서 평가된 기화 연료량에 따라 변경될 수 있는 소정의 시간 간격이 경과할 때마다 연소 조건을 이론 공기-연료 혼합비 연소로 강제 변환시키는 명령을 엔진으로 출력하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 단계 (i)의 평가 단계에서 엔진의 흡기 공기 통로 내로 퍼지된 기화 연료의 농도는 상기 단계 (j)에서 산소 농도 센서에 의한 검출 결과에 따라 평가되는 것을 특징으로 하는 방법.
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