KR20090033105A - 내연 기관 작동 방법 - Google Patents

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KR20090033105A
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게르트 뢰젤
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콘티넨탈 오토모티브 게엠베하
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Abstract

흡입 트랙트로 배기되는 크랭크케이스 환기구를 구비하는 내연 기관을 작동하기 위한 방법으로서, 상기 내연 기관의 작동 파라미터가 측정된다(102). 상기 측정된 작동 파라미터에 따라서 상기 크랭크케이스로부터 상기 흡입 트랙트로의 연료의 질량 유동이 결정된다(103). 상기 크랭크케이스로부터 상기 흡입 트랙트로의 연료의 질량 유동에 따라서 상기 내연 기관이 제어(111) 또는 모니터링(108)된다.

Description

내연 기관 작동 방법 {METHOD FOR OPERATING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연 기관의 흡입 트랙트(intake tract) 내로 배기(venting)하는 크랭크케이스 환기구(breather)를 구비한 내연 기관의 작동 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 방법을 제어하기 위한 명령어들을 가지는 프로그램에 관한 것이며 내연 기관의 작동을 제어 및/또는 모니터링하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
특히 내연 기관의 저온 시동 직후에, 미연소 연료가 내연 기관의 윤활제 내료 용해될 수 있고, 그 후에 작동 온도가 높아졌을 때 다시 증발된다. 가솔린 또는 디젤 엔진에서 피스톤이 왕복하는 경우에, 특히 저온 시동 후의 몇 초간, 연료는 내연 기관의 저온 벽 상의 오일 필름 상에 응축될 것이고 오일 필름 내로 용해될 것이다. 이러한 문제는 특히 가솔린 엔진에서 연료가 연소실 내로 직접 분사될 때 주로 발생하며, 또한 다른 연료 공급 방법에서도 그리고 다른 내연 기관에서도 발생된다.
윤활제 내의 연료 용해는 윤활제의 윤활 특성의 의도하지 않은 변화를 초래 하며, 그에 따라 마모 및 오작동의 발생 가능성이 높아질 수 있고, 내연 기관의 예상 수명을 단축시킬 수 있다.
윤활제 내에 용해된 연료는 작동 온도가 높아짐에 따라 다시 증발되고 주로 크랭크케이스 내의 왕복 피스톤 엔진 내에 수집된다. 미연소 연료가 대기 중으로 방출되는 것을 방지하기 위해서, 크랭크케이스가 크랭크케이스 환기구를 통해서 흡입 트랙트로 연결된다. 크랭크케이스로부터 흡입 트랙트까지의 압력 강하로 인해시, 크랭크케이스로부터 흡입 트랙트로의 질량 유동(mass flow)이 발생되며, 이는 내연 기관의 작동 상태에 따라 달라진다. 상기 질량 유동(블로우-바이(blow-by)로 공지됨)은 연소실로부터 피스톤 링을 경유하여 크랭크케이스 내로 공급되는 공기 및 배기 가스로 그리고 크랭크케이스 내에서 윤활제로부터 증발된 연료로 구성된다.
최신 내연 기관의 제어 시스템은 이용가능한 작동 파라미터들에 대한 진단을 실시함으로써 구성품의 작동성에 대해서 모니터링을 한다. 윤활제로부터 증발되어 크랭크케이스 환기구를 통해 흡입 트랙트로 유입되는 연료는 내연 기관의 연소실 또는 연소실들 내에서 연료-공기 혼합물을 부화시킨다(riches). 연료 및 대기 산소(λ=1)의 완전환 연소를 위해서, 내연 기관의 제어 시스템은 내연 기관으로 공급되는 신선한 공기에 대한 최소 연료(less fuel)를 반드시 계량(meter)하여야 한다. 그러한 변형(anomaly)은 제어 시스템에 의해서 엔진 오작동으로 해석되며, 예를 들어 람다 센서에 대한 또는 연료 공급 장치에 대한 오작동으로 해석된다. 이러한 잘못된 해석을 피하기 위해서, 저온 시동 후에 미리 정해진 시간 간격 동안에는 내 연 기관 내로 계량공급되는 연료의 과다하게 적은 양이 오류로 해석되지 않는 것이 통상적이다. 이는 엔진 오작동 진단을 상당히 제한한다. 이러한 제한은, 엔진이 항상 짧은 시간 동안만 작동되는 경우에, 예를 들어 도심 교통에서만 사용될 때, 특히 심각한 문제가 된다.
본 발명의 목적은 흡입 트랙트로 통하는 크랭크케이스 환기구를 구비한 내연 기관을 작동하기 위한 개선된 방법을 제공하는 것이며, 그러한 내연 기관의 작동을 제어 및/또는 모니터링하기 위한 장치 및 방법을 제어하기 위한 명령어들을 가지는 프로그램에 관한 것이다.
이러한 목적은 특허청구범위의 독립항들의 청구대상에 의해 달성된다. 바람직한 개량 실시예들이 종속항들에 개시되어 있다.
본 발명은 내연 기관의 작동 파라미터들을 함수로 하여 크랭크케이스로부터 내연 기관의 흡입 트랙트 내로의 연료의 질량 유동을 결정하는 것과 이를 내연 기관의 제어 및 모니터링시에 고려하는 것을 기본 개념으로 하고 있다. 하나의 이점은, 연료의 질량 유동을 고려함으로써, 내연 기관의 작동성을 보다 정밀하게 제어할 수 있게 되고 또 보다 완전하고 정확하게 모니터링할 수 있게 된다는 것이다.
연료의 질량 유동을 결정하기 위해서, 예를 들어, 내연 기관의 작동 파라미터들이 해당 시간적 순간(the time instant in question) 및 윤활제로부터 연료가 증발하지 않는 시간적 순간에 비교된다. 예를 들어, 저온 시동 직후에 낮은 작동 온도에서는 연료 증발이 없거나 적다. 이들 두 시간적 순간에서, 예를 들어, 내연 기관으로의 신선한 공기의 질량 유동 대 연료 공급 장치로부터 내연 기관 내로 계량된 연료의 질량 유동의 비율이 각 경우에 고려된다. 따라서, 람다 팩터(factor)의 1로부터의 또는 미리 규정된 다른 람다 팩터로부터의 동시적인 이탈(deviations)이 고려될 수 있다. 이는 람다 제어 루프의 출력부에서의 레벨 또 는 값들을 비교하는 것 또는 두 개의 특정된 순간들(instants)에서 폐쇄-루프 람다 제어를 위해 사용되는 추가적인 적용 값(adaptation values)을 비교하는 것과 균등하다. 이렇게 연료의 질량 유동을 결정하는 것의 이점은, 내연 기관의 제어 시스템에 의해서 정기적으로 탐지되는 파라미터들만을 또는 이미 존재하는 파라미터들만을 필요로 한다는 것이다.
전술한 방식으로 결정된 연료의 질량 유동은, 내연 기관의 제어 또는 모니터링을 위해 사용되기에 앞서서, 예를 들어, 시간에 걸친 변화를 기초로 하여, 적합성(plausibility)에 대해서 체크될 수 있다. 예를 들어, 크랭크케이스로부터 흡입 트랙트로의 연료의 질량 유동 대 크랭크케이스로부터 흡입 트랙트로의 총 질량 유동의 비율이 서서히만 변화되고 내연 기관의 온도를 함수로 한다는 것을 예상할 수 있을 것이다. 그러한 적합성 체크에 의해서, 엔진 오작동을 나타내는 작동 상태를 단지 연료가 윤활제로부터 증발하고 내연 기관의 연소실 또는 연소실들 내에서 연료-공기 비율을 부화시키는 작동 상태와 구별할 수 있게 된다.
내연 기관의 제어 및/또는 모니터링을 보다 개선하기 위해서, 내연 기관의 윤활제 내에 용해된 연료의 질량 (m(t))은 모델 파라미터에 의해서 표현될 수 있을 것이며, 그러한 모델 파라미터는, 예를 들어, 그램 단위의 또는 다른 단위의 질량(m(t))일 수 있고 또는 임의의 비례 팩터를 이용하여 질량(m(t))에 비례할 수 있다. 모델 파라미터는 예를 들어 내연 기관의 저온 시동을 위한 미리 규정된 초기 값으로 셋팅될 수 있고 또는 각 시동 작동에 대해서 소정 양만큼 증대될 수 있을 것이다. 연소실 벽 상의 윤활제 필름 내의 연료의 응축 및 용해의 온도 의존성을 모델링(modeling)하기 위해서, 이러한 양은 내연 기관의 시동 순간에 얻어지는 온도를 함수로 할 수 있을 것이다. 시동 후에, 크랭크케이스로부터 내연 기관의 흡입 트랙트 내로의 연료의 질량 유동을 함수로 하는 양 만큼 규칙적인 또는 불규칙적인 간격으로 및/또는 측정되는 다른 파라미터에 직접적으로 또는 간접적으로 의존하여, 모델링 파라미터가 감소된다.
전술한 바와 같이 내연 기관의 크랭크케이스로부터 흡입 트랙트로의 연료의 질량 유동을 고려함으로써, 윤활제로부터의 연료의 가스배출(outgassing) 또는 배출의 종료(end)를 보다 정확하게 결정할 수 있게 된다. 윤활제로부터의 연료의 가스배출의 종료를 결정한 후에, 제어 파라미터가 변화될 수 있고, 그에 따라 엔진 작동성의 모니터링이 개시되거나 작동성 모니터링을 위해서 이용되는 내연 기관으로 공급되는 연료 대 내연 기관으로 공급되는 신선 공기의 비율의 허용가능한 범위가 감소될 수 있다.
이하에서는, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예들에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 실린더(12) 내의 연소실(11)을 가지는 내연 기관(10)을 도시한 도면이다. 연소실(11)은 일 측부(도 1에서는 하부로 도시됨)가 피스톤(13)에 의해서 밀봉된다. 피스톤(13)은 커넥팅 로드(14)를 통해서 크랭크케이스(15) 내의 크랭크샤프트(도 1에서 도시 하지 않음)로 연결된다. 내연 기관, 특히 실린더(12) 내에서 이동하는 피스톤(13)은 크랭크케이스(15) 내에 축적된 윤활제(16)에 의해서 윤 활되고 도 1에 도시하지 않은 장치에 의해서 순환되고 여과된다.
내연 기관은 또한 공기 필터(21), 스로틀 밸브(22), 흡입 트랙트(23) 및 상기 크랭크케이스(15)로부터 상기 흡입 트랙트(23)로 연결되는 환기구(24)를 구비한다. 흡입 트랙트(23)는 캠샤프트(26)에 의해서 제어되는 흡입 밸브(25)를 통해서 연소실(11)로 연결된다. 또한, 내연 기관(10)의 연소실(11) 상부에는 연료 분사 밸브(27) 및 스파크 플러그(28)가 배치된다. 연료 분사 밸브(27)는 흡입 트랙트(23) 상에 즉, 흡입 트랙트(23)의 상류에 교호적으로 배치될 수 있고, 또는 캬뷰레이터 또는 다른 연료 공급 장치에 의해서 대체될 수 있다. 디젤 엔진의 경우에, 스파크 플러그(28)가 생략될 수 있다.
내연 기관(10)의 연소실(11)은 또한 캠샤프트(32)에 의해서 제어되는 배기 밸브(31)를 통해서 배기 트랙트(33)에 연결된다. 하나 이상의 촉매 변환기(34) 또는 내연 기관(10)의 배기 기스를 여과 및 컨디셔닝(conditioning)하기 위한 기타 장치가 배기 트랙트(33) 내에 배치될 수 있다.
내연 기관(10)은 제어부(40)에 연결되며, 그러한 제어부는 내연 기관(10)의 일체형 부분으로서 간주될 수 있을 것이다. 제어부(40)는 프로그램 메모리(42) 및 값 메모리(43)에 연결된 프로세서(41)를 포함한다. 프로세서(41), 프로그램 메모리(42) 및 값 메모리(43)는 각각 하나 이상의 미세 전자 부품을 포함할 수 있다. 그 대신에, 프로세서(41), 프로그램 메모리(42) 및 값 메모리(43)가 미세 전자 부품에 부분적으로 또는 전체적으로 통합될 수도 있을 것이다. 프로그램 메모리(42)는 이하에서 설명하는 방법들 중 하나를 제어하기 위한 소프트웨어 또는 펌웨어 형 태의 프로그램을 포함할 수 있다. 프로세서(41), 프로그램 메모리(42) 및 값 메모리(43) 대신에, 제어부(40)는 이하에서 설명하는 방법들 중 하나를 제어하도록 디자인된 하나 이상의 구분되어(discretely) 배치된 또는 통합형 아날로그 또는 디지털 회로를 가질 수 있다.
제어부(40)는 라인들을 통해서 온도 센서(51), 질량 공기 유동 센서(52), 엔진 속도 센서(53), 람다 센서(54, 55), 주변 온도 센서(56), 연료 분사 밸브(27), 스파크 플러그(28), 및 선택적으로 다른 센서들 또는 액츄에이터들 그리고 내연 기관(10)의 다른 장치들에 연결된다. 온도 센서(51)는, 통상적으로 냉매 순환 시스템 내에서, 실린더 헤드 상에서 또는 윤활제 순환 시스템 내에서, 관련 온도를 측정하도록 내연 기관(10)에 배치된다. 질량 공기 유동 센서(52)는 공기 필터(21)로부터 스로틀 밸브(22)를 통해서 흡입 트랙트(23) 내로 유동하는 신선한 공기의 질량 유동을 탐지한다. 그 대신에, 상기 질량 공기 유동 센서(52)는 스로틀 밸브(22)의 상류에 배치될 수 있고 또는 환기구(24)가 흡입 트랙트(23) 내로 유입되는 지점의 하류에 배치될 수도 있다. 후자의 경우에, 이하에서 설명하는 방정식은 은 그에 따라서 변경될 수 있을 것이다.
질량 공기 유동 센서(52) 대신에, 흡입 트랙트(23) 내의 압력 또는 주변 압력을 측정하는 압력 센서가 제공될 수 있다. 이러한 경우에, 신선한 공기의 질량 유동은 내연 기관(10)의 압력 및 속도로부터 (또한, 다른 작동 파라미터들로부터) 계산되거나 엔진 맵(map) 또는 참조 테이블(look-up table)에 의해서 결정된다. 속도 센서(53)는 엔진 속도를 측정하고 이러한 목적에 맞춰서, 예를 들어 내연 기 관(10)의 플라이휘일 상에 또는 캠샤프트(26) 상에 배치된다. 람다 센서(54, 55)는 예를 들어 배기 트랙트(33) 내의 촉매 변환기(34)의 상류 또는 하류에 배치된다. 주변 온도 센서(56)는, 예를 들어, 내연 기관(10) 또는 다른 장치에 의해서 발생되는 열에 의해서 영향을 받지 않는 상태에서 주변 분위기의 온도를 측정하도록 배치된다. 그 대신에, 주변 온도 센서(56) 또는 다른 온도 센서가 공기 센서(21) 상에 또는 흡입 트랙트(23) 내에 배치되어, 신선한 흡입 공기의 온도를 측정하게 할 수 있을 것이다. 도 1에 도시된 센서들(51, 52, 53, 54, 55, 56)에 더하여 또는 그 대신에 추가적인 센서들이 내연 기관(10)에 배치될 수 있을 것이다.
도 1에 도시된 내연 기관 또는 다른 내연 기관은 도 2를 참조하여 이하에서 설명하는 방법들 중 하나를 이용하여 작동될 수 있을 것이다. 이러한 방법은, 예를 들어, 제어부(40)에 의해서 제어될 수 있다. 이하에서 제시하는 수학적 모델 및 방정식들은 방법들의 다른 변형예들에 대해서도 이용될 수 있을 것이다.
연료(
Figure 112008067778771-PAT00001
)의 미리 규정된 질량 유동의 완전 연소를 위해서, 즉 대기중 산소와 연료의 완전한 반응을 위해서, 질량 공기 유동(
Figure 112008067778771-PAT00002
)이 필요하며, 이때 k는 연료의 조성에 따라 달라지는 화학량론적 팩터이다. 질량 공기 유동(
Figure 112008067778771-PAT00003
)을 실제로 이용 가능하게 한다. 실제 이용가능한 질량 공기 유동(
Figure 112008067778771-PAT00004
) 대 완전 연소에 필요한 공기의 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00005
)의 비율을 람다 팩터 또는 화학량론적 비율(λ)이라고 한다.
Figure 112008067778771-PAT00006
크랭크케이스로부터 환기구를 통한 흡입 트랙트로의 배기가 이루어지는 피스톤 엔진의 경우에, 연소실 또는 연소실들 내로의 공기의 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00007
)은 둘 이상의 기여부분(contribution)을 포함한다(즉,
Figure 112008067778771-PAT00008
). 보다 큰 기여부분(
Figure 112008067778771-PAT00009
)은 주변 즉, 예를 들어 공기 필터를 통해서 흡입되는 신선 공기이다. 보다 작은 기여부분(
Figure 112008067778771-PAT00010
)은 내연 기관의 크랭크케이스로부터 유래되며 내연 기관의 흡입 트랙트 내로 공급된다.
연료의 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00011
) 역시 둘 이상의 기여부분을 포함한다(즉,
Figure 112008067778771-PAT00012
). 보다 큰 기여부분(
Figure 112008067778771-PAT00013
)은 연료 분사 장치 또는 다른 연료 공급 장치에 의해서 흡입 트랙트 내로 도입되는 또는 직접적으로 연소실 또는 연소실들로 도입되는 것이다. 보다 작은 기여부분(
Figure 112008067778771-PAT00014
)은 내연 기관의 크랭크케이스로부터 오는 것이다. 특히, 낮은 작동 온도에서, 연료는 연소실(들)의 벽 또는 벽들에서 응축되며 그곳에서 오일 내로 용해된다. 특히 보다 높은 또는 높은 작동 온도에서, 오일에 용해된 연료가 다시 증발되고 연소실이나 연소실들 내로 직접 전달되거나 크랭크케이스 및 크랭크케이스 환기구를 통해서 내연 기관의 흡입 트랙트 내로 전달된다.
그에 따라, 완전한 람다 팩터는 다음과 같다.
Figure 112008067778771-PAT00015
그러나, 방정식 2는 오일로부터 증발되는 연료가 연료 공급부로부터 공급된 새로운(fresh; 신선한) 연료와 상이한 온도-의존성 및 시간-의존성 조성을 가진다는 사실을 고려하지 않은 것이다. 이렇게 오일로부터 증발되는 연료의 상이한 조성은, 예를 들어, 교정된 온도-의존성 및 시간-의존성 화학량론적 팩터(k'(T,t)s 를 이용하여 고려사항에 포함시킬 수 있을 것이다.
Figure 112008067778771-PAT00016
오일로 유입되는 연료 및 오일로부터 배출되는 연료를 무시하면(
Figure 112008067778771-PAT00017
), 람다 팩터는 다음 식과 같아진다.
Figure 112008067778771-PAT00018
수학식 (4)는, 연료가 윤활제로부터 증발되는 속도가 온도-의존적인 비율로서, 예를 들어 저온 작동 온도에서 적용된다. 수학식 (4)는 또한 정상 작동 온도에서의 보다 긴 작동 후에 적용된다. 정상 작동 온도에서, 연료가 연소실 벽들 상에 거의 또는 전혀 응축되지 않으며, 오일로 유입되는 연료는 무시될 수 있을 것이 다. 보다 긴 작동 후에, 윤활 오일 내에 이전에 용해되었던 연료가 다시 완전히(거의) 증발되고, 윤활 오일로부터 배출되는 연료는 무시될 수 있을 것이다.
낮은 작동 온도에서 측정되고 그에 따라 윤활제로부터의 연료 배출이 최소화된 람다 팩터(λ0) 및 보다 높은 온도에서 측정된 람다 팩터(λ)는 서로 관련되어 셋팅될 수 있다. 수학식(4)를 수학식(2)로 나누면, 다음 식이 얻어진다.
Figure 112008067778771-PAT00019
수학식(4)을
Figure 112008067778771-PAT00020
에 대해서 풀면, 다음 식이 얻어진다.
Figure 112008067778771-PAT00021
람다 팩터(λ)는 람다 센서에 의해서 얻어지는 측정 값이다. 신선한 공기의 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00022
)은 질량 공기 유동 센서에 의해서 얻어지는 측정 값이거나 내연 기관의 엔진 속도 및 대기압 또는 기타 작동 파라미터들로부터 결정된다. 크랭크케이스로부터의 공기의 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00023
)은 다양한 작동 파라미터에 따라 달라지며 그러한 파라미터들로부터 계산될 수 있고 또는 참조 테이블 또는 엔진 맵에 의해서 결정될 수 있다.
연료 공급부로부터의 연료의 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00024
)은 연료 공급 장치에 대해 특정된 셋포인트 값(setpoint value) 또는 연료 공급 장치의 조작된 변수(manipulated variable)이다. 오일로부터 배출되는 연료의 조성에 대한 화학량론적 팩터(ks)의 의존도는 양호한 개산(槪算)까지(good approximation) 일정한 것으로 가정된다. 이는, 연료의 배출(블로우-바이)(
Figure 112008067778771-PAT00025
)이 다음 수학식으로 계산될 수 있게 한다.
Figure 112008067778771-PAT00026
크랭크케이스로부터 흡입 트랙트로의 전체 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00027
) 에서의 연료 농도(
Figure 112008067778771-PAT00028
)는 다음 수학식에 따라 계산될 수 있다.
Figure 112008067778771-PAT00029
이때, 람다(λsp)는 폐쇄-루프 람다 제어부에 대해 특정된 셋포인트 값이고, λm e as 는 실제로 측정된 람다 팩터이고, ΔLC 는 윤활제로부터 연료의 가스배출이 없는 시간에 대한 윤활제로부터의 연료의 가스배출이 있는 시간에서의 람다 제어부의 조작된 변수의 이탈을 나타낸다.
시간적 순간(time instant; t)에서 오일에 용해된 연료의 질량은 다음 수학식과 같으며,
Figure 112008067778771-PAT00030
또는 불연속적인 시간적 순간(ti)에서만 계산하면 다음 식과 같다.
Figure 112008067778771-PAT00031
계산은 정해진 시간(
Figure 112008067778771-PAT00032
Figure 112008067778771-PAT00033
)으로 반복될 수 있고, 또는 가변적인 시간(
Figure 112008067778771-PAT00034
)으로 반복될 수 있다.
크랭크케이스로부터 흡입 트랙트로의 질량 유동은 엔진 속도가 높아짐에 따라서 감소되고, 다시 말해 공회전 중일 때 가장 높다. 연료 공급 장치로부터의 연료의 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00035
) 및 신선한 공기의 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00036
) 모두는 공회전 중일 때 가장 낮다 . 그에 따라, 크랭크케이스로부터의 연료의 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00037
)은 공회전시에 보다 정밀하게 결정될 수 있다(수학식 7). 크랭크케이스로부터의 연료의 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00038
)을 결정하는 것은 엔진 속도 및 로드가 증대될수록 부정확해진다.
이하에서 설명하는 방법의 변형 실시예에서, 크랭크케이스로부터의 연료의 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00039
)은 수학식(7)에 따라서 미리 정해진 작동 상태에서만, 예를 들어 공회전 또는 낮은 로드 및 느린 엔진 속도에서만 결정된다. 보다 높은 속도에 서, 크랭크케이스로부터의 연료의 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00040
)은 전체 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00041
)에서의 연료의 농도(
Figure 112008067778771-PAT00042
)로부터 결정되며, 농도(cBlowBy)가 시간에 걸쳐서 단지 서서히 변화되는 것으로 추정된다.
이러한 개산(approximation)에서, 내연 기관이 미리 정해진 작동 상태에 있는 제 1 시간적 순간과 내연 기관이 미리 정해진 작동 상태에 있지 않는 제 2 시간적 순간 사이의 구별이 유도된다. 제 1 순간에서, 연료의 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00043
)은, 예를 들어 수학식(7)에 의해서, 내연 기관의 작동 파라미터로부터 결정된다. 제 2 시간적 순간에서, 연료의 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00044
)은 다음의 수학식(11)을 이용하여 결정되며,
Figure 112008067778771-PAT00045
이때, 가장 최근의 제 1 시간적 순간에서 결정된 값이 전체 질량 유동에서의 연료의 농도(cBlowBy)로서 사용된다.
예를 들어 도 1을 참조하여 전술한 바와 같은 내연 기관을 위한 방법에 대해서 도 2를 참조하여 설명한다. 수학적 모델링 및 상기 수학식들이 이러한 방법의 여러 변형 실시예에 대해 사용될 수 있을 것이다. 이하의 설명에서, 도 1로부터의 참조 부호는 단지 도 2를 참조하여 설명되는 방법 및 그 변형 실시예의 이해를 돕기 위해 사용된 것이다.
내연 기관(10)의 시동에 의해서 개시 또는 시작될 때, 제 1 단계(101)에서 모델 파라미터가 미리 정해진 초기 값으로 셋팅된다. 도 1을 참조하여 설명한 제어부(40)의 경우에, 모델 파라미터는 예를 들어 값 메모리(43) 내에서 유지된다. 미리 정해진 초기 값은 시동시의 내연 기관의 온도에 따라 달라질 수 있다. 냉매의 온도, 윤활제의 온도 또는 실린더 헤드의 온도는, 예를 들어, 이러한 목적을 위해서 내연 기관(10)의 관련 온도로서 사용될 수 있을 것이다. 모델 파라미터의 셋팅은 연소실(11)의 내측 벽 상의 저온 윤활제 필름에서 응축되고 윤활제 필름 내로 용해되는 연료의 양이 윤활제 필름의 온도에 따라 달라진다는 사실을 모사(replicate)하거나 또는 수학적으로 모델링한다.
그 대신에, 내연 기관(10)이 시동되는 각각의 시간마다, 모델 파라미터가 미리 정해진 일정한 양 만큼 또는 시동시의 내연 기관의 온도에 따라 달라지는 미리 정해진 양 만큼 증대된다. 이러한 목적을 위해서, 내연 기관(10)이 작동 중지될 때, 모델 파라미터 역시 다음 시동시까지 저장된다. 이는, 이전 시동으로부터의 연료가 내연 기관(10)의 윤활제 내에 용해될 것이라는 사실을 모델링한 것이다.
단계(102)에서, 내연 기관(10)의 하나 이상의 작동 파라미터가 측정된다. 도 1을 참조하여 전술한 내연 기관(10)의 경우에, 작동 파라미터 또는 파라미터들은, 예를 들어 센서(51, 52, 53, 54, 55, 56) 중 하나 이상에 의해서 측정된다. 제 2 단계(102)에서 측정될 수 있는 작동 파라미터는, 특히 속도 센서(53)에 의해서 측정되는 내연 기관(10)의 rpm, 질량 공기 유동 센서(52)에 의해서 측정되는 신 선한 공기의 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00046
), 내연 기관(10)의 연료 분사 장치 또는 다른 연료 공급 장치에 의해서 계량되는 연료의 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00047
), 온도 센서(51)에 의해서 측정되는 내연 기관(10)의 온도, 주변 온도 센서(56)에 의해서 측정되는 주변 온도, 시동 전에 내연 기관(10)의 흡입 트랙트(23) 내의 압력 센서에 의해서 또는 대기압 센서(도 1에 도시되지 않음)에 의해서 측정된 대기압, 그리고 하나 이상의 람다 센서(54, 55)에 의해서 획득된 람다 팩터들을 포함한다.
제 3 단계(103)에서, 내연 기관(10)의 크랭크케이스(15) 흡입 트랙트(23)로의 연료의 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00048
)이 단계(102)에서 측정된 작동 파라미터를 함수로 하여 결정된다. 예를 들어, 수학식(6) 및 수학식(7)이 이러한 목적에 이용될 수 있으며, 수학적 모델링 또는 엔진 맵 또는 참조 테이블에 의해서 엔진 속도 및 내연 기관(10)의 다른 작동 파라미터로부터 크랭크케이스(15)에서 환기구(24)를 거쳐 흡입 트랙트(23)로의 공기 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00049
)을 획득할 수 있을 것이다.
제 4 단계(104)에서, 크랭크케이스(15)로부터 흡입 트랙트(23)로의 결정된 연료 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00050
)에 대한 적합성을 체크한다. 예를 들어, 가솔린 엔진의 엔진 오일로부터 연료의 가스배출은 통상적으로 65℃ 또는 70℃의 온도로부터만 관찰되며, 높은 온도에서 온도-의존적이나, 엔진 속도 및 로드가 일정하다면 매우 느리게 변화된다. 또한, 전체 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00051
)에서 윤활제의 연료 증발의 농도(
Figure 112008067778771-PAT00052
)는 엔진 속도 및 로드에 단지 약하게 의존적이며 시간을 함수로 하여 서서히 변화된다.
전체 질량 유동에서 연료의 농도가 약하게만 변화된다는 후자의 가정에서, 전술한 바와 같이, 내연 기관이 미리 정해진 작동 상태에 있는 제 1 시간적 순간과 내연 기관이 미리 정해진 작동 상태에 있지 않는 제 2 시간적 순간 사이의 구분이 유도될 수 있다. 전술한 바와 같이, 제 2 시간적 순간에서의 연료의 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00053
)은 수학식(11)을 이용하여 결정될 수 있으며, 가장 최근의 제 1 시간적 간격에 대해 결정된 값을 전체 질량 유동내의 연료의 농도(cBlowBy)로서 이용할 수 있을 것이다. 그 대신에, 상기 농도(cBlowBy)가 서서히 감소된다는 가정하에서 가장 최근의 제 1 시간적 순간으로부터 이러한 값이 외삽(extrapolated)된다.
내연 기관(10)의 제어부(40)는 개방- 및 폐쇄-루프 방식으로 동시에 조작 변수들을 제어할 수 있다. 이러한 목적을 위해서, 개방-루프 제어부 또는 제어 로직 시스템의 출력이 폐쇄-루프 제어부 또는 제어 로직 시스템의 출력과 중첩(superimposed)(부가적으로 또는 증가적으로(additively or multiplicatively)될 수 있다. 이러한 경우에, 개방-루프 제어 부분은 사전제어(precontrol)이라 한다. 개방-루프 제어부가 기초로 하는 수학적 모델링이 내연 기관(10)의 거동을 모다 정확하게 모델링할수록, 폐쇄-루프 부분은 보다 더 적어진다. 개방-루프 제어부가 기초로 하는 모델의 파라미터들은, 제 3 단계에서 결정된 연료의 질량 유동을 함수로 하여 제 5 단계(105)에서 셋팅될 수 있고 그리고 제 4 단계(104)에서 적합성에 대해서 체크될 수 있다.
제 6 단계(106)에서, 모델 파라미터가 제 2 단계(102)에서 측정된 작동 파라미터들 및/또는 제 3 단계(103)에서 결정된 연료의 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00054
)에 따라서 달라지는 양 만큼 감소되며, 그에 따라 환기구(24)를 통한 배출 및 제거 또는 증발로 인해서 내연 기관의 윤활제 내에 용해된 연료의 질량의 감소를 모델링 또는 모사한다.
제 7 단계(107)에서, 연료 공급 장치에 의해서 내연 기관(10)으로 공급된 연료의 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00055
) 대 내연 기관으로 공급된 신선한 공기의 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00056
)의 연료 비율의 허용가능한 범위는 단계(103)에서 결정된 연료의 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00057
)의 함수로서 규정된다. 그 대신에, 허용가능한 범위는 내연 기관(10)의 다른 작동 파라미터를 함수로 하여, 예를 들어 모델 파라미터 세트 및 내연 기관(10)의 온도를 함수로 하여 확인될 수 있고 또는 제 1 단계(101)에서 증대되고 제 6 단계(106)에서 감소된다.
제 8 단계(108)에서, 실제의 즉각적인 연료-공기 비율이 결정된다. 도 1을 참조하여 전술한 내연 기관의 경우에, 이러한 목적을 위해서 질량 공기 유동 센서(52)에 의해서 측정된 신선 공기의 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00058
) 대 연료 분사 밸브(27)를 통해서 내연 기관(10)으로 계량공급된 연료의 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00059
)의 비율을 취한다.
제 9 단계(109)에서, 제 8 단계(108)에서 결정된 연료-공기 비율을 제 7 단 계(107)에서 결정된 허용가능한 범위와 비교함으로써, 내연 기관의 작동성 또는 오작동을 확인한다. 특히, 제 8 단계(108)에서 결정된 연료-공기 비츌이 제 7 단계(107)에서 결정된 허용가능한 범위로부터 벗어난다면, 이는 연료 공급 장치, 질량 공기 유동 센서(52) 또는 람다 프로브(54, 55)의 오작동을 나타낸다.
제 2 단계(102), 제 3 단계(103), 제 4 단계(104), 제 5 단계(105), 제 6 단계(106), 제 7 단계(107), 제 8 단계(108) 및 제 9 단계(109)는 주기적으로 또는 임의 시점에 반복된다.
제 10 단계(110)에서, 윤활제로부터의 연료 배출의 종료가 결정된다. 연료의 배출 또는 가스배출의 종료는, 예를 들어, 모델 파라미터가 더이상 양의 값을 나타내지 않는다는 사실 또는 제 3 단계(103)에서 결정되는 크랭크케이스(15)로부터 흡입 트랙트(23)내로의 연료의 질량 유동(
Figure 112008067778771-PAT00060
)가 '0'의 값을 가지거나 미리 정해진 기준치(threshold) 보다 작은 추정되는 사실로부터, 탐지될 수 있다. 또한, 내연 기관(10)의 마지막 시동 후에 미리 정해진 시간이 경과하는 경우에, 내연 기관의 윤활제로부터의 연료 배출 또는 가스배출이 종료된 것으로 결정될 수 있을 것이다.
제 10 단계(110)에서 탐지된 또는 결정된 연료 배출의 종료 후에, 제 7 단계(107)에서 이미 규정된 연료-공기 비율의 허용가능한 범위가, 제 11 단계(111)에서, 내연 기관(10)의 작동 파라미터에 따라서 달라질 수 있는 미리 정해진 값으로 감소된다. 이는, 내연 기관의 작동성의 후속 체크를 위해서 보다 엄격한 요건이 셋팅될 수 있다는 것을 의미한다.
도 2를 참조하여 앞서서 설명한 방법의 변형 실시예의 경우에, 다양한 단계들이 생략될 수 있다. 예를 들어, 제 1 단계(101) 및 제 6 단계(106) 에서의 모델 파라미터에 의한 윤활제 내에 용해된 연료의 질량(m(t))의 수학적 모델링은 생략될 수 있을 것이다. 그 대신에, 제 4 단계(104)에서의 적합성 체크가 생략될 수도 있다.
도 1을 참조하여 앞서서 설명한 제어 시스템 및 도 2를 참조하여 전술한 방법 그리고 그 변형 실시예들은 모든 타입의 연료 및 엔진에 대해서 이용될 수 있을 것이다. 상기 방법은, 예를 들면, 에탄올의 높은 끓는 점으로 인해서 저온 연소실 벽에 특히 응축하기가 쉽기 때문에, 가솔린 함유 에탄올의 경우에 특히 유리하다.
도 1은 내연 기관을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 내연 기관의 작동 방법을 위한 흐름도이다.

Claims (19)

  1. 크랭크케이스(15)의 흡입 트랙트(23)로의 환기구(24)를 통해서 배기되는 내연 기관(10)을 작동하기 위한 방법으로서:
    상기 내연 기관(10)의 작동 파라미터를 측정하는 단계(102);
    상기 측정된 작동 파라미터에 따라서 상기 크랭크케이스(15)로부터 상기 흡입 트랙트(23)로의 연료의 질량 유동을 결정하는 단계(103);
    상기 크랭크케이스(15)로부터 상기 흡입 트랙트(23)로의 연료의 질량 유동에 따라서 상기 내연 기관(10)을 제어하는 단계(105) 또는 모니터링하는 단계(108)를 포함하는
    내연 기관 작동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    결정된 연료의 질량 유동에 따라서, 상기 내연 기관(10)으로 공급되는 연료와 상기 내연 기관(10)으로 공급되는 신선한 공기 사이의 연료-공기 비율의 허용가능한 범위를 규정하는 단계(107);
    상기 연료-공기 비율을 결정하는 단계(108);
    상기 결정된 연료-공기 비율이 상기 허용가능한 범위 내에 있는지의 여부에 따라서 상기 내연 기관(10)의 작동성 또는 오작동을 확인하는 단계(109)를 더 포함 하는
    내연 기관 작동 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 결정된 연료의 질량 유동의 적합성을 체크하는 단계(104);
    상기 결정된 연료의 질량 유동의 적합성에 따라서 상기 내연 기관(10)의 작동성을 확인하는 단계(109)를 더 포함하는
    내연 기관 작동 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 결정된 연료의 질량 유동의 적합성은 결정된 연료의 질량 유동의 시간 경과에 따른 변화를 기초로 체크되는(104)
    내연 기관 작동 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정된 연료의 질량 유동에 따라서 상기 내연 기관(10)의 사전제어 파라미터를 셋팅하는 단계(105)를 더 포함하는
    내연 기관 작동 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    시동시에, 상기 내연 기관(10)의 윤활제(16)에 용해된 연료의 질량을 나타내는 모델 파라미터를 증대시키는 단계(101);
    상기 내연 기관(10)의 작동 중에 상기 모델 파라미터를 감소시키는 단계(106)를 더 포함하는
    내연 기관 작동 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 모델 파라미터는 한번 이상의 시간적 순간에 측정된 내연 기관(10)의 온도에 따른 양 만큼 시동시에 증대되는(101)
    내연 기관 작동 방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 모델 파라미터는 내연 기관(10)의 온도의 시간에 걸친 변화에 따라 달라지는 양만큼 시동시에 증대되는(101)
    내연 기관 작동 방법.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모델 파라미터는 미리 정해진 시간 간격 내에서 또는 내연 기관(10)의 미리 정해진 작동 온도가 얻어질 때까지 분사되는 연료의 질량에 따른 양 만큼 시동시에 증대되는(101)
    내연 기관 작동 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내연 기관(10)의 윤활제에 용해된 연료의 질량을 나타내는 모델 파라미터를 시동시에 미리 정해진 초기 값으로 셋팅하는 단계(101);
    상기 내연 기관(10)의 작동 중에 모델 파라미터를 감소시키는 단계(106)를 더 포함하는
    내연 기관 작동 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 미리 정해진 초기 값은 시동시의 내연 기관(10)의 온도에 따라 달라지 는
    내연 기관 작동 방법.
  12. 제 6 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내연 기관(10)의 작동 중에, 상기 모델 파라미터는 각각의 시간적인 순간에 측정된 작동 파라미터들에 따른 양 만큼 다수의 시간적인 순간들에서 감소되는(106)
    내연 기관 작동 방법.
  13. 제 6 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내연 기관(10)의 작동 중에, 상기 모델 파라미터는 각각의 시간적인 순간에 측정된 작동 파라미터들에 따라 결정된 연료의 질량 유동에 따른 양 만큼 다수의 시간적인 순간들에서 감소되는(106)
    내연 기관 작동 방법.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 내연 기관(10)이 미리 정해진 작동 상태에 있는 제 1 시간적 순간과 상 기 내연 기관(10)이 미리 정해진 작동 상태에 있지 않는 제 2 시간적 순간 사이의 구별이 얻어지며,
    제 1 시간적 순간에서, 상기 감소 양은 각각의 제 1 시간적 순간에서 측정된 작동 파라미터에 따라 결정되고,
    제 2 시간적 순간에서, 상기 감소 양은 상기 내연 기관(10)의 작동 파라미터 및 상기 크랭크케이스 환기구 내의 연료 농도에 따라서 결정되며,
    상기 연료 농도는 가장 최근의 시간적 순간에 측정된 작동 파라미터에 따라 결정되는
    내연 기관 작동 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내연 기관(10)의 윤활제로부터의 연료 배출의 종료를 결정하는 단계(110);
    상기 배출의 종료 후에 상기 내연 기관(10)의 작동성 또는 오작동을 확인하는 단계를 더 포함하는
    내연 기관 작동 방법.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내연 기관(10)의 윤활제로부터의 연료 배출의 종료를 결정하는 단계(110);
    상기 배출의 종료 후에, 상기 내연 기관(10)으로 공급되는 연료 대 상기 내연 기관으로 공급되는 신선한 공기의 비율의 허용가능한 범위를 감소시키는 단계를 더 포함하며,
    상기 내연 기관(10)으로 공급되는 연료 대 상기 내연 기관(10)으로 공급되는 신선한 공기의 비율을 상기 허용가능한 범위와 비교함으로써, 상기 내연 기관(10)의 작동성이 모니터링되는
    내연 기관 작동 방법.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 내연 기관 작동 방법을 제어하기 위한 명령어들을 가지는 프로그램.
  18. 제 17 항에 따른 프로그램을 이용하여, 내연 기관(10)의 작동성을 제어 및/또는 모니터링하기 위한 장치(40).
  19. 내연 기관(10)의 작동성을 제어 및/또는 모니터링하기 위한 장치(40)로서,
    상기 장치(40)가 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 방법의 실행을 위해서 디자인된
    내연 기관의 작동성을 제어 및/또는 모니터링하기 위한 장치.
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