KR920000993B1 - 내연기관의 제어장치 - Google Patents

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KR920000993B1
KR920000993B1 KR1019880011291A KR880011291A KR920000993B1 KR 920000993 B1 KR920000993 B1 KR 920000993B1 KR 1019880011291 A KR1019880011291 A KR 1019880011291A KR 880011291 A KR880011291 A KR 880011291A KR 920000993 B1 KR920000993 B1 KR 920000993B1
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사도루 오구보
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미쓰비시전기 주식회사
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Abstract

내용 없음.

Description

내연기관의 제어장치
제1도는 이 발명의 한 실시예에 의한 내연기관 제어장치의 구성도.
제2a도는 동상 실시예에서 압력센서의 일례를 표시하는 평면도.
제2b도는 제2a도의 X-X선에 따른 단면도.
제3도는 동상 압력센서의 설치상태를 일부 단면으로 표시하는 정면도.
제4도는 동상 실시예의 연산 처리를 표시하는 플로챠트.
제5도는 동상 실시예를 설명하기 위한 공인비 변화시의 실린더내 압력과 크랭크각의 특성도.
제6도는 동상 실시예를 설명하기 위한 최고 연소온도와 NOx 농도의 특성도.
제7도는 동상 실시예를 설명하기 위한 공인비와 NOx 농도의 특성도.
제8도는 동상 실시예의 다른 연산처리예를 표시하는 플로챠트.
제9도는 동상 실시예의 또 다른 연산처리예를 표시하는 플로챠트.
제10도는 제9도를 설명하기 위한 점화시기와 NOx 농도의 특성도.
제11도는 이 발명의 다른 실시예에 의한 내연기관 제어장치의 구성도.
제12도는 동상 실시예에서 기관이 냉각수온에 대한 고부하 보정계수의 특성도.
제13도는 동상 실시예에서 연산내용과 센서류의 관계도.
제14도는 동상 실시예에서 연료분사 종료시기와 토크변동과 NOx 농도의 특성도.
제15a도 및 제15b도는 각각 동상 실시예에 대한 제어장치의 연산을 표시하는 플로챠트.
제16도는 동상 실시예를 설명하기 위한 크랭크각과 실린더내 압력의 특성도.
제17도는 동상 실시예를 설명하기 위한 실린더내 최고압력이 발생하는 크랭크각 위치의 표준편차 δθ와 도시평균 유효압의 표준편차 δp1의 특성도.
제18도는 종래의 공인비 제어장치를 표시하는 구성도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 공기청정기 2 : 흡기량계
3 : 드로틀밸브 4 : 흡기매니폴드
5 : 실린더 6 : 수온센서
7 : 크랭크각센서 8 : 배기매니폴드
9 : 배기센서 10 : 연료분사밸브
11 : 점화플러그 13 : 입력센서
15 : 제어장치 16 : 배전기
17 : 배기가스온도센서, 그리고 도면중 동일부호는 동일 또는 상당부분을 표시한다.
이 발명은 냉련기관에 공급하는 혼합기의 공인비와 점화시기와 연료분사시기중 적어도 어느 한쪽을 제어하는 내연기관의 제어장치에 관한 것이다.
제18도는 예를들면 일본 특개소 58-2443호 공보에 표시된 종래의 공연비 제어장치를 표시하는 구성도이며, 제18도에서, 1은 공기청정기, 2는 흡입공기량을 계측하는 흡기량계, 3은 드로틀밸브, 4는 흡기매니폴드, 5는 실린더, 6은 기관의 냉각수온을 검출하는 수온센서, 8은 배기매니폴드, 9는 배기가스 성분농도(예를들면 산소농도)를 검출하는 배기센서, 10은 연료분사밸브, 11은 점화플러그, 15는 공연비 제어장치, 17은 배기가스온도센서이다.
이어 동작에 관하여 설명한다.
공연비 제어장치(15)는 배기가스온도센서(17)에 의한 배기가스 온도신호 S7가 소정치 이하의 경우에는 흡기량제(2)에서 입력되는 흡입공기량신호 S1, 수온센서(6)에서 입력되는 수온신호 S3(도시생략) 및 배기센서(9)에서 입력되는 배기신호 S4등에 의하여 연료분사신호 S5를 출력하고, 연료분사밸브(10)를 구동하는 공연비 피드백제어를 행한다.
한편 배기가스센서(17)에 의하여 검출되는 배기가스온도가 소정치 이상의 고온역이 되면은 공연비 제어장치(15)는 피드백제어를 중지하고, 공연비를 이른 공연비보다도 적은 공연비(농후측)로 제어하며 이상연소를 방지하는 동시에 촉매의 열손상을 억제한다.
또 종래의 다른예로서 연료분사장치가 달린 내연기관에 있어서 일본 특개소 56-148638호 공보에 기재되어 있는 내연기관의 연료분사제어방법과 같이 연소실내의 혼합기의 착화특성이나 연료소비율을 향상시키기 위하여 기관회전수가 변화하여도 항상 흡기밸브가 폐로 크랭크각보다도 일정크랭크각이전에 연료분사를 종료시키도록 제어하는 장치가 일반적으로 알려져 있다.
한편 기관의 사양, 연료분사밸브의 위치, 흡기밸브의 위치 및 형상, 부연소실의 유무등에 의하여 기관의 최적연료분사시기가 각각 상이한 것이 실험적으로 밝혀져 있다.
종래의 공연비 제어장치는 이상과 같이 구성되고 있으므로 배기가스온도에서 간접적으로 실린더내 연소온도를 예측하기 때문에 예측정도가 나쁘고, 또 온도측정속도가 느리기 때문에 고연비제어정도가 약화하며 NOx 발생량의 증대에 대하여 사전에 충분히 대처할 수 없다는 등의 문제점이 있었다.
또 종래의 내연기관의 연료분사시기 제어방법과 같이 연료분사의 분사종료시기를 항상 소정의 크랭크각에 일치시킨 경우 사용기관에 따라서는 그 연료분사시기가 반드시 최적분사시기가 되지 못하며 그 결과 연소안정성, 기관출력, 배기가스특성등에 관하여 그 기관이 본래 갖고 있는 성능을 충분히 발휘시킬수 없다는 문제점이 있었다. 이 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로서, NOx 발생량 억제의 요구에 의하여 연소온도를 운전상태에 따른 소정치 이하로 제어하는 내연기관의 모든 운전상태에 있어서, 항상 배기가스중의 NOx 농도의 이상증가를 방지할 수 있는 내연기관의 제어장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
또한 이 발명은 배기가스중의 NOx 농도를 규정치 이하의 소정치에 억제하는 동시에 토크변동을 가능한한 축소시킬 수 있는 내연기관의 제어장치를 얻는 것을 목적으로 한다. 이 발명에 의한 내연기관의 제어장치는 1회의 점화사이클내에서의 실린더내 압력의 최대치 Pmax와 이 최대치 Pmax가 발생한 N점에서 크랭크각 θPmax를 검출하여 최대치 Pmax와 크랭크각 θPmax를 사용하여 실린더내 온도 TPmax를 산출하고 그 수치에 기준하여 공연비 또는 점화시기중 적어도 한쪽을 제어하는 제어장치를 설치한 것이다.
또한 이 발명에 의한 내연기관의 제어장치는 실린더내 압력을 검출하는 검출수단과, 크랭크각을 검출하는 크랭크각 검출수단과, 이 양검출수단의 출력을 입력하는 동시에 소정사이클간의 실린더내 최고가스온도의 평균치 T maxb와, 출력의 변동상황을 나타내는 변동파라미터를 사용하여 연료분사시기를 진각 또는 지각 제어하는 제어장치를 설치한 것이다.
이 발명에 있어서, 제어장치는 실린더내 압력의 최대치 Pmax와 실린더내용적 VPmax와 흡인공기량 Ga를 사용하여 산출한 실린더내 온도 TPmax에 의하여 검지하고 공연비 또는 점화시기중 적어도 어느 한쪽을 제어함으로써 NOx 발생량 증대의 원인이 되는 연소온도의 이상상승을 방지하며 NOx 발생량을 소정치 이하로 제어한다.
또한 이 발명에서 제어장치는 실린더내 압력을 계측함으로서 얻게되는 소정사이클간의 실린더내 최고가스온도의 평균치 T maxb와 출력의 변동상황을 나타내는 변동파라미터를 사용하여 연료분사시기를 진각 또는 지각하도록 제어하고 배기가스중 NOx 농도는 규정치 이하에 억제하며 또한 안정된 기관출력을 얻는다.
다음은 이 발명의 한 실시예를 도면에 의하여 설명한다.
제1도에서, 제18도와 동일부분에는 동일부호를 붙여서 그 구상의 설명을 생략하고 제18도와 다른 부분을 주제로 기술한다. 이 제1도에서, 7은 기관의 회전각도를 검출하는 크랭크각센서이며 예를들면 크랭크각의 기준위치마다(4기통기관에서는 180도마다, 6기통기관에서는 120도마다) 기준위치 펄스를 출력하고 또 단위각도마다(예를들면 1도마다) 단위각 펄스를 출력한다. 또 제어장치(15)내에서는 이 기준위치 펄스가 입력된 후의 단위각 펄스의 수를 계수함으로서 그때의 크랭크각을 알 수가 있다.
또한 단위각 펄스의 주파수 또는 주기를 계측함으로서 기관의 회전수를 알 수도 있다. 그리고 제1도예에서는 배전기(16)내에 크랭크각센서가 설치되어 있는 경우를 예시하고 있다.
13은 실린더내 압력을 검출하는, 입력센서이며, 제2도는 이 입력센서(13)의 일례를 표시하고 제2a도는 정면도, 제2b도는 제2a도의 x-x선 단면도이다. 제2b도에서, 13A는 링상의 압전소자, 13B는 링상의 마이너스전극, 13C는 플러스전극이다. 또 제3도는 상기 입력센서(13)의 설치도이며, 실린더헤드(14)에 점화플러그(11)에 의하여 체결고정되어 있다. 기타 구성은 제18도와 동부호는 동일부분을 표시한다.
이어서 이 발명의 동작에 관하여 공연비제어의 경우를 제4도에 표시한 플로챠트에 의하여 설명한다.
이 제4도에서 PI-P22는 처리수순의 스텝을 표시한다. 제4도에 표시한 바와 같이, 크랭크각센서(7)의 신호 S3로부터 제어장치(15)는 기관의 회전수 N를 판독하고 흡기량제(2)의 신호 S1으로부터 흡인공기량 Ga를 판독한다(스텝 P1). 스텝(P2)에서 기본연료 분사량의 계산에 사용하는 정수 K0를 학습테이블에서 판독한다. 다음은 스텝(P1)에서 판독한 N와 Ga 및 스텝(P2)에서 판독한 K0를 사용하여 스텝(P3)에서 Pwo=K0ㆍGa/N의 식에 의하여 기본연료 분사량 Pwo를 산출한다.
스텝(P4)에서는 기관회전수 N와 흡인공기량 Ga/N에 의하여 점화시기 SAo를 데이터 테이블에서 판독한다. 여기서 SAo는 기관에 대하여 미리 설정되는 기본점화시기 즉 기관이 각 동작점에 대하여 최대의 토크를 발휘할 수 있는 점화시기이며, 이것은 기관의 특성을 측정함으로써 결정할 수 있는 것이다.
스텝(P5)에서는 크랭크각센서(7)로부터 크랭크각 θ를 판독한다. 이어서 스텝(P5)에서 판독한 크랭크각 θ가 스텝(P4)에서 판독한 점화시기 SAo와 같은지 아닌지를 판정한다(스텝 P6). 이 스텝(P6)에서 NO(부정판정)의 경우에는 바로 스텝(P8)으로 진행한다. 스텝(P6)에서 YES(긍정판정)의 경우에는 스텝(P7)에서 실린더내 압력의 최대치 Pmax를 영으로 하여 이번회의 실린더내 압력 P(θ)를 측정하여 기억한다(스텝 P8).
스텝(P9)에서는 스텝(P8)에서 측정한 실린더내 압력 P(θ)가 메모리에 기억되고 있는 전의 까지의 압력 P(θ-1)의 최대치 Pmax보다 큰지를 판정한다(이번회의 값이 크면은 P(θ)＞Pmax를 의미). 스텝(P9)에서 NO의 경우에는 바로 스텝(P12)으로 진행하며 YES의 경우에는 스텝(P10)으로 진행하여 이번회의 실린더내 압력 P(θ)를 새로운 실린더내 압력의 최대치 Pmax로서 기억한다. 또 그때의 크랭크각 θ를 실린더내 압력이 최대가 되는 크랭크각 θPmax로서 기억한다(스텝 P(11)).
스텝(P12)에서는 크랭크각 θ가 θe 되었는지를 판정한다. 여기서 θe는 스텝(P4)에서 판독한 점화시기 SAo에 소정크랭크각(예를들면 40°)을 가산한 값이며 실린더내 압력의 최대치 Pmax는 점화시기 SAo와 θe 간의 크랭크각 위치에서 발생하도록 미리 θe를 실험적으로 구해둔다(제5도참조).
여기서 소정 크랭크각(예컨대 40°)은 설계자가 설정하며, 통상적으로 연소가 실행되었을때 나타나는 Pmax를 부여하는 크랭크각을 설정점화시기에서 측정한 크랭크각의 여유를 보아 결정한다.
스텝(P12)에서 「YES」의 경우에는 실린더내 압력의 최대치 Pmax가 발생하는 구간을 종료되었으므로 다음 스텝 P13으로 진행한다. 스텝(P12)에서 「NO」의 경우는 다시 스텝(P5)로 복귀하여 수순을 반복한다. 스텝(P13)에서는 예를들면 실화등에 의한 최대치 Pmax이 오검출을 제거하기 위하여 스텝(P11)에서 구한 θPmax가 압축상사점 근방에 있고 또한 실린더내 압력상승을 dP/dθ가 소정치 이하의 경우는 실화로 판정하며,(실화한 경우는 실린더내압은 근사적으로 PVK=일정으로 표시되는 거동(behavior)을 나타내므로 이것으로부터 결정되는 dP/dθ의 최대치를 소정치로 하면 된다는 것을 의미한다. 여기서 K는 단열지수로 공기의 경우 1.4이다) 바로 스텝(P21)으로 진행한다. 스텝(P13)에서 「NO」의 경우는 스텝(P14)으로 진행하고 스텝(P11)에서 판독한 θPmax를 사용하여 실린더내의 대압력이 발생하였을때의 실린더내용적 VPmax를 데이터테이블에서 판독한다. 이 데이터테이블은 다음(1)을 사용하여 작성되어 있다.
Figure kpo00001
여기서
Figure kpo00002
단 d는 실린더내경, λ=L/R 단 L는 커넥팅 모드 길이, R는 크랭크반경, r={sin(θPmax)/λ}2이다.
스텝(P15)에서는 실린더내 압력이 최대가 되었을때의 실린더내온도 TPmax를 다음(2)식에 사용하여 계산한다.
Figure kpo00003
여기서 Pmax는 스텝(P10)에서 판독한 실린더내 최대압력, VPmax는 스텝(P14)에서 판독한 실린더내용적, Ga는 스텝(P1)에서 판독한 흡입공기량, R는 가스정수, N는 기관회전수이다.
이어서 데이터 테이블에서 회전수 N와 흡입공기량 Ga/N에 대응한 소정온도 To를 데이터 테이블에서 판독한다(스텝 P(16)). 실린더내 온도 TPmax가 이 소정온도 To를 넘으면은 인소가스중의 NOx 발생량이 급증한다(제6도 참조). 스텝(P17)에서는 스텝(P15)에서 구한 TPmax가 스텝(P16)에서 판독한 To보다도 큰지를 판정한다.
이것은 고려하고 있는 사이클에서의 최대실린더내압 Pmax로부터 연산되는 온도 T(TPmax)와 To보다 높은지를 판단하는 것을 표시한다. 여기서 To는 NOx의 발생기구에서 예측되는 온도로 일반적으로 NOx 발생은 온도 T의 지수함수(예컨데-E/RT, 여기서 E, R는 정수)로 표시된다. 따라서 설계자가 규정하려는 NOx 발생량을 알면은 저절로 To치를 결정할 수 있다.
스텝(P17)에서 NO의 경우 공연비를 변경할 필요가 없으므로 스텝(P21)으로 진행하며, 예를들면 후기하는 (5)식을 사용하여 최종적인 연료분사량 Pw를 계산한다.
Figure kpo00004
여기서 Pwo는 스텝(P3)에서 구한 기본연료 분사량, α1은 산소 농도센서에 의한 공연비 피드백 계수, Ps는 베터티전압에 의한 보정량이다.
스텝(P17)에서 「YES」의 경우, 스텝(P18)로 진행하고 공연비를 농후측으로 제어하기 위한 연료보정량 △Pw를 (4)식을 사용하여 계산한다(단 K1은 정수).
Figure kpo00005
제7도는 공연비에 대한 NOx 농도를 표시한다. 이 제7도와 같이 NOx의 발생은 이론공연비 부근에 많고 이것보다 희박해도, 농후해도 감소한다. 이 발명에서는 될수있는대로 엔진의 출력을 저하시키는 일없이 실린더내 온도를 강하시키기 위하여 이론공연비보다 농후측으로 제어하고 있다. 스텝(P19)에서는 다음(5)식을 사용하여 실린더내온도에 의한 연료보정량 △Pw를 가한 연료분사량 Pw를 계산한다.
Figure kpo00006
계속해서 스텝(P20)에서는 스텝(P18)에서 구한 Pw을 사용하여 스텝(P2)에 판독한 정수 K0치를 다음(6)식을 사용하여 변환한다(단 β는 정수).
Figure kpo00007
이와 같이 하므로서 다음의 기관의 동작조건이 같을때의 기본연료분사량 Pwo는 실린더내온도 TPmax가 소정온도 To를 넘지 않도록 보정된 값으로서 계산된다. 스텝(P22)에서는 스텝(P21)에서 얻은 연료분사량 Pw를 연료분사밸브 구동회로에 출력한다. 이상과 같은 동작이 반복되어서 실린더내온도 TPmax가 소정온도 To를 넘지 않도록 공연비가 피드백 제어되고 NOx 발생량을 억제할 수가 있다.
그런데 이와 같은 연산은 극히 고속으로 실행할 필요가 있는데(예를들면 크랭크각 1도의 신간내에서 제4도의 스텝(P5)에서 스텝(P12)까지의 루틴을 실행완료할 필요가 있다) 예를들면 데이터플로형 프로세서(예를들어 일본국 니홍덴키가부시키가이샤 제 PD7281)을 코프로세서로서 사용하여 상기 계산을 행하므로서 가능하게 된다.
호스트프로세서(종래의 노이만(Neumann)형 프로세서로 가)에서는 1사이클마다(크랭크각 720도)계산하면 되는 것으로 예를들면 기관동작점의 판단(스텝(P1)), 연료분사량 Pwo의 계산(스텝 (P3)), (실린더내 최고가스온도 TPmax의 계산(스텝(P15)), 연료분사기기의 제어등과, 그리고 코프로세서의 투틴(상기스텝(P5)에서 스텝(P12)까지의 실린더내 최고압력과 그 발생 크랭크각 위치를 구하는 투틴)으로 진행하는 플로의 제어등을 행하게 하면 된다.
데이터플로형 프로세서는 연산이 데이터에 의하여 구동되는 특징이 있으므로 이 특징을 이용하여 코프로세서의 투틴으로 진행하는 플로의 제어를 다음과 같이 할 수 있다.
예를들면, 호스트프로세서에 크랭크각도의 신호가 입력되었을때, 오스트프로세서는 스텝(P5)에서 스텝(P12)까지의 연산프로그램이 기억된 코프로세서에 크랭크각도와 그때의 실린더내 압력 P(θ)의 데이터를 보내므로 코프로세서의 루틴으로 진행하는 플로의 제어가 가능하게 된다.
왜냐하면은 데이터플로형 프로세서는 필요한 데이터를 갖추면은 자동적으로 연산을 실행하기 때문이다. 그리고 스텝(P12)에서 「YES」로 판정하였으면, 데이터 플로형프로세서는 실린더내 최고압력 Pmaxn를 호스트프로세서로 변송하면 된다. 이 데이터를 수취한 호스트프로세서측에서는 스텝(P13)이후의 플로챠트에 표시되는 연료분사시기제어를 실시한다.
스텝(P12)에서 「NO」로 판정되면 다시 스텝(P5)로 복귀하여 상기처리를 반복한다. 만약 자립형의 데이터 플로형 프로세서면은 이것을 호스트프로세서로서 이용하고 제4도 전체 연산프로그램을 실행하므로서 공연비 제어를 행할 수 있음을 말할것도 없다.
이상은 실린더내 최대압력 Pmaxn와 그 발생크랭크각 위치 θn를 프로그램상으로 구하는 경우의 설명이지만 한편으로 예를들어 피크치보류회로등을 사용하므로서 회로적으로 이들을 구할 수도 있다.
제8도는 이 발명의 한 실시예의 다른 동작 흐름을 표시하는 플로차트이다. 이 제8도에서 스텝(P1)에서 스텝(P15)까지는 제4도와 같다. 즉 스텝(P15)에서는 실린더내온도 TPmax가 산출되어 있다.
이어서 스텝(P15-1)에서는 다음(7)식을 사용하여 이번회까지의 실린더내온도의 합계치 TPmax를 연산한다.
Figure kpo00008
TPmaxt 및 카운터 n의 내용을 플로차트의 스타트에서 영으로 초기화되어 있는 것으로 한다. 다음에 합계치 TPmax를 소정회수(예를들어 10회)가산하였는지를 스텝(P15-2)에서 판정한다.
이 스텝(P15-2)에서 「No」의 경우는 카운터를 인크리먼트(INCREMENT)하여 스텝(P15-4), 스텝(P21)로 진행한다. 스텝(P15-2)에서 「YES」의 경우는 스텝(P15-3)으로 진행하고 실린더내온도 TPmax의 평균치 Pmaxb를 구한다. 이어서 스텝(P16)에서 제4도와 같이 To를 판독하고 이 To와 스텝(P15-3)에서 구한 TPmaxb를 비교한다(스텝(P17)). 스텝(P17)에서 「YES」면은 스텝(P18)로, 또는 스텝(P17)에서 「NO」면은 바로 스텝(P21)로 진행하고 그후는 제4도와 동일한 처리를 한다.
상기 처리를 반복하여 실린더내 온도 TPmax의 평균치 TPmaxb를 사용하여 공연비를 피드백 제어함으로써 피드백계의 응답을 둔화하고 실린더내온도 TPmax의 변동을 흡수할 수 있으며 또한 NOx 발생량을 소정치 이하로 억제할 수 있다. 그리고 제8도에서 스텝(P18), 스텝(P22)는 제4도와 같다.
제9도는 이 발명의 한 실시예의 또 다른 동작흐름을 표시하는 점화시기 제어의 플로차트이다. 이 제9도에서, 스텝(P1) 및 스텝(P4)에서 스텝(P17)까지는 제4도와 같다. 스텝(P17)은 스텝(P15)에서 구한 실린더내온도 TPmax가 스텝(P16)에서 판독한 소정온도 To보다도 큰가를 판정한다.
스텝(P17)에서 「YES」의 경우 스텝(P18-1)에 진행하고 다음(8)식에 의하여 점화시기 보정량 △SA를 계산한다(단 K2는 정수).
Figure kpo00009
이어서 스텝(P19-1)에서는 스텝(P4)에서 판독한 점화시기 SAo와 스텝(P18-1)에서 구한 △SA를 사용하여 다음(9)식에 의하여 점화시기 SA를 계산한다.
Figure kpo00010
이 (9)식은 점화시기를 지각(遲角)하는 계산이 되며 제10도에 표시하는 바와 같이 실린더내온도를 저하한다. 다음 스텝(P20-1)에서는 점화시기의 데이터테이블의 내용을 재기록한다. 스텝(P17)에서 No의 경우에는 점화시기 SA를 스텝(P4)에서 판독한 기본 점화시기 SAo로 하고(스텝(P21-1) 다음 스텝(P22-1)로 진행한다. 이 스텝(P22-1)에서는 점화시기 SA를 점화회로에 출력한다.
상기 처리를 반복하므로서 실린더내온도 TPmax가 소정온도 To를 넘지 않도록 점화시기가 피드백제어되고 NOx 발생량을 억제할 수가 있다. 그리고 제1도의 실시예에서는 실린더(5)를 1개만 표시하고 있지만, 다기동기관의 경우에는 각 기동에 설치한 압력센서 및 흡기량센서의 신호에 따라 각 기통마다 공연비 및 점화시기를 보정하여 제어하는 것이 가능하다.
또 제1도에서 흡입공기량 검출수단으로서 흡기량센서를 표시하고 있지만은 흡기관 부압을 검출하여 회전수와의 연산에 의하여 흡입공기량을 산출하고 시스템으로도 마찬가지로 제어할 수가 있다. 또 압력센서는 각 기통마다 설치하여 실린더내 압력을 측정하지만 연료분사는 전기통 동일분사로서의 보정도 가능하다. 또한 여러기통중 1개에만 압력센서 및 흡기량센서를 설치하여 그 센서의 출력에 의하여 전기통 동일의 보정도 가능하다. 또 이제까지의 설명에서는 혼합기 조절장치로서 연료분사밸브를 사용한 경우만 설명하였지만 기화기를 사용한 경우에도 마찬가지로 제어할 수가 있다.
다음은 이 발명의 다른 실시예를 도면에 의하여 설명한다. 제11도에서, 제1도 및 제18도와 동일부분에는 동일부호를 붙여서 그 구성의 설명을 생략한다. 제11도는 제1도와 대략 같은 구성이며 다만 배기가스온도센서(17)가 생략되고 있다. 제어장치(15)는 예를들면 CPU, RAM, ROM, 입력인터페이스등으로된 마이크로컴퓨터로 구성되고 상기 흡기량(2)에서 입력되는 흡입공기량 신호 S1, 수온센서(6)에서 입력되는 수온신호(S2), 크랭크각센서(7)에서 입력되는 크랭크각신호 S3, 배기센서(9)에서 입력되는 배기신호 S4, 압력센서(13)에서 입력되는 압력신호 S6, 그리고 도시생략된 배터리 전압신호나, 드로틀전폐신호등을 입력하고 그들 신호에 대응한 연산을 실행하여 기관에 공급할 연료분사량을 산출하고 분사신호 S5를 출력한다. 이 분사신호 S5에 의하여 연료분사밸브(10)가 작동하고 기관에 소정량의 연료를 공급하도록 하고 있다.
상기 제어장치(15)내에서 연료분사량 Ti의 연산은 예를들면 다음식에 의하여 실행된다.
Figure kpo00011
상기 (10)식에서, Tp는 기본분사량이며 예를들면 흡입공기량을 Ga, 기관회전수를 N, 정수를 K0로 한 경우 Tp=K0×Ga/N로 구하게 된다. 또 Ft는 기관의 냉각수온에 대응한 보정계수이며 예를들면 냉수온이 낮을수록 큰 값이 된다. KMR은 고부하시의 보정계수이며, 예를들면 제12도와 같이 기본분사량 Tp와 기관회전수 N의 대응치로서 미리 데이터테이블의 기억치로부터 테이블조사에 의하여 판독한다.
Ts는 배터리 전압에 의한 보정계수이며 연료분사밸브(10)를 구동하는 전압의 변동을 보정하기 위한 계수이다. 또 β는 배기센서(9)로부터 배기신호(S4)에 대응한 보정계수이며 이 β를 사용하므로서 혼합기의 공연비를 소정치 예를들면 이론공연비 14.6 근방에 피드백 제어할 수가 있다. 단 이 배기신호(S4)에 의한 피드백제어를 하고 있는 경우에는 항상 혼합기의 공연비가 일정치가 되도록 제어되므로 상기 냉각수온에 의한 보정이나 고부하에 의한 보정이 무의미하게 된다.
따라서 배기신호(S4)에 의한 피드백제어는 수온에 의한 보정계수 Ft나 고부하에 의한 보정계수 KMR이 영의 경우에만 실행된다. 상기 각 보정의 연산과 센서류의 관계를 표시하면은 제13도와 같이 된다. 압력센서(13)은 제2a, b도 및 제3도에 표시한것과 같으며 그 설명은 생략한다.
다음은 이 실린더의 본질인 연료분사시기가 토크변동과 NOx 배출량에 주는 영향을 제14도에 표시한다. 연료분사가 흡기상사점후 90도 근방에서 종료하도록 하면은 피스톤은 동작에 의하여 발생하는 흡기흐름이 연료의 미립화에 효과적으로 적응하여 연소효율은 상승하고 토크가 안정된다. 그러나 실린더내의 연소온도가 고온이 되기 때문에 NOx 배출량을 급증하고 허용한계를 넘는다. 한편 NOx 배출량이 적은 흡기상사점후 60도 근방의 경우에는 토크변동이 허용한계를 넘는다. 따라서 실용상의 연료분사종료시기는 토크변동과 NOx 배출량의 허용한계를 동시에 만족하는 도면중 사선영역을 선택할 필요가 있다.
제15도는 제어장치(15)에 의하여 연료분사밸브(10)를 개폐제어하는 경우의 이 발명의 다른 실시예에 대한 프로그램의 일례를 표시하는 플로차트이며 이 프로그램은 크랭크각센서(7)에 의한 기준위치(흡기 TDC)신호 발생시에 인터럽트 처리된다.
먼저 제15a도의 처리개요를 설명한다.
이 플로차트는 기관동작점에 대응한 연료분사량을 산출하고 미리 설정해둔 기본연료분사시기나 점화시기 등을 데이터테이블로부터 판독하는 동시에 소정크랭크기간(SAs에서 SAe간)에 발생하는 실린더내의 고압력 Pmaxn와 Pmaxn가 발생하는 크랭크각 θn을 구하고 실린더내 최고가스온도 Tmaxn를 산출하는 처리로 되어 있다.
다음은 도면중 P1, P2, P3…의 처리수순의 스텝에 따라 설명한다.
스텝(P1)에서는 기관회전수 N와 흡입공기량 Ga 또는 흡기관압력 Pb로부터 기관동작점을 구한다. 스텝(P2)에서 기관회전수 N에 대응하는 실린더내 압력의 샘플링ㆍ크랭크각 △θ를 데이터테이블에서 판독한다. 이 △θ는 고속회전시에 1회의 점화사이클내에서 후술의 연료분사시기에 관한 계산이 종료안된다는 문제점을 없애기 위한 것으로 기관회전수 N에 의하여 수단계로 변화한다.
스텝(P3)에서는 기관동작점에 대응한 연료분사량 Ti를 상기 (1)식을 사용하여 산출하고 스텝(P4)에서는 미리 설정된 기본연료분사종료시기 θeo를 데이터ㆍ테이블에서 판독한다.
다음 스텝(P5)에서는 기관동작점에 대응한 점화시기를 데이터테이블에서 판독하고, 스텝(P6)에서는 크랭크각 θ를 판독한다. 스텝(P7)에서는 스텝(P6)에서 판독한 크랭크각 θ가 스텝(P5)에서 판독한 점화시기 SAs와 일치하는지를 판정한다. 스텝(P7)에서 「No」(부정판정)의 경우에는 스텝(P9)에 진행한다.
스텝(P17)에서 「YES」(긍정판정)의 경우에는 전회의 실린더내 최대압력 Pmaxn을 영으로 털고, 스텝(P8), (P9)에서 그때의 실린더내 압력 P(θ)를 판독한다. 다음 스텝(P10)에서는 스텝(P9)에서 판독한 실린더내압력 P(θ)기 전회까지의 실린더내압력의 Pmaxn(n는 점화사이클 n회째의 의미)보다도 큰가를 판정한다. 스텝(P10)에서 「No」의 경우에는 바로 스텝(P13)으로 진행한다. 스텝(P10)에서는 「YES」의 경우에는 스텝(P11)로 진행하고 이번의 실린더내압력 P(θ)를 새로운 실린더내 압력의 최대치 Pmaxn로서 기억한다.
또 스텝(P12)에서는 Pmaxn가 발생하였을때의 크랭크각 θ를 θn로서 기억한다. 다음 스텝(P13)에서는 스텝(P6)에서 판독한 크랭크각 θ가 (11)식으로 구하는 크랭크각 SAe 보다도 큰가를 판정한다(단 SAs는 P5에서 판독한 점화시기, SAi는 실린더내의 최대압력 발생범위이며, 제16도와 같이 SAs와 SAe사이에 반드시 Pmaxn가 발생하는 SAi를 실험적으로 미리 구해둘 필요가 있다).
Figure kpo00012
스텝(P13)에서 YES의 경우에는 Pmaxn가 발생하는 범위를 벗어났다고 판단하고 다음 스텝(P14)으로 진행한다. 스텝(P13)에서 No의 경우에는 다시 스텝(P6)로 복귀하여 상슬의 처리를 반복한다. 스텝(P14)에서는 스텝(P12)에서 구한 θn를 사용하여 실린더내용적 Vn를 데이터ㆍ테이블로부터 판독한다.
스텝(P15)에서는 실린더내 최고 가스온도 Tmaxn를 산출한다. Tmaxn는 실린더내 최고압력을 Pmaxn, rm그땐의 실린더내용적을 Vn, 흡입공기 유량을 Ga, 가스정수를 R, 기관회전수를 N로 하여 (12)식에 의하여 산출된다.
Figure kpo00013
스텝(P16)에서는 이번회의 사이클이 실화사이클인지 아닌지를 판정한다. 스텝(P12)에서 기억한 θn이 압축상사점근방에 있고, 실린더내 최고가스온도는 Tmaxn가 소정치 이하의 경우(「YES」의 경우) 실화사이클로 판정하고 제15b도의 스텝(P29)로 진행한다. No의 경우에는 실화사이클은 아니라고 판정하고 제15b도 스텝(P17)으로 진행한다. 그리고 이 발명의 다른 실시예에서는 실화검출에 실린더내 최고가스온도 Tmaxn를 사용하였지만 기타 실린더내압력 상승비를 dp/dθ나 열발생량 Q를 사용할 수도 있다.
제15b도는 스텝(P17)에서 스텝(P21)까지의 처리에서 실린더내 최고압력이 발생하는 크랭크각위치 en가 실린더내 최고온도 Tmaxn 각각에 대하여 소정사이클간의 평균치를 구한다. 스텝(P17)에서는 Tmaxn의 T.Tmaxn, 스텝(P18)에서는 θn의 합계치 T.θ를 각각 산출한다.
이어서 스텝(P19)에서는 샘플ㆍ사이클수 n가 소정치로 되었는지를 판정한다. 이 실시예에서는 n=10으로 하였지만 기관회전수나 부하에 의하여 변화시킬수도 있다. 스텝(19)에서 「No」의 경우는 스텝(P29)로 진행한다. 스텝(P19)에서 YES의 경우, 스텝(P20)에서 실린더내 최고가스온도의 평균치 Tmaxb를 산출하고 스텝(P21)에서 실린더내 최고압력이 발생하는 크랭크각 위치의 평균치 θb를 산출한다.
스텝(P22)에서는 스텝(P12)에서 기억한 n개의 θn에 대하여 변동을 δθ를 산출한다. 이 실시예에서는 상기와 같이 실린더내 최고압력이 발생하는 크랭크각 θn로 하였지만 θn의 불편(不偏)분산 δ2θ를 사용할수도 있다. 또 실린더내 최고압력 Pmaxn의 표준편차 δPmax나 Pmaxn의 불편분산 δ2Pmax등을 사용할 수도 있다.
Figure kpo00014
제17도는 토크변동율에 상당하는 도시평균 유효압의 변동을 δpi과 δθ의 관계를 표시한것인데 양자간에는 선형관계임을 알 수 있다. 이것으로부터 토크변동을 δθ로 치환할 수 있음을 또한 알 수 있다.
다음 스텝(P23)에서는 기관의 운전상태에 따라 설정된 변동율의 허용한계 θ를 데이터ㆍ테이블에서 판독하고 이어서 스텝(P24)에서는 스텝(P22)에서 구한 변동을 6θ각 스텝(P23)에서 판독한 변동율의 허용한계 δθo 보다 큰지를 판정한다. YES의 경우 토크변동의 허용한계를 벗어나 있음을 의미하므로 제14도에서 토크변동의 감소하는 방향 즉 연료분사 종료시기를 지각하도록 제어하지 않으면 안된다. 그 때문에 스텝(P28)에서는 (14)식을 사용하여 지각 보정량을 산출하고, 스텝(P30)으로 진행한다(단 K1의 정수).
Figure kpo00015
스텝(P24)에서 「No」의 경우, 토크변동은 허용범위내에 있지만 배기가스중의 NOx량이 허용범위를 벗어나 있을 가능성이 있다. 그래서 스텝(P25)에서는 NOx량의 한계치에 대응하는 실린더내 최고온도의 한계치 To를 데이터ㆍ테이블에서 판독한다. 이어서 스텝(P26)에서는 스텝(P20)에서 구한 실린더내 최고온도의 평균치 Tmaxb가 스텝(P25)에서 판독한 To보다도 큰가를 판정한다. 여기서 「YES」의 경우는 연료분사종료시기를 진각시키기 위하여 스텝(P27)으로 진행한다. 스텝(P27)에서는 (15)식을 사용하여 진각보정치를 산출한다(단 K2는 정수).
Figure kpo00016
스텝(P26)에서 「No」의 경우는 토크변동도 NOx량도 허용범위내에 있다고 한정하고 스텝(P29)에서 보정량 △θe를 영으로 한다. 또 스텝(P16)에서 실화로 판정한 경우와 스텝(P19)에서 소정사이클수의 샘플링이 종료안된 경우에도 스텝(P29)에서 보정량 △θe를 영으로 하고 연료분사시기에 관한 보정을 하지 않는다.
스텝(P30)에서는 (16)식을 사용하여 연료분사개시시기 θst를 산출한다.
Figure kpo00017
이 (16)식에서 θeo는 스텝(P4)에서 판독한 기본연료분사종료시기, △θe는 스텝(P27-P29)에서 구한 보정량, Ti는 스(텝P3)에서 구한 연료분사량, K3는 정수, N는 기관회전수, τ는 (17)식에서 산출되는 연료반송에 관한 낭비시간이다(단 K4는 정수, Vf는 연료분사속도, L는 연료분사밸브에서 흡기밸브까지의 거리이다).
Figure kpo00018
다음 스텝(P31)에서는 기본연료분사종료시기 θeo의 데이터ㆍ테이블을 (18)식에 따라 변환한다.
Figure kpo00019
이와 같이, 하므로서 다음에 동일동작점에서 기관이 운전되는 경우는 미리 전회까지의 보정량을 포함한 θeo가 판독되므로 연료분사시기제어의 응답성이나 정도가 향상된다. 스텝(P32)에서는 스텝(P30)에서 산출된 연료분사개시시기 θst를 연료분사밸브 구동회로에 출력한다.
상기와 같이 반복실행으로 내연기관의 연료분사시기는 토크변동과 NOx 농도의 관계가 최적으로 제어된다. 그리고 이와 같은 연산은 극히 고속으로 실행할 필요가 있는데(예를들면 크랭크각 △θ=1도의 시간내에서 제15a도의 스텝(P6)에서 스텝(P13)까지의 루틴을 실행완료시킬 필요가 있다) 예를들면 데이터플러형 프로세서(예를들어 NECμPD7281)를 코프로세서로서 사용하여 상기 계산을 행하게 하면 가능하다.
그리고 호스트프로세서(종래의 노이만형 프로세서로 가)에서는 1사이클마다 계산하면 되는 것으로, 예를 들면 기관동작점의 판단(스텝P1)연료분사량 Ti의 계산(스텝P3), 제15b도의 계산, 연료분사시기의 제어 동작 및 코프로세서의 루틴(상기 스텝 P6에서 스텝 P13까지의 실린더내 최고압력과 그 발생 크랭크각 위치를 구하는 루틴)으로 진행하는 플로의 제어등을 행하게 하면 된다. 데이터플로형 프로세서는 연산이 데이터에 의하여 구동되는 특징을 가지고 있으므로 이 특징을 이용하여 코프로세서의 루틴으로 진행하는 플로의 제어를 다음과 같이 할 수가 있다.
예를들면 호스트프로세서에 크랭크각도의 신호가 입력되었을때, 호스트프로세서는 스텝(P6)에서 스텝(P13)까지의 연산프로그램이 기억된 코프로세서로 크랭크각도와 그때의 실린더내압력 P(θ)의 데이터를 송출하므로서 코프로세서의 루틴으로 가는 플로제어가 가능하게 된다. 왜냐하면 데이터플로형 프로세서는 필요한 데이터가 갖추어지면 자동적으로 연산을 실행하기 때문이다.
그리고 스텝(P13)에서 「YES」로 판정하면은 데이터플로형 프로세서는 실린더내 최고압력 Pmaxn를 호스트프로세서에 반송하면 된다. 이 데이터를 수취한 호스트프로세서측에서는 스텝(P14)이후이 플로차트에 표시된 연료분사시기제어를 실시한다. 스텝(P13)에서 「No」로 판정하면은 다시 스텝(P6)로 복귀하여 상기 처리를 반복한다. 만약 자립형의 데이터플로형 프로세서이면은 이것을 호스트프로세서로서 이용하고 제15b도의 연산프로그램을 포함한 연산프로그램을 실행하므로서 연료분사시기 제어를 할 수 있음은 말할것도 없다.
이상은 실린더내 최고압력 Pmaxn와 그 발생크랭크각 위치 θn를 프로그램상에서 구하는 경우이나 한편으로 예를들면 피크치 보류회로 등을 사용함으로써 회로적으로 이들을 구할 수도 있다. 그리고 제11도의 이 발명의 다른 실시예에서는 실린더를 1개만 표시하였지만, 다기통기관의 경우에는 각 기통에 설치한 압력센서의 신호에 따른 각기통 연료분사시기를 보정하여 제어하는 것이 가능하다. 또 여러기통중 1개만 압력센서를 설치하여 그 압력센서의 출력에 의하여 전기통 동일의 연료분사시기의 보정도 가능하다.
이상 설명한 바와 같이 이 발명에 의하면 압력센서를 사용하여 실린더내 압력이 최대가 될때의 실린더내 온도를 구하고 그 값이 소정치 이하가 되도록 공연비와 점화시기의 적어도 어느 한쪽을 피드백제어하도록 구성하였으므로 NOx 발생량의 증대를 억제할 수가 있으며 항상 배기가스중의 NOx 농도의 이상증가를 방지할 수 있는 동시에 NOx의 발생에 직접 기인하는 실린더내 온도를 소정치 이하로 규제할 수가 있다.
또한 이 발명에 의하면 실린더내압을 계측하므로서 실린더내 최고가스온도와 기관출력의 변동상황을 나타내는 변동파라미터를 산출하고 이들을 사용하여 연료분사시기를 진각 또는 지각 제어하도록 구성하였으므로 기관이 출력토크를 최대한 안정시키며 나아가 배기가스중의 NOx 농도를 규정치 이하로 억제할 수 있는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 흡입공기량과 회전수를 계측하고, 이 공기량과 기관회전수로부터 기본연료량을 산출하여 이 기본분사량을 분사하여 불꽃점화를 행하는 기관의 실린더내압력 P를 검출하는 압력검출수단과, 상기 기관의 크랭크각 θ를 검출하는 크랭크각 검출수단을 구비한 내연기관에 있어서, 상기 압력검출수단과 상기 크랭크각 검출수단의 출력신호를 입력하고 1회의 점화사이클내에서의 실린더내압력의 최대치 Pmax와, 이 최대치 Pmax가 발생한 시점에서의 크랭크각 θPmax를 검출하고, 상기 최대치 Pmax와 상기 크랭크각 θPmax를 사용하여 실린더내온도 TPmax를 산출하며, 이 실린더내 온도 TPmax에 기준한 연료분사의 제어신호를 출력하는 제어장치와, 상기 제어신호에 대응하여 소정조작량을 조작하는 수단을 구비한 내연기관의 제어장치.
  2. 제1항에 있어서, 소정조작량으로서 공연비 또는 점화시기중 적어도 어느 한쪽을 사용하는 것을 특징으로하는 내연기관의 제어장치.
  3. 제1항에 있어서, 실린더내 압력 P를 검출하는 크랭크각 범위를 점화시기 SAo에서 소정크랭크각 θe까지로 하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  4. 제1항에 있어서, 크랭크각 θPmax가 압축상사점 근방에 있고 그때의 실린더내 압력의 변화율 dp/dθ가 소정치 이하의 경우 상기 조작량에 의한 내연기관의 제어를 행하지 않는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  5. 제1항에 있어서, 실린더내온도의 TPmax 산출해서 흡입공기유량을 Ga, 실린더내 최대압력을 Pmax, 가스정수를 R, 기관회전수를 N, 실린더내용적을 VPmax로 하였을때, TPmax=(PmaxㆍVPmax)/(Ga/NㆍR)의 식을 사용하여, 이 실린더내 용적 VPmax는 실린더내 최대압력 Pmax가 발생한 크랭크각 θPmax에 대응하는 데이터ㆍ테이블로부터 판독하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  6. 제1항에 있어서, 실린더내온도 TPmax를 사용하여 조작량을 결정하기 위하여 사용하는 데이터ㆍ테이블의 내용을 학습하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  7. 제1항에 있어서, 실린더내온도 TPmax를 소정사이클간에서 평균한 값인 TPmaxb를 사용하여 조작량을 결정하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  8. 기관의 흡입공기량과 기관회전수를 계측하고, 이 흡입공기량과 기관회전수로부터 기본연료량을 산출하는 수단, 그리고 해당기본연료분사량을 분사하는 불꽃 점화기관의 실린더내압력 P를 검출하는 압력검출수단과, 상기 기관의 크랭크각 θ를 검출하는 크랭크각 검출수단을 구비한 내연기관에 있어서, 상기 양 검출수단의 검출출력을 입력하여 1회 점화사이클내에서의 출력변동 상황을 나타내는 변동파라미터를 산출하고 실린더내 최고압력 Pmaxn가 발생하였을때의 실린더내 가스온도를 실린더내 최고가스온도 Tmaxn로 가정하여 이 실린더내 최고가스온도 Tmaxn의 소정사이클간의 평균치 Tmaxb를 산출하며, 상기 변동파라미터와 이 평균치 Tmaxb를 사용하여 연료분사시기를 제어하는 제어장치를 구비한 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  9. 제8항에 있어서, 변동파라미터로서 실린더내 최고압력이 발생하는 크랭크각 θn의 표준편차 δθ, 동 θn의 불편분산, δ2θ, 실린더내 최고압력 Pmaxn의 표준편차 δPmax, 동 Pmaxn의 불편분산 δ2Pmax중 적어도 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  10. 제8항에 있어서, 실린더내압력 P를 검출하는 크랭크각 검출범위를 설정점화시기 SAs에서 압축상사점후의 소정크랭크각 SAe까지로 하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  11. 제8항에 있어서, 실린더내 최고압력이 발생하는 크랭크각 θn가 압축상사점 근방에 있으며 그때의 실린더내 최고온도 Tmaxn가 소정치 이하의 경우 그 실린더내 최고온도 Tmaxn를 사용한 연료분사시기제어를 행하지 않는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  12. 제8항에 있어서, 실린더내 최고가스온도 Tmaxn의 산출에서 흡입공기유량을 Ga, 실린더내 최고압력을 Pmaxn, 가스정수를 R, 기관회전수를 N, 실린더내용적을 Vn로 하였을때 Tmaxn=(Pmaxn×Vn)/(R×Ga/N)식을 사용하고 이 실린더내 용적 Vn는 상기 크랭크각 θn에 대응하는 데이터ㆍ테이블로부터 판독되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  13. 제8항에 있어서, 변동파라미터와 상기 평균치 Tmaxb를 사용하여 연료분사시기에 관한 데이터ㆍ테이블의 내용을 학습하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
KR1019880011291A 1987-09-29 1988-09-01 내연기관의 제어장치 KR920000993B1 (ko)

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JP24655987A JPH0726582B2 (ja) 1987-09-29 1987-09-29 内燃機関の燃料噴射時期制御装置
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