KR940001010B1 - 엔진의 연료분사 제어방법 - Google Patents

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모도히사 후나바시
마꼬도 시오야
미끼히꼬 오오나리
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가부시기가이샤 히다찌세이사꾸쇼
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Abstract

내용 없음.

Description

엔진의 연료분사 제어방법
제1도는 본원 발명에 의한 연료분사제어를 위한 제어장치의 일예의 구성도.
제2도는 제1도의 흡기관내 상태추정부의 구성도.
제3도는 스로틀 개폐도변화에 대한 공연비와 연료분사량의 종래예를 나타낸 도면.
제4도는 본원 발명에 의한 스로틀 개폐도변화에 대한 공연비와 연료분사량을 나타낸 도면.
제5도는 연료분사제어부에 관련하는 장치의 구성도.
제6도는 제5도에 있어서의 연료분사제어부의 제어구성도.
제7도는 제6도의 액막량추정부(62)의 구성도.
제8도는 스로틀 개폐도변화에 대한 공연비, 그 관측량, 액막량 및 그 예측치를 나타낸 도면.
본원 발명은 연료분사제어방법에 관한 것이며, 특히 흡입관을 통해 공기와 연료를 실린더에 보내는 연료 분사방식엔진에 적합한 연료분사제어방법에 관한 것이다.
종래의 연료분사제어는 에어플로미터로부터 얻은 공기유량으로부터 기본적인 연료분사량을 산출하며, 배기가스중에 잔존하는 산소량을 02센서에서 검출하여 배기가스를 청정화하는 3원촉매가 가장 유효하게 작용하는 이론 공연비로 되도록 연료량을 보정하는 피드백 제어계였다. 또한, 가속시에는 연료증량을 하는 등의 기능을 갖게 하여, 공연비가 이론공연비로 되도록 제어하고 있었다(예를 들면 일본국 전기학회잡지 Vol101, NO 12「엔진제어」 또는 계측자동제어학회잡지 Vol 21, NO 7 「최근의 엘렉트로닉스카」를 참조). 이 종래방식에서는 특히 급가속시 등으로 제어성능이 02센서에서 얻은 피드백 보정으로는 충분하지 못하게 되어 NOx가 많이 잔류한다. 이 주된 원인은 배기관내의 배기가스의 유동지연이나 엔진내에서 각 공정을 행하여 배기가스로 되기까지의 시간지연 등이 있으며, 그것을 관측하여 피드백하고 있기 때문이다. 한편, 급가속시에서는 연료를 중가시켜 이론공연비로 되도록 보상하는 방법도 있지만, 이 방법에서는 가속시에는 목표로 되는 공연비가 얻어져도, 가속이 종료된 시점으로부터 연료가 이론공연비보다 지나치게 커서, 3원촉매의 HC나 CO에 대한 전화율(轉化率) (CO 및 HC가 산화되어 CO2와 H2O로, 또 NOx가 환원되어 N2로 되는 각각의 비율)이 낮아져서, HC나 CO의 배기가스가 나와 버리는 문제가 있었다. 이의 주된 원인은 흡기관에 분사된 연료의 일부가 흡기관벽면에 부착하거나 또는 부착연료(이하, 이것을 액막이라고 함)가 증발하여, 분사된 연료와 함께 실린더내에 흡입되는 일도 있으며, 그러므로 목표로 하는 이론공연비가 반드시 유지되지 않는다고 하는 결점이 있었다.
본원 발명의 목적은 연료계의 동특성(動特性)과 배기관내의 유동지연을 고려하여, 흡기관벽면에 부착하는 연료의 양을 예측하고, 그것을 근거로 공연비가 이론공연비로 되도록 연료분사량을 결정함으로써 배기가스를 저감하는 연료분사제어방법을 제공하는데 있다.
흡기관의 연료계의 동특성은 흡기관에 분사된 연료의 일부가 흡기관벽면에 부착하거나, 또는 부착한 연료가 증발하여 분사된 연료와 함께 실린더내에 흡입된다. 그러나, 증발한 연료가 모두 실린더내에 흡입되는 것이 아니고, 일부는 흡기관내에 증기인채의 연료가 잔류한다(이하, 이것을 증기연료라고 한다.). 본원 발명에서는 이 현상을 포착하여 공연비가 이론공연비로 되도록 분사량을 제어하는 것이다. 즉, 연료동특성을 아는데 중요한 액막량과 증기연료를, 스로틀을 흐르는 공기질량, 스로틀 개폐도, 흡기관내압력, 수온, 엔진 회전수, 공연비의 데이터에서 추정하고, 추정결과로부터 소망의 시각에 있어서의 액막량과 증기연료를 예측하고. 이것을 근거로 이론공연비로 되도록 분사량을 제어하는 점에 제1의 특징이 있다. 또, 분사된 연료가 모두 실린더에 흡입되지 않으므로 이론공연비를 유지할 수 없다고 하는 문제에 대해 본원 발명에서는 부착한 연료를 액막량으로서 산출하고, 분사연료중에서 흡기관벽면에 부착하지 않은 연료와 액막에서 증발하는 양과의 합이 실린더에 홉입되는 것으로서 공연비가 이론공연비로 되도록 조작량인 연료분사량을 결정하는 점에 제2의 특징이 있다. 그러나, 여기서 문제가 되는 것은 액막량을 산출할 경우, 제어입력의 효과를 알기 위한 02센서의 정보는 실린더회전주기나 배기관유동지연 등에서 즉시 출력으로서 나타나지 않는다. 즉, 엔진의 연료제어대상은 낭비시간을 포함하게 된다. 또한, 이 낭비시간은 일정하지는 않으며, 엔진회전 수에 따라 변화한다. 또, 02센서에서 얻어진 공연비정도는 그 측정과정에 있어서 외란(外亂), 잡음, 측정오차 등으로 오차가 있다는 문제도 있다.
이와 같은 낭비시간을 포함하는 엔진의 연료제어계를 양호하게 제어하기 위해 본원 발명에서는 계의 내부상태인 액막을 예측하면서 제어하는 방법을 사용한다. 또한, 낭비시간의 변화의 문제에 대해서는 최대낭비 시간의 사이의 정보를 축적해 두고, 엔진회전수에서 낭비시간을 산출하여, 액막량을 낭비시간만큼 예측한다. 또, O2센서의 측정과정에 있어서의 잡음 등은 필터를 통함으로써 최소 2승의 의미로 가장 적합한 액막추정량을 산출한다.
다음에, 본원 발명의 제1의 특징을 실현하는 실시예에 대하여 제1도, 제2도에 따라서 설명한다. 제1도는 엔진프로세스(1)와 콤퓨터내에서의 연료분사제어의 제어구성을 나타내고 있다. 액막모델계수작성부(3)는 다음과 같이 벽면부착율 X과 액막증발시정수 τ를 산출한다.
Figure kpo00001
여기서, k는 k시각을 나타낸다.
흡기관내 공기질량산출부(4)에서는 흡기관내압력에서 다음과 같이 흡기관내 공기질량 M을 산출한다.
Figure kpo00002
여기서, a1은 흡기관내용적과 흡기관온도에 의해 결정되는 상수이다.
또한, 연료분사량산출부(5)에서는 상기 X(k), M(k), 엔진프로세스에서 얻어지는 스로틀을 흐르는 공기 질량
Figure kpo00003
, 및 후술하는 증기연료예측치
Figure kpo00004
에서 다음과 같이 연료분사량 Gf을 산출한다.
Figure kpo00005
여기서, (A/F)는 이론공연비이다. 흡기관내상태추정부(2)에서는 상기 액막부착율 X, 증발시정수 τ, 흡기관내공기질량 M, 스로트를 흐르는 공기질량 Mat(k), 및 엔진프로세스에서 얻어지는 엔진회전수 N, 흡기관압력 P, 공연비 A/F로부터 흡기관내의 상태로서 액막량이나 증기연료를 추정, 예측하고, 제1도의 실시예에서는 연료분사량산출부(5)에 연료분사량 Gf을 출력한다.
상기 흡기관내상태추정부(2)의 구성 및 동작에 대하여 제2도에 따라서 설명한다. 실린더에 흡입되는 공기질량
Figure kpo00006
은 제2도의 흠입 공기질량추정부(28)에서 다음과 같이 구한다.
Figure kpo00007
여기서, a2는 엔진배기량이나 기체상수로 결정되는 상수이다.
얻어진
Figure kpo00008
(K)는 제2도의 시프트레지스터(29)에 입력하고, 우측으로 시프트한 후 최후미에 축적한다. 제2도의 계수작성회로(21)에서는 흡기관내의 상태를 추정, 예측하기 위한 모델의 계수를 작성하는 부분이며, 상디 X(k), τ(k), M(k),
Figure kpo00009
(k)에서 다음과 같이 구한다.
Figure kpo00010
여기서,ΔT는 샘플주기이다. 제2도의 계수작성회로(21)에서 얻어진 계수는 제2도의 메모리테이블(22)에 축적되며, 그것에 수반해서 이전에 축적되어 있던 데이터는 우측으로 시프트된다. 한편, 메모리테이블(24)에서는 제1도의 산출부(5)에서 얻은 연료분사량을 메모리테이블(22)과 마찬가지로 우측으로 시프트하면서 최후미에 추가된다.
02센서에서 얻은 공연비데이터는 배기관내의 배기가스유동지연이 있으며, 또한 이 지연도 엔진회전수에 따라 변화한다. 제2도의 지연시간계산회로(27)에서는 다음과 같이 공연비데이터의 관측지연시간 d을 계산한다.
Figure kpo00012
여기서, d는 샘플링주기의 정수배 (整數倍)이며, 제12식의 [ ]는 정수화기호이다.
지연시간 d 이 얻어짐으로써, k시각에 있어서 얻어진 공연비데이터는 d시각전의 공연비이므로 A/F(k-d)라고 쓸 수 있다. A/F(k-d)와 메모리테이블(29)내의
Figure kpo00013
(k-d)로부터 흡입연료추정부(30)에서는 d시각전에 있어서 실린더에 흡입된 연료의 추정치가 다음과 같이 얻어진다.
Figure kpo00014
다음에, 상기 지연시간 d을 알고, 상기 Gfe(k-d)와, 메모리테이블(22)에서 얻어지는 A1(k)에서 A1(k-d), A2(K)에서 A2(k-d), A3(k)에서 A3(k-d), B1(k)에서 B1(k-d), C1(k)에서 C1(k-d), D1(k)에서 D1(k-d)의 정보와 메모리테이블(24)에서 얻어지는 Gf(k)에서 Gf(k-d)의 정보와 후술하는 메모리테이블(25) 및 (26)에서 얻어지는
Figure kpo00015
film(k-d)와 Mv(k-d)의 정보에서 제2도의 계산회로(23)에서는 다음에 나타낸 바와 같이 액막과 중기연료를 추정하여 예측한다. 여기서, 간단하게 하기 위해 다음과 같이 한다.
Figure kpo00016
여기서, 예를들면 (ㆍ )의 ( ㆍ )는 시각을 나타낸다.
Figure kpo00017
여기서,
Figure kpo00018
시각의 액막 추정량과 증기연료의 추정량이고, F는 추정 오차분산행렬이고,
Figure kpo00019
는 관측잡음의 분산이다.
Figure kpo00020
이상의 식에 의해 흡기관내의 상태인 액막과 증기연료의 (k+1) 시각의 예측치가 산출되었다.
제20식에서 얻은 증기연료예측치를 제5도에 출력한다. 또. 제19식에서 얻어지는 Mfilm(k-d+l)에서 Mfilm(k)과 Mv(k-d+l)에서 Mv(k)를 메모리테이블(25)과 (26)에 축적한다.
상기 실시예에 의하면 엔진회전수에 따라 변화하는 02센서의 낭비시간변화를 고려하여, 액막량과 증기 연료를 추정, 예측하고, 예측한 증기연료를 근거로 연료분사량을 제어함으로써 공연비를 이론공연비 부근에 유지할 수 있다. 이로써, 유해배기가스의 저감이 가능해진다.
다음에, 본원 발명의 제2의 특징을 실현하는 실시예에 대하여 제5도, 제6도, 제7도에 따라서 설명한다. 제5도는 연료분사제어부에 관련된 장치의 구성도를 나타낸다. 에어플로미터(52)로부터는 스로틀부를 흐르는 공기질량
Figure kpo00021
을 검출하여 콤퓨터 (51)에 입력한다. 마찬가지로, 스로틀센서(52)에서는 스로틀개폐도 θ가. 부압센서 (54)에서는 흡기관내의 압력이, 수온센서(55)에서는 온도 T가, 크랭크각센서(56)에서는(타코 미터를 통하여) 엔진회전수 N가, 02센서 (57)에서는 공연비 A/F가 얻어지며, 각각 콤퓨터(51)에 입력된다. 콤퓨터(51)에서는 인젝터(58)에 연료분사량을 지령한다. (101)은 액막을 나타낸다.
제6도는 제5도의 콤퓨터(51)에 있어서의 연료분사제어처리내용을 나타낸 블록도이다. 액막모델의 계수작성부(61)는 벽면부착율 X과 액막증발시정수 τ를 산출한다. 여기서는, X를 스로틀각도의 함수, τ를 온도의 함수로서 그 일예를 나타낸다.
Figure kpo00022
여기서, k는 k시각을 나타낸다.
산출된 벽면부착율 X(k)과 액막증발시정수 τ(k)는 엔진프로세스(60)에서 부여되는 회전수 N(k), 압력 P(k), 공연비 A/F(k-d) 및 후술하는 연료분사량산출부 (63)에서 산출된 연료분사량 Gf(k+1)과 함께 액막량추정부(62)에 입력한다. 연료분사량 산출부(63)에서는 상기 X(k) · τ(k) 및 스로틀부를 흐르는 공기질량
Figure kpo00023
또한 액막량 추정부(62)에서 산출된 액막량예측치
Figure kpo00024
에서, 다음 식에 따라 연료분사량 G1(k +1)을 산출한다.
Figure kpo00025
여기서, (A/F)는 이론공연비이다.
상기 액막량추정부(62)의 구성 및 동작에 대하여 제7도에 따라서 설명한다. 제7도에 있어서. 제2도와 공통되는 부분은 동일한 번호를 붙인다. 상기 액막모델의 계수작성부(61)에서 얻은 X(k), τ(k)를 근거로 제7도의 계수작성회로(21)에서는, 액막모델을 이산(離散)시간계로 하기 위해, 그 계수를 다음과 같이 연속 시간계에서 이산시간계로 변환한다.
Figure kpo00026
여기서, ΔT는 샘플주기(여기서는, 샘플주기는 계산시간간격과 같은 것으로 함)이며, 임의의 시각 k에 대해 (k-1) 시각에서 (k)시각의 시간에 상당한다. 다음에, 제7도의 계수작성회로(21)에서 얻어진 계수를 메모리테이블(22)에 다음과 같이 축적한다. 현시각을 K라고 하면 A(k), B(k), C(k), D(k)는 각 메모리 테이블의 최후미에 추가되며, 그것에 수반해서 이전에 축적된 데이터는 우측으로 시프트된다. 여기서, 메모리테이블(22)의 길이는 11까지로 했다
다음에, 실린더에 흡입되는 공기질량
Figure kpo00027
을 추정하는 흡입공기 질량추정부(28)에 있어서, 압력센서 및 타코미터로부터 얻은 정보, P(k)와 N(k)를 근거로 상기(5)식에 의해
Figure kpo00028
(k)를 추정한다.
흡입공기질량추정부(28)에서 얻어진
Figure kpo00029
를 메모리테이블(22)와 같이 메모리테이볼(29)에 우측으로 시프트하면서 최후미에 추가한다.
한편, 메모리테이블(24)에서는 제6도의 연료분사량산출부(63)에서 얻은 k시각에 있어서의 연료분사량을 메모리테이블(22)과 같이 메모리테이블(24)에 우측으로 시프트하면서 최후미에 추가하고 있다.
한편, 02센서로부터 얻은 공연비정보는 배기관내의 배기가스유동지연에 의해 관측지연이 있다. 또한,이 지연시간도 일정하지 않으며 엔진회전수에 의해 변화한다. 그래서, 지연시간을 엔진회전수에서 산출하여, 상기 메모리테이블(22), (29), (24) 및 후술하는 메모리테이블(25)에서 얻은 지연시간의 사이의 정보에서 과거의 액막량을 추정하고, 다시 (k+1)시각에 있어서의 액막량을 예측하는 부분에 대해 설명한다. 제7도의 지연시간 계산회로(27)에서는 상기(12)식에 의해 지연시간 d을 계산한다.
지연시간 d이 얻어짐으로써 02센서에서 얻은 현재의 정보는 d시간전의 공연비이므로 A/F(k-d)라고 쓸 수 있다. A/F(k-d)와 메모리테이블(29)내의
Figure kpo00030
에서, d시각전에 있어서 실린더에 흡입된 연료의 추정치
Figure kpo00031
를 상기 (13)식에 의해 제7도의 흡입연료추정부(30)에서 얻는다.
다음에, Gfe(k-d)와, 메모리테이블(22)에서 얻어지는 A(k)에서 A(k-d), B(k)에서 B(k-d). C(k)에서 C(k-d), D(k)에서 D(k-d)의 정보와, 메모리테이블 (24)에서 얻어지는 Gf(k)에서 Gf(k-d)의 정보와 후술하는 메모리테이블(25)에서 얻어지는
Figure kpo00032
의 정보로부터 제7도의 계산회로(23)에서는 다음과 같이 액막을 추정하여 예측한다.
Figure kpo00033
여기서,
Figure kpo00034
가 (k-d)시각의 액막추정량이고. F는 추정오차분 산이고,
Figure kpo00035
는 관측잡음의 분산이다.
Figure kpo00036
제27식에서 얻은 액막예측량을 제6도의 연료분사량산출부(63)에 출력하고, 제26식에서 얻어지는
Figure kpo00037
film(k-d+l)에서
Figure kpo00038
film(k)을 메모리테이볼(25)에 좌측에서
Figure kpo00039
fil m(k)‥‥
Figure kpo00040
film(k-d+l)의 순으로 축적하고,
Figure kpo00041
film(k-d) 이전의 데이터는 메모리테이블(25)에서 우측으로 시프트된다.
본 실시예에 의하면, 엔진회전수에 따라 변화하는 02센서의 낭비시간변화를 고려하여, 액막량을 추정,예측하고, 그것을 근거로 연료분사량을 제어함으로써, 공연비를 이론공연비 부근에 유지할 수 있다. 이것에 의해 유해배기가스의 저감이 가능해진다.
이상과 같이 본원 발명에 의하면, 공연비를 이론공연비 부근에 유지할 수 있으므로 유해가스저감의 효과가 있다. 다음에, 제3도, 제4도, 제8도에 의거하여 본원 발명의 효과에 대해 설명한다. 제3도는 종래예를 나타낸 것이다. 스로틀각도가 10°에서 20°로 0.5초간에 변화시켰을 때(가속에 상당함)의 실린더에 들어가는 공연비가 연료분사량을 나타내고 있다. 제3도에서 알 수 있는 바와 같이, 가속시에서는 실린더에 들어가는 공기량의 증가에 대해 연료의 증가가 상대적으로 적으므로, 이론공연비 14.7보다도 높은 값을 나타내고 있으며, 이것으로부터 유해가스 NOx가 많이 나오는 것을 이해할 수 있다. 제3도의 종래예에 대해 제4도에는 본원 발명에 의한 제어성능의 예를 나타낸다. 제3도에 나타낸 것과 같은 조건으로 제어했을 때의 실린더에 들어가는 공연비와 연료분사량을 나타내고 있다. 제4도에서 알 수 있는 바와 같이, 연료분사량이 스로틀개폐도의 변화에 수반하여 큰 값을 취하고- 스로틀개폐도변화의 정지와 함께 분사량을 줄인다고 하는 제어로 되어 있다. 이에 따라 공연비를 이론공연비 부근에 유지할 수 있고, 유해배기가스의 저감이 가능해진다. 제8도에서는 실린더에 들어가는 공연비와 02센서로 얻어진 공연비를 나타전 것, 및 흡입관에 부착한 액막량과 그 예측치를 나타내고 있다. 여기서, 02센서로부터 얻은 공연비는 잡음이나 센서의 특성으로 오차가 있고, 더욱이 낭비시간을 포함한 것이다. 제8도에서 알 수 있는 바와 같이, 02센서의 정보에 낭비시간이나 잡음이 포함되어 있어도, 액막량을 예측하는 기능은 유효하게 작용하도 있다.

Claims (5)

  1. 엔진의 연료분사량을 제어하는 엔진제어장치에 있어서, 제1소정 시점에서 분사한 연료중 연료흡기관 벽면에 부착한 액막량과, 액막으로부터 증발한 연료중 실린더에 흡입되지 않고 상기 흡기관내에 잔류하는 증기연료량을 추정하고, 상기 제1소정 시점에 연속된 제2소정 시점에서 액막량과 증기연료량을 예측하고, 추정치로부터 공연비를 제어파라미터로서 포함하는 연료계 모델을 사용하여 예측량을 조정하고. 상기 제2소정 시점에서의 공연비가 원하는 공연비로 되도록 상기 제1소정 시점에서의 연료분사량을 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진의 연료분사제어방법.
  2. 엔진의 연료분사량을 제어하는 엔진제어장치에 있어서. 제1소정 시점에서 분사한 연료중 연료흡기관 벽면에 부착한 액막량을 추정하고, 이 추정치로부터 관측지연시간을 갖는 센서로부터 관측치에 의해 얻어진 공연비 및 엔진회전수를 제어파라미터로서 포함하는 연료계 모델을 사용하여 상기 제1소정 시점에서 연속된 제2소정 시점에서 분사한 연료중 액막으로부터 증발한 연료량과 횹기관벽면에 부착하지 않은 연료량과의 합을 예측하고, 예측된 합에 상당하는 연료량이 실린더에 흡입되는 것으로 하여 상기 제2소정 시점에서의 공연비가 원하는 공연비로 되도록 상기 제1소정 시점에서의 연료분사량을 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진의 연료분사제어방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 관측지연시간은 엔진회전수로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 엔진의 연료분사제어방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 복수의 지연시간에 상당하는 복수의 공연비 정보가 미리 메모리에 기억되고, 지연시간이 산출될때에 산출된 지연시간에 상당하는 상기 복수의 공연비 정보중 하나가 늦어도 상기 지연시간까지 소정 시점보다 앞서서 공연비로서 상기 메모리로부터 독출되는 것을 특징으로 하는 엔진의 연료분사제어방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 센서에 의해 얻어진 측정신호로부터 잡음을 제거하는 것을 특징으로 하는 엔진의 연료분사제어방법.
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