KR20000068451A - 내연기관, 특히 차량 작동시스템 - Google Patents

Abstract

내연기관 특히 차량내연기관용 연료공급시스템(1)을 기술한다. 연료공급시스템(1)의 저장실(2)로 연료를 운반하고, 저장실(2)에 압력(P_ist)을 생성하는 펌프(4, 6)를 가진다. 또한 저장실(2) 압력(P_ist)의 현재값(U_pist) 측정을 위한 압력센서와, 저장실(2)압력(P_ist)에 영향을 주는 압력제어 밸브(10)를 가진다. 제어장치(11)는 저장실(2)압력을 기준값(U_psoll)으로 조절 및 저장실(2) 압력제어를 조절장치로 교체하는 하나의 수단을 가진다.

Description

내연기관, 특히 차량 작동시스템{System for operating an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle}

이러한 종류의 연료공급시스템은, 예컨대, 직접 분사 내연기관 분야에 알려져 있다. 상기분야에서 저장실의 연료는 고압상태에 있다. 저장실의 압력은 압력 제어밸브를 사용하여 원하는 기준값으로 조정된다. 내연기관 연소실에 연료가 분사될 때 연소실의 분사밸브가 열리며, 분사된 연료는 점화 플러그에 의해 점화된다. 직접분사내연기관의 분사밸브는 연료가 흡입관 또는 그와 유사한 곳으로 분사되지 않고, 연소실에 직접 분사된다.

분사연료량은 각 분사밸브를 개방하는 지속시간에 의해 설정된다. 이때 지속시간은 저장실 압력에 의존한다. 압력이 클수록 동일한 양의 연료분사에 소요되는 지속시간은 짧아진다. 분사 지속시간의 산출에 저장실의 압력을 고려하기 위해, 저장실의 현재 압력을 측정하는 압력센서가 저장실에 설치된다.

이 압력센서가 고장나면, 잘못된 압력 또는 전혀 압력측정이 되지 않으므로 분사지속시간에 오류가 발생하고, 따라서 분사연료량이 잘못 산출된다.

본 발명은 내연기관, 특히 차량 작동시스템에 관한 것으로서, 연료가 압력상태에 있는 저장실로부터 공급되며, 저장실 압력 현재값이 측정되고, 측정된 저장실 압력은 기준값으로 조절된다. 또한 본 발명은 저장실에 연료운송 및 압력 생성용 펌프, 저장실 현재 압력을 측정하는 압력센서, 저장실 압력조절을 위한 압력제어밸브 및 저장실 압력을 기준값으로 제어하기 위한 수단을 가지는 제어기가 있는 내연기관, 특히 차량용 연료공급시스템에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 차량 내연기관용 연료공급시스템의 블록다이어그램.

도 2a는 도 1의 본 발명에 따른 연료공급시스템의 제어 및/또는 조절에 관한 제 1 실시예 블록다이어그램.

도 2b는 도 1의 본 발명에 따른 연료공급시스템의 제어 및/또는 조절에 관한 제 2 실시예 블록다이어그램.

본 발명에서는 압력센서가 고장났을 때, 정확한 연료분사를 할 수 있는 서두에 언급한 종류의 연료공급시스템 내지는 방법에 있어서, 저장실의 압력제어를 하나의 조정장치 내지는 자동 조정장치로 교체시키는 수단을 가지는 제어기를 설치하여 이 과제를 해결한다.

만약 압력센서가 고장나면, 저장실 압력을 원하는 기준값으로 설정하는 제어기능을 조정장치가 수행한다. 조정장치를 사용하여 분사연료량을 배정할 때 최소한 올바른 연료분사가 가능한 저장실의 압력을 설정한다. 고장난 압력센서가 측정한 저장실의 압력측정치는 분사연료량 제어에 더 이상 고려되지 않는다. 그 대신 조정장치가 제어기능을 부여받아 분사 연료량 배정에 고려되어야 할 압력을 저장실에 전달한다.

본 발명의 유용한 형태에서는, 저장실의 압력제어기능에 오류가 발생하면, 오류가 인식된 후 제어기능이 차단되며 조정장치가 작동한다. 이때 결함 특히 압력센서의 고장은 신뢰도 제어에 의해 감지된다. 예컨대, 압력 제어밸브 작동신호를 압력센서로부터 방출되는 신호와 비교할 수 있다. 이 신호들이 장시간동안 현저히 차이가 날 때 결함 발생으로 판정된다. 저장실 압력제어에 관련된 이러한 결함이 감지된 후 조정장치가 제어기능을 대신한다. 이러한 방법으로 제어장치가 제어기능을 대신하며, 이러한 임무교대가 확실하게 수행된다는 것을 보장할 수 있다.

본 발명의 유용한 확장에서는, 저장실 압력제어기능을 하나의 관측자 모델이 대신한다. 즉 제어기능을 대신하는 조정장치가 하나의 관측자 모델을 갖는다. 이 모델은 다수의 입력신호로부터 내연기관의 순간 작동상태를 분석한다 이 작동상태에 따라 내연기관의 고유 크기값을 표시하는 출력신호를 생성한다. 이 출력신호는 예컨대 압력센서 결함시에 저장실의 압력을 생성하는 데 사용된다. 관측자 모델을 사용하여 저장실의 압력제어기능 결함시에 투입할 수 있는 조정장치를 실행할 수 있다.

이때 관측자 모델의 온도 보정이 반드시 수행되어야 한다. 특히 저장실 압력에 영향을 미치는 압력 제어밸브의 온도가 내연기관 작동 중에, 특히 압력제어밸브가 열려진 상태에서 비교적 강하게 증가한다. 따라서 압력 제어밸브의 통과개구 단면적을 변경시키는 결과가 된다. 이것은 다시 저장실 압력에 직접 작용하여 분사연료량에 영향을 미치는, 압력제어 밸브를 통과하는 연료량의 변화를 야기시킨다.

압력제어센서가 정상이면, 원하는 값과 저장실의 현재값의 기준값-측정값-비교에 의해, 저장실의 기존 압력제어기능으로, 이러한 변화를 보정한다. 반면에 압력센서가 고장이면, 제어기능을 대신하는 조정장치에서, 관측자 모델을 사용하여 온도보정이 수행된다. 이때 관측자 모델은, 예컨대, 입력신호의 다수로부터 압력제어밸브의 온도 내지는 온도변화에 해당하는 출력신호를 분석한다. 이로써 압력제어밸브의 통과개구단면 최종 변경값이 나오며 거기에 상응하는 보정이 수행된다. 그 다음 압력제어밸브의 조정과 그에 관계되는 분사연료량을 할당할 때 이러한 온도보정이 고려된다.

발명의 유용한 형태에서, 저장실의 압력제어를 위해 온도에 의존하는 인자와 관련된 공급전압을 설치한다. 이 공급전압은 압력제어 밸브에 걸린다. 이 공급전압이 온도와 관련된 인자에 의해 변화되면, 그로 인해 변하는 압력제어밸브온도가 보정되어 질 수 있다.

본 발명의 또 다른 유용한 형태에서는, 저장실의 압력제어 및/또는 조절을 위해 온도에 의존하는 인자와 관련된 제어전압을 설치한다. 제어전압으로 압력제어밸브를 조정한다. 통과개구의 단면은 압력제어밸브가 열린 상태에서 제어전압에 의존한다. 따라서 제어전압은 압력제어밸브를 통과하는 연료량에 해당한다. 제어전압이 온도에 의존하는 인자에 의해 변화되면, 그로 인해 제어상태에서 변하는 압력제어 밸브의 온도가 보정된다.

본 발명의 또 다른 유용한 확장형태에서는, 저장실 압력에 영향을 미치는 압력제어밸브의 온도 의존도 인자를 분석한다. 특히 압력제어밸브 코일의 온도변동에 의존하는 압력제어 밸브의 온도변동의 분석은 불가피하다. 압력제어밸브의 개구는 전자기적으로 작동한다. 이때 압력제어밸브를 조정하는 제어전압이 작을수록 개구단면은 커진다. 제어전압이 클 경우 압력제어 밸브코일에 높은 전류가 흐른다. 따라서 코일의 온도가 상승한다. 코일의 온도 상승은 다시 코일의 전기 저항을 변화시키며, 이것은 다시 코일에 흐르는 전류를 변화시키고, 따라서, 압력제어밸브의 개구단면의 변화를 초래한다. 온도에 의존하는 인자들의 범주 안에서, 코일의 이러한 온도 거동을 고려하면 온도에 따라 변하는 개구부단면에 대한 보정을 수행할 수 있다. 특히 코일이 가열됨으로써 발생되는 영향은, 제어전압을 산출할 때 제어전압에 작용하는 상응인자들을 고려함으로써 제거 할 수 있다. 특히 온도의존인자를 공급전압으로 반드시 나누어야한다. 이러한 방법으로 공급전압의 변화가 인자들에 영향을 미치지 못하게 할 수 있다.

본 발명의 적용가능성 및 장점, 특징들은 도에 나타낸 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있다. 여기서 모든 기술 또는 표기사항은 청구항 또는 그와 관련된 사항과는 무관하게 및 설명 내지는 도면상에 표현 내지는 표기와는 무관하게, 그 자체로써 또는 임의의 조합으로써 본 발명을 구성한다.

도 1은 차량 내연기관에 사용되는 연료 공급시스템(1)이다.

연료 공급시스템(1)은 저장실(2)을 가지며, 연료가 용기(3)로부터 압력 제어밸브(5)를 사용하여 제 1 압력펌프(4)를 통해, 그리고 릴리프밸브(7)를 사용하여 제 2 펌프(6)를 통해, 이 저장실로 운반된다. 저장실(2)은 연료분사밸브(8)와 연결되며, 연료는 연소기관의 해당 연소실로 분사된다. 분사밸브(8)는 일반적으로 연소실에 직접 설치되어 연료가 연소실에 직접 분사된다.

저장실(2)의 실제압력 P_ist는 저장실에 연결된 압력센서(9)로 감지된다. 압력센서(9)는 출력전압으로 실제압력 P_ist에 상응하는 측정치 U_pist를 생성한다.

저장실(2)에 압력제어밸브(10)가 연결되며, 열린 상태에서 연료는 통과개구(3)를 통해 용기(3)로 다시 흘러간다. 압력제어밸브(10)는 코일이 있으며 그의 전기자는 압력제어밸브(10)의 개구에 잠겨있다. 이 개구의 단면은 전기자의 위치에 따라 변한다. 전기자의 위치는 압력제어밸브(10)에 작용하는 제어전압 U_p에 의존하며 아날로그 또는 디지털이다.

압력제어밸브(10)의 제어전압 U_p는 제어장치(11)에 의해 생성되며, 이 제어장치에 입력신호로서 U_pist가 전달된다. 또한 제어장치(11)는 연소기관의 각 작동상태를 특징짓는 다수의 입력신호(12)와 연결된다.

내연기관 가동시 연료는 두 펌프(4, 6)에 의해 저장실로 보내진다. 따라서 저장실(2)에는 압력 P_ist가 형성된다. 이 압력 P_ist는 압력센서(9)가 감지하며 제어장치(11)에 측정치 U_pist로써 전달된다. 제어장치(11)는 압력제어 밸브(10)를 사용하여 저장실(2)에 압력 P_ist를 작용시키며 도 2a와 도 2b에서 설명한다. 또 제어장치(11)는 분사밸브(8)를 조절하여 연료를 저장실(2)로부터 내연기관 연소실에 분사한다. 점화플러그는 연소실에서 연료를 점화하여 연소시킨다.

도 2a에 저장실(2)의 실제압력 P_ist의 제어 및/또는 조정을 나타냈다. 이 제어 및/또는 조정장치는 제어장치(11)의 상응하는 수단으로 실행된다.

식별장(13)을 통해 가속페달의 위치와 그 위치로 나타나는 운전자 요구사항을 표시하는 부하신호γ와 내연기관 회전수를 나타내는 신호 n_M은, 저장실(2) 압력기준치 U_psoll을 나타내는 출력신호를 생성한다. 이 기준치 U_psoll와 측정치 U_pist가 상호 비교되고, 그 차이값이 조절기(14)에 전송된다. 그 값으로부터 조절기(14)는 제어전압 U_p에 대해 기준치 U_psoll에 추가적으로 관련되는 출력신호를 생성한다. 조절기(14)가 이 출력신호를 생성하며, 이 출력신호는 제어전압 U_p가 저장실(2)압력 U_ist의 측정치 U_pist가 기준값 U_psoll에 상응하는 압력과 일치하도록, 압력제어 밸브(10)에 작용하도록 생성된다.

도 2a에 조절기능을 하는 최종단계(15)와 코일을 나타내는 저항(16)을 통해 압력제어밸브(10)를 나타냈다. 제어전압 U_p가 최종단계(15)에 작용하여, 제어전압 U_p에 상응하는 전류가 저항(16)을 통해 흐른다. 제어전압 U_p의 변화는 전류의 변화를 야기하며, 결과적으로 코일의 전기자가 전류변화량에 상응하는 경로만큼 이동한다. 이것은 다시 압력제어밸브(10) 통과개구의 단면을 열거나 닫는다. 이러한 방법으로 연료는 저장실(2)로부터 용기(3)로 흘러가며, 이때 저장실(2)의 실제압력 P_ist가 동시에 증가 또는 감소한다.

저항(16)을 통과하는 전류로 인해 코일이 가열된다. 이때 가열의 정도는 코일의 온도 즉 전류 및 그로 인한 제어전압 U_p및 그의 변화에 의존하는 압력제어밸브(10)의온도이다. 조절기(14)에 의해 제어전압 U_p가 변하거나 또는 식별장(13)에 의해 변하는 경우 코일의 온도 역시 변하며 그로 인해 저항(16)이 변한다. 저항(16)의 변화는 동시에 저항(16)을 통과하는 전류 및 그로 인해 코일에 통과하는 전류를 변경시킨다. 이로 인해 저장실(2)의 압력 P_ist이 변한다.

도 2a에 제시하고 설명한 기준값-측정치-비교를 통해 저장실(2)의 압력 P_ist변화가 제어된다. 저항(16)의 온도변화와 무관하게 조절기(14)에 의해 저장실(2)의 압력 P_ist는 기준치 U_psoll로 규정되는 압력값으로 조절된다.

도에 제시하지 않은 방법에서는 제어장치(11)에 의해 압력제어밸브(10)를 조절하는 제어전압 U_p와 압력센서(9)가 생성하는 측정치 U_pist가 비교된다. 이러한 비교는 내연기관 작동시 및/또는 산발적으로 및/또는 주기적으로 수행된다. 상기 신호가 일정시간동안에 걸쳐 현저한 차이를 나타내면, 제어장치(11)는 압력센서(9)가 정상이 아닌 것으로 판정한다. 상술한 비교에 추가 또는 대체방법으로 제어장치(11)가 압력센서(9)의 기능을 검사하여 감지하는, 신뢰도 제어방법을 고려해 볼 수 있다.

제어장치(11)가 압력센서(9)의 결함을 인지하면, 도 2a에 제시하여 설명한 저장실(2)의 압력조절과정, 특히 조절기(14)는 아무런 출력신호를 생성하지 않는다. 그 결과로 제어전압 U_p은 기준치 U_psoll과 일치하게 되고, 제어전압은 측정치 U_pist와 무관하게 최종단계(15)에 작용한다.

이때 상기한 저장실(2)의 압력제어는 하나의 조정장치로 대체된다. 즉 조절기능이 차단된 후에 이 조절기능을 대신하는 저장실(2)의 압력조절장치가 작동된다. 이러한 제어장치로의 임무교대 및 이러한 제어기능은 제어장치(11)에 의해 수행된다.

저장실(2)의 압력조절을 위해서 관측자모델(17)을 제안한다. 이 관측자 모델에 내연기관 및/또는 차량의 운행상태를 특징짓는 부하신호γ, 내연기관 회전수 n_M, 차량속도, 냉각수온도, 흡입공기온도 또는 그에 상응하는 것 등과 같은 다수의 입력신호가 전달된다. 이러한 입력신호로부터 관측자 모델은 연결부(18)를 통해 인자 k로서 압력제어밸브(10)에 작용하는 출력신호를 생성한다.

관측자모델(17)을 사용하여 온도보정을 한다. 즉 압력센서(9)의 결함 및 그로 인한 조절기(14)가 차단되면 압력제어밸브(10)의 온도변화는 관측자모델(17)에 의해 보정된다. 관측자 모델(17)을 통해 상응인자 k를 생성함으로써 압력제어밸브(10)의 온도변화가 보정된다.

이러한 목적을 위해 압력제어밸브(10)의 온도변화를 관측자모델(17)의 입력신호를 사용하여 구성한다. 수학적 연관관계는 다음과 같다.

도 2와 같이 압력제어밸브가 공급전압 U_o에 놓이면, 압력제어밸브(10)는 P_ist/bar = cxi/Ampere의 함수관계를 갖는다.

코일의 전류 i : i/Ampere = U_p×U_o/Volt×k×1/R/ohm

제어전압 U_p는 이 경우 다음과 같은 평균제어크기값을 나타낸다.

c 값은 압력제어밸브(10)의 함수관계로부터 알 수 있다. U_p는 식별장(13)에 의해 생성되며 조절기(14)의 차단으로 U_soll과 동일하다. U_o는 차량의 공급전압. R_o는 저항(16)의 특정온도에서의 기준값. α는 상수이며, 이 상수로 압력제어밸브(10)의 온도변화(△T)시 저항 R이 기준값 R_o로부터 변한다.

관측자 모델(17)은, 관측자모델(17)의 입력신호로부터 열계산법을 사용하여 압력제어밸브(10)의 온도변화△T를 산출한다. 이때 연료의 온도를 상승시키는 압력밸브(10)에 생성되는 유압손실이 관여한다. 이 열은 예컨대 열간시동의 경우 다른 곳으로 유도할 수 있다. 또한 압력제어밸브(10)의 전기적 손실열과 압력제어밸브(10)와 주변의 열교환도 이 계산에 관여한다. 모든 이러한 열량값들은 입력신호로부터 계산되며 전체적인 △T가 산출된다.

관측자 모델(17)은 수학식(2)의 온도의존도 즉 (1+αx△T)항이 상쇄되도록 k값을 생성한다. 따라서 k=(1+αx△T)를 대입할 수 있다.

이제 저장실(2)의 압력 P_ist는 제어전압 U_p과 직선관계에 있게된다. 따라서 압력제어밸브(10)의 온도의존도가 상쇄된다.

도 2a에서 인자 k를 공급전압 U_o와 관련시킴으로써 보정에 연관시켰다. 공급전압 U_o는 인자 k만큼 변한다. 도 2a에서는 온도에 의존하는 공급전압 U_o의 보정을 통해 저장실(2)의 압력조절이 수행된다.

도 2b에, 저장실(2)의 실제압력 P_ist의 제어 및/또는 조정을 나타냈다. 이 제어 및/또는 조정장치는 제어장치(11)의 상응하는 수단으로 실행된다.

도 2b와 도 2a의 제어 및/또는 조절장치는 인자 k의 관련여부로만 구분된다. 따라서 동일 부품 또는 기능은 동일한 부호로 표시한다. 도 2b에 관해서는 다시 반복 설명하지 않으며, 대신 도 2a와의 차이점만 설명한다.

도 2b에서 인자 k를 제어전압 U_p와 관련시킴으로써 보정에 연관시켰다. 제어전압 U_p는 인자 k만큼 변한다. 도 2b에서는 온도에 의존하는 제어전압 U_p의 보정을 통해 저장실(2)의 압력조절이 수행된다.

또한 도 2a와 2b에서 인자 k대신 k'를 대입할 수 있으며 이때 k'=k/U_o/volt이다. 즉 도 2a와 2b의 연결부(18)에서 인자 k를 공급전압 U_o로 나눈다. 이러한 목적으로 도 2b에서 공급전압 U_o가 연결부(18)로 유입되어야 한다.

수학식(3)으로부터 P_ist/bar = c×U_p×1/R_o/Ohm

따라서 공급전압 U_o의 편차가 미치는 영향을 상쇄할 수 있다.

제어전압 U_o가 아날로그 전압인 경우, 인자 k 내지는 k'는 직접 영향을 미친다. 제어전압 U_p가 디지털 전압인 경우 궁극적으로 아날로그제어전압 U_p에 상응하는 전압평균치가 나온다. 인자 k 내지는 k'는 이 경우 상응하는 스탭비의 변경으로 영향을 미칠 수 있다.

Claims (16)

1. 연료가 저장실(2)로부터 공급되며, 저장실(2)에 압력(P_ist)이 생성되며, 저장실(2)의 압력(P_ist)의 측정치(U_pist)가 측정되며, 저장실(2)의 압력이 기준치(U_psoll)로 조절되는 내연기관, 특히 차량용 연료공급시스템(1) 작동방법에 있어서,

   연료저장실(2)의 압력조절을 조절장치가 교대로 수행하는 것을 특징으로 하는 연료공급시스템(1) 작동방법.
2. 제 1 항에 있어서, 저장실(2)의 압력제어기능의 결함이 인식되며, 제어기능의 결함이 인식된 후 제어기가 차단되고 조절장치가 연결되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 저장실(2)의 압력제어를 관측자 모델(17)이 교대로 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 관측자모델(17)의 온도보정이 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 저장실(2)의 압력조절을 위해 온도인자(k)와 관련된 공급전압(U_o)이 설치되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서, 저장실(2)의 압력조절 또는 제어를 위해 온도인자(k)와 관련된 제어전압(U_p)이 설치되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 5 항 또는 6 항에 있어서, 인자(k)의, 저장실 압력에 영향을 미치는 압력제어밸브(10)에 대한 온도변동 의존도를 산출하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 압력제어밸브(10)의 온도변동과, 압력제어밸브(10)의 코일 온도변동에 대한 의존도를 산출하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 5 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서, 온도 의존인자(k)를 공급전압(U_o)으로 나누는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 5 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서, 온도 의존인자(k)의 내연기관회전수 또는 차량속도 또는 냉각수온도 또는 흡입공기온도에 대한 의존도를 산출하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서, 계산기 특히 마이크로프로세서에서 실행되며, 상기 제 1 항 내지 10 항 중 하나의 방법수행에 적합한 프로그램이 저장되는 내연기관, 특히 차량제어장치(11)용 전기적 매체 특히 ROM(Read-Only-Memory)을 특징으로 하는 방법.
12. 저장실(2) 연료운반 및 저장실(2) 압력(P_ist)을 위한 펌프(4, 6), 및

    저장실(2) 압력(P_ist) 측정치(U_pist)의 측정을 위한 압력센서(9), 및

    저장실(2) 압력(P_ist)에 영향을 주는 압력제어 밸브(10), 및

    저장실(2) 압력을 기준치(U_psoll)로 조절하는 수단이 있는 제어장치(11)를 가지는 내연기관 특히 차량용 연료공급시스템에 있어서,

    저장실(2) 압력제어를, 조절장치로 교대로 수행하는 수단을 가지는 제어장치(11)를 특징으로 하는 내연기관 특히 차량용 연료공급시스템.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 제어장치(11)가 결함, 특히 압력센서(9) 결함인식 및 제어기능을 차단 및 조절장치를 연결하는 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 연료공급시스템.
14. 제 12 항 또는 13 항에 있어서, 저장실(2) 압력조절을 위해 공급전압(U_o)이 온도 의존인자(k)와 관련되는 것을 특징으로 하는 연료공급시스템.
15. 제 12항 또는 13항에 있어서, 저장실(12) 압력제어 또는 조절을 위해 제어전압(U_p)이 온도의존 인자(k)와 관련되는 것을 특징으로 하는 연료공급시스템.
16. 제 12 항 내지 제 15 항중 어느 한 항에 있어서, 제어장치(11)가 제어를 할 때, 특히 압력 제어밸브(10) 코일의 온도 변동을 고려하는 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 연료공급시스템.