KR880001684B1

KR880001684B1 - 자동차용 내연기관의 공연비(空燃比) 제어방법

Info

Publication number: KR880001684B1
Application number: KR1019830004871A
Authority: KR
Inventors: 히로시 구로이와; 요시시게 오오야마
Original assignee: 가부시기가이샤 히다찌세이사꾸쇼; 미다 가쓰시게
Priority date: 1982-10-18
Filing date: 1983-10-14
Publication date: 1988-09-06
Also published as: EP0106348A3; JPS5970853A; EP0106348A2; KR840007141A; DE3378922D1; US4616621A; EP0106348B1

Abstract

내용 없음.

Description

자동차용 내연기관의 공연비(空燃比) 제어방법

제1도는 연료분사형 내연기관에 있어서의 본원 발명의 실시예를 나타낸 구성도.

제2도는 스로틀밸브 개폐도를 파라미터로 한 다기관(多岐管)부압 및 메인통로의 공기량 변화를 나타낸 특성도.

제3도는 연료량의 연산을 나타낸 플로차트.

제4도는 스로틀 개폐도를 파라미터로 했을 때의 공연비 설정의 일례를 나타낸 특성도.

제5도와 제6도는 바이패스밸브 개폐도를 연산하는 플로차트.

제7도는 스로틀 개폐도를 파라미터로 했을 때의 발생토크와 공급연료를 나타낸 특성도.

제8도는 카뷰레이터형 내연기관에 있어서의 본원 발명의 다른 실시예를 나타낸 구성도.

본 발명은 자동차용 내연기관(이하 엔진이라고 함)의 공연비를 전자적으로 제어하는 방법에 관한 것이다.

자동차용 엔진의 요구토크는 운전자가 차의 운전상태를 판단하여 결정하며, 결정된 요구 토크에 의거하여 엑셀을 조작하고, 스로틀 밸브의 개폐도를 제어한다. 스로틀 밸브의 개폐도에 의해 엔진에의 공기량 및 연료량이 정해지며, 엔진에서 발생하는 토크가 정해진다. 운전자는 엔진에서 발생하는 토크와 엑셀과의 관계 즉 토크와 스로틀밸브 개폐도와의 관계를 감각으로서 잡아 이 감각에 따라 엑셀을 조작한다.

한편, 자동차용 엔진의 공연비(空燃比)제어에서는 엔진을 희박혼합기(稀縛混合奇)로 운전하는 편이 연료효율이 상승하는(특히 공연비가16의 부근에서 연소효율이 좋음) 것이 알려져 있으며 (예를들면 일본국 특개소58(1983) - 48742호 공보), 엔진의 운전모드에 따라, 공연비를 희박측으로 시프트하는 것이 바람직하다.

즉, 공연비를 희박하게 하면, 특히 공연비를 20가까이까지 가져가면, 특히 배기가스중의 NOx 의 함유량이 현저하게 감소되며, 그뿐만 아니라 일산화탄소 CO나 탄화수소 HC의 발생도 적어지므로 희박혼합기로 운전하는 것은 촉매를 사용하는데 있어서 촉매에 무거운 부담을 주는 일이 없어져서 유리하다.

한편 단위공기량당의 흡입공기와 발생토크의 관계를 보면, 희박혼합기 운전에서는 근본적으로 단위공기량당의 에너지원, 즉 연료가 감소하므로 연료의 소비효율이 다소 상승했다 하더라도 발생하는 토크는 크게 저하된다.

종래의 공연비 제어방식에서는 운전자는 토크의 발생을 예측하여 엑셀을 조작하고, 스로틀 개폐도를 제어하지만, 실제로는 엔진에의 흡입공기량을 제어하고 있을뿐이고, 토크에 직접 관계가 있는 공급연료량을 제어하고 있지 않다. 그러나 종래의 제어방식에서는 흡입 공기량에 대한 연료의 비율이 이론공연비에 가깝고, 이 공연비 영역에는 흡입공기량에 따라서 엔진의 발생토크가 변화한다고 해도 그다지 큰 토크변화는 아니므로 그다지 문제는 없었다.

그러나 종래의 공연비 제어방식을 그대로 희박혼합기의 제어에 적용했다면, 통상제어(이론 공연비 부근의 제어 또는 리치상태의 제어)에서 희박혼합기 제어로 이행했을때, 운전자의 조작량에 대한 발생 토크가 저하하여 제대로 운전할 수 없는 문제 (즉, 차에 타고 있는 사람은 덜커덕하는 가벼운 충격을 받아 승차감이 좋지 않다는 문제)가 있다는 것을 알았다. 운전자 운전하기 쉽게하기 위해서는 운전자가 감각으로서 알고 있는 조작량과 발생토크와의 관계가 유지되며, 발진, 저속, 중속, 고속주행등의 운전모드에 따라이 관계가 변화하지 않는 것이 필요하다.

본원 발명의 목적은 희박혼합기 운전에 있어서도 운전자의 조작량에 대한 발생토크가 저하하지 않도록 공연비를 제어하는 자동차용 내연기관의 제어방법을 제공하는데 있다.

본원 발명은 운전자의 조작량, 예를들면 엑셀의 조작량 또는 스로틀 개폐도에 따라서 공급연료를 결정하고, 연료의 연소효율을 즉 단위소비연료에 대한 발생엔진 토크를 향상시키기 위한 희박혼합기 제어를 흡입공기량을 제어해서 행하는 것이다. 여기서, 엔진에의 연료를 직접 운전자로부터의 토크요구량 즉 엑셀조작량으로 결정하고, 최적공연비를 얻도록 흡입공기량을 제어해도 되지만, 간접적으로 연료를 결정하는 편이 용이하다. 즉 스로틀 개폐도를 엑셀로 제어하고 스로틀 개폐도에 따라서 공기량을 제어한다. 스로틀밸브로 제어되는 메인공기량에 따라 연료를 공급한다. 한편 희박혼합기 운전모드 (예를들면 평탄도 중속주행모드)에서는 상기 메인공기량과 공급연료량과의 관계는 그대로 유지하고, 바이패스통로의 바이패스 밸브를 열어서 공기를 공급함으로써 공연비를 희박공연비가 되도록 제어한다.

이때, 바이패스밸브를 열므로써 메인흡기로를 지나는 공기량이 약간 감소해 버리며, 그 때문에 공급연료량도 약간 감소해 버리는 현상이 발생한다. 이와 같은 공급연료량의 감소를 방지하고, 스로틀 개폐도에 따라서 결정된 연료량을 유지하도록 즉 감소한 연료량을 보충(중량)하도록 제어되는 것이다.

이 희박혼합기 제어방법에서는 운전자의 조작량과 엔진에의 연료공급량과의 사이에 종래와 같이 대응관계가 유지된다. 따라서 운전자의 엑셀조작량에 가까운 토크가 발생하여, 승차감이 좋은 양호한 운전성이 얻어진다. 희박혼합기 제어에 의해 토크발생효율이 상승함으로써 조작량에 대한 발생토크가 약간 커지는 일도 있지만, 발생토크가 커지는 것에 대해서는 운전자에게 오히려 좋은 느낌을 주며, 운전성을 저하시키는 일이없다.

다음에 본원 발명의 일실시예를 도면에 따라 설명한다.

제1도는 본원 발명의 일실시예를 나타낸 공연비 제어장치이다.

이 실시예에서 엔진(12)의 연소실과 결속된 흡기관 (14)의 상류에 메인통로(16)가 설치되며, 그 메인통로에 그 곳을 흐르는 공기량을 제어하기 위한 스로틀 밸브(18)가 배치되어 있다. 또한 그 상류에는 메인통로의 유량을 계측하는 에어플로미더(20)가 배치되어 있다.

이 메인통로에는 그 상류에 배치된 에어클리너(22)에서 공기가 공급된다. 상기 메인통로와는 별도로 공기를 공급하는 수단으로서 상기 에어플로미터(20)의 상류와 스로틀 밸브(18)의 하류에 접속된 바이패스 통로(32)가 배치되어 있으며, 그 바이패스 통로를 흐르는 공기를 제어하는 바이패스 밸브(34)가 배치되어 있다. 이 바이패스 밸브(34)는 액튜에이터로서 동작하는 예를 들면 펄스모터(36)로 제어되며, 펄스모터를 제어하는 제어신호θB는 마이크로콤퓨터(50)에 보내진다.

마이크로콤퓨터 (50)에는 에어플로미터(20)에서 검출한 공기량신호 QA, 엔진회전속도 N, 스로틀밸브(18)의 개폐도 신호θTH가 입력되어 있다. 마이크로콤퓨터 (50)에서는 이들 신호를 근거로 연산처리를 하고, 바이패스밸브(34)의 개폐신호 및 인젝터 (40)의 제어신호를 결정하여 각각에 전송한다. 여기서 인젝터(40)의 제어신호펄스콕 TI및 바이패스밸브 (34)의 제어개폐도 신호 θB는 다음과 같이 해서 결정된다.

TI = f(QA, N, 0B) ······ (1)

0B = f(0TH, N) ······ (2)

이 실시예에서 펄스폭 TI은 통상의 운전영역에서 공연비A/F 대략 14.7 이 되도록 제어된다. 이펄스폭 TI의 연산은 예를 들면 다음식으로 행해진다.

· ······(3)

여기서 △TI는 다음 식으로 연산된다.

△TI=f(θB, θTH) ······ (4)

제3식에서 QA/N은 기본연료 공급량 TP을 나타내면, K1은 수온, 가속, 감속 등의 보정계수를 나타낸다. 또 △TI 바이패스의 에어량에 의거한 보정을 나타낸다. 그러나 이 △TI의 항은 큰 값은 아니지만, 이 △TI의 보정을 함으로써 더욱 정밀한 공연비제어를 할 수 있다. 다음에 이 보정 △TI에 대해 설명한다.

제2도는 스로틀밸브(18)를 변화시키고, 더욱이 바이패스 밸프(34)를 벼화시켰을 때의 다기관 압력 P 및 메인통로(16)의 유량 θA을 나타낸다. 여기서 엔진회전속두 N는 일정하다.

스로틀밸브(18)를 완전 폐쇄에서 완전 개방까지 변화시켰을때의 다기관압력의 변화특성중 바이패스밸브(34)가 완전폐쇄일때의 특성을 θBC, 완전 개방일 때의 특성을 θBO로 나타낸다. 바이패스밸브가 완전 폐쇄일 때에 비해 완전 개방일 때의 편이 다기관압력은 대기압에 가까와진다. 바이패스밸브(34)가 그 완전폐쇄와 완전개방과의 중간의 개폐도일 때, 다기관압력은 특성 θBO와 θBC와의 사이의 개폐도 θB에 따른 특성으로 된다. 스로틀(18)의 상류는 대략 대기압이며, 이 대기압과의 차압 PB이 스로틀(18)의 상류와 하류간의 압력으로 된다. 이 차압 PB이 클수록 스로틀(18)의 개구를 통과하는 공기의 유속이 증대하며, 다기관압력이 PBC이하가 되면 유속은 음속에 달한다. 공기유속이 음속에 달하면 유속이 포화되며, 차압 PB에 관계없이 일정해진다. 다음에 이때의 다기관압력 PBC을 임계압(臨界壓)이라고 한다. 임계압 PBC이하에서는 다기관압력에 관계없이 유속이 정해지므로 메인통로의 유량 θA는 스로틀(18)의 개폐도로만 정해진다.

한편 다기관압력이 임계압 PBC 이상에서는 메인통로(16)의 유량은 스로틀(18)의 개폐도와 차압 PB으로 정해진다. 상술한 바와같이 다기관압력은 바이패스밸브(34)의 개폐도로 변화하므로, 메인통로의 유량 QA도 빗금부분과 같이 바이패스밸브 개폐도에 따라 변화한다. 바이패스밸브(34)가 완전폐쇄일 때의 메인통로의 유량을 QAC로서 나타내며, 바이패스밸브(34)가 완전개방일 때의 메인통로의 유량을 QAO로서 나타낸다. 바이패스밸브(34)의 개폐도가 그 중간에 있을 때 그 개폐도에 따라 메인통로의 유량은 특성 QAC와 QAO와의 사이의 특성으로 된다. 바이패스밸브(34)으 개폐도에 다라 메인통로(16)의 유량은 빗금부분의 특성에 따라 감소한다. 이 때문에 메인통로 유량 QA에 따라 연료를 결정하면 바이패스밸브(34)의 개폐도에 따라 메인통로 유량이 감소되므로 운전자의 조작량에 대한 공급연료가 감소하며, 발생토크가 감소된다. 이 때문에 운전자의 조작량에 대한 발생토크가 감소하며, 이 토크감소를 보정하기 위해 △TI가 필요해진다. 제4식에 의거하여 보정 △TI를 연산하여 연료를 증량하는 것이다.

연료의 계산플로를 제3도에 나타낸다. 스텝312에서 파라미터로서 엔진회전속도N와 공기량QA을 입력한다. 스텝314에서 QA와 N으로부터 기본연료 공급량TP을 계산하고, 스텝316에서 보정 계수K1을 테이블에서 독해한다. 이 보정계수K1는 수온이나, 가속, 감속등에 따라서 결정된다. 이 연산은 이미 공지된 사실이다.

스텝318에 스로틀 개폐도 θTH와 회전수 N에서 별도의 플로차트로 상술한 (2)식에 의거하여 연산된 결과로서의 바이패스 개폐도 θB를 메모리에서 독해한다. 스텝320에서 스로틀 개폐도 θTH와 바이패스밸브 개폐도 θB르파라미터로서 메모리에 기억된 투크업테이블로부터 보정량 △TI을 검색한다. 스텝 322에서 제3식에 의해 공급연료를 연산하여 출력한다. 제1도의 인젝터(40)는 이 연산결과에 따라 연료를 엔진에 공급한다. 이 실시예에서는 보정량 ΔTI을 파라미터 θTH와 θB에서 구했지만 더욱 정밀도를 향상시키기 위해 엔진속도 N를 고려해도 좋다. 이 경우, 스텝 320의 검색결과와 엔진속도 N를 파라미터로 하는 제2의 루크업테이블을 미리 ROM 메모리해 두고, 검지된 파라미터에 의해 데이블검색함으로써 가능해진다.

다음에 바이패스밸브(34)의 제어에 대해 설명한다. 메인통로의 혼합기에 대해 다시 공기를 추가함으로써, 소정의 공연비를 얻는다. 지금 스로틀(18)의 개폐도를 폐쇄에서 개방으로 변화시켰을때의 목표 공연비의 변화를 제4도에 나타낸다. 이 실시예에서는 스로틀 개폐도의 θ1에서 θ2 사이의 운전영역에서 희박혼합기 운전을 한다. 이 운전영역은 발진 및 예를들면 평탄로 중속주행을 뜻하며, θ2로부터 θ3까지의 운전영역은 예를들면 완만한 언덕길 또는 고속주행을 의미한다. 이 제어플로를 제5도에 나타낸다. 스뎁 512에서 스로틀 밸브(18)의 개폐도가 θ1과 θ2의 사이인지를 판단하고, 그렇다면 스뎁 514로 진행한다. 스뎁 514에서 스로틀 개폐도 θTH와 엔진속도 N를 파라미터로 하는 메로리 ROM에 유지된 루크업테이블에서 바이패스개폐도 θB를 검색하며, 출력한다. 펄스모터는 제어신호 θB에 의해 바이패스밸브(34)를 제어하며, 엔진에 공기를 공급한다. 스텝 512에서 운전상태가 달라지며, 스로틀 개폐도가 스텝 512의 조건을 만족하지 않을때, 스텝 516으로 진행하고, 바이패스밸브(34)의 개폐도를 θ으로 하는 제어신호 θB을 출력한다. 또 제3도의 플로차트에서 θB를 사용할 수 있도록 모리에 θB를 기억한다.

본 실시예에 의하면, 운전자의 조작량인 스로틀 개폐도에 다라 바이패스밸브의 개폐도를 제어하고 있다. 따라서운전자의 감각에 있었던 희박혼합기의 제어를 할 수 있고 운전하기 쉽다.

제6도는 제5도의 다른 실시예이며, 제5도의 스텝 512에서 사용하는 스로틀 개폐도 θ대신에 기본연료량 TP또는 메인통로의 공기량 QA또는 다기관부압PM을 사용하는 것이 가능하다. 기본연료량TP은 공기량 QA과 엔진속도N에서 다식의 계산에 의해 구해진다.

· ······(5)

또, 기본 연료량TP에 제3식의 K1의 보정을 고려한 다음 식이라도 좋다.

· ······(6)

QA를 파라미터로 할 경우는 QA는 에어플로미터의 출력으로서 검출된다. 또 부압PM을 파라미터로 할 경우, 부압PM의제1도의 스로틀(18)의 하류의 예를들면 M점에 부압센서를 설치함으로써 검출할 수 있다. 이들 파라미터 TP,QA,PM에 따라 제5도의 스텝512와 마찬가지로, 희박혼합기 운전영역인지의 여부를 판단하고, 희박혼합기 운전영역일 때, 스뎁624로 진행한다. 그렇지 않을 경우, 스텝626으로 진행하여, 바이패스밸브의 개폐도θB를 θ으로 한다. 스텝 624에서 파라미터 TP와 N,또는 QA와 N, 또는PB와 N에 의한 미리 메모리된 루크업테이블로부터 그때의 값에 따른 파라미터를 입력으로서 검색하고, 출력으로서 바이패스밸브 개폐도 θB를 얻는다. 이 θB는 제3도의 플로차트에 사용하기 위해 기억하는 동시에 펄스모터(36)를 제어하기 위해 출력된다.

이 실시예에서는 엔진의 실제의 부하정보인 파라미터 TP,QA,PM에 따라 희박운전을 할 수 있으므로, 엔진의 동작에 응답한 무리없는 제어를 할 수 있다. 또 스로틀 개폐도 센서가 없는 시스템도 있으며, 그 경우에는 필연적으로 제6도의 제어로 되어, 스로틀 개폐도 센서의 원가만큼 시스템은 염가로 된다.

상기 제1, 제2의 실시예에서는 스로틀 개폐도 θTH, 기본연료 공급량 TP, 메인통로의 흡입공기 QA, 또는 다기관 부압 PM을 파라미터 PR로 하여 제7도에 실선으로 나타낸 바와 같이 원활한 기관토크 특성7이 연료공급량 TI에 따라 얻어진다. 제7도의 점선으로 나타낸 곡선은 본원 발명을 적용하지 않을 경우, 토크의 변동을 나타낸다. 그리고 제7도의 횡축은 θTH에 한정되지 않으며, QA,TP,PM등의 부하정보라도 좋다. 또한 희박공연비 영역을 엔진특성에 의거하여 임의로 선정할 수 있고, 양호한 제어특성이 얻어진다.

공연비 제어를 더욱 정확하게 하기 위해서는 제1도 및 제8도에 나타낸 바와 같이 배기가스중에 배기가스센서 ES, 예를들면 O₂센서 또는 리인센서를 설치하여, 그 센서 ES의 출력신호로 바이패스 밸브(34)및/도는 인젝터(40)를 피드백 제어할 수 있다.

다음에 인젝터 (40)대신 기화기를 사용한 예를 제3실시예로서 제8도에 나타난다. 이실시예의 기본제어는 본질적으로는 제1도의 시스템과 마찬가지이다. 이 제1도의 시스템에서 에어플로미터(20)와 인젝터(40)대신 기화기(62)를 사용한다. 이 기화기(62)에는 전자밸브(64)설치되며, 이 전자 밸브(64)의 개폐도에 따라 메인통로(16)에의 공급연료의 특성이 제어된다. 또 저속계와 메인계와의 2계통을 가지며, 2개의 전자밸브를 가질 경우, 제어신호 TI가 이들 2계통의 전자밸브에 각기 공급된다.

인젝터를 사용하는 제1, 제2의 실시예와 마찬가지로 제4도의 스로틀 개폐도 θ1-θ2의 사이는 메인통로(16)의 공기량에 대해 공연비가 대략 14.7이 되도록 맞추어져 있으며, 전자밸브(64)에도 공연비가 대략 14.7로 되기 위한 제어신호가 인가된다. 제1의 실시예에서 설명한 바와 마찬가지로 바이패스밸브(34)의 개폐도는 제5도의 플로차트로 연산할 수 있다. 또 바이패스밸브(34)의 개폐도가 증대 되면 제2도의 빗금영역에서 설명한 바와 마찬가지로 메인통로(16)의 공기량이 감소하며, 상대적으로 공급연료량이 감소한다. 이것을 방지하기 위해 전자밸브(64)에 인가하는 제어신호에 따라 바이패스밸브(34)의 개폐도 θB에 따라 연료를 증가시키는 것이 필요하다.

이 연료증량의 보정영역은 스로틀밸브 개폐도를 통과하는 공기유속이 음속이하로 되는 영역인 것을 인젝터를 사용한 경우와 같다.

제8도의 실시예에서는 파라미터에 스로틀 개폐도를 사용하여 제5도의 플로차트에 의해 바이패스 개폐도를 결정했지만, 그 밖에 파라미터로서 다기관압 PM도 사용할 수 있다.

제8도의 실시예에서는 공급연료가 벤츄리(60)의 부압에 의해 변하므로, 과도 운전시에도 응답성이 좋다. 또한 상술한 실시예와 마찬가지로 운전자의 조작량에 따른 연료가 공급되므로 조작량에 따른 토크가 발생하며, 더욱이 희박혼합기 운전을 할 수 있으므로, 소비연료가 고효율로 토크로 변환할 수 있다.

Claims

엔진의 메인통로를 통과하는 공기량에 대응하여 내연기관에 공급해야 할 연료량을 결정하고, 상기 메인통로에 대하여 설치된 바이패스통로를 통과하는 흡입공기량을 제어하는 자동차용 내연기관의 제어방법에 있어서, 엔진운전상태에 대해서 공연비가 미리 정해진 값이 되도록 상기 바이패스통로를 통과하는 흡입공기량을 제어하는 스텝을 갖는 것을 특징으로 하는 자동차용 내연기관의 공연비 제어방법.
제1항에 있어서, 상기 바이패스통로의 공기량이 증가하는 것에 대응해서 메인통로의 공기량이 감소되고, 그 감소에 따라서 감소되는 연료공급량을 증량 보정하는 스뎁을 갖는 것을 특징으로 하는 자동차용 내연기관의 공연비 제어방법.
제2항에 있어서, 상기 바이패스통로를 통과하는 흡입공기량을 상기 메인통로를 통과하는 공기량과 내연기관의 속도에 대응해서 기억되어 있는 루크업테이블에서 독해하므로써 얻는 것을 특징으로 하는 자동차용 내연기관의 공연비 제어방법.
제1항에 있어서, 상기 공연비의 파라미터가 스로틀 개폐도, 흡입공기량 또는 연료분사펄스폭인 것을 특징으로 하는 자동차용 내연기관의 공연비 제어방법.