예열 플러그 온도 폐-루프 제어 방법{Method for closed-loop control of the temperature of a glow plug}
본 발명은 예열 플러그(glow plug)의 표면 온도 폐-루프 제어 방법에 관한 것이다.
공지의 방법들에서, 예열 플러그의 전기 저항은 제어 변수로서 사용된다. 여기에서, 전기 저항은 가열 전류와 전압의 연속적으로 측정된 값들로부터 계산되고, 온도/저항 특성 곡선에 의해 미리 정해진 목표 온도로부터 설정된 목표 값(target value)과 비교된다. 하지만, 공지의 방법들을 이용하여 이렇게 얻은 온도 제어의 품질은 좋지 못하다. 이는 특히 제조 공정의 결과로서 내한성(cold resistance)에 큰 변동을 보여주는 세라믹 예열 플러그들에서도 마찬가지이다.
본 발명의 목적은 예열 플러그의 표면 온도가 더 정확하게 제어될 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 1에 명시된 특징들을 갖는 방법에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 개선들은 종속항들에 명시되어 있다.
본 발명의 구체적인 유리한 개선에 따라서, 펄스-폭 변조의 듀티 사이클은 PI 또는 PID 제어 방법을 이용하여 결정된다. 예열 플러그의 표면 온도가 목표 온도보다 높음을 나타내는 제어 변수의 실제 값을 수정하기 위해서는, 표면 온도가 목표 온도보다 낮음을 나타내는 제어 변수의 실제 값을 수정할 때보다, 더 큰 비례 인자가 사용되는 것이 바람직하다. 따라서 바람직하게는 미리 정해진 목표 온도가, 동일한 비례 인자가 항상 사용되는 종래의 PI 또는 PID 방법에서보다 확실히 더 드물게 그리고 단지 더 작게만 넘어서게 된다. 목표 온도를 초과하게 되면, 이는 과열에 의해 예열 플러그의 손상을 일으킬 수 있다. 본 발명에 따른 측정들로 인해, 그러한 손상은 회피될 수 있으며, 따라서 예열 플러그의 사용 기간이 연장될 수 있다. 본 발명의 이 태양은 예열 플러그의 전기 저항이 제어 변수로서 사용되기 때문에, 제어 변수의 선택과 관계없이, 즉 특히 종래의 제어 방법들을 이용하면서도 사용될 수 있다.
청구항 1에 따른 본 발명의 방법에서, 제어 변수로서 사용되는 것은 전기 저항이 아니라 전류와 전압으로부터 계산된 또 하나의 변수이다. 전류와 전압의 측정값들로부터 이 변수를 계산하는 계산 규칙이, 예를 들면 예열 플러그들 또는 엔진의 제조업자에 의한 상기 방법에 제공된다. 이 계산 규칙은 각 시리즈의 예열 플러그들에 대하여 개별적으로 설정된다. 이 계산 규칙을 다음부터는 제1 계산 규칙이라 칭한다. 시리즈(series)는 때때로 타입들 또는 모델들이라고도 칭하여진다. 시리즈는 단지 제조 공차들 내의 편차만큼 서로 다른 예열 플러그들을 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 이상적으로는, 하나의 시리즈 내의 모든 예열 플러그들은 따라서 모든 속성 및 차원에 있어 아주 비슷해야 한다. 하지만 제조 공차들은 불가피한데, 그렇기 때문에 시리즈 내의 예열 플러그들이 제조 공차들의 범위 내에서 다르게 된다. 이는 특히 제조 공정의 결과로서 상당한 변동이 일어나는 세라믹 예열 플러그들의 내한성에도 마찬가지이다. 제2 계산 규칙은 제1 계산 규칙의 결과, 즉 제어 변수를 표면 온도에 연결한다. 제2 계산 규칙은 표면 온도의 각 목표 값을 제어 변수의 목표 값에 할당하기 위해 청구항 1의 방법에 사용된다. 제2 계산 규칙은 폐-루프 제어로 예열 플러그의 온도를 목표 값에 도달하게 하는 제어 유닛에 의해 특정 예열 플러그에 대하여 설정된다. 제어 플러그는 적어도 하나의 조정가능한 파라미터를 함유한 함수를 만들어냄으로써 제2 계산 규칙을 설정한다. 함수를 만들어낸다는 것은 가능하다면 함수가 데이터에 가까워지도록 그러한 값을 일부 조정가능한 파라미터 또는 파라미터들에 할당하는 것을 의미한다. 그리고 상기 예열 플러그의 표면 온도는 이후 목표 값까지 제어 유닛에 의해 제어된다. 제1 계산 규칙은 예를 들면 예열 플러그 제조업자 또는 엔진 제조업자에 의해, 소정의 시리즈 내의 제조 공차들의 전형적인 이미지를 나타내는 시리즈 내의 복수의 예열 플러그들에 대하여 설정된다. 제1 계산 규칙이 설정되는 문제의 예열 플러그들은, 선택된 예열 플러그들의 성질들이 제조 공정에 의해 생기는 시리즈 내의 성질들의 분포를 반영하면, 예를 들면 시리즈들에 전형적인 내한성의 값들의 분산을 반영한다면, 그 시리즈에서 랜덤하게 선택되거나 의도적으로 선택될 수 있다. 그리고 나서 선택된 예열 플러그들의 각각에 대하여 특정한 전압이 인가되었을 때, 가열 단계 후에 어떤 온도 값이 나타나고 어떤 가열 전류가 흐르는지가 정해진다. 이 공정은 수개의 전압들에 대하여 반복된다. 이는 실제로 현재 사용되는 예열 플러그들을 측정함으로써 달성될 수 있다. 하지만, 시리즈에 대한 제조 공차들을 고려하여 예측할 수 있듯이, 예열 플러그들에 대한 모의 실험 계산들을 확립하는 것은 대응하는 값들에 근거하여 가능하다. 하지만, 이 값들은 바람직하게는 측정에 의해, 예를 들면 정적 조건들 하의 미리 규정된 전압에서 가열 전류를 측정함으로써 설정된다. 이들 측정은 바람직하게는 예열 플러그들에 대하여 엔진 또는 엔진과 같은 환경을 발생하는 시험대(test stand)에서 수행된다. 여기에서, 시험대가, 서로 다른 엔진들을 모의 실험하기 위해, 정해진 가스 흐름을 특정하고 입사된 흐름의 속도들을 변경할 수 있다면, 바람직하다. 계산되거나 측정된 값들은 트리플(triple)들을 형성하도록 조합된다. 각 트리플은 온도 값, 전압 값 및 전류 값을 함유한다; 즉 예열 플러그에서 함께 생기는 값들을 조합한다. 그리고 트리플들은 피트 함수(fit function)의 조정가능한 파라미터들을 만들어내기 위해 사용된다. 이 피트 함수는 적어도 2개의 조정가능한 파라미터들을 함유하고, 온도 값을 전압 값과 전류 값의 각각의 조합에 할당한다. 이 피트 함수는 2개의 함수들로 이루어지는데, 2개의 함수들 각각은 적어도 하나의 조정가능한 함수 파라미터를 함유한다. 제1 함수는 함수 값을 전압 값과 전류 값의 조합에 할당한다. 제2 함수는 온도 값을 제1 함수의 각 함수 값에 할당한다. 피트 함수의 피팅은 때때로 균등화(equalization) 또는 회귀(regression) 계산과 같다. 피트 함수가 만들어졌을 때, 피트 함수의 함수 값들 중 데이터 세트의 점들로부터의 가장 작은 편차를 가능한 나타내는 성질을 갖는 값들이, 피트 함수의 조정가능한 함수 파라미터들로 정해진다. 이 사례에서, 함수 파라미터들이 정해진 후에, 피트 함수는 트리플들의 전압 및 전류 값들을 트리플들의 온도 값들로부터 가능한 거의 벗어나지 않는 온도 값에 할당하는 역할을 한다. 제1 함수는 시리즈 내의 모든 예열 플러그들에 대한 피트이지만, 반면에 제2 함수는 단일 예열 플러그의 트리플들에만 피팅되도록 피트 함수가 피팅되는 것은 필수적이다. 따라서 피트 함수를 제1 함수의 조정가능한 파라미터(들)에 피팅하여 할당된 값들은 시리즈 내의 모든 예열 플러그들에 대하여 유효하다. 그에 반해, 제2 함수의 적어도 하나의 조정가능한 파라미터에는 단지 하나의 특정 예열 플러그에 대해서만 유효한 값이 주어진다. 제2 함수의 그 조정가능한 파라미터에는 또 하나의 예열 플러그에 대하여 다른 값이 제공된다. 이하에서는, 조정가능한 파라미터(들)에 피팅 공정에 의해 특정 값이 제공되었던 함수는 조정 함수(adapted function)라고 칭해진다. 따라서 조정된 제1 함수는 위에서 언급한 제1 함수이고, 여기서 각 조정가능한 파라미터는 특정 값을 갖는다. 마찬가지로, 조정된 제2 함수는 위에서 언급한 제2 함수이고, 여기서 각 조정가능한 파라미터는 특정 값을 갖는다. 그래서 모든 트리플들을 감안하면, 피트 함수가 트리플들의 전류와 전압 값들에 적용될 때 피트 함수가 산출하는 함수 값들의, 트리플의 온도 값들로부터의 편차가 최소화될 것이며; 그래서 특히 피트 함수가 각 트리플의 전류와 전압 값들에 적용될 때 피트 함수가 산출하는 함수 값들의 편차의 제곱의 합(sum of square)은, 최소가 된다. 제1 함수의 조정가능한 함수 파라미터(들)은 모든 트리플들에 대하여 동등하게 선택된다. 제2 함수의 적어도 하나의 조정가능한 함수 파라미터에는, 가능한 최선의 조정을 얻기 위하여 동일 예열 플러그의 모든 트리플들에 대한 값이 독립적으로 제공되며, 다시 말하면, 특히 상기 제2 함수의 적어도 하나의 조정 가능한 함수 파라미터는 피트 함수가 각 트리플의 전류와 전압 값들에 적용될 때 피트 함수가 산출하는 함수 값들의, 문제의 트리플의 온도 값들로부터, 편차의 제곱의 합을 최소화시킨다. 따라서 제1 함수를 피팅하여 얻어진 계산 규칙은 제1 계산 규칙이다. 그것은 시리즈 내의 모든 예열 플러그들에 대하여 동일하다. 제2 함수를 피팅하여 얻어진 계산 규칙은 하나의 특정 예열 플러그에 대한 각 사례에서만 유효하다. 그래서 서로 다른 예열 플러그들에 대해서는, 제2 함수로부터 얻어지는 서로 다른 계산 규칙들이 적용된다. 본 발명에 따른 방법에서, 제2 계산 규칙은, 엔진이 구동되는 동안 표면 온도가 제어되어야 하는 예열 플러그의 제어 유닛에 의해 결정되어야 한다. 이를 위하여, 규정된 전압이 예열 플러그에 제공되고, 이 공칭 전압에 의해 생산된 가열 전류가 측정된다. 예를 들면, 이 규정된 전압은 동작 온도를 위해 제조업자에 의해 특정된 공칭 전압일 수 있다. 그리고 제1 계산 규칙은 규정된 전압과 그와 함께 측정된 가열 전류로부터 값을 계산하기 위해 사용된다. 그리고 이값은 제2 함수를 피팅하는데 사용된다. 그러므로 제2 함수의 상기 적어도 하나의 조정가능한 파라미터는, 제2 함수가 정적 조건들 하에서 공칭 전압과 그와 함께 측정된 가열 전류로부터 제1 계산 규칙과 함께 계산된 값에 대하여 온도 값을 넘겨주도록, 선택되며, 상기 온도 값은 규정된 전압에 할당된 온도 값을 매칭한다. 이 규정된 전압은 가급적 동작 전압을 위해 제조업자에 의해 특정된 공칭 전압이다. 이 동작 온도는 이후 규정된 전압에 할당된 온도이다. 그리고 이렇게 결정되어 조정된 제2 함수는 이 예열 플러그에 대한 제2 계산 규칙을 얻기 위해 역으로 되어야 한다. 특히, 조정된 제2 함수는 온도 값을 제어 변수의 각 값에 할당한다. 하지만, 청구항 1의 제2 계산 규칙은 제어 변수의 값을 각 온도 값에 할당한다. 따라서 조정된 제2 함수의 역함수, 즉 피팅에 의해 결정된 조정가능한 함수 파라미터들의 값들을 갖는 제2 함수는 청구항 1의 방법의 제2 계산 규칙이다. 제2 계산 규칙을 결정하기 위해, 공칭 전압을 인가하여 정적 조건들 하에서 발생된 가열 전류는, 정상 상태(steady-state) 전류로서도 칭하는데, 측정될 수 있고 제2 계산 규칙을 결정하기 위해 사용된다. 예를 들면 가열 시간 동안에 미리 정해진 시간 간격마다 전류를 측정할 수 있다. 이 경우에 전류의 개별적인 측정 값 또는 연속적으로 측정된 복수의 값들, 즉 전류 프로파일의 곡선 형상 또는 시간에 따른 그것의 편차는, 조정을 위해 사용될 수 있다. 그래서 제2 계산 규칙을 결정하기 위해 필요로 하는 시간은, 예열 플러그에서의 조건들이 정적일 때까지 반드시 기다릴 필요가 없으므로, 감소될 수 있다. 그리고 제어 변수의 목표 값은 제2 계산 규칙을 이용하여 얻어진 미리 정해진 목표 온도로부터 계산될 수 있다. 그리고 이 목표 값은 제어 변수의 실제 값과 비교되는데, 이 제어 변수의 실제 값은 가열 전류와 전압의 실제 값들로부터 계산된다. 그리고 예열 플러그에 제공되는 전압의 펄스-폭 변조의 듀티 사이클은 제어 변수의 실제 값과 제어 변수의 목표 값의 편차를 최소화하기 위해 이 비교에 따라 조정된다. 이 목적을 위해, PI 또는 PID 방법, 즉 비례-적분 제어 방법 또는 비례-적분-미분 제어 방법이 사용될 수 있다. 본 발명의 유리한 개선에 따르면, 제1 함수의 조정가능한 함수 파라미터와 제1 함수의 조정가능한 함수 파라미터들 중 적어도 하나의 파라미터는 지수(exponent), 특히 전압 지수이다. 예를 들면, 제1 함수는 형식 U p /I의 함수 항을 함유할 수 있는데, 여기서 U는 전압이고, I는 전류이며, p는 1이 아닌 조정가능한 함수 파라미터이다. 이렇게 하여, 전류와 전압의 불가피한 측정 에러들에 의해 거의 영향을 받지않는 월등하게 안정한 제어 변수가 계산될 수 있다. 제1 함수는 2개의 조정가능한 함수 파라미터들, 예를 들면 조정가능한 함수 파라미터들로서의 2개의 지수를 함유할 수 있다. 제1 함수가 함수 항(U p /I) q 을 함유한다면 특히 유리한데, 여기서 p와 q는 조정가능한 함수 파라미터들이다. 여기에서, p는 1과 다르다는 것이 중요하다. 이는 1이 아닌 값이 제1 함수를 피팅함으로써 결정된 특정 계산 규칙의 p에 대하여 사용됨을 의미한다. 그래서 항수 항은 더 이상 전기 저항의 함수가 아니다. 그래서 전류와 전압의 불가피한 측정 에러들에 의해 거의 영향을 받지않는 월등하게 안정한 제어 변수가 함수 파라미터 q를 이용하여 계산될 수 있다. 제1 함수는 추가로 부가 함수 항들을 함유할 수 있지만, 그런 항들은 통상 함수 또는 예열 플러그들의 온도 제어에 적절한 값 범위에서 부수적으로 중요하다. 차량들의 온-보드 파워 공급 전압은 일반적으로 대략 12볼트이고, 상용차들의 경우에는 대략 24볼트이므로, 전압의 적정한 실용적인 범위는 0에서 14볼트 또는 0에서 24볼트의 범위이다. 가열 전류들은 전형적으로 대략 100암페어 이하이며, 예열 플러그들의 표면 온도는 1400℃ 이하이다. 그래서 24볼트 미만의 전압과 100암페어 이하의 가열 전류에서는, 제1 함수의 함수 항 (U p /I) q 는 함수 값의 적어도 50%, 바람직하게는 제1 계산 규칙의 함수 값의 90%를 채워야 한다. 제2 함수는 예를 들면 다항식일 수 있다. 고 차수의 항들은 본 발명에 있어서 중요성이 통상 부차적이다. 그러므로, 제2 함수는 선형 함수로서 매우 좋은 결과를 갖도록 선택될 수 있다. 본 발명의 유리한 개선에 따라서, 제2 함수는 피팅 공정, 즉 조정에 의해 예열 플러그들의 제조업자에 의해 정해진 적어도 하나의 조정가능한 함수 파라미터를 함유한다. 예를 들면, 제2 함수의 적어도 하나의 조정가능한 함수 파라미터는, 시리즈 내의 모든 예열 플러그들에 대하여 균일적인 방식으로 제1 함수의 조정가능한 함수 파라미터 또는 조정가능한 함수 파라미터들과 함께 결정될 수 있다. 그리고 제2 함수는 적어도 하나의 추가적인 조정가능한 파라미터를 추가로 갖는데, 이는 각 예열 플러그에 대하여 개별적으로 결정되어야 한다. 예를 들면, 제2 함수는 상수항과 온도에 비례하는 항을 함유할 수 있다. 이 경우에, 제2 함수의 비례 상수와 가능한 추가적인 온도-의존 항들은 모든 예열 플러그들에 대하여 균일적인 방식으로 제1 함수의 조정가능한 함수 파라미터(들)와 함께 결정될 수 있다. 그리고, 다만 상수항, 즉 추가 상수는 제2 함수의 조정가능한 함수 파라미터로서 남는데, 이는 예를 들면, 예열 플러그의 제어 유닛에 의해 각 특정된 예열 플러그에 대하여 개별적으로 결정되어야 한다. 예를 들면, a+bT targ 의 형식의 제어 변수의 목표 값은, 온도 T targ 의 목표 값으로부터 계산될 수 있는데, 여기서 함수 파라미터 b는 시리즈 내의 모든 예열 플러그들에 대하여 전체적으로 제공될 수 있으며, 또한 예를 들면 제1 함수와 제2 함수의 합성(composition)인 피트 함수의 조정의 범위 내에서 결정될 수 있다. 그리고 예열 플러그의 제어 유닛은 동작 온도 T nom 에 대한 제조업자에 의해 특정된 공칭 전압 U nom 을 문제의 예열 플러그에 제공하고, 또한 정적 조건 하에서 이 공칭 전압으로 산출된 가열 전류 I를 측정함으로써, 함수 파라미터 a를 설정할 수 있다. 그리고 항 a+bT nom 와 동등한 값은, 제1 계산 규칙을 이용하여 공칭 전압 U nom 과 파라미터 a를 결정하기 위해 그와 함께 측정된 가열 전류 I로부터 계산될 수 있다. 본 발명의 구체적인 유리한 개선에 따라서, 펄스-폭 변조의 듀티 사이클은 PI 또는 PID 제어 방법을 이용하여 결정된다. 예열 플러그의 표면 온도가 목표 온도보다 높음을 나타내는 제어 변수의 실제 값을 수정하기 위해서는, 표면 온도가 목표 온도보다 낮음을 나타내는 제어 변수의 실제 값을 수정할 때보다, 더 큰 비례 인자가 사용되는 것이 바람직하다. 따라서 바람직하게는 미리 정해진 목표 온도가, 동일한 비례 인자가 항상 사용되는 종래의 PI 또는 PID 방법에서보다 확실히 더 드물게 그리고 단지 더 작게만 넘어서게 된다. 목표 온도를 초과하게 되면, 이는 과열에 의해 예열 플러그의 손상을 일으킬 수 있다. 본 발명에 따른 측정들로 인해, 그러한 손상은 회피될 수 있으며, 따라서 예열 플러그의 사용 기간이 연장될 수 있다. 본 발명의 이 태양은 예열 플러그의 전기 저항이 제어 변수로서 사용되기 때문에, 제어 변수의 선택과 관계없이, 즉 특히 종래의 제어 방법들을 이용하면서도 사용될 수 있다. |
