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KR102238568B1 - 다중 실린더 내연 엔진에서 연료의 연소를 제어하는 방법 및 다중 실린더 내연 피스톤 엔진에서 연소 공정을 제어하도록 구성된 컴퓨터 제어 시스템 - Google Patents

다중 실린더 내연 엔진에서 연료의 연소를 제어하는 방법 및 다중 실린더 내연 피스톤 엔진에서 연소 공정을 제어하도록 구성된 컴퓨터 제어 시스템 Download PDF

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KR102238568B1
KR102238568B1 KR1020207004110A KR20207004110A KR102238568B1 KR 102238568 B1 KR102238568 B1 KR 102238568B1 KR 1020207004110 A KR1020207004110 A KR 1020207004110A KR 20207004110 A KR20207004110 A KR 20207004110A KR 102238568 B1 KR102238568 B1 KR 102238568B1
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South Korea
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cylinder
engine
combustion
fuel
total heat
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바르실라 핀랜드 오이
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Abstract

본 발명은 다중 실린더 내연 엔진 (10) 에서 연료의 연소를 제어하는 방법에 관한 것으로서,
- 상기 엔진의 일 실린더에서 연속적인 연소 사이클 동안 연료의 연소로부터 누적 열 방출 (Q) 을 결정하는 단계,
- 상기 엔진의 실린더에서 연속적인 연소 사이클 동안 연료의 연소로부터 평균 총 열 방출률 (Q') 을 결정하는 단계,
- 상기 엔진의 실린더에서 연소를 제어하기 위한 피드백으로서 상기 평균 총 열 방출률 (Q') 을 사용하는 단계를 포함한다.
본 발명은 또한 다중 실린더 내연 피스톤 엔진 (10) 에서 연소 공정을 제어하도록 구성된 컴퓨터 제어 시스템 (100) 에 관한 것이다.

Description

다중 실린더 내연 엔진에서 연료의 연소를 제어하는 방법 및 다중 실린더 내연 피스톤 엔진에서 연소 공정을 제어하도록 구성된 컴퓨터 제어 시스템
본 발명은 청구항 1 의 전제부에 따른 다중 실린더 내연 엔진에서 연료의 연소를 제어하는 방법 및 다중 실린더 내연 피스톤 엔진을 위한 컴퓨터 제어 시스템에 관한 것이다.
연소 엔진들의 작동 요건들은 더욱더 요구가 많아지고 있다. 예를 들어, 내연 피스톤 엔진들의 배기 가스 배출 요건은 더욱더 엄격해지고 있다. 이러한 요건에 대처하기 위해서, 엔진이 가동되고 있을 때 가스 배출을 제어할 수 있는 이용가능한 다양한 기법들이 있다. 한편, 배출을 줄이는 것을 목표로 하는 작용으로부터 유발된, 엔진의 전체 성능이 악화되는 것은 바람직하지 않다. 이러한 목표를 달성하는 한 가지 수단은, 유입 밸브의 타이밍이 엔진 성능에 중요한 역할을 하기 때문에 유입 밸브의 타이밍을 보다 정확하게 조정하는 것이다.
연료의 연소 중에, 접근가능한 공기의 양은 연료 연소 방법에 큰 영향을 미친다. 각각의 실린더에 정확한 양의 공기가 유입되고 그리고 각각의 실린더의 작동 및 성능이 서로 균형을 이루는 것이 매우 바람직하다. 하지만, 실제로 엔진의 상이한 실린더들에서 상이한 충전 공기 압력과 같은 실린더 작동의 차이가 거의 항상 있다. 실린더들의 가변 유입 밸브 시스템의 작동에 있어서의 지연 또는 진전에서의 최소한 차이조차도 실린더들 사이의 주요 압력 차이를 유발할 수 있다. 그러면, 엔진이 최적의 효율로 작동하지 않게 되며 실린더의 연료가 완전히 연소되지 않는다.
공개문헌 WO 2016/087700 은, 실린더 압력 관련 변수에 기초하여 내연 피스톤 엔진의 각각의 실린더의 유입 밸브 시스템의 작동을 제어하는 방법을 개시하고 있다. 상기 방법은, 이하의 단계들, 적어도 하나의 미리 정해진 크랭크 각도 위치에서 각각의 실린더내의 실린더 압력을 측정하는 단계, 미리 정해진 크랭크 각도 위치에서 적어도 하나의 측정된 실린더 압력에 대응하는 각각의 실린더에 대한 추정된 폴리트로프 지수 (polytropic index) 를 결정하는 단계, 적어도 하나의 측정된 실린더 압력 및 적어도 하나의 추정된 폴리트로프 지수를 사용함으로써 적어도 제 2 크랭크 각도 위치에 대한 추정되는 압축 압력을 결정하는 단계, 및 추정된 압축 압력에 응답하여 실린더에 연결되어 배열된 가변 유입 밸브 시스템의 작동을 제어하는 단계를 실행한다.
문헌 WO 2017/032915 는 가스 연료를 사용하여 내연 엔진의 적어도 하나의 실린더에서 연소를 제어하는 방법을 개시하고 있고, 점화 타이밍은 플라이휠을 모니터링하고 그리고 점화 맵을 사용함으로써 제어된다. 상기 방법은, 적어도 하나의 실린더에서 압력을 모니터링하는 단계, 압력 모니터링으로부터 추정되는 평균 열 방출 타이밍을 형성하는 단계, 평균 열 방출 타이밍을 공칭 열 방출 타이밍과 비교하는 단계, 및 평균 열 방출의 타이밍에 기초하여 제어 결정을 하는 단계의 추가 단계들을 포함한다.
문헌 WO 2014/155170 A1 은 내연 엔진의 실린더 내부에서 연료의 연소 상태를 결정하기 위해 열 방출률 파형이 사용되는 방법을 개시하고 있다.
US 6 843 231 B1 은, 내연 엔진의 성능 및 배출 특성 개선, 특히 HCCI (homogeneous charge compression ignition) 기술을 사용하는 엔진 및 HCCI 엔진의 실린더들 사이의 연소 단계에서의 변화와 관련된 문제에 관한 것이다. 이에는 각각의 실린더내의 압력을 감지하도록 실린더 압력 센서의 사용이 개시되어 있고, 이러한 실린더 압력 센서는 연소 이벤트의 발생을 결정하기 위해, 즉 실린더 압력의 급격한 상승이 연소가 발생했음을 나타내는 경우에, 실린더내의 압력을 모니터링하는데 사용되고, 연소의 타이밍, 크기 및 압력 상승률과 같은 정보는 엔진의 작동을 제어하는데 사용하기 위해 결정될 수 있다.
JP S62 29748 A 는, 다수의 정규 연소 사이클을 결정하는 공정으로부터 불발 (misfire) 사이클 및 부분 연소 사이클이 배제되는 방법을 개시하고 있고, 여기에서 평균 열 방출률은 정상 연소 사이클을 사용하여 산출된다. 평균 열 방출률은 엔진을 제어하는데 사용된다.
선행 기술이 내연 엔진의 작동을 개선시키는 몇몇 방법을 인식하더라도, 다중 실린더 내연 엔진에서 효율을 개선하고 연료의 연소 공정에서 배출을 감소시킬 필요성이 여전히 존재한다.
본 발명의 목적은 내연 피스톤 엔진에서 연소 공정을 제어할 가능성을 높이는 내연 엔진을 작동시키는 방법을 제공하는 것이다.
본원의 목적들은 독립항에서 그리고 본 발명의 상이한 실시형태들의 보다 상세들을 설명하는 다른 청구항들에 개시된 바와 같이 실질적으로 충족될 수 있다.
본 발명에서, 추정된 총 연소율에 기초하여 연소 공정에 수반되는 공기량을 제어하는 방법이 개시된다.
다중 실린더 내연 엔진에서 연료의 연소를 제어하는 방법은, 엔진의 실린더에서 연속적인 연소 사이클 동안 연료의 연소로부터 누적 열 방출을 결정하는 단계, 엔진의 실린더에서 연속적인 연소 사이클 동안 연료의 연소로부터 평균 총 열 방출률을 결정하는 단계, 및 엔진의 실린더에서 연소를 제어하기 위해 피드백으로서 평균 총 열 방출률을 사용하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 상기 방법에서, 크랭크 각도 범위
Figure 112020014607576-pct00001
내의 결정된 크랭크 각도에서 엔진의 실린더에서 연료의 연소 동안 엔진의 각각의 실린더로부터의 압력이 실질적으로 지속적으로 또는 간헐적으로 측정되고, 그리고 엔진의 하나의 실린더에서 하나의 연소 사이클에서 연료의 연소가 발생하는 크랭크 각도 범위
Figure 112020014607576-pct00002
에 걸쳐 연료의 연소로 인한 누적 열 방출을 결정하며, 이 누적 열 방출은 방정식을 사용하여 결정된다.
Figure 112020014607576-pct00003
다음으로, 평균 총 열 방출률은, 누적 열 방출에 최소 제곱 회귀선을 제공하고 그리고 평균 총 열 방출률을 나타내거나 의미하는 최소 제곱 회귀선의 기울기를 규정함으로써 결정된다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 누적 열 방출 및 평균 총 열 방출률을 결정하는 단계들은, 엔진의 실린더들의 각각의 연속적인 연소 사이클의 실린더 특정 총 열 방출값을 제공하여 엔진의 실린더들의 각각에서 수행되고, 실린더 특정 총 열 방출값은 각각의 실린더에서 실린더 특정 방식으로 연소를 제어하기 위한 피드백으로서 사용된다. 이는 엔진의 매우 정확한 실린더 방향의 연소 제어를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 누적 열 방출 및 평균 총 열 방출률을 결정하는 단계들은, 엔진의 실린더들 각각에서, 연속적인 연소 사이클의 실린더 특정 총 열 방출값을 제공하는 것, 실린더 특정 총 열 방출값의 총 값을 산출하는 것, 및 모든 실린더에 동시에 영향을 주는 엔진 집합 방식으로 연소를 제어하기 위한 피드백으로서 총 값을 사용하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 실린더 특정 총 열 방출값은 각각의 실린더에서 유입 밸브의 작동을 제어하기 위한 피드백으로서 사용된다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 총 값은 엔진의 슈퍼차저의 작동을 제어하기 위한 피드백으로서 사용된다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 실린더 특정 총 열 방출값은 각각의 실린더에서 유입 밸브의 작동을 제어하기 위해 피드백으로서 사용되고 동시에 총 값은 엔진의 슈퍼차저의 작동을 제어하기 위한 피드백으로서 사용된다.
본 발명에 따른 컴퓨터 제어 시스템은, 다중 실린더 내연 피스톤 엔진에서 연소 공정을 제어하도록 구성되고; 엔진의 각각의 실린더에 전용인 다수의 제 1 제어 유닛들로서, 이 제 1 제어 유닛들은 실린더 압력 측정 및 엔진 크랭크 각도 정보에 기초하여 엔진의 각각의 실린더에 대한 누적 열 방출을 산출하도록 구성되며, 제 1 제어 유닛 각각은, 방정식을 사용하여 누적 열 방출을 결정하도록 구성된 컴퓨터 프로그램을 포함하는, 상기 다수의 제 1 제어 유닛들,
Figure 112020014607576-pct00004
및
최소 제곱 회귀선을 제공하고 평균 총 열 방출률을 나타내는 최소 제곱 회귀선의 기울기를 규정함으로써 연소 단계의 평균 총 열 방출률을 산출하도록 구성된 컴퓨터 프로그램을 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 컴퓨터 제어 시스템은 엔진의 실린더 각각에 전용인 다수의 제 2 제어 유닛들을 더 포함하고, 이 제 2 제어 유닛들은 엔진의 액츄에이터 가변 유입 밸브 폐쇄 시스템을 위한 출력으로서 제어 설정값을 제공하도록 구성된 컴퓨터 프로그램을 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 컴퓨터 제어 시스템은 제 3 제어 유닛을 더 포함하고, 이 제 3 제어 유닛은, 엔진의 실린더들 중 각각의 연속적인 연소 사이클의 실린더 특정 평균 총 열 방출률값들을 수신하도록, 평균값 총 열 방출값을 산출하도록, 그리고 웨이스트 게이트 위치 제어를 위한 설정값을 출력으로서 제공하도록 구성된다.
본 특허 출원에 개시된 본원의 예시적인 실시형태들은 첨부된 청구범위의 적용가능성을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 동사 "포함하도록" 은 본 특허출원에서 또한 개시하지 않은 특징들의 존재를 배제하지 않는 개방형 제한으로서 사용된다. 종속 청구항들에 개시된 특징들은 달리 명시하지 않는 한 상호 자유롭게 조합가능하다. 본원의 특징으로 고려되는 새로운 특징들은 특히 첨부된 청구범위에 개시되어 있다.
이하에서, 본 발명은 첨부된 예시적이고 개략적인 도면들을 참고하여 설명될 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 내연 다중 실린더 피스톤 엔진 및 컴퓨터 제어 시스템을 도시한다.
도 2 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 누적 열 방출의 실시예를 도시한다.
도 3 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 평균 총 열 방출률의 동향 그래프를 도시한다.
도 4 는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 내연 다중 실린더 피스톤 엔진 및 컴퓨터 제어 시스템을 도시한다.
도 5 는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 내연 다중 실린더 피스톤 엔진 및 컴퓨터 제어 시스템을 도시한다.
도 1 에는 내연 다중 실린더 피스톤 엔진 (10) 및 엔진 (10) 의 연소 공정을 제어하도록 구성된 컴퓨터 제어 시스템 (100) 이 도시되어 있다. 내연 다중 실린더 피스톤 엔진 (10) 은 간략화를 위해 이하에서 엔진 (10) 으로 지칭될 것이다. 엔진 (10) 은 도면에 도시된 바와 같이 인라인 구성으로 또는 예를 들어 V-구성으로 배열될 수 있는 다수의 실린더들 (12) 을 포함한다. 실린더 각각에는 적어도 하나의 유입 밸브 (14) 및 적어도 하나의 배기 밸브 (16) 가 제공되지만, 통상적으로 각각의 밸브 유형 중 하나 초과가 존재한다. 밸브에는 엔진에서 피스톤의 위치와 동기화된 방식으로 밸브들이 개폐될 수 있는 소위 밸브 리프팅 시스템들이 제공된다. 엔진 (10) 의 적어도 유입 밸브들 (14) 에는 가변 유입 밸브 폐쇄 시스템 (18) 이 제공되고, 이 가변 유입 밸브 폐쇄 시스템에 의해 유입 밸브들 (14) 각각의 폐쇄 (엔진의 크랭크 각도와 관련하여) 타이밍 또는 일반적으로 개방 시간의 지속기간이 개별적으로 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어 밸브의 폐쇄 타이밍은 실린더의 각각의 사이클 동안 개별적으로 그리고 별개로 전진 또는 지연될 수 있다.
엔진에는 슈퍼차저, 유리하게는 제어가능하도록 구성된 터보차저 (20) 가 제공된다. 터보차저에는 터빈부 (20.1) 및 압축기부 (20.2) 및 터빈부와 연계하여 그 자체가 공지된 방식으로 터보차저의 작동을 제어하기 위한 웨이스트 게이트 (20.3) 가 제공된다. 터보차저 (20) 는 압축기부 (20.2) 에 유입 베인 제어부에 부가하여 또는 대안으로 제공될 수 있거나 압축기부 (20.2) 는 작동의 제어를 용이하게 하기 위해 가변 형상 유형일 수 있다. 터보차저는 엔진 (10) 의 공기 리시버 (22) 및 엔진 (10) 의 배기 가스 매니폴드 (24) 에 연결된다. 엔진 (10) 의 실린더들 (12) 각각에는 압력 센서 (26) 가 제공된다. 압력 센서들 (26) 은 압력 측정 데이터를 컴퓨터 제어 시스템 (100) 에 제공하도록 배열된다. 엔진에는 또한 컴퓨터 제어 시스템 (100) 에 사용하기 위한 크랭크 샤프트 위치 정보를 제공하기 위해 하나 이상의 크랭크 각도 센서 (28) 또는 다른 적절한 배열체가 제공된다.
일반적으로, 임의의 측정 디바이스 각각은, 예를 들어 데이터 버스 또는 광섬유 등에 의해 컴퓨터 제어 시스템 (100) 과 데이터 전송 연결되어 있다. 압력 센서들 (26) 각각으로부터의 측정 데이터는 그 내부의 개별 처리를 위해 컴퓨터 제어 시스템 (100) 에 이용가능하게 된다. 컴퓨터 제어 시스템 (100) 은 컴퓨터 (102) 및 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위해 엔진 (10) 에서 연료의 연소를 제어하도록 구성된 실행가능한 컴퓨터 프로그램 또는 프로그램들을 포함한다.
다중 실린더 내연 엔진에서 연료의 연소를 제어하는 방법에서, 적어도 이하의 단계들이 실행된다:
- 엔진의 실린더 각각에서 연속적인 연소 사이클 동안 연료의 연소로부터 누적 열 방출을 결정하는 단계,
- 엔진의 실린더에서 연속적인 연소 사이클 동안 연료의 연소로부터 평균 총 열 방출률을 결정하는 단계,
- 엔진의 실린더내 연소를 제어하기 위해 평균 총 열 방출률을 피드백으로 사용하는 단계.
엔진의 실린더 각각에서 연속적인 연소 사이클 동안 연료의 연소로부터 누적 열 방출을 결정하는 단계는 다음과 같이 실시된다. 유리하게는, 누적 열 방출은 엔진 (10) 의 실린더들로부터의 압력 측정 (26) 에 기초하여 결정된다. 열 방출은 실제 크랭크 각도 위치 (28) 로부터 도출될 수 있는 실린더의 압력 및 공지된 치수 및 피스톤의 위치에 기초하여 결정될 수 있다.
내연 피스톤 엔진의 크랭크 각도에 대한 열 방출률
Figure 112020014607576-pct00005
에 대한 일반적인 공식은 다음과 같다.
Figure 112020014607576-pct00006
여기서, γ 는 열용량비
Figure 112020014607576-pct00007
이고, p 는 압력이며, V 는 실린더의 체적이고, dV 는 실린더의 체적 변화이며,
Figure 112020014607576-pct00008
는 크랭크 각도의 변화이고, dp 는 실린더내의 압력 변화이다. 명확성을 위해 열 방출률의 기본 단위로서 J/크랭크 각도의 도 (degree) 라는 것을 언급해야 한다.
실린더에서 연료 연소가 일어나는 크랭크 각도 (여기서
Figure 112020014607576-pct00009
) 에 대해 열 방출률 방정식 (1) 을 적분하여, 누적 열 방출 (Q) 이 얻어지고, 즉,
Figure 112020014607576-pct00010
명확성을 위해, 누적 열 방출의 기본 단위로서 J 인 것을 언급해야 한다. 이는 연료의 연소 사이클 동안의 전체 열 방출을 나타낸다. 컴퓨터 제어 시스템 (100) 은 엔진 (10) 의 각각의 실린더 (12) 에 대해서 누적 열 방출 (QC1, QC2 … QCn) 을 산출하기 위해 엔진 (10) 으로부터 필요한 정보를 판독하거나 그렇지 않으면 획득한다. 크랭크 각도 범위
Figure 112020014607576-pct00011
내의 결정된 크랭크 각도에서 실린더 (12) 의 연료 연소 동안 독립적으로 엔진의 각각의 실린더 (12) 로부터 압력이 측정된다. 이 범위는 실린더 사이클의 연소 단계를 나타내므로, 누적 열 방출은 엔진의 하나의 실린더에서 하나의 연소 사이클에서 연료의 연소가 실시되는 크랭크 각도 범위
Figure 112020014607576-pct00012
에 걸쳐 연료 연소로부터 결정된다.
다음으로, 연소의 평균 총 열 방출률은 누적 열 방출 (QC1, QC2 … QCn) 결과로부터 결정된다. 이는, 예를 들어 최소 제곱 회귀선 방법으로 얻어질 수 있다. 내연 피스톤 엔진의 실린더에서 하나의 연소 사이클 동안 누적 열 방출 (Q) 의 예는 도 2 에서 점선으로 도시되어 있다. 가로축은 크랭크 각도 위치를 도 (degrees) 로 나타내고, 여기서 0 도는 실린더에서 피스톤의 상사점에 해당하며, 세로축은 열 방출을 kJ 단위로 나타낸다. 실선 (Q') 은 연소의 추정된 평균 총 열 방출률을 나타낸다. 이 방법에서, 최소 제곱 회귀선 (Q') 의 기울기는 평균 총 연소율로 해석되고, 이는 도 2 의 경우에 약 2.2 kJ/크랭크 각도의 도이다.
컴퓨터 제어 시스템 (100) 은 엔진의 각각의 실린더에 전용인 다수의 제 1 제어 유닛들 (106.1-106.N) 을 포함한다. 제 1 제어 유닛들은, 압력 측정 (26) 및 엔진 크랭크 각도 정보 (28) 를 사용하여, 엔진 (10) 의 각각의 실린더 (12) 에 대해 누적 열 방출 (QC1, QC2 … QCn) 를 산출하도록 구성된다. 컴퓨터 제어 시스템 (100) 은 실린더 (12) 에서 발생하는 각각의 연소 사이클 동안 연소를 모니터링하고 제어하도록 구성된다. 본 발명의 일 실시형태에 따라서, 제 1 제어 유닛 (106.1-106.N) 은 방정식을 사용하여 누적 열 방출을 결정하도록 구성된 컴퓨터 프로그램을 포함한다.
Figure 112020014607576-pct00013
제 1 제어 유닛들 (106.1-106.N) 은 또한 전술한 바와 같이 최소 제곱 회귀선 근사치에 의해 각각의 실린더에서 연소 단계의 평균 총 열 방출률을 산출하도록 구성된다. 제 1 제어 유닛은 그 출력으로서 실린더의 평균 총 열 방출률을 제공한다. 도 3 은 200 회 연속적인 엔진 사이클에 걸쳐 평균 총 열 방출률의 예시적인 경향 그래프를 도시한다. 평균 총 열 방출률은 엔진의 실린더내 연소를 제어하기 위해 피드백으로 사용된다.
컴퓨터 제어 시스템 (100) 은 엔진의 실린더 (12) 각각에 전용인 제 2 제어 유닛들 (104.1-104.n) 을 포함한다. 제 2 제어 유닛 (104.1-104.n) 은 유리하게는 엔진 (10) 에서 액츄에이터를 위한 출력으로서 제어 설정값을 제공하도록 구성된 컴퓨터 프로그램을 포함한다. 전술한 바와 같이, 엔진 (10) 의 유입 밸브들 (14) 에는 가변 유입 밸브 폐쇄 시스템 (18) 이 제공되고, 이 가변 유입 밸브 폐쇄 시스템에 의해 타이밍이 개별적으로 제어될 수 있다. 제 2 제어 유닛으로부터의 출력 신호는 유입 밸브 폐쇄 시스템 (18) 에 이용가능하게 되고, 이 유입 밸브 폐쇄 시스템에 의해 유입 밸브들 (14) 각각은 실린더 방향 피드백을 이용하여 개별적으로 제어가능하다. 이러한 방식으로, 평균 총 열 방출률은 본 발명의 일 실시형태에 따른 엔진 (10) 의 실린더 (12) 에서 연소를 제어하기 위한 피드백으로서 사용된다.
엔진 (10) 이 운전되는 동안, 전술한 바와 같은 단계들, 즉: 엔진의 각각의 실린더에서 연속적인 연소 사이클 동안 연료의 연소로부터 누적 열 방출을 결정하는 단계, 엔진의 실린더에서 연속적인 연소 사이클 동안 연료의 연소로부터 평균 총 열 방출률을 결정하는 단계, 및 엔진의 실린더에서 연소를 제어하기 위한 피드백으로서 평균 총 열 방출률을 사용하는 단계가, 엔진의 실린더들 (12) 각각과 관련하여 실행되어, 엔진의 실린더들 각각의 연속적인 연소 사이클의 개별 실린더 특정 평균 총 열 방출률값들을 제공하고 그리고 실린더 특정 방식으로 각각의 실린더에서의 연소를 제어하기 위한 피드백으로서 실린더 특정 평균 총 열 방출률값들을 사용한다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 컴퓨터 제어 시스템 (100) 은 제 3 제어 유닛 (108) 을 포함한다. 제 3 제어 유닛 (108) 은 엔진의 실린더 (12) 각각의 연속적인 연소 사이클의 실린더 특정 평균 총 열 방출률값 (Q') 을 수신하도록 구성된다. 제 3 제어 유닛 (108) 은, 엔진의 실린더들 (12) 각각의 연속적인 연소 사이클의 실린더 특정 평균 총 열 방출률값 (Q') 을 수신하고 그리고 평균 총 열 방출률값들 (Q') 의 평균값 (Q") 을 산출하는 서브 유닛을 포함한다. 제 3 제어 유닛 (108) 은 웨이스트 게이트 (20.3) 위치 제어를 위한 설정값을 출력으로서 제공하도록 구성되고, 설정값은 평균 총 열 방출률값 (Q) 의 평균 (Q") 이며, 이는 엔진 (12) 의 연소를 집합적으로 (collectively) 제어하기 위한 집합 피드백으로서 사용된다. 컴퓨터 제어 시스템 (100) 은 터보차저 (20) 의 작동을 제어하도록 구성되고, 여기에서는 터빈 섹션 (20.1) 의 웨이스트 게이트 (20.3) 를 제어하는 예시가 구현된다. 웨이스트 게이트 (20.3) 는 자체 공지된 방식으로 터보차저 (20) 의 작동에 영향을 준다. 이는 충전 압력을 제어함으로써 엔진 (10) 의 모든 실린더 (12) 에서 연소에 영향을 주고, 이는 또한 흡입 밸브 (12) 가 개방될 때 실린더에 유입되는 공기량 (산소) 에 영향을 준다.
이러한 방식으로, 도 1 에 도시된 실시형태에서, 본 방법 및 컴퓨터 제어 시스템 (100) 은, 서로 독립적으로 실린더들 각각에 대한 공기 유입을 동시에 제어하고 그리고 실린더들 모두에 대한 공기 유입을 집합적으로 제어하는데 사용된다.
도 4 에는 본 발명의 또 다른 실시형태가 도시되어 있다. 내연 다중 실린더 피스톤 엔진 (10) 및 엔진 (10) 의 연소 공정을 제어하도록 구성된 컴퓨터 제어 시스템 (100) 이 도시되어 있다. 실린더들 각각에는 적어도 하나의 유입 밸브 (14) 및 적어도 하나의 배기 밸브 (16) 가 제공되지만, 통상적으로 하나 초과의 밸브가 존재한다. 엔진에는 슈퍼차저, 유리하게는 제어가능한 출력이 되도록 구성된 터보차저 (20) 가 제공된다. 터보차저에는 터빈부 (20.1) 및 압축기부 (20.2) 및 터빈부와 연계하여 그 자체로 공지된 방식으로 터보차저의 작동을 제어하기 위한 웨이스트 게이트 (20.3) 가 제공된다. 터보차저 (20) 는 압축기부 (20.2) 에 유입 베인 제어부에 부가하여 또는 대안으로 제공될 수 있거나 압축기부 (20.2) 는 작동의 제어를 용이하게 하기 위해 가변 형상 유형일 수 있다. 터보차저는 엔진 (10) 의 공기 리시버 (22) 및 엔진 (10) 의 배기 가스 매니폴드 (24) 에 연결된다. 엔진 (10) 의 실린더들 (12) 각각에는 압력 센서 (26) 가 제공된다. 압력 센서들 (26) 은 압력 측정 데이터를 컴퓨터 제어 시스템 (100) 에 제공하도록 배열된다. 엔진에는 또한 컴퓨터 제어 시스템 (100) 에 사용하기 위한 크랭크 샤프트 위치 정보를 제공하기 위해 하나 이상의 크랭크 각도 센서 (28) 또는 다른 적절한 배열체가 제공된다. 컴퓨터 제어 시스템 (100) 은 컴퓨터 (102) 및 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위해 엔진 (10) 에서 연료의 연소를 제어하도록 구성되거나 프로그래밍된 실행가능한 컴퓨터 프로그램 또는 프로그램들을 포함한다.
도 4 의 실시형태에서, 다중 실린더 내연 엔진에서 연료의 연소를 제어하는 방법은 적어도 다음 단계들을 포함한다. 먼저, 엔진의 각각의 실린더에서 연속적인 연소 사이클 동안 연료의 연소로부터 누적 열 방출을 결정하는 단계는 다음과 같이 실시된다. 유리하게는, 누적 열 방출은 도 1 에 도시된 실시형태와 연계하여 엔진 (10) 등의 실린더로부터의 압력 측정 (26) 에 기초하여 결정된다. 열 방출은 실제 크랭크 각도 위치 (28) 로부터 도출될 수 있는 실린더의 압력 및 공지 치수 및 피스톤의 위치에 기초하여 결정된다.
도 1 과 연계하여 설명된 바와 유사하게, 실린더에서 연료 연소가 일어나는 크랭크 각도 (여기서 범위
Figure 112020014607576-pct00014
) 에 대해 열 방출률 방정식 (1) 을 적분하여, 누적 열 방출 (Q) 이 얻어진다.
다음으로, 연소의 평균 총 열 방출률은 누적 열 방출 (QC1, QC2 … QCn) 결과로부터 결정된다. 이는, 예를 들어 최소 제곱 회귀선 방법으로 얻어질 수 있다. 컴퓨터 제어 시스템 (100) 은, 압력 측정 (26) 및 엔진 크랭크 각도 정보 (28) 를 사용하여, 엔진 (10) 의 각각의 실린더 (12) 에 대한 누적 열 방출량 (QC1, QC2 … QCn) 을 산출하도록 구성된 엔진의 각각의 실린더에 전용인 제 1 제어 유닛 (106.1-106.N) 을 포함한다. 제 1 제어 유닛 (106.1-106.N) 은 방정식을 사용하여 누적 열 방출을 결정하도록 구성된 컴퓨터 프로그램을 포함한다.
Figure 112020014607576-pct00015
제 1 제어 유닛들 (106.1-106.N) 은 또한 전술한 바와 같이 최소 제곱 회귀선 근사치에 의해 연소 단계의 평균 총 열 방출률값을 산출하도록 구성된다. 제 1 제어 유닛 (106.1-106.N) 각각은 실린더의 평균 총 연소율값들을 출력으로서 제공한다. 평균 총 열 방출률값은 제 3 제어 유닛 (108) 에 대한 입력값으로서 사용된다. 제 3 제어 유닛 (108) 은 엔진의 실린더 (12) 각각의 연속적인 연소 사이클의 실린더 특정 평균 총 열 방출값들 (Q') 을 수신하도록 구성된다. 제 3 제어 유닛 (108) 은, 엔진의 실린더들 (12) 각각의 연속적인 연소 사이클의 실린더 특정 평균 총 열 방출률값 (Q') 을 수신하고 그리고 평균 총 열 방출률값들 (Q") 의 평균값을 산출하는 서브 유닛을 포함한다. 제 3 제어 유닛 (108) 은, 웨이스트 게이트 (20.3) 위치 제어를 위한 설정값을 출력으로서 제공하고 사용하도록 구성된다. 설정값은 평균 총 열 방출률값들 (Q') 의 평균 (Q") 이고, 즉 엔진 (12) 에서의 연소를 집합적으로 제어하기 위한 집합 피드백으로서 총값이 사용된다. 컴퓨터 제어 시스템 (100) 은 터보차저 (20) 의 작동을 제어하도록 구성되고, 여기에서는 터빈 섹션 (20.1) 의 웨이스트 게이트 (20.3) 를 제어하는 예시가 구현된다. 웨이스트 게이트 (20.3) 는 자체 공지된 방식으로 터보차저 (20) 의 작동에 영향을 준다. 이는 충전 압력을 제어함으로써 엔진 (10) 의 모든 실린더 (12) 에서 연소에 영향을 주고, 이는 또한 유입 밸브 (12) 가 개방될 때 실린더에 유입되는 공기량 (산소) 에 영향을 준다.
이러한 방식으로, 도 4 에 도시된 실시형태에서, 본 방법 및 컴퓨터 제어 시스템 (100) 은 충전 압력을 제어함으로써 실린더 모두에 대한 공기 유입을 집합적으로 제어하는데 사용된다.
도 5 에는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 내연 다중 실린더 피스톤 엔진 (10) 및 컴퓨터 제어 시스템 (100) 이 도시되어 있다. 또한, 여기에서 내연 다중 실린더 피스톤 엔진 (10) 은 엔진 (10) 으로 지칭될 것이다. 실린더들 각각에는 적어도 하나의 유입 밸브 (14) 및 적어도 하나의 배기 밸브 (16) 가 제공되지만, 통상적으로 하나 초과의 밸브가 존재한다. 밸브들에는 엔진에서 피스톤의 위치와 동기화되어 밸브들이 개폐될 수 있는 소위 밸브 리프팅 시스템들이 제공된다. 엔진 (10) 의 적어도 유입 밸브들 (14) 에는 가변 유입 밸브 폐쇄 시스템 (18) 이 제공되고, 이 가변 유입 밸브 폐쇄 시스템에 의해 유입 밸브들 (14) 각각의 폐쇄 (엔진의 크랭크 각도와 관련하여) 타이밍 또는 일반적으로 개방 시간의 지속기간이 개별적으로 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어 밸브의 폐쇄 타이밍은 각각의 사이클 동안 개별적으로 그리고 별개로 전진 또는 지연될 수 있다.
엔진에는 슈퍼차저, 유리하게는 제어가능한 출력이 되도록 구성될 수 있는 터보차저 (20) 가 제공된다. 터보차저에는 터빈부 (20.1) 및 압축기부 (20.2) 및 터빈부와 연계하여 그 자체가 공지된 방식으로 터보차저의 작동을 제어하기 위한 웨이스트 게이트 (20.3) 가 제공된다. 터보차저 (20) 는 압축기부 (20.2) 에 입구 베인 제어부에 부가하여 또는 대안으로 제공될 수 있거나 압축기부 (20.2) 는 작동의 제어를 용이하게 하기 위해 가변 형상 유형일 수 있다. 터보차저는 엔진 (10) 의 공기 리시버 (22) 및 엔진 (10) 의 배기 가스 매니폴드 (24) 에 연결된다. 엔진 (10) 의 실린더들 (12) 각각에는 압력 센서 (26) 가 제공된다. 압력 센서들 (26) 은 압력 측정 데이터를 컴퓨터 제어 시스템 (100) 에 제공하도록 배열된다. 엔진에는 또한 컴퓨터 제어 시스템 (100) 에 사용하기 위한 크랭크 샤프트 위치 정보를 제공하기 위해 하나 이상의 크랭크 각도 센서 (28) 또는 다른 적절한 배열체가 제공된다. 컴퓨터 제어 시스템 (100) 은 컴퓨터 (102) 및 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위해 엔진 (10) 에서 연료의 연소를 제어하도록 구성된 실행가능한 컴퓨터 프로그램 또는 프로그램들을 포함한다.
도 5 의 실시형태에서, 다중 실린더 내연 엔진에서 연료의 연소를 제어하는 방법은 적어도 다음 단계들을 포함한다. 먼저, 엔진의 각각의 실린더에서 연속적인 연소 사이클 동안 연료의 연소로부터 누적 열 방출을 결정하는 단계는 다음과 같이 실시된다. 유리하게는, 누적 열 방출은 유사한 방식으로 엔진 (10) 의 실린더들로부터의 압력 측정 (26) 에 기초하여 그리고 도 1 및 도 4 에 도시된 실시형태들과 연계하여 설명된 바와 유사한 수단을 사용하여 결정된다. 다음으로, 연소의 평균 총 열 방출률은 누적 열 방출 (QC1, QC2 … QCn) 결과로부터 결정된다. 이는, 도 1 및 도 4 에 도시된 실시형태들과 연계하여 설명된 바와 유사한 방식으로 그리고 유사한 수단을 사용하여 얻어질 수 있다.
컴퓨터 제어 시스템 (100) 은, 압력 측정 (26) 및 엔진 크랭크 각도 정보 (28) 를 사용하여, 엔진 (10) 의 각각의 실린더 (12) 에 대한 누적 열 방출량 (QC1, QC2 … QCn) 을 산출하도록 구성된 엔진의 각각의 실린더에 전용인 제 1 제어 유닛 (106.1-106.N) 을 포함한다. 본 발명의 일 실시형태에 따라서, 제 1 제어 유닛 (106.1-106.N) 은 방정식을 사용하여 누적 열 방출을 결정하도록 구성된 컴퓨터 프로그램을 포함한다.
Figure 112020014607576-pct00016
제 1 제어 유닛들 (106.1-106.N) 은 또한 전술한 바와 같이 최소 제곱 회귀선 근사치에 의해 연소 단계의 평균 총 열 방출률값을 산출하도록 구성된다. 제 1 제어 유닛은 실린더 (12) 에서 발생하는 각각의 연소 사이클 동안 모니터링하도록 그리고 제어하도록 구성되는 실린더의 총 연소율값들을 출력으로서 제공한다. 컴퓨터 제어 시스템 (100) 은 엔진의 실린더 (12) 각각에 전용인 제 2 제어 유닛들 (104.1-104.n) 을 포함한다. 제 2 제어 유닛 (104.1-104.n) 은 유리하게는 엔진 (10) 에서 액츄에이터를 위한 출력으로서 제어 설정값을 제공하도록 구성된 컴퓨터 프로그램을 포함한다. 전술한 바와 같이, 엔진 (10) 의 유입 밸브들 (14) 에는 가변 유입 밸브 폐쇄 시스템 (18) 이 제공되고, 이 가변 유입 밸브 폐쇄 시스템에 의해 타이밍이 개별적으로 제어될 수 있다. 제 2 제어 유닛으로부터의 출력 신호는 유입 밸브 폐쇄 시스템 (18) 에 이용가능하게 되고, 이 유입 밸브 폐쇄 시스템에 의해 유입 밸브들 (14) 각각은 실린더 방향 피드백을 이용하여 개별적으로 제어가능하다. 이러한 방식으로, 평균 총 열 방출률값은 본 발명의 일 실시형태에 따른 엔진 (10) 의 실린더 (12) 에서 연소를 제어하기 위한 피드백으로서 사용된다.
도 5 에 도시된 실시형태에서, 본 방법 및 컴퓨터 제어 시스템 (100) 은 서로 독립적으로 실린더들 각각에 대한 공기 유입을 동시에 제어하는데 사용된다.
본 발명은 본원에서 현재 가장 바람직한 실시형태들로 고려되는 것과 연계하여 실시예의 방식으로 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시형태들에 제한되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에서 규정된 바와 같이, 본원의 특징들의 다양한 조합들 또는 변경들, 그리고 본 발명의 범위 내에 포함된 여러 개의 다른 적용들을 포함하는 것으로 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 상기 어떠한 실시형태와 연계하여 언급된 상세한 설명은 이러한 조합이 기술적으로 가능한 다른 실시형태와 연계하여 사용될 수도 있다.

Claims (12)

  1. 다중 실린더 내연 엔진 (10) 에서 연료의 연소를 제어하는 방법으로서,
    - 상기 엔진의 일 실린더에서 연속적인 연소 사이클들 동안, 상기 엔진의 하나의 실린더에서 하나의 연소 사이클에서 연료의 연소가 일어나는 크랭크 각도 범위
    Figure 112020130357511-pct00030
    에 걸쳐, 연료의 연소로부터 누적 열 방출 (Q) 을 결정하는 단계,
    - 상기 엔진의 상기 실린더에서 연속적인 연소 사이클들 동안, 상기 누적 열 방출 (Q) 에 최소 제곱 회귀선을 제공함으로써 그리고 평균 총 열 방출률 (Q') 을 나타내는 상기 최소 제곱 회귀선의 기울기를 규정함으로써, 연료의 연소로부터 상기 평균 총 열 방출률 (Q') 을 결정하는 단계,
    - 상기 엔진 (10) 의 실린더들 (12) 각각에서 연속적인 연소 사이클의 실린더 특정 평균 총 열 방출률값들을 제공하고, 상기 실린더 특정 평균 총 열 방출률값들의 평균 값을 산출하며, 그리고 상기 엔진 (10) 의 모든 실린더들 (12) 에서 연소 공정에 관련된 공기량을 제어하기 위한 피드백으로서 상기 평균 값을 사용하는 단계
    를 특징으로 하는, 다중 실린더 내연 엔진에서 연료의 연소를 제어하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 누적 열 방출 (Q) 은 하기의 방정식을 사용하여 결정되는 것을 특징으로 하는, 다중 실린더 내연 엔진에서 연료의 연소를 제어하는 방법.
    Figure 112020130357511-pct00031

    (여기서, γ 는 열용량비
    Figure 112020130357511-pct00032
    이고, p 는 압력이며, V 는 실린더의 체적이고, dV 는 실린더의 체적 변화이며,
    Figure 112020130357511-pct00033
    는 크랭크 각도의 변화이고, dp 는 실린더내의 압력 변화이다.)
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진 (10) 의 실린더들 (12) 각각에서 제 1 항의 단계들을 실시하여, 상기 엔진의 실린더들의 각각의 연속적인 연소 사이클들의 실린더 특정 평균 총 열 방출률값들을 제공하고 그리고 실린더 특정 방식으로 각각의 개별 실린더에서 연소 공정에 관련된 공기량을 제어하기 위한 피드백으로서 상기 실린더 특정 평균 총 열 방출률들을 사용하는 것을 특징으로 하는, 다중 실린더 내연 엔진에서 연료의 연소를 제어하는 방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    각각의 개별 실린더에서 유입 밸브 (14) 의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는, 다중 실린더 내연 엔진에서 연료의 연소를 제어하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진의 슈퍼차저 (20) 의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는, 다중 실린더 내연 엔진에서 연료의 연소를 제어하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진 (10) 의 실린더들 (12) 각각에서 제 1 항의 단계들을 실시하여, 상기 엔진의 실린더들의 각각의 연속적인 연소 사이클들의 실린더 특정 평균 총 열 방출률값들을 제공하고 그리고 실린더 특정 방식으로 각각의 개별 실린더에서 연소 공정에 관련된 공기량을 제어하기 위한 피드백으로서 상기 실린더 특정 평균 총 열 방출률값들을 사용하는 것,
    각각의 실린더에서 유입 밸브 (14) 의 작동을 제어하는 것, 및
    상기 엔진의 슈퍼차저 (20) 의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는, 다중 실린더 내연 엔진에서 연료의 연소를 제어하는 방법.
  8. 다중 실린더 내연 피스톤 엔진에서 연소 공정을 제어하도록 구성된 컴퓨터 제어 시스템으로서,
    - 상기 엔진의 각각의 실린더에 전용인 다수의 제 1 제어 유닛들 (106.1 -106.N) 로서, 상기 제 1 제어 유닛들은 실린더 압력 측정 (26) 및 엔진 크랭크 각도 정보 (28) 에 기초하여 상기 엔진 (10) 의 각각의 실린더 (12) 에 대한 누적 열 방출 (QC1, QC2 … QCn) 을 산출하도록 구성되며, 상기 제 1 제어 유닛 (106.1 -106.N) 각각은, 하기의 방정식을 사용하여 누적 열 방출을 결정하도록 구성된 컴퓨터 프로그램을 포함하는, 상기 다수의 제 1 제어 유닛 (106.1 -106.N),
    Figure 112021500956057-pct00034

    (여기서, γ 는 열용량비
    Figure 112021500956057-pct00035
    이고, p 는 압력이며, V 는 실린더의 체적이고, dV 는 실린더의 체적 변화이며,
    Figure 112021500956057-pct00036
    는 크랭크 각도의 변화이고, dp 는 실린더내의 압력 변화이다.)
    및
    - 최소 제곱 회귀선을 제공하고 평균 총 열 방출률 (Q') 을 나타내는 최소 제곱 회귀선의 기울기를 규정함으로써 연소 단계의 평균 총 열 방출률을 산출하도록 구성된 컴퓨터 프로그램
    을 포함하고,
    상기 컴퓨터 제어 시스템은 제 3 제어 유닛 (108) 을 더 포함하고, 상기 제 3 제어 유닛 (108) 은, 상기 엔진 (10) 의 실린더들 (12) 각각의 연속적인 연소 사이클들의 실린더 특정 평균 총 열 방출률값들 (Q') 을 수신하도록, 상기 평균 총 열 방출률값들 (Q') 의 평균값 (Q") 을 산출하도록, 그리고 상기 엔진의 슈퍼차저 (20) 의 작동을 제어하기 위한 설정값을 출력으로서 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 컴퓨터 제어 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 컴퓨터 제어 시스템은 상기 엔진의 실린더들 (12) 각각에 전용인 다수의 제 2 제어 유닛들 (104.1-104.n) 을 더 포함하고, 상기 제 2 제어 유닛들 (104.1-104.n) 은 상기 엔진의 액츄에이터 가변 유입 밸브 폐쇄 시스템 (18) 을 위한 출력으로서 제어 설정값을 제공하도록 구성된 컴퓨터 프로그램을 포함하는 것을 특징으로 하는, 컴퓨터 제어 시스템.
  10. 삭제
  11. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 컴퓨터 제어 시스템은 제 3 제어 유닛 (108) 을 더 포함하고, 상기 제 3 제어 유닛 (108) 은, 상기 엔진 (10) 의 실린더들 (12) 각각의 연속적인 연소 사이클들의 실린더 특정 평균 총 열 방출률값들 (Q') 을 수신하도록, 상기 평균 총 열 방출률값들 (Q') 의 평균값 (Q") 을 산출하도록, 그리고 웨이스트 게이트 (20.3) 위치 제어를 위한 설정값을 출력으로서 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 컴퓨터 제어 시스템.
  12. 삭제
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