KR101154516B1 - 예측곡선을 이용한 프리피스톤 엔진의 제어방법 및 이에 의해 제어되는 프리피스톤 엔진 - Google Patents

예측곡선을 이용한 프리피스톤 엔진의 제어방법 및 이에 의해 제어되는 프리피스톤 엔진 Download PDF

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Abstract

본 발명은 프리피스톤 엔진의 제어방법에 관한 것으로서, 특정 지점에서 프리피스톤의 위치 및 시간을 측정하여 측정위치값 및 측정시간값을 포함하는 측정데이터를 획득하는 단계; 미리 결정된 표준화곡선에서 상기 특정 지점의 위치 및 시간을 계산하여 계산위치값 및 계산시간값을 포함하는 계산데이터를 획득하는 단계; 상기 측정데이터와 상기 계산데이터를 기초로 상기 표준화곡선을 변환하여 상기 특정 지점 이후 상기 프리피스톤의 운동패턴을 예측하는 예측곡선을 결정하는 단계; 및 상기 예측곡선을 이용하여 상기 프리피스톤 엔진을 제어하는 단계를 포함하며, 프리피스톤의 실제 운동패턴과 매우 유사한 운동패턴을 예측할 수 있으므로, 프리피스톤 엔진의 제어 성능을 높일 수 있다.

Description

예측곡선을 이용한 프리피스톤 엔진의 제어방법 및 이에 의해 제어되는 프리피스톤 엔진{METHOD FOR CONTROLLING FREE-PISTON ENGINE USING PREDICTION CURVE AND FREE-PISTON ENGINE CONTROLLED BY THE SAME}
본 발명은 프리피스톤 엔진의 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 프리피스톤의 운전패턴을 예측하는 예측곡선을 이용하여 프리피스톤 엔진을 제어하는 프리피스톤 엔진의 제어방법 및 이에 의해 제어되는 프리피스톤 엔진에 관한 것이다.
프리피스톤 엔진(free-pistion engine)은 직선 왕복형 엔진으로서 2행정 1사이클 엔진이며, 크랭크 기구가 없는 엔진이다. 프리피스톤 엔진은 하나의 축(가동축)을 통해 직선형태로 연결되어 있으며, 유압펌프 또는 발전기와 같은 에너지 변환장치와 연결되어 에너지를 발생시킬 수 있다. 이러한 프리피스톤 엔진은 피스톤의 이동속도가 빨라 혼합기를 높은 압력으로 압축하여 고압축비의 실현이 가능하고 또한 크랭크 기구가 없어 동력변환 손실이 적어, 엔진 효율의 한계를 극복할 수 있는 엔진으로서 최근에 크게 주목받고 있다.
하지만, 프리피스톤 엔진은 가변 스트로크로 인하여 제어가 어렵고, 프리피 스톤 엔진의 특성상, 관성을 이용할 수 없으므로 제어가 한번이라도 실패하면 엔진이 멈추는 현상이 발생한다. 또한, 관성체의 부재로 인해 운전속도 등의 운전패턴이 자주 변하는 현상이 발생한다.
이와 같은 프리피스톤 엔진의 제어 상의 문제점을 해결하기 위해 각종 제어기법이 제안되어 왔다. 특히, Johansen 등은 프리피스톤의 운동패턴을 Sine 곡선으로 예측하여 프리피스톤 엔진을 제어하는 방법을 제안하였으나(Free-Piston Diesel Engine Timing and Control - Towards Electronic Cam - and Crankshaft, Johansen et al, IEEE Trans. Control Systems Technology, vol. 9, 2001), 이 방법은 프리피스톤 엔진의 운전패턴과 왕복동 엔진의 운전패턴이 완전히 상이함에도 불구하고 왕복동 엔진의 운전패턴인 Sine 커브로 프리피스톤 운전패턴을 예측하였기 때문에 상사점 및/또는 하사점 근방에서의 오차율이 높아 정밀한 엔진 제어가 이루어지기 어려웠다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 표준화곡선을 변환하여 얻는 예측곡선을 이용하여 프리피스톤 엔진을 제어하는 프리피스톤 엔진의 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상술한 프리피스톤 엔진의 제어방법에 의해 제어되는 프리피스톤 엔진을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여,
(a) 특정 지점에서 프리피스톤의 위치 및 시간을 측정하여 측정위치값 및 측정시간값을 포함하는 측정데이터를 획득하는 단계;
(b) 미리 결정된 표준화곡선에서 상기 특정 지점의 위치 및 시간을 계산하여 계산위치값 및 계산시간값을 포함하는 계산데이터를 획득하는 단계;
(c) 상기 측정데이터와 상기 계산데이터를 기초로 상기 표준화곡선을 변환하여 상기 특정 지점 이후 상기 프리피스톤의 운동패턴을 예측하는 예측곡선을 결정하는 단계; 및
(d) 상기 예측곡선을 이용하여 상기 프리피스톤 엔진을 제어하는 단계;를 포함하는 예측곡선을 이용한 프리피스톤 엔진의 제어방법을 제공한다.
여기서, 상기 표준화곡선은 상기 프리피스톤의 운동방정식의 해인 것이 바람직하다.
또한, 상기 (c) 단계에서 상기 예측곡선은 하기의 수식에 의해 결정될 수 있다.
Figure 112009074365233-pat00001
(여기서, x=f(t)는 시간 t에서의 프리피스톤 위치 x를 나타내는 표준화곡선 함수, nx는 상기 측정위치값에 대한 상기 계산위치값의 비율인 위치변환계수, nt는 상기 측정시간값에 대한 상기 계산시간값에 대한 비율인 시간변환계수임)
또한, 상기 특정 지점은 상기 프리피스톤의 상사점을 포함하고, 상기 위치변환계수는 상사점에서 상기 측정위치값에 대한 상기 계산위치값의 비율이고, 상기 시간변환계수는 상사점에서 상기 측정시간값에 대한 상기 계산시간값의 비율인 것이 바람직하다.
또한, 상기 특정 지점은 상기 프리피스톤의 제1 중심점을 포함하고, 상기 위치변환계수는 상사점에서의 상기 측정데이터의 위치값에 대한 상기 계산데이터의 위치값의 비율이고, 상기 시간변환계수는 제1 중심점에서의 상기 측정데이터의 시간값에 대한 상기 계산데이터의 시간값의 비율인 것이 바람직하다.
또한, 상기 특정 지점은 상기 프리피스톤의 하사점을 포함하고, 상기 위치변환계수는 하사점에서 상기 측정데이터의 위치값에 대한 상기 계산데이터의 위치값의 비율이고, 상기 시간변환계수는 하사점에서 상기 측정데이터의 시간값에 대한 상기 계산데이터의 시간값의 비율인 것이 바람직하다.
또한, 상기 특정 지점은 상기 프리피스톤의 제2 중심점을 포함하고, 상기 위치변환계수는 하사점에서의 상기 측정데이터의 위치값에 대한 상기 계산데이터의 위치값의 비율이고, 상기 시간변환계수는 제2 중심점에서의 상기 측정데이터의 시간값에 대한 상기 계산데이터의 시간값의 비율인 것이 바람직하다.
또한, 상기 (d) 단계에서, 상기 예측곡선을 이용하여 상기 프리피스톤 엔진의 점화시기 및 분사시기를 제어할 수 있다.
또한, 상기 프리피스톤의 위치는 변위 또는 각도로 표시될 수 있다.
본 발명은 상기 두 번째 과제를 달성하기 위하여,
연소실린더, 상기 연소실린더 내를 가동축에 따라 왕복 운동하도록 배치된 프리피스톤, 상기 연소실린더 내부에 설치된 점화플러그, 및 상기 연소실린더 내부로 연료를 공급하는 인젝터를 포함하는 프리피스톤 엔진에 있어서,
상기 프리피스톤의 위치를 검출하는 검출수단; 및
상기 점화플러그의 점화시기 및 상기 인젝터의 분사시기를 제어하는 엔진제어부를 포함하고,
상기 엔진제어부는 상술한 예측곡선을 이용한 프리피스톤 엔진의 제어방법을 포함하는 제어 알고리즘을 탑재한 것을 특징으로 하는 프리피스톤 엔진을 제공한다.
본 발명에 따른 프리피스톤 엔진의 제어방법은, 실제 운전 중인 프리피스톤 엔진에서 측정된 측정데이터를 기초로 미리 정해진 표준화곡선을 변환하여 얻어진 예측곡선을 이용하므로, 프리피스톤의 실제 운동패턴과 매우 유사한 운동패턴을 예측할 수 있다. 또한, 이러한 예측된 운동패턴을 이용하여 프리피스톤 엔진의 점화시기 및 분사시기를 결정할 수 있으므로, 보다 정확하게 프리피스톤 엔진을 제어할 수 있으며, 이를 통해 프리피스톤 엔진의 제어성능 및 안정성을 극대화시킬 수 있다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
도 1은 일반적인 프리피스톤 엔진의 개략 구조도이다.
도 1에서 B는 보어의 직경, A는 보어의 단면적, TDC 및 BDC는 각각 프리피스톤의 상사점 및 하사점, PL은 좌측 실린더의 압력, PR은 우측 실린더의 압력, s는 스크로크(stroke), x는 프리피스톤의 변위, xs는 하프 스트로크(half stroke), xm은 최대 하프 스크로크(maximum half stroke)를 나타낸다.
도 1과 같은 구조를 가지는 프리피스톤의 운동방정식은 다음과 같다.
Figure 112009074365233-pat00002
여기서, Ff는 마찰력을, Fm은 부하흡수력을 의미하며, 하나의 사이클 내에서 상기 마찰력과 부하흡수력은 동일하게 일어나는 것으로 가정할 수 있다.
상기 수학식 1로 표시되는 미분방정식의 해가 프리피스톤의 이상적인 운동패턴을 나타내는 표준화곡선으로 쓰일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리피스톤 제어방법의 개념을 설명하기 위해 프리피스톤의 운동패턴을 도시한 도면이다.
도 2에서 프리피스톤이 상사점(TDC)을 지나는 순간, B 구간(상사점에서 제1 중심점까지의 구간)을 예측하고, 프리피스톤이 제1 중심점을 지나는 순간, C 구간(제1 중심점에서 하사점까지의 구간)을 예측하고, 프리피스톤이 하사점(BDC)을 지나는 순간 D 구간(하사점에서 제2 중심점까지의 구간)을 예측하고, 프리피스톤이 제2 중심점을 지나는 순간 A' 구간(제2 중심점에서 상사점까지의 구간)을 예측할 수 있다. 각 구간에서의 예측곡선은 상술한 표준화곡선을 좌표변환하여 얻어낼 수 있으며, 좌표변환의 방법으로는 왕복동 엔진과 동일하게 각도단위 또는 비율단위로도 가능하다. 예측곡선을 계산하는 구체적인 방법은 후술하기로 한다. 여기서, 중심점이란 상사점과 하사점의 기하학적 중심이 되는 점으로서, 프리피스톤 변위가 0인 지점을 의미하며, 본 명세서에서 제1 중심점은 프리피스톤이 상사점에서 하사점으로 이동할 때 지나는 중심점을, 제2 중심점은 프리피스톤이 하사점에서 상사점으로 이동할 때 지나는 중심점을 지칭한다.
도 3은 Otto 사이클의 압력-부피 선도를 나타낸 그래프이다.
도 3에 도시된 Otto 사이클은 도 1에 도시된 프리피스톤 엔진에서 좌측 실린더의 압력-부피 관계를 나타낸 것이며, 우측 실린더의 압력-부피 선도는 이와 대칭되게 표시될 수 있다.
도 3을 참조하면, 1에서 2까지의 과정이 압축행정, 2에서 3까지의 과정이 폭발행정이고, 3에서 4까지의 과정이 팽창행정, 4에서 1'까지의 과정이 소기행정 및 흡입행정이다. 1' 에서 1까지의 과정은 관성팽창행정이다. 우측 실린더는 상술한 과정과 반대의 행정을 거친다.
1'에서 2까지의 압축행정에서의 지배방정식은 다음과 같다.
Figure 112009074365233-pat00003
여기서, Pc는 1'에서 2까지의 압축행정에서의 압력, Vc는 이 때의 부피, n은 비열비(specific heat ratio)를 나타낸다.
3에서 4까지의 팽창행정에서의 지배방정식은 다음과 같다.
Figure 112009074365233-pat00004
여기서, Pe는 3에서 4까지의 팽창행정에서의 압력, Ve는 이 때의 부피, n은 비열비(specific heat ratio)를 나타낸다.
수학식 2 및 수학식 3으로 정의되는 프리피스톤 운동은 좌측 및 우측 실린더에서 동시에 일어난다.
수학식 2에서 P1'와 V1'가 결정되면 피스톤의 변위에 의해 Vc가 결정되고, 따라서 Pc는 결정된다. 한편, 수학식 3에서 P3과 V3은 결정되고, 피스톤의 변위에 의해 Ve가 결정되며, 따라서 Pe도 결정된다.
결국, 수학식 2 및 수학식 3은 도 2의 B 구간을 통해서 C 구간을 예측할 수 있음과, D 구간을 통해서 A' 구간을 예측할 수 있음을 나타낸다. 물론, 연소과정에서 발생하는 실제 폭발과정은 연료량에 비례하나, 그 과정이 너무 복잡하므로 사실상 예측이 불가능하다. 하지만, 엔진 제어의 목적은 최종 점화시기를 예측함에 있는 것이고, 점화시기는 예측에 의하여 진각 또는 지각의 조건으로 조절할 수 있으므로 상사점을 일정하게 제어할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 예측곡선을 이용한 프리피스톤 엔진의 제어방법을 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리피스톤 엔진의 제어방법의 흐름도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리피스톤 엔진(100)의 구조도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 프리피스톤 엔진의 제어방법은, 특정 지점에서 상기 프리피스톤의 위치 및 시간을 측정하여 측정위치값 및 측정시간값을 포함하는 측정데이터를 획득하는 단계(S10); 미리 결정된 표준화곡선에서 상기 특정 지점의 위치 및 시간을 계산하여 계산위치값 및 계산시간값을 포함하는 계산데이터를 획득 하는 단계(S20); 상기 측정데이터와 상기 계산데이터를 기초로 상기 표준화곡선을 변환하여 상기 특정 지점 이후 프리피스톤의 운동패턴을 예측하는 예측곡선을 결정하는 단계(S30); 및 싱기 예측곡선을 이용하여 상기 프리피스톤 엔진을 제어하는 단계(S40);를 포함한다.
측정데이터 획득단계(S10)는 프리피스톤 엔진(100)에 설치된 검출수단을 이용하여 이루어질 수 있다. 검출수단(60)은 프리피스톤(30)의 시간별 위치를 검출하는 장치로서, 일 예로 프리피스톤 엔진(100)의 외주면에 설치되는 엔코더가 사용될 수 있다. 이와 같은 검출수단을 이용하여 특정 지점(예를 들면 상사점, 하사점, 중심점 등)에서의 프리피스톤의 위치값 및 시간값을 실시간으로 계측할 수 있다.
계산데이터 획득단계(S20)는 미리 결정된 표준화곡선을 이용하여 특정 지점에서의 프리피스톤의 위치값 및 시간값을 계산하는 단계이다. 표준화곡선을 수학식 1로 정의되는 미분방정식의 해로 가정하면, 계산데이터는 상기 해에 프리피스톤의 위치값(x)을 대입하여 손쉽게 얻어낼 수 있다.
상술한 측정데이터 획득단계(S10) 및 계산데이터 획득 단계(S20)는 반드시 그 선후관계가 유지되어야 하는 것은 아니며, 두 단계 중 어느 한 단계를 먼저 수행해도 좋다.
예측곡선 결정단계(S30)는 상술한 단계에서 얻어진 측정데이터와 계산데이터를 기초로 표준화곡선을 변환하여 예측곡선을 결정하는 단계이다. 이 예측곡선은 표준화곡선과 마찬가지로 시간에 따른 프리피스톤(30)의 위치의 함수로 표현된다. 예측곡선을 결정하는 구체적인 과정을 살펴보면 다음과 같다.
도 5는 A 구간의 측정곡선(M) 및 표준화곡선(S)을 이용하여 얻어진 B 구간의 예측곡선(P)을 도시한 그래프이다.
도 5에서, S는 시간(t)에 따른 프리피스톤의 위치(x)를 나타내는 이상적인 표준화곡선을, S는 상술한 측정수단을 통해 실제 측정된 프리피스톤의 운동패턴을 나타내는 측정곡선을, P는 프리피스톤의 운동패턴을 예측하는 예측곡선을 나타낸다.
도 5에서 x*, t*는 각각 표준화곡선(S)에서 프리피스톤의 위치값 및 시간값을, x', t'는 각각 측정곡선(M)에서 프리피스톤의 위치값 및 시간값을, x, t는 각각 예측곡선(P)에서 프리피스톤의 위치값 및 시간값을 나타낸다.
따라서, 표준화곡선(S)을 정의하는 함수 f에 대해서 다음과 같은 식이 성립된다.
Figure 112009074365233-pat00005
여기서, 함수 f와 g는 서로 역함수의 관계이다.
표준화곡선을 변환하기 위한 변환계수는 특정 지점에서 측정곡선으로부터 얻어진 측정데이타에 대한 표준화곡선으로부터 얻어진 계산데이터의 비율로 정의된다.
예컨대, B 구간의 예측곡선을 얻기 위한 변환계수는 특정 지점을 상사점으로 결정하여 다음과 같이 정의된다.
Figure 112009074365233-pat00006
여기서, nt는 시간변환계수로서 프리피스톤의 상사점에서 측정곡선의 시간값에 대한 표준화곡선의 시간값의 비율이고, nx는 위치변환계수로서 프리피스톤의 상사점에서 측정곡선의 위치값에 대한 표준화곡선의 위치값의 비율이다. 따라서, 수학식 5에 의해 상사점에서 시간변환계수 및 위치변환계수를 결정할 수 있다.
계산된 변환계수를 이용하여 예측곡선과 표준화곡선과의 관계를 x* = nx×x, t* = nt×t와 같이 정의하면, 아래와 같이 예측곡선이 결정된다.
Figure 112009074365233-pat00007
따라서, 미리 정해진 표준화곡선과, 프리피스톤의 상사점으로부터 위치변환계수 및 시간변환계수를 계산하면, B 구간에서의 프리피스톤의 운동패턴인 예측곡선을 수학식 6을 이용하여 계산해 낼 수 있다.
도 6는 B 구간의 측정곡선(M) 및 표준화곡선(S)을 이용하여 얻어진 C 구간의 예측곡선(P)을 도시한 그래프이다.
C 구간의 예측곡선을 얻기 위한 변환계수는 특정 지점을 제1 중심점으로 결정하여 다음과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112009074365233-pat00008
상기 수학식 7에 의해 정의된 시간변환계수 및 위치변환계수를 수학식 6으로 정의된 예측곡선 함수에 대입하연 C 구간에서 프리피스톤 운동패턴을 예측하는 예측곡선을 결정할 수 있다.
상술한 과정을 동일하게 적용하여 D 구간 및 A'구간 각각에 대한 예측곡선을 계산해 낼 수 있다.
즉, D 구간의 예측곡선을 결정하기 위해, 하사점을 특정 지점으로 결정하면 시간변환계수는 하사점에서 측정곡선의 시간값에 대한 표준화곡선의 시간값의 비율로 정의되고, 위치변환계수는 하사점에서 측정곡선의 위치값에 대한 표준화곡선의 위치값의 비율로 정의된다.
A'구간의 예측곡선을 결정하기 위해, 제2 중심점을 특정 지점으로 결정하면 시간변환계수는 제2 중심점에서 측정곡선의 시간값에 대한 표준화곡선의 시간값의 비율로 정의되고, 위치변환계수는 하사점에서 측정곡선의 위치값에 대한 표준화곡선의 위치값의 비율로 정의된다.
상술한 과정을 통해서, 이전 구간의 측정곡선(또는 측정데이터) 및 표준화곡 선(또는 계산데이터)을 이용하여 이후 구간의 예측곡선을 결정할 수 있다.
프리피스톤 엔진 제어단계(S40)는 전술한 과정을 통해 얻어진 예측곡선을 이용하여 프리피스톤 엔진을 제어하는 단계이다. 이 단계에서는, 결정된 예측곡선을 이용하여 점화플러그의 점화시기 및 인젝터의 분사시기 등을 조절하여 프리피스톤의 상사점을 일정하게 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리피스톤 엔진의 제어방법 과정에서 도출된 예측곡선을 도시한 그래프이다.
도 7의 예측곡선은 도 8에 도시된 프리피스톤 엔진의 구조도에서 좌측의 프리피스톤의 운전패턴을 예측한 것으로, "L"은 좌측 프리피스톤 엔진(100)을, "R"은 우측 프리피스톤 엔진(100')을 지칭한다.
도 8에 도시된 바와 같이 프리피스톤(30)이 피스톤로드와 일체로 형성된 가동축(20)의 양단에 각각 설치된 대향형 프리피스톤 엔진의 경우는, 각 프리피스톤의 운동이 서로 대칭적으로 이루어지므로, 한쪽의 프리피스톤의 운전패턴을 이용하여 양측의 프리피스톤 엔진을 제어할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 예측곡선을 통해 프리피스톤 엔진의 점화시기 및 분사시기를 결정할 수 있다. 또한, 흡기밸브, 배기밸브 및 소기밸브가 구비된 프리피스톤 엔진의 경우에는, 해당되는 밸브를 개폐함으로써 흡기, 배기 및 소기 시기를 적절히 조절할 수 있다.
표준화곡선, 측정곡선 및 예측곡선은 프리피스톤 위치를 변위로 표시하여 설명되었으나, 프리피스톤 위치를 왕복동 엔진에 대응되는 각도로 변환하여 표시하면 종래의 왕복동 엔진과 동일한 방법으로 프리피스톤 엔진을 제어할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리피스톤 엔진의 구조도로서, 상기 프리피스톤 엔진(100)은, 연소실린더(10), 상기 연소실린더 내를 가동축(20)에 따라 왕복 운동하도록 배치된 프리피스톤(30), 상기 연소실린더 내부에 설치된 점화플러그(40), 및 상기 연소실린더 내부로 연료를 공급하는 인젝터(50), 상기 프리피스톤의 위치를 검출하는 검출수단(60) 및 상기 점화플러그의 점화시기 및 상기 인젝터의 분사시기를 제어하는 엔진제어부(70)를 포함한다.
또한, 프리피스톤 엔진(100)에는 연소실린더와 연통한 흡기포트(11) 및 배기포트(12)가 구비되어 있다.
프리피스톤 엔진은 수소 등과 같은 연료를 이용한 내연기관이며, 2행정 1사이클 엔진이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 프리피스톤 엔진(100)은 왕복직선운동을 하는 가동축(20)의 양단에 프리피스톤(30)이 각각 설치되는 대향형 프리피스톤 엔진인 것이 바람직하다. 이 경우, 양쪽 프리피스톤 엔진은 서로 번갈아 가면서 폭발행정이 이루어지도록 되어 있다. 따라서, 양쪽 프리피스톤 엔진으로부터 전달되는 직선방향의 구동력을 이용하여 에너지를 발생시키기 위해, 가동축의 중심부에는 유압펌프 또는 발전기와 같은 에너지변환장치(80)가 설치될 수 있다.
검출수단(60)은 프리피스톤 엔진의 일측에 가동축(20)과 연계되어 설치되고, 가동축(20)이 왕복 직선운동을 할 때 가동축의 위치를 시간에 따라 검출할 수 있는 구조로 설치될 수 있다.
한편, 엔진제어부(70)에는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리피스톤 엔진의 제어방법을 포함하는 제어 알고리즘이 탑재되어 있다. 그리고, 엔진제어부(70)는 검출수단(70)과 데이터를 송수신하고, 인젝터(50) 및 점화플러그(40)와 제어신호를 송수신할 수 있는 구조로 되어 있다.
인젝터(50) 및 점화플러그(40)는 상기 엔진제어부(70)에 의해 그 작동시점과 작동시간이 제어될 수 있다. 즉, 인젝터의 분사시기(작동시점 및 작동시간) 및 점화플러그의 점화시기(작동시점 및 작동시간)는 상술한 예측곡선을 이용하여 적절히 조절될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 프리피스톤 엔진(100)은 프리피스톤(30)의 운전패턴을 예측하는 예측곡선을 기초로 가변 스트로크를 제어할 수 있으므로, 왕복동 엔진의 제어와 유사한 제어효과를 기대할 수 있다.
또한, 표준화곡선을 프리피스톤의 변위 대신 각도 또는 무차원수 등 여러 가지 변수로 표시할 수 있고, 특히 표준화곡선을 왕복동 엔진에 대응되는 각도 단위로 정의하여 예측곡선을 각도로 표시함으로써 프리피스톤 엔진을 기존의 왕복동 엔진과 동일한 방법으로 제어할 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
도 1은 일반적인 프리피스톤 엔진의 개략 구조도이다.
도 2는 프리피스톤의 운동패턴을 도시한 도면이다.
도 3은 Otto 사이클의 압력-부피 선도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리피스톤 엔진의 제어방법의 흐름도이다.
도 5는 A 구간의 측정곡선 및 표준화곡선을 이용하여 얻어진 B 구간의 예측곡선을 도시한 그래프이다.
도 6은 B 구간의 측정곡선 및 표준화곡선을 이용하여 얻어진 C 구간의 예측곡선을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 예측곡선에 따라 프리피스톤 엔진을 제어하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리피스톤 엔진의 구조도이다.

Claims (10)

  1. (a) 특정 지점에서 프리피스톤의 위치 및 시간을 측정하여 측정위치값 및 측정시간값을 포함하는 측정데이터를 획득하는 단계;
    (b) 미리 결정된 표준화곡선에서 상기 특정 지점의 위치 및 시간을 계산하여 계산위치값 및 계산시간값을 포함하는 계산데이터를 획득하는 단계;
    (c) 상기 측정데이터와 상기 계산데이터를 기초로 상기 표준화곡선을 변환하여 상기 특정 지점 이후 상기 프리피스톤의 운동패턴을 예측하는 예측곡선을 결정하는 단계; 및
    (d) 상기 예측곡선을 이용하여 상기 프리피스톤 엔진을 제어하는 단계를 포함하는 예측곡선을 이용한 프리피스톤 엔진의 제어방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 상기 예측곡선은 하기의 수식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 예측곡선을 이용한 프리피스톤 엔진의 제어방법.
    Figure 112009074365233-pat00009
    (여기서, x=f(t)는 시간 t에서의 프리피스톤 위치 x를 나타내는 표준화곡선 함수, nx는 상기 측정위치값에 대한 상기 계산위치값의 비율인 위치변환계수, nt는 상기 측정시간값에 대한 상기 계산시간값에 대한 비율인 시간변환계수임)
  4. 제3항에 있어서,
    상기 특정 지점은 상기 프리피스톤의 상사점을 포함하고,
    상기 위치변환계수는 상사점에서 상기 측정위치값에 대한 상기 계산위치값의 비율이고,
    상기 시간변환계수는 상사점에서 상기 측정시간값에 대한 상기 계산시간값의 비율인 것을 특징으로 하는 예측곡선을 이용한 프리피스톤 엔진의 제어방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 특정 지점은 상기 프리피스톤의 제1 중심점을 포함하고,
    상기 위치변환계수는 상사점에서의 상기 측정데이터의 위치값에 대한 상기 계산데이터의 위치값의 비율이고,
    상기 시간변환계수는 제1 중심점에서의 상기 측정데이터의 시간값에 대한 상기 계산데이터의 시간값의 비율인 것을 특징으로 하는 예측곡선을 이용한 프리피스 톤 엔진의 제어방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 특정 지점은 상기 프리피스톤의 하사점을 포함하고,
    상기 위치변환계수는 하사점에서 상기 측정데이터의 위치값에 대한 상기 계산데이터의 위치값의 비율이고,
    상기 시간변환계수는 하사점에서 상기 측정데이터의 시간값에 대한 상기 계산데이터의 시간값의 비율인 것을 특징으로 하는 예측곡선을 이용한 프리피스톤 엔진의 제어방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 특정 지점은 상기 프리피스톤의 제2 중심점을 포함하고,
    상기 위치변환계수는 하사점에서의 상기 측정데이터의 위치값에 대한 상기 계산데이터의 위치값의 비율이고,
    상기 시간변환계수는 제2 중심점에서의 상기 측정데이터의 시간값에 대한 상기 계산데이터의 시간값의 비율인 것을 특징으로 하는 예측곡선을 이용한 프리피스톤 엔진의 제어방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서,
    상기 예측곡선을 이용하여 상기 프리피스톤 엔진의 점화시기 및 분사시기를 제어하는 것을 특징으로 하는 예측곡선을 이용한 프리피스톤 엔진의 제어방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 프리피스톤의 위치는 변위 또는 각도로 표시되는 것을 특징으로 하는 예측곡선을 이용한 프리피스톤 엔진의 제어방법.
  10. 연소실린더, 상기 연소실린더 내를 가동축에 따라 왕복 운동하도록 배치된 프리피스톤, 상기 연소실린더 내부에 설치된 점화플러그, 및 상기 연소실린더 내부로 연료를 공급하는 인젝터를 포함하는 프리피스톤 엔진에 있어서,
    상기 프리피스톤의 위치를 검출하는 검출수단; 및
    상기 점화플러그의 점화시기 및 상기 인젝터의 분사시기를 제어하는 엔진제어부를 포함하고,
    상기 엔진제어부는 제1항에 따른 방법을 포함하는 제어 알고리즘을 탑재한 것을 특징으로 하는 프리피스톤 엔진.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160032820A1 (en) * 2013-04-16 2016-02-04 Regents Of The University Of Minnesota Systems and methods for transient control of a free-piston engine

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040073866A (ko) * 2003-02-15 2004-08-21 엘지전자 주식회사 리니어압축기의 운전제어방법
JP2006161800A (ja) 2004-12-07 2006-06-22 Global Cooling Bv フリーピストンの位置計測装置およびフリーピストンの制御装置
JP2006170071A (ja) 2004-12-15 2006-06-29 Denso Corp フリーピストンエンジンの制御装置及び制御方法
JP2007532827A (ja) 2004-04-19 2007-11-15 ボルボ テクノロジー コーポレイション フリーピストンエネルギー変換器を制御する方法およびシステム

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040073866A (ko) * 2003-02-15 2004-08-21 엘지전자 주식회사 리니어압축기의 운전제어방법
JP2007532827A (ja) 2004-04-19 2007-11-15 ボルボ テクノロジー コーポレイション フリーピストンエネルギー変換器を制御する方法およびシステム
JP2006161800A (ja) 2004-12-07 2006-06-22 Global Cooling Bv フリーピストンの位置計測装置およびフリーピストンの制御装置
JP2006170071A (ja) 2004-12-15 2006-06-29 Denso Corp フリーピストンエンジンの制御装置及び制御方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160032820A1 (en) * 2013-04-16 2016-02-04 Regents Of The University Of Minnesota Systems and methods for transient control of a free-piston engine
US10202897B2 (en) * 2013-04-16 2019-02-12 Regents Of The University Of Minnesota Systems and methods for transient control of a free-piston engine

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