KR101210758B1 - 내연기관의 노킹 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연기관의 노킹 제어 방법에 관한 것으로서, 흡기 밸브 오프닝 값에 의한 잔류 가스량의 변화를 이용하여 노크 발생 횟수를 계산하여 상기 노크 발생 횟수가 특정 수치 이상인 경우에 밸브 오버랩을 조절하여 노크 발생을 감소시킴으로써 출력 및 연비를 향상시키고, 내연기관을 보호하는 효과가 있다.

내연기관, 노킹, knock, 가솔린 엔진, 흡기 밸브, 배기 밸브, 밸브 오버랩, 잔류 가스량

Description

내연기관의 노킹 제어 방법 {Knocking controlling method of Internal combustion engine}

도 1 은 본 발명에 따른 내연기관의 노킹 제어 방법이 도시된 순서도,

도 2 는 본 발명에 따른 내연기관의 배기 밸브와 흡기 밸브의 밸브 오버랩이 도시된 그래프,

도 3 은 본 발명에 따른 내연기관의 밸브 오버랩에 따른 잔류 가스량의 구성 비율이 도시된 그래프,

도 4 의 (a)는 본 발명에 따른 내연기관의 밸브 오버랩에 따른 노크 발생 횟수를 표시한 그래프, 그리고

도 4 의 (b)는 본 발명에 따른 내연기관의 잔류 가스량에 따른 노크 발생 횟수를 표시한 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

40 : 최소 밸브 오버랩 50 : 중간 밸브 오버랩

60 : 최대 밸브 오버랩

본 발명은 내연기관의 노킹 제어 방법 방법에 관한 것으로서, 특히 밸브 오버랩을 조절하여 노크 발생을 감소시킴으로써 출력 및 연비를 향상시키고, 내연기관을 보호하는 내연기관의 노킹 제어 방법에 관한 것이다.

자동차 시장의 환경은 고출력이면서도 저연비를 원하는 소비자들의 기호와 대기 환경의 보호를 위한 배기규제를 충족하기 위하여 변하여 왔다.

가솔린 엔진의 경우에는 현재 그 해답으로 제시되고 있는 대표적인 기술이 가솔린 직접분사방식(GDI)과 가변 밸스 시스템의 채용이다.

특히, 이들 기술 중에서 가변 밸브 시스템은 알파 엔진(1600 DOHC)에 적용되는 대표적 기술이다.

가변 밸브 시스템은 작동 포인트에 따라 2POINT 또는 연속 시스템으로 나뉘고, 작동 밸브에 따라 흡기 밸브, 배기 밸브, 그리고 흡배기 밸브를 모두 조절 가능한 듀얼 형식으로 나뉜다.

그러나, 가변 밸브 시스템은 가솔린과 공기의 혼합가스는 실린더 속에서 불꽃에 의해 점화되어 미연소 혼합가스(잔류가스)에 불꽃이 전해지며, 이때 미연소 혼합가스(잔류가스)의 압력과 온도가 빠르게 상승하여 자연폭발을 일으키는 노킹(Knocking)이 발생하게되어 출력 및 연비가 저하되고, 기관의 과열, 배기밸브나 피스톤의 고장, 피스톤과 실린더가 녹아 붙는 등의 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출 된 것으로서, 노크 발생 횟수가 특정 수치 이상인 경우에 밸브 오버랩을 조절하여 노크 발생을 감소시킴으로써 출력 및 연비를 향상시키는 내연기관의 노킹 제어 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 내연기관의 노킹 제어 방법은, 흡기 밸브 오프닝 값에 의한 잔류 가스량의 변화를 이용하여 노크(Knock) 발생 횟수를 계산하는 단계 및 상기 노크 발생 횟수가 특정 수치 이상인 경우에, 밸브 오버랩을 조절하여 상기 노크 발생 경향이 일정 수준 이하가 되도록 제어하는 단계를 포함 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명에 따른 내연기관의 노킹 제어 방법이 도시된 순서도이다.

도 1 에 도시된 바와 같이, 노크가 발생하는가의 여부를 감시하여(S1), 노크가 발생하는 경우에 잔류 가스량(RGF)값의 산출을 위한 데이터를 수집한다(S2).

상기 잔류 가스량의 산출을 위해서 수집되는 데이터는 실린더 내의 배출가스의 비율, 공기의 비율이 그리고 흡기 밸브의 오프닝(IVO : Intake valve opening) 값 등이다.

이후에, 잔류 가스량의 산출을 위한 데이터를 이용하여 제 1 잔류 가스량과 제 2 잔류 가스량을 산출하게 된다(S3).

흡기 밸브 폐쇄(IVC : Intake valve closing) 직후 실린더 내의 부하는 연료, 공기 그리고 잔류 가스의 혼합으로 이루어지는데, 잔류 가스량은 질량 비율을 이용하여 정의하며, 이를 부하로 이용하여 상기 제 1 잔류 가스량을 표현하면 다음과 같다.

(단, RGF1 : 제 1 잔류 가스량, MRG : 잔류가스의 질량, MA : 공기의 질량, MF : 연료의 질량, rfr : 배출가스의 비율, rl : 공기의 비율)

이때, 제 1 잔류 가스량의 실제 측정은 흡기 매니폴드, 배기 매니폴드, 그리고 실린더 내에서 각각 측정된 CO2의 양을 통해 계산된다.

또한, 제 2 잔류 가스량은 다음의 수학식 2 에 의해 계산된다.

RGF2 = 0.933777 - 0.011184 × IVO

(단, RGF2 : 제 2 잔류 가스량, IVO : 흡기 밸브의 오프닝 값)

상기 수학식 2 에서와 같이, 제 2 잔류 가스량은 실험데이터에 의해 결정된 계수값과 흡기 밸브의 오프닝 값의 계산에 의해 결정되며, 상기 실험데이터에 의해 결정되는 계수값은 도 2, 도 3 및 도 4를 참조하여 후술하는 실험 및 결과에 의해 산출된다.

제 1 잔류 가스량과 제 2 잔류 가스량의 계산이 이후에는, 상기 제 1 잔류 가스량과 제 2 잔류 가스량을 비교하여 보다 높은 잔류 가스량 값을 취한다(S4).

이후에, 상기 제 1 잔류 가스량과 제 2 잔류 가스량 중에서 보다 높은 잔류 가스량을 취하고, 이를 이용하여 노크 발생 횟수(Number of the Knock)를 계산하게 되는데(S5), 노크 발생 횟수를 계산하기 위한 계산식은 도 2, 도 3 및 도 4를 참조하여 후술하는 실험 및 결과에 의해 산출된다.

도 2 는 본 발명에 따른 내연기관의 배기 밸브와 흡기 밸브의 밸브 오버랩이 도시된 그래프이다.

배기 밸브를 고정한 후 흡입 밸브를 조절하여 밸브 오버랩(Valve Overlap)을 결정하게 되는데, 도 2 에 도시된 바와 같이 배기 밸브(10)를 고정하고 흡기 밸브(20)를 조절하여(30) 밸브 오버랩을 조정하게 된다.

이때, 상기 흡기 밸브(20)의 조절에 의하여 최대 밸브 오버랩(Max Valve Overlap), 중간 밸브 오버랩(Mid Valve Overlap), 및 최소 밸브 오버랩(Min Valve Overlap)으로 조정한다.

도 2 에 도시된 바와 같이, 흡기 밸브(20)의 조절에 의한 최대 밸브 오버랩 값은 42, 중간 밸브 오버랩은 22, 최소 밸브 오버랩은 2이다.

도 3 은 본 발명에 따른 내연기관의 밸브 오버랩에 따른 잔류 가스량의 구성 비율이 도시된 그래프이다.

도 3 에 도시된 바와 같이, 밸브 오버랩이 증가할수록 잔류 가스량이 증가하는 경향을 보여줌을 알 수 있다. 최대 밸브 오버랩(60), 중간 밸브 오버랩(50), 및 최소 밸브 오버랩(40) 모두에서는, 잔류 가스량이 2.5 이상인 경우는 거의 발생하지 않으며, 주로 잔류 가스량이 0.5 내지 1.0 인 경우가 우세한 것을 확인 할 수 있다.

최대 밸브 오버랩(60)에서는 잔류 가스량이 1.0 에 해당하는 부분이 약 80퍼센트로 우세적이며, 중간 밸브 오버랩(50)에서는 0.5 내지 1.0 에 해당하는 부분이 각각 약 40 퍼센트와 50 퍼센트 정도이고, 최소 밸브 오버랩(40)에서는 0.5 에 해당하는 부분이 약 80퍼센트로 우세하다.

따라서, 흡기 밸브 오프닝값을 증가시킬수록, 잔류가스 발생 매커니즘 중 하나인 역류에 의한 발생이 주도적임을 확인 할 수 있다.

도 4 의 (a)는 본 발명에 따른 내연기관의 밸브 오버랩에 따른 노크 발생 횟수를 표시한 그래프이다.

도 4 의 (a)에 도시된 바와 같이, 최대 밸브 오버랩 시의 노크 발생 횟수는 354회이며, 중간 밸브 오버랩 시의 노크 발생 횟수는 307회이며, 최소 밸브 오버랩 시의 노크 발생 횟수는 106회이다.

상기와 같이, 밸브 오버랩이 클수록 노크가 많이 발생하는 것을 알 수 있으 며, 상기 최대 밸브 오버랩, 중간 밸브 오버랩, 및 최소 밸브 오버랩의 선형 근사치(70)를 이용하여 노크 발생 횟수와 흡기 밸브 오프닝 값의 상관 관계를 수식으로 표현하면 다음의 수학식 3 에서와 같다.

NK = 292.87 - 6.2 × IVO

(단, NK : 노크 발생 횟수, IVO : 흡기 밸브의 오프닝 값)

상기 수학식 3 의 계수 값은 실험에 의해 얻어진 계수값이다.

도 4 의 (b)는 본 발명에 따른 내연기관의 잔류 가스량에 따른 노크 발생 횟수를 표시한 그래프이다.

도 4 의 (b)에 도시된 바와 같이, 잔류 가스량 값이 클수록 노크가 많이 발생하는 것을 알 수 있으며, 상기 최대 밸브 오버랩, 중간 밸브 오버랩, 및 최소 밸브 오버랩의 선형 근사치(80)를 이용하여 노크 발생 횟수와 잔류 가스량 값의 상관 관계를 수식으로 표현하면 다음의 수학식 4 에서와 같다.

NK = -224.76 + 554.34 × RGF

(단, NK : 노크 발생 횟수, RGF : 잔류 가스량)

이와 같은 노크 발생 횟수와 잔류 가스량 값의 상관 관계에 의해 상기 계수값을 얻을 수 있으며, 상기 수학식 4 에서 보는 바와 같이 잔류 가스량이 증가하게되면 노크가 발생이 증가하는 것을 확인 할 수 있다.

따라서, 배기 밸브가 고정되어 있는 상태에서 흡기 밸브의 흡기 밸브 오프닝 시점의 조절로 밸브 오버랩을 증가시키면 잔류 가스량도 증가하고, 잔류 가스량이 증가하게 되면 노크 발생 횟수도 증가하게 됨을 알 수 있다.

상기 수학식 4 에 의하여 노크 발생 횟수를 계산하게 되고, 상기 노크 발생 횟수를 이용하여 노크 발생 횟수가 특정 횟수 이하인가를 판단하게 된다(S6).

이때, 상기 특정 횟수는 냉각수와 흡기 온도에 의해 결정된다.

이후에, 상기 노크 발생 횟수가 특정 횟수 초과인 경우에는 흡기 밸브 오프닝값을 조정하고(S7), 그에 따라 새로운 데이터 값을 수집하여 제 1 잔류 가스량 및 제 2 잔류 가스량을 산출하고, 상기 잔류 가스량을 이용하여 노크 발생 횟수를 계산하여 흡기 밸브 오프닝 값을 재조정하게 되며, 특정 횟수 이하인 경우에는 종료된다.

이와 같이, 잔류 가스량의 증가에 따른 노크 발생 경향을 분석하여 흡기 밸브 오프닝 값을 조정하여 노크 발생 빈도를 감소시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 의한 내연기관의 노킹 제어 방법을 예시된 도면을 참조로 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명은 한정되지 않고, 기술사상이 보호되는 범위 이내에서 응용될 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 내연기관의 노킹 제어 방법은, 흡기 밸브 오프닝 값에 의한 잔류 가스량의 변화를 이용하여 노크 발생 횟수를 계산하여, 상기 노크 발생 횟수가 특정 수치 이상인 경우에 밸브 오버랩을 조절하여 노크 발생을 감소시킴으로써 출력 및 연비를 향상시키고, 내연기관을 보호하는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 흡기 밸브 오프닝 값에 의한 잔류 가스량의 변화를 이용하여 노크(Knock) 발생 횟수를 계산하는 단계; 및

   상기 노크 발생 횟수가 특정 수치 이상인 경우에, 밸브 오버랩을 조절하여 상기 노크 발생 경향이 일정 수준 이하가 되도록 제어하는 단계;를 포함하고,

   상기 노크 발생 횟수는 배출가스의 비율과 공기의 비율을 이용하여 계산되는 제 1 잔류 가스량과, 흡기 밸브 오프닝 값을 이용하여 계산되는 제 2 잔류 가스량 중에서 큰 잔류 가스량을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 노킹 제어 방법.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 밸브 오버랩은 배기 밸브의 오프닝(Opening)을 고정하고 흡기 밸브의 오프닝을 조절하여 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 노킹 제어 방법.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 제 1 잔류 가스량은 다음 식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 노킹 제어 방법.

   RGF1 = rfr / { rfr + rl×(14.7+1) }

   (단, RGF1은 제 1 잔류 가스량, rfr은 배출가스의 비율, rl은 공기의 비율)
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 제 2 잔류 가스량은 다음 식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 노킹 제어 방법.

   RGF2 = 0.933777 - (0.011184 × IVO)

   (단, RGF2는 제 2 잔류 가스량, IVO는 흡기 밸브의 오프닝 값)
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 노크 발생 횟수는 다음 식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 노킹 제어 방법.

   KT= -224.76 + (554.34 × IVO)

   (단, KT는 노크 발생 결향, IVO는 흡기 밸브의 오프닝 값)

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