KR101871136B1 - 내연 엔진을 제어하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

내연 엔진을 제어하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내연 피스톤 엔진 (40) 을 작동하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법에서 엔진이 가동 중, 실린더의 흡입 밸브(들) (42) 를 폐쇄한 후 실린더 (44) 의 사이클 중 실린더 (44) 에 대한 추정된 압축 압력을 결정하고, 추정된 압축 압력을 미리 설정된 기준 압력과 비교하고 추정된 압축 압력이 기준 압력보다 큰 경우에, 실린더 (44) 에서 차지의 점화 전 압축 단계 중 가스의 일부를 실린더 (44) 에서 유출한다. 본 발명은 또한 내연 피스톤 엔진 (40) 에 관한 것이다.

Description

내연 엔진을 제어하기 위한 방법 및 장치{A METHOD AND AN APPARATUS FOR CONTROLLING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 청구항 1 의 전제부에 따른 내연 피스톤 엔진을 작동하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한 내연 피스톤 엔진에 관한 것이다.
연소 엔진들의 작동 요건은 더욱 더 요구가 많아지고 있다. 내연 피스톤 엔진들의 배기 가스 배출 요건은 더욱 더 엄격해진다. 한편, 배기가스를 줄이는 것을 목표로 하는 작용으로부터 유발된, 엔진의 전체 성능이 악화되는 것은 바람직하지 않다. 이러한 요건에 대처하기 위해서, 엔진이 가동되고 있을 때 배기 가스를 제어할 수 있는 이용가능한 다양한 기법들이 있다. 예를 들어, 흡입 밸브들의 폐쇄 타이밍은 엔진 성능 및 연소 프로세스에 중요한 역할을 한다. 즉, 흡입 밸브들의 작동은 실린더에서 우세한 온도 및 압력과 따라서 NOx 배출물과 같은 가스 오염물의 형성에 영향을 미친다. 따라서, 실린더 압력에 특별한 영향을 미치는 흡입 밸브의 작동에서 오동작이 발생하는 것은 매우 바람직하지 않다.
특히, 실린더 압력은 내연 피스톤 엔진의 연소 프로세스에 대한 유용한 정보를 제공하고 흡입 밸브는 실린더에서 압력을 제어한다. EP 2570637 A2 는 적어도 흡기 밸브들 또는 배기 밸브들의 개방 면적 또는 작용 각도를 가변하기 위한 가변 밸브 메커니즘을 개시한다. 실린더에서 압력은 가변 밸브 메커니즘에 의해 가변된 적어도 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 개방 면적 또는 작용 각도를 기반으로 계산되고 내연 엔진은 실린더에서 압력을 기반으로 제어된다.
WO 2014/126737 A1 은 엔진 시동을 개선하기 위해 캠 페이저 (cam phaser) 를 구비한 가스 연료 엔진의 제어 시스템을 개시한다. 제어 시스템은 흡입 밸브의 주기적 개방 및 폐쇄 타이밍을 조절하도록 구성된 가변 흡입 밸브 타이밍 기기를 가질 수도 있다. 제어기는 선택적으로 제 1 밀러 (Miller) 사이클 타이밍 및 제 2 밀러 사이클 타이밍을 개시하도록 구성될 수도 있다.
US 2012279218 A1 은, 흡기 밸브를 개방하거나 폐쇄하는 타이밍을 제어하기 위한 흡기 가변 유닛을 포함한 밀러 사이클 엔진을 개시한다. 밸브 폐쇄 타이밍 제어 유닛은 검출된 압력 값을 기반으로 흡기 밸브를 폐쇄하기 위한 최적의 타이밍을 계산하고 흡기 밸브 가변 유닛으로 제어 신호를 출력하도록 구성된다.
하지만, 흡입 밸브가 가혹한 상황에서도 작동한다는 사실로 인해, 흡입 밸브 작동에서 오동작이 발생할 수도 있다. 특히 흡입 밸브의 폐쇄 타이밍을 제어하는, 흡입 밸브 시스템의 작동에서 오동작이 있는 경우, 실린더에서 압력은 크게 증가할 수도 있고 이는 바람직하지 않은 결과를 갖는다. 특히, 흡입 밸브가 너무 늦게 폐쇄된다면, 예를 들어 피스톤이 하사점 위치에 있을 때, 실린더에서 압력은 크게 증가할 수도 있고 이는 심지어 흡입 밸브 시스템과 실린더와 연결된 부품들을 손상시킬 수도 있다. 실린더에서 압력이 바람직하지 못한 한계 이상 증가하는 것은 매우 바람직하지 않다.
본 발명의 목적은, 종래 기술의 해결책들과 비교해 작동 안전성을 상당히 개선시킨 내연 피스톤 엔진을 작동하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 독립항 및 본 발명의 다른 실시형태들의 보다 세부사항을 기술한 다른 청구항에 개시된 대로 실질적으로 충족될 수 있다.
본 발명에 따르면 내연 피스톤 엔진을 작동하는 방법에서 엔진이 가동 중, 그리고 실린더의 사이클 중 상기 실린더에 대한 추정된 압축 압력은 압축 단계 중 적어도 하나의 미리 정해진 크랭크 각 위치 (θ) 에서 흡입 밸브(들)를 폐쇄한 후 상기 실린더에서 압력을 측정함으로써 결정되고, 상기 추정된 압축 압력은 미리 설정된 기준 압력과 비교되고 상기 추정된 압축 압력이 상기 기준 압력보다 큰 경우에, 압축 단계 중 그리고 상기 실린더에서 차지 (charge) 의 점화 전 가스의 일부가 상기 실린더에서 유출될 수 있도록 한다.
이것은 보다 신뢰성 있고 안전하게 내연 피스톤 엔진을 작동하는 방법을 제공한다. 본 발명에 의하여 실린더 압력이 너무 높게 상승하기 전 필요한 조치를 취할 수 있다. 유리하게도, 가능한 높은 실린더 압력 상황은 그것이 실제로 발생하기 전 추정되어서, 실린더에서 차지의 점화 전 압력이 너무 높게 상승하는 것을 방지하도록 필요한 단계들이 실행된다. 이것은 본 발명에 따르면 점화의 개시 전 가스의 일부를 실린더에서 유출시킴으로써 달성된다.
본 발명에 의하여 예를 들어 흡입 밸브를 너무 늦게 폐쇄함으로써 초래되는 잠재적인 문제점을 개선할 수 있다. 이것은 연소 프로세스를 개선하고 안정화시킬 것이다. 또한, 실린더에서 우세한 압력은 기준 설정 압력보다 크지 않은 충분한 레벨로 유지된다. 본 발명은, 피크 압축이 또한 충분한 레벨로 유지되도록 실린더에서 압력에 영향을 미친다. 본 방법은 너무 높은 압축 압력에 대해 예측 보호를 제공하는 것으로 말할 수 있다. 본 발명의 맥락에서 가스의 일부를 실린더에서 유출시킬 수 있다는 구에서, 용어 가스는 순수 공기 또는 공기와 연료의 혼합물, 또는 공기, 연료 및 다른 가스, 예로 엔진의 재순환된 배기 가스의 혼합물일 수도 있음에 주목해야 한다. 이것은 본 발명의 실제 적용에 의존한다.
본 발명의 추가 개선예로서 연료의 연소에 의한 압력 상승도 또한 고려된다. 실린더에서 압력에 대한 연소 영향은 압축 압력이 되므로, 또한 실린더에서 과도한 총 피크 압력을 회피할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면 실제 크랭크 각 위치가 제 1 크랭크 각 위치 (θ 1 ) 미만일 때 추정된 압축 압력이 제 1 크랭크 각 위치 (θ 1 ) 에 대해 결정되고, 추정된 압축 압력이 제 1 크랭크 각 위치 (θ 1 ) 에 대해 설정된 미리 설정된 기준 압력과 비교되고 추정된 압축 압력이 기준 압력보다 큰 경우에, 압축 단계 중 그리고 사이클이 제 1 크랭크 각 위치 (θ 1 ) 에 도달하기 전 가스의 일부가 실린더에서 유출된다.
이것은 발생 전 잠재적으로 과도한 압력에 반응할 수 있는 효과를 제공한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 방법은 가스의 일부가 압축 단계 중 그리고 실린더에서 차지의 점화 전 실린더에서 유출되는 제어된 양의 가스이도록 가스의 일부가 제어되어 유입되는 단계를 포함한다. 이렇게 가능한 한 최적이도록 실린더에서 압력을 제어할 수 있다.
발명의 실시형태에 따르면 연소의 영향이 고려되고 심지어 연소 후에도 실린더에서 피크 압력이 충분한 레벨로 유지되도록 기준 압력은 압축 압력에 대해 미리 정해진다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 추정된 압축 압력은 피크 압축 압력이다. 따라서 추정된 피크 압축 압력이 미리 설정된 압축 압력보다 크다면, 가스가 실린더로부터 유입된다. 이것은 연소 프로세스를 안정화시키고 바람직한 레벨로 있도록 피크 압축 압력을 제어한다.
본 발명의 유리한 실시형태에 따르면, 실린더에 대한 추정된 피크 압축 압력은 미리 설정된 기준 피크 압력인 미리 설정된 압축 압력과 비교한다. 이것은, 초과하도록 허용되지 않는 피크 압축 압력에 대해 설정된 최대값이 존재함을 의미한다. 이것은 흡입 밸브, 실린더와 연결하여 배치된 부품들 및 엔진을 보호한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 추정된 압축 압력은 각각의 실린더에 대해 별도로 결정된다. 이것은 엔진의 정확한 작동과 안정적인 작동을 제공할 것이다.
추정된 압축 압력은 압축 단계 중, 즉, BDC 뒤에 가스 교환 밸브들 전부 폐쇄될 때 결정된다. 여기에서 BDC 는 피스톤의 하사점 위치를 지칭하고 TDC 는 피스톤의 상사점 위치를 지칭한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 방법은 실린더로 연료의 도입 전 압축 단계 중 가스의 일부를 실린더에서 유출시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 이 실시형태는 다른 종류의 엔진들에 적용될 수도 있다. 첫째, 이것은 가스 연료가 연소 공기와 미리 혼합된 것으로 도입되지 않고 직접 분사로 도입되는 직접 분사 가스 엔진에 적용될 수도 있다.
둘째, 엔진은, 가스 연료가 연소 공기와 미리 혼합된 것이고 직접 실린더로 단지 연료 도입만 점화 목적을 위한 것이고, 즉 소위 파일럿 연료인 가스 엔진일 수도 있다.
연료의 직접 분사를 위한 선택적 조치로서, 분사된 연료의 양은 감소될 수도 있고 또는 사이클 중 방법이 적용되는 실린더에서 분사가 심지어 불가능하게 될 수도 있다.
미리 혼합된 가스 엔진에 대한 선택적 조치로서 스파크의 형성과 같은 점화 에너지의 적용이, 사이클 중 방법이 적용되는 실린더에서 불가능하게 될 수도 있다.
파일럿 분사된 미리 혼합된 가스 엔진에 대한 선택적 조치로서 스파크의 형성과 같은 점화 에너지의 적용이, 사이클 중 방법이 적용되는 실린더에서 불가능하게 될 수도 있다.
본 발명에 따른 방법은 액체 및 가스 연료 엔진들 양자에, 그리고 압축, 또는 자기 점화 연소 및 스파크 또는 플라즈마 점화와 같은 부가적 에너지원을 이용한 점화 양자에 적용가능하다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 추정된 압축 압력은 압축 단계 중 적어도 하나의 미리 정해진 크랭크 각 위치에서 흡입 밸브를 폐쇄한 후 실린더에서 압력을 측정함으로써 결정된다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 추정된 압축 압력은 흡입 밸브를 폐쇄한 후 압축 단계 중 하나보다 많은 미리 정해진 크랭크 각 위치들에서 실린더 내 압력을 측정함으로써 결정된다. 실제로, 여러 번 측정을 하여 압축 압력에 대한 추정이 개선될 것이다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 추정된 압축 압력은 압축 단계 중 10 개 미만의 별개의 미리 정해진 크랭크 각 위치들 (θ) 에서 측정된 압력 측정을 기반으로 결정된다.
본 발명의 추가 실시형태에 따르면, 추정된 압축 압력은 하나의 추정된 압축 압력을 제공하기 위한 압축 단계 중 1 개보다 많고 10 개 미만인 별개의 미리 정해진 크랭크 각 위치들 (θ) 에서 측정된 압력 측정을 기반으로 결정된다.
본 발명의 추가 실시형태에 따르면, 상기 추정된 압축 압력은 늦어도 압축 단계 중 상사점 앞에서 80 도의 크랭크 각도 (θ) 에서 결정된다.
본 발명의 추가 실시형태에 따르면, 상기 실린더의 사이클 중 상기 실린더의 흡입 밸브(들)는 BDC 앞에서 폐쇄되고 상기 방법에서 상기 흡입 밸브(들)의 폐쇄 타이밍이 제어되어서 상기 실린더의 이전 사이클의 추정된 피크 압축 압력을 이용하고, 상기 실린더의 흡입 밸브(들)를 폐쇄한 후 상기 실린더의 사이클 중 상기 실린더에 대한 새로운 추정된 피크 압축 압력이 결정되고, 상기 새로운 추정된 피크 압축 압력은 미리 설정된 기준 피크 압력과 비교되고 상기 추정된 압축 압력이 기준 압력보다 큰 경우에, 가스의 일부는 상기 압축 단계 중 그리고 상기 실린더에서 차지의 점화 전 상기 실린더에서 유출된다.
본 발명의 추가 실시형태에 따르면, 상기 실린더의 이전 사이클들의 다수의 추정된 피크 압축 압력 값들이 판독 가능 메모리 유닛에 저장된다.
본 발명의 추가 실시형태에 따르면, 상기 실린더의 이전 사이클들의 추정된 피크 압축 압력 값들은 다음 상태 파라미터들: 엔진 회전 속도, 엔진 부하, 차지 압력, 흡입 밸브 폐쇄 크랭크 각도 중 하나 이상에 따라 판독 가능 메모리 유닛에 저장되고; 상기 흡입 밸브(들)의 폐쇄 단계를 실행하는데 사용된 이전 사이클들의 추정된 압축 압력 피크 값은 현재 사이클에서 조건 파라미터들을 규정하고 현재 사이클에서 조건 파라미터들에 가장 잘 맞는 판독 가능 메모리 유닛으로부터의 추정된 압축 압력 피크 값을 사용함으로써 선택된다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 추정된 피크 압축 압력은 실린더의 측정된 압력 값(들) 및 체적 정보를 사용해 다음과 같이 획득되고: 먼저, 폴리트로픽 (polytrophic) 관계는 임의의 크랭크 각 위치에서 실린더 내 압력 (p) 및 체적 (V) 에 관하여 다음과 같이 작성된다.
Figure 112017110291680-pct00001

여기에서 γ 는 소위 폴리트로픽 지수이고 C 는 상수 (실수) 이다. 또한, 폴리트로픽 관계를 다음과 같이 작성할 수 있다.
Figure 112017110291680-pct00002

여기에서 p n 은 실린더 내 임의의 체적 (V n ) 에서 압축 단계 중 측정된 압력이고, p TDC 는 상사점 위치에서 실린더 압력이고 V TDC 는 상사점 위치에서 실린더 체적이다. 항들을 재배치했을 때, 다음 식으로서 피크 압축 압력 (상사점 위치에서 압력) 에 대한 추정치를 찾는다.
Figure 112017110291680-pct00003

추정 정확도는 압력 측정의 수를 증가시킴으로써 개선될 수 있다. 실린더 압력을 여러 번 측정하는 경우에 피크 압축 압력 (p TDC ) 에 대한 더 양호한 추정이, 예를 들어, 최소 자승 추정을 사용해 획득된다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 폴리트로픽 지수 (γ) 는 미리 구성된 값이다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 가스의 일부는 실린더로 개방하도록 배치된 안전 밸브 배열체에 의해 실린더에서 유출된다.
실린더 내 압력 레벨이 안전한 레벨로 유지되는 엔진의 정상 작동시, 안전 밸브는 폐쇄된 상태로 유지되지만 비정상 작동 조건의 경우에, 실린더 내 압력이 미리 설정된 압축 압력을 초과하려는 경향이 있을 때, 안전 밸브는 개방되도록 배치된다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 실린더로부터 유입된 가스는 주위 공기로 유입되기 전 냉각된다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 실린더로부터 유입된 가스의 압력은 주위 공기로 유입되기 전 감소된다.
본 발명에 따른 내연 피스톤 엔진은 실린더와 연결된 적어도 하나의 압력 센서, 및 흡입 밸브가 폐쇄된 후 그리고 연료가 적어도 하나의 미리 정해진 크랭크 각 위치에서 점화되기 전 상기 적어도 하나의 압력 센서로 압력을 측정하도록 배치된 측정 유닛, 적어도 하나의 측정된 실린더 압력을 사용함으로써 적어도 제 2 크랭크 각 위치에서 추정된 압축 압력을 결정하도록 배치된 결정 유닛 및 상기 추정된 압축 압력에 응하여 상기 실린더와 연결되게 맞추어진 안전 밸브 배열체의 작동을 제어하도록 배치된 제어 유닛을 포함한다.
실시형태에 따르면, 내연 피스톤 엔진은 가스 엔진 또는 듀얼 연료 엔진이다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 안전 밸브 배열체는 상기 실린더로부터 유입된 가스의 일부를 냉각하고 그것의 압력을 감소시키기 위한 취급 유닛을 포함한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 안전 밸브 배열체는 상기 실린더의 라이너에 배치된 적어도 하나의 안전 밸브를 포함한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 안전 밸브 배열체는 실린더 헤드에 배치된 적어도 하나의 안전 밸브를 포함한다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 안전 밸브는 충분히 빨리 작동가능한 밸브를 포함한다.
발명의 실시형태에 따르면, 안전 밸브는 스타트 밸브, 즉 엔진의 기존의 가압 공기 스타트 시스템의 가스 유입 밸브이다. 스타트 밸브는 예를 들어 솔레노이드 밸브이다. 이 경우에 스타트 밸브는 첫째로 스타트 밸브로서, 둘째로 안전 밸브로서 사용된다. 스타트 밸브가 안전 밸브로서 역할을 하는 경우에, 가스의 일부는 실린더에서 유출되어 스타트 밸브를 통하여 스타트 공기 채널로 유입되고 이 채널로부터 가스는 유출된다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 안전 밸브 배열체는 압전 결정 센서를 갖는 안전 밸브를 포함한다. 압전 결정 센서는 안전 밸브를 작동하도록 배치된다.
내연 엔진의 제어 유닛은 첨부된 방법 청구항들 중 어느 하나에 따른 방법을 실행하도록 실행가능한 명령들을 구비한다.
하기에서, 본 발명은 첨부된 예시적 개략도들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1 은 본 발명의 실시형태에 따른 내연 피스톤 엔진을 작동하는 흐름도를 도시한다.
도 2 는 본 발명의 실시형태에 따른 안전 밸브 배열체를 갖는 내연 피스톤 엔진을 도시한다.
도 3 은 본 발명의 실시형태에 따른 안전 밸브 배열체를 갖는 내연 피스톤 엔진을 도시한다.
도 4 는 본 발명의 실시형태에 따른 1 개의 실린더에서 2 개의 압력 곡선들: 측정된 압력 곡선 및 추정된 압력 곡선의 그래프를 도시한다.
도 1 은 내연 피스톤 엔진을 작동하는 흐름도를 개략적으로 도시한다. 실린더의 작동 사이클 중, 흡입 밸브(들)를 폐쇄한 후, 방법은 실린더에서 추정된 압축 압력을 결정하는 단계 (10) 를 포함한다. 방법의 다음 단계 (12) 에서, 추정된 압축 압력은 미리 설정된 기준 압력과 비교된다. 유리하게도, 추정된 압축 압력은 추정된 피크 압축 압력이고 미리 설정된 기준 압력은 피크 압축 압력 한계값, 즉 엔진의 최적의 안전한 가동을 제공하는 최대 압력 또는 압력 한계이다. 이런 미리 설정된 압력 한계 하에 작동할 때, 실린더 및 그것의 부품들에서 손상이 발생하는 것이 방지된다. 추정된 압축 압력이 미리 설정된 기준 압력 이하라면, 흐름도에서 일차 경로 (13) 를 취하고 엔진의 정상 가동 (14) 이 지속된다. 실린더의 다음 사이클에서, 방법은 라인 (19) 을 통하여 실린더에서 추정된 압축 압력, 유리하게도, 추정된 피크 압축 압력을 결정하는 단계 (10) 로 복귀한다.
추정된 압축 압력이 미리 설정된 기준 압력보다 높다면, 흐름도에서 이차 경로 (15) 를 취하고 방법은 압축 단계 중 그리고 실린더에서 차지의 점화 전 가스의 일부를 실린더에서 유출시키는 단계 (16) 를 포함한다. 이것은 예컨대 오동작하는 경우에 과압이 실린더에서 발생하는 것을 방지할 것이다. 발명의 실시형태에 따르면, 방법은 가스의 일부를 제어하여 유입하는 단계 (16) 를 포함한다. 환언하면, 가스의 일부는 제어된 양의 가스이다. 따라서, 제어된 양의 가스는 압축 단계 중 그리고 실린더에서 차지의 점화 전 실린더에서 유출된다.
가스의 일부를 실린더에서 유출하는 단계 (16) 는, 유리하게도, 안전 밸브 배열체의 안전 밸브(들)를 먼저 개방하는 단계 (17) 및 그 후 폐쇄하는 단계 (18) 를 포함한다. 안전 밸브 배열체는 실린더와 연결되게 맞추어진다. 유리하게도, 예컨대 가스 엔진 또는 듀얼 연료 엔진의 경우에 스파크를 촉발하거나 파일럿 연료의 분사를 시작함으로써 점화가 개시되기 전 안전 밸브가 개방된다. 또한, 안전 밸브는 실린더에서 가연성 가스 혼합물, 즉 차지의 점화를 개시하기 전 폐쇄된다. 가스의 일부를 실린더에서 유출하는 단계 (16) 후, 방법은 엔진의 정상 가동 (14) 을 지속하는 단계로 복귀한다. 실린더의 다음 사이클에서, 방법은 라인 (19) 을 통하여 실린더에서 추정된 압축 압력, 유리하게도, 추정된 피크 압축 압력을 결정하는 단계 (10) 로 복귀한다. 방법은 개별적으로 하나 이상의 실린더들에, 바람직하게, 사이클별로, 모든 실린더에 적용되어서, 가스의 일부를 하나의 실린더에서 유출하는 것이 반드시 엔진의 정지를 이끌지는 않는다.
흡입 밸브(들) 또는 과급기의 오동작 또는 바람직하지 못한 작동 조건들 및 바람직하지 못한 압력 상승의 경우에 이차 경로 (15) 가 취해지는 것에 주목해야 한다. 전술한 대로, 흡입 밸브의 너무 늦은 폐쇄 타이밍은 실린더에서 압력 상승을 이끌 수도 있고, 본 발명에 의하여 이러한 발생의 바람직하지 못한 영향을 최소화할 수 있다.
정상 작동 조건들에서, 즉 추정된 압축 압력이 미리 설정된 압축 압력 이하일 때, 안전 밸브가 폐쇄된 상태로 유지된다. 유리하게도, 추정된 압축 압력이 각각의 실린더에 대해 그리고 각각의 사이클에서 별도로 결정된다.
도 2 는 내연 피스톤 엔진 (40) 을 개략적으로 도시한다. 명확성을 위해 엔진의 단 하나의 실린더 (44) 만 여기에 도시된다. 엔진은 또한 실린더 (44) 내부에서 왕복운동하도록 배치된 피스톤 (46) 및 추가로 실린더 (44) 와 연결하여 배치된 적어도 하나의 흡입 밸브 (42) 및 배기 밸브 (43) 를 포함한다. 도 2 에서, 흡입 밸브 (42) 와 배기 밸브 (43) 는 폐쇄된 위치에 있다. 도 2 는 피스톤 (46) 이 그것의 상사점 위치를 향하여 이동하는 압축 단계를 구체적으로 도시한다.
엔진 (40) 은 실린더 (44) 와 연결하여 배치된 안전 밸브 배열체 (20) 를 구비한다. 안전 밸브 배열체 (20) 는 실린더 (40) 에서 우세한 압력을 검출하기 위해 실린더 (44) 와 연결된 적어도 하나의 압력 센서 (30) 를 포함한다. 유리하게도, 안전 밸브 배열체 (20) 는, 흡입 밸브 (42) 가 폐쇄된 후 그리고 연료가 엔진의 연소 챔버에서 점화되기 전 상기 적어도 하나의 압력 센서 (30) 로 실린더 (44) 에서 압력을 측정하도록 배치된 측정 유닛 (26.1) 을 포함한다. 압력 센서(들) 로부터 신호는 통신 라인 (28) 을 통하여 측정 유닛 (26.1) 으로 전달된다. 본 발명의 실시형태에 따르면 압력은 적어도 하나의 미리 정해진 크랭크 각 위치에서 측정된다. 본 발명의 실시형태에 따르면 압력 센서 (30) 는, 실린더 내 압력을 나타내는 신호를 제공하고 제어 유닛 (26) 에 의해 이용될 수도 있는 압전 결정 센서를 포함한다.
실린더 (44) 와 연결된 압력 센서 (30) 는 반드시 단지 안전 밸브 배열체 (20) 전용이 아니고, 실린더 (44) 와 연결된 임의의 센서에 의해 제공된 압력 정보가 상기 방법에서 사용될 수도 있다. 이 경우에 실린더에서 우세한 압력의 정보는 전달 수단에 의해 안전 밸브 배열체 (20) 로 전달될 수 있다. 환언하면, 전달 수단은 안전 밸브 배열체 (20) 에 실린더의 압력 정보를 제공하기 위해 배치된다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면 실린더 내 압력은 1 개보다 많은 크랭크 각 위치들에서 측정된다. 유리하게도, 흡입 밸브가 폐쇄된 후 그리고 피스톤이 사이클에서 그것의 하사점 위치를 통과한 후 압력 측정이 실시된다.
안전 밸브 배열체 (20) 는 적어도 하나의 측정된 실린더 압력을 사용함으로써 적어도 제 2 크랭크 각 위치에서 추정된 압축 압력을 결정하도록 배치된 추가 결정 유닛 (26.2) 을 포함한다.
실린더 내 압력이 피스톤의 1 개보다 많은 크랭크 각 위치들에서 측정되는 경우에, 각각의 압력 측정은 증가된 정확도로 추정된 압축 압력을 형성하는데 사용된다. 그것은 압축 압력에 대한 추정 정확도가 예를 들어 최소 자승 추정을 사용해 얻을 수도 있다는 사실 때문이다. 이렇게 추정된 압축 압력은 여러 측정을 기반으로 하고 그것은 추정이 관련되는 크랭크 각도 앞에서 결정되고 이에 대응하기 위해 이용가능하다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 제 2 크랭크 각 위치는 제로 (zero) 크랭크 각 위치, 즉 상사점 위치이고 따라서 추정된 압축 압력은 추정된 피크 압축 압력이다. 이 문맥에서 압축 압력은, 실린더의 연소 챔버에서 압력이 차지 압력과 피스톤의 압축 작업의 조합된 효과를 유발하였음을 의미한다. 따라서, 연료의 연소에 의해 초래된 압력 상승은 용어 압축 압력에서 배제된다.
또한, 결정 유닛 (26.2) 은 추정된 압축 압력을 미리 설정된 기준 압축 압력과 비교하는 명령들을 포함한다. 안전 밸브 배열체 (20) 는 통신 라인 (27) 에 의해 안전 밸브 (22) 와 연결되는 제어 시스템 (26.3) 을 구비한다. 안전 밸브는 실린더 (44) 와 연결되게 맞추어진다. 안전 밸브는 피스톤의 상사점과 하사점 위치 사이 로케이션에서 실린더의 라이너에 배치된 개구를 구비한다. 본 발명의 실시형태에 따르면, 안전 밸브는 피스톤의 하사점 위치보다 상사점 위치에 더 가까운 로케이션에서 실린더의 라이너에 배치된 개구를 구비한다. 유리하게도, 안전 밸브가 실린더의 상단부에 배치될 때, 압축 단계 중 그리고 실린더에서 차지의 점화 전 안전 밸브 배열체를 측정, 계산, 활성화하고 가스의 일부를 실린더에서 유출시키는데 더 많은 시간이 존재한다.
제어 시스템은 추정된 압축 압력에 응하여 안전 밸브 (22) 의 작동을 제어한다. 추정된 압축 압력이 미리 설정된 기준 압력보다 큰 경우에, 제어 유닛은 안전 밸브 (22) 를 개방하고 가스의 일부를 실린더 (44) 에서 유출시킨다. 특히, 가스의 일부가 제어된 양의 가스이도록 가스의 일부는 실린더 (44) 에서 제어되어 유출된다. 안전 밸브 (22) 의 작동은 압축 단계 중 그리고 실린더(44) 에서 차지의 점화 전 일어나도록 시간이 조정된다. 도 2 에서 안전 밸브 (22) 는 실린더 (44) 의 라이너로 배치된다. 하지만, 안전 밸브 (22) 는 실린더 헤드 (미도시) 에 배치될 수 있다. 실린더와 연결되어 배치된 하나 이상의 안전 밸브들이 있을 수 있지만 본원에서는 단 하나의 안전 밸브 (22) 만 도시되어 있음에 주목해야 한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 측정 유닛 (26.1), 결정 유닛 (26.2) 및 제어 시스템 (26.3) 은 제어 유닛 (26) 으로서 불릴 수 있는 하나의 물리적 유닛으로 배치될 수 있다. 유리하게도, 제어 유닛 (26) 은 통신 라인 (29) 을 통하여 크랭크 각 위치를 검출하도록 배치될 수 있다. 크랭크 각 위치 정보를 사용해, 대응하는 실린더 체적 또는 피스톤의 위치가 결정될 수 있고, 그 목적은 도 4 와 관련하여 후술될 것이다.
안전 밸브 (22) 가 개방될 때, 가스의 일부는 실린더 (44) 에서 유출된다. 따라서 제어 유닛 (26) 은 실린더 (44) 에서 원하는 압력을 얻기 위해서 밸브가 개방되어 유지되는 기간을 결정하는 명령들을 포함한다. 상기 배열체는 배출 라인 (23) 에 배치된 가스 취급 유닛 (24) 을 포함한다. 배출 라인 (23) 은 안전 밸브 (22) 로부터 이어지고 그것은 결국 주변으로 개방되도록 배치된다. 가스는 안전 밸브 (22) 와 배출 라인 (23) 을 통하여 가스 취급 유닛 (24) 으로 향하게 된다. 가스 취급 유닛은 가스를 냉각하도록 배치된다. 가스 취급 유닛은 또한 가스의 압력을 감소시키도록 배치될 수도 있다. 엔진의 실린더에서 가스 성분들로 구성된 가스는 취급 유닛 (24) 으로부터 엔진 외부로, 예를 들어 환경으로 배출된다. 도면 부호 48 은 벽 구조, 예를 들어 엔진 (40) 이 설치되는 해양 선박 또는 건물과 같은 설치 시설의 벽을 나타낸다. 따라서, 가스의 일부는 시설 밖으로 이동하게 된다.
도 3 은 안전 밸브 배열체 (20) 의 다른 실시형태를 개략적으로 도시한다. 안전 밸브 배열체는 대응하는 번호로 참조된 도 2 에 대응하는 요소들을 포함한다. 유리하게도 이 실시형태에서, 안전 밸브 (22) 는 안전 밸브 (22) 의 작동을 제어하는 압전 결정 센서 (30') 를 포함한다. 압전 결정 센서 (30') 는 실린더 (44) 에서 압력 또는 압력 차이를 검출하도록 배치된다. 이 실시형태에서 압전 결정 센서는 안전 밸브 (22) 로 통합된다. 압전 결정 센서 (30') 로부터 신호는 통신 라인 (28) 을 통하여 측정 유닛 (26.1) 으로 전달된다. 도 3 의 실시형태의 작동은 도 2 에 도시된 작동에 대응하여서, 추정된 압축 압력이 기준 압력보다 큰 경우에, 가스의 일부는 실린더 (44) 에서 차지의 점화 전 압축 단계 중 안전 밸브 (22) 를 통하여 실린더 (44) 에서 유출된다.
도 4 는 크랭크 각도에 따른 실린더 압력의 거동을 보여주는 예시적 그래프 (200) 를 개략적으로 도시한다. 1 개의 실린더에 관한 2 개의 곡선들이 있고: 제 1 곡선 (222) 은 (연소 없이) 추정된 압축 압력을 보여주고 제 2 곡선 (226) 은 실린더에서 연료의 연소 영향을 포함한 실린더 압력을 보여준다. 제 1 곡선 (222) 은 추정된 모터드 (motored) 압력 곡선으로서 도시되어, 연료의 점화 및 연소 없이 엔진을 크랭크로 돌리는 것을 의미한다. 추정된 피크 압축 압력 (224) 은 그것의 최대값으로서 추정된 압축 압력 곡선 (222) 에 나타나 있다. 수평 축선은 크랭크 각 위치 (θ) 를 보여주고 수직 축선은 실린더에서 압력 (p) 을 보여준다. 수평 축선에서 마크 (228) 는 제로 각도, 즉 TDC-위치를 나타낸다. 알 수 있듯이 추정된 피크 압축 압력 (224) 은 TDC-위치에 위치한다.
도 4 는 실린더 (44) 의 흡입 밸브(들) (22) 를 폐쇄한 후 실린더 (44) 에서의 지점들 (220.1, 220.2, 220.3, 220.4, ... , 220.n) 에서 측정된 압력 값들 (p1, ..., pn) 을 개략적으로 도시한다. 구체적으로, 지점들 (220.1, 220.2, 220.3, 220.4, ... , 220.n) 에서 측정된 압력 값들 (p1, ..., pn) 은, 압축 단계로부터 그리고 바람직하게 피스톤 (46) 이 BDC-위치에 근접하여 그 뒤에 위치할 때 획득된다. 이것은, 지점들 (220.1, 220.2, 220.3, 220.4, ... , 220.n) 에 대응하는 여러 크랭크 각 위치들을 기반으로 추정된 압축 압력이 결정되는 발명의 양태를 보여준다. 추정된 압축 압력은, 실제 크랭크 각 위치가 제 1 크랭크 각 위치보다 작을 때 제 1 크랭크 각 위치에 대한 측정 후 결정된다. 이하 추정된 압축 압력이 제 1 크랭크 각 위치 (θ1) 에 대해 설정된 미리 설정된 기준 압력과 비교되고 추정된 압축 압력이 기준 압력보다 큰 경우에, 가스의 일부가 압축 단계 중 그리고 사이클이 제 1 크랭크 각 위치에 도달하기 전 실린더 (44) 에서 유출된다.
실제로 피크 압축 압력을 결정하는 다양한 접근법들이 있음에 주목해야 한다. 본원에 나타낸 한 가지 접근법은, 추정된 피크 압축 값을 추정할 때 측정된 실린더 압력 값들 및 각각의 실린더 체적 값들을 사용하는 것이다. 이 실시형태에서 피크 압축 압력 (224) 은 지점들 (220.1, 220.2, 220.3, 220.4, ... , 220.n) 에서 측정된 압력 값들 (p 1 , ..., p n ) 및 대응하는 실린더 체적 정보 (V 1 ..., V n ) 를 사용함으로써 추정된다. 측정된 압력 값들 (p 1 , ..., p n ) 은 체적 값들 (V 1 ..., V n ) 에 대응한다. 실린더 압력 및 체적 값들을 사용해 추정된 피크 압축 압력을 결정하기 위해, 소위 폴리트로픽 관계가 다음과 같이 기재될 수 있다.
Figure 112017110291680-pct00004

여기에서 p 는 실린더 내 임의의 체적 (V) 에서 압력에 관한 것이고, γ 는 소위 폴리트로픽 지수이고 C 는 상수 (실수) 이다. 또한, 다음과 같이 폴리트로픽 관계를 작성할 수 있다.
Figure 112017110291680-pct00005

여기에서 p n 은 실린더 내 임의의 체적 (V n ) 에서 압축 단계 중 측정된 압력이고, p TDC 는 상사점 위치에서 실린더 압력이고 V TDC 는 상사점 위치에서 실린더 체적이다. 실린더 압력 (p n ) 및 실린더 체적 (V n ) 은 압축 단계 중 임의의 지점에서 규정될 수도 있다. 항들을 재배치했을 때, 다음 식으로서 피크 압축 압력 (상사점 위치에서 압력) 에 대한 추정치를 찾는다.
Figure 112017110291680-pct00006

명백한 대로 p n , V n , V TDC 및 γ 는 알려져 있고 그리고/또는 측정가능하거나, 그렇지 않으면 결정가능한 값들 및 피크 압축 압력 (p TDC ) 은 풀 수 있는 미지항이다. 추정 정확도는 압력 측정 수를 증가시킴으로써 개선될 수 있다. 실린더 압력을 여러 번 측정하는 경우에, 피크 압축 압력 (p TDC ) 에 대해 더 양호한 추정이, 예를 들어, 최소 자승 추정을 사용해 획득된다.
일반적으로, 폴리트로픽 지수 (γ) 에 대한 추정이 또한 필요하다. 발명의 실시형태에 따르면 폴리트로픽 지수 (γ) 는 미리 구성된 값이고, 그 경우에 폴리트로픽 지수 (γ) 에 대한 실시간 추정은 반드시 필요하지 않지만 여전히 수행될 수도 있다. 이 경우에 제어 유닛 (26) 은 폴리트로픽 지수 (γ) 에 대해 미리 구성된 값을 사용하기 위한 명령들을 포함한다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면 폴리트로픽 지수 (γ) 는 미리 구성되지 않는다. 그 대신, 폴리트로픽 지수 (γ) 는 다음 절차에 개시된 바와 같은 임의의 적합한 방법에 의해 추정된다:
ⅰ. 폴리트로픽 지수의 초기값 설정,
ⅱ. 폴리트로픽 지수의 초기값을 기반으로 모델 압력 곡선을 계산,
ⅲ. 각각의 크랭크 각도에 대한 모델 미스매치 (mismatch) 를 계산,
ⅳ. 미스매치 제곱의 합의 폴리트로픽 지수에 대한 도함수 (derivative) 계산,
ⅴ. 이전 단계의 결과를 기반으로, 미리 정해진 양만큼 폴리트로픽 지수를 증가 또는 감소,
ⅵ. 폴리트로픽 지수의 감소되거나 증가된 값으로 단계들 ⅱ 내지 ⅳ 를 반복,
ⅶ. 미스매치 제곱의 합의 폴리트로픽 지수에 대한 제 2 도함수 계산,
ⅷ. 음의 부호를 갖는 제 2 도함수로 나눈 도함수에 대응하는 양만큼 폴리트로픽 지수의 값을 변경, 및
ix. 제 2 도함수로 나눈 도함수의 절대값에 대응하는 양이 미리 정해진 값보다 작을 때까지 단계들 ⅱ, ⅲ, ⅳ, ⅶ 및 ⅷ 을 반복.
본 발명은 현재 가장 바람직한 실시형태들인 것으로 간주되는 것과 관련하여 예로서 본원에 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시형태들에 제한되지 않고 그것의 특징의 다양한 조합들 또는 수정들, 및 첨부된 청구항에 규정된 대로 본 발명의 범위 내에 포함된 여러 다른 적용을 포함하도록 의도된 것으로 이해되어야 한다. 상기 임의의 실시형태와 관련하여 언급된 세부사항은, 이러한 조합이 기술적으로 실행가능할 때 다른 실시형태와 관련하여 사용될 수도 있다.

Claims (19)

  1. 내연 피스톤 엔진 (40) 을 작동하는 방법으로서,
    상기 방법에서 엔진이 가동 중, 그리고 실린더 (44) 의 사이클 중 상기 실린더 (44) 에 대한 추정된 압축 압력은 압축 단계 중 적어도 하나의 미리 정해진 크랭크 각 위치 (θ) 에서 흡입 밸브(들) (42) 를 폐쇄한 후 상기 실린더에서 압력을 측정함으로써 결정되고, 상기 추정된 압축 압력은 미리 설정된 기준 압력과 비교되고 상기 추정된 압축 압력이 상기 기준 압력보다 큰 경우에, 압축 단계 중 그리고 상기 실린더 (44) 에서 차지 (charge) 의 점화 전 가스의 일부가 상기 실린더 (44) 에서 유출될 수 있도록 하는, 내연 피스톤 엔진 (40) 을 작동하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    실제 크랭크 각 위치가 제 1 크랭크 각 위치 (θ 1 ) 보다 작을 때 상기 제 1 크랭크 각 위치 (θ 1 ) 에 대해 상기 추정된 압축 압력이 결정되고, 상기 추정된 압축 압력은 상기 제 1 크랭크 각 위치 (θ 1 ) 에 대해 설정된 미리 설정된 기준 압력과 비교되고 상기 추정된 압축 압력이 기준 압력보다 큰 경우에, 압축 단계 중 그리고 상기 사이클이 상기 제 1 크랭크 각 위치 (θ 1 ) 에 도달하기 전 가스의 일부가 상기 실린더 (44) 에서 유출될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (40) 을 작동하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 추정된 압축 압력은 적어도 2 개의 미리 정해진 크랭크 각 위치 (θ) 에서 적어도 2 개의 별개의 압력 측정을 기반으로 결정되는 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (40) 을 작동하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 추정된 압축 압력은 압축 단계 중 10 개 미만의 별개의 미리 정해진 크랭크 각 위치들 (θ) 에서 측정된 압력 측정을 기반으로 결정되는 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (40) 을 작동하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 추정된 압축 압력은 늦어도 압축 단계 중 상사점 앞에서 80 도의 크랭크 각도 (θ) 에서 결정되는 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (40) 을 작동하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 실린더 (44) 의 사이클 중 상기 실린더의 흡입 밸브(들) (42) 는 BDC 앞에서 폐쇄되고 상기 방법에서 상기 흡입 밸브(들)의 폐쇄 타이밍이 제어되어서 상기 실린더 (44) 의 이전 사이클의 추정된 피크 압축 압력을 이용하고, 상기 실린더의 흡입 밸브(들) (42) 를 폐쇄한 후 상기 실린더 (44) 의 사이클 중 상기 실린더 (44) 에 대한 새로운 추정된 피크 압축 압력이 결정되고, 상기 새로운 추정된 피크 압축 압력은 미리 설정된 기준 피크 압력과 비교되고 상기 새로운 추정된 피크 압축 압력이 기준 압력보다 큰 경우에, 상기 압축 단계 중 그리고 상기 실린더 (44) 에서 차지의 점화 전 가스의 일부가 상기 실린더 (44) 에서 유출될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (40) 을 작동하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 방법에서 상기 실린더 (44) 의 이전 사이클들의 다수의 추정된 피크 압축 압력 값들이 판독 가능 메모리 유닛에 저장되는 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (40) 을 작동하는 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 실린더 (44) 의 이전 사이클들의 상기 추정된 피크 압축 압력 값들은 다음 상태 파라미터들: 엔진 회전 속도, 엔진 부하, 차지 압력, 흡입 밸브 폐쇄 크랭크 각도 중 하나 이상에 따라 판독 가능 메모리 유닛에 저장되고; 상기 흡입 밸브(들)의 폐쇄 단계를 실행하는데 사용된 이전 사이클들의 상기 추정된 피크 압축 압력 값은 현재 사이클에서 조건 파라미터들을 규정하고 현재 사이클에서 조건 파라미터들에 가장 잘 맞는 상기 판독 가능 메모리 유닛으로부터 상기 추정된 피크 압축 압력 값을 사용함으로써 선택되는 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (40) 을 작동하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 추정된 압축 압력은 추정된 피크 압축 압력인 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (40) 을 작동하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 실린더 (44) 에 대한 상기 추정된 피크 압축 압력은 미리 설정된 피크 압축 압력인 미리 설정된 기준 압력과 비교되는 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (40) 을 작동하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 추정된 압축 압력은 각각의 실린더 (44) 에 대해 별도로 결정되는 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (40) 을 작동하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    연료의 도입 전 압축 단계 중 상기 실린더 (44) 에서 제어된 양의 가스를 유출하는 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (40) 을 작동하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    제어된 양의 가스는 안전 밸브 (22) 에 의해 상기 실린더 (44) 에서 유출될 수 있는 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (40) 을 작동하는 방법.
  14. 내연 피스톤 엔진 (40) 으로서,
    실린더 (44) 와 연결된 적어도 하나의 압력 센서 (30, 30'), 및 흡입 밸브 (42) 가 폐쇄된 후 그리고 연료가 적어도 하나의 미리 정해진 크랭크 각 위치에서 점화되기 전 상기 적어도 하나의 압력 센서 (30, 30') 로 압력을 측정하도록 배치된 측정 유닛 (26.1), 적어도 하나의 측정된 실린더 압력을 사용함으로써 적어도 제 2 크랭크 각 위치에서 추정된 압축 압력을 결정하도록 배치된 결정 유닛 (26.2) 및 상기 추정된 압축 압력에 응하여 상기 실린더 (44) 와 연결되게 맞추어진 안전 밸브 배열체 (20) 의 작동을 제어하도록 배치된 제어 유닛 (26, 26.3) 을 포함하는, 내연 피스톤 엔진 (40).
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 안전 밸브 배열체 (20) 는 상기 실린더 (44) 로부터 유입된 가스의 일부를 냉각하고 그것의 압력을 감소시키기 위한 취급 유닛 (24) 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (40).
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 안전 밸브 배열체 (20) 는 상기 실린더 (44) 의 라이너에 배치된 적어도 하나의 안전 밸브 (22) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (40).
  17. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 안전 밸브 배열체 (20) 는 실린더 헤드에 배치된 적어도 하나의 안전 밸브 (22) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (40).
  18. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 안전 밸브 배열체 (20) 는 압전 결정 센서 (30') 를 갖는 안전 밸브 (22) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (40).
  19. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 제어 유닛 (26, 26.3) 은 제 1 항에 기재된 방법을 실행하도록 실행가능한 명령들을 구비하는 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (40).
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