KR102390779B1 - 내연 기관에서의 자동 점화 제어 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 내연 기관에서 연소를 제어하는 방법은, 실린더 내의 공기/연료 충전물을 점화한 후, 실린더의 연소 단계 동안 엔진의 실린더 내의 연소 파라미터를 측정하는 단계와, 측정된 파라미터에 기초하여 실린더 내의 연소의 열 방출을 계산하는 단계를 포함한다. 공기/연료 충전물의 자동 점화 이벤트가 계산된 열 방출에 기초하여 식별되고, 식별된 상기 자동 점화 이벤트에 적어도 부분적으로 기초하여, 다음 연소 단계에서의 공기/연료 충전물의 자동 점화 이벤트가 특정 크랭크 각도를 향해 이동하게 하도록 실린더의 다음 연소 단계에 대한 실린더 내의 점화 타이밍 또는 실린더의 다음 연소 단계에 대하여 실린더에 공급되는 배기 가스의 양 중 적어도 하나가 제어된다.

Description

내연 기관에서의 자동 점화 제어
우선권 주장
본 출원은 2019년 4월 5일자 출원되었고 그 전체 내용은 본 명세서에 참조로 포함된 미국 특허 출원 제16/376,909호에 대한 우선권을 주장한다.
예혼합 가스 연료 엔진에서, 말단 가스 자동 점화(end-gas auto-ignition(EGAI))는 일반적으로 엔진 노킹의 원인이자 전조이다. 역사적으로, 엔진 노킹은 제어되지 않는 충격파가 엔진 실린더를 가로질러 반동하는 파괴적인 이벤트이다. 충격파는 연소 이벤트의 고온으로부터 실린더 벽, 피스톤, 실린더 헤드 및 밸브를 열적으로 보호하는 경계층을 긁거나 붕괴시킨다. 이러한 말단 가스의 자동 점화는 통상적으로 압축비를 낮추고, 점화 타이밍을 늦추고 및/또는 배기 가스 재순환(EGR) 또는 과잉 공기를 연소실로 도입함으로써 방지된다.
일부 양태에서, 내연 기관에서 연소를 제어하는 방법은, 실린더 내의 공기/연료 충전물(charge)을 점화한 후, 실린더의 연소 단계 동안 엔진의 실린더 내의 연소 파라미터를 측정하는 단계와, 측정된 파라미터에 기초하여 실린더 내의 연소의 열 방출(heat release)을 계산하는 단계와, 계산된 열 방출에 기초하여, 공기/연료 충전물의 자동 점화 이벤트를 식별하는 단계와, 식별된 자동 점화 이벤트에 적어도 부분적으로 기초하여, 다음 연소 단계에서의 공기/연료 충전물의 자동 점화 이벤트가 특정 크랭크 각도를 향해 이동하게 하도록 엔진의 작동을 제어하는 단계를 포함한다.
본 양태 및 다른 양태는, 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 자동 점화 이벤트를 식별하는 단계는, 공기/연료 충전물의 일부의 자동 점화를 나타내는 열 방출에서의 변곡점을 식별하는 단계를 포함할 수 있다. 엔진의 작동을 제어하는 단계는, 실린더의 다음 연소 단계에 대한 실린더 내의 적어도 하나의 점화 타이밍을 제어하는 단계 또는 실린더의 다음 연소 단계에 대하여 실린더에 공급되는 배기 가스의 특성을 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 식별된 자동 점화 이벤트가 특정 크랭크 각도 윈도우 내에 또는 특정 크랭크 각도 후에 발생한다고 결정하는 단계를 포함할 수 있고, 실린더 내의 점화 타이밍을 제어하는 단계는, 자동 점화 이벤트를 특정 크랭크 각도를 향해 더 일찍 이동시키기 위해 실린더의 다음 연소 단계에서 점화 타이밍을 앞당기는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 식별된 자동 점화 이벤트가 특정 크랭크 각도보다 연소 단계에서 더 일찍 발생한다고 결정하는 단계를 포함할 수 있고, 실린더 내의 점화 타이밍을 제어하는 단계는, 자동 점화 이벤트를 특정 크랭크 각도를 향해 더 늦게 이동시키기 위해 실린더의 다음 연소 단계에서 점화 타이밍을 늦추는 단계를 포함할 수 있다. 실린더에 공급되는 배기 가스의 특성을 제어하는 단계는, 실린더에 공급되는 배기 가스의 양 또는 배기 가스의 온도 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 실린더 내의 연소가 특정 연소 지속 시간보다 긴 연소 지속 시간을 갖는다고 결정하는 단계를 포함할 수 있고, 실린더에 공급되는 배기 가스의 양을 제어하는 단계는, 실린더의 다음 연소 단계에서 실린더에 공급되는 배기 가스의 양을 감소시켜 특정 연소 지속 시간을 향해 연소 지속 시간을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 실린더 내의 연소가 특정 연소 지속 시간보다 짧은 연소 지속 시간을 갖는다고 결정하는 단계를 포함할 수 있고, 실린더에 공급되는 배기 가스의 양을 제어하는 단계는, 실린더의 다음 연소 단계에서 실린더에 공급되는 배기 가스의 양을 증가시켜 특정 연소 지속 시간을 향해 연소 지속 시간을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 실린더에 공급되는 배기 가스의 온도를 제어하는 단계는, 냉각기 바이패스로 배기 가스의 온도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 실린더 내의 연소가 특정 연소 지속 시간보다 긴 연소 지속 시간을 갖는다고 결정하는 단계를 포함할 수 있고, 엔진의 작동을 제어하는 단계는, 공기/연료 충전물에 추가 연료를 보충하거나 실린더의 다음 연소 단계에서 실린더에 제공되는 추가 연료의 양을 조정하여 특정 연소 지속 시간을 향해 연소 지속 시간을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 추가 연료는 수소, 디젤, 가솔린 또는 프로판을 포함할 수 있다. 엔진의 작동을 제어하는 단계는, 실린더 내의 연소 또는 식별된 자동 점화 이벤트 중 적어도 하나에 적어도 부분적으로 기초하여, 실린더의 다음 연소 단계에 대한 실린더로의 마이크로 파일럿 연료 분사의 타이밍을 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 실린더 내의 연소의 열 방출을 계산하는 단계는, 열 방출 속도 또는 열 방출 적분 중 적어도 하나를 계산하는 단계를 포함할 수 있다. 연소 파라미터를 측정하는 단계는, 엔진의 실린더의 실린더 내(in-cylinder) 압력 센서를 샘플링하는 단계를 포함할 수 있고, 연소의 열 방출을 계산하는 단계는, 실린더의 다음 연소 단계 이전에 실린더 내 압력 센서로부터의 샘플에 기초하여 실린더 내의 연소의 열 방출 속도를 계산하는 단계를 포함할 수 있다. 엔진의 작동을 제어하는 단계는, 실린더의 다음 연소 단계에 대한 실린더 내의 점화 타이밍, 실린더의 다음 연소 단계에 대하여 실린더에 공급되는 배기 가스의 양, 실린더의 다음 연소 단계에 대하여 실린더에 공급되는 배기 가스의 온도, 실린더의 다음 연소 단계에서 실린더 내의 공기/연료 충전물에 제공되는 추가 연료의 양 또는 공기/연료 흡기 매니폴드의 온도 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 공기/연료 흡기 매니폴드의 온도를 제어하는 단계는, 인터쿨러로 공기/연료 흡기 매니폴드의 온도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
특정 양태는, 내연 기관에서 점화를 제어하기 위한 엔진 제어 시스템을 포함하고, 엔진 제어 시스템은, 프로세서와, 프로세서에 연결되고 프로세서가 동작들을 수행하게 하도록 동작 가능한 명령어를 저장하는 비일시적인 컴퓨터 판독 가능한 매체를 포함한다. 동작들은, (a) 실린더 내의 공기/연료 충전물을 점화한 후, 실린더의 연소 단계 동안 엔진의 실린더에 대한 연소 파라미터를 수신하는 동작; (b) 측정된 파라미터에 기초하여 실린더 내의 연소의 열 방출을 결정하는 동작; (c) 계산된 열 방출에 기초하여, 공기/연료 충전물의 자동 점화 이벤트를 식별하는 동작; 및 (d) 식별된 자동 점화 이벤트에 적어도 부분적으로 기초하여, 다음 연소 단계에서의 공기/연료 충전물의 자동 점화 이벤트가 특정 크랭크 각도를 향해 이동하게 하도록 엔진의 작동을 제어하는 동작을 포함한다.
본 양태 및 다른 양태는, 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 엔진 제어 시스템은 엔진의 실린더 내의 압력을 측정하도록 구성된 압력 센서를 포함할 수 있다. 동작 (a)는 실린더 내 압력 센서를 샘플링하는 동작을 포함할 수 있고, 동작 (b)는 실린더 내 압력 센서의 출력에 기초하여 연소 메트릭(metric)을 계산하는 동작을 포함할 수 있고, 연소 메트릭은 실린더 내의 연소의 열 방출 속도를 포함할 수 있다. 동작 (c)는 전파 화염 전면(propagating flame front)과의 접촉에 의해 점화되지 않은 공기/연료 충전물의 부분의 점화를 나타내는 열 방출에서의 변곡점을 식별하는 동작과, 변곡점에 대응하는 실린더 내의 피스톤의 크랭크 각도를 식별하는 동작을 포함할 수 있다. 동작 (d)의 엔진의 작동의 제어는, 실린더의 다음 연소 단계에 대한 실린더 내의 적어도 하나의 점화 타이밍을 제어하거나 실린더의 다음 연소 단계에 대하여 실린더에 공급되는 배기 가스의 특성을 제어하는 동작을 포함할 수 있다. 동작 (d)는, 자동 점화 이벤트가 특정 크랭크 각도 후에 발생할 때 점화 타이밍을 앞당기는 동작과, 특정 크랭크 각도 전에 자동 점화 이벤트가 발생할 때 점화 타이밍을 늦추는 동작을 포함할 수 있다. 동작 (d)는, 실린더로의 마이크로 파일럿 연료 분사의 타이밍을 제어함으로써 점화 타이밍을 제어하는 동작을 포함할 수 있다. 실린더에 공급되는 배기 가스의 특성을 제어하는 동작은, 실린더에 공급되는 배기 가스의 양 또는 배기 가스의 온도 중 적어도 하나를 제어하는 동작을 포함할 수 있다. 실린더에 공급되는 배기 가스의 온도를 제어하는 동작은, 냉각기 바이패스로 배기 가스의 온도를 제어하는 동작을 포함할 수 있다. 동작 (d)의 엔진의 작동의 제어는, 실린더의 다음 연소 단계에 대한 실린더 내의 점화 타이밍, 실린더의 다음 연소 단계에 대하여 실린더에 공급되는 배기 가스의 양, 실린더의 다음 연소 단계에 대하여 실린더에 공급되는 배기 가스의 온도, 실린더의 다음 연소 단계에서 실린더 내의 공기/연료 충전물에 제공되는 추가 연료의 양 또는 공기/연료 흡기 매니폴드의 온도 중 적어도 하나를 제어하는 동작을 포함할 수 있다. 공기/연료 흡기 매니폴드의 온도를 제어하는 동작은, 인터쿨러로 공기/연료 흡기 매니폴드의 온도를 제어하는 동작을 포함할 수 있다. 동작들은 (e) 실린더 내의 연소가 목표 연소 지속 시간보다 긴 연소 단계의 연소 지속 시간을 포함한다고 결정하는 동작; 및 (f) 목표 연소 지속 시간보다 긴 연소 지속 시간에 기초하여 실린더의 다음 연소 단계에 대한 실린더로의 농축 연료의 공급을 제어하는 동작을 포함할 수 있다. 동작 (f)는, 실린더로의 수소 공급을 제어하는 동작을 포함할 수 있다. 동작들은 엔진의 각각의 실린더에 대하여 동작 (a) 내지 (d)를 반복하는 동작을 포함할 수 있다.
일부 양태는 엔진을 제어하는 방법을 포함하고, 방법은, 실린더 내의 공기/연료 충전물의 연소 동안 엔진의 실린더 내의 실린더 내 압력을 측정하는 단계와, 실린더 내 압력 측정에 기초하여, 전파 화염 전면에 의한 공기/연료 충전물의 점화외에 공기/연료 충전물의 자동 점화를 결정하는 단계와, 점화 타이밍, 배기 가스 재순환 또는 실린더로의 보조 연료 공급 중 적어도 하나를 제어하여 특정 타이밍을 향해 자동 점화의 타이밍을 변경하는 단계를 포함한다.
본 양태 및 다른 양태는, 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 방법은 특정 타이밍은 연소 지속 시간을 포함할 수 있다. 특정 타이밍은 공기/연료 충전물의 연소로 인한 실린더 내의 열 방출이 하나의 피크를 갖게 하도록 선택된 타이밍을 포함할 수 있다.
제1 양태에서, 내연 기관에서 연소를 제어하는 방법은, 실린더 내의 공기/연료 충전물을 점화한 후, 실린더의 연소 단계 동안 엔진의 실린더 내의 연소 파라미터를 측정하는 단계; 측정된 파라미터에 기초하여 실린더 내의 연소의 열 방출을 계산하는 단계; 계산된 열 방출에 기초하여, 공기/연료 충전물의 자동 점화 이벤트를 식별하는 단계; 및 식별된 자동 점화 이벤트에 적어도 부분적으로 기초하여, 다음 연소 단계에서의 공기/연료 충전물의 자동 점화 이벤트가 특정 크랭크 각도를 향해 이동하게 하도록 엔진의 작동을 제어하는 단계를 포함한다.
제1 양태에 따른 제2 양태에서, 자동 점화 이벤트를 식별하는 단계는, 공기/연료 충전물의 일부의 자동 점화를 나타내는 열 방출에서의 변곡점을 식별하는 단계를 포함한다.
제1 양태 또는 제2 양태에 따른 제3 양태에서, 엔진의 작동을 제어하는 단계는, 실린더의 다음 연소 단계에 대한 실린더 내의 적어도 하나의 점화 타이밍을 제어하는 단계 또는 실린더의 다음 연소 단계에 대하여 실린더에 공급되는 배기 가스의 특성을 제어하는 단계를 포함한다.
제3 양태에 따른 제4 양태에서, 방법은, 식별된 자동 점화 이벤트가 특정 크랭크 각도 후에 발생한다고 결정하는 단계를 포함하고; 실린더 내의 점화 타이밍을 제어하는 단계는, 자동 점화 이벤트를 특정 크랭크 각도를 향해 더 일찍 이동시키기 위해 실린더의 다음 연소 단계에서 점화 타이밍을 앞당기는 단계를 포함한다.
제3 양태에 따른 제5 양태에서, 방법은, 식별된 자동 점화 이벤트가 특정 크랭크 각도보다 연소 단계에서 더 일찍 발생한다고 결정하는 단계를 포함하고; 실린더 내의 점화 타이밍을 제어하는 단계는, 자동 점화 이벤트를 특정 크랭크 각도를 향해 더 늦게 이동시키기 위해 실린더의 다음 연소 단계에서 점화 타이밍을 늦추는 단계를 포함한다.
제3 양태에 따른 제6 양태에서, 실린더에 공급되는 배기 가스의 특성을 제어하는 단계는, 실린더에 공급되는 배기 가스의 양 또는 배기 가스의 온도 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함한다.
제6 양태에 따른 제7 양태에서, 방법은, 실린더 내의 연소가 특정 연소 지속 시간보다 긴 연소 지속 시간을 갖는다고 결정하는 단계를 포함하고; 실린더에 공급되는 배기 가스의 양을 제어하는 단계는, 실린더의 다음 연소 단계에서 실린더에 공급되는 배기 가스의 양을 감소시켜 특정 연소 지속 시간을 향해 연소 지속 시간을 감소시키는 단계를 포함한다.
제6 양태에 따른 제8 양태에서, 방법은, 실린더 내의 연소가 특정 연소 지속 시간보다 짧은 연소 지속 시간을 갖는다고 결정하는 단계를 포함하고; 실린더에 공급되는 배기 가스의 양을 제어하는 단계는, 실린더의 다음 연소 단계에서 실린더에 공급되는 배기 가스의 양을 증가시켜 특정 연소 지속 시간을 향해 연소 지속 시간을 증가시키는 단계를 포함한다,
제6 양태 내지 제8 양태 중 어느 하나에 따른 제9 양태에서, 실린더에 공급되는 배기 가스의 온도를 제어하는 단계는, 냉각기 바이패스로 배기 가스의 온도를 제어하는 단계를 포함한다.
제1 양태 내지 제9 양태 중 어느 하나에 따른 제10 양태에서, 방법은, 실린더 내의 연소가 특정 연소 지속 시간보다 긴 연소 지속 시간을 갖는다고 결정하는 단계를 포함하고; 엔진의 작동을 제어하는 단계는, 공기/연료 충전물에 추가 연료를 보충하거나 실린더의 다음 연소 단계에서 실린더에 제공되는 추가 연료의 양을 조정하여 특정 연소 지속 시간을 향해 연소 지속 시간을 감소시키는 단계를 포함한다.
제10 양태에 따른 제12 양태에서, 추가 연료는 수소, 디젤, 가솔린 또는 프로판을 포함한다.
제1 양태 내지 제11 양태 중 어느 하나에 따른 제12 양태에서, 엔진의 작동을 제어하는 단계는, 실린더 내의 연소 또는 식별된 자동 점화 이벤트 중 적어도 하나에 적어도 부분적으로 기초하여, 실린더의 다음 연소 단계에 대한 실린더로의 마이크로 파일럿 연료 분사의 타이밍을 제어하는 단계를 포함한다.
제1 양태 내지 제12 양태 중 어느 하나에 따른 제13 양태에서, 실린더 내의 연소의 열 방출을 계산하는 단계는, 열 방출 속도 또는 열 방출 적분 중 적어도 하나를 계산하는 단계를 포함한다.
제1 양태 내지 제13 양태 중 어느 하나에 따른 제14 양태에서, 연소 파라미터를 측정하는 단계는, 엔진의 실린더의 실린더 내 압력 센서를 샘플링하는 단계를 포함하고; 연소의 열 방출을 계산하는 단계는, 실린더의 다음 연소 단계 이전에 실린더 내 압력 센서로부터의 샘플에 기초하여 실린더 내의 연소의 열 방출 속도를 계산하는 단계를 포함한다.
제1 양태에 따른 제15 양태에서, 엔진의 작동을 제어하는 단계는, 실린더의 다음 연소 단계에 대한 실린더 내의 점화 타이밍, 실린더의 다음 연소 단계에 대하여 실린더에 공급되는 배기 가스의 양, 실린더의 다음 연소 단계에 대하여 실린더에 공급되는 배기 가스의 온도, 실린더의 다음 연소 단계에서 실린더 내의 공기/연료 충전물에 제공되는 추가 연료의 양 또는 공기/연료 흡기 매니폴드의 온도 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함한다.
제15 양태에 따른 제16 양태에서, 공기/연료 흡기 매니폴드의 온도를 제어하는 단계는, 인터쿨러로 공기/연료 흡기 매니폴드의 온도를 제어하는 단계를 포함한다.
제17 양태에서, 내연 기관에서 점화를 제어하기 위한 엔진 제어 시스템이 제공된다. 엔지 제어 시스템은, 프로세서와, 프로세서에 연결되고 프로세서가,
(a) 실린더 내의 공기/연료 충전물을 점화한 후, 실린더의 연소 단계 동안 엔진의 실린더에 대한 연소 파라미터를 수신하는 동작;
(b) 측정된 파라미터에 기초하여 실린더 내의 연소의 열 방출을 결정하는 동작;
(c) 계산된 열 방출에 기초하여, 공기/연료 충전물의 자동 점화 이벤트를 식별하는 동작; 및
(d) 식별된 자동 점화 이벤트에 적어도 부분적으로 기초하여, 다음 연소 단계에서의 공기/연료 충전물의 자동 점화 이벤트가 특정 크랭크 각도를 향해 이동하게 하도록 엔진의 작동을 제어하는 동작
을 포함하는 동작들을 수행하게 하도록 동작 가능한 명령어를 저장하는 비일시적인 컴퓨터 판독 가능한 매체를 포함한다.
제17 양태에 따른 제18 양태에서, 엔진 제어 시스템은 엔진의 실린더 내의 압력을 측정하도록 구성된 압력 센서를 포함한다.
제18 양태에 따른 제19 양태에서, 동작 (a)는 실린더 내 압력 센서를 샘플링하는 동작을 포함하고, 동작 (b)는 실린더 내 압력 센서의 출력에 기초하여 연소 메트릭을 계산하는 동작을 포함하고, 연소 메트릭은 실린더 내의 연소의 열 방출 속도를 포함한다.
제17 양태 내지 제19 양태 중 어느 하나에 따른 제20 양태에서, 동작 (c)는 전파 화염 전면과의 접촉에 의해 점화되지 않은 공기/연료 충전물의 부분의 점화를 나타내는 열 방출에서의 변곡점을 식별하는 동작과, 변곡점에 대응하는 실린더 내의 피스톤의 크랭크 각도를 식별하는 동작을 포함한다.
제17 양태 내지 제20 양태 중 어느 하나에 따른 제21 양태에서, 동작 (d)의 엔진의 작동의 제어는, 실린더의 다음 연소 단계에 대한 실린더 내의 적어도 하나의 점화 타이밍을 제어하거나 실린더의 다음 연소 단계에 대하여 실린더에 공급되는 배기 가스의 특성을 제어하는 동작을 포함한다.
제21 양태에 따른 제22 양태에서, 동작 (d)는, 자동 점화 이벤트가 특정 크랭크 각도 후에 발생할 때 점화 타이밍을 앞당기는 동작과, 특정 크랭크 각도 전에 자동 점화 이벤트가 발생할 때 점화 타이밍을 늦추는 동작을 포함한다.
제21 양태에 따른 제23 양태에서, 동작 (d)는, 실린더로의 마이크로 파일럿 연료 분사의 타이밍을 제어함으로써 점화 타이밍을 제어하는 동작을 포함한다.
제21 양태 내지 제23 양태 중 어느 하나에 따른 제24 양태에서, 실린더에 공급되는 배기 가스의 특성을 제어하는 동작은, 실린더에 공급되는 배기 가스의 양 또는 배기 가스의 온도 중 적어도 하나를 제어하는 동작을 포함한다.
제24 양태에 따른 제25 양태에서, 실린더에 공급되는 배기 가스의 온도를 제어하는 동작은, 냉각기 바이패스로 배기 가스의 온도를 제어하는 동작을 포함한다.
제17 양태에 따른 제26 양태에서, 동작 (d)의 엔진의 작동의 제어는, 실린더의 다음 연소 단계에 대한 실린더 내의 점화 타이밍, 실린더의 다음 연소 단계에 대하여 실린더에 공급되는 배기 가스의 양, 실린더의 다음 연소 단계에 대하여 실린더에 공급되는 배기 가스의 온도, 실린더의 다음 연소 단계에서 실린더 내의 공기/연료 충전물에 제공되는 추가 연료의 양 또는 공기/연료 흡기 매니폴드의 온도 중 적어도 하나를 제어하는 동작을 포함한다.
제26 양태에 따른 제27 양태에서, 공기/연료 흡기 매니폴드의 온도를 제어하는 동작은, 인터쿨러로 공기/연료 흡기 매니폴드의 온도를 제어하는 동작을 포함한다.
제17 양태 내지 제27 양태 중 어느 하나에 따른 제28 양태에서, 동작들은,
(e) 실린더 내의 연소가 목표 연소 지속 시간보다 긴 연소 단계의 연소 지속 시간을 포함한다고 결정하는 동작; 및
(f) 목표 연소 지속 시간보다 긴 연소 지속 시간에 기초하여 실린더의 다음 연소 단계에 대한 실린더로의 농축 연료의 공급을 제어하는 동작을 포함한다.
제28 양태에 따른 제29 양태에서, 동작 (f)는, 실린더로의 수소 공급을 제어하는 동작을 포함한다.
제17 양태 내지 제29 양태 중 어느 하나에 따른 제30 양태에서, 동작들은 엔진의 각각의 실린더에 대하여 동작 (a) 내지 (d)를 반복하는 동작을 포함한다.
제31 양태에서, 엔진을 제어하는 방법은, 실린더 내의 공기/연료 충전물의 연소 동안 엔진의 실린더 내의 실린더 내 압력을 측정하는 단계; 실린더 내 압력 측정에 기초하여, 전파 화염 전면에 의한 공기/연료 충전물의 점화외에 공기/연료 충전물의 자동 점화를 결정하는 단계; 및 점화 타이밍, 배기 가스 재순환 또는 실린더로의 보조 연료 공급 중 적어도 하나를 제어하여 특정 타이밍을 향해 자동 점화의 타이밍을 변경하는 단계를 포함한다.
제31 양태에 따른 제32 양태에서 특정 타이밍은 연소 지속 시간을 포함한다.
제31 양태에 따른 제33 양태에서 특정 타이밍은 공기/연료 충전물의 연소로 인한 실린더 내의 열 방출이 하나의 피크를 갖게 하도록 선택된 타이밍을 포함한다.
도 1은 엔진 제어 시스템을 갖는 엔진 시스템의 개략도이다.
도 2는 엔진 제어 시스템의 개략도이다.
도 3 및 도 4는 열 방출 대 크랭크 각도를 도시하는 엔진 실린더 내의 예시적인 연소 사이클에 대한 도면이다.
도 5는 실린더 압력 대 크랭크 각도, 실린더 압력 대 실린더 부피, 열 방출 대 크랭크 각도 및 실린더 압력 대 크랭크 각도를 도시하는 엔진 실린더 내의 예시적인 연소 사이클에 대한 도면이다.
도 6은 프로세서 및 메모리를 갖는 예시적인 제어 시스템의 블록도이다.
도 7은 내연 기관에서 점화를 제어하는 예시적인 방법을 설명하는 순서도이다.
도 8은 엔진을 제어하는 예시적인 방법을 설명하는 순서도이다.
다양한 도면에서의 유사한 참조 부호는 유사한 요소를 나타낸다.
본 명세서에서의 개념은 엔진에서 연소를 제어하는 것, 특히 제어되지 않으면 엔진 노킹으로서 나타날 수 있는 공기/연료 혼합물의 연소를 제어하는 것을 포함한다. 말단 가스 자동 점화(EGAI)는 스파크 플러그 또는 기타 점화기에 의해 개시된 화염 핵(flame kernel) 또는 전파 화염 전면에 의해 점화되지 않는 엔진 실린더 내의 공기/연료 혼합물의 자동 점화의 결과이다. 이러한 자동 점화 이벤트는 일반적으로 노킹으로 나타날 수 있으며, 통상적으로 엔진 실린더의 주변 영역에서 발생한다. 일부 기존 엔진 시스템에서, 엔진 제어 시스템은 엔진 노킹을 피하기 위해 자동 점화 이벤트를 억제하도록 엔진 실린더에 배기 가스를 공급한다. 그러나, 자동 점화 이벤트를 억제하는 데 있어서, 기존 엔진 시스템에 의해 구현된 제어 전략은 검출 가능한 엔진 노킹(즉, 가청 엔진 노킹)만 포착하는 가속도계 기반의 노크 센서를 이용하고, 연소 동조(combustion phasing)가 "노킹과는 거리가 멀도록" 타이밍을 늦춤으로써 큰 마진을 사용하며, 따라서 덜 효율적인 연소 동조를 포함하는 비효율성을 초래한다.
본 개시 내용은, 예를 들어, 엔진 실린더에서의 더욱 완전한 연소 이벤트를 생성하도록, 말단 가스와 같은 전파 화염 전면과의 접촉에 의해 점화되지 않는 공기/연료 혼합물의 자동 점화 및 연소를 제어하기 위하여, 실시간 연소 피드백 및 점화 타이밍의 제어, 배기 가스 재순환(EGR) 속도 또는 양, 흡기 매니폴드 온도, EGR 온도, 연료(예를 들어, 수소, 프로판, 가솔린, 디젤 또는 기타) 조성 또는 농축, 또는 이들의 조합을 다른 파라미터들의 제어와 함께 사용하는 것을 설명한다. 예를 들어, 자동 점화를 억제하려고 시도하기 위하여 실린더로 상당한 양의 배기 가스를 단순히 추가하는(연소 효율을 감소시킴) 대신에, 본 발명은 일시에 또는 동시에, 또는 제어되거나 그루핑된 방식으로 연소하도록 자동 점화 이벤트를 동조시키기 위하여 실린더에서의 이전(예를 들어, 직전) 연소 이벤트의 연소 메트릭에 기초하여 점화 타이밍, 실린더로의 배기 가스 공급 및/또는 실린더로 공급되는 연료의 조정을 설명한다. 그리고, 일부 예에서, 자동 점화 이벤트는 전파 화염 전면과 함께 연소되도록 동조되며, 이는 엔진 노킹이 없거나 낮은 가능성의 엔진 노킹으로 실린더에서 더 짧은 연소 지속 시간과 더 완전한 연소를 생성한다. 공기/연료 충전물의 이러한 부분의 자동 점화를 제어하는 것은 제어되지 않는(따라서 강한) 노킹으로 인한 손상을 완화시키고, 엔진 노킹 없이 공기/연료 충전물 부분의 자동 점화를 달성하고, 연소 사이클의 연소 지속 시간을 단축하고, 연소되지 않으면 불량한 연소 종(예를 들어, 미연소 탄화수소(UHC), 메탄, 일산화탄소(CO) 또는 기타 가스)을 연소시키고, 더 나은 효율에 기여할 수 있다.
주기 간 제어가 없는 경우, EGAI는 "조절되지 않는" 진행으로 노킹이 없는 상태로부터, 약한 노킹, 강한 노킹으로 빠르게 진행될 가능성이 있다. 본 명세서에서 제안되는 것은 자동 점화로 안정적인 작동점을 유지하지만, 제어되지 않는 제멋대로의 강한 노킹 및 사전 점화의 임계값 아래로 유지하는 것이다. 요약하면, EGAI가 없는 것과 심한 파괴적인 노킹 사이에 작동 가능하고 우리가 작동하도록 제안하는 윈도우가 있다(예를 들어, 불안정한 항공기를 안정적으로 유지시키기 위하여 빠른 제어 조정의 사용에 의해 불안정한 항공기를 비행시키는 것과 유사하며, 안정성 제어가 꺼져 있는 경우에는 이는 반드시 추락할 것이다).
일부 예에서, 연소 사이클로부터 측정된 열 방출 속도는 전파 화염 전면과의 접촉에 의해 점화되기 전에 점화되는 공기/연료 혼합물의 자동 점화 이벤트의 존재 및 타이밍을 나타낼 수 있다. 점화 타이밍 또는 실린더에 공급되는 배기 가스의 양이나 온도를 조정하는 것은 엔진 동력 출력에 유익한(또는 적어도 양호한) 연소 단계 동안의 특정 단계로 공기/연료 혼합물의 일부의 자동 점화의 타이밍을 특정된 단계로 조정할 수 있고 및/또는 연소 이벤트 동안 실린더 내의 공기/연료 충전물의 연소 지속 시간(또는 연소 속도)를 조정할 수 있다. 점화 타이밍 및/또는 배기 가스 재순환량 및/또는 온도를 조정하는 것은 자동 점화 발생을 화염 전면의 진행과 더 잘 조절하도록 동조시키고 및/또는 통합 버스트(consolidated burst)에서 동시적으로 함께 점화하도록 자동 점화 발생을 동조시킴으로써(예컨대, 특정 크랭크 각도에서 피크에 도달하거나 특정 범위의 크랭크 각도에 걸쳐 연소하도록) 실린더 내에서 더욱 완전한 연소 이벤트를 촉진할 수 있다. 소정의 경우에, 주 공기/연료 혼합물에서의 연료와 같거나 다른 추가 연료가 자동 점화 발생의 동조 및 연소 지속 시간에 영향을 미치기 위해 추가될 수 있다. 예컨대, 수소가 실린더에 추가될 수 있다. 마이크로 파일럿 점화 엔진에서, 마이크로 파일럿 연료 타이밍은 자동 점화 발생의 동조 및 연소 지속 시간에 영향을 미치도록 제어될 수 있다. 또한, 소정의 경우에, 추가 파라미터가 자동 점화 발생의 동조 및 연소 지속 시간에 영향을 미치도록 제어될 수 있다. 이러한 추가 파라미터는, (a) 수소, 디젤 연료 또는 심지어 엔진 오일이나 가솔린과 같은 반응성이 더 높은 연료의 훈증(fumigation), (b) 충전물을 점화하는 제2 분사가 이어질 수 있는 파일럿 디젤의 조기 분사(흡기 밸브 폐쇄에 가까움)(따라서, 조기 분사된 연료 부분은 상대적으로 미리 혼합되어 전파 화염의 압력과 온도의 조합이 시딩된 입자 없이 발생할 수 있었던 것 이상으로 향상된 EGAI로 이어지는 연소를 제공할 때 "폭발할(go off)" 준비가 되어 있다), (c) 실린더 최소 부피 및 이에 따른 압축비를 조정하는 것, (d) 가변 밸브 타이밍을 이용한 유효 압축비의 정도 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일부 경우에, 고주파 실린더 내 센서는 엔진 실린더의 압력, 온도 및 기타 파라미터를 측정하고, 동반 컨트롤러 또는 엔진 제어 유닛(ECU)에 의해 처리된다. 컨트롤러/ECU는, 특정 경우에, 0.25도 크랭크와 같이 정밀한 분해능으로 고속 실린더 데이터를 처리하는 능력을 가지며, 연소를 모니터링하고, 실시간으로, 즉 엔진을 제어하기 위한 제어 루프 내의 사용에 충분한 엔진 작동 및 전류와 동시에 연소 진단을 필터링하고 평균화할 수 있는 매립된 프로세서를 포함한다. 일부 경우에, "실시간" 작동은 컨트롤러/ECU가 동일한 실린더의 바로 이어지는 연소 사이클을 제어할 수 있을 만큼 충분히 빠르게 실린더 내 센서 데이터를 처리할 수 있도록 하는 것이다. 컨트롤러/ECU에 의해 계산된 실시간 연소 메트릭은 하나 이상의 실린더 내의 압력 및/또는 온도의 크랭크 각도 또는 시간에서의 위치를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 컨트롤러/ECU는 엔진 실린더에서의 다음 연소 사이클 이전에 엔진 실린더에서의 연소 단계의 단열(adiabatic) 열 방출 속도를 계산할 수 있다. 단열 열 방출 속도는, 10%, 50%, 90% 또는 기타 퍼센트의 연소 동안 연소된 사이클 당 질량 분율(각각, CA10, CA50(연소 중심(CoC)이라고도 알려져 있음), CA90 및 CAX)의 크랭크 각도 또는 시간에서의 위치, 사이클당 연소의 지속 시간 및 IMEP(indicated mean effective pressure), 폴리트로픽 계수(K, 실린더의 압축 품질을 표시함) 및/또는 연소 안정성(IMEP의 COV)와 같은 압력 신호 및/또는 온도 신호로부터 유도된 기타 연소 진단 메트릭과 함께 실린더별 기반으로 계산된다.
컨트롤러/ECU는 열 방출 속도에서의 열 방출 피크의 개수와 위치, 그리고 스파크 점화(또는 다른 주요 점화 소스)에 의해 생성된 화염 핵의 전파 화염 전면과의 접촉에 의해 점화되기 전에 자동 점화되는 실린더 내의 공기/연료 충전물의 일부인 말단 가스의 자동 점화를 나타내는 열 방출 속도에서의 변곡점을 더 식별할 수 있다. 그 다음, 컨트롤러/ECU는 변곡점의 타이밍, 자동 점화로 인한 열 방출 속도에서의 피크 또는 피크들의 타이밍과 지속 시간 또는 열 방출의 다른 양태를 제어하기 위하여 연소 파라미터를 조정할 수 있다. 제어된 파라미터는 실린더 내의 스파크(또는 다른 점화 소스)의 타이밍, 실린더에 공급되는 배기 가스의 양, 실린더에 공급되는 배기 가스의 온도, 실린더에 공급되는 추가 연료의 양 및/또는 (예컨대, CAC 바이패스를 통한) 흡기 충전물의 온도 중 적어도 하나를 포함한다. 또한, 다른 파라미터가 실린더 내의 연소를 제어하기 위하여 조정될 수 있다. 자동 점화 이벤트의 조정된 타이밍은 말단 가스의 자동 점화가 양호하도록(즉, 엔진 노킹 또는 실질적인 엔진 노킹을 일으키지 않음) 선택될 수 있고, 소정의 경우에, 스파크 점화 연소의 열 방출 속도 피크와 일치하거나 실질적으로 일치하도록 자동 점화 열 방출 속도의 피크를 동조시킴으로써 연소에 훨씬 유익하게 기여한다. 이 자동 점화 이벤트 타이밍의 이점은 빠른 연소가 없다면 실린더/피스톤/헤드 벽면과, 피스톤 팽창에 기인하고 심지어 상부 피스톤 링 위의 틈새 영역에서 숨은 후 연소실로 복귀하는 미연소 가스에 기인하여 벌크 난류 및 온도가 떨어지는 곳 근처에 있는 가스를 연소시키기 위한 빠른 연소를 포함한다. 이러한 연소되기 어려운 가스의 빠른 연소는 연소되지 않으면 미연소된 채로 배출될 수 있는 가스를 연소시킴으로써 (효율적으로 이점을 제공할 수 있는) 감소된 연소 지속 시간, CA50/COC의 발전 및 개선된 연소 효율을 이어지며, 효율성을 높이고 배출량을 줄이는 이익을 얻는다.
일부 경우에, 자동 점화 이벤트는 실린더 내의 피스톤의 TDC에 또는 그 이후에, 함께, 일시에 또는 동시에 또는 통합 버스트에서(시간 또는 크랭크 각도 위치에서 다수의 개별적이고 이격된 시점에 발생하는 여러 번의 자동 점화 이벤트에 반대됨) 발생하도록 제어될 수 있다. 이 통합 버스트에서 전파 화염 전면의 열 방출 속도와 동조하여 발생하도록 자동 점화 이벤트를 제어하는 것은 실린더 내의 연소 단계의 연소된 공기/연료 혼합물의 전체 질량 분율을 증가시킬 수 있으며, 또한 화염 핵의 전파 화염 전면과의 접촉에 기인하는 연소되지 않은 공기/연료 혼합물 부분의 동시 연소로 인하여 연소 지속 시간을 단축시킨다.
일부 경우에, 엔진 시스템은 ECU를 포함하거나, 이에 연결되거나(예를 들어, 동반 컨트롤러로서), 이와 통합되고 고주파 실린더 내 센서와 통신하는 매립된 실시간 연소 진단 및 제어(RT-CDC) 프로세서를 포함할 수 있다. RT-CDC는 연소 메트릭을 결정하기 위하여 실린더 내 측정값(예컨대, 압력, 온도 또는 기타)를 사용하고, 엔진의 연소 사이클로부터 연소 파라미터를 출력할 수 있다. 연소 파라미터는, 점화기 생성 화염 핵의 전파 화염 전면에 의해 연소되지 않는 공기/연료 충전물 부분의 자동 점화 특성을 결정하고 실린더 내의 자동 점화 이벤트를 제어하기 위하여(이상적으로는 최적화하기 위하여) 후속 연소 단계에서 점화 타이밍(spark timing) 및/또는 실린더로의 배기 가스 공급 및/또는 연료 추가에 대한 조정을 제공하는데 사용될 수 있는 열 방출(전체 열 방출 및 열 방출 속도를 포함함)을 포함할 수 있다. 기본 엔진 제어(예컨대, 연료, 점화 및/또는 EGR의 제어)는 배기 가스에서의 산소 센서로부터의 입력과 스로틀 위치 센서를 갖는 MAF 또는 MAP를 이용하여 ECU에 의해 수행되고 및/또는 기본 엔진 제어는 RT-CDC로부터의 연소 메트릭을 이용하여 수행된다. 기본 엔진 제어 뿐만 아니라, 이 알고리즘에 의해 수행되는 제어(예컨대, 점화 타이밍, EGR 및/또는 연료 농축 조정)가 조정된다. 또한, 조정(예컨대, 점화 타이밍, EGR 및/또는 연료 농축을 조정하는 것)의 양은 기본 엔진 제어에 따라 달라진다. 예컨대, EGR은 자동 점화를 제어하도록 조정될 수 있지만, 엔진이 NOx 생성을 특정된 양 이하로 유지하는 정도까지만 조정된다.
도 1을 참조하면, 본 개시 내용의 양태들과 함께 사용 가능한 엔진 제어 시스템을 갖는 예시적인 엔진 시스템(100)이 도시된다. 엔진 시스템(100)은 엔진 제어 유닛(ECU)(102), 공기/연료 모듈(104), 점화 모듈(106)(예컨대, 스파크 모듈) 및 엔진(101)(여기에서, 왕복 엔진으로 도시됨)을 포함한다. 도 1은, 예컨대 내연 기관(100)을 도시한다. 본 개시 내용의 목적을 위해, 엔진 시스템(100)은 가스 연료 왕복 피스톤 엔진으로 설명될 것이다. 소정의 경우에, 엔진(101)은 천연 가스 연료로 작동한다. 엔진(101)은 연료의 유형(기체, 액체(예컨대, 가솔린, 디젤 및/또는 기타), 동일 상(phase) 또는 혼합 상 다중 연료 및/또는 다른 구성)과 엔진의 물리적 구성(왕복, 방켈 로터리 및/또는 기타 구성) 모두에서 임의의 다른 유형의 연소 엔진일 수 있다. 엔진 제어 유닛(102), 공기/연료 모듈(104) 및 점화 모듈(106)이 별도로 도시되어 있지만, 모듈(102, 104, 106)은 단일 모듈로 결합되거나, 다른 입력 및 출력을 갖는 엔진 컨트롤러의 일부일 수 있다.
왕복 엔진(101)은 엔진 실린더(108), 피스톤(110), 흡기 밸브(112) 및 배기 밸브(114)를 포함한다. 엔진(101)은 하나 이상의 실린더(108)(도 1에서는 하나만 도시됨)를 포함하는 엔진 블록을 포함한다. 엔진(100)은 실린더(108), 피스톤(110) 및 헤드(130)에 의해 형성된 연소실(160)을 포함한다. 점화기(120)(예를 들어, 스파크 플러그, 레이저, 고온 표면 점화기, 마이크로웨이브 점화기, 직접 연료 분사기 및/또는 다른 유형의 점화 소스 - 각각 프리 챔버를 갖거나 가지지 않음)가 점화 장치가 가연성 혼합물에 접근할 수 있게 하는 헤드(130) 내에 위치 설정된다. 점화기(120)의 점화 위치(122)는 연소실(160) 내에 위치 설정된다. 점화 플러그의 경우, 점화 위치(122)는 스파크 갭, 즉 사이에 작은 공간을 갖는 2 이상의 전극의 배열이다. 전류가 전극 중 하나에 인가될 때, 전극 사이의 작은 공간(즉, 스파크 갭)을 연결하는 전기 아크가 생성된다. 각각의 실린더(108) 내의 피스톤(110)은 상사점(TDC) 위치와 하사점(BDC) 위치 사이에서 이동한다. 엔진(101)은 피스톤(110)이 각각의 실린더(108) 내에의 TDC 위치와 BDC 위치 사이에서 이동하고 크랭크 샤프트(140)를 회전시키도록 각각의 피스톤(110)에 연결된 크랭크 샤프트(140)를 포함한다. TDC 위치는 최소 부피의 연소실(160)을 갖는 피스톤(110)의 위치(즉, 점화기(120) 및 연소실(160)의 상부에 가장 가까운 피스톤(110)의 접근)이고, BDC 위치는 최대 부피의 연소실(160)을 갖는 피스톤(110)의 위치(즉, 점화기(120) 및 연소실(160)의 상부로부터 가장 먼 피스톤(110)의 후퇴)이다.
실린더 헤드(130)는 흡기 통로(131) 및 배기 통로(132)를 획정한다. 흡기 통로(131)는 공기 또는 공기 및 연료 혼합물을 흡기 매니폴드(116)로부터 연소실(160)로 안내한다. 배기 통로(132)는 배기 가스를 연소실로부터 배기 매니폴드(118)로 안내한다. 흡기 매니폴드(116)는 흡기 통로(131) 및 흡기 밸브(112)를 통해 실린더(108)와 연통한다. 배기 매니폴드(118)는 배기 밸브(114) 및 배기 통로(132)를 통해 실린더(108)로부터 배기 가스를 수용한다. 흡기 밸브(112) 및 배기 밸브(114)는 전자적으로, 기계적으로(예를 들어, 캠 샤프트를 통해), 유압으로 또는 공압으로 제어되거나 다른 방식으로 제어될 수 있는 각각의 실린더에 대한 밸브 작동 어셈블리를 통해 제어된다. 일부 예에서, 흡기 매니폴드(116)는 흡기 매니폴드를 통해 연소실(160)을 향하여 흡기 통로(131) 내로 유입되는 공기 또는 공기/연료 충전물의 온도를 제어하기 위하여, 열교환기 또는 인터쿨러를 포함한다. 열교환기는 흡기 매니폴드(116)를 통해 흐르는 공기를 가열하거나 냉각하기 위해 공기가 열교환기의 핀(fin) 또는 다른 구조를 가로질러 전도할 수 있게 한다. 흡기 매니폴드(116)는, 흡기 매니폴드(116)로부터의 공기 충전물의 온도 제어를 위하여, 선택적으로 공기 충전물을 열교환기로 전송하거나 전송하지 않는 밸브를 포함할 수 있다. 소정의 경우에, 배기 매니폴드(118)는 배기 매니폴드(118)에서 배기 가스의 온도를 제어하는 바이패스 충전 냉각기로 지칭되는 열교환기를 포함한다. 일부 예에서, 열교환기는 배기 가스 및 더 차가운 유체(예를 들어, 주변 공기, 엔진 냉각수 또는 다른 더 차가운 유체) 사이에서 열을 교환한다. 배기 매니폴드(118)는 배기 충전물의 온도 제어를 위해 바이패스 냉각기를 통해 선택적으로 충전 가스를 전송하거나 전송하지 않는 밸브를 포함할 수 있다.
소정의 경우에, 엔진(101)은 4행정 엔진이다. 각각의 실린더(108) 내의 TDC 위치 및 BDC 위치 사이의 피스톤(110)의 이동은 흡기 행정, 압축 행정, 연소 또는 동력 행정 및 배기 행정을 정의한다. 흡기 행정은 흡기 밸브(112)가 열려 있고 공기 또는 연료/공기 혼합물이 흡기 통로(131)를 통해 연소실(160) 내로 흡입된 상태에서 점화기(120)로부터 멀어지는 피스톤(110)의 이동이다. 압축 행정은 연소실(160) 내에 공기 또는 공기/연료 혼합물이 있고 흡기 밸브(112)와 배기 밸브(114)가 모두 닫힌 상태에서 점화기(120)를 향하는 피스톤(110)의 이동이고, 이에 의해 피스톤(110)의 이동이 연소실(150) 내의 연료/공기 혼합물을 압축할 수 있게 한다. 연소 또는 동력 행정은 점화기(120)가 점화 위치(122)에서 연소실 내의 압축 연료/공기 혼합물을 점화할 때 압축 행정 이후에 발생하는 점화기(120)로부터 멀어지는 피스톤(110)의 이동이다. 점화된 공기 혼합물은 연소되어 연소실(160) 내의 압력을 빠르게 상승시켜, 점화기(120)로부터 멀어지는 피스톤(110)의 이동에 팽창력을 가한다. 배기 행정은 연소 행정 이후에 피스톤(110)이 배기 통로(132)를 통해 배기 매니폴드(118)로 연소 가스를 배출할 수 있게 하도록 배기 밸브(114)가 열린 상태에서의 점화기(120)를 향한 피스톤(110)의 이동이다.
엔진(100)은, 연료를 흡기 매니폴드(116)와 흡기 통로(131) 내로, 또는 직접 연소실(160) 내로 안내하기 위하여, 연료 분사기, 가스 혼합기 또는 기타 연료 공급 장치와 같은 연료 공급 장치(124)를 포함한다. 도 1의 예시적인 엔진 시스템(100)에서, 연료 공급 장치(124)는 흡기 통로(131)에 연결되어 흡기 통로(131)에 연료를 제공한다. 일부 경우에, 엔진(100)은 연소실(160) 내로 (직접적으로 또는 간접적으로) 2개의 연료 공급원을 갖는 이중 연료 엔진이다. 예를 들어, 이중 연료 엔진은 실린더 내의 공기/연료 충전물에 제2 연료를 제공하는 제2 연료 공급 장치를 포함할 수 있다. 제2 연료 공급 장치는 공기/연료 모듈(104), ECU(102) 또는 이 둘 모두에 연결되고 이에 의해 제어되어 실린더에 수소 농축 용액(또는 다른 연료 농축물)을 선택적으로 제공할 수 있다. 일부 경우에, 스로틀 밸브(126)가 흡기 통로(131)를 통한 공기 또는 공기/연료 혼합물의 유량을 적어도 부분적으로 제어하기 위해 흡기 통로(131)에 배치된다.
일부 예에서, 엔진 시스템(100)은 피스톤/실린더를 갖지 않는 다른 유형의 내연 기관(101), 예컨대 방켈 엔진(즉, 연소실 내의 로터)을 포함할 수 있다. 일부 경우에 엔진(101)은 각각의 연소실(160)에 2개 이상의 점화기(120)를 포함한다.
엔진 시스템(100)의 작동 동안, 즉 연소실(160) 내의 연소 이벤트 동안, 공기/연료 모듈(104)은 연소실(160)에 들어가기 전에 흡기 매니폴드에서의 유입 공기의 흐름에 연료를 공급한다. 점화 모듈(106) 또는 스파크 모듈은 피스톤(110)의 각각의 연속적인 압축 및 연소 행정 사이의 일련의 점화 이벤트 동안 연소실(160) 내의 연료/공기 혼합물의 연소를 개시하는 점화 위치(122)에서의 점화 이벤트의 생성 타이밍을 조절함으로써 연소실(160) 내의 공기/연료 혼합물의 점화를 제어한다. 각각의 점화 이벤트 동안, 점화 모듈(106)은 점화 타이밍을 제어하고 점화기(120)의 1차 점화 코일에 전력을 제공한다. 공기/연료 모듈(104)은 연료 분사 장치(124)를 제어하고, 엔진 실린더(108)의 연소실(160)에 목표 비율로 공기와 연료를 전달하도록 스로틀 밸브(126)를 제어할 수 있다. 공기/연료 모듈(104)은 엔진 제어 모듈(102)로부터 피드백을 수신하고 공기/연료 비율을 조정한다. 점화 모듈(106)은, 예를 들어, 점화기(120)와 전기적으로 연결되고 전원으로부터 전류가 공급되는 점화 코일의 작동을 제어함으로써 점화기(120)를 제어한다. ECU(102)는 엔진 속도 및 부하에 기초하여 그리고 아래에 개시되는 본 시스템의 양태에 더하여 점화 모듈(106)의 작동을 조절한다.
일부 경우에, ECU(102)는 ECU(102)의 하나 이상의 프로세서에 의해 실행되는 통합 소프트웨어 알고리즘으로서 점화 모듈(106) 및 공기/연료 모듈(104)을 포함하고, 이에 의해 엔진(101) 전체에 걸쳐 위치될 수 있는 하나 이상의 센서(도시 생략)로부터 수신된 입력에 응답하여, 엔진 시스템(100)을 단일 하드웨어 모듈로서 작동시킨다. 일부 경우에, ECU(102)는 연료/공기 모듈(104) 및 점화 모듈(106)의 설명된 작동에 대응하는 별도의 소프트웨어 알고리즘을 포함한다. 일부 경우에, ECU(102)는 연료/공기 모듈(104) 및 점화 모듈(106)의 설명된 기능의 구현 또는 제어를 보조하는 개별 하드웨어 모듈을 포함한다. 예컨대, ECU(102) 점화 모듈(106)은 점화기(120)의 점화 코일로의 전류 전달을 조절하기 위해 주문형 집적 회로(ASIC)를 포함할 수 있다. 예컨대, 크랭크 샤프트 센서, 엔진 속도 센서, 엔진 부하 센서, 흡기 매니폴드 압력 센서, 실린더 내 압력 센서 등을 포함할 수 있는 복수의 센서 시스템이 엔진(101)의 작동 파라미터를 모니터링하기 위해 존재한다. 일반적으로, 이러한 센서들은 엔진 작동 파라미터에 응답하여 신호를 생성한다.
예를 들어, 크랭크 각도 센서(171)는 크랭크 샤프트(140)의 각도 위치를 나타내는 신호를 판독하고 생성한다. 예시적인 실시예에서, 고속 압력 센서(172)는 엔진(100)의 작동 동안 실린더 내 압력을 측정한다. 센서(171, 172)는 감지를 용이하게 하기 위해 ECU(102)에 직접 연결될 수 있거나, 일부 경우에, 하나 이상의 센서로부터 고속 데이터를 획득하고 ECU(102)에 저속 데이터 출력을 제공하도록 구성된 실시간 연소 진단 및 제어(RT-CDC) 유닛과 결합된다. 일부 경우에, 본 명세서에 설명된 점화 제어는 ECU(102) 및 점화 모듈(106)의 작동을 제공하는 독립형 점화 제어 시스템이다. 또한, 다른 센서가 엔진 시스템(100)에 포함될 수 있고, 본 명세서에 설명된 시스템은 위에서 언급된 작동 파라미터의 하나 이상 또는 모두를 감지하는 것을 용이하게 하도록 2 이상의 이러한 센서를 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 엔진 시스템(100)의 엔진 제어 시스템(200)의 개략도이다. 도 2는 별도의 동반 RT-CDC(211)와 함께 엔진(101)을 제어하도록 구성된 엔진 제어 시스템(200) 내의 ECU(102)를 도시한다. 다른 경우에, RT-CDC(211)의 기능은 ECU(102)에 의해 수행될 수 있다. 위에서 나타낸 바와 같이, 고속 압력 데이터(272)는 각각 엔진(101)의 연소실(160)에 직접 접근하도록 장착된 하나 이상의 압력 센서(172)에 의해 생성된다. 압력 신호(272)는 높은 크랭크 동기 속도로, 예를 들어 0.25° 분해능 또는 엔진(101)의 사이클당 2880 샘플로 캡처된다. 일부 경우에 크랭크 각도 센서(171)는 고분해능 센서일 수 있지만, 다른 경우에는 합성 크랭크 각도 신호가 더 낮은 분해능의 크랭크 위치 신호로부터 생성될 수 있다. 예를 들어, 크랭크와 함께 회전하도록 장착된 디스크에서의 톱니의 가장자리의 통과를 감지하여 크랭크 각도 신호(215)를 생성하는 통상적인 크랭크 각도 센서(또는 크랭크 각도 인코더)에서, 크랭크 위치의 분해능은 톱니의 개수에 기초한다. 통상적인 일반적인 60-2 톱니 바퀴의 분해능은 6°이다. 그러나, 일부 경우에, 가장자리 사이의 공간에서 크랭크 각도를 결정하기 위하여 보간이 이용될 수 있다. 따라서, 가장자리 사이의 간격은 이전에 관찰된 톱니 주기를 원하는 각도 샘플링 분해능을 달성하는 데 필요한 가장자리의 개수로 나눈 값을 이용한다. 평균 엔진 속도가 일정할 때에도 보일 수 있는 크랭크 톱니 사이의 사소한 변동을 해결하기 위하여, 인코더 시스템은 각각의 가장자리에서 재동기화된다.
일부 경우에, 결과적인 고분해능 압력 신호(272)는, 아래에서 더욱 상세히 논의되는 바와 같이, 예를 들어, IMEP, Pmax, CA50, CAX, 연소 품질 및 연소 강도인 매 실린더, 매 사이클 기반의 연소 진단(218)을 생성하기 위하여 실시간 연소 진단 및 제어(RT-CDC)(211) 모듈에서의 연소 진단 루틴에 의해 사용된다. 연소 진단(218)의 메트릭은 엔진 제어 액추에이터 설정(219)(예를 들어, 스파크 타이밍, EGR 등)을 변조함으로써 연소 성능 특성을 조정하기 위한 피드백 신호로서 ECU(102)에 의해 후속적으로 사용된다.
RT-CDC(211)는 연소 메트릭의 결정을 위해 하나 이상의 프로세서와 함께 작동하고, ECU(102)에 포함되지 않은 경우, 엔진 제어를 위하여 하나 이상의 프로세서와 함께 작동하는 ECU(102)와 통신한다. RT-CDC(211)는 크랭크 각도 센서(171), 압력 센서(172), 온도 센서(도시 생략) 및/또는 엔진(101)에 연결된 다른 센서로부터 입력을 받아들인다. 각각의 실린더에 대해, RT-CDC(211)는 센서(171, 172)로부터의 입력 데이터로부터 연소 메트릭을 계산한다. RT-CDC(211)에서, 각각의 실린더에 대하여, 하나 이상의 프로세서가 엔진 기하학적 구조를 통한 벡터를 포함하는 모든 상수를 정의하고, 그 다음, 실린더 내 측정값(예를 들어, 압력, 온도, 크랭크 각도)이, 일부 경우에, 샘플링 레이트 윈도우에 의해 정의된 특정된 샘플링 레이트로 캡처된다. 다음으로, 원시 압력 데이터가 대응하는 크랭크 각도에 따라 벡터로 분석되고, 연소 메트릭이 미리 정의된 벡터와 압력 벡터를 이용하여 계산된다. 마지막으로, 열 방출 속도와 연소 지속 시간(즉, 10%, 50%, 90% 연소)이 계산된다.
RT-CDC(211)는 실린더당 연소 메트릭의 결과를 저장하고, 말단 가스(즉, 화염 핵의 전파 화염 전면과의 접촉에 의해 점화되지 않는 공기/연료 혼합물 부분)의 자동 점화 이벤트를 제어하는 목표 연소를 만족하기 위하여 이중 연료 엔진을 작동시키도록 실시간 열 방출 계산을 이용한다. 예를 들어, 점화 타이밍은 실시간 열 방출 계산을 통해 결정될 수 있으며, 점화 타이밍, 배기 재순환 속도 및/또는 기타 파라미터는 엔진 실린더의 다음 연소 사이클에서 동조 목표(phasing target)을 달성하기 위하여 ECU(102)에 의해 조정된다. 일부 예에서, 목표 크랭크 각도(CAX2, 여기에서 X2가 특정됨)는 목표 퍼센트의 연소 열 에너지가 방출되는 크랭크 각도에 대응하고, 실시간 열 방출 계산에 통해 결정되며, ECU(102)는 설정점을 만족하도록 엔진 제어 파라미터를 조정한다. 일부 경우에, ECU(102)는 점화 타이밍 및/또는 배기 연료 재순환 속도를 조정함으로써 설정점을 만족한다.
선택적으로, 그리고 아래에서 더욱 상세히 논의되는 바와 같이, RT-CDC(211)[또는 RT-CDC(211)의 기능을 갖는 ECU(102)]는, 최대로 허용 가능한 프로세서 및 메모리를 갖는 표준 자동차 생산 ECU에 적합하면서, 각각의 사이클 동안 각각의 실린더 마다 15개 이상의 연소 메트릭의 처리를 가능하게 하는 고효율 처리 방법을 사용할 수 있다. 특히, 실린더 압력 센서로부터의 압력 판독값의 벡터는 실린더가 연소 사이클에 있는 위치에 따라 다른 분해능으로 샘플링된다. 따라서, 벡터는 가장 중요한 시간 동안에만 가장 높은 분해능으로 샘플링되고, 처리되는 데이터의 전체 양이 감소된다. 또한, 데이터는 모든 실린더에 대해 동일한 메모리로부터 수집되어 처리될 수 있다.
일부 경우에, 연소 동조 메트릭, 예를 들어, 열 방출 중심(CA50, 모든 사이클에 대한 열 방출 속도의 고속 처리로부터 유도된 메트릭)의 동시 제어는 연소 에너지 메트릭(예를 들어, IMEP)의 동시 제어와 함께 연소 트리거 동조(예를 들어, 스파크 어드밴스 또는 디젤 분사 시작)의 작동으로 수행된다. 이 동시 제어는 디젤 구성에서의 실린더 내에서 또는 예를 들어 천연 가스 또는 가솔린의 포트 내 분사에서의 실린더 외에서 연료 작동을 동해 달성된다.
일부 경우에, 압력 신호로부터 유도된 압축 및 팽창 폴리트로픽 계수의 실시간 처리는 고품질 열 방출 속도 계산에 대하여 사용된다. 열 방출 속도 계산은 전동 압력 곡선(motored pressure curve)의 계산을 통한 압축 곡선 품질의 진단을 포함한다. 전동 압력은 연소가 없는 실린더 내의 압력이다. 열 방출 속도는 예상 압축 곡선으로부터의 편차를 통해 실린더 및 압력 센서 품질에서의 변화를 진단하고, 엔진 실린더에서의 자동 점화를 나타낼 수 있다. 일부 경우에, 링 및/또는 밸브 조임으로 인한 압력 센서 또는 실린더 압축 품질의 표류율(rate of drift)를 결정하기 위해 폴리트로픽 상수가 시간에 대하여 기록된다.
실린더 내 압력을 이용한 예시적인 가스 엔진 제어
오늘날의 전형적인 가스 엔진, 예를 들어 천연 가스 엔진은, 공연비(AFR) 제어를 위한 공장 내 캘리브레이션과 함께 고정된 스파크 타이밍으로 작동된다. 이러한 통상적인 구성은 양호한 노킹 마진을 제공하고 작동 중인 점화 엔진에서의 배출 기준을 만족할 수 있다. 그러나, 일부 엔진에 대하여, 스파크 타이밍 및 AFR은 연소 중심 또는 CA50(50% 연료 연소의 시간)이 상사점 이후(ATDC) 15°와 20° 사이의 상대적으로 지연된 위치에서 유지되도록 설정된다. 이러한 설정은 보수적인 것으로 간주되며, 최악의 상정되는 연료 가스 품질이 엔진 손상 노킹으로 이어지지 않도록 설정된다. 이러한 유형의 캘리브레이션에서, 제공된 노크 센서는 극한 조건에서만 사용된다; 그렇지 않으면, 노킹 징후는 상대적으로 낮다. 이 구성의 결과는 NOx 배출 기준을 만족하면서 '양호한 연료'로 작동하는 엔진(즉, 높은 메탄가(MN) 덕분에 낮은 노킹 경향을 가짐0)이 작동 중인 시간의 대부분 또는 전부 동안에 최적 연료 소비 미만으로 작동하고 있는 것이다. 잠재적인 연비(fuel economy)의 이러한 손실은, 예를 들어, 1 내지 4%만큼 높을 수 있다.
대조적으로, 일부 엔진은 노크 센서가 연소 동조 제어를 위해 더 의도적으로 사용되는 더욱 적극적인 전략을 사용한다. 가벼운 노킹 지점까지 연소 동조를 앞당기는 것이 최상의 연료 효율성을 제공한다고 가정한다. 이는 높은 사이클 간 변동을 갖는 J-갭 점화 플러그의 경우 특히 그렇다. 이러한 시스템에서, 연료 품질이 MN에서의 감소에 따라 변경되면, 노킹이 컨트롤러에 등록되는 때가 있고, 적합한 스파크 타이밍 또는 AFR 린(lean)을 수용하는 것이 달성될 수 있다. 이 전략은 노크 센서 작동에 따라 다르다. 추가적으로, 프리챔버 점화 플러그 및 연료 공급 프리챔버와 같은 더 나은 점화 방법으로 갈 때, 사이클 간 변동이 더 작고 연소 속도가 더 빠른 경우, "약한 노킹"의 상태는 지나치게 앞당겨진 연소가 될 것이며 덜 효율적일 것이다.
추가적으로, 전술된 2가지 구성에서는 실린더 압력을 기계적 한계 미만으로 유지하거나 압력 상승 속도의 비율을 기계적 한계 미만으로 유지하는 방법이 없다. 게다가, 연료 품질 또는 AFR이 반대 방향, 즉 불량한 연소 및 불발(misfire)로 이어질 때, 통상적으로 기존 엔진에서의 유일한 검지 방법은 실린더 배기 포트 온도를 모니터링하는 것에 의한다. 그러나, 높은 온도는 늦은 연소를 나타내고 매우 낮은 온도는 불발을 나타내기 때문에, 이것은 모호한 모니터링 상태를 초래한다. 또한, 불발은 순간적인 샤프트 속도 변화로 표시되며, 이는 불발의 진단으로서 낮은 온도 판독값을 확증하는 데 사용될 수 있다.
상기 시스템의 한 가지 문제는, 특히 연료 품질이 변할 때, 대기 조건이 변할 때 그리고 다른 엔진 파라미터가 연소 사이클 사이에서 변할 때, 일관성 있고 효율적인 연소로 엔진을 노킹 한계 미만으로 유지하고 있을 수 있다는 것이다. 아래에 상술되는 시스템은, 손상 노킹 한계 미만으로 유지하면서 제어된 자동 점화된 이벤트를 허용하도록, 사이클당 기반으로 엔진의 열 방출 속도와 전체 열 방출을 계산하고, 자동 점화 이벤트의 타이밍 및 위치를 결정하고, 스파크 타이밍, 연소 동조, 공기 품질(EGR), 공기/연료 충전불로의 수소 농축 및/또는 연소 지속 시간을 조정하기 위하여 실시간 실린더 내 연소 메트릭을 이용하여 문제를 해결한다.
자동 점화 이벤트 제어
일부 경우에, 연소 피드백 시스템[예컨대, RT-CDC(211) 및 ECU(102)]은 엔진 충전 상태(예컨대, MAT, MAP, EGR 속도 및 스파크 타이밍)의 식별과 그에 대한 제어를 제공하며, 이는 매우 반복 가능한 연소 이벤트에 매우 우수한 사이클 간 일관성(즉, IMEP의 낮은 COV)을 제공할 수 있다. 일부 예에서, 실린더 압력 측정값, 열 방출 속도 또는 다른 측정값들이 사이클 사이의 일관성 또는 일관성 부족을 결정하기 위해 다수의(예를 들어, 연속적인) 연소 사이클에 대해 차곡차곡 추적될 수 있다. 연소 사이클은 프리챔버와 같은 "저 COV 점화기(Low COV igniter)"에 의해 점화될 수 있다. 일관된 연소를 통해, 말단 가스 자동 점화 이벤트는 이러한 기능을 갖는 RT-CDC 211 또는 ECU(102)와 같은 연소 피드백 시스템을 사용하여 개별 열 방출 추적 뿐만 아니라 다중 사이클 평균 모두에서 볼 수 있어, 이의 이전 사이클 또는 평균을 모니터링함으로써 다음 사이클의 제어를 가능하게 한다. 일부 경우에, 측정된 열 방출 속도는 전파 화염을 통해 연소하는 공기/연료 충전물의 분율(즉, 1차 화염 핵으로부터의 전파 화염 전면)과 자동 점화 이벤트를 통해(전파 화염에 의한 것이 아님) 연소하는 공기/연료 충전물의 분율로 분할될 수 있다. 측정된 열 방출로부터, 연소 단계에서의 하나 이상의 자동 점화 이벤트가 식별될 수 있고, 실린더 내의 스파크 타이밍, 실린더에 공급/재순환되는 배기 가스의 양(또는 속도), 실린더에 공급/재순환되는 배기 가스의 온도, 흡기 매니폴드 온도 또는 다음 사이클의 연소 단계에 대하여 실린더에 공급되는 공기/연료 충전물로의 연료(예컨대, 수소) 농축물 또는 마이크로 파일럿 분사의 양(또는 속도) 중 적어도 하나가 다음 연소 사이클에서의 자동 점화 이벤트를 제어하기 위하여 조정될 수 있다.
예컨대, 도 3은 예시적인 정상 연소 및 예시적인 말단 가스 자동 점화(EGAI) 연소를 도시하는 실린더에 대한 열 방출 대 크랭크 각도의 그래프(300)다. 특히, 도 3은 정상(화염 전면 점화) 연소(312) 및 EGAI(314)에 대한 크랭크 각도에 걸친 예시적인 열 방출 속도의 제1 플롯(310)과, 정상 연소(322) 및 EGAI(324)에 대한 크랭크 각도에 걸친 예시적인 전체 열 방출의 제2 플롯(320)을 도시한다. 제2 플롯(320)은 제1 플롯(310)의 열 방출 속도의 적분이다. 제1 플롯(310) 및 제2 플롯(320)에서, 크랭크 각도는 BTDC 20도 내지 ATDC 80도의 범위를 가진다. 제1 플롯(310)에 표시된 바와 같이, 말단 가스 자동 점화에 대한 열 방출 속도는 대략 80 내지 90%의 연료가 전파 화염에서 연소되는 지점에서 대략 ATDC 30도로부터 발산한다. 이 발산은 곡선(314)의 제2 피크에서 명확하게 도시된다. 제2 플롯(320)의 적분 곡선(322, 324)을 참조하면, 서로로부터의 전체 곡선의 이탈 지점은 대략 전체 열 방출 곡선(324)의 변곡점이고, 여기에서 기울기는 대략 ATDC 20로부터 앞으로 나아가는 322의 아래로 오목한 기울기에 반대로 "위로 오목하다. 이것은, 정상 연소(312)의 열 방출 속도의 경우, 속도는 개시로부터 ATDC 15 주위의 피크까지 증가하고, 그 지점에서, 실린더 내의 온도 및 난류 레벨을 낮추는 피스톤의 팽창으로 인하여 그리고 피스톤과 실린더 라이너 온도가 더 낮은 주변부로 이동하는 가연 가스로 인하여, 연소 속도가 늦어진다는 것을 의미한다. 한편, 제2 곡선(314)은 말단 가스의 동시적인 제어되고 통합된 자동 점화를 보여주며, 이는 ATDC 15에서의 피크 이후 열 방출 속도에서의 이러한 단조 감소에서의 변화를 초래한다. 이 말단 가스 연소 속도는 말단 가스의 자동 점화 이벤트와 연관된다. 연소하기 어려운 가스(즉, 전파 화염 전면과의 접촉에 의해 점화되지 않는 말단 가스)가 실제로 동시에 폭발하면, 유익한 것으로 간주된다. 그 결과는 더 짧고 더 완전한 전체 연소 이벤트이고, 이는 더 높은 효율성과 더 낮은 배출에 좋다.
이 자동 점화 이벤트를 제어하기 위해, RT-CDC(211)[또는 RT-CDC 기능을 갖는 ECU(102)]는, 일례가 75% 연소(즉, 75b)일 수 있는, Xb 연소 분율(여기서 X는 특정된 % 연소)의 위치를 모니터링하기 위하여 실시간 연소 피드백을 제공할 수 있다. 소정의 경우에, 스파크 타이밍은 Xb 위치를 목표 설정점으로 유지하기 위해 빠른 루프에서 조정될 수 있다. 소정의 경우, EGR 속도는 빠른 파라미터의 "중간 범위"를 유지하기 위해 더 느린 루프에서 조정될 수 있다(즉, 특정된 설정점에서 스파크 어드밴스를 유지하도록 EGR 속도를 조정). 대안적으로 또는 추가로, EGR 속도는 열 방출 속도 또는 연소 지속 시간의 전체 폭을 조정하기 위해 제어 루프에서 사용될 수 있다. 일부 경우에, 스파크 타이밍이 고정되거나 느리게 변경되는 경우, EGR 속도가 Xb 지점을 특정 크랭크 각도로 제어하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어, EGR에서의 증가는 더 느린 연소 및 더 긴 연소 지속 시간에 위하여 연소를 감속하고, EGR에서의 감소는 더 빠른 연소 및 더 짧은 연소 지속 시간을 위하여 연소를 가속한다. 소정의 경우에, 수소 농축물 기타 연료 농축물이 적용 및 조정될 수 있으며, 예를 들어 더 빠른 연소 및 더 짧은 연소 지속 시간을 위하여 연소를 가속하도록 증가되거나, 더 느린 연소 및 더 긴 연소 지속 시간을 위하여 연소를 감속하도록 감소될 수 있다. 일부 예에서, EGR 온도, 흡기 매니폴드 온도 또는 둘 모두는 더 높은 충전물 온도가 연소를 앞당기고 더 빠르게 연소시키며, 더 낮은 충전물 온도는 연소를 늦추고 더 느리게 연소시키도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 자동 점화 이벤트의 제어는, 더 높은 EGR 온도가 더 짧은 연소 지속 시간과 EGAI 이벤트의 더 빠른 동조로 이어지고, 더 낮은 EGR 온도가 더 긴 연소 지속 시간과 더 늦은 EGAI 동조로 이어지도록 (제어된 EGR 냉각기 바이패스 속도를 통해) EGR 온도를 조정하는 것을 포함할 수 있다.
적극적으로 통제된 EGAI
도 4는 본 명세서에서의 개념이 적용될 때 예시적인 정상 연소 및 예시적인 말단 가스 자동 점화 연소를 도시하는 실린더에 대한 열 방출 대 크랭크 각도의 그래프(400)다. 그래프(400)는, 점화 타이밍, EGR 및/또는 기타 파라미터가 EGAI 연소를 앞당기고 더 높은 열 방출 속도, 더 높은 정규화된 연소 속도 및 더 짧은 연소 지속 시간을 생성하도록 제어되었다는 점을 제외하고는, 도 3의 그래프(300)와 유사하다. 그래프(400)는 정상 연소(412) 및 말단 가스 자동 점화를 이용한 연소(414)에 대한 열 방출 속도 대 크랭크 각도를 도시하는 제1 열 방출 비율 플롯(410)과, 정상 연소(422) 및 말단 가스 자동 점화를 이용한 연소(414)에 대한 적분된 열 방출을 도시하는 전체 열 방출의 제2 플롯(420)을 포함한다. 그래프(400)는 공기/연료 혼합물의 50% 이상이 자동 점화 이벤트에서 연소되는[적분 곡선(420)에서 0.5] 예시적인 적극적인 자동 점화 이벤트를 나타낸다. 특히, EGAI 연소는, 연소 단계에서 늦고 도 3에 도시된 바와 같이 분리되는 것이 아니라, 화염 전면 점화의 열 방출과 동시에 함께 일시로 발생하도록 앞당겨졌다. 다시 말해서, 점화 타이밍, EGR 및/또는 기타 파라미터는, EGAI 열 방출 속도에서의 증가가 화염 전면 점화 열 방출 속도가 감소하기 시작하거나 실질적으로 감소하기 전에 구축되기 시작하도록 EGAI 열 방출을 화염 전면 점화 열 방출에 통합하기 위하여 본 명세서에서의 개념에 따라 제어되었다. 결과적인 열 방출 속도는 도 3에 도시된 바와 같이 2개 대신에 1개의 피크만을 갖는다. 제1 열 방출 속도 플롯(410)은 대략 ATDC 15도 크랭크 각도에서 연소 곡선(414)의 변곡점을 도시하며, 여기에서 열 방출 속도는 위로 오목하게 전환되어, 실린더 내의 열 방출 속도에 대한 말단 가스 자동 점화의 영향을 나타낸다. 전체 열 방출 플롯(410)은 도 3의 순간적인 볼록한 곡률 없이 연속적인 오목한 성질을 갖는다. 일부 예에서, 진정한 삼각형 형상이 열 방출 속도 곡선(414)에서 달성되면(도 4에 도시 생략), 삼각형의 적분이 항상 위로 오목한 포물선이기 때문에, 전체 열 방출 곡선(414)은 최대 전체 열 방출에 근접할 때까지 일관되게 위로 오목할 것이다. 또한, 자동 점화 이벤트 곡선(414)의 동시 연소는 [정상 연소 곡선(412)과 비교하여] 연소 지속 시간의 단축을 생성한다.
도 4에 도시된 적극적인 경우에, 50%보다 많은 열 방출이 EGAI 이벤트에서 발생하여, EGAI 열 방출 속도(HRR)가 실제로 실린더 연소에서 1차 전파 화염 전면으로부터의 HPR보다 더 큰 거의 "삼각형" 형상의 열 방출 속도로서 나타낸다. 연소의 기본 원리는 전파 화염이 말단 가스를 단열적으로 압축하는 압력파를 생성하여, 반응 라디칼(예컨대, H2O2)가 구축된 후 나중에 연소되지 않은 연료를 연소하도록 격렬하게 트리거하는 높은 농도의 반응 라디칼을 생성하는 "OH 분기" 에피소드에서 붕괴하는 지점까지 저온 화학 반응을 가속한다는 것이다.
온-엔진 실험(On-Engine Experiment)
온-엔진 실험은 본 명세서에서의 개념에 따른 제어의 실행 가능성을 확인한다. 도 5는 실린더 압력 대 크랭크 각도의 제1 그래프(500) 및 열 방출 대 실린더 내의 크랭크 각도의 제2 그래프(520)를 도시한다. 도시된 것은 이전에 설명된 이론적 분석(예를 들어, 도 3 및 도 4)과 매우 유사하며, 여기에서 벨 유형 열 방출 속도(연소의 중심보다 더 느린 연소의 후반부를 특징으로 함) 대신에, EGAI를 이용하여, 연소의 후반부가 실제로 연소의 가장 빠른 부분이다. 이것은 말단 가스가 전파 화염보다 더 빨리 연소하고 있다는 것을 의미한다. 그 결과는 상당히 더 짧은 연소 지속 시간과 더 적은 연소되지 않은 탄소수소 및 더 적은 CO이지만, NOx가 증가되지 않는다(이는 전반부에서의 연소 속도에 의해 결정됨). 일부 예에서, 열 방출 속도에서의 낮은 사이클 간 변동은 여러 개의 순차적인 연소 단계에 걸쳐 유사하게 보이며, 이는 열 방출 속도 및 이에 따른 열 방출 파라미터를 모니터링하고 이들을 연소 제어를 위한 제어 루프 내에 넣는 것을 가능하게 한다.
EGAI 제어
EGAI를 제어하는 것은 연소 피드백으로 가능하다. 예컨대, RT-CDC(211)[또는 RT-CDC 기능을 갖는 ECU(102)]는 열 방출 속도에서 변곡점의 위치를 정의하기 위하여 특정된 파라미터 CAX2를 사용하고, 여기서 X2는 특정된 값이다. 예컨대, X2 위치는 특정 엔진, 작동 파라미터(예컨대, 연료 유형, 환경 및/또는 기타 파라미터), 목표 엔진 성능 및/또는 기타 인자에 기초하여 계산되고 및/또는 실험적으로 결정될 수 있다. 일부 경우에, 연소 열 에너지의 80%가 방출되는 크랭크 각도를 반영하는 CA80이 사용된다. 도 5의 그래프를 조사하면, 이 CA80 지점이 EGAI 열 방출 버스트와 일치하는 것이 명백하다. RT-CDC는 CAX2의 위치를 특정된 값으로 제어하기 위하여 스파크 타이밍을 이용할 수 있다. 대략 18도의 CAX2는 EGAI 버스트의 좋은 예시적인 위치다. 공교롭게도, 18도의 CAX2는 또한 양호한 작동점(ATDC 8도 내지 ATDC 13도의 CA50 사이에서 최적)이고 CA9 - CA10 = 연소 = 15.0 도의 매우 짧은 연소 지속 시간인 CA50에 대한 대략 12.5 도 ATDC의 양호한 전반적인 연소 동조를 제공한다. 순방향 연소 동조와 짧은 연소 지속 시간은 양호한 전체 효율에 기여한다. 또한, 달리 연소되지 않은 탄화수소(UHC)를 연소시키는 것도 효율성에 기여한다.
연소 지속 시간의 EGR 제어
일부 경우에, EGAI를 제어하는 것은 연소 지속 시간을 제어하기 위해 스파크 타이밍을 제어하는 것에 추가하여 또는 그 대신에 EGR(예컨대, 속도, 양, 온도 및/또는 타이밍)을 제어하는 것을 포함할 수 있다. 본 개시 내용에서, 제어 루프는 RT-CDC에 입력된 목표 연소 지속 시간을 수신할 수 있고, EGR 속도 또는 양은 목표 연소 지속 시간을 유지하도록 조정된다. 예컨대, 연소 지속 시간이 너무 길면 EGR 속도는 연소를 가속하기 위하여 감소되고, 연소 지속 시간이 너무 짧으면 EGR 속도는 연소를 늦추도록 증가된다.
일부 구현예에서, 엔진 시스템은 연료의 외부 소스로부터, 수소 농축물, 디젤 농축물, 가솔린 농축물 또는 프로판 농축물과 같은 추가 연료 공급을 포함할 수 있다. 연료가 실린더에 공급될 때 배기 가스의 반대 효과를 가지므로, 엔진 실린더에 대한 수소 공급의 제어는 연소 지속 시간에 영향을 미칠 수 있어, 예컨대, 연소 속도가 너무 느린 경우(임계 설정점 미만), 수소 농축물에서의 증가는 연소를 가속하고 연소 지속 시간을 감소시킨다. 또한, 반대도 마찬가지이며, 수소 농축물에서의 감소는 연소를 느리게 하고 연소 단계의 연소 지속 시간을 증가시킨다.
일부 예에서, 열 방출(속도 및 전체)은 RT-CDC에 의해 계산되고, 자동 점화 이벤트는 계산된 열 방출로부터 식별된다. 열 방출 백분율, 연소 지속 시간 또는 기타 값에서 크랭크 각도에 대해 지정된 값에 따라, RT-CDC의 제어 루프는 EGAI를 제어(즉, EGAI의 위치 및 분율을 제어)하기 위해 바로 다음 또는 이후의 연소 사이클의 엔진 파라미터를 조정할 수 있고, 이에 의해 특정된 값(들)을 향해 열 방출을 조정한다. 예를 들어, 식별된 하나 이상의 자동 점화 이벤트가 연소 단계 동안 특정 크랭크 각도보다 연소 사이클에서 더 늦게 시작한다고 결정될 수 있고, 따라서 실린더에서의 스파크의 타이밍은 자동 점화 이벤트를 특정 크랭크 각도로 전방으로 이동하도록 다음 사이클의 연소 단계에서 앞당겨질 수 있다. 다른 예에서, 식별된 하나 이상의 자동 점화 이벤트가 연소 단계 동안 특정 크랭크 각도보다 연소 사이클에서 더 일찍 시작한다고 결정될 수 있고, 따라서 실린더에서의 스파크의 타이밍은 자동 점화 이벤트를 특정 크랭크 각도로 후방으로 이동하도록 다음 사이클의 연소 단계에서 늦춰질 수 있다. 소정의 예에서, 식별된 하나 이상의 자동 점화 이벤트가 목표 연소 지속 시간보다 더 긴 연소 단계의 연소 지속 시간을 포함한다고 결정될 수 있고, 따라서 실린더로 공급되는 배기 가스의 양은 다음 사이클에서의 연소 지속 시간을 목표 연소 지속 시간을 향해 감소시키도록 다음 사이클의 연소 단계에서 감소될 수 있다. 다른 예에서, 식별된 하나 이상의 자동 점화 이벤트가 목표 연소 지속 시간보다 더 짧은 연소 단계의 연소 지속 시간을 포함한다고 결정될 수 있고, 따라서 실린더로 공급되는 배기 가스의 양, 온도 또는 양과 온도 모두는 다음 사이클에서의 연소 지속 시간을 목표 연소 지속 시간을 향해 증가시키도록 다음 사이클의 연소 단계에서 증가될 수 있다. 일부 예에서, 실린더 내의 스파크의 타이밍을 조정하는 것은, 크랭크 각도 위치에 대하여 전방으로 자동 점화 이벤트를 이동시키도록 다음 단계의 연소 단계에서의 스파크 타이밍을 앞당기는 것 및/또는 크랭크 각도 위치에 대하여 후방으로 자동 점화 이벤트를 이동시키도록 실린더에 공급되는 배기 가스의 양, 온도 또는 양과 온도 모두를 줄이는 것을 포함할 수 있다. 소정의 경우에, 식별된 하나 이상의 자동 점화 이벤트가 목표 연소 지속 시간보다 긴 연소 단계의 연소 지속 시간을 포함한다고 결정될 수 있고, 따라서 다음 사이클의 연소 단계에서 연소 지속 시간을 감소시키고 목표 연소 지속 시간에 접근하도록 농축 연료(예를 들어, 수소, 디젤, 가솔린, 프로판 및/또는 기타)가 다음 사이클의 연소 단계에 대하여 실린더에 제공된다.
일부 경우에, RT-CDC는 다중 파라미터 제어를 수행하고, 예를 들어, 목표 연소 지속 시간을 달성하고 CAx% 지점(예를 들어, CA75)이 목표 위치가 되도록 이를 위치시키기 위하여 점화 타이밍 및 열/화학적 특성(예를 들어, EGR 속도, EGR 온도, 수소 첨가, 흡기 매니폴드 온도, 프로판과 같은 다른 반응성 연료의 첨가 또는 이들의 조합) 모두의 제어를 수행한다. 일부 예에서, 연소 지속 시간이 더 느리지만 동일한 CA75를 유지하는 것이 바람직한 경우, 스파크 점화는 앞당겨져야 한다. 일부 구현예에서, 2개의 액추에이터 경로를 이용하여 다중 파라미터 제어를 조정하는 것이 바람직하다(예를 들어, 점화 타이밍 및 열/화학적 조정).
도 6은 예시적인 컨트롤러(600)의 블록도이다. 예시적인 컨트롤러(600)는 도 1의 ECU(102) 또는 도 2의 엔진 제어 시스템(200)으로서 사용될 수 있다. 제어 시스템(600)은 프로세서(610), 메모리(620), 저장 장치(630) 및 하나 이상의 입/출력 인터페이스 장치(640)(하나가 도시됨)를 포함한다. 각각의 컴포넌트(610, 620, 630, 640)는, 예를 들어 시스템 버스(650)를 사용하여 상호 연결될 수 있다.
프로세서(610)는 컨트롤러(600) 내에서 실행을 위해 명령어를 처리할 수 있다. 여기에서 사용된 "실행"이라는 용어는 프로그램 코드가 프로세서로 하여금 하나 이상의 프로세서 명령어를 수행하게 하는 기술을 지칭한다. 일부 구현예에서, 프로세서(610)는 단일 스레드 프로세서이다. 일부 구현예에서, 프로세서(610)는 다중 스레드 프로세서이다. 프로세서(610)는 메모리(620) 또는 저장 장치(630)에 저장된 명령어를 처리할 수 있다.
메모리(620)는 컨트롤러(600) 내에 정보를 저장한다. 일부 구현예에서, 메모리(620)는 컴퓨터 판독 가능한 매체이다. 일부 구현예에서, 메모리(620)는 휘발성 메모리 유닛이다. 일부 구현예에서, 메모리(620)는 비휘발성 메모리 유닛이다.
저장 장치(630)는 컨트롤러(600)를 위한 대용량 저장 장치를 제공할 수 있다. 일부 구현예에서, 저장 장치(630)는 비일시적인 컴퓨터 판독 가능한 매체이다. 다양한 상이한 구현예에서, 저장 디바이스(630)는, 예를 들어, 하드 디스크 장치, 광 디스크 장치, 솔리드 스테이트 드라이브, 플래시 드라이브, 자기 테이프 또는 일부 다른 대용량 저장 장치를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 저장 장치는 저장 장치에 저장된 것으로 본 출원에서 설명된 데이터와 같은 장기 데이터를 저장할 수 있다. 입/출력 인터페이스 장치(640)는 입/출력 동작을 컨트롤러(600)에 대한 제공한다. 일부 구현예에서, 입/출력 인터페이스 장치(640)는 예를 들어 이더넷 인터페이스인 네트워크 인터페이스 장치, 예를 들어 RS-232 인터페이스인 직렬 통신 장치 및/또는 예를 들어 802.11 인터페이스, 무선 모뎀 등인 무선 인터페이스 장치를 포함할 수 있다. 입/출력 인터페이스 장치(640)는 컨트롤러(600)가 데이터 버스를 이용하여 예를 들어, 엔진 센서 데이터와 같은 데이터를 통신할 수 있게, 예를 들어 송신 및 수신할 수 있게 한다.
프로그램 모듈/소프트웨어는, 실행 시, 하나 이상의 처리 장치가, 예를 들어, 실린더 내 압력, 온도 및/또는 기타 측정된 파라미터의 고속 샘플링에 기초한 엔진 실린더의 연소 사이클의 열 전달 속도 및 전체 열 전달의 실시간 계산인 위에서 설명된 프로세스 및 기능을 수행하게 하는 명령어에 의해 실현될 수 있다. 이러한 명령어는, 예를 들어, 스크립트 명령어 또는 실행 코드와 같은 인터프리트된 명령어 또는 컴퓨터 판독 가능한 매체에 저장된 다른 명령어를 포함할 수 있다.
일부 예에서, 컨트롤러(600)는 단일 집적 회로 패키지 내에 포함된다. 프로세서(610) 및 하나 이상의 다른 컴포넌트 모두가 단일 집적 회로 패키지 내에 포함되고 및/또는 단일 집적 회로로서 제조되는 이러한 종류의 컨트롤러(600)는 때때로 마이크로컨트롤러로 지칭된다. 일부 구현예에서, 집적 회로 패키지는, 예를 들어 하나 이상의 입/출력 인터페이스 장치(640)로 그리고 그로부터 신호를 통신하는데 사용될 수 있는, 입/출력 포트에 대응하는 핀(pin)을 포함한다.
예시적인 처리 시스템이 도 6에서 설명되었지만, 위에서 설명된 내용 및 기능적 작동의 구현예는, 다른 유형의 디지털 전자 회로로 구현되거나, 본 명세서에 개시된 구조 및 이의 구조적 등가물을 포함하는 소프트웨어, 펌웨어 또는 하드웨어로 구현되거나, 이들 중 하나 이상의 조합으로 구현될 수 있다. 아티팩트를 저장, 유지 및 디스플레이하는 것과 같은 본 명세서에 설명된 내용의 구현은, 처리 시스템에 의한 실행을 위하여 또는 처리 시스템의 동작을 제어하기 위하여, 하나 이상의 프로그램, 즉 예를 들어 컴퓨터 판독 가능한 매체인 유형의 프로그램 캐리어에 인코딩된 하나 이상의 프로그램 명령어 모듈로서 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 매체는 기계 판독 가능한 저장 장치, 기계 판독 가능한 저장 기판, 메모리 장치 또는 이들 중 하나 이상의 조합일 수 있다.
"컨트롤러"라는 용어는, 예로서 프로그래머블 프로세서, 컴퓨터(예를 들어, 엔진 컨트롤러) 또는 다중 프로세서나 컴퓨터를 포함하는, 데이터를 처리하기 위한 모든 장치, 디바이스 및 기계를 포함할 수 있다. 처리 시스템은, 하드웨어에 더하여, 논의 대상인 프로그램을 위한 실행 환경을 생성하는 코드, 예를 들어, 프로세서 펌웨어, 프로토콜 스택, 데이터베이스 관리 시스템, 운영 체제 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 구성하는 코드를 포함할 수 있다.
프로그램(소프트웨어, 소프트웨어 애플리케이션, 스크립트, 실행 가능한 로직 또는 코드로도 알려짐)은 컴파일되거나 인터프리트된 언어 또는 선언적이거나 절차적 언어를 포함하는 임의의 형태의 프로그래밍 언어로 작성될 수 있으며, 독립 실행형 프로그램 또는 모듈, 컴포넌트, 서브루틴 또는 컴퓨팅 환경에서의 사용에 적합한 기타 단위를 포함한 모든 형태로 배포될 수 있다. 프로그램이 반드시 파일 시스템 내의 파일과 대응하지는 않는다. 프로그램은 다른 프로그램이나 데이터(예를 들어, 마크업 언어 문서에 저장된 하나 이상의 스크립트)를 보유하는 파일의 일부로, 논의 대상인 프로그램에 전용인 단일 파일로 또는 다수의 조직화된 파일(예를 들어, 하나 이상의 모듈, 하위 프로그램 또는 코드 부분을 저장하는 파일)로 저장될 수 있다. 프로그램은 하나의 컴퓨터/컨트롤러 또는 상호 연결된 다수의 컴퓨터/컨트롤러에서 실행되도록 배포될 수 있다.
프로그램 명령어 및 데이터를 저장하기에 적합한 컴퓨터 판독 가능한 매체는 모든 형태의 비휘발성 또는 휘발성 메모리, 매체 및 메모리 장치를 포함하며, 예로서 반도체 메모리 장치, 예를 들어 EPROM, EEPROM 및 플래시 메모리 장치; 자기 디스크, 예를 들어 내부 하드 디스크 또는 이동식 디스크 또는 자기 테이프; 자기 광 디스크; 및 CD-ROM, DVD-ROM 및 Blu-Ray 디스크를 포함한다. 프로세서와 메모리는 특수 목적 논리 회로에 의해 보완되거나 통합될 수 있다.
두문자어/약어:
ATDC = 상사점 후 BTDC = 상사점 전
CA50 = 50% 질량 분율 연소의 위치(ATDC 크랭크 각도)
CAN = 컨트롤러 영역 네트워크(controller area network)
COV = 변동 계수(coefficient of variation)
ECU = 엔진 제어 유닛 EGR = 배기 가스 재순환
EGRT = 배기 가스 온도(EGR 냉각기 이후)
EGAI = 말단 가스 자동 점화 HCCI = 균질 충전 압축 점화
IMEP = 표시된 평균 유효 압력(bar)
IVC = 흡기 밸브 폐쇄 각도 LTC = 저온 연소
MAP = 매니폴드 절대 압력(bar) MAT = 매니폴드 절대 온도(K)
NOx = 질소 산화물 PCCI = 예혼합 충전 압축 점화
Ploc = 피크 압력 위치(ATDC 크랭크 각도)
Pmax = 최대 실린더 압력(bar) R&D = 연구 개발
RCCI = 반응성 제어 압축 점화
RPR = 압력 상승률(바/크랭크 각도)
RT-CDC = 실시간 연소 진단 및 제어
SOC = 연소 시작(ATDC 크랭크 각도)
SI = 스파크 점화
도 7은, 예를 들어, 도 2의 엔진 제어 시스템(200)에 의해 수행되는 내연 기관에서 점화를 제어하고 도 1 및 2의 예시적인 엔진(101)을 제어하는 예시적인 방법(700)을 설명하는 순서도이다. 702에서, 엔진의 실린더 내의 연소 파라미터가 실린더 내의 공기/연료 충전물을 점화한 후에 실린더의 연소 단계 동안 측정된다. 704에서, 예컨대 다음 사이클의 연소 단계 전에, 실린더 내의 연소의 열 방출이 측정된 파라미터에 기초하여 계산된다. 706에서, 공기/연료 충전물의 하나 이상의 자동 점화 이벤트가 계산된 열 방출에 기초하여 식별된다. 708에서, 식별된 하나 이상의 자동 점화 이벤트에 적어도 부분적으로 기초하여, 다음 연소 단계에서의 공기/연료 충전물의 자동 점화 이벤트가 특정 크랭크 각도를 향해 이동하게 하도록 엔진의 작동이 제어된다. 일부 경우에, 엔진의 작동을 제어하는 것은 실린더의 다음 연소 단계에 대하여 실린더 내의 점화 타이밍을 제어하는 것 또는 실린더의 다음 연소 단계에 대하여 실린더에 공급되는 배기 가스의 특성을 제어하는 것을 포함한다. 배기 가스의 특성은 배기 가스의 양 또는 온도를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 엔진의 작동을 제어하는 것은, 실린더의 다음 연소 단계에 대한 실린더 내의 점화 타이밍, 실린더의 다음 연소 단계에 대하여 실린더에 공급되는 배기 가스의 양, 실린더의 다음 연소 단계에 대하여 실린더에 공급되는 배기 가스의 온도, 실린더의 다음 연소 단계에서 실린더 내의 공기/연료 충전물에 제공되는 추가 연료의 양 또는 공기/연료 흡기 매니폴드의 온도 중 하나 이상을 제어하는 것을 포함한다.
도 8은, 예를 들어, 도 2의 엔진 제어 시스템(200)에 의해 수행되는 엔진을 제어하고 도 1 및 2의 예시적인 엔진(101)을 제어하는 예시적인 방법(800)을 설명하는 순서도이다. 802에서, 엔진의 실린더 내의 실린더 내 압력이 실린더 내의 공기/연료 충전물의 연소 동안 측정된다. 804에서, 실린더 내 압력 측정에 기초하여, 전파 화염 전면에 의한 공기/연료 충전물의 점화외에 공기/연료 충전물의 자동 점화가 결정된다. 806에서, 점화 타이밍, 배기 가스 재순환 또는 실린더로의 보조 연료 공급 중 적어도 하나가 자동 점화의 타이밍을 특정 타이밍을 향해 변경하도록 제어된다.
일부 예에서, 방법(700 또는 800)은 EGR 밸브 또는 EGR 흡입 장치 및 밸브를 통해 EGR 유량을 제어하는 것, EGR 냉각기 바이패스를 통해 EGR 온도를 제어하는 것, 충전 공기 냉각기 바이패스를 통해 흡기 매니폴드 온도(즉, MAT)를 제어하는 것 또는 이들의 조합을 제어를 포함할 수 있다.
다수의 실시예가 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 다양한 변형이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 다른 실시예들이 다음 청구범위의 범위 내에 있다.

Claims (33)

  1. 내연 기관에서 연소를 제어하는 방법으로서:
    실린더 내의 공기/연료 충전물(charge)을 점화한 후, 실린더의 연소 단계 동안 엔진의 상기 실린더 내의 연소 파라미터를 측정하는 단계;
    측정된 상기 파라미터에 기초하여 실린더 내의 연소의 열 방출(heat release)을 계산하는 단계;
    계산된 상기 열 방출에 기초하여, 공기/연료 충전물의 자동 점화 이벤트를 식별하는 단계; 및
    식별된 상기 자동 점화 이벤트에 적어도 부분적으로 기초하여, 다음 연소 단계에서의 공기/연료 충전물의 자동 점화 이벤트가 특정 크랭크 각도를 향해 이동하게 하도록 엔진의 작동을 제어하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자동 점화 이벤트를 식별하는 단계는, 공기/연료 충전물의 일부의 자동 점화를 나타내는 열 방출에서의 변곡점을 식별하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 엔진의 작동을 제어하는 단계는, 실린더의 다음 연소 단계에 대하여 실린더 내의 적어도 하나의 점화 타이밍을 제어하는 단계 또는 실린더의 다음 연소 단계에 대하여 실린더에 공급되는 배기 가스의 특성을 제어하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  4. 제3항에 있어서, 식별된 자동 점화 이벤트가 특정 크랭크 각도 후에 발생한다고 결정하는 단계를 포함하고;
    실린더 내의 점화 타이밍을 제어하는 단계는, 자동 점화 이벤트를 특정 크랭크 각도를 향해 더 일찍 이동시키기 위해 상기 실린더의 다음 연소 단계에서 점화 타이밍을 앞당기는 단계를 포함하는 것인 방법.
  5. 제3항에 있어서, 식별된 자동 점화 이벤트가 특정 크랭크 각도보다 상기 연소 단계에서 더 일찍 발생한다고 결정하는 단계를 포함하고;
    실린더 내의 점화 타이밍을 제어하는 단계는, 자동 점화 이벤트를 특정 크랭크 각도를 향해 더 늦게 이동시키기 위해 상기 실린더의 다음 연소 단계에서 점화 타이밍을 늦추는 단계를 포함하는 것인 방법.
  6. 제3항에 있어서, 실린더에 공급되는 배기 가스의 특성을 제어하는 단계는, 실린더에 공급되는 배기 가스의 양 또는 배기 가스의 온도 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  7. 제6항에 있어서, 실린더 내의 연소가 특정 연소 지속 시간보다 긴 연소 지속 시간을 갖는다고 결정하는 단계를 포함하고;
    실린더에 공급되는 배기 가스의 양을 제어하는 단계는, 실린더의 다음 연소 단계에서 실린더에 공급되는 배기 가스의 양을 감소시켜 상기 특정 연소 지속 시간을 향해 연소 지속 시간을 감소시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
  8. 제6항에 있어서, 실린더 내의 연소가 특정 연소 지속 시간보다 짧은 연소 지속 시간을 갖는다고 결정하는 단계를 포함하고;
    실린더에 공급되는 배기 가스의 양을 제어하는 단계는, 실린더의 다음 연소 단계에서 실린더에 공급되는 배기 가스의 양을 증가시켜 상기 특정 연소 지속 시간을 향해 연소 지속 시간을 증가시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 실린더 내의 연소가 특정 연소 지속 시간보다 긴 연소 지속 시간을 갖는다고 결정하는 단계를 포함하고;
    상기 엔진의 작동을 제어하는 단계는, 공기/연료 충전물에 추가 연료를 보충하거나 실린더의 다음 연소 단계에서 실린더에 제공되는 추가 연료의 양을 조정하여 상기 특정 연소 지속 시간을 향해 상기 연소 지속 시간을 감소시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 엔진의 작동을 제어하는 단계는, 실린더 내의 연소 또는 식별된 자동 점화 이벤트 중 적어도 하나에 적어도 부분적으로 기초하여, 실린더의 다음 연소 단계에 대한 실린더로의 마이크로 파일럿 연료 분사의 타이밍을 제어하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 연소 파라미터를 측정하는 단계는, 엔진의 실린더의 실린더 내 압력 센서를 샘플링하는 단계를 포함하고;
    상기 연소의 열 방출을 계산하는 단계는, 실린더의 다음 연소 단계 이전에 상기 실린더 내 압력 센서로부터의 샘플에 기초하여 실린더 내의 연소의 열 방출 속도를 계산하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 엔진의 작동을 제어하는 단계는, 실린더의 다음 연소 단계에 대한 실린더에 내의 점화 타이밍, 실린더의 다음 연소 단계에 대하여 실린더에 공급되는 배기 가스의 양, 실린더의 다음 연소 단계에 대하여 실린더에 공급되는 배기 가스의 온도, 실린더의 다음 연소 단계에서 실린더 내의 공기/연료 충전물에 제공되는 추가 연료의 양, 또는 공기/연료 흡기 매니폴드의 온도 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  13. 내연 기관에서 점화를 제어하기 위한 엔진 제어 시스템으로서,
    프로세서; 및
    상기 프로세서에 연결되고 상기 프로세서가,
    (a) 실린더 내의 공기/연료 충전물을 점화한 후, 실린더의 연소 단계 동안 엔진의 실린더에 대한 연소 파라미터를 수신하는 동작;
    (b) 측정된 파라미터에 기초하여 실린더 내의 연소의 열 방출을 결정하는 동작;
    (c) 계산된 열 방출에 기초하여, 상기 공기/연료 충전물의 자동 점화 이벤트를 식별하는 동작; 및
    (d) 식별된 상기 자동 점화 이벤트에 적어도 부분적으로 기초하여, 다음 연소 단계에서의 상기 공기/연료 충전물의 자동 점화 이벤트가 특정 크랭크 각도를 향해 이동하게 하도록 엔진의 작동을 제어하는 동작
    을 포함하는 동작들을 수행하게 하도록 동작 가능한 명령을 저장하는 것인 비일시적인 컴퓨터 판독 가능한 매체
    를 포함하는 엔진 제어 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 엔진의 실린더 내의 압력을 측정하도록 구성된 압력 센서를 포함하는 엔진 제어 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 동작 (a)는 실린더 내 압력 센서를 샘플링하는 것을 포함하고, 동작 (b)는 실린더 내 압력 센서의 출력에 기초하여 연소 메트릭(metric)을 계산하는 것을 포함하며, 상기 연소 메트릭은 실린더 내의 연소의 열 방출 속도를 포함하는 것인 엔진 제어 시스템.
  16. 제13항에 있어서, 동작 (c)는 전파 화염 전면(propagating flame front)과의 접촉에 의해 점화되지 않은 공기/연료 충전물의 부분의 점화를 나타내는 열 방출에서의 변곡점을 식별하는 것과, 상기 변곡점에 대응하는 실린더 내의 피스톤의 크랭크 각도를 식별하는 것을 포함하는 것인 엔진 제어 시스템.
  17. 제13항에 있어서, 동작 (d)의 엔진의 작동의 제어는, 실린더의 다음 연소 단계에 대한 실린더 내의 적어도 하나의 점화 타이밍을 제어하는 것 또는 실린더의 다음 연소 단계에 대하여 실린더에 공급되는 배기 가스의 특성을 제어하는 것을 포함하는 것인 엔진 제어 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 동작 (d)는, 상기 자동 점화 이벤트가 상기 특정 크랭크 각도 후에 발생할 때 점화 타이밍을 앞당기는 것과, 상기 자동 점화 이벤트가 상기 특정 크랭크 각도 전에 발생할 때 점화 타이밍을 늦추는 것을 포함하는 것인 엔진 제어 시스템.
  19. 제17항에 있어서, 동작 (d)는, 실린더로의 마이크로 파일럿 연료 분사의 타이밍을 제어함으로써 점화 타이밍을 제어하는 것을 포함하는 것인 엔진 제어 시스템.
  20. 제17항에 있어서, 실린더에 공급되는 배기 가스의 특성을 제어하는 것은, 실린더에 공급되는 배기 가스의 양 또는 배기 가스의 온도 중 적어도 하나를 제어하는 것을 포함하는 것인 엔진 제어 시스템.
  21. 제13항에 있어서, 동작 (d)의 엔진의 작동의 제어는, 실린더의 다음 연소 단계에 대한 실린더 내의 점화 타이밍, 실린더의 다음 연소 단계에 대하여 실린더에 공급되는 배기 가스의 양, 실린더의 다음 연소 단계에 대하여 실린더에 공급되는 배기 가스의 온도, 실린더의 다음 연소 단계에서 실린더 내의 공기/연료 충전물에 제공되는 추가 연료의 양, 또는 공기/연료 흡기 매니폴드의 온도 중 적어도 하나를 제어하는 것 포함하는 것인 엔진 제어 시스템.
  22. 제13항에 있어서, 상기 동작들은,
    (e) 실린더 내의 연소가 목표 연소 지속 시간보다 긴 연소 단계의 연소 지속 시간을 포함한다고 결정하는 동작; 및
    (f) 상기 목표 연소 지속 시간보다 긴 연소 지속 시간에 기초하여 실린더의 다음 연소 단계에 대한 실린더로의 농축 연료의 공급을 제어하는 동작
    을 포함하는 것인 엔진 제어 시스템.
  23. 제13항에 있어서, 상기 동작들은 엔진의 각각의 실린더에 대하여 동작 (a) 내지 (d)를 반복하는 것을 포함하는 것인 엔진 제어 시스템.
  24. 엔진을 제어하는 방법으로서,
    실린더 내의 공기/연료 충전물의 연소 동안 엔진의 실린더 내의 실린더 내 압력을 측정하는 단계;
    실린더 내 압력 측정에 기초하여, 전파 화염 전면에 의한 공기/연료 충전물의 점화외에 공기/연료 충전물의 자동 점화를 결정하는 단계; 및
    점화 타이밍, 배기 가스 재순환 또는 실린더로의 보조 연료 공급 중 적어도 하나를 제어하여 특정 타이밍을 향해 상기 자동 점화의 타이밍을 변경하는 단계
    를 포함하는 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 특정 타이밍은 연소 지속 시간을 포함하는 것인 방법.
  26. 제24항에 있어서, 상기 특정 타이밍은 공기/연료 충전물의 연소로 인한 실린더 내의 열 방출이 하나의 피크를 갖게 하도록 선택된 타이밍을 포함하는 것인 방법.
  27. 제24항에 있어서, 상기 배기 가스 재순환을 제어하는 것은, 실린더에 공급되는 배기 가스의 양 또는 배기 가스의 온도를 제어하는 것을 포함하는 것인 방법.
  28. 내연 기관에서 점화를 제어하기 위한 엔진 제어 시스템으로서,
    프로세서; 및
    상기 프로세서에 연결되고 상기 프로세서가,
    (a) 실린더 내의 공기/연료 충전물의 연소 동안 엔진의 실린더 내의 실린더 내 압력 측정값을 수신하는 동작;
    (b) 상기 실린더 내 압력 측정값에 기초하여, 전파 화염 전면에 의한 공기/연료 충전물의 점화외에 공기/연료 충전물의 자동 점화를 결정하는 동작; 및
    (c) 점화 타이밍, 배기 가스 재순환 또는 실린더로의 보조 연료 공급 중 적어도 하나를 제어하여 특정 타이밍을 향해 상기 자동 점화의 타이밍을 변경하는 동작
    을 포함하는 동작들을 수행하게 하도록 동작 가능한 명령을 저장하는 것인 비일시적인 컴퓨터 판독 가능한 매체
    를 포함하는 엔진 제어 시스템.
  29. 제28항에 있어서, 상기 특정 타이밍은 연소 지속 시간을 포함하는 것인 엔진 제어 시스템.
  30. 제28항에 있어서, 상기 특정 타이밍은 공기/연료 충전물의 연소로 인한 실린더 내의 열 방출이 하나의 피크를 갖게 하도록 선택된 타이밍을 포함하는 것인 엔진 제어 시스템.
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