KR20050059327A - 주파수 변조 ｖｃｒ 엔진 - Google Patents

주파수 변조 ｖｃｒ 엔진 Download PDF

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Abstract

가변 체적의 압축 챔버(6) 및 동작 가능한 흡기 밸브(3)를 가지는 피스톤 연소 엔진의 토오크 변조를 위한 제어 방법이 제공된다. 미리 결정된 동작 조건에서의 요구 토오크는, 파워 행정이 실행되는 주파수의 선택과 조합되어 있는 흡기 밸브(3)의 개방 시간 및 폐쇄 시간의 선택과 조합되어 있는 압축 챔버(6)의 체적의 선택을 통해서 얻어진다.

Description

주파수 변조 ＶＣＲ 엔진 {A FREQUENCY MODULATED VCR-ENGINE}
본 발명은 가변 체적 및 동작 가능한 흡기 밸브를 구비한 압축 챔버를 가진 피스톤 점화 엔진의 토오크 변조를 위한 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명은 차량, 비행기, 보트, 배 등등의 추진 및 압축기, 유압 펌프, 전기 발전기 등등의 동작을 위한 오토(Otto) 및 디젤 엔진과 같은, 가변 부하에 영향을 받는 엔진에 적용 가능하다.
본 발명은 제어 시스템의 사용을 필요로 한다. 제어 시스템의 소프트웨어는 제어 시스템의 기능을 결정한다. 본 발명이 실행되는 수단으로의 소프트웨어는, 예를 들어 해당 엔진의 다른 특성 및 파라미터를 제어하기 위해 사용되는 거대 제어 시스템의 일부로서 적용될 수 있다.
지난 수십년 동안, 연료 분사 및 점화용 디지털 제어 시스템의 도입으로, 내연 엔진은 동작 효율을 향상시키고 환경에의 충격을 감소시키도록 발전해 왔다.
그러나, 상기 발전에도 불구하고, 동작 조건의 변화로 인해 평균 효율이 낮아지고 환경에의 영향은 커지는 문제점이 여전히 존재하고 있다. 또한 배출되는 배기 가스의 구성은 다양하여, 배기 가스를 정화시키는 것을 어렵게 만든다.
가변 압축비(VCR)가 효율을 향상시킨다는 것은 잘 알려져 있다. 또한, 자유롭게 동작 가능한 밸브, 소위 가변 밸브 액튜에이터(VVA)의 도입은 스로틀을 조정하여 흡기 행정 동안에 흡기 밸브의 빠른 폐쇄가 일어나게 하며, 즉 밀러 사이클, 또한 엔진 1회전의 짧은 시간 동안에 전체 실린더의 폐쇄가 일어나게 하며, 즉 주파수 변조 토오크 또는 스킵 사이클, 이는 실질적으로 효율을 향상시킨다는 것이 잘 알려져 있다.
도1은 본 발명의 방법이 실행되는 엔진의 예시 개략도이다.
본 발명의 목적은 가변 체적을 구비한 압축 챔버 및 동작 가능한 밸브를 가지며, 위에 언급한 단점을 줄이고 효율을 더욱 좋게 하고 환경에 영향을 덜 미치는 피스톤 내연 엔진의 토오크 변조를 위한 제어 방법을 제공하는 것이다.
소정의 동작 조건을 위한 요구 토오크는, 파워 행정이 실행되는 주파수의 선택 및 흡기 밸브의 개방 시간 및 폐쇄 시간의 선택과 조합되는, 압축 챔버 체적의 선택을 통해 얻어지는 것을 특징으로 하며, 이에 의해 정의되는 방법에 의해 본 발명의 목적이 달성된다.
발명자가 아는 한도에서는, 하나의 동일한 엔진에서 VCR 및 VVA 기술을 조합시키는 것이 이전에는 제안된 적이 없다. 바람직하게도 최대 압축 체적이 최대 부하에 적용된다. 부하의 감소시에는, 효율이 최적화될 때까지, 즉 어떤 적절한 조건에 대해 최대일 때까지, 흡기 밸브의 조기 폐쇄가 적용되는 동안 동시에, 압축 체적도 감소한다. 연속적으로 부하가 감소시에는 주파수 변조 토오크가 적용되며, 이에 의해 제어 시스템이 파워 행정의 주파수, 특성 또는 파라미터를 선택함으로써 요구 부하는 달성되고, 요구 부하는 최적 파워 효율이 달성되는 부하 수준으로부터 유지된다. 큰 토오크가 분당 낮은 회전수를 요구한다면, 2 행정 사이클이 사용되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따라 VCR이 VVA와 조합함으로써, 각각의 VCR 또는 VVA에 의해 달성될 수 있는 연료 소비율의 감소보다 더욱 연료 소비율이 감소되는 것과 같은 시너지 효과가 나타난다.
가변 압축비, 즉 VCR은 피스톤 및 피스톤의 상부 사점(dead point)에 있는 실린더 천정 사이의 체적의 변화를 말한다.
동작 가능한 밸브, 즉 가변 밸브 액튜에이터 VVA는 밸브의 개방과 폐쇄 시간 및 밸브 부양 또는 밸브 면적이, 밸브 제어 시스템으로부터 신호에 의해 활성화되는 밸브 액튜에이터에 의해 제어되는 밸브를 말한다. 동작 가능한 밸브는 공압, 유압, 전기 또는 어떤 다른 유사한 방법에 의해 활성화되는 밸브 액튜에이터를 가지고 있다.
파워 행정은 연소시 가스 팽창의 질량 에너지가 기계적인 일로 전달되는 행정을 말한다. 오늘날의 엔진에 있어서, 파워 행정은 최적화되거나 일반적인 사이클에 포함될 수 있다.
아이들링 행정은 가스 교환, 공기 공급 또는 연소가 일어나지 않는 행정이라고 말하는데, 이 동안에 어떤 일도 행해지지 않는다. 이 행정에서는, 마찰 및 열 손실에 의한 최소한의 손실만 있다. 아이들링 행정의 실행 동안에, 어떤 공기나 연료와 섞여진 공기도 엔진을 통해 공급되지 않는다. 흡기 밸브가 다시 개방될 때까지 공기가 공급되는 것을 막을 목적으로 아이들링 행정 동안에 폐쇄되어 있도록 하기 위해서는, 적어도 흡기 밸브가 동작 가능하다는 것을 전제로 한다.
파워 행정의 주파수는 엔진의 분당 회전수의 0에서 100% 까지 변화할 수 있다. 파워 행정이 각각의 엔진 회전에서 실행되고 나머지 행정은 아이들링 상태가 되도록 주파수를 선택할 수 있다. 이와 달리, 연속적으로 파워 행정이 실행되고 아이들링 행정은 각각의 엔진 회전시에 실행되도록 주파수를 결정할 수 있다. 요구 토오크는 센서에 의해 기록되고 제어 시스템으로 전달되며, 이에 의해 파워 행정을 실행시키는 주파수를 선택한다.
최적의 파워 행정은 설정되어 있는 경제적 및 환경적 조건과 연료 소비를 고려하여, 파워 행정 동안에 수행되는 일이 가능한 한 크게 되는 행정을 말한다. 최적의 파워 행정이 실행되도록 주파수를 선택하고 이에 의해 요구 토오크를 제공함으로써, 가능한 최고의 동작 효율이 달성된다.
4행정 사이클 동안에, 최적의 파워 행정은 오늘날의 보편적인 엔진에 비해 흡기 밸브의 조기 폐쇄, 즉 밀러 사이클을 포함하고, 배기 밸브의 개방은 통상적인 엔진에 비해 지연되는, 액킨슨 사이클을 포함한다. 압축 챔버의 이용은 주어진 조건에서 가능한 최고의 결과를 얻으려는 목적으로 선택되며, 압축 챔버의 체적은 최대 압축 챔버 체적의 약 20% 에서 80% 에 이르며, 상기 최대 체적의 30% 에서 50% 인 것이 바람직하다.
엔진 실험으로, 엔진의 분당 회전수 각각에서 적절한 파라미터 값을 결정하는 것이 가능하다. 이와 달리, 제어 시스템은 적응성(즉, self teaching)이 있을 수 있다.
배기 밸브가 개방될 때 실린더 압력은 가스 교환을 실행하는 목적으로 사용되므로, 2행정 사이클 동안의 최적의 파워 행정은 4행정 사이클 동안의 파워 행정과는 다르다. 빨리 개방된 배기 밸브는 배기 가스를 내보내는 펄스를 발생시키며, 이것은 차례로 실린더에서 낮은 압력, 즉 1 기압 이하의 압력을 생성한다. 배기 밸브의 폐쇄 및 저압 효과가 충분히 달성될 수 있는 시점에서 배기 밸브를 폐쇄하고 이어서 흡기 밸브를 개방함으로써, 그 다음 압축 행정 및 이에 따르는 파워 행정에 앞서 정확한 공기량이 공급될 수 있도록 한다. 또한, 최적의 파워 행정은 피스톤의 하부 사점에 연결되어서 노출되고 개방되어 있는 배기 포트의 사용에 의해 실행될 수 있다.
2행정 사이클 동안 가스 교환을 위해, 실린더 내의 저압과 조합하여 배수(flushing) 펌프를 전체적으로 또는 부분적으로 사용할 수 있다.
임의의 동작 조건에서, 예를 들어 최대 효과가 요구되거나 다른 제한 없는 조건에서는 최적의 파워 행정을 떼어놓을 필요가 있을 수도 있다.
연료들의 다른 특성 때문에 다른 최적 파워 행정을 가져오는 둘 이상의 연료를 사용함으로써, 엔진의 분당 소정의 회전수에서 최적의 파워 행정 파라미터의 일 조합보다 더 많은 조합이 가능하도록 엔진 및 엔진 제어 시스템이 설계될 수 있다. 가솔린 또는 에탄올과 같은 연료는 이런 조합의 예이다. 분당 각각의 회전수에서, 가솔린의 최적 파워 행정 파라미터의 조합이 있으며, 에탄올에서는 이와 다르다.
본 발명에 따르면, 특정한 분당 회전수의 매 파워 행정에서, 당해 분당 회전수의 다른 파워 행정에서와 동일량의 공기와 연료 및 동일 혼합의 공기와 연료가 연소에 사용되도록 공기 및 연료의 공급 시스템을 미리 설정해 둔다. 또한, 재활용 배기 가스의 가능한 양, EGR은 파워 행정에서는 동일하다. 따라서 연소 조건은 반복되며 동일하게 유지되기 때문에, 분당 소정의 회전수에서, 각각의 파워 행정은 동일한 일을 수행하고, 배기가스의 화학적 구성도 동일하게 되며, 배기가스 청소도 용이하게 된다.
4행정 사이클로 동작하는 통상의 피스톤 연소 엔진에서, 파워 행정의 연소는 2회전마다 발생하며, 2행정 사이클을 가지고 동작하는 엔진에서는 각각의 회전마다 발생한다. 공기 및 연소되지 않은 탄화수소와 같은 연료 여분이 엔진을 통해 공급되기 때문에, 이런 엔진의 가스 교환 시스템은 다른 행정의 간격이 부적당하게 되며, 효율이 낮아지고 환경에 영향을 미치게 된다. 본 발명 및 이의 장점을 활용하기 위해서, 밸브 및 가스 교환용 포트는 하나 이상의 연속적인 아이들링 행정 동안에 폐쇄될 수 있어야 하며, 이것은 부분 부하시에도 종종 그렇다. 따라서, 본 발명은 동작 가능한 밸브, 적어도 동작 가능한 흡입 밸브를 필요로 한다.
동작 가능한 밸브를 사용함으로써, 이에 의한 밸브의 개방 및 폐쇄, 가능한 한 밸브 부양은, 크랭크샤프트 위치 그리고/또는 피스톤 위치 및 분당 회전수 그리고 이와 관련된 전기적인 것들을 감지하는 센서를 구비한 디지털 제어 시스템에 의해 제어되며, 소프트웨어, 가스 교환 및 파워 행정은 필요시에만 실행될 수 있다. 나머지 시간에는 밸브, 적어도 흡기 밸브는 닫혀져 있다. 이것은 최적 파워 행정의 주파수가 요구 토오크를 달성하기 위해 선택되어 있다는 것을 의미한다.
제어 방법은 각 순간마다 요구 토오크를 감지하기 위한 디지털 제어 시스템을 사용한다. 만약, 이 토오크가 최적 파워 행정에 의해 달성될 수 있는 영역 내라면, 아이들링 상태로부터 50% 부하까지는 요구 토오크를 제공하도록 예정된 임의의 파워 행정 주파수가 제어 시스템에 의해 선택되는 것이 바람직하다. 분당 소정 회전수에서, 파워 행정은 실행되는 각 시간에 동일한 일을 제공한다. 따라서, 파워 행정 주파수가 토오크 값을 좌우하게 된다.
동작 가능한 밸브는 파워 행정 직전과 직후에 공기와 연료의 공급 및 배기 가스의 제거와 가스의 교환을 가능하게 한다. 각각의 회전에서 파워 행정이 실행되는 주파수를 선택하기 위해서, 가스 교환은 2행정 엔진처럼 각 회전시에 발생해야 한다.
또한, 가스 교환은 오늘날의 4행정 엔진에서처럼 실행될 수 있는데, 즉 흡기 행정을 적용함으로써 파워 행정이 2회전마다 발생되게 한다. 본 발명에 따르면, 2행정 사이클이나 4행정 사이클의 주파수 선택을 통해 또는 하나 이상의 2행정 사이클이 하나 이상의 4행정 사이클과 혼합되는 주파수를 통해서, 요구 토오크가 제공된다. 본 발명에 따르면, 파워 행정의 다른 주파수들은 다른 엔진 실린더에서 선택될 수 있다. 만약 배기 밸브는 동작 가능하지 않고 흡기 밸브만 동작 가능하다면, 이때에는 단지 4행정 사이클만이 실행될 수 있다.
예를 들어, 공통적이거나 유사한 방법으로 가스 페달을 사용하는 운전자가 증가 또는 감소 토오크를 요구하는 것에 대한 해결책으로써, 제어 시스템은 엔진의 아이들링 행정의 수에 대한 파워 행정의 비율을 제어하도록 배열되어 있다. 이에 의해, 흡기 밸브의 개방 및 폐쇄 시간 그리고 가능하다면 밸브 부양의 선택에 의해 공급되는 공기량 및 제어 가능한 간격 내에 압축 챔버의 체적을 제어하도록 제어 시스템이 배열되어 있으므로, 파워 행정은 위의 정의에 따라 최적화되어 있다.
엔진은 각 실린더의 아이들링 행정의 수에 대한 파워 행정의 수의 변화를 통해 제어되며, 이에 의해 실린더마다 다른 변화를 가지고 있다. 각 실린더의 연소 챔버에 있는 흡기 밸브 및 배기 밸브의 개방 및 폐쇄를 각각 제어함으로써, 만약 배기 밸브가 동작 가능하지 않다면 단지 흡기 밸브의 개방 및 폐쇄를 제어함으로써,제어 시스템은 엔진을 제어한다. 따라서, 흡기 밸브의 개방 및 폐쇄, 그리고 가능하다면 배기 밸브의 개방 및 폐쇄까지도 운전자에 의해 요구되는 토오크에 기초한다. 제어 시스템의 제어 유닛으로부터 제어 신호에 의해 제어가 실행된다. 만약 배기 밸브가 동작 가능하지 않다면, 파워 행정은 4행정 사이클에 적용되어야 한다. 만약 흡기 및 배기 밸브 모두 동작 가능한 밸브라면, 제어 시스템은 엔진의 실린더에서 4행정 사이클 및 2행정 사이클 사이에서 변하도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 하나의 실린더는 2행정 사이클로, 다른 하나는 4행정 사이클로 동작할 수 있다. 이에 기초하여 사이클을 선택하고 파워 행정의 임의의 주파수를 적용하기 위해, 제어 시스템은 어떤 조건에서 2행정 사이클 또는 4행정 사이클이 가장 효율적인지 계산하도록 배열되어야 한다. 따라서, 제어 방법은 주어진 조건에 기초하여 2행정 사이클 또는 4행정 사이클의 선택을 포함한다. 제어 시스템은 데이터 운반기에 배열되고, 이런 목적을 위한 컴퓨터 프로그램을 포함하는 제어 유닛을 포함한다. 제어 유닛은 적어도 흡기 밸브, 가능하면 배기 밸브도 제어하는 회로, 예를 들어 공압, 유압, 전자기 및 다른 형태의 액튜에이터 활성화를 위한 회로에 동작 가능하도록 연결되어 있다. 예를 들어, 제어 유닛은 엔진의 흡기 밸브 및 배기 밸브에 작용하는 액튜에이터의 활성화를 위한 회로에 배열된 솔레노이드를 제어하도록 배열될 수 있다. 제어 유닛은, 예를 들면 엔진 토오크의 증가 또는 감소에 관해 운전자가 명령을 내리는 수단인 가스 페달과 같은 요구 토오크를 제공하는 부재와 동작 가능하도록 연결되어 있다. 엔진의 다른 속성 및 파라미터를 제어하는 거대 시스템에서, 주파수 변조 토오크를 위한 제어 시스템은 예를 들어 경제 운전 모드에 상응하는 부품인 시스템의 부품이 될 수도 있다.
본 발명의 실행에 의해, 부하를 낮출수록 상대적으로 연료 소비율은 더욱 감소되며 환경에의 악영향은 더욱 작아지게 된다. 엔진 및 엔진의 제어 시스템은, 단지 하나의 제어 구성만으로 최적 파워 행정의 주파수가 다른 엔진의 전체 동작 간격까지 포괄할 수 있도록 설계될 수 있다.
본 발명을 벗어나지 않고, 연료의 혼합 그리고/또는 가스화를 향상시키기 위해, 일회전 이상의 동안에 공기나 공기 및 연료의 조합이 실린더로 공급되고 실린더에서 축적될 수 있다. 본 발명의 범위는 절대적인 파워 행정의 선택 또는 최적의 주파수 선택으로만 제한되는 것은 아니다.
도1은 피스톤(2)을 구비한 실린더(1)의 예시 개략도이다. 피스톤(2)은 4행정 사이클의 흡기 행정 동안에 움직이며, 공기는 연료와 함께 개방된 흡기 밸브(3)를 통해 들어온다. 배기 밸브(4)는 폐쇄되어 있다. VCR 피스톤(5)은 압축 챔버(6)의 체적을 변화시키기 위해 사용되는데, 상기 체적은 피스톤(2)과 피스톤(2)의 상부 사점에 있는 실린더(1)의 천정 사이의 체적이다. 공압 회로(7)는 밸브(3 및 4) 및 VCR 피스톤(5)을 동작하기 위한 액튜에이터의 활성화를 위해 사용된다. 제어 유닛(8)은, VCR 피스톤(5) 뿐만 아니라 회로 및 회로(7)에 연결되어 있는 밸브(3 및 4)를 신호에 의해 제어하기 위한 목적으로 회로(7)에 동작 가능하도록 연결되어 있다. 예를 들어 가스 페달과 같은 부재(9)는 토오크 명령을 제공할 목적으로 제어 유닛(8)에 동작 가능하도록 연결되어 있다. 크랭크 샤프트(11) 위에 장착된 등급이 있는(graded) 디스크(12)에 배열된 센서(10)는 제어 유닛(8)에 동작 가능하도록 연결되어 있으며, 분당 회전수 및 크랭크 샤프트의 위치 그리고/또는 실린더(1)에 있는 피스톤(2)의 위치에 관한 정보를 제공한다. 동작 가능한 밸브(3 및 4)가 개방되거나 폐쇄되어야 할 때를 제어 유닛(8)이 결정하고, 이 위치에서 피스톤(2)이 상부 사점(dead position)에 있을 때에는 VCR 피스톤(5)도 그렇게 되어야 한다. 동작 가능한 밸브(3 및 4)는 예를 들어 전자기적으로, 유압적으로, 공압적으로 활성화가 가능하다. VCR 피스톤(5)은 예를 들어 기계적으로, 유압적으로, 공압적으로 움직일 수 있다. VCR 피스톤(5)은 이 도면에 미도시된 크랭크 샤프트(11)에 연결될 수 있으며, 최적 압축을 달성하기 위해 피스톤(2)의 운동과 조화되는 VCR 피스톤의 가변 왕복 운동을 실행하도록 배열될 수 있다. 또한 자동 제어 시스템에서, VCR 피스톤(5)은 최적 압축을 실행하는 위치를 연속적으로 찾을 수도 있다.

Claims (12)

  1. 가변 체적의 압축 챔버(6) 및 동작 가능한 흡기 밸브(3)를 가지는 피스톤 연소 엔진의 토오크 변조를 위한 제어 방법이며,
    미리 결정된 동작 조건에서의 요구 토오크는, 파워 행정이 실행되는 주파수의 선택 및 흡기 밸브(3)의 개방 시간과 폐쇄 시간의 선택과 조합되는, 압축 챔버(6) 체적의 선택을 통해 얻어지는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 최대 부하에서는 최대의 압축 챔버 체적이 적용되며, 부하가 감소되면 압축 챔버 체적이 감소되고 흡기 밸브(3)의 폐쇄가 조기 실행되며, 부하가 더욱 감소되면 파워 행정의 주파수 선택이 실행되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 파워 행정의 주파수 선택은 아이들링 상태로부터 최대 부하의 50% 까지 실행되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 배기 밸브는 동작 가능하고, 압축 챔버(6)의 체적은, 배기 밸브와 흡기 밸브의 개방과 폐쇄 시간의 선택 및 파워 행정이 실행되는 주파수의 선택과 조합되어 선택되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 엔진은 복수의 실린더(1)를 가지며, 파워 행정의 다른 주파수는 다른 실린더를 위해 선택되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 파워 행정은 흡기 밸브의 조기 폐쇄로 실행되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 파워 행정은 배기 밸브의 지연 개방으로 실행되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 파워 행정의 주파수가 선택됨에 따라, 압축 챔버(6)의 체적은 최대 체적의 20% 내지 80%로 제어되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 파워 행정의 주파수가 선택됨에 따라, 압축 챔버(6)의 체적은 최대 체적의 30% 내지 50%로 제어되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 토오크와 독립적인 소정의 분당 회전수의 각각의 파워 행정에서, 다른 파워 행정에서와 대체로 동일한 양의 공기 및 연료 그리고 대체로 같은 비율의 공기 및 연료가 점화되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  11. 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 2행정 사이클 또는 4행정 사이클은 요구 토오크에 기초하여 선택되며, 파워 행정은 4행정 사이클뿐만 아니라 2 행정 사이클에서도 실행되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  12. 제1항에 있어서, 운전자로부터의 요구 토오크에 기초한 신호 제어에 의해, 파워 행정의 주파수, 밸브 시간, 밸브 부양, 압축 챔버(6)의 체적, 2행정 사이클 또는 4행정 사이클의 동작을 선택하는 컴퓨터 프로그램을 구비하는 제어 시스템(8)을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
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