KR20120109414A - 연소엔진, 청정공기시스템 및 관련 작동방법 - Google Patents

연소엔진, 청정공기시스템 및 관련 작동방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 특히, 장입 기구(16), 장입공기 냉각기(17), 및 가변 진동튜브 및/또는 공진 시스템(18)을 구비한 청정공기 시스템(5)을 포함하는 모터 차량의 연소 엔진(1)의 작동방법에 대한 것이다.
향상된 효율이, 진동튜브 및/또는 공진 시스템(18)이 연소 엔진(1)의 저회전 속도범위에서 압축 모드에서 작동될 때, 달성되며, 그 동안 압력 진동이 시스템(18)에서 발생하므로 연소엔진(1)의 연소 챔버(4)에서 가스교환 작동 동안 양(positive)의 진동 진폭들이 연소 챔버(4)에 수용되어 내부의 장입 압력을 증가시키며, 연소 엔진(1)의 고회전 속도 범위에서 진동튜브 및/또는 공진 시스템(18)이 팽창 모드에서 작동되면, 그 동안 압력 진동이 시스템(18)에서 발생하므로 연소엔진(1)의 연소 챔버(4)에서 가스교환 작동 동안 음(negative)의 진동 진폭들이 연소 챔버(4)에 수용되어 내부의 장입 압력을 감소시킨다.

Description

연소엔진, 청정공기시스템 및 관련 작동방법{Combustion engine, fresh air system and associated operating method}
본 발명은 청구항 1항의 전제부의 특징들을 가지는 특히 모터 차량의 연소 엔진의 작동방법에 대한 것이다. 또한, 본 발명은 청구항 6항의 전제부의 특징들을 가지는 특히 모터 차량의 연소 엔진용 청정 공기 시스템 및 그러한 청정 공기 시스템을 구비한 연소 엔진에 대한 것이다.
DE 10 2007 014 447 A1에는 연소 엔진(combustion engine), 즉 청정 공기 시스템을 구비한 스파크-점화 엔진이 개시되어 있는데, 이 청정 공기 시스템은 장입 기구(charging device), 장입 공기 냉각기 및 진동 튜브 시스템 형태 및/또는 공진 용적 시스템 형태의 가변 공진 시스템을 구비한다. 공지의 연소 엔진은 특히 연소 엔진의 모든 속도 범위에 걸쳐 청정 공기 시스템의 공진들이 우선적으로 최소화될 수 있거나 또는 제거될 수 있도록 작동되며, 특히 이러한 공진들을 통한 추가적인 장입 효과들이 최소화된다.
본 발명은 특히 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 연소 엔진의 장입 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기한 목적은 독립 청구항의 특징들을 통해 달성된다. 바람직한 실시형태들은 종속항에 기재되어 있다.
본 발명은 연소 엔진용 청정 공기 시스템을 작동시키는 일반적인 사상을 기초로 하는데, 이 시스템은 압축 모드의 연소엔진의 저회전 속도 범위 및 팽창 모드의 중간 및 고회전 속도 범위에서 다양한 진동튜브 장입기구(charging device) 및/또는 다양한 공진 장입기구를 구비한다. 이러한 청정공기 시스템은 스파크-점화 엔진 및 디젤 엔진용으로 사용될 수 있다. 압축 모드에서, 청정공기 시스템에서 압력 진동들이 특히 발생하므로 가스교환 작동 중에 음(negative)의 진동 진폭들, 즉 압력 트라우(pressure troughs)들이 연소 챔버들에서 수용되어 각 연소챔버에서 장입 압력을 발생한다. 즉, 팽창모드 동안 청정 공기 시스템의 조정은 특히 각 연소챔버의 장입 동안 흡입 폐쇄의 직전에서 음의 압력 진폭이 발생하도록 실행된다. 저회전 속도 범위에서, 이와 같이 장입 압력은 장입 기구의 압력 레벨을 통해 증가될 수 있으며, 이는 배기가스의 질량 흐름(mass flow)을 증가시키고, 특히, 배기가스 터보차저가 사용되면, 배기가스 터보차저의 향상된 출력을 발생한다. 중간 및 고회전 속도 범위에서, 장입 압력의 저하는 연소 챔버의 온도 저하를 초래하며, 이는 연소 작동의 최적화 및 노킹 발생의 최소화에 이용될 수 있다. 예컨대, 점화 타이밍이 전방으로 이동될 수 있으며, 이는 같은 출력으로 연료 소비를 감소시키기 위해 이용될 수 있다. 대신에, 같은 연료 소비에서 출력은 증가될 수 있다.
회전 속도범위를 정의하기 위해 사용된 용어, “더 낮은(lower)", "중간(medium)의”, “더 높은(higher)"는 절대적인 양(quantity)에 대한 정보로 해석되어서는 아니되며, 상대적인 양의 개념으로 이해되어야 하므로, 의미는 단지 더 낮은 회전속도 범위에서 중간회전 속도범위에서보다 더 낮은 회전속도들이 존재하고, 중간 회전속도 범위에서는 더 높은 회전속도 영역보다 더 낮은 회전 속도들이 존재하는 것을 표현하기 위한 것이다.
바람직한 실시형태에 따르면, 장입 기구는 추가적으로 중간 및 고회전 속도범위에서 장입 압력을 증가시키기 위하여 작동될 수 있다. 이러한 방법을 통해 팽창 모드 동안 연소 챔버에서 달성된 압력 저하는 대응하도록 구성된 장입 기구를 통한 압력 증가를 통해 재차 다소간 보충될 수 있다. 장입 기구의 하류에 장입 공기 냉각기가 설치되므로, 압력 레벨의 증가는 현저한 온도증가로 이어지지는 않는다. 팽창 모드를 통해 압력 레벨과 장입 공기 온도는 각각의 연소 챔버에서 강하한다. 이와 같이 압력 레벨은 “정상(normal)" 값에 대응하며, 이는 보통 장입 기구에 의해 발생된다. 팽창을 통해, 장입 공기는 냉각된다. 정의된 온도의 통상의 생성된 압력 레벨과 비교해서, 팽창 모드에서 생성된 장입 공기는 같은 압력 레벨에서 더 냉각된다. 이와 같이, 배기가스 온도, 연소 혹은 노킹 경향 등에 음으로 영향을 미치지 않고 점화 타이밍을 전방으로 이동시킬 수 있다.
특히 효과적이게도, 장입 기구는 배기가스 터보차저이며, 터빈은 웨스트게이트(wastegate) 흐름으로 또한 불릴 수 있는 터빈 또는 터빈의 터빈 휠을 우회하는 바이패스 흐름을 조절하기 위한 소위 웨스트게이트 밸브로 불릴 수 있는 바이패스 밸브를 포함한다. 중간 및 고회전 속도 범위에서, 바이패스 밸브는 이어서 바이패스 흐름을 감소시키기 위하여 작동될 수 있다. 따라서, 터빈을 관통하여 흐르는 주 흐름은 증가하며, 이는 배기가스 터보차저의 압축기측의 압력을 증가시킨다. 이와 같이, 이 경우의 바이패스 밸브의 작동은 또한 압력 강하의 보충으로 작용할 수 있으며, 이는 청정공기 시스템의 팽창 모드 동안 발생될 수 있다.
부가적으로 또는 대체적으로(alternatively), 배기가스 터보차저로 구성된 장입 기구의 경우의 터빈은, 터빈의 터빈 휠에의 유입 흐름 단면을 조절하기 위한 가변 터빈 구조를 구비할 수 있다. 고회전 속도 범위에서, 이어서 가변 터빈 구조는 유입흐름(inflow) 단면을 감소시키도록 작동될 수 있으며, 이는 배기가스의 흐름 속도를 증가시키고 터빈의 가속으로 이어져 터빈의 출력 증가로 이어진다. 이는 또한, 팽창 모드에서 달성될 수 있는 압력 감소의 보충으로서 이용될 수 있다.
특히 바람직한 실시형태에서, 청정공기 시스템은 분배 챔버를 가지는 진동 튜브 시스템으로 구성되는데, 이 분배 챔버로부터 개별 진동 튜브들이 연소 챔버로 연장하고 이 분배 챔버로 공통의 공급 튜브가 이어진다. 이 경우의 특정 압력 진동들의 발생은 진동 튜브들의 길이 및/또는 공급 튜브의 길이를 변화시키는 것을 통해 실행된다. 이 때, 진동 튜브들은 둘, 셋 또는 그 이상의 다른 길이들을 가질 수 있으며, 이는 규정된 엔진 상태에 따라 다르다. 진동 튜브의 길이들은 또한 연소 엔진들의 상이한 작동 상태들에 진동 튜브들을 적응시키도록 연속적으로 조정가능하게 구성될 수 있다.
각 작동 상태에 대해 설정된 진동 튜브의 길이는 우선적으로 장입 공기 온도에 의존한다. 압력파(pressure wave)는 음속과 같이 진동 튜브에서 운동한다. 음속이 온도에 의존하므로 진동 튜브에서의 압력파의 속도는 상이한 온도들에서 다르다. 이와 같이, 진동 튜브의 길이를 조정하기 위하여, 장입 공기 온도는 진동튜브 길이의 적정 설정을 달성하기 위하여 엔진 회전 속도에 부가하여 우선적으로 이용될 수 있다. 이 경우, 장입공기 온도 및 엔진회전 속도의 파악은 엔진 제어를 통해 효과적으로 실행될 수 있으며, 이는 또한 진동튜브 길이의 적응을 제어한다. 여기서, 엔진 제어는 설정되는 진동튜브의 길이들, 엔진 회전속도 및 장입공기 온도의 관계를 나타내는 일련의 특성들을 이용할 수 있다. 마찬가지로, 이들 관계들은 계산 모델들로 설명될 수 있으며, 이는 실시간의 현재 엔진 회전속도와 현재 장입공기 온도의 함수로서 필요한 각 진동튜브 길이를 계산할 수 있게 한다.
다른 바람직한 실시형태에 따르면, 장입 기구는 배기가스 터보차저로서 구성되고 연소엔진이 가변 밸브 드라이브를 구비할 수 있다. 저회전 속도 범위에서, 가스 교환 작동 동안 배기 페이스(phase)를 발생하기 위해 상기 밸브 드라이브를 동작시키도록 상기 연소 엔진을 가속하기 위해 장입기구가 제공될 수 있는 연소 엔진에 있어서, 배기 페이스 동안 각 연소 챔버에서 하나 이상의 흡입 밸브와 하나 이상의 배기 밸브들이 동시에 적어도 부분적으로 개방되는 것을 특징으로 한다. 이 때문에, 연소 챔버를 통해 장입 공기가 흐를 수 있고, 이를 통해 배기 가스가 배기 가스 터보차저의 터빈으로 유입할 수 있다. 이 때문에, 배기 가스 터보차저는 더욱 신속하게 가동할 수 있다. 이와 같이, 배기 가스 터보차저의 가속 및 연소 챔버의 가속이 향상될 수 있다. 연소 챔버의 배기의 추가적인 이점은 연소 챔버들이 완전히 비워져서 연소 챔버에 잔류 가스가 남지 않는 것이다. 이와 같이, 이어지는 연소에서 더욱 효과적인 연소 과정이 가능하고 부가적인 오염물의 형성이 감소되거나 제거될 수 있다.
상기 설명한 바와 같은 방법에 따른 장입기구, 장입 공기 냉각기 및 가변 공진 또는 진동 튜브 시스템을 구비한 청정 공기 시스템을 작동시킬 수 있기 위하여, 상기 청정 공기 시스템은 연소 엔진의 회전 속도의 함수로서 상기 청정 공기 시스템을 작동시키는 적절한 콘트롤을 구비한다. 이 콘트롤은 이어서 저회전 속도에서 연소 챔버들의 장입 압력을 증가시키고 중간 및 고회전 속도에서 연소 챔버들에서의 장입 압력을 감소시키기 위하여 압축 모드를 실현하고 팽창 모드를 실현하기 위한 청정 공기 시스템을 작동시킬 수 있다. 선택적으로, 이 콘트롤은 또한 중간 및 고회전 속도에 대한 장입 압력을 증가시키기 위하여 장입 기구를 부가적으로 동작시킬 수 있도록 장입 기구를 작동 또는 동작시키도록 구성될 수 있다. 유사하게, 상기 설명한 바이패스 밸브 또는 웨스트게이트(wastegate) 밸브를 동작시키기 위한 콘트롤은 중간 및 고회전 속도 범위들에서 바이패스 흐름을 감소시키기 위해 바이패스 밸브를 동작시키도록 구성될 수 있다. 부가적으로 또는 선택적으로, 콘트롤은 중간 및 고회전 속도 범위에서 터빈의 터빈 휠으로의 유입 흐름 단면을 감소시키기 위한 가변 터빈 구조를 동작 시키기 위하여 상기 설명한 가변 터빈 구조를 동작시키도록 구성될 수 있다.
청정공기 시스템이 진동 튜브 시스템으로 구성되는 한, 콘트롤은 조정기구를 작동 또는 동작시키도록 구성될 수 있으며, 그와 함께 흡입 파이프의 길이 및/또는 공급 파이프의 길이가 변경될 수 있다. 청정공기 시스템이 공진 시스템인 실시형태의 경우, 복수의 부품 영역들 및/또는 파이프라인들이 제공되며, 이들은 개폐될 수 있도록 구성된다. 목표인 개방 또는 폐쇄를 통해, 흐름 경로들이 형성되고, 이들은 청정공기 시스템에서 압력파들에 의해 커버되어야 한다. 이와 같이, 압력파가 규정된 위치에 도달하는 타이밍이 영향을 받을 수 있다.
특히 바람직한 실시형태에 따라, 청정공기 시스템의 장입공기 냉각기는 장입 공기 온도용 자동 작동 온도 콘트롤을 포함할 수 있다. 이와 같이, 장입 공기 냉각기의 냉각 출력은 장입 공기의 온도에 자동으로 적응하므로, 중간 및 고회전 속도에서 장입 기구에서 발생된 압력 증가는 처음에는 온도 증가를 수반하며, 그러나 장입공기 냉각기의 출력의 자동 적응을 통해 어느 정도 역전될 수 있다.
장입공기 냉각기는 공기 흐름에 의해 냉각될 수 있는데, 예컨대, 이는 팬에 의해 발생될 수 있다. 대체적으로, 장입공기 냉각기는 냉각제 흐름을 발생하기 위한 냉각제 펌프가 제공되면 액체 냉각제에 의해 냉각될 수 있다. 장입공기 냉각기의 냉각 출력을 조정하기 위하여, 팬의 회전속도 또는 펌프의 회전속도는 이제 예컨대 장입공기 냉각기의 흡입구 및/또는 배출구에서의 장입공기 온도에 따라 변화될 수 있다. 특히, 디젤 엔진의 경우, 장입공기의 냉각은 엔진 출력의 증가 또는 방출물의 감소를 달성하기 위하여 효과적이다. 장입공기의 이러한 냉각은 또한 팽창 모드를 통해 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 연소 엔진은 상기 설명한 바와 같은 형태의 청정공기 시스템을 구비하며 피스톤들이 스트로크-조정가능하게 내부에 배치되는 실린더들 내의 복수의 연소 챔버들을 포함한다. 또한, 연소 챔버들의 가스교환 작동을 조절하기 위한 가스교환 밸브들이 제공되고 가스교환 밸브들을 작동 또는 동작시키기 위한 밸브 드라이브가 제공된다. 특히 바람직한 실시형태에 따르면, 장입 기구는 재차 배기가스 터보차저로서 구성될 수 있으며 밸브 드라이브는 가변 밸브 드라이브로서 구성될 수 있다. 밸브 드라이브를 작동시키기 위한 콘트롤이 상기 설명한 형태의 배기 페이스를 발생하기 위해 가스교환 작동 동안 배기가스 터보차저를 가속시키기 위하여 또는 연소 엔진을 가속시키기 위하여 저회전 속도에서 밸브 드라이브를 작동시키도록 구성될 수 있다.
본 발명의 더욱 중요한 특징 및 이점들이 이하의 종속 청구항들, 도면들 및 도면에 의한 도면 관련 설명으로부터 얻어질 수 있다.
상기 설명과 이하 설명될 특징들이 각 설명된 조합에 사용될 뿐만 아니라 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 그 자체 또는 다른 조합들에서 사용될 수 있음은 이해되어야 한다.
본 발명의 바람직한 예시적인 실시예들이 도면에 도시되며 이하의 상세한 설명에서 더욱 구체적으로 설명될 것이다.
도 1은 청정공기 시스템을 가진 연소 엔진의 매우 간략화된 회로도 같은 개략적인 도면이다.
도 1을 참조하여, 특히 모터 차량의 연소 엔진(1)은, 복수의 실린더(3)를 가진 엔진 블록(2)을 포함하는 데, 각각의 실린더는 연소 엔진(4)을 에워싸고, 각각의 실린더에는 여기 도시되지 않은 피스톤이 스트로크 조정가능하게 배치된다.
연소 엔진(1)은 부가적으로 엔진 블록(2)의 연소 챔버(4)들에 청정공기를 공급하기 위한 청정공기 시스템(6)과 엔진 블록(2)의 연소 챔버(4)들로부터 연소 폐기가스를 배출하기 위한 배기 시스템을 포함한다. 연소 엔진(1)은 부가적으로 복수의 가스교환 밸브들, 즉 흡입 밸브(7)들 및 연소 챔버(4)들에서 가스교환 작동을 제어하기 위한 배기 밸브(8)를 포함한다.
도 1의 간략화된 도면에서, 단지 하나의 흡입 밸브(7)와 단지 하나의 배기 밸브(8)가 각각의 연소 챔버(4)에 대해 표시된다. 그러나, 각 연소 챔버(4)에 복수의 흡입 밸브(7)들 및/또는 복수의 배기 밸브(8)들이 제공될 수 있음은 명확하다.
흡입 밸브(7) 및 배기 밸브(8)를 작동시키기 위하여, 즉, 가스교환 밸브(7, 8)들을 작동시키기 위하여 연소 엔진(1)은 밸브 드라이브(9)를 포함하며, 이는 도 1의 예에서, 흡입 밸브(7)를 포함하는 흡입밸브 트레인(10)과 배기밸브(8)를 포함하는 배기밸브 트레인(11)을 포함한다. 흡입밸브 트레인(10)은 흡입 밸브(7)를 작동시키기 위하여 작용하고, 배기밸브 트레인(11)은 배기밸브(8)를 작동시키기 위하여 작용한다. 이 경우 밸브(7, 8)들의 작동은 개폐를 위해 밸브(7, 8)들을 작동시키는 것을 포함한다. 실제로, 밸브 드라이브(9)는, 특히 흡입밸브 트레인(10)이 흡입 페이스 조정기(12)를 포함할 수 있고 및/또는 배기밸브 트레인(11)은 배기페이스 조정기(13)를 포함하도록 가변적으로 구성된다.
흡입 페이스 조정기(12)에 의해 흡입밸브(7)의 폐쇄 시간과 개방시간이 변경될 수 있다. 배기 페이스 조정기(13)에 의해, 배기밸브(8)의 폐쇄시간과 개방시간이 변경될 수 있다. 가변 밸브 드라이브(9)는 단지 흡입 페이스 조정기(12)나 단지 배기 페이스 조정기(13)를 포함하거나 또는 흡입 페이스 조정기(12)와 배기 페이스 조정기(13) 모두를 포함할 수 있다. 콘트롤(14)이 가변 밸브 드라이브(9)를 가동 또는 작동시키기 위하여 작용하며 이러한 목적으로 대응하는 콘트롤 라인(15)을 경유하여 각각의 페이스 조정기(12, 13)에 연결된다.
청정공기 시스템(5)은 장입기구(16), 장입공기 냉각기(17), 및 가변 진동튜브 시스템(18)을 포함한다. 이 경우, 장입기구(16)는 배기가스 터보차저 (turbocharger)로서 구성되는 데, 이는 이하에서 같이 16으로 표시된다. 보통 방식에서, 터보차저(16)는 터빈 휠(20)을 가지며, 배기 시스템(6)의 배기 라인(21)에 배치되는 터빈(19)을 포함한다. 터보차저(16)는 부가적으로 청정공기 시스템(5)의 청정공기 라인(23)에 배치되며 압축기 휠(24)을 포함하는 압축기(22)를 구비하는 데, 압축기 휠은 드라이브 샤프트(25)를 통해 회전가능하게 고정된 방식으로 터빈 휠(20)에 연결된다.
장입공기 냉각기(17)는 압축기(22) 하류의 청정공기 라인(23)에 배치되며 장입공기를 냉각하도록 작용한다. 예에서, 장입공기 냉각기(17)는 예컨대, 팬(27)에 의해 발생되거나 증폭될 수 있으며 화살표로 표시된 공기 흐름(26)에 의해 냉각된다. 예컨대, 공기 흐름(26)의 기본적인 흐름은 연소 엔진(1)을 갖춘 차량의 두부 바람에 의해 발생될 수 있다. 장입공기 냉각기(17)에는 콘트롤(28)이 구비되어 그에 의해 장입공기 냉각기(17)의 출력이 자동으로 제어되거나 조정될 수 있다.
예컨대, 이러한 목적의 콘트롤(28)은 흡입 측에서 장입공기 냉각기(17) 상류의 장입공기 온도를 측정하는 제1 온도센서(29)에 연결된다. 부가적으로 또는 대체적으로, 콘트롤(28)은 장입공기 냉각기(17) 하류의 장입공기 온도를 측정하는 제2 온도센서(30)에 연결될 수 있다. 대응하는 신호 라인(31)은 각각의 온도센서(29, 30)를 콘트롤(28)에 연결한다. 또한, 콘트롤(28)은 제어 라인(32)을 통해 팬(27)에 연결되므로 콘트롤(28)은, 공기 흐름(26)의 변화를 통해 장입공기를 냉각시킬 필요에 장입공기 냉각기의 냉각 출력을 적응시킬 수 있도록 장입공기 온도에 따라 장입공기 냉각기(17)의 상류 및/또는 하류의 팬(27)을 작동시키거나 활성화할 수 있다.
진동튜브 시스템(18)에 부가하거나 대체적으로, 공진(resonance) 시스템(도시 없음)이 설치될 수 있는 데, 이는 청정공기 시스템(5)을 2 이상의 복수의 부분 영역들로 구분하여 그 사이에 예컨대, 플랩들(flaps)의 개/폐를 통해 공진 진동을 발생할 수 있다. 또한, 공진 시스템을 형성하기 위하여 부가적으로 특히 절환가능한 파이프라인들이 필요할 수 있다. 진동튜브 시스템(18)은 분배 챔버(33), 각각 연소 챔버(4)가 구비된 복수의 진동 튜브(34), 및 공통 공급 튜브(35)를 포함한다. 진동 튜브(34)는 분배 챔버(33)로부터 개별 연소 챔버(4)로 연결된다. 공급 튜브(35)는 분배 챔버(33)로 인도되고 분배 챔버(33)를 청정공기 라인(21)에 연결한다. 가변 진동튜브 시스템(18)에는 흡입 파이프(34)의 길이를 변경하기 위하여 조정기구(36)가 설치된다.
이는 진동튜브 시스템(18)의 1차 길이에 관련된다. 예컨대, 1차 길이는 슬리브(37) 또는 플랩에 의해 변경될 수 있는 데, 이는 분배 챔버(33) 내의 진동 튜브(34)에 고정되고 이중 화살표(38)에 대응하는 진동 튜브(34)에 대해 조정가능하다. 부가적으로 또는 대체적으로, 조정기구(39)가 설치될 수 있는 데, 이를 통해 공급 튜브(35)의 길이가 변경될 수 있다. 이는 진동 튜브 시스템(18)의 제2 길이에 관련된다. 예컨대, 제2 길이를 변경시키기 위하여, 분배 챔버(33) 내의 슬리브(40)가 공급 튜브(35)에 고정될 수 있는 데, 이는 조정 기구(39)에 의해 이중 화살표(41)에 대응하는 공급 튜브(35)에 대해 조정가능하다. 콘트롤(42)은 대응하는 콘트롤 라인(43)을 경유하여 조정기구(36, 39)에 연결되므로, 콘트롤(42)은 조정기구(36, 39)를 가동 또는 작동 또는 활성화시킬 수 있다.
여기 도시된 진동 튜브 시스템(18)을 변경하기 위한 두 개의 조정기구(36, 39)는 단지 예시적으로만 이해되어야 한다. 진동 튜브 시스템(18)의 변경은 다른 수단들, 예컨대, 플랩 등에 의해 실현될 수 있음이 명백하다.
도 1에서, 프레임을 갖춘 엔진 콘트롤 유닛(44)이 부가적으로 표시되는 데, 이는 진동 튜브 시스템(18)을 작동시키기 위한 콘트롤(42)과 밸브 드라이브(9)를 작동시키기 위한 콘트롤(14)을 포함하며, 이는 이중 화살표(45)에 대응하여 서로 연통할 수 있다. 원리적으로, 장입공기 냉각기(17)를 작동시키기 위한 콘트롤(28)은 또한 엔진제어 유닛(44)과 일체일 수 있다. 이 경우의 엔진제어 유닛(44)의 개별 콘트롤(14, 28, 42)들의 일체화는 하드웨어에 의해서 및 소프트웨어에 의해 실행될 수 있다. 엔진제어 유닛(44)은 연소 엔진(1)의 현재 회전 속도를 안다. 대응하는 연통 연결을 통해, 적어도 콘트롤(42)은 마찬가지로 연소 엔진(1)의 회전 속도를 안다.
배기가스 터보차저(16)의 터빈(19)은 실제로 터빈(19) 또는 터빈 휠(20)을 우회하며 바이패스 밸브(47)에 의해 제어될 수 있는 바이패스(46)를 구비한다. 실제로, 이 바이패스 밸브(47)는 콘트롤(42) 또는 콘트롤 유닛(44)에 의해 가동된다.
배기가스 터보차저(16)의 터빈(19)에는 바이패스(46)에 부가하거나 대체적으로 가변 터빈 구조(48)가 구비되며, 이를 통해 터빈 휠(20)의 유입구에서 유입 흐름의 단면(49)이 조절될 수 있다. 실제로, 이러한 가변 터빈 구조(48)는 콘트롤(42) 또는 콘트롤 유닛(44)에 의해 가동된다.
여기 설명되는 연소 엔진(1)과 관련 청정공기 시스템(5)은 이하에서 설명되는 방법에 의해 작동될 수 있다. 이러한 목적으로서, 콘트롤(42)과 특히, 콘트롤(14)이 상기 작동 방법을 실행할 수 있기 위하여 적절한 방식으로 프로그램되거나 구비될 수 있다.
콘트롤(42)은 적어도 두 가지 다른 모드들, 즉, 한편으로는 압축 모드로 다른 한편으로는 팽창 모드로서 진동 튜브 시스템(18)을 작동시킬 수 있다. 압축 모드에서, 압력 진동은 진동 튜브 시스템(18)에서 특히 발생하므로 가스교환 작동 동안 양의 진동 진폭, 즉 압력 꼭대기(crest) 또는 평균 압력에 대해 과도 압력파가 흡입의 폐쇄 직전에 각각의 연소 챔버로 유입하여 흡입의 폐쇄에 의해 내부에 수용된다. 따라서, 장입 압력의 증가는 각각의 연소 챔버(4)에서 형성된다. 대조적으로 진동 튜브 시스템(18)이 팽창 모드에서 작동되면, 진동튜브 시스템(18) 내의 압력 진동dl 특히 발생하므로 가스 교환 작동 동안 음의 진동 진폭, 즉, 또는 평균 압력에 대한 과소 압력파가 흡입 폐쇄 직전에 각각의 연소 챔버로 진입하여 흡입의 폐쇄에 의해 각각의 연소 챔버(4)에 수용된다. 이와 같이, 장입 압력의 저하는 각각의 연소 챔버(4)에서 발생한다.
엔진 콘트롤 유닛(44)과의 결합을 통해 콘트롤(42)은 연소 엔진(1)의 현재 회전 속도를 안다. 콘트롤(42)은 이와 같이 연소 엔진(1)의 현재 회전 속도에 따라 진동튜브 시스템(18)을 작동시킬 수 있다. 이와 같이, 콘트롤은 압축 모드에서 저회전 속도 범위에서 진동 튜브 시스템(18)을 작동시키도록 제공될 수 있다. 저회전 속도 범위에서, 이와 같이 장입 압력이 증가될 수 있고, 출력이 향상되고 연소 엔진(1)의 에너지 출력이 증가될 수 있다. 고회전 속도 범위에서, 대조적으로 콘트롤(42)은 팽창 모드에서 진동튜브 시스템(18)을 작동시킬 수 있다.
따라서, 연소 챔버(4)들에서 압력 감소가 발생하고, 이는 연소 챔버(4)들의 공기의 냉각(cooling-down)을 수반하며, 이 경우 비슷하게 또한 연소 엔진(1)의 효율을 향상시키기 위하여 점화 타이밍 등의 효과적인 위치 설정을 위해 이용될 수 있다. 중간 회전속도 범위에서, 콘트롤(42)은 실제로 고회전 속도 범위에서와 같이 진동튜브 시스템(18)을 작동시킨다.
임의적으로, 콘트롤(42) 또는 콘트롤 유닛(44)이 중간 및 고회전 속도 범위에서 팽창 모드에 부가하여 장입기구(16)를 활성화하도록 제공될 수 있으므로 거의 일정한 장입 공기 온도에 의해 장입 압력을 증가시킨다. 이 때문에, 연소 챔버(4)들의 압력 강하는 다소 보충될 수 있다. 이와 같이, 진동튜브 시스템(18)의 팽창 모드에서, 압축 작용은 진동튜브 시스템(18)에 의해 장입 기구(16) 방향으로 이동된다. 증가된 장입을 수반하는 장입 공기의 가열은 다소 장입공기 냉각기(17)에서 보충될 수 있으므로 진동튜브 시스템(18)의 팽창파를 통해 연소 챔버(4)들의 온도 저하가 여전히 실현될 수 있는 것이 효과적이다.
장입 기구(16)에 의해 발생된 장입 압력을 증가시키기 위하여, 바이패스 밸브(47)는 콘트롤(42)을 거쳐 또는 콘트롤 유닛(44)을 거쳐 작동될 수 있으므로 바이패스(46)를 통해 흐르는 바이패스 흐름을 감소시킨다. 중간 및 더 고회전 속도 범위에서, 바이패스 밸브(47)는 다소 개방되므로, 전체가 아닌 배기가스 흐름이 터빈(19)을 통과하여 흐른다. 이와 같이, 특히 중간 및 고회전 속도 범위에서 바이패스 흐름을 감소시킬 수 있다. 이 결과, 터빈(19)을 통하여 흐르는 주 흐름은 확대되고, 이는 터빈 출력 및 그로 인한 압축기 출력을 증가시키며, 이는 마침내 장입 공기의 소정의 압력 증가로 이어진다.
부가적으로 또는 대체적으로, 콘트롤(42) 또는 콘트롤 유닛(44)은 유입 흐름 단면(49)을 감소시키기 위하여 가변 터빈 구조(48)를 활성화시킬 수 있으며, 그 결과 터빈 휠(20)의 입구에서의 배기가스의 흐름 속도가 증가되고, 이는 터빈 휠(20)의 로터, 구동 샤프트(25) 및 압축기 휠(24)을 가속시켜 장입 압력을 증가시킨다. 중간 및 고속 회전속도 범위에서 비교적 큰 배기용량 흐름에 기인하여, 확장된 유입 흐름 단면(49)이 보통 전부하 작동을 제외하고 소정의 장입을 실현하기에 충분하므로, 팽창 모드에서 초래된 압력 감소를 역전시키기 위해 장입 압력을 적절히 증가시키는 것이 아주 용이할 것이다.
이외에, 콘트롤(42)은 콘트롤(14)과 상호 작용할 수 있으며 또는 콘트롤 유닛(44)은, 진동튜브 시스템(18)의 압축 모드 동안 연소 엔진(1)을 가속시키거나 터보차저(16)를 가속시키기 위하여 밸브 드라이브(9)가 각 연소 챔버(4)의 배기 페이스(scavengng phase)를 발생하도록 활성화되도록 구성될 수 있다. 이러한 배기 페이스 동안, 흡입 밸브(7)와 배기 밸브(8)가, 장입 공기가 연소 챔버(4)를 거쳐 배기 시스템(6)으로 직접 유동하여, 배기 속도가 증가되도록 각각의 연소 챔버(4)에서 적어도 부분적으로 동시에 개방된다. 확대된 배기 속도는 터빈(19)에 전달될 수 있는 구동력을 증가시키며, 이는 터빈(19)의 가속을 유도하고 압축기(22)를 가속시킨다. 이어서 배기가스 터보차저(16)의 가속은 증가된 장입 압력으로 이어지고, 이는 크랭크 샤프트를 가속시키기 위해, 즉, 연소 엔진(1)의 회전 속도를 증가시키기 위해 연소 엔진(1)에서 이용될 수 있다.

Claims (14)

  1. 장입기구(16), 장입 공기 냉각기(17), 및 가변 공진 시스템 및/또는 가변 진동 튜브 시스템(18)을 구비한 청정 공기 시스템(5)을 포함하는, 특히 모터 차량의 연소 엔진의 작동방법에 있어서,
    - 상기 청정 공기 시스템(5)은 상기 연소 엔진(1)의 저회전 속도 범위에서 압축 모드로 작동되며, 상기 공진 시스템 및/또는 진동 튜브 시스템(18)의 압력 진동은 상기 연소 엔진(1)의 연소 챔버(4)들의 가스교환 작동 동안 상기 연소 챔버(4)에 양의 진동 진폭들이 생성되어 내부의 장입 압력을 증가시키도록 생성되며,
    - 상기 청정공기 시스템(5)은 상기 연소 엔진(1)의 고회전 속도 범위에서 팽창 모드로 작동되며, 상기 공진 시스템 및/또는 진동 튜브 시스템(18)의 압력 진동은 가스교환 작동 동안 상기 연소 챔버(4)에 음의 진동 진폭들이 생성되어 내부의 장입 압력을 감소시키도록 생성되는 것을 특징으로 하는 모터 차량의 연소 엔진의 작동방법.
  2. 제1항에 있어서,
    고회전 속도 범위에서 상기 장입 기구(16)는 부가적으로 장입 압력을 증가시키도록 작동되는 것을 특징으로 하는 모터 차량의 연소 엔진의 작동방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 장입 기구(16)는 배기가스 터보차저로서 구성되며, 상기 터보차저의 터빈(19)은 터빈을 우회하는 바이패스 흐름을 조절하기 위한 바이패스 밸브(47)를 포함하며, 고회전 속도 범위에서 상기 바이패스 밸브(47)는 바이패스 흐름을 감소시키기 위하여 작동되는 것을 특징으로 하는 모터 차량의 연소 엔진의 작동방법
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장입 기구(16)는 배기가스 터보차저로 구성되며, 상기 터보차저의 터빈(19)은 터빈의 흡입 흐름 단면(49)을 조절하기 위한 가변 터빈 구조(48)를 포함하며, 고회전 속도 범위에서 상기 가변 터빈 구조(48)는 흡입 흐름 단면(49)을 감소시키기 위하여 작동되는 것을 특징으로 하는 모터 차량의 연소 엔진의 작동방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 청정 공기 시스템(5)은 분배 챔버(33)를 가지는 진동 튜브 시스템을 포함하며, 상기 분배 챔버(33)로부터 연소 챔버(4)들로 개별 진동 튜브(34)들이 분기하고 상기 분배 챔버(33)로 공통 공급 튜브(35)가 이어지며, 목표 압력 진동의 발생은 진동 튜브(34)들의 길이 및/또는 공급 튜브(35)들의 길이를 변화시킴으로써 실행되는 것을 특징으로 하는 모터 차량의 연소 엔진의 작동방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 장입 기구(16)는 배기가스 터보차저로 구성되고,
    - 상기 연소 엔진(1)은 가변 밸브 드라이브(9)를 포함하며,
    - 가스 교환 작동 동안 상기 배기가스 터보차저 및/또는 연소 엔진(1)을 가속시키기 위하여 저회전 속도 범위에서, 상기 밸브 드라이브(9)는 배기 페이스를 발생하도록 작동되며, 배기 페이스 동안 각각의 연소 챔버(4)에서 하나 이상의 흡입 밸브(7)와 하나 이상의 배기 밸브(8)가 적어도 부분적으로 동시에 개방되는 것을 특징으로 하는 모터 차량의 연소 엔진의 작동방법.
  7. - 장입 기구(16)와,
    - 장입 공기 냉각기(17)와,
    - 가변 공진 시스템 및/또는 가변 진동 튜브 시스템(18)을 가진, 특히 모터 차량의 연소 엔진(1)용 청정공기 시스템에 있어서,
    상기 연소 엔진(1)의 회전 속도에 따라 상기 진동 튜브 및/또는 공진 시스템(18)을 작동시키기 위한 콘트롤(42)을 포함하며,
    상기 콘트롤(42)은 저회전 속도 범위에서 압축 모드를 실현하기 위하여 상기 진동 튜브 및/또는 공진 시스템(18)을 작동시키고, 상기 연소 엔진(1)의 연소 챔버들의 가스 교환 작동 동안 상기 연소 챔버(4)들 내에 양의 진동 진폭들이 생성되어 내부의 장입 압력을 증가시키도록 상기 진동 튜브 및/또는 공진 시스템(18)의 압력 진동들이 생성되며,
    상기 콘트롤(42)은 고회전 속도 범위에서 팽창 모드를 실현하기 위하여 상기 진동 튜브 및/또는 공진 시스템(18)을 작동시키고, 가스 교환 작동 동안 상기 연소 챔버(4)들 내에 음의 진동 진폭들이 생성되어 내부의 장입 압력을 감소시키도록 상기 진동 튜브 및/또는 공진 시스템(18)의 압력 진동들이 생성되는 것을 특징으로 하는 모터 차량의 연소 엔진용 청정공기 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 콘트롤(42)은 고회전 속도 범위에서 부가적으로 장입 압력이 증가하도록 상기 장입 기구(16)를 작동시키는 것을 특징으로 하는 모터 차량의 연소 엔진용 청정공기 시스템.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 장입 기구(16)는 배기가스 터보차저로 구성되며, 상기 터보차저의 터빈(19)은 터빈을 우회하는 바이패스 흐름을 조절하기 위한 바이패스 밸브(47)를 포함하며, 상기 콘트롤(42)은 고회전 속도 범위에서 바이패스 흐름이 감소하도록 상기 바이패스 밸브(47)를 작동시키는 것을 특징으로 하는 모터 차량의 연소 엔진용 청정공기 시스템.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장입 기구(16)는 배기가스 터보차저로 구성되며, 상기 터보차저의 터빈(19)은 터빈의 흡입 흐름 단면(49)을 조절하기 위하여 가변 터빈 구조(48)를 포함하며, 상기 콘트롤(42)은 고회전 속도 범위에서 흡입 흐름 단면(49)이 감소하도록 상기 가변 터빈 구조(48)를 작동시키는 것을 특징으로 하는 모터 차량의 연공통 소 엔진용 청정공기 시스템.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장입 공기 냉각기(17)는 장입 공기의 온도를 조절하기 위한 자동 작동 온도 콘트롤을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 차량의 연소 엔진용 청정공기 시스템.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동 튜브 및/또는 공진 시스템(18)은 분배 챔버(33)를 포함하며, 상기 분배 챔버(33)로부터 개별 진동 튜브(34)들이 연소 챔버(4)로 분기하고 상기 분배 챔버(33)로 공통 공급 튜브(35)가 이어지며, 상기 콘트롤(42)은, 소정의 압력 진동을 발생하기 위하여 상기 진동 튜브(34)의 길이 및/또는 상기 공급 튜브(35)의 길이를 변경하도록 적어도 하나의 조정기구(36, 39)를 작동시키는 것을 특징으로 하는 모터 차량의 연소엔진용 청정공기 시스템.
  13. 특히 모터 차량의 연소 엔진으로서,
    - 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 청정 공기 시스템(5),
    - 복수의 연소 챔버(4)들,
    - 상기 연소 챔버(4)들의 가스 교환 작동을 제어하기 위한 가스교환 밸브(7, 8)들,
    - 상기 가스교환 밸브(7, 8)들을 가동시키기 위한 밸브 드라이브(9)를 포함하는 모터 차량의 연소 엔진.
  14. 제13항에 있어서,
    - 상기 장입 기구(16)는 배기가스 터보차저로 구성되고,
    - 상기 밸브 드라이브(9)는 가변 밸브 드라이브(9)로 구성되며,
    - 상기 밸브 드라이브(9)를 작동시키는 콘트롤(14)을 포함하며, 상기 콘트롤(14)은 저회전 속도에서 배기 페이스를 생성하기 위하여 가스교환 작동 동안 상기 배기가스 터보차저 및/또는 상기 연소 엔진(1)을 가속시키도록 상기 밸브 드라이브를 작동시키고, 그 동안 각각의 상기 연소 챔버(4)에서는 적어도 하나의 흡입 밸브(7)와 적어도 하나의 배기 밸브(8)가 적어도 부분적으로 동시에 개방되는 것을 특징으로 하는 모터 차량의 연소엔진.
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