KR20150036722A - 엔진을 작동하기 위한 방법 - Google Patents

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헨릭 호프마이어
닐스 린덴캄프
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폭스바겐 악티엔 게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 엔진(51)을 작동하기 위한 방법에 관한 것이다. 엔진(51)은 엔진의 흡입관 내 과급 밀도(p_SGR)를 세팅하기 위한 압축기(52) 및 엔진(51)의 체적 효율(λ_I)을 세팅하기 위한 세팅 수단(53), 예를 들어 가변 밸브 기어를 포함한다. 상기 방법에서는, 엔진(51)에 대한 부하 요구(rl_soll)와 엔진(51)의 현재 부하 출력(rl_ist) 간의 편차에 따라 엔진(51)을 위한 동적 설정값(rl_dyn)이 결정된다. 상기 동적 설정값(rl_dyn)에 따라 체적 효율(λ_I) 및 과급 밀도(p_SGR)가 설정된다.

Description

엔진을 작동하기 위한 방법{METHOD FOR OPERATING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 엔진을 작동하기 위한 방법, 특히 가변 밸브 타이밍 장치인 이른바 가변 밸브 기어를 구비하고 밀러 연소법에 따라 구동되는, 과급 고압축 오토 엔진(otto engine)을 작동하기 위한 방법에 관한 것이다.
예를 들어 승용차 또는 화물차에 사용될 수 있는 오토 엔진의 경우, 정량적 부하 제어의 필수 스로틀링으로 인해, 그리고 노킹(knocking) 방지를 위한 압축비 감소로 인해 열역학적 효율이 제한적이다. 부분 부하 운전에서의 디스로틀링(dethrottling)을 구현하고 기하학적 압축비를 증가시키기 위한 접근법 중 하나는 이른바 "밀러/앳킨슨(Miller/Atkinson) 방법"이다. 이 방법에서는, 흡기 밸브의 진각/지각 닫음(FES = 진각 흡기구 닫음, SES = 지각 흡기구 닫음)을 통해 체적 효율 및 유효 압축이 감소한다. 그 결과, 엔진은 디스로틀링될 수 있고, 압축 최종 온도 및 그와 더불어 노킹 경향이 줄어들 수 있거나 기하학적 압축(geometric compression)이 증가할 수 있다. 고압축 밀러 연소법을 사용하면 엔진의 체적 효율이 감소하고, 출력이 대등할 경우 더 높은 과급압이 필요하다. 이는 과급기의 동특성(dynamic)을 저하시킬 수 있다. 하지만 현재 이용되고 있는 밸브 기어 가변성에 의해, 이론적으로는 엔진이 "스로틀 프리(throttle-free)" 방식으로, 다시 말해 스로틀 밸브 조정 없이도 작동될 수 있다. 그 결과, 엔진은 체적 효율에 의해 제어될 수 있다. 체적 효율은, 엔진에 의해서 투입된 공기량 대 흡입관 내 열역학적 상태를 토대로 결정된 가능 공기량의 비율을 나타낸다.
이와 관련하여, 유럽 특허 출원 EP 2041414 B1호로부터 오토 엔진을 작동하기 위한 방법이 공지되어 있다. 이 방법에서는, 오토 엔진의 흡기 밸브 닫힘이 아주 진각되거나, 아주 지각되어 실시되고, 엔진에 공급되는 연소 공기가 과급기에 의해 압축된다. 흡기 밸브의 매우 진각되거나 매우 지각된 닫힘은 과급된 정상 작동에 비해 증가한 기하학적 압축비와 연계되어, 열역학적 효율이 증가할 때 온도 레벨의 하강을 야기한다. 흡기 밸브의 닫힘 시점들에 의해 감소한 실린더 과급 상태가 과급기를 이용한 연소 공기 흐름의 압축에 의해 적어도 근사하게 보상됨으로써, 충분한 출력 레벨이 제공될 수 있다. 온도를 낮추기 위한 추가 조치로서, 적어도 전부하(full load)에서는 방출된 배기 가스 중 일 부분 흐름이 배기 가스 재순환으로서 연소 공기 흐름에 귀환된다.
독일 공개 특허 출원서 DE 10 159 801 A1호는 엔진의 배기 가스 흐름에 의해 구동되는 하나 이상의 과급기와, 밀러 연소법에 따라 조정될 수 있는 캠축을 구비한 엔진에 관한 것으로, 여기서는 과급기에 대해 직렬로 또는 병렬로 엔진의 배기 가스 흐름에 의해 구동되지 않는 추가 압축기 단이 배치된다. 엔진의 회전수가 낮은 경우에는, 상기 추가 압축기 단의 활성화에 의해 과급압이 상승한다.
독일 공개 특허 출원 DE 10 233 256 A1호는, 예연소실(prechamber) 및 이 예연소실 내 불꽃 점화부를 구비한 연료 직접 분사 방식의 오토 엔진에서 연료/공기 혼합물을 점화시키기 위한 방법에 관한 것이다. 예연소실은 소형 피스톤 보울(piston bowl)과 작용 연결 상태에 있다. 또한, 밸브 제어 시간을 목적에 맞게 변경함으로써 다양한 요건들에 대한 적응을 수행할 수 있는 가능성이 존재하며, 이 경우 특히 배기 밸브 닫음 시점을 지각시키는 것은, 배출 행정 동안의 분사의 결과로 배기 가스 채널 내부에 도달하는 연료 비율이 "내부" 배기 가스 재순환에 의해 다시 연소실 내부로 귀환하여 주 연소실 내에서 혼합물이 반응할 때 연소되고, 그 결과 엔진의 효율 손실이 전혀 발생하지 않도록 하는 데 이용된다.
본 발명의 과제는, 밀러 연소법에 따라 고압축 과급 오토 엔진을 위한 개선된 작동 전략을 제공하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라, 청구항 1에 따른 엔진 작동 방법, 청구항 10에 따른 엔진, 그리고 청구항 12에 따른 차량에 의해 해결된다. 종속 청구항들은 본 발명의 바람직하고 선호되는 실시예들을 규정한다.
본 발명에 따라, 엔진을 작동하기 위한 방법이 제안된다. 엔진은 엔진의 흡입관 내 과급 밀도를 세팅하기 위한 압축기 및 엔진의 체적 효율을 세팅하기 위한 세팅 수단을 포함한다. 이 세팅 수단은 예를 들어 가변 밸브 기어를 포함할 수 있으며, 이 가변 밸브 기어는 예를 들어 불연속 밸브 행정 곡선 전환부, 또는 연속 가변성 및/또는 흡기 측 및 배기 측 위상 조정부를 갖는다. 이 방법에서는, 엔진을 위한 동적 설정값이 예를 들어 액셀러레이터를 통해 사전 설정되는 엔진에 대한 부하 요구와 엔진의 현재 부하 출력 간의 편차에 따라 결정된다. 체적 효율 및 과급 밀도는 상기 동적 설정값에 따라 세팅된다. 체적 효율을 세팅함으로써, 엔진이 디스로틀링 상태에서 작동될 수 있다. 체적 효율뿐만 아니라 과급 밀도도 부하 세팅 및 그와 더불어 엔진의 토크 제어를 위한 참조값으로 사용됨으로써, 부하 제어를 위한 확장된 매개변수 범위가 제공된다. 그럼으로써, 엔진의 동특성 및/또는 엔진의 효율이 개선될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 체적 효율은 동적 설정값에 따라 세팅되고, 과급 밀도는 동적 설정값 및 상기 세팅된 체적 효율에 따라 세팅된다. 압축기의 데드 타임(dead time) 또는 반응 시간, 다시 말해 압축기가 엔진의 흡입관 내에서 요구되는 과급 밀도를 세팅할 때까지의 시간이 체적 효율을 세팅하기 위한 세팅 수단(가변 밸브 기어)의 데드 타임보다 크기 때문에, 체적 효율 제어부가 선행 조정기이고, 과급 밀도 제어부는 후속 조정기이다. 그럼으로써, 부하 요구가 변동될 때 엔진의 높은 동특성 및 특히 준정적 상태에서 최적 상태의 효율을 얻을 수 있다.
추가의 일 실시예에 따르면, 세팅 수단(가변 밸브 기어)을 통해서는 엔진의 실린더 과급부 내 잔류 가스 비율도 세팅될 수 있다(내부 배기 가스 재순환). 이 잔류 가스 비율은 동적 설정값에 따라 세팅되고, 과급 밀도는 동적 설정값, 세팅된 체적 효율 및 세팅된 잔류 가스 비율에 따라 세팅된다. 세팅된 잔류 가스 비율을 변동시키기 위한 데드 타임은 과급 밀도를 변동시키기 위한 데드 타임보다 작기 때문에, 잔류 가스 비율 제어부는 선행 조정기이고, 과급 밀도 제어부는 후속 조정기이다.
추가의 일 실시예에 따르면, 동적 설정값은 엔진에 대한 부하 요구와 엔진의 현재 부하 출력 간의 편차에 따라, 그리고 부하 요구의 시간에 따른 변량에 따라 결정된다. 부하 요구의 시간에 따른 변량은 예를 들어 차량 액셀러레이터의 페달값 센서의 신호 변동 속도를 포함할 수 있다. 부하 요구의 시간에 따른 변량도 검출되어 체적 효율 및 과급 밀도의 세팅 시 고려됨으로써, 엔진의 구동 동특성과 관련하여 차량 운전자에 의해 원하는 운전 거동이 요구에 적합하게 반영되고 구현될 수 있다.
또 다른 한 실시예에 따르면, 엔진은 12:1 내지 15:1의 범위 내 기하학적 압축비를 갖는 오토 엔진을 포함한다. 이와 같은 엔진은 고압축 엔진이라고도 불린다. 고압축 엔진은 밀러 연소법에 따라 구동된다. 엔진의 밀러 연소법에 따른 작동에 의해, 엔진의 노킹 경향이 줄어들 수 있고, 이로써 엔진의 출력 및 내구성이 개선될 수 있다.
또 다른 한 추가 실시예에 따르면, 체적 효율을 세팅하기 위해 먼저 현재 부하 출력에 따라 가변 밸브 기어의 밸브 행정의 세팅 범위가 결정된다. 나아가, 현재 부하 출력에 따라 가변 밸브 기어의 흡기 캠축의 위상 위치의 세팅 범위가 결정되고, 현재 부하 출력에 따라 가변 밸브 기어의 배기 캠축의 위상 위치의 세팅 범위가 결정된다. 각각 결정된 세팅 범위 내에서 동적 설정값에 따라 밸브 행정, 흡기 캠축의 위상 위치 및 배기 캠축의 위상 위치가 세팅된다. 가장 먼저 가변 밸브 기어의 현재 가능한 세팅 범위들이 결정됨으로써, 엔진의 토크 제어의 소위 리저브(reserve) 지향적 운영 전략이 수행될 수 있다. 달리 표현하면, 요구 부하 변동 및 요구 부하 변동 동특성에 기초하여 가변 밸브 기어는, 엔진의 현재 부하 상태에 따라 된 요구된 것처럼 가급적 높은 동특성을 보이거나 효율이 상당히 최적화되고, 그럼으로써 연비에 유리하게 원하는 부하 변동이 구현되도록 세팅될 수 있다.
또 다른 한 실시예에 따르면, 압축기는 가변 터빈 구조(Variable Turbine Geometry)를 갖는 엔진의 배기 가스 터빈에 의해 구동된다. 과급 밀도를 세팅하기 위해, 현재 부하 출력에 따라 가변 터빈 구조의 세팅 범위가 결정되고, 상기와 같이 결정된 세팅 범위 내에서 동적 설정값에 따라 가변 터빈 구조가 세팅된다. 가변 터빈 구조의 변동에 의해 원하는 과급 밀도의 세팅 속도가 변동될 수 있다. 그럼으로써, 터빈 구조의 세팅을 통해 엔진의 부하 및 토크 출력의 신속한 변동 또는 개선된 효율이 달성될 수 있다.
본 발명에 따라, 엔진의 흡입관 내 과급 밀도를 세팅하기 위한 압축기, 엔진의 체적 효율을 세팅하기 위한 세팅 수단, 및 제어 장치를 포함하는 엔진이 또한 제공된다. 상기 제어 장치는, 엔진에 대한 부하 요구와 엔진의 현재 부하 출력 간의 편차에 따라 엔진을 위한 동적 설정값을 결정할 수 있고, 상기 동적 설정값에 따라 체적 효율 및 과급 밀도를 세팅할 수 있다. 부하 변동을 구현하기 위해 체적 효율뿐만 아니라 과급 밀도도 세팅함으로써, 엔진의 동특성뿐만 아니라 엔진의 효율도 개선될 수 있다. 본 발명과 관련하여 엔진의 동특성이란 부하 변동에 대한, 특히 증가하는 부하 요구에 대한 엔진의 반응 속도를 의미한다.
엔진은 전술된 방법 또는 이 방법의 실시예들 중 하나를 수행하도록 구성될 수 있으므로, 상기 방법과 관련해서 기술된 장점들도 포함한다.
본 발명에 따라 마지막으로, 전술된 엔진을 구비한 차량이 제공된다.
본 발명은 도면을 참조하여 아래에서 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진을 위한 설정값 결정 과정을 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 엔진용 가변 터빈 구조의 제어기 리저브의 예를 보여주는 도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 엔진을 위한 엔진 부하에 따라 가변 밸브 기어의 다양한 제어기 리저브의 예를 보여주는 도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 리저브 지향적 제어 전략의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 개략도이다.
통상의 오토 엔진에서는, 정량적 부하 제어의 필수 스로틀링으로 인해, 그리고 노킹 방지를 위한 압축비 감소로 인해 열역학적 효율이 제한적이다. 부분 부하 운전에서의 디스로틀링을 구현하고 기하학적 압축비를 증가시키기 위한 접근법 중 하나는 이른바 밀러 방법 또는 앳킨슨 방법이다. 이 방법에서는, 흡기 밸브의 진각/지각 닫음을 통해 체적 효율 및 유효 압축이 감소한다. 그 결과, 엔진은 디스로틀링될 수 있고, 압축 온도 및 그와 더불어 노킹 경향이 감소할 수 있거나 기하학적 압축이 증가할 수 있다. 급기 냉각기 이후의 흡입관 내 열역학적 상태에 기초하여 실린더 내에 수집된 공기량 대 실린더 내 이론 공기량의 비를 기술하는 체적 효율은 밀러 방법에 의해 예를 들어 0.95에서 0.6 내지 0.8로 감소할 수 있다. 하지만 체적 효율의 감소로 인해 출력 손실이 발생할 수 있다. 이와 같은 출력 손실을 피하기 위해 그리고 그럼에도 밀러 방법에 의해 효율 상승을 달성하기 위해, 엔진은 배기 가스 터보 과급기, 특히 가변 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보 과급기에 의해서 작동될 수 있다. 하지만, 부하가 동적으로 변동하면, 요구되는 과급 밀도, 즉 요구되는 흡입관 압력을 제공하기 위해 터보 과급기가 필요로 하는 데드 타임이 엔진의 원하는 파워 출력 변동을 지연시킬 수 있다. 과급과 압축비 상승의 조합(밀러 방법)은 밸브 기어 가변성 그리고 적합한 작동 전략 및 제어 전략을 필요로 한다. 추가로, 이 경우에는 외부 배기 가스 재순환(AGR)의 영향이 고려되어야 한다. 동적인 부하 변동 시의 본 발명에 따른 엔진의 제어에 대해 논하기 전에, 하기에서는 밀러 방법에 따른 고압축 과급 오토 엔진의 정적 작동 모드들의 작동 전략을 간략히 기술한다.
이하의 작동 전략들은 예를 들어 이하의 작동 모드에서 사용될 수 있다.
낮은 부분 부하 작동
낮은 부분 부하 작동에서는, 엔진 정숙성(engine smoothness) 한계의 준수 하에 전체 시스템의 최대 디스로틀링이 추구된다. 이를 위해 과급 변경(charge changing)은, 내부 잔류 가스의 최대 비율이 엔진 정숙성 한계를 고려하여 세팅되도록 수행된다. 이 과정은 흡기 밸브 열림의 진각 조정 및 배기 밸브 닫힘의 지각 조정을 통해 실시된다. 또한, 가능한 밸브 행정 가변성 및 스로틀 밸브를 통해, 과급 변경 작업과 관련하여 밸브 행정과 스로틀 밸브 조정으로 이루어진 최적의 혼합 스로틀링이 세팅됨으로써, 충분한 크랭크 케이스 배기를 보장하기 위한 경미한 흡입관 부압이 세팅된다.
중간 부분 부하 작동 내지 흡입 전부하
부하 상승을 위해, 본 부하 범위에서는 스로틀 밸브의 개방에 의해, 그리고 가능하다면 밸브 행정의 증가에 의한 체적 효율 향상에 의해 엔진의 추가적인 디스로틀링이 이루어진다. 또한, 내부 잔류 가스 함량을 줄이고 신선한 공기로 대체하기 위해, 배기 캠축이 진각 방향으로 조정된다.
고부하 작동 내지 전부하
유효 압축비를 낮추어 노킹 현상을 줄이기 위해서는 체적 효율의 감소가 필수적이므로, 적정 상대 부하(rl)(정의: 정상 조건들을 기준으로 퍼센트로 나타낸 체적 효율)부터 이미, 사용되고 있는 과급기에 의한 과급압의 상승이 필요하다. 추가로, 냉각된 외부 배기 가스 재순환(eAGR)의 공급을 통해, 한 편으로는 노킹 경향이 줄어들 수 있고, 다른 한 편으로는 벽의 열 손실이 줄어들 수 있다. 그렇기 때문에, 체적 효율을 줄여서 유효 압축비를 감소시킴으로써 노킹 현상을 피하기 위한 점화각 지각 조정과, 체적 효율 감소 과정에서 보상을 위한 과급압 요구, 및 고압 프로세스를 열적으로 최적화하기 위한 외부 AGR로 구성된 최적의 조건을 구현하는 것이 타당하다. 흡입기 전부하에서 출발하여, 과급기의 구동이 실시된다. 이는 과급기 각각의 효율 설계에 좌우된다. 부하를 더욱 높이기 위해, 체적 효율은 과급 변경 효율의 최적화 하에 연속으로 증가한다. 체적 효율이 밸브 행정을 통해 추가로 증가함으로써, 흡기 밸브의 열림 및 닫힘이 제어될 수 있다. 이는 대안적으로 밸브 행정의 불연속 보정 시 고속 흡기 위상 조정기를 통해서도 수행될 수 있다. 이 경우, 발생 가능한 노킹 현상으로 인해 점화각 지각 조정이 허용될 수 있는데, 그 이유는 점화각 지각 조정에 의해 고압 루프 내에서 발생하는 단점보다 상대적으로 더 높은 체적 효율로 인한 상대적으로 더 적은 과급 변경 손실에 의해 얻어지는 장점이 더 크기 때문이다. 하지만 50% 질량 연소율 지점(mass fraction burned point)이 점화 상사점 이후 대략 16 내지 20°KW보다 진각되어 세팅되어야 하는 경우에는, 상기 조건이 변한다. 이와 같은 한계는 과급기의 회전수 및 효율 거동에 좌우된다. 부하를 더욱 증가시키기 위해, 흡기 밸브의 닫힘 시점에 의해 체적 효율 및 그와 더불어 유효 압축비가 제한될 수 있다. 추가적인 부하 상승은, 과급기에 의한 과급 밀도의 증가, 외부 배기 가스 재순환률의 감소, 그리고 양의(positive) 소기 경사도(scavenging gradient)와 결합된 배기 밸브 닫힘의 지각 조정을 통해 이루어질 수 있다. 그럼으로써, 노킹 경향을 증가시키는 고온의 내부 잔류 가스의 소기가 개선된다. 이를 위해 특히 가변 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보 과급기, 또는 기계식 혹은 전기식으로 구동되는 추가 압축기가 사용될 수 있다. 내부 잔류 가스 비율의 최소화가 추구되어야 한다. 엔진 회전수가 증가하고,그로 인해 유동량이 증가함에 따라, 항시 흡입관 압력과 배기 가스 배압의 최적 비율이 세팅되도록, 터보 과급기의 최대 구동이 상대적으로 더 약한 구동으로 전환된다.
밸브 기어 가변성을 갖는 과급 고압축 오토 엔진과 관련하여 전술한 작동 전략의 결과, 부하 제어를 위해 확장된 가능 매개변수 범위가 도출된다. 일반적으로, 엔진 토크가 실린더 내에 수집된 신선한 공기량(ml, Zyl)에 직접 비례하는 점이 적용된다. 따라서, 아래의 식이 성립된다:
Figure pct00001
상기 식에서:
λ l 은 체적 효율이고,
V h 는 실린더의 행정 체적이며,
ρ는 밀도이고,
p는 압력이며,
R은 기체 상수이고,
T는 온도이며,
지수 SGR은 흡입관이다.
종래의 엔진에서는, 체적 효율 및 내부 잔류 가스 비율이 사전에 결정된 밸브 제어 시간으로부터 산출되고, 거의 0.9 내지 1.05의 범위 내에서 변동된다. 가변 밸브 기어를 이용하여, 체적 효율이 이론적으로는 거의 0.1에서 1.05까지 변동될 수 있고, 이와 더불어 내부 잔류 가스 비율이 능동적으로 세팅될 수 있다. 밀러 방법의 원리에 따라, 효율은 실린더 과급 상태에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 노킹 경향 및 그와 더불어 엔진의 구현 가능한 토크 및 달성 가능한 효율에도 영향을 미친다. 그로부터, 밀러 방식의 과급 고압축 오토 엔진을 위해서 신선 급기의 체적 효율 및 흡입관 압력이 방정식 (1)에 따라 각각의 작동 상태를 위해 작동 최적의 관계로 세팅되어야 한다는 결과가 도출된다. 신선 공기량의 설정 과급 상태로부터 설정 체적 효율, 설정 과급 밀도 및 설정 잔류 가스 비율이 도출된다. 설정 체적 효율 및 설정 잔류 가스 비율은 밸브 기어 가변성에 의해 조정된다. 설정 과급 밀도는 과급 유닛의 스로틀 밸브 및/또는 세팅 밸브에 의해 조정된다. 체적 효율은 실질적으로 흡입관 밀도 혹은 흡입관 압력에 반비례한다. 그 결과, 상호 의존적인 2개의 제어기가 하나의 목표 변수, 즉 신선 급기 상태에 맞추어 제어를 수행한다.
도 1은 부하 제어를 위해 사용되는 제어기를 위한 설정값 결정의 개략적인 시퀀스를 보여준다. 액셀러레이터를 통해 검출되는 운전자 요구(wped)로부터 출발하여, 설정 토크(Md_soll)의 결정이 수행되고, 내부 엔진의 효율을 고려해서 신선 공기 설정 과급(mzyl_soll)의 결정이 수행된다. 이 신선 공기 설정 과급은 작동 상태에 따라 상대적인 설정 부하(rl_soll)로 환산되고, 이 설정 부하로부터 제공된 부하 제어기의 참조 변수의 설정값들이 유도된다. 이와 병행하여, 현재 흡입관 압력(pSGR_i)으로부터 엔진의 현재 부하(rl_ist)가 결정된다. 상대 현재 부하(rl_ist)와 상대 설정 부하(rl_soll) 간의 편차로부터 동적 인자(rl_dyn)가 결정된다. 밀러 방법에 따른 고압축 과급 오토 엔진의 경우, 상기 동적 인자는 예를 들어 흡입관 내 과급 밀도(ρ_SGR), 체적 효율(λ_l) 및 잔류 가스 비율(x_r)이다. 흡입관 밀도(ρ_SGR)는 예를 들어 사용된 과급 유닛(터보 과급기)의 스로틀 밸브 또는 제어 밸브에 의해 세팅될 수 있다. 체적 효율(λ_l) 및 잔류 가스 비율(x_r)은 밸브 기어 가변성을 통해 세팅될 수 있다. 밸브 기어 가변성은 예를 들어 연속으로 조정될 수 있는 중심 대칭 흡기 밸브 행정에 의해 편심 샤프트의 작동 및 흡기 캠축 및 배기 캠축의 위상 조정을 통해 구현될 수 있다. 배기 캠축 위상 조정기에 의한 배기 밸브 닫힘의 파일럿 제어 및 폐회로 제어와, 흡기 캠축 위상 조정기 및 밸브 행정 조정기에 의한 밸브 열림 및 닫힘의 파일럿 제어 및 폐회로 제어로 구성된 협동 조정을 통해, 설정 참조 변수를 세팅하는 상기 3개 조정기의 하위 조정(coordination)이 이루어진다. 액셀러레이터 조정의 속도로부터 동적 인자(f_dyn)를 결정함으로써, 체적 효율(λ_l) 및 잔류 가스 비율(x_r)과 같은 설정값의 동적인 영향도 수행된다. 이는 이하에서 기술되는 제어 참조 변수의 리저브 지향적 가이드에 의해서 이루어진다.
종래의 오토 엔진에서는, 액셀러레이터 위치에 따라 운전자 요구 토크가 결정된다. 상기 운전자 요구 토크부터 설정 실린더 과급이 이루어지고, 그 다음에는 예컨대 스로틀 밸브, 캠 샤프트 위상 조정기, 과급압 조정기와 같은 열역학적으로 관련이 있는 모든 엔진 조정기가 파일럿 제어에 상응하게 상기 설정 실린더 과급에 맞추어 세팅된다. 엔진 노킹 현상을 줄이기 위한 체적 효율의 감소 및 그와 연관된, 특히 과급기에 의한 과급 구조물의 동특성의 종속성으로 인해, 상기와 같은 참조 변수의 전략은 밀러 방법에 따른 과급 고압축 오토 엔진의 작동 중에 큰 동특성 손실 및 효율 손실을 야기한다.
그렇기 때문에, "실린더 신선 급기"이라는 설정값의 벡터 거동이 응답 특성의 개선을 위해 사용된다. 상대 설정 부하(rl_soll)와 상대 현재 부하(rl_ist) 간의 편차에 따라 동적 설정값(rl_dyn)이 규정되고, 이 동적 설정값은 현재 조회 가능한 체적 효율 구조 및 과급 밀도 구조에 따라 결정된다. 이 경우, 체적 효율 및 과급 밀도 구조의 변동을 위해 액추에이터의 데드 타임이 고려되며, 그렇기 때문에 항상 체적 효율 제어부가 선행 조정기이고, 과급 밀도 제어부가 후속 조정기이다. 이를 위해, 제공된 조정기에 대한 설정 참조 변수 및 제한 변수의 전술한 종속성의 리저브 지향적 보정(calibration)이 엔진 토크의 파일럿 제어 및 폐회로 제어를 위한 리저브 지향적 운영 전략의 토대로서 결정되고 사용된다. 이는 예를 들어 인공 신경망 또는 물리적 모델링을 이용하여 결정될 수 있다. 설정 체적 효율, 설정 과급 밀도 및 설정 잔류 가스 비율과 같은 참조 변수들은 노킹 한계의 사전 결정 시 도달할 수 있는 50% 질량 연소율 지점 및 엔진 정숙성을 고려해서 보정될 수 있거나 모델링될 수 있다. 도 2 및 도 3은 회전수가 일정할 때 부하(rl)에 따라 상응하는 조정기 리저브를 보여준다. 설정 흡입관 밀도(ρ_SGR_soll)를 결정하는 가변 터빈 구조(VTG)를 갖는 터보 과급기의 세팅 범위는, 밸브 행정을 대표하는 기계식 밸브 기어의 흡기 캠축 조정부(ENW) 및 편심 샤프트 조정부(EW)로부터 최대로 구현 가능한 체적 효율, 50% 에너지 전환점(AI 50%)의 크랭크축 각도, 배기 가스 내에서의 산소 농도(O2), 배기 가스 터보 과급기의 출력 한계, 및 최대 잔류 가스 비율로부터 산출된다. 완전 가변 밸브 기어 제어부(VVT_제어부)는 설정 체적 효율(λ_I_soll) 및 설정 잔류 가스 비율(x_r_soll)을 제어한다. 영향을 미칠 수 있는 조정기는 가변 밸브 기어의 최대 밸브 행정(hvmax)을 결정하는 편심 샤프트(EW), 과급 변경 상사점에 대한 흡기 캠축의 상대 위상 위치(wnwe), 및 과급 변경 상사점에 대한 배기 캠축의 상대 위상 위치(wnwa)이다. 도 3에서 사용된 추가 약어들의 의미는 다음과 같다:
Figure pct00002
: 전부하에서 배기 가스 내 산소 농도
Figure pct00003
: 부분 부하에서 잔류 가스 비율
도 2 및 도 3의 다이어그램에서 파선들은, 회전수가 상대 부하(rl)에 따라 일정하게 규정된 경우에 상응하는 조정기의 가능 세팅 범위를 각각 지시한다.
앞서 도 1을 참조하여 기술한 작동 전략, 특히 토크 제어의 리저브 지향적 운영 전략은 후속하여 도 4와 관련된 세 가지 부하 급변의 예에서 기술될 것이다. 여기서는, 차량 운전자가 액셀러레이터를 통해 상이한 동특성을 갖는 개별 부하 변동을 요구하는 세 가지 상이한 경우 A, B 및 C가 가정된다. 단계 1에서는 액셀러레이터(wped)를 통해 운전자가 요구한 부하 변동이 검출된다. 다이어그램 2에는 상기 세 가지 경우(A, B, C)에 상응하는 그래프(A, B, C)가 도시되어 있다. 그래프 A에서 운전자는 최대 가용 가속을 요구하고, 그리고 나서 상시 높은 토크(Md_soll)에서 안정(level-off)된다. 그래프 B에서 목표 토크는 그래프 A에서의 목표 토크와 같지만, 동특성 혹은 토크 형성에 대한 요구 수준은 훨씬 더 낮으며, 다시 말해 운전자가 액셀러레이터를 더 낮은 속도로 밟는다. 그래프 C는 효율 최적화된 토크 거동에 대한 요구를 보여준다. 다이어그램 2에서 그래프 A, B, C의 목표 토크는 각각 동일하다.
앞서 도 1을 참조하여 기술한 바와 같이, 단계 3의 설정 토크(Md_soll)로부터는 실린더 설정 과급(mzyl)이 결정되고, 그로부터 단계 4에서는 상대 설정 부하(rl_soll)가 결정된다. 그래프 A, B 및 C의 액셀러레이터 동작의 다이내믹을 고려하여, 단계 5에서는 실린더 내에서의 동적인 급기 상태에 대한 설정값(rl_dyn)이 결정된다. 다이어그램 6, 7 및 8은 이로부터 도출되는, 체적 효율(λ_I), 과급 밀도에 상응하는 흡입관 압력(ρ_SGR), 및 흡입관 압력(ρ_SGR)으로부터 결정되는 배기 가스 터보 과급기의 가변 터빈 구조(VTG)를 위한 세팅을 보여준다. 부하 급변 시 A의 경우에서 토크를 가급적 신속하게 상승시키기 위해, 밸브 기어(고속 조정기)는 도 3과 관련하여 리저브 지향적인 과급 보정으로부터 최대로 가능한 체적 효율이 얻어지도록, 흡기구 위상 및/또는 밸브 행정을 통해 조정된다. 그와 동시에, 과급압을 높이기 위해 가변 터빈 구조(저속 조정기)가 변동된다. 체적 효율 및 과급압을 높임으로써, 엔진의 과급 상태가 최대화되고, 다이어그램 9에서 그래프 A로 도시된 바와 같이 토크(Md_ist)의 더욱 빠른 상승이 세팅된다. 중간 정도의 부하 급변을 요구하는 B의 경우에, 체적 효율은 밸브 기어를 통해 A의 경우에 비해 훨씬 덜 강하게 상승한다. 동시에, 과급압을 가급적 신속하게 상승시킬 수 있도록 가변 터빈 구조가 변동된다. 전체적으로 A의 경우에 비해 더 느린 부하 급변이 실시되지만, 이로 인해 훨씬 더 나은 효율을 얻을 수도 있다. C의 경우, 시간에 걸쳐서 요구되는 토크 상승은, 체적 효율이 항상 효율 최적의 상태로 세팅될 수 있을 정도로 적다. 그렇기 때문에 고압축 밀러 연소법에서 체적 효율은 다이어그램 6에서 그래프 C를 통해 도시된 바와 같이 낮은 수준으로 유지될 수 있다. 여기서 토크 상승은 오로지 배기 가스 터보 과급기의 가변 터빈 구조(VTG)의 조정을 이용한 흡입관 밀도(ρ_SGR)의 상승을 통해서만, 다시 말해 단지 상대적으로 더 느린 액추에이터를 통해서만 제어될 수 있다. 그럼으로써, 엔진의 효율 최적화된 작동이 달성될 수 있다.
도 5는 마지막으로 엔진(51)이 장착된 차량(50)을 보여준다. 엔진(51)은 가변 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보 과급기(52) 및 가변 밸브 기어(53)를 포함한다. 엔진(51)은 또한, 예를 들어 엔진(51)에 대한 차량 운전자의 부하 요구과 엔진(51)의 현재 부하 출력 간의 편차에 따라 엔진(51)을 위한 동적 설정값을 결정하도록 형성된 제어 장치(54)를 포함한다. 나아가 제어 장치(54)는, 상기 동적 설정값에 따라 가변 밸브 기어(53)를 통해 체적 효율을 세팅하고, 배기 가스 터보 과급기(52)를 통해 과급 밀도를 세팅하도록 형성된다.

Claims (10)

  1. 엔진(51)의 흡입관 내 과급 밀도(p_SGR)를 세팅하기 위한 압축기(52) 및 엔진(51)의 체적 효율(λ_I)을 세팅하기 위한 세팅 수단(53)을 포함하는 엔진(51)을 작동하기 위한 방법이며, 상기 방법은,
    - 엔진(51)에 대한 부하 요구(rl_soll)와 엔진(51)의 현재 부하 출력(rl_ist) 간의 편차에 따라 엔진(51)을 위한 동적 설정값(rl_dyn)을 결정하는 단계와,
    - 상기 동적 설정값(rl_dyn)에 따라 체적 효율(λ_I) 및 과급 밀도(p_SGR)를 세팅하는 단계를 포함하는, 엔진 작동 방법.
  2. 제1항에 있어서, 체적 효율 및 과급 밀도를 세팅하는 단계는,
    - 동적 설정값(rl_dyn)에 따라 체적 효율(λ_I)을 세팅하는 단계와,
    - 동적 설정값(rl_dyn) 및 상기 세팅된 체적 효율(λ_I)에 따라 과급 밀도(p_SGR)를 세팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 엔진 작동 방법.
  3. 제2항에 있어서, 세팅 수단은 추가로, 엔진(51)의 실린더 과급부 내 잔류 가스 비율(x_r)을 세팅하도록 형성되며, 이 경우 상기 방법은 추가로,
    - 동적 설정값(rl_dyn)에 따라 잔류 가스 비율(x_r)을 세팅하는 단계와,
    - 동적 설정값(rl_dyn), 상기 세팅된 체적 효율(λ_I) 및 상기 세팅된 잔류 가스 비율(x_r)에 따라 과급 밀도(p_SGR)를 세팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 엔진 작동 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 동적 설정값(rl_dyn)을 결정하는 단계는,
    - 엔진(51)에 대한 부하 요구(rl_soll)와 엔진(51)의 현재 부하 출력(rl_ist) 간의 편차에 따라, 그리고 부하 요구의 시간에 따른 변량(f_dyn)에 따라 동적 설정값(rl_dyn)을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 엔진 작동 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 엔진(51)이 12:1 내지 15:1의 범위 내에 놓인 기하학적 압축비를 갖는 오토 엔진을 포함할 때, 상기 엔진(51)은 밀러 연소법에 따라 구동되는 것을 특징으로 하는, 엔진 작동 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 체적 효율을 세팅하기 위한 세팅 수단(53)이 가변 밸브 기어를 포함할 때, 체적 효율(λ_I)을 세팅하는 단계는,
    - 현재 부하 출력(rl_ist)에 따라 가변 밸브 기어의 밸브 행정(EW)의 세팅 범위를 결정하는 단계와,
    - 현재 부하 출력(rl_ist)에 따라 가변 밸브 기어의 흡기 캠축의 위상 위치(wnwe)의 세팅 범위를 결정하는 단계와,
    - 현재 부하 출력(rl_ist)에 따라 가변 밸브 기어의 배기 캠축의 위상 위치(wnwa)의 세팅 범위를 결정하는 단계와,
    - 각각 결정된 세팅 범위 내에서, 동적 설정값(rl_dyn)에 따라 밸브 행정(EW), 흡기 캠축의 위상 위치(wnwe) 및 배기 캠축의 위상 위치(wnwa)를 세팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 엔진 작동 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 압축기(52)는 가변 터빈 구조(VTG)를 갖는 엔진(51)의 배기 가스 터빈에 의해 구동되며, 이때 과급 밀도(p_SGR)를 세팅하는 단계는,
    - 현재 부하 출력(rl_ist)에 따라 가변 터빈 구조(VTG)의 세팅 범위를 결정하는 단계와,
    - 상기 결정된 세팅 범위 내에서 동적 설정값(rl_dyn)에 따라 가변 터빈 구조(VTG)를 세팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 엔진 작동 방법.
  8. 엔진으로서,
    - 엔진(51)의 흡입관 내 과급 밀도(p_SGR)를 세팅하기 위한 압축기(52)와,
    - 엔진(51)의 체적 효율(λ_I)을 세팅하기 위한 세팅 수단(53)과,
    - 엔진(51)에 대한 부하 요구(rl_soll)와 엔진(51)의 현재 부하 출력(rl_ist) 간의 편차에 따라 엔진(51)을 위한 동적 설정값(rl_dyn)을 결정하고, 상기 동적 설정값(rl_dyn)에 따라 체적 효율(λ_I) 및 과급 밀도(p_SGR)를 세팅하도록 구성된 제어 장치(54)를 포함하는, 엔진.
  9. 제8항에 있어서, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 엔진(51).
  10. 제8항 또는 제9항에 따른 엔진(51)을 구비한 차량.
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