KR20160089871A - 엔진에서 연료 품질을 추산하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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스콧 케이 맨
제프리 제이콥 비줍
데니스 존 스펄딩
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

여기에 개시된 본 발명은 연소 기관을 모니터링 및 제어하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 일 실시예에 있어서, 시스템은, 연소 기관의 작동을 제어하고, 연소 기관에 결합된 적어도 하나의 노크 센서(knock sensor)로부터의 신호를 수신하고, 신호로부터의 노크 마진 값(knock margin value)을 결정하고, 적어도 노크 마진 값과 실험실 성능 데이터 세트(laboratory performance data set) 사이의 비교에 기초하여 내연 기관으로 분사된 연료의 연료 품질 값을 추산하도록 구성된 제어기를 포함한다.

Description

엔진에서 연료 품질을 추산하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR ESTIMATING FUEL QUALITY IN AN ENGINE}
여기에 개시된 본 발명은 연소 기관을 모니터링 및 제어하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
전형적으로, 연소 기관은 천연 가스, 가솔린, 디젤 등과 같은 탄소질 연료(carbonaceous fuel)를 연소하고, 높은 온도 및 압력 가스의 대응하는 팽창을 사용하여 엔진의 특정 부품(예를 들면, 실린더에 배치된 피스톤)에 힘을 가하여 일정 거리에 걸쳐서 부품을 이동시킨다. 각각의 실린더는 탄소질 연료의 연소와 상관하여(correlative) 개방 및 폐쇄되는 하나 이상의 밸브를 포함할 수 있다. 예를 들면, 흡입 밸브는 공기와 같은 산화제(oxidant)를 실린더 내로 향하게 할 수 있다. 연료는 산화제와 혼합되고, 또한 연소되어(예를 들면 스파크를 거쳐서 점화) 배기 밸브를 거쳐서 실린더를 빠져나가는 연소 유체(예를 들면, 고온 가스)를 발생시킨다. 엔진 타이밍(engine timing)(예를 들면, 점화 타이밍)은 연비, 동력 및 다른 작동 매개변수에 영향을 미친다. 불행하게도, 적절한 점화 타이밍은 공지되지 않은 및/또는 시간에 걸쳐서 변화될 수 있는 연료 품질에 따라서 변화될 수 있다.
본 발명은 연소 기관을 모니터링 및 제어하는 시스템 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.
여기에 개시된 특정 실시예의 요약이 후술된다. 이들 양태는 단순히 이들 특정 실시예의 간단한 요약을 읽는 사람에게 제공하는 것이며, 이들 양태는 본 발명의 영역을 제한하는 의도가 아님을 이해해야 한다. 실제로, 본 발명은 청구되지 않은 다양한 양태를 포함할 수 있다.
제 1 실시예에 있어서, 시스템은, 연소 기관의 작동을 제어하고, 상기 연소 기관에 결합된 적어도 하나의 노크 센서(knock sensor)로부터의 신호를 수신하고, 상기 신호로부터의 노크 마진 값(knock margin value)을 결정하고, 적어도 상기 노크 마진 값과 실험실 성능 데이터 세트(laboratory performance data set) 사이의 비교에 기초하여 상기 내연 기관으로 분사된 연료의 연료 품질 값을 추산하도록 구성된 제어기를 포함한다.
제 2 실시예에 있어서, 시스템은 내연 기관 제어기를 포함한다. 내연 기관 제어기는 연소 기관에 결합된 적어도 하나의 노크 센서로부터의 신호를 수신하고, 상기 신호로부터의 노크 마진 값을 결정하고, 적어도 상기 노크 마진 값과 실험실 성능 데이터 세트 사이의 비교에 기초하여 상기 내연 기관으로 분사된 연료의 연료 품질 값을 추산하고, 및 추산된 연료 품질 값에 기초하여 적어도 연소 기관을 위한 제어 작용을 출력하도록 구성되어 있다.
제 3 실시예에 있어서, 방법은 내연 기관에 결합된 적어도 하나의 노크 센서로부터의 신호를 제어기를 거쳐서 수신하는 단계와; 상기 신호로부터의 노크 마진을 제어기를 거쳐서 결정하는 단계와; 적어도 노크 마진과 실험실 성능 데이터 세트 사이의 비교에 기초하여 내연 기관으로 분사된 연료의 연료 품질 값을 제어기를 거쳐서 추산하는 단계와; 추산된 연료 품질 값에 기초하여 적어도 내연 기관에 대한 제어 작용을 제어기를 거쳐서 산출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 상기 및 기타 특징, 양태, 장점은 하기 상세한 설명을 첨부 도면을 참조하여 숙독할 때 보다 양호하게 이해될 것이며, 도면에서 유사한 참조부호는 도면 전체에 걸쳐서 유사한 부분을 나타낸다.
도 1은 왕복 내연 기관을 구비하는 엔진 종동 전력 발생 시스템의 일부분의 일 실시예의 블럭도이다.
도 2는 도 1의 왕복 내연 기관의 실린더 내에 배치된 피스톤을 구비하는 피스톤-실린더 조립체의 일 실시예의 측단면도이다.
도 3은 연료 분사 시스템에 결합된 제어기를 구비하는 도 1의 엔진 종동 전력 발생 시스템의 일부분의 일 실시예의 블럭도이다.
도 4는 도 3의 제어기의 일 실시예의 블럭도이다.
도 5는 도 1의 기관과 같은 기관의 연료 품질을 결정하기 위한 방법의 일 실시예의 흐름도이다.
도 6은 도 1의 기관과 같은 기관의 연료 품질을 결정하기 위한 실험실 성능 데이터 세트의 일 실시예의 도해적 도면이다.
본 발명의 하나 이상의 특정 실시예를 후술할 것이다. 이들 실시예의 구체적인 설명을 제공하기 위한 일환으로, 실제 실시의 특징 전부가 명세서에 설명되지 않을 수도 있다. 임의의 이러한 실제 실시의 개발에서는, 임의의 공학 또는 디자인 프로젝트에서와 같이, 실시마다 달라질 수 있는, 시스템-관련 제약 및 비즈니스-관련 제약의 준수와 같은 개발자의 특정 목표를 달성하기 위해 수많은 실시-고유한 판정이 이루어져야 함을 알아야 한다. 또한, 이러한 개발 노력은 복잡하고 시간소모적일 수 있지만, 그럼에도 불구하고 본 발명의 이점을 갖는 통상의 기술자에게는 설계, 제작 및 제조의 루틴한 작업이 될 것임을 알아야 한다.
본 발명의 다양한 실시예의 요소들을 소개할 때, 관사, 정관사 및 "상기"는 이들 요소가 하나 이상 존재함을 의미하도록 의도된다. 용어 "포함하는", "구비하는" 및 "갖는"은 포괄적이도록 의도되며, 열거된 요소들 이외의 추가 요소가 존재할 수 있음을 의미한다.
현재 기술된 시스템 및 방법은 노크 센서(knock sensor)와 같은 하나 이상의 센서를 이용하는 내연 기관에서 연료 품질을 정밀하게 추산하는 것에 관한 것이다. 엔진 노크(engine knock)는 연소를 위한 정상 관찰 시간을 벗어난 것과 같은 엔진 사이클 동안의 예상치 못한 시간에서의 산소/연료 혼합물(예를 들면, 공기/연료 혼합물)의 연소를 가리키거나, 이러한 연소를 포함할 수도 있다. 노크 센서는 음향 또는 소리 센서, 진동 센서 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 노크 센서는 압전 가속도계(piezoelectric accelerometer), 미세 전자기계 시스템(microelectromechanical system : MEMS) 센서, 홀 효과 센서(Hall effect sensor), 자왜 센서(magnetostrictive sensor), 및/또는 진동, 가속도, 음향, 소리 및/또는 운동을 감지하도록 설계된 모든 다른 센서일 수 있다. 노크 센서는 노크 조건을 검출하기 위해서 엔진 내의 연소, 예를 들면 연소를 위한 정상 관찰 시간 동안이 아닌 예상치 못한 시간에서의 연소와 관련된 음향 및/진동을 모니터할 수도 있다. 다른 실시예에 있어서, 센서는 노크 센서가 아닐 수도 있지만, 진동, 압력, 가속도, 편향 또는 운동을 감지할 수 있는 모든 센서일 수 있다.
특정 상황에 있어서, 노크 마진(knock margin)을 측정할 수 있도록 엔진 노크를 야기시키기 위해서 정상 엔진 작동 동안에 엔진 타이밍(예를 들면, 점화 타이밍)을 고의로 조정하는 것이 바람직할 수도 있다. 노크 마진은 엔진 노크가 야기되는 타이밍과 기본 엔진 타이밍 사이에서의 차이를 가리킨다. 특정 실시예에 있어서, 노크 센서 및 엔진 제어기는 노크 엔진을 측정하기 위해 사용될 수도 있다. 예를 들면, 엔진 제어기는, 노크 센서가 엔진 노킹 이벤트를 측정할 때까지 기본 타이밍 값으로부터 엔진 타이밍(예를 들면, 점화 타이밍)을 조정할 수도 있다. 정상 엔진 작동 동안에 노크 마진을 측정하는 것은, 엔진 성능과 관련될 수 있는 엔진의 다양한 작동 조건을 추산하기 위해서 측정된 노크 마진 값이 실험실 성능 데이터와 비교될 수도 있기 때문에 유리하다. 예를 들면, 노크 마진 값은 내연 기관에서의 연료의 품질을 추산하기 위해 실험실 성능 데이터와 비교될 수도 있다.
엔진 타이밍(예를 들면, 점화 타이밍)은 엔진의 연소실에서 스파크가 발생될 때 엔진 사이클에서의 지점을 가리킬 수도 있다. 스파크는 스파크 플러그, 또는 스파크를 발생시키도록 구성된 모든 다른 장치에 의해 발생될 수도 있다. 다른 실시예에 있어서, 엔진 타이밍은, 연료가 엔진의 연소실 내로 도입될 때, 또는 엔진 내로의 연료 및/또는 산소를 제어하는 밸브가 조정될 때에 대응할 수도 있다. 엔진 타이밍은 엔진 성능에 영향을 미칠 수 있으며, 그에 따라 엔진의 측정된 작동 조건에 기초하여 엔진 타이밍을 최적 레벨로 조정하는 것이 바람직하다. 엔진의 많은 요인 또는 작동 조건은 엔진 타이밍을 영향을 미칠 수 있다. 예를 들면, 이러한 요인들은 다른 것들 중에서 특히 연료 품질, 연료 온도, 연료 압력, 엔진 속도, 부하, 공기 온도, 엔진 온도, 및 흡입 공기 압력을 포함할 수도 있다.
정상 엔진 작동 동안에, 엔진 타이밍은 적당한 엔진 타이밍 값을 결정하기 위해서 엔진 타이밍 맵을 이용할 수도 있는 제어기를 이용하여 조절될 수도 있다. 엔진 타이밍 맵은 다른 것들 중에서 특히 엔진 속도 및/또는 부하에 대응하는 엔진 타이밍 값을 제공하는 한 세트의 데이터를 포함할 수도 있다. 그러나, 엔진 타이밍 맵에서의 엔진 타이밍 값은 연료 품질, 연료 온도, 연료 압력, 공기 온도, 엔진 온도, 및 흡입 공기 압력과 같은 엔진 작동 조건에 따라 좌우된다. 따라서, 엔진 타이밍 맵은 최적의 타이밍 값을 결정하기 위해 엔진의 측정된 작동 매개변수에 기초하여 제어기에 의해 조정될 수도 있다. 예를 들면, 엔진 타이밍 맵은 노크 마진으로부터 결정된 측정된 연료 품질 값에 기초하여 조정될 수도 있다.
내연 기관에서의 연료의 품질은 그날 그날 변화될 수 있는데, 그 이유는 연료는 다양한 공급원으로부터 공급받을 수 있으며, 그에 따라 연료 특징은 엔진 사이클 사이에서 변화될 수 있기 때문이다. 개시된 실시예와 상관없이, 엔진 타이밍 맵은 연료 품질 변화에 따라 조정될 수 없는데, 그 이유는 연료 품질은 일반적으로 연속적으로 측정되지 않기 때문이다. 따라서, 연료 품질의 변화는 엔진 제어에 있어서 눈에 띄지 않고 또한 설명되지 않는 것으로 종종 진행된다. 일부 상황에서, 엔진의 오퍼레이터는 사용자 인터페이스(예를 들면, HMI 패널)에 연료 품질에 대한 수치{예를 들면, 웨케샤 노크 지수(Waukesha Knock Index : WKI) 값, 안티-노크 지수(anti-knock index : AKI) 값, 리서치법 옥탄가(research octane number : RON), 모터 옥탄가(motor octane number : MON), 혼합 옥탄(octane blending) 값, 세탄가(cetane number), 메탄가(methane number), 저위 발열량(lower heating value : LHV), 고위 발열량(higher heating value : HHV), 영국 열량 단위(British thermal unit : BTU) 값, 층류 불꽃 속도(laminar flame speed), 및/또는 수소 대 탄소 비율(hydrogen to carbon ratio)}를 수동으로 입력할 수 있으며, 그 결과 제어기는 연료 품질 값을 확인할 수 있다. 오퍼레이터는 연료의 공급자로부터, 또는 열량계(calorimeter) 또는 가스 크로마토그래프(gas chromatograph)와 같은 측정 장치로부터 이러한 수치를 입수할 수 있으며, 또한 설정 간격(예를 들면, 1일마다, 1주일마다, 1달마다 등등)으로 연료 품질 값을 입력할 수 있다. 그러나, 오퍼레이터가 이러한 데이터를 적확하게 입력한다는 것을 보장할 수 없으며, 그에 따라 엔진 타이밍 맵이 불량 엔진 성능으로 유도될 수 있는 연료 품질 변수를 확인하기 위해서 조정할 수도 없을 것이다.
연료 품질 값을 연속적으로 그리고 정확하게 추산할 수 있고 연료 품질 값에 관한 신호를 제어기로 보낼 수 있어서 사용자 입력이 필요 없게 될 수 있는 시스템을 구비하는 것이 바람직하다. 노크 센서 및 엔진 제어기기는 내연 기관 내에 사전에 설치될 수 있기 때문에, 센서(예를 들면, 노크 센서)를 사용하고, 또한 특히 노크 센서로부터 측정된 노크 마진을 실험실 성능 데이터와 비교할 수 있는 것이 바람직하다. 또한, 열량계 또는 가스 크로마토그래프와 같은 연료 품질을 측정하기 위한 별개의 장치들은 고가일 수 있으며, 또한 연료 품질 값을 사용자 입력으로 수동으로 입력하기 위해서 엔진 오퍼레이터를 필요로 할 수도 있다.
도면을 참조하면, 도 1은 왕복 내연 기관을 구비하는 엔진 종동 전력 발생 시스템의 일부분의 일 실시예의 블럭도를 도시하고 있다. 이하에 상세하게 설명하는 바와 같이, 시스템(8)은 하나 이상의 연소실(12)(예를 들면, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 또는 그 이상의 연소실(12))을 구비하는 엔진(10)(예를 들면, 왕복 내연 기관)을 포함한다. 산화제 공급부(14)(예를 들면, 공기 공급부)는 산소, 산소-풍부 고기, 산소-감소 공기(oxygen-reduced air), 또는 이들의 임의의 조합물과 같은 가압된 산화제(16)를 각각의 연소실(12)에 제공하도록 구성되어 있다. 또한, 연소실(12)은 연료 공급부(19)로부터의 연료(18)(예를 들면, 액체 및/또는 가스 연료)를 수납하도록 구성되며, 또한 연료-공기 혼합물은 각각의 연소실(12) 내에서 점화 및 연소된다. 고온의 가압된 연소 가스는, 각각의 연소실(12)에 인접한 피스톤(20)이 실린더(26) 내에서 선형으로 이동되게 하고 그리고 가스에 의해 발휘된 압력을 샤프트(22)를 회전시키는 회전 운동으로 전환되게 한다. 또한, 샤프트(22)는 샤프트(22)의 회전을 거쳐서 동력이 가해지는 부하(24)에 결합될 수 있다. 예를 들면, 부하(24)는 발전기와 같은 시스템(8)의 회전 출력을 거쳐서 동력을 발생시킬 수 있는 모든 적당한 장치일 수 있다. 추가로, 하기의 설명은 산화제(16)로서 공기를 언급하고 있지만, 개시된 실시예에 있어서 모든 적당한 산화제가 사용될 수 있다. 유사하게, 연료(18)는 예를 들면 천연 가스, 동반 석유 가스(associated petroleum gas), 프로판, 바이오가스, 배수 가스(sewage gas), 매립지 가스(landfill gas), 탄광 가스(coal mine gas)와 같은 모든 적당한 가스 연료일 수 있다. 또한, 연료(18)는 가솔린 또는 디젤 연료와 같은 다양한 액체 연료를 포함할 수 있다.
여기에 개시된 시스템(8)은 고정 분야(예를 들면, 산업 전력 발생 엔진에서) 또는 가동 분야(예를 들면, 자동차 또는 항공기에서)에서 사용하기에 적합할 수 있다. 엔진(10)은 2행정 엔진, 3행정 엔진, 4행정 엔진, 5행정 엔진 또는 6행정 엔진일 수 있다. 또한, 엔진(10)은 모든 개수의 연소실(12), 피스톤(20), 및 관련 실린더(26)(예를 들면 1개 내지 24개)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 특정 실시예에 있어서, 시스템(8)은 실린더(26)에 왕복동하는 4, 6, 8, 10, 16, 24 또는 그 이상의 피스톤(20)을 구비하는 대형 산업 왕복 엔진을 포함할 수 있다. 이러한 몇몇 경우에, 실린더(26) 및/또는 피스톤(20)은 대략 13.5㎝ 내지 34㎝의 직경을 갖고 있다. 일부 실시예에 있어서, 실린더(26) 및/또는 피스톤(20)은 대략 10㎝ 내지 40㎝, 15㎝ 내지 25㎝, 또는 약 25㎝의 직경을 갖고 있다. 시스템(8)은 10㎾ 내지 10㎿ 범위의 동력을 발생할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 엔진(10)은 대략 2000 RPM, 1900 RPM, 1700 RPM, 1600 RPM, 1500 RPM, 1400 RPM, 1300 RPM, 1200 RPM, 1000 RPM, 900 RPM, 또는 750 RPM 이하에서 작동될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 엔진(10)은 대략 750 RPM 내지 2000 RPM, 900 RPM 내지 1800 RPM, 또는 1000 RPM 내지 1600 RPM에서 작동될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 엔진(10)은 대략 1800 RPM, 1500 RPM, 1200 RPM, 1000 RPM, 또는 900 RPM에서 작동될 수 있다. 예시적인 엔진(10)은 예를 들어 제너럴 일렉트릭 캄파니의 젠바쳐 엔진(General Electric Company's Jenbacher Engines)(예를 들면, Jenbacher Type 2, Type 3, Type 4, Type 6 or J920 FleXtra) 또는 와케샤 엔진(Waukesha Engines)(예를 들면, Waukesha VGF, VHP, APG, 275GL)을 포함할 수 있다.
종동 동력 발생 시스템(8)은 엔진 "노크(knock)"를 검출하기에 적당한 하나 이상의 노크 센서(23)를 포함할 수 있다. 노크 센서(23)는 폭발(detonation), 조기 점화(pre-ignition) 및/또는 핑잉(pinging)과 같은 진동, 음향 또는 소리와 같은, 엔진(10)에서의 연소에 의해 야기되는 진동, 음향 또는 소리를 감지할 수 있다. 따라서, 노크 센서(23)는 음향 또는 소리 센서, 진동 센서, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 노크 센서(23)는 압전 진동 센서를 포함할 수 있다. 노크 센서(23)는 예를 들면 연소를 위한 정상 관찰 시간 동안이 아닌 예상치 못한 시간에서의 연소와 같은 노크 조건을 검출하기 위해서 엔진(10)내의 연소와 관련된 음향 및/또는 진동을 모니터할 수 있다. 노크 센서(23)는 엔진 제어 유닛(engine control unit : ECU)(25)과 같은 제어 시스템 또는 제어기(25)에 통신 가능하게 결합되어 있는 것으로 나타나 있다. 작동 동안에, 노크 센서(23)로부터의 신호는 노킹 조건(예를 들면, 핑잉)이 존재하는 것을 결정하도록 ECU(25)에 통신된다. 다음에, ECU(25)는 노킹 조건을 개선하거나 또는 추산하기 위해서 특정 엔진(10)의 매개변수를 조정할 수 있다. 예를 들면, ECU(25)는 엔진 성능을 개선하기 위해서 점화 타이밍 및/또는 연료 산화제 비율을 조정할 수 있다.
도 2는 왕복 엔진(10)의 실린더(26)(예를 들면, 엔진 실린더) 내에 배치된 피스톤(20)을 구비하는 피스톤-실린더 조립체의 일 실시예의 측단면도이다. 실린더(26)는 원통형 캐비티(30)(예를 들면, 보어)를 형성하는 환형 벽(28)을 구비하고 있다. 피스톤(20)은 축방향 축선 또는 방향(34), 반경방향 축선 또는 방향(36), 및 원주방향 축선 또는 방향(38)에 의해 규정될 수 있다. 피스톤(20)은 정상 부분(40)(예를 들면, 정상 랜드)을 포함한다. 일반적으로, 정상 부분(40)은 연료(18) 및 공기(16), 또는 연료-공기 혼합물(32)이 피스톤(20)의 왕복 운동 동안에 연소실(12)로부터 빠져나가는 것을 차단한다.
도시된 바와 같이, 피스톤(20)은 커넥팅 로드(56) 및 핀(58)을 거쳐서 크랭크샤프트(54)에 부착되어 있다. 크랭크샤프트(54)는 피스톤(20)의 왕복 선형 운동을 회전 운동으로 변환한다. 피스톤(20)이 이동될 때, 크랭크샤프트(54)는 회전되어 상술한 바와 같이 부하(24)(도 1에 도시됨)에 동력을 가한다. 도시된 바와 같이, 연소실(12)은 피스톤(20)의 정상 랜드(40)에 인접하여 배치되어 있다. 연료 인젝터(60)는 연소실(12)에 연료(18)를 공급하며, 흡입 밸브(62)는 연소실(12)로의 산화제(예를 들면, 공기(16)의 분배를 제어한다. 배기 밸브(64)는 엔진(10)으로부터의 배기의 배출을 제어한다. 그러나, 연료(18) 및 공기(16)를 연소실(12)에 공급하기 위한 및/또는 배기를 배출하기 위한 모든 적당한 요소들이 이용될 수 있음을 이해해야 하며, 일부 실시예에 있어서, 연료 분사가 사용되지 않는다. 작동시에, 연소실(12) 내의 산화제(16)에 의한 연료(18)의 연소는, 피스톤(20)이 실린더(26)의 캐비티(30) 내에서 축 방향(34)에서 왕복 방식(예를 들면, 전후)으로 이동되게 할 수 있다.
작동 동안에, 피스톤(20)이 실린더(26) 내의 가장 높은 지점에 있을 때, 상사점(top dead center : TDC)이라 불리는 위치에 있다. 피스톤(20)이 실린더(26) 내의 가장 낮은 지점에 있을 때, 하사점(bottom dead center : BDC)이라 불리는 위치에 있다. 피스톤(20)이 TDC로부터 BDC까지 또는 BDC로부터 TDC까지 이동될 때, 크랭크샤프트(54)는 1회전의 1/2를 회전한다. TDC로부터 BDC까지 또는 BDC로부터 TDC까지의 피스톤(20)의 각각의 운동은 1 행정이라고 하며, 실시예의 엔진(10)은 2행정 엔진, 3행정 엔진, 4행정 엔진, 5행정 엔진, 6행정 엔진, 또는 그 이상을 포함할 수 있다.
엔진(10)이 작동되는 동안에, 대표적으로 흡입 프로세스, 압축 프로세스, 파워 프로세스, 및 배기 프로세스를 포함하는 시퀀스가 야기된다. 흡입 프로세스는 연료(18) 및 산화제(16)(예를 들면, 공기)와 같은 연소 산화물이 실린더(26) 내로 끌어당길 수 있으며, 그에 따라 흡입 밸브(62)는 개방되고 배기 밸브(64)는 폐쇄된다. 압축 프로세스는, 흡입 밸브(62) 및 배기 밸브(64) 양자가 폐쇄되어 있을 때, 연소 혼합물을 보다 적은 스페이스로 압축시킨다. 파워 프로세스는, 스파크 플러그 시스템을 통한 스파크 점화 및/또는 압축 열을 통한 압축 점화를 포함할 수 있는 압축된 연료-공기 혼합물을 점화시킨다. 다음에, 연소로부터의 결과적인 압력은 피스톤(20)을 BDC로 강제한다. 전형적으로, 배기 프로세스는 배기 밸브(64)를 개방으로 유지하면서 피스톤(20)을 TDC로 리턴시킨다. 따라서, 배기 프로세스는 배기 밸브(64)를 통해 사용한 연료-공기 혼합물을 방출한다. 실린더(26)마다 하나 이상의 흡입 밸브(62) 및 배기 밸브(64)가 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
도시된 엔진(10)은 크랭크샤프트 센서(66)와, 노크 센서(23)와, 프로세서(72) 및 메모리 유닛(74)을 포함하는 엔진 제어 유닛(ECU)(25)을 포함할 수 있다. 크랭크샤프트 센서(66)는 크랭크샤프트(54)의 위치 및/또는 회전 속도를 감지한다. 따라서, 크랭크 각도 또는 크랭크 타이밍 정보가 도출될 수 있다. 즉, 연소 엔진을 모니터링할 때, 타이밍은 종종 크랭크샤프트 각도와 관련하여 표현될 수 있다. 예를 들면, 4행정 엔진(10)의 전체 사이클은 720° 사이클로서 측정될 수도 있다. 노크 센서(23)는 압전 가속도계(piezoelectric accelerometer), 미세 전자기계 시스템(microelectromechanical system : MEMS) 센서, 홀 효과 센서(Hall effect sensor), 자왜 센서(magnetostrictive sensor), 및/또는 진동, 가속도, 음향, 소리 및/또는 운동을 감지하도록 설계된 모든 다른 센서일 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 센서(23)는 노크 센서가 아닐 수도 있지만, 진동, 압력, 가속도, 편향 또는 운동을 감지할 수 있는 모든 센서일 수 있다.
엔진(10)의 퍼커시브 성질(percussive nature)로 인해서, 노크 센서(23)는 실린더(26)의 외부에 장착될 경우라도 특징(signatures)을 검출할 수도 있다. 그러나, 노크 센서(23)는 실린더(26) 내에 또는 실린더(26) 둘레에서 다양한 위치에 배치될 수도 있다. 추가적으로, 일부 실시예에 있어서, 단일 노크 센서(23)는 예를 들어 하나 이상의 인접한 실린더(26)와 공유될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 각각의 실린더는 하나 이상의 노크 센서(23)를 포함할 수 있다. 크랭크샤프트 센서(66) 및 노크 센서(23)는 엔진 제어 유닛(ECU)(25)과 전자 통신 관계로 도시되어 있다. ECU(25)는, 기계-판독 가능한 매체(예를 들면, 메모리 유닛(74))에 저장되고 그리고 본원에 개시된 기술을 시행하기 위해 프로세서(예를 들면, 프로세서(72))에 의해 사용되는 비일시적인 코드 또는 지령을 포함할 수 있다. 메모리는 프로세서(72)에 의해 실행될 수 있는 컴퓨터 지령을 저장할 수도 있다. 추가적으로, 메모리는 노크 센서(23) 및/또는 크랭크샤프트 센서(66)로부터 수신된 신호와 비교될 수 있는 엔진(10)의 정상 작동 조건에 관한 룩업 테이블(look-up tables) 및/또는 실험실 성능 데이터를 저장할 수 있다. ECU(25)는 예를 들면 점화 타이밍, 밸브(62, 64)의 개방/폐쇄하는 타이밍을 조정함으로써, 연료 및 산화제(예를 들면, 공기)의 분배를 조정하는 등등에 의해서 엔진(10)의 작동을 모니터 및 제어할 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 또한 시스템(8)에 포함되고 ECU(25)에 결합되는 다른 센서가 있을 수 있다. 예를 들면, 센서들은 압력 센서, 온도 센서, 속도 센서 등등과 같은 대기 및 엔진 센서를 포함할 수 있다. 예를 들면, 센서들은 노크 센서, 크랭크샤프트 센서, 산소 및 람다 센서, 엔진 공기 흡입 온도 센서, 엔진 공기 흡입 압력 센서, 자켓 워터 온도 센서, 엔진 배기 온도 센서, 엔진 배기 압력 센서, 및 배기 가스 복합 센서를 포함할 수 있다. 또한, 다른 센서는 온도 및 압력을 위한 압축기 유입구 및 유출구 센서를 포함할 수 있다.
도 3은 엔진(10)을 구비하는 엔진 종동 동력 발생 시스템(100), 연료 분사 시스템(102), 흡입 밸브(62), 및 적어도 연료 분사 시스템(102)에 결합된 제어기(25)(예를 들면, ECU)의 일부분의 일 실시예의 블럭도를 도시하고 있다. 특정 실시예에 있어서, 연료(18)는 밸브(104)를 통해 연료 분사 시스템(102)에 유입될 수 있다. 밸브(104)는 연료 분사 시스템(102) 내로의 연료(18)의 유동 속도를 제어하도록 구성될 수 있다. 다음에, 제어된 양의 연료(18)가 연료 분사 시스템(102)을 거쳐서 엔진(10)(예를 들면, 연소실(12)) 내로 분사될 수 있다. 추가적으로, 산화제(16)는 또한 흡입 밸브(62)를 거쳐서 엔진(예를 들면, 연소실(12)) 내로 공급될 수 있다. 연소실(12)에 있어서, 스파크가 유도(예를 들면, 스파크 플러그로부터)될 수 있거나, 또는 이미 존재하여 연료(18) 및 산화제(16)의 혼합물이 연소되게 할 수 있다. 연소 후에, 배기 가스(110)는 배기 밸브(64), 배기 매니폴드, 또는 엔진(10)을 빠져나가는 유출을 촉진시키도록 구성된 다른 장치를 거쳐서 엔진을 빠져나갈 수 있다. 연소는 발전기(112)와 같은 부하(24)를 구동시킬 수 있는 실린더(26) 내의 피스톤(20)을 구동시킨다.
연료 분사 시스템(102)은 엔진(10)에 유입되는 연료(18)의 양을 조절하도록 구성될 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 연료 분사 시스템(102)은 제어기(25)에 연결된 하나 이상의 밸브 및 대응 액추에이터를 구비할 수 있다. 예를 들면, 연료 분사 시스템(102)은, 다른 것들 중에서 특히 엔진(10) 내로 분사된 연료(18)의 양을 제어할 수 있는 연료 인젝터(60)를 포함할 수 있다. 연료 인젝터(60)(예를 들면, 액추이에터를 거쳐서)를 조정함으로써, 엔진(10) 내의 연료/산화제 비율은 제어기(25)에 의해 제어될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 연료 분사 시스템(102)은 연료(18) 및 산화제(16)를 혼합하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 연료 분사 시스템(102)은 연료(18) 및 산화제(16)의 혼합물을 엔진(10) 내로 분사할 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 시스템(100)은 엔진(10) 내에 배치된 노크 센서(23)를 또한 포함할 수 있다. 노크 센서(23)는 제어기(25)(예를 들면, ECU)에 통신 가능하게 결합될 수 있다. 노크 센서(23)는 예를 들면 연소를 위한 정상 관찰 시간 동안이 아닌 예상치 못한 시간에서의 연소와 같은 엔진 노킹을 측정하고, 노킹 이벤트가 야기될 때 제어기(25)에 신호를 전송한다. 특정 실시예에 있어서, 제어기(25)는 정상 엔진 작동 동안에 엔진 노킹을 고의로 야기시키도록 구성되며, 그 결과 제어기(25)는 노크 마진 값을 결정할 수 있다. 노크 마진 값은 엔진 노크의 타이밍과 기본 타이밍 값에 기초하여 결정될 수 있다. 제어기(25)는, 연료 품질 추산값을 계산하기 위해, 엔진(10)의 다른 작동 조건과 함께 노크 마진을 실험실 성능 데이터와 비교할 수 있다. 제어기(25)는 엔진 타이밍 맵을 조정하도록 연료 품질 추산값을 이용하여 전체 엔진 성능을 개선할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 제어기는 엔진(10) 내로 분사된 산화제에 대한 연료의 비율을 조정하기 위해 연료 품질 추산값을 이용할 수 있다.
시스템(100)의 엔진(10)은 왕복 또는 피스톤 엔진(예를 들면, 내연 기관)을 포함할 수 있다. 엔진(10)은 스파크-점화 엔진 또는 압축-점화 엔진을 포함할 수 있다. 엔진(10)은 천연 가스 엔진, 가솔린 엔진, 디젤 엔진, 또는 이중 연료 엔진을 포함할 수 있다. 엔진(10)은 2행정 엔진, 3행정 엔진, 4행정 엔진, 5행정 엔진 또는 6행정 엔진일 수 있다. 엔진(10)은 임의의 개수의 실린더(26)(예를 들면, 1개 내지 24개의 실린더 또는 다른 임의의 개수의 실린더), 및 관련 피스톤(20) 및 라이너를 또한 포함할 수 있다.
도 4는 도 2 및 도 3의 제어기(25)(예를 들면, ECU)의 일 실시예의 블럭도를 도시하고 있다. 제어기(25)는 프로세서(72) 및 메모리 유닛(74)을 포함할 수 있다. 제어기(25)는 시스템(100)을 통해 다양한 센서 및 장치에 결합될 수 있으며, 그 결과 제어기는 이들 센서 및 장치로부터의 입력을 수신하도록 구성되어 있다. 다양한 입력을 수신함으로써, 제어기(25)는 다른 것들 중에서 특히 엔진(10)의 연료/산화제의 비율을 조절하도록 및/또는 엔진 타이밍 맵을 조정하도록 구성될 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 제어기(25)는 노크 센서(23)와 같은 엔진 종동 동력 발생 시스템(100)에 포함될 수 있는 하나 이상의 센서로부터의 신호를 수신할 수 있다. 센서는 압력 센서, 온도 센서, 속도 센서 등등과 같은 대기 및 엔진 센서들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 센서들은 노크 센서, 산소 및 람다 센서, 엔진 공기 흡입 온도 센서, 엔진 공기 흡입 압력 센서, 자켓 워터 온도 센서, 엔진 배기 온도 센서, 엔진 배기 압력 센서, 및 배기 가스 복합 센서를 포함할 수 있다. 또한, 다른 센서는 온도 및 압력을 위한 압축기 유입구 및 유출구 센서를 포함할 수 있다. 제어기(25)는 하나 이상의 액추에이터를 거쳐서 다른 장치(예를 들면, 연료 분사 시스템(102) 내의 밸브)를 제어할 수 있다.
다양한 센서 및 장치로부터 신호를 수신한 후에, 제어기(25)(예를 들면, 프로세서(72)를 거쳐서)는 엔진(10)의 작동을 제어하기 위해서 액추에이터 및/또는 다른 장치에 다양한 신호를 전송한다. 예를 들면, 노크 센서(23)는, 예컨대 연소를 위한 정상 관찰 시간 동안이 아닌 예상치 못한 시간에서의 연소와 같이 엔진 노크가 야기될 때 제어기(25)로 신호를 전송한다. 노크 센서(23)의 신호에 기초하여, 제어기(25)는 연료 분사 시스템(102) 내의 하나 이상의 밸브를 제어하는 액추에이터에 신호를 전송함으로써 산화제에 대한 연료의 비율을 조정할 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 노크 센서(23)의 신호는 제어기(25)가 엔진의 연료 품질의 값을 추산하는 것을 가능하게 할 수 있다. 연료 품질을 추산하는 것은 도 5를 참조하여 이하에 보다 상세하게 설명될 것이다.
특정 실시예에 있어서, 제어기(25)는, 연료 품질에 관련된, 노크 센서(23)로부터의 신호를 수신할 때 연료 대 산화제 비율을 조정할 수 있다. 연료 품질은 웨케샤 노크 지수(Waukesha Knock Index : WKI) 값, 안티-노크 지수(anti-knock index : AKI) 값, 리서치법 옥탄가(research octane number : RON), 모터 옥탄가(motor octane number : MON), 혼합 옥탄(octane blending) 값, 세탄가(cetane number), 메탄가(methane number), 저위 발열량(lower heating value : LHV), 고위 발열량(higher heating value : HHV), 영국 열량 단위(British thermal unit : BTU) 값, 층류 불꽃 속도(laminar flame speed), 및/또는 수소 대 탄소 비율(hydrogen to carbon ratio), 도는 연료 품질을 수량화하기 위해 사용되는 모든 다른 시스템을 이용하여 수량화될 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 엔진(10) 내의 연료 품질은 40과 120.3 사이의 옥탄가(예를 들면, RON or MON), 78.0과 120.3 사이의 옥탄가(예를 들면, RON or MON), 0.1과 100.0 사이의 세탄가, 0.1과 40.0 사이의 세탄가, 35.0과 100.0 사이의 메탄가, 또는 45.0과 100.0 사이의 메탄가를 가질 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 엔진(10) 내의 연료 품질은 120.3과 160.0 사이의 혼합 옥탄 값을 가질 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 혼합 옥탄 값은 혼합 비율을 갖는 연료에 대한 추론된 옥탄가에 대응하며 옥탄가가 120.3을 초과할 수 있다.
제어기(25)에 의해 추산된 연료 품질 값이 한계값(threshold value)을 초과한다면, 다음에 제어기(25)는 흡입 밸브(62)를 조정하도록 액추에이터에 신호를 보냄으로써 엔진(10) 내의 산화제(16)의 양을 증가시켜서 산화제(16)의 유동을 증가시킬 수 있다. 추가로, 제어기(25)는 연료 인젝터(60)를 조정하도록 액추에이터에 신호를 보냄으로써 엔진(10) 내의 연료(18)의 양을 감소시켜서 연료(18)의 유동을 감소시킬 수 있다. 역으로, 제어기(25)에 의해 추산된 연료 품질 값이 한계값 이하라면, 다음에 제어기(25)는 흡입 밸브(62)를 조정하도록 액추에이터에 신호를 보냄으로써 엔진(10) 내의 산화제(16)의 양을 감소시켜서 산화제(16)의 유동을 감소시킬 수 있다. 추가로, 제어기(25)는 연료 인젝터(60)를 조정하도록 액추에이터에 신호를 보냄으로써 엔진(10) 내의 연료(18)의 양을 증가시켜서 연료(18)의 유동을 증가시킬 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 제어기(25)는 노크 센서(23)로부터 수신된 신호에 응답하여 엔진 타이밍 맵을 조정할 수 있다. 제어기(25)는 엔진 노킹이 야기되는 노크 센서(23)로부터의 신호에 기초하여 노크 마진을 결정할 수 있다. 몇몇 경우에, 엔진 타이밍은 정상 엔진 작동 동안에 바람직하지 못한 이벤트로서 일반적으로 간주되는 엔진 노킹을 야기시키도록 의도적으로 조정될 수 있다. 기본 타이밍 값으로부터 엔진 노크 타이밍으로 엔진 타이밍을 조정함으로써 제어기(25)가 노크 마진을 측정할 수 있게 한다. 노크 마진 측정을 이용함으로써, 제어기(25)는 연료 품질과 같은 엔진(10)의 알려지지 않은 작동 매개변수를 추산할 수 있다. 다음에, 제어기(25)는 추산된 작동 조건에 기초하여 엔진 타이밍 맵을 조정할 수 있으며, 그 결과 엔진 타이밍 맵에 포함된 엔진 타이밍 값은 작동 매개변수에 따라서 최적화될 수 있다. 엔진 타이밍 맵은 엔진 속도, 부하 등과 같은 공지된 작동 조건에 대응하는 엔진 타이밍 값을 포함하는 한 세트의 데이터일 수 있다. 일반적으로, 엔진 타이밍(예를 들면, 점화 타이밍, 연료 분사 타이밍, 밸브 타이밍 등등)은, 연료(18) 및 산화제(16)의 연소를 트리거하도록 스파크가 유도(예를 들면, 스파크 플러그를 거쳐서)될 때 내연 기관의 소정 사이클 동안의 순간을 가리키는 것이다.
노크 마진은 엔진 노킹 이벤트의 타이밍과 기본 타이밍 값 사이의 차이를 가리킨다. 기본 타이밍 값은 엔진 노크의 예상된 타이밍과 선택된 기본 타이밍 값 사이에 완충을 제공하는 임의적인 타이밍 값일 수 있다. 엔진 노크의 예상된 타이밍은 역사적 데이터(historical data), 실증적인 데이터(empirical data), 지식 기반 데이터(knowledge-based data) 등을 이용함으로써 추산될 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 기본 타이밍 값은 엔진(10)의 속도 및 부하에 좌우될 수 있다. 노크 마진은 정상 엔진 작동 동안에 제어기(25)에 의해 계산될 수 있으며, 다음에 메모리 유닛(74)에 저장된 실험실 성능 데이터와 비교된다. 이러한 비교값은 프로세서(72)가 엔진(10) 내의 연료(18)의 연료 품질을 추산할 수 있게 한다. 특정 실시예에 있어서, 실험실 성능 데이터는 실험 계획법(Design of Experiments : DOE) 프로세스를 통해서 수집된 대용량 데이터 세트(예를 들면, 룩업 테이블, 방정식, 알고리즘, 컴퓨터 모델 등등)일 수 있다. DOE는 다른 변수들이 어떻게 대응하는 가를 관찰하기 위해서 하나의 변수가 변화되는 하나의 체계적인 방법을 가리킬 수 있다. 예를 들면, 실험실 성능 데이터 세트는 모든 실질적인 엔진 속도 및 부하 값에서 내연 기관에 대한 작동 조건 데이터를 구비할 수 있다. 엔진 속도 및 부하에 따라 변화될 수 있는 모든 작동 조건들은 다른 것들 중에서 특히 온도, 주변 습도, 기압, 연료 품질, 및 노크 마진에 포함될 수도 있다. 일부 실시예에 있어서, 제어기(25)는 실험실 성능 데이터에서 정상 엔진 작동 동안에 측정된 노크 마진, 엔진 속도 및 부하에 대응하는 연료 품질 값(예를 들면, WKI 값, AKI 값, RON, MON, 혼합 옥탄 값, 세탄가, 메탄가, LHV, HHV, BTU 값, 층류 불꽃 속도, 수소 대 탄소 비율)을 찾아냄으로써 연료 품질 값을 추산하도록 구성될 수 있다.
도 5는 엔진(10)의 연료 품질을 결정하기 위한 컴퓨터 구현 방법의 일 실시예의 흐름도(130)를 도시하고 있다. 예를 들면, 제어기(25)의 프로세서(72)는 메모리 유닛(74)에 저장된 데이터를 실행하기 위한 프로그램을 실행할 수 있다. 블럭(132)에서, 방법은 개시 또는 시작된다. 따라서, 프로세서(72)는 사용자에 의해 또는 다른 처리 유닛으로부터 수신된 전자 신호에 의해 방법을 개시하도록 명령을 받을 수 있다. 블럭(134)에서, 프로세서(72)는, 엔진 노킹 이벤트를 야기시키도록 엔진(10) 타이밍을 앞당기기 전에 이전의 프로세스가 종료하기 때문에 충분한 시간이 경과하였는가를 결정한다. 충분한 시간이 경과되지 않았다면, 다음에 엔진(10)은 정상적으로 작동을 계속한다(예를 들면, 유도된 엔진 노킹 이벤트를 야기시킴이 없이). 특정 실시예에 있어서, 사전-설정 지연 시간(예를 들면, 한계 시간)은 프로세서(72) 내에 프로그램화될 수 있으며, 그 결과 사전-설정 지연 시간이 경과된 후까지 엔진 타이밍을 앞당기는 것을 개시하지 않는다. 즉, 노크 마진을 측정하는 것은 엔진(10)이 일반적으로 바람직하지 못한 이벤트인 엔진 노킹을 겪게 유도하는 것을 포함하기 때문에, 사전-설정 지연 시간은, 엔진(10)이 엔진 노킹싱에 야기되는 연속 연소 사이클을 발생하지 않게 하는 방식으로 포함될 수 있다. 예를 들면, 사전-설정 시간 값은 대략 1 시간과 24 시간 사이, 30 분과 5 시간 사이, 10 분과 2 시간 사이, 5 분과 1 시간 사이, 및 10 초와 30 분 사이일 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 엔진(10)의 오퍼레이터는 사전-설정 지연 시간 값을 무시할 수 있으며, 그 결과 새로운 연료가 사용된다면, 오퍼레이터는 사전-설정 지연 시간이 경과하는 것을 기다림이 없이 즉시 프로세스를 개시할 수 있다.
블럭(136)에서, 프로세서(72)는 기본 타이밍 레벨 이상에서 엔진 타이밍을 앞당기는 것을 개시한다. 상술한 바와 같이, 기본 타이밍 값은 엔진 노킹의 예상된 타이밍과 기본 타이밍 값 사이에 완충을 제공하기 위해 선택된 임의적인 타이밍 값일 수 있다. 엔진 노킹의 예상된 타이밍은 역사적 데이터, 실증적인 데이터, 지식 기반 데이터 등을 이용함으로써 추산될 수 있다. 블럭(138)에서, 프로세서(72)는 엔진 타이밍을 앞당기는 것을 계속할 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 앞당김 간격은 프로세서(72)에 사전-프로그램화될 수 있으며, 그 결과 프로세서(72)는 사전결정된 속도에서 엔진(10) 타이밍을 앞당긴다. 예를 들면, 프로세서(72)는 크랭크샤프트(54) 각도를 조정함으로써 엔진 타이밍을 앞당기며, 그 결과 각각의 타이밍 앞당김은 대략 0.1°와 50° 사이, 0.1°와 25° 사이, 0.1°와 10° 사이, 0.1°와 5° 사이, 또는 0.5°와 1° 사이일 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 엔진 타이밍은 0.1°, 0.2°, 0.3°, 0.4°, 0.5°, 1°, 2°, 3°, 4°, 5°, 10°, 15°, 25°, 40°, 50°, 60°, 70°, 80°, 또는 90°의 증분으로 앞당겨질 수 있다. 타이밍 앞당김 간격은 블럭(138)에서 각각의 타이밍 앞당김에 대해서 동일하거나 또는 상이할 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 프로세서(72)는, 블럭(138)에서 엔진 타이밍의 각각의 앞당김 후에 엔진 노킹이 블럭(140)에서 야기되었는 가를 결정할 수 있다. 신호(142)는 전압, 전압의 변화, 진동 특징, 소리 특징, 또는 엔진 노킹이 야기되는 것을 표시하는 다른 노크 센서 특징의 형태일 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 한계값은 프로세서(72)에 사전-프로그램화될 수 있으며, 그 결과 프로세서(72)는 노크 센서(23)로부터 수신된 신호를 사전-프로그램화된 한계값과 비교하여 엔진 노크가 야기되었는 가를 결정할 수 있다. 예를 들면, 노크 센서(23)로부터 수신된 신호(142)가 한계값이거나 한계값 이상이라면, 프로세서(72)는 엔진 노킹이 야기되었다는 것을 결정하며, 프로세서(72)에 의해 엔진 타이밍 앞당김이 더 이상 명령되지 않는다. 역으로, 노크 센서(23)로부터 수신된 신호(142)가 한계값 이하라면, 프로세서(72)는 엔진 노킹이 야기되지 않았다는 것을 결정하며, 블럭(138)으로 복귀됨으로써 사전결정된 간격에서 엔진 타이밍을 계속해서 앞당긴다.
프로세서(72)가 엔진 노킹이 야기되었다는 것을 결정한다면, 블럭(144, 146)에 도시된 작용을 실행할 것이다. 예를 들면, 프로세서(72)가 엔진 노킹이 야기되었다는 것을 결정하면, 블럭(144)에 도시된 바와 같이 시스템(100) 내의 다른 센서로부터 수신하는 신호(148)에 기초하여 노크의 시간에서 엔진(10)의 작동 조건을 측정할 수 있다. 예를 들면, 프로세서(72)는 온도, 주변 습도, 기압, 엔진 속도, 부하, 또는 엔진 노킹 이벤트가 야기된 것을 검출할 때의 엔진 성능과 관련된 모든 다른 작동 조건에 대응하는 신호(148)를 수신할 수 있다. 추가로, 엔진(10)의 다른 작동 조건을 측정하는 동시에, 또는 측정하기 전에, 또는 측정한 후에 프로세서(72)는 블럭(146)에 도시된 바와 같이 노크 마진 값을 결정한다. 특정 실시예에 있어서, 프로세서(72)는 엔진 노크가 야기된 때의 타이밍과 기본 엔진 타이밍(예를 들면 블럭(136)에서의 타이밍) 사이의 차이를 취함으로써 노크 마진 값을 계산할 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 프로세서(27)가 엔진 노킹의 시간에서의 엔진의 작동 조건을 측정하고 노크 마진을 결정한 후에, 프로세서(72)는 블럭(150)에 도시된 바와 같이 기본 타이밍으로 복귀할 수 있다. 이와 같이, 엔진(10)은 정상 조건(예를 들면, 엔진 노킹이 유도되지 않음)하에서 작동된다. 기본 타이밍 값은 블럭(136)에서 기본 타이밍 값과 동일하거나 기본 타이밍 값과 상이할 수 있다. 예를 들면, 기본 타이밍 값이 반복 사이에서 또한 변화될 수 있는 엔진(10)의 하나 이상의 작동 조건(예를 들어, 엔진 속도 및/또는 부하)에 좌우되기 때문에, 기본 타이밍 값은 프로세스의 각각의 반복에 대해서 동일하지 않을 수 있다.
블럭(152)에서, 프로세서(72)는 블럭(144)에서 측정된 작동 조건과 블럭(146)으로부터의 노크 마진을 실험실 성능 데이터 세트(154)에서의 값과 비교할 수 있다. 측정된 작동 조건 및 노크 마진을 실험실 성능 데이터 세트(154)와 비교함으로써, 프로세서(72)는 대응하는 연료 품질 값(예를 들면, WKI 값, AKI 값, RON, MON, 혼합 옥탄가, 세탄가, 메탄가, LHV, HHV, BTU 값, 층류 불꽃 속도 값, 수소 대 탄소 비율)을 보간 및/또는 추산할 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 실험실 성능 데이터 세트(154)는 제어기(25)의 메모리 유닛(74)에 저장될 수 있다. 실험실 성능 데이터 세트(154)는 도 6을 참조하여 이하에 상세하게 설명된다.
특정 실시예에 있어서, 프로세서(72)가 연료 품질 값을 추산한 후에, 프로세서(72)는 블럭(156)에 도시된 바와 같이 연료 품질 입력을 조정할 수 있다. 연료 품질 입력을 조정함으로써, 다음에 프로세서(72)는 추산된 연료 품질 값을 이용하여 엔진 타이밍 맵 뿐만 아니라 블럭(144)에서 측정된 것들과 같은 다른 작동 조건 값들을 조정할 수 있다. 따라서, 엔진 타이밍 맵은 엔진 타이밍에 영향을 미칠 수 있는 다수의 인자(예를 들면, 연료 품질, 흡입 밸브 타이밍, 연료 인젝터 타이밍, 연료 온도, 연료 압력, 엔진 속도, 부하, 공기 온도, 엔진 온도, 및 흡입 공기 압력)를 고려함으로써 조정될 수 있으며, 이에 의해 엔진 성능을 개선한다. 선택적으로, 프로세서(72)는 추산된 연료 품질 값만에 의거하여 엔진 타이밍 맵을 직접 조정할 수 있다.
연료 품질 값이 조정된 후에, 또는 엔진 타이밍 맵이 조정된 후에, 프로세서(72)가 블럭(134)에 도시된 바와 같이 이전 프로세스가 완료되었기 때문에 사전-설정 지연 시간이 경과하였는 가를 결정하도록 프로세스는 반복될 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 프로세서(72)는 추산된 연료 품질 값에 기초하여 연료 대 산화제 비율을 조정할 수 있다. 예를 들면, 연료 품질 값이 예상된 것보다 높다고 프로세서(72)가 추산하면, 엔진(10) 내의 연료의 양은 감소될 수 있다(예를 들면, 연료 인젝터(60)를 조정하는 액추에이터로 신호를 보냄으로써). 역으로, 연료 품질 값이 예상된 것보다 낮다고 프로세서(72)가 추산하면, 엔진(10)내의 연료의 양은 증가될 수 있다(예를 들면 흡입 밸브(62)를 조정하는 액추에이터로 신호를 보냄으로써).
도 6은 엔진(10)의 연료 품질을 결정하기 위한 실험실 성능 데이터 세트(160)의 일 실시예의 도해적 도면이다. 도시된 바와 같이, 실험실 성능 데이터 세트(160)는 3차원 그래프의 형태이다. 따라서, 특정 실시예에 있어서, 연료 품질 값은 2개의 측정된 작동 조건(예를 들면, 엔진 온도, 주변 습도, 기압, 연료 품질, 및 노크 마진)의 값들을 관련된 연료 품질 값에 대응시킴으로써 추산될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 실험실 성능 데이터 세트(160)는 데이터 표, 리스트, 또는 다른 형태의 데이터 저장부일 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 실험실 성능 데이터는 실험 계획법("DOE") 프로세스를 통해서 수집된 대용량 데이터 세트(예를 들면, 역사적 데이터, 실증적인 데이터, 지식 기반 데이터 등)일 수 있다. DOE는 다른 변수들이 어떻게 대응하는 가를 관찰하기 위해서 하나의 변수(예를 들면, 속도 및/또는 부하와 같은 엔진의 작동 조건)가 변화되는 체계적인 방법을 가리킬 수 있다. 예를 들면, 실험실 성능 데이터 세트는 모든 실질적인 엔진 속도 및 부하 값에서 내연 기관에 대한 작동 조건 데이터(예를 들면, 노크 마진)를 구비할 수 있다. 엔진 속도 및 부하에 따라 변화될 수 있는 모든 작동 조건들은 다른 것들 중에서 특히 온도, 주변 습도, 기압, 연료 품질, 및 노크 마진과 같은 실험실 성능 데이터에 포함될 수도 있다.
본 발명의 기술적 효과는 엔진 노킹 이벤트에 관련된 노크 센서로부터의 신호를 수신하는 것을 포함한다. 신호는 실험실 성능 데이터를 이용하여 연료 품질을 추산하기 위해 사용될 수 있는 노크 마진을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 다음에, 내연 기관(예를 들면, 엔진 타이밍 맵)의 매개변수는 연료 영향, 개선 동력 출력 등을 개선하기 위해 연료 품질 추산에 기초하여 조정될 수 있다.
본 명세서는 최선의 모드를 포함하는 본 발명을 개시하기 위해서 또한 통상의 기술자가 임의의 장치 또는 시스템의 제조 및 사용과 임의의 통합된 방법의 수행을 포함하는 발명을 실시할 수 있도록 예를 사용한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 한정되며, 통상의 기술자에게 발생하는 다른 예들을 포함할 수 있다. 이러한 다른 예들은 청구범위의 문언과 다르지 않은 구성 요소를 갖거나 청구범위의 문언과 별차이가 없는 등가의 구성 요소를 구비할 경우에 청구범위에 포함되도록 의도된다.
8 : 시스템 10 : 엔진
12 : 연소실 16 : 산화제
18 : 연료 20 : 피스톤
23 : 노크 센서 24 : 부하
25 : 엔진 제어 유닛(ECU) 또는 제어기
26 : 실린더 60 : 연료 인젝터
62 : 흡입 밸브 64 : 배기 밸브
66 : 크랭크샤프트 센서 72 : 프로세서
74 : 메모리 유닛 102 : 연료 분사 시스템
142 : 신호

Claims (15)

  1. 시스템에 있어서,
    연소 기관의 작동을 제어하고, 상기 연소 기관에 결합된 적어도 하나의 노크 센서(knock sensor)로부터의 신호를 수신하고, 상기 신호로부터의 노크 마진 값(knock margin value)을 결정하고, 적어도 상기 노크 마진 값과 실험실 성능 데이터 세트(laboratory performance data set) 사이의 비교에 기초하여 상기 내연 기관으로 분사된 연료의 연료 품질 값을 추산하도록 구성된 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는
    시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 노크 마진 값은 기본 타이밍 값(base timing value)과 노크 타이밍 값(knock timing value) 사이의 차이를 포함하며,
    상기 노크 타이밍 값은 상기 연소 기관에서 엔진 노킹 이벤트(engine knocking event)를 야기시키는 타이밍과 상관관계인 것을 특징으로 하는
    시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는, 적어도 엔진 타이밍 맵에 기초하여 엔진 타이밍을 결정하도록 그리고 엔진 노킹 이벤트가 상기 연소 기관에서 야기될 때까지 엔진 타이밍을 앞당김으로써 상기 노크 마진 값을 산출하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는
    시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어기는 연료 품질 값에 대응하여 엔진 타이밍 맵을 조정하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는
    시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어기는, 하나 이상의 추가 센서로부터 수신된 하나 이상의 신호에 기초하여 엔진 노킹 이벤트의 시간에서 상기 연소 기관의 하나 이상의 작동 조건을 측정하고, 그리고 연료 품질 값을 추산하기 위해서 하나 이상의 작동 조건 및 노크 마진 값을 상기 실험실 성능 데이터 세트와 비교하도록 구성되어 있으며,
    상기 하나 이상의 추가 센서는 노크 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는
    시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 내연 기관으로 연료를 분사시키도록 구성된 연료 분사 시스템을 더 포함하며,
    상기 제어기는 연료 품질 값에 대응하여 산화제/연료 비율을 조정하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는
    시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 실험실 성능 데이터 세트는 상기 내연 기관의 적어도 하나의 작동 조건의 공지된 값에 대응하는 공지된 연료 품질 값을 포함하는 것을 특징으로 하는
    시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    적어도 하나의 작동 조건은 온도, 압력, 습도, 부하, 속도, 또는 내연 기관의 노크 타이밍, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는
    시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 품질 값은 웨케샤 노크 지수(Waukesha Knock Index : WKI) 값, 안티-노크 지수(anti-knock index : AKI) 값, 리서치법 옥탄가(research octane number : RON), 모터 옥탄가(motor octane number : MON), 혼합 옥탄(octane blending) 값, 세탄가(cetane number), 메탄가(methane number), 저위 발열량(lower heating value : LHV), 고위 발열량(higher heating value : HHV), 영국 열량 단위(British thermal unit : BTU) 값, 층류 불꽃 속도(laminar flame speed), 수소 대 탄소 비율(hydrogen to carbon ratio), 또는 연료 품질에 대응하는 임의의 다른 값을 포함하는 것을 특징으로 하는
    시스템.
  10. 시스템에 있어서,
    연소 기관에 결합된 적어도 하나의 노크 센서로부터의 신호를 수신하고;
    상기 신호로부터의 노크 마진 값을 결정하고;
    적어도 상기 노크 마진 값과 실험실 성능 데이터 세트 사이의 비교에 기초하여 상기 내연 기관으로 분사된 연료의 연료 품질 값을 추산하고; 및
    추산된 연료 품질 값에 기초하여 적어도 연소 기관을 위한 제어 작용을 출력하도록
    구성된 연소 기관 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는
    시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 노크 마진 값은 기본 타이밍 값과 노크 타이밍 값 사이의 차이를 포함하며,
    상기 노크 타이밍 값은 상기 연소 기관에서 엔진 노킹 이벤트를 야기시키는 타이밍과 상관관계인 것을 특징으로 하는
    시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 연소 기관 제어기는, 적어도 엔진 타이밍 맵에 기초하여 엔진 타이밍을 결정하도록 그리고 엔진 노킹 이벤트가 상기 연소 기관에서 야기될 때까지 연소 기관의 타이밍을 앞당김으로써 상기 노크 마진 값을 산출하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는
    시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 연소 기관 제어기는 연료 품질 값에 대응하여 엔진 타이밍 맵을 조정하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는
    시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 연소 기관 제어기는, 하나 이상의 추가 센서로부터 수신된 하나 이상의 신호에 기초하여 엔진 노킹 이벤트의 시간에서 상기 연소 기관의 하나 이상의 작동 조건을 측정하고, 그리고 연료 품질 값을 추산하기 위해서 하나 이상의 작동 조건 및 노크 마진 값을 상기 실험실 성능 데이터 세트와 비교하도록 구성되어 있으며,
    상기 하나 이상의 추가 센서는 노크 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는
    시스템.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 연소 기관 제어기는 연료 품질 값에 대응하여 산화제/연료 비율을 조정하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는
    시스템.
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