KR20190060840A - 내연 기관을 제어하는 방법 및 시스템 - Google Patents

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KR20190060840A
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존 게이너
토르비에른 엘리아센
안드레아스 달
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스카니아 씨브이 악티에볼라그
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Abstract

본 발명은 압축-점화 내연 기관을 제어하는 방법에 관한 것으로, 상기 내연 기관은 적어도 하나의 연소실을 가지고, 상기 연소실로의 공기의 흡입은 흡기 밸브를 사용하여 제어되고, 상기 연소실의 배출은 배기 밸브를 사용하여 제어된다. 상기 방법은, - 상기 연소실 내의 왕복동 부재의 위치에 따라 상기 흡기 밸브의 개방 및 상기 배기 밸브의 폐쇄를 제어하는 단계로, 상기 왕복동 부재의 위치에 대한 상기 흡기 밸브의 개방 및 상기 배기 밸브의 폐쇄 각각은 개별적으로 제어 가능한, 상기 흡기 밸브의 개방 및 상기 배기 밸브의 폐쇄를 제어하는 단계를 포함하며, - 일 작동 모드에서, 상기 흡기 밸브의 개방 및 상기 배기 밸브의 폐쇄 각각은 가변 길이의 기간 동안에 양 밸브가 동시에 개방되도록 제어된다.

Description

내연 기관을 제어하는 방법 및 시스템
본 발명은 연소 공정에 관한 것으로, 특히, 내연 기관을 제어하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 차량, 본 발명에 따른 방법을 구현하는 컴퓨터 프로그램 및 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이다.
일반적으로 차량 및 트럭, 버스 등과 같은 적어도 일부 대형/상업용 차량에 관해서는, 연료 효율을 높이고 배기 배출물을 감소시키는 것과 관련하여 끊임없이 연구 개발이 진행되고 있다.
이는 예컨대, 도시 지역에서 적어도 부분적으로 공해 및 대기 질에 대한 정부의 관심 증가로 인한 것이고, 다양한 관할권에서 다양한 배출 기준과 규칙을 채택하게 된다.
이러한 배출 기준은 종종 내연 기관이 제공되는 차량의 배기 배출물에 대한 허용 한계를 정의하는 요구 사항으로 구성된다. 예를 들어, 질소 산화물(NOx), 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO) 및 입자의 배출 레벨은 이러한 기준에서 차량의 대부분의 종류에 대해 규제된다.
불필요한 물질 배출은 연료 소비를 줄이거나 및/또는 연소 공정에서 발생하는 배기 가스의 후처리(정화)를 통해 줄일 수 있다.
내연 기관으로부터의 배기 가스는 예를 들어, 촉매 공정의 사용을 통해 처리될 수 있다. 다양한 종류의 촉매 변환기가 존재하고, 상이한 유형의 연료 및/또는 배기 가스 스트림에서 발생하는 상이한 종류의 물질의 처리를 위해 상이한 유형이 사용될 수 있다. 예를 들어, 특히, 질소 산화물 NOx의 환원을 위해 사용되는 촉매 변환기의 일반적인 종류는 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매 변환기이다.
일반적으로, 배기 가스 스트림의 후처리를 위해 사용되는 촉매 변환기에서, 공통적으로 소망하는 반응이 일어나는 것을 보장하도록 촉매 변환기에 적어도 최소 온도가 유지되어야 한다. 또한, 촉매 변환기는 너무 높은 온도가 손상을 줄 수 있다는 점에서 온도에 민감할 수도 있다.
또한, 일반적으로 연료 소비를 더 줄이기 위해 내연 기관을 감속(down-speeding)시키는 경향이 있다. 그러나, 낮은 엔진 속도에서의 높은 부하는 연소 엔진 작동에 추가적인 어려움을 야기할 수 있다.
본 발명의 목적은 압축-점화 내연 기관의 작동을 제어하는 방법 및 시스템을 제공하고, 특히, 연소실 소기(scavenging)를 개선시키는 것이다. 예를 들어, 흡기 밸브 및 배기 밸브는 내연 기관의 현재 작동 상태에 따라 소망하는 연소실의 소기를 얻기 위해 제어될 수 있다. 이 목적은 청구항 제1항에 따른 방법에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 압축-점화 내연 기관을 제어하는 방법이 제공되며, 상기 내연 기관은 적어도 하나의 연소실을 가지고, 상기 연소실로의 공기의 흡입은 흡기 밸브를 사용하여 제어되고, 상기 연소실의 배출은 배기 밸브를 사용하여 제어된다. 상기 방법은,
- 상기 연소실 내의 왕복동 부재의 위치에 따라 상기 흡기 밸브의 개방 및 상기 배기 밸브의 폐쇄를 제어하는 단계로, 상기 왕복동 부재의 위치에 대해 상기 흡기 밸브의 개방 및 상기 배기 밸브의 폐쇄 각각이 개별적으로 제어 가능한, 상기 흡기 밸브의 개방 및 상기 배기 밸브의 폐쇄를 제어하는 단계를 포함하고,
- 일 작동 모드에서, 상기 흡기 밸브의 개방 및 상기 배기 밸브의 폐쇄 각각은 가변 길이의 기간 동안에 양 밸브가 동시에 개방되도록 제어된다.
상기 왕복동 부재는 예를 들어, 상기 연소실 내의 왕복동 피스톤일 수 있다. 내연 기관은 고정형 터보 차저를 또한 포함할 수 있다.
내연 기관의 연소실에서 연소로 인해 발생하는 배기 가스는 후속 연소의 공기 또는 공기/연료로 연소실을 다시 충진하기 위해 배출된다. 배기 가스를 배출시키고 연소 챔버를 후속 연소의 공기 또는 공기/연료로 충진하는 이와 같은 공정은 소기로 지칭된다. 소기는 배기 매니폴드로의 통로를 개방하는 하나 이상의 배기 밸브 및 연소에 사용되는 공기의 흡입을 위해 흡기 도관으로의 통로를 개방하는 하나 이상의 흡기 밸브의 사용을 통해 수행된다.
연소로 인해 발생하는 배기 가스는 일반적으로 차량의 주변과 같이, 주변으로 방출되기 전에 처리된다. 차량 주변으로의 유해한 배출을 줄이기 위해 이러한 배기 가스를 처리하는 다양한 방법이 있다. 예를 들어, 적어도 대형/상업용 차량과 관련하여, 질소 산화물 NOx이 환원되는 것은 일반적이다.
질소 산화물 NOx의 생성은 높은 온도에 의존하며, 높은 연소 온도에서 더 많은 양이 생성된다. 배기 가스 스트림 내의 질소 산화물 NOx의 양은 예를 들어, 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매 변환기를 사용하여 배기 가스 스트림이 차량의 주변으로 방출되기 전에 환원될 수 있다. 이러한 환원은 항상 충분하지 않을 수 있으며, 또한, 연소 중에 발생하는 최대 온도를 감소시키기 위해, 따라서, 연소 중에 생성되는 질소 산화물 Nox의 양을 감소시키기 위해 배기 가스의 일부를 재순환시킴으로써(일반적으로 EGR로 표시됨) 질소 산화물을 환원시키는 것이 가능하다.
그러나, 후처리가 EGR 재순환을 필요로 하지 않으면서 예를 들어, SCR 촉매 변환기를 사용하여 만족할 정도로 질소 산화물을 환원시킬 수 있는 시스템이 존재한다. 본 발명은 특히, EGR을 이용하는 시스템에도 적용 가능하지만, 상기 종류의 시스템에 관한 것이다.
특히, SCR 촉매 변환기와 같은 후처리 구성요소는 종종 상대적으로 온도에 민감하다. 예를 들어, 내연 기관에 의해 생성된 배기 가스의 온도가 너무 높은 레벨에 도달하면, 고온의 배기 가스는 예를 들어, SCR 촉매 변환기와 같은 후처리 구성요소를 손상시킬 수 있다. 일반적으로, 감속을 향하는 경향이 있고, 이에 의해 낮은 엔진 속도의 높은 부하에서 내연 기관이 작동되기 때문에, 연소 및 후속 후처리에 공급되는 냉각 공기의 적은 양으로 인해 배기 온도가 증가할 수 있다. 이는 부분적으로 낮은 엔진 속도가 사용됨으로 인한 것일 수 있지만, 연소 엔진으로부터 고온 배출물의 불충분한 방출에 의한 것일 수도 있으며, 이에 의해, 연소에 공기를 공급할 가능성이 감소되어 덜 최적화된 소기가 발생한다.
소기와 관련하여, 이는 본질적으로 폭발 행정 후 배기 밸브가 후속하는 공기의 흡입 이전에 배기 가스를 방출하기 위해 상사점(TDC)을 향한 피스톤 복귀 행정에서 개방되는 것을 의미한다.
본 발명에 따르면, 예를 들어, 전술한 종류의 상황에서 더욱 효율적인 소기를 생성하는 방식으로 압축-점화 내연 기관을 제어하는 방법이 제공된다. 또한, 본 발명은 내연 기관 작동 조건에 따라 흡기 밸브 및 배기 밸브의 작동을 변화시킴으로써 추가적인 이점 또는 가능성을 제공할 수 있다. 예를 들어, 보다 높은 엔진 속도 및/또는 보다 낮은 내연 기관 부하에서, 상이한 조건은 소기에 관한 다른 요건을 부과할 수 있다.
본 발명에 따르면, 흡기 밸브의 개방 및 배기 밸브의 폐쇄가 각각 피스톤과 같은 왕복동 부재의 위치에 따라 개별적으로 제어되는 방법이 제공된다. 즉, 흡기 밸브는 가변 피스톤 위치에서, 따라서, 예를 들어, 피스톤이 상사점(TDC)에 도달하기 이전 또는 이후에 개방되도록 제어될 수 있다. 이에 대응하여, 배기 밸브의 폐쇄는 또한 가변 피스톤 위치에서, 따라서, 예를 들어, 피스톤이 TDC에 도달하기 이전 또는 이후에 발생하도록 제어될 수 있다.
따라서, 흡기 밸브 및 배기 밸브는 개별적으로 제어 가능하고, 이는 다양한 가능성을 허용하며, 특히, 적어도 일 작동 모드에서, 흡기 밸브 및 배기 밸브는 양 밸브가 동시에 개방되도록 제어되고, 양 밸브가 동시에 개방되는 기간 또한 제어될 수 있다.
결과적으로, 흡기 밸브의 개방 및 배기 밸브의 폐쇄는 각각 독립적으로 제어될 수 있으며, 상이한 상황에 대해 상이하고 독립적으로 변화하는 피스톤 위치에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 밸브들은, 상기 내연 기관에 의해 생성된 일, 공기/연료 비율, 배기 온도 및/또는 내연 기관의 회전 속도로부터 하나 또는 그 이상에 따라 제어되도록 배치될 수 있다.
따라서, 적어도 일 작동 모드에 따라, 흡기 밸브는 배기 밸브를 폐쇄하기 이전에 개방되어서, 흡기 공기가 연소실을 통과하고, 동시에 배기 잔류물, 즉, 배기 행정 후 연소실에 남아있는 배기 가스의 일부와 혼합 및 배출되고, 이에 따라, 연소실에 남아있는 배기 잔류물이 실질적으로 감소된다. 이는 연소실의 배출을 용이하게 하여서, 고온의 배기가 높은 정도로 배출될 수 있다. 이는 흡기 공기가 연소 잔류물의 배출을 용이하게 함으로써 연소 잔류물을 감소시키고, 연소실/연소실에 여전히 남아있을 가능성이 있는 연소 잔류물에 대해 냉각 효과를 가지기 때문에, 소기를 향상시킨다. 고온의 잔류물이 연소실에 남아 있는 경우에, 고온의 잔류물은 흡입 행정 중에 팽창하여 흡기 밸브를 통해 공급될 수 있는 공기의 양을 감소시킨다. 따라서, 고온의 잔류물의 감소는 후속 흡기 행정에서 보다 많은 양의 흡입 공기가 연소실에 공급되게 한다. 이러한 방식으로, 예를 들어, 내연 기관의 제동 열효율(BTE)이 증가된다.
배기 밸브 및 흡기 밸브 모두가 개방될 때 연소실을 통과하는 공기는, 후처리 구성요소에 유입되는 배기 가스 스트림을 냉각시키는 효과를 또한 가지며, 이에 따라, 후처리 구성요소의 온도가 해로운 온도에 도달하는 위험을 감소시키는데 사용될 수 있다.
또한, 연소실에 더 많은 공기가 공급될 수 있기 때문에, 더 많은 연료가 공급될 수 있고, 이에 의해, 전달되는 동력이 증가될 수 있다. 따라서, 저속 토크가 증가될 수 있다. 또한, 이는 각각의 행정에 대해 더 많은 공기가 제공될 수 있으므로, 예컨대, 차량 가속에 유용하며, 이에 의해 터보 차저의 속도를 더 빠르게 증가시켜 공기 흡입 압력을 빠르게 증가시킨다.
시스템은 바람직하게는 엔진 및 터보차저 조합이 선택되어서, 터보차저의 압축기의 효율이 압축기 및/또는 터빈을 통한 질량 유동을 증가시킴에 따라 증가하는 방식으로 설계/치수화될 수 있다. 이는 엔진이 저속 및 높은 토크로 작동할 때 특히 유리하다.
이러한 설계/치수화는 배기 가스를 제거하는데 필요한 작업이 감소되어 연소실에서의 열 손실 감소의 결과인 전체 효율 이득이 증가되는 결과를 가져온다. 이는 개방 사이클 효율(적어도 하나의 밸브가 개방될 때의 효율, OCE)의 감소가 압축기의 치수화로 인한 것보다 작기 때문이다. 폐쇄 사이클 효율(모든 밸브 폐쇄, CCE)의 이득은 OCE 손실보다 크므로, 전체적인 BTE가 증가한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 내연 기관은 다양한 작동 모드에 따라 제어될 수 있다. 예를 들어, 일 작동 모드에 따르면, 흡기 밸브 및 배기 밸브는 제1 기간 동안 양 밸브가 동시에 개방되도록 제어될 수 있다. 제2 작동 모드에 따르면, 흡기 밸브 및 배기 밸브는 상기 제1 기간과 상이한 제2 기간 동안 양 밸브가 동시에 개방되도록 제어될 수 있다. 따라서, 양 밸브가 동시에 개방되는 기간이 제어될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 내연 기관이 제어될 수 있어서, 일 작동 모드에 따라 흡기 밸브 및 배기 밸브는 제1 기간 동안 양 밸브가 동시에 개방되도록 제어된다. 제2 작동 모드에 따르면, 흡기 밸브 및 배기 밸브는 흡기 밸브가 개방되기 전에 배기 밸브가 폐쇄되도록 제어될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 기간은 예를 들어, 시간 주기일 수 있고, 예를 들어, 복수의 크랭크샤프트 각도와 같은 크랭크샤프트 운동으로 표시되는 기간일 수도 있다. 밸브들은 연소실 내의 피스톤의 상이한 위치에서 개방 및 폐쇄될 수 있기 때문에, 개방 및 폐쇄는 또한 크랭크샤프트 위치(회전)에 대해 변화될 수 있다.
결과적으로, 배기 밸브의 폐쇄에 대한 흡기 밸브의 개방 사이의 크랭크 샤프트 각도(즉, 크랭크 샤프트의 회전)의 차이는 또한 예를 들어, 내연 기관의 작동에 따라 변화될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 흡기 밸브 및 배기 밸브가 모두 개방되는 기간은 예를 들어, 크랭크 각도 운동으로 결정될 수 있다. 즉, 양 밸브가 개방되고, 연소실의 소기 동안에 내연 기관의 흡기 측으로부터 배기 매니폴드로 흡입 공기가 통과하게 하는 크랭크 각도 간격(회전)은 다양하게 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 제1 캠 샤프트는 배기 밸브의 개방 및 폐쇄를 제어하는데 사용되고, 제2 캠 샤프트는 흡기 밸브의 개방 및 폐쇄를 제어하는데 사용된다. 제1 및 제2 캠 샤프트는 모두 전술한 바에 따라 밸브들의 제어를 달성하기 위해 예컨대, 페이저를 사용하여 위상 시프트(위상 조정)되도록 배치될 수 있다. 즉, 캠 샤프트들은 크랭크샤프트의 회전과는 독립적인 회전 자유도를 포함하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 캠 샤프트들은 예컨대, 10도 내지 100도 간격에서 임의의 적절한 크랭크 샤프트 각도에 해당하는 위상 조정을 허용하도록 설계될 수 있으며, 위상 조정은 크랭크샤프트 회전에 대해 지연 및 진각되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 밸브들은 다른 적절한 수단을 사용하여 제어된다. 예를 들어, 밸브들은 전기 제어식 밸브일 수 있다.
또한, 이용 가능한 클리어런스에 따라, 오버랩 위상 중에 밸브와의 충돌을 피하기 위해 피스톤이 TDC에 도달하는 동안에, 피스톤은 밸브가 개방되도록 피스톤 헤드 상에 리세스가 필요할 수 있다. 그러나, 이러한 설계 이슈는 당업자에게 공지되어 있다.
일반적으로 내연 기관은 복수의 연소실을 포함할 수 있다. 또한, 복수의 연소실은 그룹 또는 뱅크로 분할되도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 연소실은 2개의 뱅크로 분할될 수 있으며, 각 뱅크로부터의 배기 가스는 별도의 배기 매니폴드를 통과하도록 배치될 수 있다.
분리된 제1 및 제2 뱅크로부터 배기를 유지하는 배기 매니폴드는 2개의 뱅크 사이의 펄스-간섭을 방지하는데 사용될 수 있다. 펄스-간섭은 오버랩 위상 중에 효율적인 소기를 방해할 수 있다. 뱅크 분리는 바람직하게는 가능한 배기가 예컨대, 터빈을 통과할 때까지 완료되어야 한다. 예를 들어, 뱅크 분리를 구비하며, 예컨대, 별도의 매니폴드를 위한 별도의 입구를 갖는 트윈 스크롤 터빈이 이용될 수 있다. 대안적으로는, 예를 들어, 2개(또는 그 이상)의 터보 차저가 각각의 실린더 뱅크 당 하나씩 사용될 수 있다. 터보 차저 이후에, 모든 연소실로부터의 배기 가스는 예를 들어, 배기 가스 스트림을 처리하기 위해 적어도 하나의 후처리 구성요소를 통과하도록 배치된 총 배기 가스 스트림을 형성하기 위해 혼합될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 내연 기관은 배기 도관으로부터 흡기 도관으로의 배기 가스 재순환(EGR) 없는 내연 기관으로 구성된다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 압축-점화 내연 기관은 인라인 6 실린더 내연 기관이며, 실린더들은 2개의 뱅크로 분할되고, 각각의 뱅크는 개별 배기 매니폴드를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 증가된 대칭 밸브 오버랩을 갖는 캠 샤프트가 이용될 수 있다. 즉, 밸브 개방 기간은 특정 내연 기관을 위해 통상적으로 사용되는 캠 샤프트와 관련하여 연장될 수 있다. 이러한 방식으로, 배기 밸브 개방(EVO) 및 흡기 밸브 폐쇄(IVC)는 "정상적인" 캠축에서와 마찬가지로 유사한 크랭크 액슬 각도(CAD) 위치에서 유지될 수 있지만 EVC는 여전히 지연되고 IVO는 진각될 수 있어서, 증가된 밸브 오버랩을 초래한다.
본 발명의 다른 특징들 및 이점들은 이하에 제시된 예시적인 실시예들 및 첨부된 도면들의 상세한 설명에 나타나 있다.
도 1a는 본 발명이 유리하게 사용될 수 있는 예시적인 차량의 파워트레인을 도시한다.
도 1b는 차량 제어 시스템 내의 제어 유닛의 예를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따라 제어되기에 적합한 연소실의 예를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적인 방법을 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따라 제어되는 인라인 6 실린더 내연 기관을 포함하는 예시적인 시스템을 도시한다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 실시예들에 따른 예시적인 제어 전략을 도시한다.
이하의 상세한 설명에서, 본 발명은 차량에 대해 예시될 것이다. 그러나, 본 발명은 항공기 및 선박과 같은 다른 종류의 운송 수단에도 적용 가능하다. 본 발명은 고정 설비에도 적용 가능하다. 또한, "흡기 밸브" 및 "배기 밸브"라는 용어는 각각 공기의 유입 및 연소 잔류물의 배출을 위해 연소실로의 통로를 개방 및 폐쇄하는 임의의 수단을 나타내는데 사용된다.
도 1a는 예시적인 차량(100)의 파워트레인을 개략적으로 도시한다. 파워트레인은 동력원, 본 예에서는 종래의 방식으로 내연 기관(101)의 출력 샤프트를 경유하여 보통 플라이휠(102) 및 클러치(106)를 통해 기어박스(103)에 연결되는 디젤 엔진과 같은 압축-점화 내연 기관을 포함한다. 기어박스(103)로부터의 출력 샤프트(107)는 공통 차동 장치와 같은 최종 드라이브(108) 및 상기 최종 드라이브(108)에 연결되는 구동 차축(104, 105)을 통해 구동 휠(113, 114)을 추진시킨다.
내연 기관(101)은 제어 유닛(115)을 통해 차량 제어 시스템으로 제어된다. 또한, 클러치(106) 및 기어박스(103)는 제어 유닛(116)을 이용하여 차량 제어 시스템으로 제어된다.
도 1a는 특정 종류의 파워트레인을 개시하고 있지만, 본 발명은 임의의 종류의 파워트레인에 적용 가능하고, 예컨대, 하이브리드 차량에 적용 가능하다. 개시된 차량은 내연 기관(101)에서 연소로 인한 배기 가스의 후처리(정화)를 위해 후처리 구성요소(130)를 또한 포함한다. 후처리 구성요소(130)의 기능은 제어 유닛(131)에 의해 제어된다.
후처리 구성요소(130)는 다양한 종류 및 디자인일 수 있다. 예를 들어, 그 자체로 공지된 방식으로, 후처리 구성요소(130)는 배기 가스 스트림 내에 남아있는 탄화수소 및 일산화탄소를 산화시키는데 사용되는 하나 이상의 디젤 산화 촉매 변환기(DOC)를 포함할 수 있다. 산화는 또한 산화 촉매 변환기(202) 하류에 있는 후처리 구성요소가 소망하는 최소 온도를 유지하는 것을 보장하기 위해 사용될 수 있다. 산화 촉매 변환기(202)는 또한 배기 가스 스트림에서 발생하는 일산화질소(NO)를 이산화질소(NO2)로 산화시킬 수 있다. 이러한 이산화질소는 예를 들어, 배기 가스 스트림 내의 NO와 NO2 사이의 비율에 따라 환원이 좌우되는 SCR 촉매 변환기(아래 참조)의 NOx 환원 효율을 높이는 데 유익하다. 산화 촉매 변환기(DOC)(202)에서 다른 반응이 또한 발생할 수 있다.
또한, 후처리 구성요소는 예를 들어, 산화 촉매 변환기의 하류에 배치되며, 기본적으로 배기 가스 스트림 내의 입자를 수집하는 역할을 하는 디젤 미립자 필터 DPF를 포함할 수 있다.
또한, 후처리 구성요소(130)는 예를 들어, DPF의 하류에 배치되는 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매 변환기를 포함할 수 있다. 일반적으로, SCR 촉매 변환기는 예를 들어, 그 자체로 공지된 방식으로 첨가제를 사용하여 배기 가스 스트림 내의 아산화질소(NOx)를 환원시킨다.
또한, 후처리 구성요소(130)는 예를 들어, SCR을 통과한 후에 배기 가스 내에 잔류할 수 있는 잉여 암모니아를 산화시키는 암모니아 슬립 촉매 변환기(ASC)와 같은 추가의 및/또는 다른 부재를 포함할 수 있다.
구성요소 DOC, DPF, SCR 촉매 변환기 및 ASC는 예를 들어, 단일 유닛(130)에 통합될 수 있다. 대안적으로, 상기 구성요소는 임의의 다른 적절한 방식으로 배치될 수 있고, 상기 구성요소 중 하나 이상은 예를 들어, 별도의 유닛으로 구성될 수 있다. 또한, 후처리는 상기 또는 다른 구성요소 중 하나만 또는 둘 이상의 구성요소의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 적어도 일부 경우에, 엔진 작동을 향상시킬 수 있는 내연 기관 제어 방법을 제공한다. 예를 들어, 고온 잔류물의 소기가 개선될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 연소 엔진의 제어는 또한 예를 들어, 배기 가스 온도의 제어를 개선할 수 있다. 예를 들어, 전술된 종류의 후처리 구성요소의 작동 및 특히, SCR 촉매 변환기(204)의 작동은 구성요소의 우세한 온도에 크게 의존한다. 구성요소의 온도가 너무 낮은 경우에, 소망하는 반응이 일어나지 않을 수 있고, 반대로 온도가 너무 높은 경우에, 구성요소가 손상될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 후처리 구성요소의 온도에 유리한 방식으로, 후처리 구성요소에 유입되는 배기 가스의 배기 가스 온도에 영향을 미치는데 이용될 수 있는 방법을 제공한다. 예를 들어, 배기 가스 온도는 본 발명의 실시예들에 따른 소기의 사용을 통해 낮은 엔진 속도의 높은 엔진 부하에서 감소될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들은 예를 들어, 낮은 엔진 부하 및/또는 코스팅 중에 증가된 배기 온도, 감소된 배기 유동 및 감소된 NOx를 얻는데 이용될 수 있다.
본 발명의 제1 예시적인 방법(300)이 도 3에 도시되어 있다. 상기 방법은 적어도 부분적으로, 예를 들어, 내연 기관(101)의 작동을 제어하기 위한 엔진 제어 유닛(115)에서 구현될 수 있다. 일반적으로, 차량의 기능은 다수의 제어 유닛에 의해 제어되며, 개시된 종류의 차량의 제어 시스템은 일반적으로 다수의 전자 제어 유닛(ECU) 또는 제어기를 차량 보드 상의 다양한 구성요소에 연결시키는 하나 이상의 통신 버스로 구성되는 통신 버스 시스템을 포함한다. 이러한 제어 시스템은 다수의 제어 유닛을 포함할 수 있고, 특정 기능의 제어는 둘 이상의 제어 유닛 사이에서 분할될 수 있다.
간략화를 위해, 도 1a는 단지 제어 유닛들(115-116, 131)만을 도시하지만, 당업자가 알 수 있는 바와 같이, 도시된 종류의 차량(100)에는 종종 상당히 많은 제어 유닛이 제공된다. 제어 유닛들(115-116, 131)은 상기 통신 버스 시스템 및 도 1의 상호 연결 라인으로 부분적으로 표시된 다른 배선을 통해 서로 그리고 다양한 구성요소들과 통신하도록 배치된다.
본 발명은 차량(100) 내의 임의의 적절한 제어 유닛에서 구현될 수 있고, 따라서, 반드시 제어 유닛(115)에서 구현될 필요는 없다. 본 발명에 따른 밸브 개방 및 밸브 폐쇄에 영향을 미치는 제어는 일반적으로 다른 제어 유닛 및/또는 차량 구성요소로부터 수신되는 신호에 의존할 것이며, 개시된 유형의 제어 유닛은 차량(100)의 다양한 부분으로부터 센서 신호를 수신하도록 구성되는 것이 일반적이다. 제어 유닛(115)은 예를 들어, 제어 유닛(131)으로부터 그리고 내연 기관(101)의 제어에 관한 다양한 센서로부터의 신호를 수신할 수 있다.
일반적으로, 예시된 유형의 제어 유닛은 또한 예를 들어, 캠 샤프트의 페이저를 제어함으로써 본 발명에 따른 흡기 밸브 및 배기 밸브를 제어하기 위해, 차량의 다양한 부품 및 구성요소에 제어 신호를 전달하도록 구성된다. 차량 제어 시스템 자체의 작동은 당업자에게 공지되어 있다.
또한, 이러한 종류의 제어는 종종 프로그래밍된 명령들에 의해 수행된다. 프로그래밍된 명령들은 전형적으로 컴퓨터 또는 제어 유닛에서 실행될 때 컴퓨터/제어 유닛이 본 발명에 따른 방법 단계들과 같은 소망하는 제어를 실행하게 하도록 하는 컴퓨터 프로그램으로 이루어진다. 컴퓨터 프로그램은 통상적으로 컴퓨터 프로그램 제품의 일부를 구성하며, 상기 컴퓨터 프로그램 제품은 저장 매체(121) 상에 저장된 컴퓨터 프로그램(126)을 갖는 적절한 저장 매체(121)(도 1b 참조)를 포함한다. 컴퓨터 프로그램은 상기 저장 매체 상에 비-휘발성 방식으로 저장될 수 있다. 디지털 저장 매체(121)는, 예를 들어, ROM (판독-전용 메모리), PROM(프로그램 가능 판독-전용 메모리), EPROM(소거 가능 PROM), 플래시 메모리, EEPROM(전기적으로 소거 가능한 PROM), 하드 디스크 유닛 등을 포함하는 그룹 중에서 임의의 것으로 구성될 수 있고, 제어 유닛 내에 또는 제어 유닛과 관련하여 배치될 수 있으며, 따라서, 컴퓨터 프로그램이 제어 유닛에 의해 실행된다. 따라서, 특정 상황에서 차량의 거동은 컴퓨터 프로그램의 명령들을 수정함으로써 조정될 수 있다.
예시적인 제어 유닛(제어 유닛(115))은 도 1b에 개략적으로 도시되어 있으며, 제어 유닛은 예를 들어, 디지털 신호 처리(디지털 신호 프로세서, DSP)용 회로 또는 사전에 정해진 특정 기능을 갖는 회로(주문형 반도체, ASIC)와 같은 임의의 적절한 유형의 프로세서 또는 마이크로 컴퓨터로 구성될 수 있는 프로세싱 유닛(120)을 포함할 수 있다. 프로세싱 유닛(120)은 메모리 유닛(121)에 연결되며, 메모리 유닛(121)은 프로세싱 유닛(120)이 계산을 수행할 수 있도록 요구하는 저장된 프로그램 코드(126) 및/또는 저장된 데이터를 프로세싱 유닛(120)에 제공한다. 프로세싱 유닛(120)은 또한 메모리 유닛(121)에 계산의 부분적인 결과 또는 최종 결과를 저장하도록 배치된다.
또한, 제어 유닛(115)에는 입력 및 출력 신호를 각각 수신하고 송신하기 위한 장치(122, 123, 124, 125)가 구비된다. 이들 입력 및 출력 신호는 입력 신호를 수신하는 장치(122, 125)가 프로세싱 유닛(120)에 의한 처리용 정보로서 검출할 수 있는 파형, 펄스 또는 다른 속성을 포함할 수 있다. 출력 신호를 송신하는 장치(123, 124)는 프로세싱 유닛(120)로부터의 계산 결과를 차량 제어 시스템의 다른 부분 및/또는 신호가 의도된 구성요소(들)로 전달하기 위한 출력 신호로 변환하도록 배치된다. 각각의 입력 및 출력 신호를 수신 및 송신하기 위한 장치에 대한 각각의 그리고 모든 연결은 케이블; CAN 버스(컨트롤러 영역 네트워크 버스), MOST 버스(미디어 지향 시스템 전송) 또는 임의의 다른 버스 구성과 같은 데이터 버스 또는 무선 연결 중 하나 이상으로 구성될 수 있다.
도 3에 도시된 예시적인 방법(300)으로 돌아가서, 상기 방법은 흡기 밸브 및 배기 밸브가 본 발명에 따라 제어되어야 하는지 여부를 결정하는 단계(301)에서 시작된다. 그렇지 않은 경우에, 상기 방법은 단계(301)에서 유지된다. 상기 방법은 밸브들이 본 발명에 따라 제어되어야 한다고 결정될 때 단계(302)로 이어진다. 단계(301)에서 단계(302)로의 전이는 예를 들어, 다양한 기준에 따라 개시될 수 있다. 예를 들어, 제어는 항상, 즉, 내연 기관이 시동/작동될 때 항상 수행되도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 본 발명에 따른 제어는 예를 들어, 차량 내부 작동 조건과 관련하여 특정 조건이 충족될 때 수행되도록 구성될 수 있다. 이러한 조건은 예를 들어, 내연 기관의 현재 부하 및 이에 따라 생성되는 작업량, 차량 속도, 내연 기관 속도, 주변 온도 등에 관한 것일 수 있다. 단계(301)로부터 단계(302)로의 전이를 수행하기 위한 다른 기준이 또한 적용될 수 있다.
단계(302)에서, 흡기 밸브 및 배기 밸브의 적절한 제어가 결정된다. 상기 제어는 적어도 EVC, 즉, 배기 밸브 폐쇄 및 IVO, 즉, 흡기 밸브 개방의 제어를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 제어는 다양한 작동 조건에 의존할 수 있으며, 밸브들의 작동은 내연 기관의 부하 및 속도에 기초하거나 또는 추가의 또는 다른 요인에 기초하여 제어되도록 구성될 수 있다. 예시적인 시스템에 대한 설명에 이어서, 이와 같은 제어의 예가 도 5a 내지 도 5e를 참조하여 이하에서 논의될 것이다.
예시적인 연소실(209)이 도 2에 도시되어 있다. 상기 도면에는 왕복동 피스톤(210)이 배치되는 하나의 실린더/연소실(209)만이 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 예에 따른 연소 엔진(101)은 인라인 6-실린더 내연 기관을 구성한다. 본 발명은 임의의 수의 연소실을 갖는 연소 엔진에 이용될 수 있다.
일반적으로, 개시된 종류의 내연 기관은 연소실마다 적어도 하나의 연료 인젝터(도시 생략)를 또한 포함하고, 연료 인젝터는 종래 방식으로 연소를 위해 연소실에 연료를 공급한다.
연소실(209)은 하나 이상의 흡기 밸브(211)에 의해 제어되는 입구(201)를 포함하며, 상기 입구는 이하에 따라 배기 밸브(213)와 관련하여 개별적으로 제어되도록 구성될 수 있다. 연소용 공기는 흡기 밸브(211)를 이용하여 흡기 도관(402)을 통해 연소실로 공급되고, 흡기 도관(402)은 예를 들어, 연소 공급용 공기를 수용하기 위한 적절한 파이프, 튜브 및/또는 호스로 구성된다. 일반적으로, 공기는 차량의 환경에서 취해진 공기로 구성된다.
연소실(209)의 방출은 하나의 (또는 복수의) 배기 밸브(213)를 통해 제어되고, 배기 밸브(213)는 배기 매니폴드(414) 쪽으로 개방된다.
배기 밸브(213) 및 흡기 밸브(211)와 관련하여, 본 예에서, 이들은 크랭크샤프트(205)에 의해 공통적으로 구동되지만, 서로에 대해 개별적으로 위상 조정되도록 배치된 캠 샤프트들(203, 204)에 의해 개별적으로 제어되어서, 밸브들(211, 213)의 개방 시간, 폐쇄 시간 및 가능하게는 개방 기간이 각각의 밸브에 대해 개별적으로 제어될 수 있다. 위상 조정은 예를 들어, 페이저를 사용하여 이루어질 수 있다. 페이저를 사용하면 밸브 제어를 지속적으로 조정할 수 있다. 예를 들어, 페이저는 각각의 캠 샤프트가 예를 들어, 최대 60, 80 또는 100 크랭크 각도까지 또는 임의의 다른 적절한 각도까지 위상 시프트될 수 있도록 배치될 수 있고, 위상 시프트는 선택적으로는 예를 들어, 진각 또는 지연될 수 있으며, 따라서, 흡기 밸브와 배기 밸브를 서로에 대해 제어할 때 상대적으로 높은 자유도를 허용한다.
상기 시스템은 또한 도 4에 도시되어 있고, 도 4는 상기 도 4에서 i1 내지 i6으로 표시되는 연소 엔진의 모든 실린더를 개략적으로 도시한다.
개시된 예에 따르면, 차량/엔진 주변으로부터의 주위 공기는 주위 공기에 노출되고 압축기(406)를 이용하여 공기 필터(404)를 통해 흡인되는 공기 필터(404)의 흡기 측(404A)으로부터 공기 필터(404)를 통해 흡인된다. 압축기(406)는 터빈(408)에 의해 구동되고, 압축기(406) 및 터빈(408)은 샤프트(410)에 의해 상호 연결되어 종래의 터보 차저를 형성한다. 압축 공기는 내연 기관(101)의 흡기 도관(402) 및 연소실(i1-i6)에 공급되기 전에 그 자체로 공지된 방식으로 충전 공기 냉각기(412)에 의해 냉각된다.
연소실(i1-i6)의 배기 도관으로의 통로는 연소실의 배기 밸브에 의해 각각 제어된다. 또한, 배기 도관은 실린더들(i1-i3)로부터 방출되는 배기 가스가 배기 출구로부터 터빈(408)의 제1 입구(408A)로의 공통 도관(414)을 공유하도록 배치된다. 이에 대응하여, 실린더들(i4-i6)로부터 방출되는 배기 가스는 배기 출구로부터 터빈(408)의 제2 입구(408B)로 상기 도관(414)과는 별개의 공통 도관(416)을 공유한다. 결과적으로, 터빈(408)은 도관(414, 416)들로부터 배기 가스 스트림을 수용하기 위해 별도의 배기 가스 입구를 각각 포함하며, 예를 들어, 종래의 트윈-스크롤 터빈을 구성한다.
터빈(408)은 고정형 터빈을 추가로 구성하고, 폐기물 게이트(418)는 필요시 터빈 바이패스를 위해 도관들(414, 416) 중 하나 또는 모두에 연결된다. 이러한 종류의 배치, 즉, 별도의 배기 도관이 연소실의 각각의 뱅크를 위해 사용되는 배치는 하나의 연소실로부터의 배기 가스로 구성된 압력 펄스가 다른 연소실의 작동을 방해하지 않는 이점을 갖는다. 6개의 모든 실린더가 각각 연소실의 배기 출구에 근접하여 배출되는 공통 배기 도관을 통해 배기 되었다면, 예를 들어, 배기 가스를 방출하도록 연소실(i4)이 개방될 때의 압력 펄스가 이동하여 연소실(i1)이 배기 밸브를 개방할 때의 시기에 연소실(i1)에 도달할 수 있다. 이러한 상황에서, 연소실(i1)의 흡기 밸브 및 배기 밸브가 동시에 개방되면, 배기 펄스는 연소실(i1)을 통해 내연 기관(101)의 입구 측을 통과할 수 있다. 이러한 배기 가스의 유동은 매우 바람직하지 않으며, 예를 들어, 본 예에 따른 별도의 배기 매니폴드를 공유하는 별도의 뱅크로 연소실을 분할하여 배기 통로를 분리시킴으로써 방지될 수 있다.
그런 다음, 배기 가스 스트림은 터빈(408)에서 다시 결합되고, 단일의 공통 출구(408C)를 통해 배출되며, 차량의 주변으로 방출되기 전에 본 예에서는 배기 브레이크(420)를 통해 전술한 바에 따라 배기 가스의 후처리를 위한 하나 이상의 후처리 구성요소(130)에 이르게 된다. 개시된 실시예에 따르면, SCR 촉매 변환기는 그 자체로 산화 질소를 소망하는 정도로 환원시킬 수 있으므로, 더 이상의 환원은 필요하지 않다. 즉, EGR 재순환이 필요하지 않다. 이러한 종류의 시스템은 내연 기관의 흡기 측과 배기 측 사이의 압력 차이에 관한 EGR 요건이 고려될 필요가 없기 때문에 내연 기관을 제어하는데 부가적인 자유도를 제공할 수 있다.
전술한 바와 같이, 밸브들의 적절한 제어가 단계(302)에서 결정되고, 도 5a-5e는 본 발명에 따라 이용될 수 있는 예시적인 제어 방법들을 도시한다. 파선은 배기 밸브를 나타내고, 실선은 흡기 밸브를 나타낸다. y-축은 밸브의 상태를 나타내며, 제로 레벨은 완전히 폐쇄된 밸브를 나타내고, 다른 레벨은 적어도 부분적으로 개방된 밸브를 나타내며, 물리적으로 완전한 개방은 곡선의 상단에서 발생하지만 유동의 관점에서 완전히 개방된 위치는 조기에 발생할 수 있다. 본 발명에 따르면, 밸브가 완전히 폐쇄되지 않을 때, 즉, 밸브가 개방되기 시작하고 밸브가 다시 폐쇄 위치에 도달할 때까지 "개방"된 것으로 간주된다. x-축은 크랭크샤프트 각도로 표현된 움직임을 나타내고, 0, 360, 720은 피스톤 위치 TDC를 나타낸다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 종래의 캠 샤프트에 비해 연장된 개방 시간을 갖는 캠 샤프트가 사용된다. 이는 본 발명에 따른 요구 사항은 아니지만, 개별적으로 제어 가능한 캠 위상 조정에 추가하여, 흡기 및 배기 밸브의 개방 및 폐쇄의 제어에 부가적인 장점 및 가능성을 제공한다.
이는 도 5a에 도시되어 있다. 예시적인 "정상적인" 캠 프로파일은 점선으로 도시되어 있으며, 본 발명의 실시예들에 따르면, 더 긴 지속 기간을 갖는 캠 프로파일로 대체된다. 이는 파선(배기 밸브) 및 실선(흡기 밸브)으로 표시된다. 결과적으로, 도 5a에서 알 수 있는 바와 같이, 배기 밸브(501) 폐쇄 및 흡기 밸브(502) 개방이 특정 위치에서 발생하면, 연장된 개방 시간을 제공하는 캠 샤프트는 배기 밸브가 더 일찍 개방되도록 하고, 흡기 밸브가 나중에 폐쇄되도록 한다. "정상적인" 캠 프로파일의 개방 시간은 흡기 밸브에 대해 190-195, 예컨대, 193 크랭크샤프트 각도일 수 있으며, 배기 밸브에 대해 200-205, 예컨대, 204 크랭크샤프트 각도일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 개방 시간은 흡기 밸브에 대해 210-215, 예컨대, 213 크랭크샤프트 각도일 수 있으며, 배기 밸브에 대해 220-225, 예컨대, 224 크랭크샤프트 각도일 수 있다.
도 5b는 연소실에서 연소로 인한 배기 가스 스트림이 후처리 구성요소에 손상을 줄 수 있는 온도에 도달하는 상황에서 이용될 수 있는 밸브 제어의 예를 도시한다. 이에 대한 위험성은 낮은 엔진 속도에서 작동하는 동안 가장 클 수 있으며, 동시에 높은 토크가 내연 기관에 의해 전달된다. 또한, 도 5b의 제어는, 유동을 증가시키고 이에 따라 터빈 회전을 증가시킴으로써, 전술한 바와 같이 잔류물의 소기를 개선하고 및/또는 차량 성능을 개선하기 위해 낮은 엔진 속도 내지 중간 엔진 속도에서 모든 중간 내지 높은 부하에 대해 이용될 수 있다.
도 5b에 따르면, TDC 360°에서 배기 밸브/흡기 밸브 오버랩은 잔류물의 소기를 가능하게 하며, 특정 예에서, 2개의 캠 샤프트는 오버랩 쪽으로 약 15°위상 조정되고, 즉, 배기 캠 샤프트가 지연되고, 흡기 캠 샤프트가 진각되는 반대 방향으로 위상 조정됨에 따라 약 30°의 총 증가된 오버랩을 얻을 수 있어서, 흡기 공기가 연소실을 통해 직접 배출구로 통과하여 배기 가스의 배출을 향상시킨다.
또한, 전술한 바와 같이, 이는 소망하는 경우 더 많은 양의 흡기 공기가 공급되어, 더 많은 양의 연료가 공급될 수 있도록 브레이크 열 효율을 증가시킨다. 밸브 오버랩은 배기 밸브를 제어하는 캠 샤프트를 지연시킴과 동시에 흡기 밸브를 제어하는 캠 샤프트를 진각시킴으로써 달성된다. 개시된 예에 따르면, 이는 연장된 지속 기간에 대응하며, 즉, 약 15°에 대응하고, 배기 밸브가 여전히 "정상" 위치에서 개방되어 있고, 흡기 밸브가 "정상" 위치에서 폐쇄되어 있는 결과를 갖는다. 개시된 예에 따르면, 위상 조정은 대칭적이며, 즉, 2개의 캠 샤프트가 상이한 방향임에도 불구하고 동등한 정도로 위상 시프트된다. 그러나, 이는 반드시 그런 것은 아니며, 캠 샤프트는 다른 정도로 위상 조정될 수 있다. 또한, 위상 조정은 본 예보다 상당히 높을 수 있으므로, 동시에 개방된 밸브의 더 긴 기간이 얻어진다. 이는 또한 이하에서 더욱 예시된다.
배기 측으로의 흡기 공기의 통과는 배기 온도를 감소시키며, 이는 또한 예를 들어, 온도에 민감한 후처리 구성요소에 유익할 수 있다. 또한, 고온의 잔류물을 배출시키는 효율이 증가한다는 것은 전술한 바와 같이, 보다 많은 흡기 공기가 공급될 수 있고, 따라서, 낮은/중간 엔진 속도에 대해 토크가 증가될 수 있음을 의미한다. 또한, 증가된 유동은 터보 래그(lag)을 줄임으로써 일시적인 성능을 향상시킨다.
도 5c는 도 5a의 위상 조정을 본질적으로 도시하고, 여기서, EVO 및 IVC는 본질적으로 오버랩이 없도록 제어되지만, 연장된 밸브-개방 기간은 대신에 조기 배기 밸브 개방(EEVO) 및 늦은 흡기 밸브 폐쇄(LIVC)를 야기한다. 캠 샤프트가 종래의 EVO 및 IVC를 향하여 위상 조정되는 이러한 종류의 위상 조정은 예를 들어, 특히, 브레이크 열효율(BTE)을 개선하기 위해 중간 내지 높은 엔진 속도 위치에서 이용될 수 있다. LIVC+EEVO의 조합은 유익하다. EEVO는 배기 가스를 배출하기 위해 이용 가능한 시간-윈도우를 증가시키고, 개시된 예에 따라 배기 밸브는 폭발 행정 중에 이미 개방되어 있다. 결과적으로, 실린더 내의 압력은 피스톤이 하사점(BDC)에 도달하고, 상향 배기 행정을 개시할 때보다 낮아져서 상기 행정이 보다 적은 전력 소모를 하도록, 즉, 개방 사이클 효율 OCE를 증가시킨다.
LIVC는 차례로 엔진을 통한 질량 유동을 감소시키고, 펌핑 작업을 줄이며, OCE를 증가시킨다. 엔진 속도가 더 빠르기 때문에 열 손실에 사용할 수 있는 시간이 더 짧고 그리고 공기/연료 비율 람다 λ가 충분히 높기 때문에, 낮은 벌크 질량으로 인해 폐쇄 사이클 효율 CCE의 손실이 OCE 이득보다 작다.
도 5d는 예를 들어, 낮은 엔진 부하에서 이용될 수 있는 밸브 제어의 다른 예를 도시한다. 상기 예에 따르면, 각각의 캠 샤프트는 네거티브 오버랩 쪽으로 약 45°위상 조정되고, 즉, 흡기 캠 샤프트가 지연되는 동안에 배기 캠 샤프트가 진각되고, 흡기 밸브가 개방되기 전에 배기 밸브가 폐쇄된다. 이러한 종류의 제어는 공기/연료 비율 다 λ, 배기 유동 및 NOx를 감소시키는데 이용될 수 있다.
도 5e는 본 예에 따른 약 55°/55°의 예시적인 최대 위상 조정을 도시한다. 최대 위상 조정은 예를 들어, 차량이 코스팅 중일 때, 특히, 연료 공급 없이 엔진이 회전하고, 기어가 변속하는 코스팅에 사용할 때 유익할 수 있다. 코스팅 중에, 냉각 공기가 실질적으로 어떠한 가열도 받지 않고 엔진을 통해 플러싱되어 후처리 구성요소를 실질적으로 냉각시킨다. 최대 네거티브 위상 조정의 이용은 배기 처리 시스템을 냉각시키며 엔진을 가로지르는 유동을 최소화하는데 사용될 수 있다. 흡기 밸브가 대부분 또는 모든 압축 행정을 통해 개방되는 경우에, 엔진을 통과하는 유동이 본질적으로 제로로 감소될 수 있다.
또한, 도 5a 내지 도 5e에 도시된 예들은 이용될 수 있거나 또는 이용되지 않을 수 있고, 특히, 흡기 밸브의 제어를 통해 상이한 범위로 이용될 수 있는 추가적인 특징을 개시한다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 흡기 밸브는 피스톤이 BDC에 도달한 후에 폐쇄되고, 따라서, 압축 행정이 시작된 후에 폐쇄된다. 이는 흡기 밸브가 여전히 개방되어 있는 동안 피스톤이 압축 행정에서 상향으로 움직임에 따라 전하가 개방된 흡기 밸브를 통해 흡기 매니 폴드로 부분적으로 다시 배출된다는 것을 의미한다. 과급 흡기 공기와 조합한 이러한 제어의 사용은 밀러 사이클(Miller-cycle)이라고 지칭된다. 밀러-사이클에 따른 작동이 유리할 수 있다. 예를 들어, 밀러 사이클은 실제 BDC와 TDC 사이의 위치에 가상 BDC를 생성함으로써 연소실의 유효 체적을 "감소시키기" 위해 활용될 수 있어서, 엔진이 실제보다 작은 것처럼 보일 수 있다. 이러한 방식으로, 동일한 하드웨어가 상이한 실린더 체적을 갖는 엔진으로서 작동되도록 사용될 수 있으며, 즉, 엔진의 전체 용량이 사용될 필요가 없다.
예를 들어, 도 5a 내지 도 5e에 개시된 예들 중 임의의 것에 따라 또는 임의의 다른 적절한 제어에 따라 적절한 제어가 단계(302)에서 결정될 때, 상기 방법은 단계(303)로 이어지고, 상기 단계(303)에서, 배기 밸브 및 흡기 밸브의 소망하는 작동을 얻기 위해 단계(302)에서 결정된 제어에 따라 캠 샤프트(203, 204)를 작동(이 경우에는 위상 조정)시킴으로써 제어가 개시된다. 모든 연소실의 밸브는 종래의 방식으로 모든 밸브를 작동시키는 캠 샤프트에 의해 동시에 제어된다.
그런 다음, 예를 들어, 변경된 또는 변경되는 작동 조건으로 인해, 제어가 새로 결정되어야 하는지 여부가 결정될 수 있고, 이러한 경우에, 상기 방법은 단계(301)로 되돌아간다. 그렇지 않으면, 상기 방법은 결정된 파라미터에 따라 제어를 계속하기 위해 단계(303)로 복귀한다. 결과적으로, 본 발명에 따르면, 예컨대, 전술한 이점을 갖는 내연 기관의 작동이 효율적인 방식으로 제어될 수 있도록 우세한 조건을 고려하여 밸브들이 연속적으로 제어되도록 배치될 수 있다.
전술한 바에 더하여, 본 발명은 발명의 명칭이 "연소로부터 발생하는 배기 가스를 제어하는 방법 및 시스템"인 스웨덴 특허 출원 제1550976호 및 발명의 명칭이 "내연 기관을 제어하는 방법 및 시스템"인 스웨덴 특허 출원 제1550978호에 개시된 해결책과 결합하여 사용될 수 있다. 스웨덴 특허출원 SE1550976호는 소망하지 않는 온도가 발생할 수 있는 상황에 관한 것이다.
스웨덴 특허출원 SE1550976호에 따르면, 고온 배기 가스가 예상될 때, 배기 가스와 혼합하기 위해 내연 기관의 흡기 측으로부터의 공기가 연소실을 바이패스하도록 구성되는 방법(및 시스템)에 의해 배기 가스 온도가 제어된다. 이러한 방식으로, 고온 배기 가스가 온도에 민감한 구성요소를 손상시킬 수 있는 상황에서, 고온 배기 가스가 냉각될 수 있다.
또한, 상기 연소로부터 생성된 배기 가스의 적어도 일부는 적절한 작동이 더 이상 보장될 수 없는 정도로 배기 가스가 후처리 구성요소를 냉각시킬 수 있는 온도일 때 비 냉각으로 상기 흡입 측으로 재순환된다.
회로와 같은 EGR은 연소가 수행되지 않은 연소실로부터의 가스만이 재순환될 수 있는 전술한 바에 따른 순환을 수행하기 위해 사용될 수 있다.
스웨덴 특허출원 SE1550978호는 예를 들어, 배기 가스 내의 남아있는 미 연소 연료를 산화시키는데 사용되는 산화 촉매에서 발열 반응, 즉, 온도 상승을 유지하는 것이 어려울 수 있는 상황에 관한 것이다.
스웨덴 특허출원 SE1550978호에 따르면, 냉각 배기 가스가 후처리 구성요소를 냉각시킬 수 있을 때 발열 반응이 유지된다. 이는 연소 엔진의 일부 연소실로만의 연료 분사를 통해 몇몇 연소실에 의해 배출된 배기 가스에 미 연소 연료를 공급함으로써 달성된다.
또한, 연료가 주입되는 연소실과 구별되는 연소실에 의해 배출되는 배기 가스의 적어도 일부는 내연 기관의 흡기 측으로 재순환되고, 상기 배기 가스는 적어도 실질적으로 비 냉각 상태로 재순환된다.
본 발명에 의해 제공되는 해결책은 예를 들어, 내연 기관의 추가적인 작동을 개선하기 위해 상기 출원들에 기재된 해결책과 결합될 수 있다.
마지막으로, 본 발명은 차량에 대해 예시되었다. 그러나, 본 발명은 항공기 및 선박과 같은 다른 종류의 운송 수단에도 적용 가능하다. 또한, 본 발명은 연소 플랜트의 사용에 적용 가능하다.

Claims (21)

  1. 압축-점화 내연 기관(101)을 제어하는 방법으로,
    상기 내연 기관(101)은 적어도 하나의 연소실(i1-i6)을 가지고, 상기 연소실로의 공기의 흡입은 흡기 밸브를 사용하여 제어되고, 상기 연소실의 배출은 배기 밸브를 사용하여 제어되는, 압축-점화 내연 기관 제어 방법에 있어서, 상기 방법은,
    - 상기 연소실 내의 왕복동 부재의 위치에 따라 상기 흡기 밸브의 개방 및 상기 배기 밸브의 폐쇄를 제어하는 단계로, 상기 왕복동 부재에 대한 상기 흡기 밸브의 개방 및 상기 배기 밸브의 개방 각각은 개별적으로 제어 가능한, 상기 흡기 밸브의 개방 및 상기 배기 밸브의 폐쇄를 제어하는 단계를 포함하고,
    - 일 작동 모드에서, 상기 흡기 밸브의 개방 및 상기 배기 밸브의 폐쇄 각각은 가변 길이의 기간 동안에 양 밸브가 동시에 개방되도록 제어되어서, 흡기 공기는 연소실을 통과하고, 동시에 배기 잔류물과 혼합되어 배출되는 것을 특징으로 하는 압축-점화 내연 기관 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    - 상기 흡기 밸브의 개방 및 상기 배기 밸브의 폐쇄 각각이 상기 연소실 내의 상기 왕복동 부재의 가변 위치에서 수행되도록 상기 흡기 밸브 및 상기 배기 밸브를 제어하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 압축-점화 내연 기관 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    - 상기 내연 기관에 의해 생성된 일(work) 및/또는 상기 내연 기관의 회전 속도에 따라 상기 흡기 밸브의 개방 및 상기 배기 밸브의 폐쇄를 제어하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 압축-점화 내연 기관 제어 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 흡기 공기가 연소실을 통과하고, 동시에 배기 잔류물과 혼합되어 배출되어서, 회전 속도가 제1 속도 미만일 때 및/또는 상기 내연 기관에 의해 생성된 일이 제1 일을 초과할 때 연소실 내에 남아있는 배기 잔류물이 감소하도록 상기 흡기 밸브의 개방 및 상기 배기 밸브의 폐쇄를 제어하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 압축-점화 내연 기관 제어 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 제1 작동 모드에 따라 제1 기간 중에 양 밸브가 동시에 개방되도록 상기 흡기 밸브의 개방 및 상기 배기 밸브의 폐쇄를 제어하는 단계, 및
    - 제2 작동 모드에 따라 상기 제1 기간과 상이한 제2 기간 중에 양 밸브가 동시에 개방되도록 상기 흡기 밸브의 개방 및 상기 배기 밸브의 폐쇄를 제어하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 압축-점화 내연 기관 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 작동 모드에서 상기 내연 기관에 의해 생성된 일은 상기 제2 작동 모드에서 상기 내연 기관에 의해 생성된 일을 초과하고, 상기 제1 기간은 상기 제2 기간을 초과하는 것을 특징으로 하는 압축-점화 내연 기관 제어 방법.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 제1 작동 모드에 따라 제1 기간 중에 양 밸브가 동시에 개방되도록 상기 흡기 밸브의 개방 및 상기 배기 밸브의 폐쇄를 제어하는 단계를 또한 포함하며,
    - 흡기 밸브 및 배기 밸브는 제2 작동 모드에 따라 흡기 밸브가 개방되기 전에 배기 밸브가 폐쇄되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 압축-점화 내연 기관 제어 방법.
  8. 제1항 내지 제4항 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 제1 작동 모드에 따라 제1 기간 중에 양 밸브가 동시에 개방되도록 상기 흡기 밸브의 개방 및 상기 배기 밸브의 폐쇄를 제어하는 단계, 및
    - 제2 작동 모드에 따라 압축 행정의 시작 후에 상기 흡기 밸브가 폐쇄되도록 상기 흡기 밸브를 제어하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 압축-점화 내연 기관 제어 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연소실 내의 왕복동 부재의 위치는 크랭크샤프트 위치로 표시되며, 흡기 밸브가 개방되는 크랭크샤프트 각도 및 배기 밸브가 폐쇄되는 크랭크 샤프트 각도는 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는 압축-점화 내연 기관 제어 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 밸브의 개방 및 폐쇄를 제어하기 위해 제1 캠 샤프트가 사용되고, 상기 흡기 밸브의 개방 및 폐쇄를 제어하기 위해 제2 캠 샤프트가 사용되는 것을 특징으로 하는 압축-점화 내연 기관 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 흡기 밸브의 개방 및 상기 배기 밸브의 폐쇄는 상기 제1 및 제2 캠 샤프트를 개별적으로 위상 조정함으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 압축-점화 내연 기관 제어 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    - 상기 캠 샤프트들은 10-100도 간격에서 임의의 크랭크샤프트 각도로 개별적으로 위상 조정되는 것을 특징으로 하는 압축-점화 내연 기관 제어 방법.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡기 밸브의 개방은 흡기 밸브가 개방되는 크랭크 각도를 제어함으로써 제어되고, 상기 배기 밸브의 폐쇄는 배기 밸브가 폐쇄되는 크랭크 각도를 제어함으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 압축-점화 내연 기관 제어 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내연 기관(101)은 복수의 연소실(i1-i6)을 포함하고, 상기 연소실(i1-i6)은 적어도 2개의 뱅크로 분할되며, 상기 각각의 뱅크는 상기 뱅크로부터 생성된 배기 가스를 위한 별도의 배기 도관을 포함하는 것을 특징으로 하는 압축-점화 내연 기관 제어 방법.
  15. 컴퓨터 프로그램으로,
    컴퓨터에서 프로그램 코드가 실행될 때, 상기 컴퓨터로 하여금 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하게 하는 프로그램 코드를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램.
  16. 컴퓨터로 판독 가능한 매체 및 제15항에 따른 컴퓨터 프로그램을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품으로,
    상기 컴퓨터 프로그램은 상기 컴퓨터로 판독 가능한 매체에 포함되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램 제품.
  17. 압축-점화 내연 기관(101)을 제어하는 시스템으로,
    상기 내연 기관(101)은 적어도 하나의 연소실(i1-i6)을 가지고, 상기 연소실로의 공기의 흡입은 흡기 밸브를 사용하여 제어되고, 상기 연소실의 배출은 배기 밸브를 사용하여 제어되는, 압축-점화 내연 기관 제어 시스템에 있어서, 상기 시스템은,
    - 상기 연소실 내의 왕복동 부재의 위치에 따라 상기 흡기 밸브의 개방 및 상기 배기 밸브의 폐쇄를 제어하도록 구성된 제어 수단으로, 상기 왕복동 부재의 위치에 대한 상기 흡기 밸브의 개방 및 상기 배기 밸브의 폐쇄 각각이 개별적으로 제어 가능하도록 구성된, 제어 수단을 포함하고,
    - 일 작동 모드에서, 상기 흡기 밸브의 개방 및 상기 배기 밸브의 폐쇄 각각은 가변 길이의 기간 동안에 양 밸브가 동시에 개방되도록 제어되어서, 흡기 공기는 연소실을 통과하고, 동시에 배기 잔류물과 혼합되어 배출되는 것을 특징으로 하는 압축-점화 내연 기관 제어 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    터보 차저의 압축기의 효율이 터보 차저의 압축기 및/또는 터빈을 통한 질량 유동을 증가시킴에 따라 증가하도록 상기 내연 기관 및 터보 조합 조합이 설계되는 것을 특징으로 하는 압축-점화 내연 기관 제어 시스템.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    상기 내연 기관(101)은 복수의 연소실(i1-i6)을 포함하고, 상기 연소실(i1-i6)은 적어도 2개의 뱅크로 분할되며, 상기 각각의 뱅크는 상기 뱅크로부터 생성된 배기 가스를 위한 별도의 배기 매니폴드를 포함하고, 상기 시스템은 상기 뱅크 각각에 대한 개별 입구를 갖는 터빈과 같은 뱅크 분리 터빈 또는 각각의 뱅크를 위한 별도의 터보 차저를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 압축-점화 내연 기관 제어 시스템.
  20. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내연 기관은 배기 도관으로부터 흡기 도관으로 배기를 재순환시키기 위한 배기 가스 재순환(EGR)이 없는 내연 기관으로 구성되는 것을 특징으로 하는 압축-점화 내연 기관 제어 시스템.
  21. 차량으로,
    제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
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