KR20190061830A - 내연기관의 작동 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 내연기관의 연소실(101) 내로 냉각 유체를 분사하는 분사 장치를 포함하는 내연기관을 작동하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 이 방법에서는 연소실(101) 내에서 현재 연소 중에 노크 위험이 결정되고, 노크 위험이 임계값을 초과할 경우, 현재 연소 중에 연소실(101) 내로 냉각 유체의 분사가 수행된다.

Description

내연기관의 작동 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR OPERATING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은, 특허 독립 청구항들의 카테고리에 따른 내연기관의 연소실 내로 냉각 유체를 분사하는 분사 장치를 포함하는 내연기관을 작동하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

DE 39 28 611호로부터 내연기관의 연소실 내로 냉각 유체(물)를 분사하기 위한 방법 및 장치가 각각 이미 공지되어 있다.

한편, 내연기관의 연소실 내로 냉각 유체를 분사하는 분사 장치를 포함하는 내연기관을 작동하기 위한 본 발명에 따른 방법 또는 본 발명에 따른 장치는, 현재 연소의 직접적인 노크(knock) 위험성이 결정되고, 그 다음 현재 실시되고 있는 상기 연소 중 분사를 통해 계속해서 노크가 방지될 수 있거나, 적어도 노크가 엔진에 미치는 손상 작용이 약화될 수 있다는 장점이 있다. 이렇게 현재 연소가 진행되는 동안 노크 감소가 달성된다. 특히, 상기 조치를 통해 노크 발생이 전반적으로 방지될 수 있다. 그러므로 노크성 연소가 발생하기 전에는 노크성 연소가 방지될 수 있고, 노크성 연소의 발생 중에는 노크성 연소가 계속 방해되거나 감소할 수 있다. 이렇게 노크성 연소에 의해 엔진의 응력도 감소한다. 이는 노크 한계에 더 가깝게 지속적인 작동을 가능하게 하는데, 그 이유는 그렇지 않으면 불가피하고 항시 재발하는 노크 이벤트들이 방지되기 때문이다. 그럼으로써, 본 발명에 따른 방법에 따라 작동되는 내연기관들은 노크 한계에 더 가깝게, 그리고 그에 따라 더 효과적으로 작동될 수 있다. 종래의 물 분사 장치에 비해, 명백히 감소한 냉각 유체 소모량이 달성될 수 있으며, 그럼으로써 예컨대 상기 유형의 내연기관을 장착한 자동차에서 충전 필요성이 줄어든다.

추가 장점들 및 개량사항들은 특허 종속 청구항들의 조치들을 통해 달성된다. 현재 연소 중 노크 위험의 검출은 연소실 내 압력의 평가를 통해 특히 확실하게 수행된다. 상기 압력은 연소실 압력 센서를 통해 매우 정확하게 직접 측정될 수 있다. 대안적인 측정 방법들은, 연소실 압력 센서에 비해 명백히 더 경제적인 구조 전달음 센서 또는 이온 전류 센서를 이용한다. 노크 위험의 평가를 위해, 연소실 내 압력이 기댓값과 비교된다. 기댓값에는 압력뿐 아니라, 연소 시작 이후 압력이 발생하는 시점도 포함되거나, 내연기관의 각도 위치(angle position)가 고려된다. 압력의 절대 레벨에 추가로, 연소실 내에서 해당 압력이 발생하는 시점 또는 각도 위치도 노크 위험의 존재 여부의 결정을 위해 중요하다. 이렇게 노크 위험의 검출은 매우 확실하게 수행될 수 있다. 이를 위해 이용되는 기댓값들은 내연기관에 대해, 예컨대 특정 엔진 유형에 대한 결정에서 처음부터 확정 사전 설정될 수 있다. 또한, 내연기관의 작동이 진행되는 동안 연소 과정들을 연속으로 평가하여 현재 연소에 대한 전형적인 기댓값들을 학습할 수 있다. 그 다음, 선행 연소들에 비해 현재 연소의 강한 편차가 발생할 경우, 이는 노크 위험 증가에 대한 명확한 징후일 수 있다. 이런 평가를 기반으로 증가된 노크 위험이 확인될 경우, 사전 설정된 횟수의 후속 연소를 위해 마찬가지로 냉각 유체의 분사를 수행할 수 있다. 간단히 말하면, 연소 중에 확인된 노크 위험은 내연기관의 전반적으로 증가한 노크 경향을 지시함에 따라, 그러한 경우 사전 설정된 횟수의 후속 연소를 위해 냉각 유체의 분사가 수행되어야 하는 점이 전제된다. 그 대안으로, 노크 위험의 검출 시, 냉각 유체 분사를 활성화하고, 이어서 내연기관의 작동 조건들의 사전 설정된 변경이 발생할 때까지 상기 냉각 유체 분사를 유지할 수 있다. 작동 조건들의 변경은 예컨대 회전속도, 엔진 부하 또는 여타의 작동 매개변수들의 변경에 의해 정의될 수 있다.

도 1은 실린더를 포함하는 내연기관의 개략도이다.

도 1에는, 실린더(10)를 포함하는 엔진, 다시 말해 내연기관이 개략적으로 도시되어 있다. 실린더(10) 내에서는 피스톤(100)을 통해 연소실(101)이 범위 한정된다. 실린더(10) 또는 연소실(101)로는 흡기관(11)을 통해 연소를 위한 공기가 공급되고, 연료 인젝터(13)를 통해서는 실린더(10) 내에서의 연소를 위한 연료가 공급된다. 이때 발생하는 배기가스는 배기관(12)을 통해 실린더(10)로부터 배출된다. 이 경우, 도 1에 개략적으로만 도시되어 있는 통상의 오토 엔진 또는 디젤 엔진이 관련된다. 특히 흡기 밸브들, 배기 밸브들, 흡기관(11)을 관류하는 공기 유량의 조절을 위한 (예컨대 스로틀 밸브와 같은) 수단, 점화 플러그 또는 예열 플러그 및 통상의 오토 엔진 및 디젤 엔진의 여타 부재들과 같은 추가 제어 부재들은 도시되어 있지 않은데, 그 이유는 이들이 본 발명을 이해하는 데 있어 그다지 중요하지 않기 때문이다.

또한, 도 1에는, 연소실(101) 내로 냉각 유체를 분사하는 분사 장치, 특히 물 분사 장치가 도시되어 있다. 이하, 항상 물 분사 장치가 기술되기는 하지만, 이 물 분사 장치는 임의의 냉각 유체의 분사 장치를 대표하는 것이다. 물 외에, 물과 알코올의 혼합물, 또는 또 다른 액체들과 물의 혼합물도 고려될 수 있다. 여기서 핵심은, 냉각 유체가 기화 동안 높은 열량을 요구하고 그에 따라 연소실의 냉각에 기여한다는 점이다. 실린더(10)의 연소실 내로 물의 직접적인 분사는 상당한 압력을 요구한다. 실린더(10)의 연소실 내로의 분사는, 이미 흡기 밸브가 흡기관(11)의 방향으로 폐쇄되어 있고 실린더가 압축 단계에 있을 때 수행될 수 있기 때문에, 연소실 내로의 물 분사를 위해서는 최대 200바아 크기까지의 명백히 더 높은 압력이 요구된다. 그러므로 워터레일(3)(water rail) 내에서는, 실린더(10)의 연소실 내로의 직접 분사를 가능하게 하기 위해, 물이 고압으로 공급되어야 한다. 물 분사 장치는, 연결 라인(5)을 통해 전기 펌프(1)와 연결되는 물탱크(2)로 형성된다. 연결 라인(5)을 통해 물은 탱크(2)에서 전기 펌프(1) 쪽으로 유동할 수 있거나, 탱크로부터 전기 펌프(1)에 의해 흡입될 수 있다. 연결 라인(5)을 통해 물탱크(2)와 연결되는 전기 펌프(1) 측을 이하 공급부라 지칭한다. 또한, 전기 펌프(1)는, 연결 라인(5)을 통해 고압 펌프(6)와 연결되는 고압 배출구를 갖는다. 고압 펌프(6)의 공급부는 연결 라인(5)을 통해 전기 펌프(1)의 고압 배출구와 연결된다. 고압 펌프(6)의 고압 배출구는 연결 라인(5)을 통해 워터레일(3)과 연결된다.

그 다음, 워터레일(3)은 추가 연결 라인(5)을 통해, 연소실(101) 내로 통하는 물 인젝터(4)와 연결된다. 그에 따라, 탱크(2) 내의 물은 공급부를 경유하여 전기 펌프(1)로 공급되고, 펌프(1)의 고압 배출구에서 증가한 압력으로 고압 펌프(6)로 공급된다. 그런 다음, 이처럼 고압 펌프(6)에 의해 약 200바아의 고압이 가해진 물은, 물 인젝터(4)의 상응하는 개구부를 통해 연소실(101) 내로 분사될 때까지 워터레일(3) 내에서 임시 저장된다. 이렇게, 바로 엔진의 연소실 내로 직접 물 분사를 가능하게 하기 위해 충분히 높은 압력이 발생하는 구성이 제공된다.

워터레일(3)에는, 복수의 실린더(10)에 물을 공급하는 복수의 물 인젝터(4)도 연결되어 있을 수 있다. 이는, 특히 최근 자동차에서는 일반화되어 있는 다기통 엔진의 경우, 각각의 실린더별로 각각의 실린더에 매칭된 양의 물이 공급될 수 있게 하는 구성이다.

물 분사를 통해, 실린더(10)의 연소실(101) 내에는, 연료 인젝터(13)를 통해 분사된 연료와 함께, 공기와 연료 및 물의 혼합기가 생성된다. 그 다음, 점화 플러그를 통한, 또는 디젤 엔진의 경우 자기 점화 과정을 통한 상응하는 점화를 통해, 실린더(10)의 연소실 내에서 연료/공기 혼합기의 연소가 수행된다. 상기 공기/연료 혼합기 내에 함유된 물을 통해, 실린더(10) 내 연소실(101)의 효과적인 냉각이 수행되며, 그럼으로써 연소 온도가 낮춰지고, 오토 엔진에 적용 시 노크 경향이 감소한다. 이로써 오토 엔진의 효율성 또는 소모량에 긍정적으로 작용하는 최적화된 점화 시점이 가능해진다. 또한, 오토 엔진 및 디젤 엔진의 경우 유해 배기가스의 발생도 줄어들 수 있다. 그러므로 연소실 내로의 물의 유입은, 실린더(10)의 연소실 내 연소의 품질에 긍정적인 영향을 줄 수 있는 조치이다. 이런 조치를 통해, 배기가스의 품질뿐 아니라 실린더(10)의 열적 부하, 출력, 그리고 연료 요구량에도 역시 긍정적인 영향을 줄 수 있다.

도 1에는, 연소실(101) 안쪽으로 돌출되어, 바로 연소실 내 압력을 직접 측정하는 연소실 압력 센서(20)도 추가로 도시되어 있다. 따라서 상기 유형의 압력 센서를 통해 연소실(101) 내 압력비가 항시 공지되며, 특히 연소실의 이러한 직접 압력 측정을 통해 진행 중인 연소 및 이때 발생하는 압력이 바로 모니터링된다. 특히 상기 유형의 직접 압력 측정을 통해, 이미 연소의 제1 반주기(half-cycle)에서, 연소의 지속 진행 시 노크가 발생할 것인지의 여부를 판단할 수 있다. 상기 유형의 노크성 연소는, 스파크에 의한 실질적인 점화에 추가로 연소실 내 다수의 또 다른 위치에서도 자발적으로 가스/공기 혼합기의 인화가 수행되고, 상이한 발생 위치들에서 다수의 화염면(flame front)이 일어나는 연소이다. 상기 유형의 노크성 연소 시, 내연기관, 특히 피스톤(100)의 손상이 발생할 수 있게 하는 매우 높은 압력 및 압력 구배가 형성된다. 다른 측면에서는, 노크성 작동점 근처에서의 내연기관의 작동이 특히 효과적인데, 그 이유는 상기 노크성 작동점에서 연소를 통해 발생하는 에너지가 특히 효과적으로 기계 운동으로 변환되기 때문이다. 그러므로 가급적 노크성 작동점 근처에서 내연기관을 작동시키되 노크가 발생하지 않게 하는 점은 추구할만 하다. 이제, 본 발명에 따라, 진행중인 현재 연소의 평가를 통해 연소의 진행 지속 시 노크가 발생할 것인지의 여부를 판단하고, 노크가 발생할 것으로 판단되면 바로 현재 연소 중에 물을 분사함으로써 계속 현재 연소의 냉각이 구현되게 하여, 현재 연소가 진행되는 동안 노크를 계속 저지하는 점이 제안된다. 이런 조치를 통해 내연기관은 노크 한계에 매우 가깝게 작동될 수 있으면서도, 노크는 발생하지 않게 된다.

연소실 압력 센서(20)의 대안으로, 진행 중인 연소의 판단을 가능하게 하는 또 다른 센서들도 이용될 수 있다. 노크 센서는 실린더(10)의 외측에 장착되어, 마찬가지로 연소실(101) 내에서 발생하는 압력에 대한 척도인 연소 소음을 측정한다. 상기 유형의 노크 센서는 전형적으로 압전 센서 또는 가속도 센서로서 형성되는 구조 전달음 센서 또는 진동 센서이다. 또 다른 가능성은, 연소실 내 전극들 사이에 전압이 인가되고, 연소실 내의 가스 혼합기를 통해 흐르는 상기 두 전극 사이의 전류 흐름이 평가되는 이온 전류 센서의 사용이다. 이 경우, 전도도는 연소실 내 압력에 따라 크게 좌우되므로, 상기 센서들도 연소실 내 압력비에 대한 정보를 공급한다. 그러나 직접 평가 가능성 때문에 연소실 압력 센서의 사용이 선호된다.

연소의 제1 반주기의 압력 프로파일의 평가를 통해, 연소의 제2 반주기에서 노크가 발생할지의 여부를 상대적으로 양호하게 판단할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이 경우, 냉각 유체, 특히 물의 분사를 통해, 노크가 억제되거나 노크 강도가 명백히 감소하도록, 연소의 제2 반주기의 온도에 영향을 줄 수 있다. 이렇게 노크 한계 근처에서 내연기관의 작동이 가능해지면서도, 역시 노크는 발생하지 않게 된다. 이 경우, 현재 진행되는 연소 동안 노크가 발생할지의 여부의 판단은, 노크 위험이 연소실 내의 압력을 기반으로 평가됨으로써 수행된다. 이를 위해, 압력이 기댓값과 비교되며, 기댓값에는 압력의 레벨뿐 아니라 압력의 시점 또는 각도 위치도 포함된다. 내연기관 내에서의 연소 동안, 최대 압력은 실린더(10) 내 피스톤(100)의 상사점 이후에 수행되도록 추구된다. 노크 위험은, 너무 이르게, 다시 말하면 매우 빠른 각도 위치에서 너무 증가한 압력값이 발생할 때 검출된다. 이 경우, 상기 기댓값, 다시 말해 연소 시작 이후 압력값과 각도 위치 또는 시점의 조합이 사적 확정될 수 있거나, 내연기관의 작동이 진행 중에 학습될 수 있다. 값들이 사전 확정된다면, 특정 유형의 내연기관에 대해 설계 단계 또는 적용 단계 중에 연소의 진행 지속에 대한 노크 위험을 검출하기 위해 어느 기댓값이 초과되어야 하는지가 결정된다. 이 경우, 상기 결정은 예컨대 부하 또는 회전속도와 같은 내연기관의 작동 조건들에 좌우될 수 있다. 그 대안으로, 상기 기댓값들을 학습할 수도 있다. 이 경우, 내연기관의 작동이 진행될 때 예컨대 평균값 계산을 통해 표준 압력 프로파일이 저장될 수도 있다. 이때, 연소 동안의 압력 프로파일이 상기 학습된 표준 압력 프로파일과 심한 편차를 보이는 경우, 특히 상기 학습된 표준 압력 프로파일을 초과할 경우, 노크 위험이 검출되어 연소의 추가 진행 중에 본 발명에 따른 분사가 트리거된다. 이 경우, 상기 학습도 예컨대 부하 또는 회전속도와 같은 내연기관의 작동 매개변수들에 좌우될 수 있다.

현재 연소 중에 한 번 노크 위험이 검출되었다면, 냉각 유체의 분사를 상기 연소를 위해서만 수행할 것인지, 아니면 후속 연소들도 냉각 유체의 분사와 함께 수행할 것인지의 여부를 결정해야 한다. 요컨대 노크 위험이 한 번 발생했다는 것은, 내연기관이 바로 노크 경향이 있는 작동 상태에 있고, 그러므로 추가 노크 이벤트도 방지해야 하는 조치들이 취해져야 한다는 암시이다. 물론, 연소 시작 시점에 미리 냉각 유체를 분사하는 것이 노크의 발생을 줄이기 위한 더 적합한 조치이므로, 노크 위험이 한 번 검출된 경우에는 예방 차원에서 냉각 유체의 분사를 통한 추가 냉각을 수행하는 것이 바람직하다. 노크 위험이 한 번 검출된 경우에는 간단히 사전 설정된 횟수의 후속 연소에 대해 냉각 유체의 분사를 실행할 수 있다. 이는, 노크 위험이 다시 검출될지의 여부와 무관하게 수행된다. 이 모드에서는 냉각 유체의 분사가 이미 연소 시작 시점에 수행되기 때문에, 연소의 제1 반주기에서는 노크 위험이 더 이상 검출되지 않을 수 있다. 그 다음 사전 설정된 횟수의 연소에 대해 냉각 유체의 분사가 수행된 후에야 비로소 다시, 처음부터 냉각 유체의 분사가 수행되는 것이 아니라 현재 연소 중에 노크 위험이 확인될 때에만 수행되는 프로세스로 전환된다. 그 대안으로, 현재 진행되는 노크 위험이 있는 연소 중 분사 이후에 노크 위험이 검출될 경우, 모든 후속 연소에 대해 전반적으로 냉각 유체의 분사가 활성화될 수도 있다. 이러한 냉각 유체의 분사는, 내연기관의 작동 조건들의 명백한 변동이 발생할 때까지 유지될 수도 있다. 이 경우, 특히 냉각 유체의 분사의 비활성화는, 내연기관의 작동 조건들이 예컨대 부하 또는 회전속도의 명백한 감소에 의해 노크 경향이 감소하는 방향으로 변경될 때에만, 수행될 수 있다.

도 2에는, 본 발명에 따른 방법의 개별 단계들이 한 번 더 개략적으로 도시되어 있다. 제1 단계(21)에서, 본 발명에 따른 방법이 실행될 수 있는지가 검사된다. 이에 대한 전제조건은, 분사를 위한 냉각 유체가 존재하는지, 또는 연소실 압력 센서(20)에 대한 에러 메시지가 존재하지 않는지, 또는 내연기관의 워밍업 모드가 종료되었는지, 또는 여타의 전제조건들이 충족되었는지 여부일 수 있다. 이에 후속하는 단계(22)에서는, 노크 위험의 결정을 위해 현재 진행중인 연소의 압력 평가가 수행된다. 이를 위해, 특히 압력은 하나의 임계값 또는 임계값 시퀀스와 비교되며, 이때 임계값들은 압력의 레벨뿐 아니라 시간별 압력 발생도 고려한다. 이러한 시간별 발생은 예컨대 연소 시작 후 시점 또는 피스톤 상사점 이전의 시점으로서 정의될 수 있거나, 내연기관의 각도값으로서 정의될 수 있다. 노크 위험이 임계값을 초과할 경우, 현재 진행중인 연소 중에 냉각 유체의 분사가 트리거된다. 일반적으로 노크성 연소는 연소의 제2 반주기에서 수행된다. 그에 따라, 연소의 제2 반주기에서 냉각 유체의 분사를 수행하기 위해, 통상 실행되기 시작한 연소의 제1 반주기에서 노크 위험이 검출된다. 단계 22에서 노크 위험이 검출되지 않는다면, 단계 22에 이어 다시 단계 21이 수행된다. 단계 22에서 노크 위험이 검출된다면, 단계 22에 이어 단계 23이 수행되며, 이 단계에서 현재 진행되는 연소 중에 냉각 유체의 분사가 수행된다. 이 조치를 통해, 노크 발생이 억제되거나, 적어도 노크 강도가 감소한다. 그 다음, 단계 23에 이어 다시 단계 21이 수행된다.

Claims (8)

1. 내연기관의 연소실(101) 내로 냉각 유체를 분사하는 분사 장치를 포함하는 내연기관을 작동하기 위한 방법에 있어서,
   연소실 내에서 현재 연소 중에 노크 위험이 결정되고, 노크 위험이 임계값을 초과할 경우, 현재 연소 중에 연소실(101) 내로의 냉각 유체의 분사가 수행되는 것을 특징으로 하는, 내연기관 작동 방법.
2. 제1항에 있어서, 노크 위험의 평가를 위해 연소실(101) 내 압력이 평가되는 것을 특징으로 하는, 내연기관 작동 방법.
3. 제2항에 있어서, 연소실(101) 내 압력은 연소실 압력 센서(20)를 통해 직접 측정되거나, 구조 전달음 센서 또는 이온 전류 센서를 통해 간접 측정되는 것을 특징으로 하는, 내연기관 작동 방법.
4. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 임계값으로서 압력은 하나 이상의 기댓값과 비교되며, 상기 기댓값은 연소 시작 이후 특정 시점의 압력 또는 내연기관의 각도 위치에 상응하는 것을 특징으로 하는, 내연기관 작동 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 기댓값은 내연기관에 대해 사전 확정되거나, 내연기관의 작동이 진행되는 동안 학습되는 것을 특징으로 하는, 내연기관 작동 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 현재 연소 중에 노크 위험이 임계값을 초과할 경우, 사전 설정된 횟수의 후속 연소에 대해, 다시 노크 위험이 임계값을 초과하는지의 여부와 무관하게 냉각 유체의 분사가 수행되는 것을 특징으로 하는, 내연기관 작동 방법.
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 현재 연소 중에 노크 위험이 임계값을 초과할 경우, 후속 연소들에 대해, 다시 노크 위험이 임계값을 초과하는지의 여부와 무관하게 냉각 유체의 분사가 수행되고, 상기 냉각 유체의 분사는, 내연기관의 작동 조건들의 사전 설정된 변경이 발생할 때 비로소 다시 중지되는 것을 특징으로 하는, 내연기관 작동 방법.
8. 내연기관의 연소실(101) 내로 냉각 유체를 분사하는 분사 장치를 포함하는 내연기관을 작동하기 위한 장치에 있어서,
   연소실(101) 내에서 현재 연소 중에 노크 위험을 결정하고, 상기 노크 위험이 임계값을 초과할 경우, 현재 연소 중에 연소실(101) 내로 냉각 유체의 분사를 유발하는 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는, 내연기관 작동 장치.

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