KR20190091491A - 가스형 연료 내연 기관을 작동하는 방법 - Google Patents

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Abstract

가스형 연료 내연 기관을 작동하는 방법은 연소 사이클에서 연관된 실린더(26)의 연소 챔버(16) 내에 가스형 연료 및 공기의 혼합물의 연소와 관련하여 적어도 한번의 측정을 수행하는 단계를 포함한다. 적어도 하나의 연소 파라미터, 예를 들면, 연소의 스타트는 적어도 한번의 측정에 기초하여 판별된다. 연소 파라미터가 원하는 연소 파라미터와 상이할 때에, 실린더(26) 와 연관된 점화 장치(90)는 현재 연소 사이클에서 연소를 제어하도록 비교에 기초되어 제어된다.

Description

가스형 연료 내연 기관을 작동하는 방법
본 개시는 일반적으로 가스형 연료 내연 기관 및 가스형 연료 내연 기관을 작동하는 방법, 특히 가스형 연료 내연 기관의 점화 장치를 제어하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 가스형 연료 내연 기관, 예를 들면, 디젤 가스 엔진, 이중 연료 엔진 또는 Otto 가스 엔진은 내연 기관의 실린더의 연소 챔버 내에 가스형 연료 및 공기의 혼합물을 점화하도록 구성된 점화 장치를 포함한다. 예를 들면, 디젤 가스 엔진 또는 이중 연료 엔진에서, 파일럿 분사기는 연소 챔버 내에 가스형 연료 및 공기의 혼합물의 연소를 용이하게 하도록 액체 연료, 예를 들면, 디젤의 파일럿 양을 분사하기 위해 제공되고 구성될 수 있다. 추가로, Otto 가스 엔진은 연소 챔버 내에 가스형 연료 및 공기의 혼합물을 점화하기 위해 스파크 플러그와 같은 점화 장치를 포함할 수 있다.
본 개시는 적어도 부분적으로 이전 시스템의 하나 이상의 양태를 개선하거나 또는 극복하는 것을 지향한다.
본 개시의 하나의 양태에 따르면, 실린더의 연소 챔버 내에 가스형 연료 및 공기의 혼합물을 점화하도록 구성된 점화 장치를 포함하는 가스형 연료 내연 기관을 작동하는 방법은 실린더의 연소 사이클에서 연소 챔버 내에 가스형 연료 및 공기의 혼합물의 연소와 관련하여 적어도 한번의 측정을 수행하는 단계를 포함한다. 방법은 적어도 한번의 측정에 기초하여 적어도 하나의 연소 파라미터를 판별하는 단계, 원하는 연소 파라미터와 연소 파라미터를 비교하는 단계, 및 비교에 기초하여 연소 사이클에서 점화 장치에 의해 점화를 제어하는 단계를 추가로 포함한다.
본 개시의 또 다른 양태에 따르면, 가스형 연료 내연 기관은 적어도 부분적으로 실린더를 규정하는 엔진 블록, 실린더의 연소 챔버 내에 가스형 연료 및 공기의 혼합물을 점화하도록 구성되는 점화 장치, 및 본 개시의 상기 양태에 따른 방법의 단계를 수행하도록 구성되는 제어 유닛을 포함한다.
본 개시의 추가의 또 다른 양태에 따르면, 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터에 의해 실행될 때에, 컴퓨터가 본 개시의 상기 양태에 따른 방법의 단계를 수행하게 하는 컴퓨터-실행 가능한 명령을 포함한다.
본 개시의 다른 특징 및 양태는 다음의 설명 및 첨부된 도면으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 개시에 따른 예시적인 내연 기관의 개략도이고;
도 2는 본 개시에 따른 제어 시스템의 개략도이다.
다음에 본 개시의 예시적인 구현예의 상세한 설명이 이어진다. 본원에 설명된 예시적인 구현예는 본 개시의 원리를 시사하도록 의도되어, 본 기술 분야의 당업자가 많은 상이한 환경에서 그리고 많은 상이한 적용에 대해 본 개시를 실시하고 사용하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 예시적인 구현예는 보호 범위의 제한된 설명으로서 고려되도록 의도된 것은 아니고 보호 범위의 제한된 설명으로서 고려되어서도 안된다. 오히려, 보호 범위는 첨부된 청구항에 의해 규정되어야 한다.
본 개시는 현재, 단일 연소 사이클에서 가스형 연료 내연 기관의 연소 챔버 내의 연소에 영향을 주거나 연소를 제어하는 데 선택이 존재하지 않는다는 인식에 적어도 부분적으로 기초된다. 대신에, 단지 예를 들면 이전의 연소 사이클 중에서의 측정에 기초하여 차후의 연소 사이클에 대해 엔진의 작동 파라미터를 변경하는 것만이 가능하다.
따라서, 본 개시는 동일한 연소 사이클에서 연소를 제어하도록 실린더와 연관된 점화 장치를 제어하기 위한 가스형 연료 내연 기관의 연소 사이클 중에 수행되는 측정을 사용하는 것이 가능하다는 인식에 적어도 부분적으로 기초된다. 이와 관련하여, 실린더 압력 측정은 실린더에서 연소에 대해 특징 값을 연산하고 예상대로 연소가 전개되었는지를 판별하도록 사용될 수 있다는 것이 인식되었다. 이러한 경우가 아니라면, 예를 들면 적절한 방식으로 점화 장치를 제어함으로써 연소 사이클에서 연소를 제어하는 적절한 대응 조치가 취해질 수 있다. 따라서, 예를 들면 연소와 연관된 원하는 실린더 압력 프로파일을 달성하도록 연소 사이클에서 연소 프로파일의 형태를 구체화하는 것이 가능하다. 이러한 방식으로, 연소 효율, 배기 방출물 및 작동 안정성이 최적화될 수 있다.
본 개시는 또한 연관된 실린더의 점화 장치의 제어가 또한 실린더에서 사전-점화에 반응하도록 사용될 수 있다는 인식에 적어도 부분적으로 기초된다. 예를 들면, 사전-점화, 즉 점화 장치의 가동 전에 연소의 스타트가 검출될 때에, 연관된 점화 장치는 비활성화될 수 있다. 이는 영향받는 실린더에서 압력 증가 및 부하를 감소시킬 것이다. 부가적으로, 본 개시는 고속 압력 릴리프 밸브가 연소 챔버에 제공될 수 있고 사전-점화가 검출될 때에 영향받는 실린더를 검출하도록 개방될 수 있다는 인식에 적어도 부분적으로 기초될 수 있다. 추가로, 엔진에 가변성 밸브 트레인이 제공되는 경우에, 실린더의 보호는 또한 적절한 타이밍에 가변성 밸브 트레인의 배기 밸브를 개방함으로써 달성될 수 있다.
추가로, 본 개시는 상기 설명된 개념이 양쪽 디젤 가스 엔진 및 Otto 가스 엔진, 뿐만 아니라 이중 연료 엔진에도 적용될 수 있다는 인식에 적어도 부분적으로 기초된다. 이와 관련하여, 본 개시는 파일럿 분사기를 포함하는 디젤 가스 엔진 또는 이중 연료 엔진의 경우에, 예를 들면, 연소의 스타트가 원하는 연소의 스타트와 상이하다면 부가적인 파일럿 분사가 수행될 수 있다는 인식에 적어도 부분적으로 기초될 수 있다. 마찬가지로, 예를 들면, 제2 파일럿 분사에서 분사되는 파일럿 연료의 양은 또한 상기 설명된 측정에 기초하여 조정될 수 있다. 다른 한편으로, 스파크 플러그와 같은 점화 장치를 포함하는 Otto 가스 엔진의 경우에, 점화 장치에 의한 한번 이상의 추가의 점화는 연소의 스타트가 원하는 연소의 스타트와 매칭되지 않을 때에 수행될 수 있다. 부가적으로, 추가의 가스 분사 및 점화는 또한, 예를 들면 엔진에 고압 가스 공급 가스 시스템이 제공되는 경우에 수행될 수 있다.
지금부터 도면을 참조하면, 내연 기관(10)의 예시적인 구현예는 도 1 에 예시된다. 내연 기관(10)은 연료 시스템, 공기 시스템, 냉각 시스템, 주변부, 구동 트레인 구성 요소 등과 같은 도시되지 않은 특징부를 포함할 수 있다. 구현예에서, 내연 기관(10)은 디젤 가스 엔진이다. 본 기술 분야에 당업자는 그러나, 내연 기관(10)이 연소를 위해 가스형 연료 및 공기의 혼합물을 점화하기 위한 점화 장치를 이용하는 임의의 타입의 가스형 연료 내연 기관, 예를 들면, 이중 연료 엔진 또는 Otto 가스 엔진일 수 있다는 것을 인지할 것이다.
내연 기관(10)은 임의의 수의 실린더를 갖는 그리고 임의의 구성("V", "직렬" 등)으로 임의의 사이즈를 가질 수 있다. 내연 기관(10)은 선박 또는 다른 해상 적용예, 기관차 적용예, 도로용(on-highway) 트럭 또는 차량, 현장용(off-highway) 기계, 정지(earth-moving) 장비, 발전기, 항공 우주 적용예, 펌프, 거치형 장비, 예를 들면 발전소, 또는 다른 엔진-동력 공급되는 적용예를 포함하는 임의의 기계 또는 다른 장치에 동력을 공급하는 데 사용할 수 있다.
도 1을 여전히 참조하면 내연 기관(10)은 실린더(26A 내지 26D)의 뱅크, 가스형 연료 공급부(미도시), 액체 연료 탱크(미도시), 실린더(26A 내지 26D) 와 연관된 터보차저(40), 및 흡기 매니폴드(22)를 포함하는 엔진 블록(20)을 포함한다.
엔진 블록(20)은 크랭크-샤프트(6)(도 2를 참조)가 지지되는 크랭크-케이스(미도시)를 포함한다. 크랭크-샤프트(6)는 내연 기관(10)의 작동 중에 각각의 실린더(26A 내지 26D) 내에서 이동 가능한 피스톤(18)(도 2를 참조)에 연결된다.
흡기 매니폴드(22)는 각각의 실린더(26A 내지 26D)에 적어도 일시적으로 유체 연결된다. 각각의 실린더(26A 내지 26D)에는 흡기 통로(24) 와 실린더(26A 내지 26D)의 상응하는 연소 챔버(16) 사이의 유체 연결을 개방하거나 또는 폐쇄하도록 적응된 적어도 하나의 유입구 밸브(35)(도 2를 참조)가 제공된다.
배기 매니폴드(28)는 각각의 실린더(26A 내지 26D)에 연결된다. 각각의 실린더(26A 내지 26D)에는 배기 통로(37)(도 2를 참조)에 배치되고 각각의 실린더(26A 내지 26D)의 연소 챔버(16) 와 배기 매니폴드(28) 사이에 유체 연결을 개방하고 폐쇄하도록 구성되는 적어도 하나의 배기 밸브(36)가 제공된다.
일반적으로, 내연 기관(10)이 작동될 때에, 가스형 연료 및 공기의 혼합물(다음에 "혼합물" 로서 칭해짐)은 공기 유입구(4), 흡기 매니폴드(22), 압축된 흡기 공기를 공급하는 유입구 밸브(35), 및 가스형 연료를 공급하는 가스 진입 밸브(38)(도 2를 참조)를 통해 복수의 실린더(26A 내지 26D)의 연소 챔버 내로 도입된다. 연소 후에, 연소 프로세스에 의해 생성된 배기 가스는 실린더(26A 내지 26D) 로부터 배기 매니폴드(28)를 통해 배출된다.
배기 센서(29)는 내연 기관(10)으로부터 배기 성분을 검출하도록 배기 매니폴드(28)에 배치될 수 있다. 본원에 설명된 예시적인 구현예에서, 배기 가스 센서는 내연 기관(10)으로부터의 배기 내에 NOx 의 양을 검출하도록 구성된 NOx 센서일 수 있다.
터보차저(40)는 엔진에 공급되기 전에 흡기 공기를 압축하기 위한 압축기(44)를 구동하기 위해 내연 기관(10)의 배기 가스의 열 및 압력을 사용하도록 구성된다. 구체적으로, 터보차저(40)의 터빈(42)을 통과하는 배기 가스는 터빈(42)를 회전시킴으로써, 압력 및 온도에서 감소된다. 압축기(44)는 공통 샤프트(46)를 통해 터빈(42)에 회전 가능하게 연결되고 터빈(42)에 의해 구동된다.
일반적으로, 압축기(44)의 유출구는 압축기 연결부(21)를 통해 흡기 매니폴드(22)의 유입구에 유체 연결된다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 압축기(44)의 유출구는 쿨러(23)를 통해 흡기 매니폴드(22)의 유입구에 연결된다. 쿨러(23)의 하류에 배열된 스로틀 밸브(27)는 압축기 연결부(21) 와 흡기 매니폴드(22) 사이의 유체 연결을 개방하거나 또는 폐쇄하도록 구성됨으로써, 압축기 연결부(21) 로부터 흡기 매니폴드(22) 내로 압축된 흡기 공기의 유동을 가능하게 하거나 또는 규제한다.
내연 기관(10)의 작동 중에, 흡기 공기는 실린더(26A 내지 26D) 로 공급되기 전에 압축되고 냉각된다. 실린더(26A 내지 26D) 내에서, 혼합물의 추가의 압축 및 가열은 피스톤(18)의 이동에 의해 발생될 수 있다(도 2를 참조). 그후, 실린더(26A 내지 26D) 내의 혼합물은, 예를 들면 원하는 점화 타이밍에 혼합물의 연소를 개시하도록 액체 연료의 파일럿 분사를 제공하는 동안 점화 장치(90)를 사용함으로써 점화될 수 있다. 본원에서 용어 "점화 타이밍" 은 점화 장치(90)에 의해 파일럿 연료의 분사의 스타트 타이밍 또는 분사 중에 알맞은 임의의 다른 규정된 지점에 대해 사용될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 생성된 배기 가스는 배기 매니폴드(28)를 통해 나간다. 배기 매니폴드(28)의 유출구는 터빈(42)의 유입구에 유체 연결된다. 터빈(42)의 유출구는, 예를 들면, 배기 가스 처리 시스템(미도시)에 유체 연결될 수 있다.
부가적으로, 도 1에 나타낸 바와 같이, 내연 기관(10)에는 웨이스트 게이트 연결부(80) 및 웨이스트 게이트 밸브(82)를 포함하는 웨이스트 게이트 시스템이 제공될 수 있다. 추가로, 내연 기관(10)은 블로우-오프 연결부(66) 및 블로우-오프 밸브(64)를 포함하는 블로우-오프 시스템을 포함할 수 있다. 블로우-오프 연결부(66) 및 블로우-오프 밸브(64)에는 적절하다면 도 1에 도시된 구성과 상이한 구성이 제공될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 대안적으로, 이러한 구성 요소 중 하나 이상이 생략될 수 있다.
지금부터 도 2를 참조하면, 연소 사이클 중에 실린더(26)에서 연소를 제어하기 위한 제어 시스템(100)의 예시적인 구현예가 도시된다. 본 기술 분야에서 당업자는 도 2에 도시된 예시적인 실린더(26)가 도 1의 실린더(26A 내지 26D)의 원리를 입증한다는 것을 인지할 것이다. 따라서, 도 2에 도시된 예시적으로 개시된 구성은 또한 도 1에 도시된 실린더(26A 내지 26D)에 적용된다.
도 2는 실린더(26)의 개략적인 횡단면도를 도시한다. 실린더(26)는 연소 챔버(16)를 규정하고 피스톤(18)을 포함한다. 크랭크-샤프트(6)는 피스톤 로드(8)를 통해 피스톤(18)에 연결된다. 피스톤(18)은 실린더(26) 내에서 왕복 운동하도록 구성된다.
실린더(26)는 흡기 통로(24)를 통해 흡기 매니폴드(22)(도 1)에 그리고 배기 통로(37)를 통해 배기 매니폴드(28)에 연결된다. 유입구 밸브(35)는 흡기 통로(24)에 배치되고, 배기 밸브(36)는 배기 통로(37)에 배치된다. 가스 진입 밸브(38)는 실린더(26)의 연소 챔버(16)에 가스형 연료를 공급하도록 제공된다. 예시적인 구현예에서, 가스 진입 밸브(38)는 솔레노이드-작동형 가스 진입 밸브(SOGAV) 일 수 있다. 추가로, 예시적인 구현예에서, 압력 릴리프 밸브(70)가 연소 챔버(16)에 제공된다. 다른 구현예에서, 그러나, 압력 릴리프 밸브(70)는 생략될 수 있다.
유입구 밸브(35)는 연소 챔버(16)에 압축된 흡기 공기를 공급하도록 구성된다. 배기 밸브(36)는 연소 후에 연소 챔버(16) 로부터 배기 매니폴드(28) 로 배기를 내보내도록 구성된다.
점화 장치(90)는 원하는 점화 타이밍에 연소 챔버(16) 내측에서 가스형 연료 및 공기의 혼합물을 점화하도록 구성된다. 구현예에서, 점화 장치(90)는 예를 들면, 디젤 연료의 파일럿 양을 분사하여 가스 모드로 가스형 연료 및 공기의 혼합물을 점화하도록 구성된 파일럿 분사기이다. 일부 구현예에서, 사전-연소 챔버(미도시)가 연소 챔버(16)에 제공될 수 있고, 점화 장치(90)는 사전-연소 챔버 내로 작은 양의 연료를 분사하여 연소 챔버(16) 내에 가스형 연료 및 공기의 혼합물의 연소를 개시하도록 구성될 수 있다.
제어 시스템(100)은 실린더(26) 와 연관된 센서(60)를 포함한다. 센서(60)는 연소 챔버(16) 내에 적어도 부분적으로 배치될 수 있다. 다른 예시적인 구현예에서, 센서(60)는 연소 챔버(16)의 외측에 배치될 수 있다. 센서(60)는 실린더(26)에서 연소 파라미터를 검출하도록 구성된다. 일부 구현예에서, 센서(60)는 실린더(26)에서 실린더 압력을 검출하도록 구성된 압력 센서일 수 있다. 센서(60)는 임의의 공지된 압력 센서일 수 있고 공지된 방식으로 연소 챔버(16) 내에서의 압력을 검출하도록 구성될 수 있다. 다른 구현예에서, 센서(60)는 연소 챔버(16) 내에서 온도 변동 또는 연소 챔버(16) 내에서 연소 특징이 얻어질 수 있는 다른 파라미터를 검출하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 센서(60)는 연소 챔버(16) 내에서 연소 중에 엔진 블록(20)으로 전파되는 충격음을 검출하도록 구성된 충격음 센서일 수 있다.
제어 시스템(100)은 제어 유닛(50)을 추가로 포함한다. 제어 유닛(50)은 통신 라인(54)을 통해 센서(60)에 그리고 통신 라인(52)을 통해 가스 진입 밸브(38)에 연결된다. 제어 유닛(50)은 통신 라인(53)을 통해 점화 장치(90)에 그리고 통신 라인(55)을 통해 압력 릴리프 밸브(70)에 추가로 연결된다. 제어 유닛(50)은 사전 결정된 점화 타이밍에 사전 결정된 양의 액체 연료를 분사함으로써 점화 장치(90)를 통해 연소 챔버(16) 내에 혼합물의 점화 타이밍을 제어하도록 구성된다. 추가로, 제어 유닛(50)은 센서(60)에 의해 검출의 결과를 수신하고 수신된 검출 결과로부터 연소 챔버(16) 내에 연소와 연관된 적어도 하나의 연소 파라미터를 판별하도록 구성된다.
제어 유닛(50)은 무엇보다도 연소 기관(10)의 다양한 구성 요소의 작동을 제어하기 위한 수단을 포함하는 단일 마이크로프로세서 또는 이중 마이크로프로세서일 수 있다. 제어 유닛(50)은 내연 기관(10) 및/또는 그 연관된 구성 요소를 제어할 수 있는 범용 엔진 제어 유닛(ECU) 일 수 있다. 제어 유닛(50)은 예를 들면, 메모리, 2차 저장 장치, 및 중앙 처리 유닛과 같은 프로세서 또는 내연 기관(10) 및 그 구성 요소를 제어하기 위해 본 기술 분야에 공지된 임의의 다른 수단과 같은 적용예를 작동하는 데 요구되는 모든 구성 요소를 포함할 수 있다. 다양한 다른 공지된 회로가 동력 공급 회로망, 신호 처리(signal conditioning) 회로망, 통신 회로망 및 다른 적절한 회로망을 포함하는 제어 유닛(50)과 연관될 수 있다. 제어 유닛(50)은 수신되고 저장된 데이터를 분석하고 비교하고, 메모리에 저장되거나 또는 유저에 의해 입력된 명령 및 데이터에 기초하여 액션이 요구되는지를 판별할 수 있다. 예를 들면, 제어 유닛(50)은 메모리에 저장된 타겟 값과 수신된 값을 비교하고, 비교의 결과에 기초하여, 하나 이상의 구성 요소로 신호를 전송하여 구성 요소의 작동 상태를 변경할 수 있다.
제어 유닛(50)은 내연 기관(10) 및 그 구성 요소의 작동과 관련한 데이터를 저장하기 위해 본 기술 분야에 공지된 임의의 메모리 장치를 포함할 수 있다. 데이터는 예를 들면, 연소 챔버(16) 내에 연소에 대해 원하는 연소 프로파일 및 센서(60) 로부터의 검출 결과를 나타내는 그리고/또는 검출 결과와 관련된 하나 이상의 맵의 형태로 저장될 수 있다. 각각의 맵은 테이블, 그래프 및/또는 방정식의 형태일 수 있고, 내연 기관(10)의 현장 작동 및/또는 랩으로부터 수집된 데이터의 수집 자료를 포함할 수 있다. 맵은 다양한 작동 조건 하에서 내연 기관(10)의 작동 시에 기구에 의한 테스트를 수행하는 한편 그와 연관된 파라미터를 변경하거나 또는 다양한 측정을 수행함으로써 생성될 수 있다. 제어 유닛(50)은 이러한 맵을 기준으로 할 수 있고 또 다른 구성 요소의 원하는 작동에 응하여 하나의 구성 요소의 작동을 제어할 수 있다.
구현예에서, 제어 유닛(50)은 제어 유닛의 메모리에 저장된 실린더(26)에 대한 하나 이상의 연소 프로파일을 가질 수 있고, 상기 연소 프로파일은 내연 기관(10)의 표준 또는 기준 작동 조건에 대해 사전에 판별된다. 예를 들면, 각각의 기준 연소 프로파일은 하나 이상의 가스형 연료의 기준 연료 품질, 기준 주위 공기 온도, 기준 주위 공기 압력, 기준 습도, 기준 엔진 부하 등에 상응하는 기준 작동 조건 하에서 판별될 수 있다. 예를 들면, 내연 기관(10)의 테스팅 중에, 내연 기관(10)은 공기 온도, 공기 압력, 습도 등과 같은 표준 또는 공지된 주위 조건 하에서 공지된 품질의 표준 연료에 의해 작동될 수 있다. 이러한 표준 조건 하에서, 점화 장치(90)에 의한 한번 이상의 분사에 대해 분사 타이밍 및 분사 양은 최적의 연소가 얻어질 때까지 변할 수 있다. 일부 구현예에서, 연소와 연관된 NOx 값은 최적의 수의 분사 및/또는 분사 양을 판별할 때 고려될 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들면, 기준 실린더 압력 프로파일을 특징으로 하는 하나 이상의 연소 프로파일이 상이한 작동 조건 하에서 최적의 연소에 대해 얻어질 수 있다.
현장에서의 작동 중에, 내연 기관(10)은 주어진 주위 공기 온도, 주위 공기 압력, 습도 등에 대해 표준 수의 분사 및 상응하는 분사 양을 사용하여 작동될 수 있다. 추가로, 최적의 또는 원하는 연소에 대한 상응하는 기준 연소 프로파일은 내연 기관(10)의 현재 작동 조건에 따라 선택된다.
다음에, 실린더(26)의 연소 챔버(16) 내에 연소와 관련된 한번 이상의 측정이 수행된다. 구현예에서, 예를 들면, 센서(60)에 의한 실린더 내의 압력 측정은 적어도 하나의 연소 파라미터, 예를 들면, 연관된 연소 이벤트에 대해 연소의 스타트, 연소의 중심 및/또는 연소 지속 시간을 판별하는 데 사용된다. 다른 구현예에서 다른 측정이 대안예로서 또는 부가적으로 실린더 압력 측정에 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
제어 유닛(50)은 선택된 기준 연소 프로파일과 연관된 원하는 또는 기준 연소 파라미터와 적어도 한번의 측정에 기초한 적어도 하나의 연소 파라미터를 비교하도록 구성된다. 추가로, 제어 유닛(50)은 판별된 연소 파라미터가 예를 들면 사전 결정된 양 초과만큼 원하는 연소 파라미터와 상이한지를 판별하도록 구성된다. 만약 그렇다면, 제어 유닛(50)은 현재 연소 사이클에서 원하는 연소를 달성하거나, 또는 사전-점화가 검출되는 경우에 점화 장치(90)의 가동을 방지하는 적절한 대응 조치들이 취해지도록 구성된다. 이는 아래에 보다 상세하게 설명될 것이다.
하나의 실시예에서, 제어 유닛(50)은 표준 점화 타이밍에 점화 장치(90)를 가동하여 연소 챔버(16)에 파일럿 액체 연료의 표준 양을 공급하고 따라서 연소 챔버(16) 내에 가스형 연료 및 공기의 혼합물의 연소를 개시하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제어 유닛(50)은 제1 점화 타이밍에서, 예를 들면, 상사점 전후의 사전 결정된 크랭크 각도에서 제1 양의 액체 연료를 분사하도록 구성될 수 있다.
추가로, 제어 유닛(50)은 센서(60) 로부터 압력 측정을 수신하고, 선택된 기준 연소 프로파일과 연관된 원하는 또는 기준 압력 값과, 수신된 압력 측정 값을 연속적으로 비교할 수 있다. 뿐만 아니라 또는 대안예로서, 제어 유닛(50)은, 예를 들면 수신된 압력 측정 값에 기초하여 연소의 스타트를 판별하도록 구성될 수 있다.
일부 구현예에서, 현재 연소 사이클 중에 실제 연소의 스타트가, 예를 들면 사전 결정된 양 초과만큼 원하는 또는 기준 연소의 스타트와 상이한 것을 제어 유닛(50)이 판별할 때에, 제어 유닛(50)은 점화 장치(90)를 다시 가동하여 하나 이상의 부가적인 파일럿 연료 분사를 수행하고 따라서 연소를 개시하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제어 유닛(50)은, 연소의 스타트가 사전 결정된 양 초과만큼 원하는 연소의 스타트와 상이할 때 한번 더 점화 장치(90)를 가동하도록 구성할 수 있다. 제어 유닛(50)은, 연소의 스타트가 원하는 연소의 스타트와 매칭되지 않는다는 것을 판별할 때에 부가적인 분사를 즉시 수행하거나, 또는 예를 들면 제1 점화 타이밍에 대해 미리 규정된 사전 결정된 타이밍(또는 사전 결정된 타이밍들)에 부가적인 분사(또는 몇번의 부가적인 분사)를 수행하도록 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 제어 유닛(50)은 처음에 한번의 부가적인 분사를 수행하고, 다시 센서(60) 로부터 수신된 압력 측정 결과를 평가하고, 연소의 스타트가 원하는 연소의 스타트와 매칭되지 않는 경우 한번 이상의 추가의 분사를 수행하도록 구성될 수 있다.
부가적으로, 제어 유닛(50)은 원하는 연소 파라미터와 판별된 연소 파라미터의 비교에 기초하여 분사된 파일럿 액체 연료의 양을 가변적으로 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제어 유닛(50)은 원하는 연소 파라미터와 판별된 연소 파라미터 사이의 차이에 기초하여 점화 장치(90)에 의해 분사된 파일럿 연료의 부가적인 양을 조정하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 제어 유닛(50)은 예를 들면, 주어진 크랭크 각도에서 검출된 실린더 내의 압력과 기준 실린더 압력 사이의 차이에 비례하여 파일럿 연료의 부가적인 양을 조정하도록 구성될 수 있다. 다른 구현예에서, 제어 유닛(50)은 판별된 연소의 스타트와 원하는 연소의 스타트 사이의 차이에 비례하여 파일럿 연료의 부가적인 양을 변하게 하도록 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 제어 유닛(50)은 연소 챔버(16) 내에서 연소 중에 열 발생(heat release)을 판별하고, 예를 들면 사전 결정된 크랭크 각도에서 원하는 열 발생과 판별된 열 발생을 비교하도록 구성될 수 있다. 이러한 경우에, 제어 유닛(50)은 또한 이러한 비교에 기초하여 분사된 파일럿 연료의 양을 조정하도록 구성될 수 있다.
상기 설명된 예시적인 제어에 있어서, 제어 유닛(50)은 내연 기관(10)의 실린더에서 원하는 또는 최적의 연소와 연관된 원하는 연소 프로파일을 달성하거나 또는 원하는 연소 프로파일에 접근하도록 단일 연소 사이클 내에서 연소를 제어할 수 있다. 이러한 방식으로, 연소 효율, 배기 방출물 등은 최적화될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 제어 유닛(50)은 실린더(26)의 연소 사이클에서 점화 장치(90)의 제1 가동 전에 실린더(26) 와 연관된 적어도 한번의 측정을 수행하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제어 유닛(50)은 센서(60) 로부터 측정된 실린더 압력을 수신하고, 사전-점화가 실린더(26)에서 발생하는지, 즉 점화 장치(90)가 아직 임의의 파일럿 연료를 공급하지 못함에도 불구하고 연소 챔버(16) 내에 가스형 연료 및 공기의 혼합물이 점화되는지를 수신된 실린더 압력 값에 기초하여 판별하도록 구성된다. 만약 그렇다면, 제어 유닛(50)은 점화 장치(90)에 의한 파일럿 연료의 분사를 중단하여(점화 장치를 비활성화하여) 실린더(26)에서 압력 증가 및 부하를 감소시키도록 구성된다.
부가적으로, 제어 유닛(50)은 연소의 스타트가 점화 장치(90)의 가동 전에, 즉 사전-점화의 경우에 검출될 때에 압력 릴리프 밸브(70)를 개방하도록 구성될 수 있다. 충분히 신속한 스위칭 시간을 갖는 임의의 적절한 압력 릴리프 밸브가 원하는 효과를 달성하도록 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
대안예로서 또는 부가적으로, 제어 유닛(50)은 예를 들면 가변성 밸브 트레인이 제공된 엔진에 대해 검출된 사전-점화의 경우에 실린더(26)의 배기 밸브(36)를 개방하도록 추가로 구성될 수 있다. 다시, 가변성 타이밍에 배기 밸브(36)의 가동을 허용하는 임의의 적절한 가동 메커니즘이 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
상기 설명된 구현예에서, 가스형 연료 내연 기관(10)은 디젤 가스 엔진이다. 그러나 제어 유닛(50)에 의한 상기 설명된 제어가 또한 가스 모드에서 작동하는 이중 연료 엔진의 경우에도 실시될 수 있다는 것이 용이하게 이해될 것이다.
뿐만 아니라, 상기 설명된 제어가 예를 들면 원하는 점화 타이밍에 점화 스파크를 생성함으로써 연소 챔버(16) 내에 가스형 연료 및 공기의 혼합물을 점화하도록 구성되는 스파크 플러그와 같은 점화 장치(90)를 포함하는 Otto 가스 엔진에 대해 실시될 수 있다는 것이 용이하게 이해될 것이다. 이러한 경우에, 제어 유닛(50)은 적어도 한번의 측정을 수행하기 전에 점화 장치(90)를 가동하고, 예를 들면, 연소 파라미터가 사전 결정된 양 초과만큼 원하는 연소 파라미터와 상이할 때에 동일한 연소 사이클 중에 적어도 한번 더 점화 장치(90)를 가동하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제어 유닛(50)은 어떠한 연소의 스타트도 제1 가동 후에 검출되지 않는 경우에 제2 시간 동안 점화 장치(90)를 가동하도록 구성될 수 있다. 물론, 이는 필요하다면 반복될 수 있고, 즉 제어 유닛(50)은 또한 제3 시간, 기타 등등의 시간 동안 점화 장치(90)를 가동할 수 있다.
마찬가지로, 사전-점화의 검출의 경우에, 제어 유닛(50)은 점화 장치(90)를 비활성화하도록 구성될 수 있고, 즉 점화 장치에 의한 점화 스파크의 생성을 방지하도록 구성될 수 있다.
가스형 연료 내연 기관(10)에 고압 가스 공급 시스템이 제공된 경우에, 제어 유닛(50)은 또한 가스 공급 밸브(38)를 가동하여 점화 장치(90)의 부가적인 가동과 조합하여 가스형 연료의 부가적인 양을 공급하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, Otto 가스 엔진의 경우에, 점화 장치에 가까운 가스 공급 밸브는 가스형 연료의 부가적인 양을 공급할 수 있고, 엔진의 점화 장치는 연소 파라미터가 사전 결정된 양 초과만큼 원하는 연소 파라미터와 상이할 때에 동일한 연소 사이클에서 제2 점화를 수행할 수 있다. 제어 유닛(50)은 부가적인 점화와 부가적인 가스 분사를 동시화하거나, 또는 부가적인 점화에 대해 사전 결정된 타이밍에, 예를 들면 부가적인 점화 전에 사전 결정된 크랭크 각도에서 부가적인 가스 분사를 공급하도록 구성될 수 있다.
Otto 가스 엔진과 디젤 가스 엔진 사이의 상기 설명된 차이를 별도로 하고, 본 개시에 따른 제어 유닛(50)에 의한 나머지 제어는 양쪽 엔진 타입에 대해 동일할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
본원에 설명된 가스형 연료 내연 기관의 연소 사이클 중에 연소를 제어하기 위한 시스템 및 방법의 산업상 적용 가능성은 앞선 논의로부터 용이하게 이해될 것이다. 본 개시에 적합한 예시적인 기계는 독일 Caterpillar Motoren GmbH & Co. KG, Kiel 에 의해 제조되는 M46DF, M43DF, GCM46, GCM34, M32DF, M34DF, M27DF, GCM27, M3x 시리즈 엔진과 같은 대형 내연 기관이다. 유사하게, 본원에 설명된 시스템 및 방법은 다양한 상이한 과제에 대해 사용되는 아주 다양한 다른 가스 또는 이중 연료 엔진에 맞춰질 수 있다.
본 개시의 시스템에 있어서, 단일 연소 사이클에서 가스형 연료 내연 기관의 실린더 내에 연소 프로파일의 형태를 구체화하는 것이 가능하다. 상기 언급된 바와 같이, 이는 연소 효율을 개선시키고 배기 방출물을 감소시키고 엔진의 작동 안정성을 증가시킬 수 있다. 가스형 연료 내연 기관을 제어하는 예시적인 방법은 다음에 설명된다.
가스형 연료 내연 기관(10)의 작동 중에, 제어 유닛(50)은 사전 결정된 점화 타이밍에, 예를 들면, 사전 결정된 크랭크 각도에서 점화 장치(90)를 가동하여, 사전 결정된 양의 점화 연료를 분사하거나 또는 스파크 플러그 등과 같은 점화 장치를 가동할 수 있다.
센서(60)는 연관된 실린더(26)의 실린더 내의 압력을 측정한다. 제어 유닛(50)은 측정된 실린더 압력 값을 수신하고, 측정된 값이 예를 들면 실린더(26)에 대해 원하는 연소 프로파일과 연관된 기준 값에 상응하는지를 판별한다.
값이 매칭되지 않을 경우에, 예를 들면 연소의 스타트가 원하는 연소의 스타트에 대해 지연될 때에, 제어 유닛(50)은 적절한 대응 조치를 수행하도록 구성된다. 예를 들면, 디젤 가스 엔진의 경우에, 제어 유닛(50)은 적절한 타이밍에서 파일럿 연료의 제2 분사를 수행하여 연소 챔버(16) 내에 가스형 연료 및 공기의 혼합물의 연소를 추가로 촉진시키도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 제어 유닛(50)은 또한, 예를 들면 사전 결정된 크랭크 각도에서, 예를 들면 현재 열 발생과 연소와 연관된 원하는 열 발생 사이의 비교에 기초하여 분사되는 부가적인 파일럿 연료의 양을 조정하도록 구성될 수 있다. 여기서, 부가적인 분사의 타이밍 및/또는 부가적인 분사의 양은 제어 유닛(50)에 의해 판별된 다양한 연소 프로파일에 대해 미리 판별될 수 있다. 예를 들면, 적절한 타이밍 및/또는 분사 양은 하나 이상의 맵에서 측정된 실린더 압력과 원하는 실린더 압력 사이의 차이와 관련될 수 있고, 상기 맵을 이용함으로써 제어 유닛(50)에 의해 선택될 수 있다. 물론, 동일한 것이 Otto 가스 엔진의 경우에 부가적인 점화 타이밍에 대해 적용된다.
대안예로서 또는 부가적으로, 본원에 개시된 하나의 예시적인 방법에서, 제어 유닛(50)은 또한 사전-점화가 연소 챔버(16) 내에서 발생되는지를 센서(60) 로부터 수신된 실린더 압력 측정에 기초하여 판별하도록 구성될 수 있다. 만약 그렇다면, 제어 유닛(50)은 점화 장치(90)를 비활성화하고, 즉 디젤 가스 엔진의 경우에 파일럿 연료의 점화를 방지하거나, 또는 Otto 가스 엔진의 스파크 플러그의 가동을 방지하도록 구성된다.
앞선 설명이 개시된 시스템 및 방법의 실시예를 제공한다는 것이 이해될 것이다. 그러나, 본 개시의 다른 실시형태가 앞선 실시예와 상세에서 상이할 수 있다는 것이 고려되어야 한다. 본 개시 또는 그 실시예의 모든 참조는 그러한 지점에 논의되는 특정한 실시예를 참조하도록 의도되고 일반적인 개시에 대해 임의의 제한을 의미하도록 의도된 것은 아니다.
본원에서 다르게 나타내지 않는다면, 본원에서 값의 범위의 인용은 범위 내에 존재하는 각각의 별개의 값을 개별적으로 참조하기 위해 속기(shorthand) 방법으로서 사용되도록 의도된 것이고, 각각의 별개의 값은 그것이 본원에 개별적으로 인용될 지라도 명세서 내에 포함된다. 본원에 설명된 모든 방법 단계는 다르게 나타내지 않거나 명백히 문맥에 모순되지 않는 한 임의의 적절한 순서로 수행될 수 있다.
본 개시의 바람직한 구현예가 본원에 설명되지만, 개선예 및 변경예는 다음의 청구항의 범위로부터 벗어나지 않고 포함될 수 있다.

Claims (14)

  1. 가스형 연료 내연 기관(10)을 작동하는 방법으로서, 내연 기관은 실린더(26)의 연소 챔버(16) 내에 가스형 연료 및 공기의 혼합물을 점화하도록 구성되는 점화 장치(90)를 포함하고, 방법은:
    실린더(26)의 연소 사이클에서 연소 챔버(16) 내에 가스형 연료 및 공기의 혼합물의 연소와 관련하여 적어도 한번의 측정을 수행하는 단계;
    적어도 한번의 측정에 기초하여 적어도 하나의 연소 파라미터를 판별하는 단계;
    원하는 연소 파라미터와 연소 파라미터를 비교하는 단계; 및
    비교에 기초하여 연소 사이클에서 점화 장치(90)에 의해 점화를 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    적어도 한번의 측정을 수행하기 전에 점화 장치(90)를 가동하는 단계; 및
    연소 파라미터가 사전 결정된 양 초과만큼 원하는 연소 파라미터와 상이할 때에 연소 사이클에서 적어도 한번 더 점화 장치(90)를 가동하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    적어도 한번의 측정에 기초하여 실린더(26)에서 연소의 스타트를 판별하는 단계; 및
    점화 장치(90)를 제1 가동한 후에, 연소의 스타트가 사전 결정된 양 초과만큼 원하는 연소의 스타트와 상이하거나, 또는 어떠한 연소의 스타트도 사전 결정된 시간 주기 동안 검출되지 않을 때에, 점화 장치(90)를 적어도 한번 더 가동하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    연소 사이클에서 점화 장치(90)의 제1 가동 전에 적어도 한번의 측정을 수행하는 단계; 및
    연소의 스타트가 적어도 한번의 측정에 기초하여 검출될 때에 점화 장치(90)를 비활성화하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    연소 챔버(16) 내에 압력 릴리프 밸브(70)를 제공하는 단계; 및
    연소의 스타트가 점화 장치(90)의 제1 가동 전에 검출될 때에 압력 릴리프 밸브(70)를 개방하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    연소의 스타트가 점화 장치(90)의 제1 가동 전에 검출될 때에 실린더(26)의 배기 밸브(36)를 개방하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 가스형 연료 내연 기관(10)은 디젤 가스 엔진이고, 점화 장치(90)는 연소 챔버(16) 내에 가스형 연료 및 공기의 혼합물을 연소시키기 위해 액체 연료의 파일럿 양을 분사하도록 구성되고, 방법은:
    적어도 한번의 측정을 수행하기 전에 점화 장치(90)에 의해 제1 분사를 수행하는 단계; 및
    연소 파라미터가 사전 결정된 양 초과만큼 원하는 연소 파라미터와 상이할 때에 연소 사이클에서 점화 장치(90)에 의해 제2 분사를 수행하는 단계, 및, 선택적으로, 제2 분사 후에, 연소 파라미터가 여전히 사전 결정된 양 초과만큼 원하는 연소 파라미터와 상이할 때에 적어도 한번 더 부가적인 분사를 수행하는 단계를 포함하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    적어도 부분적으로 연소 파라미터와 원하는 연소 파라미터 사이의 차이에 기초하여 제2 분사에서 분사되는 액체 연료의 양을 조정하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    연소 파라미터로서 연소 사이클에서 연소 중에 열 발생을 판별하는 단계;
    사전 결정된 크랭크 각도에서 원하는 열 발생과 판별된 열 발생을 비교하는 단계; 및
    비교에 기초하여 액체 연료의 양을 조정하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 가스형 연료 내연 기관(10)은 Otto 가스 엔진이고, 점화 장치(90)는 연소 챔버(16) 내에 가스형 연료 및 공기의 혼합물을 점화하도록 구성되고, 방법은:
    적어도 한번의 측정을 수행하기 전에 점화 장치(90)를 가동하는 단계; 및
    연소 파라미터가 사전 결정된 양 초과만큼 원하는 연소 파라미터와 상이할 때에 연소 사이클에서 적어도 한번 더 점화 장치(90)를 가동하는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 가스형 연료 내연 기관(10)은 연소 챔버(16) 로 가스형 연료를 공급하도록 구성되는 가스 공급 밸브(38)를 포함하고, 방법은:
    연소 파라미터가 사전 결정된 양 초과만큼 원하는 연소 파라미터와 상이할 때에 연소 사이클에서 가스 공급 밸브(38)를 통해 연소 챔버(16) 로 가스형 연료의 부가적인 양을 공급하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 한번의 측정은 실린더(26)에서의 압력의 실린더 압력 측정을 포함하는, 방법.
  13. 가스형 연료 내연 기관(10)으로서:
    적어도 부분적으로 실린더(26)를 규정하는 엔진 블록(20);
    실린더(26)의 연소 챔버(16) 내에 가스형 연료 및 공기의 혼합물을 점화하도록 구성되는 점화 장치(90); 및
    제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법의 단계를 수행하도록 구성되는 제어 유닛(50)을 포함하는, 가스형 연료 내연 기관.
  14. 컴퓨터에 의해 실행될 때에, 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법의 단계를 컴퓨터가 수행하게 하는 컴퓨터-실행 가능한 명령을 포함하는 컴퓨터 프로그램.

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