KR20190128721A - 가솔린 압축 점화 연소를 위한 질소 농축 공기 공급 - Google Patents

가솔린 압축 점화 연소를 위한 질소 농축 공기 공급 Download PDF

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Abstract

가솔린 압축 점화 엔진, 차량 및 가솔린 압축 점화 엔진을 작동시키는 방법. 유입 공기 관리 시스템은 막 기반 분리기와 배기 가스 재순환 유로를 포함하여 배기 가스 배출을 줄이도록 질소 농축 공기 스트림을 엔진으로 전달하면서 들어오는 공기의 분리된 부분은 다양한 엔진 부하 조건, 뿐만 아니라 엔진에 의해 구동되는 차량 내의 캐빈 또는 관련 승객석의 보충 공기에 사용될 수 있는 산소 농축 공기 스트림을 형성할 수 있다. 콜드 스타트 및 예열 조건과 관련되지 않은 엔진 부하에서 증가 동안, 질소 농축 공기 스트림은 배기 가스 재순환 유로로부터 질소 농축 연소 생성물 스트림 그리고 분리기 중 하나 또는 둘 모두로부터 나올 수 있다.

Description

가솔린 압축 점화 연소를 위한 질소 농축 공기 공급
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2017년 3월 31일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 15/475,383을 우선권으로 주장하며, 이는 그 전체가 본 개시내용에서 참고로 편입된다.
본 개시내용은 일반적으로 내연 기관 작동성을 개선하는 방법 그리고 보다 상세하게는 가솔린을 연료 공급원으로서 사용하는 압축 점화 엔진에 사용하기 위해 다수의 공급원으로부터 질소 농축 연소 공기를 생성하는 용도에 관한 것이다.
차량 추진에 사용되는 내연 기관 (ICE)의 영역 내에서, 스파크 점화 (SI) 엔진 및 압축 점화 (CI) 엔진이 가장 일반적으로 사용되는 엔진이다. SI 엔진에서, 공기와 연료 (전형적으로 가솔린)의 혼합물은 점화 플러그를 통한 점화를 위해 원통형 연소 챔버로 도입된다. 생성된 화염 면이 초기 점화 지점에서 연소 챔버를 통해 전파함에 따라, 온도는 계속 상승하여, 결과적으로 높은 피크 연소 온도로 이어진다. SI 공정에서 발생하는 일반적인 배출물에는 일산화탄소 (CO), 미연소 탄화수소 및 질소 산화물 (NOx)이 포함된다. 현대식 SI 엔진 차량은 전형적으로 이들 연소 부산물의 각각을 감소시키기 위해 3원 촉매 변환기를 사용한다. 촉매가 NOx 감소와 관련하여 피크 성능으로 작동하도록 하기 위해, 이러한 엔진은 배기 가스에서 촉매-손상 과잉 산소 (O2)의 존재를 피하기 위한 방식으로서 화학량론적 연료 대 공기 비로 또는 그 근처에서 작동된다.
CI 엔진에서, 연료 (전형적으로 디젤 연료)는 공기가 이미 고도로 압축된 형태로 존재하는 연소 챔버로 도입된다. 증가된 압력에 수반되는 챔버 내의 고온으로 인해 연료가 자동 점화된다. 연소 공정은 확산을 통한 연료/공기 혼합을 통해 이루어진다. 전형적인 SI 엔진과 달리, CI 엔진의 직접 연료 분사는 스로틀 손실 및 관련 연료 펌핑 손실을 제거한다. 펌핑 손실이 적은 CI 엔진의 높은 압축률과 고유 한 희박 연소는 SI 엔진보다 열역학적 효율이 높다. 하지만, 이러한 촉매가 O2 수준의 매우 좁은 범위 (전형적으로 약 0.5 % 내지 1.0 %)에서 효과적으로 단지 작동하지만, 이러한 희박 연료 대 공기 비율과 관련된 과잉 O2는 NOx 감소에 실용적이지 않은 SI 엔진의 3원 촉매를 사용한다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 복잡하고 고가의 연료 분사 및 후 처리 시스템이 포함된다. 공지된 후 처리 접근법의 예는 희박 NOx 트랩, 선택적 촉매 환원 (SCR) 및 배기 가스 재순환 (EGR)을 포함한다. 희박 NOx 트랩과 SCR이 주기적인 재생이 필요하고, EGR의 효과가 높은 엔진 출력 수준에서 제한되기 때문에, 의도된 목적에 유용하지만 이러한 접근법에 대한 과도한 의존은 비생산적일 수 있다.
HCCI (예혼합 압축 점화) 엔진으로 알려진, 또 다른 엔진 유형은 디젤 기반 CI 엔진과 가솔린 기반 SI 엔진 모두의 기능을 결합하려고 시도한다. HCCI 엔진에서, 연료 및 공기는 통상적인 SI 엔진과 일반적으로 유사한 방식으로 연소 챔버에 도입되기 전에 혼합된다. 기존 CI 엔진과 마찬가지로, 연소 챔버 내 특정 온도 및 압력 조건에서 혼합물의 자동 점화를 통해 연소는 이루어진다. 이상적인 조건 하에서, HCCI 엔진은 더 낮은 피크 압력 및 온도와 함께 확산, 무화염 연소를 달성하고; 이러한 연소는 NOx 생성을 낮게 유지하는데 효과적이다. 실제로는, 그러나, 특히 고성능의 출력 조건과 관련하여, 광범위한 엔진 작동 조건에서 연료-공기 혼합물의 온도, 압력 및 조성의 정확한 조합을 달성하는 것에 대한 정밀한 제어를 확립하는 것이 극히 어렵다는 것이 입증되었다.
가솔린 압축 점화 (GCI) 엔진으로 알려진 (부분적으로 사전 혼합된 압축 점화 (PPCI) 엔진이라고도 지칭된) 추가의 또 다른 엔진 유형은 전통적인 디젤 CI 또는 가솔린 SI 엔진에 대한 매력적인 대안으로 주목을 받고 있다. GCI 엔진에서, 연료는 엔진의 4 행정 사이클 작동의 압축 단계에서 늦게 단계적으로 분사된다. 이러한 방식으로, 연료 차지는 지역적으로 화학량론적 및 세계적으로 층상화된 특성을 모두 갖는 것으로 생각될 수 있다. 현저하게도, 일반적으로 가솔린 (특히 저 옥탄 가솔린)은 디젤 연료에 비해 휘발성이 높고 점화 지연이 더 길다. 이러한 연료를 압축 행정에서 비교적 늦게 도입하고 (추가적인 연료-공기 혼합을 촉진시키는데 도움이 되는) 연료의 점화 지연을 이용함으로써, 연소는 분사가 끝나기 전에 시작되지 않는다. 바람직한 정도의 층상화를 달성하기 위해, 다중 분사가 사용될 수 있다. 저온 연소 (LTC) 조건 하에서 작동함으로써, GCI 엔진은 디젤 같은 열 효율을 달성하면서 NOx 생산과 그을음 배출을 크게 줄일 수 있다. 또한, 저 옥탄 가솔린 정제는, 차례로 예컨대 이산화탄소와 같은 다른 바람직하지 않은 물질, 전체 웰-투-탱크의 배출을 감소시키는, 종래의 가솔린 및 디젤 연료 처리보다 쉽다 (그리고 저렴하다).
GCI 엔진의 한 가지 단점은 정상적인 엔진 작동 조건에서 낮은 NOx 배출량이 높은 부하에서 증가하는 경향이 있다는 것이다. 따라서 자동차 제조업체는 모든 엔진 작동 조건 하에서 NOx 준수를 보장하기 위해 위에서 언급한 다양한 기술 (예 : SCR, EGR 등) 중 일부를 구현했다. 이러한 시정 조치는 비용이 많이 들고, 위에서 언급한 바와 같이, 엔진 성능을 제한할 수 있다. 예를 들어, 과도한 EGR은 연소 불안정성 및 관련 오발로 이어질 수 있을 뿐만 아니라 재순환된 배기 가스에 포함된 탄소 침전물로 인한 밸브 막힘에 기여할 수 있다. EGR에 대한 과도한 의존은 또한 흡기 공기 차지 밀도의 감소가 연소 챔버 내에서 연속 연소 화염 면을 유지하는 것과 양립할 수 없기 때문에 GCI 엔진 과도 응답을 제어하는 것을 어렵게 한다.
본 개시내용의 일 구현예에 따르면, 배기 가스 배출 감소를 위한 질소 (N2) 농축 공기 공급을 가진 GCI 엔진이 개시되어 있다. GCI 엔진은 다수의 연소 챔버, 각각의 연소 챔버와 선택적으로 유체 연통하는 공기 유입구, 각각의 연소 챔버와 선택적으로 유체 연통하는 배기 가스 유출구 그리고 질소 농축 공기 차지의 준비를 우선시할 수 있는 유입 공기 관리 시스템을 포함한다. 유입 공기 관리 시스템은 막 기반 분리기, EGR 유로, 유동 제어 도관 및 연소 공기 농축 제어기를 포함한다. 분리기는 공기 유입구와 유체 연통하여 분리기에 도입된 공기가 산소 농축 공기 (OEA) 스트림 및 질소 농축 공기 (NEA) 스트림으로 분리된다. 마찬가지로, 배기 가스 재순환 유로는 배기 가스 유출구와 유체 연통되어 공기와 가솔린의 혼합물이 연소 챔버 내에서 점화될 때 형성하는 질소 농축 연소 생성물 스트림을 전달한다. 또한, 유동 제어 도관은 분리기 및 배기 가스 재순환 유로와 협력하여 배기 가스 재순환 유로로부터의 질소 농축 연소 생성물 스트림 및 분리기로부터의 질소 농축 공기 스트림 중 하나 또는 둘 모두가 공기 유입구와 선택적으로 유체 연통되어 배치된다. 엔진 작동 파라미터를 획득하기 위해 수많은 센서는 사용된다. 제어기는 센서와 신호 연통을 하여 이들이 - 분리기, 배기 가스 재순환 유로 및 유동 제어 도관과 함께 - 협력하여 (a) 콜드 스타트 및 GCI 엔진에서의 예열 부하 동안 분리기로부터 산소 농축 공기 스트림 그리고 (b) 분리기로부터의 질소 농축 공기 스트림 및 배기 가스 재순환 유로로부터의 질소 농축 연소 생성물 스트림을 공기 유입구에 전달한다. 중요하게, 콜드 스타트 및 예열 부하와 관련되지 않은 엔진 부하에서 증가 동안, 제어기는 배기 가스 배출 감소에 사용되는 질소 농축 공기 공급이 분리기로부터의 질소 농축 공기 스트림에 의해 뿐만 아니라 점차적으로 배기 가스 재순환 유로로부터의 질소 농축 연소 생성물 스트림에 의해 적어도 부분적으로 제공되는 명령 세트를 제공한다.
본 맥락 내에서, 다양한 엔진 작동 부하 또는 조건 (예를 들어, 저, 정상, 콜드 스타트 및 고)는 공기 혼합물의 적절한 관리를 보장하기 위해 제어기에 의해 모니터링 및 작동될 수 있는 다양한 방식에 해당할 수 있다. 유사한 방식으로, 제어기는 - 단독으로 또는 또 다른 제어기와 함께 작동하여 - 이러한 모드에 대한 적절한 연료 및 관련 환경 작동 조건이 준수되도록 보장하는데 사용될 수 있다.
예로써, 91의 연구 옥탄가 (RON)를 갖는 무연 일반 가솔린을 사용하는 개시된 GCI 엔진은 다양한 작동 조건 중 하나 이상에 대해 비교적 긴 점화 지연을 경험할 수 있다: 낮은 엔진 부하; 낮은 주변 온도 및 콜드 스타트 (뿐만 아니라 이의 수반 조기 예열). 이러한 상황에서, 자동 점화는 너무 약하거나, 늦거나 완전히 실패할 수 있다. 이러한 조건을 피하기 위해, 제어기는 다른 도관, 밸브 및 점화 플러그와 함께 작동하여 분사된 연료가 제 시간에 점화 및 연소를 시작하도록 할 수 있다. SI 작동의 경우, OEA 스트림은 특히 실린더 온도가 낮을 때 화염 속도와 연소율을 높이는데 도움이 된다. 마찬가지로, 중간 내지 고 부하 작업의 경우, 실린더 압력과 온도는 증가되고; 이러한 작동 조건은 초기 자동 점화를 촉진하는 경향이 있으며 더 높은 NOx 배출 및 더 높은 연소 소음을 유발할 수 있다.
본 개시내용의 또 다른 구현예에 따르면, 차량이 개시된다. 차량은 휠형 섀시, 휠형 섀시와 협동하는 안내 장치 및 승객석 및 동력을 전달하기 위해 플랫폼에 연결된 GCI 엔진을 포함하는 플랫폼을 포함한다. GCI 엔진은 수많은 연소 챔버, 공기 유입구, 배기 가스 유출구 그리고 막 기반 분리기, EGR 유로, 유동 제어 도관, 수많은 센서 및 연소 공기 농축 제어기를 포함하는 유입 공기 관리 시스템을 포함한다. 공기 유입구와 배기 가스 유출구 모두는 각각의 연소 챔버와 선택적 유체 연통된다. 분리기에 도입된 공기는 적어도 OEA 스트림 및 NEA 스트림으로 분할되는 반면, EGR 유로는 질소 농축 연소 생성물 스트림을 공기 유입구로 다시 전달하는데 사용된다. 유동 제어 도관은 다양한 구성 요소들 사이에서 질소 농축 공기 공급을 라우팅하는 데 사용된다.
유입 공기 관리 시스템의 다양한 구성 요소는 공기 유입구 OEA 및 NEA 스트림으로 전달하도록 협력한다. 특히, OEA 스트림은 콜드 스타트 및 GCI 엔진에서의 예열 부하 동안 분리기로부터 운반되는 반면, NEA 스트림은 콜드 스타트 및 예열 부하와 관련되지 않은 기간 동안 분리기 및 EGR 유로 모두로부터 운반된다. 또한, 콜드 스타트 및 예열 부하와 관련되지 않은 이러한 기간 동안, 제어기는 배기 가스 배출 감소의 다양한 부분이 EGR 유로로부터의 질소 농축 연소 생성물 스트림 및 분리기로부터의 NEA 공기 스트림에 의해 제공되는 명령 세트를 제공한다.
본 개시내용의 더욱 또 다른 구현예에 따르면, GCI 엔진을 작동시키는 방법은 개시된다. 상기 방법은 가솔린계 연료를 엔진 연소 챔버에 도입하는 것 그리고 - 무엇보다도 - 배기 가스 배출을 줄이는데 도움을 주기 위해 유입 공기 관리 시스템을 사용하는 것을 포함한다. 유입 공기 관리 시스템은 막 기반 분리기, 배기 가스 재순환 유로, 분리기 및 배기 가스 재순환 유로와 협력하는 유동 제어 도관, 다수의 센서 그리고 센서 및 유동 제어 도관과 신호 연통하는 연소 공기 농축 제어기를 포함한다. 사용시, 적어도 OEA 스트림 및 NEA 스트림으로 분리하기 위해 막 기반 분리기에 도입된 공기는 유입 공기 관리 시스템에 의해 조작되어 NEA 스트림, 뿐만 아니라 (엔진 부하에 따라 다름) 배기 가스 재순환 유로로부터의 질소 농축 연소 생성물 스트림의 적어도 일부가 엔진 내에서 GCI 연소가 발생하는 속도를 조정하는 방식으로 엔진에 제공된다. 이러한 방식으로, 콜드 스타트 또는 예열 작동 조건과 관련되지 않은 엔진 부하에서 증가 동안, 배기 가스 배출 감소에 사용되는 질소 농축 공기 공급은 분리기로부터 그리고 특정 상황에서 배기 가스 재순환 유로에 존재하는 질소 농축 연소 생성물 스트림으로부터 질소 농축 공기 스트림에 의해 적어도 부분적으로 제공된다.
본 개시내용의 특정 구현예들에 대한 이하의 상세한 설명은 다음의 도면들과 함께 읽을 때 가장 잘 이해될 수 있으며, 여기서 유사한 구조는 유사한 참조 부호들로 표시되고 여기서:
도 1은 본 명세서에 도시되거나 설명된 하나 이상의 구현예에 따른 GCI 엔진 및 유입 공기 관리 시스템의 일부의 간략화된 단면도를 도시하고;
도 2는 본 명세서에 도시되거나 설명된 하나 이상의 구현예에 따른 공기 관리 시스템과 관련된 다양한 유로의 간력화된 도면을 도시하고;
도 3은 본 명세서에 도시되거나 설명된 하나 이상의 구현예에 따라 막 모듈이 라인 교체가능 유닛을 위한 공기 필터와 결합되는 도 2의 공기 관리 시스템의 변형을 도시하고;
도 4는 본 명세서에 도시되거나 설명된 하나 이상의 구현예에 따른 공기 관리 시스템을 사용하여 다양한 질소 농축으로 NOx 및 그을음 배출의 정규화된 비교를 도시하고;
도 5는 개념적인 GCI 엔진 연소 공정 동안 예시적인 실린더 내 온도 트레이스를 도시한다.
본 개시내용은 질소 함유 차지를 엔진의 연소 챔버에 선택적으로 전달하기 위해 막과 EGR의 조합된 기여를 사용하는 흡기 제어를 통해 엔진 성능을 개선하고 GCI 엔진의 NOx 배출을 감소시키는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 이들 구성 요소 각각이 서로 독립적으로 작동하는 것이 일반적으로 공지되어 있지만, 본 개시내용의 저자는 이 둘을 통합함으로써, 전체 엔진 성능의 개선 뿐만 아니라 생성된 공기 공급 시스템의 감소된 크기, 중량 또는 복잡성이 실현될 수 있다는 입장을 취한다. 특히, 본 개시내용 하에서, 들어오는 공기 공급은 막을 통해 라우팅되어 입력 공기 스트림을 OEA 스트림 및 NEA 스트림으로 분리한다. NEA 스트림은 흡기 차지를 희석시키고 GCI 연소율을 감소시키기 위해 엔진 공기 흡기부로 공급되어, 종래의 EGR과 일반적으로 유사한 방식으로 NOx 배출을 감소시킨다. 마찬가지로, GCI가 가능하지 않을 수 있는 작동 조건 (예컨대 콜드 스타트)에서, OEA는 더 신속한 예열 및 관련 엔진 작동성 향상을 위하여 화염 전파 연소율을 증가시킨다. 선택적인 형태로, 과도한 OEA는 또한 차량의 승객석으로 공급되어 캐빈 공기 (즉, 승객석) 품질을 상쾌하게 한다. EGR은 또한 흡기 차지를 희석시키는데 사용될 수 있으며, 그렇게 함으로써, 차량 환경 내에서의 포장을 돕기 위해 막의 크기를 감소시키는 것을 도울 수 있다. 이러한 EGR 사용은 막으로부터 오는 NEA의 NOx-감소 성능을 보충하는 방식으로서 고 부하 조건에서 특히 유익하다. 수많은 GCI 엔진 작동 조건에 걸쳐 추가의 N2용 막에서 적어도 부분적으로 의존함으로써, EGR 요청에 대한 의존은 감소될 수 있어, 차례로 GCI 과도 제어 응답의 개선으로, 뿐만 아니라 GCI 엔진의 증가된 높은 부하 제한으로 어이질 수 있다.
먼저 도 1 및 2를 참조하여, 승객석 (3)을 구비한 차량 (2)에 사용하기 위한 질소 농축 공기 공급을 구비한 GCI 엔진 (1)의 개략도가 도시되어 있다. 엔진 (1)은 다수의 실린더 (10)이 있는 엔진 블록 (5), 블록 (5) 내에서 회전가능하게 이동가능한 크랭크 샤프트 (15), 크랭크 샤프트 (15)의 움직임에 응답하는 수많은 캠들 (20), 다수의 연소 챔버 (30)을 정의하기 위해 엔진 블록 (5)에 결합되는 헤드 (25)를 포함한다. 헤드 (25)는 어느 한쪽 크랭크 샤프트 구동 체인, 크랭크 샤프트 작동 푸시로드 또는 공압 액츄에이터 (아무 것도 표시되지 않음)에 의해 제어되는 캠들 (20) 중 상응하는 하나를 통해 크랭크 샤프트 (15)에 응답하여 움직이기 위해 하나의 형태로 스프링 편향될 수 있는 유입구 밸브 (35) 및 배기 밸브 (40) (각각 하나만 도시됨)를 포함한다. (후속 단락에서 보다 상세히 설명하는 유동 제어 도관 (115) 및 흡기 제어 (125)의 일부에 유체 결합되는 연소기 유입 가스 (115C)의 일부일 수 있는) 공기 유입구 (45) 및 배기 가스 유출구 (50)은 연료 분사기 (55)를 통해 연소 챔버 (30)의 각각과 선택적으로 유체 연통되는 반면, 피스톤 (60)은 각각의 개별 실린더 (10)에 수용되고 커넥팅 로드 (65)를 통해 크랭크 샤프트 (15)에 결합되어 연소 챔버 (30) 내에서 발생하는 압축 점화 연소에 응답하는 피스톤 (60)의 왕복 운동이 엔진 (1) 및 변속기, 차축, 차동 장치 및 휠 (아무 것도 도시되지 않음)로 구성되는 동력 전달 장치의 나머지 부분에 후속 전력 전달을 위해 크랭크 샤프트 (15)의 회전 운동에 커넥팅 로드 (65) 및 크랭크 샤프트 (15)의 회전 운동으로 변환된다. GCI 엔진 (1)과 관련된 연소는 자동 점화 연소의 타이밍이 압축 행정의 일부 동안 연소 챔버 내의 연료/공기 비율 수준을 조작함으로써 제어된다는 점에서 부분적으로 사전 혼합된 압축 점화 (PPCI) 속성을 갖는 것으로 분류될 수 있다.
연소 공정에 사용되는 공기의 공급은 유입 공기 관리 시스템 (100)에 의한 질소 농축을 달성한다. 이 시스템 (100)은, 적절한 도관 (115)와 함께 막 기반 분리기 (105) 및 EGR (110)을 포함하여, 연소에 사용되는 공기, 뿐만 아니라 이러한 연소의 산물인 배기 가스가 GCI 연소율을 선택적으로 감소시키기 위해 엔진 (1)의 공기 흡기 차지를 희석시키는데 사용될 수 있어, 차례로 NOx 배출을 감소시킨다. 본 맥락 내에서, 유동 제어 도관 (115)는 파이프, 튜브, 채널 또는 관련 유체 전달 라인, 뿐만 아니라 이러한 라인에 유체 배치되는 임의의 밸브 (도시되지 않음) 또는 관련 유동 제어 장치를 포함한다. 분리기 (105)를 사용함으로써, EGR (110)에 대한 의존은 특히 특정 엔진 부하에 대해 감소될 수 있다. 콜드 스타트 및 관련 예열과 같은 다른 엔진 작동 부하 또는 조건에서, 분리기 (105)는 불꽃 전파 연소율을 증가시키기 위해 스파크 점화 장치 (120) (예컨대 스파크 플러그)와 함께 사용될 수 있다. 본 맥락 내에서, 콜드 스타트 또는 예열 조건과 관련되지 않는 다른 작동 조건은 본 명세서에서 논의된 GCI 동작 모드 하에서 실행될 수 있다.
도시된 바와 같이, 주위 공기의 유입구 (즉, 공급 스트림) (115I)는 유동 제어 도관 (115)의 일부를 형성하고, O2 풍부한 투과물은 OEA 스트림 (115OEA)를 통해 유동하고 N2 풍부한 잔류물 (105B)는 NEA 스트림 (115NEA)를 통해 유동하는 분리기 (105)에 공기를 도입하는데 먼저 사용된다. OEA 및 NEA 스트림 (115OEA, 115NEA) 모두는 혼합 챔버 등의 형태인 흡기 제어 (125)로 공급된다. 일 형태에서, EGR (110)은 유동 제어 도관 (115)의 관련 부분과 함께 흡기 제어 (125)로 배기 밸브 (40)을 통해 연소 챔버 (30)을 떠나는 배기 가스를 재순환하는 EGR 유로 (115EGR)을 형성하도록 밸브의 형태이다. 흡기 제어 (125)는 - 유동 제어 도관 (115)의 다양한 부분에서 밸브 및 우회 유동을 조정하는데 사용되는 아래 더욱 상세히 설명되는 프로세서-기반 제어기 (130)으로부터의 제어 신호에 응답하여 - 필요한 엔진 (1) 부하 또는 관련 작동 조건에 따라 3 개의 입력 (즉, OEA 스트림 (115OEA), NEA 스트림 (115NEA) 및 EGR 스트림 (115EGR))로부터의 각 가스 스트림의 양을 조정하기 위한 공급 유량 및 공급/투과 압력으로 분리기 (105)의 성능을 조정한다. 콜드 스타트 조건 동안, OEA 스트림 (115OEA)는 연소율을 증가시키기 위해서만 공급될 수 있으며; 그러한 경우에, NEA 스트림 (115NEA)는 연소 챔버 (30) 내로 도입되지 않는다. 다른 작동 조건에서, NOx 배출을 감소시키기 위해 NEA 스트림 (115NEA)는 공급된다. 본 명세서에서 논의된 바와 같이 높은 엔진 부하 조건 (예컨대 상승된 평균 유효 압력 (MEP)와 관련된 조건)에서, EGR 스트림 (115EGR)은 이러한 부하에 필요한 더 큰 부피 또는 표면적을 수용하기 위해 엄청나게 큰 분리기 (105)를 구축할 필요가 없도록 NEA 스트림 (115NEA)와 함께 이용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 여과된 유입 공기 (115F) 및 OEA 스트림 (115OEA)의 어느 하나 또는 모두의 일부는 캐빈 공기 품질을 새롭게 하거나 증대하기 위한 방식으로 차량 승객석 또는 캐빈으로 라우팅될 수 있다. 일 형태에서, 유입 공기 (115I)는 예컨대 터보차저 (135) 또는 다른 관련 장치에 의해, 가압될 수 있다. 터보차저 (135)는 흡기 제어 (125)로 다시 향하지 않는 과잉 배기 가스에 의해 구동될 수 있다.
EGR 스트림 (115EGR)은 NEA 스트림 (115NEA) 및 OEA 스트림 (115OEA) 중 하나 또는 다른 것에서 나오는 터보차지된 흡기 공기로 배기 가스의 일부를 재순환시킴으로써 동작한다. 이것은 연소 챔버 (30) 내로 도입되는 O2를 희석하는 효과를 가져서, 차례로 이들의 비교적 높은 비열로 연소 공정 동안 생성되는 열을 효과적으로 흡수하는 N2 및 H2O와 같은 불활성 가스를 제공함으로써 피크 실린더 내 온도를 감소시킨다.
유입 공기 관리 시스템 (100)의 작동을 위한 명령은 하나 이상의 전자 제어 유닛 (ECU)에서 구현될 수 있는 제어기 (130)으로부터 온다. 제어기 (130)은 센서 (S)로부터 데이터를 수신하고 유입 공기 관리 시스템 (100)의 다양한 부분에 논리 기반 명령을 제공하는데 사용된다. 당업자가 알 수 있는 바와 같이, 제어기 (130)은 단일 유닛, 또는 차량 (2)에 걸쳐 분산된 유닛 세트 중 하나일 수 있다. 일 구성에서, 제어기 (130)은 유입 공기 관리 시스템 (100)의 작동과 단독으로 연관된 것과 같은 더 적은 수의 구성 요소 기능과 관련된 보다 개별적인 작동 능력 세트를 갖도록 구성될 수 있지만, 다른 구성에서, 제어기 (130)은, 어느 한쪽 입구 공기 관리 시스템 (100)과 함께 또는 별도로, 엔진 (1)과 같은 더 많은 수의 구성 요소를 제어하도록, 그리고 제어기 (130)에 의해 수행되는 기능의 구성 및 범위에 관계없이, 그러한 모든 변형이 본 개시내용의 범위 내에 있는 것으로 간주되도록 보다 포괄적인 능력을 가질 수 있다. 유입 공기 관리 시스템 (100)과 연관된 기능 수행과만 연관된 일 형태에서, 제어기 (130)은 주문형 집적 회로 (ASIC)로서 구성될 수 있다. 일 형태에서, 제어기 (130)에는 하나 이상의 입력/출력 (I/O) (130A), 마이크로프로세서 또는 중앙 처리 장치 (CPU) (130B), 판독 전용 메모리 (ROM), 랜덤 액세스 메모리 (RAM)가 제공되고, 이들은 각각 버스 (130I)에 의해 연결되어 신호 기반 데이터의 수신 뿐만 아니라 명령어 또는 관련 명령의 전송을 위한 로직 회로에 대한 연결성을 제공한다. 각종 알고리즘 및 관련된 제어 로직은 당업자에게 공지된 방식으로 ROM (130C) 또는 RAM (130D)에 저장될 수 있다. 이러한 제어 로직은 본 명세서에 논의된 바와 같이 제어기 (130)에 의해 동작하고 I/O (130A)를 통해 유입 공기 관리 시스템 (100)에 전달될 수 있는 미리 프로그래밍된 알고리즘 또는 관련된 프로그램 코드로 구체화될 수 있다. I/O (130A)의 일 형태에서, 다양한 센서 (S)로부터의 신호는 제어기 (130) 와 교환된다.
제어기 (130)가 단지 유입 공기 관리 시스템 (100)에 (예를 들어, 하나 이상의 엔진 (1)의 작업, 차량 (2) 내의 다른 시스템 또는 연료의 공급에) 보다 더 많은 제어를 제공하도록 구성되는 상황에서, 추가의 센서 (S)로부터의 다른 이러한 신호는, 엔진 (1)로부터 연소 데이터가 흡기 제어 (125)로부터 전달되는 연소기 유입 가스 (115C)의 관련된 전달 또는 혼합을 제어하기 위해 제공되는 것을 포함하여, 내부에 포함된 제어 로직에 의해 적절한 처리를 제어기 (130)에 신호적으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 엔진 (1) 작동의 GCI 모드와 일치하는 방식으로, 제어기 (130)은 부하-속도 범위의 실질적인 전체에 걸쳐 엔진 (1)의 저 NOx 배출 및 원활한 작동을 촉진하는 방식으로 다중 후기-분사, 층상화된-혼합, 저온 연소 공정을 제공하기 위해 연료 분사기 드라이버 (130E), EGR 드라이버 (130F), 엔진 밸브 제어 (130G) 및 (유동 도관 (115)에 배치된 임의의 밸브용) 유동 밸브 제어 (130H)로 프로그래밍될 수 있다. 이러한 제어는, 자동 점화 발생 시기를 제어하는데 도움이 되도록 크랭크 샤프트 (15)로부터 크랭크 각도 (CAD)를 검출하는 센서 (S)에 의해 측정될 수 있는 압축 행정에서의 다양한 순서와 일치할 때 전달이 최적화되므로, GCI 엔진 (1)에서 연료의 전달에 사용되는 다중 후기-분사 전략에 특히 유익하다. 본 맥락 내에서, 실린더 (10) 내의 피스톤 (60)의 위치는 전형적으로 피스톤 (60)의 상사점 (TDC) 위치 전후에 CAD를 참조하여 설명된다. 제어기 (130)은 또한 이러한 전달 전략을 부하 및 엔진 속도와 같은 다른 엔진 (1) 작동 파라미터, 뿐만 아니라 이러한 분사가 고려되는 횟수에 기초할 수 있다. 예를 들어, 0°내지 180°의 CAD는 동력 행정에 해당하며, 0°는 TDC를 나타내고 180°는 하사점 (BDC)를 나타낸다. 마찬가지로, 180°내지 360°의 CAD는 배기 행정을 나타내고 후자는 TDC를 나타낸다. 또한, 360°내지 540°의 CAD는 후자에서 BDC와 흡기 행정을 나타낸다. 또한, 540°내지 720°의 CAD는 후자에서 TDC와 압축 행정을 나타낸다. 예를 들어, 제어기 (130)은 - 6 기통 엔진에 사용될 때 - 크랭크 샤프트 (15) 회전의 120°마다 발생하는 점화, 즉 엔진 (1)의 1 회전마다 3 개의 점화를 가질 것이다. 따라서, 6 개의 실린더 각각에서 점화가 1 회 발생했을 때, 크랭크 샤프트 (15)는 2 회 회전하여 720°의 회전 운동을 가로 지른다. 마찬가지로, 엔진 (1)이 4 기통 엔진으로 구성되면, 점화는 크랭크 샤프트 (15) 회전의 180°마다 발생할 것이다. 일 형태에서, 센서 (S) 중 하나는 크랭크 샤프트 (15)의 위치 또는 회전 속도를 모니터링하기 위한 크랭크 센서일 수 있다. 이러한 크랭크 센서로부터 획득된 데이터는, 스파크 점화 장치 (120)가 사용되고 있는 이들 상황 (예컨대 콜드 스타트업 및 후속 예열)에 대한 점화 타이밍을 포함하는, 연료 분사 타이밍 및 다른 엔진 1 파라미터를 결정하기 위해 처리용 제어기 (130)으로 라우팅된다. 센서 (S) 예컨대 크랭크 센서는 다양한 밸브 타이밍을 가진 엔진 (1) 구성에서 밸브 (20)과 피스톤 (60) 사이의 관계를 모니터하기 위해 (밸브 (20)의 위치와 관련된 것과 같은) 다른 센서 (S)와 조합하여 사용될 수 있다.
제어기 (130)은 감시 모델 예측 제어 (SMPC) 방식 또는 이의 변형과 같은, 또는 다중 입력 및 다중 출력 (MIMO) 프로토콜과 같은 모델 예측 제어 방식을 사용하여 실행될 수 있으며, 여기서 입력은 본 명세서에 설명된 다양한 후-연소 배기 가스 처리 구성 요소, 센서 (S) (예컨대 배기 가스 온도 센서, O2 센서, NOx 센서, SOx 센서 등), (예컨대 순람표로부터 또는 알고리즘으로 계산된) 추정 값 등과 관련된 수많은 값을 포함한다. 그 방식에서, 센서 (S)로부터 하나 이상의 감지된 값과 관련된 출력 전압은 제어기 (130)에 의해 수신된 후 디지털화되고 미리 결정된 표, 맵, 매트릭스 또는 알고리즘 값과 비교되어 차이에 기초하여, 특정 작동 조건을 지시하는 출력이 생성된다. 이러한 출력은 제어기 (130)의 범위 내에서 다양한 구성 요소, 예컨대 유입 공기 관리 시스템 (100)과 관련된 나머지 구성 요소에서 조정을 위해 사용될 수 있다.
전술된 바와 같이, 일 형태에서, 제어기 (130)은 ROM (130C) 또는 RAM (130D)에 포함될 수 있는 순람표에 다양한 파라미터 (예컨대 대기압, 대기 온도 및 유량, 배기 가스 온도 및 유량, 엔진 MEP 등)으로 사전 부하될 수 있다. 또 다른 형태에서, 제어기 (130)은 CPU가 다양한 센서로부터의 입력에 기초한 적절한 로직 기반 제어 신호를 발생하도록 하는 하나 이상의 방정식 기반 또는 공식 기반 알고리즘을 포함할 수 있지만, 더욱 또 다른 형태에서, 제어기 (130)은 순람표 및 알고리즘 기능을 포함하여 그의 모니터링 및 제어 기능을 촉진할 수 있다. 이러한 형태의 데이터 및 계산 상호 작용 중 어느 것이 사용되든지 상관없이, 제어기 (130)은 - 관련 센서 (S), 막 분리기 (105), EGR (110) 및 관련 유동 제어 도관 (115)와 함께 - 엔진 (1) 상의 작동 부하가 콜드 스타트 또는 예열 조건을 넘어서 증가함에 따라, 더 많은 NEA 스트림 (115NEA)가 EGR (110) 보다 분리기 (105)로부터 흡기 제어 (125)로 전달되도록 협력한다.
다음으로 도 3을 참조하여, 일 형태에서, 분리기 (105)는 라인 교체가능 유닛 (LRU) 품질을 갖기 위해 모듈 (140)의 일부로서 형성될 수 있다. 이러한 방식에서, 분리기 (105) 또는 공기 필터 (145)의 교체 또는 서비스와 관련된 유지 보수 작업은 간략화될 수 있다. 이러한 LRU는 쉽게 구할 수 있는 현장 재고로부터 소위 상용 교체용으로 쉽게 구입될 수 있다. 이들의 모듈성으로 인해, LRU는 또한 차량 (2)의 상이한 모델에 걸쳐 개발을 중앙 집중화함으로써, 시스템 비용 절감 및 품질 향상에 기여할 수 있다. 차량 (2)의 유지 보수 비용을 낮추기 위해, 분리기 (105)는 모듈 (140)이 조합된 하우징을 형성하는 방식으로 공기 필터 (145)와 함께 배치될 수 있는 반면, 다른 형태에서, 분리기 (105)는 자체 하우징으로 형성될 수 있다.
MEP는 - 이의 변형 표시 평균 유효 압력 (IMEP), 브레이크 평균 유효 압력 (BMEP) 또는 마찰 평균 유효 압력 (FMEP) 포함 - 실린더 (10) 또는 관련 엔진 (1) 변위의 수에 관계없이 특정 엔진 (1)의 작업 능력을 제공한다. 또한, 이 평균 압력이 4주기 (흡기, 압축, 점화 및 배기)의 다른 부분 동안 피스톤 (60)에 작용하는 것으로 생각될 수 있도록 생성된 토크에 상응하는 압력의 측정치를 제공한다. 실제로, MEP는 엔진 속도 또는 크기와의 독립성으로 인해 설계 및 출력을 위한 엔진을 비교하기 위해 토크보다 더 나은 파라미터이다. 이와 같이, MEP는 생성된 토크가 MEP 및 변위만의 기능인 반면, 마력은 토크 및 rpm의 기능이라는 점에서 엔진에 대한 다른 메트릭 (예컨대 마력)보다 더 나은 지표를 제공한다. 따라서, 주어진 변위에 대해, 더 높은 최대 MEP가 높을수록 더 많은 토크가 생성되는 것을 의미하고, 주어진 토크에 대해, 더 높은 최대 MEP는 더 작은 엔진 (1)로부터 달성되고 있는 것을 의미한다. 마찬가지로, 더 높은 최대 MEP는 차례로 어느 한쪽 엔진 (1) 수명의 지표 또는 엔진 (1)에서의 추가의 구조적 보강의 정도를 제공하는 엔진 (1)에서 높은 응력과 온도에 상관될 수 있다. 중요하게는, 적당한 분석적 예측과 결합된, 광범위한 동력계 시험은 MEP가 최신 엔진 설계로 잘 알려져 있다. 이와 같이, CI 엔진의 경우, 약 7.0 바 내지 약 9.0 바의 MEP 값은 최대 토크 (약 3000 rpm)에 상응하는 엔진 속도에서 전형적인 반면, 자연 흡기 (즉, 터보차지되지 않은) SI 엔진의 경우, 약 8.5 바 내지 약 10.5 바의 MEP 값이 일반적이지만, 터보차지된 SI 엔진의 경우, MEP는 약 12.5 바 내지 약 17.0 바일 수 있다.
마찬가지로, MEP 값은 엔진 (1)에 대한 다양한 작동 체제에 대해 결정될 수 있다. 이러한 작동 체제는 하나의 형태로 최대 약 1.0 바의 MEP에, 또 다른 형태에서 최대 약 2.0 바의 MEP에 상응하는 (예를 들어, 엔진 공전 상태를 포함하는) 저 전력 또는 부하를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 이러한 작동 체제는 하나의 형태로 약 2.0 바 내지 약 5.0 바의 MEP, 또 다른 형태에서 약 2.0 바 내지 약 6.0 바의 MEP, 또 다른 형태에서 약 2.0 바 내지 약 7.0 바의 MEP에 상응하는 정상 (또는 중간) 전력 또는 부하를 포함할 수 있다. 더욱이, 이러한 작동 체제는 하나의 형태로 약 7.0 바 이상의 MEP, 또 다른 형태에서 약 8.0 바 이상의 MEP, 또 다른 형태에서 약 9.0 바 이상의 MEP, 및 또 다른 형태에서 약 10.0 바 이상의 MEP에 상응하는 고 전력 또는 부하를 포함할 수 있다.
이해될 수 있는 바와 같이, 이들 및 다른 MEP 값은 메모리 접근가능 위치 (예컨대 상기 언급된 순람표)에 저장될 수 있는 적절히 매핑된 파라미터 세트에 입력될 수 있어서, 이들 값은 다양한 엔진 (1) 작동 파라미터, 뿐만 아니라 진단 용량으로 작동할 때 제어기 (130)에 대하여 조정하는데 사용될 수 있다. 그러한 경우, (예컨대 크랭크 샤프트 (15) 각도 등을 통해) 실린더 (10) 체적을 측정하는데 사용될 수 있는 것을 포함하여, 센서 (S)의 일부와 함께 작동할 수 있다.
다음으로 도 4 및 5를 참조하여, 분석 및 실험 연구 모두는 NEA 스트림 (115NEA) 및 EGR 스트림 (115EGR)의 사용이 흡기 차지를 희석하여 GCI 연소율을 감소시키고, 결과적으로 NOx 배출을 감소시킬 수 있음을 확인한다. NEA 스트림 (115NEA)가 엔진 (1)이 노출될 것으로 예상되는 실질적인 전체 부하에 걸쳐 사용되기 때문에, 분리기 (105)의 구성을 이해하는 것이 유익하다. 특히, 분리기 (105)는 O2가 N2보다 수배 빨리 막을 관통하도록 조절될 수 있어서, 이는 투과 측 (105A)에서 생산되고 있는 OEA 스트림 (115OEA)의 양에 영향을 준다. 침투 속도는 분리기 (105)로 들어오는 공기의 투과성 또는 투과율로 측정될 수 있다. 한편, NEA 스트림 (115NEA)는 잔류 측 (105B)에서 연속적으로 생성된다. 막 선택성 또는 관련 분리 인자는 이들의 선택성의 투과율 (또는 투과성)에 의해 선택성이 주어진 특정 표적 가스에 대한 막의 분리 용량을 비교하는데 사용된다. 생성물 공기의 특정 요구 사항 (NEA 스트림 (115NEA)의 특정 N2 농도 및 유량)을 충족시키기 위해, 필요한 공급 공기량 (즉, 공급 유량), 뿐만 아니라 공급/투과 압력은 다를 수 있다. 또한, 투과 측 (105A) 스트림에서 O2의 순도도 변화될 수 있다. 마찬가지로, 분리기 (105)의 구성은 다를 수 있다. 예를 들어, 분리기 (105)는 나선형으로 감긴 모듈, 플레이트 및 프레임 모듈, 중공사 막 모듈, 중공사 모듈 또는 모세관 모듈로 구성될 수 있다. 예를 들어, 중공사 막 모듈에서, 공급물은 섬유의 내부 ('인사이드-아웃') 또는 섬유의 외부 ('아웃사이드-인')으로 도입될 수 있다. 중공사 막 모듈에 대해 표 1에 나타낸 바와 같이, 높은 O2 선택적 막 (O2/N2 선택성이 5인, 물질 B)는 NEA 스트림에서 동일한 N2 농도를 달성하기 위해 필요한 흡기 공기 유동의 양 최소화에서 덜 O2 선택적 막 (O2/N2 선택성이 2인, 물질 A)보다 분리기 (105)로서 더 효과적인 것으로 나타났다. 이러한 선택성 (뿐만 아니라 구성)은 따라서 주어진 엔진 (1)에 대하여 분리기 (105)를 사이징하기 위한 기초를 형성 할 수 있다.
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표 1
본 개시내용의 저자에 의해 수행된 분석의 일부로서, 전산 유체 역학 (CFD)는 질소 강화 작동 모드에서 작동하는 GCI 엔진 (1)의 성능 및 배출을 시뮬레이션하기 위해 사용되었다. 이러한 시뮬레이션에서, 14.5:1 기하 압축비를 갖는 단일 실린더 4 밸브 엔진이 분석되었다. 연소 챔버는 단일 사이클 실행 동안 분사된 14 밀리그램의 경질 나프타 연료를 받았으며, 여기서 부하는 1.1 바 승압된 흡기 압력으로 1500 rpm에서 5 바 MEP로 지정되었다. 이들 결과는, 일반적으로 EGR 스트림 (115EGR)로부터 NOx 억제 유체의 양 증가가 유휴 또는 관련 저 엔진 (1) 부하 조건에서 유익하지만, 중간 및 높은 부하와 연관된 MEP들에 있어서 덜하다는 것이 보여진다. 예를 들어, 이들 높은 부하 조건에서, 생성된 배기 가스 배출은 과도한 양의 연기를 포함할 수 있기 때문에, EGR (110)은 약 7.0 바 BMEP보다 높은 하중에서 사용되지 않아야 한다. 엔진 (1) 부하를 모니터링하고 이러한 부하가 임계치 (예컨대 정의된 저 부하 범위와 관련된 것) 미만인 것으로 결정함으로써, EGR (110)의 적절한 작동은 달성될 수 있다. 또한, 제어기 (130)은 흡기 제어 (125)에 제공되고 있는 얼마나 많은 N2 농축이 EGR 스트림 (115EGR) 및 이와 같은 요인들에 기초하여 NEA 스트림 (115NEA)의 각각으로부터 나오는지를 지시하는데 사용될 수 있다.
구체적으로 도 4를 참조하여, 분리기 (105)를 이용하여 N2 농축의 가능성을 확인하기 위한 방식으로서 이전 단락에서 논의된 바와 같이 실험은 엔진 (1)에서 수행되었다. 공급 및 투과 유량 및 N2 순도 및 유량에 대한 작동 압력 (공급 압력)과 관련된 것을 포함하여, 다양한 파라미터는 변경되었다. NOx 배출은 표준 대기 농도 79% (부피 기준)의 N2를 사용하여 기준 값으로 정규화되었다. 따라서, 그을음 생산이 약 25 내지 30 퍼센트 증가하지만, N2가 85%까지 비교적 완만하게 6% 증가는 비-농축된 기준 케이스에 대하여 NOx 배출의 약 80% 억제를 초래한다.
구체적으로 도 5를 참조하여, 실린더 내 온도 트레이스는 GCI 엔진 (1)에 대한 시뮬레이션된 연소 공정에 대해 도시되어있다. 이와 관련하여, 차트는 열 배출율 대 CAD를 나타낸다. 유입 공기 차지에서의 N2 조성이 증가함에 따라 피크 실린더 내 온도는 감소한다. NEA 스트림 (115NEA)는 흡기 차지를 희석시키고 GCI 엔진 (1) 연소율을 감소시켜, 결국, 엔진 (1)의 피크 실린더 내 온도를 감소시킨다. NOx 배출이 고온에서 생성되는 것으로 알려져 있다. 이와 같이, 실린더 내 온도 저하는 극적으로 감소된 NOx 배출을 초래한다. 중요하게는, NOx 감소와 관련된 온도 감소는 압축 공정 동안 연료 분사가 발생하는 위치의 변화를 허용한다. 이와 같이, 이러한 연소 온도를 낮게 유지하기 위해 특정 CAD에서 연료의 분사는 원하는 다중 후기-분사, 층상화된-혼합, 저온 연소 공정과 관련된 다양한 인자에 의존한다. 이러한 인자는 연료 대 공기 비, EGR 수준, 유입 공기 온도 및 압력 등을 포함할 수 있다. GCI 엔진 (1)을 사용하면, 연료는 압축 행정 동안 상이한 시간에 분사될 수 있고 (예를 들어, 어떤 상황에서는 TDC 전에 약 120°내지 90°CAD, 다른 상황에는 TDC 전에 약 30°내지 10°); 제어기 (130)는 이러한 분사뿐만 아니라 NEA 또는 OEA 스트림 (115NEA, 115OEA), 밸브 리프트 타이밍 등을 지시하기 위해 연소 챔버 (30) 내의 이들 다양한 온도 및 압력 체제 하에서 연료의 자동 점화 특성에서 차이를 고려할 수 있다.
특정 CAD로 연료를 분사함으로써, 일반적으로 배출물, 특히 NOx는 여전히 안정된, 효율적인 작동을 유지하면서 감소될 수 있다. 특히 높은 엔진 (1) 부하 (MEP가 높은 경우)와 관련하여, 높은 회전 속도로 인해 원하는 CAD로 모든 연료를 분사하는 것이 어려울 수 있다. 유입 공기 관리 시스템 (100) 그리고 각 분리기 (105)와 EGR (110)에서 나오는 NEA 스트림 (115NEA) 및 EGR 스트림 (115EGR)에서 이의 혼합된 의존성의 사용이 가장 유용한 이와 같은 상황이다. 특히, 제어기 (130)은 바람직한 CAD 내로 자동 점화 연소를 촉진시키기 위해 흡기 제어 (125)에 적절한 유입 차지를 제공하도록 본 명세서에 기술된 다른 구성 요소와 함께 사용될 수 있다. 실제로, 엔진 (1) 부하 및 다양한 입력 파라미터에 따라, 자동 점화의 많은 부분이 (전부는 아님), 도면에서 도시된 바와 같이, TDC 이후 좁은 CAD에서 발생할 수 있다. 마찬가지로, 연소 사건의 지속 시간은 NOx 감소와 일치하는 바람직한 피크 실린더 온도 및 압력 수준을 달성하도록 제어될 수 있다. 유사한 방식으로, OEA 스트림 (115OEA) 증가는 (종종 스파크 점화 장치 (120)와 함께 연소 공정의 개시를 진행하는 특정 엔진 (1) 작동 조건에 사용될 수 있다.
본 개시내용의 주제를 상세하게 그리고 이의 특정 구현예를 참조하여 설명하였지만, 특정 요소가 본 설명에 수반하는 각각의 도면에 도시되어 있는 경우에서 조차, 이들 세부 사항이 본 명세서에 설명된 다양한 구현예의 필수 구성 요소인 요소에 관한 것임을 본 명세서에 개시된 다양한 세부 사항이 의미하는 것으로 받아들여서는 안되는 것이 주목된다. 또한, 비제한적으로, 첨부된 청구 범위에 정의된 구현예를 포함하여, 수정 및 변형이 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않고도 가능하다는 것이 명백할 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시내용의 일부 양태가 본 명세서에서 바람직한 것으로서 또는 특히 유리한 것으로서 인식되어도, 본 개시내용이 반드시 이들 양태에 한정되지 않는 것이 고려된다.
이하의 청구항들 중 하나 이상이 연결구로서 용어 "여기서"를 사용한다는 것이 주목된다. 본 개시내용에서 논의되는 특징을 정의할 목적으로, 이 용어가 구조의 일련의 특성의 설명을 도입하는데 사용되는 개방형 연결구로서 청구 범위에 도입되며 보다 일반적으로 사용되는 개방형 전제 용어 "포함하는"과 같은 방식으로 해석되어야 함이 주목된다.
"바람직하게는", "일반적으로" 및 "전형적으로" 같은 용어가 청구항의 범위를 한정하기 위해 또는, 특정 특징이 본 명세서에 개시된 구조 또는 기능에 중대하거나, 필수적이거나, 또는 심지어 중요하다는 것을 암시하기 위해 사용되지 않는다는 것이 주목된다. 그보다, 이들 용어들은 개시된 주제의 특정 구현예에서 이용될 수 있거나 이용되지 않을 수 있는 대안적 또는 추가의 특징을 단지 강조하기 위한 것이다. 마찬가지로, 용어들 "실질적으로" 및 "대략적으로" 그리고 이들의 이형이 임의의 정량적 비교, 값, 측정 또는 다른 표현에 기인될 수 있는 내재되는 불확실성의 정도를 나타내기 위해 본 명세서에서 이용된다는 것이 주목된다. 이와 같이, 이들 용어들의 사용은 쟁점이 되는 주제의 기본적 기능을 변화시키지 않으면서 정량적 표현이 언급된 기준과 다를 수 있는 정도를 나타낸다.
청구된 주제의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 명세서에 설명된 구현예들에 대해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음이 당업자에게 분명할 것이다. 따라서, 본 명세서가 본원에 설명된 다양한 구현예의 수정 및 변형을 커버하고, 다만 그러한 수정 및 변형이 첨부된 청구항들 및 그 등가물들의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims (23)

  1. 배기 가스 배출 감소를 위한 질소 농축 공기 공급 장치를 가진 가솔린 압축 점화 (GCI) 엔진에 있어서,
    상기 GCI 엔진은,
    복수의 연소 챔버;
    각각의 상기 연소 챔버와 선택적으로 유체 연통하는 공기 유입구;
    각각의 상기 연소 챔버와 선택적으로 유체 연통하는 배기 가스 유출구; 및
    유입 공기 관리 시스템을 포함하되,
    상기 유입 공기 관리 시스템은,
    막 기반 분리기로서, 상기 공기 유입구와 유체 연통하여 상기 분리기로 도입되는 공기가 적어도 산소 농축 공기 스트림 및 질소 농축 공기 스트림으로 분리되도록 그 위에서 작동되는, 상기 막 기반 분리기;
    공기와 가솔린계 연료의 혼합물이 상기 연소 챔버 내에서 점화될 때 형성하는 질소 농축 연소 생성물 스트림을 전달하기 위해 상기 배기 가스 유출구와 유체 연통하는 배기 가스 재순환 유로;
    상기 배기 가스 재순환 유로로부터의 상기 질소 농축 연소 생성물 스트림, 상기 분리기로부터의 상기 질소 농축 공기 스트림, 또는 둘 모두가 상기 공기 유입구와 선택적으로 유체 연통되게 배치되도록, 상기 분리기와 상기 배기 가스 재순환 유로와 협동하는 유동 제어 도관;
    엔진 작동 파라미터를 획득하도록 구성된 복수의 센서; 및
    상기 분리기, 배기 가스 재순환 유로, 유동 제어 도관, 센서 및 제어기가 협력하여 (a) 상기 GCI 엔진에서의 콜드 스타트 및 예열 부하 동안 상기 분리기로부터의 상기 산소 농축 공기 스트림 및 (b) 상기 분리기로부터의 상기 질소 농축 공기 스트림 및 상기 배기 가스 재순환 유로로부터의 상기 질소 농축 연소 생성물 스트림을 상기 공기 유입구로 전달하도록 상기 센서와 신호 연통하는 연소 공기 농축 제어기로서, 상기 엔진 콜드 스타트 및 예열 부하와 관련되지 않은 엔진 부하가 증가하는 동안, 상기 제어기는 상기 배기 가스 배출 감소에 사용되는 상기 질소 농축 공기 공급이 상기 분리기로부터의 상기 질소 농축 공기 스트림 그리고 점차적으로 상기 배기 가스 재순환 유로로부터의 상기 질소 농축 연소 생성물 스트림에 의해 적어도 부분적으로 제공되는 명령 세트를 제공하는, 연소 공기 농축 제어기를 포함하는, 가솔린 압축 점화 (GCI) 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유입 공기 관리 시스템이 상기 배기 가스 배출 감소에 사용되는 상기 질소 농축 공기 공급이 상기 배기 가스 재순환 유로로부터의 상기 질소 농축 연소 생성물 스트림에 의해 독점적으로 제공되지 않도록 구성되는, GCI 엔진.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 콜드 스타트 및 예열 부하와 관련되지 않은 엔진 부하의 상기 증가가 약 2 바 미만의 엔진 평균 유효 압력에 해당하는 경우, 상기 배기 가스 배출 감소에 사용되는 상기 질소 농축 공기 공급이 상기 분리기에 의해 실질적으로 독점적으로 제공되는, GCI 엔진.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 콜드 스타트 및 예열 부하와 관련되지 않은 엔진 부하의 상기 증가가 약 2 바 내지 약 7 바의 엔진 평균 유효 압력에 해당하는 경우, 상기 배기 가스 배출 감소에 사용되는 상기 질소 농축 공기 공급이 상기 분리기에 의해 주로 제공되는, GCI 엔진.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 콜드 스타트 및 예열 부하와 관련되지 않은 엔진 부하의 상기 증가가 약 7 바 초과의 엔진 평균 유효 압력에 해당하는 경우, 상기 배기 가스 배출 감소에 사용되는 상기 질소 농축 공기 공급이 상기 분리기 및 배기 가스 재순환 유로에 의해 주로 제공되는, GCI 엔진.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 연소 챔버로 도입되는 가솔린계 연료와 공기의 혼합물을 선택적으로 점화하기 위한 헤드 내에 배치된 스파크 점화기를 더 포함하며, 상기 스파크 점화기는 상기 엔진 상에서의 상기 콜드 스타트 또는 상기 예열 부하 동안만 선택적으로 점화되도록 구성된, GCI 엔진.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제어기가 상기 엔진에서의 상기 콜드 스타트 또는 상기 예열 부하 동안 질소 농축 공기 유동이 상기 공기 유입구로 전달되지 않도록 구성되는, GCI 엔진.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 유동 제어 도관이 내부에 배치된 적어도 하나의 밸브를 포함하되, 상기 적어도 하나의 밸브는 상기 제어기로부터의 제어 신호에 의해 작동되도록 구성된, GCI 엔진.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 분리기가 라인 교체가능 유닛으로서 상기 유입 공기 관리 시스템 내에 배치되는, GCI 엔진.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 라인 교체가능 유닛이 상기 분리기 및 공기 필터를 포함하는 모듈식 어셈블리를 형성하는, GCI 엔진.
  11. 제 1 항에 있어서,
    복수의 실린더를 정의하는 엔진 블록;
    상기 블록 내에서 회전가능하게 이동가능한 크랭크 샤프트;
    상기 크랭크 샤프트의 이동에 응답하는 복수의 캠들;
    복수의 연소 챔버를 정의하기 위해 상기 엔진 블록에 결합된 헤드로서, 각각의 상기 밸브가 상기 캠들 중 상응하는 하나를 통해 상기 크랭크 샤프트에 이동가능하게 반응하도록 적어도 하나의 유입구 밸브 및 내부에 배치된 적어도 하나의 배기 밸브를 포함하는, 상기 헤드;
    연료 분사기를 통해 각각의 상기 연소 챔버와 선택적으로 유체 연통하는 연료 유입구; 및
    상기 상응하는 연소 챔버로 도입되는 가솔린계 연료 및 공기의 혼합물의 압축 점화시, 상기 피스톤의 생성된 왕복 운동이 상기 크랭크 샤프트에 회전 운동을 부여하도록 각각의 개별 실린더에 수용된 그리고 크랭크 샤프트에 결합된 피스톤을 추가로 포함하는, GCI 엔진.
  12. 차량으로서,
    플랫폼; 및
    상기 플랫폼에 결합되어 거기에 동력을 전달하는 가솔린 압축 점화 (GCI) 엔진을 포함하되,
    상기 플랫폼은,
    내부에 승객석을 정의하는 휠형 섀시; 및
    상기 휠형 섀시와 협력하는 안내 장치를 포함하며,
    상기 GCI 엔진은,
    복수의 연소 챔버;
    각각의 상기 연소 챔버와 선택적으로 유체 연통하는 공기 유입구;
    각각의 상기 연소 챔버와 선택적으로 유체 연통하는 배기 가스 유출구; 및
    유입 공기 관리 시스템을 포함하고,
    상기 유입 공기 관리 시스템은,
    막 기반 분리기로서, 상기 공기 유입구와 유체 연통하여 상기 분리기로 도입되는 공기가 적어도 산소 농축 공기 스트림 및 질소 농축 공기 스트림으로 분리되도록 그 위에서 작동되는, 상기 막 기반 분리기;
    공기와 가솔린계 연료의 혼합물이 상기 연소 챔버 내에서 점화될 때 형성하는 질소 농축 연소 생성물 스트림을 전달하기 위해 상기 배기 가스 유출구와 유체 연통하는 배기 가스 재순환 유로;
    상기 배기 가스 재순환 유로로부터의 상기 질소 농축 연소 생성물 스트림, 상기 분리기로부터의 상기 질소 농축 공기 스트림, 또는 둘 모두가 상기 공기 유입구와 선택적으로 유체 연통되도록, 상기 분리기와 상기 배기 가스 재순환 유로와 협동하는 유동 제어 도관;
    엔진 작동 파라미터를 획득하도록 구성된 복수의 센서; 및
    상기 분리기, 배기 가스 재순환 유로, 유동 제어 도관, 센서 및 제어기가 협력하여 (a) GCI 엔진에서의 콜드 스타트 및 예열 부하 동안 상기 분리기로부터의 상기 산소 농축 공기 스트림 및 (b) 상기 분리기로부터의 상기 질소 농축 공기 스트림 및 상기 배기 가스 재순환 유로로부터의 상기 질소 농축 연소 생성물 스트림을 상기 공기 유입구로 전달하도록 상기 센서와 신호 연통하는 연소 공기 농축 제어기로서, 상기 엔진 콜드 스타트 및 예열 부하와 관련되지 않은 엔진 부하의 증가 동안, 상기 제어기는 상기 배기 가스 배출 감소의 다양한 부분이 상기 배기 가스 재순환 유로로부터의 상기 질소 농축 연소 생성물 스트림 그리고 상기 분리기로부터의 상기 질소 농축 공기 스트림에 의해 제공되는 명령 세트를 제공하는, 연소 공기 농축 제어기를 포함하는, 차량.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 산소 농축 공기 스트림의 적어도 일부분을 전달하기 위해 상기 유동 제어 도관의 일부가 승객석과 선택적으로 유체 연통되어 승객석으로 전달되는, 차량.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 산소 농축 공기 스트림이 상기 엔진 콜드 스타트 및 예열 부하와 관련되지 않은 모든 엔진 부하 동안 승객석으로 전달되는, 차량.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 배기 가스 배출 감소의 다양한 부분이,
    제 1 엔진 평균 유효 압력 범위에서, 상기 배기 가스 배출 감소에 사용되는 상기 질소 농축 공기 공급이 상기 분리기에 의해 실질적으로 독점적으로 제공되고;
    제 2 엔진 평균 유효 압력 범위에서, 상기 배기 가스 배출 감소에 사용되는 상기 질소 농축 공기 공급이 분리기에 의해 주로 제공되고;
    제 3 엔진 평균 유효 압력 범위에서, 상기 배기 가스 배출 감소에 사용되는 상기 질소 농축 공기 공급이 상기 분리기 및 배기 가스 재순환 유로 모두에 의해 제공되도록,
    엔진 평균 유효 압력에 기초하여 제어기에 의해 결정되는, 차량.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 유입 공기 관리 시스템은 상기 산소 농축 공기 스트림이 상기 엔진 상에서의 상기 콜드 스타트 또는 예열 부하 동안만 상기 공기 유입구로 전달되도록 추가로 구성되는, 차량.
  17. GCI 엔진을 작동시키는 방법으로서,
    가솔린계 연료를 상기 GCI 엔진 내의 복수의 연소 챔버에 도입하는 단계; 및
    막 기반 분리기; 배기 가스 재순환 유로; 상기 분리기 및 상기 배기 가스 재순환 유로와 협력하는 유동 제어 도관; 엔진 작동 파라미터를 획득하도록 구성된 복수의 센서; 및 상기 센서 및 상기 유동 제어 도관과 신호 연통하는 연소 공기 농축 제어기를 포함하는, 유입 공기 관리 시스템을 제공하는 단계;
    상기 유입 공기 관리 시스템을 사용하여 공기를 막 기반 분리기에 도입하는 단계;
    상기 도입된 공기를 적어도 산소 농축 공기 스트림 및 질소 농축 공기 스트림으로 분리하는 단계;
    상기 분리기로부터의 상기 질소 농축 공기 스트림 그리고 상기 배기 가스 재순환 유로로부터의 질소 농축 연소 생성물 스트림의 적어도 일부를 복수의 연소 챔버로 전달함으로써 상기 GCI 엔진 내에서 연소율을 조정하는 단계로서, 콜드 스타트 또는 예열 부하와 관련되지 않은 엔진 부하에서 증가 동안, 상기 제어기가 상기 배기 가스 배출 감소에 사용되는 상기 질소 농축 공기 공급이 상기 분리기로부터의 상기 질소 농축 공기 스트림 그리고 점차적으로 상기 배기 가스 재순환 유로로부터의 상기 질소 농축 연소 생성물 스트림에 의해 적어도 부분적으로 제공되는 명령 세트를 제공하는, 단계를 포함하는, GCI 엔진을 작동시키는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 콜드 스타트 또는 예열 부하와 관련되는 엔진 부하에서 증가 동안, 상기 제어기가 상기 분리기로부터의 상기 산소 농축 공기 스트림이 복수의 연소 챔버에 제공되는 명령 세트를 제공하는, 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 콜드 스타트 또는 예열 부하와 관련되는 엔진 부하에서 증가 동안, 상기 제어기가 질소 농축 공기 스트림이 복수의 연소 챔버에 제공되지 않는 명령 세트를 제공하는, 방법.
  20. 제 17 항에 있어서, 상기 산소 농축 공기 스트림이 상기 분리기에 의해 공급되어 GCI 엔진 콜드 스타트 및 GCI 엔진 예열 중 적어도 하나 동안 상기 연소 챔버 내에서 화염 전파 연소율을 증가시키는, 방법.
  21. 제 17 항에 있어서, 배기 가스의 상기 배출 감소가 NOx 배출 감소를 포함하는, 방법.
  22. 제 17 항에 있어서, 상기 GCI 엔진 내에서 연소율을 조절하는 단계가 상기 연소 챔버 내로의 공기 흡기 차지(charge)를 희석하는 단계를 포함하는, 방법.
  23. 제 17 항에 있어서, 상기 GCI 엔진 내에서 연소율을 조정하는 단계가 상기 GCI 엔진의 상기 과도 제어 응답을 가속화시키는 단계를 포함하는, 방법.
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