KR20210127987A - 수퍼 녹킹 완화 제어를 가지는 내연 기관 및 이를 위한 방법 - Google Patents

수퍼 녹킹 완화 제어를 가지는 내연 기관 및 이를 위한 방법 Download PDF

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발리나야감 라만
모하메드 잣심 무바락 알리
홍 지. 임
카이 제이. 모간티
가우탐 티. 칼가트기
로버트 더블유. 디블
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Abstract

하나 이상의 실시예에 따르면, 내연 기관을 동작시키는 방법은, 연소실에 연료를 분사하여 공기 연료 혼합 가스을 형성하는 것을 포함하여, 여기서 연소실은 실린더 헤드, 실린더 측벽들, 및 실린더 측벽들 내에서 왕복하는 피스톤을 포함한다. 본 방법은, 또한 피스톤의 검출되는 흡기 또는 압축 행정 중에 공기 연료 혼합 가스의 조기 점화를 검출하는 것, 수퍼 녹킹 조건이 발생할 수 있다고 판정하는 것, 및 검출되는 압축 행정 내에서 수퍼 녹킹 대응책을 전개함으로써 수퍼 녹킹 조건의 형성을 완화시키는 것을 포함한다.

Description

수퍼 녹킹 완화 제어를 가지는 내연 기관 및 이를 위한 방법
본 출원은 2019년 2월 20일에 출원된 미국 출원 번호 제16/280,518호의 우선권을 주장하며, 그 전체 개시 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다.
본 개시는 내연 기관에 관한 것이며, 특히 수퍼 녹킹 완화 제어를 가지는 내연 기관에 관한 것이다.
강제 유도 내연 기관은, 흡기 행정 중에 흡기 메니폴드를 가압하여 연소실에 들어가는 공기 질량을 증가시키는 수퍼차져 또는 터보차져를 포함한다. 수퍼 녹킹이란, 연소실 내의 공기 연료 혼합 가스가 조기 점화되어, 엔진 구성품에 손상을 줄 수 있는 높은 실린더 압력을 가져오는 현상을 말하며, 어떠한 운용 환경에서 이러한 엔진들은 수퍼 녹킹에 취약하다.
따라서, 수퍼 녹킹 완화 제어를 포함하는 내연 기관이 요망될 수 있다. 본 명세서에 개시된 바와 같이, 내연 기관은 수퍼 노킹의 조건이 발생하고 있는 때를 검출하여 수퍼 녹킹 대응책을 전개시켜 검출되는 흡기 또는 압축 행정에서 수퍼 녹킹 조건의 형성을 줄이거나 제거하는 수퍼 녹킹 완화 제어를 포함할 수 있다. 내연 기관의 엔진 제어 모듈은 수퍼 녹킹을 가져오는 조건들, 예컨대, 공기 연료 혼합 가스의 조기 점화, 연소실 내의 가속된 압력 상승, 스파크 플러그의 방전 전의 엔진 크랭크 샤프트의 회전속도의 이례적 감소, 등의 존재를 감지할 수 있다. 이러한 조건들의 조기 검출을 통해, 압축 행정 내에 대응책들이 전개되어, 검출된 압축 행정 중에 수퍼 녹킹 조건들의 형성을 완화 또는 제거할 수 있다.
이러한 수퍼 녹킹 대응책의 예로서, 연소실로의 추가 연료의 분사, 스파크 플러그 방전의 진전시켜 공기 연료 혼합 가스의 연소를 조기화하기, 미연소 또는 부분 연소된 공기 연료 혼합 가스을 배기 밸브를 통해 조기 배기시키기, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 이러한 대응책들을 전개함으로써, 엔진 구성품의 손상과 관련되는 높은 압력을 포함하는 수퍼 녹킹 조건들이 회피되거나 최소화될 수 있으며, 이에 의해 엔진 구성품들을 보호할 수 있다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 내연 기관을 작동하는 방법은, 연소실 내에 연료를 분사하여 공기 연료 혼합 가스을 형성하는 것을 포함하며, 연소실은 실린더 헤드, 실린더 측벽들, 및 실린더 측벽들 내에서 왕복하는 피스톤을 구비한다. 본 방법은 피스톤의 흡기 또는 압축 행정 중에 공기 연료 혼합 가스의 조기 점화를 검출하는 것, 수퍼 녹킹 조건이 일어날 수 있는 환경에서 내연 기관이 동작중인 것을 판정하는 것, 및 검출된 압축 행정 내에서 수퍼 녹킹 대응책을 전개시켜 수퍼 녹킹 조건의 생성을 완화시키는 것을 더 포함한다.
하나 이상의 추가적 실시예에 따르면, 내연 기관은 실린더 헤드 및 실린더 측벽들을 구비하는 엔진 실린더, 엔진 실린더 내에서 왕복하는 피스톤, 및 연소실 내의 조건들을 샘플링하도록 위치하는 이온 센서를 포함하며, 여기서 피스톤, 실린더 헤드, 및 실린더 측벽들은 적어도 부분적으로 연소실을 정의한다. 내연 기관은 이온 센서와 전기 통신하는 엔진 제어 모듈을 더 포함하며, 여기서 엔진 제어 모듈은 프로세서 및 컴퓨터 판독가능 명령 셋트를 저장하는 메모리를 포함한다. 프로세서에 의한 실행시, 엔진 제어 모듈은 검출된 압축 행정에서 어떠한 크랭크 각도에서 이온 센서가 연소실 내의 이온 전류를 감지하는지 평가하고, 스파크 플러그의 방전 전에 이온 전류가 검출될 시 검출되는 압축 행정 내에서 수퍼 녹킹 대응책을 전개한다.
본 명세서에 개시되는 기술의 추가의 특징 및 장점들은 이하의 상세한 설명부에 명시될 것이며, 부분적으로는 설명부로부터 당업자에게 용이하게 이해되거나, 이하의 상세한 설명, 청구항, 및 첨부 도면들을 포함하여, 본 명세서에 설명되는 바와 같이 본 기술을 실시함으로써 인식될 것이다.
이하의 본 명세서의 구체적인 실시예들의 상세한 설명은 이하의 도면들과 연계하여 판독될 때 최선으로 이해될 수 있으며, 여기서 동일한 참조 부호는 동일한 구조를 지칭한다:
도 1은 하나 이상의 실시예에 따른 내연 기관의 엔진 실린더의 일부의 단면도를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 하나 이상의 실시예에 따른 내연 기관의 실린더의 일부의 부분 단면도를 개략적으로 나타낸다.
도 3은 하나 이상의 실시예에 따른 교류(AC) 또는 직류 (DC) 이온 전류의 검출을 위한 교류 AC 대역통과필터 회로를 개략적으로 나타낸다.
도 4는 하나 이상의 실시예에 따른 내연 기관의 실린더의 일부의 부분 단면도를 개략적으로 나타낸다.
이하, 다양한 실시예들에 대하여 매우 상세하게 참조가 이루어지며, 그 중 일부는 첨부 도면에 도시되어 있다. 가능한 한, 도면 전체를 통해 동일한 참조 부호를 사용하여 동일 또는 유사한 부분을 지칭한다.
본 명세서에서는 수퍼 녹킹 완화 제어를 가지는 내연 기관 및 이의 동작 방법의 하나 이상의 실시예에 대하여 설명한다. 내연 기관은 피스톤의 흡기 행정 또는 압축 행정 중에 공기 연료 혼합 가스의 조기 점화를 검출하는 것이 가능할 수 있다. 엔진은 또한, 수퍼 녹킹 조건이 일어날 가능성을 결정하는 엔진 제어 모듈들을 포함할 수 있으며, 수퍼 녹킹 조건의 발생의 높은 가능성을 가지는 환경에서 공기 연료 혼합 가스의 조기 점화의 검출시 엔진 제어 모듈은 수퍼 녹킹 조건의 형성을 중단시키기 위하여 검출되는 흡기 또는 압축 행정에서 수퍼 녹킹 대응책을 전개할 수 있다.
여기서 설명하는 바와 같이, 스파크 점화 내연 기관의 수퍼 녹킹 조건은, 조기 점화에 의해 연소가 시작되는 연소실 내의 공기 연료 혼합 가스의 불규칙적인 연소의 발생을 말한다. "조기 점화"는 스파크 타이밍 이전에 스파크가 아니라 "핫 스팟"에 의해 유발되는 공기 연료 혼합 가스의 연소를 나타낸다. 그러나, 연소실 내의 조기 점화 타이밍 및 조기 점화 위치에 따라서, 조기 점화가 비-노킹(non-knocking) 연소를 포함하는, 후속하는 다른 연소 현상을 유발할 수 있다. 수퍼 녹킹은 저속 및 고부하 엔진 동작 환경 하에서 종종 발생한다. 수퍼 녹킹 조건은 엔진의 사이클 대 사이클 특성을 평가하는 때에 산발적으로 발생하는 것으로 보이며, 따라서 수퍼 녹킹 조건이 일어나는지의 정확한 예측은 엔진 동작 환경 자체에만 직접적으로 관계하지 않을 수도 있다. 이러한 엔진 동작 환경이 존재하는 것으로 판단하는 것은 수퍼 녹킹 조건의 가능성을 판정하는데 도움이 될 수 있다.
수퍼 녹킹은, 스파크 플러그에 의해 개시되는 화염 전파가 연소실 내의 엔드 가스(End Gas)를 소비하기에 앞서 발생하는 공기 연료 혼합 가스의 엔드 가스의 자동 점화에 기인하는 종래의 엔진 노킹과는 구별된다.
도 1을 참조하면, 내연 기관(100)의 일부의 개략적인 도시를 나타낸다. 도 1은 내연 기관(100)의 싱글 엔진 실린더(110)를 나타낸다. 그러나, 당업자라면 이해할 수 있듯이, 내연 기관(100)은 도 1에 도시된 크랭크 샤프트(180)와 같은 하나 이상의 크랭크 샤프트의 길이를 따라서 다양한 구성으로 배열될 수 있는, 엔진 실린더(110)와 같은 다수의 엔진 실린더를 구비할 수 있다.
내연 기관(100)은 적어도 엔진 실린더(110), 흡기구(171), 배기구(173), 및 피스톤(120)을 구비할 수 있다. 흡기구(171)는 흡기 매니폴드(140)로 엔진 실린더(110)에 연결하는 흡기구(171)를 선택적으로 개방 및 폐쇄시키도록 위치되는 흡기 밸브(172)에 의해 조절된다. 마찬가지로, 배기구(173)는 배기 매니폴드(150)에 엔진 실린더(110)를 연결하는 배기구(173)를 선택적으로 개방 및 폐쇄시키도록 위치되는 배기 밸브(174)에 의해 조절된다.
상부와 측면은 엔진실린더(110)에 의해, 그리고 저부는 피스톤(120)에 의해 정의되는 부피를 연소실(122)이라고 한다. 흡기구(171) 및 배기구(173)는 엔진 사이클에 걸쳐 수 회에 걸쳐 공기, 공기 연료 혼합 가스, 및/또는 연소 산물이 연소실(122)에 출입가능하도록 한다. 스파크 플러그(118)는 적기의 전기적 폭발에서의 연소 개시를 제공하도록 연소실(122)에 위치되는 전극을 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 스파크 플러그(118)는 연소실(122)의 중앙에 혹은 그 근처에 위치될 수 있다 (예컨대, 실린더 모양의 엔진 실린더(110)의 벽체들에 대한 사선 중심에 또는 그 근처에).
몇몇 실시예에 있어서, 흡기구(172) 및/또는 배기구(174)는, 흡기구(172) 및/또는 배기구(174)를 선택적으로 개방 및 폐쇄시켜, 각각의 흡기구(171) 및 배기구(173)의 선택적인 개방 및 폐쇄를 엔진 동작과 적시에 유지시키도록 기능할 수 있는 하나 이상의 캠 또는 캠샤프트에 연결된다 (도 1에서는 생략). 피스톤(120)은 커넥팅 로드(182)에 의해 캠 샤프트(180)에 접속될 수 있다. 엔진 실린더(110)는 실린더 헤드(114)와 실린더 측벽들(112)을 구비할 수 있다. 흡기구(171) 및 배기구(173)는 실린더 헤드(114) 상에 위치될 수 있다. 또한, 연료 분사기(116) 및 스파크 플러그(118)는 실린더 헤드(114)에 위치되어, 연료 분사기(116)와 스파크 플러그(118)가 연소실(122) 내에 존재하는 공기 및/또는 공기 연료 혼합 가스에 작용할 수 있도록 연소실(122)을 향하여 연장된다. 스파크 플러그(118)는 스파크 플러그(118)를 통해 전기적으로 방전하는 점화 시스템(119)에 전자적으로 접속될 수 있다.
도 1은 직접 분사 구성을 나타내지만 (즉, 연료가 연료 분사기(116)에 의해 직접 연소실(122)에 들어간다), 다른 실시예들에 있어서는 연료가 흡기구(171)에 분사되고, 이어서 연소실(122)에 전달되는 포트 분사 방식(간접 분사라고도 함)이 적합할 수도 있다는 것을 이해하기 바란다. 이와 같이, 연소실(122)에의 연료의 "분사" (즉, "전달")는 직접 분사, 포트 분사(간접 분사), 또는 양측 모두를 포함할 수 있다.
내연 기관(100)은 압축 및 팽창 행정 중 연소실(122) 내에 존재하는 공기 연료 혼합 가스의 반복 분사에 의해 동작할 수 있다. 공기 연료 혼합 가스의 연소는 연소실(122)을 더 가압하여, 피스톤(120)이 실린더 헤드(114)로부터 멀리 병진하도록 한다. 피스톤(120)의 병진은 크랭크 샤프트(180)를 회전시킨다. 피스톤(120)이 실린더 헤드(114)로부터 멀리 병진함에 따라, 공기 연료 혼합 가스의 연소로 인한 연소실(122) 내의 고압은 크랭크 샤프트(180)의 회전으로 전환된다. 크랭크 샤프트(180)는 상사점 위치(실러더 헤드(114)에 대한 피스톤(120)의 최근접 위치에 해당함)를 지나 하사점 위치(실린더 헤드(114)에 대한 피스톤(120)의 최원 위치에 해당함)로 회전할 수 있다. 하나 이상의 실시예에 있어서, 내연 기관(100)은 기타의 엔진 구성이 상정 가능하지만, 4 행정 엔진으로서 동작할 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 흡기, 압축, 폭발, 배기 행정이 규칙적이고 순차적인 방식으로 순환한다. 흡기 행정에서, 피스톤은 하방으로 움직여, 공기 및/또는 연료가 흡기구(171)를 통해 연소실(122)로 들어갈 수 있다. 압축 행정에서, 피스톤(120)이 실린더 헤드(114)를 향하여 움직임에 따라 공기 및/또는 연료가 압축된다. 연료는 또한 흡기 행정 중에 또는 압축 행정 초기에 연소실(122)에 분사된다. 폭발 행정에서는, 피스톤이 연소된 공기 연료 혼합 가스에 의해 실린더 헤드(114)로부터 멀어지도록 되어, 상사점(TDC)에서 또는 그 근처에서 공기 연료 혼합 가스의 연소에 의해 상승된 온도 및 압력을 가지게 된다. 배기 행정에서, 피스톤(120)이 실린더 헤드(114)를 향해 움직여, 배기 가스(연소 반응의 산물)가 개방된 배기구(173)를 통해 연소실(122) 외부로 향하도록 한다.
내연 기관(100)은 또한 흡기 매니폴드(140)에 근접하여 위치되는 컴프레서(90)를 포함한다. 컴프레서(90)는 흡기 매니폴드(140) 내 공기의 압력을 증가시켜, 흡기 행정 중에 더욱 더 많은 질량의 공기가 연소실(122)에 향하도록 할 수 있다. 컴프레서(90)는 배기 매니폴드(150) 내에 위치하는 터빈(도시 생략)에 접속될 수 있다. 터빈은 연소 산물로부터 에너지를 추출하고, 그 에너지를 사용하여 흡기 매니폴드(140)에 향하는 공기를 가압시킨다. 이러한 컴프레서(90) 및 터빈 시스템을 "터보차져(turbocharger)"라고 한다. 기타의 실시예에 있어서, 컴프레서(90)는 내연 기관(100)의 회전하는 하드웨어, 예컨대, 크랭크 샤프트(180)에 접속될 수 있다. 이러한 회전 결합된 컴프레서(90)를 "수퍼차져(supercharger)"라고 한다.
내연 기관(100)은 또한 엔진 제어 모듈(80)을 포함한다. 엔진 제어 모듈(80)은 프로세서(82) 및 컴퓨터 판독가능 명령 셋트와 룩업 테이블을 저장하는 메모리(84)를 포함할 수 있다. 엔진 제어 모듈(80)은, 연료 분사기(116), 스파크 플러그(118)와 전자적으로 통신하는 점화 시스템(119), 스로틀 위치 센서(도시 생략), 흡기 매니폴드 압력 및 온도 센서(도시 생략), 및 그 전체 회전 범위에서 크랭크 샤프트(180)의 각도 방향을 검출하는 크랭크 각도 센서(181) 등의 다양한 엔진 센서들을 포함하는, 내연 기관(100)의 다양한 구성품들과 전자적으로 통신한다. 엔진 제어 모듈(80)은 다양한 엔진 센서들을 평가하여 운전자로부터 엔진 및 동력 요구의 동작 조건을 판정할 수 있다. 엔진 제어 모듈(80)은 연료 분사기(116)를 제어함으로써 연소실(122)에 전달되는 연료의 타이밍과 양을 변경할 수도 있으며, 스파크 플러그(118)의 방전 타이밍을 변경할 수도 있다. 엔진 제어 모듈(80)은 연료 스케쥴 및 스파크 타이밍 스케쥴로 프로그램될 수 있으며, 이는 내연 기관(100)이 동력 전달, 연료 소모, 및 배출 목표를 만족시키는 및 소정의 특성에 따라 동작되도록 한다.
몇몇 실시예에 있어서, 내연 기관(100)은 연소실(122) 내의 이온의 존재를 감지하도록 위치되는 이온 센서(190)를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 이온 센서(190)는 스파크 플러그(118)에 병합되어 있다. 이론에 구애되지 않으면, 공기 연료 혼합 가스의 연소는 연소실(122) 내에서 이온을 방출한다. 이러한 이온은 연소실(122) 내의 이온 클라우드를 생성할 수 있다. 이온 클라우드는 일반적으로 이온 농도가 증가되어, 연소실(122)을 충진하거나 부분적으로 채울 수 있는 영역을 말한다. 이온 센서(190)는 전극간에 인가된 전압을 통해 이온 전류를 유도함으로써 이온 클라우드를 검출할 수 있다. 이온 전류가 스파크 플러그(118)의 방전에 앞선 압축 사이클에서 검출되면, 공기 연료 혼합 가스의 조기 점화에 의해 연소실(122) 내에서 검출된 이온 전류가 야기되었다고 가정할 수 있다. 따라서, 연소실(122) 내의 조기 점화의 조기 검출은, 대응책이 전개될 수 있도록 하여, 후속하는 수퍼 녹킹 조건의 형성을 완화시킬 수 있다.
이온 센서(190)는 엔진 제어 모듈(80)과 전자적으로 통신한다. 도 1에 도시된 실시예에 있어서, 이온 센서(190)는 스파크 플러그(118)에 병합되어, 스파크 플러그(118)가 연소실(122) 내의 이온 전류의 존재를 검출하도록 사용될 수 있다. 도 2를 참조하면, 몇몇 실시예에 있어서, 이온 센서(190)는 스파크 플러그(118)와는 독립적이며 연소실(122) 내에서 샘플링하도록 위치되는 스탠드얼론 센서일 수 있다.
연소실(122) 내의 공기 연료 혼합 가스의 연소에 의해 발생되는 이온은, 소정의 주파수 대역, 예컨대, 약 8 kHz 내지 약 13 kHz에서 파동할 수 있는 이온 센서(190)에 의해 검출될 수 있다. 주파수 대역 내의 이온 전류의 변동을 검출하는 것은 공기 연료 혼합 가스의 조기 점화 이벤트에 해당할 수 있다. 이온 전류가 파동하는 경향이 있는 주파수 대역은 엔진 하드웨어 및/또는 엔진 부하 조건에 기초하여 변할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 주파수 대역은 수퍼 노킹 조건 형성의 가능성이 증대되는 공지의 조건에 기초하여 설정할 수 있다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 이온 센서(190)는 직류 센서일 수 있다. 하나 이상의 대체 실시예에 있어서, 이온 센서(190)는 교류 센서일 수 있다. 교류 센서가 활용되는 실시예에 있어서, 대역통과필터 회로 또는 위상고정루프 검출회로가 포함될 수 있다. 예를 들어, 이하 도 3을 참조하면, 이온 센서(190)가 대역통과필터 회로(192)에 접속될 수 있다. 대역통과필터 회로(192)는 도시된 바와 같이 신호 발생기(194), 아날로그 대역통과필터(196), 집적 반파 또는 전파 정류기(197), 및 펄스 지연 발생기 트리거 등의 문턱치 검출기(199)를 포함한다. 집적 반파 또는 전파 정류기(197)는 집적 커패시터 및 저항기 조합을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 신호 발생기는 피크-투-피크 측정시 20 내지 110 볼트의 전압에서 10 kHz에서 동작할 수 있다. 아날로그 대역통과필터(196)는 10 kHz에서 동작할 수 있다. 대역통과필터 회로(192)는 0.5 메가 오옴의 제1 저항기(195) 및 1.0 메가 오옴의 제2 저항기(198)을 포함할 수 있다. 대역통과필터 회로(192)는 이온 센서(190)에 측정되는 이온 전류 신호가 있는 때를 검출한다. 대역통과필터 회로(192)는 또한 입력 신호로부터 잡음을 필터링하여 이온 전류의 검출의 거짓양성의 가능성을 줄일 수 있다. 대역통과필터 회로(192)는 또한 검출된 주파수에서 이온 전류의 검출을 가능토록 하여, 공기 연료 혼합 가스 내의 조기점화 스폿의 전개 후에 재빨리 출현하는 이온 전류의 검출을 가능토록 한다. 추가 실시예에 있어서, 위상고정루프 제어의 원리로 동작하는 위상고정루프 검출회로가 활용될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 동작에 있어서, 이온 센서(190)는 연소실(122) 내의 이온의 초도 발생에 해당하는 이온 전류 신호의 존재 또는 출현을 재빨리 검출할 수 있다. 이온 센서(190)는 이러한 이온 생성을 재빨리 검출하기 때문에, 엔진 제어 모듈(80)은 이온이 검출되는 검출된 압축 행정 내에서 대응책을 전개할 수 있다. 이러한 대응책을 재빨리 (예컨대, 동일한 엔진 행정 내에서) 전개할 수 있게 함으로써, 엔진 제어 모듈(80)은 검출되는 압축 행정 중에 연소실(122) 내 수퍼 녹킹 조건의 형성을 완화시킬 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 수퍼 녹킹 대응책은 피스톤이 압축 행정에서 상사점에 도달하기 훨씬 전에 전개된다. 이러한 재빠른 전개는 수퍼 녹킹을 일으킬 수 있는 조건의 실시간 수정을 가능하게 한다.
연소실(122) 내의 이온의 존재는 연소실(122) 내의 연소의 시작을 의미할 수 있다. 연소실(122) 내 이온 전류의 존재는 이온의 존재를 의미한다. 따라서, 스파크 플러그(118)의 방전 전의 이온의 존재는 공기 연료 혼합 가스의 조기 점화를 의미할 수 있다. 따라서, 연소실(122) 내 이온 전류의 조기 검출은 연소실(122) 내에 존재하고 있는 수퍼 녹킹 조건의 가능성을 판정하기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 내연 기관(100)이 수퍼 녹킹이 일어나거나 더 일어날 가능성이 있는 조건(예컨대, 저속 고하중 조건)에서 동작 중이면, 스파크 플러그(118) 방전 전의 연소실(122) 내 이온의 검출은, 수퍼 녹킹 조건이 가능하다는 것을 의미할 수 있다. 하나 이상의 실시예에 있어서, 수퍼 녹킹이 일어날 수 있거나, 더 일어날 가능성이 높은 조건은, 3000 rpm 미만 및 적어도 17 바 하중(bar load)의 엔진 속도를 포함할 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에 있어서, 피스톤이 압축 행정 중에 이동하고 있는 동안 다수의 크랭크 각도에 걸쳐서 이온의 존재가 검출될 수 있으며, 이는 수퍼 녹킹 조건이 가능하거나 일어날 것이라는 것을 더 의미할 수 있다. 따라서, 내연 기관(100)의 엔진 제어 모듈(80)은 측정되는 압축 행정 중에 수퍼 녹킹 대응책을 개시시켜, 연소실(122) 내 수퍼 녹킹 조건의 형성을 완화시킬 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 연소실(122) 내에서 검출되는 이온 전류의 양은 또한 연소실(122) 내에서 소모되는 연료의 양에 대응한다. 따라서, 엔진 제어 모듈(80)은 다수의 크랭크 각도에 걸쳐서 소모되는 연료의 량으로부터 수퍼 녹킹 조건이 일어날 더 높은 가능성에 해당하는 양으로 공기 연료 혼합 가스이 소모중이라는 것을 향상된 정밀도로 검출할 수 있다.
도 2를 다시 참조하면, 몇몇 실시예에 있어서, 내연 기관(100)은 연소실(122) 내 압력을 감지하도록 위치되는 압력 센서(290)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 압력 센서(290)는 내연 기관(100)의 실린더 헤드(114)에 접속되며, 압력 센서(290)의 일부는 연소실(122)까지 연장하도록 위치될 수 있다. 압력 센서(290)는 엔진 제어 모듈(80)과 전자적으로 통신한다. 압력 센서(290)는 연소실(122) 내 압력을 평가한다. 엔진 제어 모듈(80) 또는 또 다른 처리 컴퓨터는 다양한 크랭크 각도에서 압력 센서(290)에 의해 연소실(122)에서 측정된 압력을 각각의 압축 행정에 대한 공칭 압력 프로파일과 비교할 수 있다. 각각의 압축 행정 중에 측정된 압력을 비교함으로써, 엔진 제어 모듈(80)은 순시의 측정되는 압축 행정이 공칭 압력 프로파일로부터 이탈하고 있는지 여부를 판정할 수 있다. 측정되는 압축 행정의 압력 프로파일이 공칭 압력 프로파일의 압력을 초과하면, 연소실(122)의 압력이 공기 연료 혼합 가스의 조기 점화로 인해 더 빨리 공칭 프로파일보다 상승한다고 가정할 수 있다. 이러한 공정들에서, 엔진 제어 모듈(80)은 측정되는 압축 행정 중에 수퍼 녹킹 대응책을 개시하여 연소실(122) 내의 수퍼 녹킹 조건의 형성을 완화시킬 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 공기 연료 혼합 가스의 조기 점화가 일어나고 있는 압축 행정 중에 크랭크 샤프트(180)의 순시 회전속도가 느려질 수 있다. 연소실(122)내 압력은 공기 연료 혼합 가스의 조기 점화로 증가할 수 있으며, 이는 피스톤(120)이 실린더 헤드(114)를 향해 움직이는 데 저항을 증가시키리 수 있다. 따라서, 연소실(122)의 증가된 압력은 크랭크 샤프트(180)의 회전속도를 느리게할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 크랭크 샤프트(180)의 회전속도의 감소는 크랭크 샤프트(180)의 위치, 속도, 가속도를 평가하는 센서들에 의해 측정될 수 있다. 이러한 센서들은, 예컨대, 크랭크 각도 센서(181), 크랭크 속도 센서(도시 생략), 또는 크랭크 가속도계(183)를 포함할 수 있다. 센서, 예컨대, 크랭크 각도 센서(181) 및 크랭크 가속도계(183)는 엔진 제어 모듈(80)과 전자적으로 통신한다. 엔진 제어 모듈(80) 또는 또 다른 처리 컴퓨터는, 크랭크 샤프트(180)가 내연 기관(100)의 연소실(122) 중 하나에 있어 압축 행정중의 회전 속도의 순시 감소를 판정할 수 있다. 크랭크 샤프트(180)의 회전 속도의 이러한 감소가 검출되면, 엔진 제어 모듈(80)은 측정되는 압축 행정 중에 수퍼 녹킹 대응책을 개시하여, 연소실(122) 내의 수퍼 녹킹 조건의 형성을 완화시킬 수 있다.
이상 조명한 바와 같이, 연소실(122) 내에 존재하는 공기 연료 혼합 가스이 스파크 플러그(118)의 방전에 의한 화염의 개시에 앞서서 통상 저속도 고출력 엔진 조건에서 조기 점화하는 때에 수퍼 녹킹 조건이 가능하거나 발생할 가능성이 있다. 수퍼 녹킹이 발생할 가능성에는 다수의 요소들이 역할을 하며, 수퍼 녹킹이 발생하여 예방책을 전개할 가능성 또는 비교적 높은 가능성을 확인하기 위해 여기 개시되는 시스템들과 방법들이 활용될 수 있음을 이해하기 바란다. 예컨대, 수퍼 녹킹이 1%, 5%, 10%, 25%, 또는 50%의 발생 기회를 가지는 때에 예방책이 전개될 수 있다. 본 발명에 따른 내연 기관(100)의 실시예들은 공기 연료 혼합 가스의 조기 점화가 검출되는 내연 기관(100)의 압축 행정 중에 수퍼 녹킹 대응책을 전개하는 것이 가능하다. 이러한 검출되는 압축 행정 내에 수퍼 녹킹 대응책을 전개하는 것은 내연 기관이 수퍼 녹킹 조건의 형성을 완화시키도록 하며, 이는 수퍼 녹킹 조건이 존재하는 경우보다 연소실(122) 내에서 더 낮은 실린더 압력이 시현되도록 한다. 또한, 수퍼 녹킹 조건이 산발적으로 나타나기 때문에, 수퍼 녹킹 조건이 발생하는 높은 가능성에 해당하는 압축 행정에서만 수퍼 녹킹 대응책이 전개될 수 있다. 수퍼 녹킹 대응책의 선택적인 전개는, 수퍼 녹킹 대응책의 전개가 필요하지 않는 때에 내연 기관(100)이 목표로 하는 연료 소모율과 동력 전달 레벨에서 동작하도록 한다.
일 실시예에 있어서, 수퍼 녹킹 대응책은 스파크 타이밍을 선행시켜 피스톤(120)이 상사점에 도달하기 전에 스파크 플러그(118)를 방전시키도록 하는 것을 포함한다. 이러한 실시예에 있어서, 공기 연료 혼합 가스의 조기 점화가 검출되자 마자 스파크 플러그(118)가 방전되어, 스파크 플러그(118)로부터 공기 연료 혼합 가스을 통해 확장하는 화염면이 피스톤(120)이 상사점에 도달하기 전에 확장하도록 할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 스파크 플러그(118)의 방전은 피스톤(120)이 상사점에 도달하기 전에 모든 공기 연료 혼합 가스이 점화 및/또는 연소될 수 있는 셋트 포인트에 설정될 수 있다. 점화 플러그(118)의 방전을 선행시키는 것은, 검출되는, 선행하는 사이클에서 내연 기관(100)의 출력을 감소시키게 된다. 싱글 엔진 실린더에 다르게 적용될 수 있으며, 따라서, 총 엔진 출력을 심하게 감소시키지는 않을 것이다. 몇몇 실시예에 있어서, 연소실(122) 내의 공기 연료 혼합 가스의 가열과 압력 증가는 공기 연료 혼합 가스의 미연소 부분이 자동 점화되도록 할 수 있기 때문에, 스파크 플러그(118)의 방전 타이밍을 선행시키는 것은 종래의 엔진 녹킹을 내연 기관(100)에 초래할 수 있다. 그러나, 스파크 플러그(118)의 방전 타이밍을 선행시키는 것은, 연소실(122) 내에 수퍼 녹킹 조건의 형성을 유발하는 조건들의 연속성을 중단시킬 수 있다.
공기 연료 혼합 가스의 조기 점화는 피스톤(120)이 상사점에 도달하기 전에 연소실(122) 내의 압력 증가를 가져오게 된다. 이러한 압력은 선택된 엔진 실린더(110)의 선택된 사이클에서 엔진 출력을 감소시키게 되며, 수퍼 녹킹 대응책이 전개되는 사이클들에 있어서 내연 기관(100)의 연료 소모를 증가시키게 된다. 스파크 플러그(118)의 방전 타이밍을 선행시킴으로써, 내연 기관(100)에 의해 전달되는 출력을 감소시키고, 내연 기관(100)의 연료 소모를 증가시키게 되지만, 수퍼 녹킹 조건에서 겪게 되는 것과 비교하여 내연 기관(100)의 구성품에 가해지는 최대 압력을 감소시켜, 수퍼 녹킹 조건에 의해 야기되는 손상으로부터 그러한 구성품들을 보호하게 된다. 수퍼 녹킹 조건 중에 엔진 구성품에 가해지는 높은 압력은 엔진 구성품들을 손상시킬 수 있기 때문에, 종래의 엔진 녹킹에 관련되는 압력을 포함하여, 수퍼 녹킹 대응책과 관련되는 압력이 바람직하다.
도 2를 다시 참조하면, 내연 기관(100)은 연소실(122)에 존재하는 공기 연료 혼합 가스을 점화시키도록 구성되는 제2 스파크 플러그(124)를 포함할 수 있다. 제2 스파크 플러그(124)는 엔진 제어 모듈(80)에 의한 수퍼 녹킹 조건의 형성의 검출시에만 방전하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 점화 시스템(119)은 스파크 플러그(118)를 방전시켜 공기 연료 혼합 가스을 점화시키에는 압축 행정의 초기에 축적되는 전하가 충분하지 않을 수도 있다. 이러한 경우, 점화 시스템(119)은 지정된 연소실(122)에 대하여 압축 사이클의 초기에 제2 스파크 플러그(124)를 위한 전하를 유지할 수 있다. 따라서, 공기 연료 혼합 가스의 조기 점화가 검출되는 때에, 제2 스파크 플러그(124)는 공기 연료 혼합 가스을 점화하여 연소실(122)를 통해 조기의 화염면(flame front)을 시작하도록 충분한 전하를 갖는다.
일 실시예에 있어서, 수퍼 녹킹 대응책은 공기 연료 혼합 가스의 조기 점화가 검출되는 압축 행정 동안 공기 연료 혼합 가스 및 공기 연료 혼합 가스의 연소된 부분을 배기하는 것을 포함한다. 내연 기관(100)의 몇몇 실시예는, 유압 또는 전자 리프트 메카니즘(175)을 가지는 배기 밸브(174)를 포함할 수 있다. 리프트 메카니즘(175)은 엔진 제어 모듈(80)과 전자적으로 통신한다. 통상적인 동작하에서, 리프트 메카니즘(175)은 소정의 스케쥴에 따라 배기 밸브(174)를 선택적으로 개방 및 폐쇄시켜 배기구(173)에서 연소실(122)을 선택적으로 각각 배출 및 차폐시킨다. 엔진 제어 모듈(80)이 공기 연료 혼합 가스의 조기 점화가 압축 행정에서 발생했음을 판정하는 때에, 엔진 제어 모듈(80)은 리프트 메카니즘(175)에 검출되는 압축 행정 중에 배기 밸브(174)를 개방시켜 연소실(122) 내 압력을 감소시키고, 미연소 및 연소된 공기 연료 혼합 가스을 연소실(122) 내로부터 연소실(122) 외부로 전달하도록 명령하는 수퍼 녹킹 대응책을 전개할 수 있다. 이러한 조건에서, 엔진 제어 모듈(80)은 또한 스파크 플러그(118)가 검출되는 압축 행정 중에 방전하는 것을 중단시킬 수도 있다. 검출되는 압축 행정 중에 리프트 메카니즘(175)으로 배기 밸브(174)를 개방시키는 것은, 연소실(122) 내 수퍼 녹킹 조건의 형성을 가져오는 조건들을 중단시킬 수 있다. 예컨대, 리프트 메카니즘의 작동에 의해 연소실(122)의 성분이 배출될 수있다.
또 다른 실시예에 있어서, 수퍼 녹킹 대응책은 연소실(122)에 존재하는 공기 연료 혼합 가스의 냉각을 위해, 공기 연료 혼합 가스을 농후하게 하여 수퍼 녹킹 조건의 계속되는 형성 가능성을 줄이기 위해, 공기 연료 혼합 가스의 조기 점화로 인해 연소실(122)에 형성되었던 화염면을 끄기 위해, 연소실(122)로의 연료의 추가 분사를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 엔진 제어 모듈(80)이 공기 연료 혼합 가스의 조기 점화가 압축 행정 중에 발생했음을 감지하는 경우, 엔진 제어 모듈(80)은 연료 분사기(116)에 검출되는 압축 행정 중에 연료를 연소실(122)로 분사하도록 지시할 수 있다. 추가 연료를 검출되는 압축 행정에서 분사함으로써, 추가 연료가 공기 연료 혼합 가스을 냉각시켜, 조기 점화에 의해 야기되는 공기 연료 혼합 가스의 더 이상의 연소를 중지 혹은 지연시킬 수 있다. 따라서, 추가 연료의 분사는 수퍼 녹킹 조건이 연소실(122)에 형성되는 것을 중단시킬 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 수퍼 녹킹 조건이 일어날 수 있거나 일어날 가능성이 있는 엔진 조건에서 전개되도록 수퍼 녹킹 대응책이 선택될 수 있다. 예컨대, 수퍼 녹킹 조건은, 스로틀 팁인(throttle tip in)에 대응하는 저속 고출력 엔진 조건에서 발생할 가능성이 있다. 수퍼 녹킹 조건은, 아이들 및 최대 엔진 속도 또는 그 근처의 광개방 스로틀에서 동작하는 경우를 포함한, 다른 엔진 조건들에서 발생할 가능성이 더 낮기 때문에, 수퍼 녹킹 대응책을 전개하는 것은 원치 않는 엔진 녹킹, 감소된 출력, 또는 연료 소모의 증가와 같은 원치 않는 효과를 가져올 수 있다.
엔진 제어 모듈(80)은 수퍼 녹킹 조건이 가능하거나 일어날 가능성이 있는 엔진 조건에 해당하는 수퍼 녹킹 대응책 스케쥴을 포함할 수 있다. 엔진이 이러한 조건에서 동작하는 경우, 엔진 제어 모듈(80)은 공기 연료 혼합 가스의 조기 점화의 검출시 수퍼 녹킹 대응책을 전개하도록 선택된다. 엔진이 이러한 조건 외에서 동작하는 경우, 엔진 제어 모듈(80)은 수퍼 녹킹 대응책을 전개하는 것에서 해제된다. 수퍼 녹킹 조건은 이러한 엔진 조건에서 형성될 가능성이 없기 때문에, 엔진 제어 모듈(80)은 양호한 엔진 동작을 유지하기 위한 대응책을 전개할 필요가 없다. 따라서, 수퍼 녹킹 조건이 발생할 가능성이 낮은 엔진 조건에서 수퍼 녹킹 대응책을 전개하지 않도록 선택함으로써, 스파크 타이밍을 유지하고 화학량론적 비율에 가까운 공기/연료 비를 유지하여, 엔진에 수퍼 녹킹 조건 형성에 대한 우려 없이 엔진 출력과 연료 경제성이 유지될 수 있다.
본 발명에 따른 내연 기관은, 흡기 또는 압축 행정 중에 엔진의 연소실 내에 존재하는 공기 연료 혼합 가스의 조기 점화를 검출하는 구성요소를 포함한다는 것을 이해하기 바란다. 엔진이 수퍼 녹킹 조건의 형성에 해당하는 조건 하에서 동작중인 경우, 엔진 제어 모듈은 수퍼 녹킹 대응책을 전개하여 검출되는 압축 행정에서 수퍼 녹킹 조건의 형성을 중단시킬 수 있다. 수퍼 녹킹 대응책의 전개는 연소실 내의 압력 조건의 증대를 가져올 수 있지만, 수퍼 녹킹 조건이 전부 전개되도록 하는 때에 비하여, 연소실 내 압력 조건을 감소시킬 수 있다. 연소실 내의 수퍼 녹킹 조건의 전부 전개를 중단시키는 것은, 엔진의 양호한 상태를 보장할 수 있으며, 수퍼 녹킹으로 인한 조기의 엔진 고장을 방지할 수 있다.
당업자라면, 청구된 발명의 주제의 개념과 범주로부터 일탈하지 않고서, 본 명세서에 기재된 실시예들에 대하여 다양한 개조예와 변경예가 가능하다는 것이 자명할 것이다. 따라서, 이러한 개조예와 변경예가 첨부된 청구항들과 그 균등물의 범주 내에 속하는 한, 본 명세서는 여기 기재된 다양한 실시예들의 개조예와 변경예를 포괄하고자 하는 것이다. 본 명세서에 기재된 다양한 세부사항들은, 특정 구성요소가 본 설명부에 동반하는 도면 각각에 도시되는 경우일지라도, 이러한 세부사항들이 본 명세서에 기재된 다양한 실시예들의 본질적 구성품들인 구성요소들과 관련된다는 것을 의미하는 것으로 고려되지 않아야 함에 유의하기 바란다. 더욱이, 여기 첨부되는 청구범위는, 본 명세서의 범위의 단순한 표현으로서 또한 본 개시물에 기재된 다양한 실시예들의 해당하는 범주로서 받아들여져야 한다.

Claims (15)

  1. 내연 기관을 동작시키는 방법으로서,
    연소실에 연료를 분사하여 공기 연료 혼합 가스을 형성하는 단계 (상기 연소실은 실린더 헤드, 실린더 측벽들, 및 실린더 측벽들 내에서 왕복하는 피스톤을 포함함);
    피스톤의 검출되는 흡기 또는 압축 행정 중에 상기 공기 연료 혼합 가스의 조기 점화를 검출하는 단계;
    상기 내연 기관이 수퍼 녹킹 조건이 발생할 수 있는 환경에서 동작하고 있다고 판정하는 단계; 및
    상기 검출되는 압축 행정 내에서 수퍼 녹킹 대응책을 전개함으로써 수퍼 녹킹 조건의 형성을 완화시키는 단계
    를 포함하는 내연 기관을 동작시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수퍼 녹킹 대응책은, (a) 스파크 타이밍을 선행시키는 것, (b) 상기 연소실 내부에서 상기 연소실 외부로 연소된 공기 연료 혼합 가스 및 미연소 공기 연료 혼합 가스을 전달하도록 배기 밸브를 개방하는 것, 및 (c) 상기 연소실에 추가 연료를 분사하는 것으로 구성되는 군 중에서 선택되는
    내연 기관을 동작시키는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    스파크 타이밍을 선행시키는 것은, 실린더가 상사점에 도달하기 전에 상기 공기 연료 혼합 가스이 연소되는 셋트 포인트에 상기 스파크 타이밍을 선행시키는 것을 포함하는
    내연 기관을 동작시키는 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 연소실 내부에서 상기 연소실 외부로 연소된 공기 연료 혼합 가스 및 미연소 공기 연료 혼합 가스을 전달하도록 배기 밸브를 개방하는 것은, 상기 연소실 내에 위치되는 스파크 플러그가 상기 검출되는 압축 행정 중에 통상적인 방전을 하지 않도록 중단시키는 것을 더 포함하는
    내연 기관을 동작시키는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    조기 점화를 검출하는 것은, (a) 이온 센서, (b) 압력 센서, 및 (c) 크랭크 각도 센서, 크랭크 속도 센서, 및 크랭크 가속도계 중 하나 이상으로 구성되는 군에서 선택되는 센서에 의해 감지하는 것을 포함하는
    내연 기관을 동작시키는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 이온 센서는 (a) 교류 위상고정루프 회로 또는 대역통과필터 회로 및 (b) 스파크 플러그로 구성되는 군에서 선택되는
    내연 기관을 동작시키는 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 내연 기관이 수퍼 녹킹 조건이 발생할 수 있는 환경에서 동작하고 있다고 판정하는 단계는, 스파크 플러그가 방전하기 전에 크랭크 각도에서 상기 연소실 내의 이온 전류를 감지하는 것을 포함하는
    내연 기관을 동작시키는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 수퍼 녹킹 조건이 발생할 수 있다고 하는 판정은, 엔진 회전 속도 및 엔진 부하를 평가하는 것을 포함하는
    내연 기관을 동작시키는 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 크랭크 가속도계는 상기 피스톤에 접속되는 크랭크 샤프트의 변화를 검출하는
    내연 기관을 동작시키는 방법.
  10. 실린더 헤드와 실린더 측벽들을 구비하는 엔진 실린더;
    상기 엔진 실린더 내에서 왕복하는 피스톤 (상기 피스톤, 상기 실린더 헤드, 및 상기 실린더 측벽들은 적어도 부분적으로 연소실을 정의함);
    상기 연소실에 연장하도록 위치되는 스파크 플러그;
    상기 연소실 내의 조건을 샘플링하도록 위치되는 이온 센서; 및
    상기 이온 센서 및 상기 스파크 플러그와 전자적으로 통신하는 엔진 제어 모듈이며, 프로세서 및 컴퓨터 판독가능 명령 셋트를 저장하는 메모리를 구비하는 엔진 제어 모듈을 포함하는 내연 기관으로서,
    상기 명령 셋트는, 상기 프로세서에 의해 실행시,
    검출되는 흡기 또는 압축 행정 중에서 어느 크랭크 각도에서 상기 이온 센서가 상기 연소실 내의 이온 전류를 감지하는지를 평가하고,
    상기 스파크 플러그가 방전하기 전에 이온 전류가 검출되는 때에 상기 검출되는 압축 행정 내에서 수퍼 녹킹 대응책을 전개시키는 내연 기관.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 연소실을 선택적으로 폐쇄시키는 배기 밸브; 및
    상기 배기 밸브에 접속되는 리프트 메카니즘 (상기 리프트 메카니즘은 상기 엔진 제어 모듈과 전자적으로 통신함)
    을 더 포함하는 내연 기관.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 이온 센서는 직류 회로 또는 교류 위상고정루프 회로 또는 대역통과필터 회로를 포함하는 내연 기관.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 연소실과 선택적인 유체 통신하는 흡기 매니폴드를 가압하도록 위치되는 컴프레서를 더 포함하는 내연 기관.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔진 제어 모듈은 상기 피스톤이 상사점에 도달하기 전에 상기 검출되는 압축 행정 중 상기 스파크 플러그를 조기 방전시키는 수퍼 녹킹 대응책을 전개하는 내연 기관.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 엔진 제어 모듈은 상기 피스톤이 상사점에 도달하기 전에 상기 연소실에 존재하는 공기 연료 혼합 가스의 나머지 전부를 연소하도록 상기 검출되는 압축 행정 중에 상기 스파크 플러그를 방전시키는 내연 기관.
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