KR20220112834A - 동적 스킵 점화 엔진의 배기가스 재순환 제어 - Google Patents

동적 스킵 점화 엔진의 배기가스 재순환 제어 Download PDF

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KR20220112834A
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ignition
gas recirculation
exhaust
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KR1020227024261A
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신 위안
시쿠이 케빈 첸
제니퍼 케이. 라이트-홀릿
스콧 알. 바닥지
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툴라 테크놀로지, 인크.
커민즈 인코포레이티드
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Abstract

터보차저 내연 기관에서, 동적 스킵 점화 제어를 받는 엔진을 배기가스 재순환 시스템과 통합하는 시스템 및 방법이 설명된다. 엔진 제어 시스템은, 바람직한 배기가스 재순환 유량에 적어도 부분적으로 기초하여, 적절한 점화 패턴을 결정한다. 또한, 배기 시스템 및 흡기 매니폴드의 센서로부터의 신호는, 바람직한 배기가스 재순환 유량을 결정하기 위한 피드백 루프의 일부로서 사용될 수 있다.

Description

동적 스킵 점화 엔진의 배기가스 재순환 제어
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2019년 12월 17일자로 출원된 미국 출원 번호 제62/949,216호의 우선권을 주장하며, 이는 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.
설명된 실시형태는 일반적으로 내연 기관(internal combustion engine)에 관한 것으로서, 보다 낮은 유해 배기가스(noxious emission) 레벨로 보다 효율적으로 작동되도록 내연 기관을 제어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 터보차저(turbocharged) 스킵 점화 제어 엔진(skip fired controlled engine)에서, 동적 스킵 점화 제어를 받는 엔진을 배기가스 재순환 시스템과 통합하는 시스템 및 방법이 설명된다.
다수의 내연 기관의 출력은, 각각의 점화 실린더에 전달되는 연료를 조정함으로써 제어된다. 엔진 제어 장치(ECU)는, 공기 질량 충전물(mass air charge: MAC) 및 명령된 토크를 위한 적절한 연료 충전물의 전달을 명령한다. 가솔린 연료 엔진은 일반적으로 화학량론의 또는 화학량론 근처의 공기/연료 비율로 작동되어, 3방향 촉매 변환기에서 유해한 오염 물질을 보다 양성 화합물로 변환하는 것을 가능하게 한다. 일반적으로, 디젤 엔진과 같은 다른 엔진은, 화학량론 공기/연료 비율을 유지하는 것이 아니라, 다양한 불충분한(lean) 공기/연료 비율에 걸쳐서 작동된다. 흔히 디젤 엔진은, 엔진의 실린더 내로 공기를 공급하는 흡기 매니폴드(intake manifold) 내로 배기가스의 일부를 다시 재순환시킨다. 이러한 배기가스 희석은 피크 연소 온도를 낮춤으로써, 유해 NOx 화합물의 생성 및 배출을 감소시킨다.
수년 동안, 내연 기관의 연료 효율을 개선하기 위해 다양한 노력이 이루어졌다. 대중성을 얻었던 한 가지 접근법은 엔진의 변위를 가변시키는 것이다. 대부분의 상업적으로 이용 가능한 가변 변위 엔진은, 특정 저-부하 작동 조건 동안, 실린더의 일부를 실질적으로 "가동 중단(shut down)" 또는 "비활성화"시킨다. 실린더가 "비활성화"되는 경우, 이의 피스톤은 전형적으로 여전히 왕복 운동을 한다; 그러나, 공기 또는 연료가 실린더에 전달되지 않으므로, 피스톤은 임의의 정미 출력(net power)를 전달하지 않는다. 가동 중단된 실린더는 임의의 출력을 전달하지 않기 때문에, 나머지 실린더에 대한 비례 부하(proportional load)가 증가됨으로써, 나머지 실린더가 개선된 연료 효율 및 증가된 배기 온도로 작동될 수 있다. 또한, 펌핑 손실의 감소에 따라 전반적인 엔진 효율을 개선함으로써, 더욱 개선된 연료 효율을 야기한다.
내연 기관을 제어하는 다른 방법은, 다른 작업 사이클이 더 우수한 효율 및/또는 더 높은 배기 온도로 작동되도록, 내연 기관의 작동 동안, 선택된 연소 이벤트가 스킵되는 스킵 점화 제어이다. 일반적으로, 스킵 점화 엔진 제어는, 선택된 점화 기회 동안, 특정 실린더의 점화를 선택적으로 스킵하는 것을 고려한다. 따라서, 예를 들어, 특정 실린더는 하나의 점화 기회 동안 점화될 수 있으며, 그 다음에, 다음 점화 기회 동안 스킵될 수 있고, 그 다음에, 다음 점화 기회 동안 선택적으로 스킵되거나 점화될 수 있다. 전반적인 엔진 관점에서, 때때로 스킵 점화 제어는, 스킵된 실린더 및 점화된 실린더의 상이한 패턴을 갖는 연속적인 엔진 사이클을 야기한다. 이는 특정 저-부하 작동 조건 동안, 고정된 세트의 실린더가 비활성화되는 통상적인 가변 변위 엔진 작동과 대조적이다. 또한, 공기가 실린더를 통하여 펌핑되지 않고, 연료가 스킵 작업 사이클 동안 전달 및/또는 연소되지 않는다는 점에서, 스킵 점화 제어를 통해, 실린더는 바람직하게는 스킵 작업 사이클 동안 비활성화된다. 실린더 비활성화는, 스킵 작업 사이클 동안, 흡기 및/또는 배기 밸브 중 어느 하나 또는 둘 모두를 비활성화시키기 위한 밸브 비활성화 기구를 필요로 한다. 본 출원인 중 하나인 Tula Technology Inc.는 전반적으로 동적 스킵 점화 제어에 관련된 다수의 특허 출원을 출원하였다. 이들은 미국 특허 번호 제7,849,835호; 제7,886,715호; 제7,954,474호; 제8,099,224호; 제8,131,445호; 제8,131,447호; 제8,336,521호; 제8,449,743호; 제8,511,281호; 제8,616,181호; 제8,869,773호; 제9,086,020호; 제9,528,446호; 제9,689,327호 및 제9,399,964호를 포함한다.
일부 실시형태에서, 스킵 점화 제어 내연 기관의 점화 패턴을 선택하는 방법이 설명된다. 내연 기관은 흡기 매니폴드 및 배기 시스템을 갖는다. 방법은, 바람직한 배기가스 재순환 유량 및 배기가스 재순환 밸브의 위치를 결정한다. 바람직한 배기가스 재순환 유량 및 배기가스 재순환 밸브의 위치에 적어도 부분적으로 기초하여, 점화 패턴이 선택된다.
다른 실시형태에서, 스킵 점화 제어 터보차저 내연 기관이 설명된다. 내연 기관은, 흡기 매니폴드, 배기가스 재순환 시스템, 및 적어도 2개의 배기 매니폴드를 갖는 배기 시스템을 갖는다. 배기가스 재순환 공급 라인이 배기 시스템에 연결된다. 배기가스 순환 공급 라인은, 제2 배기 매니폴드보다 제1 배기 매니폴드와의 보다 직접적인 유체 연결을 갖는다. 엔진 제어 시스템은, 바람직한 배기가스 재순환 유량에 적어도 부분적으로 기초하여, 점화 패턴을 결정한다.
실시형태는 첨부된 도면과 함께 이하의 상세한 설명에 의해 용이하게 이해될 것이며, 유사한 참조 번호는 유사한 구조적 요소를 나타내고, 첨부된 도면으로서:
도 1은 예시적인 터보차저 내연 기관을 개략적으로 도시한다.
도 2는 다수의 엔진 사이클에 걸쳐서 1/7의 점화 분율(firing fraction)을 위한 스킵된 실린더 및 점화된 실린더를 나타내는 테이블이다.
도 3은 엔진 제어 시스템의 개략적인 흐름도이다.
도 4는 7 이하의 분모를 갖는 점화 분율을 위한 점화 패턴을 나타내는 테이블이다.
본 특허 출원에서, 설명된 실시형태의 기초가 되는 개념에 대한 철저한 이해를 제공하기 위해, 다수의 구체적인 세부 사항이 설명된다. 그러나, 이러한 구체적인 세부 사항의 일부 또는 전부 없이, 설명된 실시형태가 실시될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 다른 경우에, 기초적인 개념을 불필요하게 모호하게 하는 것을 방지하기 위해, 잘 알려진 공정 단계는 상세히 설명되지 않았다.
전술한 바와 같이, 스킵 점화 제어 엔진은, 이들이 엔진으로부터 출력되는 요청된 토크를 생성할 필요가 없는 경우, 실린더를 비활성화시킨다. 실린더 비활성화는 엔진 펌핑 손실을 감소시키며, 전반적으로 점화 작업 사이클 내에서 보다 효율적인 연소를 야기한다. 또한, 실린더 비활성화는 배기가스 온도의 보다 양호한 제어를 가능하게 하며, 이는 불충분한 연소로 인해, 후처리 시스템에 의해 유해 배기가스를 효율적으로 제거하기에 배기 온도가 너무 낮을 수 있는 디젤 엔진에서 특히 중요하다.
도 1은 배기가스 재순환(EGR) 시스템을 갖는 이러한 예시적인 터보차저 내연 기관(100)을 도시한다. 도 1에 도시된 내연 기관은, 각각의 실린더(1 내지 6으로 표시됨)를 갖는 직렬 6-실린더 엔진 블록(102)을 갖는다. 대기압 초과로 흡기 매니폴드(108) 내의 공기 압력을 증가시키는 압축기(104)를 통하여 실린더 내로 공기가 유도된다. 유입되는 압축 공기를 냉각시키기 위해, 압축기(104)와 흡기 매니폴드(108) 사이의 공기 흐름 경로에 충전 공기 냉각기(106)가 위치될 수 있다. 충전 공기 냉각기(106)의 출력은 흡기 매니폴드(108) 내로 공급될 수 있다. 또한, 배기가스 재순환 라인(110)이 흡기 매니폴드(108) 내로 공급된다. 흡기 매니폴드(108)에 위치되는 공기 및 재순환 배기가스의 혼합물이 하나 이상의 흡기 밸브(도 1에 도시되지 않음)를 통하여 각각의 실린더 내로 유도된다. 실린더 내로 유도된 후에, 공기/배기가스 혼합물은 실린더 내의 연료와 혼합되어 연소됨으로써, 배기가스를 발생시킬 수 있다. 배기가스는, 하나 이상의 배기 밸브(도 1에 도시되지 않음)를 통하여 제1 배기 매니폴드(112) 또는 제2 배기 매니폴드(114) 내로 배출된다. 제1 배기 매니폴드(112)는 실린더(1 내지 3)로부터 배기가스를 수용한다. 제2 배기 매니폴드(114)는 실린더(4 내지 6)로부터 배기가스를 수용한다. 제1 배기 매니폴드(112) 및 제2 배기 매니폴드(114)로부터 각각 연장되는 배기 라인(116 및 118)은 병합되며, 배기가스를 터빈(120)으로 지향시킨다. 터빈(120)을 통과하는 배기가스는 압축기(104)를 구동시킨다. 터빈(120)에서 배출된 후에, 배기가스는 대기로 배출되기 전에 하나 이상의 후처리 요소 및/또는 머플러(도 1에 도시되지 않음)를 통과할 수 있다. 선택적인 폐기물 게이트(122)는, 폐기물 게이트(122)를 원하는 양만큼 개방함으로써, 배기가스의 제어된 부분을 터빈(120) 주위로 지향시킬 수 있다. EGR 공급 라인(126)은 제1 배기 라인(116)에 연결될 수 있다. EGR 공급 라인(126)은 배기가스의 일부분을 EGR 밸브(124)로 지향시킨다. EGR 밸브(124)는, 배기가스의 제어된 부분을 EGR 냉각기(134)를 통하여 배기가스 재순환 라인(110)으로 다시 지향시킬 수 있다. EGR 냉각기(134)는, 배기가스가 EGR 냉각기(134)를 통과함에 따라 배기가스를 냉각시킨다. EGR 밸브(124)의 위치를 조정함으로써, 더 많거나 더 적은 배기가스가 배기가스 재순환 라인(110) 내로 유동할 것이다. EGR 밸브(124)를 개방함으로써, 더 많은 배기가스가 흡기 매니폴드(108) 내로 유동할 것이다. 반대로, EGR 밸브(124)를 폐쇄함으로써, 더 적은 배기가스가 배기가스 재순환 라인(110) 내로 유동할 것이다. 배기가스 재순환 라인(110)으로부터, 배기가스는 흡기 매니폴드(108) 내로 다시 유동할 수 있으며, 이는 전술한 바와 같이, 공기와 혼합되어 엔진의 실린더 내로 유도될 것이다. EGR 공급 라인(126), EGR 밸브(124), EGR 냉각기(134), 및 배기가스 재순환 라인(110)은 EGR 시스템으로 간주될 수 있다. 터빈(120), 압축기(104), 및 선택적인 폐기물 게이트(122)는 터보차저 시스템으로 간주될 수 있다. 제1 배기 매니폴드(112), 제2 배기 매니폴드(114), 제1 배기 라인(116), 제2 배기 라인(118), 터빈(120), EGR 공급 라인(126), 후처리 요소(도 1에 도시되지 않음), 및 선택적인 폐기물 게이트(122)는 배기 시스템으로 간주될 수 있다.
터빈(120)은 가변 기하학적 구조 또는 가변 노즐 터보차저 시스템의 일부일 수 있다. 이 경우, 터빈(120) 내의 내부 기구는, 터빈(120)을 통하는 배기가스 유량이 변화됨에 따라, 터빈 작동을 최적화하도록 터빈(120)을 통하는 가스 흐름 경로를 변경한다. 터빈(120)이 가변 기하학적 구조 또는 가변 노즐 터보차저 시스템의 일부인 경우, 폐기물 게이트(122)가 필요하지 않을 수 있다.
다양한 센서가 내연 기관(100) 내의 다양한 위치에 선택적으로 위치될 수 있다. 예를 들어, 센서(128)는, 흡기 매니폴드(108) 내의 상태와 관련된 신호를 제공할 수 있다. 센서(128)는 흡기 매니폴드 내의 산소 레벨과 관련된 신호를 제공할 수 있으며, 이는 흡기 매니폴드(108) 내의 배기가스 대 공기의 비율의 측정치를 제공한다. 센서(128) 신호는, 아래에 설명되는 바와 같이 피드백 루프에 사용될 수 있다. 추가적인 흡기 매니폴드 센서는, 압력 센서, 온도 센서, 및 습도 센서를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 유사하게, 하나 이상의 센서(130 및 132)는, 배기 시스템 내의 다양한 위치에서의 상태와 관련된 신호를 제공할 수 있다. 예를 들어, 센서(130)는 제1 배기 매니폴드(112) 내의 상태를 모니터링할 수 있으며, 센서(132)는 제2 배기 매니폴드 내의 상태를 모니터링할 수 있다. 센서(130 및 132)는, 제1 배기 매니폴드 및 제2 배기 매니폴드 내의 산소 레벨과 관련된 신호를 각각 제공할 수 있다. 추가적인 배기 시스템 센서는, 압력 센서, 온도 센서, 및 NOx 센서를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 이러한 배기 시스템 센서는, 필요에 따라 배기 시스템 내의 상이한 지점에 분포될 수 있다.
작동 시에, 흡기 매니폴드 압력은, 속도 및 부하에 따라 크게 변화될 수 있다. 전형적으로, 이는 경부하(light load)에서 주위 압력(공칭으로, 제곱인치당 14.7 파운드(psi) 또는 100 kPa 절대값)만큼 낮을 수 있거나, 피크 출력에서 250 내지 300 kPa만큼 높을 수 있다. 대기압에 대비한 흡기 매니폴드 압력은, 흔히 부스트 압력으로 지칭된다. 또한, 유사하게, 배기 매니폴드 압력은, 주위 압력(100 kPa)만큼 낮거나(이보다 약간 더 높거나) 피크 출력에서 300 내지 350 kPa만큼 높도록, 크게 변화될 수 있다. 배기 매니폴드 압력은 일반적으로 흡기 매니폴드 압력보다 더 높으므로, 배기가스가 흡기 매니폴드(108) 내로 다시 유동할 수 있어서, 배기가스 재순환을 야기할 수 있다. 또한, 터빈(120)에 유입되는 가스 압력은, 터빈(120)이 작동되기 위해 대기압 초과이어야 한다. 도 1의 화살표는 내연 기관(100)을 통하는 정상 가스 흐름 방향을 도시한다.
도 1을 검토함으로써, EGR 공급 라인(126)의 연결 지점이 내연 기관(100)의 실린더에 대하여 대칭적으로 위치되지 않음을 알 수 있다. 구체적으로, 실린더(1 내지 3)는, 실린더(4 내지 6)보다 EGR 공급 라인(126)으로의 훨씬 더 짧고 더 직접적인 흐름 경로를 갖는다. EGR 공급 라인(126) 위치의 이러한 비대칭성은, 점화 패턴에 따라, 상이한 실린더가 스킵되거나 점화될 수 있는 스킵 점화 제어를 복잡하게 할 수 있다. 이는 연장된 엔진 사이클 수에 걸쳐서, 점화 및 스킵의 패턴이 특정 실린더에 대해 고정되는 점화 패턴을 위해 특히 중요하다. 예를 들어, 일부 점화 패턴에서, 실린더(1 내지 3)의 일부만이 또는 전부가 점화될 수 있는 반면에, 실린더(4 내지 6)의 전부는 스킵된다. 유사하게, 다른 점화 패턴에서는, 실린더(4 내지 6)의 일부만이 또는 전부가 점화되는 반면에, 실린더(1 내지 3)의 전부는 스킵된다. 이러한 상이한 점화 패턴은, 다시 흡기 매니폴드 내로의 배기가스 재순환 흐름에 영향을 줄 것이다. 따라서, 점화 패턴은, 바람직한 배기가스 재순환 유량, 및 배기가스 재순환 밸브(124)의 위치에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다.
구체적인 실시예를 제공하기 위해, 도 1에 도시된 내연 기관(100)은 1-5-3-6-2-4의 실린더 점화 순서를 가질 수 있다. 점화들 간에 가장 동일한 간격을 갖는 1/2의 점화 분율은, 2개의 가능한 점화 패턴(즉, 1-S-3-S-2-S 또는 S-5-S-6-S-4)을 가질 수 있다. 여기서, 시퀀스의 "S"는, 실린더가 스킵될 수 있음을 나타낸다. 점화 패턴 1-S-3-S-2-S는, EGR 공급 라인(126)과의 밀접한 유체 연결을 갖는 제1 배기 매니폴드(112) 내로 직접 배출하는 3개의 실린더(실린더 1, 2 및 3)를 갖는다. 대조적으로, 점화 패턴 S-5-S-6-S-4는, 제2 배기 매니폴드(114) 내로 배출하는 모든 실린더를 갖는다. 따라서, 이러한 모든 실린더(4 내지 6)는, 실린더(1 내지 3)보다 EGR 공급 라인(126)으로의 더 간접적인 흐름 경로를 갖는다. 실제로, 배기가스가 제2 배기 매니폴드(114)로부터 EGR 공급 라인(126)으로 유동하기 위해, 배기 시스템의 일부에서의 정상 흐름 방향이 반전되어야 한다. 이러한 반전된 흐름 방향이 가능하지만, 이는 EGR 유량을 제한할 것이며, EGR 유량 조정 시에 지연을 유발할 것이다.
내연 기관(100)이 동적 스킵 점화(DSF) 모드로 작동되는 동안 EGR 유량을 제어하기 위해, 특정 점화 분율의 점화 패턴이 고려되어야 한다. 예를 들어, 전술한 ½의 점화 분율을 실행할 때, 높은 EGR 유량이 필요한 경우, 점화 패턴 1-S-3-S-2-S가 바람직할 것이며, 낮은 EGR 유량이 필요한 경우, 점화 패턴 S-5-S-6-S-4가 사용될 수 있다. ¼ 및 ¾의 점화 분율에도 유사한 고려사항이 적용된다.
일관된 EGR 유량을 유지하기 위해, 특정 작동 조건에서, 일부 순환 점화 패턴은 방지되어야 할 수 있다. 여기서, 순환 점화 패턴은, 모든 실린더를 점화하거나 스킵하는 점화 패턴을 지칭한다. 예를 들어, 1/7의 점화 분율은 순환 점화 패턴이다. 1/7의 점화 분율은, 14번의 점화 기회마다 한 번씩, 제1 배기 매니폴드(112)(실린더 1, 2 또는 3) 내로 공급하는 실린더 중 하나를 점화한다. 도 2는 1/7의 점화 분율로의 작동으로 인해 기인하는 점화 패턴을 도시한다. 배기가스를 EGR 공급 라인(126) 내로 보다 직접적으로 배출시키는 점화(202)는 테이블에 강조 표시된다. 배기 흐름의 불규칙적인 특성은 EGR 흐름의 바람직하지 않은 불연속성을 유발할 수 있으므로, 이러한 점화 패턴 및 점화 분율은 일부 엔진 속도 및 부하에서 방지될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 엔진 제어 시스템(300)을 도시하는 개략적인 흐름도이다. 엔진 제어 시스템(300)은, 바람직한 EGR 유량에 적어도 부분적으로 기초하여, 적절한 점화 패턴을 결정할 수 있다. 엔진 제어 시스템(300)으로의 입력은, 현재 점화 패턴(306), 현재 엔진 속도(308), 현재 흡기 매니폴드 부스트 압력(310), 현재 배기 매니폴드 압력(312), 및 선택적으로 현재 밸브 타이밍 및 리프트(313)(조정 가능한 밸브 타이밍 및/또는 리프트를 갖는 엔진의 경우)를 포함할 수 있다. 이러한 파라미터는 엔진 블록(102)을 통하는 가스 유량을 결정한다. 일부 실시형태에서, 이러한 모든 입력이 필요하지는 않을 수 있다. 이러한 파라미터에 기초하여, 최대 EGR 유량이 모듈(302)에서 결정될 수 있다. 최대 EGR 유량은, 완전히 개방된 위치에 있는 EGR 밸브(124)에 해당한다. 룩업 테이블이 최대 EGR 유량을 결정하기 위해 사용될 수 있거나, 최대 EGR 유량이 모델에 기초하여 계산될 수 있다. 룩업 테이블이 사용되는 경우, 룩업 테이블에 열거된 것들 사이의 값이 보간에 의해 결정될 수 있다. 최대 EGR 유량 모듈(302)은, 비교기(304)로 입력되는 최대 EGR 유량 신호(316)를 출력한다. 비교기(304)로의 다른 입력은, 바람직한 EGR 유량 신호(314)이다. 이러한 신호는, 현재 엔진 상태에 따른 바람직한 EGR 유량을 나타낸다. NOx 배기가스 배출을 제한하는 것이 바람직한 EGR 유량을 결정할 때 주요한 고려사항이다. 최대 EGR 유량 신호(316)가 바람직한 EGR 유량(314) 초과인 경우, 비교기(304)는 신호 라인(318)을 통해 논리 "예"를 출력할 수 있다. 최대 EGR 유량 신호(316)가 바람직한 EGR 유량(314) 미만인 경우, 비교기(304)는 신호 라인(318)을 통해 논리 "아니오"를 출력할 수 있다. 신호 라인(318)은 점화 패턴 선택 모듈(305)로 입력될 수 있다. 신호 라인(318)이 논리 "예"인 경우, 바람직한 EGR 유량(314)이 최대 EGR 유량(316) 미만이기 때문에, 점화 패턴은 이의 현재 상태로 유지될 수 있다. 신호 라인(318)이 논리 "아니오"인 경우, 점화 선택 모듈(305)은, 더 높은 EGR 유량을 가능하게 하는 새로운 점화 패턴을 선택할 수 있다. 도 1에 도시된 내연 기관(100)의 구체적인 실시예에서, 점화 패턴 선택 모듈은, 실린더(4 내지 6)와 비교하여, 실린더(1 내지 3)를 보다 규칙적으로 점화하는 점화 패턴을 선택할 수 있다.
엔진 제어 시스템(300)의 작동을 더 잘 이해하기 위해, 도 4의 테이블(400)을 고려한다. 테이블(400)은 0 내지 1 범위의 점화 분율과 관련된 36개의 상이한 점화 패턴을 도시한다. 7 이하의 분모를 갖는 모든 분율이 도시된다. 점화 분율 분모는, 점화 분율과 관련된 반복 점화 패턴의 길이를 나타낸다. 테이블(400)에 도시된 모든 점화 패턴은, 점화 작업 사이클 간에 가능한 한 동일한 간격을 갖는다. 점화 작업 사이클을 가능한 한 균등하게 이격시킴으로써, 대체로 더 낮은 레벨의 엔진 생성 노이즈, 진동, 및 불쾌감(NVH)을 야기한다. 실린더 점화 순서는, 앞서 언급된 바와 같이 1-5-3-6-2-4이다. 모든 엔진의 실린더가 스킵 및 점화되도록 하는 순환 점화 패턴을 갖는 점화 분율의 경우, 실린더가 스킵되는지 또는 점화되는지 여부는 엔진 사이클에 따라 가변되기 때문에, 패턴 표시가 열거되지 않으며, "-"는 임의의 주어진 실린더가 스킵되는지 또는 점화되는지 여부에 대해 열거된다. 특정 실린더만이 점화되게 하고 특정 실린더가 스킵되게 하는 점화 패턴의 경우, 패턴 표시가 할당된다. 이러한 점화 패턴의 일부는 열(402)에서 "반복"으로 표시된 엔진 사이클마다 반복되는 반면에, 이러한 점화 패턴의 일부는 열(404)에서 "반복"으로 표시된 2개의 엔진 사이클마다 반복된다. 실린더(4 내지 6)보다 더 많은 수의 실린더(1 내지 3)를 점화하는 점화 패턴은 강조 표시된다. 이러한 점화 패턴은, 더 많은 EGR 유량이 필요한 경우 사용될 수 있다.
도 4에서 설명된 패턴 중 어느 하나에서 임의의 수의 스킵된 실린더는 "펌핑" 실린더일 수도 있음을 유의해야 한다. 펌핑 실린더를 통해, 흡기 및 배기 밸브가 작동됨으로써 공기가 실린더를 통과할 수 있지만, 연료는 제공되지 않는다. 스킵 작업 사이클 중 적어도 일부를 펌핑 작업 사이클로서 작동시킴으로써, EGR 유량을 조정하기 위한 다른 파라미터를 제공한다.
다른 실시형태에서, 흡기 매니폴드(108)에 위치된 산소 센서로부터의 신호는, 흡기 매니폴드(108) 내의 배기가스 대 공기의 비율을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 산소 레벨이 사전 한정된 임계치 초과로 바람직한 산소 레벨로부터 벗어나는 경우, EGR 밸브(124)의 위치가 조정될 수 있거나/조정될 수 있고, 점화 패턴이 변경될 수 있다. 산소 레벨이 높은 경우(불충분한 EGR 유량), EGR 유량을 증가시키기 위해, 실린더(4 내지 6) 대신에 실린더(1 내지 3)를 주로 점화하는 점화 패턴이 선택될 수 있다. 유사하게, 산소 레벨이 낮은 경우(과잉 EGR 유량), EGR 유량을 감소시키기 위해, 실린더(1 내지 3) 대신에 실린더(4 내지 6)를 주로 점화하는 점화 패턴이 선택될 수 있다.
다른 실시형태에서, 배기 매니폴드(112 및 114) 중 하나 또는 둘 모두에 위치된 산소 센서로부터의 신호는, 배기 매니폴드 내의 배기가스 대 공기의 비율을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 산소 레벨이 사전 한정된 임계치 초과로 바람직한 산소 레벨로부터 벗어나는 경우, EGR 밸브(124)의 위치가 조정될 수 있거나/조정될 수 있고, 점화 패턴이 변경될 수 있다. 산소 레벨이 높은 경우(불충분한 EGR 유량), EGR 유량을 증가시키기 위해, 실린더(4 내지 6) 대신에 실린더(1 내지 3)를 주로 점화하는 점화 패턴이 선택될 수 있다. 유사하게, 산소 레벨이 낮은 경우(과잉 EGR 유량), EGR 유량을 감소시키기 위해, 실린더(1 내지 3) 대신에 실린더(4 내지 6)를 주로 점화하는 점화 패턴이 선택될 수 있다.
다른 실시형태에서, 흡기 매니폴드 또는 배기 시스템에 산소 센서를 배치하는 대신에, 이러한 위치에서의 산소 레벨의 모델을 사용하여, 산소 레벨을 나타내는 신호를 생성할 수 있다. 이러한 신호는, 산소 센서로부터의 신호와 유사한 방식으로 사용될 수 있다.
다른 실시형태에서, 배기 시스템에 위치된 NOx 센서로부터의 신호는, 배기가스 중의 NOx 레벨을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 배기가스 중의 NOx 레벨이 미리 결정된 임계치를 초과하는 경우, EGR 밸브(124)가 개방될 수 있거나/개방될 수 있으며, EGR 가스 유량을 증가시키기 위해, 실린더(4 내지 6) 대신에 실린더(1 내지 3)를 주로 점화하는 점화 패턴이 선택될 수 있다. NOx 레벨의 모델은, 일부 실시형태에서 NOx 센서로부터의 신호 대신에 사용될 수 있다.
작은 분모의 점화 분율을 갖고, 점화 작업 사이클이 가능한 한 균등하게 이격되는 점화 패턴을 사용하여 엔진을 작동시키는 것이 일반적으로 바람직하지만, 이러한 작동 모드가 요건은 아니다. 특히, 경부하로 작동되는 동안, 그리고 하이브리드 파워 트레인과 같은, 보조 토크 소스/싱크를 갖는 차량에서, 점화가 가능한 한 균등하게 이격되지 않는 점화 패턴이 사용될 수 있다. 또한, 더 큰 분모(예를 들어, 7보다 더 큰 분모)를 갖는 점화 분율이 사용될 수 있다. 경우에 따라, 점화 분율 분모는, 엔진의 실린더 수의 정수배일 수 있다. 하이브리드 차량에서, 전기 모터는, 미국 특허 제9,512,794호, 제10,060,368호, 및 제10,344,692호에 설명된 바와 같이, 평활한 토크를 적용함으로써, 엔진 진동의 영향을 완화시키기 위해 사용될 수 있다. 이 경우, 점화할 실린더 및 스킵할 실린더를 결정하는 스킵 점화 알고리즘은 2개의 선택 알고리즘으로 작동될 수 있다. 제1 알고리즘은 제1 배기 매니폴드(112) 내로 직접 배출하는 실린더에 적용될 수 있으며, 제2 알고리즘은 제2 배기 매니폴드(114) 내로 직접 배출하는 실린더에 적용될 수 있다. 제1 제어 알고리즘 및 제2 제어 알고리즘은, 가능한 한 균등한 방식으로 점화 간격을 유지하도록 서로 조정될 수 있다.
전술한 바와 같이, 도 1에 도시된 예시적인 내연 기관(100)에서, 제1 배기 매니폴드는, 제2 배기 매니폴드보다 EGR 시스템과의 보다 직접적인 유체 연결을 갖는다. 예를 들어, 2/3의 점화 분율이 바람직하다고 가정한다. 테이블(400)을 검토함으로써, 2/3의 점화 분율을 갖는 A, B 및 C로 표시된 3개의 점화 패턴이 있음을 알 수 있다. 각각의 이러한 패턴은, 각각의 엔진 사이클을 통해, 제1 배기 매니폴드 내로 배출하는 2개의 실린더를 점화하고, 제2 배기 매니폴드 내로 배출하는 2개의 실린더를 점화한다. 제1 배기 매니폴드 내로 배출하는 실린더의 경우, 제1 알고리즘은, 각각의 엔진 사이클에서, 2개의 점화 실린더를 동적으로 선택하고 하나의 실린더를 스킵함으로써, 점화되는 2개의 실린더를 유지할 수 있다. 제2 배기 매니폴드 내로 배출하는 실린더의 경우, 제2 알고리즘은, 또한 각각의 엔진 사이클에서, 제2 배기 매니폴드 내로 배출하는 2개의 실린더를 점화하는 반면에, 각각의 엔진 사이클에서 하나의 실린더를 스킵할 것이다. 요청된 토크를 공급하기 위해 더 적은 점화 실린더가 필요한 경우, 제2 알고리즘에 의해 제어되는 실린더는, 각각의 엔진 사이클에서 하나 또는 2개의 실린더 점화 간에 교호할 수 있는 반면에, 제1 알고리즘에 의해 제어되는 실린더는 엔진 사이클당 2개의 점화 실린더를 유지할 수 있다. 제1 배기 매니폴드 내로 배출하는 엔진 사이클당 동일한 수의 실린더 점화를 유지함으로써, 보다 일정한 EGR 유량이 유지될 수 있다.
위의 실시예에서의 점화 분율은 7/12이다(즉, 제1 엔진 사이클에서 4번의 점화, 및 제2 엔진 사이클에서 3번의 점화). 이 경우, 반복 점화 패턴 길이는, 엔진의 실린더 수의 2배이다. 제1 제어 알고리즘과 제2 제어 알고리즘의 조합을 사용하는 엔진 제어는, 흔히 엔진 실린더 수의 정수배와 동일한 반복 점화 패턴 길이를 갖는 점화 패턴을 산출할 수 있으며, 정수배는 2 이상이다. 위의 실시예에서와 같이, EGR 시스템 내로의 보다 안정된 유량을 유지하기 위해, 선택된 점화 패턴이 제1 배기 매니폴드 내로 배출하는 실린더 점화의 수의 엔진 사이클-대-엔진 사이클 변동을 감소시키도록, 점화 패턴이 선택될 수 있다. 또한, 제2 배기 매니폴드 내로의 배기 유량의 변동이 EGR 유량에 더 적은 영향을 주기 때문에, 제1 배기 매니폴드 내로 배출하는 실린더 점화의 수보다 제2 배기 매니폴드 내로 배출하는 실린더 점화의 수에서 더 많은 엔진 사이클-대-엔진 사이클 변동을 갖도록, 점화 패턴이 선택될 수 있다.
본 발명은 자동차에 사용하기 위해 적합한 터보차저 4행정 내연 피스톤 기관을 작동시키는 맥락에서 주로 설명되었다. 그러나, 설명된 적용예는 다양한 내연 기관에서 사용하기 위해 매우 적합하다는 점을 이해해야 한다. 이들은 자동차, 트럭, 보트, 항공기, 오토바이, 스쿠터 등을 포함하는 사실상 임의의 유형의 차량을 위한 엔진을 포함하며; 작업 챔버의 점화를 수반하고 내연 기관을 사용하는 사실상 임의의 다른 적용예를 포함한다. 다양한 설명된 접근법은, 사실상 임의의 유형의 2행정 피스톤 엔진, 디젤 엔진, 오토 사이클(Otto cycle) 엔진, 듀얼 사이클 엔진, 밀러 사이클(Miller cycle) 엔진, 애트킨슨 사이클(Atkinson cycle) 엔진, 방켈(Wankel) 엔진 및 다른 유형의 회전식 엔진, 혼합 사이클 엔진(예를 들어, 듀얼 오토 및 디젤 엔진), 하이브리드 엔진, 레이디얼(radial) 엔진 등을 포함하는, 다양한 상이한 열역학 사이클에 따라 작동되는 엔진에 유효하다. 또한, 설명된 접근법은, 이들이 현재 알려진 또는 나중에 개발되는 열역학 사이클을 사용하여 작동되는지 여부와 관계없이, 새로 개발되는 내연 기관에 유효할 것으로 판단된다. 또한, 자연 흡기 엔진이 본원에 설명된 본 발명으로부터 이점을 얻을 수 있다.
설명의 목적을 위해, 전술한 설명은 본 발명에 대한 철저한 이해를 제공하도록 구체적인 명명법을 사용하였다. 그러나, 본 발명을 실시하기 위해 구체적인 세부 사항이 필요하지 않음은 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 구체적인 실시형태에 대한 전술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시된다. 이들은 개시된 정확한 형태로 본 발명을 제한하거나 총망라하려고 의도되지 않는다. 위의 교시를 고려하여 다수의 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당업자에게 명백할 것이다.
본 발명의 원리 및 이의 실제적인 적용예를 최상으로 설명하기 위해 실시형태가 선택되어 설명되었으므로, 당업자는 고려된 특정 사용에 적합한 다양한 변형으로 본 발명 및 다양한 실시형태를 최상으로 사용할 수 있다. 본 발명의 범위는 이하의 청구범위 및 이들의 등가물에 의해 한정되도록 의도된다.
실시형태는 구체적인 실시형태의 관점에서 설명되었지만, 이러한 전반적인 개념의 범위에 속하는 변경, 치환, 및 등가물이 있다. 또한, 본 실시형태의 방법 및 장치를 구현하는 대안적인 방식이 있음을 유의해야 한다. 따라서, 이하의 첨부된 청구범위는, 설명된 실시형태의 진정한 사상과 범위 내에 속하는 이러한 모든 변경, 치환, 및 등가물을 포함하는 것으로 해석되도록 의도된다.

Claims (27)

  1. 스킵 점화 제어 내연 기관의 점화 패턴을 선택하는 방법으로서,
    상기 내연 기관은 흡기 매니폴드 및 배기 시스템을 가지며,
    상기 방법은,
    바람직한 배기가스 재순환 유량을 결정하는 단계;
    배기가스 재순환 밸브의 위치를 결정하는 단계; 및
    상기 바람직한 배기가스 재순환 유량, 및 상기 배기가스 재순환 밸브의 상기 위치에 적어도 부분적으로 기초하여, 점화 패턴을 선택하는 단계를 포함하는,
    스킵 점화 제어 내연 기관의 점화 패턴을 선택하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    엔진 속도를 결정하는 단계;
    점화 패턴을 결정하는 단계;
    상기 흡기 매니폴드 내의 부스트 압력을 결정하는 단계; 및
    상기 엔진 속도, 상기 점화 분율, 및 상기 부스트 압력에 적어도 부분적으로 기초하여, 최대 배기가스 재순환 비율을 계산하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 바람직한 배기가스 재순환 유량을 상기 최대 배기가스 재순환 유량과 비교하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 바람직한 배기가스 재순환 유량이 상기 최대 가스 재순환 유량을 초과하는 경우, 새로운 점화 패턴을 선택하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    밸브 타이밍을 결정하는 단계; 및
    상기 밸브 타이밍에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 최대 배기가스 재순환 비율을 계산하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 바람직한 배기가스 재순환 유량을 상기 최대 배기가스 재순환 유량과 비교하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 바람직한 배기가스 재순환 유량이 상기 최대 가스 재순환 유량을 초과하는 경우, 새로운 점화 패턴을 선택하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 흡기 매니폴드 내의 산소 레벨을 결정하는 단계;
    상기 산소 레벨이 사전 한정된 임계치 초과로 바람직한 산소 레벨로부터 벗어나는 경우, 상기 점화 패턴 또는 상기 배기가스 재순환 밸브 위치를 조정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 배기 시스템 내의 질소 산화물의 레벨을 결정하는 단계;
    상기 질소 산화물의 레벨이 사전 한정된 임계치를 초과하는 경우, 상기 점화 패턴 또는 상기 배기가스 재순환 밸브 위치를 조정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 점화 패턴은, 가능한 한 균등하게 분포되는 상기 점화를 야기하지 않는, 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 선택된 점화 패턴은, 제1 배기 매니폴드 내로 직접 배출하지 않는 실린더보다 상기 제1 배기 매니폴드 내로 직접 배출하는 더 많은 실린더를 점화하는, 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 점화 패턴의 적어도 하나의 스킵 작업 사이클은 펌핑 작업 사이클인, 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 선택된 점화 패턴은, 상기 제1 배기 매니폴드 내로 배출하는 실린더 점화의 수의 엔진 사이클-대-엔진 사이클 변동을 감소시키는, 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 선택된 점화 패턴은, 상기 제1 배기 매니폴드 내로 배출하는 실린더 점화의 수보다 상기 제2 배기 매니폴드 내로 배출하는 실린더 점화의 수의 더 많은 엔진 사이클-대-엔진 사이클 변동을 갖는, 방법.
  15. 스킵 점화 제어 터보차저 내연 기관으로서,
    상기 내연 기관은, 흡기 매니폴드, 배기가스 재순환 시스템, 및 적어도 2개의 배기 매니폴드를 갖는 배기 시스템을 가지며,
    상기 배기 시스템에 연결된 배기가스 재순환 공급 라인으로서, 상기 배기가스 순환 공급 라인은, 제2 배기 매니폴드보다 제1 배기 매니폴드와의 보다 직접적인 유체 연결을 갖는, 배기가스 재순환 공급 라인; 및
    바람직한 배기가스 재순환 유량에 적어도 부분적으로 기초하여, 점화 패턴을 결정하는 엔진 제어 시스템을 포함하는,
    스킵 점화 제어 터보차저 내연 기관.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 흡기 매니폴드에 위치된 산소 센서를 더 포함하며,
    상기 산소 센서로부터의 신호는, 상기 바람직한 배기가스 재순환 유량을 결정하기 위한 피드백 루프의 일부로서 사용되는, 기관.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 배기에 위치된 질소 산화물의 레벨을 측정하기 위한 센서를 더 포함하며,
    상기 질소 산화물 센서로부터의 신호는, 상기 바람직한 배기가스 재순환 유량을 결정하기 위한 피드백 루프의 일부로서 사용되는, 기관.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔진 제어 시스템은, 상기 제1 배기 매니폴드 내로 배출하는 실린더에 대한 제1 점화 패턴을 제어하기 위한 제1 제어 알고리즘, 및 상기 제2 배기 매니폴드 내로 배출하는 실린더에 대한 제2 점화 패턴을 제어하기 위한 제2 제어 알고리즘을 사용하는, 기관.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 점화 패턴은, 가능한 한 균등하게 분포되는 상기 점화를 야기하지 않는, 기관.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 기관은 복수의 실린더를 가지며,
    상기 점화 패턴은, 상기 기관의 실린더의 수의 적어도 2배인 반복 패턴 길이를 갖는, 기관.
  21. 제2항 내지 제7항, 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡기 매니폴드 내의 산소 레벨을 결정하는 단계;
    상기 산소 레벨이 사전 한정된 임계치 초과로 바람직한 산소 레벨로부터 벗어나는 경우, 상기 점화 패턴 또는 상기 배기가스 재순환 밸브 위치를 조정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  22. 제2항 내지 제8항, 제10항 내지 제14항, 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 시스템 내의 질소 산화물의 레벨을 결정하는 단계;
    상기 질소 산화물의 레벨이 사전 한정된 임계치를 초과하는 경우, 상기 점화 패턴 또는 상기 배기가스 재순환 밸브 위치를 조정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  23. 제2항 내지 제9항, 제11항 내지 제14항, 제21항, 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 점화 패턴은, 가능한 한 균등하게 분포되는 상기 점화를 야기하지 않는, 방법.
  24. 제2항 내지 제10항, 제12항 내지 제14항, 제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 선택된 점화 패턴은, 제1 배기 매니폴드 내로 직접 배출하지 않는 실린더보다 상기 제1 배기 매니폴드 내로 직접 배출하는 더 많은 실린더를 점화하는, 방법.
  25. 제2항 내지 제11항, 제13항, 제14항, 제21항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 점화 패턴의 적어도 하나의 스킵 작업 사이클은 펌핑 작업 사이클인, 방법.
  26. 제2항 내지 제12항, 제14항, 제21항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 선택된 점화 패턴은, 상기 제1 배기 매니폴드 내로 배출하는 실린더 점화의 수의 엔진 사이클-대-엔진 사이클 변동을 감소시키는, 방법.
  27. 제15항, 제16항, 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기에 위치된 질소 산화물의 레벨을 측정하기 위한 센서를 더 포함하며,
    상기 질소 산화물 센서로부터의 신호는, 상기 바람직한 배기가스 재순환 유량을 결정하기 위한 피드백 루프의 일부로서 사용되는, 기관.
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