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KR20170089815A - 내연기관의 작동방법 - Google Patents

내연기관의 작동방법 Download PDF

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KR20170089815A
KR20170089815A KR1020170093673A KR20170093673A KR20170089815A KR 20170089815 A KR20170089815 A KR 20170089815A KR 1020170093673 A KR1020170093673 A KR 1020170093673A KR 20170093673 A KR20170093673 A KR 20170093673A KR 20170089815 A KR20170089815 A KR 20170089815A
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South Korea
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cylinder
internal combustion
combustion engine
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specific
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KR1020170093673A
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크리스티안 바트
헤르베르트 코페체크
니콜라우스 스피라
미하엘 발트하르트
Original Assignee
게 옌바허 게엠베하 운트 콤파니 오게
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Filing date
Publication date
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Abstract

본 발명은 적어도 2개의 실린더(2)를 갖는 내연기관(1), 특히 가스엔진을 작동시키는 내연기관의 작동방법에 관한 것이다. 본 발명은 실린더특정 제1실린더신호(Pmax, E)가 각 실린더(2)로부터 획득되고, 해당 실린더(2)의 적어도 하나의 연소파라메타(Q, Z)가 제1실린더신호(Pmax, E)의 함수로서 제어되는 내연기관의 작동방법을 제공한다. 본 발명에 있어서, 실린더특정 기준실린더값(Pmax', E')이 각 실린더(2)의 제1실린더신호(Pmax, E)를 위하여 설정되고, 실린더(2)의 적어도 하나의 연소파라메타(Q, Z)가 기준실린더값(Pmax', E')으로부터 제1실린더신호(Pmax, E)의 편차의 함수로서 조절되며, 제1실린더신호(Pmax, E)가 기준실린더값(Pmax', E')을 추적한다.

Description

내연기관의 작동방법 {A METHOD FOR OPERATING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 적어도 2개의 실린더를 갖는 내연기관, 특히 가스엔진을 작동시키는 내연기관의 작동방법에 관한 것으로, 실린더특정(cylinder-specific) 제1실린더신호가 각 실린더로부터 획득되고, 해당 실린더의 적어도 하나의 연소파라메타가 제1실린더신호의 함수로서 제어되는 내연기관의 작동방법에 관한 것이다.
통상적으로, 내연기관의 실린더들은 연소에 있어서 기술적인 차이를 보인다. 즉, 연료량 또는 점화점과 같은 연소파라메타가 전반적으로 제어될 때, 내연기관에 의하여 수행되는 총일량(total work)에 대하여 실린더에 의해 제공되는 각각의 기여정도가 상이하다. 본문에 사용된 연소파라메타의 "전체제어" 또는 "전체엔진제어"라는 용어는 내연기관의 모든 실린더가 대응변수, 즉, 예를 들어, 연료량에 관련하여 전체제어를 위하여 동일한 값으로 작동되고, 동일개방시간이 실린더를 위하여, 또는 점화점에 관련하여 전체제어를 위하여 가스주입밸브에 적용되며, 실린더의 점화장치가 TDC(실린더에서 피스턴의 상사점) 전에 통상 크랭크 각도로서 표현되는 실린더내에서 각 피스턴의 동일한 피스턴위치에서 작동됨을 의미한다.
왕복엔진에서 실린더의 일은 실린더의 연결롯드에 연결된 크랭크샤프트를 통하여 내연기관의 출력축에 전달되고, 여기에서, 대개는 출력축의 기계적인 에너지를 전기에너지로 변환하기 위하여 출력축에 발전기가 연결된다. 실린더 밸런싱(cylinder balancing)을 위한 다양한 가능성에서, 초점은 구성요소의 가능한 한 균등한 기계적인 피크부하를 얻기 위하여 각 실린더의 피크압력의 밸런스를 맞추는 것에 있다. 다른 주요 밸런싱 방법의 예는 엔진효율을 최적화하는 것, 즉, 오염물질 배출을 최소화하는 것이다.
실린더 밸런싱 제어에 관하여, 특허문헌 US 7 957 889 B2 에는 내연기관의 각 실린더에 주입되는 연료의 주입을 조절함으로서 각 실린더의 최대내부실린더압력, 즉, 피크 실린더압력이 공차영역을 갖는 공통의 목표값에 설정되는 것이 기술되어 있다. 이러한 경우에 있어서 목표값은 모든 피크 실린더압력의 산술평균으로부터 얻는다.
지금까지 기술된 시스템들은 실린더 밸런싱 제어를 위한 목표변수로서 피크 실린더압력과 같은 실린더특정신호의 산술평균을 이용한다. 그러나, 이들 시스템은 공기충전, 침전 및 마모, 연소중심 또는 기계적인 허용공차와 같은 실린더 파라메타로부터 야기되는 실린더특정 차이점을 고려하지 않는다. 특히 이들은 배기가스방출 및 연소특성을 흩으러트려 효율의 손실을 야기한다. 이 점에 관하여, 질소산화물, 즉 NOx의 방출이 낮은 실린더는 NOx 방출이 높은 실린더가 얻을 수 있는 것 보다 더 많은 효율을 잃을 수 있다. 전체, 즉, 내연기관 전체에서 어떠한 NOx 방출은 제약이 있으므로, 각 실린더로부터 NOx 방출이 확산되는 것은 실린더 파라메타의 실린더특정 차이점 때문에 내연기관의 전체적인 효율손실을 가져온다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기 언급된 결점을 가지지 않고 종래기술에 비하여 개선된 내연기관의 작동방법을 제공하는데 있다. 특히, 실린더의 여러 방출 및 효율에서 나타날 수 있는 실린더 파라메타의 실린더특정 차이점이 고려되어야 한다.
본 발명은 이러한 목적이 청구범위 제1항의 특징에 의하여 달성될 수 있도록 한다. 청구범위의 종속항에서는 본 발명의 유리한 실시형태가 제공된다.
본 발명에 따라서, 실린더특정 기준실린더값이 각 실린더의 제1실린더신호를 위하여 설정되고, 실린더의 적어도 하나의 연소파라메타가 기준실린더값으로부터 제1실린더신호의 편차의 함수로서 조절되며, 제1실린더신호가 기준실린더값을 추적한다.
본 발명에 의하여, 예를 들어, 공기충전, 침전 및 마모, 연소중심 또는 기계적인 허용공차와 같은 실린더 파라메타에 대하여, 실린더특정 차이점이 실린더특정방식으로 실린더의 연소파라메타를 조절함으로서 고려되어 실린더특정 제1실린더신호가 각 실린더특정 기준실린더값을 추적한다. 이와 같이 함으로서,실린더의 제1실린더신호는 분명히 공통의 기준값을 추적하지 않고 적당한 기준실린더신호가 각 실린더에 대하여 설정되며, 이에 의하여 실린더 파라메타의 실린더특정 차이점이 고려될 수 있다. 이와 같이, 예를 들어, 내연기관의 실린더는 실린더 파라메타의 실린더특정 차이점에 불구하고 유사한 배기가스방출 및/또는 유사한 효율을 보일 수 있도록 한다.
좋기로는, 적어도 하나의 다음 실린더특성신호를 각 실린더로부터 획득하는 것이다: 내부실린더압력, 실린더배기온도, 질소산화물 배출, 연소공기비. 특별한 변형예에서, 획득된 신호는 연소사이클의 최대내부실린더압력이다.
양호한 신호품질을 얻고 이로써 고도의 제어성능을 얻기 위하여, 실린더의 실린더특정 제1실린더신호는 10~1000 연소사이클, 좋기로는 40~100 연소사이클에서 획득된 일시적으로 여과된 실린더특정 제1실린더신호이다.
일반적으로, 실린더의 연소파라메타는 기준실린더값으로부터 제1실린더신호의 편차가 명시적인 허용오차를 초과하는 경우 조절될 수 있다. 이와 같이 함으로서, 평활한 제어역동(control dynamics)이 이루어질 수 있다.
좋기로는 실린더특정 기준실린더값이 모든 실린더의 제1실린더신호의 통계적 변수, 좋기로는 산술평균, 특히 좋기로는 중앙값을 포함하고, 실린더특정 오프셋트를 포함한다. 이와 같이 통계적 변수는 모든 실린더로부터 제1실린더신호의 통계적 평가의 결과일 수 있다. 특별한 우선실시형태에서, 실린더특정 기준실린더값은 모든 실린더의 제1실린더신호의 중앙값과 실린더특정 오프셋트를 포함한다.
좋기로는 실린더특정 오프셋트가 차이값특성맵핑에 의하여 결정되고, 차이값특성맵핑은 내연기관의 출력의 등가파워 및/또는 내연기관의 과급공기압력, 좋기로는 부가하여 내연기관의 과급공기온도 및/또는 엔진속도를 고려한다.
요구된 최적화 목적을 위한 차이값특성맵핑은 시험장치에서 또는 내연기관을 작동시킴으로서 확립될 수 있다. 최적화 목적의 예는 실린더의 가능한 한 유사한 NOx 배출 또는 가능한 한 내연기관의 기계적인 부하한계 또는 작동한계를 고려하여 최대화되는 실린더효율이다. 실린더특정 오프셋트의 결정은 적당한 계산방법을 이용하여 예를 들어 다항식 형태의 계산으로 특성맵핑을 확립하거나 또는 내연기관을 위한 듀티 포인트(duty point)의 알려진 값 사이의 인터폴레이팅(interpolating)에 의하여 수행될 수 있다.
특별히 우수한 실시형태에 따라서, 실린더특정 오프셋트는 다음의 실린더특정 실린더 파라메타의 적어도 하나의 함수로서 결정된다: 점화전 압축단계중 실린더압력, 등가공기량, 연소중심, 압축비, 점화지연.
일반적으로, 실린더특정 오프셋트는 적어도 하나의 실린더특정 실린더 파라메타의 함수로서 그리고 시험장치에서 최적화 목표의 함수로서 결정되고 특성맵핑에 기록된다.
상기 언급된 실린더 파라메타의 결정은 그 자체가 잘 알려진 것이다. 따라서, 점화전 압축단계중 실린더압력, 등가공기량 및 연소중심은 예를 들어 해당 실린더의 연소사이클에서 내부실린더압력 프로파일로부터 실린더압력센서에 의하여 결정될 수 있다. 압축비와 점화지연은 실린더압력 프로파일로부터 특수조건하에 결정될 수 있다.
그리고, 적당한 실린더특정 오프셋트를 결정하기 위하여, 모든 실린더의 이러한 실린더 파라메타의 평균값(예를 들어 산술평균 또는 중앙값)으로부터 적어도 하나의 실린더특정 실린더 파라메타의 각 편차가 사용될 수 있다.
이와 같이, 실린더특정 오프셋트는 가수(addends)의 합으로서 표현될 수 있고, 이러한 가수는 양 또는 음의 계수가 붙는 실린더특정 실린더파라메타의 상응하는 편차에 상응한다.
점화전 압축단계중에 실린더의 실린더압력의 편차는 모든 실린더의 해당 실린더압력의 산술평균 또는 중앙값에 대하여 퍼센트로 표현될 수 있다. 이와 같이, 점화전 압축단계중에 평균값에 대한 증가된 실린더압력은 실린더특정 오프셋트의 양의 가수가 될 것이다.
실린더의 등가공기량의 편차는 모든 실린더의 등가공기량의 산술평균 또는 중앙값에 대하여 퍼센트로 표현될 수 있다. 이와 같이, 평균값에 대한 증가된 등가공기량은 실린더특정 오프셋트의 양의 가수가 될 것이다.
실린더의 연소중심의 편차는 모든 실린더의 연소중심의 산술평균 또는 중앙값으로부터 연소의 실린더특정 중심의 차이로서, 예를 들어 크랭크각도로 표현될 수 있다. 이와 같이, 실린더의 연소중심의 음의 편차(즉, 모든 실린더의 연소중심의 평균값에 비하여 조기 연소중심)는 실린더특정 오프셋트의 양의 가수가 될 것이다.
실린더의 압축비의 편차는 모든 실린더의 압축비의 산술평균 또는 중앙값에 대하여 예를 들어 퍼센트로 표현될 수 있다. 이와 같이, 평균값에 대한 증가된 압축비는 실린더특정 오프셋트의 양의 가수가 될 것이다.
실린더의 점화지연의 편차는 모든 실린더의 점화지연의 산술평균 또는 중앙값으로부터 연소의 실린더특정 점화지연의 차이로서, 예를 들어 크랭크각도로 표현될 수 있다. 이와 같이, 실린더의 점화지연의 양의 편차(즉, 모든 실린더의 점화지연의 평균값에 비하여 긴 점화지연)는 실린더특정 오프셋트의 음의 가수가 될 것이다.
환언컨데, 실린더특정 오프셋트 Δm 는 다음의 등식을 이용하여 실린더 파라메타의 각 편차로부터 결정될 수 있다.
Δm = a*Δpverd + b*Δair + c*ΔMFB + d*Δε + e*Δdelay
여기에서, Δpverd 는 점화전 압축단계중 실린더압력의 편차이고, Δair 는 등가공기량의 편차이며, ΔMFB 는 연소중심의 편차이고, Δε는 압축비의 편차(예를 들어 부품의 허용공차의 결과로서)이며, 그리고 Δdelay 는 점화지연의 편차(예를 들어 스파크 플러그 및/또는 부실의 마모의 결과로서)이다. 실린더 파라메타의 편차에 결합된 계수 a, b, c, d, e 를 사용함으로서, 가수의 가중치가 각 실린더특정 오프셋트 Δm 의 결정을 위하여 발생될 수 있다. 하나 이상의 이들 계수를 제로로 설정함으로서 실린더특정 오프셋트 Δm 를 결정하기 위한 상응하는 편차는 무시될 수 있다. 더욱이, 양의 계수 또는 음의 계수를 선택한다는 것은 실린더특정 오프셋트 Δm 에 대하여 양의 편차가 양의 가수인지 또는 음의 가수인지를 결정할 수 있도록 한다.
계수 a, b, c, d, e 의 미세조정은 시험장치에서 또는 내연기관의 작동시에 수행될 수 있다. 이와 같이, 계수가 특정값으로 설정될 수 있다. 또한 계수는 분석조정에 의하여, 시뮬레이션에 의하여 또는 측정값에 기초하여 결정될 수 있다. 또한 내연기관의 작동중에 온라인으로 실린더 파라메타 및 이에 상응하는 편차를 획득할 수 있고 또한 작동중에 최적화 목표의 함수로서 계수를 변경할 수 있다. 이와 같이, 예를 들어, 비정상 연소조건이 실화(misfire)가 일어나는 경우 실린더가 높은 오프셋트 Δm 를 갖도록 하거나 노킹 및/또는 자동점화가 일어나는 경우 실린더가 낮은 오프셋트 Δm 를 갖도록 하여 반응될 수 있다.
특별히 유리한 실시형태에서, 연소파라메타는 해당 실린더에 공급되는 연료량일 수 있다. 부실점화형 내연기관에 있어서는 연소파라메타가 실린더의 각 메인 연소실에 공급되는 연료량일 수 있다. 실린더로부터의 신호가 기준값 보다 작은 경우 실린더에 공급되는 연료량은 증가될 것이고, 실린더로부터의 신호가 기준값 보다 크면 실린더에 공급되는 연료량은 감소될 것이다. 각 실린더에 연료공급밸브(fuel metering valve)가 제공되는 것이 좋으며, 실린더에 공급되는 연료량을 조절하기 위하여 해당 연료공급밸브의 개방시간이 조절된다. 이러한 연료공급밸브는 실린더의 유입계 영역내에 배치되는 포트주입밸브(port injection valve)가 유리하다. 또한 포트주입밸브는 예를 들어 완전히 개방된 위치 또는 완전히 폐쇄된 위치만을 갖는 경우에 사용될 수 있다. 이와 같이 함으로서, 개방시간은 밸브가 그 완전한 개방위치에 있는 시간으로 정의될 수 있다. 그러나, 일반적으로, 스트로크-제어형 밸브가 사용될 수 있으며, 이 경우, 실린더에 공급되는 연료량을 조절하기 위하여 밸브의 개방시간 및/또는 개방스트로크가 조절된다.
각 실린더특정 제1실린더신호가 사용된 실린더특정 제1실린더신호의 함수로서 각 실린더특정 기준실린더값을 추적하는 연료량 연소파라메타의 제어는 다음의 표 1에 따라 수행될 수 있다. 표 1에서 컬럼 1은 각 실린더특정 제1실린더신호와 각 제1실린더신호를 획득하기 위한 적당한 시나리오를 보이고 있다. 표 1의 컬럼 2에 따라서, 각 제1실린더신호가 해당 실린더특정 기준실린더값 보다 작은 경우 실린더에 대한 연료량의 증가가 이루어진다. 표 1의 컬럼 3에 따라서, 각 제1실린더신호가 해당 실린더특정 기준실린더값 보다 큰 경우 실린더에 대한 연료량의 감소가 이루어진다. 이와 같이, 예를 들어 실린더에 결합된 연료공급밸브의 개방시간을 증가시킴으로서 실린더에 공급되는 연료량이 증가될 수 있다. 마찬가지로, 실린더에 결합된 연료공급밸브의 개방시간을 감소시킴으로서 실린더에 공급되는 연료량이 감소될 수 있다.
연료량에 관한 제어조정
실린더특정 제1실린더신호 실린더에 공급되는 연료량이 증가되는 경우 실린더에 공급되는 연료량이 감소되는 경우
연소실내 실린더압력센서에 의하여 획득된 피크 실린더압력 낮은 피크 실린더압력 높은 피크 실린더압력
유출밸브 후방의 서머커플에 의하여 획득된 실린더배기온도 낮은 실린더배기온도 높은 실린더배기온도
NOx 프로우브에 의하여 획득된 질소산화물 배출 낮은 질소산화물 배출 높은 질소산화물 배출
광대역 람다 프로우브 또는 산소센서에 의하여 확득된 역 연소공기비 낮은 역 연소공기비 높은 역 연소공기비
다른 우선실시형태에서, 해당 실린더의 점화점은 연소파라메타로서 설정될 수 있다. 좋기로는 각 실린더에 점화장치가 제공되는 것이며, 점화장치의 점화점은 TDC(실린더내에 피스턴의 상사점)전 크랭크각도로 설정된다.
통상적으로 점화점은 TDC(실린더내 피스턴의 상사점)전 크랭크각도로 표현되고 실린더 또는 연소실에서 연료 또는 연료혼합물을 점화시키기 위하여 적당한 점화정치가 발화될 때를 나타낸다. 이러한 경우에 있어서 점화장치는 스파크 플러그(예를 들어 전극 스파크 플러그 또는 레이저 스파크 플러그) 또는 예를 들어 디젤연료의 파일럿 주입을 수행하기 위한 파일럿 인젝터(pilot injector)일 수 있다. 또한 점화장치는 부실(prechamber)에 제공될 수 있다. 통상적으로, 내연기관의 각 실린더를 위한 점화점은 TDC전 크랭크각도로서 표현되는 동일한 전체예정값(전체디폴트값)으로 설정된다. 예를 들어, 이러한 값은 20~30도의 TDC전 크랭크각도이고, 이러한 값은 내연기관의 속도로부터 또는 사용된 점화장치의 함수로서 설정될 수 있다. 이러한 전체디폴트값은 파워 및/또는 과급공기압력 및/또는 과급공기온도 및/또는 내연기관의 엔진속도의 함수로서 점화점의 적당한 값을 설정하는 점화점특성매핑(ignition point charateristics mapping)으로부터 추론될 수 있다.
본 발명의 우선실시형태에서, 실린더의 점화점은 각 실린더특정 제1실린더신호가 해당 실린더특정 기준실린더값 보다 작은 경우 빠르게 조기에(전체디폴트값에 대하여) 설정되고 실린더특정 제1실린더신호가 해당 실린더특정 기준실린더값 보다 큰 경우 실린더의 점화점은 느리게 후기에(전체디폴트값에 대하여) 설정된다.
각 실린더특정 제1실린더신호가 실린더특정 제1실린더신호의 함수로서 각 실린더특정 기준실린더값을 추적하는 점화점 연소파라메타에 대한 제어는 다음의 표 2에 따라 수행될 수 있다. 표 2의 컬럼 1은 각 실린더특정 제1실린더신호와 각 제1실린더신호를 획득하기 위한 적당한 시나리오를 보이고 있다. 표2의 컬럼 2는 실린더의 각 제1실린더신호가 해당 실린더특정 기준실린더값 보다 작은 경우 실린더의 조기 점화점을 보이고 있다. 표 2의 컬럼 3은 각 제1실린더신호가 해당 실린더특정 기준실린더값 보다 큰 경우 조기 점화점을 보이고 있다. 후기 점화점을 보이고 있다.
점화점에 관한 제어조정
실린더특 정제1실린더신호 실린더의 점화점이 조기에 설정되는 경우 실린더의 점화점이 후기에 설정되는 경우
연소실내 실린더압력센서에 의하여 획득된 피크 실린더압력 낮은 피크 실린더압력 높은 피크 실린더압력
NOx 프로우브에 의하여 획득된 질소산화물 배출 낮은 질소산화물 배출 높은 질소산화물 배출
특별히 유리한 실시형태에 따라서, 적어도 하나의 연소파라메타를 설정하기 위하여, 파라메타는 이러한 파라메타의 값이 명시적인 전체 엔진 목표값과 실린더특정차이값을 포함하도록 결정될 수 있다.
점화점 연소파라메타를 설정하는 경우에 있어서, 실린더특정차이값은 ±4도 범위의 TDC전 크랭크각도, 좋기로는 ±2도 범위의 TDC전 크랭크각도일 수 있다.
명시목표값은 내연기관의 모든 실린더에 대하여 동일한 전체값일 수 있다.
연소파라메타로서 점화점을 설정하는 경우에 있어서, 명시목표값은 고정형 가스엔진의 실린더에서 점화값에 대한 전체디폴트값일 수 있다. 이 점에 관하여, 명시목표값은 점화점특성맵핑으로부터 추론될 수 있다. 점화점특성맵핑은 파워 및/또는 과급공기압력 및/또는 과급공기온도 및/또는 내연기관의 엔진속도의 함수로서 점화점을 위한 적당한 값을 설정할 수 있다. 점화점특성맵핑에서 설정된 값은 시험장치(test rig)에서 결정될 수 있다.
연소파라메타로서 연료량을 설정하는 경우에 있어서, 명시목표값은 연료공급밸브 또는 고정형 가스엔진의 가스주입밸브의 개방시간에 대한 전체기초엔진값일 수 있다.
기본적으로, 내연기관의 연소방식은 공기주도형(air-led) 및 연료주도형(fuel-led) 연소방식으로 분류될 수 있다. 공기주도형 연소방식에 있어서, 특정배출레벨 또는 특정과급공기압력을 얻기 위하여, 공급될 연료량이 예를 들어 내연기관의 듀티 포인트(duty point)와 연료-공기비에 대한 명시목표값의 함수로서 결정된다. 이에 의하여 효율적으로 사용되는 엔진제어는 배기가스제어기를 포함한다. 연료주도 또는 공기주도의 연소방식에 있어서, 공급될 연료량은 내연기관의 듀티 포인트와 내연기관의 파워 및/또는 속도에 대한 명시목표값의 함수로서 결정된다. 연료주도형 연소방식은 내연기관의 가변속도작동중에, 격리된 작동의 내연기관에서, 엔진시동중에 또는 내연기관이 공전할 때 특별히 전용된다. 통상적으로 이에 의하여 사용된 엔진제어는 파워제어기 및/또는 속도제어기를 포함할 수 있다.
예를 들어, 배기가스제어기가 사용되는 공기주도형 연소방식의 경우에 있어서, 명시목표값은 명시연료-공기비로부터 결정되며, 여기에서, 명시연료-공기비는 내연기관의 출력파워, 좋기로는 내연기관에 연결된 발전기로부터의 전기적인 파워에 대한 등가파워 및/또는 과급공기압력 및/또는 내연기관의 엔진속도로부터 결정된다.
본문에 사용된 "등가파워(power equivalent)"라는 용어는 내연기관의 실제 기계적인 파워 또는 기계적인 파워에 상응하는 대체변수를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 예는 내연기관에 연결된 발전기로부터의 전기적인 파워일 수 있으며 이는 발전기의 파워출력으로부터 측정된다. 또한 이는 내연기관을 위하여 계산된 기계적인 파워일 수 있으며, 이는 엔진속도 및 토크로부터 또는 발전기의 전기적인 파워 및 발전기의 효율로부터 계산된다. 또한 이는 소비단의 파워활용이 속도로부터 정확히 알려지는 경우 간단히 엔진속도일 수 있다. 더욱이, 등가파워는 또한 내부실린더압력 프로파일로부터 알려진 방식으로 결정될 수 있는 표시된 평균압력이거나 또는 유효평균압력으로서 전기적인 파워 또는 기계적인 파워로부터 계산될 수 있다. 이 점에 관하여, 내연기관의 등가파워는 유효평균압력, 실린더용량 및 파워 스트로크로부터 얻은 일 사이의 알려진 관계로부터 결정될 수 있다.
명시적인 연료-공기비는 과급공기압력과 내연기관의 파워로부터 알려진 방식으로 결정될 수 있다. 이와 같이 함으로서, 가스엔진으로서 구성된 내연기관의 명시적인 연료-공기비는 예를 들어 특허문헌 EP 0 259 382 B1 에 따라서 결정될 수 있다.
가스주입시간에 대한 명시목표값은 가스주입맬브의 유동성향과 가스주입밸브내의 경계조건(boundary condition)(예를 들어 연소가스의 압력과 온도, 흡입매니폴드압력 또는 과급공기압력)으로부터 결정될 수 있다. 가스엔진의 등가공기량(공기량에 상응하는 값)은 가스엔진의 흡입매니폴드의 조건, 특히 과급공기압력과 과급공기온도로부터 결정될 수 있다. 명시적인 연료-공기비를 이용하여, 연소가스의 양에 대한 기준값이 결정될 수 있다. 가스주입밸브의 요구된 전체개방시간 또는 가스주입시간은 사전에 결정된 양의 연소가스를 가스엔진에 주입하기 위하여 가스주입밸브의 유동성향과 가스주입밸브에서의 경계조건으로부터 결정될 수 있다. 이러한 예에서, 전체가스주입시간은 명시목표값에 해당한다.
예를 들어, 파워제어기 및/또는 속도제어기를 이용하는 가스주도형 연소방식의 경우, 명시목표값이 명시적인 목표등가파워로부터 내연기관의 출력파워의 등가파워의 편차 및/또는 내연기관의 명시적인 목표속도로부터 내연기관의 엔진속도의 편차의 함수로서 결정되는 것이 좋다.
이와 같이 함으로서, 내연기관의 명시적인 목표등가파워(기준파워)로부터 내연기관의 출력파워(실제 파워)(예를 들어 내연기관에 연결된 발전기에 대하여 측정된 전기적인 파워)의 실제등가파워의 편차의 함수로서 연료유량에 대한 전체엔진디폴트값을 결정할 수 있는 파워제어기가 제공될 수 있다. 또한 또는 부가적으로, 내연기관의 명시적인 목표속도(기준속도)로부터 내연기관의 실제엔진속도(실제속도)의 편차의 함수로서 연료유량에 대한 전체엔진디폴트값을 결정하는 속도제어기가 제공될 수 있다. 연료유량에 대한 결정된 목표값으로부터, 예를 들어 연료공급밸브의 전체엔진개방시간 또는 점화장치의 점화점에 대한 전체엔진디폴트값에 대한 명시목표값이 결정될 수 있다.
특별한 변형예에서, 실린더특정차이값은 실린더특정 파일럿값을 포함하고, 여기에서, 좋기로는 실린더특정 파일럿값이 과급공가압력과, 좋기로는 부가적으로 내연기관의 과급공기온도로부터 결정된다. 이와 같이 함으로서, 실린더특정 파일럿값은 내연기관이 작동중에 측정된 측정값으로부터 유도되고 실린더특정신호를 획득하기 위한 센서가 고장나거나 결합을 갖는 경우 고장시 조치를 취할 수 있도록 하는 폴백값(fall-back value)으로서 사용될 수 있다.
실린더특정 파일럿값은 예를 들어 흡입매니폴드 및/또는 가스엔진의 가스레일(gas rail)에서의 기체역학 및 적당한 부품공차를 고려할 것이며, 기체역학은 시뮬레이션이나 측정값으로부터 결정될 수 있다. 기체역학과 부품공차의 효과는 그 자체가 과급공기압력, 엔진속도 및 과급공기온도에 의하여 영향을 받는다. 이 점에 관하여, 여러 과급공기압력과 과급공기온도에 대한 상응하는 값을 포함하는 특성맵핑으로부터 적당한 실린더특정 파일럿값을 유도하는 것이 유리하다. 이와 같이 함으로서 가스엔진의 작동시에, 적당한 측정데이터가 획득되거나 적당한 특성맵핑이 시험이나 시뮬레이션에 의하여 결정될 수 있다. 또한 가스엔진의 작동중에 온라인 측정에 의하여 적응특성맵핑을 발생할 수 있다.
특별히 유리하게, 실린더특정차이값이 등화값에 의하여 보충되고, 여기에서 등화값은 실린더특정차이값의 산술평균에 상응한다. 이는 특히 지금까지 실린더 밸런싱없이 단지 일반적인 제어기만으로 작동되었던 내연기관에 제안된 해결수단을 설치하거나 새롭게 장착할 때 유리하다. 이와 같은 방식으로 실린더특정차이값을 연결함으로서, 특히, 전체 공급된 연료량은 제안된 해결수단에 의하여 연향을 받지 않을 것이며 내연기관의 전체적인 배기가스제어가 조절될 필요가 없다. 각 점화점에 대한 값이 전체엔진제어에 도입될 수 있으므로, 실린더특정차이값을 보정하는 것은 전체엔진제어에 대한 원치않는 효과가 점화점의 설정에 대하여 배제될 수 있음을 의미한다.
본 발명의 우선실시형태에서, 연소조건은 각 실린더에 대하여 모니터되고 명시적인 기준상태에 대하여 정상 또는 비정상적인 것인지 평가될 수 있으며, 여기에서 실린더의 연소파라메타는 실린더의 연소조건이 정상적인 것으로 판단되는 경우에만 조절된다. 이와 같이 함으로서, 연소조건으로서 노킹 및/또는 자동점화 및/또는 연소중단이 모니터될 수 있으며, 연소에서 노킹이 없고 또는 자동점화가 없고 또는 중단이 없는 것이 포착되는 경우 실린더의 연소조건은 정상적인 것으로 판단된다. 또한 비정상적인 연소조건을 보이거나 연소중 열기계적인 한곌ㄹ 초과하는 실린더의 경우 비정상적인 연소조건에 대항하거나 해당 실린더를 열기계적인 한계로부터 멀리 떨어진 듀티 포인트(duty point)로 안내하도록 실린더특정 기준실린더값을 설정할 수 있다. 이와 같이, 예를 들어, 비정상적인 연소(예를 들어 노킹, 자동점화, 피크압력한계의 초과)가 이루어지는 실린더의 경우, 연료공급밸브의 주입시간, 즉, 개방시간이 연장되지 않거나, 필요한 경우 단축될 수 있다. 이와 같이, 예를 들어, 간헐적인 연소가 이루어지는 실린더의 경우, 주입시간은 단축될 필요가 없거나 연장될 수도 있다.
일반적으로, 또한, 제1연소파라메타를 조절함으로서 실린더특정 제1실린더신호의 제어와 동시에, 다른 실린더특정 실린더신호의 제어가 다른 연소파라메타를 조절함으로서 수행될 수 있다. 이와 같이, 예를 들어, 본 발명의 방법은 실린더특정 제1실린더신호로서 최대내부실린더압력을 이용하고 연소파라메타로서 연료량을 이용하여 수행될 수 있어, 동시에 연소점화점의 실린더특정제어가 실린더특정 연소중심의 함수로서 수행된다. 이와 같이, 명시적인 중앙값으로부터 실린더특정 연소중심의 편차의 함수로서 각 점화점이 조절될 수 있다. 명시적인 중앙값은 전체 중앙값, 즉, 내연기관의 모든 실린더에 유효한 전체 중앙값일 수 있다.
본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 내연기관의 실린더로부터 NOx 방출에 대한 실린더효율의 종속성을 보인 설명도.
도 2는 실린더특정 기준실린더값에 대한 실린더특정 제1실린더신호의 추적을 보인 설명도.
도 3은 다수의 실린더를 갖는 내연기관과 본 발명 방법의 실시형태에 따라 내연기관을 작동시키기 위한 제어장치를 보인 설명도.
도 4는 내연기관의 3개 실린더와 본 발명 방법의 실시형태에 따라 내연기관을 작동시키기 위한 제어장치를 보인 설명도.
도 5는 연료주도형 연소방식으로 작동되는 내연기관을 보인 도 4와 유사한 설명도.
도 6은 본 발명에 따라서 제안된 제어장치를 상세히 보인 설명도.
도 7은 본 발명의 다른 실시형태를 보인 도 4와 유사한 설명도.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시형태의 제어장치를 보인 설명도.
도 1은 내연기관(1)(도 3 참조)의 2개 실린더(2)의 실린더효율 ηcyl 을 이들 실린더의 각 NOx 배출값 Ecyl 의 함수로서 보인 것으로, 이와 함께 NOx 배출값 Ecyl 과 모든 실린더(2)의 실린더효율 ηcyl 에 대하여 본 발명의 방법에 의하여 얻고자 하는 요구된 목표값을 보이고 있다.
얻고자 하는 실린더효율 ηcyl 의 프로파일은 해당 실린더(2)의 각 NOx 배출값 Ecyl 에 비직선형의 종속성을 보인다. 특히 도시된 여러 NOx 배출값 Ecyl 과 이에 관련된 실린더의 각 여러 실린더효율 ηcyl 은 여러 공기의 충전, 침전 및 마모, 연소중심 또는 실린더(2)의 기계적인 허용공차가 그 원인이 될 수 있다.
본 발명의 방법에 의하여, 이들 여러 실린더특정 실린더 파라메타가 고려되어야 하는 바, 그 이유는 각 실린더(2)에 대하여, 실린더특정 기준실린더값 Pmax'이 제1실린더신호 Pmax 에 대하여 설정되고 실린더(2)의 연소 파라메타 Q(예를 들어 실린더에 공급되는 연료량)가 기준실린더값 Pmax'으로부터 제1실린더신호 Pmax 의 편차의 함수로서 설정되기 때문이며, 여기에서 제1실린더신호 Pmax 는 기준실린더값 Pmax'을 추적한다(도 2 참조). 특히, 이와 같이 함으로서, 실린더(2)의 실린더특정 기준실린더값 Pmax' 은 모든 실린더(2)에 대하여 얻고자 하는 실린더특정 NOx 배출값 Ecyl 또는 얻고자 하는 실린더효율 ηcyl 이 명시가능한 범위(specifiable range)내에 놓이거나 근본적으로 동일하게(essentially identical) 되도록 조절된다. 대체로, 실린더 파라메타의 실린더특정 차이를 고려하여, 모든 실린더(2)에 대하여 고려되지 않은 상황과 비교하여 증가된 일반적인 효율을 얻을 수 있다.
도 2는 예를 들어 내연기관(1)(도 3 참조)의 3개 실린더(2)의 시간 t 에 대한 각 실린더특정 제1실린더신호 Pmax 의 프로파일을 보인 것이다. 여기에서 실린더특정 제1실린더신호 Pmax 는 각각 해당 실린더(2)의 연소사이클에서 획득된 해당 실린더(2)의 각 최대내부실린더압력 Pmax 이다. 공기충전 또는 연소특성과 같은 실린더 파라메타의 실린더특정 차이는 제1실린더신호 Pmax 에 대한 여러 프로파일에 의하여 나타나는 것이다. 이제 본 발명의 방법은 각 실린더(2)에 대한 실린더특정 기준실린더값 Pmax'을 제공하거나 설정하는 것을 제안하고 있으며, 여기에서 각 제1실린더신호 Pmax 는 해당 기준실린더값 Pmax'을 추적한다. 이와 같이, 예를 들어, 여러 실린더특성 또는 실린더 파라메타에도 불구하고, 실린더(2)의 각 NOx 배출값 Ecyl 과 실린더(2)의 실린더효율 ηcyl 은 동일하거나 유사한 값을 가지며, 대체로 각 실린더(2)의 여러 실린더 파라메타가 고려되지 않는 경우 보다 모든 실린더(2)의 전체 효율이 증가될 수 있다. 도면에서 보인 바와 같이, 시간 t1 으로부터, 각 제1실린더신호 Pmax 는 각 실린더특정 기준실린더값 Pmax'을 추적하며 이로부터 본 발명의 방법에 따라서 시간 t1 의 제어가 이루어진다.
도시된 예에서, 기준실린더값 Pmax'은 모든 실린더(2)의 최대내부실린더압력 Pmax 의 산술평균 Pmean 과 실린더특정 오프셋트 Δm 으로 구성된다. 이 경우에 있어서, 각 오프셋트 Δm 는 실린더 파라메타(예를 들어, 등가공기량, 연소중심, 압축비, 점화지연)의 실린더특정 차이를 고려한 것이다.
도 3는 3개의 실린더(2)를 갖는 내연기관(1)을 보인 것이다. 실린더특정신호를 획득하기 위하여 각 실린더(2)에 실린더압력센서(4)가 결합된다. 실린더특정신호는 내부실린더압력의 시간에 대한 프로파일 또는 연소사이클에 대한 최대내부실린더압력 Pmax 일 것이다. 또한 실린더특정신호는 다수의 연소사이클, 예를 들어 10~1000 연소사이클, 좋기로는 40~100 연소사이클에서 최대내부실린더압력 Pmax 의 일시적으로 여과된 신호일 수 있다. 실린더(2)로부터 획득된 실린더특정 제1실린더신호 Pmax 는 신호라인(14)을 통하여 제어장치(7)로 전달된다. 제어장치(7)는 또한 연소사이클에서 최대내부실린더압력 Pmax 의 결정 또는 다수의 연소사이클에서 최대내부실린더압력 Pmax 의 일시적인 필터링을 수행할 수 있다.
이후 상세히 설명되는 바와 같이, 본 발명의 방법에 따라서 제어장치(7)는 제어라인(15)을 통하여 해당 연료공급밸브(3)에 전달되는 실린더(2)를 위한 연소파라메타로서 공급될 각 실린더특정 연료량 Q 를 결정한다. 연료공급밸브(3)는 해당 실린더특정 연료량 Q 를 실린더(2)에 공급하여 본 발명의 방법에 따따라서 실린더특정 제1실린더신호 Pmax 가 제어장치(7)에 의하여 발생된 실린더특정 기준실린더값 Pmax' 을 추적한다.
도 4는 공기주도형 연소방식을 갖는 내연기관(1)의 3개 실린더(2)의 블록도를 보이고 있다. 연료공급밸브(3)가 각 실린더(2)에 결합되고, 해당 실린더(2)에 공급되는 연료량 Q 는 각 연료공급밸브(3)에 의하여 조절된다. 제어장치(7)는 연료공급밸브(3)를 제어하고, 이로써 제어장치(7)는 실린더특정파라메타 tcyl 의 형태로서 연료공급밸브(3)를 위한 각 실린더특정 개방시간을 출력한다.
이러한 예에서, 연료공급밸브(3)는 완전히 개방되거나 완전히 폐쇄되는 위치에 놓이는 포트주입밸브이다. 연료공급밸브(3)가 완전한 개방위치에 있을 때, 압축가스의 형태인 연료가 연료공급밸브(3)가 결합된 실린더(2)의 유입구측으로 주입된다. 이와 같이 연료공급밸브(3)의 개방시간은 각 실린더(2)의 연료량 Q 를 설정하는데 사용될 수 있다.
실린더특정 제1실린더신호 Pmax 가 각 실린더(2)로부터 획득되고 제어장치(7)에 고읍된다. 이 점에 관하여, "실린더특정 제1실린더신호 Pmax"는 연소사이클 중에 해당 실린더(2)의 최대내부실린더압력에 상응한다. 도시된 예에서, 실린더특정 제1실린더신호 Pmax 가 제어장치(7)의 차이값프로세서(8)에 공급된다. 차이값프로세서(8)는 각 실린더(2), 즉, 각 연료공급밸브(3)에 대한 차이값 Δtcyl 을 결정하며, 이러한 값은 명시목표값 tg에 가산되어 실린더특정 개방시간이 파라메타 tcyl 로서 각 연료공급밸브(3)를 위하여 발생된다.
도시된 예에서 명시적인 전체엔진목표값 tg 이 명시적인 연료공기비 λ로부터 공급되며, 명시적인 연료공기비 λ는 내연기관(1)의 출력의 등가파워 P(예를 들어 내연기관 1에 연결된 발전기에서 측정된 전기적인 파워)로부터 및/또는 과급공기압력 PA 로부터 및/또는 내연기관(1)의 엔진속도 n 으로부터 배기가스제어기(5a)에 의하여 결정된다. 연료공기비 λ에 부가하여, 목표값프로세서(6)에서, 또한 과급공기의 압력 PA 과 온도 TA , 공급연료의 압력 PG 과 온도 TG 및 내연기관(1)의 엔진속도 n 가 입력될 수 있다. 더욱이, 연료공급밸브(3)의 또 다른 유동파라메타(예를 들어 폴리트로픽 유출등식 또는 Kv 값에 따른 유효유동직경)와 연료 또는 연소가스 특성(예를 들어 가스밀도, 폴리트로프 지수 또는 발열량)이 목표값프로세ㅅ서(6)에 입력될 수 있다. 그리고 목표값프로세서(6)는 명시목표값 tg 을 결정하며, 이는 모든 연료공급밸브(3)의 개방시간동안 전체 엔진개방시간 기본값에 상응한다.
차이값프로세서(8)에 의하여, 실린더특정 개방시간 오프셋트값, 즉, 차이값 Δtcyl 이 각 연료공급밸브(3)에 대하여 결정된다. 이들 실린더특정 차이값 Δtcyl 은 각 실린더특정 기준실린더값 Pmax' 으로부터 각 실린더(2)의 피크 실린더압력 Pmax 의 편차에 종속한다. 모든 엔진개방시간 기본값 tg 과 실린더특정개방시간 오프셋트 Δtcyl 의 각 합이 전자구동장치에 의하여 제어되는 각 연료공급밸브(3)의 목표개방시간 tcyl 을 발생한다.
또한 실린더특정 제1실린더신호로서 최대내부실린더압력 Pmax 를 사용하는 것에 부가하여, 각 실린더특정 실린더배기온도 TE 를 사용하는 것이 점선으로 표시되어 있다.
이와 같이 함으로서, 다시, 모든 실린더(2)에 대하여 실린더배기온도 TE 로부터 실린더특정 실린더배기온도 TE 의 편차가 해당 실린더특정개방시간 오프셋트 Δtcyl 를 계산하기 위하여 사용될 수 있다. 실린더특정 실린더배기온도 TE 는 실린더압력센서가 고장인 경우 내연기관(1)의 유효성을 증가시키기 위하여 예를 들어 내부실린더압력센서(4)가 설치되어 있지 않을 때 다른 방안으로서 또는 실린더압력신호를 획득하지 못한 경우 폴백용으로서 사용될 수 있다.
도 5는 도 4와 유사한 블록도를 보인 것으로, 이 경우에 있어서, 내연기관(1)은 가스주도형 연소방식으로 작동된다. 도시된 예에서 명시적인 전체엔진목표값 tg 는 파워제어기 및/또는 속도제어기를 포함할 수 있는 제어기(5b)에 의하여 결정된다. 파워제어기의 경우, 내연기관(1)의 출력파워(실제파워)에 대한 등가파워 P에 부가하여, 내연기관(1)의 명시적인 목표등가파워 PS (기준파워)가 입력변수로서 사용될 수 있으며, 속도제어기의 경우, 내연기관(1)의 실제엔진속도 n (실제속도)에 부가하여, 내연기관(1)의 명시적인 목표속도 nS (기준속도)가 입력변수로서 사용될 수 있다. 제어기(5b)에서, 연료유량 m 에 대한 전체엔진디폴트값이 결정되고 이로부터 실질적으로 목표값제어기(6)에서 예를 들어 연료공급밸브의 전체엔진개방시간 또는 점화장치의 점화점에 대한 전체엔진디폴트값에 대한 명시적인 전체엔진목표값 tg 가 결정된다.
도 6은 도 4과 유사한 블록도를 보인 것으로, 제어장치(7)와 차이값프로세서(8)가 보다 상세히 설명되고 있다. 이는 내연기관(1)의 단 하나의 실린더(2)를 위한 제어과정을 상세히 보이고 있다. 여기에서 내연기관(1)의 다른 실린더는 점선으로 보이고 있다.
각 실린더(2)에는 내부실린더압력센서(4)가 결합되어 있다. 이러한 내부실린더압력센서(4)는 연소사이클에서 내부실린더압력 Pcyl 의 프로파일을 획득할 수 있다. 이와 같이 함으로서 최대획득값프로세서(9)가 전기 연소사이클에서 최대내부실린더압력 Pmax 또는 각 실린더(2)의 피크압력을 결정할 수 있다.
모든 실린더(2)의 피크압력은 실린더특정 제1실린더신호 Pmax 로서 평균계산프로세서(10)에 공급된다. 도시된 예에서, 이러한 평균계산프로세서(10)는 실린더특정 제1실린더신호 Pmax 로부터 산술평균 Pmean 을 발생하여 이를 출력한다. 아울러, 실린더특정 오프셋트 Δm 이 오프셋트 프로세서(18)에서 계산되어 출력된다. 도시된 예에서, 모든 실린더(2)로부터의 실린더특정 제1실린더신호 Pmax 의 산술평균 Pmean 과 실린더특정 오프셋트 Δm 의 합이 기준값제어기(11)로 공급되는 실린더특정 기준실린더값 Pmax'을 발생한다.
도시된 예에서, 실린더특정 오프셋트 Δm 는 점화 Pcyl' 전(압축스트로크중에 실린더 2에 결합된 유입밸브의 폐쇄후) 해당 실린더(2)의 내부실린더압력과 실린더(2)의 연소중심으로부터 오프셋트계산 프로세서(18)에서 계산된다. 이와 같이, 점화 Pcyl' 전 내부실린더압력은 해당 압력계산 프로세서(19)를 통하여 내부실린더압력의 일시적인 프로파일로부터 직접 결정되거나 또는 부하종속형 압력결정특성맵핑(20)으로부터 결정된다. 여기에서 압력결정특성맵핑(20)은 내연기관(1)의 부하 및/또는 과급공기압력 PA 및/또는 과금공기온도 TA 및/또는 엔진속도 n에 종속하는 점화 Pcyl' 전 내부실린더압력을 위한 적당한 값을 포함할 수 있다. 점화 Pcyl' 전 내부실린더압력의 값을 위한 소오스의 선택은 압력소오스 스위치(22)에 의하여 이루어진다. 각 실린더(2)의 연소중심의 결정은 내부실린더압력 Pcyl 의 일시적인 프로파일로부터 잘 알려진 연소중심계산프로세서(21)에서 수행된다.
일반적으로, 실린더특정 오프셋트 Δm 는 적어도 하나의 다음 실린더특정 실린더 파라메타의 함수로서 결정될 수 있다: 등가공기량, 연소중심, 압축비, 점화지연. 이와 같이, 실린더특정 오프셋트 Δm 의 결정은 모든 실린더(2)에서 이러한 실린더 파라메타의 평균으로부터 적어도하나의 각 실린더 파라메타의 편차에 기초할 수 있다.
기준값제어기(11)에서, 해당 기준실린더값 Pmax'으로부터 실린더(2)의 제1실린더신호 Pmax 의 편차가 결정되고, 이어서, 차이값 Δtcyl 이 실린더(2)에 결합된 연료공급밸브(3)를 위하여 결정된다.
그리고 각 실린더(2)에 결합된 연료공급밸브(3)를 위한 각 차이값 Δtcyl 이 명시적인 전체엔진 목표값 tg 에 가산되어 연료공급밸브(3)의 개방시간이 파라메타 tcyl 로서 발생된다. 명시적인 목표값 tg 은 도 4에서 설명되는 바와 같이 내연기관(1)의 배기가스제어기로부터 발생된다. 이는 기본적으로 내연기관(1)의 파워제어기 및/또는 속도제어기(도 5에서 설명된 바와 같은)로부터 결정될 수 있다.
도시된 예에서, 각 차이값 Δtcyl 은 파일럿값 계산기(12)에 의하여 내연기관(1)의 과급공기압력 PA 및/또는 과급공기온도 TA 및/또는 엔진속도 n 으로부터 결정된 실린더특정 파일럿값 tp 을 포함한다. 예를 들어, 각 파일럿값 tp 은 내연기관을 작동시키는 중에 측정값에 의하여 결정되고 특성맵핑에서 다루어진다.
일반적으로, 기준값제어기(11)는 예를 들어 P-, PI- 또는 PID 제어기일 수 있다. 그러나, 예를 들어 LQ 제어기, 로버스트 제어기(robust controller) 또는 퍼지 제어기와 같은 다른 개념의 제어기 또는 다른 형태의 제어기가 사용될 수 있다.
전체엔진제어, 특히 배기가스제어기(5a)에서 원치않는 결과가 나오는 것을 방지하기 위하여, 각 차이값 Δtcyl 은 부가적으로 등화값 프로세서(13)으로부터의 등화값 t0 을 갖는다. 모든 차이값 Δtcyl 에 대하여 동일한 이러한 등화값 t0 은 모든 실린더의 차이값 Δtcyl 의 산술평균에 상응하고 양의 값 또는 음의 값을 가질 수 있다. 이와 같이, 이러한 부가적인 제어가 전체 엔진제어에 영향을 주지 않고, 지금까지 실린더 밸런싱 없이 일반적인 제어기만으로 작동되었던 내연기관(1)에 본 발명의 방법을 적용할 수 있다.
도 7은 도 4와 유사한 블록도를 보인 것으로, 본 발명의 예시된 실시형태에서, 연료량 Q 이외에 실린더(2)에 배치된 점화장치(18)로부터의 점화점 Z 이 설정된다. 이 경우에 있어서 점화점 Z 을 위한 전체명시목표값 tg 이 점화점특성맵핑(16)으로부터 결정되며, 점화점특성맵핑(16)에서 적당한 값이 내연기관(1)의 파워 또는 등가파워 P 및/또는 과급공기압력 PA 및/또는 과급공기온도 TA 및/또는 엔진속도 n 의 함수로서 전체디폴트값 tg 을 위하여 제공된다. TDC 전 크랭크각도로 표현되는 제어장치(7)에 의하여 결정된 각 파라메타 tcyl 가 점화제어기(17)로 보내진다. 점화제어기(17)는 주어진 점화점 Z 에서 각 점화장치(18)를 작동시킨다. 이와 같은 방식으로, 이 실시예에서, 만약 실린더(2)의 피크 실린더압력 Pmax (제1실린더신호)가 기준실린더값 Pmax' 보다 작은 경우, 실린더(2)의 점화점 Z 이 전체디폴트값 tg 에 대하여 빠르게 조기에 설정되고, 만약 실린더(2)의 피크 실린더압력 Pmax 가 기준실린더값 Pmax'보다 큰 경우, 실린더(2)의 점화점 Z 이 전체디폴트값 tg 에 대하여 느리게 설정된다.
도 8은 도 6과 유사한 본 발명의 다른 실시형태의 블록도를 보인 것으로, 실린더(2)의 연료량 Q 이외에 실린더(2)의 점화장치(23)의 점화점 Z 이 설정된다. 이 실시예에서, 실린더(2)의 질소산화물 배출값 Ecyl 이 연소사이클에서 NOx 프로우브(24)로부터 획득되어 분석장치(25)로 보내진다. 연소사이클에서 질소산화물 배출값 Ecyl 의 온도프로파일로부터, 분석장치(25)는 실린더특정신호 E 로서 기준값 프로세서(10)로 보내진 여과된 배출가스값을 결정한다. 기준값 프로세서(10)는 모든 실린더(2)로부터의 실린더특정신호 E 로부터 중앙값 Emedian 을 발생하고 이를 출력한다. 아울러, 오프셋트 프로세서(18)에서, 실린더특정 오프셋트 Δm 가 계산되어 출력된다. 도시된 예에서 중앙값 Emedian 과 실린더특정 오프셋트 Δm 의 합이 실린더특정 기준실린더값 E'을 발생하고 이는 기준값제어기(11)로 보내진다.
도시된 예에서, 실린더특정 오프셋트 Δm 는 차이값특성맵핑(26)을 독출하여 오프셋트 프로세서(18)에서 결정되며, 해당 실린더(2)의 오프셋트 Δm에 대한 적당한 값이 내연기관(1)의 파워 P 및/또는 과급공기압력 PA 및/또는 과급공기온도 TA 및/또는 엔진속도 n 의 함수로서 기록된다. 여기에서, 실린더(2)의 실린더특정 오프셋트 Δm 를 위하여 차이값특성맵핑(26)에 부여된 값이 시험장치에서 결정되었다.
기준값제어기(11)에서, 기준실린더값 E' 으로부터 실린더특정 신호 E의 편차가 결정되고 그 함수로서 차이값 Δtcyl 이 해당 실린더(2)에 결합된 점화장치(23)의 점화점 Z을 위하여 결정된다. 그리고 각 차이값 Δtcyl 이 전체엔진 명시목표값 tg 에 가산되어 점화점 Z 이 파라메타 tcyl 로서 TDC 전 크랭크각도에서 발생되고 점화제어기(17)로 보내지며, 점화제어기(17)는 주어진 점화점 Z 에서 점화장치(23)(예를 들어 스파크 플러그)를 작동시킨다. 이 점에 관하여 명시목표값 tg 은 도 7에서 보인 바와 같이 점화점특성맴핑(16)으로부터 결정된다.
1: 내연기관, 2: 실린더, 3: 연료공급밸브, 4: 내부실린더압력센서, 5a: 배출가스제어기, 5b: 제어기, 6: 목표값 프로세서, 7: 제어장치, 8: 차이값제어기, 10: 평균계산 프로세서, 11: 기준값제어기, 15: 제어라인, 16: 점화점특성맵핑, 18: 오프셋트계산 프로세서, 19: 압력계산 프로세서, 20: 부하종속형 압력결정특성맵핑, 21: 연소계산 프로세서, 22: 압력소오스 스위치, 23: 점화장치, 24: NOx 프로우브, 25: 분석장치, 26: 차이값특성맵핑.

Claims (24)

  1. 적어도 2개의 실린더(2)를 갖는 내연기관(1)을 작동시키는 내연기관의 작동방법으로서, 실린더특정 제1실린더신호(Pmax, E)가 각 실린더(2)로부터 획득되고, 해당 실린더(2)의 적어도 하나의 연소파라메타(Q, Z)가 제1실린더신호(Pmax, E)의 함수로서 제어되는 내연기관의 작동방법에 있어서, 각 실린더(2)의 NOx 배출값(Ecyl) 및/또는 실린더효율(ηcyl)이 명시가능한 범위 내에 놓이거나 근본적으로 동일하도록 실린더특정 기준실린더값(Pmax', E')이 각 실린더(2)의 제1실린더신호(Pmax, E)를 위하여 설정되고, 실린더(2)의 적어도 하나의 연소파라메타(Q, Z)가 기준실린더값(Pmax', E')으로부터 제1실린더신호(Pmax, E)의 편차의 함수로서 조절되며, 제1실린더신호(Pmax, E)가 기준실린더값(Pmax', E')을 추적함을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  2. 제1항에 있어서, 다음 실린더특정 제1실린더신호: 내부실린더압력(Pcyl), 실린더배기가스온도(TE), 질소산화물 배출(E) 및 연소공기비 중에서 적어도 하나가 각 실린더(2)로부터 획득됨을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  3. 제2항에 있어서, 연소사이클의 최대내부실린더압력(Pmax)이 실린더특정 제1실린더신호로서 획득됨을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  4. 제1항에 있어서, 실린더특정 기준실린더값(Pmax', E')이 모든 실린더(2)의 제1실린더신호(Pmax, E)의 통계적 변수를 포함하고, 실린더특정 오프셋트(Δm)를 포함함을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  5. 제4항에 있어서, 실린더특정 오프셋트(Δm)가 차이값특성맵핑(26)에 의하여 결정되고, 차이값특성맵핑(26)은 내연기관(1)의 적어도 출력의 등가파워(P) 및/또는 내연기관(1)의 과급공기압력(PA), 좋기로는 부가하여 내연기관(1)의 과급공기온도(TA) 및/또는 엔진속도(n)를 고려함을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  6. 제4항에 있어서, 실린더특정 오프셋트(Δm)가 실린더특정 실린더 파라메타: 점화전 압축단계중 실린더압력, 등가공기량, 연소중심, 압축비, 점화지연의 적어도 하나의 함수로서 결정됨을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  7. 제6항에 있어서, 실린더특정 오프셋트(Δm)가 모든 실린더의 실린더 파라메타의 평균으로부터 실린더 파라메타의 적어도 하나의 편차(Δpverd, Δair, ΔMFB, Δε, Δdelay)의 함수로서 결정됨을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  8. 제7항에 있어서, 실린더특정 오프셋트(Δm)가 다음의 등식을 이용하여 실린더 파라메타의 각 편차(Δpverd, Δair, ΔMFB, Δε, Δdelay)로부터 결정됨을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
    Δm = a*Δpverd + b*Δair + c*ΔMFB + d*Δε + e*Δdelay
    여기에서, Δpverd 는 점화전 압축단계중 실린더압력의 편차이고, Δair 는 등가공기량의 편차이며, ΔMFB 는 연소중심의 편차이고, Δε는 압축비의 편차이며, Δdelay 는 점화지연의 편차이고, a, b, c, d, e 는 편차의 가중계수이다.
  9. 제1항에 있어서, 해당 실린더(2)에 공급되는 연료량(Q)이 연소파라메타로서 사용됨을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  10. 제9항에 있어서, 실린더(2)로부터의 실린더특정 제1실린더신호(Pmax, E)가 실린더특정 기준실린더값(Pmax', E') 보다 작은 경우 실린더(2)에 공급되는 연료량(Q)이 증가됨을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  11. 제9항에 있어서, 실린더(2)로부터의 실린더특정 제1실린더신호(Pmax, E)가 실린더특정 기준실린더값(Pmax', E') 보다 큰 경우 실린더(2)에 공급되는 연료량(Q)이 감소됨을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  12. 제9항에 있어서, 각 실린더(2)에 연료공급밸브(3)가 제공되고, 실린더(2)에 공급되는 연료량(Q)을 조절하기 위하여 해당 연료공급밸브(3)의 개방시간(tcyl)이 조절됨을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  13. 제1항에 있어서, 해당 실린더(2)의 점화점(Z)이 연소파라메타로서 조절됨을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  14. 제13항에 있어서, 실린더(2)의 점화점(Z)은 실린더특정 제1실린더신호(Pmax, E)가 실린더특정 기준실린더값(Pmax', E') 보다 작은 경우 빠르게 조기에 설정됨을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  15. 제13항에 있어서, 실린더(2)의 점화점(Z)은 실린더특정 제1실린더신호(Pmax, E)가 실린더특정 기준실린더값(Pmax', E') 보다 큰 경우 느리게 후기에 설정됨을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  16. 제13항에 있어서, 각 실린더(2)에 점화장치(18)가 제공되고, 점화장치(18)의 점화점(Z)이 TDC 전 크랭크각도(tcyl)에서 설정됨을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  17. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 연소파라메타(Q, Z)를 설정하기 위하여, 파라메타(tcyl)가 결정되고 이 파라메타(tcyl)가 명시적인 전체엔진 목표값(tg)을 포함함을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  18. 제17항에 있어서, 명시목표값(tg)이 명시적인 연료공기비(λ)로부터 결정되고, 명시적인 연료공기비(λ)는 내연기관(1)의 출력, 좋기로는 내연기관(1)에 연결된 발전기로부터의 전기적인 파워의 등가파워(P) 및/또는 과급공기압력(PA) 및/또는 내연기관(1)의 엔진속도(n)로부터 결정됨을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  19. 제17항에 있어서, 명시목표값(tg)이 명시적인 목표등가파워(PS)로부터 내연기관(1)의 출력의 등가파워(P)의 편차의 함수 및/또는 내연기관(1)의 명시목표속도(nS)로부터 내연기관(1)의 엔진속도(n)의 편차의 함수로서 결정됨을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  20. 제1항 내지 제19항의 어느 한 항에 있어서, 연소조건이 각 실린더(2)에 대하여 모니터되고 명시적인 기준상태에 대하여 정상 또는 비정상적인 것인지 평가될 수 있으며, 실린더(2)의 연소파라메타(Q, Z)는 실린더(2)의 연소조건이 정상적인 것으로 판단되는 경우에만 조절됨을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  21. 제20항에 있어서, 연소조건으로서 노킹 및/또는 자동점화 및/또는 연소중단이 모니터되고, 연소에서 노킹이 없고 또는 자동점화가 없고 또는 중단이 없는 것이 포착되는 경우 실린더(2)의 연소조건이 정상적인 것으로 평가됨을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  22. 제1항에 있어서, 내연기관(1)은 가스엔진인 것을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  23. 제4항에 있어서, 상기 통계적 변수는 산술평균(Pmean)임을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
  24. 제4항에 있어서, 상기 통계적 변수는 중앙값(Emedian)임을 특징으로 하는 내연기관의 작동방법.
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