KR20090040366A - 이온 전류를 이용한 디젤 엔진의 실린더 내 녹스 검출 방법 - Google Patents

이온 전류를 이용한 디젤 엔진의 실린더 내 녹스 검출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 통상적인 석유 기초 연료, 기타 택일적인 연료들, 및 재생 연료들의 연소 중에 개별 사이클에 기초하여, 디젤 엔진의 연소 챔버(들)에서 생성된 녹스(NOx)의 농도를 결정하기 위해 이온 전류를 이용하는 기술을 제공한다. 본 발명은 엔진 조절 유닛(ECU)와 연결된 이온 전류 측정 수단, 교정 수단, 및 신호 처리 수단을 사용한다. 상기 이온 전류 센싱 수단은 엔진의 챔버 내에 위치하며, 연소 과정 중에 생성된 이온 전류를 측정한다. 교정 수단은 이온 전류 신호를 교정하기 위해 상기 엔진의 배출 포트 또는 매니폴드에서 측정된 NOx 값을 이용한다. 교정된 이온 전류 신호는 ECU에 연결된 프로세서로 공급되어 NOx와 기타 배출들 사이의 상충 관계, 연비, 및 출력을 개선하도록 다양한 운전 파라미터들을 조정하는데 이용된다.
이온 전류

Description

이온 전류를 이용한 디젤 엔진의 실린더 내 녹스 검출 방법{USING ION CURRENT FOR IN-CYLINDER NOx DETECTION IN DIESEL ENGINES}
디젤 엔진 및 기타 압축 점화 엔진들이 경장비 및 중장비 차량, 기관차, 오프 로드용 장비, 해양 선박, 및 다수의 산업 장비에 동력을 공급하기 위해 사용된다.
정부 규제는 엔진들이 이러한 장비들 각각에서 배기 배출에 대하여 특정 기준을 충족하도록 요구한다. 현재, 녹스(NOx), 히드로카본(HC), 일산화탄소(CO), 및 미립자 물질(PM)에 대한 배출 기준이 있다. 정부 기관 및 산업 기준 설정 그룹은 환경에 대한 오염원을 감소시키는 노력으로 디젤 엔진에 허용된 배출량을 감소시키고 있다. 특히 NOx 및 PM 배출에 대하여 이러한 엔진들에 대한 환경 배출 규제를 만족시키는 것이 점차 엄격해지고 어려워지고 있다. 이러한 규제를 만족시키기 위해, 산업계는 엔진 외부 배기 가스를 처리하고, 배기관 배출을 감소시키는 후처리 장치에 대한 사용 뿐만 아니라, 실린더 내 연소 과정을 조절하는 많은 기술을 개발하고 있다. 필드에서 장 기간 운전하면, 엔진의 남은 수명 동안 장비가 퇴보함이 예상되므로, 신품 엔진에 대한 배출 목표는 규정된 배출 기준보다 더 낮게 해야 한 다. 예를 들어, 새로운 중장비 엔진에 대한 제안된 규제는 존재하는 배출 제한보다도 70 퍼센트 초과하는 부가적인 NOx 및 디젤 미립자 배출 감소를 요구한다. 이러한 배출 감소는 NOx 및 디젤 미립자 배출, 및 최적 배출 감소 전략과 관련된 연비 트레이드오프(trade-off) 때문에, 엔진 설계를 위해 지속되는 과제가 된다. 배출 감소는 또한 고속도로에서와 또는 고속 도로 밖의 사용에서 모두 요구된다.
대개, 왕복 운동 피스톤식 또는 회전식 내연 기관 등의 두 개의 주된 형태가 존재하고 있다. 이들 형태들은 디젤 및 스파크 점화 엔진들이다. 이러한 엔진 타입들은 유사한 구조와 기계적 작동 방식(operation)을 가지지만, 각각 서로 크게 상이한 별개의 운전 특성을 가진다. 디젤 엔진은 연료 분사 타이밍으로 연소의 시작(SOC: start of combustion)을 제어한다. 스파크 점화 엔진은 스파크 타이밍으로 연소의 시작을 제어한다. 그 결과, 디젤 및 스파크 점화 엔진들의 장점 및 단점에 중요한 차이들이 있다. 사전 혼합 충전된 스파크 점화 천연 가스 또는 가솔린 엔진(승용 차량용 가솔린 엔진 및 린번 천연 가스 엔진과 같은)이 디젤 엔진 보다 좋은 주된 장점은 NOx 및 미립자 배출량 수준을 낮출수 있다는 것이다. 디젤 엔진이 사전 혼합 충전형 스파크 점화 엔진 보다 좋은 주된 장점은 열 효율이 더 높다는 것이다.
디젤 엔진의 높은 효율의 한 이유로, 스파크 점화 엔진 내에서는 압축비가 노킹을 피하기 위해 상대적으로 낮게 유지되어야 하기 때문에, 스파크 점화 엔진 보다 높은 압축비를 사용할 수 있다는 것이다. 그러나, 전형적인 디젤 엔진들은 사전 혼합 충전형 스파크 점화 엔진들에서 가능한 매우 낮은 NOx 및 미립자 배출량 수준을 달성할 수 없다. 이와 같은 디젤 연소의 혼합 제어 특징 때문에, 연료의 많은 부분이 매우 진한 연료 당량비 상태로로 존재하게 된다. 그리고, 이는 미립자 배출을 유도하는 것으로 알려져 있다. 두번째 이유는 높은 온도를 유발하는 거의 화학량론적 당량비 상태로 연료와 공기가 존재할 때, 디젤 엔진에서 연소가 발생한다는 것이다. 높은 온도는 높은 NOx 배출을 유발한다. 그 결과, 엔진 외부 배출을 감소시키는 것 뿐만 아니라, 후 처리 장비의 운전을 향상시키고 그 효율을 개선시키는 배기 가스 조성 및 온도를 생성하기 위해 연소 과정을 제어할 필요가 있다.
실린더 내 연소 과정의 제어는 엔진 디자인 및 운전 파라미터의 최적화에 의해 달성될 수 있다. 엔진 디자인 파라미터들은 이들에 제한되는 것은 아니나, 엔진 압축비, 보어 스트로크 비(stroke to bore ratio), 분사 시스템 디자인, 연소 챔버 디자인(예를 들어, 보울 디자인, 재주입 구조, 스퀴지 영역), 흡입 및 배출 포트 디자인, 복수 개의 흡입 및 배출 밸브, 밸브 타이밍, 및 터보차저 구조를 포함한다. 임의의 구체적인 엔진 디자인을 위해, 운전 변수들이 또한 최적화될 수 있다. 이러한 변수들은 여기에 제한되는 것은 아니나, 분사 압력, 분사 타이밍, 분사 이벤트(파일롯, 메인, 스플릿-메인, 포스트 분사 또는 이들의 조합)의 회수, 각 이벤트에서 분사 속도, 각 이벤트의 지속 시간, 분사 이벤트 간의 휴지, 배기 가스 재순환(EGR)비, EGR 냉각, 소용돌이율, 및 터보차저 운전 파라미트들을 포함 한다.
디젤 엔진에서 NOx 및 디젤 미립자와 같은 엔진 외부 배기를 감소시키기 위해, 많은 종류의 후 처리 장비들이 개발되었거나 개발되고 있다. 후 처리 장비 각각의 효율들은 주로, NOx, 히드로 카본, 및 탄소(매연)와 같은 상이한 종류들 사이의 비율을 포함하는, 조성 및 온도와 같은 배기 가스 특성에 의존한다. 여기서, 또한 배기 가스의 특성은 연소 과정에 주로 의존한다.
디젤 엔진들에서 연소 과정의 정밀한 제어는 연소 과정의 피드백 신호 표시를 요구한다. 현재, 가장 일반적으로 고려되는 신호는 쿼츠 크리스탈 압력 변환기 또는 기타 종류의 압력 변환기로 측정된 실린더 가스 압력이다. 실린더 압력 변환기의 사용은 실험실 설정에 제한되고, 그 높은 비용 및 실제 운전 조건하에서의 제한된 내구성 때문에 양산형 엔진에서는 사용될 수 없다.
본 발명에서는, 기타 요소들 중에서도, 연소 과정 동안 압축 점화 엔진의 실린더 내 저비용이며 직접적인 NOx 지시기를 개시한다. 이러한 본 발명의 NOx 지시기는 실린더 헤드 내에서 미소 변형도 요구하지 않으며, 디젤 엔진 등에서 연소 과정 및 엔진 외부 배기 가스, 특히 NOx를 제어하는 데 이용될 수 있는 신호를 제공한다.
한 실시예에서, 압축 점화 엔진의 연소 챔버에서 형성된 NOx 배출량은 연소 챔버 내에서 이온 농도를 나타내는 이온 전류 신호를 수신하는 것으로 정해진다. 여기서, NOx 배출량은 이온 전류 신호와 NOx 배출량 사이에서 유도된 관계에 기초하여 결정(determine)된다. 엔진은 유도된 NOx 배출량에 부분적으로 근거하여 제어될 수 있다.
상기 관계는 이온 전류 센서로부터의 이온 전류 신호, 그리고 NOx 배출 측정 장비로부터의 NOx 배기 배출 데이터를 수신하고, NOx 배출 데이터에 대하여 이온 전류를 비교하고, NOx 배출 데이터와 이온 전류 데이터 사이로부터 함수를 결정하는 것으로 유도된다. 이는 이온 전류 크기에 대하여 NOx 배출의 그래프를 작성하고, 작성된 그래프를 통해 함수를 결정하는 것으로 수행될 수 있다. 한 실시예에서, 상기 함수는 이온 전류 단위 당 NOx의 부피비(volume fraction)이다.
NOx 배출량과 이온 전류 사이의 관계는 한 실시예 내 압축 점화 엔진의 각 챔버로부터 유도된다. 이는 각 실린더 내 이온의 농도를 나타내는 이온 전류 농도 및 NOx 배출 데이터를 수신하고, 상기 관계(즉 한 실시예에서 복수의 실린더의 하나에 흐르는 이온 전류 단위당 NOx의 부피비)를 유도한다. 다른 함수들이 상기 관계에 대하여 유도될 수 있다. 각 실린더에 대하여, 연료 분사, EGR(배기 가스 재순환)율 등에 대한 파라미터들이 상기 이온 전류에 의해 지시된 실린더 내에서 유도된 NOx 배출에 기초하여 조절된다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하는 하기의 구체적인 실시예에 대한 설명으로부터, 본 발명의 부가적인 특징 및 장점들이 명백하게 된다.
첨부된 도면들은 본 발명의 명세서의 일부를 이루며, 본 발명의 요지를 설명하기 위해 이용되어, 상세한 설명과 함께 본 발명의 여러 형태들을 나타낸다.
도 1은 본 발명이 사용될 수 있는 대표적인 환경에 대한 개략도이다.
도 2는 본 발명이 적용될 수 있는 이온화 모듈의 블록도이다.
도 3은 엔진 피스톤 크랭크 각에 대한 이온화 전류 및 연소 압력의 그래프이다.
도 4는 ppm(parts per million) 단위의 부피비로 도시된 NOx 배출량과 이온 전류 사이의 관계의 일례에 대한 그래프이다.
도 5는 NOx 배출량과 이온 전류 사이의 관계를 유도하기 위해 수행된 단계들을 나타내는 순서도이다.
도 6은 NOx 배출량과 이온 전류 사이의 관계를 유도하기 위해 사용된 한 실시예의 구성들을 도시하는 개략 블록도이다.
도 7은 엔진 운전 동안 이온 신호에 기초하여 NOx 배출을 결정하기 위해 수행된 단계들을 보여주는 순서도이다.
도 8은 이온 전류 및 엔진 운전 파라미터들에 기초하여 엔진을 제어하기 위해 사용되는 한 실시예의 구성들을 보여주는 개략 블록도이다.
도 9는 각 실린더에서 독립적으로 NOx 배출에 대한 이온 전류를 측정하고, 각 실린더를 독립적으로 제어하기 위해 사용되는 한 실시예의 구성들을 보여주는 개략 블록도이다.
본 발명은 몇몇 실시예를 통해 설명되나, 이러한 실시예들로 한정되는 것은 아니다. 반대로, 본 발명은 첨부된 특허청구범위에 의해 규정되는 본 발명의 아이디어와 보호 범위 내에 포함되는 것이면, 모든 택일적 요소, 변형 및 균등 부분을 포함한다.
여기서 개시된 장치 및 방법은, 실린더 내에서 NOx 센서 또는 배기 가스에서 NOx 측정 없이, 통상적이고, 택일적이거나 재생 디젤 연료로 구동되는 동안, 다른 디자인의 압축 점화 엔진에서 압축 과정 동안 생성된 이온 전류에 기초하여 NOx 배출량을 결정한다.
먼저, 참고로 도 1에 본 발명의 장치 및 방법이 적용되는 대표적인 시스템(100)이 도시된다. 본 발명의 시스템(100)은 이온화 모듈(102), 구동부(driver)(104), 엔진 전자 제어 유닛(ECU)(106), 및 디젤 엔진을 포함한다. 이온화 모듈(102)는 예를 들어 제어부 영역 네트워크(CAN) 버스(108)을 통해 ECU(106) 및 기타 모듈들과 통신한다. 이온화 모듈(102), 구동부(104), 및 엔진 제어 유닛(106)은 분리되어 도시되나, 각 구성들(102, 104, 및 106)은 단일 모듈로 조합되거나 다른 입력 및 출력을 가지는 엔진 제어부의 일부로 구비될 수 있다. 구성들(102 및 106)은 대개 다양한 컴퓨터 판독 가능한 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 구성들(102 및 106)에 의해 악세스 가능한 임의의 가용 매체일 수 있으며, 휘발성 및 비휘발성 매체, 삭제 가능 및 삭제 불가능한 매체를 포함한다. 디젤 엔진은 각각 피스톤, 흡입 밸브, 및 배기 밸브(미도시)를 구비하는 엔진 실린더(110)를 포함한다. 흡입 매니폴드는 흡입 밸브를 통해 실린더(110)와 연통한다. 배기 매니폴드는 배기 밸브를 통해 실린더(110)로부터 배기 가스를 받는다. 흡입 밸브 및 배기 밸브는 전자적으로, 기계적으로, 수압으로, 또는 공기압으로 조절되거나 캠샤프트를 통해 조절될 수 있다. 연료 분사구(112)는 노즐(114)를 통해 실린더(110) 내부로 연료(116)를 분사한다. 연료는 통상적인 석유 기초 연료, 석유 기초 선택적 연료, 재생 연료, 또는 상기 연료들의 임의의 조합일 수 있다. 이온 센싱 장치(118)는 이온 전류를 감지하기 위해 사용되며, 콜드 스타트 동안 실린더(110)의 연소 챔버(120) 내에서 공기/연료 혼합물을 점화하기 위해 사용될 수 있다. 택일적으로, 예열 플러그가 엔진의 콜드 스타트 특성을 개선하기 위해 실린더를 예열하고, 이온 전류를 감지하기 위해 사용될 수 있다.
이온 센싱 장치(118)는 전기적으로 절연되고, 공간적으로 이격되고, 디젤 엔진의 실린더 내부의 연소 생성물에 노출되는 두 개의 전극을 가진다. 이온 센싱 장치(118)은 중앙 전극과 이격된 하나 이상의 사이드 전극이 구비된 스파크 플러그, 엔진 몸체로부터 절연된 예열 플러그(여기서, 예열 플러그와 엔진 몸체는 각각 전극으로 기능함), 조합된 플라즈마 생성기 및 이온 센서 등의 형태일 수 있다. 이온 센싱 장치(118)는 두 전극 사이에서 구동부(104)로부터 제공된 전기 전압을 수신하는데, 이 전기 전압은 두 전극 사이의 녹스와 기타 연소 생성물들의 존재하에서 두 전극 사이에 전류가 흐르게 한다. 구동부(104)는 이온 센싱 장치(118)에 전력을 공급한다. 또한, 구동부(104)는 연료 오염과 탄소 축적으로부터 이온 센싱 장치(118)의 이온 센싱 검출 영역을 깨끗하게 유지하기 위해 고 에너지 방전을 제공한다. 연료 분사구(112)로부터 이격되어 도시되어 있으나, 이온 센싱 장치(118)은 연료 분사구(112)와 일체로 구비될 수 있다.
이온화 모듈(102)은 이온화 신호를 검출하고 분석하기 위한 회로를 포함한다. 도 2에 도시된 실시예에서, 이온화 모듈(102)는 이온화 신호 검출 모듈(130), 이온화 신호 분석기(132), 및 이온화 신호 제어 모듈(134)을 포함한다. 실린더 내에서 이온의 농도를 검출하기 위해, 이온화 모듈(102)는 이온 센싱 장치(118)에 전력을 공급하고, 이온화 신호 검출 모듈(130)을 통해 이온 센싱 장치(118)로부터 이온화 전류를 측정한다. 이온화 신호 분석기(132)는 이온화 신호 검출 모듈(130)로부터 이온화 신호를 수신하고, 연소의 시작 및 연소 지속 시간과 같은 상이한 연소 파라미터를 결정한다. 이온화 신호 제어 모듈(134)은 이온화 신호 분석기(132) 및 이온화 신호 검출 모듈(130)을 제어한다. 이온화 신호 제어 모듈(134)는 하기에 구체적으로 개시되는 바와 같이 엔진 ECU(106)에 지시를 제공한다. 한 실시예에서, 이온화 모듈(102)은 엔진 시스템 내 다른 모듈들에 지시를 전달한다. 이온화 신호 검출 모듈(130), 이온화 신호 분석기(132), 및 이온화 신호 제어 모듈(134)는 각각 별도로 도시되었으나, 이들은 조합되어 단일 모듈로 될 수 있으며, 다른 입력 및 출력을 가지는 엔진 제어부의 일부일 수 있다. 다시 도 1로 돌아와서, ECU(106)는 이온화 모듈(102)로부터 피드백을 수신하고, 연료 분사구(112)를 제어하고, 공기 배급 시스템 및 EGR 시스템과 같은 다른 시스템을 제어하여, 개선된 엔진 성능, 보다 우수한 연비, 및/또는 낮은 배기 배출량을 달성할 수 있다.
이온 전류 신호는 연소 중에 생성되는 NOx 배출 및 실린더 내 압력의 수준과 서로 관련될 수 있다. 도 3을 참조하면, 4-실린더, 2L, 직접 분사 터보차지 디젤 엔진의 실린더들 중 한 실린더에서 측정된 이온 전류 및 가스 압력의 샘플이 도시되어 있다. 운전 조건은 75Nm 토크, 1600rpm, 40% EGR, 및 다이얼된 분사 타이밍의 13 °bTDC(before top dead center)의 이다. 이온 전류 선(140)은 스파크 점화 엔진에서의 결과로는 설명될 수 없는 두 개의 피크를 나타내는데, 첫번째 피크는 화염 면에서 화학 이온화(디젤 엔진에서 흔하지 않은)에 의해 야기되며, 두번째 피크는 열 이온화에 의해 야기된다. 가스 압력 선(142)은 자동 점화가 냉염으로 시작되었다는 것을 명백히 보여준다. 여기서 냉염은 실린더 내 가스 압력에서 미세한 증가를 야기한다. 냉염으로 배출된 에너지는 상당히 작으며, 연소 가스 온도에서 미세한 증가를 야기한다. 이러한 기간 동안 생성된 이온은 상당히 낮은 농도로기대된다. 냉염의 마지막에서는, 이온 전류는 대략 절반의 크랭크 각도 bTDC(도면 번호 144)에서 급격히 증가하기 시작한다.
도시된 샘플에서, 이온 전류는 그 시작 포인트로부터 3 CAD(크랭크 각도) 후에 피크(도면 번호 146)에 도달한다. 이 포인트 까지, 충전물의 사전 혼합된 연소 부분에서 연소가 발생한다. 이 기간 동안 연소되는 충전량 및 대응하는 온도 상승 은 많은 요인에 의존하는데, 이러한 요인들은 점화 연기와 냉염 기간의 전체 길이, 연료 분사 속도, 및 연료 증발과 충전물중 신선한 산소와의 혼합 속도를 포함한다. 이온 전류는 약 3 크랭크 각도 또는 약 0.3ms 에서 다소 높은 피크에 도달한 후 떨어지고, 바닥(도면 번호 148)에 도달한 후 보다 낮은 속도로 다시 증가하기 시작하여, 10°aTDC(after top dead center)에서 두번째 피크(도면번호 150)에 도달한다. 이는 두번째 피크를 유도하는 이온의 형성 속도가 첫번째 피크의 경우보다 매우 낮다는 것을 나타낸다. 두번째 피크를 유도하는 보다 낮은 이온 형성 속도는 충전물의 나머지와의 연소되지 않은 연료의 보다 낮은 혼합 속도, 팽창 스트로크에서 피스톤 운동에 의해 야기된 연소 생성물의 온도 강하, 및 실린더 벽으로의 냉각 손실의 증가 때문일 수 있다. 두번째 피크에서의 이온화는 혼합-조절 그리고 확산-조절된 연소 부분과 동일한 특성을 따르기 때문에, 본 연소 기간(regime)에 의해 야기된 것으로 판단하는 것이 합리적이다. 여기서, 이온화는 화학-이온화 및 열 이온화의 조합에 의해 야기된다. 두번째 피크 이후 이온화 신호는 낮은 속도로 감소하는데, 이는 팽창 스트로크 동안 가스 온도의 점차적 하락에의해 야기된다. 본 도면에서, 이온화는 약 30 내지 40 크랭크 각도 동안 검출되었다.
이온과 NOx 양자의 형성 속도는 다수의 엔진 디자인 파라미터와, 엔진을 가동하게 하는 데 이용되는 연료의 특성에 의존한다. 디자인 파라미터들은 엔진이 달라짐에 따라 다양할 수 있으며, 이에 한정되지는 않으나 하기를 포함한다: 압축 속도, 보어 스트로크 비, 연소 챔버의 표면 부피비, 흡입 및 배기 포트 및 밸브 디 자인, 밸브 타이밍, 연소 챔버 디자인, 분사 시스템 디자인 파라미터, 및 냉각 시스템 디자인 파라미터. 분사 시스템 파라미터들은 이에 한정되지는 않으나 분사 압력, 노즐 구조, 연소 챔버 내 침입, 노즐 홀의 수, 노즐 홀의 크기 및 형태, 및 스프레이 각(included spray angle)을 포함한다. 연소 과정, NOx 형성 및 이온 전류에 영향을 주는 중요한 연료 특성은 탄소에 대한 수소 비, 증류 범위, 휘발성 및 세탄수(cetane number)를 포함한다. 그 결과, 엔진이 달라짐에 따라 디자인 파라미터들과 연료 특성에서의 차이는 실린더 가스 온도 및 압력, 혼합물 형성, 및 연소 챔버 내에서의 당량비 분포에 영향을 주며, 이 모두는 이온과 NOx의 형성에 영향을 준다.
전술한 바로부터, 이온 전류가 NOx 결정에 사용될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 이온 전류 신호가 사용되는 연료 종류 각각에 대하여, 그리고 각 엔진 구조 및 타입에 따른 NOx 배출량에 대하여 교정(calibration)될 수 있음을 알 수 있다. 이제 도 4를 참조하면, 다중 실린더 엔진 내에서의 이온 전류 신호의 조정 샘플이 도시되어 있다. 도 4는 넓은 범위의 운전 조건(EGR: 40%, 45%, 50%, 및 55%; 토크 : 25Nm, 50Nm, 및 75Nm; 및 부하 및 EGR 퍼센트에 따라 11°bTDC 및 25°bTDC 사이에서 변화하는 분사 타이밍)하에서, 1600 rpm에서의 4 실린더들에서 이온 전류의 피크들의 합에 대한 NOx 엔진 외부 배기량(부피비 ppm(parts per million))의 도면이다. 이온 전류 피크의 크기와 NOx 배출량 수준 사이의 관계가 있는 것이 상기 도 면으로부터 명백해질 수 있다.
이제 도 5를 참조하면, 이온 전류 피크의 크기와 NOx 배출량 수준 사이의 관계를 결정하는 단계들이 도시되어 있다. 이온 전류 신호는 이온 전류 센서로부터 수신된다(단계 160). NOx 엔진 외부 배출량이 NOx 기준 배출 측정기로부터 수신된다(단계 162). NOx 배출 데이터와 이온 전류 신호는 서로 비교되며(단계 164), NOx 배출량과 이온 전류와의 관계가 유도된다(단계 166). 상기 관계는 이온 전류 크기에 대한 NOx 배출을 도시하고, 상기 데이터를 통해 함수를 결정하는(fitting) 것으로 유도될 수 있다. 상기 함수는 직선 모양의 선, 구분적 선, 다항 함수, 지수 함수 등일 수 있다. 상기 관계는 이온화 모듈 104, ECU 106 등과 같은 적합한 제어 모듈로 전달된다(단계 168).
도 6은 상기 이온 전류 신호를 교정하는(calibrating) 한 예를 보여준다. 엔진(200)의 운전 동안에, NOx 배출 측정기(202)는 샘플링 프로브(206)를 통해 배기 매니폴드(204)로부터 배기 가스의 샘플을 채취하고, NOx 배출량을 결정하고, 이를 부가적인 디스플레이 유닛(208)에 도시한다. 한 실시예에서, NOx 배출량은 ppm(parts per million) 단위의 부피비로 결정된다. NOx 배출 측정기(202)는 NOx 데이터를 교정 모듈(calibration module)(210)로 전달한다. 도시를 위해, 교정 모듈(calibration module)(210)은 분리된 구성으로 도시하였다. 그러나, 교정 모 듈(210)은 독립 모듈, 이온화 모듈(102)의 일부, 또는 ECU(106)의 일부일 수 있다. 이온 전류 신호(212)는 엔진의 연소 챔버(120) 내 연소 생성물에 노출된 이온 프로브의 전극에 의해 형성된다. 교정 모듈(210)은 이온 전류 신호(212) 와 실린더의 배기 내에서 NOx 부피비를 측정하는 배기 측정 유닛으로부터의 신호를 수신한다. 교정 모듈(210)은 NOx에 대하여 이온 전류 신호(212)를 교정한다. 이온 신호가 한 운전 조건에서 교정되면, 이는 엔진 속도, 부하, 및 운전 모드 전체 범위에 걸쳐 사용될 수 있다. 교정 모듈(210)의 결과는 NOx와 이온 전류(예를 들어, 단위 이온당 ppm 단위의 NOx 부피비)사이의 관계이다. 이러한 관계는 ECU(106)에 공급되고, 엔진의 제어에 사용된다. 교정 모듈은 또한 운전 환경 내에서 다른 모듈로 출력 신호를 공급할 수 있다.
도 7 및 8을 참조하여, 운전 중에, ECU(106)은 이온 전류 신호를 수신하고(단계 220), 상기 이온 전류 신호를 분석하고, 연소 시작, 열 배출 속도, 사전 혼합된 연소 부분에 대한 최대 열 배출 속도, 사전 혼합된 연소 부분 및 혼합되고 확산 제어된 연소 부분 사이의 최소 열 배출 속도, 혼합되고 확산 제어된 연소부분에서의 최대 열 배출 속도, 및 팽창 스트로크 중 열 배출의 쇠퇴 속도와 같은 핵심 연소 파라미터를 결정한다. 이러한 정보에 기초하여, ECU(106)은 상이한 엑츄에이터들에 신호들을 전개하도록 프로그램되고, 엔진 내 모든 시스템들을 제어한다. ECU(106)은 교정 모듈(210)을 통해 유도된 관계에 기초하여 NOx 배출량을 결정하고 (단계 222), 엔진 운전 파라미터(220)와 함께 엔진(200)의 운전을 제어한다(단계 224). ECU(106)은 NOx 배출량을 최소화하고, NOx 와, 미립자 물질, 일산화탄소, 히드로카본 및 알데히드와 같은 기타 배출물 사이의 상충 관계를 개선하도록 엔진을 제어할 수 있다. ECU(106)은 또한 엔진 파라미터들을 제어하고, 엔진 출력을 증가시키고, 그 효율을 개선하기 위해 교정된 신호를 사용할 수 있다. 이온 전류 신호(212)는 하나의 실린더로부터 또는 택일적으로 다중 실린더 엔진에서는 모든 실린더로부터의 이온 전류들의 합으로부터 도출될 수 있다. 한 실시예에서, 배기 샘플링 프로브(206)는 실린더들 중 하나의 매니폴드 또는 택일적으로 실린더들로부터의 모든 배기 가스들이 만나는 위치에 구비된다. 교정 모듈(210)은 엔진이 시간에 따라 변화하고 새로운 구성 요소가 부가되는 등의 경우에서 NOx 배출량-이온 전류 관계를 업데이트하기 위해 사용될 수 있다.
이제 도 9를 참조하면, ECU(106)은 엔진(200)의 각 실린더를 개별적으로 제어할 수 있다. 각 실린더로부터의 이온 신호(212x)는 교정 모듈 (210x)에 의해 교정되고(x는 실린더 수를 지시한다), 다른 실린더와 독립적으로 실린더 각각의 파라미터를 제어하는 ECU(106)에 공급된다. ECU(106)은 대응하는 엔진 실린더(예를 들어, 실린더 1, 실린더 2 등)에서의 NOx 를 결정하기 위해 교정 모듈의 결과를 사용하고, 각 실린더의 운전 파라미트들 240x들과 함께, 특정 실린더의 운전을 제어한다. x 개수의 교정 모듈들이 명백히 도시되어 있으나, 교정 모듈들은 하나의 교정 모듈 내에 존재할 수 있으며, 이온화 모듈의 일부 또는 ECU(106)의 일부일 수 있다. ECU(106)은 각 실린더에서 NOx 배출량을 최소화하고, 미립자 물질, 일산화탄소, 히드로카본 및 알데히드와 같은 기타 배출물과 NOx 사이의 상충 관계를 개선하기 위해, 각 실린더를 제어할 수 있다. ECU(106)는 전체 엔진에서 NOx 배출량을 최소화하고, 미립자 물질, 일산화탄소, 히드로카본 및 알데히드와 같은 기타 배출 물질과 NOx 사이의 상충 관계를 개선하기 위해 전체 엔진을 제어할 수 있다. 예를 들어, 다중 실린더 디젤 엔진 내 실린더들의 출력은 각 실린더 내 연료 분사 파라미터들을 조정하는 것으로 균형맞춰질 수 있다. 이러한 균형은 실린더들 사이의 부하 분배를 개선하고, 전체 엔진의 운전, 연비, 및 엔진 배출량을 개선한다.
상술한 바로부터, NOx 배출량과 이온 전류 크기들 사이의 관계가 결정되고, 디젤 엔진들의 제어에 사용될 수 있음이 명확해질 수 있다. 상기 관계를 결정하기 위해, 이온 전류는 측정된 NOx 배출량과 비교된다. 이러한 관계는 측정된 이온 전류로부터 NOx 배출량을 결정하는 것으로 운전 중에 이용된다.
본 발명의 명세서에서의 단수로 표현된 부분은 특별히 제한되지 않는다면, 복수를 포함하는 것으로 해석될 수 있다. 본 발명의 명세서에서 "포함", "구비", 및 "함유"는 반대 언급이 없다면 개방적인 용어로 해석된다(예를 들어, "포함"은 "포함하나 제한되지 않음"으로 해석). 여기서, 수치 값들의 인용 범위는, 여기서 반대로 지시되지 않는 한, 범위 내의 각 구별되는 수치 값에 개별적으로 인용하는 약칭 방법으로서 사용되는 의도일 뿐이며, 각 구별되는 수치 값은 여기서 개별적으로 인용된 바와 같이 본 명세서에 결합된다. 여기에 개시된 모든 방법들은 여기에 반대로 개시되어 있거나 본문 중에 명백히 반대 기재가 되어 있지 않은 한, 적당한 순서로 수행될 수 있다. 임의의 그리고 모든 실시예 또는 여기에 제공되는 대표 언어(예를 들어, ~와 같은)의 사용은 단지 본 발명을 보다 잘 설명하기 위한 것이며, 반대 언급이 없는 한 본 발명의 보호 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 표현은 본 발명의 실시에 필수적이며, 본 발명의 특허 청구범위의 구성 요소들을 지시하는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명을 수행하는 발명자들에게 가장 잘 알려진 최선 실시예를 포함하는 본 발명의 바람직한 실시예들이 앞서 개시되었다. 이러한 바람직한 실시예들의 변형은 앞서 개시한 설명에 기초한다면 본 기술 분야의 평균적인 기술자에 의해 명확해 질 것이다. 본 발명자들은 기술자가 상기 변형을 적절히 채택할 수 있을 것으로 기대하며, 본 발명자들은 본 발명이 여기서 구체적으로 개시된 바와 같이 실시될 것으로 기대한다. 따라서, 본 발명은 적용가능한 법에 따라 허용되는 한, 여기에 첨부된 특허 청구범위에서 개시된 주된 성분의 모든 변형 및 균등물을 포함한다. 게다가, 여기서 모든 가능한 변형에서 상술한 구성 요소들의 임의의 조합은 여기서 반대로 개시되거나, 명백히 반대 기재가 되어 있지 않은 한, 본 발명에 의해 포함될 것이다.

Claims (25)

  1. 압축 점화 엔진의 연소 챔버 내에서 형성되는 녹스(NOx) 배출량을 결정하는 방법으로서,
    상기 연소 챔버 내 이온의 농도를 나타내는 이온 전류 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 이온 전류 신호와 NOx 배출량 사이의 유도된 관계에 기초하여 상기 NOx 배출량을 결정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 녹스 배출량 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    엔진 운전 파라미터들 및 상기 유도된 NOx 배출량에 기초하여 상기 압축 점화 엔진을 제어하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 녹스 배출량 결정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이온 전류 신호와 상기 NOx 배출량 사이의 상기 관계를 유도하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 녹스 배출량 결정 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 관계를 유도하는 단계가
    이온 전류 센서로부터 이온 전류 신호를 수신하는 단계;
    배기 배출 측정기로부터 NOx 배출 데이터를 수신하는 단계;
    상기 이온 전류 신호와 상기 NOx 배출 데이터를 비교하는 단계; 및
    상기 NOx 배출 데이터와 이온 전류 데이터로부터 함수를 결정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 녹스 배출량 결정 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 NOx 배출 데이터와 상기 이온 전류 신호로부터 함수를 결정하는 단계가
    이온 전류 크기에 대한 상기 NOx 배출 데이터의 그래프를 창출하는 단계; 및
    상기 그래프로부터 상기 함수를 결정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 녹스 배출량 결정 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 그래프로부터 상기 함수를 결정하는 단계는
    상기 그래프로부터 선형 함수 또는 구분적 선형 함수 중 하나를 결정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 녹스 배출량 결정 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 그래프로부터 상기 함수를 결정하는 단계는
    상기 그래프로부터 수학 함수를 결정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 녹스 배출량 결정 방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 함수를 결정하는 단계는
    이온 전류 단위당 NOx의 부피비의 함수를 결정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 녹스 배출량 결정 방법.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 이온 전류 신호와 상기 NOx 배출량 사이의 상기 관계를 유도하는 단계가
    배기 배출 측정기로부터 상기 NOx 배출량을 수신하고, 이온 전류 측정 수단으로부터 상기 이온 전류 신호를 수신하는 교정 모듈로 상기 관계를 유도하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 녹스 배출량 결정 방법.
  10. 제1항의 상기 단계들의 수행을 위한, 컴퓨터 수행 가능한 명령들이 구비된 컴퓨터 판독 가능 매체.
  11. 제10항에 있어서,
    엔진 운전 파라미터들 및 상기 유도된 NOx 배출량에 기초하여 상기 압축 점화 엔진을 제어하는 단계 수행을 위한 컴퓨터 수행 가능한 명령들이 더 구비된 것을 특징으로 하는 상기 컴퓨터 판독 가능 매체.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 이온 전류 신호와 상기 NOx 배출량 사이의 상기 관계를 유도하는 단계 수행을 위한 컴퓨터 수행 가능한 명령들이 더 구비된 것을 특징으로 하는 상기 컴퓨터 판독 가능 매체.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 관계를 유도하는 단계가
    이온 전류 센서로부터 이온 전류 신호를 수신하는 단계;
    배기 배출 측정기로부터 NOx 배출 데이터를 수신하는 단계;
    상기 이온 전류 신호와 상기 NOx 배출 데이터를 비교하는 단계; 및
    상기 NOx 배출 데이터와 이온 전류 데이터로부터 함수를 결정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 컴퓨터 판독 가능 매체.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 NOx 배출 데이터와 이온 전류 데이터로부터 함수를 결정하는 단계가
    이온 전류 크기에 대한 상기 NOx 배출 데이터의 그래프를 창출하는 단계; 및
    상기 그래프로부터 함수를 결정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 컴퓨터 판독 가능 매체.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 그래프로부터 상기 함수를 결정하는 단계는
    상기 그래프를 통해 선형 함수, 상기 그래프를 통해 구분적 선형 함수, 상기 그래프를 통해 수학 함수의 형태 중 하나를 결정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 컴퓨터 판독 가능 매체.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 함수를 결정하는 단계는
    이온 전류 단위당 NOx의 부피비의 함수를 결정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 컴퓨터 판독 가능 매체.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 이온 전류 신호와 상기 NOx 배출량 사이의 상기 관계를 유도하는 단계가
    배기 배출 측정기로부터 상기 NOx 배출량을 수신하고, 이온 전류 측정 수단으로부터 상기 이온 전류 신호를 수신하는 교정 모듈로 상기 관계를 유도하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 컴퓨터 판독 가능 매체.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 압축 점화 엔진은 복수 개의 연소 챔버를 구비하며,
    상기 복수 개의 챔버들 중 각각 하나에 대하여, 상기 복수 개의 연소 챔버 중 상기 하나의 내부의 이온의 농도를 나타내는 이온 전류 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 복수 개의 챔버들 중 각각에 대하여, 상기 이온 전류 신호와 상기 NOx 배출량 사이의 관계에 기초하여 NOx 배출량을 결정하는 단계;
    수행을 위한 컴퓨터 수행 가능한 명령들이 더 구비된 것을 특징으로 하는 상기 컴퓨터 판독 가능 매체.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 복수 개의 챔버들 중 각각 하나에 대하여, 상기 복수 개의 연소 챔버 중 상기 하나로부터의 상기 이온 전류 신호로부터 유도된 상기 NOx 배출량에 기초하여 하나 이상의 엔진 파라미터를 제어하는 단계 수행을 위한 컴퓨터 수행 가능한 명령들이 더 구비된 것을 특징으로 하는 상기 컴퓨터 판독 가능 매체.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 하나 이상의 엔진 파라미터를 조정하는 상기 단계가
    연료 분사 파라미터들 중 하나 이상과 실린더 운전 파라미터들 중 하나 이상을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 컴퓨터 판독 가능 매체.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 복수 개의 연소 챔버들 중 각각 하나에 대하여, 상기 복수 개의 연소 챔버들 중 하나에서 흐르는 이온 전류 단위당 NOx의 부피비인 함수를 결정하는 단계 수행을 위한 컴퓨터 수행 가능한 명령들이 더 구비된 것을 특징으로 하는 상기 컴퓨터 판독 가능 매체.
  22. 제10항에 있어서,
    상기 압축 점화 엔진은 복수 개의 연소 챔버를 구비하며,
    상기 복수 개의 챔버들 중 각각 하나에 대하여, 상기 복수 개의 연소 챔버 중 상기 하나의 내부의 이온의 농도를 나타내는 이온 전류 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 복수 개의 챔버들로부터의 상기 이온 전류 신호와 상기 복수 개의 연소 챔버들로부터의 상기 NOx 배출량들 사이의 유도된 관계에 기초하여 상기 NOx 배출량들을 결정하는 단계;
    수행을 위한 컴퓨터 수행 가능한 명령들이 더 구비된 것을 특징으로 하는 상기 컴퓨터 판독 가능 매체.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 복수 개의 연소 챔버들 중 각각 하나에 대하여, 상기 복수 개의 챔버들로부터의 상기 이온 전류 신호들로부터 유도된 상기 NOx 배출량들에 기초하여 하나 이상의 엔진 파라미터를 제어하는 단계 수행을 위한 컴퓨터 수행 가능한 명령들이 더 구비된 것을 특징으로 하는 상기 컴퓨터 판독 가능 매체.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 하나 이상의 엔진 파라미터를 제어하는 상기 단계가
    연료 분사분사미터들 중 하나 이상과 실린더 운전 파라미터들 중 하나 이상을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 컴퓨터 판독 가능 매체.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 전체 엔진에 대하여, 상기 복수 개의 연소 챔버들에서 흐르는 이온 전류 단위당 NOx의 부피비인 함수를 결정하는 단계 수행을 위한 컴퓨터 수행 가능한 명령들이 더 구비된 것을 특징으로 하는 상기 컴퓨터 판독 가능 매체.
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