KR100327464B1 - 직접 분사식 내연기관의 초기 시동시 촉매 활성화방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직접 분사식 내연기관의 초기 시동시 촉매 활성화방법에 관한 것으로서, 실린더에 밸브 타이밍 변환장치가 설치되고 배출가스의 온도로 정화장치의 촉매를 활성화시키는 촉매 활성화방법에서, 실린더에 분사되는 연료는 한 사이클동안 2번 분사되고 배기밸브의 열림은 두번째 연료분사 직후에 이루어져 연료의 연소가 배기관으로까지 미침으로써 촉매가 활성화되는 방법이다.

이에 따라, 엔진의 초기 시동시 신속한 시간 내에 촉매가 활성화됨으로서 초기 시동시 배출가스에 함유된 오염물질이 대기로 배출되는 것을 방지하여 환경오염 방지에 효과를 나타내게 된다.

Description

직접 분사식 내연기관의 초기 시동시 촉매 활성화방법{CATALYST ACTIVATED METHOD EARLY START POINT IN DIRECT INJECTION INTERNAL ENGINE}

본 발명은 촉매 활성화방법에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 직접 분사식 내연기관의 초기 시동시 연료의 분사시기와 엔진 밸브의 개폐시기를 조절하여 촉매가 최적으로 활성화 될 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다.

직접 분사식 내연기관(이하 엔진이라 칭함)은 인젝터로 연소실 내에 직접 연료를 분사하는 방식으로, 흡기 매니폴드에 연료를 분사하여 연료와 공기를 혼합한 후 연소실에 분사시키는 방식에 비해 연소 안전성이 뛰어나고 초희박 상태에서의 연소가 가능한 방식이다. 이러한 내연기관은 통상 가솔린을 연료로 사용하는 엔진이다.

이러한 엔진의 연소시 발생된 배출가스에는 유해물질이 함유되어 있음으로 통상 촉매변환기를 통과시켜 일산화탄소, 탄화수소 및 질소산화물을 제거하여 배출시킨다. 이때 촉매의 활성화는 배출가스에 의해 이루어지며 활성화 온도는 대략 250℃ 내지 300℃정도이다.

그래서 엔진의 초기 시동시에는 촉매의 활성화를 위해서 100초정도의 시간이 소요되기 때문에 이를 단축시키기 위해 다양한 방식들이 채택되고 있다.

촉매를 활성화시키기 위해서 개시된 기술로는 크게 연소를 2번 시키는 방식과 배기밸브의 열림시기를 변환시키는 방식이 있다.

연소를 2번 시키는 방식 중 미국특허 5,136,842에서는 초기 시동시 연료를농후하게 분사하여 연소시키면 연소실 내부에서 완전 연소되지 않은 연료의 일부가 배기관으로 배출되고, 그 배기관으로 다시 공기를 토출시켜 산화시키는 방식에 관한 것으로, 이때 산화되면서 발생된 열을 이용하여 촉매의 활성화를 촉진시키는 것이다.

다른 연소 방식으로는 직접 분사식 엔진에서 한 사이클동안 연료를 두번 분사하고 두번 연소시키는 방식이다. 연료 분사시기는 압축과정 말기와 폭발 후 팽창과정 중에 직접 분사시킨다. 첫번째 연료분사는 엔진이 구동하는 힘을 얻기 위한 것이고 두번째 연료분사는 팽창과정에서 다시 연소를 실시함으로 배출가스의 온도를 높이기 위한 것이다. 이처럼 두번째 연소에 의해 배출가스의 온도는 상승하게 되고 이를 이용하여 촉매의 활성화되는 시간을 단축시킨다.(Mitshbishi Paper;AVL engine and environment conference-1997)

밸브 열림시간을 조절하는 방식 중 미국특허 5,294,741에서는 밸브타이밍을 조절하여 엔진의 배기과정시 배출된 뜨거운 배출가스로 촉매를 활성화시키는 방식이다. 즉, 초기 시동시에 배기과정의 온도를 상승시키기 위하여 밸브 오버랩을 증가시켰다. 밸브 오버랩은 배기밸브 측에 장착된 밸브 타이밍 변환장치를 이용하여 밸브 열림시기는 지각시키고 밸브 닫힘시기도 지각시켰다. 이에 의하여 흡기밸브와 배기밸브의 오버랩이 증가되며 이러한 밸브 오버랩의 증가는 연소실 내의 잔류가스의 증가로 연소속도를 느리게 하기 때문에 팽창과정에서의 온도는 일반엔진에 비해 상승하게 된다. 이것을 이용하여 촉매의 활성화 온도에 도달하는 시간을 단축시킨다.

따른 미국특허인 5,850,811에는 밸브 타이밍을 변환하여 활성화 온도에 도달하는 시간을 단축한 것이다. 배기밸브 측에 밸브 타이밍 변환장치를 설치하여 배기밸브 열림시간을 진각시키고 닫힘시간도 진각시켰다. 배기밸브 열림시간의 진각은 연료가 폭발 후 피스톤은 팽창과정을 하게 되는데 피스톤의 팽창과정은 일반적으로 단열팽창이며 이에 의해 실린더 내부의 압력과 온도는 급하락하게 된다. 따라서 배기밸브가 열린 시점에서의 배출가스의 온도는 단열팽창에 의하여 폭발시의 온도에 비해 매우 낮은 상태이므로 초기 시동시에만 배기밸브를 진각해서 열어주면 상당히 높은 배출가스가 그대로 배기관으로 배출되게 된다. 물론 이때 배기밸브를 일찍 열어줌에 의해 팽창일이 감소하므로 엔진의 부하와 속도를 감안하여 초기 시동시에만 이를 실시한다.

이와 같은 선행기술들을 종합해 봤을 때 촉매의 활성화온도를 높이는 방안으로 다음과 같이 정리할 수 있다.

첫째, 부속장치를 이용하여 배출가스의 온도를 높이는 방법이다. 이에 해당하는 기술로 2차공기를 배기관에 투입시켜서 공기가 산화될 때 생기는 열에 의하여 배출가스의 온도를 높이는 방법, 전기를 이용하여 공기를 데워주는 방법 그리고 배기관에 연료를 분사시킨 후 이를 연소시키는 방법이 있다.

둘째, 운전 조건을 변경하는 방법이다. 즉 연료의 점화시기를 진각하는 방법과 연료를 희박하게 분사하는 방법들인데 이는 연소속도를 느리게 하여 팽창과정에서의 온도를 증가시킬 수 있게 한다.

셋째, 밸브 타이밍을 변환시키는 방법으로 앞서 기술한 내용과 같다.

넷째, 연료의 분사시기를 자유롭게 할 수 있는 엔진에서 연료의 분사를 배기과정에 다시 한번 분사함에 따라 후연소가 이루어져 배출가스의 온도를 상승시키는 방법이다.

이상과 같은 기술 중 세번째와 네번째의 구성을 도 1과 도 2를 참조하여 살펴본다.

도 1에 도시한 바와 같은 엔진의 배기밸브(1) 측에 연계된 밸브 타이밍 변환장치(2)를 구동시켜 배출가스의 배출을 지연시킴으로서 촉매를 활성화시킨다.

즉, 크랭크 위치센서(3)에서 엔진의 현재 속도를 감지하고 흡기관 압력센서(4)와 쓰로틀 개도센서(5)에서 엔진의 현재 부하를 감지하여 전자제어장치(6)에서 판단 후 밸브 타이밍의 변환이 무방하다고 판단될 때 오일조절밸브(7)를 작동하여 오일의 힘으로 밸브 타이밍 변환장치(2)를 구동시킨다.

여기서 밸브 타이밍을 진각시키는 방법은 단열팽창되기 전의 뜨거운 배출가스를 배기관으로 배출시켜 촉매에 도달하게 함으로써 촉매 활성화를 달성한다. 또한 밸브 타이밍을 지각시키는 방법은 연소속도의 저감으로 팽창과정 말기까지 연소가 이루어져 상승된 배출가스를 배출시키게 된다. 이후에 촉매에 장착된 온도감지센서에 의하여 미리 정해진 일정온도 이상으로 촉매온도가 상승한 경우나 엔진의 부하와 속도가 갑자기 증가된 경우에는 전자제어장치(6)에 의해 오일조절밸브(7)가 작동되어 밸브타이밍을 정상적으로 되돌린다.

네번째 방법의 종래 실시예로서 도 2에 도시한 바와 같이, 전자제어장치(도시 생략)는 엔진의 초기 시동시 크랭크 위치센서와 캠센서를 이용하여 압축과 팽창시의 크랭크 각도를 인지하게 되며, 전자제어장치는 압축과정의 후반부에 연료가 분사(10) 후 점화(11)시킨다.

분사된 연료는 연소실(12) 내의 유동에 의하여 성층화 연소를 하게 되고 이에 의하여 연소실(12) 내부의 온도는 급격히 상승하게 된다. 연소실(12) 내부의 급격한 압력상승으로 피스톤(13)이 하강할 때 전자제어장치에서는 다시 정해진 각도에 연료가 분사(14)되도록 한다.

이때 분사된 연료는 연소실(12) 내부의 뜨거운 연소가스에 의해 서서히 연소되고, 이에 따라 연소실(12)의 온도는 다시 상승하게 되며 배기밸브(15)가 열릴 때 800℃의 높은 배출가스가 배출되어 촉매를 활성화시킨다. 그리고 전자제어장치에서 촉매의 온도가 충분히 상승되었다고 판단하면 연료의 분사는 한번만 하게 된다.

그러나, 앞서 기술한 기술들 중에서 미국특허 5,136,842에서 제안된 장치는 배기관 측에 부수적인 장치가 요구되고 2차공기의 투입양을 결정하는 데에도 어려움이 따르고, 미국특허 5,294,741에서 제시한 초기 시동시에 배기밸브 열림시기와 닫힘시기를 지각시켜서 밸브오버랩을 증가시키는 기술은 배출가스 온도의 상승이 다른 기술에 비해 적도 또 엔진속도가 낮은 아이들링시에는 연소의 불안정이 발생할 우려가 크다.

아울러, 배기밸브 열림시기를 진각시키는 기술인 미국특허 5,850,811은 배기밸브 열림시기를 일찍할수록 그 효과가 크고 통상적인 배기밸브 열림시기 근처에서 열어주는 경우에는 그 효과가 없게 됨으로 효과를 기대하기 위해서는 배기밸브를상사점후 60°~80°부근에서 열어주어야 하는데, 이러한 경우에는 피스톤이 하강하여 일을 생성하기 전에 배기밸브가 열리므로 실제일은 현저하게 감소하게 되어 엔진 진동이 발생할 우려가 크다. 또한 FTP 사이클에 의한 배출가스 시험시 20초 이후부터는 아이들링 상태에서 벗어나 엔진의 속도가 증가하게 되는데 실제일이 감소한 경우에 속도를 낼 수가 없게 된다. 따라서 배기밸브의 열림시기의 진각을 어느 정도 이상으로 하지 못하게 되며 이에 의하여 배출가스의 온도상승 효과도 적어지게 된다.

연료를 2번 분사하는 미쓰비시의 기술은 매우 효과적인 기술이나 두번째 분사하는 연료를 늦게 분사하면 첫번째 분사된 연료의 연소에 의해서 상승한 연소실 내부온도가 점차 떨어져 두번째 분사된 연료를 서서히 연소시키는데 필요한 온도로서는 부족하게 되며 이러한 경우에는 두번째 분사된 연료의 대부분이 연소가 이루어지지 않고 배기관으로 배출되게 된다. 따라서 두번째 분사되는 연료의 분사시기는 가능한 빨리 이루어져야 하지만 첫번째 분사된 연료가 완전히 연소되기전에 두번째 연료를 분사하는 경우는 두번째 분사된 연료가 연소실 내부로 분산이 이루어지기전에 연소가 일어나 과도한 검뎅이의 배출이 발생한다. 이러한 이유로 두번째 연료의 분사시기는 상사점후 70°~110°사이에 이루어지는데, 이는 배기밸브 열림시기인 상사점후 135°~145°와는 50°~80°의 간격이 생기므로 연소실 내부에서 어느 정도의 압력과 온도의 하락이 있게 되어 촉매의 활성화를 촉진시키는 효과는 기대하기 어렵다.

상술한 바와 같은 문제점들을 감안하여 본 발명에서는 배기밸브의 여닫힘시기의 조절과 연료의 분사시기를 달리하여 엔진의 초기 시동시에 촉매가 효과적으로 활성화될 수 있는 방법을 제공하는 것이 목적이다.

도 1은 종래의 배기밸브 변환장치를 이용한 캠타이밍 변환시스템을 개략적으로 도시한 사시도,

도 2는 종래의 직접 분사식 내연기관의 2단분사와 연소시기를 도시한 개념도,

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직접 분사식 내연기관의 구성을 도시한 개략도,

도 4는 본 발명에 따른 내연기관의 연소를 위한 작동 메카니즘을 도시한 구성도.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

20:엔진 21:연소실

22:점화플러그 23:흡기밸브

24:배기밸브 25:인젝터

26:밸브 타이밍 변환장치 27:전자제어장치

28:오일조절밸브 29:크랭크 위치센서

30:캠센서 31:흡기관 압력센서

32:쓰로틀 개도센서 33:촉매 변환기

34:온도센서

이와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 직접 분사식 내연기관의 실린더에 배기밸브의 여닫힘장치가 설치되고 배출가스의 온도로 정화장치의 촉매를 활성화시키는 촉매 활성화방법에서, 실린더에 분사되는 연료는 한 사이클동안 2번 분사되고 배기밸브의 열림은 두번째 연료분사 직후에 이루어져 연료의 연소가 배기관으로까지 미침으로써 촉매가 활성화되는 방법이다.

여기서 연료의 첫번째 분사는 첫번째 압축행정 상사점의 전 30° 내지 80°정도 사이에서 분사가 이루어진다.

연료의 두번째 분사는 첫번째 압축행정 상사점의 후 70°내지 90°정도 사이에서 분사가 이루어진다.

배기밸브의 여닫힘장치는 시동후 촉매에 설치된 온도센서에서 검출된 온도가 정해진 온도 이하일 경우와 전자제어장치에서 판독한 엔진속도와 엔진부하가 일정치 이하인 경우에 작동된다.

그리고 배기밸브의 열림시기는 두번째 연료분사후 20°내지 30°후에 이루어지는 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 도 3은 직접 분사식 내연기관의 구성을 도시한 개략도이고, 도 4는 본 발명에 따른 내연기관의 연소를 위한 작동 메카니즘을 도시한 구성도이다.

엔진(20)의 연소실(21)에는 점화플러그(22), 흡기밸브(23) 그리고 배기밸브(24)가 설치되며, 직접 분사식 엔진에는 연소실(21)로 직접 연료를 분사시키기 위한 인젝터(25)가 연소실(21)에 연계되어 장착된다.

엔진(20)의 배기밸브(24) 측에는 밸브 타이밍 변환장치(26)가 설치된다. 이는 고속시에 흡기측 캠 샤프트의 위상을 지각(進角)시켜 밸브의 열림시기를 길게 하여 흡입효율을 높여서 출력향상을 도모하기 위한 장치이다. 이 밸브 타이밍 변환장치(26)에는 전자제어장치(27)와 연결된 오일조절밸브(28)가 설치되어 밸브 타이밍 변환장치(26)의 밸브 타이밍 시기를 조절한다.

엔진(20)의 하부에는 크랭크 위치센서(29)가 설치되어 크랭크 샤프트의 회전속도를 감지하여 엔진(20)의 현재 속도와 연계시키고, 엔진(20)의 상부에 설치되는 캠센서(30)와 크랭크 위치센서(29)에 의해 검출된 신호가 전자제어장치(27)에 입력되어 크랭크 각을 계산하게 된다.

또한 엔진(20)의 연소실(21)과 연계된 흡기관에 흡기관 압력센서(MAP sensor;31)와 쓰로틀 개도센서(Throttle position sensor;32)를 설치하여 엔진(20)의 현재 부하를 얻는다.

아울러 연소실(21)과 연계된 배기관에는 촉매변환기(33)가 설치되고 촉매변환기(33)에 온도센서(34)를 설치하여 전자제어장치(27)에서 촉매의 온도를 감지한다.

이렇게 구성된 직접 분사식 엔진(20)에 시동을 걸면 전자제어장치(27)에서는 도 4에 도시한 바와 같이 엔진(20)이 아이들 속도(정해진 속도)로 안정되게 운전되는지를 확인하고, 흡기관 압력센서(31)와 쓰로틀 개도센서(32)에 의해서 엔진(20)의 현재 부하가 아이들 상태의 부하인지를 확인한다.

또한, 엔진(20)의 시동이 걸리면서 전자제어장치(27)에서는 시간을 초단위로 확인하면서 온도센서(34)를 이용하여 촉매의 온도를 확인한다. 특히 밸브 타이밍 변환장치(26)는 시동후 촉매에 설치된 온도센서(34)에서 검출된 온도가 정해진 온도 이하일 경우와 전자제어장치(27)에서 판독한 엔진속도와 엔진부하가 일정치 이하인 경우에 작동되어 엔진의 운전상태에 따라 촉매의 활성화에 대응되도록 배기밸브의 열림시기를 조절한다.

이때 만약 웜업(warm up)이 안된 상태라고 전자제어장치(27)에서 판단하면 오일조절밸브(28)를 열어서 밸브 타이밍 변환장치에 의해 캠 타이밍을 변환시킴에 따라 연료가 압축말기와 배기과정 중에 각각 분사한다. 촉매의 온도가 일정온도 이상으로 상승하였거나 급격한 부하와 속도가 요구될 때에는 밸브 타이밍 변환장치(26)를 이용하여 원래의 밸브 타이밍으로 되돌린다.

전술한 바와 같은 장치들을 이용하여 본 발명의 특징에 따른 촉매 활성화방법을 제안한다. 즉, 본 발명을 실현시키기 위해서 실린더에 분사되는 연료를 한 사이클동안 2번 분사시키고 배기밸브(24)의 열림이 두번째 연료분사 직후에 이루어져 연료의 연소가 배기관으로까지 미침으로써 촉매를 활성화시킨다.

좀 더 상세하게는, 연료의 연소가 연소실 내부에서 먼저 일어난 후 배기밸브가 열린 후에도 두번째 연소에 의해 상승된 온도와 압력에 의해 배기밸브를 빠져나가는 도중이나 배기관에서도 연소가 서서히 일어나 배기관내의 배출가스 온도가 높은 상태를 유지하면서 촉매장치에 도달하도록 유도하여 촉매가 활성화되는 시간을 단축시킨다.

이러한 내용을 크랭크의 회전각도로 설정하여 좀 더 구체적으로 살펴보면, 4행정 사이클로 이루어지는 엔진(20)의 크랭크의 회전각도를 각 행정당 180도로 구분하여 전체를 720도 가정하면 하사점은 180도와 540도에 이루어지고 상사점은 360도와 720도에 이루어진다.

이를 기준으로 했을때 연료의 첫번째 분사는 도 4에 도시한 바와 같이 첫번째 압축행정 상사점의 전 30°내지 80°정도 사이에서 분사가 이루어져서 앞서 개시된 미쓰비시의 기술과 동일한 문제점이 발생하는 것을 방지한다.

그리고 연료의 두번째 분사는 첫번째 압축행정 상사점의 후 70°내지 90°정도 사이에서 분사가 이루어진다.

배기밸브(24)의 열림시기는 첫번째 압축행정 상사점후 100°~120°사이, 즉 두번째 연료분사후 20°내지 30°후에 이루어지게 되어 시동시에는 일반적인 엔진(20)의 배기밸브 열림시기보다 10°내지 30°먼저 배기밸브(24)가 열리게 된다.

이렇게 두번째 연료분사 후 배기밸브(24)를 20°내지 30°후에 열게 되면 첫번째 연료의 분사에 의해 발생된 연소열에 의하여 두번째 연료가 서서히 연소가 진행되며, 이 순간 배기밸브(24)가 열리게 됨으로 엔진(20)의 실린더 내부에서 단열팽창이 일어나지 않아 배출가스는 배기관에서도 연소가 일어나기에 충분한 온도로 배출된다.

배기관으로 배출된 배출가스는 연소가 진행중에 있기 때문에 촉매변환기(33)에 도달할 때까지 높은 온도를 유지하게 되어 엔진의 초기 시동시 신속하게 촉매를 활성화시키게 된다.

따라서 배출가스가 촉매에 도달할 때에는 미쓰비시의 기술인 배기밸브(24)의 열림시기 변환없이 2번 분사하여 2번 연소한 경우보다 높은 온도를 가지게 된다. 이러한 기술은 배기밸브 열림시기의 진각도 연료를 2번 분사하지 않고 배기밸브(24)를 진각해서 열어준 경우(미국특허 5,850,811)보다 늦게 밸브를 열어주게 됨으로 실제일의 감소가 덜 일어나게 되어 FTP싸이클에서 초기의 엔진속도가 상승되는 구간에 대해서도 대응할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 실시예는 종래의 문제점을 실질적으로 해소하고 있다.

즉, 연소실에서 2번째 연료분사 후 배기밸브를 20°내지 30°후에 개방함에 따라 배기관에서도 연소가 이루어져 촉매변환기까지 배출가스의 열이 용이하게 전달되어 촉매가 활성화된다.

이에 따라, 엔진의 초기 시동시 신속한 시간 내에 촉매가 활성화됨으로서 초기 시동시 배출가스에 함유된 오염물질이 대기로 배출되는 것을 방지하여 환경오염 방지에 효과를 나타내게 된다.

Claims (5)

1. 직접 분사식 내연기관의 실린더에 밸브 타이밍 변환장치가 설치되고, 배출가스의 온도로 정화장치의 촉매를 활성화시키는 촉매 활성화방법에 있어서,

   상기 실린더에 분사되는 연료는 한 사이클동안 2번 분사되고, 배기밸브의 열림은 두번째 연료분사 직후에 이루어져 연료의 연소가 배기관으로까지 미침으로써 촉매가 활성화되는 것을 특징으로 하는 직접 분사식 내연기관의 초기 시동시 촉매 활성화방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 연료의 첫번째 분사는 첫번째 압축행정 상사점의 전에 분사되는 것을 특징으로 하는 직접 분사식 내연기관의 초기 시동시 촉매 활성화방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연료의 두번째 분사는 상기 상사점의 후에 분사되는 것을 특징으로 하는 직접 분사식 내연기관의 초기 시동시 촉매 활성화방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 배기밸브의 여닫힘장치는 시동후 촉매에 설치된 온도센서에서 검출된 온도가 정해진 온도 이하일 경우와 전자제어장치에서 판독한 엔진속도와 엔진부하가 일정치 이하인 경우에 작동되는 것을 특징으로 하는 직접 분사식 내연기관의 초기 시동시 촉매 활성화방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 배기밸브의 열림시기는 두번째 연료분사후 20°내지 30°후에 이루어지는 것을 특징으로 하는 직접 분사식 내연기관의 초기 시동시 촉매 활성화방법.