KR100678997B1 - 내연기관 내의 연소과정을 제어하는 방법, 그리고 엔진밸브를 조절하기 위한 수단을 구비한 엔진 - Google Patents

내연기관 내의 연소과정을 제어하는 방법, 그리고 엔진밸브를 조절하기 위한 수단을 구비한 엔진 Download PDF

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Abstract

전기적으로 작동되는 흡기 및 배기밸브(9, 11) 그리고 균일 연료/공기 혼합기를 엔진 실린더(1)에 공급하기 위한 수단을 구비하고 있는 4행정 내연기관. 밸브는, 낮은 rpm 범위 내에서, 피스톤(4)이 상사(중심)점에 도달하기 전에 배기밸브(11)를 폐쇄하는 제어유닛(15)에 의해 제어된다. 차단된 잔류가스의 영향하에, 온도상승이 이루어지고, 연료/공기 혼합기의 압축점화를 야기한다. 이러한 방법으로 점화지연을 제어하기 위하여, 제어유닛(15)은 배기밸브(11)를 제어하여, 배기밸브 폐쇄시 실린더 내의 잔류가스의 양은 고 부하 및 낮은 rpm에서 보다 저 부하 및 높은 rpm에서 더 크다.
실린더, 흡기밸브, 배기밸브, 자기점화, 연소실, rpm, 점화지연, 크랭크샤프트, 스파크 점화, 제어수단, 제어유닛, 스파크플러그.

Description

내연기관 내의 연소과정을 제어하는 방법, 그리고 엔진 밸브를 조절하기 위한 수단을 구비한 엔진{METHOD OF CONTROLLING THE PROCESS OF COMBUSTION IN AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE, AND ENGINE WITH MEANS FOR CONTROLLING THE ENGINE VALVES}
본 발명은 적어도 하나의 흡기밸브와 적어도 하나의 배기밸브를 가지며, 연소실에 균일 연료/공기 혼합기의 공급과 그리고 자기점화하기 위한 혼합기의 압축을 포함하고 있는 적어도 하나의 실린더를 구비한 4행정 내연기관 내의 연소실 내에서 연소과정을 제어하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한 적어도 하나의 흡기밸브와 적어도 하나의 배기밸브를 갖는 적어도 하나의 실린더를 구비한 4행정 내연기관, 실린더 연소실에 균일 연료/공기 혼합기를 제공하기 위한 수단 및 배기밸브의 개방정도를 최소한 변화시키기 위한 제어수단에 관한 것이다.
4행정 내연기관에 있어서 소위 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition ;균일 차지 압축점화)라 불리는 균일 연료/공기 혼합기의 압축점화에 있어서, 균일 희석(과잉공기 또는 잔류가스를 가진) 연료/공기 혼합기는 자기점화하기 위해 압축된다. 흡입공기 그리고 연소실(디젤과정) 내의 분사연료의 제 1 압축과 비교한 이것의 장점은 불꽃면이 점화플러그 또는 인젝터로부터 연소실을 통해 전파될 때 전체 연료/공기 혼합기가 연속적이 아니라 동시에 연소한다는 것이다. 이것은 연소실 내에 균일한 온도를 야기하고, 순차로, 예를 들어 부분부하에서의 언스로틀 오토-엔진(Otto-engine)에 있어서 디젤엔진의 고 산화질소 및 입자 배출물이 없이 디젤엔진의 효율을 얻는 것을 가능하게 한다. 질소 배출물을 약 1000ppm에서 10 - 20ppm 정도로 감소시킬 수 있다. 디젤엔진의 입자 배출물을 오토엔진의 입자 배출물과 같은 수준으로 감소시킬 수 있다. 하지만 이것은 물리적으로 제어되기 때문에 연소를 제어하는데 어려움이 있다. 혼합기가 너무 농후하면, 에너지방출이 너무 급속해지고(노킹), 그리고 혼합기가 너무 희석하면, 점화가 불가능해질 것이다. 연료로 가솔린을 사용하는 HCCI 오토엔진에 있어서, 자기점화하기 위하여 높고 제어된 온도가 요구되고, 그리고 이것은 높은 압축비 및/또는 흡입공기를 가열함으로써 성취될 수 있다. 연료로 디젤유를 사용하는 HCCI 디젤엔진에 있어서, 통상적인 디젤엔진과 비교했을 때 보다 낮은 온도가 요구되는데, 이것은 압축비가 낮아져야 함을 의미한다.
HCCI 엔진에 있어서 오늘날의 어려움은 다양한 rpm 및 부하에서 연소가 대략 상사(중심)점에 정확히 위치되는 방법으로 점화지연(실린더 온도)을 제어하는데 있었고, 이것은 상기 엔진의 사용의 범위를 크게 감소시켰다. 특히, 실린더 온도가 하나의 사이클로부터 다음 사이클로 체크되어야 하는 과도현상시 제어문제는, 예를 들어 구동 유닛이 rpm 및 부하에 있어서 매우 작은 변화로 작동하는 제너레이터로 HCCI 엔진의 사용범위를 제한시켰다.
본 발명의 목적은 HCCI 엔진에 있어서 실린더 내의 온도를 제어하는 방법을 성취하는데 있기 때문에, 점화시간은 다양한 엔진 속도 및 부하에서 정확해질 것이며, 그로 인해 HCCI 엔진을 모터차량에 사용하는 것이 실질적으로 가능하게 되고, 그로 인해 연료소비 및 배출물을 감소시키는 것이다.
피스톤의 배출행정시 배기밸브를 제어하여, 낮은 rpm범위 내에서, 피스톤이 상사(중심)점에 도달하기 전에 폐쇄되고, 밸브의 개방정도는 엔진 부하 및 rpm에 의존하여 변화하여 밸브가 폐쇄될 때의 잔류가스의 양은 고 하중 및 낮은 rpm에서 보다 저 부하 및 높은 rpm에서 더 크게되어 연소챔버 내에서 연료/공기 혼합기를 잔류가스에 의하여 희석정도를 변화시킴으로써 점화지연을 변화시킨다는 사실에 의해 본 발명이 달성된다.
개폐시간은 사이클에서 사이클까지 또한 자유로이 제어될 수 있도록 하기 위한, 밸브를 완전히 자유롭게 제어하는 것은 전자기적으로 작동될 수 있는 밸브를 사용함으로써 성취될 수 있다. 연소실 내의 온도와 점화시간을 결정하는 잔류가스의 양은 넓은 시간간격 내에서 배기밸브가 더 빨리 폐쇄될수록 온도가 증가하는 이러한 방법으로 조절될 수 있다.
본 발명의 보다 개량된 방법에 따른 엔진 펌프 일(펌프 손실)의 증가를 방지하기 위하여, 피스톤의 흡입행정시 흡기밸브를 제어하여, 적어도 상기 낮은 rpm범위 내에서, 피스톤의 상사(중심)점 후의 임의의 크랭크샤프트 각도로 개방되고, 개방정도는 배기밸브의 개방정도에 대해 변하여 흡입공기압력에 대한 연소실 내의 잔류가스압력을 줄인다.
예를들어 약 6000rpm 상한선을 갖는 넓은 rpm범위 내에서 작동할 수 있어야 하는 HCCI엔진은, 상한선이 3000 내지 4000rpm 사이에 있는 상기 낮은 rpm범위 내에서 비활성화 되도록 제어된 점화시스템을 바람직하게 구비하고 있다. 이러한 한계를 초과할 때, 배기 및 흡기밸브의 제어로 동시에 활동력을 갖는 점화시스템은 통상적인 엔진작동으로 바뀌고, 즉 배기밸브는 배출행정시 피스톤이 상사(중심)점에 도달한 후에 폐쇄되도록 제어되고, 동시에 흡기밸브는 배기밸브가 완전히 닫히기 전에 개방되기 시작한다. 희석정도가 감소함에 따라 반대로 압축비가 너무 높아지게 될 것이므로, 고 부하 및 낮은 rpm 에서도 동일하게 적용된다.
상기 설명한 방법으로 제어되는 서론으로 설명한 타입의 내연기관은, 제어수단이 피스톤의 배출행정시 배기밸브를 제어하기 위해 정렬되어, 밸브는 낮은 rpm범위 내에서 피스톤이 상사(중심)점에 도달하기 전에 폐쇄되고, 그리고 밸브의 개방정도는 엔진 부하 및 rpm에 의존하여 변화하여, 밸브가 폐쇄될 때의 연소실 내의 잔류가스의 양은 고 부하 및 낮은 rpm에서 보다 저 부하 및 높은 rpm에서 더 크다.
본 발명에 따른 방법은 아래에 수반하는 도면을 참조로 설명될 것이다.
도 1 내지 도 4는 4행정 내연기관에 있어서 피스톤과 결합된 실린더의 개략 도;
도 5 내지 도 7은 다양한 밸브 제어 다이어그램.
도 1에서, 예로 도시된 오토엔진에서 1은 연소실(3) 내에 돌출해 있는 점화플러그(2)를 갖는 4행정 내연기관의 엔진블록 내의 실린더를 나타낸다. 실린더(1)는 커넥팅 로드(5)를 통해 크랭크샤프트(7) 상의 스로우(6)에 연결되어 있는 피스톤(4)을 갖는다. 연소실(3)은 연료/공기 혼합기를 공급하기 위한 흡입구(8)를 가지고 있다. 흡기밸브(9)는 연소실의 흡기포트 내에 정렬되어 있다. 배기밸브(도시 생략)는 배출포트에서 배출도관으로 정렬되어 있다.
흡기 및 배기밸브(9 및 11)의 개폐는 각각의 전자기 장치(12 및 13)의 도움으로 전자기적으로 제어된다. 밸브는 두 전자석의 사이에 위치한 금속 디스크에 연결되어 자체로 밸브 스핀들을 갖는 공지된 타입으로 될 수 있다. 전자석은 번갈아서 자석화되며 그리고 금속 디스크는 잠시 자석화된 자석을 향해 끄려간다. 이러한 공지된 타입의 전자기적으로 제어되는 밸브에 있어서, 밸브의 개방정도는 사이클에서 사이클로 각 실린더에 대해 자유로이 제어될 수 있다. 점화플러그(2)는 제어유닛을 갖는 점화시스템(14)에 연결되어 있고, 즉 엔진 rpm 및 가속 페달위치를 나타내는 신호가 엔진 rpm 및 부하의 작용으로 점화를 조절하기 위해 공급되어 있다. 밸브(9, 11)의 전자석은, 센서(도시 생략)로부터 신호가 공급되고 실린더 챔버 내의 압력(P) 및/또는 이온 흐름을 나타내는 신호를 직접 또는 간접적으로 측정하는 제어유닛(15)에 의해 제어된다. 이러한 신호는 센서로서의 점화플러그를 통해 얻을 수 있다.
도 1 내지 도 4는 점화시스템이 비활성화 되도록 그리고 연소실(3)에 공급된 연료/공기 혼합기의 점화가 혼합기의 압축시 자기점화에 의해 이루어지는 HCCI의 작동을 도시하고 있다. 도 1은 낮은 rpm범위 내의 저 부하 및 높은 rpm(즉 약 3000 - 4000까지)에서, 배출행정시 배기밸브(11)가 폐쇄될 때 플런저의 위치(EC)를 도시하고 있고, 한편 도 2는 동일 작동조건하에서 흡입행정시 흡기밸브(9)가 개방될 때 피스톤의 위치(IO)를 도시하고 있다. 도 3 및 도 4는 고 부하 및 낮은 rpm에서 상응하는 방법으로 피스톤 위치(EC 및 IO)를 도시하고 있다. 도 5 내지 도 7에서, EO는 배기구가 개방된 것을, EC는 배기구가 폐쇄된 것을, IO는 흡입구가 개방된 것을, IC는 흡입구가 폐쇄된 것을 나타낸다. 도 5는 저 부하 및 높은 rpm에서의 밸브 타임을 도시하고, 한편 도 6은 고 부하 및 낮은 rpm에서의 상응하는 타임을 도시하고 있다. 연료/공기 혼합기에서 공기와 연료 사이의 소정의 부하, rpm 및 비에서, 흐름이 차단된 고온의 잔류가스가 이 경우에 있어서 연소실 내에서 증가하기 때문에, 배기밸브가 빨리 폐쇄될수록 보다 더 짧은 점화지연(빠른 점화시작)이 얻어진다. 이온흐름 신호 또는 압력센서 신호를 피드백함으로써, 밸브의 개폐는 전체로 낮은 rpm범위 내에서 HCCI 작동시 연소가 정확히 위치될 수 있도록 조절될 수 있다.
낮은 rpm범위의 상한선을 rpm이 넘어설 때, 즉 약 6000 - 8000rpm의 최대 rpm을 갖는 승용차에 적합한 약 4000rpm을 넘어설 때, 밸브제어부는 도 7에 도시된 바와 같이 점화시스템이 활성화됨과 동시에 상기 밸브가 오버랩되는 통상적인 오토엔진 작동으로 전환된다. 이러한 전환은 엔진 부하가 최대 엔진 부하의 50-70%를 넘어설 때 일어난다.
밸브의 개방정도는 배출행정 동안 또는 흡입행정시 압력감소 동안 잔류가스의 양을 제어하기 위한 두 방법으로 원칙적으로 조절될 수 있다. 밸브 행정의 길이는 일정하고 배기밸브를 닫기 위한 시간 및 흡기밸브를 열기 위한 시간이 도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이 변하거나, 또는 밸브의 행정의 길이가 변하고 개방시간이 일정하거나, 또는 상기 두 방법의 조합으로써 제어될 수 있다.
HCCI 작동에 있어서 오토엔진에 관하여, 디젤엔진의 입자 배출물이 없는 것을 제외하면 통상적인 디젤엔진의 효율에 상응하는 효율을 얻을 수 있다. 디젤엔진은 밸브의 제어에 상응하는 HCCI 작동으로 구동될 수 있다. 이 경우에 있어서 두 개의 연료 인젝터, 즉 첫째로 낮은 rpm범위 내에서 HCCI 작동을 위해 흡기튜브 내에 연료를 분사하기 위한 인젝터, 그리고 둘째로 rpm 범위 이상에서 통상적인 디젤작동에 직접분사하기 위한 인젝터가 요구된다. 더욱이, 연료인젝터를 전환하기 위한 장치가 요구된다.
가변의 밸브제어는 전자석 외에 다른 수단으로 또한 얻어질 수 있다.
4행정 내연기관에 있어서 소위 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition ;균일 차지 압축점화)라 불리는 균일 연료/공기 혼합기의 압축점화에 있어서, 균일 희석(과잉공기 또는 잔류가스를 가진) 연료/공기 혼합기는 자기점화하기 위해 압축된다. 흡입공기 그리고 연소실(디젤과정) 내의 분사연료의 제 1 압축과 비교한 이것의 장점은 불꽃면이 점화플러그 또는 인젝터로부터 연소실을 통해 전파될 때 전체 연료/공기 혼합기가 연속적이 아니라 동시에 연소한다는 것이다. 이것은 연소실 내에 균일한 온도를 야기하고, 순차로, 예를 들어 부분부하에서의 언스로틀 오토-엔진(Otto-engine)에 있어서 디젤엔진의 고 산화질소 및 입자 배출물이 없이 디젤엔진의 효율을 얻는 것을 가능하게 한다. 질소 배출물을 약 1000ppm에서 10 - 20ppm 정도로 감소시킬 수 있다. 디젤엔진의 입자 배출물을 오토엔진의 입자 배출물과 같은 수준으로 감소시킬 수 있다.

Claims (12)

  1. 하나 이상의 흡기밸브(9) 및 하나 이상의 배기밸브(11)을 가지며, 연소실로의 균일 연료/공기 혼합기의 공급 및 자기점화를 위한 혼합기의 압축을 포함하고 있는, 하나 이상의 실린더(1)를 구비하고 있는 4행정 내연기관의 연소실(3) 내의 연소과정을 제어하는 방법으로서,
    피스톤(4)의 배출행정시 상기 배기밸브(11)는 낮은 rpm 범위 내에서 피스톤이 상사(중심)점에 도달하기 전에 닫히도록 제어되고, 상기 배기밸브의 개방정도는 엔진의 부하 및 rpm에 따라서 변화되어 밸브가 폐쇄될 때의 잔류가스의 양이 고 부하 및 낮은 rpm에서 보다 저 부하 및 높은 rpm에서 더 크게되어 이에 대해 연소실 내의 잔류가스에 의한 연료/공기 혼합기의 희석의 정도를 변화시킴으로써 점화지연을 변화시키는 것을 특징으로 하는 4행정 내연기관의 연소실(3) 내의 연소과정을 제어하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 피스톤(4)의 흡입행정시 흡기밸브(9)가 제어되어 상기 낮은 rpm 범위 내에서 피스톤의 상사(중심)점 후에 임의의 크랭크샤프트 각도로 개방되고, 개방각은 배기밸브(11)의 개방각에 대해 변화하여 흡기 파이프 공기 압력에 대한 연소실(3) 내의 잔류가스 압력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 4행정 내연기관의 연소실(3) 내의 연소과정을 제어하는 방법.
  3. 연소실(3) 내의 연료/공기 혼합기를 스파크 점화하기 위한 수단(2)을 구비하 고 있는 내연기관 내의 연소과정을 제어하기 위한 제 1 항 또는 제 2 항의 연소과정을 제어하는 방법에 있어서, 스파크 점화수단(2)은 상기 낮은 rpm범위 내에서 비활성화 되도록 유지되고 그리고 엔진 rpm이 낮은 rpm의 상한선을 넘어설 때 활성화 되며, 그리고 높은 rpm 범위 내에서의 배기밸브(11)는 배출행정시 피스톤(4)이 상사(중심)점에 도달한 후 폐쇄되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 4행정 내연기관의 연소실(3) 내의 연소과정을 제어하는 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 배기밸브(11) 및 흡기밸브(9)는 배기밸브가 완전히 폐쇄되기 전에 흡기밸브가 개방되기 시작하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 4행정 내연기관의 연소실(3) 내의 연소과정을 제어하는 방법.
  5. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 전자석(12, 13)이 밸브(9, 11)를 제어하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 4행정 내연기관의 연소실(3) 내의 연소과정을 제어하는 방법.
  6. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 연료로 가솔린이 사용되는 것을 특징으로 하는 4행정 내연기관의 연소실(3) 내의 연소과정을 제어하는 방법.
  7. 하나 이상의 흡기밸브(9) 및 하나 이상의 배기밸브(11)를 갖는 하나 이상의 실린더(1), 균일 연료/공기 혼합기를 실린더의 연소실(3)에 공급하기 위한 수단, 그리고 배기밸브(11)의 개방정도를 최소한으로 변화시키기 위한 제어수단(15)을 구비하고 있는 4행정 내연기관으로서,
    상기 제어수단(15)은 피스톤 (4)의 배출행정시 배기밸브(11)를 제어하기 위해 정렬되어 있어서, 낮은 rpm범위 내에서 피스톤이 상사(중심)점에 도달하기 전에 밸브는 폐쇄되고, 그리고 밸브의 개방정도는 엔진 부하 및 rpm에 의존하여 변화하여, 밸브가 폐쇄될 때 연소실 내의 잔류가스의 양은 고 부하 및 낮은 rpm에서 보다 저 부하 및 높은 rpm에서 더 크게되어, 연료/공기 혼합기를 연소실 내의 잔류가스에 의하여 희박정도를 변화시킴으로써 점화지연을 변화시키는 것을 특징으로 하는 4행정 내연기관.
  8. 제 7 항에 있어서, 제어수단(15)은 피스톤(4)의 흡입행정시 흡기밸브(9)를 제어하기 위해 정렬되어 있어서, 상기 밸브가 상기 낮은 rpm 범위 내에서 피스톤의 상사(중심)점 후에 임의의 크랭크샤프트 각도에 따라 우선 개방되고, 그리고 개방각은 배기밸브의 개방각에 대해 변화하여 흡입 공기 압력에 대한 연소실 내의 잔류가스 압력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 4행정 내연기관.
  9. 제 7 항에 있어서, 밸브(9, 11)는 제어유닛으로 공급된 다양한 신호에 응하여 밸브 작동수단을 제어하는 제어유닛(15)에 연결된 전자기적 수단 (12, 13)을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 4행정 내연기관.
  10. 제 9 항에 있어서, 제어유닛(15)은 연소실(3), 타코미터 및 압력센서 내에 정렬된 이온 흐름 신호센서에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 4행정 내연기관.
  11. 제 9 항에 있어서, 제어유닛(15)은 압력 신호 트랜스듀서에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 4행정 내연기관.
  12. 하나 이상의 각 실린더(1)용 스파크플러그 (2) 그리고 타코미터 및 가속페달 위치센서에 연결된 점화제어장치(14)를 포함하고 있는 점화시스템을 구비하고 있는 제 7 항 내지 제 11 항중 어느 한 항의 4행정 내연기관에 있어서, 점화제어장치(14)는 상기 낮은 rpm 범위 내에 비활성화된 스파크플러그(2)를 유지하고 그리고 엔진 속도가 낮은 rpm 범위의 상한선을 넘어설 때 스파크플러그를 활성화시키 위해 배치되어 있고, 밸브(9, 11)의 제어유닛(15)은 높은 rpm 범위 내에서 밸브를 제어하기 위해 배치되어 있어서, 배기밸브(11)가 완전히 닫히기 전에 흡기밸브(9)가 열리기 시작하는 것을 특징으로 하는 4행정 내연기관.
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