KR100761309B1 - 예혼합 압축자기착화식 내연기관 - Google Patents

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Abstract

내연기관은 실린더, 실린더의 연소상태와 관련된 정보를 감지하는 센서를 포함한다. 각 실린더에는 점화장치, 흡기밸브, 및 배기밸브가 제공된다. 이 내연기관은 센서로부터 정보를 획득하는 제어장치를 또한 포함한다. 센서로부터 온 정보를 바탕으로, 제어장치가 가장 격렬하게 연소하는 실린더를 확인한다. 제어장치가 흡기밸브의 밸브타이밍, 배기밸브의 밸브타이밍, 및 실린더에 대한 연료분사량 중 최소한 한가지 이상을 제어하고, 모든 실린더의 연소를 억제하여, 그 확인된 실린더의 연소상태가 적절한 연소상태로 된다. 연소상태가 소정의 범위를 벗어나 실화 유발 상태에 있는 실린더에 한하여, 제어장치가 보조 착화를 수행하기 위하여 그에 상응하는 점화장치를 선택적으로 작동시킨다. 이러한 구성이 실린더 간에 연소상태의 편차를 감소시킨다.
ECCM

Description

예혼합 압축자기착화식 내연기관{HOMOGENEOUS CHARGE COMPRESSION IGNITION INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 첨부된 도면을 통해 본 명세서에 기재된 후술하는 발명의 상세한 설명에 언급된 바람직한 실시형태를 참조하여, 그 목적 및 장점과 함께, 가장 잘 이해될 것이다.
도 1 은 본 발명의 1 실시형태에 따른 내연기관이 구비된 가스 열펌프를 보여주는 체계도이다.
도 2 는 도 1 에 도시된 내연기관의 제어구성을 보여주는 블럭도와 함께 나타내는 계략도이다.
도 3 은 도 1 에 도시된 내연기관의 착화제어과정을 보여주는 순서도이다.
도 4 는 도 3 에 도시된 착화제어과정에 사용된 착화제어맵을 보여주는 선도이다.
도 5 는 도 1 에 도시된 내연기관의 압축착화 작동과정의 서브루틴 (subroutine)을 보여주는 순서도이다.
도 6 은 도 1 에 도시된 내연기관의 흡기밸브 및 배기밸브의 개방타이밍 및 폐쇄타이밍을 개략적으로 보여주는 선도이다.
본 발명은 복수개의 실린더를 가지는 예혼합 압축착화식 (HCCI) 내연기관에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 실린더 간의 연소상태의 편차를 감소시키기 위한 제어에 관한 것이다.
전형적인 HCCI 내연기관에서, 연료와 공기는 실린더에 유입되기 전에 예혼합(premixed)된다. 혼합물은 자기착화(self-ignite)되기 위하여 피스톤에 의해 압축된다. 이러한 타입의 내연기관은 점화플러그 없이 압축착화가 이루어지는 점에서 디젤 내연기관과 유사하다. 반면에, 이러한 내연기관은 착화되기 전에 공기와 연료가 예혼합되는 점에서 가솔린 내연기관과 유사하다. 따라서, 이러한 타입의 내연기관은 디젤 내연기관과 가솔린 내연기관 사이의 중간 성질을 갖는다.
이러한 타입의 내연기관은 고 열효율, 개선된 연료소비, 매연 및 NOx 등의 유해물질 배출의 감소 등 다양한 장점을 제공한다. 따라서 이러한 내연기관의 연구 및 개발이 진행되고 있다. HCCI 내연기관의 실용화에 대한 장애물들 중 하나는 디젤 내연기관 및 가솔린 내연기관과 비교할 때 착화 및 연소의 제어가 어렵다는 점이다.
즉, 디젤 내연기관 또는 가솔린 내연기관의 경우, 실린더 내부로의 연료주입 타이밍 또는 점화플러그의 점화타이밍의 조정에 의하여 피스톤 상사점 근방의 최적 시점에 착화의 실행이 가능하다. 반면에, HCCI 내연기관의 경우, 먼저 연료와 공기가 혼합되고, 혼합물이 압축되어 자연적으로 자기착화한다. 따라서, 온도, 압력 및 연료 농도를 포함하는 제어요인들이 피스톤 상사점 근방에서 자기착화가 일어날 수 있도록 반드시 적절하게 제어되어야 한다. 이 점이 이러한 제어를 극히 곤란하게 만든다. 따라서, 이 내연기관은 이러한 제어가 곤란하지 않은 협소한 범위에서만 작동될 수 있다.
이러한 점에서, 일본 특허공개공보 제2004-190539호에는 다음과 같은 지적이 있다. 즉, 다기통 2순환 내연기관에서, 흡기파이프 및 배기파이프에서의 맥동압에 의하여 소기 효율은 일 실린더와 타 실린더 간에 다양할 수 있다. 결과적으로, 연소상태는 일 실린더와 타 실린더 간에 다양하다. 따라서, 다기통 2순환 내연기관으로의 HCCI의 응용은 압축착화가 실행될 수 있는 작동조건의 범위를 실질적으로 감소시킨다.
전술한 공개공보에는 이 문제를 해결하기 위한 향상된 내연기관이 개시되어 있다. 이 개시된 내연기관은 각 연소실에서의 연소상태와 관련된 연소상태 정보를 감지하기 위한 센서를 포함한다. 이 내연기관은, 센서에 의해 감지된 정보를 바탕으로, 각 연소실에서의 연소상태를 나타내는 특정 연소상태지표를 계산하는 연산부를 또한 포함한다. 연산부는 평균 연소상태지표를 또한 계산하는데, 이 지표는 모든 연소실의 연소상태지표들의 평균값이다. 나아가, 이 내연기관은 연소상태지표가 평균 연소상태지표 근방의 소정의 허용 범위인지를 결정하는 연소 제어 파라미터 조정부를 포함한다. 연소실의 연소상태지표가 허용 범위를 벗어났을 때, 연소 제어 파라미터 조정부가 연소실의 연소 제어 파라미터를 조정하여 모든 연소실의 연소상태를 서로 접근시킨다.
구체적으로, 연소 제어 파라미터 조정부는 각연소실에 연료 분사를 증가시키거나 또는 감소시기고, 또는 각 연소실의 흡기밸브의 폐쇄타이밍을 촉진하거나 또는 지연시키며, 따라서 모든 연소실의 연소상태가 서로 비슷해지도록 한다.
전술한 공개공보의 내연기관은 모든 연소실이 유사한 연소상태로 작동하기 때문에, 몇몇 연소실에서의 부적절한 압축착화가 방지된다. 결과적으로, 내연기관 전체의 압축착화 가능 범위가 확장된다.
그러나, 연료 분사량 또는 흡기밸브의 밸브 폐쇄타이밍의 변경은 각실린더에 대한 연료 분사량의 변경을 위한 구조 또는 각실린더에 대한 흡기밸브의 밸브 폐쇄 타이밍의 변경를 위한 기구를 요구한다. 이로 인해 구조가 복잡해지고 따라서 경량화 및 제어의 단순화가 어려워진다.
따라서, 본 발명의 목적은, 복수개의 실린더를 갖는 예혼합 압축착화식 내연기관에서, 실린더간의 연소상태의 편차를 감소시키고 또한 내연기관이 적은 NOx의 배출량으로 고효율로 작동하게 하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 태양은 복수개의 실린더, 실린더의 연소상태를 감지하기 위한 센서, 점화장치, 흡기밸브, 배기밸브, 및 제어 장치를 포함하는 예혼합 압축착화식 내연기관을 제공한다. 각 실린더에는 하나의 점화장치, 하나의 흡기밸브, 및 하나의 배기밸브가 제공된다. 제어장치는 센서로부터 실린더의 연소상태에 관한 정보를 얻는다. 센서로부터 얻어진 실린 더의 연소상태에 관한 정보를 기초로, 제어장치가 가장 격렬하게 연소하는 실린더를 확인하고, 흡기밸브의 밸브타이밍, 배기밸브의 밸브타이밍 및 실린더에 대한 연료분사량 중 적어도 하나를 제어하여 모든 실린더의 연소가 억제되며, 확인된 실린더의 연소상태가 적절한 연소상태로 된다. 이러한 연소상태의 실린더는 소정의 범위를 벗어나 실화를 유발하는 상태이며, 제어장치가 보조착화를 실행하기 위하여 대응하는 점화장치를 선택적으로 작동시킨다.
본 발명의 또 다른 태양 및 장점은 후술하는 명세서를 통해서, 첨부된 도면 및 본 발명의 원리가 구현된 실시형태를 참조하여 명확해질 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 내연기관이 구비된 가스 열펌프 (100) 를 보여주는 체계도이다. 도시가스 (천연가스) 를 사용하는 내연기관 (1) 에 의해, 가스 열펌프 (100) 는 에어 공기조화 열펌프 사이클을 구동한다. 도 1 은 가스 열펌프 (100) 가 가열 사이클로서 기능을 할 때의 시스템을 보여준다.
가스 열펌프 (100) 는 실외기 (101) 및 실내기 (102) 를 포함한다. 실외기 (101) 는 내연기관 (가스 내연기관) (1), 이 내연기관 (1) 에 의해 구동되는 압축기 (103), 열교환기 (104, 105), 및 팽창 밸브 (106) 를 포함한다.
냉매는 실내기 (102) 의 열교환기에서 응축 및 액화되어 열을 방출하고, 따라서 내부를 가열한다. 냉매는 그 후 화살표 a 방향을 따라서 흐르고 팽창 밸브 (106) 를 지나간다. 냉매는 그 후 저온 저압의 액체가 된다. 그 후, 냉 매는 화살표 b 방향을 따라서 흐르고 실외기 (101) 의 열교환기 (104) 에서 기화하여 열을 흡수한다. 그 후 냉매는 저온 저압의 기체가 된다. 그 후, 냉매는 화살표 c 방향을 따라서 흐르고 압축기 (103) 에 의해 압축된다. 따라서, 냉매는 고온 고압의 기체가 된다. 그 후, 냉매는 화살표 d 방향을 따라서 흐르고 실내기 (102) 에서 액화되어 열을 방출하게 된다. 난방 사이클은 가스 열펌프 (100) 에서 반복된다. 도 1 은 내연기관 (1) 의 방출된 열이 고온의 물을 순환시키는데 사용되는 사이클을 예시하며, 열교환기 (105) 에서 냉매와 고온의 물 간의 열교환 사이클이 실행된다.
앞으로, 이러한 실시예에 따른 내연기관 (1) 이 설명될 것이다. 도 2 는 내연기관 (1) 을 그의 제어 구성을 보여주는 블럭도와 함께 나타내는 개략도이다.
도 2 에 따르면, 내연기관 (1) 은 실린더블록 (11), 피스톤 (12), 실린더헤드 (13), 흡기밸브 (14), 및 배기밸브 (15) 를 포함한다. 내연기관 (1) 은 복수개의 실린더 (5) 를 가지며, 본 실시형태에서 그 개수는 4개이다. 도시의 편의를 위해, 4개의 실린더 (5) 중 2개가 도 2 에 제시되었고, 도 2 의 실린더 (5) 중 1개는 개략적으로 도시되었다.
실린더블록 (11), 피스톤 (12), 및 실린더헤드 (13) 는 각 실린더 (5) 에서 연소실 (16) 을 형성한다. 흡기포트 (17) 및 배기포트 (18) 의 쌍들이 실린더헤드 (13) 에 형성되어있다. 각 쌍의 흡기포트 및 배기포트 (17, 18) 의 각 쌍은 실린더 (5) 중 1개에 대응된다.
이 내연기관 (1) 은 각각 흡기밸브 (14) 및 배기밸브 (15) 에 대응하는 흡기캠축 및 배기캠축 (도시되지 않음) 을 포함한다. 흡기밸브 및 배기밸브 (14, 15) 의 밸브타이밍을 독립적으로 변경할 수 있는 가변 밸브타이밍 기구 (19, 20) 가 흡기캠축 및 배기캠축에 각각 제공된다. 가변 밸브타이밍 기구 (19, 20) 는 크랭크축 (도시되지 않음) 에 대한 캠축의 회전위상을 조정하여, 모든 실린더 (5) 에 대하여 흡기밸브 (14) 및 배기밸브 (15) 의 개방타이밍과 폐쇄타이밍을 동시에 변경시킨다.
가변 밸브타이밍 기구 (19, 20) 는 흡기 유압제어밸브 (21) 및 배기 유압제어밸브 (22) 에 각각 연결된다. 유압제어밸브 (21, 22) 의 유압은 가변 밸브타이밍 기구 (19, 20) 가 흡기밸브 (14) 및 배기밸브 (15) 의 밸브타이밍을 조정할 수 있도록 제어된다. 이러한 구성으로서, 예컨데, 일본 특허출원 공개공보 제2001-355462호에 개시된 발명이 적용될 수도 있을 것이다. 또한, 그 공개공보에 개시된 다른 어떤 구성도 적용될 수 있을 것이다.
내연기관 (1) 은 예혼합 압축자기착화식 (HCCI) 내연기관이며 미리 혼합된 연료와 공기의 혼합물을 흡입한다. 도 2 에 도시되었듯이, 연료 가스 (천연 가스) 가 혼합기 (23) 에 의해 흡기와 혼합된 후, 이 혼합물은 실린더 (5) 에 분배된다. 구체적으로, 혼합물은 관련된 흡기포트 (17) 를 통해서 각 연소실 (16) 안으로 흡입된다.
내연기관 (1) 은 이온 전류센서 (24) 및 점화플러그 (32) 를 또한 포함하며, 이들 각각은 실린더(5) 중 1개에 대응한다. 각 이온 전류센서 (24) 는 그에 대 응하는 연소실 (16) 의 연소상태와 관련된 정보를 감지한다. 각 점화플러그 (32) 는 점화보조수단 또는 점화장치로서 작용한다.
다음으로, 내연기관 (1) 을 위한 제어장치 (10) 가 설명될 것이다. 도 2 에 따르면, 제어장치 (10) 는 흡기밸브 및 배기밸브 (14, 15) 의 밸브타이밍을 변경하기 위한 가변 밸브타이밍 기구 (19, 20), 유압 제어밸브 (21, 22), 및 내연기관 (1) 의 다양한 제어절차를 수행하는 내연기관 제어유닛 (ECU) (25) 를 포함한다.
ECU (25) 는 중앙제어부 (33), 가변 밸브타이밍 기구 (19, 20) 을 제어하는 흡기/배기 밸브타이밍 제어부 (26), 각실린더 (5) 의 점화플러그 (32) 의 착화를 제어하는 점화플러그 제어부 (34), 및 연료분사밸브 (도시되지 않음) 를 제어하는 연료제어부 (35) 를 포함한다.
또한, ECU (25) 는 각실린더 (5) 에 제공된 크랭크각 센서 (28), 흡기 캠 각센서 (29), 부하센서 (31), 및 이온 전류센서 (24) 에 전기적으로 연결된다. 이러한 센서들의 측정 결과 값은 신호로서 ECU (25) 로 보내진다.
크랭크각 센서 (28) 는 크랭크축 (도시되지 않음) 부근에 위치하여 소정의 모든 크랭크 각에서 크랭크각 신호를 출력한다. 흡기캠각 센서 (29) 및 배기캠 각 센서 (30) 는 각각 흡기캠축 및 배기캠축 부근에 위치하며, 그 각각은 소정의 모든 캠각에서 캠각 신호를 출력한다.
부하센서 (31) 는 부하신호로서 실내기(도 1) (102) 의 목표 작동 조건을 출력한다. 부하센서 (31) 는 압축기 (103) 의 작동조건을 감지하고 부하신호로서 그 결과를 출력할 수도 있다.
ECU (25) 의 하드웨어 구성요소 (도시되지 않음) 는 CPU, ROM, 및 RAM 을 포함한다. ROM은 판독 전용 기억장치이며 내연기관 (1) 의 작동을 제어하는데 사용되는 다양한 프로그램을 저장한다. CPU는 수신된 각종 신호 및 ROM에 저장된 프로그램을 바탕으로 연산을 수행하여, 유압 제어밸브 (21, 22), 점화플러그 (32), 및 연료분사밸브를 제어한다. 하드웨어 및 소프트웨어 구성요소의 결합에 의해, ECU (25) 는 중앙제어부 (33), 흡기/배기밸브 타이밍 제어부 (26), 점화플러그 제어부 (34), 및 연료제어부 (35) 로서 기능한다.
이제 내연기관 (1) 에서의 착화제어 과정이 도 3 을 참조하여 설명될 것이다. 이 과정은 미리 정해진 시간 간격 (수 밀리초 등) 에서 반복적으로 실행된다.
도 3 에 도시된 착화제어의 루틴 중 S1 단계에서, 크랭크각 센서 (28) 및 부하 센서 (31) 로 부터 온 신호를 바탕으로, CPU의 연산에 의하여 현재 내연기관의 회전수 및 요구 부하를 획득한다.
S2 단계에서, 불꽃점화를 실행할지 압축착화를 실행할지를 결정하기 위하여 CPU가 획득한 상기 내연기관의 회전수 및 부하를 ROM에 저장된 착화제어맵에 대하여 체크한다. 예컨데, 도 4 에 도시된 맵이 착화제어맵으로 사용된다. 만일 내연기관의 회전수가 소정의 값을 초과하는 경우 또는 요구 부하가 소정의 값을 초과하는 경우에는, 불꽃점화가 선택된다. 이와 다른 조건하에서는, 압축착화가 선택된다. 이 결정은 반드시 맵을 기초로 하여야 하는 것은 아니며, 불꽃점화 또는 압축착화를 선택하기 위하여 적절한 결정식을 적용하여 수행될 수도 있다.
S2 단계에서 불꽃점화방식이 선택된 경우, CPU는 S3 단계로 진행한다. CPU는 밸브타이밍이 일반적인 불꽃점화식 내연기관과 동일해지도록 흡기/배기 밸브 개방타이밍 제어부 (26) 에 의해 가변 밸브타이밍 기구 (19, 20) 를 제어하며, 점화플러그 제어부 (34) 에 의해 점화플러그 (32) 를 제어하고, 따라서 불꽃점화를 실행한다. 반면에, 압축착화가 선택되었을 때, CPU는 S4 단계에서 압축착화 작동 과정의 서브루틴을 실행하며, 이 절차에 대해서는 이하에서 설명될 것이다.
이제 도 5 를 참조하여 압축착화 작동과정의 서브루틴이 설명될 것이다. 압축착화 작동 과정의 서브루틴에서, S101 단계에서 CPU는 루틴 (도 3) 의 S1 단계에서 얻어진 부하에 따라 흡기밸브 (14) 및 배기밸브 (15) 의 밸브타이밍의 제어값을 설정한다.
전술한 점과 관련하여, 도 6 은 압축착화 작동에서 각 실린더 (5) 의 흡기밸브 (14) 및 배기밸브 (15) 의 밸브타이밍의 예를 개략적으로 보여준다. 도 6 에 도시된 바와 같이, 배기행정으로부터 흡기행정까지, 배기밸브 (15) 의 폐쇄타이밍 (EVC) 은 배기 상사점보다 앞서도록 제어된다. 또한, 흡기밸브 (14) 의 개방타이밍 (IVO) 은 배기 상사점보다 상대적으로 지연되도록 제어된다. 결과적으로, 배기 상사점 근방에서 배기밸브 (15) 및 흡기밸브 (14) 가 모두 폐쇄되는 부 (negative) 밸브 오버랩 기간 (T) 이 형성된다.
이러한 제어 절차에 따르면, 팽창행정이 종료하고 배기행정이 시작할 때, 연소 후 배기가스 (연소가스) 는 피스톤 (12) 이 상방으로 이행함에 따라 배기 포트 (18) 를 통해서 배출된다. 그러나, 배기 상사점보다 앞선 시각에 배기밸브 (15) 가 폐쇄되기 때문에, 연소실 (16) 에 연소가스가 포획된다. 이 포획된 가스를 잔여 가스 (EGR 가스) 라고 한다.
배기 상사점보다 상대적으로 지연된 시각 (도 6의 IVO) 에, 흡기밸브 (14) 가 개방되고, 미리 혼합된 공기-연료 혼합물이 혼합기 (23) 로부터 흡기포트 (17) 를 통해서 공급되고 연소실 (16) 내의 EGR 가스와 혼합된다. 결과적으로, 연소되어 고온 상태인 EGR 가스는 상기 혼합물을 가열하고, 따라서 이 혼합물의 착화성이 향상된다.
밸브타이밍의 제어값 설정이 S101 단계에서 수행되면, 부하가 감소됨에 따라 배기밸브 (15) 의 폐쇄타이밍은 빨라지고 흡기밸브 (14) 의 개방타이밍은 지연된다. 이와 반대로, 부하가 증가함에 따라, 배기밸브 (15) 의 폐쇄타이밍은 지연되고 흡기밸브 (14) 의 개방타이밍은 빨라진다.
따라서, 부하가 적을 때 다량의 고온의 내부 EGR 가스가 포획된다. 이리하여 희박 혼합물(lean mixture)의 압축착화가 충분하고도 안정적으로 실행될 수 있게 된다. 즉, 저 부하 작동시의 연비가 향상되며, NOx의 배출량도 감소된다. 반면에, 부하가 증가할 때 고온의 내부 EGR 가스의 양은 감소한다. 이리하여 노킹(knocking)의 발생이 억제된다.
S101 단계에서의 밸브타이밍 제어값은 임시적인 것이다. S108 단계에서의 실제 밸브타이밍의 제어는 필요할 경우 소정의 절차 (후술될 S104 단계) 에 따라 제어값의 보정을 행하여 얻어진 값을 바탕으로 실행된다.
S102 단계에서, CPU는 크랭크각 센서 (28) 로부터 온 신호를 바탕으로 크랭크 각 및 이온 전류센서 (24) 로부터 온 신호를 바탕으로 각 실린더 (5) 의 연소상태를 알게 된다. 얻어진 정보를 바탕으로, CPU는 각 실린더 (5) 에서의 착화타이밍을 계산한다. 이러한 실시형태에서, 각 이온 전류센서 (24) 를 통해서 흐르는 전류는 압축착화식 연소가 진행됨에 따라 증가한다. 따라서, 예컨데, 전류의 파형으로부터 얻어진 계산값이 소정의 값을 초과하는 시간을 결정하여 각 실린더 (5) 의 착화 타이밍을 계산할 수 있다.
각 실린더 (5) 에서, 전술한 방법으로 계산된 착화 타이밍은 바람직하게는 압축 상사점보다 1°~ 8°지연된 범위에 있다. 즉, 만일 착화 타이밍이 이러한 범위보다 앞서게 되면, 연소는 격렬해지고, 이에 따라 NOx의 양이 증가한다. 반면에, 만일 착화 타이밍이 이러한 범위보다 지연되면, 실화(misfire)가 발생하기 쉬우며, 이에 따라 HC 및 CO의 양이 증가한다.
실린더 (5) 간에 착화 타이밍 (연소상태) 의 편차는 피할 수 없는 것이다. 이러한 편차를 억제하기 위해 연소상태를 제어하는 것이 바람직하며, 이러면 모든 실린더 (5) 의 착화가 위의 범위에서 일어난다.
따라서, 이러한 실시형태에서, 4개의 실린더 (5) 중 착화 타이밍이 가장 앞서는 (바꾸어 말하면, 가장 격렬한 연소상태를 보이는 실린더(5)) 실린더가 S102 단계에서 확인된다. S103 단계에서, 확인된 실린더 (5) 의 착화 타이밍이 전술한 범위보다 앞서는지가 결정된다. 만일 착화 타이밍이 이 범위보다 더 앞서는 것으로 결정되면, S104 단계에서 CPU가 S101 단계에서 얻어진 밸브타이밍의 제어값을 연소를 억제하는 값으로 보정하고, 이리하여 실린더 (5) 의 착화타이밍이 상기 범위안에 있게 된다.
구체적으로, 보정은 흡기밸브 (14) 의 개방타이밍 (도 6 의 IVO) 을 앞당기는 반면 배기밸브 (15) 의 폐쇄타이밍 (도 6 의 EVC) 은 지연시키는 방법으로 실행된다. 이로 인해 부의 밸브 오버랩 기간 (T) 이 단축되며, 따라서 포획된 고온의 EGR 가스의 양이 감소한다. 따라서, 공기-연료 혼합물이 가열되는 정도가 감소된다. 결과적으로, 그 혼합물의 착화성이 감소된다.
밸브타이밍 제어값의 보정 정도 (보정량) 는 미리 정해진 맵 또는 착화가 가장 빠른 것으로 확인된 실린더 (5) 의 착화타이밍이 상기 범위에서 벗어나는 정도에 근거한 식에 따라 결정될 수 있다. 착화가 가장 빠른 것으로 확인된 실린더 (5) 의 착화타이밍이 상당히 벗어나 있을 때는, 밸브타이밍 제어값을 가능한 최대로 보정하여도 그 실린더 (5) 의 착화타이밍을 위 범위로 돌려놓을 수 없다는 것을 예측할 수 있다. 이러한 경우, S105 단계에서 혼합기 (23) 의 연료 분사밸브의 연료분사량은 연소를 억제하는 값으로 보정될 수도 있다 (구체적으로, 연료 분사량은 감소될 수도 있다).
도시를 간소화하기 위해, 도 5 의 순서도는 착화가 가장 빠른 것으로 확인된 실린더 (5) 의 점화플러그 (32) 에 의한 보조 착화가 실행되지 않는다는 가정에 바탕을 둔 것이다. 비록 도 5 에 도시되지는 않았지만, 만일 착화가 가장 빠른것으로 확인된 실린더 (5) 에 대해 보조 착화가 수행되면, CPU는 실린더 (5) 의 점화플러그 (32) 를 비활성화시키기 위한 제어를 실행하고, S104 단계 및 S105 단계를 실행하지 않는다.
이러한 실시형태의 가변 밸브타이밍 기구 (19, 20) 각각은 흡기밸브 (14) 및 배기밸브 (15) 의 밸브타이밍을 각각 전체적으로 변경시킨다. 즉, 이 기구 (19, 20) 는 각 실린더 (5) 의 밸브타이밍을 독립적으로 변경시키지 않는다. 연료분사밸브는 모든 실린더 (5) 에 공급된 공기- 연료 혼합물의 연료농도를 공통적으로 변경시킨다. 따라서, 착화 타이밍이 적절한 범위 (1°~ 8°) 에 있는 실린더 (5) 에 대해서, 연소를 억제하기 위한 밸브타이밍의 보정 (S104 단계) 또는 연료 분사량의 감소 (S105 단계) 가 이루어지면 이러한 실린더 (5) 의 착화 타이밍은 상기 범위를 벗어나기 쉽다. 이렇게 되면 실화가 일어날 수 있다. 또한, 연소상태가 처음부터 상기 범위를 벗어난 실린더 (5) 가 있을 수도 있다. 이러한 실린더 (5) 의 경우, 상술한 연소 억제 제어에 의해 실화가 더욱 일어나기 쉽다.
연소를 억제하기 위한 모든 실린더 (5) 에 대한 제어 (S104 단계, S105 단계) 의 영향을 고려하여, 실린더 (5) 의 착화가 가장 빠른 것으로 확인된 실린더 (5) 외의 다른 실린더 (5) 각각의 착화타이밍이 상기 범위보다 지연되어 있는지 또는 지연될 것인지 (바꾸어 말하면, 연소상태가 실화를 유발하는 상태인지 아니면 그런 상태가 될 것인지) 가 필요한 계산의 결과를 바탕으로 결정된다 (S106 단계). 어떤 실린더 (5) 의 착화 타이밍이라도 과도하게 지연됐을 때 (또는 상술한 보정의 결과로 인해 과도하게 지연될 것으로 예상될 때), 착화 타이밍이 과도하게 지연된 것으로 판단되거나 또는 예상되는 실린더 (5) 에 대응하는 점화플러그 (32) 는 S107 단계에서 작동되어, 그 실린더 (5) 의 착화타이밍이 상기 범위에 들어간다. 만일 과도하게 지연된 착화 타이밍을 보이는 (또는 그렇게 예상되는) 실린더 (5) 가 없다면, S107 단계는 실행되지 않는다.
반면에, 만일 S103 단계에서 착화가 가장 빠른것으로 확인된 실린더 (5) 의 착화 타이밍이 소정의 범위 (1°~ 8°) 내에 있는 것으로 판단되면, CPU가 S109 단계로 진행하여 다른 실린더 (5) 의 착화 타이밍을 체크한다. 만일 어떠한 실린더 (5) 라도 지연되거나 소정의 범위를 벗어난 경우 (연소상태가 실화를 야기하는 상태로 이행된 경우), CPU는 S107 단계로 진행하며 그 실린더 (5) 에 대응하는 점화플러그 (32) 를 작동시킨다. 만일 S109 단계에서 모든 실린더 (5) 의 착화 타이밍이 소정의 범위 내에 있다면, CPU는 S107 단계를 수행하지 않고 S108 단계로 진행한다.
S108 단계에서, 설정되고 필요한 경우 보정되는 밸브타이밍 제어값를 바탕으로, CPU는 흡기/배기 밸브타이밍 제어부 (26) 에 의하여 가변 밸브타이밍 기구 (19, 20) 를 제어하고, 이에 따라 실제로 밸브타이밍이 변경된다. 또한, 만일 필요하다면, 연료분사량 변경 제어 및 점화플러그 (32) 의 선택적 착화가 실행된다. CPU는 그 후 도 3 의 루틴으로 돌아간다.
전술한 제어절차가 실행되기 때문에, 어떠한 실린더 (5) 의 착화 타이밍이라도 소정의 범위보다 앞설 때, 가변 밸브타이밍 기구 (19, 20) 및 연료분사량이 제어되어 모든 실린더 (5) 의 연소가 억제된다. 연소 억제 제어에 기인하여 소정의 범위보다 지연된 실린더 (5) 에 대하여, 점화플러그 (32) 의 선택적 착화에 의 하여 착화가 보조된다. 따라서, 각 실린더 (5) 에 대한 밸브타이밍 및 연료분사량을 변경시키는 값비싸고 복잡한 구성 없이도, 모든 실린더 (5) 의 착화타이밍을 소정의 범위 내에 있게 하여 실린더 (5) 의 연소상태의 편차가 감소된다. 따라서, 내연기관 (1) 은 NOx를 적게 배출하면서 고효율로 작동된다.
전술한 바와 같이, 이러한 실시형태의 내연기관 (1) 은 복수개의 실린더 (5), 대응하는 실린더 (5) 의 연소상태와 관련된 정보를 각각 감지할 수 있는 이온 전류센서 (24), 이온 전류센서 (24) 에 전기적으로 연결된 제어장치 (10), 및 실린더 (5) 각각에 위치된 점화플러그 (32) 를 포함한다. 제어장치 (10) 는 이온 전류센서 (24)에 의하여 각 실린더 (5) 의 연소상태를 알게된다. 만일 가장 격렬한 연소를 보이는 실린더 (5) 의 연소상태가 소정의 범위를 벗어나 있다면, 모든 실린더 (5) 의 연소가 억제되도록 CPU가 흡기밸브 (14) 및 배기밸브 (15) 의 밸브타이밍, 및 연료분사량을 제어하게 된다. 어떠한 실린더 (5) 의 연소상태라도 소정의 범위에서 벗어나 실화 유발 상태에 있거나, 또는 어떠한 실린더 (5) 의 연소상태라도 연소 억제 제어에 기인하여 실화 유발 상태로 벗어날 것으로 예상될 때, CPU가 선택적으로 그 실린더 (5) 의 점화플러그 (32) 를 작동시키고, 따라서 실린더 (5) 의 착화를 보조한다.
따라서, 각 실린더 (5) 에 대한 밸브타이밍 및 연료분사량을 변경하는 값비싸고 복잡한 구성 없이도, 실린더 (5) 의 연소상태의 편차가 감소된다. 내연기관 (1) 은 따라서 NOx를 적게 배출하면서 고효율로 작동된다.
실린더 (5) 의 연소상태와 관련된 정보를 감지하는 센서로서, 전술한 실시형 태에서는 이온 전류센서 (24) 가 사용된다. 그러나, 연소실 (16) 의 압력을 감지하는 실린더내 압력센서, 또는 노킹에 의한 내연기관의 진동을 감지하는 녹(knock)센서가 사용될 수도 있다. 이러한 경우에도 역시, 각 실린더 (5) 의 연소실 (16) 의 연소상태와 관련된 정보들이 신뢰할 정도로 감지된다.
본 실시형태의 내연기관 (1) 에서, 소정의 범위를 벗어나 앞서있는 실린더 (5) 의 착화 타이밍을 소정의 범위로 되돌리기 위한 연소 억제 제어는 우선 흡기밸브 (14) 또는 배기밸브 (15) 의 밸브타이밍을 보정 (변경) 하는 것으로 실행된다 (S104 단계). 만일 밸브타이밍의 보정으로 연소상태를 소정의 범위로 되돌리지 못한다면, 연료 분사량의 변경이 추가적으로 실행된다 (S105 단계).
즉, 모든 실린더 (5) 에 공통적인 연료공급장치 및 가변 밸브타이밍 기구를 갖는 내연기관 (1) 에서, 양호한 응답으로 연소상태를 제어할 수 있는 밸브타이밍의 변경 과정이 우선적으로 실행된다. 밸브타이밍의 보정이 상황을 처리하지 못할 때, 연료 분사량이 변경된다. 따라서, 실린더 (5) 내 연소상태 간에 편차가 있다면, 그 편차를 제거하기 위한 제어가 신속하게 실행된다. 나아가, 실린더 (5) 내 연소상태 간에 이러한 편차가 클 때, 이러한 상황은 적절하게 다루어진다.
도 6 에 도시되었듯이, 본 실시형태의 내연기관 (1) 에서는 배기 상사점 근방에서 배기밸브 (15) 및 흡기밸브 (14) 가 모두 폐쇄되는 부의 밸브 오버랩 기간 (T) 이 제공된다. 따라서, 각 실린더 (5) 내에 포획된 연소가스 (EGR 가스) 가 공기-연료 혼합물을 가열하고, 혼합물의 압축착화성이 향상된다.
모든 실린더 (5) 에서 연소를 억제하기 위한 흡기밸브 (14) 또는 배기밸브 (15) 의 밸브타이밍의 제어 (S104 단계, S108 단계) 가 부의 밸브 오버랩 기간 (T) 의 길이를 변경시키기 위해 실행된다. 이는 포획된 EGR 가스의 양을 변경시켜, 과도하게 격렬한 연소상태를 보이는 실린더 (5) 를 포함한 모든 실린더 (5) 의 연소상태가 억제된다.
이러한 실시형태에서, 압축착화보조용 점화플러그 (32) 의 착화가 압축상사점보다 30°~ 50°앞선 시각에서 실행된다. 점화플러그 (32) 의 선택적 작동 (착화) 이 부의 밸브 오버랩 기간 (T) 동안에 실행될 수도 있다. 이러한 경우, 연소 가스 내의 잔류 산소가 미연소 연료와 반응하여 라디칼을 생성한다. 따라서, 점화플러그 (32) 가 정상적인 압축 행정기간 동안 착화 되는 경우와 동일한 장점에 부가적으로, 압축착화가 바람직한 방법으로 보조된다. 점화플러그 (32) 는 산소 농도는 낮은 부의 밸브 오버랩 기간 (T) 동안 착화되기 때문에, 착화에 의한 NOx의 생성은 억제된다.
대안적으로, 부의 밸브 오버랩 기간 (T) 동안 모든 실린더 (5) 의 점화플러그 (32) 가 착화되고, 또한 압축행정 동안 소정의 범위에서 벗어나 실화 유발 상태에 있는 실린더 (5) 의 점화플러그 (32) 가 (선택적으로) 착화되도록 구성될 수도 있다. 이러한 경우, 모든 실린더 (5) 의 착화성은 부의 밸브 오버랩 기간 (T) 동안 점화플러그의 착화에 의해 보장되며, 실린더 (5) 간의 연소상태의 편차는 압축행정 구간 동안 점화플러그 (32) 의 선택적 착화에 의해 조정될 수 있다. 특히, 만일 위의 제어가 연료분사량은 적은 저부하 작동과정에서 실행된다면, 압축착 화가 안정되면서 실린더 (5) 간의 연소상태의 편차가 억제되기 때문에 본 발명은 유리하다.
전술한 실시형태는 다음과 같이 수정될 수 있다.
전술한 실시형태에서, 착화타이밍이 각 실린더 (5) 의 연소상태를 표시하는 지표로 사용된다. 착화타이밍의 정의는 변할 수 있다. 또한, 연소의 강도를 표시하는 지표로서, 착화타이밍 이외의 지표가 사용될 수도 있다. 예컨데, 실린더내 압력센서가 사용되는 경우, 압력증가율 (dP / dθ), 열발생율 (dQ / dθ), 및 열발생량 (Q) 이 실린더 내부압력 (P) 및 크랭크 각 (θ) 에 근거하여 계산될 수 있고, 또한 연소강도를 표시하는 양적 지표를 정의하기 위해 이러한 값들 중 하나 이상을 사용할 수 있다. 예컨데, 착화타이밍은 열발생량 (Q) 이 전체 열발생량의 10 % 에 도달하는 시간으로 정의될 수 있다. 여기서, "열발생량"은 실린더의 한 사이클 중에 발생된 실제 열량을 말하며, 공급된 연료의 열발생량과는 다르다. "열발생량"이 실린더 내부 압력을 바탕으로 계산되기 때문에, 그 값은 냉각 손실을 고려하여 얻어진다.
전술한 실시형태에서, 연소상태의 소정의 범위는 절대적 기준과 관련하여 정의된다. 구체적으로, 압축 상사점으로부터 1°~ 8°만큼 지연된 범위가 연소상태의 소정의 범위로서 사용된다. 그러나, 소정의 범위는 예컨데 목표 연소상태로부터 ±몇 %의 범위로 상대적으로 정의될 수도 있다. 이러한 경우, 만일 어떠한 실린더 (5) 의 연소상태라도 소정의 퍼센트 또는 그 이상으로 목표상태로부터 더욱 격렬한 연소상태로 벗어나 있다면, 모든 실린더에 대해 압축 억제 제어가 실 행된다. 만일 연소 압축제어의 결과로 어떠한 실린더 (5) 의 연소상태라도 소정의 퍼센트 또는 그 이상으로 목표상태로부터 실화 유발 상태로 벗어나 (벗어날 것으로 예상) 있다면, 이러한 실린더 (5) 의 점화플러그 (32) 는 선택적으로 작동된다.
전술한 실시형태에서, 흡기밸브 (14) 및 배기밸브 (15) 의 밸브타이밍은 S104 단계에서 모두 변경된다. 그러나, 흡기밸브 (14) 또는 배기밸브 (15) 중 하나의 밸브타이밍만이 변경될 수도 있다. 본 발명의 제어는 도 6 에 도시된 바와 같은 부의 밸브 오버랩 기간 (T) 이 없는 경우에도 적용될 수 있다. 예컨데, 연소억제제어 (S104 단계) 로서, 압축행정시에 흡기밸브 (14) 의 폐쇄타이밍을 변경하여 실제 압축률을 변경해서 착화성을 조정할 수 있다.
전술한 실시형태에서, 밸브타이밍 및 연료 분사량이 필요한 경우 모두 변경된다 (S104 단계, S105 단계). 그러나, 연소억제제어를 실행하기 위하여 밸브타이밍 또는 연료분사량 중 한가지 만이 변경될 수도 있다.
전술한 실시형태의 S104 단계 및 S105 단계에서, 가장 격렬한 연소상태의 실린더의 연소상태가 바람직한 범위로 이행된다. 구체적으로, 이 실린더의 착화타이밍이 압축 상사점으로부터 1°~ 8°지연된 범위로 이행한다. 대안적으로, 가장 격렬한 연소상태의 실린더의 연소상태가 최적점으로 이행될 수 있다. 예컨데, 이 실린더의 착화 타이밍이 압축 상사점으로부터 4° 지연된 점으로 이행될 수 있다. 착화타이밍이 압축 상사점으로부터 1°~ 8° 지연된 범위에서는, 소음 (및 노킹) 은 허용가능한 수준이며, 실화를 유발할 가능성이 있는 연소가 방지 된다. 그러나, 비록 연소상태가 이러한 범위 내에 있더라도, 소음은 착화타이밍이 빨라짐에 따라, 즉 연소상태가 더욱 격렬해짐에 따라 소음은 어느 정도 증가하는 경향이 있다. 따라서, 소음감소 차원에서, 가장 격렬한 연소상태의 실린더의 연소상태를 최적점, 예컨데 압축 상사점으로부터 4°지연된 점으로 이행시키는 것이 효과적이다.
전술한 바와 같이, 종래 디젤 내연기관 또는 가솔린 내연기관은 압축착화 또는 불꽃점화방식만을 사용함으로 인하여 각각 협소한 작동범위에서만 작동되어왔으며, 이를 해결하기 위해서는 복잡한 밸브 기구이 필요하기 때문에 내연기관의 구조의 단순화 및 경량화에 곤란함이 있어왔다.
본 발명은 각 실린더에 배치된 센서를 통해 정보를 획득하고, 획득한 정보를 ECU가 연산, 처리함으로써 모든 실린더가 적절한 연소상태를 보이도록 각 실린더의 밸브 기구, 연료 분사량, 및 점화플러그를 동시에 또는 우선순위에 의하여 제어되도록 하고 있다. 따라서, 각 실린더간의 연소상태의 편차를 줄일 수 있게 되었다.
결과적으로, 본 발명에 제시된 HCCI 내연기관은 종래의 디젤 내연기관과 가솔린 내연기관의 특징을 모두 포함하는 것으로서, 종래의 기술의 문제점인 협소한 작동 조건을 해결하고, 나아가 적은 NOx의 배출을 수반하며 고효율로 작동하는 것을 가능하게 한다.

Claims (9)

  1. 예혼합 압축자기착화식 내연기관으로서,
    복수개의 실린더,
    실린더의 연소상태와 관련된 정보를 감지하는 센서,
    각 실린더에 제공되는 점화장치, 흡기밸브, 및 배기밸브, 그리고
    상기 센서로부터 실린더의 연소상태와 관련된 정보를 얻는 제어장치를 포함하고,
    상기 센서로부터 얻어진 실린더의 연소상태와 관련된 정보를 바탕으로, 상기 제어장치는 가장 격렬한 연소를 보이는 실린더를 확인하고, 흡기밸브의 밸브타이밍, 배기밸브의 밸브타이밍, 및 실린더에 대한 연료분사량 중 적어도 하나를 제어하고, 이에 따라 모든 실린더의 연소가 억제되어, 확인된 실린더의 연소상태가 적절한 연소상태로 되며, 연소상태가 소정의 범위를 벗어나 있고 실화 유발 상태에 있는 실린더에 대하여는, 상기 제어장치가 대응하는 점화장치를 선택적으로 작동시켜 보조착화를 실행하는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축자기착화식 내연기관.
  2. 제 1 항에 있어서, 적절한 연소상태는 소정의 범위를 포함하며, 연소상태가 가장 격렬한 것으로 확인된 실린더의 연소상태가 상기 소정의 범위로부터 더욱 격렬한 연소상태로 벗어나 있는 경우, 흡기밸브 및 배기밸브의 밸브타이밍 및 실린더에 대한 연료 분사량 중 적어도 하나에 대한 제어가 실행되어 상기 확인된 실린더 의 연소상태가 소정의 범위로 이행되는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축자기착화식 내연기관.
  3. 제 1 항에 있어서, 적절한 연소상태는 최적점을 포함하며, 연소상태가 가장 격렬한 것으로 확인된 실린더의 연소상태가 상기 최적점으로부터 더욱 격렬한 연소상태로 벗어나 있는 경우, 흡기밸브 및 배기밸브의 밸브타이밍 및 실린더에 대한 연료 분사량 중 적어도 하나에 대한 제어가 실행되어 상기 확인된 실린더의 연소상태가 최적점으로 이행되는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축자기착화식 내연기관.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서는 이온 전류센서, 실린더내 압력센서, 및 녹(knock)센서 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 예혼합 압축자기착화식 내연기관.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 모든 실린더의 연소의 억제는 흡기밸브의 밸브타이밍 및 배기밸브의 밸브타이밍 중 적어도 하나를 우선적으로 제어하여 수행되며, 만일 연소상태가 흡기밸브의 밸브타이밍의 제어 및 배기밸브의 밸브타이밍의 제어 중 적어도 하나에 의해 소정의 범위로 이행될 수 없다면, 실린더에 대한 연료분사량의 제어가 추가적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축자기착화식 내연기관.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 배기 상사점 근방에서 흡기밸브 및 배기밸브가 모두 폐쇄되어, 부의(negative) 밸브 오버랩 기간이 존재하는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축자기착화식 내연기관.
  7. 제 6 항에 있어서, 부의 밸브 오버랩 기간의 길이를 변경하기 위하여 흡기밸브의 밸브타이밍의 제어 및 배기밸브의 밸브타이밍의 제어 중 적어도 하나가 수행되는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축자기착화식 내연기관.
  8. 제 6 항에 있어서, 점화장치의 선택적 작동은 부의 밸브 오버랩 기간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축자기착화식 내연기관.
  9. 제 6 항에 있어서, 부의 밸브 오버랩 기간 동안, 제어장치가 모든 실린더의 점화장치를 작동시키고, 압축 행정과정 동안에는, 제어장치가 점화장치를 선택적으로 작동시키는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축자기착화식 내연기관.
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