KR101022305B1

KR101022305B1 - 예혼합 압축착화 기관과 그 기관의 제어방법

Info

Publication number: KR101022305B1
Application number: KR1020080100339A
Authority: KR
Inventors: 히로시 구즈야마
Original assignee: 가부시키가이샤 도요다 지도숏키
Priority date: 2007-10-15
Filing date: 2008-10-13
Publication date: 2011-03-21
Also published as: JP2009097368A; KR20090038365A; CN101413448A; DE102008042835A1; JP4858398B2; CN101413448B; DE102008042835B4; US7720590B2; US20090099751A1

Abstract

ECU(5)는 예혼합 압축착화(HCCI: Homogenous Charge Compression Ignition) 기관의 연소모드를 HCCI 연소에서 불꽃점화(Spark Ignition) 연소로 전환(switch)한다. 상기 ECU(5)는 흡기 리프트량을 제1 흡기 리프트량(IL1)에서 제2 흡기 리프트량(IL2)으로 전환하기 전에, 하기 동작을 행한다,

(a) 내부 EGR량 (Qegr)을 발생하면서, 배기 리프트량을 제1 배기 리프트량(EL1)에서 제2 배기 리프트량(EL2)으로 전환 및,

(b) 배기 리프트량을 제1 배기 리프트량(EL1)에서 제2 배기 리프트량(EL2)으로 전환한 후에, 내부 EGR량(Qegr)을 감소시키도록 배기밸브(12v)의 폐쇄 타이밍(ETcls)을 지연(t2에서 t3)

예혼합 압축착화 연소, 불꽃점화 연소, 가변 흡기밸브기구, 가변 배기밸브기구, 내부 EGR량

Description

예혼합 압축착화 기관과 그 기관의 제어방법{HOMOGENOUS CHARGE COMPRESSION IGNITION ENGINE AND CONTROLLING METHOD OF THE ENGINE}

본 발명은 예혼합(豫混合) 압축착화 기관(HCCI 기관; Homogenous Charge Compression Ignition Engine)에 관한 것이다. 본 발명의 HCCI 기관에 있어서는, 연소모드가 예혼합 압축착화(HCCI) 연소와 불꽃점화(SI; Spark Ignition) 연소 사이에서 전환(switch)될 수 있다.

최근, HCCI 기관이 관심을 끌고 있어, 당해 기관에 관한 다양한 연구가 행해지고 있다. HCCI 기관으로부터는 뛰어난 연료 경제성과, 열효율 및, 낮은 배출가스를 얻을 수 있다. 일부의 HCCI 기관에 있어서는, 연료가 흡기행정중에 연소실로 직접 분사된다. 즉, 공기만이 흡기통로로부터 연소실로 유입되어, 연소실에서 처음으로 연료가 공기와 혼합된다. 그러나, 대부분의 HCCI 기관에서는, 공기-연료 혼합기를 생성하기 위해 흡기통로상에서 연료가 공기와 혼합된다. 공기-연료 혼합기가 흡기통로로 부터 연소실로 공급된다.

엔진의 압축행정시 피스톤이 상승함에 따라, 연소실내에 수용되어 있는 공기-연료 혼합기는 온도가 높아지고 압력이 상승하며, 그 결과 혼합기가 순간적으로 점화한다. HCCI 엔진을 실현하는데 있어 극복할 필요가 있는 장애요소는, 예혼합 압축착화(HCCI) 연소를 안정되게 제어할 수 있는 엔진작동범위가 매우 좁다는 것이다. 이러한 장애요소를 극복하기 위해, 예를 들면 GHP(gas heat pump; 가스 열펌프)용 가스엔진과 같이, 통상의 작동범위가 비교적 협소한 정치기관(stationary engine)에서 HCCI 연소를 실행하는 경향이 있다.

HCCI 기관의 실제 작동에 있어서는, 저영역의 엔진회전수, 중영역의 엔진회전수, 저부하영역및, 중부하영역이 빈번히 사용된다. 엔진의 운전상태에 따라 연소모드를 HCCI 연소와 불꽃점화(SI) 연소 영역사이에서 전환(switch)하는 것이 제안되어 있다. SI 연소는 고영역의 엔진회전수, 매우 낮은 부하영역, 고부하영역에서 행해진다.

예컨대, 일본공개특허공보 제 2003-106184 호(JP 2003-106184 A)에는, 연소모드가 HCCI 연소로 부터 불꽃점화 연소로 전환될 때, 공연비(空燃比)를 이론(stoichiometric) 혼합비로 복귀시키기 위해 스로틀(throttle)이 닫히는 구성이 개시되어 있다. 이어, 배기밸브의 리프트량이 높아져 내부 EGR량을 감소시킨다. 즉, 연소모드가 HCCI 연소로 부터 불꽃점화 연소로 전환될때는, 우선 스로틀이 닫힌다. 이로인해 불충분한 흡기량 또는 낮은 토오크를 야기하여 연소를 어렵게 한다. 이에 따라, 엔진토오크의 변동 이나 토오크의 급격한 변화가 야기될 수 있다.

또한, 일본공개특허공보 제 2004-150383 호(JP 2004-150383 A)에는, 연소모드가 일단 HCCI 연소에서 성층(stratified) 불꽃점화 연소로, 이어서 불꽃점화 연소로 전환되는 구성이 개시되어 있다. 따라서, 연소실은 실린더내 분사기(in- cylinder injector)가 필수적이다. 연소모드가 HCCI 연소로 부터 불꽃점화 연소로 전환될 때, 성층 불꽃점화 연소의 상태에서는 연료분사량이 점차적으로 증가한다. 공기연료 혼합기의 공연비가 소정치로 감소하면, 연료분사 타이밍이 당겨지고(advancing), 스로틀 개도(開度)가 감소된다. 따라서, 연소모드는 이론혼합비 상태의 통상의 불꽃점화 연소로 전환된다. 즉, 스로틀 개도가 증가된 후, 연소모드는 성층 불꽃점화 연소로 부터 이론혼합비 상태의 통상의 불꽃점화 연소로 전환된다. 스로틀 개도가 이렇게 감소하면, 토오크의 급격한 변화가 발생될 수 있다.

본 발명의 목적은 연소모드가 HCCI 연소에서 불꽃점화 연소로 전환될 때, HCCI 기관의 급격한 토오크변화의 발생을 억제하는 것이다.

본 발명의 일 태양(aspect)으로서, 연소모드가 예혼합 압축착화(HCCI) 연소와 불꽃점화 연소 사이를 전환할 수 있는 HCCI 기관이 제공된다. HCCI 기관은 연소실, 흡기밸브 및, 배기밸브를 갖는다. 가변 흡기밸브기구는, 흡기밸브의 리프트량인 흡기 리프트량을 변화시킨다. 흡기 리프트량은 HCCI 연소에서는 제1 흡기 리프트량에 설정되고, 불꽃점화 연소에서는 제2 흡기 리프트량에 설정된다. 가변 배기밸브기구는, 배기밸브의 리프트량인 배기 리프트량을 변화시킨다. 배기 리프트량은 HCCI 연소에서는 제1 배기 리프트량에 설정되고, 불꽃점화 연소에서는 제2 배기 리프트량에 설정된다. 콘트롤러는 가변 흡기밸브기구와 가변 배기밸브기구를 제어한다. 콘트롤러는 HCCI 연소시의 연소기내에 잔류하는 연소가스의 량과, 배기 포트를 통해 연소실내로 귀환한 연소가스의 량을 포함하는 내부 EGR량을 설정한다. 콘트롤러는 흡기밸브와 배기밸브가 공히 폐쇄되어 모든 연소가스가 연소실로 부터 방출되지 않는 네거티브(negative) 밸브 오버랩 기간을 설정한다. 연소모드가 HCCI 연소에서 불꽃점화 연소로 전환될 때, 콘트롤러는, 흡기 리프트량을 제1 흡기 리프트량에서 제2 흡기 리프트량으로 전환하기 전에, 다음 동작 (a)와 (b)를 행한다.

(a) 내부 EGR량(Qegr)을 발생하면서, 배기 리프트량을 제1 배기 리프트량에 서 제2 배기 리프트량으로 전환하는 동작,

(b) 배기 리프트량을 제1 배기 리프트량에서 제2 배기 리프트량으로 전환한 후에, 내부 EGR량을 감소시키도록, 배기밸브의 폐쇄타이밍을 지연시키는 동작.

본 발명의 여타의 태양과 이점은, 본 발명의 본질을 일예로서 보여주는 첨부도면과 관련된 하기의 설명으로 부터 명료해 질 것이다.

신규할 것으로 확신하는 본 발명의 특징이 첨부의 특허청구범위에 구체적으로 기재되어 있다. 본 발명의 목적과 이점등에 관해서는 첨부도면과 함께 바람직한 실시예들에 관한 하기의 설명을 참조하면 잘 이해될 것이다.

도 1 내지 5b 는 본 발명의 일 실시예를 나타내고 있다. 도 1 은 일 실시예에 따른 HCCI 기관(1)을 나타낸다.

도 1 에 나타낸 바와 같이, HCCI 기관(1)은 연소실(10), 흡기통로(11p), 흡기밸브(11v), 배기밸브(12v), 배기통로(12p) 및, 피스톤(20)을 갖는다. 흡기통로(11p) 는 연소실(10)에 접속되어 있다. HCCI 기관(1)의 작동상태는 엔진부하, 엔진회전수등의 작동조건에 따라, HCCI 연소와 불꽃점화 연소 사이에서 전환된다. HCCI 기관(1)의 작동상태를 전환하는 콘트롤러는 ECU(5; 전자제어유닛)이다. 그에 따라, 연소모드는 필요에 따라, 연료소비가 감소되는 HCCI 연소와, 출력 동력이 상승되는 불꽃점화 연소 사이에서 전환된다.

흡기통로(11p) 상에는 혼합부(4)가 설치되어 있다. 연료가 연료탱크(도시안됨)로 부터 연료공급로(2p)를 거쳐 혼합부(4)로 공급되며, 그에 따라, 혼합부(4)에서 공 기와 연료가 혼합된다. 연료로서는, 가솔린 또는, 도시가스 또는 LPG등의 가스연료가 사용될 수 있다. 혼합부(4)는 기화기(carburetor) 이다. 연료로서 가스가 사용될 경우, 혼합부(4)는 혼합기(mixer) 일 수도 있다.

혼합부(4)와 연소실(10) 사이에 있는 흡입통로(11p) 상에는 스로틀(3)이 설치되어 있다. 연료공급로(2p) 상에는 연료밸브(2v)가 설치되어 있다. 연료밸브(2v)는 연료공급장치로서의 기능을 한다. ECU(5)는 연료밸브(2v), 스로틀(3), 흡기밸브(11v), 점화플러그(60c) 및, 배기밸브(12v)의 동작을 제어한다. 점화플러그(60c)는 불꽃점화 연소시에 사용되는 점화부이다. 점화플러그(60c)는 연소모드가 HCCI 연소에서 불꽃점화 연소로 전환되어 연소를 안정시키고자 할때 사용될 수 있다. ECU(5)는 제어케이블(5a 내지 5e)를 통해, 각각, 연료밸브(2v), 스로틀(3), 흡기밸브(11v), 점화플러그(60c) 및, 배기밸브(12v)를 제어한다.

ECU(5)는 연료밸브(2v)의 개도를 제어하여 흡입통로(11p)로의 연료공급량을 제어해 준다.

스로틀(3)은 축(3c)과, 날개(3v) 및, 스텝모터(도시안됨)를 갖는다. 날개(3v)는 축(3c) 주위로 회전한다. ECU(5)는 스텝모터를 제어하여 날개(3v)의 개도, 즉, 스로틀 개도(TA)를 제어한다. 그 결과, 연소실(10)로의 흡기량을 제어한다.

가변 흡기밸브기구(11a)는 흡기 캠(11c; intake cam)을 통해 흡기밸브(11v)의 리프트량과 개폐타이밍을 제어한다. 이 실시예에서 흡기밸브(11v)의 리프트량은 흡기밸브 특성을 나타낸다. 최대 흡기 리프트량(IL)은 흡기밸브(11v)의 최대 리프트량을 나타낸다. 가변 배기밸브기구(12a)는 배기밸브(12v)의 리프트량과 개폐타이밍을 제어한다. 이 실시예에서 배기밸브(12v)의 리프트량은 배기밸브 특성은 나타낸다. 최대 배기 리프트량(EL)은 배기밸브(12v)의 최대 리프트량을 나타낸다.

ECU(5)는 가변 흡기밸브기구(11a)와 가변 배기밸브기구(12a)를 제어한다. 가변 흡기밸브기구(11a)와 가변 배기밸브기구(12a)는, HCCI 기관(1)의 작동조건에 따라 흡기밸브(11v)와 배기밸브(12v)의 리프트량과 밸브 개폐타이밍과 같은 밸브 특성을 변화시키는 가변 밸브기구이다.

일본공개특허공보 평5-106411호(JP 5-106411 A)와 평10-18826호(JP 10-18826 A)에 개시되어 있는 바와 같이, 흡기 캠(11c)은 저(低) 리프트 캠과 고(高) 리프트 캠 사이를 전환한다. ECU(5)는 제1 흡기 리프트량(IL1) 설정시에는 저 리프트 캠을 사용하고, 제2 흡기 리프트량(IL2) 설정시에는 고 리프트 캠을 사용한다. 최대 흡기 리프트량(IL)이 HCCI 연소에서는 제1 흡기 리프트량(IL1)으로 설정되고, 불꽃점화 연소에서는 제2 흡기 리프트량(IL2)으로 설정된다. 제1 흡입 리프트량(IL1)은 제2 흡입 리프트량(IL2) 보다 작다. ECU(5)는 HCCI 기관(1)의 작동조건에 따라 흡기 캠(11c)을 저 리프트 캠과 고 리프트 캠 사이에서 전환하므로써, 최대 흡기 리프트량(IL)을 변화시킨다.

마찬가지로, 배기 캠(12c)은 저 리프트 캠과 고 리프트 캠 사이를 전환한다. ECU(5)는 제1 배기 리프트량(EL1) 설정시에는 저 리프트 캠을 사용하고, 제2 배기 리프트량(EL2) 설정시에는 고 리프트 캠을 사용한다. 최대 배기 리프트량은 HCCI 연소에서 제1 배기 리프트량(EL1)으로 설정되고, 불꽃점화 연소에서 제2 배기 리프트량(EL2)으로 설정된다. 제1 배기 리프트량(EL1)은 제2 배기 리프트량(EL2) 보다 작다.

흡기 캠(11c)은 흡기 캠샤프트(도시안됨)상에 설치된다. 연소실(10)에서 발생된 동력은 HCCI 기관(1)의 크랭크축을 경유하여 흡기 캠샤프트로 전달되어 흡기 캠(11c)을 회전시킨다. 흡기 캠샤프트(도시안됨)의 일단부상에는 흡기 캠기어가 설치된다. 흡기 캠기어는 크랭크축의 구동력을 흡기 캠샤프트에 전달한다. ECU(5)는 공지의 방법에 따라 흡기 캠기어와 흡기 캠샤프트간의 위상차(phase difference)를 제어한다. 마찬가지로, 배기 캠(12c)은 배기 캠샤프트(도시안됨)상에 설치된다. 연소실(10)에서 발생된 동력은 또한 배기 캠샤프트로 전달되어 배기 캠(12c)을 회전시킨다. 배기 캠샤프트(도시안됨)의 일단부상에는 배기 캠기어가 설치된다. 배기 캠기어는 크랭크축의 구동력을 배기 캠샤프트에 전달한다. ECU(5)는 공지의 방법에 따라 배기 캠기어와 배기 캠샤프트간의 위상차를 제어한다.

ECU(5)는 가변 흡기밸브기구와 가변 배기밸브기구를 제어하여 HCCI 연소시 네거티브(negative) 밸브 오버랩 기간을 제공한다. 그 결과, 내부 EGR 가스를 생성시켜 HCCI 연소를 실행할 수 있다. 네거티브 밸브 오버랩 기간은, 피스톤이 배기 상사점(TDC)의 근방에 위치할 때, 배기밸브(12v)와 흡기밸브(11v)가 공히 폐쇄되는 기간이다. 배기 상사점(TDC)은 엔진의 배기행정이 끝날 때의 상사점이다. ECU(5)는 배기 상사점(TDC) 보다 앞선 타이밍에서 배기밸브(12v)를 닫는다. 일부 연소가스가 연소실(10)에 잔류하기 때문에, 내부 EGR 가스가 발생된다. 내부 EGR량(Qegr)은, 연소실로 부터 배출되지 않고 연소실(10)내에 잔류하는 연소가스와, 일시적으로 연소실(10)로 부터 배출된 후 배기밸브(12v)가 뒤이어 개방될때 배기통로(12p)로 부터 배기밸브(12v)를 거쳐 연소실(10)로 귀환하는 연소가스의 합을 나타낸다. 내부 EGR은 차순의 연소 사이클까지 연소실(10)내에 잔류한다. 고온의 내부 EGR 가스가, 연소실(10)로 새롭게 공급된 공기-연료 혼합기와 함께 혼합하며, 이에 따라 연소실의 온도가 상승한다. 따라서, HCCI 연소시의 공기-연료 혼합기의 점화성이 향상된다. ECU(5)는 네거티브 밸브 오버랩 기간의 길이를 제어하여, HCCI 연소의 점화 타이밍을 어느 정도 제어한다.

도 2 는 HCCI 기관(1)의 HCCI 연소와 불꽃점화 연소의 각 작동범위를 나타내고 있다. 도 2 에 있어, 종축선은 엔진부하를 나타내며, 횡축선은 엔진회전수를 나타낸다. 불꽃점화 연소 범위는 HCCI 연소 범위를 둘러싸고 있다. 도 2에 나타낸 화살표는 HCCI 연소에서 불꽃점화 연소까지의 다양한 전환 형태를 나타내고 있다. 도3 내지 도5 에 나타낸 전환 형태는 도 2 에 나타낸 다양한 연소모드 전환 형태의 예들이다.

도 3 내지 도 5b 는 본 발명에 따른 HCCI 연소에서 불꽃점화 연소로의 전환 형태를 나타낸 것이다.

도 3 에 있어, 종축선은

(a) 스로틀 개도(TA);

(b) 최대 배기 리프트량(EL);

(c) 최대 흡기 리프트량(IL);

(d) 연소실(10)내의 내부 EGR량(Qegr); 및,

(e) HCCI 기관의 토오크(T) 를 나타낸다.

도 3 에 있어, 횡축선은 연소 사이클의 수를 나타낸다. 도 3 에서

(A) 는 HCCI 연소의 안정된 동작기간;

(B) 는 HCCI 연소에서 불꽃점화 연소로의 전환기간; 및,

(C) 는 불꽃점화 연소(SI 연소)의 안정된 동작기간을 나타낸다.

ECU(5)는 스로틀 개도(TA), 최대 배기 리프트량(EL) 및, 최대 흡기 리프트량(IL)을 제어하므로써, 내부 EGR 량(Qegr)과 토오크(T)를 제어한다.

도 4a, 4b, 5a 및, 5b 는 연소모드가 HCCI 연소에서 불꽃점화 연소로 전환할 때의 흡기 리프트량과 배기 리프트량을 나타낸다. 도 4a 는 HCCI 연소의 안정된 동작시의 제1 흡기 리프트량과 제1 배기 리프트량을 나타낸다. 즉, 도 4a는 도 3의 시기(to) 에서의 흡기밸브(11v)의 흡기 캠 프로파일(cam profile)과 배기밸브(12v)의 배기 캠 프로파일을 나타낸다. 도 5b 는 불꽃점화 연소의 안정된 동작시의 흡기 리프트량(IL)과 배기 리프트량(EL)을 나타낸다. 즉, 도 5b 는 도3의 시기(t4) 에서의 제2 흡기 리프트량과 제2 배기 리프트량을 나타낸다. 즉, 도 5b 는 도 3의 시기(t4) 에서의 흡기밸브(11v)의 흡기 캠 프로파일과 배기밸브(12v)의 배기 캠 프로파일을 나타낸다. 도 4a 내지 5b 에서의 횡축선은 크랭크각을 나타낸다. 도 4a 내지 5b 에서의 종축선은 흡기 리프트량과 배기 리프트량을 나타낸다.

도 3(a) 에 나타낸 바와 같이, 스로틀 개도(TA)는 HCCI 연소시의 시기(to)에 서 제1 스로틀 개도(TA1)로 설정되고, 불꽃점화 연소시의 시기(t4)에서 제2 스로틀 개도(TA2)로 설정된다. 제1 스로틀 개도(TA1)는 제2 스로틀 개도(TA2)보다 크다.

본 실시예에 있어, 제1 스로틀 개도(TA1)는 스로틀(3)의 전개(全開) 상태로 설정된다. 스로틀(3)에 대한 상류부와 하류부 사이의 흡기통로(11p)에서는 압력차가 발생된다. 스로틀(3)에 대한 하류부의 흡기통로(11p)에서는 흡기 부압(負壓)이 발생된다. 스로틀(3)에 대한 상류부의 흡기통로(11p)에서는 대기압이 작용한다. 제1 스로틀 개도(TA1)는, 흡기 부압을 대기압에 가깝게 설정하므로써 펌프손실을 감소시키도록, 스로틀 전개 상태로 설정하는 것이 바람직하다. 제2 스로틀 개도(TA2)는 HCCI 기관(1)의 동작범위에 따라 불꽃점화 연소에서 요구되는 스로틀 개도이다.

도 4a 에서 실선은, 제1 흡기 리프트량(IL1)과 제1 배기 리프트량(EL1)을 나타낸다. 도 4a 에서 파선은, 제2 흡기 리프트량(IL2)과 제2 배기 리프트량(EL2)을 나타낸다. 즉, 도 4a 내지 5b 에서, 파선은 비교예를 나타낸다.

ECU(5)는 시기(t1)에서, 최대 배기 리프트량(EL)을 제1 배기 리프트량(EL1)에서 제2 배기 리프트량(EL2)으로 전환한다. 도 4b는 배기밸브(12v)가 전환된 직후 또는, 시기(t1) 직후의 상태를 나타낸다. 환언하면, 도 4b 는 최대 배기 리프트량(EL)이 파선으로 나타낸 제1 배기 리프트량(EL1)에서 실선으로 나타낸 제2 배기 리프트량(EL2)으로 전환된 직후 상태를 나타낸다. 가변 배기밸브기구(12a)는 배기 캠(12c)을 저 리프트 캠에서 고 리프트 캠으로 전환하여, 배기밸브(12v)를 전환한다. 따라서, 최대 배기 리프트량(EL)이 증가하고, 배기밸브의 밸브지속기 간(valve duration)이 증가한다. 배기밸브의 밸브지속기간의 증가는 배기밸브의 개폐 타이밍을 변화시킨다. 환언하면, 배기밸브(12v)의 밀폐 타이밍과 동일한 배기 폐쇄 타이밍(ETcls)이 조금 지연된다.

ECU(5)는, 불꽃점화를 행하지 않고 HCCI 연소가 유지되고, 내부 EGR 량이 발생되도록, 시기(t1)에서의 배기 폐쇄 타이밍(ETcls)을 설정한다. 도 4b에서 볼 수 있는 바와 같이, 배기 폐쇄 타이밍(ETcls)은 배기 상사점(TDC) 전(前)으로 설정된다. 배기 폐쇄 타이밍(ETcls)이 지연되면, 배기 폐쇄 타이밍(ETcls)은 배기 상사점(TDC)으로 근접한다.

ECU(5)는 시기(t3)에서, 최대 흡기 리프트량(IL)을 제1 흡기 리프트량(IL1)에서 제2 흡기 리프트량(IL2)으로 전환한다. 환언하면, ECU(5)는, 시기(t3)에서 흡기밸브(11v)가 전환되기 전에 내부 EGR 가스가 존재하는 상태를 유지하도록, 시기(t1)에서 배기밸브(12v)를 전환한다. 즉, 연소모드를 HCCI 연소에서 불꽃점화 연소로 전환할 때, ECU(5)는, 흡기밸브(11v)를 전환하기 전에 내부 EGR 가스를 발생하면서 배기밸브(12v)를 전환한다.

배기 폐쇄 타이밍(ETcls)이 시기(t1)와 시기(t2) 사이에서 약간 지연되기 때문에, 내부 EGR량(Qegr)은 도 3(d)에 도시된 바와 같이, 시기(t1)와 시기(t2) 사이에서 감소한다. 시기(t2)에서, 스로틀 개구(TA)는 전개된 제1 스로틀 개구(TA1)와 동일하다. 내부 EGR량(Qegr)의 감소는 흡기통로(11p)에서 연소실(10)로의 흡기량의 증가를 의미한다, 그러나, ECU(5)가 최대 배기 리프트량(EL)을 제1 배기 리프트량(EL1)에서 제2 배기 리프트량(EL2)으로 전환하여 내부 EGR량(Qegr)을 발생하기 때문에, 흡기량의 변동은 크지 않다. 따라서, HCCI 기관(1)으로부터 야기되는 토오크(T)는 소량 증가하지만, 크게 증가되는 것이 방지된다. 이에 따라, HCCI 기관(1)의 토오크(T)의 급격한 변화의 발생이 억제된다.

도 3(e) 에서의 파선은 비교예의 토오크 곡선을 나타낸다. 비교예에 따르면, 예컨대, 최대 흡기 리프트량(IL)이 제1 흡기 리프트량(IL1)에서 제2 흡기 리프트량(IL2)로 전환됨과 동시에, 최대 배기 리프트량(EL)이 제1 배기 리프트량(EL1)에서 제2 배기 리프트량(EL2)로 전환된다. 비교예의 경우, 내부 EGR 가스가 없기 때문에, 흡기량이급격히 변하여, 토오크(T)가 크게 증가한다. 환언하면, 비교예에 의하면, 연소모드가 HCCI 연소에서 불꽃점화 연소로 전환되기 전후에, 연소실(10)로의 흡기량이 급격히 변한다. 본 실시예에 따르면, 연소모드가 HCCI 연소에서 불꽃점화 연소로 전환될 때, 우선 스로틀 개도(TA)가 좀 더 작아지는 경우에 견주어, 토오크의 변동이 크지 않다.

시기(t2)후에, ECU(5)는 배기 폐쇄타이밍(ETcls)을 지연시켜, 도 3(d)에 나타낸 바와 같이, 내부 EGR량(Qegr)을 감소시킨다. 따라서, ECU(5)는 배기 폐쇄타이밍(ETcls)을 제어하여, 연소실(10)로의 흡기량을 조절한다. 본 실시예에 있어, 연소실(10)로의 흡기는 혼합부(4)에서 생성되는 공기-연료 혼합기를 의미한다. 도 5a는 시기 (t2) 와 시기(t3) 사이의 상태를 나타낸다. 도 5a에서의 배기 폐쇄타이밍(ETcls)은 도 4b에서의 배기 폐쇄타이밍(ETcls)보다 지연된다. 따라서, ECU(5)는 배기 폐쇄타이밍(ETcls)을 지연시켜, 내부 EGR량(Qegr)을 점차로 감소시킨다. 그 결과, 연소실(10)내로의 흡기량의 급격한 변화가 억제된다. 이에 따라, 도 3(e)에 실선으로 나타낸 바와 같이, 토오크(T)의 급격한 변화의 발생이 억제된다.

시기(t2)와 시기(t3) 사이의 기간중에, ECU(5)는 배기 폐쇄타이밍(ETcls)을 지연시켜, 도 3(d)에 나타낸 바와 같이 내부 EGR량(Qegr)을 감소시키고, 도 3(a)에 나타낸 바와 같이 스로틀 개도(TA)를 감소시킨다. 도 3(d)에 나타낸 내부 EGR 량(Qegr)의 감소는 연소실(10)로의 흡기량의 증가를 의미한다. 환언하면, 도 3(a)에 나타낸 스로틀 개도(TA)의 감소는 연소실(10)로의 흡기량의 감소를 의미한다. 따라서, 시기(t2)와 시기(t3) 사이의 기간중에, 스로틀 개도(TA)의 감소와 내부 EGR량(Qegr)의 감소를 동시에 행함으로서, 연소실(10)로의 흡기량의 급격한 변동을 크게 억제할 수 있다. 환언하면, 연소모드가 HCCI 연소에서 불꽃점화 연소로 전환되는 중에, 토오크(T)의 급격한 변동의 발생이 크게 억제될 수 있다.

시기(t3)에서, 스로틀 개도(TA)는 제2 스로틀 개도(TA2)로 감소된다. HCCI 기관(1)의 동작범위에 따라, HCCI 연소가 곤란하게 되는 것을 방지하기에 필요한 내부 EGR량(Qegr)을 임계(critical) EGR량(Qegr0) 이라 한다. HCCI 연소가 곤란한 상태는, 내부 EGR량(Qegr)이 감소되어 HCCI 기관(1)의 실린더내의 온도가 충분히 높지 않아 HCCI 연소에서의 공기-연료 혼합기의 점화성이 현저히 악화되는 상태를 의미한다. 본 실시예에 있어, 시기(t3)에서의 내부 EGR량(Qegr)은 임계 EGR량(Qegr0)보다 크다. 따라서, ECU(5)는 시기(t3)에서 최대 흡기 리프트량(IL)을 제1 흡기 리프트량(IL1)에서 제2 흡기 리프트량(IL2)으로 전환한다.

만약, 스로틀 개도(TA)가 제2 스로틀 개도(TA2)로 감소될 때 얻어지는 내부 EGR량(Qegr)이 임계 EGR량(Qegr0) 보다 작으면, ECU(5)는 최대 흡기 리프트량(IL) 을 제1 흡기 리프트량(IL1)에서, 내부 EGR량(Qegr)이 임계 EGR량(Qegr0) 보다 큰 제2 흡기 리프트량(IL2)으로 전환한다. 환언하면, ECU(5)는 시기(t3)전에 최대 흡기 리프트량(IL)을 제1 흡기 리프트량(IL1)에서 제2 흡기 리프트량(IL2)로 전환할 수도 있다. 만일, 스로틀 개도(TA)가 제2 스로틀 개도(TA2)로 감소하기 전에 HCCI 연소가 행해지기 곤란하면, ECU(5)는 HCCI 연소가 행해지기 곤란한 시기 전에, 최대 흡기 리프트량(IL)을 제1 흡기 리프트량(IL1)에서 제2 흡기 리프트량(IL2)로 전환한다.

시기(t3)에서, ECU(5)는 최대 흡기 리프트량(IL)을 제1 흡기 리프트량(IL1)에서 제2 흡기 리프트량(IL2)으로 전환한다. 환언하면, 가변 흡기밸브기구(11a)는 흡기 캠(11c)을 저 리프트 캠에서 고 리프트 캠으로 전환한다. 따라서, 최대 흡기 리프트량(IL)은 도 5a에 나타낸 제1 흡기 리프트량(IL1)에서, 도 5b에 나타낸 제2 흡기 리프트량(IL2)로 전환된다. 즉, 최대 흡기 리프트량(IL)과 흡기밸브의 밸브지속기간이 증가된다. 도 5b에 나타낸 바와 같이, 흡기밸브(11v)의 개방 타이밍이 상사점(TDC)보다 앞서는데, 이는 연소실(10)내의 흡기동작이 흡기밸브(11v)가 개방된 조금 후에 개시되기 때문이다.

시기(t4)에서 내부 EGR량(Qegr)이 영(zero)으로 될 때, ECU(5)는 점화플러그(60c)에 의한 안정된 불꽃점화동작을 개시한다. 연소실(10)로의 흡기량은, 제1 흡기 리프트량(IL1)에서 제2 흡기 리프트량(IL2)으로의 전환으로 인해 증가한다. 그러나, 스로틀 개도(TA)가 제2 스로틀 개도로 감소되었기 때문에, 흡기량의 변동은 크지 않아, 토오크(T)의 변동이 작게 억제된다. 따라서, ECU(5)는 연소모드를 HCCI 연소에서 불꽃점화 연소로 전환한다.

본 실시예는 다음의 이점을 갖는다.

(1) 연소모드가 HCCI 연소에서 불꽃점화 연소로 전환될 때, ECU는, 최대 흡기 리프트량(IL)을 제1 흡기 리프트량(IL1)에서 제2 흡기 리프트량(IL2)으로 전환하기 전에, 다음 동작 (a)와 (b)를 행한다:

(a) 내부 EGR량(Qegr)을 발생하면서, 최대 배기 리프트량(EL)을 제1 배기 리프트량(EL1)에서 제2 배기 리프트량(EL2)으로 전환하는 동작,

(b) 최대 배기 리프트량(EL)을 제1 배기 리프트량(EL1)에서 제2 배기 리프트량(EL2)으로 전환한 후에, 내부 EGR량(Qegr)을 감소시키도록, 배기밸브의 폐쇄타이밍(ETcls)을 지연시키는 동작.

그러므로, 최대 배기 리프트량(EL)이 제1 배기 리프트량(EL1)에서 제2 배기 리프트량(EL2)로 전환된 직후 내부 EGR량(Qegr)이 확보된다. 이로 인해, 최대 배기 리프트량(EL)이 제1 배기 리프트량(EL1)에서 제2 배기 리프트량(EL2)로 전환되기 전후 사이의 기간중에, 흡기통로(11p)에서 연소실(10)로의 흡기량의 급격한 변화가 억제된다. 또한, ECU(5)는 배기 폐쇄타이밍(ETcls)을 지연시켜, 최대 배기 리프트량(EL)의 전환후의 내부 EGR량(Qegr)을 감소시킨다. 따라서, 흡기량이 서서히 변화되면서, 연소모드가 불꽃점화 연소로 전환된다. 환언하면, 배기 폐쇄타이밍(ETcls)이 지연될 때, 흡기량의 변화특성의 악화가 방지된다. 이로 인해, 연소모드가 HCCI 연소에서 불꽃점화 연소로 전환될 때의 흡기량의 급격한 변화가 억제된다. 따라서, 토오크(T)의 급격한 변화 발생이 억제된다. 또한, HCCI 기관(1)의 조기 점화 또는 과도한 연소 소음이 방지된다.

(2) 제2 배기 리프트량(EL2)으로 전환후, ECU(5)는,

(b) 배기 폐쇄 타이밍(ETcls)을 지연시킴과 동시에, 스로틀 개도(TA)를 감소시킨다. 환언하면, 시기(t2)에서 시기(t3)까지의 기간중에, 흡기량은 스로틀 개도(TA)의 감소로 인해 감소되고, 동시에, 흡기량은 내부 EGR량(Qegr)의 감소로 인해 증가된다. 따라서, 시기(t2)에서 시기(t3)까지의 기간중에, 연소모드가 HCCI 여연소로 부터 불꽃점화 연소로 전환하는 중에, 흡기량은 서서히 변한다.

(3) 가변 흡기밸브기구(11a)는 흡기 캠(11c)을 저 리프트 캠에서 고 리프트 캠으로 전환한다. 가변 배기밸브기구(12a)는 배기 캠(12c)을 저 리프트 캠에서 고 리프트 캠으로 전환한다. 그러므로, 전자(電磁) 구동식의 복잡한 가변밸브기구와는 달리, 가변 흡기밸브기구(11a)와 가변 배기밸브기구(12a)의 각각이 단순한 구조를 갖는다.

(4) 내부 EGR 가스가 감소하기 시작한 후, ECU(5)는, 스로틀 개도(TA)가 불꽃점화 연소에 필요한 개도로 감소하는 것이 완료된 타이밍과, HCCI 연소가 행해지기 곤란한 시기전의 타이밍중의 어느 하나의 더 빠른 타이밍에서 흡기밸브(11v)를 전환시킨다. 그 결과, ECU(5)는 연소모드를 HCCI 연소에서 불꽃점화 연소로 확실하게 전환시킨다. 본 실시예에 따라, HCCI 기관(1)이 실린더내 분사기를 구비하고 있지 않더라도, 연소모드가 HCCI 연소에서 불꽃점화 연소로 확실하게 전환된다.

본 실시예는 다음과 같이 변형될 수도 있다.

흡기밸브(11v)의 밸브 리프트량과 밸브 개폐타이밍과 같은 흡기밸브 특성이 전자구동기구에 의해 전환될 수도 있다. 마찬가지로, 배기밸브(12v)의 밸브 리프트량과 밸브 개폐타이밍과 같은 배기밸브 특성이 전자구동기구에 의해 전환될 수도 있다.

제1 스로틀 개도(TA1)는 스로틀(3)의 전개(全開) 상태보다 작을 수도 있다.

가변 흡기밸브기구(11a)는 최대 흡기 리프트량(IL)을 변화시키는 기구와, 밸브 개폐타이밍을 변화시키는 기구를 분리하여 가질 수도 있다. 마찬가지로, 가변 배기밸브기구(12a)가 최대 배기 리프트량(EL)을 변화시키는 기구와, 밸브 개폐타이밍을 변화시키는 기구를 분리하여 가질 수도 있다.

최대 배기 리프트량(EL)이 제1 배기 리프트량(EL1)에서 제2 배기 리프트량(EL2)으로 전환될 때, 내부 EGR 가스가 감소되어 HCCI 기관(1)의 점화성이 악화될 수도 있다. 그 경우에는, 점화플러그(60c)가 보조적으로 엔진을 점화할 수도 있다. ECU(5)는 가변 흡기밸브기구(11a)와 가변 배기밸브기구(12a)의 작동에 관계없이 불꽃점화를 제어할 수 있다.

시기(t2)의 후에, ECU(5)는, 내부 EGR량(Qegr)을 감소시키면서 HCCI 기관(1)의 연소를 안정시키기 위한 보조방법으로 점화플러그(60c)에 의해 엔진을 점화시킬 수도 있다.

도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 HCCI 기관의 블록도.

도 2 는 엔진부하와 엔진회전수의 관계에 있어, 도 1의 HCCI 기관이 HCCI 연소및 불꽃점화 연소로 동작하는 범위를 나타내는 그래프.

도 3 은 도 1의 HCCI 기관의 연소모드가 HCCI 연소에서 불꽃점화 연소로 전환될 때의 (a) 스로틀 개도, (b) 최대 배기 리프트량, (c) 최대 흡기 리프트량, (d) 내부 EGR 가스량 및, (e) 토오크변동을 나타내는 타이밍 챠트.

도 4a 는 도 3의 시기(to)의 HCCI 연소에 있어서의 흡기 리프트량과 배기 리프트량을 나타내는 타이밍 챠트.

도 4b 는 시기(t1)에서 배기 리프트량이 도 4A에 나타낸 상태로 부터 증가한 상태에 있어서의 흡기 리프트량과 배기 리프트량을 나타내는 타이밍 챠트.

도 5a 는 시기(t2)에서 배기밸브 타이밍이 도 4B에 나타낸 상태로 부터 지연된 상태에 있어서의 흡기 리프트량과 배기 리프트량을 나타내는 타이밍 챠트.

도 5b 는 시기(t4)의 불꽃점화 연소에 있어, 흡기 리프트량이 도 5a에 나타낸 상태로 부터 증가한 상태에 있어서의 흡기 리프트량과 배기 리프트량을 나타내는 타이밍 챠트.

-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-

1: HCCI 기관 2v: 연료밸브

3: 스로틀(throttle) 4: 혼합부

5: 전자제어유닛(ECU) 10: 연소실

11a: 가변 흡기밸브기구 11c: 흡기 캠(cam)

11p: 흡기통로 11v: 흡기밸브

12a: 가변 배기밸브기구 12c: 배기 캠

12p: 배기통로 12v: 배기밸브

20: 피스톤

Claims

연소모드가 예혼합 압축착화(HCCI) 연소와, 불꽃점화(SI) 연소 사이를 전환하는 HCCI 기관(1)으로서,

연소실(10);

흡기밸브(11v);

배기밸브(12v);

상기 흡기밸브(11v)의 리프트량인 흡기 리프트량(IL)을 변화시키기 위해, 흡기 리프트량이 HCCI 연소에서는 제1 흡기 리프트량(IL1)으로 설정되고, 불꽃점화 연소에서는 제2 흡기 리프트량(IL2)으로 설정되도록 하는 가변 흡기밸브기구(11a);

상기 배기밸브(12v)의 리프트량인 배기 리프트량(VL)을 변화시키기 위해, 배기 리프트량이 HCCI 연소에서는 제1 배기 리프트량(EL1)으로 설정되고, 불꽃점화 연소에서는 제2 배기 리프트량(EL2)으로 설정되도록 하는 가변 배기밸브기구(12a); 및,

상기 가변 흡기밸브기구(11a)와 상기 가변 배기밸브기구(12a)를 제어하는 콘트롤러(5)를 구비한 HCCI 기관에 있어서,

상기 콘트롤러(5)가, 흡기밸브(11v)와 배기밸브(12v)가 공히 폐쇄되어 있어, 모든 연소가스가 연소실(10)로 부터 배출되지 않는 네거티브(negative) 밸브 오버랩 기간을 설정하므로서, HCCI 연소시, 연소실(10)내에 잔류하는 연소가스량을 포함하는 내부 EGR량(Qegr)을 설정하며,

연소모드를 HCCI 연소로 부터 불꽃점화 연소로 전환할때, 상기 콘트롤러(5)가, 흡기 리프트량을 제1 흡기 리프트량(IL1)에서 제2 흡기 리프트량(IL2)로 전환하기 전에, 하기 동작인,

(a) 내부 EGR량(Qegr)을 발생하면서, 배기 리프트량을 제1 배기 리프트량(EL1)에서 제2 배기 리프트량(EL2)으로 전환하고,

(b) 배기 리프트량을 제1 배기 리프트량(EL1)에서 제2 배기 리프트량(EL2)으로 전환한 후에, 내부 EGR량을 감소시키도록, 배기밸브(12v)의 폐쇄타이밍(ETcls)을 지연(t2 에서 t3) 시키는 동작을 행하는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축착화기관
제 1 항에 있어서, 스로틀(3)을 추가로 구비하며,

연소실(10)로의 흡기량을 제어하도록, 상기 스로틀(3)의 개도(TA)가 제어되며,

제2 배기 리프트량(EL2)으로 전환된후, 상기 콘트롤러가 스로틀 개도(TA)를 감소시키면서(t2에서 t3), 배기밸브(12v)의 폐쇄타이밍(ETcls)을 지연시키는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축착화기관
제 2 항에 있어서, 상기 가변 배기밸브기구(12a)가 배기밸브(12v)를 구동하기 위해 저(低) 리프트 캠과, 고(高) 리프트 캠 사이에서 전환하여, 배기 리프트량을 제어하는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축착화기관
제 2 항에 있어서, 상기 스로틀 개도(TA)가 HCCI 연소시에는 제1 스로틀 개도(TA1)로 설정되고, 불꽃점화 연소시에는 제2 스로틀 개도(TA2)로 설정되며, 제2 스로틀 개도(TA2)가 제1 스로틀 개도(TA1)보다 더 작으며,

상기 콘트롤러(5)가

(c) 스로틀 개도(TA)가 제2 스로틀 개도(TA2)로 감소하는 것이 완료된 시기(t3)와,

(d) 내부 EGR량의 감소로 인해 HCCI 연소가 행해지기 곤란한 시기 직전

중의 어느 하나의 더 빠른 타이밍에서 흡기 리프트량을 제1 흡기 리프트량(IL1)에서 제2 흡기 리프트량(IL2)으로 전환하기 시작하는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축착화기관
연소모드가 예혼합 압축착화(HCCI) 연소와, 불꽃점화 연소 사이를 전환하는 HCCI 기관(1)으로서,

연소실(10);

흡기밸브(11v);

배기밸브(12v);

상기 흡기밸브(11v)의 리프트량인 흡기 리프트량(IL)을 변화시키기 위해, 흡기 리프트량이 HCCI 연소에서는 제1 흡기 리프트량(IL1)으로 설정되고, 불꽃점화 연소에서는 제2 흡기 리프트량(IL2)으로 설정되도록 하는 가변 흡기밸브기구(11a); 및,

상기 배기밸브(12v)의 리프트량인 배기 리프트량(EL)을 변화시키기 위해, 배기 리프트량이 HCCI 연소에서는 제1 배기 리프트량(EL1)으로 설정되고, 불꽃점화 연소에서는 제2 배기 리프트량(EL2)으로 설정되도록 하는 가변 배기밸브기구(12a)를 구비한 HCCI 기관(1)의 제어방법에 있어서,

흡기밸브(11v)와 배기밸브(12v)가 공히 폐쇄되어 있어, 모든 연소가스가 연소실(10)로 부터 배출되지 않는 네거티브 밸브 오버랩 기간을 설정하므로서, HCCI 연소시, 연소실(10)내에 잔류하는 연소가스량을 포함하는 내부 EGR량(Qegr)을 설정하며,

연소모드를 HCCI 연소로 부터 불꽃점화 연소로 전환할때, 흡기 리프트량을 제1 흡기 리프트량(IL1)에서 제2 흡기 리프트량(IL2)으로 전환하기 전에, 하기 동작인,

(a) 내부 EGR량(Qegr)을 발생하면서, 배기 리프트량을 제1 배기 리프트량(EL1)에서 제2 배기 리프트량(EL2)으로 전환하는 동작과,

(b) 배기 리프트량을 제1 배기 리프트량(EL1)에서 제2 배기 리프트량(EL2)으로 전환한 후에, 내부 EGR량을 감소시키도록, 배기밸브(12v)의 폐쇄타이밍(ETcls)을 지연(t2 에서 t3) 시키는 동작을 행하는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축착화기관의 제어방법