KR101029142B1

KR101029142B1 - 점화 타이밍 제어 방법, 점화 타이밍 지체 방법, 및 제품

Info

Publication number: KR101029142B1
Application number: KR1020080052706A
Authority: KR
Inventors: 탐슨 엠. 슬로안; 노르만 디. 브링크맨
Original assignee: 지엠 글로벌 테크놀러지 오퍼레이션스 엘엘씨
Priority date: 2007-06-05
Filing date: 2008-06-04
Publication date: 2011-04-13
Also published as: CN101319639B; US7703434B2; KR20080107289A; DE102008026372A1; US20080302329A1; CN101319639A

Abstract

본 발명은 제어된 자동 점화 모드에서 작동하는 압축 점화 엔진 내에서의 실린더 차지(cylinder charge)의 점화 타이밍을 제어하는 방법으로서, 상기 직접분사 압축 점화 엔진은 제어가능한 흡입 및 배기 밸브 작동 장치를 구비한다. 상기 방법은 조작자 토크 요구에 근거하여 실린더 차지 및 연료 차지의 질량에 대한 바람직한 점화 타이밍을 결정하는 단계를 포함한다. 상기 연료 차지의 일부는 압축 스트로크 바로 전의 네가티브 밸브 오버랩 기간 동안에 부분 산화된다. 상기 연료 차지의 일부의 크기는 실린더 차지의 바람직한 점화 타이밍에 근거한다. 상기 연료 차지의 나머지는 압축 스트로크 동안에 실린더 내로 분사된다.

Description

점화 타이밍 제어 방법, 점화 타이밍 지체 방법, 및 제품{METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING IGNITION TIMING IN A COMPRESSION-IGNITION ENGINE OPERATING IN AN AUTO-IGNITION MODE}

본 발명은 자동 점화 모드(auto-ignition mode)에서 작동하는 압축 점화 엔진의 작동 및 제어에 관한 것이다.

본란에서는 본 개시내용에 관한 배경 정보만을 제공하며 종래기술을 구성하지 않을 수 있다.

압축 점화 엔진, 예컨대 디젤 엔진은 개선된 연료 경제성 등의 이점을 제공한다. 승용차, 상용 트럭, 공사용 차량 및 농업용 트랙터를 포함하는 차량 제조사들은 그들의 제품을 팔기 위해 엄격한 배출물 요건을 만족시켜야 한다.

디젤 엔진에서 점화 타이밍을 제어하는 것, 즉 타이밍을 지체시키거나 또는 앞당기는 것은 낮은 스모크(smoke) 배출을 성취하기 위해 매우 유용한 제어 선택이다. 예를 들면, 예혼합된 실린더 차지를 갖는 압축 점화 모드에서의 희박 공연비 로 작동하는 시스템[즉, 제어된 자동 점화 또는 HCCI(homogeneous-charge compression ignition)]에서, 미립자(PM) 배출을 낮추는 것에 관한 이점을 성취하기 위해 점화 발생 전에 모든 연료를 완전히 분사하는 것이 필요하다.

자동 점화 모드에서 작동하는 엔진에 있어서, 실린더 차지의 연소는 무화염이고, 전체의 연소실 용적에 걸쳐 자연 발생된다. 균일 혼합된 실린더 차지는 실린더 차지가 압축되어 그 온도가 상승함에 따라 자동 점화한다. 자동 점화된 연소의 점화 타이밍은, 주로 실린더 차지의 온도, 압력 및 조성을 포함하는 초기의 실린더 차지 조건에 따라 다르다. 이에 따라, 확고한 자동 점화 연소를 보장하기 위해, 연료 질량, 분사 타이밍, 및 흡입 및 배기 밸브 운동 등의 엔진 제어 입력을 조화시키는 것이 중요하다.

연료 분사의 타이밍은 현재 디젤 엔진에서 점화 및 연소 타이밍을 제어하는데 이용된다. 주요 압축 스트로크 동안의 분사 타이밍은 디젤 엔진에서 점화 타이밍을 제어하기 위한 주요한 대안적인 제어 선택이다. 분사 타이밍을 지체함으로써, 실린더 차지의 점화가 지체된다. 그러나, 점화 발생 전에 모든 연료의 분사가 완료될 필요가 있다.

실린더 차지의 점화가 고부하에서 매우 급속하기 때문에, 디젤 자동 점화 연소와 관련된 낮은 NOx 배출물 및 미립자를 성취하기 위한 기술은 적당한 부하로 제한되는 것이 잘 공지되어 있다. 분사 타이밍과 관련되지 않는 점화 타이밍을 지체하기 위한 방법을 갖는 것이 유용할 것이다. 배출 성능 및 연료 경제성을 개선하기 위해 자동 점화 모드에서 압축 점화 엔진의 작동 범위를 늘이는 것이 유용할 것 이다.

네가티브 밸브 오버랩(negative valve overlap: NVO)을 갖는 가솔린 HCCI 엔진의 연구를 통해, 네가티브 밸브 오버랩(재압축) 동안에 분사된 연료가 연소 타이밍을 앞당기는 것이 잘 공지되어 있다. 이를 위해 제공된 이유는 네가티브 밸브 오버랩 동안에 분사된 연료가 부분적으로 산화되거나 또는 개질되어, 가둬진 잔여물의 온도가 상승하도록 얼마의 열을 해제시킨다는 점이다. 가둬진 잔여물이 더 많이 존재하면, 흡입 밸브의 폐쇄 시에 온도를 더 높이므로, HCCI 모드에서 작동하는 가솔린 엔진에서 더 이른 점화를 초래한다.

예혼합된 디젤 엔진에서의 적당한 부하 및 높은 부하에서, 점화 지체는 높은 실린더 내의 온도로 인해 감소된다. 그 결과, 연소 타이밍이 너무 앞당겨져서, 엔진 소음이 심해지고 매연 배출물이 늘어난다. 예혼합된 디젤 연소는 연소를 지체하도록 재순환된 배기가스(EGR)에 매우 의존한다. 예혼합된 디젤 연소의 순간적인 작동시에, 실린더에 도달하는 EGR의 지체는 불안정한 점화 타이밍을 초래할 수 있다. 고부하에서, 충분한 EGR이 연소실 내로 유도될 수 없기 때문에, 엔진 소음이 문제가 된다.

자동 점화 모드에서 작동하는 압축 점화 엔진에서의 분사 타이밍과는 별도로 점화 타이밍을 제어할 필요성이 있다. 이와 같은 작동의 이점은 자동 점화 모드에서 엔진의 동적 작동 범위를 늘이고, 배출 성능을 개선하며, 엔진 소음을 최소화하는 단계를 구비한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어된 자동 점화 모드에서 작동하는 제어가능한 흡입 및 배기 밸브 작동 장치를 구비한 압축 점화 엔진 내에서의 실린더 차지(cylinder charge)의 점화 타이밍을 제어하는 방법 및 장치를 제공한다. 본 방법은, 조작자 토크 요구에 근거하여 상기 실린더 차지에 대한 바람직한 점화 타이밍과 실린더로의 직접분사에 대한 연료 차지 질량을 결정하는 단계를 포함한다. 상기 연료 차지의 일부는 압축 스트로크 바로 전에 네가티브 밸브 오버랩 기간 동안의 실린더 내로의 분사에 의해 부분적으로 산화된다. 상기 연료 차지의 일부의 크기는 상기 실린더 차지의 바람직한 점화 타이밍에 근거한다. 상기 연료 차지의 나머지는 압축 스트로크 동안에 상기 실린더 내로 분사된다. 본 발명의 이와 같은 실시예는 도면 및 하기의 설명을 참조하여 후술된다.

본 발명은 특정 부품 및 부품의 배치에서 물리적인 형태를 취할 수 있으며, 본 발명의 실시예는 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부된 도면에 보다 상세하게 나타나 있다.

도면은 본 발명을 기술하기 위한 것이며 본 발명을 제한할 의도는 아니다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관(10), 배기 후처리 장치(15) 및 제어 모듈(5)을 도시한 개략적인 도면이다.

예시적인 엔진(10)은, 크랭크샤프트(24)에 부착되고 가변 용적 연소실(34)을 형성하는 실린더(20) 내에서 이동가능한 왕복 피스톤(22)을 구비한 멀티실린더 직접분사 압축 점화 내연기관을 포함한다. 크랭크샤프트(24)는 조작자 토크 요구('To__REQ')에 응답하여 견인 토크를 전달하도록 차량 트랜스미션 및 구동라인에 작동가능하게 부착된다. 상기 엔진은 각각의 엔진 연소 사이클이 흡입-압축-팽창-배기의 180도 단계로 구분된 크랭크샤프트(24)의 720도의 각 회전을 포함하는 4개의 스트로크 작동을 채용하는 것이 바람직하며, 이는 엔진 실린더(20) 내의 피스톤(22)의 왕복 운동을 나타낸다.

상기 엔진은 주로 희박 화학양론인 공기/연료 작동 설계를 갖는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시예가 주로 희박 화학양론, 예컨대 린번 불꽃 착화 엔진을 작동하는 다른 엔진 구성에 작용가능하다는 것을 당업자는 이해할 것이다. 압축 점화 엔진의 통상적인 압축 점화 작동시에, 연료 차지가 연소실 내로 분사되어 흡입 공기와 함께 실린더 차지를 형성하는 경우 각각의 엔진 사이클 동안에 연소가 발생한다. 실린더 차지는 압축 스트로크 동안에 압축 작동에 의해 후속적으로 연소된다. 통상적인 압축 점화 작동 시에, 연료 차지는 압축 스트로크 동안에 분사된다. 연료 및 공기 혼합물의 불완전한 연소로 인해 실린더 내에서 연소된 가스가 발생되어, 팽창 스트로크 후에 발생하는 배기 스트로크 동안에 엔진 배기 밸브의 개방으로 연소실 외부로 통과될 때 배기가스가 된다. 배기가스는 후처리 장치에 의해 불활성 가스[일반적으로, 탄화수소('HC'), 일산화탄소('CO'), 질소산화물('NOx') 및 미립자('PM') 등]로 바람직하게 변형되는 조절된 성분 요소로 이루어진다. 상기 엔진은 엔진 작동을 모니터링하는 감지 장치와, 엔진 작동을 제어하는 액추에이터를 구비한다. 감지 장치와 액추에이터는 제어 모듈(5)에 신호식 또는 작동식으로 연결된다.

감지 장치는 엔진(10) 상에 또는 그 근방에 설치되어, 엔진 및 주위 변수에 상호관련가능한 신호를 발생시키고 물리적 특성을 모니터링한다. 상기 감지 장치는 크랭크샤프트 속도(RPM)를 모니터링하기 위한 크랭크 센서(44); 매니폴드 압력(MAP)과 주위 기압(BARO)을 모니터링하기 위한 매니폴드 압력 센서; 흡입 질량 공기 유량(MAF)과 흡입 공기 온도(T_IN)를 모니터링하기 위한 질량 공기 유량 센서; 및 하나 이상의 배기가스 변수, 예컨대 온도, 공연비 및 조성(EXH)의 상태를 모니터링하기 위한 배기가스 센서(16)를 포함하는 것이 바람직하다. 제어 및 진단의 목적을 위한 배기 후처리 장치 전에, 그 중간에 그리고 그 후에 배기가스를 모니터링하기 위한 하나 이상의 감지 장치 및 방법이 있을 수 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다.

조작자 토크 요구(To__REQ)의 형태인 조작자 입력은 일반적으로 스로틀 페달(throttle pedal) 및 브레이크 페달(brake pedal)을 통해 다른 장치들 사이에서 얻어진다. 상기 엔진은 작동을 모니터링하기 위해 그리고 장치 제어의 목적을 위해 다른 센서(도시하지 않음)를 구비하는 것이 바람직하다. 각각의 감지 장치는 제어 모듈(5)에 신호적으로 연결되어, 제어 모듈에 의해 각각의 모니터링된 변수를 나타내는 정보로 변형되는 신호 정보를 제공한다. 이러한 구성은 본 발명의 예시적이지 제한적이지 않으며, 각종 감지 장치는 기능적으로 동등한 장치 및 알고리즘으로 대체가능하고 본 발명의 범위에 있는 것이다.

상기 액추에이터는 엔진 상에 설치되어, 각종 성능 목적을 성취하도록 조작자 입력에 응답하여 제어 모듈(5)에 의해 제어된다. 액추에이터는 명령된 입력(ETC)으로 스로틀 개방을 제어하는 전자 제어식 스로틀 장치; 명령된 입력(INJ_PW)에 응답하여 각각의 연소실 내로 연료를 직접 분사하기 위한 복수의 연료 인젝터(12)를 구비하며, 이 모두는 조작자 토크 요구(To__REQ)에 응답하여 제어된다. 배기가스 재순환 밸브(26)와 냉각기(도시하지 않음)에 의해, 제어 모듈로부터의 제어 신호(EGR)에 응답하여 엔진 흡입부로의 외부로 재순환되는 배기가스의 흐름을 제어한다.

상기 연료 인젝터(12)는 연료 차지를 직접 분사하는 복수의 고압 연료 인젝터 장치를 포함하는 연료 분사 장치의 일 요소이며, 이러한 복수의 고압 연료 인젝터 장치는 제어 모듈로부터의 명령 신호(INJ_PW)에 응답하여 연소실 중 하나 내로 연료 질량을 포함한다. 각각의 연료 인젝터(12)는 연료 분배 장치(도시하지 않음)로부터 가압된 연료를 공급받고 최소의 펄스폭, 최소의 제어가능한 연료 유량 및 최대의 연료 흐름률을 포함하는 작동 특성을 갖는다. 상기 최소의 제어가능한 연료 유량은 네가티브 밸브 오버랩 기간 동안에 발생하는 연료 개질 기간(fuel reforming period) 동안, 그리고 주요 분사 경우 동안을 포함하는 제어가능한 연료 분사를 위한 하한을 결정한다.

상기 엔진(10)은 실린더 각각의 흡입 및 배기 밸브의 개폐를 조절하도록 작동하는 제어가능한 밸브트레인(controllable valvetrain)을 구비하며, 이는 밸브 타이밍, 페이싱(phasing)(즉, 크랭크 각도 및 피스톤 위치에 대한 타이밍), 및 밸브 개방의 리프트 정도 중 하나 이상을 구비한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 각각의 실린더는 흡입 밸브와 배기 밸브를 구비하며, 이들의 개폐는 크랭크샤프트에 회전가능하게 연결된 캠샤프트에 의해 제어된다. 흡입 공기 제어 장치(38)는 크랭크샤프트 회전에 대한 흡입 밸브의 개폐의 페이싱을 조절하는 가변형 캠페이서(variable cam phaser)('VCP')를 포함한다. 상기 흡입 공기 제어 장치(38)는, 가변 리프트 제어(variable lift control)('VLC')로 불리는, 각각의 흡입 밸브의 밸브 리프트를 제어하도록 더욱 기계가공되는 것이 바람직하다. 상기 가변 리프트 장치는 2개 이상의 별도의 단계로 흡입 밸브의 리프트를 제어하도록 작동한다. 흡입 VCP/VLC 장치(38)는 제어 모듈로부터의 제어 신호(VCP-INT)에 응답하여 페이싱, 개폐 시간 및 흡입 밸브의 밸브 리프트를 제어한다. 배기공기 제어 장치(36)는 크랭크샤프트 회전에 대해 배기 밸브의 개폐의 페이싱을 조절하는 가변 캠 페이서('VCP')를 포함한다. 상기 배기공기 제어 장치(36)는 가변 리프트 제어('VLC')로 불리는, 각각의 배기 밸브의 밸브 리프트를 제어하도록 더욱 기계가공되는 것이 바람직하다. 상기 가변 리프트 장치는 2개 이상의 별도의 단계로 배기 밸브의 리프트를 제어하도록 작동한다. 배기 VCP/VLC 장치(36)는 제어 모듈로부터의 제어 신호(VCP-EXH)에 응답하여 페이싱, 개폐 시간 및 배기 밸브의 밸브 리프트를 제어 한다. 상기 제어 모듈은 흡입 및 배기 밸브의 개폐의 페이싱을 제어하도록 작동하여 NVO 기간을 형성한다. 이것은 실질적으로 동일한 회전 정도의 의해 배기 밸브의 폐쇄를 앞당기고 흡입 밸브의 개방을 지체를 동시에 제어, 즉 흡입 및 배기 밸브의 페이싱을 균형시키는 수행 제어를 구비하는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 배기 밸브의 폐쇄는 앞당겨질 수 있고 흡입 밸브의 개방은 균형된 방식으로 지체될 수 있다.

상기 흡입 및 배기 공기 제어 장치는 전자유압식, 유압식 및 전기식 제어력을 이용하여 작동될 수 있다. 다른 엔진 장치 구성요소(도시하지 않음)는 흡입 공기 압축 장치, 예컨대 가변 기하학적 터빈 장치, 및 공기 압축기, 과급공기 냉각기 등을 구비할 수 있다.

상기 엔진은 디젤 연료 또는 유사 연료를 이용하여 언스로틀(un-throttled)로 작동하여, 일반적으로 엔진 개발 동안에 결정되고 제어 모듈 내로 사전교정되는 엔진 속도 및 부하 범위 이상으로 자동 점화 연소 모드에서 혼합시킨다. 종래의 압축 점화 연소는 자동 점화 연소 모드에서 작동하고, 조작자 토크 요구를 충족하도록 최대의 엔진 파워를 얻도록 수행하지 않는 작동 속도/부하 조건에서 이용된다.

성가 제어 모듈(5)은 마이크로프로세서 또는 중앙 처리 장치, ROM(read only memory) 및 EPROM(electrically programmable read only memory), RAM(random access memory), 고속 클락(high speed clock), 아날로그/디지털(A/D) 및 디지털/아날로그(D/A) 회로 및 입력/출력 회로 및 장치(I/O), 및 적절한 신호 조절 및 버 퍼 회로를 구비한 불휘발성 메모리를 포함하는 저장 매체를 포함하는 일반용 디지털 컴퓨터인 것이 바람직하다. 상기 제어 모듈은 불휘발성 메모리 내에 저장되고 각각의 컴퓨터의 각종 기능을 제공하도록 수행되는 상주 프로그램(resident program) 지시 및 교정을 포함하는 제어 알고리즘 세트를 갖는다. 상기 알고리즘은 일반적으로 사전설정된 루프 사이클 동안에 수행되어 각각의 알고리즘이 적어도 한번 각각의 루프 사이클로 수행된다. 알고리즘은 중앙 처리 장치에 의해 수행되며, 전술한 감지 장치로부터의 입력을 모니터링하도록 작동가능하며, 사전설정된 교정을 이용하여 액추에이터의 작동을 제어하도록 제어 및 진단 루틴(routines)을 수행한다. 루트 사이클은 일반적으로 진행중인 엔진 및 차량 작동시에 규칙적인 간격, 예컨대 3.125, 6.25, 12.5, 25 및 100 msec으로 수행된다. 변형례로서, 알고리즘은 경우의 발생에 응답하여 수행될 수 있다.

상기 제어 모듈(5)은 그 내에 저장된 알고리즘 코드를 수행하여 스로틀 위치, 연료 분사 질량 및 타이밍, 흡입 및/또는 배기 밸브 타이밍, 페이싱, 리프트, 및 재순환된 배기가스의 흐름을 제어하는 EGR 밸브 위치를 포함하는 엔진 작동을 제어하도록 전술한 액추에이터를 제어한다. 상기 제어 모듈은 조작자 토크 요구(To__REQ)를 결정하도록 조작자로부터의 입력 신호(예컨대, 스로틀 페달 위치 및 브레이크 페달 위치)를 수신하고, 엔진 속도(RPM), 흡입 공기 온도(T_IN), 냉매 온도 및 다른 주위 조건을 나타내는 센서로부터의 입력 신호를 수신한다. 상기 제어 모듈(5)은 메모리 내의 검색표, EGR 밸브 위치를 위한 순간 제어 설정, 흡입 및 배기 밸브 타이밍, 및/또는 리프트 설정 지점, 그리고 연료 분사 질량 및 타이밍으로부터 결정한다.

본 발명은, 자동 점화 모드에서 작동하는 상술한 예시적인 압축 점화 엔진에서 실린더 차지의 점화 타이밍을 제어하는 방법 및 제어 구성을 포함하여, 동반하는 이점과 함께 자동 점화 모드에서의 엔진의 동적 속도/부하 작동 범위를 증가시킨다.

상기 방법은 실린더 차지의 점화 타이밍을 제어하는 한편, 엔진 사이클 동안의 연료 차지의 분사를 2개 이상의 분사 경우로 분리하는 단계를 포함하는 제어된 자동 점화 모드에서 엔진을 작동하는 단계를 포함한다. 상기 제어 모듈은 배기 재압축을 포함하며, 흡입 및 배기 밸브의 타이밍 및 페이싱은 NVO 기간 동안에 분사된 연료의 부분 산화가 일어날 수 있는 동안에 네가티브 밸브 오버랩('NVO') 기간을 성취하도록 제어된다. 이러한 부분 산화는 종종 연료 개질로도 불린다. 조작자 토크 요구를 충족하도록 실린더에 직접 분사를 위한 연료 차지의 총 질량 및 실린더 차지에 대한 바람직한 점화 타이밍은 공지된 교정 및 엔진 작동 특성에 근거하여 제어 모듈에 의해 결정된다. 연료 차지의 제 1 부분은 진행중인 엔진 작동 동안에 압축 스트로크 바로 전의 NVO 기간 동안에 분사된다. 연료 차지의 제 1 부분의 질량은 실린더 차지의 바람직한 점화 타이밍에 근거한다. 연료 차지의 나머지 부분은 후속하는 압축 스트로크 동안에 실린더 내로 분사된다. 분사된 연료 차지의 제 1 부분의 질량은 인젝터의 최소의 제어가능한 연료 유량에 근거하여 결정된다. 이러한 질량은 연료 차지의 0%일 수 있거나, 또는 인젝터의 최소의 제어가능 한 연료 유량과 연료 차지의 대략 50% 사이의 범위일 수 있다. 연료의 총 질량의 나머지는 자동 점화 연소 과정에 따라서 후속하는 압축 스트로크 동안에 분사된다.

도 2 및 표 1은 NVO 기간 동안에 연료를 개질함으로써 점화 타이밍을 제어하도록 기술된 바와 같이 작동되는 엔진에 대한 시뮬레이션된 엔진 작동의 결과를 나타낸다. 상기 방법의 개념은, 연료의 부분 산화로 인해 연료가 NVP 기간 동안에 분사된 경우 연소실 내에 가둬진 잔여 가스의 조성물의 변화에 근거한다. 디젤 연료의 경우, 개질 연료는 디젤 연료 자체보다 점화하기가 더 어렵다. 시뮬레이션된 엔진 작동은 n-헵탄(디젤 연료 대용)으로 수행되는 전체 사이클 엔진 모델링 연산(full cycle engine modeling calculation)을 포함하였고, NVO 기간의 상사점(TDC) 전에 1.05 mg의 연료를 분사하였고 주요 연소 스트로크의 TDC 바로 전의 압축 스트로크 동안에 13.95 mg의 연료를 분사하였다. NVO 기간 동안의 TDC 전에 분사된 얼마의 n-헵탄이 부분 산화되거나 개질되어, 메탄, 에탄, 프로펜, 1-펜텐, 일산화탄소 및 헵텐 등의 분자를 형성한다. 상기 분자들은 연소실 내에 가둬져서 후속하는 흡입 스트로크 동안에 흡입 공기와 혼합되어, 흡입 밸브 폐쇄시에 n-헵탄과 공기를 갖는 분자의 혼합물을 생성한다. 서로 분리되고 결합된 상기 분자들은 n-헵탄 자체보다 자동 점화하기가 더 어렵다. n-헵탄과 상기 분자의 혼합물을 NVO 기간의 TDC 후에 분사하였고, 주요 연소 스트로크의 TDC 바로 전에 동일한 분사 타이밍으로 13.95 mg의 연료를 분사하였다. 후자의 경우에, 분사된 n-헵탄의 부분 산화가 (거의) 발생하지 않았다. 디젤 연료는 일반적으로 n-헵탄과 유사하게 거동하는데, 그 이유는 디젤 연료는 n-헵탄과 매우 유사한 연소 특성을 갖는 다수의 긴 직쇄형 탄화수소를 함유하기 때문이다. 디젤 연료의 많은 구성과 유사한 구조의 결과로, n-헵탄은 통상적으로 사용되는 디젤 연료와 유사한 높은 세탄가를 갖는다. 시뮬레이션 결과를 도 2 및 표 1에 나타낸다. 단일 분사 경우에는, TDC 전에 20°의 크랭크 각도로 발생하는 제 1 연료 분사 종료(EOI2)를 가지고; 연료 개질 없는 이중 분사 경우에는, 1.05 mg의 연료의 제 1 분사 경우와, 이전 TDC 압축 후, 즉 TDC 흡입 후에 405.7°의 크랭크 각도 발생하는 제 1 연료 분사 종료(EOI1), 그리고 TDC 전의 20°의 크랭크 각도로 발생하는 제 2 연료 분사 종료(EOI2)를 가지며; 연료 개질을 갖는 이중 분사 경우에는, 1.05 mg의 연료와, 이전 TDC 압축 후, 즉 TDC 흡입 전에 310.7°의 크랭크 각도 발생하는 제 1 연료 분사 종료(EOI1), 그리고 TDC 전의 20°의 크랭크 각도로 발생하는 제 2 연료 분사 종료(EOI2)를 갖는다.

표 1

변수	단일 분사	개질 없음	개질
분사된 연료, mg		15	15
분사 지속기간, CA deg.	10	10	10
EOI1, aTOC 연소	-	405.7	310.7
EOI2, aTOC	-20	-20	-20
분사량 1, mg	0	1.05	1.05
분사량 2, mg	15	13.95	13.95
NMEP, bar	3.46	3.44	3.46
CA10, deg. aTDC	0.9	-0.35	3.8
CA50, deg. aTDC	3.0	1.9	6.4
소음, MW/m²	4.1	3.4	3.5
T@IVC, K	426	424	431

도 2 및 표 1을 참조하여 기술한 바와 같이, 연산의 조건에서, NVO 기간 동안의 n-헵탄의 부분 산화 시에 해리된 열은 흡입 밸브 폐쇄시에 보다 높은 온도를 초래하지만, 부분 산화가 없는 경우에 비해 지체된 연소 페이싱을 초래한다. 흡입 밸브 폐쇄 시의 보다 높은 온도는 자동 점화 타이밍을 앞당기는 경향이 있다. 그러나, 연료의 부분 산화 생성물은 자동 점화 타이밍을 지체시키는 경향이 있다. 이것은 온도 영향과 조성 영향 사이에 경쟁이 있다는 것을 의미한다. 몇몇의 조건 하에서, 이들 중 하나를 조절할 수 있고, 다른 조건에서 다른 것을 조절할 수 있다. 도 3을 참조하면, 조성 영향은 NVO 기간의 TDC 전에 분사된, 압축 스트로크 동안에 분사된 15 mg의 연료 차지의 나머지를 갖는 연료의 양(약 1 mg 내지 약 4 mg 범위)을 조절한다.

상기 제어 모듈이 본원에 기술된 제어 구성을 바람직하게 수행하는 엔진 부하 및 속도 조건은 대략 200 내지 700 kPa BMEP(brake-mean-effective-pressure)로부터의 그리고 대략 1000 내지 4000 RPM으로부터의 부하 범위를 포함한다.

도 3은 개질 연료의 변화량과 함께 NVO 동안에 연료를 개질함으로써 점화 타이밍을 제어하도록 기술된 바와 같이 작동되는 엔진에 대한 시뮬레이션된 엔진 작동의 결과를 도시한다. 도 3a의 결과는, 단일 분사 작동, TDC 전에 발생하는 분사 종료(EOI)를 갖는 이중 분사 작동, 및 TDC 후에 발생하는 분사 종료(EOI)를 갖는 이중 분사 작동을 위한 개질 연료의 질량(mg)의 함수로서 연료 질량의 10%가 연소되는, 연산된 CA10, 즉 크랭크 각도 위치를 도시한다. 도 3b의 결과는, 단일 분사 작동, TDC 전에 발생하는 분사 종료(EOI)를 갖는 이중 분사 작동, 및 TDC 후에 발생하는 분사 종료(EOI)를 갖는 이중 분사 작동을 위한 개질 연료의 질량(mg)의 함수로서 연료 질량의 50%가 연소되는, 연산된 CA10, 즉 크랭크 각도 위치를 도시한 다. 이중 분사의 각각의 경우에 있어서, 분사 종료가 후속하는 분사의 20°의 크랭크 각도 bTDC로 발생되도록 나머지 연료를 분사하였다. 이러한 결과는, 실린더 차지의 점화가 NVO 기간의 TDC 전에 발생하는 분사 종료(EOI)를 갖는 이중 분사 작동으로 지체되는 것을 예시한다. 이에 따라, NVO 기간 동안에 얼마의 연료를 분사하는 것은 점화 타이밍을 지체시키고 엔진 소음을 감소시켜서, 더욱 높은 부하 조건에 대해 제어된 자동 점화 작동 범위를 늘이게 한다.

본 발명이 특정의 바람직한 실시예를 참조하여 기술되었지만, 본 발명의 사상 및 범위 내에서 변경이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 개시된 실시예에 제한되는 것이 아니라 하기의 청구범위에 의한 범위를 갖는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 엔진의 개략적인 도면,

도 2는 본 발명에 따른 데이터 그래프,

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 데이터 그래프.

Claims

제어된 자동 점화 모드에서 작동하는 압축 점화 엔진 내에서의 실린더 차지(cylinder charge)의 점화 타이밍을 제어하는 방법으로서, 상기 압축 점화 엔진은 제어가능한 흡입 및 배기 밸브 작동 장치를 구비한, 상기 점화 타이밍 제어 방법에 있어서,

조작자 토크 요구에 근거하여 실린더 차지를 형성하도록 상기 실린더 내에 디젤 연료를 분사하는 연료 차지(fuel charge)를 결정하는 단계;

상기 실린더 차지에 대한 점화 타이밍을 결정하는 단계;

상기 실린더 내의 연료 차지의 일부를 부분적으로 산화하도록 압축 스트로크 바로 전에 네가티브 밸브 오버랩 기간(negative valve overlap period) 동안 상기 연료 차지의 일부를 상기 실린더 내로 분사하는 단계로서, 상기 연료 차지의 부분적으로 산화된 부분의 질량은 상기 실린더 차지의 상기 점화 타이밍에 근거한, 상기 연료 차지의 부분 분사 단계; 및

바로 후속하는 압축 스트로크 시에 상기 연료 차지의 나머지를 상기 실린더 내에 분사하는 단계;를 포함하는 점화 타이밍 제어 방법.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 네가티브 밸브 오버랩 기간 동안 피스톤 주행의 상사점 전에 상기 분사가 종료되도록, 상기 네가티브 밸브 오버랩 기간 동안에 상기 연료의 일부를 상기 실린더 내로 분사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 점화 타이밍 제어 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 분사의 종료는 상기 네가티브 밸브 오버랩 기간 동안 피스톤 주행의 상사점 보다 20°전에 발생하는 것을 특징으로 하는 점화 타이밍 제어 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 네가티브 밸브 오버랩 기간은, 상기 실린더에 대한 상기 흡입 밸브의 개방과 상기 배기 밸브의 폐쇄 사이에 네가티브 밸브 오버랩 기간을 형성하도록 흡입 및 배기 밸브의 개폐를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 점화 타이밍 제어 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 점화 타이밍을 점점 지체하도록 상기 네가티브 밸브 오버랩 기간 동안에 분사된 상기 연료 차지의 일부를 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 점화 타이밍 제어 방법.
제어된 자동 점화 모드에서 작동하는 압축 점화 엔진 내에서 점화 타이밍을 지체시키기 위한 방법에 있어서,

조작자 토크 요구를 충족하도록 실린더 내로의 직접분사를 위한 연료 차지를 결정하는 단계;

상기 실린더에 대한 흡입 밸브의 개방과 배기 밸브의 폐쇄 사이에 네가티브 밸브 오버랩 기간을 형성하도록 상기 흡입 및 배기 밸브의 개폐를 조절하는 단계;

상기 네가티브 밸브 오버랩 기간 동안에 상기 연료 차지의 일부를 상기 실린더 내로 분사하는 단계로서, 상기 분사의 종료는 피스톤 주행의 상사점 전에 발생하는, 상기 연료 차지의 실린더 내로의 분사 단계;

바로 후속하는 압축 스트로크 시에 상기 연료 차지의 나머지를 상기 실린더 내에 분사하는 단계;를 포함하는 점화 타이밍 지체 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 실린더에 대한 흡입 밸브의 개방과 배기 밸브의 폐쇄 사이에 네가티브 밸브 오버랩 기간을 형성하도록 상기 흡입 및 배기 밸브의 개폐를 조절하는 단계는, 상기 배기 밸브와 상기 흡입 밸브를 작동시키는 배기 및 흡입 캠샤프트의 페이싱(phasing)을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 점화 타이밍 지체 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 실린더에 대한 흡입 밸브의 개방과 배기 밸브의 폐쇄 사이에 네가티브 밸브 오버랩 기간을 형성하도록 상기 흡입 및 배기 밸브의 개폐를 조절하는 단계는, 상기 배기 밸브와 상기 흡입 밸브의 리프트 정도를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 점화 타이밍 지체 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 실린더에 대한 흡입 밸브의 개방과 배기 밸브의 폐쇄 사이에 네가티브 밸브 오버랩 기간을 형성하도록 상기 흡입 및 배기 밸브의 개폐를 조절하는 단계는, 상기 배기 밸브의 폐쇄 시간을 앞당기고 동일한 양만큼 상기 흡입 밸브의 개방 시간을 지체하도록 흡입 및 배기 밸브 작동 장치를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 점화 타이밍 지체 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 네가티브 밸브 오버랩 기간 동안에 상기 연료 차지의 일부를 상기 실린더 내로 분사하는 단계는, 상기 실린더의 점화 타이밍에 근거하여 상기 연료 차지의 일부를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 점화 타이밍 지체 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 점화 타이밍을 점점 지체하도록 상기 네가티브 밸브 오버랩 기간 동안에 분사된 연료의 일부를 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 점화 타이밍 지체 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 네가티브 밸브 오버랩 기간 동안에 상기 연료 차지의 일부를 각각의 연료실 내로 분사하는 단계는, 상기 네가티브 밸브 오버랩 기간의 상사점 전에 상기 연료 차지의 일부의 분사를 개시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 점화 타이밍 지체 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 분사 종료가 피스톤 주행의 상사점 전에 발생하도록 상기 네가티브 밸브 오버랩 기간 동안에 상기 연료 차지의 일부를 상기 실린더 내로 분사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 점화 타이밍 지체 방법.
제 14 항에 있어서,

상기 분사의 종료는 상기 네가티브 밸브 오버랩 기간 동안 피스톤 주행의 상사점 보다 20°전에 발생하는 것을 특징으로 하는 점화 타이밍 지체 방법.
제어된 자동 점화 모드에서 선택적으로 작동하는 압축 점화 엔진 내에서의 실린더 차지(cylinder charge)의 점화 타이밍을 제어하도록 작동하는 기계 실행가능한 프로그램을 포함한 저장 매체를 포함하는 제품으로서, 상기 압축 점화 엔진은 제어가능한 흡입 및 배기 밸브 작동 장치를 구비한, 상기 제품에 있어서,

상기 프로그램은,

조작자 토크 요구에 근거하여 상기 실린더로의 직접분사에 대한 연료 차지의 총 질량을 결정하는 코드;

상기 실린더 차지에 대한 점화 타이밍을 결정하는 코드;

상기 실린더에 대한 상기 흡입 밸브의 개방과 상기 배기 밸브의 폐쇄 사이에 네가티브 밸브 오버랩 기간을 형성하도록 상기 흡입 및 배기 밸브의 개폐를 조절하는 코드;

상기 네가티브 밸브 오버랩 기간에 상기 연료 차지의 일부를 상기 실린더 내로 분사하도록 연료 분사를 제어하는 코드로서, 상기 분사의 종료가 피스톤 주행의 상사점 전에 발생하는, 상기 연료 분사 제어 코드; 및

바로 후속하는 압축 스트로크 시에 상기 연료 차지의 나머지를 상기 실린더 내에 분사하도록 연료 분사를 제어하는 코드;를 포함하는 제품.
제 16 항에 있어서,

상기 네가티브 밸브 오버랩 기간에 상기 연료 차지의 일부를 상기 실린더 내로 분사하도록 연료 분사를 제어하는 코드는, 상기 실린더 차지에 대한 점화 타이밍에 근거한 상기 네가티브 밸브 오버랩 기간 동안에 분사된 연료의 일부를 제어하는 코드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
제 17 항에 있어서,

상기 실린더 차지에 대한 점화 타이밍에 근거한 상기 네가티브 밸브 오버랩 기간 동안에 분사된 연료의 일부를 제어하는 코드는, 상기 점화 타이밍을 점점 지체하도록 상기 네가티브 밸브 오버랩 기간 동안에 상기 연료 차지의 분사된 부분을 상기 실린더 내에 증가시키는 코드를 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
제 18 항에 있어서,

상기 네가티브 밸브 오버랩 기간 동안에 분사된 연료의 일부는, 상기 연료 차지의 50%와 최소의 제어가능한 양 사이의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 제품.