KR101114812B1 - 예혼합 압축 착화 엔진 - Google Patents

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Abstract

HCCI 엔진은 HCCI 연소 동안의 작동에서 음의 오버랩 기간을 갖는다. 음의 오버랩 기간 동안, 배기 행정에서 피스톤이 상사점 근처에 있을 때 흡기 밸브와 배기 밸브는 모두 닫힘에 따라, 연소된 가스는 연소실 내부에 잔류한다. 상기의 엔진에는 쓰로틀, 연료 밸브, 및 ECU 가 설치된다. ECU 가, SI 연소가 HCCI 연소로 전환되는 기간 동안, 쓰로틀을 제어함에 따라 쓰로틀의 개도는 SI 정상 작동시의 개도로부터 HCCI 정상 작동시의 개도로 증가한다. 동시에, ECU 가 연료 밸브를 제어함에 따라, 흡기 통로로 공급되는 연료의 양은 SI 정상 작동시의 양보다 많아지게 된다.

Description

예혼합 압축 착화 엔진{HOMOGENEOUS CHARGE COMPRESSION IGNITION ENGINE}
본 발명은 연소 모드가 불꽃 점화 연소와 예혼합 압축 착화 연소 사이에서 전환될 수 있는 예혼합 압축 착화 엔진에 관한 것이다.
최근에, 우수한 연비 및 열효율이 얻어질 수 있는 예혼합 압축 착화 (HCCI) 엔진들이 관심을 끌어왔고, 이러한 엔진들에 대하여 다양한 연구들이 행해졌다. 대부분의 HCCI 엔진들에서는, 엔진의 흡기 통로 안에서 연료와 공기의 혼합을 통하여 공기-연료 혼합물이 만들어지고, 이러한 공기-연료 혼합물이 연소실에 공급될 수 있다. 이 후, 연소실 내부에 들어 있는 공기-연료 혼합물은, 압축 행정시의 피스톤의 상승에 따라, 온도와 압력이 증가하게 되어, 자발적으로 착화한다. HCCI 엔진의 실용화 측면에서 극복되어야 할 하나의 장애물은, 예혼합 압축 착화(HCCI) 연소를 안정적으로 제어할 수 있는 엔진의 작동 범위가 아직 좁다는 점이다. 이러한 장애물을 극복하기 위하여, 예를 들어 GHPs (gas heat pumps) 용 가스 엔진과 같은, 통상적으로 사용되는 작동 범위가 비교적 좁은 고정형 엔진(stationary engine)에서 HCCI 연소를 수행하는 경향이 있다. 또한, 연소 모드를 전환시켜, 자주 사용되는 중 회전 및 중 부하 범위에서는 HCCI 연소를 수행하고, 저 회전 범위 및 고 회전 범위 그리고 저 부하 범위 및 고 부하 범위에서는 불 꽃 점화 (SI) 연소를 수행하는 엔진이 또한 제안되었다. 예를 들어, 일본 특허 공개 공보 2000-220458 및 일본 특허 공개 공보 2004-293471에서는, 연소 모드를 SI 연소와 HCCI 연소 사이에서 전환 시킬 수 있는 HCCI 엔진을 제어하는 방법을 개시하였다.
일본 특허 공개 공보 2000-220458에서는, SI 연소를 HCCI 연소로 전환할 때, 쓰로틀을 서서히 개방함으로써, HCCI 연소시의 흡기량을 SI 연소시의 흡기량보다 더 많아지게 한다. 결과적으로, HCCI 연소시의 공연비가 SI 연소시의 공연비보다 높아짐에 따라, 공기-연료 혼합물은 HCCI 연소를 통한 작동시에 린(lean)해지고, 연비와 열효율은 증가한다.
또한, 일본 특허 공개 공보 2004-293471에서는, SI 연소가 HCCI 연소로 전환될 때, 쓰로틀 개도(throttle opening degree)를 SI 연소시의 개도와 HCCI 연소시의 개도 사이의 레벨로 일시적으로 고정한다. 결과적으로, 운전 능력(drivability)이 유지되면서 펌핑 로스(pumping loss)가 감소되어, 연비가 증가한다.
연소 모드가 HCCI 연소로 전환되기 전인 SI 연소 상태에서는, 쓰로틀 개도는 닫힘 각(closing angle)을 갖는다. 따라서, 흡기 통로 내에 있어서 쓰로틀 양측의 부분들 사이에는 압력차가 존재한다. 구체적으로, 쓰로틀의 연소실에 해당하는 측의 흡기 통로 부분은 음압(negative pressure) (흡기음압) 에 도달하고, 연소실 반대 측의 흡기 통로 부분은 실질적으로 대기압에 도달한다. 상기 일본 특허 공개 공보 2000-220458 및 일본 특허 공개 공보 2004-293471에 설명된 구 성에서, 쓰로틀을 열면, 압력차로 인하여 쓰로틀 근처의 공기의 유량(flow rate)이 급격히 증가한다. 따라서, 쓰로틀 근처에 연료 공급부가 위치한 경우, 공기-연료 혼합물은 과도하게 린해진다. 결과적으로, SI 연소가 HCCI 연소로 전환되는 기간 동안, 엔진은 실화(misfire)하거나 정지(stall)할 수 있다. 특히, 공기-연료 혼합물을 공급하기 위하여 혼합기(mixer) 혹은 카뷰레터(carburetor)가 사용되는 경우에는, 쓰로틀로부터 상류 지점 및 쓰로틀 근처에 연료가 공급되고, 따라서 공기-연료 혼합물의 공연비 (과잉 공기비(excess air ratio)) 는 쓰로틀의 열림과 닫힘에 크게 영향을 받는다.
HCCI 연소를 위해 요구되는 공기-연료 혼합물의 과잉 공기비가 높은 경우에는 린해진 공기-연료 혼합물이 중요한 문제는 아니다. 하지만, HCCI 연소시에 음의 오버랩 기간(negative overlap period)을 갖고, 내부 EGR 을 사용하는 HCCI 엔진에서, HCCI 연소가 수행되는 경우, 비교적 리치(rich)한 공기-연료 혼합물을 연소실에 공급할 필요가 있다. 즉, 공연비를 조절함으로써, 과잉 공기비를 낮출 필요가 있다. 이러한 경우, 전술한 린한 공기-연료 혼합물은 중요한 문제를 일으킨다. 음의 오버랩 기간은, 배기 행정에서 피스톤이 상사점의 근처에 위치할 때, 배기 밸브 및 흡기 밸브 모두가 닫혀 있는 기간이다. 특히, 높은 연비와 적은 양의 NOx 배출을 달성하기 위해서, SI 연소시에 린 연소가 수행되는 경우가 있다. 이러한 경우, 과잉 공기비가 때때로 HCCI 연소시의 과잉 공기비보다 높아지게 되므로 전술한 문제는 더욱 현저해진다.
이와 같이, 쓰로틀이 열림을 개시할 때, 흡기량은 매우 급격하게 증가한다. 따라서, 일본 특허 공개 공보 2000-220458 및 일본 특허 공개 공보 2004-293471 에서 개시된 기술을 이용하여 흡기량을 조절한다 하여도, 이러한 흡기량의 급격한 증가 및 그로 인한 공기-연료 혼합물의 과도한 린화를 억제하기는 어렵다.
따라서, 본 발명의 목적은 연소모드가 SI 연소에서 HCCI 연소로 전환되는 때에 쓰로틀의 개방시에 발생하는 공기-연료 혼합물의 과도한 린화를 방지함으로써, 실화를 방지하는 HCCI 엔진을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 양상은 연소실과 이러한 연소실에 연결되어 있는 흡기 통로를 갖는 예혼합 압축 착화 엔진을 제공한다. 이러한 엔진에서, 연소 모드는 전환 기간을 통하여 불꽃 점화 연소와 예혼합 압축 착화 연소 사이에서 전환된다. 엔진은 예혼합 압축 착화 연소 동안의 작동에서 음의 오버랩 기간을 갖는다. 이러한 음의 오버랩 기간은 연소된 가스가 연소실 내부에 잔류하도록, 배기 행정에서 피스톤이 상사점의 근처에 있을 때 흡기 밸브 및 배기 밸브 모두가 닫혀 있는 기간이다. 엔진은 쓰로틀, 조절부, 및 제어부를 갖는다. 쓰로틀은 연소실에 공급되는 공기의 양을 조절한다. 조절부는 흡기 통로에 공급되는 연료의 양을 조절한다. 제어부는 쓰로틀과 조절부를 제어한다. 제어부는, 불꽃 점화 연소가 예혼합 압축 착화 연소로 전환되는 시기 동안에, 쓰로틀을 제어하여, 쓰로틀의 개도를 불꽃 점화 연소에서의 정상(steady) 작동 시의 개도로부터 예혼합 압축 착화 연소에서의 정상 작동 시의 개도로 증가시킨다. 또한, 제어부는 조절부를 제어하여, 흡기 통로에 공급되는 연료의 양을 불꽃 점화 연소에서의 정상 작동 시의 양보다 많아지도록 한다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 HCCI 엔진의 전체 구성을 도시하는 개략도이다;
도 2 는 도 1 의 엔진의, 쓰로틀 개도, 연료 밸브 개도, 혼합기를 통과하는 유량, 및 과잉 공기비를 도시하는 차트이다;
도 3 은 도 1 의 엔진의 SI 및 HCCI의 작동 범위의 한 예를 도시하는 개략도이다;
도 4 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 HCCI 엔진의 전체 구성을 도시하는 개략도이다; 그리고
도 5 는 도 4 의 엔진의 쓰로틀 개도, 연료 밸브 개도, 혼합기를 통과하는 유량, 및 과잉 공기비를 도시하는 차트이다.
이하, 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.
도 1 을 참조하여, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 예혼합 압축 착화 엔진 (HCCI 엔진) 의 전체 구성을 설명한다.
엔진 (1) 은 연소실 (10), 연소실 (10) 에 연결되어 있는 흡기 통로 (11p), 흡기 밸브 (11v), 배기 밸브 (12v), 및 배기 통로 (12p) 를 갖는다. 엔진 (1) 은, 작동 조건 (부하와 엔진의 회전 수) 에 따라, 연소 모드를 불꽃 점화 연소 (SI 연소) 와 예혼합 압축 착화 연소 (HCCI 연소) 사이에서 적절하게 전환하면서 작동 한다. 따라서, 엔진 (1) 은 HCCI 연소에 기인한 높은 연비 및 SI 연소에 기인한 높은 출력 모두를 갖는다. 흡기 통로 (11p) 에는 혼합기 (4) 가 설치된다. 가스 연료가 연료 공급로 (2p) 를 통해 혼합기 (4) 에 공급되고, 혼합기 (4) 에서 공기와 연료가 혼합된다. 혼합기 (4) (흡기 통로 (11p)) 에 연결된 연료 공급로 (2p) 는 가스 연료에 대한 통로의 기능을 한다. 본 실시예에서 도시가스나 LPG와 같은 가스 연료가 연료로 사용되지만, 연료는 가스 연료로 한정되지는 않는다. 또한, 본 실시예에서는 연료와 공기가 혼합기 (4) 에서 혼합되지만, 이들은 혼합기 (4) 이외의 장치 (예를 들어 카뷰레터나 인젝터) 에서 혼합될 수도 있다.
또한, 엔진 (1) 은 HCCI 연소 동안의 작동에서 음의 오버랩 기간을 갖도록 제어된다. 엔진 (1) 은 음의 오버랩 기간 동안 내부 EGR을 이용하여 HCCI 연소를 수행할 수 있다. 음의 오버랩 기간은, 배기 행정에서 피스톤 (20)이 상사점의 근처에 위치할 때 흡기 밸브 및 배기 밸브 모두가 닫혀 있는 기간이다. 이러한 경우, 배기 밸브는 배기 행정에서 피스톤 (20) 이 상사점에 도달하기 전에 닫힌다. 결과적으로, 연소된 가스의 일부는 내부 EGR 가스로서 연소실 내부에 잔류하고, 다음 연소를 위해 사용된다. 전술한 구성에 의해 높은 온도의 내부 EGR 가스가 연소실 (10) 에 공급된 새로운 공기-연료 혼합물과 섞이게 되어, 연소실 (10) 내부의 온도가 증가한다. 결과적으로, HCCI 연소 동안의 착화성이 증가한다. 이와 같이, 음의 오버랩 기간의 길이를 조절함으로써, 착화 시기를 어느 정도까지 제어하는 것이 가능해진다. 내부 EGR이 전술한 바와 같이 사용되 므로 HCCI 연소시에, 비교적 리치한 공기-연료 혼합물을 연소실 (10) 에 공급하는 것이 필요하다. 이는, 내부 EGR 가스와 공기-연료 혼합물이 혼합될 때, 연소실 (10) 의 내부의 공연비가 HCCI 연소시에 요구되는 공연비가 되도록 조절되기 때문이다.
또한, 엔진 (1) 은 쓰로틀 (3) 및 조절부인 연료 밸브 (2v) 를 갖는다. 또한, 엔진 (1) 은 제어부인 ECU (electronic control unit) (5) 를 갖고, 연료 밸브 (2v), 쓰로틀 (3), 흡기 밸브 (11v), 점화 플러그 (60c), 및 배기 밸브 (12v) 는 와이어 (5a~5e) 를 통하여 각각 ECU (5) 에 전기적으로 연결되어 있다. 따라서, ECU (5) 는 연료 밸브 (2v), 쓰로틀 (3), 흡기 밸브 (11v), 점화 플러그 (60c), 및 배기 밸브 (12v) 의 작동을 제어한다. 더 상세하게는, 흡기 밸브 (11v) 와 배기 밸브 (12v) 는 각각 캠 (11c,12c) 을 갖고, ECU (5) 는 캠 (11c,12c) 의 작동을 제어함으로써, 흡기 밸브 (11v) 및 배기 밸브 (12v) 의 개폐 조작을 제어한다. 또한, 점화 플러그 (60c) 는 SI 연소시에 사용된다.
도 1 에서 도시된 바와 같이, 쓰로틀 (3) 은 축 (3c), 밸브부 (3v), 및 축 (3c) 을 구동하기 위한 스텝 모터 (도시되지 않음) 를 갖는다. 밸브부 (3v) 는 축 (3c) 을 중심으로 회전가능하다. 또한, ECU (5) 에 의한 스텝 모터의 제어를 통하여 밸브부 (3v) 의 개도가 조절되고, 따라서 흡기 통로 (11p) 를 거쳐 연소실 (10) 에 공급되는 공기의 흡기량이 조절된다.
연료 밸브 (2v) 는 연료 공급로 (2p) 에 설치되어 있다. 연료 밸브 (2v) 의 개도는 ECU (5) 에 의해 제어된다. 결과적으로, 흡기 통로 (11p) 에 공급되 는 연료의 양이 조절된다.
다음, 도 2 를 참조하여 엔진 (1) 의 작동에 대해 설명한다. 도 2 는 엔진 (1) 의 쓰로틀 개도, 연료 밸브 개도, 혼합기를 통과하는 유량, 및 과잉 공기비를 도시하는 차트이다. 도 2 의 횡축은 연소 싸이클의 수를 나타낸다. 쓰로틀 개도 및 연료 밸브 개도는 ECU (5) 에 의해 제어된 상태를 나타내고, 혼합기를 통과하는 유량 및 과잉 공기비는 이러한 제어를 통해 얻어진 결과를 나타낸다. 또한, 도 2 에서, HCCI 연소는 내부 EGR을 이용하여 수행된다. 따라서, 엔진 (1) 이 HCCI 연소 동안 정상적으로 작동할 때, 즉 HCCI 정상 작동(steady HCCI operation)시의, 쓰로틀 개도, 연료 밸브 개도, 혼합기를 통과하는 유량, 및 과잉 공기비는 내부 EGR이 수행되는 경우의 양 혹은 값이다.
본 발명에 따른 엔진 (1) 에서, 도 3 에서 도시된 바와 같이, 연소 모드는 엔진 부하와 엔진 회전수에 따라 HCCI 연소와 SI 연소 사이에서 전환된다. 따라서, "SI 연소로부터 HCCI 연소로의 전환"은 도 3 의 화살표로 도시된 바와 같이 다양한 전환 패턴들을 포함한다. 도 2 의 차트는 다양한 전환 패턴들 중의 한 예이고, 본 실시예는 도 2 에 도시된 패턴으로 제한되지는 않는다.
또한, 본 실시예에 따른 HCCI 엔진 (1) 의 ECU (5) 는 도 2 의 차트에서 도시된 것과 같은 전환시의 제어 패턴을 갖고, 도 2 에 도시된 이러한 패턴에 추가로, 도 3 에서와 같은 (SI로부터 HCCI로의) 다양한 전환 패턴들에 해당하는 다양한 제어 패턴들을 갖는다.
도 2 의 "쓰로틀 개도"는 쓰로틀 (3) 의 개도를 나타낸다. 도 2 에서 도 시된 바와 같이, 쓰로틀 개도는 HCCI 정상 작동시에 완전히 열리도록 된다. 또한, "연료 밸브 개도"는 연료 밸브 (2v) 의 개도를 나타낸다.
또한, 도 2 에서, "혼합기를 통과하는 유량"은 혼합기 (4) 를 통과하는 공기-연료 혼합물의 유량을 나타낸다. 또한, 도 2 에서, "과잉 공기비"는 흡기 통로 (11p) 를 통하여 연소실 (10) 에 공급되는 공기-연료 혼합물의 공연비를 이론적인 공연비로 나누어 얻어진 값이다. 과잉 공기비를 얻기 위해 사용되는 공연비는 도 1 의 쓰로틀 (3) 과 연소실 (10) 사이에 설치된 센서 (50) 에 의하여 측정된다. 과잉 공기비가 높아질수록, 공기-연료 혼합물은 더욱 린해진다.
도 2 의 실선들은 본 실시예에 따른 제어 상황에서의 상태를 도시한다. 본 실시예에 따르면, 쓰로틀 개도는 연소 모드가 SI 연소에서 HCCI 연소로 전환되는 기간 동안 단계적으로 증가하고, 연료 밸브 개도는 한번에 증가한 후, HCCI 연소에 대해 요구되는 개도로 변경된다. 점선은 연소 모드가 SI 연소에서 HCCI 연소로 전환되는 기간 동안, 쓰로틀 개도가 곧바로 완전히 열린 상태로 증가하고, 연료 밸브 개도는 HCCI 연소에 대해 요구되는 개도로 곧바로 변화하는 경우의 상태를 도시한다.
전술한 바와 같이, 흡기 통로 (11p) 에 있어서 쓰로틀 (3) 의 양측의 부분들 사이에는 압력차가 존재한다. 구체적으로, 쓰로틀 (3) 의 연소실 (10) 에 해당하는 측의 흡기 통로 (11p) 부분은 음압 (흡기음압) 에 도달하고, 연소실 (10) 반대 측의 흡기 통로 (11p) 부분은 실질적으로 대기압에 도달한다. 점선에 의해 도시된 예에서, 쓰로틀 개도는 SI 연소 동안의 엔진 (1) 의 정상 작동시 (SI 정상 작동시) 의 개도로부터 HCCI 정상 작동 시의 개도 (완전히 열린 상태) 까지 곧바로 증가하고 ((1) 참조), 연료 밸브 개도는 HCCI 연소 동안에 요구되는 개도 (HCCI 정상 작동시의 개도) 로 곧바로 감소한다 ((2) 참조). 이러한 경우, 전술한 압력차에 의해 혼합기를 통과하는 유량이 급격하게 증가하고 ((3) 참조), 전환 기간 동안의 과잉 공기비는 급격하게 증가한다 ((4)참조). 결과적으로, 공기-연료 혼합물이 과도하게 린해지고, 따라서 엔진의 실화나 정지가 일어나기 쉬워진다.
전술한 바와 같이, 내부 EGR이 압축 착화 작동시에 엔진 (1) 에서 수행되므로 연소실 (10) 에 비교적 리치한 공기-연료 혼합물을 공급하는 것이 필요하다. 따라서, 공기-연료 혼합물이 린해지는 경우에는 ((4) 참조), 실화와 같은 문제들이 중요해진다. 구체적으로, 높은 연비와 적은 양의 NOx 배출을 달성하기 위하여, SI 연소 동안에 린 연소가 수행되는 경우가 있다. 이러한 경우, 과잉 공기비가 때때로 HCCI 연소시의 과잉 공기비보다 커지고, 전술한 문제점들은 더욱 중요해진다.
한편, 본 발명에 따른 엔진 (1) 에서, ECU (5) 는 SI 연소로부터 HCCI 연소로의 전환 기간 동안, 쓰로틀 (3) 을 제어하여, 쓰로틀 (3) 의 개도를 SI 정상 작동시의 개도로부터 HCCI 정상 작동시의 개도까지 증가시킨다 ((A) 참조). 또한 ECU (5) 는 이러한 전환 기간 동안에 연료 밸브 (2v) 를 제어함으로써, 흡기 통로 (11p) 에 공급되는 연료의 양을 SI 정상 작동시에 공급되는 연료의 양보다 많아지게 한다 ((B) 참조). 결과적으로, 혼합기를 통과하는 유량이 급격하게 증가하는 것이 방지되고 ((C) 참조), 전환 기간 동안의 SI 연소시의 과잉 공기비는 급격 한 증가 없이, HCCI 연소시의 과잉공기비로 서서히 변화한다 ((D) 참조). 따라서, 공기-연료 혼합물이 과도하게 린해지는 것이 방지될 수 있다.
또한, 전환 기간 동안의 쓰로틀 (3) 의 개도는 HCCI 정상 작동시의 개도까지 단계적으로 증가할 수 있도록, ECU (5) 에 의하여 제어된다 ((A) 참조). ECU (5) 는, 2 단계 이후의 하나 이상의 단계에서, 1 단계의 증가량보다 더 많은 증가량만큼 쓰로틀 (3)의 개도를 증가시킨다. 도 2 에서, 2 단계 ((b) 참조) 및 3 단계 ((c) 참조) 의 증가량은 1 단계 ((a) 참조) 의 증가량보다 많다.
쓰로틀 (3) 이 단계적으로 제어됨에 따라, 혼합기를 통과하는 유량에는 여러 단계의 피크 유량이 발생한다. 피크 유량이 발생하는 각각의 시기는, 쓰로틀 (3) 이 열린 직후의 시기에 해당한다 ((C) 참조). 또한, 쓰로틀 (3) 의 개도는 단계적으로 제어되는 것이 필요하지 않을 수도 있는데, 예를 들어, SI 연소시의 개도로부터 HCCI 연소시의 개도까지 단조롭게 증가할 수도 있다. 이러한 경우, 연소 싸이클의 수에 대한 개도의 증가량 (즉, 개도의 증가비율) 을 작게 할 수도 있다.
또한, 쓰로틀 (3) 의 개도가 HCCI 정상 작동시의 개도로 되기 전에, ECU (5) 는 흡기 통로 (11p) 에 공급되는 연료의 양이 SI 정상 작동시에 공급되는 연료의 양보다 많아지도록, 연료 밸브 (2v) 를 제어한다. 또한, ECU (5) 는, 쓰로틀 (3) 의 개도가 HCCI 정상 작동시의 개도가 된 후, 흡기 통로 (11p) 에 공급되는 연료의 양이 HCCI 정상 작동시에 공급되는 연료의 양이 되도록, 연료 밸브 (2v) 를 제어한다 ((A) 및 (B) 참조). 전술한 바와 같이, 공기-연료 혼합물이 과도하게 린해지는 전환 기간 동안만 공급된 연료의 양이 증가하므로, 공기-연료 혼합물이 일시적으로 린해지는 것이 효율적으로 방지되면서, 연소 모드가 SI 연소에서 HCCI 연소로 매끄럽게 전환된다.
이러한 구성에서는, 흡기량이 급격히 증가할 때 공기-연료 혼합물이 과도하게 린해지는 것이 방지된다. 따라서, 엔진 (1) 이 실화되는 것이 방지된다. 또한, 토크의 단차의 발생, HC 와 CO의 증가, 및 HC 와 CO의 증가로 인한 연비의 감소가 방지된다.
또한, 전환 기간 동안, 쓰로틀 (3) 의 개도가 HCCI 정상 작동시의 개도까지 단계적으로 증가하므로, 흡기량이 급격히 증가하는 것이 방지되고, 공기-연료 혼합물이 과도하게 린해지는 것이 방지된다.
또한, 전환 기간 동안의 쓰로틀 (3) 개도의 2 단계 이후의 증가량 중의 적어도 하나는 1 단계의 증가량보다 크다. 따라서, 쓰로틀 (3) 이 열림을 개시하는 기간 (1 단계) 동안 , 즉 쓰로틀 (3) 을 미세하게 열면, 흡기량이 급격히 증가하는 것이 실패 없이 방지되고, 공기-연료 혼합물이 과도하게 린해지는 것이 방지된다. 본 실시예는 이러한 제어에 한정되지는 않는다.
또한, SI 연소시에 엔진의 부하가 높아질수록, 쓰로틀 개도는 더욱 커진다. 이러한 경우, 전환 시기 동안의 쓰로틀 개도의 단계적 제어의 단계수를 감소시켜, 단계 당 개도의 변화량을 증가시키는 것이 바람직하다. 또한, 연료 밸브 개도의 증가량은, 작동 부하가 높아질수록, 감소시키는 것이 바람직하다.
다음, 도 4 및 도 5 를 참조하여, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 HCCI 엔진 (100) 에 대하여 설명한다. 이하, 제 1 실시예의 부분들과 다른 부분들을 주로 설명한다. 제 1 실시예의 부분과 유사한 부분에는 동일한 부호를 부여하고, 그에 대한 설명은 생략한다.
엔진 (100) 에서 가스 연료가 사용된다. 또한 도 4 에서 도시된 바와 같이, 흡기 통로 (111p) 에 혼합기 (4) 가 설치되어, 혼합기 (4) 에서 공기와 연료가 혼합된다. 또한, 혼합기 (4) 에는 제 1 연료 공급로 (102p) 가 연결되어 있다. 제 1 연료 공급로 (102p) 는 제 1 실시예의 연료 공급로 (2p) 에 해당한다. 또한, 제 1 연료 공급로 (102p) 내부의 연료 밸브 (2v) 로부터 상류인 부분으로부터 제 2 연료공급로 (4p) 가 분기하고, 제 2 연료 공급로 (4p) 는 흡기 통로 (111p) 에 연결되어 있다. 즉, 제 1 연료 공급로 (102p) 와 제 2 연료 공급로 (4p) 가 분기하는 지점과 혼합기 (4) 사이의 제 1 연료 공급로 (102p) 부분에, 연료 밸브 (2v) 가 설치되어 있다. 제 2 연료 공급로 (4p) 와 제 1 연료 공급로 (102p) 는 연결되어 있다.
또한, 제 2 연료 공급로 (4p) 에는 온-오프 밸브 (연료 공급량 조절부) (4v) 가 설치되어 있다. 또한, 온-오프 밸브 (4v) 는 와이어 (5f) 를 통하여 ECU (105) 에 전기적으로 연결되어 있다. 또한, ECU (105) 는 연료 밸브 (2v), 쓰로틀 (3), 흡기 밸브 (11v), 점화 플러그 (60c), 배기 밸브 (12v), 및 온-오프 밸브 (4v) 의 작동을 제어한다.
다음, 도 5 를 참조하여 엔진 (100) 의 작동을 설명한다. 도 5에서, "온-오프 밸브"는 온-오프 밸브 (4v) 의 개폐 상태이다. 도 5 에서 도시한 바와 같이, 온-오프 밸브 (4v) 는 SI 정상 작동시 및 HCCI 정상 작동시에는 닫힌 상태이다. 따라서, 엔진 (100) 에서, 온-오프 밸브 (4v) 의 개폐를 통하여, 일정량의 연료를 혼합기 (4) 와는 별도로 흡기 통로 (111p) 에 공급한다.
도 5 의 차트의 파선은, 온-오프 밸브 (4v) 의 개폐가 행해지지 않는 경우 (온-오프 밸브 (4v) 가 없거나, 온-오프 밸브 (4v) 가 제어되지 않는 경우) 를 도시한다.
전술한 바와 같이, 흡기 통로(111p) 내부의 쓰로틀 (3) 의 양측의 부분들 사이에는 압력차가 존재한다. 구체적으로, 쓰로틀 (3) 의 연소실 (10) 에 해당하는 측의 흡기 통로 (111p) 부분은 음압 (흡기음압) 에 도달하고, 연소실 (10) 반대 측의 흡기 통로 (111p) 부분은 실질적으로 대기압에 도달한다. 연소 모드가 SI 연소에서 HCCI 연소로 전환되는 경우, ECU (105) 는 쓰로틀 (3) 의 개도를 SI 정상 작동시의 개도로부터 HCCI 정상 작동시의 개도 (완전히 열린 상태) 로 곧바로 증가시킨다 ((E) 참조, 도 2 의 파선 (1) 과 동일). 온-오프 밸브 (4v) 의 개폐가 행해지지 않은 경우에는 ((5) 참조), 혼합기를 통과하는 유량이 전술한 압력차에 의하여 급격히 증가하고 ((G) 참조, 도 2 의 (3) 과 동일), 전환 기간 동안의 과잉 공기비는 급격히 증가한다 ((6) 참조). 결과적으로, 공기-연료 혼합물은 매우 린해지고, 엔진은 때때로 실화하거나 멈춘다.
제 2 실시예에 따르면, 도 2 의 (2) 와 같은 방식으로, 연료 밸브 (2v) 의 개도 (연료 밸브 개도) 는 HCCI 연소에 대해 요구되는 개도 (HCCI 정상 작동시 개도) 로 곧바로 감소된다.
한편, 도 5 의 차트의 실선은 온-오프 밸브 (4v) 의 개폐가 행해진 경우를 도시한다. 이러한 경우, 전환 기간 동안의 혼합기를 통과하는 유량이, 정상 SI 작동시의 혼합기를 통과하는 유량과 비교하여, 급격하게 증가하는 동안 ((G) 참조), ECU (105) 는 온-오프 밸브 (4v) 를 열린 상태가 되도록 제어한다 ((F) 참조). 결과적으로, 전환 기간 동안의 SI 연소시의 과잉 공기비는 갑작스러운 증가 없이 서서히 HCCI 연소시의 과잉 공기비로 변화한다 ((H) 참조). 결과적으로, 공기-연료 혼합물이 과도하게 린해지는 것이 방지될 수 있다.
전술한 바와 같이, 가스 연료를 사용하는 엔진 (100) 에서는, 일정량의 연료가 혼합기 (4) 와는 별도로 흡기 통로 (111p) 에 공급된다. 따라서, 엔진 (100) 은 공기-연료 혼합물이 과도하게 린해지는 것이 방지될 수 있는 간단한 구성을 갖는다.
또한, 쓰로틀 (3) 의 개도가 HCCI 정상 작동시의 개도로 되기 전에, ECU (105) 는 온-오프 밸브 (4v) 를 제어하여, 흡기 통로 (111p) 에 공급되는 연료의 양을 SI 정상 작동시에 공급되는 연료의 양보다 많아지게 (즉, 밸브가 열린 상태가 되도록) 한다. 또한, 쓰로틀 (3) 의 개도가 HCCI 정상 작동시의 개도가 된 후에, ECU (105) 는 온-오프 밸브 (4v) 를 제어하여, 흡기 통로 (111p) 에 공급되는 연료의 양이 HCCI 정상 작동시에 공급되는 연료의 양으로 되도록 (즉, 밸브는 닫힌 상사태 되도록) 한다. 전술한 바와 같이, 공기-연료 혼합물이 과도하게 린해지는 전환 기간 동안만, 공급된 연료의 양이 증가하므로, 공기-연료 혼합물이 일시적으로 린해지는 것이 효율적으로 방지되면서, 연소 모드가 SI 연소로부터 HCCI 연소 로 매끄럽게 전환된다.
본 발명은 전술한 세부사항에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 청구항의 범위 및 그와 균등한 범위 내에서 변경될 수 있다.

Claims (6)

  1. 연소실 및 상기 연소실에 연결된 흡기 통로를 갖는 예혼합 압축 착화 엔진에 있어서, 상기 엔진은 전환 기간을 통하여 연소 모드를 불꽃 점화 연소와 예혼합 압축 착화 연소 사이에서 전환시킬 수 있도록 하고, 상기 엔진은 예혼합 압축 착화 연소 동안의 작동에서 음의 오버랩 기간을 갖고, 상기 음의 오버랩 기간은, 연소된 가스가 연소실 내부에 잔류하도록, 배기 행정에서 피스톤이 상사점 근처에 있을 때 흡기 밸브 및 배기 밸브 모두가 닫혀있는 기간이고, 상기 엔진은
    상기 연소실에 공급되는 공기의 양을 조절하는 쓰로틀;
    상기 쓰로틀로부터의 상류 지점에서 상기 흡기 통로에 공급되는 연료의 양을 조절하는 조절부; 및
    상기 쓰로틀과 상기 조절부를 제어하는 제어부로서, 상기 불꽃 점화 연소가 상기 예혼합 압축 착화 연소로 전환되는 기간 동안, 상기 쓰로틀을 제어하여, 상기 쓰로틀의 개도를 상기 불꽃 점화 연소에서의 정상 작동시의 개도로부터 상기 예혼합 압축 착화 연소에서의 정상 작동시의 개도까지 증가시키고, 그리고 상기 조절부를 제어하여, 상기 흡기 통로에 공급되는 연료의 양을 상기 불꽃 점화 연소에서의 정상 작동시의 양보다 많아지게 하는 제어부를 포함하는 예혼합 압축 착화 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 흡기 통로에 연결된 연료 공급로를 더 포함하고,
    상기 조절부는 상기 연료 공급로에 설치된 연료 밸브이고, 그리고
    상기 제어부는 상기 전환 기간 동안 상기 쓰로틀의 개도를 단계적으로 증가 시키는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축 착화 엔진.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제어부는, 2 단계 이후의 하나 이상의 단계에서, 1 단계의 증가량보다 많은 증가량만큼 상기 쓰로틀의 개도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축 착화 엔진.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡기 통로 안에 위치하고, 흡입한 공기를 연료와 혼합시키는 혼합기;
    상기 혼합기에 연료를 공급하기 위한 제 1 연료 공급로; 및
    상기 제 1 연료 공급로로부터 분기하여 흡기 통로에 연결되어 있는 제 2 연료 공급로를 더 포함하고,
    상기 연료는 가스 연료이고,
    상기 조절부는 상기 제 2 연료 공급로에 설치된 온-오프 밸브임을 특징으로 하는 예혼합 압축 착화 엔진.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전환 기간 동안, 상기 제어부는,
    상기 쓰로틀의 개도가 상기 예혼합 압축 착화 연소에서의 정상 작동시의 개도로 되기 전에, 상기 조절부를 제어하여, 상기 흡기 통로에 공급되는 연료의 양이 상기 불꽃 점화 연소에서의 정상 작동시의 양보다 많아지도록 하고,
    이후, 상기 조절부를 제어하여, 상기 흡기 통로에 공급되는 연료의 양이 상기 예혼합 압축 착화 연소에서의 정상 작동시의 양이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축 착화 엔진.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부가 상기 조절부를 제어하여, 상기 예혼합 압축 착화 연소의 정상 작동시에 상기 흡기 통로에 공급되는 연료의 양을 상기 불꽃 점화 연소의 정상 작동시의 양보다 적어지게 하는 것을 특징으로 하는 예혼합 압축 착화 엔진.
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