KR101133381B1 - 예혼합 압축 착화 엔진의 연소 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 예혼합 압축 착화 연소(HCCI: Homogeneous Charge Compression Ignition) 엔진의 연소 제어방법에 있어서, 토크를 포함하는 운전 조건을 결정하는 단계와, 기 저장된 정보로부터 상기 운전 조건에 근거하여 점화 딜레이(ignition delay) 및 압축비를 결정하는 단계와, 기 저장된 정보로부터 상기 점화 딜레이에 대응되는 복수 개의 점화 초기 평균 온도 및 점화 초기 온도 구배율의 조합들을 추출하는 단계와, 상기 조합들 중에서 열 방출률(heat release rate)이 최적 조건의 점화 초기 평균 온도 및 점화 초기 온도 구배율을 결정하는 단계와, 상기 최적 점화 초기 평균 온도 및 상기 최적 점화 초기 온도 구배율에 대응되도록, 상기 예혼합 압축 착화 연소 엔진을 구동하는 예혼합 압축 착화 연소 엔진의 연소 제어방법 제공한다.
따라서, 상기 엔진의 연소 조건이 최적화되도록 제어될 수 있기 때문에, 상기 엔진의 노킹 현상, 지나친 점화 딜레이 현상 등의 효율적인 제어가 가능해 진다. 특히, 상기 엔진 내의 연소 공간에서의 연소 조건이 조절될 수 있기 때문에, 상기 엔진의 연소 제어가 매우 용이해 진다.

Description

예혼합 압축 착화 엔진의 연소 제어 방법 {Method of controlling combustion mechanism of HCCI engine}
본 발명은 예혼합 압축 착화 엔진의 연소 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공기/연료 혼합물의 점화 초기 평균 온도 및 점화 초기 온도 구배율을 고려하여 점화 딜레이를 결정하는 예혼합 압축 착화 엔진의 연소 제어 방법에 관한 것이다.
예혼합 압축 착화 연소(HCCI:Homogeneous Charge Comprassion Ignition, 이하 HCCI 라 함)란 통상의 디젤 연소인 확산연소와는 달리 실린더 내부에서 연료와 공기를 균일하게 예혼합되어 연소가 수행되는 연소방법으로 연료와 공기의 혼합상태를 양호하게 함으로써 질소산화물(NOx) 및 입자상물질(PM)을 동시에 줄일 수 있는 획기적인 연소 기술이다.
일반 디젤 엔진에서는 공기 압축 후 연료가 분사되어 점화되며, 점화시기는 연료 분사 시점이다. 그런데, 연료와 공기가 균일하게 혼합되지 않기 때문에, 수트(soot)가 발생하는 문제점이 있다. 또한, 가솔린 엔진에서는 공기 및 연료의 혼합기체를 점화 플러그를 이용하여 점화시키기 때문에, 점화시기는 점화 플러그에 전기가 인가되는 시점이다. 하지만, 가솔린 엔진은 화염이 전파되는 구조를 가지므로, 엔진의 크기가 제한되는 문제점이 있으며 효율 또한 디젤엔진에 비해 낮다.
HCCI 엔진의 경우에도, 연료와 공기가 예혼합된 상태로 실린더에 분사되고, 압축되면서 점화되기 때문에, 점화 시기가 불분명하여, 연소시기의 제어가 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 공기/연료 혼합물의 점화 초기 평균 온도 및 점화 초기 온도 구배율을 고려하여 점화 딜레이를 결정하는 예혼합 압축 착화 엔진의 연소 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 예혼합 압축 착화 연소(HCCI: Homogeneous Charge Compression Ignition) 엔진의 연소 제어방법에 있어서, 토크를 포함하는 운전 조건을 결정하는 단계와, 기 저장된 정보로부터 상기 운전 조건에 근거하여 점화 딜레이(ignition delay) 및 압축비를 결정하는 단계와, 기 저장된 정보로부터 상기 점화 딜레이에 대응되는 복수 개의 점화 초기 평균 온도 및 점화 초기 온도 구배율의 조합들을 추출하는 단계와, 상기 조합들 중에서 열 방출률(heat release rate)이 최적 조건의 점화 초기 평균 온도 및 점화 초기 온도 구배율을 결정하는 단계와, 상기 최적 점화 초기 평균 온도 및 상기 최적 점화 초기 온도 구배율에 대응되도록, 상기 예혼합 압축 착화 연소 엔진을 구동하는 예혼합 압축 착화 연소 엔진의 연소 제어방법 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 구동하는 단계는, 상기 점화 초기 평균 온도 및 상기 압축비로부터 상기 예혼합 압축 착화 연소 엔진에 유입되는 예혼합 기체의 온도를 결정하는 단계와, 상기 예혼합 기체의 온도로부터 외부로부터 유입되는 공기에 대한 연소 후 재순환되는 배기가스의 비율을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 예혼합 압축 착화 연소 엔진의 연소 제어방법에서는, 상기 엔진의 연소 조건이 최적화되도록 제어될 수 있기 때문에, 상기 엔진의 노킹 현상, 지나친 점화 딜레이 현상 등의 효율적인 제어가 가능해 진다. 특히, 상기 엔진 내의 연소 공간에서의 연소 조건이 조절될 수 있기 때문에, 상기 엔진의 연소 제어가 매우 용이해 진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 HCCI 엔진의 연소 제어 방법의 제어 순서를 보여주는 순서도이다.
도 2는 HCCI 엔진의 예혼합 기체를 생성하는 메커니즘을 보여주는 개략적인 구성도이다.
도 3은 점화 초기 평균 온도와 점화 딜레이와의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 4는 3가지의 점화 초기 평균 온도에 대한 점화 딜레이와 열 방출률(HRR: heat release rate) 사이의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 HCCI 엔진(110)의 연소 제어 방법에 대하여 상세하게 살펴본다. 도 1에 상기 HCCI 엔진(110)의 연소 제어 방법의 제어 순서를 보여주는 순서도가 도시되어 있다.
상기 HCCI 엔진(110)의 연소 제어 방법은 다양한 제어장치에 의하여 구현될 수 있으며, 본 실시예에서는 자동차의 ECU(120)에 의하여 구현된다.
먼저, 상기 자동차의 운전 조건을 결정한다(S110 단계). 상기 운전 조건은 다양하게 선택될 수 있으며, 토크, 속력, 운전자에 의한 가속 정보 등을 고려하여, 상기 ECU(120)가 결정한다.
상기 ECU(120)는 메모리(130)에 저장된 정보를 이용하여, 상기 운전 조건에 근거한 점화 딜레이(ignition delay) 및 압축비를 결정한다(S120 단계). 일반적으로 운전자에 의하여 급속한 가속이 요청되는 것으로 판단되면 상기 압축비가 증가하고, 감속이 요청되는 것으로 판단되면 상기 압축비가 감소된다.
도 3에 점화 초기 평균 온도와 점화 딜레이와의 관계를 보여주는 그래프가 도시되어 있다. 상기 그래프는 2차원 DNS(direct numerical simulation) 해석에 의한 결과이다. 연료로는 정상-헵탄 (n-heptane)이 이용되었다. 도 3은, 점화 초기 평균 온도(T0)가 각각 850K, 934K 및 1008K에서 점화 초기 평균 구배율(T')이 60K일 때, 초기 연료/공기 혼합물의 점화 딜레이의 범위를 보여준다. 여기에서, 상기 점화 초기 평균 온도(T0) 및 상기 점화 초기 평균 구배율(T')은 [수학식 1] 및 [수학식 2]에 의하여 정의되며,
Figure 112010030593667-pat00001
는 2차원 DNS(direct numerical simulation) 해석에 이용되는 점화 딜레이 상수이다. 또한, 도 3에서 붉은 색으로 된 곡선은 상기 점화 초기 평균 구배율(T')이 없을 때를 나타내며, 이를 0-차원 점화 딜레이 (0-D ignition delay)라 부른다.
Figure 112010030593667-pat00002
단, T i 는 해당 그리드에서의 점화 초기 온도, N은 상기 엔진의 연소공간의 그리드 수임.
Figure 112010030593667-pat00003
단, T i 는 해당 그리드에서의 점화 초기 온도, N은 상기 엔진의 연소공간의 그리드 수임.
상기 ECU(120)는 상기 결정된 점화 딜레이로부터 복수 개의 점화 초기 평균 온도 및 점화 초기 온도 구배율의 조합들을 추출한다(S130 단계). 이에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 4에 3가지의 점화 초기 평균 온도에 대한 점화 딜레이와 열 방출률(HRR: heat release rate) 사이의 관계를 보여주는 그래프가 도시되어 있다. 도 4에서 점화 초기 평균 온도는 각각 850K, 934K 및 1008K이다.
먼저, 도 4(a)에서는 상기 점화 초기 평균 온도가 850K일 때, 상기 점화 온도 구배율이 각각 0K, 7.5K, 15K, 30K, 60K, 100K에서의 DNS 결과 곡선들이 도시되어 있다. 상기 점화 온도 구배율이 증가함에 따라 상기 점화 딜레이가 증가하고, 상기 열 방출률의 최대 피크값이 감소함을 볼 수 있다. 즉, 상기 점화 초기 평균 온도가 850K에서는 상기 점화 온도 구배율을 증가시키거나 감소시켜서, 상기 점화 딜레이 및 상기 열 방출률의 최대 피크값의 조정이 가능하다. 도 3을 참조하면, 상기 점화 초기 평균 온도가 850K 이하에서는 상기 점화 온도 구배율에 대한 상기 점화 딜레이 및 상기 열방출률의 상관관계가 유사하다.
도 4(b)에서는 상기 점화 초기 평균 온도가 934K일 때, 상기 점화 온도 구배율이 각각 0K, 15K, 30K, 60K, 100K에서의 DNS 결과 곡선들이 도시되어 있다. 상기 점화 온도 구배율이 30K까지 증가함에 따라 상기 점화 딜레이가 증가하고, 상기 열 방출률의 최대 피크값이 감소한다. 하지만, 상기 점화 온도 구배율이 30K보다 커지면, 상기 점화 딜레이가 감소하고, 상기 열 방출률의 최대 피크값이 감소한다. 도 3을 참조하면, 상기 점화 초기 평균 온도가 850K 보다 크고 1008K보다 작은 범위에서는 상기 점화 온도 구배율에 대한 상기 점화 딜레이 및 상기 열방출률의 상관관계가 유사하다.
도 4(c)에서는 상기 점화 초기 평균 온도가 1008K일 때, 상기 점화 온도 구배율이 각각 0K, 15K, 30K, 60K에서의 DNS 결과 곡선들이 도시되어 있다. 상기 점화 온도 구배율이 증가함에 따라 상기 점화 딜레이가 감소하고, 상기 열 방출률의 최대 피크값이 감소함을 볼 수 있다. 즉, 상기 점화 초기 평균 온도가 1008K에서는 상기 점화 온도 구배율을 증가시키거나 감소시켜서, 상기 점화 딜레이 및 상기 열 방출률의 최대 피크값의 조정이 가능하다. 도 3을 참조하면, 상기 점화 초기 평균 온도가 1008K 이상에서는 상기 점화 온도 구배율에 대한 상기 점화 딜레이 및 상기 열방출률의 상관관계가 유사하다.
상기 메모리(130)에는 상기 점화 초기 평균 온도가 각각 850K, 934K 및 1008K 뿐만 아니라 다양한 온도 범위 내에서의 DNS 결과들이 저장되어 있어서, 특정 점화 딜레이에 대한 복수 개의 점화 초기 평균 온도 및 점화 초기 온도 구배율의 조합들이 추출될 수 있다.
그 후, 상기 조합들 중에서 상기 열 방출률이 최적 조건이 되는 점화 초기 평균 온도 및 점화 초기 온도 구배율을 결정한다(S140 단계). 상기 최적 조건은 다양하게 설정될 수 있다. 다만, 열 방출률의 최대 피크값이 크다는 것은 상기 엔진(110) 내에서 폭발적인 연소 반응이 일어나는 것으로 유추할 수 있다. 이러한 폭발적 연소 반응은 상기 엔진(110)의 노킹을 유발하기 때문에, 상기 엔진에 좋지 않은 영향을 준다. 따라서, 본 실시예에서, 상기 최적 조건은 상기 열 방출률의 최대 피크 값이 가장 작은 점화 초기 평균 온도 및 점화 초기 온도 구배율의 조합이다.
상기 최적의 점화 초기 평균 온도 및 점화 초기 온도 구배율이 결정되면, 이에 따라 상기 엔진(110)을 구동한다(S150 단계). 도 2를 참조하여, 상기 엔진(110)의 구동 메커니즘을 살펴본다. 먼저, 상기 최적 점화 초기 평균 온도 및 상기 압축비로부터 상기 엔진(110)에 유입되는 예혼합 기체의 온도를 결정한다(S151 단계). 상기 예혼합 기체가 상기 압축비로 압축되면 상기 최적 점화 초기 평균 온도로 온도까지 증가하기 때문이다.
상기 유입되는 예혼합 기체의 온도는 주로 외부로부터 유입되는 공기와 상기 엔진(110)에서 연소된 후 재순환되는 배기가스의 혼합비율에 의하여 결정된다(S153 단계). 상기 ECU(120)는 유입 공기 온도 센서(141)로부터 상기 유입 공기의 온도를 감지하고, 배기가스 온도 센서(142)로부터 상기 재순환되는 배기가스의 온도를 감지한 후, 이로부터 상기 혼합 배율을 가지도록 유입 공기 밸브(152) 및 재순환 밸브(151)의 개도를 조절한다. 상기 연료는 상기 연료 공급 밸브(153)에 의하여 조절된다. 상기의 혼합 배율에 의하여 조절된 예혼합 기체를 상기 엔진으로 유입시킨다(S155 단계).
상기 점화 초기 평균 온도는 전술한 방법에 의하여 조절되며, 상기 최적 점화 초기 온도 구배율은 상기 예혼합 기체의 분사 방법 등의 다양한 공지 기술이 이용되어 조절된다.
상기와 같이, 상기 엔진(110)의 연소 조건이 최적화되도록 제어될 수 있기 때문에, 상기 엔진(110)의 노킹 현상, 지나친 점화 딜레이 현상 등의 효율적인 제어가 가능해 진다. 특히, 상기 엔진(110) 내의 연소 공간에서의 연소 조건이 조절될 수 있기 때문에, 상기 엔진(110)의 연소 제어가 매우 용이해 진다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
110: 예혼합 압축 착화 연소 엔진 120: ECU
130: 메모리

Claims (5)

  1. 예혼합 압축 착화 연소(HCCI: Homogeneous Charge Compression Ignition) 엔진의 연소 제어방법에 있어서,
    토크를 포함하는 운전 조건을 결정하는 단계;
    기 저장된 정보로부터 상기 운전 조건에 근거하여 점화 딜레이(ignition delay) 및 압축비를 결정하는 단계;
    기 저장된 정보로부터 상기 점화 딜레이에 대응되는 복수 개의 점화 초기 평균 온도 및 점화 초기 온도 구배율의 조합들을 추출하는 단계;
    상기 조합들 중에서 열 방출률(heat release rate)이 최적 조건의 점화 초기 평균 온도 및 점화 초기 온도 구배율을 결정하는 단계; 및
    상기 최적 점화 초기 평균 온도 및 상기 최적 점화 초기 온도 구배율에 대응되도록, 상기 예혼합 압축 착화 연소 엔진을 구동하는 예혼합 압축 착화 연소 엔진의 연소 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동하는 단계는,
    상기 최적 점화 초기 평균 온도 및 상기 압축비로부터 상기 예혼합 압축 착화 연소 엔진에 유입되는 예혼합 기체의 온도를 결정하는 단계; 및
    상기 예혼합 기체의 온도로부터 외부로부터 유입되는 공기에 대한 연소 후 재순환되는 배기가스의 비율을 결정하는 단계를 포함하는 예혼합 압축 착화 연소 엔진의 연소 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 최적 조건의 점화 초기 평균 온도 및 점화 초기 온도 구배율을 추출하는 단계에서,
    상기 최적 조건은 상기 열 방출률의 최대 피크 값이 가장 작은 것인 예혼합 압축 착화 연소 엔진의 연소 제어방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 점화 초기 평균 온도 및 상기 점화 초기 온도 구배율은 아래의 수학식에 의하여 결정되는 예혼합 압축 착화 연소 엔진의 연소 제어방법.
    [수학식]
    점화 초기 평균 온도=
    Figure 112010030593667-pat00004
    , T i 는 해당 그리드에서의 점화 초기 온도, N은 상기 엔진의 연소공간의 그리드 수임.
    점화 초기 온도 구배율=
    Figure 112010030593667-pat00005
    , T i 는 해당 그리드에서의 점화 초기 온도, N은 상기 엔진의 연소공간의 그리드 수임.
  5. 예혼합 압축 착화 연소(HCCI: Homogeneous Charge Compression Ignition) 엔진의 연소 제어방법에 있어서,
    아래의 수학식에 의하여 결정되는 점화 초기 평균 온도 및 점화 초기 온도 구배율을 고려하여 점화 딜레이(ignition delay)를 결정하는 예혼합 압축 착화 연소 엔진의 연소 제어방법.
    [수학식]
    점화 초기 평균 온도=
    Figure 112010030593667-pat00006
    , T i 는 해당 그리드에서의 점화 초기 온도, N은 상기 엔진의 연소공간의 그리드 수임.
    점화 초기 온도 구배율=
    Figure 112010030593667-pat00007
    , T i 는 해당 그리드에서의 점화 초기 온도, N은 상기 엔진의 연소공간의 그리드 수임.
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