KR101175579B1 - 예혼합 압축 착화 기관 - Google Patents

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Abstract

SI 연소와 HCCI 연소 사이에서 연소 모드를 전환할 수 있는 HCCI 기관 (1) 이 개시되어 있다. 적어도 하나의 스월 포트 (10p) 와 적어도 하나의 텀블 포트 (11p) 가 HCCI 기관 (1) 의 연소실 (13) 과 연통한다. SI 연소가 HCCI 연소로 전환되는 제 1 전환 기간에는, 스월 포트 (10p) 만을 통해 흡기가 연소실 (3) 로 공급된다. HCCI 연소가 SI 연소로 전환되는 제 2 전환 기간에는, 적어도 텀블 포트 (10p) 를 통해 흡기가 연소실 (3) 로 공급된다.

Description

예혼합 압축 착화 기관{HOMOGENEOUS CHARGE COMPRESSION IGNITION ENGINE}
본 발명은 불꽃 점화 연소 (spark ignition combustion) 와 예혼합 압축 착화 연소 (homogeneous charge compression ignition combustion) 사이에서 연소 모드를 전환하는 예혼합 압축 착화 기관에 관한 것이다.
불꽃 점화 연소 (SI combustion) 와 예혼합 압축 착화 연소 (HCCI combustion) 사이에서 연소 모드를 전환하는 예혼합 압축 착화 기관 (HCCI engine) 의 일례가 일본 특허 공개 공보 제 2003-193872 호에 개시되어 있다. HCCI 기관은 가변 압축비 기구를 가지며 HCCI 연소시에는 고압축비로 SI 연소시에는 저압축비로 운전한다. HCCI 기관은 고압축비의 HCCI 연소에서 저압축비의 SI 연소로 전환하는 기간에 흡입 밸브의 폐쇄 시기를 지연시킴으로써 유효 압축비를 저하시킨다. 이 방식으로, HCCI 연소 모드가 급속하게 종료되어 SI 연소 모드로 순조롭게 전환된다.
일본 특허 공개 공보 제 2003-193872 호에 개시되어 있는 가변 압축비 기구는 예혼합 압축 착화 연소에서 불꽃 점화 연소로 연소 모드를 순조롭게 전환한다. 그러나, 상기 기구는 복잡하게 구성되어 있고, 이는 기구의 제작 비용을 상당히 증가시킨다. 또한, 기구의 중량이 커진다는 문제점도 있다.
SI 연소의 정상 운전시의 실린더내 가스 온도가 HCCI 연소의 정상 운전시의 실런더내 가스 온도보다 높다. 따라서, SI 연소시에 각 실린더의 벽면의 온도가 비교적 높다. 이는 SI 연소에서 HCCI 연소로의 전환 기간에 과조 착화 (premature ignition) 및/또는 노킹 (knocking) 을 유발할 수도 있다. 대조적으로, HCCI 연소시에는 각 실린더의 벽면의 온도가 비교적 낮다. 따라서, HCCI 연소에서 SI 연소로의 전환 기간에 실화가 발생할 수도 있다. 연소 모드의 전환시에 고온 또는 저온의 실린더내 가스 온도에 의해 유발된 이들 문제점은 일본 특허 공개 공보 제 2003-193872 호의 기술에 의해 제기된 것은 아니다.
본 발명의 목적은, 불꽃 점화 연소에서 예혼합 압축 착화 연소로의 전환 기간에 과조 착화 및 노킹을 억제하고, 예혼합 압축 착화 연소에서 불꽃 점화 연소로의 전환 기간에 실화를 억제하는 예혼합 압축 착화 기관을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 일 양태에 따라, 연소실을 갖는 예혼합 압축 착화 기관이 제공된다. 상기 기관은 불꽃 점화 연소와 예혼합 압축 착화 연소 사이에서 연소 모드를 전환할 수 있다. 상기 기관은 복수의 흡기 포트, 흡기 포트 개/폐 장치, 및 제어부를 갖는다. 흡기 포트는 연소실과 연통한다. 흡기 포트는 스월 포트 (swirl port) 인 적어도 하나의 제 1 포트 및 비전용 (non-dedicated) 스월 포트인 적어도 하나의 제 2 포트를 포함한다. 흡기 포트 개/폐 장치는 적어도 제 2 포트를 선택적으로 개폐한다. 제어부는 흡기 포트 개/폐 장치를 제어한다. 제 1 전환 기간, 또는 불꽃 점화 연소가 예혼합 압축 착화 연소로 전환되는 전환 기간에, 제어부는 제 2 포트를 폐쇄하도록 흡기 포트 개/폐 장치를 제어하여서 흡기가 오직 제 1 포트만을 통해 연소실로 공급된다. 제 2 전환 기간, 또는 예혼합 압축 착화 연소가 불꽃 점화 연소로 전환되는 전환 기간에는, 제어부가 제 2 포트를 개방하도록 흡기 포트 개/폐 장치를 제어하여서 흡기가 적어도 제 2 포트를 통해 공급된다.
도 1 은 본 발명의 실시형태에 따른 예혼합 압축 착화 기관의 실린더 중 하나를 주로 도시하는 개략 평면도이다.
도 2 는 스월 포트만이 사용되는 상태에서 도 1 에 도시된 기관을 도시하는 개략 평면도이다.
도 3 은 텀블 포트만이 사용되는 상태에서 도 1 에 도시된 기관을 도시하는 개략 평면도이다.
도 4 는 도 2 에 도시된 기관을 개략적으로 도시하는 좌측면도이다.
도 5 는 도 3 에 도시된 기관을 개략적으로 도시하는 우측면도이다.
도 6 은 제 1 전환 기간 전에, 동안에, 및 후에 도 1 에 도시된 기관의 연소실의 온도의 변동을 나타내는 그래프이다.
도 7 은 제 2 전환 기간 전에, 동안에, 및 후에 도 1 에 도시된 기관의 연소실의 온도의 변동을 나타내는 그래프이다.
도 8 은 제 2 전환 기간 전에, 동안에, 및 후에 도 1 에 도시된 기관의 연소실의 공연비의 변동을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 바람직한 실시형태가 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
전체로서 본 발명의 일 실시형태에 따른 예혼합 압축 착화 기간 (HCCI 기관; 1) 이 도 1 을 참조하여 설명될 것이다. 도면은 HCCI 기관을 개략적으로만 도시한다. 예를 들어, 나중에 설명될 점화 플러그 (2p) 및 흡입 밸브 (10v) 및 배기 밸브 (30v) 는 생략된다.
HCCI 기관 (1) 은 필요하다면 운전 조건 (기관 부하 및 기관 속도) 에 따라 불꽃 점화 연소 (SI 연소) 와 예혼합 압축 착화 연소 (HCCI 연소) 사이에서 연소 모드를 전환한다. 이는 HCCI 기관 (1) 이 저연비의 HCCI 연소와 고출력의 SI 연소로 운전하도록 한다.
도 1 에 도시된 바와 같이, HCCI 기관 (1) 은 복수의 실린더 (하나만이 도시됨) 를 갖는다. 각각의 실린더는 연소실 (3), 연소실 (3) 과 연통하는 두 개의 흡기 포트 (10p, 11p), 연소실 (3) 과 연통하는 두 개의 배기 포트 (30p, 31p), 및 스로틀 (13) 을 갖는다. 본 실시 형태에 있어서 각각의 실린더가 두 개의 흡기 포트를 갖지만, 흡기 포트의 수는 복수개라면 다른 어떠한 적절한 값도 될 수 있다. 즉, 실린더는 3 개 이상의 흡기 포트를 포함할 수도 있다. 흡기는 흡기 포트 (10p, 11p) 를 통과하여 대응하는 개구 (10a, 11a) 를 통해 연소실 (3) 에 도달한다. 배기 가스는 연소실 (3) 로부터 배출되어서 대응하는 개구 (30a, 31a) 를 통해 배기 포트 (30p, 31p) 에 도달한다. 2 개의 흡기 포트 (10p, 11p) 는 공통의 상류측 흡기 포트 (50p) 로부터 나뉜 분기로서 제공된다. 2 개 의 배기 포트 (30p, 31p) 는 공통의 하류측 배기 포트 (40p) 에서 합쳐진다. 흡기량 조정 장치의 역할을 하는 스로틀 (13) 이 상류측 흡기 포트 (50p) 에 배열되고 연소실 (3) 로 공급되는 흡기량을 조정한다. 본 실시형태에서 흡기량 조정 장치가 스로틀 (13) 로 구현되지만, 이 장치는 적절한 다른 구성 부품으로 변경될 수도 있다. HCCI 기관 (1) 은 제어부로서 기능하는 전자 제어 유닛 (ECU; 90) 을 갖는다. ECU (90) 는 스로틀 (13) 및 흡기 밸브 (10v) 및 배기 밸브 (30v) 의 운전을 제어한다.
다음으로, 도 2 및 3 을 참조하여, 흡기 포트 (10p, 11p) 의 구성이 상세하게 설명될 것이다. 본 실시형태에서, 흡기 포트 (10p) 는 스월 포트 (제 1 포트) 이고 흡기 포트 (11p) 는 텀블 포트 (제 2 포트) 이다. 본 실시형태의 각각의 실린더는 하나의 스월 포트 (10p) 와 하나의 텀블 포트 (11p) 를 포함한다. 각각의 실린더에 제공되는 스월 포트 (10p) 또는 텀블 포트 (11p) 의 수는 각각의 실린더가 적어도 하나의 스월 포트 (10p) 와 적어도 하나의 텀블 포트 (11p) 를 갖는 한 두 개 이상이 될 수도 있다. 즉, 예를 들어, 각각의 실린더는 두 개의 스월 포트와 한 개의 텀블 포트 또는 한 개의 스월 포트와 두 개의 텀블 포트를 가질 수도 있다. 스월 포트 (10p) 와 텀블 포트 (11p) 사이의 분기점에는 흡기 포트 개/폐 밸브 (흡기 포트 개/폐 장치; 12) 가 배열되어 있다. 두 개의 흡기 포트 (10p, 11p) 를 통과하는 흡기의 경로는 흡기 포트 개/폐 밸브 (12) 를 제어함으로써 전환된다. 특히, 흡기 포트 (10p, 11p) 중 오직 하나만을 포함하는 경로와 흡입 포트 (10p, 11p) 모두를 포함하는 경로 사이에서 경로가 전환된다.
흡기 포트의 전환이 이하에서 설명된다.
흡기 포트 개/폐 밸브 (12) 는 회전 축부 (12c) 와 상기 축부 (12c) 의 회전과 연동하여 회전하는 밸브 (12v) 를 갖는다. 도 1 ~ 3 에 도시된 바와 같이, 흡기 포트 개/폐 밸브 (12) 는 스월 포트 (10p) 와 텀블 포트 (11p) 를 선택적으로 개폐하도록 ECU (90) 에 의해 제어된다. 도 1 에 도시된 상태에서, 밸브 (12v) 는 중간 위치에 위치된다. 이 상태에서, 흡기는 스월 포트 (10p) 와 텀블 포트 (11p) 모두를 통과하여 연소실 (3) 에 도달한다. 도 2 에 도시된 상태에서는, 밸브 (12v) 가 텀블 포트 (11p) 를 폐쇄하도록 (텀블 포트 (11p) 를 폐쇄하는 뚜껑을 형성하도록) 배열된다. 이 상태에서, 흡기는 연소실 (3) 에 도달하기 전에 오직 스월 포트 (10p) 만을 통해 유동한다. 도 3 에 도시된 상태에서, 밸브 (12v) 는 스월 포트 (10p) 를 차단하도록 (스월 포트 (10p) 를 폐쇄하는 뚜껑을 형성하도록) 배열된다. 이 상태에서, 흡기는 연소실 (3) 안으로 도입되기 전에 오직 텀블 포트 (11p) 만을 통해 유동한다. 도 1 ~ 3 에 도시된 이들 상태 중 어느 하나가 HCCI 기관 (1) 의 운전 상태에 따라 ECU (90) 에 의한 제어를 통해 필요에 따라 선택된다.
대안으로서, 흡기 포트 개/폐 밸브 (12) 는 적어도 텀블 포트 (11p) 를 선택적으로 개폐하는 흡기 포트 개/폐 장치에 의해 대체될 수도 있다. 흡기 포트 개/폐 장치는 예를 들어 흡기 포트 (10p, 11p) 에 대응하는 두 개의 뚜껑부로 형성될 수도 있다. 이 경우에, 뚜껑부는 대응하는 흡기 포트 (10p, 11p) 중 하나가 선택적으로 개폐되도록 ECU (90) 에 의해 제어된다.
스월 포트(10p) 가 도 2 및 4 를 참조하여 이하에서 보다 구체적으로 설명된다. 도 4 에 도시된 바와 같이, HCCI 기관 (1) 은 스월 포트 (10p) 를 선택적으로 개폐하는 흡기 밸브 (10v), 배기 포트 (30p) 를 선택적으로 개폐하는 배기 밸브 (30v), 및 SI 연소에 사용되는 점화 플러그 (2p) 를 갖는다. 도 4 는 흡기 밸브 (10v) 가 개방되어 있고 배기 밸브 (30v) 가 폐쇄되어 있는 상태를 도시한다.
연소실 (3) 에서 스월 유동을 발생시키도록 스월 포트 (10p) 가 형성된다. 구체적으로, 스월 포트 (10p) 는 연소실 (3) 의 벽면의 접선 방향으로 흡기 (신선한 공기) 를 공급한다 (예컨대, 연소실 (3) 의 벽면에서의 지점 (C) 에서의 접선 방향이 도 2 에 도시됨). 이는 이하에 설명될 바와 같이, 스월 포트 (10p) 가 텀블 포트 (11p) 에 비해 강한 스월 유동을 적극적으로 발생시키도록 한다. 스월 유동은 실린더의 축선 방향에 수직인 평면과 실질적으로 평행하게 이동하는 와류이고 도 2 및 4 에 도시된 바와 같이 연소실 (3) 의 벽면 (보어 벽) 을 따라 유동한다. 도 2 에서, 스월 유동은 파선으로 표시된 경로 (10L) 를 따라 연소실 (3) 에서 이동한다. 이는 흡기의 이동이 없는 경우에 비해 연소실 (3) 내의 냉각 효율 (열교환 효율) 을 증가시킨다. 경로 (10L) 는 단순히 일례를 나타낸 것이고 스월 유동의 유동 경로는 도시된 경로 (10L) 로 한정되는 것은 아니다.
텀블 유동이 발생하더라도, 보어 벽면, 피스톤의 상면, 및 실린더 헤드의 하부면에 의해 흡기가 냉각된다. 그러나, 보어 벽면을 냉각하는 냉각 통로에 비교적 다량의 냉각수가 흐르고 있고 스월 유동이 보어 벽면과 넓은 접촉 면적으로 접촉하기 때문에, 스월 유동이 텀블 유동보다 흡기를 효율적으로 냉각시킨다.
다음으로, 도 3 및 5 를 참조하여 텀블 포트 (11p) 가 구체적으로 설명된다. 도 5 에 도시된 바와 같이, HCCI 기관 (1) 은 텀블 포트 (11p) 를 선택적으로 개폐하는 흡기 밸브 (11v) 및 배기 포트 (31p) 를 선택적으로 개폐하는 배기 밸브 (31v) 를 갖는다. 도 5 는 흡기 밸브 (11v) 가 개방되어 있고 배기 밸브 (31v) 가 폐쇄되어 있는 상태를 도시한다.
텀블 포트 (11p) 는 연소실 (3) 의 벽면을 횡단하는 방향 및 피스톤 (20) 의 스트로크 방향으로 연소실 (3) 로 흡기 (신선한 공기) 를 공급한다. 이는 연소실 (3) 에서 텀블 유동을 발생시킨다. 텀블 유동은 피스톤 (20) 의 스트로크 방향과 실질적으로 평행하게 진행하는 와류 (수직 와류) 이다. 도 3 및 5 를 참조하면, 텀블 유동은 연소실 (3) 의 벽면 (보어 벽) 을 따라 유동하지 않는다. 텀블 유동을 형성하기 위해서, 흡기는 연소실 (3) 의 반경 방향 중심의 근처를 향해 텀블 포트 (11p) 로부터 직선으로 보내진다. 이는 흡기가 연소실 (3) 에서 확산되는 방식으로 이동하는 것을 방지하여서, 흡기가 소정 범위 내에 있게 된다.
상기에 설명된 바와 같이 구성된 HCCI 기관 (1) 의 운전이 도 6 ~ 8 을 참조하여 설명될 것이다. 도 6 ~ 8 의 각각의 그래프의 횡좌표의 축은 연소 사이클의 수를 나타낸다.
SI 연소의 정상 운전 및 HCCI 연소의 정상 운전시에, ECU (90) 는 스월 포트 (10p) 및 텀블 포트 (11p) 가 흡기 포트로서 모두 사용되도록 흡기 포트 개/폐 밸브 (12) 를 제어한다 (도 1 참조).
본 실시 형태에서는, SI 연소에서 HCCI 연소로의 전환 기간이 제 1 전환 기간으로서 나타내진다 (도 6 참조). 제 1 전환 기간에, ECU (90) 는 텀블 포트 (11p) 를 폐쇄하고 오직 스월 포트 (10p) 만을 통해 연소실 (3) 로 흡기를 공급하도록 흡기 포트 개/폐 밸브 (12) 를 제어한다 (도 2 및 도 4 참조).
도 6 에서 명확해지는 바와 같이, SI 연소의 정상 운전시의 연소실 (3) 의 온도 (SI 요구 온도) 는 HCCI 연소의 정상 운전시의 온도 (HCCI 요구 온도) 보다 높다. 도 6 에서, 파선으로 된 곡선은 제 1 전환 기간에 있어서 스월 포트 (10p) 와 텀블 포트 (11p) 가 모두 흡기 포트로서 사용될 때 (도 1 에 도시된 상태) 의 연소실 (3) 의 온도를 도시한다. 파선으로 된 곡선에 의해 표시된 바와 같이, 연소실 (3) 의 온도는 제 1 전환 기간에는 급속하게 저하되지 않는다. 이는 과조 착화 및/또는 노킹을 유발하여 SI 연소에서 HCCI 연소로의 순조로운 전환을 방해할 수도 있다. 이를 피하기 위해서, 본 실시형태에서는, HCCI 기관 (1) 은 제 1 전환 기간에 흡기 포트로서 스월 포트 (10p) 만을 사용하여서 (도 2 및 4 참조) 연소실 (3) 의 내부를 효율적으로 냉각시킨다. 따라서, 도 6 의 실선으로 된 곡선으로 표시된 바와 같이, 연소실 (3) 의 온도가 HCCI 요구 온도까지 신속하게 저하한다. 이는 과조 착화 및 노킹을 억제하고 SI 연소에서 HCCI 연소로 연소 모드의 순조로운 전환을 가능하게 한다.
보다 구체적으로, 상류측 흡기 포트 (50p) 를 통과하는 흡기가 스월 포트 (10p) 및 텀블 포트 (11p) 를 통해 유동한다면, 스월 포트 (10p) 만이 사용되는 경우에 비해, 텀블 포트 (11p) 로 보내진 흡기가 연소실 (3) 의 냉각 효율을 저하시 킨다. 그래서, 연소실 (3) 은 스월 포트 (10p) 만을 사용함으로써 효율적으로 냉각된다.
제 1 전환 기간에 있어서는, ECU (90) 는, 연소실 (3) 내의 온도가 HCCI 요구 온도에 도달할 때까지 텀블 포트 (11p) 가 폐쇄된 상태에서 유지되도록 흡기 포트 개/폐 밸브 (12) 를 제어한다. 즉, 연소 모드의 전환이 완료될 때까지 텀블 포트 (11p) 의 폐쇄 상태가 유지되도록 흡기 포트 개/폐 밸브 (12) 가 제어된다. 따라서, SI 연소에서 HCCI 연소로의 연소 모드의 전환이 확실하고 순조롭게 실시된다.
본 실시 형태에서는, 상기와 같이, 두 개의 흡기 포트가 연소실 (3) 과 연통한다. 그러나, 예를 들어, 두 개의 스월 포트와 한 개의 텀블 포트가 연소실 (3) 과 연통할 수도 있다. 이 경우에는, 한 개 또는 두 개의 스월 포트가 제 1 전환 기간에 사용되는 동안에 3 개의 포트 모두가 SI 연소의 정상 운전시에 사용된다. 즉, 제 1 전환 기간에 사용되는 스월 포트의 수는 이 기간 동안에 텀블 포트가 폐쇄된 상태로 유지되는 한 어떠한 적절한 수도 될 수 있다.
본 실시형태에 있어서, HCCI 연소에서 SI 연소로의 전환 기간이 제 2 전환 기간으로서 나타내진다 (도 7 및 8 참조). 제 2 전환 기간에 있어서, ECU (90) 는, 텀블 포트 (11p) 로부터 연소실 (3) 로 흡기를 공급하도록 흡기 포트 개/폐 밸브 (12) 를 제어한다 (도 3 및 5 참조). 제 2 전환 기간에는, 스월 포트 (10p) 만이 사용되는 경우에 비해, 적어도 텀블 포트 (11p) 가 사용된다면 연소실 (3) 의 내부가 신선한 공기의 도입을 통해 과도하게 냉각되는 것이 방지된다.
또한, 제 2 전환 기간에 있어서, ECU (90) 는 제 2 전환 기간 전의 값 미만으로 흡기량이 감소하도록 흡기 포트 개/폐 밸브 (12) 를 제어한다. 구체적으로는, 제 2 전환 기간에 개방된 상태로 유지되는 흡기 포트의 수 (텀블 포트 (11p) 단독, 또는 하나의 흡기 포트 ) 가 제 2 전환 기간 전에 개방된 상태로 유지된 흡기 포트의 수 (스월 포트 (10p) 및 텀블 포트 (11p), 또는 두 개의 흡기 포트) 보다 작아지도록 흡기 포트 개/폐 밸브 (12) 가 운전된다. 이는 제 2 전환 기간에 흡기량을 감소시킨다.
또한, 제 2 전환 기간에 있어서, ECU (90) 는 흡기량이 제 2 전환 기간 전의 값 미만으로 떨어지도록 스로틀 (13) 을 제어한다.
본 실시 형태에서, ECU (90) 는 제 2 전환 기간에는 상기에 설명된 방식으로 운전한다. 그러나, 3 개 이상의 흡기 포트가 제공된다면, ECU (90) 가 상기에 설명된 방식과 상이한 방식으로 운전한다. 예를 들어, 각각의 실린더가 두 개의 스월 포트 및 한 개의 텀블 포트를 갖는다면, 3 개의 포트 모두가 제 2 전환 기간 전에 사용될 수도 있고 오직 텀블 포트 또는 텀블 포트 및 스월 포트 중 하나가 (총 두 개의 포트) 가 제 2 전환 기간에 사용될 수도 있다. 즉, ECU (90) 는, HCCI 연소의 정상 운전시에 3 개의 흡기 포트가 사용되고 HCCI 연소에서 SI 연소로의 전환 기간에 한 개 또는 두 개의 흡기 포트가 사용되는 한 어떠한 다른 적절한 방식으로도 운전할 수 있다. 또한, 제 2 전환 기간에는, 흡기가 적어도 텀블 포트로부터 공급되도록 흡기 포트 개/폐 밸브 (12) 가 운전된다.
도 7 에 도시된 바와 같이, SI 연소의 정상 운전시의 연소실 (3) 의 온도 (SI 요구 온도) 는 HCCI 연소의 정상 운전시의 연소실 (3) 의 온도 (HCCI 요구 온도) 보다 높다. 도 7 에서, 파선으로 된 곡선은 제 2 전환 기간에 스월 포트 (10p) 로부터 흡기를 공급하도록 흡기 포트 개/폐 밸브 (12) 가 운전될 때 (도 1 또는 2 에 도시된 상태) 의 연소실 (3) 의 온도를 나타낸다. 파선으로 표시된 바와 같이, 제 2 전환 기간에는 연소실 (3) 의 온도가 급속하게 상승하지 않는다. 이는 실화를 유발하여 HCCI 연소 모드에서 SI 연소 모드로의 순조로운 전환을 방해할 수도 있다. 이 문제를 해결하기 위해서, 본 실시형태의 HCCI 기관 (1) 은 제 2 전환 기간에 텀블 포트 (11p) 만을 통해 흡기를 공급하도록 흡기 포트 개/폐 밸브 (12) 를 운전한다 (도 3 및 5 참조). 도 7 의 실선으로 된 곡선은 이 경우의 연소실 (3) 의 온도를 나타낸다. 스월 포트 (10p) 가 사용되는 경우에 비해 연소실 (3) 내부의 냉각이 비효율적이기 때문에, 연소실 (3) 내의 온도가 SI요구 온도까지 신속하게 상승한다. 이는 실화의 발생을 억제하고 HCCI 연소 모드에서 SI 연소 모드로의 순조로운 전환을 가능하게 한다.
또한, 도 8 을 참조하면, SI 연소의 정상 운전시의 연소실 (3) 의 공연비는 HCCI 연소의 정상 운전시의 연소실 (3) 의 공연비보다 낮다. 도 8 에 있어서, 파선으로 된 곡선은, 스월 포트 (10p) 및 텀블 포트 (11p) 로부터 연소실 (3) 로 흡기가 공급되고 (도 1 에 도시된 상태) 흡기량이 스로틀 (13) 의 제어를 통해서만 변경될 때의 제 2 전환 기간의 연소실 (3) 의 공연비를 나타낸다. 파선으로 표시된 바와 같이, 제 2 전환 기간에는 공연비가 급속하게 저하하지는 않는다. 공연비의 이러한 지연 저하는 스로틀 (13) 의 지연된 운전에 기인하고 토크의 증가 및/또는 희박한 공연 혼합물에 의한 실화를 유발할 수도 있다. 이 문제를 해결하기 위해서, 제 2 전환 기간에는, 본 발명 실시형태의 HCCI 기관 (1) 의 스로틀 (13) 은 흡기량이 HCCI 연소의 정상 운전시의 값 미만으로 저하되도록 제어된다. 또한, 흡기 포트 개/폐 밸브 (12) 는 텀블 포트 (11p) 를 통해서만 흡기를 공급하도록 제어된다 (도 3 및 5 참조). 따라서, 제 2 전환 기간 전에 사용된 흡기 포트 (스월 포트 (10p) 및 텀블 포트 (11p)) 의 수에 비해 제 2 전환 기간에 사용된 흡기 포트의 수가 감소된다. 이는 스로틀 (13) 의 운전 지연을 보상한다. 그 결과, 연소실 (3) 로 공급되는 흡기량이 급속하게 감소하고 제 3 연소실 (3) 에서의 공연비가 도 7 에서 실선으로 된 곡선으로 표시된 바와 같이, SI 연소의 정상 운전시의 공연비까지 신속하게 저하한다. 이는 제 2 전환 기간의 토크 증가나 실화를 억제한다.
또한, 제 2 전환 기간에 있어서, ECU (90) 는 흡기량이 SI 연소의 정상 운전시에 상응하는 양에 도달할 때까지 스월 포트 (10) 의 개구도가 감소되고 스로틀 (13) 의 개구 크기가 감소된 상태를 유지하도록 흡기 포트 개/폐 밸브 (12) 및 스로틀 (13) 을 제어한다. 즉, 흡기 포트 개/폐 밸브 (12) 및 스로틀 (13) 이 연소 모드의 전환이 완료될 때까지 낮은 레벨에서 연속적으로 개구도가 감소되고 스로틀 개구의 크기가 감소된 상태에서 스월 포트 (10p) 를 유지하도록 운전된다. 그 결과, HCCI 연소 모드가 SI 연소 모드로 확실하고 순조롭게 전환된다.
본 실시형태는 다음과 같은 이점을 갖는다.
본 실시형태에 있어서, 제 1 전환 기간에는 저온의 신선한 공기에 의해서 발 생된 스월 유동만이 일어나서 연소실 (3) 내부의 냉각 (열교환) 이 효율적으로 행해진다. 이는 과조 착화 및 노킹을 방지하고 SI 연소 모드를 HCCI 연소 모드로 순조롭게 전환시킨다. 대조적으로, 제 2 전환 기간에는 텀블 포트 (11p) 가 확실히 이용된다. 이는 스월 포트 (10p) 만이 사용되는 경우에 비해 연소실 (3) 내부가 과도하게 냉각되는 것을 방지한다 (연소가 느려지지 않고 유지됨). 따라서 HCCI 연소 모드는 SI 연소 모드로 순조롭게 전환된다. 즉, 본 실시형태의 HCCI 기관 (1) 은 간단한 구성에도 불구하고 제 1 전환 기간에는 과조 착화 및 노킹을 제 2 전환 기간에는 실화를 방지한다.
제 1 전환 기간에는, 연소실 (3) 의 온도가 HCCI 연소의 정상 운전에 따른 온도에 도달할 때까지 텀블 포트 (11p) 가 폐쇄된 상태에서 유지되도록 ECU (90) 가 흡기 포트 개/폐 밸브 (12) 를 운전한다. 즉, 제 1 전환 기간에 있어서, 흡기 포트 개/폐 밸브 (12) 는 연소 모드의 전환이 완료될 때까지 텀블 포트 (11p) 의 폐쇄된 상태가 유지되도록 제어된다. 따라서, SI 연소 모드가 HCCI 연소 모드로 확실하고 순조롭게 전환된다.
HCCI 기관 (1) 은 연소실 (3) 에 흡입되는 흡기량을 조정하는 스로틀 (13) 을 갖는다. ECU (90) 는 제 2 전환 기간의 흡기량이 제 2 전환 기간 전의 값 미만으로 감소되도록 스로틀 (13) 을 제어한다. 스로틀 (13) 을 조정함으로써, 제 2 전환 기간에 연소실 (3) 로 보내지는 흡기량이 감소된다.
제 2 전환 기간에는, ECU (90) 가, 흡기량이 SI 연소의 정상 운전시에 대응하는 양이 될 때까지 흡기 포트 개/폐 밸브 (12) 및 스로틀 (13) 을 제어한다. 즉, 제 2 전환 기간에는, 연소 모드의 전환이 완료될 때까지 흡기 포트 개/폐 밸브 (12) 및 스로틀 (13) 이 연속적으로 제어된다. 따라서 HCCI 연소 모드는 SI 연소 모드로 확실하고 순조롭게 전환된다.
스로틀 (13) 은 흡기량 조정 장치로서 이용된다. 따라서 연소실 (3) 로 공급되는 흡기량은 간단한 구성에 의해 감소된다.
제 2 전환 기간에는, ECU (90) 는, 흡기량이 제 2 전환 기간 전의 값 미만으로 감소하도록 흡기 포트 개/폐 밸브 (12) 를 제어할 수도 있다. HCCI 연소시에 원하는 연비 및 열효율을 보장하기 위해서, 공연비는 SI 연소에 따른 값에 비해 증가되거나, 또는 즉, 연소실 (3) 의 내부가 희박한 상태가 된다. HCCI 연소의 정상 운전시의 공연 혼합물은 SI 연소의 정상 운전시의 공연 혼합물보다 더 희박하다. 따라서, HCCI 연소를 SI 연소로 전환하기 위해서, 연소실 (3) 의 공연비가 예컨대 흡기량을 감소시킴으로써 HCCI 연소의 정상 운정시의 값에 비해 SI 연소의 정상 운전시의 값으로 감소되어야만 한다. 본 실시형태에 있어서, 흡기량이 감소되어서 제 2 전환 기간에 공연비가 신속하게 감소된다. 따라서 HCCI 연소 모드는 SI 연소 모드로 순조롭게 전환된다.
구체적으로, ECU (90) 는, 제 2 전환 기간에 개방된 흡기 포트의 수가 제 2 전환 기간 전에 개방된 흡기 포트의 수 미만으로 감소하도록 흡기 포트 개/폐 밸브 (12) 를 제어함으로써 흡기량을 감소시킨다. 일본 특허 공개 공보 제 2003-193872 호에 개시되어 있는 가변 압축비 기구를 사용하지 않고 기관의 운전 모드 사이에서 순조롭게 전환하기 위해서는, 예를 들어 스로틀 (13) 의 개구도의 조정만 이 행해질 수 있다. 그러나, 스로틀 (13) 의 운전의 지연 (응답 지연) 이 스로틀 (13) 의 개구도를 조정하는 것만으로는 공연비의 신속한 감소를 어렵게 한다. 본 실시형태에 있어서, 제 2 전환 기간에 사용된 흡기 포트의 수를 줄임으로써 흡기량이 급속하게 감소된다. 따라서, 공연비의 신속한 감소를 통해서, HCCI 연소 모드가 SI 연소 모드로 순조롭게 전환된다. 따라서, 간단한 구성에 의해, 제 1 전환 기간의 과조 착화 및 노킹의 발생 및 제 2 전환 기간의 토크의 증가 및 실화가 억제된다.
제 1 포트는, 연소실 (3) 에 스월 유동을 발생시키도록 형성된 스월 포트 (10p) 이다. 따라서 스월 유동이 확실하게 발생된다.
제 2 포트는 피스톤의 스트로크 방향을 따라 흡기를 공급하는 텀블 포트 (11p) 이다. 이는 간단한 구성을 통해 제 2 전환 기간에 연소실 (3) 의 내부의 과도한 냉각을 확실하게 방지한다.
본 발명은 상기에 도시된 실시형태로 제한되지 않지만 청구범위로부터 벗어나지 않는 한 다양한 형태로 변형될 수도 있다.
"제 1 포트" 는 연소실 (3) 에 강한 스월 유동을 적극적으로 공급하는 흡기 포트이다. 도시된 실시형태에서, 제 1 포트는 스월 유동을 발생시키도록 형성된 스월 포트 (10p) 이다. 그러나, 제 1 포트는 연소실 (3) 의 벽면을 따르는 방향으로 연소실 (3) 의 벽면 근처에 형성된 개구로부터 흡기를 공급하는 흡기 포트일 수도 있다. "제 2 포트" 는 스월 유동을 발생시키지 않거나, 또는 저급 스월 유동을 발생시키지만 강한 스월 유동을 적극적으로 발생시키지는 않거나, 또 는 스월 유동 외에 흡기 유동을 발생시킬 수 있는 비전용 스월 포트이다. "저급 스월 유동" 은 소량의 스월 요소를 포함하는 흡기의 유동을 가리킨다. 도시된 실시형태에 있어서, 제 2 포트는 텀블 포트 (11p) 이다. 그러나, 제 2 포트는 스월 유동이 적극적으로 발생되지 않는 위치에 배열되는 직선 포트일 수도 있다. 이러한 간단한 구성이 제 2 전환 기간에 연소실 (3) 의 내부의 과도한 냉각을 억제한다.

Claims (11)

  1. 연소실을 갖고 불꽃 점화 연소와 예혼합 압축 착화 연소 사이에서 연소 모드를 전환할 수 있는 예혼합 압축 착화 기관으로서,
    연소실과 연통하는 복수의 흡기 포트로서, 스월 포트인 적어도 하나의 제 1 포트 및 피스톤의 스트로크 방향을 따른 흡기류를 발생시키는 텀블 포트인 적어도 하나의 제 2 포트를 포함하는 복수의 흡기 포트,
    적어도 제 2 포트를 선택적으로 개폐하는 흡기 포트 개/폐 장치, 및
    흡기 포트 개/폐 장치를 제어하는 제어부를 포함하고, 제 1 전환 기간, 즉 불꽃 점화 연소가 예혼합 압축 착화 연소로 전환되는 전환 기간에는, 제어부가 제 2 포트를 폐쇄하기 위해서 흡기 포트 개/폐 장치를 제어하도록 적용되어서 흡기가 오직 제 1 포트만을 통해 연소실로 공급되도록 하고, 제 2 전환 기간, 즉 예혼합 압축 착화 연소가 불꽃 점화 연소로 전환되는 전환 기간에는, 제어부가 제 2 포트를 개방하기 위해서 흡기 포트 개/폐 장치를 제어하도록 적용되어서 흡기가 적어도 제 2 포트를 통해 공급되도록 하고,
    상기 제 2 전환 기간에, 상기 제어부는, 흡기량이 불꽃 점화 연소의 정상 운전에 따른 양이 될 때까지 상기 제 2 포트만을 통해 흡기가 공급되도록 흡기 포트 개/폐 장치를 제어하는 예혼합 압축 착화 기관.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 1 전환 기간에, 상기 제어부는, 연소실의 온도가 예혼합 압축 착화 연소의 정상 운전에 따른 온도에 도달할 때까지 제 2 포트가 폐쇄된 상태로 유지되도록 흡기 포트 개/폐 장치를 제어하는 예혼합 압축 착화 기관.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 연소실에 도달할 때까지 흡기량을 조정하는 흡기량 조정 장치를 더 포함하고, 제 2 전환 기간에, 상기 제어부는 흡기량이 제 2 전환 기간 전의 시간에 흡기량 미만으로 감소하도록 흡기량 조정 장치를 제어하는 예혼합 압축 착화 기관.
  5. 제 4 항에 있어서, 제 2 전환 기간에, 상기 제어부는 흡기량이 불꽃 점화 연소의 정상 운전에 따른 양이 될 때까지 흡기량이 감소된 레벨에서 유지되도록 흡기량 조정 장치를 제어하는 예혼합 압축 착화 기관.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 흡기량 조정 장치는 스로틀인 예혼합 압축 착화 기관.
  7. 제 1 항에 있어서, 제 2 전환 기간에, 상기 제어부는, 흡기량이 제 2 전환 기간 전의 흡기량 미만으로 감소하도록 흡기 포트 개/폐 장치를 제어하는 예혼합 압축 착화 기관.
  8. 제 7 항에 있어서, 제 2 전환 기간에, 상기 제어부는, 개방되어 있는 흡기 포트의 수가 제 2 전환 기간 전에 개방되어 있었던 흡기 포트의 수 미만으로 감소하여서 흡기량을 감소시키도록 흡기 개/폐 장치를 제어하하는 예혼합 압축 착화 기관.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 포트는 연소실에서 스월 유동을 발생시키도록 형성된 스월 포트인 예혼합 압축 착화 기관.
  10. 삭제
  11. 삭제
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