KR101459913B1 - 디젤/가솔린 혼합연소 적용 엔진의 연소 제어 방법 - Google Patents

디젤/가솔린 혼합연소 적용 엔진의 연소 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 혼합연소 엔진의 고/전부하 운전 영역에서 압축 행정 시 디젤 연료를 분사하고 EGR 장치를 적용함으로써 연료-공기 혼합기의 압축 온도를 낮추어 고부하 운전영역에서 가솔린 연료에 의한 노킹 발생을 방지할 수 있는 디젤/가솔린 혼합연소 적용 엔진의 연소 제어 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 고부하 가솔린 운전 영역에서 디젤 연료를 분사시켜 디젤 인젝터 노즐을 냉각함으로써, 높은 연소온도에 의한 디젤 인젝터 노즐이 용융되는 현상의 발생을 방지할 수 있다.

Description

디젤/가솔린 혼합연소 적용 엔진의 연소 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING COMBUSTION OF DIESEL/GASOLINE MIXED COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 고부하 운전 영역에서 노킹 발생을 방지하는 디젤/가솔린 혼합연소 적용 엔진의 연소 제어 방법에 관한 것이다.
오늘날 두 가지 타입의 엔진이 광범하게 사용되고 있으며, 그 중 하나는 불꽃 점화(Spark Ignition, SI) 방식의 가솔린 엔진이고, 다른 하나는 압축 착화(Compression Ignition, CI) 방식의 디젤 엔진이다.
이 중 불꽃 점화 방식의 엔진은 스로틀바디 또는 흡기 매니폴드에 연료를 분사하여 흡기 행정시 공기와 함께 연소실로 흡입하여 연소시키는 간접 분사 방식과, 엔진의 성능 향상 및 연비 향상, 배기가스 저감을 위해 연료를 연소실에 직접 분사하여 연소시키는 직접 분사 방식(Gasoline Direct Injection, GDI)으로 구분할 수 있다.
간접 분사 방식의 예로, 포트 분사(Port Fuel Injection, PFI) 방식의 경우, 흡기 매니폴드의 흡기포트에 분사된 연료와 공기가 혼합된 예혼합 기체가 연소실로 유입된 뒤 균일한 혼합기 상태에서 점화플러그에 의해 점화 및 연소되는 예혼합연소 방식을 취하고 있다.
또한 직접 분사 방식의 경우, 디젤의 압축 착화 방식과 유사하게 가솔린 연료를 연소실에 직접 분사하며, 따라서 간접 분사 방식보다 초 희박상태에서의 연소가 가능하고, 엔진의 성능 및 연비, 배기가스 측면에서 보다 유리한 이점을 갖는다.
통상 불꽃 점화 방식의 가솔린 엔진은 압축비(Compression Ratio, CR)가 높을수록 노킹(knocking)이 발생할 위험이 커지기 때문에 압축비를 높이는데 한계가 있고, 압축 착화 방식의 엔진과 비교할 때 열효율 및 연비가 열등하다는 단점이 있다.
점점 엄격해지는 CO2 규제와 높은 연비를 원하는 고객의 요구를 만족시키기 위해 가솔린 엔진에서 압축비를 높일 필요가 있지만, 압축비를 높일 때 발생하는 노킹을 방지하는 기술이 필요하다.
고압축비 가솔린 엔진에서 노킹을 억제하기 위해 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation, EGR) 장치를 적용하면 노킹 억제와 펌핑 손실 저감 등의 효과를 얻을 수 있지만, 기존의 점화플러그로는 착화가 잘 되지 않는 단점이 있다.
한편, 디젤 엔진의 연소 특성은 디젤 연료의 자착화 성질을 이용한 압축 착화 방식을 적용하는 점에 있고, 연소실 내 공기를 고압 및 고온 상태로 만들어주기 위해 높은 압축비의 실린더를 이용하므로 가솔린 엔진에 비해 열효율과 연비가 우수한 특성이 있다.
최근 전 세계적으로 지구 온난화 현상을 비롯하여 이례적인 기후 변화가 나타남에 따라 선진국을 중심으로 모든 산업분야에 환경규제가 적용되고 있으며, 자동차 산업에서의 규제는 특히 더욱 엄격해지고 있다.
이에 부응하여 압축 착화 방식의 엔진은 연료가 희박한 영역에서 연소되어 미연탄화수소(Unburned Hydrocarbon, UHC) 및 CO2의 배출량이 적은 장점을 가지므로 많은 연구가 이루어지고 있으나, 불균질 공연(air-fuel) 혼합물로 인한 질소산화물(NOx) 및 입자상물질(Particulate matter, PM)의 배출량이 많다는 단점이 있고, 정책 규제에 부합하는 NOx 및 PM 배출 저감을 위해 DPF(Diesel Particulate Filter) 등의 고가 후처리 장치가 요구된다.
이를 극복하기 위해 연소실 내 혼합기를 균일하게 하여 PM 생성영역으로 알려진 연료가 농후한 영역을 없애고 급격한 열 발생을 줄이는 균일 예혼합 압축 착화(Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI) 연소 방식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
HCCI 방식은 가솔린 엔진에 비해 압축 착화 및 희박 연소를 통한 연비 향상의 이점을 가지며, 디젤 엔진에 비해 예혼합연소에 의한 PM/NOx 동시 저감의 이점을 가진다.
하지만 HCCI 방식은 착화시기 및 연소 제어의 어려움과 과도한 압력 상승, 연소 소음, 배기 트레이드 오프(가솔린 HCCI의 경우 NOx 증가, 디젤 HCCI의 경우 CO/HC 증가) 등의 문제점을 가지며, 특히 협소한 운전 영역(엔진의 저속 및 저부하 운전 영역에서 사용 제한이 있음)을 해결하는 것이 실용화를 위한 과제로 알려져 있다.
따라서, 기존 HCCI 연소 방식이 가지는 문제점을 회피하기 위해 디젤과 가솔린 연료를 동시에 연소시키는 혼합연소 방식이 연구되고 있다.
디젤-가솔린 혼합연소 방식으로는, 예혼합에 의한 노킹을 억제하면서 착화 지연 기간을 길게 하여 착화시점을 TDC 근처에서 제어하기 위해, 흡기 행정 중 옥탄가가 높은 가솔린 연료를 예혼합하여 연소실에 균일한 혼합기를 조성하고, 압축 행정 중 높은 세탄가를 가진 착화 제어용 디젤 연료를 연소실 내 직접 분사하여 착화시킴으로써 균일한 혼합기를 연소시키는 방법이 있다.
이러한 디젤-가솔린 혼합연소 방식은 기존 HCCI 방식에 비해 고 EGR 조건에서도 가솔린 연료의 착화성 확보가 가능하고, 자발화된 디젤이 가솔린 연소를 위한 점화원으로 작용하므로 점이 아닌 체적 연소가 가능하여 일반 가솔린 엔진 대비 연소 효율 및 연비가 개선될 수 있다.
또한 일반 디젤 엔진과 비교하여 배기가스 배출물을 저감할 수 있는 이점을 가지며, 가격 상승의 요인이 되는 고가의 DPF와 같은 후처리 장치가 삭제될 수 있다.
그러나, 상기 혼합연소 엔진은 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째로, 디젤 압축 착화가 이루어질 수 있는 조건에서만 혼합연소가 가능하므로 혼합연소 모드를 적용할 수 있는 영역이 부분 부하 영역으로 제한적이다. 따라서 디젤 엔진 동등 수준의 전부하(Full Load) 성능을 확보하는데 어려움이 있다.
둘째로, 혼합연소의 장점인 저가의 FIE(Fuel Injection Equipment)를 적용할 경우 디젤엔진 연료의 저압 분사로 인해 고부하/전부하(Full Load) 영역(도 2에서 B 영역)에서 연소지연 및 연소 불안정 현상이 발생한다. 또한 연소지연으로 배기온도가 상승하고 EGR 온도도 상승하여 목표 공기량 추종성이 저하된다. 아울러 추가 부스팅 장치를 사용할 경우 연소압이 지나치게 상승하는 추가적인 문제점을 야기하게 되므로 추가 부스팅 장치의 사용도 제한적이다.
이에 상기한 문제점을 해결하기 위한 개선안으로 고/전부하 운전 영역(B 영역)에서 가솔린 연료만을 사용하는 가솔린 연소 모드를 적용하는 방안을 제시할 수 있다.
하지만, 고/전부하 운전 영역에서 가솔린 연소 모드를 적용하는 경우에 고압축비로 인해 가솔린 노킹 현상, 예를 들면 압축행정 시 연료-공기 혼합기의 온도가 상승하여 스파크점화에 의한 정상 화염 면이 미연가스에 도달하기 전에 자발화하는 현상이 발생할 수 있고, 가솔린 연소시 고온의 연소가스로 인해 연소실 내부에 설치된 디젤 인젝터 노즐이 용융(Melting)되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 혼합연소 엔진의 고/전부하 운전 영역에서 압축 행정 시 디젤 연료를 분사하고 EGR 장치를 적용함으로써 연료-공기 혼합기의 압축 온도를 낮추어 고/전부하 운전영역에서 가솔린 연료에 의한 노킹 발생을 방지할 수 있는 디젤/가솔린 혼합연소 적용 엔진의 연소 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 고부하 가솔린 운전 영역에서 디젤 연료를 분사시켜 디젤 인젝터 노즐을 냉각함으로써, 높은 연소온도에 의한 디젤 인젝터 노즐이 용융(Melting)되는 현상의 발생을 방지할 수 있는 디젤/가솔린 혼합연소 적용 엔진의 연소 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 디젤/가솔린 혼합연소 적용 엔진의 연소 제어 방법은 디젤과 가솔린 연료의 혼합연소가 이루어지는 혼합연소 모드와, 가솔린 연료만을 연소시키는 가솔린 연소 모드를 가지며, 혼합연소 모드와 가솔린 연소 모드 중 엔진의 현 운전 상태에 따른 연소 모드를 판단하는 단계; 엔진의 현 운전 상태가 고/전부하 및 중부하 운전 영역인 경우에는 압축 행정 시 가솔린 연료와 공기가 혼합된 예혼합기에 디젤 연료를 분사하여 디젤과 가솔린 연료의 혼합연소가 이루어지도록 제어하는 단계; 및 엔진의 현 운전 상태가 저부하 운전 영역인 경우에는 가솔린 연료만을 연소시키는 단계로 이루어지고, 고/전부하 운전 영역에서 디젤 연료의 분사로 미연가스의 온도를 낮추어 노킹 발생을 방지하는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 디젤과 가솔린 연료의 혼합연소가 이루어지도록 제어하는 단계는 통상적으로는 고/전부하 영역에서는 EGR을 사용하지 않는 운전 영역이지만 EGR 장치를 사용하여 배기가스를 연소실로 재순환시키는 방식으로 고/전부하 영역에서 가솔린 노킹 발생을 방지하는 것을 특징으로 한다.
상기 디젤 연료의 분사는 냉각효과를 수반하여 고/전부하 영역에서 가솔린 연료 단독 연소 시 디젤 인젝터 노즐의 용융 문제를 해소할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 연소실 내부에 설치되어 두 개의 전극 사이에 다 회수 점화 방식으로 다수의 스파크를 발생시키는 멀티-차지 점화코일 시스템을 포함하고, 상기 EGR 장치를 사용하는 경우에 연료-공기 혼합기의 희석에 따른 연소 불안정 발생을 방지할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
디젤/가솔린 혼합연소 적용 엔진의 상기한 고/전부하 운전 영역에서는 가솔린 연소 모드를 적용하지 않고 혼합연소 모드, 즉 흡기포트를 통해 유입된 예혼합기에 디젤 연료를 분사함으로써, 디젤 연료의 증발 잠열에 의해 미연가스의 온도를 낮추어 고/전부하 운전 영역에서 가솔린 노킹 현상의 발생을 방지하게 되는 것이다.
또한, 상기 압축행정에서 디젤 연료가 분사되는 경우 디젤연료의 다점 착화에 의한 체적연소로 연소속도가 증대되어 노킹 현상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 디젤/가솔린 혼합연소 적용 엔진에서 혼합연소 모드의 운전 영역을 확대할 수 있고 디젤엔진의 하드웨어를 보호할 수 있다.
아울러, 디젤연료의 분사는 냉각효과를 수반하여 고/전부하 영역에서 가솔린 연료를 단독으로 연소시키는 경우에 디젤 인젝터 노즐의 용융 문제를 해결할 수 있다.
뿐만 아니라, 고/전부하 영역에서는 통상적으로 EGR을 사용하지 않는 운전영역이지만, 본 발명에 따른 디젤/가솔린 혼합연소 적용 엔진에서는 가솔린 엔진 대비 고압축비이므로 노킹 발생을 억제하기 위해 고/전부하 영역에서도 EGR을 사용하고, 이 경우에 멀티-차지 점화 코일 시스템을 이용하여 스파크를 짧은 시간 동안에 연속해서 여러 번 발생시킴으로써 확실한 점화 소스를 제공하여 연료-공기 혼합기의 희석에 따른 연소 불안정 발생을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명에서 혼합연소 모드를 갖는 엔진의 구성 및 혼합연소 모드에서의 연소 사이클을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에서 연소 모드 결정을 위한 맵의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 혼합연소에서의 문제점을 해소하기 위한 본 발명에 따른 연소 제어 방법을 설명하기 위한 로직 트리이다.
도 4는 본 발명에 따른 EGR 사용시 적용되는 멀티-차지 점화 코일 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1은 본 발명에서 혼합연소 모드를 갖는 엔진의 구성 및 혼합연소 모드에서의 연소 사이클을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명에서 연소 모드 결정을 위한 맵의 일례를 나타내는 도면이다.
본 발명은 기존의 디젤-가솔린 혼합연소 엔진이 가지는 문제점, 특히 고부하 운전 영역에서의 가솔린 노킹 문제를 개선하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 디젤 연소가 갖는 압축착화 기술과 가솔린 연소가 갖는 예혼합연소 기술을 융합한 내연기관에 적용될 수 있고, 엔진의 운전 상태에 따라 선택되는 연소 모드로서 디젤과 가솔린 연료의 혼합연소가 이루어지는 혼합연소 모드와, 가솔린 연료만을 연소시키는 가솔린 연소 모드가 설정되고, 고/전부하 운전영역에서 가솔린 연소 적용시 발생하는 가솔린 노킹 문제 및 디젤 인젝터 노즐의 용융(Melting) 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 고/전부하 영역에서 노킹 발생을 방지하기 위해 EGR 장치 사용시 연료-공기 혼합기 희석에 따른 연소 불안정 발생 문제를 해결할 수 있도록 한 것에 주된 특징이 있는 것이다.
본 발명에서 혼합연소 모드는 흡기 행정에서 가솔린 연료를 분사하여 예혼합기를 생성하고 압축 행정시 연소실 내 압축된 고온 고압의 혼합기에 착화 제어용 디젤을 분사하여 착화함으로써 가솔린과 디젤의 혼합연소가 이루어지도록 하는 모드이다.
이러한 혼합연소 모드는 기존의 HCCI 연소 방식이 가지는 문제점을 회피할 수 있는 연소 모드, 특히 가솔린을 예혼합되는 주 연료로 사용하면서 디젤을 직접 분사되는 착화 제어용 연료로 사용하여 착화 및 연소 제어 안정성을 확보할 수 있는 혼합기 균질화, 희박, 압축 자착화 방식의 연소 모드로서, 디젤 압축 착화 연소(저연비 도모)와 가솔린 예혼합연소(청정 배기 도모)가 복합된 연소 모드라 할 수 있다.
도 1은 혼합연소 모드를 갖는 엔진의 구성 및 혼합연소 모드에서의 연소 사이클을 나타내는 도면으로, 이를 참조로 혼합연소 모드에 대해 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도시된 바와 같이, 흡기밸브(11)가 개방되고 피스톤(13)이 하사점을 향해 이동하는 흡기 행정에서 흡기 매니폴드의 흡기포트(1)에 설치된 제1인젝터(14)를 통해 가솔린 연료가 분사되며(가솔린 PFI), 이때 흡기포트(1)를 통해 연소실로 유입되는 공기와 제1인젝터(14)를 통해 분사된 가솔린 연료가 예혼합된다.
이에 연소실 내에는 흡기포트(1)를 통해 흡입된 예혼합기와, 배기가스 재순환(EGR) 장치(도시하지 않음)에 의해 연소실로 유입된 재순환 가스(EGR 가스)가 혼합된 혼합기가 생성되고, 이로써 연소실 내 균질의 예혼합 분위기 및 연소 조건이 조성된다.
이어 흡/배기밸브(11,12)가 모두 닫힌 상태에서 피스톤(13)이 상사점을 향해 이동하는 압축 행정(Step#1)에서 연소실에 설치된 제2인젝터(15)를 통해 착화 제어용 디젤이 분사되고, 이로써 예혼합기 내에 착화용 디젤 액적 군이 다점으로 분산 배치된다(안정적 점화원 확보가 이루어짐).
또한 압축 행정(Step#2) 동안 예혼합기 내에 존재하는 다점의 디젤 액적들이 고온 고압 조건에서 자발화하는 압축 착화가 이루어지며, 팽창 행정에서 자발화된 다점의 디젤을 점화원으로 하여 가솔린 점화 및 화염 전파가 이루어진다.
팽창 행정에서는 가솔린 예혼합연소에 의한 주(主) 열이 발생하고, 가솔린 예혼합연소에 의해 발생하는 폭발력을 받아 피스톤(13)이 이동하면서 동력을 발생시키게 된다.
도 1에서 배기 행정에 대해서는 도시를 생략하였으나, 배기밸브(12)가 개방되고 피스톤(13)이 다시 상사점을 향해 이동하는 배기 행정 동안 연소 후 배기가스가 배기포트(2) 및 배기 매니폴드를 통해 배출된다.
이와 같이 혼합연소 모드에서는 예혼합기에 다점으로 배치되는 디젤 액적에 의해 착화가 이루어지므로 안정적인 점화원 확보가 가능하고, 다점 압축 착화에 의한 가솔린 점화를 통해 기존의 가솔린 HCCI 방식이 가지는 착화 불안정성 및 연소 효율 문제가 개선될 수 있다.
더불어 디젤 착화에 의한 가솔린 예혼합연소에 의해 주 열이 발생하고 동력이 발생하므로 기존의 가솔린 HCCI나 디젤 HCCI 연소 방식에 비해 청정 배기, 양호한 응답성, 정숙성, 연비 개선, 연소 불안정성 해소 및 고효율 등의 여러 이점이 있게 된다.
그리고, 본 발명에서 가솔린 연소 모드는 흡기 행정에서 제1인젝터(14)를 통해 가솔린을 분사하여 공기와 예혼합된 혼합기를 연소실로 흡입하고, 디젤 분사 없이 압축 후 팽창 행정에서 연소실에 설치된 점화플러그(16)를 통해 점화하여 예혼합기를 연소시키는 불꽃 점화(SI) 방식의 가솔린 예혼합연소 모드이다.
이러한 가솔린 연소 모드는 기존 가솔린 엔진에서와 유사한 연소 사이클을 가지므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기와 같이 본 발명에서는 엔진의 연소 모드로서 기존의 혼합연소 엔진에 적용되고 있는 압축 착화 방식의 디젤-가솔린 혼합연소 모드와 더불어, 불꽃 점화 방식의 가솔린 연소 모드가 추가로 적용되고, 기존의 혼합연소 엔진에 가솔린 연료 공급 시스템은 이미 구비되어 있으므로 가솔린 연소 모드의 불꽃 점화를 위한 하드웨어 요소로 점화플러그(16)를 포함하는 점화장치가 추가된다.
첨부한 도 4는 본 발명에 따른 EGR 사용시 적용되는 멀티-차지 점화 코일 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
또한, EGR 사용시 연료-공기 혼합기 희석에 의해 연소불안정 발생 문제를 해결하기 위해 연소실 내에 멀티-차지(Multi-Charge) 점화 코일 시스템을 적용한다.
멀티-차지 점화 코일 시스템은 점화플러그에 설치된 두 개의 전극(16a,16b) 사이에서 스파크(17)를 짧은 펄스시간(예, 0.2㎳) 간격으로 연속해서 발생시키는 장치로서, 연소실 내에서 EGR에 의해 희석된 연료-공기 혼합기의 불꽃 점화 확률을 높이기 위한 방법이며 비록 EGR로 인해 희석되어 점화에 불리한 연료-공기 혼합기가 불균일한 농도를 가지더라도 다회수로 불꽃 점화 발생이 일어나는 동안 연소 가능한 연료-공기 혼합기를 만나서 점화 에너지를 전달할 수 있는 확률을 높이는 확실한 점화 소스로 연소안정성을 확보할 수 있다.
예를 들면, 도 4에 도시한 바와 같이 한쪽 전극(16a)에 전류가 인가되어 스파크(17)가 발생하면 한쪽 전극(16a)에서 다른 전극(16b)으로 첫번째 스파크(17)가 전달되고, 짧은 펄스시간 간격을 두고 연속해서 전류가 인가되어 여러 번의 스파크(17)가 발생하면 혼합기의 흐름에 의해 여러 개의 스파크(17)가 혼합기의 흐름 방향으로 간격을 두고 물결무늬처럼 전파된다.
실제로 연소실에서 유동하는 혼합기는 연료의 농도가 희박하거나 농후하게 되는 등 시시각각 변하므로, 상기 멀티 차지 점화 코일 시스템은 연소실 내에서 스파크(17)를 여러 번 발생시킴으로써 실제 혼합기의 점화 확률을 극대화할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 엔진 ECU에 의해 상기한 혼합연소 모드와 가솔린 연소 모드 중 엔진의 운전 상태에 따른 어느 하나의 연소 모드가 선택되고, 선택된 연소 모드를 수행하기 위한 제어가 이루어진다.
첨부한 도 3은 혼합연소에서의 문제점을 해소하기 위한 본 발명에 따른 연소 제어 방법을 설명하기 위한 로직 트리이다.
본 발명의 일실시예에 따른 디젤/가솔린 혼합연소 적용 엔진의 제어방법을 살펴보면, 먼저 제어부가 현 연소 모드를 검지하거나 현 연소 모드를 제어하여 알고 있는 상태에서 엔진 회전속도와 엔진 부하(또는 가속페달 위치) 등 엔진의 현 운전 상태 정보에 기초하여 연소 모드의 변경이 필요한지를 결정한다.
이때, 엔진의 현 운전 상태에 기초한 연소 모드의 변경 필요 유무 및 연소 모드의 결정을 위해 도 2와 같은 연소 모드 결정 맵, 즉 엔진 회전속도(rpm)와 엔진 부하(%)에 따라 연소 모드를 구분하여 설정한 맵이 이용될 수 있다.
여기서, 엔진의 현 운전 상태가 고/전부하 운전 영역(도 2의 B 영역)과 중부하 운전 영역(도 2의 A 영역)인 경우에는 혼합연소 모드로 제어하고, 저부하 운전 영역인 경우에는 가솔린 연소 모드로 제어한다.
만약, 고/전부하 운전 영역에서 가솔린 연소 모드를 적용하는 경우에 가솔린 엔진에 비해 고압축비에 따른 가솔린 노킹 현상이 발생하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명에 의하면 디젤/가솔린 혼합연소 적용 엔진의 상기한 고/전부하 운전 영역에서는 가솔린 연소 모드를 적용하지 않고 혼합연소 모드, 즉 흡기포트를 통해 유입된 예혼합기에 디젤 연료를 분사함으로써, 디젤 연료의 증발 잠열에 의해 미연가스의 온도를 낮추어 고/전부하 운전 영역에서 가솔린 노킹 현상의 발생을 방지하게 되는 것이다.
그리고, 통상적으로 EGR 가스를 흡기측에 재순환시키는 경우에 연비가 안좋아지기 때문에 고/전부하 영역에서 EGR을 사용하지 않는데, 가솔린 엔진 대비 고압축비로 공기를 압축시키는 혼합연소 엔진의 경우 고/전부하 영역에서 가솔린 연소 시 노킹이 발생할 가능성이 있으므로, 본 발명에서는 EGR을 사용하지 않는 고/전부하 영역에서 EGR을 사용하여 노킹을 저감할 수 있다.
이때, 상기 EGR 가스를 흡기측에 재순환시켜 새로운 공기와 혼합하는 경우에 공기가 희석됨으로 공기 밀도가 낮아지고 압축온도가 낮아지므로 노킹 발생을 방지하게 되는 것이다.
또한, 상기 압축행정에서 디젤 연료가 분사되는 경우 디젤연료의 다점 착화에 의한 체적연소로 연소속도가 증대되어 노킹 현상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 디젤/가솔린 혼합연소 적용 엔진에서 혼합연소 모드의 운전 영역을 확대할 수 있고 디젤엔진의 하드웨어를 보호할 수 있다.
아울러, 디젤연료의 분사는 냉각효과를 수반하여 고/전부하 영역에서 가솔린 연료를 단독으로 연소시키는 경우에 디젤 인젝터 노즐의 용융 문제를 해결할 수 있다.
뿐만 아니라, 고/전부하 영역에서 노킹 발생을 억제하기 위해 EGR 장치를 사용하는 경우에 멀티-차지 점화 코일 시스템을 이용하여 짧은 시간 간격으로 연속해서 스파크를 발생시킴으로써 확실한 점화 소스를 제공하여 연료-공기 혼합기의 희석에 따른 연소 불안정 발생을 개선할 수 있다.
1 : 흡기포트 2 : 배기포트
11 : 흡기밸브 12 : 배기밸브
13 : 피스톤 14 : 제1인젝터(가솔린 인젝터)
15 : 제2인젝터(디젤 인젝터) 16 : 점화플러그
16a,16b : 전극 17 : 스파크

Claims (4)

  1. 디젤과 가솔린 연료의 혼합연소가 이루어지는 혼합연소 모드와, 가솔린 연료만을 연소시키는 가솔린 연소 모드를 갖는 엔진의 연소 제어 방법에 있어서,
    혼합연소 모드와 가솔린 연소 모드 중 엔진의 현 운전 상태에 따른 연소 모드를 판단하는 단계;
    엔진의 현 운전 상태가 고/전부하 및 중부하 운전 영역인 경우에는 압축 행정 시 가솔린 연료와 공기가 혼합된 예혼합기에 디젤 연료를 분사하여 디젤과 가솔린 연료의 혼합연소가 이루어지도록 제어하는 단계; 및
    엔진의 현 운전 상태가 저부하 운전 영역인 경우에는 가솔린 연료만을 연소시키는 단계;
    로 이루어져, 고/전부하여 운전 영역에서 디젤 연료의 분사로 미연가스의 온도를 낮추어 노킹 발생을 방지하며,
    상기 디젤과 가솔린 연료의 혼합연소가 이루어지도록 제어하는 단계는 통상적으로 고/전부하(Full load) 영역은 EGR을 사용하지 않는 운전영역이지만 노킹 저감을 위해 EGR 장치를 사용하여 배기가스를 연소실로 재순환시키는 방식으로 가솔린 연소시 노킹 발생을 방지하는 것을 특징으로 하는 디젤/가솔린 혼합연소 적용 엔진의 연소 제어 방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 디젤 연료의 분사는 냉각효과를 수반하여 고/전부하 영역에서 가솔린 연료 단독 연소 시 디젤 인젝터 노즐의 용융 문제를 해소할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 디젤/가솔린 혼합연소 적용 엔진의 연소 제어 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    연소실 내부에 설치되어 두 개의 전극(16a,16b) 사이에 다 회수 점화 방식으로 다수의 스파크를 발생시키는 멀티-차지 점화코일 시스템을 포함하고, 상기 EGR 장치를 사용하는 경우에 연료-공기 혼합기의 희석에 따른 연소 불안정 발생을 방지할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 디젤/가솔린 혼합연소 적용 엔진의 연소 제어 방법.


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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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