KR101786199B1

KR101786199B1 - 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진 및 제어방법

Info

Publication number: KR101786199B1
Application number: KR1020150128848A
Authority: KR
Inventors: 박민규
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2017-10-17
Also published as: CN106523148A; DE102015120945B4; US10267221B2; DE102015120945A1; US20170074162A1; CN106523148B; KR20170031393A

Abstract

본 발명의 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진은 연소가 이루어지는 제1,2,3 기통(1-1,1-2,1-3)을 구비한 실린더 블록(1), 제1,2,3 기통(1-1,1-2,1-3)의 각각에 구비된 제1,2,3 피스톤(3-1,3-2,3-3)의 스트로크 차이를 형성해 주는 크랭크 샤프트(5), 크랭크 샤프트(5)의 회전력을 전달받아 제1,2,3 기통(1-1,1-2,1-3)의 각각에 대한 흡기와 배기 타이밍을 형성해주는 캠 샤프트(11)를 포함하고, 컨트롤러(20)에 의해 제1,3 기통(1-1,1-3)이 4사이클 연소제어가 이루어지고 제2 기통(1-2)이 2사이클 연소제어가 이루어짐으로써 4사이클과 2사이클 의 복합연소에서도 엔진 성능(출력, 토크)저하가 없고, 특히 콤팩트하고 우수한 연비를 갖는 3기통 엔진의 장점이 유지되면서 NVH(Noise, Vibration, Harshness)는 더욱 개선되는 특징을 갖는다.

Description

복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진 및 제어방법{Combined Cycle Combustion Control type 3 Cylinders Engine and Engine Control Method thereof}

본 발명은 3기통 엔진에 관한 것으로, 특히 2사이클 연소 기통과 4사이클 연소 기통으로 운영하면서 엔진의 콤팩트와 우수한 연비의 장점을 살리고 NVH(Noise, Vibration, Harshness)도 개선한 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진 및 제어방법에 관한 것이다.

최근 들어 4기통의 4사이클 연소 방식 엔진이 갖는 연비 향상, 엔진 크기, 중량 축소 등에 대한 한계성을 극복하고자 3기통 엔진이 양산되는 추세이다.

구성 측면에서, 3기통 엔진은 각각 동일한 보어, 스트로크, 밸브 타이밍을 갖는 3개의 기통으로 구성되며, 3개의 기통에는 4기통 엔진과 같이 연소에 필요한 각종 장치들을 포함하고, 각 기통의 연소 시 흡/배기 타이밍이 엔진 ECU(Electronic Control Unit)로 제어된다.

연소 측면에서, 3기통 엔진은 흡입-압축-폭발-배기로 이루어지는 4사이클 연소 방식 또는 흡입/배기-압축/폭발로 이루어지는 2사이클 연소 방식을 적용한다.

기통 제어 측면에서, 3기통 엔진은 3개의 기통을 모두 4사이클 연소 방식으로 제어하거나 또는 3개의 기통중 2개의 기통을 4사이클 연소 방식으로 제어하는 단일 사이클 연소 방식으로 제어한다.

일본공개특허2015-059565(2015.3.30)

하지만, 3기통 엔진은 각 기통의 보어, 스트로크, 밸브 타이밍이 모두 동일한 구조적 특성을 가짐으로써 엔진의 소음과 진동이 통상적인 4기통 이상의 엔진에 비해 불리할 수밖에 없으며 이를 해결하기 위해 3기통 엔진에 4사이클과 2사이클을 복합하는 3기통 엔진 설계 기술을 고안하여야 하고, 추가로 이런 복합 사이클 제어 방식에서 발생될 수 있는 엔진 성능(출력, 토크)저하가 발생하여 상품성이 떨어질 수밖에 없다.

이러한 NVH 불리와 엔진 성능 부족은 4사이클의 연소 효율 대비 불리한 2사이클 연소 효율임에도 2사이클 연소용 기통과 4사이클 연소용 기통의 배기량이 모두 동일함에 기인된다.

이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 2사이클 기통과 4사이클 기통의 출력이 동등하도록 2사이클 연소 제어 기통의 보어와 스트로크 및 밸브 타이밍을 4사이클 연소 제어 기통과 달리 함으로써 4사이클과 2사이클의 복합 사이클 운영하에서 엔진 성능(출력, 토크)저하가 없고, 특히 콤팩트하고 우수한 연비를 갖는 3기통 엔진의 장점이 유지되면서 NVH(Noise, Vibration, Harshness)는 더욱 개선된 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진 및 제어방법의 제공에 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진은 실린더 블록; 4사이클 연소와 2사이클 연소가 이루어지는 기통으로 구분되고, 상기 실린더 블록에 일렬로 형성된 3개의 제1,2,3 기통; 상기 제1,2,3 기통의 각각에 구비된 제1,2,3 피스톤의 왕복운동을 회전운동으로 전환하는 크랭크 샤프트; 상기 크랭크 샤프트의 회전력을 전달받고, 상기 제1,2,3 기통의 각각에 대한 흡기와 배기 타이밍을 형성해주는 캠 샤프트; 를 포함한 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 4사이클 연소는 상기 제1 기통과 상기 제3 기통에서 각각 이루어지고, 상기 2사이클 연소는 상기 제2 기통에서 이루어진다.

바람직한 실시예로서, 상기 제2 기통에 구비된 상기 제2 피스톤의 스트로크는 상기 제1 기통에 구비된 상기 제1 피스톤의 스트로크와 상기 제3 기통에 구비된 상기 제3 피스톤의 스트로크 보다 짧고; 상기 제1,2,3 피스톤은 상기 크랭크 샤프트의 제1,2,3 크랭크 핀 저널과 각각 결합되며; 상기 크랭크 샤프트의 메인저널은 서로 간격을 두고 배열된 제1,2,3 카운터 웨이트를 구비하고, 상기 제1,2,3 카운터 웨이트의 각각은 상기 제1,2,3 크랭크 핀 저널을 구비하며, 상기 제2 크랭크 핀 저널은 상기 제1,3 크랭크 핀 저널보다 상기 메인저널의 축중심에 대한 높이차가 더 크게 형성되고; 상기 제1,2,3 크랭크 핀 저널의 각 높이차는 상기 제1,2,3 피스톤의 스트로크 차이를 형성하며; 상기 제1 크랭크 핀 저널과 상기 제3 크랭크 핀 저널은 서로 높이차를 갖지 않는다.

바람직한 실시예로서, 상기 캠 샤프트는 상기 제1,3 기통의 흡기와 배기 타이밍을 형성해주는 2개의 4사이클 캠, 상기 제2 기통의 흡기와 배기 타이밍을 형성해주는 1개의 2사이클 캠을 구비하고; 상기 2사이클 캠은 상기 캠 샤프트의 축 중심에 대해 좌우 대칭의 타원형으로 이루어진다.

바람직한 실시예로서, 상기 제1,3 기통의 각각은 상기 4사이클 캠의 각각에 의해 타이밍을 형성하는 4사이클 기통 흡기밸브와 4사이클 기통 배기밸브를 구비하며; 상기 제2 기통은 상기 2사이클 캠에 의해 타이밍을 형성하는 2사이클 기통 흡기밸브, 상기 제2 피스톤의 하강에 의해 타이밍을 형성하는 2사이클 기통 배기포트를 구비하고; 상기 2사이클 기통 배기포트는 상기 제2 기통의 측면에서 상기 제2 기통의 연소실내부와 연통된다.

바람직한 실시예로서, 상기 제1,3 기통의 각각은 상기 4사이클 캠의 각각에 의해 타이밍을 형성하는 4사이클 기통 흡기밸브와 4사이클 기통 배기밸브를 구비하며; 상기 제2 기통은 상기 2사이클 캠에 의해 타이밍을 형성하는 2사이클 기통 흡기밸브와 2사이클 기통 배기밸브를 구비한다.

바람직한 실시예로서, 상기 캠 샤프트는 가변밸브 시스템과 함께 구성된다.

바람직한 실시예로서, 상기 4사이클 연소 제어와 상기 2사이클 연소 제어는 컨트롤러로 제어되고, 상기 컨트롤러는 상기 제1,2,3 피스톤의 각각에서 검출된 BDC(Bottom Dead Center)로 상기 2사이클 연소의 흡기와 배기 타이밍을 형성해주며, 상기 컨트롤러는 엔진 ECU(Electronic Control Unit)이다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진제어방법은 엔진 ECU(Electronic Control Unit)가 엔진의 가동을 인식하면, 제1,2,3 기통중 4사이클 연소가 이루어지는 제1,3 기통과 2사이클 연소가 이루어지는 제2 기통으로 구분하는 복합사이클연소단계; 상기 엔진 ECU가 상기 제1,3 기통의 4사이클 연소 제어와 상기 제2 기통의 2사이클 연소 제어를 수행하면, 상기 제2 기통의 IVO(Intake Valve Open)제어가 상기 제1 기통 또는 상기 제3 기통의 BDC 전 또는 후 시점에서 수행되고, 상기 제2 기통의 IVC(Intake Valve Close)제어가 상기 제1 기통 또는 상기 제3 기통의 BDC 도달 시 수행되는 복합사이클 연소제어단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진제어방법은 엔진 ECU(Electronic Control Unit)가 엔진의 가동을 인식하면, 제1,2,3 기통중 4사이클 연소가 이루어지는 제1,3 기통과 2사이클 연소가 이루어지는 제2 기통으로 구분하는 복합사이클연소단계; 상기 엔진 ECU가 상기 제1,3 기통의 4사이클 연소 제어와 상기 제2 기통의 2사이클 연소 제어를 수행하면, 상기 제2 기통의 IVO(Intake Valve Open)제어가 상기 제1 기통 또는 상기 제3 기통의 BDC 시점에서 수행되고, 상기 제2 기통의 EVO(Exhaust Valve Open)제어가 상기 IVO제어 후 수행되고, 상기 제2 기통의 IVC(Intake Valve Close)와 EVC(Exhaust Valve Close)제어가 상기 제1 기통 또는 상기 제3 기통의 BDC 전 또는 후 시점 도달 시 동시에 수행되는 복합사이클 연소제어단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진제어방법은 엔진 ECU(Electronic Control Unit)가 엔진의 가동을 인식하면, 제1,2,3 기통중 4사이클 연소가 이루어지는 제1,3 기통과 2사이클 연소가 이루어지는 제2 기통으로 구분하는 복합사이클연소단계; 상기 엔진 ECU가 상기 제2 기통에 2사이클 기통 배기밸브가 구비되었는지를 구분하는 2사이클 기통 구분단계; 상기 엔진 ECU가 상기 제1,3 기통의 4사이클 연소 제어와 상기 2사이클 기통 배기밸브를 구비하지 않은 상기 제2 기통의 2사이클 연소 제어를 수행하면, 상기 제2 기통의 IVO(Intake Valve Open)제어가 상기 제1 기통 또는 상기 제3 기통의 BDC 전 또는 후 시점에서 수행되고, 상기 제2 기통의 IVC(Intake Valve Close)제어가 상기 제1 기통 또는 상기 제3 기통의 BDC 도달 시 수행되는 제 1타입 복합사이클 연소제어단계; 상기 엔진 ECU가 상기 제1,3 기통의 4사이클 연소 제어와 상기 2사이클 기통 배기밸브를 구비한 상기 제2 기통의 2사이클 연소 제어를 수행하면, 상기 제2 기통의 IVO(Intake Valve Open)제어가 상기 제1 기통 또는 상기 제3 기통의 BDC 시점에서 수행되고, 상기 제2 기통의 EVO(Exhaust Valve Open)제어가 상기 IVO제어 후 수행되고, 상기 제2 기통의 IVC(Intake Valve Close)와 EVC(Exhaust Valve Close)제어가 상기 제1 기통 또는 상기 제3 기통의 BDC 전 또는 후 시점 도달 시 동시에 수행되는 제 2타입 복합사이클 연소제어단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 제2 기통은 상기 IVO와 상기 IVC가 수행되는 2사이클 기통 흡기밸브를 갖추고, 피스톤의 BDC 근접시점에서 열리면서 상기 제1 기통 또는 상기 제3 기통의 BDC 근접시점에서 닫히는 2사이클 기통 배기포트를 갖추거나 또는 상기 제2 기통은 상기 IVO와 상기 IVC가 수행되는 2사이클 기통 흡기밸브를 갖추고, 상기 EVO와 상기 EVC가 수행되는 2사이클 기통 배기밸브를 갖춘다.

이러한 본 발명의 3기통 엔진은 기존 3기통 엔진의 장점인 소형화, 중량 저감, 연비 개선 등을 유지하면서도 주 문제점이던 NVH를 4기통 엔진 수준으로 개선되는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 3기통 엔진은 4사이클과 2사이클을 혼합 연소 제어하면서도 기존 3기통 엔진 보다 우수하면서 4기통에 근접하는 수준으로 엔진 성능(출력, 토크)이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 크랭크 샤프트의 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 캠 샤프트의 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 가변밸브 시스템의 구성도이며, 도 5는 본 발명에 따른 4사이클 기통용 흡/배기밸브 기구의 구성이고, 도 6은 본 발명에 따른 2사이클 기통용 흡/배기밸브 기구의 구성이며, 도 7은 본 발명에 따른 4사이클 및 2사이클용 기통의 스트로크 대비도이고, 도 8은 본 발명에 따른 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진의 제어 순서도이고, 도 9는 본 발명의 제1타입 2사이클 기통의 연소 시 흡/배기 동작 상태이며, 도 10은 본 발명의 제2타입 2사이클 기통의 연소 시 흡/배기 동작 상태이고, 도 11은 본 발명에 따른 3기통 엔진의 4사이클 연소 및 2사이클 연소로 구현되는 복합사이클의 연소 타이밍 선도이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 실시예에 따른 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진의 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 3기통 엔진은 실린더 블록(1), 제1,2,3 기통(1-1,1-2,1-3), 제1,2,3 피스톤(3-1,3-2,3-3), 크랭크 샤프트(5), 실린더 헤드(10), 컨트롤러(20)를 포함한다.

구체적으로, 상기 실린더 블록(1)은 제1,2,3 기통(1-1,1-2,1-3)을 형성한 실린더 바디와 크랭크 샤프트(5)를 위치시킨 실린더 바디 하부로 이루어진다. 상기 실린더 바디는 엔진 냉각수 순환 구조를 형성하며, 상기 실린더 바디 하부는 엔진오일 수용 또는 장착 공간을 형성한다. 또한, 상기 실린더 블록(1)에는 크랭크 샤프트(5)의 회전력을 전달받는 엔진 보기류(워터 펌프, 압축기 등)가 장착된다.

구체적으로, 상기 제1,2,3 기통(1-1,1-2,1-3)은 4사이클 연소실을 형성하는 2개의 제1,3 기통(1-1,1-3), 2사이클 연소실을 형성하는 1개의 제2 기통(1-2)으로 구성된다. 상기 제2 기통(1-2)은 상기 제1 기통(1-1)과 상기 제3 기통(1-3)의 사이로 위치된다.

구체적으로, 상기 제1,2,3 피스톤(3-1,3-2,3-3)의 각각은 피스톤에 부착되는 소단부와 크랭크 샤프트(5)에 부착되는 대단부로 구분된 콘로드(또는 커넥팅 로드)와 함께 구성되고, 콘로드의 소단부와 대단부의 길이로 피스톤 스트로크를 형성한다. 일례로, 상기 제1 피스톤(3-1)의 콘로드와 상기 제3 피스톤(3-3)의 콘로드는 각각 4사이클용 피스톤 스트로크를 형성하는 반면 상기 제2 피스톤(3-2)의 콘로드는 2사이클용 피스톤 스트로크를 형성한다. 그러므로, 상기 제2 피스톤(3-2)의 콘로드가 갖는 콘로드 길이는 상기 제1,3 피스톤(3-1,3-3)의 콘로드가 갖는 콘로드 길이에 비해 상대적으로 짧게 형성된다.

구체적으로, 상기 크랭크 샤프트(5)는 콘로드를 매개로 제1,2,3 피스톤(3-1,3-2,3-3)의 각각에 연결되고, 제1,2,3 피스톤(3-1,3-2,3-3)의 왕복운동을 회전운동으로 전환한다.

구체적으로, 상기 실린더 헤드(10)는 캠샤프트와 밸브시스템을 포함해 실린더 블록(1)의 상부에 결합된다. 상기 캠샤프트는 타이밍벨트나 체인을 이용해 전달받은 크랭크 샤프트(5)의 회전력을 전달받는다.

구체적으로, 상기 컨트롤러(20)는 크랭크 샤프트(5)의 회전정보와 함께 3기통 엔진의 작동 상태 정보를 입력받아 밸브시스템 동작과 4사이클 및 2사이클 타이밍 제어신호를 수행한다. 특히, 상기 컨트롤러(20)는 제1,3 기통(1-1,1-3)을 4사이클 타이밍으로 연소 제어하면서 제2 기통(1-2)을 2사이클 타이밍으로 연소 제어하거나 또는 제1,2,3 기통(1-1,1-2,1-3)중 제1 기통(1-1)과 제3 기통(1-3)중 어느 하나를 2사이클 타이밍으로 연소 제어한다. 상기 컨트롤러(20)는 전용 컨트롤러일 수 있으나 엔진 ECU(Electronic Control Unit)을 적용한다. 특히, 엔진 ECU는 4사이클용 엔진 ECU을 적용함으로써 2사이클 연소제어로직 및 구성 만 추가 또는 변경할 뿐 4사이클 연소제어로직 및 구성을 그대로 이용할 수 있는 장점이 제공된다.

한편, 도 2내지 도 6은 크랭크 샤프트, 캠 샤프트, 가변밸브 시스템, 4사이클 기통용 밸브 기구, 2사이클 기통용 밸브 기구의 세부 구성을 각각 나타낸다.

도 2를 참조하면, 상기 크랭크 샤프트(5)는 메인저널(6), 카운터 웨이트(7-1,7-2,7-3), 크랭크 핀 저널(8-1,8-2,8-3)로 구성되고, 제1,2,3 피스톤(3-1,3-2,3-3)의 왕복운동에 의해 회전된다.

구체적으로, 상기 메인저널(6)은 크랭크 풀리를 장착하는 전단부와 플라이휠을 체결하는 후단부로 구분되고, 실린더 블록(1)으로 지지되며, 축내부로 형성된 유로가 크랭크 핀 저널(8-1,8-2,8-3)과 베어링부위로 윤활오일을 공급한다.

구체적으로, 상기 카운터 웨이트(7-1,7-2,7-3)는 중량과 형상을 이용해 회전에 따른 진동을 저감하며, 서로 간격을 두고 형성된 제1,2,3 카운터 웨이트(7-1,7-2,7-3)로 구분되고, 상기 제1,2,3 카운터 웨이트(7-1,7-2,7-3)의 각각은 서로 마주보는 한 쌍의 카운터 웨이트로 구성된다. 일례로, 상기 제1 카운터 웨이트(7-1)는 메인저널(6)의 전단부로 위치되고, 상기 제3 카운터 웨이트(7-3)는 메인저널(6)의 후단부로 위치되며, 상기 제2 카운터 웨이트(7-2)는 제1 카운터 웨이트(7-1)와 제3 카운터 웨이트(7-3)의 사이로 위치된다.

구체적으로, 상기 제1,2,3 크랭크 핀 저널(8-1,8-2,8-3)은 제1 카운터 웨이트(7-1)에 구비된 제1 크랭크 핀 저널(8-1), 제2 카운터 웨이트(7-2)에 구비된 제2 크랭크 핀 저널(8-2), 제3 카운터 웨이트(7-3)에 구비된 제3 크랭크 핀 저널(8-3)로 구분된다. 상기 제1 크랭크 핀 저널(8-1)은 콘로드의 대단부와 결합됨으로써 소단부와 결합된 제1 피스톤(3-1)의 왕복운동을 회전운동으로 전환하며, 상기 제2 크랭크 핀 저널(8-2)은 콘로드의 대단부와 결합됨으로써 소단부와 결합된 제2 피스톤(3-2)의 왕복운동을 회전운동으로 전환하고, 상기 제3 크랭크 핀 저널(8-3)은 콘로드의 대단부와 결합됨으로써 소단부와 결합된 제3 피스톤(3-3)의 왕복운동을 회전운동으로 전환한다.

특히, 상기 제1 크랭크 핀 저널(8-1)과 상기 제3 크랭크 핀 저널(8-3)의 축중심a-a가 메인저널(6)의 축중심o-o와 높이 h를 형성하면, 상기 제2 크랭크 핀 저널(8-2)의 축중심b-b는 메인저널(6)의 축중심o-o와 높이 H를 형성하고, 상기 H는 상기 h보다 더 큰 값으로 형성된다. 그러므로, 상기 제2 크랭크 핀 저널(8-2)에 콘로드를 매개로 연결된 제2 피스톤(3-2)의 각 스트로크는 상기 제1,3 크랭크 핀 저널(8-1,8-3)의 각각에 콘로드를 매개로 연결된 제1,3 피스톤(3-1,3-3)의 각 스트로크보다 더 짧게 형성되고, 그 결과 제2 크랭크 핀 저널(8-2)과 제2 피스톤(3-2)을 연결하는 콘로드는 길이를 그 만큼 짤게 줄일 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 캠 샤프트(11)는 타이밍 벨트나 체인을 이용해 크랭크 샤프트(5)의 회전력을 전달받으며, 원형단면을 갖는 장축형상으로 이루어지고, 흡/배기 밸브를 개폐하는 다수의 캠(11-1,11-2,11-3)이 구비된다. 구체적으로, 상기 캠(11-1,11-2,11-3)은 제1,3 기통(1-1,1-3)의 흡/배기 밸브를 개폐하는 4사이클 캠(11-1,11-3)과 제2 기통(1-2)의 흡/배기 밸브를 개폐하는 2사이클 캠(11-2)으로 구분되고, 상기 2사이클 캠(11-2)은 2개의 4사이클 캠(11-1,11-3)의 사이로 위치된다. 다만, 상기 2사이클 캠(11-2)은 캠 샤프트(11)의 축 중심에 대해 좌우 대칭의 타원형으로 이루어짐으로써 독립된 밸브 타이밍 제어가 이루어질 수 있다.

특히, 상기 캠 샤프트(11)는 가변밸브 시스템(12)과 함께 구성됨으로써 독립된 밸브 타이밍 제어를 위한 다양한 가변 밸브 기구와 연계될 수 있다, 도 4는 캠 샤프트(11)와 로커 암(12-2)에 연계된 가변밸브장치(12-1)로 구성된 가변밸브 시스템(12)의 예를 나타낸다.

도 5를 참조하면, 상기 4사이클 기통용 밸브 기구는 실린더 헤드(10)의 내부에서 캠 샤프트(11)의 4사이클 캠(11-1,11-3)으로 각각 개폐되는 4사이클 기통 흡기밸브(13)와 4사이클 기통 배기밸브(15)로 구성되고, 제1,3 기통(1-1,1-3)의 4사이클 타이밍에 맞춰 동작된다. 그러므로, 상기 4사이클 기통 흡기/배기밸브(13,15)는 통상적인 4기통 엔진의 흡기/배기밸브와 동일한 구조와 작용이 이루어진다.

도 6을 참조하면, 상기 2사이클 기통용 밸브 기구는 2사이클 기통 흡기밸브(13-1)와 2사이클 기통 배기포트(16)로 구성된 제1타입 2사이클 기통용 밸브 기구나 2사이클 기통 흡기밸브(13-1)와 2사이클 기통 배기밸브(15-1)로 구성된 제2타입 2사이클 기통용 밸브 기구로 구성된다.

구체적으로, 상기 제1타입 2사이클 기통용 밸브 기구는 실린더 헤드(10)에 위치되어 캠 샤프트(11)의 2사이클 캠(11-2)으로 개폐되는 2사이클 기통 흡기밸브(13-1), 제2 피스톤(3-2)의 하강이동에 따른 제2 피스톤(3-2)의 위치 변화로 배기가스 배출이 이루어짐으로써 캠 샤프트(11)와 연관되지 않은 2사이클 기통 배기포트(16)로 구성되고, 제2 기통(1-2)의 2사이클 타이밍에 맞춰 동작된다. 그러므로, 상기 2사이클 기통 흡기/배기밸브(13-1)는 통상적인 4기통 엔진의 흡기밸브와 동일한 구조로 이루어진다. 다만, 상기 2사이클 기통 배기포트(16)는 제2 기통(1-2)의 측면에서 실린더블록(1)의 위쪽을 향하는 레이아웃을 가짐으로써 배기가스가 제2 기통(1-2)의 아래쪽에서 배출된다.

구체적으로, 상기 제2타입 2사이클 기통용 밸브 기구는 실린더 헤드(10)의 내부에서 캠 샤프트(11)의 2사이클 캠(11-2)으로 개폐되는 2사이클 기통 흡기밸브(13-1)와 2사이클 기통 배기밸브(15-1)로 구성되고, 제2 기통(1-2)의 2사이클 타이밍에 맞춰 동작된다. 그러므로, 상기 2사이클 기통 흡기/배기밸브(13-1,15-1)는 통상적인 4기통 엔진의 흡기/배기밸브와 동일한 구조로 이루어진다.

한편, 도 7은 4사이클 연소 제어가 이루어지는 제1,3 기통(1-1,1-3)과 2사이클 연소 제어가 이루어지는 제2 기통(1-2)의 스트로크 차이를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 제2 기통(1-2)과 제1,3 기통(1-1,1-3)의 TDC(Top Dead Center)가 동일한 조건에서 제2 기통(1-2)의 BDC(Bottom Dead Center)는 제1,3 기통(1-1,1-3)의 BDC에 비해 상대적으로 더 낮게 형성됨으로써 제2 기통(1-2)의 스트로크 S-2는 제1,3 기통(1-1,1-3)의 스트로크 S-1 보다 짧게 형성된다. 그 결과, 2 기통(1-2)과 제1,3 기통(1-1,1-3)은 밸브 타이밍을 달리함으로써 거의 동등한 출력을 발생하고, NVH(Noise, Vibration, Harshness)개선이 이루어질 수 있다.

한편, 도 8은 본 실시예에 따른 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진의 제어 순서도를 나타낸다. 이하에서 설명되는 제어는 컨트롤러(20)로 수행되며, 상기 컨트롤러(20)는 엔진 ECU로 설명한다.

S10은 엔진을 가동한 상태이다. 그러면, 엔진 ECU는 Key on(또는 Ignition Swicth on으로 엔진 가동을 인식함으로써 제1,2,3 기통(1-1,1-2,1-3)을 S20의 제1,3 기통(1-1,1-3)과 S30의 제2 기통(1-2)으로 구분한다. 그러므로, 3기통 엔진은 4사이클과 2사이클의 복합사이클 연소로 운전된다.

S20-1은 제1,3 기통(1-1,1-3)이 4사이클 타이밍으로 연소 제어되는 단계이다, 이 경우, 제1,3 기통(1-1,1-3)의 각각에 구비된 4사이클 기통 흡기밸브(13)와 4사이클 기통 배기밸브(15)는 4사이클 타이밍에 맞춰 개폐 동작된다. S20-1의 단계는 4사이클 연속방식이 이루어지는 동안 지속되며, S20-1의 단계는 S100과 같이 엔진 정지에 의한 엔진 ECU 제어 중단으로 중단된다. 그러므로, 상기 4사이클 기통 흡기/배기밸브(13,15)의 개폐동작은 통상적인 4기통 엔진의 흡기/배기밸브와 동일하게 이루어지고, 엔진 ECU의 제어도 통상적인 4기통 엔진의 ECU와 동일하게 이루어진다.

S30-1은 제2 기통(1-2)이 2사이클 타이밍으로 연소 제어되기 전 엔진 ECU가 2사이클 기통 배기포트(16)의 유무를 판단하는 단계이다. 이 단계는 엔진 ECU가 2사이클 기통 배기포트(16)이 구비된 제2 기통(1-2)이나 2사이클 기통 배기밸브(15-1)가 구비된 제2 기통(1-2)을 미리 인식하고 있는 경우 생략됨으로써 제2 기통(1-2)은 S30에 이어 S41,S42,S43,S60으로 바로 진입되거나 또는 S30에 이어 S51,S52,S53,S60으로 바로 진입될 수 있다.

S41,S42,S43의 각 단계는 2사이클 기통 흡기밸브(13-1)와 2사이클 기통 배기포트(16)를 갖춘 제2 기통(1-2)의 흡/배기 밸브 타이밍이 엔진 ECU로 제어되는 예를 나타낸다.

이 경우, 엔진 ECU는 S41과 같이 #1,#3 기통의 BDC 전 또는 후 시점에서 IVO(Intake Valve Open)제어가 이루어진 후, S42와 같이 #1기통 또는 #3 기통 및 #2 기통이 BDC 도달되면, S43과 같이 IVC(Intake Valve Close)제어를 수행한다. 이러한 단계는 S60과 같이 2사이클 연소방식이 이루어지는 동안 지속되며, S60의 단계는 S100과 같이 엔진 정지에 의한 엔진 ECU 제어 중단으로 중단된다. 여기서, 상기 #1 기통은 제1 기통(1-1), 상기 #2 기통은 제2 기통(1-2), 상기 #3 기통은 제3 기통(1-3), 상기 IVO/IVC(Intake Valve Open/Close)는 2사이클 기통 흡기밸브(13-1)의 열림과 닫힘을 의미한다.

도 9는 S41,S42,S43의 각 단계가 2사이클 기통 흡기밸브(13-1)와 2사이클 기통 배기포트(16)를 갖춘 제2 기통(1-2)에 적용된 예를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 제2 기통(1-2)의 흡/배기 사이클에서는 2사이클 기통 흡기밸브(13-1)가 제1 기통(1-1) 또는 제3 기통(1-3)의 BDC 전 또는 후 시점에서 열려져 IVO로 전환됨으로써 제2 기통(1-2)에서는 흡기가 시작된다. 그러면, 2사이클 기통 배기포트(16)는 제2 피스톤(3-2)의 BDC 근접시점에서 열려짐으로써 배기가 시작된다. 즉, 제2 기통(1-2)은 흡기시작 후 배기시작이 이루어진다.

이어, 2사이클 기통 흡기밸브(13-1)와 2사이클 기통 배기포트(16)의 열림상태는 제1 기통(1-1) 또는 제3 기통(1-3)과 제2 기통(1-2)의 BDC 동안 유지된다. 이후, 2사이클 기통 배기포트(16)는 제2 피스톤(3-2)이 제1 기통(1-1) 또는 제3 기통(1-3)의 BDC 근접시점에서 닫히기 시작함으로써 2사이클 기통 흡기밸브(13-1)는 IVC로 전환된다.

반면, S51,S52,S53의 각 단계는 2사이클 기통 흡기밸브(13-1)와 2사이클 기통 흡기밸브(15-1)를 갖춘 제2 기통(1-2)의 흡/배기 밸브 타이밍이 엔진 ECU로 제어되는 예를 나타낸다.

이 경우, 엔진 ECU는 S51과 같이 #1,#3 기통의 BDC 시점에서 IVO(Intake Valve Open)제어 후 EVO(Exhaust Valve Open)제어가 이루어진 다음, S52와 같이 #1기통 또는 #3 기통이 BDC 전 또는 후 시점에 도달되면, S53과 같이 IVC(Intake Valve Close) 및 EVC(Exhaust Valve Close)제어를 동시에 수행하고, 이러한 단계는 S60과 같이 2사이클 연소방식이 이루어지는 동안 지속되며, S60의 단계는 S100과 같이 엔진 정지에 의한 엔진 ECU 제어 중단으로 중단된다. 여기서, 상기 EVO/EVC(Exhaust Valve Open/Close)는 2사이클 기통 배기밸브(15-1)의 열림과 닫힘을 의미한다.

도 10은 S51,S52,S53의 각 단계가 2사이클 기통 흡기밸브(13-1)와 2사이클 기통 배기밸브(15-1)를 갖춘 제2 기통(1-2)에 적용된 예를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 제2 기통(1-2)의 흡/배기 사이클에서는 2사이클 기통 흡기밸브(13-1)가 제1 기통(1-1) 또는 제3 기통(1-3)의 BDC 시점에서 열려져 IVO로 전환됨으로써 제2 기통(1-2)에서는 흡기가 시작되고, 이어 2사이클 기통 흡기밸브(13-1)의 IVO 후 2사이클 기통 배기밸브(15-1)가 열려져 EVO로 전환됨으로써 제2 기통(1-2)에서는 배기도 함께 시작된다. 그러면, 2사이클 기통 흡기밸브(13-1)와 2사이클 기통 배기밸브(15-1)의 열림 상태는 제1 기통(1-1) 또는 제3 기통(1-3)의 BDC 전, 후 도달 전까지 유지된다. 이후, 제1 기통(1-1) 또는 제3 기통(1-3)이 BDC 전, 후에 도달 시 2사이클 기통 흡기밸브(13-1)와 2사이클 기통 배기밸브(15-1)는 동시에 닫힘으로써 2사이클 기통 흡기밸브(13-1)는 IVC로 전환되고 동시에 2사이클 기통 배기밸브(15-1)도 EVC로 전환된다.

한편, 도 11은 본 실시예에 따른 3기통 엔진의 4사이클 연소 및 2사이클 연소로 구현되는 복합사이클의 연소 타이밍 선도를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 3기통 엔진은 엔진 ECU에 의한 4사이클 연소제어와 2사이클 연소제어가 복합되어 동작한다. 그 결과, 제1 기통(1-1)의 압축/폭발과 제3 기통(1-3)의 배기/흡기 후 제2 기통(1-2)의 압축/폭발이 이루어지고, 제3 기통(1-3)의 압축/폭발과 제1 기통(1-1)의 배기/흡기 후 제2 기통(1-2)의 압축/폭발이 이루어진다.

그러므로, 제2 기통(1-2)의 압축/폭발은 제1,3 기통(1-1,1-3)의 배기/흡기 시 발생됨으로써 2 기통(1-2)과 제1,3 기통(1-1,1-3)의 각 사이클은 서로 다른 밸브 타이밍으로 연속되고, 특히 3기통 엔진은 제1,3 기통(1-1,1-3)보다 짧은 스트로크로 2 기통(1-2)의 출력이 제1,3 기통(1-1,1-3)과 거의 동등함으로써 출력 증대가 이루어지면서도 NVH(Noise, Vibration, Harshness)개선이 이루어진다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진은 연소가 이루어지는 제1,2,3 기통(1-1,1-2,1-3)을 구비한 실린더 블록(1), 제1,2,3 기통(1-1,1-2,1-3)의 각각에 구비된 제1,2,3 피스톤(3-1,3-2,3-3)의 스트로크 차이를 형성해 주는 크랭크 샤프트(5), 크랭크 샤프트(5)의 회전력을 전달받아 제1,2,3 기통(1-1,1-2,1-3)의 각각에 대한 흡기와 배기 타이밍을 형성해주는 캠 샤프트(11)를 포함하고, 컨트롤러(20)에 의해 제1,3 기통(1-1,1-3)이 4사이클 연소제어가 이루어지고 제2 기통(1-2)이 2사이클 연소제어가 이루어짐으로써 4사이클과 2사이클 의 복합연소에서도 엔진 성능(출력, 토크)저하가 없고, 특히 콤팩트하고 우수한 연비를 갖는 3기통 엔진의 장점이 유지되면서 NVH(Noise, Vibration, Harshness)는 더욱 개선된다.

1 : 실린더 블록 1-1,1-2,1-3 : 제1,2,3 기통
3-1,3-2,3-3 : 제1,2,3 피스톤
5 : 크랭크 샤프트
6 : 메인저널 7-1,7-2,7-3 : 제1,2,3 카운터 웨이트
8-1,8-2,8-3 : 제1,2,3 크랭크 핀 저널
10 : 실린더 헤드 11 : 캠 샤프트
11-1,11-3 : 4 사이클 캠 11-2 : 2 사이클 캠
12 : 가변밸브 시스템
12-1 : 가변밸브장치 12-2 : 로커 암
13 : 4사이클 기통 흡기밸브 13-1 : 2사이클 기통 흡기밸브
15 : 4사이클 기통 배기밸브 15-1 : 2사이클 기통 배기밸브
16 : 2사이클 기통 배기포트
20 : 컨트롤러

Claims

실린더 블록;
4사이클 연소와 2사이클 연소가 이루어지는 기통으로 구분되고, 상기 실린더 블록에 일렬로 형성된 3개의 제1,2,3 기통;
상기 제1,2,3 기통의 각각에 구비된 제1,2,3 피스톤의 왕복운동을 회전운동으로 전환하는 크랭크 샤프트;
상기 크랭크 샤프트의 회전력을 전달받고, 상기 제1,2,3 기통의 각각에 대한 흡기와 배기 타이밍을 형성해주는 캠 샤프트;를 포함하고,
상기 제1,2,3 피스톤은 상기 크랭크 샤프트의 제1,2,3 크랭크 핀 저널과 각각 결합되며; 상기 크랭크 샤프트의 메인저널은 서로 간격을 두고 배열된 제1,2,3 카운터 웨이트를 구비하고, 상기 제1,2,3 카운터 웨이트의 각각은 상기 제1,2,3 크랭크 핀 저널을 구비하며, 상기 제1,2,3 크랭크 핀 저널의 각 높이차는 상기 제1,2,3 피스톤의 스트로크 차이를 형성하며, 상기 제1,3 크랭크 핀 저널의 각 높이차에 대한 상기 제2 크랭크 핀 저널의 높이차는 상기 제2 크랭크 핀 저널과 상기 제2 피스톤을 연결한 콘로드의 길이를 상기 제1 크랭크 핀 저널과 상기 제1 피스톤을 연결한 콘로드의 길이와 상기 제3 크랭크 핀 저널과 상기 제3 피스톤을 연결한 콘로드의 길이보다 짧아지도록 하는
것을 특징으로 하는 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진.
청구항 1에 있어서, 상기 제2 기통은 상기 제1 기통과 상기 제3 기통의 사이로 위치된 것을 특징으로 하는 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진.
청구항 1에 있어서, 상기 4사이클 연소는 상기 제1 기통과 상기 제3 기통에서 각각 이루어지고, 상기 2사이클 연소는 상기 제2 기통에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진.
청구항 1에 있어서, 상기 제2 기통에 구비된 상기 제2 피스톤의 스트로크는 상기 제1 기통에 구비된 상기 제1 피스톤의 스트로크와 상기 제3 기통에 구비된 상기 제3 피스톤의 스트로크 보다 짧고;
상기 제2 크랭크 핀 저널은 상기 제1,3 크랭크 핀 저널보다 상기 메인저널의 축중심에 대한 높이차가 더 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진.
청구항 4에 있어서, 상기 제1 크랭크 핀 저널과 상기 제3 크랭크 핀 저널은 서로 높이차를 갖지 않는 것을 특징으로 하는 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진.
청구항 1에 있어서, 상기 캠 샤프트는 상기 제1,3 기통의 흡기와 배기 타이밍을 형성해주는 2개의 4사이클 캠, 상기 제2 기통의 흡기와 배기 타이밍을 형성해주는 1개의 2사이클 캠을 구비하고;
상기 2사이클 캠은 상기 캠 샤프트의 축 중심에 대해 좌우 대칭의 타원형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진.
청구항 6에 있어서, 상기 제1,3 기통의 각각은 상기 4사이클 캠의 각각에 의해 타이밍을 형성하는 4사이클 기통 흡기밸브와 4사이클 기통 배기밸브를 구비하며;
상기 제2 기통은 상기 2사이클 캠에 의해 타이밍을 형성하는 2사이클 기통 흡기밸브, 상기 제2 피스톤의 하강에 의해 타이밍을 형성하는 2사이클 기통 배기포트를 구비하는 것을 특징으로 하는 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진.
청구항 7에 있어서, 상기 2사이클 기통 배기포트는 상기 제2 기통의 측면에서 상기 제2 기통의 연소실내부와 연통된 것을 특징으로 하는 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진.
청구항 6에 있어서, 상기 제1,3 기통의 각각은 상기 4사이클 캠의 각각에 의해 타이밍을 형성하는 4사이클 기통 흡기밸브와 4사이클 기통 배기밸브를 구비하며;
상기 제2 기통은 상기 2사이클 캠에 의해 타이밍을 형성하는 2사이클 기통 흡기밸브와 2사이클 기통 배기밸브를 구비한 것을 특징으로 하는 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진.
청구항 6에 있어서, 상기 캠 샤프트는 가변밸브 시스템과 함께 구성된 것을 특징으로 하는 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진.
청구항 1에 있어서, 상기 4사이클 연소 제어와 상기 2사이클 연소 제어는 컨트롤러로 제어되고, 상기 컨트롤러는 상기 제1,2,3 피스톤의 각각에서 검출된 BDC(Bottom Dead Center)로 상기 2사이클 연소의 흡기와 배기 타이밍을 형성해주는 것을 특징으로 하는 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진.
청구항 11에 있어서, 상기 컨트롤러는 엔진 ECU(Electronic Control Unit)인 것을 특징으로 하는 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진.
엔진 ECU(Electronic Control Unit)가 엔진의 가동을 인식하면, 제1,2,3 기통중 4사이클 연소가 이루어지는 제1,3 기통과 2사이클 연소가 이루어지는 제2 기통으로 구분하는 복합사이클연소단계;
상기 엔진 ECU가 상기 제1,3 기통의 4사이클 연소 제어와 상기 제2 기통의 2사이클 연소 제어를 수행하면, 상기 제2 기통의 IVO(Intake Valve Open)제어가 상기 제1 기통 또는 상기 제3 기통의 BDC 전 또는 후 시점에서 수행되고, 상기 제2 기통의 IVC(Intake Valve Close)제어가 상기 제1 기통 또는 상기 제3 기통의 BDC 도달 시 수행되는 복합사이클 연소제어단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진제어방법.
청구항 13에 있어서, 상기 엔진 ECU는 상기 제1 기통의 압축과 폭발 또는 상기 제3 기통의 배기와 흡기, 상기 제2 기통의 압축과 폭발, 상기 제3 기통의 압축과 폭발 또는 상기 제1 기통의 배기와 흡기, 상기 제2 기통의 압축과 폭발의 순으로 제어하는 것을 특징으로 하는 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진제어방법.
청구항 13에 있어서, 상기 제2 기통은 상기 IVO와 상기 IVC가 수행되는 2사이클 기통 흡기밸브를 갖추고, 피스톤의 BDC 근접시점에서 열리면서 상기 제1 기통 또는 상기 제3 기통의 BDC 근접시점에서 닫히는 2사이클 기통 배기포트를 갖춘 것을 특징으로 하는 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진제어방법.
엔진 ECU(Electronic Control Unit)가 엔진의 가동을 인식하면, 제1,2,3 기통중 4사이클 연소가 이루어지는 제1,3 기통과 2사이클 연소가 이루어지는 제2 기통으로 구분하는 복합사이클연소단계;
상기 엔진 ECU가 상기 제1,3 기통의 4사이클 연소 제어와 상기 제2 기통의 2사이클 연소 제어를 수행하면, 상기 제2 기통의 IVO(Intake Valve Open)제어가 상기 제1 기통 또는 상기 제3 기통의 BDC 시점에서 수행되고, 상기 제2 기통의 EVO(Exhaust Valve Open)제어가 상기 IVO제어 후 수행되고, 상기 제2 기통의 IVC(Intake Valve Close)와 EVC(Exhaust Valve Close)제어가 상기 제1 기통 또는 상기 제3 기통의 BDC 전 또는 후 시점 도달 시 동시에 수행되는 복합사이클 연소제어단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진제어방법.
청구항 16에 있어서, 상기 엔진 ECU는 상기 제1 기통의 압축과 폭발 또는 상기 제3 기통의 배기와 흡기, 상기 제2 기통의 압축과 폭발, 상기 제3 기통의 압축과 폭발 또는 상기 제1 기통의 배기와 흡기, 상기 제2 기통의 압축과 폭발의 순으로 제어하는 것을 특징으로 하는 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진제어방법.
청구항 16에 있어서, 상기 제2 기통은 상기 IVO와 상기 IVC가 수행되는 2사이클 기통 흡기밸브를 갖추고, 상기 EVO와 상기 EVC가 수행되는 2사이클 기통 배기밸브를 갖춘 것을 특징으로 하는 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진제어방법.
엔진 ECU(Electronic Control Unit)가 엔진의 가동을 인식하면, 제1,2,3 기통중 4사이클 연소가 이루어지는 제1,3 기통과 2사이클 연소가 이루어지는 제2 기통으로 구분하는 복합사이클연소단계;
상기 엔진 ECU가 상기 제2 기통에 2사이클 기통 배기밸브가 구비되었는지를 구분하는 2사이클 기통 구분단계;
상기 엔진 ECU가 상기 제1,3 기통의 4사이클 연소 제어와 상기 2사이클 기통 배기밸브를 구비하지 않은 상기 제2 기통의 2사이클 연소 제어를 수행하면, 상기 제2 기통의 IVO(Intake Valve Open)제어가 상기 제1 기통 또는 상기 제3 기통의 BDC 전 또는 후 시점에서 수행되고, 상기 제2 기통의 IVC(Intake Valve Close)제어가 상기 제1 기통 또는 상기 제3 기통의 BDC 도달 시 수행되는 제 1타입 복합사이클 연소제어단계;
상기 엔진 ECU가 상기 제1,3 기통의 4사이클 연소 제어와 상기 2사이클 기통 배기밸브를 구비한 상기 제2 기통의 2사이클 연소 제어를 수행하면, 상기 제2 기통의 IVO(Intake Valve Open)제어가 상기 제1 기통 또는 상기 제3 기통의 BDC 시점에서 수행되고, 상기 제2 기통의 EVO(Exhaust Valve Open)제어가 상기 IVO제어 후 수행되고, 상기 제2 기통의 IVC(Intake Valve Close)와 EVC(Exhaust Valve Close)제어가 상기 제1 기통 또는 상기 제3 기통의 BDC 전 또는 후 시점 도달 시 동시에 수행되는 제 2타입 복합사이클 연소제어단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합사이클 연소제어방식 3기통 엔진제어방법.