KR101826562B1 - 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 제어 장치 및 방법 - Google Patents

가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 제어 장치는 가솔린 연료와 디젤 연료의 의해 구동력을 발생시키는 엔진을 포함하는 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 제어 장치에 있어서, 엔진 속도, 연소실 내부의 연소압, 및 연소 압력 상승률을 포함하는 운전 정보를 감지하는 운전 정보 감지부; 상기 연소실 내부로 분사되는 가솔린 연료가 스월 방향으로 유동이 발생하도록 형성되는 스월 파이프; 상기 연소실 내부로 분사되는 가솔린 연료가 텀블 방향으로 유동이 발생하도록 형성되는 텀블 파이프; 상기 연소실 내부로 가솔린 연료를 분사하기 위해 상기 스월 파이프와 상기 텀블 파이프에 각각 구비되는 스월 가솔린 인젝터와 텀블 가솔린 인젝터; 및 상기 연소압 및 연소 압력 상승률로부터 노킹 강도(rising intensity: RI)를 산출하고, 상기 노킹 강도에 따라 상기 스월 가솔린 인젝터와 상기 텀블 가솔린 인젝터에서 분사되는 가솔린 연료량을 제어하는 제어기;를 포함할 수 있다.

Description

가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 제어 장치 및 방법 {APPARATUS FOR CONTROLLING GASOLIN-DIESEL COMPLEX COMBUSTION ENGINE AND METHOD USING THE SAME}
본 발명은 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가솔린과 디젤 연료를 혼합하여 사용하는 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 디젤 엔진은 연비가 뛰어나지만 NOx와 같은 오염 물질의 배출량이 많다. 반면 가솔린 엔진은 디젤 엔진에 비해 상대적으로 연비가 낮지만 NOx와 같은 오염 물질의 배출량이 상대적으로 작은 장점을 갖는다.
최근 들어, 디젤 엔진 차량의 배기 가스 규제가 강화됨에 따라, 새로운 방식의 디젤 엔진의 개발이 요구되고 있다.
새로운 방식의 디젤 엔진의 일례로써, 디젤 연료와 가솔린 연료를 혼합하여 사용하는 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진이 개발되고 있다.
이러한 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진은 흡입 행정 중에 가솔린과 공기를 예혼합한 혼합기를 흡입하고, 압축 행정 중에 착화를 제어하기 위한 디젤 연료를 분사시킨다. 그리고 착화 행정 중에 디젤 연료의 압축을 통해 디젤 연료가 착화되어 가솔린 연료도 함께 점화가 이루어진다. 마지막으로 폭발 행정을 통해 디젤 연료와 가솔린 연료가 연소되어 동력이 발생한다. 그러나 가솔린 연료와 디젤 연료의 분율에 따라, 스파크 플러그를 통한 착화가 이루어지는 경우도 있다.
이러한 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진은 일반적인 가솔린 엔진에 비해 높은 압축비로 구현된다. 이와 같이 높은 압축비에서 연소실에 분사되는 가솔린 연료가 착화되는 것을 방지하기 위해 배기 가스 재순환 (exhaust gas recirculation: EGR) 장치를 통해 배기 가스 재순환율 (EGR rate)를 높이는 방법을 사용하였다.
그러나 배기 가스 재순환율을 높이면 엔진으로 공급되는 신기량이 줄어들고, 이로 인해 엔진의 운전 영역이 제한되는 문제가 발생하였다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 배기 가스 재순환율을 감소시켜 엔진으로 공급되는 신기량을 증가시킴으로써, 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 운전 영역을 확장시킬 수 있는 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 제어 장치는 가솔린 연료와 디젤 연료의 의해 구동력을 발생시키는 엔진을 포함하는 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 제어 장치에 있어서, 엔진 속도, 연소실 내부의 연소압, 및 연소 압력 상승률을 포함하는 운전 정보를 감지하는 운전 정보 감지부; 상기 연소실 내부로 분사되는 가솔린 연료가 스월 방향으로 유동이 발생하도록 형성되는 스월 파이프; 상기 연소실 내부로 분사되는 가솔린 연료가 텀블 방향으로 유동이 발생하도록 형성되는 텀블 파이프; 상기 연소실 내부로 가솔린 연료를 분사하기 위해 상기 스월 파이프와 상기 텀블 파이프에 각각 구비되는 스월 가솔린 인젝터와 텀블 가솔린 인젝터; 및 상기 연소압 및 연소 압력 상승률로부터 노킹 강도(rising intensity: RI)를 산출하고, 상기 노킹 강도에 따라 상기 스월 가솔린 인젝터와 상기 텀블 가솔린 인젝터에서 분사되는 가솔린 연료량을 제어하는 제어기;를 포함할 수 있다.
상기 제어기는 상기 노킹 강도가 설정 강도 이상이면 상기 텀블 가솔린 인젝터의 분사를 중단시키고, 상기 스월 가솔린 인젝터의 분사량을 증가시킬 수 있다.
상기 제어기는 최대 연소압, 연소 압력 상승률, 및 엔진 속도로부터 상기 노킹 강도(rising intensity: RI)를 계산할 수 있다.
상기 노킹 강도(RI)는
Figure 112016107062388-pat00001
의 수학식을 통해 계산되고, 여기서, MPRR은 연소 압력 상승률, RPM은 엔진 속도, 및 Pmax는 최대 연소 압력일 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 제어 방법은 가솔린 연료와 디젤 연료를 혼합하여 사용하는 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 제어 방법에 있어서, 운전 정보 감지부에 의해, 엔진 속도, 연소압, 및 연소 압력 상승률을 포함하는 운전 정보를 감지하는 단계; 제어기에 의해, 상기 운전 정보로부터 노킹 강도(rising intensity: RI)를 계산하는 단계; 및 상기 제어기에 의해, 텀블 파이프에 구비되는 텀블 가솔린 인젝터와 스월 파이프에 구비되는 스월 가솔린 인젝터에서 분사되는 가솔린 연료량을 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제어기에 의해, 상기 노킹 강도가 설정 강도 이상이면 상기 텀블 가솔린 인젝터의 분사를 중단시키고, 상기 스월 가솔린 인젝터의 분사량을 증가시킬 수 있다.
상기 노킹 강도(rising intensity: RI)는 최대 연소압, 연소 압력 상승률, 및 엔진 속도로부터 계산될 수 있다.
상기 노킹 강도(RI)는
Figure 112016107062388-pat00002
의 수학식을 통해 계산되고, 여기서, MPRR은 연소 압력 상승률, RPM은 엔진 속도, 및 Pmax는 최대 연소 압력일 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의한 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 제어 장치에 의하면, 노킹 강도에 따라 텀블 파이프와 스월 파이프에 구비된 가솔린 인젝터의 분사량을 조절하여 가솔린 연료가 성층화 분사되도록 함으로써, 배기 가스 재순환율을 감소시켜 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 운전 영역을 확장시킬 수 있다.
또한, 가솔린 연료가 성층화되도록 분사함으로써, 가솔린 연료가 착화되는 것을 방지하고, 이로 인해 연소실 내에서 노킹(knocking)과 같은 이상 연소 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 구성을 도시한 개념도이다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 흡기관과 배기관의 구성을 도시한 측면도이다.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 흡기관과 배기관의 구성을 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 제어 장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 구성을 도시한 개념도이다. 도 2은 본 발명의 실시예에 따른 흡기관과 배기관의 구성을 도시한 측면도이다. 도 3는 본 발명의 실시예에 따른 흡기관과 배기관의 구성을 도시한 평면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 제어 장치는 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 다수의 연소실(110)을 포함하는 엔진(100), 상기 연소실(110)로 디젤 연료를 분사하는 디젤 인젝터(130), 상기 연소실(110)로 가솔린 연료를 분사하는 가솔린 인젝터, 운전 정보를 감지하는 운전 정보 감지부(200), 및 상기 엔진(100), 상기 디젤 인젝터(130), 상기 가솔린 인젝터의 동작을 제어하는 제어기(300)를 포함한다.
상기 운전 정보 감지부(200)에 의해 감지되는 운전 정보는 엔진 속도, 연소실(110) 내부의 연소압, 및 연소 압력 상승률(MPRR: maximum pressure rising rate)를 포함한다. 상기 엔진 속도는 크랭크 축의 회전 속도를 통해 감지될 수 있고, 상기 연소압과 연소 압력 상승률은 연소압 센서를 통해 감지될 수 있다. 상기 운전 정보 감지부(200)에서 감지된 운전 정보는 상기 제어기(300)로 전송된다.
상기 연소실(110)에는 상기 연소실(110) 내부로 분사되는 가솔린 연료가 스월 방향으로 유동이 발생하도록 스월 파이프(150)가 구비된다. 상기 스월 파이프(150)에는 상기 연소실(110) 내부로 가솔린 연료를 분사하는 가솔린 인젝터(이하, 설명의 편의를 위해 '스월 가솔린 인젝터(152)'라고 한다)가 구비된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 스월 파이프(150)는 측면에서는 상기 실린더(110)의 위쪽 방향, 및 상기 배기 파이프(170)의 반대 방향으로 일정 각도 기울어지도록 형성된다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 스월 파이프(150)은 평면에서는 상기 배기 파이프(170)의 반대 쪽으로 직선 방향으로 연장되도록 형성된다. 이때, 상기 스월 파이프(150)의 단부(151)는 상기 디젤 인젝터(130)로부터 상기 실린더 헤드(120)의 중심으로부터 반경 방향 바깥쪽으로 일정 각도 기울어지도록 형성된다.
상기 단부(151)가 디젤 인젝터(130)로부터 상기 실린더(110)의 중심으로부터 반경 방향 바깥쪽으로 일정 각도 기울어지도록 형성됨으로써, 상기 스월 파이프(150)를 통해 유입되는 공기와 가솔린 연료는 상기 연소실(110) 내에서 스월 방향의 유동이 발생한다.
그리고 상기 연소실(110)에는 상기 연소실(110) 내부로 분사되는 가솔린 연료가 텀블 방향으로 유동이 발생하도록 텀블 파이프(160)가 구비된다. 상기 텀블 파이프(160)에는 상기 연소실(110) 내부로 가솔린 연료를 분사하는 가솔린 인젝터(이하, 설명의 편의를 위해 '텀블 가솔린 인젝터(162)'라고 한다)가 구비된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 텀블 파이프(160)는 측면에서는 상기 실린더(110)의 위쪽 방향, 및 상기 배기 파이프(170)의 반대 방향으로 일정 각도 기울어지도록 형성된다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 텀블 파이프(160)는 평면에서는 상기 배기 파이프(170)의 반대 쪽으로 직선 방향으로 연장되도록 형성된다.
이와 같이, 상기 텀블 파이프(160)이 측면에서는 상기 실린더(110)의 위쪽 방향, 및 상기 배기 파이프(170)의 반대 방향으로 기울어지도록 형성되고, 평면에서는 상기 배기 파이프(170)의 반대 방향으로 직선으로 연장되기 때문에, 상기 텀블 파이프(160)를 통해 유입되는 공기와 가솔린 연료는 텀블 방향의 유동을 형성한다.
상기 제어기(300)는 설정된 프로그램에 의하여 작동하는 하나 이상의 프로세서로 구비될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시예에 따른 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 제어 방법의 각 단계를 수행하도록 되어 있다.
상기 제어기(300)는 상기 운전 정보로부터 노킹 강도(RI: rising intensity)를 계산한다. 상기 제어기(300)는 상기 노킹 강도에 따라 상기 스월 가솔린 인젝터(152)와 상기 텀블 가솔린 인젝터(162)에서 분사되는 가솔린 연료량을 조절한다.
구체적으로, 상기 노킹 강도가 설정 강도 이상이면, 상기 텀블 가솔린 인젝터(162)에 의한 가솔린 분사를 중단시키고, 상기 스월 가솔린 인젝터(152)에 의한 가솔린 분사량을 증가시킨다. 이와 같이, 텀블 가솔린 인젝터(162)에 의한 가솔린 연료의 분사를 중단시키고 상기 스월 가솔린 인젝터(152)에 의한 가솔린 연료의 분사량을 증가시킴으로써 상기 스월 가솔린 인적터에 의해 분사되는 가솔린 연료가 상기 연소실(110) 내부의 상측에서 소용돌이치는 성층화(stratification) 현상이 발생하게 된다.
상기 스월 가솔린 인젝터(152)에 의해 분사되는 가솔린 연료가 연소실(110) 내부에서 성층화를 이루면, 가솔린 연료가 압축 과정에서 착화되는 것이 방지된다. 따라서, 배기 가스 재순환율을 감소시킬 수 있고, 터보차저에 의한 신기 공급량을 증가시킬 수 있다. 이로 인해 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 운전 영역을 확정시킬 수 있고 연소실(110) 내부에서 노킹(knocking)이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는, 연소실(110)에서 노킹이 발생하는 것을 예측하기 위해 노킹 강도(RI: rising intensity)를 사용한다. 상기 노킹 강도는 엔진의 최대 연소압(Pmax), 연소 압력 상승률(MPRR: maximum pressure rise rate)(bar/deg), 및 엔진 속도(RPM: revolution per minute)으로부터 계산될 수 있다.
구체적으로, 상기 노킹 강도(RI)는 아래의 수학식을 통해 계산될 수 있다.
Figure 112016107062388-pat00003
여기서, MPRR은 연소 압력 상승률, RPM은 엔진 속도, 및 Pmax는 엔진 속도를 의미한다.
상기 노킹 강도가 설정 강도보다 작으면 상기 연소실(110) 내부에서 가솔린 연료의 착화에 의한 노킹이 발생할 가능성이 낮기 때문에 상기 제어기(300)는 상기 텀블 가솔린 인젝터(162)와 상기 스월 가솔린 인젝터(152)를 통해 분사되는 가솔린 연료를 정상적으로 조절한다.
그러나 노킹 강도가 설정 강도 이상이면, 상기 상기 연소실(110) 내부에서 가솔린 연료의 착화에 의한 노킹이 발생할 가능성이 매우 크기 때문에, 상기 제어기(300)는 상기 상기 텀블 가솔린 인젝터(162)에 의한 가솔린 연료의 분사를 중단시키고, 상기 스월 가솔린 인젝터(152)에서 분사되는 가솔린 연료량을 증가시켜 가솔린 연료가 연소실(110) 내부에서 성층화되도록 제어한다.
이하에서는, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 제어 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 운전 정보 감지부(200)는 엔진 속도, 연소압, 및 연소 압력 상승률을 포함하는 운전 정보를 감지하고, 감지된 운전 정보는 상기 제어기(300)로 전송된다(S10).
상기 제어기(300)는 상기 운전 정보로부터 노킹 강도를 계산한다(S20). 상기 노킹 강도는 연소실(110) 내에서 노킹이 발생하는 가능성을 예측하기 위한 것으로, 구체적인 계산 방법은 앞에서 설명한 바와 같다.
상기 제어기(300)는 상기 노킹 강도를 설정 강도(예를 들어, 5MW/m2)와 비교하고(S30), 상기 노킹 강도가 설정 강도보다 작으면, 상기 제어기(300)는 상기 연소실(110) 내에서 노킹이 발생할 가능성이 작은 것으로 판단하고 상기 텀블 가솔린 인젝터(162)와 상기 스월 가솔린 인젝터(152)에서 정상적으로 가솔린 연료가 분사되도록 제어한다(S40).
상기 S30 단계에서, 상기 노킹 강도가 설정 강도 이상이면, 상기 제어기(300)는 연소실(110) 내에서 노킹이 발생할 가능성이 높은 것으로 판단하고, 상기 텀블 가솔린 인젝터(162)에서 가솔린 연료가 분사되는 것을 중단시키고, 상기 스월 가솔린 인젝터(152)에서 분사되는 가솔린 연료량을 증가시켜 가솔린 연료가 연소실(110) 내부에서 성층화되도록 제어한다(S50).
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따르면, 노킹 강도에 따라 텀블 가솔린 인젝터(162)와 스월 가솔린 인젝터(152)를 통해 분사되는 가솔린 연료량을 조절함으로써, 연소실(110) 내에서 가솔린 연료의 착화에 의해 노킹이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 가솔린 연료가 착화되는 것을 방지하기 위해 배기 가스 재순환율을 증가시킬 필요가 없고, 이로 인해 연소실(110)로 공급되는 신기를 증가시킬 수 있기 때문에 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 운전 영역을 확장시킬 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 엔진
110: 연소실
130: 디젤 인젝터
150: 스월 파이프
152: 스월 가솔린 인젝터
160: 텀블 파이프
162: 텀블 가솔린 인젝터
200: 운전 정보 감지부
300: 제어기

Claims (8)

  1. 가솔린 연료와 디젤 연료의 의해 구동력을 발생시키는 엔진을 포함하는 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 제어 장치에 있어서,
    엔진 속도, 연소실 내부의 연소압, 및 연소 압력 상승률을 포함하는 운전 정보를 감지하는 운전 정보 감지부;
    상기 연소실 내부로 분사되는 가솔린 연료가 스월 방향으로 유동이 발생하도록 형성되는 스월 파이프;
    상기 연소실 내부로 분사되는 가솔린 연료가 텀블 방향으로 유동이 발생하도록 형성되는 텀블 파이프;
    상기 연소실 내부로 가솔린 연료를 분사하기 위해 상기 스월 파이프와 상기 텀블 파이프에 각각 구비되는 스월 가솔린 인젝터와 텀블 가솔린 인젝터; 및
    상기 연소압 및 연소 압력 상승률로부터 노킹 강도(rising intensity: RI)를 산출하고, 상기 노킹 강도에 따라 상기 스월 가솔린 인젝터와 상기 텀블 가솔린 인젝터에서 분사되는 가솔린 연료량을 제어하는 제어기;
    를 포함하고,
    상기 제어기는 최대 연소압, 연소 압력 상승률, 및 엔진 속도로부터 상기 노킹 강도(rising intensity: RI)를 계산하며,
    상기 노킹 강도(RI)는
    Figure 112017111598513-pat00010
    의 수학식을 통해 계산되고, 여기서, MPRR은 연소 압력 상승률, RPM은 엔진 속도, 및 Pmax는 최대 연소 압력인 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 노킹 강도가 설정 강도 이상이면
    상기 텀블 가솔린 인젝터의 분사를 중단시키고, 상기 스월 가솔린 인젝터의 분사량을 증가시키는 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 제어 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 가솔린 연료와 디젤 연료를 혼합하여 사용하는 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 제어 방법에 있어서,
    운전 정보 감지부에 의해, 엔진 속도, 연소압, 및 연소 압력 상승률을 포함하는 운전 정보를 감지하는 단계;
    제어기에 의해, 상기 운전 정보로부터 노킹 강도(rising intensity: RI)를 계산하는 단계; 및
    상기 제어기에 의해, 텀블 파이프에 구비되는 텀블 가솔린 인젝터와 스월 파이프에 구비되는 스월 가솔린 인젝터에서 분사되는 가솔린 연료량을 제어하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 노킹 강도(rising intensity: RI)는 최대 연소압, 연소 압력 상승률, 및 엔진 속도로부터 계산되고,
    상기 노킹 강도(RI)는
    Figure 112017111598513-pat00011
    의 수학식을 통해 계산되고, 여기서, MPRR은 연소 압력 상승률, RPM은 엔진 속도, 및 Pmax는 최대 연소 압력인 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어기에 의해, 상기 노킹 강도가 설정 강도 이상이면 상기 텀블 가솔린 인젝터의 분사를 중단시키고, 상기 스월 가솔린 인젝터의 분사량을 증가시키는 가솔린-디젤 혼합 연소 엔진의 제어 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
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