KR20040019159A - 예혼합 압축 착화 엔진의 연소 제어 방법 - Google Patents

Abstract

예혼합 압축 착화 엔진을 가변 밸브 타이밍과 가변 압축비로 연소하도록 함으로써, 고속 고부하 운전영역에서는 기존 연소방식으로 연소하고 기 설정된 HCCI 연소가 가능한 운전 영역에서는 압축비를 낮추어 주면서 다량의 배기가스를 연소실 내로 재유입하여 효과적인 HCCI 연소가 가능하도록 할 목적으로;

엔진 시동후 엔진 운전 속도 및 부하를 입력하는 단계와; 상기 단계에서 입력된 운전속도 및 부하에 따라 HCCI 운전 영역인가를 판단하는 단계와; 상기 단계에서 운전영역이 HCCI가 아니면 통상의 밸브 타이밍으로 흡, 배기하는 단계와; 상기 단계에 의하여 엔진 연소운전을 진행하는 단계와; 상기 단계에서 운전영역이 HCCI이면 가변 밸브 타이밍을 수행하는 단계와; 상기 단계에서 가변된 밸브 타이밍에 의하여 압축비 변경 및 배기 재순환 확대하는 단계와; 상기 단계에 의하여 HCCI 연소하는 단계로 이루어져 있어서, 다양한 운전 조건에서 만족스러운 운전을 할 수 있는 효과를 제공하게 되는 것이다.

Description

예혼합 압축 착화 엔진의 연소 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING COMBUSTION OF THE HOM0GENEOUS CHARGE COMPRESSION IGNITION ENGINE}

본 발명은 예혼합 압축 착화 엔진의 연소 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 예혼합 압축 착화 엔진의 연소시 가변 밸브 타이밍을 제어하여 고속 고부하운전 영역에서도 질산화물 배출을 줄이면서 소음 없이 연소할 수 있도록 한 예혼합 압축 착화 엔진의 연소 제어 방법에 관한 것이다.

통상적으로 예혼합 압축 착화 엔진(HOM0GENEOUS CHARGE COMPRESSION IGNITION ENGINE)(이하 HCCI 라고 칭함)은 매우 낮은 수준의 질산화물(NOx), 입자성물질(P.M)이 발생하면서 직접 분사 디젤엔진 수준의 높은 효율을 만족할 수 있는 연소 방식의 엔진이다.

상기 HCCI 엔진에서는 희박한 연료, 공기 혼합기를 연소실에 도입하여 압축함으로써, 연소실 전영역에서 반응과 연소가 일어난다. 상기 HCCI 엔진은 가솔린 엔진과 같이 연료와 공기가 잘 혼합된 상태로 연소하므로, 입자성 물질(P.M)발생이 거의 없으며, 디젤엔진과 같이 스로틀에 의한 손실이 없으므로 고효율을 달성할 수 있다.

상기 HCCI 엔진에서는 화염면이 존재하는 가솔린이나 디젤엔진과 달리 연소가 연소실 전체에서 거의 동시에 일어나므로 연소 온도가 매우 낮아져서 질산화물(NOx)배출을 최소화 할 수 있다.

그리고 상기 HCCI 엔진의 혼합기는 희박화, 성층화 그리고 배기 재순환장치(EGR)첨가 등으로 희석되고, HCCI 엔진에서는 화염 전파가 필요 없으므로 가솔린이나 디젤엔진에서 운전이 불가능한 영역까지 혼합기의 희석이 가능하다.

상기 HCCI 엔진의 연소는 피스톤의 압축에 의한 온도 상승으로 이루어지게 되므로 자발화 온도인 800-1100K의 온도(연료의 종류에 따라 다름)에 도달되기만 하면 거의 모든 공기/연료/배기 재순환 혼합비에서도 엔진 운전이 가능하다.

이에 비하여 디젤 엔진에서는 최저연소 온도가 1900-2100K이므로 많은 질산화물(NOx)이 필연적으로 발생한다. 그리고 상기 HCCI 엔진의 연소는 희박한계에 거의 제한을 받지 않으므로 연소기간이 매우 짧아서 효율이 높다.

상기 HCCI 엔진에서는 고압 분사가 요구되지 않으므로 여러 면에서 이점이 있다.

그러나 상기 HCCI 엔진의 연료로서 기존 가솔린이나 디젤모두 사용될 수 있다. 옥탄가가 높은(90내외)가솔린을 HCCI 엔진연료로 사용할 경우, 기존의 가솔린엔진에 비하여 높은 12:1 - 20:1 정도의 압축비에서 자발화에 의한 HCCI연소가 가능하다.

이보다 낮은 압축비에서는 가솔린 연료의 특성상 자발화가 일어나지 않아서 연소가 불가능하다. 자발화 특성이 좋아서 비교적 낮은 온도에도 자발화가 일어나는 디젤을 HCCI 엔진의 연료로 사용할 경우, 기존의 디젤엔진에 비하여 낮은 10:1 내외의 압축비에서 HCCI 연소가 가능하다.

반대로 이보다 높은 압축비에서는 디젤 연료의 자발화에 의한 연소가 너무 급격히 일어나기 때문에 연소압이 높아져서 연소 소음이 심할 뿐만 아니라, 엔진의 내구적인 문제를 유발하며 높은 온도로 인해 매우 많은 질산화물(NOx)을 배출하게 된다.

상기 HCCI 엔진을 구현하는데 가장 어려운 문제는 점화와 연소의 제어이다 기존의 엔진에서는 스파크점화시기(가솔린 엔진의 경우)나 연료분사시기(디젤엔진의 경우)로부터 연소가 시작되는 반면에, HCCI 엔진에서는 연소의 시작이 혼합기의 자발화로부터 시작하고 자발화는 혼합기의 압축 온도에 가장 큰 영향을 받으므로 배기재순환장치(EGR)를 이용하여 혼합기의 압축 온도를 제어하여야 한다.

또한 HCCI 엔진에서는 화염 전파과정이 거의 없이 연소실의 전 영역에서 거의 동시에 연소가 일어나므로 기존 엔진의 공연비로 운전하게 되면 압력상승률이 급격하여 매우 많은 질산화물(NOx)을 배출한다.

그러므로 HCCI 엔진에서는 기존 엔진 대비 매우 많은 양의 배기재순환장치(EGR)를 도입하여 혼합기를 상당히 희석시켜 주지 않으면 만족스러운 운전을 할 수 없는 문제점을 가지게 되었다.

그리고 상기 HCCI 연소방식은 부분 부하 일부 영역에서만 적용이 가능하고, 높은 엔진회전수와 높은 부하에서는 자발화 반응이 매우 급격하게 일어나서 소음, 내구성, 질산화물 배출 등의 여러 가지 문제점을 야기시키게 되므로 통상의 엔진연소방식을 사용하여야 한다.

또한 HCCI 엔진에서는 기존(가솔린,디젤)방식의 연소와 HCCI 연소가 모두 가능하여야 하는데, 상기 HCCI 연소가 가능한 압축비(가솔린 12:1-20:1 , 디젤10:1)는 통상 엔진의 압축비(가솔린 9:1-10:1, 디젤 15:1-20:1)와는 큰 차이가 있어, 상기 HCCI엔진에서는 가변 압축비의 적용이 필수적이라 할 수 있고, 아울러 HCCI 엔진에서는 기존 엔진에 대비 대량의 배기 재순환이 요구된다.

따라서 본 발명의 목적은 HCCI 엔진의 연료 연소시 고속,고부하 영역에서는 가변 밸브 타이밍을 제어하여 가변 압축비를 낮추거나 또는 높여가면서 연소하여 많은 량의 배기가스를 연소실 내로 재 유입되도록 하면서 효과적인 연소가 이루지도록 함으로써 만족스러운 운전이 가능하도록 하고자 하는데 있다.

상기의 목적을 실현하기 위하여 본 발명은 엔진 시동후 엔진 운전속도 및 부하를 입력하는 단계와; 상기 단계에서 운전속도와 부하가 입력된 상태에서 연료를 판단하는 단계와; 상기 단계에서 판단된 연료가 디젤이면, 상기 입력된 운전속도 및 부하에 따라 HCCI 운전 영역인가를 판단하는 단계와; 상기 단계에서 운전영역이 HCCI가 아니면 통상의 밸브 타이밍으로 흡, 배기하는 단계와; 상기 단계에 의하여엔진 연소운전을 진행하는 단계와; 상기 단계에서 운전영역이 HCCI이면 가변 밸브 타이밍을 수행하는 단계와; 상기 단계에서 가변된 밸브 타이밍에 의하여 압축비 변경 및 배기 재순환 확대하는 단계와; 상기 단계에 의하여 HCCI 연소하는 단계로 이루어지게 된다.

반면에 연료를 판단하는 단계에서 연료가 디젤이 아니고 가솔린이면, 상기 입력된 운전속도 및 부하에 따라 HCCI 운전 영역인가를 판단하는 단계와; 상기 단계에서 운전영역이 HCCI가 아니면 가변 밸브 타이밍을 수행하는 단계와; 상기 단계에서 가변된 밸브 타이밍에 의하여 압축비 변경하는 단계와; 상기 단계에 의하여 HCCI 연소하는 단계와; 상기 단계에서 운전영역이 HCCI이면 통상의 밸브 타이밍으로 흡, 배기하는 단계와; 상기 단계에 의하여 엔진 연소운전을 진행하는 단계로 이루어지게 된다.

상기 가변밸브 타이밍 단계는 배기밸브 닫힘시기(EVC)를 흡기행정 중간까지 지각시키고, 흡기밸브 닫힘시기(IVC)를 압축 행정 중간까지 지각시키는 것을 특징으로 한다.

그러므로 본 발명에 의하면 HCCI 엔진의 사용되는 연료에 따라 흡배기 밸브 타이밍을 가변하여 줌으로써, 연소가 가능한 압축비를 가변할 수 있고, 아울러 다량의 배기 재순환이 이루어지게 되어 고속 고부하 운전조건에서도 연소 소음없이 만족스러운 운전을 할 수 있게 되는 것이다.

도 1 은 본 발명 예혼합 압축 착화 엔진의 단면도

도 2 는 본 발명 예혼합 압축 착화 엔진의 연소 제어방법에 대한 플로우챠트

도 3 은 본 발명 예혼합 압축 착화 엔진의 운전영역을 예시한 도표

이하 첨부되는 도면에 의거 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명에 이용되는 예혼합 압축 착화 엔진의 단면도 로서, 실린더헤드(2)와 피스톤(2)의 사이에 연소실(1)과; 이 연소실(1)의 상단에는 흡기매니폴드(8)를 통해 입력되는 공기를 연소실(1)로 안내하는 흡기포트(4)와 배기가스의 배출통로가 되는 배기포트(6)가 각각 형성된다.

상기 흡기포트(4)에는 공기와 연료가 예혼합된 상태의 혼합기를 연소실(1)로 공급하는 흡기밸브(5)가 구비되고, 상기 배기포트(6)에는 연소동작후 배기가스를 배출하는 배기밸브(7)가 구비되게 된다.

상기 흡기매니폴드(8)에는 제 1 인젝터(9)를 설치하여 흡기 매니폴드(8)를 통해서 이동하는 공기상에 일정량의 연료를 분사하여 흡기 매니폴드(8)상에서 공기와 연료가 미리 혼합되어 초희박 혼합기 상태를 이루게 된다.

상기 연소실(1)의 상단에 직접 분사식 제 2 인젝터(10)를 설치하여 배기 행정의 말기 부분에 연소실(1)로 일정량의 연료를 분사하도록 하며, 제 2 인젝터(10)로부터 피스톤(3)의 상측에 형성된 유동홈(11)으로 연료가 직접 분사됨에 따라 연소실(1)내에서 연료가 텀블 유동되면서 균질하게 혼합되도록 하였다.

도 2 는 본 발명 예혼합 압축 착화 엔진의 연소 제어방법에 대한 플로우챠트 이고, 도 3 은 본 발명 예혼합 압축 착화 엔진의 운전영역을 예시한 도표로서, 차량의 엔진 시동후, 엔진제어장치(도시되지않음)에서는 각 입력 센서들로부터 엔진 운전속도(rpm)와 부하 입력(torque)을 입력받게 된다(단계20).

이와 같이 운전속도와 부하가 입력된 상태에서 엔진제어장치에서는 연료가 디젤인가를 판단하게 되고(단계21), 이때 판단된 연료가 디젤이면, 상기 엔진제어장치에서는 상기 입력된 운전속도와 부하에 따라 현재 HCCI 운전 영역인가를 판단하게 되는데, 여기서 HCCI 운전영역은 도 3 에 도시한 바와 같이, 기 설정된 HCCI 운전영역인 엔진회전수 2000rpm과 60torque 범위의 영역인가로 판단하게 된다(단계22).

따라서 상기 판단 결과 HCCI 운전 영역이 아니면, 상기 엔진제어장치에서는 통상의 밸브 타이밍으로 예혼합 연료를 흡기밸브(5)와 배기밸브(7)로 흡입, 배기하고(단계23), 연소실(1)에서는 기존 엔진 연소 제어로 연소하게 된다(단계24).

한편 상기 운전속도와 부하에 따른 현재 운전 영역이 HCCI 운전 영역이면 높은 엔진회전수와 고부하에서 자발화 반응이 매우 급격하게 일어나서 소음, 내구성, 질산화물 배출등의 문제가 발생되므로, 엔진제어장치에서는 압축비를 낮추기 위하여 배기포트(6)의 배기밸브(7)의 닫힘시기(EVC)를 흡기행정 중간까지 지각시키고, 흡기포트(4)의 흡기밸브(5)의 닫힘시기(IVC)를 압축 행정 중간까지 지각시키는 가변 밸브 타이밍을 수행하게 된다(단계25).

따라서 상기 배기밸브 닫힘시기(EVC)의 지각은 흡기행정 동안 배기계 내의 배기가스가 연소실(1)의 내부로 다시 들어오도록 하여 배기재순환장치의 배기량을 매우 크게 할 수 있게 되고, 또한 상기 흡기밸브 닫힘시기(IVC)의 지각은 압축비를 낮추어 주게 된다(단계26).

따라서 상기 다량의 배기 재순환 및 압축비를 낮춘 가변 압축비로 HCCI 연소를 진행하게 된다(단계27).

반면에 상기 판단된 연료가 디젤이 아니면, 상기 엔진제어장치에서 가솔린으로 판단하여 상기 입력된 운전속도와 부하에 따라 현재 기 설정된 HCCI 운전영역인 엔진회전수 2000rpm과 60torque 범위의 영역인가로 판단하게 된다(단계30).

따라서 상기 판단 결과 HCCI 운전 영역이면, 상기 엔진제어장치에서는 통상의 밸브 타이밍으로 예혼합 연료를 흡기밸브(5)와 배기밸브(7)로 흡입, 배기하고(단계23), 연소실(1)에서는 기존 엔진 연소 제어로 연소하게 된다(단계24).

그러나 상기 판단 결과 HCCI 운전 영역이 아니면, 높은 엔진회전수와 고부하에서 자발화반응이 매우 급격하게 일어나서 소음, 내구성, 질산화물 배출등의 문제가 발생되므로, 상기 엔진제어장치에서는 높은 압축비(12:1~20:1)를 압축비(10:1)로 낮추기 위하여 배기포트(6)의 배기밸브(7)의 닫힘시기(EVC)를 흡기행정 중간까지 지각시키고, 흡기포트(4)의 흡기밸브(5)의 닫힘시기(IVC)를 압축 행정 중간까지 지각시키는 가변 밸브 타이밍을 수행하게 된다(단계31).

따라서 상기 배기밸브 닫힘시기(EVC)의 지각은 흡기행정 동안 배기계 내의 배기가스가 연소실(1)의 내부로 다시 들어오도록 하여 배기재순환장치의 배기량을 매우 크게 할 수 있게 되고, 또한 상기 흡기밸브 닫힘시기(IVC)의 지각은 압축비를 낮추어 주게 된다(단계32).

따라서 상기 다량의 배기 재순환 및 압축비를 낮춘 가변 압축비로 HCCI 연소를 진행하게 된다(단계33).

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 HCCI 엔진의 예혼합 압축 착화시 연료에 따라 가변 밸브 타이밍과 가변 압축비로 연소하되, 고속 고부하 운전영역에서디젤 연료의 경우 압축비를 낮추어 연소하고, 가솔린 연료에서는 고속 고부하 운전영역에서 압축비를 높여서 연소하도록 함으로써, 다량의 배기가스를 연소실 내로 재유입하여 효과적인 HCCI 연소가 가능하도록 함으로써 다양한 운전 조건에서 만족스러운 운전을 할 수 있는 효과를 제공하게 되는 것이다.

Claims (5)

1. 엔진 시동후 엔진 운전 속도 및 부하를 입력하는 단계와; 상기 단계에서 운전속도 및 부하 입력시 연소 연료를 판단하는 단계와; 상기 단계에서 연소 연료 판단시 이 판단된 연료 및 입력된 운전속도 및 부하에 따라 HCCI 운전 영역인가를 판단하는 단계와; 상기 단계에서 판단된 연료 및 운전영역에 따라 통상의 밸브 타이밍으로 흡, 배기하면서 엔진 연소운전을 진행하는 단계와; 가변 밸브 타이밍을 수행하는 단계와; 상기 단계에서 가변된 밸브 타이밍에 의하여 압축비 변경 및 배기 재순환 확대하는 단계와; 상기 단계에 의하여 HCCI 연소하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 예혼합 압축 착화 엔진의 연소 제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 연료 및 운전영역 판단 단계에서 연료가 디젤이고, HCCI 영역이면 가변 밸브 타이밍을 수행하는 단계와; 상기 단계에서 가변된 밸브 타이밍에 의하여 압축비 변경 및 배기 재순환 확대하는 단계와; 상기 단계에 의하여 HCCI 연소하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 예혼합 압축 착화 엔진의 연소제어 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 연료 및 운전영역 판단 단계에서 연료가 가솔린이고, HCCI 영역이 아니면 가변 밸브 타이밍을 수행하는 단계와; 상기 단계에서 가변된 밸브 타이밍에 의하여 압축비 변경 및 배기 재순환 확대하는 단계와; 상기 단계에 의하여 HCCI 연소하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 예혼합 압축 착화 엔진의 연소제어 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 가변 밸브 타이밍은 배기밸브 닫힘시기, 흡기밸브 닫힘시기를 가변하여서 된 것을 특징으로 하는 예혼합 압축 착화 엔진의 연소 제어 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 가변 밸브 타이밍은 배기밸브 닫힘시기를 흡기행정 중간까지 지각시키고, 흡기밸브 닫힘시기를 압축행정 중간까지 지각시키는 것을 특징하는 예혼합 압축 착화 엔진의 연소 제어 방법.