KR20080087166A - 예비혼합 압축 착화 기관 및 예비혼합 압축 착화 기관의 흡기 제어 방법 - Google Patents

예비혼합 압축 착화 기관 및 예비혼합 압축 착화 기관의 흡기 제어 방법 Download PDF

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Abstract

연소실 (3) 에 연통하는 흡기 통로 (10) 는, 일단에 흡기 포트 (4) 를 가짐과 함께 서지 탱크 (13) 를 포함하는 인테이크 매니폴드를 갖는 제 1 분기 흡기 통로 (16) 와, 일단에 흡기 포트 (14) 를 가짐과 함께 서지 탱크 (23) 를 포함하는 인테이크 매니폴드를 갖는 제 2 분기 흡기 통로 (17) 와, 제 1 분기 흡기 통로 (16) 및 제 2 분기 흡기 통로 (17) 각각의 단부와 연통하는 공통 흡기 통로 (19) 를 구비하고 있다. 공통 흡기 통로 (19) 에는, 혼합기를 생성하기 위한 믹서 (11) 가 형성되어 있다. 흡기 통로 (10) 에는, 공통 흡기 통로 (19) 와, 제 1 분기 흡기 통로 (16) 또는 제 2 분기 흡기 통로 (17) 중 적어도 일방을 연통시키는 전환 밸브 (18) 가 형성되어 있다.

Description

예비혼합 압축 착화 기관 및 예비혼합 압축 착화 기관의 흡기 제어 방법{PREMIXED COMPRESSION IGNITION ENGINE AND METHOD OF CONTROLLING AIR INTAKE IN PREMIXED COMPRESSION IGNITION ENGINE}
본 발명은, 예비혼합 압축 착화 기관 및 예비혼합 압축 착화 기관의 흡기 제어 방법에 관한 것이다.
최근, 고효율 또한 저 NOx 배출의 예비혼합 압축 자착화 (HCCI) 기관이 주목받고 있다. 예비혼합 압축 자착화 (HCCI) 연소는, 불꽃 점화 (SI) 연소와 비교하여, 희박한 혼합기 (混合氣) 에 의한 운전이 가능하기 때문에, 열 효율의 향상과 최고 연소 온도의 억제에 유리하다. 한편으로, 착화 시기의 제어가 어려워, 내부 EGR 을 이용한 착화 시기 제어 등이 제안되어 있지만, 안정적인 연소를 실시할 수 있는 운전 영역은 여전히 제한되어 있다. 그래서, 운전 영역에 따라 HCCI 연소와 SI 연소를 전환시켜 운전하는 기관이 제안되어 있다. 이와 같은 기관의 일례가 특허 문헌 1 에 기재되어 있다. HCCI 연소와 SI 연소에서는, 연소실 내에서 필요로 하는 혼합기의 양, EGR 가스량 등 모든 조건이 상이하다. 예를 들어, SI 연소에서 HCCI 연소로 전환하는 경우, 혼합기 및 EGR 가스로 이루어지는 연소실 내 가스 (이후, 통내 가스라고 호칭) 에 대해, 통내 가스량을 증가시킬 필요 가 있다. 한편으로, HCCI 연소를 안정적으로 실시할 수 있는 운전 영역은, 중회전 중부하로부터 저회전 저부하측에 있다. 따라서, 연소의 전환을 실시하는 타이밍에서는, 흡기 통로 중의 스로틀 밸브는 폐쇄측에 있고, 스로틀 밸브 하류에서 연소실 바로 앞의 흡기 포트까지는 부압으로 되어 있다. 이 때문에, 연소의 전환시, 스로틀 밸브의 전체 개방 제어를 실시해도, 연소실에 충분한 혼합기가 공급되지 않아, 토크가 떨어지는 형태로 토크 단차가 발생한다.
이 문제를 해결하기 위해서, 특허 문헌 1 에서는, 과급기를 구비한 예비혼합 압축 착화 기관에 있어서, SI 연소에서 HCCI 연소로 전환할 때에, 과급기에 의해 연소실 내의 압력 및 온도를 상승시켜, HCCI 연소를 실시하기 위한 조건이 갖추어진 후에 HCCI 연소로 전환하는 것을 제안하고 있다.
특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 2004-176688호
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
그러나, 특허 문헌 1 에 있어서의 예비혼합 압축 착화 기관에서는 과급기가 필수 요건으로 되어 있으므로, 과급기가 없는 예비혼합 압축 착화 기관에는 적용할 수 없어, SI 연소와 HCCI 연소의 전환시에 발생하는 흡입 혼합기 양의 과부족에 대해서는 해결할 수 없다는 문제점이 있었다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 과급기의 유무에 관계없이, 불꽃 점화 연소와 예비혼합 압축 착화 연소의 전환시에 발생하는 흡입 혼합기 양의 과부족을 해소할 수 있는 예비혼합 압축 착화 기관 및 그 흡기 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
과제를 해결하기 위한 수단
불꽃 점화 연소와 예비혼합 압축 착화 연소를 전환할 수 있는 예비혼합 압축 착화 기관에 있어서, 일단이 연소실에 연통하는, 제 1 분기 흡기 통로 및 제 2 분기 흡기 통로와, 제 1 분기 흡기 통로 및 제 2 분기 흡기 통로 각각의 타단과 연통하는 하나의 공통 흡기 통로와, 공통 흡기 통로에 형성되고, 공기와 연료를 혼합하여 혼합기를 생성하는 연료 공급 장치와, 공통 흡기 통로와 제 1 분기 흡기 통로 또는 제 2 분기 흡기 통로 중 적어도 일방을 연통시키도록 작동하는 전환 수단과, 제 1 분기 흡기 통로에 형성되고, 제 1 분기 흡기 통로를 유통하는 혼합기의 유량을 제어하는 유량 조정 수단과, 불꽃 점화 연소와 예비혼합 압축 착화 연소의 전환시에, 전환 수단을 작동시키는 제어 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
연소실에 연통하는 제 1 분기 흡기 통로 및 제 2 분기 흡기 통로와, 제 1 분기 흡기 통로 또는 제 2 분기 흡기 통로 중 적어도 일방에 혼합기가 유통하도록 작동하는 전환 밸브와, 제 1 분기 흡기 통로에 형성된 스로틀 밸브를 구비하고, 불꽃 점화 연소와 예비혼합 압축 착화 연소를 전환할 수 있는 예비혼합 압축 착화 기관의 흡기 제어 방법에 있어서, 불꽃 점화 연소에서 예비혼합 압축 착화 연소로의 전환 후에는, 전환 밸브는 제 2 분기 흡기 통로에만 혼합기를 유통시키도록 작동하는 것을 특징으로 한다.
발명의 효과
본 발명에 의하면, 일단이 연소실에 연통하는, 제 1 분기 흡기 통로 및 제 2 분기 흡기 통로와, 제 1 분기 흡기 통로 및 제 2 분기 흡기 통로 각각의 타단과 연통하는 1 개의 공통 흡기 통로와, 공기와 연료를 혼합하여 혼합기를 생성하는 연료 공급 장치와, 공통 흡기 통로와 제 1 분기 흡기 통로 또는 제 2 분기 흡기 통로 중 적어도 일방을 연통시키도록 작동하는 전환 수단과, 제 1 분기 흡기 통로를 유통하는 혼합기의 유량을 제어하는 유량 조정 수단과, 전환 수단을 작동시키는 제어 장치를 구비함으로써, 불꽃 점화 연소에서 예비혼합 압축 착화 연소로 전환할 때에는, 제 2 분기 흡기 통로에만 혼합기를 유통시킴으로써, 혼합기의 유량을 조정하지 않고 연소실에 혼합기가 공급되므로, 연소실에 흡입되는 혼합기 양의 부족을 방지할 수 있다. 또, 예비혼합 압축 착화 연소에서 불꽃 점화 연소로 전환할 때에는, 유량 조정 수단에 의해 미리 적절한 혼합기 양으로 조정할 수 있는 상태가 되어 있는 제 1 분기 흡기 통로에만 혼합기를 유통시킴으로써, 유량을 조정한 혼합기가 연소실에 공급되므로, 연소실에 흡입되는 혼합기 양의 과량을 방지할 수 있다. 따라서, 과급기의 유무에 관계없이, 불꽃 점화 연소와 예비혼합 압축 착화 연소의 전환시에 있어서 발생하는 흡입 혼합기 양의 과부족을 해소할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 실시형태에 관련된 예비혼합 압축 착화 기관의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2 는 예비혼합 압축 착화 연소 영역과 불꽃 점화 연소 영역의 관계를 나타내는 맵이다.
도 3 은 본 실시형태에 관련된 예비혼합 압축 착화 기관에 있어서, 불꽃 점화 연소에서 예비혼합 압축 착화 연소로 전환하는 순서를 설명하는 플로우 차트이다.
도 4 는 본 실시형태에 관련된 예비혼합 압축 착화 기관에 있어서, 불꽃 점화 연소에서 예비혼합 압축 착화 연소로 전환할 때에 있어서의, 전환 밸브의 전환 동작, 스로틀 밸브의 개폐 동작, 및 내부 EGR 의 실시 또는 정지의 시간 경과를 나타내는 도면이다.
도 5 는 본 실시형태에 관련된 예비혼합 압축 착화 기관에 있어서, 예비혼합 압축 착화 연소에서 불꽃 점화 연소로 전환하는 순서를 설명하는 플로우 차트이다.
도 6 은 본 실시형태에 관련된 예비혼합 압축 착화 기관에 있어서, 예비혼합 압축 착화 연소에서 불꽃 점화 연소로 전환할 때에 있어서의, 전환 밸브의 전환 동작, 스로틀 밸브의 개폐 동작, 및 내부 EGR 의 실시 또는 정지의 시간 경과를 나타내는 도면이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 본 발명의 실시형태를 첨부 도면에 기초하여 설명한다.
본 실시형태에 관련된 예비혼합 압축 착화 기관으로서, 가스 히트 펌프 (이하, GHP 로 칭한다) 용 가스 엔진을 예로 설명한다. 도 1 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 관련된 GHP 용 가스 엔진은, 실린더 (1) 와, 실린더 (1) 의 내부에서 상하로 이동할 수 있는 피스톤 (2) 과, 실린더 (1) 의 내부에 있어서 피스 톤 (2) 의 상방에 실린더 (1) 및 피스톤 (2) 및 실린더 헤드 (1a) 에 의해 구획 형성되는 연소실 (3) 과, 실린더 헤드 (1a) 내에 형성되어 연소실 (3) 에 접속되는 2 개의 흡기 포트 (4, 14) 및 1 개의 배기 포트 (5) 와, 흡기 포트 (4, 14) 및 배기 포트 (5) 각각과 연소실 (3) 을 연통 또는 차단하는 흡기 밸브 (6, 25) 및 배기 밸브 (7) 와, 실린더 헤드 (1a) 의 상부로부터 연소실 (3) 내에 관통하도록 배치된 점화 플러그 (21) 를 구비하고 있다. 흡기 밸브 (6, 25) 및 배기 밸브 (7) 를 구동하는 도시되지 않은 각 캠 샤프트에는, 각 캠에 의한 흡기 밸브 (25) 및 배기 밸브 (7) 의 작동 기간과 리프트 양의 양방을 제어할 수 있는 공지된 가변 밸브 제어 기구 (8, 9) 가 형성되어 있다. 연소실 (3) 에 연통하도록 흡기 통로 (10) 가 형성되고, 흡기 통로 (10) 에는, 일단에 흡기 포트 (4) 를 갖는 제 1 분기 흡기 통로 (16) 와, 일단에 흡기 포트 (14) 를 갖는 제 2 분기 흡기 통로 (17) 와, 제 1 분기 흡기 통로 (16) 및 제 2 분기 흡기 통로 (17) 각각의 타단과 연통하는 1 개의 공통 흡기 통로 (19) 를 구비하고 있다. 공통 흡기 통로 (19) 에는, 공통 흡기 통로 (19) 를 유통하는 공기와 연료 통로 (15) 를 유통하는 연료의 천연 가스를 혼합하여 혼합기를 생성하기 위한 연료 공급 장치인 믹서 (11) 가 형성되어 있다. 또한, 믹서 (11) 에 연통하는 연료 통로 (15) 에는 연료 유량 제어 밸브 (22) 가 형성되어 있어, 기체 연료인 도시 가스의 유량을 제어하고, 스로틀 밸브 (12) 와 함께 혼합기의 공연비를 제어한다. 또, 흡기 통로 (10) 에는, 공통 흡기 통로 (19) 와, 제 1 분기 흡기 통로 (16) 또는 제 2 분기 흡기 통로 (17) 중 적어도 일방을 연통시키기 위한 전환 수단인 전환 밸브 (18) 가 형성되어 있다. 제 1 분 기 흡기 통로 (16) 는, 제 1 분기 흡기 통로 (16) 를 유통하는 혼합기의 유량을 조정하기 위한 유량 조정 수단인 스로틀 밸브 (12) 와, 스로틀 밸브 (12) 의 하류에 형성된 서지 탱크 (13) 를 포함하는 인테이크 매니폴드가 배치되어 있다. 제 2 분기 흡기 통로 (17) 는, 서지 탱크 (23) 를 포함하는 인테이크 매니폴드를 구비하고 있다. 또한 본 실시형태에 관련된 GHP 용 가스 엔진은, 제어 장치인 ECU (20) 를 구비하고, 가변 밸브 제어 기구 (8, 9) 와, 스로틀 밸브 (12) 와, 전환 밸브 (18) 와, 점화 플러그 (21) 가 ECU (20) 에 전기적으로 접속되어 있다.
다음으로, 본 실시형태에 관련된 예비혼합 압축 착화 기관의 동작에 대해 설명한다.
본 실시형태에 관련된 GHP 용 가스 엔진이 시동하면, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 공통 흡기 통로 (19) 를 유통하는 공기와, 연료 통로 (15) 를 유통하는 천연가스가 믹서 (11) 에서 혼합되어 혼합기가 된다. GHP 용 가스 엔진의 시동시에는, 전환 밸브 (18) 는, 공통 흡기 통로 (19) 와 제 1 분기 흡기 통로 (16) 를 연통하도록 되어 있고, 혼합기는 스로틀 밸브 (12) 에서 유량이 조정된 후, 제 1 분기 흡기 통로 (16) 를 유통하여 서지 탱크 (13) 를 포함하는 인테이크 매니폴드에 유입되고, 흡기 밸브 (6) 가 열렸을 때에, 흡기 포트 (4) 를 통하여 연소실 (3) 에 흡입된다. 즉, 제 1 분기 흡기 통로 (16) 만을 유통하여 연소실 (3) 내에 흡입된다. 연소실 (3) 내에 흡입된 혼합기는, 피스톤 (2) 에 의해 압축되어, 적당한 타이밍으로 점화 플러그 (21) 에 의해 착화되어 연소한다. 연소 후의 배기 가스는, 배기 밸브 (7) 가 열렸을 때에, 배기 포트 (5) 에 배출된다.
통상적으로 GHP 용 가스 엔진의 시동시에는, 이와 같은 불꽃 점화 (SI) 연소를 실시한다. 본 실시형태의 예비혼합 압축 착화 (HCCI) 연소에서는, 착화 시기 제어를, 후술하는 내부 EGR 을 이용하여 연소실 (3) 내의 가스 온도를 제어함으로써 실시한다. 이 때문에, 난기 (暖機) 가 완료되어 엔진 온도가 안정될 때까지는, 착화 제어가 엔진 온도의 영향을 크게 받기 때문에, HCCI 연소가 실질적으로 곤란한 운전 조건하에 있다. 또, 도 2 에 나타나는 바와 같은 SI 연소 영역과 예비혼합 압축 착화 (HCCI) 연소의 관계를 나타내는 맵이 ECU (20) 에 끼워 넣어져 있다. GHP 용 가스 엔진의 시동시에는 통상적으로 HCCI 연소 영역의 조건으로는 되어 있지 않은, 요컨대, 엔진 회전 수나 엔진 토크로 나타내는 운전 상태가 HCCI 연소에 적절하지 않기 때문에, ECU (20) 는 SI 연소 영역에 있는 것으로 판정하여, 전환 밸브 (18) 에 의해 혼합기가 제 1 분기 흡기 통로 (16) 만을 유통하도록 함과 함께, 적당한 타이밍으로 점화 플러그 (21) 를 작동시킨다. 그 후, ECU (20) 가 가스 엔진 회전 수나 목표 토크 등의 신호를 수신하여, HCCI 연소 영역에 있는 것으로 판정한 경우에는, ECU (20) 는 HCCI 연소 운전으로 전환한다. 또한, 도 2 에 나타내는 본 실시형태의 맵에서는, 제어의 형편상, HCCI 연소 영역과 SI 연소 영역 사이에 전이 영역을 설정하고 있다. 전이 영역은, HCCI 연소가 가능한 영역 (HCCI 연소 가능 영역) 의 내측에서, HCCI 연소 영역의 바깥 가장자리를 둘러싸도록 설정된다. 전이 영역을 설정하는 이유는 후술한다. 또, HCCI 연소가 가능한 영역은 HCCI 연소를 실시해도, 과조 (過早) 착화나 노킹 등의 문제를 일으키지 않아, 적절한 연소 및 제어가 가능한 운전 영역이 설정된다. 이 때문에, 연료의 종류, 가변 밸브 제어 기구의 특성 등, GHP 용 가스 엔진의 전제가 되는 조건마다 상이해지게 된다. 도 2 에 나타낸 것은 어디까지나 본 실시형태에 있어서의 일례이다.
다음으로, 본 실시형태에 관련된 예비혼합 압축 착화 기관에 있어서, SI 연소에서 HCCI 연소로 전환하는 순서를, 도 3 의 플로우 차트에 기초하여 설명한다.
GHP 용 가스 엔진이 SI 연소를 실시하고 있는 경우, 정기적으로 GHP 용 가스 엔진의 운전 영역과 운전 조건에 기초하여, HCCI 연소가 가능한지 여부의 판정을 실시하고, HCCI 연소가 가능한 경우에는 HCCI 연소에 대한 전환을 실시한다. 이 처리가 개시되면, 먼저, GHP 용 가스 엔진의 난기가 종료되고, HCCI 연소가 가능한 상태가 되어 있는지 여부의 판정을 실시한다 (단계 S1). 구체적으로는, 도시되지 않은 검출 수단에 의해, GHP 용 가스 엔진의 수온 및 유온을 검출하고, 수온 또는 유온 중 어느 쪽이 미리 설정된 임계치를 밑도는 경우에는, HCCI 연소에 부적당한 것으로서, 이 처리를 종료시킨다. 한편, GHP 용 가스 엔진의 수온 및 유온의 양방이 임계치를 웃도는 경우에는, HCCI 연소가 가능한 상태로서, 운전 영역의 판정을 실시한다. 구체적으로는, ECU (20) 는, 운전 상태가 도 2 에 나타나는 맵에 기초하여 HCCI 연소 영역인지의 여부를 판정한다 (단계 S2). HCCI 연소 영역이 아닌 것으로 판정된 경우에는, 이 처리를 종료시킨다. 한편, HCCI 연소 영역인 것으로 판정된 경우에는, ECU (20) 는 전환 밸브 (18) 를 작동시켜, 공통 흡기 통로 (19) 와 제 2 분기 흡기 통로 (17) 를 연통함으로써, 혼합기가 제 2 분기 흡기 통로 (17) 만을 유통하도록 한다 (단계 S3). 이것과 동시에, ECU (20) 는, 가변 밸브 제어 기구 (8, 9) 를 제어하여 흡기 밸브 (6) 의 개폐를 정지함과 함께, 흡기 밸브 (25) 를 개폐하는 제어로 전환하여, 배기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기를 상사점보다 빠르게 함과 함께 흡기 밸브 (25) 의 개방 시기를 상사점보다 늦춤으로써, 이른바 부 (負) 의 오버랩의 제어를 실시한다 (단계 S4). 즉, 배기 밸브 (7) 를 배기 공정 도중에 닫음으로써 배기 가스의 일부를 연소실 (3) 에 잔류시킨다 (내부 EGR). 또, ECU (20) 는, 연료 유량 제어 밸브 (22) 의 개방도를 저하시키도록 제어하여, 혼합기의 공연비를 린측으로 변경한다 (단계 S5). 이것은, HCCI 연소는 SI 연소와 비교하여 열 효율이 양호하기 때문에, 토크 단차가 발생하지 않도록 하기 위해서이다. 이상으로, 전환 순서를 종료한다. 또한, SI 연소에서 HCCI 연소로의 전환에 있어서, 제 1 분기 흡기 통로 (16) 에는 혼합기가 유통하지 않게 되므로, 스로틀 밸브 (12) 의 개방도를 조정할 필요가 없어진다. 전환 밸브 (18) 의 작동 동작, 스로틀 밸브 (12) 의 개폐 동작, 및 내부 EGR 의 실시 또는 정지 시간 경과를 도 4 에 나타내었다.
내부 EGR 에 의해, 연소실 (3) 내에 흡입된 혼합기가, 연소실 (3) 내에 잔류하는 고온의 배기 가스와 혼합되기 때문에, 연소실 (3) 내의 가스 온도가 상승한다. 이 때문에, 압축 상사점 부근에서의 연소실 (3) 내의 온도도 높아지므로, 압축 자기 착화가 안정적으로 일어나게 된다.
또, 종래에는, HCCI 연소로의 전환 직후에는, 연소실 (3) 에 흡입되는 혼합기가 부족할 우려가 있었다. 내부 EGR 을 위해서 부의 오버랩을 실시함으로써, 흡기 행정에 있어서 혼합기를 연소실에 흡입 가능한 기간은 변화되어, 실질적 으로 가변 밸브 제어 기구에서, 연소실 내로 들어가는 혼합기 양도 제어하게 된다. 단, HCCI 연소에서는, SI 연소와 비교하여 통내 가스량을 증가시킬 필요가 있기 때문에, 스로틀 밸브 (12) 를 전체 개방으로 함으로써, 혼합기가 과도하게 부족한 것을 보충하는 것으로 하고 있다. 그러나, HCCI 연소 영역이 저회전 저부하 내지 중회전 중부하의 영역에 있고, 연소의 전환 전에 스로틀 밸브 (12) 의 개방도가 낮기 때문에, 스로틀 밸브 (12) 의 하류측은 대기압 이하 (부압) 가 되어 있다. 또한 SI 연소에서 HCCI 연소로 전환할 때에 혼합기를 제 1 분기 흡기 통로 (16) 에 유통시킨 채로는, 액추에이터의 특성에서 기인하여, 스로틀 밸브 (12) 의 개폐 동작이 늦음으로써, 일시적으로 흡기 포트 (4) 내의 대기압 이하 (부압) 상태가 충분히 해소되지 않아, 연소실 (3) 에 흡입되는 혼합기 양이 부족할 우려가 있다. 그러나, 전환 밸브 (18) 에 의해 혼합기가 제 2 분기 흡기 통로 (17) 만을 유통함으로써, 스로틀 밸브 (12) 에 의해 유량이 조정되지 않은 혼합기가 흡기 포트 (14) 내를 유통하므로, 흡기 포트 (14) 내의 부압은 신속하게 해소되어, 연소실 (3) 에 흡입되는 혼합기 양의 부족이 방지된다. 이로써, 토크의 저하가 방지된다.
이와 같은 순서로 SI 연소에서 HCCI 연소로 전환된 후, 운전 조건이 HCCI 연소 영역에 있는 경우에는 HCCI 연소를 계속한다. HCCI 연소 영역 내에서, 운전 상태가 변동된 경우에는, 가변 밸브 제어 기구 (8, 9) 를 제어하여 내부 EGR 량을 변경하거나, 혹은 연료 유량 제어 밸브를 개방도를 조정함으로써, HCCI 연소를 안정적으로 계속할 수 있다. 운전 조건이 HCCI 연소 영역이 아니게 된 경우에는, ECU (20) 는, 압축 상사점 또는 그 전후의 적당한 타이밍으로 점화 플러그 (21) 를 작동시키는 SI 연소로 전환한다. 보다 구체적으로는, 운전 상태가 HCCI 연소 가능 영역 내에서, 전이 영역의 내측에서 전이 영역으로 이행한 시점에서 SI 연소로 전환한다. 이것은, 운전 상태가 HCCI 연소 가능 영역의 외측으로 이행한 후에 전환을 실시하는 것으로 하면, 제어가 늦어지고, 엔진 고장 등 문제를 일으킬 우려가 있다. 이와 같은 문제를 회피하기 위해서, HCCI 연소 가능 영역의 내측에서, HCCI 연소 영역의 외측에 전이 영역을 설정한다. 따라서, 전이 영역은, GHP 용 가스 엔진의 운전 상태가 HCCI 연소 영역에서 SI 연소 영역으로 이행할 때에, 전이 영역에 있는 것이 검출되지 않고 이행되는 경우가 없도록, 그 폭이 설정된다.
다음으로, 본 실시형태에 관련된 예비혼합 압축 착화 기관에 있어서, HCCI 연소에서 SI 연소로 전환하는 순서를, 도 5 의 플로우 차트에 기초하여 설명한다.
GHP 용 가스 엔진이 HCCI 연소를 실시하고 있는 경우, ECU (20) 는, 정기적으로, 운전 영역과 운전 조건에 기초하여 SI 연소로 이행해야 할 것인지의 여부를 판정하고, 운전 상태가 전이 영역으로 이행되어, SI 연소로 이행할 가능성이 높은 경우에는 SI 연소로 전환한다. 이 처리가 개시되면, 운전 조건이 도 2 에 나타나는 맵에 기초하여 전이 영역인지의 여부를 판정한다 (단계 S11). 전이 영역이 아닌 것으로 판정된 경우에는, HCCI 연소를 계속함으로써, 이 처리를 종료시킨다. 한편, 전이 영역에 있는 것으로 판정된 경우에는, ECU (20) 는, 스로틀 밸브 (12) 의 개방도를, SI 연소시에 있어서의 혼합기 양에 알맞은 개방도로 조정한다. 즉, 스로틀 밸브 (12) 에 의해, 미리 혼합기가 적절한 유량으로 조정되는 상태로 한다. (단계 S12). 또, 연료 유량 제어 밸브 (22) 의 개방도를 증가시키도록 제어하고, 공연비를 SI 연소에 적절하도록 리치측으로 변경한다. (단계 S13). 스로틀 밸브 (12) 의 개방도의 조정 동작 및 공연비의 변경이 종료되면, ECU (20) 는 전환 밸브 (18) 를 작동시켜, 공통 흡기 통로 (19) 와 제 1 분기 흡기 통로 (16) 를 연통함으로써, 혼합기가 제 1 분기 흡기 통로 (16) 만을 유통하도록 한다 (단계 S14). ECU (20) 는, 전환 밸브 (18) 의 작동과 동시에, 가변 밸브 제어 기구 (8, 9) 를 제어하여, 흡기 밸브 (25) 의 개폐를 정지함과 함께, 흡기 밸브 (6) 를 개폐하는 제어로 전환함으로써 부의 오버랩을 해제한다. 즉, 내부 EGR 를 정지한다 (단계 S15). 이상으로, 전환 순서를 종료한다. 그 후, SI 연소 중에, GHP 용 가스 엔진의 출력이 상승하면 필요한 혼합기 양이 증가하는데, 이 경우에는 필요에 따라, ECU (20) 는 전환 밸브 (18) 를 작동시켜, 공통 흡기 통로 (19) 와 제 1 분기 흡기 통로 (16) 및 제 2 분기 흡기 통로 (17) 의 양방을 연통시킴으로써, 혼합기가 제 1 분기 흡기 통로 (16) 및 제 2 분기 흡기 통로 (17) 의 양방을 유통하도록 한다. 전환 밸브 (18) 의 작동 동작, 스로틀 밸브 (12) 의 개폐 동작, 및 내부 EGR 의 실시 또는 정지의 시간 경과를 도 6 에 나타내었다.
혼합기가 제 2 분기 흡기 통로 (17) 를 유통하는 상태인 채 SI 연소로 전환되면, 내부 EGR 의 정지에 의해, 흡기 포트 (14) 안과 연소실 (3) 안의 차압이 커지기 때문에, 일시적으로 SI 연소에 필요한 혼합기 양 이상의 혼합기가 연소실 (3) 내에 흡입되어, 증가측에서 토크 단차가 발생할 우려가 있다. 그러나, 스로틀 밸브 (12) 의 개방도를, SI 연소시에 있어서의 혼합기 양에 알맞은 개방도로 조정 한 후에 전환 밸브 (18) 를 작동시킴으로써, 스로틀 밸브 (12) 에 의해 미리 혼합기가 적절한 유량으로 조정되는 상태로 한 후에, 내부 EGR 를 정지시켜, 혼합기가 제 1 분기 흡기 통로 (16) 로 유통하게 되므로, 연소실 (3) 내에 흡입되는 혼합기 양의 일시적인 과량이 방지되어, 이상 연소, 즉 토크의 상승이 방지된다.
이와 같이, 일단이 연소실 (3) 에 연통하는, 제 1 분기 흡기 통로 (16) 및 제 2 분기 흡기 통로 (17) 와, 제 1 분기 흡기 통로 (16) 및 제 2 분기 흡기 통로 (17) 각각의 타단과 연통하는 1 개의 공통 흡기 통로 (19) 와, 공기와 연료를 혼합하여 혼합기를 생성하는 믹서 (11) 와, 공통 흡기 통로 (19) 와 제 1 분기 흡기 통로 (16) 또는 제 2 분기 흡기 통로 (17) 중 적어도 일방을 연통하도록 전환하기 위한 전환 밸브 (18) 와, 제 1 분기 흡기 통로 (16) 를 유통하는 혼합기의 유량을 조정하기 위한 스로틀 밸브 (12) 와, 전환 밸브 (18) 를 작동시키는 ECU (20) 를 형성하고, 불꽃 점화 연소에서 예비혼합 압축 착화 연소로 전환할 때에는, ECU (20) 가 전환 밸브 (18) 를 작동시켜 혼합기가 제 2 분기 흡기 통로 (17) 만을 유통하도록 함으로써, 혼합기의 유량을 조정하지 않고 연소실 (3) 에 혼합기가 공급되므로, 연소실 (3) 에 흡입되는 혼합기 양의 부족을 방지할 수 있다. 또, 예비혼합 압축 착화 연소에서 불꽃 점화 연소로 전환할 때에는, ECU (20) 가 스로틀 밸브 (12) 의 개방도를 SI 연소시에 있어서의 혼합기 양에 알맞은 개방도로 조정한 후에, ECU (20) 가 전환 밸브 (18) 를 작동시켜 혼합기가 제 1 분기 흡기 통로 (16) 만을 유통하도록 함으로써, 유량을 조정한 혼합기가 연소실 (3) 에 공급되므로, 연소실 (3) 에 흡입되는 혼합기 양의 과량을 방지할 수 있다. 따라서, 불 꽃 점화 연소와 예비혼합 압축 착화 연소의 전환시에 있어서 발생하는 흡입 혼합기 양의 과부족을 해소할 수 있다.
본 실시형태에서는, SI 연소시 또는 HCCI 연소시에, 가변 밸브 제어 기구 (8) 에 의해, 흡기 밸브 (6, 25) 의 한쪽 편만 구동하는 구조를 채용하고 있지만, 이것은 반드시 필수적인 것은 아니다. 본 발명에서는, 제 1 분기 흡기 통로 (16) 와 제 2 분기 흡기 통로 (17) 를 전환하는 구조를 위해, 흡기 밸브 (6, 25) 가 항상 양방 모두 구동되는 구조에 있어서도, 본 발명을 실시하는 것은 가능하다. 단, 혼합기가 공급되지 않는 측의 흡기 밸브를 정지시킨 경우에는, 프릭션 저감 등의 관점에서 유리하다. 또한, HCCI 연소시에는 스로틀 밸브 (12) 를 사용하지 않고, 내부 EGR 량의 변경에 의해 운전을 제어하기 때문에, 흡기 밸브 (25) 의 개폐 시기를 변경하는 기능은, 가변 밸브 제어 기구 (8) 에 필요하다.
또, 본 실시형태에서는, 연료로 도시 가스를 사용했지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 천연 가스 등, 가스 연료이면 어떠한 연료를 사용해도 된다.
또, 본 실시형태에서는, 예비혼합 압축 착화 기관으로서 GHP 용 가스 엔진을 예로 들어 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 경유를 연료로 하는 디젤 엔진, 또는 가솔린 엔진이어도 된다. 또, 1 개의 기통을 갖는 엔진인 것에 한정되는 것도 아니고, 직렬 4 기통 엔진이나 V 형 8 기통 엔진 등 어떠한 형태의 엔진이어도 된다.

Claims (5)

  1. 불꽃 점화 연소와 예비혼합 압축 착화 연소를 전환할 수 있는 예비혼합 압축 착화 기관에 있어서,
    일단이 연소실에 연통하는, 제 1 분기 흡기 통로 및 제 2 분기 흡기 통로와,
    상기 제 1 분기 흡기 통로 및 상기 제 2 분기 흡기 통로 각각의 타단과 연통하는 1 개의 공통 흡기 통로와,
    상기 공통 흡기 통로에 형성되고, 공기와 연료를 혼합하여 혼합기를 생성하는 연료 공급 장치와,
    상기 공통 흡기 통로와 상기 제 1 분기 흡기 통로 또는 상기 제 2 분기 흡기 통로 중 적어도 일방을 연통시키도록 작동하는 전환 수단과,
    상기 제 1 분기 흡기 통로에 형성되고, 상기 제 1 분기 흡기 통로를 유통하는 혼합기의 유량을 제어하는 유량 조정 수단과,
    불꽃 점화 연소와 예비혼합 압축 착화 연소의 전환시에, 상기 전환 수단을 작동시키는 제어 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 예비혼합 압축 착화 기관.
  2. 제 1 항에 있어서,
    예비혼합 압축 착화 연소시에는, 상기 전환 수단에 의해, 상기 공통 흡기 통로는 상기 제 2 분기 흡기 통로와만 연통하는 예비혼합 압축 착화 기관.
  3. 제 1 항에 있어서,
    불꽃 점화 연소시에는, 상기 전환 수단에 의해, 상기 공통 흡기 통로는 상기 제 1 분기 흡기 통로와만 연통하는 예비혼합 압축 착화 기관.
  4. 연소실에 연통하는 제 1 분기 흡기 통로 및 제 2 분기 흡기 통로와, 상기 제 1 분기 흡기 통로 또는 상기 제 2 분기 흡기 통로 중 적어도 일방에 혼합기가 유통하도록 작동하는 전환 밸브와, 상기 제 1 분기 흡기 통로에 형성된 스로틀 밸브를 구비하고, 불꽃 점화 연소와 예비혼합 압축 착화 연소를 전환할 수 있는 예비혼합 압축 착화 기관의 흡기 제어 방법에 있어서,
    불꽃 점화 연소에서 예비혼합 압축 착화 연소로의 전환 후에는, 상기 전환 밸브는 상기 제 2 분기 흡기 통로에만 상기 혼합기를 유통시키도록 작동하는 것을 특징으로 하는 예비혼합 압축 착화 기관의 흡기 제어 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    예비혼합 압축 착화 연소에서 불꽃 점화 연소로 전환할 때에는, 상기 스로틀 밸브의 개방도를 불꽃 점화 연소시에 있어서의 혼합기 양에 알맞는 개방도로 조정하고, 상기 스로틀 밸브 개방도의 조정 동작이 종료된 후에, 상기 전환 밸브는 상기 제 1 분기 흡기 통로에만 상기 혼합기를 유통시키도록 작동하는 것을 특징으로 하는 예비혼합 압축 착화 기관의 흡기 제어 방법.
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