KR20090028779A

KR20090028779A - 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법

Info

Publication number: KR20090028779A
Application number: KR1020097001277A
Authority: KR
Inventors: 히로유키 오쯔보; 토루 나카조노; 타카유키 시로우주
Original assignee: 얀마 가부시키가이샤
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2007-08-30
Publication date: 2009-03-19
Also published as: US7802556B2; JP2008057407A; JP4838666B2; CN101506486A; CN101506486B; WO2008026685A1; US20090320788A1; EP2058483A1

Abstract

압축자착화하기 어려운 운전조건이더라도, 불꽃점화에 의해 압축자착화를 유발함으로써 안정된 착화를 실현하고, 압축자착화 운전이 가능한 운전범위를 확대한다. 또, 기통 내의 압축자착화시기를 적절히 조정함으로써, 싸이클효율 및 열효율의 향상이나 대기오염물질의 배출 억제를 가능하게 한다. 연료와 공기를 미리 혼합한 혼합기를 기통 내의 연소실에서 압축자착화시켜 연소시키는, 예혼합압축자착화식 엔진(11)의 운전방법으로서, 예혼합압축자착화식 엔진(11)이 혼합기에 불꽃점화를 행하는 점화 플러그(37)을 구비하여, 혼합기의 압축자착화를 유발할 수가 있는 불꽃점화시기의 진각 한계(t1)와 지각 한계(t2)를 각각 설정해 놓고, 양 한계시기 사이에, 운전조건에 따라 보조적으로 혼합기에 불꽃점화를 행한다.

Description

예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법 {OPERATION METHOD OF PREMIXED COMPRESSION SELF-IGNITION ENGINE}

본 발명은 예혼합압축자착화식(HCCI: Homogeneous Charge Compressed Ignition) 엔진의 운전방법에 관한 것이다.

이런 종류의 엔진으로서, 예컨대 특허문헌 1에는, 공기와 연료를 미리 혼합한 혼합기를 실린더 내의 연소실로 공급해서, 당해 혼합기를 압축함으로써 자착화(自着火)시키는 예혼합압축식 자착화식 엔진이 개시되어 있다.

이 예혼합압축식 자착화식 엔진은, 불꽃점화식의 엔진과 비교해서, 높은 압축비로 운전할 수 있기 때문에 열효율이 높다고 하는 이점이 있다. 또, 연소 온도를 낮게 할 수가 있기 때문에, NOx의 생성을 억제할 수도 있다. 그러나 혼합기(混合氣)를 자연적으로 착화시키는 것이기 때문에, 착화시기의 제어가 대단히 곤란하다. 또, 압축자착화는, 토크(부하)와 흡기온도와의 관계에서 매우 한정된 좁은 운전범위에서 밖에 적절히 실행할 수가 없다.

복수의 기통을 가진 예혼합압축자착화식 엔진의 경우, 각 기통은 그 배치 등 에 의해 수열성(受熱性), 방열성(放熱性)이 다르기 때문에, 압축단(壓縮端)에서의 기통내 온도에 차이가 생긴다. 일반적으로, 압축단에서의 기통내 온도가 높으면 자착화시기는 빨라지고, 기통내 온도가 낮으면 자착화시기가 늦어지기 때문에, 각 기통의 자착화시기에 변동을 생기게 하기 쉽다. 기통 사이의 착화시기의 변동은, 싸이클효율 및 열효율을 저하시킴과 더불어, 배기가스에 함유되는 미연(未燃)탄화수소, 일산화탄소, NOx 등의 대기오염물질의 배출량을 증대시키는 원인으로 된다.

특허문헌 1: 일본국 특개 2005-69097호 공보

(발명이 해결하고자 하는과제)

본 발명은, 상기의 실정을 감안해서, 압축자착화시키기 어려운 운전조건이더라도, 불꽃점화에 의해 압축자착화를 유발함으로서 안정된 착화(着火)를 실현하여, 압축자착화 운전이 가능한 운전범위를 확대하는 것을 목적으로 한다. 또, 기통 내의 압축자착화시기를 적절히 조정함으로써, 싸이클효율 및 열효율의 향상이나 대기오염물질의 배출 억제를 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.

(과제를 해결하기 위한 수단)

본 발명은, 연료와 공기를 미리 혼합시킨 혼합기를 기통 내의 연소실에서 압축자착화시켜 연소시키는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법으로서, 상기 예혼합압축자착화식 엔진이 상기 혼합기에 불꽃점화를 실행하는 불꽃점화장치를 구비하고서, 상기 혼합기의 압축자착화를 유발시킬 수 있는 불꽃점화의 진각(進角) 한계와 지각(遲角) 한계를 각각 설정해 놓고, 진각 한계와 지각 한계 사이에, 운전조건에 대응해서 보조적으로 상기 혼합기에 불꽃점화를 실행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 또한 다음과 같은 구성을 구비하는 것이 바람직하다.

(1) 상기 엔진이 복수의 기통을 갖추고 있고, 각 기통에서의 압축자착화시기를 맞추도록, 소정의 기통에서 불꽃점화를 실행한다.

(2) 상기 혼합기의 압축자착화시기를 조정하도록, 상기 불꽃점화를 실행할 시기를 조정한다.

(3) 상기 엔진이 복수의 기통을 구비하고서, 각 기통에서의 압축자착화시기를 맞추도록, 기통마다 불꽃점화를 실행할 시기를 조정한다.

(4) 목표로 하는 압축자착화시기를 설정해서, 당해 목표 압축자착화시기와 실제의 압축자착화시기를 비교함과 더불어, 당해 비교에 기해, 실제의 압축자착화시기가 목표 압축자착화시기로 되도록 불꽃점화를 실행한다. 또, 이 구성은, 상기 구성 (1)에서 구비하고 있어도 좋다.

(5) 상기 구성 (2) 또는 상기 구성 (3)에서, 목표로 하는 압축자착화시기를 설정하고, 당해 목표 압축자착화시기와 실제의 압축자착화시기를 비교함과 더불어, 당해 비교에 기해, 실제의 압축자착화시기가 목표 압축자착화시기로 되도록 불꽃점화를 실행할 시기를 조정한다.

(6) 상기 구성 (2)에서, 목표로 하는 압축자착화시기를 설정하고, 당해 목표 압축자착화시기와 실제의 압축자착화시기를 비교하여, 당해 비교에 기해, 실제의 압축자착화시기가 목표 자착화시기로 되도록, 진각 한계와 지각 한계와의 사이에서 불꽃점화를 실행할 시기를 조정함과 더불어, 실제의 압축자착화시기를 목표 압축자착화시기로 조정할 수 있는 범위 내로, 혼합기의 흡기온도를 조정한다.

(7) 상기 구성 (3)에서, 기통마다, 목표로 하는 압축자착화시기를 설정하고, 당해 목표 압축자착화시기와 실제의 압축자착화시기를 비교하여, 당해 비교에 기해 실제의 압축자착화시기가 목표 압축자착화시기로 되도록 진각 한계와 지각 한계와의 사이에서 불꽃점화를 실행할 시기를 조정함과 더불어, 전체 기통에서 실제의 압축자착화시기를 목표 압축자착화시기로 조정할 수 있는 범위 내로, 혼합기의 흡기온도를 조정한다.

(8) 상기 구성 (2)에서, 목표로 하는 압축자착화시기를 설정하고, 당해 목표 압축자착화시기를 달성하는 불꽃점화시기 중에서 최적의 불꽃점화시기를 설정하고, 상기 목표 압축자착화시기와 실제의 압축자착화시기를 비교하여, 당해 비교에 기해, 실제의 압축자착화시기가 목표 자착화시기로 되도록 불꽃점화를 실행할 시기를 조정하고, 다시, 불꽃점화시기가 상기 최적 불꽃점화시기로 되도록, 흡기온도를 조정한다.

(9) 상기 구성 (3)에서, 기통마다, 목표로 하는 압축자착화시기를 설정함과 더불어, 당해 목표 압축자착화시기를 달성하는 불꽃점화시기 중에서 최적의 불꽃점화시기를 설정하고, 당해 목표 압축자착화시기와 실제의 압축자착화시기를 비교하여, 당해 비교에 기해 실제의 압축자착화시기가 목표 자착화시기로 되도록 불꽃점화를 실행할 시기를 조정하고, 다시, 가장 불꽃점화시기가 늦은 기통이 최적 불꽃점화시기에서 불꽃점화되도록, 흡기온도를 조정한다.

(10) 상기 구성 (7)에서, 불꽃점화시기가 진각 한계로 되는 기통에 대한 연료공급량을, 다른 기통에 비해 상대적으로 증대시켜, 지각 한계로 되는 기통에 대한 연료공급량을, 다른 기통에 비해 상대적으로 감소시킨다.

(11) 상기 구성 (7)에서, 불꽃점화시기가 진각 한계로 되는 기통의 유효압축비를, 다른 기통에 비해 상대적으로 증대시켜, 지각 한계로 되는 기통에서의 유효압축비를, 다른 기통에 비해 상대적으로 감소시킨다.

(12) 상기 구성 (7)에서, 배기가스를 기통 내로 환류시키는 EGR 수단을 갖추되, 불꽃점화시기가 진각 한계로 되는 기통에 대한 EGR 량을, 다른 기통에 비해 상대적으로 증대시켜, 지각 한계로 되는 기통에 대한 EGR 량을, 다른 기통에 비해 상대적으로 감소시키거나 또는 없어지도록 한다.

(13) 상기 구성 (7)에서, 불꽃점화시기가 진각 한계로 되는 기통에서의 흡기온도를, 다른 기통에 비해 상대적으로 높여, 지각 한계로 되는 기통에서의 흡기온도를, 다른 기통에 비해 상대적으로 낮게 한다.

(14) 상기 구성 (7)에서, 불꽃점화시기가 진각 한계로 되는 기통의 온도를, 다른 기통에 비해 상대적으로 높게 하여, 지각 한계로 되는 기통의 온도를, 다른 기통에 비해 상대적으로 낮게 한다.

(15) 상기 구성 (7)에서, 불꽃점화시기가 진각 한계로 되는 기통의 구성부재를, 다른 기통에 비해 상대적으로 열전도율이 낮은 재질로 형성하고, 지각 한계로 되는 기통의 구성부재를, 다른 기통에 비해 상대적으로 열전도율이 높은 재질로 형성한다.

(16) 상기 구성 (3)에서, 기통마다 목표로 하는 압축자착화시기를 설정하고, 당해 목표 압축자착화시기와 실제의 압축자착화시기를 비교하여, 당해 비교에 기해 실제의 압축자착화시기가 목표 자착화시기로 되도록 불꽃점화를 실행할 시기를 조정하고, 다시, 가장 불꽃점화시기가 늦은 기통에서 정상운전을 실행하도록, 흡기온도를 조정한다.

(17) 상기 혼합기의 공기과잉비율을 검출하고, 당해 공기과잉비율에 대응해서 상기 진각 한계를 변경한다.

(18) 상기 엔진이 복수의 기통을 갖고서, 기통 마다의 혼합기의 공기과잉비율을 검출하여, 각 기통에서의 상기 진각 한계를 각 공기과잉비율에 대응해서 각각 변경한다.

(19) 상기 혼합기의 흡기온도를 검출하여, 당해 흡기온도에 대응해서 상기 진각 한계를 변경한다. 또, 이 구성은, 상기 구성 (17) 또는 상기 구성 (18)에서 구비하고 있어도 좋다.

(20) 상기 엔진이 복수의 기통을 갖고서, 기통마다 혼합기의 흡기온도를 검출하여, 각 기통에서의 상기 진각 한계를 각 흡기온도에 대응해서 각각 변경한다. 또, 이 구성은, 상기 구성 (17) 또는 상기 구성 (18)에서 구비하고 있어도 좋다.

(발명의 효과)

본 발명에 의하면, 예컨대, 기통내 온도가 낮고 압축자착화가 곤란한 조건에서는, 보조적으로 불꽃점화를 실행함으로써, 압축자착화를 유발해서, 확실하게 압축자착화시켜, 실화(失火)를 방지할 수가 있다. 따라서, 종래, 압축자착화운전이 될 수 없었던 운전범위에도 확대해서 압축자착화운전을 실행할 수가 있고, 엔진 출력을 증대시킬 수가 있다. 그리고, 압축자착화를 유발할 수가 있는 불꽃점화의 진각 한계와 지각 한계를 설정하여, 쌍방의 한계시기 사이에서 불꽃점화를 실행하고 있기 때문에, 보다 확실하게 압축자착화시킬 수가 있다.

상기 구성 (1)에 의하면, 복수 기통의 엔진에서, 기통내 온도가 낮은 등의 이유로 압축자착화시기가 늦은 소정의 기통에 대해 보조적으로 불꽃점화를 실행함으로써, 당해 기통의 압축자착화를 유발해서, 압축자착화시기가 빠른 다른 기통과의 사이의 압축자착화시기의 불균형을 방지할 수가 있게 된다. 이에 따라, 싸이클효율 및 열효율의 향상을 도모할 수 있다.

상기 구성 (2)에 의하면, 불꽃점화시기를 조정함으로써, 예컨대, 높은 열효율을 얻을 수가 있고 또 배기가스에 함유되는 대기오염물질의 배출을 억제할 수가 있는 적절한 착화시기에, 압축자착화시킬 수가 있게 된다.

상기 구성 (3)에 의하면, 복수 기통의 엔진에서, 각각의 기통에서 불꽃점화를 실행할 시기를 조정함으로써, 각 기통 사이의 압축자착화시기의 불균형을 방지할 수가 있다. 따라서, 싸이클효율 및 열효율의 향상을 도모할 수가 있다. 또, 각 기통의 불꽃점화시기를 조정함으로써, 예컨대, 보다 높은 열효율을 얻을 수가 있고 또 배기가스에 함유되는 대기오염물질의 배출을 억제할 수가 있는 적절한 착화시기에 맞추어, 압축자착화시킬 수가 있다.

상기 구성 (4)에 의하면, 불꽃점화를 실행하거나 또는 실행하지 않음으로써, 실제의 압축자착화시기가 목표 압축자착화시기로 되도록 압축자착화시기를 조정할 수 있게 된다. 따라서, 예컨대, 목표 압축자착화시기를, 높은 열효율을 얻을 수가 있고 또 대기오염물질의 배출을 억제할 수가 있는 착화시기로 설정한 경우, 엔진 성능의 향상 또는 대기오염물질의 배출 억제를 도모할 수 있다.

상기 구성 (5)에 의하면, 불꽃점화시기를 조정함으로써, 실제의 압축자착화시기가 목표 압축자착화시기로 되도록 압축자착화시기를 조정할 수 있게 된다. 따라서, 예컨대, 목표 압축자착화시기를, 높은 열효율을 얻을 수가 있고 또 대기오염물질의 배출을 억제할 수가 있는 착화시기로 설정한 경우, 엔진 성능의 향상 또는 대기오염물질의 배출 억제를 도모할 수 있다.

상기 구성 (6)에 의하면, 상기 구성 (5)와 마찬가지 효과를 나타낸다. 또, 흡기온도 조건에 따라서는, 진각 한계와 지각 한계와의 사이에서 불꽃점화를 실행하여도 실제의 압축자착화시기를 목표 압축자착화시기로 조정할 수가 없는 경우도 있어, 이러한 경우에는, 흡기온도를 적절히 조정함으로써, 한정되었던 시기에 행해지는 불꽃점화에 의해 확실하게 실제의 압축자착화시기를 목표 압축자착화시기로 조정할 수 있게 된다.

상기 구성 (7)에 의하면, 상기 구성 (5)와 마찬가지 효과를 나타낸다. 또, 흡기온도 조건에 따라서는, 각 기통에서, 진각 한계와 지각 한계의 사이에서 불꽃점화를 실행하여도 실제의 압축자착화시기를 목표 압축자착화시기로 조정할 수가 없는 경우도 있어, 이러한 경우에는, 흡기온도를 적절히 조정함으로써, 복수 기통의 엔진에서, 전체의 기통에서 실제의 압축자착화시기를 목표 압축자착화시기로 조정할 수 있게 된다.

상기 구성 (8)에 의하면, 상기 구성 (5)와 마찬가지 효과를 나타낸다. 또, 흡기온도를 조정함으로써, 예컨대, 엔진 성능을 향상시킬 수가 있고 또 대기오염물질의 배출을 억제할 수가 있는 특히 최적의 시기에 불꽃점화를 실행할 수 있다.

상기 구성 (9)에 의하면, 상기 구성 (5)와 마찬가지 효과를 나타낸다. 또, 흡기온도를 조정함으로써, 예컨대, 엔진 성능을 향상시킬 수가 있고 또 대기오염물질의 배출을 억제할 수가 있는 특히 최적의 시기에 불꽃점화를 실행할 수 있다.

이하, 상기 구성 (10) ~ 상기 구성 (15)는, 상기 구성 (7)을 채용한다 하더라도, 압축자착화시기(불꽃점화시기)를 적절히 조정할 수가 없는 경우에, 각종의 수단을 추가적으로 실시함으로써 압축자착화시기의 조정을 가능하게 하는 것이다.

상기 구성 (10)에 의하면, 불꽃점화시기가 진각 한계로 되도록 한 기통(압축자착화하기 어려운 기통)에 대해서는, 연료공급량을 상대적으로 증대시킴으로써 압축자착화를 하기 쉬운 상태로 해서, 불꽃점화시기를 지각(遲角)시킬 수가 있다. 역으로, 불꽃점화시기가 지각 한계로 되도록 한 기통(압축자착화가 용이한 기통)에 대해서는, 연료공급량을 상대적으로 감소시킴으로써 압축자착화하기 어려운 상태로 해서, 불꽃점화시기를 진각시킬 수가 있다.

상기 구성 (11)에 의하면, 불꽃점화시기가 진각 한계로 되도록 한 기통에 대해서는, 유효압축비를 상대적으로 증대시킴으로써 압축자착화를 하기 쉬운 상태로 해서, 불꽃점화시기를 지각시킬 수가 있다. 역으로, 불꽃점화시기가 지각 한계로 되도록 한 기통에 대해서는, 유효압축비를 상대적으로 감소시킴으로써 압축자착화하기 어려운 상태로 해서, 불꽃점화시기를 진각(進角)시킬 수가 있다.

상기 구성 (12)에 의하면, 불꽃점화시기가 진각 한계로 되도록 한 기통에 대해서는, EGR 량을 상대적으로 증대시킴으로써 혼합기 온도를 높여, 압축자착화를 하기 쉬운 상태로 해서, 불꽃점화시기를 지각시킬 수가 있다. 역으로, 불꽃점화시기가 지각 한계로 되도록 한 기통에 대해서는, EGR 량을 상대적으로 감소시킴으로써(또는 없게 함으로써) 혼합기 온도를 내려, 압축자착화하기 어려운 상태로 해서, 불꽃점화시기를 진각시킬 수가 있다.

상기 구성 (13)에 의하면, 불꽃점화시기가 진각 한계로 되도록 한 기통에 대해서는, 흡기온도를 상대적으로 높임으로써 압축자착화를 하기 쉬운 상태로 해서, 불꽃점화시기를 지각시킬 수가 있다. 역으로, 불꽃점화시기가 지각 한계로 되도록 한 기통(압축자착화가 용이한 기통)에 대해서는, 흡기온도를 상대적으로 낮게 함으로써 압축자착화하기 어려운 상태로 해서, 불꽃점화시기를 진각시킬 수가 있다.

상기 구성 (14)에 의하면, 불꽃점화시기가 진각 한계로 되도록 한 기통에 대해서는, 기통 온도를 상대적으로 높임으로써 압축자착화를 하기 쉬운 상태로 해서, 불꽃점화시기를 지각시킬 수가 있다. 역으로, 불꽃점화시기가 지각 한계로 되도록 한 기통에 대해서는, 기통 온도를 상대적으로 낮게 함으로써 압축자착화하기 어려운 상태로 해서, 불꽃점화시기를 진각시킬 수가 있다.

상기 구성 (15)에 의하면, 불꽃점화시기가 진각 한계로 되도록 한 기통에 대해서는, 기통의 구성부재의 방열성을 상대적으로 낮게 함으로써 압축자착화를 하기 쉬운 상태로 해서, 불꽃점화시기를 진각 한계 보다도 지각시킬 수가 있다. 역으로, 불꽃점화시기가 지각 한계로 되도록 한 기통에 대해서는, 기통의 구성부재의 방열성을 상대적으로 높임으로써 압축자착화하기 어려운 상태로 해서, 불꽃점화시기를 진각시킬 수가 있다.

상기 구성 (16)은, 예컨대, 상기 구성 (10) ~ 상기 구성 (15)의 수단을 실시하더라도, 압축자착화시기(불꽃점화시기)를 적절히 조정할 수가 없는 경우에, 새로운 수단을 실시하는 것이다. 상기 구성 (16)에 의하면, 가장 불꽃점화시기가 늦은 기통에서 정상적으로 운전이 행해지도록 되기 때문에, 그 이외의 기통도 포함해서, 실화를 생기게 하는 일이 있더라도 녹킹을 생기게 하지 않게 된다. 따라서, 녹킹에 기인하는 엔진의 손상을 확실하게 방지할 수가 있다.

상기 구성 (17)에 의하면, 혼합기의 공기과잉비율에 대응해서 진각 한계를 적절하게 설정할 수가 있다.

상기 구성 (18)에 의하면, 각 기통에서, 혼합기의 공기과잉비율에 대응해서 진각 한계를 적절하게 설정할 수가 있다.

상기 구성 (19)에 의하면, 혼합기의 흡기온도에 대응해서 진각 한계를 적절하게 설정할 수가 있다.

상기 구성 (20)에 의하면, 각 기통에서, 혼합기의 흡기온도에 대응해서 진각 한계를 적절하게 설정할 수가 있다.

도 1은, 본 발명의 실시형태에 따른 예혼합압축자착화식 엔진(11)의 개략단면도이다.

도 2는, 예혼합압축자착화엔진의 개략평면도이다.

도 3은, 어떤 운전조건에서의 각 기통의 기통내 압력과 열발생율의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 4는, 압축자착화가 일어나 있지 않은 기통에 대해, 불꽃점화를 실행하지 않는 경우와 시기를 바꾸어 불꽃점화를 실행하는 경우와의 기통내 압력과 열발생율의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 5는, 불꽃점화시기와 압축자착화시기와의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 6은, 공기과잉비율의 변화에 대한 불꽃점화시기의 진각 한계의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 7은, 흡기온도의 변화에 대한 불꽃점화시기의 진각 한계의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 8은, 공기과잉비율 및 흡기온도의 변화에 대한 불꽃점화시기의 진각 한계의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 9(A)는, 불꽃점화를 실행하지 않는 경우의 각 기통의 압축자착화시기를 나타내는 그래프, (B)는, 불꽃점화시기를 나타내는 그래프, (C)는, 불꽃점화를 실행한 경우의 압축자착화시기를 나타내는 그래프이다.

도 10(A)는, 불꽃점화를 실행하지 않는 경우의 각 기통의 압축자착화시기를 나타내는 그래프, (B)는, 불꽃점화시기를 나타내는 그래프,(C)는, 불꽃점화를 실행한 경우의 압축자착화시기를 나타내는 그래프이다.

도 11은, 불꽃점화시기와 흡기온도와의 관계에서 압축자착화시기의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 12는, 불꽃점화시기와 흡기온도와의 관계에서 압축자착화시기의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 13은, 불꽃점화시기와 흡기온도와의 관계에서 압축자착화시기의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 14는, 전체 기통의 불꽃점화시기와 흡기온도와의 관계에서 압축자착화시기의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 15는 최적 불꽃점화시기를 설정한 경우의, 불꽃점화시기와 흡기온도와의 관계에서 압축자착화시기의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 16은, 최적 불꽃점화시기를 설정한 경우의, 불꽃점화시기와 흡기온도와의 관계에서 압축자착화시기의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 17은, 흡기온도를 일정하게 한 상태에서의 공기과잉비율과 압축자착화시기와의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 18은, 분기흡기관에 연료조정밸브를 설치한 예혼합압축자착화엔진의 개략평면도이다.

도 19는, 분기흡기관에 가열 히터를 설치한 예혼합압축자착화엔진의 개략평면도이다.

도 20은, 외부 EGR 장치를 구비한 예혼합압축자착화엔진의 개략단면도이다.

도 21은, 특히 워터 자켓을 상세히 나타낸 예혼합압축자착화엔진의 개략 평면 단면도이다.

도 22는, (a) 불꽃점화를 실행하지 않는 경우, (b) 운전방법 1에서 압축자착화되어 있지 않은 특정한 기통에 대해서만 보조적으로 불꽃점화를 실행한 경우, (c) 운전방법 4에서 압축자착화시기를 맞추도록 전체의 기통에서 보조적으로 불꽃점화를 실행한 경우의, 각 기통 사이의 기통내 최고 압력의 불균형(최대 값과 최소 값과의 차이)을 나타낸 그래프이다.

도 23은, 도 22와 마찬가지 각 조건 (a) (b) (c)에서, 각 기통 사이의 압축자착화시기의 불균형을 나타낸 그래프이다.

도 24는, 도 22과 마찬가지 각 조건 (a) (b) (c)에서, 각 기통 사이의 녹킹 강도의 불균형을 나타낸 그래프이다.

도 25는, 도 22과 마찬가지 각 조건 (a) (b) (c)에서, 열효율을 비교해서 나타낸 그래프이다.

도 26은, 도 22과 마찬가지 각 조건 (a) (b) (c)에서, 미연탄화수소(THC)의 배출량을 비교해서 나타낸 그래프이다.

도 27은, 도 22과 마찬가지 각 조건 (a) (b) (c)에서, 일산화탄소(CO)의 배출량을 비교해서 나타낸 그래프이다.

도 28은, 불꽃점화시기와 흡기온도와의 관계에서 압축자착화시기의 변화를 나타낸 그래프이다.

(부호의 설명)

11 - - - 예혼합압축자착화엔진

13 - - - 실린더

14 - - - 피스톤

35 - - - 온도조절장치

45 - - - 콘트롤러

57 - - - 연료조정밸브

61 - - - 가열 히터

63 - - - 외부 EGR 수단

(예혼합압축자착화식 엔진의 개요)

도 1은, 본 발명의 실시형태에 따른 예혼합압축자착화식 엔진(11)의 개략단면도, 도 21은, 동 개략평면도이다. 본 실시예의 예혼합압축자착화식 엔진(11)은, 4기통(No.1 ~ No.4)의 4싸이클 엔진으로서, 실린더 블록(12), 실린더 헤드(15), 및 크랭크 케이스(18)로 구성된 엔진 본체(11A)를 구비하고 있다. 실린더 블록(12) 내에는, 복수(4개)의 실린더(13)가 설치되고, 각 실린더(13) 내에는, 피스톤(14)이 자유로이 슬라이드할 수 있게 끼워맞춰져 있다. 실린더 헤드(15)에는, 흡기포트(16) 및 배기포트(17)가 설치되고, 흡기포트(16) 및 배기포트(17)는, 각각 흡기밸브(19) 및 배기밸브(20)에 의해 개폐된다. 흡기밸브(19) 및 배기밸브(20)는, 동밸브장치(valve mechanism; 21, 22)에 의해 구동된다.

흡기포트(16)에는 흡기관(24)이 접속되고, 배기포트(17)에는 배기 매니폴드(25)를 가진 배기관(26)이 접속되어 있다. 흡기관(24)은, 도 2에 도시된 것과 같 이, 주흡기관(27)과, 당해 주흡기관(27)에 접속된 흡기 서지 탱크(intake surge tank; 28)와, 당해 흡기 서지 탱크(28)로부터 각 실린더(13)에 접속된 복수의 분기흡기관(29)을 갖고 있다.

도 1에 도시된 것과 같이, 주흡기관(27)에는, 스롯틀 밸브(31)와, 믹서(33)와, 가열장치(온도조절장치; 35)가 설치되어 있다. 주흡기관(27)에 도입된 공기는, 스롯틀 밸브(31)에 의해 유량이 조절되어, 연료제어밸브(A/F 밸브; 32)를 통해 공급된 연료와 믹서(33)에서 혼합된다. 연료제어밸브(32)에서는, 연료와 공기와의 비율, 즉 공기과잉비율이 설정된다.

공기와 연료의 혼합기는, 가열장치(35)에 의해 가열되어 흡기 서지 탱크(28)로 유입되어, 각 분기흡기관(29)으로부터 흡기포트(16)를 거쳐 각 실린더(13) 내의 연소실로 흡기된다(흡기행정). 흡기행정에서 연소실 내로 공급된 혼합기는, 압축행정에서 압축되어, 피스톤(14)이 상사점 부근에 왔을 때에 자착화 하고, 이에 따라 피스톤이 눌러내려진다(팽창행정). 연소가스는, 배기행정에서 배기포트(17)로부터 배기관(26)을 거쳐 배출된다.

가열장치(35)는, 도 2에 도시된 것과 같이, 2개의 경로(經路)로 분기된 주흡기관(27)의 한쪽의 경로(38)에 설치된 열교환기(40)를 구비하고 있다. 열교환기(40)는, 엔진 냉각수를 열교환매체로 하는 것으로, 실린더 블록(12) 및 실린더 헤드(15; 도 1)를 순환한 냉각수가 유로(流路; 41)를 거쳐 열교환기(40) 로 공급됨과 더불어, 유로(42)를 거쳐 냉각기(도시 대략)로 되돌려지도록 되어 있다. 주흡기관(27)의 쌍방의 경로(38, 39)에는, 각각 조량(調量)밸브(43, 44)가 설치되어 있 다.

주흡기관(27)의 다른쪽 경로(39)에는 열교환기(40)는 설치되어 있지 않고, 이 경로(39)를 통과하는 혼합기는 가열되지 않고 그대로 흡기 서지 탱크(28)로 도입된다. 조량밸브(43, 44)는, 주흡기관(27)의 각 경로(38, 39)로의 혼합기의 유입량을 조정(정지를 포함)하는 것으로, 예컨대, 한쪽 조량밸브(43)만을 열어 경로(38)에만 혼합기를 통하게 함으로써, 급속히 혼합기를 가열할 수가 있고 다른 쪽의 조량밸브(44)만을 열어 경로(39)에만 혼합기를 통하게 함으로써, 혼합기를 가열하지 않도록 할(상대적으로 냉각시킴) 수가 있다. 또, 쌍방의 조량밸브(43, 44)를 엶으로써, 가열된 혼합기와 가열되어 있지 않은 혼합기를 혼합해서, 세밀한 온도 제어를 실행할 수 있도록 되어 있다.

한편, 가열장치(35)의 열교환 매체로는, 엔진오일이나 배기가스를 이용할 수 있다. 또, 가열장치(35)로서, 전열 히터를 이용할 수도 있다. 그리고 상기와 같이 주흡기관(27)을 분기하지 않고 하나의 경로로서, 가열장치(35)를 설치할 수도 있다.

도 1에 도시된 것과 같이, 엔진(11)은, 콘트롤러(45)를 갖추고 있어, 당해 콘트롤러(45)에 의해, 스롯틀 밸브(31), 연료제어밸브(32), 가열장치(35) 등이 제어되도록 되어 있다. 또, 엔진(11)에는, 냉각수 온도 센서(47)나 흡기 온도 센서(48), 기통내 압력 센서(49), 기관 회전수 센서(50), 토크 센서(51), 공기과잉비율 센서(52) 등이 설치되어 있고, 각종 센서의 검출신호는, 상기 콘트롤러(45)에 입력되도록 되어 있다.

엔진(11)의 실린더 헤드(15)에는 점화 플러그(37)가 설치되어 있다. 점화 플러그(37)는, 도 2에 도시된 것과 같이, 하이 텐션 코드(hihg-tension code; 54)를 거쳐 점화 코일(55)에 접속되어 있고, 점화 플러그(37), 하이 텐션 코드(54) 및 점화 코일(55)에 의해 불꽃점화장치(53)가 구성되어 있다. 불꽃점화장치(53)의 점화 코일(55)로의 통전은, 콘트롤러(45)에 의해 동작 제어된다.

(예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법)

본래, 예혼합압축자착화식 엔진(11)은, 불꽃점화를 실행하지 않고 혼합기를 압축자착화시켜 운전을 실행하는 것이다. 그러나 본 발명의 예혼합압축자착화엔진(11)에서는, 주로 압축자착화를 유발하기 위해, 보조적으로 불꽃점화장치(53)를 이용하도록 되어 있다.

즉, 본 실시예의 예혼합압축자착화식 엔진(11)은, 불꽃점화를 실행함으로써 압축자착화를 유발하여, 압축자착화가 곤란한 운전조건에서도 압축자착화운전이 가능하도록 되어 있다. 또, 불꽃점화시기를 조정함으로써, 압축자착화시기를 조정하여, 최적의 엔진성능을 얻거나, 배기가스에 함유되는 대기오염물질의 배출을 억제하거나 하는 것이 가능하도록 되어 있다.

한편, 불꽃점화장치(53)는, 압축자착화를 유발하기 위해 쓰일 뿐 아니라, 엔진(11)의 시동시에 불꽃점화 운전(S1 운전)을 실행하기 위해서도 쓰이도록 되어 있다.

(운전방법 1)

도 3은, 어떤 운전조건에서의 각 기통의 기통내 압력(왼쪽 종축 및 아래쪽의 선도(線圖))와 열발생율(오른쪽 종축 및 위쪽의 선도)의 변화를 나타내는 그래프이다. 이 도면에서는, 1 ~ 3번 기통(No.1 ~ No.3)에서, 크랭크 각이 TDC를 지난 곳에서 기통내 압력 및 열발생율이 크게 상승하고, 피크에 도달하였다. 이에 대해 4번 기통(No.4)에서는, 크랭크 각이 TDC 의 곳에서 기통내 압력이 피크로 되고, 그 후의 열발생율의 상승도 근소하도록 되어 있다. 따라서, 4번 기통(No.4)에서는, 실질적으로 압축자착화가 이루어져 있지 않는(실화가 생기고 있는) 것으로 생각될 수 있다. 또, 1 ~ 3번 기통에서는, 압축자착화가 되어 있는 것으로 생각할 수 있으나, 그 시기에는 변동가 있다. 이와 같이 기통 사이에서 착화시기에 변동가 생기기는 것은, 기통의 배치에 기인하는 수열 특성, 방열 특성의 다름 등에 따라, 각 기통의 압축단 온도가 다르기 때문이다.

본 실시예에서는, 운전방법 1로서, 압축자착화가 이루어져 있지 않은 기통(No.4)에 대해, 불꽃점화장치(53; 도 2)에 의해 불꽃점화를 행하도록 되어 있다. 불꽃점화를 행하면, 그 불꽃이나 점화 후의 전파 화염에 의해 압축상태에 있는 혼합기의 자착화가 개시된다. 즉, 불꽃점화에 의해 압축자착화가 유발된다. 이에 따라, 압축자착화가 곤란한 기통에서도 확실히 압축자착화시킬 수가 있어, 전체의 기통에서 압축자착화운전이 가능해진다. 따라서, 기관의 출력을 증대시킬 수가 있다.

한편, 본 실시예에서는, 보조적으로 불꽃점화를 이용해서 압축자착화를 유발하는 운전을, 화염 전파 연소에 의한 유발압축자착화운전(HCCI 운전)이라 칭한다.

도 4는, 압축자착화가 일어나 있지 않은 기통(도 3에서의 4번 기통(No.4)) 에 대해, 불꽃점화를 실행하지 않는 경우와 시기를 바꾸어 불꽃점화를 실행한 경우와의, 기통내 압력 및 열발생율의 변화를 나타낸 그래프이다. (a)는, 불꽃점화를 실행하지 않는 경우, (b) ~ (d)는, 모두 불꽃점화를 실행하고 또한 (b) ~ (d)의 순으로 서서히 불꽃점화시기를 진각시킨 경우를 나타내고 있다. 또, 도 5는, 불꽃점화시기와, 압축자착화시기와의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 4 및 도 5에 도시된 것과 같이, 불꽃점화시기가 진각 측에서부터 지각 측으로 갈수록 늦어지면, 거기에 수반해서 압축자착화시기 도 진각 측에서부터 지각 쪽으로 갈수록 늦어지게 되어 있음을 알게 되었다.

그리고, 도 5로부터는, 불꽃점화시기가, 어떤 시기(t1)보다도 진각 측으로 되면, 그 이상 진각시켜도 압축자착화시기는 진각되지 않게 되어 있음을 알 수 있다. 역으로, 불꽃점화시기가 어떤 시기(t2)보다도 지각 측으로 되면, 그 이상 지각시켜도, 압축자착화시기가 거의 지각하지 않게 되어 있음을 알 수 있다. 이는, 이미, 자연히 압축자착화가 시작되어 있기 때문이라고 생각된다.

따라서, 본 발명에서는, 이와 같은 특성에 착안하여, 상기 t1를 불꽃점화의 진각 측의 한계 시기(진각 한계)로 설정함과 더불어 t2를 지각 측의 한계 시기(지각 한계)로 설정하여, 양 한계 시기(t1, t2) 사이에 불꽃점화를 행하도록 불꽃점화장치를 동작 제어하도록 되어 있다. 이에 따라, 불꽃점화를 실행함으로써 압축자착화를 확실히 유발할 수가 있게 된다.

한편, 본 실시예에서는, 연소질량비율이 50%로 되는 시기를 압축자착화시기로 취급하고 있다. 연소질량비율은, 기통내 압력을 기통내압 센서(49; 도 1)로 검 출하여, 그 검출 값을 바탕으로 해석에 의해 구해지게 된다.

도 2에 도시된 것과 같이, 흡기관(24)에는, 흡기온도 센서(48)가 설치되고, 배기관(26)에는 공기과잉비율 센서(52)가 설치되어 있다.

도 6은, 공기과잉비율의 변화에 대한 불꽃점화시기의 진각 한계의 변화를 나타낸 그래프이다. 이 그래프로부터, 공기과잉비율이 변동하면 불꽃점화시기의 진각 한계도 변화하는 것을 알 수 있다. 또, 도 7은, 흡기온도의 변화에 대한 불꽃점화시기의 진각 한계의 변화를 나타낸 그래프이다. 이 그래프로부터, 흡기온도가변동하면 불꽃점화시기의 진각 한계도 변화하는 것을 알 수 있다.

또, 도 8은, 공기과잉비율 및 흡기온도의 변화에 대한 불꽃점화시기의 진각 한계의 변화를 나타낸 그래프이다. 이 그래프로부터, 공기과잉비율 및 흡기온도가변동하면 불꽃점화시기의 진각 한계도 변화하는 것을 알 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는, 도 2에 나타내는 공기과잉비율 센서(52) 및/또는 흡기온도 센서(48)에 의해, 공기과잉비율 및/또는 흡기온도를 상시 검출해서, 그 검출 값에 기해 불꽃점화시기의 진각 한계를 적의 변경하도록 되어 있다. 이에 따라, 실제의 운전에 준거해서 적절히 진각 측의 한계 시기를 설정하여, 불꽃점화에 의해 확실히 압축자착화를 유발할 수가 있다.

한편, 도 2에서는, 전체 기통(No.1 ~ No.4)에 대응하도록 1개의 흡기온도 센서(48)와 1개의 공기과잉비율 센서(52)를 설치하고 있으나, 각각의 기통에 대응하도록 복수의 흡기온도 센서(48)를 설치하거나, 각각의 기통에 대응하도록 복수의 공기과잉비율 센서(52)를 설치하거나 할 수도 있다. 이와 같이 하면, 기통마다 불 꽃점화시기의 진각 한계를 적절히 변경할 수가 있게 된다.

(운전방법 1의 단기통 엔진에의 적용)

앞에서 설명한 운전방법 1은, 복수 기통의 예혼합압축자착화식 엔진(11)에서, 전체의 기통(No.1 ~ No.4)에서 압축자착화를 실행하기 위해 소정의 기통(No.4)에 대해 불꽃점화를 행하는 것이었다. 그러나 운전방법 1은, 단기통의 예혼합압축자착화식 엔진에도 당연히 적용할 수가 있다.

즉, 단기통의 예혼합압축자착화식 엔진에서, 압축자착화하기 어려운 운전조건으로 되었을 때에 불꽃점화를 실행하고, 그에 의해 압축자착화를 유발시켜, 확실하게 압축자착화를 행하도록 할 수가 있다. 이에 의해, 당해 엔진(11)이 완전히 운전 불능 상태로 빠지는 것을 방지할 수가 있다.

(운전방법 2)

상기 운전방법 1을 이용하게 되면, 압축자착화가 곤란한 기통에 대해서도 압축자착화시킬 수가 있고, 복수 기통의 엔진(11)에서는, 전체의 기통에서 확실하게 압축자착화를 실행할 수가 있게 된다. 다음에 설명하는 운전방법 2는, 전체의 기통에서 압축자착화시기를 맞추도록 한 것이다.

도 9(A)는, 어떤 운전조건에서의 각 기통의 압축자착화시기를 나타내는 그래프로서, 횡축은 기통번호, 종축은 착화시기(압축자착화시기)을 나타내고 있다. 이 그래프에서는, 1번 기통(No.1)과 4번 기통(No.4)의 압축자착화시기가 늦고, 2번 기통(No.2)과 3번 기통(No.3)의 압축자착화시기가 빠르게 되어 있다.

이와 같은 엔진(11)의 경우, 운전방법 2에서는, 도 9(B)에 도시된 것과 같 이, 압축자착화시기가 늦은 1번, 4번 기통(No.1, No.4)에서, 보조적으로 불꽃점화를 실행한다. 이에 의해, 도 9(C)에 도시된 것과 같이, 1번, 4번 기통(No.1, No.4)의 압축자착화시기를 진각시켜, 2번, 3번 기통(No.2, No.3)의 압축자착화시기에 맞출 수가 있다. 또, 이와 같이 각 기통의 압축자착화시기를 맞추게 되면, 싸이클효율이 높아지고, 그에 의해 열효율도 향상시킬 수가 있게 된다. 또, 착화의 안정성이 향상되기 때문에, 출력 변동이 줄어들게 된다.

(운전방법 3)

상기 운전방법 2에서는, 압축자착화시기가 늦은 기통에 대해 단지 불꽃점화를 행함으로써 전체 기통의 압축자착화시기를 맞추도록 하는 것이었으나, 운전방법 3은, 각 기통의 압축자착화시기를 조정해서 마추도록 한 것이다.

도 5에 도시된 것과 같이, 진각 한계(t1)와 지각 한계(t2)와의 사이에서 불꽃점화시기를 변화시키면, 거기에 수반해서 압축자착화시기도 변화하는 것을 알 수 있다. 운전방법 3에서는, 도 9(A)에 나타낸 운전조건에서, 도 9(B)와 같이 제1, 제4 기통(No.1, No.4)의 불꽃점화시기를 화살표 a와 같이 조정하여, 이들의 압축자착화시기를, 제2, 제3 기통(No.2, No.3)의 압축자착화시기에 확실하게 맞추도록 한 것으로 되어 있다.

(운전방법 4)

도 10(A)는, 어떤 운전조건에서의 각 기통(No.1 ~ No.4)의 압축자착화시기를 나타낸 그래프로서, 횡축은 기통번호, 종축은 착화시기(압축자착화시기)를 나타내고 있다. 이 그래프에서는, 2번(No.2) - 3번(No.3) - 1번(No. 1) - 4번 기통(No.4) 의 순으로 압축자착화시기가 늦어지도록 되어 있다.

이와 같은 운전조건에 대해, 운전방법 4에서는, 도 10(B)에 도시된 것과 같이, 4번(No.4) - 1번(No. 1) - 3번(No.3) - 2번 기통(No.2)의 순으로 불꽃점화시기가 늦어지도록 각 기통의 불꽃점화시기를 조정하도록(화살표 b1 ~ b4) 되어 있다. 그 결과, 도 10(C)에 도시된 것과 같이, 각 기통의 압축자착화 위치를 보다 확실하게 맞춰질 수 있도록 되어 있다.

(운전방법 3, 4에서의 불꽃점화시기의 조정방법)

불꽃점화시기의 조정은, 다음의 어느 방법으로, 도 2에 나타낸 불꽃점화장치(53)의 점화코일(55)로의 통전을 콘트롤러(45)로 제어함으로써 행할 수가 있다.

(1) 맵을 이용한 제어

예컨대, 열효율이나, 배기가스에 함유되는 대기오염물질(질소산화물(NOx), 미연탄화수소(THC), 일산화탄소(CO) 등)의 배출량 등의 밸런스를 취할 수가 있는, 적절한 압축자착화시기를 실현할 수 있는 불꽃점화시기를, 흡기온도나 공기과잉비율 등의 운전조건과의 관계로 맵핑한 불꽃점화시기 맵(map)을 작성하여, 당해 불꽃점화시기 맵을 콘트롤러(45)의 메모리(도시 생략)에 기억시켜 놓는다. 그리고 당해 운전상황을 검출함과 더불어, 불꽃점화시기 맵을 참조해서 그 검출 값에 대응하는 불꽃점화시기를 선정하고, 당해 불꽃점화시기에 불꽃점화가 이루어지도록, 불꽃점화장치(53)를 제어한다.

(2) 피드 백 제어

예컨대, 열효율이나, 배기가스에 함유되는 대기오염물질의 배출량 등의 밸런 스를 취할 수가 있는, 목표 압축자착화시기를 미리 설정해서 놓고, 검출한 실제의 압축자착화시기와 목표 압축자착화시기를 비교함과 더불어, 당해 비교에 기해, 실제의 압축자착화시기가 목표 압축자착화시기로 되도록, 불꽃점화장치(53)를 제어해서 불꽃점화시기를 조정한다.

예컨대, 대기오염물질인 NOx는 착화시기가 빠르면 증대하는 경향이 있고, THC나 CO는, 착화시기가 늦으면 증대하는 경향이 있기 때문에, 이들의 배출량을 균형있게 저감시킬 수가 있는 시기를 목표 압축자착화시기로 설정할 수가 있다.

이하, (2)의 피드백 제어에 의한 불꽃점화시기의 조정에 관해 상세히 설명한다.

도 11의 그래프는, 어떤 기통에 대한 불꽃점화시기와 흡기온도와의 관계에서 압축자착화시기의 변화를 나타내고 있다. 이 그래프에서는, 목표 압축자착화시기(예컨대, 크랭크 각이 TDC+6°인 시기)를 Z로 나타내고 있다. 이 그래프에 기하면, 예컨대, 흡기온도가 Ta일 때, 불꽃점화시기를 ta로 하면, 실제의 압축자착화시기를 목표 압축자착화시기로 조정할 수 있음을 알 수 있다.

여기서, 상기 운전방법 1에서 설명한 것과 같이, 불꽃점화시기에는 압축자착화시기를 조정할 수가 있는 진각 한계(t1)과 지각 한계(t2)가 있다. 그러나 양한계 시기(tl, t2) 사이에서 불꽃점화를 행하더라도, 실제의 압축자착화시기를 목표 자착화시기로 조정할 수가 없는 경우가 있다. 예컨대, 흡기온도가 T1 보다도 낮으면, 진각 한계(t1) 부근에서 불꽃점화를 실행하더라도, 실제의 압축자착화시기는 목표 압축자착화시기보다도 지각하는 것으로 된다. 역으로, 흡기온도가 T2 보다도 높으 면, 지각 한계(t2) 부근에서 불꽃점화를 행하더러도, 실제의 압축자착화시기는 목표 압축자착화시기보다도 진각하는 것으로 된다.

그 때문에, 본 발명에서는, 흡기온도가 T1 보다도 낮은 경우 및, 흡기온도가 T2 보다도 높은 경우에, 도 2에 도시된 가열장치(온도조절장치; 35)에 의해, T1과 T2 사이에 흡기온도를 조정하도록 되어 있다. 그 때문에 불꽃점화를 행함으로써, 확실하게 실제의 압축자착화시기를 목표 압축자착화시기로 조정할 수 있게 되어 있다.

또, 불꽃점화에 의해 실제의 압축자착화시기를 목표 압축자착화시기로 조정할 수가 있는 흡기온도의 범위(T1 ~ T2)는, 기통마다 다르다. 예컨대, 도 12에 도시된 것과 같이, 압축자착화하기 쉬운 기통에서는, 당해 흡기온도의 범위(T1 ~ T2)가 저온 측으로 치우치고, 도 13에 도시된 것과 같이, 압축자착화하기 어려운 기통에서는, 당해 흡기온도의 범위(T1 ~ T2)가 고온 측으로 치우친다. 그 때문에, 본 발명에서는, 전체의 기통에서 실제의 압축자착화시기를 목표 압축자착화시기로 조정할 수가 있는 흡기온도의 범위에, 실제의 흡기온도가 들도록, 가열장치(35)를 제어하도록 되어 있다.

예컨대, 도 10에 나타난 운전조건의 엔진에서는, 2번(No.2) - 3번(No.3) - 1번(No.1) - 4번 기통(No.4)의 순으로 압축자착화하기 어렵게 되어 있는바, 이 경우, 도 14에 도시된 것과 같이, 목표 압축자착화시기(Z)를 나타내는 곡선은, 2번(No.2) - 3번(No.3) - 1번(No.1) - 4번 기통(No.4)의 순으로 흡기온도의 저온측으로부터 고온측으로 변동하게 된다. 그 때문에, 진각 한계(t1)과 지각 한계(t2) 사이에서, 목표 압축자착화시기를 나타내는 곡선 Z의 전체가 겹쳐지는 흡기온도 범위(T1a ~ T2a)를 설정해서, 이 범위(T1a ~ T2a) 내에 실제의 흡기온도가 들도록 조정을 행한다. 이와 같이 하면, 전체의 기통에서, 실제의 압축자착화시기를 목표 압축자착화시기로 조정할 수가 있게 된다.

흡기온도의 조정은, 기본적으로는, 소정의 흡기온도 범위(T1a ~ T2a) 내에서 실시하면, 전체의 기통에서 압축자착화시기를 맞출 수가 있게 된다. 그러나 흡기온도와의 관계에서, 목표 압축자착화시기를 달성하는 것이 가능한 보다 최적인 불꽃점화시기를 미리 설정해서 놓고, 그 불꽃점화시기에 불꽃점화가 이루어지도록, 특정한 온도로 흡기온도를 조정하여도 좋다.

예컨대, 도 15에 도시된 것과 같이, 진각 한계(t1)와 지각 한계(t2) 사이에 최적 점화시기(t3)를 설정한 경우, 당해 최적 점화시기(t3)에 불꽃점화가 이루어지도록, 흡기온도를 Tc로 조정한다.

그리고, 다키통 엔진의 경우는, 가장 불꽃점화시기가 늦은 기통이, 최적의 불꽃점화시기에서 불꽃점화되도록 흡기온도를 조정할 수가 있다. 예컨대, 도 16에 도시된 것과 같이, 4기통 중에서 2번 기통(No.2)의 불꽃점화시기가 가장 늦어지는 경우, 프레임 A1으로 둘러싼 조건과 같이, 2번 기통(No.2)의 불꽃점화시기가, 최적 불꽃점화시기(t3)로 되도록, 흡기온도를 Td로 조정할 수가 있다.

또, 가장 불꽃점화시기가 늦은 기통(No.2)의 최적 불꽃점화시기(t3)를 설정하는 1가지 방법으로, 당해 최적 불꽃점화시기(t3)를 지각 한계(t2)로 설정할 수가 있다. 예컨대, 도 16에서, 제일 오른쪽 끝의 프레임 A2로 둘러싼 조건과 같이, 2번 기통(No.2)의 불꽃점화시기가 지각 한계(t2)로 되도록 흡기온도를 Td로 조정할 수가 있다.

이 경우, 2번 기통(No.2)은, 압축자착화가 자연히 발생할 수 있는 상태에 있기 때문에, 실질적으로 불꽃점화를 실행하지 않아도 좋게 되어, 불꽃점화에 의한 압축자착화의 보조를 최소한으로 할 수가 있다. 또, 2번 기통(No.2)의 불꽃점화시기를 지각 한계(t2)로 하면, 기타의 기통(No.3, No.1, No.4)의 불꽃점화시기도, 진각 한계(t1)에서부터 지각 측(화살표 c 방향)으로 떨어지게 된다. 도 5에 도시된 것과 같이, 불꽃점화시기가 진각 한계(t1)로부터 진각 측으로 빨라지면, 전혀 압축자착화시기를 제어할 수가 없게 된다. 따라서, 전체의 기통에서 불꽃점화시기가 진각 한계(t1)로부터 지각 쪽으로 떨어짐으로써, 압축자착화시기가 제어 불능하게 될 가능성을 극히 낮아지게 할 수가 있다.

(운전방법 3, 4의 단기통 엔진에의 적용)

상기 운전방법 3, 4에서는, 전체 기통에서의 압축자착화시기를 맞추기 위해, 당해 압축자착화시기를 조정하는 것이었으나, 압축자착화시기를 조정한다고 하는 점에서는, 단기통의 예혼합압축자착화식 엔진에도 적용할 수가 있다. 즉, 예컨대, 높은 열효율을 얻을 수가 있고, 또 배기가스에 함유되는 대기오염물질의 배출량을 억제할 수가 있는 적절한 압축자착화시기로, 실제의 압축자착화시기를 조정할 수 있게 된다.

(운전방법 5)

앞에서 설명한 운전방법 1 ~ 4는, 불꽃점화를 보조적으로 이용함으로써 압축 자착화를 유발하고, 또 불꽃점화시기의 진각 한계(t1)와 지각 한계(t2)를 설정해서, 그 범위 내에서 불꽃점화를 행하는 것이었다. 그리고 양 한계 시기(tl, t2) 사이의 불꽃점화에 의해, 실제의 압축자착화시기를 목표 압축자착화시기로 조정할 수 있도록 하기 위해, 흡기온도를 조정하는 것이었다.

그러나, 이들 수단을 실시하더라도, 도 28에 도시된 것과 같이, 불꽃점화시기가 가장 늦은 기통에서 그 불꽃점화시기가 지각 한계(t2)로 되고, 또한 불꽃점화시기가 가장 빠른 기통에서 그 불꽃점화시기가 진각 한계(t1)로 되도록 한 경우, 즉 도 14에서, 흡기온도의 조정 범위(T1a ~ T2a)가 없는 경우가 있다. 본 발명의 운전방법 5는, 그와 같은 경우에, 이하와 같은 추가의 수단을 실시하는 것이다.

(운전방법 5-1)

도 17은, 흡기온도를 일정하게 한 상태에서의 공기과잉비율과 압축자착화시기와의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 그래프로부터, 공기과잉비율이 작아질수록 압축자착화시기가 진각하고, 공기과잉비율이 커질수록 압축자착화시기가 지각되는 것을 알 수 있다. 이와 같은 성질을 이용해서, 운전방법 5-1에서는, 도 18에 도시된 것과 같이, 혼합기에 다시 연료를 가할 수가 있는 연료조정밸브(57)를 각 기통(No.1 ~ No.4)의 분기흡기관(29)에 설치한 것으로 되어 있다. 각 연료조정밸브(57)는, 콘트롤러(45)에 의해 제어된다. 부호 58은, 각 연료조정밸브(57)에 연료를 보내기 위한 연료 공급관이다. 한편, 도 18에는, 연료공급계의 일부 만을 도시하고 있고, 기타의 구성은 도 2와 같기 때문에 생략하고 있다.

그리고, 앞에서 설명한 흡기온도의 조정을 실행하여도, 불꽃점화시기가 진각 한계(t1)로 되는 기통이 있는 경우에는, 적의 그 기통에 대해 연료조정밸브(57)로부터 연료를 추가 공급하여, 압축자착화하기 쉬운 상태가 되도록 한다. 이에 의해, 불꽃점화시기를 진각 한계(t1)보다도 지각 측으로 이행(移行)시킬 수가 있다.

또는, 전체 기통에서 항상 연료조정밸브(57)로부터 연료를 추가 공급하도록 해놓고, 불꽃점화시기가 진각 한계(t1)로 되는 기통이 있는 경우에는, 적의 그 기통의 연료 추가량을 다른 기통보다도 많게 한다. 이에 의해, 상기와 마찬가지로, 불꽃점화시기를 진각 한계(t1)보다도 지각 측으로 이행시킬 수가 있다. 역으로, 불꽃점화시기가 지각 한계(t2)로 되는 기통에 대해서는, 연료공급량을 상대적으로 감소시킴으로써 압축자착화하기 어려운 상태로 해서, 불꽃점화시기를 지각 한계(t2)보다도 진각시킬 수가 있다.

이에 의해, 각 기통에서, 진각 한계(t1)와 지각 한계(t2)의 범위 내(진각 한계(t1)보다 늦고 지각 한계(t2)보다는 빠른 시기)에 불꽃점화를 실행할 수가 있어, 목표 압축자착화시기를 달성할 수가 있다.

한편, 불꽃점화시기가 항상 진각 한계(t1)로 되도록 한 기통이 미리 판명되어 있는 경우에는, 그 기통에 대해서만 연료조정밸브(57)를 설치할 수도 있다.

또, 도 2에 도시된 연료제어밸브(32)나 믹서(33)를 생략하고, 전체의 연료를 도 18의 연료조정밸브(57)로부터 공급할 수도 있다.

(운전방법 5-2)

운전방법 5-2는, 각 기통의 유효압축비를 변경하는 수단을 구비한 것이다. 도 1에 도시된 것과 같이, 피스톤의 상부면에는 오목형상의 연소실(60)이 형성되어 있고, 이 연소실(60)이 클수록 유효압축비는 작아지고, 연소실(60)이 작을수록 유효압축비가 커지게 된다. 또, 유효압축비가 작을수록 압축자착화하기 어렵게 되고, 유효압축비가 클수록 압축자착화하기 쉽게 된다.

따라서, 앞에서 설명한 흡기온도 조정을 실행하여도, 불꽃점화시기가 진각 한계(t1)로 되도록 한 기통이 있는 경우에는, 미리 그 기통의 연소실(60)을 다른 기통에 비해 상대적으로 작게 형성시켜 놓아, 압축자착화하기 쉬운 상태로 하여, 불꽃점화시기가 진각 한계(t1)보다도 지각하도록 해 놓는다. 또, 불꽃점화시기가 지각 한계(t2)로 되도록 한 기통이 있는 경우에는, 미리 그 기통의 연소실(60)을 다른 기통에 비해 상대적으로 크게 형성시켜 놓아, 압축자착화하기 어려운 상태로 하여, 불꽃점화시기가 지각 한계(t2)보다도 진각되도록 해 놓는다.

이에 의해, 각 기통에서, 진각 한계(t1)와 지각 한계(t2)와의 사이(진각 한계(t1)보다 늦고 지각 한계(t2)보다는 빠른 시기)에 불꽃점화를 실행함으로써, 목표 압축자착화시기를 달성할 수가 있다.

앞의 설명에서, 연소실(60) 대신 또는 그에 더해, 실린더 헤드(15)의 하부면에 오목부(도시 생략)를 형성시켜, 그 크기에 따라 유효압축비를 변하게 할 수도 있다. 또, 유효압축비는, 도 1에 도시된 것과 같이, 실린더 헤드(15)로부터의 점화 플러그(37)의 돌출량(p)을 변하게 함으로써, 변하게 할 수 있다. 이 경우, 점화 플러그(37)의 돌출량(p)을 크게 하면 유효압축비가 커지게 되고, 점화 플러그(37)의 돌출량(p)을 작게 하면 유효압축비가 작아진다. 따라서, 연소실(60)의 크기를 바꾼 경우와 마찬가지로, 미리 점화 플러그(37)의 돌출량(p)을 바꾸어 놓음으로써, 각 기통에서, 진각 한계(t1)와 지각 한계(t2)와의 사이에서 불꽃점화를 실행함으로써, 목표 압축자착화시기를 달성할 수가 있다.

이상과 같은 연소실(60)의 용적이나 점화 플러그(37)의 돌출량(p)은 구조상의 것이어서, 항상 변화하는 운전조건에 대응해서 유효압축비를 가변적으로 설정할 수 없게 된다. 그 때문에, 이하와 같이, 유효압축비를 가변적으로 설정할 수 있는 수단을 실시할 수도 있다.

일례로서, 도 1에 도시된 것과 같이, 흡기밸브(19)의 동밸브장치(21)로서 가변동(可變動) 밸브장치를 이용하여, 당해 가변동 밸브장치(21)를 콘트롤러(45)로 제어함으로써, 흡기밸브(19)를 빨리 닫히거나 또는 늦게 닫혀, 유효압축비를 가변적으로 설정할 수 있게 구성한다. 한편, 흡기밸브(19)를 빨리 닫힌다 함은, 흡기행정에서, 피스톤(14)이 하사점에 도달하기 전에 흡기밸브(19)를 닫히게 하는 것으로, 빨리 닫히지 않는 기통에 비해 유효압축비를 작게 할 수가 있다. 그리고 조기폐쇄량을 크게 할수록(닫히는 시기를 보다 진각하는) 유효압축비를 작게 할 수가 있다, 또, 흡기밸브(19)가 늦게 닫힌다 함은, 흡기행정에서 피스톤(14)이 하사점에 도달한 후에 흡기밸브(19)를 닫히게 하는 것으로, 늦게 닫히지 않는 기통에 비해 유효압축비를 작게 할 수가 있다. 그리고 지연폐쇄량을 크게 할수록(닫히는 시기를 보다 지각시키는) 유효압축비를 작게 할 수가 있다.

따라서, 운전조건에 따라 불꽃점화시기가 지각 한계(t2)로 되도록 한 기통이 있는 경우에는, 적의 그 기통의 흡기밸브(19)를 빨리 닫거나 또는 늦게 닫히게 해서, 다른 기통에 비해 상대적으로 유효압축비를 작게 해서, 압축자착화하기 어려운 상태가 되도록 한다. 이에 따라, 불꽃점화시기를 지각 한계(t2)보다도 진각시킬 수가 있다.

또는, 전체 기통에서 정상적으로 흡기밸브(19)를 빨리 닫히거나 또는 늦게 닫히도록 해 놓고, 운전조건에 따라 불꽃점화시기가 진각 한계(t1)로 되는 기통이 있는 경우에는, 적의 그 기통의 흡기밸브(19)의 조기폐쇄량 또는 늦제 닫힘량을 작게(또는 0으로) 한다. 이에 따라, 유효압축비를 크게 해서, 불꽃점화시기를 진각 한계(t1)보다도 지각 측으로 이행시킬 수가 있다. 역으로, 불꽃점화시기가 지각 한계(t2)로 되는 기통이 있는 경우에는, 적의 그 기통의 흡기밸브(19)의 빨라 닫힘량 또는 지연폐쇄량을 크게 한다. 이에 따라, 유효압축비를 작게 해서, 불꽃점화시기를 지각 한계(t2)보다도 진각 측으로 이행시킬 수가 있다.

한편, 흡기밸브(19)의 조기폐쇄나 지연폐쇄에 의한 유효압축비의 설정은, 앞에서 설명한 바와 같이 가변적으로 할 수도 있고, 일정하게 할 수도 있다. 즉, 불꽃점화시기가 진각 한계(t1)로 되는 기통이 판명되어 있는 경우에는, 미리 그 기통의 흡기밸브(19)의 조기폐쇄량 또는 지연폐쇄량을 다른 기통에 비해 상대적으로 작게(또는 0로) 설정해 놓아, 압축자착화하기 쉬운 상태로 하여, 불꽃점화시기가 진각 한계(t1)보다도 지각되도록 해 놓는다. 또, 불꽃점화시기가 지각 측의 한계 시기(t2)로 되는 기통이 판명되어 있는 경우에는, 미리 그 기통의 흡기밸브(19)의 조기폐쇄량 또는 지연폐쇄량을 다른 기통에 비해 상대적으로 크게 설정해서 놓아, 압축자착화하기 어려운 상태로 하여, 불꽃점화시기가 지각 한계(t2)보다도 진각 하도록 해서 놓을 수가 있다.

(운전방법 5-3)

운전방법 5-3은, 불꽃점화시기가 진각 한계(t1)와 지각 한계(t2) 사이에서 실행되도록, 각 기통의 흡기온도를 다시 조정할 수 있도록 한 것이다. 도 19에 도시된 것과 같이, 각 기통에 접속되는 분기흡기관(29)에, 콘트롤러(45)에 의해 제어되는 가열 히터(61)를 설치하여, 당해 분기흡기관(29)을 흐르는 혼합기의 온도를 개별로 조정할 수 있게 구성한다. 그리고 운전조건에 따라 불꽃점화시기가 진각 한계(t1)로 되도록 한 기통이 있는 경우에는, 적의 그 기통의 가열 히터(61)를 작동시켜, 그 흡기온도를 다른 기통에 비해 상대적으로 높인다. 이에 의해, 압축자착화하기 쉬운 상태로 하여, 불꽃점화시기를 진각 한계(t1)보다도 지각 측으로 이행시킬 수가 있다.

또는, 전체 기통에서 항상 가열 히터(61)를 작동시켜 놓고, 운전조건에 따라 불꽃점화시기가 진각 한계(t1)로 되도록 한 기통이 있는 경우에는, 적의 그 기통의 가열량을 다른 기통에 비해 상대적으로 크게 한다. 이에 따라, 불꽃점화시기를 진각 한계(t1) 보다도 지각 측으로 이행시킬 수가 있다. 역으로, 불꽃점화시기가 지각 한계(t2)로 되도록 한 기통이 있는 경우에는, 적의 그 기통의 가열량을 다른 기통에 비해 상대적으로 작게 한다. 이에 의해, 불꽃점화시기를 지각 한계(t2)보다도 진각 측으로 이행시킬 수가 있다.

가열 히터(61)로는, 전기식 발열체를 사용하거나, 배기가스, 엔진 오일 또는 엔진 냉각수를 열교환 매체로 한 열교환기를 사용할 수가 있다. 또, 가열 히터(61)로 바꾸어, 냉각 장치를 설치할 수도 있다. 예컨대, 흡기온도를 저하시키고 싶은 분기흡기관(29)에 방열 핀을 설치하거나, 분기흡기관(29)을 냉각수로 냉각시킨다거나 할 수가 있다.

(운전방법 5-4)

운전방법 5-4는, 운전방법 5-3과 마찬가지로, 불꽃점화시기가 진각 한계(t1)와 지각 한계(t2) 사이에서 실행되도록 각 기통의 흡기온도를 다시 조정하도록 한 것인바, 그 흡기온도의 조정에, 내부 EGR 수단을 이용한 것이다.

내부 EGR 수단은, 배기밸브(20; 도 1)의 조기폐쇄 또는 재개방에 의해, 또는 흡기밸브(19; 도 1)의 프레리프트(pre-lift)에 의해 달성되는 것으로 되어 있다.

배기밸브(20)의 조기폐쇄라 함은, 배기행정에서, 피스톤(14)이 상사점에 도달하기 전에 배기밸브(20)를 닫히게 하는 것이다. 이 배기밸브(20)의 조기폐쇄에 의해, 실린더(13) 내에 배기가스를 잔류시켜, 잔류한 배기가스를 그 후의 흡기행정에서 유입되어 혼합기와 혼합시킴으로써, 혼합기 온도(흡기온도)를 상승시킬 수가 있다. 또, 배기밸브(20)의 조기폐쇄량이 클수록(닫힘시기가 진각할수록) 내부 EGR 량이 커지게 되어, 흡기온도를 상승시킬 수가 있다.

이 경우, 도 1에 도시된 것과 같이, 배기밸브(20)의 동밸브장치(22)를 가변동밸브장치(variable valve mechanism)로 구성하고, 당해 가변동밸브장치(22)를 콘트롤러(45)로 제어함으로써, 조기폐쇄의 유무 및 조기폐쇄량을 조정한다. 그리고 운전조건에 따라, 불꽃점화시기가 진각 한계(t1)로 되도록 한 기통이 있는 경우에는, 적의 그 기통의 배기밸브(20)를 조기폐쇄하거나, 또는 조기폐쇄량을 크게 함으로써, 혼합기 온도를 다른 기통에 비해 상대적으로 높여, 압축자착화하기 쉬운 상 태로 한다. 이에 의래, 불꽃점화시기를 진각 한계(t1)보다도 지각 측으로 이행시킬 수가 있다.

또, 운전조건에 따라, 불꽃점화시기가 지각 한계(t2)로 되는 기통이 있는 경우에는, 적의 그 기통의 배기밸브(20)를 조기폐쇄하지 않거나, 조기폐쇄량을 작게 함으로써, 혼합기 온도를 다른 기통에 비해 상대적으로 낮고 하여, 압축자착화하기 어려운 상태로 한다. 이에 의해, 불꽃점화시기를 지각 한계(t2)보다도 진각 측으로 이행시킬 수가 있다.

배기밸브(20)의 재개방이라 함은, 흡기행정 중에 일시적으로 배기밸브(20)를 여는 것이다. 이 배기밸브(20)의 재개방에 의해, 배기관(26) 내에 남은 배기가스가 실린더(13) 내로 유입되어, 흡기관(24)으로부터 유입된 혼합기와 혼합되어, 혼합기 온도가 상승한다. 또, 배기밸브(20)의 재개방량(재개방의 리프트 량 또는 계속 시간)이 클수록 내부 EGR 량이 커지게 되어, 혼합기 온도를 상승시킬 수가 있다.

따라서, 운전조건에 따라, 불꽃점화시기가 진각 한계(t1)로 되어버리는 기통이 있는 경우에는, 적의 그 기통의 배기밸브(20)를 재개방하거나 또는 재개방량을 크게 하고, 혼합기 온도를 다른 기통에 비해 상대적으로 높여, 압축자착화하기 쉬운 상태로 한다. 이에 의해, 불꽃점화시기를 진각 한계(t1)보다도 지각 측으로 이동시킬 수가 있다.

또, 운전조건에 따라, 불꽃점화시기가 지각 한계(t2)로 되어버린 기통이 있는 경우에는, 적의 그 기통의 배기밸브(20)를 재개방하지 않던가, 재개방량을 작게 함으로써, 혼합기 온도를 다른 기통에 비해 상대적으로 낮고 해서, 압축자착화하기 어려운 상태로 한다. 이에 의해, 불꽃점화시기를 지각 한계(t2)보다도 진각 측으로 이행시킬 수가 있다.

흡기밸브(19)의 프레리프트라 함은, 배기행정 중에 일시적으로 흡기밸브(19)를 여는 것이다. 이 흡기밸브(19)의 프레리프트에 의해, 실린더(13) 내의 배기가스가 흡기관(24)으로 유입되어, 그 후의 흡기행정에서 혼합기에 혼합된 상태로 재차 실린더(13) 내로 유입된다. 이에 의해, 혼합기 온도를 높일 수가 있게 된다. 또, 흡기밸브(19)의 프레리프트 량(프레리프트의 리프트 량 또는 계속 시간)이 클수록 내부 EGR 량이 커지게 되어, 혼합기 온도를 높일 수가 있게 된다.

따라서, 운전조건에 따라, 불꽃점화시기가 진각 한계(t1)로 되도록 한 기통이 있는 경우에는, 적의 그 기통의 흡기밸브(19)를 프레리프트하거나 또는 프레리프트량을 크게 해서 EGR 량을 증대시켜, 혼합기 온도를 다른 기통에 비해 상대적으로 높여, 압축자착화 하기 쉬운 상태로 한다. 이에 의해, 불꽃점화시기를 진각 한계(t1)보다도 지각 측으로 이동시킬 수가 있다.

또, 운전조건에 따라, 불꽃점화시기가 지각 한계(t2)로 되도록 한 기통이 있는 경우에는, 적의 그 기통의 흡기밸브(19)를 프레리프트하지 않거나, 프레리프트량을 작게 함으로써 EGR 량을 제로(0)로 하거나 또는 감소시켜, 흡기온도를 다른 기통에 비해 상대적으로 낮고 해서, 압축자착화 하기 어려운 상태로 한다. 이에 의해, 불꽃점화시기를 지각 한계(t2)보다도 진각 측으로 이행시킬 수가 있다.

한편, 배기밸브(20)의 조기폐쇄 혹은 재개방, 또는 흡기밸브(19)의 프레리프트에 의한 내부 EGR 량은, 상기와 같이 가변으로 할 수도 있고, 일정하게 할 수도 있다. 즉, 불꽃점화시기가 진각 측의 한계 시기(t1)로 되는 기통이 판명되어 있는 경우에는, 미리 그 기통의 배기밸브(20)의 조기폐쇄량 또는 재개방량이나 흡기밸브(19)의 프레리프트량을 크게 설정해서, 압축자착화하기 쉬운 상태로 하여, 불꽃점화시기가 진각 한계(t1)보다도 지각(遲角)되도록 해 놓는다. 또, 불꽃점화시기가 지각 한계(t2)로 되는 기통이 판명되어 있는 경우에는, 미리 그 기통의 배기밸브(20)의 조기폐쇄량 또는 재개방량이나 흡기밸브(19)의 프레리프트량을 미리 제로나 또는 작게 설정해놓아, 압축자착화 하기 어려운 상태로 하여, 불꽃점화시기가 지각 한계(t2)보다도 진각되도록 해놓을 수가 있다.

(운전방법 5-5)

운전방법 5-5는, 운전방법 5-4와 마찬가지로, 불꽃점화시기가 진각 한계(t1)와 지각 한계(t2) 사이에서 실행되도록 각 기통의 흡기온도를 다시 조정하도록 한 것으로, 그 흡기온도의 조정에 외부 EGR 수단을 이용한 것이다.

도 20에 도시된 것과 같이, 외부 EGR 수단(63)은, 배기관(26)과 각 분기흡기관(29)을 접속하는 EGR 통로(64)와, EGR 통로(64)에 설치된 EGR 밸브(65)를 갖고 있다. 이 외부 EGR 수단(63)에서는, 배기관(26)으로부터 배출된 배기가스가 EGR 통로(64)를 통해 흡기관(29)으로 환류하여, 혼합기와 혼합되어, 혼합기 온도가 높아질 수 있게 된다. 또, 외부 EGR 량은, 콘트롤러(45)에 의해 제어되는 EGR 밸브(65)에 의해 조정할 수가 있어, 외부 EGR 량이 클수록 혼합기 온도를 높일 수가 있다.

따라서, 운전조건에 따라, 불꽃점화시기가 진각 한계(t1)로 되어버린 기통이 있는 경우에는, 적의 그 기통의 EGR 밸브(65)를 조정해서 외부 EGR 량을 증대시켜, 혼합기 온도를 다른 기통에 비해 상대적으로 높여, 압축자착화하기 쉬운 상태로 한다. 이에 따라, 불꽃점화시기를 진각 한계(t1)보다도 지각 측으로 이행시킬 수가 있다.

또, 운전조건에 따라, 불꽃점화시기가 지각 한계(t2)로 되어버린 기통이 있는 경우에는, 적의 그 기통의 EGR 밸브(65)를 조정해서 외부 EGR 량을 제로(0)로 또는 감소시켜, 흡기온도를 다른 기통에 비해 상대적으로 저하시켜, 압축자착화 하기 어려운 상태로 한다. 이에 의해, 불꽃점화시기를 지각 한계(t2)보다도 진각 측으로 이행시킬 수가 있다.

한편, 외부 EGR 량은, EGR 밸브(65)에 의해 가변적으로 할 수도 있고, 일정하게 할 수도 있다. 즉, 불꽃점화시기가 진각 한계(t1)로 되는 기통이 판명되어 있는 경우에는, 미리 그 기통의 EGR 밸브(65)를 조정해서 외부 EGR 량을 크고 설정해서 놓아, 압축자착화하기 쉬운 상태로 하여, 불꽃점화시기가 진각 한계(t1)보다도 지각 하도록 해 놓는다. 또, 불꽃점화시기가 지각 한계(t2)로 되는 기통이 판명되어 있는 경우에는, 미리 그 기통의 EGR 밸브를 폐쇄하던가, EGR 배르(65)를 조정해서 외부 EGR 량을 작게 설정해놓아, 압축자착화하기 어려운 상태로 하여, 불꽃점화시기가 지각 한계(t2)보다도 진각되도록 해놓을 수도 있다.

(운전방법 5-6)

운전방법 5-6은, 기통 그것의 온도를 조정함으로써, 진각 한계(t1)와 지각 한계(t2) 사이의 불꽃점화로, 목표 압축자착화시기(Z)가 달성되도록 한 것이다. 구체적으로는, 불꽃점화시기가 지각 한계(t2)로 되어버린 기통(압축자착화하기 쉬운 기통)이 있는 경우에, 그 기통의 주변 부분으로의 냉각수량을 다른 기통에 비해 상대적으로 많게 하여, 냉각을 촉진함으로써, 불꽃점화시기가 지각 한계(t2)보다도 진각 측으로 이행하도록 한 것이다.

도 21에 도시된 것과 같이, 냉각수량을 많게 하고 싶은 기통, 예컨대, 2번 기통(No.2) 및 3번 기통(No.3)을 구성하는 실린더 라이너(13A)의 두께 치수(d2, d3)가, 1번 기통(No. 1) 및 4번 기통(No.4)을 구성하는 실린더 라이너(13A)의 두께 치수(d1, d4)보다도 얇게 설정되어 있다. 이에 따라, 워터 자켓(67)에서의 2번 기통(No.2) 및 3번 기통(No.3) 주변 부분의 폭(w2, w3)이, 1번 기통(No. 1) 및 4번 기통(No.4)의 주변부의 폭(w1, w4)보다도 넓게 되어 있다.

이에 따라, 2번 기통(No.2) 및 3번 기통(No.3)의 주변 부분으로의 냉각수량이, 1번 기통(No. 1) 및 4번 기통(No.4)의 주변 부분으로의 냉각수량보다도 많게 되기 때문에, 2번 기통(No.2) 및 3번 기통(No.3)의 냉각능력을 1번 기통(No. 1) 및 4번 기통(No.4)보다도 높일 수가 있게 된다.

한편, 앞의 설명에서는, 실린더 라이너(13A)의 두께를 변하게 함으로써 냉각영역을 조정할 수 있는바, 예컨대 냉각영역을 높이고 싶은 기통에 대한 냉각면적(워터 자켓(67)의 범위)을 크게 할 수도 있다.

(운전방법 5-7)

운전방법 5-7은, 기통의 구성부재의 재질을 바꿔줌으로써, 진각 한계(t1)와 지각 한계(t2) 사이의 불꽃점화로, 목표 압축자착화시기(Z)가 달성되도록 한 것이다. 구체적으로는, 불꽃점화시기가 지각 한계(t2)로 되도록 한 기통(압축자착화하 기 쉬운 기통)이 있는 경우에, 그 기통의 구성부재의 재질을 열전도율이 높은(방열성이 높은) 것으로 한다. 역으로, 불꽃점화시기가 진각 한계(t1)로 되도록 한 기통(압축자착화하기 어려운 기통)이 있는 경우에는, 그 기통의 구성부재의 재질을, 열전도율의 낮은(방열성이 낮은) 것으로 한다.

이에 의해, 진각 한계(t1)와 지각 한계(t2) 사이의 불꽃점화에 의해, 실제의 압축자착화시기를 목표 압축자착화시기로 설정할 수가 있게 된다.

기통의 구성부재로는, 도 1에 도시된 것과 같이, 피스톤(14)의 전체나 정상면 등의 일부, 또는 실린더(13; 실린더 라이너(13A))의 전부 또는 일부로 할 수가 있다. 또, 기통의 방열성을 변하게 하는 방법으로는, 재질 자체를 바꾸는데 한하지 않고, 예컨대 구성부재 내부에 단열층을 구성하는 공동(空洞)을 형성시키는 등, 기통의 구조를 바꿔줌으로써 방열성을 변하게 할 수도 있다.

(운전방법 6)

상기 운전방법 1 ~ 5의 수단을 강구하여도, 진각 한계(t1)와 지각 한계(t2) 사이의 불꽃점화로, 실제의 압축자착화시기를 목표 압축자착화시기로 조정할 수가 없는 경우도 있을 수 있다. 본 실시예의 운전방법 6에서는, 그와 같은 경우에, 다시 추가의 수단을 강구하게 된다.

즉, 운전방법 6은, 적어도, 불꽃점화시기가 제일 늦은 기통이 적정(정상)으로 운전할 수 있도록, 흡기온도를 설정하는 것이다. 여기서 말하는 적정한 운전이라 함은, 최대의 기통내 압력이나 노킹 강도가 허용치 이하임을 의미한다.

불꽃점화시기의 제일 늦은 기통이라 함은, 제일 압축자착화하기 쉬운 기통으 로서, 바꿔 말해, 제일 녹킹하기 쉬운 기통이다. 따라서, 이 기통에서, 녹킹하지 않고 적정하게 압축자착화할 수 있다면, 다른 기통에서도, 실화가 생길 수가 있더라도 녹킹을 생기게 하지는 않는다. 따라서, 녹킬의 발생으로, 엔진(11) 그것이 기계적으로 손상을 받게 되는 것을 방지할 수가 있다.

(본 실시예의 효과의 검증)

도 22 ~ 도 24는, (a) 불꽃점화를 실행하지 않는 경우, (b) 운전방법 1에서 압축자착화되어 있지 않은 특정한 기통에 대해서만 보조적으로 불꽃점화를 실행한 경우, (c) 운전방법 4에서 압축자착화시기를 맞출 수 있도록 전체의 기통에서 보조적으로 불꽃점화를 실행한 경우에서의, 기통 사이의 각종 연소 파라미터의 불균형을 비교해서 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 도 22는, 각 기통 사이의 기통내 최고 압력의 변동(최대값과 최소값과의 차이)을 나타내고, 도 23은, 각 기통 사이의 압축자착화시기의 변동을 나타내고, 도 24는, 각 기통 사이의 녹킹 강도(녹킹이 되기 쉬움)의 변동을 나타내고 있다.

(a)의 경우, 어느 연소 파라미터에서도, 각 기통 사이에서 변동이 극히 크게 되어 있는 것을 알 수 있다. 이는, 압축자착화될 수 없는(실화가 생길 수 있는) 기통이 존재하거나, 압축자착화시기가 전혀 제어되어 있지 않기 때문이라고 생각된다. 이에 대해, (b)의 경우, 전체의 기통에서 압축자착화가 되어 있기 때문에, (a)에 비해 각 연소 파라키터의 변동은 작게 되어 있다. 또, (c)의 경우는, 전체의 기통에서 압축자착화시기가 맞춰질 수 있기 때문에, 각 연소 파라미터의 변동이 작게 억제되어 있다.

도 25는, 상기와 마찬가지 조건에서, 열효율을 비교해서 나타낸 그래프이다. (a)의 경우는 열효율이 매우 낮게 되어 있으나, (b), (c)의 경우는, 상기와 같이 각 연소 파라미터의 변동이 억제된 결과, 열효율이 높여지도록 되어 있다. 특히, (c)의 경우는, (a)의 경우와 비해 극히 열효율이 높아져 있음을 알 수 있다.

도 26은, 상기와 마찬가지 각 조건 (a) (b) (c)에서, 미연탄화수소(THC)의 배출량을 비교한 그래프이고, 도 27은, 마찬가지로 각 조건 (a) (b) (c)에서, 일산화탄소(CO)의 배출량을 비교한 그래프이다. 이들 대기오염물질의 배출량에 대해서도, (a)의 경우는 대단히 많게 되어 있으나, (b) (c)의 경우는, 각 연소 파라미터의 변동이 억제된 결과, 억제할 수 있게 되어 있다. 특히, (c)의 경우는, (a)의 경우에 비해 극히 대기오염물질의 배출량이 억제되어 있음을 알 수 있다.

본 발명은, 상기 실시예에 한정되지 않고 적의 설계변경할 수 있다. 예컨대, 상기 실시형태에서는 4기통의 예혼합압축자착화식 엔진을 예시하였으나, 기통수는 하등 한정되는 것은 아니다.

Claims

연료와 공기를 미리 혼합한 혼합기를 기통 내의 연소실에서 압축자착화시켜 연소시키는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법으로서,

상기 예혼합압축자착화식 엔진이 상기 혼합기에 불꽃점화를 실행하는 불꽃점화장치를 구비하고 있고,

상기 혼합기의 압축자착화를 유발할 수가 있는 불꽃점화시기의 진각 한계와 지각 한계를 각각 설정해서 놓고, 진각 한계와 지각 한계 사이에, 운전조건에 따라 보조적으로 상기 혼합기에 불꽃점화를 실행하는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.
제1항에 있어서, 상기 엔진이 복수의 기통을 구비하고 있고,

각 기통에서의 압축자착화시기를 맞추도록, 소정의 기통에서 불꽃점화를 실행하는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.
제1항에 있어서, 상기 혼합기의 압축자착화시기를 조정하도록, 상기 불꽃점화를 실행할 시기를 조정하는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.
제1항에 있어서, 상기 엔진이 복수의 기통을 구비하고 있고,

각 기통에서의 압축자착화시기를 맞추도록, 기통마다 불꽃점화를 실행할 시기를 조정하는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 목표로 하는 압축자착화시기를 설정하고, 당해 목표 압축자착화시기와 실제의 압축자착화시기를 비교함과 더불어, 당해 비교에 기해, 실제의 압축자착화시기가 목표 압축자착화시기로 되도록 불꽃점화를 실행하는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.
제3항 또는 제4항에 있어서, 목표로 하는 압축자착화시기를 설정하고, 당해 목표 압축자착화시기와 실제의 압축자착화시기를 비교함과 더불어, 당해 비교에 기해, 실제의 압축자착화시기가 목표 압축자착화시기로 되도록 불꽃점화를 실행할 시기를 조정하는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.
제3항에 있어서, 목표로 하는 압축자착화시기를 설정하고, 당해 목표 압축자 착화시기와 실제의 압축자착화시기를 비교하여, 당해 비교에 기해, 실제의 압축자착화시기가 목표 자착화시기로 되도록, 진각 한계와 지각 한계의 사이에서 불꽃점화를 실행할 시기를 조정함과 더불어, 실제의 압축자착화시기를 목표 압축자착화시기로 조정할 수 있는 범위 내로, 혼합기의 흡기온도를 조정하는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.
제4항에 있어서, 기통마다, 목표로 하는 압축자착화시기를 설정하고, 당해 목표 압축자착화시기와 실제의 압축자착화시기를 비교하여, 당해 비교에 기해, 실제의 압축자착화시기가 목표 압축자착화시기로 되도록 진각 한계와 지각 한계 사이에서 불꽃점화를 실행할 시기를 조정함과 더불어, 전체 기통에서 실제의 압축자착화시기를 목표 압축자착화시기로 조정할 수 있는 범위 내로, 혼합기의 흡기온도를 조정하는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.
제3항에 있어서, 목표로 하는 압축자착화시기를 설정하고, 당해 목표 압축자착화시기를 달성하는 불꽃점화시기 중에서 최적의 불꽃점화시기를 설정하고,

상기 목표 압축자착화시기와 실제의 압축자착화시기를 비교하여, 당해 비교에 기해, 실제의 압축자착화시기가 목표 자착화시기로 되도록 불꽃점화를 실행할 시기를 조정하고,

다시, 불꽃점화시기가 상기 최적 불꽃점화시기로 되도록, 흡기온도를 조정하는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.
제4항에 있어서, 기통마다, 목표로 하는 압축자착화시기를 설정함과 더불어, 당해 목표 압축자착화시기를 달성하는 불꽃점화시기 중에서 최적의 불꽃점화시기를 설정하고,

당해 목표 압축자착화시기와 실제의 압축자착화시기를 비교하여, 당해 비교에 기해, 실제의 압축자착화시기가 목표 자착화시기로 되도록 불꽃점화를 실행할 시기를 조정하고,

다시, 가장 불꽃점화시기가 늦은 기통이 최적 불꽃점화시기에서 불꽃점화 되도록, 흡기온도를 조정하는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.
제8항에 있어서, 불꽃점화시기가 진각 한계로 되는 기통에 대한 연료공급량을, 다른 기통에 비해 상대적으로 증대시키고, 지각 한계로 되는 기통에 대한 연료공급량을, 다른 기통에 비해 상대적으로 감소시키는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.
제8항에 있어서, 불꽃점화시기가 진각 한계로 되는 기통의 유효압축비를, 다른 기통에 비해 상대적으로 증대시키고, 지각 한계로 되는 기통에서의 유효압축비를, 다른 기통에 비해 상대적으로 감소시키는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.
제8항에 있어서, 배기가스를 기통 내로 환류하는 EGR 수단을 갖추되,

불꽃점화시기가 진각 한계로 되는 기통에 대한 EGR 량을, 다른 기통에 비해 상대적으로 증대시키고, 지각 한계로 되는 기통에 대한 EGR 량을, 다른 기통에 비해 상대적으로 감소시키거나 또는 없게 하는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.
제8항에 있어서, 불꽃점화시기가 진각 한계로 되는 기통에서의 흡기온도를, 다른 기통에 비해 상대적으로 높이고, 지각 한계로 되는 기통에서의 흡기온도를, 다른 기통에 비해 상대적으로 낮게 하는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.
제8항에 있어서, 불꽃점화시기가 진각 한계로 되는 기통의 온도를, 다른 기통에 비해 상대적으로 높게 하고, 지각 한계로 되는 기통의 온도를, 다른 기통에 비해 상대적으로 낮게 하는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.
제8항에 있어서, 불꽃점화시기가 진각 한계로 되는 기통의 구성부재를, 다른 기통에 비해 상대적으로 열전도율이 낮은 재질로 형성하고, 지각 한계로 되는 기통의 구성부재를, 다른 기통에 비해 상대적으로 열전도율이 높은 재질로 형성하는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.
제4항에 있어서, 기통마다 목표로 하는 압축자착화시기를 설정하고, 당해 목표 압축자착화시기와 실제의 압축자착화시기를 비교해서, 당해 비교에 기해, 실제의 압축자착화시기가 목표 자착화시기로 되도록 불꽃점화를 실행할 시기를 조정하고,

다시, 가장 불꽃점화시기가 늦은 기통에서 정상적인 운전을 실행하도록, 흡기온도를 조정하는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.
제1항에 있어서, 상기 혼합기의 공기과잉비율을 검출하여, 당해 공기과잉비율에 대응해서 상기 진각 한계를 변경하는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.
제1항에 있어서, 상기 엔진이 복수의 기통을 구비하고 있고,

기통 마다의 혼합기의 공기과잉비율을 검출하여, 각 기통에서의 상기 진각 한계를 각 공기과잉비율에 대응해서 각각 변경하는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.
제1항, 제18항 및 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합기의 흡기온도를 검출하고서, 당해 흡기온도에 대응해서 상기 진각 한계를 변경하는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.
제1항, 제18항 및 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 엔진이 복수의 기통을 구비하고 있고,

기통마다 혼합기의 흡기온도를 검출해서, 각 기통에서의 상기 진각 한계를 각 흡기온도에 대응해서 각각 변경하는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.