KR20090087929A - 예혼합 압축 착화형 엔진 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 동안 예혼합 압축 착화형 엔진이 작동된다. 이 엔진은 압축 착화 연소의 정상 운전시 음의 오버랩 기간을 갖는다. 동일 실린더에서, 불꽃 점화 연소의 정상 운전시 배기 밸브의 밸브 폐쇄 타이밍은 전환 후 밸브 폐쇄 타이밍보다 지각된다. 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 개시 후 흡기 밸브가 최초로 전환되는 경우에는, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 개시 동안 흡입 밸브의 밸브 개방 타이밍은 불꽃 점화 연소의 정상 운전시 밸브 개방 타이밍보다 진각된 상태가 된다.
Figure P1020097012954
압축 착화형 엔진

Description

예혼합 압축 착화형 엔진 및 그 제어 방법{PREMIXED COMPRESSION IGNITION TYPE ENGINE AND METHOD OF CONTROLLING THE SAME}
본 발명은, 불꽃 점화 연소와 압축 착화 연소 간을 전환하며 동작하는 예혼합 압축 착화형 엔진 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
불꽃 점화 (SI, Spark Ignition) 연소와 압축 착화 (HCCI, Homogeneous Charge Compression Ignition) 연소 간을 전환하며 동작하는 예혼합 압축 착화형 엔진은, 예를 들어 일본 특허출원공개번호 2000-220458 또는 2004-293458 에 나타나 있는 제어 방법에 의해 제어된다.
JP 2000-220458 에서는, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환시 엔진의 점화 타이밍을 지각시켜, 불꽃 점화에 대하여 압축 착화를 선행시키는 것으로, 압축 착화 연소로의 이동이 원만하고 부드럽게 이루어진다. 이와 같이 점화 타이밍이 서서히 지각됨에 따라, 연소시의 발생 압력, 즉 토크 등의 출력이 서서히 감소한다. 따라서, 토크 변동폭 (토크 단차) 을 적게 억제할 수 있고 출력이 적은 상태로 압축 착화 연소로 전환할 수 있다. 따라서, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 기간 동안, 이러한 제어 방법에 따르면, 실린더 내 온도를 낮출 수 있고, 조기 점화나 노킹에 의한 연소 소음 등을 억제할 수 있다.
<발명이 해결하고자 하는 과제>
여기서, 다기통 엔진의 경우, 배기 밸브, 흡기 밸브의 개폐에 사용되는 캠 샤프트는 각 실린더에 공통으로 사용된다. 따라서, 불꽃 점화 연소와 압축 착화 연소 간의 전환 타이밍 (즉, 불꽃 점화 연소용 캠 및 압축 착화 연소용 캠의 전환 타이밍) 은 일반적으로 모든 실린더에 공통의 타이밍으로 지정된다. 다른 한편으로는, 다기통 엔진의 경우, 각 실린더의 배기 밸브, 흡기 밸브의 밸브 타이밍은 서로 이동되어 상이하게 된다.
도 7 은 통상적인 다기통 엔진에서의 2 종류의 패턴 (패턴 1, 패턴 2) 에 따른 밸브 타이밍을 나타내는 챠트이다. 도 7 에서는 2 개의 패턴만 나타내었으나, 실린더 수에 따라서 3 이상의 패턴이 존재할 수 있다.
예를 들어, 어느 1 개의 실린더에서, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환점이, 불꽃 점화 연소 동안 흡기 행정 종료 후의 압축 행정에 대응하는 타이밍인 경우 (패턴 1 이라 하고, 도 7 참조), 다음 배기 밸브가 개방하는 때에 압축 착화 연소의 밸브 타이밍으로 전환하게 되고 (배기 밸브에서 전환, 즉, 배기 밸브가 최초로 전환됨), 그 실린더에서는 전환 후, 음의 오버랩 기간을 갖는 밸브 타이밍에서 문제없이 동작된다. JP 2000-220458 에 개시된 제어 방법은 전술한 (패턴 1 에 따른) 밸브 타이밍을 갖는 실린더에서는 효과적으로 기능한다.
한편, 다른 실린더는 다른 밸브 타이밍으로 동작할 수 있다. 전술한 공통의 전환점이 배기 행정 (배기 밸브가 개방되는 타이밍) 에 대응하는 타이밍인 경우 (패턴 2 라 하고, 도 7 참조), 다음 번 흡기 밸브가 개방되는 때에 압축 착화 연소의 밸브 타이밍으로 전환하게 된다 (흡기 밸브에서 전환, 즉, 흡기 밸브가 최초로 전환됨). 이 경우, 전환점에서 개방되어 있는 배기 밸브는, 불꽃 점화 연소의 밸브 타이밍, 즉, 보통 밸브 타이밍 (연소 사이클에서, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 전 (불꽃 점화 연소의 정상 운전시) 의 배기 밸브의 밸브 폐쇄 타이밍이, 전환 후 (압축 착화 연소의 정상 운전시) 의 배기 밸브의 밸브 폐쇄 시간보다도 지각된 밸브 타이밍, 도 7 의 (A) 참조) 으로 동작한다. 이어서 개방되는 흡기 밸브는, 압축 착화 연소의 밸브 타이밍, 즉, (정상 운전시의 밸브 타이밍에서) 음의 오버랩 기간을 갖는 밸브 타이밍 (지각 개방) 으로 동작한다. 이러한 패턴에 따른 밸브 타이밍을 갖는 실린더에는, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로 전환할 때 배기 밸브는 압축 상사점 부근에서 폐쇄하고 흡기 밸브를 늦게 개방할 수 있다.
JP 2004-293458 에 개시된 바와 같이, 압축 착화 엔진에서는, 배기 밸브는 보통 밸브 타이밍 (압축 상사점 부근) 으로 폐쇄하고, 흡기 밸브는 지각 개방하는 경우 (상기 JP 2004-293458의 도 1 (a) 참조), "흡기 가열 효과" 가 발생한다. 즉, 연소실 내 압력이 부압이 되는 때 흡기가 시작되고, 흡기는 빠르게 연소실 내로 흘러 들어가서 단열 압축 효과에 의해 효율적으로 가열된다 (도 7 의 (B) 참조). 따라서, 압축 착화 연소가 효율적으로 이루어진다. 이 밸브 타이밍은 전술한 "다른 실린더" 에서의 밸브 타이밍과 동일하다. 따라서, 전술한 패턴 2 에 따른 밸브 타이밍을 갖는 다른 실린더에서도 전환 기간 동안 흡기 가열 효과가 발생한다.
이 흡기 가열 효과는 고온의 내부 EGR 을 얻을 수 없을 때, 예컨대 엔진 시동시에는 유효하게 이용할 수 있다. 그러나 보통 운전시에는 흡기 가열 효과의 영향이 너무 크기 때문에, 전술한 바와 같은 흡기 밸브에서 전환되기 위한 밸브 타이밍을 갖는 각각의 실린더에서, 전환 기간 동안에 조기 점화나 노킹과 같은 이상 연소가 발생한다. 따라서, 전술한 바와 같은 (패턴 2 의) 밸브 타이밍을 갖는 실린더에서는, 전환할 때 단순히 점화 시기를 지각시키는 것 만으로는 조기 점화나 노킹을 쉽게 억제할 수 없고, JP 2000-2204548 에 개시된 전술한 제어 방법은 효과적으로 기능하지 못한다.
따라서, 본 발명의 목적은, 전환이 흡기 밸브에서 시작되는 경우에 있어서도, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 기간 동안 조기 점화나 노킹의 발생을 억제할 수 있는 예혼합 압축 착화형 엔진 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
<과제를 해결하기 위한 수단>
본 발명에 따른 전술한 목적을 달성하기 위하여, 하나 이상의 실린더, 연소실, 흡기 밸브 및 배기 밸브를 포함하고, 불꽃 점화 연소와 압축 착화 연소 간을 전환하며 동작하는 예혼합 압축 착화형 엔진의 제어 방법으로서, 이 방법은 압축 착화 연소의 정상 운전시에는 압축 상사점에 대하여 배기 밸브가 빨리 닫히고 흡기 밸브는 늦게 열리는 음의 오버랩 기간을 갖도록 흡기 밸브와 배기 밸브의 개폐를 제어하고, 동일 실린더 내에서, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 전의 배기 밸브의 밸브 폐쇄 타이밍이 전환 후의 배기 밸브의 밸브 폐쇄 타이밍보다 지각되도록 제어하고, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 개시 후 흡기 밸브가 최초로 전환되는 경우에는, 흡기 밸브의 밸브 개방 타이밍이 압축 착화 연소의 정상 운전시의 밸브 개방 타이밍보다 진각되도록 제어한다.
본 발명에 따른 예혼합 압축 착화형 엔진은 2 이상의 상이한 종류의 밸브 타이밍을 갖는 다수의 실린더, 연소실, 흡기 밸브 및 배기 밸브를 갖고, 상기 2 종류의 밸브 타이밍 중 하나의 경우에는, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 개시 후에 배기 밸브가 최초로 전환되고; 상기 2 종류의 밸브 타이밍 중 다른 하나의 경우에는, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 개시 후에 흡기 밸브가 최초로 전환된다. 이러한 예혼합 압축 착화형 엔진은 전술한 제어 방법에 의해 제어된다.
본 발명에서, 음의 오버랩 기간은 배기 상사점 부근에서 배기 밸브 및 흡기 밸브 양자가 폐쇄되어 있는 기간을 의미한다. 이 경우, 배기 밸브는 배기 상사점에 도달하기 전에 폐쇄된다.
전술한 예혼합 압축 착화형 엔진 제어 방법에 의해 제어되는 예혼합 압축 착화형 엔진은 2 이상의 상이한 종류의 밸브 타이밍을 갖는 다수의 실린더를 갖는다. 2 종류의 밸브 타이밍 중 하나의 밸브 타이밍에서는, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 개시 후에 배기 밸브가 최초로 전환된다. 2 종류의 밸브 타이밍 중 다른 하나의 경우에는, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 개시 후에 흡기 밸브가 최초로 전환된다. 다수의 실린더를 갖는 이러한 예혼합 압축 착화형 엔진에서는, 2 개의 패턴, 즉, 배기 밸브에서부터 전환이 이루어지는 패턴 및 흡기 밸브에서부터 전환이 이루어지는 패턴이 있다. 이러한 예혼합 압축 착화형 엔진을 채택하여, 전환 기간 동안 조기 점화나 노킹의 발생을 억제할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 실시형태에 따른 예혼합 압축 착화형 엔진의 단일 실린더의 전체적인 구성도이다.
도 2 는 도 1 의 예혼합 압축 착화형 엔진의 점화 타이밍 및 흡기 밸브의 개방 타이밍을 나타낸 챠트이다.
도 3 은 도 1 의 예혼합 압축 착화형 엔진에서 2 가지 패턴 (즉, 패턴 1 및 패턴 2) 의 밸브 타이밍을 나타낸 챠트이다.
도 4 는 도 1 의 예혼합 압축 착화형 엔진의 전환 개시 직후 패턴 1 의 경우의 밸브 리프트 특성을 나타내는 개략도이다.
도 5 는 도 1 의 예혼합 압축 착화형 엔진의 전환시의 패턴 2 의 경우의 밸브 리프트 특성을 나타내는 개략도이다.
도 6 은 도 1 의 예혼합 압축 착화형 엔진의 실린더 내압을 나타내는 그래프이다.
도 7 은 통상적인 다기통 엔진에서 2 종류의 패턴 (즉, 패턴 1 및 패턴 2) 의 밸브 타이밍을 나타내는 챠트이다.
도 8 은 통상적인 다기통 엔진에서 전환시, 패턴 2 의 경우의 밸브 리프트 특성을 나타내는 개략도이다.
도 9 는 통상적인 다기통 엔진의 실린더 내압을 나타내는 그래프이다.
도 10 은 본 발명의 실시형태에 따른 예혼합 압축 착화형 엔진의 가변 밸브 타이밍 구조를 나타내는 개략도이다.
도 11 은 본 발명의 실시형태에 따른 예혼합 압축 착화형 엔진의 가변 작동 구조의 구성을 나타내는 개략적인 사시도이다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해서, 도면을 참조하여 설명하도록 한다. 이하의 설명에서, "전환점" 이라는 용어는 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 개시 타이밍을 일컫는다. "전환 개시" 라는 용어는 불꽃 점화 연소시의 밸브 리프트 제어에서 압축 착화 연소시의 밸브 리프트 제어로 전환하기 위해 전환 신호가 발신되는 타이밍을 일컫는다. 또한, "전환 기간" 이라는 용어는 전환 개시 이후 압축 착화 연소의 정상운전상태에 들어가기까지의 기간을 나타낸다. 또한, "전환할 때" 는, 전환점 전후의 기간을 나타낸다. 또한 "밸브 개방 타이밍" 은 밸브 개방이 개시되는 시간을 말한다.
(전체 구조)
우선, 도 1 을 참조하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 예혼합 압축 착화형 엔진의 전체 구성에 대해 설명한다. 도 1 은, 본 발명의 실시 형태에 따른 예혼합 압축 착화형 엔진의 1 개의 실린더를 포함하는 개략적인 구성도이다.
본 발명의 실시형태에서, 예혼합 압축 착화형 엔진 (1) 은 직렬 배치된 4 개 의 실린더를 갖는다. 이 실린더는 각각 배치 순서에 따라, 제 1 실린더, 제 2 실린더, 제 3 실린더 및 제 4 실린더로 한다. 도 1 은 이 실린더 중 하나를 나타낸다 (제 1 내지 제 4 실린더는 구성이 동일하다). 제 1 내지 제 4 실린더는 각각 다른 연소 사이클을 갖고, 제 2 내지 제 4 실린더의 밸브 타이밍은, 90°의 크랭크 각만큼 서로 이동한다. 또한, 실린더의 수는 4 개로 한정되지 않는다.
도 1 에 나타난 바와 같이, 예혼합 압축 착화형 엔진 (1) 은 연소실 (10), 연소실 (10) 과 연통하는 흡기 포트 (11p), 흡기 밸브 (11v). 배기 밸브 (12v), 배기 포트 (12p) 를 갖고 있다. 예혼합 압축 착화형 엔진 (1) 은 작동 조건 (부하 및 엔진 속력) 에 따라, 불꽃 점화 연소 및 압축 착화 연소를 적절히 전환한다. 전술한 바와 같은 작동 조건에 따라, 압축 착화 연소와 불꽃 점화 연소를 전환하여, 압축 착화 연소에 의한 저연료 소모 및 불꽃 점화 연소에 의한 고출력을 모두 얻을 수 있다.
또한, 예혼합 압축 착화형 엔진 (1) 은, 흡기 포트 (11p) 의 도중에 혼합부 (4) 를 갖고 있다. 연료는 연료 공급로 (2p) 를 통해 혼합부 (4) 에 공급된다. 그리고 혼합부 (4) 에서 공기와 연료가 혼합된다. 또한, 연료로서 LPG, 부탄 또는 프로판과 같은 가스 연료를 사용해도 좋고, 이러한 가스 연료 이외의 가솔린 등을 연료로서 사용해도 좋다. 또한, 구체적으로는, 혼합부 (4) 로는 믹서 (가스 연료의 경우), 카뷰레터 (carburetor) 등이 사용된다.
예혼합 압축 착화형 엔진 (1) 은 스로틀 (3) 및 연료 밸브 (2v) 를 갖는다. 더불어, 예혼합 압축 착화형 엔진 (1) 은 ECU (Electronic Control Unit; 5) 를 갖는다. 연료 밸브 (2v), 스로틀 (3), 흡기 밸브 (11v), 점화 플러그 (점화 장치) (60c), 배기 밸브 (12v) 는 제어용 케이블 (5a ~ 5e) 을 통하여 ECU (5) 에 전기적으로 접속되어 있다. ECU (5) 는 제 1 내지 제 4 실린더에 공통이다. ECU (5) 는 연료 밸브 (2v), 스로틀 (3), 흡기 밸브 (11v), 점화 플러그 (60c), 배기 밸브 (12v) 의 동작을 제어하도록 설계된다.
ECU (5) 는 (캠샤프트 제어에 의해) 캠 로브 (11c, 12c) 의 동작을 제어하여, 흡기 밸브 (11v) 및 배기 밸브 (12v) 를 개폐시키게 된다. 도 1 에서는 개략적으로 도시되어 있으나, 본 실시형태에서는, 후술하는 바와 같이 가변 밸브 타이밍 기구가 사용되어, 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개폐 타이밍을 적절하게 변경 가능하게 된다. 또한, 본 실시형태에서는, 후술하는 바와 같이 가변 밸브 작동 기구가 사용된다. 그리고 더 상세하게는, 캠 로브 (11c, 12c) 는 리프트 양이 작은 저 리프트 캠 (압축 착화 연소용) 및 리프트 양이 큰 고 리프트 캠 (불꽃 점화 연소용) 을 각각 갖도록 구성된다 (도 1 에는 전방측에 위치한 하나만이 도시되어 있다). 이러한 작동 조건에 따라 저 리프트 캠과 고 리프트 캠 사이의 전환이 이루어져서, 각각의 흡기 밸브 (11v) 와 배기 밸브 (12v) 의 밸브 리프트 양 및 밸브 개폐 타이밍이 변화하게 된다 (예를 들어, JP H05-106411 및 JP H10-18826 에 기재되어 있는 것과 같은 기술이 사용된다).
도 1 에 나타난 바와 같이, 스로틀 (3) 은 축 (3c) 및 밸브부 (3v) 를 갖도록 구성된다. ECU (5) 는 스로틀 (3) 을 제어하여 밸브부 (3v) 의 개방 정도를 조절한다. 이에 의해, 흡기 포트 (11p) 를 통해 연소실 (10) 에 공급되는 흡기 량이 조절된다. 연료 밸브 (2v) 는 연료 공급로 (2p) 의 도중에 설치되어진다. ECU (5) 는 연료 밸브 (2v) 를 제어하여 연료 밸브 (2v) 의 개방 정도가 조절된다. 이에 의해, 흡기 포트 (11p) 에 공급되는 연료의 양이 조절된다.
(가변 밸브 타이밍 기구에 대한 설명)
본 발명의 실시형태에 따른 가변 밸브 타이밍 기구의 개요를 도 10 을 참조로 하여 설명한다. 예혼합 압축 착화형 엔진 (1) 의 실린더 헤드에서, 배기 밸브 구동용 배기측 캠샤프트 (57) 및 흡기 밸브 구동용 흡기측 캠샤프트 (56) 가 서로 인접하여 배치되어 있다. 또한, 배기측 캠샤프트 (57) 의 일단부에 배치된 배기 캠 풀리 (66) 와, 크랭크 샤프트 (22) 의 일단부에 배치된 크랭크 풀리 (63) 와의 사이에 타이밍 벨트 (체인) (68) 가 감긴다. 더불어, 배기측 캠샤프트 (57) 의 다른 단부에 장착된 구동 기어 (49) 가, 흡기측 캠샤프트 (56) 의 단부에 장착된 종동 기어 (48) 에 맞물려 있다. 그리고 크랭크 샤프트 (22) 의 회전에 의해, 배기측 캠샤프트 (57) 는 크랭크 풀리 (63), 타이밍 벨트 (68) 및 배기 캠 풀리 (66) 를 통하여 회전 구동하고, 흡기측 캠샤프트 (56) 는 구동 기어 (49) 와 종동 기어 (48) 를 통하여 회전 구동하게 된다.
종동 기어 (48) 에는, 종동 기어 (48) 를 구동 기어 (49) 에 대해 축선방향으로 이동시키기 위한 가변 밸브 타이밍 장치 (VVT) 가 배치되어 있다. 그리고 이 가변 밸브 타이밍 장치 (VVT) 가 작동하여 종동 기어 (48) 가 축선방향으로 이동하는 것에 의해, 흡기측 캠샤프트 (56) 의 회전위상이 이동하고, 각 실린더의 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개폐 타이밍이 적절하게 변경된다. 또한, 이 구성은 개 략적으로 나타낸 것이고, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
가변 밸브 타이밍 기구가 전술한 구조를 갖고 있기 때문에, 밸브 타이밍을 진각, 지각 제어하는 역할을 하는 흡기측 캠샤프트 (56) 와 배기측 캠샤프트 (57) 는 각각 예혼합 압축 착화형 엔진 (1) 의 4 개의 실린더에서 공통이 된다. 따라서, 밸브 타이밍의 진각, 지각 제어는 모든 실린더에 영향을 주게 된다. 예컨대, 한 실린더의 흡기 밸브의 밸브 타이밍을 진각시키는 경우, 모든 실린더에서 흡기 밸브의 밸브 타이밍이 진각하게 된다. 캠샤프트 (56, 57) 는 불꽃 점화 연소 및 압축 착화 연소 모두에 이용된다. 따라서, 한 실린더에서의 불꽃 점화 연소의 진각, 지각은 압축 착화 연소인 다른 실린더에 영향을 주고, 그 역도 마찬가지이다.
(가변 밸브 작동 기구에 대한 설명)
다음으로, 가변 밸브 작동 기구의 구성에 대하여, 도 11 을 참조하여 설명한다. 도 11 은 본 발명의 실시형태에 따라 가변 밸브 작동 기구를 나타내는 개략적인 사시도이다. 도 11 을 참조하여 흡기 밸브 (11v) 용의 캠 (11c) 에 대하여 설명하겠으나, 배기 밸브 (12v) 용의 캠 (12c) 도 이와 동일한 구성이다.
가변 밸브 작동 기구 (110) 는, 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개폐 타이밍 또는 밸브 리프트 양을, 저 리프트 (압축 착화 연소) 및 고 리프트 (불꽃 점화 연소) 의 2 단계의 사이에서 적절하게 전환하도록 구성되어 있다. 로커 샤프트 (59) 를 지지하는 지지부 (미도시) 가 실린더 헤드에 장착되어 있고, 각 실린더에 대하여 저 리프트 로커 암 (39r) 과 고 리프트 로커 암 (24r) 이 서로 정렬되어 요동 가능 하게 로커 샤프트 (59) 에 부착되어 있다. 저 리프트 로커 암 (39r) 은 작은 작용각 또는 작은 리프트 양의 저 리프트 캠 로브 (39) 의 회전을 통해 도 11 의 수직 방향으로 요동한다. 이 저 리프트 로커 암 (39r) 의 요동에 따라 흡기 밸브 (11v) (또는 배기 밸브 (12v)) 가 개폐한다. 고 리프트 로커 암 (24r) 은, 큰 작용각 또는 큰 리프트 양의 고 리프트 캠 (24) 의 회전을 통해 도면의 수직 방향으로 요동한다. 적절하다면, 저 리프트 캠 로커 암 (39r) 과 고 리프트 로커 암 (24r) 은 서로 연결, 분리가 가능하다.
구체적으로는, 압축 착화 연소시에는, 고 리프트 로커 암 (24r) 은 저 리프트 로커 (39r) 에서 분리된다. 이에 따라서, 고 리프트 로커 암 (24r) 은 고 리프트 캠 (24) 의 회전을 통해 공 (idly) 요동하는 반면 (흡기 밸브 (11v) 의 리프트에는 영향이 없다), 저 리프트 로커 암 (39r) 은 저 리프트 캠 (39) 의 회전을 통해 요동한다. 결과적으로, 흡기 밸브 (11v) 는 저 리프트 밸브 타이밍 및 저 리프트 밸브 리프트 양으로 개폐된다.
불꽃 점화 연소시에는, 고 리프트 로커 암 (24r) 이 저 리프트 로커 암 (39r) 에 연결된다. 따라서, 고 리프트 캠 (24) 의 회전을 통해 고 리프트 로커 암 (24r) 및 저 리프트 로커 암 (39r) 이 일체로 요동하고, 흡기 밸브 (11v) 는 고 리프트의 밸브 타이밍 및 밸브 리프트 양으로 개폐한다. 도 11 에는 저 리프트 캠을 2 개, 고 리프트 캠을 1 개 갖는 가변 밸브 작동 기구에 대해서 설명하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
(불꽃 점화 연소, 압축 착화 연소 시의 밸브 리프트 특성에 대한 설명)
도 4 는 정상 운전시의 밸브 리프트 특성 (양, 타이밍) 을 나타내는 개략도이다. 도 4 는 동일 실린더 내에서 불꽃 점화 연소시 및 압축 착화 연소시의 각 연소 사이클 내의 주기적인 밸브 리프트 특성을 나타낸다. 도 4 를 참조하면, 불꽃 점화 연소시의 각 밸브 리프트 특성을 " SI_V" 로, 압축 착화 연소시의 각 밸브 리프트 특성을 "HCCI_V" 로 나타내었다. 도 4 에서, 횡축은 크랭크 각을 나타낸다. 1 주기 (1 연소 사이클) 를 연소, 배기, 흡기 및 압축의 4 행정을 포함한다고 가정하면, 흡기 밸브 (11v) 와 배기 밸브 (12v) 는, 이 연소 사이클에서 주기적인 밸브 리프트 특성으로 동작한다.
도 4 에 나타난 바와 같이, 예혼합 압축 착화형 엔진 (1) 은 불꽃 점화 연소 (SI) 과 압축 착화 연소 (HCCI) 에 대하여 각각의 밸브 리프트 양과 타이밍을 갖는다. 따라서, 불꽃 점화 연소시 또는 압축 착화 연소시에는, 미리 정해진 하나의 밸브 리프트 특성 (양, 타이밍) 으로 배기 밸브 (12v) 및 흡기 밸브 (11v) 가 개폐된다 (도 4 참조). 압축 착화 연소 하의 정상 작동시에는, 예혼합 압축 착화형 엔진 (1) 은 흡기 밸브 (11v) 와 배기 밸브 (12v) 가 음의 오버랩 기간을 갖도록 동작한다. 즉, 배기 상사점 부근에서 배기 밸브 (12v) 및 흡기 밸브 (11v) 모두가 폐쇄되는 기간이 있고, 배기 밸브 (12v) 는 배기 상사점에 다다르기 전에 폐쇄된다 (도 4 참조). 이러한 구성에 의해, 예혼합 압축 착화형 엔진 (1) 은, 내부 EGR 을 사용하여 압축 착화 연소를 수행한다. 전술한 바와 같이, 음의 오버랩 기간을 설정하고 내부 EGR 을 사용하여, 압축 착화 연소시의 착화성이 향상된다.
다른 한편으로는, 예혼합 압축 착화형 엔진 (1) 의 동일 실린더에서, 불꽃 점화 연소의 정상 운전시의 배기 밸브 (12v) 의 밸브 폐쇄 타이밍 (도 4 의 (1) 참조) 은 압축 착화 연소의 정상 운전시의 배기 밸브 (12v) 의 밸브 폐쇄 타이밍 (도 4 의 (2) 참조) 보다 늦게 된다 (도 3 의 (A) 참조. 이에 대해서는 후술한다). 즉, 대응하는 연소 사이클에서, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 전의 배기 밸브 (12v) 의 밸브 폐쇄 타이밍이 전환 후의 배기 밸브 (12v) 의 밸브 폐쇄 타이밍보다 지각된다. 불꽃 점화 연소의 정상 운전시에는, 통상의 밸브 타이밍에서 배기 밸브 (12v) 가 작동한다 (흡기 밸브 (11v) 도 마찬가지이다). 여기서, "대응하는 연소 사이클에서" 라는 표현은, 도 4 에 나타난 바와 같이, 압축 착화 연소시의 주기적인 밸브 리프트 특성 및 불꽃 점화 연소 운전시의 주기적인 밸브 리프트 특성을 중첩하여 나타낸 상태로 비교했다 (동일 연소 사이클에서 비교했다) 는 것을 의미한다.
(각 실린더의 연소 사이클 패턴에 대한 설명)
예혼합 압축 착화형 엔진 (1) 의 제 1 내지 제 4 실린더는 각각 다른 (4 패턴의) 밸브 타이밍을 갖는다. "다른 밸브 타이밍" 이라는 표현은, 밸브 타이밍이 전술한 바와 같이 (90°씩) 이동하는 것을 의미하나, 밸브 타이밍의 주기 (연소 사이클 기간) 는 실린더들 사이에서 변하지 않는다는 것이다. 2 종류 중 1 개의 밸브 타이밍 (패턴 1 이라고 칭한다) 의 경우, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 개시 후에 배기 밸브 (12v) 가 최초로 전환된다. 또한, 2 종류 중 다른 밸브 타이밍 (패턴 2 라고 칭한다) 의 경우, (배기 밸브 (12v) 는 전환점 에서 이미 개방되어 있음에도 불구하고) 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 개시 후에 흡기 밸브 (11v) 가 최초로 전환된다. 본 발명의 실시형태에서, 제 3 실린더는 패턴 1 의 밸브 타이밍, 제 2 실린더는 패턴 2 의 밸브 타이밍으로 각각 동작하도록 설정된다. "밸브 개방 타이밍" 의 타이밍에 대해서는, 도 4 의 압축 착화 연소의 흡기 밸브 (11v) 를 예로 들어 설명하면, 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개방 타이밍은 화살표 (3) 의 시점에 상당한다.
(패턴 1 및 패턴 2 에 따른 밸브 타이밍에 대한 설명)
도 3 은 본 발명의 실시형태에 따른 예혼합 압축 착화형 엔진 (1) 의 2 종류의 패턴의 밸브 타이밍을 나타내는 챠트이다. 도 3 의 위쪽 부분은 패턴 1 에 따른 밸브 타이밍, 도 3 의 아래쪽 부분은 패턴 2 에 따른 밸브 타이밍을 나타낸다. 각각의 패턴 1 및 패턴 2 에 대하여, 위쪽 영역이 불꽃 점화 연소 (SI) 의 밸브 타이밍, 아래쪽 영역이 압축 착화 연소 (HCCI) 의 밸브 타이밍을 나타낸다. 전술한 바와 같이, 패턴 1 은 제 3 실린더의 밸브 타이밍을 나타내고, 패턴 2 는 제 2 실린더의 밸브 타이밍을 나타낸다. 그리고 도 3 의 횡축은 크랭크 각을 나타내고 패턴 1 과 패턴 2 에 공통이다. 즉, 도 3 에서, "전환점" 은 패턴 1 과 패턴 2 에 공통된 타이밍이고, ECU (5) 에 의해 전환 신호가 발신된 타이밍을 나타낸다. 전환점은, "전환 개시" 의 타이밍을 나타낸다. 전환 신호는 가변 밸브 작동 기구 (110) 의 제어 하에서 각각의 캠 (11c, 12c) 에서, 불꽃 점화 연소시의 밸브 리프트 제어에서 압축 착화 연소시의 밸브 리프트 제어로 전환하기 위한 신호이다. 도 3 에서, TDC 는 상사점, BDC 는 하사점을 나타내고, "연소" 의 타이밍이 되는 것은 압축 상사점이다. 도 3 의 밸브 타이밍은 밸브를 개방하고 있는 (동작 또는 리프트되어 있는) 기간을 나타낸다. 동작시에는, 가변 밸브 작동 기구 (110) 의 제어 하에서, 불꽃 점화 연소용 캠 또는 압축 착화 연소용 캠 중 일방이 이들 캠 간의 전환에 의해 사용된다. 따라서, 어떤 캠은 사용되고, 다른 캠은 사용되지 않는다. 도 3 의 실선부는 사용되고 있는 캠을 사용하는 때의 밸브 타이밍을 나타낸다. 사용되지 않는 캠을 사용하는 때의 밸브 타이밍에 대해서는 도 3 에서 파선으로 나타내었다. 도 3 에서, 사용되지 않는 캠을 사용하는 때의 밸브 타이밍에 대해서는 "흡기", "배기" 의 단어는 괄호를 붙여서 나타내고 있다.
패턴 1 의 경우, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환점은 불꽃 점화 연소에서 흡기 행정 종료 후 압축 행정에 상당하는 타이밍이다. 이어서 배기 밸브 (12v) 가 개방되는 때에, 압축 착화 연소의 밸브 타이밍 및 밸브 리프트 특성에 대한 전환이 이루어진다 (배기 밸브 (12v) 또는 배기 밸브 (12v) 가 처음 전환되는 곳에서부터 전환이 이루어진다). 즉, 가변 밸브 작동 기구 (110) 의 제어 하에서의 전환 개시 후, (압축 착화 연소 용의 ) 저 리프트 캠이 배기용 캠으로 처음 기능한다. 패턴 1 로 동작하는 제 3 실린더에서, 전환 개시 후, 음의 오버랩 기간을 갖는 밸브 타이밍에서의 운전이 문제없이 행해진다 (도 3 의 패턴 1 참조). 본 발명의 실시형태에서, "최초로 전환된다"는 것은, "가변 밸브 작동 기구 (110) 에 의해 캠이 전환된다" 는 것으로 설명할 수 있다. 그러나 본 발명은 이러한 형태에 한정되지 않는다. 즉, "최초로 전환된다" 는 표현은, "가 변 밸브 타이밍 기구에 의해 밸브의 개폐 타이밍이 변경된다" 것도 된다. 또한, 상기 표현은 전술한 2 개의 의미를 모두 포함할 수 있다.
도 4 에서, 실선은 패턴 1 의 경우 전환 개시 직후의 제 3 실린더에서의 밸브 리프트 특성 (양, 타이밍) 을 나타낸다. 도 4 에 나타난 바와 같이, 패턴 1 에 따르면 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 밸브 타이밍 전환은, 배기 밸브 (12v) 를 시작으로 하여 행해진다. 따라서, 전환 개시 직후부터, 배기 밸브 (12v), 흡기 밸브 (11v) 는 압축 착화 연소의 밸브 타이밍으로 개폐된다 (후술하는 바와 같이, 엄밀하게는, 전환 개시 직후의 흡기 밸브의 리프트 타이밍은 정상 운전시의 리프트 타이밍보다는 진각되나, 이 진각은 도 4 에서는 생략하였다).
반면, 패턴 2 의 경우에는, 도 3 에 나타난 바와 같이, 전술한 전환점은 배기 행정에 상당하는 타이밍이고, 이어 흡기 밸브 (11v) 이 열리는 때에 압축 착화 연소의 밸브 타이밍 및 밸브 리프트 특성으로의 전환이 이루어진다 (흡기 밸브 (11v) 에서부터 전환이 이루어지는데, 다시 말해 흡기 밸브 (11v) 가 최초로 전환된다). 즉, 가변 밸브 작동 기구 (110) 의 제어 하에서 전환 개시 후, 최초로 (압축 착화용) 저 리프트 캠은 흡기용 캠에서부터 기능한다. (저 리프트 캠으로의) 전환 전에, 불꽃 점화 연소용 캠에 의해 배기 밸브 (12v) 는 개폐되고, 배기 밸브 (12v) 는 통상의 밸브 타이밍으로 동작한다 (도 3 의 실선 참조). 그리고 (저 리프트 캠으로의) 전환 직후에, 압축 착화 연소용 캠에 의해 흡기 밸브 (11v) 가 개폐한다 (도 3 의 실선 참조).
도 5 는 패턴 2 의 경우에서, 전환시 제 2 실린더에서 밸브 리프트 특성 (양, 타이밍) 을 나타내는 개략도이다. 도 5 는, 도 4 와 같이 동일 실린더의 연소 사이클 내에서의 밸브 리프트 특성을 나타낸다. 패턴 2 의 경우, 도 5 에서 저 리프트 캠으로의 전환 전에는 불꽃 점화 연소의 밸브 리프트 특성으로 배기 밸브 (12v) 가 개폐하고, 저 리프트 캠으로의 전환 직후에는 압축 착화 연소의 밸브 리프트 특성으로 흡기 밸브 (11v) 가 개폐하게 된다.
상세하게는 후술하겠으나, 도 5 에 나타난 바와 같이, 패턴 2 의 경우에는, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 기간 동안, 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개방 타이밍이 압축 착화 연소의 정상 운전시의 밸브 개방 타이밍 (도 5 의 2 점 쇄선 부분 참조) 보다도 진각된 상태가 되도록 캠 (11c) (가변 밸브 타이밍 기구) 이 제어된다.
(제어 방법)
이어서, 예혼합 압축 착화형 엔진 (1) 의 제어 방법에 대해, 도 2 를 참조하여 설명한다. 예혼합 압축 착화형 엔진 (1) 의 제어 방법을, ECU (5) 에 의한 예혼합 압축 착화형 엔진 (1) 의 제어라고 하는 형식으로 설명한다. 도 2 는, 패턴 2 의 경우 예혼합 압축 착화형 엔진 (1) 의 점화 타이밍 및 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개방 타이밍 (IVO) 을 나타낸 챠트이다. 도 2 의 횡축은 연소 사이클의 수를 나타낸다. 도 2 의 윗부분은 더 진각된 상태, 아래부분은 더 지각된 상태를 나타낸다. 도 2 로부터 점화 타이밍 및 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개방 타이밍의 각각에 대해서의 진각 양 및 지각 양을 알 수 있다 (즉, 도 2 를 보면, 점화 타이밍 및 흡기 밸브 (11v) 의 개방 타이밍 각각에 대한 진각 양 및 지각 양의 제어 가 서로 독립적으로 이루어진다는 것을 알 수 있다). 횡축의 사이클 수는 점화 타이밍과 밸브 개방 타이밍에 대해서 공통이 된다.
제 1 내지 제 4 실린더 중 하나 이상에서, 가변 밸브 작동 기구 (110) 에 의해 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 개시 후에 흡기 밸브 (11v) 가 최초로 전환되는 경우 (즉, 1 이상의 실린더가 패턴 2 에 따른다), ECU (5) 에 의해 이하에서 설명하는 것과 같이 제어된다. 이 경우, 패턴 2 의 밸브 타이밍을 갖는 하나 이상의 실린더가 있는지 아닌지 여부를 ECU (5) 가 인식할 필요가 있다. 이에 대해서, 예컨대, 엔진 운전자는 사전에 하나 이상의 실린더가 패턴 2 의 밸브 타이밍을 갖는다는 정보를 입력 장치 등을 사용해 ECU (5) 에 전달할 수 있다. 또는, 하나 이상의 실린더가 패턴 2 의 밸브 타이밍을 갖는지 아닌지 여부를 설치된 센서의 검출값 등을 통하여 ECU (5) 가 판단할 수도 있다. 본 발명의 실시형태에서, 제 2 실린더가 패턴 2 의 밸브 타이밍을 갖고, 이를 인식한 ECU (5) 는 이하와 같은 제어를 수행한다.
(흡기 밸브의 밸브 개방 타이밍에 대한 설명)
우선, 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개방 타이밍의 제어에 대하여 설명한다. 불꽃 점화 연소의 정상 운전시에는, 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개방 타이밍이 불꽃 점화 연소의 정상 운전시 요구되는 밸브 개방 타이밍 (진각 양) 과 일치하도록 캠 (11c) (가변 밸브 타이밍 구조) 이 제어된다 (도 2 의 (1) 참조). 즉, 이 제어는, 패턴 2 에 따른 밸브 타이밍을 갖는 실린더가 존재하지 않는 경우에 있어서도 동일하게 수행되게 된다.
이어서, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 개시 직전의 연소 사이클에서는, 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개방 타이밍이 불꽃 점화 연소의 정상 운전 시의 밸브 개방 타이밍보다 진각되도록 캠 (11c) (가변 밸브 타이밍 기구) 이 제어된다 (도 2 의 (2), (3) 참조). 후술하는 작동 지연 (타임 래그) 이 문제를 일으키기 때문에, 밸브 개방 타이밍은 전환 개시 전의 타이밍으로 일시적으로 진각된다.
작동 지연에 의한 문제에 대해 설명한다. 전환점에서 ECU (5) 로부터 (가변 밸브 작동 기구 (110) 에 대한) 전환 신호가 발신된 때, 상기 각각의 캠 (11c, 12c) 에서, 고 리프트 캠으로부터 저 리프트 캠으로의 전환이 이루어진다. 예를 들어, 불꽃 점화 연소의 정상 운전시의 밸브 개방 타이밍 (도 2 의 (1) 의 시기) 에서부터 직접 (전환 개시 전에 일시적으로 진각시키지 않고) 전환하려고 하는 경우에는, 우선, (가변 밸브 작동 기구 (110) 에 의해 고 리프트 캠으로부터 저 리프트 캠으로 전환하는 것으로) 압축 착화 연소의 정상 운전시의 밸브 개방 타이밍 (도 2 의 (7) 의 시기) 으로 전환하고, 그로부터 가변 밸브 타이밍 기구에 의해, 원하는 진각된 밸브 개방 타이밍 (도 2 의 (5) 의 시기) 으로 더 진각시킬 필요가 있다. 그러나 가변 밸브 타이밍 기구 등의 작동 지연이 있기 때문에, 밸브 개방 타이밍을 도 2 의 (7) 의 시기부터 도 2 의 (5) 의 시기까지 진각시키는 데는 시간이 오래 걸리고, 따라서, 흡기 가열 효과가 이 시간동안 발생한다. 따라서, 1 개의 연소 사이클에서 전환 개시 직전에 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개방 타이밍을 사전에 진각시켜서, (가변 밸브 작동 기구 (110) 에 의해) 전환 개시 후 에, 원하는 진각 상태를 직접 얻을 수 있다. 후술하는 바와 같이, 전환 개시 직후의 흡기 가열 효과를 저감할 수 있다.
불꽃 점화 연소의 정상 운전시의 밸브 개방 타이밍 (1) 과 전환 개시 전 최대 진각시의 밸브 개방 타이밍 (3) 과의 차는, 압축 착화 연소의 정상 운전시의 밸브 개방 타이밍 (7) 과 전환 개시 후의 최대 진각시의 밸브 개방 타이밍 (5) 과의 차와 같다. 이런 방식으로, (가변 밸브 작동 기구 (110) 에 의해) 전환 개시 직후에, 가변 밸브 타이밍 기구의 제어에 의해, 밸브 개방 타이밍이 적절하게 진각된 상태로 직접 이동될 수 있다. 이는, 후술하는 바와 같이, 가변 밸브 작동 기구 (110) 를 사용하여 고 리프트 캠에서 저 리프트 캠으로의 전환이 극히 단기간에 이루어지는 것에도 기인한다 (도 2 의 (4) 참조). 또한, 본 발명의 실시형태에는 이렇게 제어되지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시형태에서, 압축 착화 연소시의 음의 오버랩 기간이 있는 범위 내에서 (가변 밸브 타이밍 기구의 작동에 의해) 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개방 타이밍이 진각되도록 제어된다. 따라서, 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개방 타이밍은 최대 상사점 (배기 TDC) 의 위치까지 진각된다 (도 2 의 "진각 범위" 참조).
다음으로, (제 2 실린더에서, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소까지의 전화 개시 후에 흡기 밸브 (11v) 가 최초로 전환되므로) 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 기간에서, 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개방 타이밍이 압축 착화 연소의 정상 운전시의 밸브 개방 타이밍보다 진각된 상태가 되도록 캠 (11c) (가변 밸브 작동 기구 (110) 및 가변 밸브 타이밍 기구) 이 제어된다 (도 2 의 (7) 에 대 하여 (5) 참조). 구체적으로는, 전환점에서 ECU (5) 로부터 전환 신호가 발신되고, 상기 각각의 캠 (11c, 12c) (가변 밸브 작동 기구 (110)) 은 고 리프트 캠에서 저 리프트 캠으로 전환되도록 제어된다 (도 2 의 (4) 참조).
이러한 제어 방법으로 인해, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 기간에서, 하나 이상의 실린더 (본 발명의 실시형태에서 제 2 실린더) 에서 흡기 밸브 (11v) 로부터 전환이 이루어지는 경우에도, 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개방 타이밍이 진각되므로, 전환 개시 직후의 흡기 가열 효과를 저감시킬 수 있다. 결과적으로, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환이 흡기 밸브 (11v) 로부터 일어나는 경우 (패턴 2 의 경우) 에서도, 전환 기간에서 조기점화나 노킹을 억제할 수 있다.
전술한 바와 같이, (가변 밸브 타이밍 기구에 의해) 압축 착화 연소로 전환하기 직전의 불꽃 점화 연소시 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개방 시기는 불꽃 점화 연소의 정상 운전시의 밸브 개방 타이밍보다 진각된 상태가 되므로, (가변 밸브 작동 기구 (110) 에 의한) 전환 직후에, 압축 착화 연소의 정상 운전시 밸브 개방 타이밍보다 미리 정해진 양만큼 진각된 밸브 개방 타이밍이 직접 이동된다. 여기서, 가변 밸브 작동 기구 (110) 에 의해 고 리프트 캠에서 저 리프트 캠으로의 전환은 극히 단기간에 이루어지고, 이 캠 간의 전환에 필요한 기간의 길이는 도 2 에는 무시할 수 있는 정도이다. 따라서, 밸브 개방 타이밍은, 도 2 의 (4) 에 나타난 바와 같이 거의 수직으로 아래 방향 (지각 방향) 으로 이동한다. 따라서, 전환 개시 직후의 흡기 가열 효과를 효율적으로 저감시킬 수 있다.
이어서, ECU (5) 는 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 개시 후의 최초의 연소 사이클의 종료 후에 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개방 타이밍을 지각시키기 시작하고, 밸브 개방 타이밍을 압축 착화 연소의 정상 운전시의 밸브 개방 타이밍까지 지각시키기 위하여, 캠 (11c) (가변 밸브 타이밍 기구) 을 제어한다 (도 2 의 (5), (6), (7) 참조).
본래, 압축 착화 연소시에는, 연비를 향상시키기 위한 관점에서, 상사점 (TDC) 으로부터의 배기 밸브 폐쇄 타이밍의 진각양과 흡기 밸브 개방 타이밍의 지각양이 거의 같은 정도가 되는 것이 바람직하다 (내부 EGR 의 역류로부터 발생하는 펌프 손실을 줄이기 위함). 즉, 이 관점에서는, 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개방 타이밍을 지각시키는 것이 좋고, 밸브 개방 타이밍이 진각된 기간을 짧게 하는 것이 좋다. 다른 한편으로는, 예혼합 압축 착화형 엔진 (1) 에서, 조기 점화 억제를 위해 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개방 타이밍을 진각시킨다. 만약 밸브 개방 타이밍이 진각되는 기간이 너무 길면, (펌프 손실이 증가되어) 진각양에 따라 연비가 나빠지게 된다. 그러나 밸브 개방 타이밍이 진각되는 기간이 너무 짧으면, 흡기 가열 효과의 저감 효과를 충분히 얻을 수 없다. 따라서, 조기 점화의 발생을 억제하기 위해 필요한 최소한만 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개방 타이밍이 진각되고 그 후에는 가능한한 빨리 지각되어도, 조기 점화의 발생을 억제하는 한편, 연비의 악화를 최소한으로 억제할 수 있다. 또한, 본 발명은 이 제어에 한정되지 않는다. 예를 들어, 전환 개시 후 1 사이클 종료 후가 아니고, 전환 개시 후 2 사이클 종료 후에 밸브 개방 타이밍의 지각을 개시할 수도 있다.
그런 다음 압축 착화 연소로의 전환이 완료된다. 그 후에는 압축 착화 연소가 이루어진다 (도 2 의 (7) 참조). 도 2 의 (1) 의 경우와 같이, 패턴 2 의 밸브 타이밍을 갖는 실린더가 존재하지 않는 경우에도 같은 방식으로 제어된다.
(점화 타이밍에 대한 설명)
이어서, 점화 플러그 (60c) 의 점화 타이밍의 제어에 대해서 설명한다. 우선, 불꽃 점화 연소의 정상 운전시에는, 점화 타이밍이 불꽃 점화 연소의 정상 운전시의 요구 타이밍과 일치하도록, 점화 플러그 (60c) 가 제어된다 (도 2 의 (i) 참조). 이 제어는 또한 패턴 2 의 밸브 타이밍을 갖는 실린더가 존재하지 않는 경우에도 같은 방식으로 수행될 수 있다.
이어서, 연소실 (10) 내에서, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 개시 직전의 연소 사이클에서는, 점화 플러그 (60c) 에 의한 점화 시기를 압축 착화 연소의 정상 운전시의 점화 시기보다 지각시키도록, ECU (5) 는 점화 플러그 (60c) 를 제어한다 (도 2 의 (ii), (iii) 참조). 따라서, 흡기 가열 효과를 억제할 수 있다. 또한, 실린더 내 온도를 저하시켜서 조기 점화나 노킹의 발생을 보다 강력하게 억제할 수 있다. 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개방 타이밍의 진각 제어를 통한 흡기 가열 효과의 저감만으로 충분한 경우에는, 이러한 제어를 하지 않을 수도 있다.
이어서, (패턴 2 의 밸브 타이밍을 갖는 제 2 실린더가 있기 때문에) 연소실 (10) 내에서 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 개시 후 최초의 연소 사이클 중에서는, 점화 플러그 (60c) 는 점화를 하도록 제어된다 (도 2 의 (iv) 참 조). 전환점에서, 각각의 캠은 (불꽃 점화 연소용) 고 리프트 캠에서 (압축 착화 연소용) 저 리프트 캠으로 이미 전환이 되었으나, 실제로는 전환 개시 후의 1 연소 사이클 동안에는, 불꽃 점화 연소가 이루어진다 (도 2 의 (iv) 참조). 전술한 바와 같이, 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개방 타이밍의 진각 제어에 의해 흡기 가열 효과는 저감된다. 따라서, 흡기 가열 효과의 저감 작용이 너무 강하면, 전환 개시 직후의 최초의 연소 사이클에서 실화가 발생한다. 그러나 전술한 점화 플러그 (60c) 제어를 통해 전환 개시 직후의 실화의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 이러한 제어를 수행하지 않을 수도 있고, 전환 개시 후 최초의 1 연소 사이클만이 아니라 최초의 2 연소 사이클 (또는 그 이상의 연소 사이클) 동안 점화를 하는 것도 가능하다.
그 후, 점화 플러그 (60c) 에 의해 점화하지 않고, 압축 착화 연소로의 전환이 완료된다.
전술한 바와 같이, 예혼합 압축 착화형 엔진 (1) 은 전술한 예혼합 압축 착화형 엔진의 제어방법에 의해 제어된다. 그리고 예혼합 압축 착화형 엔진 (1) 은 2 종류의 상이한 밸브 타이밍 (패턴 1, 2) 을 갖는 (2 종류 이상의 밸브 타이밍을 포함하는 4 종류의 다른 밸브 타이밍을 갖는) 다수의 실린더를 갖는다. 그 2 종류의 밸브 타이밍 중 하나 (패턴 1) 에서, 배기 밸브 (12v) 가 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로 전환 개시 후에 최초로 전환된다. 2 종류의 밸브 타이밍 중 나머지 하나 (패턴 2) 에서, 흡기 밸브 (11v) 가 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로 전환 개시 후에 최초로 전환된다. 2 개의 패턴, 즉, 배기 밸브 (12v) 에서의 전환과 흡기 밸브 (11v) 에서의 전환이라는 패턴을 갖는 다수의 실린더를 갖는 예혼합 압축 착화형 엔진 (1) 에서, 전술한 바와 같이 점화를 제어하여 전환 기간에서 조기 점화나 노킹을 억제할 수 있다. 여기서 다수의 실린더는, 3 종류 이상의 밸브 타이밍을 가질 수도 있다.
다기통 엔진의 경우, 통상 하나의 실린더에서, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 개시 후에 흡기 밸브 (11v) 가 최초로 전환된다 (패턴 2). 그러나 하나의 실린더에서도 전환 개시 후에 흡기 밸브 (11v) 가 최초로 전환되지 않고 배기 밸브 (12v) 에서만 전환이 이루어지는 경우에는, 흡기 가열 효과가 발생하지 않고, 따라서 ECU (5) 는 전술한 바와 같이 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개방 시기의 진각 제어를 수행하지 않을 수도 있다.
(통상적인 제어를 수행하는 경우에 대한 설명)
본 발명의 실시형태에 따른 흡기 밸브의 진각 제어를 수행하지 않고, 통상적인 제어를 수행하는 경우, 다기통 엔진에서의 밸브 타이밍에 대하여 설명한다. 이 다기통 엔진에서, 본 발명의 실시형태와 마찬가지로 각 실린더의 밸브 타이밍은 서로 상이하다.
통상적인 제어를 수행하는 경우, 다기통 엔진에서 2 종류의 패턴 (패턴 1 및 패턴 2) 의 밸브 타이밍은 도 7 에 나타나 있다. 패턴 2 에 따른 경우 전환할 때의 밸브 리프트 특성은 도 8 에 나타나 있다. 도 8 에 나타난 바와 같이, 패턴 2 (흡기 밸브에서의 전환) 의 경우에는, (캠 간의) 전환 전에 불꽃 점화 연소의 정상 운전시 밸브 타이밍에서 배기 밸브가 개폐한다. 즉, 배기 밸브는 통상의 밸브 타이밍으로 작동한다 (도 8 의 실선 참조). 그리고 (캠 간의) 전환 직후에는, 흡기 밸브는 압축 착화 연소의 정상 운전시의 밸브 타이밍에서 개폐한다 (도 8 의 다른 실선 참조). 따라서, 흡기 밸브는 불꽃 점화 연소시보다도 늦게 개방하게 된다 (도 8 의 파선 참조). 따라서, 패턴 2 의 밸브 타이밍을 갖는 실린더 중 하나에서, 도 8 과 같은 밸브 리프트 특성에 따라 제어가 이루어지는 경우에는, 전환 기간 동안 흡기 가열 효과가 발생한다.
전술한 바와 같이, 패턴 2 에 따른 밸브 타이밍을 갖는 실린더에서 통상적인 제어를 한 경우의 실린더 내압은 도 9 와 같다. 도 9 의 횡축은 크랭크 각을 나타낸다. 0°의 크랭크 각은 압축 상사점을 나타낸다. 도 9 에 나타난 바와 같이, 불꽃 점화 연소 (SI) 시의 실린더 내압에 비해서 압축 착화 연소 (HCCI) 에서 제 1 사이클 에서의 실린더 내압이 높다. 제 1 연소 사이클에서 제 2, 3, 4 연소 사이클로 증가하게 됨에 따라, 실린더 내압은 높아진다. 압축 상사점 부근에서 피크 위치 내압의 증가가 특별히 두드러진다. 도 9 에서, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 후에, 흡기 가열 효과의 영향이 현저하게 되는 것을 알 수 있다. 이 현상이 조기 점화, 노킹의 원인이 된다.
(본 발명에 따른 제어를 수행하는 경우에 대한 설명)
도 3 및 도 5 는, 예혼합 압축 착화형 엔진 (1) 에서, 전술한 진각 제어가 이루어지는 경우의 밸브 타이밍을 나타내고 있다. 도 3 및 도 5 에 나타난 바와 같이, 패턴 2 의 밸브 타이밍을 갖는 제 2 실린더에서, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 기간 동안 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개방 타이밍은 압축 착 화 연소의 정상 운전시의 밸브 개방 타이밍 (도 3 의 파선 부분, 도 5 의 2 점 쇄선 부분 참조) 보다 진각된 상태가 된다 (도 3 의 실선 부분 및 화살표 (진각 (1)), 도 5 의 실선 부분 및 화살표 (진각) 참조). 따라서, 배기 밸브 (12v) 가 통상 밸브 타이밍으로 (압축 상사점 부근에서) 폐쇄되는 순간부터 흡기 밸브 (11v) 가 개방되는 순간까지의 기간을 짧게 할수 있다. 따라서, 밸브 개방 타이밍을 제어하지 않는 경우 (도 7 의 (B) 참조) 에 비해서, 흡기 가열 효과를 저감시킬 수 있다 (도 3 의 (C) 참조).
전술한 바와 같이, 가변 밸브 타이밍 기구에 의한 진각 제어는, 모든 실린더의 밸브 타이밍 및 불꽃 점화 연소와 압축 착화 연소 양방의 밸브 타이밍에 영향을 미친다. 도 2 에 나타난 바와 같이, 전환 기간의 전후에서도, 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개방 타이밍의 진각 제어를 수행한다. 따라서, 도 3 에 나타난 흡기 밸브의 밸브 타이밍 중에서, "진각 (1)", "진각 (2)", 및 "진각 (3)" 으로 상술하여 나타내는 것 외에도 (정상 운전 상태의 밸브 타이밍에 대하여) 진각된 다른 밸브 타이밍이 있다. 그러나 도 3 은 개략도이고 따라서 다른 진각된 밸브 타이밍에 대해서는 상술하지 않았다.
도 6 은 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 기간동안, 예혼합 압축 착화형 엔진 (1) 의 제 2 실린더에서의 실린더 내압을 나타낸다. 도 6 의 횡축은 크랭크 각을 나타낸다. 0°의 크랭크 각은 압축 상사점에 대응한다. 도 6 에 나타난 바와 같이, 불꽃 점화 연소 (SI) 시의 실린더 내압은 전환 개시 후의 최초의 연소 사이클 (제 1 사이클) 동안의 실린더 내압과 거의 비슷하다. 이는, 전환 개시 후의 최초의 연소 사이클 동안, 압축 착화 연소는 거의 행해지지 않고 점화 플러그 (60c) 에 의해 점화가 이루어지고 있기 때문이다 (도 2 의 (iv) 참조). 또한, 압축 착화 연소 (HCCI) 로의 전환 개시 후, 제 2 또는 제 3 사이클의 실린더 내압은, 불꽃 점화 연소 시의 실린더 내압 및 전환 후 제 1 사이클의 실린더 내압보다는 증가하지만, 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개방 타이밍을 진각 제어하지 않는 도 9 의 경우와 비교해서는, 실린더 내압은 감소한다. 구체적으로는,도 6 의 압축 상사점 부근의 피크 위치에서 최대 실린더 내압은 60 bar 이하이지만, 도 9 에서는 90 bar 정도가 된다. 도 6 과 도 9 를 비교하면, 실린더 내압은 도 9 의 경우 더 많이 감소한다. 이상의 설명으로부터, 본 발명에 따른 예혼합 압축 착화형 엔진 (1) 및 그 제어 방법을 사용하여, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 후의 흡기 가열 효과의 영향이 저하되고, 조기 점화나 노킹의 발생이 제어됨을 알 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명했으나, 본 발명은 전술한 실시형태에 한정되지 않고, 특허 청구 범위에 정의된 범위 내에서 여러 가지 변경 실시예를 포함한다.
예를 들어, 가변 밸브 타이밍 기구의 작동시 타임 래그가 없는 경우에는, 전환 전의 사이클에서 진각시키지 않고, 전환과 거의 동시에 흡기 밸브 (11v) 의 밸브 개방 타이밍을 진각시킬 수도 있다.
또한, 불꽃 점화 연소 및 압축 착화 연소의 전환시, 캠 간의 전환 없이 오직 밸브의 개폐 타이밍만 변경할 수도 있다.

Claims (6)

  1. 하나 이상의 실린더;
    연소실;
    흡기 밸브; 및
    배기 밸브를 갖고,
    불꽃 점화 연소와 압축 착화 연소 간을 전환하며 작동되는 예혼합 압축 착화형 엔진의 제어 방법으로서,
    압축 착화 연소의 정상 운전시에는 압축 상사점에 대하여 배기 밸브가 더 빨리 닫히고 흡기 밸브는 더 늦게 열리는 음의 오버랩 기간을 갖도록 흡기 밸브와 배기 밸브의 개폐를 제어하고,
    동일 실린더 내에서, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 전의 배기 밸브의 밸브 폐쇄 타이밍이 전환 후의 배기 밸브의 밸브 폐쇄 타이밍보다 지각되도록 제어하고,
    불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 개시 후 흡기 밸브가 최초로 전환되는 경우에는, 상기 흡기 밸브의 밸브 개방 타이밍이 상기 압축 착화 연소의 정상 운전시의 밸브 개방 타이밍보다 진각되도록 제어하는, 예혼합 압축 착화형 엔진의 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 예혼합 압축 착화형 엔진은 점화 플러그를 더 포함하고,
    불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 개시 후에 흡기 밸브가 최초로 전환되는 경우에는, 연소실 내에서 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 개시 후 적어도 첫번째 연소 사이클 동안에는, 점화 플러그를 통해 점화하는 것을 더 포함하는, 예혼합 압축 착화형 엔진의 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    예혼합 압축 착화형 엔진은 점화 플러그를 더 포함하고,
    연소실 내에서, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 개시 직전의 연소 사이클 동안에는, 점화 플러그에 의한 점화 타이밍을 압축 착화 연소의 정상 운전시의 점화 타이밍보다 지각시키는 것을 더 포함하는, 예혼합 압축 착화형 엔진의 제어 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 개시 후에 흡기 밸브가 최초로 전환되는 경우에는, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 개시 후의 최초의 연소 사이클의 종료 후, 흡기 밸브의 밸브 개방 타이밍을 지각시키기 시작하고, 해당 밸브 개방 타이밍을 압축 착화 연소의 정상 운전시의 밸브 개방 타이밍까지 지각시키는 것을 더 포함하는, 예혼합 압축 착화형 엔진의 제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 개시 후에 흡기 밸브가 최초로 전환되는 경우에는, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 개시 직전의 연소 사이클에서, 흡기 밸브의 밸브 개방 타이밍을 불꽃 점화 연소의 정상 운전시의 밸브 개방 타이밍보다도 진각시키는 것을 더 포함하는, 예혼합 압축 착화형 엔진의 제어 방법.
  6. 2 이상의 상이한 종류의 밸브 타이밍을 갖는 다수의 실린더를 포함하고,
    상기 2 종류의 밸브 타이밍 중 하나의 경우에는, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 개시 후에 배기 밸브가 최초로 전환되고,
    상기 2 종류의 밸브 타이밍 중 다른 하나의 경우에는, 불꽃 점화 연소에서 압축 착화 연소로의 전환 개시 후에 흡기 밸브가 최초로 전환되는,
    제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 예혼합 압축 착화형 엔진의 제어 방법에 의해 제어되는 예혼합 압축 착화형 엔진.
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