KR20100055418A

KR20100055418A - 다중 모드 2행정/4행정 내연기관

Info

Publication number: KR20100055418A
Application number: KR1020107003229A
Authority: KR
Inventors: 성배 박; 자심 아메드; 한호 송; 알렉산더 코직; 장 피에르 하스아웃; 마르틴 라우스셔; 존 에프. 크리스텐센
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2007-08-14
Filing date: 2008-07-08
Publication date: 2010-05-26
Also published as: CN101779029A; CN101779029B; EP2188512A1; US7481185B1; WO2009023388A1; JP2010537102A; US20090048756A1

Abstract

다중 모드의 2행정/4행정 내연 기관 작동에서, 연소 빈도가 2배가 되도록 엔진 행정을 4행정 작동에서 2행정 작동으로 스위칭함으로써, 사이클당 동일한 작업 출력에서도 2배의 엔진 동력이 달성된다. 매우 높은 동력의 수요를 충족시키기 위해서, 엔진은 미리 설정된 레벨의 동력 및 크랭크 속도 요건에서 2행정 HCCI 작동으로부터 전이된 4행정 부스트형 SI 작동으로 작동한다. 다중 행정(2행정 HCCI 및 4행정 HCCI)과 다중 모드 작동(2행정 HCCI 및 4행정 부스트형 SI 작동)을 결합시킴으로써, 최소의 NOx 배출을 가지면서 충분한 부하 범위 및 전반적인 고효율성이 달성된다.

Description

다중 모드 2행정/4행정 내연기관{MULTI-MODE 2-STROKE/4-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 출원은 "다중 모드 2행정/4행정 내연 기관(MULTI-MODE 2-STROKE/4-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE)"이라는 제목으로, 2007년 8월 14일자로 출원되고, 참조로서 전체 내용이 본 명세서에 통합되는, 미국 출원 제11/893,298호를 우선권 주장한다.

본 발명은 효율성 및 동력을 최대화하면서 배출을 최소화하는 다중 모드 2행정/4행정 내연기관의 작동에 관한 것이다.

미국에서 승용차에 광범위하게 사용되는 스파크 점화(SI) 엔진은, 특히 스로틀링(throttling)으로 인한 부분 부하(partial load)에서, 압축 점화(CI) 엔진 또는 디젤 엔진에 비하여 낮은 효율성을 갖는다. 그러나, CI 엔진은 그 연소 특성으로 인하여 높은 미립자 및 NOx 배출 특징을 나타낸다. 최근에, 균일 예혼합 압축 점화(Homogeneous Charge Compression Ignition: HCCI) 엔진이 도입되었고, 이것은 디젤 연료뿐만 아니라 가솔린 연료를 이용하는 유용성을 가지면서, 최소의 미립자 및 NOx 배출 특징뿐만 아니라 CI 엔진에 필적하는 고효율성을 갖는다.

HCCI 엔진에서는, 스파크 플러그 또는 고압 분사기가 연료의 점화의 초기에 사용되지 않고, 대신에, 압축 행정의 말기에서의 (가솔린이든 디젤이든 간에) 연료와 공기 혼합물의 자동 점화는 행정의 초기에 상승된 시동 온도를 제공함으로써 달성된다. 이 상승된 온도는 흡입 공기를 가열시키거나 이전 사이클로부터의 배기 가스를 이용하는 2가지 방식으로 대부분 달성된다. 후자의 시스템에서, 하나의 방식은 밸브 타이밍을 변화시킴으로써 이전 사이클로부터의 가열 배기 가스를 재유도하거나 포획할 수 있다.

HCCI 엔진 내에 포획된 배기 가스의 양은 실린더 내부의 전체 가스의 중량에서 일반적으로 약 50%이다. 이 배기 가스는 연소 이전에 혼합물 온도를 상승시키지만, 실제로는 희석 효과로 인하여 연소 후에 정점 온도(peak temperature)를 감소시킨다. 결과적으로, 가스 온도에 지수적으로(exponentially) 비례하는 NOx 배출은, 종래의 SI 또는 CI 엔진에서의 NOx 배출보다 약 두 자릿수 더 낮다. 하나의 방식은 이상적인 오토 사이클(Otto cycle)에 근접한 흡기 매니폴드 및 연소 형상의 디스로틀링(dethrottling)으로 인하여 CI 엔진에 필적하는 고효율성을 또한 달성할 수 있다.

그러나, 한정된 작업 출력은 HCCI 작동에서 주된 도전들 중 하나이고, 이 한정은 실린더 내의 혼합물의 높은 희석에 의해 야기된다. 가열 배기 가스와의 희석은 자동 점화를 달성하기 위해서 혼합물 온도를 증가시키도록 요구될 뿐만 아니라 높은 압력 상승률을 한정하도록 요구되며, 이것은 그렇지 않았더라면 엔진 구성요소에 해로울 것이다. 이 경우에, 실린더의 거의 절반은 배기 가스로 채워지고, 이는 동일한 엔진 체적의 SI에서의 작업 출력에 비하여 작업 출력의 대략 절반을 생성하도록 초래한다.

부하 한정을 극복하기 위해서, 현재 상태의 기술은 HCCI/SI의 하이브리드(hybrid) 또는 부스트형 HCCI(boosted HCCI)를 이용한다. 하이브리드 접근법에서, SI가 열악한 효율성을 갖는 낮은 부하가 요구될 때 SI로부터 HCCI로의 모드 스위칭(mode switching)이 실행된다(예를 들어, 미국 특허 제6,390,054 B1호 및 제6,742,494 B2호 참조). 그러나, 이 경우에, HCCI 작동의 배출 및 효율성 이점이 높은 부하 범위의 매개물에서 상실되고, 모드 스위칭에서의 HCCI의 과도 연소 제어(transient combustion control)는 현재의 연구 및 산업에서 이해하기 어려운 문제가 아니다. 두 번째로, 부스트형 HCCI는 높은 동력을 제공할 수 있지만, 빠른 연소율로부터의 높은 압력 상승률로 인하여 연소가 노이즈(noisy)가 많고 해롭기 때문에 또한 한정된다.

본 발명의 목적은 효율성 및 배출 장점을 희생시키지 않으면서 HCCI 작동의 광범위한 부하 범위를 달성하는 내연 기관을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 원활한 전이(smooth transition)를 하면서 아주 높은 부하 범위를 달성하고 높은 효율성을 유지하는 내연 기관을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, HCCI의 본질적인 부하 한정은, 연소 빈도가 두 배가 되도록 엔진 행정을 4행정("4S")에서 2행정("2S")으로 스위칭함으로써 극복되며, 그에 따라 심지어 사이클마다 동일한 작업 출력에서도, 엔진은 종래의 SI/CI 엔진에서의 동력에 필적하는 동력을 배가할 수 있다. 4S HCCI에서 4S SI로의 모드 스위칭이 행해질 때 본 발명의 이러한 행정 스위칭이 유사한 동력 범위 부근에서 발생하지만, 배출과 효율성에서 차이가 있다. HCCI 작동은 2S 작동에서도 본질적으로 깨끗하고 효과적인 연소이다. 부가적으로, 같은 연소 방식들 사이에서의 행정 스위칭은 다른 방식들 사이에서의 모드 스위칭보다 훨씬 단순하고 원활하다. 결과적으로, 행정 스위칭은 모드 스위칭보다 우월하다.

2S HCCI 모드를 작동하기 위해서, 이하들이 요구된다. 즉, 첫 번째는 2S 내지 4S HCCI 사이에서의 행정 스위칭을 위해 다른 밸브 프로파일에서 작동하는 캠 페이저(cam-phaser) 또는 전자 유압 밸브 시스템(Electro-Hydraulic Valve System: EHVS)과 같은 가요성 밸브 시스템이다. 두 번째로는 2S 작동을 위한 급속 가스 교환을 가능하게 하는 흡기 매니폴드를 부스트(boost)시키는 슈퍼 차저(super charger) 또는 슈퍼 차저와 터보 차저(turbo charger)의 조합이다. 2S HCCI에서, 대부분의 배기 가스가 다음의 사이클에서 사용되기 때문에, 완전한 소기(scavenging)가 필요하지 않으며, 이것은 예를 들어 미국 특허 제5,007,382호에서 알 수 있는 바와 같이 2S 작동을 위한 추가적인 흡기 시스템을 갖는 4S/2S SI의 하이브리드에서보다 시스템 및 제어를 더욱 단순하게 한다는 것을 주목할 만하다. 본 발명에서, 급속 가스 교환 공정을 위한 유동 이동을 향상시키기 위해서 흡기 밸브에서의 약간의 수정이 요구될 수 있다. 마지막으로, HCCI 연소를 정확하게 제어하고 2S 작동에서 흡기 충전의 단락(short-circuiting of the intake charge)을 방지하기 위해 직접 분사 시스템이 요구된다.

아주 높은 동력의 요구를 충족시키기 위해서, 본 발명에서의 엔진은 미리 설정된 레벨의 동력 및 크랭크 속도 요건에서 2S HCCI로부터 전이된 4S 부스트형 SI로 작동한다. 가요성 밸브 시스템을 구비하면서, 슈퍼 차저 또는 터보 차저와 결합된 슈퍼 차저 및 직접 분사 시스템은 2S HCCI로부터 4S 부스트형 SI로의 원활한 전이에 대한 완전한 제어성을 허용한다. 4S 부스트형 SI는 본 발명에서 2S HCCI 작동보다 40-80%까지의 더 많은 동력을 발생시킨다. 요약하면, 다중 행정(2S HCCI 및 4S HCCI) 및 다중 모드 작동(2S HCCI 및 4S 부스트형 SI)을 결합함으로써, 종래의 SI 또는 SI/HCCI 방식과 비교하여, 최소의 NOx 배출을 가지면서 충분한 부하 범위 및 전체적인 고효율성이 달성될 수 있다.

도 1a는 종래의 다중 모드 작동에 대한 엔진 출력 대 엔진 속도의 그래프를 도시한다.
도 1b는 본 발명에 따른 다중 모드/다중 행정 작동에 대한 엔진 출력 대 엔진 속도의 그래프를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 작동을 실행하기 위한 엔진 시스템의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 4S HCCI, 2S HCCI 및 4S SI 각각을 위한 밸브 타이밍 다이어그램을 도시한다.
도 4는 4S SI, 4S HCCI 및 2S HCCI를 위한 동력, 효율성, 일산화질소 배출 및 일산화탄소 배출 특성들을 도시한다.
도 5는 4S HCCI 및 2S HCCI 작동의 실험 데이터로부터 계산된 열 방출률(heat release rate) 및 압력 트레이스(pressure trace)를 도시한다.

도 1a 및 도 1b는 출력 대 엔진 속도의 견지에서 모드 스위칭과 모드/행정 스위칭 사이의 엔진 작동 방식의 비교를 도시한다. 도 1a는 종래의 4S SI/HCCI 다중 모드 방식을 나타낸다. 낮은 출력에서, 종래의 SI 엔진은 주로 흡기 스로틀링으로 인한 낮은 효율성을 갖는다. 전형적인 HCCI 엔진은 광폭 개방 스로틀(wide-open-throttle)을 사용하여 잔류 비율(residual fraction, RF)이라 칭하는, 배기 가스와 새로운 충전(fresh charge) 사이의 비율을 변화시킴으로써 출력을 제어한다. 거의 일정한 체적 연소 공정과 결합된 이러한 디스로틀링은 낮은 동력에서 HCCI 작동의 고효율성을 초래한다. 효율성 이점에 부가하여, HCCI 엔진은 상술한 바와 같이 희석 효과로부터 NOx 배출을 최소화한다. 이러한 이유로, 다중 모드 엔진은 낮은 출력 영역에서 4S HCCI로 작동된다. 다른 한편으로, 높은 동력 한정에서, HCCI 작동에서의 RF는 충분한 새로운 충전을 제공하도록 감소되어야 하고, 이것은 배기 가스의 낮은 희석으로 인한 높은 열 방출률과 높은 정점 압력 및 온도를 초래하며, 이는 엔진에 매우 해롭다. 그러므로, 4S HCCI에서 4S SI로의 모드 스위칭은 동력 수요가 증가할 때 동력 요건을 충족하도록 실행된다. 고출력에서, SI 작동은 스로틀링의 레벨을 강하시킴으로써 효율성을 회복시키지만, SI 이상의 HCCI의 배출 이점 및 효율성은 여전히 희생된다. 높은 엔진 속도에서, 4S HCCI 작동은 증가된 포획 가스 온도로 인하여 한정되어서 연소 동안 빠른 열 방출을 갖는다. 이것은 4S HCCI의 높은 엔진 속도 한정을 설정하고, 엔진은 낮은 출력에서도 4S SI로 작동된다. 결과적으로, 흡기 스로틀링은 필연적이며, 다중 모드 엔진은 이 작동 영역에서 낮은 효율성을 갖는다.

도 1b는 다중 모드 및 다중 행정 작동 방식을 결합하는 본 발명의 작동 방식을 도시한다. 낮은 출력과 로우-투-미디엄(low-to-medium) 엔진 속도에서, 엔진은 종래의 다중 모드에서와 같은 이유로 4S HCCI로 주행한다. 중간 또는 높은 동력이 요구될 때, 엔진은 4S SI 대신에 2S HCCI로 스위치된다. 2S HCCI에서의 작동은 4S SI를 이용하는 것 이상의 2개의 장점들을 갖는다. 첫 번째로, 2S HCCI에서의 연소 빈도를 배가하는 것은 4S SI에 필적할 출력을 생성하면서도, HCCI 작동의 낮은 NOx 배출 및 고효율성의 이점이 유지된다. 두 번째로, 행정 스위칭이 모드 스위칭보다 더욱 원활하게 달성될 수 있다. 배기 가스의 온도 범위는 4S HCCI 및 2S HCCI에서 유사하지만, 전형적인 4S SI는 200-300도 더 높은 배기 온도를 갖는다. HCCI 단계(phasing)가 포획 가스의 온도에 민감하다는 것을 고려하면, 행정 스위칭은 모드 스위칭보다 원활한 과도(transient) 작동을 달성한다. 또한, 2S HCCI는 적당한 열 방출률을 가지면서 높은 엔진 속도 범위를 커버할 수 있다. 2S 작동에서, 혼합물은 짧은 가스 교환 공정 및 압축 행정으로 인하여 완전히 혼합될 충분한 시간을 갖지 못하므로, 이러한 적은 균일 혼합물은 4S HCCI에서보다 느린 열 방출을 초래하여 2S HCCI로 하여금 고속에서 작동하는 가능한 해결책을 달성한다. 또한, 아주 높은 동력 및 엔진 속도 요건을 위하여, 출력의 높은 한정이 2S HCCI 작동 이상으로 확장될 수 있도록 엔진이 4S 부스트형 SI 작동으로 스위치될 수 있다. 이 모드 스위칭은 가요성 밸브 타이밍 및 흡기 부스트 시스템으로 인하여 또한 쉽게 가능하다. 결과적으로, 본 발명에 따르면, HCCI의 배출 이점 및 효율성은 다중 모드 방식의 전형적인 작동 범위에서 이용될 수 있고, 4S 부스트형 SI 작동은 작동 범위를 높은 동력 및 속도 영역으로 확대한다.

도 2는 본 발명에 따른 예시적인 엔진 시스템의 블록도를 도시한다. 다중 모드/다중 행정 작동을 위한 가능한 기술들은 EHVS(또는 캠 페이저)(3)와, EHVS 제어기(4)와, 유압 공급부(13)와, 직접 분사기(9)와, 슈퍼 차저(10), 압축기(11) 및 터빈(12)의 조합과 같은 가변식 밸브 작동부를 포함한다. 또한, 전자 제어 유닛(ECU)(5)은 동력 수요 및 엔진 속도를 모니터하여, 미리 설정된 작동 맵에 따라 4S HCCI, 2S HCCI 및 4S 부스트형 SI 중에 최적의 연소 방식을 결정한다. 행정/모드 스위칭을 위한 피스톤 위치 및 엔진 속도의 정보는 크랭크축에 연결되는 증분 인코더(incremental encoder)(6)로부터 전송된다. 내부-실린더 압력 트레이스(in-cylinder pressure trace)는 압력 변환기 또는 이온 센서(7)에 의해 측정되고 ECU(5)에 의해 모니터된다. 압력 신호로부터, ECU(5)는 현재 작동 조건의 연소 단계를 위치시키고, 밸브 타이밍 또는 연료 분사 타이밍을 변화시킴으로써 연소 타이밍의 피드백 제어를 수행한다. 람다 센서(14)에서의 측정은 불발(misfire) 정보를 제공하여, 도 2에서 도시되지 않은 흡기 및 냉각제 온도 센서가 실제 환경 작동으로부터 방해물을 거부하도록 피드백 신호를 제공하도록 사용된다.

도 3a, 도 3b 및 도 3c는 다른 연소 방식을 위한 밸브 타이밍 다이어그램, 즉 배기 밸브 타이밍 및 흡기 밸브 타이밍을 도시한다. 도 3a, 도 3b 및 도 3c에서, SOI는 분사의 시작을 나타내고, BDC는 하사점을 나타내고, TDC는 상사점을 나타낸다. 연소 TDC는 "TDC" 및 "연소"를 명시적으로 칭하는 것이지만, 흡기 TDC는 단순히 "TDC"로 칭한다. 도 3a, 도 3b 및 도 3c에서는, 엔진의 2회전, 즉 720 크랭크 각도(crank angle degree: CAD) 작동이 도시된다.

도 3a는 4S HCCI를 위한 밸브 타이밍을 도시한다. 배기 가스의 일정량을 포획하기 위해서, 배기 밸브는 TDC 이전에 폐쇄되고, 흡기 밸브는 TDC 이후에 개방된다. 네거티브 밸브 오버랩(negative valve overlap: NVO)이라고 칭하는 밸브 오버랩은 없다. 도 3a에서 횡방향 화살표로 도시된 바와 같이, 배기 밸브 폐쇄 타이밍(EVC) 및 흡기 밸브 개방 타이밍(IVO)은 다음의 사이클에서 RF로 변화하도록 대칭적으로 조정되며, 즉 EVC가 이르면 이를수록, RF는 더 높아진다. 연료는 IVO 이후에 분사되지만, 이것은 출력 및 연소 단계 요건을 충족하도록 가요성 있게 변화될 수 있다. 압축 행정의 말기에서, 연소 단계는, 적색으로 도시된 바와 같이, TDC 가까이에서 일어난다. 도 3a에 도시된 밸브 타이밍 및 분사 방식은 4S HCCI의 하나의 예시적인 실시예를 나타낸다. 늦은 흡기 밸브 폐쇄와 같은 다른 밸브 방식과 다중 분사 방식과 같은 다른 분사 방식을 갖는 다른 실시예들이 가능하다.

도 3b는 2S HCCI 작동을 위한 밸브 타이밍을 도시한다. 회전당 하나의 연소 결과가 있고, 이것은 4S 작동에서보다 빈도를 배가하는 것임을 알 수 있어야 한다. 배기 밸브는 팽창 행정 동안 개방되고, BDC 이후에 폐쇄된다. 흡기 밸브는 EVO 이후에 개방되고, 압축 행정의 중간에서 폐쇄된다. 그러므로, 2S HCCI 작동에서 밸브 오버랩은 있으며, 그것은 소기가 발생할 때이다. 밸브 오버랩의 크기는 출력을 제어하도록 사용되며, 즉, 밸브 오버랩이 많을수록, 공기 유동은 더욱 높은 소기로 인하여 증가하여, 출력이 증가할 것이다. HCCI 작동이 실린더 내부에 남아있는 상당량의 타버린 가스(burnt gas)를 요구하기 때문에, 완전한 소기가 일어날 필요는 없으며, 이것은 완전한 소기가 항상 2S 작동의 문제였기 때문에 시스템을 더욱 단순하게 한다.

흡기 부스트 시스템은 압축 행정 동안 흡입 공기의 효과적인 소기 및 운반을 위하여 요구된다. IVC는 흡기 부스트 압력에 대한 필요성을 최소화하도록 최적화되어서, 주어진 조건에서 전체적인 시스템 효율성을 최대화시킨다. 예를 들어, 이른 IVC는 열악한 충전 효율성을 초래하고, 늦은 IVC는 흡기 매니폴드 내로 혼합 가스의 역류(backflow)를 유도하며, 이것은 다음의 사이클에서 혼합 조성물의 불확실성을 초래한다. 2S HCCI 작동을 위한 연료는 배기 포트로의 연료 누출을 방지하도록 EVC 이후에 실린더 내로 직접 분사된다. 분사 타이밍 및 지속 시간(duration)은 최적의 연소 단계가 실행되는 것을 보장하도록 최적화되어야 한다. 또한, 나머지 밸브 타이밍을 제어함으로써 효율성, 배출 및 동력을 최적화할 수 있다.

도 3c는 4S 부스트형 SI를 위한 밸브 타이밍을 도시한다. 이 밸브 타이밍은 가스 교환 동안의 밸브 오버랩, 흡기 행정 동안의 분사, 및 TDC 이전의 스파크 점화를 포함하는 4S DISI(직접 분사 스파크 점화)의 전형적인 밸브 타이밍에 대해 일부 유사점들을 갖지만, 차이점은 흡기 행정이 출력 및 IVC를 증가시키는 부스트 압력을 갖고, 스파크 타이밍 및 사출 타이밍이 전형적인 DISI 엔진에서보다 높은 부스트 압력 및 압축비를 일어나게 하는 노킹(knocking)을 방지하도록 조정되어야 한다는 점이다.

동력 및 속도 요건에 따른 행정/모드를 스위칭하기 위해서, 상술한 밸브 타이밍뿐만 아니라 스파크 점화, 흡입 공기의 부스트 및 분사 타이밍은 미리 설정된 구성으로 변화된다. 이 스위칭은 엔진이 다음의 사이클에서 다른 행정/모드 작동을 위해 준비되도록 허용하기 때문에 연소 상사점(TDC)에서 실행되어야 한다. 각각의 모드에서의 상세한 작동은 이하에서 설명된다.

4S HCCI 작동에서, 배기 가스는 NVO 동안 포획되어 신선한 공기 및 연료와 혼합된다. 포획된 가스는 초기 혼합물 온도를 상승시켜서, 혼합물이 압축 행정의 말기에서 점화될 것이다. 출력을 변화시키기 위해서, RF는 NVO의 지속 시간을 조정함으로써 변화되고, 연소 단계는 분사 타이밍에 의해 제어된다. 슈퍼 차저 및 터보 차저와 스파크 점화 시스템은 이 작동에서 꺼진다.

연소 모드가 2S HCCI로 스위칭될 때, 슈퍼 차저 및 터보 차저가 작동된다. 이 슈퍼 차징 및 터보 차징 조합은 엔진의 전체적인 효율성을 최적화하도록 구성된다. 예를 들어, 배기에서 이용가능한 에너지가 충분하지 못한 낮은 엔진 속도에서는 슈퍼 차저가 주로 작동되는 반면에, 높은 속도에서는 슈퍼 차저 및 터보 차저 양쪽 모두가 흡입 공기를 부스트하도록 작동된다. 슈퍼 차저와 터보 차저 사이의 작동의 정확한 균형은 엔진 작동 조건에 좌우된다. 인터쿨러(intercooler)는 부스팅 시스템의 효율성을 증가시키도록 포함될 수 있다. 엔진 출력은 밸브 오버랩의 지속 시간, 즉 소기의 범위에 의해 제어된다. 짧은 가스 교환 공정으로 인하여, 2S HCCI는 주기적인 변형에 더욱 민감할 수 있고, 이것은 연소 결과에 대한 피드백 제어를 필요로 한다. 연소 제어는 2개의 인자, 즉 효율적인 압축비를 결정하는 IVC와, 혼합물의 균일성에 영향을 미치는 분사 타이밍에 의해 달성된다.

4S 부스트형 SI 작동에서, 슈퍼 차저 및 터보 차저는 높은 엔진 출력을 달성하도록 충분하게 작동된다. 터보 차저가 2S HCCI 작동에서 이미 켜져 있기 때문에, 터보 래그(turbo lag)는 2S HCCI 작동과 4S 부스트형 SI 작동 사이의 전이에서 최소화된다. HCCI 작동을 위한 높은 기하학적(geometric) 압축비로 인하여, 전형적인 4S SI 작동은 높은 확률의 노킹을 갖는다. 이 문제를 해결하기 위해서, 효과적인 압축비를 낮추거나 층을 이루는(stratified) 지연식(delayed) IVC와 직접 연료 분사에 의한 리너 연소(leaner combustion)가 채용된다.

도 4는 실험실에서 단일 실린더 엔진의 다중 행정 작동에서의 수행 비교들을 도시한다. 기하학적 압축비는 13이고, 엔진은 고정된 1,000 RPM에서 작동하고 있다. SI-EHVS라는 데이터는 동일한 엔진 구성으로 4S SI의 전형적인 작동으로부터 칭해져서, 기준으로 제공된다. "순 지시 동력(net indicated power)" 비교의 차트에서 도시된 바와 같이, 4S SI의 출력은 4S HCCI만큼 낮은 출력으로부터 2S HCCI만큼 높은 출력으로 변화된다. HCCI 작동을 위하여, 연소 동안의 정점 압력의 각도는 작업 출력을 최대화하도록 연소 TDC 이후의 10 CAD 부근이 되도록 조정된다.

도 4에서, 종래의 4S HCCI는 4S SI에 비해 훨씬 낮은 NOx 배출과 고효율성을 갖지만, 출력의 범위가 특히 높은 한정으로 매우 한정되어 있다. 2S HCCI는 고효율성 및 낮은 NOx 배출을 유지하면서 연소 빈도를 배가함으로써 이러한 동력 한정을 극복한다. 결과적으로, 2S HCCI 작동은 고효율성 및 낮은 배출을 갖는 4S SI에 필적하는 동력 요건을 커버할 수 있다. 도 4에서 반영된 특정한 실험에서, 일산화탄소 배출은 4S SI에서보다 HCCI 작동에서 또한 낮아진다.

도 5에서, 압력 트레이스 및 계산된 열 방출률이 도시되어 있다. 선택된 데이터 지점들은 2S HCCI 모드 및 4S HCCI 모드로부터 IMEP의 대략 4 바아에 대응한다. 4S HCCI는 훨씬 빠른 열 방출률 및 높은 정점 압력을 갖는다는 것이 명백하다. 도 5에서의 데이터 지점들은 단지 하나의 특정한 예를 나타내지만, 유사한 연소 특징은 본 명세서에서 도시되지 않은 다른 실험적 데이터에서 관찰된다. 이것은 2S HCCI가 짧은 가스 교환 기간으로 인하여 적은 균일 혼합물을 갖는다는 상술한 진술에 밀접하게 관련되고, 이는 느린 열 방출률을 초래한다. 느린 연소율은 높은 엔진 속도 작동을 가능하게 하며, 4S HCCI는 높은 열 방출률을 갖는다.

본 발명이 예시적인 실시예 및 예시적인 방법에 관련하여 위에서 기술되었지만, 본 발명은 이러한 예시적인 실시예 및 방법에 한정되지 않으며, 본 발명은 수정, 변화 및/또는 대체가 본 발명의 범위 내에서 포함되도록 의도된다.

Claims

피스톤을 갖는 엔진 실린더를 포함하는 내연 기관을 작동시키는 방법이며,
제1 출력 한계치 및 제1 엔진 속도 한계치에 의해 형성된 상부 경계를 갖는 제1 특징 엔진 작동 영역을 위한 4행정 엔진 사이클의 균일 예혼합 압축 점화 엔진 작동을 제공하는 단계와,
제2 출력 한계치와 제2 엔진 속도 한계치에 의해 형성된 상부 경계를 갖는 제2 특징 엔진 작동 영역을 위한 2행정 엔진 사이클의 균일 예혼합 압축 점화 엔진 작동을 제공하는 단계와,
제3 출력 한계치와 제3 엔진 속도 한계치에 의해 형성된 상부 경계를 갖는 제3 특징 엔진 작동 영역을 위한 4행정 엔진 사이클의 부스트형 스파크 점화 엔진 작동을 제공하는 단계를 포함하며,
제2 출력 한계치는 제1 출력 한계치보다 크고, 제2 엔진 속도 한계치는 제1 엔진 속도 한계치보다 크고,
제3 출력 한계치는 제2 출력 한계치보다 크고, 제3 엔진 속도 한계치는 제2 엔진 속도 한계치보다 크며,
제1 특징 엔진 작동 영역, 제2 특징 엔진 작동 영역 및 제3 특징 엔진 작동 영역은 순차적으로 연속되는
내연 기관 작동 방법.
제1항에 있어서,
내연 기관은 실린더 내의 피스톤 위치에 대하여 독립적으로 타이밍 및 이동 프로파일들을 실행하도록 구성된 완전 가변식 밸브를 구비한 밸브 시스템을 갖는 표준 4행정 설계를 갖는
내연 기관 작동 방법.
제2항에 있어서,
엔진의 현재 상태와 부하 수요에 기초하여, 실행될 완전 가변식 밸브의 타이밍 및 이동 프로파일을 결정하는 단계를 더 포함하는
내연 기관 작동 방법.
피스톤을 구비하는 엔진 실린더를 포함하는 내연 기관을 위한 다중 행정, 다중 모드 작동을 실행하기 위한 시스템이며,
내연 기관을 위한 3개의 다른 엔진 작동 모드를 실행하도록 구성된 전자 제어기와,
전자 제어기에 결합되고, 완전 가변 방식으로 실린더의 흡기 밸브 및 배기 밸브를 작동시키기 위해서 전자 제어기/관찰기에 의해 전송된 신호에 응답하는 가변 밸브 시스템과,
실린더에 결합되고, 실린더에 압력 부스트형 충전을 제공하도록 전자 제어기에 의해 제어되어, 피스톤의 이동 없이 충전의 도입이 가능한 터보 차저를 포함하며,
4행정 엔진 사이클의 균일 예혼합 압축 점화 엔진 작동은 제1 출력 한계치와 제1 엔진 속도 한계치에 의해 형성된 상부 경계를 갖는 제1 특징 엔진 작동 영역을 위해 실행되고,
2행정 엔진 사이클의 균일 예혼합 압축 점화 엔진 작동은 제2 출력 한계치와 제2 엔진 속도 한계치에 의해 형성된 상부 경계를 갖는 제2 특징 엔진 작동 영역을 위해 실행되고, 제2 출력 한계치는 제1 출력 한계치보다 크고, 제2 엔진 속도 한계치는 제1 엔진 속도 한계치보다 크고,
4행정 엔진 사이클의 부스트형 스파크 점화 엔진 작동은 제3 출력 한계치와 제3 엔진 속도 한계치에 의해 형성된 상부 경계를 갖는 제3 특징 엔진 작동 영역을 위해 실행되고, 제3 출력 한계치는 제2 출력 한계치보다 크고, 제3 엔진 속도 한계치는 제2 엔진 속도 한계치보다 크며,
제1 특징 엔진 작동 영역, 제2 특징 엔진 작동 영역 및 제3 특징 엔진 작동 영역은 순차적으로 연속되는
내연 기관을 위한 다중 행정, 다중 모드 작동을 실행하기 위한 시스템.
제4항에 있어서,
엔진은 표준 4행정 설계를 갖고, 가변식 밸브 시스템은 실린더 내의 피스톤의 위치에 대하여 독립적으로 타이밍 및 이동 프로파일을 실행하도록 구성된 완전 가변 밸브를 갖는
내연 기관을 위한 다중 행정, 다중 모드 작동을 실행하기 위한 시스템.
제5항에 있어서,
전자 제어기는, 엔진의 부하 수요 및 현재 상태에 기초하여, 실행될 완전 가변 밸브의 타이밍 및 이동 프로파일을 결정하는
내연 기관을 위한 다중 행정, 다중 모드 작동을 실행하기 위한 시스템.