KR20100106228A - 내연기관의 작동방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 내연기관 - Google Patents

내연기관의 작동방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 내연기관 Download PDF

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독토르 레오 슈피겔
반-카인 짠
하르트무트 보스
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독터.인제니어. 하.체. 에프.포르쉐악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 흡기밸브, 배기밸브 및 연소공간이 각각 할당된 복수의 실린더, 캠샤프트 조절기에 연결된 흡기 캠샤프트, 캠샤프트 조절기에 연결된 배기 캠샤프트, 각각의 흡기밸브를 구동하기 위한 복수의 흡기캠을 가진 전환가능 흡기밸브 구동장치, 각각의 배기밸브를 구동하기 위한 복수의 배기캠을 가진 전환가능 배기밸브 구동장치 및 배기가스 시스템을 구비한 내연기관의 작동방법에 관한 것으로, 내연기관은 작동점에 따라 압축착화로 작동되거나 불꽃점화로 작동되고, 압축착화를 위해 연소공간 내의 특정 배기가스 잔류량이 설정된다. 더욱이, 내연기관은 작동점에 따라 배기캠에 의해 작동되고, 이를 통해 제1 출구 개방 단계와 제2 출구 개방 단계가 일어나며 제2 출구 개방 단계는 입구 개방 단계 동안에 시작된다. 압축착화 모드에서의 제1 작동점에서는, 연소공간 내의 배기가스 잔류량이 차지교환 동안 흡기밸브와 배기밸브 사이에 설정된 밸브 간섭에 따라 정량되며; 압축착화 모드에서의 제2 작동점에서는, 연소공간 내의 배기가스 잔류량이 제2 출구 개방 단계의 지속기간에 따라 정량된다.

Description

내연기관의 작동방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 내연기관 {METHOD FOR OPERATING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE FOR CARRYING OUT THEREOF}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 내연기관의 작동방법, 그리고 청구항 7에 따라 이러한 방법을 수행하기 위한 내연기관에 관한 것이다.
DE 198 18 596 C5에는 가솔린 엔진의 작동방법이 개시되어 있으며, 이 방법에 의해 부분 부하 영역에서의 가솔린 압축착화 엔진의 작동이 제어된다. 이 경우, 압축착화 모드에서는, 특정의 배기가스량이 연소공간에 유지되어 압축되며, 외기 공급이 시작되기 이전에, 연료가 압축된 배기가스량에 분사된다. 이 경우, 남은 배기가스량은 배기가스 플랩의 도움으로 제어된다.
본 발명의 기초가 되는 목적은 향상된 연소성능을 지닌 내연기관의 작동방법을 제공하는 것으로, 여기서 내연기관은 작동점에 따라 압축착화로 작동되거나 불꽃점화로 작동된다. 본 발명에 따르면, 이러한 목적은 청구항 1의 특징을 가지는 방법에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 방법의 특징은, 내연기관이 작동점에 따라 배기캠에 의해 작동되고, 이를 통해 제1 출구 개방 단계와 제2 출구 개방 단계가 발생하며, 제2 출구 개방 단계는 입구 개방 단계 동안에 시작되고, 압축착화 모드에서의 제1 작동점에서 연소공간 내의 배기가스 잔류량이 차지교환 동안 흡기밸브와 배기밸브 사이에 설정된 밸브 간섭에 따라 정해지며, 압축착화 모드에서의 제2 작동점에서 연소공간 내의 배기가스 잔류량이 제2 출구 개방 단계의 지속기간에 따라 정해진다는 것이다. 바람직하게, 제1 작동점에서 제2 작동점으로 전환되는 동안과 그 역으로 전환되는 동안에, 내연기관은 불꽃점화로 작동된다. 본 발명에 따른 방법 덕분에, 압축착화 작동이 내연기관 특성도의 넓은 범위까지 확장될 수 있고, 본 발명에 따른 방법은 압축착화 작동에서 불꽃점화 작동으로의 신속하고 신뢰할 만한 전환이 가능하게 한다.
본 발명의 구현예에 따르면, 배기가스 시스템에 배기가스 배압조절장치가 제공되며, 이를 통해 배기가스 시스템의 배기 매니폴드 내의 배기가스 배압이 작동점에 따라 변동되고/되거나 설정된다. 이러한 배기가스 배압조절장치를 통해, 배기 매니폴드의 전체 영역에 균일한 배기가스 배압을 얻게 되고, 이로써 배기밸브의 영역 내에 사실상 임의의 원하는 시점에서, 연소공간 내에 원하는 배기가스 잔류량이 설정될 수 있도록 하는 배기가스 배압이 있게 된다. 바람직하게는, 연소공간 내의 배기가스 잔류량이 배기가스 배압조절장치의 위치에 따라 정량된다. 그 결과, 각각의 작동점에 대해 요구되는 연소공간 내에서의 배기가스량과 배기가스 온도의 설정 및 정량이 예측가능하다.
본 발명의 유리한 구현예에 따르면, 특정 배기가스량이 배기가스 시스템으로부터 흡입되어 연소공간 내부로 되돌아가는 방식으로, 압축착화 모드의 제2 작동점에서 흡기밸브와 배기밸브가 제어된다. 따라서, 연소공간 내의 배기가스 잔류량을 신뢰성 있게 정량할 수 있게 된다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위해서, 복수의 캠을 가진 슬라이딩-캠 장치가 배기밸브 구동장치에 마련되고, 두 번의 출구 개방 단계 설정을 위해 1개 이상의 배기캠이 이중캠으로서 설계되며, 복수의 캠을 가진 슬라이딩-캠 장치가 흡기밸브 구동장치에 마련된 내연기관이 제공된다. 따라서, 압축착화 모드에서 내연기관의 또 다른 작동점으로의 확장이 가능해짐으로써, 자동점화가 이용되는 확장된 작동 특성도를 작성할 수 있다.
위에 언급된 특징들과 하기에 설명될 특징들이, 본 발명의 범주를 벗어나지 않고, 각각의 경우에 명시된 조합예뿐만이 아니라 다른 조합예로 또는 단독으로 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본 발명의 추가적 특징들은 종속 청구항과 하기의 설명과 도면에서 제공된다.
도 1은 제1 실시예에 따른 내연기관의 개략도.
도 2는 제2 실시예에 따른 내연기관의 개략도.
도 3은 도 1 또는 도 2에 따른 내연기관 특성도의 개략도.
도 4는 도 1 또는 도 2에 따른 내연기관을 위한 슬라이딩-캠 장치의 흡기 캠(inlet cams)과 배기 캠(outlet cams)의 개략도.
도 5는 도 4로부터의 흡기밸브와 배기밸브의 캠 형상의 단면도.
도 6은 도 4로부터의 흡기캠과 배기캠에 의해 구동되는 흡기밸브와 배기밸브의 리프트 프로파일의 개략도.
도 7은 배기가스의 재순환 동안 흡기밸브와 배기밸브의 리프트 프로파일의 개략도.
도 8은 배기가스 보유 동안 흡기밸브와 배기밸브의 리프트 프로파일의 개략도.
도 9는 최저 부하 영역에 있는 작동점에 대한 흡기밸브와 배기밸브의 밸브 리프트 프로파일의 예시도.
도 10은 하위 부하 영역에 있는 작동점에 대한 흡기밸브와 배기밸브의 밸브 리프트 프로파일의 예시도.
도 11은 중상위 부하 영역에 있는 작동점에 대한 흡기밸브와 배기밸브의 밸브 리프트 프로파일의 예시도.
도 12는 상위 부하 영역에 있는 작동점에 대한 흡기밸브와 배기밸브의 밸브 리프트 프로파일의 예시도.
도 1은 흡기 시스템(2), 복수의 실린더(3), 배기 매니폴드(4), 배기가스 촉매 컨버터(5), 배기가스 플랩(6)으로서 설계된 배기가스 배압조절장치 및 배기라인(7)을 포함하는 내연기관(1)을 개략적으로 도시한다. 내연기관(1)의 각 실린더(3) 내에서는 피스톤(미도시)이 종방향으로 이동가능하게 안내되며, 피스톤과 실린더헤드(미도시) 사이에는 연소공간이 형성된다. 내연기관(1)의 연소공간은 상방향으로 실린더헤드에 의해 폐쇄되며, 피스톤은 하방향으로 연소공간의 범위를 한정한다. 내연기관(1)은 연소공간마다 1개 이상의 흡기밸브, 1개 이상의 배기밸브, 연료 분사기 및 바람직하게는 점화 플러그로서 구성된 착화원(ignition source)을 포함한다.
본 발명의 제1 실시예에 따르면, 배기가스 플랩(6)은 내연기관(1)의 배기라인(7) 내에 촉매 컨버터(5)의 하류측에 위치한다. 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 내연기관(1)은 터빈(8)과 압축기(9)를 구비한 배기가스 터보차저(10)를 포함한다. 제2 실시예에 따르면, 배기가스 플랩(6)은 터빈(8) 내부로의 입구 상류측에 위치한다. 본 발명에 따른 내연기관(1)은 부하점(load point)에 따라 압축착화로 작동되거나 불꽃점화로 작동된다. 특히 배기가스 터보차저(10)가 사용될 때, 배기가스 플랩(6)은 배기가스 터빈 입구의 상류측에 위치하게 된다. 결과적으로, 내연기관의 배기 매니폴드 내에 균일한 배기가스 배압이 신뢰성 있게 설정될 수 있다. 대안으로는, 배기가스 배압조절장치가 배기가스 터보차저(10)의 일부분으로서 설계되며, 이 경우 배기가스 배압은 배기가스 터보차저(10)의 가변형 터빈 방식(VTG)으로 설정될 수 있다. 따라서 배기가스 플랩(6)이 필요하지 않게 될 수 있다. 본 발명에 따른 내연기관 작동은 도 1과 도 2에 따른 내연기관(1)의 제1 실시예 및 제2 실시예 모두와 관련된다.
도 3에는 내연기관(1)의 상이한 작동점 범위가 도시되어 있다. 특성도 영역 A에 따른 최저 부하 영역에서는, 내연기관(1)이 불꽃점화로 작동된다. 특성도 영역 B에 따른 하위 부하 영역과 특성도 영역 C에 다른 중상위 부하 영역에서는, 내연기관(1)이 압축착화 모드에서 작동된다. 대조적으로, 특성도 영역 D에 따른 상위 부하 영역에서는, 내연기관(1)이 불꽃점화로 작동된다.
내연기관(1)의 공기흡입시스템(2)에 의해 흡입된 외기는 각각의 연소공간으로 공급된다. 각 연소공정 이후에 형성된 배기가스는 배기 매니폴드(4)를 통과한 후 배기가스 촉매 컨버터(5)에 도달하며, 이때 배기 매니폴드(4)의 배기가스 배압은 배기가스 플랩(6)에 의해 조절된다. 내연기관(1)은 4-행정의 원리에 따라 작동하되, 부하점에 따라서 가솔린 엔진으로서(다시 말해, 불꽃점화로) 작동될 수 있거나, 압축착화 모드에서 작동될 수도 있다. 압축착화 모드에서는, 자동점화에 의해 연소가 개시된다. 4-행정 프로세스에서는, 하나의 행정이 하나의 완전한 피스톤 행정에 해당된다. 4개의 행정으로 구성되는 내연기관(1)의 작동 사이클은 하나의 연소 사이클에 해당되며, 연소 사이클은 차지교환(charge exchange) 상사점(TDC)에서의 흡기단계로 시작된다. 흡기단계 동안에는 외기가 연소공간에 공급되며, 흡기단계가 하사점(BDC)까지 확장된다. 흡기단계 동안에는, 연소공간 내에 위치된 연료 분사기에 의해 연료가 연소공간 내부로 분사된다. 연료가 흡기단계 동안 흡입된 외기와 혼합됨으로써 연료/공기 혼합기가 형성된다. 이어서, 압축단계 동안에는, 형성된 혼합기가 압축되며 압축 단계가 점화 상사점(ITDC)까지 확장된다. 내연기관의 작동점에 따라, 혼합기는 자동점화에 의해 점화되거나 또는 점화스파크에 의해 점화되어 연소된다.
흡기밸브(미도시)를 작동시키기 위해, 내연기관(1)에는 슬라이딩-캠 장치(미도시)가 구비되며, 이를 통해 각각의 흡기밸브가 작동점에 따라 상이한 흡기캠에 의해 작동된다. 이 목적을 위해, 도 4에 따르면, 3개의 흡기캠(E1, E2 및 E3)이 제공되며, 이를 통해 흡기밸브의 밸브 리프트들이 상이하게 설정될 수 있다. 게다가, 배기밸브를 작동시키기 위해, 내연기관(1)에는 마찬가지로 3개의 상이한 배기캠(A1, A2 및 A3)을 갖는 슬라이딩-캠 장치(미도시)가 구비되고, 배기밸브는 부하점에 따라 배기캠에 의해 구동된다. 따라서 상이한 배기밸브 리프트들이 설정될 수 있다. 배기측 슬라이딩-캠 장치와 흡기측 슬라이딩-캠 장치의 작동은, 예를 들어, 공개특허 EP 0 798 451 B1에 따라 수행될 수 있다.
도 5에 따르면, 배기캠(A3)은 제1 캠(11)과 제2 캠(12)을 가지며, 이를 통해, 배기밸브가 배기캠(A3)에 의해 구동되는 경우에는, 도 6 및 도 7에 따른 두 번의 출구 개방 단계가 실시된다. 배기밸브가 배기캠(A3)에 의해 구동되는 경우에는, 배출(expulsion) 행정 동안 배기밸브가 캠(11)에 의해 구동되어, 제1 출구 개방 단계(13)와 이어서 캠(12)을 통한 제2 출구 개방 단계(15)를 초래하며, 여기서 제2 출구 개방 단계(15)는 입구 개방 단계(14) 동안에 일어나거나 시작된다. 배기캠(A3)의 이중캠 구성 덕분에, 내연기관의 특정 작동점에서 배기가스가 배기-매니폴드 영역으로부터 흡입되어 연소공간 내부로 되돌아갈 수 있는데, 그 이유는 출구 개방 단계(15) 동안에 배기 매니폴드(4)에서는 배기가스 압력이 형성되는 데 비해서 연소공간 내에는 진공상태가 형성되기 때문이다.
도 6은 각각의 흡기캠 또는 배기캠에 의한 작동 결과 발생하는 밸브-리프트 프로파일을 도시한다. 제1 특성도 영역(A)에서는, 내연기관(1)이 불꽃점화로 작동되며, 흡기밸브가 캠(E1)에 의해 구동되도록 슬라이딩-캠 장치가 입구측에서 설정된다. 이러한 특성도 영역(A)에서는, 배기밸브가 배기캠(A2)에 의해 구동된다. 이로써 출구측과 입구측에서는 도 9에 도시된 밸브-리프트 프로파일이 발생한다. 바람직하게는, 부하가 적을 때, 예를 들어 내연기관(1)이 공회전하는 동안에, 내연기관(1)은 특성도 영역(A)으로 작동된다.
더욱이, 도 10에 따르면, 내연기관은 특성도 영역(B)에서 압축착화 모드로 작동되며, 이 경우 흡기밸브가 흡기캠(E1)에 의해 구동되는 방식으로 슬라이딩-캠 장치가 입구측에서 구동된다. 배기밸브는 배기캠(A1)에 의해 구동된다. 또한, 본 발명에 따른 내연기관은 각각의 경우에 캠샤프트 조절기가 입구측과 출구측 양쪽 모두에 구비됨으로써, 흡기밸브와 배기밸브의 제어 시간이 다양할 수 있다. 예를 들어, 특성도 영역(B)에서는, 배기밸브의 폐쇄시간 시점을 더 빠르게 설정함으로써 특정의 배기가스량이 연소공간 내에 유지되도록 하는 방식으로 배기밸브와 흡기밸브의 제어 시간(16 및 18)이 설정된다. 흡기밸브(E1)의 개방 시점은 이에 따라 더 늦게 설정함으로써, 필요한 배기가스량이 연소공간 내에 유지되도록 한다. 배기밸브와 흡기밸브 사이의 밸브 간섭(17)이 이때 설정된다.
도 11에는 입구측에서 흡기밸브를 구동시키기 위해 흡기캠(E2)이 설정되어 있는 특성도 영역(C)에서의 내연기관의 작동이 도시되어 있다. 배기밸브를 구동시키기 위해, 제1 캠(11)과 제2 캠(12)을 가진 배기캠(A3)이 제공된다. 입구측과 출구측에서 캠샤프트 조절기에 의해 해당되는 제어 시간이 설정되면, 특성도 영역(C)에서는 배기가스가 유지되지 않는다. 압축착화를 위한 충분한 배기가스를 연소공간 내에 설정하기 위해, 특성도 영역(C)에서 배기 매니폴드(4)로부터의 배기가스 재순발생하며, 이는 제2 출구 개방 단계(15)의 결과로서 시행된다. 상위 부하 영역에서는, 내연기관(1)이 특성도 영역(D)에 따라 불꽃점화로 작동되고, 도 12에 따르면 특성도 영역(D)에서의 작동을 위해 입구측에는 캠(E3)이 제공되며 출구측에는 캠(A2)이 제공된다.
본 발명에 따르면, 내연기관(1)은 바람직하게 가솔린으로 작동되며, 이 경우 내연기관(1)은 과급 가솔린 엔진으로서 작동될 수 있다. 입구측과 출구측에 있는 슬라이딩-캠 장치의 구성은 본 발명에 따른 방법, 즉 배기가스 유지와 배기가스 재순환에 의한 자동점화를 이용한 특성도 영역들(B와 C)에서의 내연기관(1)의 작동을 허용하며, 특성도 영역(B)에서 특성도 영역(C)으로 특성도 영역이 전환되는 동안과 그 역으로 특성도 영역이 전환되는 동안에는 내연기관(1)이 일시적으로 불꽃점화로 작동된다. 여기서, 내연기관(1)은 입구측에서 흡기캠(E2)에 의해 작동되고 출구측에서 배기캠(A2)에 의해 작동된다. 본 발명에 따른 방법 덕분에, 내연기관(1)의 연료소비가 최적화되며 배기가스 배출이 최소화된다. 본 발명에 따른 방법은 지금까지 불가능했던 광범위한 특성도 영역까지 가솔린 자동점화가 확장될 수 있도록 한다. 본 발명에 따라 작동되는 내연기관(1)에 의해, 연료소비 감소와 배기가스 배출의 감소를 달성하는 한편, 특히는, 내연기관의 효율성이 최적화된 작동 동안에 산화질소의 배출이 최소화된다.
본 발명은 흡기밸브, 배기밸브 및 연소공간이 각각 할당된 복수의 실린더(3), 캠샤프트 조절기에 연결된 흡기 캠샤프트, 캠샤프트 조절기에 연결된 배기 캠샤프트, 각각의 흡기밸브를 구동하기 위한 복수의 흡기캠을 가진 전환가능 흡기밸브 구동장치, 각각의 배기밸브를 구동하기 위한 복수의 배기캠을 가진 전환가능 배기밸브 구동장치 및 배기가스 시스템을 구비한 내연기관(1)의 작동방법에 관한 것으로, 내연기관은 작동점에 따라 압축착화로 작동되거나 불꽃점화로 작동되고, 압축착화를 위해 연소공간 내의 특정 배기가스 잔류량이 설정된다. 더욱이, 내연기관은 작동점에 따라 배기캠에 의해 작동되고, 이를 통해 제1 출구 개방 단계와 제2 출구 개방 단계가 일어나며 제2 출구 개방 단계는 입구 개방 단계 동안에 시작된다. 압축착화 모드에서의 제1 작동점에서는, 연소공간 내의 배기가스 잔류량이 차지교환 동안 흡기밸브와 배기밸브 사이에 설정된 밸브 간섭에 따라 정량되며; 압축착화 모드에서의 제2 작동점에서는, 연소공간 내의 배기가스 잔류량이 제2 출구 개방 단계의 지속기간에 따라 정량된다.

Claims (11)

  1. 흡기밸브, 배기밸브 및 연소공간이 각각 할당된 복수의 실린더, 캠샤프트 조절기에 연결된 흡기 캠샤프트, 캠샤프트 조절기에 연결된 배기 캠샤프트, 각각의 흡기밸브를 구동하기 위한 복수의 흡기캠을 가진 전환가능 흡기밸브 구동장치, 각각의 배기밸브를 구동하기 위한 복수의 배기캠을 가진 전환가능 배기밸브 구동장치 및 배기가스 시스템을 구비하고,
    - 작동점에 따라 압축착화로 작동되거나 불꽃점화로 작동되며,
    - 압축착화를 위해 연소공간 내의 특정 배기가스 잔류량이 설정되는, 내연기관의 작동방법에 있어서,
    - 내연기관이 작동점에 따라 배기캠에 의해 작동되고, 이를 통해 제1 출구 개방 단계와 제2 출구 개방 단계가 일어나며 제2 출구 개방 단계는 입구 개방 단계 동안에 시작되고,
    - 압축착화 모드에서의 제1 작동점에서는, 연소공간 내의 배기가스 잔류량이 차지교환 동안 흡기밸브와 배기밸브 사이에 설정된 밸브 간섭에 따라 정량되며,
    - 압축착화 모드에서의 제2 작동점에서는, 연소공간 내의 배기가스 잔류량이 제2 출구 개방 단계의 지속기간에 따라 정량되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제1 작동점에서 제2 작동점으로 전환되는 동안과 그 역으로 전환되는 동안에 내연기관이 불꽃점화로 작동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 배기가스 시스템이 배기가스 배압조절장치를 구비하여, 이를 통해 배기가스 시스템의 배기 매니폴드 내의 배기가스 배압이 작동점에 따라 변동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 연소공간 내의 배기가스 잔류량이 배기가스 배압조절장치의 위치에 따라 정량되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 특정 배기가스량이 배기가스 시스템으로부터 흡입되어 연소공간 내부로 되돌아가는 방식으로, 압축착화 모드의 제2 작동점에서, 흡기밸브와 배기밸브가 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 작동점에 따라, 출구측과 입구측에서 각각 상이한 밸브 리프트, 또는 상이한 제어 시간 또는 이 둘 모두가 설정되는 방식으로, 배기밸브 구동장치 및 흡기밸브 구동장치가 설계되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 따른 방법을 수행하기 위한 내연기관에 있어서,
    복수의 캠을 가진 슬라이딩-캠 장치가 배기밸브 구동장치에 제공되고, 두 번의 출구 개방 단계의 설정을 위해 1개 이상의 배기캠이 이중캠으로서 설계되며, 복수의 캠을 가진 슬라이딩-캠 장치가 흡기밸브 구동장치에 제공되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  8. 제7항에 있어서, 배기가스 배압조절장치가 배기가스 플랩으로서 설계되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  9. 제7항에 있어서, 배기가스 배압조절장치가 배기가스 시스템의 배기가스 촉매 컨버터의 하류측에 위치하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  10. 제7항에 있어서, 배기가스 배압조절장치가 배기가스 시스템의 배기가스 터빈 내부로의 입구 상류측에 위치하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  11. 제7항에 있어서, 배기가스 배압이 배기가스 터보차저의 가변형 터빈 방식(VTG)의 도움으로 설정되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
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