KR20220158205A - 듀얼 모드 점화용 점화 시스템 및 이를 구비한 엔진 - Google Patents

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필립 졸닥
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Abstract

차량의 엔진용 점화 시스템은 점화 코일에 전기적으로 연결되는 중심 전극 및 접지 전극을 포함하며, 엔진의 정상 모드에서 연료와 공기의 혼합물을 점화하도록 구성된 점화 플러그; 엔진의 희박 연소 모드에서 희박한 공연비로 혼합된 연료와 공기의 혼합물을 점화하도록 구성된 고속 펄서; 엔진의 희박 연소 모드에서 연료와 공기의 혼합물을 점화하도록 고속 펄서를 제어하도록 구성된 펄서 제어기; 그리고 엔진 속도와 엔진 부하를 기반으로 정상 및 희박 연소 모드를 결정하고, 정상 모드 및 희박 연소 모드 중 결정된 모드에 기반하여 펄서 제어기 및 점화 플러그의 점화를 제어하도록 구성된 엔진 제어 장치(ECU)를 포함한다.

Description

듀얼 모드 점화용 점화 시스템 및 이를 구비한 엔진{IGNITION SYSTEM FOR DUAL MODE IGNITION AND ENGINE HAVING THE SAME}
본 개시는 듀얼 모드용 점화 시스템을 갖는 내연 기관에 관한 것이다.
이 섹션의 설명은 본 개시와 관련된 배경 정보를 제공할 뿐이며 선행 기술을 구성하지 않을 수 있다.
일반적으로, 내연 기관은 흡기 행정 동안 실린더에 연료와 공기를 도입하고, 연소실의 점화 플러그에서 발생하는 스파크에 의해 연료와 공기의 혼합물이 점화된다. 연소실은 실린더, 실린더에 배치된 피스톤 및 엔진의 실린더 헤드에 의해 형성된다.
특히, 연소실에 분사된 혼합물은 압축 행정 동안 압축되어 점화 플러그의 방전 현상에 의해 점화된다. 공기와 연료의 혼합물은 연소실에서 연소되어 크랭크축을 구동하는 가동 피스톤에 대항하여 팽창하여 엔진이 구동력을 발생시키고, 차량은 엔진의 구동력으로 주행할 수 있다.
내연 기관(예를 들어, 가솔린 엔진)에 구비된 점화 플러그는 점화코일에서 발생하는 고전압 전류로 인한 스파크 방전에 의해 압축된 혼합물을 점화하는 역할을 한다.
일반 가솔린 엔진의 경우, 주로 이론 공연비(14.7:1, λ=1)로 연소하도록 운전된다. 그러나, 1보다 큰 람다(λ>1)로 정의되는 희박 연소를 구현하는 엔진의 경우 공연비는 약 30:1(λ=2)이 될 수 있다. 이 경우 연소실의 혼합물은 공기량에 비해 분사되는 연료가 매우 적어 점화 플러그에 의해 스파크 방전이 일어나도 혼합물이 점화되지 않거나(예를 들어, 실화) 불완전 연소가 발생한다.
따라서, 희박 연소를 구현하기 위한 점화 플러그에 대한 연구와 개발이 요구되고 있다.
우리는 혼합물의 희박한 연료 및 공기 비율로 인해 상대적으로 느린 화염 전파 속도 때문에 주 연소실 내에서 일관되고 완전하며 전체적인 연소를 달성하는 것이 어렵다는 것을 발견하였다.
본 개시는 내연(IC) 엔진이 희박 조건(람다 > 1.4, 희박 연소 모드)으로 낮은 엔진 부하에서 고속 펄스(HSP)를 사용하고 일반 모드(화학양론에서 농후 작동(Lambda <=1)까지) 하의 고부하 조건에서 기존 점화 플러그를 사용하여 작동할 수 있도록 하여, 고부하에서 기존 스파크의 성능 이점을 활용하고 저부하에서 희박 연료-공기 혼합물을 위한 점화 안정성 한계를 확장하며, 이에 따라 전체 작동 범위에 걸쳐 전반적인 엔진 열 효율과 성능을 향상시키는 듀얼 모드 점화 시스템을 제공한다.
본 개시의 일 형태에서, 엔진용 점화 시스템은 점화 코일에 전기적으로 연결되는 중심 전극 및 접지 전극을 포함하며, 엔진의 정상 모드에서 연료와 공기의 혼합물을 점화하도록 구성된 점화 플러그; 엔진의 희박 연소 모드에서 희박한 공연비로 혼합된 연료와 공기의 혼합물을 점화하도록 구성된 고속 펄서; 엔진의 희박 연소 모드에서 연료와 공기의 혼합물을 점화하도록 고속 펄서를 제어하도록 구성된 펄서 제어기; 그리고 엔진 속도와 엔진 부하를 기반으로 정상 및 희박 연소 모드를 결정하고, 정상 모드 및 희박 연소 모드 중 결정된 모드에 기반하여 펄서 제어기 및 점화 플러그의 점화를 제어하도록 구성된 엔진 제어 장치(ECU)를 포함한다.
다른 형태에서, 상기 점화 플러그 및 상기 고속 펄서는 모두 엔진의 실린더에 배치되고, 결정된 모드에 기반하여 실린더의 연소실 내의 연료와 공기의 혼합물, 희박한 공연비를 가진 연료와 공기의 혼합물, 및/또는 배기 가스 잔류물을 점화하도록 구성된다.
고속 펄서는 연소실에 비열 플라즈마를 생성하고 희박 연소 모드에서 다점 체적 연소를 촉진하도록 구성된다.
일 형태에서, ECU는, 엔진 속도 및 엔진 부하에 기초하여, 엔진에 의해 생성된 동력이 차량의 배터리를 충전하기 위해 적어도 부분적으로 사용되는 재생 모드와, 배터리에서 공급되는 전력만으로 차량을 주행하는 전기 자동차(EV) 모드를 결정할 수 있다. 특히, ECU는 재생 모드 및 EV 모드에서 고속 펄서의 점화를 억제하도록 펄서 제어기를 제어하도록 더 구성된다.
다른 형태에서, 고속 펄서는 100 나노초 미만에서 적어도 40,000 볼트 이상의 펄스 전력을 방전하도록 구성된다.
상기 정상 모드는 엔진의 냉 시동 및 중간 엔진 부하에서 높은 엔진 부하를 포함하며, 희박 공연비보다 낮은 비율을 가진 연료와 공기의 혼합물을 연소시켜 작동한다.
본 개시의 다른 형태에서, 엔진은 실린더를 정의하는 엔진 블록; 실린더를 덮도록 구성된 실린더 헤드; 엔진 블록의 실린더와 실린더 헤드에 의해 적어도 부분적으로 정의되는 연소실; 실린더에 연료를 분사하도록 구성된 인젝터; 엔진의 정상 모드에서 연료와 공기의 혼합물을 점화하도록 구성된 점화 플러그와, 엔진의 희박 연소 모드에서 희박한 공연비로 혼합된 연료와 공기의 혼합물을 점화하도록 구성된 고속 펄서를 포함하는 점화 시스템; 실린더 내부에 왕복 이동 가능하도록 배치되고 엔진의 압축 행정 동안 연료와 공기의 혼합물을 압축하도록 상향 이동하도록 구성된 피스톤; 그리고 엔진 속도와 엔진 부하를 기반으로 정상 및 희박 연소 모드를 결정하고, 정상 모드 및 희박 연소 모드 중 결정된 모드에 기반하여 고속 펄서 및 점화 플러그를 제어하도록 구성된 엔진 제어 장치(ECU)를 포함할 수 있다.
일 형태에서, 점화 플러그 및 고속 펄서는 모두 연소실에 노출되고, 각각 연소실 내의 연료와 공기의 혼합물 및 희박한 공연비를 가진 연료와 공기의 혼합물을 점화하도록 구성된다.
본 개시의 다른 형태에서, 희박 연소 엔진에서 연소를 제어하는 방법은 불꽃 점화기 및 고속 펄서를 갖는 연소실을 포함하는 희박 연소 엔진을 제공하는 단계; 불꽃 점화기를 사용하여 중간 엔진 부하 및 높은 엔진 부하에서 불꽃 점화로 희박 연소 엔진이 작동하는 정상 엔진 모드에서 공기/연료 혼합물을 연소실로 제공하는 단계; 고속 펄서를 이용하여 연소실에서 다점 체적 연소로 희박 연소 엔진이 작동하는 희박 연소 엔진 모드에서 연소실에 희박한 공기/연료 혼합물을 제공하는 단계; 그리고 희박 연소 엔진 모드에서, 연소실 내에 비열 플라즈마를 생성하고 희박 공기/연료 혼합물의 다점 체적 연소를 촉진하기 위하여 고속 펄서에 의해 희박한 공기/연료 혼합물을 점화하는 단계를 포함한다. 특히, 희박한 공기/연료 혼합물은 1.4보다 큰 람다(λ) 값을 갖는다.
다른 형태에서, 방법은 희박 연소 엔진이 낮은 엔진 부하에서 작동할 때 희박 연소 엔진 모드를 결정하는 단계; 희박 연소 엔진이 냉 시동 상태이거나 중간 엔진 부하에서 높은 엔진 부하의 범위에서 작동할 때 정상 엔진 모드를 결정하는 단계; 그리고 가속 입력을 수신하면, 희박 연소 엔진 모드에서 정상 엔진 모드로 전환하는 하는 단계를 더 포함한다.
적용 가능성의 추가 영역은 본 명세서에 제공된 설명으로부터 명백해질 것이다. 설명 및 특정 예는 단지 예시를 위한 것이며 본 개시의 범위를 제한하려는 의도가 아님을 이해해야 한다.
듀얼 모드 점화 시스템 및 제어 방법은 연비 향상에 기여하고 저비용으로 향상된 배기 제어를 제공한다.
그 외에 본 개시의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 개시의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 개시의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.
본 개시가 잘 이해될 수 있도록, 첨부 도면을 참조하여 예시로서 제공되는 다양한 형태가 이제 설명될 것이다.
도 1은 본 개시의 일 형태에서 점화 시스템을 구비한 엔진을 도시한 예시도이다.
도 2는 본 개시의 일 형태에서 듀얼 모드 점화를 구현하는 점화 시스템의 전기 구성도이다.
도 3은 본 개시의 일 형태에서 점화 플러그의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1의 확대 부분 측단면도로, 실린더 헤드의 인젝터, 점화 플러그, 및 고속 펄서의 배치를 도시한다.
도 5는 본 개시의 일 형태에서 엔진의 운전 조건을 나타내는 개략적인 그래프이다.
도 6은 본 개시의 일 형태에서 고속 펄서에 의해 생성된 비열 플라즈마를 도시한다.
도 7은 본 개시의 일 형태에서 하이브리드 전기 차량용 엔진의 작동 조건을 나타내는 개략적인 그래프이다.
도 8은 본 개시의 일 형태에서 희박 연소 엔진용 듀얼 모드 점화를 제어하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 9 및 도 10은 각각 본 개시의 일 형태에서 점화 시스템을 통한 연비 개선을 나타내는 그래프이다.
본 명세서에 설명된 도면은 단지 예시를 위한 것이며 본 개시의 범위를 어떠한 방식으로도 제한하도록 의도되지 않는다.
하기 설명은 본질적으로 예시일 뿐이며 본 개시, 적용 또는 사용을 제한하도록 의도되지 않는다. 도면 전체에 걸쳐 상응하는 참조 번호는 유사하거나 상응하는 부분 및 특징을 나타내는 것으로 이해되어야 한다.
본 개시는 형태의 모든 구성요소를 설명하는 것은 아니며, 본 개시가 속하는 기술 분야의 일반적인 정보나 형태들 사이의 중복되는 정보에 대해서는 설명하지 않을 것이다.
제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소를 설명하기 위해 본 명세서에서 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소는 이러한 용어에 의해 제한되어서는 안된다는 것이 이해될 것이다. 이러한 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위해서만 사용된다.
설명의 편의를 위해 동작에 사용된 참조 번호는 동작의 순서를 설명하지 않고 부여한 것이며, 문맥상 특정한 순서가 명시되지 않는 한, 기재된 순서와 다른 순서로 동작이 수행될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 작동 원리 및 예시적인 형태를 설명한다. 본 기술 분야에서 공지된 바와 같이, 일부 예시적인 형태가 기능 블록, 유닛, 및/또는 모듈의 관점에서 첨부된 도면에 도시될 수 있다. 당업자는 그러한 블록, 제어기, 유닛, 및/또는 모듈이 논리 회로, 이산 구성요소, 프로세서, 하드웨어에 내장된 회로, 메모리 장치, 및 배선 연결과 같은 전자(또는 광학) 회로에 의해 물리적으로 구현된다는 것을 이해할 것이다.
블록, 유닛, 및/또는 모듈이 프로세서 또는 기타 유사한 하드웨어에 의해 구현되는 경우, 블록, 유닛, 및 모듈은 본 명세서에서 논의된 다양한 기능을 수행하기 위해 소프트웨어(예를 들어, 코드)를 통해 프로그래밍 및 제어될 수 있다. 또한, 각 블록, 유닛, 제어기, 및/또는 모듈은 전용 하드웨어 또는 일부 기능을 수행하기 위한 전용 하드웨어와 다른 기능을 수행하기 위한 프로세서의 조합(예를 들어, 하나 이상의 프로그램된 프로세서 및 관련 회로)으로 구현될 수 있다.
하나의 양상에서, 도 1을 참조하면, 본 개시는 엔진의 정상 모드에서 연료와 공기의 혼합물을 점화하기 위한 점화 플러그(40)와 엔진의 희박 연소 모드에서 희박한 연료-공기 혼합물을 점화하기 위한 고속 펄서(HSP)(60)를 사용하여 희박 연료-공기 혼합물의 점화성을 개선할 수 있는 점화 시스템(20)을 구비한 엔진(10)을 제공한다. 엔진(10)은 엔진 부하 및 엔진 속도(즉, 분당 회전수(RPM))를 기반으로 엔진의 작동이 희박 연소 모드인지 정상 모드인지를 판단하는 엔진 제어 유닛(ECU)(160)을 포함한다.
희박 연소 모드에서, 연료와 공기의 혼합물은 희박 공연비, 예를 들어 1.4보다 큰 람다(λ) 값으로 혼합된다. 여기서, 엔진의 정상 모드는 1.4 이하의 람다(λ) 값을 갖는 연료와 공기의 혼합물로 엔진을 작동시키는 것으로 정의된다.
도 1을 참조하면, 본 개시의 일 형태에서, 엔진(10)은 실린더 블록(12), 실린더 블록(12) 상에 배치된 실린더 헤드(14), 실린더 헤드에 설치되는 인젝터(30), 그리고 엔진의 각 실린더(90)에서 왕복 이동 가능한 피스톤(70)을 더 포함한다. 점화 플러그(40)와 고속 펄서(HSP)(60)를 갖는 점화 시스템(20)은 실린더 헤드(14)에 설치되고, 인젝터(30)는 흡기 밸브(V1)와 배기 밸브(V2) 사이에 위치할 수 있다.
다른 형태에서, 엔진(10)은 실린더의 상부에 구비된 흡기 밸브 및 배기 밸브 각각의 작동 타이밍(예를 들어, 개폐 타이밍)과 개방 기간을 변경하기 위한 밸브 제어 장치(55)와, 배기 파이프로부터 배기 가스를 순환시키는 배기 가스 재순환(EGR) 밸브(56)를 더 포함할 수 있다. 배기 가스는 엔진(10)으로부터 배기 파이프를 통해 흡기 파이프(I)로 배출된다. 일 형태에서, 밸브 제어 장치(55)는 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 개폐 타이밍을 조정하기 위한 연속 가변 밸브 타이밍(CVVT) 장치(51, 52)와, 흡기 및 배기 밸브의 개방 기간을 조정하기 위한 연속 가변 밸브 듀레이션(CVVD)을 포함할 수 있다.
도 2는 HSP(60) 및 점화 플러그(40)를 이용하여 듀얼 모드 점화(즉, 정상 모드 및 희박 연소 모드에서 점화)를 구현하는 점화 시스템(20)의 전기 구성도를 도시한다. 엔진(10)에 적용 가능한 점화 시스템(20)은 엔진의 희박 연소 모드에서 희박한 연료-공기 혼합물을 점화하도록 HSP(60)를 제어하는 펄서 제어기(64); 및 엔진 속도 및 엔진 부하에 기반하여 정상 모드와 희박 연소 모드를 결정하고, 정상 모드와 희박 연소 모드 중 결정된 모드에 기반하여 펄서 제어기(64) 및 점화 플러그(40)의 점화를 제어하는 엔진 제어 유닛(ECU)(160)을 더 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 엔진(10)의 각 실린더(90)에는 한 쌍의 점화 플러그(40)와 HSP(60)가 배치되고, 펄서 제어기(64)는 ECU(160)와 통신하여 엔진 속도와 엔진 부하에 기반하여 엔진이 정상 모드 또는 희박 연소 모드로 작동하는지 여부를 결정하는 ECU(160)로부터의 입력에 기반하여 각 HSP(60)를 제어한다. 유사하게, ECU(160)는 ECU에 의해 결정된 엔진 속도 및 엔진 부하를 포함하는 엔진 작동 조건에 기반하여 엔진의 각 실린더 내의 점화 플러그(40)의 점화 타이밍을 제어하도록 점화 코일(42)을 제어한다. 차량의 배터리(50)는 HSP(60), 점화 코일(42), ECU(160), 및 펄서 제어기(64)를 포함하는 점화 시스템(20)에 전력을 공급할 수 있다.
하나의 형태에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 점화 플러그(40)는 점화 코일(42) 또는 점화 모듈과 전기적으로 연결된 중심 전극(110)과, 중심 전극(110)의 말단부와 스파크 갭을 형성하는 접지 전극(117)을 포함하는 통상적인 점화 플러그이다. 배터리(50)가 점화 코일(42)에 전력을 공급하면, 점화 코일(42)은 ECU(160)의 제어 하에 점화 전압을 생성한다. 점화 플러그(40)는 점화 플러그에 인가된 점화 전압에 의해 스파크 방전을 생성한다. 일 형태에서, 점화 플러그(40)의 중심 전극(110)은 내열성, 내식성 및 전기 전도성을 갖는 비금속(base metal)(예를 들어, Ni-Cu)으로 제작되고, 중심 전극(110)의 말단부가 스파크 부분의 역할을 한다.
도 4는 도 1의 확대 부분 측단면도로, 실린더 헤드(14)의 인젝터(30), 점화 플러그(40), 고속 펄서(HSP)(60), 흡기 밸브(V1), 및 배기 밸브(V2)의 배치를 도시한다. 점화 플러그(40)와 고속 펄서(60) 모두는 엔진의 실린더(90)에 배치되고 실린더(90)의 연소실(80) 내의 연료와 공기의 혼합물을 점화하도록 구성된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 연소실(80)은 실린더(90)와 실린더 헤드(14)에 의해 적어도 부분적으로 정의된다.
다른 형태에서, 상기 인젝터(30)는 상기 피스톤(70)의 상면 중앙부 위에 위치할 수 있고, 상기 인젝터(30)는 소정의 크기로 연료를 가압하여 실린더 내로 가압된 연료를 직접 공급하는 연료 펌프와 연결된다(즉, 직접 분사기). 다른 형태에서, 인젝터(30)는 흡기 매니폴드(IM)와 연통하는 흡기 포트에 위치할 수 있다(즉, 포트 인젝터). 인젝터(30)의 분사 패턴은 듀티 제어를 통해 가변되며, 인젝터(30)는 흡기 행정 동안 1회 이상의 연료 분사를 수행하고, 압축 행정 동안 선택적으로 연료 분사를 수행하며, 엔진의 폭발 행정 동안 점화 플러그(40) 또는 HSP(60)의 작동 직전 또는 작동과 동시에 연료를 분사한다.
폭발 행정 동안 점화 플러그(40) 또는 HSP(60)의 작동 직전 또는 작동과 동시에 연료가 분사되기 때문에, 점화 플러그(40) 및 HSP(60) 주변의 연료와 공기의 혼합비가 인젝터(30)에서 분사되는 연료의 양에 따라 농후하거나 희박할 수 있다. 혼합비뿐만 아니라 점화기의 종류(즉, 점화 플러그 또는 HSP)도 연소실(80) 내의 혼합된 연료와 공기의 연소 시 초기 화염의 형성 및 화염 확산에 영향을 미친다. 특히, ECU(160)는 엔진 속도(예를 들어, 분당 회전수(RPM)) 및 엔진 부하에 기반하여 정상 모드와 희박 연소 모드를 결정하고, 정상 모드와 희박 연소 모드 중 결정된 모드에 기반하여 점화 플러그(40)와 HSP(60)를 제어하여 엔진이 더 적은 연료를 소모하고 효율적으로 작동하도록 한다.
상술한 바와 같이, 엔진 제어 유닛(ECU)(160)은 점화 플러그(40), HSP(60), 밸브 제어 장치(55), 및 인젝터(30)를 제어한다. ECU(160)는 인젝터(30)를 제어하여 분사 시기와 연료의 양을 제어함으로써 실린더(90) 내의 연료-공기 혼합물이 화학량론, 화학량론보다 농후한 값, 또는 화학량론보다 희박한 값이 되도록 선택될 수 있다. 여기서, 엔진을 제어하는 ECU는 적어도 하나의 기능 또는 작동을 처리하는 하드웨어 방식(예를 들어, 프로세서), 소프트웨어 방식(즉, 일련의 명령), 또는 하드웨어와 소프트웨어 방식의 조합으로 구현될 수 있다. ECU는 엔진에 연결된 다양한 센서로부터 엔진의 엔진 속도(RPM) 신호 및 엔진의 원하는 출력을 충족시키는데 필요한 엔진 토크에 해당하는 엔진 부하를 포함하는 엔진의 작동 조건을 나타내는 다양한 신호를 수신하여 차량을 운행한다.
도 5는 본 개시의 일 형태에서 엔진의 운전 조건을 나타내는 개략적인 그래프이다. 엔진 부하-엔진 속도 다이어그램은 "SP-냉 시동" 영역 ①, "HSP-희박 연소" 영역(즉, 희박 연소 모드) ②, 및 "기존 점화 플러그" 영역 ③(즉, 정상모드)를 보여준다. "SP-냉 시동" 영역 ①에서, ECU(160)는 점화 플러그에 인가되는 점화 전압에 의해 점화 플러그(40)가 스파크 방전을 생성하도록 점화 코일(42)에 공급되는 전류를 제어한다. ECU(160)는 엔진이 정지된 상태로부터 시동되고 엔진 온도가 임계값 미만이며 촉매 온도가 임계값 미만일 때 엔진이 냉 시동 상태에 있다고 결정한다. 이러한 냉 시동 상태는 엔진 온도 및/또는 촉매 온도가 임계값보다 높은 이전 엔진 정지 직후의 엔진이 재시동되는 엔진 재시동과 같은 엔진 열 시동(engine hot start) 상태와는 다르다. 엔진의 작동 조건에 기반하여, ECU는 도 5에 화살표가 지시하는 바와 같이 위에서 논의된 영역 사이의 전이를 결정한다.
가속 입력이 수신되면, 엔진 작동은 "HSP-희박 연소" 영역(즉, 희박 연소 모드) ②으로 이동한다. "HSP-희박 연소" 영역(즉, 희박 연소 모드) ②에서, ECU(160)는, 엔진이 엔진 속도와 엔진 부하에 기반하여 희박 연소 모드에서 작동한다고 결정하면, 펄서 제어기(64)와 전기적으로 통신하고 ECU(160)로부터의 입력에 기초하여 각 HSP(60)를 제어한다. 엔진이 저속(800RPM-1500RPM) 또는 중속(1500RPM-2500RPM)으로 작동하고 엔진 부하가 낮은 범위(2bar-8bar의 브레이크 평균 유효 압력)에 있으면, 엔진은 차량을 운행하기 위해 높은 토크가 필요하지 않을 수 있고, 연료 효율을 개선하기 위해 희박 연소 모드에서 작동할 수 있다. 그러나, 예를 들어 종래의 점화 플러그를 사용하여 람다(λ) 값이 1.4보다 큰 희박한 연료-공기 혼합물을 점화하는 경우, 엔진은 희박 연료-공기 혼합물을 점화하는데 어려움이 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 본 개시는 HSP(60)를 제공하여 희박 연소 모드에서 희박 연료-공기 혼합물을 점화함으로써 엔진이 신규한 고속 펄서 점화 시스템(저 부하)과 종래의 점화 스파크(40) 모두를 활용하는 듀얼 모드 점화 시스템을 구현하도록 한다. HSP(60)는 전체 에너지가 낮은 고전압 나노초(nanosecond) 펄스를 생성하는 비열 고속 펄서이다. HSP(60)는 희박 연소(Lambda > 1.4) 엔진을 가능하게 하는 고효율 비열 점화 프로세스를 생성한다.
보다 구체적으로, 고속 펄서(60)는 희박 연소 모드에서 연소실에 비열 플라즈마를 생성하고 다점 체적 연소를 촉진한다. 도 6은 본 개시의 일 형태에서 고속 펄서에 의해 생성된 비열 플라즈마를 도시한다. 초기 화염핵은 중심 전극을 주변으로 링 형태로 형성되며 점화 플러그보다 빠르게 전개된다. 특히, HSP(60)는 연료 또는 공기 분자에 충격을 주고 화염 점화핵에 전구체인 자유 라디칼을 생성하는 전자를 방출한다. HSP(60)은 기체 매체 내의 전기 방전/비열 플라즈마를 사용하여 연료 인젝터에서 분사된 연료를 활성화하여 보다 효과적이고 효율적인 연소를 촉진한다. 비열 플라즈마에서, 전자는 '뜨거운' 반면 이온과 중성 종은 '차가운' 상태이며, 이는 공정 가스 스트림에 축적되는 폐엔탈피가 거의 없도록 한다. 이는 전자, 이온, 및 중성 종의 에너지가 열평형(또는 '뜨거운') 상태에 있고 상당한 폐열이 공정 가스에 축적되는 열 플라즈마와 대조된다.
비열 플라즈마의 기본 작동 원리는 전자가 가스와 충돌하여 연소 과정을 촉진하는 화학적 반응성 종을 생성하여 점화를 향상시키고 희박 연소를 안정화시키는 것이다. 공기 내 단일 비열 과도 플라즈마 방전은 연소 전 화학 및 물리학을 유리하게 변경한다.
HSP(60)는 100나노초 미만에서 적어도 40,000볼트 이상의 펄스 전력을 방전한다. HSP(60)은 연소실 내 혼합물을 보다 효과적으로 연소시키는데 도움이 되는 다점 점화원이며, 매우 희박한 혼합물(람다 >1.4) 상태를 점화할 수 있다. 다시 말해, HSP(60)은 대부분의 차량 구동 사이클에서 일반적인 저부하 작동 중에 연소실 내부의 희박한 연료-공기 혼합물을 점화하기 위해 기존의 점화 플러그보다 더 높은 에너지를 제공한다. 이와 같이, HSP 점화 기술은 점화 안정성 한계를 확장하고 엔진은 20% 더 높은 효율과 50% 이상 적은 NOx 배출량으로 작동될 수 있다. 희박한 연료-공기 혼합물의 확장된 점화 안정성은 또한 더 나은 연비와 초저 엔진 아웃 NOx 배출 및 미립자 배출에 기여한다.
HSP(60)가 저부하 조건(예를 들어, 희박 연소 모드)에서 희박 연소를 위한 희박 한계 확장을 개선하지만, 고부하 조건(예를 들어, 정상 모드)에서는 효과적이지 않다. 따라서, 기존의 점화 플러그(40)는 고부하 조건을 위해 사용된다. 예를 들어, 엔진 토크의 증가 및/또는 엔진 속도의 증가에 반응하여 엔진 부하가 높아지면, ECU(160)는 인젝터(30)를 제어하여 연료량을 증가시키고, 이에 따라 연료와 공기의 혼합물이 농후해져, 예를 들어 1.4 미만의 람다 값을 갖는다. 그러면, ECU는 엔진이 정상 모드(즉, "기존 점화 플러그" 영역 ③)에서 작동하는 것으로 판단하고 HSP(60)의 작동을 중지하며 점화 플러그(40)를 사용하여 정상 모드에서 연료와 공기의 혼합물을 점화한다.
상술한 바와 같이, 본 개시는 내연 기관(IC) 엔진이 희박 조건(람다 > 1.4)으로 저부하에서 HSP를 사용하여 작동하고 농후에서 희박 조건(0.9 < 람다 <1.4) 하에 있는 고부하 조건에서 기존의 점화 플러그로 작동하는 것을 가능하게 하여 엔진이 엔진의 속도 및 부하 조건에 종속하여 가장 효율적인 공기 연료 혼합물에서 듀얼 모드 점화 기능으로 작동 가능하다.
다른 형태에서, 점화 시스템(20)을 포함하는 엔진(10)은 엔진(10)이 정지된 상태에서 차량을 구동할 수 있는 전기 모터를 갖는 하이브리드 전기 자동차(HEV)를 위해 사용될 수 있다. 일반적으로, HEV는 HEV가 엔진을 사용하지 않고 전기모터 만을 사용하여 차량을 운행하는 것을 허용하는 전기 전용 모드(EV모드), 엔진과 전기모터 모두가 사용되는 하이브리드 모드, 그리고 ECU에 의하여 제동 신호를 수신하면 전기 모터가 발전기로 작동하여 엔진의 동력으로 배터리를 충전하는 회생 모드를 포함하는 다양한 모드를 제공한다. 재생 모드 및 EV 모드에서, ECU는 펄서 제어기를 제어하여 HSP(60)의 점화를 억제한다. 도 7은 HEV용 엔진의 작동 조건을 나타내는 개략적인 그래프이다. 엔진이 2bar-8bar의 브레이크 평균 유효 압력 및 800RPM-2500RPM에서 작동할 때, 고속 펄서 모드가 연소에 효과적인 모드이다. HSP에서 SP+EV 모드로 전환할 때(예를 들어, 800RPM-5000RPM에서 8bar 이상의 고부하에서), EV 모터가 켜진다.
도 8은 본 개시의 일 형태에서 희박 연소 엔진용 듀얼 모드 점화를 제어하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 상술한 바와 같이, 본 개시는 엔진의 운전 조건에 기반하여 희박 연소 모드 또는 정상 모드에서 작동하는 희박 연소 엔진(10)에 관한 것이다. 희박 연소 엔진(10)은 정상 모드에서 연소실에 충전된 연료와 공기의 혼합물을 점화하기 위해 스파크 점화기(예를 들어, 점화 플러그)(40) 또는 엔진의 희박 연소 모드에서 희박한 연료-공기 혼합물을 점화하기 위해 고속 펄서(HSP)(60)를 선택적으로 사용함으로써 희박한 연료-공기 혼합물의 점화성을 향상시킨다.
도 8을 참조하면, S100 단계에서 ECU(160)는 요구되는 엔진 토크, 엔진 속도(예를 들어, 엔진 RPM), 및 공연비에 대응하는 엔진 부하를 검출한다. S120 단계에서, ECU(160)는 엔진이 냉 시동을 수행하는지 여부를 판단한다. 냉 시동이 결정되면, ECU는 점화 플러그를 제어함으로써 공기/연료 혼합물을 점화하여 엔진을 시동한다. 그러나, 엔진이 냉 시동 상태로 판단되면, ECU는 검출된 공연비, 엔진 부하, 및 엔진 RPM을 기반으로 엔진이 희박 연소 모드인지 여부를 판단한다(S140 단계). 일단 S140 단계에서 희박 연소 모드가 판단되면, ECU(160)는 희박한 연료-공기 혼합물을 점화하는 HSP(60)에 의해 고속 펄서(HSP) 점화를 수행한다. 엔진이 희박 연소 모드로 작동하지 않으면, ECU는 엔진이 정상 모드인 것으로 판단하고(S160 단계), S180 단계에서 점화 플러그를 작동하여 엔진의 연소실 내의 공기/연료 혼합물을 점화한다. 특히, ECU(160)는 희박 연소 엔진이 낮은 엔진 부하에서 작동할 때 희박 연소 모드로 결정하고, 희박 연소 엔진이 800RPM-2500RPM에서 2bar-8bar와 같이 중간 엔진 부하에서 높은 엔진 부하의 범위에서 작동할 때 정상 엔진 모드로 결정한다. 가속 입력이 수신되면, 희박 연소 엔진 모드가 정상 엔진 모드로 변경된다.
도 9 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 듀얼 모드 점화 시스템 및 그 제어 방법은 저부하 영역에서 희박 연소 엔진의 연소 안정성을 극대화하고, 중간 엔진 부하 내지 높은 엔진 부하 영역에서 저가의 기존 플러그 기술을 활용한다. 듀얼 모드 점화 시스템 및 제어 방법은, 도 9에 도시된 바와 같이, FTP75 사이클을 나타내는 9Pt에 비해 제동 연료 소비율("BSFC")에서 9.4% 연료 효율(FE) 개선을 가져온다. 도 9는 전체 엔진 작동 맵에서 제동 연료 소비율을 나타낸다. 9개 점들은 비슷한 크기의 다른 엔진의 연비를 비교하기 위한 표준 기준으로 간주된다. 이러한 점들은 FTP75 사이클에 포함된다.
도 10은 람다 값의 변화를 기준으로 점화 플러그와 고속 펄서(HSP)의 도시 평균 유효 압력의 변동 계수를 나타내는 그래프이다. 도 10에서 "cov"는 변동 계수를 의미하고, IMEP는 도시 평균 유효 압력을 의미하며, BMEP는 제동 평균 유효 압력을 의미한다. IMEP의 cov는 사이클 당 도시 일의 주기 변동성을 정의한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 종래의 점화 플러그 점화는 람다가 약 1.3보다 작을 때(λ < 1.4) 더 나은 cov_IMEP를 보여주는 반면, HSP 점화는 람다가 약 1.4보다 클 때(λ>1.4) 더 나은 cov_IMEP를 보여준다. 이와 같이, 희박한 람다 조건에서 HSP 점화는 점화 플러그 점화에 비해 연소 안정성이 더 우수하다.
이상에서 본 개시의 실시예를 참조하여 설명한 바와 같이, 듀얼 모드 점화 시스템 및 제어 방법은 연비 향상에 기여하고 저비용으로 향상된 배기 제어를 제공한다.
본 개시의 몇몇 형태가 위에서 도시되고 설명되었지만, 본 개시의 원리 및 사상을 벗어나지 않고 이러한 형태에 변경이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에 의해 인식될 것이다.

Claims (14)

  1. 차량의 엔진용 점화 시스템에 있어서,
    점화 코일에 전기적으로 연결되는 중심 전극 및 접지 전극을 포함하며, 엔진의 정상 모드에서 연료와 공기의 혼합물을 점화하도록 구성된 점화 플러그;
    엔진의 희박 연소 모드에서 희박한 공연비로 혼합된 연료와 공기의 혼합물을 점화하도록 구성된 고속 펄서;
    엔진의 희박 연소 모드에서 연료와 공기의 혼합물을 점화하도록 고속 펄서를 제어하도록 구성된 펄서 제어기; 그리고
    엔진 속도와 엔진 부하를 기반으로 정상 및 희박 연소 모드를 결정하고, 정상 모드 및 희박 연소 모드 중 결정된 모드에 기반하여 펄서 제어기 및 점화 플러그의 점화를 제어하도록 구성된 엔진 제어 장치(ECU);
    를 포함하는 점화 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 점화 플러그 및 상기 고속 펄서는 모두 엔진의 실린더에 배치되고, 결정된 모드에 기반하여 실린더의 연소실 내의 연료와 공기의 혼합물 및 희박한 공연비를 가진 연료와 공기의 혼합물을 점화하도록 구성되는 점화 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    고속 펄서는 연소실에 비열 플라즈마를 생성하고 희박 연소 모드에서 다점 체적 연소를 촉진하도록 구성되는 점화 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    ECU는, 엔진 속도 및 엔진 부하에 기초하여, 엔진에 의해 생성된 동력이 차량의 배터리를 충전하기 위해 적어도 부분적으로 사용되는 재생 모드와, 배터리에서 공급되는 전력만으로 차량을 주행하는 전기 자동차(EV) 모드를 결정하도록 더 구성되고,
    ECU는 재생 모드 및 EV 모드에서 고속 펄서의 점화를 억제하도록 펄서 제어기를 제어하도록 더 구성되는 점화 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 고속 펄서는 100 나노초 미만에서 적어도 40,000 볼트 이상의 펄스 전력을 방전하도록 구성되는 점화 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 정상 모드는 엔진의 냉 시동 및 중간 엔진 부하에서 높은 엔진 부하를 포함하며, 희박 공연비보다 낮은 비율을 가진 연료와 공기의 혼합물을 연소시켜 작동하는 점화 시스템.
  7. 실린더를 정의하는 엔진 블록;
    실린더를 덮도록 구성된 실린더 헤드;
    엔진 블록의 실린더와 실린더 헤드에 의해 적어도 부분적으로 정의되는 연소실;
    실린더에 연료를 분사하도록 구성된 인젝터;
    엔진의 정상 모드에서 연료와 공기의 혼합물을 점화하도록 구성된 점화 플러그와, 엔진의 희박 연소 모드에서 희박한 공연비로 혼합된 연료와 공기의 혼합물을 점화하도록 구성된 고속 펄서를 포함하는 점화 시스템;
    실린더 내부에 왕복 이동 가능하도록 배치되고 엔진의 압축 행정 동안 연료와 공기의 혼합물을 압축하도록 상향 이동하도록 구성된 피스톤; 그리고
    엔진 속도와 엔진 부하를 기반으로 정상 및 희박 연소 모드를 결정하고, 정상 모드 및 희박 연소 모드 중 결정된 모드에 기반하여 고속 펄서 및 점화 플러그를 제어하도록 구성된 엔진 제어 장치(ECU);
    를 포함하는 엔진.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 인젝터, 상기 점화 플러그 및 상기 고속 펄서는 상기 엔진의 실린더 내에 배치되는 엔진.
  9. 제8항에 있어서,
    점화 플러그 및 고속 펄서는 모두 연소실에 노출되고, 각각 연소실 내의 연료와 공기의 혼합물 및 희박한 공연비를 가진 연료와 공기의 혼합물을 점화하도록 구성된 엔진.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 고속 펄서는 연소실 내에 비열 플라즈마를 생성하고, 자유 라디칼의 생성을 촉진하며, 희박 연소 모드에서 다점 체적 연소를 생성하도록 구성되는 엔진.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 ECU는 엔진이 냉 시동 상태 또는 엔진 부하가 중간 엔진 부하에서 높은 엔진 부하의 범위에 있을 때 정상 모드로 판단하고, 엔진이 낮은 엔진 부하에서 작동할 때 희박 연소 모드로 판단하도록 구성된 엔진.
  12. 희박 연소 엔진에서 연소를 제어하는 방법에 있어서,
    불꽃 점화기 및 고속 펄서를 갖는 연소실을 포함하는 희박 연소 엔진을 제공하는 단계;
    불꽃 점화기를 사용하여 중간 엔진 부하 및 높은 엔진 부하에서 불꽃 점화로 희박 연소 엔진이 작동하는 정상 엔진 모드에서 공기/연료 혼합물을 연소실로 제공하는 단계;
    고속 펄서를 이용하여 연소실에서 다점 체적 연소로 희박 연소 엔진이 작동하는 희박 연소 엔진 모드에서 연소실에 희박한 공기/연료 혼합물을 제공하는 단계; 그리고
    희박 연소 엔진 모드에서, 연소실 내에 비열 플라즈마를 생성하고 희박 공기/연료 혼합물의 다점 체적 연소를 촉진하기 위하여 고속 펄서에 의해 희박한 공기/연료 혼합물을 점화하는 단계;
    를 포함하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    희박한 공기/연료 혼합물은 1.4보다 큰 람다(λ) 값을 갖는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    희박 연소 엔진이 낮은 엔진 부하에서 작동할 때 희박 연소 엔진 모드를 결정하는 단계;
    희박 연소 엔진이 냉 시동 상태이거나 중간 엔진 부하에서 높은 엔진 부하의 범위에서 작동할 때 정상 엔진 모드를 결정하는 단계; 그리고
    가속 입력을 수신하면, 희박 연소 엔진 모드에서 정상 엔진 모드로 전환하는 하는 단계;
    를 더 포함하는 방법.
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