KR101109194B1 - 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법 - Google Patents

Abstract

불꽃점화를 이용한 압축자착화운전을 행함으로써, 부하의 투입시간 및 차단시간을 단축시켜, 실용에 감내할 수 있는 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법을 제공한다. 연료와 공기를 미리 혼합시킨 혼합기를 연소실 내에서 압축자착화시켜 연소시키는 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법으로서, 혼합기에 불꽃점화를 실행하는 불꽃점화장치(53)를 구비하여, 혼합기의 흡기온도를 온도조절장치(35)로 대략 일정하게 유지시킴과 더불어, 부하의 크기에 대응해서, 불꽃점화운전과, 불꽃점화를 보조적으로 이용한 점화보조 압축자착화운전과, 불꽃점화를 이용하지 않는 무점화 압축자착화운전을 바꾸어 실행한다.

Description

예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법 {OPERATING 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 공급하여, 당해 혼합기를 압축함으로써 자착화 시키는 예혼합압축식(豫混合壓縮式) 자착화식(自着火式) 엔진이 개시되어 있다. 또, 특허문헌 1에는, 압축자착화운전이 곤란한 엔진의 시동시에 불꽃점화운전(SI 운전)을 실행하는 것이 개시되어 있다.

이 혼합압축식 자착화식 엔진은, 이른바 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, 혼합기를 자연적으로 착화시키는 것이기 때문에, 착화시기의 제어가 매우 곤란하다.

혼합기의 압축자착화는, 엔진의 토크와 혼합기의 흡기온도에 크게 좌우된다. 예컨대, 도 3은, 엔진의 토크와 혼합기의 흡기온도와의 관계에서, 불꽃점화운전이나 압축자착화운전이 가능한 운전범위를 나타낸 그래프 이고, Z1은, 일반적인 불꽃점화운전(SI 운전)이 가능한 운전범위를 나타내고, Z3은, 압축자착화운전(HCCI 운전)이 가능한 운전범위를 나타내고 있다.

도 3에서, 불꽃점화운전에 의해 엔진을 시동하여, 압축자착화운전으로 이행하는 데에는, 먼저, 화살표 Yl로 나타낸 것과 같이 흡기온도를 높일 필요가 있다. 그리고, 압축자착화운전이 가능한 운전범위(Z3)에까지 흡기온도(T2)가 높여지면, 부하를 투입하여, 토크(출력)를 높일 수가 있으나, 토크를 높이는 데에는, 화살표 Y2로 나타낸 것과 같이, 다시 흡기온도를 저하시키지 않으면, 압축자착화운전을 유지할 수가 없게 된다. 또, 최대의 부하를 건 후, 부하를 차단해서 토크를 내리는 데에는, 다시 흡기온도를 높이지 않으면 압축자착화운전을 유지할 수가 있게 된다.

따라서, 흡기온도가 높여진 후, 부하를 투입 하기까지 또는 투입한 부하를 완전히 차단하기까지, 흡기온도를 저하 또는 상승시키는 위한 긴 시간이 필요하게 되고, 이것이 실용상 문제로 되고 있다.

그런데, 종래의 예혼합압축자착화식 엔진에서는, 스로틀 밸브를 전개(全開)한 한 상태에서, 부하에 대응해서 연료제어밸브(에어/연료 밸브)를 조정하여, 연료 농도를 바꿔줌으로써 기관회전수를 조정(거버닝)하도록 되어 있다. 그 때문에, 도 3의 화살표 Y3으로 나타낸 것과 같은 흡기온도 설정으로 부하의 투입?차단을 실행하는 경우, 연료제어밸브에 의한 거버닝(governing)에서는 저부하시에 연료 농도가 옅어져, 자착화가 생기지 않는다고 하는 문제가 생긴다. 한편, 연료제어밸브를 일 정하게 하고, 스로틀 밸브를 조정함으로써 기관회전수를 조정하는 방법도 있으나, 이 경우, 부하가 높아지면 스로틀을 전개부근까지 열려지게 되어, 스로틀 개방정도를 변경하여도 혼합기량이 거의 변화하지 않아, 속도조절기능이 충분히 작동하지 않는다고 하는 문제가 생긴다.

또, 엔진의 배기관에는, 통상, 배기가스에 함유되는 유해성분(대기오염물질)을 정화하기 위한 배기 촉매가 설치되어 있다. 도 12(B)에 도시된 것과 같이, 배기가스에 함유되는 대기오염물질(예컨대, CO)는, 부하가 높을 때는, 촉매를 통과함으로써 적절히 정화되지만, 부하가 작을 때는, 거의 정화되어 있지 않음을 알 수 있다. 이는 도 12(A)에 도시된 것과 같이, 부하가 작을 때에는 배기온도 가 낮아, 대기오염물질을 정화하기 위한 화학반응이 진행되지 않는 것이 원인이다. 따라서, 부하가 작을 때에도 배기온도를 높게 유지시켜, 적절히 대기오염물질을 정화하는 것이 중요하다.

특허문헌 1: 일본국 특개 2005-69097호 공보

(발명이 해결하고자 하는과제)

본 발명은, 상기와 같은 실정에 비추어, 불꽃점화운전과 압축자착화운전 사이에서, 불꽃점화를 보조적으로 이용한 압축자착화운전을 실행함으로써, 부하의 투입시간 및 차단시간을 단축시켜, 충분히 실용에 견딜 수 있는 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

(과제를 해결하기 위한 수단)

본 발명은, 연료와 공기를 미리 혼합시킨 혼합기를 연소실 내에서 압축자착화시켜 연소시키는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법으로서, 혼합기에 불꽃점화를 실행하는 불꽃점화장치를 갖추고 있고, 혼합기의 흡기온도를 온도조절장치에 의해 대략 일정하게 유지시킴과 더불어, 부하의 크기에 대응해서, 불꽃점화운전과, 불꽃점화를 보조적으로 이용한 점화보조 압축자착화운전과, 불꽃점화를 이용하지 않는 무점화 압축자착화운전을 바꾸어 실행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 다시, 다음과 같은 구성을 구비하는 것이 바람직하다.

(1) 점화보조 압축자착화운전에서, 목표로 하는 압축자착화시기를 미리 설정해 놓고, 또 목표 압축자착화시기를 실현할 수 있는 점화불꽃시기를 기록한 점화불꽃시기 맵(map)을 미리 갖추어 놓고, 엔진시동 후, 부하가 소정 이하일 때는, 운전조건으로부터 점화불꽃시기 맵을 참조해서 선택한 점화불꽃시기에 불꽃점화를 실행하고, 부하가 소정 이상일 때는, 목표 압축자착화시기와 실제의 압축자착화시기를 비교함과 더불어, 당해 비교에 기해 실제의 압축자착화시기가 목표 압축자착화시기로 되도록 점화불꽃시기를 조정한다.

(2) 엔진을 냉각상태(cold state)로부터 시동 한 직후에, 공기과잉률을 낮게 해서 불꽃점화운전을 실행한다.

(3) 상기 구성 (2)에서, 엔진을 냉각상태로부터 시동한 직후에, 엔진 출력이 정격으로 되도록 기관회전수를 정격 회전수 이상으로 상승시킨다.

(4) 점화보조 압축자착화운전 및 무점화 압축자착화운전을 할 때에, 기관회전수를 유지하기 위해 스로틀 밸브의 개방정도를 조정하도록 구성하여, 스로틀 밸브의 개방정도가 소정 이상일 때에, 그 개방정도에 대응해서, 공기과잉률을 저하시킨다.

(5) 상기 엔진의 배기통로에, 배기가스에 함유되는 유해성분을 정화하는 촉매를 갖추고서, 상기 엔진이 저부하일 때 또는 배기온도가 소정 보다도 낮을 때, 기관 회전수를 유지하면서도 배기온도를 상승시키기 위해, 공기과잉률을 저하시킴과 더불어 혼합기 유량을 감소시킨다.

(발명의 효과)

본 발명에 의하면, 불꽃점화를 보조적으로 이용한 점화보조 압축자착화운전을 이용함으로써, 흡기온도를 대략 일정하게 한 상태에서 부하의 크기에 대응해서 불꽃점화운전과 압축자착화운전(무점화 압축자착화운전)을 원활하고 또한 단시간에 이행할 수가 있다. 또, 점화보조 압축자착화운전을 실행함으로써, 실질적으로 압축자착화에 의한 운전범위를 확대할 수가 있게 된다.

상기 구성 (1)에 의하면, 부하가 소정 이상일 때는, 실제의 압축자착화시기와 목표 압축자착화시기와의 비교에 근거한 피드백 제어를 실행함으로써, 적절한 시기로 점화불꽃시기를 조정할 수가 있다. 한편, 부하가 소정 이하일 때는, 실제의 압축자착화시기를 검출하기 어려워, 상기와 같은 피드백 제어를 실행하면 불꽃점화시기가 일정치 않게 되어 노킹 등을 생기게 하기 쉽기 때문에, 점화불꽃시기 맵에서 선택된 시기에 불꽃점화를 실행함으로써, 보다 더 안정된 불꽃점화를 실행할 수 있다.

상기 구성 (2)에 의하면, 엔진을 냉각상태로부터 가온상태(warm state)로 빠르게 가온할 수 있다. 따라서, 엔진 냉각수 등을 이용해서 흡기온도를 빠르게 높여, 부하를 투입 가능한 상태로 할 수가 있다.

상기 구성 (3)에 의하면, 엔진을 냉각상태로부터 가온상태에 의해 빠르게 가온할 수가 있어, 흡기온도를 빠르게 높여 부하를 투입 가능한 상태로 할 수가 있다.

상기 구성 (4)에 의하면, 고부하시 등에, 스로틀 밸브의 개방정도가 소정 보다 크게 되어도, 당해 스로틀 밸브에 의해 기관회전수의 조정(거버닝)이 가능해진다.

상기 구성 (5)에 의하면, 저부하 운전의 경우 등, 배기온도가 낮고, 촉매의 정화 성능이 충분히 발휘 될 수 없을 때에, 기관회전수를 유지하면서 배기온도를 상승시켜 촉매의 정화율을 높일 수가 있게 된다.

도 1은, 본 발명의 실시형태에 따른 예혼합압축자착화식 엔진의 개략단면도이다.

도 2는, 예혼합압축자착화 엔진의 개략평면도이다.

도 3은, 예혼합압축자착화식 엔진의 토크와 흡기온도와의 관계에서, 불꽃점화운전과, 점화보조 압축자착화운전과, 무점화 압축자착화운전이 가능한 운전범위를 각각 나타낸 그래프이다.

도 4 (A)는, 토크와 흡기온도와의 관계를 나타낸 그래프, (B)는, 토크와 공기과잉률과의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 5 (A)는, 엔진을 가온상태에서 시동했을 경우의, 시간의 경과에 수반하는 기관회전수의 변화를 나타낸 그래프, (B)는, 마찬가지로 시간의 경과에 수반하는 흡기온도의 변화를 나타낸 그래프, (C)는, 마찬가지로 시간의 경과에 수반하는 부하 투입시의 토크의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 6은, 점화보조 압축자착화운전을 실행하는 경우에, 점화불꽃시기와, 압축자착화시기와의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 7은, 점화불꽃시기와 흡기온도와의 관계에서 압축자착화시기의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 8 (A)는, 엔진을 냉각상태로부터 시동 했을 경우의, 시간의 경과에 수반하는 토크의 변동을 나타낸 그래프, (B)는, 마찬가지로 흡기온도의 변화를 나타낸 그래프, (C)는, 마찬가지로 냉각수 온도의 변화를 나타낸 그래프, (D)는, 마찬가지로 윤활유 온도의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 9 (A)는, 엔진을 냉각상태에서 시동 했을 경우의, 시간의 경과에 수반하는 출력에 변화를 나타낸 그래프, (B)는, 마찬가지로 흡기온도의 변화를 나타낸 그래프, (C)는, 마찬가지로 기관회전수의 변화를 나타낸 그래프, (D)는 마찬가지로 축 토크의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 10은, 스로틀 밸브의 개방정도에 대한, 토크의 변화 및 연료제어밸브의 개방정도의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 11 (A)는, 출력과 스로틀 밸브의 개방정도와의 관계를 나타낸 그래프, (B)는, 출력과 연료제어밸브와의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 12 (A)는, 토크와 배기온도와의 관계를 나타낸 그래프, (B)는, 토크와 CO 배출량과의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 13 (A)는, 토크와 스로틀 밸브의 개방정도와의 관계를 나타낸 그래프, (B)는, 마찬가지로 토크와 연료제어밸브의 개방정도와의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 14 (A)는, 토크를 배기온도의 관계를 나타내는 그래프, (B)는, 마찬가지로 토크와 촉매 통과 후의 CO 배출량과의 관계를 나타낸 그래프이다.

(부호의 설명)

11 - - - 예혼합압축자착화 엔진

13 - - - 실린더

14 - - - 피스톤

31 - - - 스로틀 밸브

32 - - - 연료제어밸브

35 - - - 온도조절장치

45 - - - 콘트롤러

[예혼합압축자착화식 엔진의 개요]

도 1은, 본 발명의 실시형태에 따른 예혼합압축자착화식 엔진(11)의 개략단면도, 도 2는, 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)에 의해 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, 이들 흡기포트(16) 및 배기포트(17)는 각각 흡기밸브(19) 및 배기밸브(20)에 의해 개폐된다. 흡기밸브(19) 및 배기밸브(20)는, 동밸브장치(valve mechani는; 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 같이, 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, 스로트 밸브(31)와, 믹서(33)와, 가열장치(온도조절장치; 35)가 설치되어 있다. 주흡기관(27)에 도입된 공기는, 스로틀 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 공기과잉률(空氣過剩率)이 설정된다.

공기와 연료와의 혼합기는, 가열장치(35)에 의해 가열되어 흡기 서지 탱 크(28)로 유입되어, 각 분기흡기관(29)으로부터 흡기포트(16)을 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 피스톤(14)이 눌러내려진다(팽창행정). 연소가스는, 배기행정에서 배기포트(17)로부터 배기관(26)를 거쳐 배출된다.

가열장치(35)는, 도 2에 도시된 것과 같이, 2경로로 분기된 주흡기관(27)의 한쪽의 경로(38)에 설치된 열교환기(40)를 구비하고 있다. 열교환기(40)는, 엔진 냉각수를 열교환 매체로 하는 것으로, 실린더 블록(12) 및 실린더 헤드(15; 도 1)를 순환한 냉각수가 유로(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 유량조정밸브(43, 44)가 설치되어 있다.

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

한편, 가열장치(35)의 열교환 매체로는, 윤활유나 배기가스를 이용할 수 있다. 또, 가열장치(35)로서, 전열 히터를 이용할 수도 있다. 그리고, 상기와 같이 주흡기관(27)을 분기하지 않고 1경로로 하고서, 가열장치(35)를 설치할 수도 있다.

도 1에 도시된 것과 같이, 엔진(11)은, 콘트롤러(45)를 갖추고 있는바, 당해 콘트롤러(45)에 의해, 스로틀 밸브(31), 연료제어밸브(32), 가열장치(35) 등이 제어되도록 되어 있다. 또, 엔진(11)에는, 냉각수 온도 센서(47)나 흡기온도 센서(48), 기통내압력 센서(49), 기관회전수 센서(50), 토크 센서(51), 공기과잉률 센서(52) 등이 설치되어 있는바, 각종 센서의 검출신호는, 상기 콘트롤러(45)에 입력되도록 되어 있다.

한편, 본 실시예에서는, 기통내압 센서(49)에 의해 각 실린더(13) 내의 압력을 검출하고, 그 검출 값을 해석해서 연소 질량비율을 구하도록 되어 있다. 또, 연소 질량비율이 50%로 되었을 때를 압축자착화시기로 하도록 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(54)를 거쳐 점화 코일(55)에 접속되어 있는바, 점화 플러그(37), 하이 텐션 코드(54) 및 점화 코일(55)에 의해 불꽃점화장치(53)이 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 압축자착화(HCCI)시켜 운전을 실행하는 것이다. 그러나, 본 실시예의 예혼합압축자 착화 엔진(11)에서는, 엔진(11)의 시동시와, 엔진(11)을 시동 한 후 압축자 착화운전을 실행하기 까지의 과도기의 운전에 불꽃점화를 이용하고 있다.

여기서, 엔진시동시의 운전은, 불꽃점화에 의해 혼합기를 연소시키는, 이른바 불꽃점화운전(SI 운전)이다. 과도기의 운전은, 불꽃점화운전이 아니고, 보조적으로 불꽃점화장치(53)를 이용하는 압축자착화운전으로 되어 있다. 본 명세서에서는, 이 과도기의 운전을 점화보조 압축자착화운전이라 칭하고 있다, 또, 불꽃점화를 이용하지 않는 본래의 압축자착화운전을, 무점화 압축자착화운전이라 칭하고 있다.

점화보조 압축자착화운전은, 무점화 압축자착화운전이 곤란한 운전조건에서, 불꽃점화에 의해 압축자착화를 유발하는 운전으로서, 불꽃점화를 실행함으로써, 그 불꽃이나 점화 후의 전파 화염에 의해 압축상태에 있는 혼합기에 자착화를 실행시키는 운전이다.

도 3은, 예혼합압축자착화식 엔진(11)의 토크와 흡기온도와의 관계에서, 불꽃점화운전과, 점화보조 압축자착화운전과, 무점화 압축자착화운전이 가능한 운전범위를 각각 나타낸 그래프이다. Zl은, 불꽃점화운전이 가능한 범위를 나타내고, Z2는 점화보조 압축자착화운전이 가능한 범위를 나타내고, Z3은 무점화 압축자착화운전이 가능한 범위를 나타내고 있다. 그리고, 본 실시예는, 흡기온도가 어느 정도 상승하기까지는, 불꽃점화운전(Zl)을 실행하고, 그 후, 흡기온도가 소정 T1에까지 상승하면, 화살표 Y3으로 나타낸 것과 같이, 흡기온도를 유지하면서 점화보조 압축자착화운전(Z2)으로 이행하고, 그 후 무점화 압축자착화운전(Z3)을 실행하도록 되 어 있다. 이하, 상세히 설명한다.

엔진(11)의 시동시는 냉각된 상태(냉각상태)로서, 당연히 흡기온도 도 낮아져 있다. 따라서, 점화보조 압축자착화운전(Z2)도 무점화 압축자착화운전(Zl)도 곤란한 상태이다. 따라서, 범위 Zl에 도시된 것과 같이, 혼합기를 불꽃점화에 의해 연소시키는 불꽃점화운전을 실행한다. 이 때, 연료제어밸브(32; 도 1)에 의해 공기과잉률을 낮게(연료 리치(rich)) 설정해 놓는다. 불꽃점화운전을 실행하면 점차 엔진 냉각수의 온도가 상승하기 때문에, 가열장치(35; 도 2)에 의해 흡기온도를 상승시킬 수가 있게 된다.

흡기온도가, 무점화 압축자착화운전(Z3)에 의해 최대의 토크(Tr1)를 발생시킬 수가 있는 온도 T1에까지 이르면, 가열장치(35)에 의해 흡기온도를 T1에 유지시킨다. 그리고, 부하를 투입하여, 불꽃점화운전(Zl)으로부터 점화보조 압축자착화운전(Z2)으로 이행하도록 한다. 이 때, 연료제어밸브(32)에 의해 공기과잉률을 서서히 상승시킨다(연료 린(lean)으로 한다). 그 후, 최대 토크가 Tr1에 가까워져, 범위 Z3에 들어갔을 때에 불꽃점화를 멈추어 무점화 압축자착화운전으로 이행하도록 되어 있다.

도 4(A)는, 토크와 흡기온도와의 관계를 나타내는 그래프, (B)는, 토크와 공기과잉률과의 관계를 나타낸 그래프이다. 본 발명을 실선으로 나타내고, 종래기술(점화보조 압축자착화운전을 실시하지 않고, 도 3의 화살표 Y2의 조건에서 무점화 압축자착화운전을 실행하는 경우)을 일점 쇄선으로 나타내고 있다.

본 실시예는, 흡기온도를 T1로 유지한 상태에서, 공기과잉률을 서서히 올려, 불꽃점화운전으로부터 점화보조 압축자착화운전을 거쳐 무점화 압축자착화운전으로 이행하도록 되어 있다. 종래기술에서는, 흡기온도를 T2로부터 T1으로 점차 내려면서, 스로틀 밸브를 전개로 한 상태에서, 공기과잉률을 서서히 내려 무점화 압축자착화운전을 실행하게 되어 있다.

따라서, 본 실시예에서는, 종래의 기술과 같이 흡기온도를 T2와 T1 사이에서 변화시키지 않아, 흡기온도 변화에 필요한 시간을 요하지 않고 토크를 증대할 수 있도록 되어 있다.

토크가 최대로 된 상태에서 부하를 차단하여, 토크를 내린 경우는, 도 3의 화살표 Y3의 역의 경과(reversal process)로 운전을 실행한다. 즉, 무점화 압축자착화운전(Z3)으로부터 점화보조 압축자착화운전(Z2)을 거쳐 불꽃점화운전(Z1)으로 이행시킨다. 이 경우도, 흡기온도를 대체로 일정하게 할 수가 있기 때문에, 신속히 부하를 차단할 수 있게 된다.

도 5(A)는, 실험에서 엔진(11)을 따득하게 한 상태(가온상태)에서 시동했을 경우의 시간의 경과에 수반하는 기관회전수의 변화를 나타내고, 도 5(B)는, 마찬가지로 흡기온도의 변화를 나타내고, 도 5(C)는, 마찬가지로 부하 투입시의 토크의 변화를 나타내고 있다. 도 5(A) 및 (B)에서, 기관회전수는, 엔진시동으로부터 단시간에 정격 부근에까지 상승하고, 흡기온도도 거의 같은 시기로부터 Tl의 상태로 유지되어 있다. 도 5(C)에서, 토크는, 기관회전수 및 흡기온도가 대략 일정하게 되었을 때로부터 단시간에 상승시킬 수 있도록 되어 있다. 또, 부하를 차단하여, 토크가 0(아이들링 상태)으로 되기까지에 걸리는 시간도 짧게 할 수가 있도록 되어 있 다.

한편, 상기에서, 점화보조 압축자착화운전이나 무점화 압축자착화운전을 실행할 때에는, 연료제어밸브(32)의 개방정도를 일정하게 해놓을 수도 있다.

(점화보조 압축자착화운전에서의 압축자착화시기의 조정)

도 6은, 점화보조 압축자착화운전을 실행할 경우에, 점화불꽃시기와 압축자착화시기와의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 6으로부터, 불꽃점화의 시기가 진각 측에서 지각 측으로 늦어져 가게 되면, 거기에 수반해서 압축자착화시기도 진각 측으로부터 지각 측으로 늦어져 있음을 알 수 있다.

그리고, 본 실시예에서는, 점화불꽃시기를 조정함으로써, 압축자착화시기를 조정하도록 되어 있다.

그리고, 도 6으로부터는, 불꽃점화시기가, 어떤 시기(t1)보다도 진각 측으로 되면, 그 이상 진각시켜도 압축자착화시기는 진각되지 않고 있음을 알 수 있다. 역으로, 불꽃점화시기가 어떤 시기(t2)보다도 지각 측으로 되면, 그 이상 지각시켜도, 압축자착화시기가 거의 지각되어 있지 않게 되어 않고 있음을 알 수 있다. 이는, 이미, 자연히 압축자착화가 시작되어 있기 때문이라고 생각할 수 있다.

본 실시예에서는, 이와 같은 특성에도 착안하여, 상기 t1을 불꽃점화의 진각 측의 한계시기(진각한계)로 설정함과 더불어 t2를 지각 측의 한계시기(지각한계)로 설정하여, 양 한계시기(t1, t2) 사이에 불꽃점화를 실행하도록 불꽃점화장치(53; 도 2)를 동작제어하도록 되어 있다. 이에 따라, 불꽃점화를 실행함으로써 압축자착화를 확실하게 유발할 수가 있게 된다.

점화불꽃시기의 조정은, 다음의 방법으로, 도 2에 도시된 불꽃점화장치(53)의 점화코일(55)로의 통전을 콘트롤러(45)로 제어함으로써 실행할 수 있다.

먼저, 예컨대, 열효율이나, 배기가스에 함유되는 대기오염물질(유해성분)의 배출량 등의 밸런스를 취할 수 있는, 목표 압축자착화시기를 미리 설정해 놓는다. 실제의 자착화시기는, 앞에서 설명한 바와 같이 기통내압 센서(49; 도 1)의 검출 값으로부터 구한다. 그리고, 목표 압축자착화시기와 실제의 압축자착화시기를 비교하고, 이 비교에 기해, 실제의 압축자착화시기가 목표 압축자착화시기로 되도록, 점화불꽃시기를 조정한다. 즉, 목표 압축자착화시기와 실제의 압축자착화시기의 비교로부터, 점화불꽃시기를 피드백 제어하도록 되어 있다.

도 7의 그래프는, 점화불꽃시기와 흡기온도와의 관계에서 압축자착화시기의 변화를 나타내고 있다. 이 그래프에서는, 목표 압축자착화시기(예컨대, 크랭크 각이 TDC + 6°인 시기)를 W로 나타내고 있다. 이 그래프에 의하면, 예컨대, 흡기온도가 Ta일 때, 점화불꽃시기를 ta로 조정하면, 실제의 압축자착화시기를 목표 압축자착화시기로 조정할 수 있음을 알 수 있다.

대기오염물질인 NOx는 착화시기가 빠르면 증대하는 경향이 있고, THC(미연탄화수소)나 CO(일산화탄소)는, 착화시기가 늦으면 증대하는 경향이 있기 때문에, 목표 압축자착화시기는, 예컨대, 이들의 배출이 균형있게 저감시킬 수 있는 시기로 설정할 수가 있다.

또, 본 실시예와 같은 다기통엔진(11)의 경우, 각 기통의 방열성의 차이로 말미암은 압축단 온도의 차이에 따라, 압축자착화시기가 다르다. 따라서, 각기통의 점화불꽃시기를 조정함으로써, 압축자착화시기를 맞출 수도 있게 된다. 압축자착화시기를 맞추면, 싸이클 효율 및 열효율을 향상시킬 수가 있게 된다.

(압축자착화시기 조정의 예외)

도 3에 도시된 것과 같이, 화살표 Y3에서, 불꽃점화운전(Z1)으로부터 점화보조 압축자착화운전(Z2)으로 이행한 직후의 상태로서, 토크가 작을 때(부하가 작을 때)는, 노이즈의 비율이 높아지기 때문에, 기통내압 센서(49; 도 1)에 의한 압력의 검출이 곤란해진다. 따라서, 그 검출 값으로부터 연소 질량비율(즉, 압축자착화시기)을 정확히 구할 수가 없다. 그 때문에, 상기와 같은 피드백 제어를 실행하면, 오히려 운전의 안정성이 저해될 가능성이 있다. 특히, 부하를 투입하기 시작했을 때에, 불꽃점화시기가 진각한계(t1)에까지 진행되어, 노킹를 생기게 하기 쉬운 상태로 된다.

그 때문에, 부하가 소정 이하인 경우(즉, 본 실시예에서는, 도 4(B)와 같이 공기과잉률이 소정 이하일 때)에는, 상기 피드백 제어를 실행하지 않고, 다음과 같은 맵를 이용한 계획제어(計劃制御)를 실행함으로써, 운전의 안정성을 확보하고 있다.

즉, 흡기온도 등의 운전조건과의 관계에서 목표 압축자착화시기를 실현할 수 있는 점화불꽃시기를 매핑한, 점화불꽃시기 맵을 작성하여, 당해 점화불꽃시기 맵을 콘트롤러(45)의 메모리(도시 생략)에 기억시켜넣는다. 그리고, 당해 운전상황을 검출함과 더불어, 점화불꽃시기 맵을 참조해서 그 검출 값에 대응하는 점화불꽃시기를 선정하여, 당해 점화불꽃시기에 불꽃점화가 실행되도록, 불꽃점화장치(53)를 제어한다.

이와 같은 계획제어를 실행함으로써, 저부하이더라도 안정된 압축자착화시기의 제어(점화불꽃시기의 제어)를 실행할 수가 있다.

(냉각상태로부터 난기(暖機)하는 방법)

앞의 설명에서는, 도 3 및 도 4에서, 흡기온도를 T1으로 상승시킨 상태로부터 부하를 투입, 차단하기까지의 시간을 단축시키는 데에 대해 설명하였다. 다음에는, 엔진(11)을 차가워진 상태(냉각상태)로부터 불꽃점화운전으로 시동을 해서, 흡기온도가 T1에 이를 때까지의 시간, 또는, 점화보조 압축자착화운전이 가능해지기까지의 시간을 단축하는 데에 대해 설명한다.

도 8(A)는, 엔진(11)을 냉각상태로부터 시동했을 경우의, 시간의 경과에 수반하는 토크의 변화를 나타내고, 도 8(B)는, 마찬가지로 흡기온도의 변화를 나타내고, 도 8(C)는, 마찬가지로 냉각수 온도의 변화를 나타내고, 도 8(D)는, 마찬가지로 윤활유 온도의 변화를 나타내고 있다. 또, 비교로서 종래기술의 경우도 동시에 나타내고 있다.

도 8(A)에 도시된 것과 같이, 종래의 기술은, 시동 직후부터 부하를 걸지 않고(토크를 0으로 해서) 운전을 실행하고 있다. 그에 의해, 도 8(C), (D)에 도시된 것과 같이, 냉각수 온도나 윤활유 온도가 서서히 상승하도록 되어 있다. 냉각수 온도의 상승에 수반해서, 도 8(B)에 도시된 것과 같이, 가열장치(35; 도 2)에 의해 흡기온도도 상승하도록 되어 있다. 그리고, 도 8(A)에 도시된 것과 같이, 시동을 하고 나서 한참 후에 부하를 걸어, 토크를 최대로 할 수 있도록 되어 있다. 이에 대해, 본 발명에서는, 엔진시동 직후부터 부하를 투입하여, 최대 토크보다도 작은(도시된 예에서는 약 반분의) 토크를 발생시킨 상태에서, 운전하도록 되어 있다. 이에 의해, 도 8(B) ~ (D)에 도시된 것과 같이, 종래보다도 조기에 흡기온도, 냉각수 온도 및 윤활유 온도가 상승해 있음을 알 수 있다. 그리고, 도 8(A)에 도시된 것과 같이, 종래보다도 조기에 최대의 부하를 걸 수 있는 상태로 되어 있다.

본 실시예에서는, 엔진시동 직후부터 부하를 투입하기 때문에, 연료제어밸브(32; 도 1)의 개방정도를 조정해서 공기과잉률을 작게(연료 리치로) 설정하고, 거기에 대응해서 노킹이 생기지 않도록 스로틀 밸브(31; 도 1)의 개방정도를 작아지도록 조정하도록 되어 있다. 부하의 크기는, 노킹이 생기지 않는 최대의 부하로 되어 있다. 그 후, 부하를 건 운전상태를 유지하기 위해, 시간의 경과에 수반해서 연료제어밸브 및 스로틀 밸브의 개방정도를 적의 조정함으로써, 공기과잉률을 압축자착화가 가능한 값까지 높여가도록 되어 있다.

그리고, 본 실시예에서는, 도 9에 도시된 것과 같이 해서 흡기온도를 한층 더 조기에 높일 수 있도록 되어 있다. 도 9(A)는, 엔진(11)을 냉각상태로부터 시동했을 경우의, 시간의 경과에 수반하는 출력의 변화를 나타내고, 도 9(B)는, 마찬가지로 흡기온도의 변화를 나타내고, 도 9(C)는, 마찬가지로 기관회전수의 변화를 나타내고, 도 9(D)는 마찬가지로 축 토크의 변화를 나타내고 있다. 실선은 본 발명을 나타내고, 점선은 종래기술을 나타낸다.

본 발명의 경우, 엔진시동 직후부터, 축 토크에 대응해서 기관회전수를 정격 회전수 이상으로 상승시켜, 출력을 정격 출력까지 상승시키도록 되어 있다. 이에 의해, 흡기온도가 조기에 상승되어 있음을 알 수 있다. 또, 엔진(11)에 의해 발전기를 구동하는 경우에는, 기관회전수가 정격보다도 상승하게 됨으로써 주파수가 변동하지 않도록, 인버터(inverter)에 의해 출력 제어를 실행하게 된다.

(고부하시의 기관회전수의 조정)

점화보조 압축자착화운전이나 무점화 압축자착화운전을 실행하는 경우, 연료제어밸브(32; 도 1)의 개방정도를 일정하게 해서 부하를 높여가, 스로틀 밸브(31; 도 1)의 개방정도를 크게 함으로써 기관회전수를 일정하게 조정(거버닝)할 수가 있다.

도 10은, 이 경우의, 스로틀 밸브(31)의 개방정도에 대한 토크 및 연료제어밸브(32)의 개방정도의 변화를 나타낸 그래프로서, 본 발명을 실선으로 나타내고, 종래기술을 2점쇄선으로 나타내고 있다. 동 도면에서, 종래기술에서는, 고부하 영역에서, 스로틀 밸브(31)를 개방하여도 토크(출력)가 거의 상승하지 않게 되어 있음을 알 수 있다. 그 때문에, 높은 부하를 투입할 수가 없게 되어 있다.

이에 대해, 본 발명에서는, 스로틀 밸브(31)의 개방정도가 소정 이상으로 높아지면, 연료제어밸브(32)를 일정한 상태로부터 개방되는 방향으로 조정하도록 되어 있다. 이에 의해 토크를 증대할 수가 있게 되어 있다.

이 경우, 연료제어밸브(32)는, 다음과 같이 제어된다. 즉, 스로틀 밸브(31)가 소정 이상으로 개방되었을 때, 그 개방정도의 증량에 대응한 연료제어밸브(32)의 개방정도의 증량을 미리 설정한 맵을 작성하고, 당해 맵을 콘트롤러(45)의 메모리에 기억시켜 놓는다. 그리고, 스로틀 밸브(31)가 소정 이상 개방되었을 때, 그 증량으로부터 맵을 참조해서 연료제어밸브(32)의 개방정도의 증량을 선택해서, 콘트롤러(45)에 의해 연료제어밸브(32)를 개방시키도록 되어 있다.

도 11(A)는, 상기의 경우에, 출력과 스로틀 밸브(31)의 개방정도와의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 11(B)는, 마찬가지로 출력과 연료제어밸브(32)의 개방정도와의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 11(A) (B)로부터도, 스로틀 밸브(31)가 소정 이상으로 개방되면, 연료제어밸브(32)가 열려져, 출력이 상승되어 있음을 알 수 있다.

(배기가스 촉매의 정화율 향상)

도 1에 도시된 것과 같이, 배기관(26)에는, 배기가스 중에 함유되는 대기오염물질을 정화하는 배기 촉매(60)가 설치되어 있다. 일반적으로, 도 12(A)에 도시된 것과 같이, 배기온도는 토크가 상승함에 따라 상승하게 된다. 한편, 배기가스에 함유된 CO 배출량은, 도 12(B)에 도시된 것과 같이, 촉매 통과 전에는 토크의 증대에 따라 서서히 감소하고, 촉매 통과 후는, 높은 토크 영역에서는 0에 가까이까지 저감되어 있지만, 낮은 토크 영역, 즉 배기온도가 낮은 영역에서는 그다지저감 되지 않다.

이와 같은 상황에 비추어 보면, 본 실시예에서는, 저토크 영역에서, 배기온도를 상승시킴으로써, 촉매에 의한 대기오염물질의 정화를 촉진하도록 되어 있다. 구체적으로는, 기관 회전수의 거버닝 방법에 대응해서, 이하의 방법을 이용한다.

(1) 연료제어밸브(32; 도 1)에 의해 기관회전수를 조정(거버닝)하는 경우

도 1에 도시된 것과 같이, 배기온도를 검출하는 배기온도 센서(61)를 배기 관(26)에 설치해 놓고, 저부하이기 때문에 배기온도 센서(61)의 검출 값이 미리 설정한 한계온도를 하회하는 경우에, 스로틀 밸브(31)를 닫혀지는 방향으로 조정한다. 스로틀 밸브(31)가 닫히는 방향으로 조정되면 실질적인 연료공급량이 감소하게 되지만, 그 감소를 보충해서 기관회전수를 유지하도록 연료제어밸브(32)는 개방 방향으로 조정되게 된다. 그리고, 연료제어밸브(32)가 개방 방향으로 조정되면 공기과잉률이 작아지기 때문에, 배기온도가 상승한다. 따라서, 저부하이더라도 촉매에 의한 대기오염물질의 정화율을 높일 수가 있게 된다.

도 13(A)는, 상기 (1)의 제어를 실행한 경우의 토크와 스로틀 밸브 의 개방정도와의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 13(B)는, 마찬가지로 토크와 연료제어밸브(32)의 개방정도와의 관계를 나타낸 그래프이다. 또, 도 14(A)는, 상기 제어를 실행한 경우의 토크와 배기온도의 관계를 나타낸 그래프이고, 도 14(B)는, 마찬가지로 토크와 촉매 통과 후의 CO 배출량과의 관계를 나타낸 그래프이다. 이상의 그래프로부터, 상기 각 제어방법이 유효하다는 것을 알 수 있다.

(2) 스로틀 밸브(31)에 의해 기관 회전수를 조정(거버닝)하는 경우

저부하이기 때문에, 배기온도 센서(61)의 검출 값이 미리 설정한 한계온도를 하회하는 경우에, 연료제어밸브(32)를 개방하는 방향으로 조정한다. 연료제어밸브(32)가 개방되는 방향으로 조정되면, 공기과잉률이 작아지기 때문에, 배기온도가 상승한다. 이에 의해, 촉매에 의한 대기오염물질의 정화율을 높일 수가 있게 된다. 또, 공기과잉률이 작아져도 실질적인 연료공급량이 증대하지 않도록, 스로틀 밸브(31)는 닫혀지는 방향으로 조정되어, 기관 회전수가 유지되게 된다.

상기 (2)의 제어를 실행함으로써, 도 14에 나타나 있는 것과 같은 결과를 얻을 수가 있다.

본 발명은, 상기 실시예에 한정되지 않고 적의 설계변경할 수도 있다. 예컨대, 상기 실시형태에서는 4기통의 예혼합압축자착화식 엔진(11)을 예시하였으나, 기통수는 하등 한정되는 것은 아니다.

Claims (6)

1. 연료와 공기를 미리 혼합한 혼합기를 연소실 내에서 압축자착화시켜 연소시키는, 예혼합압축자착화식(豫混合壓縮自着火式) 엔진의 운전방법으로서,

   혼합기에 불꽃점화를 실행하는 불꽃점화장치를 갖추고 놓고,

   혼합기의 흡기온도를 온도조절장치에 의해 일정하게 유지시킴과 더불어, 부하의 크기에 대응해서, 불꽃점화운전과, 불꽃점화를 보조적으로 이용한 점화보조 압축자착화운전과, 불꽃점화를 이용하지 않는 무점화 압축자착화운전을 절환해서 실행하는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.
2. 제1항에 있어서, 점화보조 압축자착화운전에서, 목표로 하는 압축자착화시기를 미리 설정해서 놓고, 또 목표 압축자착화시기를 실현할 수 있는 점화불꽃시기를 기록한 점화불꽃시기 맵을 미리 갖추어 놓고,

   엔진 시동 후, 부하가 소정 이하일 때는, 운전조건으로부터 점화불꽃시기 맵을 참조해서 선택한 점화불꽃시기에서 불꽃점화를 실행하고, 부하가 소정 이상일 때는, 목표 압축자착화시기와 실제의 압축자착화시기를 비교함과 더불어, 당해 비교에 기초하여 실제의 압축자착화시기가 상기 목표로 하는 압축자착화시기로 되도록 점화불꽃시기를 조정하는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.
3. 제1항에 있어서, 엔진을 냉각상태로부터 시동한 직후에, 공기과잉률을 낮게 해서 불꽃점화운전을 실행하는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.
4. 제3항에 있어서, 엔진을 냉각상태로부터 시동한 직후에, 엔진 출력이 정격으로 되도록 기관 회전수를 정격회전수 이상으로 상승시키는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.
5. 제1항에 있어서, 점화보조 압축자착화운전 및 무점화 압축자착화운전을 할 때에, 기관회전수를 유지해야 할 스로틀 밸브의 개방정도를 조정하도록 구성하고,

   스로틀 밸브의 개방정도가 소정 이상일 때에, 그 개방정도에 대응해서, 공기과잉률을 저하시키는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 엔진의 배기통로에, 배기가스에 함유되는 유해성분을 정화하는 촉매를 갖추어 놓고,

   상기 엔진이 저부하일 때 또는 배기온도가 소정 보다도 낮을 때에, 기관 회 전수를 유지하면서도 배기온도를 상승시키려고, 공기과잉률을 저하시킴과 더불어 혼합기 유량을 감소시키는 것을 특징으로 하는, 예혼합압축자착화식 엔진의 운전방법.

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