KR20200052492A - 연료 분사 제어시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 배기열을 이용하여 증발시킨 연료를 연소실 내에 공급하여 혼합기를 균질하게 형성하는 기술에 관한 것으로, 본 발명에서는, 흡기밸브가 개방되는 흡입행정 직전에 배기밸브가 1차 개방되고, 상기 흡입행정 중 상기 배기밸브가 2차 개방되어 밸브오버랩이 가능하도록 구성된 배기 가변밸브기구; 상기 배기밸브의 후단에 마련되어 연료를 분사하는 배기인젝터; 및 상기 흡입행정 중 배기밸브가 2차 개방되기 전에 배기인젝터를 통해 연료를 배기인젝터 분사하도록 제어하는 컨트롤러;를 포함하여 구성되는 연료 분사 제어시스템 및 방법이 소개된다.
Description
본 발명은 배기열을 이용하여 증발시킨 연료를 흡입공정 중에 연소실 내에 공급하여 연료와 공기의 혼합기를 균질하게 형성하는 연료 분사 제어시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 가솔린엔진은 공기와 연료의 혼합기를 흡기하여 스파크점화에 의해 연소가 이루어지고, 디젤엔진은 공기만 흡기한 상태에서 고온고압 분위기에 연료를 분사하여 압축착화에 의해 연소가 이루어진다.
이 외에, 연료와 공기의 혼합기를 미리 섞어 균질한 혼합기를 형성한 후 이를 압축착화시켜 연소시키는 HCCI(균질예혼합 압축착화연소) 연소 방식이 있고,
일반적으로 PCCI 연소는 연소실 내에 연료를 압축초기에 분사하여 공기와 연료를 예혼합한 후 이를 압축착화시켜 연소시키는 PCCI(부분예혼합 압축착화연소) 연소 방식이 있다.
한편, 디젤엔진의 예혼합 압축착화연소 방식은 NOX와 PM을 동시에 저감할 수 있는 이상적인 연소지만, 착화시기를 정밀하게 제어하는 것이 어렵고, 연소음이 과다한 문제가 있다.
또한, 디젤연료는 증발온도가 높아 연소실 내에서 원활하게 증발하지 않으므로, 공기-연료의 균질한 혼합기를 형성하는 데에 어려움이 있다.
이 같은 문제를 해소하기 위해, 인젝터 다단분사 및 조기분사 방법을 이용하는 기술이 제안되고 있으나, 균질한 혼합기를 형성하기 위한 시간이 부족하고, 흡입공기의 낮은 온도로는 공기와 연료의 혼합기가 균질하게 혼합하지 못하는 문제가 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 배기열을 이용하여 증발시킨 연료를 흡입공정 중에 연소실 내에 공급하여 연료와 공기의 혼합기를 균질하게 형성하는 연료 분사 제어시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 흡기밸브가 개방되는 흡입행정 직전에 배기밸브가 1차 개방되고, 상기 흡입행정 중 상기 배기밸브가 2차 개방되어 밸브오버랩이 가능하도록 구성된 배기 가변밸브기구; 상기 배기밸브의 후단에 마련되어 연료를 분사하는 배기인젝터; 및 상기 흡입행정 중 배기밸브가 2차 개방되기 전에 배기인젝터를 통해 연료를 배기인젝터 분사하도록 제어하는 컨트롤러;를 포함하고, 상기 배기인젝터 분사된 연료가 배기열에 의해 증발되어 공기와 예혼합되고, 예혼합된 연료가 2차 개방된 배기밸브를 통해 연소실 내에 공급되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 배기인젝터는 배기포트 또는 배기매니폴드 내에 연료를 분사하도록 마련될 수 있다.
본 발명의 구성은, 연료 분사시스템에 의해 연료를 분사하는 방법으로서, 컨트롤러가 흡입행정 중 배기밸브가 2차 개방되기 전에 배기인젝터를 통해 연료를 배기인젝터 분사하도록 제어하는 예혼합단계;를 포함하고, 상기 예혼합단계에서는 상기 배기인젝터 분사된 연료가 배기열에 의해 증발되어 공기와 예혼합되고, 예혼합된 연료가 2차 개방된 배기밸브를 통해 연소실 내에 공급되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 예혼합단계 전에, 엔진회전수와, 연료량과, 배기가스온도 및 냉각수온을 검출하는 단계; 상기 엔진회전수와, 연료량과, 배기가스온도 및 냉각수온이 예혼합조건을 만족하는지 판단하는 단계;를 포함할 수 있다.
한 사이클 동안 분사되는 총 연료량에 대한 예혼합 연료량의 비율이 20% ~ 40% 일 수 있다.
폭발행정 중 연소실 내에 마련된 메인인젝터를 통해 연료를 분사하는 메인분사단계;를 더 포함하되, 상기 메인분사단계에서의 연료 분사시기는 TDC -4 ~ 4°가 되도록 제어할 수 있다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 흡입행정 중에 배기밸브가 2차 개방되는 경우, 배기인젝터에서 분사된 연료가 배기열에 의해 증발되어 실린더 내에 공급됨으로써, 공기와 연료의 혼합기를 더욱 균질하게 형성하여 공급하게 되고, 이에 최적의 부분 디젤 연료 예혼합 연소를 구현하여 NOX, Soot를 악화시키지 않으면서 연비 및 연소음을 개선하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 분사시스템의 구성을 도식화하여 나타낸 도면.
도 2 및 도 3은 본 발명에 적용 가능한 배기 가변밸브기구의 구성과, 배기 가변밸브기구의 온/오프 작동상태를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 배기 가변밸브기구의 작동에 따른 흡배기밸브의 개폐 프로파일을 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 연료 분사방법의 과정을 순차적으로 도시한 도면.
도 2 및 도 3은 본 발명에 적용 가능한 배기 가변밸브기구의 구성과, 배기 가변밸브기구의 온/오프 작동상태를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 배기 가변밸브기구의 작동에 따른 흡배기밸브의 개폐 프로파일을 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 연료 분사방법의 과정을 순차적으로 도시한 도면.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 연료 분사시스템은, 배기 가변밸브기구(21)와, 배기인젝터(30) 및 컨트롤러(C)를 포함하여 구성이 된다.
도 1을 참조하여, 본 발명을 구체적으로 살펴보면, 먼저 배기 가변밸브기구(21)는, 흡기밸브(10)가 개방되는 흡입행정 직전에 배기밸브(20)가 1차 개방되고, 상기 흡입행정 중 상기 배기밸브(20)가 2차 개방되어 밸브오버랩이 가능하도록 구성이 된다.
예컨대, 상기 배기 가변밸브기구(21)는, 도 2 및 도 3에 도시된 2단 VVL(Variable valve lift)시스템이 적용될 수 있다.
도면을 참조하여 상기 배기 가변밸브기구(21)에 대해 살펴보면, 캠샤프트(22)에 캠리프트가 높은 하이캠(23)과 캠리프트가 낮은 로우캠(25)이 각각 구비되고, 상기 하이캠(23)의 돌출부분인 캠로브(23a)와 로우캠(25)의 돌출부분인 캠로브(25a)는 배기밸브(20)의 1차 개방시기 및 2차 개방시기를 고려하여 소정의 회전변위를 두어 배치된다.
그리고, 상기 하이캠(23)의 반경방향에는 하이암(24)이 구비되고, 상기 하이암(24)의 일단에는 회전축이 구비되어, 상기 하이암(24)의 타단이 상기 회전축을 중심으로 회전이 가능하게 구성된다. 특히, 상기 하이암(24)의 타단이 배기밸브(20)의 상단에 위치함으로써, 하이암(24)의 회전에 의해 하이암(24)의 타단이 배기밸브(20)를 눌러 배기밸브(20)가 개방이 되는 구조가 된다.
또한, 상기 로우캠(25)의 반경방향에는 로우암(26)이 구비되고, 상기 로우암(26)의 일단이 상기 회전축에 결합되어, 상기 로우암(26)의 타단이 상기 회전축을 중심으로 회전이 가능하게 구성된다.
아울러, 상기 하이암(24)의 중단에는 유압에 의해 돌출 작동되는 록킹핀(27)이 마련되는데, 상기 록킹핀(27)의 돌출 작동시 하이암(24)에 대한 로우암(26)의 상대회전이 구속되어, 하이암(24)과 로우암(26)이 함께 회전이 되고, 상기 돌출 작동된 록킹핀(27)의 복원시 하이암(24)에 대한 로우암(26)의 상대회전이 허용되는 상태로 전환되어 하이암(24)과 로우암(26)이 개별적으로 회전이 가능하게 된다.
이 같은 구성에 따라, 상기 록킹핀(27)이 돌출 작동된 상태에서 캠샤프트(22)가 회전이 되면, 상기 하이캠(23)의 캠로브(23a)를 통해 하이암(24)을 눌러 하이암(24)이 회전되고, 이에 하이암(24)의 타단이 배기밸브(20)를 누르게 되면서 도 4에 도시된 프로파일과 같이 하이캠(23)에 형성된 캠리프트만큼 배기밸브(20)를 1차 개방하게 된다.
이 상태에서 캠샤프트(22)가 계속해서 회전하여 로우캠(25)의 캠로브(25a)를 통해 로우암(26)을 누르게 되면 로우암(26)이 회전되는데, 이때에 록킹핀(27)에 의해 로우암(26)과 하이암(24)의 상대회전이 구속된 상태에 있어 로우암(26)과 함께 하이암(24)이 회전이 되고, 이에 하이암(24)의 타단이 배기밸브(20)를 누르게 되면서 도 4에 도시된 프로파일과 같이 로우캠(25)에 형성된 캠리프트만큼 배기밸브(20)를 2차 개방하게 된다.
즉, 상기 배기 가변밸브기구(21)를 이용함으로써, 흡입행정 이전과 흡입행정 중에 각각 개방할 수 있게 된다.
다만, 상기 록킹핀(27)이 돌출되지 않은 상태에서 캠샤프트(22)가 회전하면, 하이캠(23)에 형성된 캠리프트만큼 배기밸브(20)를 개방할 수는 있지만, 이 상태에서는 로우암(26)과 하이암(24)이 상대 회전이 되므로 로우캠(25)에 의해 로우암(26)이 회전되더라도 배기밸브(20)는 개방되지 않게 되고, 이에 통상의 밸브기구와 같이 배기밸브(20)를 한 차례만 개방할 수있게 된다.
아울러, 도 1과 같이 상기 배기밸브(20)의 후단에는 배기인젝터(30)가 마련되어 연료를 분사할 수 있게 구성이 된다.
예컨대, 상기 배기인젝터(30)는 배기포트(31) 또는 배기매니폴드(32) 내에 디젤 연료를 분사하도록 마련된 저압솔레노이드 인젝터일 수 있다.
그리고, 상기 배기인젝터(30)는 배기측에 설치되는 구조로 인해 배기인젝터(30)의 열적 내구성을 보장할 수 있도록 냉각수회로를 구성하거나, 또는 배기인젝터(30)가 실린더헤드에 형성된 냉각수회로를 이용할 수 있는 위치(예 : 배기매니폴드 일체형 실린더헤드 상에 설치)에 설치될 수 있다.
그리고, 컨트롤러(C)는 상기 흡입행정 중 배기밸브(20)가 2차 개방되기 전에 배기인젝터(30)를 통해 연료를 배기인젝터 분사하도록 제어할 수 있다.
이에, 상기 배기인젝터 분사된 연료가 배기열에 의해 증발되어 공기와 예혼합되고, 예혼합된 연료가 2차 개방된 배기밸브(20)를 통해 연소실 내에 공급이 되는 구조가 된다.
즉, 흡입행정 중에 배기밸브(20)가 2차 개방되는 경우, 배기압력이 실린더 내부의 압력보다 높으므로, 배기인젝터(30)에서 분사된 연료가 실린더 내에 유입될 수 있게 되고, 특히 배기인젝터(30)를 통해 분사된 연료가 배기열에 의해 증발됨으로써, 공기와 연료의 혼합기를 더욱 균질하게 형성하여 공급할 수 있게 된다.
한편, 도 1 및 도 5를 참조하여, 상기 연료 분사시스템을 이용하여 연료를 분사하는 방법에 대해 살펴보면, 컨트롤러(C)가 흡입행정 중 배기밸브(20)가 2차 개방되기 전에 배기인젝터(30)를 통해 연료를 배기인젝터 분사하도록 제어하는 예혼합단계를 포함하여 구성이 된다.
특히, 상기 예혼합단계에서는 상기 배기인젝터 분사된 연료가 배기열에 의해 증발되어 공기와 예혼합되고, 예혼합된 연료가 2차 개방된 배기밸브(20)를 통해 연소실 내에 공급이 된다.
아울러, 상기 예혼합단계 전에, 엔진회전수와, 연료량과, 배기가스온도 및 냉각수온을 검출하는 단계와, 상기 엔진회전수와, 연료량과, 배기가스온도 및 냉각수온이 예혼합조건을 만족하는지 판단하는 단계를 포함하여 구성이 된다.
이때에, 상기 냉각수온은 냉각수온센서(60)를 통해 측정이 가능하고, 배기가스온도는 배기가스온도를 측정할 수 있는 배기온도센서(50)를 통해 측정이 가능할 수 있는데, 다만 상기 배기온도센서(50) 대신에 배기온 모델링을 통해 배기가스 온도를 연산하여 검출할 수도 있다.
즉, 엔진회전수 및 연료량이 예혼합 연소를 통한 연비 및 EM 개선에 유효한 운전영역인지를 판단하고, 배기가스온도가 디젤 연료를 증발하는 데에 효과적이면서 배기측에 분사된 디젤연료가 착화되지 않는 온도인지 판단하며, 냉각수온을 기반으로 하는 엔진온도가 디젤 연료의 증발 및 연소에 적합한 온도인지 판단하여, 이들 조건을 모두 만족하는 경우 예혼합단계에 진입할 수 있다.
아울러, 예혼합단계에 진입시, 한 사이클 동안 분사되는 총 연료량에 대한 예혼합 연료량의 비율이 20% ~ 40% 가 되도록 연료를 분사할 수 있고, 바람직하게는 예혼합 연료량의 비율이 30%가 되도록 제어할 수 있다.
참고로, 한 사이클 동안 분사되는 총 연료량은 일정하게 고정되는 것으로, 예혼합 연료량의 증감시, 후술하는 메인연료량이 증감되도록 제어할 수 있다.
더불어, 상기 예혼합단계 이 후에는, 폭발행정 중 연소실 내에 마련된 메인인젝터(40)를 통해 연료를 분사하는 메인분사단계를 더 포함하되, 상기 메인분사단계에서의 연료 분사시기는 TDC 기준으로 -4 ~ 4°가 되도록 제어할 수 있다. 바람직하게는, 메인분사단계에서의 연료 분사시기가 TDC -0.3°일 수 있다.
도 5를 참조하여 본 발명에 따른 연료 분사 제어과정을 순차적으로 설명하면, 차량의 운전 중 엔진회전수와, 연료량과, 배기가스온도 및 냉각수온을 검출한다(S10).
이에, 검출된 상기 인자들을 기반으로 차량의 운전조건이 예혼합조건을 만족하는지 판단하고(S20), 판단 결과 예혼합조건을 만족하는 경우 배기 가변밸브기구(21)를 작동하여 배기밸브(20)가 흡입행정 전에 1차 개방된 후에, 흡입행정 중에 다시 2차 개방되도록 제어한다(S30).
다만, S20의 판단 결과, 예혼합 조건을 만족하지 않는 경우, 배기 가변밸브기구(21)를 작동하지 않고, 통상의 디젤 연소방식으로 연료를 분사 및 연소하게 된다(S60).
한편, S30과 같이 배기 가변밸브기구(21)가 작동되면, 배기밸브(20)가 1차 개방되어 닫힌 후, 흡입공정 중에 배기밸브(20)가 2차 개방이 되는데, 배기밸브(20)가 2차 개방되기 전에 배기인젝터(30)를 통해 디젤 연료를 배기인젝터 분사시킨다(S40).
이에, 배기인젝터 분사된 디젤 연료가 배기열에 의해 증발되고, 증발된 디젤 연료가 공기와 혼합되어 실린더 내부에 유입됨으로써, 공기와 연료의 혼합기가 더욱 균질하게 형성이 된다.
이 후, 상기 예혼합연소에 최적화하여 공기량, EGR, 메인연료 분사량 및 분사시기를 조정하면서 메인인젝터(40)에서 연료를 분사하도록 제어함으로써(S50), 부분 디젤 연료 예혼합 연소의 구현이 가능하게 되는바, NOX, Soot를 악화시키지 않으면서 연비 및 연소음을 개선할 수 있게 된다.
하기의 표 1은 BMEP 6bar, 2000rpm의 엔진 부분부하 운전점에서 예혼합율과 메인연료 분사시기를 상이하게 적용하여 도출한 실험 결과로서, 예혼합율 30%와, 메인연료 분사시기를 TDC -0.3°로 제어하는 경우 배기매연(NOX, Soot)의 악화 없이, 연비 및 연소음이 개선된 것을 확인할 수 있다.
예혼합량 | 예혼합율 (예혼합량/총 연료량) |
메인연료 분사시기 |
BSFC | NOx | Soot | CNL(연소음) |
2~4 mg | 10~20% | -4.4 TDC | 악화 | - | 개선 | 개선 |
6 mg | 30% | -0.3 TDC | 개선 | - | - | 개선 |
8~10 mg | 40~50% | 4 TDC | 개선 | 악화 | 개선 | 악화 |
즉, 배기인젝터 분사에 의해 실린더로 들어간 증발 연료는 연소 활성화를 통해 실린더 내부의 온도가 상승하게 됨으로써, 메인분사에 의한 연소가 강화되어 연소 효율이 증가되고, 이에 연비(BSFC)가 개선이 된다.
또한, 배기인젝터 분사에 의한 연소 활성화를 통해 소정의 예혼합 연료량까지는 배기인젝터 분사에 의한 열발생 기울기가 작고, 이에 메인분사에 의한 열발생 기울기가 감소하여 연소음이 감소된다.
더불어, 배기인젝터 분사에 의해 메인분사 연료량이 감소되고 메인 분사시기가 지각됨으로써, 비록 Soot 산화율이 저감되기는 하지만 메인연소에 따른 Soot 발생량이 저감되어 결국 Soot량이 동등 수준으로 유지되거나 또는 그 이하로 저감될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 흡입행정 중에 배기밸브(20)가 2차 개방되는 경우, 배기인젝터(30)에서 분사된 연료가 배기열에 의해 증발되어 실린더 내에 공급됨으로써, 공기와 연료의 혼합기를 더욱 균질하게 형성하여 공급하게 되고, 이에 최적의 부분 디젤 연료 예혼합 연소를 구현하여 NOX, Soot를 악화시키지 않으면서 연비 및 연소음을 개선하게 된다.
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
10 : 흡기밸브
20 : 배기밸브
21 : 배기 가변밸브기구
22 : 캠샤프트
23 : 하이캠
24 : 하이암
25 : 로우캠
26 : 로우암
27 : 록킹핀
30 : 배기인젝터
31 : 배기포트
32 : 배기매니폴드
40 : 메인인젝터
C : 컨트롤러
20 : 배기밸브
21 : 배기 가변밸브기구
22 : 캠샤프트
23 : 하이캠
24 : 하이암
25 : 로우캠
26 : 로우암
27 : 록킹핀
30 : 배기인젝터
31 : 배기포트
32 : 배기매니폴드
40 : 메인인젝터
C : 컨트롤러
Claims (6)
- 흡기밸브가 개방되는 흡입행정 직전에 배기밸브가 1차 개방되고, 상기 흡입행정 중 상기 배기밸브가 2차 개방되어 밸브오버랩이 가능하도록 구성된 배기 가변밸브기구;
상기 배기밸브의 후단에 마련되어 연료를 분사하는 배기인젝터; 및
상기 흡입행정 중 배기밸브가 2차 개방되기 전에 배기인젝터를 통해 연료를 배기인젝터 분사하도록 제어하는 컨트롤러;를 포함하고,
상기 배기인젝터 분사된 연료가 배기열에 의해 증발되어 공기와 예혼합되고, 예혼합된 연료가 2차 개방된 배기밸브를 통해 연소실 내에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 제어시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 배기인젝터는 배기포트 또는 배기매니폴드 내에 연료를 분사하도록 마련된 것을 특징으로 하는 연료 분사 제어시스템. - 청구항 1에 기재된 연료 분사시스템에 의해 연료를 분사하는 방법으로서,
컨트롤러가 흡입행정 중 배기밸브가 2차 개방되기 전에 배기인젝터를 통해 연료를 배기인젝터 분사하도록 제어하는 예혼합단계;를 포함하고,
상기 예혼합단계에서는 상기 배기인젝터 분사된 연료가 배기열에 의해 증발되어 공기와 예혼합되고, 예혼합된 연료가 2차 개방된 배기밸브를 통해 연소실 내에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 제어방법. - 청구항 3에 있어서,
상기 예혼합단계 전에, 엔진회전수와, 연료량과, 배기가스온도 및 냉각수온을 검출하는 단계;
상기 엔진회전수와, 연료량과, 배기가스온도 및 냉각수온이 예혼합조건을 만족하는지 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 제어방법. - 청구항 3에 있어서,
한 사이클 동안 분사되는 총 연료량에 대한 예혼합 연료량의 비율이 20% ~ 40% 인 것을 특징으로 하는 연료 분사 제어방법. - 청구항 3에 있어서,
폭발행정 중 연소실 내에 마련된 메인인젝터를 통해 연료를 분사하는 메인분사단계;를 더 포함하되,
상기 메인분사단계에서의 연료 분사시기는 TDC -4 ~ 4°가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 제어방법.
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