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KR20130069081A - 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 이지알 제어 시스템 및 그 방법 - Google Patents

가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 이지알 제어 시스템 및 그 방법 Download PDF

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KR20130069081A
KR20130069081A KR1020110136614A KR20110136614A KR20130069081A KR 20130069081 A KR20130069081 A KR 20130069081A KR 1020110136614 A KR1020110136614 A KR 1020110136614A KR 20110136614 A KR20110136614 A KR 20110136614A KR 20130069081 A KR20130069081 A KR 20130069081A
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 EGR 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 연소 시기를 제어함으로써 EGR계통에 생성되는 퇴적물을 억제할 수 있는 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 EGR 제어 시스템에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 가솔린과 공기가 예혼합되어 실린더로 분사된 후 디젤 연료가 분사됨으로써 함께 연소하는 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 이지알 시스템에 있어서, 연료 인젝터가 설치된 복수개의 실린더 및 상기 실린더로부터 연료가 연소되어 배출되는 배기가스가 유동하는 배기라인을 포함하고, 상기 복수개의 실린더 중 어느 하나의 실린더에는 점화 플러그가 설치된 것을 특징으로 하는 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 EGR 제어 시스템을 제공한다.

Description

가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 이지알 제어 시스템 및 그 방법{EXHAUST GAS REGENERATION SYSTEM OF COMBINED FUEL HOMOGENEOUS CHARGE COMPRESSION IGNITION ENGINE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 EGR 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 연소 시기를 제어함으로써 EGR계통에 생성되는 퇴적물을 억제할 수 있는 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 EGR 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 예혼합 압축 착화 연소(HCCI:Homogeneous Charge Comprassion Ignition)란 통상의 디젤 연소인 확산연소와는 달리 실린더 내부에서 연료와 공기를 균일하게 예혼합되어 연소가 수행되는 연소방법으로 연료와 공기의 혼합상태를 양호하게 함으로써 질소산화물(NOx) 및 입자상물질(PM)을 동시에 줄일 수 있는 획기적인 연소 기술이다.
예혼합 압축 착화 연소의 특징을 좀 더 상세히 살펴보면, 첫 번째로 예혼합 압축착화 연소는 기본적으로 압축착화 방식이므로 혼합기의 희박연소 한계와 압축비가 높으며 스로틀 밸브를 사용하지 않으므로 펌핑 손실이 적어 디젤 기관 수준의 열효율을 얻을 수 있다. 또한, 스파크 착화(SI:Spark Ignition)와 비교하여 다점의 착화원으로부터 동시에 연소가 이루어지므로 화염전파가 없고 연소기간이 매우 짧아 사이클링 시간손실이 줄어드는 효과가 있다.
두 번째로 예혼합 압축착화 연소는 희박 연소를 추구하므로 연소 온도가 낮아 질소산화물의 발생을 억제할 수 있고, 연료와 공기가 균일하게 혼합된 상태에서 연소되므로 국부적인 불균일 혼합기에서 산소 부족으로 발생하는 입자상 물질(PM)을 줄일 수 있다. 이는 연소단계에서 배출가스의 유해성분을 근본적으로 해결할 수 있는 효과가 있다.
마지막으로 예혼합 압축착화 연소는 압축착화를 기본으로 하기 때문에 액체 연료나 기체 연료에 상관없이 압축착화가 가능한 대부분의 연료를 사용할 수 있는 장점이 있다. 즉, 가솔린, 디젤, 수소, 일반 가스연료, 및 디메틸에테르(DME) 등 압축착화가 가능한 모든 종류의 연료를 적용할 수 있다. 또한, 소형 2륜 오토바이 엔진에서부터 대형 선박용엔진, 발전용 엔진까지 엔진의 크기에 관계없이 적용할 수 있는 장점이 있다.
즉, 예혼합 압축착화 엔진은 가솔린 기관과 디젤 기관의 장점만을 취합한 것으로서 디젤/가솔린 복합 연료 혼합 연소 시스템이 도입되고 있다.
즉, 도 1에 도시한 바와 같이 종래기술에 의한 복합 연료 예혼합 압축 착화 연소 엔진(100)에는 복수개의 실린더(101, 102, 103, 104)가 구비되고, 이러한 실린더(101, 102, 103, 104)로부터 배출되는 배기가스가 배기 라인(200)을 따라 유동함으로써 터빈(300)을 회전시키게 된다. 이러한 터빈(300)과 동일 축상에 배치되는 콤프레서(400)가 함께 회전됨으로써 흡기 라인(220)의 송출압을 발생시킨다. 이때, 상기 복수개의 실린더(101, 102, 103, 104) 중 일 예로서, 4번 실린더(104)는 EGR 라인(210)과 연통되도록 형성됨으로써 흡기 라인(220) 측으로 EGR 가스를 공급하게 된다. 또한, 상기 EGR 라인(210) 상에는 바이패스 밸브(210a)가 형성됨으로써 EGR률을 제어하도록 되어 있다.
하지만, 상기와 같은 종래기술에 의한 복합 연료 예혼합 압축 착화 연소 엔진은 착화시기 제어가 곤란하고 운전 영역이 제한되는 등의 문제로 아직 실용화되지 못하고 있는 실정이다. 즉, 디젤 엔진과 가솔린 엔진은 연료 공급 시기와 점화플러그의 점화 타이밍에 의해 연소실 상사점(TDC:Top Dead Center) 근처에서 최적으로 착화할 수 있지만 예혼합 압축착화 엔진은 연료와 공기가 실린더 내부에서 예혼합된 후, 압축되어 자발적으로 착화하기 때문에 연소시기를 제어하는 것이 곤란한 문제점이 있었다. 이로 인하여, SOF 및 soot를 포함하는 입자상 물질이 EGR계통에 퇴적됨으로써 성능, 연비 및 배기를 악화시키는 문제점을 내포한다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 연소 시기를 제어함으로써 EGR계통에 생성되는 퇴적물을 억제하는데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 EGR 제어 시스템 및 그 방법은 가솔린과 공기가 예혼합되어 실린더로 분사된 후 디젤 연료가 분사됨으로써 함께 연소하는 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 이지알 시스템에 있어서, 연료 인젝터가 설치된 복수개의 실린더 및 상기 실린더로부터 연료가 연소되어 배출되는 배기가스가 유동하는 배기라인을 포함하고, 상기 복수개의 실린더 중 어느 하나의 실린더에는 점화 플러그가 설치된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 점화 플러그가 설치된 실린더는 가솔린을 연소시키고, 그 외의 실린더는 가솔린/디젤 연료가 혼합 연소되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 점화 플러그가 설치된 실린더의 배기가스만 EGR 라인으로 연통되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 EGR 라인 도중에 바이패스 밸브가 설치되고, 상기 바이패스 밸브는 상기 점화 플러그가 설치된 실린더로부터 배출되는 배기가스를 상기 터빈 측 또는 후처리 장치 측으로 선택적으로 배출시키는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 EGR 제어 시스템 및 그 방법에 의하면, 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 연소 시기를 제어함으로써 입자상 물질의 생성을 최소화하므로 입자상 물질이 EGR 계통에 퇴적되어서 EGR 계통의 작동성이 악화되는 것을 방지하는 효과를 갖는다.
도 1은 종래기술에 의한 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 EGR 제어 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 EGR 제어 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 EGR 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 EGR 제어 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다. 도시한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 EGR 제어 시스템은 연료 인젝터가 설치된 복수개의 실린더(101, 102, 103, 104), 상기 실린더(101, 102, 103, 104)로부터 연료가 연소되어 배출되는 배기가스가 유동하는 배기 라인(200), 상기 배기라인으로부터 공급되는 배기가스에 의해 회전되는 터빈(300) 및 상기 터빈(300)과 일체로 회전함으로써 EGR 쿨러(230)로 압축 배기가스를 공급하는 콤프레서(400)를 포함한다.여기서, 상기 복수개의 실린더(101, 102, 103, 104) 중어느 하나의 실린더에는 점화 플러그(104a)가 설치되는 가솔린 연료를 연소시켜 동력을 발생시키는 가솔린 기관으로 이루어진다.
또한, 상기 EGR 가스 공급용 실린더(104)에는 EGR 라인(210)이 연결되어서 EGR 가스를 공급하도록 한다.
본 실시 예에서는 4기통을 도시하였지만, 그 이상의 실린더를 적용해도 무방할 것이다. 즉, 일 예로서 도 2에 도시한 바와 같이 제1 실린더(101), 제2 실린더(102), 제3 실린더(103) 및 제4 실린더(104)로 구성되는 4기통 엔진을 적용하는 경우, 상기 제1 실린더(101), 제2 실린더(102) 및 제3 실린더(103)를 디젤/가솔린 복합 연료 연소 기관으로 구성하고, 상기 제4 실린더(104)를 가솔린 기관으로 구성할 수 있다.
상기와 같은 제1 실린더(101), 제2 실린더(102) 및 제3 실린더(103)는 공기 흡입 시 공기와 가솔린의 혼합 분위기가 주입되고, 피스톤(미도시)의 압축 행정 시 디젤 연료가 연료 인젝터(101a, 102a, 103a)를 통하여 분사된다. 이때, 디젤 연료는 압축력에 의해 압축 착화됨과 동시에 주변에 퍼져 있던 혼합기에 화염을 전파함으로써 동력을 생성하게 된다.
상기와 같은 디젤 연료의 압축 착화 방식은 착화 시기를 직접 제어하는 수단이 없기 때문에 EGR율 및 EGR율 변동에 따른 착화 시기 변동이 과다한 바, 상기 제4 실린더(104)는 스파크 플러그(104a)가 설치되는 가솔린 기관으로 형성한다.
즉, 상기 제1 실린더(101), 제2 실린더(102) 및 제3 실린더(103)는 상기한 바와 같은 복합 연료 연소 기관으로 구성함으로써 혼합 연소의 특징인 smokeless 연소 특성을 활용함과 동시에, 상기 제4 실린더(104)는 가솔린 기관으로 구성함으로써 상기 제4 실린더(104)의 구동 시 점화 플러그(104a)를 이용하여 불꽃 점화 시점을 조절할 수 있기 때문에 입자상 물질의 생성을 최소화할 수 있도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 제4 실린더(104)로부터 배출되는 배기의 일정 부분을 재순환할 수 있도록 EGR 라인(210)을 연결한다. 이와 같이 상기 4개의 실린더(101, 102, 103, 104) 중 특정 1기통만을 활용하여 동력발생 후 배출되는 배기를 EGR 가스로 활용할 수 있도록 EGR 가스 공급 전용 실린더로서 적용 가능해진다. 그 외의 실린더는 동력 발생 후 배기만 수행하도록 하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 EGR 라인(210) 도중에는 바이패스 밸브(210a, 210b)를 설치할 수 있다. 여기서 상기 바이패스 밸브(210a, 210b)를 2개소 배치함으로써 배기가스의 일부는 상기 터빈(300) 측 또는 후처리 장치로 공급되도록 할 수 있다. 바이패스 밸브(210a, 210b)의 개도를 조절함으로써 상기 제4 실린더(104)로부터 배출되는 배기가스를 EGR 전용 또는 부분적으로 이용하여 혼합 연소 EGR 시스템의 단순화를 시도할 수 있을 것이다.
따라서, 전술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 EGR 시스템은 제4 실린더(104)의 점화 플러그(104a)의 작동 시기를 제어하여 연소 시기를 조절함과 동시에 상기와 같은 가솔린 기관인 제4 실린더(104)의 배기가스를 EGR 라인(210)으로 공급하므로 EGR 라인(210) 및 EGR 쿨러(230)에 퇴적되는 입자상 물질을 최소할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 EGR 제어 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 EGR 제어 방법은 복수개의 실린더에서 연소 후 배기되는 배기가스가 제4 실린더(104)로부터 배출된다.(S100)
이후, EGR량이 설정 범위 이내인지 판단하게 된다.(S110) 여기서, 엔진의 토크값이 설정 범위(설정값1<토크<설정값2) 내에 속하는지를 판단할 수 있고, 이러한 조건을 만족하면 실험 데이터를 통하여 마련되는 EGR 맵을 기초로 하여 EGR 제어량을 결정하게 된다. 즉, EGR 가스를 공급할 수 있도록 상기 제4 실린더(104)로부터 배출되는 배기가스를 EGR 라인(210)으로 공급하게 된다. 이때, 바이패스 밸브(210a, 210b)를 듀티 제어함으로써 상기 EGR 가스의 공급을 제어하게 된다.(S120) 이와 같이 상기 바이패스 밸브(210a, 210b)를 제어함으로써 EGR 제어량을 결정할 수 있게 된다.
또한, 상기 단계 S110의 조건을 만족하지 않는 경우, 공기량/연료량을 제어한 후(S130), 상기 바이패스 밸브(210a, 210b)를 듀티 제어하여 터빈(300) 측으로 배출함으로써 터빈(300)에 구동력을 제공하거나 후처리 장치 측으로 선택적으로 배출시킬 수도 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 엔진
101: 제1 실린더
101a, 102a, 103a: 연료 인젝터
102: 제2 실린더
103: 제3 실린더
104: 제4 실린더
104a: 점화 플러그
200: 배기라인
210: EGR 라인
210a, 210b: 바이패스 밸브
220: 흡기 라인
230: 쿨링 모듈
300: 터빈
400: 콤프레서

Claims (7)

  1. 가솔린과 공기가 예혼합되어 실린더로 분사된 후 디젤 연료가 분사됨으로써 함께 연소하는 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 이지알 제어 시스템에 있어서,
    연료 인젝터가 설치된 복수개의 실린더; 및
    상기 실린더로부터 연료가 연소되어 배출되는 배기가스가 유동하는 배기라인을 포함하고,

    상기 복수개의 실린더 중 어느 하나의 실린더에는 점화 플러그가 설치된 것을 특징으로 하는 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 EGR 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 점화 플러그가 설치된 실린더는 가솔린을 연소시키고, 그 외의 실린더는 가솔린/디젤 연료가 혼합 연소되는 것을 특징으로 하는 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 EGR 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 점화 플러그가 설치된 실린더의 배기가스만 EGR 라인으로 연통되는 것을 특징으로 하는 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 EGR 제어 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 EGR 라인 도중에 바이패스 밸브가 설치되고, 상기 바이패스 밸브는 상기 점화 플러그가 설치된 실린더로부터 배출되는 배기가스를 터빈 측 또는 후처리 장치 측으로 선택적으로 배출시키는 것을 특징으로 하는 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 EGR 제어 시스템.
  5. 가솔린과 공기가 예혼합되어 실린더로 분사된 후 디젤 연료가 분사됨으로써 함께 연소하는 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 이지알 제어 방법에 있어서,
    복수개의 실린더 중 점화 플러그가 설치된 실린더로부터 배기가스가 배출되는 단계(S100);
    토크가 설정값 범위인지 판단하는 단계(S110); 및
    상기 단계의 조건을 만족하는 경우, 바이패스 밸브를 듀티 제어하여 배기가스를 재순환시키는 단계(S120)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 EGR 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단계 S110의 조건을 만족하지 않는 경우, 제4 실린더에 공급되는 공기량/연료량을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 EGR 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 단계 이후 바이패스 밸브를 듀티 제어하여 배기가스를 터빈 또는 후처리 장치 측으로 선택적으로 배출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가솔린/디젤 연료 혼합 압축 착화 연소 엔진의 EGR 제어 방법.
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