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KR20200042248A - 디젤엔진의 연소제어방법 - Google Patents

디젤엔진의 연소제어방법 Download PDF

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KR20200042248A
KR20200042248A KR1020180122593A KR20180122593A KR20200042248A KR 20200042248 A KR20200042248 A KR 20200042248A KR 1020180122593 A KR1020180122593 A KR 1020180122593A KR 20180122593 A KR20180122593 A KR 20180122593A KR 20200042248 A KR20200042248 A KR 20200042248A
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South Korea
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fuel
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injection
diesel
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Application number
KR1020180122593A
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English (en)
Inventor
이준규
이명준
이수홍
Original Assignee
현대자동차주식회사
기아자동차주식회사
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Publication date
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Priority to US16/414,314 priority patent/US20200116088A1/en
Priority to CN201910517752.8A priority patent/CN111042937A/zh
Priority to DE102019208692.6A priority patent/DE102019208692A1/de
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Abstract

본 발명에 따른 디젤엔진의 연소제어방법은, 각 실린더의 흡입행정 시에 연소실 내에서 외기 및 기화된 디젤연료를 예혼합하고, 흡입행정 이후에 압축행정이 진행될 때, 파일럿 분사, 메인 분사, 포스트 분사를 순차적으로 실행할 수 있다.

Description

디젤엔진의 연소제어방법{METHOD FOR CONTROLLING COMBUSTION IN DIESEL ENGINE}
본 발명은 디젤엔진의 연소제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 예혼합연소(pre-mixed combustion) 및 확산연소(diffusion combustion)를 동시에 실행하는 예혼합 및 확산 복합 연소(premixed and diffusion harmonized combustion)를 구현할 수 있는 디젤엔진의 연소제어방법에 관한 것이다.
디젤엔진은 압축행정의 상사점에서 고온, 고압의 연소실로 연료를 분사하고, 이에 연료가 자체착화(self-ignition)에 의해 연소된다.(A diesel engine injects a fuel into a combustion chamber with high pressure and high temperature at around the top dead center of the compression stroke of cylinder, so that the fuel is burned by its self-ignition.)
일반적으로 디젤엔진의 연소는 확산연소, 예혼합연소 또는 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 등으로 구분된다.
디젤엔진의 확산연소 과정을 구체적으로 살펴보면, 흡입행정 시에 공기 및 EGR가스가 엔진의 실린더 내로 흡입되면, 압축행정의 초기에 실린더 내부에 연료를 분사하고, 분사된 연료는 작은 연료 액적으로 미립화(atiomized)되고, 증발(vaporized)됨으로써 공기 및 연료의 혼합기(air-fuel mixture)가 형성된다. 피스톤이 계속 상승하여 실린더 헤드에 근접하면, 혼합기의 온도가 상승함으로써 자동착화(auto-ignition)가 발생된다. 이때, 공기 및 연료의 혼합과 연소가 동시에 일어나는 확산연소(diffusion combustion)이 진행된다. 이러한 확산연소 과정의 분산물로서 배출가스(emission)이 생성되고, 이러한 확산연소 과정에서 연료의 화학에너지는 열에너지로 변환됨에 따라 열을 방출한다(heat releases). 그 이후에 기계적 에너지로 변환되는 과정을 통해 엔진의 성능이 산출되고, 소모된 연료 및 성능비에 의해 연료소모량이 산출된다.
디젤엔진의 확산연소는 배기매연의 정화효율이 낮고, 연비가 낮아지며, 연소음(combustion noise)이 크게 발생하는 단점이 있었다.
디젤엔진의 예혼합연소 과정을 구체적으로 살펴보면, 흡입행정 시에 공기 및 EGR가스가 엔진의 실린더 내로 흡입되고, 압축행정의 말기에 실린더 내부에 연료를 분사하고, 분사된 연료는 작은 연료 액적으로 미립화(atiomized)되고, 증발(vaporized)됨으로써 공기 및 연료의 혼합기(air-fuel mixture)가 형성된다. 피스톤이 계속 상승하여 실린더 헤드에 근접하면, 혼합기의 온도가 상승함으로써 자동착화(auto-ignition)가 발생된다. 이때, 공기 및 연료가 혼합된 이후에, 연소가 일어나는 예혼합연소(premixed combustion)이 진행된다. 이러한 예혼합연소의 분산물로서 배출가스(emission)이 생성되고, 혼합 후에 연소가 진행됨에 따라 배기매연이 개선되는 효과가 있다. 일련의 예혼합연소과정 동안 연료의 화학에너지는 열에너지로 변환됨에 따라 열을 방출한다(heat releases). 그 이후에 기계적 에너지로 변환되는 과정을 통해 엔진의 성능이 산출되고, 소모된 연료 및 성능비에 의해 연료소모량이 산출된다.
디젤엔진의 예혼합연소는, 배기매연이 개선되는 장점이 있지만, 연소의 제어가 어려워 연소가 불안정해지고, 급격한 연소로 인한 연소음이 악화되는 단점이 있었다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다
본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 안출한 것으로, 예혼합연소(pre-mixed combustion) 및 확산연소(diffusion combustion)를 동시에 실행하는 예혼합 및 확산 복합 연소(premixed and diffusion harmonized combustion)를 구현할 수 있는 디젤엔진의 연소제어방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 디젤엔진의 연소제어방법은,
각 실린더의 흡입행정 시에 연소실 내에서 외기(ambient air) 및 기화된 디젤연료(vaporized diesel fuel)를 예혼합하고,
흡입행정 이후에 압축행정이 진행될 때, 파일럿 분사, 메인 분사, 포스트 분사를 순차적으로 실행할 수 있다.
상기 메인 분사는 상기 압축행정의 말기에 실행될 수 있다.
상기 메인 분사는 1.0°BTDC ~ 1.0°ATDC 범위에서 실행될 수 있다.
상기 흡입행정 시에 연소실에 흡입되는 상기 디젤연료의 예혼합량은 상기 각 실린더의 한 사이클 당 공급되는 총 연료량의 25~35%일 수 있다.
상기 흡입행정 시에 연소실에 흡입되는 상기 디젤연료의 예혼합량은 상기 각 실린더의 한 사이클 당 공급되는 총 연료량의 30%일 수 있다.
상기 파일럿 분사는 메인 분사의 시작 이전의 1100~1200㎲ 범위에서 실행될 수 있고, 상기 파일럿 분사의 파일럿분사량은 1~2mg일 수 있다.
상기 포스트 분사는 상기 메인 분사의 종료 이후의 300~400㎲ 범위에서 실행될 수 있고, 상기 포스트분사의 포스트분사량은 1~2mg일 수 있다.
본 발명에 의하면, 예혼합연소(pre-mixed combustion) 및 확산연소(diffusion combustion)를 동시에 실행함으로써 연비 및 연소음을 개선할 수 있고, 배기매연을 대폭 저감할 수 있다.
본 발명에 따르면, 흡입행정 시에 기화된 디젤연료 및 외기가 예혼합됨에 따라 예혼합연소가 메인 분사의 시작되기 전까지 예혼합연소가 실행될 수 있고, 이에 메인 분사 이후의 확산연소가 상대적으로 감소됨으로써 soot 발생량을 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 디젤엔진을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 디젤 엔진의 연소 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤엔진의 흡입행정을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 디젤연료의 흡입행정을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 디젤엔진의 압축행정을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 디젤엔진의 폭발행정을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 디젤엔진의 배기행정을 도시한 도면이다.
도 8은 디젤 연료 및 공기의 예혼합을 위한 디젤 연료의 예혼합량 및 맴핑 제어인자인 분사 시작(SOI, Start Of Injection)을 DoE(Design of Experiment) 해석을 위한 케이스를 도시한 그래프이다.
도 9는 디젤연료의 예혼합량이 0mg 및 2mg인 경우에 크랭크각도에 따른 연료의 분사속도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 디젤연료의 예혼합량에 따른 연료 소비율(BSFC, Brake specific fuel consumption)의 발생율을 나타낸 그래프이다.
도 11은 디젤연료의 예혼합량에 따른 soot의 발생율을 나타낸 그래프이다.
도 12는 디젤연료의 예혼합량에 대한 NOx 생성량 대비 연료소비율(BSFC, Brake specific fuel consumption)을 나타낸 그래프이다.
도 13은 디젤연료의 예혼합량에 대한 NOx 생성량 대비 soot를 나타낸 그래프이다.
도 14는 디젤연료의 예혼합량에 대한 NOx 생성량 대비 연소음(CNL)을 나타낸 그래프이다.
도 15는 디젤연료의 예혼합량에 대한 크랭크각도 대비 연소실의 열발생율을 나타낸 그래프이다.
도 16은 디젤연료의 예혼합량에 대한 크랭크각도 대비 연소실의 열발생율을 나타낸 그래프이다.
도 17은 디젤연료의 예혼합량에 대한 크랭크각도 대비 soot의 발생율을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 디젤엔진(1)은 복수의 실린더(2)를 포함할 수 있다. 도 1에서는 설명의 편의를 위하여 하나의 실린더만이 도시된다.
피스톤(3)이 각 실린더(2) 내에서 수직방향으로 왕복하도록 배치될 수 있고, 피스톤(3)은 각 실린더(2) 내에서 연소실(4)을 한정할 수 있다. 연료 인젝터(15)가 경유 등과 같은 액상의 디젤 연료 를 각 실린더(2)의 연소실(4)에 분사하도록 장착될 수 있다. 연료 인젝터(15)는 연료 공급시스템(19)에 연결될 수 있고, 연료 공급시스템(19)은 고압의 디젤 연료를 연료 인젝터(15)로 공급할 수 있다.
각 실린더(2)는 연소실(4)과 소통하는 흡기포트(5) 및 배기포트(6)를 가질 수 있고, 흡기포트(5)는 흡기도관(11)과 소통하며, 배기포트(6)는 배기도관(12)과 소통한다. EGR도관(13)의 입구단은 배기도관(12)에 연결될 수 있고, EGR도관(13)의 출구단은 흡기도관(11)에 연결될 수 있다. EGR도관(13)에는 EGR밸브 및 EGR쿨러 등이 설치될 수 있다.
흡기밸브(7)는 흡기포트(5)를 개폐하도록 구성될 수 있으며, 배기밸브(8)는 배기포트(6)를 개폐하도록 구성될 수 있다.
흡기밸브(7) 및 배기밸브(8)는 가변밸브타이밍기구(10, a variable valve timing mechanism)에 의해 그 개폐타이밍, 개폐율, 개폐시간 등이 조절될 수 있다.
ECU(20)는 연료 공급시스템(19), 연료 인젝터(15), 및 가변밸브타이밍기구(10)를 제어하도록 구성될 수 있다. ECU(20)는 프로세서(21) 및 메모리(22)를 포함할 수 있고, 프로세서(21)는 메모리(22)에 저장된 제어명령(instructions)을 수신하고, 연료공급시스템(19), 연료 인젝터(15) 및 가변밸브타이밍기구(10)에 제어명령(instructions)을 전송하도록 프로그램될 수 있다. 메모리(22)는 하드디스크드라이브, 솔리드스테이트 드라이브, 서버, 휘발성 저장매체, 비휘발성 저장매체 등과 같은 데이터 스토어일 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 디젤엔진의 연소제어방법을 도시한 순서도이다.
도 3과 같이, 흡기밸브(7)가 흡기포트(5)를 개방함에 따라 외기(ambient air)가 흡기포트(5)로부터 연소실(4) 내로 흡입됨으로써 각 실린더(2)의 흡입행정(intake stroke)이 진행된다. 본 발명에 의하면, 실린더(2)의 흡입행정 시에 기화된 디젤연료를 외기와 함께 연소실(4) 내로 도입함으로써 실린더(2)의 흡입행정 시에 연소실(4) 내에서 기화된 디젤연료와 외기를 예혼합한다(S1).
일 실시예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 흡입행정 시에, 연료 인젝터(15)가 ECU(20)에 의해 디젤연료를 설정된 예혼합량으로 연소실(4) 내로 분사함과 동시에, 배기밸브(8)가 ECU(20)에 의해 일정시간 동안 배기포트(6)를 개방함으로써 배기포트(6)로부터 배기가스의 일부가 연소실(4) 내로 역류할 수 있고, 역류된 배기가스의 열에 의해 연료 인젝터(15)에 의해 분사된 "액상의 디젤연료"가 기화될 수 있다. 이에 따라 흡입행정 시에, "기화된 디젤연료"가 외기와 함께 예혼합될 수 있다. 이때, 흡입행정 시의 배기밸브(8)의 개도율은 배기행정 시의 배기밸브(8)의 개도율 보다 작을 수 있고, 이를 통해 외기의 흡입에 영향을 미치는 것을 최소화할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이, 히터(17) 및 개폐밸브(18)가 흡기도관(11)에 설치될 수 있고, 히터(17)에는 연료공급시스템(19)이 연결될 수 있으며, 연료공급시스템(19)으로부터 공급된 액상의 디젤 연료가 히터(17)에 의해 기화될 수 있다. 흡입행정 시에 개폐밸브(18)가 ECU(20)에 의해 개방됨에 따라 기화된 디젤 연료가 흡기도관(11) 내로 공급됨으로써 기화된 디젤 연료 및 외기가 흡기도관(11)을 통해 연소실(4) 내로 흡입되고, 이에 흡입행정 시에 연소실(4) 내에서 기화된 디젤연료 및 외기가 예혼합될 수 있다. ECU(20)는 흡입행정 이전에 일정 시간 동안에 히터(18)를 구동시키도록 제어함으로써 연료공급시스템(19)으로부터 공급된 액상의 디젤연료를 미리 기화시키고, ECU(20)는 흡입행정 시에 개폐밸브(19)를 개방하도록 제어함으로써 기화된 디젤연료는 외기와 함께 흡기도관(11)을 통해 연소실(4) 내로 흡입될 수 있다.
흡입행정 시에 연소실에 도입되는 디젤연료의 도입량(introduced quantity of diesel fuel) 즉, 흡입행정 시에 연소실 내에서 외기와 예혼합되는 디젤연료의 예혼합량(premixed quantity of diesel fuel)은 각 실린더(2)의 한 사이클 당에 공급되는 총 연료량의 25~35%(디젤연료의 예혼합율)일 수 있고, 압축행정 시에 연소리(4) 내로 직접 분사되는 디젤연료의 분사량은 각 실린더(2)의 한 사이클 당 공급되는 총 연료량의 65~75%일 수 있다. 즉, 흡입행정 시에 흡입되는 디젤연료의 예혼합량과 압축행정 시에 분사되는 디젤연료의 분사량 사이의 비율은 25:75~35:65임을 알 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 흡입행정 동안에 디젤연료 및 외기가 예혼합됨에 따라 메인 분사(S3) 이전까지 예혼합연소가 실행될 수 있다.
흡입행정 이후에 피스톤(3)이 상승함으로써 도 5와 같이 압축행정이 진행될 수 있고, 압축행정 도중에, 연료 인젝터(15)에 의해 파일럿 분사(S2, pilot injection), 메인 분사(S3, main injection), 포스트 분사(S4, post injection)가 순차적으로 실행된다.
파일럿 분사(S2)는 압축행정의 초기에 실행되고, 연료 인젝터(15)는 일정한 파일럿분사량의 디젤연료를 연소실(4) 내로 분사한다. 예컨대, 파일럿 분사(S2)는 메인 분사(S3)의 시작 이전의 1100~1200㎲ 범위에서 실행될 수 있고, 파일럿 분사(S2)의 파일럿분사량은 대략 1~2mg일 수 있다.
파일럿 분사(S2)는 점화분사 또는 에비분사라고도하며 주 분사 전에 미리 소량을 분사하는 것으로 이는 주 분사 전에 짧은 정지기간을 두어 주 분사의 착화지연에 따른 디젤엔진의 소음,진동 및 연료의 혼합이 향상되어 연소에 도움을 준다. 이러한 파일럿 분사에 의하면, 연소압력이 완만하게 상승하여 진동과 소음이 감소하고 연료의 혼합기간이 길어 배기가스발생을 저감시킬 수 있다.
메인 분사(S3)는 압축행정의 말기에 실행되고, 연료 인젝터(15)는 일정한 메인분사량의 디젤연료를 연소실(4) 내로 분사한다. 예컨대, 메인 분사(S3)는 상사점(TDC) 이전 크랭크각도 1.0°(1.0 crank angle degree before TDC)로부터 상하점(TDC) 이후 크랭크각도 1.0°(1.0 crank angel degree after TDC)까지의 범위에서(1.0°BTDC ~ 1.0°ATDC) 실행될 수 있고, 메인 분사(S3)의 메인분사량은 대략 7.3~15.3mg일 수 있다.
포스트 분사(S4)는 메인 분사(S3) 이후에 배기행정 이전에 실행되고, 연료 인젝터(15)는 일정한 포스트분사량의 디젤연료를 연소실(4) 내로 분사한다. 예컨대, 포스트 분사(S4)는 메인 분사의 종료 이후의 300~400㎲ 시간동안 실행될 수 있고, 포스트 분사(S4)의 포스트분사량은 대략 1~2mg일 수 있다. 이러한 포스트 분사(S4)는 메인 분사 이후에 실행됨으로써 액상의 디젤연료를 촉매컨버터에 공급할 수 있고, 이를 통해 연소실의 연소온도를 낮추어 NOx를 감소시킬 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 메인 분사(S3)에서 분사된 연료는 작은 연료 액적으로 미립화(atiomized)되고, 증발(vaporized)됨으로써 공기 및 연료의 혼합기(air-fuel mixture)가 형성된다. 피스톤이 계속 상승하여 실린더 헤드에 근접하면, 혼합기의 온도가 상승함으로써 자동착화(auto-ignition)가 발생된다(폭발행정). 이때, 도 2와 같이 공기 및 연료의 혼합과 연소가 동시에 일어나는 확산연소(diffusion combustion)가 포스트 분사(S4)의 종료 이후까지 진행된다. 이러한 확산연소 과정의 분산물로서 배출가스(emission)이 생성되고, 이러한 확산연소 과정에서 연료의 화학에너지는 열에너지로 변환됨에 따라 열을 방출한다(heat releases). 그 이후에 기계적 에너지로 변환되는 과정을 통해 엔진의 성능이 산출되고, 소모된 연료 및 성능비에 의해 연료소모량이 산출된다.
폭발행정 이후에는 도 7과 같이, 배기밸브(8)가 배기포트(6)를 개방함으로써 연소가스가 배기포트(6)를 통해 배출되는 배기행정이 진행된다(S5).
상술한 바와 같이, 본 발명은 흡입행정 동안에 기화된 디젤연료가 외기와 함께 연소실(4) 내로 흡입됨으로써 흡입행정 동안에 기화된 디젤연료 및 외기가 예혼합됨에 따라 예혼합연소가 메인 분사(S3)의 시작되기 전까지 예혼합연소가 실행될 수 있다. 메인 분사(S3)의 이전까지 예혼합연소가 실행됨에 따라 메인 분사(S3) 이후의 확산연소가 상대적으로 감소됨으로써 soot 생성량이 저감될 수 있다.
도 8 및 도 9는 디젤연료의 예혼합량 및 분사정보 등을 반영한 DoE해석을 위한 케이스를 나타낸 그래프이다. 해석 대상의 엔진은 2.0L급 유로6 디젤엔진이고, 검토되는 운전점은 엔진의 회전속도가 2000rpm이며, 제동 평균 유효 압력(brake mean effective pressure, BMEP)은 6bar이고, 디젤엔진의 예혼합량이 0~10mg 범위 내에서 가변될 수 있으며, 메인 분사 시작은 상사점(TDC) 이전 크랭크각도 3.8°(3.8 crank angle degree before TDC)로부터 상하점(TDC) 이전 크랭크각도 0.2°(0.2 crank angel degree before TDC)까지의 범위(3.8°BTDC ~ 0.2°BTDC) 내에서 가변될 수 있다. 각 실린더의 한 사이클에 공급되는 총 연료량을 고정하고, 디젤엔진의 예혼합량이 증가하면 메인분사량을 감소시키며, 메인분사량의 가변에 따라 파일럿분사량 및 포스트분사량이 함께 가변될 수 있다.
도 8은 디젤 연료 및 공기의 예혼합을 위한 디젤 연료의 예혼합량 및 맴핑 제어인자인 분사 시작(SOI, Start Of Injection)을 DoE(Design of Experiment) 해석을 위한 케이스를 도시한 것으로, 분사시작에 따른 디젤 연료의 예혼합량이 0인 베이스(Base) 및 디젤연료의 예혼합량이 2mg, 4mg, 6mg, 8mg, 10mg인 DoE 세트(DoE set)를 나타낸다.
도 9는 디젤연료의 예혼합량이 0mg인 경우에 크랭크각도에 따른 분사속도(injection velocity)를 나타내고, 디젤연료의 예혼합량이 2mg인 경우에 크랭크각도에 따른 분사속도를 나타낸 그래프이다.
아래의 [표 1]은 디젤연료의 예혼합량이 0mg, 2mg, 4mg, 6mg, 8mg, 10mg인 경우에 메인분사량이 가변된 복수의 케이스를 나타낸다.
case 1(base) 2 3 4 5 6
총 연료량(mg) 20.8
예혼합량(mg) 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0
파일럿분사량(mg) 1.5
메인분사량(mg) 17.3 15.3 13.3 11.3 9.3 7.3
포스트분사량(mg) 2.0
도 10을 참조하면, 디젤연료의 예혼합량이 4mg(총 연료량의 20% 정도) 이상일 때부터, 연료 소비율(BSFC, Brake specific fuel consumption)이 감소함을 확인할 수 있다.
도 11을 참조하면, 디젤연료의 예혼합량이 4mg(총 연료량의 20% 정도)이상일 때부터, 배기매연(Soot)이 저감됨을 확인할 수 있다.
도 12를 참조하면, 디젤연료의 예혼합량이 6mg(총 연료량의 30% 정도)인 경우에는 NOx 생성량 대비 연료 소비율(BSFC, Brake specific fuel consumption)이 대폭 감소함을 확인할 수 있다.
도 13을 참조하면, 디젤연료의 예혼합량이 6mg인 경우에는 NOx 생성량 대비 배기매연(soot)이 대폭 저감됨을 확인할 수 있다.
도 14를 참조하면, 디젤연료의 예혼합량이 6mg인 경우에는 NOx 생성량 대비 연소음(CNL, Combustion Noise Level)이 낮아짐을 확인할 수 있다.
아래의 [표 2]에 나타난 바와 같이, 디젤연료의 예혼합량이 6mg(총 연료량의 30% 정도)인 경우에는 연료소비율(BSFC)이 약 3% 개선되고, 연소음(CNL)이 약 5% 개선된다. 특히, 디젤연료의 예혼합율(디젤연료의 예혼합량/총 연료량)이 30%이고, 메인분사의 시작이 상사점 이전 0.3크랭크각도(0.3°BTDC)에서 실행될 때 최적의 효과를 얻을 수 있다.
디젤연료의 예혼합량 디젤연료의 예혼합율(예혼합량/총 연료량) 메인 분사의 시작 BSFC NOx soot CNL
2~4mg 10~20% 2.3 before TDC 악화 - 개선 개선
6mg 30% 0.3 before TDC 개선 - - 개선
8-10mg 40~50% 0.2 after TDC 개선 악화 개선 악화
도 15를 참조하면, 디젤연료의 예혼합량이 Omg인 경우에는 압축행정의 말기에 크랭크각도가 증가함에 따라 열발생율이 급격히 증가할 수 있고, 이로 인해 연료소비율(BSFC)이 저하될 수 있다. 이에 반해, 디젤연료의 예혼합량이 6mg(총 연료량의 30% 정도)인 경우에는 흡입행정 시에 디젤연료가 외기와 예혼합되고, 크랭크각도가 증가함에 따라 파일럿 분사(S2)에 의해 열발생율은 완만하게 증가할 수 있고, 메인 분사(S3)에 의해 연소가 강화됨으로써 연소효율 및 연료소비율(BSFC)이 개선될 수 있다.
도 16을 참조하면, 디젤연료의 예혼합량이 Omg인 경우에는 압축행정의 말기에 크랭크각도가 증가함에 따라 연소압력이 급격히 증가할 수 있고, 이로 인해 연소음(CNL)이 저하될 수 있다. 이에 반해, 디젤연료의 예혼합량이 6mg(총 연료량의 30% 정도)인 경우에는 흡입행정 시에 디젤연료가 외기와 예혼합되고, 크랭크각도가 증가함에 따라 파일럿 분사(S2)에 의해 연소압력이 완만하게 증가할 수 있으며, 이를 통해 연소음(CNL)이 개선될 수 있다.
도 17을 참조하면, 디젤연료의 예혼합량이 0mg인 경우에는 메인분사량이 상대적으로 많으므로 연소에 의한 soot발생이 많아진다. 디젤연료의 예혼합량이 6mg(총 연료량의 30% 정도)인 경우에 메인분사량이 상대적으로 감소하므로 연소에 의한 soot발생이 저감됨을 확인할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 디젤엔진 2: 실린더
3: 피스톤 4: 연소실
5: 흡기포트 6: 배기포트
7: 흡기밸브 8: 배기밸브
10: 가변밸브타이밍기구
11: 흡기도관 12: 배기도관
13: EGR도관 15: 연료 인젝터
17: 히터 18: 개폐밸브
19: 연료공급시스템 20: ECU

Claims (7)

  1. 각 실린더의 흡입행정 시에 연소실 내에서 외기 및 기화된 디젤연료를 예혼합하고,
    흡입행정 이후에 압축행정이 진행될 때, 파일럿 분사, 메인 분사, 포스트 분사를 순차적으로 실행하는 디젤엔진의 연소제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 메인 분사는 상기 압축행정의 말기에 실행되는 디젤엔진의 연소제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 메인 분사는 1.0°BTDC ~ 1.0°ATDC 범위에서 실행되는 디젤엔진의 연소제어방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 흡입행정 시에 연소실에 흡입되는 상기 디젤연료의 예혼합량은 상기 각 실린더의 한 사이클 당 공급되는 총 연료량의 25~35%인 디젤엔진의 연소제어방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 흡입행정 시에 연소실에 흡입되는 상기 디젤연료의 예혼합량은 상기 각 실린더의 한 사이클 당 공급되는 총 연료량의 30%인 디젤엔진의 연소제어방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 파일럿 분사는 메인 분사의 시작 이전의 1100~1200㎲ 범위에서 실행되고, 상기 파일럿 분사의 파일럿 분사량은 1~2mg인 디젤엔진의 연소제어방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 포스트 분사는 상기 메인 분사의 종료 이후의 300~400㎲ 범위에서 실행되고, 상기 포스트 분사의 포스트분사량은 1~2mg인 디젤엔진의 연소제어방법.
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