KR100217791B1 - 엔진 배기가스 재순환 시스템 - Google Patents

엔진 배기가스 재순환 시스템 Download PDF

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Abstract

엔진 배기가스 재순환 시스템이 내연기관에 공기/연료 혼합물을 공급하도록 연결된 흡기통로(2)와, 내연기관으로부터 배기가스를 방출하도록 연결된 배기통로(1)를 갖는다. 배기가스 재순환 통로(3)가 배기통로의 배기가스중 일부를 엔진의 실린더에 공급하기 위해 제공함으로서, 공기/연료 혼합물은 점화 플러그에 인접하여 분포되지만, 재순환된 배기가스는 공기/연료 혼합물의 주위에 형성되어, 층상분포가 실린더내에 생성된다. 배기가스 재순환 통로는 엔진 흡기밸브 근처에서 개방되거나 또는, 피스톤의 하사점 위에서 실린더내에 개방될 수 있다. 재순환되는 배기가스의 양은, 예를 들면, 엔진의 흡·배기 밸브 및/또는 압력 제어밸브(31,34)에서의 압력에 의해 제어될 수 있다. 선택적으로, 배기가스 재순환은 다기통 엔진에서, 엔진 거칠기 제어신호에 의해 제어되는 분배기(20)에 의해 제어될 수도 있다. EGR은 공기량 센서(7)와 흡기 다기관 압력센서(50)의 출력으로부터 계산될 수 있다.

Description

엔진 배기가스 재순환 시스템
제1도는 본 발명의 일실시예로서 엔진 배기가스 재순환 시스템의 개략적인 구성도.
제2도는 다기통 엔진에서의 개략적인 구성도.
제3(a) 내지 (e)도 및 제4(a)도와 (b)도는 본 발명의 동작 원리도.
제5도는 배기가스 재순환(EGR) 맵(map)도.
제6도는 제어 흐름도.
제7도는 본 발명의 다른 실시예로서 배기가스 재순환 시스템의 구성도.
제8도, 제9(a) 내지 (e)도는 제7도의 동작 원리도.
제10도는 본 발명의 또 다른 실시예로서 배기가스 재순환 시스템의 구성도.
제11(a)와 (b)도는 제10도에서 사용된 제어밸브 부분의 구성도.
제12(a) 내지 (c)도는 제10도 실시예의 동작원리도.
제13도, 제14도는 복수의 흡기밸브를 갖는 실린더에 본 발명을 적용시킨 예를 나타낸 도.
제15(a) 내지 (c)도는 본 발명의 또 다른 실시예에서 배기가스 재순환 시스템의 동작원리도.
제16(a)와 (b)도는 배기가스 재순환율을 결정하는 원리를 나타내는 도.
제17도는 제16도의 실시예에 대한 제어 흐름도.
제18(a)와 (b)도는 배기가스 재순환율을 결정하는 다른 방법을 나타내는 도.
제19(a)와 (b)도는 제18(a)와 (b)도 방법의 원리를 나타낸 도.
제20도는 EGR율을 계산하는 제어 흐름도.
제21도는 EGR율과 기타 변수의 특성도.
제22(a)와 (b)도는 O2센서의 출력도.
제23(a)도는 회로도.
제23(b) 내지 (d)도는 O2센서 출력에 의해 검출된 거칠기를 구하는 회로도.
제24(a) 내지 (e)도는 거칠기를 검출하는 다른예를 나타낸 도.
제25도는 EGR율과 기타 변수 사이의 관계도.
제26도, 제27도는 한계 EGR제어의 제어 흐름도이다.
본 발명은 내연기관의 배기가스 재순환 시스템에 관한 것이다.
일본국 특허공보 25971/1979의 예와 같은 종래 기술의 시스템에서, 배기 재순환의 유입을 위해 흡기관에 만들어지는 유입공은 흡기다기관(manifold)의 집합부(trunk)에 형성되어진다.
상기 종래 기술에서, 흡기관내에 형성된 배기 유입공(exhaust introductionhole)은 흡기밸브부와 매우 멀리 떨어져 있다. 그 결과, 배기 가스와 흡입 공기가 수집박스(collection box)내에서 완전히 혼합됨으로서 배기가스가 실린더내에 유입된 때 가스 과분포 상태가 된다. 만약 너무 많은 배기가스가 재순환된다면 연소가 악화된다.
본 발명의 근본 목적은, 과잉 배기가스 재순환 상태일지라도 엔진 성능이 저하되지 않는 엔진 배기가스 재순환 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 적용으로서 :
(a) 내연기관에 공기/연료 혼합물을 공급하도록 연결된 흡기통로;
(b) 상기 내연기관으로부터 배기가스를 방출하도록 연결된 배기통로;
(C) 상기 배기통로의 배기가스를 공급하기 위한 배기가스 재순환 통로; 및
(d) 배기 통로로부터 배기가스의 일부를 공기/연료 혼합물과 함께 실린더 내에 공급하는데 있어서, 공기/연료 혼합물은 점화 플러그에 근접하며 배기가스의 일부는 실린더 내에서 점화 플러그로부터 떨어진 곳에 분포되어 층상을 형성(laminar form)하도록 공급하는 타이밍 수단을 구비한 엔진 배기가스 재순환 시스템을 제공한다.
본 발명은 상기한 특정 목표를 달성하기 위해 배기가스가 실린더 내에 균일하게 분포되게 한다.
유입공 수단은 흡기통로 내에 배치된 흡기밸브의 근처에 제공되고, 상기 타이밍수단은 엔진 실린더의 흡기·배기 밸브와 연료 분사 타이밍 수단을 구동하는 캠축수단을 포함하는 것이 적절하다.
다기통 엔진에서 유입공 수단은 흡기통로 내에 배치된 흡기밸브의 근방에 제공되며, 타이밍 수단은 재순환 통로의 배기가스를 다기통 엔진에 배치된 복수의 흡기밸브 중 소정의 일 흡기밸브에 공급하는 수단을 구비한다.
타이밍 수단은 다기통 엔진의 실린더수에 대응하는 복수의 배기 포트(ports)를 갖는 분배기(distributor)와, 배기가스를 유입하고 개개의 출구에 배기가스를 공급하기 위해 분배기의 입구에 연결되며 분배기 내에서 회전 통로의 역할을 하는 수단을 구비하는 것이 유리하다.
선택적으로, 유입공 수단이 흡기 통로내에 설치된 흡입밸브의 근처에 제공되고, 재순환 제어밸브가 재순환 통로에서 유입공 수단의 하류에 제공되며, 타이밍 수단이 재순환 제어밸브와 흡입 밸브를 포함함으로서, 배기가스는 상기 재순환 제어밸브의 양측면에서 변하는 압력에 따라 엔진의 실린더에 흡입될 수 있다.
이러한 경우, 재순환 제어밸브는 나비형(flap)밸브 또는 스프링 바이어스 밸브(spring biassed valve)이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 배기가스 재순환 통로는 피스톤이 하사점에 있을 때 실린더의 피스톤위에 위치하는 실린더 측면에서 유입공 수단에 연결되며, 타이밍 수단은 피스톤의 왕복 운동을 위한 크랭크축을 포함한다.
재순환 흐름 검출수단이 배기가스가 재순환될 때의 부하신호와, 재순환되지 않을 때의 부하신호를 근거로 배기가스의 재순환 양을 결정하도록 제공되는 것이 유리하다.
내연기관의 거칠기의 정도(degree of roughness)를 검출하고, 거칠기의 정도에 따라 재순환 양을 제어하는 제어신호를 재순환 제어밸브에 공급하는 제어수단이 제공되는 것이 바람직하다.
바람직하게, 재순환 제어밸브는 내연기관의 행정동안 소정시기에 소정주기로 배기가스를 재순환 시키기 위해 배기가스 재순환 통로에 배치된다.
배기가스 유입공이 흡기밸브에 근접하여 형성되면, 배기가스의 분포는 흡기밸브주위에 집중된다. 흡기 행정이 흡기밸브를 개방하기 시작할때, 배기가스는 흡기 초기 상태에서 흡입됨으로서, 실린더 내의 배기가스의 분포는 불균일하게 된다. 특히, 배기 가스가 실린더의 하부에 분포되고, 새로운 공기/연료 혼합물은 실린더 상부에 분포된다. 많은 배기가스가 유입된다 할지라도, 새로운 혼합물이 실린더의 상부에서 점화 플러그 주위에 분포하기 때문에 연소가 악화되지 않는다. 또한, 배기관에 부착된 산소 센서에 의해 결정되는 엔진 가동 거칠기의 정도에 근거하여 허용가능한 최대 배기가스가 결정될 수 있다. 많은 재순환 양은 연비와 녹스(NOx)를 저감시키지만, 너무 많은 흐름은 실화(misfire)에 이른다. 이 실화의 상태를 산소 센서로서 검출하여 항상 최대 배기량이 유입된다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 일 실시예를 설명한다. 도면에서 동일한 부분은 동일 참조번호로 나타낸다.
제1도를 참조하여 본 발명의 일 실시예를 설명하면, 배기가스는 배기관(1)과 흡기관(2)을 연결하는 통로(3)를 통해 흡기관(2) 내로 유입된다. 이것이 배기가스 재순환의 기본 구조이다. 통로(3)에는 흐름 제어밸브(4)가 설치된다. 본 발명에서, 통로(3)는 흡기관(2)의 흡기밸브(5) 근처에 개구부 또는 유입공(6)을 갖는다. 또한, 흡입 공기량 센서(7)와 산소센서(8)의 신호는 배기가스 재순환(exhaust gas recirculation : 이하 EGR로 표기)량을 검출하는 콘트롤러(9)에 입력됨으로서, 최적 EGR양을 결정한다. 이렇게 결정된 EGR량은 제어밸브(4)에 의해 계량된 후 공급된다. 엔진의 흡기밸브와 배기밸브 (도시되지 않음)는 캠축(81)에 의해 타이밍 제어된다.
제1도의 구조는 제2도에서 4기통 엔진의 실린더 전체에 대해 나타낸 것이다. 배기 가스는 통로(3)를 통해서 각 실린더의 흡기밸브(5) 근처에 개구되어 있는 유입공(6)으로부터 공급된다. 이와 같이 하여, 각각의 실린더(11)내로 배기 유입공(6)의 사이에서 왕래가 제공된다. 선택적으로, EGR관은 배기가스가 가능한 한 흡기밸브에 근접하여 유입되도록 흡기관(2) 내에서 연장될 수 있다.
제3도는 각 행정에서 각각의 실린더(11)와 흡기관(2)내의 배기가스와 새로운 공기/연료 혼합물의 거동을 나타낸다. 엔진의 각 행정들은 제3(a)도에 나타나 있다. 제3(a)도의 (b)∼(e) 시점에서의 가스의 거동은 제3(b)∼(e)도에 대응하여 도시되었다. 제3(b)도는 배기 행정의 후기에서의 상태를 나타낸다. 제3(b)∼(e)도에서, 채워진 원은 배기가스를 나타내며 빈 원은 새로운 공기/연료 혼합물을 나타낸다. 유입공(6)이 흡기밸브(5)에 근접하여 위치함으로서(제3(b)도), 배기가스는 상류콜렉터(upstream collector)(12)쪽으로 공급된다. 그 결과, 배기가스는 흡기관(2)의 흡기밸브(5) 근처에 배타적으로 분포되며, 제3(c)도에 나타낸 것과 같이, 배기가스 만이 실린더(11) 내에 흡입된다. 그 결과, 배기가스가 실린더(11)내에 배타적으로 분포된다. 행정이 진행됨에 따라 흡기관(2)에 남아 있는 배기가스가 흡입되고, 제3(d)도에 나타낸 것과 같이, 배기가스와 새로운 혼합물이 유입공(6)에서 동시에 흡입된다. 그 결과, 제3(e)도에 나타낸 것과 같이, 흡기밸브(5)가 폐쇄된 때 실린더(11) 내부의 상부에는 새로운 혼합물이 분포된다. 이러한 분포에서, 새로운 혼합물이 점화플러그(13)의 근처에 배타적으로 존재함으로서, 많은 EGR이 유입된다 할지라도, 착화성(ignitability)과 연소(combustion)는 전혀 악화되지 않는다. 이와 같이, 배기가스가 흡기밸브(5)의 근처에 공급되면, 많은 양의 가스가 유입될 수 있도록 EGR 가스가 실린더(11)내에서 층상(laminar form)으로 분포될 수 있다.
제4(a)와 (b)도는 본 발명의 연료 분사방법의 일 실시예를 나타낸다. 제4(a)도는 흡기 행정과 연료 분사 시간의 관계를 나타낸다. 연료는 흡기 행정의 후반에 분사된다. 이 분사의 시기는 제3(d)도에 나타낸 것과 같이, 많은 새로운 혼합물이 실린더내에 흡입될 때이다. 또한, 분사 종료 시기(tref)는 흡기 행정중에 분사가 완료되지 않는 상태를 방지하도록 결정된다. 만약, 분사 시간의 연장을 원한다면 종료시기(tref)가 변하지 않도록 하고, (A),(B),(C),(D)로 지시된 것과 같이, 흡기행정의 초기시간에 대해 연장한다. 즉, 분사 시작 시기를 변경하여 분사 시간을 변화시킨다. 제4(b)도는 실린더내로 흡입되는 가스와 연료의 거동을 나타낸다. 상사점-하사점(TDC-BDC)사이의 기간이 흡기행정을 나타낸다. (E)로서 표시된 배기가스만이 실린더내로 유입되며, 이 유입도중에 (F)로서 표시된 새로운 혼합물이 유입된다. 그러나, 이경우에는 적은양의 배기가스가 실린더로 유입된다. (G)로서 표시된 연료분사는 새로운 혼합물이 유입되는 시기이다. 이 유입에 의해서 새로운 혼합물 뿐만이 아니라 실린더의 상부에 연료가 층상으로 분포됨으로서 점화성과 연소가 개선된다.
제5도는 전기한 동작을 실행하기 위한 제어의 일 실시예를 나타낸다. 제5도는 엔진의 R.P.M과 부하로서 EGR율을 나타낸다. 콘트롤러(9)는 EGR율을 곡선 (a 내지 e)으로 저장한다. 콘트롤러(9)는 EGR율을 읽고 제어밸브(4)를 동작시켜 목표 EGR량을 공급한다.
제6도는 연료분사 시기를 결정하는 흐름도를 나타낸다. 결정된 분사 펄스폭(Ti)을 읽고 R.P.M.(N)을 읽어 펄스폭(Ti)에 대응하는 크랭크각( i)을 결정한다. 바꿔말하면, 시간(Ti)에 대응하는 크랭크 각( i)이 결정된다. 다음에, 분사 시작시기( inj)가 제4도에 나타낸 분사 종료시기(tref)로부터 결정된다. 분사 밸브는 시기( inj)에서 개방된다. 이상 기술한 제어에 의해 제4(b)도에 나타낸 것과 같은 분사가 완료될 수 있다.
제7도는 다른 실시예를 나타낸 것으로서, 통로(3)내에 분배기(20)를 포함하는 타이밍 수단을 설치한다. 이 분배기(20)는 엔진 회전에 동기되어 회전된다. 이 분배기 내의 개구부(21)가 엔진 실린더에 대응하는 분배관(22)과 일치된 때, 배기가스가 흡기관(2)에 유입된다. 이와 같이, 이 실시예에서 배기가스는 엔진 행정의 일정시기에 흡기관에 공급된다. 분배기의 회전은 크랭크축을 구동하거나 또는 모터(둘다 도시되지 않음)에 의해 구동될 수 있다.
제8도는 4개의 각 실린더의 엔진행정과 1번 실린더에서의 EGR 가스의 흐름 거동을 나타낸다. 분배기(20)를 세트함으로서 EGR 가스를 엔진의 흡기행정 전반에서 배타적으로 유입시킬 수 있다. 4 사이클, 4 기통엔진의 경우에, 분배기는 EGR 가스를 1번 실린더에 먼저 공급한 후 3, 4, 2번 실린더의 순서로 공급되도록 분배관(22)을 세트한다. 이와 같이, 각 실린더에 흡기행정의 전반에서만 가스가 공급될 수 있다.
제9(a) 내지 (e)도는 제7도 실시예의 실린더(11)와 흡기관(2)내의 가스의 거동을 나타낸다. 제9(a)도는 엔진 행정을 나타낸다. 제9(a)도의 (b)∼(e)에 대응하는 시기의 가스의 거동은 제9(b)∼(e)에 대응하여 나타낸다. 제9(b)도에서와 같이, 배기 행정의 후반에서, 분배기(20)는 실린더에 대응하는 분배관(22)에 가스를 공급하는 위치로 회전된다. 그 결과, 흡기관(2)에 배기가스가 공급된다. 제9(b)도에서 채워진 원은 배기가스를 나타내며, 빈 원은 공기/연료 혼합물을 나타낸다. 제9(c)도에서, 분배기(20)는 분배관(22)에 배기가스를 공급하지 않는 위치로 회전된다. 그 결과, 실린더에 대응하는 흡기관(2)에 배기가스가 공급되지 않는다. 이 시기에, 실린더에는 배기가스만이 흡입된다. 제9(d)도에서, 배기 가스가 공급되지 않기 때문에 새로운 혼합물이 실린더(11)내로 배타적으로 흡입된다. 이 새로운 혼합물은 빈 원으로 표시되었다. 제9(e)도에서와 같이, 흡기행정이 종료된 제9(a)도의 시점(e)에서, 새로운 혼합물은 실린더(11)의 상부에 분포되며 EGR 가스는 하부에 분포된다. EGR 가스의 층상화는 이러한 단순한 구조로서 달성된다. 제9도의 시점 (c),(d), 및 (e)에서는 흡기관(2)에 배기가스가 공급되지 않는다. 이 예에서 분배기(20)는 회전식이지만, 각 실린더에 대응하는 분배관(22)에 온/오프 솔레노이드 밸브가 설치되어도 동일한 효과가 얻어질 수 있다. 이와 같이 EGR 가스를 층상화함으로서, 많은 가스가 재순환된다 할지라도 연비와 녹스(NOx)가 대폭 저감되는 안정된 연소를 실현할 수 있다.
제10도는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸 것으로, 각 실린더에 대응하는 분배관(22)내에 배기 압력에 따라서 개폐되는 나비형 밸브(30)를 설치한 것이다. 이와 같은 구성에서는, 가동부가 밸브(30)뿐이므로 구조가 매우 간단하다. 다른 개개의 실린더에 대응하는 분배관에도 밸브(30)가 또한 설치된다. 제11(a)도에서는 실시예가 밸브(30)을 갖는 구성이다. 배기가스는 통로(32)로 유입된다. 통로(32)의 배기가스 압력이 상류통로(33)의 가스 압력을 초과한 때, 밸브(30)의 위치가 폐쇄(점선표시)에서 개방(실선으로 표시)으로 전환됨으로서, 화살표 방향으로 가스가 흐른다. 통로(32)의 배기 가스 압력이 밸브(30)의 세트된 힘 보다 작아졌을 때, 밸브(30)는 점선으로 표시된 것과 같이 폐쇄된다. 이와 같이, 배기가스의 압력이 높을 때에만 흡기관에 공급될 수 있다.
제11(b)도는 또 다른 실시예에 다른 타입의 밸브(30)를 사용한 것을 나타낸 것으로, 통로(35)의 배기가스의 압력이 상류 통로(36)의 가스 압력을 초과한 때에, 흡기관에 배기가스를 공급하도록 스프링 바이어스 니들밸브(34)가 상향으로 움직인다. 밸브(34)가 개방되는 압력은 압축 스프링(37)의 힘에 의하여 정해진다.
제12(a) 내지 (c)도는 배기가스의 압력 변화와 밸브(30)의 작동을 나타낸다. 제12(a)도는 배기관에서 배기가스의 압력 변화를 나타낸다. 압력이 각 실린더의 배기행정에 대응하여 상승함으로서 도시된 바와 같은 주기적 진동이 나타난다. 이 압력이 각 실린더와 연결된 밸브(30)에 작용한다. 제12(b)도는 개개 밸브(30)의 작동을 나타낸다. 예를 들면, 1번 실린더의 배기 행정시에 3번 실린더가 흡기 행정에 있으므로 3번 실린더의 흡기밸브 근처의 흡기관(2) 내부는 고진공 상태가 된다. 그 결과, 밸브(30)는 진공과 배기가스의 정압(positive pressure) 사이의 압력차에 의해 개방된다. 즉, 배기가스의 압력이 일정 레벨 Ps를 초과했을 때에만 흡기행정중의 실린더의 밸브(30)만이 개방된다. 따라서, 제12(c)도에서와 같이, 엔진 행정의 소정 기간 동안만 가스를 공급할 수 있기 때문에 EGR 가스를 간단한 구조로서 층상화시킬 수 있다.
제13도는 본 발명의 응용예로서 각각의 실린더에 복수(2개)의 흡기밸브(5a,5b)를 설치한 엔진을 나타낸다. 이 엔진에서, 흡기관(2)은 35a와 35b로 나타낸 것과 같이 흡기밸브 5a와 5b로 분기된다. 분기된 흡기관 35a와 35b 중 하나는 배기가스를 유입하기 위한 유입공(6)이 형성될 수도 있지만, 예로 든 실시예에서는 유입공을 흡기관 35b 내에 나타내었다. 다른 실린더에서도, 흡기밸브의 하나에 대응하는 흡기관에만 배기가스가 동일하게 공급된다. 여기서, EGR 가스는 공급장치를 치우침(offsetting)으로서 층상화된다. 이 때에 배기가스의 흐름은 연속 또는 단속적일 수 있다.
제14도는 이러한 경우의 실린더 내 가스의 거동을 나타낸다. 배기가스가 한개의 흡기밸브 5b에서만 유입됨으로서, 배기 가스는 채워진 원으로 나타낸 것과 같이 실린더의 외주에 분포된다. 빈 원으로 표시된 새로운 혼합물은 실린더(11)의 내부에 분포된다. 이와 같은 분포에 기인하여 새로운 혼합물이 점화플러그(13)의 주위에 집중되므로, 많은 EGR 가스가 유입되더라도 연소가 악화되지 않는다.
제15(a) 내지 (c)도는 EGR 가스 공급 방법의 또 다른 실시예를 나타낸다. 여기서 배기가스는 흡기관이 아닌 엔진 실린더(11)의 내부로 직접 공급된다. 제15(a)도에 나타낸 것과 같이, 실린더(11)는 그 하부에 형성된 배기가스 공급공(86)을 갖는다. 이와 같은 실시예에서는, 공급공 밸브를 제공할 필요가 없다. 제15(a)도는 흡기 행정을 나타내며, 크랭크축(82)에 의해 구동된 피스톤(87)은 아래로 하강한다. 이 상태에서는 새로운 혼합물만이 흡기밸브(5)를 통해 실린더(11) 내부로 유입된다. 제15(b)도에 도시된 것과 같이 피스톤이 하사점에 근접했을 때 공급공(86)이 개방되도록 구성된다. 이 시기에 실린더의 내부가 약간 비워짐으로서 배기가스가 공급공(86)으로부터 유입된다. 그러나, 입구가 하부에 형성되므로 배기가스는 단지 실린더(11)내부의 하부에만 분포된다. 제15(c)도에서, 피스톤은 실린더 내에서 다시 상승한다. 이와 같이, 새로운 혼합물의 분포가 점화 플러그 주위에 집중됨으로서, 많은 EGR가스가 연소를 악화시킴 없이 혼합될 수 있다. 통로(3)는 개개의 실린더로 분기된다.
제16도는 EGR 가스량을 검출하는 방법을 나타낸다. 이 방법은 제1도, 7도, 및 10도의 구조를 갖는 시스템에 적용될 수 있다. 제16(a)도는 통로(3)를 통해서 유입되는 EGR 가스의 양을 나타낸다. 제16(b)도는 흡입공기량 센서(7)의 출력치(VAFM)를 나타내며, 공기량 센서에 의해 검출된 공기량은 EGR이 오프된 때에 증가한다. 엔진 운전 상태가 일정할 때, 제어밸브(4)의 폐쇄로 인해 EGR 가스가 정지되고, 그 시점의 흡입공기량의 변화로부터 EGR율이 결전된다. 제16(a)도에 나타낸 것과 같이, EGR가스가 공급되는 동안의 출력치(VAFM)는 제16(b)도에 V1으로 나타난다. 다음에, EGR가스가 오프된 때의 출력치(VAFM)는 V2로 나타낸다. EGR율은 V1과 V2의 차로부터 구해진다. EGR 가스가 흡입 공기량 센서(7)의 하류(엔진측)에 유입되므로, 흡입 공기량은 가스 유입의 유·무에 따라 변화한다.
제17도는 검출시의 흐름도를 나타낸다. 먼저, 드로틀 개방도(Throttle opening)( th)와 엔진 회전수(N)가 읽혀진다(스텝 40). th와 N의 값이 안정된 상태인지 아닌지가 판단된다(스텝 41). 만약, 안정 상태가 아니라면, 이 프로그램은 종료된다.
만약, 안정 상태라면 EGR 온일때의 값(V1)을 읽는다(스텝 42). 다음에, EGR이 오프되면(스텝 43), 이때의 값(V2)을 읽는다(스텝 44). EGR이 다시 온 된다(스텝 45). 이 때에, th와 N의 값이 스텝 4046 동안 변화되었는지 아닌지가 체크된다(스텝 46). 변화가 없는 경우에는 EGR율(REGR)을 계산함이 없이 흐름이 종료되며, 변화가 있는 경우에는 (V1-V2)/V1을 계산하여 그것으로 REGR를 결정한다(스텝 47). 다음에, 검출된 비율(REGR)이 목표치와 일치하는지 여부를 판단한다. 일치하지 않은 경우에는, 그 운전상태의 EGR율(REGR)이 보정된다(스텝 49). 일치하는 경우에는 프로그램 흐름이 종료된다.
제17도에 관한 이상의 설명에서, EGR율을 검출할 수 있으므로, 엔진과 제어밸브(4) 등이 시간에 따른 변화를 일으킨다 할지라도 항상 목표치로 수정될 수 있고 정밀한 제어를 실현하는 것이 가능하다.
제18도는 EGR율의 다른 검출 방법을 나타낸 것으로, 흡기관 압력센서(50)가 흡입공기량 센서(7)에 부가하여 설치된다. 이 구성으로, 안정적이지 않은 운전 상태에서도 EGR 율이 검출될 수 있다. 제18(a)도에 나타낸 구성의 단순화된 모델이 제18(b)도로 도시된다. 드로틀 밸브(51)를 통과하는 공기량을 Qs 로 나타내며 공기량 센서(7)로서 검출된다. 흡기관(2)내의 압력을 P로 나타내며 압력 센서(50)로서 검출한다. 드로틀 밸브(51)를 통해 실린더(11)로 유입되는 공기량을 Qc 로 나타낸다. 또한, EGR가스량을 QE로 나타낸다. 여기서, QC와 QE의 값은 미지수이다. 제19도와 제20도는 이들 변수를 사용하여 REGR을 검출하는 방법을 나타낸다 제19(a)도는 불안정 상태에서 압력 P의 변화를 나타낸다. 압력(P1)으로부터 1행정(4기통 4행정 엔진에서 180°)을 압력(P2)으로 나타낸다. 한편, 제19도(b)도는 1행정간의 공기량의 적분치-QS를 나타낸다. 이들 P1, P2,-QS값을 기초로 REGR율이 구해진다.
제20도는 REGR율을 구하는 흐름도이다. 압력 P1과 P2를 읽는다(스텝 52). 공기량센서(7)의 출력을 1행정분 적분하여-QS를 구한다(스텝 53). 여기서, 각 변수들은 아래의 관계를 갖는다.
적분하면,
여기서, K1: 상수
T : 1행정분의 주기이다.
EGR 이 없는 경우,
식(2)와 (3)을 다시쓰면,
압력(P)과 엔진에 흡입되는 공기량(Qc)과의 관계는 체적효율(η')을 이용하여 아래식으로 표현된다.
여기서,-P는 1행정의 평균 압력치이다.
EGR이 없는 경우,
식(7)로부터 체적효율(η')이 아래와 같이 구해진다.
하지만, EGR이 혼입된 경우에는 체적효율(η')이 변화한다. 이것은 값 ηE가 아래식을 사용하여 식(4)로부터 구해지기 때문이다.
즉, 값 η는 식(4)의-QE값에 의해 변화한다. 이 검출방법에서 값 η의 변화로부터 EGR율이 구해진다.
따라서, 스텝 54에서 △P = (P2- P1)/T 가 계산된다. 스텝 55에서 식(4)의 계산이 행해진다. 또한, 스텝 56에서 값 ηE가 구해진다. 여기서, 기억되어 있는 EGR이 없는 경우 ηE와 η' 값의 차로부터 REGR의 비율을 구하기 위해 ηE와 η이 판독출력 된다.
식(10)은 스텝 57에서 계산된다.
이상의 방법으로 REGR이 구해짐으로서, 항상 목표치로서 제어될 수 있다.
제21도는 EGR율과 연비 be, HC와 NOx의 배출량의 관계를 나타낸다.
EGR율이 증가됨에 따라, be 와 NOx의 값은 저하한다. EGR율이 특정 한계치를 초과한 때에는 HC, be, NOx의 값이 다시 증가한다. HC, be, NOx의 증대 시작점은 한계 EGR율을 규정한다. 만약 EGR이 증대 시작점을 넘어 증가된다면 엔진은 실화(misfire)되고 HC와 be의 값이 증가한다. 제어의 견지에서는, be값이 최소화하도록 공급되는 EGR율을 결정하는 것이 바람직하다. 항상 이것을 만족하는 한계 EGR율의 검출방법이 기술된다.
EGR율이 한계값인지 아닌지는 엔진의 거칠기를 검출함으로서 판단된다. 제22도는 산소센서(제1도에서 8번으로 표시, 이하 O2센서로 표시)로서 거칠기를 검출하는 원리를 나타낸다. 제22(a)도는 적정 EGR율에 대한 O2센서의 신호를 나타낸다. 반면, 제22(b)도는 EGR율의 한계를 초과한 경우 O2센서의 신호를 나타낸다. 제22(b)도의 신호는 실화(misfire)에 따른 신호 변동을 포함하고 있다. 변동의 정도가 검출되어 엔진 거칠기로서 사용된다. 사용되는 엔진 거칠기는 엔진 회전수와 흡기관 진공의 불안정시에 검출될 수 있다.
제23도는 제22(b)도의 신호로부터 거칠기의 정도를 검출하는 방법을 나타낸다. 제23(a)도는 그 방법의 회로의 예를 나타낸다. O2센서(60)의 신호는 증폭기(61)에 입력된다. 증폭 후, 신호의 고주파 성분은 하이패스필터(high-pass filter)(62)를 통해 추출되고, 그 피크치는 피크 홀드(Peak hold)(63)에서 검출되어 거칠기의 측정에 이용된다. 제23(a)도에 나타낸 신호 (b)∼(d)는 제23(b)∼23(d)도에 각각 나타낸다. 제23(c)도는 하이패스 필터(62)를 통과한 후의 원신호(original signal)(제23(b)도)를 나타낸다. 이 필터 처리된 신호는 엔진 거칠기의 정도를 나타낸다. 제23(d)도에 나타낸 것과 같이 이 신호는 피크 홀드용 레벨 신호로 신호 처리된다. 콘트롤러(9)는 신호(d)의 크기에 따라 엔진 거칠기의 정도를 판단한다. 이 신호(d)의 값은 Vp로 표시된다.
제24도는 거칠기의 정도를 검출하는 다른 방법을 나타낸다. 제24(a)도는 O2센서의 원신호를 나타낸다. 이 신호가 비교기에서 기준치(Vref)와 비교됨으로서, 제24(b)도에 나타낸 신호로 변환된다. 이 신호(b)의 온/오프 주기는 엔진 거칠기의 정도에 대응한다. 이 신호(b)의 온/오프 회수는 카운터 회로에서 계수된다. 리세트 펄스(제24(c)도)가 카운터 회로에 입력되면, 제24(d)도에 나타낸 것과 같이, 제24(b)도의 각 신호가 온,오프되는 회수가 계산된다. 다음에, 제24(e)도로 나타낸 것과 같이 리세트 펄스가 입력될 때까지의 계수치가 홀드된다. 이 홀드치(Vc)로서 콘트롤러는 엔진 거칠기의 정도를 판단한다. 즉, 거칠기의 정도는 홀드치(Vc)가 커질수록 크게 결정된다.
제25도는 EGR율의 변화와 HC, be, Vp, Vc 사이의 관계를 나타낸다. EGR이 증대시작점을 초과한 곳에서 HC와 be의 값이 상승하며, Vp와 Vc의 값 역시 상승하므로, 이로부터 한계 EGR율이 판단될 수 있다.
제26도는 제23도의 실시예에 대응하는 한계 EGR 제어용 흐름도를 나타낸다. 먼저, Vp 값을 읽는다(스텝 60). 그 후, Vp 값이 기준치 V*를 초과했는지가 판단된다(스텝 61). Vp가 V*보다 작다면 한계 EGR율에 아직 도달하지 않았음이 판단되어 EGR율이 증가된다(스텝 63). Vp가 V*보다 크다면 한계 EGR율을 초과했음이 판단되어 EGR율이 감소된다(스텝 62). 새롭게 결정된 EGR율은 메모리에 저장된다(스텝 64). 이와 같이, 한계점에 근접한 EGR율의 제어가 항상 수행될 수 있다.
제27도는 제24(a) 내지 (e)도의 실시예의 제어흐름도를 나타낸다. Vc값을 읽고(스텝 65), 기준치 V*와 비교한다(스텝 66). Vc V*이면 EGR율은 감소되고(스텝 67), Vc ≤ V*이면 EGR율은 증가된다(스텝 68). 그 후, 그때의 운전 상태에 대응하는 메모리 위치에 EGR율이 저장된다(스텝 69).
본 발명에 의하면, 종래 기술의 시스템에서 보다 더 많은 EGR 가스가 실린더에 혼입된다 할지라도 연소가 악화되지 않는 것이 가능하다. 이와 같이, 연비와 NOx 배출량을 큰 폭으로 저감하는 것이 가능하다.
본 발명이 실시예를 참고로 설명되었으며, 특허청구범위에 정의된 본 발명의 목적과 정신에 위배됨이 없이 변형이 실시될 수 있음이 이해되어야 한다.

Claims (21)

  1. (a) 내연기관에 공기/연료 혼합물을 공급하도록 연결된 흡기통로; (b) 상기 내연기관으로부터 배기가스를 방출하도록 연결된 배기통로; (c) 상기 배기통로의 배기가스의 일부를 상기 내연기관의 실린더에 공급하기 위한 배기가스 재순환 통로; 및 (d) 상기 공기/연료 혼합물은 점화플러그에 근접하고, 상기 배기가스의 일부는 상기 점화 플러그에서 멀리 떨어져 상기 실린더 내에서 분산되도록 상기 배기가스의 일부를 상기 공기/연료 혼합물과 더불어 적층형으로 상기 배기통로로부터 상기 실린더내로 공급하는 타이밍 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스 재순환 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 유입공 수단이 상기 흡기 통로에 배치된 흡기밸브의 근처에 제공되며, 상기 타이밍 수단이 상기 엔진의 상기 실린더의 흡·배기 밸브와 연료 분사 타이밍 수단을 구동하는 캠축 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스 재순환 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 유입공 수단이 상기 흡기 통로에 배치된 흡기밸브의 근처에 제공되며, 상기 타이밍 수단이 상기 재순환 통로내의 배기가스를 다기통 엔진에 배치된 복수의 흡기밸브 중에서 소정의 일 흡기밸브에 직접 공급하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스 재순환 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 타이밍 수단이 상기 다기통 엔진의 실린더 수에 대응하는 복수의 출구부를 갖는 분배기와, 상기 배기가스가 유입되도록 상기 분배기의 입구에 연결되며 상기 출구 중에서 대응하는 곳에 상기 배기가스를 공급하도록 상기 분배기 내에서 회전식 통로의 역할을 하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스 재순환 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 유입공 수단이 상기 흡기통로에 배치된 흡기밸브의 근처에 제공되며, 재순환 제어밸브가 상기 재순환 통로에서 상기 유입공 수단의 상류에 제공되고, 상기 타이밍 수단이 상기 재순환 제어 밸브와 상기 흡기밸브를 포함함으로서, 배기가스가 상기 재순환 제어 밸브의 양 측에서의 압력 변화에 따라 상기 엔진의 실린더에 유입되는 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스 재순환 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 재순환 제어밸브가 나비형(flap)밸브인 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스 재순환 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 재순환 제어밸브가 스프링 바이어스(spring biassed) 밸브인 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스 재순환 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 배기가스 재순환 통로가 피스톤이 하사점에 있을 때 상기 실린더의 피스톤 위에 위치하는 상기 실린더 측면의 유입공 수단에 연결되며, 상기 타이밍 수단이 상기 피스톤을 왕복 운동시키는 크랭크축을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스 재순환 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 재순환량 검출수단이 배기가스가 재순환 되는 때의 부하 신호와 배기가스가 재순환되지 않는 때의 부하신호를 기초로 배기가스의 재순환량을 결정하기 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스 재순환 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 제어수단이 내연기관의 거칠기의 정도를 검출하기 위해 제공되어, 상기 거칠기의 정도에 따라 재순환량을 제어하는 제어신호를 상기 재순환 제어밸브에 공급하는 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스 재순환 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제어수단이 상기 거칠기의 정도에 따라 허용되는 최대 재순환량을 결정함으로서 상기 제어신호가 결정되는 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스 재순환 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 재순환 제어밸브가 상기 내연기관의 행정동안 소정시기에 소정주기로 배기가스를 재순환시키기 위해 상기 배기가스 재순환 통로에 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스 재순환 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 재순환 제어밸브가 나비형 밸브인 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스 재순환 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 재순환 제어밸브가 스프링 바이어스 밸브인 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스 재순환 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 배기가스율이 공기량 센서와 흡기 다기관 압력 센서에서 나오는 출력신호로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스 재순환 시스템.
  16. (a) 내연기관에 공기/연료 혼합물을 공급하도록 연결된 흡기통로; (b) 상기 내연기관으로부터 배기가스를 방출하도록 연결된 배기통로; 및 (c) 상기 배기통로의 배기가스를 상기 흡기통로에 배치된 흡기밸브의 근방에 공급하기 위한 배기가스 재순환 통로를 구비하는 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스 재순환 시스템.
  17. (a) 내연기관에 공기/연료 혼합물을 공급하도록 연결된 흡기통로; (b) 상기 내연기관으로부터 배기가스를 방출하도록 연결된 배기통로; (c) 상기 배기통로의 배기가스의 일부를 상기 흡기통로에 배치된 흡기밸브의 근방에 공급하기 위한 배기가스 재순환 통로; 및 (d) 상기 내연기관의 행정동안 소정시기에 소정주기로 배기가스를 재순환시키기 위해 상기 배기가스 재순환 통로에 배치된 재순환 제어밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환양 제어 시스템.
  18. (a) 내연기관에 공기/연료 혼합물을 공급하도록 연결된 흡기통로; (b) 상기 내연기관으로부터 배기가스를 방출하도록 연결된 배기통로; (c) 상기 배기통로의 배기가스의 일부를 상시 흡기통로에 배치된 흡기밸브의 근방에 공급하기 위한 배기가스 재순환 통로; (d) 재순환되는 배기가스의 양을 제어하기 위해 상기 배기가스 재순환 통로에 배치된 재순환 제어밸브; 및 (e) 배기가스가 재순환되는 때의 부하신호와 배기가스가 재순환되지 않는 때의 부하신호를 기초로 배기가스의 재순환양을 결정하기 위한 재순환양 검출수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환양 제어 시스템.
  19. (a) 내연기관에 공기/연료 혼합물을 공급하도록 연결된 흡기통로; (b) 상기 내연기관으로부터 배기가스를 방출하도록 연결된 배기통로; (c) 상기 배기통로의 배기가스의 일부를 상기 흡기통로에 배치된 흡기밸브의 근방에 공급하기 위한 배기가스 재순환 통로; (d) 재순환되는 배기가스의 양을 제어하기 위해 상기 배기가스 재순환 통로에 배치된 재순환 제어밸브; 및 (e) 상기 내연기관의 거칠기의 정도를 검출하고, 상기 거칠기의 정도에 따라 재순환양을 제어하는 제어신호를 상기 재순환 제어밸브에 공급하는 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환양 제어 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제어수단이 상기 거칠기의 정도에 따라 허용되는 최대 재순환량을 결정함으로서 상기 제어신호가 결정되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환양 제어 시스템.
  21. (a) 내연기관에 공기/연료 혼합물을 공급하도록 연결된 흡기통로; (b) 상기 내연기관으로부터 배기가스를 방출하도록 연결된 배기통로; 및 (c) 상기 흡기통로내에 배치된 흡기밸브 근방에 개구되는 배기가스 재순환 통로를 포함하여 이루어지고 상기 배기통로의 배기가스의 일부를 공급함에 있어서, 공급된 배기가스가 상기 내연기관의 실린더내에서 실린더 벽과 피스톤의 상부면에 존재하고 점화 플러그 근방에는 존재하지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환양 제어 시스템.
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