KR100233931B1 - 기통내분사형 내연기관의 제어장치 - Google Patents

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히토시 카무라
히로키 타무라
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나까무라히로까즈
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Abstract

본 발명은, 자동차등에 탑재되는 내연기관의 제어장치에 관한 것으로서, 특히, 연료를 연소실내에 직접 분사하는 기통내분사형 내연기관의, 특히 압축공정분사모드에 의한 희박공연비에서의 운전을, 기관온도가 낮을 때 예를 들면, 위밍업중에도 안정적으로 행할 수 있게 하는 제어장치에 관한 것으로서, 기통내분사내연기관의 제어장치의 엔진제어유니트(ECU(70))는, 압축행성분사모드에서의 연료분사 시기를 연료분사량에 따라서 설정하고, 엔진냉각온도Twt에 따라서 연료분사시기를 보정한다. 엔진냉각수온Twt가 워밍업완료시의 온도보다도 낮을 때, 압축행정분사모드에서의 연료분사시기는 지연각보정되고, 기통내압격이 높아진 시점에서 연료가 분사되어, 연료의 기화가 양호하게 행하여진다. 이 결과, 압축행정분사모드에서의 워밍업운전중의 실화발생이나 유해가스성분의 배출이 효과적으로 억제된다.

Description

기통내분사형 내연기관의 제어장치
본 발명은, 자동차등에 탑재되는 내연기관의 제어장치에 관한 것으로서, 특히, 연료를 연소실내에 직접 분사하는 기통내분사형 내연기관의, 특히 압축공정분사모드에 의한 희박공연비에서의 운전을, 기관온도가 낮을 때 예를 들면, 워밍업중에도 안정적으로 행할 수 있게 하는 제어장치에 관한 것이다.
최근, 연비등의 향상 때문에, 이론공연비보다 희박한 공연비에 의해 운전가능한 내연기관이 개발되고, 실용화되어 있다. 예를 들면, 연소실에 연료를 직접분사하는 다기통형 기통내분사엔진이 여러 가지 제안되고 있다(예를 들면, 일본국 특개평 5-240044호 공보). 이 종류의 엔진은, 연소실형상, 흡기포오트형상, 연료분사방식등을 연구해서, 주로 흡기행정에서 연료분사가 행하여지는 흡기행정분사모드와, 주로 압축행정에서 연료분사가 행하여지는 압축행정분사모드의 쌍방에 의해 운전 가능하게 구성되어 있다. 또, 흡기행정 및 압축행정분사모드의 각각에서의 희박공연비 운정을 위하여, 흡기행정희박공연비모드 및 압축행정희박공연비모드(이하, 흡기희박모드 및 압축희박모드라 부른다)가 설정되어 있다. 그리고, 엔진운전 상태에 따라서 각종 분사모드의 하나가 선택된다.
압축희박모드에서의 엔진운전시, 연소실내에 분사된 연료는, 흡입공기흐름에 의해 점화플러그를 향해 운반되고, 점화시기에 점화플러그 주위에 연료밀도가 높은 혼합가스(混合氣)의 충을 형성한다. 이 결과, 점화플러그 주위에서의 혼합가스에의 착화성이 향상되고, 실린더내 전체로서는 희박공연비라도, 점화플러그주위에서 생긴 화염이 실린더내 전체에 전파해서 안정적인 연소가 행하여진다. 이 때문에, 연비등이 향상된다.
안정연소에 관련해서, 전형적인 기통내분사가솔린엔진에서는, 연료압력과 요구연료분사량에 의거해서 연료분사밸브의 개방시간이 먼저 설정되고, 다음에, 흡기 행정이나 압축행정중에 연료의 분사가 종료되도록 분사종료시기가 결정되고, 또, 밸브개방시간과 분사종료시기에 의거해서 분사개시시기가 결정된다. 특히, 압축행 정분사모드에서는, 점화시점까지 연료를 확실하게 기화시켜서 완전 연소시키도록, 연료의 기화에 소요되는 시간이나 그 분무의 확산에 소요되는 시간 등를 고려한 다음에, 분사개시ㆍ종료시기가 결정된다.
그러나, 차가운상태시동후에 있어서의 워밍업운전을 흡기희박모드 또는 압축희박모드에 의해 행하면, 실화가 발생하거나 미연소탄화수소의 배출량이 증대하는 일이 있다. 이 때문에, 종래의 기통내분사엔진에서는, 흡기희박모드 및 압축희박모드에서의 워밍업운전을 금지하고 있다. 따라서, 워밍업운전은, 연료분사량이 많은 스토이키오 또는 농후공연비모드에 의해 행하여지고, 희박공연비모드에서의 엔진운전에 의한 연비향상을 도모할 수 없다.
그래서, 워밍업 시에 있어서도, 압축행정분사모드를 설정해서, 유해가스성분 배출량의 저감이나 연비의 향상 등을 도모하려고 하는 요구가 강하다.
이와 같은 관점에서, 기관냉간시와 같이 실린더내 온도가 낮을 때에 압축행정분사모드에 의해 기통내분사엔진을 운전하도록, 연료분사시기 및 점화시기의 쌍방을 전진각(advance)시켜서 화염핵을 조기에 형성하고, 이에 의해 실린더내 온도를 상승시켜, 연료의 증발을 촉진해서 양호한 혼합가스를 형성하는 기술이 제안되고 있다(일본국 특개평 4-183924호 공보). 그러나, 상기 제안의 기술을 적용한 기통내분사엔진에 있어서도, 실린더온도가 낮을 경우에는 압축행정분사모드에서의 엔진운전중에 실화가 발생할 염려가 있다.
상기한 문제점에 관련해서, 압축행정분사모드에서의 연료기화속도나 연료분무확산속도가 기통내온도의 영향을 받아서 변화하는 것이, 본 발명자 등에 의한 연구에 의해 명백해졌다. 즉, 워밍업운전시와 같이 내연기관온도가 낮을 때의 실화발생, 유해가스성분배출량증대의 원인은, 낮은 기관온도 나아가서는 낮은 기통내온도에 기인해서 연료의 기화가 불충분하게되고, 점화플러그주위에 적정한 층상혼합 가스가 형성되기 어렵게 된다는 점에 있다고 생각된다. 환언하면, 종래는, 연료기화속도나 연료분무확산속도에 대한 기통내온도의 영향을 반영하면서 연료분사시기를 최적화하는 기술이 확립되어 있지 않았다.
본 발명의 목적은, 기관온도기 낮을때에도, 희박공연비모드에서의 기관운전을 가능하게 해서 연비향상 등을 도모하도록 한 내연기관의 제어장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 기관운전상태에 상관없이, 압축행정분사모드에 의한 기관운전중의 실화발생이나 유해가스성분배출량을 효과적으로 억제할 수 있는 기통내분사내연기관의 제어장치를 제공하는 데 있다.
제1도는 본 발명의 제 1실시예에 의한 제어장치의 제어하에서 운전되는 기통내분사내연기관을 표시한 개략도
제2도는 제1도에 표시한 엔진의 요부종단면도
제3도는 엔진회전수 및 평균유효압의 함수에 의해 표시되는 각종연료분사제어영역을 예시한 도면
제4도는 엔진의 워밍업운전중에 본 발명의 제 1실시예에 의한 제어장치에 의해 실시되는 연료분사제어의 순서도
제5도는 본 발명의 제 2실시예에 관한 제어장치에 의해 실시되는 압축행정분 사모드에 있어서의 연료분사시기ㆍ점화시기제어루틴의 순서도
제6도는 제5도에 표시한 연료분사시기ㆍ점화시기제어에서 사용되는 엔진수온기본보정량KB특성곡선을 예시한 그래프
제7도는 제5도의 제어에서 사용되는 엔진회전수-보정계수K1특성곡선을 예시한 그래프
제8도는 제5도의 제어에서 사용되는 엔진회전수-보정계수K2특성곡선을 예시한 그래프
제9도는 본 발명의 제 2실시예에 의한 제어장치가 적용되는 엔진의 연료분사시기-연료기화율특성을 표시한 그래프
제10도는 제9도에 관련된 엔진의 연료분사시기-연료층상도(層狀度)특성을 표시한 그래프
제11도는 본 발명의 제 2실시예에 의한 제어장치가 적용되는 다른 엔진의 연료분사시기-연료기화율특성을 표시한 그래프
제12도는 제11도에 관련된 엔진의 연료분사시기-연료충상도특성을 표시한 그래프
제13도는 본 발명의 제 2실시예의 제어장치에 의해 워밍업중등의 기관저온시에 실시되는 연료분사시기ㆍ점화시기의 지연각(retard)제어에 의한 실화빈도저감효과를 표시한 그래프
제14도는 상기 지연각제어에 의해 NOx배출량저감효과를 표시한 그래프
〈 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 〉
1 : 엔진 2 : 실린더헤드
3 : 점화플러그 4 : 연료분사밸브
5 : 연소실 6 : 실린더
7 : 피스톤 8 : 캐비티
9 : 흡기밸브 10 : 배기밸브
11, 12 : 캠샤프트 13 : 흡기포오트
14, 15 : 배기포오트 16 : 수온센서
17 : 크랭크각센서 19 : 점화코일
20 : 서지탱크 21 : 매니폴드
22 : 에어클리너 23 : 스로틀보디
24 : 제 1에어바이패스밸브(#1ABV) 25 : 흡기관
26 : 대직경 에어바이패스파이프 27 : 제 2에어바이패스밸브(#2ABV)
28 : 스로틀밸브 29 : 스로틀센서
30 : 아이들스위치 32 : 에어플로센서
40 : O센서 41 : 배기매니폴드
42 : 3원촉매 43 : 배기관
44 : EGR파이프 45 : EGR밸브
50 : 연료탱크 51 : 저압연료펌프
52 : 저압피이드파이프 53 : 리턴파이프
54 : 제 1연압조정기 55 : 고압연료펌프
56 : 고압피이드파이프 57 : 딜리버리파이프
58 : 리턴파이프 59 : 제 2연압조정기
60 : 연압절환밸브 61 : 리턴파이프
70 : 엔진제어유니트(ECU) Twt : 엔진냉각수온도
Tinj : 연료분사시기 Tig : 점화시기
본 발명에 의하면, 연소실내에 직접 연료를 분사하는 연료분사장치를 가지고, 주로 흡기행정에서 연료를 분사하는 흡기행정분사모드 및 주로 압축행정에서 연료를 분사하는 압축행정분사모드에서 운정가능한 기통내분사형 내연기관의 제어 장치가 제공된다.
본 발명의 제어장치는, 상기 내연기관의 운전상태에 따라서 분사모드를 선택하는 분사모드선택수단과, 상기 분사모드선택수단에 의해 선택된 분사모드에 따라서, 연료분사개시 또는 종료시기를 나타내는 기준분사시기를 설정하고, 또, 상기 분사모드선택수단이 상기 압축행정분사모드를 선택하였을 때, 기관온도에 따라서 각각 변화하는 연료기화율 및 연료층상도가, 상기 연소실내에 분사된 연료를 안정 연소시키게 되는 것으로 되도록, 상기 설정된 기준분사시기를 보정하는 분사시기설정수단과, 상기 분사시기설정수단에 의해 설정 또는 보정된 상기 기준분사시기에 의거하여 상기 연료분사장치를 제어하는 연료분사제어수단을 구비한다.
상기 구성의 본 발명의 제어장치에 의하면, 압축행정분사모드가 선택되었을 때, 이렇게 선택된 압축행정분사모드에 따라서 설정된 기준분사시기를 보정해서, 연료를 안정연소시키게 되는 연료기화율 및 연료층상도를 얻을 수 있다. 이 결과, 압축행정분사모드에서의 연료기화상태 및 연료분무확산상태를 최적화 할 수 있고, 최적공연비의 혼합가스를 점화시기에 있어서 점화플러그 주변에 극소적으로 형성할 수 있고, 따라서, 실화발생 및 유해가스성분배출량을 효과적으로 억제할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어장치는, 상기 기관온도를 검출하는 온도검출수단을 더구비한다. 상기 분사시기설정수단은, 상기 연소실내에 분사된 연료를 안정연소 시키게 되는 연료기화율 및 연료층상도를 얻기 위하여 사용되고 상기 기관온도의 함수로서 미리 설정된 제 1보정계수를 기억하는 보정계수기억수단과, 상기 온도검출수단에 의해 검출된 기관온도에 적합하는 제 1보정계수를 상기 보정계수기억수단으로부터 구하는 제 1보정계수결정수단과, 상기 온도검출수단에 의해 검출된 기관 온도가 소정온도이하일 때, 상기 제 1보정계수결정수단이 구한 제 1보정계수에 의해 상기 기준분사시기를 보정하는 분사시기보정수단을 포함한다.
상기의 호적태양에 의하면, 압축행정분사모드선택시의 분사시기설정수단에 의한 기준분사시기보정을 간단용이하게 또한 신속하게 행할 수 있다. 또, 설정온도를 워밍업완료시의 기관온도에 적정하게 관련시켰을 경우, 워밍업중에도 압축행정분사모드에서의 기관운전을 안정적으로 행할 수 있어, 워밍업중의 연비향상을 도모할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제 1보정계수는, 상기 연소실내에 분사된 연료의 안정연소에 각각 관여하는 연료기화율 및 연료층상도에 관한 요건이 만족되도록, 상기 내연기관에 고유의 특성에 의거해서 설정된다.
이 호적한 태양에 의하면, 제 1보정계수를 사용한 연료분사시기보정을 행하므로써, 내연기관에 고유의 특성(특히, 기관온도-연료기화율특성 및 기관온도-연료 층상도 특성)에 적합하는 연료분사시기를 설정할 수 있어, 압축행정분사모드에서의 기관운전을 안정화할 수 있다.
바람직하게는, 상기 분사시기보정수단은, 상기 압축행정분사모드에 의한 연료분사를 실시가능하게 하는 범위내에 상기 기준분사시기가 들어가도록, 상기 기준 분사시기의 보정을 규제하는 보정규제수단을 가진다.
이 호적한 태양에 의하면, 압축행정분사모드에 의한 연료분사시기가 안정적인 연소를 담보하는 연료분사시기범위로부터 일탈하게되는 과도한 연료분시기보정을 방지할 수 있어, 압축행정분사모드시의 기관운전을 안정적으로 행할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 제어장치는, 기관온도를 검출하는 온도검출수단을 더 구비한다. 상기 흡기행정분사모드는 상기 연소실내의 혼합가스의 공연비를 대략 이론공연비로하게 하는 양의 연료를 흡기행정에서 분사하는 제 1분사모드와, 상기 공연비를 상기 제 1분사모드에서 달성되는 공연비보다 희박하게 하는 양의 연료를 흡기행정에서 분사하는 제 2분사모드를 포함한다. 상기 압축행정분사모드는, 상기 공연비를 상기 제 2분사모드에서 달성되는 공연비보다도 희박하게 하는 양의 연료를 압축행정에서 분사하는 제 3분사모드를 포함한다. 그리고, 상기 분사모드 선택수단은, 상기 온도검출수단에 의해 검출된 기관온도가, 상기 내연기관의 워밍업완료시의 기관온도보다도 낮은 설정온도이하인때 상기 제 1분사모드를 선택하고, 상기 온도검출수단에 의해 검출된 기관온도가 상기 설정온도를 초과해있을 때 상기 제 3분사모드를 선택한다.
상기 구성에 의하면, 기관온도가, 워밍업완료시의 기관온도보다도 낮은 설정 온도를 초과하고 있을 때, 제 3분사모드에 의한 연료분사를 행함으로써, 제 2분사모드에서 달성되는 희박공연비보다도 더욱 희박한 공연비를 달성하면서, 연소를 안정적으로 행할 수 있다. 또, 기관부하상태에 따라서 연료분사량을 가변제어함으로써, 부하변동에 대한 제어응답성을 향상할 수 있다. 이 결과, 연비향상 및 연소악화방지를 도모하면서, 응답성 좋게 연료분사제어를 할 수 있어, 구동력(driverability)을 향상 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어장치는, 상기 내연기관의 엔진회전속도를 검출하는 엔진회전속도검출수단과, 상기 내연기관의 엔진부하를 검출하는 엔진부하검출수단을 구비하고, 또, 상기 분사시기설정수단은, 상기 엔진회전속도검출수단에 의해서 검출된 엔진회전속도에 따른 제 2보정계수를 설정하는 제 2보정계수설정수단과, 상기 엔진부하검출수단에 의해서 검출된 엔진부하에 따른 제 3보정계수를 설정하는 제 3보정계수설정수단을 포함하고, 그리고 상기 분사시기설정수단은, 제 1보정계수, 제 2보정계수 및 제 3보정계수에 의거하여 상기 기준분사시기를 보정한다. 상기 구성에 의하면, 기준연료분사시기를 기관온도, 기관회전속도, 및 기관부하에 따른 각 보정계수에 따라서 보정함으로써, 기관의 각운전상태에 따라서, 연료를 안정 연소할 수 있게 되는 최적의 분사시기로 할 수 있다.
이하, 도면을 참조해서 본 발명의 제 1실시예에 관한 제어장치 및 이 제어장치가 장비되는 기통내분사내연기관에 대하여 설명한다.
도 1에 있어서, 참조부호(1)은, 자동차용의 기통내분사형 직결 4기통가솔린 엔진(이하, 엔진이라 약기함)이며, 연소실을 비롯해서 흡기장치나 EGR장치등이 기통내분사전용으로 설계되어 있다.
즉, 이 실시예의 경우, 엔진(1)의 실린더헤드(2)에는, 각기통마다 점화플러그(3)와 함께 전자식의 연료분사밸브(4)가 장착되어 있으며, 연소실(5)내에 연료가 직접분사되도록 되어 있다. 또, 실린더(6)에 상하슬라이딩자재하게 유지된 피스톤(7)의 꼭대기면에는, 압축행정의 후기에 연료분사밸브(4)로부터의 연료분무가 도달하는 부위에 위치해서 반구(半球)형상의 캐비티(8)가 형성되어 있다. 이에 관련하여, 이 엔진(1)의 압축비는, 일반적인 흡기관분사형의 것에 비해서 높게(본 실시예에서는 12정도)설정되어 있다. 또 밸브구동기구로서는 DOHC4밸브식의 것이 채용되어 있으며, 실린더헤드(2)의 상부에는, 흡배기밸브(9), (10)를 각각 구동하도록, 흡기쪽캠샤프트(11)과 배기쪽캠샤프트(12)가 각각 회전자재하게 유지되어 있다.
실린더헤드(2)에는 캠샤프트(11), (12)의 사이를 빠지도록 해서 대략 직립방향으로 흡기포오트(13)가 형성되어 있다. 이 흡기포오트(13)를 통과한 흡기흐름이 연소실(5)내에서, 후술하는 역텀블흐름을 발생시킨다. 또, 배기포오트(14)에 대해서는 통상(흡기관분사형)의 엔진과 마찬가지로 대략 수평방향으로 형성되어 있으나, 이 배기포오트(15)의 비스듬아래쪽에는 대직경의 EGR포오트(15)(도 2에는 도시 생략)가 분기해서 형성되어 있다.
도 1중, 참조부호(16)은 엔진냉각수온도 Twt를 검출하는 수온센서이며, (17)은 각기통의 소정의 크랭크위치(예를 들면 BTDC5°및 BTDC75°)에서 크랭크각신호 SGT를 출력한는 베인형의 크랭크각센서, (19)는 점화플러그(3)에 고전압을 출력하는 점화코일이다. 또, 크랭크샤프트의 절반의 회전수로 회전하는 캠샤프트에는, 기통판별신호SGC를 출력하는 기통별센서(도시생략)가 장착되어, 상기 크랭크신호 SGT가 어느 기통의 것인지를 판별할 수 있도록 되어 있다.
도 2에 표시한 바와 같이, 흡기포오트(13)에는, 서지탱크(20)를 가진 흡기매니폴드(21)를 개재해서, 에이플로센서(32), 에어클리너(22), 스로틀보디(23) 및 스텝모터식의 제 1에어바이패스밸브(#1ABV)(24)에 의해 개폐되는 바이패스통로를 구비한 흡기관(25)이 접속되어 있다. 또, 이 흡기관(25)에는, 스로틀보디(23)를 우회해서 흡기매니포울드(21)에 흡입가스(吸入氣)를 도입하는 대직경의 에어바이패스파이프(26)가 병설되어 있으며, 그 관로에는 리니어솔레노이드식이고 대형의 제 2에어바이패스밸브(#2ABV)(27)가 배설되어 있다. 또한, 에어바이패스파이프(26)는 흡기관(25)에 준하는 유로면적을 가진 것으로서, 제 2에어바이패스밸브(#2ABV)(27)의 완전개방시에는 엔진(1)의 저중속도영역에서 요구되는 양의 흡입기를 적당히 유동시키는 역할을 담당하고 있다.
스로틀보디(23)에는, 그 유로를 개폐하는 나비식스로틀밸브(28)와 함께, 스로틀밸브(28)의 개방도 θTH를 검출하는 스로틀센서(29)와, 상기 스로틀밸브(28)의 완전폐쇄상태를 검출하는 아이들스위치(30)가 배설되어 있다. 또한, 실제로는 스로틀센서(29)로부터는 개방도 θTH에 따른 스로틀전압 VTH가 출력되고, 이 스도틀전압 VTH에 의거해서 스로틀의 개방도θTH가 인식된다. 또 에이플로센서(32)는 흡입공기량Qa를 검출하는 것으로서, 예를 들면 카르만소용돌이식에어플로센서가 사용된다. 또한, 흡입공기량Qa에 대해서는, 서지탱크(20)에 부스트압센서를 장착하고, 이 부스트압센서에 의해 검출되는 흡입관 압력으로부터 구하도록 해도 된다.
배기포오트(14)에는, O2센서(40)가 장착된 배기폴드(41)를 개재해서, 3원촉매(42)나 도시하지 않는 머플러 등을 구비한 배기관(43)이 접속되어 있다. 또, EGR포오트(15)에는, 대직경의 EGR파이프(44)를 개재해서 흡기매니폴드(21)의 상류에 접속되어 있으며, 그 관로에는 스텝모터식의 EGR밸브(45)가 배설되어 있다.
도시생략의 차체후부에 설치된 연료탱크(50)에 저류된 연료는, 전동식의 저압연료펌프(51)에 의해 빨아올려지고, 저합피이드파이프(52)를 개재해서 엔진(1)쪽으로 송급된다. 이 저압피이드파이프(52)내에 있어서의 공급연료의 압력(연압=撚壓)은, 리턴파이프(53)의 관로에 개재 장착된 제 1연압조정기(54)에 의해 비교적 저압(저연압)으로 설정되어 있다. 그리고 엔진(1)쪽으로 송급된 연료는, 실린더헤드(2)에 장착된 고압연료펌프(55)로부터 고압피이드파이프(56), 또는 딜리버리파이프(57)를 개재해서 각 연료분사밸브(4)에 송급된다.
또한, 딜리버리파이프(57)내의 연압은, 리턴파이프(58)의 관로에 개재 장착된 제 2연압조정기(59)에 의해서 비교적 고압(고연압)으로 조정된다. 이 제 2연압 조정기(59)에 장착된 전자식의 연압절환밸브(60)는, ON상태에서 연료를 릴리프에서 딜리버리파이프(57)내의 연압을 저연압으로 저하시키는 역할을 담당한다. 고압연료펌프(55)의 윤활이나 냉각등을 행한 연료는, 리턴파이프(61)를 개재해서 연료탱크(50)에 환류된다.
엔진(1)의 총합적인 제어를 관장하는 엔진제어유니트(ECU)(70)는, 도시생략의 입출력장치, 제어프로그램이나 제어맵등을 기억한 기억장치(ROM, RAM등), 중앙처리장치(CPU), 타이머카운터등을 구비하고 있다. 그리고, ECU(70)는, 상기한 각종 센서류로부터의 검출정보를 입력하고, 연료분사모드나 연료분사량을 비롯하여, 점화시기나 EGR가스의 도입량등을 결정하고, 연료분사밸브(4)나 점화코일(19), EGR밸브(45)등을 각각 구동제어한다. 또, ECU(70)는, 도시하지 않는 다수의 스위치나 기타의 센서류가 접속되는 동시에, 각종경고등이나 기기류등이 접속되어 있다.
다음에, 상기한 바와 같이 구성되는 기통내분사내연기관에 있어서의 기본적인 엔진제어의 흐름(순서)에 대해서 간단히 설명한다.
냉기(冷機)시에 있어서 점화키를 ON조작하면, ECU(70)는 저압연료펌프(51)와 연압절환밸브(60)를 ON으로하고, 연료분사밸브(4)에 저연압의 연료를 공급한다. 이 상태에서 점화키를 개시(Start)조작하면, 도시생략의 셀모터(Sel-motor)에 의해 엔진(1)이 크랭킹되고, 동시에 ECU(70)의 제어하에서 연료분사제어가 개시된다. 단, 이 시점에 있어서는 연료의 기화율이 낮고, 또한 연압도 낮으므로, ECU(70)는 비교적 농후한 공연비가 되도록 연료를 분사한다. 또, 엔진시동시에는 ECU(70)의 제어하에서 제 2에어바이패스밸브(27)가 폐쇄해있기 때문에, 연소실(5)에의 흡입가스는 스로틀밸브(28)주위의 틈새나 제 1에어바이패스밸브(24)에 관련되는 바이패스 통로로부터 공급된다. 또한, 제 1 및 제 2에어바이패스밸브(24), (27)는 ECU(70)에 의해 일원화관리되고 있으며, 이들 밸브개방량은 스로틀밸브(28)를 우회하는 흡입가스(바이패스에어)의 필요도입량에 따라서 각각 결정된다.
시동이 완료되어서 엔진(1)이 아이들운전을 개시하면, 고압연료펌프(55)가 정격(定格)의 토출작동을 시작한다. 이것을 받아서 ECU(70)는 연압절환밸브(60)를 OFF해서 연료분사밸브(4)에 고압의 연료를 공급하다. 그리고, 엔진냉각수온도Twt가 소정치로 상승할 때까지, ECU(70)는, 엔진시동시와 마찬가지로 연료를 분사해서 농후한 공연비를 확보하는 동시에, 제 2에어바이패스밸브(27)도 계속해서 폐쇄된다. 이에 관련하여, 에어콘(airconditioner)등의 보조기능품류의 부하증감에 따른 아이들회전수의 제어는, 흡기관부사형과 마찬가지로 제 1에어바이패스밸브(24)에 의해서 행하여진다. 또, O2센서(40)가 활성화되었을 경우, ECU(70)는 O2센서(40)의 출력전압에 따라서 공연비피이드백제어를 개시하여, 유해배출가스성분을 3원촉매(42)에 의해 정화시킨다. 이와 같이, 냉기시에 있어서는 흡기관분사형엔진의 경우와 대략 마찬가지의 연료분사제어가 행하여진다.
한편, 엔진(1)의 워밍업이 종료되면, ECU(70)는, 흡입공기량 Qa 또는 스로틀개방도θTH등으로부터 얻은 목표평균유효압 Pe와, 엔진회전속도Ne에 의거하여, 예를 들면 도 3에 표시한 연료분사제어맵으로부터 현재의 연료분사제어영역을 검색한다. 그리고, ECU(70)는, 연료분사모드, 연료분사량 및 연료분사시기를 각각 결정해서 연료분사밸브(4)를 구동한다. 즉, ECU(70)는, 분사모드선택수단, 분사시기설정수단 및 연료분사제업수단으로서 기능한다. 또한, ECU(70)는, 제 1 및 제 2에어바이패스밸브(24), (27)나 EGR밸브(45)의 개폐제어등도 행한다. 또한, 당연한 일이지만, 연료분사량은 연료분사밸브(4)의 밸브개방시간폭과 비례관계에 있다.
아이들운전시나 저속주행시등의 저부하영역에 있어서는, 도 3의 맵에 표시된 바와 같이 압축희박영역(제 3분사모드영역)으로 되기 때문에, ECU(70)는, 압축행정 분사모드(제 3분사모드)를 선택한다. 그리고, 제 2에어바이패스밸브(27)를 개방하고, 희박한 평균공연비(예를 들면 30~40정도)가 되도록 연료를 분사한다. 그러자, 흡기포오트(13)로부터 유입한 흡기흐름은 역텀블흐름을 형성하고, 그 연료분무는 피스톤(7)의 캐비티(8)내에 보존된다. 그 결과, 점화시점에 있어서는 점화플러그(3)의 주위에는 이론공연비근방의 혼합가스가 층형상으로 형성되게 되어, 전체로서 희박한 공연비에서도 착화가 가능해진다. 이 상태에 있어서의 보조기능품류의 부하의 증감에 따른 아이들회전수의 제어는, 예를 들면 연료분사량을 증감시킴으로써 행하여진다. 또 이 제어영역에 있어서는, ECU(70)는 EGR밸브(45)를 개방하고, 연소실(5)내에 대량(예를 들면 30%이상)의 EGR가스를 도입함으로써 NOx의 대폭적인 저감을 도모한다.
이에 대해서 정속주행시등의 중간부하영역에서는, 엔진부하상태나 엔진회전속도Ne에 따라서 도 3에 있어서의 흡기희박영역(제 2분사모드영역), 혹은 스토이키오피드백영역(제 1분사모드영역)이됨으로, ECU(70)는, 흡기행정분사모드(제 2분사모드)를 선택하여, 소정의 공연비가 되도록 연료를 분사한다. 즉, 흡기행정분사모드의 흡기희박영역에 있어서는, 비교적 희박한 공연비(예를 들면 20~23정도)가 되도록 제 1 및 제 2에어바이패스밸브(24), (27)의 밸브개방량과 연료분사량을 제어한다. 또, 스토이키오피이드백영역에서는, 제 2에어바이패스밸브(27)과 EGR밸브(45)를 폐쇄하고, O2센서(40)의 출력전압에 따라서 공연비피이드백제어를 행한다.
이 경우, 흡기포오트(13)로부터 유입한 흡기흐름이 형성하는 역텀블흐름에 의한 난류효과에 의해서 희박한 공연비에서도 착화가 가능해지는 동시에 EGR밸브(45)를 제어하여, 연소실(5)내에 적당량의 EGR가스를 도입하으로써, 유해가스로서 발생하는 NOx등의 저감을 도모할 수 있다. 또, 스토이키오피이드백영역에서는, 그 유해배출가스성분을 3원촉매(42)에 의해 정화할 수 있다.
그리고, 급가속시나 고속주행시등의 고부하영역에 있어서는, 도 3에 표시한 오픈루프제어영역으로 되기 때문에, ECU(70)는 전기(前期)분사모드를 선택해서 제 2에어바이패스밸브(27)를 폐쇄하고, 스로틀개방도 θTH나 엔진회전속도Ne등에 따라서 비교적 농후한 공연비가 되도록 연료를 분사한다. 또한, 중고속주행중의 타행운전시는 도 3에 표시한 연료커트영역이 되기 때문에, ECU(70)는 연료분사를 정지한다. 이 연료커트는 엔진회전속도Ne가 복귀회전속도보다 저하했을 경우나, 액셀페달을 밟아 넣었을 때, 즉시로 중지된다.
용약하면, 엔진(1)는, 냉간시동시 및 이에 계속되는 아이들운전중, 농후공연비에서 운전되고, O2센서활성화완료후는 이론공연비에서 운전되고, 워밍업완료후는 도 3에 표시한 각종 연료분사제어영역의 어느 하나에 대응하는 분사모드에서 운전된다.
상기 설명에서 명백한 바와 같이, 엔진의 워밍업운전중, 상세하게는, 엔진시동시에서부터, 수온센서(16)(온도검출수단)에 의해 검출되어 기관온도를 나타내는 엔진냉각수온도Twt가 제 1소정온도(설정온도)α로 상승할 때까지는, 농후공연비를 달성하는 분사모드가 선택된다. 환언하면, 냉각수온도Twt가 제 1소정온도α에 도달할 때까지는, 비교적 희박한 공연비를 달성하는 흡기희박모드 및 또 희박한 공연비를 달성하는 압축희박모드에서의 연료분사가 금지된다.
냉각수온도Twt가 제 1소정온도α에 도달하면, 먼저, 압축희박모드에 의한 연료분사가 허가된다. 압축희박모드에서의 엔진운전에서는, 연료분사량에 비례해서 증대하는 엔진출력토크가 발생하며, 따라서, 엔진부하변동에 따라서 연료분사량을 제어함으로써 양호한 응답성이 얻어지고, 또, 기관온도 나아가서는 실린더내 온도가 비교적 낮은 경우에도 연소의 안정화를 도모할 수 있다.
냉각수온도Twt가 더욱 상승해서 제 1소정온도보다도 높은 제 2소정온도(예를 들면 워밍업완료시의 냉각수온도) β에 도달하면, 압축희박모드 및 흡기희박모드에서의 연료분사가 허가되어, 압축희박모드 또는 흡기희박모드의 어느 한쪽을 선택 가능하게 된다.
이하, 도 4를 참조해서, ECU(70)에 의해 실시되는 상기 워밍업중의 연료분사 제어를 다시 설명한다.
엔진(1)이 시동되면, 엔진냉각수온도Twt가 제 1소정온도α이상인지 아닌지가 판단된다(스텝S1). 이 판별결과가 NO, 즉, 냉각수온도Twt가 제 1소정온도보다도 낮다고 판단되면, 흡기희박모드 및 압축희박모드의 쌍방이 금지되고, 연소실내의 혼합가스의 공연비가 비교적 농후한 공연비가 되도록, 흡기행정에서의 연료분사가 실시된다(스텝S2). 이 결과, 냉간시동시와 같이 기관온도가 낮을 때, 실화발생 및 미연소연료의 배출을 방지하면서 엔진(1)이 운전된다.
냉각수온도Twt가 제 1소정온도α이상이라고 판별되었을 경우, 냉각수온도Twt가 제 2소정온도β이상인지가 판단된다(스텝 3). 이 판별결과가 NO, 즉, 냉각수온도Twt가 제 1소정온도α이상이지만, 제 2소정온도β를 하회하고 있다고 판단되면, 압축희박모드만이 허가된다(스텝S4).
따라서, 워밍업중이라도 냉각수온도Twt가 제 1소정온도α이상인한, 매우 희박한 공연비가 달성되도록 압축행정에서 연료분사가 실시된다.
한편, 냉각수온도Twt가 제 2소정온도β이상인 것이 스텝S3에서 판단되면, 제 2소정온도β가 워밍업완료시의 냉각온도에 동등한 본 실시예에서는 워밍업이 완료된 것이 판단되어서, 압축희박모드 및 흡기희박모드의 쌍방이 허가된다(스텝S5).
따라서, 워밍업운전이 종료되면, 엔진운전상태에 따라서 각종 분사모드에서의 연료분사가 실시된다.
이상과 같이, 본 실시예에서는, 수온센서(16)(온도검출수단)에 의해 검출된 엔진냉각수온도Twt가 제 1소정온도α이상이면, 엔진(1)을 희박공연비운전가능으로 하는 흡기희박모드 및 압축희박모드중, 저기관온도에 있어서도 안정된 연소를 달성 가능하게 하고 또한 응답성에 뛰어난 압축희박모드를 선택 가능하게 하고 있다. 그리고, 수온센서(16)에 의해 검출된 냉각수온도Twt가 제 2소정온도β이상이면, 흡기희박모드 및 압축희박모드쌍방을 선택 가능하게 하고 있다. 이 때, ECU(70)는 분사모드선택수단으로서 기능한다.
이 때문에, 워밍업운전이 완료되는 제 2소정온도β에 냉각수온도가 도달하지 않는 경우, 즉, 워밍업운전중이라도, 비교적 저온도로부터 안정된 연소를 얻을 수 있어 응답성에 뛰어난 압축희박모드에서의 연료분사를 먼저 허가함으로써, 연비향상을 도모하면서 구동력을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 제 2실시예에 의한 제어장치를 설명한다.
이 실시예는, 연료기화율 및 연료층상도에 대한 기관온도의 영향을 반영시킨 연료분사제어를 행하는 것을 주로 기도해서, 상기 제 1실시예에 의한 워밍업운전중의 압축희박모드에서의 연료분사를 보다 적정하게 행하는 것을 주된 특징으로 하고 있다. 그 밖의 점에 대해서는 본 실시예는 제 1실시예와 공통한다. 즉, 본 실시예의 제어장치는, 그 구성 및 작용이 제 1실시예의 것과 기본적으로 동일하며, 도 1 및 도 2에 표시한 엔진(1)에 적용할 수 있다. 따라서, 양 실시예에 공통하는 구성 및 작용의 설명을 생략한다.
도 5는, 기관온도를 표시한 엔진냉각수온도Twt에 의거해서 본 실시예의 제어 장치에 의해 실시되는 연료분사시기ㆍ점화시기제어순서를 예시한다.
도 5의 제어루틴에 있어서, 엔진(1)의 운전상태가 먼저 검출된다(스텝S11). 상세하게는, 이 운전상태의 검출에서는, 상기한 각기통에 대응한 크랭크각신호SGT나 기통판별신호SGC에 의거해서 엔진회전수Ne를 검출하는 동시에 특정기통을 판별하고, 또, 스로틀밸브(28)의 개방도θTH나 그 완전폐쇄상태를 검출하고, 또한 흡입공기량Qa를 검출한다. 그리고, 이와 같은 운전상태의 검출결과에 따라서 내연기관의 부하상태가 판정되어, 상기한 복수의 연료분사모드가, ECU(70)(분사모드선택수단)에 의해 선택적으로 설정된다.
이런 후, 어느 연료분사모드가 설정되어 있는지가 판정된다(스텝S12). 이 판정결과가 NO, 즉, 압축행정분사모드이외의, 흡기행정분사모드나 스토이키오영역에서의 공연비피드백제어모드가 설정되어 있으면, 스텝S11로 되돌아간다. 실제로는, 스텝 12의 실행시점에서 설정되어 있는 분사모드에 따른 연료분사제어가 실행된다. 여기서는, 본 발명의 요지와 직접 관계가 없으므로, 그 설명을 생략한다.
스텝S12에서의 판별결과가 YES, 즉 압축행정분사모드가 설정되어 있는 것이 판별되면, 압축행정분사모드에서의 기준연료분사시기 및 기준점화시기가 연산된다(스텝S13). 이 연산은, 엔진이 워밍업운전후의 정상운전상태인 것을 전제로해서 행하여진다. 그리고, 이 연산에서는, 점화플러그의 주위나 캐비티내에 이론공연비에 가까운 공연비(공기와 연료의 중량비)의 혼합가스를 국소적으로 형성 가능하게 하는 기준연료분사시기 및 기준점화시기가, 기통내에 분사되는 연료분사량등에 따라서 계산되어 설정된다.
상세하게는, 엔진이 정상운전상태에 있는 것을 전제로 해서, 연압과 요구연료분사량으로부터, 그 연료량을 기통내에 분사하는데 필요한 연료분사밸브의 개방 시간을 구하고, 압축행정중에 연료의 분사가 종료하도록 연료분사종료시기를 결정한다. 그런 후에, 결정된 연료분사종료시기와 밸브개방시간에 의거해서 연료분사개시시기를 결정하고, 또 연료분사종료시기에 의거해서 점화시기를 결정한다. 이때, ECU(70)는 연료분사시기ㆍ점화시기설정수단으로서 기능한다.
상기의 압축공정분사모드에서의 연료분사개시ㆍ종료시기 및 점화시기의 결정에 있어서는, 기통내에 있어서의 연료의 기화에 필요한 시간이나 연료분무의 확산에 소요되는 시간 등이 특히 고려되며, 이에 의해, 캐비티내의 연료가 확실하게 기화하고 또한 그 분무가 넓게 확산하는 일없이 점화플러그의 주위에 집합해서 이론 공연비근처의 공연비를 가진 혼합가스를 점화시기를 점화플러그 주위에 층형상으로 형성 가능하게 하는 연료분사개시ㆍ종료시기와 점화시기가 결정된다.
이상과 같이 해서, 엔진이 정상운전상태에 있는 것을 전제로한 압축행정분사모드에서의 기준연료분사시기Tinj(연료분사개시시기 또는 연료분사종료시기)와 기준점화시기Tig가 설정되었으면, 다음에, 실제의 기관온도의 검출이 행하여진다(스텝S14). 구체적으로는, 기관온도를 표시하는 엔진냉각수온도Twt가 검출된다.
다음에, 검출한 기관온도(엔진냉각수온도Twt)에 따라, 기관온도에 의해서 변화하는 연료기화율이나 연료분무확산도에 의존해서 변화는 점화플러그주위에서의 점화시기에 있어서의 혼합가스형성상태를 적정하게 하도록, 기준연료분사시기Tinj 및 기준점화시기Tig에 대한 보정연산을 행한다(스텝S15).
혼합가스형성상태의 적정화를 위하여, 스텝S15에서의 보정연산에서는, 연료 분사시기 및 점화시기에 대한 엔진냉각수온도, 엔진회전수 및 엔진부하가 주는 영향을 적정하게 고려하도록, 보정후의 연료사시기Tinj 및 보정후의 점화시기Tig가 하기의 연산식에 따라서 산출된다.
Tinj = Tinj + KBㆍK1ㆍK2
Tig = Tig + KBㆍK1ㆍK2
여기서, 기호KB는, 연료분사시기Tinj 및 점화시기Tig의 보정량을 표시하고, 기호K1, K2는 보정계수를 표시한다.
또한, 상기의 예에서는, 연료분사시기Tinj에 대한 보정처리와 점화시기Tig에 대한 보정처리에서 동일한 보정량KB를 사용하고 있으나, 연료분사시기에 대한 보정량과 점화시기에 대한 보정량을 상호 관련시키면서 따로따로 설정하는 것도 물론 가능하다.
본 실시예에서는, 보정량KB및 보정계수K1, K2는, 도 6, 도 7 및 도 8에 각각 예시하는 엔진냉각수온도Twt-보정량KB특성곡선, 엔진회전수Ne-보정계수K1특성곡선 및 엔진부화-보정계수K2특성곡선에 따라서 각각 구하게 된다.
뒤에 상세히 설명하는 바와 같이, 연료분사시기 및 점화시기에 대한 엔진냉각수온도, 엔진회전수 및 엔진부하의 영향의 정도는, 본 발명의 적용되는 엔진의 형식(구체적으로는, 특히, 흡기포오트나 캐비티의 치수형상, 연료분사밸브의 시방등의 흡기계, 연료분사계의 구성) 및 이 엔진형식에 따라서 결정되는 그 엔진에 고유의 특성에 따라서 다르다.
도 6, 도 7 및 도 8에 예시한 3개의 특성곡선은, 엔진에 고유의 특성을 연료 분사시기/점화시기제어에 적정하게 반영하도록, 본 발명이 적용되는 엔진형식마다 예를 들면 실험적으로 미리 설정된다.
도 6에 실선 및 피선으로 표시한 보정량(제 1보정계수)KB는, 어떤 특정한 2개의 형식의 엔진에 적합한 것으로서, 연료기화율 및 연료층상도에 관한 요건을 만족하는 최적연료분사시기 및 최적점화시기를 달성하도록, 상기의 보정연산에서 사용된다. 도 6에 실선으로 표시한 보정량은, 도 9에 표시한 연료분사시기-연료기화율특성 및 도 10에 표시한 연료분사시기-연료층상도 특성을 구비한 형식의 엔진에 관련된다. 또, 도 6에 파선으로 표시한 보정량은, 도 11 및 도 12에 표시한 특성을 구비한 다른 형식의 엔진에 관련된다.
도 9 및 도 11은, 연료분사시기에 다른 연료기화율을, 즉, 어떤 분사시기에 기통내에서 분사한 연료가 점화플러그에 의해서 점화될 때까지 어느 정도 기화되어 있는지를 표시하고 있다. 또, 도 10 및 도 12는, 연료분사시기에 따른 연료층상도를, 즉, 어떤 분사시기에 기통내에 분사한 연료가, 연소실의 국소(점화플러그주위)에 집합하는지(층상도가큼), 또는 연소실의 전체에 걸쳐서 균일하게 확산되어있는지(층상도가 작음)를 표시하고 있다.
이상과 같이, 연료분사시기-연료기화율특성 및 연료분사시기-연료층상도특성은, 엔진형식에 따라서 약간 다르다.
그리하여, 도 9 및 도 10에 표시한 특성을 가진 엔진에 있어서는, 기관온도가 높은 경우, 연료분사기를 전진각(advance)쪽을 설정할수록, 연료기화율이 향상된다. 즉, 기관온도가 높으면, 연소실에 흡입되는 공기의 온도가 높아지고, 연료가 기화하기 쉬워진다. 그리고, 연료분사시기를 전진각시켜서 연료기화시간을 길게 하면 연료기화율이 점점 향상된다.
한편, 기관온도가 낮은 경우에는, 연소실에 흡입되는 공기의 온도가 낮기 때문에 연료가 기화하기 어렵고, 높은 기관온도의 경우에 비해서 연료기화율은 작다. 또, 연료분사시기에 관계없이 연료기화율이 거의 변화하지 않는다. 환언하면, 연료분사시기를 지연각(retard)시켜도, 연료기화율은 그다지 크게 악화하지 않는다. 낮은 기관온도에서의, 연료의 기화를 촉진하는 요인은, 흡입시의 공기온도라기보다 오히려 흡입후에 있어서의 피스톤상승에 수반되는 기통내공기의 압축에 의한 기통내공기온도상승에 있다고 생각된다. 따라서, 기관온도가 낮은 경우에는, 연료분사시기는, 연료기화율에는 그다지 영향을 주지 않는다.
연료층상도는, 도 10에 표시한 바와 같이, 기관온도의 고저에 의한 영향을 거의 받지 않고, 연료분사시기의 지연각의 정도가 증가함에 따라서 커지는 경향이 있다. 압축행정분사모드에 있어서는, 소정의 층상도 이하에서는 연소조건이 성립 되지 않는다. 또, 연료분사시기-층상도 특성은, 엔진의 제조오차나 그 경년변화에 따라서 변화한다. 따라서, 압축행정분사모드에서의 연소를 성립시키도록 소정의 층상도 이상의 층상도를 얻는데는, 실제로는, 어느 정도의 여유를 예정해서 연료분사시기를 지연각쪽으로 설정할 필요가 있다.
이상의 것을 감안했을 경우, 도 9 및 도 10에 표시한 특성을 가진 엔진에 있어서는, 기관온도가 비교적 높아지는 워밍업완료시에 있어서의 최적연료분사시기(기준연료분사시기)는, 연료기화율이 어느 정도 확보되고 또한 층상도가 너무 저하하지 않는 연료분사시기범위내에 들도록 설정하는 것이 바람직하다. 한편, 낮은 기관온도시(예를 들면 워밍업중)에 있어서는, 상기한 고온시의 최적연료분사시기와 동일시기에 연료를 분사하면, 연료기화율이 워밍업완료시에 비교해서 대폭적으로 저하되어 있으므로, 연소가 불안정하게 될 염려가 있다. 따라서, 저온시에 있어서의 연료분사시기의 지연각에 의한 연료기회율의 악화가 거의 없다고하는 사실에 착안해서, 도 6에 실선으로 표시한 바와 같이 연료분사시기를 지각시켜서 연료층상도를 향상하여, 연소의 안정화를 도모하도록 한다.
단, 엔진형식의 동일한 경우에 있어서도, 상기한 최적연료분사시기는, 엔진의 세부구성등에 의해서 변화함으로, 도 9 및 도 10에 예시한 타이밍보다도 전진각 또는 지연각으로 설정해야할 경우도 물론 있을 수 있다.
다음에, 도 11 및 도 12에 표시한 특성을 가진 엔진에 대해서 설명한다. 이 엔진에 있어서는, 도 9 및 도 10의 특성을 가진 상기한 엔진의 경우와 마찬가지로, 높은 기관온도시에는, 연료분사시기를 전진각함에 따라서 연료기화율이 향상된다. 한편, 낮은 기관온도시에는, 상기한 엔진의 경우와 달라, 연료분사시기가 전진각함에 따라서 연료기화율이 약간 향상된다. 즉, 연소실에 흡입된 공기의 압축에 수반한 공기온도상승에 의한 기화율향상효과가, 도 11 및 도 12에 관한 이 엔진에서는, 도 9 및 도 10에 관한 상기한 엔진의 것보다도 약간 높다. 구체적으로는, 상기한 엔진에 비교해서, 이 엔진에서는, 예를 들면 연료의 기통내유동이 비교적 작고, 비교적 단열된 기통내공기에 의해서, 저온도시에도, 연료가 기화되는 것으로 생각된다. 이와 같은 엔진에서는, 연료분사시기의 전진각에 의해 연료기화시간을 길게 함으로써, 연료기화율을 높일 수 있다.
도 12에 표시한 바와 같이, 이 엔진에 있어서의 층상도는, 기관온도에 상관없이 거의 동등하며, 또 연료분사시기를 어느정도지연각시켜도 층상도에 거의 변화가 없다. 특히 이와 같은 경향은, 연료의 기통내유동이 비교적 작은 엔진에 있어서 현저하다. 따라서, 도 11 및 도 12에 표시한 특성을 가진 엔진에 있어서는, 상기한 엔진의 경우와 마찬가지로, 워밍업완료시에 있어서의 최적연료분사시기를, 연료기화율이 어느 정도 확보되고 또한 층상도가 너무 저하하지 않는 범위 내에 들도록 설정하는 것이 바람직하다. 그 반면, 기관온도가 낮은 경우에는, 연료분사시기의 전진각에 의한 층상도의 악화가 거의 없으므로, 도 6에 파선으로 표시한 바와 같이 연료분사시기를 전진각해서, 연료기화율의 향상 나가서는 연소의 안정화를 도모할 수 있다.
상기한 연료분사시기의 보정은, 이와 같은 관점에 입각해서 이루어지는 것이며, 엔진의 형식에 따라서 미리 구한 도 6, 도 7 및 도 8에 표시한 바와 같은 보정 함수에 의거해서 실행된다.
보정함수의 하나인, 엔진냉각수온도 Twt에 대한 보정량KB에 대해서 이하에 간단히 설명한다.
상기한 바와 같이, 엔진운전의 안정성에 관여하는 연료기화율 및 연료층상도는 기관온도에 따라서 변화하고, 또, 엔진형식에 따라서 변화한다. 이 때문에, 최적연료분사시기Tinj의 연산에 사용되는 보정량KB는, 기관온도를 표시한 엔진냉각수온도Twt에 따라서 설정되고, 또, 엔진형식마다 그 엔지고유의 특성에 의거해서 설정된다.
예를 들면, 도 9 및 도 10에 표시한 특성을 구비한 엔진의 경우, 엔진냉각수온도Twt가 안정된 엔진운전을 가능하게 하는 워밍업후수온보다 낮을 때에는, 상기한 설명으로부터 명백한 바와 같이, 연료분사시기Tinj를 지연각시킨편이 연소의 안정화를 도모할 수 있다. 이 경우, 도 9 및 도 10의 특성의 엔진전용의, 도 6에 실선으로 표시한 엔진냉각수온도Twt-보정량KB특성곡선에 따라서 구한 보정량KB를 연료분사시기보정에 사용된다.
또한, 이 보정량KB는, 압축행정분사모드에 의한 연료분사를 실시가능하게 하는 연료분사시기에 관한 요건을 충족시키도록, 그 최대치가 규제된다(클립제어), 이때, ECU(70)는 보정규제수단으로서 기능한다.
보정계수K1및 K2는, 엔진회전수Ne 및 엔진부하에 따라서 보정량KB를 각각 보정하기 위한 것이다. 보정계수K1, K2는, 엔진에 고유의 특성을 감안해서 미리 각각 설정된, 도 7에 표시한 엔진회전수Ne-보정계수K1특성곡선 및 도 8에 표시한, 엔진부하-보정계수K2특성곡선에 따라서 구할 수 있다. 도 7에 있어서, 보정계수K1은, 엔진회전수Ne가 어떤 회전수이상으로 되었을 때, 보정량KB를 증대시키도록 설정되어 있다. 또, 도 8에 있어서, 보정계수K2는, 엔진부하가 어느정도이상으로 커졌을 때, 보정량KB를 감소시키도록 설정되어 있다.
도 5를 다시 참조하면, 보정연산스텝S15에서는, 엔진이 정상운전상태에 있는 것을 전제조건으로 해서 스텝S13에서 구한 압축행정분사모드에서의 기준연료분사시기Tinj 및 기준점화시기Tig의 보정에 사용하도록, 스텝S14에서 검출한 엔진냉각수온도Twt에 적합하는 보정량KB를, 도 6에 표시한 수온 Twt-보정량KB특성곡선에 따라서 구한다. 상세하게는, 이 보정량KB는, 도 6에 파선/실선으로 표시한 전진각/지연각시간, 예를 들면 크랭크각 CA5°, CA10°로서 구할 수 있다.
다음에, 이 전진각/지연각시간KB를, 엔진회전속도나 엔진부하에 따라서 보정하도록, 도 7 및 도 8에 표시한 특선곡선에 따라서 보정계수K1, K2를 구하고, 양보 정계수K1, K2를 전진각/지연각시간KB에 승산 함으로써, 최적연료분사시기Tinj에 대한 보정량을 결정한다.
이때, 기통내에 분사한 혼합가스의 덩어리가 확산되기 전에 이것을 점화하도록 점화시기Tig를 설정한다. 구체적으로는 상기한 바와 같이 전진각/지연각보정된 분사타이밍에 의해 분사된 연료가, 기통내에서 충분히 기화하는 시간을 확보하고 또한 확실하게 점화해서 안정된 연소를 실현하도록, 점화시기Tig에 대해서도 엔진냉각수온도Twt, 엔진회전수Ne 및 엔진부하에 따라서 전진각/지연각제어를 한다.
또한, 상기한 바와 같이해서, 연료분사시기를 지연각보정했을 경우, 분산연료가 피스톤(7)의 꼭대기면의 캐비티(8)에 충돌하기 쉬워지나, 상기한 바와 같이, 이 분사시기에 있어서의 기통내압력은 높고, 연료는 바로 기화해서 혼합가스를 형성한다. 따라서, 분사연료가 캐비티(8)등에 부착해서 연소악화가 발생하는 등의 불편이 발생하는 일이 없다.
이상과 같이 해서, 연료분사시기Tinj 및 점화시기Tig를, 도 6에 파선/실선으로 표시한 바와 같이 엔진냉각수온도Twt에 따라서 전진각/지연각보정하고, 또, 도 7 및 도 8에 표시한 바와 같이, 엔진회전수Ne 및 엔진부하에 따라서 또 보정해서, 최적타이밍이 설정되었으면, 설정된 타이밍에 의해 압축행성분사모드에서의 연료분사제어 및 점화제어를 실행한다(스텝S16). 이때, ECU(70)는, 연료분사시기ㆍ점화시기보정수단을 포함한 연료분사시기ㆍ점화시기설정수단 및 연료분사ㆍ점화제어수단으로서 기능한다.
그리고, 연료분사모드가 변경될 때까지, 엔진냉각수온도Twt등의 변화에 따라서 상기 보정량을 바꾸면서, 압축행정분사모드에서의 엔진(1)의 운전을 행하게 된다.
이렇게 해서 상기한 바와 같이 압축행정분사모드에 있어서의 연료분사시기Tinj 및 점화시기Tig를 기관온도(엔진냉각수온도Twt)들에 따라서 보정하고, 최적공연비의 혼합가스를 안정적으로 형성한 다음에 점화하도록 연료분사ㆍ점화제어를 실행하는 본제어장치에 의하면, 예를 들면 엔진시동직후의 워밍업시이고 기관온도가 낮은 경우에 있어서도, 기통내에 분사한 연료를 확실하게 연소시키는 일이 가능하게 된다.
도 9 및 도 10에 표시한 특성을 가진 내연기관이 저온(35℃)일 때의, 압축행정분사모드에서의 엔진운전에 있어서의 실화발생빈도와 NOx배출량의 실험예를, 도 13 및 도 14에 표시한다. 도 13 및 도 14로부터 명백한 바와 같이, 내연기관이 워밍업운전후의 정상동작상태에 있을 때를 상정해서 계산되는 연료분사시기 및 점화시기에서 연료분사 및 점화를 행하는 경우에 비교해서, 연료분사시기 및 점화시기를 지연각보정(예를 들면 5°지연(retard), 8°지연)함으로써, 실화발생빈도를 억제할 수 있고, 또, NOx의 배출량도 억제하는 일이 가능하게 된다. 즉, 워밍업운전을 행하는 저온시라도, 연료분사시기 및 점화시기를 지연각보정함으로써, 효과적인 압축행정분사모드에 의한 운전을 실현할 수 있어, 연비의 향상을 도모하는 일이 가능하게 된다. 또한, 상기한 연료분사시기Tinj 및 점화시기Tig의 보정제어에 부가해서 EGR량의 보정을 행함으로써, 예를 들면 실화발생빈도를 더욱 낮게 억제하는 일이 가능하게 된다.
본 발명은, 상기한 제 1, 제 2실시예에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 연료분사시기 및 점화시기에 대한 전진각/지연각보정량은, 내연기관의 시방이나 연료의 성상에 따라서 정하면된다. 또, 상기 전진각/지연각보정량의 설정에 있어서는, 연료분사시기 및 점화시기가 압축행정분사모드에서의 연소 조건을 성립시키는 범위 내에 들도록, 보정량의 최대치를 설정하면 된다. 엔진의 회전수나 부하에 의거한 보정계수K1, K2에 대해서도, 내연기관의 운전특성등에 따라서 정하면 된다. 또, 엔진냉각수온도Twt-보정량KB특성이나, 엔진회전수Ne-보정계수K1특성 및 엔진부하-보정계수K2특성을, 미리 순란표(Look-uptable)상에 매핑해서 제어장치(ECU(70))의 기억수단내에 맵데이터로서 기억시켜놓고, 그 맵데이터로부터 보정량KB및 보정계수K1, K2를 구하도록 해도 된다. 이때 ECU(70)는, 보정량ㆍ보정계수기억수단 및 보정량ㆍ보정계수결정수단으로서 기능한다.
기타, 본 발명은 그 요지의 범위에서 여러 가지 변형해서 실시할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 다음의 효과를 얻게 된다
①압축행정분사모드에서의 연료기화상태 및 연료분무확산상태를 최전화할 수 있고, 최적공연비의 혼합가스를 점화시기에 있어서 점화플러그주변에 극소적으로 형성할 수 있고, 따라서, 실화발생 및 유해가스성분배출량을 효과적으로 억제할 수 있다.
②압축행정분사모드선택시의 분사시기설정수단에 의한 기준분사시기보정을 간단 용이하게 또한 신속하게 행할 수 있다. 또, 설정오도를 워밍업완료시의 기관온도에 적정하게 관련시켰을 경우, 워밍업 중에도 압축행정분사모드에서의 기관운전을 안정적으로 행할 수 있어, 워밍업중의 연비향상을 도모할 수 있다.
③제 1보정계수를 사용한 연료분사시기보정을 행하므로써, 내연기관에 고유의 특성(특히, 기관온도-연료기화율특성 및 기관온도-연료층상도특성)에 적합하는 연료분사시기를 설정할 수 있어, 압축행정분사모드에서의 기관운전을 안정화할 수 있다.
④압축행정분사모드에 의한 연료분사시기가 안정적인 연소를 담보하는 연료 분사시기범위로부터 일탈하게 되는 과도한 연료분사시기보정을 방지할 수 있어, 압축행정분사모드시의 기관운전을 안정적으로 행할 수 있다.
⑤기관온도가, 워밍업완료시의 기관온도보다도 낮은 설정온도를 초과하고 있을 때, 제 3분사모드에 의한 연료분사를 행함으로써, 제 2분사모드에서 달성되는 희박공연비보다도 더욱 희박한 공연비를 달성하면서, 연소를 안정적으로 행할 수 있다. 또, 기관부하상태에 따라서 연료분사량을 가변제어함으로써, 부하변동에 대한 제어응답성을 향상할 수 있다. 이 결과, 연비향상 및 연소악화방지를 도모하면서, 응답성 좋게 연료분사제어를 할 수 있어, 구동력을 향상할 수 있다.

Claims (6)

  1. 연소실내에 직접연료를 분사하는 연료분사장치를 가지고, 주로 흡기행정에서 연료를 분사하는 흡기행정분사모드 및 주로 압축행정에서 연료를 분사하는 압축행정분사모드에서 운전가능한 기통내분사형 내연기관이 상기 내연기관의 운전상태에 따라서 분사모드를 선택하는 분사모드선택수단과, 상기 분사모드선택수단에 의해 선택된 분사모드에 따라서, 연료분사개시 또는 종료시기를 나타내는 기준분사시기를 설정하고, 또, 상기 분사모드선택수단이 상기 압축행정분사모드를 선택하였을 때, 기관온도에 따라서 각각 변화하는 연료기화율 및 연료층상도가, 상기 연소실내에 분사된 연료를 안정연소시키게 되는 것으로 되도록, 상기 설정된 기준분사시기를 보정하는 분사시기설정수단 및 상기 분사시기설정수단에 의해 설정 또는 보정된 상기 기준분사시기에 의거하여 상기 연료분사장치를 제어하는 연료분사제어수단을 구비한 것을 특징으로 하는 기통내분사형 내연기관의 제어장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어장치는, 상기 기관온도를 검출하는 온도검출수단을 더 구비하고, 상기 분사시기설정수단은, 상기 연소실내에 분사된 연료를 안정연소시키게 되는 연료기화율 및 연료층상도를 얻기 위하여 사용되고 상기 기관온도의 함수로서 미리 설정된 제 1보정계수를 기억하는 보정계수기억수단과, 상기 온도검출수단에 의해 검출된 기관온도에 적합하는 제 1보정계수를 상기 보정계수기억수단으로부터 구하는 제 1보정계수결정수단 및 상기 온도검출수단에 의해 검출된 기관 온도가 소정온도이하일 때, 상기 제 1보정계수결정수단이 구한 제 1보정계수에 의해 상기 기준분사시기를 보정하는 분사시기보정수단을 포함한 것을 특징으로 하는 기통내분사형 내연기관의 제어장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제 1보정계수는, 상기 연소실내에 분사된 연료의 안정연소에 각각 관여하는 연료기화율 및 연료층상도에 관한 요건이 만족되도록, 상기 내연기관에 고유의 특성에 의거해서 설정되는 것을 특징으로 하는 기통내분사형 내연기관의 제어장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 분사시기보정수단은, 상기 압축행정분사모드에 의한 연료분사를 실시 가능하게 하는 범위 내에 상기 기준분사시기가 들어가도록, 상기 기준분사시기의 보정을 규제하는 보정규제수단을 가진 것을 특징으로 하는 기통내 분사형 내연기관의 제어장치.
  5. 제1항에 있어서, 기관온도를 검출하는 온도검출수단을 더 구비하고 상기 흡기행정본사모드는, 상기 연소실내의 혼합가스의 공연비를 대략 이론공연비로 하게 하는 양의 연료를 흡기행정에서 분사하는 제 1분사모드와, 상기 공연비를 상기 제 1분사모드에서 달성되는 공연비보다 희박하게 하는 양의 연료를 흡기행정에서 분사하는 제 2분사모드를 포함하고, 상기 압축행정분사모드는, 상기 공연비를 상기 제 2분사모드에서 달성되는 공연비보다도 희박하게 하는 양의 연료를 압축행정에서 분사하는 제 3분사모드를 포함하고, 상기 분사모드선택수단은, 상기 온도검출수단에 의해 검출된 기관온도가, 상기 내연기관의 워밍업완료시의 기관온도보다도 낮은 설정온도이하인때 상기 제 1분사모드를 선택하고, 상기 온도검출수단에 의해 검출된 기관온도가 상기 설정온도를 초과해있을 때 상기 제 3분사모드를 선택하는 것을 특징으로 하는 기통내분사형 내연기관의 제어장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 제어장치는, 상기 내연기관의 엔진회전속도를 검출하는 엔진회전속도검출수단과, 상기 내연기관의 엔진부하를 검출하는 엔진부하검출수단을 구비하고, 또, 상기 분사시기설정수단은, 상기 엔진회전속도검출수단에 의해서 검출된 엔진회전속도에 따른 제 2보정계수를 설정하는 제 2보정계수설정수단과, 상기 엔진부하검출수단에 의해서 검출된 엔진부하에 따른 제 3보정계수를 설정하는 제 3보정계수설정수단을 포함하고, 그리고 상기 분사시기설정수단은, 제 1보정계수, 제 2보정계수 및 제 3보정계수에 의거하여 상기 기준분사시기를 보정하는 것을 특징으로 하는 기통내분사형 내연기관의 제어장치.
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