KR100241045B1 - 배기 승온장치 - Google Patents

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가즈나리 구와바라
히로미츠 안도
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나까무라히로까즈
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Abstract

본 발명은 연료의 소비량을 적극적으로 억제하면서 효율좋고 확실하게 배기가스를 승온가능한 배기 승온장치를 제공하는 것으로서, 연소실내에 직접연료를 분사하는 연료분사밸브를 구비하고, 적어도 압축행정시에 그 연소분사밸브에서 연료를 분사하여 불꽃점화해서 층상연소를 행하게 하는 통내분사형 내연엔진의 배기승온장치에 있어서, 배기승온이 요구되는 엔진운전시에 압축행정시의 연료분사를 행함과 더불어 점화플러그 주위의 국소적인 공연비를 농후(rich)로 되도록 연료 분사밸브의 분사량을 제어하는 연료 제어수단(S32)과 연료 제어수단의 작동시에 압축행정시의 연료분사의 시기를 지연시켜, 분사된 연료가 점화플러그 주위에서 과농후(over rich) 상태의 불완전 연소를 일으키고 그후 통내유동에 따라 통내의 잉여산소와 혼합하여 산화되도록 엔진제어 파라미터를 제어하는 엔진 제어수단(S30, S34)를 구비하여 이루어진다.

Description

배기 승온장치
본 발명은 연소실내에 직접연료를 분사하고 불꽃점화해서 층상연소시키는 통내분사형 내연엔진의 희박(린; lean)연소운전 계속시에 배기를 승온시키므로서 배기정화장치를 조기 활성화 하는 배기 승온장치에 관한것이다.
(종래기술)
근래, 차량에 탑재되는 불꽃점화식 내연엔진에 있어서 유해 배출가스성분의 저감이나 연비향상을 도모하기 위해 종래의 흡기관 분사형을 대신해서 연소실에 직접연료를 분사하는 통내 분사형의 가솔린 엔진이 여러가지 제안되어 있다.
통내 분사형의 가솔린 엔진에서, 예컨대, 연료분사 밸브로부터 피스톤 정상부에 설치한 캐비티(오목한곳)내에 연료를 분사하므로서 점화시점에 있어서 점화 플러그의 주위에 이론 공연비에 가까운 공연비의 혼합기를 생성시키고 있다. 이것에 의해서 전체에 희박한 공연비로도 착화가 가능해지며 CO나 HC의 배출량이 감소되는 동시에 유동운전시나 저부하 주행시의 연비를 대폭 향상시킬 수 있다.
또, 이같은 가솔린 엔진에선 엔진의 운전상태, 즉 엔진부하에 따라서 압축행정 분사모드와 흡기행정 분사모드를 전환하도록 하고 있다. 이같이 제어모드를 전환하므로서 저부하 운전시에는, 압축형성 분사모드로 설정되어 주로 압축행정중에 연료를 분사하고, 점화 플러그의 주위나 캐비티내에 국소적으로 이론 공연비에 가까운 혼합기를 형성시키고 전체로서 희박한 공연비로도 양호한 층상연소가 가능케 하고 있다(이 제어모드를 압축 희박모드라고도 한다).
한편, 중고(中高)부하 운전시엔 흡기형성 분사모드로 설정하고 주로 흡기행정중에 연료를 분사하고 연소실내에 균일한 공연비의 혼합기를 형성시키고 흡기관 분사형의 가솔린 엔진과 마찬가지로 다량의 연료를 연소시켜서 가속시나 고속주행시에 요구되는 출력을 확보할 수 있게 하고 있다.
이같은 통내분사형 내연엔진의 냉기 시동시나 외기 온도가 낮은 환경하에서의 저부하 운전시 등에 있어서 배기 통로에 배열설치한 배기정화장치(간략하게, 촉매라고도 함)가 시동후 좀처럼 활성화하지 않거나 일단 활성화된 촉매가, 예컨대, 상기 압축희박모드 운전(연료 분사량에 대해서 흡입 공기량이 많고 희박 연소때문에 배기온도가 낮아지는 경우가 있다)에 의해 냉각되어서 불활성으로 되기 쉽다는 문제가 있다. 이같은 문제에 대처하기 위해서 배기온도를 승온시키고 촉매를 조기활성화를 도모하는 수법이 여러가지가 제안되고 있다.
예컨대, 팽창행정중에 추가분사한 연료를 부가 디바이스(점화 플러그등)없이 확실하게 통내에서 재연소시키는 수법이 일본 특개평 8-100638호 공보에 제안되어 있다. 이 제안은 통상의 연료분사(주연소를 위한 연소분사)외에 팽창행정의 초기로부터 중기의 사이에 추가의 연료를 분사하고 이 추가연료를 주연소의 화염번짐(전번)에 의해서 착화연소시키고 배기온도를 승온시키게 하는 것이다. 이 수법에 의하면 재연소시킬때 점화 플러그를 재작동시키지 않고 배기온도를 통상보다 높게 할 수 있어 촉매를 조기에 활성화 시킬 수 있다.
상기 제안의 수법에선 통내에서 확실하게 재연소시키기 위해서 팽창행정중의 추가연료의 분사시기를 주연소의 화염의 번짐에 의해서 확실하게 착화할 수 있는 팽창 초기로부터 종기의 시기(상기 일본 특개평 8-100638호 공보에는 크랭크 각도로 10°ATDC - 80°ATDC라고 기재되어 있다)로 설정해야 된다. 이같은 팽창행정의 빠른 시기에 추가연료를 분사하면 추가연료가 재연소되므로서 발생한 열에너지의 일부가 팽창일때 빼앗기게 되며, 원래의 목적인 배기승온이 양호하게 실시되지 않게 된다. 그리고 이같은 경우, 충분한 배기온도 상승율을 얻기 위해서 추가연료를 증가시키게 되며, 여분의 연료 증가에 연계되어 바람직한 것은 아니다.
본 발명은 상술한 사정에 의거해서 이뤄진 것이며, 그 목적으로 하는 바는 연료의 소비량을 최대로 적게 억제하면서 효율있고 확실하게 배기를 승온가능한 배기 승온장치를 제공하는데 있다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
상기 목적을 달성하기 위해서 제 1 항의 발명은, 연소실내에 직접연료를 분사하는 연료분사밸브를 구비하고, 적어도 압축행정시에 그 연료분사밸브에서 연료분사되고 그 불꽃점화해서 층상연소를 행하게 하는 통내분사형 내연엔진의 배기승온장치에 있어서, 배기승온이 요구되는 엔진운전시에 상기 압축행정시의 연료분사를 행함과 더불어 점화플러그 주위의 국소적인 공연비를 농후로 되도록 상기 연료분사밸브의 분사량을 제어하는 연료 제어수단과, 상기 연료 제어수단의 작동시에 상기 압축행정시의 연료분사 시기를 지연시키고, 상기 분사된 연료가 상기 점화플러그 주위에서 과농후 상태의 불완전 연소를 일으키고 그후 통내유동에 따라 통내의 잉여산소와 혼합하여 산화되도록 엔진제어 파라미터를 제어하는 엔진제어수단을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다. 이와같이 엔진 제어수단에 의해서 압축 행정시의 연료분사 시기가 지연되고 또한, 연료 제어수단에 의해 점화 플러그 주위의 공연비가 국소적으로 농후로 된 상태에서 층상연소가 성립하면, 피스톤의 압축상사점 근처에서 점화가 실시되었을 때에, 국소적인 공기량 부족과 연료분사 시기의 지연에 의한 무화시간 부족에 의해 점화플러그 주위에선 연소가 완전히 연소되지 않으므로 그 일부가 불완전 연소를 일으켜서 HC, CO 등의 불완전 연소물이 발생한다. 그후, 팽창행정으로 되어 피스톤이 하강을 시작하면 이것들의 불완전 연소물을 연소실내에서 주위로 확산하게 되며, 이때, 불완전 연소물은 연소후의 고온 분위기 중에 존재해서 연소가능한 정도의 활성화 에너지를 갖고 있기 때문에 연소실내의 플러그로부터 이간되어 존재하는 공기중의 O2(산소)와 양호하게 반응하여 재연소하게 된다. 그러나 이 재연소는 완만한 것이므로, 팽창때에 사용되는 일 없이 배기온도를 양호하게 상승시키게 것으로 되며 따라서 촉매가 신속하게 파열되어 조기에 활성화 된다.
그런데, 이것은 2차 공기 시스템(배기 통로에 공기 펌프로부터 공기를 공급하여 배기승온하는 시스템)과 마찬가지의 작용효과(450℃ 정도의 분위기 온도로 HC, CO의 존재하에 공기를 공급하면 재연소 되어 배기 승온된다)를 이룰수 있다고 할 수 있다. 그러나, 본 발명의 경우엔 2차 공기 시스템과는 달리 공기 펌프 등의 추가 디바이스를 특히 필요로 하지 않으며 비용 상승에 연계되는 일은 없다.
또, 제 2 항의 발명에선 상기 엔진 제어수단은 상기 연료 제어수단의 작동시에 점화시기를 배기승온이 요구되지 않는 엔진 운전시의 점화시기보다 지연시키는 것을 특징으로 하고 있다.
이것에 의해 효과적인 배기승온이 가능하게 된다.
또, 제 3 항의 발명에선 상기 연료 제어수단은 또한 상기 압축 행정에서의 연료분사전의 흡기행정 초기에서부터 압축행정 초기까지의 사이에 일부의 연료를 선행분사하도록 상기 연료 분사밸브를 제어하는 것을 특징으로 하고 있다.
이같이 압축행정시에 연료가 분사되기 전의 단계로 미리 연료의 일부가 연소실내에 공급되면 미리 공급된 연료에 의해서 형성되는 혼합기는 희박하기 때문에 주연소의 화염이 번지지 않고 미연상태인 그대로 잔류한다. 그러나 이 희박한 혼합기는 압축이나 주연소의 열을 받아 소위 전염(전회불꽃)반응을 일으켜서 활성인 화학 반응등으로 변화한다. 따라서, 연소실내엔 O2등과 더불어 연소직전 상태의 활성인 화학반응종(예컨대, CHO, H2O2, OH 등), 즉, 전염반응 생성물이 많이 존재하는 것으로 된다. 그리고, 팽창행정에 있어서 불완전 연소물이 연소실내에서 주위에 확산되었을때 해당 불완전 연소물이 점화플러그로부터 이간되어 존재하는 O2와 반응하고 재연소가 진행하는 것인데 이때 상기 전염반응 생성물이 착화유도제의 역할을 다하고 재연소가 가일층 양호하게 진행하게 된다. 이것에 의해 배기온도는 더욱 높게 되며 그러므로 촉매가 보다 조기에 활성화된다.
또, 제 4 항의 발명에선 상기 선행분사의 연료량은 동일 기통에서 1 사이클중에 분사되는 연료량의 10% - 40%로 설정되는 것을 특징으로 하고 있다.
따라서, 선행분사의 연료량은 동일기통에서 1 사이클 중에 분사되는 연료량의 10% - 40%의 범위로 되며, 연소실내엔 팽창때에 기여되지 않을 정도로서 또한 양호하게 착화 유도제로서의 역할을 다하고 배기를 승온시키는 것이 가능한 적정량의 전염반응 생성물을 존재시키는 것이 가능하게 된다.
또, 제 5 항의 발명에선 상기 연소실내로 도입되는 공기량을 조절하는 공기량 조절수단을 또한 가지며, 상기 공기량 조절수단은 적어도 배기승온이 요구되는 엔진 운전시에 공기량을 증량하는 것으로서, 상기 연료 제어수단은 그 공기량의 증량에 따라서 연료량을 증량해서 제어를 행하는 것을 특징으로 하고 있다.
따라서, 배기 승온시에 공기량의 증량에 따라서 압축 행정에서의 연료 분사량이 증량되어 연료제어가 실시되며 배기승온 효과가 향상된다.
도 1은 본 발명의 배기 승온장치를 포함하는 엔진 제어장치의 개략 구성도.
도 2는 통상 운전시의 연료분사 제어맵을 나타내는 그래프.
도 3은 실시예 1의 배기승온 장치의 승온제어 메인루틴을 도시하는 흐름도.
도 4는 실시예 1의 배기승온 제어 루틴을 도시하는 흐름도.
도 5a 내지 5d는 실시예 1의 배기승온 제어를 행한 경우의 연소실내의 상태를 시계열적으로 도시한 도면으로서, 실시예 1의 배기승온 제어의 작용을 설명하는 설명도.
도 6은 실시예 1의 실시결과를 도시하며, 팽창행정에 있어서의 TDC 근처에서의 크랭크각 변화와 열발생율과의 관계를 도시하는 그래프.
도 7은 실시예 2의 배기 승온제어 루틴을 도시하는 흐름도.
도 8은 실시예 2에 있어서의 흡기행정 선행분사시의 전체 연료분사량에 대한 연료비율과 배기온도(Tex)와의 관계를 도시하는 그래프.
도 9는 실시예 2에 있어서의 흡기행정 선행분사시의 연료비율과 배기 포트에서의 미연탄화수소(THC)의 배출량과의 관계를 도시하는 그래프.
도 10a 내지 도10c는 실시예 2의 흡기행정 선행 분사를 행한 경우의 연소실내의 상태를 시계열적으로 도시한 설명도.
도 11은 실시예 2의 실시결과를 도시하며, 팽창행정에 있어서의 TDC근처에서의 크랭크각 변화와 열발생율과의 관계를 도시하는 그래프.
도 12는 통상제어, 실시예 1의 1단 분사, 실시예 2의 2단 분사의 각각에 있어서의 배기온도(Tex)를 비교해서 도시한 그래프.
도 13은 통상제어, 실시예 1의 1단분사, 실시예 2의 2단분사의 각각에 있어서의 미연탄화수소(THC)의 배출량을 도시한 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 통내분사형 불꽃점화식 내연엔진
1a : 연소실 1b :피스톤
1c : 캐비티 8 : 연료분사 밸브
9 : 촉매 컨버터 9a : 희박(lean) 촉매
9b : 3원 촉매 21 : 크랭크각 센서
23 : 전자제어 유닛(ECU)
26 : 촉매 온도센서 35 : 점화 플러그
50 : 공기 바이패스 밸브(ABV)
(실시예)
이하, 도면을 참조해서 본 발명의 실시 형태로서의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 차량에 탑재된 통내분사 가솔린엔진의 제어장치를 도시하는 개략구성도이며, 본 발명에 관한 배기승온장치를 도시하는 도면이다. 도 1에 있어서 부호 1은 불꽃 점화식이며 또한 연소실내에 연료를 직접분사하는 자동차용 통내분사형 직열 4기통 가솔린 엔진(이하, 간단히 엔진이라 한다)이며 흡기, 압축, 팽창, 배기의 각 행정은 1 사이클 중에 구비하는 내연 엔진, 즉, 4 사이클엔진이다. 그리고, 이 엔진(1)은 연소실(1a)을 비롯하여 흡기장치나 EGR 장치(10)등이 통내 분사전용으로 설계되어 있다.
엔진(1)의 실린더헤드에는 각 기통마다 점화플러그(35)와 더불어 전자식의 연료분사밸브(8)도 부착되어 있으며 연소실(1a)내에 직접 연료가 분사되게 되어 있다. 또, 실린더내를 미끄럼운동해서 왕복운동하는 피스톤(1b)의 정상(꼭데기)면에는 상사점(TDC) 근처에서 연료분사밸브(8)로 부터의 연료분무가 도달하는 위치에 반구상의 움푹패인곳, 즉, 캐비티(1c)가 형성되고 있다. 또, 이 엔진(1)의 이론 압축비는 흡기관 분사형의 것에 비해서 높게(본 실시예에선 12정도)설정되어 있다. 동 밸브기구로선 DOHC4 밸브식이 채용되고 있으며 실린더헤드의 상부엔 흡배기 밸브(4, 5)를 각각 구동하는 흡기측 캠샤프트와 배기측 캠샤프트가 회전자재로이 유지되어 있다.
실린더헤드에는 양 캠샤프트 사이를 빠져나오도록해서 거의 직립방향에 흡기포트(2a)가 형성되고 있으며 이 흡기포트(2a)를 통과한 흡기류가 연소실(1a)내에서 소위 역 텀블류(tumble)를 발생가능하게 되어 있다. 한편, 배기포트(3a)에 대해선 통상의 엔진과 마찬가지로 약 수평방향으로 형성되고 있는데 경사지게 큰 지름의 EGR 포트(도시생략)가 분기하고 있다.
도면중 부호 19는 냉각수온(Tw)을 검출하는 수온센서이며 부호 21은 각 기통의 소정의 크랭크위치(본 실시예에선 5°BTDC 및 75°BTDC)에서 크랭크 각 신호 (SGT)를 출력하는 크랭크각 센서이며, 부호 34는 점화플러그(35)에 고전압을 출력하는 점화코일이다. 또한, 크랭크샤프트의 반분의 회전수로 회전하는 캠샤프트엔 기통판별신호(SGC)를 출력하는 기통판별센서(도시생략)가 배열설치되고 있으며 이 센서로 부터의 신호에 의해서 크랭크각 신호(SGT)가 어느 기통의 것인가를 판별한다.
도 1 에 도시한 바와같이 흡기 포트(2a)에는 서지 탱크(2b)를 갖는 흡기 매니폴드(2)를 거쳐서 공기크리너(6a), 스로틀 보디(6b), 스텝퍼 모터식의 아이들 스피드 콘트롤 밸브(아이들 조정 밸브)(16)를 구비한 흡기관(6)이 접속하고 있다. 또한, 흡기관(6)에는 스로틀 보디(6b)를 우회하고 흡기 매니홀드(2)에 흡입 공기를 도입하는 대경의 공기바이패스 파이프(50a)가 병설되고 있으며 그 관로에는 리니어 솔레노이드식으로 대형의 공기바이패스 밸브(AVB, 즉 공기량 조정 수단)(50)이 설치되어 있다. 또한, 공기바이패스 파이프(50a)는 흡기관(6)에 준하는 유로면적을 갖고 있으며 AVB(50)의 전체방시엔 엔진(1)의 저중속역에서 요구되는 양의 흡입기가 유통가능하게 되어 있다. 한편, 아이들 조정 밸브(16)는 ABV(50)보다 작은 유로면적을 갖고 있으며 흡입공기량을 정밀도 양호하게 조정하는 경우엔 아이들 조정 밸브(16)를 사용한다.
스로틀 보디(6b)에는 유로를 개폐하는 버터플라이식의 스로틀 밸브(7)와 더불어 스로틀 개방도(θtH)를 검출하므로서 액셀 개방도 정보를 검출하는 스로틀 센서(14)와 전체폐쇄 상태를 검출하는 아이들 스위치(15)가 구비되어 있다. 또, 공기크리너(6a)의 내부에는 흡기밀도를 구하기 위한 흡기온 센서(12), 대기압 센서(13)가 배열 설치되고 있으며 대기압(Pa), 흡기온도(Ta)에 대응하는 신호를 각각 출력한다. 또한, 흡기관(6)의 입구 근처에는 칼만(Karman) 와류식의 공기플로우 센서(11)가 배열 설치되고 있으며 1 흡기 행정당의 체재 공기유량(Qa)에 비례한 와류발생 신호를 출력한다.
또, 상술한 EGR 포트는 대경의 EGR 파이프(10b)를 거쳐서 스로틀 밸브(7)의 하류, 또한, 흡기 매니홀드(2)의 상류에 접속되고 있으며 그 관로엔 스텝퍼 모터식의 EGR 밸브(10a)가 배열 설치되어 있다.
한편, 배기 포트(3a)에는 O2센서(17)가 부착된 배기 매니폴드(3)가 접속되어 있으며 또한 배기정화용 촉매로서의 촉매 컨버터(9)나 도시생략의 머플러 등을 구비한 배기 파이프(3b)가 접속되어 있다. O2센서(17)는 배기가스용의 산소농도를 검출하고 검출 신호를 출력하는 것이다. 또, 촉매 컨버터(9)의 하류측부분에는 촉매 또는 그 근처의 온도, 즉 촉매온도 Tcc 를 검출하는 촉매 온도 센서(26)가 부착되어 있다.
즉, 연소실(1a)에서 배기 매니폴드(3)에 배출된 배기가스는 촉매 컨버터(9)로 배기가스중의 CO, HC, NOx 의 3 개의 유해성분이 정화된 후, 머플러로 소음되어서 대기측으로 방출되게 되어 있다. 특히, 본 엔진(1)은 공연비를 연료 희박측(린측)으로 하면서 절약 운전을 행할 수 있는 엔진이며 이 희박 연소 운전시에는 통상의 3 원 촉매만으로는 배기가스중의 NOx 를 충분히 정화할 수 없기 때문에 촉매 컨버터(9)는 희박 NOx 촉매(9a)와 3 원 촉매(9b)를 조합한 것으로 되어 있다. 상세하게는 희박 NOx 촉매(9a)의 하류에 이론 공연비하에서 배출가스중의 CO, HC 및 NOx 를 정화가능한 3 원 기능을 갖는 3 원촉매(9b)를 구비토록 하고 있다. 즉, 3 원 촉매(9b)를 희박 NOx 촉매(9a)의 상류에 배치하고 희박 NOx 촉매(9a)에서의 NOx 정화를 방해하는 일이 없게 하면서 희박 NOx 촉매로는 충분히 정화할 수 없었던 CO 나 HC를 확실하게 정화토록 하고 있다. 또한, 희박 NOx 촉매가 3 원 기능도 아울러 갖는 경우에는 희박 NOx 촉매를 1 개만 배치해도 좋다.
차체 후부에는 도시생략의 연료탱크가 설치되고 있다. 그리고 연료 탱크에 저장된 연료는 전동식의 저압 연료 펌푸로 빨아올려지며 저압 피드 파이프를 거쳐서 엔진(1)측에 송급된다. 엔진(1)측에 송급된 연료는 실린더헤드에 부착된 고압 연료 펌프(이것들은 도시되지 않는다)에 의해 고압 피드 파이프와 델리버리 파이프를 거쳐서 각 연료 분사 밸브(8)에 송급된다.
차실내엔 전자 제어 유닛(ECU)(23)이 설치되고 있으며 이 ECU(23)는 도시생략의 입출력 장치, 제어 프로그램이나 제어 맵 등의 기억에 제공되는 기억 장치(ROM, RAM, 불휘발성 RAM 등), 중앙처리장치(CPU), 타이머 카운터 등을 구비하며 엔진(1)의 종합적인 제어를 행하고 있다.
ECU(23)의 입력측엔 작동시에 엔진(1)의 부하로 되는 공기콘 장치, 파워 스테어링 장치, 자동 변속 장치 등의 작동 상황을 검출하는 스위치류 등이 각각 접속되고 각 검출 신호가 공급된다. 또한, ECU(23)의 입력측에는 상술한 각종의 센서류나 스위치류 외에 도시생략의 다수의 스위치나 센서류가 입력측에 접속되고 있으며 출력측에도 각종 경고등이나 다수의 기기류 등이 접속되어 있다.
ECU(23)는 상술한 각종 센서류 및 스위치류에서의 입력 신호에 의거하여 연료 분사 모드나 연료 분사량을 비롯하여 연료 분사 종료 시기, 점화 시기나 EGR 가스의 도입량 등을 결정하고 연료 분사 밸브(8), 점화 코일(34), EGR 밸브(10a) 등을 구동 제어한다.
이하, 상기와 같이 구성된 통내 분사 가솔린 엔진의 제어 장치에 있어서의 엔진(1)의 통상 제어, 즉, 후술의 배기 승온 제어를 행하지 않는 경우의 제어에 대해서 간단히 설명한다.
냉기시의 엔진 시동에 있어선 ECU(23)는 흡기 행정 분사 모드를 선택하고 비교적 농후한 공연비로 되게 연료를 분사한다. 이때 ECU(23)는 시동시엔 ABV(50)를 폐쇄하기 위해 연소실(1a)로의 흡입 공기는 스로틀 밸브(7)의 캐비티나 유동 조정 밸브(16)에서 공급된다.
그리고, 시동후 냉각 수온(TW)이 소정값으로 상승하기 까지도 ECU(23)는, 시동시와 마찬가지로 흡기 행정 분사 모드를 선택해서 연료를 분사하는 동시에 ABV(50)도 계속해서 폐쇄한다. 또, 공기콘 등의 보조기기의 부하 증감에 따른 유동 회전수의 제한은 흡기관 분사형과 마찬가지로 유동 조정 밸브(16)(필요에 따라서 ABV(50)도 밸브 개방된다)에 의해서 행해진다. 또한, 소정 사이클이 경과해서 O2센서(17)가 활성 온도에 이르면 ECU(23)는 O2센서(17)의 출력 전압에 따라서 공연비 피드백 제어를 개시하며 유해 배출가스 성분을 촉매 컨버터(9)에 의해 정화시킨다. 이같이 냉기시에 있어선 흡기관 분사형과 거의 마찬가지의 연료 분사 제어가 행해진다.
엔진(1)의 난기가 종료되면 ECU(23)는 스로틀 개방도(θth)등에서 얻은 목표 평균 유효압(목표부하)(Pe)과 엔진 회전 속도(Ne)에 의거하여 도 2의 연료 분사 제어 맵에서 엔진(1)의 현재의 연료 분사 제어 영역을 검색하고 연료 분사 모드와 연료분사량을 결정해서 연료 분사 밸브(8)를 구동하는 동시에 ABV(50)이나 EGR 밸브(45)의 밸브 개방 제어등도 행한다.
예컨대, 아이들 운전시 등의 저부하, 저회전 운전시에는 운전 영역은 도 2 중 사선으로 도시하는 압축 행정 분사 희박영역으로 되며 ECU(23)는 압축 행정 분사 모드를 선택하는 동시에 ABV(50) 및 EGR 밸브(10a)를 운전 상태에 따라서 밸브 개방하고 희박한 공연비(여기에선 20-40 정도)가 되게 연료를 분사한다.
이 경우, 흡기 포트(2a)에서 유입한 흡기류는 연소실(1a)내에서 역 텀블류를 형성하기 때문에 분사된 연료분무는 확산하는 일없이 피스톤(1b)의 캐비티(1c)내에 개략 보존된다. 그결과, 점화시점에 있어서 점화 플러그(35)의 주위에는 이론 공연비 근처의 혼합기가 형성되는 것으로 되며 전체로서 매우 희박한 공연비(예컨대 전체 공연비로 50 정도)로도 착화 가능하게 된다. 이것에 의해 CO 나 HC의 배출이 매우 소량으로 되는 동시에 배기가스의 환류에 의해서 NOx의 배출량도 낮게 억제된다. 또한, ABV(50) 및 EGR 밸브(10a)를 밸브 개방하는 것에 의한 펌핑로스의 저감도 어울려서 연비가 대폭으로 향상한다. 또, 여기에선 부하의 증감에 따른 아이들 회전수의 제어는 연료 분사량의 증감에 의해서 행해지기 때문에 제어 응답성도 매우 높아진다.
또, 저중속 주행시에는 그 부하상태나 엔진 회전 속도(Ne)에 따라서 운전 영역은 도 2 중의 흡기 행정 희박영역 또는 스토이키오피드백영역(이론 공연비 피드백 제어영역, 이하, S-F/B 영역이라 한다)로 되기 때문에 ECU(23)는 흡기 행정 분사 모드를 선택하는 동시에 소정의 공연비로 되게 연료를 분사한다.
즉, 흡기 행정 희박영역에선 비교적 희박한 공연비(예컨대, 20-23 정도)로 되게 ABV(50)의 밸브 개방량과 연료 분사량을 제어하고 S-F/B 영역에선 ABV(50)와 EGR 밸브(10a)를 개폐 제어하는 동시에(다만, EGR 밸브(10a)의 개폐 제어는 S-F/B 영역의 특정 영역만에서 행해진다), O2센서(17)의 출력 전압에 따라서 공연비 피드백 제어를 행한다.
또, 급가속시나 고속주행시에는 운전 영역은 도 2 중의 오픈 루프영역으로 되며 ECU(23)는 흡기 행정 분사 모드를 선택하는 동시에 ABV(50)를 폐쇄하고 스로틀 개방도(θth)나 엔진 회전 속도(Ne)등에 따라서 비교적 농후한 공연비가 되게 연료를 분사한다.
또한, 중고속 주행중의 타행 운전시 등에는 운전 영역은 도 2 중의 연료 컷 영역이 되기 때문에 ECU(23)는 연료 분사를 완전히 정지한다. 또한, 연료 컷은 엔진 회전 속도 (Ne)가 복귀 회전 속도보다 저하된 경우나 운전자가 액셀 페달을 밟았을 경우에는 즉시 중지된다.
다음에 본 발명에 관한 배기 승온 장치의 제어 수순에 대해서 설명한다. 여기에선 실시예 1 및 실시예 2에 대해서 설명한다. 이 배기 승온 제어는 상술한 통상 제어의 실시에 한정되지 않고 적절하게 실시되는 것이다.
우선, 실시예 1에 대해서 설명한다.
도 3 을 참조하면 ECU(23)와 실행하는 배기 승온 제어의 메인 루틴의 흐름도가 도시되고 있으며 이하 동 도면을 참조해서 설명한다. 또한, 해당 루틴은 상술한 통상 제어가 실행되고 있는 동안, 크랭크각 센서(21)에서 크랭크각 신호(SGT)가 출력될 때마다 반복 실행된다.
우선, 스텝(S10)에선 촉매온도(Tcc), 냉각수온(Tw), 흡입공기유량(Qa), 스로틀 개방도(Qth), 엔진 회전 속도(Ne), 대기압(Pa), 흡기온(Ta)등의 각종 엔진 운전 상태량을 판독한다.
다음의 스텝(S12) 및 스텝(S18) 내지 스텝(S22)은 배기 승온 제어의 실시 판별을 행하는 스텝이며 이것들의 각 스텝의 모든 조건이 성립하므로서 배기 승온 제어가 개시된다.
스텝(S12)에선 운전 영역이 압축 행정 분사 희박영역 또는 흡기 행정 희박영역 같은 희박 연소 운전영역에 있고 또한 스로틀 개방도(θth)의 변화가 작고 차량이 정상 주행 상태에 있으며 층상 연소 또는 예상 혼합 희박 연소가 행해지고 있는지 아닌지를 판별한다. 즉, 운전 상태가 희박 연소 운전 상태인지 아닌지를 판별한다. 판별 결과가 아니오(No)이고 운전 영역이 희박 연소 운전영역이 아니고, 또 스로틀 개방도(θth)의 변화가 크고 층상 연소 혹은 예상혼합 희박 연소가 행해지고 있지 않다고 판정되는 경우, 즉, 예상혼합 연소(이론공연비 근처에서의 운전)인 경우에는, 이어서 스텝(S14)으로 나아가고 상술의 통상제어, 즉, 각 운전 영역에서의 통상의 연료 분사 제어 및 통상의 점화시기 제어를 실시한다.
그리고, 스텝(S16)에선 후술하는 타이머(TM)를 값 0에 리세트한다.
상기 스텝(S12)의 판별 결과가 예(yes)이고 운전 영역이 압축 행정 분사 희박 혹은 흡기 행정 희박영역 같은 희박 연소 운전영역에 있으며, 또한 스로틀 개방도(θth)의 변화가 작고 차량이 정상 수행 상태에 있고 층상 연소 또는 예상혼합 희박 연소가행하고 있다고 판정되는 경우에는 배기 승온 제어가 필요한 상황이라고 간주하고, 이어서 스텝(S18)으로 나아간다.
즉, 공연비가 희박 공연비(예컨대, 20-40 정도)인 때에는 상술같이 연소에 의한 열의 발생이 원래적고, 그러므로 이같은 희박 연소 운전 상태이며, 특히, 층상 연소 상태인 때에는 배기온도(Tex)는 낮은대로 유지되게 되며 따라서 이같은 경우에 있어선 촉매 컨버터(9)의 촉매 온도(Tcc)가 촉매기능을 유지하는 활성 하한 온도(T1)(예컨대, 400℃) 미만으로 될 우려가 있다고 판정하고 배기승온 제어를 실시하도록 다음으로 스텝(S18)으로 나아가는 것이다.
스텝(S18)에선 스로틀 개방도(θth)가 일정이고 소정 시간 경과 했는지 아닌지를 판별한다. 즉, 여기에선 희박 연소 운전 상태이며 또한 스로틀 개방도(θth)가 변함없이 일정이며, 촉매 컨버터(9)의 촉매온도(Tcc)가 보다 저하되기 쉬운 상황인지 아닌지를 판별한다. 판별 결과가 아니오인 경우에는 상기 스텝(S14)으로 나아가 상술의 통상 제어를 실시한다.
한편, 스텝(S18)의 판별결과가 예이며, 스로틀 개방도(θth)가 일정한 그대로 소정시간 경과하였다고 판정된 경우, 예를 들면, 운정영역이 압축행정 분사희박영역으로서 아이들 운전이 소정시간 계속되는 경우에는 배기 승온제어가 필요한 상황으로 간주하여 다음 스텝(S20)으로 진행한다.
한편, 스텝(S20)의 판별 결과가 예이고 배기 승온 제어가 일단 실시된 후 그렇게 시간이 경과되고 있지 않고 타이머(TM)의 계시 시간이 소정 시간(TM 1) 미만인 경우, 혹은 상기 스텝(S16)의 실행에 의해 (S16)의 실행에 의해 타이머(TM)가 값 0 에 리세트되고 있는 경우에는 다음 스텝(S22)으로 나아간다.
스텝(S22)에선 촉매 컨버터(9)가 활성 상태에 있는지 아닌지를 판별한다. 즉, 촉매 컨버터(9)의 촉매온도(Tcc)가 상기 활성하한 온도(T1)(에컨대 400℃) 이상인지 아닌지를 판별한다. 판별 결과가 예이고 촉매 온도(Tcc)가 활성 하한 온도(T1)(예컨대, 400℃) 이상인 경우에는 배기 승온 제어를 실시할 필요는 없고 이경우에는 상기 스텝(S114)으로 나아서 상술의 통상 제어를 실시한다.
한편, 스텝(S22)의 판별 결과가 아니오(NO)인 경우엔 배기 승온 제어가 필요한 조건이 성립되므로 다음으로 스텝(S24)으로 나아가고 배기 승온 제어를 실시한다.
이때, 배기 승온 제어가 실시되기 전의 운전 상태가 압축 행정 분사 모드(층상 연소)이면 토오크 단차가 생기지 않게 하면서 연료 분사량, 연료 분사시기 및 점화시기 등을 배기 승온 제어용의 설정으로 전환, 흡기 행정 분사 모드(예 혼합 희박연소)의 경우는 토오크 단차가 생기지 않게 하면서 연료분사량, 연료분사시기 및 점화시기 등을 압축행정 분사 모드로 전환한다. 또, 통상은 ABV(50)등의 개방도는 배기 승온 제어전의 통상 제어시와 배기 승온 제어시에서 개략 일정으로 하고, 특히, 개폐 제어는 행하지 않는 것으로 한다.
스텝(24)의 배기 승온 제어에선 도 4 의 배기 승온 제어 루틴이 설정된다. 이하, 도 4 를 따라서 배기 승온 제어에 대해서 설명한다. 또한, 배기 승온 제어에선 연료분사는 상기 통상 제어의 압축 행정 분사 모드의 경우와 마찬가지로 압축 행정에 있어서 실시된다.
스텝(30)에선 연료 분사시기(엔진 제어 파라미터)가 통상 제어의 경우에 대해서 지연 설정된다(엔진 제어수단). 즉, 여기에선 통상 제어시의 압축 행정 분사 모드에 있어서 예컨대 57°BTDC로 된 연료 분사시기를 20°BTDC-TDC 로 크게 지연한다. 여기에 연료 분사시기는 바람직하게는 15°BTDC-5°BTDC 로 되는 것이 좋다.
또, 스텝(S32)에 있어서 연료 분사량이 피스톤(16)의 캐비티(1c)내에 있어서 국소적으로 농후가 되게 설정된다(연료 제어수단), 즉, 상기 압축 행정 분사 모드의 경우에 있어선 캐비티(1c)내의 공연비가 국소적으로 이론 공연비 근처가 되게 되는 것인데, 여기에선, 캐비티(1c)내의 공연비가 농후(예컨대, 8-10 정도)가 되는 연료 분사량을 설정한다. 또한, 이때, 전체 공연비는 이론 공연비 혹은 약간 희박(예컨대, 14-18 정도)로 된다.
또한, 다음의 스텝(S34)에선 점화시기(엔진 제어 파라미터)가 상기 연료 분사 시기와 마찬가지로 통상 제어의 경우에 대해서 지연 설정된다(엔진 제어 수단), 즉, 여기에선 통상 제어시의 압축 행정 분사 모드에 있어서, 예컨대, 20°BTDC-25°BTDC로 된 점화시기를 상기 연료 분사시기에 따라서 15°BTDC-5°ATDC로 크게 리타드한다. 여기에 점화시기는, 바람직하게는 연료분사시기에 따라서 10°BTDC-TDC로 되는 것이 좋다.
그리고, 다음의 스텝(S36)에 있어서 상기 설정된 연료 분사시기, 연료 분사량에 의거해서 연료 분사를 행하고 스텝(S38)에 있어서 상기 설정된 점화시기의 설정에 의거해서 점화를 행한다.
여기에서 도 5a 내지 도 5d를 참조하면 상기 배기 승온 제어를 행한 경우의 연소실(1a)내의 모양이 시계열적으로 도 5a 내지 도 5d에 도시되고 있으며 이하, 동 도면에 의거해서 배기 승온 제어의 작용을 설명한다.
우선, 도 5a에 도시되듯이 압축 행정에 있어서 연료가 연료분사 밸브(8)에 의해서 통상 보다 많고, 즉, 국소 공연비가 농후(예컨대, 8-10 정도)로 되게 분사된다. 이때, 연료 분사시기는 상술같이 20°BTDC-TDC로 리타드되기 때문에 피스톤(1b)은 통상의 피스톤 위치(파선) 보다 상승한 위치로 되어 있다.
그리고, 도 5b에 도시되듯이 15°BTDC-5°ATDC 에 있어서 점화가 실시된다.
그런데, 통상이면 연료분사시기(57°BTDC)와 점화시기(20°BTDC-25°BTDC)와의 크랭크각 차는 32°- 37°이며 점화가 실시될 때는 연료분무는 점화 플러그(35)에 이르고 있는 것인데 해당 배기 승온 제어를 행한 경우엔 연료분사시기(20°BTDC-TDC)와 연료 분사시기에 따른 점화시기(15°BTDC-5°ATDC)와의 크랭크 각차는 5°로 되면 동 도면에 도시하듯이 점화가 실시되는 시점에서 연료분무의 선단이 이윽고 점화 플러그(35)에 도달하는 정도로 되어 있다. 이것은, 즉, 점화 플러그(35) 주위의 공연비가 완전히 농후 상태로 된 때 점화가 행해져도 공기량이 적다는 것에서 연료에 양호하게 착화하지 않는 한편, 이같이 연료분무의 선단이 점화 플러그(35)에 도달한 시점에서 점화를 행하게 하면 점화 플러그(35) 주위에 충분히 공기가 있다는 것에서 양호하게 착화되어 연소가 개시되기 때문이다.
이같이 연소가 개시되면 연료분무의 선단의 연소 화염은 도 5c에 도시하듯이 캐비티(1c)내의 연료분무와 O2와의 열 불꽃반응에 의해서 화염으로 번지고 연소가스가 팽창을 개시한다. 그러나 이 시점에선 캐비티(1c)내의 공연비는 국소적으로 농후(예컨대, 8-10 정도)로 되어 있기 때문에 연소에 충분한 만큼의 O2가 없고 그러므로 연료분무의 일부는 과농후 상태로 되어서 불완전 연소하고 Hc, Co 등의 불완전 연소물로 된다.
그리고, 연소가스의 팽창에 의해서 피스톤(1b)이 밀려 내려가게 되는데 이때, 상기 불완전 연소에 의해 발생한 HC, CO 등의 불완전 연소 물은 도 5d에 도시하듯이 연소실(1a)내에서 캐비티(1c)내로부터 주위로 확산하게 된다.
그런데, 이 시점에선 캐비티(1c)내외의 연소실(1a)내엔 흡기 행정에서 흡기한 공기가 존재하고 있으며 그러므로 상기 불완전 연소물은 이 공기중의 O2와 양호하게 반응해서 제연소가 실시된다. 이 불완전 연소물의 제연소는 팽창 행정에 의해 연소실(1a)에서 압력이 저하되므로 급격히는 진전되지 않으며 비교적 완만한 것으로 되며 그러므로 팽창때에는 거의 기여하지 않는다. 그러나, 한편에서 그 연소는 배기 행정으로 이행하기까지 완만하게 계속된다.
여기에서 도 6을 참조하면 팽창 행정에 있어서의 TDC 근처부터의 크랭크각 변화와 열 발생율과의 관계가 그래프로 도시되고 있으며 도면중 실선이 상기 배기 승온 제어를 행한 경우의 열 발생율을 1 점 쇄선이 압축 행정 분사 모드로 통상 제어를 행한 경우의 열 발생율을 나타내고 있다.
동 도면으로 분명하듯이 배기 승온 제어를 행한 경우(실선)엔 통상 제어를 행한 경우(1점 쇄선)에 비해서 점화시의 연소가 완만한 한편, 팽창 행정중은 열발생율이 높은 상태로 유지된다.
따라서, 배기온도(Tex)를 온도(T2)(예컨대, 800℃ 정도)까지 양호하게 상승시킬 수 있고 촉매 컨버터(9)를 신속하게 가열해서 조기에 활성화시키는 것이 가능하게 된다.
이같이 해서 배기 승온 제어가 개시되면 도 3 의 스텝(S26)에 있어서 상기 타이머(TM)를 세트하고 배기 승온 제어가 실시되고 나서부터의 경과 시간을 계시한다.
그리고, 상기 스텝(S20)에서의 판별 결과가 아니오, 즉, 타이머(TM)의 계시시간이 소정시간(TM1)에 이르렀다고 판정되고, 혹은, 스텝(S22)의 판별 결과가 예로 되고 촉매 컨버터(9)가 활성 상태로 되었다고 판정되면 배기 승온 제어는 종료하게 되며 스텝(S16)에 있어서 타이머(TM)는 값 0에 리세트된다.
다음에 실시예 2에 대해서 설명한다.
실시예 2에선 배기 승온 제어의 부분만이 상기 실시예 1과 다르기 때문에 여기에선 배기 승온 제어에 대해서만 설명한다.
이 실시예(2)에선 배기승온 제어시에 있어서 압축 행정에서의 연료분사(이하, 주분사라 한다)토록 하고 있으며, 즉, 여기에선 상기 실시예 1의 1 단 분사에 대해서 흡기 행정 선행 분사와 주분사와의 2 단 분사를 실시케하고 있다(연료 제어 수단).
도 7을 참조하면 실시예 2에 있어서의 배기 승온 제어 루틴이 도시되고 있으며 이하, 도 7에 의거 설명한다.
스텝(S40) 및 스텝(S42)에선 상기 실시예 1의 경우와 마찬가지로 해서 주분사의 연료 분사시기가 통상 제어의 경우에 대해서 지연 설정되고 또, 주 분사의 연료 분사량이 역시 피스톤(1b)의 캐비티(1c)내에 있어서 국소적으로 농후(예컨대 8-10 정도)가 되게 설정된다.
다음의 스텝(S44)에선 흡기 행정 선행 분사의 연료분사시기와 연료 분사량이 설정된다. 흡기 행정 선행 분사의 연료분사시기는 연료 분사량이 적고 연료가 단시간에 부화하기 때문에 압축 행정의 초기에도 좋다. 바람직하기는 해당 연료 분사시기는 흡기 행정의 초기에 설정되는 것이 좋으며 여기에선 예컨대 320°BTDC 로 된다.
또, 흡기 행정 선행 분사의 연료 분사량은 1 사이클 중에 있어서의 전체 연료 분사량의 10%-40%에 설정된다.
여기에서 도 8을 참조하면 흡기 행정 분사시의 전 연료 분사량에 대한 연료 비율과 배기온도(Tex)와의 관계가 그래프로 도시되고 있으며, 또 도 9를 참조하면 상기 흡기 행정 선행 분사시의 연료 비율과 배기 포트(3a)로부터의 미연탄화수소 THC(Total Hydrocarbon)의 배출량과의 관계가 그래프로 도시되어 있다. 이것들의 그래프에서 흡기 행정 선행 분사의 연료 분사량이 상기 10%-40%의 범위에 설정되면 배기 온도(Tex)를 상기 실시예 1의 경우에 달성되는 온도(T2)(예컨대, 800℃ 정도) 보다 크게 하면서 유해물질인 미연탄화수소(THC)의 대기중으로의 배출량을 비교적 작게 억지하는 것이 가능하다는 것을 알 수 있다. 따라서, 여기에선 흡기 행정 선행 분사의 연료 분사량을 전연료 분사량의 10%-40% 에 설정토록 하는 것이다.
또, 동 도면을 참조하면 연료 비율이 20% 근처인 때에 있어서 배기 온도(Tet)가 최대로 되며 미연 탄화수소(THC)의 배출량이 최소로 억지되어 있다. 따라서 흡기 행정선행분사의 연료비율은 바람직하기는 전체 연료분사량의 20%정도인 것이 좋다.
다음의 스텝(S46)에선 상기 실시예 1의 경우와 마찬가지로 해서 점화시기가 통상 제어의 경우에 대해서 지연 설정된다.
그리고, 스텝(S48)에 있어서는, 우선 흡기 행정선행 분사가 실시된다.
여기에서 도 10a 내지 도 10c를 참조하면 흡기행정에 있어서 상기 흡기 행정선행 분사가 실시된 경우의 흡기 행정으로부터 압축행정 초기에 걸쳐서의 연소실(1a)내의 상태가 시계열적으로 도 10a 내지 도 10c에 도시되고 있으며, 이하, 동 도면에 의거해서 흡기행정 선행분사에 의한 작용을 설명한다.
우선 도10a에 도시되듯이 흡기행정의 320°BTDC에 있어서 상술과 같이 전체 연료분사량의 10%-40%의 연료가 분사된다.
그리고 이같이 흡기 행정선행 분사된 연료는 도 10b에 도시하듯이 피스톤(1b)의 하강에 따라서 흡기에 의한 관성기류(텀블류)와 더불어 연소실(1a)내에서 확산된다. 이때, 이 흡기 행정 선행분사된 연료는 피스톤(1b)의 상승에 의한 압축이나 주연소에서의 열을 받고 연소직전상태의 연쇄반응을 추진하는데 유효한 활성인 화학 반응중(예컨대 CHO, H2O2, OH 등), 즉 전염 반응 생성물을 형성한다.
그리고 이 전염 반응생성물이 연소실(1a)내에 층만한 상태에서 도 10c에 도시하듯이 압축행정으로 이행해서 피스톤(1b)이 상승하게 된다.
이같이 피스톤(1b)이 상승하면 도 7의 스텝(S50)에 있어서 주연료가 분사되고 스텝(S52)에 있어서 점화가 행해지게 되는데 이때의 연소실(1a)내의 모양은 상기 실시예 1에 있어서 도 5c에 의거 설명한 대로이다. 그리고 도 5d에 도시하듯이 피스톤(1b)의 하강에 따라서 불완전 연소물이 연소실(1a)내에서 캐비티(1c)내로부터 주위에 확산한다.
이때, 연소실(1a)내엔 상술과 같이 전염 반응생성물이 부유하고 있기 때문에 이 전염반응 생성물이 착화 유도제의 역할을 다하게 되며 실시예 1의 경우보다 불완전 연속물의 연소가 도움이 되어 재연소가 계속된다.
이상과 같이 해서 해당 실시예 2에선, 흡기행정 선행분사와 주분사의 2단 분사가 각각 흡기행정, 압축행정으로 실시되는데 이하 흡기 행정선행 분사를 행한 것에 의한 효과를 보다 상세하게 설명한다.
도 11을 참조하면 앞의 도 6과 마찬가지의 그래프가 도시되고 있으며, 동 도면중엔 실시예 2의 2단 분사에서의 배기승온 제어를 행한 경우의 열발생율이 점선으로 도시되어 있다. 또한, 동 도면엔 아울러서 상기 실시예 1의 배기승온 제어를 행한 경우의 열발생율이 실선으로 압축행정 분사 모드로 통상 제어를 행한 경우의 열발생율이 1점 쇄선으로 도시되어 있다.
동 도면으로 알 수 있듯이 2단 분사에 의한 배기승온 제어를 행한 실시예 2의 경우(점선)에는 실시예 1의 경우(실선)에 비해서 열 발생율이 평창행정으로 전체적으로 높아지고 있다. 이것은 즉, 불전연소에 의해 발생한 HC, CO 등의 불완전 연소물이 연소실(1a)내에서 캐비티(1c)내로부터 주위로 확산해서 O2와 반응하여 저연소가 실시되는 것인데(도 5d 참조), 해당 실시예 2의 경우에 있어선 염소실(1a)내에 흡기 행정 선행분사에 의한 전염반응생성물이 존재하고 있으며 그러므로 이 전염반응 생성물이 상술같이 착화 유도체의 역할을 다하게 되며 불완전 염소물의 재연소가 O2의 존재만의 경우 보다 양호하게 촉진되기 때문이다.
이것에 의해 실시예 1에선 온도(T2)(예컨대 800℃정도)까지 상승가능으로 된 배기온도(Tex)를 더욱 상승시킬 수 있다.
즉, 도 12를 참조하면 통상제어, 1단 분사(실시예 1의 경우), 2단 분사(실시예 2의 경우)의 각각에 있어서의 배기온도(Tex)를 비교해서 도시하고 있는데 동 도면으로 분명하듯이 통상 제어시에 있어선 배기온도(Tex)를 최대로 활성 하한온도(T1)(예컨대 400℃) 정도로 밖에 할 수 없을 것에 대해서 실시예 1의 경우엔 온도(T2)(예컨대, 800℃)로 되며 실시예 2의 경우엔 더욱 온도를 올려서 온도(T3)(예컨대, 900℃ 정도)로 큰 것으로 할수가 있다. 이것에 의해 촉매 컨버터(9)를 가일층 신속하게 가열해서 보다 조기에 활성화시키는 것이 가능으로 된다.
또, 도 13을 참조하면 통상제어, 1단분사(실시예 1의 경우), 2단 분사(실시예 2의 경우)의 각각에 있어서의 상기 미연 탄화 수소(THC)의 배출량이 참고로 도시하고 있는데 동 도면에 도시하듯이 통상 제어의 경우보다 실시예(1)에 있어서의 1단 분사쪽이 미연탄화수소(THC)의 배출량은 억제되고 있으며 실시예 2와 같이 2단분사를 행한 경우엔 더욱 작게 억제되어 있다. 이것에 의해서 상기 배기 승온제어중, 즉, 촉매 컨버터(9)가 활성화되고 있지 않은 상태인 때에 있어서의 유해물질의 대기중으로의 방산이 바람직하게 방지된다. 특히, 실시예 2같이 2단분사를 행한 경우엔 유해물질의 발산방지효과는 큰것으로 된다.
이상, 설명한대로 본 발명의 배기승온 장치에선 통내분사 가솔린엔지의 제어장치에 있어서 촉매 컨버터(9)의 온도 Tcc가 내려가 촉매기능이 저하되었을 때는 압축 행정으로 연료를 많이 분사하고 피스톤(1b)의 캐비티(1c)내에 농후(예컨대, 8-10정도)한 공연비의 연료분무를 형성시키고 이 농후 연소에 의해 발생한 불완전 연소물(HO, CO 등)을 팽창행정으로 캐비티(1c)내 이외의 연소실(1a)내의 공기중의 O2와 완만하게 반응시켜서 배기온도(Tex)를 통상 제어시보다 상승시키게 하고 있다.
따라서, 종래와 같이 팽창행정이 빠른 시기에 추가 연료를 분사 해서 연소시켰을 때 발생한 열 에너지의 팽창일로의 기여를 호적하게 방지하면서 또한, 연비악화를 방지하면서 촉매 컨버터(9)를 양호하게 가열해서 확실하게 활성화시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에선 통상제어에서 배기승온제어로의 변경시, ABV50, 즉, 공기량 조절수단을 특히 변화시키지 않고, 흡입공기량을 개략 일정 상태로 유지하고 전환하는 것을 전제로 하고 있는데 배기승온 제어개시시에 ABV50의 개방도를 개방제어하고 흡입 공기량을 적극적으로 증대시키는 동시에 연료분사량도 증량해서 배기승온 효과를 더욱 얻게 해도 좋다. 이때, 배기승온 제어이행시에 토오크단차가 발생하지 않게 연료분사시기나 점화시기 등의 엔진 제어 파라미터를 제어하는 것은 물론이다. 또, 본 실시예에선 ABV50를 공기량 조절수단으로 하고 있지만, 전기적으로 스로틀 밸브를 제어하는 전자 스로틀 밸브를 사용한 경우엔, 이 전자 스로틀밸브를 공기량 조절수단으로 하고, 해당 전자 스로틀 밸브의 개방도를 배기 승온제어시로 변화시키게 해도 좋다.
또, 상기 실시예에선 텀블류를 이용한 통내분사 가솔린 엔진에 대해서 설명했는데 스왈류(소용돌이)를 이용한 통내분사 가솔린엔진에도 적용할 수 있다. 즉, 엔진은 적어도 압축행정시에 연료분사 밸브로부터 연료를 분사한 후 불꽃점화해서 층상연소를 향하게 하는 것이 가능한 엔진이면 어떤 엔진이어도 좋다.
이상, 상세히 기술한 것같이 제 1항의 배기승온장치에 의하면, 배기승온을 위한 연소(재연소)를 팽창때 사용하는 일 없이 배기 온도를 상승시키는 것이 가능으로 되며, 연비의 악화없이 촉매를 신속하게 가열시키고 조기에 활성화시킬 수 있다.
또 제 2항의 배기 승온장치에 의하면, 보다 효과적으로 배기승온을 실시할 수 있다. 또, 제 3항의 배기승온 장치에 의하면, 주연소후, 팽창행정에 있어서 불완전 연소물이 피스톤의 하강에 따라서 연소실내에서 주위에 확산했을 때 선행 분사된 연료가 전염 반응생성물로 변화하고 이 전염 반응생성물이 착화 유도제로서 기능하므로서 불완전 연소물을 O2와 매우 양호하게 반응시키고 재연소시킬 수 있고 배기 온도를 더욱 높은 것으로 해서 촉매를 가일층 조기에 활성화시킬 수 있다.
또, 제 4항의 배기승온장치에 의하면 선행분사에 의한 연료량을 팽창때 기여하지 않은 정도이며 또한 전염반응 생성물이 착화유도제로서의 역할을 바람직하게 이루어서 배기를 승온시키는 것이 가능한 정도(동일 기통에서 1사이클 중에 분사되는 연료량의 10%-40%의 범위)로 하므로서 배기승온을 보다 효과적으로 실시하여 촉매를 더욱 조기에 활성화시킬 수 있다.
또, 제 5항의 배기승온 장치에 의하면 배기승온시에 공기량 조절수단에 의한 공기량증량에 따라서 압축행정에서의 연료분사량을 증량할 수 있고 더욱 바람직하게 배기승온을 실시할 수 있다.

Claims (5)

  1. 연소실내에 직접 연료를 분사하는 연료 분사 밸브를 구비하며, 적어도 압축행정시에 상기 연료 분사 밸브로부터 연료분사하여 불꽃점화해서 층상연소를 행하게 하는 통내분사형 내연 엔진의 배기 승온장치에 있어서,
    배기승온이 요구되는 엔진 운전시에, 상기 압축 행정시의 연료분사를 행함과 동시에 점화플러그 주위의 국소적인 공연비를 농후로 하게 상기 연료 분사밸브의 분사량을 제어하는 연료 제어수단과,
    상기 연료 제어수단의 작동시에 상기 압축 행정시의 연료분사시기를 지연시키며, 상기 분사된 연료가 상기 점화 플러그 주위에서 과농후 상태의 불완전 연소를 일으켜 그후 통내 유동에 따라 잉여산소와 혼합해서 산화되는 엔진제어 파라미터를 제어하는 엔진 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 배기 승온장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 엔진 제어수단은, 상기 연료 제어수단의 작동시에 점화시기를 배기승온이 요구되지 않는 엔진 운전시의 점화시기 보다도 지연시키는 것을 특징으로 하는 배기 승온장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 연료 제어수단은 상기 압축 행정에서의 연료 분사전의 흡기 행정초기로부터 압축행정 초기까지의 사이에 일부의 연료를 선행분사하도록 상기 연료 분사밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 배기 승온장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 선행분사의 연료량은, 동일 기통에서 1 사이클 중에 분사되는 연료량의 10% ∼ 40%로 설정되는 것을 특징으로 하는 배기 승온장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 연소실내로 도입되는 공기량을 조절하는 공기량 조절수단을 구비하며,
    상기 공기량 조절수단은 적어도 배기승온이 요구되는 엔진 운전시에 공기량을 증량하는 것이며,
    상기 연료제어수단은 상기 공기량의 증량에 따라서 연료량을 증량하여 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 배기 승온장치.
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