KR100319002B1 - 기통내분사형내연엔진의배기승온장치 - Google Patents

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히로미쯔 안도
카즈나리 쿠와바라
토시오 슈도
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나까무라히로까즈
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Abstract

본 발명은 연소실 내에 연료를 직접적으로 분사하여 불꽃점화해서 층형상연소시키는 기통내분사형 내연엔진에 관한 것으로, 특히, 냉기(冷機)운전시 등의, 내연엔진의 배기가스정화장치가 활성화되어 있지 않은 때, 혹은 층형상연소운전시 등의, 배기정화장치의 활성화온도를 유지할 수 없는 염려가 있을 때에, 배기가스를 승온시켜서, 배기가스정화장치의 조기활성화 또는 활성화온도의 유지를 도모하는 배기승온장치에 관한 것으로서, 추가연료의 공급 및 착화를 이것에 전용의 장치(device)를 배설하는 일 없이 행할 수 있고, 또한, 추가연료의 연소에너지를 배기승온에 유효하게 이용할 수 있는, 기통내분사형 내연엔진의 배기승온장치를 제공하는 것을 목적으로 한 것이며, 불꽃점화식 기통내분사형 내연엔진의 배기승온장치의 전자제어유닛은, 엔진이 배기승온을 필요로 하는 운전상태에 있을 때, 압축행정에서의 주연료의 분사에 있어서, 팽창행정 중기 또는 그 이후의 팽창행정 중에 연소실(1a) 내에 잔존하는 냉염반응생성물 농도가 착화한계 농도 근처가 되도록 점화시기, 공연비 등의 엔진제어 파라미터를 제어하고, 다음에, 팽창행정 중기 또는 그이후의 팽창행정 중에 연료분사밸브로부터 연소실 내에 추가연료를 분사시킨다. 추가연료의 냉염반응이 신속하게 발생해서, 냉염반응생성물 농도가 착화한계 농도를 넘어서 추가연료가 자기착화한다. 추가연료의 연소에너지는 배기승온에 유효하게 이용되는 것을 특징으로 한 것이다.

Description

기통내분사형 내연엔진의 배기승온장치
본 발명은 연소실 내에 연료를 직접적으로 분사하여 불꽃점화해서 충형상연소시키는 기통내분사형 내연엔진에 관한 것으로, 특히, 냉기(冷機)운전시 등의, 내연엔진의 배기가스정화장치가 활성화되어 있지 않은 때, 혹은 층형상연소운전시 등의, 배기정화장치의 활성화온도를 유지할 수 없는 염려가 있을 때에, 배기가스를 승온시켜서, 배기가스정화장치의 조기활성화 또는 활성화온도의 유지를 도모하는 배기승온장치에 관한 것이다.
최근, 차량에 탑재되는 불꽃점화식내연엔진에 있어서, 종래의 흡기관분사형의 것과 달리 연소실에 직접 연료를 분사하도록 한 기통내분사형의 가솔린엔진이 여러 가지 제안되고 있고, 전형적인 기통내분사형 엔진에서는 피스톤정상부에 형성한 캐비티 내에 연료를 연소분사밸브로부터 분사함으로써 희박혼합가스(氣)를 양호하게 연소시켜, 유해가스성분의 배출량의 저감 및 연비의 향상을 도모하고 있다.단, 이와 같은 희박연소운전을 엔진운전영역 전체에서 행하면, 운전영역에 따라서는 엔진출력 부족을 초래하는 일이 있다. 그래서, 기통내분사형 엔진에서는 엔진운전상태, 예를 들면 엔진부하에 따라서 압축행정 분사모드와 흡기행정 분사모드와의 사이에서 분사모드를 절환하도록 하고 있다.
저부하 운전영역에서는, 주로 압축행정 중에 연료를 분사하는 압축행정 분사모드가 선택된다. 이 분사모드에서는, 압축행정에서 캐비티를 향해서 분사된 연료의 대부분은 흡입행정에서 연소실 내에 흡입되어 피스톤정상부의 캐비티를 따라서 선회하는 공기흐름의 작용에 의해 캐비티 내에 머문다. 이 때문에 기통 내 전체에서 본 공연비가, 예를 들면 40이라고 하는 큰 값이 되는 양의 연료를 분사하였을 경우(압축희박모드)에 있어서도 피스톤이 점화플러그에 근접하는 점화시기에는, 캐비티 내에 있어서 점화플러그의 전극의 주위에 이론공연비에 가까운 공연비의 혼합가스가 형성되고, 불꽃점화에 의한 혼합가스의 착화가 가능해진다. 따라서, 이 압축행정 분사모드에서는 흡입공기나 배기가스환류에 의한 배기가스를 기통 내에 다량 공급할 수 있어, 펌핑로스가 저감되고, 연비가 현저하게 개선된다.
한편, 중고부하 운전영역에서는, 주로 흡기행정 중에 연료를 분사해서 연소실 내에 균일한 공연비의 혼합가스를 형성한다. 이 경우, 균일한 혼합가스가 형성되어 있기 때문에 점화플러그 주위의 국소적인 과농후에 의한 농후실화를 발생시키는 일 없이 다량의 연료를 연소시켜서, 가속시나 고속주행시에 요구되는 출력을 확보할 수 있다.
기통내분사형 내연엔진에서는, 그 냉각상태 시동시나 외기온도가 낮은 환경하에서의 저부하 운전시 등에는 배기통로에 배설한 배기가스정화장치의 촉매가 좀처럼 활성화되지 않는 일이 있다. 또, 다량의 공기가 기통 내에 공급되는 압축희박모드운전에서는 배기유량이 많고, 배기온도가 낮아지는 경향이 있다. 따라서, 배기정화매체가 일단 활성화온도에 도달했을 경우에도, 그 후 압축희박모드에 의해 엔진이 운전되면 촉매활성화온도를 유지할 수 없는 일이 있다. 이와 같은 문제를 해소하기 위하여 배기가스온도를 상승시켜서 촉매의 조기활성화를 도모하는 수법이 여러 가지 제안되어 있다.
예를 들면, 일본국 특개평 4-183922호 공보에서 제안된 기통내분사형 내연기관에서는, 연료분사밸브를 기관의 압축행정에서 작동시켜서 주연료를 연소실 내에 분사하고, 이에 이어서 점화플러그를 작동시켜서 주연료를 연소시키고, 또, 팽창행정에서, 또는 배기행정의, 흡기밸브가 폐쇄하고 있는 시기에, 연료분사밸브를 재작동시켜서 추가연료를 연소실 내에 분사하고, 이어서, 점화플러그를 재작동시켜서 추가연료를 연소시키고 있다.
그러나, 이 제안장치에는 점화제어논리(logic)가 복잡하게 된다는 결점이 있으며, 또, 2번째의 점화에너지가 하기의 이유로 충분히 확보하기 어렵다고 하는 결점이 있다. 압축행정에서 분사된 주연료는, 통상, 팽창행정에서는 거의 완전연소하고 있다. 이 때문에 추가연료 분사시점에서는, 기통 내에 있어서, 혼합가스의 연소를 촉진하는 활성화학반응종(種)이 적어져 있다. 또한, 자기착화성이 낮은 연료(예를 들면, 가솔린)를 연소시키려면, 큰 에너지(예를 들면, 열, 압력, 온도등)가 필요하다. 상기의 제안과 같이, 추가연료 분사 직후에 단순히 점화플러그를 재작동시킬 경우, 추가연료의 착화에 필요한 점화에너지를 공급할 수 없는 일이 있다. 이 경우, 추가연료를 충분히 연소시킬 수 없고, 배기를 확실하게 승온할 수 없어, 조기에 촉매를 활성화할 수 없다.
이와 같은 문제점을 해소하기 위하여 점화에너지를 충분히 확보하려면, 예를들면 대용량의 점화장치 (igniter)를 사용하지 않을 수 없어서, 점화장치가 대형화하고 또한 코스트가 높아진다.
상기의 일본 특개평 4-183922호 공보에는, 추가연료를 배기 속에 혼입시키고, 이어서, 배기통로 내에 배설된 점화플러그를 점화 작동시킴으로써, 촉매를 가열해서 신속하게 활성온도까지 상승시키는 기술이 제안되고 있다. 그러나, 이와같은 장치구성에는, 부품점수가 증가하여 코스트가 증대한다고 하는 문제점이 있다.
그래서, 점화플러그에 의한 불꽃점화에 의하지 않고 추가연료를 연소시키는 수법이 일본국 특개평 8-100638호 공보에 제안되어 있다. 이 제안은 엔진의 압축행정 중에 주연료를 분사하고, 이어서, 점화플러그를 작동시키고, 또, 팽창행정 중에 추가연료를 분사하도록 하고 있다. 점화플러그의 작동에 의한 주연료의 연소에 의해서 발생한 화염이 추가연료에 전파하여, 추가연료가 연소한다. 이 수법에 의하면, 점화플러그를 재작동시키는 일 없이 추가연료를 연소시킬 수 있어, 추가연소에 의해 배기가스온도를 높여서 촉매의 활성화에 소요되는 시간을 단축할 수 있다.
그러나, 상기 제안수법에서는 주연소에서의 불꽃전파에 의해서 추가연료의 착화를 확실하게 행할 수 있는 기간 내에 추가연료를 분사할 필요가 있다. 실제로, 이 제안에서는 추가연료의 분사시기를, 예를 들면 크랭크각도로 10° ∼80° ATDC의 범위 내로 설정하고 있다. 그러나, 이와 같이, 팽창행정의 빠른 시기에 추가연료를 분사하면, 추가연료의 연소에 따라서 발생하는 열에너지의 일부가 팽창일에 소비되고, 본래의 목적인 배기가스온도의 상승을 충분히 도모하지 못하게 된다. 또, 충분한 배기승온을 위해서는 추가연료량을 증가할 필요가 있어, 연료소비량이 더욱 증대한다고 하는 문제가 발생한다.
본 발명의 목적은 추가연료의 공급 및 착화를 이것에 전용의 장치(device)를 배설하는 일 없이 행할 수 있고, 또한, 추가연료의 연소에너지를 배기승온에 유효하게 이용할 수 있는 기통내분사형 내연엔진의 배기승온장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 의하면, 연료분사밸브로부터 연소실 내에 주연료를 직접 분사하고, 상기 분사된 주연료를 불꽃점화시켜서 희박연소시키는 기통내분사형 내연엔진의 배기승온장치가 제공된다.
도 1은 압축행정 중에 분사된 주연료의 연소프로세스와, 팽창행정 중기 또는 그 이후의 팽창행정 중에서의 추가연료의 분사를 개념적으로 설명하는 모식도
도 2는 본 발명의 배기승온제어시의 기통내압을 크랭크각도의 함수로서 표시한 그래프
도 3은 도 2에 타원DZ로 표시한 주연료 연소영역에 있어서의 연소실 내에서의 냉염(冷炎)반응생성물 농도변화를 표시한 그래프
도 4는 도 2에 타원WZ로 표시한 추가연료 연소영역에 있어서의 냉염반응생성물 농도변화를 표시한 그래프
도 5는 주연료 분사량을 공연비 30이 되도록 설정해서 실시한 실험에 의해 구한, 점화시기 TRD와 배기온도와 추가연료 분사시기와의 관계를 표시한 그래프
도 6은 주연료 분사량을 공연비 40이 되도록 설정한 경우의 점화시기TRD와 배기온도와 추가연료 분사시기와의 관계를 표시한 그래프
도 7은 도 5에 관한 실험에서 얻은, 배기온도와 점화시기TRD와 추가연료 분사시기의 관계 및 배기가스 속의 미연소 탄화수소량의 점화시기TRD와 추가연료 분사시기와의 관계를 표시한 그래프
도 8은 본 발명의 제 1실시예에 의한 배기승온장치를 장비한 엔진을 표시한 개략도
도 9는 압축행정 분사희박 운전영역, 흡기행정 분사희박 운전영역, 스토이키오 피드백 운전영역 및 연료커트영역을 기통내평균유효압Pe 및 엔진회전수Ne의 함수로서 표시한 엔진제어모드맵
도 10은 본 발명에 관한 기통내분사형 불꽃점화식 내연기관의 압축행정 분사모드에 있어서의 연료분사의 형태를 표시한 부분개략사시도
도 11은 흡기행정 분사모드에 있어서의 연료분사형태를 표시한, 도 10과 마찬가지의 도면
도 12는 본 발명의 제 1실시예에 관한 배기승온 제어순서를 표시한 순서도
도 13은 배기승온에 있어서, 엔진냉각수온이 낮을 때에, 주연료의 연소시의 목표공연비의 설정에 사용되는 제 1희박화 맵을 표시한 도면
도 14는 엔진냉각수온이 낮지 않을 때의 목표공연비의 설정에 사용되는 제 2 희박화 맵을 표시한 도면
도 15는 본 발명의 제 2실시예에 관한 배기승온 제어순서를 표시한 순서도
도 16은 기본 목표공연비의 보정에 사용되느 보정계수KL의 맵을 표시한 도면
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 기통내분사형 불꽃점화식 내연엔진
1a: 연소실 7: 스로틀밸브
8: 연료분사밸브 9: 배기가스정화장치(촉매)
11: 에어플로센서 12: 흡기온도센서
13: 대기압센서 14: 스로틀센서
19: 냉각수온도센서 21: 크랭크각센서(엔진회전수센서)
23: 전자제어장치(ECU)(엔진제어수단, 추가연료제어수단)
35: 점화플러그
본 발명의 배기승온장치는, 상기 엔진이 배기승온을 필요로 하는 운전상태에 있을 때에는, 상기 주연료의 연소과정에서 생성되고 상기 압축행정 직후의 팽창행정중기 또는 그 이후의 팽창행정 중에 상기 연소실 내에 잔존하는 냉염(冷炎)반응생성물의 농도가 착화한계 농도에 가까워지도록 엔진제어 파라미터를 제어하는 엔진제어 수단과, 상기 엔진제어수단에 의한 상기 엔진제어 파라미터의 제어가 행하여지고 있을 때에는, 상기 연소실 내에 잔존하는 냉염반응생성물과 상기 추가연료의 냉염반응에 의해 새로히 생성되는 냉염반응생성물을 함유하는 전체 냉염반응생성물의 농도가 상기 착화한계 농도를 초과하도록 상기 팽창행정 중기 또는 그 이후의 팽창행정 중에 상기 연료분사밸브로부터 추가연료를 분사시키는 추가연료제어수단을 구비한다.
본 발명의 배기승온장치에 의하면, 엔진이 배기승온을 필요로 하는 운전상태에 있는 경우, 예를 들면 엔진의 배기정화촉매가 활성온도에 도달해 있지 않은 경우, 주연료의 냉염반응에 의해 생성된 냉염반응생성물의 일부가 잔존하고 있는 연소실 내에 추가연료가 분사되고, 추가연료의 냉염반응에 의해 새로운 냉염반응생성물이 생성된다. 이 결과, 연소실 내의 냉염반응생성물 농도가 착화한계 농도를 초과하여, 추가연료가 자기(自己)착화해서 연소한다. 이와 같이, 본 발명에서는 점화디바이스를 작동시키는 일 없이 또 주연료의 연소(주연소)에 의해서 발생하는 화염을 이용하는 일 없이 추가연료를 연소시킬 수 있다. 주연소에 의해 발생한 화염 속에 추가연료를 분사하기 위해 추가연료분사를 팽창행정 초기에 행하는 종래 기술과 달리, 본 발명의 추가연료분사는 팽창행정의 중기 이후에 실시된다. 이때문에 추가연료의 연소에 의해 발생한 열에너지는 엔진에서의 팽창일에 소비되는 일 없이 배기승온에 유효하게 이용된다.
이상의 설명에서 명백한 바와 같이, 「추가연료의 연소에너지를 배기승온에 유효하게 이용하려면 추가연료분사를 팽창행정의 중기 이후에 행하는 것이 유효하다」라는 본 발명자의 독자적 인식에 의거해서 본 발명은 창안된 것이다.
본 발명자들은 이하에 설명하는 고찰 및 실험을 거쳐서 상기의 인식에 이르렀다.
배기승온장치를 장비한 내연엔진에서는, 전형적으로는 전체 공연비를 이론공연비보다도 연소희박으로 하게 되는 양의 주연료(일반적으로는 가솔린)가 압축행정중의, 예를 들면 도 2의 크랭크각도위치CA1에서 연소실 내에 분사된다. 주연료는 그 분사에 앞서서 연소실 내에 흡입된 공기와 혼합하고, 또, 피스톤정상부의 캐비티를 따라서 선회하는 흡입공기흐름의 작용에 의해 캐비티 내에 유지된다.
주연료와 공기가 혼합하면, 발열을 수반하지 않는 냉염반응이 생긴다. 단, 불꽃이 관측되지 않는 경우도 있다. 이 냉염반응에서는, 과산화물이나 포름알데히드 등(예를 들면, CHO, H2O2, OH)과 같은 연쇄분기반응을 촉진시키는 활성화학반응종(種)(냉염반응생성물)이 생성된다. 이 냉염반응은, 혼합가스를 압축하거나 고온에 노출시킴으로써 진행한다.
도 2에 표시한 바와 같이, 기통내압Pe는, 주연료 분사시점(크랭크각도위치CA1)으로부터 점화시점(크랭크각도위치CA2)까지의 사이, 실린더헤드 쪽으로의 피스톤이동에 수반해서 비교적 완만하게 서서히 증대한다. 그 사이, 기통 내의 혼합기는 단열압축에 의해서 가열되고, 따라서, 도 3에 표시한 바와 같이, 냉염반응생성물 농도가 완만하게 서서히 증대한다. 도 3은 점화플러그 주위(농후혼합가스)의 특정 위치에서 관측되는 냉염반응생성물 농도를 크랭크각의 함수로서 표시한다.
피스톤이 상사점에 도달하기 전의, 예를 들면 도 2의 크랭크각도위치CA2에서점화플러그가 작동한다. 이 점화시기에는, 명칭 「혼합가스의 형성」을 붙여서 도1의 좌측 위에 표시한 바와 같이, 연소실 내에 있어서, 이론공연비 근처의 공연비를 가진 농후혼합가스가 점화플러그 주위에 형성되고, 이 농후혼합가스 주위에 희박혼합가스가 형성된다. 이 층형상 급기상태에서 점화플러그가 작동하면(도 1에 명칭 「점화」를 붙여서 표시함), 점화플러그의 전극 부근에 화염핵이 형성된다. 그리고, 화염핵의 형성을 계기로 점화플러그의 전극의 주위에서 냉염반응이 급속히 진행하고(도 1에 명칭 「냉염반응진행」을 붙여서 표시함), 이 결과, 냉염반응생성물이 급증한다.
그리고, 냉염반응생성물이 더욱 증대해서 연소실 내의 냉염반응생성물 농도가 어떤 평형농도 1NTD(착화한계농도)를 초과하면(도 3의 CA3시점), 냉염반응이 지수함수적으로 폭발적으로 진행하기 시작하여, 화염(열염)이 발생한다(명칭 「화염발생」을 붙여서 도 1의 우측 위에 표시함). 즉, 점화플러그 주위의 농후혼합가스에 착화한다.
이와 같이 화학반응과 발열을 수반해서 혼합가스가 착화하면, 기통내압Pe는 도 2에 실선으로 표시한 바와 같이 급격히 증대한다. 도 2중의 「DZ영역」은 점화로부터 착화에 이르는 크랭크각도영역을 표시한다. 또한, 혼합가스가 착화하지 않는 경우, 기통내압Pe는, 피스톤의 압축방향 이동에 따라서, 도 2에 파선으로 표시한 바와 같이 약간 증대한다.
혼합가스가 착화하면, 냉염반응과정으로부터 열염반응과정으로 이행한다. 그리고, 열염반응이 행하여지는 위치에서는 냉염반응생성물 농도가 급격히 감소하고,CO2나 H2O, 미연소탄화수소 THC(Total Hydro Carbons) 등의 최종 생성물의 농도가 도 3에 파선으로 표시한 바와 같이 급증한다. 또, 열염반응이 발생한 위치에 인접하는 위치에서는 열염으로부터 농후혼합가스에 반응열이 공급되고, 이에 의해 농후혼합가스의 냉염반응이 시작하여 당해 위치에서의 냉염반응생성물 농도가 급증해서, 열염반응이 개시된다. 이와 같이 해서 열염반응영역(화염 앞면)이 바깥쪽으로 퍼져서 화염이 전파해 간다(명칭 「화염전파」를 붙여서 도 1의 좌측 아래에 표시함). 이 결과, 기통내압Pe이 도 2에 표시한 바와 같이 급증한다.
그 후, 화염 앞면이 농후혼합가스와 희박혼합가스와의 경계까지 도달하나, 화염은 희박혼합가스에 전파되지 않고, 화염전파가 멈추어진다. 단, 희박혼합가스에는 농후혼합가스(열염반응영역)로부터 반응열이 공급되고, 희박혼합가스의 완만한 냉염반응이 발생하고, 그 후도 지속한다(도 1에 명칭 「냉염반응 지속」을 붙여서 표시함). 기통내압Pe는 도 2에 표시한 바와같이 급감한다.
도 4는 본 발명에 의한 배기승온을 위한 엔진제어(배기승온제어), 예를 들면 공연비 및 점화시기를 제어하면서 희박혼합가스 내의 특정위치에서 관측한 냉염반응생성물 농도를 크랭크각의 함수로서 표시한다. 도 4로부터 명백한 바와 같이, 농후혼합가스의 연소가 끝나는 팽창행정의 중기로부터 후기까지의 기간(도 2에 「WZ영역」으로 표시한 크랭크각영역)에서는 배기승온제어를 행함으로써 희박혼합가스에서의 냉염반응생성물 농도를 착화한계 농도에 가까운 높은 레벨로 유지할 수 있다. 즉, 주연료의 연소(주연소) 후에 있어서도, 기통 내에 상당한 양의 냉염반응생성물을 잔존시킬 수 있다.
이 상태에서 추가연료를 분사하면(도 2 및 도 4의 CA4시점), 추가연료가 기통 내의 고온분위기에 노출되게 되어 추가연료의 냉염반응이 신속하게 진행하여, 냉염반응생성물이 새로히 발생한다. 도 4로부터 명백한 바와 같이, 추가연료분사에 의해 새로히 발생한 냉염반응생성물과 주연소 후에 기통 내에 잔존하고 있던 냉염반응생성물을 함유하는 전체 냉염반응생성물의 농도(상세하게는, 희박혼합가스내의 상기 특정 위치에서의 농도)는 추가연료분사 직후에 착화한계 농도를 넘는다. 이 결과, 추가연료는 자기착화를 개시한다(명칭 「추가연료자기착화」를 붙여서 도1의 우측 아래에 표시함) 즉, 불꽃점화 없이 추가연료를 연소시킬 수 있다.
상기 설명을 요약하면, 추가연료분사 직전에서의 연소실 내의 냉염반응생성물 농도를 착화한계 농도에 가까운 값으로 제어하는 동시에, 추가연료분사 직후에서의 연소실 내의 냉염반응생성물 농도를 착화한계 농도를 넘는 값으로 제어함으로써 점화플러그 주위의 농후혼합가스의 연소가 끝나는 팽창행정의 중기 도는 그 이후의 팽창행정 중에 추가연료분사를 행하는 경우에도 추가연료를 자기착화시켜서 연소시킬수 있다. 즉, 추가연료를 연소시키기 위하여 점화플러그를 재작동시키거나, 화염전파 중(팽창행정 전기)에 추가연료를 분사할 필요가 없어진다. 또, 화염전파 중에 추가연료분사를 행하는 종래기술에 비해서 추가연료의 연소에너지 전체에 대한 팽창일에 소비되는 연소에너지부분의 비율을 저감할 수 있어, 추가연료의 연소에너지를 배기승온에 유효하게 이용할 수 있다.
본 발명자들은 배기승온을 위한 요건을 검토하기 위하여 이하의 실험을 행하였다.
제 1실험에서는 흡입공기량이 일정하다는 조건하에서 주연료에 의한 혼합가스의 공연비가 30이 되도록 주연료분사량을 설정하는 동시에 전체 공연비가 이론공연비(14.7)로 되도록 추가연료 분사량과 주연료 분사량과의 총량을 설정하고, 또, 엔진제어 파라미터치로서의 점화시기TRD를 압축상사점으로 설정했다. 그리고, 엔진운전 중, 주연료 및 추가연료의 분사량 및 점화시기를 상기의 설정치로 각각 제어하는 동시에, 다른 엔진제어 파라미터치로서의 추가연료 분사시기를 크랭크각도로 압축상사점 후 30° ∼110° 의 사이에서 변화시켜, 추가연료 분사시기마다의 배기온도 및 배기가스 속의 미연소탄화수소 농도를 계측하였다. 또, 점화시기TRD를 압축상사점 전 5° , 10° 및 15° 의 각각으로 설정해서 마찬가지의 실험을 행하였다. 이하의 설명에 있어서, 압축상사점, 압축상사점 전 및 압축상사점 후의 각각을 기호TDC, BTDC 및 ATDC로 표시한다.
제 2실험에서는 전체공연비가 40이 되도록 주연료 분사량을 설정했다. 환언하면, 주연료 분사량은 제 1실험에서의 것보다 적고, 도 1의 좌측 위에 표시한 「혼합가스의 형성」과정에서 점화플러그 주위에 형성되는 농후혼합가스부분은 작아진다. 주연료 분사량 이외의 실험조건은 제 1실험의 경우와 동일하다. 그리고, 점화시기TRD를 TDC로 설정하는 동시에 추가연료 분사시기를 크랭크각 30° ∼110° 의 범위에서 변화시키면서 배기온도를 계측하였다. 또, 점화시기TRD를 5° BTDC및 15° BTDC의 각각으로 설정해서, 마찬가지의 실험을 행하였다.
도 5는 제 1실험의 결과에 의거해서 작성한 그래프이며, 배기온도를 추가연료 분사시기 및 점화시기TRD의 함수로서 표시한다. 도 6은 제 2실험의 결과에 의거해서 작성한, 도 5와 마찬가지의 그래프이다. 도 7은 제 1실험의 결과에 의거해서 작성한 그래프이며, 배기온도 및 배기가스 속의 미연소탄화수소 농도를 점화시기TRD및 추가연료 분사시기의 함수로서 표시한다.
도 5∼도 7에 표시한 실험결과로부터 명백한 바와 같이, 추가연료 분사시기가 압축상사점 후 30° ∼110° 까지 변화하는 동안 배기온도에 2개의 피크가 나타난다. 제 1의 피크는 추가연료 분사시기를 팽창행정 초기(크랭크각도로 45° ATDC부근)에 설정했을 때에 나타나고, 제 2의 피크는 추가연료 분사시기를 팽창행정 중기 이후(크랭크각도로 90° ∼100° ATDC부근)에 설정했을 때에 나타난다.
추가연료 분사시기가 크랭크각 45° ATDC∼크랭크각 65° ATDC로 변화하는 동안에 배기온도가 저하하는 이유는 이와 같은 추가연료 분사시기 영역에서는 추가연료가 연소되지 않고 THC(Total Hydro Carbons)로서 배출되는 양이 증가하는 데에 있다고 생각된다.
또, 도 5∼도 7은 제 2의 피크가 제 1의 피크를 상회하는 경향이 있는 것을 표시한다. 이 이유는, 팽창행정 초기에 추가연료를 분사하는 것보다 팽창행정 중기 이후에 추가연료를 분사하는 편이 추가연료의 연소에너지 전체에 대한 팽창일에 소비되는 연소에너지부분의 비율이 적은 것에 있다고 생각된다. 즉, 팽창행정 중기 이후에서 추가연료 분사를 실시함으로써 추가연료의 연소에너지를 배기승온에너지로 효율좋게 변환할 수 있어, 추가연료량을 저감할 수 있다고 말할 수 있다.
도 5∼도 7에 표시한 실험결과로부터 주연료 점화시기TRD를 TDC쪽으로 지각(遲角:retard)시킬수록 배기온도가 상승하는 것이 명백해졌다. 이 이유는, 점화시기TRD를 지각시키면, 주연소가 완만해지고, 화염전파가 늦어지고, 화염이 충분히 전파되기 전에 기통내압이 저하하여, 소염(消炎)하는 데 있다고 생각된다. 그리고, 이 결과, 냉염반응생성물 농도가 증가하고, 추가연료의 연소속도가 증가하여, 큰 승온을 얻게 된 것이라고 생각된다.
또, 도 5와 도 6의 실험결과의 비교에서 명백한 바와 같이, 점화시기TRD를 TDC, 5° BTDC 및 15° BTDC의 어느 쪽에 설정했을 경우에도 주연료분사량을 전체공연비 30으로 설정하는 것보다 40이 되도록 설정하는 편이 큰 승온효과를 얻을 수 있다. 이 이유는, 주연소시의 공연비를 희박화하면 완만한 주연소가 발생하고, 점화시기를 지각했을 경우와 마찬가지 결과를 얻을 수 있는 데 있다고 생각된다.
도 5∼도 7의 실험결과는 배기온도를 위한 엔진운전에 있어서 점화시기의 지각, 공연비의 희박화 등을 실시함으로써 배기승온효과의 향상 및 THC배출량의 저감을 도모할 수 있는 것을 표시하고 있다. 도 3 및 도 4에 표시한 연소실 내의 냉염반응생성물 농도의 계측결과와 도 5∼도 7의 실험결과를 합쳐서 검토하면, 점화시기의 지각화, 공연비의 희박화 등에 의해 팽창행정 중기 또는 그 이후의 팽창행정중에 행하여지는 추가연료 분사의 직전에 있어서 연소실 내에 상당량의 냉염반응생성물을 잔존시킬 수 있고, 또, 추가연료 분사 직후에 있어서 착화한계 농도를 초과하는 냉염반응생성물 농도를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 점화시기의 지각화 및 공연비의 희박화를 실시함으로써 주연료의 연소는 완만하게 된다고 생각된다. 따라서, 주연료의 연소를 완만하게 할 수 있는 기타의 방법에 의해 배기승온효과를 얻을 수 있다.
도 5∼도 7의 실험결과에 비추어 보아, 배기승온효과를 얻기 위해서는, 보다 구체적으로는, 추가연료 분사시기를 냉염반응생성물이 많아지는 크랭크각도 70°ATDC∼110° ATDC(보다 바람직하게는 80° ATDC∼100° ATDC)의 범위 내의 값으로 설정하는 것이 좋다. 크랭크각도범위 70° ATDC∼110° ATDC는 팽창행정의 중기 이후의 팽창행정부분에 대응한다.
또, 도 5∼도 7의 실험결과 및 이에 대한 본 발명자의 고찰에 의하면, 배기승온에는, 점화시기 설정수단을 포함한 엔진제어수단을 사용해서 점화시기를 크랭크 각도로 10° BTDC∼5° ATDC의 범위 내의 값으로 설정하고, 이에 의해 주연료의 점화시기를 지각시켜서 주연료를 완만하게 연소시키는 것이 좋다.
또, 층형상연소(주연소)의 안정성을 고려하면, 점화시기를 5° BTDC∼TDC의 범위 내의 값으로 설정하는 것이 바람직하다. 이 경우, 공연비제어수단을 포함한 엔진제어수단을 사용해서 층형상연소시의 공연비를 25 이상으로 설정해서, 주연료를 완만하게 연소시키는 것이 좋다. 보다 바람직하게는, 층형상연소(주연소)의 안전성을 높이기 위해 층형상연소시의 공연비를 30∼40 정도로 설정하는 것이 좋다. 이 경우, 점화시기를 지각시키지 않아도 배기승온효과를 얻을 수 있다.
어떻든, 점화시기설정수단 및 공연비제어수단의 적어도 한 쪽을 포함한 엔진제어수단을 사용해서 엔진이 배기승온을 필요로 하는 운전상태에 있는 동안 배기승온를 필요로 하지 않는 엔진운전상태에서 행하여지는 엔진제어(층형상연소제어)의 경우보다도 점화시기를 지각 쪽으로 제어하고, 또는, 공연비를 희박 쪽으로 제어함으로써 소요의 배기승온을 달성할 수 있다.
본 발명의 배기승온장치는 연료분사밸브로부터 연소실 내에 직접 분사된 연료를 불꽃전화시켜서 희박연소시키도록 구성한 기통내분사형 내연엔진에 적합하다.
기통내분사형 엔진은 흡기행정 중에 연료를 분사하는 흡기행정 분사모드에서도 운전가능하도록 구성할 수 있다. 이 경우, 압축행정 분사모드 또는 흡기행정 분사모드의 어느 한 쪽이 엔진부하에 따라서 선택된다. 흡기행정 분사모드는 전체 공연비가 농후공연비 또는 이론공연비가 되도록 연료분사량을 설정하는 흡기행정 농후분사모드와, 전체 공연비가 희박하게 되도록 연료분사량을 설정하는 흡기행정 희박모드를 포함하는 것이라도 된다. 흡기행정 희박모드에서는 흡입공기흐름에 의한 흐트러짐을 이용한 희박연소가 행하여진다.
본 발명의 배기승온장치는 압축행정 분사모드 또는 흡기행정 분사모드의 어느 선택된 한 쪽에 의해 운전가능한 기통내분사형 엔진에 적용가능하다. 이 경우, 배기승온시에는 엔진을 압축행정 분사모드에 의해 운전하는 것이 바람직하다.
본 발명의 배기승온장치는 배기가스정화장치를 구비한 내연엔진에 적용된다. 배기가스정화장치는 배기가스 속의 CO, HC 및 NOx를 정화하는 3원기능을 가진 3원촉매, 또는, 층형상연소시 또는 희박연소시에 주로 NOx를 정화하는 3원기능을 가진 3원촉매, 또는, 층형상연소시 또는 희박연소시에 주로 NOx를 정화하는 희박NOx촉매의 어느 한 쪽 또는 쌍방을 구비하는 것이라도 된다. 희박NOx촉매의 하류에 3원촉매를 가진 배기가스정화장치에는 희박NOx촉매에서의 NOx정화가 3원촉매에 의해 방해되는 일이 없고, 또, 회박NOx촉매에 의해 충분히 정화할 수 없었던 CO나 HC를 3원촉매에 의해 확실하게 정화할 수 있다고 하는 이점이 있다. 또, 배기가스정화장치는 3원촉매기능을 가진 희박NOx촉매만을 가진 것이라도 된다.
이하, 도면을 참조해서 본 발명의 제 1실시예에 의한 배기승온장치 및 이것을 장비한 기통내분사 가솔린엔진을 상세히 설명한다.
도 8에 있어서, 참조부호(1)는 자동차용의 불꽃점화식기통내분사형 직렬 4기통 가솔린엔진(이하, 단순히 엔진이라 기재함)을 표시한다. 엔진(1)은 그 1작동사이클이 흡기, 압축, 팽창, 배기행정으로 이루어진 4사이클엔진이며, 또, 연소실(1a)을 비롯하여 흡기장치나 EGR장치(10) 등이 기통내분사 전용으로 설계되어 있다.
엔진(1)의 실린더헤드에는 각 기통마다 점화플러그(35)와 함께 전자식의 연료분사밸브(8)가 장착되며, 연료분사밸브(8)로부터 연소실(1a) 내에 직접연료가 분사되도록 되어 있다. 또, 실린더 내를 왕복동하는 피스톤의 정상면에는 반구(半球)형상의 캐비티(도 10 및 도 11)가 형성되고, 피스톤이 상사점 근처에 도달했을 때에 연료분사밸브(8)로부터 연료를 분사했을 경우에 연료분무가 캐비티 내에 도달하도록 되어 있다. 또, 이 엔진(1)의 이론압축비는 흡기관분사형의 것에 비해서 높게(본 실시예에서는 12정도) 설정되어 있다. 밸브구동기구로서는 DOHC4밸브식이 채용되고 있으며, 실린더헤드의 상부에는 흡배기밸브(4),(5)를 각각 구동하기 위해흡기쪽 캠샤프트와 배기쪽 캠샤프트가 회전자재하게 유지되어 있다.
실린더헤드에는 양 캠샤프트의 사이를 빠져나가도록 해서, 대략 직립방향으로 흡기포오트(2a)가 형성되어 있으며, 이 흡기포오트(2a)를 통과한 흡기흐름이 연소실(1a) 내에서 후술하는 역텀블흐름을 발생시키도록 되어있다. 배기포오트(3a)는 통상의 엔진의 경우와 마찬가지로 대략 수평방향으로 형성되고, 큰 직경의 EGR포오트(도시생략)가 배기포오트로부터 비스듬하게 분기되어 있다. 도 8중, 참조부호(19)는 엔진냉각수온Tw를 검출하는 수온센서이며, (21)은 각 기통의 소정의 크랭크위치(본 실시예에서는 5° BTDC 및 75° BTDC)에서 크랭크각신호SGT를 출력하는 크랭크각센서이고, (34)는 점화플러그(35)에 고전압을 출력하는 점화코일이다. 또한, 크렝크샤프트의 절반의 회전수로 회전하는 캠샤프트에는 기통판별신호SGC를 출력하는 기통판별센서(도시생략)가 배설되어 있으며, 이 센서로부터의 신호SGC에 의해서 크랭크각신호SGT가 어느 기통의 것인지가 판별된다.
도 8에 표시한 바와 같이, 흡기포오드(2a)에는 서지탱크(2b)를 가진 흡기매니폴드(2)를 개재해서 에어클리너(6a), 스로틀보디(6b), 스텝모터식의 아이들스피드제어밸브(이하, 아이들조정밸브라 함))(16)을 구비한 흡기관(6)이 접속되어 있다. 또, 흡기관(6)에는 스로틀보디(6b)를 우회해서 흡기매니폴드(2)에 흡입공기를 도입하는 대직경의 에어바이패스파이프(50a)가 병설되어 있으며, 그 관로에는 리니어솔레노이드식이고 대형의 에어바이패스밸브(ABV밸브라함)(50)이 배설되어 있다. 또한, 에어바이패스파이프(50a)는, 흡기관(6)에 준하는 유로(流路)면적을 가지고 있으며, ABV밸브(50)의 완전개방시에는 엔진(1)의 저중속영역에서 요구되는 양의흡입공기가 유통가능하게 되어있다. 한편, 아이들조정밸브(16)는 ABV밸브(50)보다도 작은 유로면적을 가지고 있으며, 흡입공기량을 정밀도좋게 조정하는 경우에 사용된다.
스로틀보디(6b)에는 유로를 개폐하는 나비식의 스로틀밸브(7)와, 스로틀개방도θth를 액셀개방도정보로서 검출하는 스로틀센서(14)와, 스로틀 완전폐쇄상태를 검출하는 아이들스위치(15)가 구비되어 있다. 또, 에어클리너(6a)의 내부에는 흡기밀도를 구하기 위한 흡기온도센서(12) 및 대기압센서(13)가 배설되어 있으며, 대기압Pa 및 흡기온도Ta를 표시하는 출력신호를 각각 출력한다. 또, 흡기관(6)의 입구 근처에는 카르만소용돌이식의 에어플로센서(11)가 배설되어 있으며, 1흡기행정당의 체적공기유량Qa에 비례한 소용돌이발생신호를 출력한다.
또, 상기한 EGR포오트는 대직경의 EGR파이프(10b)를 개재해서 스로틀밸브(7)의 하류, 또한, 흡기매니폴드(2)의 상류에 접속되어 있으며, 그 관로에는 스텝모터식의 EGR밸브(10a)가 배설되어 있다.
한편, 배기포오트(3a)에는 O2센서(17)가 장착된 배기매니폴드(3)가 접속되어 있다. 또, 배기가스정화용 촉매콘버터(9)나 도시생략의 머플러 등을 구비한 배기파이프(배기통로)(3b)가 배기매니폴드(3)에 접속되어 있다. O2센서(17)는 배기가스 속의 산소농도를 검출해서 검출신호를 출력한다. 또, 촉매(9)의 하류 쪽에는 촉매 또는 그 근처의 온도(이하 이것을 촉매온도라 함)Tcc를 검출하는 촉매온도센서(26)가 장착되어 있다. 그리고, 연소실(1a)로부터 배기매니폴드(3)에 배출된 배기가스는촉매콘버터(9)에 의해 배기가스 속의 CO, HC, NOx의 3개의 유해성분이 정화된 후, 머플러에 의해 소음되어서 대기 쪽으로 방출되도록 되어 있다.
촉매(9)는, 희박NOx촉매(9a)와 3원촉매(9b)를 조합한 것으로서, 공연비를 연료희박 쪽(희박 쪽)으로 하면서 절약운전을 행하는 것을 기도(企圖)한 엔진(1)에 적합하다. 3원촉매(9b)는 이론공연비하에서 배출가스 속의 CO, HC 및 NOx를 정화한다. 희박NOx촉매(9a)는, 희박운전시, 3원촉매(9b)만으로는 충분히 정화할 수 없는 배기가스 속의 NOx를 정화한다. 3원촉매(9b)는 희박NOx촉매(9a)의 하류에 배설되며, 이에 의해 희박NOx촉매(9a)에서의 NOx정화가 3원촉매(9b)에 의해 방해되는 일이 없고, 또, 희박NOx촉매(9a)에 의해 충분히 정화할 수 없었던 CO나 HC를 3원촉매(9b)에 의해 확실하게 정화가능하다. 또한, 희박NOx촉매가 3원기능을 가진 경우에는 희박NOx촉매만을 배치해도 된다.
차체 후부에는 도시생략의 연료탱크가 설치되고, 도시생략의 연료공급계를 개재해서 연료분사밸브(8)에의 연료공급이 행하여진다. 즉, 연료탱크 내에 저장된 연료는 전동식의 저압연료펌프에 의해 빨아 올려져, 저압피드파이프를 개재해서 엔진(1) 쪽으로 송급된다. 엔진(1) 쪽으로 송급된 연료는 실린더헤드에 장착된 고압연료펌프에 의해 고압피드파이프와 딜리버리파이프를 개재해서 각 연료분사밸브(8)에 송급된다.
차실 내에는 ECU(전자제어유닛)(23)이 설치되어 있으며, 이 ECU(23)에는 도시생략의 입출력장치, 제어프로그램이나 제어맵 등의 기억에 도움이 되는 기억장치(ROM, RAM, 불휘발성RAM 등), 중앙처리장치(CPU), 타이머카운터 등이 구비되어, 엔진(1)의 종합적인 제어를 ECU(23)에 의해 행하도록 하고 있다.
ECU(23)의 입력 쪽에는, 작동시에 엔진(1)의 부하가 되는 에어콘장치, 파워스티어링장치, 자동변속장치 등의 작동상황을 검출하는 스위치류 등이 각각 접속되고, 각 검출신호가 ECU(23)에 공급된다. 또한, ECU(23)에는 상기한 각종의 센서류나 스위치류 외에 도시생략의 다수의 스위치나 센서류가 입력 쪽에 접속되어 있으며, 출력 쪽에는 각종 경고등이나 기기류 등이 접속되어 있다.
ECU(23)는 상기한 각종 센서류 및 스위치류로부터의 입력신호에 의거하여, 연료분사모드나 연료분사량을 비롯하여 연료분사 종료시기, 점화시기나 EGR가스의 도입량 등을 결정하고, 연료분사밸브(8), 점화코일(34), EGR밸브(10a) 등을 구동제어 한다.
다음에, 엔진(1)의 통상제어, 즉, 후술하는 배기승온제어를 행하지 않는 경우의 제어에 대해서 간단히 설명한다.
냉기시의 엔진시동에 있어서, ECU(23)는, 흡기행정 분사모드를 선택하고, 비교적 농후한 공연비가 되도록 연료를 분사한다. 이것은, 냉기시에는 연료의 기화율이 낮기 때문에 압축행정 분사모드에 의해 분사를 행하였을 경우, 실화나 미연소 연료의 배출을 피할 수 없기 때문이다. 또, ECU(23)는 엔진시동시에는 ABV밸브(50)를 폐쇄한다. 이 경우, 연소실(1a)에의 흡입공기의 공급은 스로틀밸브(7)와 흡기관(6)의 둘레벽과의 틈새나 아이들조정밸브(16)가 배설된 바이패스통로를 개재해서 행하여진다. 또한, 아이들조정밸브(16)와 ABV밸브(50)는 ECU(23)에 의해 일원 관리되고 있으며, 스로틀밸브(7)를 우회하는 흡입공기(바이패스에어)의 필요도 입량에 따라서 각각의 밸브개방량이 결정된다.
시동 후 냉각수온Tw가 소정치로 상승할 때까지는 ECU(23)는 엔진시동시와 마찬가지로 흡기행정 분사모드를 선택해서 연료를 분사하는 동시에, ABV밸브(50)를 계속해서 폐쇄한다. 또, 에어콘 등의 보조기기류의 부하의 증감에 따른 아이들회전수의 제어는 흡기관분사형엔진의 경우와 마찬가지로 아이들조정밸브(16)의 개방도조정에 의해서 행하여진다. 필요에 따라서 ABV밸브(50)도 개방된다. 또, O2센서(17)가 활성온도에 도달하면, ECU(23)는 O2센서(17)의 출력전압에 따른 공연비피드백제어를 개시하고, 유해배출가스성분을 촉매(9)에 의해 정화시킨다. 이와 같이, 냉기시에 있어서는 흡기관분사형엔진의 경우와 거의 마찬가지의 연료분사제어가 행하여지나, 기통내분사형 엔진(1)에서는 흡기포오트 벽면에의 연료방울의 부착등이 없기 때문에 제어의 응답성이나 정밀도는 높게 된다.
엔진(1)의 난기(暖機)가 종료하면, ECU(23)는 스로틀개방도θth 등으로부터 얻은 목표기통내유효압(목표부하)Pe와 엔진회전수Ne에 의거하여 도 9의 연료분사제어맵으로부터 현재의 연료분사 제어영역을 검색하고, 제어영역에 적합한 연료분사모드와 연료분사량을 결정해서 연료분사밸브(8)를 구동하는 외에 ABV밸브(50)나 EGR밸브(45)의 밸브개방제어 등도 행한다.
예를 들면, 아이들운전시 등의 저부하·저회전 운전시에는 도 9중 사선으로 표시한 압축행정 분사희박영역에서의 엔진운전이 행하여진다. 이 경우, ECU(23)는압축행정 분사모드를 선택하고, ABV밸브(50) 및 EGR밸브(10a)를 엔진운전상태에 따라서 개방하여 희박한 공연비(본 실시예에서는 20∼40정도)가 되게 하는 양의 연료를 분사한다. 이 연료분사에 앞서서 흡기포오트(2a)로부터 유입한 흡기류는 도10에 화살표로 표시한 역텀블흐름(80)을 형성하고, 이 역텀블흐름의 작용하에서, 연료분무(81)가 피스톤의 캐비티 내에 보존된다. 그 결과, 점화시점에 있어서 점화플러그(35)의 주위에는 이론공연비 근처의 혼합가스가 형성된다. 또, 난기종료후는 연료의 기화율이 상승해 있다. 따라서, 전체적으로 극히 희박한 공연비(예를 들면, 전체 공연비로 50정도)에서도 착화가 가능하게 된다. 이와 같은 희박공연비에서의 엔진운전에 의해 CO나 HC의 배출이 극히 소량으로 되는 동시에, 배기가스의 환류에 의해서 NOx의 배출량도 낮게 억제된다. 그리고, ABV밸브(50) 및 EGR밸브(10a)를 개방해서 다량의 공기 및 배기가스를 공급함으로써 펌핑로스를 저감한다. 희박공연비운전과 펌핑로스저감이 서로 어울려서 연비가 대폭적으로 향상한다. 그리고, 부하의 증감에 따른 아이들회전수의 제어는 연료분사량의 증감에 의해 행하기 때문에 제어응답성도 매우 높아진다.
또한, 압축행정 분사모드에 있어서는, 분사밸브(8)로부터 분사된 연료분무가 상기한 역텀블흐름을 타서 점화플러그(35)에 도달하지 않으면 안되거니와, 점화시점까지 연료가 증발해서 점화 용이한 혼합가스가 형성되어 있지 않으면 안된다. 또, 평균공연비가 20 이하로 되면, 점화플러그(35) 근처에 있어서 국소적으로 과농후의 혼합가스가 생성되어서 소위 농후실화가 발생한다. 한편, 평균공연비가 40이상으로 되면, 희박한계를 넘어서, 소위 희박실화가 발생하기 쉬워진다. 이 때문에 후술하는 바와 같이 연료분사 개시 및 종료의 타이밍이나 점화의 타이밍이 정확하게 제어되는 동시에, 평균공연비가 20∼40의 범위가 되도록 설정된다. 평균공연비가 20 이하가 되게 하는 양의 연료의 공급이 필요한 경우에는 후술하는 흡기행정 분사모드로 절환된다.
또, 저중속 주행시는, 엔진은 도 9중의 흡기행정 희박 혹은 스토이키오 피드백영역(이론공연비 피드백 제어영역)에서 운전된다. 이 경우, ECU(23)은 흡기행정 분사모드를 선택한다.
상세하게는, 평균유효압Pe와 엔진회전수Ne로 표시되는 엔진운전상태가 흡기행정 희박영역에 들어가 있으면, 흡기행정 희박분사모드가 선택되고, 비교적 희박한 공연비(예를 들면 20∼23정도)가 되도록 ABV밸브(50)의 밸브개방량과 연료분사량을 제어한다. 흡기행정희박분사모드에 있어서도, 도 11에 표시한 바와 같이 흡기포오트(2a)로부터 유입한 흡기흐름이 역텀블흐름(80)을 형성하고, 역텀블흐름에 의한 흐트러짐의 효과가 발생한다. 이 때문에 연료분사 개시시기 또는 종료시기를 조정함으로써 희박한 공연비에서도 착화가 가능하게 된다.
엔진이 스토이키오 피드백영역(S-FB영역)에서 운전되고 있는 경우, S-FB제어모드를 선택해서 ABV밸브(50)를 폐쇄하고 EGR밸브(10a)를 개폐제어하는 동시에(단, EGR밸브(10a)의 개폐제어는 엔진이 S-FB영역의 특정 영역 내에 있을 때에만 행하여진다), O2센서(17)의 출력전압에 따라서 공연비 피드백제어를 행한다. S-FB영역에서는 고압축비화에 의해 종래의 흡기관분사형의 엔진에 비해서 큰 출력을 얻을 수 있는 동시에, 배기가스환류에 의한 NOx저감에 더하여, 유해배출가스성분이 촉매(9)에의해 정화된다.
그리고, 급가속시나 고속주행시는 도 9중의 오픈루프제어영역이 되기 때문에 ECU(23)는 오픈루프 제어모드(흡기행정 분사모드)를 선택하고, ABV밸브(50)를 폐쇄하여, 스로틀개방도θth나 엔진회전속도Ne 등에 따라서 비교적 농후한 공연비가 되도록 연료를 분사한다. 이 때에는 압축비가 높은 것과 흡기흐름이 역텀블흐름(80)을 형성하는 것 외에 흡기포오트(2a)가 연소실(1a)에 대해서 거의 직립하고 있기 때문에 관성효과에 의해서도 높은 엔진출력을 얻을 수 있다.
또, 중고속 주행중의 타행(惰行)운전시는 도 9중의 연료커트영역이 되기 때문에 ECU(23)는 연료분사를 완전히 정지한다. 이에 의해, 연비가 향상되는 동시에, 유해배출가스성분의 배출량도 저감된다. 또한, 연료커트는 엔진회전속도Ne가 복귀회전속도에 의해 저하했을 경우나, 운전자가 액셀패달을 밟았을 경우에는 즉시로 중지된다.
다음에, 본 발명에 관한 배기승온 제어순서에 대해서 도 12에 표시한 순서도를 참조해서 설명한다.
도 12에 표시한 배기승온 제어루틴은 상기한 통상의 제어가 실행되고 있는 동안 크랭크각센서(21)로부터 크랭크각신호SGT가 출력될 때마다 실행된다.
ECU(23)은 먼저 스텝S10에 있어서, 촉매온도Tcc, 냉각수온Tw, 흡입공기유량Qa, 스로틀개방도θth, 엔진회전수Ne, 대기압Pa, 흡기온도Ta 등의, 각종 센서에 의해 각각 검출되는 각종 엔진운전상태량을 판독한다. 그리고, 스텝S12로 나아가, 촉매온도센서(26)에 의해 검출된 촉매온도Tcc가 촉매활성 판별온도Tcw를 상회하는지 여부를 판별함으로써 촉매(9)가 활성상태에 있는지 여부를 판별한다. 이 촉매활성 판별온도Tcw는 촉매가 활성화하는 하한온도에 의거해서 결정된다. 촉매활성 판별온도Tcw는, 예를 들면, 이 촉매활성 하한온도와 어떤 소정온도와의 가산치로 설정된다. 이 촉매활성 하한온도는 본 실시예에 관한 희박NOx촉매(9a)에서는 400° 정도이다.
스텐S12에서의 촉매활성판별에 있어서, 촉매온도Tcc가 촉매활성 판별온도Tcw를 상회하는지 여부를 판별하는 것만이 아니고, 배기승온제어 금지조건의 성립유무를 판별해도 된다.
배기온도제어 금지조건은, 예를 들면, 하기 요건 ①또는 ②의 어느 한 쪽 또는 쌍방이 만족되지 않을 때에 성립한다.
①엔진시동 후에 있어서 엔진회전수Ne가 소정회전수를 초과하거나 또는 엔진회전수가 안정되는데 통상 소요되는 시간(예를 들면 4초 정도)이 엔진시동시로부터 경과하였다.
②배기승온제어 중에 공기량조정수단의 작동상태(예를 들면, 스로틀밸브의 개방도)에 변화가 없다.
공기량조정수단의 작동상태가 변화했을 때에 배기온도제어를 금지하는 이유는 이하와 같다. 공기공급량 증대방향으로의 공기량조정수단의 작동상태변화는 엔진의 가속요구가 있었던 것을 표시한다. 이 경우, 연료분사량이 증가되므로 배기승온제어를 행하지 않아도 배기가스온도가 상승할 수 있다. 한편, 공기량 감소방향으로의 공기량조정수단의 작동상태변화가 엔진의 중고속 운전 중에 발생하였을 경우,연료커트제어가 행하여져서 주연료의 공급이 정지된다. 이 경우, 배기승온제어를 실시하기 위해 추가연료만을 공급해도 추가연료를 연소시킬 수는 없다. 또, 연료커트영역에서 주연료 및 추가연료를 공급하면 운전자의 감속의지에 따른 감속운전을 행할 수 없게 된다.
이하의 설명에서는 스텝S12에 있어서 촉매활성 온도판정 및 배기승온제어 금지조건판정의 쌍방을 행하는 경우에 대해서 설명한다.
스텝S12에서의 판별결과가 긍정, 즉, 촉매온도Tcc가 촉매활성 판별온도Tcw보다도 높거나 또는 배기승온금지조건이 성립하고 있으면, 촉매(9)가 활성상태에 있거나 혹은 배기승온제어의 실시는 불필요 또는 부적절하다고 판별해서, 스텝S14로 나아간다.
스텝S14에서는 상기한 통상의 엔진제어가 실행되어, 주연료분사만이 행하여지고, 추가분사는 행하지 않는다. 즉, 엔진운전상태에 따라서 상기한 압축행정 분사모드제어 또는 흡기행정 분사모드제어가 실행된다.
한편, 스텝S12에서의 판별결과가 부정, 즉, 촉매온도Tcc가 촉매활성 판별온도Tcw보다도 낮고 또한 배기승온제어 금지조건이 성립되지 않는 경우에는 촉매(9)는 불활성상태에 있고 또한 배기승온제어의 실시를 허용할 수 있다고 판별해서 이하의 배기승온제어가 실행된다.
이 배기승온제어는 주연료분사를 압축희박모드에 의해 행하고, 그 점화시기도 지각제어된다. 보다 상세하게는, 먼저 스텝S16에 있어서, 점화시기θRD를 리터드맵(도시생략)으로부터 판독한다. 이 리터드맵은 상기한 도 5∼도 7의 실험결과와 유사한 실험데이터에 의거해서 작성되고, ECU(23)의 기억장치에 격납되어 있다. 자세하게는, 배기승온제어시의 주연료분사의 점화시기θRD는, 촉매온도Tcc, 목표배기온도, 엔진냉각수온도Tw 등에 따라서 리터드맵으로부터 판독되며, 또 대기압Pa나 흡기온도Ta에 따라서 흡기밀도 보정이 행하여진다. 어떻든, 점화시기θRD는 크랭크각도로 10° BTDC∼5° ATDC의 범위 내의 적당한 값으로 설정된다.
다음에, 스텝S18에 있어서, 수온센서(19)에 의해서 검출된 냉각수온도Tw가 소정의 판별온도Two(예를 들면, 50℃)보다도 작은지 여부를 판별한다.
도 5와 도 6과의 비교로부터 명백한 바와 같이, 추가연료공급에 의해 배기온도를 상승시키기 위해 주연료의 연소에 이어서 추가연료를 연소시키는 2단연소를 행할 경우에는 주연료분사시의 공연비는 40정도의 큰 값으로 설정하는 것이 승온효과상 유리한다. 그러나, 엔진온도가 낮을 때에는 공연비 40정도의 희박혼합가스를 안정적으로 연소시킬 수 없는 일이 있다.
그래서, 본 실시예에서는, 엔진온도가 낮을 때에는 주연료의 안정연소를 도모할 수 있게 되는 값의 목표공연비AF를 설정하고, 엔진온도가 낮지 않을 때에는 목표공연비AF를 저엔진온도시의 값보다 큰 값으로 설정해서 배기승온효과를 향상시키도록 하고 있다. 또, 목표공연비AF의 값을 엔진운전상태에 따라서 변화시키고 있다.
보다 구체적으로는, 엔진온도에 적합한 목표공연비AF를 용이하게 설정할 것을 기도해서, 본 실시예에서는, 저엔진온도시의 목표공연비AF를 엔진운전상태마다(엔진회전수Ne와 목표평균유효압Pe와의 조합마다) 미리 실험에 의해 구하고, 이 실험결과에 의거해서 저엔진온도용의 도 13에 표시한 제 1희박화 맵(AF=f(Ne, Pe))를 작성해서 ECU(23)의 기억장치에 격납하고, 또, 통상 엔진온도영역용의 제 2희박화 맵(도 14)을 제 1희박화 맵과 마찬가지로 작성해서 기억장치에 격납하여, 어느 한쪽의 맵을 엔진냉각수온도Tw에 따라서 선택하도록 하고 있다.
제 1희박화 맵에서의 목표공연비AF의 값Cij(i=1,2,3…;j=1,2,3,…)는, 제 2희박화 맵에서의 목표공연비AF의 값Dij보다 작다. 첨자ij가 동일한 값C 및 D는 동일 엔진운전상태(엔진냉각수온도Tw를 제외함)에서 사용된다. 예를 들면, 제 1희박화맵의 값C22는 30으로 설정되고, 값C22와 동일 엔진운전상태에서 사용되는 제 2희박화맵의 값D22는 40으로 설정되어 있다.
스텝S18에서의 판별결과가 긍정, 즉 냉각수온도Tw가 판별온도Two보다 낮으면, 스텝S20에 있어서, 도 13에 표시한 제 1희박화 맵으로부터 목표부하Pe와 회전수Ne에 의거하여 목표공연비AF를 판독한다. 목표평균유효압Pe는 운전자가 바라는 엔진출력과 상관하고 있고, 스로틀개방도θth와 엔진회전수Ne로 표시할 수 있다. 본 실시예에서는, 목표공연비의 판독에 사용하는 목표평균유효압Pe는 미리 작성되어 기억장치에 격납해 둔 목표평균유효맵(도시생략)으로부터 판독함으로서 구할 수 있다.
스텝S18에서의 판별결과가 부정, 즉 냉각수온도Tw가 판별온도Two 이상이면,불안정연소의 염려는 없다고 판단해서, 스텝S22에 있어서, 도 14에 표시한 제 2희박화 맵으로부터 목표부하Pe와 회전수Ne에 의거하여 목표공연비AF를 판독한다.
따라서, 목표평균유효압Pe 및 엔진회전수Ne가 동일하다고 해도 엔진냉각수온도Tw가 판별온도Two보다도 작으면, 목표공연비AF는 냉각수온도Tw가 판별온도Two 이상인 때의 값Dij보다도 작은 값Cij로 설정되고, 이에 의해 주연료의 안정연소를 도모할 수 있다.
이어서, 스텝S24에 있어서, 제 1 또는 제 2희박화 맵으로부터 판독한 목표공연비AF를 사용해서, 주연료 분사시간(연료분사밸브(8)의 밸브개방시간)Tinjm을 다음식(M1)에 의해 연산한다.
Figure pat00001
여기서, K는 연료를 밸브개방시간으로 변환하는 변환계수(정수);Qa는 1흡기 행정당의 체적흡입공기유량 ; γ는 흡입공기밀도; AF는 스텝 S24에서 판독한 목표공연비; Kwt, Kaf…등은 엔진수온Tw 등에 따라서 설정되는 각종 보정계수; kg는 분사밸브(8)의 게인보정계수; TDEC는 목표평균유효압Pe와 엔진회전수Ne에 따라서 설정되는 무효시간보정치이다.
주연료 분사시간Tinjm의 연산이 끝나면, 스텝S26에 있어서 추가연료의 분사시간을 Tinja를 다음식(M2)에 의해 연산한다.
Figure pat00003
여기서, 이론AF는 이론공연비(14.7)를 표시하며, AF는 스텝S24에서 판독한목표공연비를 표시한다.
본 실시예에서는, 식(M2)에서 명백한 바와 같이, 추가연료 분사시간Tinja 나아가서는 추가연료 분사량은 기본적으로는, 주연소 후의 기통 내에 잔존하는 산소량(Qa×γ{(1/이론AF)-(1/AF)})에 따라서 설정되고, 또, 냉각수온도Tw 등의 엔진운전상태(보정계수Kwt 등에 대응)에 따라서 보정된다. 즉, 추가연료 분사량은 1기통 1사이클당의 전체연료 분사량(주연료 분사량과 추가연료 분사량과의 가산치)과 1기통 1사이클당의 흡입공기량Qa로부터 구해지는 1기통 1사이클당의 공연비가 배기승온효과를 얻는데 있어서 적합한 소정 공연비(여기서는 이론공연비)와 냉각수온도 Tw 등의 엔진운전상태에 따른 총목표공연비가 되도록 설정한다. 환언하면, 추가 연료분사량은 1기통 1사이클당의 공연비가 엔진운전상태에 따라서 소정 공연비 근처에서 변화하는 총목표공연비가 되도록 설정된다. 예를 들면, 엔진회전수1500rpm에서 주연소의 안정화를 도모하려면, 상기의 목표공연비를 이론공연비보다도 약간 희박쪽의 값(예를 들면 15정도)으로 설정하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 주연료 분사량과 추가연료 분사량의 연산이 끝나면, 스텝S28에 있어서 주연료분사와 점화를 행한다.
주연료분사는 가장 안정적으로 점화를 할 수 있는 시기에 혼합가스를 점화플러그(35) 근처에 도달가능하게 하는 시기에 개시하는 것이 바람직하다. 이 때문에 본 실시예에서는 주연료 분사개시시기를 점화시기θRD의 함수로서 미리 설정한 맵을 참조해서, 스텝S16에서 설정된 점화시기θRD에 따라서 주연료분사의 개시시기를 결정하도록 하고 있다. 그리고, 압축행정중의, 이와 같이 설정한 주연료 분사개시시기에 연료분사밸브(8)를 개방구동해서 주연료의 분사를 개시한다.
이어서, 스텝S30으로 나아가, 팽창행정 중기의 소정 시기에 추가연료분사가 행하여진다. 추가연료의 분사개시시기는 도 5∼도 7에 표시한 실험결과에 비추어 보아, 팽창행정 중기의, 예를 들면 크랭크각도 90° ATDC에 고정해도 된다. 본 실시예에서는 최대승온효과를 얻을 수 있는 최적의 추가연료 분사개시시기가 대기압Pa나 흡기온도Ta 등의 엔진운전 환경조건에 따라서 변화하는 것을 고려해서 엔진운전 환경조건마다의 최적 추가연료 분사개시시기를 미리 실험적으로 설정해서 ECU(23)의 기억장치에 맵형식으로 격납하도록 하고 있다. 그리고, 이 맵(도시생략)을 참조해서, 대기압Pa 등에 따라서 최적의 추가연료 분사시기를 설정한다.
ECU(23)는 이와 같이 설정한 추가연료 분사개시시기의 도래를 기다려서 연료분사밸브(8)를 개방구동하여 추가연료의 분사를 행한다. 이 추가연료 분사시점에서는 주연료분사에 의해서 연소실(1a) 내에 형성된 희박혼합가스부분에 냉염반응생성물이 착화한계 근처의 농도로 존재하고 있다. 그리고, 기통 내의 고온분위기에 분사된 추가연료로부터 새로운 냉염반응생성물이 발생하고, 잔존 냉염반응생성물과 새로운 냉염반응생성물을 함유하는 전체 냉염반응생성물은 그 농도가 착화한계 농도를 초과한다. 이 때문에 추가연료가 자기착화하여 추가연료의 연소가 개시된다. 추가연료에 의한 발생 열에너지는 팽창일에 소비되는 일 없이 확실하게 배기를 승온시킨다.
이하, 본 발명의 제 2실시예에 의한 배기승온장치를 설명한다.
주연소시의 목표공연비AF의 설정에 있어서 엔진냉각수온도Tw가 판별온도Two 보다도 작은지 아닌지에 따라서 제 1 또는 제 2희박화 맵의 어느 한 쪽을 선택하는 제 1실시예와 달리, 이 실시예는 제 1 및 제 2희박화 맵에 유사한 1개의 맵으로부터 기본 목표공연비를 구하고, 이어서, 수온Tw에 따라서 변화하는 보정계수KL을 기본 목표공연비에 승산해서 주연소시의 목표공연비AF를 얻도록 하고 있다. 즉, 본 실시예의 배기승온장치는 제 1실시예의 것과 비교해서 배기승온 제어순서가 다르고, 기타의 점에 대해서는 제 1실시예의 것과 동일하다.
이하, 본 실시예의 배기승온 제어순서에 대해서 도 15에 표시한 순서도를 참조해서 간단히 설명한다.
도 15에 표시한 배기승온 제어루틴의 스텝S42∼스텝S46 및 스텝S54∼스텝S60은 도 12의 순서도의 스텝S10∼스텝S16 및 스텝S24∼스텝S30과 실질적으로 동일하며, 이들 스텝에 대한 설명을 일부 생략한다.
ECU(23)는 먼저 스텝S40에 있어서, 촉매온도Tcc, 냉각수온도Tw, 흡입공기유량Qa, 스로틀개방도θth, 엔진회전수Ne, 대기압Pa, 흡기온도Ta 등에 추가해서 목표부하Pe를 포함한 각종 엔진운전상태량을 판독한다. 그리고, 스텝S42에 있어서, 촉매온도Tcc가 촉매판별온도Tcw보다 낮고, 또한 배기승온제어 금지조건이 성립하지 않는다고 판별했을 경우에는 스텝S46에 있어서, 점화시기θRD를 리터드맵으로부터 판독한다. 또, 스텝S48에 나아가, 도 13의 제 1희박화 맵과 마찬가지로 설정되는 배기승온제어용의 기본 목표공연비 맵으로부터 기본 목표공연비(기본AF)를 판독한다. 다음에, 스텝S50에 있어서, 상기 스텝S48에서 판독된 기본목표공연비를 냉각수온도Tw에 따라서 보정하기 위한 보정계수KL을 도 16에 표시한 보정계수 맵으로부터 판독한다. 이 보정계수 맵에 있어서, 보정계수KL은 냉각수온도Tw가 제 1실시예에서의 판별온도Two에 대응하는 설정온도Tw1이하인 수온범위에서는 값 1을 취하고, 수온Tw가 설정온도Tw1을 상회하는 수온범위에서는 수온Tw의 증대와 더불어 증대하는 값을 취하도록 설정되어 있다.
그리고, 스텝S52에 있어서, 목표공연비(목표AF)를, 판독한 기본 목표공연비 및 보정계수KL을 사용해서 다음 식(N1)에 의해 연산한다.
목표공연비=기본 목표공연비× 보정계수KL…(N1)
이 결과, 목표공연비는 냉각수온도Tw가 설정온도Tw1을 초과해서 상승함에 따라서 그 값이 커진다.
이어서, 스텝S54 이후에 있어서, 도 12의 순서도의 스텝S24 이후와 동일한 처리를 행한다.
본 발명은 상기 제 1 및 제 2실시예에 한정되지 않으며, 여러 가지로 변형가능하다.
예를 들면, 상기한 배기승온제어에서는 주연료 및 추가연료를 잇달아 분사했을 때의 1기통 1사이클당의 전체 공연비가, 엔진운전상태에 따라서 소정 공연비(바람직하게는 이론공연비) 근처에서 변화가능한 목표공연비가 되도록 추가연료 분사량을 설정하였다. 그러나, 추가연료 분사량을 이 설정방법에 의해 설정하는 것은 필수는 아니다. 경우에 따라서는 1기통 1사이클당의 전체 공연비는 이론공연비보다 작게 되어도 크게 되어도 된다. 또, 추가연료 분사량은 연소가능한 일정한 분사량으로 설정하도록 해도 된다.
또, 상기한 배기승온제어에서는 주연료의 점화시기를 통상 운전시의 것보다 지각해서 완만연소를 행하게 하고, 이에 의해, 팽창행정 중기 또는 그 이후에 있어서의 잔존 냉염반응생성물의 농도를 착화한계 농도 근처로 제어하도록 하였으나, 배기승온제어에 있어서 주연료의 점화시기를 지각하는 것은 필수는 아니다. 예를들면, 주연소시의 공연비를 35 이상으로 희박화하기만 해도 된다. 이 경우, 주연료가 완만하게 연소해서, 팽창행정 중기 혹은 그 이후에서의 냉염반응생성물 농도가 착화한계 농도 근처로 제어된다.
또, 추가의 연료분사를 행하는 경우, 분사는 반드시 1회로 행할 필요는 없으며, 복수회 분할해서 행하여도 된다.
또한, 추가연료분사는 전체 기통에 대해서 행하도록 해도 되나, 특정의 기통에만 행하도록 해도 된다.
또, 상기한 실시예에서는 촉매온도센서(26)에 의해서 검출한 촉매온도Tcc가 촉매활성 판별온도Tcw보다도 낮을 때에 배기승온제어를 행하여야 한다고 판단하도록 하였으나, 엔진운전상태를 검출하는 각종 센서로부터의 신호에 의거해서 촉매온도를 추정하고, 그 추정촉매온도가 촉매활성 판별온도보다도 낮을 때에 배기승온제어를 행하도록 해도 된다. 또, 제어의 간소화를 도모하기 위하여 엔진시동 후의 엔진온도(냉각수온도)가 설정온도를 상회한 것을 엔진온도검출수단에 의해 검출했을 때, 또는, 엔진시동시의 수온 등에 따라서 설정되는 가변 또는 고정의 소정 시간이 엔진시동 시점으로부터 경과한 것을 경과시간검출수단에 의해 검출했을 때에 배기승온제어를 행하도록 해도 된다.
또, 촉매가 불활성상태로 될 수 있는 운전상태에서 엔진이 운전되어서 하기 조건①∼③의 어느 하나가 성립되었을 때에 배기승온제어를 소정 시간 행하도록 해도 된다.
①엔진시동 후에 엔진회전수가 소정 회전수를 넘었을 때, 또는, 엔진회전수가 안정되는 일정시간이 엔진시동 시점에서부터 경과했을 때,
②층형상연소모드에서의 엔진제어중이고 또한 스로틀개방도의 변화가 작은 정상주행이 행하여지고 있다.
③연료커트영역으로부터 복귀한 후의 아이들운전이 행하여지고 있다.
또, 본 실시예에서는 촉매가 불활성상태에 있는 경우, 수온에 따라서 제 1 또는 제 2희박화 맵으로부터 목표공연비를 판독하고, 이어서, 이 목표공연비가 달성 되도록 주연료 분사량 등을 설정하였으나, 특히 맵을 사용하지 않고, 수온정보에 의거해서 주연료 분사량과 추가연료 분사량과의 비를 가변설정하도록 해도 된다. 즉, 수온이 낮으면 주연료 분사량을 증대시켜서 주연소의 안정화를 도모하는 한편, 수온이 높으면 추가연료분사량을 증대시켜서 촉매활성으로 이를 때까지의 총시간의 단축화를 도모하도록 해도 된다.
이상 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 배기승온장치에 의하면, 엔진이 배기승온을 필요로 하는 운전상태에 있는 경우, 예를 들면 엔진의 배기정화촉매가 활성온도에 도달하고 있지 않는 경우, 주연료의 냉염반응에 의해 생성된 냉염반응 생성물의 일부가 잔존하고 있는 연소실 내에 추가연료가 분사되고, 추가연료의 냉염반응에 의해 새로운 냉염반응생성물이 생성된다. 이 결과, 연소실 내의 냉염반응생성물 농도가 착화한계 농도를 초과하여, 추가연료가 자기(自己)착화해서 연소한다. 이와 같이, 본 발명에서는 점화디바이스를 작동시키는 일 없이, 또, 주연료의 연소(주연소)에 의해서 발생하는 화염을 이용하는 일 없이, 추가연료를 연소시킬 수 있다. 주연소에 의해 발생한 화염 속에 추가연료를 분사하기 위해 추가연료분사를 팽창행정 초기에 행하는 종래기술과 달리, 본 발명의 추가연료분사는 팽창행정의 중기 이후에 실시된다. 이 때문에 추가연료의 연소에 의해 발생한 열 에너지는 엔진에서의 팽창일에 소비되는 일 없이 배기승온에 유효하게 이용된다.

Claims (9)

  1. 연료분사밸브로부터 연소실 내에 주연료를 직접 분사하고, 상기 분사된 주연료를 불꽃점화시켜서 희박연소시키는 기통내분사형 내연엔진에 있어서,
    상기 엔진이, 배기승온을 필요로 하는 운전상태에 있을 때에는, 상기 주연료의 연소과정에서 생성되고 상기 압축행정 직후의 팽창행정 중기 또는 그 이후의 팽창행정 중에 상기 연소실 내에 잔존하는 냉염반응생성물의 농도가 착화한계 농도에 가까워지도록 엔진제어 파라미터를 제어하는 엔진제어수단과,
    상기 엔진제어수단에 의한 상기 엔진제어 파라미터의 제어가 행하여지고 있을 때에는 상기 연소실 내에 잔존하는 냉염반응생성물과 상기 추가연료의 냉염반응에 의해 새로히 생성되는 냉염반응생성물을 함유하는 전체 냉염반응생성물의 농도가 상기 착화한계 농도를 넘도록 상기 팽창행정 중기 또는 그 이후의 팽창행정 중에 상기 연료분사밸브로부터 추가연료를 분사시키는 추가연료제어수단을 구비하고, 이에 의해, 상기 내연엔진의 배기계에 배설되는 배기정화장치를 승온시키는 것을 특징으로 하는 기통내분사형 내연엔진의 배기승온장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 엔진제어수단은 상기 주연료를 점화하는 점화시기를 크랭크각도로 압축상사점 전 10° 내지 압축상사점 후 5° 의 범위 내의 값으로 설정하는 점화시기설정수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 기통내분사형 내연엔진의 배기승온장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 엔진제어수단은 상기 주연료가 연소할 때의 공연비를 25 이상의 값으로 설정하는 공연비제어수단을 포함한 것을 특징으로 하는 기통내분사형 내연엔진의 배기승온장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 엔진제어수단은 상기 주연료가 연소할 때의 공연비를 35 이상의 값으로 설정하는 공연비제어수단을 포함한 것을 특징으로 하는 기통내분사형 내연엔진의 배기승온장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 엔진제어수단은 점화시기설정수단 및 공연비제어수단의 적어도 한 쪽을 포함하고,
    상기 엔진제어수단은 상기 주연료를 점화하는 점화시기를 상기 엔진이 배기승온을 요하는 운전상태에 있지 않을 때의 점화시기보다도 지각 쪽의 값으로 제어하고, 또는, 공연비를 상기 엔진이 배기승온을 요하는 운전상태에 있지 않을 때의 공연비보다도 연료희박 쪽의 값으로 제어하는 것을 특징으로 하는 기통내분사형 내연엔진의 배기승온장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 엔진이 배기승온을 요하는 운전상태에 있지 않을 때에는 상기 엔진은 목표공연비를 이론공연비보다도 연료희박 쪽의 제 1공연비로 설정하고 또한 주로 흡기행정에 상기 연료분사밸브로부터 연료를 분사하는 흡기행정희박모드에서 운전되고, 또는, 목표공연비를 상기 제 1공연비보다도 연료희박 쪽의 제 2공연비로 설정하고 또한 주로 압축행정에 상기 연료분사밸브로부터 연료를 분사하는 압축행정 희박모드에서 운전되는 것을 특징으로 하는 기통내분사형 내연엔진의 배기승온장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 추가연료제어수단은 상기 추가연료의 분사개시시기를 크랭크각도로 압축상사점 후 70° 내지 110° 의 범위 내의 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 기통내분사형 내연엔진의 배기승온장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 엔진제어수단은 공연비를 엔진온도에 따라서 설정하는 것을 특징으로 하는 기통내분사형 내연엔진의 배기승온장치.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 추가연료제어수단은 주연료 분사량과 추가연료 분사량과의 가산치인 1사이클당의 전체 연료분사량과 1사이클당의 흡입공기량으로부터 산출되는 공연비가 배기승온효과를 얻는데 있어서 적합한 소정 공연비 근처에서 상기 엔진의 운전상태에 따라서 변화가능한 목표공연비가 되도록 상기 추가연료 분사량을 설정하는 것을 특징으로 하는 기통내분사형 내연엔진의 배기승온장치.
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