KR100324175B1 - 기통내분사형 내연기관 - Google Patents

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나까무라히로까즈
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Abstract

본 발명은, 냉각상태시동시에 있어서의 촉매의 조기활성화를 도모하면서, 촉매활성화전의 미연소 HC의 배출을 확실하게 저하할 수 있도록 한, 기통내분사형내연기관을 제공하는 것을 과제로 한 것이며, 그 해결수단으로서, 주분사제어수단에 의해 연소실내에 직접연료를 분사하는 연료분사밸브를 구동해서, 운전상태에 따라서 사전혼합연소 또는 층상연소를 행하게 한다. 그리고, 배기통로내에 설치된 배기가스의 정화를 행하는 촉매의 승온이 요구되는 경우에는, 추가연료분사제어수단은, 주분사제어수단에 의한 연료분사밸브구동후의 팽창행정중에 연료분사밸브로부터 추가연료를 분사시켜, 촉매에 공급되는 배기가스를 승온시킨다. 또, 배기매니폴드에는 용적부가 구비되어 있으며, 배기가스를 이용적부에서 체류하여, 타다남은 추가연료를 재연소시키는 것을 특징으로 한 것이다.

Description

기통내분사형 내연기관{cylinder injection type internal-combustion engine}
본 발명은, 연소실내에 직접연료를 분사하는 기통내분사형 내연기관에 관한 것으로서, 특히 냉각상태시동직후에 있어서의 미연소HC의 배출저감에 사용하기에 적합한, 기통내분사형 내연기관에 관한 것이다.
현재, 연소실내에 연료를 직접 분사하는 기통내분사형내연기관이 실용화되어 있으며, 이러한 기통내분사형 내연기관에서는, 연료분사의 타이밍을 자유롭게 설정할 수 있기 때문에, 저부하운전영역에서는 압축행정에서 연료분사를 행하여, 착화에 충분한 연료농도의 혼합기(混合氣)를 점화플러그 근처에 부분적으로 집중시켜서, 소위 층상(層狀)연소에 의한 초희박연소를 행하고, 보다 더 한층의 연비향상을 도모하고 있다.
이와 같은 기통내분사형 내연기관에 있어서도, 종래의 내연기관과 마찬가지로, 예를 들면, 냉각상태시동시에 있어서는, 배기통로에 설치된 촉매의 조기활성화를 도모하여 대기속으로 방출되는 미연소 HC등의 양을 저감하려고 하는 요구가 있다.
그래서, 일본국 특개평 8-100638호 공보에 개시된 기통내분사형 내연기관에 관한 기술에서는, 팽창행정초기에서부터 중기에 있어서 주연소를 위한 연료분사와는 별도의 추가연료분사를 행하고, 이 추가연료분사에 의한 추가연료를 주연소의 화염전파에 의해 착화시켜서 배기가스온도를 상승시켜, 촉매의 워밍업을 촉진해서조기활성화를 도모한 것이 제안되어있다.
그런데, 상기한 바와같이 주연소를 위한 연료분사와는 별도의 추가연료분사를 행하였을 경우, 추가분사된 추가연료는 연소실내로부터 배기포오트내에 걸쳐서 연소한다. 이때 추가연료의 전부가 완전연소하면 배기가스에 미연소 HC는 거의 함유되는 일은 없다.
그러나, 배기가스가 연소실내로부터 배기포오트에 배출될때의 배기통로는, 배기밸브가 개방된 순간은 매우 좁다. 또, 배기밸브가 개방된 순간에 고압의 배기가스가 연소실내로부터 배기포오트에 흘러나가려고 하기 때문에, 도 16과 같이, 배기밸브개방시 초기(크랭크각이 135°∼180°시)의 배기가스의 유속은 매우 커진다(이 배기밸브개방시초기의 유속이 큰 배기가스를, 이하, 블로다운가스라함). 이 때문에, 연소실내에서 연소하고 있던 추가연료는, 배기밸브가 개방된 직후의 좁은 배기통로를 블로다운가스와 함께 고속으로 흘러나갈때에 화염이 꺼져 버리게 되고, 타다남은 추가연료는 블로다운가스와 함께 미연소HC로서 배출되고 만다.
연소실내로부터 배기포오트에 흘러나온 배기가스는, 또 복수의 배기포오트에 연달아 접속된 배기매니폴드에 배출되고, 이 배기매니폴드에 있어서 다른 기통으로부터 배출된 배출가스와 혼합되어서 하류에 배설된 촉매에 배출된다. 이때, 어떤기통으로부터 배출된 배기가스에 미연소HC가 함유되었다해도, 다른 기통으로부터 배출된 배기가스가 아직 연소하고 있으면, 이 연소하고 있는 배기가스와 혼합함으로써 미연소HC가 재연소하는 것을 기대할 수 있다.
그러나, 종래의 기통내분사형 내연기관에 있어서의 배기매니폴드는, 도 17에 표시한 바와 같이, 복수의 파이프(55),(56),(57),(58)을 연결한 파이프연결형 매니폴드(여기서는, 4기통의 경우를 예시한다)(50)이며, 배기가스의 간섭에 의한 출력의 저하를 방지하기 위하여, 연소가 연속하지 않는 기통끼리가 파이프에 의해 접속되고, 또한 각 파이프(55),(56),(57),(58)은 배기가스가 원활하게 흘러가도록 만곡을 극력작게한 구조로 되어 있다.
이와 같은 배기매니폴드(50)에서는, 각 배기포오트(51),(52),(53),(54)로부터 배출된 유속이 빠른 블로다운가스는, 다른 배기포오트로부터 배출된 블로다운가스와 혼합되는 일없이 하류에 배출되게 된다. 또, 각 배기포오트(51),(52),(53), (54)로부터 합류부(59)까지의 각 파이프(55),(56),(57),(58)의 관길이는 비교적 길게 잡혀있기 때문에, 연소하고 있는 상태에서 배기포오트(51),(52),(53),(54)로부터 배출된 연소가스도 합류부(59)에 도달했을 때에는 냉각되어, 반응이 일어나는 온도이하로 되어 있는 가능성이 매우 높다.
이 때문에, 미연소HC를 함유하는 배기가스가 연소중의 배기가스와 혼합해서 재연소한다고 하는 것은 기대할 수 없다.
도 18은, 도 17에서 표시한 배기매니폴드(50)를 구비한 기통내분사형 내연기관에 있어서의 점화신호와 연료분사신호와 그에 따른 연소실내의 압력변화와 미연소 HC의 농도변화를 표시한 것이며, 미연소 HC의 농도변화를 표시한 곡선중, 실선은, 배기포오트(51)의 a점에 있어서의 미연소HC의 농도를 표시하고, 파선은, 합류부(59)의 b점에 있어서의 미연소 HC의 농도를 표시한 것이다.
도 18에 표시한 바와 같이, 예를 들면, 배기포오트(51)에 있어서 타다남은 미연소 HC는, 배기가스의 고온분위기속에서 근소하게 산화해서 감소할 뿐이고, 합류부(59)에 있어서 다른 배기포오트(52),(53),(54)로부터 배출된 블로다운가스와 혼합해서 재연소하는 일없이, 고농도의 그대로 배기매니폴드(50)로부터 후류(後流)에 배출되어 버리는 것이다.
여기서, 도 19는, 냉각상태시동시의 촉매중심온도와 배기매니폴드출구에 있어서의 HC농도를, 파이프연결형매니폴드를 구비한 기통내분사형 내연기관과 종래의 내연기관 [도 19에서는 MPI(multi point Injection)엔진의 경우를 예시함]에 있어서 비교한 것이다.
도 19에 표시한 바와 같이, 상기한 선행기술과 같이 기통내분사형 내연기관에 있어서 추가연료분사를 행하였을 경우, 촉매중심온도가 상승해서 촉매가 활성화할때 까지의 시간은, 종래의 MPI엔진에 비해서 크게 단축시키는 일이 가능하나, 촉매가 활성화 할때까지는 미연소 HC가 대기속에 방출되어 버린다고하는 사태에는 변함이 없다. 또, 주연소시에 발생하는 미연소 HC에 더하여, 추가의 연료분사에 따른 미연소 HC도 발생하므로, 촉매가 활성화할때까지의 미연소 HC의 발생량은 종래의 엔진보다도 반대로 증가해 버린다고 하는 과제가 있다.
특히, 상기의 선행기술과 같이 평창행정초기부터 중기에 있어서 추가의 연료분사를 행하였을 경우에서는, 미연소 HC의 발생량이 많고, 또, 일부의 추가연료의 에너지가 기통내압의 상승을 위하여 사용되어 버리고, 이 기통내압의 상승에 의해 출력토크에 변동이 발생하는 동시에, 배기가스온도가 크게 상승하지 않고 촉매의 활성화가 진척되지 않는다고 하는 과제도 있다.
본 발명의 목적은 이와 같은 과제에 비추어 창안된 것으로서, 냉각상태시동시에 있어서의 촉매의 조기활성화를 도모하면서, 촉매활성화전의 미연소 HC의 배출을 확실하게 저감할 수 있도록 한 기통내분사형 내연기관을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 제 1실시형태에 관한 기통내분사형 내연기관의 배기매니폴드내의 배기가스의 흐름을 표시한 모식도이며, (a)는 측면에서 본 배기가스의 흐름을 표시한 도면, (b)는 정면에서 본 배기가스의 흐름을 표시한 도면
도 2는 본 발명의 제 1실시형태에 관한 기통내분사형 내연기관의 구성을 제어계통과 함께 표시한 모식도
도 3은 본 발명의 제 1실시형태에 관한 기통내분사형 내연기관의 점화신호, 연료분사신호의 타이밍과 그에 수반되는 기통내온도, 기통내압력의 변화를 피스톤위치와의 관계에 의해 표시한 도면
도 4는 본 발명의 제 1실시형태에 관한 기통내분사형 내연기관의 배기매니폴드의 구성을 표시한 모식도이며, (a)는 측면에서 본 도면, (b)는 정면에서 본 도면
도 5는 본 발명의 제 1실시형태에 관한 기통내분사형 내연기관의 점화신호, 연료분사신호의 타이밍과 그에 수반되는미연소 HC농도, 기통내압력의 변화를 크랭크각과의 관계에 의해 표시한 도면
도 6은 본 발명의 제 1실시형태에 관한 기통내분사형 내연기관의 냉각상태시동시의 촉매중심온도, 미연소 HC농도의 시간변화를 표시한 도면
도 7은 본 발명의 제 1실시형태에 관한 기통내분사형 내연기관의 냉각상태시동시의 촉매중심온도, 미연소 HC의 적산배출량의 시간변화와 배기매니폴드의 용적부의 용적과의 관계를 표시한 도면
도 8은 본 발명의 제 1실시예에 관한 냉각상태시동에서부터 차속을 소정의 모드에 의해 변화시켰을 경우의 기통내분사형 내연기관의 미연소 HC의 적산배출량의 시간변화와 배기매니폴드의 용적부의 용적과의 관계를 표시한 도면
도 9는 본 발명의 제 1실시형태에 관한 기통내분사형 내연기관의 미연소 HC의 적산배출량과 배기매니폴드의 용적부의 용적의 크기 α(α=용적부용적/엔진배기량)와의 관계를 표시한 도면
도 10은 본 발명의 제 1실시형태에 관한 기통내분사형 내연기관의 배기매니폴드의 용적부에 대해서 설명하기위한 도면이며, (a)는 상면도, (b)는 정면도, (c)는 측면도
도 11은 본 발명의 제 1실시형태에 관한 기통내분사형 내연기관의 촉매의 배치예를 표시한 도면
도 12는 본 발명의 제 2실시형태에 관한 기통내분사형 내연기관의 배기매니폴드내의 배기가스의 흐름을 표시한 모식도이며, (a)는 측면에서 본 배기가스의 흐름을 표시한 도면, (b)는 정면에서 본 배기가스의 흐름을 표시한 도면
도 13은 본 발명의 제 3실시예에 관한 기통내분사형 내연기관의 배기매니폴드내의 배기가스의 흐름을 표시한 모식도이며, (a)는 측면에서 본 배기가스의 흐름을 표시한 도면, (b)는 정면에서 본 배기가스의 흐름을 표시한 도면
도 14는 본 발명의 제 4실시형태에 관한 기통내분사형 내연기관의 배기매니폴드의 구성을 표시한 모식도이며, (a)는 정면에서 본 도면, (b)는 측면에서 본 단면도
도 15는 본 발명의 제 1실시형태에 관한 기통내분사형 내연기관의 배기매니폴드의 변형예를 표시한 모식도이며, (a)는 정면에서 본 도면, (b)는 측면에서 본 단면도
도 16은 연소실로부터 유출하는 배기가스의 유속과, 발생하는 미연소HC농도를 크랭크각과의 관계에 의해 표시한 도면
도 17은 종래의 기통내분사형 내연기관의 배기매니폴드의 구성을 표시한 모식도이며, (a)는 측면에서 본 도면, (b)는 정면에서 본 도면
도 18은 종래의 기통내분사형 내연기관의 점화신호, 연료분사신호의 타이밍과 그에 수반되는 미연소 HC농도, 기통내압력의 변화를 크랭크각과의 관계에 의해 표시한 도면
도 19은 종래의 기통내분사형 내연기관의 냉각상태시동시의 촉매중심온도, 미연소 HC농도의 시간변화를 표시한 도면
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 연소실2: 흡기통로
3: 배기통로4: 흡기밸브
5: 배기밸브 6: 배기정화장치
6A: NOx촉매6B: 3원촉매
7: 점화플러그8: 인젝터
9: 피스톤10, 30, 40, 47: 배기매니폴드
10A, 30A, 40A, 46A: 용적부10B: 분기부분
10C: 집합부분(매니폴드출구) 10a: 연접부(매니폴드입구)
10b, 30b, 40b: 합류개시부10d: 합류완료부
12: 흡기포오트13: 배기포오트
14: 산소농도센서15: 촉매온도센서
16: 엔진회전수센서17: 액셀위치센서(APS)
45: 배기매니폴드본체46: 합류부
48: FCC(Front 촉매)
본 발명에 의하면, 기통내분사형 내연기관에 있어서, 주분사제어수단에 의해 연소실내에 직접 연료를 분사하는 연료분사밸브를 구동해서, 운전상태에 따라서 사전혼합연소 또는 층상연소를 행하게 한다. 그리고, 배기통로내에 설치된 배기가스의 정화를 행하는 촉매의 승온이 요구되는 경우에는, 추가연료분사제어수단은, 주분사제어수단에 의한 연료분사밸브구동후의 팽창행정중에 연료분사밸브로부터 추가연료를 분사시켜, 촉매에 공급되는 배기가스를 승온시킨다. 또, 배기매니폴드에는 용적부가 구비되어 있으며, 배기가스는 이용적부에서 체류하여, 타다남은 추가연료를 재연소시킨다.
본 발명의 기통내분사형 내연기관에 의하면, 팽창행정중에 분사되는 추가연료가 재연소함으로써 고온의 배기가스를 촉매에 공급할 수 있다. 그리고, 배기매니폴드에 있어서, 고온의 배기가스를 용적부에서 체류시킴으로써, 배기가스와 함께 유입한 미연소 HC를 재연소시킬 수 있어, 촉매가 활성화상태로 될때까지의 대기속으로의 미연소 HC의 배출을 대폭적으로 저감할 수 있다. 또, 용적부내에서의 미연소 HC의 재연소에 의해, 팽창행정중의 추가연료의 분사에 의해 승온된 배기가스를 더욱더 승온시킬 수 있어, 촉매의 승온을 빠르게 할 수도 있다.
또, 용적부는, 추가연료분사의 실행중에 미연소 HC를 재연소할 수 있고, 또한, 추가연료분사의 종료후에 배기가스온도저하를 억제할 수 있게 되는 용적으로 설정하는 것이 바람직하다.
이 실시태양에 의하면, 추가연료분사의 실행중에, 용적부내에 체류하는 미연소 HC와 연소가스를 혼합시켜서 효율좋게 미연소 HC를 재연소시켜서 미연소 HC의 배출을 저감할 수 있는 동시에, 추가연료분사의 종료후에 배기가스온도저하에 따른 촉매의 온도저하를 최소한으로 억제할 수 있기 때문에, 예를 들면 냉각상태시동시 및 통상운전영역에 걸쳐서 미연소 HC의 배출을 최소로 할 수 있다.
또, 분사형 내연기관에 있어서, 추가연료분사제어수단은, 추가연료를 팽창행정중기(中期) 또는 그 이후에서 분사시킨다.
본 발명의 기통내분사형 내연기관에 의하면, 추가연료의 에너지의 일부가 기통내압상승을 위하여 사용되는 일이 없고, 적절히 배기승온을 도모할 수 있어, 미연소 HC의 배출을 보다 더 억제가능하게 된다.
또, 기통내분사형 내연기관에서는, 청구항 1기재의 기통내분사형 내연기관에 있어서, 배기매니폴드의 용적부의 전체용적을 내연기관의 배기량의 대략 0.5∼1.0배의 범위로 설정한다.
본 발명의 기통내분사형 내연기관에 의하면, 배기매니폴드의 용적부의 전체용적을 내연기관의 배기량의 대략 0.5∼1.0배의 범위로 설정하고 있으므로, 효율좋게 미연소 HC를 재연소시켜서 미연소 HC의 배출을 저감할 수 있다. 이에 의해, 배기가스는 더욱 승온하는 동시에, 추가연료의 타다남은 것에 의한 HC의 배출이 억제된다.
또, 내연기관이 복수기통군으로 분할된 복수의 기통을 포함하고, 각 기통군마다의 배기매니폴드의 용적부의 용적이, 각각 각기통군마다의 배기량의 대략 0.5∼1.0배의 범위로, 특히 대략 0.6∼0.9배의 범위로 설정되는 것이 바람직하다.
이 실시태양에 의하면, 효율좋게 미연소 HC를 재연소시켜서 미연소 HC의 배출을 저감 할 수 있다.
이하, 도면에 의해, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다. 먼저, 본 발명의 제 1실시형태에 관한 기통내분사형내연기관의 구성의 개요에 대해서 도 1∼도 11을 참조해서 설명하면, 본 기통내분사형 내연기관은, 도 2에 표시한 바와 같이, 흡기, 압축, 팽창, 배기의 각 행정을 1작동사이클속에 구비하는 내연기관, 즉 4사이클엔진으로서, 불꽃점화식이고, 또한 연소실내에 연료를 직접 분사하는 기통내분사형내연기관으로서 구성된다.
연소실(1)에는, 흡기통로(2)및 배기통로(3)가 연통(連通)할 수 있도록 접속되어 있으며, 흡기통로(2)와 연소실(1)은 흡기밸브(4)에 의해서 연통제어되는 동시에, 배기통로(3)와 연소실(1)은 배기밸브(50)에 의해서 연통제어되도록 되어 있다.
또, 흡기통로(2)의 상류에는, 도시생략의 에어클리너 및 스로틀밸브가 배설되어 있으며 흡기포오트(12)는 연소실(1)에 대해서 비교적 직립해서 접속되어 있다. 배기통로(3)에는, 각 기통의 연소실(1)로부터 배출된 배기가스를 하나로 집합시키는 배기매니폴드(10)가 배기포오트(13)에 연이어 접속되어 있으며, 배기매니폴드(10)의 하류쪽에는 배기정화장치(6) 및 도시생략의 머플러(소음기)가 설치되어 있고, 배기정화장치(6)의 상류쪽에는 배기가스속의 산소농도를 검출하는 산소농도센서(14)가 배설되고, 배기정화장치(6)내에는, 배기정화장치(6)내의 온도를 검출하는 촉매온도센서(15)가 배설되어 있다. 또, 인젝터(연료분사밸브)(8)는, 그 개구를 연소실(1)에 임하게 하도록 배치되어 있다.
이와 같은 구성에 의해, 도시생략의 스로틀밸브의 개방도에 따라서 흡입된 공기는, 흡기밸브(4)의 개방에 의해 흡기포오트(12)로부터 연소실(1)내에 흡입되고, 전자제어유닛(ECU)(20)로부터의 신호에 의거해서 인젝터(8)로부터 직접분사된 연료와 혼합된다. 그리고, 점화플러그(7)의 적당한 타이밍에서의 점화에 의해 연소하게 되어서, 엔진토크를 발생시킨 후, 배기밸브(5)의 개방에 의해 연소실(1)로부터 배출가스로서 배기통로(3)에 배출되고, 배기정화장치(6)에 의해 배출가스속의 CO, HC, NOx의 3개의 유해성분이 정화되고나서, 머플러에 의해 소음되어서 대기쪽으로 탈리되도록 되어 있다.
이 배기정화장치(6)은, Nox촉매(6A)와 3원촉매(6B)를 조합한 것으로 되어 있다. 즉, 공연비(空燃比)가 희박(Lean)의 경우는, 배기가스속에는 CO, HC는 거의 함유되지 않는 한편 NOx농도는 급증하나, 이 NOx를, 산소과잉분위기에서 기능하는 NOx촉매(6A)에 의해 흡착하여, 환원분위기(공연비가 이론공연비 또는 농후(Rich)공연비)에서 흡착한 NOx를 환원방출하도록 하고 있으며, 이론 공연비하에서는 3원촉매(6B)의 3원기능에 의해 배출가스속의 CO, HC, NOx를 정화하도록 하고 있는 것이다. 이와 같이 NOx촉매(6A)가 NOx흡장형의 촉매의 경우, 그 상류에 또 3원촉매를 배치해도 된다. 또한, NOx촉매(6A)는 흡장형 NOx촉매가 아니고 산소과잉분위기에 있어서 선택적으로 NOx를 환원정화하는 선택환원형 NOx촉매를 이용해도 된다.
또, 본 기통내분사형 내연기관에서는, 연료분사의 태양으로서, 층상연소에 의한 희박운전을 실현하여 연비를 향상시키기 위하여 압축행정중(특히, 압축행정후반(後半))에 있어서 연료분사를 행하는 후기(後期)분사모드와 사전혼합연소에 의한 희박운전을 실현하고 완만가속에 의한 출력을 얻기 위하여 흡기행정중(특히 흡기행정전반(前半)에 연료분사를 행하는 전기(前期)분사모드와, 사전혼합연소에 의한 스토이키오메트릭운전(이론 공연비운전)을 실현하고, 전기분사모드보다 출력을 향상시키기 위하여 흡기행정중에 연료분사를 행하는 스토이키오매트릭스모드가 설정되어 있으며, 운전상태에 따라서 선택되도록 되어 있다.
본 기통내분사형 내연기관의 ECU(20)에는, 도 2에 표시한 바와 같이, 운전모드선택수단(24)과 연료분사제어수단(25)과 점화시기제어수단(28)이 배설되어있다.
운전모드선택수단(24)에서는, 엔진회전수 Ne 및 엔진부하(여기서는, 평균유효압력 Pe로 하나, 액셀개방도 등도 가)에 따라서 상기한 바와 같은 각 운전모드중에서 하나를 선택하도록 되어 있다.
또, 연료분사제어수단(25)에는, 엔진출력을 얻기 위한 통상의 연소를 행하도록 연료를 분사하는 통상연료분사제어수단(주분사제어수단)(26)과, 촉매(6A),(6B)를 활성화시키기 위하여, 팽창행정중에 추가연료를 분사하기 위한 추가연료분사제어수단(27)이 구비되어 있다.
통상연료분사제어수단(26)은, 운전모드선택수단(24)에 의해 설정된 운전모드에 따른 연료분사제어맵을 선택해서, 이 선택된 연료분사제어맵을 사용해서, 엔진회전수 Ne 및 평균유효압력 Pe에 따라서, 통상의 연료를 행하기 위한 연료분사량 및 분사시기(즉, 연료분사종료시기 및 연료분사개시시기)를 설정한다.
또한, 엔진회전수 Ne에는 엔진회전수센서(16)의 검출정보(또는 연산정보)가사용되고, 평균유효압력 Pe는 엔진회전수 Ne 및 액셀위치센서(APS)(17)에 의해 검출된 액셀개방도 θ의 각 정보로부터 산출한 것이 사용되도록 되어 있다.
추가연료분사제어수단(27)은, 불활성상태에 있는 촉매(6A),(6B)를 활성화시키기 위하여 배기가스를 승온시키는 목적으로 행하는 추가의 연료분사를 제어하는 것이며, 촉매온도센서(15)로부터의 검출정보에 의거해서, 촉매(6A),(6B)가 활성상태에 있는지여부를 판정하고, 촉매 6A, 6B가 활성상태에 없는 경우에, 추가연료분사를 행하여 팽창행정중의 저온산화반응(이 뒤에, 상세히 설명함)에 의해 착화시키도록 되어 있다.
즉, 촉매온도센서(15)에 의해 검출된 촉매(6A),(6B) 또는 그 근처의 온도(이하, 촉매온도라함)Tc가 소정온도 TcO이하라고 검출되는 경우에, 촉매(6A)(6B)가 활성상태에 있지 않다고 판정하고, 이 판정에 의거하여, 각 기통의 팽창행정내에 추가연료분사를 행하도록 제어하는 것이다. 본 기통내분사형 내연기관에서는, HC의 발생량이나 엔진의 출력토크에의 영향을 고려해서 각 기통의 팽창행정 중기근처(크랭크 각 90°±30°)에서 분사를 종료하는 추가연료분사(팽창행정분사)를 행하도록 하고 있다. 또한, 소정온도 TcO은 촉매(6A),(6B)의 활성화온도(촉매의 활성화영역의 하한치)와 대응시켜도 되나(즉, 소정온도 TcO=활성화온도), 제어지연을 고려하면 소정온도 TcO=활성화온도+α로, 소정온도 TcO를 활성화온도보다도 적당온도 α만큼 높게 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 촉매온도센서(15)를 사용하지 않고, 기관의 냉각수온과 시동후의 타이머에 의거해서 추가연료의 분사를 행하도록 해도 된다.
또, 점화시기 제어수단(28)은, 통상연료분사제어수단(26)의 연료분사제어에 대응하는 점화플러그(7)의 점화시기를 제어하는 것이며, 운전모드선택수단(24)에 의해 설정된 운전모드에 따른 점화시기제어맵을 선택해서, 이 선택한 점화시기제어맵을 사용해서, 엔진회전수 Ne 및 평균유효압력 Pe에 따라서, 통상연료분사제어수단(26)의 연료분사제어에 대응한 점화시기를 설정하도록 되어 있다.
여기서, 본 기통내분사형 내연기관에 있어서의 상기한 주분사로부터 팽창행정분사에 걸친 일련의 연료제어에 대하여, 도 3을 사용해서 설명한다.
운전모드선택수단(24)은, 냉각상태시동시에 있어서 엔진이 저부하·저회전이면, 후기분사모드, 즉, 층상연소에 의한 희박운전을 실현하여 연비를 향상시키기 위한 연료분사모드를 선택하도록 되어 있다. 이 때문에, 압축행정의 후반에 통상연료분사제어수단(26)으로부터 인젝터(8)에 연료분사신호가 입력된다. 인젝터(8)는, 연료분사신호가 입력되어 있는 동안, 연소실(1)내에 연료를 분사하나, 이 연료분사가 주연소를 위한 연료분사, 즉, 주분사이다.
이사이, 연소실내(1)의 혼합기는 크랭크축의 회전에 따른 피스톤(9)의 상승에 의해 계속압축되고 있으며, 연소실(1)내의 온도(기통내온도), 압력(기통내압력)은 피스톤(9)에 의한 연소실(1)내의 혼합기의 압축비에 따라서 상승을 계속하고 있다.
그리고, 인젝터(8)로부터의 연료분사가 종료한 압축행정말기에 있어서, 점화시기 제어수단(28)으로부터 점화플러그(7)에 점화신호가 입력되고, 점화플러그(7)는 점화신호를 받아서, 연소실(1)내의 혼합기에의 점화를 행한다.
이때, 인젝터(8)로부터 직접분사된 연료는, 흡기포오트(12)로부터 흡입된 유입공기에 의한 종와류(縱渦流)(역텀블류)에 의해, 연소실(1)의 정상부 중앙에 배설된 점화플러그(7)의 근처에만 집중되도록 되어 있다. 이 때문에, 점화플러그(7)의 근처만이 이론 공연비 또는 농후공연비로되어 있고, 반대로 점화플러그(7)로부터 격리된 부분에서는 극히 희박한 공연비상태로 되어 있다. 이에 의해, 연소실(1)내 전체의 공연비는 이론공연비에 비해서 충분히 희박한 공연비면서, 점화플러그(7)에 의해 점화된 연소실(1)내의 혼합기는 안정된 층상연소(층상초희박연소)를 행할 수 있다.
혼합기의 연소에 의해, 연소실(1)내의 온도, 압력은 급격히 상승하고, 피스톤(9)의 위치가 상사점을 약간 지난 곳에서 함께 최대가 되며, 온도는 1000K를 크게 넘는다. 또, 이 연소에 따른 연소실(1)내의 압력의 상승은 엔진토크로서 크랭크축으로부터 출력된다.
한편, 피스톤(9)이 상사점을 넘으면, 압축행정으로부터 팽창행정으로 천이하나 이 팽창행정에 있어서의 압축비의 감소에 따라서, 연소실(1)내의 온도, 압력도 하강해가고 팽창행정중기 가까이에서는, 연소실(1)내의 온도는 1000K를 크게 밑돌게 되어버린다.
촉매(6A),(6B)를 조기에 활성화시키려면, 촉매(6A),(6B)의 중심온도를 활성화온도(약 570K)까지 상승시킬 필요가 있다. 따라서, 촉매(6A),(6B)에 공급하는 배기가스의 온도는, 적어도 이 활성화온도이상은 필요하다. 그러나, 주연소에 의해 연소실(1)내의 온도, 즉, 연소가스가 1000K이상의 온도에 달했다해도, 그 후의 팽창행정에 의해 연소가스의 온도는 체적의 팽창에 따라 자꾸 저하해가므로, 이대로는, 활성화온도 이상의 고온의 배기가스를 촉매(6A),(6B)에 공급할 수 없다. 또, 본 기통내분사형내연기관과 같이 층상초희박연소를 행하는 경우에는, 혼합기속의 연료는 고효율로 연소하므로, 팽창행정중에 타다남은 연료가 연소해서 연소가스가 고온(활성화온도이상)으로 유지된다고 하는 것은 기대할 수 없다.
그래서, 본 기통내분사형 내연기관에서는, 촉매온도센서(15)가 검출한 촉매온도 Tc가 소정온도 TcO보다 낮은 경우는, 팽창행정중기(크랭크각이 90°) 부근 또는 약간 지난 곳에서, 추가연료분사 제어수단(27)에 의해 인젝터(8)에 추가연료분사신호를 입력하도록 되어 있다. 이 추가연료분사신호는 앞서의 주분사를 위한 연료분사신호보다 좀 길게 설정되어 있으며, 이사이, 인젝터(8)는 연소실(1)내에 추가연료의 직접분사를 행한다. 이 추가연료의 분사가 재연소를 위한 연료분사, 즉, 팽창행정분사이다.
인젝터(8)로부터 연소실(1)내에 직접분사된 추가연료는 점화플러그(7)를 재점화하는 일없이 고온분위기에의해 착화한다. 착화한 추가연료는 팽창행정후반에서 부터 배기행정에 걸쳐서 주연소에 비해서 비교적 저온으로 연소하고, 연소실(1)내의 온도를 1000K를 상회한 정도 까지 상승시킨다. 이때, 추가연료의 연소에 의해 발생한 에너지는 연소실(1)내의 압력의 상승에 변환되는 일없이, 오로지 연소실(1)내의 온도상승에 사용된다. 따라서, 이 추가연료에 의해 엔진토크가 변동되는 일은 없다.
상기한 바와 같이, 팽창행정의 중기이후에 분사된 추가연료가, 고온분위기속에서 주연소에 의해 연소하지 못하고 연소로 이행하기 쉬운 상태까지 반응이 진행된 희박혼합기와 혼합됨으로써 연소실내의 특정위치의 혼합기가 자기(自己)착화를 개시한다. 이와 같은 추가연료의 팽창행정의 중기이후의 분사에 의해, 팽창행정후반에서부터 배기행정에 걸쳐서 주연소에 비해서 비교적 저온에서 연소하는 현상을 저온산화반응이라 일컫는다.
그리고, 팽창행정이 말기가 된 시점에서 배기밸브(5)가 개방되어, 연소실(1)내로부터 배기통로(3)에 1000K이상의 고온의 연소가스가 배출된다. 추가연료분사제어수단(27)은, 촉매온도센서(15)에 의해 검출되는 촉매(6A),(6B)의 온도(촉매온도) Tc가, 소정온도 TcO를 상회할 때까지, 팽창행정분사에 의한 배기가스의 승온을 행하도록 되어 있다.
그런데, 상기한 바와 같이, 연소가스가 연소실(1)내로부터 배기포오트(13)에 배출될때의 배기통로(3)는, 배기밸브(5)가 개방된 순간은 매우 좁고, 또, 배기밸브개방시 초기의 연소가스의 유속은 매우 크다. 이 때문에, 냉각상태시동시와 같이 분위기 온도가 낮은 경우에, 연소실(1)내에서 연소해서 고온으로된 연소가스의 일부는, 배기밸브가 개방된 직후의 좁은 배기통로를 블로다운가스와 함께 고속으로 유출할때에 화염이 꺼져버리고, 그 결과, 타다남은 추가연료는 블로다운가스와 함께 미연소 HC로서 배출되어 버린다.
그래서, 본 기통내분사형 내연기관에 있어서의 배기매니폴드(10)는, 예를 들면 도 4에 표시한 바와 같은 구성에 의해, 미연소 HC의 재연소를 도모하고 있다. 단, 여기서는 본 기통내분사형 내연기관은 직렬4기통엔진인 것으로 한다.
도 4에 표시한 바와 같이, 각 기통의 배기포오트(13)와 연이어 접속하는 각연접부(매니폴드입구)(10a)로부터 서로 독립한 분기부분(10B)이 뻗어있고, 이윽고 1개로 합류해서 일정한 직경의 집합부분(10C)이 되며, 매니폴드출구(10c)에 있어서 하류쪽의 배기통로에 연이어 접속되도록 되어 있다. 그리고, 합류부분, 즉, 각 분기부분(10B)이 합류를 개시하는 합류개시부(10b)에서 부터 합류를 완료하여 집합부분(10C)이 되는 합류완료부(10d)까지의 사이의 부분에 용적부(10A)가 형성되어있다. 즉, 배기매니폴드(10)는, 종래의 배기매니폴드(도 16에 표시한 파이프연결형 매니폴드)에 있어서의 각 기통의 배기포오트와 말단의 합류부를 연결하는 각 파이프를 일체화해서 클램셀(clam shell)형으로 형성한 것이다.
용적부(10A)는, 도 1(a),(b)에 표시한 바와 같이, 배기포오트(13)로부터 유입한 배기가스가 용적부(10A)의 내벽면에 거의 수직으로 충돌하게 되는 내부형상으로 되어 있으며, 배기가스는 이 충돌이나 다른 기통과의 배기간섭, 배기맥동에 의해서 발생하는 차압(差壓)등에 의해 여러가지의 흐름을 형성하거나, 선회흐름을 형성하거나 하도록 되어 있다.
또, 용적부(10A)는, 종래의 배기매니폴드의 파이프에 비해서 매우 큰 내부용적을 가지고 있으며, 이에 의해, 용적부(10A)내에 유입한 배기가스는, 그대로 매니폴드출구(10c)에 빠저나가 버리는 일없이 용적부(10A)내에 체류하도록 되어 있다.
또한, 도 1(a),(b)에 표시한 화살표시는 유입한 용적부(10A)내에 배기가스의 흐름을 모식적으로 표시한 것이며, 여기서는, 예를 들면 제 2기통째[도 1(b)중 좌에서부터 2번째]의 배기포오트(13)로부터 배기가스가 유입해온 경우를 표시하고 있다.
상기한 바와 같은 용적부(10A)의 형상에 의해, 블로다운가스는 유속이 크기 때문에 용적부(10A)를 그대로 빠져 나가기 쉬우나, 블로다운가스와 함께 배출되는 미연소 HC는, 상기한 바와 같이 블로다운가스가 배기간섭이나 배기맥동에 의한 차압 등에 의해 유속을 잃고, 용적부(10A)내에 체류하도록 되어 있다. 용적부(10A)내에 체류하고 있는 미연소HC는, 용적부(10A)내에 유입하는 동일기통, 또는 합류부(10b)에서 합류한 다른 기통으로부터의 배기가스와 혼합한다. 이때, 도 3에 표시한 바와 같이, 화염이 꺼져있지 않은 배기가스의 온도는 1000K를 넘고 있으며, 팽창행정분사시의 추가연료의 일부가 아직 연소를 계속하고 있는 상태이므로, 이와 같은 연소하고 있는 배기가스와 혼합함으로써, 용적부(10A)내에 체류해 있는 미연소HC는 착화해서 연소를 시작하는 것이다.
또한, 연소하면서 배기매니폴드(10)에 유입하는 배기가스도 마찬가지로 용적부(10A)내에 체류하게되나, 용적부(10A)내에서 미연소 HC를 재연소시킴으로써 연소반응이 계속되므로, 산화능력(연소성)은 유지되고, 촉매(6A),(6B)를 활성화상태로 하기 위한 연소열을 유효이용 할 수 있도록 되어 있다.
이와 같이, 미연소 HC를 연소하고 있는 배기가스와 혼합시켜서 재연소시킴으로써, 배기매니폴드(10)로부터 배출되는 미연소 HC의 양은, 도 5에 표시한 바와 같이 저감되게 된다.
도 5에 있어서, 크랭크각은 제 1기통에 있어서의 크랭크각에 대응하고 있고, 실선은, 아래서부터 각각, 제 1기통[도 4(b)중 좌측의 기통]에 있어서의 점화신호와 연료분사신호와, 그에 따른 연소실(1)내의 압력변화와, 배기포오트(13)의 a점(도 4참조)에 있어서의 미연소 HC의 농도를 표시하고 있다. 또, 파선은, 매니폴드출구(10c)의 b점(도 4참조)에 있어서의 미연소 HC의 농도를 표시하고 있으며, 4개의 산(山)부분은 4기통 각각으로부터 배출되는 미연소 HC의 농도에 대응하고 있다. 이 4개의 산부분 중, 크랭크각이 270°부근의 산부분이 제 1기통으로부터 배출된 미연소 HC의 농도에 대응하고 있다.
즉, 도 5에 표시한 바와 같이, 배기포오트(13)로부터 배기매니폴드(10)내에 유입된 배기가스속의 미연소HC는, 용적부(10A)내에서 재연소하고, 매니폴드출구 (10c)로부터 배출될때에는, 유입시보다 대폭적으로 그 농도를 저하하도록(도 5속의 화살표시참조)되어 있는 것이다.
도 6은, 냉각상태시동시의 촉매중심온도와 배기매니폴드출구에 있어서의 HC농도를 배기매니폴드(용적형매니폴드)(10)를 구비한 본 기통내분사형 내연기관과 도 16에 표시한 파이프연결형 매니폴드를 구비한 종래의 기통내분사향 내연기관에 의해 비교한 것이다. 또한, 비교에 있어서는, 양내연기관은 동일 엔진회전수의 아이들링 상태에서 운전하고 있는 것으로 하고 있다.
도 6에 표시한 바와 같이, 본 기통내분사형 내연기관에서는, 미연소 HC의 배출농도는, 당초에는 파이프연결형 매니폴드를 구비한 종래의 기통내분사형 내연기관과 동일 정도이나, 그후 급속하게 저하해가고, 시동후 10초를 지났을 때에 거의 0의 상태가 되도록 되어 있다. 이것은, 도 18에 표시한 종래의 MPI엔진과 비교해서 낮은 농도이다.
이와 같이, 종래의 기통내분사형 내연기관에 비해서 미연소 HC의 농도가 저감되는 것은, 미연소 HC를 함유하는 배기가스가 배기매니폴드(10)를 통과할때, 온도가 높은 상태의 그대로, 그 용적부(10A)에서 다른 기통으로부터 배출된 배기가스와 혼합하여 재연소하도록 되어 있기 때문이다. 또, 미연소 HC의 발생농도를 거의 0으로 할 수 있는 것은, 용적부(10A)내가 연소상태로 되어 있는 데에 새로히 미연소 HC가 유입하면, 화염전파에 의해 새로히 유입한 미연소 HC도 재연소하고, 이와 같이 연쇄적으로 미연소 HC가 연소함으로써 용적부(10A)내는 항상 연소상태로 유지되기 때문에, 효율좋게 미연소 HC를 재연소시키도록 되어 있기 때문이다.
또, 이 결과, 촉매(6A),(6B)에 공급되는 배기가스는, 팽창행정중기에서 행한 추가연료분사에 의한 온도상승에 더하여, 용적부(10A)내에서의 미연소 HC의 재연소에 의해 더욱 온도가 상승하도록 되어 있다. 이에 의해, 촉매(6A),(6B)의 배기가스에 의한 워밍업이 가속되어, 종래의 기통내분사형 내연기관의 수배의 속도로 촉매(6A),(6B)의 중심온도가 상승하도록 되어 있다.
그런데, 상기한 바와 같이 배기매니폴드(10)에 용적부(10A)를 형성했을 경우, 용적부(10A)의 분만큼 배기매니폴드(10)는 대형화하고, 열용량이 커지는 동시에 표면적도 확대된다. 이 때문에, 배기가스가 가진 열은 배기매니폴드(10)를 개재해서 대기속으로 방열되기 쉬워진다. 즉, 용적부(10A)를 형성하는 것은 용적부(10A)내에서의 미연소 HC의 재연소에 의해 배기가스온도를 상승시키는 효과를 가지는 동시에, 표면적의 확대에 따른 방열량의 증대라고 하는 역효과도 가지고있는 것이다.
촉매(6A),(6B)가 활성화 할때까지의 동안은, 통상의 연료분사에 추가해서 추가의 연료가 분사되기 때문에, 이 추가연료의 연소와 용적부(10A)내에서의 미연소 HC의 재연소에 의한 배기가스의 승온효과가 크고, 용적부(10A)로부터의 방열이 배기가스온도에 주는 영향은 상대적으로 작아진다. 반대로, 용적부(10A)가 어느 정도의 크기가 아니면, 배기를 체류시켜 반응이 충분히 행하여지는데 만족한 시간을 가질 수 없기 때문에, 효율좋게 미연소 HC를 재연소시키는 것을 할 수 없게 된다.
그러나, 촉매(6A),(6B)가 활성화해서 추가의 연료분사가 종료되고, 통상의 연료분사제어만으로 되었을 경우, 용적부(10A)로부터의 방열이 배기가스온도에 주는 영향이 커지고, 배기가스온도는 방열에 따라 저하해버린다. 이 방열에 따른 배기가스온도의 저하는, 당연하지만 용적부(10A)의 용적을 크게 설정할수록 현저해진다.
배기가스온도가 저하하면, 그에 따라 촉매(6A),(6B)의 촉매온도도 저하한다. 특히, 본기통내분사형 내연기관과 같이 층상초희박연소를 행할 경우에는, 혼합기속의 연료는 고효율로 연소하여 열효율이 향상하기 때문에, 배출가스에의 열손실이 저하하고, 배기가스온도는 종래의 엔진에 비하면 저하한다. 이 때문에, 용적부 (10A)로부터의 방열에 따른 배기가스온도의 저하가 큰 경우, 촉매온도가 활성화온도이하로되어서 촉매(6A),(6B)의 정화효율이 저하해버릴 염려가 있다.
따라서, 용적부(10A)의 용적은, 냉각상태시동시에 있어서 용적부(10A) 내부에 체류하는 미연소 HC와 연소가스를 혼합시켜, 효율좋게 미연소 HC를 재연소시켜서 미연소 HC배출을 저감할 수 있도록 하는 동시에, 추가연료분사의 종료후의 배기가스온도의 저하에 따른 촉매(6A),(6B)의 정화효율의 저하를 최소한으로 억제할 수 있도록 설정할 필요가 있다. 역으로 말하면, 그와 같이 용적부(10A)의 용적을 설정함으로써, 냉각상태시동시부터 통상운전시에 걸친 전체로서의 미연소 HC의 배출을 최소로 할 수 있게 된다.
여기서, 도 7∼도 9는, 미연소 HC의 배출량에 대한 용적부(10A)의 용적설정의 영향에 대해서 표시한 것이며, 용적부(10A)의 용적을 엔진배기량에 대한 비(α=용적부용적/엔진배기량)로서 표시한 경우, 도 7 및 도 8속의 A선은 α=1.3, B선은 α=1.0, C선은 α=0.8, D선은 α=0.6, E선은 α=0.4의 경우를 표시하고 있다. 또한, 용적부(10A)의 용적으로서는, 도 10(a)∼(c)에 표시한 바와 같이, 배기매니폴드(10)에 있어서의 합류부분, 즉, 배기매니폴드(10)에 있어서 상류쪽의 각 기통마다 분기한 분기부분(10B)과 하류쪽의 통로가 가장 좁혀진 집합부분(10c)을 제외한 부분[도 10(a)∼(c)속의 스머징을 실시한 부분]의 용적을 가리키고 있다.
먼저, 도 7은, 냉각상태시동시에 있어서의 촉매온도(촉매중심온도)와 배기매니폴드 출구에 있어서의 미연소 HC의 적산치를 엔진회전수와 대응시켜서 시간경과에 따른 변화를 표시한 것이다.
도 7에 표시한 바와 같이, 촉매온도는, 비α가 클수록, 즉, 용적부(10A)의 용적이 클수록, 용적부(10A)의 대형화에 따른 표면적의 확대에 의해, 배기가스의 용적부(10A)로 부터의 방열이 촉진되어, 배기가스온도가 저하해버린다.
이 때문에, A선(α=1.3)과 B선(α=1.0)을 비교해서 알 수 있는 바와 같이, 용적부(10A)가 B선을 초과하게 되는 어느 정도의 용적이상으로 되면, 표면적의 확대에 따른 배기가스온도저하의 영향이 커지고, 촉매온도의 승온이 늦어지기 때문에, α는 1.0과 동등 또는 1.0보다 작은 쪽이 바람직하다.
한편, 배기매니폴드출구에 있어서의 미연소 HC의 적산치는, 용적부(10A)의 용적이 어느 정도의 이상 확보되어 있는 쪽이 저하하는 경향으로 되어 있다. 이것은, 용적부(10A)내에 체류하는 미연소 HC와 연소가스를 능숙하게 혼합시켜 반응시킬려면, 용적부(10A)에는 어느 정도의 용적이 필요하기 때문이며, 용적부족의 경우에는 혼합에 의한 미연소 HC의 재연소가 촉진되지 않고, 미연소 HC가 그대로 배출되어 버리게 되기 때문이다.
다음에, 도 8은, 도 7의 냉각상태시동시로부터 차속을 소정의 모드에 의해 변화시키면서 운전했을 경우의 테일파이프출구에 있어서의 미연소HC의 적산배출량을 비교한 것이다.
도 8에 표시한 바와 같이, 테일파이프출구에 있어서의 미연소 HC의 적산배출량은, C선(α=0.8), D선(α=0.6)이 낮은값을 표시하고 있다. 이것은, 도 7에 표시한 바와 같이, C선의 경우, 냉각상태시동시에 있어서 발생하는 미연소 HC가, 용적부(10A)내에서의 재연소에 의해 저감되기 때문이며, D선의 경우는, 용적부에서의 반응이 C선보다 적으나 용적부로부터의 방열량이 적고 뜨거운 상태시의 촉매온도를 높게 유지할 수 있기 때문이다.
그러나, A선(α=1.3)과 E선(α=0.4)은 미연소 HC의 적산배출량이 높은 값을 표시하고 있다. 이것은, A선의 경우, 도 7에 표시한 바와 같이, 용적부(10A)의 용적이 어느 정도이상으로 되면, 촉매의 승온이 늦고 촉매(6A),(6B)이 정화효율이 조기에 향상하지 않기 때문이다.
또, E선의 경우, 용적부(10A)의 용적이 작으므로, 촉매승온효과는 용적이 큰 경우에 비해서촉매승온효과는 높으나, 용적이 작기 때문에 용적부(10A)내에 체류하는 미연소 HC와 연소가스와의 혼합이 충분하지 않고 미연소 HC의 재연소효율이 악화하여 배기매니폴드출구의 미연소 HC배출량이 증대해 버리기 때문이다.
이 용적부(10A)의 용적의 크기와 냉각상태시동시로부터 소정주행모드에 이르기까지의 전체의 미연소 HC의 배출량의 관계를 표시한 것이 도 9이며, 도 9에는, 용적부(10A)의 용적의 크기[α(α=용적부용적/엔진배기량)의 크기]와 어떤 운전시간후에 있어서의 테일파이프출구에 있어서의 미연소 HC의 적산배출량과의 관계를 표시하고 있다.
도 9에 표시한 바와 같이, α의 값이 0.5보다 작아지거나, 1.0보다 커지거나 하면 급격히 테일파이프 적산치 HC가 증대하기 때문에, 미연소 HC의 적산배출량을 충분히 낮은 값으로 억제하려면, 용적부(10A)의 용적을 엔진배기량의 0.5∼1.0배(α=0.5∼1.0)으로 설정하는 것이 적당한 것을 알 수 있다. 그래서, 본 기통내분사형 내연기관에서는, 용적부(10A)의 용적을 엔진배기량에 대해서 0.5∼1.0배로 설정하도록 되어 있다. 또, 미연소 HC의 배출억제를 엄격하게 행하려면, 예를 들면, 비 α의 값을 0.6∼0.9 또는 0.7∼0.8정도의 범위에서 설정하는 것이 바람직하다. 단, 이 비 α의 설정범위는, 하나의 기준으로 되나 반드시 엄밀한 것은 아니며, 엔진이나 촉매의 종류나 배출 HC의 목표 레벨 등에 의해서 약간 변화하는 것이다.
본 발명의 제 1실시형태에 관한 기통내분사형 내연기관은, 상기한 바와 같이 구성되어있으므로, 냉각상태시동시의 운전은 다음과 같이 해서 행하여 진다.
먼저, 엔진시동시, ECU(20)의 운전모드선택수단(24)은, 층상연소에 의한 희박운전을 실현하여 연비를 향상시키기 위한 후기분사모드를 선택한다. 통상 연료분사제어수단(26)은, 운전모드선택수단(24)의 선택에 따라서, 압축행정후반에 주연소를 위한 연료분사를 행하기 위하여 인젝터(8)에 연료분사신호를 입력한다.
인젝터(8)는, 연료분사신호가 입력되고 있는 동안, 연소실(1)내에 주연소를 위한 연료를 직접분사한다. 인젝터(8)로부터 직접분사된 연료는, 흡기 포오트 (12)로 부터 흡입된 유입공기에 의한 종와류(역텀블류)에 의해, 연소실(1)의 정상부 중앙에 배설된 점화플러그(7)의 근처에만 집중된다.
그리고, 인젝터(8)로부터의 연료분사가 종료된 압축행정말기에 있어서, 점화시기제어수단(28)은 점화플러그(7)에 점화신호를 입력하고, 점화플러그(7)는 연소실(1)내의 혼합기에의 점화를 행한다. 점화플러그(7)에 의해 점화된 연소실(1)내의 혼합기는 안정된 층상초희박 연소를 행한다. 이 주연소에 의해 상승한 연소실(1)내압력은, 피스톤(9)을 눌러내리고, 크랭크축으로부터 엔진토크로서 출력된다.
이때, 촉매온도센서(15)에 의해 검출되는 배기정화장치(6)내의 온도(촉매온도) Tc가, 소정온도 TcO보다도 낮은 경우, 추가연료분사제어수단(27)은, 팽창행정중기 부근에서 인젝터(8)에 추가연료분사신호를 입력한다. 이 추가연료분사신호를 받아서 인젝터(8)는 연소실(1)내에 추가연료를 직접 분사한다. 인젝터(8)로부터 연소실(1)내에 직접 분사된 추가연료는, 점화플러그(7)를 재점화하는 일없이 팽창행정중의 저온산화반응에 의해 점화되고, 팽창행정후반에서부터 배기행정에 걸쳐서 주연소에 비해서 비교적 저온으로 연소하여, 연소실 (1)내의 온도를 1000K를 상회한 정도로 상승시킨다.
패창행정이 말기가된 시점에서 배기밸브(5)를 개방하고, 연소실(1)내로부터 배기포오트(13)에 고온의 연소가스를 배출한다.
이때, 연소가스의 일부는 배기밸브(5)가 개방된 직후의 좁은 배기통로(3)를 블로다운가스로서 고속으로 유출될때에 화염을 꺼버리게 되어, 타다남은 추가연료는 블로다운가스와 함께 미연소 HC로서 배기포오트(13)에 배출된다.
연소실(1)로부터 배기포오트(13)에 배출된 블로다운가스는, 배기포오트(13)로부터 배기매니폴드(10)에 유입하고, 배기간섭이나 배기맥동에 의한 차압등에 의해 블로다운가스와 함께 배출된 미연소 HC는, 실속해서 방향성을 잃고, 여러가지의 흐름을 형성하거나 선회류를 형성하거나 해서 용적부(10A)내에 체류한다.
용적부(10A)에는, 계속해서 배출되는 동일기통으로부터의 배기가스나 합류부(10b)에서 합류한 다른 기통으로부터의 배기가스가 연속해서 유입하고, 용적부(10A)내에 체류하고 있는 미연소 HC는, 이들 배기가스와 혼합한다. 이때, 화염이 꺼지지 않고 팽창행정분사시의 추가연료의 일부가 아직 연소를 계속하고 있는 배기가스도 있고, 이와 같은 연소하고 있는 배기가스와 혼합함으로써, 용적부(10A)내에 체류하고 있는 미연소 HC는 재차 연소를 시작한다.
또, 미연소 HC의 재연소에 의해 용적부(10A)내가 연소상태로 되어 있는 곳에 계속해서 미연소 HC가 유입해오면, 새로히 유입한 미연소 HC도 재연소한다. 그리고, 용적부(10A)내에 유입해오는 미연소 HC는 연쇄적으로 연소하여, 용적부(10A)내는 항상 연소상태로 유지된다. 이에 의해, 배기가스속의 미연소 HC는 거의 다연소되는 동시에, 미연소 HC의 연소에 의해 배기가스의 온도는 더욱 상승한다.
이렇게 해서, 팽창행정분사에 의해 승온되어서 배출된 배기가스가, 배기매니폴드(10)내에서의 미연소 HC의 재연소에 의해 더욱 승온된 다음에, 배기정화장치(6)의 촉매(6A),(6B)에 공급되고, 촉매(6A),(6B)의 중심온도를 상승시켜간다. 그리고, 촉매온도센서(15)가 검출한 배기정화장치(6)내의 온도(촉매온도) Tc가 소정온도 TcO을 상회했을 때, 추가연료분사제어수단(27)은, 촉매(6A),(6B)가 활성화상태로 된 것으로 판단해서 팽창행정분사를 정지한다.
이와 같이, 본 기통내분사형 내연기관에 의하면, 촉매온도센서(15)에 의해 검출되는 촉매(6A),(6B)의 중심온도가 활성화온도보다 낮은 경우는, 추가연료분사제어수단(27)이, 팽창행정중기에 있어서 주연소를 위한 연료분사와의 별도의 추가연료분사를 행하여, 주연소시의 화염전파에 의해 추가의 연료를 연소시키므로, 팽창행정에 있어서 저하되어온 연소가스의 온도를 재차승온할 수 있고, 이 고온의 연소가스를 촉매(6A),(6B)에 공급해서 촉매(6A),(6B)의 조기활성화를 도모할 수 있다고 하는 이점이 있다.
또, 연소가스의 일부는 배기밸브(5)가 개방된 직후의 연소실(1)과 배기포오트(13)와의 사이의 좁은 배기통로(3)를, 블로다운가스로서 고속으로 흘러나올때에 화염을 꺼지게해 버리고, 타다남은 추가연료는 블로다운가스와 함께 미연소 HC로서 배출되어 버리나, 배기매니폴드(10)에는, 유입한 미연소 HC를 체류시키는 용적부(10A)가 구비되어 있으므로, 체류한 미연소 HC와 연소를 계속하고 있는 배기가스를 이 용적부(10A)내에서 혼합시켜, 미연소 HC를 재연소시킬 수 있다.
이 용적부(10A)내에서의 미연소 HC의 재연소에 의해, 배기가스속의 미연소 HC의 농도를 대폭적으로 저감할 수 있어, 종래부터의 과제였던 촉매(6A),(6B)가 활성화 상태가 될때까지의 대기속으로의 미연소 HC의 배출을 대폭적으로 저감할 수 있다고하는 이점이 있다. 또, 미연소 HC뿐만 아니라, 매연도 고온의 배기가스에 도입해서 연소시킬 수 있으므로, 매연의 발생도 대폭저감할 수 있다고 하는 이점도 있다.
또, 용적부(10A)내에서의 미연소HC의 재연소에 의해, 팽창행정중기에 있어서의 추가의 연료분사에 의해 승온된 배기가스를 더욱 승온시킬 수 있어, 촉매(6A),(6B)의 위밍업을 가속해서 더욱 활성화를 빠르게 할 수 있다고 하는 이점이 있다. 이에 의해, 열적으로 엄격한 배기매니폴드부근에의 촉매설치나 고코스트의 전기가열촉매는 필요없고, 종래의 배기정화장치(Under floor 촉매)만으로 대응할 수 있는 것이다.
특히, 본 기통내분사형 내연기관에서는, 용적부(10A)의 용적을 엔진배기량의 대략 0.5∼1.0배의 범위로 설정하고 있으므로, 냉각상태시동에 있어서 용적부(10A)내부에 체류하는 미연소 HC와 연소가스를 혼합시켜, 효율좋게 미연소 HC를 재연소시켜서 미연소 HC의 배출을 저감할 수 있는 동시에, 촉매온도의 활성화온도이하에의 저하를 방지할 수 있으며, 이에 의해, 냉각상태시동시에서 부터 통상운전시에 걸쳐서의 전체의 미연소 HC의 배출을 최소레벨까지 저감할 수 있다고 하는 이점이 있다.
또 본 기통내분사형 내연기관에서는, 배기매니폴드(10)를 표리 2개의 부재를 맞붙여서 형성되는 클램셸형으로하고, 그 합류부분을 용적부(10A)로 하고 있으므로, 용이하게 또한 저코스트로 상기의 효과를 얻을 수 있다고 하는 이점도 있다.
그런데, 도 4, 도 1에 표시한 배기매니폴드(10)의 형상은 어데까지나 일예이며, 배기포오트(13)로부터 유입해온 배기가스가 흐름을 흩뜨리고 용적부(10A)내에서 체류하게 되는 구성이면 된다. 따라서, 예를 들면 이하에 설명하는 제 2실시형태나 제 3실시형태에 관한 기통내분사형 내연기관의 매기매니폴드와 같이 구성하는 것도 가능하다.
먼저, 본 발명의 제 2실시형태에 관한 기통내분사형 내연기관의 배기매니폴드의 구성에 대해서 설명하면, 도 12(a),(b)에 표시한 바와 같이, 배기매니폴드(30)는, 용적부(30A)의 형상을 원통형으로 한 것이며, 그 원통형의 용적부(30A)의 측면중앙에 합류개시부(30b)가 연달아 접속되는 형상으로 되어 있다. 이와 같은 형상에 의해, 용적부(30A)내에 유입한 배기가스는, 합류개시부(30b)로부터 용적부(30A)의 직경방향으로 흐른 후, 합류개시부(30b)와 반대쪽의 안쪽면에 충돌하도록 되어 있다. 그리고, 용적부(30A)의 안쪽면에 충돌한 배기가스는, 용적부(30A)의 위쪽을 선회하면서 통길이쪽방향으로 확산해가는 흐름이나 아래쪽을 선회하면서 통길이 쪽방향으로 확산해가는 흐름을 형성하여, 용적부(30A)내에 체류하도록 되어 있다. 또한, 용적부(30A)의 용적은 제 1실시형태와 마찬가지로 엔진배기량의 대략 0.5∼1.0배로 설정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 2실시형태에 관한 기통내분사형 내연기관의 배기매니폴드는, 상기한 바와 같이 구성되어 있으므로, 각 기통의 배기포오트(13)로부터 배기매니폴드(30)의 용적부(30A)내에 유입한 블로다운가스는, 합류개시부(30b)로부터 용적부(30b)로부터 용적부(30A)의 직경방향으로 흐른 후, 합류개시부(30b)와 반대쪽의 안쪽면에 수직으로 충돌한다. 이 충돌에 의해 블로다운가스와 함께 배출된 미연소 HC는, 실속해서 방향성을 잃고 용적부(30A)의 위쪽을 선회하면서 통긴쪽방향으로 확산해가는 흐름이나 아래쪽을 선회하면서 통긴쪽방향으로 확산해가는 흐름을 형성하여, 용적부(30A)내에 체류한다.
이에 의해, 제 1실시형태의 배기매니폴드(10)와 마찬가지로, 용적부(30A)내에 체류한 미연소 HC와 연소를 계속하고 있는 배기가스를 혼합시켜, 미연소 HC를 재연소시킬 수 있다. 또, 용적부(30A)내에 유입한 블로다운가스는 안쪽면에 수직으로 충돌하므로, 미연소 HC의 실속도가 커서 용적부(30A)내에 체류하기 쉽고, 또, 용적부(30A)는 제 1실시형태의 배기매니폴드(10)의 용적부(10A)보다도 대용량이므로, 미연소 HC가 블로다운가스와 함께 배기매니폴드(30)내를 그대로 빠저나가 버리는 것을 억제할 수 있다고 하는 이점이 있다.
다음에, 본 발명의 제 3실시형태에 관한 기통내분사형내연기관의 배기매니폴드의 구성에 대해서 설명하면, 도 13(a),(b)에 표시한 바와 같이, 배기매니폴드(40)는, 제 2실시형태의 배기매니폴드(30)와 마찬가지로 용적부(40A)의 형상을 원통형으로 한 것이며, 그 원통형의 용적부(40A)의 측면상부에 합류개시부(40b)가 연달아 접속되는 구성으로 되어 있다. 이 때문에, 용적부(40A)내에 유입한 배기가스는, 용적부(40A)의 안쪽면을 따라서 원주방향으로 선회하면서, 원통의 통길이방향으로 확산해가게 되는 흐름을 형성하여, 용적부(40A)내에 체류하도록 되어 있다. 또한, 용적부(40A)의 용적은, 제 1실시형태와 마찬가지로 엔진배기량의 0.5∼1.0배로 설정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 3실시형태에 관한 기통내분사형 내연기관의 배기매니폴드는,상기한 바와 같이 구성되어있으므로, 각 기통의 배기포오트(13)로부터 배기매니폴드(40)의 용적부(40A)내에 유입한 블로다운가스는, 용적부(40A)의 안쪽면을 따라서 원주방향으로 선회하면서, 원통의 통길이 방향으로확산해가게 되는 흐름을 형성하고, 블로다운가스와 함께 배출된 미연소 HC는 용적부(40A)내에 체류한다.
이에 의해, 제 1실시형태의 배기매니폴드(10)나 제 2실시형태의 배기매니폴드(30)와 마찬가지로, 용적부(40A)내에 체류한 미연소 HC와 연소를 계속하고 있는 배기가스를 혼합시켜, 미연소 HC를 재연소시킬 수 있다. 또, 용적부(40A)내의 미연소 HC는, 안쪽면을 따른 원주방향의 선회류를 형성하므로, 용적부(40A)내에 균등하게 체류하여, 보다 효율적으로 연소를 계속하고 있는 배기가스의 혼합이 행하여 진다고 하는 이점이 있다.
또, 이하에 설명하는 제 4실시형태와 같이, 배기매니폴드를 종래의 파이프연결형 매니폴드와 이하류에 연달아 접속한 합류부로 구성해서, 연달아 접속한 합류부내에 프런트촉매를 배설하고, 합류부내의 프런트촉매보다도 상류쪽에 용적부를 형성하도록 해도 된다.
본 발명의 제 4실시형태에 관한 기통내분사형 내연기관의 구성에 대해서 설명하면, 도 14(a),(b)에 표시한 바와 같이, 본 기통내분사형 내연기관에서는, 배기매니폴드본체(파이프연결형매니폴드)(45)의 하류에는 중간부를 확경시킨 합류부 (46)가 형성되고, 이들 배기매니폴드본체(45), 합류부(46)로 배기매니폴드(47)이 구성되어 있다. 그리고, 합류부(46)내에는, FCC(Front촉매)(48)가 배설되어 있으며, 합류부(46)내의 이 FCC(48)의 상류쪽은, 용적이 확장된 용적부(46A)로서 형성되어있다. 그리고, 이 용적부(46A)내에서 미연소 HC를 재연소시키도록 되어있다.
이와 같이 FCC(48)의 직전에서 미연소 HC를 재연소시킴으로써, 재연소한 배기가스가 촉매에 도달할때까지의 외부에의 방열에 의한 열에너지의 손실을 저감하고, 보다 많은 열에너지를 FCC(48)의 승온에 사용할 수 있게 된다. 그 결과, 재연소에 의한 미연소 HC의 저감과 함께, FCC(48)의 조기활성화가 가능하게 된다고 하는 이점이 있다.
또한, 배기정화장치(Under Floor촉매)의 구성으로서는, 도 2에 표시한 바와 같은, 앞쪽에 NOx촉매(6A)를 배치하고, 뒤쪽에 3원촉매(6B)를 배치하는 구성에 한정되지 않으며, 예를 들면, NOx촉매의 NOx의 흡착, 방출특성에 따라서, 도 11(a)에 표시한 바와 같이, NOx촉매의 기능과 3원촉매의 기능을 포함하는 촉매를 1개 배치하는 구성이나, 도 11(c)에 표시한 바와 같이, 앞쪽에 3원촉매를 배치하고, 뒤쪽에 NOx촉매를 배치하는 구성이나, 또, 도 11(d)에 표시한 바와 같이, NOx촉매를 사이에 두고 앞뒤에 3원촉매를 배치하는 구성이라도 된다. 도 11(b)에 표시한 구성은 도 2에 표시한 것과 동일하다.
또, 제 1∼제 3실시형태에 관한 기통내분사형 내연기관에 대해서도, 제 4실시형태와 마찬가지로 배기매니폴드의 하류에 프런트촉매를 배설해도 된다 예를 들면, 도 15는, 제 1실시형태의 배기매니폴드(10)의 배기매니폴드(10c)에 FCC (Front촉매)(48)를 연달아 배설한 것이다. 여기서는, 합류완료부(10d)에서부터 배기매니폴드(10c)까지의 거리(집합부분(10C)의 길이)를 짧게해서(도 15에서는 거의 0으로 하고 있다), 배기매니폴드(10)의 용적부(10A)와 FCC(48)의 상류쪽의 용적부(46A)에 의해 하나의 용적부를 형성하도록 되어있다. 이 경우, 배기매니폴드 (10)내에서의 혼합을 촉진하고, 반응을 위한 체류시간을 얻을 수 있기 때문에, 미연소 HC의 저감과 FCC(48)의 조기활성화가 가능해진다고 하는 이점이 있다.
또, 본 발명은 상기한 각 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지 변형해서 실시할 수 있는 것은 말할 것도 없다. 예를 들면, 본 실시형태에서는 직렬 4기통엔진의 경우에 대해서 설명해왔으나, 다른 다기통엔진에서도 물론 가능하며, 예를 들면, V형엔진(예를 들면 V형 6기통)의 경우는, 한쪽뱅크(V형 6기통이면 그중 3기통)마다, 상기와 같은 용적부를 가진 배기매니폴드를 구비하도록 하면 된다.
또한, 용적부의 용적의 설정기준이되는 엔진배기량은, 각 배기매니폴드가 분담하는 기통의배기량의 합이며, 직렬4기통엔진과 같이 배기매니폴드가 하나의 경우에는 전체 기통의 배기량의 합이지만, V형 6기통엔진과 같이 배기매니폴드가 한쪽뱅크씩 형성되어 있는 경우에는, 한쪽 뱅크의 기통의 배기량의 합(3기통분의 배기량의 합)이 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 기통내분사형 내연기관에 있어서, 주분사제어수단에 의해 연소실내에 직접 연료를 분사하는 연료분사밸브를 구동해서, 운전상태에 따라서 사전혼합연소 또는 층상연소를 행하게 한다. 그리고, 배기통로내에 설치된 배기가스의 정화를 행하는 촉매의 승온이 요구되는 경우에는, 추가연료분사제어수단은, 주분사제어수단에 의한 연료분사밸브구동후의 팽창행정중에 연료분사밸브로부터 추가연료를 분사시켜, 촉매에 공급되는 배기가스를 승온시킨다. 또, 배기매니폴드에는 용적부가 구비되어 있으며, 배기가스는 이용적부에서 체류하여, 타다남은 추가연료를 재연소시키므로써, 냉각상태시동시에 있어서의 촉매의 조기활성화를 도모하면서, 촉매활성화전의 미연소 HC의 배출을 확실하게 저감할 수 있도록 한 기통내분사형 내연기관을 제공할 수 있다.

Claims (6)

  1. 내연기관의 배기통로내에 배설되어 배기가스의 정화를 행하는 촉매와,
    연소실내에 직접 연료를 분사하는 연료분사밸브와,
    운전상태에 따라서 사전혼합연소 또는 층상연소를 행하도록 상기 연료분사밸브를 제어하는 주분사제어수단과,
    상기 촉매의 승온이 요구되는 경우, 상기 주분사제어수단에 의한 상기 연료분사밸브구동후의 팽창행정중에 상기 연료분사밸브로부터 추가연료를 분사시키는 추가연료분사제어수단과,
    상기 연소실로부터 배출된 배기가스를 체류시키는 용적부를 가진 배기매니폴드를 구비한 것을 특징으로 하는 기통내분사형 내연기관.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 배기매니폴드의 상기 용적부는, 추가연료분사의 실행중에 미연소 HC를 재연소할 수 있고, 또한, 추가연료분사의 종료후에 배기가스온도저하를 억제할 수 있는 용적으로 설정되는 것을 특징으로 하는 기통내분사형 내연기관.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 추가연료분사제어수단은, 추가연료를 팽창행정중기, 또는 그 이후에 있어서 분사하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 기통내분사형 내연기관.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 매기매니폴드의 상기 용적부의 전체용적은, 상기 내연기관의 총배기량의 대략 0.5∼1.0배의 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 기통내분사형 내연기관.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 내연기관이 복수기통군으로 분할된 복수의 기통을 포함하고, 각 기통군마다의 배기매니폴드의 용적부의 용적은, 각각 각 기통군마다의 배기량의 대략 0.5∼1.0배의 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 기통내분사형 내연기관.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 배기매니폴드의 상기 용적부의 전체용적을, 상기 내연기관의 총배기량의 대략 0.6∼0.9배의 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 기통내분사형 내연기관.
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