KR100441814B1 - 내연기관의제어방법및장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내연기관의 제어 방법 및 장치에 관한 것으로서, 상기 내연기관의 제 1 수단은 상기 내연기관에서 연소되는 연료를 조량한다. 또한, 제 2 수단은 배기 가스 후처리를 수행한다. 사후-분사가 행해지고, 그러한 경우에, 상기 연소에 이어서, 상기 제 1 수단은 상기 제 2 수단에서 반응하는 연료를 조량한다.

Description

내연기관의 제어 방법 및 장치
상기와 같은 내연기관의 제어 방법 및 장치는, 예를 들어 독일특허출원 제34 36 768호(US 4,633,837)에 공지되어 있다.
디젤 내연기관의 경우, 조량 펌프(metering pump)를 사용하여 배기 파이프내로 탄화수소를 조량하는 것으로 공지되어 있다. 배기 가스에 함유된 질소 산화물 및 상기 탄화수소는 환원 촉매기에서 이산화탄소, 질소 및 물로 환원된다.
상기 질소 산화물의 환원을 수행하도록 하기 위해, 부가적으로 조량 장치가 제공되어야만 한다.
본 발명은 각 독립 청구항의 전제부에 의한 내연기관의 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 조량 시스템을 개략적으로 도시하는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 장치의 다양한 부하-회로 성분들을 구동하기 위한 출력단 회로를 도시하는 도면.
도 3a 내지 도 5b는 크랭크축의 회전 각도에 대한 다양한 형태의 내연기관의 조량 사이클을 도시하는 도면.
본 발명의 기초를 이루는 과제로서는, 서두에 기술한 형식의 내연기관의 제어 방법 및 장치에서 배기 가스 특성을 개선하고 복잡성 및 소요비용을 가급적 줄이는 것이다. 도 3a 내지 도 5b에는 크랭크축의 회전 각도에 대한 다양한 형태의 내연기관의 조량 사이클이 도시되어 있다.
본 발명의 수단에 의하면, 내연기관의 배기 가스 특성을 비용 면에서 유리하게 개선할 수 있다.
본 발명의 유리한 발전 형태 및 실시 형태는 청구범위의 종속 청구항에 규정되어 있다.
본 발명에 따른 장치는 자발 점화형 내연기관의 예에 기초하여 하기에서 설명되며, 상기 장치에서 연료 조량은 솔레노이드 밸브에 의해 제어된다. 도 1에 도시한 실시예는 소위 "커먼-레일 시스템(Common-Rail-System)"에 관한 것이다. 그러나, 본 발명의 수단은 그러한 시스템에 한정되는 것이 아니고, 적절한 연료 조량이 가능한 모든 시스템에서 사용될 수 있다. 이는 솔레노이드 밸브에 의해 제어되는 연료 조량 시스템의 경우에 해당한다.
참조번호 100은 흡기 라인(105)을 통해 신선한 공기가 공급되며, 배기 파이프(110)를 통해 배기 가스를 송출하는 내연기관을 지시한다. 배기 파이프(110) 내에는 환원 촉매기(115)가 설치되어 있다.
도시한 내연기관은 4-기통(실린더) 내연기관이다. 상기 내연기관의 각 실린더에는 인젝터(120, 121, 122 및 123)가 배속되어 있다. 상기 인젝터들에는 솔레노이드 밸브(130, 131, 132 및 133)를 통해 연료가 조량된다. 상기 연료는 레일(135)로부터 인젝터들(120 내지 123)을 통해 내연기관(100)의 실린더에 도달한다.
상기 레일(135)에서의 연료는 고압 펌프(145)에 의해 조절가능한 압력으로 가압된다. 상기 고압 펌프(145)는 솔레노이드 밸브(150)를 통해 연료 공급 펌프(155)에 연결되어 있다. 상기 연료 공급 펌프는 연료 공급 탱크(160)와 연통한다.
솔레노이드 밸브(150)는 코일(152)을 포함한다. 상기 솔레노이드 밸브(130, 131, 132 및 133)는 각각 출력단 회로(175)에 의해 전류를 수용할 수 있는 코일(140, 141, 142 및 143)을 포함한다. 상기 출력단 회로(175)는 바람직하게는 코일(152)을 구동하는 제어 유닛(170) 내에 배치된다.
또한, 레일(135)에서의 압력을 검출하고 상응하는 신호를 제어 유닛(170)에 송출하는 센서(177)가 제공된다.
이러한 장치는 다음과 같이 동작한다. 연료 공급 펌프(155)는 연료를 상기 공급 탱크로부터 밸브(150)를 통해 고압 펌프(145)에 공급한다. 상기 고압 펌프(145)는 레일(135) 내의 압력을 소정의 압력으로 형성한다. 통상적으로, 800 bar 이상의 압력값이 상기 레일(135)에서 얻어진다.
상기 코일(140 내지 143)에는, 상응하는 솔레노이드 밸브(130 내지 133)를 구동하도록 전류가 공급된다. 상기 코일에 대한 구동 신호에 의해 인젝터(120 내지 123)를 통한 연료 분사의 개시 및 종료가 달성된다.
조량된 연료는 내연기관(100)내에서 연소되고 바람직하지 않은 성분으로서 질소 산화물을 함유하는 배기 가스를 형성한다. 이러한 질소 산화물은 탄화수소에 의해 촉매기(115)에서 환원된다. 본 발명은 연소 이후에 인젝터(120 내지 123)에 의해 연료가 부가로 조량되도록 한다. 이러한 연료량은 배기 가스와 함께 배출되고 유해하지 않은 성분을 형성하도록 상기 촉매기(115) 내에서 질소 산화물과 반응한다. 주분사(main injection) 이후의 연료의 부가적인 분사는 사후-분사(post-injection)로서 기술된다. 상기 사후-분사는 바람직하게는 해당 실린더의 하사점 영역에서 행해진다.
도 2는 출력단 회로(175)의 가능한 실현예를 도시한다. 참조번호 200은 전압원을 지시한다. 도시한 실시예에서는 상기 전압원의 제 1 단자, 즉 포지티브 단자는 스위칭 소자(210)를 통해 접속점(211)에 접속된다. 상기 접속점(211)에는 코일(140)의 제 1 단자 및 코일(141)의 제 1 단자가 접속된다. 코일(140)의 제 2 단자는 스위칭 소자(230)를 통해 전압원(200)의 제 2 단자에 접속된다. 마찬가지로, 코일(141)의 제 2 단자는 스위칭 소자(231)를 통해 전압원(200)에 접속된다.
코일(140)과 스위칭 소자(230) 사이의 접속선로는 다이오드(240) 및 스위칭 소자(250)를 통해 접속점(211)에 접속된다. 마찬가지로, 상기 코일(141)의 제 2 단자는 다이오드(241) 및 스위칭 소자(250)를 통해 접속점(211)에 접속된다. 상기 다이오드들(240, 241)의 캐소드들의 공통 단자는 한편에서는 스위칭 소자(250)에 접속되고 다른편에서는 콘덴서(260)를 통해 전압원(200)에 접속된다.
또한, 상기 전압원의 제 1 단자는 스위칭 소자(220)를 통해 접속점(212)에접속된다. 이러한 접속점(212)에는 코일(142)의 제 1 단자 및 코일(143)의 제 1 단자가 접속된다. 코일(142)의 제 2 단자는 스위칭 소자(232)를 통해 전압원(200)의 제 2 단자에 접속된다. 마찬가지로, 코일(143)의 제 2 단자는 스위칭 소자(233)를 통해 전압원(200)에 접속된다.
코일(142)과 스위칭 소자(232) 사이의 접속선로는 다이오드(242) 및 스위칭 소자(255)를 통해 접속점(212)에 접속된다. 마찬가지로, 상기 코일(143)의 제 2 단자는 다이오드(243) 및 스위칭 소자(255)를 통해 접속점(212)에 접속된다. 상기 다이오드들(242, 243)의 캐소드들의 공통 단자는 한편에서는 스위칭 소자(255)에 접속되고 다른편에서는 콘덴서(265)를 통해 전압원(200)에 접속된다.
스위칭 소자(210, 220)는 통상적으로 하이-사이드(High-Side) 스위치로서 인용되며, 스위칭 소자(230 내지 233)는 로우-사이드(Low-Side) 스위치로서 인용된다. 스위칭 소자(250 및 255)는 재충전 스위치로서 인용되며, 콘덴서(260, 265)는 체승(遞昇; step-up) 콘덴서로서 인용된다.
상기 스위칭 소자들은 바람직하게는 트랜지스터로서, 특히 전계 효과 트랜지스터(FET)로서 실현된다. 상기 스위칭 소자들은 적절한 구동 신호의 적용을 통해 제어 유닛(170)에 의해 구동될 수 있다.
이러한 장치의 기능은 하기에 설명된다. 상기 로우-사이드 스위치는 각각 배속된 코일을 통해 흐르는 전류를 해제하도록 구동된다. 상기 하이-사이드 스위치에 의해, 상기 코일을 통해 흐르는 전류는 소정의 설정치로 제어될 수 있다.
상기 로우-사이드 스위치의 개방시, 상기 코일들에서는 높은 전압이 유기되고, 그에 따라 해제된 에너지가 콘덴서(260, 265)를 재충전시킨다. 상기 솔레노이드 밸브의 신속한 응답이 가능하도록, 작동의 개시시에 스위칭 소자(250, 255)가 구동되고, 따라서 상기 코일들에는 콘덴서(260, 265)에 가해지는 높은 전압이 공급된다.
상기 콘덴서(260, 265)는 현저하게 큰 용량을 갖기 때문에, 제어 유닛(170)에 매우 큰 설치 공간을 필요로 한다. 비용 및 설치 공간을 절감할 수 있도록 가급적 적은 수의 콘덴서를 가져야 한다. 이를 위해, 하나의 공통 하이-사이드 스위치 및 그에 상응하게 제공되는 하나의 콘덴서에 의해 다수의 코일을 구동하는 것이 목적이다.
하나의 공통 하이-사이드 스위치에 의해 구동되는 1군의 부하-회로 성분들 또는 그들에 배속된 실린더들은 뱅크(bank)로서 기술된다. 코일의 작동 형태 때문에, 특히 상기 콘덴서에 의해 전압이 높아지기 때문에, 2개의 코일을 동시에 구동시킬 수는 없다. 즉, 하나의 뱅크의 하나의 실린더에 대해서, 한번의 분사만이 가능하다.
도 3a 내지 도 3c에서는 4-기통 내연기관을 작동할 경우의 관계를 도시한다. 개별 실린더 내로의 분사가 상기 크랭크축의 각도 위치에 따라서 도시된다. 도 3a에는, 제 1 라인에는 사전-분사(pre-injection) VE 가 도시되고, 제 2 라인에는 주분사 HE 가 도시되며, 제 3 라인에는 사후-분사 NE 가 도시된다.
제 1 실린더 내로의 주분사 HE 는 상기 제 1 실린더의 상사점의 영역에서 행해진다. 상기 상사점은 상기 크랭크축의 회전 각도가 0° 인 위치이다. 상기 주분사 HE 는 상기 상사점보다 대략 20° 전에서 개시하여 대략 40° 정도 지속된다. 상기 사전-분사 VE 는 상기 상사점 이전의 대략 -50° 에서 상기 주분사 HE 의 바로 전까지 위치한다. 결과적으로, 상기 사전-분사는 약간의 각도에 걸쳐 연장된다.
제 2 실린더 내로의 조량은 상기 제 2 실린더의 상사점에서, 즉 상기 제 1 실린더의 상사점 이후의 180° 지점에서 행해진다. 상기 제 2 실린더의 사전-분사 VE 는 상기 제 2 실린더의 상사점 이전의 40° 내지 50° 지점에, 즉 상기 제 1 실린더의 상사점 이후의 130° 내지 140° 지점에 위치한다.
마찬가지로, 다른 실린더들 내로의 조량은 상기 제 1 실린더의 상사점 이후의 360° 및 540° 지점에서 행해진다.
본 발명에 의하면, 촉매기의 양호한 효과를 달성하기 위해서는, 사후-분사 NE 는 해당 실린더의 상사점 이후의 100° 내지 270° 영역에서 행해질 필요가 있다. 사후-분사에 대한 바람직한 값은 상기 상사점 이후의 150° 지점에 위치한다. 도 3a에 도시하는 바와 같이, 상기 제 2 실린더의 조량은 상기 제 1 실린더의 상사점 이후의 150° 지점에서 행해진다. 하나의 출력단 회로를 사용하여 상이한 실린더들에 동시에 2개의 분사를 수행하는 것은 불가능하기 때문에, 상응하는 출력단 회로에 따라서는 사후-분사에 대한 상기 각도 값은 적합하지 않다. 본 발명에 의하면, 상기 사후-분사는 상응하는 분사의 상사점 이후의 200° 내지 240° 의 각도 범위 내로 설정된다. 즉, 상기 사후-분사는 후속 실린더의 주분사 이후에 행해진다.
도 3b 및 도 3c는 2개의 뱅크가 설치되어 있는 4-기통 내연기관을 작동할 경우의 관계를 도시한다. 제 1 뱅크의 조량 간격은 도 3b에 도시되고, 제 2 뱅크의 조량 간격은 도 3c에 도시된다. 제 1 및 제 3 실린더는 점화 순서대로 상기 제 1 뱅크에 배속되며, 제 2 및 제 4 실린더는 제 2 뱅크에 배속된다. 개개의 실린더의 사전-분사 VE 및 주분사 HE 는, 도 3a에 도시된 바와 같이 상응하는 각도 위치에서 행해진다.
조량 범위들, 즉 분사 개시, 분사 종료, 및 그에 따른 사전-분사와 주분사의 개별 조량 작업들의 분사 지속시간은, 다양한 동작 파라미터에 의해 제어되고 이러한 동작 조건들에 따라 임의의 범위 내에서 변화한다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 사후-분사는 바람직한 시점에, 즉 해당 실린더의 상사점보다 크랭크축 각도로 150° 이후의 지점에서 선택될 수 있다. 이는 상술한 시점에서 행해지는 상기 제 2 실린더 내로의 조량이 상기 제 2 뱅크에 의해 제어되기 때문에 가능하다.
상술한 방법에 의해 제공되는 장점은, 상기 사후-분사가 행해질 수 있는 범위가 필요에 따라 해당 실린더의 상사점 이후의 100° 내지 270° 범위 내에서 조절될 수 있다는 점이다. 이러한 배치구조의 결점은 상기 실린더들 또는 상기 솔레노이드 밸브들이 2개의 뱅크로 분할되어야만 하기 때문에 2개의 출력단 회로가 필요해진다는 점이다.
도 4a 및 도 4b는 6-기통 내연기관을 작동할 경우의 관계를 도시한다. 도 4a의 실시예에서는, 제 1, 제 3 및 제 5 실린더가 점화 순서대로 제 1 뱅크에 배속되며, 제 2, 제 4 및 제 6 실린더가 제 2 뱅크에 배속된다. 개별 분사들 사이의 간격은 대략 120° 각도의 크랭크축 회전 각도로 정해진다.
사전-분사는 해당 실린더의 상사점 이전의 40° 내지 50° 범위 내에 위치된다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 동일한 뱅크의 두번째 실린더에서의 사전-분사는 상기 제 1 실린더의 상사점 이후의 190° 내지 200° 범위에 위치된다.
상기 제 1 실린더의 상사점의 이후, 대략 150°의 크랭크축 회전 각도에서의 소망 사후-분사는 어떠한 동작 조건에서도 실현될 수 없다. 그 이유는 그러한 각도위치에서는 이미 상기 제 2 실린더 내로의 조량이 개시될 수 있기 때문이다. 만약 콘덴서를 충전하고 새로운 값들을 전송하는데 필요한 휴지 시간(pause time)을 고려하는 경우에는, 사후-분사는 단지 해당 실린더의 상사점 이후의 150°의 크랭크축 회전 각도까지에서만 가능하다.
도 4b는 제 1, 제 2 및 제 3 실린더가 제 1 뱅크에 배속되며, 제 4, 제 5 및 제 6 실린더가 제 2 뱅크에 배속되어 있는 본 발명에 따른 일실시예를 도시한다. 6개의 실린더 중 4개의 실린더의 경우에는, 상사점 이후의 160° 내지 360° 의 범위에서 사후-분사가 가능하다. 6개의 실린더 중 2개의 실린더의 경우에는, 상사점 이후의 100° 내지 360° 의 범위에서 사후-분사가 가능하다.
본 발명에 따르면, 사후-분사는 매 분사마다 행해질 필요는 없다는 점을 알 수 있다. 사후-분사는 단지 다음과 같은 경우이면 충분하다. 따라서, 사후-분사는 n-번째 조량 마다에만 행해질 수 있다. 여기서 상기 n 은 해당 동작 상태에 따라 및/또는 사후-분사의 소요량에 따라 규정될 수 있다.
도 4b로부터 알 수 있듯이, 상기 제 1 실린더에 배속되는 사후-분사는 상기제 1 실린더의 상사점 이후의 180°의 좁은 각도 범위 내에서만 가능하다. 상기 제 2 또는 제 3 실린더에 배속되는 사후-분사는 상기 제 1 실린더의 상사점 이후의 300°내지 660°의 매우 넓은 각도 범위 내에서 가능하다. 본 발명에 따른 개별 실린더들을 개별 뱅크들 또는 출력단 회로들에 배치함으로써, 점화 순서대로 상기 제 3 실린더 또는 상기 제 6 실린더의 사후-분사가 넓은 각도 범위 내에서 변경될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 8-기통 내연기관을 작동할 경우의 관계를 도시한다. 조량작업은 대략 90°의 크랭크축 각도 간격에서 행해진다. 도 5a는 홀수 번째, 즉 제 1, 제 3, 제 5 및 제 7 실린더가 제 1 뱅크에 배속되며, 짝수 번째, 즉 제 2, 제 4, 제 6 및 제 8 실린더가 제 2 뱅크에 배속되어 있는 실시예를 도시한다.
이 경우에, 해당 실린더의 상사점 이후의 대략 180° 지점에서 상기 사후-분사가 행해지면, 동일한 뱅크의 후속 실린더에 사후-분사가 존재한다. 상기 배치구조에서의 사후-분사는 4개의 실린더 및 하나의 뱅크를 갖는 내연기관의 경우에 비해 제한된 범위 내에서만 가능하다.
도 5b는 제 1 및 제 2 실린더와 제 5 및 제 6 실린더가 제 1 뱅크에 배속되며, 제 3 및 제 4 실린더와 제 7 및 제 8 실린더가 제 2 뱅크에 배속되어 있는 본 발명에 따른 실시예를 도시한다. 점화 순서대로 차례로 연속되는 2개의 실린더는 각각 하나의 뱅크에 배속된다.
1군을 이루는 2개의 실린더 중 제 1 실린더에 후속하는 사후-분사는 상기 제 1 실린더의 상사점 이후의 160°내지 290°의 간격에서 행해질 수 있다. 따라서,상기 제 2 실린더에 후속하는 분사는 해당 실린더의 상사점 이후의 크랭크축 각도로 100°내지 200°에서 행해질 수 있다.
해당 실린더들의 사후-분사는 제 2 뱅크의 각각의 실린더들 내로 분사가 행해지는 크랭크축 구간에서 행해진다.

Claims (8)

  1. 제 1 수단(120, 121, 122 및 123)에 의해 내연기관(100)에 연료가 조량되며, 상기 연료는 상기 내연기관(100)에서 연소되고, 제 2 수단(115)에 의해 배기 가스 후처리가 수행되며, 사후-분사(post-injection)가 수행되고, 상기 사후-분사 도중에 상기 제 1 수단(120, 121, 122 및 123)에 의해 연소후 연료가 조량되며, 상기 연료는 상기 배기 가스 후처리를 수행하는 제 2 수단(115)에서 반응하는 내연기관(100)의 제어 방법에 있어서,
    점화 순서대로 서로 연속하는 실린더들이 상이한 뱅크(bank)들에 배속되는 방식으로 상기 실린더들이 적어도 두 개의 뱅크에 배속되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어 방법.
  2. 제 1 수단(120, 121, 122 및 123)에 의해 내연기관(100)에 연료가 조량되며, 상기 연료는 상기 내연기관(100)에서 연소되고, 제 2 수단(115)에 의해 배기 가스 후처리가 수행되며, 사후-분사(post-injection)가 수행되고, 상기 사후-분사 도중에 상기 제 1 수단(120, 121, 122 및 123)에 의해 연소후 연료가 조량되며, 상기 연료는 상기 배기 가스 후처리를 수행하는 제 2 수단(115)에서 반응하는 내연기관(100)의 제어 방법에 있어서,
    점화 순서대로 서로 연속하는 2개 또는 3개의 실린더들이 동일한 뱅크에 배속되며, 2개 또는 3개의 후속 실린더들이 다른 뱅크에 배속되는 방식으로, 상기 실린더들이 적어도 두 개의 뱅크에 배속되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 사후-분사는 상응하는 실린더의 상사점 이후에 100° 내지 270° 범위 내에서 수행되며, 특히 상기 상사점 이후에 120° 내지 150° 범위 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 4개의 실린더를 구비한 내연기관의 경우에, 상기 사후-분사는 상응하는 실린더의 상사점 이후에 200° 내지 240° 각도 범위 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 사후-분사는 n번째의 조량작업 마다에만 수행되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어 방법.
  6. 내연기관(100)에서 연소되는 연료를 상기 내연기관(100)에 조량하는 제 1 수단(120, 121, 122 및 123)과, 배기 가스 후처리를 수행하는 제 2 수단(115)을 구비하며, 사후-분사가 수행되고, 상기 사후-분사 도중에 상기 제 1 수단(120, 121, 122 및 123)에 의해 연소후 연료가 조량되며, 상기 연료는 상기 배기 가스 후처리를 수행하는 제 2 수단(115)에서 반응하는 내연기관의 제어 장치에 있어서,
    점화 순서대로 서로 연속하는 실린더들이 상이한 뱅크들에 배속되는 방식으로 상기 실린더들이 적어도 두 개의 뱅크에 배속되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어 장치.
  7. 내연기관(100)에서 연소되는 연료를 상기 내연기관(100)에 조량하는 제 1 수단(120, 121, 122 및 123)과, 배기 가스 후처리를 수행하는 제 2 수단(115)을 구비하며, 사후-분사가 수행되고, 상기 사후-분사 도중에 상기 제 1 수단(120, 121, 122 및 123)에 의해 연소후 연료가 조량되며, 상기 연료는 상기 배기 가스 후처리를 수행하는 제 2 수단(115)에서 반응하는 내연기관의 제어 장치에 있어서,
    점화 순서대로 서로 연속하는 2개 또는 3개의 실린더들이 동일한 뱅크에 배속되며, 2개 또는 3개의 후속 실린더들이 다른 뱅크에 배속되는 방식으로, 상기 실린더들이 적어도 두 개의 뱅크에 배속되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어 장치.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 수단은 커먼-레일 시스템(common-rail-system)인 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어 장치.
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