KR100457842B1 - 압축 착화식 엔진 - Google Patents

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Abstract

배기 가스 정화 촉매와, 엔진 출력과 별개인 출력을 발생시키기 위한 전기 모터를 포함하는 압축 착화식 엔진이 제공된다. 상기 엔진은 엔진 운전 상태에 기초하여 엔진을 출력시키는 제 1 제어와, 챔버 내의 불활성 가스량이 수트의 발생량이 최대가 되는 불활성 가스량 보다 큰 제 1 연소 모드 하에서 엔진을 운전시키는 제 2 제어를 선택적으로 실행할 수 있다.

Description

압축 착화식 엔진{Compression Ignition Type Engine}
본 발명은 압축 착화식 엔진에 관한 것이다.
종래, 엔진으로부터 배출되는 배기 가스에 포함되어 있는 성분들을 정화하기 위해 엔진 배기 통로에 배기 가스 정화 촉매를 배치하는 것이 공지되어 있다. 촉매를 활성화시키고 촉매의 정화 작용을 개시하기 위한 최소 온도가 존재한다. 통상적으로, 촉매의 온도는 촉매 내로 유동하는 배기 가스에 의해 활성 온도로 증가된다. 그러나, 배기 가스의 온도는 엔진 운전 상태에 따라 낮아질 수 있으며, 이 상태에서 촉매의 온도는 활성 온도 보다 낮아질 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 일본 특개평 5-328528호 공보에는 상기 상태에서 활성 온도 이상으로 촉매의 온도를 증가시키기 위한 방법이 기재되어 있다.
상기 공보에서는, 예를 들면 엔진의 운전이 개시되고 배기 가스의 온도가 낮은 것으로 추정하면, 엔진은 배기 가스의 온도를 증가시키기 위해 통상의 2배의 엔진 회전수로 운전됨으로써, 촉매의 온도를 활성 온도로 증가시킨다.
촉매의 온도가 상술한 바와 같이 증가되는 경우, 엔진을 통상의 2배의 엔진 회전수로 운전시켜야할 필요가 있으며, 따라서 엔진의 연료 소비가 커지게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 상기 공보에서는, 엔진이 높은 엔진 회전수로 운전될 때, 여분의 출력을 전력으로서 저장하기 위해 엔진의 출력에 의해 전기 모터가 발전기로서 구동된다. 이러한 전력은 상황에 따라 엔진의 출력을 보충하는데 사용된다.
그러나, 엔진이 여분의 출력이 발전기로서 작용하는 전기 모터에 의해 전력으로 전환될 때, 전환율이 100%가 아니기 때문에 엔진의 연료 소비는 조금 커지게 된다.
본 발명의 목적은 배기 가스 정화 촉매를 활성 상태로 유지하면서, 엔진의 연료 소비가 커지게 되는 것을 방지하는 것이다.
본 발명의 목적을 성취하기 위해, 제 1 양태에 따르면, 연소 챔버 내의 불활성 가스량이 커질 때, 수트(soot)의 발생량이 최대로 점차적으로 증가하며, 상기 연소 챔버 내의 불활성 가스량이 더욱 커질 때, 연소 챔버 내의 연료의 연소시에 연료의 온도 및 연료 주위의 가스의 온도가, 수트가 발생되는 온도 보다 낮아지고, 그에 따라서, 수트가 거의 발생하지 않는 압축 착화식 엔진이 제공되며, 상기 엔진은 상기 연소 챔버 내의 불활성 가스량이 수트의 발생량이 최대가 되는 불활성 가스량 보다 큰 제 1 연소 모드와, 상기 연소 챔버 내의 불활성 가스량이 수트의 발생량이 최대가 되는 불활성 가스량 보다 작은 제 2 연소 모드를 선택적으로 실행하기 위한 수단과; 배기 가스 내에 포함되어 있는 성분을 정화하기 위해 엔진 배기 통로에 배치되는 배기 가스 정화 촉매와; 상기 엔진이 엔진 운전 상태에 기초하여 결정된 출력값을 출력하도록 운전될 때, 엔진의 출력과는 별개인, 요구 출력에 대한 엔진의 출력의 부족을 보충하기 위한 출력을 출력하기 위한 전기 모터; 및 상기 엔진이 엔진 운전 상태에 기초하여 결정된 출력값 보다 큰 출력을 출력하도록 엔진을 운전하는 제 1 제어와, 상기 제 1 연소 모드 하에서 엔진을 운전시키는 제 2 제어중 하나를 실행함으로써, 배기 가스 정화 촉매의 온도를 증가시키기 위한 온도 증가 수단을 포함한다.청구항 2에 따른 제 2 양태에서, 상기 엔진은 배터리를 또한 포함하며, 상기 엔진의 출력이 엔진 운전 상태에 기초하여 결정된 출력값 보다 클 때, 상기 전기 모터는 전력으로서 배터리 내에 엔진의 출력을 저장하기 위해 엔진의 출력에 의해 발전기로서 구동되며, 상기 배터리에 충전된 전력의 양이 요구량 보다 작을 때, 상기 온도 증가 수단이 제 1 제어를 실행하고, 한편, 배터리에 충전된 전력의 양이 요구량 보다 클 때, 상기 온도 증가 수단이 제 2 제어를 실행한다.
청구항 1에 따른 제 3 양태에서, 상기 배기 가스 정화 촉매는 배기 가스 내에 포함되어 있는 NOx를 정화하기 위한 NOx촉매를 갖는다.
청구항 2에 따른 제 4 양태에서, 상기 NOx 촉매는, 촉매 내로 유입되는 배기 가스의 공연비가 린(lean)일 때 배기 가스 내에 포함된 NOx를 흡수하며 촉매 내로 유입되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비 및 리치(rich) 공연비 중 하나가 될 때 그로부터 흡수된 NOx를 배출하는 NOx흡수제를 갖는다.
청구항 1에 따른 제 5 양태에서, 상기 배기 가스 정화 촉매의 온도가 촉매가 활성화되는 온도 보다 낮을 때, 배기 가스 내에 포함된 성분을 정화하기 위해, 상기 온도 증가 수단은 상기 제 1 제어 또는 제 2 제어를 실행함으로써, 배기 가스 정화 촉매의 온도를 증가시킨다.
본 발명은 첨부 도면과 함께 하기에 설명하는 본 발명의 적합한 실시예의 설명으로부터 더욱 명백하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 압축 착화식 엔진의 개략도.
도 2는 엔진 본체의 측면도.
도 3은 다른 압축 착화식 엔진의 개략도.
도 4는 요구 토크를 도시하는 도면.
도 5는 매연 및 NOx등의 발생량을 도시하는 도면.
도 6a 및 도 6b는 연소 압력을 도시하는 도면.
도 7은 매연 발생량과 EGR율 사이의 관계를 도시하는 도면.
도 8은 분사 연료량과 혼합 가스량 사이의 관계를 도시하는 도면.
도 9a 및 도 9b는 연소 챔버 내의 가스 온도를 도시하는 도면.
도 10은 제 1 및 제 2 운전 영역(I,II)을 도시하는 도면.
도 11은 스로틀 밸브 등의 개방도를 도시하는 도면.
도 12는 제 1 운전 영역(I)에서의 공연비를 도시하는 도면.
도 13a 및 도 13b는 분사될 연료량의 맵을 도시하는 도면.
도 14a 및 도 14b는 스로틀 밸브 등의 목표 개방도의 맵을 도시하는 도면.
도 15는 제 2 운전 영역(II)에서의 공연비를 도시하는 도면.
도 16a 및 도 16b는 분사될 연료량의 맵을 도시하는 도면.
도 17a 및 도 17b는 스로틀 밸브 등의 목표 개방도의 맵을 도시하는 도면.
도 18은 엔진의 효율이 최적인 경우의 곡선을 도시하는 도면.
도 19는 엔진 운전 제어를 수행하는 순서도.
도 20은 통상의 엔진 운전 제어를 수행하는 순서도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 : 엔진 본체 2 : 실린더 블록
3 : 실린더 헤드 4 : 피스톤
5 : 연소 챔버 6 : 연료 분사 장치
7 : 흡기 밸브 8 : 흡기 포트
9 : 배기 밸브 10 : 배기 포트
21 : 스로틀 밸브 24 : NOx흡수제
29 : EGR 제어 밸브 37 : 전기 모터
도 1 및 도 2는 본 발명을 4행정 압축 착화식 엔진에 적용한 경우를 도시한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 도면 부호 1은 엔진 본체, 2는 실린더 블록, 3은 실린더 헤드, 4는 피스톤, 5는 연소 챔버, 6은 전기 제어식 연료 분사 장치, 7은 흡기 밸브, 8은 흡기 포트, 9는 배기 밸브, 및 10은 배기 포트를 나타낸다. 상기 흡기 포트(8)는 대응 흡기 분기관(11)을 통해 서지 탱크(12)에 연결된다. 상기 서지 탱크(12)는 흡기 도관(13) 및 인터쿨러(14)를 통해, 예를 들면, 배기 터보차저(turbocharger)(15)와 같은 과급기(supercharger)의 압축기(16)의 출구에 연결된다. 상기 압축기(16)의 입구는 흡기 도관(17) 및 공기 유량계(18)를 통해 에어 클리너(19)에 연결된다. 스테핑 모터(20)에 의해 구동되는 스로틀 밸브(21)는 흡기 도관(17)에 배치된다.
한편, 배기 포트(10)는 배기 다기관(22)을 통해 배기 터보차저(15)의 배기 터빈(23)의 입구에 연결된다. 배기 터빈(23)의 출구는 배기 가스 정화 촉매로서의 NOx정화 촉매(24)를 수용하는 케이싱(25)에 연결된다. 케이싱(25)의 출구에 연결된 배기 파이프(26)와 스로틀 밸브(21)의 하류측의 흡기 도관(17)은 EGR 통로(27)를 통해 서로 연결된다. EGR 통로(27)의 내부에는 스테핑 모터에 의해 구동되는 EGR 제어 밸브(29)가 배치되어 있다. 또한, EGR 통로(27)의 내부에는 상기 EGR 통로(27)의 내부를 유동하는 EGR 가스를 냉각하기 위한 인터쿨러(30)가 배치되어 있다. 도 1에 도시한 실시예에서, 엔진 냉각수는 인터쿨러(30) 내부로 안내되며, 여기서 EGR 가스가 엔진 냉각수에 의해 냉각된다.
한편, 각각의 연료 분사 장치(6)는 연료 공급관(31)을 통해 저장조, 즉 커먼 레일(32)에 연결된다. 연료는 전기 제어식 가변 배출 연료 펌프(33)로부터 커먼 레일(32)로 공급된다. 커먼 레일(32)에 공급된 연료는 각각의 연료 공급관(31)을 통해 연료 분사 장치(6)로 공급된다. 커먼 레일(32) 내의 연료 압력을 검출하기 위한 연료 압력 센서(34)가 커먼 레일(32)에 부착된다. 연료 펌프(33)의 배출량은, 커먼 레일(32)의 연료 압력은 목표 연료 압력이 되도록 연료 압력 센서(34)의 출력 신호에 기초하여 제어된다.
한편, 도 1에 도시한 실시예에서, 변속기(35)가 엔진의 출력 샤프트에 연결된다. 전기 모터(37)는 변속기(35)의 출력 샤프트(36)에 연결된다. 이 경우, 변속기(35)로서, 토크 변환기를 갖춘 통상의 자동 변속기, 다양한 형태의 무단 변속기, 또는 자동 클러치 조작 및 클러치를 갖춘 수동 변속기에 있어서의 기어 변속 조작 등이 가능한 형태의 자동 변속기가 사용될 수 있다.
또한, 변속기(35)의 출력 샤프트(36)에 연결된 전기 모터(37)는 엔진의 구동 전력과는 별개인 구동 전력을 발생시키기 위한 구동 전력 발생 장치를 포함한다. 도 1에 도시한 실시예에서, 전기 모터(37)는, 변속기(35)의 출력 샤프트(36)에 부착되며 그 외주부에 부착된 복수의 영구 자석을 포함하는 회전자(38) 및, 회전 자계(rotating field)를 형성하는 여자 코일(exciting coil)을 포함하는 고정자(39)를 갖춘 AC 동기형 전기 모터로 구성된다. 고정자(39)의 여자 코일은 모터 구동 제어 회로(40)에 연결된다. 상기 모터 구동 제어 회로(40)는 DC 고전압을 발생시키는 배터리(41)에 연결된다. 배터리 전압과 배터리 충전 및 방전 전류를 검출하기 위해 검출기(42)가 모터 구동 제어 회로(40)와 배터리(41) 사이에 배치된다.
전자 제어 유닛(50)은 디지털 컴퓨터로 구성되며, 쌍방향 버스(51)에 의해 서로 연결된 ROM(판독 전용 메모리)(52), RAM(랜덤 억세스 메모리)(53), CPU(마이크로프로세서)(54), 입력 포트(55) 및, 출력 포트(56)를 구비한다. 상기 공기 유량계(18), 연료 압력 센서(34) 및, 검출기(42)의 출력 신호는 대응 AD 변환기(57)를 통해 입력 포트(55)에 입력된다. 배기 파이프(26)의 내부에는 배기 가스의 온도를 검출하기 위한 온도 센서(43)가 배치되어 있다. 온도 센서(43)의 출력 신호는 대응 AD 변환기(57)를 통해 입력 포트(55)에 입력된다. 또한, 변속기(35)의 기어비, 출력 샤프트(36)의 회전 속도 등을 나타내는 다양한 신호가 입력 포트(55)에 입력된다.
한편, 가속 페달(44)에는 상기 가속 페달(44)의 눌림량(L)에 비례하는 출력 전압을 발생시키는 부하 센서(45)가 연결되어 있다. 부하 센서(45)의 출력 전압은 대응 AD 변환기(57)를 통해 입력 포트(55)에 입력된다. 또한, 상기 입력 포트(55)에는 예를 들면 30°만큼 크랭크샤프트가 회전할 때마다 출력 펄스를 발생시키기 위한 크랭크 각도 센서(46)가 연결되어 있다. 한편, 출력 포트(56)는 대응 구동 회로(58)를 통해 연료 분사 장치(6), 스테핑 모터(20), EGR 제어 밸브(28), 연료 펌프(33), 변속기(35) 및 모터 구동 제어 회로(40)에 연결된다.
전기 모터(37)의 고정자(39)의 여자 코일로의 전력의 공급은 통상시에는 정지되어 있다. 이 때, 회전자(38)는 변속기(35)의 출력 샤프트(36)와 함께 회전한다. 한편, 전기 모터(37)를 구동시킬 때, 배터리(41)의 DC 고전압은 모터 구동 제어 회로(40)에 의해 주파수(fm)와 전류값(Im)을 갖는 3-상(phase) 교류 전류로 변환된다. 상기 3-상 교류 전류는 고정자(39)의 여자 코일에 공급된다. 주파수(fm)는 여자 코일에 의해 발생된 회전 자계를 회전자(38)의 회전과 동기식으로 회전시키기 위해 요구되는 주파수이다. 주파수(fm)는 출력 샤프트(36)의 회전 속도에 기초하여 CPU(54)에 의해 산출된다. 모터 구동 제어 회로(40)에서, 상기 주파수(fm)는 3-상 교류 전류의 주파수로 이루어진다.
한편, 전기 모터(37)의 출력 토크는 3-상 교류 전류의 전류값(Im)에 실질적으로 비례한다. 상기 전류값(Im)은 전기 모터(37)의 요구 출력 토크에 기초하여 CPU(54)에 의해 산출된다. 모터 구동 제어 회로(40)에서, 상기 전류값(Im)은 3-상 교류 전류의 전류값으로 이루어진다.
또한, 전기 모터가 외부힘에 의해 구동된 상태일 때, 전기 모터(37)는 발전기로서 작동한다. 이 때 발생된 전력은 배터리(41)에 저장된다. 전기 모터가 외부힘에 의해 구동되어야 하는 지의 여부는 CPU(54)에 의해 판단된다. 상기 전기 모터(37)가 외부힘에 의해 구동되어야 한다고 판단되는 경우, 상기 모터 구동 제어 회로(40)는 전기 모터(37)에 의해 발생된 전력이 배터리(41)에 저장되도록 작동한다.
도 3은 압축 착화식 엔진의 다른 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 전기 모터(37)는 엔진의 출력 샤프트(47)에 연결된다. 변속기(35)는 전기 모터(37)의 출력 샤프트에 연결된다. 본 실시예에서, 전기 모터(37)의 회전자(38)는 엔진의 출력 샤프트(47)에 부착된다. 따라서, 회전자(38)는 항상 엔진의 출력 샤프트(47)와 함께 회전한다. 또한, 본 실시예에서도 마찬가지로, 변속기(35)로서, 토크 변환기를 갖춘 통상의 자동 변속기, 다양한 형태의 무단 변속기, 또는 자동 클러치 작동이 가능한 형태의 자동 변속기, 또는 자동 클러치 조작 및 클러치를 갖춘 수동 변속기에 있어서의 기어 변속 조작 등이 가능한 형태의 자동 변속기가 사용될 수 있다.
도 4의 종좌표(TQ)는 엔진에 대한 요구 토크를 나타낸다. 횡좌표(N)는 엔진 회전수를 나타낸다. 실선은 동일한 가속 페달(44)의 눌림량에서의 요구 토크와 엔진 회전수(N) 사이의 관계를 나타낸다. 또한, 도 4의 실선(A)은 가속 페달(44)의 눌림량이 0일 때를 나타내며, 실선(B)은 가속 페달(44)의 눌림량이 최대일 때를 나타낸다. 가속 페달(44)의 눌림량은 실선(A)으로부터 실선(B)으로 증가한다. 본 발명의 본 실시예에서, 가속 페달(44)의 눌림량(L)과 엔진 회전수(N)에 따른 요구 토크(TQ)는 먼저 도 4에 도시한 관계로부터 산출된다. 다음, 연료 분사량 등이 요구 토크(TQ)에 기초하여 산출된다.
본 발명의 본 실시예에서, 엔진 부하가 비교적 낮을 때, 엔진은 수트가 거의 발생하지 않는 저온 연소로 운전된다. 따라서, 먼저, 수트가 거의 발생하지 않는 저온 연소에 대해 설명한다.
도 5는 엔진의 저부하 운전시에 스로틀 밸브(21)의 개방도와 EGR율을 변경함으로써 공연비(A/F)가 변화할 때(도 5의 횡좌표), 출력 토크의 변화와, 매연, 탄화수소, 일산화탄소 및 NOx의 배기량의 변화를 나타내는 실험의 예를 도시한다. 도 5로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 본 실험에서, 공연비(A/F)가 작아질수록, EGR율이 커진다. 이론 공연비(≒14.6) 이하에서, EGR율은 적어도 65%가 된다.
도 5에 도시한 바와 같이, 공연비(A/F)가 EGR율을 증가시킴으로써 작아지면, EGR율은 40%에 근접하게 된다. 공연비(A/F)가 약 30이 될 때, 발생되는 매연량은 증가하기 시작한다. 다음, EGR율이 더욱 증가하고 공연비(A/F)가 작아지면, 발생되는 매연량은 급속히 증가하여 최대에 도달한다. 다음, EGR율이 더욱 증가하고 공연비(A/F)가 작아지면, 매연은 급속히 감소한다. EGR율이 적어도 65%이고 공연비(A/F)가 15.0에 근접하게 되면, 발생되는 매연은 실질적으로 0이 된다. 즉, 엔진의 출력 토크가 다소 낮아지며, 발생되는 NOx량이 상당히 저감된다. 한편, 발생되는 탄화수소 및 일산화탄소는 증가하기 시작한다.
도 6a는 발생되는 매연량이 공연비(A/F)가 21인 부근에서 최대일 때 연소 챔버(5) 내의 압축 압력의 변화를 도시한다. 도 6b는 발생하는 매연량이 공연비(A/F)가 18인 부근에서 실질적으로 0일 때 연소 챔버(5) 내의 압축 압력의 변화를 도시한다. 도 6a 및 도 6b를 비교함으로써 이해할 수 있는 바와 같이, 연소 압력은, 발생되는 매연량이 큰 도 6a의 경우 보다 발생되는 매연량이 실질적으로 0인 도 6b의 경우에 더 낮다.
하기에는 도 5, 도 6a 및 도 6b에 도시한 실험의 결과를 설명한다. 즉, 먼저, 공연비(A/F)가 15.0 미만이고 발생되는 매연량이 실질적으로 0일 때, 발생되는 NOx량은 도 5에 도시한 바와 같이 상당히 저감된다. 발생되는 NOx량이 저감된다는 사실은 연소 챔버(5) 내의 연소 온도가 낮아진다는 것을 의미한다. 따라서, 수트가 거의 발생하지 않을 때 연소 챔버(5) 내의 연소 온도가 낮아진다고 말할 수 있다. 이는 도 6b로부터도 확인할 수 있다. 즉, 수트가 거의 발생하지 않는 도 6b에 도시한 상태에서, 연소 압력은 낮아지므로, 이 때 연소 챔버(5) 내의 연소 온도는 낮아지게 된다.
다음, 도 5에 도시한 바와 같이, 발생되는 매연량, 즉 발생되는 수트량이 실질적으로 0일 때, 배출되는 탄화수소 및 일산화탄소의 양은 증가된다. 이는 탄화수소가 수트로 성장하지 않고 배출된 것을 의미한다. 즉, 연료 내에 포함된 곧은 사슬(straight chain) 탄화수소 및 방향족 탄화수소가 산소 부족 상태에서 온도가 증가되면, 상기 탄화수소들이 열에 의해 분해되어 수트의 예비 물질(precursor)의 형성을 초래한다. 다음, 탄소 원자의 고형 덩어리(mass)를 주성분으로 하는 수트가 발생된다. 이 경우, 수트의 형성의 실제 과정은 복잡하다. 수트의 예비 물질이 어떻게 형성되는 지는 분명하지 않지만, 어떠한 경우에서도 연료 내에 포함된 탄화수소는 수트 예비 물질에 의해 수트로 성장한다. 따라서, 상술한 바와 같이, 수트의 발생량이 실질적으로 0이 될 때, 탄화수소 및 일산화탄소의 배기량은 도 5에 도시한 바와 같이 증가하지만, 이 때 탄화수소는 수트 예비 물질이거나, 그 이전의 상태의 탄화수소이다.
도 5, 도 6a 및 도 6b에 도시한 실험의 결과에 기초한 이러한 고찰을 요약하면, 연료 챔버(5) 내의 연소 온도가 낮을 때, 발생되는 수트량은 실질적으로 0이 된다. 이 때, 수트 예비 물질 또는 그 이전의 상태의 탄화수소가 연소 챔버(5)로부터 배출된다. 보다 상세한 실험 및 연구가 수행되었다. 그 결과, 연소 챔버(5) 내의 연료 주위의 가스와 연료의 온도가 소정의 온도 이하일 때, 수트의 성장 과정이 중도에서 정지되며, 즉 수트가 전혀 발생하지 않으며, 연소 챔버(5) 내의 연료 및 그 주위의 온도가 소정의 온도 이상일 때, 수트가 발생된다는 것을 발견하였다.
탄화수소의 발생의 과정이 수트 예비 물질의 상태에서 정지될 때의 연료 및 그 주위의 온도, 즉 상기 소정의 온도는 연료의 종류, 공연비 및, 압축비와 같은 다양한 요인에 따라 변화되므로, 몇도 인지는 말할 수 없으나, 상기 소정의 온도는 NOx의 발생량과 밀접한 관계가 있다. 따라서, 상기 소정의 온도는 NOx의 발생량으로부터 소정의 정도로 규정될 수 있다. 즉, EGR율이 커질수록, 연소시의 연료 및 그 주위의 온도가 낮아지며 발생되는 NOx량이 저감된다. 이 때, 발생되는 NOx량이 약 10ppm 이하일 때, 수트가 더 이상 거의 발생하지 않는다. 따라서, 상기 소정의 온도는 발생되는 NOx량이 10ppm 이하일 때의 온도와 실질적으로 일치한다.
수트가 발생되면, 산화 작용 등을 갖는 촉매를 사용하여 후처리에 의해 제거하는 것이 불가능하다. 이에 대하여, 수트 예비 물질 또는 그 이전 상태의 탄화수소는 산화 작용 등을 갖는 촉매를 사용하여 후처리에 의해 용이하게 제거할 수 있다. 산화 작용 등을 갖는 촉매에 의한 후처리를 고려할 때, 연소 챔버(5)로부터 탄화수소가 수트 예비 물질 또는 그 이전 상태의 탄화수소로 배출되는 지 또는 수트의 형태로 연소 챔버(5)로부터 배출되는 지의 여부 사이에는 매우 큰 차이가 있다.
수트의 발생 이전의 상태의 탄화수소의 성장을 정지시키기 위해, 상기 연소 챔버(5) 내에서의 연소시에 연료 및 그 주위의 가스의 온도를, 수트가 발생되는 온도 보다 낮은 온도로 억제할 필요가 있다. 이 경우, 연료의 연소시의 연료 주위의 가스의 열 흡수 작용이 연료 및 그 주위의 가스의 온도의 억제에 매우 큰 효과가 있는 것을 발견하였다.
즉, 연료 주위에 공기만이 존재하는 경우, 기화된 연료는 공기 중의 산소와 즉시 반응하여 연소된다. 이 경우, 연료로부터 이격되어 있는 공기의 온도는 많이 상승하지 않는다. 연료 주위의 온도만이 국부적으로 매우 높다. 즉, 이 때, 연료로부터 이격되어 있는 공기는 연료의 연소열을 전혀 많이 흡수하지 않는다. 이 경우, 연소 온도가 국부적으로 매우 높기 때문에, 연소열을 수용한 미연소 탄화수소는 수트를 형성한다.
한편, 다량의 불활성 가스와 소량의 공기의 혼합기에 연료가 존재하는 경우에는 상황이 약간 다르다. 이 경우, 증발된 연료는 주위로 분산되며 불활성 가스에 혼합된 산소와 반응하여 연소된다. 이 경우, 연소열은 주위의 불활성 가스에 의해 흡수되며, 따라서 연소 온도는 더 이상 많이 상승하지 않는다. 즉, 연소 온도를 낮게 유지할 수 있게 된다. 즉, 불활성 가스의 존재는 연소 온도의 억제에 중요한 역할을 한다. 불활성 가스의 열 흡수 작용에 의해 연소 온도를 낮게 유지할 수 있다.
이 경우, 연료 및 그 주위의 가스의 온도를 수트가 발생하는 온도 보다 낮은 온도로 억제하기 위해, 온도를 낮추는데 충분한 양의 열을 흡수하기에 충분한 불활성 가스량이 요구된다. 따라서, 연료량이 증가되면, 요구되는 불활성 가스량이 마찬가지로 증가된다. 이 경우, 불활성 가스의 비열이 커질수록, 열 흡수 작용이 증강된다는 것을 주목하라. 따라서, 불활성 가스는 큰 비열을 갖는 가스가 적합하다. 이러한 점에서, CO2와 EGR 가스는 비교적 큰 비열을 갖기 때문에, 불활성 가스로서 CO2와 EGR 가스를 사용하는 것이 적합하다고 말할 수 있다.
도 7은 불활성 가스로서 EGR 가스를 사용하여 EGR 가스의 냉각도가 변경될 때의 EGR율과 매연 사이의 관계를 도시한다. 즉, 도 7에서, 곡선(A)은 EGR 가스의 온도를 약 90℃로 유지하기 위해 EGR 가스를 강제 냉각할 때의 경우를 도시하며, 곡선(B)은 소형의 냉각 장치에 의해 EGR 가스를 냉각할 때의 경우를 도시하며, 곡선(C)은 EGR 가스를 강제 냉각하지 않을 때의 경우를 도시한다.
도 7의 곡선(A)에 의해 도시한 바와 같이, EGR 가스를 강제 냉각할 때, 발생되는 수트량은 EGR율이 50% 보다 약간 낮을 때 최대가 된다. 이 경우, EGR율이 적어도 약 55%가 되면 수트가 더 이상 거의 발생하지 않는다.
한편, 도 7의 곡선(B)에 의해 도시한 바와 같이, EGR 가스를 약간 냉각할 때, 발생되는 수트량은 EGR율이 50% 보다 약간 높을 때 최대가 된다. 이 경우, EGR율이 적어도 약 65%가 되면 수트가 더 이상 거의 발생하지 않는다.
또한, 도 7의 곡선(C)에 의해 도시한 바와 같이, EGR 가스를 강제 냉각하지 않을 때, 발생되는 수트량은 EGR율이 55% 부근일 때 최대가 된다. 이 경우, EGR율이 적어도 약 70%가 되면 수트가 더 이상 거의 발생하지 않는다.
도 7은 엔진 부하가 비교적 높을 때 발생하는 매연량을 도시하는 것을 주목하라. 엔진 부하가 작아지게 되면, 발생되는 수트량이 최대가 되는 EGR율이 다소 낮아지며 수트가 더 이상 거의 발생하지 않는 EGR율의 하한이 마찬가지로 다소 낮아진다. 이러한 방식으로, 수트가 더 이상 거의 발생하지 않는 EGR율은 EGR 가스의 냉각도와 엔진 부하에 따라 변경된다.
도 8은 EGR 가스와 공기의 혼합 가스량, 혼합 가스 내의 공기의 비율 및, 연소시에 연료 및 그 주위의 가스의 온도를 불활성 가스로서 EGR 가스를 사용하는 경우에 수트가 발생하는 온도 보다 낮은 온도로 설정하는데 요구되는 혼합 가스 내의 EGR 가스의 비율을 도시한다. 도 8에서, 종좌표는 연소 챔버(5) 내에서 흡입한 총 흡입 가스량을 나타낸다는 것을 주목하라. 일점쇄선(Y)은 과급이 실행되지 않을 때의 연소 챔버내에서 흡입할 수 있는 총 흡입 가스량을 도시한다. 또한 횡좌표는 요구 토크를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 공기의 비율, 즉 혼합 가스 내의 공기량은 분사된 연료를 완전 연소시키는데 필요한 공기량을 나타낸다. 즉, 도 8에 도시한 경우, 공기량과 분사된 연료량의 비율은 이론 공연비가 된다. 한편, 도 8에서, EGR 가스의 비율, 즉 혼합 가스 내의 EGR 가스량은 연료 및 그 주위의 온도를 수트가 발생할 때의 온도 보다 낮은 온도로 설정하는데 요구되는 최소 EGR 가스량을 나타낸다. EGR율의 항으로 표현한 상기 EGR 가스량은 적어도 약 55%이며, 도 8에 도시한 실시예에서는 적어도 70%이다. 즉, 연소 챔버(5) 내에서 흡입한 총 흡입 가스량이 도 8의 실선(X)이 되고, 총 흡입 가스량(X) 내의 공기량과 EGR 가스량 사이의 비율이 도 8에 도시한 비율이 되면, 연료 및 그 주위의 가스의 온도는 수트가 발생되는 온도 보다 낮은 온도가 되고, 따라서 수트가 더 이상 전혀 발생하지 않는다. 또한, 이 때 발생되는 NOx량은 약 10ppm 이하이며, 따라서 발생되는 NOx량은 매우 작아지게 된다.
분사되는 연료량이 증가되면, 연소시에 발생하는 열의 양이 증가되므로, 연료 및 그 주위의 가스의 온도를 수트가 발생하는 온도 보다 낮은 온도로 유지하기 위해, EGR 가스에 의해 흡수되는 열의 양이 증가되어야 한다. 따라서, 도 8에 도시한 바와 같이, EGR 가스량은 분사되는 연료량이 많아질수록 증가되어야 한다. 즉, EGR 가스량은 요구 부하가 높아짐에 따라 증가되어야 한다.
과급이 실행되지 않을 때, 연소 챔버(5) 내에 흡입된 총 흡입 가스량의 상한은 Y이다라는 것을 주목하시오. 따라서, 요구 토크가 L0보다 큰 도 8의 영역에서, 공연비는 EGR 가스의 비율이 요구 토크가 커짐에 따라 감소되지 않으면 이론 공연비로 유지될 수 없다. 다시 말하면, 과급이 실행되지 않을 때, 공연비를 요구 토크가 L0보다 높은 영역에서 이론 공연비로 유지시키기를 원한다면, EGR율은 요구 토크가 높아짐에 따라 낮아지며, 따라서 요구 토크가 L0보다 높은 영역에서 연료 및 그 주위의 가스의 온도가 수트가 발생되는 온도 보다 낮은 온도로 더 이상 유지될 수 없다.
도 1 및 도 3에 도시한 바와 같이, EGR 가스가 EGR 통로(27)를 통해 과급기의 입구측, 즉 배기 터보차저(15)의 압축기(16)의 상류측의 흡기 도관(17)으로 재순환되면, EGR율을 55% 이상, 예를 들면 70%로 유지할 수 있으며, 따라서 요구 부하가 L0보다 큰 영역에서 연료 및 그 주위의 가스의 온도를 수트가 발생하는 온도 보다 낮은 온도로 유지할 수 있다는 것을 주목하시오. 즉, 흡기 도관(17)의 EGR율이 예를 들면 70%가 되도록 EGR 가스가 재순환되면, 배기 터보차저(15)의 압축기(16)에 의해 압력이 상승된 흡입 가스의 EGR율은 또한 70%가 되며, 따라서 압축기(16)에 의해 압력이 상승될 수 있는 정도로 수트가 발생하는 온도 보다 낮은 온도로 연료 및 그 주위의 가스의 온도를 유지할 수 있다. 따라서, 저온 연소가 이루어질 수 있는 엔진의 운전 영역을 확장할 수 있게 된다.
이 경우, 요구 토크가 L0보다 큰 영역에서 EGR율을 적어도 55%로 설정할 때, EGR 제어 밸브(29)는 완전 개방되며, 스로틀 밸브(21)는 다소 폐쇄되는 것을 주목하라.
상술한 바와 같이, 도 8은 이론 공연비에서 연료의 연소의 경우를 도시한다. 공기량이 도 8에 도시한 공기량 보다 작아질지라도, 즉 공연비가 리치가 될지라도, 수트의 발생을 방지할 수 있으며, 발생되는 NOx량을 10ppm 이하로 할 수 있다. 또한, 공기량이 도 8에 도시한 공기량 보다 커질지라도, 즉 공연비의 평균값이 17 내지 18로 린이 될지라도, 수트의 발생을 방지할 수 있으며, 발생되는 NOx량을 10ppm 이하로 할 수 있다.
즉, 공연비가 리치가 될 때, 연료는 과잉이 되지만, 연료 온도가 저온으로 억제되기 때문에, 과잉 연료는 수트로 성장하지 않으며, 따라서 수트는 전혀 거의 발생하지 않는다. 또한, 이 때, 매우 소량의 NOx만이 발생된다. 한편, 평균 공연비가 린이거나 공연비가 이론 공연비일 때, 연소 온도가 높아지게 되면 소량의 수트가 발생하지만, 본 발명의 연소 방법에 의해, 연소 온도가 저온으로 억제되므로, 수트가 거의 발생하지 않는다. 또한, 매우 소량의 NOx만이 발생한다.
이러한 방식으로, 저온 연소시에, 공연비에 무관하게, 즉 공연비가 리치 또는 이론 공연비 이거나 평균 공연비가 린일 때에 무관하게, 수트가 거의 발생하지않으며 발생하는 NOx량이 매우 작아진다. 따라서, 연료 효율의 개선을 고려할 때, 평균 공연비를 린으로 하는 것이 적합하다고 말할 수 있다.
한편, 저온 연소시에, 연료 및 그 주위의 가스의 온도는 낮아지게 되지만, 배기 가스의 온도는 상승한다. 이는 도 9a 및 도 9b를 참조하여 설명한다.
도 9a의 실선은 연소 챔버(5) 내의 평균 가스 온도(Tg)와 저온 연소가 실행될 때의 크랭크각 사이의 관계를 도시한다. 도 9a의 점선은 연소 챔버(5) 내의 평균 가스 온도(Tg)와 통상의 연소가 실행될 때의 크랭크각 사이의 관계를 도시한다. 또한, 도 9b의 실선은 연료 및 그 주위의 가스의 온도(Tf)와 저온 연소가 실행될 때의 크랭크각 사이의 관계를 도시한다. 도 9b의 점선은 연료 및 그 주위의 가스의 온도(Tf)와 통상의 연소가 실행될 때의 크랭크각 사이의 관계를 도시한다.
저온 연소가 실행될 때, EGR 가스량은 통상의 연소가 시행될 때와 비교하여 커지며, 따라서 도 9a에 도시한 바와 같이 압축 행정의 상사점 이전에, 즉 압축 행정 중에, 실선으로 나타낸 저온 연소시의 가스의 평균 온도(Tg)는 점선으로 나타낸 통상의 연소시의 가스의 평균 온도(Tg) 보다 높아지게 된다. 이 때, 도 9b에 도시한 바와 같이 연료 및 그 주위의 가스의 온도(Tf)는 가스의 평균 온도(Tg)와 실질적으로 동일한 온도가 된다.
다음, 압축 행정의 상사점 부근에서 연소가 개시되지만, 이 경우 저온 연소가 실행될 때, 도 9b의 실선에 의해 나타낸 바와 같이, 연료 및 그 주위의 가스의 온도(Tf)는 EGR 가스의 열 흡수 작용에 의해 매우 높아지지는 않는다. 이와 반대로, 통상의 연소가 실행될 때는, 도 9b의 점선으로 나타낸 바와 같이, 연료 및 그주위의 가스의 온도(Tf)는 연료 주위의 다량이 산소의 존재에 기인하여 매우 높아지게 된다. 이러한 방식으로 통상의 연소가 실행될 때, 연료 및 그 주위의 가스의 온도(Tf)는 저온 연소가 실행될 때 보다 상당히 높아지게 되지만, 주요 부분을 구성하는 다른 가스의 온도는 저온 연소가 실행될 때와 비교하여 통상의 연소가 실행될 때 낮아지게 된다. 따라서, 도 9a에 도시한 바와 같이, 압축 행정의 상사점 부근에서의 연소 챔버(5) 내의 가스의 평균 온도(Tg)는 통상의 연소가 실행될 때와 비교하여 저온 연소가 실행될 때 높아지게 된다. 그 결과, 도 9a에 도시한 바와 같이, 연소의 종료 후에 연소 챔버(5) 내의 연소 가스의 온도는 통상의 연소가 실행될 때와 비교하여 저온 연소가 실행될 때 높아지게 된다. 따라서, 저온 연소가 실행되면, 배기 가스의 온도는 상승한다.
그러나, 연소에 의해 발생하는 열의 양이 비교적 작은 비교적 낮은 엔진 부하 운전시에 연소 챔버 내의 연소시의 연료 및 그 주위의 가스의 온도를 탄화수소의 성장이 중도에서 정지되는 온도 보다 낮게 억제할 수 있다. 따라서, 본 발명의 본 실시예에서, 엔진이 중간 또는 낮은 부하에서 운전될 때, 연료 및 그 주위의 가스의 온도를 탄화수소의 성장이 중도에서 정지되며 제 1 연소, 즉 저온 연소가 실행되는 온도 보다 낮게 억제한다. 엔진이 고부하로 운전할 때, 제 2 연소, 즉 통상의 연소가 실행된다. 제 1 연소, 즉 저온 연소는, 상술한 바로부터 명백한 바와 같이, 연소 챔버 내의 불활성 가스량이, 수트의 발생량이 최대가 되는 불활성 가스량 보다 크며 수트가 거의 발생하지 않는 경우를 의미하며, 제 2 연소, 즉 통상의 연소는 연소 챔버 내의 불활성 가스량이, 수트의 발생량이 최대가 되는 불활성 가스량 보다 작은 경우를 의미한다. 도 10은 제 1 연소, 즉 저온 연소가 실행되는 경우의 제 1 운전 영역(I)과, 제 2 연소, 즉 통상의 연소 방법에 의한 연소가 실행되는 경우의 제 2 운전 영역(II)을 도시한다. 도 10에서, 종좌표(TQ)는 요구 토크를 나타내며, 횡좌표(N)는 엔진 회전수를 나타낸다. 또한, 도 10에서, X(N)은 제 1 운전 영역(I)과 제 2 운전 영역(II) 사이의 제 1 경계를 나타내며, Y(N)은 제 1 운전 영역(I)과 제 2 운전 영역(II) 사이의 제 2 경계를 나타낸다. 제 1 운전 영역(I)으로부터 제 2 운전 영역(II)으로의 운전 영역의 변경은 제 1 경계{X(N)}에 기초하여 판단되며, 제 2 운전 영역(II)으로부터 제 1 운전 영역(I)으로의 운전 영역의 변경은 제 2 경계{Y(N)}에 기초하여 판단된다.
즉, 엔진이 제 1 운전 영역(I)의 상태에서 운전되고 저온 연소가 실행될 때, 엔진 회전수(N)의 함수인 요구 토크(TQ)가 제 1 경계{X(N)}를 초과하면, 운전 영역은 제 2 운전 영역(II)으로 변환되었다고 판단하며, 통상의 연소 방법에 의해 연소가 실행된다. 다음, 엔진 회전수(N)의 함수인 요구 토크(TQ)가 제 2 경계{Y(N)} 아래로 감소되면, 운전 영역은 제 1 운전 영역(I)으로 변환되었다고 판단하며, 저온 연소가 재차 실행된다.
두 개의 경계, 즉 제 1 경계{X(N)}와 제 1 경계{X(N)}로부터 낮은 부하측인 제 2 경계{Y(N)}는 하기의 두 가지 이유로 제공된다. 첫번째 이유는 제 2 운전 영역(II)의 고부하 측에서, 연소 온도는 비교적 높으며, 이 때 요구 토크(TQ)가 제 1 경계{X(N)} 보다 낮아질지라도, 저온 연소가 즉시 실행되지 않기 때문이다. 즉, 요구 토크(TQ)가 상당히 낮아지지 않으면, 즉 제 2 경계{Y(N)} 보다 낮아지지 않으면, 저온 연소가 즉시 개시될 수 없다. 두 번째 이유는 제 1 운전 영역(I)과 제 2 운전 영역(II) 사이의 운전 영역의 변화에 대한 이력 현상(hysteresis)이 제공되기 때문이다.
다음, 제 1 운전 영역(I)과 제 2 운전 영역(II)의 운전 제어에 대해 도 11을 참조하여 간략히 설명한다.
도 11은 스로틀 밸브(21)의 개방도, EGR 제어 밸브(29)의 개방도, EGR율, 공연비, 분사 시기 및, 요구 토크(TQ)에 대한 분사량을 도시한다. 도 11에 도시한 바와 같이, 낮은 요구 토크(TQ)를 갖는 제 1 운전 영역(I)에서, 스로틀 밸브(21)의 개방도는 요구 토크(TQ)가 높아짐에 따라 완전 폐쇄 상태 부근으로부터 2/3 개방 상태로 점차적으로 증가되며, EGR 제어 밸브(29)의 개방도는 요구 토크(TQ)가 높아짐에 따라 완전 폐쇄 상태 부근으로부터 완전 개방 상태로 점차적으로 증가된다. 또한, 도 11에 도시한 예에서, 제 1 운전 영역(I)에서는, EGR율이 약 70%가 되며, 공연비는 약간의 린 공연비가 된다.
다시 말하면, 제 1 운전 영역(I)에서, 스로틀 밸브(21)의 개방도 및 EGR 제어 밸브(29)의 개방도는, EGR율이 70%가 되며 공연비가 약간의 린 공연비가 되도록 제어된다. 또한, 제 1 운전 영역(I)에서, 연료는 압축 행정의 상사점(TDC) 이전에 분사된다. 이 경우, 요구 토크(TQ)가 높아질수록 분사 개시 시기(θS)는 지연된다. 분사 개시 시기(θS)가 지연될수록 분사 종료 시기(θE)는 또한 지연된다.
아이들링 운전 중에, 스로틀 밸브(21)는 완전 폐쇄 상태 부근으로 폐쇄된다는 것을 주목해라. 이 때, EGR 제어 밸브(29)는 또한 완전 폐쇄 상태 부근으로 폐쇄된다. 스로틀 밸브(21)가 완전 폐쇄 상태 부근으로 폐쇄되면, 압축의 개시시의 연소 챔버(5) 내의 압력은 낮아지므로, 압축 압력은 작아지게 된다. 압축 압력이 작아지면, 피스톤(4)의 압축 일량은 작아지므로, 엔진 본체(1)의 진동이 작아진다. 즉, 아이들링 운전 중에, 스로틀 밸브(21)는 엔진 본체(1)의 진동을 억제하기 위해 완전 폐쇄 상태 부근으로 폐쇄될 수 있다.
한편, 엔진 운전 상태가 제 1 운전 영역(I)으로부터 제 2 운전 영역(II)으로 변경될 때, 스로틀 밸브(21)의 개방도는 2/3 개방 상태로부터 완전 개방 상태로 단계적으로 증가하게 된다. 이 때, 도 11에 도시한 예에서, EGR율은 약 70%로부터 40% 이상으로 단계적으로 감소되며, 공연비는 단계적으로 증가된다. 즉, EGR율은 다량의 매연이 발생되는 경우(도 7)의 EGR율의 범위를 너머 상승하기 때문에, 엔진운전 영역이 제 1 운전 영역(I)으로부터 제 2 운전 영역(II)으로 변화될 때 다량의 매연이 더 이상 발생하지 않는다.
제 2 운전 영역(II)에서, 제 2 연소, 즉 통상 실행되는 연소가 실행된다. 본 연소 방법에서, 약간의 수트 및 NOx가 발생하지만, 열 효율은 저온 연소 보다 높으며, 따라서 엔진 운전 영역이 제 1 운전 영역(I)으로부터 제 2 운전 영역(II)으로 변경될 때, 도 11에 도시한 바와 같이, 분사량은 단계적으로 감소된다. 제 2 운전 영역(II)에서, 스로틀 밸브(21)는, 몇몇 경우를 제외하고는, 완전 개방 상태로 유지되며, EGR 제어 밸브(29)의 개방도는 요구 토크(TQ)가 높아질수록 작아진다. 또한, 제 2 운전 영역에서, EGR율은 요구 토크(TQ)가 높아질수록 작아지며, 공연비는 요구 토크(TQ)가 높아질수록 작아진다. 그러나, 요구 토크(TQ)가 높아질지라도, 공연비는 린 공연비가 된다. 또한, 제 2 운전 영역(II)에서, 분사 개시 시기(θS)는 압축 행정의 상사점(TDC)에 근접하게 된다.
도 12는 제 1 운전 영역(I)에서의 공연비(A/F)를 도시한다. 도 12에서, A/F = 15.5, A/F = 16, A/F = 17 및, A/F = 18으로 나타낸 곡선은 공연비가 15.5, 16, 17 및, 18일 때를 나타낸다. 상기 곡선들의 공연비는 비례적인 분포에 의해 결정된다. 도 12에 도시한 바와 같이, 제 1 운전 영역에서, 공연비는 린이 된다. 또한, 제 1 운전 영역(I)에서, 공연비(A/F)는 요구 토크(TQ)가 낮아질수록 더욱 린이 된다.
즉, 요구 토크(TQ)가 낮아질수록, 연소에 의해 발생하는 열의 양이 작아진다. 따라서, 요구 토크(TQ)가 낮아질수록 EGR율이 낮아질지라도 더욱 저온 연소가 실행될 수 있다. EGR율이 낮아지면, 공연비는 커지게 된다. 따라서, 도 12에 도시한 바와 같이, 공연비(A/F)는 요구 토크(TQ)가 낮아짐에 따라 더욱 커진다. 공연비(A/F)가 커질수록, 연료 효율이 더욱 개선된다. 따라서, 공연비를 가능한한 린하게 하기 위해서, 본 발명에 따른 실시예에서, 공연비(A/F)는 요구 토크(TQ)가 낮아질수록 커지게 된다.
제 1 운전 영역(I)에서의 분사량(Q)은, 도 13a에 도시한 바와 같이 요구 토크(TQ)와 엔진 회전수(N)의 함수로서 맵의 형태로 ROM(52)에 미리 저장된다. 제 1 운전 영역(I)에서의 분사 개시 시기(θS)는, 도 13b에 도시한 바와 같이 요구 토크(TQ)와 엔진 회전수(N)의 함수로서 맵의 형태로 ROM(52)에 미리 저장된다.
또한, 공연비를 엔진 운전 상태에 따라 도 12에 도시한 목표 공연비(A/F)로형성하는데 필요하며, EGR율을 엔진 운전 상태에 따라 목표 EGR율로 형성하는데 필요한 스로틀 밸브(21)의 목표 개방도(ST)는, 도 14a에 도시한 바와 같이 요구 토크(TQ)와 엔진 회전수(N)의 함수로서 맵의 형태로 ROM(52)에 미리 저장된다. 공연비를 엔진 운전 상태에 따라 도 12에 도시한 목표 공연비(A/F)로 형성하는데 필요하며, EGR율을 엔진 운전 상태에 따라 목표 EGR율로 형성하는데 필요한 EGR 밸브(29)의 목표 개방도(SE)는, 도 14b에 도시한 바와 같이 요구 토크(TQ)와 엔진 회전수(N)의 함수로서 맵의 형태로 ROM(52)에 미리 저장된다.
도 15는 제 2 연소시, 즉 통상의 연소 방법에 의한 통상의 연소시의 목표 공연비를 도시한다. 도 15에서, A/F = 24, A/F = 35, A/F = 45 및, A/F =60으로 나타낸 곡선은 각각 24, 35, 45 및, 60의 목표 공연비를 나타낸다.
제 2 연소시의 분사량(Q)은 도 16a에 도시한 바와 같이 요구 토크(TQ)와 엔진 회전수(N)의 함수로서 맵의 형태로 ROM(52)에 미리 저장된다. 제 2 연소시의 분사 개시 시기(θS)는 도 16b에 도시한 바와 같이 요구 토크(TQ)와 엔진 회전수(N)의 함수로서 맵의 형태로 ROM(52)에 미리 저장된다.
또한, 공연비를 엔진 운전 상태에 따라 도 15에 도시한 목표 공연비(A/F)로 형성하는데 필요하며, EGR율을 엔진 운전 상태에 따라 목표 EGR율로 형성하는데 필요한 스로틀 밸브(21)의 목표 개방도(ST)는, 도 17a에 도시한 바와 같이 요구 토크(TQ)와 엔진 회전수(N)의 함수로서 맵의 형태로 ROM(52)에 미리 저장된다. 공연비를 엔진 운전 상태에 따라 도 15에 도시한 목표 공연비(A/F)로 형성하는데 필요하며, EGR율을 엔진 운전 상태에 따라 목표 EGR율로 형성하는데 필요한 EGR밸브(29)의 목표 개방도(SE)는, 도 17b에 도시한 바와 같이 요구 토크(TQ)와 엔진 회전수(N)의 함수로서 맵의 형태로 ROM(52)에 미리 저장된다.
본 실시예에서, 요구 출력은 엔진과 전기 모터의 출력을 조합함으로써 크랭크샤프트에 전적으로 출력된다. 다음, 이에 대해 상세히 설명한다.
엔진 운전 중에, 엔진의 효율이 최적인 엔진 회전수와 엔진 부하의 조합이 존재한다. 이러한 조합은 도 18의 곡선(C)에 도시한다. 따라서, 엔진이 곡선(C)에 위치된 엔진 회전수 및 엔진 부하에서 운전하면, 엔진의 연료 소비는 최소가 된다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 엔진은 전기 모터(37)의 가능한 출력 및 요구 출력(또는 요구 부하)에 기초하여 도 18에 도시한 곡선(C)에 위치한 엔진 회전수 및 엔진 부하에서 운전된다. 이 경우, 엔진의 출력이 요구 출력에 도달하지 않으면, 요구 출력에 대한 엔진의 출력의 부족은 전기 모터의 출력에 의해 보충된다. 한편, 엔진의 출력이 요구 출력을 초과하면, 전기 모터(37)는 전력을 발생하기 위해 요구 출력에 대한 엔진의 출력의 여분의 출력에 의해 발전기로서 작동하며, 이러한 전력은 배터리(41)에 저장된다. 이에 따라, 요구 출력은 엔진의 연료 소비가 작게 유지되는 동안 확실히 출력된다.
케이싱(25) 내에 수용된 NOx흡수제(24)는 유입되는 배기 가스의 공연비가 린일 때, 배기 가스 내에 포함되어 있는 NOx를 흡수하며, 유입되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비 또는 리치일 때, 흡수된 NOx를 배출한다. NOx흡수제(24)로부터 배출된 NOx는 배기 가스 내에 포함되어 있는 환원제(예를 들면, 탄화수소)에 의해 정화된다.
상술한 NOx흡수제(24)에서, NOx흡수제가 NOx를 정화시키기 위해 활성화되는 범위 내에 하한 온도가 존재한다. 즉, 활성화되어 NOx흡수제(24)의 정화 작용을 개시하기 위해, NOx흡수제(24)의 온도를 소정의 온도 보다 높게 유지할 필요가 있다. 본 실시예에서, NOx흡수제(24)의 온도를 하한 활성화 온도 보다 높게 유지하기 위해, 히터와 같은 특정 장치가 아닌 NOx흡수제(24)로 유입되는 배기 가스의 열이 사용된다.
그러나, 엔진 운전 상태에 따라, 특히 통상의 연소의 일부 영역에서, 배기 가스의 온도는 낮으며, 따라서 NOx흡수제(24)의 온도가 그의 활성 온도 보다 낮을 수 있다. 따라서, 이 경우, NOx흡수제(24)를 활성화화기 위해, NOx흡수제(24)의 온도를 그의 활성 온도 이상으로 강제로 증가시켜야할 필요가 있다.
이를 위해, 본 실시예에서는, NOx흡수제(24)의 온도가 그의 활성 온도 보다 낮으며 배터리(41) 내의 충전 전력량이 소정량(요구량)에 도달할 때, 엔진은 상술한 저온 연소 모드 하에서 운전되도록 한다. 한편, 배터리(41) 내의 충전 전력량이 소정량에 도달하지 않으면, 엔진의 출력이 증가된다. 상술한 바와 같이, 저온 연소 모드 하에서는, 연소 챔버(5)로부터 배출된 배기 가스의 온도가 높으며, 따라서 NOx흡수제(24)의 온도가 증가된다. 이 때, 전기 모터(37)의 출력은 저온 연소 하에서 엔진의 운전에 의해 발생하는 엔진의 출력의 감소를 보충하도록 증가된다. 한편, 엔진의 출력이 증가할 때, 배기 가스의 온도는 증가되며, 따라서 NOx흡수제(24)의 온도가 증가된다. 이 때, 엔진의 출력을 증가시킴으로써 발생되는 엔진의 출력의 증가는 엔진의 증가된 출력에 의해 발전기로서의 전기 모터(37)를 구동시킴으로써 배터리(41) 내의 전력으로서 저장된다. 엔진의 출력은 엔진 부하를 증가시키거나 엔진 속도를 증가시킴으로써 증가된다는 것을 주목하라.
일반적으로, 엔진의 효율은, NOx흡수제(24)의 온도를 증가시키기 위해 엔진의 출력이 증가되면 낮아지게 된다. 그러나, 본 실시예에서는, 엔진의 출력은 배터리(41) 내의 충전 전력량이 소정량 보다 작은 동안 증가되며, 요구 출력에 대한 엔진의 초과 출력은 배터리(41) 내에 저장될 수 있다. 따라서, 엔진의 연료 소비는 작게 유지된다.
또한, 일반적으로, 요구 출력을 확실하게 출력시키기 위해, 충전 전력량이 작아지게 될 때, 엔진의 출력을 증가시켜 배터리(41) 내의 충전 전력량을 증가시킬 필요가 있다. 본 실시예에 따르면, NOx흡수제(24)의 온도가 증가되어야 할 때, 배터리(41)가 전기적으로 충전된다. 이에 따라, 배터리(41)를 전기적으로 충전시키기 위해서만 엔진의 출력이 증가되도록 운전이 실행되는 횟수가 작기 때문에, 엔진의 연료 소비가 작게 유지된다.
상술한 실시예에서, 엔진이 저온 연소 모드 하에서 운전되어야 하는 지, 엔진의 출력이 증가되어야 하는 지의 여부는 배터리(41) 내의 충전 전력량 이외의 조건에 기초하여 판단될 수 있다.
다음, 도 19 및 도 20에 도시한 순서도를 참조하여, 본 실시예에 따른 NOx흡수제의 온도를 증가시키기 위한 제어를 포함하는 엔진 운전의 제어를 설명한다.
먼저, 도 19의 단계(100)에서, NOx흡수제(24)의 온도(T)가 소정의 온도(Tth) 이하인지를 판단한다(T≤Tth). 소정의 온도(Tth)는 NOx흡수제(24)가 활성화되는 온도의 범위 내의 온도로 설정된다. 단계(100)에서 T≤Tth 라고 판단하면, 루틴은 단계(101)로 진행된다.
단계(101)에서, 배터리(41) 내의 충전 전력량(C)이 소정량(Cth) 이하인지를 판단한다(C≤Cth). 단계(101)에서, C≤Cth 라고 판단하면, 단계(102)에서 운전 제어 III이 실행된다. 즉, 후술하는 통상의 엔진 운전에서 출력 보다 높은 출력을 출력하기 위해, 도 17a의 맵에 기초하여 산출된 스로틀 밸브(21)의 목표 개방도(ST)가 보정되며, 다음 스로틀 밸브(21)의 개방도는 상기 보정된 목표 개방도로 제어되며, 다음 도 17b의 맵에 기초하여 산출된 EGR 제어 밸브(29)의 목표 개방도(SE)가 보정되며, 다음 EGR 제어 밸브의 개방도가 상기 보정된 목표 개방도로 제어되며, 다음 도 16a의 맵에 기초하여 산출된 목표 연료 분사량(Q)이 보정되며, 다음 도 16의 맵에 기초하여 산출된 목표 연료 분사 시기(θS)가 보정되며, 다음 보정된 연료량이 보정된 연료 분사 시기에 분사된다.
한편, 단계(101)에서 C＞Cth 라고 판단하면, 루틴은 운전 제어 I, 즉 저온 연소 모드가 실행되는 단계(103)로 진행된다. 구체적으로, 스로틀 밸브(21)의 목표 개방도(ST)는 도 14a에 도시한 맵에 기초하여 산출되며, 다음 스로틀 밸브(21)의 개방도는 상기 산출된 목표 개방도(ST)로 제어되며, 다음 EGR 제어 밸브(29)의 목표 개방도(SE)가 도 14b에 도시한 맵에 기초하여 산출되며, 다음 상기 EGR 제어 밸브(29)의 개방도가 상기 산출된 목표 개방도(SE)로 제어되며, 다음 목표 연료 분사량(Q)이 도 13a에 도시한 맵에 기초하여 게산되며, 다음 목표 연료 분사 시기(θS)가 도13b에 도시한 맵에 기초하여 산출되며, 다음 산출된 목표 연료 분사량(Q)이 산출된 목표 연료 분사 시기(θS)에 분사된다.
상기 단계(100)에서 T＞Tth 라고 판단하면, 루틴은 배터리(41) 내의 충전 전력량(C)이 소정량(Cth) 이하(C≤Cth)인지를 판단하는 단계(104a)로 진행된다. 단계(104a)에서 C≤Cth 라고 판단하면, 루틴은 도 20에 도시한 순서도에 따라 통상의 엔진 운전이 실행되는 단계(104)로 진행된다. 통상의 엔진 운전이라는 것은 NOx흡수제(24)의 온도를 그의 활성 온도로 증가시키기 위한 운전을 실행할 필요가 없을 때 실행되는 운전을 의미한다.
도 20을 참조하면, 먼저, 단계(200)에서, 엔진 운전 상태가 제 1 엔진 운전 영역(I)에 있음을 지시하는 플래그(flag)가 설정되었는 지를 판단한다. 단계(200)에서 플래그가 설정되었다고 판단하면, 즉 엔진 운전 상태가 제 1 엔진 운전 영역(I)에 있다고 판단하면, 루틴은 요구 부하(L)가 제 1 경계선{X(N)} 보다 커졌는 지를 판단한다{L＞X(N)}.
단계(201)에서 L≤X(N) 이라고 판단하면, 루틴은 엔진 운전 I(즉, 제 1 연소 모드)이 실행되는 단계(203)으로 진행된다. 즉, 단계(203)에서, 스로틀 밸브(20)의 목표 개방도(ST)가 도 14a에 도시한 맵에 기초하여 산출되며, 다음 스로틀 밸브(21)의 개방도가 상기 산출된 목표 개방도(ST)로 제어되며, 다음 EGR 제어 밸브(29)의 목표 개방도(SE)가 도 14b에 도시한 맵에 기초하여 산출되며, 다음 EGR 제어 밸브(29)의 개방도가 상기 산출된 목표 개방도(SE)로 제어되며, 다음 목표 연료 분사량(Q)이 도13a에 도시한 맵에 기초하여 산출되며, 다음 목표 연료 분사 시기(θS)가 도 13b에 도시한 맵에 기초하여 산출되며, 다음 산출된 목표 연료량(Q)이 산출된 목표 연료 분사 시기(θS)에 연료 분사 장치(6)로부터 분사된다.
단계(201)에서 L＞X(N)이라고 판단하면, 루틴은 플래그가 재설정되는 단계(202)로 진행되며, 다음 운전 제어 II(즉, 제 2 연소 모드)가 실행되는 단계(206)로 진행된다. 즉, 단계(206)에서, 스로틀 밸브(21)의 목표 개방도(ST)가 도 17a에 도시한 맵에 기초하여 산출되며, 다음 스로틀 밸브(21)의 개방도는 상기 산출된 목표 개방도(ST)로 제어되며, 다음 EGR 제어 밸브(29)의 목표 개방도가 도 17b에 도시한 맵에 기초하여 산출되며, EGR 제어 밸브(29)의 개방도가 상기 산출된 목표 개방도(SE)로 제어되며, 다음 목표 연료 분사량(Q)이 도 16a에 도시한 맵에 기초하여 산출되며, 다음 목표 연료 분사 시기(θS)가 도 16b에 도시한 맵에 기초하여 산출되며, 다음 산출된 목표 연료량(Q)이 상기 산출된 목표 연료 분사 시기(θS)에 연료 분사 장치(6)로부터 분사된다.
단계(104a)에서 C＞Cth 라고 판단하면, 루틴은 운전 제어 IV가 실행되는 단계(105)로 진행된다. 운전 제어 IV에 따르면, 엔진 운전이 정지되고, 요구 출력은 전기 모터(37)에 의해서만 출력된다.
본 발명을 예시의 목적으로 선택된 특정 실시예를 참조하여 설명하였지만,본 발명의 기본 개념 및 범주로부터 일탈하지 않는 다양한 변경이 당 기술 분야의 숙련자들에게 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 엔진 운전 상태에 따라 결정되는 출력값 보다 큰 값을 출력하도록 엔진을 운전시키는 제 1 제어와, 제 1 연소에서 엔진을 운전시키는 제 2 제어 중 하나를 선택적으로 실행하여, 배기 정화 촉매의 온도를 상승시킨다. 연료 소비의 관점에서는 제 2 제어 보다도 제 1 제어가 열악하지만, 본 발명에서는 임의의 조건이 만족되는한 제 1 제어를 실행함으로써 전체로서는 연료 소비가 낮게 유지된다. 따라서 본 발명에 따르면 연료 소비의 악화를 제어하면서 배기 정화 촉매를 그의 활성 상태로 유지할 수 있다.

Claims (5)

  1. 연소 챔버 내의 불활성 가스량이 커질 때, 수트의 발생량이 최대로 점차적으로 증가하며, 상기 연소 챔버 내의 불활성 가스량이 더욱 커질 때, 연소 챔버 내의 연료의 연소시에 연료의 온도 및 연료 주위의 가스의 온도가, 수트가 발생되는 온도 보다 낮아지고, 그에 따라서, 수트가 거의 발생하지 않는, 압축 착화식 엔진에 있어서,
    상기 연소 챔버 내의 불활성 가스량이 수트의 발생량이 최대가 되는 불활성 가스량 보다 큰 제 1 연소 모드와, 상기 연소 챔버 내의 불활성 가스량이 수트의 발생량이 최대가 되는 불활성 가스량 보다 작은 제 2 연소 모드를 선택적으로 실행하기 위한 수단과;
    배기 가스 내에 포함되어 있는 성분을 정화하기 위해 엔진 배기 통로에 배치되는 배기 가스 정화 촉매와;
    상기 엔진이 엔진 운전 상태에 기초하여 결정된 출력값을 출력하도록 운전될 때, 엔진의 출력과는 별개인, 요구 출력에 대한 엔진의 출력의 부족을 보충하기 위한 출력을 출력하기 위한 전기 모터; 및
    상기 엔진이 엔진 운전 상태에 기초하여 결정된 출력값 보다 큰 출력을 출력하도록 엔진을 운전하는 제 1 제어와, 상기 제 1 연소 모드 하에서 엔진을 운전시키는 제 2 제어중 하나를 실행함으로써, 배기 가스 정화 촉매의 온도를 증가시키기 위한 온도 증가 수단을 포함하는 압축 착화식 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 엔진은 배터리를 또한 포함하며,
    상기 엔진의 출력이 엔진 운전 상태에 기초하여 결정된 출력값 보다 클 때, 상기 전기 모터는 전력으로서 배터리 내에 엔진의 출력을 저장하기 위해 엔진의 출력에 의해 발전기로서 구동되며, 상기 배터리에 충전된 전력의 양이 요구량 보다 작을 때, 상기 온도 증가 수단이 제 1 제어를 실행하고, 한편, 배터리에 충전된 전력의 양이 요구량 보다 클 때, 상기 온도 증가 수단이 제 2 제어를 실행하는 압축 착화식 엔진.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 배기 가스 정화 촉매는 배기 가스 내에 포함되어 있는 NOx를 정화하기 위한 NOx촉매를 구비하는 압축 착화식 엔진.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 NOx촉매는, 상기 촉매 내로 유입되는 배기 가스의 공연비가 린일 때 배기 가스 내에 포함된 NOx를 흡수하며, 상기 촉매 내로 유입되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비와 리치 공연비 중 하나가 될 때 그로부터 흡수된 NOx를 배출하는 NOx흡수제를 구비하는 압축 착화식 엔진.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 배기 가스 정화 촉매의 온도가 촉매가 활성화되는 온도 보다 낮을 때, 배기 가스 내에 포함된 성분을 정화하기 위해, 상기 온도 증가 수단은 상기 제 1 제어 또는 제 2 제어를 실행함으로써, 배기 가스 정화 촉매의 온도를 증가시키는 압축 착화식 엔진.
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