KR100566690B1 - 통내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 배기 정화 장치 - Google Patents

통내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 배기 정화 장치 Download PDF

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Abstract

내연 기관이 냉각 상태일 때에는(S12), 연소 공연비가 이론 공연비 또는 이론 공연비보다 약간 린 공연비가 되도록 하여 연료를 압축 행정으로 분사하고(압축 S/L 운전; S14), 아울러 배기 유동을 억제한다(S16).
내연기관, 배기정화장치, 유해물질, 분사밸브, 연소공연비. 촉매컨버터.

Description

통내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 배기 정화 장치{Exhaust gas purifying device of spark-plug type internal combustion engine}
도 1은 본 발명에 따른 통내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 배기 정화 장치의 개략 구성도.
도 2는 배기 유동 제어 장치로서의 배기압 제어 밸브를 도시하는 도면.
도 3은 제 1 실시예에 따른 시동시 제어의 제어 루틴을 도시하는 플로차트.
도 4는 제 1 실시예에 따른 시동시 제어를 실시한 경우의 HC 배출량과 배기 온도의 시간 변화를 도시하는 타임차트.
도 5는 제 2 실시예에 따른 시동시 제어의 제어 루틴을 도시하는 플로차트.
도 6은 제 3 실시예에 따른 시동시 제어의 제어 루틴을 도시하는 플로차트.
도 7은 제 4 실시예에 따른 시동시 제어의 제어 루틴을 도시하는 플로차트.
도 8은 열량 상당의 지표를 산출할 때의 배압(排壓) 계수와 배기 압력의 관계를 도시하는 맵.
본 발명은 통내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 배기 정화 장치에 관한 것으로, 상세하게는 배기 정화 효율의 향상을 도모하여 배기 중의 유해 물질의 배출량 저감 효과를 높이는 기술에 관한 것이다.
배기 중의 유해 물질(HC, CO, H2 등의 미연소물질 외에, 스모크, NOx 등을 포함한다)을 저감시키는 것을 목적으로 한 기술로서, 촉매 상에서의 반응을 이용한 배기 정화 기술이 알려져 있다.
그런데, 상기 배기 정화 기술에서는 촉매가 활성화되기까지의 동안에 HC 등의 미연소물질이 대기로 방출된다는 문제가 있고, 이와 같이 촉매 활성화되기까지 방출되는 유해 물질량은 냉각 모드(cold mode)에서의 전체 방출량의 9할에나 도달하는 경우가 있어 중요한 문제로 되어 있다.
그래서, 통내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관에 있어서, 연료 분사를 2단계로 나누고, 주분사(초 린 공연비 설정)와는 별도로 팽창 행정 이후에 부분사를 행하고, 주분사에 의한 주연소(층상 연소)에서 잔존한 산소와 부분사에 의한 미연 연료를 배기계(연소실에서 촉매 컨버터를 포함한다)중에서 반응시킴으로써 유해 물질을 저감시켜, 촉매를 조기 활성화시키는 2단 연소 기술(혹은 2단 분사 기술)이 알려져 있다.
한편, 예를 들면 일본 특개평3-117611호 및, 특개평4-183921호 공보에 개시되는 바와 같이, 배기압 상승(배기 유동의 억제)에 의해 반응을 촉진시킴으로써 냉각(cold) 시의 촉매를 조기 활성화시키는 기술이 개발되어 있다.
더욱이, 이들을 조합하여, 2단 연소를 실시함과 함께 배기압을 상승시킴으로써, 냉각 시에 있어서의 촉매의 조기 활성화를 도모하는 기술이 개발되어 있다.
그러나, 이와 같이 2단 연소를 실시하면, 배기계 내에서의 반응이 비약적으로 촉진되어 촉매의 조기 활성화가 도모되는 한편, 부분사되는 연료는 기관 토크의 발생에 직접 기여하지 않게 되기 때문에, 부분사하는 분량만큼 연료 소비율이 악화되는 문제가 있다.
또한, 2단 연소에서는 주분사에 의한 주연소의 공연비를 초 린 공연비로 할 필요가 있기 때문에, 발생하는 기관 토크에는 저절로 한계가 있고, 이 한계는 배기압을 상승시키면, 배기 저항이 증대하고 더욱 엄격해지는 경향이 있다. 이와 같이 기관 토크에 한계가 있으면, 가속 요구에 충분하게 대응할 수 없어 바람직한 것이 아니다.
본 발명의 목적은 냉각 시에도 연료 소비율의 악화를 최소한으로 억제하고 또한 가속 성능을 확보하면서 배기 정화 효율의 향상을 도모하여 유해 물질의 배출량을 억제 가능한 통내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 배기 정화 장치를 제공하는 것에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 배기 정화 장치에서는 연소실 내에 직접 연료를 분사하는 분사 밸브와, 상기 분사 밸브에 의한 연료 분사를 제어하는 연료 분사 제어 수단과, 연소 공연비를 제어하는 공연비 제어 수단을 구비한 통내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 배기 정화 장치로서, 배기 통로에 설치되고, 배기 중의 유해 물질을 정화하는 촉매 컨버터와, 상기 촉매 컨버터의 활성 상태를 판정하는 촉매 활성 판정 수단과, 상기 공연비 제어 수단에 의해 연소 공연비를 이론 공연비 또는 이론 공연비보다 약간 린 공연비로 함과 함께 상기 연료 분사 제어 수단에 의해 압축 행정으로 연료를 분사하여 잔류 산소 및 CO를 배출하는 압축 슬라이트 린(slight lean) 운전을 실시하는 압축 슬라이트 린 운전 수단과, 배기 통로 내의 배기 유동을 억제하는 배기 유동 제어 수단을 구비하고, 상기 촉매 활성 판정 수단에 의해 상기 촉매 컨버터가 활성 상태에 있지 않다고 판정되었을 때에는 상기 압축 슬라이트 린 운전 수단에 의해 압축 슬라이트 린 운전을 행함과 함께 상기 배기 유동 제어 수단에 의해 배기 통로 내의 배기 유동을 억제하여 배기계내에서 상기 잔류 산소와 상기 CO를 반응시키는 것을 특징으로 한다.
즉, 통내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관에서는 종래, 압축 행정 분사를 행하면 점화 플러그 근방에 연료를 분사하기 위해서 플러그 그을음이 발생하기 쉽다고 생각되지만, 출원인이 실험한 바, 내연 기관이 특히 냉각 상태에 있을 때에 압축 행정 분사를 행하면, 실제로는 분무 형태가 양호하고 점화 플러그의 그을음이 적고, 기관 토크를 확보하면서도 CO(일산화탄소)가 많이 생성되는 것을 알 수 있으며, 이 사실에 기초하여, 내연 기관이 냉각 상태일 때에는 연소 공연비가 이론 공연비 또는 이론 공연비보다 약간 린 공연비가 되도록 하여 연료를 압축 행정으로 분사하는 압축 슬라이트 린 운전을 실시하고, 이로써 잔류 산소(O2)와 함께 미연소물질로서 CO를 배기 통로로 배출하고, 더불어 배기 유동을 억제한다.
따라서, 내연 기관이 냉각 상태로서 촉매 컨버터가 아직 활성되어 있지 않는 상황에 있어서, 2단 연소에 의한 부분사를 실시하지 않더라도 배기 가스 중에 O2와 함께 미연소물질로서 CO를 많이 포함하도록 할 수 있고, 이 CO는 HC보다도 O2와 반응하기 쉽기 때문에, 배기 유동의 억제 효과와 더불어 배기계 내에서의 반응이 한층 더 촉진된다. 이로써, 전체 공연비를 약간 린 공연비로 하여 연료 소비율의 악화를 억제하고 또한 기관 토크를 확보하면서도 배기 정화 효율의 향상을 도모하여, 촉매 컨버터의 조기 활성화를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명의 배기 정화 장치에서는 더욱이, 상기 연소실로부터 배기 통로로 향하여 연장되는 배기 포트 또는 상기 배기 포트 주변의 온도를 검출하는 배기 포트 주변 온도 검출 수단을 갖고, 상기 촉매 활성 판정 수단에 의해 상기 촉매 컨버터가 활성 상태에 있지 않다고 판정되며, 또한 상기 배기 포트 주변 온도 검출 수단에 의해 배기 포트 또는 상기 배기 포트 주변의 온도가 소정 온도 이상인 것이 검출되었을 때, 상기 압축 슬라이트 린 운전을 행함과 함께 상기 배기 유동을 억제하는 것을 특징으로 한다.
즉, 출원인의 실험에 따르면, 배기계 내에서의 CO의 반응은 배기 가스가 연소실로부터 배출된 직후의 배기 포트 내에서 촉진되는 것이 확인되어 있고, 이 반응은 배기 포트의 온도가 높을수록 촉진되기 때문에, 내연 기관이 냉각 상태일 때에는 배기 포트 주변의 온도가 소정 온도 이상으로 높은 상태일 때에, 압축 슬라이트 린 운전을 실시하여, 잔류 O2와 함께 미연소물질로서 CO를 배기 통로로 배출하고, 더불어 배기 유동을 억제한다.
따라서, 내연 기관이 냉각 상태에 있고 촉매 컨버터가 아직 활성되어 있지 않는 상황에 있어서, 배기계 내에서의 O2와 CO의 반응이 더욱 적합하게 촉진되게 되어, 연료 소비율의 악화를 억제하고 또한 기관 토크를 확보하면서도 배기 정화 효율을 한층 더 향상시키며, 촉매 컨버터를 더욱 빠른 시기에 활성화 할 수 있다.
또한, 본 발명의 배기 정화 장치에서는 더욱이, 연소실 내에 주연소용의 연료를 공급한 후, 상기 주연소의 화염 소멸 시기 이후 또한 배기 밸브의 개방 개시 시기 이전에 연소실 내에 연료를 재공급하여 2단 연소 운전을 행하는 2단 연소 운전 수단을 구비하고, 상기 촉매 활성 판정 수단에 의해 상기 촉매 컨버터가 활성 상태에 있지 않다고 판정되었을 때에는 상기 2단 연소 운전 수단에 의한 2단 연소 운전 및 상기 압축 슬라이트 린 운전 수단에 의한 상기 압축 슬라이트 린 운전의 어느 한쪽을 선택적으로 실시함과 함께 상기 배기 유동을 억제하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 내연 기관의 운전 상황에 따라서 2단 연소 운전과 압축 슬라이트 린 운전을 적절하게 선택할 수 있고, 2단 연소 운전을 선택함과 함께 배기 유동을 억제함으로써 촉매의 조기 활성화를 우선하면서 배기 정화 효율의 향상을 도모할 수 있고, 압축 슬라이트 린 운전을 선택함과 함께 배기 유동을 억제함으로써 연료 소비율의 악화를 억제하고 또한 기관 토크를 확보하는 것을 우선하면서 배기 정화 효율의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 본 발명의 배기 정화 장치에서는 상기 촉매 활성 판정 수단에 의해 상기 촉매 컨버터가 활성 상태에 있지 않다고 판정되었을 때에는 상기 2단 연소 운전을 실시한 후, 상기 압축 슬라이트 린 운전을 실시하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 촉매 컨버터가 활성 상태에 있지 않을 때에는 우선 2단 연소 운전과 함께 배기 유동을 억제함으로써 촉매의 조기 활성화를 도모할 수 있고, 촉매가 어느 정도 활성화된 시점에서는 압축 슬라이트 린 운전으로 전환함으로써 연료 소비율의 악화를 억제하고 또한 기관 토크를 확보할 수 있으며, 효과적으로 배기 정화 효율의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 본 발명의 배기 정화 장치에서는, 상기 배기 유동 제어 수단은 상기 압축 슬라이트 린 운전을 행할 때, 상기 2단 연소 운전을 행할 때보다도 상기 배기 유동의 억제 제어량을 크게 하는 것을 특징으로 한다.
결국, 2단 연소 운전에서는 주연소의 공연비를 초 린 공연비로 하기 때문에 흡입 공기량이 많고, 그러므로 배기 유량이 많으며, 배기 유동의 억제 제어량이 비교적 작더라도 용이하게 배기 유동을 억제하여 배기계 내에서의 반응을 촉진하는 것이 가능하지만, 압축 슬라이트 린 운전에서는 배기 유량이 적기 때문에, 배기 유동의 억제 제어량을 크게 함으로써 배기 유동의 억제를 확보한다.
이로써, 연료 소비율의 악화를 억제하고 또한 기관 토크를 확보하면서 한층 더 효과적으로 배기 정화 효율의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 본 발명의 배기 정화 장치에서는 또한, 내연 기관의 부하를 검출하는 부하 검출 수단을 구비하고, 상기 부하 검출 수단에 의해 검출되는 내연 기관의 부하가 소정치 이상일 때에는 상기 2단 연소 운전에 우선하여 상기 압축 슬라이트 린 운전을 실시하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 촉매 컨버터가 활성 상태가 아닐 때에라도 가속 요구가 있을 때에는 2단 연소 운전에 우선하여 압축 슬라이트 린 운전이 실시되고, 연료 소비율의 악화를 억제하고 또한 기관 토크를 충분히 확보하면서 배기 정화 효율의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 본 발명의 배기 정화 장치에서는 더욱이, 상기 공연비 제어 수단에 의해 연소 공연비를 이론 공연비 또는 이론 공연비보다 약간 린 공연비로 함과 함께 상기 연료 분사 제어 수단에 의해 흡기 행정으로 연료를 분사하여 흡기 슬라이트 린 운전을 실시하는 흡기 슬라이트 린 운전 수단을 구비하고, 상기 촉매 활성 판정 수단에 의해 상기 촉매 컨버터가 활성 상태가 아니라고 판정되었을 때에는 상기 압축 슬라이트 린 운전 수단에 의한 상기 압축 슬라이트 린 운전 및 상기 흡기 슬라이트 린 운전 수단에 의한 상기 흡기 슬라이트 린 운전의 어느 한쪽을 선택적으로 실시함과 함께 상기 배기 유동을 억제하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 내연 기관의 운전 상황에 따라서 압축 슬라이트 린 운전과 흡기 슬라이트 린 운전을 적절하게 선택할 수 있고, 압축 슬라이트 린 운전을 선택함과 함께 배기 유동을 억제함으로써 연료 소비율의 악화를 억제하고 또한 기관 토크를 확보하는 것을 우선하면서 배기 정화 효율의 향상을 도모할 수 있고, 흡기 슬라이트 린 운전을 선택함과 함께 배기 유동을 억제함으로써 보다 한층 기관 토크를 확보하는 것을 우선하면서 배기 정화 효율의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 본 발명의 배기 정화 장치에서는 상기 촉매 활성 판정 수단에 의해 상기 촉매 컨버터가 활성 상태가 아니라고 판정되었을 때에는 상기 압축 슬라이트 린 운전을 실시한 후, 상기 흡기 슬라이트 린 운전을 실시하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 촉매 컨버터가 활성 상태가 아닐 때에는 우선 압축 슬라이트 린 운전과 함께 배기 유동을 억제함으로써 연료 소비율의 악화를 억제하고 또한 기관 토크를 확보하는 것이 가능하고, 촉매가 어느 정도 활성화된 시점에서는 흡기 슬라이트 린 운전으로 전환함으로써 기관 토크를 더욱 확보할 수 있으며, 효과적으로 배기 정화 효율의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 본 발명의 배기 정화 장치에서는 상기 배기 유동 제어 수단은 상기 흡기 슬라이트 린 운전을 행할 때, 상기 압축 슬라이트 린 운전을 행할 때보다도 상기 배기 유동의 억제 제어량을 크게 하는 것을 특징으로 한다.
결국, 압축 슬라이트 린 운전에서는 층상 연소하기 위해서 흡입 공기량이 비교적 많으므로 배기 유량이 비교적 많고, 배기 유동의 억제 제어량이 어느 정도 작아도 배기 유동을 억제하여 배기계 내에서의 반응을 촉진하는 것이 가능하지만, 흡기 슬라이트 린 운전에서는 배기 유량이 더욱 적기 때문에, 배기 유동의 억제 제어량을 크게 함으로써 배기 유동의 억제를 확보한다.
이로써, 연료 소비율의 악화를 억제하고 또한 기관 토크를 충분히 확보하면서 보다 한층 효과적으로 배기 정화 효율의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 본 발명의 배기 정화 장치에서는 또한, 내연 기관의 부하를 검출하는 부하 검출 수단을 구비하고, 상기 부하 검출 수단에 의해 검출되는 내연 기관의 부하가 소정치 이상일 때에는 상기 압축 슬라이트 린 운전에 우선하여 상기 흡기 슬라이트 린 운전을 실시하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 촉매 컨버터가 활성 상태가 아닐 때에라도 가속 요구가 있을 때에는 압축 슬라이트 린 운전에 우선하여 흡기 슬라이트 린 운전이 실시되고, 연료 소비율의 악화를 억제하고 또한 기관 토크를 보다 한층 충분히 확보하면서 배기 정화 효율의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 본 발명의 정화 장치에서 상기 촉매 활성 판정 수단은 내연 기관의 시동 후 경과 시간, 내연 기관의 냉각수 온도, 내연 기관의 윤활유 온도, 상기 촉매 컨버터의 온도, 배기 유량 및 상기 촉매 컨버터에 작용하는 열량의 총량의 적어도 어느 하나를 파라미터로서 상기 촉매 컨버터의 활성 상태를 판정하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 내연 기관의 시동 후 경과 시간, 내연 기관의 냉각수 온도, 내연 기관의 윤활유 온도, 촉매 컨버터의 온도, 배기 유량 및 촉매 컨버터에 작용하는 열량의 총량 등에 기초하여 촉매 컨버터의 활성 상태를 용이하게 판정할 수 있다.
또한, 본 발명의 배기 정화 장치에서 상기 배기 유동 제어 수단은 배기 통로 단면적 혹은 배기 통로에 개재되어 장착된 배기 스로틀 밸브의 개방도를 축소함으로써 상기 배기 통로 내의 배기 유동을 억제하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 배기 통로 단면적의 축소 혹은 배기 통로에 개재되어 장착된 배기 스로틀 밸브의 개방도의 축소에 의해서 배기 통로 내의 배기 유동을 용이하게 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 배기 정화 장치에서 상기 부하 검출 수단은 스로틀 개방도, 흡기 매니폴드압 및 흡입 공기량의 적어도 어느 하나에 기초하여 내연 기관의 부하를 검출하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 스로틀 개방도, 흡기 매니폴드압 및 흡입 공기량 등에 기초하여 내연 기관의 부하를 용이하게 검출할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면에 기초하여 설명한다.
도 1을 참조하면, 차량에 탑재된 본 발명에 따른 통내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 배기 정화 장치의 개략 구성도가 도시되어 있고, 이하, 상기 배기 정화 장치의 구성을 설명한다.
상기 도면에 도시하는 바와 같이, 내연 기관인 엔진 본체(이하, 간단히 엔진이라고 한다)로서는 연료 분사 모드를 전환함으로써 흡기 행정에서의 연료 분사(흡기 행정 분사)와 동시에 압축 행정에서의 연료 분사(압축 행정 분사)를 실시할 수 있는 통내 분사형 불꽃 점화식 가솔린 엔진이 채용된다.
상기 통내 분사형의 엔진(1)은 상기 연료 분사 모드의 전환과 공연비 제어에 의해, 용이하게 이론 공연비(화학량론)에서의 운전이나 리치 공연비에서의 운전(리치 공연비 운전) 외에, 린 공연비에서의 운전(린 공연비 운전)을 실현할 수 있다. 또한, 상기 통내 분사형의 엔진(1)에서는 또한, 압축 행정에서의 연료의 주분사에 의한 주연소에 가하여 팽창 행정 이후에서 부분사를 실시하여 2단 연소 운전을 행 하는 2단 연소 모드도 선택 가능하다.
엔진(1)의 실린더 헤드(2)에는 각 기통마다 점화 플러그(4)와 함께 전자식의 연료 분사 밸브(6)가 장착되어 있고, 이로써, 연료를 연소실 내에 직접 분사할 수 있다.
점화 플러그(4)에는 고전압을 출력하는 점화 코일(8)이 접속되어 있다. 또한, 연료 분사 밸브(6)에는 연료 파이프(7)를 개재하여 연료 탱크를 갖는 연료 공급 장치(도시하지 않음)가 접속되어 있다. 보다 상세하게는 연료 공급 장치에는 저압 연료 펌프와 고압 연료 펌프가 설치되어 있고, 이로써, 연료 탱크 내의 연료를 연료 분사 밸브(6)에 대하여 저연소압력 혹은 고연소압력으로 공급하고, 상기 연료를 연료 분사 밸브(6)로부터 연소실 내로 향하여 소망의 연소압력으로 분사할 수 있다.
실린더 헤드(2)에는 각 기통마다 대략 수직 방향으로 연장되어 흡기 포트(9)가 형성되어 있고, 각 흡기 포트(9)와 연결하도록 하고 흡기 매니폴드(10)의 일단이 각각 접속되어 있다. 또, 흡기 매니폴드(10)에는 흡입 공기량을 조절하는 전자식의 스로틀 밸브(14) 및 흡입 공기량을 검출하는 흡기량 센서(16)가 설치되어 있다. 흡기량 센서(16)는 예를 들면 카르만 와류식(Karman vortex) 에어 플로 센서가 채용된다.
또한, 실린더 헤드(2)에는 각 기통마다 대략 수평 방향으로 연장되어 배기 포트(11)가 형성되어 있고, 각 배기 포트(11)와 연결하도록 하여 배기 매니폴드(12)의 일단이 각각 접속되어 있다. 배기 매니폴드(12)로서는 여기서는 듀 얼형 배기 매니폴드 시스템이 채용된다. 그 외, 배기 매니폴드(12)는 싱글형 배기 매니폴드 시스템이거나, 또한 클럼셀(clamshell)형 배기 매니폴드 시스템이라도 좋다.
또, 상기 통내 분사형의 엔진(1)은 이미 공지이므로, 그 구성의 상세한 것에 대해서는 설명을 생략한다.
배기 매니폴드(12)의 타단에는 배기관(배기 통로; 20)이 접속되어 있고, 상기 배기관(20)에는 배기 정화 촉매 장치로서 3원 촉매(촉매 컨버터; 30)가 개재되어 장착되어 있다. 이 3원 촉매(30)는 캐리어에 활성 귀금속으로서 구리(Cu), 코발트(Co), 은(Ag), 백금(Pt), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd)의 어느 하나를 갖고 있다.
또한, 상기 도면에 도시하는 바와 같이, 배기관(20)에는 배기압을 검출하는 배기압 센서(22)가 배치되어 있다.
더욱이, 배기관(20)의 3원 촉매(30)보다도 하류의 부분에는 배기 유동 제어 장치로서 배기압 제어 밸브(배기 유동 제어 수단, 배기 스로틀 밸브; 4O)가 개재되어 장착되어 있다.
배기압 제어 밸브(40)는 배기 유동을 억제함으로써 배기 가스 중의 유해 물질(HC, CO 등의 미연소물질 외에, NOx, 스모크, H2 등을 포함한다)의 저감을 촉진시키는 것을 목적으로 하는 장치로서, 배기압, 배기 밀도 및 배기 유속의 적어도 어느 하나를 변경하는 것이 가능하게 구성되어 있다.
도 2를 참조하면, 배기압 제어 밸브(40)의 상세도가 도시되어 있다. 상기 도 면에 도시하는 바와 같이, 배기압 제어 밸브(40)는 배기관(20)의 유로 면적을 조절할 수 있는 버터플라이 밸브(42)와 릴리프 밸브(46)에 의해서 구성되어 있다.
버터플라이 밸브(42)에는 밸브체(44)를 회전시키기 위한 액추에이터(43)가 설치되어 있고, 밸브체(44)가 상기 액추에이터(43)에 의해 회전됨으로써 버터플라이 밸브(42)가 개폐 작동하고, 이로써 배기 통로의 통로 단면적이 변경되어 배기 유동의 억제가 실현된다.
또한, 버터플라이 밸브(42)를 우회하도록 하여 릴리프 통로(22)가 설치되어 있고, 릴리프 밸브(46)는 상기 릴리프 통로(22)의 통로 단면적을 미세하게 조절 가능하게 배치되어 있다. 상세하게는 릴리프 밸브(46)에는 밸브체(48)를 왕복 동작시키는 액추에이터(47)가 설치되어 있고, 밸브체(48)가 액추에이터(47)에 의해 밸브시트(24)와 접촉됨으로써 릴리프 통로(22)가 폐쇄되고, 밸브체(48)와 밸브시트(24)와의 격리 거리에 따라서 릴리프 통로(22)를 흐르는 배기 유량이 미세하게 조절된다. 즉, 릴리프 밸브(46)의 밸브 개방도를 조절함으로써 배기 유동의 억제 제어량이 변경된다. 또, 액추에이터(47) 대신에 스프링 등을 설치하여, 릴리프 밸브(46)가 상기 스프링 등에 의해 자동 제어되도록 하여도 좋다.
ECU(60)는 입출력 장치, 기억 장치(ROM, RAM, 불휘발성 RAM 등), 중앙 처리 장치(CPU), 타이머 카운터 등을 구비하고 있고, 상기 ECU(60)에 의해, 엔진(1)을 포함시킨 배기 정화 장치의 종합적인 제어가 행해진다.
ECU(60)의 입력측에는 상술한 흡기량 센서(16), 배기압 센서(22)나 크랭크각을 검출하는 크랭크각 센서(62) 등의 각종 센서류가 접속되어 있고, 이들 센서류로 부터의 검출 정보가 입력된다. 또, 크랭크각 센서(62)의 크랭크각 정보에 기초하여 엔진 회전 속도 Ne가 구해진다.
한편, ECU(60)의 출력측에는 상술한 연료 분사 밸브(6), 점화 코일(8), 스로틀 밸브(14), 액추에이터(43, 47) 등의 각종 출력 디바이스가 접속되어 있고, ECU(60)에 의해 연료 분사 모드가 설정되며, 연소 공연비, 즉 목표 공연비(목표 A/F)가 설정되면, 각종 출력 디바이스에는 상기 목표 A/F나 각종 센서류로부터의 검출 정보에 기초하여 연산된 연료 분사량, 연료 분사 시기, 점화 시기, 스로틀 개방도의 각 신호가 각각 출력된다(연료 분사 제어 수단, 공연비 제어 수단). 이로써, 연료 분사 밸브(6)로부터 적정량의 연료가 적정한 타이밍으로 분사되고, 점화 플러그(4)에 의해 적정한 타이밍으로 불꽃 점화가 실시되며, 스로틀 밸브(14)가 적정한 개방도로 된다. 또한, 연료 분사 모드나 각종 센서류로부터의 검출 정보에 기초하여, 배기 유동 억제 정도가 소망의 배기 유동 억제 정도(예를 들면, 목표 배기압)가 되도록, 버터플라이 밸브(42)가 적정한 타이밍으로 개폐 조작되고, 릴리프 밸브(46)의 개방도가 미세하게 조정된다.
이하, 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 배기 정화 장치의 작용에 관해서 설명한다.
우선, 제 1 실시예를 설명한다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 시동시 제어의 제어 루틴이 플로차트로 도시되어 있고, 이하 상기 도면을 따라서 설명한다.
스텝 S10에서는 엔진(1)의 시동 후, 소정 시간 t1(예를 들면, 3초)을 경과하 였는지의 여부를 판별한다. 상세하게는 엔진(1)의 시동시에는 점화 시기를 지각측에 설정하는 점화 시기 지체(retard) 등의 배기 포트 승온 제어를 실시하도록 하고 있으며, 이 판별은 즉, 엔진(1)의 시동 후, 배기계, 특히 배기 포트(11) 혹은 배기 포트(11) 주변의 온도가 어느 정도 난기되어 소정 온도 이상으로 되었는지의 여부를 판별하는 것이다(배기 포트 주변 온도 검출 수단).
또, 배기 포트(11) 혹은 배기 포트(11) 주변의 온도를 검출하는 센서를 설치하여, 상기 시간 판별 대신에 배기 포트(11)의 온도가 소정 온도 이상인지의 여부를 직접 판별하도록 하여도 좋고, 또한, 배기 포트 승온 제어 실시 후라도 좋다.
스텝 S10의 판별 결과가 아니오인 경우에는 그대로 상기 루틴을 빠져나간다. 한편, 판별 결과가 예이고, 소정 시간 t1 경과하였다고 판정된 경우에는 스텝 S12로 진행한다.
스텝 S12에서는 엔진(1)의 시동 후, 소정 시간 t2(예를 들면, 45초 내지 2분)를 경과하였는지의 여부를 판별한다(촉매 활성 판정 수단). 판별 결과가 아니오이고, 소정 시간 t2 경과하고 있지 않고, 3원 촉매(30)가 아직 활성 상태가 아닌 경우에는 스텝 S14로 진행한다.
스텝 S14에서는 목표 A/F를 이론 공연비보다 약간 린 공연비(엔진이나 배기계에서 최적화된 값이고, 예를 들면 값 15)인 슬라이트 린 공연비 설정으로 하고 또한 압축 행정으로 연료 분사를 향하는 압축 슬라이트 린 운전(도 3에서는 압축 S/L 운전이라고 약기한다)을 실시한다(압축 슬라이트 린 운전 수단). 실제로는 목표 A/F를 이론 공연비로 하고 있고, 공연비 피드백 제어의 제어 이득을 린 공연비측으로 시프트한다. 또, 목표 A/F는 제어 이득을 바꾸지 않고 이론 공연비대로 하여도 좋다. 또한, 점화 시기나 압축 행정에서의 연료 분사 시기는 배기 포트(11)내에서의 반응이 가장 촉진되도록 미리 최적화되어 있고, 여기서는 운전 조건(엔진 회전 속도 Ne, 체적 효율, 정미 평균 유효압, 도시 평균 유효압, 매니폴드압, 스로틀 개방도, 배기 포트(11) 주변 온도, 냉각수 온도, 흡입 공기량, 배기 유량의 어느하나 이상)에 따른 맵 값으로 되어 있다.
스텝 S16에서는 액추에이터(43, 47)를 각각 구동 제어하고, 배기압 제어 밸브(40), 즉 버터플라이 밸브(42) 및 릴리프 밸브(46)를 폐쇄측으로 조작한다(배기 유동 제어 수단). 상세하게는 버터플라이 밸브(42)를 폐쇄 조작함과 함께, 배기 유동 억제 정도가 소망의 배기 유동 억제 정도가 되도록 릴리프 밸브(46)의 개방도를 미세하게 조정한다. 이로써, 배기압 제어 밸브(40)보다도 상류의 배기계 내의 배기 유동이 소망의 억제 정도로 되어, 배기압이 상승한다.
이와 같이 압축 슬라이트 린 운전을 행함과 함께 배기 유동을 억제하도록 하면, 상술한 바와 같이 압축 슬라이트 린 운전에서는 분무 형태가 양호하기 때문에 점화 플러그(4)의 그을림이 적고 CO가 많이 생성되며, 연소에 기여하지 않고서 남은 잔류 O2와 함께 상기 CO가 배기계에 양호하게 배출되며, 이들 CO와 잔류 O2와의 반응이 배기계 내, 특히 배기 포트(11) 내에서 양호하게 촉진된다. 또한, 이 때, 상기 스텝 S10의 판별에 의해 배기 포트(11)는 어느 정도 난기된 상태에 있기 때문에, CO와 잔류 O2와의 반응은 배기 포트(11)내에서 충분히 촉진된다.
이로써, 2단 연소에 의한 부분사를 하지 않더라도, 배기계 내에 CO와 O2를 충분하게 존재시켜, 배기계 내에서 CO와 잔류 O2의 반응을 양호하게 촉진시킬 수 있게 되며, 엔진 토크에 기여하지 않는 연료 공급을 하지 않고서, 연료 소비율의 악화를 억제하면서, 도 4에 실선으로 도시하는 바와 같이, HC 배출량을 억제하여 배기 정화 효율의 향상을 도모하고, 배기 온도를 충분히 상승시켜 3원 촉매(30)의 조기 활성화를 도모할 수 있다.
즉, 도 4를 참조하면, 아울러, 배기 유동을 억제하지 않고서 압축 슬라이트 린 운전만을 실시한 경우의 HC 배출량 및 배기 온도가 파선으로, 배기 유동의 억제를 행하여 목표 A/F를 슬라이트 린 공연비로 함과 함께 흡기 행정으로 연료 분사를 한 경우(흡기 슬라이트 린 운전)의 HC 배출량 및 배기 온도가 2점 쇄선으로 나타나고 있지만, 실선과 같이 압축 슬라이트 린 운전을 행함과 함께 배기 유동을 억제함으로써, 압축 슬라이트 린 운전만의 경우나 흡기 슬라이트 린 운전의 경우에 비하여 HC 배출량을 낮게 억제하고 또한 배기 온도를 높일 수 있다. 또한, 압축 슬라이트 린 운전을 행함으로써, 흡기 슬라이트 린 운전에 있어서의 엔진 시동 직후의 HC 배출량의 급증 현상도 억제할 수 있다.
더욱이, 압축 슬라이트 린 운전을 행함과 함께 배기 유동을 억제하도록 하면, 2단 연소의 경우에는 주분사에 의한 주연소의 공연비를 초 린 공연비로 할 필요가 있기 때문에 발생하는 기관 토크에 한계가 있고, 이 한계는 배기 유동의 억제에 의한 배기 저항의 증대에 따라 더욱 엄격해지는 경향이 있지만, 슬라이트 린 공 연비 하에서는 충분한 기관 토크를 발생시키는 것이 가능하고, 시동 직후에 가속 요구가 있는 경우라도 충분한 가속 성능을 확보할 수 있다.
한편, 상기 스텝 S12의 판별 결과가 예이고, 소정 시간 t2(예를 들면, 45초 내지 2분)를 경과하였다고 판정된 경우에는 스텝 S18로 진행한다. 결국, 스텝 S12에서는 상기 배기 유동의 억제 및 압축 슬라이트 린 운전의 종료 판정을 행하고 있고, 소정 시간 t2 경과하였다고 판정된 경우에는 배기 상승에 의해 3원 촉매(30)가 충분히 활성한 상태에 있고, 더이상 상기 배기 유동의 억제 및 압축 슬라이트 린 운전은 필요 없는 상황이라고 판정할 수 있고, 다음에 스텝 S18로 진행한다.
스텝 S18에서는 배기압 제어 밸브(40), 즉 버터플라이 밸브(42)를 개방측으로 조작하고, 상기 배기 유동의 억제를 해제한다. 그리고, 스텝 S20에 있어서, 압축 슬라이트 린 운전을 종료하고, 엔진(1)의 연소 제어를 통상의 제어 상태로 되돌리도록 한다.
다음에, 제 2 실시예를 설명한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 시동시 제어의 제어 루틴이 플로차트로 도시되어 있고, 이하 상기 도면을 따라서 제 2 실시예에 관해서 설명한다. 또, 상기 제 2 실시예에서는 상기 제 1 실시예에 대하여 주로 2단 연소 운전을 실시한 후에 압축 슬라이트 린 운전을 행하는 점이 다르다.
스텝 S30에서는 상기 도 3의 스텝 S10의 경우와 동일하게, 엔진(1)의 시동 후, 소정 시간 t1(예를 들면, 3초)을 경과하였는지의 여부를 판별한다. 즉, 엔진(1)의 시동 후, 배기계, 특히 배기 포트(11) 혹은 배기 포트(11) 주변의 온도 가 어느 정도 난기되어 소정 온도 이상으로 되었는지의 여부를 판별한다. 판별 결과가 아니오인 경우에는 그대로 상기 루틴을 빠져나가고, 한편, 판별 결과가 예이고, 소정 시간 t1 경과하였다고 판정된 경우에는 스텝 S32로 진행한다.
스텝 S32에서는 상기 도 3의 스텝 S12의 경우와 동일하게, 엔진(1)의 시동 후, 소정 시간 t2(예를 들면, 45초 내지 2분)를 경과하였는지의 여부를 판별한다(촉매 활성 판정 수단). 판별 결과가 아니오이고, 소정 시간 t2 경과하고 있지 않고, 3원 촉매(30)가 아직 활성 상태가 아닌 경우에는 스텝 S34로 진행한다.
스텝 S34에서는 엔진(1)의 시동 후, 소정 시간 t3(예를 들면, 15초)를 경과하였는지의 여부를 판별한다. 이 판별은 즉 3원 촉매(30)가 반활성 상태(충분하게 활성하기 직전의 상태)에 도달하였는지의 여부의 판별을 의미한다. 판별 결과가 아니오이고, 소정 시간 t3를 경과하고 있지 않고, 3원 촉매(30)가 아직 반활성 상태가 아닌 경우에는 다음에 스텝 S36으로 진행한다.
스텝 S36에서는 엔진 부하 L이 소정치 L1 이하인지의 여부를 판별한다. 즉, 엔진(1)에 가속 요구가 있는지의 여부를 판별한다. 엔진 부하 L은 여기서는 예를 들면 스로틀 밸브(14)의 개방도, 즉 스로틀 개방도에 의해서 검출되지만, 흡기 매니폴드(12)에 압력 센서를 설치하고, 흡기 매니폴드(12)내의 압력, 즉 흡기 매니폴드압으로부터 검출하여도, 흡기량 센서(16)로부터의 흡입 공기량 정보로부터 검출하는 것도 가능하다.
스텝 S36의 판별 결과가 예이고, 엔진 부하 L이 소정치 L1 이하, 즉 엔진(1)에 가속 요구가 없다고 판정된 경우에는 다음에 스텝 S38로 진행한다.
스텝 S38에서는 2단 연소 운전을 행한다. 즉, 압축 행정으로 주분사에 의한 주연소를 행함과 함께 팽창 행정 이후에서 부분사를 실시한다(2단 연소 운전 수단). 이 경우, 주분사량은 주연소의 공연비가 초 린 공연비가 되도록 설정되고, 부분사량은 전체 공연비가 소정의 린 공연비(예를 들면, 값 16)가 되도록 설정된다. 또한, 부분사의 연료 공급 시기는 화염 소멸 시기 이후에서 배기 밸브 개방 시기 이전으로 하는 것이 가장 바람직하다.
이와 같이 2단 연소 운전을 행하면, 부분사되는 연료는 기관 토크의 발생에 직접 기여하지 않게 되기 때문에 부분사하는 분량만큼 연료 소비율에는 불리하지만, 주연소(층상 연소)에 있어서의 잔류 O2와 부분사에 의한 미연 연료 성분(HC 등)과의 반응이 배기계 내에서 비약적으로 촉진된다. 이로써 배기 온도가 급속히 상승하여 촉매의 조기 활성화가 도모된다.
그리고, 스텝 S40에서는 상기 도 3의 스텝 S16의 경우와 동일하게 액추에이터(43, 47)를 각각 구동 제어하고, 배기압 제어 밸브(40), 즉 버터플라이 밸브(42) 및 릴리프 밸브(46)를 폐쇄측으로 조작한다. 여기서는 버터플라이 밸브(42)를 폐쇄 조작함과 함께, 배기 유동 억제 정도가 소망의 배기 유동 억제 정도(예를 들면, 목표 배기압)가 되도록, 릴리프 밸브(46)의 개방도가 예를 들면 제 1 억제 제어량으로 향하여 자동 조정된다. 이로써, 배기압 제어 밸브(40)로부터도 상류의 배기계 내의 배기 유동이 소망하는 억제 정도로 되어, 배기압이 상승한다.
한편, 스텝 S34의 판별 결과가 예이고, 소정 시간 t3를 경과하고 있고, 3원 촉매(30)가 반활성 상태에 도달하였다고 판정된 경우에는 다음에 스텝 S42로 진행한다.
3원 촉매(30)가 반활성 상태에 도달한 경우에는 더이상 배기 온도를 그다지 높게 하지 않더라도 3원 촉매(30)는 활성 상태에 도달한다고 생각된다. 따라서, 스텝 S42에서는 상기 2단 연소 운전을 중지한다.
스텝 S46에서는 상기 도 3의 스텝 S14의 경우와 동일하게 압축 슬라이트 린 운전(도 5에서는 압축 S/L 운전이라고 약기한다)을 행한다.
이와 같이, 2단 연소 운전을 실시하여 3원 촉매(30)가 반활성 상태에 도달한 후, 압축 슬라이트 린 운전을 행하도록 하면, 3원 촉매(30)의 조기 활성화를 도모하고 또한 연료 소비율의 악화를 억제하면서, 충분한 기관 토크를 확보할 수 있는 기회를 극히 많게 하여 가속 성능도 확보할 수 있고, 전체로서 효과적으로 배기 정화 효율의 향상을 도모할 수 있다.
스텝 S48에서는 상기 스텝 S40의 경우와 동일하게 배기 유동을 억제한다. 그러나, 여기서는 버터플라이 밸브(42)를 폐쇄 조작함과 함께, 배기 유동 억제 정도가 소망의 배기 유동 억제 정도(예를 들면, 목표 배기압)가 되도록, 릴리프 밸브(46)의 개방도가 상기 소정의 제 1 억제 제어량보다도 억제 제어량이 큰 소정의 제 2 억제 제어량(제 2 억제 제어량＞제 1 억제 제어량)으로 축소 측으로 자동 조정된다. 결국, 2단 연소 운전에서는 주연소의 공연비를 초 린 공연비로 하기 때문에 흡입 공기량 나아가서는 배기 유량이 많고, 배기 유동의 억제 제어량이 비교적 작더라도 용이하게 배기 유동을 억제하여 배기계 내에서의 반응을 촉진하는 것 이 가능하지만, 압축 슬라이트 린 운전에서는 배기 유량이 적기 때문에, 이와 같이 배기 유동의 억제 제어량을 제 2 억제 제어량으로 크게 함으로써 배기 유동의 억제를 확보하도록 한다.
이로써, 압축 슬라이트 린 운전시에 있어서도 2단 연소 운전 시와 같은 배기 유동 억제 정도를 유지할 수 있게 되고, 연료 소비율의 악화를 억제하고 또한 기관 토크를 확보하면서, 보다 한층 효과적으로 배기 정화 효율의 향상을 도모할 수 있다.
스텝 S36의 판별 결과가 아니오이고, 엔진 부하 L이 소정치 L1보다 크다고 판정된 경우에도, 스텝 S42 이후로 진행한다. 결국, 엔진(1)에 가속 요구가 있는 경우에는 2단 연소 운전 시에도, 보다 큰 기관 토크를 확보 가능한 압축 린 운전으로 바꾸도록 한다. 이로써, 가속 요구에 따라서 응답 좋게 충분한 가속 성능을 얻을 수 있다.
한편, 상기 스텝 S32의 판별 결과가 예이고 소정 시간 t2(예를 들면, 45초 내지 2분)를 경과하였다고 판정된 경우에는 배기 승온이 충분히 행해지고 3원 촉매(30)가 완전하게 활성한 상태에 있다고 판단할 수 있다. 따라서, 이 경우에는 스텝 S50으로 진행하고, 상기 도 3의 스텝 S18과 동일하게 배기압 제어 밸브(40), 즉 버터플라이 밸브(42) 및 릴리프 밸브(46)를 개방측으로 조작하여 배기 유동의 억제를 해제함과 함께, 스텝 S52에 있어서, 압축 슬라이트 린 운전을 종료하고, 엔진(1)의 연소 제어를 통상의 제어 상태로 되돌리도록 한다.
다음에, 제 3 실시예를 설명한다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 시동시 제어의 제어 루틴이 플로차트로 도시되어 있고, 이하 상기 도면을 따라서 제 3 실시예에 관해서 설명한다. 또, 상기 제 3 실시예에서는 상기 제 2 실시예에 대하여 압축 슬라이트 린 운전을 실시한 후에 흡기 슬라이트 린 운전을 행하는 점이 다르다. 따라서, 여기서는 상기 제 2 실시예와 동일 부분에 대해서는 스텝 부호를 동일하게 설명을 생략하며, 다른 점에 대해서만 설명한다.
스텝 S30에 있어서 소정 시간 t1′이 경과하였는지의 여부를 판별하고, 스텝 S32에 있어서 소정 시간 t2′가 경과하였는지의 여부를 판별하고, 스텝 S34에 있어서 소정 시간 t3′이 경과하였는지의 여부를 판별한 후, 스텝 S36의 판별 결과가 예이고, 엔진 부하 L이 소정치 L1 이하, 즉 엔진(1)에 가속 요구가 없다고 판정된 경우에는 다음에 스텝 S38′로 진행한다. 또한, 소정 시간 t1', 소정 시간 t2′, 소정 시간 t3′은 각각 최적치로 설정되지만, 상술한 소정 시간 t1, 소정 시간 t2, 소정 시간 t3과 동일한 값이라도 좋다.
스텝 S38′에서는 압축 슬라이트 린 운전을 행한다(도 6에서는 압축 S/L 운전이라고 약기한다).
그리고, 스텝 S40′에서는 상기 도 5의 스텝 S48의 경우와 동일하게, 버터플라이 밸브(42)를 폐쇄 조작함과 함께, 배기 유동 억제 정도가 소망의 배기 유동 억제 정도(예를 들면, 목표 배기압)가 되도록, 릴리프 밸브(46)의 개방도가 소정의 제 2 억제 제어량으로 자동 조정된다. 이로써, 배기압 제어 밸브(40)로부터도 상류의 배기계 내의 배기 유동이 소망의 억제 정도로 되고, 배기압이 상승한다.
한편, 스텝 S34의 판별 결과가 예이고, 소정 시간 t3′를 경과하고 있고, 3원 촉매(30)가 반활성 상태에 도달하였다고 판정된 경우, 혹은 스텝 S36의 판별 결과가 아니오이고 엔진 부하 L이 소정치 L1보다 크다고 판정된 경우에는 스텝 S42′로 진행하고, 상기 압축 슬라이트 린 운전을 중지한다.
그리고, 스텝 S46′에서는 목표 A/F를 이론 공연비보다 약간 린 공연비(예를 들면, 값 15이지만, 압축 슬라이트 린 운전의 경우와 동일하지 않아도 좋다)인 슬라이트 린 공연비 설정으로 하고 또한 흡기 행정으로 연료 분사를 하는 흡기 슬라이트 린 운전(도 6으로서는 흡기 S/L 운전이라고 약기한다)을 실시한다.
이와 같이, 압축 슬라이트 린 운전을 실시하여 3원 촉매(30)가 반활성 상태에 도달한 후, 흡기 슬라이트 린 운전을 행하도록 하면, 흡기 슬라이트 린 운전쪽이 압축 슬라이트 린 운전의 경우보다도 큰 기관 토크를 얻을 수 있기 때문에, 연료 소비율의 악화를 억제하면서, 충분한 기관 토크를 확보할 수 있는 기회를 더 많게 하여 가속 성능을 확보할 수 있고, 가속 성능을 우선하면서 전체로서 효과적으로 배기 정화 효율의 향상을 도모할 수 있다.
그리고, 스텝 S48′에서는 상기 스텝 S40의 경우와 같이, 배기 유동을 억제하고, 여기서는 버터플라이 밸브(42)를 폐쇄 조작함과 함께, 배기 유동 억제 정도가 소망의 배기 유동 억제 정도(예를 들면, 목표 배기압)가 되도록, 릴리프 밸브(46)의 개방도가 상기 소정의 제 2 억제 제어량보다도 더 억제 제어량이 큰 소정의 제 3 억제 제어량(제 3 억제 제어량＞제 2 억제 제어량)으로 축소측으로 자동 조정된다. 결국, 압축 슬라이트 린 운전에서는 층상 연소가 행해지기 때문에 배기 유량이 비교적 많은 한편, 흡기 슬라이트 린 운전에서는 균일 연소가 행해지기 때문에 배기 유량이 감소하므로, 이와 같이 배기 유동의 억제 제어량을 제 3 억제 제어량으로 크게 함으로써 배기 유동의 억제를 확보하도록 한다.
이로써, 흡기 슬라이트 린 운전시에 있어서도 압축 슬라이트 린 운전 시와 동일한 배기 유동 억제 정도를 유지할 수 있게 되고, 연료 소비율의 악화를 억제하며 또한 여분의 기관 토크를 확보하면서, 보다 한층 효과적으로 배기 정화 효율의 향상을 도모할 수 있다.
한편, 상기 스텝 S32의 판별 결과가 예이고 소정 시간 t2′경과하였다고 판정된 경우에는 상기 동일 스텝 S50으로 진행하고, 배기압 제어 밸브(40), 즉 버터플라이 밸브(42) 및 릴리프 밸브(46)를 개방측으로 조작하여 배기 유동의 억제를 해제함과 함께, 스텝 S52에 있어서, 흡기 슬라이트 린 운전을 종료하고, 엔진(1)의 연소 제어를 통상의 제어 상태로 되돌리도록 한다.
다음에, 제 4 실시예를 설명한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 시동시 제어의 제어 루틴이 플로차트로 도시되어 있고, 이하 상기 도면을 따라서 제 4 실시예에 관해서 설명한다. 또, 상기 제 4 실시예에서는 시동시 제어의 종료 판정 및 반활성 상태의 판정 부분(스텝 S60 내지 스텝 S70)이 상기 제 2 실시예나 제 3 실시예(도 5, 6의 스텝 S30 내지 스텝 S34)와 다르다. 따라서, 여기서는 상기 제 2, 3 실시예와 동일 부분(도 5 중의 (1) 또는 도 6중의 (2)로 도시하는 범위)에 대해서는 설명을 생략하고, 다른 부분에 관해서만 설명한다.
스텝 S60에서는 상기 스텝 S30과 동일하게, 엔진(1)의 시동 후, 소정 시간 t1(예를 들면, 3초)을 경과하였는지의 여부를 판별하여, 판별 결과가 예인 경우에는 스텝 S62로 진행한다.
스텝 S62에서는 엔진 회전 속도 Ne가 소정치 Ne1(예를 들면, 2200rpm)보다도 작은지의 여부를 판별한다. 엔진 회전 속도 Ne가 소정치 Ne1 이상으로 큰 경우에는 배기 유량 및 배기 유속이 크고, 3원 촉매(30)는 충분히 승온되어 활성 상태에 있다고 판단할 수 있다. 따라서, 스텝 S62의 판별 결과가 예이고, 엔진 회전 속도 Ne가 소정치 Ne1보다도 작을 때에는 스텝 S64로 진행하는 한편, 판별 결과가 아니오인 경우에는 상기 스텝 S50으로 진행하고, 배기 유동의 억제를 해제함과 함께, 상기 스텝 S52에 있어서 압축 슬라이트 린 운전 또는 흡기 슬라이트 린 운전을 종료하고, 엔진(1)의 연소 제어를 통상의 제어 상태로 되돌리도록 한다.
스텝 S64에서는 엔진(1)에 변속기(도시하지 않음)가 접속되어 있는 경우에 있어서, 변속기의 기어비의 변화가 있었는지의 여부를 판별한다. 시동시에 있어서는 통상, 차량은 정차 상태에 있고 기어비는 최저속 기어비(로우 기어)에 있다고 판단할 수 있다. 그러므로, 이 상태로부터의 기어비의 변화는 차속이 증대하여 기어비가 고속측으로 변화한 것으로 간주할 수 있고, 차속이 증대하면 엔진 회전 속도 Ne도 상승하기 때문에, 상기와 같이 배기 유량 및 배기 유속이 크고, 3원 촉매(30)는 충분히 승온되어 활성 상태에 있다고 판단할 수 있다. 따라서, 스텝 S64의 판별 결과가 아니오이고 변속기의 기어비의 변화가 없다고 판정된 경우에는 스텝 S66으로 진행하는 한편, 판별 결과가 예이고, 변속기의 기어비의 변화가 있었 다고 판정된 경우에는 상기와 동일하게 스텝 S50 및 스텝 S52를 실행한다.
스텝 S66에서는 열량 상당의 지표를 산출한다. 이 지표는 배기 유동의 억제 및 압축 슬라이트 린 운전이 개시되고 나서 3원 촉매(30)에 부여된 총열량(열량의 총량)에 상당하는 값이고, 구체적으로는 이하의 수학식으로부터 산출된다.
지표=적산치{배기(체적)유량×배기 압력×배기 온도×배압 계수}
여기에, 배기(체적) 유량, 배기 압력의 파라미터는 각각 상술한 흡기량 센서(16), 배기압 센서(22)로부터 검출할 수 있고, 배기 온도에 관해서는 운전 조건에 따라서 미리 설정한 맵 값으로부터 구할 수 있다. 또, 배기 온도 센서를 설치하여 직접 배기 온도를 구하여도 좋다.
배압(排壓) 계수는 3원 촉매(30)에 부여되는 총열량 상당치의 적정화를 도모하기 위한 배기 압력의 보정 계수이고, 예를 들면 도 8에 도시하는 맵으로부터 구할 수 있다. 상기 맵에 의하면, 배기 압력의 증가에 따라서 보정 계수가 증대하고 있지만, 이것은 배기 압력이 높을수록 3원 촉매(30)내에서 변환되어야 할 물질(H2, HC, CO 등)이 3원 촉매(30)내로 확산하여 반응 속도가 증대하고, 3원 촉매(30)내에서의 물질의 반응열이 증대하는 경향이 있기 때문이라고 생각된다.
열량 상당의 지표가 산출되면, 스텝 S68에 있어서 상기 지표가 소정치 X1보다 작은지의 여부를 판별한다. 판별 결과가 예이고, 지표가 소정치 X1보다 작은 경우에는 스텝 S70으로 진행하는 한편, 판별 결과가 아니오이고, 지표가 소정치 X1 이상인 경우에는 3원 촉매(30)는 충분히 승온되어 활성 상태에 있다고 판단할 수 있고, 상기와 같이 스텝 S50 및 스텝 S52를 실행한다.
스텝 S70에서는 지표가 소정치 X2(X2＜X1)보다 작은지의 여부를 판별한다. 즉, 총열량이 소정치 X1에 상당할 정도로 크지는 않지만, 3원 촉매(30)에 소정치 X2에 상당하는 정도의 열량이 부여되고, 3원 촉매(30)가 반활성 상태에 있는지의 여부를 판별한다. 판별 결과가 예이고, 지표가 소정치 X2보다 작다고 판별된 경우에는 상기 스텝 S36으로 진행한다.
한편, 스텝 S70의 판별 결과가 아니오이고, 지표가 소정치 X2 이상, 즉 3원 촉매(30)가 반활성 상태에 있다고 판정된 경우에는 상기 스텝 S42 또는 스텝 S42′로 진행한다.
이로써, 시동시 제어의 종료 판정 및 반활성 상태의 판정을 엔진 회전 속도 Ne, 변속기의 기어비의 변화, 열량 상당의 지표에 기초하여 용이하게 할 수 있고, 이 경우에 있어서도, 연료 소비율의 악화를 억제하고 또한 기관 토크를 확보하면서, 효과적으로 배기 정화 효율의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 시동시 제어의 종료 판정 방법은 상기 이외에도 여러 가지 생각되고, 예를 들면, 3원 촉매(30)에 고온 센서를 설치하고, 상기 고온 센서에 의해 검출되는 촉매 온도가 소정 온도(예를 들면, 450℃) 이상(촉매 온도≥소정 온도)인지의 여부를 판별하도록 하여도 좋고, 엔진(1)의 냉각수 온도가 소정 온도(예를 들면, 40℃) 이상(냉각수 온도≥소정 온도)인지의 여부, 엔진(1)의 윤활유 온도가 소정 온도(예를 들면, 35℃) 이상(윤활유 온도≥소정 온도)인지의 여부를 판별하도록 하 여도 좋다.
또한, 동일하게, 반활성 상태의 판정에 관해서도 상기 이외에도 여러 가지 생각되고, 예를 들면, 3원 촉매(30)에 고온 센서를 설치하여, 상기 고온 센서에 의해 검출되는 촉매 온도가 소정 온도(예를 들면, 300℃) 이상(촉매 온도≥소정 온도)인지의 여부를 판별하도록 하여도 좋고, 엔진(1)의 냉각수 온도가 소정 온도(예를 들면, 29℃) 이상(냉각수 온도≥소정 온도)인지의 여부, 엔진(1)의 윤활유 온도가 소정 온도(예를 들면, 27℃) 이상(윤활유 온도≥소정 온도)인지의 여부를 판별하도록 하여도 좋다.
이상에서 설명을 끝내지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니다.
예를 들면, 상기 실시예에서는 배기 유동의 억제 정도를 배기압 제어 밸브(40)를 사용하여 제어하도록 하였지만, 배기 통로 면적의 축소량이나 배기 통로 단면적을 제어하는 것이라면 어떠한 수단을 사용하여도 좋다. 이 경우, 제 2 실시예 내지 제 4 실시예에 있어서, 배기 통로 면적의 축소량이나 배기 통로 단면적이 각각 제 1 억제 제어량, 제 2 억제 제어량 및 제 3 억제 제어량에 따른 값으로 제어된다(제 3 억제 제어량＞제 2 억제 제어량＞제 1 억제 제어량).
또한, 상기 실시예에서는 배기 유동을 억제함에 있어서 제 1 억제 제어량, 제 2 억제 제어량 및 제 3 억제 제어량 등의 억제 제어량을 예를 들면 고정치로 하고 있지만, 배기 유량이나 배기 온도의 변동에 따라서 적절하게 미세 조정하도록 하여도 좋다.
또한, 상기 실시예에서는 제 2 실시예 내지 제 4 실시예에 있어서, 스텝 S36 의 판별 결과가 아니오이고 엔진 부하 L이 소정치 L1보다 크고, 즉 가속 요구가 있다고 판정된 경우에는 압축 슬라이트 린 운전 혹은 흡기 슬라이트 린 운전으로 전환하도록 하였지만, 상기 전환에 의해서도 요구 기관 토크를 만족할 수 없는 경우에는 스텝 S52에 있어서 통상 제어를 실시하도록 하여도 좋다. 이 경우, 필요에 따라서 배기 유동의 억제를 더불어 실시하도록 하여도 좋다.
또한, 상기 실시예에서는 제 2 실시예 내지 제 4 실시예에 있어서, 2단 연소 운전과 압축 슬라이트 린 운전의 전환, 혹은 압축 슬라이트 린 운전과 흡기 슬라이트 린 운전의 전환을 실시하도록 하였지만, 촉매의 조기 활성화를 우선하는 경우에는 압축 슬라이트 린 운전에 대하여 2단 연소 운전을, 흡기 슬라이트 린 운전에 대하여 압축 슬라이트 린 운전을 선택적으로 단독으로 실시하도록 하여도 좋고, 또한, 가속 성능을 우선하는 경우에는 2단 연소 운전에 대하여 압축 슬라이트 린 운전을, 압축 슬라이트 린 운전에 대하여 흡기 슬라이트 린 운전을 선택적으로 단독으로 실시하여도 좋다.
또한, 상기 실시예에서는 스텝 S10, 스텝 S30 및 스텝 S60에 있어서, 엔진(1)의 시동 후, 소정 시간 t1(예를 들면, 3초)을 경과하였는지의 여부, 즉 엔진(1)의 시동 후, 배기계의 온도가 어느 정도 난기되어 소정 온도 이상으로 되었는지의 여부를 판별하도록 하였지만, 배기 유동 억제에 의한 배기계 내 반응이 양호한 시스템이면, 소정 시간 t1을 0초로 하여, 엔진(1)의 완전 폭발행정 후, 즉시 압축 슬라이트 린 운전 혹은 2단 연소 운전을 개시하도록 하여도 좋다.
또한, 배기 유동의 억제, 즉 배기압 제어 밸브(40)의 폐쇄를 점화 키를 온으 로 한 시점에서 실시하도록 하여도 좋다. 이렇게 하면, 배기 유동 억제의 응답 지연의 문제도 개선할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는 압축 슬라이트 린 운전 시에는 압축 행정 분사만 하도록 하고 있지만, 예를 들면, 압축 슬라이트 린 운전 시에 있어서 압축 행정 분사를 하면서 압축 행정 이외에 흡기 행정에도 연료를 일부 분할하여 분사하도록 하여도 좋다. 이로써, 압축 행정 분사의 이익과 흡기 행정 분사의 이익의 양쪽을 얻을 수 있고, 가속 성능을 더욱 높일 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는 배기압 제어 밸브(40)를 3원 촉매(30)의 바로 하류에 설치한 경우에 관해서 설명하였지만, 배기압 제어 밸브(40)의 내열성이 높은 경우는 배기압 제어 밸브(40)를 촉매 상류에 설치하도록 하여도 좋다. 이렇게 하면, 배기압 제어 밸브(4O)보다도 상류측의 배기계 용적이 감소하게 되고, 역시 배기 유동 억제의 응답성을 개선할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는 배기압 제어 밸브(40)로서 버터플라이 밸브(42)와 릴리프 밸브(46)를 사용하도록 하였지만, 흡배기계에 터보 챠저를 구비하는 경우에는 상기 터보 챠저의 웨이스트 게이트 밸브를 배기압 제어 밸브(40)의 대신에 사용하는 것도 가능하다. 결국, 웨이스트 게이트 밸브는 배기압 제어 밸브(40)와 같은 밸브 기능을 갖고 있기 때문에, 배기 유동 억제 정도에 따라서 상기 웨이스트 게이트 밸브를 제어하도록 하여도 상기와 동일한 효과가 얻어진다.
또한, 상기 실시예에서는 촉매 컨버터로서 3원 촉매(30)를 사용하였지만, 촉매는 린 NOx 촉매, HC 흡착 촉매 등 어떠한 것이라도 좋다.
본 발명에 의하여, 연료 소비율의 악화를 억제하고 또한 기관 토크를 확보하면서 한층 더 효과적으로 배기 정화 효율의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 내연 기관의 시동 후 경과 시간, 내연 기관의 냉각수 온도, 내연 기관의 윤활유 온도, 촉매 컨버터의 온도, 배기 유량 및 촉매 컨버터에 작용하는 열량의 총량 등에 기초하여 촉매 컨버터의 활성 상태를 용이하게 판정할 수 있다.
또한, 배기 통로 단면적의 축소 혹은 배기 통로에 개재되어 장착된 배기 스로틀 밸브의 개방도의 축소에 의해서 배기 통로 내의 배기 유동을 용이하게 억제할 수 있다.
또한, 스로틀 개방도, 흡기 매니폴드압 및 흡입 공기량 등에 기초하여 내연 기관의 부하를 용이하게 검출할 수 있다.

Claims (13)

  1. 연소실 내에 직접 연료를 분사하는 분사 밸브와, 상기 분사 밸브에 의한 연료 분사를 제어하는 연료 분사 제어 수단과, 연소 공연비를 제어하는 공연비 제어 수단을 구비한 통내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 배기 정화 장치에 있어서,
    배기 통로에 설치되고, 배기 중의 유해 물질을 정화하는 촉매 컨버터와,
    상기 촉매 컨버터의 활성 상태를 판정하는 촉매 활성 판정 수단과,
    상기 공연비 제어 수단에 의해 연소 공연비를 이론 공연비 또는 이론 공연비보다 약간 린 공연비로 함과 함께 상기 연료 분사 제어 수단에 의해 압축 행정으로 연료를 분사하여 잔류 산소 및 CO를 배출하는 압축 슬라이트 린 운전을 실시하는 압축 슬라이트 린 운전 수단과,
    배기 통로 내의 배기 유동을 억제하는 배기 유동 제어 수단을 구비하고,
    상기 촉매 활성 판정 수단에 의해 상기 촉매 컨버터가 활성 상태가 아니라고 판정되었을 때에는 상기 압축 슬라이트 린 운전 수단에 의해 압축 슬라이트 린 운전을 행함과 함께 상기 배기 유동 제어 수단에 의해 배기 통로 내의 배기 유동을 억제하여 상기 촉매 컨버터보다도 상류의 배기계내에서 상기 잔류 산소와 상기 CO를 반응시키는 것을 특징으로 하는 통내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연소실에서 배기 통로를 향하여 연장되는 배기 포트 또는 상기 배기 포트 주변의 온도를 검출하는 배기 포트 주변 온도 검출 수단을 더 갖고,
    상기 촉매 활성 판정 수단에 의해 상기 촉매 컨버터가 활성 상태가 아니라고 판정되며, 또한 상기 배기 포트 주변 온도 검출 수단에 의해 배기 포트 또는 상기 배기 포트 주변의 온도가 소정 온도 이상인 것이 검출되었을 때, 상기 압축 슬라이트 린 운전을 행함과 함께 상기 배기 유동의 억제를 행하는 것을 특징으로 하는 통내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 연소실 내에 주연소용의 연료를 공급한 후, 상기 주연소의 화염 소멸 시기 이후 또한 배기 밸브의 개방 개시 시기 이전에 연소실 내에 연료를 재공급하여 2단 연소 운전을 행하는 2단 연소 운전 수단을 더 구비하고,
    상기 촉매 활성 판정 수단에 의해 상기 촉매 컨버터가 활성 상태가 아니라고 판정되었을 때에는 상기 2단 연소 운전 수단에 의한 2단 연소 운전 및 상기 압축 슬라이트 린 운전 수단에 의한 상기 압축 슬라이트 린 운전의 어느 한쪽을 선택적으로 실시함과 함께 상기 배기 유동의 억제를 행하는 것을 특징으로 하는 통내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 촉매 활성 판정 수단에 의해 상기 촉매 컨버터가 활성 상태가 아니라고 판정되었을 때에는 상기 2단 연소 운전을 실시한 후, 상기 압축 슬라이트 린 운전을 실시하는 것을 특징으로 하는 통내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 배기 유동 제어 수단은 상기 압축 슬라이트 린 운전을 행할 때, 상기 2단 연소 운전을 행할 때보다도 상기 배기 유동의 억제 제어량을 크게 하는 것을 특징으로 하는 통내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  6. 제 3 항에 있어서, 내연 기관의 부하를 검출하는 부하 검출 수단을 더 구비하고,
    상기 부하 검출 수단에 의해 검출되는 내연 기관의 부하가 소정치 이상일 때에는 상기 2단 연소 운전에 우선하여 상기 압축 슬라이트 린 운전을 실시하는 것을 특징으로 하는 통내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 공연비 제어 수단에 의해 연소 공연비를 이론 공연비 또는 이론 공연비보다 약간 린 공연비로 함과 함께 상기 연료 분사 제어 수단에 의해 흡기 행정으로 연료를 분사하여 흡기 슬라이트 린 운전을 실시하는 흡기 슬라이트 린 운전 수단을 더 구비하고,
    상기 촉매 활성 판정 수단에 의해 상기 촉매 컨버터가 활성 상태가 아니라고 판정되었을 때에는 상기 압축 슬라이트 린 운전 수단에 의한 상기 압축 슬라이트 린 운전 및 상기 흡기 슬라이트 린 운전 수단에 의한 상기 흡기 슬라이트 린 운전의 어느 한쪽을 선택적으로 실시함과 함께 상기 배기 유동의 억제를 행하는 것을 특징으로 하는 통내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 촉매 활성 판정 수단에 의해 상기 촉매 컨버터가 활성 상태가 아니라고 판정되었을 때에는 상기 압축 슬라이트 린 운전을 실시한 후, 상기 흡기 슬라이트 린 운전을 실시하는 것을 특징으로 하는 통내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 배기 유동 제어 수단은 상기 흡기 슬라이트 린 운전을 행할 때, 상기 압축 슬라이트 린 운전을 행할 때보다도 상기 배기 유동의 억제 제어량을 크게 하는 것을 특징으로 하는 통내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  10. 제 7 항에 있어서, 내연 기관의 부하를 검출하는 부하 검출 수단을 더 구비하고,
    상기 부하 검출 수단에 의해 검출되는 내연 기관의 부하가 소정치 이상일 때에는 상기 압축 슬라이트 린 운전에 우선하여 상기 흡기 슬라이트 린 운전을 실시하는 것을 특징으로 하는 통내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매 활성 판정 수단은 내연 기관의 시동 후 경과 시간, 내연 기관의 냉각수 온도, 내연 기관의 윤활유 온도, 상기 촉매 컨버터의 온 도, 배기 유량 및 상기 촉매 컨버터에 작용하는 열량의 총량의 적어도 어느 하나를 파라미터로서 상기 촉매 컨버터의 활성 상태를 판정하는 것을 특징으로 하는 통내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 배기 유동 제어 수단은 배기 통로 단면적 혹은 배기 통로에 개재되어 장착된 배기 스로틀 밸브의 개방도를 축소함으로써 상기 배기 통로 내의 배기 유동을 억제하는 것을 특징으로 하는 통내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  13. 제 6 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 부하 검출 수단은 스로틀 개방도, 흡기 매니폴드압 및 흡입 공기량의 적어도 어느 하나에 기초하여 내연 기관의 부하를 검출하는 것을 특징으로 하는 통내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
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