KR100589803B1

KR100589803B1 - 불꽃 점화 방식의 직접 분사식 엔진의 제어장치

Info

Publication number: KR100589803B1
Application number: KR1019980050731A
Authority: KR
Inventors: 히로후미 니시무라; 요우이치 구지
Original assignee: 마츠다 가부시키가이샤
Priority date: 1997-11-26
Filing date: 1998-11-25
Publication date: 2006-08-30
Also published as: EP0919709A3; JPH11218047A; EP0919709A2; JP3368217B2; KR19990045568A; DE69824529D1; DE69824529T2; EP0919709B1

Abstract

실린더(2)내의 연소실(6)에 연료를 직접 분사 공급하는 불꽃 점화 방식의 직접 분사식(direct injection-spark ignition type) 엔진(1)의 배기 통로(31)에 린(lean) NOx 촉매(34)를 배치하고, 엔진(1)을 저부하 영역에서 성층 연소 상태로, 또한 그 밖의 영역에서 균일 연소 상태로 각각 운전하는 경우, 연소실(6)에서의 연료 분포의 균일성을 높이고, 연소 속도를 신속히 하여 연소 안정성을 높이며, 배기 환류 한계를 확대하여, 연비의 개선 및 NOx 배출량의 저감을 더욱 도모한다. 엔진(1)이 균일 연소 상태의 운전 영역에 있을 때에 실린더(2)의 흡기 행정에 의해 연료 분사 밸브(14)로부터 연료를, 조기 분사 개시 시기(s1)와 후기 분사 개시 시기(s2)의 중앙 시기(m)가 흡기 행정 중앙 시기(M)보다도 빨라지도록 2분할 분사함과 동시에, 배기 환류 장치(37)에 의해 배기의 일부를 흡기 통로(25)에 환류시킨다. 배기 환류율이 최대 약 20∼40%로 되도록 배기 환류 제어 밸브(39)의 개방도를 제어한다.

Description

불꽃 점화 방식의 직접 분사식 엔진의 제어 장치{CONTROL APPARATUS OF THE ENGINE}

본 발명은 연소실에 연료를 직접 분사 공급하는 소위 불꽃 점화 방식의 직접 분사식(direct injection-spark ignition type) 엔진의 제어 장치에 관한 것으로, 특히 배기 가스의 일부를 흡기 시스템에 환류시키는 배기 환류 장치를 구비한 것에 있어서, 그 배기 환류가 실행되는 엔진의 운전 영역에서의 연료 분사 시기의 설정에 관한 기술 분야에 속한다.

종래부터, 이러한 종류의 불꽃 점화 방식의 직접 분사식 엔진 제어 장치로서, 예를 들면 국제 출원 공개 번호 제 WO 93/07363 호 공보에 개시된 바와 같이, 엔진의 배기 통로에, 공연비가 이론 공연비보다도 큰 린 형상일 때에는 배기 가스중의 NOx(질소 산화물)을 흡착하는 반면, 공연비가 이론 공연비 이하인 리치 상태로 되면 상기 흡착한 NOx를 방출시켜 환원 정화하는 NOx 흡착 유형의 린 NOx 촉매를 배치하여, 엔진의 가속 운전시나 전(全)부하 운전시에 공연비를 린 상태로 제어하는 반면, 그 이외의 운전시에는 공연비를 린 상태로 제어하여, 연비의 개선을 도모하도록 한 것이 공지되어 있다.

또한, 일본 특허 공개 제 95-119507 호 공보에 도시된 바와 같이, 불꽃 점화 방식의 직접 분사식 엔진의 연소실에 연료를 직접 분사 공급하는 연료 분사 밸브를 설치하고, 엔진을 저부하 영역에서는 성층 연소 상태로 운전하는 반면, 고부하 영역에서는 균일 연소 상태로 운전하고, 엔진이 저회전 영역이고 상기 고부하 영역에 있을 때, 실린더의 흡기 행정에 의해 연료 분사 밸브로부터 연료를 2회로 분할하여 분사시킴으로써, 그 조기 분사된 절반의 연료를 흡기 행정이 종료할 때까지 연소실에서 확산시키는 반면, 후기 분사된 나머지 절반의 연료에 대해서는, 증대한 용적(容積)의 연소실에서 확산시키고, 모든 연료를 일괄 분사하는 경우와 같이, 다음 압축 행정에 의해 피스톤 정상면 근방에 농후한 혼합기가 형성되는 것을 막아, 스모그의 발생을 방지하는 것이 제안되어 있다.

또한, 일본 특허 공개 제 95-217478 호 공보에는, 상기와 마찬가지의 연료 분사 밸브를 피스톤의 정상면에 대향하도록 연소실의 상면에 설치하고, 노킹이 발생했을 때, 소량의 연료를 흡기 행정의 초기에 예비적으로 분사하여, 이 연료를 적극적으로 피스톤 정상면의 흡기 밸브측에 부착시킴과 동시에 연소실의 흡기 밸브측으로 되돌아오게 하며, 흡기 밸브측의 피스톤 정상면이나 연소실을 연료의 기화열(氣化熱)에 의해 냉각함으로써, 노킹을 억제하도록 한 것이 개시되어 있다.

상기 최초의 종래예(국제 출원 공개 번호 제 WO 93/07363 호)와 같이, 엔진의 배기 통로에 린 NOx 촉매를 배치한 것으로는, 그 린 NOx 촉매에 의해서 린 상태로도 NOx를 정화할 수 있지만, 그 정화 성능은 예를 들어 3원 촉매에 의한 이론 공연비 상태(λ=1)에서의 NOx 정화 성능에 비하면 낮기 때문에, 충분하다고는 말할 수 없다.

특히, 상기 NOx 흡착 유형의 린 NOx 촉매인 경우에는, 엔진의 린 상태에서의 운전이 장시간 계속하여 NOx의 흡착량이 증대하면, 이에 따라 NOx의 정화 성능이 저하하기 때문에, 그렇게 되기 전에 리치 상태로 전환하여, 촉매를 리프레쉬할 필요가 있다. 즉, 린 NOx 촉매의 리프레쉬를 위해 엔진의 린 상태에서의 운전이 제약되기 때문에, 이 점에서 연비 개선의 여지가 남아 있다.

이에 대하여, 일반적으로 배기계로부터 배기 가스의 일부를 흡기 시스템에 환류시키는 소위 배기 환류를 실행함으로써, 연소 가스의 최고 온도가 내려가고, NOx의 생성이 억제되는 것은 공지되어 있고, 그로써 촉매에 이르는 배기 가스중의 NOx 량을 저감시켜, 상술한 문제점을 완화시키는 것이 고려된다. 그러나, 배기 환류에 의해서 너무 다량의 배기 가스를 환류시키면, 연소 변동의 증대에 의해 구동력이 저하될 우려가 있고, 그렇게 되지 않는 범위에서, 즉 배기 환류 한계를 초과하지 않도록 배기 가스의 환류량을 조절한다고 한다면, 상술한 연비 개선 및 NOx 저감이라고 하는 요구를 충분히 충족시킬 수 없는 것이 실상이다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같이 연소실에 연료 분사 밸브로부터 직접 연료를 분사 공급하도록 한 불꽃 점화 방식의 직접 분사식 엔진에 있어서, 그 연료 분사를 소정의 상태로 실행함으로써, 엔진의 연소 안정성을 높여 배기 환류 한계를 확대하고, 그것에 의해 연비의 개선 및 NOx 배출량의 저감을 더욱 도모하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 엔진의 흡기 시스템으로의 배기 가스의 환류를 실행할 때, 실린더의 흡기 행정에 의해 연료를 2분할하여 분사하도록 하고, 또한 그 조기 분사의 분사 개시 시기와 후기 분사의 분사 개시 시기의 중앙 시기를 흡기 행정의 중앙 시기보다도 빠른 시기로 설정하도록 하였다.

구체적으로, 청구항 1의 발명에서는, 엔진의 실린더내 연소실에 연료를 직접 분사 공급하는 연료 분사 밸브와, 엔진의 배기 통로에 배치되며, 공연비가 이론 공연비보다도 큰 린 상태로 배기 가스중의 NOx를 정화하는 린 NOx 촉매를 구비하고, 엔진을 저부하 영역에서는 성층 연소 상태로 운전하는 반면, 그 밖의 영역에서는 균일 연소 상태로 운전하도록 한 엔진의 제어 장치가 전제로 된다. 또한, 여기서 말하는 NOx의 정화란, 예를 들면 NOx 흡착 유형의 촉매에 의해서 NOx를 흡착하는 것과 NOx 환원 유형의 촉매에 의해서 NOx를 N₂ 및 O₂로 환원하는 것을 포함하고, 배기 가스중의 NOx를 저감시키는 것 모두에 상당한다(이하, 본 명세서에 있어서 마찬가지로 함).

그리고, 상기 배기 통로로부터 배기 가스의 일부를 흡기 시스템에 환류시키는 배기 환류 수단과, 상기 엔진이 균일 연소 상태의 운전 영역에 있고, 또한 상기 배기 환류 수단에 의한 배기 가스의 환류가 실행될 때, 실린더의 흡기 행정에 의해 상기 연료 분사 밸브로부터 연료를 조기 분사와 후기 분사로, 적어도 상기 조기 분사 및 후기 분사의 양 분사 개시 시기 사이의 중앙 시기가 흡기 행정의 중앙 시기보다도 빠른 시기가 되도록, 2분할하여 분사시키는 연료 분사 제어 수단을 설치하였다.

이 구성에 의해, 엔진이 균일 연소 상태의 운전 영역에 있고, 또한 상기 배기 환류 수단에 의한 배기 가스의 환류가 실행될 때, 연료 분사 제어 수단에 의해, 실린더의 흡기 행정에 의해 연료 분사 밸브로부터 연료가 조기 분사와 후기 분사로 2분할하여 분사된다. 이 조기 분사된 일부의 연료는, 그 후에 후기 분사가 개시될 때까지의 그 동안에 피스톤의 하강 이동에 따른 연소실 용적의 증대에 의해서 충분히 균일하게 확산되고, 또한 후기 분사된 나머지의 연료도 상기 용적이 증대한 연소실에 확산되기 때문에, 연소실 전체에 균일한 혼합기가 생성된다. 즉, 연료 분사의 분할에 의해서, 분무의 관철력을 그 만큼 높이는 일 없이, 연소실에 있어서의 연료 분포의 균일화가 도모된다.

또한, 적어도 상기 조기 분사 및 후기 분사의 양 분사 개시 시기 사이의 중앙 시기가 흡기 행정의 중앙 시기보다도 빠른 시기로 설정되어 있기 때문에, ① 실린더의 흡기 행정 전체에 의해 연료 분사를 실행하지 않으면 안된다고 하는 조건하에서, 조기 분사를 피스톤의 하강 이동 속도가 비교적 높아서 그에 따른 흡기 유동 속도도 큰 상태로 되는 시기에 대응시켜 실행할 수 있어, 그 큰 속도의 흡기 유동에 의해서 연료 분포의 균일화가 더욱 촉진되고, 또한 연료의 기화(氣化), 무화(霧化)가 촉진된다. ② 또한, 조기 및 후기의 2회의 연료 분사가 전체로서 흡기 행정 초기측에 편차가 생기므로, 후기 분사된 연료가 피스톤의 하사점(下死點) 근처(흡기 행정의 종료)에서 실린더 벽면에 부착하여 연료 분포의 균일화가 저해되는 것을 회피할 수 있다. 특히, 상술한 바와 같이 분무 관철력이 그다지 높지 않기 때문에, 연료의 벽면 부착에 의한 문제는 발생하지 않는다. ③ 또한, 점화까지의 시간, 즉 연료의 기화/무화 시간을 길게 확보할 수 있고, 또한 배기 환류에 의해 흡기 온도가 높아지고 연료 액적(液滴)이 데워지므로, 연료의 기화/무화가 더욱 촉진된다.

따라서, 상기 ① 및 ②의 작용에 의해서 연소실에서의 연료 분포의 균일 정도를 대폭 높일 수 있고, 또한 상기 ③과 같이 연료의 기화/무화를 촉진할 수 있기 때문에, 그들의 상승적인 작용에 의해서 연소 속도가 빨라지고, 연소 시간의 단축에 의해 연비의 개선이 도모됨과 동시에, 엔진의 연소 안정성이 대폭 향상된다. 그리고, 이 연소 안정성의 향상에 의해, 배기 가스의 환류량을 종래에 비해서 대폭으로 증가시킬 수 있고, 그에 따라 NOx의 생성량을 더욱 저감시킬 수 있는 데다가, 엔진의 펌프 손실의 저감에 의해 연비 개선이 도모된다.

청구항 2의 발명에서는, 엔진의 실린더내 연소실에 연료를 직접 분사 공급하는 연료 분사 밸브와, 엔진의 배기 통로에 배치되며, 공연비가 이론 공연비보다도 큰 린 상태로 배기 가스중의 NOx를 정화하는 린 NOx 촉매를 포함하고, 엔진을 부분 부하 영역에서는 공연비가 이론 공연비보다도 큰 린 상태로 운전하는 반면, 그 밖의 영역에서는 공연비가 이론 공연비 이하인 리치 상태로 운전하도록 한 엔진의 제어 장치가 전제로 된다.

그리고, 상기 배기 통로로부터 배기 가스의 일부를 흡기 시스템에 환류시키는 배기 환류 수단과, 상기 배기 환류 수단에 의한 배기 가스의 환류가 실행될 때, 실린더의 흡기 행정에 의해 상기 연료 분사 밸브로부터 연료를 조기 분사와 후기 분사로, 적어도 상기 조기 분사 및 후기 분사의 양 분사 개시 시기 사이의 중앙 시기가 흡기 행정의 중앙 시기보다도 빠른 시기가 되도록, 2분할하여 분사시키는 연료 분사 제어 수단을 설치하였다.

이 구성에 의하면, 청구항 1에 기재된 발명과 마찬가지의 작용를 얻을 수 있다.

청구항 3의 발명에서는, 엔진의 실린더내 연소실에 연료를 직접 분사 공급하는 연료 분사 밸브를 포함하고, 적어도 해당 연료 분사 밸브에 의한 연료의 분사량을 제어하도록 한 엔진의 제어 장치가 전제로 된다. 그리고, 엔진의 배기계로부터 배기 가스의 일부를 흡기 시스템에 환류시키는 배기 환류 수단과, 상기 배기 환류 수단에 의한 배기 가스의 환류가 실행될 때, 실린더의 흡기 행정에 의해 상기 연료 분사 밸브로부터 연료를 조기 분사와 후기 분사로, 적어도 상기 조기 분사 및 후기 분사의 양 분사 개시 시기 사이의 중앙 시기가 흡기 행정의 중앙 시기보다도 빠른 시기가 되도록, 2분할하여 분사되는 연료 분사 제어 수단을 설치하였다.

이 구성에 의하면, 청구항 1에 기재된 발명과 마찬가지의 작용을 얻을 수 있다.

청구항 4의 발명에서는, 배기 환류 수단은 엔진의 고부하 영역을 제외한 저부하 영역 및 중부하 영역에서 배기 가스의 환류를 실행하는 구성으로 한다. 이로써, 저부하 영역 및 중부하 영역에서는, 모두 엔진의 연소 상태가 다소 불량으로 되더라도 구동력 저하의 우려는 적기 때문에, 그 만큼 배기 가스의 환류량을 많이 설정할 수 있다.

청구항 5의 발명에서는, 연료 분사 제어 수단에 의한 후기 분사를, 흡기 행정을 전기, 중기 및 후기로 3등분한 것 중의 전기 또는 중기에 개시함으로써, 상기 청구항 1 내지 청구항 3의 발명의 작용 효과를 충분히 얻을 수 있다. 또한, 청구항 6의 발명에서는, 상기 후기 분사는 엔진의 저회전 영역에서 흡기 행정의 전기 또는 중기에 종료하고, 이로써 상기 청구항 1 내지 청구항 3의 발명의 작용 효과를 더욱 높일 수 있다. 또한, 엔진의 저회전 영역 이외의 영역에서는, 엔진의 출력축이 1회전하는 시간이 상대적으로 짧아지므로, 후기 분사를 흡기 행정의 전기 또는 중기에 종료하는 것은 사실상 곤란하다.

청구항 7의 발명에서는, 연료 분사 제어 수단에 의한 후기 분사의 기간의 중앙 시기는 흡기 행정의 중앙 시기보다도 빠른 시기로서 피스톤의 하강 이동 속도가 최고로 되는 시기로 설정한다. 이렇게 하면, 후기 분사는 피스톤의 하강 이동 속도가 가장 높아서 그에 따른 흡기 유동 속도도 가장 큰 상태로 실행되기 때문에, 후기 분사한 연료를 흡기 유동에 의해 연소실에 균일하게 확산시킬 수 있다.

청구항 8의 발명에서는, 배기 환류 수단에 의한 배기 가스 환류량의 흡입 공기량에 대한 비율의 최대값은 20% ~ 40%로 한다. 이로써, 배기 가스의 환류량이 구체화되어, 종래보다도 대폭 증가된 배기 가스의 환류에 의해서, 엔진의 연비 개선 및 NOx 저감을 더욱 실현할 수 있다.

청구항 9의 발명에서는, 연소실에 흡기 유동을 생성하는 흡기 유동 생성 수단이 설치되어 있는 것으로 한다. 이 흡기 유동 생성 수단에 의한 흡기 유동에 의해서 연료 분포의 균일화가 촉진되기 때문에, 엔진의 연소 안정성을 더욱 향상할 수 있다.

청구항 10의 발명에서는, 연료 분사 밸브는 분무의 확대 각도가 45°이상으로 되는, 각도를 크게 한 유형인 것으로 한다. 이로써, 연료 분무가 크게 확대되기 때문에, 연소실에서의 연료 분포의 균일화를 용이하게 촉진할 수 있다.

청구항 11의 발명에서는, 연료 분사 제어 수단에 의해서 실린더의 흡기 행정에 의해 연료 분사 밸브로부터 조기 분사와 후기 분사로 분할하여 분사되는 연료 분사량을 서로 대략 동일하게 한다. 이로써, 조기 및 후기 분사의 각각에 있어서 연료 분사 밸브의 개방 밸브 시간이 충분히 확보되기 때문에, 밸브의 개폐 작동에 기인하여 분무의 미립화가 저해되는 일은 없다.

도 6은 본 발명의 실시예에 관한 엔진의 제어 장치의 전체 구성을 나타내고, 참조부호(1)는 예를 들어 차량에 탑재된 다기통(多氣筒) 엔진으로, 이 엔진(1)은 복수의 실린더[2, 2, …(1개만 도시함)]를 갖는 실린더 블럭(3)과, 이 실린더 블럭(3)에 부착된 실린더 헤드(4)와, 각 실린더(2)내에 왕복 운동 가능하게 끼워맞춰진 피스톤(5)을 구비하고, 실린더(2), 실린더 헤드(4) 및 피스톤(5)에 둘러싸여 연소실(6)이 구획되어 있다. 참조부호(10)는 상기 연소실(6) 상벽인 실린더 헤드(4) 하면에 있어서 실린더(2)의 축심상의 위치에 연소실(6)을 향하도록 장착된 점화 플러그로서, 이 점화 플러그(10)는 점화 회로(11)에 접속되어 있다.

또한, 상기 연소실(6)의 측벽부, 따라서 실린더(2)의 축심상 이외의 위치에는, 이동하는 피스톤(5)과 간섭하지 않는 위치에, 연소실(6)에 그 측부로부터 연료를 직접 분사 공급하는 연료 분사 밸브(14)가 장착되어 있고, 이 연료 분사 밸브(14)로부터 실린더(2)의 압축 행정 후기에 분사한 연료 분무를 피스톤(5) 정상면에 오목 설치한 캐비티(도시하지 않음)에 트랩시킴으로써, 상기 점화 플러그(10) 근방에 비교적 진한 혼합기의 층을 형성하여 성층화하도록 되어 있다. 또한, 상기 연료 분사 밸브(14)는 분무의 확대 각도가 45°이상으로 되는 각도를 크게 한 유형인 것으로, 이 연료 분사 밸브(14)로부터 실린더(2)의 흡기 행정에 의해 분사된 연료 분무는 연소실(6)에서 크게 확대하여 균일하게 확산하도록 되어 있다.

상기 연료 분사 밸브(14)는 연료 통로(15)를 거쳐서 연료 탱크(16)에 접속되어 있다. 연료 통로(15)의 도중에는 연료 탱크(16)내에 위치하는 저압 연료 펌프(17)와, 이 저압 연료 펌프(17)보다도 하류측에 위치하는 고압 연료 펌프(18)가 배치되어 있다. 이들 양 연료 펌프(17, 18) 사이의 연료 통로(15)에는 저압 압력 조정기(19)와, 그 하류측에 연료 필터(20)가 배치되어 있다. 또한, 연료 분사 밸브(14) 및 고압 연료 펌프(18) 사이의 연료 통로(15)와, 저압 압력 조정기(19) 및 연료 필터(20) 사이의 연료 통로(15)는 고압 압력 조정기(21)를 배치한 리턴 통로(22)에 의해 접속되어 있고, 저압 연료 펌프(17)로부터 토출된 연료를 저압 압력 조정기(19)에 의해서 압력 조정 후, 고압 연료 펌프(18)에 공급하여 더욱 증압시키고, 그 고압 연료를 연료 분사 밸브(14)로부터 엔진(1)의 연소실(6)에 분사 공급한다. 또한, 고압 연료 펌프(18)로부터 토출되는 연료의 일부를 고압 압력 조정기(21)에 의해 유량 조정하면서 리턴 통로(22)를 거쳐 고압 연료 펌프(18)의 상류측에 리턴시킴으로써, 연료 분사 밸브(14)에 공급되는 연료의 압력을 적정하게 조정하도록 되어 있다.

참조부호(25)는 엔진(1)의 연소실(6)에 대하여 에어 클리너(26)에 의해 여과한 흡기(공기)를 공급하는 흡기 통로로서, 이 흡기 통로(25)의 하류 단부는 실린더 헤드(4)에 독립적으로 형성한 2개의 흡기 포트[12, 12(1개만 도시함)]로 구성되고, 이 각 흡기 포트(12)는 각각 흡기 밸브(8)를 거쳐서 연소실(6)에 연통되어 있다. 상기 한쪽 흡기 포트(12)에는 흡기 유동 생성 수단으로서의 액츄에이터 구동 유형의 흡기 유동 제어 밸브(30)가 접속되어 있고, 이 흡기 유동 제어 밸브(30)의 폐쇄 밸브에 의해 다른쪽 흡기 포트(12)로부터만 흡기를 연소실(6)에 공급함으로써, 그 연소실(6)에 흡기 유동으로서 예를 들어 실린더 축선 방향의 텀블(tumble) 성분이 풍부한 흡기 스월(swirl)을 생성하도록 하고 있다.

상기 흡기 통로(25)에는 상류측으로부터 하류측을 향하여 순서대로, 엔진(1)에 흡입되는 흡입 공기량을 검출하는 감열식 에어 플로우 센서(27)와, 흡기 통로(25)를 좁히는 전기식 스로틀 밸브(28)와, 서지 탱크(29)가 각각 배치되어 있다. 상기 전기식 스로틀 밸브(28)는 도면 외부의 엑셀레이터 페달에 대하여 기계적으로 연결되어 있지 않고, 액츄에이터(도시하지 않음)의 구동에 의해서 개폐되는 것이다.

참조부호(31)는 엔진(1)의 연소실(6)의 배기 가스를 배출하는 배기 통로로서, 이 배기 통로(31)의 상류단은 배기 밸브(9)를 거쳐서 연소실(6)에 연통되어 있다. 배기 통로(31)에는 상류측으로부터 하류측을 향하여 순서대로, 배기 가스중의 산소 농도를 검출하는 O₂ 센서(32)와, 배기 가스를 정화하는 2개의 촉매(33, 34)가 각각 배치되어 있다. 상기 O₂센서(32)는 배기 가스중의 산소 농도에 근거하여 공연비를 검출하기 위해서 이용되는 것으로, 공연비가 이론 공연비에 있을 때를 경계로 출력이 급변하는 특성을 갖는다.

또한, 상기 2개의 촉매(33, 34)는 모두 축 방향(배기 가스의 흐름 방향)을 따라 서로 평행하게 연장되는 다수의 관통 구멍이 개구된 허니콤 구조의 코디에라이트(cordierite) 제품 담체(擔體 : carrier)(도시하지 않음)의 각 관통 구멍 벽면에 촉매층을 형성한 것으로, 배기 통로(31)의 상류측에 3원 촉매(33)가, 또한 그 하류측에 NOx 흡착 유형(NOx 환원 유형이더라도 무방함)의 린 NOx 촉매(34)가 각각 배치되어 있다. 상기 3원 촉매(33)는 엔진(1)의 공연비가 이론 공연비 이하인 리치 상태로 NOx, CO(일산화탄소) 및 HC(탄화수소)를 정화하고, 또한 린 NOx 촉매(34)는 부가하여, 공연비가 이론 공연비보다도 큰 린 상태이더라도 NOx를 흡착·정화한다.

또한, 상기 린 NOx 촉매(34)를 배기 통로(31)의 상류측에, 또한 3원 촉매(33)를 하류측에 각각 배치하여도 무방하고, 혹은 NOx 흡착 유형 및 NOx 환원 유형의 양쪽 촉매층을 갖는 2중 구조의 린 NOx 촉매를 이용하는 것이면, 3원 촉매는 설치하지 않더라도 무방하다.

상기 배기 통로(31)에 있어서의 배기 가스의 일부를 흡기 시스템에 환류시키는 배기 환류 장치(37)가 설치되어 있다. 이 배기 환류 장치(37)는 상기 O₂ 센서(32)보다도 상류측인 배기 통로(31)에 상류단이 분기 접속된 배기 환류 통로(38)를 갖고, 이 배기 환류 통로(38)의 하류단은 상기 스로틀 밸브(28)와 서지 탱크(29) 사이의 흡기 통로(25)에 접속되어 있다. 배기 환류 통로(38)의 하류단 근처에는 개방도의 조정이 가능한 전기식의 배기 환류 제어 밸브(39)가 배치되어 있고, 배기 통로(31)의 배기 가스의 일부를 배기 환류 통로(38)를 거쳐서 배기 환류 제어 밸브(39)에 의해 유량 조정하면서 흡기 통로(25)에 환류시키도록 하고 있다.

상기 점화 플러그(10)에 접속되는 점화 회로(11), 전기식 스로틀 밸브(28)의 액츄에이터, 연료 분사 밸브(14), 고압 압력 조정기(21), 흡기 유동 제어 밸브(30) 및 배기 환류 제어 밸브(39)는 제어 유닛(41)에 의해서 작동 제어되도록 되어 있다. 이 제어 유닛(41)에는 상기 에어 플로우 센서(27) 및 O₂ 센서(32)의 각 출력 신호와, 엑셀레이터 페달의 개방도(밟는 양)를 엔진 부하로서 검출하는 엑셀레이터레이터 개방도 센서(42)의 출력 신호와, 엔진(1)의 크랭크 축(7)의 회전 각도를 엔진 회전수로서 검출하는 크랭크각 센서(43)의 출력 신호와, 엔진(1)의 온간시 또는 냉간시, 또한 냉간시에 있어서의 반난기(半暖機)시를 판별하기 위해서 냉각수 온도(엔진 수온)를 검출하는 수온 센서(44)의 출력 신호와, 엔진(1)의 스타터 신호가 입력되어 있고, 미리 설정되어 있는 연료 분사 맵에 근거하여 연료 분사량을 결정하며, 그 연료 분사량으로 되도록 연료 분사 밸브(14)로부터 연료를 분사시킨다.

그리고, 도 4 및 도 5에 도시하는 바와 같이 엔진(1)을 공연비가 이론 공연비보다도 큰 린 상태(λ>1) 또는 이론 공연비 이하인 리치 상태(λ≤1)로 운전하는 영역 및 연료의 일괄 분사 또는 2회 분할을 실행하는 영역이 미리 엔진 회전수 및 엔진 부하에 따라 제어 맵으로서 설정되어 있고, 이 엔진 회전수 및 엔진 부하에 의해 운전 영역이 전환되어 운전되도록 되어 있다.

구체적으로는, 엔진(1)이 온간 상태에 있는 경우, 도 4에 도시하는 바와 같이 그 저부하·저중회전 영역(Ⅰ)(성층 린 영역)에서는 각 실린더(2)의 압축 행정에 있어서의 점화 시기 직전에 연료 분사 밸브(14)로부터 연료를 1회로 일괄해서 분사함으로써, 공연비 린(λ>1)의 성층 연소 상태로, 또한 저부하 중고회전 영역(V)을 제외한 저중부하 저중회전 영역(Ⅱ)(균일 린 영역)에서는 연료 분사 밸브(14)로부터의 연료 분사를 흡기 행정에 의해 2회로 분할하여 실행함으로써, 공연비 린(λ>1)의 균일 연소 상태로, 또한 고부하 고회전 영역(Ⅳ)을 제외한 중고부하 영역(Ⅲ)(균일 리치 영역)에서는, 마찬가지로 연료 분사 밸브(14)로부터의 연료 분사를 흡기 행정에 의해 2회로 분할하여 실행함으로써, 공연비 리치(λ≤1)의 균일 연소 상태로, 또한 상기 고부하·고회전 영역(Ⅳ) 및 저부하·중고회전 영역(V)에서는 연료 분사 밸브(14)로부터의 연료 분사를 흡기 행정에 의해 1회로 일괄해서 실행함으로써, 공연비 리치(λ≤1)의 균일 연소 상태로 각각 엔진(1)을 운전한다.

한편, 엔진(1)이 냉간 상태에 있는 경우에는, 도 5에 도시하는 바와 같이 그 고부하·고회전 영역(C)을 제외한 중고부하 영역(A)(균일 리치 영역)에서는 상기 온간시의 영역(Ⅲ)과 마찬가지로, 각 실린더(2)의 흡기 행정에 있어서 연료 분사 밸브(14)로부터 연료 분사를 2회로 분할하여 실행함으로써, 공연비 리치(λ≤1)의 균일 연소 상태로, 또한 저부하 영역(B) 및 상기 고부하·고회전 영역(C)에서는 상기 온간시의 영역(Ⅳ)(V)과 마찬가지로, 연료 분사 밸브(14)로부터의 연료 분사를 흡기 행정에 의해 1회로 일괄해서 실행함으로써, 공연비 리치(λ≤1)의 균일 연소 상태로 각각 엔진(1)을 운전한다.

또한, 상기 엔진(1)의 온간시의 운전 영역(Ⅱ) 및 운전 영역(Ⅲ) 및 냉간시의 운전 영역(A)(도 4 및 도 5에서 사선으로 도시한 영역), 즉 각 실린더(2)의 흡기 행정에 의해 연료의 2분할 분사를 실행하는 엔진(1)의 운전 영역에서는 상기 배기 환류 장치(37)에 있어서의 배기 환류 제어 밸브(39)의 개방 밸브에 의해서 배기 가스의 환류를 실행하고 있다. 그 때, 배기 가스의 환류량과 흡입 공기량의 비율(배기 환류율)은 엔진(1)의 운전 상태에 따라 상이하고, 상세한 것은 후술하겠지만 상기 온간시의 운전 영역(Ⅱ) 내지 (Ⅲ)에서는, 최대 20%∼40%로 종래에 비해서 지극히 높게 설정되어 있다.

또한, 도 12에 도시하는 바와 같이 상기 엔진(1)의 온간시의 운전 영역(Ⅰ), 운전 영역(Ⅲ), 운전 영역(Ⅲ)의 고부하를 제외한 영역 및 냉간시(단, 엔진 수온이 소정 온도 이상으로 되어 있는 반난기 상태에 한함)의 운전 영역(A)의 고부하 영역을 제외한 영역에서, 상기 배기 환류 장치(37)에 의한 배기 가스의 환류를 실행하도록 하더라도 좋다.

상기 제어 유닛(41)에 있어서, 연료 분사 밸브(14)의 개방 밸브에 의한 연료 분사 시기 제어의 처리 동작에 대하여 구체적으로 도 2 및 도 3의 플로우 차트에 따라 설명한다.

우선, 도 2에 도시하는 바와 같이 개시 후의 단계 S1에 있어서, 크랭크각으로부터 구해진 엔진 회전수, 엑셀레이터레이터 개방도, 에어 플로우 센서(27)의 계측값, 엔진 수온, 스타터 신호를 판독한다. 단계 S2에 있어서, 상기 스타터 신호가 ON 상태이면서 또한 엔진 회전수가 소정 회전수 이하의 상태인 엔진(1)의 시동시(始動時)의 여부를 판정한다. 이 판정이 시동시인 "예"일 때에는, 단계 S3으로 진행하여 엔진(1)의 시동시에 대응하는 연료 분사량의 분사 펄스폭 TaK를 산출하고, 다음 단계 S4에서는 조기 분사 펄스폭 TaK1, 후기 분사 펄스폭 TaK2, 흡기 행정 일괄 분사 펄스폭 TaK3, 압축 행정 일괄 분사 펄스폭 TaD를 각각 설정한다. 상기 조기 분사 펄스폭 TaK1 및 후기 분사 펄스 폭 TaK2는 각 실린더(2)의 흡기 행정에 의해 연료의 2분할 분사를 실행하기 위해서 이용되는 것으로, 조기 분사 펄스폭 TaK1은 상기 산출된 연료 분사 펄스폭 TaK에 연료 분사의 분할비를 설정하기 위한 분할 계수 c를 곱하여, TaK1=c×TaK로서, 또한 나머지의 연료를 분사하기 위한 후기 분사 펄스폭 TaK2는 마찬가지로 TaK2=(1-c)×TaK로서 각각 구해진다.

또한, 흡기 행정 일괄 분사 펄스폭 TaK3은 흡기 행정에 의해 연료를 일괄 분사하기 위해서 이용되는 것으로, 상기 엔진(1)의 시동시에는 TaK3=0으로 설정된다. 또한, 압축 행정 일괄 분사 펄스폭 TaD는 압축 행정에 의해 연료를 일괄 분사하기 위해서 이용되는 것으로, 엔진(1)의 시동시에는 TaD=0으로 설정된다.

상기 단계 S4의 다음에는, 단계 S5에 있어서 상기 조기 분사 펄스폭 TaK1 및 후기 분사 펄스폭 TaK2에 의한 연료의 분할 분사 시기를 산출한다. 이 각 분할 분사 시기는 미리 설정되어 기억되어 있는 것으로, 도 1의 (b)에 도시하는 바와 같이 각 실린더(2)의 흡기 행정의 전기, 구체적으로는 피스톤(5)의 상사점 후 45∼50°CA(crank angle : 크랭크각)로 조기 분사 펄스폭 TaK1의 연료 분사가 개시되고, 또한 동일 흡기 행정의 후기, 구체적으로는 피스톤(5)의 상사점 후 100∼120°CA로 후기 분사 펄스폭 TaK2의 연료 분사가 각각 개시되도록 설정되어 있다.

상기 단계 S5의 다음은 도 3에 나타내는 단계 S17로 진행하여, 엔진(1)의 크랭크각의 진행에 의해서 상기 연료의 조기 분사의 실행 타이밍이 왔는지의 여부를 판정한다. 이 판정이 "예"로 되면, 단계 S18에 있어서 연료 분사 밸브(14)를 조기 분사 펄스폭 TaK1만큼 개방 밸브시켜 연료의 조기 분사를 실행한다. 그 후, 단계 S19에 있어서, 이번에는 연료의 후기 분사의 실행 타이밍이 왔는지의 여부를 판정하여, 판정이 "예"로 되면, 단계 S20으로 진행하여 연료 분사 밸브(14)를 후기 분사 펄스폭 TaK2만큼 개방 밸브시켜 연료의 후기 분사를 실행한다. 그 다음에 리턴한다.

상기 도2에 나타내는 단계 S2에 있어서 엔진(1)의 비시동시(非始動時)라고 판정되었을 때에는, 단계 S6으로 진행하여 엔진 수온이 소정 수온 이상인지, 즉 엔진(1)이 온간 상태에 있는지의 여부를 판정한다. 이 판정이 "예"[엔진(1)의 온간시]일 때에는 단계 S7로 진행하여, 엔진 회전수 및 엔진 부하에 의해서 결정되는 엔진(1)의 운전 상태가 상기 도 4에 나타내는 온간시의 특성 맵에 있어서의 저부하·저중회전 영역(Ⅰ)(성층 린 영역)에 있는지의 여부를 판정한다. 이 판정이 "예"일 때에는 단계 S8로 진행하여, 상기 성층 린일 때에 대응하는 상기 압축 행정 일괄 분사 펄스폭 TaD를 산출하고, 다음 단계 S9에서는 흡기 행정에 의해 이용하는 조기 분사 펄스폭 TaK1, 후기 분사 펄스폭 TaK2 및 흡기 행정 일괄 분사 펄스폭 TaK3이 불필요하게 되므로 모두 「0」으로 설정한다. 그 다음 단계 S10에 있어서, 상기 압축 행정 일괄 분사 펄스폭 TaD에 의한 연료의 일괄 분사 시기를 산출한다. 이 일괄 분사 시기도 미리 설정되어 기억되어 있으며, 도 1의 (a)에 도시하는 바와 같이 실린더(2)의 압축 행정의 후기에 일괄 분사가 개시되도록 설정되어 있다.

상기 단계 S10의 다음에는 단계 S11로 진행하여, 실린더(2)의 압축 행정에 의해 상기 일괄 분사의 실행 타이밍이 왔는지의 여부를 판정한다. 이 판정이 "예"로 되면, 단계 S12에서 연료 분사 밸브(14)를 일괄 분사 펄스폭 TaD만큼 밸브를 개방시켜 연료의 일괄 분사를 실행하고, 그 후에 리턴한다.

상기 단계 S7에서, 엔진(1)의 운전 상태가 저부하·저중회전 영역(Ⅰ)에 없는 "아니오"라고 판정되었을 때에는, 도 3에 나타내는 단계 S13으로 이행하여, 이번에는 엔진(1)의 운전 상태가 도 4에 나타내는 특성 맵에 있어서의, 저부하 중고회전 영역(Ⅴ)을 제외한 저중부하·저중회전 영역(Ⅱ)(균일 린 영역)에 있는지의 여부를 판정한다. 이 판정이 "예"일 때에는 단계 S14로 진행하여, 상기 균일 린일 때에 대응하는 연료 분사 펄스폭 TaK를 산출하고, 다음 단계 S15에서는 상기 단계 S4와 마찬가지로 하여, 상기 조기 분사 펄스폭 TaK1, 후기 분사 펄스폭 TaK2, 흡기 행정 일괄 분사 펄스폭 TaK3, 압축 행정 일괄 분사 펄스폭 TaD를 각각 설정한다. 즉, 상기 조기 분사 펄스폭 TaK1은 상기 단계 S14에서 산출된 펄스폭 TaK에 상기 단계 S4와는 다른 분할 계수 a를 곱하여 TaK1=a×TaK로서, 또한 나머지의 연료를 분사하기 위한 후기 분사 펄스폭 TaK2는 마찬가지로 하여 TaK2=(1-a)×TaK로서 각각 구한다. 또한, 흡기 행정 일괄 분사 펄스폭 TaK3 및 압축 행정 일괄 분사 펄스폭 TaD는 이용하지 않기 때문에, 모두 「0」으로 설정한다.

단계 S15의 다음에는, 단계 S16에서 상기 조기 분사 펄스폭 TaK1 및 후기 분사 펄스폭 TaK2에 의한 연료의 분할 분사 시기를 도 1의 (b)에 도시하는 바와 같이 산출한다. 그리고, 이 단계 S16을 경유한 후에는 상기 단계 S17 내지 단계 S20으로 진행하여 리턴한다.

상기 단계 S13에서 "아니오"라고 판정하면, 단계 S21로 진행하고, 또한 엔진(1)의 운전 상태가 도 4에 나타내는 특성 맵에 있어서의, 고부하·고회전 영역(Ⅳ)을 제외한 중고부하 영역(Ⅲ)(균일 리치 영역)에 있는지의 여부를 판정한다. 이 판정이 "예"일 때에는 단계 S22로 진행하여, 상기 균일 리치일 때에 대응하는 연료 분사 펄스폭 TaK를 산출하고, 다음 단계 S23에서는, 상기 단계 S4 및 S15와 마찬가지로 하여, 상기 조기 분사 펄스폭 TaK1, 후기 분사 펄스폭 TaK2, 흡기 행정 일괄 분사 펄스폭 TaK3, 압축 행정 일괄 분사 펄스폭 TaD를 각각 설정한다. 즉, 상기 조기 분사 펄스폭 TaK1은 상기 단계 S22에서 산출된 연료 분사 펄스폭 TaK에 또 다른 분할 계수 b를 곱하여 TaK1=b×TaK로서, 또한 후기 분사 펄스폭 TaK2는 마찬가지로 해서 TaK2=(1-b)×TaK로서 각각 구한다. 또한, 흡기 행정 일괄 분사 펄스폭 TaK3 및 압축 행정 일괄 분사 펄스폭 TaD는 이용하지 않기 때문에, 모두 「0」으로 설정한다. 이 단계 S23의 다음에는, 단계 S24에 있어서 상기 조기 분사 펄스폭 TaK1 및 후기 분사 펄스폭 TaK2에 의한 연료의 분할 분사 시기를 도 1의 (b)에 도시하는 바와 같이 산출한다. 또한, 이 단계 S24의 다음에는 상기 단계 S17 내지 단계 S20으로 진행하여 리턴한다.

상기 단계 S21의 판정이 "아니오"일 때[고부하·고회전 영역(Ⅳ) 또는 저부하·중고회전 영역(V)에 있을 때]에는, 단계 S26으로 진행하여, 상기 균일 리치일 때에 대응하는 연료 분사량의 분사 펄스폭 TaK를 산출한다. 다음 단계 S27에서는, 흡기 행정에 의해 이용하는 일괄 분사 펄스폭 TaK3만을 상기 단계 S26에서 산출된 펄스폭 TaK에 산정하고(TaK3=TaK), 그 밖의 조기 분사 펄스폭 TaK1 및 후기 분사 펄스폭 TaK2 및 압축 행정에 의해 이용하는 압축 행정 일괄 펄스폭 TaD가 불필요하게 되어 모두 「0」으로 설정한다. 그 다음, 단계 S28에 있어서, 상기 흡기 행정 일괄 분사 펄스폭 TaK3에 의한 연료의 일괄 분사 시기를 산출한다. 이 일괄 분사 시기도 미리 설정되어 기억되어 있으며, 도 1의 (c)에 도시하는 바와 같이 실린더(2)의 흡기 행정의 대략 중앙에서 일괄 분사 펄스폭 TaK3이 개시되도록 설정되어 있다.

상기 단계 S28의 다음에는 단계 S29로 진행하여, 실린더(2)의 흡기 행정에 의해 상기 일괄 분사의 실행 타이밍이 왔는지의 여부를 판정하여, 이 판정이 "예"로 되면, 단계 S30에 있어서 연료 분사 밸브(14)를 일괄 분사 펄스폭 TaK3만큼 개방 밸브시켜 연료의 일괄 분사를 실행하고, 그 후에 리턴한다.

상기 도 2에 나타내는 단계 S6에서, 엔진 수온이 소정 수온보다도 낮고 엔진(1)의 냉간 상태라고 판정되었을 때에는, 도 3에 나타내는 단계 S25로 진행하여, 엔진 회전수 및 엔진 부하에 따라 결정되는 엔진(1)의 운전 상태가 상기 도 5에 나타내는 냉간시의 특성 맵에 있어서의 중고부하 영역(A)(균일 리치 영역)에 있는지의 여부를 판정한다. 이 판정이 "예"일 때에는, 상기 단계 S22 내지 단계 S24, 단계 S17 내지 단계 S20으로 진행하여 리턴한다.

상기 단계 S25의 판정이 중고부하 영역(A)에 없는 "아니오"일 때[저부하 영역(B) 또는 고부하·고회전 영역(C)에 있을 때]에는 상기 단계 S26 내지 단계 S30으로 진행한 후에 리턴한다.

본 실시예에서는, 상기 단계 S2 내지 단계 S7, 단계 S13 내지 단계 S24에 의해, 엔진(1)의 균일 연소 상태의 운전 영역에서, 구체적으로는 엔진(1)의 온간시에 공연비가 이론 공연비 이하인 리치 상태에 있는 중고부하 영역(Ⅲ), 또는 공연비가 이론 공연비보다도 큰 린 상태에 있는 저중부하·저중회전 영역(Ⅱ), 엔진(1)의 냉간시에 공연비가 이론 공연비 이하인 리치 상태에 있는 중고부하 영역(A), 또는 엔진 시동시에 있어서, 각 실린더(2)의 흡기 행정에 의해 상기 연료 분사 밸브(14)로부터 연료를, 조기 분사 펄스폭 TaK1에 의해 연료 분사 밸브(14)를 개방 밸브시키는 조기 분사와, 후기 분사 펄스폭 TaK2에 의해 연료 분사 밸브(14)를 개방 밸브시키는 후기 분사로 2분할하여 분사시키는 연료 분사 제어 수단(46)으로 구성되어 있다.

그리고, 상기 연료 분사 제어 수단(46)에 의한 연료의 조기 분사 및 후기 분사의 타이밍은, 상술한 바와 같이 도 1의 (b)에 나타내는 바와 같이 적어도 조기 분사의 분사 개시 시기(s1) 및 후기 분사의 분사 개시 시기(s2) 사이의 중앙 시기(m)가 흡기 행정의 중앙 시기(M)(피스톤 상사점 후 90°CA)보다도 빠른 시기로 되도록 설정되어 있다.

또한, 상기 연료의 분사 펄스폭 TaK를 조기 분사 및 후기 분사의 각 펄스폭 TaK1 및 TaK2로 분할하는 분할비를 설정하기 위한 분할 계수(a∼c)는 모두 0.5 근방의 값으로 설정되어 있고, 이로써 실린더(2)의 흡기 행정에 의해 연료 분사 밸브(14)로부터 조기 분사와 후기 분사로 분할하여 분사되는 연료 분사량이 서로 대략 동일하게 설정되어 있다.

다음에, 상기 실시예의 작용을 설명한다.

엔진(1)의 시동시, 도 1의 (b)에 도시하는 바와 같이 각 실린더(2)의 흡기 행정에 의해 연료 분사 밸브(14)로부터 연료가 조기 분사와 후기 분사로 2분할하여 분사된다.

또한, 이 엔진(1)의 시동후의 운전중, 그 냉각수 온도에 의해 엔진(1)의 냉간 상태 또는 온간 상태가, 또한 엔진 회전수 및 엔진 부하에 근거하여 엔진(1)의 운전 영역이 각각 판정되고, 냉각수 온도가 소정 수온보다도 낮은 냉간시에는, 엔진(1)이 저부하 영역(B) 및 고부하 고회전 영역(C)에 있을 때, 도 1의 (c)에 도시하는 바와 같이, 각 실린더(2)의 흡기 행정에 의해 연료 분사 밸브(14)로부터 연료가 일괄해서 1회 분사된다. 또한, 엔진(1)이 중고 부하 영역(A)에 있을 때에는, 상기 시동시와 마찬가지로 각 실린더(2)의 흡기 행정에 의해 연료 분사 밸브(14)로부터 연료가 조기 분사와 후기 분사로 2분할하여 분사된다[도 1의 (b) 참조].

한편, 엔진 냉각수 온도가 소정 수온 이상인 온간시에는, 엔진(1)이 저중부하·저중회전의 영역(Ⅱ) 및 중고 부하의 영역(Ⅲ)에 있으면, 각각 상기와 마찬가지로 각 실린더(2)의 흡기 행정에 의해 연료 분사 밸브(14)로부터 연료가 조기 분사와 후기 분사로 2분할하여 분사된다[도 1의 (b) 참조]. 또한, 엔진(1)이 저부하·저중회전 영역(Ⅰ)에 있으면, 도 1의 (a)에 도시하는 바와 같이 각 실린더(2)의 압축 행정의 후기에 연료 분사 밸브(14)로부터 연료가 일괄해서 1회 분사되고, 그 이외의 운전 영역(Ⅳ) 및 (Ⅴ)에 있을 때에는, 각 실린더(2)의 흡기 행정에 의해 연료 분사 밸브(14)로부터 연료가 일괄해서 1회 분사된다[도 1의 (c) 참조].

또한, 상기 실린더(2)의 흡기 행정에 의해 연료의 분할 분사를 실행하는 엔진(1)의 운전 영역(A), (Ⅱ) 및 (Ⅲ)에서는, 배기 환류 장치(37)의 배기 환류 제어 밸브(39)가 개방되어 배기 가스의 일부가 엔진(1)의 흡기 통로(25)에 환류되고, 연소실(6)에 공급된다. 또한, 상기 운전 영역(A) 및 운전 영역(Ⅲ)중의 고부하측의 영역에 있어서는, 배기 가스의 환류량은 실제로는 매우 근소하다. 또한, 도 12에 도시하는 바와 같이 그들 고부하측의 영역에서는 배기 가스를 환류시키지 않도록 하더라도 무방하다.

따라서, 상기한 바와 같이 엔진(1)의 각 실린더(2)의 흡기 행정에 의해 연료가 조기 분사와 후기 분사로 2분할하여 분사되면, 우선 그 조기 분사된 일부의 연료가, 그 후에 후기 분사가 시작될 때까지의 동안에 피스톤(5)의 하강 이동에 따른 연소실(6)의 용적의 증대에 의해서 충분히 균일하게 확산되고, 그 후 후기 분사된 나머지의 연료도 상기 용적이 증대한 연소실(6)에 확산되기 때문에, 연소실(6)의 전체에 균일한 혼합기가 생성된다. 즉, 연료 분사의 분할에 의해서, 분무의 관철력을 그 만큼 높이지 않고서, 연소실(6)에 있어서의 연료 분포의 균일화가 도모된다.

또한, 적어도 상기 실린더(2)의 흡기 행정에 있어서의 조기 분사의 분사 개시 시기(s1)와 후기 분사의 분사 개시 시기(s2)의 중앙 시기(m)가 흡기 행정의 중앙 시기(M)보다도 빠른 시기로 설정되어 있기 때문에, 흡기 행정이 종료될 때까지 2회의 연료 분사를 완료시키는 조건하이더라도, 조기 분사를 피스톤(5)의 하강 이동 속도가 비교적 높고 그에 따른 흡기 유동 속도도 큰 상태로 되는 시기에 대응시켜 실행할 수 있고, 그 큰 속도의 흡기 유동에 의해 연료 분포의 균일화 및 연료의 기화/무화를 촉진시킬 수 있다.

또한, 조기 및 후기의 2회의 연료 분사가 전체로서 흡기 행정 초기측에 편차가 생기기 때문에, 후기 분사된 연료가 피스톤(5)의 하사점 근처(흡기 행정의 종료)에서 실린더(2) 벽면에 부착되어 연료의 균일화가 저해되는 것을 회피할 수 있다. 특히, 상술한 바와 같이 분무 관철력이 너무 높지 않은 점으로부터, 연료의 벽면 부착에 따른 문제는 발생하지 않는다. 또한, 점화까지의 시간, 즉 연료의 기화/무화 시간이 길게 확보되는 데다가, 배기 환류에 의해 흡기 온도가 높아지고 연료 액적이 데워지기 때문에, 연료의 기화/무화를 더욱 촉진시킬 수 있다.

또한, 흡기 유동 제어 밸브(30)의 폐쇄 밸브에 의해 엔진(1)의 실린더 헤드(4)에 있어서의 한쪽 흡기 포트(12)로부터 흡기를 연소실(6)에 공급함으로써, 그 연소실(6)에 흡기 유동으로서의 흡기 스월이 생성되고, 이 흡기 유동에 의해서도 연료 분포의 균일화 및 연료의 기화/무화가 더욱 촉진된다.

이와 같이, 연소실(6)에서의 연료 분포의 균일 정도가 대폭 높아지고, 또한 연료의 기화/무화가 촉진됨으로써, 그들의 상승적인 작용에 의해서 연소 속도가 대폭으로 높아지고, 연소 시간의 단축에 의해 연비의 개선이 도모됨과 동시에, 엔진(1)의 연소 안정성이 대폭 향상되는 것이다.

상기한 연소 안정성의 향상 정도를 확인하기 위해서, 본원의 발명자는 조기 및 후기 분사의 분사량을 각각 대략 동일하게 하고, 조기 분사의 개시 시기를 실린더(2)의 흡기 행정 초기에 고정하는 반면, 후기 분사의 개시 시기를 실린더(2)의 흡기 행정으로부터 압축 행정에 걸쳐서 변경하면서, 엔진(1)의 연소 안정성 및 연비율의 변화를 계측하였다. 그 결과, 도 7에 도시하는 바와 같이 후기 분사의 개시 시기를 앞당길수록, 엔진(1)의 Pi 변동율이 작아지고, 또한 연비가 저감하는 것을 알았다.

상세하게는, 피스톤(5)의 배기 상사점(TDC)을 기준으로 하여, 상사점 후의 크랭크각이 120°로 되는 시기(ATDC 120°CA)보다도 이전, 즉 흡기 행정의 전기에서 중기에 걸친 기간에 후기 분사를 개시하도록 하면, Pi 변동율 및 연비는 일괄 분사인 경우보다도 저감시킬 수 있다. 즉, 연소 안정성의 향상과 연비의 개선을 더불어 실현한다.

또한, 후기 분사의 개시 시기를 앞당길수록, Pi 변동율 및 연비가 저하하기 때문에, 예를 들면 엔진(1)의 저부하·저회전 영역 등, 연료 분사량이 비교적 적고 분사 펄스폭이 짧은 영역에서는, 후기 분사가 ATDC 120°CA보다도 빨리 종료하도록 해당 후기 분사의 개시 시기를 앞당김으로써, 상기한 연소 안정성의 향상과 연비의 개선 효과를 더욱 높일 수 있다.

또한, 예를 들면 도 13에 도시하는 바와 같이 후기 분사의 개시(s2)에서 종료까지의 기간인 중앙 시기를, 흡기 행정의 중앙 시기(M)보다도 빠른 시기로서 피스톤(5)의 하강 이동 속도가 최고로 되는 시기(예를 들면, ATDC86°CA)로 설정하면, 후기 분사는 피스톤(5)의 하강 이동 속도가 가장 높아서 그에 따른 흡기 유동 속도도 가장 큰 상태로 실행되기 때문에, 후기 분사한 연료를 흡기 유동에 의해서 연소실에 균일하게 분포시킬 수 있고, 그에 따라 연소 안정성의 향상과 연비의 개선 효과가 더욱 높아지는 것을 기대할 수 있다. 또한, 도 13에 있어서 조기 분사의 개시 시기(s1)는 ATDC 20°CA로, 또한 후기 분사의 개시 시기(s2)는 ATDC 70°CA로 각각 설정되어 있다.

그리고, 본 실시예에서는 상술한 바와 같이 엔진(1)의 연소 안정성이 대폭 향상함으로써, 배기 가스의 환류량을 종래보다도 대폭 증가시킬 수 있도록 되었다. 즉, 예를 들면 엔진(1)의 운전 공연비를 이론 공연비 상태(λ=1)로 한 경우에 대하여, 도 8에 도시하는 바와 같이 배기 환류율을 0∼60%의 범위로 변경하면서 엔진(1)의 Pi 변동율의 변화를 조사하면, 연료 분사를 분할했을 경우에는 분할하지 않았을 경우에 비해서 엔진(1)의 Pi 변동율이 급증할 때의 배기 환류율, 즉 배기 환류 한계가 대폭 확대되어 있는 것을 알 수 있다.

상세하게는, 엔진(1)의 흡기 포트(12)로 일괄해서 연료 분사를 실행하는 경우(포트 분사), 배기 환류율이 20%를 초과한 나머지 배기 환류 한계가 있고, 그 이상으로 배기 환류율을 증대시키면, 엔진(1)의 연소 변동이 과대하게 되어 구동력이 급격히 저하하게 된다. 그 때문에, 배기 환류 제어 밸브(39)의 작동 지연 등에 의해서 배기 가스의 실제의 환류량이 분산하는 것을 고려하면, 배기 환류율은 10∼15% 정도로 설정하지 않을 수 없다. 또한, 엔진(1)의 연소실(6)로 직접 연료를 분사하는 직접 분사식인 것이더라도, 일괄해서 연료를 분사하는 경우(일괄 분사)에는 동 도면에 점선으로 도시하는 바와 같이, 배기 환류율이 40%를 초과한 나머지 배기 환류 한계가 있으므로, 배기 환류율은 25% 정도로 설정해야 한다.

이에 대하여, 본 실시예와 같이 엔진(1)의 연소실(6)에 직접, 또한 2분할하여 연료를 분사하는 경우(분할 분사), 배기 환류 한계는 배기 환류율 60% 이상으로 까지 대폭 확대되고, 실제의 배기 가스 환류량의 분산을 고려하더라도, 배기 환류율을 40% 이상으로 설정하는 것이 가능해진다. 또한, 배기 환류율의 변화에 대한 연비율 및 NOx 배출량의 변화는 각각 동 도면에 도시하는 바와 같이 배기 환류율이 0∼40%까지의 범위에서는, 환류되는 배기 가스량의 증대에 따라 엔진(1)의 펌프 손실이 저감하여, 연비가 저감되는 반면, 그 이상으로 배기 가스의 환류량이 증가하면, 연소 상태가 불량으로 되어 연비가 불량으로 되는 것을 알 수 있다.

또한, NOx의 배출량은 환류되는 배기 가스량의 증대에 따라 서서히 저하하지만, 특히 배기 환류율이 0∼40%의 범위에서는 배기 가스의 환류량의 증대에 따라 급속히 저하한다.

따라서, 본 실시예에서는 공연비가 린 상태로 되어 있는 엔진(1)의 저중부하·저중회전 영역(Ⅱ)에 있어서, 연료 분사의 분할 제어에 의해서 엔진(1)의 연소 안정성을 대폭 향상시킴과 동시에, 배기 환류율이 20% 이상(예를 들면 40% 정도)으로 되도록 배기 환류 제어 밸브(39)의 개방도를 제어하여 종래보다도 다량의 배기 가스를 환류시킴으로써, 이 운전 영역에 있어서의 연비 개선과 NOx 생성량의 저감을 더욱 실현하고 있다. 또한, 마찬가지로 공연비가 리치 상태로 되어 있는 엔진(1)의 중고 부하 영역(Ⅲ)에 있어서도, 연료 분사의 분할 제어와 20% 이상의 다량의 배기 환류에 의해서 연비 개선 및 NOx 저감이 도모되고 있다.

도 9는 본 실시예의 엔진(1)을 차량에 탑재하여 실제로 주행시켜, 연료 분사를 1회로 일괄해서 실행하는 경우 및 2회로 분할해서 실행하는 경우 각각에 대하여, NOx 배출량을 계측한 결과를 나타낸다. 단, 이 실험에서는 상술한 바와 같이 연료 분사의 분할 제어 및 다량의 배기 환류 제어를, 상기한 운전 영역(Ⅲ)에 상당하는 차량의 가속 운전시에만 실행하고 있다. 또한, 배기 통로(31)에는 NOx 흡착 유형 및 NOx 환원 유형의 양쪽 촉매층을 갖는 2중 구조의 린 NOx 촉매를 배치하고 있다.

그리고, 동 도면에 두꺼운 선으로 도시하는 차량의 가속 운전시에, 분할 분사 및 다량의 배기 환류에 의해서, NOx의 배출량이 일괄 분사보다도 상당히 적어진다는 것을 알 수 있다. 또한, 동 도면의 우측에 도시하는 2회째의 가속 운전 후에는, 차량의 고속 주행에 따르는 배기 가스 온도의 상승에 의해서 촉매의 온도가 상승한 결과, NOx 배출량이 증대하지만, 분할 분사급의 경우에는, 차량의 고속 주행에 앞선 가속 운전시에 촉매의 리프레쉬가 충분히 이루어지고 있기 때문에, 일괄 분사의 경우에 비해서 NOx의 배출량이 적어진다.

또한, 도 10은 상기 엔진(1)의 온간시의 연료 분사 제어를 위한 운전 영역의 다른 실시예를 나타내고 있고, 상기 실시예에 있어서 공연비 리치에 의해 연료의 일괄 분사를 실행하는 영역(Ⅳ)을 중고부하의 영역(Ⅲ)보다도 고부하측의 영역에도 설정한 것이다. 이로써, 엔진(1)의 온간시의 성층 연소 상태의 운전 영역(Ⅰ), 균일 연소 상태의 운전 영역(Ⅱ) 및 마찬가지로 운전 영역(Ⅲ)의 고부하측을 제외한 영역에 있어서, 도 12에 도시하는 바와 같이 배기 환류 장치(37)에 의해서 배기 가스의 환류를 실행하도록 하면 무방하다. 또한, 본 실시예에서도 도 2 및 도 3에 도시하는 연료 분사 제어를 실행하면 무방하고, 그렇게 함으로써, 상기 실시예와 마찬가지의 작용 효과를 얻을 수 있다.

또한, 도 11은 상기 엔진(1)과는 상이하고 성층 연소를 실행하지 않도록 한 직접 분사 엔진에 대해서도, 상기와 마찬가지로 운전 영역의 다른 실시예를 예시한 것이다. 이로써, 상기 실시예에 있어서 성층 연소 운전을 실행하는 엔진(1)의 저부하 저중회전 영역(Ⅰ)에 있어서도, 연료 분사를 흡기 행정에 의해 2회로 분할하여 실행하고, 엔진을 공연비 린(λ>1)의 균일 연소 상태로 운전하도록 하고 있다. 이와 같이, 성층 연소 운전을 실행하지 않는 엔진에서는, 연소실에 있어서의 연료의 성층화가 불필요하게 되기 때문에, 피스톤에 캐비티를 설치하지 않더라도 무방하고, 그로써 엔진의 열 손실의 저감이 도모된다.

또한, 본 발명은 공연비 린에서의 운전을 실행하지 않도록 한 엔진, 즉 예를 들어 부분 부하 영역에서 이론 공연비 상태(λ=1)로 운전하는 반면, 그것보다도 고부하 영역에서는 보다 리치 상태(λ<1)로 운전하도록 한 엔진이나, 모든 영역에서 이론 공연비 상태(λ=1)로 운전하도록 한 엔진에도 적용 가능하고, 그 경우에도 상기 실시예와 마찬가지로 배기 환류 한계의 확대에 의해서 연비의 저감이나 NOx 생성의 억제가 도모된다. 또한, 그 경우에는 배기 통로(31)에 린 NOx 촉매(34)를 설치할 필요는 없고, 3원 촉매(33)만을 배치하면 된다.

이상 설명한 바와 같이, 청구항 1의 발명에 따르면 실린더내 연소실에 연료를 연료 분사 밸브에 의해서 직접 분사 공급하는 불꽃 점화 방식의 직접 분사식 엔진의 배기 통로에 공연비가 이론 공연비보다도 큰 린 형상으로도 NOx를 정화하는 린 NOx 촉매를 배치하고, 엔진을 저부하 영역에서는 성층 연소 상태로, 또한 그 밖의 영역에서는 균일 연소 상태로 각각 운전하는 경우에 있어서, 상기 배기 통로로부터 배기 가스의 일부를 흡기 시스템에 환류시키는 배기 환류 수단을 구비하고, 엔진이 균일 연소 상태의 운전 영역에 있고 또한 상기 배기 환류 수단에 의한 배기 가스의 환류가 실행될 때, 실린더의 흡기 행정에 의해 연료 분사 밸브로부터 연료를 2분할 분사하여, 그 조기 분사 및 후기 분사의 분사 개시 시기 사이의 중앙 시기를 흡기 행정의 중앙 시기보다도 빨리 함으로써, 연소실에서의 연료 분포의 균일 정도를 대폭 높이고, 또한 연료의 기화/무화를 촉진할 수 있다. 이에 따라, 연소 속도가 빨라지고, 연소 시간의 단축에 의해 연비의 개선이 도모됨과 동시에, 엔진의 연소 안정성이 대폭 향상하고, 이 연소 안정성의 향상에 따라, 배기 가스의 환류량을 종래에 비해서 대폭 증가시킬 수 있다. 따라서, 엔진의 펌프 손실의 저감에 의해 연비 개선이 도모됨과 동시에, NOx의 생성량을 더욱 저감할 수 있다.

청구항 2 또는 청구항 3의 발명에 따르면, 청구항 1에 기재된 발명과 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

청구항 4의 발명에 따르면, 엔진의 저부하 영역 및 중부하 영역에서, 배기 가스의 환류량을 많게 설정할 수 있다.

청구항 5의 발명에 따르면, 상기 청구항 1 내지 청구항 3의 발명의 작용 효과를 충분히 얻을 수 있고, 또한 청구항 6의 발명에 따르면 그 작용 효과를 더욱 높일 수 있다.

청구항 7의 발명에 따르면, 후기 분사한 연료를 피스톤의 하강 이동에 따른 흡기 유동에 의해서, 연소실에 균일하게 확산시킬 수 있다.

청구항 8의 발명에 따르면, 배기 가스 환류량을 종래보다도 대폭 증가시켜, 엔진의 연비 개선 및 NOx 저감을 더욱 실현할 수 있다.

청구항 9의 발명에 따르면, 연소실에 흡기 유동을 생성하도록 함으로써, 흡기 유동에 의해서 연료 분포의 균일화 및 연료의 기화/무화를 촉진하여, 엔진의 연소성을 더욱 향상할 수 있다.

청구항 10의 발명에 따르면, 연료 분무가 크게 확대되기 때문에, 연소실에서의 연료 분포의 균일화를 용이하게 촉진할 수 있다.

청구항 11의 발명에 따르면, 연료 분사 밸브의 개방 밸브 작동에 기인하는 분무의 미립화의 저해를 회피할 수 있다.

도 1은 엔진의 각 운전 영역에 있어서의 연료 분사 시기를 나타내는 타임 챠트,

도 2는 제어 유닛에 의해 실행되는 연료 분사 시기 제어의 처리 동작의 전반부를 나타내는 플로우 차트,

도 3은 제어 유닛에 의해 실행되는 연료 분사 시기 제어의 처리 동작의 후반부를 나타내는 플로우 차트,

도 4는 엔진의 온간시의 연료 분사 제어를 위한 운전 영역을 도시하는 도면,

도 5는 엔진의 냉간시의 연료 분사 제어를 위한 운전 영역을 도시하는 도면,

도 6은 본 발명의 실시예에 관한 엔진의 제어 장치의 전체 구성을 도시하는 도면,

도 7은 후기 분사 시기의 변화에 따라 변화하는 연비 및 Pi 변동율의 특성을 나타내는 도면,

도 8은 배기 환류율의 변화에 따라 변화하는 연비 및 NOx 생성량의 특성을 나타내는 도면,

도 9는 차량의 운전 상태에 따라 변화하는 NOx 배출량 등을 나타내는 타임 챠트,

도 10은 엔진의 온간시의 연료 분사 제어를 위한 운전 영역의 다른 실시예를 나타내는 도 4에 상당하는 도면,

도 11은 성층 연소 상태에서의 운전을 실행하지 않도록 한 엔진에 대한 도 10에 상당하는 도면,

도 12는 엔진의 온간시 및 냉간시(단, 반난기 상태)의 배기 환류 제어를 위한 운전 영역의 변형예를 나타내는 도면,

도 13은 후기 분사를 흡기 행정의 중앙 시기보다도 빠른 시기에 개시하도록 한 변형예에 관한 도 1에 상당하는 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : (불꽃 점화 방식의 직접 분사식) 엔진

2 : 실린더

6 : 연소실 14 : 연료 분사 밸브

25 : 흡기 통로

30 : 흡기 유동 제어 밸브(흡기 유동 생성 수단)

31 : 배기 통로 33 : 3원 촉매

34 : 린 NOx 촉매 37 : 배기 환류 장치(배기 환류 수단)

41 : 제어 유닛 46 : 연료 분사 제어 수단

Claims

엔진의 실린더내 연소실에 연료를 직접 분사 공급하는 연료 분사 밸브와, 엔진의 배기 통로에 배치되며, 공연비가 이론 공연비보다도 큰 린 상태로 배기 가스중의 NOx를 정화하는 린 NOx 촉매를 포함하며, 엔진을 저부하 영역에서는 성층 연소 상태로 운전하는 반면, 그 밖의 영역에서는 균일 연소 상태로 운전하도록 한 불꽃 점화 방식의 직접 분사식 엔진의 제어 장치에 있어서,

상기 배기 통로로부터 배기 가스의 일부를 흡기 시스템에 환류시키는 배기 환류 수단과,

상기 엔진이 균일 연소 상태의 운전 영역에 있고, 또한 상기 배기 환류 수단에 의한 배기 가스의 환류가 실행될 때, 실린더의 흡기 행정에 의해 상기 연료 분사 밸브로부터 연료를 조기 분사와 후기 분사로, 적어도 상기 조기 분사 및 후기 분사의 양 분사 개시 시기 사이의 중앙 시기가 흡기 행정의 중앙 시기보다도 빠른 시기가 되도록, 2분할하여 분사시키는 연료 분사 제어 수단을 설치한 것을 특징으로 하는

불꽃 점화 방식의 직접 분사식 엔진의 제어 장치.
엔진의 실린더내 연소실에 연료를 직접 분사 공급하는 연료 분사 밸브와, 엔진의 배기 통로에 배치되며, 공연비가 이론 공연비보다도 큰 린 상태로 배기 가스중의 NOx를 정화하는 린 NOx 촉매를 포함하며, 엔진을 부분 부하 영역에서는 공연비가 이론 공연비보다도 큰 린 상태로 운전하는 반면, 그 밖의 영역에서는 공연비가 이론 공연비 이하인 리치 상태로 운전하도록 한 불꽃 점화 방식의 직접 분사식 엔진의 제어 장치에 있어서,

상기 배기 통로로부터 배기 가스의 일부를 흡기 시스템에 환류시키는 배기 환류 수단과,

상기 배기 환류 수단에 의한 배기 가스의 환류가 실행될 때, 실린더의 흡기 행정에 의해 상기 연료 분사 밸브로부터 연료를 조기 분사와 후기 분사로, 적어도 상기 조기 분사 및 후기 분사의 양 분사 개시 시기 사이의 중앙 시기가 흡기 행정의 중앙 시기보다도 빠른 시기가 되도록, 2분할하여 분사시키는 연료 분사 제어 수단을 설치한 것을 특징으로 하는

불꽃 점화 방식의 직접 분사식 엔진의 제어 장치.
엔진의 실린더내 연소실에 연료를 직접 분사 공급하는 연료 분사 밸브를 포함하고, 적어도 상기 연료 분사 밸브에 의한 연료 분사량을 제어하도록 한 불꽃 점화 방식의 직접 분사식 엔진의 제어 장치에 있어서,

엔진의 배기계로부터 배기 가스의 일부를 흡기 시스템에 환류시키는 배기 환류 수단과,

상기 배기 환류 수단에 의한 배기 가스의 환류가 실행될 때, 실린더의 흡기 행정에 의해 상기 연료 분사 밸브로부터 연료를 조기 분사와 후기 분사로, 적어도 상기 조기 분사 및 후기 분사의 양 분사 개시 시기 사이의 중앙 시기가 흡기 행정의 중앙 시기보다도 빠른 시기가 되도록, 2분할하여 분사시키는 연료 분사 제어 수단을 설치한 것을 특징으로 하는

불꽃 점화 방식의 직접 분사식 엔진의 제어 장치.
제 3 항에 있어서,

배기 환류 수단은 엔진의 고부하 영역을 제외한 저부하 영역 및 중부하 영역에서, 배기 가스의 환류를 실행하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는

불꽃 점화 방식의 직접 분사식 엔진의 제어 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

연료 분사 제어 수단에 의한 후기 분사는 흡기 행정을 전기, 중기 및 후기로 3등분한 것 중의 전기 또는 중기에 개시되는 것을 특징으로 하는

불꽃 점화 방식의 직접 분사식 엔진의 제어 장치.
제 5 항에 있어서,

연료 분사 제어 수단에 의한 후기 분사는 엔진의 저회전 영역에서는 흡기 행정의 전기 또는 중기에 종료하는 것을 특징으로 하는

불꽃 점화 방식의 직접 분사식 엔진의 제어 장치.
제 5 항에 있어서,

연료 분사 제어 수단에 의한 후기 분사의 기간의 중앙 시기는 흡기 행정의 중앙 시기보다도 빠른 시기로서 피스톤의 하강 이동 속도가 최고로 되는 시기로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는

불꽃 점화 방식의 직접 분사식 엔진의 제어 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

배기 환류 수단에 의한 배기 가스 환류량의 흡입 공기량에 대한 비율의 최대값이 20% ~ 40% 인 것을 특징으로 하는

불꽃 점화 방식의 직접 분사식 엔진의 제어 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

연소실에 흡기 유동을 생성하는 흡기 유동 생성 수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는

불꽃 점화 방식의 직접 분사식 엔진의 제어 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

연료 분사 밸브는 분무의 확대 각도가 45°이상으로 되는, 각도를 크게 한 유형인 것을 특징으로 하는

불꽃 점화 방식의 직접 분사식 엔진의 제어 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

연료 분사 제어 수단에 의해서 실린더의 흡기 행정에 의해 연료 분사 밸브로부터 조기 분사와 후기 분사로 분할하여 분사되는 연료 분사량이 서로 대략 동일한 것을 특징으로 하는

불꽃 점화 방식의 직접 분사식 엔진의 제어 장치.