KR100787315B1

KR100787315B1 - 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관

Info

Publication number: KR100787315B1
Application number: KR1020060009884A
Authority: KR
Inventors: 다이 다나까
Original assignee: 미쯔비시 지도샤 고교 가부시끼가이샤
Priority date: 2005-02-03
Filing date: 2006-02-02
Publication date: 2007-12-21
Also published as: US20060169242A1; EP1688616B1; EP1688616A3; US7331325B2; EP1688616A2; KR20060089146A

Abstract

본 발명은 엔진의 운전 상태가 과도 운전 상태인 경우에는 연소 방식을 스프레이 가이드 방식으로 한다(단계 S10). 또한, 촉매 온도(T)가 소정 상한 온도(T1) 이상의 고온인 경우(단계 S4)에는 스프레이 가이드 방식의 성층 연소를 행하고(단계 S10), 촉매 온도(T)가 소정 하한 온도(T2) 이하의 저온인 경우(단계 S5)에는 월 가이드 방식의 성층 연소를 행한다(단계 S8).

엔진, 연소실, 실린더 블럭, 원통 형상 실린더, 피스톤, 실린더 헤드

Description

통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관{SPARK IGNITION TYPE IN-CYLINDER INJECTION INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

도1은 본 발명에 관한 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 개략 구성도.

도2는 도1의 A-A선을 따르는 단면도.

도3은 도1의 피스톤의 상면에서 본 평면도.

도4는 본 발명에 관한 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 연료 분사 중의 연료 분무 상태를 도시하는 연소실의 단면도.

도5는 도4의 B-B선을 따르는 단면도.

도6은 본 발명에 관한 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 연료 분사 후의 연료 분무 상태를 도시하는 연소실의 단면도.

도7은 도6의 C-C선을 따르는 단면도.

도8a 내지 도8c는 본 발명에 관한 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관에 있어서의 부하 조건 변경시의 스프레이 가이드 방식 및 월 가이드 방식의 안정 연소 영역의 변화를 나타내는 그래프.

도9a 내지 도9c는 본 발명에 관한 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관에 있어서의 스프레이 가이드 방식 및 월 가이드 방식의 배기 가스 특성을 나타내는 그래프.

도10은 본 발명의 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관에 있어서 ECU에 의해 실행되는 연소 방식 결정의 제어 루틴을 나타내는 흐름도.

＜ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 엔진

2 : 연소실

3 : 실린더 블럭

4 : 원통 형상 실린더

6 : 피스톤

8 : 실린더 헤드

12 : 인젝터

14 : 점화 플러그

15 : 연료 분무

20 : 흡기 포트

22 : 배기 포트

30 : 캐비티

32 : 바닥면

34 : 벽면

42 : 배기관

44 : 배기 정화 촉매

56 : 엔진 회전 속도 센서

58 : 차속 센서

[문헌 1] 일본 특허 공개 평11-210472호 공보

본 발명은 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관에 관한 것으로, 상세하게는 스프레이 가이드 방식과 월 가이드 방식을 이용하여 성층 연소를 행하는 기술에 관한 것이다.

연소실 내에 직접 연료를 분사하는 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관에 있어서, 인젝터를 연소실 상부벽의 중앙부에 배치하는 동시에 점화 플러그를 전극 부가 연료 분사 영역 중 또는 연료 분사 영역 근방에 위치하도록 배치하고, 인젝터로부터 분사된 연료가 일부 기화한 연료 분무에 직접 점화하여 성층 연소를 행하는 소위 스프레이 가이드 방식으로 불리는 기술이 알려져 있다.

이러한 스프레이 가이드 방식의 성층 희박 연소에서는, 특히 저부하시에 있어서 연료 분사량이 적고, 따라서 분사 기간도 짧기 때문에 점화 가능한 시기가 짧은 기간으로 한정되어 있다. 따라서, 저부하시에서는 안정 연소 영역이 좁아 연소의 안정성이 결여된다는 문제가 있다.

그래서, 이러한 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관에 있어서, 안정된 성층 연소를 일으키기 때문에 흡기 포트로부터 유입되는 흡입 공기를 피스톤 정상면에 형성한 캐비티에 의해 텀블로서 상승시키고, 상기 텀블의 상승하는 측으로 연료를 분사시키는 기술이 개발되고 있다(문헌 1 참조).

[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 평11-210472호 공보 참조

그러나, 상기 텀블 등을 포함한 월 가이드 방식은 내연 기관의 회전수나 부하의 상태에 따라서 연소가 일어나는 조건(연료 분사 시기 및 점화 시기 등)이 크게 변화되기 때문에, 예기치 않은 회전수나 부하의 급변시에는 연료 분사 시기와 점화 시기 등의 불균형에 의한 실화를 초래할 우려가 있어, 안정된 연소를 유지하기 위해 종래에는 내연 기관이 과도 운전 상태가 되면 통상의 균질 연소를 행하고 있었다.

이와 같이, 성층 연소는 연비를 향상시키는 등의 이점은 있지만 내연 기관의 운전 상태에 따라서 연소가 불안정해지기 쉽기 때문에, 성층 연소는 특정한 운전 상태에만 한정되어 행해지고 있다는 문제가 있었다.

또한, 스프레이 가이드 방식에서는 연료 분무가 점화 플러그로부터 멀어지도록 진행하고, 점화 플러그에 의한 착화 후의 화염은 연료 분무를 쫓아가도록 전파하여 연소실 내에 확산되어 가기 때문에, 연소는 비교적 완만한 것이 된다. 이로 인해 배기 가스 온도는 비교적 저온이 되어 배기 통로에 마련된 촉매의 정화 효율의 저하를 초래한다는 문제가 있었다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 내연 기관의 운전 상태에 따라서 안정된 성층 연소를 행하는 것이 가능하고, 또한 성층 연소시에 있 어서 촉매를 최적의 온도로 유지하여 배기 정화 기능을 충분히 발휘하는 것이 가능한 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관은 연소실 상부벽의 중앙 부분에 설치되어 상기 연소실 내에 연료를 직접 분사하는 인젝터와, 상기 인젝터로부터 분사되는 연료 분사 영역 중 혹은 상기 연료 분사 영역 근방에 위치하는 전극부를 갖는 점화 플러그와, 피스톤 정상면에 상기 인젝터로부터 분사된 연료를 상기 점화 플러그의 전극부 근방에 안내하도록 형성된 캐비티와, 내연 기관의 운전 상태를 검출하는 운전 상태 검출 수단과, 상기 점화 플러그의 점화 시기를 제어하는 점화 시기 제어 수단을 구비하고, 상기 점화 시기 제어 수단은 상기 운전 상태 검출 수단에 의해 검출된 운전 상태에 따라서, 상기 인젝터에 의한 연료 분사 중 또는 연료 분사 직후의 점화와, 상기 인젝터로부터 분사된 연료가 상기 캐비티에 의해 상기 전극부 근방에 안내되어 왔을 때의 점화 중 적어도 어느 한 쪽을 행하도록 점화 시기를 제어한다.

이에 의해, 스프레이 가이드 방식과 월 가이드 방식의 2개의 연소 방식을 행하는 것이 가능한 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관에 있어서, 내연 기관의 운전 상태에 따라서 연소 방식을 스프레이 가이드 방식 및 월 가이드 방식 중 적합한 연소 방식을 선택할 수 있다.

이 경우, 바람직하게는, 상기 점화 시기 제어 수단은 상기 운전 상태 검출 수단에 의해 과도 운전 상태가 검출되었을 때에는, 상기 인젝터에 의한 연료 분사 중 또는 연료 분사 직후에 상기 점화 플러그에 의해 점화를 행하도록 점화 시기를 제어하는 것이 좋다.

이와 같이 내연 기관의 운전 상태가 과도 운전 상태시에는 내연 기관의 기관속도 및 부하 등의 영향을 받기 어려운 스프레이 가이드 방식으로 함으로써, 과도시에 있어서도 안정된 성층 연소를 행할 수 있다.

바람직하게는, 또한 연소실 내에서의 실화를 검출하는 실화 검출 수단을 갖고, 상기 점화 시기 제어 수단은 상기 인젝터에 의한 연료 분사 중 또는 연료 분사 직후에 점화를 행하고, 상기 실화 검출 수단에 의해 상기 점화에 의한 실화를 검출한 경우에는, 상기 연료의 기화가 진행된 혼합기가 상기 캐비티에 의해 상기 전극부 근방에 안내되어 왔을 때에도 점화를 행하도록 점화 시기를 제어하는 것이 좋다.

이에 의해, 스프레이 가이드 방식으로 착화되지 않은 경우에 있어서도, 그 후 월 가이드 방식으로 점화함으로써 연소를 양호하게 완결시킬 수 있다.

또한, 바람직하게는, 상기 점화 시기 제어 수단은 상기 인젝터에 의한 연료 분사 중 또는 연료 분사 직후에 점화를 행하는 경우에는, 상기 인젝터로부터 분사된 연료의 기화가 진행된 혼합기가 상기 캐비티에 의해 상기 전극부 근방에 안내되어 왔을 때에도 점화를 행하도록 점화 시기를 제어하는 것이 좋다. ,

이에 의해, 스프레이 가이드 방식으로 착화되지 않은 경우나, 스프레이 가이드 방식에서의 착화 후 화염 전파가 도중에 끊어진 경우에 있어서도, 그 후 항상 월 가이드 방식으로 점화함으로써 연소를 확실하게 완결시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관은, 연소실 상부벽의 중앙부에 설치되어 상기 연소실 내에 연료를 직접 분사하는 인젝터와, 상기 인젝터로부터 분사되는 연료 분사 영역 중 혹은 상기 연료 분사 영역 근방에 위치하는 전극부를 갖는 점화 플러그와, 피스톤 정상면에 상기 인젝터로부터 분사된 연료를 상기 점화 플러그의 전극부 근방에 안내하도록 형성된 캐비티와, 상기 연소실과 연통하는 배기 통로에 설치되어 상기 배기 통로 내를 유통하는 배기 가스의 유해 물질을 정화하는 배기 정화 촉매와, 상기 배기 정화 촉매의 온도를 검출하는 촉매 온도 검출 수단과, 상기 인젝터의 분사 시기를 제어하는 분사 시기 제어 수단과, 상기 점화 플러그의 점화 시기를 제어하는 점화 시기 제어 수단을 구비하고, 상기 분사 시기 제어 수단과 상기 점화 시기 제어 수단은 상기 촉매 온도 검출 수단에 의해 검출된 상기 배기 정화 촉매의 온도에 따라서, 상기 인젝터에 의한 연료 분사 중 또는 연료 분사 직후에 점화를 행하는 운전 상태와 상기 인젝터로부터 분사된 연료가 상기 캐비티에 의해 상기 전극부 근방에 안내되어 왔을 때에 점화를 행하는 운전 상태를 선택 가능하다.

이에 의해, 스프레이 가이드 방식과 월 가이드 방식의 2개의 연소 방식을 행하는 것이 가능한 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관에 있어서, 촉매 온도에 따라서 연소 방식을 스프레이 가이드 방식 및 월 가이드 방식 중 적합한 연소 방식을 선택할 수 있어, HC 및 CO의 배출량을 조정하여 촉매 온도를 목표로 하는 온도로 제어할 수 있다.

이 경우, 바람직하게는, 상기 분사 시기 제어 수단과 점화 시기 제어 수단은 상기 촉매 온도 검출 수단에 의해 검출된 상기 배기 정화 촉매의 온도가 제1 소정 온도 이하일 때에는, 상기 캐비티에 의해 상기 전극부 근방에 안내되어 왔을 때에 점화를 행하는 운전 상태를 선택하는 것이 좋다.

이와 같이 월 가이드 방식을 선택함으로써 HC 및 CO의 배출량을 증가시켜 촉매의 산화 반응을 촉진시키고, 산화열에 의해 촉매 온도를 상승시켜 배기 정화 기능을 활성화시킬 수 있다. 이에 의해, 성층 연소시에 있어서 촉매가 저온이 되는 것을 방지할 수 있어, 배기 정화 기능을 충분히 발휘할 수 있다.

또한, 바람직하게는, 상기 분사 시기 제어 수단과 점화 시기 제어 수단은 상기 촉매 온도 검출 수단에 의해 검출된 상기 배기 정화 촉매의 온도가 상기 제1 소정 온도보다 크게 설정되어 있는 제2 소정치 이상일 때에는, 상기 인젝터에 의한 연료 분사 중 또는 연료 분사 직후에 점화를 행하는 운전 상태를 선택하는 것이 좋다.

이와 같이, 촉매 온도가 제2 소정치보다 큰, 즉 촉매 고온시에는 연소 방식을 스프레이 가이드 방식으로 함으로써 HC 및 CO의 배출량을 저감하고, 촉매의 온도 상승을 억제하여 열화를 방지하여 산소 피독을 억제할 수 있다. 이에 의해, 성층 연소시에 있어서 촉매가 과도하게 고온이 되는 것도 방지할 수 있어 배기 정화 기능을 유지할 수 있다.

그리고, 이 경우에 있어서도, 또 연소실 내에서의 실화를 검출하는 실화 검출 수단을 갖고, 상기 점화 시기 제어 수단은 상기 인젝터에 의한 연료 분사 중 또는 연료 분사 직후에 점화를 행하고, 상기 실화 검출 수단에 의해 상기 점화에 의 한 실화를 검출한 경우에는, 상기 연료의 기화가 진행된 혼합기가 상기 캐비티에 의해 상기 전극부 근방에 안내되어 왔을 때에도 점화를 행하도록 점화 시기를 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 점화 시기 제어 수단은 상기 인젝터에 의한 연료 분사 중 또는 연료 분사 직후에 점화를 행하는 경우에는, 상기 인젝터로부터 분사된 연료의 기화가 진행된 혼합기가 상기 캐비티에 의해 상기 전극부 근방에 안내되어 왔을 때에도 점화를 행하도록 점화 시기를 제어하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 기초로 하여 설명한다.

도1을 참조하면 본 발명에 관한 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 개략 구성도가 도시되어 있고, 도2를 참조하면 도1의 A-A선을 따르는 연소실의 단면도가 도시되어 있고, 도3을 참조하면 도1의 피스톤의 상면에서 보았을 때의 평면도가 도시되어 있다. 이하, 도1 내지 도3을 기초로 하여 설명한다.

도1에 도시한 바와 같이, 엔진(1)(내연 기관)의 연소실(2)은 실린더 블럭(3)으로 형성되어 있는 원통 형상 실린더(4)와, 상기 실린더(4)에 상하 미끄럼 이동 가능하게 끼움 삽입되어 있는 피스톤(6)의 정상면과, 실린더 블럭(3)에 적재되어 있는 실린더 헤드(8)의 하면으로 둘러싸여 형성되어 있다.

연소실(2)의 상부벽을 형성하고 있는 실린더 헤드(8)의 하면은 2개의 경사면(10a, 10b)이 둔각을 마주 본, 소위 팬트 루프 형상을 나타내고 있다.

또한, 연소실(2)의 상부벽의 중앙 부분에 있어서, 한 쪽의 경사면(10a)에는 인젝터(12)가 설치되어 있고, 다른 쪽의 경사면(10b)에는 점화 플러그(14)가 설치 되어 있다.

인젝터(12)는 바로 아래 방향보다도 약간 점화 플러그(14)의 전극부(14a)측에 연료를 분사하도록 지향하여 배치되어 있다. 또한, 인젝터(12)는 상기 인젝터(12)로부터 분사되는 연료가 점화 플러그(14)측으로 편의하도록 구성되어 있다.

점화 플러그(14)도 바로 아래 방향보다도 약간 인젝터(12)측으로 방전하도록 지향되어 있다. 그리고 점화 플러그(14)는 전극부(14a)가 인젝터(12)로부터 분사되는 연료의 분사 영역, 즉 연료 분무(15) 중 혹은 그 근방에 위치하도록 배치되어 있다.

또한, 한 쪽의 경사면(10a)에는 인젝터(12)의 양측에 위치하여 2개의 흡기 밸브(16a, 16b)가 각각 설치되어 있고, 다른 쪽의 경사면(10b)에는 점화 플러그(14)의 양측에 위치하여 2개의 배기 밸브(18a, 18b)가 각각 설치되어 있다.

이들 흡기 밸브(16a, 16b) 및 배기 밸브(18a, 18b)는 상하 미끄럼 이동함으로써 각각 실린더 헤드(8) 내에 형성된 흡기 포트(20) 및 배기 포트(22)와 연소실(2)의 연통과 차단을 행하도록 구성되어 있다.

이하, 연소실(2)에 있어서 인젝터(12)의 선단부와 점화 플러그(14)의 선단부를 포함하는 평면을 평면(P)으로 하고, 인젝터(12)나 흡기 밸브(16a, 16b)가 설치되어 있는 경사면(10a)측을 흡기측, 점화 플러그(14)나 배기 밸브(18a, 18b)가 설치되어 있는 경사면(10b)측을 배기측으로 한다.

연소실(2)의 바닥면을 형성하고 있는 피스톤(6)의 정상면에는 캐비티(30)가 형성되어 있다.

상기 캐비티(30)는 바닥면(32)과 벽면(34)으로 구성된 오목 형상을 이루고 있다.

상세하게는, 캐비티(30)의 바닥면(32)은 전체로서 배기측을 향해 하방으로 경사져 있다. 그리고, 바닥면(32)에는 상기 바닥면(32)의 중앙부로부터 평면(P)을 따라 흡기측의 벽면(34)까지 연장되어 주위보다 솟아오른 볼록부(32a)가 형성되어 있다. 이에 의해, 상기 볼록부(32a)를 둘러싸도록 하여 오목부(32b)가 형성되어 있고, 상기 오목부(32b)는 상면에서 보았을 때의 대략 U자 형상을 이루고 있다.

또한, 도3에 도시한 바와 같이, 상기 캐비티(30)는 주연부가 배기측으로 감에 따라 평면(P)에 접근하고 있고, 개구 면적이 배기측으로 감에 따라 좁아지고 있다.

그리고, 캐비티(30)의 벽면(34)은 바닥면(32)의 주연부로부터 원활하게 상방으로 경사진 형상을 이루고 있다.

또한, 상기 배기 포트(22)는 배기 매니폴드(40)를 통하여 배기관(42)(배기 통로)과 접속되어 있고, 상기 배기관(42)에는 배기 정화 촉매(44)가 설치되어 있다. 상기 배기 정화 촉매(44)는, 예를 들어 HC 및 CO를 산화하여 NOx를 환원하는 기능을 갖는 삼원 촉매이다.

또한, 배기 정화 촉매(44)에는 촉매 온도 센서(46)(촉매 온도 검출 수단)가 설치되어 있고, 상기 촉매 온도 센서(46)는 ECU(전자 컨트롤 유닛)(50)(분사 시기 제어 수단 및 점화 시기 제어 수단)와 전기적으로 접속되어 있다.

ECU(50)는 액셀 조작을 검출하는 APS(액셀 조작 센서)(52)(운전 상태 검출 수단), 스로틀의 개방도를 검출하는 TPS(스로틀 개방도 센서)(54)(운전 상태 검출 수단), 엔진(1)의 회전 속도를 검출하는 엔진 회전 속도 센서(56)(운전 상태 검출 수단), 차속을 검출하는 차속 센서(58)(운전 상태 검출 수단)나, 상기 인젝터(12) 및 점화 플러그(14) 등의 각종 장치와도 전기적으로 접속되어 있어, 각종 제어를 행한다.

이하 이와 같이 구성된 본 발명에 관한 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 작용에 대해 설명한다.

도4를 참조하면 본 발명에 관한 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 연료 분사 중인 연료 분무 상태가 연소실의 단면도로 도시되어 있고, 도5를 참조하면 도4의 B-B선을 따르는 단면도가 도시되어 있고, 도6을 참조하면 본 발명에 관한 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 연료 분사 후 연료의 기화가 진행된 혼합기 상태가 도4와 마찬가지로 단면도로 도시되어 있고, 도7을 참조하면 도6의 C-C선을 따르는 단면도가 도시되어 있고, 이하 도4 내지 도7을 기초로 하여 설명한다.

도4 및 도5에 도시한 바와 같이, 피스톤(6)은 압축 행정 후반에 있을 때 인젝터(12)의 선단부로부터 점화 플러그(14)측으로 편의되어 연료가 분사된다. 그리고, 분사된 연료는 연료 분무(15)가 되어 점화 플러그(14)의 전극부(14a)의 근방을 통과하여, 피스톤(6)의 캐비티(30) 중 주로 배기측으로 진입한다. 여기에, 인젝터(12)로부터 형성되는 연료 분무(15)의 형상은 중공 형상인 것이 바람직하고, 예를 들어 중공의 콘 형상이 되지만 이것으로 한정되는 것은 아니다.

캐비티(30) 내에 진입한 연료 분무(15)는 캐비티(30)의 바닥면(32)이 배기측 을 향해 하방으로 경사지고, 또한 상기 연료 분무(15)가 점화 플러그(14)측으로 편의되어 있기 때문에, 캐비티(30)의 바닥면(32)에 충돌하면 배기측으로 양호하게 안내되어 기화가 진행된다. 또한, 연료 분무(15)는 바닥면(32)에 형성된 볼록부(32a)에 충돌하면 상기 볼록부(32a)의 양측 또는 배기측으로 분산된다. 그리고, 도6 및 도7에 도시한 바와 같이 연료 분무(15)는 배기측의 벽면(34)을 따라 상방으로 안내되면서 기화가 진행되고, 혼합기(15a)로서 캐비티(30) 내로부터 이탈한다.

이와 같이 캐비티(30) 내를 이탈한 혼합기(15a)는 점화 플러그(14)의 전극부(14a)의 주위를 둘러싸도록 권취된다. 이에 의해, 전극부(14a)의 주위에는 비교적 짙은 혼합기가 존재하게 된다.

실제로는, 연료 분무(15)는 중공 상태인 동시에 캐비티(30)의 바닥면(32)의 볼록부(32a)에 의해 양측으로 분산되고, 바닥면(32)의 주연부에 접근되도록 하여 연소실(2) 중에 권취되기 때문에, 형성되는 혼합기(15a)는 중앙 부분에서는 연료가 적어지고 있다. 이로부터 전극부(14a) 부분에서는 혼합기(15a)가 지나치게 짙은 상태가 되지 않는다.

이상과 같이 인젝터(12)로부터 연료가 분사된 경우, 점화 시기로서는 도4 및 도5에 도시하는 연소 분사 중인 연료 분무(15)에 직접 점화를 행하는, 소위 스프레이 가이드 방식과, 도6 및 도7에 도시하는 캐비티(30)로부터 이탈되어 전극부(14a) 주변에 모인 혼합기(15a)에 점화하는, 소위 월 가이드 방식의 2개 경우가 고려된다. 여기에, 상기 월 가이드 방식으로서는 흡기 유동, 즉 텀블 등에 의존한 것은 아니라 연료의 분사력에 의해 혼합기를 전극부(14a) 주변에 안내하는 것이 바람직 하다. 이는 흡입 공기에 의해 생성되는 텀블 등은 유동의 기세가 비교적 약하고, 또한 유동은 엔진 운전 조건에 의해 변화되기 때문에 텀블에 의해 연료 분무를 유도하여 성층 연소를 안정시키는 데에는 부족하기 때문이다.

여기서 도8a 내지 도8c를 참조하면, 본 발명에 관한 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관에 있어서의 부하 조건 변경시의 스프레이 가이드 방식 및 월 가이드 방식의 안정 연소 영역의 변화를 나타내는 그래프가 도시되어 있고, 도9a 내지 도9c를 참조하면, 본 발명에 관한 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관에 있어서의 스프레이 가이드 방식 및 월 가이드 방식의 배기 가스 특성을 나타내는 그래프가 도시되어 있다. 이하, 도8a 내지 도8c 및 도9a 내지 도9c를 기초로 하여 스프레이 가이드 방식과 월 가이드 방식의 각각의 특징을 설명한다.

도8a는 저부하시, 도8b는 중부하시, 도8c는 고부하시에 있어서의 스프레이 가이드 방식과 월 가이드 방식의 안정 연소 영역을 나타내고 있고, 각각 종축이 점화 시기, 횡축이 분사 시기이다.

이들 도면에 도시한 바와 같이, 월 가이드 방식에서는 부하의 변화에 의해 안정 연소 영역이 변화되고 있다. 이로 인해 월 가이드 방식에서는 부하가 변화되는 과도시에 있어서, 엔진(1)의 회전이나 부하에 따라서 분사 시기 및 점화 시기를 변화시킬 필요가 생긴다.

이에 대해, 스프레이 가이드 방식에서는 인젝터(12)로부터의 연료 분사 중 또는 연료 분사 직후에 점화를 행하기 때문에, 비교적 부하의 변화에 상관하지 않고 일정한 안정 연소 영역을 유지하고 있다. 이로 인해, 엔진(1)의 회전이나 부하 에 상관없이 연료 분사 시기/점화 시기 일정하게 운전할 수 있다.

이와 같이, 스프레이 가이드 방식은 과도시에 있어서 연소가 안정되어 있다는 특징을 갖는다.

도9a는 HC 배출량, 도9b는 NOx 배출량, 도9c는 CO 배출량을 나타내고 있고, 각각 종축이 각 배기 가스 물질의 배출량, 횡축이 분사 시기이다.

도9a 내지 도9c에 도시한 바와 같이, 월 가이드 방식은 스프레이 가이드 방식에 비해 HC 및 CO의 배출량이 많고, NOx의 배출량은 적다는 특징을 갖고 있다.

도10을 참조하면, 본 발명의 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관에 있어서 ECU(50)에 의해 실행되는 연소 방식 결정의 제어 루틴이 흐름도로 나타나 있고, 이하 상기 흐름도를 기초로 하여 설명한다.

우선, 단계 S1에서는 엔진 회전 속도 센서(56)로부터 엔진 회전 속도[N], APS(52)로부터 액셀 조작량(Acc), TPS(54)로부터 스로틀 개방도(θ), 차속 센서(58)로부터 차속(V), 촉매 온도 센서(46)로부터 촉매 온도(T) 등의 각종 검출 데이터를 판독한다.

계속해서 단계 S2에서는 엔진 회전 속도(N)와, 스로틀 개방도(θ)로부터 산출되는 엔진 부하(L)를 기초로 하여 엔진(1)의 운전 상태가 성층 연소 조건을 만족시키고 있는지 여부를 판별한다. 상세하게는, 엔진 회전 속도(N)가 미리 설정되어 있는 성층 연소 상한 회전 속도(N)보다 작고, 성층 연소 하한 회전 속도(N2)보다 큰지 여부(N2 ＜ N ＜ N1) 및 엔진 부하(L)가 미리 설정되어 있는 성층 연소 상한 부하(L1)보다 작고, 성층 연소 하한 부하(L2)보다 큰지 여부(L2 ＜ L ＜ L1)를 판 별한다. 판별 결과가 아니오(No)인 경우에는 단계 S20으로 진행하고 균질 연소를 행하여 상기 루틴을 뺀다. 한편, 판별 결과가 예(Yes)인 경우에는 단계 S3으로 진행한다.

단계 S3에서는 엔진 회전 속도(N), 차속(V), 스로틀 개방도(θ)의 단위 시간당의 변화량│ΔN│, │ΔV│, │Δθ│가 각각 미리 설정되어 있는 소정치보다 작은지 여부를 판별함으로써 엔진(1)의 운전 상태가 정상 운전인지 여부를 판별한다. 판별 결과가 아니오(No)인 경우, 즉 엔진 회전 속도(N), 차속(V), 스로틀 개방도(θ) 중 어느 하나이거나 또는 복수의 상태가 소정치 이상 변화하고 있는 과도 운전 상태인 경우에는 단계 S10으로 진행하여, 연소 방식을 스프레이 가이드 방식으로서 상기 루틴을 뺀다. 이에 의해, 엔진(1)의 과도 운전시에 있어서도 안정된 성층 연소를 행할 수 있다.

한편, 판별 결과가 예(Yes)인 경우, 즉 정상 운전시에는 단계 S4로 진행한다.

단계 S4에서는 촉매 온도(T)가 미리 설정되어 있는 소정 상한 온도(T1)(제2 소정 온도)보다 작은지 여부를 판별한다. 판별 결과가 아니오(No)인 경우, 즉 촉매 온도(T)가 소정 상한 온도(T1) 이상의 고온인 경우에는 단계 S10으로 진행하여 연소 방식을 스프레이 가이드 방식으로 한다. 이와 같이, 촉매 고온시에는 연소 방식을 스프레이 가이드 방식으로 함으로써 HC 및 CO의 배출량을 저감하고, 촉매의 온도 상승을 억제하고 열화를 방지하여 산소 피독을 억제할 수 있다.

한편, 판별 결과가 예(Yes)인 경우에는 단계 S5로 진행한다.

단계 S5에서는, 동일하게 촉매 온도(T)가 미리 설정되어 있는 소정 하한 온도(T2)(제1 소정 온도)보다 큰지 여부를 판별한다. 판별 결과 아니오(No)인 경우, 즉 촉매 온도(T)가 소정 하한 온도(T2) 이하의 저온인 경우 스텝 S8로 진행하여 연소 방식을 월 가이드 방식으로서 상기 루틴을 뺀다. 이와 같이, 촉매 저온시에는 연소 방식을 월 가이드 방식으로 함으로써 HC 및 CO의 배출량을 증가시켜 촉매의 산화 반응을 촉진시키고, 상기 산화열에 의해 촉매 온도를 상승시켜 배기 정화 기능을 활성화시킬 수 있다.

한편, 판별 결과가 예(Yes)인 경우에는 단계 S6으로 진행한다.

단계 S6에서는, 상기 단계 S3에 있어서의 정상 운전 조건이 성립한 후 미리 설정되어 있는 소정 시간(예를 들어 2초)을 경과하였는지 여부를 판별한다. 판별 결과가 아니오(No)인 경우에는 단계 S1로 복귀한다. 한편, 판별 결과가 예(Yes)인 경우, 즉 정상 운전 상태가 된 후 어느 정도의 시간이 경과하고 있는 경우에는 단계 S7로 진행한다.

단계 S7에서는, 엔진 회전 속도(N)와 엔진 부하(L)를 기초로 하여 엔진(1)의 운전 상태가 월 가이드 조건의 범위 내에 있는지 여부를 판별한다. 상세하게는, 엔진 회전 속도(N)가 미리 설정되어 있는 성층 연소 상한 회전 속도(N3)보다 작고, 성층 연소 하한 회전 속도(N4)보다 큰지 여부(N4 ＜ N ＜ N3) 및 엔진 부하(L)가 미리 설정되어 있는 성층 연소 상한 부하(L3)보다 작고, 성층 연소 하한 부하(L4)보다 큰지 여부(L4 ＜ L ＜ L3)를 판별한다. 판별 결과가 예(Yes)인 경우에는 단계 S8로 진행하고 연소 방식을 월 가이드 방식으로 하여 상기 루틴을 뺀다. 한편, 판별 결과가 아니오(No)인 경우에는 단계 S10으로 진행하여, 연소 방식을 스프레이 가이드 방식으로서 상기 루틴을 뺀다.

이상과 같이, 성층 연소 조건을 만족시키고 있는 경우에 있어서, 엔진 과도 운전시에는 스프레이 가이드 방식으로 함으로써 엔진(1)의 회전 속도(N)나 부하(L)의 변화의 영향을 받기 어려운 안정된 연소를 실현할 수 있다.

그리고, 정상 운전시에 있어서는, 회전 속도(N)나 부하(L)의 상태에 의해 스프레이 가이드 방식과 월 가이드 방식의 절환을 연비 등이 우수한 쪽을 선택하여 행하는 동시에, 촉매 온도(T)에 따라서도 절환을 행함으로써 배기 정화 촉매(44)를 항상 최적의 온도 상태로 할 수 있어, 촉매의 배기 정화 기능을 충분히 발휘시킬 수 있다. 이에 의해 배기 가스의 유해 물질을 양호하게 저감시킬 수 있다.

또한, 스프레이 방식으로 착화되지 않은 경우나, 스프레이 방식에서의 착화 후 화염 전파가 도중에 끊어진 경우에 있어서도, 그 후 월 가이드 방식으로 점화하여 연소를 완결시킬 수 있다.

즉, 본 발명에 관한 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관에서는, 월 가이드 방식은 스프레이 가이드 방식보다도 점화 시기를 지각시킬 뿐이기 때문에, 예를 들어 실화 검출 수단을 마련함으로써 스프레이 가이드 방식에서의 점화에 실패한 경우에 있어서도 상기 실화를 검출하고, 그 후 곧 월 가이드 방식으로 점화하는 것도 간단하게 할 수 있다.

또는, 스프레이 가이드 방식에서의 연소를 행할 때에는 항상 월 가이드 방식에서의 점화를 행하고, 소위 2회 점화를 실시하도록 해도 좋다.

이에 의해, 안정 연소 영역을 확대시킬 수 있어, 성층 연소의 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다.

이상으로 본 발명에 관한 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관의 실시 형태에 대한 설명을 종료하지만, 실시 형태는 상기 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 상기 실시 형태에서는 엔진(1)의 운전 상태 및 촉매의 온도 등으로부터 연소 방식을 판별하였지만, 어느 한 쪽의 판별만으로 해도 좋고, 새로운 판별을 가해도 상관없다.

또한, 상기 실시 형태에서는 운전 상태 검출 수단으로서 APS(52), TPS(54), 엔진 회전 속도 센서(56), 차속 센서(58)를 이용하고 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니며, 그 밖의 장치를 이용하여 그 밖의 요소로부터 엔진(1)의 운전 상태를 검출해도 상관없다.

또한, 상기 실시 형태에서는 배기 정화 촉매(44)를 삼원 촉매로 하였지만, 이것으로 한정되는 것은 아니며, 그 밖의 배기 정화 촉매를 이용하도록 해도 좋다.

본 발명에 따르면, 내연 기관의 운전 상태에 따라서 안정된 성층 연소를 행하는 것이 가능하고, 또한 성층 연소시에 있어서 촉매를 최적의 온도로 유지하여 배기 정화 기능을 충분히 발휘하는 것이 가능한 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관을 제공할 수 있다.

Claims

연소실(2) 상부벽의 중앙 부분에 설치되어 상기 연소실 내에 연료를 직접 분사하는 인젝터(12)와,

상기 인젝터로부터 분사되는 연료 분사 영역 중 혹은 상기 연료 분사 영역 근방에 위치하는 전극부(14a)를 갖는 점화 플러그(14)와,

피스톤(5) 정상면에 상기 인젝터로부터 분사된 연료를 상기 점화 플러그의 전극부 근방에 안내하도록 형성된 캐비티(30)와,

내연 기관의 운전 상태를 검출하는 운전 상태 검출 수단(52 내지 58)과,

상기 점화 플러그의 점화 시기를 제어하는 점화 시기 제어 수단(50)을 구비하고,

상기 점화 시기 제어 수단은 상기 운전 상태 검출 수단에 의해 검출된 운전 상태에 따라서, 상기 인젝터에 의한 연료 분사 중 또는 연료 분사 직후의 점화와, 상기 인젝터로부터 분사된 연료가 상기 캐비티에 의해 상기 전극부 근방에 안내되어 왔을 때의 점화 중 적어도 어느 한 쪽을 행하도록 점화 시기를 제어하는 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관.
제1항에 있어서, 상기 점화 시기 제어 수단(50)은, 상기 운전 상태 검출 수단(52 내지 58)에 의해 과도 운전 상태가 검출되었을 때에는, 상기 인젝터(12)에 의한 연료 분사 중 또는 연료 분사 직후에 상기 점화 플러그(14)에 의해 점화를 행 하도록 점화 시기를 제어하는 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관.
제1항에 있어서, 또한 연소실(2) 내에서의 실화를 검출하는 실화 검출 수단을 갖고,

상기 점화 시기 제어 수단(50)은 상기 인젝터(12)에 의한 연료 분사 중 또는 연료 분사 직후에 점화를 행하고, 상기 실화 검출 수단에 의해 상기 점화에 의한 실화를 검출한 경우에는, 상기 연료의 기화가 진행된 혼합기가 상기 캐비티(30)에 의해 상기 전극부(14a) 근방에 안내되어 왔을 때에도 점화를 행하도록 점화 시기를 제어하는 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관.
제1항에 있어서, 상기 점화 시기 제어 수단(50)은, 상기 인젝터(12)에 의한 연료 분사 중 또는 연료 분사 직후에 점화를 행하는 경우에는, 상기 인젝터로부터 분사된 연료의 기화가 진행된 혼합기가 상기 캐비티(30)에 의해 상기 전극부(14a) 근방에 안내되어 왔을 때에도 점화를 행하도록 점화 시기를 제어하는 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관.
연소실(2) 상부벽의 중앙부에 설치되어 상기 연소실 내에 연료를 직접 분사하는 인젝터(12)와,

상기 인젝터로부터 분사되는 연료 분사 영역 중 혹은 상기 연료 분사 영역 근방에 위치하는 전극부(14a)를 갖는 점화 플러그(14)와,

피스톤(6) 정상면에 상기 인젝터로부터 분사된 연료를 상기 점화 플러그의 전극부 근방에 안내하도록 형성된 캐비티(30)와,

상기 연소실과 연통하는 배기 통로(42)에 설치되어 상기 배기 통로 내를 유통하는 배기 가스의 유해 물질을 정화하는 배기 정화 촉매(44)와,

상기 배기 정화 촉매의 온도를 검출하는 촉매 온도 검출 수단(46)과,

상기 인젝터의 분사 시기를 제어하는 분사 시기 제어 수단(50)과,

상기 점화 플러그의 점화 시기를 제어하는 점화 시기 제어 수단(50)을 구비하고,

상기 분사 시기 제어 수단과 상기 점화 시기 제어 수단은 상기 촉매 온도 검출 수단에 의해 검출된 상기 배기 정화 촉매의 온도에 따라서, 상기 인젝터에 의한 연료 분사 중 또는 연료 분사 직후에 점화를 행하는 운전 상태와 상기 인젝터로부터 분사된 연료가 상기 캐비티에 의해 상기 전극부 근방에 안내되어 왔을 때에 점화를 행하는 운전 상태를 선택 가능한 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관.
제5항에 있어서, 상기 분사 시기 제어 수단(50)과 점화 시기 제어 수단(50)은, 상기 촉매 온도 검출 수단(46)에 의해 검출된 상기 배기 정화 촉매(44)의 온도가 제1 소정 온도(T2) 이하일 때에는, 상기 캐비티(30)에 의해 상기 전극부(14a) 근방에 안내되어 왔을 때에 점화를 행하는 운전 상태를 선택하는 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관.
제5항에 있어서, 상기 분사 시기 제어 수단(50)과 점화 시기 제어 수단(50)은, 상기 촉매 온도 검출 수단(46)에 의해 검출된 상기 배기 정화 촉매(44)의 온도가 제1 소정 온도(T2)보다 크게 설정되어 있는 제2 소정치(T1) 이상일 때에는, 상기 인젝터(12)에 의한 연료 분사 중 또는 연료 분사 직후에 점화를 행하는 운전 상태를 선택하는 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관.
제5항에 있어서, 또한 연소실(2) 내에서의 실화를 검출하는 실화 검출 수단을 갖고,

상기 점화 시기 제어 수단(50)은 상기 인젝터(12)에 의한 연료 분사 중 또는 연료 분사 직후에 점화를 행하고, 상기 실화 검출 수단에 의해 상기 점화에 의한 실화를 검출한 경우에는, 상기 연료의 기화가 진행된 혼합기가 상기 캐비티(30)에 의해 상기 전극부(14a) 근방에 안내되어 왔을 때에도 점화를 행하도록 점화 시기를 제어하는 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관.
제5항에 있어서, 상기 점화 시기 제어 수단(50)은, 상기 인젝터(12)에 의한 연료 분사 중 또는 연료 분사 직후에 점화를 행하는 경우에는, 상기 인젝터로부터 분사된 연료의 기화가 진행된 혼합기가 상기 캐비티(30)에 의해 상기 전극부(14a) 근방에 안내되어 왔을 때에도 점화를 행하도록 점화 시기를 제어하는 통 내 분사형 불꽃 점화식 내연 기관.