KR100879486B1 - 엔진 - Google Patents

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야스유키 이리사와
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도요타 지도샤(주)
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Abstract

엔진은 연료를 실린더에 분사하는 실린더내 분사장치, 연료를 흡기 매니폴드에 분사하는 포트 분사장치, 및 흡기 밸브의 적어도 리프트 또는 개방 기간을 변화시키는 밸브 개방 특성 변경 기구를 포함한다. 엔진이 소정의 작동 영역에 있고 밸브 개방 특성 변경 기구가 흡기 밸브의 리프트 또는 개방 기간을 감소시킬 경우, 실린더내 분사장치에 의해 분사되는 연료의 비율이 리프트 또는 개방 기간의 감소량에 따라 증가하고, 이에 따라 텀블비의 감소가 분사류에 의해 보완된다.

Description

엔진{ENGINE}
본 발명은 엔진, 구체적으로는 연료를 실린더에 분사하는 실린더내 분사장치 및 연료를 흡기 매니폴드 또는 흡기 포트에 분사하는 포트 분사장치를 구비하고 밸브 개방 특성 변경 기구를 구비하는 엔진에 관한 것이다.
일반적으로, 연료를 실린더에 분사하는 실린더내 분사장치 및 연료를 흡기 매니폴드 또는 흡기 포트에 분사하는 포트 분사장치를 구비하며, 엔진의 작동 상태에 따라 이 분사장치를 선택적으로 사용하여, 예컨대 엔진이 저부하 작동 영역에 있을 경우에는 성층 충전 연소를, 엔진이 고부하 작동 영역에 있을 경우에는 균질 충전 연소를 달성하거나, 또는 이 분사장치들을 소정의 연료 분사 비율로 동시에 사용하여, 연비 및 출력 등과 같은 특성을 향상시키는 이른바 듀얼 분사 엔진이 공지되어 있다.
또한, 상기와 같은 타입이며, 터보과급기 등과 같은 과급기를 구비하는 듀얼 분사 엔진 또한, 예컨대 일본특허공보 제 11-351041 호에 공지되어 있다.
일본특허공보 제 11-351041 호에 개시된 이 과급기 장착 엔진은, 과급압에 따라, 실린더내 분사장치에서 분사되는 연료의 양 및 포트 분사장치에서 분사되는 연료의 양 간의 비율을 변화시킨다. 구체적으로는, 엔진이 고과급압 영역에서 정상 모드에 있을 경우, 포트 분사장치에서 분사되는 연료의 양의 비율은 증가하는 동시에, 실린더내 분사장치에서 분사되는 연료의 양의 비율은 감소한다. 실린더내 분사장치의 첨단부의 온도가 증가하여 소정치 이상이 될 경우, 실린더내 분사장치에서 분사되는 연료의 양의 비율은 엔진이 정상 모드에 있을 때의 비율보다 더 커진다. 이와 같이, 연소실에 균질한 공기-연료 혼합물이 형성되어, 연소 효율이 향상되고, 실린더내 분사장치에 퇴적물이 축적되는 것이 방지된다.
밸브 개방 특성 변경 기구를 구비하는 과급기 장착 희박 연소 엔진에 관하여, 예컨대 스로틀 밸브의 개도에 따라 흡입 공기량을 제어함으로써, 또한 펌핑 손실이 없는 밸브가 전개 (fully open) 된 상태에서 흡기 밸브의 밸브 리프트 또는 밸브 개방 기간 및 밀폐 타이밍의 제어를 통해 흡입 공기량을 제어하고, 과급기의 과급에 의해 형성되는 압력의 제어를 통해 흡입 공기량을 제어함으로써, 예컨대 연비 향상 및 배기 에미션 (emissions) 의 감소, 구체적으로는 NOx 의 감소를 고려하여, 중저속 및 중저부하 영역에 대응하는 희박 영역에 대해, 출력 토크 제어를 실행하는 것이 고려된다. 스로틀 밸브가 전개된 상태에서의 흡기 밸브의 밸브 리프트 또는 밸브 개방 기간의 제어를 통한 상기 흡입 공기량의 제어는, 연소실에 큰 텀블 유동 (tumble flow), 즉 고텀블비의 흡입 공기를 제공하여 희박 한계를 증가시킨다.
그러나, 도 3 에 도시된 텀블비와 흡기 밸브의 밸브 리프트 또는 밸브 개방 기간 사이의 관계로부터 알 수 있는 바와 같이, 실질적으로 흡기 밸브의 밸브 리프트 또는 밸브 개방 기간의 감소에 비례하여, 텀블비가 감소한다. 따라서, 흡기 밸브의 밸브 리프트 또는 밸브 개방 기간이 감소하면, 희박 연소에 필요한 텀블비를 충분히 달성할 수 없다. 이때, 텀블비의 감소로 인해, 도 4 의 흡기 밸브의 밸브 리프트 또는 밸브 개방 기간과 요구 공연비 사이의 관계에 도시된 바와 같이, 제어 공연비를 농후하게 설정하지 않을 수 없게 된다. 따라서, 연비가 악화되고 배기 에미션, 구체적으로는 NOx 가 악화되는 문제가 발생한다.
본 발명의 목적은, 상기 문제를 해결할 수 있고, 텀블비의 감소로 인한 희박 연소의 악화를 방지하여 연비를 향상시킬 수 있으며, NOx 를 감소시킬 수 있는 엔진을 제공하는 것이다. 일본특허공보 제 11-351041 호는 이러한 목적에 대해서 기술하고 있지 않다.
본 발명의 실시예에 따라, 엔진은, 연료를 실린더에 분사하는 실린더내 분사장치; 연료를 흡기 매니폴드에 분사하는 포트 분사장치; 흡기 밸브의 리프트 및 개방 기간 중 하나 이상을 변화시킬 수 있는 밸브 개방 특성 변경 기구; 및 엔진이 소정의 작동 영역에 있고 밸브 개방 특성 변경 기구가 흡기 밸브의 리프트 및 개방 기간 중 하나 이상을 감소시킬 경우, 리프트 및 개방 기간 중 하나 이상의 감소량에 따라 실린더내 분사장치에 의해 분사되는 연료의 비율을 증가시키는 연료 분사 제어 유닛을 포함한다. 여기서, 엔진은 과급기 장착 희박 연소 엔진일 수 있다.
과급압이 소정의 압력에 도달할 때까지, 실린더내 분사장치에 의해 분사되는 연료의 비율은 과급압의 크기에 따라 증가될 수 있다.
과급압이 소정의 압력을 초과할 경우, 실린더내 분사장치에 의해 분사되는 연료의 비율은 고정될 수 있다.
엔진은, 엔진이 소정의 작동 영역에 있고 밸브 개방 특성 변경 기구가 흡기 밸브의 리프트 및 개방 기간 중 하나 이상을 감소시킬 경우, 배기 밸브의 개/폐 타이밍을 변화시킴으로써 오버랩량을 증가시키는 오버랩 변경 유닛을 더 포함한다.
본 발명의 실시예의 엔진에 관하여, 과급기의 존재/부재에 관계없이, 엔진이 소정의 작동 영역에 있고 흡기 밸브의 리프트 및 개방 기간 중 하나 이상이 밸브 개방 특성 변경 기구에 의해 감소될 경우, 연료 분사 제어 유닛은 리프트 및 개방 기간 중 하나 이상의 감소량에 따라 실린더내 분사장치에 의해 분사되는 연료의 비율을 증가시킨다. 따라서, 실린더에 분사되는 연료의 양은 리프트 및 개방 기간 중 하나 이상의 감소량에 따라 증가한다. 이와 같이 증가하는 분사류는 흡기 밸브의 리프트 및 개방 기간 중 하나의 감소로 인해 감소한 텀블 유동을 보완하는 역할을 하여, 연비가 향상되고, NOx 가 감소한다. 본 발명의 엔진은 희박 연소 엔진으로 한정되지 않는다.
여기서, 엔진이 과급기를 포함할 경우, 과급압이 소정의 압력에 도달할 때까지, 실린더내 분사장치에 의해 분사되는 연료의 비율은 과급압의 크기에 따라 증가한다. 이와 같이, 소정의 과급압이 도달될 때까지, 연료 분사 제어 유닛은 과급압의 크기에 따라 실린더내 분사장치에 의해 분사되는 연료의 비율을 증가시킨다. 따라서, 희박 연소에 필요한 텀블비가 도달되는 소정의 과급압까지, 실린더내 분사장치에 의해 분사되는 연료의 양은 과급압의 크기에 따라 증가한다. 그러므로, 증대된 분사류가 과급압이 낮을 때의 텀블 유동을 보완하는 역할을 하여, 희박 연소가 유지되고, 연비가 향상되며, NOx 가 감소된다.
또한, 과급압이 소정의 압력을 초과할 경우, 실린더내 분사장치에 의해 분사되는 연료의 비율은 고정된다. 이와 같이, 과급압이 소정의 과급압을 초과할 경우, 연료 분사 제어 유닛은 실린더내 분사장치에 의해 분사되는 연료의 비율을 고정시킨다. 따라서, 실린더에 분사되는 연료의 양이 고정되는 동시에, 소정의 압력을 초과하는 과급압이 충분한 텀블비를 제공하여 더 희박한 공연비에서 희박 연소를 달성하게 된다.
또한, 엔진은, 엔진이 소정의 작동 영역에 있고, 밸브 개방 특성 변경 기구가 흡기 밸브의 리프트 및 개방 기간 중 하나 이상을 감소시킬 경우, 배기 밸브의 개/폐 타이밍을 변화시킴으로써, 오버랩을 증가시키는 오버랩 변경 유닛을 더 포함할 수 있다. 이와 같이, 내부 EGR 을 사용하여 NOx 를 더 감소시킬 수 있다. 또한, 흡기 밸브의 개/폐 타이밍의 변경으로 인한 실제 압축비에의 영향을 방지할 수 있다. 또한, 배기 밸브의 지각 개방은 고압축비라는 이점을 제공하고, 이에 따라 연비가 더 향상될 수 있고, NOx 가 더 감소될 수 있다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 엔진의 전체 시스템 구성을 도시하는 도면이다.
도 2 는 본 발명의 실시예의 전기적 구성을 도시하는 블록도이다.
도 3 은 밸브 개방 기간 또는 밸브 리프트와 텀블비 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 4 는 밸브 개방 기간 또는 밸브 리프트와 요구 공연비 (A/F) 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 5 는 본 발명의 실시예에 사용되는 엔진 작동 영역 맵의 예를 도시하는 그래프이다.
도 6 은 본 발명의 실시예의 과급기 장치 희박 연소 엔진의 희박 연소 영역에 대한 기본 출력 토크 제어의 예를 설명하는 그래프이다.
도 7 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 제어 처리 루틴의 예를 도시하는 순서도이다.
도 8 은 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예의 과급기 장착 희박 연소 엔진의 희박 연소 영역에 대한 출력 토크 제어를 설명하는 그래프이다.
도 9 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 제어 처리 루틴의 예를 도시하는 순서도이다.
도 10 은, (A) 및 (C) 가 도 6 의 영역 (a) 및 영역 (c) 에 대한 각각의 밸브 타이밍에 대응하고, (B) 는 배기 밸브 (EX) 의 개/폐 타이밍의 진각이 제어되어 오버랩량을 변화시키는 경우의 밸브 타이밍을 도시하는, 본 발명의 제 2 실시예의 밸브 타이밍을 도시하는 그래프이다.
이어서, 도면을 참조하여 본 발명을 실행하기 위한 최선의 형태를 상세하게 설명한다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예가 적용되는 과급기로서 터보과급기를 구비하는 과급기 장착 희박 연소 엔진을 일반적으로 나타내는 시스템 구성을 개략적으로 도시한다. 도 1 에 도시된 엔진 (100) 은, 다기통 엔진 (예컨대, 4기통 엔진, 도 1 에는 하나의 실린더만 도시하였음) 으로 구성되어 있고, 각 연소실 (102) 에서 공기-연료 혼합물을 연소시켜 피스톤 (103) 을 왕복시키고 이에 따라 크랭크축 (비도시) 으로부터 원동력을 얻는다. 엔진은 과급기를 구비하지 않아도 된다.
엔진 (100) 의 각 연소실 (102) 은 흡기 포트 (104) 및 배기 포트 (105) 와 연통하고 있다. 흡기 포트 (104) 에는 흡기 매니폴드 (106) 가 연결되어 있다. 배기 포트 (105) 에는 배기 매니폴드 (107) 가 연결되어 있다. 엔진 (100) 의 실린더 헤드에는, 흡기 포트 (104) 를 개/폐하는 흡기 밸브 (IN) 및 배기 포트 (105) 를 개/폐하는 배기 밸브 (EX) 가 각 연소실 (102) 에 제공되어 있다. 엔진 (100) 은 실린더의 수에 대응하는 수의 스파크 플러그 (109) 를 더 구비한다. 스파크 플러그 (109) 는 대응하는 연소실 (102) 의 안쪽을 향하도록 실린더 헤드에 제공되어 있다.
본 발명의 엔진 (100) 에는, 연료를 흡기 포트 (104) 에 분사 및 공급하는 포트 분사장치 (110p) 와 연료를 연소실 (102) 에 직접 분사 및 공급하는 실린더내 분사장치 (110c) 가 제공되어 있다. 엔진 (100) 은 실린더의 수에 대응하는 수의 실린더내 분사장치 (110c) 를 구비한다. 각 실린더내 분사장치 (110c) 는 대응하는 연소실 (102) 에 가솔린과 같은 연료를 직접 분사할 수 있고, 연료 공급 관을 통해 가솔린 등의 액체 연료를 저장하는 연료 탱크 (구성요소 비도시) 에 연결된다. 또한, 상기 포트 분사장치 (110p) 는 대응하는 흡기 포트 (104) 에 가솔린 등의 연료를 분사할 수 있고, 연료 공급 관 (비도시) 을 통해 상기 연료 탱크에 연결된다. 연소실 (102) 마다 하나 이상의 실린더내 분사장치 (110c) 가 제공되어 있다.
여기서, 본 발명의 엔진 (100) 에 있어서, 흡기 밸브 (IN) 는, 흡기 밸브 (IN) 의 개/폐 타이밍뿐만 아니라 밸브 리프트 또는 밸브 개방 기간을 포함하는 밸브 개방 특성도 변화시킬 수 있는 가변 리프트 기구 및 가변 밸브 타이밍 기구를 구비하는 흡기 밸브 기구 (112) 에 의해 개/폐된다. 배기 밸브 (EX) 는, 적어도 개/폐 타이밍을 포함하는 밸브 개방 특성을 변화시킬 수 있는 가변 밸브 타이밍 기구를 구비하는 배기 밸브 기구 (114) 에 의해 개/폐된다. 여기서, 흡기 밸브 기구 (112) 는, 예컨대 일본특허공보 제 2001-263015 호에 개시된 중개 구동 기구를 포함하도록 구성되는 공지의 밸브 개방 특성 제어 장치에 의해 실현될 수 있다. 또한, 배기 밸브 기구 (114) 도 공지되어 있다. 그러므로, 그들의 상세한 설명을 피하고, 이하에 간단하게 설명한다.
밸브 리프트 또는 밸브 개방 기간 및 개/폐 타이밍에 관해서, 밸브 리프트 또는 밸브 개방 기간은 가변 리프트 기구에 의해 변화되는 한편, 개/폐 타이밍은 가변 밸브 기구에 의해 변화된다.
흡기 밸브 (IN) 는 밸브 개방 특성 제어 장치 및 로커 아암의 중개 구동 기구를 통해 흡기 캠에 의해 리프트된다. 중개 구동 기구의 제어 축의 위치가 제 어됨으로써, 흡기 캠에 의한 구동 기간이 제어되고, 밸브 리프트 및 개방 타이밍으로부터 밀폐 타이밍까지의 각도 범위, 즉 흡기 밸브 (IN) 의 밸브 개방 기간이 제어된다. 또한, 흡기 캠은 흡기 캠 샤프트에 부착되고, 흡기 캠 샤프트의 위상은 흡기 밸브 (IN) 의 개/폐 타이밍이 변화하도록 변화될 수 있다. 횡 대칭인 흡기 캠이 사용되는 한, 밸브 리프트 및 밸브 개방 기간은, 밸브 리프트가 감소함에 따라 밸브 개방 기간이 감소하는 관계에 있다. 그러므로, 이하의 설명에서는, 어떤 경우에, 이 요소들 중 하나를 사용할 수 있다.
마찬가지로, 배기 밸브 (EX) 는 로커 아암을 통해 배기 캠에 의해 리프트된다. 배기 캠은 배기 캠 샤프트에 부착되어 있고, 배기 캠 샤프트의 위상은 배기 밸브 (EX) 의 개/폐 타이밍이 변경되도록 변화될 수 있다. 여기서, 상기 흡기 밸브 (IN) 및 배기 밸브 (EX) 의 개/폐 타이밍은 흡기 캠 샤프트 및 배기 캠 샤프트 각각의 위상을 변화시킴으로써 변화된다. 그러므로, 기준 위치에 대한 이들 갬축의 각각의 위상의 진각 또는 지각에 따라, 개/폐 타이밍이 변화되는 동시에, 밸브 개방 기간은 일정하게 유지된다.
엔진 (100) 의 피스톤 (103) 은, 최상단에 오목부 (103a) 가 형성되어 있는 이른바 깊은 접시 타입으로 구성되어 있다. 엔진 (100) 에서는, 공기가 각 연소실 (102) 로 유입되는 상태에서, 가솔린 등의 연료가 각 실린더내 분사장치 (110c) 로부터 각 연소실 (102) 의 피스톤 (103) 의 오목부 (103a) 쪽으로 직접 분사될 수 있다. 따라서, 엔진 (100) 에서는, 농후한 공기-연료 혼합물 층이 주위의 희박한 공기-연료 혼합물과 분리된 상태로 스파크 플러그 (109) 가까이에 형 성된다. 이와 같이, 상당히 희박한 공기-연료 혼합물을 이용하여 안정된 상태의 연소를 실행할 수 있다.
본 발명의 엔진 (100) 은 과급기 (120) 를 구비한다. 과급기 (120) 는, 배기 통로에 제공된 터빈 (120T) 에 공급되는 배기 가스의 에너지를 이용하여 흡기 통로에 제공된 압축기 (120C) 를 구동함으로써 과급을 달성한다. 과급기는, 터빈 (120T) 의 입구 노즐부에서 가변 유동 기구의 역할을 하는 가변 노즐 (120VN) 인 과급 제어 장치를 포함한다. 이 가변 노즐 (120VN) 은 DC 모터 등의 전기구동식 엑츄에이터를 포함하도록 구성되는 가변 노즐 작동 엑츄에이터 (121) 에 의해 구동되어, "전폐" 위치, "전개" 위치, 및 이들의 중간 위치 중 어느 하나에 놓이게 된다. 여기서, 가변 노즐의 "전폐" 는, 가변 노즐의 구성요소인 가변 베인에 의해, 최소 유동 면적을 갖도록 노즐이 밀폐된 상태를 말하며, 가변 노즐의 "전개" 는, 최대 유동 면적을 갖도록 노즐이 개방된 상태를 말한다. 여기서, 과급 제어 장치는, 터빈 (120T) 의 입구측 및 출구측을 서로 연통하게 하는 바이패스 경로에 제공된 웨스트게이트 밸브 (wastegate valve) 에 의해 구현될 수 있다.
또한, 흡기 매니폴드 (106) 에 연결되어 있는 흡기 통로 (122) 에는, 서지 탱크 (124) 가 제공되어 있다. 서지 탱크의 상류측에는, 흡기량을 조절하는 스로틀 밸브 (126) 가 제공되어 있다. 스로틀 밸브 (126) 는 이른바 전자제어식 스로틀 밸브이고 스로틀 모터 (128) 에 의해 구동된다. 흡기 통로 (122) 의 입구에는 공기 필터 (132) 가 제공되어 있다. 필터의 하류측에는, 흡입공기량을 검출하는 공기유량계 (134) 가 제공되어 있다. 압축기 (120C) 의 하류측에는, 흡입 공기를 냉각시키는 인터쿨러 (130) 가 제공되어 있다. 또한, 흡기 통로 (122) 의 압축기 (120C) 의 하류측에는, 과급압 (흡입공기압) 센서 (136) 가 제공되어 있다.
과급기 (120) 의 터빈 (120T) 의 하류측에는, 배기관 (140) 이 연결되어 있다. 배기관 (140) 의 통로에는, 예컨대 웜밍업을 위한 3원 촉매 (142) 와 희박연소 상태에서의 NOx 를 처리하는 NOx 촉매 (144) 가 제공되어 있다. 이들 촉매 장치에 의해, 각 연소실 (102) 로부터의 배기 가스가 정화된다. 본 실시예에서는, 터빈 (120T) 의 바로 하류에, 배기 가스의 공연비를 검출하는 전역 (whole area) 공연비 센서 (146) 가 제공되어 있다. 또한, 3원 촉매 (142) 의 하류측에는, 제 1 산소 센서 (147) 가 제공되어 있다. 또한, NOx 촉매 (144) 의 하류측에는, 제 2 산소 센서 (148) 가 제공되어 있다. 여기서, 배기 가스의 특성 및 상태를 검출하는 이 전역 공연비 센서 (146) 및 제 1 및 제 2 산소 센서 (147, 148) 를 배기 센서 (149) 로 총칭할 수 있다.
엔진 (100) 은 도 2 에 도시되어 있는 구성의 제어 시스템을 구비한다. 엔진 (100) 은 제어 수단의 역할을 하는 전자 제어 유닛 (이하, "ECU") (200) 를 포함한다. ECU (200) 는 CPU, ROM, RAM 과 같은 저장 장치와, 입/출력 포트, 및 예컨대 다양한 정보 및 맵을 저장하는 백업 RAM 을 포함한다. ECU (200) 의 입력 포트에는, 상기의 공연비 센서 (146) 를 포함하는 배기 센서 (149) 및 과급압 센서 (136), 엔진 (100) 의 크랭크축 근방에 제공된 크랭크 각 센서 (151), 액셀 페달의 개도를 검출하는 액셀 페달 위치 센서 (152), 엔진 냉각제의 온도를 검출하 는 냉각제 센서 (153), 스로틀 밸브 (126) 의 개도를 검출하는 스로틀 개방 위치 센서 (154), 흡기 밸브 기구 (112) 의 밸브 개방 특성을 제어하는 제어 축 위치 센서 (155), 흡기 캠 위치 센서 (156), 및 배기 밸브 기구 (114) 를 제어하는 배기 캠 위치 센서 (157) 등과 같은 다양한 센서가, A/D 변환기 (비도시) 를 통하여 접속되어 있다. ECU (200) 는, 이들 센서의 각각의 검출 신호를 수신하여 각각의 검출 값을 획득한다. 또한, ECU (200) 의 출력 포트에는, 상기 흡기 밸브 기구 (112), 배기 밸브 기구 (114), 스파크 플러그 (109), 분사장치 (110c, 110p), 스로틀 모터 (128), 가변 노즐 작동 엑츄에이터 (121) 등의 다양한 엑츄에이터가, D/A 변환기 (비도시) 를 통해 접속되어 있다.
ECU (200) 는, 예컨대 저장 장치에 저장된 다양한 맵, 기준 값, 설정 값을 이용하고, 이 정보 및 센서의 검출 값에 기초하여, 분사장치 (110c) 와 분사장치 (110p) 사이의 연료 분사 비율에 의해 분사되는 연료량, 스파크 플러그 (109) 에 의한 점화 타이밍, 스로틀 모터 (128) 에 의한 스로틀 밸브의 개도, 가변 노즐 작동 엑츄에이터 (121) 에 의해 형성된 과급압, 흡기 밸브 기구 (112) 에 의한 흡기 밸브 (IN) 의 밸브 리프트 또는 밸브 개방 기간 및 개/폐 타이밍, 및 배기 밸브 기구 (114) 에 의한 배기 밸브 (EX) 의 개/폐 타이밍 등의 엔진 작동 파라미터를 제어한다. 특히, ECU (200) 의 저장 장치에는, 종축이 액셀 페달 이동량 (액셀 페달 위치 센서 (152) 에 의해 검출되는 액셀 페달의 개도로 표시되는 요구 부하) 을 나타내고, 횡축이 엔진 속도 (크랭크 각 센서 (151) 에 의해 검출되는 엔진 회전 속도) 를 나타내는 도 5 에 도시된 맵과 유사한, 엔진 (100) 의 작동 상태 영역 을 나타내는 맵이 저장되어 있다. 맵에는, 엔진 (100) 의 요구 특성에 따라 상기 제어를 위해 실험적으로 결정된 최적 값이 설정되어 있고, 이 맵은 ECU (200) 의 저장 장치에 저장되어 있다.
여기서, 본 발명의 엔진 (100) 이 희박 연소 영역에 있을 때의 출력 토크 제어의 예를, 도 5 의 엔진 작동 상태 영역 맵을 참조하여 설명한다. 이 엔진 (100) 에 대해서, 액셀 페달이 많이 눌려 있을 때, 즉 영역이 고부하 및 고 엔진 rpm 또는 고 엔진 속도 영역에 있을 때의 이론공연비 (이하, 스토이치메트릭이라 함) 에 따른 연소 영역 (도 5 의 스토이치메트릭 영역 "1" 에 나타낸 연소 영역), 및 나머지 중저부하 영역 및 중저속 영역에 대응하는 희박 공연비에 따른 연소 영역 (도 5 의 희박 영역 "2" 에 나타낸 희박 연소 영역) 에 대한 제어가 개별적으로 실행된다. 이 희박 영역 "2" 에 대해서, 기본적으로, 연료가 포트 분사장치 (110p) 에서 분사되어 연소실 (102) 에 균질한 희박 공기-연료 혼합물을 형성하고, 세 영역 ((a), (b), 및 (c) : 극저부하 및 극저속 영역 (a); 저부하 및 저속 영역 (b); 및 중부하 및 중속 영역 (c)) 에 대해서 상기의 출력 토크 제어가 개별적으로 실행된다.
이들 영역에 대해서, 예컨대 도 6 에 도시된 바와 같이, 예컨대 (A) 스로틀 밸브의 개방 정도 (이하, 스로틀 개도라 함), (B) 흡기 밸브 (IN) 의 밸브 리프트 또는 밸브 개방 기간 (도 6 에 "IN 개방 기간" 으로 표시되어 있음), (C) 흡기 밸브 (IN) 의 개/폐 타이밍의 진각량 (도 6 에는 "IN VVT" 로 표시되어 있음), 및 (D) 과급압 등의 엔진 작동 파라미터가 설정된다. 구체적으로는, 영역 (a) 에 대하여, 액셀 개도의 증가, 즉 요구 출력 토크의 증가에 따라, 흡입 공기량의 제어를 위해, 스로틀 개도는 실질적으로 선형적으로 증가한다. 이때, 흡기 밸브 (IN) 의 밸브 리프트 또는 밸브 개방 기간은 큰 리프트 또는 긴 개방 기간으로 유지된다. 도 6 의 최상부의 밸브 타이밍과 같이, 개방 타이밍은 실질적으로 상사점 (TDC) 직후이고, 밀폐 타이밍은 하사점 (BDC) 이후로 현저하게 지연된다. 개/폐 타이밍의 진각량은 작게 되는데, 즉 통상의 것에 대해서 지각된다. 따라서, 엣킨슨 사이클 (Atkinson cycle) 의 연비가 향상된다. 엔진이 이 영역 (a) 에서 작동할 때, 배기 에너지는 불충분하기 때문에, 과급압은 실질적으로 0 이다.
영역 (b) 에 대해서, 액셀 개도는 증가하지만, 스로틀 밸브는 실질적으로 전개 상태로 유지되어 있고, 액셀 개도가 증가함에 따라 흡기 밸브 (IN) 의 밸브 리프트 또는 밸브 개방 기간은 감소하고, 개/폐 타이밍 (IN VVT) 이 변화되어 (진각되어) 밸브는 상사점 직후에 개방되고 하사점보다 다소 늦게 밀폐됨으로써 흡입 공기량을 제어한다. 또한, 영역 (c) 에 대해서는, 영역 (b) 에 대한 제어 상태가 유지되면서, 액셀 개도가 증가함에 따라 과급압이 증가함으로써, 흡입 공기량이 제어된다.
본 발명의 엔진 (100) 과 관련하여, 상기 기본 출력 토크 제어에 따라, 흡기 밸브 (IN) 의 리프트 또는 개방 기간의 감소로 인한 텀블비 저하에 기인하는 희박 한계의 저하를 실린더내 분사장치 (110c) 에 의한 분사류를 이용하여 효과적으로 방지하여, 연비를 향상시키고 배기 에미션, 특히 NOx 를 감소시킨다.
다음, 도 7 및 도 8 의 순서도를 참조하여 본 발명의 제 1 실시예의 제어에 대해 설명한다. 도 7 은 본 실시예의 ECU (200) 에 의해 실행되는 포트 분사장치 (110p) 와 실린더내 분사장치 (110c) 사이의 연료 분사 비율의 변화를 제어하는 처리 루틴을 도시한다. 이 처리 루틴은 소정의 설정된 크랭크 각마다 반복된다.
우선, S701 에서는, ECU (200) 는 상기 센서들에 포함되는 액셀 페달 위치 센서 (152) 및 크랭크 각 센서 (151) 의 검출 값에 기초하여, 액셀 개도 (요구 부하) 및 회전수 (Ne) (회전 속도) 로부터 엔진의 작동 영역을 판정한다. 또한, 후속 단계 S702 에서는, 스로틀 개방 위치 센서 (154), 제어 축 위치 센서 (155), 흡기 캠 위치 센서 (156), 및 배기 센서 (149) 의 각각의 검출 값으로부터, 스로틀 개도, 흡기 밸브 (IN) 의 리프트 또는 개방 기간, 흡기 밸브 (IN) 의 개/폐 타이밍의 진각량, 및 제어 공연비 (이하, 제어 A/F 라함) 등과 같은 각각의 엔진 작동 파라미터의 현재 값을 결정한다. 다음의 처리는 S703 으로 진행되어, 엔진 상태가, 현재 연료가 특정 연료 분사 비율로 포트 분사장치 (110p) 및 실린더내 분사장치 (110c) 로부터 분사되는 영역에 있는지 없는지를 판정한다. 이러한 판정은, 예컨대 흡기 밸브 (IN) 의 리프트 또는 개방 기간이 판정을 위한 소정의 리프트 또는 개방 기간 이하인지 아닌지에 따라 이루어진다.
S703 에서의 판정 결과가 부정 (="아니오") 일 경우, 즉 밸브 리프트 또는 밸브 개방 기간이 판정을 위한 소정의 리프트 또는 개방 기간보다 클 경우, 처리는 S704 로 진행된다. 그 다음, 상기의 기본 제어에 따라, 연료의 100% 가 포트 분사장치 (110p) 로부터 분사된다. 즉, 실린더내 분사장치 (110c) 로부터의 연 료 분사가 정지되는데, 즉 실린더내 분사 비율 (α) = 0% 으로 연료를 분사하라는 지시가 내려지고, 이 처리 루틴은 종료된다. 작동 상태에 따른 분사되는 연료의 양 및 연료 분사 타이밍을 포함하는 연료 분사 제어는 다른 루틴을 통하여 실행된다.
S703 에서의 판정 결과가 긍정 (="예") 인 경우, 즉 밸브 리프트 또는 밸브 개방 기간이 판정을 위한 소정의 밸브 리프트 또는 밸브 개방 기간보다 작을 경우, 처리는 S705 로 진행되어, 실린더내 분사장치에 의한 연료 분사 비율 (α(%)) 을 결정한다. 구체적으로는, 흡기 밸브 (IN) 의 리프트 또는 개방 기간에 따라, 실린더내 연료 분사비 (α) 가 결정된다 (도 8 의 영역 (b), (B) IN 개방 기간, (E) 연료 분사 비율 참조). 따라서, 리프트 또는 개방 기간의 감소에 따라, 실린더내 연료 분사 비율 (α) 및 이에 따른 실린더내 분사장치로부터 분사되는 연료량이 증가한다. 이와 같이, 증대된 분사류는, 흡기 밸브의 리프트 또는 개방 기간의 감소로 인한 텀블 유동의 감소를 보완한다. 따라서, 희박 한계가 높게 유지되고, 제어 A/F 를 농후하게 설정할 필요성이 회피된다. 엔진 작동 상태에 대해 필요한 분사 연료의 총량이 100% 이고, 실린더내 분사장치에 의해 분사되는 연료의 비가 α 라고 하면, 포트 분사장치 (110p) 에 의해 분사되는 연료의 비는 (100 - α)(%) 가 된다. 이와 같이, 실린더내 분사장치로부터 분사되는 연료의 비율이 결정되면, 포트 분사장치로부터 분사되는 연료의 비율이 유일하게 결정된다. 그러므로, 다음의 설명에서는, 실린더내 분사장치로부터 분사되는 연료의 비율 (α) 만을 사용한다.
이어서, 본 실시예에서는, S 705 에서, 흡기 밸브 (IN) 의 리프트 또는 개방 기간에 따라 실린더내 분사장치에 의해 분사되는 연료의 비율 (α) 이 결정된 이후에, 다음의 S706 에서, 과급압의 현재 값인 실제 과급압 (Dp) 이 과급 센서 (136) 의 검출 값으로부터 결정된다. 그 다음, S707 에서는, 이 실제 과급압 (Dp) 이, 미리 결정되며 희박 연소를 위해 필요한 텀블비가 획득되는 설정 과급압 (Ds) (도 8 의 영역 (c) 참조) 보다 큰 지 아닌지를 판정한다. 실제 과급압 (Dp) 이 소정의 설정 과급압 (Ds) 보다 작은 것으로 판정될 경우, 즉 판정 결과가 긍정 (="예") 일 경우, 처리는 S708 로 진행된다. 그 다음, 이 실제 과급압 (Dp) 의 크기에 따라, 실린더내 분사장치로부터 분사되는 연료의 비율 (α) 이 증가한다. 즉, 실제 과급압 (Dp) 이 소정의 설정 과급압 (Ds) 에 도달할 때까지, 실린더내 분사장치 (110c) 로부터 분사되는 연료의 비율 (α) 은 실제 과급압 (Dp) 의 크기에 따라 증가한다. 이와 같이, 과급압이 불충분하면, 실린더내 연료 분사 비율 (α) 을 증가시키고, 이에 따라 실린더내 분사장치로부터 분사되는 연료량을 증가시켜, 증대된 분사류로 텀블 유동의 부족을 보완한다. 따라서, 희박 한계가 높게 유지되고, 제어 A/F 를 농후하게 설정할 필요성이 회피된다.
S707 에서, 실제 과급압 (Dp) 이 소정의 설정 과급압 (Ds) 보다 큰 것으로 판정될 경우, 즉 판정 결과가 부정 (="아니오") 일 경우, 이는, 과급압에 의해 흡입 공기가 충분한 텀블비로 공급되는 것을 의미한다. 그 다음, 처리는 S708 을 거치지 않고 S709 로 진행된다. S709 에서는, 도 8 에 도시된 바와 같이, 영역 (c) 에서 실제 과급압 (Dp) 이 소정의 설정 과급압 (Ds) 에 도달할 때까지, 실린더 내 분사장치로부터 분사되는 연료의 비율을 증가시키는 (실제 과급압 (Dp) 이 소정의 설정 과급압 (Ds) 에 도달한 이후에는, 실린더내 분사장치 (110c) 로부터 분사되는 연료의 비율이 고정되는) 제어 및 실제 과급압 (Dp) 이 소정의 설정 과급압 (Ds) 을 초과할 때 과급압 자체에 의해 달성되는 고 텀블비는 희박 공연비를 더 제공한다. 따라서, 제어 A/F 는 희박에 가까워지도록 보정된다. 따라서, 희박 연소가 유지되고, 연비가 향상되며, NOx 가 더 감소된다.
도 9 의 순서도 및 도 8 을 참조하여, 본 발명의 제 2 실시예의 제어를 설명한다. 도 9 는, 포트 분사장치 (110p) 와 실린더내 분사장치 (110c) 사이의 연료 분사 비율의 변화 및 본 실시예의 ECU (200) 에 의해 실행되는 오버랩의 변화를 제어하는 처리 루틴이다. 이 처리 루틴 또한 소정의 설정 크랭크 각마다 반복된다.
이러한 제 2 실시예에서는, 특히 상기 제 1 실시예의 영역 (b) 에 대해서, 도 10 에 도시된 바와 같이 배기 밸브 (EX) 의 개/폐 타이밍의 진각 (이하, EX VVT 진각이라 함) 의 정도를 더 제어하여, 오버랩 (또는, O/L 양 이라고 함) 의 변화를 제어하고, 이에 따라 연비를 더 향상시키며, NOx 를 더 감소시킨다. 여기서, 도 10 의 (A) 및 (C) 는 각각 상기 도 6 의 영역 (a) 및 영역 (c) 에 대한 밸브 타이밍에 대응한다. 도 10 의 (B) 는, 배기 밸브 (EX) 의 개/폐 타이밍의 진각을 제어하여 오버랩을 변화시키는 경우의 밸브 타이밍을 나타낸다.
상기와 같이, 영역 (b) 에 대해서, 흡기 밸브 (IN) 의 리프트 또는 개방 기간 및 개/폐 타이밍 (IN VVT) 의 진각을 제어하여, 흡입 공기량을 제어하고, 이에 따라 출력 토크를 제어한다. 여기서, 흡기 밸브 (IN) 의 밀폐 타이밍은 흡입 공기량뿐만 아니라 실제 압축비 및 텀블비를 제어하는데 중요한 제어 파라미터이다. NOx 를 더 감소시키는데 이용되는 내부 EGR 양은 밸브 오버랩량을 증가시킴으로써 제어될 수 있다. 밸브 오버랩을 증가시키기 위해서, 흡기 밸브 (IN) 의 개/폐 타이밍 (IN VVT) 을 진각시키거나 배기 밸브 (EX) 의 개/폐 타이밍 (EX VVT) 을 지각시킬 수 있다. 그러나, 오버랩을 증가시키기 위해 흡기 밸브 (IN) 의 개/폐 타이밍 (IN VVT) 을 진각시키면, 실제 압축비가 상기의 엣킨슨 사이클에 필요한 것보다 더 크게 증가하여, 노킹을 회피하기 위한 점화 타이밍 지각 또는 내부 EGR 보정을 위한 점화 타이밍 지각 제어의 영향으로 인한 희박 연소의 실패를 초래하게 된다. 이에 비해, 오버랩을 증가시키기 위한 배기 밸브 (EX) 의 개/폐 타이밍 (EX VVT) 의 지각은, 실제 압축비에 영향을 더 적게 미치고, 내부 EGR 보정만을 위해 점화 타이밍 지각을 설정할 수 있어, 희박 연소에 바람직하다. 또한, 배기 밸브 (EX) 의 지각 개방은 고압축비 효과를 제공하여, 연비를 더 향상시키고, NOx 를 더 감소시킨다.
그 다음, 제 2 실시예 있어서, 우선, S901 에서는, 액셀 페달 위치 센서 (152) 및 크랭크 각 센서 (151) 의 검출 값으로부터 검출되는 액셀 개도 및 회전수 (Ne) 로부터 엔진 작동 영역을 판정한다. 또한, 후속의 S902 에서는, 스로틀 개방 위치 센서 (154), 제어 축 위치 센서 (155), 흡기 캠 위치 센서 (156), 및 배기 센서 (149) 의 각각의 검출 값으로부터, 스로틀 개도, 흡기 밸브 (IN) 의 리프트 또는 개방 기간, 흡기 밸브 (IN) 의 개/폐 타이밍 진각, 및 제어 A/F 등과 같은 각각의 작동 파라미터의 현재 값을 결정한다. 그 다음, 처리는 흡기 밸브 (IN) 의 리프트 또는 개방 기간이 판정을 위해 사용되는 소정의 리프트 또는 개방 기간 이하인지 아닌지의 판정에 따라, 작동 영역이 연료가 특정 연료 분사 비율로 포트 분사장치 (110p) 및 실린더내 분사장치 (110c) 로부터 분사되는 연료 분사 영역에 있는지 아닌지를 판정하는 S903 으로 진행된다.
S903 에서의 판정 결과가 부정 (="아니오") 인 경우, 즉 리프트 또는 개방 기간이 판정을 위한 소정의 리프트 또는 개방 기간보다 큰 경우, 처리는 S904 로 진행되어, 상기 기본 제어에서와 같이, 포트 분사장치 (110p) 로부터 100% 의 연료 분사 비율로 연료를 분사시키는 지시를 내린다. 즉, 실린더내 분사장치로부터 0% 의 연료 분사비, 즉 α=0% 로 연료를 분사시키는 지시가 내려진다. 그 다음, S905 에서는, 오버랩 (O/L) 이 0 이 되도록 하는 배기 밸브 (EX) 의 개/폐 타이밍 진각이 결정되고, 처리 루틴은 종료된다.
이에 비해, S903 에서의 판정이 긍정 (="예") 이고, 이에 따라 리프트 또는 개방 기간이 판정을 위해 사용되는 소정의 리프트 또는 개방 기간보다 작으면, 처리는 S906 으로 진행되어, 흡기 밸브 (IN) 의 리프트 또는 개방 기간에 따른 실린더내 분사장치의 연료 분사비 (α(%)) 를 결정한다 (도 8 의 영역 (b) 참조). 그 다음, 본 실시예에서는, S907 에서, 흡기 밸브 (IN) 의 리프트 또는 개방 기간에 따른 오버랩 (O/L) 의 양을 획득하기 위해서, 배기 밸브 (EX) 의 개/폐 타이밍 (EX VVT) 의 진각을 결정한다. 점화 타이밍은 이러한 오버랩 (O/L) 양에 대응하는 내부 EGR 양에 적합한 타이밍으로 보정된다. 또한, S907 에서는, 실린더 내 분사장치 (110c) 의 연료 분사 타이밍이 배기 밸브 (EX) 의 밀폐 타이밍 이후가 되도록 설정된다. 따라서, 배기 밸브 (EX) 가 밀폐된 이후의 실린더내 분사장치 (110c) 로부터의 분사류는 고텀블비를 제공한다.
또한, 다음의 S908 에서는, 과급 센서 (136) 의 검출 값으로부터, 과급압의 현재 값인 실제 과급압 (Dp) 을 결정한다. S909 에서는, 이러한 실제 과급압 (Dp) 이 미리 결정되고 희박 연소에 필요한 텀블비가 획득되는 설정 과급압 (Ds) 보다 큰 지를 판정한다 (도 8 의 영역 (c) 참조). 실제 과급압 (Dp) 이 이러한 소정의 설정 과급압 (Ds) 보다 작은 것으로 판정될 경우, 즉 판정이 긍정 (="예") 일 경우, 처리는 S910 으로 진행되어, 실제 과급압 (Dp) 의 크기에 따라 실린더내 분사장치 (110c) 의 연료 분사 비율 (α) 을 증가시킨다. 따라서, 루틴은 종료된다. 즉, 실제 과급압 (Dp) 이 소정의 설정 과급압 (Ds) 에 도달할 때까지, 실린더내 분사장치 (110c) 의 연료 분사 비율 (α) 은 실제 과급압 (Dp) 의 크기에 따라 증가한다. 이와 같이, 실린더내 분사장치의 연료 분사 비율 (α) 및 이에 따른 실린더내 분사장치로부터 분사되는 연료량은 과급압의 부족을 처리하기 위해 증가한다. 그 다음, 증대된 분사류는 텀블 유동의 부족을 보완한다. 따라서, 희박 한계가 높게 유지되고, 제어 A/F 를 농후하게 설정할 필요성이 회피된다.
이에 비해, S909 에서 실제 과급압 (Dp) 이 소정의 설정 과급압 (Ds) 보다 큰 것으로 판정될 경우, 즉 판정이 부정 (="아니오") 일 경우, 과급압은 흡입 공기가 충분한 텀블비로 공급될 수 있게 한다. 그 다음, 처리는 상기의 S910 을 거치지 않고 S911 으로 진행된다. S911 에서는, 도 8 에 도시된 바와 같이, 영역 (c) 에서 실제 과급압 (Dp) 이 소정의 설정 과급압 (Ds) 에 도달할 때까지, 실린더내 분사장치의 연료 분사 비율 (α) 을 증가시키도록 제어하고 (실제 과급압 (Dp) 이 소정의 설정 과급압 (Ds) 에 도달한 이후에는, 실린더내 분사장치 (110c) 의 연료 분사 비율 (α) 은 고정된다), 실제 과급압 (Dp) 이 소정의 설정 과급압 (Ds) 을 초과할 경우, 과급압 자체에 의해 고텀블비가 달성되며, 따라서 공연비는 더 희박해 질 수 있다. 그러므로, 상기 오버랩 (O/L) 양을 감소시킬 목적으로, 배기 밸브 (EX) 의 개/폐 타이밍 (EX VVT) 의 진각이 보정되어, 점화 타이밍은 이 오버랩 (O/L) 량에 대응하는 내부 EGR 량에 적합한 타이밍이 된다. 또한, 실린더내 분사장치 (110c) 의 연료 분사 타이밍은 배기 밸브 (EX) 의 밀폐 타이밍의 보정에 따라 보정되기도 한다. 그 다음, S912 에서는, 상기 실시예에서와 같이, 제어 A/F 는 더 희박해 지도록 더 보정된다. 이와 같이, 더 희박한 연소가 유지되고, 연비가 증대되며, NOx 가 더 감소된다.
본 발명을 상세하게 설명하고 도시하였지만, 이는 설명 및 예시를 위한 것일 뿐이고, 한정하려는 것은 아니며, 본 발명의 요지 및 범위는 첨부의 청구항으로 한정된다.

Claims (8)

  1. 연료를 실린더에 분사하는 실린더내 분사장치;
    연료를 흡기 매니폴드에 분사하는 포트 분사장치;
    흡기 밸브의 리프트 및 개방 기간 중 하나 이상을 변화시키는 밸브 개방 특성 변경 기구; 및
    상기 엔진이 소정의 작동 영역에 있고 상기 밸브 개방 특성 변경 기구가 흡기 밸브의 리프트 및 개방 기간 중 하나 이상을 감소시킬 경우, 리프트 및 개방 기간 중 하나 이상의 감소량에 따라 상기 실린더내 분사장치에 의해 분사되는 연료의 비율을 증가시키는 연료 분사 제어 유닛을 포함하는 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서, 과급기를 더 포함하며, 상기 연료 분사 제어 유닛은, 과급압이 소정의 압력에 도달할 때까지, 과급압의 크기에 따라 상기 실린더내 분사장치에 의해 분사되는 연료의 비율을 증가시키는 엔진.
  3. 제 2 항에 있어서, 과급압이 상기 소정의 압력을 초과할 경우, 상기 연료 분사 제어 유닛은 실린더내 분사장치에 의해 분사되는 연료의 비율을 고정시키는 엔진.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 엔진이 소정의 작동 영역에 있고 상기 밸브 개방 특 성 변경 기구가 흡기 밸브의 리프트 및 개방 기간 중 하나 이상을 감소시킬 경우, 배기 밸브의 개/폐 타이밍을 변화시킴으로써 오버랩량을 증가시키는 오버랩 변경 유닛을 더 포함하는 엔진.
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