KR100939391B1

KR100939391B1 - 직접 분사식 엔진의 작동 방법

Info

Publication number: KR100939391B1
Application number: KR1020097006745A
Authority: KR
Inventors: 하인츠 브리취; 게르놋 뷔르펠
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2001-09-15
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2010-01-28
Also published as: US20050028782A1; US7080624B2; EP1430210A1; EP1430210B1; KR100995724B1; KR20040029173A; KR20090040396A; WO2003027473A1; JP2005504213A; DE10145580A1; DE50202654D1; JP4116553B2

Abstract

본 발명은 특히 차량의 직접 분사식 엔진(1)의 다공 분사 밸브(9)의 분사구의 내부 코크스화를 방지하기 위한 방법에 관한 것이다. 연료는 복수의 분사를 통해 엔진(1)의 연소실(4) 내로 분사되는 것이 특히 효과적인 방법으로서 제안된다. 특히, 연료가 흡입 행정 중의 제1 주분사 및 압축 행정 중의 후분사를 통해 점화 시점(tz) 전에 분사되는 것이 제안된다. 분사구의 증가하는 감소된 단면을 보상하기 위해, 분사 시간(t9)은 특히 균질 작동에서의 엔진의 장시간 작동 중에 연속적으로 상승되어야 할 필요가 없다.

직접 분사식 엔진, 분사 밸브, 연소실, 코크스화, 분사구, 분사 시간

Description

직접 분사식 엔진의 작동 방법{METHOD FOR OPERATING A DIRECT - INJECTION INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 특히 차량의 직접 분사식 엔진을 작동하기 위한 방법에 관한 것이다. 연료는 분사 밸브를 거쳐 제1 주분사를 통해 그리고 그 다음의 후분사를 통해 엔진의 연소실 내로 분사된다.

또한, 본 발명은 연산 장치 특히 마이크로 프로세서 상에서 실행 가능한 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 특히 차량의 직접 분사식 엔진의 제어 장치를 위한 메모리 요소에 관한 것이다. 컴퓨터 프로그램은 연산 장치 특히 마이크로 프로세서 상에서 실행 가능한 메모리 요소 상에 저장된다. 메모리 요소는 예를 들어 ROM(Read-Only-Memory), RAM(Random-Access-Memory) 또는 플래시 메모리(Flash-Memory)로서 형성된다.

또한, 본 발명은 특히 차량의 직접 분사식 엔진을 위한 제어 장치에 관한 것이다. 엔진은 분사 밸브를 갖는 적어도 하나의 연소실을 포함한다. 제어 장치는 제어 밸브가 제1 주분사 및 그 다음의 후분사를 통해 엔진의 연소실 내로 연료를 분사하도록 제어 밸브를 제어한다.

연료가 엔진의 연소실 내로 직접 분사되는 직접 분사식 엔진은 배경 기술에 공지되어 있다. 직접 분사식 엔진은 예를 들어 성층 작동 또는 균질 작동과 같은 상이한 작동 모드에서 작동된다. 특히 성층 작동은 부하가 작을 때 사용되는 반면에 균질 작동은 엔진에 인가되는 부하가 클 때 사용된다.

성층 작동에서 연료 분무가 점화 시점에서 점화 플러그의 직접적인 주변에 위치되도록, 연료는 엔진의 압축 행정 중에 연소실 내로 분사된다. 상기 분사는 상이한 방식으로 실행될 수 있다. 분사된 연료 분무는 분사 중에 또는 분사 직후 점화 플러그에 위치되고 상기 점화 플러그로부터 점화되는 것도 가능하다. 또한, 분사된 연료 분무가 충전 운동을 통해 점화 플러그로 안내되고 나서 점화되는 것도 가능하다. 두 가지 연소 방법에서 동일한 연료 분배가 일어나지 않고 층상 급기가 일어난다.

성층 작동의 장점은 엔진에 인가된 작은 부하가 매우 적은 연료량으로 엔진으로부터 실행될 수 있다는 것이다. 물론 큰 부하는 성층 작동을 통해 달성될 수 없다.

상기 유형의 큰 부하에 대해 제공된 균질 작동에서 연료가 엔진의 흡입 행정 중에 분사됨으로써 와류 및 연소실 내의 연료 분배는 연료 공기 혼합의 연소 전에 즉시 실행될 수 있다. 이 점에 있어서는 균질 작동은 통상적인 방식으로 연료가 흡기관 내로 분사되는 엔진의 작동 방식에 대략 상응한다. 또한, 필요에 따라 부하가 작을 때 균질 작동으로 전환될 수 있다.

성층 작동에서 스로틀 밸브는 연소실로 안내되는 흡기관 내에서 완전히 개방되고, 연소는 실제로는 분사된 연료량을 통해서만 제어 및/또는 조절된다. 균질 작동에서 스로틀 밸브는 요구되는 모멘트에 따라 개방 또는 폐쇄되고, 분사된 연료량은 흡입 공기량에 따라 제어 및/또는 조절된다. 두 개의 작동 모드, 즉 성층 작동 및 균질 작동에서 분사된 연료량은 연료 절약, 배기 가스 감소 등을 고려한 최적의 값으로 추가적으로 복수의 다른 작동 변수에 따라 제어 및/또는 조절된다. 제어 및/또는 조절은 두 개의 작동 모드에서 상이하다.

또한, 종래 기술에는 연료가 단일 분사를 통해서가 아니라 특히 주분사 및 그 다음의 후분사를 통해 연속적으로 행해지는 복수 분사로 분배되어 엔진의 분사실 내로 분사되는 엔진이 공지되어 있다. 예를 들어 유럽 특허 제0 971 104호에는 연료가 엔진의 배기 행정 중의 후분사를 통해 즉 명확하게 연료-공기 혼합기의 점화 시점 후에 연소실 내로 분사되는 엔진이 공지되어 있다. 후분사에 의해 분사되는 연료량은 연소되지 않고 촉매 컨버터에 도달하고 그곳에서 점화된다. 이는 촉매 컨버터의 가열을 야기하여, 촉매 컨버터의 재생을 위해 촉매 컨버터에서 필요한 온도가 달성될 수 있다.

가솔린 직접 분사식 엔진은 부분 부하 작동에서 열역학적으로 최적의, 스로틀링 없는, 질적 제어된 성층 작동으로 항상 작동될 수 없다. 예를 들어 유효한 연료 연료 탱크 환기 또는 산화질소(NOx)-저장 촉매 컨버터의 유효한 재생을 보장하기 위해, 일정 시간 간격으로 (엔진의 회전수 및 부하 상태에 따라) 엔진의 흡기 스로틀링 및 그와 연결된 이론 공연비(ё=1) 또는 이론 공연비 이하(ё<1)의 공연 비가 조절되어야 한다. 흡기-공급이 스로틀링 되자마자, 연료는 흡기 행정에서 분사되고 (스로틀링 없는) 성층 작동에서와 같이 압축 행정에서는 분사되지 않는다. 엔진은 흡기관 분사를 갖는 종래의 엔진과 같이 연료 소비 및 배기 가스 방출을 실행한다.

공지된 기술에는 상술된 특수 기능, 연료 탱크 환기, 촉매 컨버터 재생 중에 일회 분사의 범위에서 흡입 행정으로 연료가 분사되는 것이 공지되어 있다. 압축 행정으로의 분사 시점의 변위는 극도의 흡인 공기 스로틀링과 관련하여 매우 높은 그을음 방출을 야기하고 따라서 실제로 사용되지 않는다.

극도의 흡인 공기 스로틀링 및 이론적 혼합기 조성을 갖는 엔진의 작동에서 인젝터의 분사구는 코크스화되는 효과를 가짐으로써, 사전 설정된 부하 시 연료 공급을 일정하게 유지할 수 있도록 엔진의 소정 작동 시간 후에 분사 시간이 영구히 상승되어야 한다. 분사 시간(tq)의 상승을 통해 작동 사이클마다 연료 공급에 대한 시간 변화량((dm/dt) * tq)은 변화하지 않는다.

연료 탱크 환기를 위한 특수 기능 및 촉매 컨버터 재생이 단시간동안 활성화될지라도, 분사 밸브 코크스화 즉 유동 장애를 갖는 분사구의 내부 코크스화는 이러한 작동 단계에서 모든 상황 하에서 방지되도록 보장되어야 한다. 또한, 분사 시간은 장기 작동 시간 후에 적용 한계를 통해 상승되어야 한다.

따라서, 본 발명은 특히 높은 흡인 공기 스로틀링 및 이론 공연비 또는 이론 공연비 이하의 혼합기 조성 시에 분사 밸브의 분사구의 내부 코크스화를 효과적으로 방지하기 위한 목적에 기초한다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 상술된 유형의 방법을 기초로 주분사를 통해 전체 분사되는 연료량의 대부분이 분사되고 엔진에 의해 발생되는 모멘트의 변화는 주분사 중의 분사 시간 변화를 통해 제어 또는 조절되고, 연료는 주분사 및 그 다음의 후분사를 통해 연료-공기 혼합기의 점화 시점 전에 분사된다.

본 발명에 따라 복수의 분사 임펄스에 대한 분사 임펄스의 분배를 통해 분사 밸브 특히 다공 분사 밸브의 분사구의 내부 코크스화가 효과적으로 방지될 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 분배된 분사를 통해 특히 유리한 유효성을 갖는 연소가 발생하고, 이는 개별 분사와 비교하여 명확히 더 낮은 배기 가스 온도를 나타낸다.

강한 저압 및 이론적 혼합기 조성을 갖는 연료-공기 혼합기 연소는 연소실벽 및 분사 기관의 가열을 통한 높은 벽 온도 손실을 포함한다. 특히, 연소에 직접 노출되는 영역이 가열된다. 연소 열에 의해 분사구 내부벽에 더 이상 완전히 연소되지 않는 비등하기 어려운 침착이 발생한다. 농후 혼합이 존재하고 차가운 벽 영역에 화염이 꺼지게 되기 때문에, 연소 행정에서 화염면이 밸브 분사 영역을 검출 하지만 연소 반응은 분사구 영역에서 매우 지연된다는 것으로 생각할 수 있다.

또한, 본 발명에 따라 연소실 내로의 제2 및 각각의 다른 연료 분사는 분사 밸브의 분사구의 내부에서 비등하기 어려운 연료 요소의 침착을 감소시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 제2 분사를 통해 분사구 영역의 내부는 이전에 행해진 연료 응축물의 도포로부터 자유롭게 개방된다. 예를 들어 분사 밸브 내의 연료 기둥이 연소실 내의 압축력에 대항하여 분사되어야 하기 때문에, 연료는 제2 분사 임펄스에서 분사 밸브로 가압된다. 분해의 경향 없이 연료의 두꺼운 벽 응집이 발생하고 열 전달 또는 밸브 내부 냉각이 매우 개선되고 고휘발성 및 저휘발성 연료 구성 성분으로의 연료 분리가 방지된다. 연료는 그의 첨가물과 함께 거의 완전히 연소실 내로 분사된다. 억제된 분리에 의해 부분 반응된 연소 잔재가 분사구의 내부에 형성되지 않는다.

본 발명의 바람직한 구성에 따라 후분사 중에 분사 밸브의 밸브 니들이 행정 정지부를 접촉하고 난 직후 다시 폐쇄되는 양만큼의 연료가 분사되는 것이 제안된다. 따라서, 후분사량은 시간적으로 좁게 제한된다. 이런 이유로 엔진에 의해 발생되는 모멘트의 변화는 주분사 중의 분사 시간의 변화를 통해서만 제어 또는 조절된다.

본 발명의 다른 바람직한 구성에 따라 엔진의 흡입 행정 중의 주분사 및 엔진의 압축 행정 중의 후분사가 실행되는 것이 제안된다. 주분사는 가스 전환-상사점 직후에 개시되고 늦어도 그 다음의 하사점 직전에 완료되어야 한다. 주분사의 분사 위치는 우선 연소실의 형태에 따른다. 실제로 피스톤 리세스의 가장자리 (엔 진 오일의 씻어 내림과 관련하여) 및 실린더의 벽은 덜 적셔지고 또한, 혼합 선별을 위해 더 많은 시간이 사용되기 때문에, 형성된 피스톤 리세스를 갖는 연소실 내에는 바람직하게는 가스 전환-상사점 직후에 분사된다. 이 단계에서 흡인 공기는 그 최대 유동 속도에 도달하므로 연료와 공기 사이의 혼합이 가장 집약적이기 때문에, 평평한 피스톤을 갖는 연소실 내에서 바람직하게는 피스톤의 최대 속도 영역에서 분사된다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따라 주분사는 주로 엔진 피스톤의 최대 속도 중에 실행되고, 피스톤은 연료가 분사되는 엔진의 연소실을 제한하는 것이 제안된다. 주분사의 중심은 바람직하게는 대략 270°KW(크랭크축 각도) 점화-상사점 전에 놓인다.

후분사는 바람직하게는 연료가 분사되는 엔진의 연소실 내에서 사전 설정 가능한 응축 압력 수준이 도달된 후에 실행된다. 후분사는 점화 시점 직전에 실행되어야 한다. 후분사에 대한 가장 이른 분사 개시는 실제 실린더 압력의 값에 따른다. 후분사는 바람직하게는 절대 흡기 압력이 대략 400 mbar일 때 그리고 연소실 내의 응축력 수준이 2 bar 이상일 때 실행된다. 상기 진술은 예를 들어 작동 효과를 위한 것이다. 혼합이 제1 분사로부터 응축 압력의 상승을 통해 응축된 후에 제2 분사가 실행되는 것이 중요하다.

본 발명에 따른 방법은 바람직하게는 엔진 분사 밸브의 분사구의 내부 코크스화를 방지하기 위해 고려된다.

또한, 본 발명은, 연산 장치 특히 마이크로 프로세서 상에서 실행될 때 본 발명에 따른 방법의 실행에 적합한 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다. 컴퓨터 프로그램이 메모리 요소 특히 플래시 메모리 상에 저장되면 특히 바람직하다.

특히 차량의 직접 분사식 엔진 제어 장치를 위해 제공되는 메모리 요소의 형태로 본 발명에 따른 방법이 구현되는 것은 특히 중요하다. 연산 장치 특히 마이크로 프로세서 상에서 실행 가능하고 본 발명에 따른 방법의 실행을 위해 적합한 컴퓨터 프로그램은 메모리 요소 상에 저장된다. 또한, 이 경우에 본 발명은 메모리 요소 상에 저장된 컴퓨터 프로그램을 통해 구현됨으로써, 컴퓨터 프로그램과 제공되는 상기 메모리 요소는, 컴퓨터 프로그램의 실행에 적합한 방법과 같이 동일한 방식으로 본 발명을 설명한다. 메모리 요소로서 특히 전자 메모리 매체 예를 들어 ROM, RAM 또는 플래시 메모리가 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위해 제어 장치가 분사 밸브가 전체 분사되는 연료량의 대부분을 주분사를 통해 분사하고, 제어 장치가 엔진에 의해 발생되는 모멘트의 변화를 주분사 중의 분사 시간 변화를 통해서만 제어 또는 조절하도록 제어 장치가 제어 밸브를 제어하도록 그리고 분사 밸브가 주분사 및 그 다음의 적어도 하나의 후분사를 통해 연료-공기 혼합기의 점화 시점 전에 연료를 분사하도록 제어 장치가 분사 밸브를 제어하도록 상술된 유형의 제어 장치를 기초로 하는 것이 제안된다.

본원 발명의 기술구성에 따라 분사 밸브의 분사구의 내부 코크스화를 효과적으로 방지할 수 있는 유리한 작용효과가 달성된다.

도1은 실린더(3) 내에서 피스톤(2)이 왕복 운동 가능한 차량의 엔진(1)을 도시한다. 실린더(3)에는 특히 피스톤(2), 흡기 밸브(5) 및 배기 밸브(6)를 통해 한정되는 연소실(4)이 제공된다. 흡기관(7)이 흡기 밸브(5)와, 그리고 배기관(8)이 배기 밸브(6)와 연결된다.

흡기 밸브(5) 및 배기 밸브(6)의 영역에서 다공-분사 밸브로서 형성되는 분사 밸브(9, 이른바 인젝터) 및 점화 플러그(10)가 연소실(4) 내로 돌출한다. 연료는 분사 밸브(9)를 통해 연소실(4)로 분사될 수 있다. 연료는 점화 플러그(10)에 의해 연소실(4) 내에서 점화될 수 있다.

흡기관(7) 내에는 흡기관(7)에 공기 유입을 가능케 하는 회전 가능한 스로틀 밸브(11)가 배치된다. 유입된 공기량은 스로틀 밸브(11)의 각위치에 따른다. 연료의 연소를 통해 생성된 배기 가스의 정화에 사용되는 촉매 컨버터(12)는 배기 가스관(8) 내에 배치된다.

피스톤(2)은 연료-공기 혼합기기의 연소를 통해 연소실(4) 내에서 왕복 운동되고, 상기 왕복 운동은 (도시되지 않은) 크랭크축으로 전달되고, 이 축상으로 토크가 가해진다.

제어 장치(13)는, 센서에 의해 측정되는 엔진(1)의 작동 변수를 나타내는 입력 신호(14)에 의해 작동된다. 예를 들어 제어 장치(13)는 공기량 측정 센서, 람다 센서 및 회전수 센서 등과 연결된다. 또한, 제어 장치(1)는 신호를 발생하는 가속 페달 센서와 연결되고, 상기 신호는 운전자에 의해 조작 가능한 가속 페달의 위치 및 요구되는 토크를 나타낸다. 제어 장치(13)는 액추에이터 또는 조절기를 통해 엔진(1) 상태에 영향을 미칠 수 있는 출력 신호(15)를 발생한다. 예를 들어 제어 장치(13)는 분사 밸브(9), 점화 플러그(10) 및 스로틀 밸브(11) 등과 연결되고, 제어에 필요한 신호를 발생한다.

특히 제어 장치(13)는 엔진(1)의 작동 변수를 제어 및/또는 조절하도록 제공된다. 예를 들어 분사 밸브(9)에 의해 연소실(4)로 분사되는 연료량(분사 시간(tq)에 의해) 및 연료 분사의 시점은 제어 장치(13)에 의해 특히 적은 연료 소비, 적은 배기 가스 방출 및/또는 적은 소음 방출을 고려하여 제어 및/또는 조절된다. 이런 목적으로 제어 장치(13)에는 마이크로 프로세서(16)가 제공되고, 상기 마이크로 프로세서는 저장 매체(17) 예를 들어 플래시 메모리로서 형성되고, 상술된 제어 및/또는 조절을 실행하는데 적합한 컴퓨터 프로그램을 저장한다. 저장 매체(17) 내에 저장된 컴퓨터 프로그램의 처리를 위해 이는 전체 또는 명령 방식으로 데이터 전달 연결(18)을 통해 마이크로 프로세서(16)로 전달된다.

도1의 엔진(1)은 복수의 상이한 작동 모드에서 작동될 수 있다. 엔진(1)을 균질 작동, 성층 작동 및 균질 희박 작동 등에서 작동시키는 것이 가능하다.

균질 작동에서 연료는 흡입 행정 중에 분사 밸브(9)로부터 직접 엔진(1)의 연소실(4) 내로 분사된다. 연료는 비교적 이른 분사에 의해 점화될 때까지 강하게 와류됨으로써 연소실(4) 내에 실제로 균질 연료-공기 혼합기가 생성된다. 생성된 모멘트는 실제로 스로틀 밸브(11)의 위치를 통해 제어 장치(13)에 의해 조절된다. 균질 작동에서 엔진(1)의 작동 변수는 ё(공급된 연료량에 대한 공급된 공기량의 비)가 1이 되도록 제어 및/또는 조절된다. 균질 작동은 특히 전부하 시에 사용된다.

균질 희박 작동은 넓게는 균질 작동에 상응하고, ё>1의 값으로 조정된다.

성층 작동에서 연료는 압축 행정 중에 분사 밸브(9)로부터 직접 엔진(1)의 연소실(4) 내로 분사된다. 따라서, 점화 시에 점화 플러그(10)를 통해 연소실(4) 내에 균일한 혼합이 존재하지 않고 연료층이 존재한다. 스로틀 밸브(11)는 예를 들어 배기 가스 환류 및/또는 연료 탱크 환기의 요구를 제외하면 완전히 개방되고 엔진(1)은 스로틀링되지 않고 작동된다. 생성되는 모멘트는 성층 작동에서 넓게는 연소실(4) 내에서 분사되는 연료량((dm/dt)*tq)을 통해 조정된다. 특히, 공회전 그리고 부분 부하 시에 엔진(1)은 성층 작동으로 작동될 수 있다.

상술된 작동 모드 사이에서 엔진(1)은 전환될 수 있다. 이런 유형의 전환은 제어 장치(13)에 의해 실행된다.

가솔린 직접 분사식 엔진(1)은 부분 부하 작동에서 열역학적으로 최적의, 스로틀링 없는, 질적 제어된 성층 작동에서 항상 작동될 수 없다. 예를 들어 유효한 연료 연료 탱크 환기 또는 산화질소(NOx)-저장 촉매 컨버터(12)의 유효한 재생을 보장하기 위해, 어떤 시간 간격으로 (엔진(1)의 회전수 및 부하 상태에 따라) 엔진(1)의 흡기 스로틀링 및 그와 연결된 이론 공연비 또는 이론 공연비 이하(ё<1)의 공연비가 조절되어야 한다. 흡기-공급이 스로틀링 되는 즉시, 연료는 흡기 행정에서 분사되고 (스로틀링 없는) 성층 작동에서와 같이 압축 행정에서는 분사되지 않는다. 엔진(1)은 흡기관 분사를 갖는 종래의 엔진과 같이 연료 소비 및 배기 가 스 방출을 실행한다.

극도의 흡인 공기 스로틀링 및 이론적 혼합기 조성을 갖는 엔진의 작동에서 특히 연료의 분사 시 흡기 행정 중에 분사 밸브(9)의 분사구는 코크스화되는 효과를 가짐으로써, 사전 설정된 부하에서 연료 공급이 일정하게 유지될 수 있도록, 소정 실행 시간 후에 분사 시간(tq)은 제어장치(13)에 의해 영구히 상승되어야 한다. 작동 사이클마다 연료 공급에 대한 시간 변화량((dm/dt) * tq)은 변화하지 않는다.

예를 들어 연료 탱크 환기 같은 특수 기능 또는 촉매 컨버터 재생은 단시간동안 활성화될지라도, 분사 시간(tq)이 장기 작동 시간에 걸쳐 적용 한계를 통해 상승되어야 하기 때문에 분사 밸브(9)의 분사구의 내부 코크스화 및 이와 연결된 유동 장애는 모든 상황 하에서 방지되도록 보장되어야 한다.

본 발명에 따라 분사 밸브(9)의 분사구의 내부 코크스화를 방지하기 위한 방법이 제안되고, 연료는 복수의 분사 특히 제1 주분사 및 그 다음의 후분사로 구분된 두 번의 분사를 통해 엔진(1)의 연소실(4) 내로 분사된다. 이를 통해 특히 높은 흡기 스로틀링 및 이론 공연비 또는 이론 공연비 이하의 혼합기 조성 시에 분사구의 내부 코크스화가 효과적으로 방지될 수 있다.

총 분사되는 연료량의 대부분은 주분사에서 분사되지만, 후분사 중에는 단지 분사 밸브(9)의 밸브 니들이 행정 정지부를 접촉하고 난 직후 다시 폐쇄되는 양만큼의 연료만 분사된다. 따라서, 후분사량은 시간적으로 좁게 제한된다. 따라서, 엔진에 의해 발생되는 모멘트에 따른 변화는 단지 주분사 중에 분사 시간(tq)의 변화를 통해 제어 또는 조절된다.

엔진(1)의 흡입 행정 중의 주분사 및 엔진(1)의 압축 행정 중의 후분사가 실행되면 분사구의 내부 코크스화가 최적으로 방지되어, 최적의 결과가 달성될 수 있다. 주분사는 가스 전환-상사점 직후에 개시되고 늦어도 그 다음의 하사점 직전에 완료되어야 한다. 주분사의 중심은 바람직하게는 대략 270°KW(크랭크축 각도) 피스톤(2)의 최대 속도의 영역으로 점화-상사점 전에 차단된다. 주분사의 분사 위치는 우선 연소실(4)의 형태에 따른다. 실제로 피스톤 통(bowl)의 가장자리 (엔진 오일의 씻어 내림과 관련하여) 및 실린더(3)의 벽은 덜 적셔지고 또한, 혼합 선별을 위해 더 많은 시간이 사용되기 때문에, 형성된 피스톤 통을 갖는 연소실(4) 내에는 바람직하게는 가스 전환-상사점 직후에 분사된다. 이 단계에서 흡인 공기는 그 최대 유동 속도에 도달하므로 연료와 공기 사이의 혼합이 가장 집약적이기 때문에, 평평한 피스톤(2)을 갖는 연소실(4) 내에서 바람직하게는 피스톤(2)의 최대 속도 영역에서 분사된다.

후분사의 분사량은 연소실(4) 내의 사전 설정 가능한 압축력 수준의 도달과 연소실(4) 내의 연료-공기 혼합기의 점화 시점 직전 사이에서 감소된다. 따라서, 후분사의 가장 이른 분사 개시는 분사 개시의 시점에 대해 소정의 실린더 압력의 값에 따른다.

도2에는 연료 분사의 상이한 유형에 대한 그을음 방출 그래프가 도시된다. 그을음 방출 등급은 FSN(Filter Smoke Number)으로 주어진다. 개별 분사 임펄스 시에 흡입 행정(ti-Sh) 중에 가장 적은 그을음이 방출되는 것을 명확히 알 수 있다. 실제로 높은 그을음은 압축 행정(ti-Vh) 중의 개별 분사 임펄스 시에 방출된 다. 주분사 임펄스 및 후분사 임펄스로의 분사 임펄스(ti-2fach)의 분배 시에 본 발명에 따른 그을음이 방출되고, 상기 방출은 흡입 행정(ti-Sh) 중의 개별 분사 임펄스 시의 방출을 조금 넘지만 압축 행정(ti-Vh) 중의 개별 분사 임펄스의 방출 아래에 있다. 이는 분사구의 내부 코크스화를 방지하기 위한 본 발명에 따른 방법이 그을음 방출을 상승시키지 않는다는 것을 보여준다.

도3에는 연료 분사의 다양한 유형에 대한 탄화수소(HC)-방출의 그래프가 도시된다. 압축 행정(ti-Vh) 중의 개별 분사 임펄스 시에 적은 HC-방출 및 흡입 행정(ti-Sh) 중의 개별 분사 임펄스 시에 많은 HC가 방출되는 것을 명확히 알 수 있다. 주분사 임펄스 및 후분사 임펄스로의 분사 임펄스(ti-2fach) 분배 시에 본 발명에 따라 압축 행정(ti-Vh) 중의 개별 분사 임펄스 시보다 높은 HC가 방출되지만 흡입 행정(ti-Sh) 중의 분사 임펄스 시보다 적은 HC가 방출된다. 따라서, 분사구의 내부 코크스화를 방지하기 위한 본 발명에 따른 방법은 지나친 HC를 방출하지 않는다.

도4에는 연료 분사의 다양한 유형에 대한 배기 가스 온도(T) 그래프가 도시된다. 압축 행정(ti-Vh) 중의 개별 분사 임펄스 시에 대략 최대 675℃의 배기 가스 온도가 나타나는 것을 명확히 알 수 있다. 흡입 행정(ti-Sh) 중의 개별 분사 임펄스 시에 대략 635℃ 영역 내의 낮은 배기 가스 온도가 나타난다. 주분사 임펄스 및 후분사 임펄스로 분배되는 분사 임펄스(ti-2fach) 시에 본 발명에 따라 대략 615℃ 영역에서 매우 낮은 배기 가스 온도가 나타난다. 낮은 배기 가스 온도는 연소실(4) 내에서 연료의 완전한 연소 및 그에 따른 특히 높은 유효성을 나타낸다.

도5에는 대략 400 mbar의 흡기관 압력 및 대략 1800 rpm의 엔진(1) 회전수에 대한 연소실(4) 내의 연소 압력 곡선이 크랭크축(°KW)의 각 위치에 따라 도시된다. 주분사의 분사 개시는 점화-상사점(0°KW) 전에 대략 280°KW에 놓인다. 주분사의 분사 시간은 대략 1.3 msec였다. 후분사의 분사 개시는 점화-상사점 전에 대략 55°KW에 놓인다. 대략 0.9 msec의 후분사의 분사 시간(tq)에서 후분사의 분사 종료는 점화-상사점 전에 대략 -45°KW에 놓인다. 엔진(1)의 연료 분배 시스템 내의 레일 압력은 도5에 도시된 연소 압력 곡선에서 120 바아이다. 점화 시점(t₂)은 점화-상사점 전에 대략 30°KW 이다.

도6에는 일정 엔진 부하 시 연료 분사의 상이한 유형에 대한 분사 시간 곡선이 도시된다. 제어 장치(13)에 의해 조절되는 분사 시간(tq)은 분사구의 내부 코크스화의 정도에 대한 기준이다. 분사 밸브(9)의 분사구가 더 강하게 침착되어 막힐수록 감소된 분사구 직경으로 동일한 연료량을 분사하기 위해 분사 시간(tq)은 더 오래 선택되어야 한다. 배경 기술에 공지된 개별 분사 임펄스에 대한 분사 시간(tq) 곡선은 도6에 점선으로 도시된다. 분사 개시는 점화-상사점 전에 280°KW에 놓인다. 대략 15 시간의 작동 시간의 경과에서 분사 시간(tq)은 초기에 대략 1.7 msec로부터 15 시간의 시험 기간 후에 2.6 msec로 상승된다는 것을 명확히 알 수 있다. 연료 분사가 주분사 및 후분사로 분배되는 본 발명에 따른 방법에 대한 분사 시간(tq) 곡선은 실선으로 도시된다. 주분사의 개시는 280°KW에 놓이고 후분사의 개시는 점화-상사점 전에 55°KW에 놓인다. 주분사 임펄스 및 후분사 임펄 스로 분배된 분사 임펄스 시에 본 발명에 따라 분사 시간(tq)은 거의 일정하게 유지된다. 대략 18시간의 작동 시간 중에 분사 시간(tq)은 대략 2.2 msec으로부터 18시간 후에 대략 2.3 msec으로 미미하게 상승한다. 도6에서 분사 밸브(9)의 밸브 행정은 Nh로 도시되고, 이는 0.1 mm를 갖는 두 개의 곡선에 대해 같게 선택되었다.

주분사 임펄스 및 후분사 임펄스로의 분사 임펄스의 분배는 분사구 내부 침착을 방지하기 위해서뿐만 아니라 연소실(4) 내의 연소의 안정화를 위해 사용된다. 흡기 행정(ti-Sh)에서 분사되면, HC-방출(도3 참조)은 상승하고, 연소 압력이 크게 변동된다. 압축 행정(ti-Vh)에서 분사가 일어나면, 분리 세라믹이 그을리기 때문에 그을음 방출(도2 참조)은 상승하고, 보조관은 일정 작동 시간 후에 점화 플러그(10)에 점화 실패와 같은 모든 바라지 않은 부산물과 형성된다.

본 발명에 따른 2분된 분사(ti-2fach)에 의해 안정화된 장시간 작동 상태와 연결되고, 흡입 행정(ti-Sh) 중의 개별 분사와 비교되는 적당한 그을음 상승을 갖지만 감소된 HC-방출을 갖는 것이 절충될 수 있다.

연소실(4) 내의 내시경 검사 촬영을 통해 흡기 행정(ti-Sh)에서의 분사와 압축 행정(ti-Vh)에서의 분사 사이의 분사 스프레이의 형태에서 현저한 차이가 인식될 수 있다. 흡기관(7) 내의 높은 저압을 통해 연료는 흡입 행정(ti-Sh)에서의 분사 중에 강렬하게 기화된다(분사 밸브(9)의 분사구으로부터 연료의 흡입). 실린더(3) 내의 저압을 통해 발생되는 증기압이 미달되는 영역에서 이러한 연료 기화는 분사 밸브(9)의 내부에서 이미 실행된다.

연료 증기는 다음의 압축 단계에서 응축되고 분사 밸브(9)의 분사구의 내부 벽에 침착된다. 강한 저압 및 화학량 혼합 조성을 갖는 연소는 연소실(4)의 벽, 분사 기관 및 무엇보다 연소에 직접 노출되는 영역의 가열을 통해 높은 벽열손실을 갖는다. 연소열에 의해 더 이상 완전히 연소될 수 없는 비등하기 어려운 침착이 분사구 내부벽에 생성된다. 농후 혼합이 존재하고 (응축물을 통한 벽 적심) 화염이 차가운 벽 구역에서 제거되기 때문에, 연소 단계에서 화염면은 분사 밸브(9)의 단부 영역을 검출하지만 분사구 영역 내의 연소 반응은 매우 지연된다.

본 발명의 의미에서 점화 시점 전의 제2 분사를 통해 분사구 영역의 내부는 연료 응축물의 실행에 의해 개방된다.

또한, 연료는 제2 분사 임펄스 시에 더 이상 하방으로 움직이는 피스톤(2, 저압)을 통해 분사 밸브(9)로부터 흡입되지 않고 그와 반대로 상방으로 움직이는 피스톤(2, 과압)을 통해 분사 밸브(9)로 가압된다. 분사 밸브(9) 내의 연료 기둥은 압축력에 대향하여 분사되어야 한다. 이를 통해 연료의 두꺼운 벽 흡착은 분사구으로의 분해 경향, 열 전달 또는 밸브 내부 냉각 없이 매우 개선되고, 고휘발성 및 저휘발성 연료 요소로의 분리가 방지된다. 연료는 그 첨가물과 함께 거의 완전히 연소실(4) 내로 분사된다. 억제된 분리에 의해서 분사구의 내부면에 침착되는 부분 반응되는 연소 잔여물이 형성되지 않는다.

이하, 본 발명의 다른 특징, 이용 가능성 및 장점은 도면에 도시된 본 발명의 실시예에 나타나 있다. 특허 청구범위 또는 그 인용관계의 요약 및 공식화 또는 명세서 또는 도면의 도시와 관계없이 모든 설명되거나 도시된 특징은 그 자체 또는 임의의 조합으로 본 발명의 대상을 형성한다.

도1은 본 발명에 따른 방법이 실행될 수 있는 직접 분사식 엔진을 나타내는 도면이다.

도2는 엔진의 연소실 내로 연료의 상이한 분사 시의 그을음 방출 비교를 나타내는 그래프이다.

도3은 엔진의 연소실 내로 연료의 상이한 분사 시의 탄화수소 방출 비교를 나타내는 그래프이다.

도4는 엔진의 연소실 내로 연료의 상이한 분사 시의 배기 가스 온도 비교를 나타내는 그래프이다.

도5는 400 mbar의 흡인 공기 압력 및 1800 rpm의 회전수 일 때 엔진 연소실 내로의 연소 압력 곡선을 나타내는 도면이다.

도6은 상이한 연료 분사에 대한 일정 분사된 연료량에서 분사 시간 비교 곡선을 나타내는 도면이다.

Claims

연료가 분사 밸브(9)를 거쳐 제1 주분사 및 그 다음 적어도 하나의 후분사를 통해 엔진(1)의 연소실(4)로 분사되는 직접 분사식 엔진(1)의 작동 방법에 있어서,

엔진(1)에 의해 발생되는 모멘트의 변화는 주분사 중의 분사 시간 변화를 통해서만 제어 또는 조절되고, 연료는 주분사 및 그 다음 적어도 하나의 후분사를 통해 연료-공기 혼합기의 점화 시점(t_z) 이전에 분사되고,

분사 밸브(9)의 밸브 니들이 행정 정지부를 접촉하고 난 직후에 다시 폐쇄되는 양만큼의 연료가 후분사 중에 분사되는 것을 특징으로 하는 직접 분사식 엔진의 작동 방법.
제1항에 있어서, 주분사는 엔진(1) 피스톤(2)의 최대 속도 중에 실행되고, 피스톤(2)은 연료가 분사되는 엔진(1)의 연소실(4)을 제한하는 것을 특징으로 하는 직접 분사식 엔진의 작동 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 후분사는 사전 설정 가능한 응축력 수준(p)이 도달된 후 연료가 분사되는 엔진(1)의 연소실 내에서 실행되는 것을 특징으로 하는 직접 분사식 엔진의 작동 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 후분사는 연료가 분사되는 엔진(1)의 연소실(4)로 연결되는 흡기관(7) 내의 절대 압력이 400 mbar일 때 그리고 연소실(4) 내의 응축력 수준(p)이 2 bar 이상일 때 실행되는 것을 특징으로 하는 직접 분사식 엔진의 작동 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 분사 밸브(9)의 분사구의 내부 코크스화를 방지하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 직접 분사식 엔진의 작동 방법.
연산 장치(16)에서 실행 가능한 컴퓨터 프로그램이 저장되는, 직접 분사식 엔진(1)의 제어 장치(13)를 위한 메모리 요소에 있어서,

제1항 또는 제2항에 따른 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 프로그래밍되는 것을 특징으로 하는 메모리 요소.
엔진(1)은 분사 밸브(9)를 갖는 적어도 하나의 연소실(4)을 포함하고, 제어 장치(13)는 분사 밸브(9)가 제1 주분사 및 그 다음 적어도 하나의 후분사를 통해 엔진(1)의 연소실(4) 내로 연료를 분사하는 직접 분사식 엔진(1)을 위한 제어 장치(13)에 있어서,

제어 장치(13)는 엔진(1)에 의해 발생되는 모멘트의 변화를 주분사 중의 분사 시간 변화를 통해서만 제어 또는 조절되도록 분사 밸브(9)를 제어하고, 제어 장치(13)는 분사 밸브(9)가 주분사 및 그 다음 적어도 하나의 후분사를 통해 연료-공기 혼합기의 점화 시점(t_z) 전에 연료를 분사하도록 분사 밸브(9)를 제어하고,

분사 밸브(9)의 밸브 니들이 행정 정지부를 접촉하고 난 직후에 다시 폐쇄되는 양만큼 연료가 후분사 중에 분사되는 것을 특징으로 하는 직접 분사식 엔진의 제어 장치.
제1항 또는 제2항에 따른 방법을 실행하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 분사식 엔진의 제어 장치.