KR100993747B1 - 기계 압축비 및 실제 압축 작용 개시 시기를 제어하는 방법 - Google Patents

기계 압축비 및 실제 압축 작용 개시 시기를 제어하는 방법 Download PDF

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Abstract

기계 압축비를 변화시킬 수 있는 가변 압축비 기구 (A) 및 실제 압축 작용의 개시 시기를 변화시킬 수 있는 실제 압축 작용 개시 시기 변경 기구 (B) 가 제공된 내연기관. 요구되는 부하에 따른 흡입 공기량이 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기를 제어함으로써 연소실 (5) 에 공급되고, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 압력이 기계 압축비를 제어함으로써 엔진 부하에 관계없이 실질적으로 일정하게 유지된다.

Description

기계 압축비 및 실제 압축 작용 개시 시기를 제어하는 방법{A METHOD OF CONTROLLING A MECHANICAL COMPRESSION RATIO AND A START TIMING OF AN ACTUAL COMPRESSION ACTION}
본 발명은 기계 압축비 및 실제 압축 작용 개시 시기를 제어하는 방법에 관한 것이다.
기계 압축비를 변화시킬 수 있는 가변 압축비 기구 및 흡기 밸브의 폐쇄 시기를 제어할 수 있는 가변 밸브 타이밍 기구가 제공되고, 엔진 중부하 운전시와 엔진 고부하 운전시에 과급기로 과급 작용을 실행하며, 엔진 중고부하 운전시에 실제 압축비를 일정하게 유지하는 상태에서 엔진 부하가 낮아짐에 따라 기계 압축비를 증가시키고 흡기 밸브의 폐쇄 시기를 지연시키는 불꽃 점화식 내연기관이 공지되어 있다 (예를 들어, 일본특허공보 (A) 제 2004-218522 호 참조).
그러나, 불꽃 점화식 내연기관에서는, 연소 직전 압축 행정 말기의 연소실 내의 가스의 상태, 예를 들어 연소실 내의 압력 또는 가스 온도는, 연소에 큰 영향을 준다. 즉, 일반적으로, 압축 행정 말기의 연소실 내의 압력 및 가스 온도가 높을수록, 연소는 더 쉽지만, 연소실 내의 압력 또는 가스 온도가 높을수록, 노킹이 더 발생하게 된다. 그러므로, 연소실 내의 압력 또는 가스 온도는 최적의 값, 즉 노킹이 발생되지 않는 범위에서 가능한 가장 높은 값으로 유지되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 공지된 내연기관에서와 같이 실제 압축비가 일정하게 유지되면, 연소실로 공급되는 흡입 가스는 항상 일정한 비율로 압축된다. 그러나, 이 경우, 압축 행정 말기의 연소실 내의 압력 또는 가스 온도는 압축 개시시의 연소실 내의 압력 또는 가스 온도, 즉 연소실에 공급되는 흡입 가스의 압력 또는 온도에 따라 변한다. 연소실에 공급되는 흡입 가스의 압력 또는 온도가 높아지면, 이와 함께 압축 행정 말기의 연소실 내의 압력 또는 온도 또한 높아진다. 그러므로, 상기 공지된 내연기관에서와 같이 실제 압축비가 일정하게 유지되는 경우에도, 압축 행정 말기의 연소실 내의 압력 또는 가스 온도는 최적의 값으로 유지될 수 없는 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 압축 행정 말기의 연소실 내의 가스의 상태를 최적의 상태로 유지시켜 노킹의 발생없이 양호한 연소를 얻기 위한 기계 압축비 및 실제 압축 작용 개시 시기를 제어하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 불꽃 점화식 내연기관에서 가변 압축비 기구로 기계 압축비를 제어하고 가변 밸브 타이밍 기구로 흡기 밸브의 폐쇄 시기를 제어하는 방법이 제공되는데, 이 방법은 흡기 밸브의 폐쇄 시기를 요구되는 부하에 따른 흡입 공기량이 연소실에 공급되도록 제어하며, 상기 방법은 압축 행정 말기의 연소실 내의 압력이 실질적으로 동일한 엔진 속도에서 엔진 부하에 관계없이 실질적으로 일정하게 유지되도록 기계 압축비를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 불꽃 점화식 내연기관에서 가변 압축비 기구로 기계 압축비를 제어하고 가변 밸브 타이밍 기구로 흡기 밸브의 폐쇄 시기를 제어하는 방법이 제공되는데, 이 방법은 흡기 밸브의 폐쇄 시기를 요구되는 부하에 따른 흡입 공기량이 연소실에 공급되도록 제어하며, 상기 방법은 압축 행정 말기의 연소실 내의 가스의 온도가 실질적으로 동일한 엔진 속도에서 엔진 부하에 관계없이 실질적으로 일정하게 유지되도록 기계 압축비를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 불꽃 점화식 내연기관에서 가변 압축비 기구로 기계 압축비를 제어하고 가변 밸브 타이밍 기구로 흡기 밸브의 폐쇄 시기를 제어하는 방법이 제공되는데, 이 방법은 흡기 밸브의 폐쇄 시기를 요구되는 부하에 따른 흡입 공기량이 연소실에 공급되도록 제어하며, 상기 방법은 압축 행정 말기의 연소실 내의 압력 및 가스 온도의 목표 값이 미리 저장되며, 압축 행정 말기의 연소실 내의 압력 및 가스 온도가 저장된 목표 값이 되도록 기계 압축비를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 불꽃 점화식 내연기관에서 가변 압축비 기구로 기계 압축비를 제어하고 가변 밸브 타이밍 기구로 흡기 밸브의 폐쇄 시기를 제어하는 방법이 제공되는데, 이 방법은 흡기 밸브의 폐쇄 시기를 요구되는 부하에 따른 흡입 공기량이 연소실에 공급되도록 제어하며, 상기 방법은 압축 행정 말기의 연소실 내의 가스의 밀도가 실질적으로 동일한 엔진 속도에서 엔진 부하에 관계없이 실질적으로 일정하게 유지되도록 기계 압축비를 제어하는 것을 특징으로 한다.
도 1 은 불꽃 점화식 내연기관의 개략도이다.
도 2 는 가변 압축비 기구의 분해 사시도이다.
도 3 은 도시된 내연기관의 측단면도이다.
도 4 는 가변 밸브 타이밍 기구의 도면이다.
도 5 는 흡기 밸브 및 배기 밸브의 리프트량을 보여주는 도면이다.
도 6 은 엔진 압축비, 실제 압축비, 및 팽창비를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 은 이론 열효율과 팽창비 사이의 관계를 보여주는 도면이다.
도 8 은 통상적인 사이클과 초고 팽창비 사이클을 설명하기 위한 도면이다.
도 9 는 엔진 부하에 따른 기계 압축비 등의 변화를 보여주는 도면이다.
도 10 은 목표 압력 등을 보여주는 도면이다.
도 11 은 운전 제어를 위한 순서도이다.
도 12 는 운전 제어를 위한 순서도이다.
도 13 은 목표 기계 압축비를 보여주는 도면이다.
도 14 는 운전 제어를 위한 순서도이다.
도 15 는 목표 온도를 보여주는 도면이다.
도 16 은 운전 제어를 위한 순서도이다.
도 17 은 운전 제어를 위한 순서도이다.
도 18 은 목표 기계 압축비를 보여주는 도면이다.
도 19 는 운전 제어를 위한 순서도이다.
도 20 은 목표 값 등을 보여주는 도면이다.
도 21 은 운전 제어를 위한 순서도이다.
도 22 는 목표 밀도를 보여주는 도면이다.
도 23 은 운전 제어를 위한 순서도이다.
도 1 은 불꽃 점화식 내연기관의 측면도를 보여준다.
도 1 을 참조하면, 1 은 크랭크 케이스, 2 는 실린더 블록, 3 은 실린더 헤드, 4 는 피스톤, 5 는 연소실, 6 은 연소실 (5) 의 정상부 중심에 배치되는 스파크 플러그, 7 은 흡기 밸브, 8 은 흡기 포트, 9 는 배기 밸브, 10 은 배기 포트를 나타낸다. 흡기 포트 (8) 는 흡기 지관 (11) 을 통해 서지 탱크 (12) 에 연결되어 있고, 각각의 흡기 지관 (11) 에는 대응하는 흡기 포트 (8) 를 향해 연료를 분사하기 위한 연료 분사장치 (13) 가 제공되어 있다. 각각의 연료 분사장치 (13) 는 각각의 흡기 지관 (11) 에 부착되는 대신에 각각의 연소실 (5) 에 배치될 수도 있다.
서지 탱크 (12) 는 흡기 덕트 (14) 를 통해 배기 터보과급기 (15) 의 압축기 (15a) 의 출구에 연결되고, 압축기 (15a) 의 입구는 예컨대 열선을 이용하는 흡입 공기량 검출기 (16) 를 통해 에어 클리너 (17) 에 연결된다. 흡기 덕트 (14) 의 안에는 엑츄에이터 (18) 에 의해 구동되는 스로틀 밸브 (19) 가 제공되어 있다.
한편, 배기 포트 (10) 는 배기 매니폴드 (20) 를 통해 배기 터보과급기 (15) 의 배기 터빈 (15b) 의 입구에 연결되고, 배기 터빈 (15b) 의 출구는 배기관 (21) 을 통해 예컨대 3원 촉매를 수용하는 촉매 컨버터 (22) 에 연결된다. 배기관 (21) 내에는 공연비 센서 (21a) 가 배치된다.
한편, 도 1 에 도시된 실시예에 있어서, 크랭크 케이스 (1) 와 실린더 블록 (2) 의 연결부에는, 크랭크 케이스 (1) 와 실린더 블록 (2) 의 실린더 축 방향의 상대 위치를 변화시켜 피스톤 (4) 이 압축 상사점에 위치될 때 연소실 (5) 의 부피를 변화시킬 수 있는 가변 압축비 기구 (A) 가 제공되고, 또한 실제 압축 작용의 개시 시기를 변화시키기 위해 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기를 제어할 수 있는 가변 밸브 타이밍 기구 (B) 가 제공된다.
전자 제어 유닛 (30) 은, 양방향 버스 (31) 를 통해 서로 접속되는 ROM (read only memory) (32), RAM (random access memory) (33), CPU (microprocessor) (34), 입력 포트 (35), 및 출력 포트 (36) 와 같은 구성품이 제공된 디지털 컴퓨터로 구성된다. 흡입 공기량 검출기 (16) 의 출력 신호 및 공연비 센서 (21a) 의 출력 신호는 대응하는 AD 변환기 (37) 를 통해 입력 포트 (35) 에 입력된다. 연소실 (5) 의 정상부 위에는, 연소실 (5) 의 압력을 검출하기 위한 압력 센서 (23) 및 연소실 (5) 내의 가스의 온도를 검출하기 위한 온도 센서 (24) 가 제공된다. 압력 센서 (23) 및 온도 센서 (24) 의 출력 신호는 대응하는 AD 변환기 (37) 를 통해 입력 포트 (35) 에 입력된다. 또한, 서지 탱크 (12), 즉 스로틀 밸브 (19) 의 하류의 흡기 통로에는 흡기 통로내의 압력을 검출하기 위한 압력 센서 (25) 및 연소실 (5) 에 유입되는 흡입 공기의 온도를 검출하기 위한 온도 센서 (26) 가 제공된다. 압력 센서 (25) 및 온도 센서 (26) 의 출력 신호는 대응하는 AD 변환기 (37) 를 통해 입력 포트 (35) 에 입력된다.
또한, 액셀 페달 (40) 은 액셀 페달 (40) 의 누름량 (L) 에 비례하는 출력 전압을 발생시키는 부하 센서 (41) 에 연결된다. 부하 센서 (41) 의 출력 전압은 대응하는 AD 변환기 (37) 를 통해 입력 포트 (35) 에 입력된다. 또한, 입력 포트 (35) 는 크랭크축이 예를들어 30 °회전할 때마다 출력 펄스를 발생시키는 크랭크 각 센서 (42) 에 접속된다. 한편, 출력 포트 (36) 는 구동 회로 (38) 를 통해 스파크 플러그 (6), 연료 분사장치 (13), 스로틀 밸브 구동용 엑츄에이터 (18), 가변 압축비 기구 (A), 및 가변 밸브 타이밍 기구 (B) 에 접속된다.
도 2 는 도 1 에 도시된 가변 압축비 기구 (A) 의 분해 사시도이고, 도 3 은 도시된 내연기관의 측단면도이다. 도 2 를 참조하면, 실린더 블록 (2) 의 두 측벽의 하부에는, 서로 일정 거리를 두고 분리되어 있는 복수의 돌출부 (50) 가 형성되어 있다. 각각의 돌출부 (50) 에는 원형 단면의 캠 삽입 구멍 (51) 이 형성되어 있다. 한편, 크랭크 케이스 (1) 의 정상면에는 서로 일정 거리를 두고 분리되어 있으며 대응하는 돌출부 (50) 사이에 끼워지는 복수의 돌출부 (52) 가 형성되어 있다. 이 돌출부 (52) 에도 원형 단면의 캠 삽입 구멍 (53) 이 형성되어 있다.
도 2 에 도시되어 있는 바와 같이, 한 쌍의 캠 축 (54, 55) 이 제공된다. 각각의 캠 축 (54, 55) 에는 모든 다른 위치에서 캠 삽입 구멍 (51) 에 회전가능하게 삽입될 수 있는 원형 캠 (56) 이 고정되어 있다. 이 원형 캠 (56) 은 캠 축 (54, 55) 의 회전 축선과 동축이다. 한편, 도 3 에 해칭으로 도시한 바와 같이, 원형 캠 (56) 사이에는, 캠 축 (54, 55) 의 회전 축선에 대해 편심배치되는 편심 축 (57) 이 형성되어 있다. 각각의 편심 축 (57) 에는 다른 원형 캠 (58) 이 편심되어 회전가능하게 부착되어 있다. 도 2 에 도시되어 있는 바와 같이, 이 원형 캠 (58) 은 원형 캠 (56) 사이에 배치된다. 이 원형 캠 (58) 은 대응 하는 캠 삽입 구멍 (53) 에 회전가능하게 삽입된다.
도 3a 에 도시된 상태로부터 캠 축 (54, 55) 에 체결된 원형 캠 (56) 이 도 3a 에 실선 화살표로 나타낸 바와 같이 반대 방향으로 회전하면, 편심 축 (57) 은 하방 중앙으로 향하므로, 원형 캠 (58) 은 도 3a 에서 파선 화살표로 나타낸 바와 같이 캠 삽입 구멍 (53) 내에서 원형 캠 (56) 과 대향하는 방향으로 회전한다. 도 3b 에 도시되어 있는 바와 같이, 편심 축 (57) 이 하방 중앙으로 향하면, 원형 캠 (58) 의 중심은 편심 축 (57) 의 하방으로 이동한다.
도 3a 과 도 3b 의 비교로부터 알 수 있는 바와 같이, 크랭크 케이스 (1) 와 실린더 블록 (2) 의 상대 위치는 원형 캠 (56) 의 중심과 원형 캠 (58) 의 중심 사이의 거리에 의해 결정된다. 원형 캠 (56) 의 중심과 원형 캠 (58) 의 중심 사이의 거리가 커질수록, 실린더 블록 (2) 은 크랭크 케이스 (1) 로부터 더 멀어진다. 실린더 블록 (2) 이 크랭크 케이스 (1) 로부터 멀어지면, 피스톤 (4) 이 압축 상사점에 위치할 때의 연소실 (5) 의 용적은 증가하기 때문에, 캠 축 (54, 55) 을 회전시킴으로써, 피스톤 (4) 이 압축 상사점에 위치할 때의 연소실 (5) 의 용적을 변화시킬 수 있다.
도 2 에 도시되어 있는 바와 같이, 캠 축 (54, 55) 을 반대 방향으로 회전시키기 위해서, 구동 모터 (59) 의 축에는 나선 방향이 반대인 한 쌍의 웜 기어 (61, 62) 가 제공된다. 이 웜 기어 (61, 62) 와 맞물리는 기어 (63, 64) 가 캠 축 (54, 55) 의 단부에 체결되어 있다. 이 실시예에 있어서, 구동 모터 (59) 는, 피스톤 (4) 이 압축 상사점에 위치하는 때의 연소실 (5) 의 용적을 넓은 범위에 걸 쳐 변화시키도록 구동될 수 있다. 도 1 내지 도 3 에 도시되어 있는 가변 압축비 기구 (A) 는 일예를 나타낸다. 어떤 유형의 가변 압축비 기구도 사용될 수 있다.
한편, 도 4 는 도 1 의 흡기 밸브 (7) 를 구동시키기 위한 캠 축 (70) 의 단부에 부착된 가변 밸브 타이밍 기구 (B) 를 나타낸다. 도 4 를 참조하면, 이 가변 밸브 타이밍 기구 (B) 에는, 화살표 방향으로 타이밍 벨트를 통해 엔진 크랭크 축에 의해 회전하는 타이밍 풀리 (71), 타이밍 풀리 (71) 와 함께 회전하는 원통형 하우징 (72), 흡기 밸브 구동용 캠 축 (70) 과 함께 회전할 수 있는 동시에 원통형 하우징 (72) 에 대해 상대회전 할 수 있는 축 (73), 원통형 하우징 (72) 의 내주면으로부터 축 (73) 의 외주면까지 이어지는 복수의 칸막이벽 (74), 및 칸막이벽 (74) 사이에서 축 (73) 의 외주면으로부터 원통형 하우징 (72) 의 내주면까지 이어지는 베인 (75) 이 제공되어 있으며, 베인 (75) 의 양측에는 진각용 유압실 (76) 과 지각용 유압실 (77) 이 형성되어 있다.
유압실 (76, 77) 에의 작동 오일의 공급은 작동 오일 공급 제어 밸브 (85) 에 의해 제어된다. 이 작동 오일 공급 제어 밸브 (85) 에는, 유압실 (76, 77) 에 연결된 유압 포트 (78, 79), 유압 펌프 (80) 로부터 토출되는 작동 오일을 위한 공급 포트 (81), 한 쌍의 드레인 (drain) 포트 (82, 83), 및 포트 (78, 79, 81, 82, 83) 의 연통 및 차단을 제어하기 위한 스풀 밸브 (84) 가 제공되어 있다.
도 4 에 있어서, 흡기 밸브 구동용 캠 축 (70) 의 캠의 위상을 진각시키기 위해서, 스풀 밸브 (85) 는 우측으로 이동하고, 공급 포트 (81) 로부터 공급되는 작동 오일은 유압 포트 (78) 를 통해 진각용 유압실 (76) 에 공급되며, 지각용 유압실 (77) 의 작동 오일은 드레인 포트 (83) 로부터 배출된다. 이때, 축 (73) 은 원통형 하우징 (72) 에 대해 화살표 방향으로 상대회전하게 된다.
이에 반해, 도 4 에서, 흡기 밸브 구동용 캠 축 (70) 의 캠의 위상을 지각시키기 위해서, 스풀 밸브 (84) 는 좌측으로 이동하고, 공급 포트 (81) 로부터 공급되는 작동 오일은 유압 포트 (79) 를 통해 지각용 유압실 (77) 에 공급되며, 진각용 유압실 (76) 의 작동 오일은 드레인 포트 (82) 로부터 배출된다. 이때, 축 (73) 은 화살표에 반대 방향으로 원통형 하우징 (72) 에 대해 상대회전하게 된다.
축 (73) 이 원통형 하우징에 대해 상대회전하게 될 때, 스풀 밸브 (84) 가 도 4 에 도시된 중립 위치로 되돌아오면, 축 (73) 의 상대 회전을 위한 작동은 종료되고, 축 (73) 은 그때의 상대 회전 위치에 유지된다. 그러므로, 흡기 밸브 구동용 캠 축 (70) 의 캠의 위상을 정확히 원하는 양만큼 진각시키거나 지각시키도록 가변 밸브 타이밍 기구 (B) 를 사용할 수 있다.
도 5 에서, 실선은 가변 밸브 타이밍 기구 (B) 가 흡기 밸브 구동용 캠 축 (70) 의 캠의 위상을 최대로 진각시키도록 사용될 때를 나타내고 있고, 파선은 가변 밸브 타이밍 기구 (B) 가 흡기 밸브 구동용 캠 축 (70) 의 캠의 위상을 최대로 지각시키도록 사용될 때를 나타내고 있다. 그러므로, 흡기 밸브 (7) 의 개방 기간은 도 5 에서 실선으로 표시한 범위와 파선으로 표시한 범위 사이에서 자유롭게 설정될 수 있고, 따라서, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기는 도 5 에서 화살표 (C) 로 표시한 범위 안의 임의의 크랭크 각에서 설정될 수 있다.
도 1 및 도 4 에 도시된 가변 밸브 타이밍 기구 (B) 는 일예이다. 예컨대, 흡기 밸브의 개방 시기를 일정하게 유지시키면서 흡기 밸브의 폐쇄 시기만을 변화시킬 수 있는 가변 밸브 타이밍 기구 등 다른 여러가지 유형의 가변 밸브 타이밍 기구를 사용할 수 있다.
다음으로, 도 6 을 참조하여 본원에 사용되는 용어의 의미를 설명할 것이다. 도 6a, 도 6b 및 도 6c 는 설명을 위해 연소실의 용적이 50 ㎖ 이고 피스톤의 행정 용적이 500 ㎖ 인 엔진을 도시하고 있다. 이 도 6a, 도 6b 및 도 6c 에 있어서, 연소실 용적은 피스톤이 압축 상사점에 있을 때의 연소실의 용적을 나타낸다.
도 6a 는 기계 압축비를 설명한다. 기계 압축비는 압축 행정시의 피스톤의 행정 용적과 연소실 용적으로부터 기계적으로 결정되는 값이다. 이 기계 압축비는 (연소실 용적+행정 용적)/연소실 용적으로 표현된다. 도 6a 에 도시된 실시예에 있어서, 이 기계 압축비는 (50 ㎖ + 500 ㎖)/50 ㎖ = 11 이 된다.
도 6b 는 실제 압축비를 설명한다. 이 실제 압축비는, 압축 작용이 실제로 개시될 때로부터 피스톤이 상사점에 도달할 때까지의 피스톤의 실제 행정 용적과 연소실 용적으로부터 결정되는 값이다. 이 실제 압축비는 (연소실 용적+실 제 행정 용적)/연소실 용적으로 표현된다. 즉, 도 6b 에 도시되어 있는 바와 같이, 피스톤이 압축 행정에서 상승을 개시해도, 흡기 밸브가 개방되고 있는 동안에는, 압축 작용은 실행되지 않는다. 실제 압축 작용은 흡기 밸브가 폐쇄된 후에 개시된다. 그러므로, 실제 압축비는 실제 행정 용적을 사용하여 하기와 같이 표현된다. 도 6b 에 도시된 실시예에 있어서, 실제 압축비는 (50 ㎖ + 450 ㎖)/50 ㎖ = 10 이 된다.
도 6c 는 팽창비를 설명한다. 팽창비는 팽창 행정시의 피스톤의 행정 용적과 연소실 용적으로부터 결정되는 값이다. 이 팽창비는 (연소실 용적+행정 용적)/연소실 용적으로 표현된다. 도 6c 에 도시된 실시예에 있어서, 이 팽창비는 (50 ㎖ + 500 ㎖)/50 ㎖ = 11 이 된다.
다음으로, 도 7 및 도 8 을 참조하여 본 발명의 가장 기본적인 특징을 설명할 것이다. 도 7 은 이론 열효율과 팽창비 사이의 관계를 나타내고, 도 8 은 본 발명에서 부하에 따라 선택적으로 사용되는 통상적인 사이클과 초고 팽창비 사이클 사이의 비교를 나타낸다.
도 8a 는, 흡기 밸브가 하사점 부근에서 폐쇄되고, 피스톤에 의한 압축 작용이 실질적으로 압축 하사점 부근에서부터 개시되는 경우의 통상적인 사이클을 나타낸다. 이 도 8a 에 도시된 실시예에서도, 도 6a, 도 6b 및 도 6c 에 도시된 실시예와 마찬가지로, 연소실 용적은 50 ㎖ 이 되고, 피스톤의 행정 용적은 500 ㎖ 이 된다. 도 8a 로부터 알 수 있는 바와 같이, 통상적인 사이클에서, 기계 압축비는 (50 ㎖ + 500 ㎖)/50 ㎖ = 11 이고, 실제 압축비 또한 약 11 이며, 팽창비 또한 (50 ㎖ + 500 ㎖)/50 ㎖ = 11 이 된다. 즉, 통상적인 내연기관에 있어서, 기계 압축비, 실제 압축비, 및 팽창비는 실질적으로 같아진다.
도 7 의 실선은 실제 압축비와 팽창비가 실질적으로 같은 경우, 즉 통상적인 사이클에서의 이론 열효율의 변화를 나타낸다. 이 경우, 팽창비가 커질수록, 즉 실제 압축비가 커질수록, 이론 열효율이 커지는 것을 알 수 있다. 그러므로, 통상적인 사이클에서, 이론 열효율을 상승시키기 위해서, 실제 압축비는 더 커져야한다. 그러나, 엔진 고부하 운전시의 노킹 발생의 제약으로 인해, 실제 압축비는 단지 최대 약 12 까지만 상승될 수 있고, 따라서 통상적인 사이클에서 이론 열효율은 충분히 높아질 수 없다.
한편, 이러한 상황 하에서, 발명자는 기계 압축비와 실제 압축비를 엄밀히 구분하고, 이론 열효율을 연구한 결과, 이론 열효율에 있어서, 팽창비가 지배적이며 이론 열효율은 대부분 실제 압축비에 의해 영향을 받지 않는다는 것을 발견하였다. 즉, 실제 압축비를 상승시키면, 폭발력은 상승하지만, 압축은 큰 에너지를 필요로함으로, 실제 압축비를 상승시켜도, 이론 열효율은 대부분 높아지지 않는다.
이에 반해, 팽창비를 증가시키면, 팽창 행정시에 피스톤에 압하력이 작용하는 기간은 길어지고, 피스톤이 크랭크축에 회전력을 가하는 기간은 길어진다. 그러므로, 팽창비가 커질수록, 이론 열효율은 커지게된다. 도 7 의 파선은, 실제 압축비가 10 으로 고정되고, 이러한 상태에서 팽창비를 상승시킨 경우의 이론 열효율을 나타낸다. 이처럼, 실제 압축비가 낮은 값으로 유지되는 상태에서 팽창비를 증가시키는 경우의 이론 열효율의 상승량과 도 7 의 실선으로 도시한 바와 같이 실제 압축비가 팽창비와 함께 증가하는 경우의 이론 열효율의 상승량에는 큰 차이가 없다는 것을 알 수 있다.
이처럼 실제 압축비가 낮은 값으로 유지되면, 노킹은 발생하지 않고, 따라서 실제 압축비가 낮은 값으로 유지되는 상태에서 팽창비를 증가시키면, 노킹의 발생을 방지하면서 이론 열효율을 크게 증가시킬 수 있다. 도 8b 는 가변 압축비 기구 (A) 와 가변 밸브 타이밍 기구 (B) 를 사용하여 실제 압축비를 낮은 값으로 유지시키면서 팽창비를 증가시키는 경우의 일예를 보여준다.
도 8b 를 참조하면, 이 실시예에서, 가변 압축비 기구 (A) 는 연소실 용적을 50 ㎖ 로부터 20 ㎖ 로 낮추기 위해 사용된다. 한편, 가변 밸브 타이밍 기구 (B) 는 피스톤의 실제 행정 용적이 500 ㎖ 로부터 200 ㎖ 로 변화될 때까지 흡기 밸브의 폐쇄 시기를 지연시키기 위해 사용된다. 그 결과, 이 실시예에 있어서, 실제 압축비는 (20 ㎖ + 200 ㎖)/20 ㎖ = 11 이 되고, 팽창비는 (20 ㎖ + 500 ㎖)/20 ㎖ = 26 이 된다. 도 8a 에 도시된 통상적인 사이클에 있어서, 상기와 같이, 실제 압축비는 약 11 이고, 팽창비는 11 이다. 이 경우를 도 8b 에 도시된 경우와 비교하면, 팽창비만이 26 까지 상승하는 것을 알 수 있다. 이런 이유로 "초고 팽창비 사이클" 이라고 부른다.
또한, 일반적으로, 내연기관에서는, 엔진 부하가 낮을수록, 열효율은 나빠지고, 그러므로 차량 주행시 열효율을 향상시키기 위해서는, 즉 연비를 향상시키기 위해서는, 엔진 저부하 운전시에 열효율을 향상시킬 필요가 있다. 이 경우, 상기와 같이, 팽창비가 커질수록, 열효율은 더 향상된다. 한편, 엔진 압축비를 증가시키면, 팽창비는 더 커진다. 그러므로, 차량 주행시에 열효율을 향상시키기 위해서, 엔진 저부하 운전시에 기계 압축비를 가능한 높게 상승시켜, 엔진 저부하 운전시에 최대 팽창비가 획득될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 도 8b 에 도시된 초고 팽창비 사이클에 있어서, 압축 행정시의 피스톤의 실제 행정 용적은 더 작아져서, 연소실 (5) 에 흡입될 수 있는 흡입 공기량은 더 작아지고, 따라서, 이 초고 팽창비 사이클은 엔진 부하가 비교적 낮은 경우에만 사용될 수 있다. 그러므로, 본 발명에 있어서, 엔진 저부하 운전시에는, 도 8b 에 도시된 초고 팽창비 사이클이 설정되고, 엔진 고부하 운전시에는, 도 8a 에 도시된 통상적인 사이클이 설정된다. 이는 본 발명의 기본 특징이다.
다음으로, 도 9 를 참조하여 본 발명에 따른 운전 제어 전반을 설명할 것이다.
도 9 는, 엔진 부하에 따른, 기계 압축비, 팽창비, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 압력, 더 구체적으로는 연소 직전 또는 스파크 플러그 (6) 에 의한 점화 작용 직전의 연소실 (5) 내의 압력, 흡입 공기량, 스로틀 밸브 (17) 의 개도, 및 펌핑 손실을 보여준다. 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 촉매 컨버터 (22) 의 삼원 촉매가 배기가스 중의 미연소 HC, CO 및 NOx 를 동시에 감소시킬 수 있도록, 연소실 (5) 내의 평균 공연비는 통상적으로 공연비 센서 (21a) 의 출력 신호에 기초하여 이론 공연비로 피드백제어된다.
이제, 본 발명에 있어서, 요구되는 부하에 따른 흡입 공기량이 연소실 (5) 에 공급되도록, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기가 제어된다. 압축 행정의 말기의 연소실 (5) 내의 가스의 상태가 엔진 부하에 관계없이 실질적으로 일정해지도록 기계 압축비가 제어된다. 도 9 에 도시된 실시예에 있어서, 압축 행정의 말기의 연소실 (5) 내의 압력이 엔진 부하에 관계없이 실질적으로 일정해지도록 기계 압축비가 제어된다.
흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기 및 기계 압축비가 이와같이 제어되면, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기 및 기계 압축비는 도 9 의 실선으로 일반적으로 도시한 바와 같이 엔진 부하에 따라 변한다. 이 도 9 는 엔진 속도가 일정하게 유지되는 동안 엔진 부하가 변하는 경우를 보여준다.
이제, 본 발명에 있어서, 엔진 고부하 운전시에, 상기와 같이, 도 8a 에 도시된 통상적인 사이클이 실행된다. 이때, 도 9 에 실선으로 도시한 바와 같이, 흡입 공기량은 크기 때문에, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기는 도 5 에서 실선으로 도시한 바와 같이 진각된다. 또한, 이때, 도 9 에 도시되어 있는 바와 같이, 기계 압축비는 낮아지기 때문에, 팽창비는 낮아진다. 이때, 스로틀 밸브 (17) 의 개도는 완전개방 상태 또는 실질적으로 완전개방 상태로 유지되기 때문에, 펌핑 손실은 0 이 된다.
한편, 도 9 에 도시되어 있는 바와 같이, 엔진 부하가 낮아지면, 이와 함께 연소실 (5) 내부로 공급되는 흡입 공기량은 감소되기 때문에, 도 9 에 실선으로 도시한 바와 같이, 엔진 부하가 낮아짐에 따라, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기는 지연된다. 이때에도, 스로틀 밸브 (17) 는 완전개방 상태 또는 실질적으로 완전개방 상태로 유지되고, 따라서 연소실 (5) 에 공급되는 흡입 공기량은 스로틀 밸브 (17) 가 아닌, 흡기 밸브 (17) 의 폐쇄 시기의 변화에 의해 제어된다. 그러므로, 이때에도, 펌핑 손실은 0 이 된다.
한편, 이처럼 엔진 부하가 낮아지고 연소실 (5) 에 공급되는 흡입 공기량이 감소되는 경우, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 압력을 일정하게 유지하기 위해서, 압축 상사점에서 연소실 (5) 의 용적을 더 작게 할 필요, 즉 기계 압축비를 증가시킬 필요가 있다. 그러므로, 도 9 에 도시되어 있는 바와 같이, 엔진 부하가 낮아짐에 따라, 기계 압축비는 증가되고, 그러므로 팽창비 또한 증가된다.
엔진 부하가 더 낮아지면, 연소실 (5) 내부로 공급되는 흡입 공기량을 더 감소시키기 위해서, 도 9 에 실선으로 도시한 바와 같이, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기는 연소실 (5) 에 공급되는 흡입 공기량을 제어할 수 있는 한계 폐쇄 시기로 지연된다. 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기가 한계 폐쇄 시기에 도달하는 때의 엔진 부하 (L2) 보다 더 낮은 부하의 영역에서는, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기는 한계 폐쇄 시기에 유지된다. 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기가 한계 폐쇄 시기에 유지되면, 흡입 공기량은 더 이상 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기의 변화에 의해 제어될 수 없다. 그러므로, 흡입 공기량은 어떤 다른 방법에 의해 제어되어야 한다.
도 9 에 도시된 실시예에 있어서, 이때, 즉 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기가 한계 폐쇄 시기에 도달하는 때의 엔진 부하 (L2) 보다 더 낮은 부하의 영역에서는, 스로틀 밸브 (17) 가 연소실 (5) 에 공급되는 흡입 공기량을 제어하기 위해 사용된다. 그러나, 흡입 공기량을 제어하기 위해 스로틀 밸브 (17) 를 사용하면, 도 9 에 도시되어 있는 바와 같이, 펌핑 손실은 증가한다.
이러한 펌핑 손실을 방지하기 위해서, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기가 한계 폐쇄 시기에 도달하는 때의 엔진 부하 (L2) 보다 더 낮은 부하의 영역에서는, 스로틀 밸브 (17) 는 완전개방 상태 또는 실질적으로 완전개방 상태로 유지된다. 이러한 상태에서, 엔진 부하가 낮아질수록, 공연비는 더 커질 수도 있다. 이때, 연료 분사장치 (13) 는 성층 연소를 실행하도록 연소실 (5) 내에 배치되는 것이 바람직하다.
한편, 엔진 부하가 낮아지고 연소실 (5) 에 공급되는 흡입 공기량이 감소되면, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 압력을 일정하게 유지하기 위해 기계 압축비는 더 증가된다. 다음으로, 기계 압축비가 연소실 (5) 의 구조적인 한계를 형성하는 한계 기계 압축비에 도달하는 경우, 기계 압축비가 한계 기계 압축비에 도달하는 때의 엔진 부하 (L1) 보다 더 낮은 부하의 영역에서는, 기계 압축비는 한계 엔진 압축비에 유지된다. 그러므로, 엔진 저부하 운전시에, 기계 압축비는 최대가 되고, 팽창비도 최대가 된다. 달리 표현하면, 본 발명에 있어서, 엔진 저부하 운전시에 최대 팽창비를 얻도록, 기계 압축비는 최대가 된다.
이처럼, 본 발명에 따르면, 엔진 부하에 관계없이, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 압력은 실질적으로 일정하게 유지된다. 즉, 엔진 부하에 관계없이, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 가스의 상태는 노킹을 발생시키지 않고 안정적인 양호한 연소를 주는 최적의 가스 상태가 된다. 따라서, 기계 압축비가 최대 가 되는 엔진 저부하 운전시와 같이 모든 부하 영역에서 안정된 양호한 연소를 얻을 수 있다.
상기와 같이, 도 8b 에 도시된 초고 팽창비 사이클에서, 팽창비는 26 이 된다. 이 팽창비가 높을수록 바람직하지만, 20 이상이라면, 상당히 높은 이론 열효율을 얻을 수 있다. 그러므로, 본 발명에 있어서, 엔진 저부하 운전시에, 팽창비가 20 이상이 되도록, 가변 압축비 기구 (A) 가 형성된다.
또한, 도 9 에 도시된 실시예에 있어서, 기계 압축비는 엔진 부하에 따라 연속적으로 변한다. 그러나, 기계 압축비는 엔진 부하에 따라 단계적으로 변할 수도 있다.
또한, 도 9 에 파선으로 도시한 바와 같이, 엔진 부하가 낮아짐에 따라, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기 또한 진각시킴으로서, 스로틀 밸브 (17) 에 의하지 않고 흡입 공기량을 제어할 수 있다. 그러므로, 도 9 에 있어서, 실선으로 나타낸 경우와 파선으로 나타낸 경우를 포함하면, 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기는, 엔진 부하가 낮아짐에 따라, 연소실에 공급되는 흡입 공기량을 제어할 수 있는 한계 폐쇄 시기 (L2) 까지 흡기 하사점 (BDC) 으로부터 멀어지는 방향으로 이동한다.
다음으로, 도 10 내지 도 14 를 참조하여, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 압력이 엔진 부하에 관계없이 실질적으로 일정해지도록 기계 압축비를 제어하기 위한 실시예를 설명한다.
도 10a 는 요구되는 부하에 따른 흡입 공기량을 연소실 (5) 의 내부에 공급하는데 필요한 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기 (IC) 의 맵을 보여준다. 도 10a 로부터 알 수 있는 바와 같이, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기 (IC) 는 엔진 부하 (L) 와 엔진 속도 (N) 의 함수이다. 이 맵은 ROM (32) 에 미리 저장된다.
도 10b 는 압축 행정 말기의 연소실 (5) 의 목표 압력 (PN), 더 정확하게 말하면 연소 직전 또는 스파크 플러그 (6) 에 의한 점화 직전의 연소실 (5) 내의 목표 압력 (PN) 과 엔진 부하 (L) 사이의 관계를 보여준다. 도 10b 에서, PN1, PN2, PN3 및 PN4 은 각각 다른 엔진 속도에 대한 목표 압력을 나타낸다. 이 경우, 엔진 속도에 관해서, PN1＜PN2＜PN3＜PN4 의 관계가 있다. 즉, 엔진 속도가 높을수록, 연소실 (5) 내에서 혼란이 더 커지기 때문에, 노킹이 발생하기 어려워져, 목표 압력 (PN) 은 엔진 속도가 높아짐에 따라 높아진다.
도 10b 에 도시되어 있는 바와 같이, 목표 압력 (PN) 은 동일한 엔진 속도에서 엔진 부하에 관계없이 일정하게 된다.
도 11 은 연소실 (5) 내의 압력을 직접 검출하고, 검출된 연소실 (5) 내의 압력에 기초하여 기계 압축비를 제어하는 경우의 운전 제어 루틴을 보여준다.
도 11 을 참조하면, 우선 단계 100 에서, 엔진 부하 (L) 가 도 9 에 도시된 부하 (L2) 보다 더 높은지 판정된다. L≥L2 인 경우, 루틴은 단계 101 로 나아가고, 도 10a 에 도시된 맵이 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기 (IC) 를 계산하기 위해 사용되며, 흡기 밸브 (7) 는 계산된 폐쇄 시기 (IC) 에서 폐쇄되도록 제어된다. 다음, 루틴은 단계 104 로 나아간다. 이에 반해, 단계 100 에서, L＜L2 인 것으로 판정되는 경우, 루틴은 단계 102 로 나아가고, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기는 한계 폐쇄 시기로 되며, 그 다음 단계 103 에서, 흡입 공기량이 스로틀 밸브 (19) 에 의해 제어된다. 다음, 루틴은 단계 104 로 나아간다.
단계 104 에서, 엔진 부하 (L) 가 도 9 에 도시된 부하 (L1) 보다 더 낮은지 판정된다. L≥L1 인 경우, 루틴은 단계 105 로 나아가고, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 압력 (P0) 이 압력 센서 (23) 에 의해 검출된다. 다음, 단계 106 에서, 압력 (P0) 이 도 10b 로부터 계산된 목표 압력 (PN) 에 일정치 (α) 를 가산한 값인 PN+α 보다 더 높은지 판정된다. P0＞PN+α 인 경우, 루틴은 단계 107 로 나아가고, 기계 압축비 (CR) 가 일정치 (ΔCR) 감소된다. 다음, 루틴은 단계 111 로 나아간다. 이에 반해, 단계 106 에서, P0≤PN+α 인 것으로 판정되는 경우, 루틴은 단계 108 로 나아가고, 압력 (P0) 이 도 10b 로부터 계산된 목표 압력 (PN) 에서 일정치 (α) 를 감산한 값인 PN-α 보다 더 낮은지 판정된다. P0＜PN-α 인 경우, 루틴은 단계 109 로 나아가고, 기계 압축비 (CR) 는 일정치 (ΔCR) 증가된다. 다음, 루틴은 단계 111 로 나아간다.
한편, 단계 104 에서 L＜L1 인 것으로 판정되는 경우, 루틴은 단계 110 으로 나아가고, 기계 압축비 (CR) 는 한계 기계 압축비가 된다. 다음, 루틴은 단계 111 로 나아간다. 단계 111 에서, 계산된 기계 압축비 (CR) 는 가변 압축비 기 구 (A) 를 제어함으로써 얻어진다. 즉, L≥L1 인 경우, 압력 (P0) 은 기계 압축비 (CR) 를 제어함으로써 목표 압력 (PN) 이 되고, L＜L1 인 경우, 기계 압축비 (CR) 는 한계 기계 압축비에 고정된다.
도 12 는, 엔진 흡기 통로 내의 압력을 검출하고, 이 검출된 압력을 사용하여 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 압력을 추정하고, 추정된 연소실 (5) 내의 압력에 기초하여 기계 압축비를 제어하는 경우의 운전 제어 루틴을 보여준다.
도 12 를 참조하면, 우선 단계 200 에서, 엔진 부하 (L) 가 도 9 에 도시된 부하 (L2) 보다 더 높은지 판정된다. L≥L2 인 경우, 루틴은 단계 201 로 나아가고, 도 10a 에 도시된 맵이 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기 (IC) 를 계산하는데 사용되고, 흡기 밸브 (7) 는 계산된 폐쇄 시기 (IC) 에 폐쇄되도록 제어된다. 다음, 루틴은 단계 204 로 나아간다. 이에 반해, 단계 200 에서 L＜L2 인 것으로 판정되는 경우, 루틴은 단계 202 로 나아가고, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기는 한계 폐쇄 시기가 되며, 그 다음 단계 203 에서 흡입 공기량이 스로틀 밸브 (19) 에 의해 제어된다. 다음, 루틴은 단계 204 로 나아간다.
단계 204 에서, 엔진 부하 (L) 가 도 9 에 도시된 부하 (L1) 보다 더 낮은지 판정된다. L≥L1 인 경우, 루틴은 단계 205 로 나아가고, 흡기 통로 내의 압력 (PP) 을 검출하기 위해 압력 센서 (25) 가 사용되고, 실제 압축 개시시의 연소실 (5) 의 용적 (V1) 이 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기 (IC) 로부터 계산되고, 예를 들어 점화 직전의 연소실 (5) 의 용적 (V0) 이 점화 시기로부터 계산된다. 다음, 단계 206 에서, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 의 압력 (P0) 이 검출된 흡기 통로 내의 압력 (PP) 과 V1, V0 로부터 계산된다. 즉, 압력이 P, 용적이 V, 비열비가 K (=CP/CV) 이면, 단열 압축이 실행되는 경우, PVK=일정의 관계가 이루어진다. 단열 압축 개시시의 연소실 (5) 내의 압력이 흡기 통로 내의 압력 (PP) 이 되면, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 압력 (P0) 을 구하는데 이 관계가 사용될 수도 있다.
다음, 단계 207 에서, 압력 (P0) 이 도 10b 로부터 계산된 목표 압력 (PN) 에 일정치 (α) 를 가산한 값인 PN+α 보다 더 높은지 판정된다. P0＞PN+α 인 경우, 루틴은 단계 208 로 나아가고, 기계 압축비 (CR) 는 일정치 (ΔCR) 감소된다. 다음, 루틴은 단계 212 로 나아간다. 이에 반해, 단계 207 에서 P0≤PN+α 인 것으로 판정되는 경우, 루틴은 단계 209 로 나아가고, 압력 (P0) 이 도 10b 로부터 계산된 목표 압력 (PN) 에서 일정치 (α) 를 감산한 값인 PN-α 보다 더 낮은지 판정된다. P0＜PN-α 인 경우, 루틴은 단계 210 으로 나아가고, 기계 압축비 (CR) 는 일정치 (ΔCR) 증가된다. 다음, 루틴은 단계 212 로 나아간다.
한편, 단계 204 에서 L＜L1 인 것으로 판정되는 경우, 루틴은 단계 211 로 나아가고, 기계 압축비 (CR) 는 한계 기계 압축비가 된다. 다음, 루틴은 단계 212 로 나아간다. 단계 212 에서, 계산된 기계 압축비 (CR) 는 가변 압축비 기구 (A) 를 제어함으로써 획득된다.
도 13 및 도 14 는 변형예를 보여준다. 이 변형예에 있어서, 도 13 에 도시되어 있는 바와 같이, 압축 상사점에서의 연소실 (5) 내의 압력을 목표 압력으로 만드는데 필요한 목표 기계 압축비 (CR0) 와 기계 압축비 결정 함수 (f(PV)) 사이의 관계가 미리 저장된다. 이 관계에 기초하여, 기계 압축비가 제어된다. 도 13 에 있어서, CRON1, CRON2, CRON3 및 CRON4 은 각각 다른 엔진 속도에 대한 목표 기계 압축비를 나타낸다. 이 경우, 엔진 속도에 관해서, CRON1＜CRON2＜CRON3＜CRON4 의 관계가 있다. 즉, 엔진 속도가 높을수록, 목표 기계 압축비는 높아진다.
다음, 기계 압축비 결정 함수 (f(PV)) 를 설명한다. 압축 상사점에서의 연소실 (5) 의 압력 및 연소실 (5) 의 용적이 P0 및 V0 이고, 압축 하사점에서의 연소실 (5) 의 용적이 VS 이며, 압축 작용이 실제로 개시될 때의 연소실 (5) 내의 압력 및 연소실 (5) 의 용적이 P1 및 V1 이면, 단열 압축이 실행될 때, P0V0 K=P1V0 K 가 이루어진다. 이는 V0=(P1/P0)1/K·V1 으로 변형될 수도 있다. 한편, 기계 압축비는 VS/V0 로 표현된다. 그러므로, 기계 압축비는 VS/V0=VS·P0 1 /K/(P1 1 /K·V1) 로 표현된다. 여기서, P1 1 /K·V1 은 기계 압축비 결정 함수 (f(PV)) 가 된다. 이 경우, 기계 압축비 결정 함수 (f(PV)) 와 목표 기계 압축비 (CRO) 사이의 관계는 도 13 에 도시된 바와 같이 된다.
즉, 도 13 에 도시되어 있는 바와 같이, 실제 압축 개시시의 연소실 (5) 내의 압력 (P1) 이 높으면, 기계 압축비 결정 함수 (f(PV)) 는 커지고, 그러므로, 목표 기계 압축비 (CRO) 는 떨어진다. 한편, 실제 압축 개시시의 연소실 (5) 의 용적 (V1) 이 작아지면, 기계 압축비 결정 함수 (f(PV)) 는 작아지고, 그러므로 목표 기계 압축비 (CRO) 는 커진다. 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 압력 센서 (25) 에 의해 검출되는 흡기 통로 내의 압력은 실제 압축 개시시의 연소실 (5) 내의 압력 (P1) 이 된다.
한편, 실제 압축 개시시의 연소실 (5) 의 용적 (V1) 은 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기 (IC) 로부터 계산될 수 있다. 또한, 이 용적 (V1) 은 연소실 (5) 내에 공급되는 흡입 공기량에 비례하기 때문에, 이 용적 (V1) 은 연소실 (5) 에 공급되는 흡입 공기량으로부터 계산될 수 있다. 이 경우, 단위 시간 당 흡입되는 흡입 공기량을 Ga, 엔진 속도를 N 이라고 하면, 연소실 (5) 에 공급되는 흡입 공기량은 C·Ga/N (C 는 비례 상수) 으로 표현된다. 그러므로, 용적 (V1) 은 흡입 공기량 검출기 (16) 에 의해 검출되는 흡입 공기량 (Ga) 및 엔진 속도 (N) 로부터 계산될 수 있다.
도 14 를 참조하면, 우선, 단계 300 에서, 엔진 부하 (L) 가 도 9 에 도시된 부하 (L2) 보다 더 높은지 판정된다. L≥L2 인 경우, 루틴은 단계 301 로 나아가고, 도 10a 에 도시된 맵이 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기 (IC) 를 계산하는데 사용되고, 흡기 밸브 (7) 는 계산된 폐쇄 시기 (IC) 에 폐쇄되도록 제어된다. 다음, 루틴은 단계 304 로 나아간다. 이에 반해, 단계 300 에서 L＜L2 인 것으로 판정되는 경우, 루틴은 단계 302 로 나아가고, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기는 한계 폐쇄 시기가 되며, 그 다음 단계 303 에서, 흡입 공기량은 스로틀 밸브 (19) 에 의해 제어된다. 다음, 루틴은 단계 304 로 나아간다.
단계 304 에서, 엔진 부하 (L) 가 도 9 에 도시된 부하 (L1) 보다 더 낮은지 판정된다. L≥L1 인 경우, 루틴은 단계 305 로 나아가고, 기계 압축비 결정 함수 (f(PV)) 의 값이 계산된다. 이 경우, 상기와 같이, 이 기계 압축비 결정 함수 (f(PV)) 는 압력 센서 (25) 에 의해 검출되는 흡기 통로 내의 압력 및 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기 (IC) 로부터 계산되거나, 압력 센서 (25) 에 의해 검출되는 흡기 통로 내의 압력, 흡입 공기량 검출기 (16) 에 의해 검출되는 흡입 공기량, 및 엔진 속도로부터 계산된다.
다음, 단계 306 에서, 엔진 속도에 대응하는 목표 기계 압축비 (CRO) 가 도 13 으로부터 계산된다. 다음, 단계 307 에서, 기계 압축비 (CR) 가 도 13 으로부터 계산된 목표 기계 압축비 (CRO) 에 일정치 (
Figure 112008065653401-pct00001
) 를 가산한 값인 CRO+
Figure 112008065653401-pct00002
보다 더 높은지 판정된다. CR＞CRO+
Figure 112008065653401-pct00003
인 경우, 루틴은 단계 308 로 나아가고, 기계 압축비 (CR) 는 일정치 (ΔCR) 만큼 감소된다. 다음, 루틴은 단계 312 로 나아간다. 이에 반해, 단계 307 에서, CR≤CRO+
Figure 112008065653401-pct00004
인 것으로 판정되면, 루틴은 단계 309 로 나아가고, 기계 압축비 (CR) 가 도 13 으로부터 계산된 목표 기계 압축비 (CRO) 에서 일정치 (
Figure 112008065653401-pct00005
) 를 감산한 값인 CRO-
Figure 112008065653401-pct00006
보다 더 낮은지 판정된다. CR＜CRO-
Figure 112008065653401-pct00007
인 경우, 루틴은 단계 310 으로 나아가고, 기계 압축비 (CR) 는 일정치 (ΔCR) 증가된다. 다음, 루틴은 단계 312 로 나아간다.
한편, 단계 304 에서 L＜L1 인 것으로 판정되면, 루틴은 단계 311 로 나아가고, 기계 압축비 (CR) 는 한계 기계 압축비가 된다. 다음, 루틴은 단계 312 로 나아간다. 단계 312 에서, 계산된 기계 압축비 (CR) 는 가변 압축비 기구 (A) 를 제어함으로써 얻어진다. 즉, L≥L1 인 경우, 기계 압축비 (CR) 는 목표 기계 압축비 (CRO) 로 제어되고, L＜L1 인 경우, 기계 압축비 (CR) 는 한계 기계 압축비에 고정된다.
다음, 도 15 내지 도 19 를 참조하여, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 가스의 온도가 엔진 부하에 관계없이 실질적으로 일정해지도록 기계 압축비를 제어하는 실시예를 설명한다.
이 경우에도, 엔진 부하에 관계없이, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 가스의 상태는 노킹의 발생 없이 안정된 양호한 연소를 주는 최적의 가스 상태가 된다. 따라서, 기계 압축비가 최대가 되는 엔진 저부하 운전시와 같이 모든 부하 영역에서 안정된 양호한 연소를 얻을 수 있다.
도 15 는, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 목표 가스 온도 (TN), 더 정확하게 말하면 연소 직전 또는 스파크 플러그 (6) 에 의한 점화 직전의 연소실 (5) 내의 목표 가스 온도 (TN) 와 엔진 부하 (L) 사이의 관계를 보여준다. 도 15 에서, TN1, TN2, TN3 및 TN4 은 각각 다른 엔진 속도에 대한 목표 가스 온도를 나타낸다. 이 경우, 엔진 속도에 관해서, TN1＜TN2＜TN3＜TN4 의 관계에 있다. 즉, 상기와 같이, 엔진 속도가 높을수록, 노킹이 발생하기가 더 어려워지고, 따라서 목표 가스 온도 (TN) 는 엔진 속도가 높아짐에 따라 높아진다.
도 15 에 도시되어 있는 바와 같이, 목표 가스 온도 (TN) 는 동일한 엔진 속도에서 엔진 부하에 관계 없이 일정하게 된다. 그러나, 이 목표 가스 온도 (TN) 는 엔진 부하의 크기에 따라 다소 변화될 수도 있다.
도 16 은 연소실 (5) 내의 가스의 온도를 직접 검출하고, 검출된 연소실 (5) 내의 가스 온도에 기초하여 기계 압축비를 제어하는 경우의 운전 제어 루틴을 보여준다.
도 16 을 참조하면, 우선, 단계 400 에서, 엔진 부하 (L) 가 도 9 에 도시된 부하 (L2) 보다 더 높은지 판정된다. L≥L2 인 경우, 루틴은 단계 401 로 나아가고, 도 10a 에 도시된 맵이 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기 (IC) 를 계산하는데 사용되고, 흡기 밸브 (7) 는 계산된 폐쇄 시기 (IC) 에 폐쇄되도록 제어된다. 다음, 루틴은 단계 404 로 나아간다. 이에 반해, 단계 400 에서 L＜L2 인 것으로 판정되는 경우, 루틴은 단계 402 로 나아가고, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기는 한계 폐쇄 시기가 되며, 그 다음 단계 403 에서 흡입 공기량이 스로틀 밸브 (19) 에 의해 제어된다. 다음, 루틴은 단계 404 로 나아간다.
단계 404 에서, 엔진 부하 (L) 가 도 9 에 도시된 부하 (L1) 보다 더 낮은지 판정된다. L≥L1 인 경우, 루틴은 단계 405 로 나아가고, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 가스의 온도 (T0) 가 온도 센서 (24) 에 의해 검출된다. 다음, 단계 406 에서, 가스 온도 (T0) 가 도 15 로부터 계산된 목표 가스 온도 (TN) 에 일정치 (β) 를 가산한 값인 TN+β 보다 높은지 판정된다. T0＞TN+β 인 경우, 루틴은 단계 407 로 나아가고, 기계 압축비 (CR) 는 일정치 (ΔCR) 만큼 감소된다. 다음, 루틴은 단계 411 로 나아간다. 이에 반해, 단계 406 에서 TO≤TN+β 인 것으로 판정되는 경우, 루틴은 단계 408 로 나아가고, 가스 온도 (TO) 가 도 15 에서 계산된 목표 가스 온도 (TN) 에서 일정치 (β) 를 감산한 값이 TN-β 보다 더 낮은지 판정된다. TO＜TN-β 인 경우, 루틴은 단계 409 로 나아가고, 기계 압축비 (CR) 는 일정치 (ΔCR) 증가된다. 다음, 루틴은 단계 411 로 나아간다.
한편, 단계 404 에서 L＜L1 것으로 판정되는 경우, 루틴은 단계 410 으로 나아가고, 기계 압축비 (CR) 는 한계 기계 압축비가 된다. 다음, 루틴은 단계 411 로 나아간다. 단계 411 에서, 계산된 기계 압축비 (CR) 는 가변 압축비 기구 (A) 를 제어함으로써 얻어진다. 즉, L≥L1 인 경우, 가스 온도 (TO) 는 기계 압축비 (CR) 를 제어함으로써 목표 가스 온도 (TN) 가 되고, L＜L1 인 경우, 기계 압축비 (CR) 는 한계 기계 압축비로 고정된다.
도 17 은, 연소실 (5) 내의 흡입 공기의 온도를 검출하고, 이 검출된 온도로부터 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 가스의 온도를 추정하며, 추정된 연소실 (5) 내의 가스의 온도에 기초하여 기계 압축비를 제어하는 경우의 운전 제어 루틴을 보여준다.
도 17 을 참조하면, 우선, 단계 500 에서, 엔진 부하 (L) 가 도 9 에 도시된 부하 (L2) 보다 더 높은지 판정된다. L≥L2 인 경우, 루틴은 단계 501 로 나아가고, 도 10a 에 도시된 맵이 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기 (IC) 를 계산하는데 사용되며, 흡기 밸브 (7) 가 계산된 폐쇄 시기 (IC) 에 폐쇄되도록 제어된다. 다음, 루틴은 단계 504 로 나아간다. 이에 반해, 단계 500 에서 L＜L2 인 것으로 판정되는 경우, 루틴은 단계 502 로 나아가고, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기는 한계 폐쇄 시기가 되고, 그 다음 단계 503 에서 흡입 공기량이 스로틀 밸브 (19) 에 의해 제어된다. 다음, 루틴은 단계 504 로 나아간다.
단계 504 에서, 엔진 부하 (L) 가 도 9 에 도시된 부하 (L1) 보다 더 낮은지 판정된다. L≥L1 인 경우, 루틴은 단계 505 로 나아가고, 온도 센서 (26) 가 연소실 (5) 에 흡입된 흡입 공기의 온도 (TT) 를 검출하는데 사용되고, 연소실 (5) 의 용적 (V1) 이 실제 압축 개시시의 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기 (IC) 로부터 계산 되며, 예를 들어 점화 직전의 연소실 (5) 의 용적 (V0) 이 점화 시기로부터 계산된다. 다음, 단계 506 에서, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내부의 가스의 온도 (TO) 가 검출된 흡입 공기의 온도 (TT), 및 V1, V0 로부터 계산된다. 즉, 온도가 T, 용적이 V, 비열비가 K (=CP/CV) 이면, 단열 압축이 실행되는 경우, TVK -1=일정의 관계가 이루어진다. 단열 압축 개시시의 연소실 (5) 내의 가스의 온도를 흡입 공기의 온도 (TT) 로 하면, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 가스 온도 (TO) 를 구하는데 이 관계를 사용할 수 있다.
다음, 단계 507 에서, 가스 온도 (TO) 가 도 15 로부터 계산된 목표 가스 온도 (TN) 에 일정치 (β) 를 가산한 값인 TN+β 보다 더 높은지 판정된다. TO＞TN+β 인 경우, 루틴은 단계 508 로 나아가고, 기계 압축비 (CR) 는 일정치 (ΔCR) 만큼 감소된다. 다음, 루틴은 단계 512 로 나아간다. 이에 반해, 단계 507 에서 TO≤TN+β 인 것으로 판정되는 경우, 루틴은 단계 509 로 나아가고, 가스 온도 (TO) 가 도 15 로부터 계산된 목표 가스 온도 (TN) 에서 일정치 (β) 를 감산한 값인 TN-β 보다 더 낮은지 판정된다. TO＜TN-β 인 경우, 루틴은 단계 510 으로 나아가고, 기계 압축비 (CR) 는 일정치 (ΔCR) 만큼 증가된다. 다음, 이 루틴은 단계 512 로 나아간다.
한편, 단계 504 에서 L＜L1 인 것으로 판정되는 경우, 루틴은 단계 511 로 나아가고, 기계 압축비 (CR) 는 한계 엔진 압축비가 된다. 다음, 루틴은 단계 512 로 나아간다. 단계 512 에서, 계산된 기계 압축비 (CR) 는 가변 압축비 기구 (A) 를 제어함으로써 얻어진다.
도 18 및 도 19 는 변형예를 보여준다. 이 변형예에 있어서, 도 18 에 도시되어 있는 바와 같이, 압축 상사점에서의 연소실 (5) 내의 가스의 온도를 목표 가스 온도로 하는데 필요한 목표 기계 압축비 (CRO) 와 기계 압축비 결정 함수 (f(PV)) 사이의 관계가 미리 저장된다. 이 관계에 기초하여, 기계 압축비가 제어된다. 도 18 에서, CROT1, CROT2, CROT3 및 CROT4 는 각각 다른 엔진 속도에 대한 목표 기계 압축비를 나타낸다. 이 경우, 엔진 속도에 관하여, CROT1＜CROT2＜CROT3＜CROT4 의 관계가 있다. 즉, 엔진 속도가 높을수록, 목표 기계 압축비는 높아진다.
다음, 기계 압축비 결정 함수 (f(PV)) 를 설명한다. 압축 상사점에서의 연소실 (5) 내의 온도 및 연소실 (5) 의 용적이 각각 T0 및 V0 이고, 압축 하사점에서의 연소실 (5) 의 용적이 VS 이고, 실제 압축 작용 개시시의 연소실 (5) 내의 온도 및 연소실 (5) 의 용적이 각각 T1 및 V1 이면, 단열 압축시, T0V0 K -1=T1V1 K -1 가 이루어진다. 이 식을 변형시키면, V0=(T1/T0)1/(K-1)·V1 이 된다. 한편, 기계 압축비는 VS/V0 로 표현된다. 그러므로, 기계 압축비는 VS/V0=VS·T0 1 /(K-1)/(T1 1 /(K- 1)·V1) 로 표현된다. 여기서, T1 1 /(K-1)·V1 는 기계 압축비 결정 함수 (f(TV)) 가 된다. 이 경우, 기계 압축비 결정 함수 (f(TV)) 와 목표 기계 압축비 (CRO) 사이의 관계는 도 18 에 도시된 바와 같이 된다.
즉, 도 18 에 도시되어 있는 바와 같이, 실제 압축 개시시의 연소실 (5) 내의 가스 온도 (T1) 가 높아지면, 기계 압축비 결정 함수 (f(TV)) 는 커지고, 따라서 목표 기계 압축비 (CRO) 는 떨어진다. 한편, 실제 압축 개시시의 연소실 (5) 의 용적 (V1) 이 작아지면, 기계 압축비 결정 함수 (f(TV)) 는 작아지고, 따라서 목표 기계 압축비 (CRO) 는 커진다. 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 온도 센서 (26) 에 의해 검출되는 흡기 통로 내의 가스 온도가 실제 압축 개시시의 연소실 (5) 내의 가스 온도 (T1) 가 된다.
한편, 실제 압축 개시시의 연소실 (5) 의 용적 (V1) 은 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기 (IC) 로부터 계산될 수 있다. 또한, 이 용적 (V1) 은, 상기와 같이, 흡입 공기량 검출기 (16) 에 의해 검출되는 흡입 공기량 (Ga) 및 엔진 속도 (N) 로부터 계산될 수 있다.
도 19 를 참조하면, 우선, 단계 600 에서, 엔진 부하 (L) 가 도 9 에 도시된 부하 (L2) 보다 더 높은지 판정된다. L≥L2 인 경우, 루틴은 단계 601 로 나아가고, 도 10a 에 도시된 맵은 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기 (IC) 를 계산하는데 사 용되고, 흡기 밸브 (7) 는 계산된 폐쇄 시기 (IC) 에 폐쇄되도록 제어된다. 다음, 루틴은 단계 604 로 나아간다. 이에 반해, 단계 600 에서 L＜L2 인 것으로 판정되는 경우, 루틴은 단계 602 로 나아가고, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기는 한계 폐쇄 시기가 되고, 그 다음 단계 603 에서 흡입 공기량이 스로틀 밸브 (19) 에 의해 제어된다. 다음, 루틴은 단계 604 로 나아간다.
단계 604 에서, 엔진 부하 (L) 가 도 9 에 도시된 부하 (L1) 보다 더 낮은지 판정된다. L≥L1 인 경우, 루틴은 단계 605 로 나아가고, 기계 압축비 결정 함수 (f(TV)) 의 값이 계산된다. 이 경우, 상기와 같이, 이 기계 압축비 결정 함수 (f(TV)) 는 온도 센서 (26) 에 의해 검출되는 흡기 통로 내의 가스 온도 및 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기 (IC) 로부터 계산되거나, 온도 센서 (26) 에 의해 검출되는 흡기 통로 내의 가스 온도, 흡입 공기량 검출기 (16) 에 의해 검출되는 흡입 공기량, 및 엔진 속도로부터 계산된다.
다음, 단계 606 에서, 엔진 속도에 대응하는 목표 기계 압축비 (CRO) 는 도 18 로부터 계산된다. 다음, 단계 607 에서, 기계 압축비 (CR) 가 도 18 로부터 계산된 목표 기계 압축비 (CRO) 에 일정치 (
Figure 112008065653401-pct00008
) 를 가산한 값인 CRO+
Figure 112008065653401-pct00009
보다 더 높은지 판정된다. CR＞CRO+
Figure 112008065653401-pct00010
인 경우, 루틴은 단계 608 로 나아가고, 기계 압축비 (CR) 는 일정치 (ΔCR) 만큼 감소된다. 다음, 루틴은 단계 612 로 나아간다. 이에 반해, 단계 607 에서 CR≤CRO+
Figure 112008065653401-pct00011
인 것으로 판정되는 경우, 루틴은 단계 609 로 나아가고, 기계 압축비 (CR) 가 도 18 에서 계산된 목표 기계 압축비 (CR) 에서 일정치 (
Figure 112008065653401-pct00012
) 감산한 값인 CRO-
Figure 112008065653401-pct00013
보다 더 낮은지 판정된다. CR＜CRO-
Figure 112008065653401-pct00014
인 경우, 루틴은 단계 609 로 나아가고, 기계 압축비 (CR) 는 일정치 (ΔCR) 만큼 증가된다. 다음, 루틴은 단계 612 로 나아간다.
한편, 단계 604 에서 L＜L1 인 것으로 판정되는 경우, 루틴은 단계 611 로 나아가고, 기계 압축비 (CR) 는 한계 엔진 압축비가 된다. 다음, 루틴은 단계 612 로 나아간다. 단계 612 에서, 계산된 기계 압축비 (CR) 는 가변 압축비 기구 (A) 를 제어함으로써 얻어진다. 즉, L≥L1 인 경우, 기계 압축비 (CR) 는 목표 기계 압축비 (CRO) 로 제어되고, L＜L1 인 경우, 기계 압축비 (CR) 는 한계 엔진 압축비에 고정된다.
도 20 및 도 21 은 또 다른 실시예를 보여준다.
도 20a 는 점화 직전의 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 압력 (P0) 및 가스 온도 (TO) 와 노킹 한계 사이의 관계를 보여준다. 압력 (PO) 이 다소 낮더라도, 가스 온도 (TO) 가 높으면, 노킹이 더 많이 발생하고, 가스 온도 (TO) 가 다소 낮더라도, 압력 (P) 이 높으면, 노킹이 더 많이 발생하기 때문에, 노킹 한계는 도 20a 에 도시된 바와 같이 표시된다.
이 실시예에서, 압력 (PO) 및 가스 온도 (TO) 는 기계 압축비를 제어함으로써 도 20a 에서 노킹 한계보다 약간 더 낮은 쪽에 위치되는 목표값 (MN) 상의 목표 압력 및 목표 가스 온도가 된다. 이 목표 값 (MN) 은 도 20b 에 도시되어 있는 바와 같이 각각의 엔진 속도에 대해 설정된다. 이 경우, 엔진 속도에 관해서, MN1＜MN2＜MN3＜MN4 의 관계가 있다. 즉, 상기와 같이, 엔진 속도가 높으면, 노킹이 발생하기 더 어렵고, 따라서 목표값 (MN) 은 엔진 속도가 높아짐에 따라 높아진다.
다음, 도 21 을 참조하여 운전 제어 루틴을 설명할 것이다.
도 21 을 참조하면, 우선, 단계 700 에서, 엔진 부하 (L) 가 도 9 에 도시된 부하 (L2) 보다 더 높은지 판정된다. L≥L2 인 경우, 루틴은 단계 701 로 나아가고, 도 10a 에 도시된 맵이 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기 (IC) 를 계산하는데 사용되며, 흡기 밸브 (7) 는 계산된 폐쇄 시기 (IC) 에 폐쇄되도록 제어된다. 다음, 루틴은 단계 704 로 나아간다. 이에 반해, 단계 700 에서 L＜L2 인 것으로 판정되는 경우, 루틴은 단계 702 로 나아가고, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기는 한계 폐쇄 시기가 되며, 그 다음 단계 703 에서 흡입 공기량이 스로틀 밸브 (19) 에 의해 제어된다. 다음, 루틴은 단계 704 로 나아간다.
단계 704 에서, 엔진 부하 (L) 가 도 9 에 도시된 부하 (L1) 보다 더 낮은지 판정된다. L≥L1 인 경우, 루틴은 단계 705 로 나아가고, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 압력 (PO) 및 가스 온도 (TO) 가 계산된다. 이 경우, 이 압력 (PO) 은 연소실 (5) 내의 압력을 직접 검출하기 위한 압력 센서 (23) 를 사용하여 구할수도 있다. 선택적으로는, 압력 센서 (25) 가 흡기 통로 내의 압력을 검출하기 위해 사용될 수도 있고, 이 검출된 압력으로부터 상기 관계 PVK=일정을 사용하 여 압력 (P0) 을 구할 수도 있다. 마찬가지로, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 가스의 온도 (TO) 는 온도 센서 (24) 로 연소실 (5) 내의 가스의 온도 (TO) 를 직접 검출함으로써 구할 수도 있다. 대안적으로는, 압력 센서 (25) 가 연소실 (5) 로 흐르는 흡입 공기의 온도를 검출하기 위해 사용될 수도 있으며, 이 검출된 온도로부터 상기 관계 TVK -1=일정을 사용하여 가스 온도 (TO) 를 구할 수도 있다.
압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 압력 (P0) 및 가스 온도 (TO) 가 계산되면, 루틴은 단계 706 으로 나아가고, 압력 (PO) 및 가스 온도 (TO) 로부터 결정된 지점 (SN) 이 도 20b 로부터 계산된 목표값 (MN) 에 일정치 (ε) 를 가산한 값인 MN+ε 보다 더 높은 쪽에 있는지 판정된다. SN＞MN+ε 인 경우, 루틴은 단계 707 로 나아가고, 기계 압축비 (CR) 는 일정치 (ΔCR) 만큼 감소된다. 다음, 루틴은 단계 711 로 나아간다. 이에 반해, 단계 706 에서 SN≤MN+ε 인 것으로 판정되는 경우, 루틴은 단계 708 로 나아가고, 압력 (PO) 및 가스 온도 (TO) 로부터 결정된 지점 (SN) 이 도 20b 로부터 계산된 목표값 (MN) 에서 일정치 (ε) 를 감산한 값인 MN-ε 보다 더 낮은 쪽에 있는지 판정된다. SN＜MN-ε 인 경우, 루틴은 단계 709 로 나아가고, 기계 압축비 (CR) 는 일정치 (ΔCR) 증가된다. 다음, 루틴은 단계 711 로 나아간다.
한편, 단계 704 에서 L＜L1 인 것으로 판정되는 경우, 루틴은 단계 710 으로 나아가고, 기계 압축비 (CR) 는 한계 기계 압축비가 된다. 다음, 루틴은 단계 711 로 나아간다. 단계 711 에서, 계산된 기계 압축비 (CR) 는 가변 압축비 기구 (A) 를 제어함으로써 얻어진다. 즉, L≥L1 인 경우, 압력 (PO) 및 가스 온도 (TO) 는 기계 압축비 (CR) 를 제어함으로써 목표값 (MN) 이 된다. L＜L1 인 경우, 기계 압축비 (CR) 는 한계 기계 압축비로 고정된다.
다음, 도 22 및 도 23 을 참조하여, 기계 압축비를 제어함으로써 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 가스의 밀도가 엔진 부하에 관계없이 실질적으로 일정하게 되는 실시예를 설명한다.
이 경우에도, 엔진 부하에 관계없이, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 가스의 상태는 노킹의 발생없이 안정된 양호한 연소를 주는 최적의 가스 상태가 된다. 따라서, 기계 압축비가 최대가 되는 엔진 저부하 운전시와 같이 모든 부하 영역에서 안정된 양호한 연소를 얻을 수 있다.
도 22 는, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 목표 가스 밀도 (DN), 더 정확하게 말하면 연소 직전 또는 스파크 플러그 (6) 에 의한 점화 직전의 연소실 (5) 내의 목표 가스 밀도 (DN) 와 엔진 부하 (L) 사이의 관계를 보여준다. 도 22 에서, DN1, DN2, DN3 및 DN4 은 각각의 엔진 속도에 대한 목표 가스 밀도를 나타낸다. 이 경우, 엔진 속도에 관해서, DN1＜DN2＜DN3＜DN4 의 관계가 있다. 즉, 상기와 같이, 엔진 속도가 높으면, 노킹이 발생하기 더 어려워지고, 따라서 목표 가스 밀도 (DN) 는 엔진 속도가 높아짐에 따라 높아진다.
도 22 에 도시되어 있는 바와 같이, 목표 가스 밀도 (DN) 는 동일한 엔진 속 도에서 엔진 부하에 관계없이 일정하게 된다. 그러나, 이 목표 가스 밀도 (DN) 는 엔진 부하의 크기에 따라 따소 변화될 수도 있다.
도 23 은, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 압력 및 가스 온도를 구하고, 이 압력 및 가스 온도로부터 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 가스의 밀도를 계산하며, 계산된 연소실 (5) 내의 가스의 밀도에 기초하여 기계 압축비를 제어하는 경우의 운전 제어 루틴을 보여준다.
도 23 을 참조하면, 우선, 단계 800 에서, 엔진 부하 (L) 가 도 9 에 도시된 부하 (L2) 보다 더 높은지 판정된다. L≥L2 인 경우, 루틴은 단계 801 로 나아가고, 도 10a 에 도시된 맵이 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기를 계산하기 위해 사용되며, 흡기 밸브 (7) 는 계산된 폐쇄 시기 (IC) 에서 폐쇄되도록 제어된다. 다음, 루틴은 단계 804 로 나아간다. 이에 반해, 단계 800 에서 L＜L2 인 경우, 루틴은 단계 802 로 나아가고, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기는 한계 폐쇄 시기로 되며, 그 다음 단계 803 에서 흡입 공기량이 스로틀 밸브 (19) 에 의해 제어된다. 다음, 루틴은 단계 804 로 나아간다.
단계 804 에서, 엔진 부하 (L) 가 도 9 에 도시된 부하 (L1) 보다 더 낮은지 판정된다. L≥L1 인 경우, 루틴은 단계 805 로 나아가고, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 압력 (PO) 및 가스 온도 (TO) 가 계산된다. 이 경우, 이 압력 (PO) 은 연소실 (5) 내의 압력을 직접 검출하기 위한 압력 센서 (23) 를 사용하여 구해질 수 있다. 대안적으로는, 압력 센서 (25) 는 흡기 통로 내의 압력을 검 출하기 위해 사용될 수도 있고, 이 검출된 압력으로부터 관계 PVK=일정을 사용하여 압력 (P0) 을 구할 수도 있다. 마찬가지로, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 가스의 온도 (T0) 는 연소실 (5) 내의 가스의 온도를 직접 검출하기 위한 온도 센서 (24) 를 사용하여 구해질 수도 있다. 대안적으로는, 온도 센서 (26) 는 연소실 (5) 로 흐르는 흡입 공기의 온도를 검출하기 위해 사용될 수도 있으며, 이 검출된 온도로부터 관계 TVK -1=일정을 사용하여 가스 온도 (T0) 를 구할 수도 있다.
압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 압력 (P0) 및 가스 온도 (T0) 가 계산되면, 루틴은 단계 806 으로 나아가고, 가스의 상태방정식 (PV=(W/M)·RT, W 는 흡입 가스의 질량, M 은 흡입 가스의 분자량) 이 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 가스의 밀도 (DO) (=W/V=(M/R)·(PO/TO)) 를 계산하기 위해 사용된다.
다음, 단계 807 에서, 가스 밀도 (DO) 가 도 22 로부터 계산된 목표 가스 밀도 (DN) 에 일정치 (δ) 를 가산한 값인 DN+δ 보다 더 높은지 판정된다. DO＞DN+δ 인 경우, 루틴은 단계 808 로 나아가고, 기계 압축비 (CR) 는 일정치 (ΔCR) 만큼 감소된다. 다음, 루틴은 단계 812 로 나아간다. 이에 반해, 단계 807 에서, D0≤DN+8 인 것으로 판정되는 경우, 루틴은 단계 809 로 나아가고, 가스 밀도 (DO) 가 도 22 로부터 계산된 목표 가스 밀도 (DN) 에서 일정치 (δ) 를 감산한 값인 DN-δ 보다 더 낮은지 판정된다. DO＜DN-δ 인 경우, 루틴은 단계 810 으로 나아가고, 기계 압축비 (CR) 는 일정치 (ΔCR) 만큼 증가된다. 다음, 루틴은 단계 812 로 나아간다.
한편, 단계 804 에서 L＜L1 인 것으로 판정되는 경우, 루틴은 단계 811 로 나아가고, 기계 압축비 (CR) 는 한계 기계 압축비로 된다. 다음, 루틴은 단계 812 로 나아간다. 단계 812 에서, 계산된 기계 압축비 (CR) 는 가변 압축비 기구 (A) 를 제어함으로써 얻어진다. 즉, L≥L1 인 경우, 가스 밀도 (DO) 는 기계 압축비 (CR) 를 제어함으로써 목표 가스 밀도 (DN) 가 되며, L＜L1 인 경우, 기계 압축비 (CR) 는 한계 기계 압축비로 고정된다.

Claims (30)

  1. 불꽃 점화식 내연기관에서 가변 압축비 기구 (A) 로 기계 압축비를 제어하고 가변 밸브 타이밍 기구 (B) 로 흡기 밸브의 폐쇄 시기를 제어하는 방법으로서, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기를 요구되는 부하에 따른 흡입 공기량이 연소실 (5) 에 공급되도록 제어하는 상기 방법에 있어서, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 압력이 실질적으로 동일한 엔진 속도에서 엔진 부하에 관계없이 실질적으로 일정하게 유지되도록 기계 압축비를 제어하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 압력은 연소 직전 또는 스파크 플러그 (6) 에 의한 점화 직전의 연소실 (5) 내의 압력인 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 일정하게 되는 연소실 (5) 내의 압력은 엔진 속도가 높아짐에 따라 높아지게 되는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 연소실 (5) 내의 압력은 직접 검출되고, 검출된 연소실 (5) 내의 압력에 기초하여 기계 압축비가 제어되는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 엔진 흡기 통로 (8, 11, 12) 내의 압력이 검출되고, 검출된 압력으로부터 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 압력이 추정되며, 추정된 연소실 내의 압력에 기초하여 기계 압축비가 제어되는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 압력을 엔진 부하에 관계없이 실질적으로 일정하게 유지하는데 필요한 기계 압축비가 엔진 흡기 통로 (8, 11, 12) 내의 압력 및 연소실 (5) 에 공급되는 흡입 공기량을 대표하는 대표값의 함수로서 저장되고, 흡기 통로 (8, 11, 12) 내의 압력 및 상기 대표값이 검출되며, 검출된 압력 및 대표값에 기초하여 기계 압축비가 결정되는 방법.
  7. 불꽃 점화식 내연기관에서 가변 압축비 기구 (A) 로 기계 압축비를 제어하고 가변 밸브 타이밍 기구 (B) 로 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기를 제어하는 방법으로서, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기를 요구되는 부하에 따른 흡입 공기량이 연소실 (5) 에 공급되도록 제어하는 상기 방법에 있어서, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 가스의 온도가 실질적으로 동일한 엔진 속도에서 엔진 부하에 관계없이 실질적으로 일정하게 유지되도록 기계 압축비를 제어하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 가스의 온도는 연소 직전 또는 스파크 플러그 (6) 에 의한 점화 직전의 연소실 내의 온도인 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 일정하게 되는 연소실 (5) 내의 가스의 온도는 엔진 속도가 높아짐에 따라 높아지게 되는 방법.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 연소실 (5) 내의 가스의 온도는 직접 검출되고, 검출된 연소실 (5) 내의 가스의 온도에 기초하여 기계 압축비가 제어되는 방법.
  11. 제 7 항에 있어서, 연소실 (5) 로 흐르는 흡입 공기의 온도가 검출되고, 검출된 온도로부터 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 가스의 온도가 추정되며, 추정된 연소실 (5) 내의 가스의 온도에 기초하여 기계 압축비가 제어되는 방법.
  12. 제 7 항에 있어서, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 가스의 온도를 엔진 부하에 관계없이 실질적으로 일정하게 하는데 요구되는 기계 압축비는 연소실 (5) 로 흐르는 흡입 공기의 온도와 연소실 (5) 에 공급되는 흡입 공기량을 대표하는 대표값의 함수로서 저장되고, 흡입 공기의 온도 및 상기 대표값이 검출되며, 이 온도 및 대표값에 기초하여 기계 압축비가 결정되는 방법.
  13. 불꽃 점화식 내연기관에서 가변 압축비 기구 (A) 로 기계 압축비를 제어하고 가변 밸브 타이밍 기구 (B) 로 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기를 제어하는 방법으로서, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기를 요구되는 부하에 따른 흡입 공기량이 연소실 (5) 에 공급되도록 제어하는 상기 방법에 있어서, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 압력 및 가스 온도의 목표 값이 미리 저장되며, 압축 행정 말기의 연소실 내의 압력 및 가스 온도가 저장된 목표 값이 되도록 기계 압축비를 제어하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 압력 및 가스 온도는 연소 직전 또는 스파크 플러그 (6) 에 의한 점화 직전의 연소실 (5) 내의 압력 및 가스 온도인 방법.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 목표 값은 엔진 속도가 높아짐에 따라 높아지는 방법.
  16. 제 13 항에 있어서, 압축 행정 말기의 연소실 내의 압력은 연소실 (5) 내의 압력을 직접 검출하거나 검출된 흡기 통로 (8, 11, 12) 내의 압력으로부터 추정함으로써 구해지는 방법.
  17. 제 13 항에 있어서, 상기 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 가스의 온도는 연소실 (5) 내의 가스의 온도를 직접 검출하거나 연소실 (5) 로 흐르는 흡입 공기의 검출된 온도로부터 추정함으로써 구해지는 방법.
  18. 불꽃 점화식 내연기관에서 가변 압축비 기구 (A) 로 기계 압축비를 제어하고 가변 밸브 타이밍 기구 (B) 로 흡기 밸브의 폐쇄 시기를 제어하는 방법으로서, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기를 요구되는 부하에 따른 흡입 공기량이 연소실 (5) 에 공급되도록 제어하는 상기 방법에 있어서, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 가스의 밀도가 실질적으로 동일한 엔진 속도에서 엔진 부하에 관계없이 실질적으로 일정하게 유지되도록 기계 압축비를 제어하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 가스의 밀도는 연소 직전 또는 스파크 플러그 (6) 에 의한 점화 직전의 연소실 (5) 내의 가스의 밀도인 방법.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 일정하게 되는 연소실 (5) 내의 가스의 밀도는 엔진 속도가 높아짐에 따라 높아지게 되는 방법.
  21. 제 18 항에 있어서, 상기 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 압력 및 가스 온도가 구해지고, 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 가스의 밀도는 압력 및 가스 온도로부터 계산되며, 연소실 (5) 내의 계산된 가스의 밀도에 기초하여 기계 압축비가 제어되는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 압력은 연소실 (5) 내의 압력을 직접 검출하거나 흡기 통로 (8, 11, 12) 내의 검출된 압력으로부터 추정함으로써 구해지는 방법.
  23. 제 21 항에 있어서, 상기 압축 행정 말기의 연소실 (5) 내의 가스의 온도는 연소실 (5) 내의 가스의 온도를 직접 검출하거나 연소실 (5) 로 흐르는 흡입 공기의 검출된 온도로부터 추정함으로써 구해지는 방법.
  24. 제 1 항, 제 7 항, 제 13 항 또는 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 엔진 저부하 운전시에, 20 이상의 팽창비가 얻어지도록 기계 압축비가 최대로 되는 방법.
  25. 제 1 항, 제 7 항, 제 13 항 또는 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기는, 엔진 부하가 낮아짐에 따라, 연소실 (5) 에 공급되는 흡입 공기량을 제어할 수 있는 한계 폐쇄 시기까지 흡기 하사점으로부터 멀어지는 방향으로 이동하게 되는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기가 상기 한계 폐쇄 시기에 도달하는 때의 엔진 부하보다 더 높은 부하 영역에서, 연소실 (5) 에 공급되는 흡입 공기량은 엔진 흡기 통로 (8, 11, 12, 14) 에 배치되는 스로틀 밸브 (19) 에 의존하지 않고 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기에 의해 제어되는 방법.
  27. 제 26 항에 있어서, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기가 상기 한계 폐쇄 시기에 도달하는 때의 엔진 부하보다 더 높은 부하 영역에서, 스로틀 밸브 (19) 는 완전개방 상태로 유지되는 방법.
  28. 제 25 항에 있어서, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기가 상기 한계 폐쇄 시기에 도달하는 때의 엔진 부하보다 더 낮은 부하 영역에서, 연소실 (5) 에 공급되는 흡입 공기량은 엔진 흡기 통로 (8, 11, 12, 14) 에 배치된 스로틀 밸브 (19) 에 의해 제어되는 방법.
  29. 제 25 항에 있어서, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기가 상기 한계 폐쇄 시기에 도달하는 때의 엔진 부하보다 더 낮은 부하 영역에서, 흡기 밸브 (7) 의 폐쇄 시기는 상기 한계 폐쇄 시기에 유지되는 방법.
  30. 제 1 항, 제 7 항, 제 13 항 또는 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기계 압축비가 한계 기계 압축비까지 증가될 때, 기계 압축비는 상기 한계 기계 압축비에 유지되는 방법.
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