KR101035439B1

KR101035439B1 - 실린더내 분사식 스파크 점화 내연기관의 제어 장치 및 제어 방법

Info

Publication number: KR101035439B1
Application number: KR1020087024325A
Authority: KR
Inventors: 다께시 아시자와
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2006-07-27
Filing date: 2007-07-26
Publication date: 2011-05-18
Also published as: US7938098B2; US20090194069A1; KR20090003312A; EP2047091A1; EP2047091B1; CN101495740A; WO2008012656A1; CN101495740B

Abstract

실린더 내에 텀블 유동(T)을 생성하고 상기 텀블 유동(T)을 흡입 행정의 하사점 근방에서 분사된 연료에 의해 강화하는 내연기관을 제어하는 ECU(1)는, 내연기관(50)의 실린더 내에 유입되는 공기의 양에 기초하여 연료의 분사 시기를 변경하기 위한 분사 시기 변경 수단을 구비한다.

텀블 유동, 분사 시기 변경 수단, 분할 분사 수단, 분사량 제어 수단, 요구 공연비

Description

실린더내 분사식 스파크 점화 내연기관의 제어 장치 및 제어 방법{CONTROL APPARATUS AND CONTROL METHOD OF IN-CYLINDER INJECTION TYPE SPARK IGNITION INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 실린더내 분사식 스파크 점화 내연기관의 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.

실린더내 분사식 스파크 점화 내연기관의 실린더 내에 텀블 유동(tumble flow)을 생성하고 이어서 상기 텀블 유동을 균질 연소 중에 흡입 행정의 하사점(BDC: Bottom Dead Center) 근방에서 분사된 연료에 의해 적당히 강화함으로써, 텀블 유동을 점화 시기까지 유지할 수 있다. 이는 공기-연료 혼합물의 연소 속도를 향상시키며, 따라서 양호한 균질 연소가 달성될 수 있다. 이런 종류의 연료 분사에 관한 기술로서, 예를 들어 일본 특허 공개공보 제2003－322022호는, 연료 분사 밸브로부터 분사된 연료를 사용하여 실린더내의 순환 기류(airflow)를 강화하는 연료 분사 제어 장치를 제안하고 있다. 또한, 균질 연소 중에 실린더내의 흡입 기류를 강화하는 기술로서, 예를 들어 일본 특허 공개공보 제2005－180247호는, 흡입 통로에 설치된 흡입 기류 제어 밸브를 제어하여 흡입 기류를 강화하는 실린더내 직접 분사식 내연기관용 흡입 제어 장치를 제안하고 있다. 또한, 일본 특허 공개공 보 제10-159619호는, 연료의 일부는 흡입 행정의 전반기에 분사되고 연료의 나머지는 흡입 행정의 후반기에 분사되는 분할 분사를 수행함으로써 공기-연료 혼합물의 균질도를 향상시키는 기술을 제안하고 있다.

그러나, 전술한 실린더내 분사식 스파크 점화 내연기관에서는, 공연비가 희박(lean) 상태인 경우, 실린더내 공기량이 이론 공연비의 경우보다 크기 때문에 텀블 유동의 질량이 증가한다. 그 결과 전술한 바와 같이 연료를 분사해도 텀블 유동이 충분히 강화될 수 없다. 이 경우, 텀블 유동(T)의 감쇠는 점화 시기에 충분히 강한 텀블 유동을 확보할 수 없게 된다. 따라서, 점화 시기까지 공기-연료 혼합물의 와류(swirl)가 충분히 유지될 수 없다. 또한, 점화 시기까지 공기-연료 혼합물의 와류가 충분히 유지될 수 없으면, 연소 속도가 너무 느려져, 노킹이 발생하기 쉬워지는 등의 역효과를 낳으며, 양호한 연소를 달성할 수 없다.

또한, 전술한 실린더내 분사식 스파크 점화 내연기관에서는, 고부하 운전 영역에서 기화 잠열 효과에 의한 출력 향상을 도모할 때, 실린더 내에 공기가 최고로 유입되는 시기에 연료를 분사하는 것이 중요하므로, 분사 시기는 엔진의 속도(회전수)가 높아질수록 흡입 행정의 하사점(BDC) 근처에서 멀어지고 흡입 행정의 상사점(TDC: Top Dead Center)에 가까워지도록 변화한다. 한편, 이 경우에는 연료 분사 중의 피스톤 위치도 상사점에 접근하고 있으므로, 연료 분사 중의 실린더내 공간이 좁아진다. 그러나, 실린더내 공간이 좁은 상태에서는 텀블 유동이 충분히 와류 유동하지 않으므로, 이 상태에서 연료를 분사해도 텀블 유동을 강화하기 어렵다. 즉 이 경우에는, 기화 잠열 효과를 얻을 수 있지만, 공기-연료 혼합물의 균질 도 및 연소 속도에 대해서는 개선의 여지가 남아있다.

따라서, 본 발명은 분사한 연료에 의한 텀블 유동의 강화를 위해 내연기관의 운전 상태에 기초하여 연료 분사 시기를 변경함으로써 양호한 연소를 달성하는 실린더내 분사식 스파크 점화 내연기관의 제어 장치 및 제어 방법을 제공한다.

본 발명의 제1 태양은, 실린더 내에 텀블 유동을 생성하고 상기 텀블 유동을 흡입 행정의 하사점 근방에서 분사된 연료에 의해 강화하는 실린더내 분사식 스파크 점화 내연기관의 제어 장치에 관한 것이다. 이 제어 장치는, 실린더 내에 유입되는 공기의 양에 기초하여 연료의 분사 시기를 변경하기 위한 분사 시기 변경 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

제1 태양에서, 상기 분사 시기 변경 수단은 요구 공연비가 희박(lean)해질수록 연료 분사 시기를 더 지각(retard)시킬 수 있다. 이 구조에 따르면, 연료 분사 시기부터 점화 시기까지의 기간을 단축할 수 있으므로, 분사된 연료에 의해 강화된 텀블 유동이 크게 감쇠하기 전에 점화 시기가 도래한다. 그 결과, 점화 시기까지 공기-연료 혼합물의 와류가 유지될 수 있어서, 양호한 연소를 달성할 수 있다.

추가로, 상기 구조는, 요구 공연비의 희박 정도가 소정치를 초과할 때 연료를 나누어 분사하기 위한 분할 분사 수단을 구비할 수도 있다. 여기에서, 연료 분사 시기가 지각되면, 연료 분사 시기부터 점화 시기까지의 기간이 단축된다. 그 결과, 공기-연료 혼합물의 균질도가 점차 악화되는 경향이 있다. 소정치를 초과하는 요구 희박 정도에 적합한 정도로 지각되는 시기에 연료를 분사하면, 연료 분사 시기부터 점화 시기까지의 기간이 상당히 단축된다. 그 결과, 에너지 효율이 크게 저하됨과 더불어 공기-연료 혼합물의 균질도가 악화된다. 대조적으로, 상기 구조에 따르면, 연료를 분할하여 분사하므로, 분사된 연료 사이에 공기가 개재된다. 따라서 연료의 기화가 촉진될 뿐 아니라, 균질도가 향상되므로, 양호한 연소를 달성할 수 있다.

상기 제1 태양에서는, 상기 실린더내 분사식 스파크 점화 내연기관이 고부하 운전 영역에서 운전되고 있고 상기 실린더내 분사식 스파크 점화 내연기관의 엔진 속도가 소정 속도를 초과할 때, 분사 시기 변경 수단은 실린더에 공기가 최고로 유입되는 시기에 제1 연료 분사를 수행하고 흡입 행정의 하사점 근방에서 제2 연료 분사를 수행할 수 있다. 이 구조에 의하면, 제1 연료 분사에 의해 기화 잠열 효과에 의한 출력 향상이 촉진될 수 있고 제2 연료 분사에 의해 텀블 유동이 강화될 수 있으므로, 공기-연료 혼합물의 균질도와 연소 속도 둘다 향상될 수 있다.

상기 구조에서, 분사 시기 변경 수단은 엔진 속도가 높아질수록 제1 연료 분사를 더 진각(advance)시킬 수 있다. 여기에서, 실린더에 공기가 최고로 유입되는 시기는 고부하 운전 영역에서도 내연기관의 속도에 따라 달라진다. 따라서, 상기 구조에서와 같이 제1 연료 분사를 진각시킴으로써, 실린더에 공기가 최고로 유입되는 시기에 제1 연료 분사를 수행할 수 있다.

상기 구조는 또한, 상기 제2 연료 분사의 연료 분사 기간에 대응하는 크랭크각 범위가 상기 실린더내 분사식 스파크 점화 내연기관의 운전 상태의 변화에 대해 거의 일정해지도록 연료의 분사량을 제어하기 위한 분사량 제어 수단을 구비할 수도 있다. 여기에서, 연소 속도를 향상시키기 위해서는 점화 시기까지 텀블 유동을 유지하기 위해 어느 정도의 연료량이 요구되지만, 공기-연료 혼합물의 균질도를 향상시키기 위해서는 텀블 유동이 그렇게 많이 강화될 필요가 없다. 따라서, 필요한 최소량의 연료가 분사되는 한, 충분한 효과를 얻을 수 있다. 상기 구조에 따르면, 공기-연료 혼합물의 균질도는 특히 제2 연료 분사에 의해 향상된다. 또한, 제2 연료 분사에서의 연료량을 필요 최소량으로 함으로써, 제1 연료 분사에 의해 충분한 기화 잠열 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 제2 태양은, 실린더 내에 텀블 유동을 생성하고 상기 텀블 유동을 흡입 행정의 하사점 근방에서 분사된 연료에 의해 강화하는 실린더내 분사식 스파크 점화 내연기관의 제어 방법에 관한 것이다. 이 제어 방법은, 실린더내 분사식 스파크 점화 내연기관의 실린더 내에 유입되는 공기의 양에 기초하여 연료의 분사 시기를 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 따라서, 분사된 연료에 의해 텀블 유동을 강화하기 위해 실린더 내에 유입되는 공기의 양에 기초하여 연료 분사 시기를 변경함으로써 양호한 연소를 달성할 수 있는 실린더내 분사식 스파크 점화 내연기관의 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.

본 발명의 상기 및 기타 목적, 특징 및 장점은, 유사한 요소가 유사한 도면부호로 지칭되는 첨부도면을 참조한 하기 실시예에 관한 설명으로부터 명백해질 것이다.

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 내연기관 시스템을 ECU와 함께 모식적으로 나타내는 도면이다.

도2는 내연기관의 주요부를 모식적으로 나타내는 도면이다.

도3은 분사 시기 맵을 모식적으로 나타내는 도면이다.

도4는 본 발명의 제1 실시예에 따라 ECU에 의해 실행되는 루틴의 흐름도이다.

도5는 연소 모드 맵을 모식적으로 나타내는 도면이다.

도6의 (a) 및 도6의 (b)는 분사 시기의 변경 전후의 연료 분사를 모식적으로 나타내는 도면이다.

도7은 본 발명의 제2 실시예에 따라 ECU에 의해 실행되는 루틴의 흐름도이다.

도8의 (a) 및 도8의 (b)는 비분할 연료 분사 및 분할 연료 분사를 모식적으로 나타내는 도면이다.

도9는 본 발명의 제3 실시예에 따라 ECU에 의해 실행되는 루틴의 흐름도이다.

도10은 운전 영역 맵을 모식적으로 나타내는 도면이다.

도11의 (a) 및 도11의 (b)는 분사 제어가 변경되지 않은 연료 분사 및 분사 제어가 변경된 연료 분사를 모식적으로 나타내는 도면이다.

이하의 설명 및 첨부도면에서, 본 발명을 실시예에 의해 보다 상세히 설명할 것이다.

[제1 실시예]

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른, ECU(Electronic Control Unit：전자 제어 장치)(1)에 의해 실현되고 있는 실린더내 분사식 스파크 점화 내연기관의 제어 장치를, 내연기관 시스템(100)과 함께 모식적으로 나타내는 도면이다. 내연기관 시스템(100)은, 흡입계(10), 연료 분사계(20), 배기계(exhaust system)(30), 및 내연기관(50)을 포함하여 구성된다. 흡입계(10)는 내연기관(50)에 공기를 도입하기 위한 구성이며, 흡입 공기를 여과하기 위한 에어 클리너(11), 공기량을 계측하는 공기유량 측정기(airflow meter)(12), 흡입 공기의 유량을 조절하는 스로틀 밸브(13), 흡입 공기를 일시적으로 저장하기 위한 서지 탱크(surge tank)(14), 흡입 공기를 내연기관(50)의 각 실린더에 분배하는 흡입 매니폴드(15), 및 이들 부품 사이에 적절히 배치되는 흡입 파이프를 포함하여 구성되어 있다.

연료 분사계(20)는 연료를 공급 및 분사하기 위한 구성이며, 연료 분사 밸브(21), 연료 분사 펌프(22), 및 연료 탱크(23) 등을 포함하여 구성된다. 연료 분사 밸브(21)는 ECU(1)의 제어 하에, 적당한 분사 시기에 개방됨으로써 연료를 분사한다. 또한 연료 분사량은, ECU(1)의 제어 하에 연료 분사 밸브(21)가 폐쇄될 때까지 개방되어있는 기간에 의해 조절된다. 연료 분사 펌프(22)는 연료를 가압하여 분사 압력을 발생시키며, ECU(1)의 제어 하에 분사 압력을 적절히 조절한다.

배기계(30)는 예를 들어, 배기 매니폴드(31), 3원 촉매(32), 소음기(도시되지 않음), 및 이들 부품 사이에 적절히 배치되는 흡입 파이프를 포함한다. 배기 매니폴드(31)는 각 실린더로 분기되는 배기 통로를 하류 측에서 하나의 배기 통로로 집합시킴으로써 모든 실린더로부터의 배기 가스를 합류시키고 있다. 3원 촉매(32)는, 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)를 산화시키고 질소산화물(NOx)을 환원시킴으로써 배기 가스를 정화시킨다. 배기계(30)에서는, 배기 가스 중의 산소 농도에 기초하여 공연비를 선형 검출하기 위한 A/F센서(33)가 3원 촉매(32)의 상류에 배치되고, 배기 가스 중의 산소 농도에 기초하여 공연비가 이론공연비보다 농후(rich)한지 희박한지를 검출하기 위한 산소 센서(34)가 3원 촉매(32)의 하류에 배치된다.

도2는 내연기관(50)의 주요부를 모식적으로 나타내는 도면이다. 내연기관(50)은 실린더 블록(51), 실린더 헤드(52), 피스톤(53), 점화 플러그(54), 흡입 밸브(55) 및 배기 밸브(56)를 포함한다. 본 실시예에서의 내연기관(50)은 직렬 4실린더의 실린더내 분사식 스파크 점화 내연기관이다. 그러나, 본 발명의 내연기관에서의 실린더의 구성 및 개수는 본 실시예의 것에 한정되지 않는다. 또한, 도2는 각 실린더를 대표하는 내연기관(50)의 실린더(51a)의 주요부를 나타내고 있다. 본 실시예에서, 다른 실린더는 모두 실린더(51a)와 동일한 구조를 갖는다. 실린더(51a)는 실린더 블록(51) 내에 대략 원통형으로 형성되며, 실린더(51a) 내에는 피스톤(53)이 수용된다. 피스톤(53)의 정상부에는 텀블 유동(T)을 안내하기 위한 공동(53a)이 형성되어 있다. 실린더 블록(51)의 상면에는 실린더 헤드(52)가 고정된다. 연소실(57)은 실린더 블록(51), 실린더 헤드(52) 및 피스톤(53)에 의해 둘러싸인 공간으로서 형성된다. 실린더 헤드(52)에는 연소실(57) 내로 흡입 공기를 안내하기 위한 흡입 포트(52a) 및 연소된 가스를 연소실(57)로부터 배기하기 위한 배기 포트(52b)가 형성된다. 또한, 실린더 헤드(52)에는 이들 흡입 및 배기 포트(52a, 52b)를 각각 개폐하기 위한 흡입 및 배기 밸브(55, 56)도 배치된다. 내연기관(50)은 각각의 실린더에 적당한 개수의 흡입 및 배기 밸브(55, 56)를 구비할 수 있다.

점화 플러그(54)는, 연소실(57) 위의 대략 중심에서 전극이 돌출하도록 실린더 헤드(52)에 배치된다. 연료 분사 밸브(21)도 그 노즐이 연소실(57) 위의 점화 플러그(54) 근처 위치로부터 연소실(57) 내로 돌출하도록 실린더 헤드(52)에 배치된다. 그러나, 연료 분사 밸브(21)의 배치는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 연료 분사 밸브(21)는 그 노즐이 연소실(57) 위의 흡입 포트(52a)측(즉, 도2에서의 A부분)으로부터 연소실(57)내로 돌출하도록 실린더 헤드(52)에 배치될 수도 있다. 또한, 연료 분사 밸브(21)는 각각의 실린더에 여러 개 구비될 수도 있다.

흡입 포트(52a)에는, 연소실(57)내에 텀블 유동(T)을 생성하기 위한 기류 제어 밸브(58)가 배치되어 있다. 기류 제어 밸브(58)는, ECU(1)의 제어 하에 흡입 포트(52a) 내에서 흡입 공기의 유동을 변경함으로써 연소실(57) 내에 텀블 유동(T)을 생성한다. 그러나, 연소실(57)내에 텀블 유동(T)을 생성하기 위한 텀블 유동 생성 수단은 기류 제어 밸브(58)에 한정되지 않는다. 예를 들면, 흡입 포트(52a)의 형상이 실린더 내에 텀블 유동(T)을 생성할 수 있도록 만들어질 수도 있으며, 또는 실린더 내에 텀블 유동(T)을 생성할 수 있는 다른 적절한 수단이 사용될 수도 있다. 텀블 유동(T)은, 연소실(57) 내의 흡입 밸브(55) 측에서 상승하도록 실린더 내부에서 선회하는 방향성 텀블 유동이다. 본 실시예에서, 연료 분사 밸브(21)는 균질 연소 시에 ECU(1)의 제어 하에 흡입 행정의 하사점 근방에서 연료를 분사한다. 분사된 연료는 텀블 유동(T)을 적당히 강화시키며, 이 강화된 텀블 유동(T)은 점화 시기까지 유지된다. 그 결과, 연소 속도가 적당히 증가하므로, 양호한 균질 연소를 얻을 수 있다.

부수적으로, 흡입 공기의 양을 증가시키기 위해 균질 연소 중에 기류 제어 밸브(58)를 부분 개방하거나 완전 개방하는 것에 의해서 및 또한 흡입 포트(52a)의 형상만으로는 충분히 강한 텀블 유동(T)을 얻기 어렵기 때문에, 예를 들어 이러한 수단만으로는 일반적으로 균질 연소 시의 공기-연료 혼합물의 혼합성 및 화염 전파성에 개선의 여지가 남게된다. 또한, 내연기관(50)에는, 엔진 속도(Ne)에 대응하는 출력 펄스를 발생하는 크랭크각 센서(71) 및 내연기관(50) 내의 냉매 온도를 검출하기 위한 냉매 온도 센서(72)와 같은 각종 센서가 배치되어 있다.

ECU(1)는 CPU(Central Processing Unit), ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 및 입출력 회로 등을 구비하며, 이들은 어느 것도 도시되어 있지 않다. ECU(1)는 주로 내연기관(50)을 제어하도록 설계되어 있다. 본 실시예에서, ECU(1)는 연료 분사 밸브(21)와 연료 분사 펌프(22)뿐 아니라, 점화 플러그(54)[보다 구체적으로는 점화기(도시되지 않음)]와 기류 제어 밸브(58)[보다 구체적으로는 기류 제어 밸브(58)용 액추에이터] 등을 제어한다. 따라서 ECU(1)는 구동 회로(도시되지 않음)를 통해서 연료 분사 밸브(21) 및 기타 제어 대상 부품에 연결되어 있다. ECU(1)는 또한 공기유량 측정기(12), A/F 센서(33), 산소 센 서(34), 크랭크각 센서(71), 냉매 온도 센서(72), 및 도시되지 않은 가속 페달의 답입량(가속기 개도)을 검출하는 가속기 센서(73)와 같은 각종 센서에 연결된다.

ROM은 CPU에 의해 실행되는 다양한 처리가 기술된 프로그램을 저장한다. 본 실시예에서, ROM은 내연기관(50)을 제어하기 위한 내연기관 제어 프로그램뿐 아니라, 연료 분사 밸브(21)를 제어하기 위한 연료 분사 밸브 제어 프로그램과 같은 다른 프로그램도 저장하고 있다. 부수적으로, 연료 분사 밸브 제어 프로그램은 내연기관 제어 프로그램의 일부로서 구성될 수도 있다. 연료 분사 밸브 제어 프로그램은 연료 분사량을 제어하기 위한 분사량 제어 프로그램, 연료 분사 압력을 제어하기 위한 분사 압력 제어 프로그램, 및 연료 분사 시기를 제어하기 위한 분사 시기 제어 프로그램을 포함하고 있다. 본 실시예에서, 분사 시기 제어 프로그램은, 특히 요구 공연비가 희박해질수록 연료의 분사 시기를 더 지각시키도록 분사 시기를 특정하는 제어 프로그램(이하 "분사 시기 특정 제어 프로그램"으로 지칭함)을 구비하도록 구성되어 있다.

보다 구체적으로, 본 실시예에서, 분사 시기 특정 제어 프로그램은, 요구 공연비의 희박 정도와 분사 시기 사이의 관계를 나타내는 맵(이하, 간단히 "분사 시기 맵"으로 지칭함)을 참조하여, 요구 공연비의 희박 정도에 대응하는 분사 시기를 판독하는 동시에, 분사 시기를 분사 시기 맵으로부터 판독한 분사 시기로 변경하도록 작성되어 있다. 도3은 요구 공연비의 희박 정도와 분사 시기 사이의 관계를 나타내는 분사 시기 맵을 모식적으로 나타내는 도면이다. 본 실시예에서는, 이 분사 시기 맵도 ROM에 저장되어 있다. 공연비가 이론 공연비일 때, 분사 시기 맵은 분 사 시기가 정상 주사 시기임을 나타낸다. 균질 연소 중에 흡입 행정의 하사점 근방에서 분사된 연료에 의해 적당히 강화된 텀블 유동(T)에 기초하여, 이 분사 시기에 양호한 균질 연소를 얻을 수 있다.

대조적으로, 공연비가 희박해지면, 실린더내 공기량이 증가되어 텀블 유동(T)의 질량이 증가한다. 그 결과, 이론 공연비의 경우와 같은 분사 시기에 연료를 분사하면 텀블 유동(T)을 충분히 강화할 수 없다. 이 경우, 텀블 유동(T)의 감쇠에 의해, 점화 시기에 텀블 유동(T)의 충분한 강도가 확보되지 못하며, 따라서 점화 시기의 공기-연료 혼합물의 와류가 감소된다. 그 결과, 연소 속도가 충분히 향상될 수 없으므로, 더이상 양호한 연소를 달성할 수 없게 된다. 따라서, 본 실시예의 분사 시기 맵은, 요구 공연비가 희박해질수록 분사 시기가 지각되도록 설정된다. 따라서, 요구 공연비가 희박해질수록 분사 시기부터 점화 시기까지의 기간이 짧아진다. 그 결과, 텀블 유동(T)이 점화 시기에 의해 크게 감쇠되는 것이 억제될 수 있다. 부수적으로, 분사 시기 맵에서 요구 공연비의 희박 정도와 분사 시기 사이의 관계가 항상 선형적일 필요는 없다. 본 실시예에서, 각종 검출 수단, 판정 수단, 및 제어 수단 등은 CPU, ROM, RAM(이하, 간단히 "CPU 등"으로 지칭함) 및 내연기관(50) 제어 프로그램에 의해 실현된다. 특히, 분사 시기 변경 수단은 CPU 등과 분사 시기 특정 제어 프로그램에 의해 실현된다.

다음으로, 요구 공연비의 희박 정도에 따라 분사 시기를 변경하기 위해 ECU(1)에 의해 실행되는 루틴을, 도4에 도시된 흐름도를 참조하여 상세히 설명할 것이다. ECU(1)는, ROM에 저장된 전술한 내연기관 제어 프로그램 및 연료 분사 밸 브 제어 프로그램과 같은 각종 프로그램에 기초하여 CPU가 흐름도에 도시된 단계들을 반복하여 실행하도록 함으로써 내연기관(50)을 제어한다. CPU는 먼저 내연기관(50)에서 수행되는 연소의 모드를 판별한다(단계S11). 본 실시예에서, CPU는 크랭크각 센서(71)로부터의 출력 신호에 기초하여 검출되는 엔진 속도(Ne), 가속기 센서(73)로부터의 출력 신호에 기초하여 검출되는 부하율(load factor)(KL), 및 상기 엔진 속도(Ne)와 부하율(KL)에 의해 규정되는 연소 모드 맵에 기초하여, 내연기관(50)에서 이루어지는 연소의 모드를 판별한다.

도5는 연소 모드 맵을 모식적으로 나타내는 도면이다. 본 실시예의 맵에서, 연소 모드는 엔진 속도(Ne) 및 부하율(KL)에 따라 이론공연비(stoichiometric), 균질 린번, 및 울트라 린번(ultra lean burn)의 세 영역으로 구분되어 있다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 연소 모드는 적절한 개수의 영역으로 구분될 수도 있으며, 예를 들면 더 많은 영역으로 세분될 수도 있다. 추가로, 본 실시예에서, 요구 공연비의 희박 정도는 이들 영역에 따라 대략적으로 설정되어 있다. 이론공연비 중에는 요구 공연비의 희박 정도가 "제로"이다. 균질 린번 중에는 요구 공연비의 희박 정도가 "중"이며, 울트라 린번 중에는 요구 공연비의 희박 정도가 "대"이다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 요구 공연비의 희박 정도는 엔진 속도(Ne) 및 부하율(KL)에 따라 적당히 설정될 수도 있다. 부수적으로, 연소 모드 및 요구 공연비의 희박 정도는 엔진 속도(Ne) 및 부하율(KL)에 따라 설정되는 것에 한정되지 않는다. 이는 내연기관(50)의 적절한 운전 상태에 따라 설정될 수도 있다.

단계S11 이후, CPU는 연소 모드 맵으로부터 검출된 엔진 속도(Ne) 및 부하율(KL)에 대응하는 요구 공연비가 희박한지를 판정한다(단계S12). 판정 결과가 NO이면, 프로세스는 아무런 특별한 조치가 취해짐이 없이 단계S11로 돌아간다. 한편, 판정 결과가 YES이면, CPU는 연소 모드 맵으로부터 요구 공연비의 희박 정도를 판독하고, 분사 시기 맵을 참조하여 이 희박 정도에 대응하는 분사 시기를 판독하며, 분사 시기를 분사 시기 맵으로부터 판독한 분사 시기로 변경한다(단계S13A). 그 결과, 요구 공연비가 희박해질수록 분사 시기가 더 지각된다. 도6의 (a) 및 도6의 (b)는 분사 시기의 변경 전후의 연료 분사를 모식적으로 나타내는 도면이다. 이 단계에서, 분사 시기는, 도6의 (a)에 도시하듯이 흡입 행정의 하사점 근방의 흡입 행정 측에 분사되었던 연료가 도6의 (b)에 도시하듯이 흡입 행정의 하사점 근방의 압축 행정 측에 분사되도록 변경, 즉 지각된다.

다음으로, CPU는 단계S13A에서 판독한 분사 시기에 연료를 분사하도록 연료 분사 밸브(21)를 제어한다(단계S14A). 따라서, 분사 시기부터 점화 시기까지의 기간이 단축되므로, 점화 시기에 텀블 유동(T)이 충분히 강하도록 보장할 수 있다. 그 결과, 공기-연료 혼합물의 와류가 점화 시기까지 충분히 유지될 수 있다. 따라서, 연소 속도가 적당히 향상될 수 있으므로, 양호한 연소가 달성될 수 있다. 따라서, 분사한 연료에 의해 텀블 유동(T)이 강화되도록 요구 공연비의 희박 정도에 따라 연료 분사를 변경함으로써, 양호한 연소를 달성할 수 있는 ECU(1)를 실현할 수 있다.

[제2 실시예]

본 발명의 제2 실시예에 따른 ECU(1)는, 연료 분사 밸브 제어 프로그램이 후술하는 분할 분사 프로그램을 갖는 것을 제외하고, 본 발명의 제1 실시예에 따른 ECU(1)와 동일하다. 또한, 제2 실시예의 ECU(1)가 적용되는 내연기관 시스템의 구조는 도1에 도시된 것과 동일하다. 분할 분사 프로그램은, 요구 공연비의 희박 정도가 소정의 희박 경계치를 초과할 때 연료 분사가 분할 분사가 되도록, 즉 연료가 나누어 분사되도록 작성되어 있다. 보다 구체적으로, 본 실시예에서는, 도5에 도시된 연소 모드가 균질 린번으로부터 울트라 린번으로 바뀔 때 요구 공연비의 희박 정도가 소정의 희박 경계치를 초과한다. 본 실시예에서, 분할 분사 수단은 CPU 등과 분할 분사 프로그램에 의해 실현되며, 실린더내 분사식 스파크 점화 내연기관의 제어 장치는 ECU(1)에 의해 실현된다.

다음으로, 요구 공연비의 희박 정도에 따라 분할 분사를 실시하기 위해 ECU(1)에 의해 실행되는 루틴을 도7에 도시된 흐름도를 이용하여 상세히 설명할 것이다. 부수적으로, 이 흐름도는 단계S13B 및 S14B의 추가 외에는 도4에 도시된 흐름도와 동일하며, 따라서 본 실시예에서는 특히 단계S13B 및 S14B에 대해 상세히 설명할 것이다. 단계S13A 이후, CPU는 단계S13A에서 판독한 요구 공연비의 희박 정도가 희박 경계치를 초과했는지를 판정한다(단계S13B). 판정 결과가 NO이면, 분할 분사를 실시할 필요가 없으며, 따라서 CPU는 단계S13A에서 판독한 분사 시기에 연료를 분사(비분할 분사)하도록 연료 분사 밸브(21)를 제어한다(단계S14A).

한편, 판정 결과가 YES이면, CPU는 단계S13A에서 판독한 분사 시기에 연료의 분할 분사를 실시하도록 연료 분사 밸브(21)를 제어한다(단계S14B). 도8의 (a) 및 도8의 (b)는 각각 비분할 연료 분사(도8의 (a))와 분할 연료 분사(도8의 (b))를 모식적으로 도시하는 도면이다. 이 단계에서, 도8의 (a)에 도시하듯이 비분할 분사 시에 통상 흡입 행정의 하사점 근방의 흡입 행정 측에 분사될 연료의 총량은, 희박 경계치를 초과한 요구 공연비의 희박 정도에 따라 분사 시기를 지각시킴으로써 도8의 (b)에 도시하듯이 분할 분사 시에 작은 부분들로 분할된다. 그 결과, 분사된 연료 사이에 공기가 개재되며, 이는 연료의 기화를 촉진하는 동시에 공기-연료 혼합물의 균질도를 향상시킨다. 그 결과, 희박 경계치를 초과하는 요구 공연비의 희박 정도에 적합한 정도로 지각된 시기에 연료를 분사해도, 공기-연료 혼합물의 균질도가 악화되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 에너지 효율의 저하를 억제할 수 있으며, 그 결과 양호한 연소를 달성할 수 있다. 따라서, 분사한 연료에 의해 텀블 유동(T)을 강화시키기 위해 요구 공연비의 희박 정도에 따라 연료 분사를 변경함으로써, 양호한 연소를 달성할 수 있는 ECU(1)를 실현할 수 있다.

[제3 실시예]

본 발명의 제3 실시예에서, ECU(1)의 제어 하에, 연료 분사 밸브(21)는 엔진 속도(Ne)가 고부하 운전 영역에서 소정 속도(α)보다 높을 때 이외의 시기에 균질 연소 중의 흡입 행정의 하사점 근방에서 연료를 분사한다. 적당히 분사되는 연료는 텀블 유동(T)을 강화시키며, 이 강화된 텀블 유동(T)은 점화 시기까지 유지된다. 그 결과, 공기-연료 혼합물의 와류가 점화 시기까지 유지되어 연소 속도가 적당히 향상되며, 따라서 양호한 균질 연소가 달성될 수 있다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 ECU(1)의 연료 분사 제어 프로그램은, 연료 분 사량을 제어하기 위한 분사량 제어 프로그램, 연료 분사 압력을 제어하기 위한 분사 압력 제어 프로그램, 및 연료 분사 시기를 제어하기 위한 분사 시기 제어 프로그램을 포함하고 있다. 본 실시예에서, 분사 시기 제어 프로그램은, 엔진 속도(Ne)가 고부하 운전 영역에서 소정 속도(α)보다 높을 때 실린더에 공기가 최고로 유입되는 시기에 제1 연료 분사를 수행하고 흡입 행정의 하사점 근방에서 제2 연료 분사를 수행하는 분사 시기 특정 제어 프로그램을 포함한다. 추가로, 분사량 제어 프로그램은, 제2 연료 분사의 연료 분사 기간에 대응하는 크랭크각 범위가 내연기관(50)의 운전 상태 변화에 대해 거의 일정하도록 연료 분사량을 제어하기 위한 분사량 특정 제어 프로그램을 구비한다. 이들 사항을 제외하고, 본 발명의 제3 실시예의 ECU(1)는 본 발명의 제1 실시예의 ECU(1)와 동일하다. 또한, 제3 실시예의 ECU(1)가 적용되는 내연기관(100)의 구조는 도1에 도시된 것과 동일하다.

제1 연료 분사의 분사 시기는 엔진 속도(Ne)가 소정 속도(α)이고 실린더에 공기가 최고로 유입되는 시기로 설정된다. 더욱이, 이 분사 시기는, 제1 연료 분사 종료부터 흡입 밸브(55)가 폐쇄되기 시작할 때까지의 기간이 엔진 속도(Ne) 변화에 대해 거의 일정해지도록 설정된다. 따라서, 엔진 속도(Ne)가 증가할수록 분사 시기가 진각하며, 제1 연료 분사는 실린더에 공기가 최고로 유입되는 시기에 시작된다. 그 결과, 기화 잠열 효과에 의해 내연기관(50)의 출력이 향상될 수 있다. 또한, 제1 연료 분사의 분사 시기는 스로틀이 와이드 오픈 상태일 때[즉, WOT(Wide Open Throttle) 시에] 흡입 행정의 중간으로 설정된다. 그러나, 분사 시기의 설정은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 엔진 속도(Ne)와 제1 연료 분사의 분사 시기 사이의 관계를 나타내는 맵 등이 제공될 수 있으며, 분사 시기는 검출된 엔진 속도(Ne)와 상기 맵에 기초하여 실린더에 공기가 최고로 유입되는 시기에 제1 연료 분사가 시작되도록 설정될 수도 있다.

대조적으로, 제2 연료 분사의 분사 시기는 흡입 행정의 하사점 근방으로 설정되며, 추가로 연료 분사는 흡입 행정의 하사점에서 종료된다. 또한, 제2 연료 분사에서, 연료 분사량은 연료 분사 기간에 대응하는 크랭크각 범위가 내연기관(50)의 운전 상태의 변화에 대해 거의 일정해지도록 설정된다. 그 결과, 공기-연료 혼합물의 균질도를 향상시키기 위해 필요한 최소한의 연료 분사가, 흡입 행정의 하사점 근방에서 엔진 속도(Ne)에 관계없이 이루어질 수 있다. 부수적으로, 제2 연료 분사에서는, 소정의 크랭크각 범위에 대해 적당한 분사량이 이런 식으로 확보된다. 한편, 제1 연료 분사에서는, 분사량이, 제2 연료 분사의 분사량에 따라 적절한 공연비를 달성하는데 필요한 연료량으로 조절된다. 본 실시예에서, 각종 검출 수단, 판정 수단 및 제어 수단 등은 CPU, ROM, RAM 및 내연기관 제어 프로그램에 의해 실현된다. 특히, 분사 시기 변경 수단은 CPU 등과 분사 시기 특정 제어 프로그램에 의해 실현되고, 분사량 제어 수단은 CPU 등과 분사량 특정 제어 프로그램에 의해 실현된다.

다음으로, 고부하 운전 영역에서 기화 잠열 효과와 공기-연료 혼합물의 균질도를 둘다 달성하도록 연료 분사를 제어하기 위해 본 실시예의 ECU(1)에 의해 실행되는 루틴을 도9에 도시된 흐름도를 이용하여 상세히 설명한다. ECU(1)는, CPU가 ROM에 저장된 전술한 내연기관 제어 프로그램 및 연료 분사 밸브 제어 프로그램과 같은 각종 프로그램에 기초하여, 흐름도에 도시하는 처리를 반복 실행하게 함으로써 내연기관(50)을 제어한다. CPU는 먼저 내연기관(50)이 고부하 운전 영역에서 운전하고 있는지를 판정한다(단계S21). 본 실시예에서, CPU는 크랭크각 센서(71)로부터의 출력 신호에 기초하여 검출되는 엔진 속도(Ne), 가속기 센서(73)로부터의 출력 신호에 기초하여 검출되는 부하율(KL), 및 엔진 속도(Ne)와 부하율(KL)에 의해 규정되는 운전 영역 맵에 기초하여, 내연기관(50)의 운전 상태를 판정한다.

도10은 운전 영역의 맵을 모식적으로 도시하는 도면이다. 본 실시예에서의 맵에서, 운전 영역은 엔진 속도(Ne) 및 부하율(KL)에 따라, 고부하 운전 영역과 그 외의 영역으로 구분된다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 운전 영역은 더 많은 영역으로 세분화될 수도 있다. 부수적으로, 운전 영역은 엔진 속도(Ne) 및 부하율(KL)에 따라 설정되는 것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 이는 또한 내연기관(50)의 적절한 운전 상태에 따라 설정될 수도 있다.

단계S21에서의 판정 결과가 NO이면, 프로세스는 아무런 특별한 조치가 취해짐이 없이 단계S21로 돌아간다. 한편, 단계S21에서의 판정 결과가 YES이면, CPU는 엔진 속도(Ne)가 소정 엔진 속도(α)보다 높은지를 판정한다(단계S22). 소정 엔진 속도(α)는 예를 들어 1,600rpm으로 설정된다. 단계S22에서의 판정 결과가 NO이면, 아무런 특별한 조치가 취해짐이 없이 단계S21로 돌아간다. 한편, 단계S22에서의 판정 결과가 YES이면, CPU는 연료 분사가 제1 연료 분사와 제2 연료 분사로 분할되는 분할 분사를 수행하도록 분사 제어를 변경한다(단계S23). 도11의 (a) 및 도11의 (b)는 고부하 고속 운전 영역에서 분사 제어를 변경하지 않은 경우와 변경 한 경우의 연료 분사 모드를 모식적으로 도시하는 도면이다. 도11의 (a)에 도시하듯이, 분사 제어를 변경하지 않은 경우에는, 분사 시기가 도6의 (a)에 도시된 분사 시기에 비해, 흡입 행정의 하사점보다는 흡입 행정의 상사점에 가깝게 된다. 이 경우, 기화 잠열 효과에 의해 내연기관(50)의 출력이 향상될 수 있지만, 텀블 유동(T)이 연료 분사에 의해 적절히 강화될 수는 없다. 대조적으로, 이 단계에서 분사 제어를 변경한 경우에는, 도11의 (b)에 도시하듯이 제1 연료 분사가 흡입 행정의 중간에서 수행되는 동시에, 제2 연료 분사가 흡입 행정의 하사점 근방에서 수행된다.

따라서, 이들 분사 시기에 따른 제1 분사와 제2 분사를 수행하도록 CPU가 연료 분사 밸브(21)를 제어하기 위한 단계를 실행함으로써(단계S24), 기화 잠열 효과와 공기-연료 혼합물의 균질도를 둘다 달성할 수 있다. 부수적으로, 본 실시예에서는 공기-연료 혼합물의 균질도를 향상시키기 위해 제2 연료 분사를 수행하였다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 연료 속도를 향상시키기 위해 제2 연료 분사가 수행될 수도 있다. 보다 구체적으로, 예를 들면 고부하 운전 영역에서도 엔진 속도(Ne)가 비교적 낮을 때는 노킹 대책으로서 제2 분사의 분사 기간을 제3 실시예의 경우보다 길게 만듦으로써, 연소 속도가 향상될 수도 있다. 그러나, 이 경우에는 제3 실시예에 비해 제1 연료 분사의 연료 분사량이 감소되고 제2 연료 분사의 연료 분사량이 증가하므로, 기화 잠열 효과가 제3 실시예에 비해(즉, 공기-연료 혼합물의 균질도와 더불어 달성되는 경우에 비해) 낮을 것이다. 따라서, 분사한 연료에 의해 텀블 유동(T)을 강화하기 위해 연료 분사를 분할 함으로써, 고부하 운전 영역에서 기화 잠열 효과와 공기-연료 혼합물의 균질도 또는 개선된 연소 속도를 달성할 수 있는 ECU(1)를 실현할 수 있다.

본 발명은 전술한 제1 내지 제3 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 변형, 수정 또는 개선이 이루어질 수 있다.

Claims

실린더 내에 텀블 유동을 생성하고 상기 텀블 유동을 흡입 행정의 하사점 근방에서 분사된 연료에 의해 강화하는, 실린더내 분사식 스파크 점화 내연기관의 제어 장치에 있어서,

실린더 내에 유입되는 공기의 양에 기초하여 연료의 분사 시기를 변경하기 위한 분사 시기 변경 수단(1)을 포함하고,

상기 실린더내 분사식 스파크 점화 내연기관이 고부하 운전 영역에서 운전되고 있고 상기 실린더내 분사식 스파크 점화 내연기관의 엔진 속도가 미리 정해진 속도를 초과할 때, 상기 분사 시기 변경 수단(1)은 실린더에 공기가 최고로 유입되는 시기에 제1 연료 분사를 수행하고 흡입 행정의 하사점 근방에서 제2 연료 분사를 수행하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
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제1항에 있어서, 상기 분사 시기 변경 수단(1)은 엔진 속도가 높아질수록 제1 연료 분사를 더 진각시키는 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 제2 연료 분사의 연료 분사 기간에 대응하는 크랭크각 범위가 상기 실린더내 분사식 스파크 점화 내연기관의 운전 상태의 변화에 대해 일정하게 되도록 연료의 분사량을 제어하기 위한 분사량 제어 수단을 더 포함하는 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 분사 시기 변경 수단(1)은 실린더내 분사식 스파크 점화 내연기관의 흡입 행정의 중간에서 상기 제1 연료 분사를 수행하는 제어 장치.
실린더 내에 텀블 유동을 생성하고 상기 텀블 유동을 흡입 행정의 하사점 근방에서 분사된 연료에 의해 강화하는, 실린더내 분사식 스파크 점화 내연기관의 제어 방법에 있어서,

실린더 내에 유입되는 공기의 양에 기초하여 연료의 분사 시기를 변경하는 단계를 포함하고,

상기 실린더내 분사식 스파크 점화 내연기관이 고부하 운전 영역에서 운전되고 있고 상기 실린더내 분사식 스파크 점화 내연기관의 엔진 속도가 미리 정해진 속도를 초과할 때, 분사 시기는 실린더에 공기가 최고로 유입되는 시기에 제1 연료 분사가 수행되고 흡입 행정의 하사점 근방에서 제2 연료 분사가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
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