KR101458732B1 - 다기통 내연 기관의 제어 장치 - Google Patents

Abstract

배기 에너지에 의해 구동하는 과급기와, 연료 분사 제어 수단을 구비하고, 연료 분사 제어 수단은, 하나의 기통으로의 연료 분사량을 실린더 내의 공연비가 이론 공연비보다 리치로 되도록, 또한, 하나의 기통의 배기 행정 중에 배출되는 배기 가스와, 당해 배기 행정 중에 흡기 행정으로 되는 다른 기통으로부터 밸브 오버랩 기간 중에 소기되는 소기 가스가 배기관 내에서 혼합하였을 때에 연소하기 쉬운 공연비로 되도록, 하나의 기통으로의 연료 분사량을 설정한다.

Description

다기통 내연 기관의 제어 장치{CONTROL DEVICE FOR MULTI-CYLINDER INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은, 가변 밸브 기구 및 과급기를 구비하는 내연 기관의 공연비 제어에 관한 것이다.

배기 에너지를 이용하여 터빈을 회전시키는 터보식 과급기(이하, 단순히 과급기라 함)를 구비하는 내연 기관에 있어서, 충전 효율을 향상시키기 위해서는 과급기의 과급 효율을 높이는 것이 유효하다. 그리고 과급 효율을 높이기 위해서는, 배기 온도를 상승시키는 것이 유효하다.

예를 들어, JP2008-101502A에는, 하나의 기통의 밸브 오버랩 기간 중에 실린더로부터 배기 통로로 블로바이하는 블로바이량을 구하고, 동 시기에 팽창 행정으로 되어 있는 기통에서, 통상의 연료 분사와는 별도로, 블로바이량에 따른 애프터 버닝용 연료를 분사하는 기술이 개시되어 있다.

이에 따르면, 블로바이한 공기와 애프터 버닝용 연료의 혼합비가 이론 공연비로 되도록 제어함으로써, 당해 혼합기가 배기 통로 중에서 연소하고, 이에 의해 배기 온도가 상승하고, 터빈을 구동하는 에너지가 증대하므로, 결과적으로 충전 효율이 향상된다. 또한, 공연비가 이론 공연비이므로, 배기 성능으로의 영향도 없다.

그러나 JP2008-101502A의 구성에서는, 애프터 버닝용 연료는 팽창 행정의 후반에 분사되고 있으므로, 연료 중의 탄화수소는 상대적으로 연소하기 어려운 탄소쇄가 긴 고급 탄화수소인 채로 배기 통로로 배출되게 되고, 또한, 블로바이한 공기와 혼합하여 연소하기까지 안개화가 충분히 진행되지 않을 우려가 있다. 애프터 버닝용 연료의 일부가 연소하지 않는 경우에는, 배기 온도가 목표한 정도로는 상승하지 않으므로, 과급 효율의 향상 폭도 작아진다. 또한, 이론 공연비보다 리치한 배기가 배기 정화 장치에 유입되게 되므로, 배기 성능을 악화시키게 된다.

본 발명의 목적은, 따라서, 과급기가 구비된 다기통 내연 기관에 있어서, 충전 효율의 향상과 배기 성능을 양립시키는 것이다.

본 발명의 상세 및 다른 특징이나 이점은, 명세서의 이후의 기재 중에서 설명되는 동시에, 첨부된 도면에 도시된다.

도 1은 본 실시 형태를 적용하는 시스템의 구성도이다.
도 2는 직렬 4기통 내연 기관의 행정 순서를 나타내는 도면이다.
도 3은 컨트롤 유닛이 실행하는, 연료 분사량을 설정하기 위한 연산 내용을 나타내는 블록도이다.
도 4는 컨트롤 유닛이 실행하는, 밸브 오버랩 기간을 저감할지 여부를 판단하기 위한 제어의 블록도이다.
도 5는 컨트롤 유닛이 실행하는, 소기율을 구하기 위한 연산 내용을 나타내는 블록도이다.
도 6은 컨트롤 유닛이 실행하는, 배기 압력을 구하기 위한 연산 내용을 나타내는 블록도이다.
도 7은 컨트롤 유닛이 실행하는, 과도 배기 압력 변동을 구하기 위한 연산 내용을 나타내는 블록도이다.
도 8은 컨트롤 유닛이 실행하는, 가변 밸브 기구의 변환각을 결정하기 위한 연산 내용을 나타내는 블록도이다.
도 9는 컨트롤 유닛이 실행하는, 촉매 온도에 기초하는 소기량 상한값 산출을 위한 블록도이다.
도 10은 컨트롤 유닛이 실행하는, 하나의 실린더의 소기 가스량과 배기 가스량에 기초하여 연료 분사량을 결정하고, 실린더 내 공연비 및 배기관 내 공연비를 추정하기 위한 연산 내용을 나타내는 블록도이다.

도 1은 본 실시 형태를 적용하는 내연 기관의 시스템 구성도이다.

내연 기관(1)의 흡기 매니폴드(2)의 입구에는, 내연 기관(1)에 유입되는 공기량을 조정하기 위한 스로틀 챔버(4)가 설치되고, 그 상류에는 흡기 통로(6)가 접속되어 있다. 흡기 통로(6)의 스로틀 챔버(4)보다 상류측에는, 과급기(5)의 컴프레서(5a)가 설치되고, 또한 그 상류에는, 흡입 공기량을 검출하는 에어플로우 미터(8)가 설치되어 있다.

내연 기관(1)의 각 실린더에는 연료를 실린더 내에 직접 분사하는 연료 분사 밸브(15)가 배치되어 있다. 배기 통로(7)에는, 과급기(5)의 터빈(5b)이 설치되어 있다.

과급기(5)는, 소위 터보식 과급기이며, 컴프레서(5a)와 터빈(5b)이 샤프트(5c)를 통해 접속되어 있다. 이로 인해, 터빈(5b)이 내연 기관(1)의 배기 에너지에 의해 회전하면, 컴프레서(5a)도 회전하여, 흡입 공기를 하류측으로 압송한다.

터빈(5b)의 하류측에는, 배기 정화용 배기 촉매(18)가 배치된다. 배기 촉매(18)로서는, 3원 촉매 등이 사용된다.

리서큘레이션 통로(10)는, 흡기 통로(6a)와, 에어플로우 미터(8)보다 하류측 또한 컴프레서(5a)보다 상류측의 흡기 통로[이하, 흡기 통로(6b)라 함]를 접속하는 통로이며, 도중에 설치한 리서큘레이션 밸브(9)가 개방되면 양 흡기 통로(6a, 6b)가 연통되고, 폐쇄되면 연통이 차단된다.

리서큘레이션 밸브(9)는, 일반적으로 알려져 있는 것과 마찬가지로, 과급압과 흡기 매니폴드(2) 내의 압력(이하, 흡기관압이라 함)의 차압이 소정값 이상으로 되었을 때에 개방된다. 예를 들어, 내부에 구비하는 밸브체에 대하여, 내장하는 스프링의 반력이 폐쇄 방향으로 압박되고 있고, 또한, 밸브체의 개방 방향으로 과급압이 작용하고, 폐쇄 방향으로는 흡기관압이 작용하고 있고, 과급압과 흡기관압의 차압이 스프링의 반력을 초과한 경우에 밸브 개방된다. 이에 의해, 과급 상태에서 주행 중에 스로틀 챔버(4)가 완전 폐쇄로 된 경우에, 과급압의 과상승을 방지할 수 있다. 또한, 리서큘레이션 밸브(9)가 개방될 때의 과급압과 흡기관압의 차압은, 스프링의 스프링 상수에 의해 임의의 값으로 설정할 수 있다.

가변 밸브 기구(14)는, 배기 밸브와 흡기 밸브 모두 개방된 오버랩 기간이 발생하도록, 흡기 밸브 폐쇄 시기(IVC)를 변화시킬 수 있는 것이면 충분하다. 예를 들어, 크랭크 샤프트에 대한 흡기 캠 샤프트의 회전 위상을 변화시키는 것이나, 흡기 밸브의 작동각을 변화시키는 것 등, 일반적으로 알려져 있는 가변 밸브 기구를 사용할 수 있다. 또한, 배기 밸브측에도 마찬가지의 가변 밸브 기구(14)를 설치하여, 흡기 밸브 및 배기 밸브의 밸브 타이밍을 가변 제어하도록 해도 된다.

컨트롤 유닛(12)은, 에어플로우 미터(8)에서 검출하는 흡입 공기량, 액셀러레이터 개방도 센서(13)에서 검출하는 액셀러레이터 개방도, 그 외 도시하지 않은 크랭크각 센서에서 검출하는 엔진 회전 속도 등과 같은 운전 상태에 관한 파라미터를 판독하고, 이들에 기초하여 점화 시기, 밸브 타이밍, 공연비 등의 제어를 행한다.

다음으로, 컨트롤 유닛(12)이 행하는 밸브 타이밍 제어 및 공연비 제어에 대해 설명한다.

컨트롤 유닛(12)은, 흡기 매니폴드(2) 내의 압력이 배기 매니폴드(3) 내의 압력보다 높은 경우에는, 흡기 밸브 및 배기 밸브가 개방되어 있는 밸브 오버랩 기간이 발생하는 밸브 타이밍으로 되도록 가변 밸브 기구(14)를 작동시킨다.

이것은, 밸브 오버랩 기간 중에, 흡기 매니폴드(2)로부터 유입된 신기(新氣)가 소기 가스로서 그대로 배기 매니폴드(3)로 블로바이하는, 소위 소기 효과를 이용하여, 터빈(5b)의 회전 속도를 높이고, 실린더 내로의 충전 효율을 높이기 위해서이다.

이 효과에 대해 도 2를 사용하여 구체적으로 설명한다. 도 2는 점화 순서가 1번 기통―3번 기통―4번 기통―2번 기통인 직렬 4기통 내연 기관의 행정 순서에 대해 나타낸 것이다. 도면 중의 사선을 부여한 부분은 밸브 오버랩 기간을 나타낸다.

밸브 오버랩 기간을 마련하면, 배기 매니폴드(3)에서는 배기 행정 중의 기통으로부터 배출되는 배기 가스와, 그때 흡기 행정 중의 다른 기통의 소기 가스가 합류한다. 예를 들어, 도 2의 3번 기통의 배기 행정 #3ex에서 배기되는 배기 가스와, 그때 흡기 행정으로 되는 1번 기통의 밸브 오버랩 기간 #1sc에 소기되는 소기 가스가 합류한다.

이로 인해, 밸브 오버랩 기간이 없는 경우, 즉 소기가 없는 경우에 비해 터빈(5b)에 도입되는 가스량이 증가한다. 이에 의해 터빈(5b)의 회전 속도가 높아지고, 컴프레서(5a)에 의한 과급압이 높아진다. 또한, 소기에 의해 신기 가스와 함께 실린더 내의 잔류 가스도 배출되므로, 결과적으로 실린더의 신기의 충전 효율이 높아진다.

또한, 본 실시 형태에서는, 후술하는 공연비 제어에 의해, 배기 매니폴드(3)에서 합류한 배기 가스와 소기 가스의 혼합기를, 터빈(5b)에 유입되기 전에 연소시킴으로써, 터빈(5b)을 회전시키기 위한 에너지를 보다 증대시킨다.

이를 위해, 어느 실린더로부터 배기 행정 중에 배기되는 배기 가스와, 동 시기에 흡기 행정으로 되는 실린더로부터 밸브 오버랩 기간 중에 소기되는 소기 가스의 혼합기가, 터빈(5b)에 유입되기 전에 연소하기 쉬운 공연비로 되도록 연료 분사량을 설정한다. 즉, 실린더 내의 공연비를 이론 공연비보다도 리치한 공연비로 하여, 미연 탄화수소를 포함한 배기 가스를 배출시키고, 이 배기 가스와 소기 가스가 혼합됨으로써 연소하기 쉬운 공연비, 예를 들어 이론 공연비로 되는 연료 분사량을 설정한다.

예를 들어, 도 2의 3번 기통의 흡기 행정 #3in에서 흡입한 공기량에 대한 연료 분사량을 설정하는 경우에는, 3번 기통의 배기 행정 #3ex에서 배출되는 배기 가스와 1번 기통의 밸브 오버랩 기간 #1sc에서 배출되는 소기 가스의 혼합기가 연소하기 쉬운 공연비로 되는 연료 분사량을 설정한다. 즉, 3번 기통의 실린더 내의 공연비에 착안하면, 이론 공연비보다 리치한 공연비로 되고, 배기 행정에서는 미연 연료를 포함하는 배기 가스가 배출된다.

상기한 바와 같이 설정한 연료 분사량은, 1행정당 1회의 연료 분사에 의해 모두 분사한다. 연료 분사 시기는, 흡기 행정 중의 밸브 오버랩 기간 종료 후, 즉 배기 밸브 폐쇄 후, 또는 압축 행정 중으로 한다. 또한, 공연비 제어의 상세에 대해서는 후술한다.

이와 같이 분사하면, 배기 가스 중의 미연 탄화수소로 되는 연료는, 팽창 행정 중의 연소열을 받음으로써 탄소쇄가 긴 고급 탄화수소로부터 탄소쇄가 짧은 저급 탄화수소로 변화되어, 보다 연소성이 높아진다. 또한, 실린더 내의 공연비가 이론 공연비보다 리치해짐으로써, 출력 공연비에 근접하므로, 이론 공연비로 운전하는 경우보다 출력을 향상시킬 수 있다. 또한, 연료가 실린더 내에서 기화될 때의 기화 잠열에 의해 실린더 내가 냉각되므로, 충전 효율의 향상에 기여한다.

도 3은 실린더 내에 분사하는 연료 분사량을 설정하는 연산 내용을 나타내는 블록도이다. 또한, 이 블록도에는, 설정한 연료 분사량을 사용하여 행하는, 실린더 내 및 배기 매니폴드(3) 내의 공연비의 추정도 포함되어 있다.

배기관 내 공연비 목표값 설정부(301)는, 배기 매니폴드(3) 내의 목표 공연비인 배기관 내 목표 공연비를 설정한다. 목표 공연비는, 배기 가스와 소기 가스의 혼합기가 연소하기 쉬운 공연비, 예를 들어 이론 공연비로 설정한다.

또한, 이론 공연비에 한정하지 않고, 예를 들어, 배기 가스와 소기 가스의 혼합기가, 배기 성능의 요구값을 만족하는, 즉 배기 촉매(18)의 전환 효율을 저하시키지 않는 정도의 공연비로 되도록 설정해도 된다. 이 경우라도, 소기 효과에 의해 실린더 내의 충전 효율은 향상되어 발생 토크는 증대하고, 또한 배기 성능의 저하를 방지할 수 있다.

실린더 내 트랩 흡입 공기량 추정부(302)는, 에어플로우 미터(8)에서 검출한 흡입 공기량과, 소기율에 기초하여, 흡입 공기량 중 흡기 행정 종료 시점에서 실린더 내에 가둬져 있는 양인 실린더 내 트랩 흡입 공기량을 추정한다. 또한, 소기율은 신기량을 실린더 내 가스량으로 나눈 값을 말한다. 소기율의 산출 방법에 대해서는 후술한다.

실린더 소기 가스량 추정부(303)는, 실린더 내 트랩 흡입 공기량을 산출한 기통이 배기 행정 시에 흡기 행정으로 되는 기통에 대해, 흡입 공기량 중 밸브 오버랩 기간 중에 배기 매니폴드(3)로 유출되는 양인 실린더 소기 가스량을 소기율과 흡입 공기량에 기초하여 추정한다.

실린더 내 연료 분사량 설정부(304)에서는, 배기관 내 목표 공연비, 실린더 내 트랩 흡입 공기량, 실린더 소기 가스량에 기초하여, 실린더 내로의 연료 분사량을 결정한다.

배기 가스는, 배기 매니폴드(3)에서 소기 가스와 혼합하면, 소기 가스에 희석되는 분만큼 공연비가 린측으로 변화된다. 예를 들어, 실린더 내 트랩 흡입 공기량에 대하여 이론 공연비로 되도록 연료 분사량을 설정하면, 배기의 공연비는 이론 공연비로 되고, 배기 매니폴드(3)에서 소기 가스와 혼합하면 이론 공연비보다 린으로 된다.

따라서, 실린더 내 트랩 흡입 공기량 및 실린더 소기 가스량에 기초하여, 소기 가스에 희석되었을 때에 배기관 내 목표 공연비로 되는 데 필요한 탄화수소량을 구하고, 이 탄화수소량을 발생시키는 데 필요한 연료 분사량을, 실린더 내 트랩 흡입 공기량에 기초하여 설정한다.

실린더 내 공연비 추정부(305)에서는, 연료 분사량과 실린더 내 트랩 흡입 공기량으로부터 실린더 내의 공연비를 추정한다. 배기관 내 공연비 추정부(306)에서는, 실린더 내 공연비와 실린더 소기 가스량으로부터 배기 매니폴드(3) 내의 공연비를 추정한다. 이들 추정값과 배기관 내 목표 공연비에 기초하여, 실린더 내 연료 분사량을 피드백 제어하면, 배기 매니폴드(3) 내의 공연비를 보다 고정밀도로 제어할 수 있다.

도 4는 실린더 내 공연비 추정부(305)에서 구한 실린더 내 공연비 추정값에 기초하여 밸브 오버랩 기간을 저감할지 여부를 판단하는 제어의 블록도이다. 소기량이 증대할수록, 배기관 내 공연비를 원하는 공연비로 하기 위해 필요한 연료량도 증대하고, 이에 수반하여 실린더 내의 공연비도 보다 리치화된다. 따라서, 도 3의 연산에 의해 구해진 연료 분사량에서는 실린더 내의 공연비가 연소 한계를 초과해 버리는 경우에는, 밸브 오버랩 기간을 짧게 하여 소기량을 감소시키기 위해, 도 4의 연산을 행한다.

실린더 내 공연비 허용값 산출부(401)에서는, 연소 한계 등의 조건에 기초하여 구해지는 실린더 내 공연비 허용값을 설정한다. 실린더 내 공연비 추정부(402)는, 도 4의 실린더 내 공연비 추정부(305)에서 추정한 실린더 내 공연비를 판독한다.

판정부(403)에서는, 실린더 내 공연비 허용값과 실린더 내 공연비 추정값을 비교하고, 실린더 내 공연비 추정값 쪽이 리치라고 판정되면, 가변 밸브 기구(14)의 제어부인 VTC 제어부(404)에 밸브 오버랩 기간의 저감 요구를 행한다.

상술한 도 3, 도 4의 제어에 의해, 배기 매니폴드(3) 내의 배기 가스와 소기 가스의 혼합기의 공연비를 연소하기 쉬운 공연비로 제어하고, 또한 실린더 내의 연소 안정성을 확보할 수 있다.

다음으로, 도 3에서 실린더 내 트랩 흡입 공기량 및 실린더 소기 가스량의 추정에 사용하는 소기율에 대해 설명한다.

도 5는 소기율을 산출하기 위한 연산 내용을 나타내는 블록도이다.

소기율은, 정상 운전 시이면 엔진 회전 속도나 흡입 공기량으로부터 구해지는 발열량이나 배기 매니폴드(3)를 통과하는 가스량에 기초하여 정해진다. 그러나 과도 운전 시에는 배기 매니폴드(3)를 흐르는 가스량의 증가 속도에 대하여 터빈(5b)의 회전 속도 상승이 지연되므로, 압력 손실이 발생한다. 그 결과, 과도 운전 시에 있어서의 배기 압력은, 동일 흡입 공기량, 동일 엔진 회전 속도의 정상 운전 시에 있어서의 배기 압력에 비해 높아진다. 따라서, 도 5의 연산에서는, 정상 운전 시의 배기 압력을, 과도 운전 시에 있어서의 배기 압력 변동량(이하, 과도 압력 변동이라 함)의 증감분으로 보정하여 소기율을 산출한다.

콜렉터 압력 판독부(501)에서, 흡기 매니폴드(2) 내의 압력을 콜렉터 압력으로서 판독한다. 배기 압력 판독부(502)에서는 후술하는 연산에 의해 구한 배기압을 판독한다. 과도 압력 변동 판독부(503)에서, 후술하는 연산에 의해 구한 과도 배기 압력 변동량을 판독한다.

배기 밸브 전후 차압 산출부(504)에서는, 콜렉터 압력으로부터 배기 압력을 감산하고, 거기에 과도 압력 변동을 가산하여 배기 밸브 전후 차압을 산출한다. 이에 의해 과도 배기 압력 변동량을 포함한 배기 밸브 전후 차압이 산출된다.

한편, 엔진 회전 속도 판독부(505)에서 크랭크각 센서의 검출값에 기초하여 엔진 회전 속도를 판독하고, 오버랩량 판독부(506)에서 후술하는 연산에 의해 구한 밸브 오버랩량을 판독한다.

그리고 소기율 연산부(507)에서, 엔진 회전 속도, 밸브 오버랩량 및 배기 밸브 전후 차압에 기초하여 미리 설정한 맵을 사용하여 소기율을 구하고, 그 연산 결과를 소기율 설정부(508)에서 소기율로서 판독한다. 여기에서 사용하는 맵은, 도 5에 나타내는 바와 같이, 종축이 배기 밸브 전후 차압, 횡축이 밸브 오버랩량으로 되어 있고, 컨트롤 유닛(12)은 이 맵을 엔진 회전 속도마다 복수 기억하고 있다.

도 6은 배기 압력 판독부(502)에서 판독하는 배기 압력을 구하기 위한 연산 내용을 나타내는 블록도이다. 배기 압력은, 대기압이나 배기 온도의 영향을 크게 받으므로, 이들에 기초하는 보정을 행함으로써 배기 압력의 추정 정밀도를 높이고, 나아가서는 소기율의 추정 정밀도를 높인다. 구체적으로는, 다음과 같은 연산을 행한다.

배기 온도 판독부(601)에서 배기 온도 센서(17)의 검출값을 판독하고, 흡입 공기량 판독부(602)에서 에어플로우 미터(8)의 검출값을 판독한다. 기준 배기 압력 산출부(603)에서, 이들 판독한 값에 기초하여, 미리 작성해 둔 맵을 사용하여 기준으로 되는 배기 압력을 산출한다. 이에 의해 흡입 공기량 및 배기 온도에 따른 배기 압력을 기준값으로 할 수 있다.

한편, 기준 대기압 판독부(604)에서, 기준 배기압을 산출하였을 때의 대기압 센서(16)의 검출값을 판독한다. 또한, 대기압 판독부(605)에서, 대기압 센서(16)의 현재의 검출값을 판독한다. 그리고 대기압 보정부(606)에서, 기준 배기 압력으로부터 기준 대기압을 감산한 값과 대기압의 합을 연산하고, 연산 결과를 배기 압력 산출부(607)에서 배기 압력으로서 판독한다. 이에 의해, 대기압에 따른 배기 압력을 추정할 수 있다.

도 7은 과도 압력 변동 판독부에서 판독하는 과도 배기 압력 변동량을 산출하기 위한 블록도이다.

여기서는, 과도 운전인지 여부를 판정하는 트리거로서 흡입 공기량 및 스로틀 밸브 개방도의 변화량을 사용하여, 과도 배기 압력 변동량을 산출한다.

흡입 공기량 판독부(701)에서 에어플로우 미터(8)의 검출값을 판독한다. 스로틀 밸브 개방도 판독부(702)에서 스로틀 개방도를 판독한다. 스로틀 밸브 개방도는, 스로틀 포지션 센서에서 검출해도 되고, 전자 제어 스로틀의 경우에는 스로틀 밸브를 구동하는 액추에이터로의 지시값을 판독해도 된다.

흡기 변화 속도 산출부(703)에서는, 흡입 공기량 판독부(701)에서 판독한 흡입 공기량에 기초하여 흡입 공기량의 1밀리초당 변화 속도인 흡기 변화 속도 △QA/㎳를 산출한다. 흡기 변화 속도 보정값 연산부(714)에서는 하기 수학식 1에 의해 흡기 변화 속도 △QA/㎳에 1차 지연을 부여한 값을 흡기 변화 속도 보정값 QMv로서 산출한다.

과도 배기압 변화량 추정부(711)에서, 상기한 바와 같이 하여 구한 흡기 변화 속도 보정값 QMv에 기초하여, 미리 작성한 맵으로부터 기준으로 되는 과도 배기압을 산출하고, 산출 결과를 스위치부(712)에 입력한다.

흡기량 변화량 산출부(704)에서 흡입 공기량의 변화량을 산출하고, 제1 판정부(708)에서, 제1 과도 판정 크리테리아 설정부(705)에 미리 저장해 둔 제1 과도 판정 크리테리아와 흡기량 변화량을 비교한다.

스로틀 밸브 개방도 변화량 산출부(706)에서 스로틀 밸브 개방도의 변화량을 산출하고, 제2 판정부(709)에서, 제2 과도 판정 크리테리아 설정부(707)에 미리 저장해 둔 제2 과도 판정 크리테리아와 스로틀 밸브 개방도 변화량을 비교한다.

제3 판정부(710)는, 제1 판정부(708) 및 제2 판정부(709)의 판정 결과를 판독한다. 그리고 제1 판정부(708)에서 흡기량 변화량이 제1 과도 판정 크리테리아보다 크거나, 또는 제2 판정부(709)에서 스로틀 밸브 개방도 변화량이 제1 과도 판정 크리테리아보다 큰 것 중 적어도 한쪽이 성립하고 있으면, 과도 운전 시라고 판정한다. 이 판정 결과는 스위치부(712)에 입력되고, 스위치부(712)는 과도 운전 시인 경우에는 과도 배기 압력 변동을 부가하는 측으로 전환되고, 과도 운전 시가 아닌 경우에는 과도 배기 압력 변동량을 부가하지 않는 측으로 전환된다. 과도 배기 압력 변동 결정부(713)에서는, 스위치부(712)로부터 출력된 값을 과도 배기 압력 변동량으로서 설정한다.

도 8은 가변 밸브 기구(14)의 변환각을 결정하기 위한 제어 루틴을 나타내는 흐름도이다. 이 제어의 도중에 밸브 오버랩 기간을 산출한다.

스텝 S801에서, 컨트롤 유닛(12)은 내연 기관(1)의 운전 상태, 예를 들어, 콜렉터압, 엔진 회전 속도, 흡기 온도, 대기압, 기본 분사 펄스 등을 판독한다.

스텝 S802에서, 컨트롤 유닛(12)은 상기 운전 상태로부터 구해지는 소기량 상한값을 산출한다. 여기서, 소기량 상한값을 구하는 방법의 일례에 대해 설명한다.

도 9는 촉매 온도에 기초하는 소기량 상한값 산출을 위한 블록도이다.

소기분을 포함시킨 배기 매니폴드(3) 내의 공연비가 이론 공연비로 되도록 연료 분사를 하여, 배기 매니폴드(3) 내에서 배기 가스와 소기 가스의 혼합기를 연소시키는 경우, 소기량이 많아질수록 연소에 의한 배기 촉매(18)의 온도 상승 값이 커진다. 배기 촉매(18)는, 온도가 과잉으로 상승하면 배기 정화 성능의 열화를 야기하므로, 배기 촉매(18)의 온도 상승을 억제하기 위한 소기량의 상한값을 설정한다.

또한, 운전 상태로서는, 콜렉터압 Boost, 엔진 회전 속도 NE, 기본 분사 펄스 TP, 흡기 온도 TAN 및 대기압 PAMB를 판독한다.

촉매 상한 온도 산출부(901)는, 운전 상태에 따라 정해지는 배기 촉매(18)의 상한 온도인 촉매 상한 온도를 산출한다. 마찬가지로, 무(無)소기 촉매 상한 온도 산출부(902)에서 소기가 없는 통상 운전 상태, 즉 소기 가스와 배기 가스의 혼합기를 연소시키지 않는 운전 상태에서의 배기 촉매(18)의 추정 온도인 무소기 촉매 추정 온도를 산출한다.

소기 시 촉매 승온 허용값 산출부(903)는, 촉매 상한 온도와 무소기 촉매 추정 온도의 차인 소기 시 촉매 승온 허용값을 산출한다. 이 소기 시 촉매 승온 허용값분만큼, 소기 시의 배기 촉매(18)의 승온을 허용할 수 있다.

촉매 온도 허용 소기량 산출부(905)에서는, 소기 시 촉매 승온 허용값과, 실린더 내 공연비 산출부(904)에서 구한 내연 기관(1)의 실린더 내의 공연비로부터, 미리 작성한 맵을 사용하여 배기 촉매(18)의 온도로부터 정해지는 소기량 상한값인 촉매 온도 허용 소기량을 산출한다. 여기에서 사용하는 맵은, 실린더 내 공연비마다 소기량과 촉매 승온량의 관계를 나타내는 것이다.

그리고 산출 결과를 촉매 온도 허용 소기량 결정부(906)에서 촉매 온도 허용 소기량으로서 설정한다.

도 8의 스텝 S803에서, 컨트롤 유닛(12)은 스텝 S802에서 구한 소기량에 기초하여 밸브 오버랩 기간을 결정한다. 적용하는 내연 기관의 사양에 따라, 소기량과 밸브 오버랩 기간을 미리 구해 두면, 소기량에 기초하여 용이하게 밸브 오버랩 기간을 설정할 수 있다. 그리고 도 5의 오버랩량 판독부(506)에서는, 이 값을 판독한다.

스텝 S804에서, 컨트롤 유닛(12)은 스텝 S803에서 결정한 밸브 오버랩 기간을 실현하기 위한 가변 밸브 기구(14)의 변환각을 결정한다. 적용하는 내연 기관(1)의 흡기 캠, 배기 캠의 프로필 등에 따라, 밸브 오버랩 기간과 변환각의 관계를 미리 구해 두면, 밸브 오버랩 기간에 따라 용이하게 변환각을 결정할 수 있다.

상기한 바와 같이 하여 도 3의 연산에 의해 연료 분사량을 설정하면, 배기 매니폴드(3) 내에서 혼합한 소기 가스와 배기 가스의 혼합기를 연소하기 쉬운 공연비로 제어할 수 있다.

또한, 본 실시 형태는, 내연 기관(1)이 통 내 직접 분사식인 경우에 대해 설명하였지만, 이것에 한정되는 것이 아니라, 각 실린더에 연통되는 흡기 포트 내에 연료를 분사하는, 소위 포트 분사식 내연 기관에도 적용할 수 있다. 포트 분사식 내연 기관의 경우에는, 상기 연료 분사를 밸브 오버랩 기간 종료 후, 즉 배기 밸브 폐쇄 후에 행하도록 하면, 분사된 연료가 소기 가스와 함께 배기 매니폴드(3)에 배출되는 일이 없으므로, 상술한 연료 분사량의 설정 방법을 그대로 적용할 수 있다.

또한, 도 3에서는, 실린더 소기 가스량 추정부(303)에 있어서, 실린더 내 트랩 흡입 공기량을 산출한 기통이 배기 행정 시에 흡기 행정으로 되는 기통에 대해 실린더 소기 가스량을 추정하고 있다. 이것은, 과도 운전 상태에도 대응하기 위해서이다. 그러나 정상 운전의 경우에는, 실린더 내 트랩 흡입 공기량 및 실린더 소기 가스량은 모두 각 기통과도 동일하므로, 실린더 내 트랩 흡입 공기량을 산출한 기통과 동일한 기통의 실린더 소기 가스량을 사용해도 연료 분사량을 결정할 수 있다.

도 10은 하나의 실린더의 소기 가스량과 배기 가스량에 기초하여 연료 분사량을 결정하고, 실린더 내 공연비 및 배기관 내 공연비를 추정하기 위한 연산 내용을 나타내는 블록도이다. 도 3의 실린더 소기 가스량 추정부(303)에서는, 실린더 트랩 흡입 공기량을 산출한 기통이 배기 행정 시에 흡기 행정으로 되는 기통에 대해 실린더 소기 가스량을 추정하였지만, 도 10에서는, 실린더 트랩 흡입 공기량을 산출한 기통과 동일한 기통의 소기 가스량을 추정한다.

상술한 본 실시 형태의 효과에 대해 설명한다.

컨트롤 유닛(12)은, 하나의 기통의 배기 행정 중에 배출되는 이론 공연비보다 리치한 배기 가스와, 당해 배기 행정 중에 흡기 행정으로 되는 다른 기통으로부터 밸브 오버랩 기간 중에 소기되는 소기 가스가 배기관 내에서 혼합하여 원하는 공연비로 되도록, 하나의 기통으로의 연료 분사량을 설정한다. 이에 의해, 소기 효과에 의해 충전 효율이 향상되어 내연 기관(1)의 발생 토크를 증대시킬 수 있다. 또한, 소기 가스로 된 신기에 의해 배기 가스의 공연비가 린화되는 것을 방지할 수 있으므로, 배기 촉매(18)의 전환 효율의 악화를 방지할 수 있다.

컨트롤 유닛(12)은, 하나의 기통의 흡기 행정 종료 시의 신기량과, 하나의 기통의 배기 행정 시에 흡기 행정으로 되는 다른 기통으로부터 소기되는 소기 가스 중의 신기량에 기초하여 하나의 기통으로의 연료 분사량을 설정한다. 이에 의해, 각 기통의 배기 밸브 전후압이 점차 변화되는 과도 운전 시라도, 고정밀도로 배기 매니폴드(3) 내의 공연비를 제어할 수 있다.

컨트롤 유닛(12)은, 연료 분사량을 1행정 중에 1회의 연료 분사에 의해 분사하도록 제어하므로, 기화 잠열에 의한 충전 효율의 향상이나, 미연 탄화수소의 반응성의 향상과 같은 효과가 얻어진다.

컨트롤 유닛(12)은, 연료 분사량에 기초하여 통 내의 공연비를 추정하고, 통 내의 공연비가 통 내의 연소 안정 한계, 스모크 발생 한계, 또는 리치 실화 한계 중 어느 하나에 기초하여 설정한 소정값을 초과한 경우에는, 소기량을 제한한다. 이에 의해, 운전성과 배기 성능의 양립을 도모할 수 있다.

컨트롤 유닛(12)은, 내연 기관(1)의 출력 요구 또는 배기 성능 요구에 기초하여 배기 매니폴드(3) 내의 공연비를 설정한다. 이에 의해, 소기 가스에 의해 배기 촉매(18)가 냉각되어 전환 효율이 저하되는 등의 이유에 의해 제한되어 있었던 다량의 소기량이라도, 제한되지 않게 된다.

다음으로, 그 밖의 실시 형태에 대해 설명한다.

본 실시 형태에서는, 배기의 공연비를 이론 공연비로 하기 위해, 배기량을 고려하여 연료 분사량을 설정한다. 연료 분사의 타이밍은 흡기 행정 중의 배기 밸브 폐쇄 후, 또는 압축 행정 중인 것에 반해, 분사 연료와 다른 기통의 소기가 만나는 타이밍은, 분사 기통의 팽창 행정과 배기 행정 사이이므로, 시간적인 지연이 있다.

도 2를 사용하여, 다시 3번 기통의 분사와 1번 기통의 소기를 예로 하여 설명한다.

3번 기통의 연료 분사 타이밍 #3in은, 흡기 행정 중의 배기 밸브 폐쇄 후, 또는 압축 행정 중인 것에 반해, 당해 분사에 의한 분사 연료와 소기가 만나는 것은, 1번 기통의 밸브 오버랩 기간 #1sc로 되고, 3행정분의 지연이 있다.

여기서, 내연 기관(1)이 가속 운전 중인 경우에, 3번 기통의 연료 분사의 타이밍 #3in에서 연료 분사량을 연산하였다고 해도, 실제의 소기량은 엔진 회전 속도의 상승에 수반하여 증가하고 있을 가능성이 있다.

따라서, 본 실시 형태에서는, 컨트롤 유닛(12)은 3번 기통의 연료 분사의 타이밍 #3in에서 연료 분사량을 연산할 때에, 가속의 정도에 따라 분사량을 증량한다.

가속 정도가 클수록 분사량이 많아지도록 하면 된다. 또한, 분사량을 연산하기 위한 소기량을 가속 정도에 따라 보정하도록 해도 된다.

또한, 가속 정도는, 스로틀 개방도의 변화 속도, 흡입 공기량의 변화 속도, 또는 차속의 변화 속도에 기초하여 산출할 수 있다.

또한, 상술한 실시 형태에서는, 통 내 직접 분사식 내연 기관에 대해 설명하였지만, 흡기 포트를 향해 연료 분사를 하는, 소위 포트 분사식 내연 기관이라도 적용 가능하다. 즉, 포트 분사식 내연 기관에서는 압축 행정 이후에는 흡기 밸브가 폐쇄되어 있으므로, 팽창 행정 이후에 추가적으로 연료를 분사하는 방법에서는 배기 매니폴드 내의 공연비를 제어할 수 없지만, 연료 분사가 1행정 중에 1회인 본 실시 형태에서는, 연료 분사 시기를 흡기 행정 중의 밸브 오버랩 기간 종료 후로 함으로써 적용할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하였지만, 상기 실시 형태는 본 발명의 적용예의 일부를 나타낸 것에 지나지 않고, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시 형태의 구체적 구성에 한정하는 취지는 아니다.

본원은 2011년 2월 7일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 제2011-24138호에 기초하는 우선권을 주장하고, 이 출원의 모든 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

Claims (7)

1. 배기 에너지에 의해 구동하는 과급기와,
   연료 분사 제어 수단을 구비하는 다기통 내연 기관의 제어 장치에 있어서,
   상기 연료 분사 제어 수단은, 하나의 기통으로의 연료 분사량을 실린더 내의 공연비가 이론 공연비보다 리치로 되도록, 또한, 상기 하나의 기통의 배기 행정 중에 배출되는 배기 가스와, 당해 배기 행정 중에 흡기 행정으로 되는 다른 기통으로부터 밸브 오버랩 기간 중에 소기되는 소기 가스가 상기 과급기의 일부인 터빈에 유입되기 전에 혼합하여 원하는 공연비로 되도록, 상기 하나의 기통으로의 연료 분사량을 설정하는, 다기통 내연 기관의 제어 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 연료 분사 제어 수단은, 상기 하나의 기통의 흡기 행정 종료 시의 신기량과, 상기 하나의 기통의 배기 행정 시에 흡기 행정으로 되는 다른 기통으로부터 소기되는 소기 가스 중의 신기량에 기초하여 상기 하나의 기통으로의 연료 분사량을 설정하는, 다기통 내연 기관의 제어 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연료 분사 제어 수단은, 상기 연료 분사량을 1행정 중에 1회의 연료 분사에 의해 분사하도록 제어하는, 다기통 내연 기관의 제어 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 통 내의 연소 상태에 따라 소기량을 결정하는 소기량 제어 수단을 구비하고,
   상기 소기량 제어 수단은, 상기 연료 분사량에 기초하여 통 내의 공연비를 추정하고, 상기 통 내의 공연비가 통 내의 연소 안정 한계, 스모크 발생 한계, 또는 리치 실화 한계 중 어느 하나에 기초하여 설정한 소정값을 초과한 경우에는, 상기 소기량을 제한하는, 다기통 내연 기관의 제어 장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연료 분사 제어 수단은, 상기 다기통 내연 기관의 출력 요구값 또는 배기 성능의 요구값에 기초하여 상기 원하는 공연비를 설정하는, 다기통 내연 기관의 제어 장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연료 분사 제어 수단은, 가속 정도에 따라 상기 연료 분사량을 보정하는, 다기통 내연 기관의 제어 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 연료 분사 제어 수단은, 스로틀 개방도의 변화 속도, 흡입 공기량의 변화 속도, 또는 차속의 변화 속도 중 어느 하나에 기초하여 가속 정도를 산출하는, 다기통 내연 기관의 제어 장치.

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