KR101838865B1 - 연료 분사 제어 장치 및 연료 분사 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

통 내에 연료를 직접 분사하는 연료 분사 밸브와, 통 내의 혼합기에 불꽃 점화하는 점화 플러그를 구비하는 통 내 직접 연료 분사식 불꽃 점화 엔진을 제어하는 연료 분사 제어 장치는, 분사된 연료가 충돌하는 부위가 소정의 저온 상태인 경우에, 연료 분무가 계속적으로 동일 위치에 계속 충돌하는 것이 억제되도록 소정의 운전 조건에 있어서의 연료 분사 조건을 변경하여 연료를 분사한다.

Description

연료 분사 제어 장치 및 연료 분사 제어 방법
본 발명은 통 내에 연료를 직접적으로 분사하는 통 내 분사식 불꽃 점화 내연 기관의 연료 분사 제어에 관한 것이다.
통 내 분사식 불꽃 점화 내연 기관에 있어서는, 피스톤 관면 등에 연료가 부착되는 경우가 있다. 이 연료의 부착량이 증대하고, 연소 화염에 의해 점화되어서 연소되면, PN(Particulate Number)의 증대를 초래하게 된다. 그래서, 피스톤 관면에의 연료의 부착을 억제하기 위해서, 압축 행정중의 연료 분사 타이밍을 밸브 오버랩 기간 중의 역류량에 따라서 진각 보정하는 기술이 JP2004-211664A에 개시되어 있다.
상기 문헌에서는, 압축 행정 분사에 의한 성층 연소를 행하는 것으로 되어 있다. 그리고, 상기 문헌에서는 압축 행정중의 연료 분사 타이밍을 진각함으로써 연료 분사 시에 있어서의 연료 분사 밸브와 피스톤 관면의 거리를 보정 전보다도 길게 해서, 피스톤 관면에의 연료의 부착량을 감소시키고 있다.
그러나, 상기 문헌의 제어에서는, 예를 들어 아이들 운전중에는 진각 보정량이 일정하게 되어, 연료 분무는 매회 피스톤 관면의 동일 위치에 충돌하게 되므로, 피스톤 관면에의 연료의 부착량이 증대되어버린다.
따라서 본 발명에서는, 피스톤 관면에의 연료 부착량을 저감할 수 있는 연료 분사 제어 장치 및 연료 분사 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 어떤 형태에 의하면, 통 내에 연료를 직접 분사하는 연료 분사 밸브와, 통 내의 혼합기에 불꽃 점화하는 점화 플러그를 구비하는 통 내 직접 연료 분사식 불꽃 점화 엔진의 연료 분사 제어 장치가 제공된다. 연료 분사 제어 장치는, 분사된 연료가 충돌하는 부위가 소정의 저온 상태인 경우에, 연료 분무가 계속적으로 동일 위치에 계속 충돌하는 것이 억제되도록 소정의 운전 조건에 있어서의 연료 분사 조건을 변경하여 연료를 분사한다.
도 1은, 본 실시 형태의 제어를 적용하는 내연 기관의 구성도이다.
도 2는, 본 실시 형태의 제어 루틴을 도시하는 흐름도이다.
도 3은, 연료 분사 타이밍의 변경 가능 범위를 나타내는 테이블이다.
도 4는, 연료압이 일정한 상태에서 연료 분사 타이밍을 변경할 때의 변경량과 연료 분사량의 관계를 나타내는 테이블이다.
도 5는, 연료압의 변경 가능 범위를 나타내는 테이블이다.
도 6은, 연료 분사 타이밍이 일정한 상태에서 연료압을 변경할 때의 변경량과 연료 분사량의 관계를 나타내는 테이블이다.
도 7은, 연료압 및 연료 분사 타이밍의 변경 가능 범위를 나타내는 맵이다.
도 8은, 연료 분사 타이밍을 변화시키는 방식의 예를 도시하는 도면이다.
도 9는, 피스톤 관면의 연료 분무 충돌 위치와 연료 분사 타이밍의 관계를 도시하는 도면이다.
도 10은, 본 실시 형태의 제어를 실행한 경우의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다.
도 1은, 본 실시 형태를 적용하는 통 내 직접 연료 분사식 불꽃 점화 엔진(이하, 「엔진」이라고도 한다)(1)의, 연소실 주변의 개략 구성도이다. 또한, 도 1은 하나의 기통에 대해서만 도시하고 있지만, 본 실시 형태는 다기통 엔진에도 적용 가능하다.
엔진(1)의 실린더 블록(1B)은 실린더(2)를 구비한다. 실린더(2)에는 피스톤(3)이 왕복 이동 가능하게 수용되어 있다. 피스톤(3)은 커넥팅 로드(12)를 통하여 도시하지 않은 크랭크 샤프트와 연결되어 있고, 크랭크 샤프트가 회전함으로써 왕복 이동한다. 또한, 피스톤(3)은 관면(3A)(이하, 피스톤 관면(3A)라 한다)에 후술하는 캐비티(10)를 구비한다.
엔진(1)의 실린더 헤드(1A)는 오목형 연소실(11)을 구비한다. 연소실(11)은 소위 펜트 루프형으로 구성되어 있고, 흡기측의 경사면에는 한 쌍의 흡기 밸브(6)가, 배기측의 경사면에는 한 쌍의 배기 밸브(7)가 각각 배치되어 있다. 그리고, 이들 한 쌍의 흡기 밸브(6) 및 한 쌍의 배기 밸브(7)에 둘러싸인 연소실(11)의 대략 중심 위치에, 점화 플러그(8)가 실린더(2)의 축선을 따르도록 배치되어 있다.
또한, 실린더 헤드(1A)의, 한 쌍의 흡기 밸브(6) 사이에 끼인 위치에는, 연료 분사 밸브(9)가 연소실(11)에 면하게 배치되어 있다. 연료 분사 밸브(9)로부터 분사되는 연료 분무의 지향성에 대해서는 후술한다.
흡기 밸브(6) 및 배기 밸브(7)는 각각 도시하지 않은 캠 샤프트에 의해 개폐 구동된다. 또한, 흡기측 또는 배기측 중 적어도 한쪽에 가변동 밸브 기구를 배치하고, 밸브 개방 타이밍 및 밸브 폐쇄 타이밍을 가변 제어할 수 있게 해도 된다. 밸브 개방 타이밍이란 밸브 개방 동작을 개시하는 타이밍, 밸브 폐쇄 타이밍이란 밸브 폐쇄 동작을 종료하는 타이밍이다. 가변동 밸브 기구로서는, 캠 샤프트의 크랭크 샤프트에 대한 회전 위상을 변화시키는 것이나, 회전 위상뿐만 아니라 각 밸브의 작동각도 변화시킬 수 있는 것 등, 공지된 기구를 사용할 수 있다.
배기 통로(5)의 배기 흐름 하류측에는, 엔진(1)의 배기 가스를 정화하기 위한 배기 정화 촉매가 개재 장착되어 있다. 배기 정화 촉매는, 예를 들어 3원 촉매이다.
피스톤(3)은 상술한 바와 같이 피스톤 관면(3A)에 캐비티(10)를 구비한다. 캐비티(10)는 피스톤 관면(3A)에 있어서 흡기측으로 치우친 위치에 설치되어 있다. 그리고, 연료 분사 밸브(9)는 피스톤(3)이 상사점 근방에 있을 때에 연료 분사하면 연료 분무가 이 캐비티(10)를 지향하도록 배치되어 있다. 캐비티(10)는 충돌하여 튀어 오른 연료 분무가 점화 플러그(8)의 방향으로 향하는 형상으로 되어 있다.
또한, 엔진(1)의 연료 분사량, 연료 분사 타이밍, 및 점화 시기 등은, 컨트롤러(100)에 의해 엔진(1)의 운전 상태에 따라서 제어된다. 또한, 여기에서 말하는 연료 분사 타이밍이란, 연료 분사를 개시하는 타이밍이다. 또한, 이들의 제어를 실행하기 위해서, 엔진(1)은 크랭크 샤프트 각도 센서, 냉각 수온 센서, 흡입 공기량을 검출하는 에어플로우 미터 등의 각종 검출 장치를 구비한다.
이어서, 컨트롤러(100)가 실행하는, 엔진(1)의 시동 시에 있어서의 제어에 대하여 설명한다. 본 실시 형태에서는, 1 사이클당 필요한 연료량을 2회로 나누어서 분사하는, 소위 2단 분사를 행하기로 한다.
배기 정화 촉매는, 활성화 온도보다 저온에서는 충분한 정화 성능을 발휘하지 못한다. 이 때문에, 배기 정화 촉매가 활성화 온도보다 저온인 냉기 시동 시에는, 배기 정화 촉매를 조기에 승온할 필요가 있다. 그래서, 컨트롤러(100)는 냉간 시동 직후의 아이들 상태에서 배기 정화 촉매가 불활성 상태에 있는 경우에, 배기 정화 촉매를 조기에 활성화시키기 위하여 초 리타드 성층 연소를 실행한다. 또한, 초 리타드 성층 연소 자체는 공지(일본 특허 공개 제2008-25535호 공보 참조)이다.
초 리타드 성층 연소에서는, 컨트롤러(100)는 점화 타이밍을 팽창 행정의 전반의, 예를 들어 압축 상사점 후 15-30deg에 설정한다. 또한, 컨트롤러(100)는 1회째의 연료 분사 타이밍을 흡기 행정의 전반에 설정하고, 2회째의 연료 분사 타이밍을 압축 행정의 후반의, 연료 분무가 점화 타이밍까지 점화 플러그(8)의 주변에 도달할 수 있는 타이밍, 예를 들어 압축 상사점 전 50-60deg에 설정한다.
여기서, 1회째의 연료 분사량과 2회째의 연료 분사량에 대하여 설명한다.
상술한 초 리타드 성층 연소에서 배출되는 배기 가스의 공연비는 스토이키(이론 공연비)이다. 컨트롤러(100)는 일반적인 연료 분사량 설정 방법과 마찬가지로, 1 사이클당의 흡입 공기량으로 완전 연소시킬 수 있는 연료량(이하, 토탈 연료량이라고도 한다)을 산출한다. 이 토탈 연료량 중 일부, 예를 들어 50-90중량％를 1회째의 분사량으로 하고, 나머지를 2회째의 분사량으로 한다.
상기와 같이 연료 분사량을 설정하면, 1회째의 연료 분사에서 분사된 연료 분무는, 캐비티(10)에 충돌하지 않고 실린더(2) 내에 확산되고, 공기와 혼합되어 연소실(11)의 전역에 스토이키보다도 희박한 균질 혼합기를 형성한다. 그리고, 2회째의 연료 분사에서 분사된 연료 분무는, 캐비티(10)에 충돌하고, 말려 올라감으로써 점화 플러그(8)의 근방에 도달하고, 점화 플러그(8)의 둘레에 스토이키보다도 농후한 혼합기를 집중적으로 형성한다. 이에 의해 연소실(11) 내의 혼합기는 성층 상태로 된다. 이 상태에서 점화 플러그(8)에 의해 불꽃 점화하면, 실화나 스모크 발생이 억제된 외란에 강한 연소가 행하여진다. 그런데, 상술한 연소는 성층 연소인데, 점화 타이밍이 압축 상사 전인 일반적인 성층 연소와 구별하기 위해서, 초 리타드 성층 연소라고 칭한다. 또한, 상술한 1회째의 연료 분사를 2회로 분할하고, 1 사이클당에 필요한 연료량을 흡기 행정에 2회, 압축 행정에 1회의 합계 3회에 나누어서 분사하는 3단 분사로 해도 된다.
상기와 같은 초 리타드 성층 연소에 의하면, 종래의 균질 스토이키 연소와 비교하여 배기 온도를 상승시킬 수 있을 뿐 아니라, 연소실(11)로부터 배기 통로(5)에의 하이드로카본(HC) 배출량을 저감할 수 있다. 즉, 초 리타드 성층 연소에 의하면, 종래의 균질 스토이키 연소만, 성층 연소만, 또는, 이들에 대하여 더 추가 연료를 연소 후기 이후(팽창 행정 이후나 배기 행정 중)에 분사하는 연소 형태 등으로 난기를 행하게 하는 경우에 비하여, 시동 개시부터 배기 정화 촉매가 활성화될 때까지의 사이에 있어서의 대기 중에의 HC의 배출을 억제하면서, 배기 정화 촉매의 조기 활성화를 실현할 수 있다.
그런데, 초 리타드 성층 연소의 실행중에 피스톤 관면(3A)에 충돌한 연료의 일부는, 점화 플러그(8)의 방향을 향하지 않고, 피스톤 관면(3A)에 부착된다. 피스톤 관면(3A)에 연료가 부착된 경우에도, 부착된 연료가 기화하여 당해 사이클중에 연소되면, 피스톤 관면(3A)에 연료가 잔류하는 일은 없다. 그러나, 초 리타드 성층 연소를 실행하는 것은 냉기 시동 시이므로, 피스톤 관면(3A)의 온도가 상승할 때까지는, 부착된 연료는 기화되기 어렵다. 또한, 부착된 연료가 당해 사이클의 연소 화염이 전파됨으로써 연소되면, 피스톤 관면(3A)에 연료가 잔류하는 일은 없다. 그러나, 초 리타드 성층 연소에서는 팽창 행정에서 연소를 개시하므로, 연소 화염이 피스톤 관면(3A)에 도달하지 않거나, 또는 팽창 행정 후반에서 온도 저하된 상태에서 피스톤 관면(3A)에 도달하게 되거나 한다. 이 때문에, 부착된 연료를 당해 사이클중에 끝까지 태우는 것은 어렵다. 또한, 피스톤 관면(3A)에 잔류하고 있는 액상 연료가 연소 화염에 의해 점화되어서 연소되는 현상을 풀 파이어라고 칭한다.
따라서, 냉기 시동하고 나서의 소정 기간에는, 피스톤 관면(3A)에 잔류하는 액상 연료는 계속하여 증가한다. 여기에서 말하는 소정 기간이란, 1 사이클중에 피스톤 관면(3A)에 부착되는 양보다도, 피스톤 관면(3A)에 잔류하고 있던 액상 연료가 1 사이클중에 기화하는 양쪽이 많아질 때까지의 기간이다.
즉, 소정 기간을 초과하여 초 리타드 성층 연소를 계속하면, 피스톤 관면(3A)에 잔류하고 있던 액상 연료는 서서히 감소한다. 그러나, 소정 기간 경과전에, 피스톤 관면(3A)에 액상 연료가 잔류한 상태에서 초 리타드 성층 연소로부터 균질 스토이키 연소로 전환되는 경우가 있다. 예를 들어, 배기 정화 촉매가 활성화된 경우나, 액셀러레이터 페달이 답입되어서 가속되는 경우이다. 또한, 여기에서 말하는 균질 스토이키 연소란, 연소실(11)의 전체에 이론 공연비의 혼합기를 형성하고, 최적 점화 시기(MBT: minimum advance for best torque)에 불꽃 점화하는 연소 형태이다.
피스톤 관면(3A)에 액상 연료가 잔류하고 있는 상태에서 균질 스토이키 연소로 전환되면, 연소 화염이 고온인채로 피스톤 관면(3A)에 도달하여 풀 파이어가 발생하고, 잔류하고 있는 액상 연료가 연소된다. 이와 같이, 금회의 사이클까지 축적한 액상 연료가 연소되면, PN이 증가하는 경향이 있다.
그래서 본 실시 형태에서는, 피스톤 관면(3A)에 잔류하는 액상 연료량을 저감하기 위해서, 컨트롤러(100)가 이하에 설명하는 제어를 실행한다.
도 2는, 컨트롤러(100)가 실행하는 제어 루틴을 도시하는 흐름도이다. 본 루틴은, 짧은 주기(예를 들어 10밀리초마다)로 반복하여 실행된다.
스텝 S10에서, 컨트롤러(100)는 가속 요구의 유무를 판정한다. 구체적으로는, 액셀러레이터 페달 개방도(APO)가 제로보다 큰지 여부, 즉 액셀러레이터 페달이 답입되었는지 여부를 판정한다. 또한, 본 스텝에서는 가속 요구의 유무를 판정할 수 있으면 되므로, 예를 들어, 액셀러레이터 페달 개방도의 변화 속도가 소정값보다도 큰 경우에 가속 요구 있음으로 판정해도 되고, 액셀러레이터 페달 개방도가 제로보다 크고, 또한 액셀러레이터 페달 개방도의 변화 속도가 소정값보다 큰 경우에 가속 요구 있음으로 판정해도 된다.
컨트롤러(100)는 액셀러레이터 페달 개방도가 제로보다 큰 경우에는 가속 요구 있음으로 판정하고, 스텝 S50에서 균질 스토이키 연소를 실행한다. 한편, 액셀러레이터 페달 개방도가 제로인 경우에는, 컨트롤러(100)는 가속 요구 없음으로 판정하고, 스텝 S20의 처리를 실행한다.
스텝 S20에서, 컨트롤러(100)는 촉매 온도가 촉매 활성 온도(A℃)보다 높은지 여부를 판정한다. 컨트롤러(100)는 촉매 온도가 촉매 활성 온도보다 높은 경우에는 스텝 S50에서 균질 스토이키 연소를 실행한다. 한편, 촉매 온도가 촉매 활성 온도보다 낮은 경우에는, 컨트롤러(100)는 촉매의 승온을 촉진하기 위하여 스텝 S30에서 초 리타드 성층 연소(FIR)를 실행한다.
즉, 컨트롤러(100)는 촉매가 미활성 상태이면 초 리타드 성층 연소를 실행하고, 활성 상태이면 균질 스토이키 연소를 실행한다. 단, 가속 요구가 있는 경우에는, 가속 요구를 충족하는 가속을 하기 위해서, 균질 스토이키 연소를 실행한다.
스텝 S40에서, 컨트롤러(100)는 후술하는 바와 같이 1 사이클마다 연료 분사 타이밍과 연료 분사 압력(이하, 「연료압」이라고도 한다)을 변경한다.
또한, 스텝 S50에서 균질 스토이키 연소를 실행한 경우에는, 컨트롤러(100)는 스텝 S60에서, 연료 분무가 충돌하는 부위인 피스톤 관면(3A)의 온도(이하, 「피스톤 관면 온도」라고도 한다)가 미리 설정한 온도(B℃)보다 낮은지 여부를 판정한다. 컨트롤러(100)는 피스톤 관면 온도가 B℃ 이상이면 본 루틴을 종료하고, B℃보다 낮으면 스텝 S40의 처리를 실행한다. 스텝 S60에서 사용하는 미리 설정한 온도(B℃)는 예를 들어 피스톤 관면(3A)에 잔류하고 있는 액상 연료가 시간 경과에 수반하여 감소하는 상태로 되었을 때의 피스톤 관면 온도이다. 또한, 피스톤 관면 온도는, 상기 상태로 되었을 때의 실린더 벽면 온도로부터 추정할 수 있다. 그리고, 실린더 벽면 온도는 냉각 수온으로부터 추정할 수 있다.
상술한 바와 같이, 컨트롤러(100)는 가속 요구가 없을 경우에는 촉매가 비활성 상태라면 초 리타드 성층 연소를 실행하고, 촉매가 활성 상태라면 균질 스토이키 연소를 실행한다. 그리고, 초 리타드 성층 연소를 실행하는 경우에는, 1 사이클마다 연료 분사 타이밍과 연료압을 변경한다. 또한, 컨트롤러(100)는 균질 모드를 실행하는 경우에도 피스톤 관면 온도가 B℃보다 낮으면, 즉 피스톤 관면(3A)에 액상 연료가 축적될 수 있는 온도라면, 1 사이클마다 연료 분사 타이밍과 연료압을 변경한다.
또한, 반드시 연료 분사 타이밍과 연료압의 양쪽을 변경해야하는 것은 아니며, 상술한 효과가 얻어지는 것이기만 하면, 어느 한쪽만을 변경해도 된다. 또한, 변경하는 주기는 1 사이클마다로 한정되는 것은 아니고, 수 사이클마다나, 변칙적인 주기로 변경해도 된다. 소정의(동일한) 엔진 운전 조건에 있어서 컨트롤러(100)에 의해 산출되는 기본이 되는 연료 분사 조건(연료 분사 타이밍 또는 연료압)을 변경하지 않고 계속함으로써, 동일한 부위에 계속하여 연료를 분사할 수 있어서 액상의 연료가 마르기 어려운 상태가 되는 것을 억제할 수 있는 것이기만 하면, 또 다른 형태여도 된다.
상기 「소정의 엔진 운전 조건」이란, 엔진 운전중에 순차, 각 제어 파라미터를 계산할 때의 환경 조건(흡입 공기량, 온도, 요구 토크 등)이다. 즉, 종래에는 소정의 (동일한) 엔진 운전 조건이라면, 동일한 연료 분사 조건(연료 분사 타이밍과 연료압)으로 제어되지만, 본 실시 형태에서는 소정의 (동일한) 엔진 운전 조건이어도, 의도적으로 연료 분사 조건(연료 분사 타이밍과 연료압 중 적어도 한쪽)은 변경되고, 마이크로적인 시간 경과와 함께 연료가 부착되는 위치가 어긋나게 제어된다. 또한, 연료가 부착되는 위치를 어긋나게 하는 양은 PN의 증대를 억제할 수 있는 효과가 얻어지면 되고, 필요 이상으로 크게 어긋나게 하지 않아도 된다.
또한, 초 리타드 성층 연소를 실행하는 경우에 관면 온도에 관한 판정을 실행하지 않는 것은, 스텝 S20이 관면 온도에 관한 판정을 겸하고 있기 때문이다. 즉, 촉매는 냉기 시동 시나, 아이들링 스톱이나 연료 커트로부터의 복귀 시에 비활성 상태로 될 수 있지만, 이들은 피스톤 관면 온도가 낮아지는 상태이기도 하므로, 스텝 S20에서 촉매 온도가 활성 온도보다 낮으면, 피스톤 관면 온도도 낮은 상태라고 추정할 수 있다.
여기서, 스텝 S40의 처리에 대하여 설명한다.
상술한 바와 같이, 컨트롤러(100)는 스텝 S40에 있어서, 1 사이클마다 연료 분사 타이밍과 연료압을 변경한다. 이것은, 피스톤 관면(3A)의, 연료 분무가 충돌하는 위치(연료 충돌 위치라고도 한다)를 1 사이클마다 바꾸기 위해서이다. 연료 충돌 위치가 변화되지 않는 경우에는, 피스톤 관면(3A)에 부착된 연료가 기화하기 전에 다음 사이클의 연료 분무가 충돌하고, 이것이 반복됨으로써 연료 충돌 위치에 액상 연료가 축적된다. 그래서 컨트롤러(100)는 이러한 액상 연료의 축적을 억제하기 위해서, 금회의 사이클에 있어서의 연료 분사 위치를 전 사이클에 있어서의 연료 충돌 위치로부터 어긋나게 하기 위한 연료 분사 제어를 실행한다. 이하, 금회의 사이클에 있어서의 연료 분사 위치를 전 사이클에 있어서의 연료 충돌 위치로부터 어긋나게 하는 것이 가능한 연료 분사 제어의 3개의 패턴에 대하여 설명한다.
(제1 패턴)
제1 패턴은, 컨트롤러(100)가 연료압이 일정한 채로 연료 분사 타이밍을 변경하는 패턴이다.
도 3은, 연료 분사 타이밍의 변경 가능 범위를 나타내는 테이블이다. 도 3의 종축은 연료압, 횡축은 연료 분사 타이밍이며, 도면 중의 IT0는 초 리타드 성층 연소 실행 시의 기준이 되는 연료 분사 타이밍(기본 연료 분사 타이밍)이다. 도 4는 연료압이 일정한 상태에서 연료 분사 타이밍을 변경할 때의 변경량과 연료 분사량의 관계를 나타내는 테이블이다.
피스톤 관면(3A)에 액상 연료가 축적되는 것을 억제하기 위해서는, 피스톤 관면(3A)의 동일 위치에 연료 분무가 계속하여 충돌하지 않는 것이 바람직하다. 그리고, 연료압이 일정하면 연료 분사량이 많을수록 분사 시간이 길어진다. 그래서, 도 4에 도시한 바와 같이, 연료 분사량이 많을수록 연료 분사 타이밍 변경량을 크게 한다. 단, 연료 분무가 캐비티(10)에 충돌하지 않게 될수록 연료 분사 타이밍 변경량을 크게 하면, 점화 플러그 둘레에 성층 혼합기가 형성되기 어려워지므로, 초 리타드 성층 연소 모드에서는 연소 안정도가 저하된다. 그래서, 연료 분사 타이밍을 변경해도 연소 안정도를 확보하기 위해서, 도 3에 도시한 바와 같이 진각 한계 IT1 및 지각 한계 IT2를 설정한다.
또한, 초 리타드 성층 연소 실행중에는 연료 분사량이 거의 변화되지 않지만, 균질 스토이키 연소 실행중에는 운전 상태에 따라서 연료 분사량이 변화하므로, 도 4와 같이 연료 분사량과 연료 분사 타이밍 변경량의 관계를 결정지어 두는 의의가 있다.
또한, 초 리타드 성층 연소는 피스톤 관면(3A)에 충돌한 연료 분무가 점화 플러그(8) 방향으로 반사되어 성층 혼합기를 형성해야 하므로, 진각 한계 IT1 및 지각 한계 IT2를 설정하는 데 있어서는, 연료 분무가 반사될 지 여부를 고려할 필요가 있다. 한편, 균질 스토이키 연소의 경우에는, 피스톤 관면(3A)에 부착된 연료의 증발 용이함을 주로 고려하면 된다.
(제2 패턴)
제2 패턴은, 컨트롤러(100)가 연료 분사 타이밍 일정인채로 연료압을 변경하는 패턴이다.
도 5는, 제2 패턴에 있어서의, 연료압의 변경 가능 범위를 나타내는 테이블이다. 도 5의 종축은 연료압, 횡축은 연료 분사 타이밍이며, 도면 중의 P0은 초 리타드 성층 연소 실행 시의 기준이 되는 연료압(기본 연료압)이다. 도 6은 연료 분사 타이밍이 일정한 상태에서 연료압을 변경할 때의 변경량과 연료 분사량의 관계를 나타내는 테이블이다.
연료 분사 타이밍이 고정이어도, 연료압을 변경하면 연료 분무의 속도나 도달 거리가 바뀌므로, 피스톤 관면(3A)의 연료 충돌 위치도 바뀐다. 예를 들어, 연료 분사 타이밍이 동일하여도, 연료압을 높이면 연료 분무가 피스톤(3)에 충돌할 때까지의 시간이 짧아지므로, 연료 분무가 충돌할 때에 피스톤(3)은 연료압 저하 전에 비하여 하사점에 가까운 위치에 있다. 연료 분사 밸브(9)의 분사 방향은 일정하므로, 피스톤 위치가 하사점측으로 어긋남으로써, 피스톤 관면(3A)의 연료 충돌 위치도 어긋난다.
또한, 도 6에 도시하는 바와 같이 연료 분사량이 많을수록 연료압 변경량을 크게 한다. 단, 연료압이 낮아질수록 연료는 무화하기 어려워져, 초 리타드 성층 연소 및 균질 스토이키 연소 중 어느 경우에도 연소 안정성이 저하된다. 또한, 연료압이 낮아질수록 피스톤 관면(3A)에 충돌한 연료 분무가 반사되기 어려워져, 점화 플러그 둘레에 성층 혼합기를 형성하기 어려워지므로, 초 리타드 성층 연소 모드에서의 연소 안정성이 저하된다. 또한, 연료압은 연료 펌프의 성능 등에 따라 고압측의 한계가 정해진다. 그래서, 연료의 무화 특성, 연소 안정도, 및 연료 펌프의 성능 등에 기초하여, 도 5에 도시한 바와 같이 저압 한계 P1 및 고압 한계 P2를 설정하고, 저압 한계 P1을 기본 연료압으로 한다. 즉, 본 실시 형태에 있어서의 「연료압의 변경」은 연료압을 높이는 것을 의미한다. 또한, 기본 연료압을 저압 한계 P1보다 높게 설정해도 상관없다.
(제3 패턴)
제3 패턴은, 컨트롤러(100)가 연료압 및 연료 분사 타이밍을 변경하는 패턴이다.
도 7은, 제3 패턴에 있어서의 연료압 및 연료 분사 타이밍의 변경 가능 범위를 나타내는 맵이다. 도 7에 있어서 연료압 P1의 경우보다도 연료압 P2의 경우쪽이 연료 분사 타이밍의 변경 가능 범위가 넓은 것은, 다음의 이유 때문이다. 첫번째, 연료압이 높아질수록 연료 분무가 미립화되고, 또한 연료 분무의 운동량이 커지는 것에 의해, 연소 안정도가 높아지기 때문이다. 두번째, 연료압이 높아질수록 연료 분무의 속도가 높고, 도달 거리도 증대되므로, 연료 분사 타이밍에 있어서의 연료 분사 밸브(9)로부터 피스톤 관면(3A)까지의 거리를 연장시켜도, 연료 분무는 피스톤 관면(3A)에서 반사되어 점화 플러그(8)의 둘레에 성층 혼합기를 형성할 수 있어, 연소 안정도가 향상되기 때문이다.
즉, 도 8에 도시한 바와 같이, 연료압 일정인채로는 연료 분사 타이밍을 진각 한계 IT1로부터 지각 한계 IT2까지의 범위 내에서밖에 변경할 수 없는 데 비해, 연료압도 변경함으로써, 도 8 중의 파선으로 나타낸 범위까지 변경 가능 범위를 확대할 수 있게 된다. 상기와 같이 어느 패턴에서도 피스톤 관면(3A)의 연료 충돌 위치를 어긋나게 할 수는 있지만, 본 실시 형태에서는, 컨트롤러(100)는 연료압 및 연료 분사 타이밍을 변경하는 제3 패턴을 실행한다.
또한, 도 8에 있어서, 기준→지각→기준→진각→기준···의 순으로 변경해도 되고, 기준→지각→진각→기준→지각→진각···의 순으로 변경해도 된다.
스텝 S40에 있어서 컨트롤러(100)는 상술한 제1 패턴으로부터 제3 패턴 중 어느 것의 연료 분사 제어를 실행한다. 어느 연료 분사 제어이든, 초 리타드 성층 연소 실행중에는 연료 분무가 점화 플러그(8)의 둘레에 모이도록 연료 분사 타이밍이나 연료압을 변경한다. 또한, 캐비티(10)는 충돌한 연료 분무를 점화 플러그(8)의 방향으로 유도하는 기능을 행하는데, 연료 분무가 점화 플러그(8)의 방향으로 반사되기 위해서는, 반드시 연료 분무가 캐비티(10)에 충돌할 필요는 없다. 예를 들어, 연료압을 높여서 연료 분무의 운동량을 증대시킴으로써, 피스톤 관면(3A)의 캐비티(10)로부터 벗어난 위치에 충돌한 연료 분무가 직접 또는 실린더벽에 다시 반사되어 점화 플러그(8)의 주변에 모이도록 할 수 있다.
이어서, 본 실시 형태의 작용 효과에 대하여 설명한다.
도 9는, 초 리타드 성층 연소 실행중에, 연료 분사 타이밍 및 연료압을 1 사이클마다 기준→진각→지각→기준→진각…으로 변경한 경우의 연료 분무와 피스톤(3)의 관계를 도시하는 도면이다.
기준의 위치에서는 연료 분무가 캐비티(10)를 포함하는 피스톤 관면(3A)의 중심 부근에 충돌하고 있다. 다음 사이클에서는, 연료 분사 타이밍이 지각측으로 변경되고, 연료 분무의 충돌 위치는 기준 위치에 있어서의 충돌 위치로부터 도면 중 우측으로 어긋나 있다. 그리고, 다음다음 사이클에서는 연료 분사 타이밍이 진각측으로 변경되고, 연료 분무의 충돌 위치는 기준 위치에 있어서의 충돌 위치로부터 도면 중 좌측으로 어긋나 있다.
도 10은, 도 9의 연료 분사 제어를 실행한 경우의, 피스톤 관면 온도 및 액상 연료량의 타이밍 차트이다. 비교예로서, 연료 분사 타이밍 및 연료압을 변화시키지 않는 경우의 타이밍 차트를 파선으로 나타내고 있다.
비교예에서는, 매 사이클, 연료 분무가 피스톤 관면(3A)의 동일 위치에 충돌하므로, 냉기 시동 시와 같이 피스톤 관면 온도가 낮은 경우에는 전회의 사이클에서 부착된 연료가 기화하기 전에 다음의 사이클의 연료 분무가 충돌한다. 이 때문에, 피스톤 관면(3A)에 부착된 연료가 액막을 형성하기 쉽고, 액막이 형성됨으로써 피스톤 관면 온도가 상승하기 어려워져서, 더욱 액상 연료량이 증가한다는 악순환이 발생한다.
이에 비해 본 실시 형태에서는, 1 사이클마다 피스톤 관면(3A)의 연료 분무가 충돌하는 위치가 변화하므로, 피스톤 관면(3A)에 부착된 연료가 기화하는 시간을 벌 수 있다. 그 결과, 비교예와 같은 악순환이 발생하기 어려워져, 비교예에 비하여 피스톤 관면 온도는 상승하기 쉬워져, 피스톤 관면(3A)에 축적되는 액상 연료량을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 연료 분사 타이밍이나 연료 분사 압력을 1 사이클마다 변경하고 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 피스톤 관면(3A)나 실린더 벽면의 동일 위치에 연료 분무가 계속적으로 충돌하는 것을 억제할 수 있는 것이기만 하면, 예를 들어, 수 사이클마다 변경하도록 해도 되고, 랜덤하게 변경하도록 해도 된다. 여기에서 말하는 「계속적으로」란, 피스톤 관면(3A)이나 실린더 벽면에 액상 연료가 축적될 정도로 연속하여라는 의미이다. 어느 정도 연속하면 액상 연료가 축적되는지는, 연료 분사 패턴(분무 형상), 피스톤 관면(3A)의 형상, 1회당의 연료 분사량 등, 여러가지 요인에 따라 상이하므로, 실험 등에 의해 미리 조사해 둔다.
이상과 같이 본 실시 형태에서는, 분사된 연료가 충돌하는 부위가 소정의 저온 상태인 경우에, 연료 분무가 계속적으로 동일 위치에 계속 충돌하는 것이 억제되도록 소정의 운전 조건에 있어서의 연료 분사 조건을 변경하여 연료를 분사한다. 구체적으로는, 피스톤 관면 온도가 소정 온도보다 낮은 경우에, 피스톤 관면(3A)의 연료 분무 충돌 위치가 1 사이클마다 변화되도록 연료를 분사한다. 이에 의해, 피스톤 관면(3A)에 국소적으로 연료가 부착되는 것이 억제되므로, 피스톤 관면(3A)에 액상 연료가 축적되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 연료 분무가 충돌하는 부위가 피스톤 관면(3A)일 경우에 대하여 설명했지만, 연료 분무가 충돌하는 부위가 실린더 벽면인 경우에도, 본 실시 형태의 제어를 적용함으로써, 실린더 벽면의 동일 위치에 연료 분무가 계속하여 충돌하는 것에 의한 연료의 축적을 억제할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 피스톤 관면(3A)의 연료 분무 충돌 위치를 변화시키기 위해서, 연료 분사 타이밍을 변경한다. 이에 의해, 피스톤 관면(3A)에 액상 연료가 축적되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서 연료 분사 타이밍이나 연료압을 변경하는 팽창 행정 분사는, 소위 주연소에 제공되는 연료를 분사하는 것이지만, 소위 포스트 분사나 애프터 분사에 적용해도 된다. 이들 연료 분사에서 분사된 연료도, 피스톤 관면(3A) 등에 축적되면 PN 증대의 원인이 될 수 있기 때문이다.
본 실시 형태에서는, 연료 분사 압력을 변경함으로써 연료 분무가 계속적으로 동일 위치에 계속 충돌하는 것을 억제한다. 연료압을 변경하면, 연료 분무의 비거리 등이 변화함으로써, 피스톤 관면(3A)의 연료 충돌 위치가 변화하므로, 연료 분사 타이밍을 변경하는 경우와 마찬가지로, 피스톤 관면(3A)에 액상 연료가 축적되는 것을 억제할 수 있다. 연료 분사 압력을 변경하는 팽창 행정 분사가 소위 포스트 분사나 애프터 분사여도 되는 점도, 연료 분사 타이밍을 변경하는 경우와 마찬가지이다.
또한, 연료 분사 타이밍 및 연료 분사 압력을 변경해도 된다. 예를 들어, 연소 안정도를 확보할 수 있는 연료압을 기준으로 하여, 그곳으로부터의 연료압 상승량을 연료 분사 타이밍의 변경량에 따라서 조정한다. 연료압을 상승시키면, 연료 분무의 미립화가 촉진되고, 또한, 연료 분무의 운동량이 증가하므로, 연소 안정도가 향상된다. 그 결과, 연료 분사 타이밍의 변경에 의해 캐비티(10)로부터 벗어나는 연료 분무가 증가해도, 연소 안정도의 저하를 억제할 수 있다.
연료 분사 타이밍 및 연료 분사 압력을 변경하는 경우에는, 연료압이 높을수록 연료 분사 타이밍의 변경량을 크게 한다. 이에 의해, 연료압을 변경하지 않는 경우에 비하여 피스톤 관면(3A)의 연료 분무 충돌 위치의 변화량이 커지므로, 피스톤 관면(3A)에 액상 연료가 부착되는 것을 억제하기 쉬워진다.
본 실시 형태에서는, 연료 분사량이 많은 경우일수록, 연료 분사 타이밍 및 연료압의 변경량을 크게 한다. 연료 분사량이 많아질수록, 분사 펄스가 길어져, 분사 기간 중에 있어서의 피스톤 이동량이 커지므로, 1 사이클당의 피스톤 관면(3A)의 연료 분무 충돌 위치가 광범위해진다. 그래서, 본 실시 형태와 같이 연료 분사량이 많은 경우일수록 연료 분사 타이밍 및 연료압의 변경량을 크게 함으로써, 연속하는 사이클에 있어서의 피스톤 관면(3A)의 연료 분무 충돌 위치의 중복을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 연료 분사 밸브(9)가 연소실의 측방에 설치된, 소위 사이드 분사식의 엔진(1)에 적용하는 경우에 대하여 설명했지만, 연료 분사 밸브(9)가 연소실의 정상부 근방에 설치된, 소위 직상 분사식의 엔진(1)이어도 마찬가지로 적용할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명했지만, 상기 실시 형태는 본 발명의 적용예의 일부를 나타낸 것에 지나지 않고, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시 형태의 구체적 구성에 한정하려는 취지는 아니다.

Claims (7)

  1. 통 내에 연료를 직접 분사하는 연료 분사 밸브와,
    통 내의 혼합기에 불꽃 점화하는 점화 플러그
    를 구비하는 통 내 직접 연료 분사식 불꽃 점화 엔진의 연료 분사 제어 장치에 있어서,
    분사된 연료가 충돌하는 부위가 소정의 저온 상태인 경우에, 연료 분무가 계속적으로 동일 위치에 계속 충돌하는 것이 억제되도록 소정의 운전 조건에 있어서의 연료 분사 타이밍 및 연료 분사 압력을 변경하여 연료를 분사하고,
    상기 연료 분사 압력이 높을수록 연료 분사 타이밍의 변경량을 크게 하는 연료 분사 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    연료 분사량이 많을수록 상기 연료 분사 타이밍의 변경량을 크게 하는 연료 분사 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    연료 분사량이 많을수록 상기 연료 분사 압력의 변경량을 크게 하는 연료 분사 제어 장치.
  4. 통 내에 연료를 직접 분사하는 연료 분사 밸브와,
    통 내의 혼합기에 불꽃 점화하는 점화 플러그
    를 구비하는 통 내 직접 연료 분사식 불꽃 점화 엔진의 연료 분사 제어 방법에 있어서,
    분사된 연료가 충돌하는 부위가 소정의 저온 상태인 경우에, 연료 분무가 계속적으로 동일 위치에 계속 충돌하는 것이 억제되도록 소정의 운전 조건에 있어서의 연료 분사 타이밍 및 연료 분사 압력을 변경하여 연료를 분사하고,
    상기 연료 분사 압력이 높을수록 연료 분사 타이밍의 변경량을 크게 하는 연료 분사 제어 방법.
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