KR101910784B1 - 직접 분사식 내연 기관의 제어 방법 및 제어 장치 - Google Patents

Abstract

실린더 내에 연료를 직접 분사하는 직접 분사식 내연 기관을 제어하는 제어 방법은 연료 분사 밸브 선단에 연료가 부착되는 것에 기인하는 PN의 증대를 억제하는 것을 목적으로 하고, 연료 분사 밸브의 분사 구멍을 통과할 때의 연료 온도가, 연료 분사 밸브 선단으로의 연료 부착량이 증대되는 온도에 도달하기 전에, 연료를 냉각한다.

Description

직접 분사식 내연 기관의 제어 방법 및 제어 장치

본 발명은 연료를 실린더 내에 직접 분사하는 직접 분사식 내연 기관의 제어에 관한 것이다.

직접 분사식 내연 기관의 제어로서, JPH9-256926A에는 엔진 냉각액보다도 저온의 냉각액을 사용하여 연료 분사 밸브를 냉각하는 기술이 개시되어 있다. 당해 기술은 연료를 적극적으로 냉각함으로써, 연료 분사 밸브의 작동 불량이나 분사량의 변동 등의 연료 분사 밸브의 온도 상승에 의해 발생하는 현상을 방지하여, 연료 분사를 안정시키는 것을 목적으로 하는 것이다.

그런데, 근년은 환경 문제의 관점에서 배가스 규제가 더 엄격해지고 있고, 배가스 중에 포함되는 미립자(Particulate matter: 이하, PM이라고 함)의 수, 소위 PN(Particulate Number)도 규제의 대상이 되고 있다. 이로 인해, PN을 저감시키기 위해 다양한 연구 개발이 행해지고 있다. 그리고, 연료 분사 밸브의 분사 구멍을 통과할 때의 연료 온도가 상승하면, 분사 구멍의 주위에 부착되는 액상 연료의 양이 증가하고, 이 액상 연료가 연소됨으로써 PN이 증대되는 것이 발명자들의 연구에 의해 명확하게 되었다.

상기 문헌에서는 오로지 연료 분사의 안정을 목적으로 하고 있고, PN의 증대를 억제하는 것에 관해서는 전혀 언급되어 있지 않다. 그리고, 상술한 분사 구멍의 주위에 부착되는 액상 연료의 양이 증가하는 연료 온도는 연료 분사 밸브의 작동 불량 등이 발생하는 온도보다도 저온인 것을 알고 있다.

즉, 상기 문헌에 개시되어 있는 기술에서는 PN의 증대를 억제할 수 없을 우려가 있다.

따라서 본 발명에서는, 직접 분사식 내연 기관의 PN의 증대를 억제하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 어느 양태에 의하면, 실린더 내에 연료를 직접 분사하는 직접 분사식 내연 기관의 제어 방법이 제공된다. 이 제어 방법에서는 연료 분사 밸브의 분사 구멍을 통과할 때의 연료 온도가, 연료 분사 밸브 선단으로의 연료 부착량이 증대되는 온도에 도달하기 전에, 연료를 냉각한다.

도 1은 제1 실시 형태에 관한 냉각액 통로의 개략 구성도이다.
도 2는 도 1의 냉각액 통로의 회로도이다.
도 3은 내연 기관의 하나의 기통의 단면도이다.
도 4는 인젝터 선단부의 확대도이다.
도 5는 PN 증대의 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 내연 기관의 운전 상태 천이도이다.
도 7은 PN 증대 억제를 위한 제어 루틴을 나타내는 플로우 차트이다.
도 8은 인젝터 선단 온도 맵이다.
도 9는 커먼레일 온도에 기초하는 보정 계수 테이블이다.
도 10은 냉각 수온에 기초하는 보정 계수 테이블이다.
도 11은 제1 실시 형태의 제어를 실행한 경우의 타이밍 차트이다.
도 12는 PN의 추이를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 13은 오일 희석률과 실린더 블록 내의 냉각 액온의 관계를 나타내는 도면이다.
도 14는 실린더 블록 및 실린더 헤드의 온도와 HC 배출량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 15는 내연 기관에 요구되는 성능과 실린더 블록 내의 냉각 액온의 관계를 나타내는 도면이다.
도 16은 실린더 블록 내의 냉각 액온을 실린더 블록 벽온으로 환산하기 위한 테이블이다.
도 17은 오일 제트의 작동과 PN의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 연료 분사 밸브의 돌출량을 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 돌출량과 PN의 관계를 나타내는 도면이다.
도 20은 제2 실시 형태에 관한 냉각액 통로의 개략 구성도이다.
도 21은 제2 실시 형태에 관한 커먼레일의 구성도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다.

(제1 실시 형태)

도 1은 제1 실시 형태에 관한 냉각액 통로의 개략 구성도이다. 도 2는 도 1의 냉각액 통로를 회로도로 나타낸 것이다. 도 3은 하나의 기통의 단면도이다. 또한, 도 2, 3에 있어서는, 후술하는 연료 분사 장치를 생략하고 있다.

내연 기관(1)은 커먼레일(4)에 고압 상태로 축적된 연료를 인젝터(5)로부터 분사하는, 소위 커먼레일식의 연료 분사 장치를 구비한다. 연료 분사 타이밍이나 연료 분사량 등의 인젝터(5)의 제어는 컨트롤러(100)에 의해 행해진다. 컨트롤러(100)는 상기 외에, 점화 플러그(9)의 점화 타이밍의 제어도 행한다.

또한, 인젝터(5)는 연료로서의 가솔린을 통 내에 직접적으로 분사하고, 점화 플러그(21)에 의한 불꽃 점화에 의해 혼합기를 연소시키는, 통 내 직접 분사식 내연 기관이다.

내연 기관(1)의 냉각액 통로는 실린더 블록(2)에 기통열을 따르도록 설치된 블록측 통로 WB와, 실린더 헤드(3)에 기통열을 따르도록 설치된 헤드측 통로 WH를 포함하여 구성된다. 블록측 통로 WB와 헤드측 통로 WH는 서로 독립되어 있다.

블록측 통로 WB는, 도 3에 나타낸 바와 같이 흡기측 통로 WBin과 배기측 통로 WBex로 구성되어 있다. 흡기측 통로 WBin과 배기측 통로 WBex는 냉각액 흐름 방향의 하류측에서 합류하여 블록 출구 통로 W2가 된다. 블록 출구 통로 W2는 제2 유로 컨트롤 밸브(MCV: Multiflow Control Valve)(8)에 접속된다.

헤드측 통로 WH는, 도 3에 나타낸 바와 같이 흡기 포트(22)와 실린더 헤드 측벽 사이에 설치된 흡기측 통로 WHin과, 배기 포트(23)와 실린더 헤드 측벽 사이에 설치된 배기측 통로 WHex와, 흡기 포트(22)와 배기 포트(23) 사이에 설치된 중앙 통로 WHc로 구성된다. 흡기측 통로 WHin과 배기측 통로 WHex와 중앙 통로 WHc는 냉각액 흐름 방향의 하류측에서 합류하여 헤드 출구 통로 W3이 된다. 헤드 출구 통로 W3은 다시 분기하여, 한쪽은 제1 유로 컨트롤 밸브(MCV)(7)에 접속되고, 다른 쪽은 후술하는 스로틀 밸브(11)에 접속된다.

제1 MCV(7)에는 제2 MCV(8)로의 통로와, 라디에이터(16)로의 통로와, 히터 코어(10)로의 통로가 접속되어 있다. 제1 MCV(7)는 이들 통로의 어디에 냉각액을 흘릴지를 전환하는 기능을 갖는다. 또한, 냉각액의 흐름을 차단할 수도 있다.

제2 MCV(8)에는 제1 MCV(7)로의 통로와, 오일 쿨러(14) 및 오일 워머(15)로의 통로가 접속되어 있다. 제2 MCV(8)도 제1 MCV(7)와 동일한 기능을 갖는다.

제1 MCV(7)로부터 히터 코어(10)를 향하는 냉각액 통로는, 도 2에 나타낸 바와 같이 히터 코어(10)로부터 EGR 쿨러(EGR/C)(13)를 경유하여, 워터 펌프(6)에 접속된다. 제1 MCV(7)로부터 라디에이터(16)를 향하는 냉각액 통로는, 도 2에 나타낸 바와 같이 라디에이터(16)를 경유하여 워터 펌프(6)에 접속된다.

제2 MCV(8)로부터 오일 쿨러(14) 및 오일 워머(15)를 향하는 냉각액 통로는 내연 기관(1)에 설치된 오일 쿨러(14)를 향하는 통로와, 변속기(도면 중 CVT)를 향하는 통로로 분기한다. 그리고, 오일 쿨러(14)와 오일 워머(15)를 통과 후에 합류하여, 워터 펌프(6)에 접속된다.

또한, 헤드 출구측 통로 W3으로부터 분기하여 스로틀 밸브(11)를 향하는 냉각액 통로는 스로틀 밸브(11) 및 EGR 밸브(EGR/V)(12)를 경유하여, 히터 코어(10)와 EGR 쿨러(13)를 접속하는 통로에 합류한다.

상술한 냉각 회로는 내연 기관(1)의 내부에 블록측 통로 WB와 헤드측 통로 WH라는 독립된 냉각액 통로를 구비하므로, 실린더 블록(2)의 온도와 실린더 헤드(3)의 온도를 독립하여 제어하는 것이 가능해진다.

이어서, 본 실시 형태에 있어서 해결하고자 하는 과제인, 인젝터(5)의 선단에 부착된 연료에 기인하는 PN의 증대에 대하여 설명한다.

도 4는 인젝터(5)의 선단 부근의 확대도이다. 여기서는, 간단화를 위해, 분사 구멍(5A)이 하나인 경우를 나타내고 있다.

연료는 고압의 커먼레일(4)로부터 통 내에 분사되므로, 연료 온도가 고온인 경우에는 감압 비등(Flash boiling)이 발생하기 쉽다. 감압 비등이 발생하면, 분사 구멍(5A)으로부터 분사되는 연료 분무의 분무각은 증대된다. 예를 들어, 분사 구멍(5A)을 통과할 때의 연료 온도가 상온(25℃ 정도)인 경우의 분무각을 θ1이라고 하고, 연료 온도가 고온(90℃ 정도)인 경우의 분무각을 θ2라고 하면, θ1<θ2가 된다. 그리고, 분무각이 커질수록, 분사 구멍(5A)의 주변에 연료가 부착되기 쉬워진다. 즉, 연료 온도가 높을수록 분사 구멍(5A)의 주변(즉, 인젝터(5)의 선단)에 연료가 부착되기 쉬워진다.

또한, 연료가 상온인 경우라도 분사 구멍(5A)의 주변에 연료가 부착되는 경우는 있지만, 극히 미량이고, PN에 영향을 미치는 일은 없다. 따라서 본 실시 형태에서는 PN의 증대를 초래할 정도로 인젝터(5)의 선단에 연료가 부착되는 것을 「선단 습윤」(팁 웨트)이라고 칭한다. 또한, 부착되는 연료량이 증가하는 것을, 「습윤량이 증대된다」라고 칭한다.

도 5는 습윤량이 증대되는 것에 의한 PN 증대의 메커니즘에 대하여 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 분사 구멍(5A)이 2개인 경우에 대하여 나타내고 있다.

연료가 고온이 되어 감압 비등이 발생하면, 선단 습윤이 발생한다. 특히, 분사 구멍(5A)이 복수 있는 경우에는, 연료 온도의 상승에 의해 분무각이 증대됨으로써, 인접하는 분사 구멍(5A)으로부터 분사되는 연료 분무가 일체화되고, 습윤량이 더 증대되게 된다.

인젝터(5)의 선단에 부착된 액상의 연료가 연소 가스와 반응함으로써, 소위 디포짓이 생성된다. 그리고, 선단 습윤이 발생하는 상황이 반복되면, 디포짓에 연료가 흡수된다. 이와 같이 디포짓에 흡수된 연료가, 인젝터 선단 온도의 상승이나 연소 화염의 전파 등에 의해 착화하면, 휘염이 발생하여 연소되고, PN의 증대를 초래하게 된다.

따라서 본 실시 형태에서는, 선단 습윤의 발생을 억제하기 위해, 이하에 설명하는 제어를 실행한다.

도 6은 본 실시 형태의 제어의 전제가 되는, 엔진 운전 모드의 천이를 설명하기 위한 도면이다.

운전을 개시할 때에는, 먼저 IGN off control 모드로부터 Standby 모드로 이행하고, 거기서부터 냉각 액온이나 외기온 등에 따라, 제로 플로우 모드(도면 중 Zero-Flow mode) 또는 라디에이터 유로 제어(도면 중 RAD 유로 제어) 모드로 이행한다.

제로 플로우 모드란, 냉기 시동 시에 내연 기관(1)의 유수온의 상승을 촉진하기 위한 모드이다. 구체적으로는, 제1 MCV(7) 및 제2 MCV(8)를 폐쇄함으로써 냉각액의 유통을 차단하고, 내연 기관(1)의 내부에 냉각액을 정체시켜 냉각액의 승온을 촉진한다. 또한, 냉각액의 유통을 차단함으로써, 오일 쿨러(14)에 있어서도 냉각액이 정체하므로, 엔진 오일의 승온도 촉진된다. 또한, 제1 MCV(7) 및 제2 MCV(8)는 냉각액이 비등하기 전에 개방된다.

제로 플로우 모드는 히터 스위치가 ON이 된 경우나 난기 상태가 된 경우, 또는 이들 조건을 만족시키지 못한 경우라도, 제로 플로우 모드 개시로부터 소정 시간(예를 들어, 수분)이 경과한 경우에 종료된다. 제로 플로우 모드가 종료되면, 라디에이터 유로 제어 모드로 이행한다.

라디에이터 유로 제어 모드는 일반적으로 행해지고 있는 유로 제어와 마찬가지로, 냉각 액온이 소정 온도 이하라면 라디에이터(16)를 우회하는 경로로 냉각액을 순환시키고, 소정 온도를 초과하면 라디에이터(16)를 통과하는 경로로 냉각액을 순환시키는 것이다. 단, 본 실시 형태의 내연 기관(1)은, 상술한 바와 같이 실린더 블록(2)의 온도와 실린더 헤드(3)의 온도를 각각 독립하여 제어 가능하다. 그리고, 라디에이터 유로 제어 모드는 다시 2개의 모드로 분할된다. 그 한쪽(제1 모드)은 실린더 블록 및 실린더 헤드를 동일한 온도로 제어하는 모드이고, 다른 쪽(제2 모드)은 실린더 헤드를 실린더 블록보다 저온으로 제어하는 모드이다. 부하가 소정 부하보다 높아진 경우, 또는 엔진 회전 속도가 소정 회전 속도보다 높아진 경우에, 제2 모드를 실행하고, 그 밖의 경우에 제1 모드를 실행한다. 또한, 제어가 번잡해지는 것을 억제하기 위해, 제1 모드로부터 제2 모드로 이행할지 여부를 판정하기 위한 소정 부하 및 소정 회전 속도와, 제2 모드로부터 제1 모드로 이행할지 여부를 판정하기 위한 소정 부하 및 소정 회전 속도에 히스테리시스를 설정해도 된다. 제1 모드 및 제2 모드에 있어서의, 헤드측 통로 WH 내의 냉각 액온 및 블록측 통로 WB 내의 냉각 액온에 대해서는 후술한다.

라디에이터 유로 제어 모드의 실행 중에 연료 온도가 상승한 경우에는, 선단 습윤의 발생을 억제하기 위해, 후술하는 연료 온도 컨트롤 모드로 이행한다.

도 7은 연료 온도 컨트롤 모드를 실행할지 여부를 판정하는 제어 루틴의 플로우 차트이다.

스텝 S100에서, 컨트롤러(100)는 인젝터 선단 온도 Ttip 및 냉각 액온 Tw를 취득한다. 인젝터(5)의 선단 온도를 검출하는 온도 센서가 설치되어 있는 경우에는, 컨트롤러(100)는 이 온도 센서의 검출값을 판독한다. 인젝터(5)에 온도 센서가 설치되어 있지 않은 경우에는, 컨트롤러(100)는 후술하는 연산에 의해 인젝터 선단 온도 Ttip를 추정한다. 또한, 컨트롤러(100)는 냉각 액온으로서 일반적인 내연 기관에도 설치되어 있는 수온 센서의 검출값을 판독한다.

여기서, 인젝터 선단 온도 Ttip의 추정 방법에 대하여 설명한다.

도 8은 엔진 부하 및 엔진 회전 속도와 인젝터 선단 온도 Ttip의 관계를 나타내는 맵이다. 컨트롤러(100)는 액셀러레이터 페달 개방도 센서(도시하지 않음)의 검출값에 기초하여 엔진 부하를 산출하고, 크랭크각 센서의 검출값에 기초하여 엔진 회전 속도를 산출한다. 그리고, 컨트롤러(100)는 도 8의 맵을 참조함으로써, 인젝터 선단 온도 Ttip를 산출한다. 더 고정밀도로 인젝터 선단 온도 Ttip를 산출하기 위해, 도 8의 맵으로부터 산출한 인젝터 선단 온도 Ttip를, 커먼레일 온도에 기초하는 보정 계수 및 냉각 액온에 기초하는 보정 계수를 사용하여 보정해도 된다. 커먼레일 온도에 기초하는 보정 계수는, 예를 들어 도 9에 나타낸 바와 같은, 커먼레일 온도의 인젝터 선단 온도와의 관계에 기초하여 미리 설정해 둔다. 냉각 액온에 기초하는 보정 계수도 마찬가지로, 예를 들어 도 10에 나타낸 바와 같은, 냉각 액온의 인젝터 선단 온도와의 관계에 기초하여 미리 설정해 둔다.

컨트롤러(100)는 상기와 같이 인젝터 선단 온도 Ttip 및 냉각 액온 Tw를 취득하면, 스텝 S102에서 냉각 액온 Tw는 소정 온도 T1보다 높은지 여부를 판정한다. 컨트롤러(100)는 판정 결과가 긍정적이면 스텝 S104의 처리를 실행하고, 부정적이면 금회의 루틴을 종료한다.

소정 온도 T1은 내연 기관(1)이 난기 상태인지 여부를 판정하기 위한 역치이다. 즉, 본 스텝의 판정 결과가 부정적인 경우는, 내연 기관(1)은 냉기 상태이고, 컨트롤러(100)는 본 루틴과는 별도의, 제로 플로우 모드용의 제어를 실행하게 된다.

스텝 S104에서, 컨트롤러(100)는 인젝터 선단 온도 Ttip가 소정 온도 T2보다 높은지 여부를 판정한다. 컨트롤러(100)는 판정 결과가 긍정적이면 스텝 S106의 처리를 실행하고, 부정적이면 금회의 루틴을 종료한다.

본 스텝은 연료 온도의 상승을 억제할 필요가 있는지 여부를 결정하기 위한 것이다. 이로 인해, 소정 온도 T2로서, 연료의 감압 비등이 발생하는 온도보다도 수℃ 낮은 온도를 미리 설정해 둔다. 이 「수℃ 낮은 온도」는, 후술하는 선단 온도 컨트롤 모드를 개시하면 감압 비등이 발생하는 온도까지 연료 온도가 상승하는 것을 방지할 수 있는 온도이면 된다. 구체적으로는, 적합에 의해 설정한다.

스텝 S106에서, 컨트롤러(100)는 연료 온도 컨트롤 모드를 실행한다. 본 실시 형태에서는 후술하는 바와 같이 인젝터(5)를 냉각함으로써 연료 온도를 제어하므로, 이하의 설명에서는 연료 온도 컨트롤 모드를 「선단 온도 컨트롤」이라고 칭한다.

선단 온도 컨트롤이란, 감압 비등이 발생하지 않도록 연료 온도의 상승을 억제하는 제어이다. 선단 습윤이 발생하는 것은, 상술한 바와 같이 연료 온도가 상승하여 감압 비등이 발생하기 때문이지만, 연료 온도가 상승하는 요인으로서, 연소 화염이나 연소 가스에 노출됨으로써 온도 상승한 인젝터(5)를 연료가 통과하는 것을 들 수 있다. 따라서, 인젝터(5)의, 특히 분사 구멍(5A)이 있는 선단 부분의 온도를 저하시키면, 연료 온도를 저하시킬 수 있다. 따라서 본 실시 형태에서는, 인젝터(5)의 온도를 제어함으로써, 감압 비등이 발생하지 않도록 연료 온도를 제어한다. 구체적으로는, 실린더 헤드(3)의 냉각액 유량을, 연료 온도의 상승을 억제하는 경우에는 많게 하고, 연료 온도의 저하를 억제하는 경우에는 적게 하도록, 제2 MCV(8)를 사용하여 제어한다. 인젝터(5)는 실린더 헤드(3)에 설치되어 있으므로, 실린더 헤드(3)의 온도를 저하시키면 인젝터(5)의 온도도 저하되기 때문이다. 냉각액 유량은 다음의 조건을 만족시키도록 제어한다.

첫째, 분사 구멍(5A)을 통과할 때의 연료 온도가 감압 비등이 발생하는 온도 이하인 것. 둘째, 냉각 액온이, PN의 증대나 연료에 의한 오일 희석의 증가가 발생하지 않는 하한 온도 이상인 것. 셋째, 냉각 액온이, 냉각액이 비등하지 않는 상한 온도 이하인 것.

상기의 조건을 만족시키는 온도 범위의 하한값을 T3이라고 하고, 상한값을 T4라고 하면, T3<T2<T4라는 관계가 성립된다.

도 11은 배가스 시험용 모드에서의 운전 중에 도 7의 제어 루틴을 실행한 경우의 타이밍 차트이다. 또한, 도면 중에 파선으로 나타낸 인젝터 선단 온도 Ttip2는 비교예이다. 이 비교예는 실린더 블록 및 실린더 헤드의 냉각 회로가 독립되어 있지 않고, 또한 도 7의 제어 루틴을 실행하지 않는 경우의 인젝터 선단 온도의 추이를 나타내고 있다.

운전 개시에 수반하여 냉각 액온 TW가 서서히 상승하고, 타이밍 TM1에서 소정 온도 T1을 초과한다. 그리고, 타이밍 TM2에서 인젝터 선단 온도 Ttip1이 소정 온도 T2를 초과하면, 컨트롤러(100)는 선단 온도 컨트롤을 개시한다. 이에 의해, 인젝터 선단 온도 Ttip1은 분사 구멍(5A)을 통과하는 연료가 감압 비등하는 온도를 초과하는 일이 없다. 이에 비해 비교예에서는, 인젝터 선단 온도 Ttip2가 운전 시간의 경과 및 차속의 증대에 수반하여 상승하고, 분사 구멍(5A)을 통과하는 연료가 감압 비등하는 온도를 초과하고 있다.

이와 같이, 본 실시 형태에 의하면, 선단 온도 컨트롤에 의해 분사된 연료의 감압 비등을 억제할 수 있다.

도 12는 배가스 시험용 모드에서의 운전 중에 있어서의 PN의 추이를 나타내고 있다. 도면 중 실선이 본 실시 형태의 PN 배출량이고, 파선은 도 7과 동일한 비교예이다. 또한, 시간축(횡축)은 도 11과 공통이다.

비교예에서는 운전 시간의 경과에 수반하여 PN이 증대되고 있다. 이것은, 도 11에 있어서의 인젝터 선단 온도 Ttip2의 거동과 대응하고 있다. 이에 비해 본 실시 형태를 실행한 경우의 PN은 운전 개시 직후에 증대된 후에는 거의 일정하게 유지되어 있다. 즉, 선단 습윤에 기인하는 PN의 증대가 억제되어 있다.

여기서, 라디에이터 유로 제어 모드 중의 제1 모드 및 제2 모드에 있어서의, 블록측 통로 WB 내의 냉각 액온(이하, 「블록 액온」이라고도 함)과, 헤드측 통로 WH 내의 냉각 액온(이하, 「헤드 액온」이라고도 함)에 대하여 설명한다.

도 13은 난기 상태가 된 후의 블록 액온과 오일 희석률의 관계를 나타내는 도면이다.

내연 기관(1)의 운전 중에, 실린더벽 등에 부착된 연료가 엔진 오일(이하, 간단히 「오일」이라고도 함)에 혼입되는 오일 희석이 발생하는 경우가 있다. 오일 희석률이 높아질수록 오일의 성능이 열화되므로, 희석 한계를 설정하여, 이것을 초과하지 않도록 할 필요가 있다.

도 13에 나타낸 바와 같이, 오일 희석률은 블록 액온이 낮을수록 높아진다. 이것은, 블록 액온이 낮을수록 실린더 블록의 벽온이 낮아져, 연료가 부착되기 쉬워지기 때문이다. 그래서, 블록 액온을, 오일 희석률이 희석 한계를 초과하지 않는 온도로 제어할 필요가 있다. 또한, 도면 중 블록 액온 TWB1은 후술하는 도 14에 있어서의 블록 액온의 기준값이다.

도 14는 HC 배출량의 블록 액온 및 헤드 액온에 대한 감도에 대하여 설명하기 위한 도면이다.

횡축은 엔진 시동으로부터 15초간의 HC 배출량이고, 종축은 엔진 시동으로부터 15초 후의 배기 온도이다. 후술하는 곡선 A-C의 하측이 HC 배출량 규제값을 클리어할 수 있는 영역(OK 영역)이고, 상측이 HC 배출량 규제값을 클리어할 수 없는 영역(NG 영역)이다.

곡선 A는 블록 액온 및 헤드 액온이 각각 소정의 기준값(TWB1, TWH1)인 경우의 HC 배출량과 배기 온도의 관계를 나타내고 있다. 또한, 블록 액온의 기준값 TWB1과 헤드 액온의 기준값 TWH1은 동일한 온도이다.

곡선 B는 곡선 A에 대하여 헤드 액온만을 저하시켜 TWH2로 한 경우의 HC 배출량과 배기 온도의 관계를 나타내고 있다. 도시한 바와 같이, 곡선 B는 곡선 A와 거의 변함이 없다. 즉, 헤드 액온만을 저하시켜도 OK 영역은 거의 변화되지 않는다.

곡선 C는 곡선 B에 대하여 블록 액온을 저하시켜 TWB2로 한 경우의 HC 배출량과 배기 온도의 관계를 나타내고 있다. 곡선 C의 블록 액온은 헤드 액온과 동일하다. 환언하면, 곡선 C는 곡선 A로부터 블록 액온 및 헤드 액온을 저하시킨 경우라고 할 수 있다. 또한, 곡선 C에 있어서의 블록 액온 TWB2와 헤드 액온 TWH2는 동일한 온도이다.

도시한 바와 같이, 곡선 C의 경우에는 곡선 A, B에 비해, OK 영역이 좁게 되어 있다.

이것으로부터, HC 배출량은 블록 액온에 대한 감도가 높고, 헤드 액온에 대한 감도는 낮은 것을 알 수 있다. 그리고, HC 배출량을 증가시키지 않기 위해서는, 블록 액온을 기준값으로 유지하는 것이 바람직하다.

내연 기관(1)의 운전 시에 요구되는 성능으로서는, 상술한 PN 요구, HC 배출량 요구 및 오일 희석 요구 외에, 연소 안정도 요구, 연비 성능 요구 및 출력 성능 요구가 있다. 그리고, 이들의 성능도 냉각 액온과 관계가 있다.

도 15는 상술한 각 요구를 만족시키는 블록 액온에 대하여 정리한 것이다.

도시한 바와 같이, HC 배출량 요구 및 오일 희석 요구를 만족시키는 블록 액온에 비해, 연소 안정도, 연비 성능 및 출력 성능을 만족시키는 블록 액온은 낮다. 그리고, PN 요구를 만족시키는 블록 액온은 연소 안정도 등을 만족시키는 블록 액온보다도 더 낮다.

그래서, 제1 모드에서는, 블록 액온이 HC 배출량 요구 및 오일 희석 요구를 만족시키는 온도, 예를 들어 상술한 TWB1을 유지하도록, 냉각 유로 및 냉각 유량을 제어한다. 또한, 연소 안정도 요구, 연비 성능 요구 및 출력 성능 요구에 관해서는, 헤드 액온은 블록 액온과 동일한 온도여도 되고, PN 요구, HC 배출량 요구 및 오일 희석 요구에 관해서는 헤드 액온에 대한 감도는 작다. 이로 인해, 제1 모드에서는, 헤드 액온이 블록 액온과 동일한 온도가 되도록 제어한다.

한편, 고부하 또는 고회전 속도인 경우에 실행하는 제2 모드에서는, 노킹의 발생을 회피할 필요가 있다. 그래서, 블록 액온은 제1 모드와 동온으로 유지한 채, 헤드 액온을, 예를 들어 상술한 TWH2까지 저하시킨다. 헤드 액온만을 저하시키는 것은, 블록 액온을 변화시키지 않으면 PN 요구, HC 배출량 요구 및 오일 희석 요구를 만족시킬 수 있기 때문이다.

또한, 블록 액온 및 헤드 액온의 제어에 있어서, 블록 액온 및 헤드 액온을 직접적으로 검지하는 것이 아니라, 블록 벽온 및 헤드 벽온에 기초하여 제어할 수도 있다. 이 경우, 도 16에 나타내는 테이블을 사용하여 블록 액온을 블록 벽온으로 환산하면 된다. 예를 들어, 블록 액온이 TWB1인 경우에는 블록 벽온은 TB1이 되므로, 블록 벽온을 모니터하면서, 블록 벽온을 TB1이 되도록 냉각 유로 및 냉각 유량을 제어하면 된다. 헤드 액온에 대해서도 마찬가지이다.

또한, 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 실시 형태의 내연 기관(1)은 피스톤 냉각용의 오일 제트(24)를 구비한다. 도 17은 오일 제트(24)를 작동시킨 경우와 작동시키지 않은 경우에 대하여 PN 배출량을 측정한 결과이다. 횡축의 「평균 벽온」은 블록 벽온과 헤드 벽온에 소정의 가중치를 부여하여 산출한 평균 온도이다. 또한, 도면 중 사선을 그은 영역은, 본 실시 형태에 관한 제어를 실행한 경우의 온도 영역이다. 도면 중 곡선은 측정 결과에 기초하여 작성한 평균 벽온과 PN의 관계를 나타내는 특성선이다. 또한, 도면 중 「target」은 PN의 허용값이다. 도시한 바와 같이, 목적 벽온에 있어서는, 오일 제트(24)의 작동·비작동은 PN에 비해 영향이 적다.

도 18은 인젝터(5)의 돌출량에 대하여 설명하기 위한 도면이다. 인젝터(5)의 선단이 연소실 벽면에 일치하는 경우를 돌출량 제로라고 하고, 인젝터(5)의 선단이 연소실측으로 돌출되는 상태(도면 중 파선 상태)를 돌출량이 정, 그 역을 돌출량이 부라고 한다.

도 19는 인젝터 선단 온도와, 선단 습윤에 의한 PN의 관계를 나타내는 도면이다.

돌출량이 커질수록, 연소 화염이나 연소 가스로부터의 수열량이 커지기 때문에, 인젝터(5)의 온도는 상승한다. 그 결과, 분사 구멍(5A)으로부터 분사될 때의 연료 온도가 높아져 PN이 증대된다. 한편, 돌출량을 작게 하면, 연료 온도의 상승이 억제되고, 그 결과 PN의 증대를 억제할 수 있다.

즉, 도 19에 나타낸 바와 같이, 운전 상태가 동일해도, 돌출량을 제로로 함으로써 돌출량이 정인 경우에 비해 PN을 억제할 수 있다. 그리고, 돌출량을 제로로 한 상태에서 본 실시 형태의 제어를 실행하면, PN 억제 효과가 더욱 커진다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에서는 연료 분사 밸브(인젝터(5))의 분사 구멍(5A)을 통과할 때의 연료 온도가, 연료 분사 밸브 선단으로의 연료 부착량이 증대되는 온도에 도달하기 전에 연료를 냉각한다. 이에 의해, 선단 습윤의 증대를 억제할 수 있고, 결과적으로 PN의 증대를 억제할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 내연 기관(1)은 각각 독립된 실린더 헤드 냉각 통로(헤드측 통로 WH)와 실린더 블록 냉각 통로(블록측 통로 WB)를 포함하는 기관 냉각 통로를 구비하고, 실린더 헤드 냉각 통로의 냉각액 유량을 제어함으로써 연료를 냉각한다. 이에 의해, 실린더 블록으로의 연료 부착에 의한 PN의 증대나, HC 배출량의 증가나, 오일 희석률의 증대 등을 초래하는 일 없이, 선단 습윤에 기인하는 PN의 증대를 억제할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 인젝터(5)의 선단으로의 연료 부착량이 증대되는 온도를, 연료가 감압 비등하는 온도라고 한다. 선단 습윤의 증대는 연료가 감압 비등하는 것이 주된 요인이므로, 본 실시 형태에 의하면 인젝터(5)의 선단 습윤의 증대를 확실하게 억제할 수 있다.

(제2 실시 형태)

도 20은 제2 실시 형태에 관한 냉각액 통로의 개략 구성도이다. 도 1의 구성과 다른 것은, 커먼레일(4)을 냉각하기 위한 냉각 회로(커먼레일 냉각 회로)를 갖는 점이다. 커먼레일 냉각 회로는 제1 실시 형태에서 설명한 냉각 회로와는 별도의 계통이고, 당해 회로 전용의 워터 펌프(WP), 라디에이터(RAD), 인터쿨러(I/C) 및 후술하는 커먼레일 냉각액 통로를 구비한다.

도 21은 제2 실시 형태에서 사용하는 커먼레일(4)의 구성도이다. 커먼레일(4)은 인젝터 홀더(30)와 볼트 체결용의 플랜지(31)를 구비한다. 또한, 커먼레일(4)은 내부에 연료 통로(33)와 커먼레일 냉각액 통로(32)를 구비한다. 커먼레일 냉각액 통로(32)는 연료 통로(33)를 따르도록 설치되어 있다. 또한, 도면 중 화살표는 각각 연료와 냉각액의 흐름 방향을 나타내고 있다.

연료 펌프(도시하지 않음)에 의해 커먼레일(4)의 연료 통로(33)로 보내진 연료는 인젝터 홀더(30)에 설치된 인젝터(5)로부터 분사된다. 커먼레일 냉각 통로(32)의 내부에는 커먼레일 냉각 회로 전용의 워터 펌프에 의해 보내진 냉각액이 흐른다.

상기한 구성에 의하면, 연료 통로(33) 내의 연료가 커먼레일 냉각액 통로(32)를 흐르는 냉각액에 의해 냉각된다. 즉, 제1 실시 형태에 있어서는 인젝터(5)를 냉각함으로써 연료 온도를 제어했지만, 제2 실시 형태에서는 연료를 냉각함으로써 연료 온도를 제어한다. 이와 같은 구성에서도, 제1 실시 형태와 마찬가지로 선단 습윤에 의한 PN의 증대를 억제할 수 있다.

또한, 제2 실시 형태에 의하면, 연료 온도를 블록 액온 및 헤드 액온과는 독립하여 제어할 수 있다.

이상과 같이 제2 실시 형태에서는, 가압 연료를 축적하는 커먼레일(4)과, 기관 냉각 통로와는 별도의 순환 회로를 갖는 커먼레일 냉각 통로를 구비하고, 커먼레일 냉각 통로의 냉각액 유량을 제어함으로써 연료를 냉각한다. 이에 의해, 블록 액온이나 헤드 액온에 영향을 미치는 일 없이 선단 습윤에 의한 PN의 증대를 억제할 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 구성으로 한정하는 취지는 아니다.

Claims (5)

1. 실린더 내에 연료를 직접 분사하는 직접 분사식 내연 기관의 제어 방법에 있어서,
   상기 직접 분사식 내연 기관은,
   각각 독립된 실린더 헤드 냉각 통로와 실린더 블록 냉각 통로를 포함하는 기관 냉각 통로를 구비하고,
   상기 제어 방법은, 분사된 연료가 감압 비등하면 연료 분무의 분무각이 증대되어 분사 구멍의 주위에 연료가 부착되는 특성을 갖는 연료 분사 밸브의 분사 구멍을 통과할 때의 연료 온도가, 감압 비등이 발생하는 온도에 도달하기 전에, 상기 실린더 헤드 냉각 통로의 냉각액 유량을 증량하여 연료를 냉각하는 연료 온도 컨트롤 모드를 실행하는 것이고,
   실린더 블록 및 실린더 헤드를 동일한 온도로 제어하는 제1 모드와 실린더 헤드를 실린더 블록보다 저온으로 제어하는 제2 모드를 포함하는 라디에이터 유로 제어 모드의 실행 중에 연료 온도가 상승한 경우에 상기 연료 온도 컨트롤 모드로 이행하는, 직접 분사식 내연 기관의 제어 방법.
2. 실린더 내에 연료를 직접 분사하는 직접 분사식 내연 기관의 제어 장치에 있어서,
   상기 직접 분사식 내연 기관은,
   각각 독립된 실린더 헤드 냉각 통로와 실린더 블록 냉각 통로를 포함하는 기관 냉각 통로와,
   분사된 연료가 감압 비등하면 연료 분무의 분무각이 증대되어 분사 구멍의 주위에 연료가 부착되는 특성을 갖는 연료 분사 밸브와,
   상기 연료 분사 밸브로부터 분사될 때의 연료 온도를 취득하는 온도 취득부와,
   상기 연료 분사 밸브의 분사 구멍을 통과할 때의 연료 온도를 냉각하는 연료 냉각부와,
   상기 연료 냉각부를 제어하는 제어부
   를 구비하고,
   상기 제어부는, 상기 연료 분사 밸브의 분사 구멍을 통과할 때의 연료 온도가, 감압 비등이 발생하는 온도에 도달하기 전에, 상기 실린더 헤드 냉각 통로의 냉각액 유량을 증량하여 상기 연료 냉각부에 의해 연료를 냉각하는 연료 온도 컨트롤 모드를 실행하는 것이며, 실린더 블록 및 실린더 헤드를 동일한 온도로 제어하는 제1 모드와 실린더 헤드를 실린더 블록보다 저온으로 제어하는 제2 모드를 포함하는 라디에이터 유로 제어 모드의 실행 중에 연료 온도가 상승한 경우에 상기 연료 온도 컨트롤 모드로 이행하는, 직접 분사식 내연 기관의 제어 장치.
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