KR19990006586A - 내연 기관의 제어 장치 - Google Patents

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KR19990006586A
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다까히로 요시노
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하나와 기이찌
닛산 지도샤 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명은 성층 연소에서의 작동으로부터 균질 연소에서의 작동으로의 변환 중에 연소 성능을 안정화한다. 성층 연소에서의 작동으로부터 균질 연소에서의 작동으로의 변환 직후 당량비를 위한 하한치는 잔류하는 외부 및 내부 EGR(배기 가스 환류)의 역영향을 회피하도록 정상 상태하에 설정된 값보다 큰 값에서 설정된다.

Description

내연 기관의 제어 장치
본 발명은 내연 기관의 제어 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 엔진 운전 상태에 따라 절환되며, 성층 연소와 균질 연소로 운전할 수 있는 엔진 제어 장치에 관한 것이다.
내연기관에서 사용된 트로틀 밸브 전자 제어(이하, 전자 제어 트로틀 밸브라함)를 위한 제어장치가 제안되어 있다.(예를 들면, 일본 특허 공개 제 62-110536 호)
이 제어 장치는, 액셀 조작량과 엔진 속도에 의하여 목표 엔진 토크를 설정하고, 목표 엔진 토크를 얻도록 트로틀 밸브의 개방 각도를 제어한다.
그러나, 종래 장치는, 목표 엔진 토크와 엔진 속도 만으로 트로틀 밸브의 개방 각도를 결정하도록 되어 있다. 따라서, 종래 장치는 운전 상태에 따라 제어되는 공연비를 갖는 내연 기관에 직접 적용될 수 없다.
엔진 속도와 엔진 토크를 유지하면서 공연비를 변화시키기 위해서, 트로틀 밸브의 개방 각도 및 엔진으로 계량된 연료량을 함께 변경할 필요가 있다. 예를 들면, 공연비가 낮은 때에, 이론 공연비와 비교하여 엔진으로 흡입되는 필요 공기량은 증대하고, 필요 연료 공급량은 감소한다.
일본 특허 출원 제 8-36902 호(1996.2.23. 출원)는 공연비를 목표치로 유지하면서, 엔진 목표치로의 엔진 토크 제어를 제안하고 있다. 이 일본 특허 출원이 참조 자료로 여기에 개시된다.
이 기술에 있어서, 목표 당량비(공연비의 역수에 비례함)가 변화하는 경우, 엔진으로의 공기량과 엔진으로의 필요 연료량이 대응하여 변화한다. 트로틀 밸브가 변화된 목표 당량비에 따라 목표 위치로 제어되어도 엔진으로의 공기량은 흡기계 용적에 의해 지연되기 때문에, 엔진으로의 공기량의 변화에 지연을 발생한다. 이 때문에, 엔진으로의 연료량이 변화된 목표 당량비에 의해 엔진으로의 공기량에 따라 제어되면, 엔진으로의 연료량이 많이 변화하여, 전환 작동의 초기에 단차 형태로 토크를 변화시킨다. 변화후의 목표 당량비에 맞춰서 흡입공기량에 응답하는 연료량을 공급하면, 절환동작의 초기에 연료량이 많이 변화하여 토크에 단차를 발생하는 것으로 된다.
이 때문에, 종래의 제어에서, 엔진으로의 공기량이 지연을 가지고 변화되는 데에 부응하여 목표 당량비의 지연을 가지고 변화하는 방식으로 위상 지연이 보정된다. 상기의 응용은 목표 당량비를 위한 엔진으로의 실질 공기량뿐만 아니라 엔진으로의 실질 공기량에 의해 산출된 연료량의 위상 지연 보정을 개시한다. 이러한 기술은 목표 당량비 위상 지연 보정과 유사하다. 이러한 기술은 토크를 일정 비율에서 원활하게 변화시키면서, 목표치를 향하여 당량비를 점차적으로 변화시킬 수 있다.
최근에 신기술은 연소실로 직접 연료를 분사함으로써 연료 절약 및 배기 가스 정화 기능을 크게 개선하기 위해 매우 낮은 공연비에서 연소를 가능하게 하는 스파크 점화 형태의 가솔린 엔진과 함께 사용하도록 개발되었다. 그러한 기술은 성층 연소로의 작동을 하도록 점화 플러그 부근에서 층상 상태에서 가연 혼합기를 생성하기 위해, 압축 행정 동안 저·중 부하 영역에서 연료를 분사하는 것을 포함한다.
그러한 기술에 대한 상세한 내용이 일본 특허 출원 제 9-135269 호(1997.5.26. 출원), 제 9-137369 호(1997.5.28. 출원), 제 9-132673 호(1997.5.23. 출원), 제 9-129053 호(1997.5.20. 출원)과, 대리인 관리 번호 제 040679/0625 호로 출원되어, 발명의 명칭이 성층 연소 및 균질 연소를 가지는 직접 분사 가솔린 엔진으로 된 대응 미국 특허 출원에 개시되어 있다.
이들 5개의 자료 전체 내용은 참고로 본 명세서에 포함되었다.
제한된 실린더 용적으로 필요 토크를 확보하기 위해서, 엔진은 균질 연소로의 작동을 하도록 균질 혼합기를 생성하기 위해 흡기 행정동안 연료를 분사함으로써 균질 연소로 작동하는 것이 요구된다. 연료는 실린더내로 직접 또는 흡기 포트내의 또 하나의 연료 분사기내로 직접 분사될 수 있다.
따라서, 엔진 운전 상태에 따라 성층 및 균질 연소 사이에서 전환하는 것은 공지의 기술이다.
성층 및 균질 연소 사이에서 변화가 일어날 때 목표 당량비가 변화하는 동안 토크를 원활하게 변화시키기 위해서, 엔진으로의 공기량이 변화하면서 가지는 지연에 따라 목표 당량비를 위한 지연 보정을 하는 것을 고려해 볼 수 있다. 그러나, 성층 연소와 균질 연소로의 작동은 목표 당량비 뿐만 아니라 최적의 외부 EGR(배기 가스 환류)률(분리 EGR 장치에 의해 환류된 배기 가스를 나타냄)과 내부 EGR 률(실린더에 남아 있는 배기 가스를 나타냄)에 대해 각각 상이하다. 이들 인자의 균형이 무너지면, 에미션과 운전 안정성이 격감될 수 있다.
구체적으로는, 성층 연소로의 작동 동안, NOx 감소를 위해 외부 EGR을 행할 필요가 있다. EGR은 연소 온도를 낮추고, NOx를 낮춘다. 공연비는 성층 연소에서의 작동 기간 동안과, 균질 연소 상태에서의 작동 변환 직후 균질 연소 상태에서의 작동 기간 동안에는 급격하게 낮아지기 때문에, 외부 EGR은 성층 연소에서 균질 연소로의 변환 기간 동안 연소 성능과 동력 출력의 악화를 피하기 위해 금지된다. 엔진은 NOx 에미션 수준이 비교적 낮아지는 상태에서 작동하기 때문에, 충분한 정도로 공연비를 낮춤으로써 연료 절약을 개선하면서 NOx의 에미션을 줄일 수 있다.
그러나, 성층 연소(매우 낮음)에서의 작동에서 균질 연소(낮음)에서의 작동으로 변환 중에는, 성층 연소에서의 작동의 종료되는 동시에 EGR을 정지하는 지령을 출력하여도 흡기계에 잔류하는 EGR 가스는 연소 성능을 악화시키고 또 가속 성능을 악화시킬 수 있다. 당량비를 빠르게 변환시킴으로써 가속 성능에 중요성을 부여하는 시도는 당량비가 EGR 률보다 더 빠른 비율로 변환되는 것을 초래한다. 이것 또한 연소 성능을 악화시킨다. 성층 연소에서의 작동 기간 동안 외부 EGR이 조기에 충분히 정지할 때에도, 성층 연소에서의 작동 기간 동안 연소실에서 잔류하는 내부 EGR 가스의 영향이 균질 연소로의 변환 후에도 남아 연소 성능을 악화시킨다.
균질 연소에서의 작동에서 성층 연소로의 작동으로의 변환 동안 목표 EGR 률이 증대하여도, 엔진으로의 공기량은 지연을 가지고 증대하기 때문에, 성층 연소에서의 작동 전환 직후 과도 상태에서 충분한 정도의 EGR을 문제없이 실행할 수 있다.
상기의 과제에 착안하여, 본 발명의 목적은 성층 연소에서의 작동으로부터 균질 연소에서의 작동으로의 전환 직후의 당량비를 적정하게 제어함으로써, 안정된 연소성과 원활한 전환을 제공할 수 있는 내연 기관의 제어장치를 제공함에 있다.
도1은 본 발명의 전체 구성 및 기능을 나타낸 블록도,
도2는 본 발명의 일실시예의 장치 구성을 도시한 도면,
도3은 도2의 실시예의 기능 구성을 나타낸 블록도,
도4는 도2의 실시예에서 사용된 목표 당량비 연산 루틴을 나타낸 흐름도,
도5는 여러 가지 인자에서의 변환을 나타낸 타임 차트,
도6은 다른 연소 조건 Ⅰ에서 Ⅴ(과도 및 정상 상태) 동안의 여러 가지 인자를 나타낸 도면,
도7은 목표 당량비상의 제한을 연산하는 일예의 맵.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1: 가속기 작동 센서
2: 크랭크축 각도 센서
3: 공기 유량계
4: 내연 기관
5: 냉각 온도 센서
10: 트로틀 밸브 제어 유닛
12: 연소실
15: EGR 제어 밸브
본 발명은 실린더와, 실린더에 직접 연료를 분사하는 분사기를 구비한 내연기관의 제어 장치를 제공한다. 제어 장치는 성층 연소에서 균질 연소로의 실린더 내에서의 연소 변환을 검출하는 판정부를 가진다. 또한, 제어 장치는 실린더를 위한 공기 및 연료 사이에서의 비율을 연산하는 섹션을 가진다. 실린더를 위한 공기 및 연료 사이의 비율은 공연비로서, 목표 당량비(공연비의 역수에 비례함)로서, 또는, 실린더 내의 공기 및 연료 사이에서의 비율을 나타내는 또 다른 인자로서 나타낼 수 있다. 제어 장치는 실린더내 연소의 전환이 검출될 때 소정의 영역(정상 상태의 균질 연소 기간 동안 사용된 것과 다름)에서 비율을 제한하는 제한기를 더 포함한다.
첨부된 도면을 참조로 하여 이하 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 일실시예를 도1 내지 도9를 참조로 하여 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 전체 구성을 도시한 것이다. 도1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 성층 연소에서 균질 연소로의 전환을 검출하는 과도 상태 검출부(102)를 구비한다. 목표 당량비 제한부(104)는 성층 연소에서 균질 연소로의 전환이 검출될 때, 특정 범위까지 목표 당량비를 제한한다. 이 영역은 엔진(106)에 제공된 공기 및 연료를 제어할 때 적용된다.
도2는 상세한 시스템 구성을 도시한 것이다.
가속기 작동 센서(1)는 운전자가 가속기 페달을 누르는 정도를 검출한다.
크랭크축 각도 센서(2)의 형태의 엔진 회전 속도 검출기는 (소정의 단위 크랭크축 각도로) 소정의 크랭크축의 회전수에서의 위치 신호와 각 실린더 행정 위상차를 위한 기준 신호를 발생한다. 또한, 단위 시간 당 발생된 위치 신호의 수를 계측하거나, 기준 신호 발생 주기를 계측함으로써, 엔진 속도 Ne를 검출할 수 있다.
공기 유량계(3)는 소정의 단위 시간에 엔진으로의 흡입공기량을 검출하도록 제공된다. 냉각 온도 센서(5)는 엔진(4)에서 이용된 냉각 온도를 검출한다.
엔진(4)은 실린더들을 구비하고, 각 실린더는 대응 연소실내로 연료를 직접 분사하는 연소 분사기(6)와, 연소실(12) 내 점화를 행하는 점화플러그를 가진다. 저·중 부하 상태에서, 성층 연소에서의 작동을 위해 점화 플러그(7) 주변에 가연 혼합기를 층상으로 형성하여 충전하기 하기 위해 압축 행정 동안 연료가 분사된다. 고부하 상태에서, 균질 연소에서의 작동을 위해 전 실린더에 걸쳐 균일한 공연비에서 사실상 가연 혼합기를 충전하도록 흡기 행정 동안 연료가 연소실(12) 내로 분사된다.
내연 기관(4)은 트로틀 밸브(9)가 설치된 흡기 통로(8)을 포함한다. 트로틀 밸브(9)의 개방 각도는 트로틀 밸브 제어 장치(10)에 의해 전자 방식으로 제어된다.
여러 가지 센서들에서의 검출 신호는 제어유닛(11)(제어 장치)으로 입력된다. 하나의 적합한 제어 유닛으로서 여기에 기재한 섹션들을 실행하도록 프로그램된 히타치 SH 계열의 프로세서가 있다. 제어 유닛(11)은 검출된 작동 상태에 기초한 트로틀 밸브 제어 유닛(10)을 통해 트로틀 밸브를 제어하고, 연료 분사(엔진으로의 계량된 연료량)을 제어하도록 연료 공급기(6)를 구동하며, 설정 점화 시기에서 점화 플러그(7)의 점화를 발생하도록 점화 시기를 설정한다.
또한, 엔진은 배기 통로(13)에서 흡기 통로(8)로 배기 가스의 일부를 환류하는 EGR 통로(14)와, EGR 통로(14)에서 제공된 EGR 제어 밸브(15)를 포함하는 EGR 장치를 구비한다. EGR 제어는 성층 연소(가끔 공연비가 40 대 50으로 실행되어져 초저감 또는 대저감 연소라 함)에서의 작동 기간 동안 제어유닛(11)에서 발생된 제어신호에 기초하여 행해진다. EGR은 균질 저감 연소(공연비 약 20)에서의 작동 기간 동안은 금지된다. EGR 제어는 이론 공연비(공연비 14.7)에서 균질연소에서의 작동 기간 동안 다시 실행된다.
도3은 제어 유닛(11)에서 실행된 과정의 기능 구성을 도시한 것이다. 여기에서 기재한 섹션들은 하드 웨어, 소프트 웨어, 또는, 양자 모두에서 설명될 수 있다.
기본 목표 당량비 연산부 A는 예를 들면 엔진 속도 Ne와 목표 토크 tTe (하중) 등의 기본 엔진 작동 상태에 기초한 맵으로부터 기본 목표 당량비 TFBYAB를 연산한다. 목표 토크 tTe는, 예를 들면, 액셀 조작량 APS과, 엔진 속도 Ne에 의하여 설정된다. 보다 상세하게는, 낮은 공연비를 가지는 작동은 냉각 온도, 엔진 시동 후 경과 시간, 차량 속도, 가속도, 엔진 아이들링 등 중에 작동되는 보조 기구를 포함하는 다양한 인자에 따라 허용 및 금지된다. 더욱이, 성층 연소에서의 작동과 균질 연소에서의 작동 사이에서 전환될 수 있다. 이러한 이유로, 목표 당량비가 제공되면, 목표 당량비를 위한 복수개의 맵이 제공된다. 엔진 운전 상태들(냉각 온도를 포함함)에서의 변환에 따른 성층 연소에서의 작동과 균질 연소에서의 작동 사이에서 변환이 행해지면, 기본 목표 당량비 TFBYAB는 성층 연소에서의 작동과 균질 연소에서의 작동의 연소 효율들 사이의 차이에 따라 단계적으로 변환한다.
위상 지연 정보부 B는 기본 목표 당량비 연산부 A에서 연산된 기본 목표 당량비 TFBYAB의 위상 지연 보정을 수행한다. 엔진 운전 상태의 변환에 의한 기본 목표 당량비 TFBYAB에서의 변환에 부응하는 목표 흡기 유량을 달성하도록 제어가 시작하여도, 엔진으로의 공기량(흡기 유량)은 트로틀 밸브의 작동 지연과 흡기계의 용적 에 의해 지연을 가지고 변화하기 때문에, 목표 당량비의 변화에 대해 제 시간에 실제 당량비의 지연을 보상하도록 위상 지연 보정이 행해진다. 엔진으로 계량된 연료량은 거의 지연 없이 목표 당량비 변화를 따를 수 있다.
기본 목표 당량비는 연소 모드의 변화에 따라 단계적으로 변화하는 상태에서, 그러한 위상 지연 보정은 단계적 변화를 한다. 보다 상세하게는, 위상 지연 보정은 목표 당량비와 흡기계 용적에 부응한 트로틀 밸브의 작동 지연에 부응하여 적어도 1 차 지령 지연을 제공하도록 설정된 보정 인자을 이용함으로써 행해진다. 1 차 지령 지연을 보정하도록 가중 평균이 이용될 수 있는 것을 유의한다. 또한 위상 지연 보정은 큰 영향을 미치는 인자인 흡기계 용적에 의해 지연 보상을 함으로써 단순히 행해질 수 있다.
연소 상태 변환 판정부 C는 성층 연소에서의 작동과 균질 연소에서의 작동 사이에 실제의 변환을 판정하기 위해 위상 보정된 목표 당량비 TFBYAH와 한계치를 비교한다. 보다 상세하게는, 목표 당량비 TFBYAH는 성층 연소에서의 작동 기간 동안 한계치 보다도 같거나 클 때, 연료 분사 시기와 점화 시기는 성층 연소에서의 작동으로부터 균질 연소의 작동으로 변환하도록 변화한다. 위상 보정된 목표 당량비 TFBYAH가 한계치 보다 작을 때 균질 연소에서의 작동으로부터 성층 연소의 작동으로의 변환이 행해진다. 상이한 한계치가 성층 연소에서의 작동과 균질 연소의 작동 사이에서 연소 효율에서의 차이를 고려하여 성층 연소에서의 작동과 균질 연소의 작동을 위해 설정될 수 있다.
균질 과도 상태 판정부 D는 성층 연소에서의 작동으로부터 균질 연소에서의 작동으로의 변환 직후 균질 연소에서의 작동의 과도 상태를 검출한다. 보다 상세하게는, 연소 모드 변환 판정부 C가 성층 연소에서의 작동으로부터 균질연소에서의 작동으로의 변환을 판정한 후, (1) 위상 지연 보정 전 균질 연소에서의 작동을 위해 연산된 기본 목표 당량비 TFBYAB와, (2) 보정된 목표 당량비 사이에서의 차이가 소정치보다 같거나 클 때, 판정부 D는 균질 연소에서의 작동의 과도 상태를 검출한다.
균질 과도 당량비 제한부 E는, 균질 과도 상태 판정부 D가 성층 연소에서의 작동으로부터 균질 연소에서의 작동으로의 변환 직후, 균질 연소에서의 작동의 과도 상태를 검출할 때 과도 상태에 따라 설정된 상한치 및 하한치의 사이에서 위상 지연 보정된 목표 당량비를 제한한다. 상한치는 균질 연소에서 작동을 위해 정상 상태로 설정된 상한치와 동일 값으로 설정된다. 하한치는 정상 상태를 위한 하한치보다 큰 값으로 설정된다. 성층 연소에서의 연소 기간 동안에도, 엔진 속도, 하중 등의 엔진 운전 상태에 따라 EGR 률을 변화시키는 것이 현행의 기술이다. 본 발명에서, 연소 모드 변환 후 흡기계에서 잔류하는 EGR 가스 상태는 연소 모드 변환 직전 (또는 부근) 엔진 운전 상태(엔진 속도 및 하중 등)에 의해 결정된 EGR 률에 의해 추정된다. 하한치는 추정 EGR 가스 잔류 상태에서 기초한 정상 균질 연소를 확보하는 값에서 설정된다. 높은 목표 당량비는 엔진에 제공되는 연료가 많아지게 한다.
균질 상태 당량비 제한부 F는, 균질 과도 상태 판정부 D가 균질 연소에서의 작동에 대한 과도 상태가 종료되고 엔진이 정상 상태로 움직이는 것을 검출한 후, 정상 상태에 따라 설정된 상한치와 하한치 사이에서 위상 지연 보정된 목표 당량비를 제한한다. 상한치 및 하한치는 엔진 운전 상태(엔진 속도, 하중 등)에 따라 설정된다. 상한치는 과도 상태로 설정된 값과 동일한 값으로 설정된다. 안정된 연소를 확보하기 위해 필요한 목표 당량비는 과도 상태에서 설정된 값보다 작은 값으로 설정될 수 있기 때문에 하한치는 작은 값에서 설정될 수 있다.
성층 연소 당량비 제한부 G는, 판정부 C가 성층 연소에서의 작동으로의 변환을 검출할 때 성층 상태에 따라 설정된 상한치 및 하한치 사이에서 위상 지연 보정된 목표 당량비를 제한한다. 상한치 및 하한치는 엔진 운전 상태(엔진 속도, 부하 등)에 따라 설정된다. 균질 연소에서의 작동으로부터 성층 연소에서의 작동으로의 변환 직후 과도 상태에서 연소 안정성을 확보하기 위해서, 균질에서 성층으로의 과도 상태를 위한 상한치는 성층 정상 상태를 위한 상한치보다 작은 값에서 설정될 수 있는 것을 주의하여야 한다.
도4는 연소 모드 상태와 엔진이 과도 상태 또는 정상 상태에 있는 지의 여부에 따라 목표 당량비를 위한 상한치 및 하한치를 변경시키는 하나의 적합한 루틴을 나타낸 흐름도이다.
단계1에서는, 엔진 속도, 하중 등의 엔진 운전 상태에 따라 기본 목표 당량비 TFBYAB가 맵으로부터 연산된다.
단계2에서는, 보정된 값 TFBYAH을 연산하도록 위상 지연 보정이 기본 목표 당량비 TFBYAB를 위해 실행된다.
단계3에서는, 엔진이 성층 연소 또는 균질 연소에서 작동하는 지의 여부에 따라 판정이 실행된다. 이 판정은 플래그 F의 사용으로 행해진다. 단계3에서 엔진이 플래그 F(F=1)에 따라 성층 충전 연소하에 작동하는 것으로 판정될 때(다시 말하면, 본 루틴의 이전 과정 동안 성층 충전 연소로 작동하는 것으로 결정될 때), 과정은 단계4로 진행한다. 단계4에서, 한계치 TFACH는 값 TFACH1으로 다시 재기입된다. 엔진이 성층 충전 연소(F=0)에서 작동하는 것으로 판정될 때, 과정은 단계5로 진행한다. 단계5에서, 한계치 TFACH는 값 TFACH2(TFACH1 보다 작음)으로 재기입된다. (도6은 TFACH1 및 TFACH2를 나타낸 것임) 단계5 및 단계6 후에, 과정은 단계6으로 진행한다.
단계6에서, 위상 지연된 목표 당량비 TFBYAH는 한계치 TFACH와 비교된다.(예를 들면, 성층 연소에서의 TFACH1과 균질 연소에서의 TFACH2와 비교된다) TFBYAH가 TFACH(균질) (보다 같거나) 큰 것으로 판정되면, 과정은 단계7로 가고, 그렇지 않으면, 단계8로 간다.
단계7에서, 플래그 F는 0으로 세트되고, 연료 분사 시기는 변화되며, 점화 시기는 변화되고, 연소 모드는 균질 연소로 변화된다.(엔진이 이미 균질 연소 모드에 있으면, 엔진은 균질 연소 모드로 남는다.)
단계8에서, 플래그는 1로 세트되고, 연료 분사 시기는 변화되며, 점화 시기는 변화되고, 연소 모드는 성층 충전 연소로 변화된다.(엔진이 이미 성층 충전 연소 모드에 있으면, 엔진은 성층 충전 연소 모드로 남는다.)
성층 연소에서 균질 연소로의 변환이 행해지거나, 균질 연소가 계속되면, 과정은 단계9로 진행하고, 여기에서, 위상 지연 보정된 목표 당량비 TFBYAH와 기본 목표 당량비 TFBYAB(단계1에서 계산됨) 사이에서의 편차 DLTTFA(= TFBYAB - TFBYAH)가 연산된다.
단계10에서는, 편차 DLTTFA가 소정치보다 같거나 큰 값인지의 여부에 따라 판정이 실행된다. 편차가 소정치와 같거가 그 보다 큰 값인 경우, 이는 균질 연소에서의 작동으로의 변환 직후 엔진이 과도 상태에서 작동하고 있는 것을 의미하고, 프로그램은 과정11로 진행하며, 여기에서, 균질 연소 과도 상태 하에서 목표 당량비를 위한 하한치 HTFMNT1 및 상한치 HTFMXT은 도7에서 일례로 나타낸 엔진 속도 및 하중 등에 기초한 맵으로부터 연산된다. 하중 및 엔진 속도가 작을 때, 내부 EGR은 크고, 신선한 공기는 실린더로 약하게 유입되므로, 연소의 안정성은 악화된다. 따라서, 저하중 또는 저 엔진 속도 상태에서, 균질 과도 당량비 제한 값이 커서(풍부해서) 연소는 보다 안정해진다. 편차 DLTTFA는 소정치보다 작을 경우, 이는 균질 연소 정상 상태에서 엔진 작동하고 있는 것을 의미하고, 프로그램은 단계12로 진행하며, 여기에서, 균질 연소 정상 상태에서 하한치 HTFMNT2 및 상한치 HTFMXT은 엔진 속도 및 하중에 기초한 맵으로부터 연산된다.
과도 및 정상 상태에서의 상한치가 동일값으로 설정되어도, 과도 상태를 위한 하한치 HTFMNT1은 정상 상태를 위해 하한치 HTFMNT2보다 큰 값으로 설정된다. 보다 상세하게는, 성층 균질 과도 기간 동안 하한치는 EGR 률 및 내부 EGR 가스량에 기초하고, 이 EGR 률 및 EGR 가스량은 균질 연소로의 변환 기간 동안 과도 상태에서 연소에 역영향을 미치는 것을 피하기 위한 값에서, 성층 연소에서 균질 연소로의 변환 직후 성층 연소에서의 작동 동안의 엔진 속도 및 하중에 따른다. 하한치는 실린더 내에서 EGR 가스를 보상하기 위한 최소의 큰 연료량을 필요로 한다.
단계13에서, 연소 모드가 균질 연소에서 성층 연소로 변화될 경우, 또는, 성층 연소로 계속 유지될 경우, 성층 연소를 위한 목표 당량비에서의 상한치 STFMX 및 하한치 STFMN은 엔진 속도 및 하중에 기초한 맵으로부터 연산된다.
단계14에서,위상 지연 보정된 목표 당량비 TFBYAH는 상한치 및 하한치 사이에서 정의된 영역에 대해 TFBYAH를 제한하기 위해 단계11, 또는, 단계12, 또는, 단계13에서 설정된 상한치 및 하한치와 비교된다.
균질 연소 과도에 대한 성층 연소 기간 동안의 목표 당량비를 위한 하한치가 안정 상태를 위한 하한치보다 큰 값으로 설정되기 때문에, 균질 연소에서의 내부 EGR 가스의 역영향은 안정된 연소와 우수한 가속 성능을 확보하도록 당량비를 증대함으로써 회피된다.
도5는 균질 연소 과도에 대한 성층 연소 기간 동안 여러 가지 인자가 어떻게 변화하는 지를 보여 준다. 도5에서, 운전자는 시간 t0에서 보다 큰 가속을 요구하기 위해 가속 페달을 밟는다. 트로틀 위치 및 흡기 유량은 엔진이 갑작스럽게 가속되는 것을 방지하기 위해 감소한다. 목표 EGR 률은 운전자의 요구에 따라 보다 큰 동력을 제공하기 위해 시간 t0에서 감소한다. 그러나, 목표 EGR 률이 시간 t0에서 감소하여도, 실제 EGR 률은 시간에 걸쳐 천천히 크게 변화함으로써 엔진이 균질 연소로 변환할 때 배기 가스가 잔류한다. 목표 당량비는 운전자의 요구를 만족시키기 위해 점차적으로 증대된다. 정상 상태의 성층 연소와 정상 상태의 균질 연소 사이에서의 과도 기간 동안, 목표 당량비를 위한 하한치는 상승한다.
도5는 도4에서 설명한 과정의 다양성을 보여주는 것에 주의한다. 보다 상세하게 설명하면, 도4의 과정에서, 목표 당량비를 위한 상한치는 정상 상태의 성층 연소와 과도 성층 연소 기간 모두에서 동일하다. 도5에서 과도 성층 연소 기간 동안의 상한치는 정상 상태 성층 연소 기간 동안의 상한치보다 작다.
도6은 다양한 정상 상태 및 과도 상태의 기간 동안 특정 인자가 어떻게 변화하는 지를 도시한 것이다. 도6에서 영역Ⅰ은 정상 상태의 성층 연소에 대응한다. 지점Ⅱ는 성층 연소에서 균질 연소로의 전이에 대응한다. 영역Ⅲ은 성층 연소에서 균질 연소로의 전이가 발생한 직후의 균질 연소에 대응한다. 영역Ⅳ는 정상 상태의 균질 연소에 대응한다. 영역Ⅴ는 균질 연소에서 성층 연소로의 과도 기간 동안의 균질 연소에 대응한다.
영역Ⅰ 동안, 도4의 과정은 다음 순서대로 진행한다.
S1→S2→S3→S4→S6→S8→S13→S14
지점Ⅱ에서, 이 과정은 다음 시퀀스대로 진행한다.
S1→S2→S3→S4→S6→S7→S9→S10→S11→S14
영역Ⅲ 동안, 이 과정은 다음 시퀀스대로 진행한다.
S1→S2→S3→S5→S6→S7→S9→S10→S11→S14
영역Ⅳ 동안, 이 과정은 다음 시퀀스대로 진행한다.
S1→S2→S3→S5→S6→S7→S9→S10→S12→S14
영역Ⅴ 동안, 이 과정은 다음 시퀀스대로 진행한다.
S1→S2→S3→S5→S6→S7→S9→S10→S11→S14
TFBYAH는 TFACH2보다 작은 후, 과정은 정상 상태의 성층 연소에서 계속된다.
도3으로 돌아 와서, 목표 당량비에서의 상한치가 설정된 후, 당량비들을 이용하여 엔진으로 유입이 허용된 공기량(흡기 유량) 및 엔진으로의 계량된 연료량(연료 공급)을 설명하기로 한다.
기준 목표 흡기 유량 연산부 H는 가속기 작동 각도 APS, 엔진 속도 Ne, 또는 목표 엔진 토크 tTe를 입력으로 하고, 맵으로부터 기준 목표 흡기 유량 tTp를 연산한다. 기준 목표 흡기 유량 tTp는 이론 공연비를 위한 흡기 유량에 부응한 기준 당량비로 간주된다. 기준 목표 흡기 유량 tTp는 일 흡기 행정 동안의 흡기 유량 또는 공기 유량계(3)에 의해 검출된 단위 시간당 흡기 유량에 부응한 기준 연료 공급(펄스 폭)의 형태로 나타내어질 수 있다.
목표 흡기 유량 연상부 I는 기본 목표 당량비 TFBYAB에 부응하는 목표 흡기 유량 tTp'를 연산한다. 목표 흡기 유량 tTp'는 기본 목표 당량비 TFBYAB로 기준 목표 흡기 유량을 나눔으로써, 간단하게 연산할 수 있다. 그러나, 기본 목표 당량비 TFBYAB는 실제 형식상 기준 당량비와 다르기 때문에, 실질적으로 연소 효율 및 필요 연료 공급은 상이하다. 연소 효율에 따라 보정함으로써 양 목표 토크 및 목표 당량비를 만족할 수 있는 목표 흡기 유량 tTp'를 연산할 수 있다. 따라서, 기본 목표 당량비 TFBYAB로, 나아가, 기본 목표 당량비 TFBYAB에 부응하는 연료 효율 ITAF로 기준 목표 흡기 유량 tTp를 나눔으로써 목표 흡기 유량 tTp'를 연산하는 것이 바람직하다.
목표 트로틀 밸브 개방 각도 연산부 J는 목표 흡기 유량 tTp' 및 엔진 속도 Ne를 입력으로 하고, 목표 밸브 개방 각도 tTPS를 연산한다. 목표 밸브 개방 각도 tTPS는 목표 흡기 유량 tTp'을 획득하기 위한 트로틀 밸브의 개방 각도이다.
목표 트로틀 밸브 개방 tTPS를 표시하는 신호는 트로틀 밸브 제어 유닛(10)에 입력되고, 목표 트로틀 밸브 개방 각도 tTPS로 트로틀 밸브(9)를 구동한다.
엔진으로의 계량된 연료량은 기본 연료 공급 연산부 K1 및 보정부 K2에서 연산된다. 기존 연료 공급 연산부 K1은 공기 유량계(3)에 의해 검출된 단위 시간 당 흡기 유량 Q 및 엔진 속도 Ne를 입력으로 하고, 이론 공연비(기준 당량비)에서 일 흡기 행정 동안의 흡기 유량에 부응하는 기본 연료 분사 펄스폭 TP를 연산한다.
보정부 K2는 기본 연료 분사 펄스폭 TP와 기본 당량비 TFBYAH를 곱함으로써 유효 연료 분사 펄스폭 TE를 연산하고, 밧테리 전압에 부응하는 무효 펄스폭 TS와 유효 연료 분사 펄스폭 TE를 더함으로써, 최종 연료 분사 펄스폭 TS를 연산한다.
연료 분사 펄스폭 TI를 표시하는 신호는 목표 연료비에 부응하는 양으로 연료 분사하기 위해 연료 분사기(6)을 구동하도록 출력된다.
일본 특허 출원 제 9-144171 호 (1997. 6. 2. 출원)과 닛산 직접 분사 엔진의 제목을 가진 정보 간행물( 일본 도쿄 닛산 모터 주식회사의 자료물 E1-2200-9709)의 전체 내용이 참고로 본 명세에서에 포함되어 있다.
본 발명은 본 발명의 특정 실시예를 참조하여 상기의 내용을 설명하였지만, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않는다. 상기의 본 실시예의 수정 및 변형이 상기한 설명에 기초하여 당업자에게 가능하다. 본 발명의 범주는 다음의 청구항을 기준으로 하여 한정된다.
따라서, 이상 설명한 본 발명에 의하면, 흡기 유량은 트로틀 밸브 개방 각도 제어에 의해 목표치에 제어되고, 연료 공급은 그 목표치에 제어된다. 이는 양호한 배기 가스 정화 성능을 제공하도록 목표 당량비를 유지하고, 양호한 운전 성능을 확보하도록 필요 목표 토크를 달성하는 데에 효과적이다. 성층 연소에서의 작동으로부터 균질 연소에서의 작동으로의 변환 직후 과도 상태 하에서의 목표 당량비의 하한치는 정상 상태에서의 하한치보다 큰 값으로 설정되기 때문에, 안정된 연소와 양호한 가속 성능을 확보하기 위해 성층 연소에서의 작동 기간 동안 발생하는 균질 연소 상의 외부 및 내부 EGR의 역영향을 회피할 수 있다.

Claims (7)

  1. 실린더와, 실린더 안으로 연료를 직접 분사하는 분사기를 구비한 내연기관용의 제어 장치에 있어서,
    성층 연소에서 균질 연소로의 실린더내 연소의 변환을 검출하는 판정부와,
    실린더에 대한 공기와 연료 사이의 비율을 연산하는 섹션과,
    실린더 내의 연소 변환이 검출될 때 일정 영역에서 비율을 제한하는 제한기를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 영역은 정상 상태의 균질 연소 기간 중 사용되는 영역과 상이한 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제한기는 상기 변환이 검출될 때 공기량에 대한 최소 연료량이 증대하도록 상기 영역을 설정하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 판정부는 흡기계 지연에 대해 보정된 인자에 기초하여 상기 변환을 검출하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    성층 연소에서의 작동 기간 동안 EGR을 실행하도록 EGR 장치를 제어하고, 성층 연소에서의 작동으로부터의 변환 직후 균질 연소에서의 작동 기간 동안 EGR을 금지시키는 EGR(배기 가스 환류) 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제한기는 균질 연소로의 상기 변환 직전 성층 연소에서의 작동 기간 동안 엔진 운전 상태에 기초하여 상기 비율을 제한하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 판정부는 흡기계 지연에 대해 보정된 상기 인자와 상기 흡기계 지연에대해 보정되지 않은 상기 인자 사이에서의 차에 기초하여 상기 변환을 검출하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
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