KR20000057403A - 직접 분사식 내연기관의 제어 방법 - Google Patents

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에어빈 아흘라이트너
칼하인쯔 크로와상
알렝-미셸-장 오보르
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칼 하인쯔 호르닝어
지멘스 악티엔게젤샤프트
허버트 발랑텡
지멘스 오토모티브 에스.아.
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Abstract

내연기관은 선택적으로 균일한 혼합물 또는 층상 급기로 작동될 수 있다. 2개의 작동 모드 중 어느 것이 사용되는지는 부하 및 속도와 더불어 내연기관의 냉각재 온도에 따라 결정된다.

Description

직접 분사식 내연기관의 제어 방법 {METHOD FOR CONTROLLING A DIRECT-INJECTION INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
직접 분사식 내연기관은 적은 유해 물질을 배출하면서 연비를 줄일 수 있는 큰 잠재력을 갖는다. 연료가 흡입관내로 분사되고, 거기서 흡입된 공기와 혼합되어 균일한 공기/연료 혼합물로서 실린더내로 흐르는 오토 내연기관에서의 흡입관 분사와는 달리, 직접 분사에서는 연료가 높은 분사 압력으로 직접 연소실내로 분사된다. 연료는 가급적 작은 방울로 실린더의 연소실내로 투입되어야 하고 급기층에 의해 혼합물이 스파크 플러그의 영역에서 확실한 점화가 보장될 정도로 부화되어야 하지만, 평균적으로 매우 불안정한 혼합물(공기 비 λ 〉〉 1, 내연기관의 작동 영역에 따라)에서도 연소가 이루어진다.
독일 특허 공개 제 43 32 171 A1호에는 직접 분사식 스파크 점화 4 행정 내연기관을 작동시키기 위한 방법 및 장치가 공지되어 있다. 여기서는 연비를 줄이고 최상의 배기가스 방출값을 유지하기 위해, 내연 기관이 5개의 상이한 특성 필드 영역에서 상이한 기준에 따라 작동된다. 제 1 영역에서는 흡입 횡단면의 완전 개방되고 배기가스의 재순환 없이 연료가 흡입 행정 동안 연소실로 분사된다. 제 2 영역에서는 마찬가지로 배기가스의 재순환 없이 부가로 흡입 횡단면이 변동된다. 제 3 영역에서는 배기 가스의 공급을 조절하면서 흡입 횡단면이 정해진 작은 값으로 감소된다. 여기서도 흡입 행정 동안 연료가 분사된다. 제 4 영역에서는 일정한 부분 개방이 이루어지고 배기가스의 재순환량이 제어되면서 분사가 감소된 부하로 점화 개시 전 압축 행정 까지 이루어진다. 제 5 영역에서는 흡입 횡단면이 부분적으로 개방되고 배기가스가 재순환되지 않으면서 분사가 마찬가지로 점화 개시 전 압축 행정 동안 이루어진다. 분사량의 프리세팅(presetting) 및 영역의 제어는 내연기관에 의해 작동되는 차량의 가속 페달 위치에 의해 이루어진다.
본 발명은 균일한 혼합물 및 높은 공기 과잉으로 층상 급기의 형성 하에 작동될 수 있는 직접 분사식 스파크 점화 내연기관의 제어 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 방법에 따라 작동하는 내연기관의 개략도이고,
도 2는 내연기관의 온도가 상이할 때 부하 및 속도에 따른 내연기관의 작동 영역을 나타낸 다이어그램이다.
본 발명의 목적은 상이한 연소 모드 사이의 전환이 내연기관의 실제 작동 조건에 보다 양호하게 매칭될 수 있게 하는 직접 분사식 스파크 점화 내연기관의 제어 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 제 1항의 특징에 의해 달성된다. 바람직한 실시예는 종속항에 제시된다.
본 발명의 방법에 따라 내연기관이 냉각재 온도에 따라 균일한 혼합물 또는 층상 급기로 작동된다. 이로 인해, 촉매 변환기 및 내연 기관의 보다 신속한 가열이 이루어질 수 있다.
내연기관의 전체 작동 영역에 대해 2개의 특성 필드에, 내연기관의 부하 및 속도 면에서 비교될만한 특성 필드 영역들이 제공되고 냉각재 온도에 따라 상온 내연기관에 적용되는 하나의 특성 필드 또는 고온 내연기관에 적용되는 다른 특성 필드가 제어를 위해 사용된다.
내연기관이 워밍업 동안 최대 배기가스 재순환률로 작동되면, 드로틀 손실 및 연비가 감소되고 배기가스 온도가 상승될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참고로 구체적으로 설명한다.
도 1은 작동 파라미터에 따라 균일한 혼합물 및 층상 급기로 작동될 수 있으며 배기가스 재순환 장치를 포함하는 고압 저장기 분사식 내연 기관의 개략도이다. 편의상, 본 발명의 이해를 위해 필요한 부분만이 도시되었다. 특히 다중 실린더 내연기관의 단 하나의 실린더만이 도시된다.
피스톤(10)은 실린더(11)내에서 연소실(12)을 제한한다. 흡입 채널(13)이 연소실(12)내로 뻗는다. 연소 공기는 상기 흡입 채널(13)을 통해 유입 밸브(14)에 의해 제어되어 실린더(11)내로 유입된다. 배출 밸브(15)에 의해 제어되며 연소실(12)로부터 배기 가스 채널(16)이 분기된다. 배기 가스 채널(16)에는 광대역(선형) 람다 프로브(17) 형태의 산소 센서 및 NOx-촉매 변환기(18)가 배치된다. NOx-촉매 변환기는 희박 연소의 작동 영역에서 요구되는 배기 가스 한계치를 지키기 위해 사용된다. 촉매 변환기는 그것의 코팅에 의해 희박 연소시 발생하는 배기 가스 중의 NOx-화합물을 흡착한다.
직접 분사 및 층상 급기 작동이 이루어지는 내연기관에서 특히 발생하는 NOx-방출을 줄이기 위해, 배기 가스의 재순환이 이루어진다. 이미 연소된 배기 가스를 흡입된 신선한 공기와 혼합함으로써, 온도에 의존하는 산화 질소 방출이 감소된다. 이러한 메커니즘은 내연기관의 균일한 혼합물에도 적용된다. 따라서,배기 가스의 일정량을 재순환시키기 위해 배기 가스 채널(16)로부터 배기 가스의 흐름 방향으로 볼 때 촉매 변환기(18) 앞에서 배기가스 재순환 관(19)이 분기된다. 배기가스 재순환 관(19)은 드로틀 밸브(20)의 하류에서 흡입 채널(13)로 뻗는다. 재순환되는 배기가스의 양은 전자 제어 장치(STG)(21)의 신호에 의해 제어 가능한 밸브(22)(일반적으로 배기가스 재순환 밸브라 함)에 의해 조절된다. 이것에 대한 대안으로서, 배기가스 재순환 밸브가 공기압에 의해, 예컨대 기압 셀에 의해 제어될 수도 있다.
실린더(11)내에서 연소를 위해 필요한 신선한 공기는 도시되지 않은 공기 필터 및 공기량 측정기(23)를 통해 그리고 드로틀 밸브(20)를 통해 흡입 채널(13)내로 유입된다. 드로틀 밸브(20)는 전동기에 의해 제어되는 드로틀 부재(E-가스)이고, 그것의 개방 횡단면은 운전자에 의한 작동과 더불어 내연기관의 작동 영역에 따라 전자 제어장치(21)의 신호에 의해 조절될 수 있다. 따라서, 예컨대 연료 제공 및 인출시 차량의 부하 교번 반응이 균일한 혼합물에 의한 작동으로부터 층상 급기 및 드로틀되지 않는 공기 통로를 가진 작동으로의 전환시 토크 점프와 마찬가지로 감소될 수 있다. 동시에, 모니터링 및 체크를 위해, 드로틀 밸브의 위치에 대한 신호가 제어 장치(21)로 전달된다.
연소실(12)내로 스파크 플러그(24) 및 분사 밸브(25)가 돌출한다. 연료가 상기 분사 밸브(25)를 통해 압축력에 대해서 연소실(12)내에 분사될 수 있다. 분사 밸브(25)용 연료의 이송 및 제공은 공지된 벤진-직접 분사용 커먼 레일 시스템(Common-Rail-System)에 의해 이루어진다. 연료는 연료 저장 탱크(26)로부터 일반적으로 탱크내에 배치된, 예비 필터를 가진 전자 연료 펌프(27)에 의해 저압(통상적으로 1 바아)으로 이송된 다음, 연료 필터(28)를 통해 연료 고압 펌프(29)로 안내된다. 연료 고압 펌프(29)는 기계적으로 내연기관의 크랭크샤프트와의 커플링에 의해 또는 전기적으로 구동된다. 연료 고압 펌프(29)는 고압 저장기(30)(common rail)내에서 연료 압력을 통상적으로 100 바아의 값으로 상승시킨다. 모든 분사 밸브의 공급관이 상기 고압 저장기(30)에 접속되므로, 고압 저장기(30)가 연료를 분사 밸브에 공급한다. 고압 저장기(30)내의 압력은 압력 센서(31)에 의해 제어 장치(21)로부터 검출된다. 상기 압력 신호에 따라 저장기(30)내의 압력이 일정한 값으로 또는 가변 값으로 압력 조절기에 의해 세팅된다. 과잉 연료는 연료 저장 탱크(26)로 재순환되는 것이 아니라, 고압 펌프(29)의 유입관으로 재순환된다.
온도 센서(33)는 내연 기관의 온도에 상응하는 신호를, 예컨대 냉각재 온도(TKW)의 측정에 의해 검출한다. 내연기관의 속도(N)는 크랭크 샤프트 또는 그것에 연결된 휠의 마크를 스캐닝하는 센서(34)에 의해 검출된다. 2개의 신호는 후속 처리를 위해, 특히 선택될 제어 전략 -균일한 혼합물 또는 층상 혼합물- 과 관련한 내연기관의 제어를 위해 제어장치(21)에 공급된다.
내연기관의 작동을 위해 필요한 부가의 제어 파라미터, 예컨대 가속 페달 위치, 흡입 공기의 온도, 드로틀 밸브 위치, 타격 센서의 신호, 배터리 전압, 주행 다이내믹 요구 등이 마찬가지로 제어 장치(21)에 공급되고 일반적으로 도면에 도면 부호 (35)로 표시된다. 전술한 파라미터를 통해 제어 장치(21)에서 저장된 제어 루틴 등의 실행에 의해 내연기관의 부하 상태가 검출된다. 또한, 상기 파라미터는 내연기관의 일정한 작동 상태에서 균일한 혼합물에 의한 작동으로부터 층상 급기에 의한 작동으로 또는 그 역으로의 전환이 이루어지고 및/또는 배기 가스의 재순환이 야기될 수 있도록, 후속 처리된다.
균일한 작동과 층상 작동 사이의 전환은 한편으로는 전기 드로틀 밸브에 의한 흡입 채널의 개방 횡단면(드로틀링)의 조절에 의해 그리고 다른 한편으로는 분사 시점의 변동에 의해 이루어진다. 드로틀된 작동시 연소실에서 균일한 혼합물을 형성하기 위해, 분사가 일찍 흡입 행정 동안 이루어지는 한편, 부분적으로 드로틀된 작동 또는 완전히 드로틀되지 않은 작동시 층상 혼합물을 형성하기 위해, 분사가 늦게 압축 행정 동안 이루어진다.
촉매 변환기 온도가 배기 가스 방출에 큰 영향을 주기 때문에, 촉매 변환기 온도는 내연기관의 제어 및 연소 모드의 선택에 대한 중요한 파라미터이다. 한편으로는 촉매 변환기가 내연기관의 상온 시동 후에 가급적 신속히 그 작동 온도에 도달되어야 하고, 다른 한편으로는 내연기관의 정상 작동 동안 배기가스 온도가 촉매 변환기를 그것의 최적 작동 범위로 작동시키는데 충분한 값으로 유지되어야 한다.
극도로 불안정한 층상 혼합물로 작동되는 직접 분사식 내연기관은 낮은 부하의 작동 영역에서 촉매 변환기의 스타팅 온도 이하로 떨어질 수 있는 매우 낮은 값의 배기가스 온도을 갖는다. 배기가스 온도를 상승시키기 위한 방법은 배기가스의 재순환이다. 내연 기관의 층상 급기 작동시 배기가스의 재순환은 NOx-배출을 감소시키기 위해 사용된다.
촉매 변환기의 온도를 높이기 위한 효과적인 조치는 층상 작동에서도 내연 기관을 드로틀링하는 것이다. 이로 인해, 촉매 변환기가 너무 낮은 온도로 인해 작동하지 못하는 시간이 단축된다. 그러나, 이러한 전략은 연비의 장점을 어느 정도 감소시킨다.
도 2는 부하 및 속도에 대해 정해된 내연 기관의 작동 영역내에서 내연기관의 상이한 작동 방식(균일한, 층상의, 배기가스 재순환이 이루어지거나 이루어지지 않는)의 분포를 도시한다.
여기에는 다이어그램 형상의 2개의 상이한 특성 필드(KF1), (KF2)가 도시된다. 도 2A에 따른 특성 필드는 상온 내연기관에, 도 2B에 따른 특성 필드는 고온 내연 기관에 적용된다. 2개의 특성 필드에서 횡좌표에는 속도(N)가 그리고 종좌표에는 부하값이 도시된다. 부하값으로는 예컨대 내연기관의 토크, 중간 압력 또는 흡입 채널에서 공기량 측정기에 의해 측정된 공기량이 사용될 수 있다. 2개의 특성 필드는 중첩된 영역으로 세분된다.
내연기관의 온도는 온도 센서(33)의 신호 평가에 의해 검출되고 제 1 한계치와 비교된다. 내연기관의 온도(TKW)가 상기 한계치 미만이거나 또는 시동 후 지속 시간이 미리 주어진 값 보다 작으면, 상온 내연기관이 검출되고 내연기관의 제어 모드가 도 2A에 도시된 특성 필드에 의해 순시 부하 및 속도에 따라 선택된다.
상온 시동 후 그리고 후속하는 내연기관의 워밍 업 작동 동안 온도(TKW)가 한계치 미만이면, 낮은 부하에서 또는 하부 부분 부하 영역 및 낮은 속도(N)에서 내연 기관이 약간 희박한, 균일한 혼합물로 작동된다. 이것에 대한 통상적인 공기 비는 λ = 1.05 - 1.10의 영역이다. 이러한 특성 필드 영역는 도 2a에 도시된다. 무부하 속도에 대한 통상의 값은 횡좌표에 NLL= 800 l/min으로 도시된다.
점화의 조절과 관련해서 균일한 혼합물의 약간의 불안정성에 의해 내연기관의 효율이 감소되기는 하지만, 촉매 변환기가 신속히 그것의 스타팅 온도에 도달함으로써 배기 가스의 유해 성분이 신속히 위험하지 않은 화합물로 변환될 수 있다는 장점을 갖는다.
내연 기관의 온도가 상기 제어 조치 후에 상기 한계치 미만에 놓이지만, 그 사이에 부하가 커지면, 내연기관은 약간 희박한 혼합물 및 액티브 배기가스 재순환으로 계속 작동된다(특성 필드 영역 2a). 특성 필드 영역(2a)이 보다 높은 부하의방향으로 전부하 라인(3a)에 의해 제한된다. 내연 기관의 전부하 작동시 최대 토크를 얻기 위해, 내연기관이 배기가스의 재순환 없이 균일한, 풍부한 혼합물 λ 〈 1로 작동된다.
도 2A에 따른 특성 필드로부터 도 2B에 따른 특성 필드로의 전환은 내연기관의 온도에 따라 또는 그것으로부터 유도된 값, 특히 냉각재 온도(TKW)에 따라 이루어진다. 이것은 예컨대 실제 온도와 전술한 한계치의 비교에 의해 이루어지거나, 또는 내연기관의 시동 후 온도가 미리 주어진 값 만큼 증가하는지의 여부가 체크된다.
이것에 대한 대안으로서, 2개의 특성 필드 사이의 전환이 시간적으로 정해질 수 있다. 내연기관의 시동 후 미리 주어진 시간 간격이 경과하였는지가 문의되면, 고온 내연기관이 추론되고 내연기관의 제어가 도 2b에 따른 특성 필드에서 정해진 바와 같은 모드에 따라 이루어진다. 전환값(온도, 시간 간격)은 내연기관의 타입 및 사용된 촉매 변환기에 대한 테스트 스탠드상에서 경험적으로 검출되어 전자 제어 장치의 메모리에 저장된다.
도 2b의 특성 필드에 따라 고온 내연 기관에서 드로틀된 작동 동안 부하가 낮고 속도 범위가 하부 내지 평균일 때 층상 급기 및 액티브 배기가스 재순환(AGR)으로 작동된다(특성 필드 영역 1b). 낮은 내지 높은 속도 값의 부분 부하 범위에서, 내연기관은 층상 급기 및 액티브 배기가스 재순환으로 작동된다(특성 필드 영역 2b). 이것은 부분 드로틀되거나 또는 드로틀 없이 이루어질 수 있다.
특성 필드 영역(2b)의 상부에 특성 필드 영역(3b)이 놓인다. 이것은 낮은 내지 평균 속도에서 상부 부분 부하 영역 및 매우 높은 속도에서 낮은 부하 내지 상부 부분 부하의 영역를 포함한다. 이러한 특성 필드 영역에서 내연기관은 균일한 희박 혼합물로 그리고 액티브 배기가스 재순환으로 작동된다.
보다 높은 부하 내지 전부하 라인(VL)에서 내연기관은 속도와 무관하게 균일한, 화학량론적 혼합물 λ = 1 및 액티브 배기가스 재순환으로 작동된다(특성 필드 영역 4b).
내연기관의 전부하(VL)시 배기가스 재순환이 허용되지 않으며 균일한 풍부 혼합물이 세팅된다.
본 발명에 따른 직접 분사식 스파크 점화 내연기관의 제어 방법에 의해, 상이한 연소 모드 사이의 전환이 내연기관의 실제 작동 조건에 보다 양호하게 매칭될 수 있다.

Claims (12)

  1. - 선택적으로 균일한 혼합물 또는 공기 과잉으로 실린더내에 층상 급기의 형성 하에 드로틀되거나 또는 드로틀되지 않고 작동되며,
    - 내연기관의 일정한 작동 영역에서 배기가스의 일부가 배기가스 재순환에 의해 연소 공기와 혼합되고,
    - 연료의 분사 개시가
    -- 실린더내에 균일한 혼합물을 형성하기 위해 연료가 각각의 실린더의 피스톤의 상사점과 하사점 사이의 흡입 행정 동안 분사되며,
    -- 실린더내에 층상 급기를 형성하기 위해 점화 전 상사점 바로 전에 압축 행정 동안 분사되도록, 제어되고,
    - 내연기관의 작동 영역이 부하 및 속도에 따라 상이한 특성 필드 영역으로 나눠지고 상기 특성 필드 영역은 내연기관이 균일한 혼합물로 또는 층상 급기로 작동되는지의 여부를 결정하는 직접 분사식 스파크 점화 내연기관의 제어 방법에 있어서,
    균일한 혼합물에 의한 작동으로부터 층상 급기에 의한 작동으로 그리고 그 역으로의 전환이 내연기관의 냉각재 온도(TKW)를 참작하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 내연기관의 전체 작동 영역에 대해 2개의 특성 필드(KF1, KF2)에, 내연기관의 부하 및 속도 면에서 비교될만한 특성 필드 영역(1a, 1b; 2a, 2b, 3b)이 제공되고 냉각재 온도(TKW)에 따라 하나의 특성 필드(KF1) 또는 다른 특성 필드(KF2)가 내연기관의 제어를 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 제 1 특성 필드(KF1)는 내연기관의 시동 후 및 상온 내연기관에서 그것의 제어를 위해 사용되는 특성 필드 영역(1a, 2a)을 포함하고, 제 2 특성 필드(KF2)는 고온 내연기관의 제어에 사용되는 특성 필드 영역(1b, 2b, 3b, 4b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 2항 또는 3항에 있어서, 냉각재 온도(TKW)가 미리 정해진 한계치를 초과하면, 제 1 특성 필드(KF1)로부터 제 2 특성 필드(KF2)로의 전환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 2항 또는 3항에 있어서, 미리 정해진 시간 간격이 경과되면, 제 1 특성 필드(KF1)로부터 제 2 특성 필드(KF2)로의 전환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 4항 또는 5항에 있어서, 전환값이 내연기관의 타입 및 사용된 촉매 변환기에 대한 테스트 스탠드상에서 경험적으로 검출되어 내연기관에 배치된 제어 장치(21)의 메모리에 저장되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상온 내연기관 및 낮은 부하, 낮은 속도에서 내연기관이 약간 희박한, 균일한 혼합물로 작동되는(특성 필드 영역 1a) 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상온 내연기관 및 높은 부하 내지 전부하에서 내연기관이 약간 희박한, 균일한 혼합물 및 액티브 배기가스 재순환으로 작동되는(특성 필드 영역 2a) 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 내연기관이 워밍업 작동 동안 최대 배기가스 재순환률로 작동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1항에 있어서, 고온 내연기관이 낮은 부하 및 낮은 내지 평균 속도 범위에서 드로틀된 작동시 층상 급기 및 액티브 배기가스 재순환률로 작동되는(특성 필드 영역 1b) 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 촉매 변환기(18)의 재생 단계 동안 내연기관이 풍부한, 균일한 혼합물로 작동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1항에 있어서, 외부 온도가 낮을 때 균일한 혼합물에 의한 내연기관의 작동이 연장됨으로써, 내연기관에 의해 구동되는 자동차의 내부 공간의 가열이 가속되는 것을 특징으로 하는 방법.
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