KR20000057780A

KR20000057780A - 통내분사식 엔진의 제어장치

Info

Publication number: KR20000057780A
Application number: KR1020000002608A
Authority: KR
Inventors: 니시무라히로후미; 구지요이치
Original assignee: 제임스 이. 미러; 마츠다 가부시키가이샤
Priority date: 1999-02-09
Filing date: 2000-01-20
Publication date: 2000-09-25
Also published as: JP2000230452A; US20020020373A1; DE60013660T2; DE60013660D1; EP1028243A2; KR100652524B1; JP3680612B2; US6434929B1; EP1028243A3; EP1028243B1

Abstract

본 발명은 NOx를 흡장(吸藏)한 린 NOx촉매의 리프레쉬(refresh)를 효과적으로 행할 수 있으며, 특히 연소악화를 억제하면서 리프레쉬 효과를 높일 수 있도록 한다.

연소실에 직접 연료를 분사하는 인젝터(injector)(22)와 린 NOx촉매를 구비한 통내분사식 엔진에서, 이론 공연비(空燃比)보다 큰 공연비와 대략의 이론공연비 또는 그 이하의 공연비에 걸쳐 공연비를 변경하는 공연비 변경수단과, 촉매 리프레쉬를 위한 제어수단(71)을 구비한다. 이 제어수단(71)은 공연비가 린으로부터 대략의 이론공연비 또는 그 이하의 리치로 변경되었을 때, 촉매 리프레쉬 제어로서 상기 인젝터(22)로부터의 연료분사를 흡기행정기간내에 분사개시하는 선분사와 압축행정중기의 기간내에 분사개시하는 후분사로 분할하여 행하도록 되어 있다.

Description

통내분사식 엔진의 제어장치{Engine control unit for cylinder fuel injection type engine}

본 발명은 연소실에 직접 연료를 분사하는 인젝터(injector)를 구비함과 동시에, 엔진의 배기통로에 린(lean) NOx촉매를 구비한 통내 분사식 엔진의 제어장치에 관한 것이다.

종래로부터 연소실에 직접 연료를 분사하는 인젝터를 구비하여, 저부하영역에서 성층연소에 의한 린운전으로 연비를 개선하고자 한 통내분사 엔진이 알려져 있다. 이러한 종류의 엔진에서는, 산소과잉 분위기에서 NOx를 흡장(吸藏)하고 산소농도가 감소함에 따라 NOx를 방출하는 린 NOx촉매를 배기통로에 설치하여, 이 린 NOx촉매로 린운전시에도 NOx를 정화하고 있다.

이러한 린 NOx촉매를 구비한 경우에는, 그 NOx 흡장량이 증가했을 때 린 NOx촉매로부터 NOx를 방출시켜 리프레쉬(refresh)할 필요가 있다. 그러므로, 예를 들면 린 운전상태가 장시간 지속되는 경우에는 정기적으로 소정시간만큼 공연비(空燃比)를 이론공연비 이하로 변경함으로써, 촉매의 리프레쉬(「촉매에 흡장된 NOx를 떼내는 것」을 의미한다.)를 도모하고 있다. 촉매의 리프레쉬시에는 NOx의 이탈반응이 일어나기 쉽게함과 동시에 이탈한 NOx를 그대로 배출시키지 않도록 환원할 필요가 있고, 이 때문에 분위기중에 CO 등의 환원재를 충분히 존재시킬 것이 요구된다.

이러한 린 NOx촉매의 리프레쉬를 위한 기술로는, 예를 들면 일본 특허공개공보 평10-274085호에 개시되어 있는 바와 같이, 촉매 리프레쉬시에 성층연소를 위한 주분사를 행하는 이외에 팽창행정 중에 추가분사를 행하도록 한 것이 알려져 있다.

상기 공보에 도시된 바와 같은 종래장치에서는, 촉매 리프레쉬시에 팽창행정중 추가분사를 행함으로써 배기중의 CO가 증가하고 린 NOx촉매로부터의 NOx의 이탈 및 그 NOx의 환원이 촉진된다. 그러나, 엔진의 요구 토크(torque)에 적합한 분사량의 주분사에 팽창행정중의 추가분사가 행해지고, 이 추가분사에 의한 연료는 오로지 린 NOx촉매로부터의 NOx의 이탈, 환원을 위한 CO생성에 이용될 뿐이므로, 연비가 악화되기 쉬운 문제가 있다.

본 발명은 상기의 사정에 감안하여 이루어진 것으로서, NOx를 흡장한 린 NOx촉매의 리프레쉬를 효과적으로 행할 수 있고, 특히 연비악화를 억제하면서 리프레쉬 효과를 높일 수 있는 통내분사식 엔진의 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 장치의 일 실시예를 도시한 전체 개략도,

도 2는 ECU의 기능적 구성을 도시한 그래프도,

도 3은 운전모드의 영역설정을 나타낸 설명도,

도 4는 연료분사량 등의 연산시에 이용하는 운전모드의 설정을 도시한 설명도,

도 5는 도 2중의 촉매 리프레쉬용의 제어에 관한 부분을 추출하여 도시한 그래프,

도 6은 연료분사의 타이밍을 나타낸 설명도,

도 7은 촉매 리프레쉬 제어의 구체예를 나타낸 타임 챠트,

도 8은 촉매 리프레쉬 제어시의 NOx 배출량을 나타낸 그래프,

도 9는 분할분사에서의 후기측 분사 타이밍을 여러번 바꾸어 가면서, Pi 변동율, 연비, 엔진 본체로부터 배출된 CO량 및 NOx량을 조사한 데이터를 나타낸 그래프,

도 10은 실시형태에 의한 촉매 리프레쉬 제어의 예를 나타낸 타임 챠트이다.

〈부호의 설명〉

10 : 엔진 본체 15 : 연소실

22 : 인젝터 26 : 에어플로우 센서

36 : 린 NOx 촉매 38 : EGR 밸브

50 : ECU 58 : EGR 밸브 제어수단

67 : 분사 제어수단 70 : 점화시기 제어수단

71 : 제어수단

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 연소실에 직접 연료를 분사하는 인젝터를 구비하고, 엔진의 저부하 영역에서 공연비를 이론공연비보다도 크게 하여 린운전을 행하도록 함과 동시에, 엔진의 배기통로에 산소과잉 분위기에서 NOx를 흡장하여 산소농도가 감소하는 데에 따라 NOx를 방출하는 린 NOx촉매를 구비한 통내분사식 엔진에서, 이론공연비보다도 큰 공연비와 대략의 이론공연비 또는 그 이하의 공연비에 걸쳐 공연비를 변경하는 공연비 변경수단과, 이론공연비보다 큰 공연비로부터 대략의 이론공연비 또는 그 이하의 공연비로 공연비 변경이 행해졌을 때, 촉매 리프레쉬 제어로서 상기 인젝터로부터의 연료분사를 흡기행정 기간내에 분사개시하는 선분사와 압축행정중기의 기간내에 분사개시하는 후분사의 적어도 2회로 분할하여 행하는 제어수단을 구비한 통내분사식 엔진의 제어장치를 제공한다.

본 발명의 제어장치에 의하면, 린 공연비로부터 리치측으로의 공연비 변경이 행해질 때에 촉매 리프레쉬 제어가 행해져, 이 촉매 리프레쉬 제어시에 대략의 이론공연비 또는 그 이하의 공연비로 됨과 동시에 흡기행정과 압축행정중기의 분할분사가 행해짐으로써, 연소안정성이 확보되면서 배기중의 CO의 양이 증가하여, 린 NOx촉매로부터의 NOx의 이탈 및 환원이 촉진된다. 이 경우, 대폭의 공연비 리치화를 행하지 않고 이론공연비에 비교적 가까운 공연비로 해도 CO가 충분히 생성되어 NOx의 이탈 및 환원이 촉진된다.

또한, 본 발명은 연소실에 직접 연료를 분사하는 인젝터를 구비하고, 엔진의 저부하 영역에서 공연비를 이론공연비보다도 크게 하여 린운전을 행하게 함과 동시에, 엔진의 배기통로에 산소과잉 분위기에서 NOx를 흡장하여 산소농도가 감소하는 데에 따라 NOx를 방출하는 린 NOx촉매를 구비한 통내분사식 엔진에서, 이론공연비보다 큰 공연비와 대략의 이론공연비 또는 그 이하의 공연비에 걸쳐 공연비를 변경하는 공연비 변경수단과, 배기가스의 일부를 흡기계에 환류시키는 배기환류수단과, 이론공연비보다 큰 공연비로부터 대략의 이론공연비 또는 그 이하의 공연비로의 공연비 변경이 행해졌을 때, 촉매 리프레쉬 제어로서 상기 인젝터로부터의 연료분사를 흡기행정기간내에 분사개시하는 선분사와 압축행정기간내에 분사개시하는 후분사의 적어도 2회로 분할하여 행함과 동시에, 상기 배기환류수단에 의한 배기환류를 행하는 제어수단을 구비한 통내분사식 엔진의 제어장치를 제공한다.

이 제어장치에서는 촉매 리프레쉬 제어에서의 후분사를 압축행정중기의 기간내에 분사개시시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 제어장치에 의하면, 린공연비로부터 리치측으로의 공연비 변경이 행해졌을 때 촉매 리프레쉬 제어가 행해져 이 촉매 리프레쉬 제어시에 대략 이론공연비 또는 그 이하의 공연비로 됨과 동시에, 흡기행정과 압축행정의 분할분사가 행해짐으로써 연소안정성이 확보되면서 배기중의 CO량이 증가함과 동시에, 배기환류에 의해 엔진으로부터의 NOx배출량이 감소한다. 따라서, 촉매 리프레쉬시에 린 NOx촉매로부터 방출된 NOx와 배기가스중의 NOx를 가한 NOx량에 대해서 CO량이 상대적으로 많아져, 이에 따라 NOx의 이탈 및 환원이 촉진된다.

또한, 본 발명은 전술한 제어장치에서, 상기 촉매 리프레쉬 제어에서의 선분사는 흡기행정 전반(前半)의 시기내에 분사개시시키는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 선분사에 의한 분사연료가 충분히 확산됨과 동시에 그 기화, 무화(霧化)가 촉진됨으로써 연소안정성이 높아진다.

또, 촉매 리프레쉬 제어에서의 선분사의 분사량을 전분사량의 1/4이상으로 해도 된다. 이렇게 하면, 선분사에 의한 연료가 유효하게 연소에 기여한다.

특히, 상기 촉매 리프레쉬 제어에서의 선분사의 분사량과 후분사의 분사량을 대략 동등하게 하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 선분사에 의한 연소안정성, 후분사에 의한 CO의 증가 등의 작용이 양호하게 얻어진다. 또, 연료공급량이 작은 극저부하영역에서는 분할된 분사량이 제어가능한 최소분사량(최소 펄스폭)에 가깝기 때문에, 선분사와 후분사의 양이 다르면 작은 쪽의 분사량이 최소분사량을 하회하는 개념이 있지만, 분사량을 같게 해 두면 이러한 사태를 피할 수 있다.

또한 본 발명은 전술한 제어장치에서, 린운전을 하는 운전영역보다 고부하측의 운전영역에서 공연비를 대략의 이론공연비 또는 그 이하로 하여, 운전상태의 변화에 따라 공연비를 변경하도록 공연비 변경수단을 구성하는 경우에, 린운전을 하는 운전영역으로부터 대략의 이론공연비 또는 그 이하의 공연비로 하는 운전영역으로 이행했을 때 촉매 리프레쉬 제어를 행하도록 하는 것이 바람직하다.

이렇게 하면, 엑셀러레이터(accelerator) 개도의 변화 등에 의해 린운전을 행하는 운전영역으로부터 대략의 이론공연비 또는 그 이하의 운전영역으로 이행할 때에, 효과적으로 촉매의 리프레쉬가 행해진다.

이 경우, 린운전을 행하는 운전영역으로부터 대략의 이론공연비 또는 그 이하의 공연비로 하는 운전영역으로 이행했을 때, 흡기행정기간내에 분사개시하는 선분사와 압축행정기간내에 분사개시하는 후분사로 이루어진 흡기·압축분할분사를 소정시간 행한 후, 흡기행정기간내에 연료분사를 분할하여 행하게 해도 좋다.

이렇게 하면, 흡기·압축 분할분사에 의해 촉매의 리프레쉬가 상당히 진행하여, NOx의 이탈 및 환원에 필요한 CO량을 어느 정도 작게 할 수 있는 상태가 되었을 때, 흡기행정기간내에서의 분할분사로 변화됨으로써 연비 등에 유리한 상태가 된다.

또한, 전술한 제어장치에서, 린운전중에 린 NOx촉매의 NOx 흡장량이 소정값 이상이 되는 상태가 되었을 때, 대략 이론 공연비 또는 그 이하로 공연비를 변경하여 리프레쉬를 제어하도록 해도 된다.

이렇게 하면, 린운전이 장시간 지속되는 경우에서도 촉매의 리프레쉬가 효과적으로 행해진다.

이 경우에, 린운전중에 린 NOx촉매의 NOx 흡장량이 소정값 이상이 되는 상태가 되었을 때, 대략의 이론공연비 또는 그 이하로 공연비를 변경함과 동시에, 흡기행정기간내에 분사개시하는 선분사와 압축행정기간내에 분사개시하는 후분사로 이루어진 흡기·압축분할분사를 제1 설정시간만큼 행하게 한 후, 흡기행정기간내의 일괄분사 또는 분할분사를 제2 설정시간만큼 행하고 나서 린운전에 복귀하도록 해도 좋다.

이렇게 하면, 흡기·압축분할분사에 의해 촉매의 리프레쉬가 상당히 진행되어 NOx의 이탈 및 환원에 필요한 CO량을 어느 정도 작게 할 수 있는 상태가 되었을 때, 흡기행정기간내의 일괄분사 또는 분할분사로 변함으로써 연비 등에 유리한 상태가 된다.

또한 본 발명은, 연소실에 직접연료를 분사하는 인젝터를 구비하여, 엔진의 저부하영역에서 공연비를 이론공연비보다도 크게 하여 린운전을 행하게 함과 동시에, 엔진의 배기통로에 산소과잉 분위기에서 NOx를 흡장하여 산소농도가 감소하는데 따라 NOx를 방출하는 린 NOx촉매를 구비한 통내분사식 엔진에서, 이론공연비보다 큰 공연비와 대략의 이론공연비 또는 그 이하의 공연비에 걸쳐 공연비를 변경하는 공연비 변경수단과, 이론공연비보다 큰 공연비로부터 대략의 이론공연비 또는 그 이하의 공연비로 공연비가 변경되었을 때, 촉매 리프레쉬 제어로서 상기 인젝터로부터의 연료분사를 흡기행정기간내에 분사개시하는 선분사와 압축행정기간내에 분사개시하는 후분사의 적어도 2회로 분할하여 행함과 동시에, 엔진의 점화시기를 MBT보다 지연(리터드:retard)시키는 제어수단을 구비한 통내분사식 엔진의 제어장치를 제공한다..

또한, 이러한 제어장치에서는, 촉매 리플레쉬 제어에서의 후분사를 압축행정중기의 기간내에 분사개시시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 장치에 의하면, 린공연비로부터 리치측으로의 공연비 변경이 행해졌을 때에 촉매 리프레쉬 제어가 행해지고, 이 촉매 리프레쉬 제어시에 대략의 이론공연비 또는 그 이하의 공연비가 됨과 동시에 흡기행정과 압축행정의 분할분사가 행해짐으로써, 연소안정성이 확보되면서 배기중의 CO량이 증가함과 동시에 점등시기의 지연에 의해 엔진으로부터의 NOx배출량이 감소한다. 이 때문에, 촉매 리프레쉬시에 린 NOx촉매로부터 방출된 NOx과 배기가스중의 NOx를 가한 NOx량에 비해서 CO량이 상대적으로 많아져, 이에 따라 NOx의 이탈 및 환원이 촉진된다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명이 적용된 통내분사식 엔진의 전체구조를 개략적으로 도시한 것이다. 본 도면에서, 엔진 본체(10)는 다수의 기통(12)을 가지고, 각 기통(12)에는 그 실린더 보어에 삽입된 피스톤(14)의 윗쪽에 연소실(15)이 형성되어 있고, 이 연소실(15)에는 흡기 포트 및 배기 포트가 개구되고, 이들의 포트는 흡기 밸브(17) 및 배기 밸브(18)에 의해 각각 개폐되도록 되어 있다.

상기 연소실(15)의 중앙부에는 점화 플러그(20)가 배설되고, 그 플러그 선단은 연소실(15)내를 향하고 있다. 또, 연소실(15) 내에는 측방으로부터 인젝터(22)의 선단부를 향하여, 이 인젝터(22)로부터 연소실(15)내로 연료가 직접 분사되도록 되어 있다. 상기 인젝터(22)에는 도면 밖의 고압연료 펌프, 압력조절기(pressure regulator)등을 구비한 연료회로가 접속되어 각 기통의 인젝터(22)로 연료가 공급됨과 동시에, 그 연압(燃壓)이 압축행정에서의 통내압력보다도 높은 소정 압력이 되도록 연료회로가 구성되어 있다.

상기 엔진 본체(10)에는 흡기통로(24) 및 배기통로(34)가 접속되어 있다. 상기 흡기통로(24)에는 그 상류측으로부터 순서대로 에어 클리너(25), 흡입공기량 검출수단으로서의 에어플로우 센서(26), 모터(27)에 의해 구동된 스로틀 밸브(throttle valve)(28) 및 서지 탱크(surge tank)(30)가 설치되어 있고, 상기 스로틀 밸브(28) 및 이것을 구동하는 모터(27)에 의해 흡입 공기량 조절수단이 구성된다.

서지 탱크(30)의 하류에는 기통별로 독립흡기통로가 설치되고, 각 독립흡기통로는 흡기포트에 이어져 통하고 있다. 상기 실시형태에서는 각 독립흡기통로의 하류측 부분은 제1, 제2 통로(31a, 31b)로 분기되고, 그 하류의 두 개의 흡기포트는 연소실에 개구함과 동시에, 제2 통로(31b)에 소용돌이(swirl) 생성용의 제어밸브(32)(이하, S밸브(32)로 부르기로 한다)가 설치되어 있다.

상기 S밸브(32)는 엑츄에이터(33)에 의해 구동되어 개폐작동하는 것으로, 이 S밸브(32)에 의해 제2 통로(31b)가 닫힐 때는 제1 통로(31a)를 통하는 흡기에 의해 연소실(15)내에 소용돌이가 생성되고, S밸브(32)가 열림에 따라 소용돌이가 약해지게 된다.

또, 상기 배기통로(34)에는 배기가스정화를 위해 삼원 촉매(35)와 린 NOx촉매(36)가 배설되어 있다. 상기 삼원촉매(35)는 일반적으로 알려져 있는 바와 같이, 이론공연비 및 이것에 가까운 공연비로 HC, CO 및 NOx에 대해 높은 정화성능을 가지는 것이다.

또, 상기 린 NOx촉매(36)는 공연비가 이론공연비보다도 높은 린운전상태에서도 NOx정화성능을 가지는 것으로서, 산소과잉 분위기에서 배기가스중의 NOx을 흡장하여 공연비가 리치측으로 변화하여 산소농도가 저하했을 때, 흡장하고 있던 NOx를 방출함과 동시에, 분위기 중에 존재하는 CO 등의 환원재에 의해 NOx를 환원시키도록 되어 있다.

보다 상세히 설명하면, 상기 린 NOx촉매(36)는 근청석(cordierite) 벌집형 구조체 등으로 이루어진 담체위에 NOx 흡장재층과 촉매재층이 전자를 아래(내측), 후자를 위(외측)으로 하여 층상으로 형성된 것이다. 상기 NOx 흡장재층은 비표면적이 큰 활성 알루미나에 Pt성분과 NOx 흡장재로서의 Ba성분을 담지시킨 것을 주성분으로 구성된다. 또, 촉매재층은 제올라이트를 담지모재로 하고, 이것에 Pt성분 및 Rh성분을 담지시켜 이루어진 촉매재를 주성분으로 구성되어 있다. 또, 상기 촉매재층상에 산화세륨(ceria)층을 형성해도 된다.

또, 배기통로(34)와 흡기통로(24)의 사이에는, 배기가스의 일부를 흡기계로 환류시키는 EGR 장치(배기환류수단)이 설치되고, 이 EGR 장치는 배기통로(34)와 흡기통로(24)를 접속하는 EGR 통로(37)와 이 EGR 통로(37)에 설치된 EGR 밸브(38)를 구비하고 있다. 상기 EGR 밸브(38)는 엑츄에이터(39)(도 5 참조)에 의해 구동되어 개폐작동하도록 되어 있다.

이 엔진에는 상기 에어플로우 센서(26) 외에, 서지 탱크(30) 내의 흡기부압을 검출하는 부스트(boost) 센서(40), 스로틀 개도를 검출하는 스로틀 개도센서(41), 엔진회전수를 검출하는 회전수 센서(42), 엑셀러레이터 개도(엑셀러레이터 조작량)을 검출하는 엑셀러레이터 개도센서(43), 흡기온을 검출하는 흡기온 센서(44), 대기압을 검출하는 대기압 센서(45), 엔진 냉각수온을 검출하는 수온 센서(46), 배기가스중의 산소농도의 검출에 의해 공연비를 검출하는 O₂센서(47), EGR밸브의 리프트량을 검출하는 EGR 밸브 리프트 센서(48), 인젝터(22)에 가해진 연료의 연압을 검출하는 연압센서(49) 등의 센서류가 장비되고, 이들 센서의 출력신호(검출신호)는 ECU(조절 유닛)(50)에 입력되어 있다.

상기 ECU(50)는 인젝터(22)로부터의 연료분사량 및 분사 타이밍을 제어함과 동시에, 스로틀 밸브(28)를 구동하는 모터(27)에 제어신호를 출력함으로써 스로틀 밸브(28)의 제어를 행하고, 또 점화회로(21)에 제어신호를 출력함으로써 점화시기를 제어하고, 또 엑츄에이터(39)에 제어신호를 출력함으로써 EGR 밸브(38)도 제어하게 되어 있다. 또, 그 외에 S밸브(32)의 제어 등도 상기 ECU(50)에 의해 행해진다.

상기 실시예의 통내분사식 엔진의 기본적인 제어로는 상기 인젝터(22)로부터의 연료분사시기 및 공연비 등이 다른 각종 운전모드를 선택할 수 있게 되어, 운전영역에 따라 운전모드가 변경되도록 되어 있다.

구체적으로는 후에도 설명하는 바와 같이, 저부하 저회전측의 소정영역은 성층 연소영역, 그 이외의 영역은 균일연소영역이 된다(도 3참조). 그리고, 성층연소영역에서는 상기 인젝터(22)로부터 압축행정의 후기에 연료가 분사됨으로써, 점화 플러그(20) 부근에 혼합기체가 편재하는 성층상태에서 연소가 행해지도록 성층연소 모드가 되고, 이 경우 스로틀 밸브(28)의 개도가 커져 흡입공기량이 많아짐으로써 연소실 전체의 공연비로서는 대폭의 린상태(예를 들면, 30이상)가 된다. 한 편, 균일연소영역에서는 상기 인젝터(22)로부터 흡기행정의 전기에 연료분사가 개시됨으로써, 연소실(15) 전체에 균일하게 혼합기체가 확산하는 상태에서 연소가 행해지는 균일연소모드가 된다. 이 균일연소에서는 공기과잉율(λ)이 λ=1, 즉 이론공연비(A/F=14.7)가 된다.

도 2는 상기 ECU(50)에 기능적으로 함유된 수단의 구성을 도시하고 있다. 상기 ECU(50)는 흡기온 센서(44) 및 대기압 센서(45)로부터의 신호에 따라 흡기밀도상태를 검출하는 흡기밀도상태 검출수단(51)을 가짐과 동시에, 엑셀러레이터 개도 센서(43) 및 엔진 회전수 센서(42)로부터의 신호에 따라 상기 흡기밀도상태를 가미하여 목표부하에 상당하는 값을 설정하는 목표부하 설정수단(52)을 가지고 있다.

상기 목표부하 설정수단(52)은 엑셀러레이터 개도(accel) 및 엔진 회전수(ne)에 따라 맵(map)에서 구한 가상체적 효율과, 상기 흡기밀도상태에서 공연비를 이론공연비로 유지하는 표준운전조건을 상정한 경우의 요구엔진토크에 적합한 충전효율(充塡效率)을 가상충전효율로 구하고, 이 가상충전효율로부터 이것에 대응한 값인 목표도시 평균유효압력을 구하여 이것을 목표부하로 한다.

또, 상기 가상체적효율은 표준대기상태하에서 그리고 공연비를 이론공연비로 유지한 표준운전조건하에서 요구되는 출력성능이 얻어지는 체적효율로서, 미리 벤치 테스트(bench test) 등에 의해 엑셀러레이터 개도 및 엔진 회전수와 가상체적효율의 대응관계가 정해져, 맵으로서 ECU(50)내의 메모리에 기억되어 있다.

또, 상기 목표부하 설정수단(52)에서 가상충전효율로부터 목표도시 평균유효압력을 구할 때, 소정 계산으로 제1 목표도시 평균유효압력(Piobj)을 구하는 한 편, 가상충전효율에 어닐링(anneal)처리를 하여, 이 어닐링 처리후의 가상충전효율로부터 제2 목표도시 평균유효압력(piobj)을 구하게 되어 있다.

ECU(50)는 또 기본적인 운전모드(mods)를 설정하는 운전모드 설정수단(53)을 가지고, 이 운전모드 설정수단(53)은 제1 목표도시 평균유효압력(Piobj)과 엔진 회전수(ne)에 따라 기본적인 운전모드(mods)를 설정한다. 즉, 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 목표도시 평균유효압력(Piobj)은 소정 저부하측 임계치보다 낮고, 또 엔진 회전수가 낮은 영역(성층연소영역)에서는 성층연소 모드로 하고, 이 영역보다 부하측 및 고회전측의 영역(균일연소영역)에서는 λ=1의 균일연소모드(이하, 스토이키오 모드(Stoichiometric Mode)라 부른다)라고 한다. 또, 균일연소영역 중, 엑셀러레이터 한계나 그 부근의 고부하역 및 고회전역에서는 공연비를 이론공연비보다도 리치(λ<1)로 설정해도 된다.

또, ECU(50)는 엔진출력에 관계하는 각종제어 파라미터값을 목표부하 등에 따라 결정한다. 상기 실시예에서는 스로틀 밸브(28)에서 조절된 흡입 공기량, EGR 밸브(38)에서 조절된 EGR량, S밸브(32)에서 조절된 소용돌이, 인젝터(22)로부터의 연료분사량, 연료분사시기 및 점화플러그(20)의 점화시기가 제어 파라미터로 되고, 이들 제어 파라미터의 값은 목표부하 및 엔진회전수(ne) 등에 따라 결정된다. 이 경우,제어 파라미터 중의 저속응답계의 제어값을 결정하기 위한 목표부하로는 제1 목표도시 평균유효압력(Piobj)이 이용되고, 고속응답계의 제어값을 결정하기 위한 목표부하로는 제2 목표도시 평균유효압력(Piobj)이 이용된다.

즉, 상기 각 제어파라미터 중에서 흡입공기량, EGR량 및 소용돌이는 각각 스로틀 밸브(28), EGR밸브(38) 및 S밸브(32)의 작동에 대한 응답성이 비교적 낮은 저속응답계로서, 이들의 제어량인 스로틀 개도(tvoobj), EGR 밸브(38)의 제어량(egrobj) 및 S 밸브(32)의 개도는 제1 목표도시 평균유효압력(Piobj)과 엔진 회전수(ne) 등에 따라 결정된다. 한편, 연료분사량, 연료분사시기 및 점화시기는 제어신호에 신속하게 응답하는 고속응답계로서, 이들 연료분사량, 연료분사시기 및 점화시기는 제2 목표도시 평균유효압력(Piobj)과 엔진 회전수(ne) 등에 따라 결정되게 된다.

구체적으로 설명하면, 흡입공기량 제어를 위한 수단으로는 목표공연비 설정수단(54), 목표충전효율 연산수단(55) 및 스로틀 개도연산수단(56)을 가지고 있다. 상기 목표공연비 설정수단(54)은 흡입공기량 제어용의 목표공연비(afwb)를 상기 운전모드 설정수단(53)에서 설정된 운전모드별로 설정하는 것으로, 성층연소모드에서는 제1 목표도시 평균유효압력(piobj)과 엔진 회전수(ne)에 따라 미리 작성된 맵으로부터 목표공연비(afwb)를 구하고, 또 스토이키오 모드에서는 목표공연비(afwb)를 이론공연비로 하도록 되어 있다.

상기 목표충전효율 연산수단(55)은 가상충전효율(ceimg)과 상기 목표공연비(afwb)로부터 목표충전효율(ceobj)을 구한다. 이 경우, 린운전시에는 목표공연비의 공기과잉율분(afwb/14.7)과 연비개선효과분을 가미하여 목표충전효율을 구한다. 즉, 상기 가상충전효율(ceimg)은 이론공연비로 운전되는 상태를 상정한 목표부하에 상당하는 값이고, 이에 대해 린운전시에 동등한 연료분사량을 확보하는 데는 상기 공기과잉분을 가미할 필요가 있지만, 이렇게 하면 린운전시는 열효율이 높아져 연비가 개선되므로, 그만큼 토크가 이론공연비의 경우에 비해 높아지게 된다. 따라서, 목표부하에 대응하는 토크를 얻기 위해, 상기 공기과잉율분에 적합한 정도로 목표충전율을 감소방향으로 보정한다.

스로틀 개도 연산수단(56)은, 상기 목표충전효율로부터 흡기밀도보정을 가미하여 목표체적효율을 구하여, 이 목표체적효율 및 엔진 회전수(ne)에 따라 스로틀 개도를 결정한다. 이 때, 체적효율 및 엔진회전수와 스로틀 개도의 대응관계는, EGR이 있는 경우와 없는 경우에서 다르기 때문에, 그 각 경우에 대해서 각각 상기 대응관계를 도시한 맵을 미리 작성하고, EGR 판별수단(56c)에 의한 EGR 유무의 판별결과에 따라 둘 중 하나의 맵으로부터 목표체적효율에 따라 스로틀 개도를 구하도록 하면 된다.

EGR량 제어를 위한 수단으로서는 EGR밸브 기본제어량 설정수단(59) 및 EGR 밸브 제어량 연산수단(60)을 가지는 EGR밸브 제어수단(58)이 설치되어 있다. 상기 EGR 밸브 기본제어량 설정수단(59)은, EGR 밸브(38)의 기본제어량(pbase)을 상기 운전모드 설정수단(53)에서 설정된 운전모드(mods)별로 설정하는 것으로, 성층연소모드에서는 제1 목표도시 평균유효압력(Piobj)과 엔진 회전수(ne)에 따라 미리 작성된 맵으로부터 기본제어량(pbase)를 구하고, 스토이키오 모드에서는 에어플로우 센서(26)의 출력에 따라 구해진 실충전효율(ce)과 엔진 회전수(ne)에 따라 미리 작성된 맵으로부터 기본제어량을 구하게 되어 있다.

또, EGR밸브 제어량 연산수단(60)은 상기 기본제어량에 대해 각종 보정을 가미하여 최종적인 EGR밸브 제어량을 구한다.

S밸브 개도제어를 위한 수단으로는 S밸브 개도 설정수단(61)을 가지고 있다. 이 S밸브 개도설정수단(61)은, S밸브 개도를 상기 운전모드 설정수단(53)에서 설정된 운전모드(mods)별로 각 모드에서 요구된 소용돌이가 얻어지도록 설정하는 것으로서, 성층연소모드에서는 제1 목표도시 평균유효압력(Piobj)과 엔진 회전수(ne)에 따라 미리 작성되어 있는 맵으로부터 S밸브 개도(scvobj)를 구하고, 스토이키오 므도에서는 실충전효율(ce)과 엔진 회전수(ne)에 따라 미리 작성된 맵으로부터 S밸브 개도(scvobj)를 구하게 되어 있다.

인젝터(22)로부터의 연료분사를 제어하는 수단으로는, 목표공연비 작성수단(62), 운전모드 설정수단(63), 분할비 설정수단(64), 분사량 연산수단(65), 분사시기 설정수단(66) 및 분사제어수단(67)을 가진다.

상기 목표공연비 작성수단(62)은 연료분사량 등의 제어에 이용하는 목표공연비를 구하는 것으로, 주로 과도한 경우에 이용되는 목표공연비(afw0)와, 주로 정상시에 이용되는 목표공연비(afwbd)를 구함과 동시에, 이들 목표공연비(afw0,afwbd) 중 어느 하나를 선택하여 최종적인 목표공연비(afwb)를 결정한다.

주로 과도한 경우 이용되는 목표공연비(afw0)는, 실충전효율하에서 목표부하에 대응하는 토크가 얻어지도록, 제2 목표도시 평균유효압력(Piobjd) 또는 이것에 대응하는 가상충전효율과 실충전효율(ce)에 따라 연비개선효과분을 가미하여 구해진다. 한편, 주로 정상시에 이용되는 목표공연비(afwbd)는, 성층연소모드에서는 제2 목표도시 평균효율압력(Piobjd)과 엔진 회전수(ne)에 따라 미리 작성된 맵으로부터 구해지고, 스토이키오 모드에서는 이론공연비(λ=1)가 된다.

그리고, 목표공연비 작성수단(62)은, 흡입공기량 제어용의 목표공연비(afwb)와 상기와 같이 연산된 목표공연비(afw0)의 편차(dafwb)를 연산하여, 그 편차(dafwb)가 커지는 과도시에는 목표공연비(afw0)를 최종적인 목표공연비(afw)로 하고, 편차(dafwb)가 작은 정상시에는 목표공연비(afwbd)를 최종적인 목표공연비(afw)로 하도록 되어 있다.

이 목표공연비 작성수단(62) 및 상기 목표공연비 설정수단(54)에 의해 이론공연비보다 큰 공연비와, 대략 이론공연비 또는 그 이하의 공연비에 걸쳐 공연비를 변경하는 공연비 변경수단이 구성되어 있다.

운전모드 설정수단(63)은, 고속계의 제어 파라미터를 결정하기 위해 이용하는 운전모드(modf)를 연료분사량 등 제어용의 목표공연비(afw0)에 따라서 예를 들면, 도 4와 같이 설정한다. 즉, 상기 목표공연비(afw0)가 성층연소 하한측 기준값(예를 들면, 19정도)보다도 큰 값이 될 때는 성층연소 모드로 하고, 그 이하의 값이 될 때는 스토이키오 모드로 한다.

분할비 설정수단(64)은 운전모드 설정수단(63)에 의해 설정된 운전모드(modf)에 따라 흡기행정분사와 압축행정분사의 분할비를 설정하는 것으로서, 성층연소 모드에서는 흡기행정 분사비율을 0%(압축행정 분사비율을 100%)로 하고, 스토이키오 모드에서는 흡기행정 분사비율을 100%(압축행정 분사비율을 0%)로 한다. 또, 후술하는 분할분사가 행해지는 때는, 그에 따라 분사비율을 설정한다.

분사량 연산수단(65)은, 에어플로우 센서(26)의 출력으로부터 구해진 실충전효율(ce)과, 목표공연비 작성수단(62)에 의해 구해진 목표공연비(afw)와, 분할비 설정수단(64)에 의해 설정된 분사비율에 따라 연료분사량을 연산한다. 이 경우, 먼저 실충전효율(ce) 및 목표공연비(afw)에 따른 기본분사량(분할분사를 하는 경우는 그 각 분사의 기본분사량)을 연산하고, 또 연압에 따른 보정값 및 그 외의 각종 보정값을 가미하여 최종분사량을 연산하여, 그 최종분사량에 비례한 분사 펄스폭을 구했다.

분사시기 설정수단(66)은, 연료분사시기(thtinj)를 상기 운전모드 설정수단(63)에서 설정된 운전모드별로 설정하는 것으로, 성층연소모드에서는 제2 목표도시 평균유효압력(Piobjd)와 엔진 회전수(ne)에 따라 미리 작성된 맵으로부터 압축행정 분사용의 분사시기를 구하고, 스토이키오 모드에서는 엔진회전수(ne)에 따라 미리 작성된 테이블로부터 흡기행정 분사용의 분사시기를 구한다.

상기 분사제어수단(67)은 상기 분사시기 설정수단(66)에 의해 설정된 분사시기에 상기 분사량 연산수단에 의해 연산된 분사펄스폭(Ti)에 상당하는 시간만큼 인젝터(22)를 작동시키도록 분사펄스를 출력한다.

또, 점화시기를 제어하는 수단으로는 기본점화시기 및 보정량을 설정하는 설정수단(68)과, 점화시기 연산수단(69)을 가지는 점화시기 제어수단(70)이 설치되어 있다.

상기 설정수단(68)은 상기 운전모드 설정수단(63)에서 설정된 운전모드(modf)별로 기본점화시기나 각종 점화시기 보정값을 설정하고, 상기 점화시기 연산수단(69)은 상기 설정수단(68)에서 설정된 기본분사량 및 각종 보정값으로부터 점화시기를 구하도록 되어 있다.

또, ECU(50)에는 상기 각 수단에 더하여, 촉매 리프레쉬 제어를 위한 제어수단(71)이 설치되어 있다.

이 제어수단(71)은, 도 5에도 도시한 바와 같이 운전모드 설정수단(63)에 의한 설정에 따라 성층연소 모드로부터 스토이키오 모드로 전환되었을 때, 다음과 같이 분할비 설정수단(64), 분사량 연산수단(65), 분사시기 설정수단(66) 등을 통해 촉매 리프레쉬를 위한 연료분사의 제어를 행함과 동시에, EGR 제어수단(58)의 제어를 행하게 되어 있다.

즉, 촉매 리프레쉬 제어로서 스토이키오 모드로 전환되면서부터 소정시간만큼 상기 인젝터(22)로부터의 연료분사를 흡기행정기간내의 선분사와 압축행정기간내의 후분사의 적어도 2회로 분할하여 행한다. 이 때, 도 6에 도시한 바와 같이, 선분사를 흡기행정의 전반, 후반 중의 전반(흡기상사점으로부터 흡기상사점후 90°까지)의 기간내에 개시시킴과 동시에, 후분사를 압축행정의 전기, 중기, 후기 중의 중기(압축상사점 전 120°로부터 압축상사점 전 60°까지)의 기간내에 개시시키도록, 상기 각 분사의 분사시기를 설정한다. 또, 선분사의 분사량을 전분사량의 1/4이상으로 하고, 바람직하게는 선분사의 분사량과 후분사의 분사량을 대략 같아지게 각 분사의 분사비율을 설정한다. 또, 공연비를 대략 이론공연비나 이보다 다소 커지도록 분사량을 조정한다.

또, 제어수단(71)은 촉매 리프레쉬 제어시에 EGR을 행하도록 EGR 밸브제어수단(58)을 제어한다. 즉, 성층연소모드에서는 비교적 다량의 EGR이 행해지게 되지만, 촉매 리프레쉬 제어시에도 EGR이 계속하여 행해진다. 단, 연소안정성이 손상되지 않을 정도로 EGR량은 조정된다.

또, 제어수단(71)은 촉매 리프레쉬 제어시에, 또 점화시기를 MBT보다 지연시키도록 점화시기 제어수단(70)을 제어해도 좋다.

도 7은 상기 제어수단(71)에 의한 촉매 리프레쉬 제어의 구체예를 타임 챠트로 도시하고 있다.

본 도면와 같이, 엑셀러레이터 개도변화에 따른 목표부하의 변화 등에 의해 성층연소 모드로부터 균일연소의 스토이키오 모드로 이행할 때, 먼저 운전모드 설정수단(53)에 의해 설정된 운전모드(mods)가 이행한 시점(t1)으로부터 흡입공기량의 조정에 의해 공연비를 변경하도록 스로틀 개도가 작아지는 방향으로 제어되고, 그것에 대해 어느 정도의 응답이 지연되어 흡입공기량이 감소방향으로 변화한다. 그리고, 목표공연비 작성수단(62)에 의한 흡입공기량 등에 따른 분사량 등 제어용의 목표공연비의 연산 및 그에 따른 연료분사량의 제어에 의해, 실제의 공연비가 차례로 리치방향으로 변화하여 그 공연비가 소정값 α(예를 들면, 19정도)까지 감소한 시점(t2)에서 운전모드 설정수단(53)에 의해 설정된 운전모드(modf)가 스토이키오 모드로 전환된다.

이 시점(t2)로부터 소정시간만큼 촉매 리프레쉬 제어로서 공연비가 이론공연비보다 약간 작은 값(예를 들면 14정도)으로 설정됨과 동시에, 인젝터(22)로부터의 연료분사가 흡기행정전반의 기간내에 분사개시하는 선분사와 압축행정중기의 기간내에 분사개시하는 후분사로 분할하여 행해진다.

또, 성층연소시는 내EGR성(EGR 도입상태에서의 연소안정성)이 높기 때문에 비교적 다량의 EGR이 도입되어 스토이키오 모드에서는 EGR량이 작아지게 되지만, 촉매 리프레쉬 제어시에는 어느 정도의 EGR량(성층연소시와 비교하면 작지만 스토이키오 모드와 비교하여 많은 양)이 확보된다. 또, 촉매 리프레쉬 제어가 행해지는 시점(t2)에서, 점화시기는 MBT(상기 분할분사가 행해진 상태에서의 MBT)보다 지연된다. 이 점화시기의 지연은 상기 시점(t2)에서 공연비가 이론공연비 이하까지 한 번에 변화하도록 연료분사량이 급증하는 것에 의한 토크의 급변화를 제어함과 동시에, 후술하는 바와 같이 NOx발생량을 감소시킴으로써 촉매 리프레쉬를 촉진하는 작용을 이루는 것이다.

촉매 리프레쉬 개시로부터 소정시간이 경과한 시점(t3) 이후는 스토이키오 모드에서의 제어로 인젝터(22)로부터의 연료분사가 흡기행정내에서 일괄분사 또는 분할분사로 됨과 동시에, 공연비가 이론공연비로 이행하여 점화시기가 MBT로 되돌아간다.

이상과 같은 상기 실시형태의 장치에 의한 촉매 리프레쉬 촉진 등의 작용, 효과를 도 8 및 도 9를 참조하여 설명한다.

린 NOx촉매(36)는 린공연비에서 배기가스중의 NOx를 흡장하여 공연비가 리치가 되었을 때 NOx를 방출하지만, 이 NOx방출시에 분위기중의 환원재가 NOx에 대해 부족하면 NOx는 충분히 환원되지 않고 촉매하류에 배출되어 버리기 때문에, 촉매 리프레쉬시의 NOx배출량을 저감하는 데는 촉매 분위기중에 충분히 환원재를 공급하여 NOx의 환원을 촉진한 것이 요구된다. NOx에 대한 환원재로서는 CO가 효과적이고, 린 NOx촉매(36)로 도입된 배기가스중의 CO량을 많게 하여 NOx량에 대한 CO량의 비율, 즉[(CO량)/(NOx량)]을 크게 할수록, 촉매하류로의 NOx배출량이 저감된다.

그러나, 린운전상태로부터 리치 운전상태로 이행한 직후의 NOx배출량(테일 파이프 부분에서의 배기가스중의 NOx농도)을, 리치 운전상태가 되었을 때 일괄분사를 한 경우와 상기 실시형태와 같이 분할분사를 한 경우에 대해 실험적으로 조사하여 도 8과 같은 결과를 얻었다. 이 도면에서, 선 A1∼A3은 모두 리치 이행직후에 연료분사를 흡기행정의 일괄분사로 한 것이고, 선 A1은 공연비를 14.4로 설정한 경우, 선 A2는 공연비를 13.8로 설정한 경우, 선 A3은 공연비를 12.8로 한 경우를 나타내고 있다. 선 B1은 공연비 이행직후에 공연비를 14.4로 설정하여 흡기행정, 압축행정의 분할분사를 행한 경우를 나타내고, 또 선 B2는 공연비 이행직후에 공연비를 14.4로 설정하여 상기 분할분사를 행하는 것에 더하여 EGR율 30%에서 EGR을 행한 경우를 나타내고 있다.

본 도면과 같이, 촉매 리프레쉬시에 흡기행정의 일괄분사로 했을 경우, 공연비가 14.4정도에서는 환원재로서의 CO가 충분히 얻어지지 않기 때문에 촉매하류로의 NOx배출량이 증가하여 NOx배출량을 충분히 감소시키는 데는 공연비를 대폭 리치시키지 않으면 안 된다. 이에 대해, 상기 분할분사를 한 경우는 공연비가 14.4정도에서도 상기 NOx배출량이 감소한다. 이것은 상기 분할분사를 행하면, 흡기행정분사의 연료는 연소실 전체로 분사되는 한 편, 압축행정분사에 의해 연소실 내의 혼합기 분포가 어느 정도 불균일하게 되는 것 등에 의해 연소성은 양호하게 유지되면서 배기중의 CO량이 증가하여, [(CO량)/(NOx량)]이 커지게 되기 때문이다. 또, 상기와 같은 분할분사를 행하는 것에 더하여 EGR을 행하면, 배기중의 NOx가 감소(더 나아가서는 촉매로부터 방출된 NOx와 배기가스중의 NOx를 가한 양이 감소)함으로써, [(CO량)/(NOx량)]이 보다 커지게 되기 때문에, NOx배출량은 더 감소한다.

도 9(a)∼(d)는 분할분사에서의 후기측 분사 타이밍(후분사의 분사개시 타이밍)을 여러번 바꾸면서 연소불안정성을 나타내는 Pi변동율(Picov), 연소(Be), 엔진 본체로부터 배출된 CO량 및 엔진 본체로부터 배출된 NOx량을 조사한 데이터를 나타내고, 분할분사에서의 선분사의 분사개시 타이밍은 흡기 상사점후 20°에서 고정되어 있다. 도 9(a)∼(d)의 각 그래프 중, 실선으로 도시한 각 데이터는 선분사와 후분사의 분할비율이 50% : 50%, 70% : 30%, 30% : 70%의 각 경우를 나타내고 있다. 또, 파선으로 나타낸 데이터는 분할비율을 50% : 50%로 함과 동시에 점화시기를 지연한 경우를 나타내고 있다.

또, 이들의 그래프에서 가로축은 압축 상사점을 기준으로 한 상사점전의 크랭크각(CA BTDC)을 나타내고, BTDC 360°은 흡기상사점, BTDC 180°은 하사점(BDC)이고 시간적으로는 가로축의 우측일수록 빠르고, 좌측일수록 늦은 시기가 된다.

본 도면에 도시한 바와 같이, 후기측 분사타이밍이 흡기행정의 비교적 빠른 시기(선분사에 가까운 시기)이면, 연소안정성 및 연비는 좋지만, 상기 촉매 리프레쉬시에 환원재가 되는 CO량이 작다. 흡기행정 후반으로부터 압축행정에 걸쳐서는 후기측 분사 타이밍이 늦어짐에 따라, Pi변동율 및 연비가 높아짐과 동시에 CO량이 증가한다. 이것은 후기측 분사 타이밍이 늦어지면 점화까지의 시간이 짧아져 연료의 분산 및 기화, 무화가 나빠지는 현상 때문인 것으로 추측된다.

후기측 분사 타이밍이 늦어짐에 따라 CO량이 증가하는 경향은 압축행정 후기까지 계속되지만, Pi변동율 및 연비는 압축행정의 중기에 낮아진다. 그 이유는 반드시 명확하지 않지만, 압축행정중기에는 피스톤의 이동속도가 빠르기 때문에 분사연료의 혼합이 이루어지기 쉬워지고, 또 압축행정전기와 같이 피스톤이 하강위치에 있는 경우는 분사연료가 실린더벽에 많이 부착하여 미연소 가스가 발생하기 쉬워지는 것에 대해 압축행정중기에는 분사연료가 고온의 피스톤 꼭대기 부분에 닿기 때문에 미연소 가스가 감소하는 등의 이유로 추측할 수 있다. 또, 압축행정중기에 CO량이 증가하는 것은 혼합 등이 촉진되기는 하지만 점화까지의 시간이 짧아지게됨으로써, 어느 정도는 혼합기체의 불균일 및 기화부족이 발생하는 것 등으로 추측할 수 있다.

후기측 분사 타이밍을 압축행정후기까지 지연시키면, 연료의 분산 및 기화, 무화가 악화됨으로써 다시 연소안정성 및 연비가 악화되는 경향이 발생한다.

상기와 같이, 후기측 분사 타이밍을 압축행정중기의 기간내에 분사개시하도록 설정하면, 연소안정성을 확보하고 또 연비를 좋게 하면서 촉매 리프레쉬시에 환원재가 되는 CO량을 많게 할 수 있다. 또, 연소안정성이 높아짐으로써 EGR을 비교적 많이 도입할 수 있고, 또 점화시기를 지연시킬 수 있어 이와 같이 EGR의 도입이나 점화시기의 지연을 행하면 배기중의 NOx가 저감된다.

따라서, 촉매 리프레쉬시에 [(CO량)/(NOx량)]을 크게하여, NOx환원작용을 높일 수 있게 된다.

분할분사에서의 분할비율은 도 9에 도시한 데이터에 의하면 50% : 50%, 70% : 30%, 30% : 70%의 어느 경우에서도 상기와 같은 효과를 얻을 수 있지만, 특히 선분사와 후분사를 대략 동일한 비율(50% : 50%)로 해 두면, 상기와 같은 효과를 양호하게 얻을 수 있다.

또, 상기의 도 7에 도시한 예에서는 모드이행시에 흡기·압축분할분사를 행하도록 하고 있지만, 흡기행정내의 분할분사를 행하도록 해도 좋다. 즉, 도 9에 도시한 바와 같이 흡기행정의 전반과 후반의 분할분사를 행한 경우, CO는 흡기·압축 분할분사와 비교하면 작지만 어느 정도 발생하여 연비가 좋아지게 되므로 연비를 저감하면서 촉매의 리프레쉬를 도모하는 데에 유리하게 된다.

도 10은 다른 실시형태로서 린운전의 지속중에 린 NOx촉매(36)의 NOx흡장량이 증가하는 상태가 되었을 때에, 소정시간만큼 촉매 리프레쉬를 제어하는 경우의 예를 타임 챠트로 도시한 것이다.

본 실시형태에서도 후술하는 도 1, 도 2와 같이 엔진 및 ECU가 구성되지만, 촉매 리프레쉬용의 제어수단(71)은 성층연소 모드에 의한 린운전중에 린 NOx촉매의 NOx 흡장량이 소정값 이상이 되는 상태를 판정하여 촉매 리프레쉬를 행하고, 예를 들면 린운전 지속시간 또는 린운전중의 연료분사량의 누계값을 조사하여 그 값이 소정값 이상이 되었을 때, 도 10에 도시한 바와 같은 촉매 리프레쉬를 행한다.

즉, 성층연소 모드에 의한 린운전중에 린 NOx촉매의 NOx 흡장량이 소정값 이상이 되는 상태가 판정되었을 때, 대략 이론공연비 또는 그 이하의 공연비와 모든 스로틀 개도가 작아지는 방향으로 제어되고, 이에 대해 어느 정도 응답이 지연되어흡입공기량이 감소방향으로 변화한다. 그리고, 흡입공기량의 변화에 따라 공연비가 차례로 감소방향(리치방향)으로 변화하여, 그 공연비가 소정값까지 감소한 시점에서, 거기까지의 압축행정 일괄분사로부터 흡기·압축분할분사로 분사형태가 변경됨과 동시에, 공연비가 이론공연비보다 약간 작은 값으로까지 변화하도록 연료분사량이 제어된다.

이 경우도 상술한 도 7에 도시한 모드 이행시의 리프레쉬 제어와 마찬가지로, 흡기·압축 분할분사는 분사개시가 흡기행정전반의 기간내와 압축행정중기의 기간내에 행해지도록 각 분사의 시기가 제어됨과 동시에, 선분사와 후분사의 분사량의 비율이 적당한 정도로 조정된다. 특히, 극저부하영역에서의 리프레쉬 제어시에는 선분사와 후분사를 대략 같은 양으로 하는 것이 제어상으로도 바람직하다. 즉, 연료공급량이 작은 극저부하영역에서 분할분사를 행할 때는, 분할된 분사량이 제어가능한 최소분사량(최소펄스폭)에 가깝기 때문에, 선분사와 후분사의 양이 다르면 작은 쪽의 분사량이 최소분사량을 하회하는 개념이 있지만, 분사량을 같게 해 두면 이러한 사태를 피할 수 있다.

또, 상기 촉매 리프레쉬시에 어느 정도의 EGR량이 확보되고 또 점화시기의 지연이 행해진다.

이러한 제어에 의해서도 공연비가 리치측으로 변경됨으로써, 린 NOx촉매(36)로 흡장된 NOx가 방출됨과 동시에, 상기 흡기·압축분할분사에 의해 연소성이 확보되어 배기중의 CO가 많아져 NOx의 환원이 촉진된다.

또, EGR이나 점화시기의 지연에 의해 배기가스중의 NOx가 저감됨으로써, [(CO량)/(NOx량)]이 커지게 되어, NOx환원작용이 더 높아진다.

그리고, 소정시간 경과후에는 압축행정 일괄분사에 의한 성층연소모드의 린운전으로 되돌아간다.

또, 본 예에서는 대략 이론공연비 또는 그 이하의 공연비에서의 흡기·압축분할분사에 의한 촉매 리프레쉬를 소정시간만큼 행한 후, 압축행정 일괄분사에 의한 성층연소모드의 린운전으로 되돌리고 있지만, 대략 이론공연비 또는 그 이하의 공연비로 흡기·압축분할분사를 제1 설정시간만큼 행한 후, 흡기행정내의 일괄분사 또는 분할분사를 제2 설정시간만큼 행하고 나서, 압축행정 일괄분사에 의한 성층연소모드의 린운전으로 되돌아 가도록 해도 된다.

이렇게 하면, 상기 제1 설정시간에서의 흡기·압축분할분사에 의해 린 NOx촉매로부터 방출된 NOx의 대부분이 환원되어 NOx량이 상당히 감소했을 때에 흡기행정분사로 되어 CO량이 어느 정도 작게 되고, 또 제2 설정시간만큼 프레쉬가 계속 행해져, NOx 및 CO의 배출이 효과적으로 방지된다.

이상과 같이 본 발명은 린 NOx 촉매를 구비한 통내분사식 엔진에서, 이론공연비보다 큰 공연비로부터 대략 이론공연비 또는 그 이하의 공연비로 공연비 변경이 행해졌을 때, 촉매 리프레쉬 제어로서 상기 인젝터로부터의 연료분사를 흡기행정기간내에 분사개시하는 선분사와 압축행정중기의 기간내에 분사개시하는 후분사의 적어도 2회로 분할하여 행하도록 하고 있기 때문에, 이 촉매 리프레쉬 제어시에 상기와 같은 분할분사에 의해 CO가 충분히 생성되어, 촉매의 리프레쉬가 효과적으로 행해진다. 특히, 흡기행정의 기간내에 선분사가 행해짐과 동시에, 압축행정중기의 기간내에 후분사가 행해짐으로써, 상술한 바와 같은 실험 데이터로부터 알 수 있는 바와 같이 연소안정성 및 연비를 비교적 양호하게 유지하면서 배기중의 CO량을 증가시켜, NOx의 이탈 및 환원을 촉진시킬 수 있다.

또, 상기 촉매 리프레쉬 제어시에 상기와 같은 분할분사에 다시 배기가스의 환류를 행하고, 또는 점화시기의 지연을 행하면 엔진으로부터의 NOx 배출량을 작게하여 상대적으로 NOx량에 대한 CO량을 많게 하여 촉매 리프레쉬 효과를 한 층 더 높일 수 있다.

Claims

연소실에 직접 연료를 분사하는 인젝터를 구비하고, 엔진의 저부하 영역에서 공연비를 이론공연비보다도 크게하여 린운전을 행하도록 함과 동시에, 엔진의 배기통로에 산소과잉 분위기에서 NOx을 흡장하여 산소농도가 감소함에 따라 NOx를 방출하는 린 NOx촉매를 구비한 통내분사식 엔진에 대한 제어장치에 있어서, 이론공연비보다 큰 공연비와 대략 이론공연비 또는 그 이하의 공연비에 걸쳐 공연비를 변경하는 공연비 변경수단과, 배기가스의 일부를 흡기계로 환류시키는 배기환류수단과, 이론공연비보다 큰 공연비로부터 대략 이론공연비 또는 그 이하의 공연비로 공연비가 변경되었을 때, 촉매 리프레쉬 제어로서 상기 인젝터로부터의 연료분사를 흡기행정기간내에 분사개시하는 선분사와 압축행정의 기간내에 분사개시하는 후분사의 적어도 2회로 분할하여 행하게 함과 동시에, 상기 배기환류수단에 의한 배기환류를 행하게 하는 제어수단을 구비한 것을 특징으로 하는 통내분사식 엔진의 제어장치.
제 1항에 있어서, 촉매 리프레쉬 제어에서의 후분사를 압축행정중기의 기간내에 분사개시시키는 것을 특징으로 하는 통내분사식 엔진의 제어장치.
제 1항에 있어서, 촉매 리프레쉬 제어에서의 선분사를 흡기행정전반의 기간내에 분사개시시키는 것을 특징으로 하는 통내분사식 엔진의 제어장치.
제 1항에 있어서, 촉매 리프레쉬 제어에서의 선분사의 분사량을 전분사량의 1/4이상으로 한 것을 특징으로 하는 통내분사식 엔진의 제어장치.
제 4항에 있어서, 촉매 리프레쉬 제어에서의 선분사의 분사량과 후분사의 분사량을 대략 같게 한 것을 특징으로 하는 통내분사식 엔진의 제어장치.
제 1항에 있어서, 린운전을 행하는 운전영역보다 고부하측의 운전영역에서 공연비를 대략의 이론공연비 또는 그 이하로 하고, 운전상태의 변화에 따라 공연비를 변경하도록 공연비 변경수단을 구성함과 동시에, 린운전을 행하는 운전영역으로부터 대략의 이론공연비 또는 그 이하의 공연비로 하는 운전영역으로 이행했을 때에 촉매 리프레쉬 제어를 행하도록 한 것을 특징으로 하는 통내분사식 엔진의 제어장치.
제 6항에 있어서, 린운전을 행하는 운전영역으로부터 대략의 이론공연비 또는 그 이하의 공연비로 하는 운전영역으로 이행했을 때, 흡기행정기간내에 분사개시하는 선분사와 압축행정기간내에 분사개시하는 후분사로 이루어진 흡기·압축분할분사를 소정시간 행한 후, 흡기행정기간내에 연료분사를 분할하여 행하게 한 것을 특징으로 하는 통내분사식 엔진의 제어장치.
제 1항에 있어서, 린 운전중에 린 NOx촉매의 NOx 흡장량이 소정값 이상이 되는 상태로 되었을 때, 대략의 이론공연비 또는 그 이하로 공연비를 변경하여, 리프레쉬 제어를 행하도록 한 것을 특징으로 하는 통내분사식 엔진의 제어장치.
제 8항에 있어서, 린운전중에 린 NOx촉매의 NOx 흡장량이 소정값 이상이 되는 상태로 되었을 때, 대략의 이론공연비 또는 그 이하로 공연비를 변경함과 동시에 흡기행정기간내에 분사개시하는 선분사와 압축행정기간내에 분사개시하는 후분사로 이루어진 흡기·압축분할분사를 제1 설정시간만큼 행한 후, 흡기행정기간내의 일괄 분사 또는 분할분사를 제2 설정시간만큼 행하고 나서 린운전으로 복귀하도록 한 것을 특징으로 하는 통내분사식 엔진의 제어장치.
제 1항에 있어서, 엔진의 점화시기를 MBT보다 지연시키는 제어수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 통내분사식 엔진의 제어장치.
제 10항에 있어서, 촉매 리프레쉬 제어에서의 후분사를 압축행정중기의 기간내에 분사개시키는 것을 특징으로 하는 통내분사식 엔진의 제어장치.