KR20010053373A - 내연기관 - Google Patents

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와다 아끼히로
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Abstract

내연기관의 연소실 (5) 내에 연료분사밸브 (6) 와 점화플러그 (7) 가 배치되고, 연료분사밸브 (6) 로부터 압축행정말기에 연료가 분사된다. EGR 가스량이 증대되면 매연의 발생량이 피크가 되고, 더 EGR 가스량이 증대되면 이번에는 매연이 발생하지 않게 된다. 매연의 발생량이 피크가 되는 EGR 가스량보다도 연소실 (5) 내의 EGR 가스량이 많게 되고, 그로 인해 연소실 (5) 내에서의 매연의 발생이 억제된다.

Description

내연기관 {INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
기관부하가 비교적 낮은 때에는 연소실 내의 한정된 영역 내에 혼합기를 형성하여 이 혼합기를 점화플러그에 의해 착화하고, 기관부하가 높아지면 연소실 내를 균일 혼합기에 의해 채워 이 균일 혼합기를 점화플러그에 의해 착화하도록 한 통 (筒) 내 분사식 내연기관이 공지되어 있다. 이와 같은 통내 분사식 내연기관에서는 통상, 예컨대 일본 공개특허공보 평5-18245 호에 기재되어 있는 바와 같이, 실린더 헤드 내벽면의 중앙부에 점화플러그를 배치하고, 실린더 헤드 내벽면의 주변부에 연료분사밸브를 배치하고, 연료분사밸브의 하측으로부터 점화플러그의 하측까지 연장되는 오목홈을 피스톤정상면상에 형성하고, 기관부하가 비교적 낮은 때에는 연료를 오목홈내를 향해 분사하고, 이 분사연료를 오목홈의 바닥벽면에 의해 안내하여 점화플러그 주위의 한정된 영역내에 혼합기를 형성하도록 하고 있다.
그래서, 연료분사밸브에서 연료를 분사하면 분사 직후에는 연료분무의 중심부에 과농한 혼합기가 형성된다. 따라서, 연료분사 직후에 점화플러그에 의해 혼합기를 착화하면 과농한 혼합기가 연소되고, 그 결과 다량의 매연이 발생하게 된다. 그래서, 종래부터 통내 분사식 내연기관에서는 연료분사시기를 앞당겨 점화가 행해지기까지 분사연료를 확산시키고, 그로 인하여 점화가 행해질 무렵에는 과농한 혼합기 영역이 존재하지 않도록 하여 매연이 발생하는 것을 억제하도록 하고 있다.
그러나, 연소실내의 한정된 영역내에 혼합기를 형성하는 경우에 이와 같이 연료분사시기를 앞당겨 분사연료를 확산시키면 혼합기의 주변부에는 상당히 희박한 공연비 영역이 광범위에 걸쳐 형성된다. 그러나, 이와 같이 상당히 희박한 공연비 영역이 광범위에 걸쳐 형성되면 이 영역에서는 점화플러그에 의한 착화 화염이 양호하게 전파(傳播)되지 않기 때문에, 다량의 미연(未燃) (HC) 이 발생하게 된다. 즉, 양호하게 연소되지 않은 연료량이 증대하기 때문에 연료소비량이 증대한다는 문제가 발생한다.
이 경우, 연료분사시기를 늦춰 분사연료가 확산되지 않는 동안에 혼합기를 착화하면 착화 화염은 혼합기 전체로 신속히 전파되고, 혼합기 전체가 연소된다. 그 결과, 미연 (HC) 이 거의 발생하지 않고, 연료 소비량을 저감할 수 있게 된다. 그러나, 이 때 과농한 혼합기 영역이 형성되기 때문에 전술한 바와 같이 다량의 매연이 발생하게 된다.
만약, 이 때 다량의 매연이 발생하지 않으면 미연 (HC) 이 발생하지 않고, 연료 소비량이 적은 이상적인 연료가 얻어지게 된다.
한편, 종래부터 내연기관에서는 NOx 의 발생을 억제하기 위해 기관배기통로와 기관흡기통로를 배기가스재순환 (이하, EGR 이라 칭함) 통로에 의해 연결하고, 이 EGR 통로를 통하여 배기가스, 즉 EGR 가스를 기관흡기통로내로 재순환시키도록 하고 있다. 이 경우, EGR 가스는 비교적 비열이 높고, 따라서 다량의 열을 흡수할 수 있기 때문에, EGR 가스량을 증대할수록, 즉 EGR 율 (EGR 가스량/(EGR 가스량 + 흡입공기량)) 을 증대할수록 연소실내에서의 연소온도가 저하한다. 연소온도가 저하하면 NOx의 발생량이 저하하고, 따라서 EGR 율을 증대하면 할수록 NOx의 발생량은 저하하게 된다.
이와 같이 종래부터 EGR 율을 증대하면 NOx의 발생량을 저하할 수 있는 것은 공지사실이다. 그러나, 이 경우, EGR 율을 증대시켜 가면 EGR 율이 어느 한도를 초과한 때에 매연의 발생량, 즉 스모크가 급격히 증대하기 시작한다. 이 점에 관해 종래부터, 그 이상 EGR 율을 증대하면 연료 주변의 산소농도가 저하하여 과농해져 스모크가 끝없이 증대해 가는 것으로 생각하고, 따라서 스모크가 급격히 증대하기 시작하는 EGR 율이 EGR 율의 최대 허용한계로 생각하고 있다.
따라서, 종래부터 EGR 율은 이 최대 허용한계를 초과하지 않는 범위내로 정해져 있다. 이 EGR 율의 최대 허용한계는 기관의 형식이나 연료에 따라 상당히 상이하지만, 거의 30 % 에서 50 % 이다. 따라서, 종래의 내연기관에서는 EGR 율은 최대라도 30 % 에서 50 % 정도로 억제되고 있다.
이와 같이 종래에서는 EGR 율에 대해 최대 허용한계가 존재한다고 생각되었기 때문에 종래부터 EGR 율은 이 최대 허용한계를 초과하지 않는 범위내에서 NOx의 발생량이 가능한 한 적어지도록 정해졌다. 그러나, 이와 같이 하여 EGR 율을 NOx의 발생량이 가능한 한 적어지도록 정해도 NOx의 발생량의 저하에는 한도가 있고, 실제로는 여전히 상당한 양의 NOx가 발생하는 것이 현상황이다.
그러나, 본 발명자는 내연기관의 연소 연구의 과정에서 EGR 율을 최대 허용한계 보다도 크게 하면 상술한 바와 같이 스모크가 급격히 증대하지만, 이 스모크의 발생량에는 피크가 존재하고, 이 피크를 초과하여 EGR 율을 보다 크게 하면 이번에는 스모크가 급격히 감소하기 시작하고, 아이들링 운전시에서 EGR 율을 70 % 이상으로 하면, 또 EGR 가스를 강력하게 냉각한 경우에는 EGR 율을 거의 55 % 이상으로 하면 스모크가 거의 제로가 되는, 즉 매연이 거의 발생하지 않음을 발견한 것이다. 또, 이때에는 NOx의 발생량이 매우 소량이 되는 것도 판명되었다. 이후 이 견지에 기초하여 매연이 발생하지 않는 이유에 대해 검토를 진행하여, 그 결과 지금까지 없는 매연 및 NOx의 동시저감이 가능한 새로운 연소시스템을 구축하기에 이른 것이다. 이 새로운 연소시스템에 대해서는 차후 상세하게 설명하지만, 간단하게 말하면 탄화수소가 매연으로 성장하기 까지의 도중의 단계에서 탄화수소의 성장을 정지시키는 것을 기본으로 하고 있다.
즉, 실험연구를 거듭한 결과 판명된 것은 연소실내에서의 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도가 소정 온도 이하인 때에는 탄화수소의 성장이 매연에 이르기 전의 도중의 단계에서 정지하고, 연료 및 그 주위의 가스온도가 소정 온도 이상이 되면 탄화수소는 한번에 매연까지 성장해버린다는 것이다. 이 경우, 연료 및 그 주위의 가스온도는 연료가 연소한 때의 연료 주위의 가스의 흡열작용이 크게 영향을 끼치고, 연료연소시의 발열량에 따라 연료 주위의 가스의 흡열량을 조정함으로써 연료 및 그 주위의 가스온도를 제어할 수 있다.
따라서, 연소실내에서의 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도를 탄화수소의 성장이 도중에서 정지하는 온도 이하로 억제하면 매연이 발생하지 않게 되고, 연소실내에서의 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도를 탄화수소의 성장이 도중에서 정지하는 온도 이하로 억제하는 것은 연료 주위의 가스의 흡열량을 조정함으로써 가능해진다. 한편, 이때에는 매연에 이르기 전에 성장이 도중에서 정지한 탄화수소, 즉 미연 (HC) 이 배출되지만, 이 미연 (HC) 의 배출량은 연료분사시기를 앞당긴 경우에 비하면 훨씬 적다.
따라서, 연료분사시기를 늦춘 경우, 이 새로운 연소시스템을 사용하면 가령 과농한 혼합기 영역이 형성되었다해도 매연이 거의 발생하지 않고, 또한 NOx도 거의 발생하지 않게 된다. 이렇게 하여 매연 및 NOx이 거의 발생하지 않고, 또한 연료 소비량이 적은 이상적인 연소를 얻을 수 있게 된다.
본 발명은 내연기관에 관한 것이다.
도 1 은 불꽃점화식 내연기관의 전체도,
도 2 는 도 1 에 나타내는 내연기관의 측단면도,
도 3 은 도 2 에 나타내는 실린더 헤드의 저면도,
도 4 는 스모크, HC 및 NOx의 발생량 등을 나타내는 도면,
도 5 는 스모크의 발생량과 EGR 율의 관계를 나타내는 도면,
도 6 은 분사연료량과 혼합가스량의 관계를 나타내는 도면,
도 7 은 제 1 운전영역(Ⅰ), 제 2 운전영역(Ⅱ) 및 제 3 운전영역(Ⅲ) 을 나타내는 도면,
도 8 은 스로틀밸브의 개도(開度) 등을 나타내는 도면,
도 9 는 분사시기 및 점화시기 등을 나타내는 도면,
도 10 은 제 1 운전영역 (Ⅰ) 에서의 공연비를 나타내는 도면,
도 11a 및 도 11b 는 스로틀밸브 등의 목표개도의 맵을 나타내는 도면,
도 12 는 제 2 연소에서의 공연비를 나타내는 도면,
도 13a 및 도 13b 는 스로틀밸브 등의 목표개도의 맵을 나타내는 도면,
도 14 는 기관의 운전을 제어하기 위한 플로우챠트,
도 15a 및 도 15b 는 NOx의 흡방출작용을 설명하기 위한 도면,
도 16a, 도 16b 및 도 16c 는 NOx흡방출량을 나타내는 도면,
도 17 은 NOx방출플래그를 처리하기 위한 플로우챠트,
도 18 은 기관의 운전을 제어하기 위한 다른 실시예를 나타내는 플로우챠트,
도 19 는 다른 실시예에서의 분사시기 및 점화시기 등을 나타내는 도면,
도 20 은 불꽃점화식 내연기관의 다른 실시예를 나타내는 전체도, 및
도 21 은 분사시기 및 점화시기 등을 나타내는 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
5 : 연소실 6 : 연료분사밸브
7 : 점화플러그 13 : 서지탱크
17 : 스로틀밸브 18 : 배기 매니폴드
20 : 촉매 23 : EGR 통로
24 : EGR 제어밸브
본 발명의 목적은 이러한 이상적인 연소가 얻어지는 내연기관을 제공하는 것에 있다.
본 발명에 의하면, 연소실내로 분사된 연료를 착화하기 위한 점화플러그를 구비하고, 압축행정에서 연료분사시기를 늦추어 가면 연소실내의 불활성가스량이 증대된 때에 매연의 발생량의 피크가 나타나는 내연기관으로, 매연의 발생량이 피크가 되는 불활성가스량보다도 연소실내의 불활성가스량이 많게 되어, 그로 인해 연소실내에서의 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도를 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 억제하여 매연이 생성되는 것을 억제하는 내연기관이 제공된다.
도 1 내지 도 3 은 본 발명을 4 스로틀 불꽃점화식 내연기관에 적용한 경우를 나타내고 있다.
도 1 내지 도 3 을 참조하면, 1 은 기관본체, 2 는 실린더 블록, 3 은 실린더 헤드, 4 는 피스톤, 5 는 연소실, 6 은 전기제어식 연료분사밸브, 7 은 점화플러그, 8 은 한 쌍의 흡기밸브, 9 는 흡기포트, 10 은 한 쌍의 배기밸브, 11 은 배기포트를 각각 나타낸다. 도 2 및 도 3 에 나타내어지는 바와 같이 실린더 헤드 (3) 의 내벽면의 중심부에는 서로 인접하여 연료분사밸브 (6) 와 점화플러그 (7) 가 배치된다.
도 1 에 나타내어지는 바와 같이 흡기포트 (9) 는 대응하는 흡기지관(吸氣枝管)(12) 을 통하여 서지탱크 (13) 에 연결되고, 서지탱크 (13) 는 흡기덕트 (14) 를 통하여 에어 클리너 (15) 에 연결된다. 흡기덕트 (14) 내에는 스텝 모터 (16) 에 의해 구동되는 스로틀 밸브 (17) 가 배치된다. 한편, 배기포트 (11) 는 배기매니폴드 (18) 및 배기관 (19) 을 통하여 산화기능을 하는 촉매 (20) 를 내장한 촉매컨버터 (21) 에 연결되며, 배기매니폴드 (18) 내에는 공연비 센서 (22) 가 배치된다.
배기매니폴드 (18) 와 서지탱크 (13) 는 EGR 통로 (23) 를 통해 서로 연결되고, EGR 통로 (23) 내에는 전기제어식 EGR 제어밸브 (24) 가 배치된다. 또, EGR 통로 (23) 내에는 EGR 통로 (23) 내를 흐르는 EGR 가스를 냉각하기 위한 인터쿨러 (25) 가 배치된다. 도 1 에 나타내어지는 실시예에서는 기관냉각수가 인터쿨러 (25) 내로 인도되어 기관냉각수에 의해 EGR 가스가 냉각된다.
한편, 각 연료분사밸브 (6) 는 연료공급관 (26) 을 통하여 연료리저버 (27) 에 연결된다. 이 연료리저버 (27) 내로는 전기제어식의 토출량 가변 연료펌프 (28) 로부터 연료가 공급되고, 연료리저버 (27) 내로 공급된 연료는 각 연료공급관 (26) 을 통하여 연료분사밸브 (6) 로 공급된다. 연료리저버 (27) 에는 연료리저버 (27) 내의 연료압을 검출하기 위한 연료압 센서 (29) 가 부착되고, 연료압 센서 (29) 의 출력신호에 기초하여 연료리저버 (27) 내의 연료압이 목표연료압이 되도록 연료펌프 (28) 의 토출량이 제어된다.
전자제어유닛 (30) 은 디지털 컴퓨터로 이루어지고, 쌍방향성 버스 (31) 에 의해 서로 접속된 ROM (리드 온리 메모리) (32), RAM (랜덤 억세스 메모리) (33), CPU (마이크로 프로세서) (34), 입력포트 (35) 및 출력포트 (36) 를 구비한다. 공연비 센서 (22) 의 출력신호는 대응하는 AD 변환기 (37) 를 통하여 입력포트 (35) 에 입력되고, 연료압 센서 (29) 의 출력신호도 대응하는 AD 변환기 (37) 를 통하여 입력포트 (35) 에 입력된다. 액셀 페달 (40) 에는 액셀 페달 (40) 의 가동량 (L) 에 비례한 출력전압을 발생하는 부하센서 (41) 가 접속되고, 부하센서 (41) 의 출력전압은 대응하는 AD 변환기 (37) 를 통하여 입력포트 (35) 에 입력된다. 또, 입력포트 (35) 에는 크랭크샤프트가 예컨대 30 °회전할 때마다 출력펄스를 발생하는 크랭크각 센서 (42) 가 접속된다. 한편, 출력포트 (36) 는 대응하는 구동회로 (38) 를 통하여 연료분사밸브 (6), 스텝모터 (16), EGR 제어밸브 (24) 및 연료펌프 (28) 에 접속된다.
도 4 는 기관부하가 비교적 낮은 때에 스로틀밸브 (17) 의 개도, EGR 율 및 연료분사시기를 변화시킴으로써 공연비 A/F (도 4 의 횡축) 를 변화시킨 때의 출력토크의 변화, 및 스모크, HC, CO, NOx의 배출량의 변화를 나타내는 실험예를 나타내고 있다. 도 4 에서 알 수 있듯이 이 실험예에서는 공연비 A/F 가 작아질수록 EGR 율이 커지고, 공연비가 20 이하인 때에는 EGR 율은 65 % 이상이 되고 있다. 또, 도 4 에서 20°, 40°, 80°는 압축 상사점전(上死点前) (BTDC) 으로 나타낸 연료분사시기를 나타내고 있다.
도 4 에 나타내어지는 바와 같이 EGR 율을 증대함으로써 공연비 A/F 를 작게 해 가면 연료분사시기에 관계없이 NOx의 발생량은 점차 저하된다. 한편, 연료분사시기가 빠른 경우, 즉 BTDC 80°의 경우에는 공연비 A/F 에 관계없이 스모크는 발생하지 않지만, 다량의 미연 (HC) 이 발생한다. 즉, 연료분사시기가 빠른 경우에는 점화플러그 (7) 에 의한 점화가 행해지기까지 분사연료는 광범위에 걸쳐 분산되고, 따라서 과농한 혼합기 영역이 존재하지 않기 때문에 매연이 발생하지 않는다. 그러나, 이 경우, 서두에서 서술한 바와 같이 상당히 희박한 혼합기 영역이 형성되기 때문에 다량의 미연 (HC) 이 발생하게 된다.
도 4 에 나타내는 바와 같이 연료분사시기가 빠른 경우에는 EGR 율이 증대할수록 미연 (HC) 의 발생량이 증대하고, 연료소비율이 저하한다. 따라서, 연료분사시기가 빠른 경우에 EGR 율을 증대하는 것은 바람직하지 않다.
이에 대해 연료분사시기를 늦춘 경우, 예컨대 연료분사시기를 BTDC 20°로 한 경우에는 점화플러그 (7) 에 의한 점화작용이 행해질 때에 과농한 혼합기 영역이 형성되고, 이 경우에는 도 4 에 나타내는 바와 같이 EGR 율이 증대되면 EGR 율이 40 % 가까이 된 때에 스모크의 발생량이 증대를 개시한다. 이어서, 보다 EGR 율을 높이고 공연비 A/F 를 작게 하면 스모크의 발생량이 급격히 증대하여 피크에 이른다. 이어서, 보다 EGR 을 높이고 공연비 A/F 를 작게 하면 이번에는 스모크가 급격히 저하하고, EGR 율을 65 % 이상으로 하고, 공연비 A/F 가 20 이하가 되면 스모크가 거의 제로가 된다. 즉, 매연이 거의 발생하지 않게 된다. 이 때 기관의 출력토크는 약간 저하하고, 또 NOx의 발생량이 상당히 낮아진다. 한편, 이 때 HC, CO 의 발생량이 증대하기 시작한다.
연료분사시기가 늦춰진 경우에는 도 4 에 나타내는 실험결과로부터 다음 사실을 알 수 있다. 즉, 우선 첫째, 공연비 A/F 가 20 이하에서 스모크의 발생량이 거의 제로인 때에는 도 4 에 나타내는 바와 같이 NOx의 발생량이 상당히 저하한다. NOx의 발생량이 저하한다는 것은 연소실 (5) 내의 연소온도가 저하하고 있는 것을 의미하고, 따라서 매연이 거의 발생하지 않을 때에는 연소실 (5) 내의 연소온도가 낮아진다고 말할 수 있다.
둘째, 스모크의 발생량, 즉 매연의 발생량이 거의 제로가 되면 도 4 에 나타내어지는 바와 같이 HC 및 CO 의 배출량이 증대한다. 이것은 탄화수소가 매연까지 성장하지 않고 배출되는 것을 의미한다. 즉, 연료중에 함유되는 탄화수소는 산소부족 상태에서 온도상승하게 되면 열분해하여 매연의 전구체(前驅體)가 형성되고, 이어서 주로 탄소원자가 집합된 고체로 이루어지는 매연이 생성된다. 이 경우, 실제 매연의 생성과정은 복잡하며, 매연의 전구체가 어떠한 형태를 취하는지는 명확하지 않지만, 어느 쪽이든 연료중의 탄화수소는 매연의 전구체를 거쳐 매연까지 성장하게 된다. 따라서, 상술한 바와 같이 매연의 발생량이 거의 제로가 되면, 도 4 에 나타내어지는 바와 같이 HC 및 CO 의 배출량이 증대하지만, 이 때의 HC 는 매연의 전구체 또는 그 전 상태의 탄화수소이다.
도 4 에 나타내어지는 실험결과에 기초한 이들의 고찰을 정리하면, 연소실 (5) 내의 연소온도가 낮은 때에는 매연의 발생량이 거의 제로가 되고, 이때 매연의 전구체 또는 그 전 상태의 탄화수소가 연소실 (5) 에서 배출되게 된다. 이에 대해 보다 상세하게 실험연구를 거듭한 결과, 연소실 (5) 내에서의 연료 및 그 주위의 가스온도가 소정 온도 이하인 경우에는 매연의 성장과정이 도중에서 정지하여 즉 매연이 완전히 발생하지 않고, 연소실 (5) 내에서의 연료 및 그 주위의 온도가 소정 온도 이하가 되면 매연이 생성되는 것으로 판명되었다.
그래서, 매연의 전구체의 상태에서 탄화수소의 생성과정이 정지할 때의 연료 및 그 주위의 온도, 즉, 상술한 소정 온도는 연료의 종류나 공연비나 압축비 등의 다양한 원인에 따라 변화하므로, 몇 도라고는 말할 수 없지만, 이 소정 온도는 NOx의 발생량과 깊은 관계를 가지며, 따라서 이 소정 온도는 NOx의 발생량으로부터 어느 정도 규정할 수 있다. 즉, EGR 율이 증대할수록 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도는 저하하고, NOx의 발생량이 저하한다. 이때, NOx의 발생량이 10 p.p.m 전후 또는 그 이하가 된 때에 매연이 거의 발생하지 않게 된다. 따라서, 상술한 소정 온도는 NOx의 발생량이 10 p.p.m 전후 또는 그 이하가 된 때의 온도와 거의 일치한다.
일단, 매연이 발생되면 이 매연은 산화촉매 등을 사용한 후처리로 정화할 수 는 없다. 이에 대해 매연의 전구체 또는 그 전 상태의 탄화수소는 산화촉매 등을 사용한 후처리로 용이하게 정화할 수 있다. 이와 같이 산화촉매 등에 의한 후처리를 생각하면 탄화수소를 매연의 전구체 또는 그 전 상태에서 연소실 (5) 로부터 배출시키는지, 또는 매연의 형태로 연소실 (5) 로부터 배출시키는지에 대해서는 매우 큰 차이가 있다.
또, 매연이 생성되기 전의 상태에서 탄화수소의 성장을 정지시키기 위해 연소실 (5) 내에서의 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도를 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 억제할 필요가 있다. 이 경우, 연료 및 그 주위의 가스온도를 억제하기 위해 연료가 연소된 때의 연료 주위의 가스의 흡열작용이 매우 크게 영향을 끼치는 것이 판명되고 있다.
즉, 연료 주위에 공기밖에 존재하지 않으면, 증발된 연료는 곧바로 공기중의 산소와 반응하여 연소한다. 이 경우, 연료로부터 떨어져 있는 공기의 온도는 거의 상승하지 않고, 연료 주위의 온도만이 국소적으로 매우 높아진다. 즉, 이 때에는 연료로부터 떨어져 있는 공기는 연료의 연소열의 흡열작용을 거의 행하지 않는다. 이 경우에는 연소온도가 국소적으로 매우 높아지기 때문에, 이 연소열을 받은 미연 탄화수소는 매연을 생성하게 된다.
한편, 다량의 불활성가스와 소량 공기의 혼합가스중에 연료가 존재하는 경우에는 약간 상황이 다르다. 이 경우에는 증발연료는 주위로 확산되어 불활성가스중에 혼재하는 산소와 반응하고, 연소하게 된다. 이 경우에는 연소열은 주위의 불활성가스에 흡수되기 때문에 연소온도는 거의 상승하지 않게 된다. 즉, 연소온도를 낮게 억제할 수 있게 된다. 즉, 연소온도를 억제하기 위해 불활성가스의 존재가 중요한 역할을 하고, 불활성가스의 흡열작용에 의해 연소온도를 낮게 억제할 수 있게 된다.
이 경우, 연료 및 그 주위의 가스온도를 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 억제하기 위해 충분한 열량을 흡수할 수 있는 만큼의 불활성가스량이 필요하게 된다. 따라서, 연료량이 증대하면 필요한 불활성가스량은 그에 따라 증대하게 된다. 또, 이 경우, 불활성가스의 비열이 클수록 흡열작용은 강력해지고, 따라서 불활성가스는 비열이 큰 가스가 바람직하게 된다. 이 점, CO2나 EGR 가스는 비교적 비열이 크기 때문에, 불활성가스로서 EGR 가스를 사용하는 것은 바람직하다고 말할 수 있다.
도 5 는 불활성가스로서 EGR 가스를 사용하고, 연료분사시기를 BTDC 20°로 한 상태에서 EGR 가스의 냉각정도를 변화한 때의 EGR 율과 스모크의 관계를 나타내고 있다. 즉, 도 5 에서 곡선 (A) 은 EGR 가스를 강력하게 냉각하여 EGR 가스온도를 거의 90℃ 로 유지한 경우를 나타내고 있고, 곡선 (B) 은 소형의 냉각장치로 EGR 가스를 냉각한 경우를 나타내고 있고, 곡선 (C) 은 EGR 가스를 강제적으로 냉각하고 있지 않은 경우를 나타내고 있다.
도 5 의 곡선 (A) 으로 나타내어지는 바와 같이 EGR 가스를 강력하게 냉각한 경우에는 EGR 율이 50 % 보다도 조금 낮으므로 매연의 발생량이 피크가 되고, 이 경우에는 EGR 율을 거의 55 % 이상으로 하면 매연이 거의 발생하지 않게 된다.
한편, 도 5 의 곡선 (B) 으로 나타내어지는 바와 같이 EGR 가스를 조금 냉각한 경우에는 EGR 율이 50 % 보다도 조금 높으므로 매연의 발생량이 피크가 되고, 이 경우에는 EGR 율을 거의 65 % 이상으로 하면 매연이 거의 발생하지 않게 된다.
또, 도 5 의 곡선 (C) 으로 나타내어지는 바와 같이 EGR 가스를 강제적으로 냉각하고 있지 않은 경우에는 EGR 율이 55 % 의 가까이에서 매연의 발생량이 피크가 되고, 이 경우에는 EGR 율을 거의 70 % 이상으로 하면 매연이 거의 발생하지 않게 된다. 또, 도 5 는 기관부하가 비교적 높은 때의 스모크의 발생량을 나타내고 있고, 기관부하가 작아지면 매연의 발생량이 피크가 되는 EGR 율은 약간 저하하고, 매연이 거의 발생하지 않게 되는 EGR 율의 하한도 약간 저하한다. 이와 같이 매연이 거의 발생하지 않게 되는 EGR 율의 하한은 EGR 가스의 냉각정도나 기관부하에 따라 변화한다.
도 6 은 불활성가스로서 EGR 가스를 사용하고, 연료분사시기를 늦춘 경우에 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도를 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 하기 위해 필요한 EGR 가스와 공기의 혼합가스량, 및 이 혼합가스량중의 공기의 비율, 및 이 혼합가스중의 EGR 가스의 비율을 나타내고 있다. 또, 도 6 에서 종축은 연소실 (5) 내로 흡입되는 전 흡입량을 나타내고 있고, 쇄선 Y 는 과급(過給)이 행해지지 않을 때에 연소실 (5) 내로 흡입할 수 있는 전 흡입가스량을 나타내고 있다. 또, 횡축은 요구부하를 나타내고 있고, Z1 은 비교적 부하가 낮은 운전영역을 나타내고 있다.
도 6 을 참조하면 공기의 비율, 즉 혼합가스중의 공기량은 분사된 연료를 완전히 연소시키는 데 필요한 공기량을 나타내고 있다. 즉, 도 6 에 나타내어지는 경우에서는 공기량과 분사연소량의 비는 이론공연비로 되어 있다. 한편, 도 6 에서 EGR 가스의 비율, 즉 혼합가스중의 EGR 가스량은 분사연료가 연소된 때에 연료 및 그 주위의 가스온도를 매연이 형성되는 온도보다도 낮은 온도로 하는 데 필요한 최저한의 EGR 가스량을 나타내고 있다. 이 EGR 가스량은 EGR 율로 나타내면 거의 55 % 이상이며, 도 6 에 나타내는 실시예에서는 70 % 이상이다. 즉, 연소실 (5) 내로 흡입된 전 흡입가스량을 도 6 에서 실선 (X) 으로 하고, 이 전 흡입가스량 (X) 중 공기량과 EGR 가스량의 비율을 도 6 에 나타내는 바와 같은 비율로 하면 연료 및 그 주위의 가스온도는 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도가 되고, 이렇게 하여 매연이 완전히 발생하지 않게 된다. 또, 이때의 NOx발생량은 10 p.p.m 전후, 또는 그 이하이며, 따라서 NOx의 발생량은 매우 소량이 된다.
연료분사량이 증대하면 연료가 연소된 때의 발열량이 증대하므로, 연료 및 그 주위의 가스온도를 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 유지하기 위해 EGR 가스에 의한 열의 흡수량을 증대하지 않으면 안된다. 따라서, 도 6 에 나타내어지는 바와 같이 EGR 가스량은 분사연료량이 증대됨에 따라 증대시키지 않으면 안된다. 즉, EGR 가스량은 요구부하가 높아짐에 따라 증대할 필요가 있다.
한편, 도 6 의 부하영역 (Z2) 에서는 매연의 발생을 억제하는 데 필요한 전 흡입가스량 (X) 이 흡입할 수 있는 전 흡입가스량 (Y) 을 초과해 버린다. 따라서, 이 경우, 매연의 발생을 억제하는 데 필요한 전 흡입가스량 (X) 을 연소실 (5) 내로 공급하기 위해 EGR 가스 및 흡입공기의 쌍방, 또는 EGR 가스를 과급 또는 가압할 필요가 있다. EGR 가스 등을 과급 또는 가압하지 않을 경우에는 부하영역 (Z2) 에서는 전 흡입가스량 (X) 은 흡입할 수 있는 전 흡입가스량 (Y) 과 일치한다. 따라서, 이 경우 매연의 발생을 억제하기 위해 공기량을 약간 감소시켜 EGR 가스량을 증대함과 동시에 공연비가 농후한 상태에서 연료를 연소시키게 된다.
전술한 바와 같이 도 6 은 연료를 이론공연비 하에서 연소시키는 경우를 나타내고 있지만, 도 6 에 나타내어지는 운전영역 (Z1) 에서 공기량을 도 6 에 나타내어지는 공기량보다도 적게 해도, 즉 공연비를 농후하게 해도 매연의 발생을 억제하면서 NOx의 발생량을 10 p.p.m 전후 또는 그 이하로 할 수 있고, 또 도 6 에 나타내어지는 운전영역 (Z1) 에서 공기량을 도 6 에 나타내어지는 공기량보다도 많게 해도, 즉 공연비의 평균치를 희박하게 해도 매연의 발생을 억제하면서 NOx의 발생량을 10 p.p.m 전후 또는 그 이하로 할 수 있다.
즉, 공연비가 농후해지면 연료가 과잉되지만, 연소온도가 낮은 온도로 억제되고 있기 때문에 과잉된 연료는 매연까지 성장하지 않고, 이렇게 하여 매연이 생성되지 않는다. 또, 이때 NOx도 매우 소량밖에 발생하지 않는다. 한편, 공연비가 희박한 때, 또는 공연비가 이론공연비인 경우라도 연소온도가 높아지면 소량의 매연이 생성되지만, 본 발명에서는 연소온도가 낮은 온도로 억제되고 있기 때문에 매연은 전혀 생성되지 않는다. 또한, NOx도 매우 소량밖에 발생하지 않는다.
이와 같이, 운전영역 (Z1) 에서는 공연비에 관계없이, 즉 공연비가 농후하거나, 이론공연비거나, 희박하거나 매연이 발생하지 않고, NOx의 발생량이 매우 소량이 된다. 따라서, 연료소비율의 향상을 생각하면 이때 공연비를 희박하게 하는 것이 바람직하고 말할 수 있다.
이와 같이 EGR 율을 55 % 이상으로 하면, 가령 혼합기가 과농하더라도 매연이 발생하지 않게 된다. 따라서, 연료분사시기를 늦춘 경우라도, 예컨대 연료분사시기가 BTDC 20°가까이라도 EGR 율을 55 % 이상으로 하면 매연이 발생하지 않게 된다. 이 때 도 4 에서 알 수 있듯이 미연 (HC) 이 발생하지만, 이 미연 (HC) 의 발생량은 연료분사시기가 BTDC 80°의 경우와 비교하여 상당히 적고, 따라서 연료분사시기가 BTDC 80 °의 경우와 비교하여 연료소비량을 저감시킬 수 있게 된다. 또, 도 4 에서 알수 있듯이 EGR 율을 매연이 발생하지 않게 되기까지 증대하면 NOx의 발생량이 매우 적어진다. 따라서, EGR 율을 매연이 발생하지 않게 되는 EGR 율까지 증대하고, 연료분사시기를 늦추면 매연 및 NOx가 거의 발생하지 않고, 연료소비량을 저감할 수 있는 이상적인 연소를 얻을 수 있게 된다.
그래서, 본 발명에서는 이 이상적인 연소를 행하기 위해 EGR 율을 매연이 발생하지 않게 되는 EGR 율까지 증대하고, 연료분사시기를 늦추도록 하고 있다. 이 새로운 연소의 하나의 이점은 과농 혼합기의 형성에 대해 어떠한 대책도 강구할 필요가 없고, 따라서, 연소실의 구조나 연료분사밸브, 점화플러그 등의 배치 및 분사시기, 점화시기에 대해 큰 자유도가 있는 것이다. 단, 이 새로운 연소를 행하기 위해서는 EGR 율을 높게 해야만 하기 때문에 혼합기가 착화하기 어렵게 되고, 따라서 점화플러그 (7) 에 의한 혼합기의 안정된 착화를 확보함에 대해서는 충분한 배려가 필요해진다.
도 2 에 나타내어지는 실시예에서는 연료분사밸브 (6) 로부터 연료가 실린더축선을 따라 원추형상으로 분사된다. 이와 같이 연료가 원추형상으로 분사되면 원추형상을 이루는 분무 주류(主流) (F1) 의 주위에 미립화된 분무 부류(副流) (F2) 가 형성된다. 이 실시예에서는 점화플러그 (7) 로의 카본 부착에 의해 점화전류가 누설하는 것을 억제하면서 혼합기의 안정된 착화를 확보할 수 있도록 점화플러그 (7) 의 방전갭이 분무부류 (F2) 내에 배치되어 있고, 연료분사밸브 (6) 로부터 연료분사가 행해지고 있는 때에 분무부류 (F2) 의 혼합기가 점화플러그 (7) 에 의해 착화된다.
분무주류 (F1) 및 분무부류 (F2) 는 기관의 운전 상태에 관계없이, 상시 안정되게 형성된다. 따라서, 분무부류 (F2) 내에 점화플러그 (7) 의 방전갭을 배치함으로써 혼합기를 상시 확실하게 착화할 수 있다. 또, 연료분사 완료 직후라도 점화플러그 (7) 의 방전갭 주위에는 혼합기가 모여 있기 때문에 연료분사 완료 직후에 점화플러그 (7) 에 의해 혼합기를 착화할 수도 있다.
분사연료가 실린더 보어의 내벽면에 부착되면 미연 (HC) 이나 스모크가 발생한다. 따라서, 분사연료가 실린더 보어 내벽면에 도달하지 않도록 분사연료의 관철력을 지나치게 강하게 하지 않는 것이 바람직하다. 또, 도 2 에 나타내어지는 바와 같이 연료를 실린더축선을 따라 분사하면 분사연료는 실린더 보어 내벽면에 도달하기 어렵게 된다.
그래서, 연소실내에서의 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도를 탄화수소의 성장이 도중에서 정지하는 온도 이하로 억제할 수 있는 것은 연소에 의한 발열량이 적은 비교적 기관부하가 낮은 때로 한정된다. 따라서, 본 발명에 의한 실시예에서는 기관부하가 비교적 낮은 때에는 연료분사시기를 늦춤과 동시에 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도를 탄화수소의 성장이 도중에서 정지하는 온도 이하로 억제하여 제 1 연소, 즉 저온연소를 행하도록 하고, 기관부하가 비교적 높은 때에는 제 2 연소, 즉 종래부터 행해지고 있는 연소를 행하도록 하고 있다. 또, 여기에서 제 1 연소, 즉 저온연소란, 지금까지의 설명에서 분명하듯이 매연의 발생량이 피크가 되는 불활성가스량보다도 연소실내의 불활성가스량이 많아 매연이 거의 발생하지 않는 연소를 말하고, 제 2 연소, 즉 종래부터 행해지고 있는 연소란, 매연의 발생량이 피크가 되는 불활성가스보다도 연소실내의 불활성가스량이 적은 연소를 말한다.
도 7 은 제 1 연소, 즉 저온연소가 행해지는 제 1 운전영역 (Ⅰ) 과, 종래의 연소방식에 의한 연소가 행해지는 제 2 운전영역 (Ⅱ) 및 제 3 운전영역 (Ⅲ) 을 나타내고 있다. 또, 도 7 에서 종축 (L) 은 액셀페달 (40) 의 가동량, 즉 요구부하를 나타내고, 횡축 (N) 은 기관회전수를 나타내고 있다. 제 2 운전영역 (Ⅱ) 에서는 흡기행정과 압축행정 말기의 2 회로 나눠 연소분사가 행해지는, 소위 2 분할분사가 행해지고, 제 3 운전영역 (Ⅲ) 에서는 흡기행정중에 연료분사가 행해지는, 소위 흡기행정분사가 행해진다. 이들 2 분할분사 및 흡기행정분사는 종래부터 행해지고 있는 분사방법이며, 이하에 이들 2 분할분사에 의한 연소 및 흡기행정분사에 의한 연소를 합해서 제 2 연소라 칭한다.
도 7 에서 X (N) 는 제 1 운전영역 (Ⅰ) 과 제 2 운전영역 (Ⅱ) 의 제 1 경계를 나타내고, Y (N) 는 제 1 운전영역 (Ⅰ) 과 제 2 운전영역 (Ⅱ) 의 제 2 경계를 나타내고 있다. 제 1 운전영역 (Ⅰ) 으로부터 제 2 운전영역 (Ⅱ) 으로의 운전영역의 변화판단은 제 1 경계 (X (N)) 에 기초하여 행해지고, 제 2 운전영역 (Ⅱ) 으로부터 제 1 운전영역 (Ⅰ) 으로의 운전영역의 변화판단은 제 2 경계 (Y (N)) 에 기초하여 행해진다.
즉, 기관의 운전상태가 제 1 운전영역 (Ⅰ) 에 있어서 저온연소가 행해지고 있는 때에 요구부하 (L) 가 기관회전수 (N) 의 관수인 제 1 경계 (X (N)) 를 초과하면 운전영역이 제 2 운전영역 (Ⅱ) 으로 이동한 것으로 판단되어 제 2 연소가 행해진다. 이어서, 요구부하 (L) 가 기관회전수 (N) 의 관수인 제 2 경계 (Y (N)) 보다도 낮아지면 운전영역이 제 1 운전영역 (Ⅰ) 으로 이동한 것으로 판단되어 재차 저온연소가 행해진다.
또, 도 7 에서 Z (N) 는 제 2 운전영역 (Ⅱ) 과 제 3 운전영역 (Ⅲ) 의 제 3 경계를 나타내고 있다.
그런데, 기관의 운전상태가 제 1 운전영역 (Ⅰ) 에 있어서 저온연소가 행해지고 있는 때에는 매연은 거의 발생하지 않고, 그대신 미연 탄화수소가 매연의 전구체 또는 그 전 상태의 형태로 연소실 (5) 에서 배출된다. 이때 연소실 (5) 에서 배출된 미연 탄화수소는 산화기능을 하는 촉매 (20) 에 의해 양호하게 산화된다.
촉매 (20) 로서는 산화촉매, 삼원촉매, 또는 NOx흡수제를 사용할 수 있다. NOx흡수제는 연소실 (5) 내에서의 공연비가 희박한 때에 NOx를 흡수하고, 연소실 (5) 내에서의 공연비가 이론공연비 또는 농후해지면 NOx를 방출하는 기능을 한다.
이 NOx흡수제는 예컨대 알루미나를 담체로하고, 이 담체상에 예컨대 칼륨 (K), 나트륨 (Na), 리튬 (Li), 세슘 (Cs) 과 같은 알칼리금속, 바륨 (Ba), 칼슘 (Ca) 와 같은 알칼리토류, 란탄 (La), 이트륨 (Y) 과 같은 희토류로부터 선택된 적어도 하나와, 백금 (Pt) 과 같은 귀금속이 담지되어 있다.
산화촉매는 물론, 삼원촉매 및 NOx흡수제도 산화기능을 하고, 따라서 상술한 바와 같이 삼원촉매 및 NOx흡수제를 촉매 (20) 로서 사용할 수 있다.
이어서, 도 8 및 도 9 를 참조하면서 제 1 운전영역 (Ⅰ), 제 2 운전영역 (Ⅱ) 및 제 3 운전영역 (Ⅲ) 에서의 운전제어에 대해 개략적으로 설명한다.
도 8 은 요구부하 (L) 에 대한 스로틀밸브 (17) 의 개도, EGR 제어밸브 (24) 의 개도, EGR 율, 공연비, 분사량을 나타내고, 도 9 는 요구부하 (L) 에 대한 분사량, 분사시기 및 점화시기를 나타내고 있다. 도 8 에 나타내어 지는 바와 같이 요구부하 (L) 가 낮은 제 1 운전영역 (Ⅰ) 에서는 스로틀밸브 (17) 의 개도는 요구부하 (L) 가 높아짐에 따라 전폐(全閉) 가까이에서 반개(半開) 정도까지 서서히 증대되고, EGR 제어밸브 (24) 의 개도는 요구부하 (L) 가 높아짐에 따라 전폐(全閉) 가까이에서 반개(半開) 까지 서서히 증대된다. 또, 도 8 에 나타내어지는 예에서는 제 1 운전영역 (Ⅰ) 에서는 EGR 율이 거의 70 % 가 되고, 공연비는 희박공연비로 되어 있다. 또, 이 예에서는 공연비는 요구부하 (L) 가 작아질수록 희박해진다.
바꿔 말하면, 제 1 운전영역 (Ⅰ) 에서는 EGR 율이 거의 70 % 가 되고, 공연비가 요구부하 (L) 에 따른 희박공연비가 되도록 스로틀밸브 (17) 의 개도 및 EGR 제어밸브 (24) 의 개도가 제어된다.
한편, 도 9 에 나타내어지는 바와 같이 제 1 운전영역 (Ⅰ) 에서는 압축행정말기에서 거의 압축 상사점전 25 도부터 압축 상사점 사이에서 연료분사 (Q2) 가 행해진다. 이때의 분사개시시기 (θS2) 는 요구부하 (L) 가 높아질수록 빨라지고, 분사완료시기 (θE2) 는 요구부하 (L) 가 높아질수록 늦어진다.
또, 도 9 에 나타내어지는 바와 같이 점화시기 (θⅠ) 는 연료분사가 완료되기 직전으로 설정되어 있다. 따라서, 이 실시예에서는 연료분사가 행해지고 있는 때에 점하전 (7) 에 의한 점화작용이 행해지고 있다. 이때 점화플러그 (7) 에 의해 분무부류 (F2) (도 2) 의 혼합기가 착화되고, 이 착화화염에 의해 분무주류 (F1) 의 혼합기가 연소된다. 이와 같이 연료분사중에 점화플러그 (7) 의 점화작용이 행해지면 이때 분사연료는 충분히 확산되지 않고, 따라서 분무주류 (F1) 는 농혼합기가 되고, 분무주류 (F1) 의 중심부는 상당히 과농한 혼합기가 된다. 따라서, 이때 착화화염에 의해 과농한 혼합기가 연소되지만, 매연은 거의 발생하지 않는다. 또, 이때 극도로 희박한 공연비영역은 형성되지 않고, 따라서, 다량의 미연 (HC) 이 발생하지 않는다.
또, 도 8 에 나타내어지는 바와 같이 아이들링운전시에는 스로틀밸브 (17) 는 전폐가까이까지 폐쇄되고, 이때 EGR 제어밸브 (24) 도 전폐가까이까지 폐쇄된다. 스로틀밸브 (17) 를 전폐가까이까지 폐쇄하면 압축개시의 연소실 (5) 내의 압력이 낮아지기 때문에 압축압력이 작아진다. 압축압력이 작아지면 피스톤 (4) 에 의한 압축작업이 작아지게 되기 때문에 기관본체 (1) 의 진동이 작아진다. 즉, 아이들링 운전시에는 기관본체 (1) 의 진동을 억제하기 위해 스로틀밸브 (17) 가 전폐가까이까지 폐쇄된다.
기관의 운전상태가 제 1 운전영역 (Ⅰ) 인 때에는 매연 및 NOX는 거의 발생하지 않고, 배기가스중에 포함되어 있는 매연의 전구체 또는 그전 상태의 탄화수소는 촉매 (20) 에 의해 산화된다.
한편, 기관의 운전영역이 제 1 운전영역 (Ⅰ) 에서 제 2 운전영역 (Ⅱ) 으로 변화되면 스로틀밸브 (17) 의 개도가 반개상태에서 전개방향으로 스텝상으로 증대된다. 이때 도 8 에 나타내는 예에서는 EGR 율이 거의 70 % 에서 40 % 이하까지 스텝상으로 감소되며, 공연비가 스텝상으로 커진다. 제 2 운전영역 (Ⅱ) 에서는 도 9 에 나타내어지는 바와 같이 흡기행정 초기에 첫번째 연료분사 (Q1) 가 행해지고, 압축행정말기에 두번째 연료분사 (Q2) 가 행해진다.
이때에는 첫번째 연료분사 (Q1) 에 의해 연소실 (5) 전체를 채우는 균일한 희박혼합기가 형성되고, 두번째 연료분사 (Q2) 에 의해 형성된 혼합기가 점화플러그 (7) 에 의해 착화된다. 이 착화화염이 착화원이 되어 연소실 (5) 내를 채우고 있는 희박혼합기가 연소된다. 이와 같이 두번째 연료분사 (Q2) 는 착화원을 형성하기 위해 행해지므로 두번째 연료분사 (Q2) 의 분사량은 요구부하에 관계없이 거의 일정해진다.
제 2 운전영역 (Ⅱ) 에서는 연료분사 완료직후에 점화플러그 (7) 에 의한 점화작용이 행해진다. 전술한 바와 같이 연료분사 완료직후에는 점화플러그 (7) 의 주위에 혼합기가 모여 있고, 이렇게 하여 혼합기가 확실하게 착화하게 된다.
제 1 운전영역 (Ⅰ) 에서 제 2 운전영역 (Ⅱ) 으로 이동하는 때에는 EGR 율이 다량의 스모크를 발생하는 EGR 율 범위 (도 5) 를 초월하도록 급격히 작아진다. 이때 연료분사시기가 늦춰진 채로 되어 있으면, EGR 율이 다량의 스모크가 발생하는 EGR 율 범위 (도 5) 를 통과하여 급격히 작아지는 동안 매연이 발생할 위험성이 있다. 그러나, 본 발명에 의한 실시예에서는 제 1 운전영역 (Ⅰ) 에서 제 2 운전영역 (Ⅱ) 으로 이동한 때에 대부분의 연료분사시기가 큰 폭으로 빨라진다. 즉, 대부분의 연료가 흡기행정으로 분사된다. 대부분의 연료가 흡기행정으로 분사되면 EGR 율에 관계없이 매연은 발생하지 않게 된다. 따라서, EGR 율이 급격히 작아지는 동안 매연이 발생할 위험성이 없어진다.
제 2 운전영역 (Ⅱ) 에서는 요구부하 (L) 가 높아짐에 따라 스로틀밸브 (17) 가 서서히 증대된다. 따라서, 요구부하 (L) 가 높아짐에 따라 EGR 율이 서서히 저하하고, 공연비가 이론공연비를 향해 서서히 작아진다.
이어서, 기관의 운전영역이 제 2 운전영역 (Ⅱ) 에서 제 3 운전영역 (Ⅲ) 으로 변화되면 도 8 에 나타내는 바와 같이 스로틀밸브 (17) 는 거의 전개상태로 유지된다. 또, 공연비를 이론공연비로 하기 위해 EGR 제어밸브 (24) 의 개도는 요구부하 (L) 가 높아짐에 따라 작아진다. 이때 공연비는 공연비 센서 (22) 의 출력신호에 기초하여 이론공연비로 피드백제어된다. EGR 제어밸브 (24) 가 전폐된 후, 요구부하 (L) 가 높아지면 공연비는 농후해진다.
도 9 에 나타내는 바와 같이 제 3 운전영역 (Ⅲ) 에서는 흡기행정초기에 연료분사 (Q1) 가 행해진다. 흡기행정초기에 행해지는 연료분사 (Q1) 의 분사개시시기 (θS1) 및 분사완료시기 (θE1), 압축행정말기에 행해지는 연료분사 (Q2) 의 분사개시시기 (θS2) 및 분사완료시기 (θE2), 및 점화시기 (θⅠ) 는 요구부하 (L) 및 기관회전수의 관수이며, 이들 연료분사 (Q1) 의 분사개시시기 (θS1) 및 분사완료시기 (θE1), 연료분사 (Q2) 의 분사개시시기 (θS2) 및 분사완료시기 (θE2), 및 점화시기 (θⅠ) 는 요구부하 (L) 및 기관회전수의 관수로서 맵의 형태로 미리 ROM (32) 내에 기억되어 있다.
도 10 은 제 1 운전영역 (Ⅰ) 에서의 공연비 (A/F) 를 나타내고 있다. 도 10 에서 A/F = 15, A/F = 20, A/F = 25, A/F = 30 으로 나타내어지는 각 곡선은 각각 공연비가 15, 20, 25, 30 인 때를 나타내고 있고, 각 곡선간의 공연비는 비례배분에 의해 정해진다. 도 10 에 나타내어지는 바와 같이 제 1 운전영역 (Ⅰ) 에서는 공연비가 희박해지고, 또한 제 1 운전영역 (Ⅰ) 에서는 요구부하 (L) 가 낮아질수록 공연비 (A/F) 가 희박해진다.
즉, 요구부하 (L) 가 낮아질수록 연소에 의한 발열량이 적어진다. 따라서 요구부하 (L) 가 낮아질수록 EGR 율을 저하시켜도 저온연소를 행할 수 있다. EGR 율을 저하시키면 공연비는 커지고, 따라서 도 10 에 나타내어지는 바와 같이 요구부하 (L) 가 낮아짐에 따라 공연비 (A/F) 가 커진다. 공연비 (A/F) 가 커질수록 연료소비율은 향상되고, 따라서, 가능한 한 공연비를 희박하게 하기 위해 본 발명에 의한 실시예에서는 요구부하 (L) 가 낮아짐에 따라 공연비 (A/F) 가 커진다.
또, 공연비를 도 10 에 나타내는 목표공연비로 하는 데 필요한 스로틀밸브 (17) 의 목표개도 (ST) 가 도 11a 에 나타내어지는 바와 같이 요구부하 (L) 및 기관회전수 (N) 의 관수로서 맵의 형태로 미리 ROM (32) 내에 기억되어 있고, 공연비를 도 10 에 나타내는 목표공연비로 하는 데 필요한 EGR 제어밸브 (24) 의 목표개도 (SE) 가 도 11b 에 나타내어지는 바와 같이 요구부하 (L) 및 기관회전수 (N) 의 관수로서 맵의 형태로 미리 ROM (32) 내에 기억되어 있다.
도 12 는 제 2 연소, 즉 종래의 연소방식에 의한 연소가 행해지는 때의 목표공연비를 나타내고 있다. 또, 도 12 에서 A/F = 14, A/F = 14.6, A/F = 15, A/F = 25 으로 나타내어지는 각 곡선은 각각 공연비가 14, 14.6, 15, 25 를 나타내고 있다. 도 12 에서 알 수 있듯이, 제 1 경계 (X (N)) 과 제 3 경계 (Z (N)) 간의 제 2 운전영역 (Ⅱ) 에서는 요구부하 (L) 가 낮아질수록 공연비 (A/F) 가 희박해진다. 또, 제 3 경계 (Z (N)) 보다도 요구부하 (L) 가 큰 제 3 운전영역 (Ⅲ) 중에서 저부하측의 영역에서는 공연비 (A/F) 가 14.6, 즉 이론공연비가 된다.
또, 공연비를 도 12 에 나타내는 목표공연비로 하는 데 필요한 스로틀밸브 (17) 의 목표개도 (ST) 가 도 13a 에 나타내어지는 바와 같이 요구부하 (L) 및 기관회전수 (N) 의 관수로서 맵의 형태로 미리 ROM (32) 내에 기억되어 있고, 공연비를 도 12 에 나타내는 목표공연비로 하는 데 필요한 EGR 제어밸브 (24) 의 목표개도 (SE) 가 도 13b 에 나타내어지는 바와 같이 요구부하 (L) 및 기관회전수 (N) 의 관수로서 맵의 형태로 미리 ROM (32) 내에 기억되어 있다.
이어서, 도 14 를 참조하면서 운전제어에 대해 설명한다.
도 14 를 참조하면, 우선 처음 스텝 (100) 에서 기관의 운전상태가 제 1 운전영역 (Ⅰ) 인 것을 나타내는 플래그(flag) (Ⅰ) 가 세트되어 있는지의 여부가 판별된다. 플래그 (Ⅰ) 가 세트되어 있을 때, 즉 기관의 운전상태가 제 1 운전영역 (Ⅰ) 인 때에는 스텝 (101) 으로 진행하여 요구부하 (L) 가 제 1 경계 (X (N)) 보다도 커졌는지의 여부가 판별된다. L ≤X1 (N) 인 때에는 스텝 (103) 으로 진행하여 저온연소가 행해진다.
즉, 스텝 (103) 에서는 도 11a 에 나타내는 맵에서 스로틀밸브 (17) 의 목표개도 (ST) 가 산출되고, 스로틀밸브 (17) 의 개도가 이 목표개도 (ST) 가 된다. 이어서, 스텝 (104) 에서는 도 11b 에 나타내는 맵에서 EGR 제어밸브 (24) 의 목표개도 (SE) 가 산출되고, EGR 제어밸브 (24) 의 개도가 이 목표개도 (SE) 가 된다. 이어서, 스텝 (105) 에서는 요구부하 (L) 및 기관회전수에 기초하여 ROM (32) 내에 기억된 맵에서 압축행정말기에 행해지는 연료분사 (Q2) 의 분사개시시기 (θS2) 및 분사완료시기 (θE2) 가 산출되고, 이들에 기초하여 연료의 분사제어가 행해진다. 이어서, 스텝 (106) 에서는 요구부하 (L) 및 기관회전수에 기초하여 ROM (32) 내에 기억된 맵에서 점화시기 (θⅠ) 가 산출되고, 이에 기초하여 점화시기가 제어된다.
한편, 스텝 (101) 에서 L ＞ X (N) 가 되었다고 판별된 때에는 스텝 (102) 으로 진행하여 플래그 (Ⅰ) 가 리세트되고, 이어서 스텝 (109) 으로 진행하여 제 2 연소가 행해진다.
즉, 스텝 (109) 에서는 도 13a 에 나타내는 맵에서 스로틀밸브 (17) 의 목표개도 (ST) 가 산출되고, 스로틀밸브 (17) 의 개도가 이 목표개도 (ST) 로 된다. 이어서, 스텝 (110) 에서는 도 13b 에 나태내는 맵에서 EGR 제어밸브 (24) 의 목표개도 (SE) 가 산출되고, EGR 제어밸브 (24) 의 개도가 이 목표개도 (SE) 로 된다. 이어서, 스텝 (111) 에서는 요구부하 (L) 가 제 3 경계 (Z (N)) 보다도 높은지의 여부가 판별된다. L ≤ Z (N) 인 때, 즉 기관의 운정상태가 제 2 운전영역 (Ⅱ) 에 있을 때에는 스텝 (112) 으로 진행하여 2 분할분사가 행해진다.
즉, 스텝 (112) 에서는 요구부하 (L) 및 기관회전수에 기초하여 ROM (32) 내에 기억된 맵에서 흡기행정초기에 행해지는 연료분사 (Q1) 의 분사개시시기 (θS1) 및 분사완료시기 (θE1) 와, 압축행정말기에 행해지는 연료분사 (Q2) 의 분사개시시기 (θS2) 및 분사완료시기 (θE2) 가 산출되고, 이에 기초하여 연료의 분사제어가 행해진다. 이어서, 스텝 (113) 에서는 요구부하 (L) 및 기관회전수에 기초하여 ROM (32) 내에 기억된 맵에서 점화시기 (θⅠ) 가 산출되고, 이에 기초하여 점화시기가 제어된다.
한편, 스텝 (111) 에서 L ＞ Z (N) 이라고 판단된 때, 즉 기관의 운전상태가 제 3 운전영역 (Ⅲ) 에 있을 때에는 스텝 (114) 으로 진행하여 통상의 균일 혼합기 연소가 행해진다.
즉, 스텝 (114) 에서는 요구부하 (L) 및 기관회전수에 기초하여 ROM (32) 내에 기억된 맵에서 흡기행정초기에 행해지는 연료분사 (Q1) 의 분사개시시기 (θS1) 및 분사완료시기 (θE1) 가 산출되고, 이에 기초하여 연료의 분사제어가 행해진다. 이어서, 스텝 (115) 에서는 요구부하 (L) 및 기관회전수에 기초하여 ROM (32) 내에 기억된 맵에서 점화시기 (θⅠ) 가 산출되고, 이에 기초하여 점화시기가 제어된다. 이어서, 스텝 (116) 에서는 목표공연비가 이론공연비인 경우에는 공연비 센서 (22) 의 출력신호에 기초하여 공연비가 이론공연비가 되도록 EGR 제어밸브 (24) 의 개도가 제어된다.
플래그 (Ⅰ) 가 리세트되면 다음 처리사이클에서는 스텝 (100) 에서 스텝 (107) 으로 진행하여 요구부하 (L) 가 제 2 경계 (Y (N)) 보다도 낮아졌는지의 여부가 판별된다. L ≥Y (N) 인 경우에는 스텝 (109) 으로 진행하고, 제 2 연소가 행해진다.
한편, 스텝 (107) 에서 L ＜ Y (N) 이 되었다고 판별된 때에는 스텝 (108) 으로 진행하고 플래그 (Ⅰ) 가 리세트되고, 이어서, 스텝 (103) 으로 진행하여 저온연소가 행해진다.
이어서, 촉매 (20) 로서 NOX흡수제를 사용한 경우에 대해 설명한다.
기관흡기통로, 연소실 (5) 및 NOX흡수제 (20) 상류의 배기통로내로 공급된 공기 및 연료 (탄화수소) 의 비를 NOX흡수제 (20) 로의 유입배기가스의 공연비라고 칭하면, NOX흡수제 (20) 는 유입배기가스의 공연비가 희박한 때에는 NOX를 흡수하고, 유입배기가스의 공연비가 이론공연비 또는 농후해지면 흡수한 NOX를 방출하는 NOX의 흡방출작용을 행한다. 또, NOX흡수제 (20) 상류의 배기통로내로 연료 (탄화수소) 또는 공기가 공급되지 않는 경우에는, 유입배기가스의 공연비는 연소실 (5) 내에서의 공연비와 일치하고, 따라서 이경우에는 전술한 바와 같이 NOX흡수제 (20) 는 연소실 (5) 내에서의 공연비가 희박한 때에는 NOX를 흡수하고, 연소실 (5) 내에서의 공연비가 이론공연비 또는 농후해지면 흡수한 NOX를 방출하게 된다.
이 NOX흡수제 (20) 를 기관배기통로내에 배치하면 NOX흡수제 (20) 는 실제로 NOX의 흡방출작용을 행하지만, 이 흡방출작용의 상세한 메카니즘에 대해서는 명확하지 않은 부분도 있다. 그러나, 이 흡방출작용은 도 15a 및 도 15b 에 나타내는 바와 같은 메카니즘으로 행해지고 있는 것으로 생각된다. 이어서, 이 메카니즘에 대해 담체상에 백금 (Pt) 및 바륨 (Ba) 를 담지시킨 경우를 예로 들어 설명하지만, 다른 귀금속, 알칼리금속, 알칼리토류, 희토류를 사용해도 동일한 메카니즘이 된다.
즉, 유입배기가스가 희박해지면 유입배기가스중의 산소농도가 증대하고, 이때 도 15a 에 나타내는 바와 같이 이들 산소 (O2) 가 O2 -또는 O2-의 형태로 백금 (Pt) 의 표면에 부착된다. 한편, 유입배기가스 중의 NO 는 백금 (Pt) 의 표면상에서 O2 -또는 O2-와 반응하고, NO2가 된다 (2NO + O2→2NO2). 이어서, 생성된 NO2의 일부는 백금 (Pt) 상에서 산화되면서 흡수제 내로 흡수되어 산화바륨 (BaO) 과 결합하면서 도 15a 에 나타내는 바와 같이 질산이온 NO3 -의 형태로 흡수제 내로 확산한다. 이렇게 하여 NOX가 NOX흡수제 (20) 내로 흡수된다. 유입배기가스 중의 산소농도가 높을 때 백금 (Pt) 의 표면에서 NO2가 생성되고, 흡수제 NOX흡수능력이 포화하지 않을 때 NO2가 흡수제내로 흡수되어 질산이온 NO3 -이 발생된다.
한편, 유입배기가스의 공연비가 농후해지면 유입배기가스중의 산소농도가 저하하고, 그 결과 백금 (Pt) 표면에서 NO2의 생성량이 저하한다. NO2의 생성량이 저하하면 반응이 역방향 (NO3 -→ NO2) 으로 진행하고, 이렇게 하여 흡수제내의 질산이온 NO3 -이 NO2의 형태로 흡수제로부터 방출된다. 이때 NOX흡수제 (20) 로부터 방출된 NOX는 도 15b 에 나타내어지는 바와 같이 유입배기가스중에 포함되는 다량의 미연 (HC, CO) 과 반응하여 환원된다. 이렇게 하여 백금 (Pt) 의 표면상에 NO2가 존재하지 않게 되면 흡수제로부터 차례 차례로 NO2가 방출된다. 따라서, 유입배기가스의 공연비가 농후해지면 단시간동안에 NOX흡수제 (20) 로부터 NOX가 방출되고, 또한 이 방출된 NOX가 환원되기 때문에 대기중에 NOX가 배출되지 않는다.
또, 이 경우, 유입배기가스의 공연비를 이온공연비로 해도 NOX흡수제 (20) 로부터 NOX가 방출된다. 그러나, 유입배기가스의 공연비를 이론공연비로 한 경우에는 NOX흡수제 (20) 로부터 NOX가 천천히 방출되기 때문에, NOX흡수제 (20) 로 흡수되어 있는 전 NOX를 방출시키기 위해서는 약간 긴 시간을 필요로 한다.
그런데, NOX흡수제 (20) 의 NOX흡수능력에는 한계가 있고, NOX흡수제 (20) 의 NOX흡수능력이 포화하기 전에 NOX흡수제 (20) 로부터 NOX를 방출시킬 필요가 있다. 그로 인해, NOX흡수제 (20) 에 흡수되어 있는 NOX량을 추정할 필요가 있다. 그래서, 본 발명에 의한 실시예에서는 제 1 연소가 행해지고 있는 때의 단위시간당의 NOX흡수량 (A) 을 요구부하 (L) 및 기관회전수 (N) 의 관수로서 도 16a 에 나타내는 바와 같은 맵의 형태로 미리 구해놓고, 제 2 연소가 행해지고 있는 때의 단위시간당의 NOX흡수량 (B) 을 요구부하 (L) 및 기관회전수 (N) 의 관수로서 도 16b 에 나타내는 바와 같은 맵의 형태로 미리 구해놓고, 이들 단위시간당의 NOX흡수량 (A, B) 을 적산함으로써 NOX흡수제 (20) 에 흡수되어 있는 NOX량 (∑NOX) 을 추정하도록 하고 있다. 또, 이 경우, NOX흡수량 (A) 은 매우 작다.
한편, 기관의 운전상태가 제 3 운전영역 (Ⅲ) 에 있을 때에는 공연비가 이론공연비 또는 농후해지고, 이때 NOX흡수제 (20) 로부터 NOX가 방출된다. 그래서, 본 발명에 의한 실시예에서는 이때의 단위시간당의 NOX방출량 (C) 을 요구부하 (L) 및 기관회전수 (N) 의 관수로서 도 16c 에 나타내는 바와 같은 맵의 형태로 미리 구해놓고, 공연비가 이론공연비 또는 농후해진 때에 NOX흡수량 (∑NOX) 으로부터 NOX방출량 (C) 을 감산하도록 하고 있다.
본 발명에 의한 실시예에서는 이 NOX흡수량 (∑NOX) 이 미리 정해진 허용최대치 (MAX) 를 초과한 때에 NOX흡수제 (20) 로부터 NOX를 방출시키도록 하고 있다. 이어서, 이것에 대해 도 17 을 참조하면서 설명한다.
도 17 은 NOX흡수제 (20) 로부터 NOX를 방출해야 할 때에 세트되는 NOX방출플래그의 처리루틴을 나타내고, 이 루틴은 일정시간마다 인터럽트에 의해 실행된다.
도 17 을 참조하면, 우선 처음 스텝 (200) 에서 기관의 운전영역이 제 1 운전영역 (Ⅰ) 인 것을 나타내는 플래그 (Ⅰ) 가 세트되어 있는지의 여부가 판별된다. 플래그 (Ⅰ) 가 세트되어 있을 때, 즉 기관의 운전영역이 제 1 운전영역 (Ⅰ) 인 때에는 스텝 (201) 으로 진행하여 도 16a 에 나타내는 맵으로부터 단위시간당의 NOX흡수량 (A) 이 산출된다. 이어서, 스텝 (202) 에서는 NOX흡수량 (∑NOX) 에 A 가 가산된다. 이어서, 스텝 (203) 에서는 NOX흡수량 (∑NOX) 이 허용최대치 (MAX) 를 초과했는지의 여부가 판별된다. ∑NOX ＞ MAX 가 되면 스텝 (204) 으로 진행하여 미리 정해진 시간만큼 NOX방출플래그가 세트되는 처리가 행해지고, 이어서 스텝 (205) 에서 ∑NOX 가 제로가 된다.
한편, 스텝 (200) 에서 플래그 (Ⅰ) 가 리세트되고 있다고 판단된 때에는 스텝 (206) 으로 진행하여 요구부하 (L) 가 제 3 경계 (Z (N)) 보다도 높은지의 여부가 판별된다. L ≤ Z (N) 의 경우, 즉 기관의 운전영역이 제 2 운전영역 (Ⅱ) 인 때에는 스텝 (207) 으로 진행하여 도 16b 에 나타내는 맵으로부터 단위시간당의 NOX흡수량 (B) 이 산출된다. 이어서, 스텝 (208) 에서는 NOX흡수량 (∑NOX) 에 B 가 가산된다. 이어서, 스텝 (209) 에서는 NOX흡수량 (∑NOX) 이 허용최대치 (MAX) 를 초과했는지의 여부가 판별된다. ∑NOX ＞ MAX 가 되면 스텝 (210) 으로 진행하여 미리 정해진 시간만큼 NOX방출플래그가 세트되는 처리가 행해지고, 이어서 스텝 (211) 에서 ∑NOX 가 제로로 된다.
한편, 스텝 (206) 에서 L ＞ Z (N) 이라고 판단된 때, 즉 기관의 운전상태가 제 3 운전영역 (Ⅲ) 인 때에는 스텝 (212) 으로 진행하여 도 16c 에 나타내는 맵으로부터 단위시간당의 NOX방출량 (C) 이 산출된다. 이어서, 스텝 (213) 에서는 NOX흡수량 (∑NOX) 으로부터 C 가 감산된다.
이어서, 도 18 을 참조하면서 운전제어에 대해 설명한다.
도 18 을 참조하면, 우선 처음 스텝 (300) 에서 기관의 운전상태가 제 1 운전영역 (Ⅰ) 인 것을 나타내는 플래그 (Ⅰ) 가 세트되어 있는지의 여부가 판별된다. 플래그 (Ⅰ) 가 세트되고 있을 때, 즉 기관의 운전상태가 제 1 운전영역 (Ⅰ) 인 때에는 스텝 (301) 으로 진행하여 요구부하 (L) 가 제 1 경계 (X (N)) 보다도 커졌는지의 여부가 판별된다. L ≤ X1 (N) 의 경우에는 스텝 (303) 으로 진행하여 저온연소가 행해진다.
즉, 스텝 (303) 에서는 도 11a 에 나타내는 맵으로부터 스로틀밸브 (17) 의 목표개도 (ST) 가 산출되고, 스로틀밸브 (17) 의 개도가 이 목표개도 (ST) 가 된다. 이어서, 스텝 (304) 에서는 도 11b 에 나타내는 맵에서 EGR 제어밸브 (24) 의 목표개도 (SE) 가 산출되고, EGR 제어밸브 (24) 의 개도가 이 목표개도 (SE) 로 된다. 이어서, 스텝 (305) 에서는 요구부하 (L) 및 기관회전수에 기초하여 ROM (32) 내에 기억된 맵으로부터 점화시기 (θⅠ) 가 산출되고, 이에 기초하여 점하시기가 제어된다.
이어서, 스텝 (306) 에서는 NOX방출플래그가 세트되어 있는지의 여부가 판별된다. NOX방출플래그가 세트되어 있지 않을 때는 스텝 (307) 으로 진행하여 요구부하 (L) 및 기관회전수에 기초하여 ROM (32) 내에 기억된 맵으로부터 압축행정말기에 행해지는 연료분사 (Q2) 의 분사개시시기 (θS2) 및 분사완료시기 (θE2) 가 산출되고, 이에 기초하여 연료의 분사제어가 행해진다. 이때 희박공연비 하에서 저온연소가 행해진다.
이에 대해, 스텝 (306) 에서 NOX방출플래그가 세트되어 있다고 판단된 때에는 스텝 (308) 으로 진행하여 요구부하 (L) 및 기관전회전에 기초하여 ROM (32) 내에 기억된 맵으로부터 압축행정말기에 행해지는 연료분사 (Q2) 의 분사개시시기 (θS2) 및 분사완료시기 (θE2) 가 산출되고, 이어서 압축행정말기에 행해지는 연료분사 (Q2) 의 분사량을 증대함으로써 공연비를 농후하게 하기 위해, 맵으로부터 산출된 분사개시시기 (θS2) 를 앞당기는 처리가 행해진다. 그 결과, NOX방출플래그가 세트되어 있는 기간 중, 제 1 연소 하에서 공연비가 농후해진다.
한편, 스텝 (301) 에서 L ＞ X (N) 가 되었다고 판별된 때에는 스텝 (302) 으로 진행하여 플래그 (Ⅰ) 가 리세트되고, 이어서 스텝 (311) 으로 진행하여 제 2 연소가 행해진다.
즉, 스텝 (311) 에서는 도 13a 에 나타내는 맵으로부터 스로틀밸브 (17) 의 목표개도 (ST) 가 산출되고, 스로틀밸브 (17) 의 개도가 이 목표개도 (ST) 로 된다. 이어서, 스텝 (312) 에서는 도 13b 에 나타내는 맵으로부터 EGR 제어밸브 (24) 의 목표개도 (SE) 가 산출되고, EGR 제어밸브 (24) 의 개도가 이 목표개도 (SE) 로 된다. 이어서, 스텝 (313) 에서는 요구부하 (L) 가 제 3 경계 (Z (N)) 보다도 높은지의 여부가 판별된다. L ≤Z (N) 의 경우, 즉 기관의 운전상태가 제 2 운전영역 (Ⅱ) 에 있을 때에는 스텝 (314) 으로 진행하여 2 분할분사가 행해진다.
즉, 우선 처음 요구부하 (L) 및 기관회전수에 기초하여 ROM (32) 내에 기억된 맵으로부터 점화시기 (θⅠ) 가 산출되고, 이에 기초하여 점화시기가 제어된다. 이어서, 스텝 (315) 에서는 NOX방출플래그가 세트되어 있는지의 여부가 판별된다. NOX방출플래그가 세트되어 있지 않은 경우에는 스텝 (316) 으로 진행하여 요구부하 (L) 및 기관회전수에 기초하여 ROM (32) 내에 기억된 맵으로부터 흡기행정초기에 행해지는 연료분사 (Q1) 의 분사개시시기 (θS1) 및 분사완료시기 (θE1) 와, 압축행정말기에 행해지는 연료분사 (Q2) 의 분사개시시기 (θS2) 및 분사완료시기 (θE2) 가 산출되고, 이에 기초하여 연료의 분사제어가 행해진다. 이때 희박공연비 하에서 2 분할분사가 행해진다.
이에 대해 스텝 (315) 에서 NOX방출플래그가 세트되어 있다고 판단된 때에는 스텝 (317) 으로 진행하여 요구부하 (L) 및 기관회전수에 기초하여 ROM (32) 내에 기억된 맵으로부터 흡기행정초기에 행해지는 연료분사 (Q1) 의 분사개시시기 (θS1) 및 분사완료시기 (θE1) 와, 압축행정말기에 행해지는 연료분사 (Q2) 의 분사개시시기 (θS2) 및 분사완료시기 (θE2) 가 산출되고, 이어서 흡기행정초기에 행해지는 연료분사 (Q1) 의 분사량을 증대함으로써 공연비를 농후하게하기 위해, 맵으로부터 산출된 분사개시시기 (θS1) 을 앞당기는 처리가 행해진다. 그 결과, NOX방출플래그가 세트되어 있는 기간 중, 제 2 연소 하에서 공연비가 농후해진다.
한편, 스텝 (313) 에서 L ＞ Z (N) 이라고 판별된 때, 즉 기관의 운전상태가 제 3 운전영역 (Ⅲ) 에 있을 때에는 스텝 (318) 으로 진행하여 통상의 균일 혼합기 연소가 행해진다.
즉, 스텝 (318) 에서는 요구부하 (L) 및 기관회전수에 기초하여 ROM (32) 내에 기억된 맵으로부터 흡기행정초기에 행해지는 연료분사 (Q1) 의 분사개시시기 (θS1) 및 분사완료시기 (θE1) 가 산출되고, 이에 기초하여 연료의 분사제어가 행해진다. 이어서, 스텝 (319) 에서는 요구부하 (L) 및 기관회전수에 기초하여 ROM (32) 내에 기억된 맵으로부터 점화시기 (θⅠ) 이 산출되고, 이에 기초하여 점화시기가 제어된다. 이어서, 스텝 (320) 에서는 목표공연비가 이론공연비인 경우에는 공연비 센서 (22) 의 출력신호에 기초하여 공연비가 이론공연비가 되도록 EGR 제어밸브 (24) 의 개도가 제어된다.
플래그 (Ⅰ) 가 리세트되면 다음 처리사이클에서는 스텝 (300) 에서 스텝 (309) 으로 진행하여 요구부하 (L) 가 제 2 경계 (Y (N)) 보다도 낮아졌는지의 여부가 판별된다. L ≥Y (N) 인 때에는 스텝 (311) 으로 진행하고, 제 2 연소가 행해진다.
한편, 스텝 (309) 에서 L ＜ Y (N) 가 되었다고 판별된 때에는 스텝 (310) 으로 진행하여 플래그 (Ⅰ) 가 세트되고, 이어서 스텝 (303) 으로 진행하여 저온연소가 행해진다.
도 19 는 기관의 운전상태가 제 1 운전영역 (Ⅰ) 에 있는 경우, 즉 저온연소가 행해지고 있는 때에 압축행정말기에서의 연료분사 (Q2) 의 개시 직후에 점화플러그 (7) 에 의한 점화작용을 행하도록 한 실시예를 나타내고 있다. 즉, 이 실시예에서는 점화시기 (θⅠ) 가 도 9 에 나타내어지는 실시예의 점화시기 (θⅠ) 와 같은 시기로 설정되어 있고, 이 점화시기 (θⅠ) 의 직후에 분사개시시기 (θS2) 가 설정되어 있다.
이와 같이 점화시기 (θⅠ) 를 설정하면 분사개시 직후에 분사연료가 착화되고, 이 착화화염에 의해 계속해서 분사되는 연료가 분사되는지의 여부 순서대로 연소된다. 따라서, 이 실시예에서는 희박혼합기가 형성되지 않으므로, 희박혼합기의 연소에 의한 미연 (HC) 이 발생하지 않는다. 따라서, 이 실시예에서도 매연 및 NOX가 발생하는 것을 억제하면서 연료소비량을 저감할 수 있다.
도 20 에 내연기관의 다른 실시예를 나타낸다.
이 실시예에서는 실린더 헤드 (3) 의 내벽면 중앙부에 점화플러그 (7) 가 배치되고, 실린더 헤드 (3) 의 내벽면 주변부에 연료분사밸브 (6) 가 배치되고, 연료분사밸브 (6) 의 하측으로부터 점화플러그 (7) 의 하측까지 연장되는 반구형상의 오목홈 (4a) 이 피스톤 (4) 의 정상면상에 형성된다. 기관의 운전상태가 제 1 운전영역 (Ⅰ) 에 있을 때, 즉 저온연소가 행해질 때에는 압축행정말기에 연료분사밸브 (6) 로부터 작은 분무각으로 연료가 오목홈 (4a) 내를 향해 오목홈 (4a) 의 바닥벽면을 따라 분사되고, 이 분사연료 (F) 는 오목홈 (4a) 의 바닥벽면에 의해 안내되어 점화플러그 (7) 의 하측에서 점화플러그 (7) 를 향해 상승된다.
이 실시예에서는 분사된 연료가 점화플러그 (7) 의 주위에 도달하기까지 시간을 필요로 하기 때문에, 분사가 완료된 후에 점화플러그 (7) 에 의한 점화작용이 행해진다. 따라서, 도 21 에 나타내어지는 바와 같이 제 1 운전영역 (Ⅰ) 에서는 연료분사 (Q2) 의 분사완료시기 (θE2) 보다도 점화시기 (θⅠ) 가 늦어지고 있다.
이 실시예에서는 연료분사량에 관계없이, 분사연료가 점화플러그 (7) 의 주위에 도달하는 것과, 점화플러그 (7) 에 의한 점화작용이 행해지기까지 분사연료 (F) 가 지나치게 확산되지 않는 것이 필요하다. 따라서, 이 실시예에서는 연료분사밸브 (6) 로부터 분무각이 작고 또한 큰 관철력을 가지는 연료분무를 분사하는 것이 바람직하다.
이상 서술한 바와 같이 본 발명에 의하면 매연 및 NOX의 발생을 억제하면서 연료소비량을 저감할 수 있다.

Claims (19)

  1. 연소실내로 분사된 연료를 착화하기 위한 점화플러그를 구비하고, 압축행정에서 연료분사시기를 늦추어 가면 연소실내의 불활성가스량이 증대된 때에 매연 발생량의 피크가 나타나는 내연기관으로서, 매연의 발생량이 피크가 되는 불활성가스량보다도 연소실내의 불활성가스량이 많게 되고, 그로 인해 연소실내에서의 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도를 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 억제하여 매연이 생성되는 것을 억제하는 내연기관.
  2. 제 1 항에 있어서, 연료분사시기가 불활성가스량을 증대한 때에 매연 발생량의 피크가 나타나는 시기로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  3. 제 2 항에 있어서, 연료분사시기가 압축행정의 말기로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  4. 제 3 항에 있어서, 연료분사중에 상기 점화플러그에 의한 점화작용이 행해지는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  5. 제 3 항에 있어서, 연료분사완료후에 상기 점화플러그에 의한 점화작용이 행해지는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 점화플러그와 연료분사밸브가 실린더 헤드 내벽면의 중앙부에 인접하여 배치되고, 점화플러그의 방전갭이 연료분사밸브의 분무주류 주위에 형성되는 분무부류내에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 연료분사밸브로부터 실린더 축선을 따라 연료가 분사되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  8. 제 1 항에 있어서, 실린더 헤드 내벽면의 중앙부에 점화플러그가 배치되고, 실린더 헤드 내벽면의 주변부에 연료분사밸브가 배치되고, 연료분사밸브의 하측으로부터 점화플러그의 하측까지 연장되는 오목홈이 피스톤 정상면상에 형성되고, 연료분사밸브로부터 오목홈내로 분사된 연료가 오목홈의 바닥벽면에 의해 안내되어 점화플러그의 주위를 향하게 되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  9. 제 1 항에 있어서, 연소실로부터 배출된 배기가스를 기관흡기통로내로 재순환시키는 배기가스 재순환장치를 구비하고, 상기 불활성가스가 기관흡기통로내로 재순환된 재순환배기가스로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  10. 제 9 항에 있어서, 배기가스 재순환율이 거의 55 % 이상인 것을 특징으로 하는 내연기관.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 배기가스 재순환장치가 재순환 배기가스를 냉각하기 위한 쿨러를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  12. 제 1 항에 있어서, 미연 탄화수소가 매연의 형태가 아니고, 매연의 전구체 또는 그 이전의 형태로 연소실로부터 배출되고, 연소실로부터 배출된 미연 탄화수소를 산화하기 위한 후처리장치가 기관배기통로내에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 후처리장치가 산화기능을 하는 촉매로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 촉매가 산화촉매, 삼원촉매 또는 NOX흡수제 중의 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  15. 제 1 항에 있어서, 연소실내에서의 공연비가 이론공연비이거나, 또는 희박공연비이거나, 또는 농후공연비로 되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  16. 제 1 항에 있어서, 매연의 발생량이 피크가 되는 불활성가스량보다도 연소실내의 불활성가스량이 많고 매연이 거의 발생하지 않는 제 1 연소와, 매연의 발생량이 피크가 되는 불활성량보다도 연소실내의 불활성가스량이 적은 제 2 연소를 선택적으로 전환하는 전환수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  17. 제 16 항에 있어서, 기관의 운전영역이 저부하측의 운전영역과 고부하측의 운전영역으로 분할되고, 저부하측의 운전영역에서는 제 1 연소가 행해지고, 고부하측의 운전영역에서는 제 2 연소가 행해지는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 고부하측의 운전영역중에서 저부하측의 영역에서는 흡기행정과 압축행정말기의 둘로 분류하여 연료분사가 행해지는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  19. 제 1 항에 있어서, 유입되는 배기가스의 공연비가 희박한 때에는 배기가스 중에 포함되는 NOX를 흡수하고 또한 유입되는 배기가스의 공연비가 이론공연비 또는 농후해지면 흡수된 NOX를 방출하는 NOX흡수제가 기관배기통로내에 배치되고, NOX흡수제로부터 NOX를 방출해야하는 때에는 연소실내에서의 공연비가 이론공연비 또는 농후해지는 것을 특징으로 하는 내연기관.
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