KR20060106664A - 디젤기관의 제어장치 - Google Patents

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Abstract

기통 내에서 압축된 공기에 연료를 분사하여, 연료를 자연발화에 의해 연소시키는 디젤기관으로서, 연료의 분사시기를 압축 상사점보다 조기로 설정해서 미리 공기와 연료를 혼합하고, 기통 내에서 압축된 혼합기체를 자연발화에 의해 연소시키는 예혼합 연소제어수단을 구비하고, 이 제어수단은 기관의 운전상태에 따라서 연료를 복수 단계로 나누어서 분사시킴과 아울러, 기통 내의 기체밀도 및 기체온도에 기초해서 나눠진 각 단계의 분사압력을 각각 조정하고 있다(S306-S310).

Description

디젤기관의 제어장치{CONTROL DEVICE OF DIESEL ENGINE}
도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 디젤기관의 제어장치가 적용되는 코먼레일식 연료분사장치의 전체구성도이다.
도 2는 증압기구의 작동시기와 분사압파형의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 ECU가 실행하는 분사압력제어 및 분사횟수결정 루틴을 나타내는 플로우차트이다.
도 4는 연소방식을 전환하기 위한 맵을 나타내는 도면이다.
도 5는 조기 분사연료량이나 기준 조기 분사시기를 설정하기 위한 맵을 나타내는 도면이다.
도 6은 ECU가 실행하는 분사량이나 분사압력의 연산 루틴을 나타내는 플로우차트이다.
도 7은 조기분의 1회당 최대분사량이나 분사압력을 설정하기 위한 맵을 나타내는 도면이다.
도 8은 ECU가 실행하는 벽면부착량의 연산 루틴을 나타내는 플로우차트이다.
도 9는 ECU에 의한 보정 후의 분사압력 및 분사횟수의 일례를 나타내는 도면이다.
본 발명은 디젤기관의 제어장치에 관한 것이며, 상세하게는, 연료의 분사시기를 디젤연소에 비해서 진각시키고, 또한, 복수 단계로 나누어서 분사시킨 예혼합연소를 실시하는 디젤기관의 제어장치에 관한 것이다.
일반적으로, 디젤연소(확산연소)에서는 기통 내에 공기를 주입해서 압축하고, 압축된 공기에 연료를 분사하여, 이 연료를 자연발화에 의해 연소시킨다. 이것에 대해서, 연료의 분사시기를 보다 대폭적으로 빠르게 해서 착화지연 기간을 길게 한 연소방식, 즉, 예혼합 압축 착화 연소가 있다. 이 연소방식에 따르면 연료의 희박한 혼합기체가 형성되어, 그 연소가 저온에서 행해지므로 NOx나 스모크의 발생을 억제할 수 있게 된다.
여기서, 이 예혼합 압축 착화 연소에서는, 요구부하의 증가에 따라 분사량이 많아지면 연료가 빨리 착화되어 버리고, 연소가 심해져서 노킹이 발생함과 아울러, 다량의 NOx나 스모크가 발생할 우려가 있다. 그 때문에, 연료의 분사시기를 디젤연소에 비해서 보다 대폭적으로 빠르게 하는 것의, 복수 단계로 나누어서 분사시킨 예혼합 연소방식이 있다. 예를 들면, 총연료분사량의 일부를 압축행정 중 빠른 시점에서 복수 단계로 나누어서 분사시키고, 나머지를 압축 상사점 부근에서 분사시킨다.
그러나, 이 압축행정 중 빠른 시점에서 분사된 연료는 기통의 벽면까지 도달하여, 오일 다이류션이나 스모크의 발생의 원인으로 된다. 이 시점에서는, 피스톤 의 위치가 아직 낮은 위치에 있고, 또한, 기통 내의 분위기밀도(기체밀도)가 낮기 때문이다. 그래서, 기통의 벽면에 도달시키지 않도록 저압의 연료로 분사를 행하는 기술(예를 들면, 특허문헌1 참조)이나, 상기 빠른 시점에서 분사된 연료에 대해서 기통 내의 기체밀도를 고려한 기술(예를 들면, 특허문헌2 참조)이 각각 개시되어 있다.
[특허문헌1]일본 특허공개 2002-201991호 공보
[특허문헌2]일본 특허공개 2003-286879호 공보
그런데, 상기 특허문헌1에 기재된 기술에서는, 저압용과 고압용의 2종류의 코먼레일을 구비한 연소 분사장치를 이용해서 분사압력을 제어한다. 그리고, 이 저압용 코먼레일로부터의 연료에 대해서 분사를 복수 단계로 나누어서 실시하면, 상술의 예혼합 연소방식은 실현 가능하게 된다.
그러나, 연료분무의 관철력은 기통 내의 분위기에 의해 순차 증감하는 것이다. 즉, 분사압력은 분사시의 기통 내의 상태에 따라서 변경하지 않으면, 기통의 벽면으로의 도달을 회피할 수 없다. 바꾸어 말하면, 연료를 복수 단계로 나누어서 분사시킬 경우에는, 엄밀하게 말하면, 분사마다 최적의 분사압력이 존재해야 하지만, 상기 특허문헌1에 기재된 기술에 의하면, 각 단계의 분사압력은 모두 일률적인 압력으로 설정되어 버리고, 특히, 제1단계에서 분사된 연료는 기통의 벽면에 도달하기 쉬워진다는 문제가 있다. 또한, 상기 문헌의 상기 벽면에 부착되는 연료량의 평가는 포스트 분사에 관한 것으로서, 주분사를 고려하고 있지 않고, 모든 연료를 기통 내에서 연소시킬 경우에는 적용이 곤란하다.
여기서, 상기 특허문헌2에 기재된 기술과 같이, 기통 내의 기체밀도를 고려해서 분사압력 등을 제어하는 기술을 조합시키는 것도 고려된다. 그러나, 연료분무의 관철력은 기체밀도 뿐만 아니라, 기통 내의 분위기온도(기체온도)도 고려하지 않으면 실정에 맞지 않고, 실제로 기통의 벽면에 부착되는 연료량을 평가할 수 없다. 왜냐하면, 기통 내의 용적이 커지면, 기체밀도가 작아질 뿐만 아니라 기체온도도 낮아지므로, 이 경우의 연료분무의 관철력은 보다 증가경향에 있어, 연료가 기통의 벽면에 도달할 가능성은 보다 한층 증가하기 때문이다. 또한, 흡기온도가 높아지면, 기체밀도는 낮아지는 것에 대해서 기체온도는 상승하므로, 이 경우의 연료분무의 관철력은 연료의 증발에 의해 감소경향으로 되어, 연료가 기통의 벽면에 도달할 가능성은 감소하기 때문이다.
본 발명은, 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 실정에 의해 합치된 연료분무의 관철력을 고려하여, 분사마다 다른 최적의 압력을 설정할 수 있는 디젤기관의 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 디젤기관의 제어장치는 기통 내에서 압축된 공기에 연료를 분사하고, 연료를 자연발화에 의해 연소시키는 디젤기관으로서, 연료의 분사시기를 압축 상사점보다 조기로 설정해서 미리 공기와 연료를 혼합하여, 기통 내에서 압축된 혼합기체를 자연발화에 의해 연소시키는 예혼합 연소제어수단을 구비하고, 이 제어수단은, 기관의 운전상태에 따라 연료를 복수 단계 로 나누어서 분사시킴과 아울러, 기통 내의 기체밀도 및 기체온도에 기초해서 나눠진 각 단계의 분사압력을 각각 조정하는 것을 특징으로 하고 있다.
이것에 의해, 각 단계의 분사압력은 모두 일률적인 압력으로 설정되어 버리는 것이 아니라, 분사마다 다른 압력으로 설정된다. 또한, 각 단계의 분사압력은 기통 내의 기체밀도 및 기체온도에 기초해서 조정되므로, 실정에 의해 합치된 연료분무의 관철력이 고려되고 있다. 이 결과, 각 단계의 분사는, 연료분무가 기통의 벽면에 부착되지 않는 범위 내 중에서 가장 높은 최적의 압력으로 각각 설정할 수 있게 되어, 오일 다이류션의 억제나, 스모크의 저감 및 연소효율의 개선을 달성할 수 있다.
이하, 도면에 의해 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다.
도 1은, 코먼레일식 연료분사장치의 전체구성도이다. 상기 연료분사장치에 본 발명의 디젤기관의 제어장치가 적용되어 있다.
상기 디젤기관(이하, 간단히 엔진이라고 한다)을 구비한 차량에는 연료탱크(2)가 설치되어 있고, 이 연료탱크(2)는 탱크연료로(4)를 통해서 피드 펌프(6)에 접속되며, 피드 펌프(6)는 서플라이 펌프(8)에 접속되어 있다. 이 서플라이 펌프(8)에는 전자식 연료공급량 조정밸브(18)가 구비되고, 또한, 서플라이 펌프(8)는 역지밸브(10)를 구비한 한 쌍의 서플라이 연료로(12)를 통해서 코먼레일(14)에 접속되어 있다. 또, 피드 펌프(6) 및 서플라이 펌프(8)는 일체화되어, 구동축(16)을 통해서 엔진에 의해 구동된다.
연료탱크(2) 내의 연료는, 피드 펌프(6)에 의해 퍼 올려져서 서플라이 펌프 (8)에 공급되고, 서플라이 펌프(8)에서 더욱 가압되어서 코먼레일(14)에 공급된다. 서플라이 펌프(8)로의 연료흡입량은 연료공급량 조정밸브(18)의 개방도에 따라서 제한되고, 이것에 따라서 서플라이 펌프(8)로부터의 연료토출량도 제어되어, 코먼레일(14) 내의 연료압력이 조정되어 있다.
코먼레일(14)에는 코먼레일 연료로(22)를 통해서 연료분사밸브(20)가 접속되어 있고, 연료분사밸브(20)는 엔진의 기통 내에 면한 자세로 기통마다 각각 설치되어 있다. 또한, 이 연료분사밸브(20)는, 기통 내로의 연료분사를 제어하는 연료분사기구(26)와, 이 연료분사기구(26)에 공급되는 연료를 사전에 증압하는 증압기구(54)를 구비하고 있다.
우선, 연료분사 기구(26)는, 밸브본체(24)의 선단측으로부터 순서대로 분사구멍부(28), 연료저장실(30), 스프링실(32) 및 압력실(34)이 형성되고, 이들 분사구멍부(28)로부터 압력실(34)에 걸쳐서 니들밸브(36)가 설치되어 있으며, 이 니들밸브(36)는 스프링실(32) 내의 스프링(38)의 가압력에 의해서 하방향을 향하여 밀려져 있다. 연료저장실(30)은 연료공급로(40)의 일단측에 접속되어 있고, 이 연료공급로(40)의 타단측은 코먼레일 연료로(22)에 접속되며, 또한, 이 연료공급로(40)의 도중에는 역지밸브(42)가 설치되어 있다. 그리고, 코먼레일 연료로(22)로부터의 연료는 연료공급로(40) 및 연료저장실(30)을 거쳐서 분사구멍부(28)로 안내된다.
이 연료공급로(40)에 있어서, 역지밸브(42)의 설치위치보다 하류측의 적절한 위치에는 오리피스(44)를 구비한 압력로(46)의 일단측이 접속되고, 이 압력로(46)의 타단측은 압력실(34)의 상부에 접속되어 있다. 따라서, 연료공급로(40)의 연료 압은 압력실(34) 내에서는 니들밸브(36)의 상면측에 백프레서로서 작용하는 한편, 연료저장실(30) 내에서는 니들밸브(36)에 상방향으로의 압력이 작용하고 있다. 또한, 상기 백프레서 및 스프링(38)의 가압력의 합력은 연료저장실(30)에 작용하는 연료압력을 상회하고 있고, 이 경우의 니들밸브(36)는 하방향를 향해 밀려서 분사구멍부(28)에 압접되고, 폐쇄상태가 유지된다.
압력실(34)의 상부에는 오리피스(48)를 통해서 전자식 분사제어밸브(인젝터 전자밸브)(50)가 접속되어 있고, 이 분사제어밸브(50)는 리턴로(52)를 통해서 연료탱크(2)에 접속되어 있다. 분사제어밸브(50)의 개방에 따라, 압력실(34) 내의 연료는 리턴로(52)를 거쳐서 연료탱크(2)에 회수된다. 이것에 의해, 상기 백프레서가 급감되고, 니들밸브(36)는 상방향을 향해서 밀려서 개방상태로 전환된다.
다음에, 증압기구(54)는 연료분사기구(26)의 상측에 설치되고, 대경부 및 소경부로 이루어지는 실린더(56)를 구비하고 있다. 이 실린더(56) 내에는 증압 피스톤(58)이 상하 이동 가능하게 설치되어 있고, 이 증압 피스톤(58)도 또한 대경부 및 소경부로 이루어지며, 실린더(56) 내의 스프링(62)이 증압 피스톤(58)의 대경부의 하측을 상방향을 향해서 밀고 있다.
여기서, 연료공급로(40)와 실린더(56)는 3개소에서 접속되어 있다. 상세하게는, 연료공급로(40)에 있어서, 역지밸브(42)의 설치위치보다 상류측 부분이 실린더(56)의 대경부의 상측에 접속됨과 아울러, 오리피스(57)를 통해서 실린더(56)의 대경부의 하측에도 접속되어 있다. 따라서, 연료공급로(40)의 연료압력은 증압 피스톤(58)의 대경부의 하측에 백프레서로서 작용한다. 한편, 역지밸브(42)의 설치위치 보다 하류측 부분은 가압로(64)를 통해서 실린더(56)의 소경부의 하측에 접속되어 있고, 증압 피스톤(58)의 소경부의 하측에 의해 구획된 부분이 가압실(60)로서 형성되어 있다. 또한, 상기 백프레서 및 스프링(62)의 가압력의 합력은 증압 피스톤(58)의 대경부의 상측에 작용하는 연료압력을 상회하고 있고, 이 경우의 증압 피스톤(58)은 상방향을 향해 밀려서 가압실(60)이 최대용적으로 유지된다.
또한, 실린더(56)의 대경부의 하측에는 전자식 증압제어밸브(증압 피스톤 전자밸브)(66)가 접속되어 있고, 이 증압제어밸브(66)는 리턴로(68)를 통해서 연료탱크(2)에 접속되어 있다. 증압제어밸브(66)의 개방에 따라, 실린더(56)의 대경부의 하측의 연료는 리턴로(68)를 거쳐서 연료탱크(2)로 되돌아간다. 이것에 의해, 상기 백프레서가 급감되고, 증압 피스톤(58)은 하방향을 향해 밀려서 가압실(60)의 용적이 축소된다.
한편, 차실 내에는, 도시생략한 입출력장치, 제어 프로그램이나 제어 맵 등의 기억에 이용되는 기억장치(ROM, RAM 등), 중앙처리장치(CPU), 타이머 카운터 등을 구비한 ECU(전자 컨트롤 유닛)(80)가 설치되어 있다. ECU(80)의 입력측에는, 흡기통로 내의 온도, 압력 및 유량을 각각 검출하는 흡기온도센서(70), 흡기압력센서(72) 및 흡기유량센서(74), 및 배기통로 내의 CO2농도를 검출하는 배기센서(76), 코먼레일(14) 내의 연료압력을 검출하는 레일압센서(78) 외, 가속조작량을 검출하는 가속센서, 엔진의 회전에 동기한 크랭크각 신호를 출력하는 크랭크각 센서 등의 센서류가 접속되어 있다. 이것에 대하여, ECU(80)의 출력측에는 연료공급량 조정밸브 (18), 각 연료분사밸브(20)의 분사제어밸브(50) 및 증압제어밸브(66) 등의 디바이스류가 접속되어 있다.
그리고, ECU(80)는 엔진 운전상태에 관한 각종 정보에 기초해서, 코먼레일압, 연료분사량, 연료분사시기, 증압기구(54)에 의한 연료증압의 유무나 증압기구(54)의 작동시기 등의 각 목표값을 설정하고, 상기 디바이스류를 구동 제어해서 엔진 운전상태에 대하여 최적의 분사압파형으로 연료분사를 실행하고 있다.
보다 구체적으로는, 우선, 코먼레일압의 연료를 그대로 기통 내를 향해서 분사할 경우에는, 증압제어밸브(66)를 폐쇄상태로 해서 분사제어밸브(50)를 개방시킨다. 이것에 의해, 압력실(34) 내의 연료가 리턴로(52)를 통해서 연료탱크(2)측으로 돌아가고, 니들밸브(36)가 상방향을 향해 밀려서 분사구멍부(28)로부터 연료분사가 개시된다. 또한, 그 후, 분사제어밸브(50)가 폐쇄되면, 연료탱크(2)로의 연료유통이 없어져, 니들밸브(36)가 하방향을 향해 밀려서 연료분사는 중지된다.
이것에 대하여, 증압기구(54)에 의한 연료증압를 실시할 경우에는, 분사제어밸브(50)의 개폐에 대해서 소정의 타이밍으로 증압제어밸브(66)가 개폐 구동된다.
즉, 도 2에 실선으로 나타내어지는 바와 같이, 증압제어밸브(66)는 분사제어밸브(50)의 개방에 선행한 소정 시기에 개방된다. 이 증압제어밸브(66)의 개방에 따라, 실린더(56)의 대경부의 하측의 연료가 리턴로(68)를 통해서 연료탱크(2)측으로 돌아가고, 증압 피스톤(58)은 하방향을 향해서 밀린다. 이것에 의해, 가압실(60) 내의 연료가 가압되고, 연료공급로(40)에 있어서 역지밸브(42)의 설치위치보다 하류측에 존재하는 연료가 원래의 코먼레일압에 상당하는 연료압력보다 더욱 증 가된다.
이어서, 분사제어밸브(50)가 개방되면, 분사압력이 분사초기부터 급격히 상승해서 코먼레일압보다 고압으로 유지된다. 또한, 그 후, 분사제어밸브(50) 및 증압제어밸브(66)가 서로 전후해서 폐쇄되면, 분사압력이 급감해서 연료분사는 중지된다. 또한, 도 2의 파선이나 일점쇄선으로 나타내어지는 바와 같이, 증압제어밸브(66)의 개방시기를 분사제어밸브(50)의 개방시기에 접근시킴에 따라서 분사초기에 있어서의 분사압력의 상승이 완만해져, 억제된 분사압파형이 실현된다.
그런데, 본 실시형태에 있어서의 ECU(80)는, 엔진의 중부하영역(도 4의 예혼합 연소영역II)에서는 연료의 분사시기를 디젤연소(확산연소)에 비해서 보다 대폭적으로 빠르게 하고, 또한, 복수 단계로 나누어서 분사시키는 예혼합 연소방식을 실시한다. 이 연소방식의 실시를 위해, ECU(80)는 예혼합 연소제어부(예혼합 연소 제어수단)(82)를 구비하고 있다. 또한, 이 예혼합 연소제어부(82)는, 분사마다 다른 최적의 압력 및 최적의 분사횟수를 설정하기 위한, 분사압력제어부(84) 및 분사횟수결정부(86)를 갖고 있다. 그리고, 가속조작량이나 엔진 회전속도 등에 기초해서 분사제어밸브(50)나 증압제어밸브(66)의 개방시기 등을 제어하여, 항상 최적의 분사압파형으로 조정한다.
도 3은, 예혼합 연소제어부(82)에 의한 분사압력제어 및 분사횟수결정의 플로우차트이며, 상기와 같이 구성된 디젤기관의 제어장치의 본 발명에 따른 작용에 대해서 설명한다.
동도의 스텝 S301에서는, 가속조작량 및 엔진 회전속도에 기초해서 연료분사 밸브(20)로부터 분사되는 총연료량(총연료분사량(QALL))을 연산한다. 스텝 S302에서는 가속조작량(요구부하)과 엔진 회전속도에 기초해서 상술의 예혼합 연소영역II인지의 여부가 맵으로부터 판별되어, YES일 경우, 즉, 예혼합 연소영역II라고 판정되었을 때에는 스텝 S303으로 진행된다. 이 맵은, 도 4에 나타내어지는 바와 같이 요구부하가 중간정도일 때에는 예혼합 연소영역II가 선택되고, 조기분인 연료를 압축 상사점 전, 또한, 적어도 2회이상으로 분할해서 분사한다. 예를 들면, 전후의 2단계로 분할되는 경우에는, 전단계는 60~80° BTDC로, 후단계는 20~40°BTDC로 각각 설정되고, 이 후단계의 연료량은 총연료분사량(QALL)의 약 50~70%정도로 설정된다.
한편, 도 3의 스텝 S302에서 예혼합 연소영역II가 아니라고 판정되었을 때에는 일련의 루틴을 빠져 나가, 확산연소영역 혹은 예혼합 연소영역I이 선택된다. 상세하게는, 도 4와 같이 요구부하가 낮을 때에는 예혼합 연소영역I이 선택되고, 연료를 압축 상사점보다 조기(예를 들면, 20~50° BTDC)에 분할하지 않고 분사한다. 이것에 대하여, 요구부하가 높을 때에는 확산연소영역이 선택되어, 연료를 압축 상사점근방에서 분사한다.
도 3의 스텝 S303에서는, 예혼합 연소영역II에 있어서의 조기분의 총연료량(조기 분사연료량(QE))을 연산하고, 스텝 S304에서는 이 조기분의 기준이 되는 분사시기(기준 조기 분사시기(θO))를 연산한다. 이들 조기 분사연료량(QE) 및 기준 조기 분사시기(θO)는 모두 총연료분사량(QALL)과 엔진 회전속도(Ne)의 맵으로부터 구 해진다. 구체적으로는, 총연료분사량(QALL)이 많고, 엔진 회전속도(Ne)가 높아짐에 따라서, 조기 분사연료량(QE)은 많게 설정되고(도 5(a)), 기준 조기 분사시기(θO)는 빠르게 설정된다(도 5(b)).
조기 분사연료량(QE) 및 기준 조기 분사시기(θi)가 구해지면, 도 3의 스텝 S305에서는 단계를 나타내는 지수(i)를 1로 설정해서 스텝 S306으로 진행되어, i번째에 분사되는 분사시기(θi)를 연산한다. 이 분사시기(θi)는 후술하는 기통 내의 분위기밀도(기체밀도(ρi)) 및 분위기온도(기체온도(Ti))의 연산에 이용된다. 또한, 이 스텝 S306에서는 각 분사의 사이에 적절한 간격(예를 들면, 일정기간)을 결정하여, 스텝 S307 및 스텝 S308로 진행된다.
우선, 스텝 S307에서는, 상기 i번째에 분사되는 분사량(Qi)을 연산한다. 이 분사량(Qi)은 분사 1회당의 최대의 분사량이고, 도 6과 같이 구해진다. 즉, 동도의 스텝 S601에서 상기 분사시기(θi)로부터 기통 내의 기체밀도(ρi) 및 기체온도(Ti)를 연산하고, 스텝 S602에서 이들 기체밀도(ρi) 및 기체온도(Ti)의 맵으로부터 분사량(Qi)을 연산한다. 보다 구체적으로는, 분사량(Qi)은 기통 내의 기체온도(Ti)가 높고, 기체밀도(ρi)가 높아짐에 따라서 많게 설정되는 한편, 기체온도(Ti)는 높지만 기체밀도(ρi)가 낮아지면, 적게 설정된다(도 7(a)).
또한, 도 3의 스텝 S308에서는, 분사압력제어부(84)에서 상기 i번째에 분사되는 분사압력(Pi)를 연산한다. 이 분사압력(Pi)도 또한, 상기 분사시기(θi)로부터 기통 내의 기체밀도(ρi) 및 기체온도(Ti)를 연산하고(스텝 S601), 이들 기체밀 도(ρi) 및 기체온도(Ti)의 맵으로부터 분사압력(Pi)을 연산한다(스텝 S602). 그리고, 이 분사압력(Pi)은 기체온도(Ti)가 낮고, 기체밀도(ρi)가 낮아짐에 따라서 높게 설정되고, 기체온도(Ti)가 높고, 기체밀도(ρi)가 높아짐에 따라서 높게 설정되지만, 기체온도(Ti)가 높지만 기체밀도(ρi)가 낮아지면, 적게 설정된다(도 7(b)).
그런데, 분사시기를 나타내는 크랭크각(θ)일 때의 기체밀도(ρθ)로 하면, 이 기체밀도(ρθ)는 다음 식(1)과 같이 나타내어진다. 이 식(1)의 ρIN은 흡기의 초기밀도이며, 다음 식(2)와 같이 구해진다. 또한, 식(1)의 Vθ은 크랭크각(θ)일 때의 기통 내의 용적이며, 다음 식(3)과 같이 구해진다. 또, 이 식(3)의 Lθ은 크랭크각도(θ)일 때의 피스톤의 위치(상사점으로부터의 거리)이며, 다음 식(4)와 같이 구해진다.
ρθ=ρIN×(VBDC/Vθ) ···(1)
ρIN=ρO×(TO/TIN)×(PIN/PO) ···(2)
Vθ=(B2×π/4)×Lθ+VTDC···(3)
Lθ=LC+(St/2)-(Stcosθ/2+√(LC 2-(Stsinθ/2)2))···(4)
또한, 위식(2)의 ρO는 표준상태(온도(TO), 압력(PO))에 있어서의 흡기의 밀도, TO 및 PO는 각각 기준상태의 온도 및 압력이며, 모두 흡기의 조성에 의해 결정된다. 또한, TIN 및 PIN은 각각 초기의 흡기의 온도 및 압력이며, 흡기온도센서(70) 및 흡기압력센서(72)에서 각각 검출된다. 또, 위식(1)의 VBDC는 피스톤이 하사점위치에 있을 때의 기통 내의 용적, 위식(3)의 B는 기통의 보어 지름, VTDC는 피스톤이 상사점위치에 있을 때의 기통 내의 용적, 위식(4)의 LC는 콘로드의 길이, St는 피스톤의 스트로크량이며, 이들은 모두 엔진의 사양으로 결정된다.
다음에, 크랭크각(θ)일 때의 기체온도(Tθ)로 하면, 다음 식(5)와 같이 나타내어진다. 이 식(5)의 k는 흡기의 비열비이며, 흡기의 조성이나 상태에 따라서 결정된다.
Tθ=TIN×(VBDC/Vθ)k-1···(5)
그리고, 이들 기체밀도(ρi) 및 기체온도(Ti)는 참인 연료분무의 관철력을 얻기 위해서 고려된다.
계속해서, 도 3의 스텝 S306에서 i번째로 분사되는 분사시기(θi), 스텝 S307에서 분사량(Qi), 및 스텝 S308에서 분사압력(Pi)이 각각 연산되면, 스텝 S309에서는 분사횟수결정부(86)에서 분사량(Qi)의 총합이 조기 분사연료량(QE)보다 많은지의 여부가 판별되어, YES일 경우에는 스텝 S311로 진행된다.
한편, 스텝 S309에서 분사량(Qi)의 총합이 조기 분사연료량(QE)보다 적다고 판정되었을 때에는, 조기분의 분할횟수를 더욱 늘릴 수 있으므로, 스텝 S310으로 진행되어 지수(i)를 1개 증가시킨다. 이 경우에는, 스텝 S306에서 i+1번째로 분사되는 분사시기(θi+1), 스텝 S307에서 분사량(Qi+1), 및 스텝 S308에서 분사압력 (Pi+1)이 각각 연산된다. 그리고, 스텝 S309에서 분사량(Q1+Q2+···+Qi+Q(i+1))의 합계량이 조기 분사연료량(QE)보다 많은지의 여부가 판별되고, YES라고 판정될 때 까지 조기분의 분할횟수가 늘어난다.
이렇게, 예혼합 연소영역II에 있어서의 조기분의 연료의 분사압력은, 기통 내의 기체밀도(ρi) 및 기체온도(Ti)에 기초해서 각각 조정된다. 또한, 상술의 스텝 S309에서는, 조기 분사연료량(QE)을 1회째의 분사량(Q1)으로 나눔으로써 분할횟수를 결정해도 된다. 이 경우, 조기의 분사량(Qi)은 모두 같은 양(=Q1)으로 되고, 분사압력(Pi)만 연산된다. 또한, 상기 i가 미리 정해진된 수(imax)를 초과해도 분사량(Qi)의 총합이 조기 분사연료량(QE)에 도달하지 않을 경우에는 루틴을 빠져 나가고, 나머지 연료(Qs-Qi의 총합)는 메인 분사(상사점부근의 분사)로 돌리도록 해도 된다. 이것에 의해, 제어의 발산이 확실하게 방지된다.
다음에, 스텝 S311에서는 조기분사가 실행되고, 스텝 S312에서는 기통의 벽면에 부착될 수 있는 연료량(벽면부착량(QWall))을 연산한다. 상세하게는, 도 8에 나타내어지는 바와 같이, 스텝 S801에서 상기 총연료분사량(QALL), 흡기유량센서(74)에서 검출된 공기유량(GN), 및 배기센서(76)에서 검출된 CO2농도[CO2]를 판독하고, 스텝 S802에서 기통 내에서 연소된 연료량(Qout)을 카본 밸런스법에 의해 연산한다.
이 스텝 S802에 나타내어진 식은, 연료분사량(Q), 공기유량(GN) 및 공기과잉율(λ)의 관계식(Q=GN/(14.5×λ))에 있어서, 이 공기과잉율(λ) 대신에 CO2농도 [CO2]로부터 λ를 연산하는 식을 대입한 것이다. 또한, 이 식의 14.5는 양론혼합비, 0.21은 대기 중의 O2의 체적비율, [CO2]는 배기 중의 CO2의 체적비율을 각각 의미한다. 또, 이 식의 1.48은 연료에 의해 정해지는 정수이며, 연료 중의 H/C비를 α라고 하면, 1+(α/4)로부터 구해진다. 또한, 경유의 경우에는 α=1.92이다.
그리고, 스텝 S803에서는, 총연료분사량(QALL)과 연소된 연료량(Qout)의 차로부터 연소에 기여하지 않은 연료량으로서 벽면부착량(QWall)을 추정하고, 도 3의 스텝 S313으로 진행된다.
이 스텝 S313에서는, 상기 추정된 벽면부착량(QWall)이 부착량의 허용값인 소정량보다 많은지의 여부가 판별되어, YES일 경우, 즉, 벽면부착량(QWall)이 많다고 판정되었을 때에는 스텝 S314로 진행되고, 분사압력제어부(84)에서, 이 추정된 벽면부착량(QWall)에 기초하여 각 단계의 분사압력을 감압 보정한 후, 일련의 루틴을 빠져 나간다. 한편, 스텝 S313에서 벽면부착량(QWall)이 적다고 판정되었을 때에는, 그대로의 분사압력으로 실시하기 위해 보정하지 않고 일련의 루틴을 빠져 나간다.
이상과 같이, 본 발명은 예혼합 연소영역II, 즉, 연료의 분사시기를 압축 상사점보다 조기로 설정하고, 또한, 이 연료를 복수 단계로 나누어서 분사시킬 경우에는, 엄밀하게 말하면, 분사마다 최적의 분사압력이 존재해야 하는 점에 착안한 것이다.
그리고, 상기 디젤기관의 제어장치에 의하면, 조기분의 복수 단계로 나눠진 각 분사압력을 각각 별개로 설정하고 있으므로, 각 단계의 분사압력(Pi)은 종래와 같이 모두 일률적인 압력으로 설정되어 버리는 것이 아니라, 분사마다 다른 압력으로 설정할 수 있게 된다.
또한, 각 단계의 분사압력(Pi)은 기통 내의 기체밀도(ρi) 및 기체온도(Ti)에 기초해서 조정되고, 실정에 의해 합치된 연료분무의 관철력이 고려되어 있다. 이 결과, 각 단계의 분사(Pi)는, 연료분무가 기통의 벽면에 부착되지 않는 범위 내의 압력으로서, 가장 높은 최적의 압력으로 각각 설정할 수 있게 된다.
보다 상세하게는, 도 9를 참조하면, 예혼합 연소제어부(82)에 의한 분사압력 및 횟수의 결정을 행한 경우의 타임차트가 나타내어져 있지만, 동도에서는, 분사횟수결정부(86)에 의해 조기분의 분사횟수가 3회로 분할되고, 압축 상사점보다 조기의 크랭크각(θ1, θ2, θ3)의 시점에서 각각 분사되어 있다.
여기서, 예혼합 연소제어부(82)는 기통 내의 용적이 점차 작아지면, 기체밀도(ρi)나 기체온도(Ti)가 점차 높아지는 상태 등을 고려하고, 크랭크각(θ1)의 시점에 있어서의 분사압력은, 분사압력제어부(84)에 의해 가장 낮은 압력(PB)으로 설정되고, 크랭크각(θ2)의 시점, 크랭크각(θ3)의 시점으로 진행됨에 따라서 점차 증압경향으로 설정되어 있으며, 분사제어밸브(50)나 증압제어밸브(66)의 개방시기 등의 제어에 의해 도시의 분사가 가능해진다.
따라서, 각 분사압력이 각각 별개로 설정되는 결과, 벽면부착이 방지되어서 오일 다이류션의 억제가 달성되고, 또한, 불완전연소로 되지 않아 스모크의 저감이 달성되며, 연소효율의 개선도 달성된다.
또한, 총연료분사량(QALL)과 연소된 연료량(Qout)으로부터 벽면부착량(QWall)이 추정되고 있고, 분사압력제어부(84)에서 리얼타임으로 각 단계의 분사압력(Pi)에 반영되어 있으므로, 보다 한층 최적의 압력으로 설정할 수 있게 된다. 또, 각 단계의 분사압력(Pi)은 벽면부착량(QWall)이 미리 정해진 값을 하회하도록 감압되어 있으므로, 벽면부착량(QWall)을 가급적 신속하게 줄일 수 있다.
또, 조기분의 분사횟수도 또한, 실정에 의해 합치된 연료분무의 관철력을 고려해서 결정되어 있어, 최적의 횟수로 설정할 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 일실시형태에 대한 설명을 끝내지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변경이 가능한 것이다.
예를 들면, 상기 실시형태에서는, 코먼레일식 연료분사장치를 사용해서 분사압력을 기준값(PB)으로부터 증가시키는 구성이 나타내어져 있지만, 본 발명은 반드시 이 형태에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 다른 연료분사장치를 사용하여, 분사압력의 기준값을 압축 상사점근방의 압력으로 하고, 조기분의 분사압력은 이 기준값보다 감압시켜서 도 9와 같이 파형을 형성시켜도 된다. 이 경우에도 상기와 마찬가지로, 실정에 의해 합치된 연료분무의 관철력을 고려하여, 분사마다 다른 최적의 압력이 설정 가능하게 된다.
또한, 상기 실시형태에서는 분사압력의 보정에 의해 벽면부착량(QWall)을 줄이는 것이 설명되어 있지만, 이 형태 외에 조기 분사연료량(QE)이나 기준 조기 분사시기(θO)를 보정하거나, 혹은, 연소분사밸브(20)의 분사구멍 지름을 보정하는 것이여도 된다. 또한, 상기 벽면부착량(QWall)의 연산에 있어서, CO2농도[CO2] 외에 배기 중의 HC나 CO 등의 카본을 함유하는 성분을 검출해도 된다. 이 경우, CO2 대신에 HC나 CO를 검출함으로써 벽면부착량(QWall)의 추정정밀도가 향상된다.
본 발명은, 실정에 의해 합치된 연료분무의 관철력을 고려하여, 분사마다 다른 최적의 압력을 설정할 수 있는 디젤기관의 제어장치를 제공할 수 있다.

Claims (7)

  1. 기통 내에서 압축된 공기에 연료를 분사하고, 상기 연료를 자연발화에 의해 연소시키는 디젤기관에 있어서, 상기 연료의 분사시기를 압축 상사점보다 조기로 설정해서 미리 공기와 연료를 혼합하고, 상기 기통 내에서 압축된 혼합기체를 자연발화에 의해 연소시키는 예혼합 연소제어수단을 구비하며, 상기 예혼합 연소제어수단은, 기관의 운전상태에 따라서 조기에 분사되는 연료를 복수 단계로 나누어서 분사시킴과 아울러, 상기 기통 내의 기체밀도 및 기체온도에 기초해서 상기 나눠진 각 단계의 분사압력을 각각 조정하는 것을 특징으로 하는 디젤기관의 제어장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 조기분사에 있어서의 각 단계의 분사압력은, 상기 기통 내의 피스톤의 위치가 압축 상사점에 근접함에 따라서 점차 증가하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 디젤기관의 제어장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 예혼합 연소제어수단은 상기 기통 내를 향해서 분사되는 조기분의 총연료량과, 상기 기통 내의 기체밀도 및 기체온도로부터 구한 각 단계의 분사량의 총합량에 기초해서 조기분사의 횟수를 결정하는 것을 특징으로 하는 디젤기관의 제어장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 예혼합 연소제어수단은 상기 기통 내를 향해서 분사된 총연료량 및 상기 기통 내에서 연소된 연료량으로부터 상기 기통 내에 부착될 수 있는 연료량을 추정하고, 상기 추정된 연료량에 기초해서 상기 각 단계의 분사압력을 보정하는 것을 특징으로 하는 디젤기관의 제어장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 예혼합 연소제어수단은, 상기 추정된 상기 기통 내에 부착될 수 있는 연료량이 소정값보다 많을 경우에는, 상기 각 단계의 분사압력을 감압 보정하는 것을 특징으로 하는 디젤기관의 제어장치.
  6. 연료를 압축 상사점보다 조기에 분사하여 공기와 연료를 미리 혼합시켜서, 기통 내에서 압축 착화시키는 예혼합연소의 제어방법에 있어서;
    조기에 분사되는 연료의 양을 연산하는 스텝(S303),및
    상기 기통 내의 기체밀도와 기체온도에 따라서 조기분사의 분사횟수를 설정함과 아울러 각 분사단계에 있어서의 분사시기, 분사량 및 분사압을 연산하는 스텝(S306, S307, S308, S309, S310)을 포함하는 것을 특징으로 하는 예혼합연소의 제어방법.
  7. 제6항에 있어서,
    기통 내를 향해서 분사된 총연료량 및 상기 기통 내에서 연소된 연료량으로부터 상기 기통 내에 부착되는 연료의 양을 추정하는 스텝(S312),및
    추정된 기통으로의 부착연료량이 소정값이상일 때에 조기분사의 각 단계에 있어서의 분사압을 감압 보정하는 스텝(S313, S314)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 예혼합연소의 제어방법.
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