KR20070097123A - 내연 기관의 제어 장치 - Google Patents

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도미히사 츠치야
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도요다 지도샤 가부시끼가이샤
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Abstract

실린더 내 연료 인젝터와 흡기 매니폴드 연료 인젝터를 포함하는 내연 기관의 제어 장치가 개시되며, 이에 의해, 균질 연소가 수행되어야 하는 경우에, 흡기 밸브가 닫혀 있는 동안에 흡기 매니폴드 연료 인젝터로부터 연료가 분사된다.
내연 기관, 실린더 내 인젝터, 흡기 매니폴드 인젝터, ECU

Description

내연 기관의 제어 장치{CONTROL DEVICE OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은, 실린더에 연료를 분사하는 제 1 연료 분사 메커니즘(실린더 내(in-cylinder) 인젝터) 및 흡기 매니폴드 또는 흡기 포트에 연료를 분사하는 제 2 연료 분사 메커니즘(흡기 매니폴드 인젝터)을 포함하는 내연 기관의 제어 장치에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는, 균질 연소에 있어서 제 2 연료 분사 메커니즘으로부터 연료를 분사할 때를 결정하는 기술에 관한 것이다.
내연 기관의 흡기 매니폴드에 연료를 분사하는 흡기 매니폴드 인젝터 및 그 연소실에 연료를 계속 분사하는 실린더 내 인젝터를 제공받고, 흡기 매니폴드 인젝터로부터의 연료 분사는 내연 기관의 부하가 미리 설정된 부하보다 더 낮을 경우에 중지되고 또한 흡기 매니폴드 인젝터로부터의 연료 분사는 내연 기관의 부하가 미리 설정된 부하보다 더 높을 경우에 허용되는 내연 기관이 공지되어 있다.
또한, 내연 기관 중에서, 그 운전 상태에 따라서 성층 연소와 균질 연소 사이를 스위칭하는 내연 기관이 공지되어 있다. 여기서, 성층 연소는, 연료가 압축 행정 시에 실린더 내 인젝터로부터 분사되어 스파크 플러그 주변에 집중적 및 층상의 공기-연료 혼합물을 형성함으로써 연료의 희박한 연소를 달성하는 연소를 지칭한다. 한편, 균질 연소는, 연료가 연소실 내에 확산되어 균질의 공기-연료 혼합물을 형성하는 방식의 연료의 연소를 지칭한다.
일본특허공개 제2001-20837호는, 운전 상태에 따라 성층 연소와 균질 연소 사이를 스위칭하고, 연소실에 연료를 직접 분사하는 주 연료 분사 밸브 및 각각의 실린더의 흡기 포트에 연료를 분사하는 부 연료 분사 밸브를 갖는 엔진의 연료 분사 제어 장치를 개시한다. 운전 상태에 따라 성층 연소와 균질 연소 사이를 스위칭하는 엔진의 연료 분사 제어 장치는 연소실에 연료를 직접 분사하는 주 연료 분사 밸브 및 각각의 실린더의 흡기 포트에 연료를 분사하는 부 연료 분사 밸브를 포함하고, 주 연료 분사 밸브와 부 연료 분사 밸브 사이의 연료 분사량의 비율은 엔진 운전 상태에 기초하여 가변적으로서 설정된다.
엔진의 연료 분사 제어 장치에 의하면, 성층 연소는 연소실에 주 연료 분사 밸브로부터 직접 분사된 연료로만 수행되고, 균질 연소는 주 연료 분사 밸브 및 부 연료 분사 밸브 양자를 이용하여 수행되어(어떤 경우에는, 부 연료 분사 밸브만이 이용됨), 주 연료 분사 밸브의 용량이 고출력 엔진에서 조차도 작게 할 수 있다. 따라서, 아이들링(idling)과 같은 저부하 영역에서의 주 연료 분사 밸브의 분사 주기 - 분사량 특성의 선형도가 향상되고, 분사량 제어에 있어서의 정밀도의 개선의 결과로서, 양호한 성층 연소가 유지될 수 있으며, 아이들링과 같은 저부하 운전의 안정성이 개선된다. 주 연료 분사 밸브 및 부 연료 분사 밸브 양자는 균질 연소 시에 사용되어, 직접 연료 분사의 이점 및 흡기 포트 분사의 이점을 이용함으로써, 양호한 균질 연소를 유지한다.
일본특허공개 제2001-20837호에 개시된 엔진의 연료 분사 제어 장치에 있어 서, 성층 연소 및 균질 연소는 상황에 따라서 적절히 선택된다. 이에 따라, 점화, 분사 및 스로틀의 제어가 복잡하게 되고, 각각의 연소 방식에 적합한 제어 프로그램이 요구된다. 특히, 연소 방식 사이를 스위칭함에 있어서, 그러한 제어는 현저하게 변경해야 하며, 천이 시에 우수한 제어(연비, 배기 정화 성능)를 수행하는 것은 어렵다. 또한, 희박 연소가 수행되는 성층 연소 영역에 있어서 삼원(three-way) 촉매가 기능하지 않기 때문에, 희박 NOx 촉매가 사용되어야 하며, 이는 비용의 증가를 초래한다.
이와 같은 관점에서, 성층 연소와 균질 연소 간의 스위칭 시에 제어도 필요없고 고 비용의 희박 NOx 촉매도 필요없지만, 통상 운전 동안, 성층 연소 대신에 모든 영역(비통상 상태, 즉, 급속 촉매 난기(warm-up) 제외)에서 균질 연소를 수행하는 엔진이 개발되었다.
하지만, 이러한 엔진에 있어서는, 엔진 속도가 낮고 부하가 높은 영역에서 균질도가 낮고, 토오크(torque) 변동이 현저해 질 수도 있다. 또한, 연료가 흡기 행정 시에 흡기 매니폴드 인젝터로부터 분사되고 연소실에 액상으로 도입되면, 실린더 내 인젝터의 분사구에 퇴적물(deposit)이 누적된다. 일본특허공개 제2001-20837호의 개시에는 흡기 포트에 연료를 분사하는 부 연료 분사 밸브로부터의 분사 비율이 균질 연소가 수행되는 영역에서 엔진 출력(엔진 속도, 부하)의 증가에 따라 증가하도록 설정된다고만 개시되어 있으며, 일본특허공개 제2001-20837호는 상술한 문제를 해결하지 못한다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 이루어졌으며, 본 발명의 목적은, 실린더에 연료를 분사하는 제 1 연료 분사 메커니즘 및 흡기 매니폴드에 연료를 분사하는 제 2 연료 분사 메커니즘으로부터 연료가 소정의 비율로 분사되는 내연 기관에 있어서，성층 연소와 균질 연소의 조합에 의해 야기되는 문제, 균질성의 문제，및 실린더 내 인젝터에 있어서의 퇴적물의 문제를 해결할 수 있는 내연 기관의 제어 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 내연 기관의 제어 장치는，실린더에 연료를 분사하는 제 1 연료 분사 메커니즘 및 흡기 매니폴드에 연료를 분사하는 제 2 연료 분사 메커니즘을 포함하는 내연 기관을 제어한다. 그 제어 장치는，내연 기관이 통상 운전 상태인지 여부를 판정하는 판정 유닛，및 내연 기관이 통상 운전 상태인 것으로 판정되면 균질 연소만이 수행되도록, 내연 기관의 운전 상태와 관련된 정보에 기초하여 제 1 연료 분사 메커니즘 및 제 2 연료 분사 메커니즘을 제어하는 제어 유닛을 포함한다. 제어 유닛은，흡기 밸브가 닫혀있는 동안에 제 2 연료 분사 메커니즘으로부터 연료가 분사되도록 연료 분사를 제어한다.
본 발명에 의하면，균질 연소(공기-연료 비율이 12 내지 15로 설정됨)가 통상 운전 상태에 있어서(예를 들어，급속 촉매 난기만을 제외한 모든 운전 영역에서) 수행되는 경우(따라서, 성층 연소로의 스위칭은 행해지지 않고, 성층 연소와 균질 연소와의 조합으로 인한 문제는 없음)，흡기 밸브가 닫혀있는 동안에 제 2 연료 분사 메커니즘을 나타내는 흡기 매니폴드 인젝터로부터 연료가 분사된다. 이 경우, 연료는 흡기 매니폴드의 내벽, 흡기 밸브의 우산-형상 부분의 이면，밸브 스템(valve stem)(축) 등에 부착된다. 부착된 연료는 흡기 행정에 있어서 흡기 밸브의 개방 시까지 기화하고，흡기 밸브가 개방될 때, 기화된 연료가 연소실에 도입된다. 이에 따라，흡기 밸브가 개방되는 동안 연료가 흡기 매니폴드 인젝터로부터 분사되고 액상의 연료가 연소실에 도입될 경우, 제 1 연료 분사 메커니즘을 나타내는 실린더 내 인젝터의 분사구로의 연료의 부착에 의해 야기되는 퇴적물의 누적 가능성이 없다. 흡기 매니폴드 인젝터로부터 분사되는 연료가 기화 상태로 연소실에 도입되기 때문에, 균질성이 개선된다. 그 결과，실린더에 연료를 분사하는 제 1 연료 분사 메커니즘 및 흡기 매니폴드에 연료를 분사하는 제 2 연료 분사 메커니즘으로부터 연료가 소정의 비율로 분사되는 내연 기관에 있어서，성층 연소와 균질 연소의 조합에 의해 야기되는 문제, 균질성의 문제，및 실린더 내 인젝터에 있어서의 퇴적물의 문제를 해결할 수 있는 내연 기관의 제어 장치가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 제어 유닛은 흡기 밸브가 개방되어 있는 동안에 제 1 연료 분사 메커니즘으로부터 연료가 분사되도록 연료 분사를 제어하는 분사 제어 유닛을 더 포함한다.
본 발명에 의하면，흡기 밸브가 개방되어 있는 동안에 실린더 내 인젝터로부터 연료가 분사되기 때문에，실린더 내 인젝터로부터 분사된 연료는 흡기 공기의 흐름에 의해 충분히 확산되고 연소실 내의 연료 농도(공기-연료 비율)의 균질성이 개선된다.
바람직하게, 판정 유닛은 내연 기관이 아이들링 동안 촉매 난기 운전에 있어서 비통상 운전 상태에 있는지를 판정한다. 제어 장치는, 내연 기관이 비통상 운전 상태에 있을 때에 성층 연소를 수행하도록 연료 분사 메커니즘을 제어하는 분사 제어 유닛을 더 포함한다.
본 발명에 의하면, 연료가 압축 행정에 있어서 실린더 내 인젝터로부터 분사되어, 스파크 플러그 근방에서 분사된 연료는 리치(rich) 상태를 획득하도록 집중시키고, 그 주위 영역은 희박(lean) 상태(층상)를 획득한다. 즉, 점화에 필요한 양의 연료만이 스파크 플러그 근방에 존재하고, 그 주위의 연료는 후연소(afterburing)용으로 사용되며, 따라서, 촉매 난기에 기여한다. 성층 연소(공기-연료 비율은 약 17 내지 40으로 설정됨)는 세미-성층 연소(공기-연료 비율은 15 내지 25로 설정됨)를 포함한다.
바람직하게, 정보는，내연 기관의 엔진 속도 및 부하율에 기초하여 규정되는, 제 1 연료 분사 메커니즘과 제 2 연료 분사 메커니즘 간의 분사 비율을 나타내는 정보를 포함한다.
본 발명에 의하면, 실린더 내 인젝터와 흡기 매니폴드 인젝터 간의 분사 비율은 내연 기관의 엔진 속도 및 부하율에 기초하여 결정되며, 균질 연소는 임의의 엔진 속도 및 부하율에 있어서도 통상 운전시에 수행될 수 있다.
바람직하게, 제 1 연료 분사 메커니즘은 실린더 내 인젝터이고, 제 2 연료 분사 메커니즘은 흡기 매니폴드 인젝터이다.
본 발명에 의하면, 제 1 연료 분사 메커니즘을 나타내는 실린더 내 인젝터 및 제 2 연료 분사 메커니즘을 나타내는 흡기 매니폴드 인젝터가 별도로 제공되고 연료가 그 인젝터들로부터 소정 비율로 분사되는 내연 기관에 있어서, 성층 연소와 균질 연소의 조합에 의해 야기되는 문제, 균질성의 문제，및 실린더 내 인젝터에 있어서의 퇴적물의 문제를 해결할 수 있는 내연 기관의 제어 장치가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 제어 장치에 의해 제어되는 엔진 시스템의 개략 구성도이다.
도 2는 도 1의 부분 확대도이다.
도 3은 벽면에의 부착을 도시한 것이다.
도 4는 도 1에 도시된 엔진 ECU에 의해 실행되는 프로그램의 제어 구성을 나타낸 플로우차트이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 있어서의 급속 촉매 난기 프로세싱의 조건을 나타낸다.
도 6 및 7은 본 발명의 실시형태에 따른 제어 장치가 적절히 적용되는 엔진의 온간(溫間) 상태 및 냉간 상태에 있어서의 DI 비율 맵의 제 1 예를 각각 나타낸다.
도 8 및 9는 본 발명의 실시형태에 따른 제어 장치가 적절히 적용되는 엔진의 온간 상태 및 냉간 상태에 있어서의 DI 비율 맵의 제 2 예를 각각 나타낸다.
발명을 실시하기 위한 최상의 형태
이하，본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다. 동일한 구성요소에는 동일한 참조부호가 할당된다. 그 레이블 및 기능 또한 동일하다. 따라서, 그것들에 관한 상세한 설명은 반복하지 않는다.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 내연 기관의 제어 장치인 엔진 ECU(Electronic Control Unit)에 의해 제어되는 엔진 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 것이다. 비록 직렬 4기통 가솔린 엔진이 도 1에 도시되어 있지만, 본 발명의 애플리케이션은 도시된 엔진에 한정되지 않으며, 그 엔진은 V형 6기통 엔진, V형 8기통 엔진 및 직렬 6기통 엔진일 수도 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(10)은 4개의 실린더(112)를 포함하고, 이 실린더(112)는 대응하는 흡기 매니폴드(20)를 통해 공통의 서지 탱크(surge tank; 30)에 접속된다. 서지 탱크(30)는 흡기 덕트(intake duct; 40)를 통해 에어 클리너(50)에 접속된다. 흡기 덕트(40) 내에는, 전기 모터(60)에 의해 구동되는 스로틀 밸브(70), 및 에어플로우 미터(42)가 배치된다. 스로틀 밸브(70)는, 액셀레이터 페달(100)과는 독립적인 엔진 ECU(300)의 출력 신호에 기초하여 제어되는 자신의 개방 위치를 갖는다. 실린더(112)는 공통의 배기 매니폴드(80)에 접속되고，차례로, 이 배기 매니폴드(80)는 삼원 촉매 컨버터(90)에 접속된다.
각각의 실린더(112)에 대하여, 실린더에 연료를 분사하기 위한 실린더 내 인젝터(110)，흡기 포트 및/또는 흡기 매니폴드에 연료를 분사하기 위한 흡기 매니폴드 인젝터(120)가 제공된다. 이들 인젝터(110, 120)는 엔진 ECU(300)의 출력 신호에 기초하여 제어된다. 실린더 내 인젝터(110)는 공통의 연료 전달 파이 프(130)에 접속된다. 연료 전달 파이프(130)는, 흐름이 연료 전달 파이프(130)로 향하게 하는 체크 밸브(140)를 통해 엔진 구동 방식의 고압 연료 펌프(150)에 접속된다. 본 실시형태에 있어서는, 2개의 인젝터가 별도로 제공되는 내연 기관에 관해서 설명하지만，본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 그 내연 기관은, 실린더 내 분사 및 흡기 매니폴드 분사 모두를 수행할 수 있는 단일의 인젝터를 가질 수도 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 고압 연료 펌프(150)의 배출측은 전자 스필 electromagnetic spill) 밸브(152)를 통해 고압 연료 펌프(150)의 흡입측에 접속된다. 전자 스필 밸브(152)의 개방 정도가 작아짐에 따라，고압 연료 펌프(150)로부터 연료 전달 파이프(130)에 공급되는 연료의 양이 증가하고，전자 스필 밸브(152)가 완전히 개방될 때에，고압 연료 펌프(150)로부터 연료 전달 파이프(130)로의 연료 공급이 중지되도록 구성된다. 전자 스필 밸브(152)는 엔진 ECU(300)의 출력 신호에 기초하여 제어된다.
한편, 흡기 매니폴드 인젝터(120)는 저압측의 공통의 연료 전달 파이프 (160) 에 접속된다. 연료 전달 파이프(160) 및 고압 연료 펌프(150)는 공통의 연료 압력 레귤레이터(170)를 통해 전기 모터 구동 방식의 저압 연료 펌프(180)에 접속된다. 또한, 저압 연료 펌프(180)는 연료 필터(190)를 통해 연료 탱크(200)에 접속된다. 연료 압력 레귤레이터(170)는, 저압 연료 펌프(180)로부터 배출되는 연료의 압력이 미리 설정된 연료 압력보다 더 높게 될 경우에, 저압 연료 펌프(180)로부터 배출되는 연료의 일부를 연료 탱크(200)로 복귀시키도록 구 성된다. 이것은 흡기 매니폴드 인젝터(120)에 공급되는 연료의 압력뿐 아니라 고압 연료 펌프(150)에 공급되는 연료의 압력이 미리 설정된 연료 압력보다 더 높아지는 것을 방지한다.
엔진 ECU(300)는 디지털 컴퓨터로 구성되고, 쌍방향 버스(310)를 통해 서로 접속되는 판독 전용 메모리(ROM; 320), 랜덤 액세스 메모리(RAM; 330), 중앙 프로세싱 유닛(CPU; 340), 입력 포트(350) 및 출력 포트(360)를 포함한다.
에어플로우 미터(42)는 흡입 공기량에 비례한 출력 전압을 발생시키고，에어플로우 미터(42)의 출력 전압은 A/D 컨버터(370)를 통해 입력 포트(350)에 입력된다. 냉각수 온도 센서(380)는 엔진(10)에 부착되어, 엔진 냉각수 온도에 비례한 출력 전압을 발생시킨다. 냉각수 온도 센서(380)의 출력 전압은 A/D 컨버터(390)를 통해 입력 포트(350)에 입력된다.
연료 압력 센서(400)는 연료 전달 파이프(130)에 부착되어, 연료 전달 파이프(130)의 연료 압력에 비례한 출력 전압을 발생시킨다. 연료 압력 센서(400)의 출력 전압은 A/D 컨버터(410)를 통해 입력 포트(350)에 입력된다. 공기-연료 비율 센서(420)는 삼원 촉매 컨버터(90)의 상류에 위치한 배기 매니폴드(80)에 부착된다. 공기-연료 비율 센서(420)는 배기 가스 중의 산소 농도에 비례한 출력 전압을 발생시키고, 공기-연료 비율 센서(420)의 출력 전압은 A/D 컨버터(430)를 통해 입력 포트(350)에 입력된다.
본 실시형태의 엔진 시스템에 있어서의 공기-연료 비율 센서(420)는, 엔진(10)에서 연소되는 공기-연료 혼합물의 공기-연료 비율에 비례한 출력 전압을 발 생시키는 전역 공기-연료 비율 센서(선형 공기-연료 비율 센서)이다. 공기-연료 비율 센서(420)로서, 엔진(10)에서 연소되는 혼합물의 공기-연료 비율이 이론적인 공기-연료 비율에 대하여 리치한지 또는 희박한지를 온/오프 방식으로 검출하는 O2 센서가 사용될 수도 있다.
액셀레이터 페달(100)은, 그 액셀레이터 페달(100)의 밟기 정도에 비례한 출력 전압을 발생시키는 액셀레이터 위치 센서(440)에 접속된다. 액셀레이터 위치 센서(440)의 출력 전압은 A/D 컨버터(450)를 통해 입력 포트(350)에 입력된다. 엔진 속도를 나타내는 출력 펄스를 발생시키는 엔진속도 센서(460)는 입력 포트(350)에 접속된다. 엔진 ECU(300)의 ROM(320)은, 상술된 액셀레이터 위치 센서(440) 및 엔진속도 센서(460)에 의해 각각 획득된 엔진 부하율 및 엔진 속도에 기초하는 운전 상태에 대응하여 설정되는 연료 분사량의 값, 및 엔진 냉각수 온도에 기초한 보정치를 맵의 형태로 미리 저장하고 있다.
도 2는 도 1의 부분 확대도이다. 도 2는, 도 1에 도시된 각각의 실린더(112)에 있어서 실린더 내 인젝터(110) 및 흡기 매니폴드 인젝터(120)의 위치 관계뿐 아니라, 흡기 매니폴드(20), 흡기 밸브(122), 배기 밸브(121), 스파크 플러그(119), 및 피스톤(123)의 위치 관계를 나타낸 것이다.
흡기 밸브(122)는 흡기 매니폴드(20)의 연소실측에 제공되고, 흡기 매니폴드 인젝터(120)는 흡기 밸브(122)의 상류측에 배열된다. 흡기 매니폴드 인젝터(120)는, 흡기 공기 통로로서 기능하는 흡기 매니폴드(20)의 내벽을 향하여 연료 를 분사한다.
흡기 매니폴드 인젝터(120)로부터의 연료 분사 방향의 일예는 다음과 같은 것일 수도 있다.
연소실 내의 미세화물(Particulate Matter; PM)은 흡기 밸브(122)와 배기 밸브(121) 간의 오버랩으로 인해 흡기 매니폴드(20)로 역류하고，흡기 매니폴드 인젝터(120)로부터 분사된 연료가 분무된다. 그 후, 미세화 연료는 접착제로서 기능하고 흡기 밸브(122) 근방의 측면 상의 흡기 매니폴드(20)의 내벽에 퇴적물로서 남겨질 수도 있다. 흡기 매니폴드 인젝터(120)로부터의 연료 분사 방향은 퇴적물을 향하는 방향으로 설정되어, 그 퇴적물이 흡기 매니폴드 인젝터(120)로부터 분사된 연료에 의해 세정될 수 있다.
흡기 매니폴드(20)에는, 스월(swirl) 제어 밸브와 같은 연소실 내에 와류를 형성하는 컴포넌트가 제공되지 않는다. 그러한 스월 제어 밸브가 제공되면, 유량 계수가 저하되고 WOT 시에 필요 충분한 양의 공기가 연소실로 유입할 수 없다. 하지만, 본 실시형태에 따른 내연 기관에 있어서는，고 유량 포트를 구현하도록 더 높은 유량 계수가 설정된다. 고 유량이 달성될 수 있으면, 탄젠셜 형(tangential type)의 흡기 포트가 제공될 수도 있다. 탄젠셜 형 포트는 좌우로 흔들리는 것 같이 흡기 밸브(122)의 주변에서 나선 형상을 갖진 않지만, 똑바로 연장되고, 큰 원호를 따라 상하로 흔들리는 원호 선단부를 가진다. 따라서, 흡기 포트 내에서의 흐름에 대한 저항이 작고，흡기 포트의 유량 계수는 스월 포트보다 훨씬 더 커진다. 즉, 엔진(10)의 체적 효율이 더 높아지고，다량의 공기가 연소실에 흡입될 수 있다. 바람직하게, 흡기 포트의 유량 계수(Cf)는 0.5 내지 0.7 이상의 값으로 설정된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 실린더 내 인젝터(110)에 대향하는 위치에 있어서, 완만한 곡선형의 컨투어를 갖는 리세스인 캐비티(123C)가 피스톤(123)의 상부에 제공된다. 연료는 실린더 내 인젝터(110)로부터 캐비티(123C)를 향해 분사된다. 실린더 내 인젝터(110)에 대향하는 피스톤(123)의 상부는 코너부를 갖지 않기 때문에, 실린더 내 인젝터(110)로부터 분사되는 연료에 의해 형성되는 분무가 코너부에 의해 분열되지 않는다. 분무된 연료가 분열되면, 연소 악영향을 주는 로컬 리치 상태(local rich; 여기에서 로컬 리치는 스파크 플러그(119) 부근 영역 이외의 영역에서 리치한 공기-연료 혼합물의 형성을 지칭함)가 야기될 수도 있다. 하지만, 이러한 상태는 회피될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 배열되는 실린더 내 인젝터(110)와 흡기 매니폴드 인젝터(120) 간의 연료 분사의 비율은 이하 상세히 설명할 것이다.
본 실시형태에 따른 제어 장치를 나타내는 엔진 ECU (300)는 엔진(10)의 통상 운전에서(급속 촉매 난기가 비통상 상태인 것으로 가정하면, 비통상 상태가 아닌 상태에서), 즉, 엔진(10)의 모든 운전 영역들에서 균질 연소를 수행한다. 여기에서, 연료는 흡기 밸브(122)가 개방되어 있는 동안에 통상적으로 흡기 매니폴드 인젝터(120)로부터 분사되었다. 한편, 엔진 ECU(300)에 따르면, 연료는 (엔진(10)의 배기 행정에서) 흡기 밸브(122)가 닫혀 있는 동안에 흡기 매니폴드 인젝터(120)로부터 분사된다.
도 3은 (배기 행정에서) 흡기 밸브(122)가 닫혀 있는 동안에 흡기 매니폴드 인젝터(120)로부터 연료가 분사되는 상태를 도시한다. 흡기 밸브(122)가 닫혀 있는 동안에 흡기 매니폴드 인젝터(120)로부터 분사된 연료(액체)는, 벽면 부착 연료로서 흡기 매니폴드(20)의 내벽에 부착되며, 우산-형상-부분-부착 연료로서 흡기 밸브(122)의 우산-형상 부분의 이면에 부착되며, 또는 밸브-스템-부착 연료로서 흡기 밸브(122)의 밸브 스템(축)에 부착된다. 그러나, 연소실에 가까운 부분의 온도는 연료의 끓는점에 비해 매우 높으며, 연료는 쉽게 기화된다. 즉, 연료는 (배기 밸브(121)와 흡기 밸브(122)가 모두 개방된 밸브 오버랩을 포함하는 흡기 행정에서) 흡기 밸브(122)가 개방된 때에 기화되며, 액상이 아닌 기화 상태의 연료가 연소실에 도입된다. 따라서, 연소실의 공기-연료 혼합물의 균질성은 흡기 매니폴드 인젝터(120)로부터 분사된 연료에 의해 개선된다. 만일 연료가 실린더 내 인젝터(110)와 흡기 매니폴드 인젝터(120)로부터 소정의 비율로 분사되는 경우에, 연료는 흡기 밸브(122)가 개방되어 있는 동안에 실린더 내 인젝터(110)로부터 분사된다. 따라서, 실린더 내 인젝터(110)로부터 분사된 연료는 흡기 매니폴드(20)로부터 연소실로의 에어플로우의 결과로서 쉽게 확산되며, 연소실의 공기-연료 혼합물의 균질성은 개선된다.
후술될 바와 같이, 엔진(10)에서 요구되는 부하가 소정의 임계치와 같거나 더 큰 경우에 그리고 연료가 실린더 내 인젝터(110)와 흡기 매니폴드 인젝터(120)로부터 소정의 비율로 분사되는 경우에, 연료는 흡기 밸브(122)가 개방되어 있는 동안에 흡기 매니폴드 인젝터(120)로부터 분사될 수도 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 제어 장치를 나타내는 엔진 ECU(300)에 의해 실행되는 프로그램의 제어 구성은 도 4를 참조하여 설명될 것이다.
단계(하기에서, 단계는 S로 단축됨) 100에서, 엔진 ECU(300)는 엔진(10)이 시동되었는지 여부를 판정한다. 여기에서, 판정은 다른 ECU로부터 엔진 ECU(300)로의 엔진 시동 요구 신호 입력에 기초하여 또는 엔진 ECU(300)의 자체적인 프로세싱 결과에 기초하여 이루어진다. 엔진(10)이 시동된 경우에(S100에서 "예"), 프로세스는 단계(S110)로 진행된다. 그렇지 않은 경우에(S100에서 "아니오"), 프로세스는 종료된다.
단계(S110)에서, 엔진 ECU(300)는 급속 촉매 난기가 필요한지 여부를 판정한다. 전술한 바와 같이, 삼원 촉매 컨버터(90)의 하류측에 제공된 산소 센서로부터의 검출 신호의 변화에 기초하여 삼원 촉매 컨버터(90)가 활성화되지 않는 경우에, 급속 촉매 난기가 필요한 것으로서 판정된다. 다른 방법으로, 급속 촉매 난기가 필요한지 여부는 엔진 냉각수의 온도 또는 엔진 오일의 온도에 기초하여 판정될 수도 있다. 급속 촉매 난기가 필요한 경우에(단계(S110)에서 "예"), 프로세스는 단계(S120)로 진행한다. 그렇지 않은 경우에(단계(S110)에서 "아니오"), 프로세스는 단계(S200)로 진행한다.
단계(S120)에서, 엔진 ECU(300)는 급속 촉매 난기 프로세싱을 수행한다. 여기서, 예를 들어 도 5에서 도시된 예에서, 엔진 ECU(300)는 점화 타이밍, 실린더 내 인젝터(110)의 분사 타이밍, 연료 분사량, 공기 공급량, 및 DI 비율 r을 제어한다. 도 4의 DI 비율 값은 단지 예시적인 것이며, 이는 50% 이상으로 설정될 수 도 있다(실린더 내 인젝터(110)로부터의 연료 분사 비율은 흡기 매니폴드 인젝터(120)로부터의 연료 분사 비율보다 크거나 같다). 연료량의 감소에 관해서, 예를 들어, 배기의 공기-연료 비율이 대략 15.5로 설정되는 희박 상태만이 달성되어야 한다. 이러한 감소는 미연(未燃) HC를 감소시킨다. 연료량이 엔진(10) 시동 직후에 증가하더라도(엔진(10)의 시동시에 토오크 수요를 충족하기 위해 연료량의 증량 보정, 또는 벽면에의 부착에 대응하는 연료량의 증량 보정), 시동시 만큼의 토오크가 엔진 시동 이후에 요구되지 않거나 또는 벽면에 부착된 연료가 포화되기 때문에, 연료량은 감소한다. 이러한 방식으로, 압축 행정에서 실린더 내 인젝터(110)로부터의 연료 분사량이 심지어 감소하는 경우에도, 점화에 필요한 양의 연료는 스파크 플러그 주위에 존재하며, 희박 한계는 높게 되며, 이에 의해 점화실패가 발생하지 않을 것이다. 여기서, 촉매 난기에 기여하는 후연소용 연료(흡기 매니폴드 인젝터(120)로부터 공급됨)가 (증량 보정의 결과로서) 요구되는 양으로 공급된다. 이 후연소용 연료가 이용가능하기 때문에, 촉매 난기가 달성될 수 있다.
단계(S130)에서, 엔진 ECU(300)은 급속 촉매 난기를 종료할지를 판정한다. 전술한 바와 같이, 삼원 촉매 컨버터(90)의 하류측에 제공되는 산소 센서로부터의 검출 신호의 변화에 기초하여, 삼원 촉매 컨버터(90)가 활성화되는 경우에, 급속 촉매 난기가 종료되어야 한다고 판정된다. 다른 방법으로, 급속 촉매 난기를 종료할지 여부는 엔진 냉각수의 온도 또는 엔진 오일의 온도에 기초하여 판정될 수도 있다. 또한 다른 방법으로, 급속 촉매 난기를 종료할지 여부는 엔진 냉각 수의 온도가 시동 이후에 적어도 소정의 양만큼 증가하였는지 여부에 기초하여 판정될 수도 있다. 또한 다른 방법으로, 급속 촉매 난기를 종료할지 여부는 흡입 공기의 누적량에 기초하여, 엔진(10)이 소정의 시간 주기 이상 동안 운전하고 있는지 여부를 판정함으로써 판정될 수도 있다. 급속 촉매 난기가 종료되어야 하는 것으로 판단되는 경우에(단계(S130)에서 "예"), 프로세스는 단계(S200)로 진행한다. 그렇지 않으면(단계(S130)에서 "아니오"), 프로세스는 단계(S120)로 복귀한다.
단계(S200)에서, 엔진 ECU(300)는 냉각수 온도 센서(380)로부터 입력된 데이터에 기초하여 엔진 냉각수 온도 THW를 검출한다. 단계(S210)에서, 엔진 ECU(300)는 검출된 엔진 냉각수 온도 THW가 소정의 온도 임계값 THW(TH)보다 낮지 않은지를 판정한다. 예를 들어, THW(TH)는 70 내지 90℃ 값으로 설정된다. 엔진 냉각수 온도 THW가 온도 임계값 THW(TH)와 같거나 더 높은 경우에(단계(S210)에서 "예"), 프로세스는 단계(S220)로 진행한다. 그렇지 않으면(단계(S210)에서 "아니오"), 프로세스는 단계(S230)로 진행한다.
단계(S220)에서, 엔진 ECU(300)는 온간 상태에 대한 맵을 선택한다(후술되는 도 6 또는 8).
단계(S230)에서, 엔진 ECU(300)는 냉간 상태에 대한 맵을 선택한다(후술되는 도 7 또는 9).
단계(S240)에서, 엔진 ECU(300)는 선택된 맵에 따라 엔진(10)의 엔진 속도 및 부하율에 기초하여 DI 비율 r을 산출한다. 엔진(10)의 엔진 속도는 엔진 속 도 센서(460)로부터 입력된 데이터에 기초하여 산출되며, 부하율은 액셀레이터 위치 센서(440)로부터 입력된 데이터와 차량의 주행 상태에 기초하여 산출된다.
단계(S250)에서, 엔진 ECU(300)는 연료 분사량을 산출한다. 실린더 내 인젝터(110)로부터의 연료 분사량 및 흡기 매니폴드 인젝터(120)로부터의 연료 분사량은 이 연료 분사량과 DI 비율 r에 기초하여 산출될 수 있다.
단계(S260)에서, 엔진 ECU(300)는 엔진(10)의 부하율이 소정의 임계값보다 낮지 않은지 및 연료가 실린더 내 인젝터(110)와 흡기 매니폴드 인젝터(120)로부터 소정의 비율로 분사되는지 여부를 판정한다. 엔진(10)의 부하율이 소정의 임계값 이상인 경우 및 연료가 실린더 내 인젝터(110)와 흡기 매니폴드 인젝터(120)로부터 소정의 비율로 분사되는 경우에(단계(S260)에서 "예"), 프로세스는 단계(S270)로 진행한다. 그렇지 않은 경우에(단계(S260)에서 "아니오"), 프로세스는 단계(S280)로 진행한다.
단계(S270)에서, 엔진 ECU(300)는 흡기 매니폴드 인젝터(120)로부터 연료를 분사할 때를 (공기 흡입과 동기화되는) 흡기 밸브(122)가 개방되어 있는 기간 동안으로서 산출한다.
단계(S280)에서, 엔진 ECU(300)는 흡기 매니폴드 인젝터(120)로부터 연료를 분사할 때를 흡기 밸브(122)가 닫혀 있는 기간 동안으로서 산출한다.
그 후, 엔진 ECU(300)는 산출된 연료 분사량 및 분사 타이밍에 기초하여 실린더 내 인젝터(110)와 흡기 매니폴드 인젝터(120)를 제어하여 연료 분사를 수행한다.
이하, 상기 구성과 플로우챠트에 기초하는, 본 실시형태에 따른 내연 기관의 제어 장치를 나타내는 엔진 ECU(300)에 의해 제어되는 엔진(10)의 동작이 설명될 것이다.
<엔진의 비통상 운전시>
예컨대, 엔진(10)이 시동된 직후 엔진(10)이 차가운 동안에, 엔진 ECU(300)는 엔진(10)이 비통상 운전인 것으로 가정하여 엔진(10)을 제어한다(단계(S100)에서 "예" 및 단계(S110)에서 "예"). 여기에서는, 촉매가 활성화되지 않음으로서, 대기로의 배기 가스의 방출은 이러한 상태에서 회피되어야 한다. 이에 따라, 성층 연소 모드가 이 경우에 설정되며, 성층 연소를 수행하기 위해, 연료는 압축 행정에서 실린더 내 인젝터(110)로부터 분사된다(도 5의 급속 촉매 난기 제어는 비통상 상태에서의 제어에 대응한다). 여기에서, 성층 연소는 수초 내지 수십초 기간 동안 수행된다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 성층 연소는 성층 연소 및 세미-성층 연소 모두를 포함한다. 세미-성층 연소에서, 흡기 매니폴드 인젝터(120)는 흡기 행정에서 연료를 분사하여 전체 연소실에서 희박 및 균질의 공기-연료 혼합물을 발생하며, 그 후, 실린더 내 인젝터(110)는 압축 행정에서 연료를 분사하여 스파크 플러그 주변에서 국부적으로 리치한 공기-연료 혼합물을 발생함으로써 연소 상태를 개선한다. 이러한 세미-성층 연소는 하기의 이유들에 의해 촉매 난기 운전에 있어서 바람직하다. 촉매 난기 운전에 있어서, 고온 연소 가스가 촉매에 도달하게 하도록, 점화 타이밍을 크게 후퇴시킴과 아울러 양호한 연소 상태(아이들 상태) 를 유지하는 것이 필요하다. 또한, 일정량의 연료가 공급될 필요가 있다. 만일 이러한 요건을 충족시키기 위해 성층 연소가 이용되는 경우에, 연료량은 불충분할 것이다. 만일 균질 연소가 이용되는 경우에, 양호한 연소를 유지하기 위한 후퇴량은 성층 연소의 경우에 비하여 작다. 이러한 이유들로 인해, 전술한 세미-성층 연소가 촉매 난기 운전에 있어서 바람직하게 이용되지만, 성층 연소와 세미-성층 연소 중 어느 하나가 이용될 수도 있다.
<엔진의 냉간 상태 시>
냉간 상태에 대한 맵(후술되는 도 7 또는 도 9)은, 급속 촉매 난기가 종료되고(단계(S130)에서 "예") 엔진(10)의 시동 이후에 증가된 엔진(10)의 온도(엔진 냉각수 온도 THW)가 소정의 온도 임계값(예를 들어, 80℃)으로 설정될 때까지(단계(S210)에서 "아니오") 선택된다(S230).
실린더 내 인젝터(110)의 분사 비율을 나타내는 DI 비율 r은, 냉간 상태에 대해 선택된 맵(후술되는 도 7 또는 도 9)뿐만 아니라 엔진(10)의 엔진 속도 및 부하율에 기초하여 산출된다(S240). 연료 분사량은 엔진(10)에서 요구되는 출력 등에 기초하여 산출된다(S250).
<엔진의 온간 상태 시>
엔진(10)의 온도가 더 증가하고, 엔진(10)의 온도(엔진 냉각수 온도 THW)가 소정의 온도 임계값 이상(예를 들어, 80℃)으로 도달하는 경우에(단계(S210)에서 "예"), 온간 상태에 대한 맵(후술되는 도 6 또는 도 8)이 선택된다(S220).
실린더 내 인젝터(110)의 분사 비율을 나타내는 DI 비율 r은, 온간 상태에 대해 선택된 맵(후술되는 도 6 또는 도 8)뿐만 아니라 엔진(10)의 엔진 속도 및 부하율에 기초하여 산출된다(S240). 연료 분사량은 엔진(10)에서 요구되는 출력 등에 기초하여 산출된다(S250).
<인젝터로부터의 연료 분사 타이밍>
만일 엔진(10)의 부하율이 높고, 연료가 실린더 내 인젝터(110)와 흡기 매니폴드 인젝터(120)로부터 소정의 비율로 분사되는 경우에(S260에서 "예"), 흡기 매니폴드 인젝터(120)로부터 연료가 분사되는 때는, 공기 흡입과 동기화되는 시간, 즉, 흡기 밸브(122)가 개방되는 기간 동안으로서 산출된다(S270).
만일 엔진(10)의 부하율이 낮거나 또는 연료가 실린더 내 인젝터(110)와 흡기 매니폴드 인젝터(120)로부터 소정의 비율로 분사되지 않는 경우에(S260에서 "아니오"), 흡기 매니폴드 인젝터(120)로부터 연료가 분사되는 때는, 흡기 밸브(122)가 닫혀 있는 기간 동안으로서 산출된다(S280). 엔진(10)의 부하율이 낮은 경우에, 연료가 흡기 매니폴드 인젝터(120)로부터 분사되는 때에 흡기 밸브(122)는 닫혀진다. 따라서, 도 3에서 도시된 바와 같이, 액상의 연료는 흡기 매니폴드의 내벽, 흡기 밸브(122)의 우산-형상 부분의 이면, 흡기 밸브(122)의 밸브 스템 등에 부착된다. 한편, 연료가 부착되는 부분의 온도는, 온간 상태는 말할 필요도 없이 심지어 냉간 상태에서의 연료의 끓는점에 비해 충분히 높다. 따라서, 연료는 흡기 밸브(122)의 개방 시간까지(흡기 행정의 시작 시간까지) 흡기 매니폴드(20)에서 기화된다.
흡기 밸브(122)가 이 상태에서 개방된 경우에, 기화된 연료는 연소실에 도입 된다. 따라서, 균질성이 개선되고, 양호한 균질 연소가 달성될 수 있다.
임의의 경우에서(S260에서 "예" 및 S260에서 "아니오"), 실린더 내 인젝터(110)로부터 연료가 분사되는 때는 공기 흡입과 동기화되는 시간으로서, 즉, 흡기 밸브(122)가 개방되는 기간 동안으로서 산출된다. 따라서, 실린더 내 인젝터(110)로부터 분사되는 연료는 흡입 공기의 흐름에 의해 연소실에서 캐비티(123C)를 따라 균질하게 확산된다. 결과적으로, 연소실에서 분배된 연료(공기-연료 비율의 분배)의 균질성이 개선될 수 있고, 양호한 균질 연소가 달성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 실시형태에 따른 엔진 ECU에 의해 제어되는 엔진에 있어서, 급속 촉매 난기에 의해 표시되는 비통상 운전 상태가 아닌 통상 운전 상태에서 실린더 내 인젝터와 흡기 매니폴드 인젝터로부터 소정의 비율로 연료가 분사되는 동안에, 예를 들어, 실린더 내 인젝터와 흡기 매니폴드 인젝터로부터의 연료 분사의 제어는 내연 기관의 온간 상태와 냉간 상태에 대해 개별적으로 설정되는 엔진 속도 및 엔진 부하에 의해 결정되는 맵들에 기초하여 수행된다. 여기에서, 연료 분사 제어는 균질 연소가 모든 영역들에서 달성될 수 있도록, 맵에 기초하여 수행된다. 이 경우에 큰 부하가 요구되지 않으면, 연료는 흡기 밸브가 닫혀 있는 동안에 흡기 매니폴드 인젝터로부터 분사된다. 이러한 방식으로, 흡기 밸브가 닫혀있는 동안에 흡기 매니폴드 인젝터로부터의 연료 분사의 결과로서 심지어 연료가 흡기 매니폴드의 벽면에 부착되는 경우에도, 연료는 고온 때문에 즉각적으로 기화된다. 따라서, 기화된 연료는 흡기 밸브가 개방되는 때에 연소실로 도입되고, 실린더 내 인젝터의 팁 단부에 위치된 분사구에서의 액상인 연료의 부착 및 이 에 따른 퇴적물들의 누적은 발생하지 않을 수 있다. 게다가, 기화된 연료가 연소실에 도입되기 때문에, 균질성이 개선될 수 있다.
<본 제어 장치가 적절하게 적용되는 엔진(1)>
이하, 본 실시형태의 제어 장치가 적절하게 적용되는 엔진(1)이 설명될 것이다.
도 6 및 7을 참조하여, 엔진(10)의 운전 상태에 관한 정보로서 식별되는, 각각이 실린더 내 인젝터(110)와 흡기 매니폴드 인젝터(120)간의 연료 분사 비율(이하, DI 비율(r)이라고도 함)을 표시하는 맵들이 설명될 것이다. 이 맵들은 엔진 ECU(300)의 ROM(320)에 저장된다. 도 6은 엔진(10)의 온간 상태에 대한 맵이고, 도 7은 엔진(10)의 냉간 상태에 대한 맵이다.
수평축이 엔진(10)의 엔진 속도를 나타내며 수직축이 부하율을 나타내는 도 6 및 7에서 도시된 맵들에서, 실린더 내 인젝터(110)의 연료 분사 비율 또는 DI 비율 r은 퍼센트로 표시된다.
도 6 및 7에서 도시된 바와 같이, DI 비율 r은 엔진(10)의 엔진 속도와 부하율에 의해 결정되는 각 운전 영역에 대해 설정된다. "DI 비율 r = 100%"는 실린더 내 인젝터(110)만을 사용하여 연료 분사가 수행되는 영역을 나타내고, "DI 비율 r = 0%"는 흡기 매니폴드 인젝터(120)만을 사용하여 연료 분사가 수행되는 영역을 나타낸다. "DI 비율 r ≠ 0%", "DI 비율 r ≠ 100%", 및 "0% < DI 비율 r < 100% 각각은 실린더 내 인젝터(110)와 흡기 매니폴드 인젝터(120) 모두를 사용하여 연료 분사가 수행되는 영역을 나타낸다. 일반적으로, 실린더 내 인젝터(110)는 출력 성능의 증가에 기여하며, 흡기 매니폴드 인젝터(120)는 공기-연료 혼합물의 균질성에 기여한다. 상이한 특성들을 갖는 이러한 2 종류의 인젝터들은 엔진(10)의 엔진 속도 및 부하율에 의존하여 적절하게 선택되며, 이에 따라 (아이들링 동안의 촉매 난기 상태와 같은 비통상 운전 상태가 아닌) 엔진(10)의 통상 운전 상태에서 균질 연소만이 수행된다.
또한, 도 6 및 7에서 도시된 바와 같이, 실린더 내 인젝터(110)와 흡기 매니폴드 인젝터 간의 연료 분사 비율, 또는 DI 비율 r은 엔진의 온간 상태에 대한 맵에서 그리고 엔진의 냉간 상태에 대한 맵에서 개별적으로 정의된다. 맵들은 엔진(10) 온도가 변화함에 따라 실린더 내 인젝터(110)와 흡기 매니폴드 인젝터(120)의 상이한 제어 영역들을 표시하도록 구성된다. 검출된 엔진(10) 온도가 소정의 온도 임계값 이상인 경우에, 도 6에 도시된 온간 상태에 대한 맵이 선택되며, 그렇지 않은 경우에, 도 7에 도시된 냉간 상태에 대한 맵이 선택된다. 실린더 내 인젝터(110)와 흡기 매니폴드 인젝터(120) 중 하나 또는 둘 모두는 선택된 맵에 기초하여 그리고 엔진(10)의 엔진 속도 및 부하율에 따라 제어된다.
이하, 도 6 및 7에서 설정된 엔진(10)의 엔진 속도 및 부하율이 설명될 것이다. 도 6에서, NE(1)는 2500 rpm 내지 2700 rpm으로 설정되며, KL(1)은 30% 내지 50%로 설정되고, KL(2)는 60% 내지 90%로 설정된다. 도 7에서, NE(3)는 2900 rpm 내지 3100 rpm으로 설정된다. 즉, NE(1) < NE(3)이다. 또한, 도 6의 NE(2)뿐만 아니라 도 7의 KL(3) 및 KL(4)이 적절하게 설정된다.
도 6과 도 7을 비교할 때에, 도 7에 도시된 냉간 상태에 대한 맵의 NE(3)는 도 6에 도시된 온간 상태에 대한 맵의 NE(1)보다 크다. 이는 엔진(10)의 온도가 낮아짐에 따라, 흡기 매니폴드 인젝터(120)의 제어 영역이 더 높은 엔진 속도 영역을 포함하도록 확대되는 것임을 보여준다. 즉, 엔진(10)이 차가운 경우에, 퇴적물들은 (심지어 연료가 실린더 내 인젝터(110)로부터 분사되지 않은 경우에도) 실린더 내 인젝터(110)의 분사구에 누적되지 않을 것이다. 따라서, 흡기 매니폴드 인젝터(120)를 사용하여 연료 분사가 수행되는 영역은 확대될 수 있으며, 이에 따라 균질성을 개선하게 된다.
도 6과 도 7을 비교할 때에, 온간 상태에 대한 맵에서 엔진(10)의 엔진 속도가 NE(1) 이상인 영역에서, 그리고 냉간 상태에 대한 맵에서 엔진 속도가 NE(3)인 영역에서, "DI 비율 r = 100%" 이다. 부하율의 관점에서, 온간 상태에 대한 맵에서 부하율이 KL(2) 이상인 영역에서, 그리고 냉간 상태에 대한 맵에서 부하율이 KL(4) 이상인 영역에서, "DI 비율 r = 100%" 이다. 이는, 실린더 내 인젝터(110)가 독자적으로 소정의 고 엔진 속도에서 그리고 소정의 고 엔진 부하에서 사용됨을 의미한다. 즉, 고속 영역에 또는 고부하 영역에서, 실린더 내 인젝터(110)만을 사용하여 연료 분사가 수행되는 경우에도, 엔진(10)의 엔진 속도 및 부하가 높게 되어 충분한 흡입 공기량을 보장함으로써, 실린더 내 인젝터(110)만을 사용하여도 균질의 공기-연료 혼합물을 쉽게 획득할 수 있다. 이러한 방식으로, 실린더 내 인젝터(110)로부터 분사된 연료는 기화 잠열을 수반하여(또는 연소실로부터 열을 흡수하여) 연소실 내에서 미립화된다. 따라서, 공기-연료 혼합물의 온도는 압축 말단에서 감소하며, 이에 의해, 안티노크(antiknock) 성능이 개 선된다. 또한, 연소실 내의 온도가 감소하기 때문에, 흡기 효율성은 개선되어 고 동력의 출력을 발생시킨다.
도 6의 온간 상태에 대한 맵에서, 부하율이 KL(1) 이하인 경우에, 또한 실린더 내 인젝터(110)만을 사용하여 연료 분사가 수행된다. 이는, 엔진(10)의 온도가 높을 때에, 실린더 내 인젝터(110)가 독자적으로 소정의 저부하 영역에서 사용됨을 보여준다. 엔진(10)이 온간 상태에 있는 경우에, 퇴적물들은 실린더 내 인젝터(110)의 분사구에 누적될 것이다. 그러나, 실린더 내 인젝터(110)를 사용하여 연료 분사가 수행되는 경우에, 분사구의 온도는 낮아질 수 있으며, 이에 의해 퇴적물의 누적이 방지된다. 또한, 그 최소 분사량을 보장하면서, 실린더 내 인젝터(110)의 폐색(clogging)을 방지할 수도 있다. 따라서, 관련 영역에서, 실린더 내 인젝터(110)만이 사용된다.
도 6과 도 7을 비교하는 때에, 도 7의 냉간 상태에 대한 맵에서만 "DI 비율 r = 0%"인 영역이 존재한다. 이는, 엔진(10)의 온도가 낮은 경우에는 소정의 저부하 영역(KL(3) 이하)에서 흡기 매니폴드 인젝터(120) 만을 사용하여 연료 분사가 수행됨을 보여준다. 엔진(10)이 차갑고 저부하에 있으며 흡입 공기량이 작은 경우에, 연료의 미립화는 발생하지 않을 것이다. 이러한 영역에서는, 실린더 내 인젝터(110)로부터의 연료 분사에 의한 양호한 연소를 보장하기는 어렵다. 또한, 특히 저부하 및 저속 영역에서는 실린더 내 인젝터(110)를 사용한 고출력이 불필요하다. 따라서, 관련 영역에서는 실린더 내 인젝터(110) 보다는 흡기 매니폴드 인젝터(120)만을 사용하여 연료 분사가 수행된다.
또한, 통상 운전이 아닌 운전에서, 또는 엔진(10)의 아이들링 동안의 촉매 난기 상태(비통상 운전 상태)에서, 실린더 내 인젝터(110)는 성층 연소를 수행하도록 제어된다. 촉매 난기 운전 동안에만 성층 연소가 되게 함으로써, 촉매의 난기는 촉진되고, 이에 따라 배기 방출은 개선된다.
<본 제어 장치가 적절하게 적용되는 엔진(2)>
이하, 본 실시형태의 제어 장치가 적절하게 적용되는 엔진(2)이 설명될 것이다. 엔진(2)에 대한 하기의 설명에서, 엔진(1)과 유사한 구성들은 반복되지 않을 것이다.
도 8 및 9를 참조하여, 엔진(10)의 운전 상태에 관한 정보로서 식별되는, 각각이 실린더 내 인젝터(110)와 흡기 매니폴드 인젝터(120) 간의 연료 분사 비율을 표시하는 맵들이 설명될 것이다. 맵들은 엔진 ECU(300)의 ROM(320)에 저장된다. 도 8은 엔진(10)의 온간 상태에 대한 맵이고, 도 9는 엔진(10)의 냉간 상태에 대한 맵이다.
도 8 및 9는 이하의 점에서 도 6 및 7과 다르다. "DI 비율 r = 100%"는 온간 상태에 대한 맵에서 엔진(10)의 엔진 속도가 NE(1) 이상인 영역에서, 그리고 냉간 상태에 대한 맵에서 엔진(10) 속도가 NE(3) 이상인 영역에서 유지된다. 또한, 저속 영역을 제외하고, "DI 비율 r = 100%"는 온간 상태에 대한 맵에서 부하율이 KL(2) 이상인 영역에서, 그리고 냉간 상태에 대한 맵에서 부하율이 KL(4) 이상인 영역에서 유지된다. 이는, 엔진 속도가 소정의 하이 레벨인 영역에서는 실린더 내 인젝터(110)만을 사용하여 연료 분사가 수행되며, 엔진 부하가 소정의 하이 레벨인 영역에서는 종종 실린더 내 인젝터(110)만을 사용하여 연료 분사가 수행됨을 의미한다. 그러나, 저속 및 고부하 영역에서, 실린더 내 인젝터(110)로부터 분사된 연료에 의해 형성되는 공기-연료 혼합물의 혼합은 열악하며, 연소실 내의 이러한 비균질의 공기-연료 혼합물은 불안정한 연소를 초래할 수도 있다. 따라서, 이러한 문제가 발생할 가능성이 없는 경우에서, 실린더 내 인젝터(110)의 연료 분사 비율은 엔진 속도가 증가함에 따라 증가하는 반면에, 이러한 문제가 발생할 가능성이 있는 경우에서, 실린더 내 인젝터(110)의 연료 분사 비율은 엔진 부하가 증가함에 따라 감소한다. 이러한 DI 비율 r의 변화들은 도 8 및 9의 십자형 화살표들에 의해 도시된다. 이러한 방식으로, 불안정 연소에 기여할 수 있는 엔진의 출력 토오크의 변화는 억제될 수 있다. 이러한 조치들은 엔진(10) 상태가 소정의 저속 영역으로 이동함에 따라 실린더 내 인젝터(110)의 연료 분사 비율을 감소시키는 조치, 또는 엔진(10) 상태가 소정의 저부하 영역으로 이동함에 따라 실린더 내 인젝터(110)의 연료 분사 비율을 증가시키는 조치와 대략적으로 등가인 것이다. 또한, (도 8 및 9의 십자형 화살표들에 의해 표시되는) 관련 영역을 제외하고, (고속 측에서 그리고 저부하 측에서) 실린더 내 인젝터(110)만을 사용하여 연료 분사가 수행되는 영역에서, 균질의 공기-연료 혼합물은 실린더 내 인젝터(110)만을 사용하여 연료 분사를 수행하는 경우에도 쉽게 획득된다. 이 경우에, 실린더 내 인젝터(110)로부터 분사된 연료는 기화 잠열을 수반하여(연소실로부터 열을 흡수함으로써) 연소실 내에서 미립화된다. 따라서, 공기-연료 혼합물의 온도는 압축 말단에서 감소하며, 따라서, 안티노크 성능이 개선된다. 또한, 연소실의 온도가 감소하는 경우에, 흡기 효율성은 개선되며, 고 동력의 출력을 발생시킨다.
도 6 내지 9와 관련하여 설명된 엔진(10)에 있어서, 균질 연소는 흡기 행정에서 실린더 내 인젝터(110)의 연료 분사 타이밍을 설정함으로써 달성되며, 성층 연소는 압축 행정에서 이를 설정함으로써 수행된다. 즉, 실린더 내 인젝터(110)의 연료 분사 타이밍이 압축 행정에서 설정되는 경우에, 리치한 공기-연료 혼합물은 스파크 플러그 주위에서 국부적으로 위치될 수 있으므로, 전체적으로 연소실에서의 희박한 공기-연료 혼합물이 성층 연소를 수행하도록 점화된다. 흡기 행정에서 실린더 내 인젝터(110)의 연료 분사 타이밍이 설정된 경우에도, 스파크 플러그 주위에서 국부적으로 리치한 공기-연료 혼합물을 제공할 수 있는 경우 성층 연소가 수행될 수 있다.
여기에서 사용된 바와 같이, 성층 연소는 성층 연소와 세미-성층 연소 모두를 포함한다. 세미-성층 연소에서, 흡기 매니폴드 인젝터(120)는 흡기 행정에서 연료를 분사하여 전체 연소실에서 희박한, 균질의 공기-연료 혼합물을 발생시키며, 그 후, 실린더 내 인젝터(110)는 압축 행정에서 연료를 분사하여 스파크 플러그 주위에서 리치한 공기-연료 혼합물을 발생시킴으로써, 연소 상태를 개선한다. 이러한 세미-성층 연소는 다음의 이유들로 인해 촉매 난기 운전에 있어서 바람직하다. 촉매 난기 운전에 있어서, 고온 연소 가스를 촉매에 도달시키기 위해 점화 타이밍을 대폭적으로 후퇴시키고 양호한 연소 상태(아이들 상태)를 유지할 필요가 있다. 또한, 일정한 양의 연료가 공급될 필요가 있다. 이러한 요건들을 충족시키기 위해 성층 연소가 이용되는 경우에, 연료량은 충분할 것이다. 만일 균질 연소가 이용되면, 양호한 연소를 유지하기 위해 후퇴된 량은 성층 연소의 경우에 비하여 작다. 이러한 이유들로 인해, 전술한 세미-성층 연소가 촉매 난기 운전에서 바람직하게 이용되지만, 성층 연소와 세미-성층 연소 중 어느 하나가 이용될 수도 있다.
또한, 도 6 내지 9과 관련하여 설명된 엔진에서, 실린더 내 인젝터(110)의 연료 분사 타이밍은 흡기 행정에서 거의 대부분의 영역에 대응하는 기본 영역에서 설정된다(여기서, 기본 영역은 촉매 난기 상태에서만 수행되는, 흡기 행정에서 흡기 매니폴드 인젝터(120)로부터의 연료 분사 및 압축 행정에서 실린더 내 인젝터(110)로부터의 연료 분사에 의해 세미-성층 연소가 수행되는 영역이 아닌 영역을 지칭한다). 그러나, 실린더 내 인젝터(110)의 연료 분사 타이밍은, 다음의 이유들로 인해 연소를 안정화시킬 목적으로 압축 행정에서 임시적으로 설정될 수도 있다.
실린더 내 인젝터(110)의 연료 분사 타이밍이 압축 행정에서 설정되는 경우에, 공기-연료 혼합물은 실린더의 온도가 비교적 높은 동안에 분사된 연료에 의해 냉각된다. 이는 냉각 효과를 개선하며, 이에 따라 안티노크 성능을 개선한다. 또한, 실린더 내 인젝터(110)의 연료 분사 타이밍이 압축 행정에서 설정되는 경우에, 연료 분사에서 점화까지의 시간은 짧게 되며, 분사된 연료의 강한 침투를 보장함으로써 연소 속도를 증가시킨다. 안티노크 성능의 개선 및 연소 속도의 증가는 연소 변동을 방지할 수 있으며, 따라서, 연소 안정성이 개선된다.
엔진(10)의 온도에 관계없이(즉, 엔진(10)이 온간 상태에 있는지 또는 냉간 상태에 있는지에 관계없이), 도 6 또는 8에 도시된 온간 상태에 대한 맵은 아이들-오프 상태 동안에(아이들 스위치가 오프(off) 된 때에 또는 액셀레이터 페달이 눌러진 때에) 사용될 수 있다(엔진이 냉간 상태에 있는지 또는 온간 상태에 있는지에 관계없이, 실린더 내 인젝터(110)는 저부하 영역에서 사용된다).
본원에서 개시된 실시형태들은 모든 면에서 예시적이며 제한적인 것이 아니다. 본 발명의 범주는 상기의 설명이 아닌 청구범위에 의해 정의되며, 청구범위와 균등한 범주 및 의미 내에서의 임의의 변형물을 포함하도록 의도된다.

Claims (13)

  1. 실린더에 연료를 분사하는 제 1 연료 분사 메커니즘 및 흡기 매니폴드에 연료를 분사하는 제 2 연료 분사 메커니즘을 포함하는 내연 기관의 제어 장치로서,
    상기 내연 기관의 운전 상태에 관한 정보에 기초하여 상기 제 1 연료 분사 메커니즘과 상기 제 2 연료 분사 메커니즘을 제어하는 제어 유닛을 포함하며,
    적어도 상기 제 2 연료 분사 메커니즘으로부터 연료를 분사시킴으로써 균질 연소가 수행되어야 하는 경우에, 상기 제어 유닛은 흡기 밸브가 닫혀 있는 동안에 상기 제 2 연료 분사 메커니즘으로부터 연료가 분사되도록 연료 분사를 제어하는, 내연 기관의 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 상기 흡기 밸브가 개방되어 있는 동안에 상기 제 1 연료 분사 메커니즘으로부터 연료가 분사되도록 연료 분사를 제어하는 분사 제어 유닛을 더 포함하는, 내연 기관의 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 내연 기관이 통상 운전 상태에 있는지를 판정하는 판정 유닛으로서, 상기 내연 기관이 아이들 상태가 아닌 상태에 있는 경우에는 통상 운전 상태에 있는 것으로 판정하는, 상기 판정 유닛; 및
    상기 내연 기관이 상기 통상 운전 상태에 있는 경우에 균질 연소를 수행하기 위해 상기 연료 분사 메커니즘을 제어하는 분사 제어 유닛을 더 포함하는, 내연 기관의 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 내연 기관이 통상 운전 상태에 있는지를 판정하는 판정 유닛으로서, 상기 내연 기관이 아이들링 동안의 촉매 난기 운전 시에 비통상 운전 상태에 있는 것으로 판정하는, 상기 판정 유닛; 및
    상기 내연 기관이 상기 비통상 운전 상태에 있는 경우에 성층 연소를 수행하도록 상기 연료 분사 메커니즘을 제어하는 분사 제어 유닛을 더 포함하는, 내연 기관의 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 정보는 상기 내연 기관의 엔진 속도와 부하율에 기초하여 정의되는, 상기 제 1 연료 분사 메커니즘과 상기 제 2 연료 분사 메커니즘 간의 분사 비율을 나타내는 정보를 포함하는, 내연 기관의 제어 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 연료 분사 메커니즘은 실린더 내 인젝터이고,
    상기 제 2 연료 분사 메커니즘은 흡기 매니폴드 인젝터인, 내연 기관의 제어 장치.
  7. 실린더에 연료를 분사하는 제 1 연료 분사 메커니즘 및 흡기 매니폴드에 연료를 분사하는 제 2 연료 분사 메커니즘을 포함하는 내연 기관의 제어 장치로서,
    상기 내연 기관의 운전 상태에 관한 정보에 기초하여 상기 제 1 연료 분사 메커니즘과 상기 제 2 연료 분사 메커니즘을 제어하는 제어 수단을 포함하며,
    적어도 상기 제 2 연료 분사 메커니즘으로부터 연료를 분사시킴으로써 균질 연소가 수행되어야 하는 경우에, 상기 제어 수단은 흡기 밸브가 닫혀 있는 동안에 상기 제 2 연료 분사 메커니즘으로부터 연료가 분사되도록 연료 분사를 제어하는 수단을 포함하는, 내연 기관의 제어 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 흡기 밸브가 개방되어 있는 동안에 상기 제 1 연료 분사 메커니즘으로부터 연료가 분사되도록 연료 분사를 제어하는 수단을 더 포함하는, 내연 기관의 제어 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 내연 기관이 통상 운전 상태에 있는지를 판정하는 판정 수단으로서, 상기 내연 기관이 아이들 상태가 아닌 상태에 있는 경우에는 통상 운전 상태에 있는 것으로 판정하는, 상기 판정 수단; 및
    상기 내연 기관이 상기 통상 운전 상태에 있는 경우에 균질 연소를 수행하기 위해 상기 연료 분사 메커니즘을 제어하는 분사 제어 수단을 더 포함하는, 내연 기관의 제어 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 내연 기관이 통상 운전 상태에 있는지를 판정하는 판정 수단으로서, 상기 내연 기관이 아이들링 동안의 촉매 난기 운전 시에 비통상 운전 상태에 있는 것으로 판정하는, 상기 판정 수단; 및
    상기 내연 기관이 상기 비통상 운전 상태에 있는 경우에 성층 연소를 수행하도록 상기 연료 분사 메커니즘을 제어하는 수단을 더 포함하는, 내연 기관의 제어 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 정보는 상기 내연 기관의 엔진 속도와 부하율에 기초하여 정의되는, 상기 제 1 연료 분사 메커니즘과 상기 제 2 연료 분사 메커니즘 간의 분사 비율을 나타내는 정보를 포함하는, 내연 기관의 제어 장치.
  12. 제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 연료 분사 메커니즘은 실린더 내 인젝터이고,
    상기 제 2 연료 분사 메커니즘은 흡기 매니폴드 인젝터인, 내연 기관의 제어 장치.
  13. 실린더에 연료를 분사하는 실린더 내 인젝터 및 흡기 매니폴드에 연료를 분사하는 흡기 매니폴드 인젝터를 포함하는 내연 기관의 제어 장치로서,
    전자 제어 유닛(ECU)을 포함하며,
    상기 전자 제어 유닛(ECU)은 상기 내연 기관의 운전 상태에 관한 정보에 기초하여 상기 실린더 내 인젝터와 상기 흡기 매니폴드 인젝터를 제어하고,
    적어도 제 2 연료 분사 메커니즘으로부터 연료를 분사시킴으로써 균질 연소가 수행되어야 하는 경우에, 상기 전자 제어 유닛(ECU)은 흡기 밸브가 닫혀 있는 동안에 상기 흡기 매니폴드 인젝터로부터 연료가 분사되도록 연료 분사를 제어하는, 내연 기관의 제어 장치.
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