KR20180093095A - 내연 기관의 제어 방법 및 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

내연 기관의 제어 방법은, 제1 연료 분사에 의하여 통 내에 이론 공연비보다도 희박한 혼합기를 형성하고, 혼합기가 압축 행정에 있어서 저온 산화 반응을 일으키고 있는 기간 중에, 점화 플러그의 방전 채널 근방을 향하여 연료를 분사하는 제2 연료 분사를 행하고, 제2 연료 분사 후, 제2 연료 분사에서 분사된 연료에 점화 플러그의 불꽃이 닿는 타이밍에 점화 플러그에 의한 불꽃 점화를 행한다.

Description

내연 기관의 제어 방법 및 제어 장치
본 발명은 불꽃 점화식 내연 기관의 제어에 관한 것이다.
근년, 환경 문제 등의 관점에서 차량의 저연비화가 요망되고 있다. 그 때문에, 가솔린을 연료로 하는 내연 기관(이하, 「가솔린 엔진」이라고도 함)에 대하여 이론 공연비보다도 희박한 공연비, 즉, 공기 과잉율 λ가 1보다 큰 상태로 운전하는 것(이하, 「희박 연소」라고도 함)이 연구되고 있다. 예를 들어 JP2010-196517A에는, 예연소에 의하여 통 내(연소실)에 고온장을 형성하고, 고온장을 통과하도록 가솔린을 분사함으로써 가솔린을 확산 자기 착화 연소시키는 기술이 개시되어 있다. 이 기술에 의하면, 가솔린 엔진에 있어서도 디젤 엔진과 마찬가지의 확산 자기 착화 연소가 가능해지므로, 희박 연소를 행함으로써 연비 성능을 향상시킬 수 있다.
그러나 종래부터 가솔린 엔진에 있어서 안정된 연소가 가능한 공기 과잉율 λ의 희박측의 한계값(이하, 「희박 한계」라고도 함)은 2 정도라고 하며, 이는 상기 문헌의 기술에 있어서도 변함없다.
그래서 본 발명의 목적은, 가솔린 엔진에 있어서 종래에는 희박 한계로 여겨지고 있던 공기 과잉율보다도 희박한 공기 과잉율로 안정된 연소를 행하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양태에 의하면, 제1 연료 분사에 의하여 통 내에 이론 공연비보다도 희박한 혼합기를 형성하고, 혼합기가 압축 행정에 있어서 저온 산화 반응을 일으키고 있는 기간 중에, 점화 플러그의 방전 채널 근방을 향하여 연료를 분사하는 제2 연료 분사를 행하고, 제2 연료 분사 후, 제2 연료 분사에서 분사된 연료에 점화 플러그의 불꽃이 닿는 타이밍에 점화 플러그에 의한 불꽃 점화를 행한다.
도 1은 본 실시 형태를 적용하는 시스템의 개략 구성도이다.
도 2는 내연 기관의 단면도이다.
도 3은 본 실시 형태를 실행한 경우의 타이밍 차트이다.
도 4는 불꽃 점화하는 타이밍에 있어서의 연소실의 모습을 도시하는 도면이다.
도 5는 불꽃 점화 후의 연소실의 모습을 도시하는 도면이다.
도 6은 연소 안정도와 공연비의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 연비 성능과 공연비의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은 NOx 배출량과 공연비의 관계를 나타내는 도면이다.
도 9는 HC 배출량과 공연비의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은 CO 배출량과 공연비의 관계를 나타내는 도면이다.
도 11은 공기 과잉율 λ=1로 운전한 경우의 타이밍 차트이다.
도 12는 촉매 난기 운전을 한 경우의 타이밍 차트이다.
도 13은 성층 희박 운전을 한 경우의 타이밍 차트이다.
도 14는 NOx 배출량 저감의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 도면 등을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다.
도 1은, 본 실시 형태를 적용하는 시스템의 개략 구성도이다.
내연 기관(1)의 흡기 통로(2)에는, 흡기 흐름의 상류측부터 순서대로 차압 생성 밸브(12)와, 터보 과급기(4)의 컴프레서(4A)와, 엔진 부하를 조정하기 위한 스로틀 밸브(5)가 배치되어 있다. 차압 생성 밸브(12) 및 스로틀 밸브(5)는 전동 모터에 의하여 개폐 구동되는 밸브이며, 후술하는 컨트롤러(100)에 의하여 제어된다. 도 1은, 차압 생성 밸브(12) 및 스로틀 밸브(5)로서 버터플라이 밸브를 도시하고 있지만, 다른 방식의 밸브여도 상관없다.
내연 기관(1)의 배기 통로(3)에는, 배기 흐름의 상류측부터 순서대로 터보 과급기(4)의 터빈(4B)과, 배기 정화 촉매(6)가 배치되어 있다. 배기 정화 촉매(6)는, 예를 들어 3원 촉매로 한다.
내연 기관(1)은, 배기 통로(3)의 터빈(4B)보다 상류와 하류를 연통하는 바이패스 통로(7)를 구비한다. 바이패스 통로(7)에는, 바이패스 통로(7)를 개폐하는 웨이스트 게이트 밸브(8)가 배치되어 있다. 웨이스트 게이트 밸브(8)는 전동 모터에 의하여 개폐 구동되는 밸브이며, 후술하는 컨트롤러(100)에 의하여 제어된다. 웨이스트 게이트 밸브(8)가 밸브 개방되면, 배기의 일부가 터빈(4B)을 우회하여 흐른다. 따라서 웨이스트 게이트 밸브(8)의 개방도를 제어함으로써 과급압을 조정할 수 있다. 즉, 과급압이 대기압을 초과하여 스로틀 밸브(5)로는 흡기량을 제어할 수 없는 운전 영역에서는 웨이스트 게이트 밸브(8)로 엔진 부하를 제어하게 된다.
또한 도 1은, 웨이스트 게이트 밸브(8)로서 스윙 밸브를 도시하고 있지만, 다른 방식의 밸브여도 상관없다.
또한 당해 시스템은, 배기 가스의 일부를 흡기 통로(2)로 재순환시키기 위한 EGR 장치를 구비한다. 이하, 재순환시키는 배기 가스를 EGR 가스라고 한다.
EGR 장치는, 배기 정화 촉매(6)보다 하류의 배기 통로(3A)와 컴프레서(4A)보다 상류의 흡기 통로(2)를 연통하는 EGR 통로(9)와, EGR 통로(9)를 개폐하는 EGR 밸브(10)와, EGR 통로(9)를 통과하는 배기 가스를 냉각하는 EGR 쿨러(11)를 포함하여 구성된다.
내연 기관(1)은, 흡기 밸브 및 배기 밸브의 밸브 타이밍을 변경하기 위한 가변동 밸브 기구(13)를 구비한다. 가변동 밸브 기구(13)로서는 공지된 기구를 적용하면 되며, 예를 들어 흡기 캠 샤프트의 크랭크 샤프트에 대한 회전 위상을 변경하는 기구를 사용한다.
컨트롤러(100)는, 도시하지 않은 크랭크각 센서, 액셀러레이터 개방도 센서, 흡기압 센서, 에어플로 미터 등의 검출값에 기초하여 연료 분사량, 연료 분사 타이밍, 점화 타이밍, EGR율 등을 설정한다. 그리고 이들에 기초하여 컨트롤러(100)는, 차압 생성 밸브(12), 스로틀 밸브(5), EGR 밸브(10) 및 웨이스트 게이트 밸브(8)의 개폐 제어나, 가변동 밸브 기구(13)를 사용한 밸브 타이밍의 제어를 행한다.
또한 컨트롤러(100)는, 중앙 연산 장치(CPU), 판독 전용 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM) 및 입출력 인터페이스(I/O 인터페이스)를 구비한 마이크로컴퓨터로 구성된다. 컨트롤러(100)를 복수의 마이크로컴퓨터로 구성하는 것도 가능하다.
도 2는, 내연 기관(1)의 하나의 기통의 단면도이다.
연소실(22)에는 흡기 통로(23)와 배기 통로(25)가 연통하고 있다. 흡기 통로(23)의 연소실측의 개구부에는 흡기 밸브(24)가 설치되어 있다. 배기 통로(25)의 연소실측의 개구부에는 배기 밸브(26)가 설치되어 있다.
연소실(22)의 천장면에는 점화 플러그(20)와 연료 분사 밸브(21)가 서로 인접하여 배치되어 있다. 연료 분사 밸브(21)는 멀티홀 타입이며, 연료 분사 시에는 도시한 바와 같이 복수의 분무 빔이 형성된다. 복수의 분무 빔 중 적어도 하나는 점화 플러그(20)의 방전 채널의 근방을 통과한다. 여기서 말하는 「근방」이란, 점화 플러그(20)를 스파크시켰을 때 연료 분무가 점화될 정도로 근접해 있는 범위를 의미한다.
또한 내연 기관(1)은, 압축비를 가변으로 제어할 수 있는 가변 압축비 기구를 구비한다. 가변 압축비 기구로서는, 예를 들어 크랭크 샤프트와 피스톤을 복수의 링크로 연결하여 피스톤의 상사점 위치를 변경하는 기구를 사용할 수 있다. 또한 실린더 헤드의 위치를 가변으로 제어하는 기구 등, 그 외의 공지된 기구를 사용할 수도 있다.
상기와 같이 구성되는 내연 기관(1)은 소정의 운전 영역(예를 들어 저부하 영역)에 있어서, 터보 과급기(4)에 의한 과급을 하면서 희박 연소를 행하는 소위 과급 희박 운전을 행할 수 있다.
다음으로, 과급 희박 운전 중의 연료 분사 제어 및 점화 제어에 대하여 설명한다.
도 3은, 과급 희박 운전 중에 있어서의 연료 분사 타이밍, 점화 타이밍, 및 연소실 내의 열발생량을 나타내는 타이밍 차트이다. 열발생량은 흡기 행정 종료 시점을 0으로 하고 있다.
컨트롤러(100)는, 흡기 행정 중의 타이밍 T1에 있어서 제1 연료 분사를 행함으로써 연소실 내에 균질 혼합기를 형성한다. 여기서는, 요구 부하를 공기 과잉율 λ=2 이상에서 발생시키기 위하여, 터보 과급기(4)에 의하여 혼합기의 공연비(A/F)가 30 정도로 되도록 과급을 행한다. 이때, 컨트롤러(100)는 가변 압축비 기구를 고압축비측으로 제어한다.
상기와 같은 고과급, 고압축비 및 고공기 과잉율이라는 조건을 갖추는 것은 압축 행정에 있어서 균질 혼합기의 저온 산화 반응을 발생시키기 위함이다. 저온 산화 반응은 온도가 높을수록 활성화된다. 그래서, 고압축비로 함으로써 압축 행정 중에 온도 상승하기 쉬운 상황을 만든다. 또한 저온 산화 반응은 혼합기의 밀도가 높을수록 활성화된다. 그래서, 터보 과급기(4)에 의하여 연소실 내에 다량의 공기를 공급함으로써 통 내압을 높여 혼합기의 밀도를 높인다.
상기 조건을 만족시킨 상태에서 압축 행정에 들어가면, 연소실 내의 혼합기는 피스톤에 압축되어 고온 및 고밀도로 되어 저온 산화 반응이 발생한다.
또한 상기 각 조건의 구체적인 값은 내연 기관(1)의 사양에 따라 상이하므로, 적합에 의하여 정하기로 한다.
압축 행정 중에 저온 산화 반응에 의한 발열이 발생하면, 컨트롤러(100)는 발열이 발생하고 있는 기간 중의 타이밍 T2에 있어서, 제1 연료 분사에 비하여 소량의 연료를 분사하는 제2 연료 분사를 행한다.
또한 제1 연료 분사에서는 1사이클에 분사하는 연료량의 90% 정도를 분사하고, 제2 연료 분사에서는 나머지 10% 정도를 분사하기로 한다. 또한 연료 분사 압력은 보다 높은 편이 바람직하다. 연료 분사 압력이 높을수록 연료 분무가 미립화되어 연소하기 쉬워지고, 그 결과, 배기 가스 성분의 악화를 억제할 수 있기 때문이다.
제2 연료 분사를 행하는 타이밍은, 저온 산화 반응에 의한 발열이 발생하는 타이밍을 시뮬레이션 등에 의하여 구하고, 이에 기초하여 설정한다. 또한 연소실 내의 온도 변화를 모니터하여, 저온 산화 반응에 의한 발열을 검지하면 제2 연료 분사를 개시하도록 해도 된다.
그리고 제2 연료 분사를 행한 후, 제2 연료 분사에서 분사된 연료 분무가 점화 플러그(20)의 방전 채널을 완전히 통과해 버리기 전의 타이밍 T3에 있어서, 컨트롤러(100)는 점화 플러그(20)에 의한 불꽃 점화를 행한다. 타이밍 T3은, 달리 말하면 제2 연료 분사에서 분사된 연료에 점화 플러그의 불꽃이 닿는 타이밍이다.
상기 연료 분사 및 불꽃 점화를 행한 경우의 열발생량은, 도 3에 나타낸 바와 같게 된다. 압축 행정의 중반까지 열발생량이 서서히 증대되고 있는 것은, 혼합기가 피스톤에 의하여 압축되었기 때문이다. 이 발열은, 저온 산화 반응을 이용하지 않는 일반적인 내연 기관에서도 발생하는 것이다. 타이밍 T2 직전에 열발생량의 증대가 급준하게 되어 있는 것은, 저온 산화 반응이 시작된 것에 의한 것이다. 타이밍 T3 이후에 열발생량이 더욱 증대되고 있는 것은, 불꽃 점화에 의한 연소가 개시되었기 때문이다. 이와 같이, 저온 산화 반응을 이용하는 본 실시 형태의 제어에서는 열발생량이 2단계로 증대되게 된다.
상기 제어에 의하여 공기 과잉율 λ=2 이상에서도 안정된 연소가 가능해진다. 그 메커니즘은 하기와 같이 추정된다.
도 4, 도 5는 모두, 연소실(22)을 상면에서 본 모식도이다. 도 4는, 불꽃 점화를 행하고 있는 상태를 도시하고 있다. 도 5는, 불꽃 점화 후의 상태를 도시하고 있다. 도 5의 동그라미 표시는 자기 착화가 발생하였음을 나타내고 있다.
상술한 바와 같이, 제2 연료 분사를 행하는 타이밍에 있어서는 저온 산화 반응이 발생하고 있다. 저온 산화 반응은, 600[K] 내지 800[K]의 온도 범위에서 발생하는, 가솔린 중의 연료 분자의 산화 반응이며, 주로 연소실(22)의 중앙부 부근(도 4의 파선 내)에서 발생한다. 즉, 저온 산화 반응에 의하여, 이론 공연비보다도 희박한 균질 혼합기(이하, 「균질 희박 혼합기」라고도 함) 중에는 라디칼이 생성된다. 그리고 라디칼이 존재하는 연소실(22)에 제2 연료 분사를 행함으로써 가솔린의 자기 착화가 촉진된다.
또한 제2 연료 분사를 행하면 연소실(22)에 가스의 흐트러짐이 발생하므로, 불꽃 점화 후의 화염 전파가 촉진된다. 또한 도 5에 있어서는, 간단화를 위하여 분무 빔은 가스의 흐트러짐이 없는 상태로 되어 있다.
본 실시 형태에 의하면, 상술한 바와 같이 자기 착화가 발생하면서 불꽃 점화에 의한 화염이 전파된다. 이 때문에, 종래에는 희박 한계라고 되어 있던, 공기 과잉율 λ=2 이상이라는 희박 공연비에서도 안정된 연소가 가능해진다.
또한 상기 추정에 기초하면, 저온 산화 반응의 반응 시간이 길수록 라디칼 생성량이 많아져 연소 안정도가 높아진다고 생각된다. 즉, 본 실시 형태의 제어는 내연 기관(1)의 저회전 속도 영역에서 보다 효과를 발휘한다고 생각된다.
상기 설명에서는 공연비가 30 정도로 되도록 과급을 행하는 것으로 하였지만, 이하에 기재한 바와 같이 더 희박한 공연비에서도 안정된 연소가 가능하다.
도 6은, 연소 안정도와 공연비의 관계를 나타내는 도면이다. 도면 중의 실선은, 저온 산화 반응을 이용하지 않는 종래의 제어에 의한 연소 안정도를 나타내고 있다. 도면 중의 파선은 본 실시 형태에 의한 연소 안정도를 나타내고 있다.
종래의 제어에서는, 연소 안정 한계의 관점에서 공연비(A/F)=30 정도가 소위 희박 한계로 된다. 그러나 도시한 바와 같이 본 실시 형태에 의하면, 공연비(A/F) 70 정도까지 연소 안정도를 유지하는 것이 가능하다.
도 7은, 연비 성능과 공연비의 관계를 나타내는 도면이다. 도면 중의 실선은, 저온 산화 반응을 이용하지 않는 종래의 제어에 의한 연비 성능을 나타내고 있다. 도면 중의 파선은 본 실시 형태에 의한 연비 성능을 나타내고 있다. 또한 여기서 말하는 연비 성능이란, 도시 연비 소비율(ISFC)이다.
종래의 제어에서는, 공연비(A/F)=30을 초과하면 연소 안정도가 저하됨으로써 도시 연료 소비량이 증대된다. 그러나 본 실시 형태에 의하면, 상술한 바와 같이 공연비(A/F)=30을 초과하더라도 연소 안정도가 유지되므로, 공연비를 희박으로 함으로써 도시 연소 소비량을 억제할 수 있다.
그런데 본 실시 형태에 의하면, 상술한 바와 같이 연비 성능이 향상될 뿐 아니라, 이하에 기재한 바와 같이 배기 가스 성분의 악화도 억제할 수 있다.
도 8은, NOx 배출량과 공연비의 관계를 나타내는 도면이다.
희박 연소의 경우에는, 이론 공연비에서 연소하는 경우와 달리 3원 촉매에 의하여 NOx를 정화할 수 없으므로, 내연 기관(1)으로부터 배출되는 NOx의 양(NOx 배출량)을 저감시킬 필요가 있다. NOx는 연소실 내의 질소가 산화된 것이며, 이 산화 반응은 통 내 온도가 높을수록 촉진된다. 또한 본 실시 형태와 같이 제2 연료 분사로 점화 플러그 둘레에 혼합기를 형성하는 구성에서는, 분사한 연료가 그다지 확산되지 않고 연소한다. 이 때문에, 공연비가 동일하면, 연소실 내에 균질한 희박 혼합기를 형성하는 구성에 비하여 NOx 배출량은 증가한다. 그러나 본 실시 형태와 같이 제2 연료 분사로 점화 플러그 둘레에 혼합기를 형성하는 구성에서는, 연소실 전체로서의 공연비를 보다 희박으로 할 수 있으며, 공연비가 희박으로 되면 도시한 바와 같이 NOx 배출량은 감소한다. 따라서 연소 안정도를 확보하면서 연소실 전체의 공연비를 희박화하면 NOx 배출량의 증가를 억제할 수 있다.
도 9는, HC 배출량과 공연비의 관계를 나타내는 도면이다. HC는 미연소 연료와 연소에 의한 중간 생성물을 포함하며, 그 대부분은 연소실 벽면 내의 경계층 내에서 발생한다. 종래부터 알려져 있는 제어에 의하면, 공연비가 농후이면, 이들이 산소와 결부되지 않기 때문에 HC 배출량이 많아지고, 공연비가 어느 정도 이상 희박한 경우에도, 연소 온도 저하나 연소 완만화에 의하여 벽면 근방에서의 소염이 발생함으로써 HC 배출량이 많아진다. 본 실시 형태에 의하면, 희박 공연비에 있어서도 연료 분사에 의하여 연소를 활성화시킬 수 있으므로, 도 9에 나타낸 바와 같이 종래부터 알려져 있는 제어에 비하여 HC 배출량을 억제할 수 있다.
도 10은, CO 발생량과 공연비의 관계를 나타내는 도면이다.
배기 가스 중의 CO는 탄소(C)가 산소 부족에 의하여 불완전 연소한 것이다. 희박 연소의 경우에는, 가솔린에 대하여 충분한 산소가 존재하기 때문에 배출량이 적어지는 것이 알려져 있다. 단, 공연비(A/F)가 30을 초과하는 영역에서는, 도 10에 나타낸 바와 같이 서서히 배출량이 증가한다. 이는, 공연비가 희박화될수록 연소 온도가 저하되기 때문에, CO가 산화하여 CO2에 이르는 반응 속도가 저하되어 CO에 머무는 비율이 높아지기 때문이다.
상술한 연소 안정도, 연비 성능 및 배기 가스 성분을 종합적으로 감안하면, 본 실시 형태의 과급 희박 연소는, 공연비(A/F)가 45 정도, 즉, 공기 과잉율 λ=3 정도를 상한으로 한다.
다음으로, 일반적으로 알려져 있는 다단 분사와 본 실시 형태의 차이에 대하여 설명한다.
도 11은, 공기 과잉율 λ=1인 경우의 연료 분사 타이밍, 점화 타이밍, 및 연소실 내의 열발생량에 대하여, 도 3과 마찬가지로 나타내는 타이밍 차트이다.
흡기 행정 중의 타이밍 T21에 있어서, 연소실 내에 균질 혼합기를 형성하기 위한 연료 분사를 행한다. 여기서는, 요구 부하를 공기 과잉율 λ=1에서 발생시키므로, 연소실(22)에 공급되는 공기량은, 연료 분사량을 1이라 했을 때 14.7 정도이다. 이 때문에, 압축 행정 중의 연소실 내는 본 실시 형태와 같은 고온 및 고밀도로는 되지 않으므로, 저온 산화 반응은 발생하지 않는다.
저온 산화 반응이 발생하지 않으므로, 압축 행정 중의 타이밍 T22에 2회째의 연료 분사를 행하고 그 후의 타이밍 T23에 불꽃 점화를 행했다고 하더라도, 열발생량의 이력은 본 실시 형태와는 완전히 상이한 것으로 된다. 가령 타이밍 T22가 타이밍 T23 직전이었다고 하더라도, 저온 산화 반응에 의한 발열이 발생하고 있지 않으므로, 본 실시 형태와 같이 자기 착화와 화염 전파가 병행하여 발생하는 일은 없다.
도 12는, 점화 타이밍을 압축 상사점 이후까지 지각(遲角)시키고 점화 직전에 점화 플러그 주변에 소량의 연료를 분사하는 경우의 연료 분사 타이밍, 점화 타이밍, 및 연소실 내의 열발생량에 대하여, 도 3과 마찬가지로 나타내는 타이밍 차트이다. 이와 같은 제어는, 냉간 시동 시 등에 배기 촉매의 승온을 촉진하기 위하여 행해진다.
흡기 행정 중의 타이밍 T31에 있어서, 연소실 내에 균질 혼합기를 형성하기 위한 연료 분사를 행한다. 도 11의 경우와 마찬가지로, 연소실(22)에 공급되는 공기량은, 연료 분사량을 1이라 했을 때 14.7 정도이므로, 저온 산화 반응은 발생하지 않는다.
따라서 2회째의 연료 분사를 행하는 타이밍 T32가 점화 타이밍 T33 직전이더라도, 본 실시 형태와 같이 자기 착화와 화염 전파가 병행하여 발생하는 일은 없다.
또한, 도 12에 나타내는 제어가 실행되는 것은 냉간 시동 후의 아이들링 중으로 한정되므로, 이 제어 중에 과급이 행해지는 일이 없다. 즉, 가령 1회째의 연료 분사에 의하여 형성하는 혼합기의 공연비를 이론 공연비보다 희박으로 하려고 해도, 본 실시 형태와 같은 다량의 공기를 공급할 수는 없다. 따라서 도 12에 나타내는 제어에서는, 저온 산화 반응에 의한 발열을 발생시키는 일은 없다.
도 13은, 소위 성층 희박 연소를 행하는 경우의 연료 분사 타이밍, 점화 타이밍, 및 연소실 내의 열발생량에 대하여, 도 3과 마찬가지로 나타내는 타이밍 차트이다.
성층 희박 연소란, 흡기 행정 중(타이밍 T41)의 연료 분사에 의하여 균질한 혼합기를 형성하고, 압축 행정 중(타이밍 T42, T43)의 연료 분사에 의하여 점화 플러그 둘레에 성층 혼합기를 형성하여, 연소실 전체로서는 이론 공연비보다도 희박한 공연비에서 행해지는 연소 형태이다. 점화 플러그(20)에 의한 불꽃 점화는 3회째의 연료 분사 타이밍 T43 직후(타이밍 T44)에 행해진다. 또한 성층 희박 연소에 있어서는 부하를 성층 정도로 컨트롤한다. 또한 성층 희박 연소는 저부하 영역에서 행해지는 것이며, 기본적으로는 비과급 상태이다.
성층 희박 연소에서는, 요구 부하를 약희박(공기 과잉율 λ=1.2-1.3 정도)에서 발생시키므로, 연소실(22)에 공급되는 공기량은, 1회째의 연료 분사량을 1이라 했을 때 20 정도이다. 즉, 본 실시 형태에 비하면 연소실 내의 공기량은 적다.
상기와 같이 성층 희박 연소에서는, 연소실 내의 공기량이 적고 또한 과급도 행해지고 있지 않으므로 저온 산화 반응은 발생하지 않는다. 따라서 도 13에 나타내는 성층 희박 연소는, 연소실 내에 균질한 희박 혼합기를 형성하고, 압축 상사 점 부근에서 점화 플러그 둘레에 연료를 분사하고, 그 직후에 불꽃 점화를 행하고 있지만, 저온 산화 반응을 이용하지 않는 점에서 본 실시 형태의 연소 형태와는 전혀 상이한 것이다.
상술한 바와 같이 본 실시 형태에 따른 연소 형태는, 종래부터 알려져 있는 연소 형태와는 상이한 것이다. 그리고 본 실시 형태에 의하면, 종래부터 알려져 있는 연소 형태에 있어서 희박 한계로 여겨지고 있던 공연비보다도 더 희박한 공연비에서 안정된 운전이 가능해진다.
도 14는, 본 실시 형태에 의하여 배기 가스 성분의 악화가 억제되는 것을 설명하기 위한 도면이다. 종축은 당량비, 횡축은 연소 중의 통 내 가스 온도이다. 또한 도면 중의 사선을 그은 영역은, 각각 PM(Particulate Matter)이 발생하는 영역과 NOx가 발생하는 영역을 나타내고 있다. 도면 중의 파선으로 둘러싸인 영역은, 본 실시 형태를 실행한 경우의 영역을 나타내고 있다.
도시한 바와 같이, PM은 중고온이면서 당량비가 2보다도 큰 영역에서 발생하고, NOx는 고온이면서 당량비가 0 내지 2.5 정도까지인 영역에서 발생한다. 상술한, 종래부터 알려져 있는 연소 형태에서는, 도면 중의 NOx 발생 영역에 들어간다. 당량비가 1이면 연소 온도는 당연히 높아지며, 당량비가 1보다 작더라도 혼합기가 연소함으로써 온도 상승하기 때문이다. 이에 비해 본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이 과급에 의하여 연소실 내에 다량의 공기를 공급하므로, 연소실 내의 가스의 열용량이 커져, 혼합기가 연소한 경우의 온도 상승이 억제된다. 그 결과, 본 실시 형태를 실행한 경우의 영역은 도면 중에 파선으로 둘러싸인 영역으로 된다. 즉, 본 실시 형태에 의하면, 종래는 희박 한계로 여겨지고 있던 당량비보다도 희박한 당량비에서 안정된 연소가 가능해질 뿐 아니라, PM 및 NOx의 배출량을 억제할 수도 있다.
또한 상기 설명에 있어서는, 통 내에 직접 연료를 분사하는 연료 분사 밸브(21)를 1개만 구비하는 구성을 이용했지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 흡기 통로(23)에 연료를 분사하는 포트 분사 밸브를 더 갖고, 제1 연료 분사를 포트 분사 밸브에 의하여 행하는 구성이어도 상관없다.
또한 분무 빔의 적어도 일부는 점화 플러그(20)의 방전 채널 근방을 통과하는 것이면, 연료 분사 밸브(21)가 연소실(22)의 측벽에 배치되는 구성이어도 된다.
또한 기본적으로는 상술한 과급 희박 운전을 행하기로 하며, 예를 들어 과급 희박 운전과 균질 이론 공연비 운전의 전환 시와 같은 과도 운전 시에 본 실시 형태를 실행하도록 해도 된다.
또한 상기 설명에서는 과급기로서 터보 과급기(4)를 구비하는 구성을 이용했지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 기계식 슈퍼차저나 전동식 과급기를 사용해도 된다. 전동식이면, 터보 과급기(4)보다도 넓은 운전 영역에서 원하는 과급압이 얻어지기 때문에, 보다 넓은 운전 영역에서 본 실시 형태를 실행할 수 있다.
또한 저온 산화 반응을 보다 촉진시키기 위하여 오존 등을 공급하는 구성으로 해도 된다. 단, 이 경우에는 연료 분사 밸브(21) 외에, 오존 등을 공급하기 위한 장치가 필요해진다.
이상, 설명한 바와 같이 본 실시 형태에서는, 제1 연료 분사에 의하여 통 내에 이론 공연비보다도 희박한 균질 혼합기를 형성하고, 균질 혼합기가 압축 행정에 있어서 저온 산화 반응을 일으키고 있는 기간 중에, 점화 플러그(21)의 방전 채널 근방을 향하여 제1 연료 분사보다도 적은 연료를 분사하는 제2 연료 분사를 행한다. 그리고 제2 연료 분사 후, 제2 연료 분사에서 분사된 연료에 점화 플러그(21)의 불꽃이 닿는 타이밍에 불꽃 점화를 행한다. 이것에 의하여, 종래에는 희박 한계라고 되어 있던 공연비보다도 더 희박한 공연비에서도 안정된 연소가 가능해진다. 또한 배기 가스 성분의 악화를 억제할 수도 있다. 또한 제2 연료 분사의 분사량이 제1 연료 분사의 분사량에 비하여 소량인 것은, 제2 연료 분사에서는 분사된 연료에 점화 플러그의 불꽃이 닿아 불꽃 점화에 의한 연소를 개시할 수 있는 연료량을 확보할 수 있으면 되므로, 상대적으로 제1 연료 분사의 분사량보다도 소량으로 되기 때문이다. 따라서 제2 연료 분사의 분사량이 제1 연료 분사의 분사량보다도 적은 것은 필수적인 요건은 아니다.
또한 본 실시 형태에서는, 과급기를 사용하여 다량의 공기를 공급함으로써, 저온 산화 반응이 발생하는 조건을 만족시키고 있다.
또한 본 실시 형태에서는, 가변 압축비 기구를 고압축비측으로 제어함으로써, 저온 산화 반응이 발생하는 조건을 만족시키고 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명했지만, 상기 실시 형태는 본 발명의 적용예의 일부를 나타낸 데 불과하며, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시 형태의 구체적 구성에 한정한다는 취지는 아니다.

Claims (4)

  1. 제1 연료 분사에 의하여 통 내에 이론 공연비보다도 희박한 혼합기를 형성하고,
    상기 혼합기가 압축 행정에 있어서 저온 산화 반응을 일으키고 있는 기간 중에, 점화 플러그의 방전 채널 근방을 향하여 연료를 분사하는 제2 연료 분사를 행하고,
    상기 제2 연료 분사 후, 상기 제2 연료 분사에서 분사된 연료에 상기 점화 플러그의 불꽃이 닿는 타이밍에 상기 점화 플러그에 의한 불꽃 점화를 행하는, 내연 기관의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내연 기관은 과급기를 구비하고,
    상기 저온 산화 반응이 발생하도록 상기 과급기에 의한 과급을 행하는, 내연 기관의 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 내연 기관은 가변 압축비 기구를 구비하고,
    상기 저온 산화 반응이 발생하도록 상기 가변 압축비 기구에 의하여 압축비를 상승시키는, 내연 기관의 제어 방법.
  4. 통 내에 연료를 공급하는 연료 분사 밸브와,
    통 내의 혼합기에 불꽃 점화하는 점화 플러그와,
    연료 분사 타이밍과 점화 타이밍을 제어하는 컨트롤러
    를 구비하는 내연 기관의 제어 장치에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    통 내에 이론 공연비보다도 희박한 혼합기를 형성하기 위한 제1 연료 분사와,
    상기 혼합기가 압축 행정에 있어서 저온 산화 반응을 일으키고 있는 기간 중에, 상기 점화 플러그의 방전 채널 근방을 향하여 연료를 분사하는 제2 연료 분사와,
    상기 제2 연료 분사 후, 상기 제2 연료 분사에서 분사된 연료에 상기 점화 플러그의 불꽃이 닿는 타이밍에 행하는 상기 점화 플러그에 의한 불꽃 점화를 실행하는, 내연 기관의 제어 장치.
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