KR19980063614A - 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관 - Google Patents

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Abstract

불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서, 압축비를 높이면서 발진시등의 노크를 확실하게 방지하면서 기관 출력을 향상시키는 것을 목적으로 하여, 연소실(18)내에 연료를 직접 분사하는 연료분사 밸브(21)를 구비하고, 중·고 부하시의 특정 운전 영역에서 압축행정중에 연료를 분사하여 층상 연소를 하는 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서, 상기 층상 연소시에는, 상기 압축행정중의 연료 분사에 앞서 미리 흡기 행정중에 연료분사 밸브(21)로부터 자기 착화할 수 없는 양의 연료를 분사하도록 연료분사 밸브(21)를 구동 제어하는 제어 수단(16)을 구비하도록 구성한다.

Description

불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관
본 발명은 압축행정중에 연료를 분사하여 층상(層狀) 연소를 할 수 있는 불꽃 점화식 통내(筒內) 분사형 내연 기관에 관한것으로, 특히, 자동차용 엔진으로서 사용하기 적합한 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에 관한것이다.
(종래의기술)
최근, 점화 플러그에 의해 불꽃 점화하는 내연 기관으로서, 실린더내에 직접 연료를 분사하는 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관이 실용화되어 있다. 이러한 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관으로서는, 연료 분사 타이밍을 자유롭게 행할 수 있어 혼합공기의 형성 상태를 자유롭게 제어할 수 있는 특성을 이용하여, 기관의 연비 성능의 향상과 출력 성능의 향상을 양립시킬 수 있다.
결국, 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서는, 압축행정으로 연료를 분사하는 것으로, 층상 연소에 의해 연료가 극히 희박한 상태(즉, 공연비가 이론 공연비보다도 매우 큰)에서의 운전(초 린 연소운전 ,超 lean 燃燒 運轉)을 할 수 있으며, 그 연소 형태로서 초 린 운전 모드(압축 린 운전 모드)를 구비하고 있어, 연료 소비율의 대폭적인 향상을 실현할 수 있다.
이는 한편으로, 주로 흡기 행정에서 연료를 분사하여 예비혼합 연소 운전도 물론 행할 수 있고, 상기의 경우에는, 연소실(실린더내)에의 직접 연료 분사에 의해, 분사 연료의 대부분을 그 연소 사이클내에서 확실하게 연소시킬 수 있기 때문에, 출력 향상에도 기여한다.
이러한 예비혼합 연소 운전에 있어서도, 초 린 운전 모드정도는 아니지만 연료가 희박한 상태(즉, 공연비(空燃比)가 이론 공연비보다도 큰)로 운전을 하는 린 운전 모드(흡기 린 운전 모드)와, 공연비가 이론 공연비로 되도록 O2센서 정보등에 따라 피드백 제어를 행한 스토이키오 운전 모드(스토이키오[stoichiometric] 피드백 운전 모드)와, 연료의 농후한 상태(즉, 공연비가 이론 공연비보다도 작은)로 운전을 하는 인리치(enrich) 운전 모드(오픈 루프 모드)를 연소 형태로서 설정할 수 있다.
그리고, 엔진의 운전 상태, 결국, 엔진의 회전수나 부하 상태에 따라서, 이러한 각종의 운전 모드중 적절한 모드를 선택하여 엔진의 제어를 행하도록 하고 있다.
일반적으로는, 엔진의 요구 출력이 작으면, 즉 엔진의 회전수가 낮고 부하도 작으면, 압축 린 운전 모드로 하여 연비의 향상을 도모하고, 이것보다도 엔진 회전수나 엔진 부하가 증대함에 따라서, 흡기 린 운전 모드, 스토이키오 운전 모드, 인리치 운전 모드의 순서대로 선택하도록 구성되어 있다.
그런데, 일반적으로, 도 14b에 나타낸 바와 같이, 연소실의 온도가 높을수록 또한 연소실의 압력이 높을수록 연료의 자기착화(自己 着火)로 엔진에 노크(노킹)가 발생하기 쉽기 때문에, 노크 회피의 관점에서 압축비를 높이는 것에도 한도가 있지만, 이러한 불꽃 점화식 통내 분사형 내연기관에서는, 흡기 냉각효과에 의해서 본질적으로 노크(노킹)가 발생하기 어렵기 때문에, 압축비를 높게 설정할 수 있다.
그래서, 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서, 압축비를 높게 설정하면, 특히, 오토매틱 트랜스미션 탑재차(이하 AT차 라함)인 경우, 발진시에 단기간만 노크가 발생하는 것이 판명되었다. 이 현상은 가솔린을 연료로 사용하는 경우, 옥탄가가 높은 것(프리미엄급 가솔린)보다도 옥탄가가 낮은 쪽(레귤러급 가솔린)이 현저하다.
이와 같이 AT차의 발진시에 노크가 발생하는 것은, 발진시에 저회전·고부하 상태가 발생하기 때문이라고 생각된다.
결국, 도 15에 나타낸 바와 같이, AT차의 발진시에는, 아이들 운전 상태로부터의 액셀러레이터 조작에 의해, 흡입 공기량이 스로틀 개방도의 급증에 따라서 급격히 증가하여 엔진 부하가 급증하는데 대하여, 엔진 회전 속도는 이것보다도 지연되어 증가하기 때문에, 단시간이기는 하지만 일시적으로 저회전·고부하 상태(도 15중의 LH부 참조)가 생긴다.
결국, 엔진의 저회전·고부하시에는, 도 14a에 나타낸 바와 같이 노킹이 발생하기 쉬운 공연비(즉, 12 내지 18 정도의 공연비)가 되는 스토이키오 운전 모드나 인리치 운전 모드가 되고, 더우기 이 운전 모드로는, 흡기 행정의 전반으로부터 연소실내에 다량의 연료가 분사되면서, 상술한 바와 같이 일시적으로 저회전이 되는 상태가 발생하기 때문에, 분사된 연료의 분무화(噴霧化) 시간이 길게 되어, 자기착화(自己 着火)하기 쉬운 상태로 된다. 따라서, 저회전·고부하 상태에서는, 극히 노크가 발생하기 쉽게 된다.
또한, 매뉴얼 트랜스미션 탑재차(이하 MT차 라함)로서는, 클러치 조작 지연사이에 엔진 회전속도가 상승하기 때문에 발진 노크의 발생 빈도는 AT차와 비교하여 낮다.
이러한 발진 노크 방지 대책으로서, 점화 시기를 리타드(retard) 시키는 것이 고려되지만, 발진 토오크를 확보하기 위해서는 리타드 제어에도 한도가 있고, 발진 노크를 충분히 방지하는 것은 곤란하다.
그래서, 또한 발진 노킹 방지 대책으로서, 예를 들면 AT차의 D레인지에 있어서 아이들 회전 속도를 높게 설정하여, 발진시의 저회전 정도를 약하게 하여 또한 발진 토오크를 확보하는 수단이 고려되고 있다.
그러나, 이와 같이 아이들 회전 속도를 높게 설정하면, 당연하지만 연비가 악화된다고 하는 좋지 않는 상황이 있다. 그런데, 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서의 노크를 방지하는 기술로서, 예를 들면 특개평 7-189767호 공보에 개시된 것이 있다. 상기 기술은 연료의 분사를 여러회로 나누어 행하여, 전분사(前噴射)로 균일 혼합공기를 만들고, 점화 시기 부근에서 행하는 후분사(後噴射)로 불씨를 만들어 전분사로 형성한 균일 혼합공기를 급속하게 연소시키는 것으로, 노크를 방지하고자 하는 것이다. 상기 기술은 디젤 엔진에 있어서의 노크 방지 방법의 하나인 휴미게이션(fumigation)을 이용한 것으로 생각되지만, 휴미게이션이란, 디젤 엔진에 있어서의 흡기 행정으로, 연료를 분무화 또는 증발시키면서 혼합공기가 자기 발화를 일으키지 않는 정도로 흡기에 혼입시켜, 압축행정중의 전염반응(前炎反應)에 의해 발화 지연을 단축시키고, 노크를 방지하는 것이다.
휴미게이션을 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에 적용하기 위해서는, 예를 들면 흡기 행정으로 연료 분사(전분사,前噴射)를 행하여 그와 같이 연료가 자기 착화하지 않도록 해두면서, 예를 들면 압축행정으로 연료 분사를 행한 후에 착화를 하는 것이 고려되고, 전분사의 연료가 자기 착화하지 않도록 하는 것이 중요하지만, 상기 공보에는 전분사 연료가 자기 착화하지 않도록 하는 점에 관하여는 구체적인 기재가 없고, 오히려 전분사량(前噴射量)을 조금 크게 설정하는 기재가 보여지며, 이것으로서는 전분사 연료가 자기 착화하는 우려가 높고, 확실하게 노크를 방지할 수 있는 것은 아니다.
또한, 휴미게이션은 노크 방지 효과나 출력 증가 효과가 있는 반면, 배출 가스중의 진각(탄화수소)량이 증대하는 과제가 있고, 디젤 엔진으로서는 이것에 기인하는 배출 가스 냄새가 문제가 되는 등의 결점도 있다. 휴미게이션에 의한 노크 방지 기술을 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에 적용하는 경우에는, 배출 가스 냄새에 관하여는 그다지 문제가 되지 않고, 오히려, 그 이점을 살릴 수 있는 것으로 고려되지만, 기관의 종합 성능을 고려하여 이러한 기술을 적절한 조건하에서 사용하는 것이 필요하다. 그러나, 상기 공보에는 이 점에 대하여 충분히 기재되어 있지 않고, 이러한 노크 방지의 제어 조건등에 관한 과제가 남는다.
본 발명은, 상술의 과제를 감안하여 창안된 것으로, 압축비를 높이고, 아이들 회전수를 높이지 않고 또한 노크 방지의 악영향을 발생시키지 않고 발진시등의 노크를 확실하게 방지할 수 있도록 함과 동시에, 충분한 출력을 얻을 수 있도록 한, 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이 때문에, 본 발명의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관은, 연소실내에 연료를 직접 분사하는 연료분사 밸브를 갖추어, 중·고부하시의 특정 운전 영역에서 압축행정중에 연료를 분사하여 층상 연소를 행하는 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서,
상기 층상 연소시에는, 상기 압축행정중의 연료 분사에 앞서 미리 흡기 행정중에 상기 연료분사 밸브로부터 자기 착화할 수 없는 양의 연료를 분사하도록 상기 연료분사 밸브를 구동 제어하는 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
이러한 구성에 의해, 층상 연소시에는, 상기 압축행정중의 연료 분사에 앞서 미리 흡기 행정중에 상기 연료분사 밸브로부터 자기 착화할 수 없는 양의 연료를 분사하기 때문에, 압축행정중의 연료 분사후의 착화에 의해서 층상(層狀)연소가 행하여지고, 이 압축행정에 분사한 연료는 노크 반응이 진행할 만큼 시간이 없기 때문에 자기 착화하지 않음은 물론, 흡기행정에 분사한 연료도 자기 착화하지 않기 때문, 이러한 연소 조건하 즉, 중·고부하시의 특정 운전 영역에서 노크를 방지할 수 있다.
더우기, 이 압축행정에 분사한 연료의 층상 연소가 진행하는 과정에서, 미리 흡기 행정중에 분사되어 있는 연료를 포함한 혼합공기가 연소하면서, 압축행정에 분사한 연료의 미연소 성분(未燃成分)의 연소에 기여하기 때문에, 기관의 출력 증가나 배기 가스 정화에 기여하는 이점도 있다.
또한, 특정 운전 상태가, 예를 들면 소정의 기관 회전수보다도 낮은 기관 회전수인 경우에는, 발진시에 있어서, 노크를 발생시키지 않고서 발진 요구 토오크를 확보할 수 있는 노크 한계 출력 영역을 확대할 수 있기 때문에, 급발진등이라도 노크의 발생없이 요구 출력을 확보할 수 있고, 가속 필링을 향상시킬 수 있다. 또한, 발진 토오크를 충분하게 확보할 수 있기 때문에, 아이들 회전수를 낮게 설정할 수 있으며, 아이들시 연비를 향상시킬 수 있다.
상기의 경우의 특정 운전 상태로서는, 미리 설정된 소정의 기관 회전수(예를 들면 2500rpm)보다도 낮은 기관 회전수인 것이 바람직하다. 이것에 의해, 특히, 발진시에서의 운전 영역, 즉, 노크가 발생하지 않고서 발진 요구 토오크를 확보할 수 있는 노크 한계 출력 영역이 넓게 되어, 예를 들면 발진시에 액셀러레이터를 전개 상당까지 밟는 경우라도, 노크의 발생없이 요구 출력을 확보할 수 있어 가속 필링을 향상시킬 수 있다.
또한, 발진 토오크를 충분히 확보할 수 있기 때문에, 아이들 회전수를 낮게 설정할 수 있고, 아이들시 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 흡기행정의 연료 분사는 1회라도 되지만, 분사 밸브의 성능면에서 1회의 분사로서 충분하고 정확한 연료 분사가 불가능한 경우에는, 흡기행정의 연료 분사를 여러회로 나누어도 된다.
또한, 바람직하게는, 상기 제어 수단은 저부하시에는 주로 압축행정중에 연료를 분사하여 층상 연소를 행하고, 상기 특정 운전 영역을 제외하는 중·고부하시에는 주로 흡기행정중에 연료를 분사하여 예비혼합 연소를 하도록 상기 연료분사 밸브를 구동 제어하는 것으로 구성한다.
이러한 구성에 의해, 저부하시에는 주로 압축행정중에 연료를 분사하여 층상 연소를 행하는, 상기 특정운전 영역을 제외하는 중·고부하시에는 주로 흡기행정중에 연료를 분사하여 예비혼합 연소를 하기 때문에, 운전 상태에 따라서 알맞은 연소를 실현시켜, 기관의 연비나 출력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 제어 수단은 상기 중·고부하시의 특정운전 영역에서는 흡기 행정중에 거의 일정량의 연료를 분사하여, 압축행정중에 부하 상태에 거의 비례한 양의 연료를 분사하도록 상기 연료분사 밸브를 구동 제어하는 것으로 구성한다.
이러한 구성에 의해, 상기 중·고부하시의 특정운전 영역에서는, 흡기행정중에 거의 일정량의 연료를 분사하여, 압축행정중에 부하 상태에 거의 비례한 양의 연료를 분사하기 때문에, 극히 간소한 제어로써, 운전 상태에 알맞은 연소를 실현시켜, 기관의 연비나 출력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 제어 수단(16)은 상기 중·고부하시의 특정운전 영역에서는 흡기행정중에 공연비가 30 내지 60정도가 되는 양의 연료를 분사하여, 압축행정중에 토탈 공연비가 이론 공연비보다도 리치가 되는 양의 연료를 분사하도록 상기 연료분사 밸브를 구동 제어하는 것으로 구성한다.
이러한 구성에 의해, 상기 중·고부하시의 특정운전 영역에서는, 흡기행정중에 공연비가 30 내지 60정도로 되는 양의 연료를 분사하고, 압축행정중에는 토탈 공연비가 이론 공연비보다도 많게 되는 양의 연료를 분사하는 것으로, 노크를 확실하게 회피하면서, 출력을 크게 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 상기의 경우, 토탈 공연비는 12정도인 것이 바람직하다.
또한, 압축행정에서의 분사량은 토탈 연료 분사량에 대하여 60 내지 90%정도가 바람직하다.
또한, 바람직하게는 상기 내연 기관은 다기통형 내연 기관으로서, 상기 연료분사 밸브는 각 기통마다 각각 설치됨과 동시에, 상기 제어 수단은 상기 중·고부하시의 특정운전 영역에서의 어떤 기통의 흡기행정중의 연료 분사 시기가 다른 기통의 압축행정중의 연료 분사 시기와 중복하지 않도록 상기 연료분사 밸브를 제어하는 것으로 구성한다.
이러한 구성에 의해, 상기 중·고부하시의 특정운전 영역에서의 어느 기통의 흡기행정중의 연료 분사 시기가 다른 기통의 압축행정중의 연료 분사 시기와 중복하지 않도록 설정되어 있기 때문에, 연료분사 밸브의 구동계(인젝터 드라이버)의 부담을 경감할 수 있고, 예를 들면 인젝터 드라이버를 각 연료분사 밸브마다 다른 회로로 할 필요도 없게 되어, 비용 감소를 도모할 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 특정운전 영역은 상기 기관의 온도가 소정 온도 이상이고 또한 상기 기관의 회전수가 소정 회전수 이하의 운전 영역으로 구성한다.
이러한 구성에 의해, 기관의 온도가 소정 온도 이상으로 또한 기관의 회전수가 소정 회전수 이하의 운전 영역을 상기 특정 운전 영역으로 하고 있기 때문에, 요구되는 운전 상태에 알맞은 최적인 연소를 선택할 수 있어, 출력 및 연비의 향상을 도모할 수 있다.
특히, 발진시에 있어서, 노크를 발생시키지 않고서 발진 요구 토오크를 확보할 수 있기 때문에, 급발진등이라도 노크의 발생없이 요구 출력을 확보할 수 있어, 가속 필링을 향상시킬 수 있다. 또한, 발진 토오크를 충분히 확보할 수 있기 때문에, 아이들 회전수를 낮게 설정할 수 있어, 아이들시 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 바람직하게는, 연료 성상을 검출하는 연료 성상 검출 수단을 구비하고, 상기 연료 성상 검출 수단의 검출 결과에 근거하여 상기 제어 수단에 의한 상기 중·고부하시의 특정 운전 영역에서의 상기 흡기 행정중에서 연료 분사량이 보정되는 것으로 구성한다.
이러한 구성에 의해, 연료 성상에 근거하여 상기 제어 수단에 의한 상기 중·고부하시의 특정 운전 영역에서의 상기 흡기 행정중에서의 연료 분사량이 보정되기 때문에, 각 연료 성상에 따라서 노크 발생을 방지할 수 있고 또한 보다 큰 출력을 얻어 연비의 향상도 도모할 수 있게 되는 이점이 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 기관의 점화 시기를 제어하는 점화 시기 제어 수단을 갖추고,
상기 제어 수단은 상기 운전 상태가 상기 저부하 영역에 있는 경우에, 압축행정중에 연료를 분사하도록 상기 연료분사 밸브를 제어하는 층상 연소 모드와, 상기 운전 상태가 상기 특정 운전 영역인 경우에, 압축행정중의 연료 분사에 앞서 미리 흡기행정중에 자기 착화할 수 없는 양의 연료를 분사하도록 상기 연료분사 밸브를 제어하는 분할 층상 연소 모드와, 상기 운전 상태가 상기 저부하 운전 영역 및 상기 특정운전 영역이외의 영역인 경우에, 흡기행정중에 연료를 분사하도록 상기 연료분사 밸브를 제어하는 예비혼합 연소 모드의 어느 것인가를 선택하여 상기 기관의 운전을 하는 모드 선택 수단을 구비하고,
상기 점화 시기 제어 수단은 상기 모드 선택 수단에 의해서 상기 분할 층상 연소 모드와 분할 층상 연소 모드이외의 운전 모드 사이에서 전환되는 경우, 적어도 상기 연료분사 밸브의 분사 타이밍이 전환하기 전의 연소 모드로부터 전환한 후의 연소 모드로 전환될때까지는, 상기 전환 전의 연소 모드에 따른 점화 시기를 유지하여 제어하는 것으로 구성한다.
이러한 구성에 의해, 중·고부하시의 특정운전 영역에서, 분할 연료분사를 행함으로써, 노크를 방지할 수 있는 효과나, 기관의 출력 증가나 배기 가스 정화에 기여하는 이점이나, 특정 운전 상태가 낮은 기관 회전수인 경우의 발진시에 있어서, 급발진등이라도 노크의 발생없이 요구 출력을 확보할 수 있어, 가속 필링을 향상 시킬 수 있는 이점이나, 발진 토오크를 충분하게 확보할 수 있기 때문에, 아이들 회전수를 낮게 설정할 수 있어 아이들시 연비를 향상시킬 수 있는 이점을 얻을 수 있다.
이것에 첨가하여, 기관의 운전 모드가 전환될 때에, 연료 분사의 상태가 전환될 때까지는 그것까지의 모드에 따른 점화 시기가 채용되기 때문에, 운전 모드의 전환시에 적절한 점화 시기에서 점화를 행할 수 있어, 운전 모드 전환시에 점화 시기의 어긋남 등에 의해 생기기 쉬운 연소의 악화를 방지할 수 있고, 항상 알맞은 연소 상태를 실현할 수 있는 이점이 있다.
이러한 구성에 의해, 통내 분사식 내연 기관의 압축행정 분사모드에 있어서, 연비의 향상을 촉진하면서 더불어 연소 안정성의 확보가 가능하게 되고, 나아가서는, 연비의 향상과 연소의 안정성의 향상 및 배기 가스의 정화를 동시에 실현하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태로서의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관의 주요부 구성을 도시하는 모식적인 블럭도.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 형태로서의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관의 구성을 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 형태로서의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서의 운전 모드를 설명하는 맵 도면.
도 4a는 본 발명의 제 1 실시 형태로서의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서의 분할 분사에 의한 연소 원리를 설명하는 기관의 압축 분사 시기의 상태를 도시하는 주요부 단면도.
도 4b는 본 발명의 제 1 실시 형태로서의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서의 분할 분사에 의한 연소 원리를 설명하는 기관의 점화후의 연소 후기 상태를 도시하는 주요부 단면도.
도 5a는 본 발명의 제 1 실시 형태로서의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서의 분할 분사의 압축행정 분사의 설정예 및 그 효과를 도시하는 도면이고, 압축행정 분사의 비율 및 분사 시기를 설명하는 설명도.
도 5b는 본 발명의 제 1 실시 형태로서의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에 있어서의 분할 분사의 압축행정 분사의 설정예 및 그 효과를 도시하는, 분할 분사에 의한 노크 한계 출력의 향상 특성을 도시하는 도면.
도 6a는 본 발명의 제 1 실시 형태로서의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서의 분할 분사의 압축행정 분사의 다른 설정예 및 그 효과를 도시하는 도면이고, 압축행정 분사의 비율 및 분사 시기를 설명하는 설명도.
도 6b는 본 발명의 제 1 실시 형태로서의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서의 분할 분사의 압축행정 분사의 다른 설정예 및 그 효과를 도시하는, 분할 분사에 의한 노크 한계 출력의 향상 특성을 나타내는 도면.
도 7a는 본 발명의 제 1 실시 형태로서의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서의 분할 분사를 포함하는 연료 분사 특성을 설명하는 설명도.
도 7b는 본 발명의 제 1 실시 형태로서의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관의 변형예에 있어서의 분할 분사를 포함하는 연료 분사 특성을 설명하는 설명도.
도 8은 본 발명의 제 1 실시 형태로서의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서의 분할 분사 제어를 설명하는 플로우 챠트.
도 9는 본 발명의 제 1 실시 형태로서의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서의 분할 분사에 의한 효과(아이들 회전수 저하)를 설명하는 설명도.
도 10은 본 발명의 제 1 실시 형태로서의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서의 분할 분사에 의한 효과(아이들 회전수 저하에 의한 연비향상)를 설명하는 설명도.
도 11a는 본 발명의 제 2 실시 형태로서의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서의 점화 시기 제어를 설명하는 설명도로서, 분할 분사모드로부터 흡기 분사모드에의 전환 상태의 예를 도시하는 도면.
도 11b는 본 발명의 제 2 실시 형태로서의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서의 점화 시기 제어를 설명하는 설명도로서, 흡기 분사모드로부터 분할 분사모드에의 전환 상태의 예를 도시하는 도면.
도 12는 본 발명의 제 2 실시 형태로서의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서의 분할 분사 제어를 설명하는 플로우 챠트.
도 13a는 본 발명의 제 1, 2 실시 형태로서의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서의 분할 분사 제어의 효과를 설명하는 설명도로서, 최적의 점화시기로 하였을 때의 공연비(A/F)에 대한 토오크(T)의 특성을 도시하는 도면.
도 13b는 본 발명의 제 1, 2 실시 형태로서의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서의 분할 분사 제어의 효과를 설명하는 설명도로서, 최적의 공연비에 있어서의 점화 시기(IG)에 대한 토오크(T)의 특성을 도시하는 도면.
도 13c는 본 발명의 제 1, 2 실시 형태로서의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서의 분할 분사 제어의 효과를 설명하는 설명도로서, 일정한 점화 시기로 하였을 때의 공연비(A/F)에 대한 토오크(T)의 특성을 도시하는 도면.
도 14a는 일반적인 노크 발생 특성(자기 착화 한계)을 혼합공기 농도 및 온도에 관하여 도시하는 도면.
도 14b는 일반적인 노크 발생 특성(자기 착화 한계)을 온도 및 압력에 관하여 도시하는 도면.
도 15는 종래의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관을 갖는 차량의 발진시에 있어서의 저회전·고부하 상황을 설명하는 설명도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1:엔진 본체 1A:실린더
1B:피스톤 2:흡기 통로
2A:흡기 포트 3:스로틀 밸브 설치 부분
4:에어 클리너
5:제 2 에어 바이패스 통로(제 2 바이패스 통로)
5A:바이패스 통로(5)의 상류부
5B:바이패스 통로(5)의 중류부
5C:바이패스 통로(5)의 하류부
6:제 2 에어 바이패스 밸브
7:흡입 기관
8:서지 탱크
9:흡기 매니폴드
12:아이들 스피드 컨트롤 기능부
13:제 1 에어 바이패스 통로(제 1 바이패스 통로)
14:제 1 에어 바이패스 밸브
15:스로틀 밸브
16:제어 수단으로서의 전자 제어 장치(ECU)
17:배기 통로 17A:배기 포트
18:연소실 19:흡기 밸브
20:배기 밸브
21:연료분사 밸브(인젝터)
22:연료 탱크
23A, 23E:연료 공급로
24:저압 연료 펌프
25:고압 연료 펌프
26:저압 레귤레이터
27:고압 레귤레이터
28:딜리버리 파이프
29:배기 가스 환류 통로(EGR 통로)
30:EGR밸브
31:블로바이 가스환원 유로
32:크랭크실 적극 환기용 통로
33:크랭크실 적극 환기용 밸브
34:캐니스터
35:배기 가스 정화용 촉매
36:흡기 온도 센서
37:스로틀 포지션 센서(TPS)
38:아이들 스위치 40:제 1 기통 검출 센서
41:크랭크각 센서 42:수온 센서
43:O2센서 44:에어플로 센서
45:점화 플러그 101:운전 상태 검출 수단
102:모드 선택 수단 103:연료 분사 제어 수단
104:점화 시기 제어 수단
105:연료 성상 검출 수단
(발명의실시형태)
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명하면, 도 1 내지 도 10은 본 발명의 제 1 실시 형태로서의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관을 나타내는 것이고, 도 11a 내지 도 13c는 본 발명의 제 2 실시 형태로서의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관을 나타내는 것이다. 또한, 본 실시 형태의 내연 기관은 자동차에 탑재되는 것으로 한다.
우선, 제 1 실시 형태에 관계되는 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관(이하, 통내분사(筒內 噴射) 엔진이라고도 칭함)의 구성에 대하여, 도 2를 참조하면서 설명한다.
도 2에 있어서, 1은 엔진 본체, 1A는 실린더(기통), 1B는 피스톤, 2는 흡기 통로, 3은 스로틀 밸브 설치 부분, 4는 에어 클리너, 5는 바이패스 통로(제 2 바이패스 통로), 6은 바이패스 통로(5)내를 유통하는 공기량을 조정할 수 있는 제 2 에어바이패스 밸브이다. 흡기 통로(2)는 상류측으로부터 흡입 기관(7), 서지 탱크(8), 흡기 매니폴드(9)의 순으로 접속되어, 바이패스 통로(5)는 서지 탱크(8)의 상류측에 설치되어 있다. 또한, 바이패스 밸브(6)는 스테퍼 모터로 소요의 개방도에 조정된다. 또는, 전자 밸브의 듀티제어에 의해 개방도를 조정되도록 되어 있다.
또한, 12는 아이들 스피드 컨트롤 기능부이고, 바이패스 통로(제 1 바이패스 통로)(13)와 바이패스 밸브로서의 제 1 에어 바이패스 밸브(14)로부터 이루어지고, 제 1 에어바이패스 밸브(14)는 예를 들면 도시하지 않은 스테퍼 모터로 구동된다. 15는 스로틀 밸브이고, 제 1 바이패스 통로(13) 및 제 2 바이패스 통로(5)는 흡기 통로(2)의 스로틀 밸브(15)의 장착 부분을 바이패스하도록 하고 각각의 상류단 및 하류단을 흡기 통로(2)에 접속되어 있다.
이것들의 제 2 에어 바이패스 밸브(6), 제 1 에어 바이패스 밸브(14)의 각 개폐 제어는 전자 제어 장치(ECU, 16)를 통하여 행하여진다.
또한, 17은 배기 통로, 18은 연소실이고, 상기 흡기 통로(2) 및 배기 통로(17)의 연소실(18)에의 개구부, 즉 흡기 포트(2A) 및 배기 포트(17A)에는, 흡기 밸브(19) 및 배기 밸브(20)가 장비되어 있다.
그리고, 21은 연료분사 밸브(인젝터)이고, 본 엔진으로서는, 상기 인젝터(21)가 연소실(18)로 직접 연료 분사하도록 설치되어 있다.
또한, 22는 연료 탱크, 23A 내지 23E는 연료 공급로, 24는 저압 연료 펌프(전동식 펌프), 25는 고압 연료 펌프(엔진 구동 펌프), 26은 저압 레귤레이터, 27은 고압 레귤레이터, 28은 딜리버리 파이프이고, 연료 탱크(22)내의 연료를 저압 연료 펌프(24)로 구동하고, 또한 엔진의 작동과 직접 연동하여 작동하는 고압 연료 펌프(25)로 가압하여, 소정의 고압 상태로 연료 공급로(23A, 23B), 딜리버리 파이프(28)를 통하여 인젝터(21)로 공급하게 되어 있다. 이 때, 저압 연료 펌프(24)로부터 토출된 연료 압력은 저압 레귤레이터(26)로 압력이 조절되고, 고압 연료 펌프(25)로 가압되어 딜리버리 파이프(28)에 이끌어지는 연료 압력은 고압 레귤레이터(27)로 압력 조절되도록 되어 있다.
또한, 29는 엔진(1)의 배기 통로(17)내의 배출 가스(배기 가스)를 흡기 통로(2)내에 환류 시키는 배기 가스 환류 통로(EGR 통로), 30은 EGR 통로(29)를 통하여 흡기 통로(2)내에 환류하는 배기 가스의 환류량을 조정하는 배기 가스량 조정 수단으로서의 스테퍼 모터식의 밸브(EGR 밸브)이고, 31은 블로 바이 가스(blow by gas)를 환원하는 유로이고, 32는 크랭크실 적극 환기용의 통로, 33은 크랭크실 적극 환기용의 밸브이고, 34는 캐니스터이고, 35는 배기 가스 정화용 촉매(여기에서는, 린 NOx 촉매)이다.
그런데, ECU(16)로서는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 제 1 및 제 2 에어바이패스 밸브(14), 6의 제어 이외에, 인젝터(21)나 점화 플러그(45)(도 1참조)를 위한 점화 코일이나 EGR 밸브의 제어나 고압 레귤레이터(27)에 의한 연소 압력 제어도 하기 위해서(때문에), 에어플로 센서(44), 흡기 온도 센서(36), 스로틀 개방도를 검출하는 스로틀 포지션 센서(TPS)(37), 아이들 스위치(38), 에어컨디셔너 스위치(도시 생략), 변속 포지션 센서(도시 생략), 차속 센서(도시 생략), 파워 스티어링의 작동 상태를 검출하는 파워스테 스윗치(도시 생략), 스타터 스윗치(도시 생략), 제 1 기통 검출 센서(40), 크랭크각 센서(41), 엔진의 냉각수 온도를 검출하는 수온 센서(42), 배기 가스중의 산소 농도를 검출하는 O2센서(43)등이 설치되고, ECU(16)에 접속되어 있다. 또한, ECU(16)내에는, 크랭크각 센서(41)에 근거하여 기관 회전수(엔진 회전수)를 산출하는 기능이 갖추어지고, 크랭크각 센서(41)와 이 엔진 회전수 연산 기능으로써 엔진 회전수 센서가 구성되지만, 여기에서는 크랭크각 센서(41)에 대하여도 편의상 엔진 회전수 센서라고 부른다.
여기에서, ECU(16)를 통한 본 엔진에 관한 제어 내용에 대하여, 도 1을 참조하여 설명한다.
본 엔진으로서는, 연소실(18)내에 균일하게 연료를 분사하는 것으로 성립할 수 있는 예비혼합 연소와, 연소실(18)내에 임한 점화 플러그(45) 주위에 분사 연료를 편재시키는 것으로 성립할 수 있는 층상 연소를 운전 상태에 따라서 전환하는 엔진이다.
그리고, 본 엔진은 엔진의 운전 모드로서, 압축행정으로 연료를 분사하는 것으로 상기의 층상 연소 운전을 하는 층상 연소 모드와, 주로 하여 흡기행정으로 연료를 분사하는 것으로 상기의 예비혼합 연소 운전을 행하는 예비혼합 연소 모드가 설치되어 있다.
또한, 층상 연소 모드로서, 층상 연소에 의해 연료가 극히 희박한 상태(즉, 공연비가 이론 공연비보다도 극히 클때)에서의 운전(초 린 연소 운전)을 하는 초 린 운전 모드(압축린 운전 모드)가 설치되어 있다.
또한, 예비혼합 연소 모드로서는, 초 린 운전 모드 정도는 아니지만 연료가 희박한 상태(즉, 공연비가 이론 공연비보다도 큰)로 운전을 행하는 린 운전 모드(흡기 린 운전 모드)와, 공연비가 이론 공연비가 되도록 O2센서 정보등에 근거하여 피드백 제어를 행하는 스토이키오 운전 모드(스토이키오 피드백 운전 모드)와, 연료가 농후 상태(즉, 공연비가 이론 공연비보다도 작은)로 운전을 하는 인리치 운전 모드(오픈 루프 모드)가 설치되어 있다.
압축 린 운전 모드로서는, 가장 희박한 연소(공연비가 30 내지 40정도 또는 그 이상)를 실현할 수 있고, 이 모드로서는, 연료 분사를 압축행정 후기와 같이 매우 점화 시기에 가까운 단계에서 행하고, 더우기 연료를 점화 플러그의 부근에 모아서 부분적으로는 많게 하고 전체적으로는 린으로 하면서 착화성, 연소 안정성을 확보하면서 절약 운전을 할 수 있다.
그리고, 흡기 린 운전 모드도 희박연소(공연비가 20 내지 24정도)를 실현할 수 있지만, 이 모드로서는, 연료 분사를 압축 린 운전 모드보다도 이전의 흡기행정에서 행하고, 연료를 연소실내에 확산시켜 전체 공연비를 린으로 하면서 착화성, 연소 안정성을 확보하면서 어느 정도의 출력을 확보하도록 하여, 절약 운전을 할 수 있다.
스토이키오 운전 모드는, O2센서의 출력에 근거하여, 공연비를 스토이키오 또는 스토이키오 부근의 상태로 유지하면서 충분한 엔진 출력을 효율 좋게 얻어지도록 하고 있다.
또한, 오픈 루프 연소 운전 모드로서는, 가속시나 발진시등에 충분한 출력이 얻어지도록, 오픈 루프 제어에 의해 스토이키오 또는 이것보다도 많은 공연비(인리치)에서의 연소 운전을 한다.
그리고, 본 내연 기관에서는, 이것들의 모드에 첨가하여, 본 발명의 특징인 분할 분사 인리치 모드(이하, 분할 분사모드라 칭함)가 설치되어 있다. 이 분할 분사모드는 흡기 행정과 압축행정으로 나누어 연료 분사를 행하고, 특히 압축행정 분사된 연료에 의한 층상 연소를 주체로서 연소를 하는 것으로, 층상 연소 모드에 포함된다.
상기 분할 분사모드로서는, 흡기 행정 분사와 압축행정 분사의 합계 분사량(토탈 분사량)으로, 연료가 많은 혼합공기(즉, 토탈 공연비가 이론 공연비보다도 작은 공기)가 형성되도록, 연료 분사량이 설정된다. 흡기행정 분사를 하고나서 압축행정 분사를 하는 것이 되지만, 흡기행정 분사에 의해 실린더내로 공급된 연료가 자기 착화하고는 노크를 초래하기 때문에, 흡기행정 분사로서는, 분사 연료가 자기 착화하지 않도록 , 연료 농도가 희박하게 되는 양의 연료 분사를 하게 되어 있다.
결국, 상기 도 14a에 나타낸 바와 같이, 예를 들면 공연비(A/F)가 이론 공연비 근방의 18 내지 12정도로서는, 연료가 자기 착화하기 쉽지만 혼합공기의 연료 농도는 이것들의 이론 공연비 정도보다 벗어날수록, 연료가 자기 착화하기 어렵게 된다. 휴미게이션을 응용하기 위해서는, 흡기 행정으로 연료를 무화(霧化) 또는 증발시키면서 혼합공기가 자기 발화를 일으키지 않는 정도로 흡기에 연료를 혼입시킬 필요가 있기 때문에, 흡기 행정 분사에 의해, 연료 농도가 극히 희박한 혼합공기(공연비 A/F가 이론 공연비 근방보다도 매우 큰 혼합공기)를 만들도록 하면 된다.
여기에서는, 흡기 행정 분사시에는, 공연비가 30 내지 60정도로 되도록 분사량을 설정하여 연료 분사를 하게 된다.
한편, 압축행정 분사와 흡기 행정 분사의 합계 분사량으로, 연료가 많은 혼합공기, 즉 공연비가 12정도의 혼합공기를 형성할 수 있도록, 압축행정 분사시에는, 공연비가 15 내지 20정도로 상당하는 분사량을 설정하여 연료 분사를 행하게 된다.
결국, 흡기행정 분사시의 공연비가 60정도이면, 압축행정 분사시에 공연비 15정도로 상당하는 분사량으로 연료 분사를 행하면, 합계 분사량에 따른 토탈 공연비를 12정도(즉, 1/12 ≡ 1/60 ＋ 1/15)로 할 수 있고, 흡기행정 분사시의 공연비가 30정도이면, 압축행정 분사시에 공연비 20정도로 상당하는 분사량으로 연료 분사를 행하면, 합계 분사량에 따른 토탈 공연비를 12정도(즉, 1/12 = 1/30＋1/20)로 할 수 있다.
그리고, 이러한 각종의 운전 모드로부터 하나의 모드를 선택하여 엔진의 운전을 제어하게 되지만, 이 운전 모드 선택은, 엔진의 회전수(Ne) 및 부하 상태를 나타내는 유효 압력(Pe)에 근거하여, 도 3에 나타내는 바와 같은 맵(map)에 따라서 행하게 된다.
또한, 상기의 각 운전 모드외에, 연료 분사를 정지(커트)하는 연료 커트 모드가 설치되어 있지만, 이 연료 커트 모드는 기관의 회전 속도가 상한치를 상회하지 않도록 하기 위해서나, 스로틀 밸브 폐쇄시에 일시적으로 연료 소비를 절약하기 위해서나 여분인 탄화수소(진각) 배출을 억제하여 촉매의 과다상승온도를 방지하기 위함등으로 행하는 것으로, 특수 조건하의 모드이기 때문에, 여기에서는 설명을 생략한다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 엔진의 회전수(Ne)가 낮고 부하(Pe)도 작은 경우에는, 초 린 운전 모드(압축 린 운전 모드)가 선택되어, 엔진의 회전수(Ne)나 부하(Pe)가 이것보다도 커지는데 따라서, 린 운전 모드(흡기 린 운전 모드), 스토이키오 운전 모드(스토이키오 피드백 운전 모드), 인리치 운전 모드(오픈 루프 모드)가 선택된다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 인리치 운전 모드가 고부하에서 최상으로 대응하지만, 엔진의 저회전 영역에서는, 인리치 운전 모드로 대응할 수 있는 부하도 작게 된다. 분할 분사모드는 인리치 운전 모드로 대응할 수 없는 엔진의 저회전·고부하 영역에서 선택되도록 되어 있다.
이와 같이 분할 분사모드 영역을 엔진의 저회전·고부하 영역으로 설정할 수 있는 것은 분할 분사모드에 의한 운전으로서는, 엔진의 저회전시에도 큰 엔진 출력을 얻을 수 있기 때문이다. 이것은, 실험상에서도 확인되어 있지만, 이 분할 분사시의 연소 현상을 추정하면, 다음과 같이 하여 큰 출력이 얻어지는 것으로 고려된다.
결국, 분할 분사시에는 그 압축 분사시기에 있어서는, 도 4a에 나타낸 바와 같이, 미리 흡기 행정 분사에 의해 형성된 연료 희박한 혼합공기(공연비 A/F=30 내지 60)가 넓어진 연소실내에, 압축행정 분사에 의한 부분적으로 연료 농도가 높은 혼합공기(전체 공연비 A/F = 15 내지 20에 상당하는 연료가 캐버티내에 분사되기 때문에 연료 농도가 높은 혼합공기)가 층상류(層狀流)를 이루어 점화 플러그(45) 부근에 유입한다.
이 때, 흡기행정 분사에 의해 형성된 혼합공기는 충분히 희박하기 때문에 자기 착화하지 않고, 또한 압축행정 분사에 의해 층상류를 이루도록 형성된 농후 혼합공기는 이후의 점화 플러그(45)에 의한 착화까지 이전반응이 노크로 진행할 시간이 없기 때문에 이것도 자기 착화하지 않고, 연료가 자기 착화를 발생하는 일없이, 점화 플러그(45)에 의한 착화가 행하여진다.
이것에 의해, 우선 점화 플러그(45) 부근의 농후 혼합공기에 착화하여, 층상류를 이루는 농후 혼합공기가 연소를 개시하지만, 농후 혼합공기는 연소에 있어서 공기가 부족하기 때문에, 연소에 의해 대량의 그을음(soot)이 생성되지만, 도 4(B)에 나타낸 바와 같이, 흡기행정 분사에 의해 형성된 희박한 혼합공기는 발생한 그을음을 착화원으로서 연소하고 있는 것으로 추측된다.
즉, 흡기행정 분사로 형성된 희박한 혼합공기에 의해, 압축행정 분사로 형성된 층상의 농후 혼합공기 주위의 잉여 공기가 유효하게 이용되도록 이루어지며, 연소 에너지를 충분히 증가시킬 수 있어 큰 출력이 얻어지게 됨과 동시에, 압축행정 분사에 의한 층상 연소로 비교적 농후 혼합공기를 연소시킬 때에 문제로 되는 연소실내에서의 그을음 발생을 대폭 억제할 수 있다.
다만, 분할 분사모드에 관하여는 금지 영역이 설치되어 있다. 여기에서는, 이 금지 영역을 엔진 냉각 수온(냉각 수온에 한정되지 않고 엔진 온도에 대응하는 검출 가능한 파라미터이면 되지만, 여기에서는 검출 용이한 냉각수 온도로 한다)이 소정 온도(예를 들면 -10℃) 이하의 영역으로 한다. 이것은, 엔진 온도가 낮으면, 연료의 무화(霧化)가 악화되고, 흡기행정 분사의 연료가 무화하기 어려우면, 휴미게이션 조건을 만족시킬 수 없고, 노크 방지 효과가 얻어지지 않을 우려가 있기 때문이다.
그런데, 이러한 분할 분사모드에 있어서의 압축행정 분사의 분사량 비율이나 분사 시기에 관하여 어떻게 설정하는지를 도 5a, 도 5b, 도 6a, 도 6b를 참조하여 설명한다.
또한, 도 5a, 도 5b, 도 6a, 도 6b는 각각 규정이 다른 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서의 특성의 일례를 나타내는 도면이고, 도 5a, 도 6a는 엔진 회전수(Ne)가 600rpm, 점화 시기가 20°ATDC (압축 상사점 이후 20°크랭크각 시점), 흡기행정 분사 시기가 280°BTDC (압축 상사점 이전) 280°크랭크각 시점), 토탈 공연비(12)의 조건하에서의 압축행정 분사의 분사량 비율(압축행정 분사 펄스/토탈 분사 펄스) 및 분사 시기의 설정을 설명하는 것으로, 도 5b, 도 6b는 각각 대응하는 도 5a, 도 6a에 나타내는 설정에 의해 얻어지는 노크 한계 출력 특성을 나타내는 것이다.
우선, 도 5a, 도 5b에 근거하여 설명하면, 도 5a에 나타낸 바와 같이, 압축행정 분사의 시기를 빠르게 하면, 노크전반응이 진행하기 때문에 노크 영역이 존재하고, 이전 분사량에 대한 압축행정 분사량의 비율을 크게하면 토탈 HC(THC) 즉, 탄화수소의 총량이 과대하게 되어, 압축행정 분사의 시기를 조금 늦게하여 압축행정 분사량의 비율을 조금 크게 할수록 스모크 발생이 과대하게 되며, 또한 압축행정 분사 시기 및 압축행정 분사량 비율에 따라서 도시하는 영역에 회전 변동이 크고 실화(misfire, 失火)를 초래하는 영역이 존재하며, 또한 압축행정 분사 시기 및 압축행정 분사량 비율에 따라서 도시하는 곡선형상으로, 최저한 필요로 하는 토오크의 등출력선이 존재한다.
이러한 여러가지의 조건으로부터, 노크를 발생하지 않은 것(즉, 노크 영역이 아닌 것) 및 실화를 발생하지 않은 것(실화 영역이 아닌 것)을 대전제로, 또한 THC가 과대하게 되지 않는 스모크의 발생이 과대하게 되지 않고, 또한 최저한 필요로 하는 토오크를 얻을 수 있는 영역으로서, 도 5(A) 중에 그물표시로 나타내는 분할 분사 영역(A1)이 존재한다.
여기에서는, 주로 최저한 필요로 하는 토오크의 등출력선으로 영역(A1)이 규정되어 있지만, THC나 스모크의 발생 한계치의 설정이나 최저한 필요로 하는 토오크의 값에 의해서는, 같은 엔진이라도 영역(A1)을 규정하는 요건은 달라진다. 같은 엔진이라도 운전 조건이 다르면, 역시 영역(A1)을 규정하는 요건은 달라진다.
또한, 엔진의 규정이 다르면, 운전 조건이 같고 각규정 조건이 같은(노크, 실화를 발생하지 않고, THC나 스모크의 발생 한계치나 최저한 필요로 하는 토오크의 값도 같다)것으로서도, 도 6a 중에 그물표시로 나타내는 영역(A2)과 같이, 분할 분사 영역(A2)은 도 5a에 나타내는 영역(A1)과는 다른 것이 된다.
그리고, 이러한 분할 분사 영역(A1, A2) 중에서도, 각 규정 조건을 가장 밸런스 좋게 만족시키는 포인트(P1, P2)를 도 5a 중 및 도 6a 중에 각각 ○표시로 나타내고 있다.
이러한 도 5a, 도 6a의 영역(A1, A2)에 나타낸 바와 같이, 분할 분사하는데 알맞은 영역은, 압축행정 분사 시기가 30 내지 100°BTDC정도, 압축행정 분사량 비율이 60 내지 90%정도가 된다. 이들 2개의 엔진을 예를 들면, 이러한 수치 범위를 분할 분사 영역으로서 설정할 수 있지만, 엔진 특성이나 운전 조건이나 영역 규정 조건의 변경에 의해서는, 분할 분사 영역에 어긋남이 발생하는 것도 고려되고, 이러한 압축행정 분사 시기가 30 내지 100°BTDC정도, 압축행정 분사량 비율이 60 내지 90%정도라는 수치 설정은, 수치 설정상의 목표이고, 각 엔진의 특성이나 운전 조건이나 영역 규정 조건에 따른 설정이 바람직하다.
그리고, 분할 분사 영역(A1, A2)중의 포인트(P1, P2)의 조건으로, 압축행정 분사를 행하면, 동 공연비(=12)에 의한 흡기행정 분사에만 의한 연료 분사인 경우(인리치 운전 모드)와 비교하고, 도 5b, 도 6b에 각각 나타낸 바와 같이, 노크 한계 출력이 대폭 향상한다. 또한, 이 노크 한계 출력은 노크가 생기지 않은 범위에서, 점화 시기를 진각(進角) 시키는 것으로 얻어진다.
도시하는 바와 같이, 흡기행정 분사에만 의한 연료 분사로서는, 엔진 회전수가 낮은 영역에서는 점화 시기를 20A〔「A」는「°ATDC (상사점후의 크랭크 회전 각도)」를 나타낸다〕나 14A나 12A와 대폭적으로 지연각(遲角)시키지 않으면 노크를 초래하는데 대하여, 분할 분사로서는, 엔진 회전수가 극히 낮은 영역에서는 점화 시기를 20A나 16A로 하지만, 그 이상의 회전수 영역에서는 11A, 7A, 4A, 2A와 진각(進角)시킬 수 있으며, 이러한 점화 시기의 진각화도 곁들어서 노크 한계 출력이 대폭 향상한다.
또한, 이러한 분할 분사를 행하는 엔진 회전수가 낮은 영역에서는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 부하 상태에 따라서 엔진의 운전 모드가 전환하여, 저부하시에는 압축 린 운전 모드, 중부하시에는 흡기 린 운전 모드, 스토이키오 운전 모드, 오픈 루프 모드, 고부하시에는 분할 분사모드가 선택되기 때문에, 예를 들면 엔진이 있는 저회전 영역에서의 연료 분사 특성을 모식적으로 나타내면 도 7a, 도 7b에 나타낸 바와 같이 된다.
또한, 도 7a는 본 실시 형태에 관한 것으로 , 도 7b는 그 변형예에 관한 것이고, 우선, 도 7a에 근거하여 설명한다.
엔진의 저부하시(Pe가 작은 때)에는, 압축 린 운전 모드가 선택되고, 도 7a중에 나타내는 영역(INJ1)과 같이, 압축행정이 있는 일정 시점(최적시)을 연료 분사 종료 시기로서, 부하증가에 따라서 연료 분사 기간(따라서, 연료 분사량)가 증대하도록, 부하 증가에 대응하여 연료 분사 개시 시기가 빠르게 된다.
엔진의 중 내지 대부하시(Pe가 중 내지 대 인때)에는, 부하 상태에 따라 흡기 린 운전 모드, 스토이키오 운전 모드, 오픈 루프 모드가 선택되어, 이것들의 모드인 경우, 연료 분사는 흡기행정으로 행하여지기 때문에, 도 7a중에 나타내는 영역(INJ2) 과 같이, 흡기행정이 있는 일정 시점(최적시)을 연료 분사 종료 시기로서, 부하 증가에 따라서 연료 분사 기간(따라서, 연료 분사량)이 증대하도록, 부하 증가에 대응하여 연료 분사 개시 시기가 빠르게 된다.
엔진의 극히 고부하시(Pe가 특히 대 인때)에는, 분할 분사모드가 선택되고, 연료 분사는 도 7a중에 나타내는 영역(INJ3A)과 같은 흡기행정과 도 7a중에 나타내는 영역(INJ3B)과 같은 압축행정으로 나누어 행하여진다. 상기의 경우도 각 분사(INJ3A, INJ3B)의 종료 시기는 일정한 최적 시점에 고정되어 부하 상태에 따른 연료 분사 기간(연료 분사량)의 조정은 연료 분사 개시시기의 변경에 의해 행하여진다.
상기 분할 분사모드로서는, 연료 분사량의 조정을, 압축행정 분사(INJ3B)에 의해서 행하고, 흡기행정 분사(INJ3A)는, 부하 상태(Pe의 크기)와 관계되지 않는 일정 분사량 즉 연료 분사 종료시기와 동시에 연료 분사 개시시기도 일정하게 설정된다. 물론, 연료 분사량의 조정은 압축행정 분사(INJ3B)의 연료 분사 개시시기를, 부하 증가에 따라서 빠르게 하는 것으로 행한다.
이와 같이 압축행정 분사(INJ3B)만으로 연료 분사량(토탈 분사 기간)의 조정을 행하는 것은, 상술한 바와 같이, 흡기행정 분사(INJ3A)에서는, 분사한 연료가 자기 착화하지 않도록 연료 농도가 희박하게 되는 양의 분사를 할 필요가 있으며, 연료의 토탈 분사량은 압축행정 분사(INJ3B)의 분사량이 중심으로 되기 때문에, 압축행정 분사(INJ3B)만으로 충분하게 연료량 조정을 할 수 있고, 흡기행정 분사(INJ3A)의 연료량은 일정하게 하는 것으로 제어를 간소화하고 있다.
또한, 도 7b에 나타낸 바와 같이, 이러한 엔진의 저회전시에 관하여는, 엔진의 저부하시에는 압축 린 운전 모드, 중·고부하시에는 분할 분사모드를 선택하도록 설정해도 된다.
결국, 엔진의 저부하시(Pe가 작은 때)에는, 압축 린 운전 모드가 선택되고, 도 7b중에 나타내는 영역(INJ4)과 같이, 압축행정이 있는 일정 시점(최적시)을 연료 분사 종료 시기로서, 부하 증가에 따라서 연료 분사 기간(따라서, 연료 분사량)이 증대되도록, 부하 증가에 대응하여 연료 분사 개시 시기가 빠르게 된다.
엔진의 중(中) 내지 대(大)부하시(Pe가 중 내지 대인 때)에는, 분할 분사모드가 선택되고, 연료 분사는 도 7b중에 나타내는 영역(INJ4)과 같은 압축행정 분사에 첨가하여, 도 7b중에 나타내는 영역(INJ5)과 같은 흡기행정 분사를 행한다. 상기의 경우도 각 분사(INJ4, INJ5)의 종료 시기는 일정한 최적 시점에 고정되고, 부하 상태에 따른 연료 분사 기간(연료 분사량)의 조정은 압축행정 분사(INJ4)의 연료 분사 개시 시기의 변경에만 의해 행하여진다.
그런데, 본 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서는, 상술한 바와 같은 여러가지의 엔진 운전 모드로부터 1개의 모드를 선택하지만, 이 선택은 엔진의 운전 상태, 즉, 엔진의 부하 상태(Pe), 엔진 회전수(Ne)에 근거하여 행한다. 또한, 각 모드에 있어서의 연료 분사 제어, 즉, 연료분사 밸브(인젝터)(21)의 분사 제어, 및 점화 시기 제어, 즉, 점화 플러그(45)의 구동 제어에 대하여도, 엔진의 부하 상태(Pe), 엔진 회전수(Ne)라고 하는 엔진의 운전 상태에 근거하여 행하게 된다.
이 때문에, 본 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 엔진의 운전 상태를 검출하는 운전 상태 검출 수단(101)이 갖추어지고, 검출된 엔진 운전 상태 정보가 ECU(16)에 입력되도록 되어 있다. 또한, 연료의 성상(性狀)(즉, 가솔린인 경우의 옥탄가등의 연료 성질)을 검출하는 연료 성상 검출 수단(105)이 또한 갖추어지고 있고, 검출된 연료 성상 정보도 ECU(16)에 입력되도록 되어 있다.
ECU(16)에는 이것들의 운전 상태 정보 및 운전 상태 정보에 근거하여 연산되는 정보(엔진의 부하 상태(Pe)와 엔진의 회전수(Ne))로부터, 운전 모드를 선택하는 모드 선택 수단(102)과, 모드 선택 수단(102)으로 선택된 운전 모드와 상기 정보(부하(Pe), 회전수(Ne))로써 연료 분사 시기(분사 종료 시기 및 분사 개시 시기)를 설정하여 인젝터(21)의 구동을 제어하는 연료 분사 제어 수단(103)과, 모드 선택 수단(102)으로 선택된 운전 모드와 상기 정보(부하(Pe), 회전수(Ne))로써 연료 점화 시기를 설정하여 점화 플러그(45)의 구동을 제어하는 점화 시기 제어 수단(104)이 갖추어진다.
또한, 엔진 부하 상태(Pe)는 엔진 회전수(Ne)와 스로틀 개방도(θth)에 근거하여 산출되기 때문에, ECU(16)에 입력되는 엔진 운전 상태의 데이터는, 엔진 회전수(Ne) 및 스로틀 개방도(θth)이고, 운전 상태 검출 수단(101)은 엔진 회전수 센서(41) 및 스로틀 개방도 센서(37)로 이루어진다.
구체적으로는, 스로틀 개방도 센서(37)로 검출된 스로틀 개방도(θth)나 액셀 개방도 센서의 출력과 크랭크각 센서로부터의 검출 정보에 기초를 둔 엔진 회전 속도(Ne)로써, 맵에 근거하여 목표 엔진 부하(목표 유효 압력)(Pe)를 설정한다.
또한, 에어컨디셔너의 온·오프, 파워 스티어링의 온·오프등에 따라서 목표(Pe)가 보정되어, 이렇게하여 얻어진 보정후 목표(Pe)와 엔진 회전 속도(Ne)로써, 모드 선택 수단(102)에 의한 모드 선택, 연료 분사 제어 수단(103)에 의한 연료 분사 제어, 점화 시기 제어 수단(104)에 의한 점화 시기 제어, 에어 바이패스 밸브 제어등이 행하여지게 되어 있다.
모드 선택 수단(102)에 의한 모드 선택은 목표(Pe)와 엔진 회전 속도(Ne)로써 도 3에 나타내는 바와 같은 맵으로부터 선택하지만, 이러한 맵은 연료 성상에 따라서 여러 종류 중에서 선택하게 되어 있다. 이것에 의해, 연료 성상에 따라서 적절한 운전 모드가 선택되도록 되어 있다.
또한, 연료 분사 제어 수단(103)에 의한 연료 분사 제어를 위해서는, 인젝터의 분사 개시 시기와 분사 종료 시기를 설정할 필요가 있지만, 여기에서는, 상술한 바와 같이, 인젝터 구동 시간과 인젝터의 분사 종료 시기를 설정하여, 이것에 근거하여, 인젝터의 분사 개시 시기를 역산하면서, 인젝터 구동의 타이밍을 결정하고 있다.
결국, 인젝터 구동 시간의 설정에는, 우선, 목표부하(Pe)와 엔진 회전 속도(Ne)로써 맵등에 근거하여 공연비(A/F)를 설정한다. 상기의 경우의 설정 맵은, 각 모드마다 설치되어 있고, 엔진의 운전 상태에 따른 것이 선택되어 사용된다.
그리고, 이렇게 해서 얻어진 공연비(A/F)와 에어 플로 센서(air flow sensor)로 검출된 흡기량(Qpb)으로써, 인젝터 구동 시간(Tinj)을 산출하여, 이 인젝터 구동 시간(Tinj)에, 기통별 인젝터 불균일한 비율 보정 및 기통별 데드 타임 보정을 행하는 외에, 본 기관인 경우, 연료 성상 검출 수단(105)으로 검출된 연료 성상 정보에 따라서 보정(연료 성상 보정)도 행하게 되어 있다.
인젝터의 분사 종료 시기의 설정도, 목표(Pe)와 엔진 회전 속도(Ne)로써, 맵에 근거하여 분사 종료 시기를 설정하지만, 상기의 경우 설정 맵도, 각 모드마다 설치되어 있어, 엔진의 운전 상태에 따른 것이 선택되어 사용된다.
이렇게 해서 얻어진 분사 종료 시기에, 압축 린 운전 모드인 경우에 대해서는 수온 보정을 행하여, 이러한 인젝터 구동 시간(Tinj) 및 분사 종료 시기에 근거하여, 인젝터의 구동을 행한다.
또한, 점화 시기 제어 수단(104)에 의한 점화 시기 제어, 결국 점화 코일에 의한 점화 플러그의 점화 시기 제어에 대하여도, 목표(Pe)와 엔진 회전 속도(Ne)로써, 맵에 근거하여 점화 시기를 설정한다. 상기의 경우 설정 맵도, 각 모드마다 설치되어 있고, 엔진의 운전 상태에 따른 것이 선택되어 사용된다.
이렇게 해서 얻어진 점화 시기에 각종 리타드 보정과 동시에, 본 기관인 경우, 연료 성상 검출 수단(105)으로 검출된 연료 성상 정보에 따른 보정(연료 성상 보정)도 행하여, 이것에 근거하여 점화 코일의 제어를 행한다.
또한, 에어 바이패스 밸브 제어에 대해서는, 우선, 목표(Pe)와 엔진 회전 속도(Ne)로써 맵에 근거하여 요구 공기량(또는, 목표 흡입 공기량)(Q)이 얻어지도록, 에어 바이패스 밸브(14, 6)의 밸브 개방도 제어량을 설정한다. 이 밸브 개방도 제어량의 설정에서는, 복수의 맵으로부터 엔진의 운전 모드에 따른 것을 선택하여 사용되고, 엔진의 운전 모드에 따라서 신호가 적당하게 출력된다. 또한, 아이들 운전 상태가 성립한 경우에는, 엔진 회전수의 피드백에 기초를 둔 요구 공기량(또는, 목표 흡입 공기량)에 관한 밸브 개방도 제어량을 주로서 하여 에어 바이패스 밸브(14)의 제어량을 설정한다. 이렇게하여 얻어진 밸브 개방도 제어량에 따라서, 제 2 에어 바이패스 밸브(6), 제 1 에어 바이패스 밸브(14)가 소요의 상태로 제어된다.
또한, EGR의 유량 제어에 대해서도, 목표(Pe)와 엔진 회전 속도(Ne)로써, 맵에 근거하여 EGR의 유량을 설정한다. 상기의 경우 설정 맵도, 각 모드(후기 린 운전 모드 및 스토이키오 피드백 운전 모드)마다 설치되어 있고, 이렇게 해서 얻어진 EGR의 유량을 수온 보정, EGR의 유량 제어를 행하도록 되어 있다.
본 발명의 제 1 실시 형태로서의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관은, 상술한 바와 같이 구성되어 있기 때문에, 예를 들면 도 8에 나타낸 바와 같이하여 분할 분사모드(분할 분사 제어)가 행하여진다.
결국, 우선 연료 성상 검출 수단(105)으로 검출된 연료 성상 정보(연료 옥탄가 정보)에 근거하여 연료 옥탄가를 판정하여(스텝 S10), 엔진의 운전 상태, 즉, 엔진 회전수(Ne), 스로틀 개방도(θth), 냉각 수온, 흡입 공기량, 흡기 온도, 대기압등을 판독한다(스텝 S20).
그리고, 분할 분사 금지 영역인지 아닌지를 냉각 수온에 근거하고 판정한다(스텝 S30). 결국, 냉각 수온이 소정 온도(예를 들면 -10°C) 이하이면 분할 분사 금지 영역이라고 판정한다. 분할 분사 금지 영역이면, 스텝(S80)으로 진행하여, 플래그(A)를 판정한다. 이 플래그(A)는 분할 분사 제어시에 1로 되며, 분할 분사 제어가 행하여지지 않으면 0으로 된다. 여기에서, 플래그(A)가 1(즉, 분할 분사 제어중)이면, 스텝(S90)으로 진행하여, 분할 분사 제어를 해제(분할 분사 제어 종료)시켜서, 플래그(A)를 0으로 되돌린다. 또한, 플래그(A)가 1(즉, 분할 분사 제어중)이면, 그대로 리턴한다.
한편, 분할 분사 금지 영역으로 되면, 스텝(S30)으로부터 스텝(S40)으로 진행하여, 분할 분사 존(zone)인지 아닌지를 판정한다. 이 판정은, 예를 들면 도 3에 나타내는 바와 같은 맵에 따라서 엔진의 목표 부하(Pe) 및 회전수(Ne)에 근거하여, 분할 분사모드 영역인지 아닌지에 의해 행한다. 또한, 여기에서 사용하는 맵은 연료 성상(연료 옥탄가)에 대응하여 설치되어 있고, 스텝(S10)의 연료 성상 정보에 따라서 맵을 선택하여, 연료 성상 정보에 대응하여 분할 분사모드를 선택한다.
스텝(S40)으로 분할 분사 존이 아니라고 판정되면, 스텝(S80)으로 진행하여 상술한 바와 같은 처리를 행하지만, 스텝(S40)으로 분할 분사 존이라고 판정되면, 스텝(S50)으로 진행하여, 플래그(A)를 판정한다. 여기에서, 플래그(A)가 1(즉, 분할 분사 제어중)이면, 그대로 리턴한다.
한편, 스텝(S50)으로 플래그(A)가 1이 아니라고 판정되면, 스텝(S60)으로 진행하여, 분할 분사 제어(분할 분사모드)를 실행한다. 그리고, 분할 분사 제어 종료후에, 스텝(S70)으로 진행하여, 플래그(A)를 1로 세트하여 리턴한다.
스텝(S60)에서 행하는 분할 분사 제어는 다음과 같이 행하여진다.
① 우선, 토탈A/F(공연비)를 설정한다. 이 토탈A/F는 엔진의 부하(Pe), 엔진 회전수(Ne)에 따라서 산출 또는 맵등에 근거하여 설정한다. 토탈A/F의 설정에서는, 연료 성상을 고려하여 연료 성상에 따른 보정을 행하든지 또는 연료 성상 정보에 대응한 맵을 사용하든지, 어느 쪽이든, 부하(Pe)가 특히 큰 경우에는, 토탈A/F를 12정도까지 내려 연료 리치인 상태로 한다.
② 다음에, 토탈A/F와 흡입 공기량 정보(1사이클로 연소실내에 흡입되는 공기량 정보)로써, 1 사이클으로 분사하는 연료 총량을 산출한다.
③ 흡기행정 분사량은 일정하기 때문에, 연료 총량으로부터 이 흡기행정 분사량을 감산하여 압축행정 분사량을 산출한다.
④ 연료 분사 종료 시기를 엔진의 부하(Pe), 엔진 회전수(Ne)에 따라서 설정한다. 이 연료 분사 종료 시기의 설정에서도, 연료 성상을 고려하여 연료 성상에 따른 보정을 행하든지 또는 연료 성상 정보에 대응한 맵을 사용한다.
⑤ 흡기행정 분사량, 압축행정 분사량 및 흡기행정 분사의 연료 분사 종료 시기, 압축행정 분사량의 연료 분사 종료 시기에서 흡기행정 분사의 연료 분사 개시 시기, 압축행정 분사량의 연료 분사 개시 시기를 산출한다.
또한, 상기의 경우, 어떤 기통의 흡기행정 분사 시기가 다른 기통의 압축행정 분사 시기와 중복하지 않도록 설정하는 것이 바람직하다. 결국, 임시로 있는 기통의 흡기행정 분사 시기가 다른 기통의 압축행정 분사 시기와 중복하는 경우에는, 흡기행정 분사 시기를 압축행정 분사 시기보다도 전 또는 후의 시기로 변경하든지 또는, 흡기행정 분사를 분할하여 압축행정 분사 시기를 사이에 두도록 압축행정 분사 시기의 전과 후로 나누어 분사하도록 분사 시기 및 분사 형태를 변경하는 것이 고려된다. 상기의 경우 흡기행정에 있어서의 분할 분사는 압축행정 분사 시기의 전과 후로 합계 2회라도 되고 또는 그 이상의 횟수로 나누어도 된다.
이와 같이 분사 시기가 중복하지 않도록 설정하는 것으로, 인젝터 구동계(인젝터 드라이버)의 부담을 경감할 수 있으며, 인젝터 드라이버를 각 연료분사 밸브마다 별도 회로로 할 필요도 없어지고, 비용 감소를 도모할 수 있다.
또한, 흡기행정 분사나 압축행정 분사는 기본적으로는 1회씩 행하는 구성이 간소하지만, 흡기행정 분사나 압축행정 분사의 어느것 인가를 상술의 중복 분사 회피를 위해 한정하지 않고, 여러회로 나누어 분사하는 것도 고려된다. 특히, 흡기행정 분사를 미소량씩 여러회로 나누어 분사하면, 연료의 분무화를 촉진할 수 있으며, 노크 방지에 유효한 경우도 있다.
⑥ 흡기행정 분사, 압축행정 분사를 실시한다. 이 분할 분사는, 예를 들면 도 7a 또는 도 7b중의 영역(INJ3A와 INJ3B, INJ4 와 INJ5)에 나타내는 바와 같은 부하에 대한 특성으로 실시한다.
이러한 분할 분사에 의하면, 이미 도 4a, 도 4b를 참조하여 설명한 바와 같이, 미리 흡기행정 분사에 의해 형성된 연료가 희박한 혼합공기(공연비(A/F)=30 내지 60)가 넓어진 연소실내에, 압축행정 분사에 의한 비교적 연료 농도가 높은 혼합공기(공연비(A/F)=15 내지 20에 상당하는 혼합공기)가, 층상류를 이루어, 즉, 점화 플러그(45)부근에 농후한 혼합공기층을 형성하여, 유입한다〔도 4b 참조〕.
흡기행정 분사에 의해 형성된 혼합공기는 충분히 희박하기 때문에 자기 착화하는 것은 아니고, 또한, 압축행정 분사에 의해 층상류(層狀流)를 이루도록 형성된 비교적 농후한 혼합공기는, 이후의 점화 플러그(45)에 의한 착화까지 노크 이전반응이 진행하는 정도의 시간이 없기 때문에 이것도 자기 착화하는 것은 아니며, 연료의 자기 착화를 발생하지 않고, 즉, 노크를 발생하지 않고 점화 플러그(45)에 의한 착화가 행하여진다.
상기 착화에 의해, 우선, 점화 플러그(45)부근의 과다하게 농후한 혼합공기가 연소하고, 이 과다하게 농후한 혼합공기는 연소에 있어서 공기가 부족하기 때문에 연소에 의해 대량의 그을음이 생성되지만, 도 4(B)에 나타낸 바와 같이, 흡기행정 분사에 의해 형성된 희박한 혼합공기는, 이 발생한 그을음을 착화원으로서 연소하는 등에 의해 그을음이 소비되어, 다량인 그을음을 배출하지 않고, 충분한 연소 에너지를 발생시킬 수 있게 된다.
이 결과, 도 5a, 도 5b, 도 6a, 도 6b를 참조하여 이미 설명한 바와 같이, 점화 시기의 리타드를 약하게 하면서 노크 한계 출력이 대폭 향상하고, 이 노크 한계 출력의 대폭적인 향상은, 아이들 회전수의 저하를 가능하게 한다. 이 때문에, 예를 들면 도 3중에 나타낸 바와 같이, 종래 형식의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관(본 분할 분사를 하지 않은 것)의 아이들 회전수(Ne 0)에 대하여, 본 내연 기관(분할 분사를 행하는 것)의 아이들 회전수(Ne1)는 보다 낮게 설정할 수 있다.
결국, 일반적으로 노크의 발생은 엔진의 회전수가 낮을수록 발생하기 쉽고, 또한, 점화 시기를 리타드시키면 발생하기 어렵게 된다. 예를 들면 도 9에 곡선(L1)으로 나타낸 바와 같이, 엔진 회전수, 점화 시기에 대하여 노크 발생 한계가 존재한다. 한편, 본 엔진을 탑재한 차량의 발진시에는, 최저한도의 토오크(발진 요구 토오크)가 필요하게 되지만, 이 발진 요구 토오크는 예를 들면 도 9에 곡선(L2)으로 나타낸 바와 같이, 엔진 회전수, 점화 시기에 대하여 존재한다.
따라서, 차량이 노크를 발생하지 않고 발진할 수 있기 위해서는, 양 조건을 만족시키는 상태, 즉, 곡선(L1)이하에서 곡선(L2)이상 영역(A1)내에, 엔진 회전수, 점화 시기를 설정할 필요가 있다. 상기의 경우에는, 710rpm이 엔진 회전수의 하한치이기 때문에, 아이들 회전수는 이 정도의 회전수까지밖에 내려지지 않는다.
그런데, 본 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서는, 상술한 바와 같이, 점화 시기의 리타드를 약하게 하면서 노크 한계 출력을 대폭 향상할 수 있기 때문에, 엔진 회전수, 점화 시기에 대한 노크 발생 한계는, 예를 들면 도 9중의 곡선(L3)과 같이 되고, 또한, 엔진 회전수, 점화 시기에 대한 발진 요구 토오크는 예를 들면 도 9에 곡선(L4)으로 나타낸 바와 같이 된다.
따라서, 차량이 노크를 발생하지 않고 발진할 수 있는 영역은, 곡선(L3)이하 곡선(L4)이상의 영역(A2)내로 되고, 엔진 회전수의 하한치는 N0으로 대폭 저하한다. 따라서, 노크 방지, 발진 출력의 확보의 면에서는, 아이들 회전수는 이 N0정도의 회전수까지 내릴 수 있지만, 한편으로 아이들 회전수를 내리면 차체 진동이 증가하기 때문에, 부하 영역(A3)(여기에서는, 600rpm 이하)이 존재한다.
그래서, 상기의 경우에는, 아이들 회전수는 이 부하 영역(A3)(600rpm정도)에서 규정되게 된다.
또한, 일반적으로, 자동차용 엔진에 있어서는, 에어컨디셔너 작동시에는 아이들업시키지만, 본 기관에서도, 에어컨디셔너 작동시에는, 에어컨디셔너 비작동시보다도 소정 회전수(예를 들면 50rpm 정도)만 높이도록 한다.
어쨌든, 아이들 회전수를 대폭으로 내릴 수 있기 때문에, 연비(연료 소비율)를 대폭 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
예를 들면, 도 10은, 엔진 회전수에 따른 연비(燃費)특성을 나타내는 것으로, 도 9에 나타내는 영역(A1)에 근거하여 아이들 회전수(종래 엔진의 아이들 회전수) 700rpm보다 약간 크게 함에 대하여, 본 엔진으로서는, 대폭으로 아이들 회전수를 저하할 수 있기 때문에, 10 내지 20%정도의 연비 향상 효과가 있다.
또한, 본 엔진에서의 분할 분사는 발진시에 한정되지 않고 사용할 수 있으며, 이 분할 분사에 의한 엔진의 저회전시에 있어서의 출력 토오크 향상은 주행 성능의 향상에 대폭으로 기여한다.
물론, 이러한 분할 분사는 매뉴얼 트랜스미션차등, 발진시의 노크 회피, 발진 토오크 확보를 위해서 아이들 회전수를 특별히 높일 필요가 없는 차량의 엔진에 사용해도, 엔진의 저회전시에서의 출력 토오크를 향상시킬 수 있기 때문에 역시 주행 성능의 향상에 대폭으로 기여한다.
또한, 매뉴얼 트랜스미션차의 엔진에 적용한 경우, 저회전시에서의 출력 토오크가 향상하는 것으로, 토오크 여유가 생기며, 플라이휠의 관성을 크게 설정할 수 있다. 이것에 의해, 트랜스미션으로부터 발생하는 덜거덕거리는 소리(달그락 달그락 소리)를 방지할 수 있는 이점도 있다.
또한, 상술한 발진시 노크의 우려를 회피할 수 있는 것은 압축비를 높이는 점에서도 매우 유리하게 된다. 결국, 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서는, 흡기 냉각 효과에 의해서 본질적으로 노크(노킹)가 발생하기 어렵기 때문에 압축비를 높게 설정할 수 있고, 또한 일반적으로 가속 직후에 발생하기 쉬운 과도 노크가 발생하기 어렵고 가속시에 빠르게 점화 시기를 진각(進角)시킬 수 있기 때문에, 이 점에서 압축비를 또한 높일 수 있다고 하는 특성이 있지만, 발진시 노크가 생기는 것으로 압축비를 높이는데 한도가 있지만, 이 발진시 노크의 회피에 의해, 압축비를 또한 높이는 것이 가능하게 되는 이점도 있다.
다음에, 제 2 실시 형태에 관계되는 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관(이하, 통내 분사 엔진이라고도 칭함)의 구성에 대하여, 도 11a 내지 도 13c를 참조하여 설명한다.
본 실시 형태로서는, 분할 분사를 행하는 조건을 제 1 실시 형태인 경우보다도 완변하게 한정하고, 분할 분사가 효과적인 운전 상태에 한해서 분할 분사를 행하도록 한다. 또한, 분할 분사모드와 그 밖의 모드의 전환시에, 점화 시기를 적절히 제어하도록 고려하고 있다.
결국, 분할 분사 실행 조건은 다음의 각 조건에 설정되어, 이들이 어느 것이나 성립하면 분할 분사를 실행한다.
(분할 분사 실행 조건)
① 엔진 고장 및 시동 모드이외인 것. 이것은, 전제 조건이고, 엔진이 통상 작동하고 있는 경우가 아니면 분할 분사는 아무런 필요 없다.
② 고압 연료 펌프(25)하류의 연료 공급 통로(23B)의 연소 압력이 도시하지 않은 연소 압력 검출 수단에 의해 높은연소(高燃) 압력이라고 판정된 후, 소정 시간이 경과하고 있는 것. 이것은, 압축 분사의 허가 조건과 동일하며, 분할 분사는 압축 분사를 수반하기 위해서 설치되어 있다. 결국, 층상 연소를 성립시키기 위해서는 연료가 충분히 미립화되어 있는 것, 즉, 고압 분사되어 있는 것이 필요하며, 또한, 저연소 압력으로 연료분사 밸브(21)를 구동하면 분사압이 통내압보다도 낮게 되어, 연료분사 밸브(21)의 개방 밸브시에 연료가 연료분사 밸브(21)측으로 역류를 발생시킬 우려가 있어, 이것을 방지하기 위해서이다.
③ 「수온＞린 개시 수온(예를 들면 75°C)」인 것. 이것은, 층상 연소에 의해 안정하고 연소 가능한 기관 온도 조건이다.
④ 「엔진 회전수(Ne)＜소정 회전수」인 것. 이것은, 엔진 회전수(Ne)가 너무 높으면, 출력적으로 봐서 스토이키오 피드백 모드 또는 인리치 모드와 비교하여 분할 분사의 효과가 적지 않기 때문에, 분할 분사의 효과를 얻을 수 있는 회전 영역에 한정하고 있다.
⑤ 「Ev＞설정치」인 것. 이것은, 노크 발생 영역이고, 노크 억제 효과가 있는 분할 분사가 유효하게 작용하는 조건이다.
⑥ 노크 학습 결과가 노크 발생의 가능성이 높은 상태에 있는 것. 이것도, 노크 억제 효과가 있는 분할 분사가 유효하게 작용하는 조건이다.
⑦ 린 모드(압축 린 및 흡기 린) 이외인 것. 이것은, 린 모드의 선택되는 엔진의 저부하 영역에서는 분할 분사의 필요가 없기 때문이다.
⑧ A/F 유인(tailing) 종료후인 것. 이것은 A/F(공연비)의 안정 상태를 판정하기 위해서이다. 결국, 분할 분사로 이행할 때에, 연료 분사량등의 설정을 적정으로 하기 위해서이다.
또한, ① 내지 ⑦의 각 조건이 성립한 때에,「△TPS＞설정치」가 검출된 경우에는, 운전자가 큰 가속을 요구하고 있기 때문에 강제적으로 A/F 유인 종료시키고나서 분할 분사모드로 전환하도록 설정되어 있다.
이러한 여러 가지 조건이 성립하면, 분할 분사를 하지만, 이 분할 분사의 펄스 폭(연료 분사 시기)에 관하여는, 흡기행정 분사시의 펄스(Tinjm, 메인펄스) 및 압축행정 분사시의 펄스(Tinjs, 서브펄스)는 다음과 같이 산정한다.
Tinjm=(Tb×Kaf×Ke1s×Ktrn)×Kdinjm+Td
Tinjs=(Tb×Kaf×Ke1s×Ktrn)×Kdinjs+Td
다만, Kdinjm : 메인 펄스 분할 계수, Kdinjs : 서브 펄스 분할 계수, Tb : 베이스 시간, Kaf : 목표 A/F보정 게인, Ke1s : 그 밖의 보정 게인, Ktrn : 가감속 보정 게인, Td : 낭비 시간이다.
또한, 메인 펄스(Tinjm) 및 서브 펄스(Tinjs)는 연료분사 밸브의 능력에 따라서 분사 기간에 대하여 최소 분사 시간을 설정하여 최소 클립 처리를 행하는 것이 바람직하다.
또한, 분할 분사모드시에는, △Pe에 의한 펄스 폭 설정은 금지한다. 이것은 분사 타이밍이 2행정에 걸치기 때문에, 각각의 분사 타이밍으로 펄스 폭 보정을 하면 토탈 공연비가 어긋나 적정한 공연비가 이루어지지 않게 되기도 하고, 반대로, 토탈 공연비를 적절히 하고자 하면 제어가 복잡하게 된다고 하는 문제가 발생하기 때문이다.
분사 종료 시기에 관하여는, 메인 펄스인 경우, 엔진에 따라서 흡기행정 말기 또는 압축행정 개시시 부근으로 설정된다.
그리고, 본 실시 형태로서는, 분할 분사모드이외의 모드로부터 분할 분사모드에 돌입한 경우나, 이 분할 분사모드로부터 다른 모드에 이탈한 경우에는, 소정 행정의 사이만은, 점화 시기를 전 모드의 점화 시기에 유지하도록 설정되어 있다.
결국, 도 11a에 나타낸 바와 같이, 어떤 시점에서 분할 분사모드로부터 흡기 분사모드로 전환한 경우, 흡기 분사모드로 전환한 후도, 소정의 행정수 사이는 분할 분사모드에 따른 점화 시기에 의해 점화한다.
즉, 분할 분사는 흡기행정으로부터 압축행정까지 걸쳐서 연료 분사를 하기 때문에, 어느 시점에서 분할 분사모드에서 흡기 분사모드로 전환되어도, 이미 분할 분사모드에서의 흡기행정 분사만을 종료하기도 하고 실행중이기도 하고, 또는, 흡기행정 분사후의 압축행정 분사를 종료하고 있기도 하고 실행중이기도 하는 상태로, 점화가 아직 실행되지 않은 상황이 있다.
예를 들면, 도 11a에 있어서, 분사모드 전환 신호가 출력된 시점에서, 제 4 기통(#4)은 분할 분사모드에서의 흡기행정 분사후의 압축행정 분사중이고, 제 2 기통(#2)은 흡기행정 분사만 종료하여 이후의 압축행정 분사를 하고자 하는 상태이다. 이 때문에, 이들 기통으로서는 점화도 아직 행하여지지 않는다. 또한, 도 11a, 도 11b 중에서, #1 내지 #4는 각각 제 1 내지 4기통을 나타낸다.
이러한 경우에는, 분사모드가 전환된후에도, 분할 분사모드에 따른 점화 시기에서 점화를 한다. 예를 들면 도 11a에 기재하는 경우는, 적어도 제 4 기통(#4) 및 제 2 기통(#2)은 분할 분사모드에 따른 점화 시기에서 점화한다. 그리고, 연료 분사가 새로운 모드에 대응한 분사로 전환된후 시작하여 점화 시기도 새로운 모드에 대응한 것으로 전환하도록 한다.
결국, 분할 분사는 노크가 발생하기 어려운(노크 억제 효과가 있다) 분사 형태이기 때문에, 분할 분사의 점화 시기는 진각(進角)측으로 설정되어 있고, 이것에 대하여 흡기 분사의 점화 시기는 노크의 발생을 억제하기 위해서 지연각측으로 설정되어 있다. 이 때문에, 도 11a에 나타내는 제 4 기통(#4) 및 제 2 기통(#2)인 경우와 같이, 분사모드로서는 분할 분사로부터 흡기 분사에 전환 신호가 이미 출력되어 있어도 분사 형태는 여전히 분할 분사를 계속하고 있는 경우에, 흡기 분사에 대응한 점화 시기에서 점화를 하면 원래(분할 분사에 대응한 시기)보다도 점화 시기가 지연되어, 그만큼 출력이 감소하기 때문이다.
또한, 도 11b는, 어느 시점에서 흡기 분사모드로부터 분할 분사모드로 전환된 경우이지만, 상기의 경우에도 분할 분사모드로 전환된후에도, 소정의 행정수 사이는 흡기 분사모드에 따른 점화 시기에 의해 점화를 행한다.
예를 들면, 도 11b에서는, 분사모드의 전환 신호가 출력된 시점에서, 제 1 기통(#1)은 흡기행정 분사가 종료하고, 제 3 기통(#3)은 흡기행정 분사중이기 때문에, 상기의 경우에는, 제 1, 3기통 함께 분할 분사모드로 전환된후에도 흡기 분사모드에 따른 점화 시기에 의해 점화를 행한다.
결국, 분사모드로서는 흡기 분사로부터 분할 분사에 전환 신호가 이미 출력되어 있어도 분사 형태는 여전히 흡기 분사를 계속하는 경우에, 분할 분사에 대응한 점화 시기에서 점화를 행하면 원래(흡기 분사에 대응한 시기)보다도 점화 시기가 진척되어, 그만큼 노크가 발생하는 가능성이 높아지기 때문이다.
그래서, 본 실시 형태와 같이, 분사모드의 전환 신호의 타이밍과 관계되지 않는 분할 분사시에는 분할 분사용의 점화 시기에서 점화를 행하는 것으로 엔진 출력을 확보하고, 흡기 분사시에는 흡기 분사용의 점화 시기에서 점화를 행하는 것으로 노크를 억제하도록 하고 있다.
또한, 도 11b에 있어서, 제 4 기통(#4)에 관하여는, 분할 분사모드로 전환된때의 신호에 근거하여 연료 분사가 실행된다. 결국, 새로운 모드 즉 분할 분사모드에 의해 연료 분사가 행하여지고, 또한 분할 분사모드에 따른 점화 시기에 의해 점화가 행하여진다.
본 발명의 제 2 실시 형태로서의 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관은 상술한 바와 같이 구성되기 때문에, 예를 들면 도 12에 나타낸 바와 같이하여 분할 분사모드(분할 분사 제어)가 행하여진다.
결국, 우선, 연료 성상 검출 수단(105)으로 검출된 연료 성상 정보(연료 옥탄가 정보)에 근거하여 연료 옥탄가를 판정하여(스텝 S10), 엔진의 운전 상태, 즉, 엔진 회전수(Ne), 스로틀 개방도(θth), 냉각 수온, 흡입 공기량, 흡기 온도, 대기압등을 판독한다(스텝 S20).
그리고, 분할 분사 조건이 성립하고 있는지 아닌지를 판정한다(스텝 S35). 결국, ① 엔진 고장 및 시동 모드이외, ② 높은 연소 압력(高燃壓) 판정후 소정 시간 경과, ⑧「수온린 개시 수온」, ④ 「엔진 회전수(Ne)＜소정 회전수」, ⑤ 「Ev설정치」, ⑥ 노크 학습 결과가 노크 발생 가능성이 높은 상태에 있다, ⑦ 린모드 이외이다, ⑧ A/F 유인 종료후에 있다, 의 각 조건이 어느 것이나 성립하고 있는지 아닌지가 판정된다.
분할 분사 조건이 성립하지 않으면, 스텝(S80)으로 진행하여, 플래그(A)를 판정한다 . 이 플래그(A)는 분할 분사 제어시에 1로 되고, 분할 분사 제어가 행하여지지 않으면 0으로 된다. 여기에서, 플래그(A)가 1(즉, 분할 분사 제어중)이면, 스텝 (S90)으로 진행하여, 분할 분사 제어를 해제(분할 분사 제어 종료)시키고, 플래그(A)를 0으로 되돌려, 스텝(S110)으로 진행한다. 또한, 플래그(A)가 1(즉, 분할 분사 제어중)이 아니면, 스텝(S130)으로 진행하여, 대응하는 모드(분할 분사 이외)로 점화 시기 제어를 행한다.
한편, 분할 분사 조건이 성립하면, 스텝(S50)으로 진행하여, 플래그(A)를 판정한다. 여기에서, 플래그(A)가 1(즉, 분할 분사 제어중)이면, 스텝(S120)으로 진행하여, 분할 분사모드로 점화 시기 제어를 행한다.
스텝(S50)에서 플래그(A)가 1이 아니라고 취급되면, 스텝(S60)으로 진행하여, 분할 분사 제어(분할 분사모드)를 실행한다. 그리고, 분할 분사 제어 종료후에, 스텝(S70)으로 진행하여, 플래그(A)를 1에 세트하여, 스텝(S110)으로 진행한다.
스텝(S110)에서는, 전의 운전 모드 점화 시기를 유지하여 점화 제어를 행한다. 이것은, 분할 분사 이외의 모드로부터 분할 분사모드로 이행한 경우(스텝S35→S50→S60→S70→S110)와, 분할 분사모드로부터 분할 분사 이외의 모드로 이행한 경우(스텝 S35→S80→S90→S110)가 있고, 어느 쪽의 경우도, 소정 시기, 결국, 연료 분사가 새로운 모드로 전환된때까지는, 연료 분사의 모드에 합쳐서 전의 운전 모드 점화 시기를 유지하여 점화 제어를 행하는 것이다.
이것에 의해, 예를 들면 분할 분사로부터 흡기 분사로의 이행시에, 연료 분사가 아직 분할 분사인 경우에는, 분할 분사용 점화 시기에서 점화를 행하는 것으로 엔진 출력을 확보하고, 흡기 분사로부터 분할 분사로의 이행시에 연료 분사가 아직 흡기 분사인 경우에는, 흡기 분사용 점화 시기에서 점화를 행하는 것으로 노크를 억제하도록 하고 있다.
또한, 도 13a 내지 도 13c는, 분할 분사와 흡기 분사의 발생 토오크 특성을 나타내는 도면이고, 도 13a는 최적의 점화 시기로 하였을때의 공연비(A/F)에 대한 토오크(T)의 특성을 나타내고, 도 13b는 최적 공연비에서의 점화 시기(IG)에 대한 토오크(T)의 특성을 나타내고, 도 13c는 점화 시기를 노크점(K점)으로 하였을때의 공연비(A/F)에 대한 토오크(T)의 특성을 나타낸다.
도 13a에 나타낸 바와 같이, 최적 점화 시기(최상의 출력이 얻어지는 점화 시기)를 선택할 수 있으면, 분할 분사보다도 흡기 분사의 쪽이 큰 출력 토오크가 얻어지지만, 도 13b에 나타낸 바와 같이, 노크 억제를 고려하여 점화 시기(IG)를 설정하고자 하면, 분할 분사 쪽이 흡기 분사보다도 큰 출력 토오크가 얻어진다. 이러한 노크 억제를 고려한 점화 시기에서는, 도 13b에 나타낸 바와 같이, 총합 공연비(A/F)의 설정에 의해서도, 분할 분사 쪽이 흡기 분사보다도 큰 출력 토오크가 얻어지는 영역이 많이 있고, 이러한 특성으로부터도 분할 분사가 출력의 면에서도 효과가 있는 것이 판명된다.
또한, 도 13c에 나타낸 바와 같이, 분할 분사 쪽이 최대 토오크가 얻어지는 공연비(A/F)가 작게 설정될 수 있기 때문에, 분할 분사는 특히, 스로틀 전개방 상당의 주행시의 출력 향상에 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 연소실(18)내에 연료를 직접 분사하는 연료분사 밸브(21)를 갖추어, 중·고부하시의 특정운전 영역에서 압축행정중에 연료를 분사하여 층상 연소를 행하는 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관에서,
    상기 층상 연소시에는, 상기 압축행정중의 연료분사에 앞서 미리 흡기행정중에 상기 연료분사 밸브(21)로부터 자기 착화할 수 없는 양의 연료를 분사하도록 상기 연료분사 밸브(21)를 구동 제어하는 제어 수단(16)을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 특정운전 상태는 기관 회전수가 미리 설정된 소정의 기관 회전수보다도 낮은 운전 상태인 것을 특징으로 하는 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 흡기행정중의 연료 분사는 상기 연료분사 밸브(21)의 성능에 따라서 여러회로 나누어 행하여지는 것을 특징으로 하는 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 수단(16)은 저부하시에는 주로 압축행정중에 연료를 분사하여 층상 연소를 행하고, 상기 특정운전 영역을 제외하는 중·고부하시에는 주로 흡기행정중에 연료를 분사하여 예비혼합 연소를 하도록 상기 연료분사 밸브(21)를 구동 제어하는 것을 특징으로 하는 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 수단(16)은 상기 중·고부하시의 특정 운전 영역에서는 흡기행정중에 거의 일정량의 연료를 분사하여, 압축행정중에 부하 상태에 거의 비례한 양의 연료를 분사하도록 상기 연료분사 밸브(21)를 구동 제어하는 것을 특징으로 하는 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 수단(16)은 상기 중·고부하시의 특정 운전 영역에서는 흡기행정중에 공연비가 30 내지 60정도가 되는 양의 연료를 분사하여, 압축행정중에 토탈 공연비가 이론 공연비보다도 리치가 되는 양의 연료를 분사하도록 상기 연료분사 밸브(21)를 구동 제어하는 것을 특징으로 하는 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 토탈 공연비는 12정도인 것을 특징으로 하는 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기의 압축행정중의 연료 분사량은 토탈 연료분사량에 대하여 60 내지 90%정도인 것을 특징으로 하는 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 내연기관은 다기통형 내연기관으로서, 상기 연료분사 밸브(21)는 각 기통마다 각각 설치됨과 동시에, 상기 제어 수단(16)은 상기 중·고부하시의 특정운전 영역에서의 어떤 기통의 흡기행정중의 연료분사 시기가 다른 기통의 압축행정중의 연료분사 시기와 중복하지 않도록 상기 연료분사 밸브(21)를 제어하는 것을 특징으로 하는 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관.
  10. 제 1 항, 제 4 항, 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 특정운전 영역은 상기 기관의 온도가 소정 온도 이상이고 또한 상기 기관의 회전수가 소정 회전수 이하의 운전 영역인 것을 특징으로 하는 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관.
  11. 제 1 항에 있어서, 연료 성상을 검출하는 연료 성상 검출 수단(105)을 구비하고, 상기 연료 성상 검출 수단(105)의 검출 결과에 근거하여 상기 제어 수단에 의한 상기 중·고부하시의 특정운전 영역에서의 상기 흡기행정중에서 연료분사량이 보정되는 것을 특징으로 하는 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관.
  12. 제 2 항에 있어서, 상기 기관의 점화 시기를 제어하는 점화시기 제어 수단(104)을 갖추고,
    상기 제어 수단(16)은 상기 운전 상태가 상기 저부하 영역에 있는 경우에, 압축행정중에 연료를 분사하도록 상기 연료분사 밸브(21)를 제어하는 층상 연소모드와, 상기 운전 상태가 상기 특정운전 영역인 경우에, 압축행정중의 연료분사에 앞서 미리 흡기행정중에 자기 착화할 수 없는 양의 연료를 분사하도록 상기 연료분사 밸브(21)를 제어하는 분할 층상 연소모드와, 상기 운전 상태가 상기 저부하 운전 영역 및 상기 특정운전 영역이외의 영역인 경우에, 흡기행정중에 연료를 분사하도록 상기 연료분사 밸브(21)를 제어하는 예비혼합 연소 모드의 어느 것인가를 선택하여 상기 기관의 운전을 하는 모드 선택 수단(102)을 구비하고,
    상기 점화시기 제어 수단(104)은 상기 모드 선택수단(102)에 의해서 상기 분할 층상 연소모드와 분할 층상 연소모드 이외의 운전모드 사이에서 전환되는 경우, 적어도 상기 연료분사 밸브의 분사 타이밍이 전환하기 전의 연소모드로부터 전환한 후의 연소모드로 전환될때까지는, 상기 전환 전의 연소모드에 따른 점화 시기를 유지하여 제어하는 것을 특징으로 하는 불꽃 점화식 통내 분사형 내연 기관.
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