KR20010024364A - 직접 분사 엔진용 제어 장치 - Google Patents

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KR20010024364A
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fuel
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heated
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KR1020007003471A
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니시무라히로후미
구지요이치
고노세이코
야마시타히로유키
아라키케이지
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제임스 이. 미러
마츠다 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 촉매가 여전히 가열되지 않은 상태에 있을 때 직접 분사 엔진으로부터 배출되는 HC, NOx 및 다른 배출물의 양을 감소시키기 위한, 및 배기 가스의 온도를 증가시킴으로써 촉매의 신속한 라이트-오프 작동을 촉진시키기 위한 것이다. 연료 분사 제어기(33)는 온도 상태 판별기(31)로부터의 결과에 근거하여 분사기(11)를 제어하며 그러한 방법에 있어서 분사기(11)는 흡입 행정에서 점화점까지의 주기동안 적어도 촉매(22)가 가열되지 않은 상태 때인 저부하에서 압축 행정의 중간 또는 그 후에 수행되는 후기 분사 사이클과 후기 분사 사이클 전에 수행되는 조기 분사 사이클을 포함하는 적어도 2단계 분할 분사를 한다.

Description

직접 분사 엔진용 제어 장치{CONTROL DEVICE FOR DIRECT INJECTION ENGINE}
연료를 연소실내로 직접 분사시키기 위한 분사기를 갖는 직접 분사 엔진은 종래에 공지되어 있다. 이러한 엔진은 혼합물이 점화 플러그 주위에 국부적으로 분포되는 조건이 압축 행정의 후반에 연료를 분사시킴으로써 형성되도록 작동되어 저부하 상태에서 소위 층상 급기 연소가 이루어지도록 한다. 이러한 작동은 공연비(희박한 혼합물)를 증가시킬 수 있는 반면 연소 안정성 및 향상된 연료 절약을 유지할 수 있다.
예를 들면, 자동차의 엔진에서 배출된 배기 가스는 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO), 및 산화질소(NOx)를 함유하고 있으며, 요즘에는 유해한 성분 발생을 감소시키고 경감시켜 이러한 배기의 향상된 특성을 가능하면 많이 얻을 필요가 있다. 종래에 사용된 일 방법은 배기 통로에 촉매 컨버터를 설치하는 것으로, 이는 배기 통로에 촉매 컨버터를 설치하는 것과 마찬가지로 전술한 직접 분사 엔진에서 공통 요소이다. 촉매 장치가 3원 촉매(three-way catalyst) 장치인 것과 같은 일반적으로 널리 공지된 실시예는 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO) 및 산화질소(NOx)를 대략 화학량론적 공연비(stoichiometric air-fuel ratio)로 깨끗이 할 수 있는 능력을 갖는다. 이미 개발된 다른 실시예는 전술한 직접 분사 엔진 등에서 층상 급기 연소에 의한 희박 연소 작동에 적합하도록 하는 "희박(lean)" 작동 범위에서도 NOx를 깨끗하게 할 수 있는 촉매 장치이다.
예를 들면 심사청구되지 않은 일본 특허 공개 제 92-231645 호에 개시된 연료 분사 제어 장치는 예를 들면 직접 분사 엔진 형태에서 저온에서 촉매의 변환 효율을 향상시키기 위한 장치로 공지되어 있다. 배기 통로에 설치된 희박 NOx 촉매를 갖는 직접 분사 엔진에 있어서, 상기 형태인 희박 NOx 촉매는 NOx를 감소시키기 위한 HC를 필요로 하며, 이 장치는 압축 행정의 후반에 분사기로부터 제 1 분사를 하고, 촉매의 온도가 낮을 때 흡입 행정에서 압축 행정의 전반로의 주기내에 희박 NOx 촉매로 HC를 공급하기 위한 소량의 연료를 분사하기 위한 전술한 제 1 분사에 부가적인 제 2 분사를 하거나, 또는 촉매의 온도가 고온일 때 연소 행정의 후반부에서부터 배기 행정의 전반부로의 주기내에 전술한 제 1 분사에 부가해 전술한 제 2 분사를 하도록 구성된다. 이러한 장치에 있어서, 제 2 분사에 의해 분사된 연료로부터 유도된 HC는 연소실내의 연소에 거의 영향을 미치지 않는 소량의 레벨로 제 2 분사에 의해 분사된 연료량을 설정함으로써 배기 통로의 촉매 장치에 공급되며, 전술한 방법으로 저온 및 고온 조건에서 제 2 분사의 시기를 바꿈으로써 HC의 낮은 끓는점 성분이 저온 조건의 촉매에 공급되며 HC의 높은 끓는점 성분은 고온 조건의 촉매에 공급된다.
배기 가스 변환을 위한 촉매는 촉매가 아직 가열되지 않았을 때 및 촉매 온도가 활성 온도보다 낮을 때 촉매의 변환 효과를 충분히 나타낼 수 없다. HC 및 NOx는 위 경우 대량으로 방출되기 쉽다. 이러한 이유로 인해, 엔진에서부터 배기 통로로 배출되는 HC 및 NOx 배기물양을 감소시킬 필요가 있으며 예를 들면 촉매가 여전히 가열되지 않은 상태일 동안 배기 가스 온도를 증가시킴으로써 촉매의 신속한 라이트-오프 작동을 촉진할 필요가 있다.
그러나 전술된 직접 분사 엔진은 촉매가 쉽게 가열되지 않는다고 하는 문제점을 갖는데, 이는 촉매가 아직 가열되지 않았을 때조차 압축 행정시 분사를 통해 층상 급기 연소를 수행함으로써 공연비가 증가되는 경우 배기 통로로 배출되는 열량이 작기 때문이다.
전술한 공개 공보에 개시된 장치는 압축 행정의 후반 동안 제 1 분사외에 촉매의 온도가 낮을 때 제 2 분사가 제 1 분사를 선행하도록 함으로써 저온 촉매 성능을 향상시키는 것이지만, 제 2 분사에 의해 분사된 연료의 양은 매우 작으며 연소실내에서 거의 연소됨이 없이 배기 통로의 촉매 장치로 이송된다. 따라서, 이러한 장치는 NOx를 감소시키기 위해 HC를 필요로 하는 형태의 희박 NOx 촉매가 사용될 때에만 장점을 갖는다. 또한, 상기 장치는 촉매가 여전히 저온 상태에 있을지라도 특정한 정도로 활성화된 후에만 HC를 공급하여 NOx 변환 효과를 달성할 수 있으며, HC가 상기 점보다 초기의 가열되지 않은 상태에서 방출되기 때문에, 장치는 배기의 향상을 달성하기에 바람직하게 적합하지 않다. 또한, 장치는 배기 가스 온도를 증가시킴으로써 신속한 촉매 라이트-오프 작동을 촉진하는 기능을 갖지 않는다.
심사청구되지 않은 일본 특허 공개 제 92-187841 호에 기재되어 있는 바와 같이 직접 분사 엔진의 상온 시동(cold start)을 다루기 위한 다른 측정이 이루어져 가연성은 압축 행정 동안 분사되는 연료량을 증가시킴으로써 유지될 수 있는 반면 실린더의 내부 온도가 낮게 된다. 특히, 엔진이 온간 작동(warm-running) 조건에 있을 때 엔진은 낮은 부하 범위에서 압축 행정동안 분사되도록, 중간 부하 범위에서 연속적인 흡입 및 압축 행정동안 분할 분사하도록, 및 높은 부하 범위에서 흡입 행정동안 분사되도록 제어되며, 여기서 분할 분사의 전술한 범위는 높은 부하측으로 연장되는 반면 엔진은 여전히 상온에 있다.
그러나 이 장치는 기화 및 분무의 악화에 대응하는 양만큼 많이 압축 행정중에 분사되는 연료의 양을 증가시킴으로써 간단히 가연성을 유지시키는 반면 엔진은 상온에 있으며, 상기 장치는 배기 가스 온도를 증가시킴으로써 그러나 촉매가 가열되지 않은 상태에 있는 동안 신속한 라이트-오프 및 배기 개선을 달성할 수 있는 능력을 갖지 않는다.
전술한 상황에 비추어, 본 발명의 목적은, 엔진으로부터 배출되는 HC 및 NOx와 같은 배기물의 양을 감소시키고, 촉매가 여전히 가열되지 않은 상태일 동안 배기 가스 온도를 증가시킴으로써 촉매를 라이트-오프시켜, 배기물은 촉매가 가열되지 않은 상태로 될 때가지 필요한 시간에 상당히 감소되고 촉매가 아직 가열되지 않았을 때 HC 및 다른 배기물의 양을 감소시킨다.
발명의 요약
본 발명에 따르면, 직접 분사 엔진용 제어 장치는 엔진을 제어하는데 그러한 방법에 있어서 촉매가 가열되지 않은 상태일 때인 적어도 엔진의 저부하 범위에서 흡입 행정에서 점화점까지의 주기동안 압축 행정의 중간 또는 그후에 수행되는 후기 분사 사이클과 후기 분사 사이클전에 수행되는 조기 분사 사이클을 포함하는 적어도 2단계 분할 분사를 하며, 그에 있어서, 촉매 온도는 촉매 활성 온도보다 낮은며, 후기 분사 사이클과 조기 분사 사이클중 하나는 메인 연소 주기동안 메인 연소에 기여하는 연료를 방출한다. 이러한 제어 작동은 점화후 가연성 및 연소 안정성을 보장하며 촉매가 가열되지 않은 상태와 함께 분할 분사가 이루어질 때 연소 주기의 후반에 저속 연소를 하도록 한다. 따라서 촉매가 여전히 가열되지 않은 상태에 있을 때 연소실로부터 배출되는 배기 가스중의 HC 및 NOx를 감소시킬 수 있어, 배기물에 있어서 향상을 가져오며, 배기 가스 온도의 증가로 인해 촉매의 신속한 라이트-오프 작동을 충분히 촉진할 수 있다.
본 발명은 연료를 연소실내로 직접 분사시키는 분사기가 제공된 직접 분사 엔진용 제어 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 직접 분사 엔진을 도시하는 일반적인 구성도,
도 2는 분할 분사시 조기 분사와 후기 분사의 분사점을 나타내는 다이어그램,
도 3은 제어 작동의 실시예를 도시하는 타임 차트,
도 4는 O2센서의 출력을 나타내는 다이어그램,
도 5는 공연비(air-fuel ratio)의 피드백 제어가 이루어질 때 관찰되는 O2센서의 출력에 있어서의 변화와 피드백 보정 계수에 있어서의 대응하는 변화를 나타내는 다이어그램,
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 직접 분사 엔진용 각종 피스톤을 도시하는 다이어그램,
도 7은 분할 분사가 실시되었을 때 및 흡입 행정에서 일회 분사가 실시되었을 때 관찰되는 연소된 연료에 의한 비율에 있어서 변화를 나타내는 다이어그램,
도 8은 분할 분사 및 일회 분사가 이루어졌을 때 관찰되는 불꽃 전방 영역에서의 변화를 나타내는 다이어그램,
도 9는 분할 분사가 실행되는 동안 후기 분사 시기가 다양한 방법으로 변화될 때 및 일회 분사가 실행되는 동안 점화 시기 지연량이 다양한 방법으로 변화될 때 관찰되는 배기 가스 온도 및 연료 절약율을 나타내는 다이어그램,
도 10a, 도 10b, 도 10c 및 도 10d는 분할 분사 및 일회 분사가 실행될 때 얻어지는 배기 가스 온도(도 10a), HC 농도(도 10b), NOx 농도(도 10c) 및 엔진 속도 변동 계수(도 10d)를 나타내는 그래프,
도 11은 엔진이 장착된 차량에서 HC 감소율, NOx 감소율, 배기 가스 온도 및 차량 주행 속도의 시간에 따른 변화를 나타내는 그래프,
도 12는 흡입 행정 일회 분사가 이루어질 때 및 분할 분사가 이루어질 때 점화 시기와 지시된 평균 유효 압력 사이의 관계를 나타내는 다이어그램,
도 13은 후기 분사에 의해 분사되는 연료의 비율이 다양한 방법에 의해 변화될 때 관찰되는 Pi 변동율 및 다른 변수에 있어서의 변화를 나타내는 다이어그램,
도 14는 후기 분사 시작 시기가 다양한 방법으로 변화될 때 관찰되는 Pi 변동율 및 다른 변수에 있어서의 변화를 나타내는 다이어그램.
도 1은 직접 분사 엔진의 특정 실시예를 도시한다. 도 1에 있어서, 참조부호(1)로 표시된 것은 메인 엔진 몸체로서 실린더 블럭(2)과 실린더 헤드(3)를 포함하며 여기서 다수의 실린더가 형성된다. 피스톤(4)은 각 실린더에 끼워지며 연소실(5)은 피스톤(4)의 상면과 실린더 헤드(3)의 바닥면 사이에 형성된다.
그들 구조는 특별한 방법으로 상술된다. 특정 형상을 갖는 리세스가 실린더 헤드(3)의 바닥면에 형성되며, 리세스는 연소실(5)의 상부 내면을 형성한다. 예를 들면, 연소실(5)의 상부 내면은 도시된 바와 같이 지붕 형상으로 형성되며, 연소실(5)내로 개방되는 흡입구(6) 및 배기구(7)는 상부 내면에 형성된다. 비록 각기 1개의 흡입구(6) 및 배기구(7)가 도면에 도시되어 있지만, 각기 2개의 흡입구(6) 및 배기구(7)(각기 도면에 수직인 방향으로 배열됨)가 바람직한 실시예에 제공된다. 그런 후, 흡입 밸브(8) 및 배기 밸브(9)가 각각의 흡입구(6) 및 배기구(7)에 각기 제공된다. 도시되지 않은 밸브 액추에이터에 의해 구동되는 흡입 밸브(8) 및 배기 밸브(9)는 정해진 시기에 개방 및 폐쇄된다.
점화 플러그(10)는 실린더 헤드(3)에 끼워지며 그러한 방법에서 각 점화 플러그(10)는 대략 연소실(5)의 중간에 위치되며 불꽃 간극은 연소실(5)내로 전진한다.
연료를 연소실(5)내로 직접 분사시키는 분사기(11)는 연소실(5)의 주변부에 제공된다. 도 1에 도시된 실시예에 있어서, 분사기(11)는 흡입구(6)에 가까운 연소실(5) 측면의 실린더 헤드(3)에 부착되며, 분사기(11)는 연소실(5)내로 진입한 분사기(11)의 먼 단부가 연료를 비스듬히 하방으로 분사시키도록 위치된다.
또한, 도시된 실시예에 있어서, U자형 단면을 갖는 캐비티(12)는 연소실(5)의 바닥면을 구성하는 피스톤(4)의 상부에 형성된다. 분사기(11)의 위치 및 방향, 캐비티(12)의 위치 및 점화 플러그(10)의 위치는 특정 관계를 만족시키도록 사전결정되며, 그러한 방법에 있어서 연료는 전술된 분사기(11)로부터 피스톤(4)이 상사점에 도달하는 각 압축 행정의 후반에 캐비티(12)쪽으로 분사되며, 캐비티(12)에 의해 방향이 바뀌고 결국 점화 플러그(10) 가까이에 도달한다.
고압 펌프(13)는 연료 공급 통로(14)를 통해 전술된 분사기(11)에 연결된다. 고압 펌프(13) 및 고압 조절기는 고압 레벨로 분사기(11)에 미치는 연료 압력을 공통적으로 조절하는 도시되지 않은 복귀 통로에 위치되어 있으며, 상기 고압 레벨은 압축 행정 또는 그후의 중간에 연료가 분사되도록 하기에 충분한 레벨이다.
흡입 통로(15) 및 배기 통로(16)는 전술된 메인 엔진 몸체(1)에 연결된다. 전술된 흡입 통로(15)는 서지 탱크(surge tank)(15b)의 하류쪽 개별 실린더로 분기하며, 서로 평행하게 연장하는 2개 분기 통로(15a)(1개만이 도면에 도시됨)는 각 실린더에 대해 형성된다. 분기 통로(15a)의 하류 단부의 2개 흡입구(6)는 연소실(5)내로 개방되며, 난류 강화 수단으로 사용되는 와류 제어 밸브(17)는 분기 통로(15a)중 하나에 제공된다. 와류 제어 밸브(17)가 폐쇄될 때, 와류는 다른 분기 통로(15a)를 통해 인도된 흡기에 의해 연소실(5)내에서 형성되어 연소실(5)내의 난류가 강화된다.
다른 난류 강화 수단으로서, 텀블(tumble)을 형성하는 밸브는 와류 제어 밸브(17) 대신에 일 분기 통로에 형성될 수 있거나, 또는 피스톤의 상면과 압축 행정의 상사점에 가까운 연소실의 상부 내면(실린더 헤드의 바닥면) 사이에 스퀴시(squish)가 형성되는 구성이 이루어질 수 있다.
또한, 스로틀 밸브(18)는 흡입 통로(15) 중간에 형성되고, 이 스로틀 밸브(18)는 스테퍼 모터(stepper motor)와 유사한 전기 구동 액추에이터(19)에 의해 제어가능하여 흡기량을 제어할 수 있다.
배기 가스 재순환(exhaust gas recirculation : EGR) 통로(도시되지 않음)는 EGR 밸브(도시되지 않음)를 경유해 서지 탱크(15b)에 연결되어 엔진이 난기(warm-up)될 경우 EGR 가스를 인도할 수 있다.
반면에, 이산화탄소 (O2) 센서(21) 및 배기 가스를 변환하기 위한 촉매를 수납하는 촉매 컨버터(22)는 배기 통로(16)에 제공된다. 전술된 이산화탄소 (O2) 센서(21)는 산소 농도를 계측함으로써 연소실내 혼합물의 공연비를 검출하며 센서(λO2센서)로 제조되며 그의 출력은 화학량론적 공연비에서 변한다.
촉매 컨버터(22)는 3원 촉매로 형성될 수 있는 반면, 하기에 상술되는 바와 같이 공연비가 라이트-오프 작동 후 증가된 희박 혼합물의 층상 급기 연소가 수행될 때 변환 효율을 높이기 위해 화학량론적 공연비보다 높은 공연비를 갖는 희박 혼합물에 함유된 NOx를 감소시킬 수 있는 촉매를 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 3원 촉매가 일반적으로 공지된 바와 같은 화학량론적 공연비 근처에서만 3개 오염물(HC, CO, NOx) 모두에 대해 높은 변환 효율을 나타내는 반면, 3원 촉매와 동일한 기능을 수행할 뿐만 아니라 화학량론적 공연비보다 높은 공연비를 갖는 희박 혼합물에서도 NOx를 감소시키는 촉매(희박 NOx 촉매)가 존재한다. 따라서, 이러한 촉매를 희박 작동 조건하에서 사용함으로써 NOx를 감소시키는 것이 바람직하다. 그러나 이러한 종류의 희박 NOx 촉매는 화학량론적 공연비 근처에서 최대 변환 효율을 또한 나타냄을 알 수 있다.
촉매 컨버터(22)가 희박 NOx 촉매를 수납하고 있기 때문에, 촉매 컨버터(22)가 배기 매니폴드(16a)의 바로 아래에 제공되는 경우[또는 배기 매니폴드(16a)에 직접 연결되는 경우] 촉매 온도는 고속, 고부하 조건하에서 과도하게 증가한다. 따라서, 촉매 컨버터(22)는 배기관(16b)에 직접 연결되고 배기관(16b)은 배기 매니폴드(16a)에 연결되어 촉매 컨버터(22)는 메인 엔진 몸체(1)로부터 배기 매니폴드(16a)의 바로 아래 위치보다 멀리 위치된다. 그러나 3원 촉매가 사용되는 경우, 3원 촉매가 내열 특성을 갖기 때문에 촉매 컨버터(22)는 배기 매니폴드에 직접 연결될 수 있다.
엔진을 제어하는 전자식 제어 장치(ECU)가 참조번호(30)로 표시되어 있다. 엔진의 크랭크각을 검출하는 크랭크각 센서(23), 가속기 개방도(즉, 가속 페달의 작동량)를 검출하는 가속 센서(24), 흡기량을 검출하는 공기 유량계(25), 엔진 냉각수의 온도를 검출하는 냉각수 온도 센서(26), 전술한 O2센서(21) 등으로부터의 신호는 ECU(30)에 수신된다.
전술한 ECU(30)는 온동 상태 판별기(31), 부하 상태 검출기(32), 연료 분사 제어기(33), 연료 분사량 계산기(34), 점화 시기 제어기(35) 및 엔진 속도 제어기(36)를 포함한다.
전술한 온도 상태 판별기(31)는 촉매의 온도 상태를 추정하여 촉매가 가열되지 않은 상태에 있는가를 판단하며, 촉매 온도는 전술된 냉각수 온도 센서(26)로부터 수신된 온도 감지 신호에 근거해 촉매의 활성 온도보다 낮다. 냉각수 온도가 제 1 설정 온도보다 낮으면, 온도 상태 판별기(31)는 촉매가 가열되지 않은 상태에 있는 것으로 판단하며, 냉각수 온도가 제 1 설정 온도보다 높으면, 온도 상태 판별기(31)는 촉매가 가열된 상태에 있는 것으로 판단한다. 촉매 라이트-오프 조건을 결정하기 위한 이러한 온도 상태 판단 작동은 냉각수 온도 및 그와 동시에 엔진 시동 시점으로부터 경과된 시간을 검출함으로써, 또는 촉매 온도를 직접 검출함으로써 이루어질 수 있다.
전술된 부하 상태 검출기(32)는 크랭크각 센서(23)로부터 수신된 크랭크각 감지 신호를 근거로 부하 상태를 감지한다.
전술된 연료 분사 제어기(33)는 연료 분사 시기 및 분사기 구동 회로(37)를 통해 분사기(11)로부터 분사되는 연료량을 제어한다. 촉매가 가열되지 않은 상태에 있을 때, 연료 분사 제어기(33)는 분사기(11)를 제어하여 적어도 엔진의 저부하 작동 범위에서 흡입 행정에서부터 점화점까지의 주기동안 적어도 2번의 분사 사이클을 포함하는 분할 분사를 하도록 하며, 2번의 분사 사이클은 압축 행정 또는 그 이후의 중간에 수행되는 후기 분사와 후기 분사전에 수행되는 조기 분사를 포함한다.
압축 행정의 중간은 3개의 동일한 부분, 즉 조기, 중간 및 후기로 나뉘어질 때 압축 행정의 중간부로 불리운다. 따라서, 압축 행정의 중간부는 크랭크각 형식으로 120°상사점전(before the top dead center : BTDC)의 점으로부터 60°상사점전의 점까지의 주기를 의미한다. 따라서, 후기 분사 사이클은 120°BTDC 또는 그 후의 점에서 발생하도록 된다. 그러나 후기 분사 사이클은 압축 행정 경과 주기의 3/4 전에(45°BTDC 이후가 아님) 시작하는 것이 바람직한데, 이는 하기에 상술하는 바와 같이 후기 분사 시기가 너무 늦을 경우 연소 안정성이 악화되기 때문이다.
특히, 후기 분사 사이클은 압축 행정동안 상사점전 120°에서부터 상사점전 45°까지의 주기내에 시작되도록 설정되며, 조기 분사 사이클은 후기 분사 사이클전의 바람직한 점, 예를 들면 도 2에 도시된 바와 같이 흡입 행정의 주기동안 시작되도록 설정된다.
촉매가 가열되지 않은 상태에 있을 때 수행되는 분할 분사에 있어서, 분사되는 연료량은 연료 분사량 계산기(34)에 의해 계산되어 공연비는 13 내지 17로 설정된 공연비 범위에 있게 되며, 분사되는 연료량은 전술된 연료 분사 제어기(33)에 의해 특정 비율로 나뉘어지며, 그로 인해 조기 분사 및 후기 분사에 의해 분사되는 연료량이 제어된다.
위의 작동에 있어서, 전술된 조기 분사 및 후기 분사 사이클중 하나는 메인 연소 주기내에 발생하는 메인 연소에 기여하는 연료를 분사하도록 제어될 수 있다. 일반적으로, 연소실내에서 발생하는 연소 프로세스에 있어서, 질량의 관점에서 분사되는 연료의 약 10% 이상이 연소되는 주기는 초기 연소 주기라 불리우며, 분사되는 연료의 약 10질량% 내지 90질량%가 연소되는 주기는 메인 연소 주기라 불리운다. 하기에 다시 상술되는 바와 같이, 후기 분사에 의해 분사되는 연료가 점화 및 연소되는 초기 연소는 초기 연소 주기 및 메인 연소 주기의 앞 부분을 포함하는 연소 사이클이다. 개별적인 분사 사이클에서 분사되는 연료량은 조기 분사에 의해 분사되는 연료가 연소실내의 후기 분사에 의해 분사되는 연료의 연소에 의해 불꽃을 전파할 수 있는 공연비를 갖는 혼합물을 형성하는 방법으로 설정되어, 조기 분사 및 후기 분사에 의해 분사되는 연료의 비율은 메인 연소에 기여하며, 조기 분사에 의해 분사되는 연료에 의해 형성되는 희박 혼합물은 천천히 연소된다.
특히, 분사되는 연료의 비율은, 조기 분사 하나에 의해 얻어진 연소실내의 공연비가 85 또는 그 이하가 되도록 하여 후기 분사에 의해 분사된 연료의 연소에 의해 발생되는 불꽃으로부터 불꽃 전파할 수 있는 공연비를 얻을 수 있도록 설정되며, 따라서, 조기 분사에 의해 분사되는 연료의 비율은 전체 연료 분사량의 1/5 또는 그 이상(즉, 후기 분사에 의해 분사되는 연료의 비율은 4/5 또는 그 이하임)로 된다. 예를 들면, 전체 연소실내의 공연비가 17 이고 조기 분사에 의해 얻어지는 연소실내의 공연비가 단지 85일 경우, 조기 분사에 의해 분사되는 연료의 비율은 1/5 이다.
또한, 후기 분사에 의해 분사되는 연료의 비율은 전체 연료 분사량의 1/5 또는 그 이상(즉, 조기 분사에 의해 분사되는 연료의 비율은 4/5 또는 그 이하임)이다. 따라서, 조기 분사에 의해 분사되는 연료의 비율은 1/5 내지 4/5의 범위내에 있게된다. 바람직하게는, 조기 분사에 의해 분사되는 연료량은, 조기 분사 하나에 의해서 얻어진 연소실내의 공연비가 전술한 범위내의 가연 한계 공연비(즉, 혼합물이 스스로 연소될 수 있는 공연비의 한계 : 대략 30)와 동일 또는 크도록 설정된다.
전체 연소실내의 공연비는 전술된 13 내지 17의 범위에서 화학량론적 공연비와 같거나 그보다 약간 큰 레벨로 설정되는 것이 바람직하다. 전술된 분사량 계산기는, 하기에 자세히 상술되는 바와 같이 전체 연소실내의 공연비가 O2센서로부터의 출력에 근거해 개회로 제어 또는 피드백 제어에 의해 설정된 공연비와 조화되는 방식으로 분사되는 연료량을 계산한다.
또한, 전술된 점화 시기 제어기(35)는 제어 신호를 점화 장치(38)에 출력하며 그에 따라 엔진의 작동 조건에 따른 점화 시기를 제어한다. 비록 점화 시기가 최상의 토크를 위한 최소 점화 진각(minimum spark advance for best torque : MBT)을 달성하도록 기본적으로 제어될 수 있을 지라도, 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 특정 양만큼 지연된다.
엔진 속도 제어기(36)는 예를 들면 촉매가 가열된 후보다 촉매가 가열되지 않은 상태에 있을 때 엔진 아이들링 속도가 더 크도록 하는 방법으로 흡기량 및 점화점을 제어한다.
전술된 ECU(30)는 제어 신호를 스로틀 밸브(18)를 구동시키기 위한 액추에이터(19)로 송신함으로써 흡기량을 더욱 잘 조절할 수 있도록 구성된다. 특히, 엔진이 높은 부하 범위에서 화학량론적 공연비로 작동될 때, 예를 들면 촉매가 가열되지 않은 상태에 있거나 또는 이미 가열된 상태에 있을 때 ECU(30)는 가속기의 개방도에 따라 스로틀 밸브(18)의 개방도를 제어하는 반면, 작은 부하 범위에서, 예를 들면 라이트-오프 후에 연료를 단독으로 압축 행정에서 분사시킴으로서 층상 급기 연소가 이루어질 때 ECU(30)는 스로틀 밸브(18)가 개방되도록 제어하여 흡기량을 증가시키고 그에 따라 공연비를 증가시킨다. 또한, 예를 들면 분할 분사의 경우에 있어서, ECU(30)는 전술된 와류 제어 밸브(17)를 제어하여 연소실(5)내에 와류가 발생하도록 한다.
이러한 직접 분사 엔진의 제어 작동의 실시예는 도 3의 타임 챠트를 참고로 하여 상술된다.
도 3에서, t1은 엔진 시동 작동의 마지막 시간에 있는 점을 나타낸다. 엔진 시동 작동동안 시간(t1)에 이르기까지, 공연비는 시동 토크를 유지시키기 위한 화학량론적 공연비보다 낮은 레벨(과잉 혼합)로 유지될 수 있으며, 예를 들면 분사기(11)로부터의 연료 분사는 흡입 행정에서만(흡입 행정 분사) 이루어진다. 이러한 구성에 대한 이유는, 압축 행정에서 연료 분사(압축 행정 분사)가 엔진 시동 작동동안 수행될 경우 연료에 의해 점화 플러그가 젖음으로서 열악한 기화 및 분무 그리고 결과적인 불점화를 야기하기 쉬우며, 따라서 연료 기화 및 분무를 위한 시간동안 흡입 행정 분가가 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 점화 시기는 MBT의 점으로 조절된다.
분할 분사는 촉매가 엔진 시동 끝점(t1)을 지나 가열되지 않은 상태에 있을때 이루어진다. 특히, 분사기(11)로부터의 연료 분사는 2개의 분할 부분, 즉 흡입 행정 동안 수행되는 조기 분사와 압축 행정 또는 그 후의 중간에 수행되는 후기 분사로 이루어진다. 도 3에 도시된 실시예에 있어서, 연료의 동일한 비율은 조기 분사 및 후기 분사 사이클에 위치된다.
이러한 분할 분사 모드에 있어서, 전체 연소실내의 공연비는 13 내지 17의 범위내에 놓이도록 설정된다. 도 3에 도시된 실시예에 있어서, 공연비는 엔진이 시동되자 마자 정해진 시간 주기(t1 내지 t3) 동안의 화학량론적 공연비보다 높은 레벨(보다 희박한 혼합물)로 설정되며, 여기서 촉매가 가열되지 않은 상태에 있을 때 촉매 온도는 전체 주기내에서 특히 낮다. 분사되는 연료량은 O2센서가 활성화될 때까지 개회로 제어에 의한 흡기량에 따라 계산되는 반면, 분사되는 연료량은 촉매 O2센서(21)가 활성화되었을 때 "희박" 공연비를 목표로 하는 시간(t2)에서부터 O2센서(21)로부터의 출력에 근거한 피드백 제어에 의해 계산된다. 또한, 특정 시간 주기가 경과했을 때인 시간(t3)에서부터 O2센서(21)로부터의 출력에 근거한 피드백 제어는 화학량론적 공연비(λ=1)를 목표로 이루어진다.
또한, 촉매가 가열되지 않은 상태에 있는 동안 점화 시기는 지연된다. 촉매 온도가 증가되었을 때 점화 시기는 MBT측으로 전진하고(또는 지연이 사라짐) 전술된 분할 분사 모드가 없어지는 반면, 이러한 절환 작동은 토크 충격을 경감하도록 시간 지연을 가지고 이루어진다. 특히 점화 시기 지연이 연료 경감(후술될 도 10 참조)에 있어서 전술된 분할 분사 모드보다 불리하기 때문에, 촉매 온도가 특정 범위로 증가될 때 점화 시기는 시간(t4)으로 전진하며, 그런 후 촉매가 가열되었을 때 분할 분사 모드는 시간(t5)에서 없어진다.
도 3은 층상 급기 연소 엔진의 제어 작동의 실시예를 도시하는 것으로, 본 도면에서 연료 분사 모드와 공연비는 작동 조건에 따라 제어되며, 예를 들면 엔진이 저속, 저부하 범위일 경우, 층상 급기 연소를 위해 압축 행정 분사로 절환되고 공연비가 증가된다(희박한 혼합). 또한, 엔진이 고속 범위 또는 고부하 범위에 있을 경우, 균일 연소를 위해 흡입 행정 분사로 절환된다. 또한, 중간 부하 범위내 층상 급기 연소 영역과 균일 연소 영역 사이의 영역에 있어서, 토크의 갑작스런 변화를 막을 필요가 있기 때문에 분할 분사는 흡입 행정 및 압축 행정을 포함해서 이루어지는 경우가 있다.
엔진 속도는 엔진 아이들링 속도와 조화되도록 제어되며 예를 들면 엔진 시동시 엔진 아이들링 속도는 엔진 냉각수 온도에 따라 설정된다. 종래에 있어서, 엔진 속도는 점선으로 표시된 바와 같이 엔진 시동후 즉시 엔진 냉각수 온도에 대응하는 일반적인 엔진 아이들링 속도로 신속히 감소된다. 그러나 본 실시예에 있어서, 예를 들면 엔진 시동후 엔진이 아직 가열되지 않았을 때, 엔진 속도는 목표 엔진 속도를 수정함으로써 엔진 냉각수 온도에 대응하는 일반적인 엔진 아이들링 속도보다 크도록 제어되며, 그런 후 엔진 속도는 일반적인 엔진 아이들링 속도로 점차로 감소된다. 연소 안정성이 향상되며 엔진 속도가 상술된 방법으로 엔진 시동 직후 증가됨에 따라 점화 시기 지연 한계는 증가된다.
전술된 타임 차트에 도시된 제어 작동 사이의 연료 제어 작동시, 희박 조건하에서 시간 주기(t2 내지 t3)동안 수행되는 피드백 제어와 시간(t3) 또는 그 후에 수행되는 피드백 제어는 도 4 및 도 5를 참고로 상술된다.
전술된 O2센서(21)의 출력은 도 4에 도시된 바와 같이 화학량론적 공연비(λ=1)에서 갑자기 변한다. 일반적으로, O2센서(21)의 출련에 근거한 피드백 제어에 있어서, 도 5에 도시된 바와 같이 연료 분사량에 가해지는 피드백 보정 계수는 비례 상수인 P 값 및 적분 상수인 I 값에 의해 바뀌어질 수 있으며, 여기서 O2센서(21)의 출력이 과잉 상태를 나타낼 때 P 값 또는 I 값중 하나의 상수만이 연료 분사량을 감소시키는 방향으로 변하는 반면, 센서(21)의 출력이 희박 상태를 나타낼 때 P 값 또는 I 값중 하나의 상수만이 연료 분사량을 증가시키는 방향으로 변한다. 또한, O2센서(21)의 출력이 과잉 상태에서 희박 상태로 및 희박 상태에서 과잉 상태로 각기 전환될 때, 지연 시간(TRL, TLR)은 피드백 보정 계수를 전환시킬 수 있도록 설정된다.
특정 공연비를 얻기 위해 전술된 피드백 제어에서 시간 주기(t2 내지 t3)동안 연료 분사가 화학량론적 공연비의 "희박"측으로 제어될 때, 지연 시간(TRL)은 지연 시간(TLR)보다 크도록 조절되어 피드백 보정 계수의 평균값이 연료 분사량을 감소시키는 방향으로 이동되도록 한다. 결과적으로, 공연비는 화학량론적 공연비의 "희박"측으로 이동시키는 방법으로 조절된다. O2센서(21)의 출력이 과잉 상태 또는 희박 상태를 가리키는 가에 의존하는 전술된 P 값 또는 I 값을 구별함으로써 유사한 조절이 또한 가능하다.
시간(t3)에서부터의 피드백 제어 작동에 있어서, 지연 시간(TRL, TLR)은 "과잉"측 및 "희박"측의 동일 설정으로 조절되며 그에 따라 공연비가 화학량론적 공연비로 조절되는 일반적인 제어 작동을 실행한다.
도 1에 도시된 엔진은 피스톤(4)의 상부에 분사기(11)로부터 분사되는 연료를 포획하고 그를 점화 플러그(10)를 향해 방향을 전환시키기 위한 층상 급기 형성 캐비티(12)가 구비되도록 구성되며, 층상 급기 상태에서는 분사기(11)로부터의 연료 분사가 압축 행정의 중간 또는 그 후에 이루어질 때 비교적 과잉한 혼합물이 점화 플러그(10) 가까이에 국부적으로 분포된다. 그러나, 본 발명의 장치는 전술된 형태의 엔진(이후, 층상 급기 엔진이라 함) 뿐만 아니라 도 6a 내지 도 6c에 도시된 피스톤(41, 42, 43)에 의해서 혼합물을 층상화할 필요없는 직접 분사 엔진에 적용가능하다.
본 설명에 있어서, "평평한 피스톤(flat piston)"은 층상화된 급기를 형성하기 위한 전술된 캐비티(12)가 구비되지 않은 피스톤을 말한다. 따라서, 평평한 피스톤은 도 6a에 도시된 것과 유사한 완전히 평평한 상부를 갖는 것으로 한정되지 않지만, 리세스가 형성된 상부 형상 또는 돌출된 상부 형상이 층상 급기 형성을 의도하지 않는 한 도 6b 및 도 6c에 도시된 바와 같은 요구를 만족시키는 연소실 형상을 얻기 위한 리세스가 형성된 또는 돌출된 상면을 갖는 것을 포함한다.
본 발명의 장치가 전술된 비층상 급기 엔진(non-stratified charge engine)에 적용가능할 때 조차, 분사기로부터의 연료 분사가 압축 행정의 중간 또는 그 후에 이루어지는 후기 분사 및 후기 분사 전에 이루어지는 조기 분사의 제어는 도 3에 도시된 바와 같이 이루어질 수 있다. 촉매가 가열된 후, 연료 분사는 흡입 행정동안 이루어져 균일 연소를 할 수 있다. 이러한 경우, 연료 분사가 모든 작동 범위에서 λ=1에서 균일 연소가 이루어지도록 제어될 수 있는 반면, "희박" 공연비로의 균일 연소는 저속, 저부하 범위에서 이루어질 수 있다.
전술된 본 실시예의 직접 분사 엔진의 작동 특성은 하기에 상술된다.
엔진 시동시 촉매가 가열되지 않은 상태에 있을 경우, 분사기로부터의 연료 분사는 2개의 분할 부분, 즉 흡입 행정동안 수행되는 조기 분사와 압축 행정 또는 그 후의 중간에 수행되는 후기 분사를 이루는 반면, 적어도 저부하 범위에서 전체 연소실내의 공연비가 화학량론적 공연비와 대략 동일하도록 또는 그보다 약간 크도록 연료 분사량을 제어한다.
조기 분사에 의해 분사된 연료는 전체 연소실에 두루 분산되고 희박하지만 불꽃 전파를 할 수 있는 혼합층을 형성하는데, 이는 점화전에 기화, 분무 및 분산을 위한 충분한 시간이 이용되기 때문이다. 후기 분사에 의해 분사된 연료는 비교적 낮은 공연비를 갖는 혼합물이 적어도 점화 플러그(10) 근처에 존재하도록 한다. 특히 도 1에 도시된 층상 급기 엔진에 있어서, 후기 분사에 의해 분사된 연료는 점화 플러그 주위에 높은 농도로 모이게 되며, 결과적으로 화학량론적 공연비와 동일하거나 또는 그보다 큰 공연비를 갖는 혼합층이 형성되는 층상 급기 상태가 얻어진다.
그러한 연료 공급 조건이 형성될 때, 혼합물의 점화 및 연소는 소망의 방법으로 이루어지고, 엔진으로부터 배출된 배기 가스중의 HC 및 NOx가 감소되어, 배기가스를 개선하는 반면 촉매는 가열되지 않은 상태에 있으며, 배기 가스 온도가 증가하여 촉매의 신속한 라이트-오프가 수행된다. 이러한 유익한 효과는 도 7 내지 도 14를 참조하여 자세히 상술된다. 도 7 내지 도 14에서 언급된 분할 분사는 전술된 실시예에 도시된 바와 같이 조기 분사가 흡입 행정동안 이루어지고 후기 분사가 압축 행정동안 이루어지는 분할 분사를 의미한다.
도 7은 하기의 작동 조건에서 분할 분사가 이루어질 때 및 흡입 행정 일회 분사(비교예)가 이루어질 때 시험된 것으로 점화후의 연소된 연료의 양에 따른 비율에 있어서의 변화에 따른 데이타를 도시한다.
- 엔진 속도 : 1500 rpm
- 정미 평균 유효 압력(Brake mean effective pressure)(Pe) : 294 ㎪
- 점화 시기 : 압축 행정에서 상사점(TDC)으로 지연됨(MBT는 약 10°BTDC 임)
도면에 도시된 바와 같이, 연소 주기 후반의 연소는 전술된 비교예에서보다 분할 분사에서 저속이다. 이러한 것은 분할 분사가 애프터 버닝(afterburning)에 의해 배기 가스 온도를 증가시키는데 있어서 우수한 효과를 가짐을 의미한다. 이러한 방법으로 애프터 버닝이 충분히 이루어지기 때문에, 촉매의 신속한 라이트-오프 작동이 촉진되고 HC가 감소된다. 또한, 하기에 상술된 실험 데이타에 나타난 바와 같이, NOx 또한 감소된다. 이러한 현상이 일어나는 이유는 하기에 나타낸다.
후기 분사가 압축 행정의 중간 또는 그 후에 이루어질 때, λ=1의 공연비를 갖는 혼합물은 점화 플러그(10) 가까이에 적어도 국부적으로 존재한다. 예를 들면, 과잉 혼합층이 도 1에 도시된 층상 급기 엔진내의 점화 플러그(10) 주위에 국부적으로 존재하기 때문에, 점화 안정성이 보장되고 점화 후의 연소가 적절하게 이루어져, 초기 연소에서 점화 속도는 증가된다.
또한, 조기 분사에 의해 분사된 연료는 전체 연소실내에 두루 분산되고 희박한 혼합물을 형성하며, 상술된 후기 분사에 의해 형성된 혼합물의 연소가 진행됨에 따라, 불꽃은 조기 분사에 의해 분사된 연료와 후기 분사에 의해 분사된 연료의 부분과 혼합된 희박 혼합물로 전파되며, 그에 따라 희박 혼합물은 연소된다. 요약하면, 후기 분사에 의해 형성된 혼합물의 연소 및 조기 분사에 의해 분사된 연료에 의해 주로 형성되는 희박 혼합물의 계속된 연소는 메인 연소 주기동안 이루어진다. 희박 혼합물의 연소가 저속 연소 프로세스이기 때문에, NOx 발생을 억제한다.
따라서, 촉매의 신속한 라이트-오프 작동은 배기 가스 온도를 증가시킴으로써 촉진되며 HC는 산화되어 감소되는 것이 제안되었다.
또한 전술된 현상은 도 6에 도시된 평평한 피스톤을 사용하는 비층상 급기 엔진에서 달성된다. 특히, 압축 행정의 중간 또는 그 후인 후기 분사에서부터 점화까지의 시간 주기가 너무 짧아 연료는 완전히 균일한 방식으로 분산되지 않으며, 층상화되지 않을 경우, 비교적 과잉한 혼합물 및 희박한 혼합물이 불규칙적으로 분산되는 조건이 비층상 급기 엔진에서 발생된다. 국부적으로 과잉한 혼합물이 점화 플러그 가까이에 존재하기 때문에, 점화 및 연소는 바람직한 방법으로 이루어지며, 조기 분사에 의해 분사된 연료는 균일하고 희박한 혼합물을 형성하기 때문에, 불꽃은 상기 혼합물쪽으로 전파되며 이 혼합물은 천천히 연소된다.
도 7을 참조하면, 연소의 앞 부분에서 연소된 연료량의 비율이 흡입 행정 일회 분사에서보다 분할 분사에서 보다 빨리 증가하며, 이러한 것은 연소 안정성이 높다는 것을 나타낸다. 그러한 현상은 분할 분사 모드시 분사되는 연료량이 작고 층상화 정도가 비교적 낮을 때 도 6에 도시된 평평한 피스톤을 사용하는 비층상 급기 엔진 뿐만 아니라 도 1에 도시된 층상 급기 엔진에서 뚜렷하게 관찰된다. 그러한 현상이 발생하는 이유는 하기에 나타낸다.
상술된 바와 같이 비교적 과잉 혼합물과 희박 혼합물이 불규칙적으로 분산되는 조건은 비층상 급기 엔진에서 후기 분사에 의해 형성되며, 불꽃 전파 속도는 불균일하고 비규칙적인 리세스 및 돌출부는 불꽃 전파의 프로세스에서 불꽃 전방에 형성된다. 전술된 불균일성은 불꽃의 표면 영역을 증가시키고 연소의 촉진에 기여하기 때문에 연소의 앞 부분에서의 연소는 촉진되는 것이 알려졌다.
또한, 층상 급기 엔진에 있어서, 후기 분사에서 점화까지의 시간 주기가 너무 짧아 후기 분사에 의해 분사되는 연료에 의해 형성되는 혼합물은 점화 플러그 주위에 국부적으로 분포되고, 국부적으로 분포된 영역내에서 조차 공연비의 분포에 있어 불균일성이 있기 때문에, 층상화 정도가 비교적 낮을 때 점화 플러그 주위에 비교적 과잉 혼합물 및 비교적 희박 혼합물이 존재한다. 불꽃 전파 속도가 불균일하며 이는 불꽃의 표면 영역을 증가시키기 때문에 연소의 앞 부분에서 연소하는 불꽃의 표면 영역은 촉진됨을 알 수 있다.
상술된 바와 같이 연소 안정성이 향상될 때 점화 시기 지연량을 증가시킬 수 있기 때문에, 점화 시기를 지연시킴으로써 배기 가스 온도를 더 증가시킬 수 있으며 그에 따라 전술된 애프터 버닝에 의해 배기 가스 온도를 증가시키는 효과 외에 신속한 라이트-오프 효과 및 HC 및 다른 배출물의 감소를 향상시킨다.
도 8은 불꽃 전방 영역상의 분할 분사의 효과를 시험하기 위해 흡입 행정 일회 분사 및 분할 분사가 이루어질 때 관찰되는 점화점으로부터의 크랭크각과 관련해 불꽃의 표면 영역(또는 불꽃 전방 영역)에 있어서의 변화에 따른 데이타를 나타낸다. 본 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 불꽃 전방 영역은 빨리 증가하고 연소 안정성은 일회 분사와 비교되는 분할 분사에 의해 향상된다.
도 9는 후기 분사 시기가, 흡입 행정 일회 분사시 MBT의 점으로부터 지연측으로 변하는 점화 시기로 변할 때, 및 분할 분사시 MBT의 점으로 설정하는 점화 시기로 변할 때 관찰되는 연료 절약율 및 배기 가스 온도에 있어서의 변화를 나타낸다. 사용되는 작동 조건은 1500 rpm의 엔진 속도와 294 ㎪의 정미 평균 유효 압력(Pe)이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 흡입 행정 일회 분사의 경우 분사 시기가 점차적으로 지연될 때 배기 가스 온도는 증가하고 연료 절약율은 악화된다. 반면에, 분할 분사의 경우 압축 행정에서 후기 분사 시기가 약 90°BTDC(상사점전)로부터 점차적으로 지연될 때 배기 가스 온도는 증가하고 연료 절약율은 악화된다.
이러한 경우들의 비교는 배기 가스 온도가 동일할 때 연료 절약율은 분할 분사에서 감소됨을 나타낸다. (예를 들면, 흡입 행정 일회 분사에서 분사 시기가 MBT의 점에서부터 지연될 때 배기 가스 온도는 60℃까지 증가함) 요약하면, 배기 가스 온도는 일회 분사에서보다 분할 분사에서 점화 시기를 지연시킴으로써 더욱 증가될 수 있으며, 연료 절약에 있어서 악화는 대략 동일한 레벨로 유지된다. 또한, 분할 분사를 수행하는 동안 점화 시기가 지연되는 경우, 배기 가스 온도를 상당한 정도로 증가시킬 수 있다.
도 10a 내지 도 10d는 배기 가스 온도, 연소실로부터 배출되는 배기 가스중의 HC 농도 및 NOx 농도, 및 흡입 행정 일회 분사에 점화 시기가 지연된 비교예와 분할 분사에서 점화 시기가 지연된 본 발명의 실시예를 시험하여 얻어진 엔진 속도 변동 계수 ΔRPM(표준 편차)의 측정 결과를 도시하는 도면으로, 시험은 저부하 작동 조건하의 1500 rpm의 엔진 속도에서 2개 실시예(비교예와 본 실시예에서 점화 시기는 TDC까지 지연됨)에 대해 연료 소비량과 같아지도록 조절되는 점화 시기 지연량으로 이루어졌다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 동일한 작동 조건 및 동일한 연료 소비량하에서 비교예보다 본 발명의 실시예에서 배기 가스 온도는 상당히 증가되며, HC 및 NOx 농도는 더욱 감소되고, 엔진 속도 변동 계수 ΔRPM은 더욱 감소된다.
이러한 이유는, 연소 후반의 연소가 상술된 바와 같이 분할 분사에 의해 천천히 일어나기 때문에 배기 가스 온도가 증가하고 HC가 감소되며, 조기 분사에 의해 형성된 희박 혼합물의 연소가 저속 연소 프로세스로 되기 때문에 NOx가 감소되는 것으로 알려졌으며, 예를 들면, 연소 안정성은 연소 주기의 초기에 연소의 촉진 등에 의해 향상된다.
도 11은 직접 분사 엔진이 구비된 차량을 운전하는 동안 흡입 행정에서 일회 분사가 행해질 때 및 분할 분사가 행해질 때 얻어진 HC 감소율, NOx 감소율 및 배기 가스 온도의 측정 결과를 나타낸다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 배기 가스 온도의 증가는 흡입 행정 일회 분사의 경우와 비교해 분할 분사의 경우 가속되며, 결과적으로 HC 감소율 및 NOx 감소율이 50%에 이르도록 하기 위해 개별적으로 요구되는 시간 주기는 (각기 도시된 바와 같은 ta 및 tb에 의해) 상당히 감소된다.
도 12는 흡입 행정 일회 분사가 이루어질 때 및 분할 분사가 이루어질 때 시험된 점화 시기와 지시된 평균 유효 압력 사이의 관계에 대한 데이타를 나타낸다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 점화 시기가 지연될 때 지시된 평균 유효 압력(토크)이 감소될 지라도, 지시된 평균 유효에 있어서 감소 정도는 흡입 행정 일회 분사에서보다 분할 분사에서 더 작다.
전술된 데이타로부터 엔진에서 배출된 배기 가스중 HC 및 NOx가 감소되어, 배기물을 향상시키며, 본 발명에서와 같이 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 분할 분사시켜 배기 가스 온도를 증가시킴으로써 촉매 라이트-오프 작동이 촉진됨을 알 수 있다. 또한, 연소 안정성 및 연료 절약은 일회 분사시 점화 시기가 다량으로 지연되는 경우와 비교해 본 발명에서 향상된다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 후기 분사 및 조기 분사에 의해 분사되는 연료 비율의 바람직한 범위, 및 후기 분사 시기의 바람직한 범위가 하기에 상술된다.
도 13은 후기 분사에 의해 분사되는 연료 비율(또는 조기 분사에 의해 분사되는 연료량에 대한 후기 분사에 의해 분사되는 연료량의 비율)과 Pi(지시된 평균 유효 압력) 변동율, 배기 가스 온도, 연료 절약율, HC 배기량 및 NOx 배기량 사이의 관계에 관한 데이타이다. 사용되는 작동 조건은 1500 rpm의 엔진 속도, 294 ㎪의 정미 평균 유효 압력(Pe) 및 40.0℃의 엔진 냉각수 온도이며, 여기서 점화 시기는 압축 행정에서 상사점(TDC)으로 지연된다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 후기 분사에 의해 분사되는 연료 비율이 20%(1/5)보다 작으면 배기 가스 온도 증가 효과, 및 HC 및 NOx 감소 효과는 충분히 얻어지지 않는다. 후기 분사에 의해 분사되는 연료 비율이 20%(1/5)와 동일 또는 그보다 클 경우, 배기 가스 온도 증가 효과, 및 HC 및 NOx 감소 효과는 후기 분사에 의해 분사된 연료 비율에 있어서의 증가와 함께 증가하지만, Pi 변동율 및 연료 절약율은 점차로 증가한다. 후기 분사에 의해 분사되는 연료 비율이 80%를 초과할 경우, Pi 변동율은 그의 허용가능한 레벨을 초과하고 연소 안정성을 잃게된다.
따라서, 연소 안정성 및 토크를 유지시키는 반면 배기 가스 온도 증가 효과와 HC 및 NOx 감소 효과를 보장하기 위해 후기 분사에 의해 분사되는 연료 비율을 20% 내지 80%(1/5 내지 4/5)내로 유지시키는 것이 바람직하다. 이러한 것이 달성될 때, 조기 분사에 의해 분사되는 연료 비율은 4/5 내지 1/5의 범위내에 있게된다. 또한, 후기 분사에 의해 분사되는 연료 비율이 증가할 때, 즉 조기 분사에 의해 분사되는 연료 비율이 감소할 때 이들 비율이 전술된 범위내에 놓여 있는 한 배기 가스 온도 증가 효과와 HC 및 NOx 감소 효과는 커지게 된다. 조기 분사에 의해 분사되는 연료량이 낮은 레벨로 설정되는 경우, 조기 분사에 의해서만 수행되는 전체 연소실내의 공연비는 가연성 한계 공연비(대략 30)와 같아지거나 또는 그보다 크게 되며, 조기 분사에 의해 형성된 혼합물은 충분히 희박하게 된다. 이러한 희박 혼합물이 천천히 연소하기 때문에, 연소 주기의 후반의 연소를 지연시켜, 충분한 배기 가스 온도 증가 효과와 HC 및 NOx 감소 효과를 얻을 수 있다.
또한, 후기 분사에 의해 분사되는 연료량이 조기 분사에 의해 분사되는 연료량보다 작게 될 경우(후기 분사에 의해 분사되는 연료 비율로 해서 50%보다 낮음), 연소 안정성은 증가되고 연료 소비는 감소된다. 반면에, 후기 분사에 의해 분사되는 연료량이 조기 분사에 의해 분사되는 연료량보다 많을 경우(후기 분사에 의해 분사되는 연료 비율로 해서 50%보다 큼), 배기 가스 온도 증가 효과와 HC 및 NOx 감소 효과는 향상된다.
아이들링 범위와 같은 과도한 저부하 범위에서, 연소실에 공급되는 연료량은 작으며, 나뉘어진 연료 분사량에 대응하는 분사 펄스 길이(또는 분사기의 밸브 개방 주기를 결정하는 펄스 길이)는 최소의 제어가능한 분사 펄스 길이에 근접한다. 따라서, 조기 분사에 의해 분사된 연료량은 후기 분사에 의해 분사된 연료량과 차이가 있으며, 분사되는 보다 작은 연료량에 대응하는 분사 펄스 길이는 최소 분사 펄스 길이보다 작아, 분사되는 연료량을 제어하기 어려울 가능성이 있다. 이러한 상황에서, 후기 분사 및 조기 분사에 의해 분사되는 연료량을 동일하게 하는 것이 바람직하다(후기 분사에 의해 분사되는 연료의 50%).
도 14는 1500 rpm의 엔진 속도, 294 ㎪의 정미 평균 유효 압력(Pe) 및 40.0℃의 엔진 냉각수 온도의 작동 조건하에서 시험된 후기 분사 시작 시기와 Pi 변동율 및 배기 가스 온도 사이의 관계를 나타내는 것으로, 점화 시기는 압축 행정의 상사점(TDC)으로 지연된다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 후기 분사 시작점이 120°BTDC보다 선행할 때 배기 가스 온도 증가 효과는 거의 얻어지지 않는다. 후기 분사 시작점이 120°BTDC로 또는 그를 지나 지연될 때 배기 가스 온도 증가 효과는 향상된다. 그러나 Pi 변동율이 증가하고 후기 분사 시작점이 60°BTDC를 지나 지연될 때, Pi 변동율은 그의 허용가능한 레벨을 초과하며 연소 안정성을 잃게된다.
점화점이 TDC로 지연될 때 후기 분사 시작점이 120°BTDC 내지 60°BTDC의 범위내에 설정되는 경우, 적절한 연료 기화 및 분무 시간을 제공하는 것이 가능하며, 결과적으로, 배기 가스 온도 증가 효과가 얻어지는 반면 연소 안정성을 보장한다. 후기 분사 시작점이 TDC까지 지연되지 않을 경우 배기 가스 온도 증가 효과를 향상시킬 수 있기 때문에, 후기 분사 시작점은 120°BTDC 내지 45°BTDC의 범위내에 설정될 수 있다.
연소실로 공급되는 연료량이 작은 과도한 저부하 범위에 있어서, 후기 분사 시작점이 연료 기화 및 분무의 관점에서 45°BTDC를 지나지 않는 범위에 유지되는 동안 분사 시기를 충분히 지연시킬 수 있다.
또한, 후기 분사에 의해 분사되는 연료량이 비교적 작을 경우, 후기 분사 시작점은 120°BTDC 내지 45°BTDC의 범위내에 설정될 수 있는 반면 분사점은 TDC를 지나서 놓인다.
도 1에 도시된 구조 및 도 3의 타임 차트에 도시된 제어 작동에 따르면, 하기에 상술될 다른 작동 특징 및 효과를 가질 수 있다.
촉매가 가열되지 않았을 때 도 1에 도시된 와류 제어 밸브(17)가 적어도 저부하 범위에 근접하기 때문에, 연소실(5)내에 와류를 형성하며 그에 따라 연소실(5)내의 난류를 향상시킨다. 와류 제어 밸브(17)와 유사한 난류 향상 수단이 제공됨에 따라, 촉매가 여전히 가열되지 않은 상태에 있는 동안 전술된 분할 분사가 적어도 저부하 영역에서 이루어질 때 연소 안정성은 연소실내의 난류의 향상에 의해 증가된다. 따라서 후기 분사 시작점이 비교적 많은 양만큼 지연되어 분할 분사에서 신속한 라이트-오프 효과를 증가시킬 때조차 Pi 변동률을 증가시키는 동안 연소 안정성을 유지시킬 수 있으며, 점화 시기 지연 한계가 증가되기 때문에 촉매의 신속한 라이트-오프 작동이 수행된다.
도 3의 타임 차트에 도시된 제어 작동에 있어서, 공연비는 촉매가 가열되지 않은 상태일 때인 촉매 온도가 전체 주기내에서 특히 낮은 특정 시간 주기(t1 내지 t3)동안 "희박" 레벨로 설정되어, 배기 가스중 HC 및 다른 배기물이 감소된다. 또한, 상술된 바와 같이 공연비가 "희박" 레벨로 설절될 때 과도한 산소가 존재하며, 이러한 것은 분할 분사에 의해 분사된 연료의 충분한 애프터 버닝이 가능하게 하며 신속한 라이트-오프에 이롭다. 촉매 온도가 특정 점위로 증가할 때인 시간(t3)인 특정 점으로부터 촉매는 다소 활성화되며, 비록 촉매가 가열되지 않은 상태일 지라도, 공연비는 화학량론적 공연비(λ=1)로 설정된다. 결과적으로, HC 및 NOx는 촉매의 변환 효과에 의해 감소되며 그의 감소는 촉매의 신속한 라이트-오프 작동을 촉진시킨다.
공연비 제어 작동의 방법은 전술한 실질적인 실시예에 한정되지 않는다. 예를 들면, 공연비는 촉매가 가열되지 않은 상태일 때인 특정 주기 동안 화학량론적 공연비(그러나 17을 초과하지 않음)보다 "희박"한 레벨로 설정될 수 있거나, 또는 공연비는 엔진이 시동된 직후 시간점으로부터의 화학량론적 공연비와 조화되도록 제어될 수 있다.
또한, 도 3에서, 촉매가 여전히 가열되지 않은 상태일 때 신속한 라이트-오프를 위한 분할 분사가 이루어지고 점화 시기는 지연되며, 그러한 제어 작동을 제거할 때 발생하는 토크 충격을 감소시키고 연료 절약을 향상시키기 위해, 촉매 온도가 가열되었을 때 점화 시기는 MBT 측으로 전진되며, 그런 후 전술된 분할 분사 모드가 제거된다. 그러나 이러한 프로세스는 전술된 점화 시기의 전진 및 분할 분사 모드의 제거가 동시에 이루어질 수 있도록 바뀔 수 있다.
촉매가 가열되지 않은 상태인 분할 분사 모드에서 조기 분사의 시기는 흡입 행정 주기에 한정되지 않지만 상기 점이 후기 분사전에 존재하는 한 흡입 행정 또는 그 후 동안의 어느 점일 수 있다. 예로서, 조기 분사는 압축 행정의 앞 부분동안 이루어질 수 있다.
따라서 특정 실시예로서 상술된 본 발명은 하기의 특징 및 장점을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 배기 가스를 변환시키기 위해 배기 통로에 설치된 촉매 및 연료를 연소실내로 직접 분사시키기 위한 분사기를 구비하는 직접 분사 엔진용 제어 장치는 촉매의 온도 상태를 판단하기 위한 온도 상태 판별기와, 분사기로부터의 연료 분사를 제어하기 위한 분사 제어기를 포함하며, 여기서 연료 분사 제어기는 온도 상태 판별기의 판단 결과에 따라 분사기를 제어하며, 그러한 방법에 있어서 촉매 온도가 활성 온도보다 낮은, 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 분사기는 흡입 행정에서 점화점까지의 주기 동안 적어도 2단계 분할 분사를 하도록 하며, 상기 분할 분사는 적어도 엔진의 저부하 범위에서 압축 행정의 중간 또는 그 후에 수행되는 후기 분사 사이클과 상기 후기 분사 사이클 전에 수행되는 조기 분사 사이클을 포함하며, 후기 분사 사이클과 조기 분사 사이클중 하나는 메인 연소 주기동안 메인 연소에 기여하는 연료를 분사시키며, 상기 메인 연소 주기에는 분사된 연료의 약 10 질량% 내지 90 질량%가 연소실내에서 발생하는 연소 프로세스중에 연소된다.
본 발명의 본 실시예에 따르면, 분사기는 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 적어도 엔진의 저부하 범위에서 분할 분사를 한다. 압축 행정의 중간 또는 그 후에 수행되는 후기 분사 사이클은 혼합물에 불균일성을 부여하여 국부적으로 과잉 혼합물이 형성된다. 비교적 과잉 혼합물이 분산되고 점화 플러그 가까이에 국부적으로 분포되며, 점화후 연소력 및 연소 안정성이 보장되며, 균일하고 희박한 혼합층이 조기 분사 사이클에 의해 형성되기 때문에, 연소 주기의 후반에 연소가 천천히 일어나고 비교적 늦은 시간까지 연속한다. 연소 주기의 후반의 저속 연소(애프터 버닝으로 공지됨)로 인해, 연소실로부터 배출되는 배기 가스중 HC 및 NOx가 감소되어, 촉매가 가열되지 않은 상태동안 배출물을 향상시키며, 배기 가스 온도는 증가되어 촉매 라이트-오프 작동은 상당히 촉진된다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 배기 가스를 변환시키기 위해 배기 통로에 설치된 촉매와, 연료를 연소실내로 직접 분사시키기 위한 분사기를 구비하는 직접 분사 엔진용 제어 장치는 배기 가스를 변환시키기 위해 배기 통로에 설치된 촉매의 온도 상태를 판단하기 위한 온도 상태 판별기와, 분사기로부터의 연료 분사를 제어하기 위한 연료 분사 제어기를 포함하며, 여기서 연료 분사 제어기는 온도 상태 판별기의 판단 결과에 따라 분사기를 제어하며, 그러한 방법에 있어서 분사기는 흡입 행정에서 점화점까지의 주기 동안 적어도 2단계 분할 분사를 하며, 상기 분할 분사는 압축 행정 중간 또는 그 후에 수행되는 후기 분사 사이클과 엔진이 이미 가열되었든지 아니든지 상관없지만 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 후기 분사 사이클에 앞서 수행되는 조기 분사 사이클을 포함하며, 여기서 촉매 온도는 촉매 활성 온도보다 낮으며, 후기 분사 사이클 및 조기 분사 사이클중 하나는 메인 연소에 기여하는 연료를 분사한다.
본 발명의 이러한 실시예에 따르면, 촉매가 가열되지 않은 상태일 동안 연소력 및 연소 안정성은 엔진이 이미 가열되었는가 아닌가에 관계없이 분할 분사에 의해 보장된다. 또한, 배기 가스 온도 증가 효과는 애프터 버닝에 의해 얻어져 촉매가 가열되지 않은 상태일 동안 배기 향상 및 촉매 라이트-오프 작동의 촉진이 이루어진다.
본 발명의 전술된 형태에 있어서, 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 수행되는 분할 분사의 조기 분사 사이클시 분사되는 연료량은 희박 혼합물을 형성할 정도의 양으로서, 이 희박 혼합물은 화학량론적 공연비보다 높은 공연비를 가지며 적어도 후기 분사 사이클시 분사되는 연료 및 그의 연소에 의해 불꽃 전파할 수 있다.
후기 분사 사이클시 분사되는 연료 및 그의 연소에 의해 불꽃 전파할 수 있으며 조기 분사 사이클에 의해서만 연소실내에 형성된 전술된 공연비는 85 또는 이하로 설정되는 것이 바람직하다.
특히, 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 전체 연소실내의 공연비가 13 내지 17 범위 내에 놓이도록 설정되는 것이 바람직하며, 분할 분사의 조기 분사 사이클시 분사되는 연료량이 전체 연료 분사량의 1/5 또는 그 이상으로 설정되며, 조기 분사 사이클에 의해서만 얻어지는 연소실내의 공연비는 가연성 한계 공연비와 동일한 레벨 또는 그보다 큰 레벨로 설정된다. 또한, 분할 분사의 후기 분사 사이클시 분사되는 연료량이 전체 연료 분사량의 1/5 또는 그 이상으로 설정하는 것이 바람직하다.
이러한 구성으로 인해, 후기 분사시의 점화 및 결과적인 연소는 만족할만하게 이루어지며 조기 분사 사이클시 분사되는 연료는 후기 분사 사이클시 분사되는 연료 및 그의 연소에 의한 불꽃 전파에 의해 연소된다. 애프터 버닝이 이러한 방법으로 이루어지기 때문에, HC, NOx 및 다른 배출물에 있어서의 감소, 배기 가스 온도에 있어서의 증가, 및 결과적인 신속한 라이트-오프 작동과 같은 이로운 효과를 가질 수 있다.
공연비가 13 내지 17 범위내에 설정되는 이유는 높은 열방출율이 상기 공연비의 범위에서 얻어지며 배기 가스 온도를 증가시킬 수 있는 공연비를 사용할 수 있기 때문이다. 또한, 연소실로부터 배출되는 배기 가스중의 NOx 배출물이 증가하는 것을 방지할 수 있으며 조기 분사 사이클시 분사되는 연료량을 전체 연료 분사량의 1/5 또는 그 이상으로 설정함으로써 배기 가스 온도 증가 효과를 얻을 수 있다. 또한, 연소 안정성은 후기 분사 사이클시 분사되는 연료량이 전체 연료 분사량의 1/5 또는 그 이상(조시 분사 사이클시 분사되는 분사되는 연료량이 전체 연료 분사량의 4/5 또는 그 이하임)이 되도록 설정함으로써 보장된다.
위에서 언급된 전체 연료 분사량은 흡입 행정에서 점화점까지의 주기동안 분사되는 전체 연료 분사량을 의미한다.
분할 분사에 있어서, 조기 분사 사이클시 분사되는 연료량과 후기 분사 사이클시 분사되는 연료량 사이에는 일정한 관계가 있으며, 조기 분사 사이클시 분사되는 연료량이 후기 분사 사이클시 분사되는 연료량보다 작게되는 경우 배기 가스 온도 증가 효과가 증가된다.
변형예에 있어서, 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 수행되는 분할 분사의 조기 분사 사이클시 분사되는 연료량은 후기 분사 사이클시 분사되는 연료량보다 크게 될 수 있다. 이러한 변형예는 연소 안정성을 향상시킨다.
다른 변형예로서, 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 수행되는 분할 분사에서 조기 분사 사이클시 분사되는 연료량과 후기 분사 사이클시 분사되는 연료량은 서로 동일하게 될 수 있다. 특히, 아이들링 범위와 같이 연소실로 공급되는 연료량이 작은 극심한 저부하 범위에서, 분사되는 분할된 연료량은 분사되는 최소의 제어가능한 연료량(최소 분사 펄스길이)에 접급한다. 따라서, 조기 분사에 의해 분사되는 연료량이 후기 분사에 의해 분사되는 연료량과 상이할 때 분사되는 보다 작은 연료량이 분사되는 최소의 제어가능한 연료량보다 작게 될 가능성이 있는 경우 이러한 분사되는 연료량은 서로 동일하게 되는 것이 바람직하다.
본 발명의 전술된 제어 장치에 있어서, 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 수행되는 분할 분사시 후기 분사 사이클은 압축 행정 경과 주기의 3/4 전에 시작되는 것이 바람직하다. 이러한 것은 후기 분사 시작점이 더욱 지연될 경우, 토크 변동율이 증가하고 연소 안정성을 잃기 때문이다.
촉매가 가열되지 않은 상태일 동안 전술된 분할 분사가 수행될 때 점화 시기를 MBT를 지나 특정 양만큼 지연시키는 점화 시기 제어기가 제공될 경우, 점화 시기를 지연시킴으로써 배기 가스 온도 증가 효과를 얻을 수 있다. 특히, 분할 분사와 조합된 점화 시기의 지연은(연소력을 보장함) 신속한 라이트-오프 작동의 상승 효과를 일으킨다.
전술된 방법으로 점화 시기가 지연될 때, 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 수행되는 분할 분사의 후기 분사 사이클이 압축 행정 경과 주기의 중간 전에 개시되는 경우가 바람직하다. 즉, 후기 분사 시작점이 점화 시기가 지연되는 조건상의 점을 지나 지연되는 경우, 토크 변동율은 증가하고 연소 안정성은 잃게 된다.
또한, 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 분할 분사 및 점화 시기의 지연이 시작된 후 촉매 온도가 증가될 때, 분할 분사 모드는 없어지고 점화 시기는 이러한 순서로 또는 반대로 MBT 측으로 전진된다. 토크 충격은 분할 분사 모드의 제거 및 본 방법에서 시간 지연을 가지고 점화 시기를 MBT 측으로 전진시키는 작동을 수행함으로써 감소된다.
그러나 촉매가 가열되지 않은 상태일 동안 점화 시기의 분할 분사 및 지연이 시작된 후 촉매 온도가 증가될 때 점화 시기가 MBT 측으로 전진시키기 위한 작동이 우선 시작되는 것이 바람직하다. 이러한 것은 분할 분사 모드를 제거하기 위한 전술된 작동이 1차적으로 수행되는 경우, 연소력의 악화가 점화 시기의 지연에 의해 야기될 수 있기 때문이다.
일 해결 방법으로, 촉매가 가열되지 않았을 때 분할 분사 및 점화 시기의 지연이 시작된 후, 분할 분사 모드가 제거되자 마자 점화 시기는 MBT 측으로 전진될 수 있다.
분할 분사가 정지될 때인 일 경우에 점화 시기를 지연시킴으로써 연소력의 악화가 발생될 수 있기 때문에, 점화 시기는 늦어도 분할 분사 모드가 제거되자 마자 전진된다.
본 발명에서 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 전체 연소실내의 공연비가 대략 화학량론적 공연비로 설정되는 경우, 충분한 배기 가스 온도 증가 효과가 얻어지며, 촉매가 완전히 가열된 상태이기 전에도 촉매가 특정 정도로 활성화되었을 때 촉매는 그의 변환 효과를 나타내기 시작한다.
화학량론적 공연비에 따라 출력이 변하는 O2센서 및 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 O2센서가 활성화된 후 O2센서의 출력에 근거하여 공연비가 화학량론적 공연비와 조화되도록 하는 피드백 제어에 의해 분사되는 연료량을 계산하는 분사량 계산기가 제공되는 경우 공연비의 적절한 제어가 얻어질 수 있다.
촉매가 가열되지 않은 상태일 때 17을 초과하지 않는 범위내에서 전체 연소실내의 공연비는 화학량론적 공연비보다 희박한 레벨로 설정될 수 있다. 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 공연비가 다소 희박한 레벨로 설정되는 경우, 엔진으로부터 배출되는 배기 가스중의 HC 및 NOx를 감소시키는데 이롭다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 제어 장치는 화학량론적 공연비에 따라 출력이 변하는 O2센서와, 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 O2센서가 작동된 후 O2센서의 출력에 근거한 피드백 제어에 의해 분사되는 연료량을 계산하기 위한 분사량 계산기를 포함하는 것이 바람직하며, 분사량 계산기는 O2센서의 출력이 바뀌었을 때 적용할 수 있는 제어값에서 변화 지연 시간과 같은 인자, 즉 비례 상수 및 적분 상수중 하나를 조절함으로써 화학량론적 공연비의 희박측으로 편향된 점으로 공연비를 설정한다.
이러한 구성에 따르면, 촉매가 가열되지 않았을 때 λO2센서(화학량론적 공연비에 따라 출력이 변하는 O2센서 형태)를 사용하여 희박 조건을 만들었을 때조차 유효한 피드백 제어를 활용할 수 있어, 촉매가 가열된 후 화학량론적 공연비에서 피드백 제어를 수행할 때 이롭다.
상술된 바와 같이, 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 전체 연소실내의 공연비가 화학량론적 공연비보다 희박한 레벨로 제어되는 경우, 촉매 온도에 있어 뒤이은 증가에 따라 공연비를 "과잉"측으로 바꾸는데 이롭다. 특히, 예를 들면, 촉매가 활성화되기 시작하는 레벨로 촉매 온도가 증가되었을 때 공연비가 희박 상태에서 "과잉"측으로 바뀌거나, 또는 화학량론적 공연비와 조화되도록 바뀔 경우, 촉매의 변화 효과를 사용하기 이로우며 신속한 라이트-오프 효과가 더욱 증가된다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 배기 가스를 변환시키기 위해 배기 통로에 설치된 촉매 및 연료를 연소실내로 직접 분사시키기 위한 분사기를 구비하는 직접 분사 엔진용 제어 장치는 촉매의 온도 상태를 판단하기 위한 온도 상태 판별기와, 분사기로부터의 연료 분사를 제어하기 위한 분사 제어기를 포함하며, 연료 분사 제어기는 촉매 온도가 촉매 활성 온도보다 낮은 촉매가 가열되지 않은 상태에 있을 때 분사기가 흡입 행정의 주기 동안 수행되는 조기 분사 사이클과 압축 행정의 중간 또는 그 후 이지만 상사점전 45°이후가 아닐때 개시되는 후기 분사 사이클을 포함하는 2단계 분할 분사를 하도록 온도 상태 판별기의 판단 결과에 근거하여 분사기를 제어하며, 상기 공연비 제어기는 전체 연소실내의 공연비가 13 내지 17 범위내에 놓이도록 및 조기 분사 사이클시 분사된 연료량이 전체 연료 분사량의 약 1/5 내지 약 4/5 범위내에 놓이도록 설정한다.
본 발명의 본 실시예에서 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 전체 연소실내의 공연비가 13 내지 17 범위 내에 놓이도록 전체 연료 분사량이 조절되기 때문에, 배기 가스 온도를 증가시키기에 적합한 높은 열방출율을 제공하는 공연비를 사용할 수 있다. 또한, 조기 분사 사이클에 의해 분사되는 연료의 비율이 약 1/5 또는 이상으로 설정되기 때문에, 연소실로부터 배출된 배기 가스중의 NOx의 증가가 회피되며 배기 가스 온도 증가 효과가 달성된다. 또한, 조기 분사 사이클시 분사되는 연료의 비율이 약 4/5 또는 그 이하로 제어되기 때문에 연소 안정성이 보장된다. 전술된 바와 같이 전체 연료 입력양의 약 1/5 내지 4/5가 흡입 행정중 조기 분사 사이클시 분사되고 전체 연료 입력양중 나머지는 압축 행정의 중간 또는 그 후에 분사되기 때문에, 점화 및 그에 따른 연소는 만족스럽게 이루어지고 저속 연소가 연소 주기의 후반에 이루어진다. 결과적으로, HC, NOx 및 다른 배출물이 감소되고, 배기 가스 온도는 증가되어 촉매의 신속한 라이트-오프 작동을 촉진하는 효과가 충분히 나타난다.
본 발명의 상술된 제어 장치에 있어서, 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 수행되는 분할 분사의 후기 분사 사이클이 압축 행정의 상사점전 45°이후가 아닌 주기에 개시되는 것이 바람직하다. 분할 분사의 후기 분사 사이클은 압축 행정의 상사점전 120°내지 상사점전 45°주기에 개시되는 것이 바람직하다. 후기 분사 시작점이 전술된 주기보다 후에 발생할 경우 연소 안정성은 위태롭게 되는 반면, 후기 분사 시작점이 전술된 주기보다 전에 발생할 경우 혼합물 농도의 불균일성은 충분히 형성되지 않는다.
바람직하게는, 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 수행되는 분할 분사의 조기 분사 사이클시 분사되는 연료량은 희박 혼합물을 형성할 정도의 양이어야 하며, 상기 희박 혼합물은 화학량론적 공연비보다 높은 공연비를 가지며 적어도 후기 분사 사이클시 분사되는 연료 및 그의 연소에 의해 불꽃 전파할 수 있으며, 후기 분사 사이클시 분사되는 연료 및 그의 연소에 의해 불꽃 전파할 수 있으며 조기 분사 사이클에 의해서만 연소실내에 형성되는 화학량론적 공연비보다 높은 희박 공연비는 85 또는 그 이하로 설정되어야 한다.
연소실로 공급되는 연료가 적은 아이들링 범위와 같은 최대 저부하 범위에서, 분사될 연료의 분할된 양은 분사될 최소 제어가능한 양(최소 분사 펄스길이)으로 접근한다. 따라서, 초기 분사에 의해서 분사될 연료량이 이후 분사에 의해서 분사될 연료량과 다를 때 분사될 연료량이 더 작아질수록 분사될 최소 제어가능한 양이 더 작아질 가능성이 있다면 이들 연료량은 서로 동일하게 분사되는 것이 바람직하다.
촉매가 그 가열 상태에 도달하고 그 온도가 활성 온도와 같거나 또는 이상일 때, 분사기로부터의 연료 분사 모드가 이런 유형의 엔진의 제어 작동에서 보통 일어나는 바와 같은 흡인 행정 분사 또는 압축 행정 분사로 절환될 수도 있다.
본 발명에 따른 제어 장치가 촉매가 그 가열되지 않은 상태에 있는 동안 스플릿 분사가 수행될 때 최대 토크를 위한 최대 점화 진각으로부터 일정 양만큼 점화 지점을 지연시키기 위한 점화 시기 제어기를 더 포함하면 신속한 라이트-호프 효과가 향상된다. 이 경우에, 촉매가 그 가열되지 않은 상태에 있을 때 최대 토크로부터 특정 양만큼 점화 지점을 지연시키고 그 촉매 온도의 증가에 따라 최대 토크를 향해 진행시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 전체 연소실내 공연비가 촉매가 그 가열되지 않은 상태에 있을 때의 화학량론적 공연비와 같거나 또는 그 보다 큰 레벨로 설정될 수도 있다. 이것은 촉매의 신속한 라이트-오프 작동과 엔진으로부터 방출될 배기 가스중의 HC 및 NOx를 감소시킬 수 있는 바람직한 공연비를 얻을 수 있게 한다.
HC 및 NOx를 감소시킬 수 있는 바람직한 공연비와 촉매의 신속한 라이트-오프 작동의 적절한 제어는, 출력이 화학량론적 공연비에서 변하는 O2센서와, 공연비가 촉매가 그 가열되지 않은 상태에서 촉매가 활성된 후 O2센서의 출력에 기초한 화학량론적 공연비와 일치하도록 피드백 제어에 의해서 분사될 공기의 양을 계산하는 분사량 계산기를 구비함으로써 달성될 수 있다.
전술한 제어 장치는 출력이 화학량론적 공연비에 따라 변하는 O2센서와, 촉매가 가열되지 않은 상태에서 촉매가 활성된 후 O2센서의 출력에 기초한 화학량론적 공연비와 일치하도록 피드백 제어에 의해서 분사될 공기의 양을 계산하는 분사량 계산기를 더 포함하며, 분사량 계산기는 O2센서의 출력이 역전될 때 부가할 수 있는 제어값과, 일정한 비례상수 및 적분 상수 변화의 지연 시간과 같은 요인중 하나를 제어함으로써 화학양론적 공연비의 희박 측에 교차하는 점에 공연비를 설정한다.
제어 장치는 전체 연소실내 공연비가, 촉매가 가열되지 않은 상태에 있고 공연비가 촉매 온도의 증가에 따라 과잉측으로 변화될 수 있을 때 화학양론적 공연비보다 고 레벨로 설정되도록 될 수도 있다.
제어 장치는 촉매가 그 가열되지 않은 상태에 있을 때 연소실 내부의 난류를 향상시키기 위한 난류 강화기를 더 포함할 수도 있다. 이 구성에 있어서, 연소성은 난류 증가에 의해서 향상되며 점화 시기 지연 한계는 스플릿 분사가 수행될 때 증가하여 촉매의 라이트-오프 작동이 더욱 더 촉진된다.
또한, 아이들링 속도는 촉매가 가열된 후보다 가열되지 않은 상태일 때 더 빠르게 되도록 엔진을 제어하기 위한 엔진 속도 제어기가 구비될 수도 있다. 스플릿 분사가 실시될 때에 엔진 속도가 증가되기 때문에, 연소성은 증가되고 점화 시기 지연 제한이 증가됨으로써, 촉매 라이트 오프 작동이 더욱 증진된다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 배기 가스를 변환시키기 위한 배기 통로내에 구비된 촉매 및 연료를 직접 연소실내로 분사하기 위한 분사기를 구비한 직접 분사 엔진용 제어 장치는, 촉매의 온도 상태를 판정하기 위한 온도 상태 판별기, 엔진 부하 상태를 감지하기 위한 부하 상태 검출기 및 연료 분사를 분사기로부터 제어하기 위한 연료 분사 제어기를 포함하고, 연료 분사 제어기는 온도 상태 판별기의 판정 결과 및 부하 상태 검출기의 결과를 감시하는 것에 기초해서 분사기를 제어하고, 이러한 방식에서 촉매 온도가 촉매 활성 온도와 동일 또는 그 보다 큰, 촉매가 가열된 상태일 때 분사기는, 압축 행정에서 연료를 분사하여 엔진이 저부하 범위에서 층상 급기 연소하도록 하고, 흡입 행정에서 연료를 분사하여 엔진이 고부하 범위에서 균일 연소하도록 하며, 분사기는 촉매 온도가 촉매 활성 온도보다 낮은 촉매가 가열되지 않은 상태에 있을 때 적어도 엔진의 저부하 범위에서 흡입 행정의 주기 동안 수행되는 조기 분사 사이클과 압축 행정의 중간 또는 그 후 이지만 상사점전 45°이후가 아닐때 개시되는 후기 분사 사이클을 포함하는 2단계 분할 분사를 하며; 연료 분사 제어기는 전체 연소실내의 공연비가 13 내지 17 범위내에 놓이도록 및 분할 분사에서 조기 분사 사이클시 분사된 연료량이 전체 연료 분사량의 약 1/5 내지 약 4/5 범위내에 놓이게 설정시킨다.
본 발명의 본 실시예에 따르면, 신속한 라이트-오프와 HC 및 NOx 감소 효과는 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 얻어지며, 예를 들면, 층상 급기 연소 및 균일 연소는 촉매가 가열된 상태가 된 후의 작동 조건에 따라 수행된다.
본 발명의 또다른 실시예에 있어서, 배기 가스를 변환시키기 위해 배기 통로에 설치된 촉매 및 연료를 연소실내로 직접 분사시키기 위한 분사기를 구비하는 직접 분사 엔진용 제어 장치는 촉매의 온도 상태를 판단하기 위한 온도 상태 판별기와, 분사기로부터의 연료 분사를 제어하기 위한 분사 제어기를 포함하며, 연료 분사 제어기는 상기 온도 상태 판별기의 판단 결과에 따라 분사기를 제어하며, 그러한 방법에 있어서 촉매 온도가 촉매 활성 온도와 동일 또는 그 보다 큰, 촉매가 가열된 상태일 때 분사기는, 흡입 행정에서 연료를 분사하여 엔진이 균일 연소하도록 하며, 분사기는 촉매 온도가 촉매 활성 온도보다 낮은 상기 촉매가 가열되지 않은 상태에 있을 때 적어도 엔진의 저부하 범위에서 흡입 행정의 주기 동안 수행되는 조기 분사 사이클과 압축 행정의 중간 또는 그 후 이지만 상사점전 45°이후가 아닐때 개시되는 후기 분사 사이클을 포함하는 2단계 분할 분사를 하며; 연료 분사 제어기는 전체 연소실내의 공연비가 13 내지 17 범위내에 놓이도록 및 분할 분사에서 조기 분사 사이클시 분사된 연료량이 전체 연료 분사량의 약 1/5 내지 약 4/5 범위내에 놓이도록 설정한다.
본 발명의 본 실시예에 따르면, 촉매가 가열되지 않았을 때 신속한 라이트-오프와 HC 및 NOx 감소 효과가 얻어지며, 균일 연소는 촉매가 가열된 후에 수행된다.
본 발명의 전술된 제어 장치는 MBT로부터 특정 양만큼 점화점을 지연시키기 위한 점화 시기 제어기를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 전체 연소실내의 공연비는 화학량론적 공연비와 동일 또는 그 보다 큰 레벨로 설정되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 전술된 제어 장치는 화학량론적 공연비에 따라 출력이 변하는 O2센서와, 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 O2센서가 작동된 후 O2센서의 출력에 근거하여 공연비가 화학량론적 공연비와 조화되도록 피드백 제어에 의해 분사되는 연료량을 계산하기 위한 분사량 계산기를 더 포함하는 것이 바람직하다.
전술한 설명에서 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명은 촉매가 가열되지 않은 상태에 있을 때 연소실로부터 방출되는 배기 가스에서 HC 및 NOx를 감소시키는 역할을 함으로써, 배기 가스 온도의 증가의 결과로서 상당히 개선된 촉매의 신속한 라이트 오프 작동을 초래한다. 본 발명은, 예를 들면 차량에 장착되는 직접 분사 엔진에 특히 적합하다.

Claims (19)

  1. 배기 가스를 변환시키기 위해 배기 통로에 설치된 촉매 및 연료를 연소실내로 직접 분사시키기 위한 분사기를 구비하는 직접 분사 엔진용 제어 장치에 있어서,
    촉매의 온도 상태를 판단하기 위한 온도 상태 판별기와,
    상기 분사기로부터의 연료 분사를 제어하기 위한 분사 제어기를 포함하며,
    상기 연료 분사 제어기는 상기 온도 상태 판별기의 판단 결과에 따라 분사기를 제어하며, 그러한 방법에 있어서 촉매 온도가 활성 온도보다 낮은, 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 상기 분사기는 흡입 행정에서 점화점까지의 주기 동안 적어도 2단계 분할 분사를 하도록 하며, 상기 분할 분사는 적어도 엔진의 저부하 범위에서 압축 행정의 중간 또는 그 후에 수행되는 후기 분사 사이클과 상기 후기 분사 사이클 전에 수행되는 조기 분사 사이클을 포함하며, 상기 후기 분사 사이클과 상기 조기 분사 사이클중 하나는 메인 연소 주기동안 메인 연소에 기여하는 연료를 분사시키며, 상기 메인 연소 주기에는 분사된 연료의 약 10 질량% 내지 90 질량%가 상기 연소실내에서 발생하는 연소 프로세스중에 연소되는
    직접 분사 엔진용 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 분사 제어기는 상기 엔진이 이미 가열되었는가 아닌가에 관계없지만 상기 촉매가 가열되지 않은 상태에 있을 때 상기 분사기가 분할 분사를 하도록 하는 방식으로 상기 분사기를 제어하는
    직접 분사 엔진용 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 분사 제어기는 상기 분사기가, 촉매 온도가 촉매 활성 온도보다 낮은 상기 촉매가 가열되지 않은 상태에 있을 때 흡입 행정의 주기 동안 수행되는 조기 분사 사이클과 압축 행정의 중간 또는 그 후 이지만 상사점전 45°이후가 아닐때 개시되는 후기 분사 사이클을 포함하는 2단계 분할 분사를 하도록; 및 상기 전체 연소실내의 공연비가 13 내지 17 범위내에 놓이도록 및 상기 조기 분사 사이클시 분사된 연료량이 상기 전체 연료 분사량의 약 1/5 내지 약 4/5 범위내에 놓이도록 상기 분사기를 제어하는
    직접 분사 엔진용 제어 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 수행되는 분할 분사의 조기 분사 사이클시 분사되는 연료량이 희박 혼합물을 형성할 정도의 양이며, 상기 희박 혼합물은 화학량론적 공연비보다 높은 공연비를 가지며 적어도 상기 후기 분사 사이클시 분사되는 연료 및 그의 연소에 의해 불꽃 전파할 수 있으며, 상기 후기 분사 사이클시 분사되는 연료 및 그의 연소에 의해 불꽃 전파할 수 있으며 상기 조기 분사 사이클에 의해서만 연소실내에 형성된 상기 화학량론적 공연비보다 높은 희박 공연비는 85 또는 이하로 설정되는
    직접 분사 엔진용 제어 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 수행되는 상기 분할 분사의 상기 조기 분사 사이클 및 상기 후기 분사 사이클시 분사되는 연료량은 서로 같도록 되는
    직접 분사 엔진용 제어 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 촉매가 가열된 상태가 되어 그의 온도가 촉매 활성 온도와 동일 또는 그보다 커질 때 상기 분사기로부터의 연료 분사 모드는 흡입 행정 분사로 또는 압축 행정 분사로 절환되는
    직접 분사 엔진용 제어 장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 촉매가 가열되지 않은 동안 상기 분할 분사가 수행될 때 최대 토크를 위한 최소 점화 진각(MBT)으로부터 특정 양만큼 점화점을 지연시키기 위한 점화 시기 제어기를 더 포함하는
    직접 분사 엔진용 제어 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 상기 점화점은 상기 MBT로부터 특정 양만큼 지연되며 그런 후 상기 점화점은 촉매 온도의 증가에 따라 MBT 쪽으로 전진되는
    직접 분사 엔진용 제어 장치.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 상기 전체 연소실내의 공연비는 상기 화학량론적 공연비와 동일 또는 그 보다 큰 레벨로 설정되는
    직접 분사 엔진용 제어 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 화학량론적 공연비에 따라 출력이 변하는 O2센서와,
    상기 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 상기 O2센서가 작동된 후 상기 O2센서의 출력에 근거하여 상기 공연비가 상기 화학량론적 공연비와 조화되도록 피드백 제어에 의해 분사되는 연료량을 계산하기 위한 분사량 계산기를 더 포함하는
    직접 분사 엔진용 제어 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 화학량론적 공연비에 따라 출력이 변하는 O2센서와,
    상기 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 상기 O2센서가 작동된 후 상기 O2센서의 출력에 근거한 피드백 제어에 의해 분사되는 연료량을 계산하기 위한 분사량 계산기를 더 포함하며,
    상기 분사량 계산기는 O2센서의 출력이 바뀌었을 때 적용할 수 있는 제어값에서 변화 지연 시간과 같은 인자, 즉 비례 상수 및 적분 상수중 하나를 조절함으로써 화학량론적 공연비의 희박측으로 편향된 점으로 상기 공연비를 설정하는
    직접 분사 엔진용 제어 장치.
  12. 제 9 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 상기 전체 연소실내의 공연비는 상기 화학량론적 공연비보다 큰 레벨로 설정되며 그런 후 상기 공연비는 촉매 온도의 증가에 따라 과잉측으로 변하는
    직접 분사 엔진용 제어 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 상기 연소실내의 난류를 강화시키기 위한 난류 강화기(turbulence enhancer)를 더 포함하는
    직접 분사 엔진용 제어 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매가 가열되지 않은 상태일 때의 아이들링 속도가 상기 촉매가 가열된 후일 때보다 더 커지도록 엔진을 제어하기 위한 엔진 속도 제어기를 더 포함하는
    직접 분사 엔진용 제어 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    엔진 부하 상태를 감지하기 위한 부하 상태 검출기를 더 포함하며, 상기 연료 분사 제어기는 상기 온도 상태 판별기의 판단 결과 및 상기 부하 상태 검출기의 검지 결과에 근거하여 분사기를 제어하며, 그러한 방법에 있어서 촉매 온도가 촉매 활성 온도와 동일 또는 그 보다 큰, 촉매가 가열된 상태일 때 상기 분사기는, 압축 행정에서 연료를 분사하여 엔진이 저부하 범위에서 층상 급기 연소하도록 하고, 흡입 행정에서 연료를 분사하여 엔진이 고부하 범위에서 균일 연소하도록 하며, 상기 분사기는 촉매 온도가 촉매 활성 온도보다 낮은 상기 촉매가 가열되지 않은 상태에 있을 때 적어도 엔진의 저부하 범위에서 흡입 행정의 주기 동안 수행되는 조기 분사 사이클과 압축 행정의 중간 또는 그 후 이지만 상사점전 45°이후가 아닐때 개시되는 후기 분사 사이클을 포함하는 2단계 분할 분사를 하며; 상기 전체 연소실내의 공연비가 13 내지 17 범위내에 놓이도록 및 상기 분할 분사에서 상기 조기 분사 사이클시 분사된 연료량이 상기 전체 연료 분사량의 약 1/5 내지 약 4/5 범위내에 놓이게 설정되는
    직접 분사 엔진용 제어 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 분사 제어기는 상기 온도 상태 판별기의 판단 결과에 근거하여 상기 분사기를 제어하며, 그러한 방법에 있어서 촉매 온도가 촉매 활성 온도와 동일 또는 그 보다 큰, 촉매가 가열된 상태일 때 상기 분사기는 흡입 행정에서 연료를 분사하여 엔진이 균일 연소하도록 하며, 상기 분사기는 촉매 온도가 촉매 활성 온도보다 낮은 상기 촉매가 가열되지 않은 상태에 있을 때 적어도 엔진의 저부하 범위에서 흡입 행정의 주기 동안 수행되는 조기 분사 사이클과 압축 행정의 중간 또는 그 후 이지만 상사점전 45°이후가 아닐때 개시되는 후기 분사 사이클을 포함하는 2단계 분할 분사를 하며; 상기 전체 연소실내의 공연비가 13 내지 17 범위내에 놓이도록 및 상기 분할 분사에서 상기 조기 분사 사이클시 분사된 연료량이 상기 전체 연료 분사량의 약 1/5 내지 약 4/5 범위내에 놓이게 설정되는
    직접 분사 엔진용 제어 장치.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    최대 토크를 위한 최소 점화 진각(MBT)으로부터 특정 양만큼 점화점을 지연시키기 위한 점화 시기 제어기를 더 포함하는
    직접 분사 엔진용 제어 장치.
  18. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 상기 전체 연소실내의 공연비는 상기 화학량론적 공연비와 동일 또는 그 보다 큰 레벨로 설정되는
    직접 분사 엔진용 제어 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 화학량론적 공연비에 따라 출력이 변하는 O2센서와,
    상기 촉매가 가열되지 않은 상태일 때 상기 O2센서가 작동된 후 상기 O2센서의 출력에 근거하여 상기 공연비가 상기 화학량론적 공연비와 조화되도록 피드백 제어에 의해 분사되는 연료량을 계산하기 위한 분사량 계산기를 더 포함하는
    직접 분사 엔진용 제어 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3776299B2 (ja) * 2000-07-21 2006-05-17 本田技研工業株式会社 内燃機関の排気浄化装置
JP3880296B2 (ja) 2000-08-02 2007-02-14 株式会社日立製作所 エンジンの制御装置
DE10043366A1 (de) * 2000-09-02 2002-03-14 Bosch Gmbh Robert Verfahren zur Aufheizung von Katalysatoren im Abgas von Verbrennungsmotoren
DE10043375A1 (de) 2000-09-02 2002-03-14 Bosch Gmbh Robert Verfahren zur Aufheizung eines Katalysators bei Verbrennungsmotoren mit Benzindirekteinspritzung
DE10114054A1 (de) 2001-03-15 2002-09-26 Volkswagen Ag Verfahren zur Anhebung einer Abgastemperatur einer fremdgezündeten, direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine
DE10115968B4 (de) * 2001-03-27 2012-08-16 Volkswagen Ag Verfahren zur Erwärmung eines Katalysators
JP2003065116A (ja) * 2001-08-24 2003-03-05 Nissan Motor Co Ltd 内燃機関の排気浄化装置
DE10149236A1 (de) * 2001-10-05 2003-04-30 Bosch Gmbh Robert Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs
FR2832460B1 (fr) 2001-11-16 2007-06-22 Volkswagen Ag Procede et dispositif pour chauffer un catalyseur
JP3963103B2 (ja) * 2002-01-11 2007-08-22 日産自動車株式会社 内燃機関の排気浄化装置
US6666201B1 (en) * 2002-05-29 2003-12-23 Ford Global Technologies, Llc System and method for diagnosing EGR performance using NOx sensor
DE10236856B4 (de) * 2002-08-07 2016-11-24 Volkswagen Ag Verfahren zur Anhebung einer Abgastemperatur einer Verbrennungskraftmaschine
JP4157752B2 (ja) * 2002-11-19 2008-10-01 カルソニックカンセイ株式会社 エンジンの排気熱回収装置
US6837212B2 (en) * 2002-12-19 2005-01-04 Caterpillar Inc. Fuel allocation at idle or light engine load
JP4178960B2 (ja) * 2003-01-14 2008-11-12 株式会社デンソー 内燃機関の排気浄化装置
DE10310024B4 (de) 2003-02-28 2012-09-27 Volkswagen Ag Verfahren zur Aufheizung eines Katalysators
US7073481B2 (en) * 2003-05-14 2006-07-11 General Electric Company In-cylinder combustion recipe for meeting tier 2 locomotive emissions regulations
JP2005120942A (ja) * 2003-10-17 2005-05-12 Nissan Motor Co Ltd 直噴火花点火式内燃機関の制御装置
JP4438378B2 (ja) * 2003-10-28 2010-03-24 日産自動車株式会社 直噴火花点火式内燃機関の制御装置
DE602005019932D1 (de) 2004-01-28 2010-04-29 Nissan Motor Steuerungssystem für eine funkgezündete Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung
JP2005214041A (ja) * 2004-01-28 2005-08-11 Nissan Motor Co Ltd 直噴火花点火式内燃機関の制御装置
EP1602816B1 (en) 2004-06-04 2007-02-14 Ford Global Technologies, LLC Method and apparatus for reducing exhaust gas emissions during cold start conditions
DE102005013174B4 (de) * 2005-03-22 2017-03-16 Daimler Ag Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung
JP4840590B2 (ja) * 2006-10-30 2011-12-21 三菱自動車工業株式会社 内燃機関の排気制御装置
JP4309908B2 (ja) * 2006-11-24 2009-08-05 本田技研工業株式会社 内燃機関の排気浄化装置
DE502007005506D1 (de) * 2006-12-28 2010-12-09 Bosch Gmbh Robert Verfahren zum beheizen eines in einem abgasbereich eines verbrennungsprozesses angeordneten katalysators und vorrichtung zur durchführung des verfahrens
JP4258557B2 (ja) * 2007-04-19 2009-04-30 トヨタ自動車株式会社 内燃機関装置および内燃機関装置の制御方法
JP2008274860A (ja) * 2007-04-27 2008-11-13 Honda Motor Co Ltd 膨張・排気行程で燃料噴射を制御する電子制御装置
US8096108B2 (en) * 2007-05-01 2012-01-17 GM Global Technology Operations LLC Engine warm-up of a homogeneous charge compression ignition engine
JP4858582B2 (ja) * 2009-07-16 2012-01-18 マツダ株式会社 火花点火式エンジンの制御方法および火花点火式エンジン
JP5333199B2 (ja) * 2009-12-25 2013-11-06 日産自動車株式会社 直噴エンジンの運転制御装置
JP2012241522A (ja) * 2011-05-16 2012-12-10 Denso Corp 排気浄化制御装置
JP5396430B2 (ja) * 2011-05-23 2014-01-22 日立オートモティブシステムズ株式会社 筒内噴射式内燃機関の制御装置
JP5562910B2 (ja) * 2011-06-30 2014-07-30 日立オートモティブシステムズ株式会社 筒内噴射式エンジンの制御装置
DE102011080963A1 (de) * 2011-08-15 2013-02-21 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
US9631574B2 (en) * 2011-10-26 2017-04-25 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel injection control device for internal combustion engine
CN103890359B (zh) * 2011-10-26 2016-10-12 丰田自动车株式会社 内燃机的燃料喷射控制装置
WO2014087444A1 (ja) * 2012-12-03 2014-06-12 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の運転制御装置および方法
US9581126B2 (en) * 2013-12-17 2017-02-28 Ford Global Technologies, Llc Engine control for limiting catalyst temperature in normal and economy modes
JP6084941B2 (ja) * 2014-03-10 2017-02-22 本田技研工業株式会社 内燃機関の燃焼制御装置
CN105102797B (zh) * 2014-03-10 2017-11-14 本田技研工业株式会社 内燃机的燃烧控制装置
FR3039214B1 (fr) * 2015-07-22 2019-04-05 Continental Automotive France Procede de gestion de l'injection dans un moteur a combustion interne
JP6460006B2 (ja) 2016-02-18 2019-01-30 トヨタ自動車株式会社 ガソリンエンジンの制御装置
US10066576B2 (en) * 2016-07-26 2018-09-04 GM Global Technology Operations LLC Dual injection during intake stroke for improved catalyst light off
GB2561386B (en) * 2017-04-13 2019-12-04 Ford Global Tech Llc A method of controlling fuelling of an engine
DE102017208857A1 (de) 2017-05-24 2018-12-13 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, Brennkraftmaschine und Kraftfahrzeug
DE102017124935A1 (de) 2017-10-25 2019-04-25 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, Brennkraftmaschine und Kraftfahrzeug
US11834983B2 (en) 2019-07-15 2023-12-05 The Research Foundation For The State University Of New York Method for control of advanced combustion through split direct injection of high heat of vaporization fuel or water fuel mixtures
CN112065600A (zh) * 2020-09-09 2020-12-11 潍柴动力股份有限公司 压缩释放型发动机提升后处理***温度的方法及发动机
DE102020214435A1 (de) * 2020-11-17 2022-05-19 Volkswagen Aktiengesellschaft Reduktionsverfahren zur Verringerung des Sauerstoffgehalts im Katalysator, Motoranordnung und Fahrzeug
CN113107647B (zh) * 2021-04-28 2022-02-01 一汽解放汽车有限公司 一种发动机运行模式的控制方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2987925B2 (ja) 1990-11-20 1999-12-06 トヨタ自動車株式会社 筒内直接噴射式火花点火機関
JP2671606B2 (ja) 1990-12-27 1997-10-29 トヨタ自動車株式会社 筒内直接噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置
JPH07151001A (ja) 1993-11-30 1995-06-13 Nissan Motor Co Ltd エンジンの空燃比制御装置
DE19536098C2 (de) * 1994-09-29 1997-09-18 Fuji Heavy Ind Ltd System und Verfahren zur Steuerung der Katalysatoraktivierung in einem Motor mit Kraftstoffdirekteinspritzung
US5483946A (en) 1994-11-03 1996-01-16 Ford Motor Company Engine control system with rapid catalyst warm-up
JP3965703B2 (ja) 1994-12-28 2007-08-29 マツダ株式会社 エンジンの排気ガス浄化装置及び排気ガス浄化方法
US5482017A (en) 1995-02-03 1996-01-09 Ford Motor Company Reduction of cold-start emissions and catalyst warm-up time with direct fuel injection
CN1077212C (zh) 1996-07-02 2002-01-02 三菱自动车工业株式会社 缸内喷射内燃机用废气加热***
JP3337931B2 (ja) 1997-01-30 2002-10-28 マツダ株式会社 筒内噴射式エンジン
JP3424557B2 (ja) * 1997-08-06 2003-07-07 マツダ株式会社 エンジンの排気浄化装置
US6116208A (en) * 1998-09-29 2000-09-12 Mazda Motor Corporation Control system for a direct injection-spark ignition engine

Also Published As

Publication number Publication date
CN1098415C (zh) 2003-01-08
US6330796B1 (en) 2001-12-18
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