KR20170124606A - 엔진 제어 장치 및 엔진 제어 방법 - Google Patents

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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

엔진 제어 장치는, 통 내에 연료를 직접 분사하는 연료 분사 밸브와, 통 내의 혼합기에 불꽃 점화하는 점화 플러그를 구비하는 통 내 직접 연료 분사식 불꽃 점화 엔진을 제어한다. 엔진 제어 장치는, 배기 통로에 개재 장착되는 배기 정화 촉매를 난기할 필요가 있는 경우에, 연료 분사 타이밍이 압축 행정 중이며, 점화 타이밍을 늦추는 촉매 난기 운전을 실행하고, 촉매 난기 운전의 실행 중에, 피스톤 관면 온도에 따라서 피스톤 관면 온도가 상승하도록 밸브 오버랩양을 증대시킨다.

Description

엔진 제어 장치 및 엔진 제어 방법
본 발명은, 통 내 직접 연료 분사식 불꽃 점화 엔진을 제어하는 엔진 제어 장치 및 엔진 제어 방법에 관한 것이다.
엔진의 냉간 운전 시에 있어서의 에미션의 악화를 억제하기 위해, 기관 시동 시의 운전 상태에 따라서 밸브 오버랩 기간을 변화시키는 제어가 일본 특허 공개 제2006-329144호 공보에 개시되어 있다. 당해 제어는 포트 분사식 엔진에 있어서, 밸브 오버랩 기간 중에 흡기 포트로 되돌아가는 기연 가스를 이용하여, 흡기 포트 벽에 부착되어 액화된 연료의 기화를 촉진하는 것이다. 흡기 포트는 냉각 수온에 의해 승온되므로, 기관 시동으로부터의 경과 시간에 수반하여 냉각 수온이 상승하면, 흡기 포트의 온도도 상승한다. 그래서, 상기 문헌의 제어에서는, 냉각 수온의 상승에 수반하여 밸브 오버랩 기간이 조금씩 짧아지도록 제어된다.
그런데, 통 내에 연료를 직접적으로 분사하는 통 내 직접 분사식 불꽃 점화 엔진의 경우에는, 포트 내에 벽류는 발생하지 않지만, 피스톤 관면에 충돌한 연료의 일부가 액화되는 경우가 있다. 특히, 냉간 운전 시에는 피스톤 관면에 설치한 캐비티를 이용하여 점화 플러그 주위에 성층 혼합기를 형성하고, 압축 상사점 후의 점화 타이밍에 성층 연소를 실행하는 엔진에서는, 캐비티에서 액상으로 된 연료가 당해 연소 사이클 중에 연소되지 않고 조금씩 축적되는 경우가 있다. 이와 같이 하여 축적된 액상 연료가, 그 후의 엔진 운전 중에 연소 화염에 의해 착화되면, 배기 미립자(PM: Particulate Matter)의 배출량(이하, PN: Particulate Number라고도 함) 증대를 초래하게 된다. 그래서, 통 내 직접 분사식 불꽃 점화 엔진의 냉간 운전 시에 있어서의 에미션의 악화를 억제하기 위해서는, 피스톤 관면에 액상화 연료가 축적되는 것을 억제할 필요가 있다. 이와 같이, 포트 분사식 엔진과 통 내 직접 분사식 불꽃 점화 엔진은, 냉간 운전 시에 승온시켜야 할 부위나 승온하는 목적이 상이하다. 따라서, 상기 문헌의 제어에서는, 통 내 직접 분사식 불꽃 점화 엔진의 냉간 운전 시에 있어서의 액상 연료의 축적을 억제하는 효과, 즉 PN의 증대를 억제할 수 없을 우려가 있다.
그래서 본 발명에서는, PN의 증대를 억제할 수 있도록 통 내 직접 분사식 불꽃 점화를 제어하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양태에 의하면, 통 내에 연료를 직접 분사하는 연료 분사 밸브와, 통 내의 혼합기에 불꽃 점화하는 점화 플러그를 구비하는 통 내 직접 연료 분사식 불꽃 점화 엔진을 제어하는 엔진 제어 장치가 제공된다. 엔진 제어 장치는, 배기 통로에 개재 장착되는 배기 정화 촉매를 난기할 필요가 있는 경우에, 점화 타이밍을 늦추는 촉매 난기 운전을 실행한다. 그리고, 엔진 제어 장치는, 촉매 난기 운전의 실행 중에, 피스톤 관면 온도에 따라서 밸브 오버랩양을 증대시킨다.
도 1은 제1 실시 형태를 적용하는 엔진의 개략 구성도이다.
도 2는 PN의 증가를 억제하기 위한 제어 루틴을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 제1 실시 형태의 제어에서 사용하는, 연료 분사 타이밍 진각량을 설정한 테이블이다.
도 4는 제1 실시 형태의 제어를 실행한 경우의 연료 분사 타이밍을 나타낸 도면이다.
도 5는 제1 실시 형태의 제어에서 사용하는, 밸브 오버랩 기간의 길이를 설정한 테이블이다.
도 6은 도 5의 테이블로부터 산출한 밸브 오버랩 기간을 실현하기 위한 밸브 타이밍을 설정한 테이블이다.
도 7은 점화 타이밍 보정용 맵이다.
도 8은 제1 실시 형태의 제어를 실행한 경우의 타이밍 차트이다.
도 9는 실린더 벽면 온도, 밸브 오버랩양 및 연소 안정도의 관계를 나타낸 맵이다.
도 10은 제2 실시 형태의 제어에서 사용하는, 밸브 오버랩 기간의 길이를 설정한 테이블이다.
도 11은 도 10의 테이블로부터 산출한 밸브 오버랩 기간을 실현하기 위한 밸브 타이밍을 설정한 테이블이다.
도 12는 댐퍼 기간을 설정하지 않은 경우의 연료 분사 타이밍을 나타낸 도면이다.
도 13은 연료 분사 타이밍의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다.
도 1은, 본 실시 형태를 적용하는 통 내 직접 연료 분사식 불꽃 점화 엔진(이하, 「엔진」이라고도 함)(1)의 연소실 주변의 개략 구성도이다. 또한, 도 1은 하나의 기통에 대해서만 나타내고 있지만, 본 실시 형태는 다기통 엔진에도 적용 가능하다.
엔진(1)의 실린더 블록(1B)은 실린더(2)를 구비한다. 실린더(2)에는 피스톤(3)이 왕복 이동 가능하게 수용되어 있다. 피스톤(3)은, 커넥팅 로드(12)를 통해 도시하지 않은 크랭크 샤프트와 연결되어 있고, 크랭크 샤프트가 회전함으로써 왕복 이동한다. 또한, 피스톤(3)은 관면(3A)(이하, 피스톤 관면(3A)이라고도 함)에 후술하는 캐비티(10)를 구비한다.
엔진(1)의 실린더 헤드(1A)는, 오목 형상의 연소실(11)을 구비한다. 연소실(11)은, 이른바 펜트 루프형으로 구성되어 있고, 흡기측의 경사면에는 한 쌍의 흡기 밸브(6)가, 배기측의 경사면에는 한 쌍의 배기 밸브(7)가 각각 배치되어 있다. 그리고, 이들 한 쌍의 흡기 밸브(6) 및 한 쌍의 배기 밸브(7)에 둘러싸인 연소실(11)의 대략 중심 위치에, 점화 플러그(8)가 실린더(2)의 축선을 따르도록 배치되어 있다.
또한, 실린더 헤드(1A)의, 한 쌍의 흡기 밸브(6) 사이에 끼인 위치에는, 연료 분사 밸브(9)가 연소실(11)에 면하도록 배치되어 있다. 연료 분사 밸브(9)로부터 분사되는 연료 분무의 지향성에 대해서는 후술한다.
흡기 밸브(6) 및 배기 밸브(7)는 도시하지 않은 가변동 밸브 기구에 의해 구동된다. 가변동 밸브 기구는, 흡기 밸브(6) 및 배기 밸브(7)가 모두 개방된 밸브 오버랩 기간이 발생하도록, 흡기 밸브(6) 및 배기 밸브(7)의 밸브 타이밍, 즉, 밸브 개방 타이밍 및 밸브 폐쇄 타이밍을 변화시킬 수 있는 것이면 충분하다. 또한, 밸브 개방 타이밍이라 함은, 밸브 개방 동작을 개시하는 타이밍, 밸브 폐쇄 타이밍이라 함은 밸브 폐쇄 동작을 종료하는 타이밍이다. 본 실시 형태에서는, 흡기 밸브(6)를 구동하는 캠 샤프트 및 배기 밸브(7)를 구동하는 캠 샤프트의, 크랭크 샤프트에 대한 회전 위상을 변화시키는 공지의 가변동 밸브 기구를 사용한다. 또한, 회전 위상뿐만 아니라 흡기 밸브 및 배기 밸브의 작동각도 변화시킬 수 있는 공지의 가변동 밸브 기구를 사용해도 된다.
배기 통로(5)의 배기 흐름 하류측에는, 엔진(1)의 배기 가스를 정화하기 위한 배기 정화 촉매가 개재 장착되어 있다. 배기 정화 촉매는, 예를 들어 3원 촉매이다.
피스톤(3)은, 상술한 바와 같이 피스톤 관면(3A)에 캐비티(10)를 구비한다. 캐비티(10)는, 피스톤 관면(3A)에 있어서 흡기측으로 치우친 위치에 설치되어 있다. 그리고, 연료 분사 밸브(9)는, 피스톤(3)이 상사점 근방에 있을 때에 연료 분사하면, 연료 분무가 이 캐비티(10)를 지향하도록 배치되어 있다. 캐비티(10)에 충돌한 연료 분무가, 캐비티(10)의 벽면을 따라 말려 올라가 점화 플러그(8)의 방향을 향하는 형상으로 되어 있다.
엔진(1)의 연료 분사량, 연료 분사 타이밍 및 점화 시기 등은, 컨트롤러(100)에 의해 엔진(1)의 운전 상태에 따라서 제어된다. 또한, 연료 분사 타이밍이라 함은, 연료 분사를 개시하는 타이밍이다. 또한, 이들 제어를 실행하기 위해, 엔진(1)은 크랭크 샤프트 각도 센서, 냉각 수온 센서, 흡입 공기량을 검출하는 에어 플로우 미터 등의 각종 검출 장치를 구비한다.
다음으로, 컨트롤러(100)가 실행하는, 엔진(1)의 시동 시에 있어서의 제어에 대해 설명한다. 본 실시 형태에서는, 1 연소 사이클당 필요한 연료량을 2회로 나누어 분사하는, 이른바 2단 분사를 행하는 것으로 한다.
배기 정화 촉매는, 활성화 온도보다 저온에서는 충분한 정화 성능을 발휘하지 않는다. 이 때문에, 배기 정화 촉매가 활성화 온도보다 저온인 냉기 시동 시에는, 배기 정화 촉매를 조기에 승온할 필요가 있다. 그래서, 컨트롤러(100)는, 냉간 시동 직후의 아이들 상태에서 배기 정화 촉매가 불활성 상태에 있는 경우에, 배기 정화 촉매를 조기에 활성화시키기 위해 초 리타드 성층 연소를 실행한다. 또한, 초 리타드 성층 연소 자체는 공지(일본 특허 공개 제2008-25535호 공보 참조)이다.
초 리타드 성층 연소에서는, 컨트롤러(100)는 점화 타이밍을 팽창 행정의 전반의, 예를 들어 압축 상사점 후 15-30deg로 설정한다. 또한, 컨트롤러(100)는, 1회째의 연료 분사 타이밍을 흡기 행정의 전반으로 설정하고, 2회째의 연료 분사 타이밍을 압축 행정의 후반의, 연료 분무가 점화 타이밍까지 점화 플러그(8)의 주변에 도달할 수 있는 타이밍, 예를 들어 압축 상사점 전 50-60deg로 설정한다.
여기서, 1회째의 연료 분사량과 2회째의 연료 분사량에 대해 설명한다.
상술한 초 리타드 성층 연소에서 배출되는 배기 가스의 공연비는 화학량론적(이론 공연비)이다. 컨트롤러(100)는, 일반적인 연료 분사량 설정 방법과 마찬가지로, 1 연소 사이클당 흡입 공기량으로 완전 연소시킬 수 있는 연료량(이하, 총 연료량이라고도 함)을 산출한다. 이 총 연료량 중 일부, 예를 들어 50-90중량％를 1회째의 분사량으로 하고, 나머지를 2회째의 분사량으로 한다.
상기한 바와 같이 연료 분사량을 설정하면, 1회째의 연료 분사에서 분사된 연료 분무는, 캐비티(10)에 충돌하는 일 없이 실린더(2) 내에 확산되고, 공기와 혼합하여 연소실(11)의 전역에 화학량론적보다 희박한 균질 혼합기를 형성한다. 그리고, 2회째의 연료 분사에서 분사된 연료 분무는, 캐비티(10)에 충돌하여, 말려 올라감으로써 점화 플러그(8)의 근방에 도달하여, 점화 플러그(8)의 주위에 화학량론적보다 농후한 혼합기를 집중적으로 형성한다. 이에 의해 연소실(11) 내의 혼합기는 성층 상태로 된다. 이 상태에서 점화 플러그(8)에 의해 불꽃 점화되면, 실화나 스모크 발생이 억제된 외란에 강한 연소가 행해진다. 그런데, 상술한 연소는 성층 연소이지만, 점화 타이밍이 압축 상사 전인 일반적인 성층 연소와 구별하기 위해, 초 리타드 성층 연소라고 칭한다.
상기한 바와 같은 초 리타드 성층 연소에 의하면, 종래의 균질 화학량론적 연소와 비교하여 배기 온도를 상승시킬 수 있을 뿐만 아니라, 연소실(11)로부터 배기 통로(5)로의 히드로카본(HC) 배출량을 저감시킬 수 있다. 즉, 초 리타드 성층 연소에 의하면, 종래의 균질 화학량론적 연소만, 성층 연소만, 혹은 이들에 대해 추가 연료를 연소 후기 이후(팽창 행정 이후나 배기 행정 중)에 더 분사하는 연소 형태 등으로 난기를 행하게 하는 경우에 비해, 시동 개시부터 배기 정화 촉매가 활성화될 때까지의 사이에 있어서의 대기 중으로의 HC의 배출을 억제하면서, 배기 정화 촉매의 조기 활성화를 실현할 수 있다.
그런데, 초 리타드 성층 연소의 실행 중에 피스톤 관면(3A)에 충돌한 연료의 일부는, 점화 플러그(8)의 방향으로 말려 올라가지 않고, 피스톤 관면(3A)에 부착된다. 피스톤 관면(3A)에 연료가 부착된 경우라도, 부착된 연료가 기화되어 당해 연소 사이클에서 연소되면, 피스톤 관면(3A)에 연료가 잔류하는 일은 없다. 그러나, 초 리타드 성층 연소를 실행하는 것은 냉기 시동 시이므로, 피스톤 관면 온도(이하, 피스톤 관면 온도라고도 함)가 상승할 때까지는, 부착된 연료는 기화되기 어렵다. 또한, 부착된 연료가 당해 연소 사이클의 연소 화염이 전파됨으로써 연소되면, 피스톤 관면(3A)에 연료가 잔류하는 일은 없다. 그러나, 초 리타드 성층 연소에서는 팽창 행정에서 연소를 개시하므로, 연소 화염이 피스톤 관면(3A)에 도달하지 않거나 또는 팽창 행정 후반에서 온도 저하된 상태로 피스톤 관면(3A)에 도달하게 되거나 하므로, 부착된 연료를 당해 사이클 중에 완전히 연소하기는 어렵다. 또한, 피스톤 관면(3A)에 잔류하고 있는 액상 연료가 연소 화염에 의해 점화되어 연소되는 현상을 풀 파이어라고 칭한다.
따라서, 냉기 시동하고 나서의 소정 기간은, 피스톤 관면(3A)에 잔류하는 액상 연료는 계속 증가한다. 여기서 말하는 소정 기간이라 함은, 1 연소 사이클 중에 피스톤 관면(3A)에 부착되는 양보다, 피스톤 관면(3A)에 잔류하고 있던 액상 연료가 1 연소 사이클 중에 기화되는 양의 쪽이 많아질 때까지의 기간이다.
즉, 소정 기간을 초과하여 초 리타드 성층 연소를 계속하면, 피스톤 관면(3A)에 잔류하고 있던 액상 연료는 조금씩 감소한다. 그러나, 소정 기간 경과 전에, 피스톤 관면(3A)에 액상 연료가 잔류한 상태에서 초 리타드 성층 연소로부터 균질 화학량론적 연소로 전환되는 경우가 있다. 예를 들어, 배기 정화 촉매가 활성화된 경우나, 액셀러레이터 페달이 답입되어 가속되는 경우이다. 또한, 여기서 말하는 균질 화학량론적 연소라 함은, 연소실(11) 전체에 이론 공연비의 혼합기를 형성하고, 최적 점화 시기(MBT: minimum advance for best torque)에 불꽃 점화되는 연소 형태이다.
피스톤 관면(3A)에 액상 연료가 잔류하고 있는 상태에서 균질 화학량론적 연소로 전환되면, 연소 화염이 고온 그대로 피스톤 관면(3A)에 도달하여 풀 파이어가 발생하고, 잔류하고 있는 액상 연료가 연소된다. 이와 같이, 금회의 연소 사이클까지 축적된 액상 연료가 연소되면, PN이 증가하는 경향이 있다.
그래서 본 실시 형태에서는, 액상 연료가 연소되는 것에 의한 PN의 증가를 억제하기 위해, 컨트롤러(100)가 이하에 설명하는 제어를 실행한다.
도 2는 컨트롤러(100)가 실행하는 PN의 증가를 억제하기 위한 제어 루틴을 나타낸 흐름도이다. 또한, 본 루틴은 예를 들어 10밀리초 정도의 짧은 간격으로 반복 실행된다.
본 루틴은, 피스톤 관면(3A)에 잔류하는 액상 연료량(이하, 단순히 「액상 연료량」이라고도 함)을 억제하기 위해, 2단 분사의 2회째의 분사 타이밍을 피스톤 관면(3A)에 잔류하고 있는 액상 연료량에 따라서 변경하는 것이다. 이하, 흐름도의 스텝에 따라서 설명한다.
스텝 S101에서, 컨트롤러(100)는 초 리타드 성층 연소의 실행 중인지 여부를 판정한다. 실행 중이면 스텝 S102의 처리를 실행하고, 실행 중이 아니면, 스텝 S110에서 균질 화학량론적 연소(이하, 통상 제어라고도 함)로의 전환 처리를 행한다. 초 리타드 성층 연소의 실행 중인지 여부는, 배기 정화 촉매의 온도에 기초하여 판정한다. 구체적으로는, 배기 정화 촉매가 활성 온도 미만이면 실행 중, 활성 온도 이상이면 실행 중이 아니라고 판정한다.
스텝 S102에서, 컨트롤러(100)는, 액상 연료량을 추정한다. 본 실시 형태에서는, 실린더(2)의 벽온(이하, 실린더 벽온이라고도 함)과 엔진 시동으로부터의 경과 시간에 기초하여 액상 연료량을 추정한다. 구체적으로는, 먼저, 실린더 벽온이 낮을수록 액상 연료가 피스톤 관면(3A)에 잔류하기 쉽다고 하는 특성에 기초하여, 실린더 벽온마다 단위 시간당 잔류량을 정해 두고, 이 값에 엔진 시동으로부터의 경과 시간을 적산함으로써 피스톤 관면(3A)에 부착된 적산량을 산출한다. 다음으로, 이 적산량으로부터 후술하는 기화량을 감산하고, 그 결과를 액상 연료의 추정량으로 한다.
또한, 액상 연료의 잔류 용이성과 직접적인 관계가 있는 것은 피스톤 관면 온도이지만, 여기서는 피스톤 관면 온도와 상관이 있고, 또한 기존의 냉각 수온 센서의 검출값으로부터 추정 가능한 실린더 벽온을 사용하고 있다.
상기한 기화량이라 함은, 피스톤 관면(3A)에 부착되어 있던 연료 중 기화된 양이다. 연료는 온도가 높을수록 기화되기 쉬워지므로, 피스톤 관면 온도가 높아질수록 기화량은 많아진다.
스텝 S103에서, 컨트롤러(100)는, 스텝 S102에서 추정한 액상 연료량(이하, 액상 연료 추정량이라고도 함)이 미리 설정되어 있는 역치 L2 미만인지 여부를 판정한다. 컨트롤러(100)는, 액상 연료 추정량이 역치 L2 미만인 경우는 스텝 S104의 처리를 실행하고, 역치 L2 이상인 경우는 스텝 S110의 처리를 실행한다.
본 스텝에서 사용하는 역치 L2는, 초 리타드 성층 연소로부터 균질 화학량론적 연소로 전환하였다고 해도, PN의 배출 규제값을 만족시킬 수 있는 값을 설정한다.
스텝 S104에서, 컨트롤러(100)는, 2단 분사에 있어서의 2회째의 연료 분사 타이밍의 기본 연료 분사 타이밍에 대한 진각량(이하, 연료 분사 타이밍 진각량 ADV라고도 함)을 후술하는 바와 같이 산출한다. 기본 연료 분사 타이밍은, 압축 행정 중, 또한 연료 분무가 캐비티(10)에 충돌하는 타이밍이다. 기본 연료 분사 타이밍의 구체적인 값은, 본 실시 형태를 적용하는 차량의 사양마다의 적합 작업에 따라서 설정하는 것이지만, 본 실시 형태에서는 상술한 바와 같이 압축 상사점 전 50 내지 60°의 사이의 값으로 한다. 또한, 본 실시 형태에 있어서의 「진각량」 및 「지각량」의 단위는 크랭크각이다.
연료 분사 타이밍 진각량 ADV는, 예를 들어 도 3에 나타낸 테이블을 미리 작성하여 컨트롤러(100)에 저장해 두고, 이 테이블을 액상 연료 추정량으로 검색함으로써 산출한다.
도 3은, 종축이 연료 분사 타이밍 진각량 ADV를 나타내고, 횡축이 액상 연료 추정량 L을 나타내고 있다. 연료 분사 타이밍 진각량 ADV는, 액상 연료 추정량 L이 제로≤L＜역치 L1인 경우는 제로, 역치 L1≤L＜역치 L2인 경우에는 ADV1, L≥역치 L2인 경우는 ADV2이다. 연료 분사 타이밍 진각량 ADV1은, 연료 분사 타이밍이 압축 행정 중, 또한 연료 분무의 일부가 캐비티(10)에 충돌하는 타이밍이 되는 크기이다. 연료 분사 타이밍 진각량 ADV2는, 연료 분사 타이밍이 흡기 행정 중, 또한 연료 분무가 캐비티(10)에 충돌하지 않는 타이밍이 되는 크기이다. 역치 L1은, 미리 설정한 값이다. 구체적인 수치는 본 실시 형태를 적용하는 차량의 사양에 따라서 설정한다.
또한, 피스톤 관면 온도마다 연료 분사 타이밍 진각량의 테이블을 작성해 두고, 스텝 S104에서 연료 분사 타이밍 진각량을 산출할 때, 피스톤 관면 온도에 따른 테이블을 선택하도록 해도 된다. 이 경우, 피스톤 관면 온도가 낮은 경우의 테이블일수록, 연료 분사 타이밍 진각량을 크게 설정해 둔다. 즉, 피스톤 관면 온도가 낮아질수록, 도 3의 연료 분사 타이밍 진각량이 위로 시프트된 테이블이 된다. 피스톤 관면 온도가 낮을수록, 충돌한 연료가 액상 연료로서 잔류하기 쉬우므로, 상기한 바와 같이 연료 분사 타이밍 진각량 ADV1을 산출함으로써, 보다 확실하게 피스톤 관면(3A)에 잔류하는 액상 연료량의 증가를 억제할 수 있다.
스텝 S105에서, 컨트롤러(100)는 연료 분사 타이밍을 설정한다. 구체적으로는, 초 리타드 성층 연소용 기본 연료 분사 타이밍과 스텝 S104에서 산출한 연료 분사 타이밍 진각량 ADV로부터 새로운 연료 분사 타이밍을 산출한다.
도 4는, 상기 스텝 S104 및 S105의 처리를 실행한 경우의 연료 분사 타이밍의 일례를 나타낸 도면이다. 도 4의 종축이 크랭크 각도를 나타내고, 횡축이 액상 연료 추정량 L을 나타내고 있다. 액상 연료 추정량 L이 역치 L1 미만인 경우는, 연료 분사 타이밍은 기본 분사 타이밍 그대로이다.
액상 연료 추정량 L이 역치 L1 이상 역치 L2 미만인 경우는, 연료 분사 타이밍은 기본 분사 타이밍으로부터 연료 분사 타이밍 진각량 ADV1만큼 진각하고 있다. 이 경우, 상술한 바와 같이 연료 분무의 일부는 캐비티(10)에 충돌하기 때문에, 기본 연료 분사 타이밍의 경우에 비하면 적기는 하지만, 점화 플러그(8)의 주위에 성층 혼합기가 형성된다. 이 상태에서 불꽃 점화됨으로써 행해지는 연소를 약성층 연소라고 칭한다.
액상 연료 추정량 L이 역치 L2 이상인 경우는, 연료 분사 타이밍은 기본 분사 타이밍으로부터 연료 분사 타이밍 진각량 ADV2만큼 진각하여, 흡기 행정 분사가 된다. 흡기 행정 분사가 되면, 연료 분무는 점화 타이밍까지 확산·혼합되어 통 내 전역에 균질의 혼합기를 형성한다. 따라서, 연소 형태는 균질 화학량론적 연소가 된다.
상기한 바와 같이 컨트롤러(100)는 연료 분사 타이밍을 액상 연료 추정량 L의 증가에 따라서 진각시킨다. 보다 상세하게는, 컨트롤러(100)는 액상 연료 추정량 L이 역치 L1 이상으로 되면 연료 분사 타이밍을 진각시켜 약성층 연소로 전환한다. 이에 의해, 캐비티(10)에 충돌하는 연료량이 초 리타드 성층 연소의 경우에 비해 감소하므로, 피스톤 관면(3A)에 잔류하는 연료량의 증가를 억제할 수 있다. 컨트롤러(100)는, 액상 연료 추정량 L이 역치 L2 이상으로 되면 연료 분사 타이밍을 흡기 행정까지 진각시켜, 균질 화학량론적 연소로 전환한다. 이에 의해, 연료 분무가 캐비티(10)에 부착되지 않게 되므로, 관면에 잔류하는 연료량의 증가를 더 억제할 수 있다.
또한, 컨트롤러(100)는, 도시하지 않은 다른 플로우로 운전 상태에 따라서 점화 타이밍을 제어하고 있다. 그리고, 컨트롤러(100)는, 초 리타드 성층 연소의 경우에는 점화 타이밍을 MBT보다 지각시키고 있지만, 상기한 새로운 연료 분사 타이밍에 맞추어 점화 타이밍도 진각시킨다.
흐름도의 설명으로 되돌아간다.
스텝 S106에서, 컨트롤러(100)는 피스톤 관면 온도를 취득한다. 구체적으로는, 컨트롤러(100)는 상술한 실린더 벽온에 기초하여 피스톤 관면 온도를 추정한다.
스텝 S107에서, 컨트롤러(100)는 피스톤 관면 온도에 기초하여 밸브 오버랩양을 산출한다. 여기서 말하는 밸브 오버랩 기간이라 함은, 흡기 밸브(6) 및 배기 밸브(7)가 개방되어 있는 상태가 계속되는 기간을 크랭크 각도로 나타낸 것이다.
도 5는, 스텝 S107에서 밸브 오버랩양을 산출하기 위해 사용하는 테이블이며, 종축이 밸브 오버랩 기간을 나타내고, 횡축이 피스톤 관면 온도를 나타내고 있다. 또한, 도 5의 곡선 B는, 밸브 오버랩 기간이 이것보다 길어지면 엔진의 연소가 불안정해지는 것을 나타내는 연소 안정 한계선이다.
도 5에 있어서, 피스톤 관면 온도가 T2보다 높은 경우는, 밸브 오버랩 기간은 직선 A를 따라 피스톤 관면 온도가 낮을수록 길게 되어 있다. 한편, 피스톤 관면 온도가 T2 이하인 경우는, 밸브 오버랩 기간은 곡선 B를 따라 피스톤 관면 온도가 낮을수록 짧게 되어 있다.
밸브 오버랩 기간이 길어지면, 이른바 내부 EGR 가스양이 증가하기 때문에, 흡기 행정으로부터 점화 타이밍까지의 통 내 온도가 상승한다. 통 내 온도가 상승하면 피스톤 관면 온도도 상승하기 때문에, 피스톤 관면에 충돌한 연료가 액상화되기 어려워지고, 또한 캐비티에 부착되어 있는 액상 연료의 기화가 촉진된다. 그래서, 본래라면, 도 5의 파선과 같이 피스톤 관면 온도가 T2 이하인 경우라도 피스톤 관면 온도가 낮을수록 밸브 오버랩 기간을 길게 하고 싶다. 그러나, 밸브 오버랩 기간이 길어질수록 통 내의 불활성 가스 비율이 높아지기 때문에, 연소가 불안정해진다. 이 때문에, 도 5의 피스톤 관면 온도가 T2 이하인 부분은, 연소 안정 한계를 초과하지 않는 범위에서, 가능한 한 긴 밸브 오버랩 기간이 설정되어 있다.
따라서, 예를 들어 엔진 시동 시에 있어서의 피스톤 관면 온도가 T1과 T2 사이인 경우에는, 엔진 시동으로부터의 시간 경과에 수반하여 피스톤 관면 온도가 높아짐에 따라 밸브 오버랩 기간이 조금씩 길어진다. 그리고, 피스톤 관면 온도가 T2를 초과하면, 피스톤 관면 온도가 높아짐에 따라 밸브 오버랩 기간은 짧아진다.
스텝 S108에서, 컨트롤러(100)는, 스텝 S107에서 산출한 밸브 오버랩 기간을 실현하기 위한 가변동 밸브 기구의 변환각을 설정하여, 밸브 오버랩양을 변경한다. 보다 상세하게는, 흡기 밸브(6) 및 배기 밸브(7)의 밸브 타이밍을 후술하는 방법에 의해 산출하고, 산출 결과에 기초하여 흡기측 및 배기측의 가변동 밸브 기구의 변환각을 변경한다.
도 6은 스텝 S107에서 산출한 밸브 오버랩 기간을 실현하기 위한, 흡기 밸브(6)의 개방 타이밍(도면 중의 IVO)과, 배기 밸브(7)의 폐쇄 타이밍(도면 중의 EVC)을 산출하기 위한 테이블이다. 도 6은, 종축이 밸브 타이밍을 나타내고, 횡축이 밸브 오버랩양을 나타내고 있다.
흡기 밸브(6) 및 배기 밸브(7)의 밸브 타이밍은 밸브 오버랩 기간과 비례 관계에 있다. 즉, 밸브 오버랩 기간이 길어지는 것에 비례하여, 흡기 밸브(6)의 개방 타이밍의 진각량과 배기 밸브(7)의 폐쇄 타이밍의 지각량이 커진다. 그리고, 밸브 오버랩 기간이 어느 길이여도, 흡기 밸브 개방 타이밍과 배기 밸브 폐쇄 타이밍은, 배기 상사점을 사이에 두도록 설정되어 있다.
또한, 흡기 밸브(6)의 개방 타이밍의 진각량은, 배기 밸브(7)의 폐쇄 타이밍의 지각량보다 크게 되어 있다. 이것은, 배기 밸브(7)의 폐쇄 타이밍을 지각시킬수록 흡입 공기의 블로우바이양이 증가하여, 실린더 체적 효율이 저하되어 버리기 때문이다. 즉, 본 실시 형태와 같이 주로 흡기 밸브(6)의 개방 타이밍을 진각시킴으로써 밸브 오버랩 기간을 길게 하면, 실린더 체적 효율의 저하를 억제할 수 있다.
스텝 S109에서, 컨트롤러(100)는 점화 타이밍 보정을 실행한다. 이 점화 타이밍 보정은, 밸브 오버랩 기간을 변경한 것에 의한 토크 다운을 보상하기 위한 것이다. 즉, 밸브 오버랩 기간을 길게 할수록 통 내의 불활성 가스 비율이 증가하여 엔진 토크가 저하되므로, 저하된 토크를 보상하기 위해 점화 타이밍을 진각시킨다. 보정량은, 밸브 오버랩 기간 및 흡입 공기량에 기초하여 후술하는 맵을 사용하여 산출한다. 또한, 흡입 공기량은 도시하지 않은 에어플로우 미터의 검출값으로부터 산출한다.
도 7은, 스텝 S109에서 점화 타이밍의 보정량을 산출하기 위해 사용하는 맵이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 흡입 공기량이 적을수록, 또한 밸브 오버랩 기간이 길수록 점화 타이밍의 진각량은 커진다.
다음으로, 상기 제어를 실행한 경우의 피스톤 관면 온도 등의 거동에 대해 설명한다.
도 8은, 상기 제어를 실행한 경우의, 엔진 시동으로부터 피스톤 관면 온도가 T2에 도달할 때까지의 타이밍 차트이다.
도면 중의 실선이 본 실시 형태의 제어를 실행한 경우의 차트이다. 도면 중의 파선은 비교예이며, 엔진 시동 시에 설정한 냉간 운전용의 밸브 오버랩 및 점화 타이밍을 변경하지 않는 경우의 차트이다. 단, 비교예의 엔진 시동 시에 있어서의 밸브 오버랩양 및 점화 타이밍은, 본 실시 형태의 제어와 동일하다.
피스톤 관면 온도는 냉각 수온이나 실린더 벽면 온도와 상관이 있기 때문에, 도면 중의 피스톤 관면 온도를 냉각 수온 또는 실린더 벽면 온도라고 볼 수도 있다.
연소 안정도의 역치(도면 중의 「Criteria」)는, 주로 승차감에 기초하여 설정한 것이다. 승차감은, 엔진의 연소가 불안정해져 진동이 증대될수록 악화된다. 그래서, 승차감이 허용할 수 있는 레벨로 될 때의 연소 안정도를, 연소 안정도의 역치라고 한다.
적산 HC라 함은, 엔진 운전 중의 미연소 HC 배출량의 적산값이다. 또한, 엔진 운전 중의 PN의 적산값도 적산 HC의 차트와 마찬가지의 거동을 나타내므로, 적산 HC의 차트라고 볼 수도 있다.
피스톤 관면 온도는, 엔진 시동 후의 시간 경과와 함께 조금씩 상승한다. 이것에 수반하여, 본 실시 형태에서는 밸브 오버랩양을 조금씩 크게 한다.
연소 안정도는, 도 9에 나타낸 바와 같이 실린더 벽면 온도가 높을수록 향상된다. 한편, 실린더 벽면 온도가 일정하면, 도 9에 나타낸 바와 같이 밸브 오버랩양이 커질수록 연소 안정도는 저하된다. 따라서, 비교예와 같이 밸브 오버랩양이 일정하면, 실린더 벽면 온도의 상승에 수반하여 연소 안정도도 향상된다. 이에 비해, 본 실시 형태에서는 연소가 안정되는 범위 내에서 밸브 오버랩양을 조금씩 증대시키므로, 실린더 벽면 온도의 상승에 의한 연소 안정도의 향상과 밸브 오버랩양의 증대에 의한 연소 안정도의 악화가 상쇄되어, 연소 안정도는 역치 그대로이다.
적산 HC(적산 PN)는, 본 실시 형태 및 비교예 모두 시간의 경과에 수반하여 증대되고 있지만, 본 실시 형태는 비교예에 비해 그 적산량은 적다. 이것은, 밸브 오버랩양을 증대시킴으로써 내부 EGR양이 증가하여, 연료의 기화가 촉진되었기 때문이다.
또한, 밸브 오버랩양의 증대는 엔진 토크가 저하되는 요인이 되지만, 본 실시 형태에서는 점화 타이밍을 진각시킴으로써 엔진 토크를 일정하게 유지하고 있다.
다음으로, 본 실시 형태의 효과에 대해 설명한다.
본 실시 형태에서는, 배기 통로(5)에 개재 장착되는 배기 정화 촉매를 난기할 필요가 있는 경우에, 컨트롤러(100)는, 압축 행정 중이며, 또한 연료 분무가 피스톤 관면(3A)에 충돌하고, 충돌한 연료 분무가 피스톤 관면(3A)의 형상을 따라 점화 플러그(8)를 향하는 연료 분사 타이밍에 연료를 분사하여, 압축 상사점 이후에 불꽃 점화를 하는 촉매 난기 운전(초 리타드 성층 연소)을 실행한다. 그리고, 초 리타드 성층 연소의 실행 중에, 컨트롤러(100)는 피스톤 관면 온도에 따라서, 밸브 오버랩양을 증대시킨다. 밸브 오버랩 기간이 길어질수록 내부 EGR양이 증가하여, 흡기 행정의 단계부터 통 내 온도가 상승하므로, 본 실시 형태에 따르면 액상 연료의 기화를 촉진할 수 있다. 그 결과, PN을 저감시킬 수 있다.
또한, 내부 EGR양을 증가시키면, 흡기 포트로 되돌려 다시 통 내에 유입되는 배기 가스량이 증가한다. 그 결과, 통 내에 가두어지는 미연소 HC 등이 증가한다. 그리고 가두어진 미연소 HC 등이 다음 사이클에서 연소됨으로써 미연소 HC나 PN의 배출량이 저감된다. 즉, 본 실시 형태에서는, 상기한 바와 같이 미연소 HC 등을 통 내에 가두는 것에 의한 에미션 저감 효과도 얻어진다.
본 실시 형태에서는, 피스톤 관면 온도가 낮을수록, 밸브 오버랩양의 증대량을 제한한다. 피스톤 관면 온도가 낮을수록, 충돌한 연료 분무가 피스톤 관면(3A)에 잔류하기 쉽다. 따라서, 본 실시 형태에 따르면, 보다 확실하게 피스톤 관면(3A)에 잔류하는 액상 연료량을 저감시킬 수 있다.
본 실시 형태에서는, 적어도 난기 운전(초 리타드 성층 연소)의 실행 중에는, 연료의 일부를 흡기 행정 중에도 분사한다. 즉, 흡기 행정 및 압축 행정에서 연료를 분사하는 2단 분사를 행한다. 흡기 행정에서 분사된 연료는, 연소실(11) 내에 균질하고 이론 공연비보다 희박한 혼합기를 형성한다. 이 상태에서 불꽃 점화하면 외란에 강한 연소가 행해진다.
본 실시 형태에서는, 초 리타드 성층 연소의 실행 중에, 컨트롤러(100)는 피스톤 관면(3A)에 잔존하는 액상 연료의 추정량의 증가에 따라서 연료 분사 타이밍을 진각한다. 연료 분사 타이밍을 진각함으로써, 피스톤 관면(3A)에 충돌하는 연료량이 감소하므로, 피스톤 관면(3A)에 잔류하는 액상 연료량이 감소한다. 이에 의해, PN을 저감시킬 수 있다.
본 실시 형태에서는, 피스톤 관면(3A)에 잔류하는 액상 연료의 추정량이 배기 미립자의 배출 규제값에 기초하여 설정한 역치를 초과한 경우에는, 상술한 연료 분무가 점화 플러그를 향하는 타이밍에서의 분사로부터 흡기 행정 분사로 연료 분사 타이밍을 전환한다. 흡기 행정 분사로 전환함으로써, 연료 분무가 피스톤 관면에 충돌하는 일이 없어지므로, 피스톤 관면(3A)에 잔류하는 액상 연료의 증가를 억제할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 피스톤 관면(3A)에 잔류하는 액상 연료의 추정량의 증가에 따라서, 연료 분사 타이밍을 조금씩 흡기 행정에 접근시킨다. 즉, 액상 연료 추정량이 증가하면, 초 리타드 성층 연소로부터 약성층 연소로 전환한다. 이에 의해, 피스톤 관면(3A)에 잔류하는 액상 연료의 증가를 억제하면서, 약성층 연소에 의해 배기 정화 촉매의 난기를 촉진할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 피스톤 관면 온도가 낮을수록, 상술한 연료 분사 타이밍의 진각량을 크게 한다. 피스톤 관면 온도가 낮을수록, 충돌한 연료 분무가 피스톤 관면(3A)에 잔류하기 쉽다. 따라서, 본 실시 형태에 따르면, 보다 확실하게 피스톤 관면(3A)에 잔류하는 액상 연료량을 저감시킬 수 있다.
또한, 도 2의 흐름도에 있어서, 스텝 S106의 처리를, 스텝 S104 내지 S105의 처리보다 먼저 실행해도 상관없다.
또한, 도 5, 도 6의 테이블 대신에, 도 10, 도 11의 테이블을 사용해도 된다.
즉, 도 10에 나타낸 바와 같이 밸브 오버랩 기간을 스텝적으로 변화시켜도 된다. 이 경우, 도 11에 나타낸 바와 같이 흡기 밸브(6) 및 배기 밸브(7)의 밸브 타이밍도 스텝적으로 변화된다.
또한, 상술한 실시 형태는 성층 연소를 2회의 분할 분사에 의해 행하는 것에 한정되는 것도 아니다. 예를 들어, 상술한 2회의 연료 분사 중 1회째의 연료 분사를 생략한 단단 분사로 하고, 2회째의 연료 분사만으로 성층 연소를 행하도록 해도 된다.
또한, 도 12에 나타낸 바와 같이, 초 리타드 성층 연소의 실행 중에 액상 연료 추정량이 소정의 역치 이상이 되면, 컨트롤러(100)가 균질 화학량론적 연소로 전환하도록 해도 된다.
또한, 상술한 「액상 연료의 추정량의 증가에 따라서, 연료 분사 타이밍을 조금씩 흡기 행정에 접근시키는」이라 함은, 도 4나 도 12와 같이 연료 분사 타이밍을 스텝적으로 진각시키는 것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 13의 실선 또는 파선과 같이, 액상 연료 추정량이 역치 L2 미만인 경우의 연료 분사 타이밍의 진각량을, 액상 연료 추정량의 증가에 따라서 연속적으로 증가시켜도 된다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하였지만, 상기 실시 형태는 본 발명의 적용예의 일부를 나타낸 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시 형태의 구체적 구성에 한정하는 취지는 아니다.

Claims (4)

  1. 통 내에 연료를 직접 분사하는 연료 분사 밸브와,
    통 내의 혼합기에 불꽃 점화하는 점화 플러그
    를 구비하는 통 내 직접 연료 분사식 불꽃 점화 엔진을 제어하는 엔진 제어 장치에 있어서,
    배기 통로에 개재 장착되는 배기 정화 촉매를 난기할 필요가 있는 경우에, 점화 타이밍을 늦추는 촉매 난기 운전을 실행하고,
    상기 촉매 난기 운전의 실행 중에, 피스톤 관면 온도에 따라서 밸브 오버랩양을 증대시키는, 엔진 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 오버랩양의 증대량을 상기 통 내 직접 연료 분사식 불꽃 점화 엔진이 안정적으로 연소할 수 있는 범위로 제한하는, 엔진 제어 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    적어도 상기 난기 운전의 실행 중에는, 연료의 일부를 흡기 행정 중에도 분사하는, 엔진 제어 장치.
  4. 통 내에 연료를 직접 분사하는 연료 분사 밸브와,
    통 내의 혼합기에 불꽃 점화하는 점화 플러그
    를 구비하는 통 내 직접 연료 분사식 불꽃 점화 엔진을 제어하는 엔진 제어 방법에 있어서,
    배기 통로에 개재 장착되는 배기 정화 촉매를 난기할 필요가 있는 경우에, 압축 행정 중에 연료를 분사하고, 또한 점화 타이밍을 늦추는 촉매 난기 운전을 실행하고,
    상기 촉매 난기 운전의 실행 중에, 피스톤 관면 온도에 따라서 밸브 오버랩양을 증대시키는, 엔진 제어 방법.
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