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KR100321329B1 - 내연기관의제어장치 - Google Patents

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KR100321329B1
KR100321329B1 KR1019980702420A KR19980702420A KR100321329B1 KR 100321329 B1 KR100321329 B1 KR 100321329B1 KR 1019980702420 A KR1019980702420 A KR 1019980702420A KR 19980702420 A KR19980702420 A KR 19980702420A KR 100321329 B1 KR100321329 B1 KR 100321329B1
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combustion engine
internal combustion
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다쿠야 시라이시
미노루 오스가
마모루 후지에다
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가나이 쓰도무
가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
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Abstract

본 발명은, 내연기관에 연료를 공급하는 연료공급장치에서 분사되는 연료량과 연료분사 타이밍을 제어하는 연료분사 제어수단과, 상기 내연기관의 연소실을 밀폐하기 위한 흡기밸브 또는 배기밸브의 밸브개방 타이밍, 밸브폐쇄 타이밍, 밸브 리프트 중 적어도 하나를 연속적 또는 단계적으로 변화시키는 가변밸브 제어수단을 구비한 내연기관의 제어장치에 있어서, 상기 연료분사 제어수단은 상기 가변밸브 제어수단의 제어량에 의거하여 분사하는 연료량 또는 분사 타이밍 중 적어도 하나를 제어하는 구성으로 하였다.
본 발명에 의하면 가변밸브기구를 이용하여 공기량을 조정할 수 있으므로 펌핑손실을 저감할 수 있어 연비를 향상할 수 있다. 또, 연소실 내에 충격파가 생기도록 흡기밸브를 밸브개방함으로써, 연소실 내에 분사된 연료를 미립화할 수 있고 배기가스를 악화시키는 일없이 안정연소를 달성할 수 있다.

Description

내연기관의 제어장치{CONTROL DEVICE FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
통 내 연료 분사 엔진에 한하지 않고 일반적으로 엔진의 흡기밸브, 배기밸브의 개폐 타이밍은 엔진의 크랭크축의 회전에 동기하여 회전 구동되는 캠의 캠프로필에 따라서 일의적으로 결정된다. 따라서 넓은 운전상태에 맞추어 이 개폐 타이밍을 최적으로 조정하는 것은 곤란하다. 그러나, 엔진의 출력성능 등을 향상시키기 위해서는 이 개폐 타이밍을 운전상태에 따라 가변 제어하는 것이 바람직하다. 즉, 저회전시에는 흡기밸브와 배기밸브의 오버랩(양쪽의 밸브가 열려 있는 기간)을 적게 하여 새로운 공기의 블로우 바이를 방지하고, 고회전시에는 오버랩을 크게 취하여 배기맥동을 이용하여 충전효율을 높게 하도록 밸브의 개폐 타이밍을 변화시키는 것이 필요하다.
이러한 종류의 기술로서는 예컨대 일본국 특개평 6-101508호에 개시된 것이 알려져 있다. 이 기술에서는 흡기부압을 최적치로 세밀하게 제어하고 펌핑손실을 저감하기 위하여 흡기밸브의 밸브폐쇄 타이밍을 엔진 회전수와 부하의 함수를 나타내는 단일한 맵 이외에 수온, 흡기온 등 그 밖의 운전상태나 내연기관의 경시 변화등을 가미하여 제어를 하고 있다.
한편, 흡기계의 상류에 드롯틀밸브를 설치하여 공기량을 조정하고, 그것에 따른 연료량을 분사 공급하는 방식의 엔진에 있어서는 엔진의 부하가 비교적 낮은 운전영역에서는 흡기관 내의 압력이 대기압보다 낮아지고, 피스톤의 하강시 즉 흡기 스트로크시에 필요한 에너지(펌핑손실이라고 함)가 커지며, 엔진출력에 대한 펌핑손실의 비율이 증가하여 연비가 나빠진다는 문제가 있다.
그러나, 상기 종래 기술에서는 흡기밸브의 리프트량, 작용각은 고정되어 있어서 제어되고 있지 않았다. 즉, 엔진의 연소실에 흡입되는 공기량은 흡기 밸브의 상류에서 드롯틀밸브 등을 이용하여 제어해야만 했다. 그 때문에, 엔진의 저부하 운전시에는 드롯틀밸브로부터 하류의 흡기통로 및 연소실 내는 부압이 되어 펌핑손실을 발생시키고 있었다. 따라서, 상기 종래 기술에서는 엔진의 펌핑손실을 저감 하여 연비의 향상을 도모한다는 점에서는 충분한 것이라고는 말할 수 없었다.
또한, 연료를 직접 연소실에 분사하는 통 내 연료 분사 엔진에 있어서는 연소실에 분사된 연료가 미연소된 채 배기되지 않도록 연료의 분사 타이밍을 배기 밸브가 닫혀져 있는 흡기 스트로크로부터 압축 스트로크 사이로 설정한다. 그 때문에 연료의 기화시간, 즉 연료가 분사되고 나서 점화되기까지의 시간이 짧다. 그래서 연료의 기화 및 공기와의 혼합을 촉진하기 위하여 연료분사밸브에서 분사되는 연료의 입경을 작게 하는 것이 필요하게 된다. 연료 입경은 연료의 분사압력이 높아지면 작아지는 것이 알려져 있고, 그 때문에 연료압력은 5MPa 전후의 고압으로 되어 있다. 그러나, 고압에서 분사된 연료는 큰 관통력을 가지게 되어, 연료실 내에서 실린더 벽이나 피스톤 꼭대기부에 충돌하고 연료의 일부는 연소실의 내벽에 부착된다. 이 부착된 연료는 미연소인 채 배출되고 배기가스중의 미연 HC의 원인이 된다. 이것을 방지하기 위하여 통 내 연료 분사 엔진용의 연료분사밸브에는 연료의 미립화와 관통력의 저감이 요구되고 있다.
본 발명은 내연기관의 제어장치에 관한 것으로서, 특히 내연기관의 흡기, 연료를 제어하는 제어장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 구성도,
도 2는 본 발명의 가변밸브기구의 구성도,
도 3은 제 1 실시예의 밸브 리프트량과 연료분사량의 관계도,
도 4는 제 1 실시예의 밸브 리프트량과 흡입공기량, 연료분사량의 관계도,
도 5는 제 1 실시예의 밸브 리프트량과 연소실 내 압력의 관계도,
도 6은 충격파 발생의 원리 설명도,
도 7은 충격파에 의한 연소실 내의 연료미립화의 설명도,
도 8은 제 1 실시예의 제어신호의 흐름을 나타내는 블록도,
도 9는 제 1 실시예의 엔진의 운전상태 판정 맵,
도 10은 제 1 실시예의 제어신호의 흐름을 나타내는 블록도,
도 11은 제 1 실시예의 흡기밸브 개방상황과 연료분사개시 타이밍의 관계도,
도 12는 본 발명의 제 2 실시예의 액셀러레이터 밟음량과 밸브 리프트량, 연료분사량, 공연비의 관계도,
도 13은 제 2 실시예의 제어신호의 흐름을 나타내는 블록도,
도 14는 본 발명의 제 3 실시예의 설명도,
도 15는 본 발명의 제 4 실시예의 설명도,
도 16은 본 발명의 제 5 실시예의 설명도,
도 17은 본 발명의 제 6 실시예의 구성도,
도 18은 제 6 실시예의 압축비와 팽창비가 같은 경우의 연소실 용적과 연소실 내 압력의 관계도,
도 19는 제 6 실시예의 압축비와 팽창비가 같지 않은 경우의 연소실 용적과 연소실 내 압력의 관계도,
도 20은 제 6 실시예의 흡기관 내 압력과 압축비, 팽창비의 관계도.
본 발명의 목적은 엔진의 저부하영역에서의 펌핑손실을 대폭 저감하여 연비를 향상시킬 수 있으며, 또한 배기성능을 악화시키는 일없이 양호한 연소를 얻을 수 있는 내연기관의 제어장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은 내연기관에 연료를 공급하는 연료공급장치에서 분사되는 연료량과 연료분사 타이밍을 제어하는 연료분사 제어수단과, 상기 내연기관의 연소실을 밀폐하기 위한 흡기밸브 또는 배기밸브의 밸브개방 타이밍, 밸브폐쇄 타이밍, 밸브 리프트 중의 적어도 하나를 연속적 또는 단계적으로 변화시키는 가변밸브 제어수단을 구비한 내연기관의 제어장치에 있어서, 상기 연료분사 제어수단은 상기 가변밸브 제어수단의 제어량에 의거하여 분사하는 연료량 또는 분사 타이밍 중의 적어도 하나를 제어함으로써 달성된다. 또, 상기 목적은 내연기관의 연소실에 직접 연료를 분사하는 연료분사장치에서 분사되는 연료량과 연료분사 타이밍을 제어하는 연료분사 제어수단과, 상기 내연기관의 연료실을 밀폐하기 위한 흡기밸브 또는 배기밸브의 밸브개방 타이밍, 밸브폐쇄 타이밍, 밸브 리프트 중의 적어도 하나를 연속적 또는 단계적으로 변화시키는 가변밸브 제어수단을 구비한 내연기관의 제어장치에 있어서, 상기 연료분사 제어수단은 상기 가변밸브 제어수단의 제어량에 의거하여 분사하는 연료량 또는 분사 타이밍 중의 적어도 하나를 제어함으로써 달성된다.
이상과 같이 구성함으로써, 다음과 같은 작용효과를 얻을 수 있다. 가변밸브 제어수단은 엔진의 저부하 운전영역에서는 흡기배기밸브의 개폐 타이밍, 밸브 리프트를 조정하고 펌핑 손실을 저감시켜 연비를 향상시킨다. 한편, 엔진의 고부하 운전영역에서는 흡기배기밸브의 개폐 타이밍, 밸브 리프트를 조정하고 충전효율을 증가시켜 출력을 향상시킨다. 또, 연료분사 제어수단은 가변밸브 제어수단의 변화에 따라 분사할 연료량과 분사 타이밍을 제어하여 연소실 내에 분사되는 연료의 미립화를 좋게 하고 연소를 안정시켜 배기가스 중에 배출되는 미연소 HC를 감소시킨다.
구체적인 구성에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 구성도이며, 엔진의 하나의 기통의 단면을 도시한 것이다. 도 1에 있어서 엔진(1)에 피스톤(2), 연료분사밸브(3), 흡기밸브(4), 배기밸브(5), 점화 플러그(6), 연소실 내 압력 센서(24), 노킹 센서(25)가 설치되고, 흡기관(18)에는 공기량 센서(7), 에어크리너(8), 흡기관 내 압력 센서(23)가, 배기관(19)에는 공연비 센서(9), 촉매(10), 촉매온도 센서(26)가 배치된다. 엔진제어장치(13)에는 공기량 센서(7),흡기관 내 압력 센서(23), 연소실 내 압력 센서(24), 노킹 센서(25), 공연비 센서(9), 촉매 온도 센서(26), 크랭크 각도 센서(16) 등의 검출결과가 모아들여지고, 그것을 근거로 운전상태 검출수단(27)에서 엔진의 운전상태를 판단한다. 운전상태 검출수단(27)의 결과에 의거하여 가변밸브 제어수단(28)은 가변밸브기구(11, 12)에 흡기밸브(4), 배기밸브(5)의 개폐 타이밍 및 밸브 리프트의 제어신호를 출력하고, 흡기밸브(4), 배기밸브(5)를 각각 제어한다. 또, 연료분사 제어수단(29)은 운전상태 검출수단(27)과 가변밸브 제어수단(28)의 제어신호에 의거하여 연료분사량, 연료분사 타이밍의 제어신호를 출력하고, 연료분사밸브(3)를 제어한다. 연료분사밸브(3)는 연료분사 제어수단(29)의 제어신호에 의거하여 연소실(17) 내에 연료(20)를 분사한다. 또한, 도시 생략한 점화제어수단은 운전상태 검출수단(27)과 가변밸브 제어수단(28)과 연료분사 제어수단(29)의 제어신호에 의거하여 점화신호를 출력하고, 점화플러그(6)에 의하여 점화되어 엔진(1)의 연소실(17) 내의 혼합기가 연소한다.
엔진(1)이 흡기 스트로크에 있을 때, 즉 피스톤(2)이 상사점(上死点)에서 하사점으로 이동할 때에 흡기밸브(4)는 흡기밸브(4)용의 가변밸브기구(11)의 작동에 따라서 밸브개방동작을 한다. 이 때 에어크리너(8), 공기량 센서(7)를 통과한 공기가 엔진(1)에 흡입된다. 엔진(1)은 드롯틀밸브를 구비하고 있지 않기 때문에 흡입흡기량은 흡기밸브에 의하여 제어된다. 피스톤(2)이 하사점 부근에 있을 때에 흡기밸브(4)는 가변밸브기구(11)의 작동에 의하여 닫혀진다. 그 후 피스톤(2)은 상승하여 연소실(17)을 압축한다. 엔진(1)이 통 내 연료 분사 엔진인 경우, 연료분사밸브(3)는 흡기 스트로크에서 압축 스트로크 사이에 연료(20)를 연소실(17) 내로 분사한다. 분사된 연료(20)는 연소실(17) 내에서 공기와 혼합되고 피스톤(2)에 의하여 압축된 후, 점화플러그(6)에 의하여 점화되어 연소한다. 연소에 의하여 발생한 고압은 피스톤(2)을 내리누르고, 엔진(1)은 콘로드(21)를 거쳐 크랭크축(22)으로부터 동력을 출력한다. 그 후, 고온의 연소가스가 팽창하여 피스톤(2)이 하사점 부근까지 내리눌리면 배기밸브(5)는 배기밸브(5)용의 가변밸브기구(12)의 작동에 의하여 열리고 연소실(17) 내의 가스가 배출된다. 그 후 피스톤(2)은 하사점에서 상사점까지 상승하여 연소실(17) 내의 가스를 밀어낸다.
엔진제어장치(13)는 엔진(1)의 회전수, 흡입공기량, 액셀러레이터 페달(14)의 밟는 량, 흡기관 내 압력, 연소실 내 압력, 연소실(17) 내의 노킹의 유무, 공연비, 촉매온도 등으로 엔진(1)의 운전상태를 판단한다. 엔진(1)의 회전수는 크랭크축(22)의 끝부에 설치된 크랭크 각도 센서(16)에 의하여, 흡입공기량은 흡입통로(18) 내에 배치된 공기량 센서(7)에 의하여, 액셀러레이터 페달(14)의 밟음량은 액셀러레이터 페달(14)에 연결된 포텐셔 미터(15)에 의하여, 흡기관 내 압력은 흡기통로(18) 내에 설치된 흡기관 내 압력 센서(23)에 의하여, 연소실 내 압력은 연소실(17) 내에 설치된 연소실 내 압력 센서(24)에 의하여, 엔진(1)의 노킹은 연소실(17)의 근방에 설치된 노킹 센서(25)에 의하여, 공연비는 배기관(19) 내에 배치된 공연비 센서(9)에 의하여, 촉매온도는 배기촉매에 설치된 촉매온도 센서(26)에 의하여 검출된다. 또, 도시 생략한 수온 센서에 의하여 수온도 검출된다.
본 발명의 가변밸브기구는 예컨대 유압을 이용한 유압직접구동방식의 것으로, 도 2에 그 구성도를 나타낸다. 흡기밸브축(200) 내지 배기밸브축(201)에 접하여 각각 유압 피스톤(202, 203)이 설치되고, 피스톤(202, 203)에 이르는 유로(204)에는 밸브개방 제어용과 밸브폐쇄 제어용의 두 개의 유압전환밸브(205, 206)가 설치되어 있고, 밸브개방시에는 고압작동유를 유로(207)에서 피스톤(202, 203)쪽으로 유입시키고 흡배기밸브(4, 5)를 밸브개방동작시킨다. 소정의 밸브 리프트량에 도달하면 전환밸브(205)를 닫아 작동유를 피스톤(202, 203)쪽으로 밀봉하고 밸브 리프트량을 그때의 위치에서 유지시킨다. 밸브폐쇄시에는 피스톤(202, 203)쪽으로 밀봉되어 있는 작동유를 밸브폐쇄 제어용 유압전환밸브(206)를 열어 드레인로(208)로 배출시키고 밸브 스프링(209, 210)의 힘에 의하여 밸브폐쇄 작동시키도록 동작한다. 또, 전자력에 의하여 직접 밸브를 구동하는 방식이라도 상관없다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예의 흡배기밸브(4, 5)의 밸브개방상황과 연료분사량과 타이밍의 관계를 나타낸 것이다. 흡기밸브(4)의 개폐 타이밍 및 밸브 리프트량은 엔진제어장치(13)에 의하여 결정된다. 엔진(1)이 고회전 고부하 상태에서는 흡기밸브(4)는 상사점(도면 중 TDC)보다 앞에서 열리기 시작하며(크랭크 각도 a), 배기밸브(5)의 밸브 리프트(50)와의 오버랩을 크게 취하고, 또 흡입공기량이 많아지도록 밸브 리프트량이 크게(도면 중 A) 설정된다. 또한, 밸브폐쇄 타이밍은 관성과급의 효과를 최대한 이용하기 위하여 하사점(도면 중 BDC)보다 뒤에 설정된다(크랭크 각도 a'). 엔진(1)이 저부하 상태일 때는 흡기밸브(4)의 밸브개방 타이밍을 상사점보다 뒤로 하고(크랭크 각도 c), 흡기밸브(4)에서 유입한 공기가 배기밸브(5)에서 유출되게 되는 새 공기의 블로우 바이를 방지하고, 밸브폐쇄 타이밍을 하사점보다 앞으로 하여 흡기밸브(4)의 밸브개방기간을 짧게, 또한 밸브 리프트량을 C와 같이 작게 하여 흡입공기량을 적게 한다. 또한, 흡기밸브(4)의 밸브개방 타이밍, 밸브 리프트, 밸브폐쇄 타이밍을 무단계로 변화시켜서 그 중간의 설정(크랭크 각도 b에서 밸브개방하고 밸브 리프트를 B까지 열고 크랭크 각도 b'에서 밸브 폐쇄한다)도 할 수 있다.
연료의 분사 타이밍은 흡기밸브(4)의 개폐 타이밍에 동기하여 결정된다. 도 3에 나타낸 실시예는 흡기밸브(4)의 밸브개방 타이밍에 동기하여 연료를 분사시킨 예이며, 이와 같이 설정함으로써 흡기밸브의 밸브개방과 동시에 분사된 연료가 연소실 내 속을 액적 상태로 비상하고 있는 것을 밸브개방 직후의 유속이 빠른 공기류에 의하여 찢어지게 함으로써 날려 흩어져 미립화해 간다. 연료가 미립화하면 연소실 내에서의 공기와 연료의 혼합이 촉진되고 점화될 때에 착화하기 쉬운 혼합기가 형성되어 확실하게 연소하고, 실화(失火)가 없는 안정된 연소가 얻어진다. 특히, 통 내 분사 엔진의 경우, 연료분사밸브 주위에 연료가 부착되기 쉽고 액상인 채로 벽에 부착되어 공기와의 혼합부족 때문에 실화나 이상연소의 원인이 되기 쉬우나, 유속이 빠른 공기류에 의하여 연료를 벽에서 벗겨냄으로써 개선되는 효과가 크다.
연료분사량은 흡기밸브(4)의 밸브 리프트량으로 결정된다. 흡기밸브(4)가 선(51)을 따라 밸브개방하는 경우는 흡입되는 공기량은 많으므로 연료분사량은 α가 되고, 연료분사 개시 타이밍은 흡기밸브의 밸브개방 타이밍의 크랭크 각도(a)가된다. 흡기밸브가 곡선(53)을 따라 밸브 개방하는 경우는 흡입되는 공기량은 적으므로 연료분사량도 적게 되어 γ가 되고 연료분사개시 타이밍은 크랭크 각도(c)가 된다. 또, 흡기밸브(4)의 밸브개방 타이밍, 밸브 리프트, 밸브폐쇄 타이밍을 무단계로 변화시켜서 그 중간의 설정(크랭크 각도 b에서 밸브개방하여 밸브 리프트를 B까지 열고 크랭크 각도 b'에서 밸브 폐쇄한다)으로 한 경우는 연료분사량은 β, 연료분사개시 타이밍은 크랭크 각도(b)가 된다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예의 흡입공기량, 연료분사량과 밸브 리프트량의 관계를 나타낸 것이다. 흡입공기량과 밸브 리프트량의 관계는 엔진의 제어성을 고려하여 56a와 같이 직선적으로 변화하는 것이 바람직하나, 밸브 리프트량이 작은 영역에서는 흡입공기량의 변화는 56b와 같이 된다. 연료분사량은 설정 공연비를 일정(예컨대, 14.7)하게 하는 경우는 55b와 같이 밸브 리프트량으로부터 결정된다. 엔진의 운전상태에 따라서 설정 공연비를 변화시킬 경우, 55a 내지 55d를 전환하여 사용한다. 또, 연료분사량을 크랭크 각도 센서로부터 검출한 회전수와 공기량 센서로부터 검출한 공기량을 근거로 하여 엔진제어장치(13) 내에 기입된 연료분사량 맵의 값을 읽어내서 결정하는 종래의 방법을 이용해도 된다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예의 흡배기밸브(4, 5)의 밸브 리프트량과 연소실(17) 내의 압력(Pc)과의 관계를 나타낸 것이다. 도 5에서 40은 배기밸브의 밸브 리프트 변화이며, 본 실시예에 있어서는 밸브개폐 타이밍, 밸브 리프트량은 일정치로 제어된다. 41은 흡기밸브를 고부하시의 설정에 따라서 작동시켰을 때의 밸브 리프트 변화로서 이 운전상태시, 연소실(17) 내의 압력(Pc)은 배기 스트로크 중,즉 배기밸브(5)가 선(40)과 같이 열려 있는 동안은 43과 같이 대략 대기압(Pa)이다. 흡기밸브(4)가 크랭크 각도(a)에서 밸브개방하고 배기밸브(5)가 크랭크 각도(b)에서 밸브 폐쇄하는 오버랩이 있는 경우는 연소실(17) 내의 압력(Pc)은 회색의 실선(44)과 같이 변화하고, 흡기 스트로크 중에는 흡기관(18) 내의 압력(Pb)과 대략 같게 된다. 드롯틀밸브를 흡기계의 상류에 배치하고 공기량을 제어하고 있는 엔진에서는 Pb는 대기압(Pa) 이하가 된다. 본 발명과 같이 드롯틀밸브를 구비하고 있지 않는 엔진에서는 Pb는 대략 대기압이 된다. 한편, 배기밸브(5)가 닫힌 후, 흡기밸브(4)를 열지 않으면 연소실(17) 내의 압력(Pc)은 점선(45)과 같이 내려가고, 하사점(도면 중 BDC)에서는
Pc = Pa/ε(ε: 엔진 1의 압축비) … (1)
이 된다.
그 도중에 연소실(17) 내의 압력(Pc)이
Pc〈 0.54 * Pb … (2)
가 되는 크랭크 각도(c)에서 흡기밸브(4)를 연 경우, 연소실(17) 내의 압력(Pc)은 급격하게 상승하고 그에 따라서 충격파가 발생한다.
도 6에 충격파 발생의 메커니즘을 간단하게 설명한다. 고압실(215)과 저압실(216) 내에 정지기체가 칸막이막(217)으로 이격되어 있어 각 실의 압력을 각각 고압쪽(P1), 저압쪽(P2)으로 한다. 그 압력비(P2/P1)가
P2/P1〈 0.54 … (3)
일 때에 칸막이막(217)을 찢으면 고압실(215)에서 저압실(216)쪽으로 기체가고속으로 유입된다. 이 때의 기체의 유속은 (3)식의 조건을 만족시키고 있으면 음속 이상이 되며, 즉 마하수가 1보다 크게 되어 충격파가 발생한다. 충격파에는 그 통과에 따라서 기체의 압력, 온도 및 밀도가 증가하는 압축파와 감소하는 팽창파가 있으나 고압실(215)에서 저압실(216)쪽으로는 압축파가 전파된다. 충격파면에서는 압력, 온도, 밀도가 불연속적으로 변화하고 압축파면에서는 그것들이 증가한다.
이와 같은 충격파가 엔진의 연소실 내에 발생한 경우, 충격파는 연소실 내의 벽에서 반사를 반복한다. 이 충격파의 압력 에너지로 연소실 내의 연료분사를 가진(加振)하고 분무를 미립화하는 것이 본 발명의 포인트이다.
도 3과 같이 연료의 분사개시 타이밍을 흡기밸브의 밸브개방 타이밍에 동기시키고 충격파의 발생 직후 또는 충격파 발생 중에 연료를 연소실 내에 분사하도록 하면 상기의 효과가 얻어진다 이와 같이 연료분사개시 타이밍과 흡기밸브의 밸브개방 타이밍을 제어하는 것만으로 연료미립화의 효과가 얻어지고 연료분사밸브 등에 미립화를 위한 특별한 개량을 시행하지 않아도 된다.
상기의 효과를 실제의 엔진에서 얻기 위해서는 이 충격파의 발생을 예측 또는 검출하여 연료분사를 제어할 필요가 있다. 그 하나의 방법으로서 엔진에 설치되어 있는 크랭크 각도 센서를 이용한 방법이 있다. 크랭크 각도 센서는 크랭크 축 등에 설치된 톱니바퀴 또는 원반에서 수도마다 크랭크 각도를 검출하고서 그것이 엔진의 운전상태 검출수단에 읽어들여진다. 엔진의 연소실 내의 압력(Pc)은 배기밸브 폐쇄 직후에는 도 5에 나타낸 바와 같이 대략 대기압(Pa)으로 되어 있다. 그후, 피스톤이 강하하고 흡기밸브가 밸브 개방되지 않을 때에는 선(45)과 같이 연소실 내 압력(Pc)이 저하하는 것은 상술한 바와 같다. 이 연소실 내 압력(Pc)이
Pc = 0.54 * Pa … (4)
가 되는 것은 상사점에서의 연소실의 용적을 Vt로 하였을 경우, 피스톤이 하강하고 연소실의 용적(V)이 증가하여
V = Vt/0.54 … (5)
가 되었을 때이다. 즉, 상사점에서의 연소실 용적과 비교하여 용적비가 (1/0.54)≒2배 이상이 되었을 때, 흡기밸브를 밸브 개방하면 상술한 충격파가 발생한다. 따라서, 엔진제어장치는 엔진의 연소실 안쪽지름(보어라고 함)과 피스톤 스트로크(스트로크라고 함)에 따라서 결정되는 연소실 용적의 변화를 크랭크 각도로 파악할 수 있고 그것을 이용하여 충격파의 발생을 예측할 수 있다.
또, 다른 방법으로서 엔진의 흡기통로에 설치된 흡기관 내 압력 센서를 이용하는 방법이 있다. 이 방법에서는 배기밸브 폐쇄시의 흡기관 내 압력(Pb)을 검출하여 그 값을 운전상태 검출수단에 읽어들이고 엔진제어장치 내의 연산회로에서 피스톤의 하강에 의하여 연소실 내의 압력(Pc)이
Pc = 0.54 * Pb … (6)
이 되는 크랭크 각도를 계산하여 그 크랭크 각도를 흡기밸브의 밸브개방 타이밍으로 결정한다. 또한, 이 밸브개방 타이밍에 동기시켜서 연료를 분사시키는 것은 상술한 바와 같다. 이 방법에 의해서도 충격파의 발생을 예측할 수 있다. 이 흡기관 내 압력 센서를 이용한 충격파 발생 예측방법은 흡기계의 상류에 드롯틀밸브를 설치한 경우나 과급기를 설치한 경우 또 고지 등에서 대기압이 변동한 경우등, 즉 흡기관 내 압력이 변화한 경우에 유효하다.
또한, 다른 충격파 발생 검출방법으로서 엔진의 연소실에 설치된 연소실 내 압력 센서를 이용하는 방법이 있다. 이 방법에서는 배기밸브 폐쇄시의 연소실 내 압력(Pc)을 검출하여 그 값을 운전상태 검출수단에 읽어들여서 엔진제어장치 내에 유지하고 피스톤의 하강에 의한 연소실 내의 압력변화를 항상 검출하여 연소실 내 압력(Pc)이
Pc = 0.54 * Pc … (7)
가 되었을 때에 흡기밸브를 밸브 개방시킨다. 또한, 이 밸브개방 타이밍에 동기시켜서 연료를 분사시키는 것은 상술한 바와 같다. 이 방법으로는 충격파의 발생을 예측할 수 있는 동시에 발생후의 연소실 내 압력의 변화를 검출하여 충격파의 발생을 확인할 수 있다.
도 7에 충격파가 발생하였을 때의 연소실 내의 모습을 모식적으로 나타낸다. 상술한 충격파 발생조건 (1) 내지 (5) 중의 어느 하나를 만족시켰을 때에 흡기밸브(4)를 밸브 개방하면 충격파(59)가 발생하고, 밸브개방과 동시에 분사된 연료(20)는 충격파의 압력에너지에 의하여 가진되어 미립화된다. 미립화된 연료분무는 질량이 가벼워지기 때문에 공기의 흐름을 타기 쉬워 연료분무(57, 58)와 같이 확산된다.
이상과 같이 본 실시예에서는 흡기밸브의 밸브개방 타이밍을 가변밸브기구에 의하여 변화시키고 연소실 내에 충격파가 발생하는 것을 이용하여 충격파의 발생과 더불어 연료를 분사하여 도 7에 나타낸 바와 같이 미립화시키는 것이다.
도 8은 본 발명의 제어신호의 흐름을 나타낸 블록도이다. 이것을 이용하여 충격파 발생 예측을 포함한 엔진제어장치 내에서의 제어신호의 흐름을 설명한다. 도 1에 기재된 엔진(1)의 엔진제어장치(13)는 블록(27)에서 엔진회전수, 흡입공기량, 액셀러레이터 밟음량, 흡기관 내 압력, 연소실 내 압력, 노킹, 수온, 촉매온도 등의 데이터를 모아들여서 유지한다. 또한, 그들 데이터에서 엔진운전상태, 즉 엔진이 고부하 상태인지 중저부하 상태인지를 판정한다. 예컨대, 도 9와 같이 엔진회전수와 액셀러레이터 페달 밟음량의 맵에서 영역 L 또는 M 내일 때에는 각각 저부하, 중부하 상태라고 판정하고, 영역 H 내일 때에는 고부하 상태에 있다고 판단한다. 블록(28)에서는 블록(27)에서 엔진운전상태가 저부하 또는 중부하라고 판정된 경우에는 충격파가 발생하도록 흡기밸브를 제어한다. 즉, 크랭크 각도 센서, 흡기관 내 압력 센서, 연소실 내 압력 센서 등의 검출결과로부터 충격파의 발생을 예측 또는 확인하고, 그것에 동기시켜서 연료분사를 개시한다. 또한, 엔진운전상태가 고부하 상태라고 판정된 경우에는 운전자가 요구하는 엔진출력을 액셀러레이터 페달의 밟음량으로부터 추정하여, 그 출력을 얻기 위해서 흡입공기량을 늘리도록 흡기밸브의 밸브 리프트량을 크게 하고 밸브개방기간을 길게 하도록 제어한다. 이 때는 충격파는 발생하지 않으나 연소실 내에는 흡입공기량 증대 및 회전수 상승에 따라서 공기유동이 강해지기 때문에 연료분무와 공기가 충분히 혼합되므로 연소도 안정되고 문제는 없다.
블록(29) 내의 블록(60)에서는 블록(28)에서 결정된 흡기밸브의 밸브 리프트량으로부터 흡기공기량을 추정하여, 설정된 공연비가 되도록 연료분사량을 결정한다. 또는 블록(27)에 유지되어 있는 엔진회전수와 흡입공기량의 맵으로부터 연료분사량을 정해도 된다. 또한, 블록(61)에서는 블록(27)에서 엔진운전상태가 저부하 또는 중부하 상태라고 판정되어 충격파를 발생시킬 경우에는 연료분사개시 타이밍을 흡기밸브의 밸브개방 타이밍에 동기시키도록 결정한다. 또, 엔진의 운전상태가 고부하 상태라고 판정되어 충격파를 발생시키지 않을 경우에는 배기관으로부터의 부압파의 맥동을 이용하여 충전효율을 상승시키기 위하여 배기밸브와의 오버랩이 커지도록 흡기밸브의 밸브개방 타이밍을 진각(進角)시킨다. 블록(28, 29)에서 결정된 흡기밸브의 밸브개폐 타이밍, 밸브 리프트량 및 연료분사량, 연료분사개시 타이밍의 제어신호는 각각 블록(11)의 가변밸브장치, 블록(3)의 연료분사장치로 보내지고 소정의 타이밍에서 실행된다.
본 발명의 포인트인 충격파를 발생시킬 경우의 흡기밸브의 밸브개방 타이밍을 정밀도 좋게 결정하는 다른 방법을 도 10을 이용하여 설명한다. 도 10은 블록(27)과 블록(28) 사이에서의 제어신호의 흐름을 나타내는 블록도이다. 블록(27)에 모아들여진 흡기관 내의 압력(Pb)을 이용하여 블록(64)에서 도 5에 나타낸 연소실 내의 압력(Pc)이 (6)식을 만족시키는 크랭크 각도를 산출하고 그 산출결과에 의거하여 블록(66)에서 흡기밸브의 밸브개방 타이밍을 결정한다. 또다른 방법으로서 블록(27)에서 연소실 내의 압력(Pc)을 모아들이고 있을 경우에는 블록(65)에서 (4), (6), (7)식 중의 어느 하나의 조건을 만족시키는 것을 판정하고, 그 때의 크랭크 각도를 블록(66)에서 흡기밸브의 밸브개방 타이밍으로 하면 보다 정밀도가 좋아진다.
또, 도 8의 블록(61)에서의 연료분사개시 타이밍을 결정하는 다른 방법을 도 11을 이용하여 설명한다. 도 11은 액셀러레이터 페달 밟음량과 밸브개방상황 및 연료분사 타이밍의 관계를 나타낸 것이다. 예컨대, 도 8의 블록(27)에서의 엔진운전상태 검출결과에 따라서 흡기밸브의 밸브개방 타이밍, 밸브폐쇄 타이밍이 각각 220, 221과 같이 변화한다. 밸브 리프트량은 도 12의 선(78)과 같이 변화한다. 즉, 엔진의 운전상태가 저부하 상태라고 판단되었을 경우에는 흡기밸브의 밸브개폐 타이밍은 가까워지고, 밸브개방기간은 짧으며 밸브 리프트량도 작다. 또, 엔진의 운전상태가 중부하 상태라고 판단된 경우에는 흡입공기량을 증대하기 위하여 흡기밸브의 밸브개방 타이밍은 진각되고 밸브폐쇄 타이밍은 지각(遲角)되며, 밸브개방기간이 길어지고 밸브 리프트량도 커진다. 이때에는 충격파를 발생시키도록 연료분사개시 타이밍은 222와 같이 흡기밸브의 밸브개방 타이밍 사이 가까이에 설정된다. 엔진의 운전상태가 고부하 상태라고 판단되었을 경우에는 흡입공기량을 더욱 증대하기 때문에, 흡기밸브의 밸브개방 타이밍은 배기관으로부터의 부압파의 맥동을 이용하여 충전효율을 상승시키기 위하여 배기밸브와의 오버랩이 커지도록 더욱 진각되고, 흡기밸브의 밸브폐쇄 타이밍은 흡기관 내의 정압파의 맥동을 이용하여 충진효율을 상승시키기 위하여 더욱 지각된다. 이때, 연료분사개시 타이밍을 223의 배기밸브의 밸브폐쇄 타이밍보다 진각시키면 미연소 연료가 배출되어 배기가스가 악화될 우려가 있기 때문에, 연료분사개시 타이밍(222)은 배기밸브의 밸브폐쇄 타이밍(223) 이상으로는 진각할 수 없다. 따라서, 이때에는 충격파를 발생시킬 수 없으나, 고부하 상태에서는 흡입공기량의 증대, 엔진회전수의 상승을 위하여 연소실 내의 공기유동이 강해져 있으므로, 연료분무와 공기가 충분히 혼합되고 연소는 악화되지 않아 문제는 없다.
또, 공연비를 크게 하여 연소시키는 희박연소를 할 경우에는 흡기밸브의 밸브개방 타이밍과 연료분사개시 타이밍의 지연기간(α)을 크게 설정하고 연료분사개시 타이밍이 224와 같이 흡기밸브의 밸브폐쇄 타이밍에 가깝게, 다시 225와 같이 밸브폐쇄후가 되도록 해도 좋다. 이 경우, 분사된 연료는 연소실 내에 충분히 확산되지 않고 점화 플러그 근방에 집중하는, 이른바 층상 혼합기가 되어 희박연소가 가능하게 된다.
도 12, 도 13은 본 발명의 제 2 실시예이다. 도 12는 액셀러레이터 페달의 밟음량과 밸브 리프트량, 연료분사량, 공연비와의 관계를 나타낸 것이다. 액셀러레이터 페달의 밟는 양은 운전자의 요구출력을 표시하는 것으로서, 액셀러레이터 페달 밟는 양이 클 때에는 고출력을 요구하고, 작을 때에는 그만큼 큰 출력을 요구하고 있지 않다고 판단할 수 있다. 따라서, 본 발명과 같이 엔진의 흡기계에 드롯틀밸브를 구비하고 있지 않는 경우에는 엔진의 연소실에 흡입되는 공기량을 흡기밸브로 제어할 필요가 있다. 흡기밸브를 통과하는 공기량은 대체로 밸브 리프트에 의하여 개구한 면적에 비례하므로 밸브 리프트량으로부터 흡입공기량을 추정할 수 있다. 이 방법에서는 공기량 추정의 지연이 없고, 또한 통 내 분사엔진의 경우, 이 방법으로 공기량을 추정하고 나서 연료를 연소실 내에 분사할 수도 있다. 따라서, 사이클마다 변화하는 공기량에 따라서 연료분사량을 제어할 수 있으므로, 배기가스의 악화를 방지하고 연소가 안정되며 엔진진동을 저감할 수 있다. 또, 공기량센서에서 실측한 공기량을 이용하여 추정한 공기량을 보정하는 방법을 부가해도 된다.
그런데, 본 실시예에서는 도 12의 78과 같이 액셀러레이터 페달 밟음량의 변화에 따라서 밸브 리프트량을 제어하고, 밸브 리프트량으로부터 추정한 공기량 또는 공기량 센서로부터의 실측치를 이용하여 보정한 공기량에 따라서 연료분사량을 77과 같이 결정한다. 이때, 연료분사량은 액셀러레이터 페달 밟음량에 대한 설정 공연비도 고려하여 결정된다. 액셀러레이터 페달 밟음량이 작을 경우, 운전자의 요구출력은 낮다고 판단하여 엔진제어장치는 흡입공기량을 작게 하기 때문에 흡기밸브의 밸브 리프트량을 작게 한다. 밸브 리프트량이 지나치게 작으면 흡입공기량의 추정이 어려워지고, 즉 정밀도가 나빠지며, 또한 연소실 내의 공기유동도 극단적으로 약해지기 때문에 연소가 불안정하게 된다. 그래서, 도 13의 블록도에 나타낸 바와 같이 액셀러레이터 페달 밟음량이 X 이하일 때에는 밸브 리프트량을 일정하게 제어하고 흡입공기량을 일정으로 하고 연료분사량을 적게 하여 공연비를 크게 설정하고 엔진출력을 제어한다. 이에 의하여 연소가 악화되는 것을 방지하고 연료를 적게 한 것에 의하여 연비를 향상시킬 수 있다. 특히, 통 내 분사엔진의 경우, 연료를 직접 연소실 내에 분사하므로 응답성이 뛰어나다.
도 14는 본 발명의 제 3 실시예이다. 엔진의 극저부하시, 즉 아이들링시에 엔진보조기, 예컨대 에어컨의 구동동력을 확보하기 위하여 흡입공기량을 늘려서 엔진출력을 올리는 것은 종래부터 행해지고 있다. 그러나, 종래의 드롯틀밸브를 구비한 엔진에서는 이 공기량을 미세 조정할 때에 드롯틀밸브를 열지 않고 드롯틀밸브를 바이패스시키는 통로를 설치하고 그 통로 내에 밸브를 배치하여 바이패스밸브의 온-오프로 흡입공기량을 증감시키고 있었다. 그러나, 이것은 부품점수가 많아 비용상승의 원인이 되고 있었다. 도 1에 기재된 엔진(1)에 있어서, 본 발명의 가변밸브기구는 흡기밸브의 밸브개방기간 및 밸브 리프트량을 일정치로 제어하여 밸브개폐 타이밍을 미세 조정해서 공기량을 증감하여 엔진의 회전수, 구동력을 조정한다. 엔진의 흡기 스트로크시에는 피스톤은 상사점(도면 중 TDC)에서 하사점(도면 중 BDC)으로 이동하고 그 피스톤의 움직임 따라서 공기가 연소실 내로 흡입된다. 크랭크 각도 a, b에서도 피스톤의 위치는 상사점에 가깝고, 또 피스톤의 속도도 느리기 때문에 흡입되는 공기량은 적다. 크랭크 각도 c에서는 피스톤이 상사점에서 움직이기 시작하여 피스톤 속도도 커지므로 흡기밸브의 밸브 리프트, 밸브개방기간이 일정해도 흡입되는 공기의 양은 많아진다. 따라서, 예컨대 보조기류의 구동동력을 확보할 경우에는 흡기밸브의 밸브개방 타이밍을 크랭크 각도 c로 설정하고 엔진 회전수를 상승시켜 엔진출력을 증가시킨다. 또 반대로 크랭크 각도를 a 또는 b로 설정하면 엔진 회전수를 억제하여 연비의 악화를 방지할 수 있다. 이와 같이 본 발명의 가변밸브기구는 특별한 부품을 늘리는 일이 없이 상기의 효과를 얻을 수 있다.
도 15는 본 발명의 제 4 실시예이다. 도 15는 크랭크 각도와 흡기관 내 압력(Pb)의 관계를 나타낸 것이다. 엔진의 흡기관에는 흡기밸브의 밸브개방에 의하여 압력맥동이 발생하고, 흡기관 내 압력의 평균치보다 압력이 높은 정압파와 평균치보다 낮은 부압파가 교대로 전파하고 있다. 따라서, 압력맥동의 정압파 부분이연소실 내에 들어가면 연소실 내의 공기량은 통상보다 증가하여 엔진의 출력향상에 유효하다. 반대로 압력맥동의 부압파 부분이 연소실 내에 들어가면 연소실 내의 공기량은 통상보다 감소하여 엔진출력이 저하하게 된다. 이 압력맥동의 위상은 엔진회전수에 따라서 변화한다. 그 때문에 종래부터 엔진회전수가 변해도 정압파가 연소실 내에 들어가도록 흡기관의 길이를 변화시키는 기구가 채용되고 있다. 그러나, 이 방법은 흡기관의 길이를 단계적으로 바꾸는 것이 대부분이고 그 흡기관의 길이에 매칭한 엔진회전수 범위에서밖에 상기의 관성과급의 효과를 얻을 수 없다. 또, 흡기관의 길이를 바꾸는 구조가 필요하게 되어 부품점수의 증가와 비용상승의 원인이 되고 있었다. 그래서 본 발명에서는 도 1에 기재한 엔진(1)에 있어서 엔진제어장치(13)는 흡기관 내 압력 센서(23)에서 흡기관 내 압력을 검출하고, 도 15와 같이 그 압력변동(90, 91, 92)에 대해 정압파가 연소실에 들어갔을 때에 흡기밸브를 순간적으로 닫는다. 90, 91, 92는 예컨대 1000, 2000, 3000(rpm)일 때의 흡기관 내 압력(Pb)의 맥동으로서, 그 위상은 다르나 흡기관 내 압력 센서로부터의 신호에 의거하여 흡기밸브를 각각 94, 95, 96과 같이 순간적으로 닫음으로써 연소실 내의 압력 즉 공기량을 높여서 엔진출력을 향상시킬 수 있다. 또, 엔진의 넓은 회전수 범위로 상기의 관성과급효과를 얻을 수 있다. 이와 같이 본 발명의 가변밸브기구는 특별한 부품을 늘리지 않고 상기의 효과를 얻을 수 있다.
도 16은 본 발명의 제 5 실시예이다. 도 16은 배기밸브의 밸브개방 타이밍을 바꾸었을 때의 촉매온도 상승 모습을 나타내고 있다. 엔진의 시동시에는 촉매의 온도가 낮아 충분한 정화율이 얻어지지 않으나, 시동 직후의 엔진에서는 불완전연소에 의한 미연소 연료가 배출되고 있다. 촉매는 그 온도가 활성온도 이상이 되지 않으면 배기가스를 정화하는 능력이 낮기 때문에, 시동 직후에 엔진에서 배출된 미연소 연료는 차량의 배기관에서 외부로 배출되게 된다. 이것은 배기가스에 의한 환경오염의 원인이 되기도 한다. 그 때문에 종래부터 촉매를 전기히터로 가열하여 촉매온도를 빠르게 활성온도 이상으로 하는 수법이 행해지고 있다. 그러나, 이 방법은 촉매를 가열하기 위한 히터에서 소비하는 전력이 크고 차량의 전기발전부하를 증대시키며 엔진은 발전량을 늘리기 위하여 공기량을 늘리고 회전수를 상승시킨다. 그 결과, 연비의 악화를 피할 수 없고 또 비용상승의 원인이 되고 있다. 그래서 본 발명에서는 도 1에 기재한 엔진(1)에 있어서, 엔진시동 직후 또는 엔진제어장치가 촉매온도 센서에서 촉매온도를 검출하고, 그것이 촉매의 활성온도(Tc)보다 낮은 경우는 배기밸브의 밸브개방 타이밍을 111과 같이 통상의 타이밍 EVO1보다 진각시켜 EVO2로 하여 연소실 내의 팽창 스트로크 중의 고온의 연소가스를 배출시키고 촉매온도를 110과 같이 가열한다. 촉매온도가 활성온도 이상이 되면 배기밸브의 밸브개방 타이밍은 통상의 타이밍 EVO1으로 되돌아간다. 이 방법에 의하면 본 발명의 가변밸브기구는 특별한 장치를 늘리지 않고 상기의 효과를 얻을 수 있다.
도 17은 본 발명의 제 6 실시예이다. 엔진(1)의 흡기통로(18) 내에 흡입공기의 압력을 높이는 기계식 과급기(151)를 배치하고 엔진(1)에 흡입되는 공기의 압력이 대기압 이상이 되도록 하고 있다. 이와 같은 과급기(151)를 구비한 엔진에 있어서는 과급압이 지나치게 높아지는 것에 기인하는 노킹이 문제가 된다. 과급기로서는 예컨대 터보차저, 수퍼차저, 모터에 의한 것 등이라도 좋다. 도 18에 연소실 용적과 연소실 내 압력의 이론적인 변화의 모습을 나타낸다. 즉 이 도면에서는 연소나 가스교환 등에 요하는 시간은 순간으로 생각한다. 도 18에 있어서 엔진(1)은 포인트 7에서 포인트 1의 흡기 스트로크에서 과급기에 의하여 가압된 공기를 흡입하고, 1부터 2에서 연소실(17) 내의 공기와 연료의 혼합기를 압축하며, 포인트 2에서 점화되어 순간적으로 연소하고 압력이 높아져서 포인트 3이 된다. 3부터 4는 고압의 연소가스가 피스톤을 내리눌러 엔진의 출력을 인출하는 팽창 스트로크이다. 포인트 4에서 배기밸브가 열리고 포인트 4부터 5에서 순간적으로 배기압력이 떨어지고, 포인트 5부터 6에서 연소실 내의 가스가 배기된다. 이 도 18을 이용하여 노킹 발생에 관하여 설명한다. 노킹은 과급압이 지나치게 상승하고 압축후의 혼합기 온도(포인트 2의 온도)가 지나치게 높아져서, 연소시에 정상인 화염전파와는 다른 미연혼합기 부분에서 급속한 연소가 시작되어 그것에 따라서 엔진에 불쾌한 음과 진동을 발생시킨다. 종래, 노킹을 피하기 위하여 엔진의 압축비를 미리 낮게 설정하는 수법이 이용되고 있으나, 밸브의 밸브개폐 타이밍이 일정하게 제어되는 종래의 엔진에서는 압축비를 내리는 것은 팽창비를 내리는 것이 되고, 연소실 내의 열에너지를 엔진의 출력으로 변화하는 효율이 떨어지게 되어 있었다. 도 18에 있어서는 압축비(ε) 및 팽창비(ε')는 Vc(연소실 용적), Vs(스트로크 용적)를 이용하여 (ε: 엔진 1의 압축비)
ε= ε'= 1 + Vs/Vc … (8)
과 같이 구하게 된다.
도 19에 본 발명의 연소실 용적과 연소실 내 압력의 이론적인 변화의 모습을나타낸다. 즉 이 도면에서는 연소나 가스변화 등에 요하는 시간은 순간으로 생각한다. 본 발명의 가변밸브기구를 이용하여 흡기 스트로크 중의 포인트 8에서 흡기밸브를 닫으면 피스톤은 아직 하강중이므로 연소실 내 압력(Pc)은 8에서 1과 같이 팽창하고, 하사점 후 피스톤이 상승하여 1에서 8로 변화하고, 다시 포인트 8로 되돌아간다. 그 점에서 실질적인 압축이 개시되므로 그때의 압축비는
ε= 1 + Vs'/Vc … (9)
가 된다. 이어서, 포인트 2에서의 점화, 연소후, 포인트 4부터 포인트 5까지의 팽창 스트로크의 팽창비는
ε' = 1 + Vs/Vc
가 되어 Vs'＜ Vs이므로 압축비＜팽창비로 할 수 있다. 도 19에 있어서는 실질적인 흡기 스트로크는 7에서 8이며 흡입공기량은 적어지고 있다. 또, 실질적인 압축비도 낮아지고 있으므로 압축후의 혼합기 온도(포인트 2의 온도)는 압축비가 높을 때의 압축후의 혼합기 온도(포인트 2'의 온도)보다 낮아지고, 따라서 점화, 연소후의 압력, 온도도 낮아진다. 그 결과, 노킹의 발생이 방지된다.
압축비가 낮아도 팽창비를 크게 할 수 있고 연소실 내의 열에너지를 유효하게 엔진출력으로 변환할 수 있다. 따라서, 포인트 8에서의 흡기밸브의 밸브폐쇄 타이밍을 제어함으로써 실질적 압축비를 바꿀 수 있고, 이에 따라 노킹을 회피할 수 있다. 도 20에 과급압과 압축비, 팽창비의 관계를 나타낸다. 과급압이 상승한 경우, 엔진제어장치는 노킹 센서에서 노킹의 유무를 검출하여 노킹이 발생하였을때에는 흡기밸브의 밸브폐쇄 타이밍을 앞당겨서 실질적인 압축비를 작게 한다. 그러나, 팽창비는 연소실 내의 열에너지를 유효하게 엔진출력으로 변환하기 위하여 일정하게 제어된다.
또, 연료를 흡기포트에 분사하는 과급식 엔진에서는 연소실에 밀어넣어진 혼합기의 비열비는 연료의 비열비가 크게 영향을 미쳐서 1.2 내지 1.3이 된다. 본 발명과 같이 엔진의 연소실 내에 직접 연료를 분사하는 통 내 분사 엔진을 과급한 경우, 과급기는 먼저 공기만을 가압하고 과급된 공기가 연소실로 밀어넣어져 그 공기량에 의거한 연료량이 분사된다. 따라서, 혼합기의 비열비는 공기의 비열비인 1.4에 가까워지고 흡기포트 분사식 엔진보다 많은 공기량을 밀어 넣을 수 있으므로 엔진출력이 향상한다.
상기의 구성에 의하여 용이하게 노킹을 회피할 수 있고, 노킹을 회피하면서 엔진의 출력을 향상시킬 수 있다.

Claims (23)

  1. 내연기관에 연료를 공급하는 연료공급장치에서 분사되는 연료량과 연료분사 타이밍을 제어하는 연료분사 제어수단과,
    상기 내연기관의 연소실을 밀폐하기 위한 흡기밸브 또는 배기밸브의 밸브개방 타이밍, 밸브폐쇄 타이밍, 밸브 리프트 중 적어도 하나를 연속적 또는 단계적으로 변화시키는 가변밸브 제어수단을 구비한 내연기관의 제어장치에 있어서,
    상기 가변밸브 제어수단은 흡기쪽 가변밸브를 제어하여 상기 내연기관에 흡입되는 공기량을 제어하고, 상기 연료분사 제어수단은 상기 가변밸브 제어수단의 제어량에 의거하여 분사하는 연료량을 제어하며,
    액셀러레이터의 밞음량이 어느 소정치 이하일 때에는, 상기 가변밸브 제어수단은 흡입공기량을 일정하게 제어하고, 상기 연료분사 제어수단은 상기 정해지는 연료분사량보다 적게 하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내연기관의 흡기통로에 과급기를 배치한 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 내연기관의 노킹을 검출 또는 추정하는 노킹검출수단을 구비하며,
    상기 가변밸브 제어수단은 상기 노킹검출수단의 검출결과에 의거하여 상기 내연기관의 연소실을 밀폐하기 위한 흡기밸브의 밸브개방 타이밍, 밸브폐쇄 타이밍, 밸브 리프트 중 적어도 하나를 연속적 또는 단계적으로 제어하고, 상기 내연기관의 압축비를 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 내연기관의 노킹을 검출 또는 추정하는 노킹검출수단을 구비하며,
    상기 가변밸브 제어수단은 상기 노킹검출수단의 검출결과에 의거하여 상기 내연기관의 연소실을 밀폐하기 위한 흡기밸브 또는 배기밸브의 밸브개방 타이밍, 밸브폐쇄 타이밍, 밸브 리프트 중 적어도 하나를 연속적 또는 단계적으로 제어하고, 상기 내연기관의 압축비를 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  5. 내연기관에 연료를 공급하는 연료공급장치에서 분사되는 연료량과 연료분사 타이밍을 제어하는 연료분사 제어수단과,
    상기 내연기관의 연소실을 밀폐하기 위한 흡기밸브 또는 배기밸브의 밸브개방 타이밍, 밸브폐쇄 타이밍, 밸브 리프트 중 적어도 하나를 연속적 또는 단계적으로 변화시키는 가변밸브 제어수단을 구비한 내연기관의 제어장치에 있어서,
    상기 연료분사 제어수단은 상기 가변밸브 제어수단의 제어량에 의거하여 분사하는 연료량 또는 분사 타이밍 중 적어도 하나를 제어하며,
    상기 내연기관의 크랭크 각도를 검출 또는 추정하는 크랭크 각도 검출수단을구비하며,
    상기 가변밸브 제어수단은 상기 내연기관의 연소실 용적이 상사점의 연소실 용적의 2배 이상이 되는 크랭크 각도일 때에 상기 흡기 밸브를 밸브개방 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  6. 내연기관에 연료를 공급하는 연료공급장치에서 분사되는 연료량과 연료분사 타이밍을 제어하는 연료분사 제어수단과,
    상기 내연기관의 연소실을 밀폐하기 위한 흡기밸브 또는 배기밸브의 밸브개방 타이밍, 밸브폐쇄 타이밍, 밸브 리프트 중 적어도 하나를 연속적 또는 단계적으로 변화시키는 가변밸브 제어수단을 구비한 내연기관의 제어장치에 있어서,
    상기 연료분사 제어수단은 상기 가변밸브 제어수단의 제어량에 의거하여 분사하는 연료량 또는 분사 타이밍 중 적어도 하나를 제어하며,
    상기 내연기관의 크랭크 각도를 검출 또는 추정하는 크랭크 각도 검출수단과; 상기 내연기관의 흡기관 내의 압력을 검출 또는 추정하는 흡기관 내 압력 검출수단을 구비하며,
    상기 가변 밸브 제어수단은 크랭크 각도 검출수단의 결과와 상기 흡기관 내 압력 검출수단의 결과에 의거하여 상기 흡기밸브를 밸브개방 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  7. 내연기관에 연료를 공급하는 연료공급장치에서 분사되는 연료량과 연료분사타이밍을 제어하는 연료분사 제어수단과,
    상기 내연기관의 연소실을 밀폐하기 위한 흡기밸브 또는 배기밸브의 밸브개방 타이밍, 밸브폐쇄 타이밍, 밸브 리프트 중 적어도 하나를 연속적 또는 단계적으로 변화시키는 가변밸브 제어수단을 구비한 내연기관의 제어장치에 있어서,
    상기 연료분사 제어수단은 상기 가변밸브 제어수단의 제어량에 의거하여 분사하는 연료량 또는 분사 타이밍 중 적어도 하나를 제어하며,
    상기 내연기관의 연소실 내의 압력을 검출 또는 추정하는 연소실 내 압력 검출수단을 구비하며,
    상기 가변밸브 제어수단은 상기 연소실 내 압력이 상사점의 연소실 내 압력의 1/2배 이하일 때에 상기 내연기관의 흡기밸브를 밸브개방 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 내연기관은 액셀러레이터 페달의 밟음량을 검출 또는 추정하는 액셀러레이터 페달 밟음량 검출수단을 구비하며,
    상기 가변밸브 제어수단은 상기 액셀러레이터 페달 밟음량이 어느 소정치 이하일 때에는 상기 내연기관의 흡기밸브의 리프트량을 어느 일정치로 제어하고, 상기 연료분사 제어수단은 상기 내연기관에 분사되는 연료분사량을 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 내연기관은 액셀러레이터 페달의 밟음량을 검출 또는 추정하는 액셀러레이터 페달 밟음량 검출수단을 구비하며,
    상기 가변밸브 제어수단은 액셀러레이터 페달 밟음량이 어느 소정치 이하일 때에는 상기 내연기관의 흡기밸브의 리프트량과 밸브개방기간을 각각 어느 일정치로 제어하고, 밸브개방 타이밍을 변화시켜 상기 내연기관에 흡입되는 공기량을 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  10. 내연기관에 연료를 공급하는 연료공급장치에서 분사되는 연료량과 연료분사 타이밍을 제어하는 연료분사 제어수단과,
    상기 내연기관의 연소실을 밀폐하기 위한 흡기밸브 또는 배기밸브의 밸브개방 타이밍, 밸브폐쇄 타이밍, 밸브 리프트 중 적어도 하나를 연속적 또는 단계적으로 변화시키는 가변밸브 제어수단을 구비한 내연기관의 제어장치에 있어서,
    상기 연료분사 제어수단은 상기 가변밸브 제어수단의 제어량에 의거하여 분사하는 연료량 또는 분사 타이밍 중 적어도 하나를 제어하며
    상기 내연기관은 내연기관의 흡기관 내의 압력을 검출 또는 추정하는 흡기관 내 압력 검출수단을 구비하며,
    상기 가변밸브 제어수단은 흡기관 내 압력이 어느 소정치가 되었을 때에 상기 내연기관의 흡기밸브를 밸브폐쇄 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 내연기관의 배기통로에 배치되는 촉매의 온도를 검출 또는 추정하는 촉매온도 검출수단을 구비하며,
    상기 가변밸브 제어수단은 상기 촉매온도가 어느 소정치 이하일 때에는 상기 내연기관의 배기밸브를 상기 촉매온도가 어느 소정치보다 클 때의 밸브개방시기보다 빨리 밸브개방 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변밸브 제어수단은, 흡기 행정에 있어서 상기 연소실내의 압력이 흡기관내의 압력의 0.54배 이하가 되는 시점 또는 상기 연소실내의 용적이 상기 연소실내의 상사점에서의 용적의 1/0.54배 이상이 되는 시점에서 상기 흡기밸브를 개방시킴으로써 상기 내연기관의 연소실내에 충격파를 발생시키는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  13. 내연기관의 연소실에 직접 연료를 분사하는 연료분사장치에서 분사되는 연료량과 연료분사 타이밍을 제어하는 연료분사 제어수단과,
    상기 내연기관의 연소실을 밀폐하기 위한 흡기밸브 또는 배기밸브의 밸브개방 타이밍, 밸브폐쇄 타이밍, 밸브 리프트 중 적어도 하나를 연속적 또는 단계적으로 변화시키는 가변밸브 제어수단을 구비한 내연기관의 제어장치에 있어서,
    상기 가변밸브 제어수단은 흡기쪽 가변밸브를 제어하여 상기 내연기관에 흡입되는 공기량을 제어하고, 상기 연료분사 제어수단은 상기 가변밸브 제어수단의 제어량에 의거하여 분사하는 연료량을 제어하며,
    액셀러레이터의 밞음량이 어느 소정치 이하일 때에는, 상기 가변밸브 제어수단은 흡입공기량을 일정하게 제어하고, 상기 연료분사 제어수단은 상기 정해지는 연료분사량보다 적게 하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 내연기관의 흡기통로에 과급기를 배치한 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 내연기관의 노킹을 검출 또는 추정하는 노킹검출수단을 구비하며,
    상기 가변밸브 제어수단은 상기 노킹검출수단의 검출결과에 의거하여 상기 내연기관의 연소실을 밀폐하기 위한 흡기밸브 또는 배기밸브의 밸브개방 타이밍, 밸브폐쇄 타이밍, 밸브 리프트 중 적어도 하나를 연속적 또는 단계적으로 제어하고, 상기 내연기관의 압축비를 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 내연기관의 노킹을 검출 또는 추정하는 노킹검출수단을 구비하며,
    상기 가변밸브 제어수단은 상기 노킹검출수단의 검출결과에 의거하여 상기 내연기관의 연소실을 밀폐하기 위한 흡기밸브 또는 배기밸브의 밸브개방 타이밍, 밸브폐쇄 타이밍, 밸브 리프트 중 적어도 하나를 연속적 또는 단계적으로 제어하고, 상기 내연기관의 압축비를 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  17. 내연기관의 연소실에 직접 연료를 분사하는 연료분사장치에서 분사되는 연료량과 연료분사 타이밍을 제어하는 연료분사 제어수단과,
    상기 내연기관의 연소실을 밀폐하기 위한 흡기밸브 또는 배기밸브의 밸브개방 타이밍, 밸브폐쇄 타이밍, 밸브 리프트 중 적어도 하나를 연속적 또는 단계적으로 변화시키는 가변밸브 제어수단을 구비한 내연기관의 제어장치에 있어서,
    상기 연료분사 제어수단은 상기 가변밸브 제어수단의 제어량에 의거하여 분사하는 연료량 또는 분사 타이밍 중 적어도 하나를 제어하며,
    상기 내연기관의 크랭크 각도를 검출 또는 추정하는 크랭크 각도 검출수단을 구비하며,
    상기 가변밸브 제어수단은 상기 내연기관의 연소실 용적이 상사점의 연소실 용적의 2배 이상이 되는 크랭크 각도일 때에 상기 흡기밸브를 밸브개방 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  18. 내연기관의 연소실에 직접 연료를 분사하는 연료분사장치에서 분사되는 연료량과 연료분사 타이밍을 제어하는 연료분사 제어수단과,
    상기 내연기관의 연소실을 밀폐하기 위한 흡기밸브 또는 배기밸브의 밸브개방 타이밍, 밸브폐쇄 타이밍, 밸브 리프트 중 적어도 하나를 연속적 또는 단계적으로 변화시키는 가변밸브 제어수단을 구비한 내연기관의 제어장치에 있어서,
    상기 연료분사 제어수단은 상기 가변밸브 제어수단의 제어량에 의거하여 분사하는 연료량 또는 분사 타이밍 중 적어도 하나를 제어하며,
    상기 내연기관의 크랭크 각도를 검출 또는 추정하는 크랭크 각도 검출수단과; 상기 내연기관의 흡기관 내의 압력을 검출 또는 추정하는 흡기관 내 압력 검출수단을 구비하며,
    상기 가변밸브 제어수단은 크랭크 각도 검출수단의 결과와 상기 흡기관 내 압력 검출수단의 결과에 의거하여 상기 흡기밸브를 밸브개방 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  19. 내연기관의 연소실에 직접 연료를 분사하는 연료분사장치에서 분사되는 연료량과 연료분사 타이밍을 제어하는 연료분사 제어수단과,
    상기 내연기관의 연소실을 밀폐하기 위한 흡기밸브 또는 배기밸브의 밸브개방 타이밍, 밸브폐쇄 타이밍, 밸브 리프트 중 적어도 하나를 연속적 또는 단계적으로 변화시키는 가변밸브 제어수단을 구비한 내연기관의 제어장치에 있어서,
    상기 연료분사 제어수단은 상기 가변밸브 제어수단의 제어량에 의거하여 분사하는 연료량 또는 분사 타이밍 중 적어도 하나를 제어하며,
    상기 내연기관의 연소실 내의 압력을 검출 또는 추정하는 연소실 내 압력 검출수단을 구비하며,
    상기 가변밸브 제어수단은 상기 연소실 내 압력이 상사점의 연소실 내 압력의 1/2배 이하일 때에 상기 내연기관의 흡기밸브를 밸브개방 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  20. 내연기관의 연소실에 직접 연료를 분사하는 연료분사장치에서 분사되는 연료량과 연료분사 타이밍을 제어하는 연료분사 제어수단과,
    상기 내연기관의 연소실을 밀폐하기 위한 흡기밸브 또는 배기밸브의 밸브개방 타이밍, 밸브폐쇄 타이밍, 밸브 리프트 중 적어도 하나를 연속적 또는 단계적으로 변화시키는 가변밸브 제어수단을 구비한 내연기관의 제어장치에 있어서,
    상기 연료분사 제어수단은 상기 가변밸브 제어수단의 제어량에 의거하여 분사하는 연료량 또는 분사 타이밍 중 적어도 하나를 제어하며,
    상기 내연기관은 액셀러레이터 페달의 밟음량을 검출 또는 추정하는 액셀러레이터 페달 밟음량 검출수단을 구비하며,
    상기 가변밸브 제어수단은 상기 액셀러레이터 페달 밟음량이 어느 소정치 이하일 때에는 상기 내연기관의 흡기밸브의 리프트량을 어느 일정치로 제어하고, 상기 연료분사 제어수단은 상기 내연기관에 분사되는 연료분사량을 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  21. 내연기관의 연소실에 직접 연료를 분사하는 연료분사장치에서 분사되는 연료량과 연료분사 타이밍을 제어하는 연료분사 제어수단과,
    상기 내연기관의 연소실을 밀폐하기 위한 흡기밸브 또는 배기밸브의 밸브개방 타이밍, 밸브폐쇄 타이밍, 밸브 리프트 중 적어도 하나를 연속적 또는 단계적으로 변화시키는 가변밸브 제어수단을 구비한 내연기관의 제어장치에 있어서,
    상기 연료분사 제어수단은 상기 가변밸브 제어수단의 제어량에 의거하여 분사하는 연료량 또는 분사 타이밍 중 적어도 하나를 제어하며,
    상기 내연기관은 액셀러레이터 페달의 밟음량을 검출 또는 추정하는 액셀러레이터 페달 밟음량 검출수단을 구비하며,
    상기 가변밸브 제어수단은 액셀러레이터 페달 밟음량이 어느 소정치 이하일 때에는 상기 내연기관의 흡기밸브의 리프트량과 밸브개방기간을 각각 어느 일정치로 제어하고 밸브개방 타이밍을 변화시켜서, 상기 내연기관에 흡입되는 공기량을 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  22. 내연기관의 연소실에 직접 연료를 분사하는 연료분사장치에서 분사되는 연료량과 연료분사 타이밍을 제어하는 연료분사 제어수단과,
    상기 내연기관의 연소실을 밀폐하기 위한 흡기밸브 또는 배기밸브의 밸브개방 타이밍, 밸브폐쇄 타이밍, 밸브 리프트 중 적어도 하나를 연속적 또는 단계적으로 변화시키는 가변밸브 제어수단을 구비한 내연기관의 제어장치에 있어서,
    상기 연료분사 제어수단은 상기 가변밸브 제어수단의 제어량에 의거하여 분사하는 연료량 또는 분사 타이밍 중 적어도 하나를 제어하며,
    상기 내연기관은 내연기관의 흡기관 내의 압력을 검출 또는 추정하는 흡기관 내 압력 검출수단을 구비하며,
    상기 가변밸브 제어수단은 흡기관 내 압력이 어느 소정치가 되었을 때에 상기 내연기관의 흡기밸브를 밸브폐쇄 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
  23. 내연기관의 연소실에 직접 연료를 분사하는 연료분사장치에서 분사되는 연료량과 연료분사 타이밍을 제어하는 연료분사 제어수단과,
    상기 내연기관의 연소실을 밀폐하기 위한 흡기밸브 또는 배기밸브의 밸브개방 타이밍, 밸브폐쇄 타이밍, 밸브 리프트 중 적어도 하나를 연속적 또는 단계적으로 변화시키는 가변밸브 제어수단을 구비한 내연기관의 제어장치에 있어서,
    상기 연료분사 제어수단은 상기 가변밸브 제어수단의 제어량에 의거하여 분사하는 연료량 또는 분사 타이밍 중 적어도 하나를 제어하며,
    상기 내연기관의 배기통로에 배치되는 촉매의 온도를 검출 또는 추정하는 촉매온도 검출수단을 구비하며,
    상기 가변밸브 제어수단은 상기 촉매온도가 어느 소정치 이하일 때에는 상기 내연기관의 배기밸브를 상기 촉매온도가 어느 소정치보다 클 때의 밸브개방시기보다 빨리 밸브개방제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 제어장치.
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