KR100734098B1 - 내연 기관을 시동하기 위한 방법 및 내연 기관용 시동 장치 - Google Patents

내연 기관을 시동하기 위한 방법 및 내연 기관용 시동 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내연 기관을 시동하기 위한 방법에 관한 것이고 이에 대응하는 스타터 장치에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 원하는 아이들 속도의 범위에서 기화(carburetion)를 개선하는 것이다. 이를 위하여, 내연 기관은 크랭크샤프트-스타터 제네레이터(KSG)를 사용하여 고속(>800rpm)으로 된다. 스로틀 밸브는 정해진 수치까지 조정되는데 바람직하게는 폐쇄 유지된다. 내연 기관의 보다 높은 공기 질량 유동으로 인하여 흡입 압력(MAP)은 신속하게 감소된다. 연료는 흡입 압력(MAP)이 사전 결정된 문턱값(MAP_SW) 이하로 하강되는 경우에만 분사된다.

Description

내연 기관을 시동하기 위한 방법 및 내연 기관용 시동 장치{METHOD FOR STARTING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND STARTING DEVICE FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은, 청구항 제1항의 전제부에 따른 내연 기관을 시동하기 위한 방법 및 청구항 제10항의 전제부에 따른 내연 기관용 시동 장치에 관한 것이다.
내연 기관이 시동되는 경우, 전형적인 시스템에서 내연 기관은 스타터(starter)의 도움을 받아 대략 200 rev/min의 스타터 회전 속도까지 드래그된다. 이러한 저 회전 속도로 인하여, 흡입-파이프 압력(suction-pipe pressure)이 약간 감소되며, 이로 인하여 내연 기관에 의해 흡입된 공기 질량 유동은 매우 적다. 흡기-파이프 압력이 낮고(내연 기관은 냉각 상태에 있음) 그리고 흡입-파이프 압력이 높은 경우에만 흡기 파이프(intake pipe)로 분사되는 연료가 불충분하게 증발될 수 있는데, 이는 혼합제 준비를 열악하게 한다. 이러한 열악한 혼합제 준비로 인하여, 내연 기관을 시동할 수 있도록 하기 위하여 콜드 시동(cold starting) 동안 많은 연료량이 분사되어야 한다. 열악한 준비에 따른 큰 연료량은 냉각 시동 동안 매우 오염된 물질을 배출하는 주요한 원인이다. 전형적인 시스템에서, 시동시에 배기-가스 촉매 변환기는 작동 온도에 도달하지 않아서, 시동 배기는 후속적으로 처리될 수 없기 때문에, 이는 운전 사이클의 전체 배기에 있어 결정적인 역할을 한다.
DE 198 52 085 C1은 내연 기관용 시동 장치와 내연 기관을 시동하기 위한 방법을 개시한다. 보다 낮은 배기-가스 배출을 위하여, 내연 기관을 시동하는 경우 두 개의 스타터를 사용하는 것이 제안되었는데, 제 1 스타터는 시동 작동의 초기에 활성화되고 내연 기관이 정해진 속도에 도달한 후에 비활성화되며, 그리고 제 2 스타터가 활성화된다.
제 2 스타터는 후속적으로 내연 기관이 원하는 정해진 회전 속도에 더 도달하도록 운전하고, 그 후에 원하는 회전 속도에 도달하는 경우 후속적인 연소를 위한 제 1 시간 동안 연료가 분사된다. 또한, 여기서 브레이크어웨이 스타터(breakaway starter)라고 명명되는 제 1 스타터가 내연 기관을 약 200rev/min까지 가속시킨다. 그런 후 런-업 스타터라고 명명된 제 2 스타터가 내연 기관을 약 700rev/min 내지 약 1000rev/min의 회전까지 내연 기관을 가속시킨다. 더욱이, 내연 기관용 전기 장치로서 알터네이터(alternator)의 작동과는 역으로 내연 기관의 알터네이터를 제 2 스타터로서 사용하는 것과 그리고 후속적인 연소를 위하여 제 1 시간 동안 연료가 분사되는 원하는 정해진 회전 속도까지 내연 기관을 더 구동하는 것이 제안되었다.
DE 197 05 610 A1은 차량의 내연 기관용 시동 또는 구동 유니트를 기술하는데, 엔진이 워밍된 경우의 시동 방법과는 상이한 엔진이 워밍되지 않은 경우의 시동 방법을 실시한다. 이 경우, 구동 유니트에 전형적인 스타터가 장착되고 그리고 스타터/알터네이터 머신이 장착된다. 콜드 엔진(cold engine)을 시동하기 위하여, 스타터가 스타터/알터네이터 머신과 함께 활성화되고, 그리고 웜 엔진(warm engine)을 시동하기 위하여 즉 시동/정지 모드에서와 풀-스윙 모드(full-swingmode)에서 스타터/알터네이터 머신만이 활성화된다. 그러므로 내연 기관의 측정 온도에 의존하여 전형적인 스타터 또는 스타터/알터네이터 머신이나 또는 양자를 모두 활성화시킨다. 특히, 내연 기관이 30℃ 내지 40℃ 이상의 온도인 경우, 스타터 기능은 스타터/알터네이터 단독으로 실행된다. 40℃ 이상으로 보다 높은 온도에서, 내연 기관의 시동 기능은 마모-방지(wear-free) 스타터/알터네이터에 의하여 단독으로 실행된다. 30℃ 이하의 온도에서 콜드-시동 작동은 이러한 목적을 위한 높은 리덕션(reduction)을 구비하는 전형적인 스타터에 의하여 실행된다.
하지만, 두 개의 스타터를 사용하는 것은 설치 공간의 측면에서나 비용적인 측면에서 상당한 지출을 요한다.
본 발명의 목적은, 내연 기관을 시동하는 동안, 특히 콜드 스타트 동안 발생하는 배기 가스를 단순한 방식으로 감소시킬 수 있는 내연 기관을 시동하기 위한 방법과 시동 장치를 명시하는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 제1항의 특징부와 청구항 제10항의 특징부에 의하여 달성된다. 유리한 개선 사항은 종속항에 명시된다.
원하는 아이들링(idling) 회전 속도의 범위 내에서의 열악한 혼합제 준비를 개선하기 위하여, 연료 분사나 이로 인하여 발생하는 내연 기관의 시동 없이 크랭크 샤프트 스타터 알터네이터(KGS)의 도움으로 높은 회전 속도(>800rev/min)까지 내연 기관은 드래그된다. 이러한 경우, 스로틀 밸브는 정해진 수치로 설정되고, 바람직하게는 폐쇄 상태로 유지된다. 내연 기관의 보다 큰 질량 유동으로 흡입-파이프 압력이 급속하게 떨어진다. 사전 설정된 문턱값에 도달하지 못한 경우에만 연료 분사가 가능하다.
이로 인하여 달성되는 것은, 낮은 흡입-파이프 압력에서 연료량이 매우 빠르게 증발되어 시동 동안 혼합제 준비를 개선시키고 이로 인한 매연 배출의 감소와 연료 절약을 개선하는 것이다.
본 발명의 더욱 유리한 개선 사항은 이하 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명된다:
도 1은 본 발명에 따른 시동 장치를 구비하는 내연 기관의 블록 선도를 도시하고,
도 2는 내연 기관용 시동 방법을 도시하는 흐름도이고,
도 3은 시동 작동 동안 내연 기관의 선택된 파라미터의 시간 프로파일을 도시한다.
시동 장치와 이에 할당된 배기-가스 재처리 시스템을 구비하는 내연 기관이 매우 단순화된 블록 선도의 형태로 도시된다. 여기서, 발명의 이해를 위하여 단지 이들 구성 요소들만 도시된다. 특히, 연료 회로의 도시를 생략했다.
연소에 필요한 공기는 흡기 덕트(11)를 통하여 내연 기관(10)에 공급된다. 이어서, 흡기 덕트(11)에는 흡기의 유동 방향으로 보아 공기 질량계(air mass meter, 12), 스로틀-밸브 블록(13) 및, 여기서 단지 하나만이 도시되었으나 실린더의 개수에 따른 인젝션 밸브 세트(15)가 제공된다. 하지만, 본 발명에 따른 방법은 모든 실린더에 대하여 단지 하나의 분사 밸브만을 구비한 시스템(중앙 분사 시스템, 단일점 분사 시스템)에도 사용될 수 있다.
스로틀-밸브 블록(13)은 스로틀 밸브(14)와 도시되지 않은 스로틀-밸브 센서를 포함하는데, 이 스로틀-밸브 센서는 스로틀 밸브(14)의 개도에 상응하는 신호를 제어 장치(21)로 전송한다. 예를 들어 스로틀 밸브(14)는 기전 활성 스로틀 부재(electromotively activated throttle meter, E-gas)이고, 이 기전 활성 스로틀 부재의 개구 단면은 운전자에 의한 작동(운전자의 의도)에 의하여 뿐만 아니라 내연 기관의 작동 범위의 함수로서 제어 장치로부터의 신호를 통하여도 설정될 수 있다.
공기 질량계(12)는 내연 기관의 공기 질량-관리 제어로 알려진 것에서는 부하 센서(load sensor)로 제공된다. 공기 질량계(12)에 대한 대안적으로, 사용된 부하 센서도 내연 기관(10)으로의 흡기 트랙의 매니폴드(26)(내연 기관의 흡입-파이프 압력-관리 제어)에 배치되는 압력 센서(27)일 수도 있다.
내연 기관(10)에는 크랭크샤프트 스타터 알터네이터(KSG, 28)가 장착된다. 크랭크샤프트 스타터 알터네이터(28)는 한편으로는 통상적인 스타터의 기능을 실행하고, 다른 한편으로는 이와는 별개로 차량 배터리를 충전하기 위한 다이나모(알터네이터)의 기능을 수행한다. 크랭크샤프트 스타터 알터네이터는 통상적으로 내연 기관과 한편으로는 변속기 또는 자동 변속기 사이에 배치되고, 그리고 다른 한편으로는 크랭크샤프트와 동축으로 그리고 크랭크샤프트에 직접 연결되거나 또는 결합 가능하게 연결되도록 배치된다. 이러한 유형의 크랭크샤프트 스타터 알터네이터는 예를 들어 VDI Berichte 번호 14/15, 1998, B. Hoffmann, "Elektrische Energie fuer 3-Liter-Auto", 39 내지 53쪽으로부터 공지된다.
내연 기관(10)은 출구 측에서 배기-가스 덕트(16)와 연결되는데, 이 배기-가스 덕트에 배기-가스 촉매 변환기(exhaust-gas catalystic converter, 17)가 배치된다. 이는 배기-가스 촉매 변환기의 원하는 형태일 수도 있고, 특히 삼원 촉매 변환기 또는 N0x 저장 촉매 변환기가 제공될 수도 있다.
배기-가스 재처리를 위한 센서 기술은 특히 배기-가스 촉매 변환기(17)의 상류에 람다 프루브(lamda probe, 18)의 형태로 배기-가스 측정 트랜스듀서를 포함하고, 그리고 배기-가스 촉매 변환기(17)의 하류에 배치되는 배기-가스 측정 트랜스듀서(19)를 포함한다. 혼합제는 람다 프루브(18)로부터의 신호에 의하여 원하는 수치 지령에 따라 조정된다. 이러한 기능은 자체로 공지되고 바람직하게는 내연 기관 작동을 제어하거나 조정하는 제어 장치(21)에 통합되는 람다 조정 장치(lamda regulation device, 20)에 의하여 실행된다. 통상적으로 하나 또는 그 이상의 마이크로프로세서를 포함하고 그리고 또 다른 제어 및 조정 작업 그리고 연료 분사 및 점화 조정 등의 다중 기능을 실행하는 이러한 전자 제어 장치(21)는 자체로 공지되어 있어, 이하에서는 본 발명과 연계된 셋업 및 상기 셋업의 기능만을 다룬다. 특히, 제어 장치(21)가 저장 장치(22)에 연결되고, 저장 장치는 특히 다양한 특성 맵 및 문턱값을 저장하는데, 이들 각각의 중요성은 이하 도면의 기술로 보다 상세하게 설명된다.
배기-가스 측정 트랜스듀서(19)는 배기-가스 촉매 변환기(17)의 상류에 배치되는 람다 프루브(18)용 모니터 프루브로서 제공되고 그리고 배기-가스 촉매 변환기(17)를 제어하고 체크하기 위하여 사용될 수 있다.
내연 기관(10)의 회전 속도(N)는 회전-속도 센서(23)의 도움으로 검출되고 그리고 내연 기관(10)의 온도는 냉각제(TKW)의 온도를 통하여 온도 센서(25)에 의하여 검출된다. 이러한 신호는 공기 질량계(12)로부터의 출력 신호(MAF), 또는 선택적으로 흡입-파이프 압력 센서(27)로부터의 출력 신호(MAP) 및 두 개의 배기-가스 측정 트랜스듀서(18, 19)로부터의 신호와 같이 추가적인 프로세싱을 위하여 제어 장치(21)에 제공된다.
내연 기관(10)을 제어하고 조정하기 위하여, 제어 장치(21)도 데이터 및 제어 라인(24)을 통하여 명백하게 도시되지는 않은 추가적인 센서 및 액츄에이터에 연결된다.
내연 기관을 시동하기 위한 방법은 도 2에 따른 흐름도와 도 3에 따른 시간 그래프를 사용하여 보다 상세하게 설명된다.
내연 기관용 시동 작동에 의하여 요구되는 바와 같이, 제 1 단계(S1)에서 스로틀 밸브(14)는 정해진 시동 수치로 설정된다. 스로틀-밸브 개도(DKW)용 시동 수치는 테스트에 의하여 실험적으로 결정되고 그리고 저장 장치(22)에 파일 저장된다. 바람직한 실시예에서, 선택된 스로틀-밸브 개도(DKW)는 영과 같은데, 즉 내연 기관의 시동 동안 스로틀 밸브(14)는 폐쇄되어, 시동 작동 동안 흡입-파이프 압력(MAP)이 급격하게 하강된다. 하지만 시동 작동 동안 스로틀 밸브(14)가 약간 개방되는 것도 가능하다. 스로틀 밸브를 위한 시동 수치를 직접 적용하는 대신에, 이러한 시동 수치가 알려진 토크 스트럭쳐를 통하여 유도될 수도 있는데, 이러한 토크 스트럭쳐는 내연 기관에서 지시되는 토크에 기초하고 그리고 중요한 기능 영역으로서 토크 요구 사항, 토크 조정(torque co-ordination) 토크 변환을 포함한다.
이어서, 단계(S2)에서 크랭크샤프트 스타터 알터네이터(28)가 스위치 온된다(도 3에서의 시점 t0). 내연 기관의 회전 속도(N)는 증가하고 그리고 흡입-파이프 압력(MAP)은 하강한다. 현재 회전 속도(N)는 회전 속도 센서(23)를 통하여 연속적으로 검출되며, 단계(S3)에서 문턱값(N_SW)과 비교된다. 문턱값(N_SW)은 실험적으로 결정되고 그리고 유사하게 저장 장치(22)에 파일 저장된다. 이에 대한 통상적인 수치는 약 800rev/min이다. 내연 기관의 시동 동안 외부 영향, 특히 온도에 대하여 허용하기 위하여, 문턱값(N_SW)은 온도의 함수로서 고정될 수도 있다. 이러한 경우, 내연 기관의 냉각제를 위한 온도 센서(25)를 통하여 결정된 수치(TKW)는 저장 장치(22)에 저장된 특성 맵(KF1)의 입력 변수이다.
회전 속도(N)가 문턱값(N_SW) 이하인 경우, 단계(S2)로의 분기가 있고 그리고 회전 속도가 추가로 증가한다. 문턱값(N_SW)에 도달된 경우(도 3에서의 시점 t1), 흡입-파이프 압력(MAP)이 사전 설정된 문턱값(MAP_SW) 이하로 하강되는 지에 대하여 검사된다.
이러한 문의는 대기 루프(단계 4)에서 실행된다. 이러한 반복된 문의 동안, 회전 속도는 더 이상 증가하지 않는다.
즉각적인 흡입-파이프 압력(MAP)에 대한 수치는 매니폴드(26)에서의 흡입-파이프 압력 센서(27)에 의하여 직접 검출되고 문턱값(MAP_SW)과 비교되거나, 또는 내연 기관의 다양한 파라미터로부터 알려진 흡입-파이프 파일 저장 모델을 통하여 특히 공기 질량계(12)의 공기 질량 유동(MAF)을 사용하여 그리고 예를 들어 EP 0 820 559 B1에 명시된 바와 같이 추가적 영향 변수를 사용하여 모델-보조 방식으로 연산된다.
문턱값(MAP_SW)은 테스트를 통하여 실험적으로 결정되고 그리고 유사하게 저장 장치(22)에 파일 저장된다. 내연 기관(10)을 시동하는 동안 외부 영향, 특히 온도에 대하여 허용하기 위하여, 문턱값(MAP_SW)은 온도의 함수로서 고정될 수도 있다. 이러한 경우에, 내연 기관의 냉각제를 위한 온도 센서(25)를 통하여 결정된 수치(TKW)는 저장 장치(22)에 파일 저장된 특성 맵(KF2)의 입력 변수이다.
도 3으로부터 명확한 바와 같이, 매니폴드(26)는 먼저 내연 기관(10)에 의하여 흡입되어 비어야 하기 때문에 회전-속도 문턱값 수치(N_SW)가 도달된 후 조차도 흡입-파이프 압력(MAP)은 여전히 문턱값(MAP_SW) 이하이다. 흡입-파이프 압력(MAP)이 문턱값(MAP_SW) 이하로 하강되는 경우(도 3의 시점 t2), 연료 분사 및 점화가 단계(S5)에서 가능하다. 이어서, 내연 기관의 정상 작동으로의 전이가 있다. 하지만 점화는 보다 먼저 일어날 수도 있다.

Claims (10)

  1. 크랭크샤프트 스타터 알터네이터(alternator)(28)를 구비한 내연 기관(10)을 시동하기 위한 방법으로서, 상기 내연 기관이
    - 흡기 덕트(11)에 배치된 스로틀 밸브(14)가 시동 수치(DKW)로 설정되는 단계,
    - 상기 크랭크샤프트 스타터 알터네이터(28)가 원하는 아이들링(idling) 회전 속도(N_SOLL)까지 상기 내연 기관(10)을 가속시키는 단계,
    - 흡입-파이프 압력(MAP)이 상기 스로틀 밸브(14) 하류의 상기 흡기 덕트(11)에서 결정되는 단계, 및
    - 상기 흡입-파이프 압력(MAP)이 사전 결정된 문턱값(MAP_SW)에 미치지 못하는 경우 연료 분사가 가능하게 되는 단계를 포함하고,
    상기 내연 기관(10)의 회전 속도(N)가 사전 결정된 문턱값(N_SW)에 도달하는 경우에만 상기 문턱값(MAP_SW) 미도달에 대한 확인이 이루어지는 것을 특징으로 하는
    내연 기관(10)을 시동하기 위한 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 흡입-파이프 압력(MAP)이 상기 사전 결정된 문턱값(MAP_SW)에 미치지 못하는 경우 최종값에서 점화가 가능한 것을 특징으로 하는, 내연 기관(10)을 시동하기 위한 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 내연 기관의 시동 작동 동안 상기 스로틀 밸브(14)가 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 내연 기관(10)을 시동하기 위한 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 흡입-파이프 압력(MAP)이 압력 센서(27)에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는, 내연 기관(10)을 시동하기 위한 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 흡입-파이프 압력(MAP)이 상기 내연 기관(10)의 작동 파라미터로부터 연산되는 것을 특징으로 하는, 내연 기관(10)을 시동하기 위한 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 문턱값(MAP_SW)이 실험적으로 결정되고 그리고 상기 내연 기관(10)을 제어하는 제어 장치(21)의 저장 장치(22)에 파일 저장되는 것을 특징으로 하는, 내연 기관(10)을 시동하기 위한 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 문턱값(MAP_SW)이 상기 내연 기관(10)의 온도(TKW)의 함수로서 특성 맵(KF)에 파일 저장되는 것을 특징으로 하는, 내연 기관(10)을 시동하기 위한 방법.
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 시동 작동은 상기 내연 기관(10)의 콜드 스타트인 것을 특징으로 하는, 내연 기관(10)을 시동하기 위한 방법.
  10. 내연 기관(10)용 시동 장치로서,
    - 흡기 덕트(11)에 배치된 스로틀 밸브(14)를 시동 수치(DKW)로 설정하는 장치,
    - 상기 내연 기관(10)을 원하는 아이들링 회전 속도(N_SOLL)까지 가속시키는 크랭크샤프트 스타터 알터네이터(28),
    - 스로틀 밸브(14) 하류의 상기 흡기 덕트(11)에서 흡입-파이프 압력(MAP)을 결정하기 위한 장치, 및
    - 상기 흡입-파이프 압력(MAP)이 사전 결정된 문턱값(MAP_SW)에 도달하지 못하는 경우 연료 분사를 가능하게 하기 위한 장치를 구비하고,
    상기 내연 기관(10)의 회전 속도(N)가 사전 결정된 문턱값(N_SW)에 도달하는 경우에만 상기 문턱값(MAP_SW) 미도달에 대한 확인이 이루어지는 것을 특징으로 하는
    내연 기관(10)용 시동 장치.
KR1020027012825A 2000-03-31 2001-02-19 내연 기관을 시동하기 위한 방법 및 내연 기관용 시동 장치 KR100734098B1 (ko)

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