KR102200154B1 - 내연기관 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내연기관(2)을 작동시키기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 내연기관(2)은 회전각 센서(16)를 포함한다. 정상 작동 모드에서는 함수가 제1 회전각에서 활성화된다. 스톱 작동 모드에서는 내연기관(2)이 일시적으로 정지된다. 상기 함수는, 스톱 작동 모드에 후속하는 스타트 작동 모드에서 회전 방향으로 제1 회전각에 후속하는 제2 회전각에서 활성화된다.

Description

내연기관 작동 방법{METHOD FOR OPERATING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따라 내연기관을 작동시키기 위한 내연기관 작동 방법에 관한 것이다.
내연기관은 종래의 방식으로, 내연기관을 1회전 이상 구동하는 이른바 시동기 또는 스타터에 의해 시동된다. 또한, 내연기관이 특정 상황에서 일시적으로 정지하고 비교적 근시간 내에, 특히 빠르게 다시 시동되는 이른바 스타트/스톱 작동 모드들도 공지되었다. 이와 관련하여, 예컨대 신호등 앞에서 차량의 정지 시 내연기관을 정지하고, 클러치 또는 가속 페달의 작동 시에 다시 내연기관을 시동하는 점도 공지되었다.
DE 10 2008 005 525 A1호 및 DE 10 2010 040 562 A1호로부터는 예컨대 스타트/스톱 작동 모드의 개선을 위한 방법이 공지되었다.
또한, 하나의 톱니부(tooth)가 센서 시스템의 홀 센서의 스캐닝을 위해 필요로 하는 시간이 소정의 값을 초과하거나, 크랭크 샤프트가 그의 평상시 회전 방향의 반대 방향으로 회전할 경우, 크랭크 샤프트 위치를 더 이상 충분한 신뢰도로 검출하지 못하는 센서 시스템들도 공지되었다.
그 밖에도, 내연기관의 제어 장치 내 함수들이 정상 작동 모드(normal operation)에서 크랭크 샤프트 동기 방식 및/또는 캠 샤프트 동기 방식으로, 다시 말하면 특정 회전각에서 활성화되는 점도 공지되었다. 이를 위해 필요한 센서 시스템들도 마찬가지로 공지되었다.
본 발명의 과제는 청구항 제1항에 따른 방법에 의해 해결된다. 바람직한 개선예들은 종속항들에 기술된다.
정상 작동 모드에서의 활성화를 위한 그 회전각을 이미 지났을 수도 있는 함수는 청구항 제1항의 범주에서 내연기관의 재시동을 위한 스타트 작동 모드에서 활성화되고 그에 따라 만회된다. 함수의 활성화를 통해, 바람직하게는 최초로 가능한 실린더의 점화가 개시될 수 있는 확률이 증가한다. 본원에서 제안하는 방법은, 최대한 진각 위치에서, 다시 말하면 상사점(ZOT - 상사점 점화)에 최초 도달 시 최초로 가능한 적합한 실린더를 점화하고, 상기 실린더가 정지 위치와 제1 점화 사이에서 이동해야 하는 이른바 시동 각도, 다시 말하면 크랭크 샤프트 각도를 최대한 작게 유지할 수 있게 한다. 그에 따라, 재시동 과정은 신속하게, 스타터 시스템과의 장시간 상호 작용 없이 실행될 수 있다. 그럼으로써 스타터 시스템이 보호되고, 간섭 소음이 감소하며, 차량의 작동 안전성 및 주행 쾌적성이 모두 증가한다.
본원 방법의 일 실시예에 따라서, 내연기관이 일시적으로 정지하게 되는 코스팅(coasting) 각도가 함수의 활성화를 위한 제1 회전각에 후속하는지의 여부가 검출되며, 이때 정상 작동 모드에서의 함수의 실행은 제1 회전각에서 이루어진다. 상기 검출에 따라 함수는 제2 회전각에서 활성화된다. 그에 따라, 바람직하게는 함수의 만회를 위해, 코스팅 각도의 범주에서 정지 위치가 이용된다. 함수의 만회를 통해, 최초로 가능한 실린더의 점화가 실행될 수 있다.
본원 방법의 또 다른 한 실시예에 따라서, 스타트 작동 모드에서 추가 함수가 제3 회전각에서 활성화되며, 이때 추가 함수의 활성화는, 제3 회전각이 코스팅 각도에 후속하는지의 여부에 따라 결정된다. 정상 작동 모드에서, 추가 함수의 활성화는 제3 회전각에서 실시된다. 그에 따라, 바람직하게는 정상 작동 모드에서 추가 함수의 실행을 위한 회전각이 스타트 작동 모드를 위해 전용된다.
본원 방법의 한 대안적 실시예에 따라서, 스타트 작동 모드에서 함수는, 회전 방향으로 정상 작동 모드의 할당된 제1 회전각으로부터 회전각 차이에 의해 이격되는 제2 회전각에서 활성화된다. 상기 이격을 통해, 함수가 실행되어 최초로 가능한 실린더의 점화를 달성할 확률이 증가하게 된다.
또한, 본 발명에 있어 중요한 특징들은 하기의 도면들을 참조하며, 이때 상기 특징들은 독자적으로뿐만 아니라 서로 다양하게 조합된 형태로도 본 발명에 중요할 수 있으며, 이에 대해서는 재차 언급하지 않는다.
하기에서는 도면을 참고로 본 발명의 실시예들을 설명한다.
도 1은 내연기관의 개략도이다.
도 2는 내연기관의 스타트-스톱 기능을 포함한, 개략적인 상태 전환 다이어그램이다.
도 3, 도 4 및 도 5는 내연기관의 연소 주기를 각각 나타낸 개략도이다.
모든 도면에서, 기능이 동일한 부재들 및 변수들에 대해서는, 서로 상이한 실시예에서도 동일한 도면 부호가 이용된다.
도 1에는, 자동차를 구동하기 위한 스타트-스톱 기능을 구비한 내연기관(2)이 개략도(1)로 도시되어 있다. 내연기관(2)은 4개의 실린더(4, 6, 8, 10)를 포함하며, 이들 실린더는 예컨대 4-10-6-8의 점화 순서를 갖는다. 크랭크 샤프트(12)는 커넥팅 로드와 피스톤을 통해 실린더들(4, 6, 8 및 10)의 연소실들과 연결된다. 크랭크 샤프트(12)는 내연기관(2)을 시동하기 위한 스타트 시스템(14)과 연결된다. 스타트 시스템(14)은 바람직하게 크랭크 샤프트(12) 상에 통합된 스타터 제너레이터이거나, 벨트 구동형 스타터 제너레이터이다. 그러나 종래의 시동기 또는 스터타를 이용하는 점도 생각해볼 수 있다. 미도시된 캠 샤프트는 크랭크 샤프트의 절반 속도로 회전되면서 예컨대 실린더들(4 내지 10)에 할당된 분사 밸브들을 작동시킨다.
회전각 센서(16)는 내연기관(2), 바람직하게는 크랭크 샤프트(12)에 장착된다. 회전각 센서(16)는 크랭크 샤프트(12)의 회전각 위치를 표시하는 센서이다. 한 바람직한 실시예에서, 회전각 센서(16)는 크랭크 샤프트(12)에 고정된 센서 휠과 2개의 홀 센서로 구성된다. 센서 휠은 예컨대 톱니 패턴을 가지며, 이때 1개의 톱니에 센서 휠의 6°- 원호 섹션이 할당된다. 기준 위치에서는 2개의 톱니가 탈락된다. 홀 센서들은 톱니들을 스캐닝하여 상응하는 회전각 신호(22)를 제어 장치(20)로 전송한다. 상기 회전각 센서(16)에 의해, 순방향 및 역방향으로의 크랭크 샤프트(12)의 회전 시에도 크랭크 샤프트(12)의 회전각 위치가 검출되며, 그 때문에 상기 회전각 센서(16)는 지능형 센서 시스템 또는 절대 각도 센서로도 지칭된다. 최초 시동 시, 간극을 통해 동기화가 이루어진다. 상기 동기화 후, 회전각 센서(16)에 전류가 공급되는 동안, 크랭크 샤프트(12)의 현재 회전각 위치는 회전각 신호(22)를 가질 수 있다. 물론, 회전각 센서(16)의 또 다른 실시예들도 고려될 수 있다.
내연기관(2)의 제어 장치(20)는 내연기관(2)의 스타트-스톱 기능을 구현하며, 내연기관(2)의 자동 정지를 위해, 특히 연비 절감 또는 연료 절약을 위해 분사 억제를 실행한다. 제어 장치(20)에는, 다른 신호들 외에도, 회전각 센서(16)의 회전각 신호(22)가 공급된다.
스타트 시스템(14)에는 제어 장치(20)로부터 유래하는 신호(24)가 공급된다. 실린더들(4, 6, 8 및 10)에는, 제어 장치(20)로부터 유래하여 각각의 연소 과정에 영향을 미치는 신호들(26, 28, 30 및 32)이 각각 할당된다.
한 바람직한 실시예에 따라서, 여기에 기술된 내연기관(2) 제어 방법은 이에 적합한 컴퓨터 프로그램으로서 구현되며, 이 컴퓨터 프로그램은 제어 장치(20)에 의해 실행될 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 실행을 위해, 제어 장치(20)는 디지털 컴퓨터(34)를 포함한다. 컴퓨터 프로그램은 예컨대 제어 장치(20)의 메모리 매체(35)에 저장되고, 실행을 위해 디지털 컴퓨터(34)에 의해 로딩된다.
도 2에는, 내연기관(2)의 스타트-스톱 기능을 포함하는 상태 전이도(36)가 개략적으로 도시되어 있으며, 이 상태 전이도에서 상태들은 내연기관(2)의 작동 모드들의 형태로 도시되어 있다. 그에 따라, 도 2는 라인(60) 위쪽의 화살표(68)에 따라 내연기관(2)의 정상 작동 모드를 도시하고 있고, 라인(60) 아래쪽의 화살표(64)에 따라 내연기관(2)의 스타트-스톱 기능을 도시하고 있다.
정상 작동 모드(40)는 아이들링 모드, 부하 작동 모드 또는 코스팅 모드에서 작동 중인 내연기관(2)에 상응한다. 내연기관(2)이 스타트-스톱 기능의 범주에서, 예컨대 적색 신호등에서 아이들링 모드에서 소정의 시간 이후에 정지되어야 한다면, 화살표(42)에 따라서 스톱 작동 모드(44)로 전환된다. 스톱 작동 모드(44)는 연료 분사가 억제되는 차단 단계(46)(shut-off phase)와, 내연기관(2)의 크랭크 샤프트(12)가 실질적으로 더 이상 회전되지 않는 휴지 단계(48)를 포함한다. 차단 단계(46)로부터 휴지 단계(48)로의 전환은 화살표(52)로 표시되어 있다.
내연기관(2)이 운전자 요구에 근거하여, 예컨대 교통 신호등이 녹색으로 바뀐 후 다시 시동되어야 한다면, 화살표(54)에 따라서 스타트 작동 모드(56)로 전환된다. 스타트 작동 모드(56)에서, 스타트 시스템(14)과, 실린더들(4, 6, 8 및 10)에 할당된 시스템은, 소정의 조건, 예컨대 소정의 회전 속도에 도달한 후에 최대한 신속하게 화살표(58)에 따라 정상 작동 모드(40)로 전환되는 방식으로 제어된다.
도 3에는, 각도 축(W) 상에 수평으로 기입된 실린더 관련 회전각들(S1 및 S0)과 함께 0° 내지 720°의 내연기관(2)의 연소 주기가 개략도(60)로 도시되어 있다. 또한, 상사점들(ZOT_4, ZOT_10, ZOT_6 및 ZOT_8)은 도 1에 대해 예시로 설명한 점화 순서에 상응하게 표시되어 있다. 물론 전술한 방법은 상기 점화 순서에만 국한되지 않으며, 도시된 실린더 개수로 국한되지도 않는다.
정상 작동 모드(40)에서는, 회전각들(S1 및 S0)에서 각각 제어 장치(20) 내 함수들이 크랭크 샤프트 동기 방식으로, 다시 말해 실질적으로 상응하는 회전각(S1, S0)의 스캐닝 시점에 활성화되고 실행된다. 정상 작동 모드(40)에서 회전각들(S1 및 S0)에서 활성화되는 함수들은, 각각의 회전각 및 내연기관(2)의 실시예에 따라 예컨대 분사 타이밍, 점화 타이밍 및/또는 부하 시간을 계산하는 함수들이다. 회전각들에 할당된 함수들이 활성화되지 않으면, 상응하는 실린더(4, 6, 8 또는 10)의 점화는 이루어질 수 없다. 그 밖에도, 예컨대 회전각 신호(22)가 도시되어 있으며, 이때 센서 휠의 기준 위치는 BM0 및 BM1으로 표시되어 있다.
정상 작동 모드(40)에서 회전각들(S1_10 및 S0_10)에서 활성화되는 함수들은 실린더(10) 및 상사점(ZOT_10)에 할당되며, 이는 추가 실린더들(4, 6 및 8)과 관련한 또 다른 회전각들(S1 및 S0)에도 적용된다. 도 1의 예시에서 점화될 수 있는 최초로 가능한 실린더는 실린더(10)이다. 점화는, 정상 작동 모드(40)에서 회전각들(S1_10 및 S0_10)에서 활성화되는 함수들의 결과치가 존재할 때에만 개시될 수 있다.
이를 보완하여, 이른바 예비 저장(preliminary storage)도 가능하다. 따라서, 예컨대 S0_10에서, ZOT_8을 위한 함수도 계산될 수 있다.
차단 단계(46)에서 내연기관(2)의 코스팅 동안, 예컨대 차단 단계(46)의 진입 시 30의 값을 갖는 높은 동기화 단계는 예컨대 크랭크 샤프트(12) 정지 시 0의 값을 갖는 낮은 동기화 단계까지 감소한다. 스톱 작동 모드(44)에 후속하는 스타트 작동 모드(56)에서는, 스톱 작동 모드(44) 동안 회전각 위치를 계속 검출하였던 회전각 센서(16)가 이용되는 경우, 중간 동기화 단계, 예컨대 21이 선택된다. 스타트 작동 모드(56) 및/또는 후속 정상 작동 모드(40)에서 예컨대 기준 위치들(BM0 및 BM1)의 범주에서 간극의 식별 후, 및/또는 캠 샤프트 회전각 센서를 이용한 보정 후에는 추가의 높은 동기화 단계가 선택된다. 각각 선택된 동기화 단계는 제어 장치(20) 내에서, 검출된 회전각 신호(22)의 신뢰도를 정성 분석하는 데 이용되며, 이때 높은 동기화 단계는 높은 신뢰도에 상응하고 낮은 동기화 단계는 낮은 신뢰도에 상응한다.
스톱 작동 모드(44) 동안의 차단 단계(46)에서, 각도들(S1 및 S0)에 할당된 함수들은, 크랭크 샤프트 위치가 회전각 센서(16)에 의해 충분한 신뢰도로, 다시 말하면 높은 동기화 단계로 검출될 수 있을 때까지, 제어 장치(20)에 의해 활성화되고 실행된다. 그러나 스톱 작동 모드(44)에서 활성화된 함수들의 결과치들은, 내연기관(2)을 일시적으로 정지시키기 위해 분사로 전환되지 않으며, 상기 결과치들은 스타트 작동 모드(56)에서도 전용되지 않는다.
스톱 작동 모드(44)에서 내연기관(2)은 일시적으로 정지되었다. 크랭크 샤프트 센서(16)는 스톱 작동 모드(44) 동안에도 작동하며, 지속적으로 회전각 신호(22)를 검출한다. 제어 장치(20)는 도 3의 예시에 따라서 스타트 작동 모드(56)에서 또는 그 이전에, 내연기관(2)이 일시적으로 정지하는 150°의 코스팅 각도(X1)가 회전 방향(62)으로 120°의 제1 회전각(S1_10)에 후속하는지의 여부를 검출한다. 선행하는 검출의 결과치가 양수라면, 다시 말해 코스팅 각도(X1)가 회전 방향(62)으로 제1 회전각(S1_10)에 후속한다면, 정상 작동 모드(40)에서 제1 회전각(S1_10)에 할당된 함수의 활성화는 스톱 작동 모드(44)에 후속하는 스타트 작동 모드(56)에서 제2 회전각에서 만회된다. 함수의 활성화의 만회는, 코스팅 각도(X1)에서 함수의 활성화 시 이루어질 수 있으며, 이때 제2 회전각이 코스팅 각도(X1)에 상응한다. 그 대안으로, 제2 회전각에서 함수의 활성화는 코스팅 각도(X1)와 상사점(ZOT_10) 사이의 각도 범위에서도 이루어질 수 있다.
차단 단계(46) 동안 스타트 작동 모드(56)의 개시를 위한 시동 요구가 파악된다면, 차단 단계(46)에서 곧바로 스타트 작동 모드(56)로 전환되고 회전각 신호(22)는 스타트 작동 모드(56)의 개시 시 바람직하게 1회만 분석된다. 상기 1회의 분석을 기반으로, 함수는 크랭크 샤프트(12)가 실질적으로 정지한 후의 함수의 만회와 유사하게 제2 회전각에서 만회된다. 그에 상응하게, 전술한 모든 방법을 위해, 크랭크 샤프트(12)가 실질적으로 정지해 있는 상태에 있다는 전제 조건은 불필요하다. 오히려, 전술한 모든 방법은, 스톱 작동 모드(44)에서 휴지 단계(48) 없이 실행되기에 적합하다.
정상 작동 모드(44)에서 제3 회전각(S0_10)에 그 활성화가 할당되는 추가 함수와 관련하여, 제3 회전각(S0_10)이 회전 방향(62)으로 코스팅 각도(X1)에 후속하는지가 검출된다. 검출의 결과치가 양수라면, 다시 말해 제3 회전각(S0_10)이 회전 방향(62)으로 코스팅 각도(X1)에 후속한다면, 스타트 작동 모드(56)에서, 제3 회전각(S0_10)에 할당된 추가 함수는 제3 회전각(S0_10)에서 활성화된다.
도 4에는, 도 3과 유사하게, 내연기관(2)의 연소 주기가 개략도(70)로 도시되어 있다. 도 3과 달리, 내연기관(2)은 210°의 코스팅 각도(X2)에서 일시적으로 정지되었다. 코스팅 각도(X2)는 회전 방향(62)으로 2개의 제1 회전각(S1_10 및 S0_10)에 후속하는 것으로 검출된다. 스타트 작동 모드(56) 전에, 또는 스타트 작동 모드(56)에서, 제1 회전각들(S1_10 및 S0_10)에 할당된 함수들이 만회되며, 다시 말해 상기 함수들은 스타트 작동 모드(56)에서 각각의 제2 회전각에서, 즉 코스팅 각도(X2) 또는 코스팅 각도(X2)와 상사점(ZOT_10) 사이에서 활성화된다.
그 밖에도, 회전 방향(62)의 반대 방향으로 각각의 사점(ZOT), 예컨대 상사점(ZOT_10)으로부터 고정된 차이값만큼 이격된 미도시된 한계값이 제공된다. 코스팅 각도(X)가 한계값과 할당된 사점(ZOT) 사이에 위치한다면, 할당된 실린더, 예컨대 실린더(10)의 함수들은 만회되지 않는다.
그러나 또 다른 한 실시예에서, 회전각들에 할당된 함수들이 스타트 작동 모드(56)에서 실행되는 주기(interval)가 상사점(ZOT_10)에 이어진다면, 사점(ZOT_10)에 후속하는 실린더(6), 다시 말해서 바로 직후의 실린더(6)를 위한 분사는 중단되지 않는다. 이처럼 스타트 작동 모드(56)에서 제1 실린더(6)를 위한 분사의 억제는 재현 가능한 시동 시간을 가능하게 한다.
도 5에는, 도 3과 유사하게 내연기관(2)의 연소 주기가 개략도(80)로 도시되어 있다. 도 3과 달리, 내연기관(2)은 324°의 코스팅 각도(X2)에서 일시적으로 정지되었다. 점화될 수 있는 최초로 가능한 실린더는 실린더(6)이다. 스타트 작동 모드(56) 동안, 회전각(S1_6)에 할당된 함수의 활성화는 회전 방향(62)으로 코스팅 각도(X3) 이후 제2 회전각(xS1_6)에서 이루어지며, 그로 인해 상기 함수의 활성화가 실린더(6)의 점화를 가능하게 한다. 다른 모든 함수도 각각 할당된 회전각들에서 활성화된다.

Claims (7)

  1. 내연기관(2)의 회전각들을 검출하기 위한 회전각 센서(16)를 포함하는 내연기관(2)을 작동시키기 위한 방법이며, 정상 작동 모드(40)에서 함수는 제1 회전각에서 활성화되고, 스톱 작동 모드(44)에서는 내연기관(2)이 일시적으로 정지되는, 내연기관 작동 방법에 있어서,
    상기 함수는 스톱 작동 모드(44)에 후속하는 스타트 작동 모드(56)에서 회전 방향(62)으로 제1 회전각에 후속하는 제2 회전각에서 활성화되고,
    내연기관(2)이 일시적으로 정지하게 되는 코스팅 각도가 회전 방향(62)으로 제1 회전각에 후속하는지가 검출되고, 상기 함수는 상기 검출에 따라 스톱 작동 모드(44)에 후속하는 스타트 작동 모드(56)에서 제2 회전각에서 활성화되고,
    제2 회전각은 코스팅 각도에 상응하는, 내연기관 작동 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 제3 회전각이 회전 방향(62)으로 상기 내연기관(2)이 일시적으로 정지하게 되는 코스팅 각도에 후속하는지가 검출되고, 상기 검출에 따라 정상 작동 모드(40)에서 제3 회전각에 할당된 추가 함수가 스타트 작동 모드(56)에서 상기 제3 회전각에서 활성화되는, 내연기관 작동 방법.
  6. 제1항에 따른 내연기관 작동 방법을 실행하도록 형성된, 내연기관(2)용 제어 장치(20).
  7. 제1항에 따른 내연기관 작동 방법을 실행하도록 형성된 컴퓨터 프로그램이 저장되는 메모리 매체(35).
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