KR20070118653A - 내연기관 시동 시스템 및 시동 방법 - Google Patents

내연기관 시동 시스템 및 시동 방법 Download PDF

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도요다 지도샤 가부시끼가이샤
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Abstract

연료를 대응하는 실린더에 직접 분사하는 연료 분사 밸브 및 실린더의 공기-연료 혼합기를 점화시키는 스파크플러그를 포함하는 내연기관의 시동 시스템에서, 엔진 정지 조건이 충족되는 경우, 연료 분사 밸브로부터의 연료의 분사 및 스파크플러그에 의해 실행되는 점화는 정지된다. 엔진 정지 조건이 충족된 이후 엔진이 회전하는 동안에 엔진 재시동 조건이 충족되면, 엔진 재시동 조건이 충족되는 때에 팽창 행정에 있는 팽창 행정 실린더에 연료 분사 밸브로부터 연료가 분사되고, 팽창 행정 실린더에 형성된 혼합기가 스파크플러그에 의해 점화된다.

Description

내연기관 시동 시스템 및 시동 방법{STARTING SYSTEM AND METHOD OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 자동차의 내연기관 시동 시스템 및 시동 방법에 관한 것이다.
최근, 연료 소비를 줄이고 CO2 배출물의 양을 억제하기 위한 목적으로, 예컨대 엔진이 설치된 차량이 정지해 있는 동안 엔진의 작동을 자동으로 정지시키기 위해, 그리고 차량이 다시 시동될 때 엔진을 자동으로 재시동시키기 위해 경제적-생태학적 주행 제어 (이하, "에코-런 제어 (eco-run control)" 라 함) 를 실행하는 실린더내 직분식 불꽃 점화 내연기관이 개발되었다. 에코-런 제어하에서는, 예컨대 차량이 정지된 상태에 있고, 가속 페달의 밟음량이 0 일 경우, 엔진 정지 조건이 충족된다. 엔진 정지 조건이 충족되면, 연료 분사 밸브로부터의 연료의 공급 및 스파크플러그를 이용하는 공기-연료 혼합기의 점화는 정지되거나 금지된다. 그 후에, 예컨대, 가속 페달이 밟힐 때 엔진 재시동 조건이 충족되면, 엔진은 다시 작동한다.
엔진 정지 조건이 충족되고, 연료 공급 및 점화 등과 같은 엔진의 활동이 정지되거나 금지되더라도, 엔진 정지 조건의 충족으로부터 특정 기간 동안은, 엔진의 회전 (즉, 크랭크축의 회전) 은 즉시 정지하지 않고, 엔진 또는 크랭크축은 관성력 등에 의해 회전이 유지된다. 이 기간 동안 엔진 재시동 조건이 충족되면, 엔진의 회전이 완전히 정지하지 않은 동안 엔진을 다시 시동시킬 필요가 있다.
일본공개특허공보 제 2002-147264 호에 개시되어 있는 종래의 시스템에서는, 엔진 정지 조건이 충족된 이후 엔진의 회전이 완전히 정지되어있지 않은 동안 엔진 재시동 조건이 충족되면, 엔진 재시동 조건이 충족될 때 압축 행정에 있는 실린더 (이하, "압축 행정 실린더" 라 함) 에 연료가 공급되어, 엔진은 엔진 재시동 조건이 충족된 이후에 가능한 가장 빠른 시기에 그 통상의 회전 또는 주행 속도를 재개하게 된다.
상기 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 압축 행정 실린더로의 연료의 공급을 이용하여 엔진을 재시동시키는 경우, 압축 행정 실린더에 형성된 공기-연료 혼합기의 점화를 가능하게 하기 위해, 크랭크축은 크랭크 각이 압축 행정 실린더에 대한 압축 상사점을 넘어갈 때까지 회전할 필요가 있다. 이는, 크랭크 각이 압축 행정 실린더에 대한 압축 상사점을 넘어가기 이전에 혼합기가 점화되면, 연소/폭발이 크랭크 각이 압축 상사점을 넘어가기 이전에 실린더에서 일어나, 엔진의 역회전을 초래하기 때문이다.
그러므로, 상기 공보에 개시되어 있는 바와 같은 시스템에 있어서, 엔진 재시동 조건이 충족된 때부터 크랭크 각이 압축 행정 실린더에 대한 압축 상사점을 넘어갈 때까지는, 공기-연료 혼합기는 압축 행정 실린더에서 점화되지 않는다. 따라서, 엔진 재시동 조건이 충족되고서부터 압축 행정 실린더에서 폭발이 실질적 으로 일어날 때까지는 긴 시간이 걸린다. 게다가, 엔진 재시동 조건이 충족될 때, 엔진 속도가 느리면, 즉 엔진의 회전으로 인한 관성력이 작으면, 엔진은 크랭크 각이 압축 행정 실린더에 대한 압축 상사점을 넘어가기 이전에 정지될 수 있고, 따라서 연료가 실린더에 공급되어 있어도 압축 행정 실린더에서는 혼합기를 연소시키거나 폭발시킬 수 없게 된다.
그러므로, 본 발명의 목적은 엔진 재시동 조건이 충족된 이후 가능한 가장 빠른 시기에 엔진을 시동시킬 수 있는 신뢰성이 향상된 내연기관 시동 시스템 및 시동 방법을 제공하는 것이다.
상기 및/또는 다른 목적(들)을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 양태에 따라, 연료를 실린더에 직접 분사하는 연료 분사 밸브 및 실린더에서 공기-연료 혼합기를 점화시키는 스파크플러그를 포함하며, 엔진 정지 조건이 충족되는 경우에 연료 분사 밸브로부터의 연료의 분사 및 스파크플러그에 의해 실행되는 점화를 정시시키도록 적용되는 내연기관 시동 시스템이 제공된다. 시동 시스템에 있어서, 엔진 정지 조건이 충족된 이후 엔진이 회전하는 동안에 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우, 엔진 재시동 조건이 충족되는 때에 팽창 행정에 있는 팽창 행정 실린더에 연료 분사 밸브로부터 연료가 분사되고, 팽창 행정 실린더에 형성된 공기-연료 혼합기가 스파크플러그에 의해 점화된다.
본 발명의 상기 양태에 따르면, 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우에 팽창 행정 실린더에서 연료 분사 및 점화가 실행되므로, 팽창 행정 실린더에 형성된 공기-연료 혼합기는 팽창 행정 동안에 연소되거나 폭발하게 된다. 혼합기의 연소/폭발로 인해, 엔진 재시동 조건이 충족된 직후에 구동력이 엔진에 가해져, 엔진은 엔진 재시동 조건이 충족된 이후 가능한 가장 빠른 시기에 향상된 신뢰성으로 재시동될 수 있다.
본 발명의 상기 양태에 따른 시동 시스템에 있어서, 엔진 정지 조건이 충족된 이후 엔진이 회전하는 동안에 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우라도, 엔진 재시동 조건이 충족되는 때에 엔진이 반대 방향으로 회전하면, 적어도 팽창 행정 실린더의 공기-연료 혼합기의 점화는 실행될 수 없다.
상술한 바와 같은 경우에 있어서, 엔진 재시동 조건이 충족되는 때에 엔진이 반대 방향으로 회전하고 있으면, 팽창 행정 실린더의 혼합기의 점화뿐 아니라 연료 분사 밸브로부터 팽창 행정 실린더로의 연료의 분사도 정지되거나 금지될 수 있다.
본 발명의 상기 양태의 시동 시스템에 있어서, 엔진 정지 조건이 충족된 이후 엔진이 회전하는 동안에 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우, 팽창 행정 실린더에의 연료의 분사 및 팽창 행정 실린더에서의 공기-연료 혼합기의 점화 이외에, 엔진 재시동 조건이 충족되는 때에 압축 행정에 있는 압축 행정 실린더에 압축 행정 동안 연료가 분사될 수 있다.
바로 위에서 기술한 바와 같은 경우에 있어서, 연료가 압축 행정 동안 압축 행정 실린더에 분사된 이후에, 압축 행정 실린더에 형성된 공기-연료 혼합기는 압축 행정 실린더가 압축 상사점에 도달한 때에 또는 압축 행정 실린더가 압축 상사점을 지나간 이후에 점화될 수 있다.
엔진 정지 조건이 충족된 이후 엔진이 회전하는 동안에 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우라도, 엔진 재시동 조건이 충족되는 때에 팽창 행정 실린더의 배기 밸브가 열려 있으면, 팽창 행정 실린더에의 연료의 분사 및 팽창 행정 실린더에서의 공기-연료 혼합기의 점화는 실행될 수 없다.
본 발명의 상기 양태의 시동 시스템에 있어서, 엔진 재시동 조건이 충족되는 때에 흡입 행정에 있는 실린더 및 그 이후에 흡입 행정이 되는 실린더에는 연료가 통상의 시기에 분사될 수 있다. 또한, 엔진 재시동 조건이 충족되는 때에 흡입 행정에 있는 실린더 및 그 이후에 흡입 행정이 되는 실린더에서는 공기-연료 혼합기의 점화가 통상의 시기에 실행될 수 있다.
상술한 바와 같은 시동 시스템에 있어서, 엔진 정지 조건이 충족된 이후 엔진이 회전하는 동안에 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우, 적어도 팽창 행정 실린더의 배기 밸브 또는 밸브들의 밸브 열림 시기는 지각될 수 있다. 또한, 엔진 정지 조건이 충족된 이후 엔진이 회전하는 동안에 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우, 적어도 압축 행정 실린더의 흡입 밸브 또는 밸브들의 밸브 닫힘 시기는 지각될 수 있다.
본 발명의 전술한 및/또는 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부의 도면을 참조하는 실시예에 대한 이하의 설명으로부터 더 명백해질 것이며, 여기서 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 나타낸다.
도 1 은 본 발명의 실시예로서 시동 시스템을 구비하는 내연기관을 개략적으 로 도시하는 도면이다.
도 2 는 도 1 의 엔진의 각 실린더를 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 3 은 도 2 의 실린더의 흡입 밸브의 밸브 열림 시기 및 밸브 닫힘 시기를 도시하는 도면이다.
도 4 는 도 1 의 엔진의 통상적인 작동 동안의 실린더 각각의 연료 분사 시기 및 점화 시기의 주기를 도시하는 도면이다.
도 5 는 엔진 정지 조건이 충족된 이후 엔진이 완전히 정지되기 이전에 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우에, 연료 분사 기간, 점화 시기, 흡입 밸브가 열려있는 기간, 및 배기 밸브가 열려있는 기간을 도시하는 도면이다.
도 6 은 엔진 정지 조건이 충족된 이후 엔진이 완전히 정지되기 이전에 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우에 엔진의 거동을 도시하는 타임 차트이다.
도 7 은 엔진 정지 조건이 충족되었을 때부터 엔진이 완전히 정지되는 때까지의 기간에 엔진의 거동을 도시하는 타임 차트이다.
도 8 은 엔진 정지 조건이 충족되었을 때에 감지되는 엔진 속도와 엔진 정지 조건의 충족시부터 크랭크축이 회전할 수 있는 크랭크 각 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 일 실시예로서 시동 시스템을 구비하는 내연기관을 도시하는 도 1 을 참조하면, 엔진 본체 (1) 는 복수의 실린더, 예컨대 네 개의 실린더 (1a) 를 포함한다. 실린더 (1a) 각각은 대응하는 흡입 분기관 (2) 을 경유하여 서지 탱크 (3) 에 연결되어 있으며, 서지 탱크 (3) 는 흡입 덕트 (4) 를 경유하여 에어 클리너 (5) 에 연결되어 있다. 엑츄에이터 (6) 에 의해 구동되도록 적용된 스로틀 밸브 (7) 가 흡입 덕트 (4) 에 배치되어 있다. 실린더 (1a) 각각은 또한 배기 매니폴드 (8) 및 배기관 (9) 을 경유하여 배기 가스 처리용 촉매 (10) 를 포함하는 촉매 컨버터 (11) 에 연결되어 있다. 도 1 에 도시된 내연기관에 있어서, 연소는 실린더 (1a) 에서 #1, #3, #4 및 #2 의 순서로 연속해서 일어난다.
실린더 (1a) 를 더 상세하게 도시하는 도 2 를 참조하면, 도면 부호 12 는 실린더 블록을 나타내고, 도면 부호 13 은 실린더 블록 (12) 에 고정되게 장착되어 있는 실린더 헤드를 나타낸다. 피스톤 (14) 이 실린더 블록 (12) 에서 왕복할 수 있도록 피스톤 (14) 이 실린더 블록 (12) 에 수용되어 있으며, 연소실 (15) 이 피스톤 (14) 의 최상부와 실린더 헤드 (13) 사이에 형성되어 있다. 실린더 헤드 (13) 에는 한 쌍의 흡입 포트 (16), 한 쌍의 흡입 밸브 (17), 한 쌍의 배기 포트 (18) 및 한 쌍의 배기 밸브 (19) 가 형성되어 있거나 제공되어 있다. 스파크플러그 (20) 가 실린더 헤드 (13) 의 내벽의 중심부에 위치되어 있으며, 연료 분사 밸브 (21) 가 실린더 헤드 (13) 의 내벽의 원주부에 위치되어 있다.
각 실린더 (1a) 의 흡입 밸브 (17) 는 흡입밸브 구동 장치 (22) 에 의해 구동된다 (즉, 열리고 닫힘). 흡입밸브 구동 장치 (22) 는 캠축, 및 진각측과 지각측 사이에서 크랭크 각에 대한 캠축의 회전 각을 선택적으로 전환하기 위한 전환 기구를 포함한다. 캠축의 회전 각이 진각되면, 흡입 밸브 (17) 의 밸브 열림 시기 (밸브가 열리는 순간) (VO) 및 밸브 닫힘 시기 (밸브가 닫히는 순간) (VC) 는, 피스톤의 흡입 상사점 및 흡입 하사점에 대해 도 3 에 화살표 (AD) 로 도시되어 있는 바와 같이 진각된다. 캠축의 회전 각이 지각되면, 흡입 밸브 (17) 의 밸브 열림 시기 (VO) 및 밸브 닫힘 시기 (VC) 는 도 3 에 화살표 (RT) 로 도시되어 있는 바와 같이 지각된다. 이러한 경우에, 흡입 밸브 (17) 의 리프트 및 작동 각 (밸브 열림 기간) 은 변하지 않지만, 위상 각 (밸브의 열림 및 닫힘 시기) 은 변한다. 도 1 에 도시되어 있는 내연기관에 있어서, 캠축의 회전 각은, 엔진 작동 상태에 따라 진각측 또는 지각측으로 전환된다. 본 발명은, 흡입 밸브 (17) 의 밸브 열림 시기가 연속적으로 변할 수 있는 경우, 또는 리프트 및/또는 작동 각이 변할 수 있는 경우에 적용될 수도 있다.
각 실린더의 배기 밸브 (19) 는 배기 밸브 구동 장치 (23) 에 의해 구동된다 (즉, 열리고 닫힌다). 상술한 바와 같은 흡입 밸브 구동 장치 (22) 처럼, 배기 밸브 구동 장치 (23) 는 캠축 및 전환 기구를 포함하며, 배기 밸브 (19) 의 위상 각을 변화시키도록 작동할 수 있다.
다시 도 1 을 참조하면, 전동기 (26) 가 클러치 (비도시) 를 경유하여 크랭크축 (25) 에 연결될 수 있다. 전동기 (26) 는 예컨대, 시동기 모터로 제공될 수 있거나, 동력 발생 기능을 갖는 전동기, 즉 전력을 발생시키도록 크랭크축 (25) 에 의해 구동/회전되는 전동기로 제공될 수 있다.
로터 (27) 가 크랭크축 (25) 에 고정되어 있으며, 예컨대 치형부 (tooth) 하나가 없는 채로 10°의 간격으로 형성되어 있는 35 개의 치형부 또는 돌출부를 포함한다. 전자석식 픽업 (pick-up) 을 포함하는 크랭크 각 센서 (28) 가 로터 (27) 의 돌출부를 바라보도록 위치된다. 크랭크 각 센서 (28) 는, 로터 (27) 의 돌출부 중 하나가 크랭크 각 센서 (28) 를 지나갈 때마다 출력 펄스를 발생시킨다. 로터 (27) 에는, 치형부 또는 돌출부가 10°의 간격으로 규칙적으로 형성되어 있는 경우에 치형부가 놓이는 치형부 없는 부분이 형성되어 있어, 치형부 없는 부분이 크랭크 각 센서 (28) 를 바라볼 때, 예컨대 #1 실린더의 피스톤이 상사점에 있게 된다. 치형부 없는 부분을 표시하는 신호가 검출될 때, 크랭크 각은 0°CA 이다. 이러한 방식으로, 로터 (27) 에 의해 연속적으로 발생되는 출력 펄스에 따라 크랭크 각이 결정될 수 있다. 또한, 엔진 속도는, 치형부 없는 부분을 나타내는 신호가 발생되는 시점으로부터 동일한 신호가 발생되는 그 다음의 시점까지 엔진 속도가 나타나는 시간 (즉, 크랭크축 (25) 이 일 회전 하거나 350°회전하는 동안 엔진 속도가 나타나는 시간) 의 길이로부터 결정될 수 있다.
전자 제어 유닛 (ECU) (30) 은 디지털 컴퓨터로 구성되고, ROM (읽기 전용 메모리) (32), RAM (랜덤 액세스 메모리) (33), CPU (마이크로프로세서) (34), 항상 전원에 연결되어 있는 B-RAM (백업 RAM) (35), 입력 포트 (36) 및 출력 포트 (37) 를 포함하는데, 이들은 양방향 버스 (31) 에 의해 서로 연결되어 있다.
엔진 냉각제 온도를 나타내는 출력 전압을 발생시키는 수온 센서 (40) 가 엔진 본체 (1) 에 부착되어 있다. 가속 페달 (비도시) 의 밟음량을 나타내는 출력 전압을 발생시키는 가속 스트로크 센서 (41) 가 가속 페달에 부착되어 있다. 이 센서 (40, 41) 의 출력 신호는 대응하는 A/D 컨버터 (38) 를 경유하여 입력 포트 (36) 에 각각 전달된다. 또한, 입력 포트 (36) 에는 상기 크랭크 각 센서 (28), 스위치 (42) 가 ON 상태에 놓여있음을 나타내는 출력 펄스를 발생시키는 점화 (IG) 스위치 (42), 및 스위치 (43) 가 ON 상태에 놓여있음을 나타내는 출력 펄스를 발생시키는 키 스위치 (43) 가 연결되어 있다. 점화 스위치 (42) 및 키 스위치 (43) 는 엔진이 설치되어 있는 차량의 운전자에 의해 수동으로 작동된다. 한편, 출력 포트 (37) 는 대응하는 구동 회로 (39) 를 경유하여 엑츄에이터 (6), 연료 분사 밸브 (21), 스파크플러그 (20) 및 전동기 (26) 에 연결되어 있다.
본 실시예의 내연기관은 통상시에 두 작동 모드, 예컨대 균질 (또는 균일 충진) 연소 모드 및 성층 연소 모드 중 선택된 한가지 모드로 작동할 수 있다. 균질 연소 모드에서는, 연료가 흡입 행정 동안에 연소실 (15) 에 분사되고, 공기-연료 혼합기는 혼합기의 공연비가 연소실 (15) 의 전체 부피에서 실질적으로 균일해진 이후에 점화된다. 성층 연소 모드에서는, 연료가 점화 직전 압축 행정 동안에 분사되고, 혼합기는 연료가 스파크플러그 부근에만 국부적으로 존재하는 상태에서 점화된다. 작동 모드는 엔진 부하 및 엔진 속도에 따라 이러한 두 연소 모드 중에서 선택된다. 예컨대, 엔진은 엔진 부하가 작고 엔진 속도가 낮은 작동 영역에서는 성층 연소 모드로 작동하며, 엔진 부하가 크고 엔진 속도가 높은 작동 영역에서는 균질 연소 모드로 작동한다.
도 4 는 엔진이 통상시에 균질 연소 모드로 작동할 때, 크랭크 각 (θ) 에 따른, 흡입 밸브 (17) 의 밸브 열림 및 밸브 닫힘 시기, 배기 밸브 (19) 의 밸브 열림 및 밸브 닫힘 시기, 각 실린더의 연료 분사 시기 및 점화 시기를 도시한다. 특히, 도 4 는 #1 실린더의 피스톤이 압축 행정의 상사점에 있을 때, θ 이 0° CA 인 경우의 크랭크 각 (θ) 의 변화에 따른, 흡입 밸브 (17) 의 밸브 열림 및 밸브 닫힘 시기 (흰색 화살표로 표시), 배기 밸브 (19) 의 밸브 열림 및 밸브 닫힘 시기 (교차된 평행선 무늬의 화살표로 표시), 연료 분사 기간 및 점화 시기 (검은색 화살표로 표시) 를 도시한다.
도 4 에 도시되어 있는 바와 같이, 엔진이 통상의 작동 상태에 있을 때 (즉, 엔진이 후술될 에코 런 제어하에 정지된 상태에 있지 않을 때), 각 실린더는 크랭크축 (25) 의 회전에 따라 흡입 행정, 압축 행정, 팽창 행정 및 배기 행정을 반복적으로 거친다. #4 실린더에 대해 더 구체적으로 기술하면, 예컨대 흡입 밸브 (17) 는 흡입 행정 동안 그리고 흡입 행정의 직전 및 직후에 열려있기 때문에, 공기가 흡입 행정에서 실린더로 흡입된다. 도 4 에 도시된 실시예에 있어서, 연료는 흡입 행정 동안 연료 분사 밸브 (21) 로부터 분사되어, 공기-연료 혼합기가 흡입 행정에서 실린더에 형성된다. 그 다음, 혼합기는 압축 행정에서 압축되고, 압축 상사점 부근에서 스파크플러그 (20) 에 의해 점화되어, 혼합기의 폭발이 일어난다. 다음의 팽창 행정에서, #4 실린더의 피스톤 (14) 은 폭발에 의해 발생된 힘에 의해 아래로 눌린다. 그 다음, 배기 밸브 (19) 가 배기 행정 동안 그리고 배기 행정 직전 및 직후에 열려, 배기 가스가 배기 행정에서 실린더로부터 배출된다.
엔진이 상기와 같은 균질 연소 모드에서 작동할 때는 연료가 흡입 행정 동안 연료 분사 밸브 (21) 로부터 분사되지만, 엔진이 성층 연소 모드에서 작동할 때는 연료가 압축 행정 동안 연료 분사 밸브 (21) 로부터 분사된다.
본 발명의 내연기관은 운전자가 점화 스위치 (42) 를 켤 때 전동기 (26) 에 의해 시동되고, 엔진의 작동은 운전자가 키 스위치 (43) 를 끌 때 정지된다.
게다가, 본 실시예의 엔진은, 키 스위치 (43) 가 운전자에 의해 OFF 상태로 놓여있지 않을 때도, 특정 엔진 정지 조건이 충족되면 작동이 자동으로 정지한다. 더 구체적으로는, 엔진 정지 조건이 충족될 때, 연료 분사 밸브 (21) 로부터의 연료 분사 및 스파크플러그 (20) 를 이용하는 점화가 자동으로 정지하거나 금지되고, 엔진의 작동 또는 회전 (즉, 크랭크축 (25) 의 회전) 은 자동으로 정지된다. 그 후에 특정 엔진 재시동 조건이 충족되면, 엔진은 자동으로 재시동된다 (즉, 크랭크축 (25) 이 다시 회전한다). 따라서, 본 실시예의 시동 시스템은, 키 스위치가 운전자에 의해 OFF 상태로 놓여있지 않을 때에도, 특정 조건하에 엔진을 자동으로 정지시키고 재시동하기 위한 제어 (이하, "에코 런 제어" 라 함) 를 실행하도록 적용되므로, 연료 소비 및 배기 가스의 배출물을 감소시킨다.
예컨대, 엔진 부하가 0 이고 (즉, 가속 스트로크 센서 (41) 에 의해 감지되는 가속 페달의 밟음량이 0 이고) 엔진 속도가 낮을 때, 또는 이 두 조건이 충족되고 엔진이 설치된 차량의 속도가 0 일 때, 엔진 정지 조건은 충족된다. 더 구체적으로는, 예컨대, 차량이 빠르게 감속되거나 차량이 정지할 때, 엔진 정지 조건이 충족된다. 따라서, ECU (30) 는 예컨대, 가속 스트로크 센서 (41), 크랭크 각 센서 (28), 엔진이 설치되어 있는 차량의 속도를 감지하기 위한 차량 속도 센서 (비도시), 운전자에 의한 브레이크 페달의 밟음량을 감지하기 위한 브레이크 페달 위치 센서 (비도시) 등의 출력에 기초하여 엔진 정지 조건이 충족되었는지를 판정 한다.
한편, 예컨대 엔진 부하가 0 과 달라지거나, 엔진 부하가 0 과 달라질 것으로 기대될 때, 엔진 재시동 조건이 충족된다. 더 구체적으로는, 예컨대 운전자가 가속 페달을 밟을 때, 또는 운전자에 의한 브레이크 페달의 밟음량이 감소될 때, 또는 차량이 정지해 있는 동안 운전자가 클러치 페달을 밟거나 시프트 레버를 N (중립) 또는 P (주차) 영역에서 D (주행) 영역으로 바꿀 때, 엔진 재시동 조건이 충족된다. 따라서, ECU (30) 는 예컨대, 가속 스트로크 센서 (41), 차속 센서, 브레이크 페달 위치 센서, 운전자에 의한 클러치 페달의 밟힘을 감지하기 위한 클러치 센서 (비도시), 시프트 포지션 센서 (비도시) 등의 출력에 따라 엔진 재시동 조건이 충족되었는지를 판정한다.
일반적으로, 에코 런 제어하에서는, 엔진 정지 조건이 충족되면, 연료 분사 및 점화가 정지하여, 엔진의 회전이 완전히 정지한다. 엔진의 회전이 완전히 정지한 상태에서 엔진 재시동 조건이 실질적으로 충족되면, 구동력이 전동기 (26) 로부터 크랭크축 (25) 에 빠르게 가해져, 엔진은 재시동되고 이어서 통상적으로 작동한다.
그러나, 엔진 정지 조건이 충족되고 엔진이 작동을 정지하였지만 (즉, 연료 분사 및 점화가 정지한) 엔진은 완전히 정지하기 이전 (즉, 엔진이 구동력 없이 관성력에 의해 여전히 주행중인 동안) 에 엔진 재시동 조건이 충족될 수 있다. 이러한 경우 역시, 엔진은 엔진 재시동 조건이 충족된 직후에 재시동되어야 한다. 본원에서, "엔진의 재시동" 은 엔진의 회전이 완전히 정지하기 이전에 엔진이 그 통상의 회전 또는 주행 속도를 재개하는 경우뿐 아니라, 엔진이 엔진의 회전이 완전히 정지한 이후에 재시동되는 경우도 말한다.
엔진 정지 조건이 충족된 이후이지만 엔진은 완전히 정지하기 이전에 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우, 본 실시예의 시동 시스템은 기본적으로 전동기 (26) 의 보조 없이 엔진이 빠르게 재시동되게 한다.
도 4 와 유사한 도 5 는, 엔진 정지 조건의 충족 이후이지만 엔진의 완전한 정지 이전에 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우에, 크랭크 각 (θ) 에 따른, 각 실린더의 흡입 밸브의 밸브 열림 및 밸브 닫힘 시기 등을 도시한다. 도 5 에서, 시기 (θx) 는 엔진 재시동 조건이 충족되는 시점을 나타낸다. 따라서, 연료 분사 및 점화는 시기 (θx) 이전에 정지되거나 금지되고, 엔진은 시기 (θx) 부터 재시동 제어 (후술함) 하에 재시동된다.
도 5 로부터 알 수 있는 바와 같이, 엔진 정지 조건이 충족된 이후이지만 엔진이 완전히 정지하기 이전에 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우, 연료는 연료 분사 밸브 (21) 로부터, 엔진 재시동 조건이 충족되는 시기 (도 5 에서 θx 로 표시) 에 팽창 행정에 있는 실린더 (이하, "팽창 행정 실린더" 라 함, 예컨대 도 5 의 예에서 #1 실린더) 의 연소실 (15) 에 분사되어, 팽창 행정 실린더에 공기-연료 혼합기가 형성된다. 그 다음, 연료 분사 밸브 (21) 로부터의 연료 분사 동안 또는 이후에, 팽창 행정 실린더에 형성된 혼합기는 팽창 행정 실린더의 스파크플러그 (20) 에 의해 점화된다. 이와 관련하여, 이러한 곳에서는, 팽창 행정 실린더의 공기-연료 혼합기는, 팽창 행정 실린더의 혼합기의 온도 및 압력이 크랭크 각이 팽 창 행정 직전 압축 상사점에 있을 때에 감지되는 당해 실린더의 혼합기의 온도 및 압력보다 낮기 때문에, 잘 점화되지 않는다. 그러므로, 스파크플러그 (20) 가 혼합기를 두 번 이상 점화하게 하는 것이 바람직하다. 예컨대, 스파크플러그 (20) 는 연료 분사 밸브 (21) 로부터의 연료 분사 동안 및 그 이후에 혼합기를 점화시키기 위해 연속적으로 작동될 수 있다.
상기와 같은 방식으로, 팽창 행정 실린더에 형성된 공기-연료 혼합기는 연소하거나 폭발하고, 이에 따라 팽창 행정 실린더의 피스톤 (14) 을 아래로 눌러 엔진의 구동력을 제공하며, 이는 엔진의 회전 (또는 크랭크축 (25) 의 회전) 의 회복을 촉진한다.
엔진의 재시동시, 성층 연소가 실행되는 경우에는 적절한 공기-연료 혼합기가 형성되기 어렵기 때문에, 엔진은 엔진을 재시동시키는데 필요한 구동력을 제공하도록 도 4 에 도시되어 있는 바와 같이 균질 연소 모드로 작동한다. 균질 연소 모드에 있어서, 연료 분사는 상술한 바와 같이 흡입 행정 동안 실행된다. 엔진의 재시동 동안에 연료 분사 및 점화가 균질 연소 모드에서와 유사하게 실행되는 곳에서는, 연료는 엔진 재시동 조건이 충족되는 때에 흡입 행정에 있는 실린더 (이하, "흡입 행정 실린더" 라 함, 예컨대 도 5 의 예에서 #4 실린더) 에 분사되고, 혼합기는 크랭크축 (25) 이 연료 분사 이후 180 ~ 360°CA 를 회전한 이후에 당해 실린더에 대한 압축 상사점 직전에 점화된다. 그러므로, 균질 연소 모드에서 엔진을 작동시키기 위해서는, 엔진 재시동 조건이 충족된 이후, 적어도 흡입 행정 실린더 (도 5 의 예의 #4 실린더) 가 압축 행정의 말에 오는 압축 상사점을 넘을 때까지 엔진의 크랭크축 (25) 을 회전시킬 필요가 있다.
그러나, 상술한 바와 같은 엔지 재시동 조건의 충족 직후에 팽창 행정 실린더에서 공기-연료 혼합기가 연소/폭발하더라도, 연소/폭발을 통해 획득되는 엔진 구동력은 그리 크지 않고, 그러므로 크랭크축 (25) 은 흡입 행정 실린더가 압축 상사점을 넘을 때까지 회전할 수 없다.
즉, 팽창 행정에서 팽창 행정 실린더의 혼합기의 연소/폭발이 일어날 때까지 연소실 (15) 의 부피는 이미 일정 범위까지 증가했기 때문에, 연소/폭발에 의한 에너지 중 피스톤 (14) 을 누르는데 사용될 수 있는 에너지 (즉, 엔진의 구동력으로 변환되는 에너지) 는 비교적 작고, 이는 연소/팽창을 통해 획득될 수 있는 엔진의 구동력이 작다는 것을 의미한다.
한편, 흡입 행정 실린더가 압축 상사점을 넘어갈 때까지 엔진을 운전시키거나 크랭크축 (25) 을 회전시키기 위해서는, 엔진 재시동 조건이 충족될 때 압축 행정에 있는 실린더 (이하, "압축 행정 실린더" 라 함, 예컨대 도 5 의 #3 실린더) 및 흡입 행정 실린더 (#4 실린더) 가 모두 각각 압축 상사점을 넘어가야 한다. 여기서, 공기는 압축 행정에 있는 실린더에서 당해 실린더가 압축 상사점에 도달할 때까지 압축되고, 압축된 공기는 엔진의 회전 (또는 크랭크축 (25) 의 회전) 에 대한 저항 증가를 가져온다. 팽창 행정 실린더의 혼합기의 연소/폭발에 의한 구동력은 상술한 바와 같이 그리 크기 않기 때문에, 이 구동력만으로는 압축 행정 실린더 또는 흡입 행정 실린더가 압축 상사점을 넘어갈 때, 엔진의 회전에 대한 상승한 저항을 극복할 수 없다.
그러므로, 본 실시예에 있어서, 엔진 정지 조건은 충족되었지만 엔진은 완전히 정지하기 이전에 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우, 연료 분사 및 점화는 팽창 행정 실린더 (도 5 의 #1 실린더) 뿐만 아니라, 압축 행정 실린더 (도 5 의 예의 #3 실린더) 에서도 실행된다. 더 구체적으로는, 연료는 엔진 재시동 조건이 충족될 때 또는 엔진 재시동 조건의 충족 이후의 압축 행정 동안에 (즉, 엔지 재시동 조건이 충족되는 시점으로부터 압축 행정 실린더가 압축 상사점에 도달하는 시점까지의 기간) 연료 분사 밸브 (21) 로부터 압축 행정 실린더 (#3 실린더) 의 연소실 (15) 에 분사되어, 압축 행정 실린더에 공기-연료 혼합기가 형성된다. 후속의 크랭크축 (25) 회전으로 인해 크랭크 각이 압축 행정 실린더에 대한 압축 상사점에 도달하거나 압축 상사점을 넘을 때, 압축 행정 실린더 (#3 실린더) 에 형성되어 있는 혼합기는 스파크 플러그 (20) 에 의해 점화된다.
상술한 바와 같이, 엔진 정지 조건은 충족되었지만 엔진은 완전히 정지하기 이전에 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우, 연료는 팽창 행정 실린더뿐만 아니라 압축 행정 실린더에도 분사되고, 그 다음 공기-연료 혼합기는 압축 행정 실린더가 압축 상사점에 도달한 때에 또는 도달한 이후에 압축 행정 실린더에서 점화된다. 그 결과, 혼합기의 연소/폭발은 엔진 재시동 조건의 충족과 크랭크 각이 흡입 행정 실린더에 대한 압축 상사점에 도달하는 시점 사이의 기간에 압축 행정 실린더에서 일어나고, 이 연소/폭발에 의한 구동력은 엔진 재시동 조건이 충족된 이후에도 흡입 행정 실린더가 압축 상사점을 넘어갈 수 있게 한다. 따라서, 연료 분사 및 점화는 엔진이 통상시에 작동하는 것과 실질적으로 동일한 방식으로 흡입 행정 실린더에서 균질 연소 모드로 실행된다. 또한, 연료 분사 및 점화는 엔진이 통상시에 작동하는 것과 실질적으로 동일한 방식으로 후속적 및 연속적으로 흡입 행정이 되는 실린더에서 실행된다.
즉, 본 실시예에 따르면, 연료 분사 및 점화는 엔진 재시동 조건의 충족 직후에 팽창 행정 실린더 및 압축 행정 실린더에서 실행되고, 이에 따라 엔진을 재시동할 만큼 그리고 엔진 재시동 이후에는 엔진의 통상적인 작동을 허용할 만큼 충분히 큰 구동력을 제공하게 된다.
상술한 바와 같이, 연료 분사 및 점화는 팽창 행정 실린더에서 실행되고, 이는 엔진 재시동 조건의 충족시부터 어떤 실린더에서의 혼합기의 연소/폭발의 최초 발생 (이하, "최초 폭발" 이라 함) 시까지 걸리는 시간을 상당히 감소시키므로, 전동기 (26) 의 보조 없이 엔진을 재시동하는 것을 용이하게 한다.
도 6 은 엔진 정지 조건이 충족되고 연료 분사 및 점화가 정지되는 때로부터 상술한 바와 같이 팽창 행정 실린더에 실행되는 연료 분사 및 점화로 인해 엔진 속도가 특정 지점까지 증가하는 (크랭크축 (25) 이 그 통상의 회전을 재개하는) 때까지의 엔진의 거동을 도시하는 타임 차트이다. 도 6 에서, 상부 구간은 시간에 대한 크랭크 각의 변화를 도시하고, 중간 구간은 시간에 대한 엔진 속도의 변화를 도시하며, 하부 구간은 #1 실린더 (파선으로 표시) 및 #3 실린더 (실선으로 표시) 내의 압력의 변화를 도시한다.
도 6 을 참조하면, 시각 0 에서 엔진 정지 조건이 충족되면, 엔진은 작동이 정지되고, 모든 실린더에 대해 연료 분사 밸브 (21) 로부터의 연료 분사 및 스파크 플러그 (20) 를 이용하는 점화는 정지되거나 금지되어, 어떤 실린더에서도 공기-연료 혼합기의 연소/폭발은 일어나지 않는다. 그 결과, 각 실린더내의 압력은 도 6 에 도시되어 있는 바와 같이 실린더의 피스톤 (14) 의 상승에 의한 정도까지만 증가한다. 또한, 어떤 실린더에서도 폭발이 일어나지 않기 때문에, 엔진의 관성 회전에 대한 마찰로 인해 엔진 속도가 점점 감소하고, 단위 시간당 진행하는 크랭크 각이 감소한다.
시각 (T1) 에서 엔진 재시동 조건이 충족되면, 팽창 행정 실린더 (예컨대, 도 6 의 #1 실린더) 에서 연료 분사 및 점화가 실행되어, 공기-연료 혼합기의 연소/폭발 (최초 폭발) 이 팽창 행정 실린더에서 시각 (T2) 에 일어난다. 혼합기의 연소/폭발시, 팽창 행정 실린더의 압력은 빠르게 증가하고, 이에 따라 팽창 행정 실린더의 피스톤을 아래로 누르게 된다. 그 결과, 구동력이 엔진에 가해지고, 엔진 속도가 증가한다.
그 이후, 시각 (T3) 에서, 압축 행정 실린더 (예컨대, 도 6 의 #3 실린더) 는 압축 상사점을 넘어가고, 실질적으로 동시에 압축 행정 실린더의 공기-연료 혼합기가 점화된다. 그 결과, 압축 행정 실린더의 압력은 압축 행정 실린더에 대한 압축 상사점에서 또는 압축 상사점 직후에 급격하게 증가하고, 이에 따라 압축 행정 실린더의 피스톤을 아래로 누르게 된다. 피스톤의 하방향 이동으로, 구동력이 엔진에 가해지며, 엔진 속도가 증가한다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면, 도 6 에 도시되어 있는 바와 같이, 엔진 재 시동 조건의 충족으로부터 혼합기의 최초 폭발의 발생시까지는 상당히 짧은 시간 (도 6 의 ΔT12) 이 걸린다. 엔진 재시동 조건이 충족된 이후에, 팽창 행정 실린더에서의 연료 분사 및 점화 실행 없이 압축 행정 실린더에서의 연료 분사 및 점화를 실행하는 종래의 시동 시스템 (예컨대, 일본공개공보 제 2002-147264 호에 개시되어 있는 시스템) 이 사용되면, 엔진 재시동 조건의 충족으로부터 혼합기의 최초 팽창까지 비교적 긴 시간 (도 6 의 ΔT13) 이 걸린다. 이와 같이, 본 발명의 시동 시스템은 상기와 같은 종래의 시동 시스템에 비해 최초 팽창이 일어날 때까지 걸리는 시간을 0.5 이상까지 감소시킬 수 있다.
엔진 재시동 조건의 충족으로부터 최초 폭발이 일어날 때까지 걸리는 시간이 길면, 엔진 재시동 조건의 충족시에 감지되는 엔진 속도에 따라 엔진의 회전 (또는 크랭크축 (25) 의 회전) 이 완전히 정지할 수 있으며, 엔진을 재시동하기 위해 전동기의 보조가 필요할 수 있다. 엔진 재시동 조건이 충족되고나서 최초 폭발이 일어날 때까지 걸리는 시간이 짧은 본 발명에서는, 최초 폭발이 엔진이 완전히 정지하기 이전에 일어나고, 그러므로 전동기의 보조 없이 엔진이 쉽게 재시동 될 수 있다.
일반적으로, 배기 밸브 (19) 는 팽창 행정의 종기에 열려, 흡입 행정의 초기에 닫힌다. 즉, 배기 밸브 (19) 는 배기 행정 및 흡입 행정의 초기에서뿐만 아니라 팽창 행정의 종기의 특정 지점으로부터 팽창 하사점까지도 열린 상태에 있다. 연료 분사 및 점화가 상기와 같이 팽창 행정 실린더에서 실행되는 경우, 공기- 연료 혼합기의 연소/폭발은 팽창 행정의 어떤 지점에서 일어난다. 연소/폭발을 통해 획득되는 에너지를 팽창 행정 실린더의 피스톤을 아래로 누르는 힘으로 효율적으로 변환하기 위해서는, 팽창 행정의 종기로부터 팽창 하사점까지 배기 밸브 (19) 가 열리는 것을 금지하거나, 팽창 행정 종기의 밸브 열림 기간을 단축할 필요가 있다. 이와 같이, 엔진이 재시동될 때, 배기 밸브 (19) 의 밸브 열림 시기를 지연시키는 것이 바람직하다.
그러므로, 본 실시예에서, 배기 밸브 (19) 의 밸브 열림 시기는, 도 5 에 도시되어 있는 바와 같이, 엔진 정지 조건이 충족되고 연료 분사 및 점화가 정지됨과 동시에 소정의 밸브 열림 시기로 지각된다. 더 구체적으로는, 엔진 정지 조건이 충족될 때, 배기 밸브 구동 장치 (23) 의 전환 기구는 배기 밸브 (19) 의 위상 각을 전체적으로 지각측의 소정의 목표 위상 각으로 변화시키도록 작동한다. 여기서, 소정의 밸브 열림 시기는 통상의 엔진 작동 동안 사용되는 배기 밸브 (19) 의 밸브 열림 시기보다 늦은 시기이며, 소정이 목표 위상 각은 배기 밸브 (19) 의 밸브 열림 시기를 상기 소정의 밸브 열림 시기로 규정하는 위상 각이다.
일반적으로, 흡입 밸브 (17) 는 배기 행정의 종기에 열려, 압축 행정의 초기에 닫힌다. 즉, 흡입 밸브 (17) 는 배기 행정의 종기 및 흡입 행정에서뿐만 아니라 흡입 하사점으로부터 압축 행정 초기의 특정 지점까지도 열린 상태에 있다. 이와 관련하여, 흡입 밸브 (17) 의 닫힘 시기에 실린더에 충진되는 공기의 양은 압축 행정에서의 흡입 밸브 (17) 의 밸브 닫힘 시기에 따라 달라진다. 실린더내의 압력은 흡입 밸브 (17) 가 닫히는 시기의 흡입관의 압력 (즉, 서지 탱크 및 흡입 분기관의 압력) 과 실질적으로 같아지지만, 흡입 밸브 (17) 의 밸브 닫힘 시기가 지연되거나 지각됨에 따라, 실린더의 부피는 줄어들고 실린더에 충진되는 공기의 양은 감소된다.
한편, 실린더에 충진되는 공기의 양이 더 커질 수록, 실린더에 충진되는 공기를 압축하는데 필요한 에너지는 더 커지며, 엔진의 회전에 대한 저항이 증가한다. 그러므로, 엔진의 재시동시에 실린더에 충진되는 공기의 양을 감소시켜 엔진의 회전에 대한 저항을 감소시키는 것이 바람직하다. 즉, 엔진이 재시동될 때, 흡입 밸브 (17) 의 밸브 닫힘 시기를 지각시키는 것이 바람직하다.
그러므로, 본 실시예에 있어서, 흡입 밸브 (17) 의 밸브 닫힘 시기는, 도 5 에 도시되어 있는 바와 같이, 엔진 정지 조건이 충족되고 연료 분사 및 점화가 정지됨과 동시에 소정의 밸브 닫힘 시기로 지각된다. 더 구체적으로는, 엔진 정지 조건이 충족될 때, 흡입 밸브 구동 장치 (22) 의 전환 기구는 흡입 밸브 (17) 의 위상 각을 전체적으로 지각측의 소정의 목표 위상 각으로 변화시키도록 작동한다. 여기서, 소정의 밸브 닫힘 시기는 통상의 엔진작동 동안에 사용되는 흡입 밸브 (17) 의 밸브 닫힘 시기보다 늦은 시기이고, 소정의 목표 위상 각은 흡입 밸브 (17) 의 밸브 닫힘 시기를 상기 소정의 밸브 닫힘 시기로 규정하는 위상 각이다.
그 이후, 흡입 밸브 (17) 및 배기 밸브 (19) 의 밸브 열림 시기 및 밸브 닫힘 시기는, 연료 분사 및 점화가 통상의 엔진 작동에서와 동일한 방식으로 실행됨과 동시에 또는 그 이후에, 통상의 엔진 작동 동안에 사용되는 밸브 열림 시기 및 밸브 닫힘 시기로 재설정된다.
설명된 실시예에서는 흡입 밸브 구동 장치 (22) 및 배기 밸브 구동 장치 (23) 각각이 캠축 및 전환 기구를 포함하는 장치로 설명되었지만, 흡입 밸브 (17) 및 배기 밸브 (19) 를 구동하기 위한 전자석식 구동 장치가 밸브 구동 장치로서 각각 사용될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 흡입 밸브 (17) 의 밸브 열림 시기를 지각시키는 단계 없이 당해 밸브의 밸브 닫힘 시기만을 지각시킬 수 있으며, 그리고/또는 배기 밸브 (19) 의 밸브 닫힘 시기를 지각시키는 단계 없이 당해 밸브의 밸브 열림 시기를 지각시킬 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 특히, 배기 밸브 (19) 의 밸브 열림 시기가 적어도 팽창 행정 실린더에 대해서 지각될 수 있거나, 흡입 밸브 (17) 의 밸브 닫힘 시기가 적어도 압축 행정 실린더에 대해서 지각될 수 있지만, 밸브 닫힘 시기 및 밸브 열림 시기는 나머지 실린더에 대해서는 지각될 수 없다.
도 6 과 유사한 도 7 은 엔진 정지 조건이 충족되고 연료 분사 및 점화가 정지하는 때부터 엔진이 완전히 정지할 때까지의 엔진의 거동을 도시하는 타임 차트이다. 도 7 로부터 알 수 있는 바와 같이, 엔진 정지 조건이 시각 (0) 에서 충족되면, 연료 분사 및 점화는 모든 실린더에 대해 정지하고, 엔진 속도는 마찰로 인해 점점 감소하는 한편, 단위 시간당 전진하는 크랭크 각의 정도는 점점 감소한다.
엔진 속도가 감소함에 따라, 엔진의 회전으로 인한 관성력이 감소하고, 크랭크축 (25) 은 실린더 중 어떤 하나가 압축 상사점을 넘어갈 만큼 회전할 수 없다. 도 7 에 도시되어 있는 바와 같이, 크랭크축 (25) 은 #3 실린더가 압축 상사점을 넘어갈 만큼 회전할 수 없으며, 엔진의 회전은 크랭크 각이 #3 실린더에 대한 압축 상사점에 도달하기 이전에 시각 (T4) 에서 정지한다.
시각 (T4) 에서, #1 실린더 및 #3 실린더는 각각 팽창 행정 및 압축 행정에 있으며, 흡입 밸브 (17) 및 배기 밸브 (19) 는 기본적으로 두 실린더에서 모두 닫혀있는 한편, #3 실린더의 압력은 엔진의 관성력에 의해 #1 실린더의 압력보다 높다. 이러한 상태에서, #3 실린더의 압력은 #3 실린더가 아래로 눌려지게 하고, 이에 따라 엔진의 회전 방향 (또는 크랭크축 (25) 의 회전 방향) 은 역전된다.
이와 같이 엔진의 회전 방향이 역전되고, #1 실린더의 압력이 #3 실린더의 압력보다 커짐에 따라, 엔진의 회전은 다시 정지되고 (시각 T5), 다시 통상의 방향으로 회전한다. 엔진이 이런 방식으로 반복적으로 작동한 이후에, 엔진의 회전은 시각 (T7) 에서 완전히 정지하며, 엔진은 시각 (T7) 이후에는 완전히 정지한 상태로 유지된다.
엔진이 반대 방향으로 회전하는 동안 엔진 재시동 조건이 충족되고, 팽창 행정 실린더 (즉, 도 7 의 예의 #3 실린더) 에서 공기-연료 혼합기의 연소/폭발이 일어나면, 반대 방향으로 회전하고 있는 엔진은 급격하게 통상의 방향으로 회전하게 되어, 폭발시에 엔진이 받는 충격이 커진다. 엔진이 받는 충격은 피스톤 (14) 또는 다른 부재(들)의 손상 및 엔진으로부터의 이상음과 같은 문제를 일으킬 수 있다.
본 실시예에 있어서, 엔진이 반대 방향으로 회전하는 동안, 즉 도 7 의 시각 (T4) 과 시각 (T5) 사이의 기간 및 시각 (T6) 과 시각 (T7) 사이의 기간에는, 엔진 재시동 조건이 충족되어도, 적어도 스파크플러그 (20) 에 의해 실행되는 점화는 실시되지 않는다. 이러한 구성으로, 엔진의 역회전 동안에는 혼합기의 연소/폭발이 방지된다.
설명된 실시예에서는 스파크플러그 (20) 가 엔진의 역회전 동안 팽창 행정 실린더의 공기-연료 혼합기를 점화시키는 것이 금지되지만, 연료 분사 밸브 (21) 또한 엔진의 역회전 동안 팽창 행정 실린더에 연료를 분사하는 것이 금지될 수 있다.
상기 설명에 있어서, 엔진 정지 조건은 충족되었지만 엔진은 완전히 정지하기 이전에 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우에, 팽창 행정 실린더에서 연료 분사 및 점화가 실행된다. 이러한 경우 이외에, 엔진이 완전히 정지한 이후에도 팽창 행정 실린더에서 연료 분사 및 점화가 실행될 수 있다. 이러한 경우에도 역시, 엔진은 기본적으로 팽창 행정 실린더에서의 연료 분사 및 점화에 의한 구동력만을 이용하여, 즉 전동기 (26) 로부터 가용한 구동력의 이용 없이 재시동될 수 있다. 그러나, 이러한 경우, 엔진의 관성력은 엔진을 재시동시키는데 사용될 수 없고, 그러므로 엔진의 완전 정시시에 검출되는 크랭크 각에 따라, 팽창 행정 실린더에서의 연료 분사 및 점화에 의한 구동력만으로는 엔진이 재시동되지 않을 수 있다. 이러한 경우, 엔진은 팽창 행정 실린더에서의 연료 분사 및 점화뿐만 아니 라 전동기 (26) 의 이용에 의해 재시동된다.
본 실시예에 있어서, 엔진은 도 7 의 시각 (0) 과 시각 (T4) 사이의 기간, 및 시각 (T5) 과 시각 (T6) 사이의 기간, 그리고 시각 (T7) 이후에 팽창 행정 실린더에서의 연료 분사 및 점화를 통해 재시동된다. 엔진 재시동 조건이 충족되었을 때, 엔진이 반대 방향으로 회전하고 있는 경우, 엔진이 통상의 방향으로 회전하거나 엔진이 완전히 정지할 때까지 제어의 개시가 지연된다.
엔진 재시동 조건의 충족시에 팽창 행정 실린더에서 연료 분사 및 점화가 실행되는 경우에, 공기-연료 혼합기의 연소/폭발시에 배기 밸브 (19) 가 열리면, 연소 가스가 배기 포트 (18) 를 통해 연소실 (15) 밖으로 흘러나가고, 그러므로 혼합기의 연소/폭발을 통해 발생하는 에너지가 피스톤 (14) 을 아래로 누르기 위한 힘, 즉 엔진을 구동시키는 구동력으로 효율적으로 변환될 수 없다.
그러므로, 본 실시예에 있어서, 엔진 재시동 조건이 충족될 때, 팽창 행정 실린더의 배기 밸브 (19) 가 열려 있거나, 엔진 재시동 조건의 충족시의 팽창 행정 실린더에서의 연료 분사 및 점화에 후속하여 혼합기의 연소/폭발이 일어날 때 배기 밸브 (19) 가 열릴 것으로 예상되면, 엔진 재시동 조건이 충족되어도, 팽창 행정 실린더에서는 연료 분사 및 점화가 실행되지 않는다. 이러한 구성으로, 혼합기의 연소/폭발을 통해 발생되는 에너지가 엔진을 구동시키기 위한 구동력으로 효율적으로 변환될 수 없는 상태에서는, 팽창 행정 실린더에서의 연료 분사 및 점화가 방지되어, 연비의 저하 및 배기 배출물이 억제된다.
엔지 재시동 조건의 충족시에 팽창 행정 실린더의 배기 밸브 (19) 가 열려 있음으로 해서 팽창 행정 실린더에서 연료 분사 및 점화가 실행되지 않을 때, 엔진 재시동 조건이 충족된 이후에 압축 행정 실린더가 압축 상사점을 넘어갈 수 있는지에 따라 상이한 제어가 실행된다.
엔진 재시동 조건이 충족된 이후에 압축 행정 실린더가 압축 상사점을 넘어갈 수 있으면, 연료는 연료 분사 밸브 (21) 로부터 압축 행정 실린더에 분사되고, 압축 행정 실린더가 압축 상사점에 도달했을 때 또는 그 직후에 스파크플러그 (20) 가 작동하여 압축 행정 실린더의 공기-연료 혼합기를 점화시킨다. 그 결과, 압축 행정 실린더가 압축 상사점을 지나간 이후에 당해 실린더에서 혼합기의 연소/폭발이 일어나므로, 엔진이 재시동될 수 있다.
엔진 재시동 조건이 충족된 이후에 압축 행정 실린더가 압축 상사점을 넘어갈 수 없으면, 배기 밸브 (19) 가 닫히거나 엔진이 완전히 정지할 때까지 제어의 개시가 지연된다. 제어의 개시가 지연된 이후에 배기 밸브 (19) 가 닫히고 엔진이 여전히 구동되고 있으면, 엔진은 상기와 같은 팽창 행정 실린더에서의 연료 분사 및 점화를 통해 재시동된다. 한편, 배기 밸브 (19) 가 열려있는 상태로 엔진이 정지하면, 팽창 행정 실린더에서 연료 분사 및 점화가 실행되어도, 폭발을 통해 발생되는 에너지가 엔진을 구동하기 위한 구동력으로 변환될 수 없기 때문에, 엔진은 전동기 (26) 의 보조로 재시동된다.
엔진 재시동 조건이 충족된 이후에 압축 행정 실린더가 압축 상사점을 넘어갈 수 있는지에 대한 판정은, 엔진 재시동 조건이 충족되었을 때에, 예컨대 도 8 에 도시되어 있는 맵에 기초하여 이루어진다.
도 8 에서, x 축은 엔진 재시동 조건이 충족될 때 감지되는 엔진 속도를 나타내고, y 축은 엔진 재시동 조건이 충족된 이후에 엔진의 크랭크축 (25) 이 회전할 수 있는 크랭크 각을 나타낸다. 도 8 로부터 알 수 있는 바와 같이, 엔진 재시동 조건이 충족되었을 때 엔진 속도가 200 rpm 과 같거나 이보다 더 높으면, 엔진 재시동 조건의 충족 이후에 크랭크축 (25) 은 180°CA 이상 회전할 수 있기 때문에, 엔진 재시동 조건이 충족된 이후에 압축 행정 실린더가 압축 상사점을 넘어갈 수 있는 것으로 판정된다.
도 9 는 상술한 바와 같은 실시예의 시동 시스템에 의해 실행되는 엔진 재시동 제어의 제어 루틴을 도시하는 순서도이다. 최초에, 단계 (S101) 에서는, 예컨대 가속 스트로크 센서 (41) 및 크랭크 각 센서 (28) 의 출력에 기초하여, 엔진 정지 조건이 충족되었는지가 판정된다. 엔진 정지 조건이 충족되지 않는 것으로 판정되면, 제어는 엔진의 통상적인 작동이 실행되는 단계 (S102) 로 진행된다. 단계 (S101) 에서 엔진 정지 조건이 충족된 것으로 판정되면, 제어는 단계 (S103) 로 진행된다.
단계 (S103) 에서는, 엔진이 정지하고, 즉 연료 분사 밸브 (21) 로부터의 연료 분사 및 스파크플러그 (20) 를 이용하는 점화가 정지되거나 금지되고, 흡입 밸브 (17) 및 배기 밸브 (19) 의 위상 각이 상술한 바와 같은 소정의 목표 위상 각으로 지각된다. 다음의 단계 (S104) 에서는, 예컨대 가속 스트로크 센서 (41) 및 차속 센서의 출력에 기초하여, 엔진 재시동 조건이 충족되었는지가 판정된다. 엔진 재시동 조건이 충족되지 않은 것으로 판정되면, 단계 (S104) 가 반복적으로 실행된다. 엔진 재시동 조건이 충족된 것으로 판정되면, 제어는 단계 (S105) 로 진행된다.
단계 (S105) 에서는, 엔진이 반대 방향으로 회전하는지가 판정된다. 엔진이 반대 방향으로 회전하는 것으로 판정되면, 단계 (S105) 가 반복적으로 실행되어, 후속 제어의 실행이 지연된다. 엔진이 반대 방향으로 회전하지 않는 것으로 판정되면, 제어는 팽창 행정 실린더의 배기 밸브 (19) 가 닫혀있는지를 판정하는 단계 (S106) 으로 진행된다. 단계 (S106) 에서, 배기 밸브 (19) 가 닫혀있는 것으로 판정되면, 제어는 팽창 행정 실린더에서 연료 분사 및 점화를 실행하는 단계 (S107) 로 진행된다. 다음 단계 (S108) 에서는, 연료가 압축 행정 실린더에 분사되고, 압축 행정 실린더가 압축 상사점에 도달하는 때에 또는 당해 실린더가 압축 상사점을 지나간 직후에 압축 행정 실린더에서 공기-연료 혼합기가 점화된다.
단계 (S106) 에서 배기 밸브 (19) 가 열려있는 것으로 판정되면, 제어는 엔진의 회전 (또는 크랭크축 (25) 의 회전) 이 정지되었는지를 판정하는 단계 (S109) 로 진행된다. 단계 (S109) 에서 엔진의 회전이 정지된 것으로 판정되면, 제어 는 단계 (S110) 으로 진행된다. 단계 (S110) 에서는, 크랭크축 (25) 이 전동기 (26) 에 의해 구동되는 한편, 연료가 압축 행정 실린더에 분사되고, 압축 행정 실린더가 압축 상사점을 지나갈 때 또는 그 직후에 압축 행정 실린더에서 혼합기가 점화된다.
단계 (S109) 에서 엔진의 회전이 정지된 것으로 판정되면, 제어는 단계 (S111) 으로 진행된다. 단계 (S111) 에서는, 도 8 에 도시되어 있는 바와 같은 맵에 기초하여, 압축 행정 실린더가 압축 상사점을 넘어갈 때까지, 크랭크축 (25) 이 엔진의 관성력하에 회전할 수 있는지가 판정된다. 압축 행정 실린더가 압축 상사점을 넘어갈 수 있는 것으로 판정되면, 제어는 연료가 압축 행정 실린더에 분사되는 단계 (S112) 로 진행되고, 압축 행정 실린더가 압축 상사점을 지나갈 때 또는 그 직후에 압축 행정 실린더에서 혼합기가 점화된다. 단계 (S111) 에서 압축 행정 실린더가 압축 상사점을 넘어갈 수 없는 것으로 판정되면, 제어는 단계 (S105) 로 진행된다.
설명된 실시예에서는 본 발명이 4기통 내연기관에 적용되지만, 본 발명은 반드시 4기통 엔진에 적용될 필요는 없고, 엔진이 네 개 이상의 실린더를 구비한다면, 6기통 엔진 또는 8기통 엔진 등과 같은 어떤 다른 타입의 엔진에도 적용될 수 있다.

Claims (18)

  1. 연료를 실린더에 직접 분사하는 연료 분사 밸브 및 실린더의 공기-연료 혼합기를 점화시키는 스파크플러그를 포함하며, 엔진 정지 조건이 충족될 때, 연료 분사 밸브로부터의 연료의 분사 및 스파크플러그에 의해 실행되는 점화를 정지시키도록 적용되는 내연기관의 시동 시스템으로서,
    엔진 정지 조건이 충족된 이후 엔진이 회전하는 동안에 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우, 엔진 재시동 조건이 충족되는 때에 팽창 행정에 있는 팽창 행정 실린더에 연료 분사 밸브로부터 연료가 분사되고, 팽창 행정 실린더에 형성된 공기-연료 혼합기는 스파크플러그에 의해 점화되는 내연기관의 시동 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 엔진 정지 조건이 충족된 이후 엔진이 회전하는 동안에 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우라도, 엔진 재시동 조건이 충족되는 때에 엔진이 반대 방향으로 회전하고 있으면, 적어도 팽창 행정 실린더의 공기-연료 혼합기의 점화는 실행되지 않는 것을 특징으로 하는 내연기관의 시동 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 엔진 정지 조건이 충족된 이후 엔진이 회전하는 동안에 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우, 팽창 행정 실린더로의 연료의 분사 및 팽창 행정 실린더의 공기-연료 혼합기의 점화 이외에, 엔진 재시동 조건이 충족될 때에 압축 행정에 있는 압축 행정 실린더에 압축 행정 동안 연료가 분사되 는 것을 특징으로 하는 내연기관의 시동 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 압축 행정 동안 압축 행정 실린더에 연료가 분사된 이후에, 압축 행정 실린더에 형성된 공기-연료 혼합기는 압축 행정 실린더가 압축 상사점에 도달한 때에 또는 압축 행정 실린더가 압축 상사점을 지나간 이후에 점화되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 시동 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 엔진 정지 조건이 충족된 이후 엔진이 회전하는 동안에 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우라도, 엔진 재시동 조건이 충족되는 때에 팽창 행정 실린더의 배기 밸브가 열려 있으면, 팽창 행정 실린더에의 연료의 분사 및 팽창 행정 실린더의 공기-연료 혼합기의 점화는 실행되지 않는 것을 특징으로 하는 내연기관의 시동 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 엔진 재시동 조건이 충족되는 때에 흡입 행정에 있는 실린더 및 그 이후에 흡입 행정이 되는 실린더로는 연료가 통상의 시기에 분사되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 시동 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 엔진 재시동 조건이 충족되는 때에 흡입 행정에 있는 실린더 및 그 이후에 흡입 행정이 되는 실린더에서는 공기-연료 혼합기의 점화가 통상의 시기에 실행되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 시동 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 엔진 정지 조건이 충족된 이후 엔진이 회전하는 동안에 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우, 적어도 팽창 행정 실린더의 배기 밸브의 밸브 열림 시기는 지각되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 시동 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 엔진 정지 조건이 충족된 이후 엔진이 회전하는 동안에 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우, 적어도 압축 행정 실린더의 흡입 밸브의 밸브 닫힘 시기는 지각되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 시동 시스템.
  10. 연료를 실린더에 직접 분사하는 연료 분사 밸브 및 실린더의 공기-연료 혼합기를 점화시키는 스파크플러그를 포함하는 내연기관의 시동 방법으로서,
    엔진 정지 조건이 충족되는 경우, 연료 분사 밸브로부터의 연료의 분사 및 스파크플러그에 의해 실행되는 점화가 정지되는 정지 단계, 및
    엔진 재시동 조건이 충족되는 때에 팽창 행정에 있는 팽창 행정 실린더에 연료 분사 밸브로부터 연료를 분사하는 단계, 및 엔진 정지 조건이 충족된 이후 엔진이 회전하는 동안에 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우, 팽창 행정 실린더에 형성된 공기-연료 혼합기를 스파크플러그로 점화시키는 단계를 포함하는 내연기관의 시 동 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 엔진 정지 조건이 충족된 이후 엔진이 회전하는 동안에 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우라도, 엔진 재시동 조건이 충족되는 때에 엔진이 반대 방향으로 회전하면, 적어도 팽창 행정 실린더의 공기-연료 혼합기의 점화는 실행되지 않는 것을 특징으로 하는 내연기관의 시동 방법.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 엔진 정지 조건이 충족된 이후 엔진이 회전하는 동안에 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우, 팽창 행정 실린더로의 연료의 분사 및 팽창 행정 실린더의 공기-연료 혼합기의 점화 이외에, 엔진 재시동 조건이 충족되는 때에 압축 행정에 있는 압축 행정 실린더에 압축 행정 동안 연료를 분사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 시동 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 연료가 압축 행정 동안에 압축 행정 실린더에 분사된 이후, 압축 행정 실린더가 압축 상사점에 도달한 때 또는 압축 행정 실린더가 압축 상사점을 지나간 이후에, 압축 행정 실린더에 형성된 공기-연료 혼합기가 점화되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 시동 방법.
  14. 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 엔진 정지 조건이 충족된 이후 엔진이 회전하는 동안에 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우라도, 엔진 재시동 조건이 충족되는 때에 팽창 행정 실린더의 배기 밸브가 열려있으면, 팽창 행정 실린더로의 연료의 분사 및 팽창 행정 실린더의 공기-연료 혼합기의 점화는 실행되지 않는 것을 특징으로 하는 내연기관의 시동 방법.
  15. 제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 엔진 재시동 조건이 충족되는 때에 흡입 행정에 있는 실린더 및 그 이후에 흡입 행정이 되는 실린더로는 연료를 통상의 시기에 분사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 시동 방법.
  16. 제 10 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 엔진 재시동 조건이 충족되는 때에 흡입 행정에 있는 실린더 및 그 이후에 흡입 행정이 되는 실린더에서는 공기-연료 혼합기를 통상의 시기에 점화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 시동 방법.
  17. 제 10 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 엔진 정지 조건이 충족된 이후 엔진이 회전하는 동안에 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우, 적어도 팽창 행정 실린더의 배기 밸브의 밸브 열림 시기를 지각시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 시동 방법.
  18. 제 10 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 엔진 정지 조건이 충족된 이후 엔진이 회전하는 동안에 엔진 재시동 조건이 충족되는 경우, 적어도 압축 행정 실린더의 흡입 밸브의 밸브 닫힘 시기를 지각시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 시동 방법.
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