KR20140092857A

KR20140092857A - 내연 기관의 제어 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20140092857A
Application number: KR1020147014202A
Authority: KR
Inventors: 구이도 포르텐; 한스-프리드리히 슈바르츠; 페터 셴크
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2011-11-23
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2014-07-24
Also published as: US20150027403A1; CN103946528B; CN103946528A; WO2013075965A1; DE102011086948A1

Abstract

본 발명은 연료/공기 혼합물의 최초 점화 이전에 연료가 다중 분사에 의해 바로 연소실 내부로 분사되는, 내연 기관의 시동 방법에 관한 것이며, 이때 흡입 행정 동안 제1 분사에 의해서 바로 연소실 내부로 분사가 실행되고, 압축 행정 동안 제2 다중 분사에 의해서 바로 연소실 내부로 분사가 실행된다.

Description

내연 기관의 제어 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연 기관의 작동 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 컴퓨터 프로그램, 전기 저장 매체, 및 개회로 및/또는 폐회로 제어 장치를 대상으로 한다.

직분사식 가솔린 엔진은 200바아에 이르는 분사 압력으로 작동한다. 이 경우, 압력은 작동점에 따라 40바아 내지 200바아의 영역에서 조절된다. 고압 생성을 위해, 예를 들어 기계적으로 엔진에 의해 구동되는 피스톤 펌프와, 양 조절 밸브와, 고압 센서를 구비한 시스템이 사용될 수 있다. 이 경우, 펌프의 토출량은 양 조절 밸브의 제어를 통해 변화될 수 있다. 측정된 고압 신호와 함께, 개회로 및/또는 폐회로 제어 장치는 압력을 원하는 수준으로 조절한다.

분사 밸브의 제어는 측정된 고압 신호를 기초로 실행된다. 직분사식 엔진의 냉간 시동은 저압 시동으로서 또는 고압 시동으로서 실행된다. 고압 시동의 장점들은 필요 분사 연료량이 더 적고, 오일 딜루션이 더 적고, 분사 밸브의 구성에 대한 요건이 덜 까다롭다는 것이다[정적 관류량(Q_STAT)의 감소와 이로 인해 적은 양에서의 더 높은 정확도에 기인함].

내연 기관의 시동은 여러 가지 컨셉으로 실행될 수 있다.

예를 들어, 1중 분사, 2중 분사, 또는 3중 분사를 흡입 구간에서(ZOT 이전의 360° 내지 180°의 크랭크축 각도) 또는 압축 행정에서(ZOT 이전의 180° 내지 0°의 크랭크축 각도) 세팅하는 것이 가능하다.

또한, 2중 분사 또는 3중 분사를 분배하여 흡입 행정 및 압축 행정에서 실행하거나, 3중 분사에서는 2회의 분사로 압축 행정에서 실행하는 것도 가능하다.

또한, 분사 밸브가 중심 장착 위치를 갖도록 내연 기관이 구성되는 경우, 점화 시점에 임박하여 짧은 분사를 추가적으로 세팅하는 것이 가능하다.

또한, 추가적으로 1회 또는 2회의 사전 분사를 각각 관련 주기에서 점화없이 부분적으로 저압 또는 고압으로 흡입 행정으로 세팅하는 것이 가능하다.

직분사식 시스템에서 냉간 시동은 시스템에 대한 까다로운 요건을 요한다. 가솔린에서 저온일 때 이러한 경우에는, 에탄올이 연료로서 첨가되고, 이미 10℃ 내지 20℃를 초과할 때 에탄올 함량에 따라 까다로운 요건이 주어진다. 이의 배경은 불량한 혼합물 처리 때문에 저온에서는 고온의 엔진과 비교하여 훨씬 많은 양의 연료의 분사가 필요하기 때문이다. 이와 같이 더 많은 양은 예를 들어 고압 펌프의 오버사이징을 통해 그리고/또는 연료 레일의 오버사이징을 통해 구현될 수 있다. 또한, 혼합물 처리의 개선 및/또는 필요한 연료량의 연료 레일 내 저장을 위해 우선 초과 상승된 시스템 압력을 형성하는 것이 가능하며, 이러한 시스템 압력은 이후, 고압 펌프가 엔진의 요구량을 재차 충족시킬 때까지 분사의 시작과 함께 강하된다. 그러나, 이러한 압력 형성은 시동 시간의 연장을 야기하는데, 이는 최악의 경우, 운전자가 내연 기관의 시동을 불쾌하게 느끼도록 할 수 있다.

DE 10 2004 046 628 A1호에는 저압에서 내연 기관을 시동하기 위한 방법이 공지되어 있으며, 이러한 방법에서는 연료 압력이 측정되어 임계값과 비교된다. 연료 압력이 이러한 임계값 미만에 있을 때는, 연료 분사가 복수의 분사 펄스로 분배된다.

높은 에탄올 함량을 갖는 연료가 사용되는 적용예를 위해, 상기 유형의 방법은 충분하지 않다. 예를 들어 E85와 같은 이러한 특수 연료에서는, 예를 들어 추가의 냉간 시동 밸브가 사용될 수 있는데, 이는 복잡하고 비싸다. E100이 연료로서 사용되는 경우, 5℃를 초과하는 온도에서의 시동을 위해서는 아직 기술적 해결책이 없다.

이에 반해, 독립 청구항의 특징들을 갖는 본 발명은 저온에서 에탄올 함량이 높은 연료를 사용할 때에도 내연 기관의 시동 능력이 확실히 발휘 가능하다는 장점이 있다. 이로 인해, 예를 들어 사용되는 고압 펌프를 더 낮은 최대 토출량을 갖도록 구성하는 것이 가능하다.

본 발명에 따라, 시동 시, 특히 고압 시동 시에는 분사될 연료량이 2개 단계로, 즉 흡입 행정 및 압축 행정으로 분배되어 분사될 때 특히 바람직하다는 것이 공지된다. 또한 본 발명에 따라, 이러한 분사들 중 1회 또는 2회가 바람직하게 다중 분사로 실행되는 것이 확인된다. 다중 분사는 복수의 작은 부분 분사들로 이루어지며, 부분 분사의 횟수는 3회 내지 20회로 선택될 수 있다.

즉, 연료/공기 혼합물의 최초 점화 이전에 연료가 흡입 행정 동안 제1 분사에 의해서 바로 연소실 내부로 분사되고, 압축 행정 동안 제2 다중 분사에 의해서 바로 연소실 내부로 분사된다. 이 경우, 제1 분사가 제1 다중 분사로 실행된다면 혼합물 처리를 위해 특히 바람직하다. 이 경우, 바람직하게 제1 다중 분사, 제2 다중 분사, 및 특히 최초 점화는 하나의 주기 내에 위치하며, 즉 상술한 압축 행정은 상술한 흡입 행정을 바로 뒤따르고, 점화는 상술한 압축 행정에 이어지는 ZOT의 영역에서 실행된다. 즉, "하나의 주기 내"의 의미는, 한쪽 측면에서는 제2 다중 분사 및 다른 측면에서는 점화와, 제1 분사 사이에 배기 행정이 위치하지 않는다는 것이다.

또한, 제2 다중 분사가 완전히 압축 행정 내에 위치하는 것이 필수적으로 요구되지는 않는다. 제2 다중 분사가 압축 행정에서 시작되는 것만이 요구된다. 이때 제2 다중 분사가 ZOT를 거치고, 우선 압축 행정에 뒤따르는 동력 행정에서 유지되는 것도 물론 가능하다.

또한, 제2 다중 분사의 마지막 부분 분사가 특히 최초 점화의 시점에 가깝게, 즉 단지 대략 수°(예를 들어 10° 미만)의 크랭크축 각도로 분리되어 위치하는 경우가 특히 바람직한데, 이는 한편으로는 압축에 의해 상승하는 연소실 내 온도를 통해 혼합물 처리가 개선되고, 또한 점화 시점에 점화 플러그 부근에 농후한 층상급기가 형성되기 때문이다. 이로 인해, 내연 기관의 시동 능력이 개선된다.

마찬가지로, 다중 분사의 지속 시간이 점화 시점과 시간적으로 교차하고, 즉 점화 과정 동안 분사가 이루어지는 것도 가능한데, 이는 마찬가지로 내연 기관의 시동 능력에 긍정적으로 작용한다.

연료/공기 혼합물의 점화시에 요구되는 연료량이 복수의 주기들에 거쳐 분사되고, 특히 제1 다중 분사 바로 앞에 오는 주기에서 연료가 제1 사전 분사에 의해, 특히 흡입 행정 동안 분사되는 경우에 추가의 장점들이 얻어진다. 이러한 제1 사전 분사는 예를 들어 고압 분사일 수 있으며, 이러한 고압 분사에서는 예를 들어 기계적으로 엔진에 의해 구동되는 고압 펌프의 경우 모터의 크랭킹에 의해, 우선 고압이 형성된다.

이러한 사전 분사를 통해, 특히 연료량이 복수의 주기, 즉 작동 행정들 동안 제공됨으로써, 토출량 및 레일 체적과 관련한 연료 시스템의 구성이 간단해진다는 장점이 얻어진다.

본 발명에 따라, 이러한 사전 분사는, 다중 분사에 의해 분사될 수 있고 이에 따라, 연료/공기 혼합물이 이후 배기 행정에서 연소되지 않은 채로 연소실로부터 배출될지라도 내연 기관을 확실히 시동하는 연료의 량을 감소시킨다. 사전 분사에 의해 분사되는 연료는 피스톤과 실린더 벽부의 습윤을 위해 제공된다. 또한 연소실의 기하 구조에 따라, 불연소된 연료/공기 혼합물은 완전히 배출되지 않으며, 이후의 흡입 행정에서 흡입 구간 또는 배기 구간으로부터 불연소된 연료/공기 혼합물 일부의 재흡입을 야기할 수 있다.

포화된 벽막이 실린더 내에 형성되도록 사전 분사에 의해 분사된 연료량이 선택되는 경우, 다중 분사에 의해 분사될 연료량은 이러한 벽막 형성을 위해 필요한 분량만큼 감소될 수 있다.

이 경우, 제1 사전 분사에 의한 연료의 분사를 통해 형성되는 연료/공기 혼합물은 점화되지 않고, 추가의 연료가 제1 또는 제2 다중 분사에 의해 분사된 이후에야 비로소 점화된다.

또한, 제1 다중 분사 바로 앞에 오는 주기에서 연료가 제2 사전 분사에 의해 분사되고, 이러한 주기에서 연료/공기 혼합물이 점화되지 않음으로써, 연료량을 마찬가지로 제3 주기를 통해 분배되도록 분사하는 것도 가능하다. 즉 연료/공기 혼합물은 우선 하나 건너 다음 주기에서, 즉 제2 다중 분사에 이어지는 점화에 의해 점화된다. 이러한 제2 사전 분사는 예를 들어 흡입 행정 동안 실행될 수 있다.

예시적인 실시예들은 하기 도면들에 도시되어 있다. 세부적으로는 하기와 같이 도시된다.
도 1에는 고압 분사 시스템의 구조가 개략적으로 도시되어 있다.
도 2에는 분사 시점 또는 점화 시점이 개략적으로 도시되어 있다.

도 1에는 분사 시스템이 도시되어 있다. 연료는 전자식 연료 펌프(10)에 의해 연료 탱크(20)로부터 연료 필터(30), 저압 감쇠기(40), 양 조절 밸브(50)를 거쳐 고압 펌프로 토출된다. 전자식 연료 펌프(10), 필터(30), 저압 감쇠기(40), 및 양 조절 밸브(50)는 분사 시스템의 저압측을 형성한다. 전자식 연료 펌프는 수 바아의 압력을 형성하고, 저압 감쇠기(40)는 연료가 내부 이송되는 연료 라인 내의 압력 맥동을 감쇠하고, 양 조절 밸브(50)는 원하는 또는 필요한 연료량을 계량 공급하도록 개회로 제어 및/또는 폐회로 제어 장치(70)에 의해 제어된다. 고압 펌프(60)는 연료를 체크 밸브(80)를 통해 연료 레일(90)로 이송시킨다. 이 경우, 고압 펌프(60)는 수백 바아까지 이르는 압력을 생성한다. 고압 레일(90) 내 압력은 레일 압력 센서(100)에 의해 측정되고, 다시 개회로 제어 및/또는 폐회로 제어 장치(70)로 송신된다. 개회로 제어 및/또는 폐회로 제어 장치는 이러한 검출된 압력에 따라 양 조절 밸브(50)를 상응하게 제어함으로써, 이와 같이 원하는 압력을 설정할 수 있다. 안전상의 이유로, 고압 레일 내의 압력을 제한하기 위하여 압력 제어 밸브(110)가 제공된다.

고압 레일(90)로부터의 연료는, 마찬가지로 개회로 제어 및/또는 폐회로 제어 장치(70)에 의해 제어되는 고압 분사 밸브(120a, 120b, 120c, 및 120d)를 거쳐, 도 1에 도시되지 않은 연소실 내로 분사된다. 1회의 주기/작동 행정에서 이러한 실린더들 각각은 공지된 방식으로 4개의 행정, 즉 흡입 행정, 압축 행정 또는 컴프레션 행정, 동력 행정, 배기 행정을 거친다. 발생한 기계적 동력은 고압 펌프(60)를 구동시킬 수 있는 캠축 및 크랭크축으로 전달된다. 그러나, 고압 펌프(60)를 전기 기기를 통해 견인하는 것도 고려 가능하다.

도 2에는 도 1에 따른 분사 시스템을 구비한 내연 기관의 시동을 위한 본 발명에 따른 방법의 분사 시점 및 점화 시점이 도시되어 있다. 배기 행정으로부터 흡입 행정으로의 전환은 통상의 경우와 같이 LWOT(부하 변동-상사점)으로, 압축 행정으로부터 동력 행정으로의 전환은 ZOT(점화-하사점)으로 불린다. 도 2에서 흡입 행정은 문자 "N"으로, 압축 행정은 문자 "K"로, 동력 행정은 문자 "A"로, 배기 행정은 문자 "U"로 표시된다.

도 2a에는 사전 분사가 실행되지 않는 본 발명에 따른 방법의 제1 실시예에서의 분사 시점들이 도시되어 있다. LWOT에 이어지는 흡입 행정에서, 연료는 제1 다중 분사에 의해 분사된다. 분사의 시작의 각위치가 통상의 경우와 같이 ZOT 이전의 직립 크랭크축 각도로 주어지는 경우, ZOT에 선행하는 LWOT는 360°의 각위치를 갖고, 이에 상응하게 ZOT는 0°의 각위치를 갖는다. 본 발명에 따른 일 실시예에서 제1 다중 분사(M1)의 분사 시작은 흡입 행정에, 바람직하게는 ZOT 이전의 320° 내지 200°의 영역에, 이상적으로는 ZOT 이전의 240°에 위치한다. 제1 다중 분사(M1)의 부분 분사 횟수는 3 내지 20회 영역에, 이상적으로는 6회에 위치한다. 제1 다중 분사의 개별 부분 분사들 사이에는 1밀리초 내지 50밀리초, 이상적으로는 2밀리초의 각각의 중지 시간이 위치한다. 부분 분사 당 분사 연료의 양은 1밀리그램 내지 50밀리그램의 영역에, 이상적으로는 10밀리그램에 위치한다. 그러나, 제1 다중 분사 대신에 도면부호 "M1"이 간단한 제1 분사 또는 마찬가지로 이중 분사를 나타낼 수도 있다.

이러한 값들은 -30℃에서 순수 가솔린이 연료로 쓰일 때 시동을 위한 1.4리터의 피스톤 배기량을 갖는 직분사식 내연 기관의 예시값이다. 다른 내연 기관에서는 다른 바람직한 매개 변수들이 주어질 수 있다.

또한, 도 2a의 실시예에서 압축 행정에서는 제2 다중 분사(M2)가 세팅된다. 제2 다중 분사(M2)의 매개 변수는 제1 다중 분사(M1)의 값들과 유사하게 선택될 수 있으며, 당연히 분사 시작의 다른 각위치가 선택되어야 한다. 바람직하게 이는 ZOT 이전의 90°에 위치한다. ZOT 직전에 압축 행정에서 연료/공기 혼합물의 점화(Z)에 의해 점화가 이루어진다. 상술한 바와 같이, ZOT에 이르기까지, 즉 압축 행정에 뒤따른 동력 행정에 분사 종료가 위치하도록 제2 다중 분사가 위치하는 것도 가능하다. 특히, 점화(Z)의 각위치가 제2 다중 분사(M2)의 분사 시작과 분사 종료의 각위치들 사이에 위치하는 것도 가능하다.

내연 기관이 이러한 제1 점화(Z)에 이르기까지 전동기에 의해 견인되고, 이러한 제1 점화(Z)에 의해 성공적으로 시동되는 것도 가능하며, 추가 시동 과정은 종래의 방식대로 실행될 수 있다. 그러나, 설명된 방법을 직접 시동 방법으로서, 즉 전동기를 통한 견인 없이 실행하는 것도 가능하다. 이러한 다중 분사가 다기통 내연 기관의 단 하나의 실린더 내에서만 사용되고, 다른 모든 실린더 내에는 종래의 방식대로 연료가 분사되는 것이 가능하지만, 상술한 전략이 다중 분사(M1 및 M2)에 의해 단 하나의 실린더 또는 모든 실린더들에서 사용되는 것도 가능하다. 다중 분사 및 내연 기관의 추가 시동이 실행되는 단계는 도 2에 "사전 분사 및 다중 분사"로 표시되어 있다.

도 2b에는 본 발명의 제2 실시예가 도시되어 있다. 이 경우, 연료는 제1 사전 분사(V1)에 의해, 바람직하게는 고압 사전 분사에 의해 흡입 행정(N)에 분사된다. 바람직하게 이러한 제1 사전 분사(V1)는 흡입 행정(N)의 제1 절반에 위치한다. 이제 실린더는 제1 사전 분사(V1)의 주기의 추가 진행에서, 압축 행정(K), 동력 행정(A), 및 배기 행정(U)을 거치며, 이러한 주기에서는 점화되지 않는다. LWOT의 초과 이후에 실린더는 바로 다음 주기로 진입하고, 이러한 바로 다음 주기에서는 도 2a에 도시된 실시예와 유사하게 흡입 행정(N)에서 제1 다중 분사(M1)가, 압축 행정(K)에서 제2 다중 분사(M2)가 실행되고, 압축 행정(K)에서 점화가 실행된다.

제1 사전 분사(V1)가 고압 분사로서 실행되는 경우, 도 2에 제1 사전 분사(V1) 이전의 "압력 형성"으로 표시된 단계에서는 연료 레일(90) 내에 고압 펌프(60)에 의해 고압이 형성된다.

도 2에서와 같이, 내연 기관이 이러한 제1 점화(Z)에 이르기까지 전동기에 의해 견인되고, 이러한 제1 점화(Z)에 의해 성공적으로 시동되는 것이 가능하며, 추가 시동 과정은 종래의 방식대로 실행될 수 있다. 그러나, 설명된 방법을 직접 시동 방법으로서, 즉 전동기를 통한 견인 없이 실행하는 것도 가능하다. 이러한 경우, 연료 레일(90) 내 고압 형성을 위해서는 고압 펌프(60)가 전동기에 의해 구동되는 것이 필요하다.

이러한 다중 분사가 다기통 내연 기관의 단 하나의 실린더 내에서만 사용되고, 다른 모든 실린더 내에는 종래의 방식대로 연료가 분사되는 것이 가능하지만, 상술한 전략이 사전 분사(V1) 및 다중 분사(M1 및 M2)에 의해 단 하나의 실린더 또는 모든 실린더들에서 사용되는 것도 가능하다.

도 2c에는 바람직하게는 고압 사전 분사로서 실행되는 2회의 사전 분사에 의한 본 발명의 제3 실시예가 도시되어 있다. 흡입 행정(N)에서는 우선 제2 사전 분사(V2)가 도 2b의 실시예에서의 제1 사전 분사(V1)와 유사하게 세팅된다. 이제 내연 기관은 도 2b의 실시예와 유사하게 압축 행정(K), 동력 행정(A), 및 배기 행정(U)을 거치며, 이로써 이후 후속 LWOT에 의해 후속 주기의 흡입 행정(N)으로 진입하게 된다. 이러한 흡입 행정에서는 도 2b와 유사하게 제1 사전 분사(V1)가 세팅된다. 또한 이러한 주기에서는 점화가 실행되지 않고, 이에 후속하는 주기에서야 비로소 점화가 실행된다. 이러한 후속하는 주기에서는 도 2a 및 도 2b에 도시된 실시예에서와 마찬가지로, 점화(Z)에 의해 점화가 실행되기 이전에 흡입 행정(N)에서는 제1 다중 분사(M1)가, 압축 행정(K)에서는 제2 다중 분사(M2)가 세팅된다.

제1 사전 분사(V1)가 고압 분사로서 실행되는 경우, 도 2에 제2 사전 분사(V2) 이전의 "압력 형성"으로 표시된 단계에서는 연료 레일(90) 내에 고압 펌프(60)에 의해 고압이 형성된다.

이러한 다중 분사가 다기통 내연 기관의 단 하나의 실린더 내에서만 사용되고, 다른 모든 실린더 내에는 종래의 방식대로 연료가 분사되는 것이 가능하지만, 상술한 전략이 사전 분사들(V2 및 V1) 및 다중 분사들(M1 및 M2)에 의해 단 하나의 실린더 또는 모든 실린더들에서 사용되는 것도 가능하다.

Claims

연료/공기 혼합물의 최초 점화 이전에 연료가 다중 분사에 의해 바로 연소실 내부로 분사되는, 내연 기관의 시동 방법에 있어서,
흡입 행정 동안 제1 분사에 의해서 바로 연소실 내부로 분사가 실행되고, 압축 행정 동안 제2 다중 분사에 의해서 바로 연소실 내부로 분사가 실행되는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 시동 방법.
제1항에 있어서, 제1 분사는 제1 다중 분사로 실행되는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 시동 방법.
제2항에 있어서, 제1 다중 분사, 제2 다중 분사, 및 점화는 하나의 주기 내에 위치하는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 시동 방법.
제3항에 있어서, 제2 다중 분사의 마지막 부분 분사는 점화의 시점에 가까이 위치하는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 시동 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 다중 분사 바로 앞에 오는 주기에서 연료가 제1 사전 분사에 의해 분사되고, 상기 주기에서는 연료/공기 혼합물이 점화되지 않는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 시동 방법.
제5항에 있어서, 제1 사전 분사는 흡입 행정 동안 실행되는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 시동 방법.
제6항 또는 제6항에 있어서, 제1 사전 분사 바로 앞에 오는 주기에서 연료가 제2 사전 분사에 의해 분사되고, 상기 주기에서는 연료/공기 혼합물이 점화되지 않는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 시동 방법.
제7항에 있어서, 제2 사전 분사는 흡입 행정 동안 실행되는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 시동 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 다중 분사 및/또는 제2 다중 분사는 3회 내지 20회의 부분 분사로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 시동 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법에 따른 모든 단계들을 실행하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 컴퓨터 프로그램.
내연 기관의 개회로 및/또는 폐회로 제어 장치를 위한 전기 저장 매체에 있어서,
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법에 적용하기 위한 컴퓨터 프로그램이 저장된 것을 특징으로 하는, 전기 저장 매체.
내연 기관의 개회로 및/또는 폐회로 제어 장치에 있어서,
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법에 따른 모든 단계들을 실행할 수 있도록 프로그래밍된 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 개회로 및/또는 폐회로 제어 장치.