KR100569400B1 - 엘피아이 엔진의 연료분사 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엘피아이 엔진(liquefied petroleum gas injection engine)의 연료분사 제어방법 및 그 장치에 관한 것으로, 엔진 시동시 엔진회전수 증가량과 연료 온도를 산출하고, 이 두 값에 의해 연료압력을 산출하며, 연료압력과 연료온도로 엘피지 P-T선도에서 공급연료의 프로판 함량을 알아내어, 각 프로판 함량 별로 마련된 맵(map)에 의하여 연료분사시기와 분사시간 제어를 실시하도록 된 것이다.

따라서, 공급되는 엘피지의 프로판 함량에 따른 연료분사 제어를 실시함으로써 연소성능 향상으로 인한 시동성 향상, 출력 향상, 연비 증가, 유해 배기가스 감소 등의 효과가 있으며, 또한 이와 같은 연료분사 제어를 실행하는 장치에 있어, 엔진제어유니트에 분사제어 조건을 제공하는 연료압력센서와 연료온도센서가 필요 없게 됨으로써 구성이 단순해지고, 비용이 절감되는 효과가 있다.

Description

엘피아이 엔진의 연료분사 제어방법{fuel injection control method for liquefied petroleum gas injection engine}

도 1은 엔진 시동시 엔진회전수 거동을 나타내는 엔진회전수-시간 그래프,

도 2는 엘피지 연료의 압력(P)-온도(T) 선도,

도 3은 본 발명에 따른 엘피아이 엔진의 연료분사 제어방법의 제어흐름도,

도 4는 고장코드 저장 및 경고등 점등 단계가 추가된 연료분사 제어방법의 제어흐름도,

도 5는 본 발명에 따른 엘피아이 엔진의 연료분사 제어장치의 개략 구성도이다.

본 발명은 엘피아이 엔진의 연료분사 제어방법에 관한 것으로, 특히 시동시 엘피지의 프로판 함량비를 산출하고 이에 따른 연료분사 제어를 실시하는 엘피아이 엔진의 연료분사 제어방법에 관한 것이다.

엘피아이(LPI ; Liquefied Petroleum gas Injection) 엔진은 엘피지(LPG ; Liquefied Petroleum Gas)를 연료로 사용하는 엔진으로서, 봄베라고 불리우는 엘피지탱크 내에 저장된 엘피지 연료를 종래와 같이, 베이퍼라이저에서 기화시킨뒤 믹서에서 외기와 혼합하여 실린더로 공급하는 것이 아니라 인젝터를 통해 직접 실린더로 분사하여 연소시키도록 된 엔진이며, 보다 정밀한 연료분사 제어가 가능하므로 점차 그 사용이 증가하고 있다.

한편, 엘피지는 프로판(propane)과 부탄(butane)을 그 주 성분으로 하고 있는데, 계절에 따른 시동성의 문제 때문에 주로 프로판이 10~30% 함유되어 있는 정도의 연료를 사용하게 되며, 이를 기준으로 연료분사 제어 맵(map)을 만들어 분사 제어를 실시하고 있다.

또한, 상기 맵이 저장되어 있는 엔진제어유니트는 연료분사 제어조건인 연료압력과 연료온도를 별도로 설치된 연료압력센서와 연료온도센서를 통하여 제공받고 있었다.

따라서, 종래에는 프로판의 함량이 다른 엘피지가 공급되었을 경우, 공급되는 엘피지에 적절한 연료분사 제어를 실시하지 못하였으므로 시동성 저하, 연비 감소, 출력 감소, 배기가스내 유해성분 증가 등 여러 가지 문제가 발생하였으며, 엔진제어유니트를 통한 연료 분사제어에 반드시 연료압력과 연료온도를 측정하는 센서가 필요하다는 단점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 엔진 시동시 엘피지의 프로판 함량을 산출하여, 공급되고 있는 엘피지의 특성(프로판 함 량)에 따른 연료분사 제어를 실시함으로써 최적 연료분사 제어를 통해 얻을 수 있는 여러 가지 성능-연소성능 향상으로 인한 시동성 향상, 출력 향상, 연비 증가, 유해 배기가스 감소 등-의 향상을 도모할 수 있도록 된 엘피아이 엔진의 연료분사 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 상기와 같은 연료분사 제어를 수행하는 장치에 있어, 엔진제어유니트에 분사제어 조건을 제공하는 연료압력센서와 연료온도센서가 필요 없도록 된 엘피아이 엔진의 연료분사 제어장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 엔진이 시동되는지를 확인하는 엔진시동 확인단계, 엔진이 시동될 경우 엔진회전수의 증가량과 연료온도를 산출하는 단계, 산출된 엔진회전수 증가량과 연료온도로 연료압력을 산출하는 단계, 산출된 연료온도와 연료압력으로 공급되는 엘피지 연료의 프로판 함량을 산출하는 단계, 프로판 함량 별로 마련된 맵에 의해 연료 분사시기와 분사시간을 제어하는 단계를 포함하여 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 장치는 크랭크회전수 센서 또는 캠회전수 센서, 그리고 냉각수온 센서, 공기온 센서, 공기량 센서와, 이들 센서들로부터의 측정값과 미리 입력되어 있는 각종 데이터들에 의해 엔진회전수 증가량, 공급되는 연료의 온도 및 압력을 산출하여 최종적으로 연료내 프로판 함량을 산출하고 각 프로판 함량 별로 마련된 맵에 의해 인젝터 구동회로를 제어하는 엔진제어유니트, 상기 인젝터 구동회로의 작동에 따라 노즐 개폐시기와 시간이 조절되어 연료를 분사하는 인젝터로 구성된다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 엔진 시동시 엔진회전수 거동을 나타내는 엔진회전수-시간 그래프이다.

도시된 바와 같이, 정지되어 있던 엔진이 시동되면 급격하게 회전수가 상승되다가 다소 낮은 정도로 상승이 이어지며, 그 뒤 서서히 떨어져 안정된 아이들 상태를 유지하게 된다.

이러한 엔진 시동시의 엔진회전수 거동은 어느 경우에나 동일한 패턴을 가지며, 특히 시동 초기의 회전수 상승 정도는 연료의 특성에 관련되어 있다.

즉, 시동 초기 엔진회전수 증가량은 도면에서 그래프의 상승 정도 즉, 기울기(엔진회전수 증가량(b)/단위시간(a))로서 나타나게 되는데, 예를 들어 점선으로 도시된 경우는 부탄 100%(프로판 0%)인 연료일 경우의 기울기이고, 일점쇄선으로 도시된 경우는 부탄 70%, 프로판 30%인 연료일 경우 나타나는 기울기로서, 이와 같이 시동 초기의 엔진회전수의 증가량은 엘피지 연료내의 프로판 함량에 비례하게 된다.

즉, 엔진회전수의 증가량은 공급되고 있는 엘피지 연료의 프로판 함량을 알기 위한 한 요소가 된다.

한편, 엘피지 연료의 프로판 함량을 알아내기 위해서는 공급되고 있는 엘피지 연료의 온도와 압력을 아는 것이 필요하다.

공급되는 엘피지 연료의 온도와 압력을 알게 되면, 도 2에 도시되어 있는 엘 피지의 압력(P)-온도(T) 선도로부터 공급되는 엘피지 연료의 부탄과 프로판의 조성비를 알 수 있게 되므로 연료내의 프로판 함량을 알 수 있기 때문이다.

따라서, 상기 엘피지 연료의 P-T선도는 엔진제어유니트에 데이터화되어 저장되어 있게 된다.

상기 엘피지 연료의 P-T선도 데이터에 의해 공급연료 내의 프로판 함량을 알 아낸 뒤에는 각 프로판 함량별로 마련된 맵에 의해 연료의 분사제어를 실시하게 된다.

이를 위하여, 엔진제어유니트에는 미리 각 프로판 함량별로 마련된 맵(기본 분사시간에 프로판 함량마다 적절한 보상량(보상팩터)이 정해져 있는 맵, 이 보상량은 각 프로판 함량별로 반복시험을 통하여 얻어진다.)이 저장되어 있게 된다. 즉, 종래에는 프로판 함량이 10~30%인 엘피지 연료에 대한 분사제어 맵만이 엔진 제어유니트에 입력되어 있었으나, 본 발명에서는 0~100% 전영역의 맵을 구비하고 있게 된다.)

도 3을 참조하여 본 발명의 각 단계를 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 엔진의 시동과 동시에 작용하기 시작하는 것이므로 먼저 엔진의 시동여부를 판단한다. 이그니션 스위치로부터의 신호 등에 의하여 엔진이 시동되는지를 판단하고, 엔진이 시동될 경우에는 시동 초기의 엔진회전수 증가량과 공급되고 있는 연료의 온도를 산출하게 된다.

시동 초기의 엔진회전수 증가량은 엔진제어유니트가 자체 내장된 시계에 의하여 단위시간(예를 들어, 1초) 별로 크랭크회전수 센서로부터 엔진회전수 값을 인 가받아 산출해낸다.

여기서, 상기 크랭크회전수 센서 대신에 크랭크샤프트와 항상 일정한 비율로 회전되는 캠샤프트의 회전을 감지하는 캠회전수 센서를 이용하여도 무방하다.

연료온도 역시 엔진제어유니트가 산출해내는 값으로, 엔진제어유니트는 냉각수온 센서와, 공기온 센서 및 공기량 센서 등으로부터 연료온도와 관련이 있는 주변 조건에 관한 값들을 인가받아, 이들의 값에 따라 연료온도를 산출해내게 된다.

즉, 엔진제어유니트에는 상기 냉각수온, 공기온, 공기량 등의 각 경우에 따라 해당되는 연료온도값에 관한 데이터가 미리 반복 시험을 통해 얻어진후 데이터화 되어 입력되어 있는 것이다.

따라서, 본 발명에서는 연료온도 측정을 위해 별도로 연료온도 센서를 설치할 필요가 없다.

상기와 같이 시동 초기의 엔진회전수 증가량과 연료온도가 산출된 후에는 연료압력을 산출하게 된다. 공급되는 연료의 압력은 상기 엔진회전수 증가량과 연료온도의 함수로서 각 엔진회전수 증가량과 연료온도의 변화에 따른 연료압력값이 데이터화 되어 엔진제어유니트에 입력되어 있게 된다.

따라서, 본 발명에서는 연료온도 센서의 경우와 마찬가지로 연료압력 측정을 위해 별도로 연료압력 센서를 설치할 필요가 없다.

상기와 같이 연료압력을 산출해 낸 뒤에는, 공급되는 연료 내의 프로판 함량을 산출해내게 되는데, 전술한 바와 같이, 연료온도와 연료압력이 결정되면 데이터화되어 있는 엘피지 연료의 P-T선도로부터 프로판과 부탄의 조성비를 알 수 있게 되므로 연료내 프로판의 함량을 알 수 있게 된다.

이와 같이 프로판의 함량이 산출되면, 각 프로판 함량별로 마련된 맵에 의해 연료분사제어를 실시하게 되는데, 연료분사제어의 요소는 분사시기와 분사시간으로서, 프로판 함량별로 마련된 각 맵에는 해당 프로판 함량일 때 최대의 출력이 발생하고, 연비가 향상되며, 배기가스내 유해성분이 감소될 수 있도록 고려된 최적의 분사시기와 분사시간이 데이터화 되어 입력되어 있게 된다.(보다 정확히는 전술한 바와 같이, 기본 분사시간에 곱해지는 상수화된 보상팩터가 정해져 있게 된다.)

상기 해당 맵에 따라 분사시기와 분사시간이 결정되면 엔진제어유니트는 인젝터 구동회로를 제어하여 인젝터의 노즐 개폐시기와 시간을 조절하면서 최적 분사제어를 실시하게 된다.

따라서, 전술한 바와 같이 프로판 함량에 따른 최적의 연소가 이루어짐으로써 출력이 향상되고, 연비가 좋아지며, 배기가스내 유해성분이 감소하게 된다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 연료 압력 산출단계 이후에 이전에서 산출된 연료의 온도 및 압력이 적정 범위내의 값이 아닐 경우에는 엔진제어유니트에 관련 고장고드를 저장하고, 실내에 설치된 경고등을 점등하여 운전자에게 차량에 이상이 있음을 알려 주고, 정비시 참고할 수 있도록 되어 있다.

적정 범위의 판단은 연료의 온도 및 압력의 최저값과 최고값을 미리 적정 수준에서 설정해 놓고, 상기 단계들에서 산출된 연료의 온도 및 압력값을 이와 비교하여 판단하게 되며, 역시 엔진제어유니트에서 수행한다.

그리고, 산출된 연료의 온도 및 압력이 적정 범위내에 있을 경우에는 이전 시동때 저장되어 있을 수도 있는 관련 고장 코드를 삭제하고 경고등은 오프 상태를 유지하게 된다.

한편, 본 발명에 따른 장치의 구성은 도 5에 도시된 바와 같다.

즉, 엔진회전수를 측정하기 위해 사용되는 크랭크회전수 센서 또는 캠회전수 센서와, 냉각수온과 공기온과 공기량을 측정하는 냉각수온 센서, 공기온 센서, 공기량 센서와, 상기 크랭크회전수센서 또는 캠회전수센서로부터 얻어진 엔진회전수값과 내장된 시계에 의해서 시동초기의 단위시간당 엔진회전수 증가량을 산출하고, 상기 냉각수온 센서, 공기온 센서, 공기량 센서로부터 인가된 냉각수온, 공기온, 공기량값으로부터 공급되고 있는 엘피지 연료의 온도를 산출하기 위해 냉각수온, 공기온, 공기량 등의 각 경우에 따라 해당되는 연료온도값에 관한 데이터가 미리 반복 시험을 통해 얻어진후 데이터화 되어 입력되어 있으며, 산출된 상기 엔진회전수 증가량과 연료온도로부터 공급되고 있는 엘피지 연료의 연료압력을 산출하기 위해 엔진회전수 증가량과 연료온도의 변화에 따른 연료압력값이 데이터화 되어 입력되어 있고, 산출된 연료압력과 연료온도에 의해 프로판 함량을 산출해내기 위해 엘피지 연료 P-T선도가 데이터화되어 입력되어 있으며, 각 프로판 함량 별로 연료분사시기와 연료분사시간이 결정된 맵이 입력되어 있고, 이 맵에 의해 결정된 연료분사시기와 연료분사시간에 따라 제어되는 인젝터 구동회로를 포함하는 엔진제어유니트와, 이 엔진제어유니트에 의해 제어되는 상기 인젝터 구동회로의 작동에 따라 노즐의 개폐시기 및 개방시간이 조절되며 연료를 분사하는 인젝터로 구성된다.

따라서, 전술한 방법과 같이 작용하여, 인젝터를 구동함으로써 연료의 프로 판 함량에 따른 최적 분사제어를 실행할 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 공급되는 엘피지의 프로판 함량에 따른 연료분사 제어를 실시함으로써 연소성능 향상으로 인한 시동성 향상, 출력 향상, 연비 증가, 유해 배기가스 감소 등의 효과가 있으며, 또한 이와 같은 연료분사 제어를 실행하는 장치에 있어, 엔진제어유니트에 분사제어 조건을 제공하는 연료압력센서와 연료온도센서가 필요 없게 됨으로써 구성이 단순해지고, 비용이 절감되는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 엔진이 시동되는지를 확인하는 엔진시동 확인단계;

   엔진이 시동될 경우 크랭크회전수 또는 캠회전수를 측정하여 단위 시간당 엔진회전수의 증가량을 산출하는 엔진회전수 증가량 산출단계;

   냉각수온, 공기온, 공기량을 측정하여 기입력된 냉각수온, 공기온, 공기량을 측정값들과 연료온도에 관한 데이터에 의해 연료온도를 산출하는 연료온도 산출단계;

   산출된 엔진회전수 증가량과 연료온도로 기입력된 엔진회전수 증가량, 연료온도와 연료압력에 관한 데이터에 의해 연료압력을 산출하는 연료압력 산출단계;

   산출된 연료온도와 연료압력으로 데이터화 되어 입력된 엘피지 연료의 압력(P)-온도(T)선도로부터 공급되는 엘피지 연료의 프로판 함량을 산출하는 프로판 함량 산출단계;

   프로판 함량 별로 마련된 맵에 의해 연료 분사시기와 분사시간을 제어하는 연료분사 제어단계;

   를 포함하여 구성되는 엘피아이 엔진의 연료분사 제어방법.
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