KR100704789B1

KR100704789B1 - 엘피아이 차량의 연료량 보정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100704789B1
Application number: KR1020050079480A
Authority: KR
Inventors: 박종성
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2005-08-29
Filing date: 2005-08-29
Publication date: 2007-04-09
Also published as: KR20070027089A

Abstract

엘피아이 차량에서 연료 온도에 따른 밀도 보정 펙터를 적용하여 연료 분사량 보정 제어가 수행되도록 하는 것으로,

엔진의 시동 온 요구시에 혹은 엔진의 시동 온이 유지되는 상태에서 인젝터에 공급되는 연료의 온도, 압력, 냉각수온, 연소실 압력을 검출하는 과정과, 설정된 포화 증기압 선도로부터 연료의 압력 및 압력의 정보에 따른 연료 조성비를 추출하는 과정과, 인젝터 노즐 양단간의 압력차 보정이 적용되는 기본 연료 분사시간을 결정한 다음 연료 온도와 연료 조성비에 따른 밀도 보적 펙터를 산출하여 상기 기본 연료 분사시간에 적용하여 최종 연료 분시시간을 결정하는 과정을 포함한다.

엘피아이 차량, 연료량 보정, 연료 조성비, 연료 밀도, 압력차

Description

엘피아이 차량의 연료량 보정 장치 및 방법{LIQUIFIED PETROLEUM GAS QUANTITY CORRECTION SYSTEM OF LIQUIFIED PETROLEUM GAS INJECTION VEHICLE AND METHOD THEREOF}

도 1은 본 발명에 따른 엘피아이 차량의 연료량 보정장치에 대한 개략적인 일 실시예의 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 엘피아이 차량에서 연료량 보정 제어를 수행하는 일 실시예의 흐름도.

도 3은 엘피아이 차량에 적용되는 연료의 온도 대 밀도의 관계를 도시한 그래프.

도 4는 엘피아이 차량에 장착되는 인젝터 노즐의 단면을 도시한 개념도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 봄베 200 : 연료공급라인

201 : 레귤레이터 202 : 온도센서

203 : 압력센서 300 : 인젝터

400 : 리턴라인 500 : 연소실

501 : 연소실 압력센서 600 : 제어부

본 발명은 엘피아이 차량에 관한 것으로, 더 상세하게는 연료 온도에 따른 밀도 보정 펙터를 적용하여 연료 분사량 보정 제어가 수행되도록 하는 엘피아이 차량의 연료량 보정장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, LPG 차량에 적용되고 있는 엘피아이 시스템(LPG Injection; 이하 'LPI'라 한다.)은 봄베내에 연료펌프를 장착하고, 연료펌프의 구동으로 연료를 가압하여 액상을 유지시킨 상태에서 인젝터를 통해 각각의 실린더에 산출된 양이 분사되도록 하는 LPG MPI(LIQUIFIED PETROLEUM GAS MULTI POINT INJECTION) 시스템을 의미한다.

LPG 연료는 액상의 연료가 온도 상승 또는 압력강하에 의하여 기상으로 상변화 하게 되면 부피가 250배로 증가하게 된다.

따라서, 엔진 작동중에 액상 연료의 상변화가 발생하게 되면 실제로 연소실로 유입되는 연료의 양은 1/250밖에 되지 않기 때문에 엔진 정지가 발생되므로, 주행중(아이들 포함) 엔진의 복사열에 의한 LPG연료의 상변화가 발생되지 않도록 봄베내의 충전된 연료를 가압하여 분사하고 있다.

LPG 연료의 구성은 C3 Hydrocarbon(프로판)과 C4 Hydrocarbon(부탄)으로 구성되는데, 국내의 경우 정유회사에서는 프로판 및 부탄의 함량을 계절에 따라 혼합하여 공급하고 있다.

즉, 여름철에는 부탄을 100%로 하고, 겨울철에는 부탄과 프로판의 비율을 30% 대 70%로 혼합하며, 환절기에는 부탄과 프로판의 비율을 80 ~ 90% 대 10 ~ 20%로 혼합하여 공급한다.

상기와 같이 계절에 따라 조성을 달리하는 이유는 부탄에 비하여 프로판의 경우가 동일 온도에서 증발이 잘되는 것을 의미하는 포화증기압이 높아 겨울철 및 환절기에서의 시동성 및 운전성을 확보하기 위함이다.

즉, 겨울철에 부탄을 100%로 사용하는 경우 연료 압력이 낮아 연료 공급 부족에 의한 시동성 및 가속성을 저하시키게 된다.

엘피아이 시스템에서 봄베로부터 인젝터로 연결되는 연료 공급라인의 압력은 봄베의 출구측에서 장착되어 있는 압력 레귤레이터에 의해 봄베 압력 대비 5bar 정도 높게 유지된다.

연료 공급라인의 압력은 봄베내의 압력에 따라 변하게 되며, 봄베의 압력은 여료의 조성 및 온도의 영향을 받는다.

엘피아이 시스템은 연료라인의 압력과 온도, 흡기온의 조건, 냉각수온의 조건, 봄베에 충전되어 있는 연료의 조성비에 따라 연료 분사량을 산출한 다음 인젝터의 개방 시간(연료분사 시간)을 조정하여 산출된 연료량이 분사되도록 한다.

그러나, 첨부된 도 4에 도시된 바와 같이, 베르누이정리에 의하면 인젝터 노즐을 통과하는 연료 분사량(질량기준)은 같은 연료분사 시간일지라도 노즐 양단, 즉 연료 공급라인에 연결되는 인젝터의 내측의 압력(P2)과 연료가 분사되는 연소실내의 압력(P1)에는 차이가 발생되므로, 양단간의 압력차(P2-P1)와 연료의 밀도에 따라 달라진다.

따라서, 연료 온도가 높은 경우[핫(Hot) 엔진 상태]에는 연료 밀도가 낮아지므로, 인젝터 노즐 양단간의 압력차가 동일한 조건하에서 같은 연료량(질량)을 분사하기 위해서는 연료 온도가 낮을 경우보다 더 긴 연료분사 시간이 필요하게 된다.

그러나, 엔진 부하 및 엔진 RPM에 따른 기존의 연료분사 시간 매핑(Maping)은 핫(Hot) 엔진상태를 기준으로 이루어지므로 연료 온도가 낮은 영역에서는 연료 밀도가 높아 분사되는 연료량이 많아지게 되며, 이에 따라 혼합비가 매우 농후(Rich)하게 된다.

일 예를들어 냉각수온이 90℃ 이상을 유지하는 핫 엔진의 상태에서 연료량을 학습한 후에 대기온 -20℃에서 엔진을 정지한 상태로 12시간 이상 엔진을 충분하게 냉각시킨 다음에 엔진의 시동을 온 하게 되는 경우 연료 밀도의 차이로 인하여 목표 혼합비(A/F) 대비 1.5정도의 농후한 혼합비로 연료 분사가 수행된다.

도 3에서 도시된 바와 같이, 부탄 70%와 프로판 30%의 조성비를 갖는 동계연료에서 연료온도 -30℃의 조건과 40℃의 조건 간에는 15% 정도의 밀도 차가 발생되고 있음을 알 수 있다.

따라서, 연료 과다의 소모와 혼합비의 농후에 의한 연소 불안정과 이에 따른 배가가스의 불안정이 발생되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 엘피아이 차량의 연료 분사량 산출에 있어 인젝터 노즐 양단간의 압력차 보정이 반 영된 기본 연료 분사시간에 분사되어지는 연료의 온도와 연료 조성비에 따른 밀도 보정 펙터를 적용하여 시동 조건에 관계없이 목표 혼합비를 추종하는 연료 분사량제어가 수행되도록 한 것이다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 엘피아이 차량에 있어서, 연료를 액상의 상태로 수용하며, 수용된 연료를 가압하는 펌프가 포함되는 는 봄베; 연소실에 결정된 연료량을 분사하는 인젝터; 상기 봄베와 인젝터를 연결하는 연료공급라인의 소정 위치에 장착되어 인젝터에 공급되는 연료의 온도를 검출하는 온도센서; 상기 봄베와 인젝터를 연결하는 연료공급라인의 소정 위치에 장착되어 인젝터에 공급되는 연료의 압력을 검출하는 압력센서; 연소실내의 압력을 검출하는 연소실 압력센서; 부탄과 프로판의 조성비에 따른 포화 증기압 선도가 설정되며, 상기 인젝터에 공급되는 연료의 온도와 압력, 냉각수온, 연소실 압력을 기준으로 기본 연료량을 산출하고, 연료의 온도와 조성비에 따른 밀도 보정 펙터값을 적용하여 최종 연료 분사량을 결정 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘피아이 차량의 연료량 보정장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 엘피아이 차량에 있어서, 엔진의 시동 온 요구시에 혹은 엔진의 시동 온이 유지되는 상태에서 인젝터에 공급되는 연료의 온도, 압력, 냉각수온, 연소실 압력을 검출하는 과정과; 설정된 포화 증기압 선도로부터 연료의 압력 및 압력의 정보에 따른 연료 조성비를 추출하는 과정과; 인젝터 노즐 양단간의 압력차 보정이 적용되는 기본 연료 분사시간을 결정한 다음 연료 온도와 연료 조성비 에 따른 밀도 보적 펙터를 산출하여 상기 기본 연료 분사시간에 적용하여 최종 연료 분시시간을 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 엘피아이 차량의 연료량 보정방법을 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 엘피아이 차량의 연료량 보정장치를 도시한 개략적인 실시예 구성도로, 봄베(100)와 펌프(105), 연료 공급라인(200), 레귤레이터(201), 온도센서(202), 압력센서(203), 인젝터(300), 리턴라인(400), 엔진(500), 연소실 압력센서(501) 및 제어부(600)를 포함하여 구성된다.

봄베(100)는 엔진에 공급가기 위한 액화가스 연료를 액상 상태로 수용한다.

펌프(105)는 봄베(100)내부의 소정 위치에 장착되어 제어부(600)에서 인가되는 제어신호에 따라 구동되어, 인젝터(300)에 공급되는 연료를 가압하며 구동 속도에 대한 정보를 제어부(600)에 피드백 신호로 인가한다.

공급라인(200)는 봄베(100)와 인젝터(300)를 연결하는 파이프 라인으로 펌프(105)에 의해 가압된 연료를 인젝터(300)에 공급하여 준다.

레귤레이터(201)는 펌프(105)에 의해 가압되어 공급되는 연료의 압력을 조절하여 연료공급라인(200)의 압력이 봄베(100)의 압력 보다 대략 5bar 정도 높게 형성되도록 하여 준다.

온도센서(202)는 공급라인(200)의 소정 위치에 장착되어 공급라인(200)을 통해 인젝터(300)에 공급되는 연료의 온도를 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(600) 에 인가한다.

압력센서(203)는 공급라인(200)의 소정 위치에 장착되어 공급라인(200)을 통해 인젝터(300)에 공급되는 연료의 압력을 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(600)에 인가한다.

인젝터(300)는 제어부(600)에서 인가되는 제어신호에 따라 설정된 시간 동안 노즐의 개폐가 작동되어 산출된 연료량을 엔진(500)에 분사하여 준다.

리턴 라인(400)는 인젝터(300)와 봄베(100)를 연결하는 파이프 라인으로 인젝터(300)에서 분사되고 남은 잔여 연료를 봄베(100)로 리턴시켜 잔여 연료의 회수가 이루어질 수 있도록 한다.

연소실 압력센서(501)는 피스톤의 압축과정에서 연소실내의 압력을 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(600)에 인가한다.

제어부(600)는 엔진의 시동이 온되는 시점 및 시동이 유지되는 상태에서 부품의 스펙으로 결정되는 인젝터(300) 노즐의 유료 단면적과 봄베(100)에 수용되어 있는 연료의 조성비, 공급라인(200)의 소정 위치에 설치되는 온도센서(202) 및 압력센서(203)의 정보, 연소실 압력센서(501)의 정보로부터 인젝터(300) 노즐의 양단간 압력차 보정이 반영된 기본 연료분사시간에 연료의 온도 및 연료 조성비에 따른 밀도 보정 펙터값을 추가하여 최종 연료 분사시간을 결정하여 인젝터(300)의 구동을 통해 연료 분사를 수행한다.

상기 제어부(600)에는 부탄과 프로판의 조성비에 따른 포화 증기압선도가 설정된다.

전술한 바와 같은 기능을 포함하여 이루어지는 본 발명에 따른 엘피아이 차량에서 연료량 보정 제어하는 동작에 대하여 설명하면 다음과 같다.

엘피아이 차량에서 엔진 시동 온이 요구되거나 엔진의 시동이 유지되는 상태에서 봄베(100)내의 펌프(105)는 수용된 연료를 가압하여 연료 공급라인(200)으로 공급한다.

이때, 연료공급라인(200)의 소정 위치에 설치되어 있는 레귤레이터(201)는 가압되는 연료의 압력을 조절하여 연료공급라인(200)의 압력이 봄베(100)의 압력보다 대략 5bar 정도 높게 형성되도록 하여 준다.

이와 같이 연료공급라인(200)에 연료의 공급이 이루어지면 제어부(600)는 연료 공급라인(200)의 소정 위치에 설치되어 있는 온도센서(202) 및 압력센서(203)로부터 인젝터(300)에 공급되어지는 연료의 온도 및 압력을 검출하고, 연소실 압력센서(501)로부터 연소실의 압력을 검출하며, 도시되지 않은 수온센서로부터 냉각수온을 검출한다(S101).

그리고, 계절별 운행에 따라 봄베(100)에 수용되는 연료의 조성비를 설정된 포화 증기압 선도로부터 추출한다음(S102), 연료의 온도와 연료의 조성비에 따른 밀도 보정 펙터값을 추출한다(S103).

상기와 같이 연료의 조건 및 차량의 상태 조건이 검출되면 이를 기반으로 하기의 수학식 1 및 수학식 2의 적용을 통해 연료 분사량을 산출한다(S104).

상기의 수학식 1 및 수학식 2에서

는 연료 분사율(단위 시간당 연료 분사 질량)이고, △P는 도 4에 도시된 바와 같이 인젝터 노즐 양단간의 압력차(P2-P1)이고, A는 인젝터의 유로 단면적이며, T는 최종 연료 분사시간이다.

상기한 수학식 2와 같이 연료 분사량이 결정되면 이를 분사시간의 함수로 변환한 다음 하기의 수학식 3과 같이 연료 온도와 연료 조성비에 따른 밀도 보정 펙터값을 적용하여 인젝터(300)의 최종 연료 분사시간을 결정한다.

T = T_base × Factor

상기의 수학식 3에서 T_base는 인젝터 노즐 양단간의 압력차 보정이 반영된 기본 연료분사시간이고, Factor는 연료 온도와 연료 조성비의 조건이 반영된 밀도 보정 펙터이다.

인젝터(300)의 최종 연료 분사시간이 결정되면 제어부(600)는 인젝터(300)의 구동을 제어하여 결정된 분사시간 동안 인젝터(300)의 노즐을 개방시켜 연료 분사를 수행하여 준다(S105).

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 엘피아이 차량에서 연료 분사량을 산출함에 있어, 연료의 온도와 연료 조성비의 조건이 반영된 밀도 보정 펙터가 적용됨으로써 차량의 운행조건에 관계없이 목표 혼합비를 추종하는 연료 분사가 수행되어 연비의 향상과 엔진의 출력 향상을 제공한다.

Claims

엘피아이 차량에 있어서,

연료를 액상의 상태로 수용하며, 수용된 연료를 가압하는 펌프가 포함되는 는 봄베;

연소실에 결정된 연료량을 분사하는 인젝터;

상기 봄베와 인젝터를 연결하는 연료공급라인의 소정 위치에 장착되어 인젝터에 공급되는 연료의 온도를 검출하는 온도센서;

상기 봄베와 인젝터를 연결하는 연료공급라인의 소정 위치에 장착되어 인젝터에 공급되는 연료의 압력을 검출하는 압력센서;

연소실내의 압력을 검출하는 연소실 압력센서;

부탄과 프로판의 조성비에 따른 포화 증기압 선도가 설정되며, 상기 인젝터에 공급되는 연료의 온도와 압력, 냉각수온, 연소실 압력을 기준으로 기본 연료량을 산출하고, 연료의 온도와 조성비에 따른 밀도 보정 펙터값을 적용하여 최종 연료 분사량을 결정 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘피아이 차량의 연료량 보정장치.
제1항에 있어서,

상기 결정되는 최종 연료 분사량은 인젝터 노즐 양단간의 압력차와 인젝터 노즐의 유로 단면적, 단위 시간당 연료 분사 질량으로부터 산출되는 연료 분사율로 결정되는 기본 연료분사시간에 연료온도와 연료 조성비에 따른 밀도 보정 펙터가 적용되어 하기의 수학식 4와 같이 결정되는 것을 특징으로 하는 엘피아이 차량의 연료량 보정장치.

T = T_base × Factor

T_{base ;} 인젝터 노즐 양단간의 압력차 보정이 반영된 기본 연료분사시간.

Factor ; 연료 온도와 연료 조성비의 조건이 반영된 밀도 보정 펙터.
엘피아이 차량에 있어서,

엔진의 시동 온 요구시에 혹은 엔진의 시동 온이 유지되는 상태에서 인젝터에 공급되는 연료의 온도, 압력, 냉각수온, 연소실 압력을 검출하는 과정과;

설정된 포화 증기압 선도로부터 연료의 압력 및 온도의 정보에 따른 연료 조성비를 추출하는 과정과;

인젝터 노즐 양단간의 압력차 보정이 적용되는 기본 연료 분사시간을 결정한 다음 연료 온도와 연료 조성비에 따른 밀도 보적 펙터를 산출하여 상기 기본 연료 분사시간에 적용하여 최종 연료 분시시간을 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 엘피아이 차량의 연료량 보정방법.
제3항에 있어서,

상기 기본 연료 분사시간의 결정은 인젝터 노즐 양단간의 압력차, 인젝터 노즐의 유로 단면적,냉각수온의 조건이 포함되어 결정되는 것을 특징으로 하는 엘피아이 차량의 연료량 보정방법.