KR100812423B1 - 연료 중의 에탄올 농도 계산 방법 및 그 장치 - Google Patents

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Abstract

가솔린과 에탄올이 혼합된 연료를 주 연료 탱크에 저장하여 사용할 수 있는 차량에서의 연료 중의 에탄올 농도를 계산하기 위해, 가솔린만을 저장하고 있는 냉시동 연료 탱크로부터 엔진에 연료를 공급하고, 엔진의 배기구에 장착된 산소 센서에 의해 측정된 학습값에서 이론 학습값을 감산한 제1 학습값을 계산하며, 냉시동 연료 탱크로부터의 연료 공급을 정지하고, 주 연료 탱크로부터 엔진에 연료 공급을 개시하여, 산소 센서에 의해 제2 학습값을 계산하고, 제2 학습값으로부터 제1 학습값을 감산하여 계산된 학습값에 의해 에탄올 농도값을 계산함으로써, 에탄올 농도 센서를 사용하지 않고 에탄올 농도를 계산하기 때문에 에탄올 차량의 제조 비용을 크게 저감시킬 수 있고, 또한 산소 센서를 이용하여 에탄올 농도를 계산하는 경우에 하드웨어의 틀어짐에 의한 공연비 틀어짐을 반영하여 연료 중의 정확한 에탄올 농도를 계산하기 때문에 정확한 에탄올 농도를 계산할 수 있게 되어 점화시기, 연료량 등의 지시값을 정확하게 추출해 낼 수 있게 된다.
에탄올 농도 센서, 하드웨어 틀어짐

Description

연료 중의 에탄올 농도 계산 방법 및 그 장치{METHOD FOR CALCULATING CONCENTRATION OF ETHANOL IN FUEL AND APPARATUS FOR THE SAME}
도 1은 가솔린 농도에 따른 이론공연비를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에탄올 농도 계산 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
본 발명은 연료 중의 에탄올 농도 계산 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 특히 냉시동 연료 탱크의 가솔린을 이용해서 하드웨어 틀어짐에 의한 영향을 고려하여 정확한 에탄올 농도를 계산하기 위한 에탄올 농도 계산 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
최근, 가솔린 차량을 대체하여 에탄올 연료를 사용하는 차량이 활발하게 개발되고 있다. 일반적으로 에탄올 차량은 가솔린 대신에 식물들로부터 만들어진 알코올류인 바이오 에탄올에 의해 구동되고, 에탄올 차량에 대해서 에탄올 연소에 의해 생성되는 열을 최소화하거나, 에탄올 사용에 의해 발생하는 부식 및 응축에 대처할 수 있는 연료시스템 부품들에 대해 기술적으로 발전이 이루어지고 있다. 이 하에 있어서 에탄올이라는 용어는 알코올의 개념을 포함하는 것으로 한다.
에탄올 연료를 사용하는 차량은, 가솔린에 에탄올 10%를 혼합하여 사용하거나, 또는 100% 에탄올로 사용하는 등 규격이 다양하고, 특히 FFV(Flexible Fuel Vehicle)의 경우에는 에탄올의 농도가 0%에서부터 100%까지 가변이 되는 연료가 주입되게 된다.
이와 같이 연료에 포함된 에탄올의 농도가 가변적이기 때문에, 에탄올 연료를 사용하는 차량의 경우에는 연료 중의 에탄올 농도를 정확하게 측정하는 것이 필수적이다. 에탄올의 농도에 따라 점화시기, 연료량 등의 지시값이 달라져야 하기 때문이다. 예를 들어 연료에 있어서, 에탄올이 100%, 가솔린이 0%인 경우에는 이론공연비가 9.0이고, 에탄올이 0%, 가솔린이 100%인 경우에는 이론 공연비가 14.7인 것과 같이 에탄올의 농도에 따라 이론공연비가 변하게 된다.
종래에는, 연료 중에 포함된 에탄올의 농도를 측정하기 위해서 고가의 에탄올 농도 센서를 연료탱크에서 연료분사 장치에 이르는 연료라인의 중간에 장착하였으나, 에탄올 농도 센서를 사용하는 것으로 인해 종래의 가솔린 엔진 차량에 비한 비용 상승은 불가피하였다.
따라서, 에탄올 농도 센서를 사용하지 않고 기존 가솔린 엔진에 장착되어 있는 산소 센서만을 이용해서, 공연비 틀어짐을 이용하여 연료 중의 에탄올 농도를 추정하는 방법이 연구되고 있다.
그러나, 산소 센서에 의한 학습량을 이용하여 에탄올의 농도를 추정하는 방법에도 문제점이 존재하고 있다. 즉, 산소 센서의 학습량을 이용하여 이론 공연비 와 에탄올 농도와의 관계식에 의해 에탄올의 농도를 추정하는 경우에는, 하드웨어의 틀어짐에 의한 공연비의 틀어짐이 반영되지 않아 정확한 에탄올 농도를 구할 수 없는 것이다.
본 발명은, 에탄올 농도 센서를 사용하지 않고, 또한 산소 센서를 이용하여 에탄올 농도를 계산하는 경우에 하드웨어의 틀어짐에 의한 공연비 틀어짐을 반영하여 연료 중의 정확한 에탄올 농도를 계산하는 방법 및 그 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 연료 중의 에탄올 농도 계산 방법은, 가솔린과 에탄올이 혼합된 연료를 주 연료 탱크에 저장하여 사용할 수 있는 차량에서의 연료 중의 에탄올 농도 계산 방법으로서, 가솔린만을 저장하고 있는 냉시동 연료 탱크로부터 엔진에 연료를 공급하는 단계, 엔진의 배기구에 장착된 산소 센서에 의해 측정된 학습값에서 이론 학습값을 감산한 제1 학습값을 계산하는 단계, 냉시동 연료 탱크로부터의 연료 공급을 정지하고, 주 연료 탱크로부터 엔진에 연료 공급을 개시하는 단계, 산소 센서에 의해 제2 학습값을 계산하는 단계, 및 제2 학습값으로부터 제1 학습값을 감산하여 계산된 학습값에 의해 에탄올 농도값을 계산하는 단계를 포함한다.
또, 본 발명의 연료 중의 에탄올 계산 장치는, 가솔린과 에탄올이 혼합된 연료를 저장하는 주 연료 탱크, 가솔린만을 저장하고 있는 냉시동 연료 탱크, 주 연료 탱크 및 냉시동 연료 탱크로부터 연료가 공급되는 엔진 본체, 엔진 본체의 배기 구에 장착된 산소 센서, 및 주 연료 탱크 및 냉시동 연료 탱크로부터 엔진 본체로의 연료 공급을 제어하는 제어부를 구비하고, 제어부는, 냉시동 연료 탱크로부터 엔진으로의 연료 공급을 개시하고, 산소 센서에 의해 측정된 학습값에서 이론 학습값을 감산하여 제1 학습값을 계산하며, 냉시동 연료 탱크로부터의 연료 공급을 정지하고, 주 연료 탱크로부터 엔진으로의 연료 공급을 개시하고, 산소 센서에 의해 측정된 제2 학습값을 계산하여, 제2 학습값으로부터 제1 학습값을 감산하여 계산된 학습값에 의해 에탄올 농도값을 계산한다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1은 가솔린 농도에 따른 이론공연비를 나타낸 그래프이다. 가로축은 연료 중의 가솔린 농도를 나타낸다. 가솔린 농도는 0%에서 100%까지 가능하고 100-가솔린 농도를 계산하는 경우에 에탄올 농도가 된다. 즉, 가로축에서 우측 방향으로 갈수록 에탄올 농도가 100%에서 0%로 변한다.
세로축은 이론공연비이고, 가솔린 농도가 0%인 경우에 이론공연비는 9, 가솔린 농도가 100%인 경우에 이론공연비는 14.7이다. 이것은 엔진의 구성에 따라 변할 수 있는 것이고 상기 값은 예를 든 것이다.
가솔린 농도가 0%일 때의 이론공연비가 9, 가솔린 농도가 100%일 때의 이론공연비가 14.7이고, 가솔린 농도에 따라 이론공연비는 일반적으로 선형적으로 증가하기 때문에, 도 1와 같은 직선의 그래프에 따라 선형 인터폴레이션을 이용하여 이론공연비와 가솔린 농도의 계산식을 얻을 수 있다. 도 1과 같은 경우에 가솔린 농도 x(%)에 따른 이론공연비 y의 계산식은, y=0.057x+9이다. 따라서, 이론공연비 y 를 알면 가솔린 농도x를, x=(y-9)/0.057의 식(이하, '식 1'이라 한다)에 의해 계산할 수 있다.
엔진 본체의 배기구에 장착된 산소 센서에서 얻어지는 학습값은 가솔린의 농도가 100%일때 1, 가솔린의 농도가 0%(에탄올 농도가 100%)일때 1.33이 된다. 에탄올 농도 센서가 없는 경우에, 산소 센서의 학습값에 의해 에탄올 농도를 계산하는 방법은 다음과 같다.
산소 센서의 학습값이 예를 들어 1.2일 경우에 이론공연비의 변이값은 0.2×14.7로서, 2.94가 된다. 따라서 이론공연비는 14.7-2.94=11.76으로 계산이 되고, 식 1에서 y=11.76이므로 가솔린 농도 x는, (11.76-9)/0.057=48.4%이고, 에탄올 농도는 100-48.4=51.6(%)로 계산이 된다. 따라서 에탄올 농도 센서를 사용하지 않고도, 산소 센서의 학습값을 이용하여 계산된 에탄올 농도에 따라 점화시기, 연료량 등의 지시값을 추출해 낼 수 있게 된다.
그런데, 이와 같이 산소 센서의 학습값을 이용하여 에탄올 농도를 계산하는 경우에도 문제점이 존재한다. 즉, 엔진이 같은 조립상태라고 하더라도 각종 센서나 인젝터, 흡기계등 하드웨어의 엔진간 차이 때문에 발생하는 하드웨어의 틀어짐이 일반적으로 ±4%정도 발생하고 있어, 이 하드웨어의 틀어짐이 공연비 틀어짐 값에 영향을 주게 되고, 위와 같이 산소 센서의 학습값만을 이용하여 에탄올 농도를 계산하는 경우에는 하드웨어의 틀어짐에 의한 공연비 틀어짐이 반영되지 않게 되고, 정확한 에탄올 농도를 계산할 수 없게 된다.
따라서, 잘못 계산된 에탄올 농도에 근거하여 점화시기, 연료량 등을 계산하 는 경우에 차량의 원활한 구동에 악영향을 주게 된다. 이하에서는 하드웨어의 틀어짐에 의한 공연비 틀어짐을 반영하여 산소 센서의 학습값에 의해 에탄올 농도를 계산할 수 있는 방법 및 장치를 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에탄올 농도 계산 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이다. 엔진 본체(10)는 점화 플러그, 피스톤 등을 구비하여 공급되는 연료와 에어에 의해 폭발을 반복하여 차량의 구동력을 발생시키는 부분으로서 일반적인 엔진에 채용되는 구성이다.
이러한 엔진 본체(10)에는 주 연료 탱크(11)에서 연료 라인(12)을 통해 공급되는 연료가 연료 분사 장치(13)를 통해 분사되고, 또한 이 연료는 에어 공급부(16)에 의해 공급되는 에어와 혼합된다. 주 연료 탱크(11)에는 에탄올과 가솔린이 혼합된 연료가 저장되어 있게 된다.
에탄올의 경우에는 냉시동이 좋지 않기 때문에 에탄올 차량의 경우에는 주 연료 탱크(11)와 별도로 냉시동을 위한 냉시동 연료 탱크(14)를 구비하고 냉시동시에는 냉시동 연료 분사 장치(15)를 통해 연료를 공급한다. 냉시동 연료 탱크(14)에는 가솔린 100%의 연료가 저장되어 있다. 그리고 산소 센서(17)는 엔진 본체(10)의 배기구에 장착되어 산소 농도를 측정함으로써, 차량의 제어부(미도시)에서 산소 센서의 학습값에 의해 에탄올 농도를 계산할 수 있게 한다.
본 발명의 실시예에 따라, 하드웨어(각종 센서나 인젝터, 흡기계 등)의 틀어짐에 의한 공연비 틀어짐을 반영하여 정확한 에탄올 농도 센서를 측정하는 방법은 다음과 같다.
본 발명에서는 냉시동을 위해 마련된 냉시동 연료 탱크(14)를 이용함으로써 하드웨어의 틀어짐에 의한 공연비 틀어짐을 계산하여, 에탄올 농도 계산시에 이용하게 된다. 제어부에서는, 차량의 주 연료 탱크(11)에 연료주입이 되었을 경우 또는 일정 시간이 경과하였을 경우, 일정 주행거리를 주행했을 경우에 엔진이 충분히 웜업이 되면 주 연료 탱크(11)로부터의 연료 공급을 정지시키고, 냉시동 연료 탱크(14)로부터의 연료 공급을 개시한다. 냉시동 연료 탱크(14)에는 가솔린 100%의 연료가 저장되어 있다.
이론적으로 가솔린 100%일 경우에 산소 센서의 학습값은 1.0이 되어야 한다. 그런데, 하드웨어의 틀어짐에 의해 산소 센서의 학습값은 1.0으로부터 벗어날 수 있게 되고 가솔린 100%를 저장하고 있는 냉시동 연료 탱크(14)로부터 엔진 본체(10)에 연료를 공급하고 산소 센서(17)가 산소 농도를 측정함으로써 하드웨어의 틀어짐을 계산할 수 있게 된다.
냉시동 연료 탱크(14)로부터 엔진 본체(10)에 연료를 공급하고, 산소 센서의 학습값이 1.03으로 측정된 경우를 가정한다. 하드웨어 틀어짐이 없는 경우에는, 가솔린 100%의 연료가 공급되는 경우에 산소 센서의 이론 학습값은 1.00이 되어야 하는데, 하드웨어의 틀어짐이 존재하여 산소 센서의 학습값이 1.03이 된 것이다. 따라서, 0.03이라는 값(제1 학습값)은 하드웨어의 틀어짐 값으로 볼 수가 있다.
제어부는 이 값 0.03을 기억하고, 냉시동 연료 탱크(14)로부터의 연료 공급을 정지하고 주 연료 탱크(11)로부터의 연료 공급을 재개한다. 주 연료 탱크(11)로부터 연료가 공급되는 경우에 산소 센서의 학습값이 평균 1.23(제2 학습값)으로 계산되었다고 가정하면, 여기서 0.03의 값은 하드웨어의 틀어짐에 의한 값이기 때문에, 산소 센서의 학습값에 의한 에탄올 농도 계산시에 0.03의 값은 제외하고 계산을 수행하게 된다. 즉, 산소 센서의 학습값 1.23(제2 학습값)에서 냉시동 연료 탱크(14)로부터 연료가 공급된 경우의 산소 센서의 학습값 0.03(제1 학습값)을 감산하여 산소 센서의 학습값을 1.2로 하여 에탄올 농도를 계산하면, 상술에서와 마찬가지로 에탄올 농도가 51.6%가 되는 것이다.
만약 하드웨어의 틀어짐을 고려하지 않고 산소 센서의 학습값을 1.23으로 하여 에탄올 농도를 계산할 경우에는 51.6%와 다른 값으로 계산이 되어, 잘못 계산된 에탄올 농도에 근거하여 점화시기, 연료량 등의 계산이 이루어지게 되므로 차량의 원활한 구동에 악영향을 주게 되는 것이다.
에탄올 연료 차량에 일반적으로 구비되고 있는 가솔린 100%의 냉시동 연료 탱크에 저장된 연료를 이용하여 소정 조건이 만족하는 경우마다 하드웨어의 틀어짐에 의한 공연비의 틀어짐을 보상할 수 있게 됨으로써, 에탄올 농도 센서를 구비하지 않고 산소 센서의 학습값에 의해 에탄올 농도를 계산하는 경우에 정확한 에탄올 농도를 계산할 수 있게 된다.
그리고, 상기와 같이 얻어진 에탄올 농도에 의해, 점화시기를 모델링하는 방법을 제안한다. 보통, 에탄올의 RON(옥탄가) 값은 107이고, 가솔린의 RON 값은 92(가솔린 종류에 따라 가변)이다. 에탄올과 가솔린을 혼합하면 비례적으로 RON 값이 변하게 되고, 예를 들어 에탄올 80%와 가솔린 20%를 혼합하면 107×0.8+92×0.2=104의 RON값을 갖는다. 그런데, RON 값이 97 이상일 경우에는 노킹이 발생하 지 않아 스파크를 MBT(Minimum spark advance for Best Torque)로 할 수 있게 되고, 에탄올 농도가 높아질수록 연소 속도가 빨라지고, MBT가 지각되는 현상이 있다. 즉, 에탄올 농도가 0%에서 예를 들어 33%까지는 연소속도가 빨라져 점화시기값이 커지다가 33%에서 100%까지는 노킹에 의해 점화시기가 지각되어 점화시기값이 작아진다. 이와 같이 에탄올 농도의 증가에 따라 점화시기는 일단 상승 후 일정 농도 이후에서는 하강하게 되는 경향을 갖게 되어, 2차 곡선으로 모델링하는 것이 바람직하다는 것을 알게 되었다.
따라서, 본 발명에서는 이러한 에탄올 농도와 점화시기 관계를 이용하여 2차 곡선 계수를 구하고 이를 이용하여 에탄올 농도에 따른 점화시기를 결정한다. 먼저 특정 에탄올 농도, 예를 들어 0%, 33%, 80%, 100%일 때의 시험에 의해 y=ax2+bx+c (단, y는 점화시기, x는 에탄올 농도)의 a, b, c의 계수를 구하고, 각 회전수 및 엔진 부하에 따른 a, b, c 값을 테이블화하고, 차량의 운전시에는 이 테이블을 참조하여 특정 회전수 및 엔진 부하에 근거하여 에탄올 농도에 따른 점화시기를 결정할 수 있게 된다. 이와 같이 에탄올 농도에 따라 점화시기를 결정하는 방법은 에탄올 농도에 따른 연료량 결정에도 이용할 수 있다.
따라서, 부정확한 제어에 의해 발생되는 점화시기 지각 및 그에 따른 연료량 증대를 방지할 수 있게 되어, 연비가 향상되고, 부정확한 경우에는 점화시기가 위험수위보다 훨씬 낮게 설정되어 차량 성능저하의 원인이 되나, 본 발명에 의해 점화시기를 최적으로 설정할 수 있게 되고 차량 성능의 향상을 가능하게 한다.
본 발명에 의하면, 에탄올 농도 센서를 사용하지 않고 에탄올 농도를 계산하기 때문에 에탄올 차량의 제조 비용을 크게 저감시킬 수 있고, 또한 산소 센서를 이용하여 에탄올 농도를 계산하는 경우에 하드웨어의 틀어짐에 의한 공연비 틀어짐을 반영하여 연료 중의 정확한 에탄올 농도를 계산하기 때문에 정확한 에탄올 농도를 계산할 수 있게 되어 점화시기, 연료량 등의 지시값을 정확하게 추출해 낼 수 있게 된다.

Claims (2)

  1. 가솔린과 에탄올이 혼합된 연료를 주 연료 탱크에 저장하여 사용할 수 있는 차량에서의 연료 중의 에탄올 농도 계산 방법으로서,
    가솔린만을 저장하고 있는 냉시동 연료 탱크로부터 엔진에 연료를 공급하는 단계,
    엔진의 배기구에 장착된 산소 센서에 의해 측정된 학습값에서 이론 학습값을 감산한 제1 학습값을 계산하는 단계,
    냉시동 연료 탱크로부터의 연료 공급을 정지하고, 주 연료 탱크로부터 엔진에 연료 공급을 개시하는 단계,
    상기 산소 센서에 의해 제2 학습값을 계산하는 단계, 및
    제2 학습값으로부터 제1 학습값을 감산하여 계산된 학습값에 의해 에탄올 농도값을 계산하는 단계를 포함하는 연료 중의 에탄올 농도 계산 방법.
  2. 가솔린과 에탄올이 혼합된 연료를 저장하는 주 연료 탱크, 가솔린만을 저장하고 있는 냉시동 연료 탱크, 상기 주 연료 탱크 및 상기 냉시동 연료 탱크로부터 연료가 공급되는 엔진 본체, 엔진 본체의 배기구에 장착된 산소 센서, 및 상기 주 연료 탱크 및 상기 냉시동 연료 탱크로부터 엔진 본체로의 연료 공급을 제어하는 제어부를 구비하는 차량에서의 연료 중의 에탄올 농도 계산 장치로서,
    상기 제어부는,
    상기 냉시동 연료 탱크로부터 엔진으로의 연료 공급을 개시하고,
    상기 산소 센서에 의해 측정된 학습값에서 이론 학습값을 감산하여 제1 학습값을 계산하며,
    상기 냉시동 연료 탱크로부터의 연료 공급을 정지하고, 상기 주 연료 탱크로부터 엔진으로의 연료 공급을 개시하고,
    상기 산소 센서에 의해 측정된 제2 학습값을 계산하여,
    상기 제2 학습값으로부터 상기 제1 학습값을 감산하여 계산된 학습값에 의해 에탄올 농도값을 계산하는 것을 특징으로 하는 연료 중의 에탄올 농도 계산 장치.
KR1020060127076A 2006-12-13 2006-12-13 연료 중의 에탄올 농도 계산 방법 및 그 장치 KR100812423B1 (ko)

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