KR100844699B1 - 커먼 레일 엔진 시스템에서의 연료량 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

커먼 레일 엔진 시스템에서의 연료량 제어 방법이 제공된다. 엔진 회전수가 소정값 이하인지 판단한다. 엔진 회전수가 소정값 이하이면 미터링 유닛(Metering unit) 밸브와 PCV(Pressure control valve) 밸브를 모두 구동시키는 액츄에이터 제2모드로 진입하고, 엔진 회전수가 소정값 이상이면 미터링 유닛 밸브와 PCV 밸브 중에서 하나만 구동시키는 액츄에이터 제1모드로 진입한다. 본 발명에 의하면 커먼 레일 엔진 시스템에서 연료펌프에 유입되는 연료량을 제어함으로써 연료펌프에서 발생되는 소음을 제거할 수 있다는 효과가 있다.
커먼 레일, PCV, 소음, 유량, 연료량, 미터링 유닛, 펌프, 엔진, 차량.

Description

커먼 레일 엔진 시스템에서의 연료량 제어 방법 {Method for controlling fuel amount in common rail engine system}
도 1은 일반적인 커먼 레일 엔진 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 종래 커먼 레일 엔진 시스템에서 연료량과 소음과의 관계를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료펌프의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 커먼 레일 엔진 시스템에서의 연료량 제어 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 커먼 레일 엔진 시스템에서의 연료량 제어 방법을 보여주는 흐름도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 연료 탱크 20 연료펌프
30 커먼 레일 31 압력 센서
40 ECU 50 인젝터
본 발명은 커먼 레일 엔진 시스템에서의 연료량 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 커먼 레일 엔진 시스템에서 발생하는 소음을 저감시키기 위한 연료량 제어 방법에 관한 것이다.
종래 디젤 엔진은 실린더 내의 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4행정에 의해 크랭크축이 회전하고 이에 연결된 캠 구동 장치의 회전에 의해 분사압력이 발생된다. 이때 분사 압력은 엔진의 회전속도에 비례하여 변화한다. 즉, 엔진이 저속으로 회전하면 분사압력이 저압이 되고, 엔진이 고속으로 회전하면 분사압력은 고압이 된다. 또한 연료의 분사는 캠에 연결된 흡/배기 밸브가 캠의 회전에 의해 미리 정해진 순서에 따라 개폐되면서 이루어진다.
이러한 방식은 엔진이 저속으로 회전할 경우에는 문제없이 사용할 수 있지만 엔진이 고속으로 회전할 경우에는 캠의 고속회전에 의한 흡/배기 밸브의 개폐 속도가 너무 빨라 연소에 필요한 연료를 적절하게 분사하지 못하게 된다. 즉, 고속 회전영역에서 완전 연소에 필요한 연료를 적절하게 분사할 수 없다는 한계가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 연료 분사의 전자제어가 필요하게 되었고, 이러한 요구에 따라 커먼 레일(Common rail) 디젤 엔진 시스템이 개발되었다. 이러한 커먼 레일 디젤 엔진 시스템은 분사압의 발생과 분사 과정이 완전히 별개로 이루어진다. 커먼 레일 디젤 엔진 시스템의 장점은 엔진 설계시 연료의 압력 발생과 분사를 분리해서 자유롭게 설계할 수 있다는 것이다. 즉, 운전 조건에 따라서 연료 압력과 분사시기를 조정할 수 있기 때문에 엔진 회전속도가 낮을 때에도 고압 분사 가 가능해져서 완전 연소를 이룰 수 있다. 또한, 분사시기의 전자제어를 통해 파일럿 분사를 하면 배기가스와 소음을 더욱 저감할 수 있으며, 연료분사 곡선은 유압제어로 노즐 니들에 의해 조절되므로 분사 종료시까지 신속하게 조절이 가능하다.
도 1은 일반적인 커먼 레일 엔진 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 1에서 커먼 레일 엔진의 연료 분사 과정은 다음과 같다. 우선 연료 탱크(10)에 저장되어 있는 연료를 연료펌프(20)에서 압송하여 커먼 레일(30) 내에 채운다. 이때, 커먼 레일(30) 내의 압력은 레일 압력 센서(31)에서 감지되고, 엔진 제어 유닛(Engine Control Unit, 이하 'ECU'라 한다)(40)에서는 엔진 회전수와 부하에 따라 설정된 값으로 커먼 레일(30) 내의 압력을 제어한다. 커먼 레일(30) 내의 압력으로 인하여 파이프를 통해 인젝터(50)에 연료가 공급된다.
도 1에서 ECU(40)는 공기 유량, 엔진 회전수, 쓰로틀 포지션 센서(Throttle Position Sensor, TPS) 신호, 공기 온도, 물 온도 및 커먼 레일 압력 신호 등을 입력신호로 하며, PID 제어를 통해 연료 분사 밸브 개폐시간 제어신호, 연료 분사 밸브 열림 제어 신호 등을 출력한다.
종래 커먼 레일 엔진 시스템에서는 미터링 유닛(Metering unit) 밸브와 PCV(Pressure Control Valve) 밸브가 구비되어 있고, 이들 밸브를 통하여 유량을 조절할 수 있었다. 미터링 유닛 밸브는 연료펌프(20)에 구비되어 연료펌프(20)에 유입되는 연료의 흐름을 개폐하는 역할을 하고, PCV 밸브는 커먼 레일(30)에 구비되어 유량을 조절하게 된다.
ECU(40)는 엔진의 목표출력을 얻기 위한 연료량을 계산하고, 이에 따라 미터 링 유닛 밸브를 제어하여 엔진에 연료를 공급한다. 이때 공급되는 연료량은 엔진의 연소실에서 분사되는 연료량 및 연료펌프(20), 인젝터(50), 커먼 레일(30)에서 되돌아오는 연료량의 전체합이다.
종래 커먼 레일 엔진 시스템에서 시동순간에는 PCV 밸브를 작동시키고, 연료온도가 소정온도만큼 상승하거나 또는 시동후 소정시간이 경과하면 미터링 유닛 밸브를 작동시키는 모드로 변경된다. 이처럼 종래 커먼 레일 엔진 시스템에서는 PCV 밸브와 미터링 유닛 밸브 중에서 하나의 밸브만 구동시키는 액츄에이터 제1모드로 동작하였다.
그러나, 종래 커먼 레일 엔진 시스템에서는 소정 조건하에서 연료펌프(20)에서 소음이 발생한다는 문제점이 있다. 예를 들어, PCV 밸브 모드에서 미터링 유닛 밸브 모드로 작동모드가 변경되는 아이들 구간에서 연료펌프(20)에서 소음이 발생하는 문제점이 있다.
이러한 소음을 제거하기 위해서는 하드웨어적인 방법으로 연료펌프(20)의 석션밸브(suction valve) 위치에 압력을 흡수할 수 있는 댐핑 홀(damping hole)을 마련하는 식의 설계변경을 고려할 수 있다. 그러나, 이러한 방법은 개발기간 및 내구검증에 오랜 시간과 많은 노력이 소요되고, 타사 시스템과의 호환에 문제가 있어서 원가 상승의 요인이 되므로 적절한 방법은 아니다.
한편, 종래 커먼 레일 엔진 시스템에서 연료펌프(20)에서의 소음은 유입되는 연료량과 밀접한 관계가 있다.
도 2는 종래 커먼 레일 엔진 시스템에서 연료량과 소음과의 관계를 도시한 그래프이다.
도 2에서 연료량이 600mm3/s일 때 상대적으로 소음도가 높고, 연료량이 10000mm3/s일 때 상대적으로 소음도가 낮은 것을 확인할 수 있다. 즉, 종래 커먼 레일 엔진 시스템의 연료펌프(20)는 미터링 유닛 밸브 및 PCV 밸브를 통하여 공급되는 연료량이 적은 구간에서는 상대적으로 높은 소음이 발생하고, 공급되는 연료량이 많은 구간에서는 상대적으로 낮은 소음이 발생하게 되는 것이다.
이처럼, 종래 커먼 레일 엔진 시스템에서는 연료펌프(20)에 공급되는 연료량이 적은 구간에서 소음이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 커먼 레일 엔진 시스템에서 소음이 발생하지 않도록 연료펌프에 공급되는 연료량을 제어하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 엔진 회전수가 소정값 이하인지 판단하는 제1단계와, 엔진 회전수가 소정값 이하이면 미터링 유닛(Metering unit) 밸브와 PCV(Pressure control valve) 밸브를 모두 구동시키는 액츄에이터 제2모드로 진입하고, 엔진 회전수가 소정값 이상이면 미터링 유닛 밸브와 PCV 밸브 중에서 하나만 구동시키는 액츄에이터 제1모드로 진입하는 제2단계를 구비한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 제1단계 전에 연료펌프에 유입되는 연료온도와 기준온도를 비교하는 단계와, 연료온도가 기준온도보다 높으면 상기 액츄에이터 제2모드로 진입하고, 그렇지 않으면 상기 제1단계로 진입하는 단계를 더 구비할 수 있다.
상기 액츄에이터 제2모드로 진입하면 연료펌프의 실린더 내에 연료가 유입되도록 상기 미터링 유닛 밸브를 개방시킬 수 있다.
상기 액츄에이터 제2모드로 진입하면 커먼 레일에 흐르는 연료를 연료펌프로 되돌아가도록 상기 PCV 밸브를 폐쇄시킬 수 있다.
상기 소정값은 현재 연료펌프에 유입되는 연료의 유량에 따라 다른 값으로 설정될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조해서 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료펌프의 단면도이다. 연료펌프(20)는 미터링 유닛(Metering unit) 밸브(21), 석션(Suction) 밸브(23), 고압 송출관(25), 실린더(27), 구동축(28), 구동 캠(29)을 포함하여 이루어진다.
연료펌프(20)의 작동원리를 설명하면 다음과 같다.
미터링 유닛 밸브(21)에 의해서 실린더(27) 내에 연료가 공급된다. 한편, 구동축(28)은 A부분이 엔진의 캠축과 연결되어 있기 때문에 엔진의 캠축과 연동되어 회전하며, 구동축(28)의 회전에 따라 구동 캠(29)이 회전하면서 피스톤을 상승시키거나 하강시키게 된다. 구동 캠(29)이 상승하면 실린더 내의 연료는 압축되기 시작하고, 석션밸브(23)가 닫히는 순간에 고압 송출관(25)을 통하여 연료가 인젝터(50) 쪽으로 압송된다. 이때 실린더(27) 내에 연료가 가득히 충진되어 있는 경우에는 석션밸브(23)가 닫히면서 소음이 발생하지 않으나, 실린더(27) 내에 연료가 부분 충진되어 있는 경우에는 석션밸브(23)가 닫히면서 밸브와 밸브시트면의 충돌에 의해 소음이 발생하게 된다.
본 발명에서는 연료펌프(20)에 연료공급이 충분하지 않은 경우에 연료를 충분하게 공급함으로써 소음을 제거하는 방법을 제안한다. 본 발명에서는 연료펌프(20)에 연료공급이 충분하지 않은 경우에 미터링 유닛 밸브(21)와 커먼 레일에 구비된 PCV 밸브를 동시에 구동시키는 액츄에이터(actuator) 제2모드로 전환하여 연료펌프(20)에 충분한 연료를 공급하도록 한다.
먼저 어떠한 경우에 연료펌프(20)에 연료가 부분적으로 충진 되는지를 살펴보기로 한다. 보통 커먼 레일 엔진 시스템에서 차량이 주행중인 경우에는 엔진의 회전수가 높고, 이러한 경우에는 연료펌프(20)에 충분한 연료가 공급되는 상태가 된다. 따라서, 엔진 회전수(rpm)가 소정치 이하인 경우에 연료펌프(20)에 연료가 부분적으로 충진된다.
또한, 연료의 온도가 기준치보다 낮은 경우에는 커먼 레일(30)의 압력을 제어한다는 측면에서 미터링 유닛 밸브(21)만 구동시키고, 연료의 온도가 기준치보다 높은 경우에는 액츄에이터 제2모드로 전환하여 연료펌프(20)에 연료를 공급하도록 한다.
이상에서 설명한 조건 하에서 커먼 레일 엔진 시스템에서의 연료량 제어 방법을 도면과 함께 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 커먼 레일 엔진 시스템에서의 연료량 제어 방법을 보여주는 흐름도이다.
엔진 회전수가 소정값 이하인지 판단한다(S401). 이때 소정값은 현재 연료펌프(20)에 유입되는 연료의 유량에 따라 다른 값으로 설정될 수 있다.
엔진 회전수가 소정값 이하이면 미터링 유닛(Metering unit) 밸브(21)와 PCV(Pressure control valve) 밸브를 모두 구동시키는 액츄에이터 제2모드로 진입한다(S403).
엔진 회전수가 소정값 이상이면 미터링 유닛 밸브와 PCV 밸브 중에서 하나만 구동시키는 액츄에이터 제1모드로 진입한다(S405).
본 발명에서 액츄에이터 제2모드로 진입하면 연료펌프(20)의 실린더(27) 내에 연료가 유입되도록 미터링 유닛 밸브(21)를 개방시킨다. 그리고, 커먼 레일(30)에 흐르는 연료를 연료펌프(20)로 되돌아가도록 PCV 밸브를 폐쇄시킨다.
S401 단계에서 현재 연료펌프(20)에 공급되는 연료량의 정도에 따라서 엔진 회전수별로 액츄에이터 모드가 미리 설정되어 있다. 예를 들어 연료펌프(20)에 공급되는 연료량이 10000mm3/s이고, 이때 엔진회전수가 900rpm 이하인 경우에 액츄에이터 제2모드로 진입하도록 설정될 수 있다.
도 4의 실시예는 엔진회전수 조건을 갖고 연료펌프(20)에 공급되는 연료량을 제어하는 실시예이고, 본 발명에서 다른 실시예로서 연료의 온도 조건이 추가된 실시예가 있을 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 커먼 레일 엔진 시스템에서의 연료량 제어 방법을 보여주는 흐름도이다.
연료펌프(20)에 유입되는 연료온도와 기준온도를 비교한다(S501).
비교한 결과, 연료온도가 기준온도보다 높으면 미터링 유닛 밸브(21)와 PCV 밸브를 모두 구동시키는 액츄에이터 제2모드로 진입한다(S501, S505).
연료온도가 기준온도보다 낮으면 엔진 회전수가 소정값 이하인지 판단한다(S503). 이때 소정값은 현재 연료펌프(20)에 유입되는 연료의 유량에 따라 다른 값으로 설정될 수 있다.
엔진 회전수가 소정값 이하이면 액츄에이터 제2모드로 진입한다(S505).
엔진 회전수가 소정값 이상이면 미터링 유닛 밸브와 PCV 밸브 중에서 하나만 구동시키는 액츄에이터 제1모드로 진입한다(S507).
본 발명에서 액츄에이터 제2모드로 진입하면 연료펌프(20)의 실린더(27) 내 에 연료가 유입되도록 미터링 유닛 밸브(21)를 개방시킨다. 그리고, 커먼 레일(30)에 흐르는 연료를 연료펌프(20)로 되돌아가도록 PCV 밸브를 폐쇄시킨다.
S503 단계에서 현재 연료펌프(20)에 공급되는 연료량의 정도에 따라서 엔진회전수별로 액츄에이터 모드가 미리 설정되어 있다. 예를 들어 연료펌프(20)에 공급되는 연료량이 10000mm3/s이고, 이때 엔진회전수가 900rpm 이하인 경우에 액츄에이터 제2모드로 진입하도록 설정될 수 있다.
이처럼 본 발명에서는 연료펌프(20)에 공급되는 연료의 온도와 연료량에 따라 미터링 유닛 밸브(21)와 PCV 밸브를 동시에 구동시켜서 충분한 연료를 연료펌프(20)에 공급할 수 있다. 이에 따라 본 발명에서는 연료펌프(20)에 공급되는 연료의 부분적인 충진에 따른 소음이 발생하는 것을 막을 수 있다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 커먼 레일 엔진 시스템에서 연료펌프에 유입되는 연료량을 제어함으로써 연료펌프에서 발생되는 소음을 제거할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에서는 커먼 레일 엔진 시스템에 장치를 추가하거나 형태를 변경하지 않고, 소프트웨어적으로 연료펌프에 연료량을 증가시키는 로직을 이용하여 구현함으로써 제작비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 엔진 회전수가 소정값 이하인지 판단하는 제1단계와,
    엔진 회전수가 소정값 이하이면 미터링 유닛(Metering unit) 밸브와 PCV(Pressure control valve) 밸브를 모두 구동시키는 액츄에이터 제2모드로 진입하고, 엔진 회전수가 소정값 이상이면 미터링 유닛 밸브와 PCV 밸브 중에서 하나만 구동시키는 액츄에이터 제1모드로 진입하는 제2단계
    를 구비하는 커먼 레일 엔진 시스템에서의 연료량 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1단계 전에
    연료펌프에 유입되는 연료온도와 기준온도를 비교하는 단계와,
    연료온도가 기준온도보다 높으면 상기 액츄에이터 제2모드로 진입하고, 그렇지 않으면 상기 제1단계로 진입하는 단계
    를 더 구비하는 커먼 레일 엔진 시스템에서의 연료량 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 액츄에이터 제2모드로 진입하면 연료펌프의 실린더 내에 연료가 유입되도록 상기 미터링 유닛 밸브를 개방시키는 것을 특징으로 하는 커먼 레일 엔진 시스템에서의 연료량 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 액츄에이터 제2모드로 진입하면 커먼 레일에 흐르는 연료를 연료펌프로 되돌아가도록 상기 PCV 밸브를 폐쇄시키는 것을 특징으로 하는 커먼 레일 엔진 시스템에서의 연료량 제어 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 소정값은 현재 연료펌프에 유입되는 연료의 유량에 따라 다른 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 커먼 레일 엔진 시스템에서의 연료량 제어 방법.
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