KR101048127B1

KR101048127B1 - 엘피아이 엔진의 연료압 제어장치

Info

Publication number: KR101048127B1
Application number: KR1020080103711A
Authority: KR
Inventors: 채승진
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2008-10-22
Filing date: 2008-10-22
Publication date: 2011-07-08
Also published as: KR20100044535A

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 엘피아이 엔진의 연료압 제어장치는, 액화석유가스(LPG)가 충진된 연료탱크, 상기 연료탱크에 충진된 액화석유가스를 설정된 압력으로 공급하는 연료펌프, 상기 연료펌프에서 공급라인을 통해 공급된 상기 액화석유가스를 인젝션하는 인젝터, 상기 인젝터에서 상기 연료탱크로 리턴되는 리턴라인에 설치된 연료압조절기 및 온도, 압력 및 조성에 따른 액화석유가스의 포화증기선도를 이용하여 상기 인젝터로 공급되는 연료의 제1목표설정값을 연산하고, 상기 연료펌프의 회전속도 또는 상기 연료압조절기를 컨트롤하여 상기 액화석유가스가 상기 제1목표설정값 이상의 압력으로 상기 인젝터에 공급되도록 하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 상온 영역뿐만 아니라 영하의 저온영역에서도 연료의 조성에 따라서 연료압을 제어함으로써 시동대기 시간이 길어지게 되는 근본적인 문제점을 개선할 수 있다. 아울러, 연료조성에 따라 상온 및 저온 영역에서도 연료가 기상상태로 존재하여 시동시간이 길어지게 되는 문제점을 개선하였다.

LPI, LPG, 엘피아이, 엘피지, 연료압, 연료압조절기, 포화증기, 솔레노이드, 부탄

Description

엘피아이 엔진의 연료압 제어장치{DEVICE FOR CONTROLLING LPI PRESSURE}

본 발명은 LPI(Liquefied Petroleum Injection) 엔진에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 LPI 엔진의 운전조건에 따라 연료압을 제어하는 연료압 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로, 액화 석유 가스(LPG)를 연료로 사용하는 차량은 연료탱크로부터 공급되는 액화 석유 가스가 베이퍼라이저(vaporizer)와 믹서(mixer)를 거치면서 기체 상태로 엔진에 분사되는 구조로 되어 있다.

그러나, 상기한 바와 같은 타입은 출력성능, 연비, 저온 시동성, 배기가스 등에서 많은 문제점을 가지고 있어, 최근에는 LPI(Liquefied Petroleum Injection) 엔진 차량이 개발되고 있다.

LPI 시스템은 종래 연료의 증기압만으로 연료를 밀어내는 일반적인 엘피지(LPG) 시스템과는 다르게, 액상의 엘피지 연료를 연료레일을 통하여 인젝터(Injector)로 공급한다.

상기한 LPI 엔진 차량은 LPG 차량과 대비하여 출력성능, 연비, 저온 시동성, 배기가스 등에서 우수하다.

도 1은 LPG의 증기압 선도를 나타내는 그래프이다.

도 1을 참조하면, 가로축은 온도이고, 세로축은 압력을 나타내며, 부탄(butane) 또는 프로판(propane)의 성분비율에 따른 연료의 상태가 달라진다. 즉, 섭씨 20도 3bar에서 부탄 80%는 액상이지만, 부탄 70%는 기상이다.

다시 말하면 프로판 비율이 증가하고 연료온도가 높아질수록 연료는 기상으로 잘 유지되는 환경이 되는 것이다.

시동성과 관련하여, 특히 고부하 운전 후 시동 정지시 인젝터의 연료온도가 상승으로 기화된다. 이는 시동시 정상적으로 △연료압(5bar)이 형성되어도 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 연료레일 내에 액상과 기상의 연료가 혼재하는 액기상 상태를 경고등으로 표시하거나 시동 금지시간을 설정할 수 있다.

즉, 고부하 운전후 30분에서 1시간 정도 시동 정지하면 엔진 열에 의하여 시동이 걸리지 않거나 시동지연 현상이 발생하게 될 수 있는데, 운전자는 경고등이 표시된 상태에서도 시동키를 작동시킬 수 있다.

이 경우 스타트 모터가 작동되는 시간 동안 연료펌프에 공급되는 전압이 낮아 압력조건을 만족하는데 걸리는 시간이 더욱 길어지게 된다.

이런 것을 방지하기 위하여 연료레일의 연료가 액상이 아니라고 판정되면 경고등과 상관없이 시동모터 금지시간을 계산하여 일정시간 동안 시동모터가 작동되지 않도록 할 수 있다.

상기 기술들은 연료 조성과는 상관없이 측정된 연료 온도에 따라 연료의 상 태(기상, 액상)만을 판단하여 시동모터 금지시간을 정하도록 하여 그 금지시간 동안 연료펌프를 구동하여 압력을 상승시키는 효과를 구현하였다.

한편, 상기 조건도 고속 고부하 운전을 수행한 후 시동 정지하여 일정시간이 지나서 재시동할 경우에만 한정되어있다. 즉 HOT PCD(Partial Cooling Down) 조건이라고 할 수 있다.

도 1에서 보는 바와 같이, 연료조성이 부탄 60%인 경우, 섭씨 30도에서 연료압력이 5.5bar 정도를 초과해야 액상상태를 유지할 수 있으며, 연료조성이 부탄 0% 인 경우, 상온 30도에서 10bar를 초과해야만 액상상태를 유지할 수 있다.

이는 펌프구동을 통하여 압력을 10bar 이상 증가시키기까지 시동을 걸기 위한 대기시간이 길어지게 되는 요인이 된다.

도 2는 종래의 엘피지 연료의 연료압조절기의 개략적인 구성도이다.

도 2를 참조하면, 종래의 엘피지 연료의 연료압조절기(200)는 다이어프램(210) 및 탄성부재(205)를 포함한다.

상기 연료압조절기(200)는 상기 탄성부재(205, 스프링)의 탄성력에 따라서 연료의 압력을 조절하며, 상기 탄성부재(205)의 탄성력이 일정하기 때문에, 연료의 조성이나 운전조건에 따라 공급되는 연료의 압력을 조절하지 못한다.

문제점 1. 연료조성이 부탄의 비율이 감소할수록 연료상태가 기상으로의 존재가능성이 증가한다. 또한 이는 상온 영역뿐만 아니라 영하의 저온영역에서도 연료가 기상상태로 존재하게 되므로 시동성에 악영향을 주게 된다. 또한 시동대기 시간이 길어지게 되는 근본적인 문제점을 가지고 있다.

문제점 2. 연료탱크압력 보다 Δ5bar 높은 압력 구현하고 있는 현재 연료압조절기 시스템으로는 연료조성에 따라 연료가 100% 액상상태를 유지하도록 한다는 것이 힘들다는 점이다.

문제점 3. 연료레일의 연료가 액상이 아니라고 판정되면 운전자가 시동대기경고등과 상관없이 초기에 시동키를 작동하더라도 시동모터 금지시간을 계산하여 일정시간 동안 시동모터가 작동되지 않도록 하는 것이 HOT PCD 조건에서만 설정되어있다는 점이다. 그러나 이는 연료조성에 따라 상온 및 저온 영역에서도 연료가 기상상태로 존재하여 시동시간이 길어지게 된다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 상온 및 저온에서도 연료의 조성 상태와 온도에 따라서 공급되는 연료의 압력을 조절하는 엘피아이 엔진의 연료압 제어장치를 제공하는 것이다.

또한, 연료의 압력을 조절하여 시동대기 시간을 줄이고, 액상의 연료를 효과적으로 공급하는 엘피아이 엔진의 연료압 제어장치를 제공한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 엘피아이 엔진의 연료압 제어장치는, 액화석유가스(LPG)가 충진된 연료탱크, 상기 연료탱크에 충진된 액화석유가스를 설정된 압력으로 공급하는 연료펌프, 상기 연료펌프에서 공급라인을 통해 공급된 상기 액화석유가스를 인젝션하는 인젝터, 상기 인젝터에서 상기 연료탱크로 리턴되는 리턴라인에 설치된 연료압조절기 및 온도, 압력 및 조성에 따른 액화석유가스의 포화증기선도를 이용하여 상기 인젝터로 공급되는 연료의 제1목표설정값을 연산하고, 상기 연료펌프의 회전속도 또는 상기 연료압조절기를 컨트롤하여 상기 액화석유가스가 상기 제1목표설정값 이상의 압력으로 상기 인젝터에 공급되도록 하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 연료압조절기는, 리턴되는 액화석유가스를 차단하는 다이어프램, 일단이 상기 다이어프램을 탄성지지하는 탄성부재, 상기 탄성부재의 타단을 지지하는 플런저 및 상기 플런저의 위치를 조절하여 상기 탄성부재가 상기 다이어프램을 누르는 탄성력을 조절하는 솔레노이드를 포함하고, 상기 솔레노이드는 상기 제어부에 의해서 듀티(duty) 제어된다.

상기 제어부는, 엔진 정보를 근거로 부탄 연료조성 모델링값을 산출하는 단계, 이그니션키가 온(ON) 됨에 따라 부탄 연료조성에 따른 시동대기 경고 램프를 ON시키고 상기 연료펌프를 작동시키되 시동모터 금지 제어를 실시하는 단계, 연료압이 상기 제1목표설정값에 도달했으면 시동대기 경고 램프를 OFF시키고 상기 시동모터 금지를 해제하는 단계, 시동이 완료 후 상기 연료압조절기를 이용하여 상기 인젝터로 공급되는 연료의 압력을 정상 상태로 제어하는 단계를 수행한다.

상기 제어부는, 부분 냉각 조건(PCD) 여부에 따라 상기 연료 연료압조절기로 연료압력을 고압 및 정상압으로 구분하여 제어하는 단계를 더 수행한다.

엔진의 부분 냉각 조건에서, 제1설정된 기간 동안 시동을 금지시키고, 상기 제1설정된 기간 동안 상기 연료펌프를 정상속도보다 빠르게 작동시킨다.

엔진의 부분 냉각 조건에서, 제1설정된 기간 동안 시동을 금지시키고, 상기 제1설정된 기간 동안 상기 연료압조절기를 이용하여 정상압력(+5bar)보다 높은 압력(+5bar 내지 +10bar)으로 연료의 공급압력을 제어한다.

상기 제1설정된 기간이 지난 후, 상기 연료펌프의 속도를 정상으로 복귀시키고 상기 연료압조절기를 정상으로 복귀시킬 때, 복귀시키는 속도를 서서히 감소시킴으로써 시동안정성이 향상된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 엘피아이 엔진의 연료압 제어장치에 의하면, 상온 영역뿐만 아니라 영하의 저온영역에서도 연료의 조성에 따라서 연료압을 제어함으로써 시동대기 시간이 길어지게 되는 근본적인 문제점을 개선할 수 있다.

연료조성에 따라 상온 및 저온 영역에서도 연료가 기상상태로 존재하여 시동시간이 길어지게 되는 문제점을 개선하였다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 개략적인 구성도이다.

도 3을 참조하면, 엔진 시스템은 전자제어유닛(300), 연료탱크(305), 밸브세트(310), 연료펌프(315), 연료압센서(320) 연료압조절기(325), 셧오프밸브(325), 연료온센서(330), 흡기온센서(335), 플로우센서(340), 스로틀포지션센서(345), 인 젝터(350), 산소센서(355), 수온센서(360), 크랭크각세서(365), 및 촉매(370)를 포함하여 구성된다.

상기 연료펌프(315)는 상기 연료탱크(305) 내에 저장된 연료(LPG)를 공급라인을 통하여 상기 인젝터(350)로 공급한다.

또한, 상기 인젝터(350)에서 리턴된 연료는 상기 연료압조절기(325) 통과하여 상기 연료탱크(305)로 회수되며, 상기 연료압조절기(325)는 연료의 압력을 능동적으로 제어한다.

그리고 상기 연료압조절기(325)의 앞단에는 라인압을 감지하는 상기 압력센서(320)가 설치되어 있고, 상기 전자제어유닛(300)은 상기 압력센서(320)로부터 전달된 신호를 기반으로 연료의 압력을 목표설정값으로 상승시킨다.

상기 전자제어유닛(300)은 상기 목표설정값으로 연료의 압력을 상승시키기 위해서 상기 연료압조절기(325)를 DUTY제어한다. 상기 연료압조절기(325)의 상세한 구조에 대해서는 도 4를 참조하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 엘피지 연료의 연료압조절기의 개략적인 구성도(A) 및 단면도(B)이다.

도 4를 참조하면, 상기 연료압조절기는 다이어프램(415), 상기 다이어프램(415)을 탄성적으로 지지하는 탄성부재(410), 상기 탄성부재(410)와 상기 다이어프램(415)의 움직임을 가이드하는 가이드바(420), 상기 탄성부재(410)의 일단부를 지지하는 플런저(405), 및 상기 플런저(405)의 위치를 제어하도록 상기 전자제어유닛(300)에 의해서 컨트롤되는 솔레노이드(400)를 포함한다.

상기 연료압조절기(325)의 내부에는 전자석과 같은 상기 솔레노이드(400)가 내장되어 있으며, 상기 솔레노이드(400)는 운전조건에 따라서 상기 전자제어유닛(300)에 의해서 듀티(DUTY) 제어된다. 이 때, 상기 플런저(405)가 상하운동 함으로써 연료라인 내의 연료 압력이 능동적으로 조절된다.

상기 목표설정값을 산출하는 방법은 프로판/부탄의 성분 비율, 연료압력, 및 연료온도에 따른 모델링된 포화증기선도에서 연산될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 전자제어유닛(300)은, 연료조성, 압력, 및 온도에 따른 목표압력을 산출하기 위하여, 설정된 모델링되는 값을 이용한다.

이는 연료조성, 연료압력, 및 연료온도의 함수로 되어있으며 아래와 같은 TABLE(IP_BUTANE_PERC_SAT__PGAS_MDL__TGAS_MDL)에서 환산될 수 있다.

[표1]

상기 [표1]에 의해 부탄의 비율, 연료압력, 및 연료조성에 대한 값이 모델링 값으로부터 확인할 수 있다.

모든 연료온도 범위에서 부탄의 비율, 압력, 및 온도가 확인되면 그에 따른 펌프제어를 통해 송출압력을 설정된 압력으로 상승시켜 빠른 시간 내에 시동을 걸 수 있도록 한다.

아울러, 상기 연료압조절기(325)에 내장된 상기 솔레노이드(400) 및 상기 플런저(405)를 제어하여 설정된 압력에 더욱 빠르게 도달할 수 있다.

즉, 부탄모델링 값이 60% 이하면 펌프구동 속도를 3속(1000RPM), 40% 이하면 펌프구동 속도를 4속(1500RPM), 20% 이하면 펌프구동 속도를 5속(2000RPM)과 같이 펌프 구동속도를 달리하여 연료가 액상으로 유지될 수 있도록 하고, 상기 솔레노이드(400)에 인가되는 전류 또는 전압을 제어하여 상기 인젝터(350)로 공급되는 연료의 압력을 상승시킬 수 있다.

부분적인 냉각상태(PCD: Partial Cooling Down condition)란, 예를 들어, 엔진을 고속 고부하로 주행시킨 후 엔진 시동을 오프하여 약 30분 ~ 1시간 경과한 상 태이다.

부분적인 냉각상태에서, 엔진룸 내의 연료라인에 정체되어 있는 연료가 엔진의 열에 의해 기체 상태로 변화한다. 따라서, 상기 연료탱크(305) 쪽으로 연료가 리턴되고 연료라인 상에 액체 및 기체 연료가 혼재한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 엘피지 연료의 제어를 위한 플로우차트이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 상기 전자제어유닛은 S100, S105, S110, S115, S120, S125, S130, S135, S140, S145, S150, S155, S160, S165, S170, S175, S180, S185, S190, 및 S200와 관련된 제어를 수행한다.

먼저, 상기 전자제어유닛은 엔진 시스템이 부분적 냉각상태(PCD: Partial Cooling Down condition)를 만족하는지 확인을 한다. 즉, 이그니션키가 ON되면 상기 센서들에 의해 감지된 냉각수온, 흡기온도, 연료온도 등을 입력 받는다.

그리고, 냉각수온이 기준범위 이내이고, 흡기온도가 제1설정값(예: 섭씨 60도) 보다 크고, 현재 연료온도와 시동 오프시 연료온도의 온도차이가 제2설정값(예: 섭씨10도) 보다 크며, 냉각수온과 연료온도 및 흡기온도가 모두 동일하지 않다면, 엔진 시스템은 부분적 냉각상태다.

이렇게 부분적 냉각상태이면 상기 전자제어유닛(300)은 상기 연료압센서(320)에서 감지되는 연료의압력을 정상압보다 높은 제1목표설정값으로 하고 상기 연료압조절기(325)를 제어를 실시한다.

상기 압력센서(320)로부터 확인된 연료 압력이 제1목표설정값에 도달하는 동 안 시동모터 제어를 통해 시동 금지 및 엔진 시동대기 램프를 On시킨다. 이후 운전자가 시동을 걸면 시동이 완료되었는지 확인을 하는 단계를 거친다.

여기서 시동 조건에서 상기 연료탱크(305)의 내부 압력 대비 △P 압력은 연료압력, 연료조성, 및 연료온도에 따라 변동되는 값이다.

상세히 설명하면, 부탄비율이 높은 연료일수록 △P 압력은 현행 5bar 보다 높은 값으로 설정된다. 이는 시험에 의한 결과로 최소 5bar~ 10bar 범위 이내의 값이 될 수 있다.

상기 인젝터(350)로 공급되는 연료의 압력을 상기 제1목표설정값으로 유지하기 위하여 상기 전자제어유닛(300)은 설정된 시간동안 카운터를 실시하고 설정된 시간이 초과하면 고압 송출을 위한 상기 연료압조절기(325)의 제어를 해제한다. 이는 불필요하게 오랜시간 동안 고압으로 유지하는 하는 것을 방지하기 위함이다.

시동이 완료되면 연료는 액상상태로 유지되기 때문에 △P 압력은 5bar 정상압으로 복귀하기 위한 제어를 실시한다.

이때 시동이 완료되자마자 바로 연료압이 고압에서 정상압으로 변동되면 순간적인 희박연소에 의해 시동이 꺼질 수 있으므로 정상압으로 복귀하는 과정에서 필터링 과정을 거치게 된다. 즉, 서서히 연료압을 감소시키게 된다.

상기 부분적 엔진 냉각상태 조건이 아니면, 상기 전자제어유닛(300)은 상기 연료라인의 압력을 정상압(△ 5 bar)으로 제어하여 정상압에 도달하였는지 확인한다.

아울러, 정상압에 도달하면 엔진 시동 대기램프 OFF시키고 시동모터 작동금 지를 해제하여 시동이 가능하도록 한다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

도 1은 LPG의 증기압 선도를 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

300: 전자제어유닛

400: 솔레노이드

405: 플런저

410: 다이어프램

Claims

액화석유가스(LPG)가 충진된 연료탱크;

상기 연료탱크에 충진된 액화석유가스를 설정된 압력으로 공급하는 연료펌프;

상기 연료펌프에서 공급라인을 통해 공급된 상기 액화석유가스를 인젝션하는 인젝터;

상기 인젝터에서 상기 연료탱크로 리턴되는 리턴라인에 설치된 연료압조절기; 및

온도, 압력 및 조성에 따른 액화석유가스의 포화증기선도를 이용하여 상기 인젝터로 공급되는 연료의 제1목표설정값을 연산하고, 상기 연료펌프의 회전속도 또는 상기 연료압조절기를 컨트롤하여 상기 액화석유가스가 상기 제1목표설정값 이상의 압력으로 상기 인젝터에 공급되도록 하는 제어부; 를 포함하고,

상기 연료압조절기는,

리턴되는 액화석유가스를 차단하는 다이어프램;

일단이 상기 다이어프램을 탄성지지하는 탄성부재;

상기 탄성부재의 타단을 지지하는 플런저; 및

상기 플런저의 위치를 조절하여 상기 탄성부재가 상기 다이어프램을 누르는 탄성력을 조절하는 솔레노이드를 포함하고,

상기 솔레노이드는 상기 제어부에 의해서 듀티(duty) 제어되는 것을 특징으로 하는 엘피아이 엔진의 연료압 제어장치.
삭제
제1 항에 있어서,

상기 제어부는,

엔진 정보를 근거로 부탄 연료조성 모델링값을 산출하는 단계;

이그니션키가 온(ON) 됨에 따라 부탄 연료조성에 따른 시동대기 경고 램프를 ON시키고 상기 연료펌프를 작동시키되 시동모터 금지 제어를 실시하는 단계;

연료압이 상기 제1목표설정값에 도달했으면 시동대기 경고 램프를 OFF시키고 상기 시동모터 금지를 해제하는 단계; 및

시동이 완료 후 상기 연료압조절기를 이용하여 상기 인젝터로 공급되는 연료의 압력을 정상 상태로 제어하는 단계;

를 수행하는 것을 특징으로 하는 엘피아이 엔진의 연료압 제어장치.
제3 항에 있어서,

상기 제어부는,

부분 냉각 조건(PCD) 여부에 따라 상기 연료 연료압조절기로 연료압력을 고압 및 정상압으로 구분하여 제어하는 단계;

를 더 수행하는 엘피아이 엔진의 연료압 제어장치.
제3 항에 있어서,

엔진의 부분 냉각 조건에서, 제1설정된 기간 동안 시동을 금지시키고, 상기 제1설정된 기간 동안 상기 연료펌프를 정상속도보다 빠르게 작동시키는 것을 특징으로 하는 엘피아이 엔진의 연료압 제어장치.
제3 항에 있어서,

엔진의 부분 냉각 조건에서, 제1설정된 기간 동안 시동을 금지시키고, 상기 제1설정된 기간 동안 상기 연료압조절기를 이용하여 정상압력(+5bar)보다 높은 압력(+5bar 내지 +10bar)으로 연료의 공급압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 엘피아이 엔진의 연료압 제어장치.
제5 항 또는 제6 항에 있어서,

상기 제1설정된 기간이 지난 후, 상기 연료펌프의 속도를 정상으로 복귀시키고 상기 연료압조절기를 정상으로 복귀시킬 때,

복귀시키는 속도를 서서히 감소시킴으로써 시동안정성이 향상되는 것을 특징으로 하는 엘피아이 엔진의 연료압 제어장치.