KR101393521B1 - 직접 분사방식 엔진의 에탄올 비율 학습장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직접 분사방식(Gasoline Direct Injection : GDI)이 적용되는 엔진에 필수적으로 장착되는 고압 펌프의 제어특성을 이용하여 메탄올/에탄올의 함량을 간접적으로 판별하고 함량 비율에 따라 연료량 보정을 실행하는 것이다.
본 발명은 엔진의 운전조건이 고압펌프에 장착되는 제어밸브의 제어조건인지 판단하는 과정, 제어밸브의 제어조건이면 운전조건에 따른 제어량을 결정하여 닫힘 시간을 조정하며 비례 제어값을 닫힘 시간 학습값으로 결정하는 과정, 메탄올/에탄올 학습조건을 만족하면 제어밸브의 닫힘 시간으로부터 메탄올/에탄올의 함유량을 근사적으로 판정하여 함유량 학습값으로 결정하는 과정, 닫힘 시간 학습값과 함유량 학습값에 따라 보정 연료량을 결정하는 과정을 포함한다.
직접 분사방식, 에탄올 비율, 함유량, 제어밸브, 닫힘 시간

Description

직접 분사방식 엔진의 에탄올 비율 학습장치 및 방법{SYSTEM FOR LEARN A ETHANOL RATIO OF GASOLINE DIRECT INJECTION ENGINE}
본 발명은 직접 분사방식(Gasoline Direct Injection : GDI)이 적용되는 엔진에 필수적으로 장착되는 고압 펌프의 제어특성을 이용하여 메탄올/에탄올의 함량을 간접적으로 판별하고 함량 비율에 따라 연료량 보정을 실행하는 직접 분사방식 엔진의 에탄올 비율 학습장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 들어 유가 급등 및 친환경 연료에 대한 관심이 증대됨에 따라 곡물에서 추출 가능한 에탄올을 가솔린에 섞어 사용하는 지역이 점차 증가하고 있다.
현재 국가 및 지역에 따라서 최대 26% 비율(남미지역)의 에탄올을 함유한 연료가 시중에 판매되고 있으며, 85% 비율의 에탄올(E85) 연료를 사용하고자 하는 엔진도 개발 중에 있다.
그러나, 에탄올의 함량이 높아지면 가솔린 100%의 연료와 다른 특성이 나타남에 따라 엔진 성능 및 수명에 지대한 영향을 미치게 된다.
예를 들면, 이론 공연비의 차이로 인해 연료량 학습값에 변화가 발생되어 비정상적인 연소가 발생되고, 에탄올의 낮은 기화성으로 인해 시동성과 가속감이 떨 어져 운전성을 악화시킨다.
또한, NOx가 증가하고 CO가 감소하며 촉매의 열화정도를 증가시키고, 에탄올의 열량이 적으므로 연비(Km/ℓ)를 악화시킨다.
연료별 특성은 하기의 표 1과 같다.
Figure 112008029144529-pat00001
특히, 비정상적인 연소 및 운전성의 악화로 인하여 메탄올/에탄올의 함량이 규정치 보다 높게 함유된 연료를 사용하는 경우 OBD진단에서 오진단이 발생되고, 불안정연소로 인하여 촉매가 손상되는 문제점이 발생된다.
메탄올/에탄올의 이론 공연비는 가솔린과 대비하여 낮으므로 같은 질량의 공기를 연소시키기 위해 더 많은 질량의 연료를 분사하여야 한다.
따라서, 메탄올/에탄올의 비율이 증가하게 되면 연료량의 학습값이 포지티브(+) 방향으로 증가하게 되고, 그 비율이 25%를 넘어서게 되면 엔진제어수단은 OBD진단에서 연료 시스템의 고장으로 오진단하는 문제점을 발생시킨다.
또한, 메탄올/에탄올은 기화지수인 RVP가 가솔린과 대비하여 현저히 낮으므로 아침 시동 후 엔진이 충분히 가열되기 전까지는 가속시 더 많은 연료를 분사하여야 한다.
따라서, 메탄올/에탄올의 비율이 20%를 넘어설 경우 0℃ 이하의 저온 시동 후 가속시 연료량 부족에 의한 실화로 불안정 연소가 발생하며 심할 경우 촉매 손상을 유발한다.
이에 따라 현재 메탄올/에탄올 연료의 함량별 대응은 다음과 같이 이루어지고 있다.
에탄올 85%의 비율이 적용된 E85용 차량에서는 연료탱크나 연료라인에 에탄올 비율 감지용 센서를 장착하여 에탄올 함량을 감지함으로써, 이론 공연비와 RVP(기화지수)에 따른 특성을 보정해 준다.
또한, 북미지역에서 운행되는 에탄올 10%의 비율이 적용된 E10용 차량이나 남미지역에서 운행되는 에탄올 20%의 비율이 적용된 E20용 차량에서는 에탄올 10% 혹은 20% 비율의 연료를 사용함에 별도의 보정로직 없이 운전성에 큰 문제가 없는 수준까지 연료량을 증량하고 있다.
그러나, 이러한 경우 에탄올의 비율을 감안해 연료량을 증량하므로 배출가스규제를 만족시키기 위해 고가의 촉매를 사용하여야 하는 문제점이 발생한다.
또한, 지역에 따라 규정된 함량보다 높게 메탄올/에탄올을 섞은 연료를 사용할 경우(저질연료 사용) 개발수준을 초과함으로써 운전성 악화와 OBD진단의 오진단 및 촉매를 손상시키는 문제를 발생시킨다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 직접 분사방식이 적용되는 엔진에 필수적으로 장착되는 고압 펌프의 제어특성을 이용하여 연료의 메탄올/에탄올 함량을 간접적으로 판별하고 함량 비율에 따라 이론 공연비 및 가감속 연료량을 보정하여 안전성 및 신뢰성을 제공하도록 하는 것이다.
상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 특징에 따른 직접 분사방식 엔진의 에탄올 비율 학습장치는,
고압펌프가 장착되는 직접 분사방식의 엔진에 있어서,
엔진 회전수를 검출하는 엔진회전수 검출부;
연소실로 흡입되는 공기압을 검출하는 흡기압 검출부;
연소실로 흡입되는 공기량을 검출하는 공기량 검출부;
상기 고압펌프의 연료 압송으로 연료레일에 형성되는 압력을 검출하는 연료압력 검출부를 포함하며,
상기 고압펌프에 장착되는 제어밸브의 제어조건을 만족하면 목표 연료압력을 결정하여 제어밸브의 닫힘 시간을 조정 및 학습하고, 메탄올/에탄올 함유량을 학습하여 보정 연료량을 결정하는 제어부를 더 포함한다.
본 발명의 특징에 따른 직접 분사방식 엔진의 에탄올 비율 학습방법은,
엔진의 운전조건이 고압펌프에 장착되는 제어밸브의 제어조건인지 판단하는 과정;
제어밸브의 제어조건이면 운전조건에 따른 제어량을 결정하여 닫힘 시간을 조정하며 비례 제어값을 닫힘 시간 학습값으로 결정하는 과정;
메탄올/에탄올 학습조건을 만족하면 제어밸브의 닫힘 시간으로부터 메탄올/에탄올의 함유량을 근사적으로 판정하여 함유량 학습값으로 결정하는 과정;
닫힘 시간 학습값과 함유량 학습값에 따라 보정 연료량을 결정하는 과정을 포함한다.
전술한 구성에 의하여 본 발명은 직접 분사방식의 엔진에서 연료의 메탄올/에탄올 함량을 별도의 센서를 장착하지 않고 간편하게 추출하며, 비율에 따른 연료량의 보정으로 운전성 및 상품성을 높이는 효과를 기대할 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.
통상적으로 가솔린 엔진은 현재 널리 양산되고 있는 엔진으로 흡기밸브의 전단에 연료를 분사하는 PFI(Port Fuel Injection)방식의 엔진, 실린더 내부에 연료를 분사하는 GDI(Gasoline Direct Injection)방식의 엔진으로 구분된다.
도 3은 직접 분사방식이 적용되는 엔진의 연료 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
직접 분사방식 엔진의 연료시스템은 연료탱크(10)의 내부에는 연료레일(40)에 연료를 공급하기 위하여 모터로 동작되는 저압펌프(11)가 장착되고, 캠축에 의해 동작하는 고압펌프(21)가 실린더 헤드(20)에 장착된다.
그리고, 산출된 연료량을 각각의 실린더에 분사하는 인젝터(41)가 장착되는 연료레일(40)의 끝단에는 연료레일(40)내부의 압력, 즉 각 인젝터(41)에 걸리는 연료의 압력을 검출하는 연료압력센서(42)가 장착된다.
따라서, 연료탱크(10)에서 저압펌프(11)의 작동으로 엔진까지 공급된 연료는 캠 축에 의해 동작하는 고압펌프(21)에 의해 설정된 소정의 압력, 바람직하게는 120bar정도까지 가압되어 연료레일(40)에 공급된다.
이때, 연료레일(40)의 끝단에 장착되는 연료압력센서(42)는 연료레일(40)에 형성되는 압력을 검출하여 도시되지 않은 엔진제어수단에 인가한다.
따라서, 엔진제어수단은 운전 조건별 최적 압력을 유지하도록 연료압력 피드백(Feed back)제어를 한다.
고압펌프는 피스톤이 캠 축과 일체형으로 제작된 로브에 의해 상하왕복운동을 하면서 연료를 가압하는 용적식 펌프로써, 행정당 최대 토출 유량은 피스톤이 만드는 부피 궤적에 해당한다.
고압펌프에는 제어밸브가 장착되며, 제어밸브가 닫혀 있는 경우에만 연료가 송출된다.
따라서, 제어밸브의 닫힘 시간을 조정하여 고압펌프의 토출량을 제어할 수 있다.
예를 들어, 엔진 회전수와 부하로 결정되는 특정의 운전조건에서 목표 연료압력이 결정되면 엔진제어수단은 제어밸브의 닫힘 시간을 제어함으로써 연료레일(40)에는 목표 연료압력이 형성되도록 피드백 제어한다.
연료레일(40)에 형성되는 연료압력이 운전조건에 따라 결정되는 목표 연료압력으로 유지시키기 위해서는 인젝터(41)로 분사되는 연료량(Minj) 만큼을 고압펌프(21)의 작동을 통해 지속적으로 연료공급량(Mpump)을 유지하여야 한다.
만약, 고압펌프(21)를 통한 연료공급량(Mpump)이 인젝터(41)에 의한 분사량(Minj)을 초과하면 연료레일(40) 내부의 압력은 상승하게 되고, 반대의 경우는 연료레일(40) 내부의 압력은 감소된다.
따라서, 엔진제어수단은 연료압력센서(42)를 통해 검출되는 연료레일(40)의 압력에 따라 고압펌프(21)에 장착되는 제어밸브의 닫힘 시간을 조정하여 운전조건에 따라 결정되는 목표 연료압력으로 상시 유지한다.
연료에 메탄올이나 에탄올의 함량이 늘어나면 이론 공연비의 변화로 인해 동일 부하조건에서 더 많은 연료량을 분사해 주어야 하며, 그에 따라 더 많은 연료를 송출하기 위해 고압펌프에 장착되는 제어밸브의 닫힘 시간은 증가한다.
즉, 메탄올/에탄올의 함량이 증가할수록 동일 부하조건에서 가솔린 100% 대지 제어밸브의 닫힘 시간이 증가하게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 에탄올 비율 학습장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
본 발명은 엔진회전수 검출부(101)와 흡기압 검출부(103), 공기량 검출부(105), 연료압력 검출부(107), 제어부(109), 인젝터(111) 및 고압펌프(113)를 포함한다.
엔진회전수 검출부(101)는 크랭크 샤프트 혹은 캠 샤프트의 위상 변화로부터 엔진 회전수를 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(109)에 인가한다.
흡기압 검출부(101)는 인테이크 매니폴더에 장착되어, 연소실로 흡입되는 공기의 압력을 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(109)에 인가한다.
공기량 검출부(105)는 인테이크 매니폴더에 장착되어 연소실로 흡입되는 공기량을 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(109)에 인가한다.
연료압력 검출부(107)는 캠축으로 동작되는 고압펌프(113)의 연료 압송으로 연료레일에 형성되는 압력을 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(109)에 인가한다.
제어부(109)는 엔진회전수, 부하의 조건이 고압펌프(113)에 장착되는 제어밸브의 제어조건을 만족하는지 판단하여 제어조건을 만족하면 흡기압, 공기량, 연료레일 압력 등의 운전조건에 따라 목표 연료압력을 결정하고 제어밸브의 닫힘 시간을 조정하여 연료레일의 압력을 목표 압력으로 유지한다.
상기 제어밸브의 닫힘 시간은 연료압력 검출부(107)에서 검출되는 정보에 따라 피드백 제어를 실행하여 목표 압력을 유지시킨다.
또한, 상기 제어부(109)는 연료레일을 목표 연료압력으로 유지하기 위해 닫힘 시간이 조정되는 제어밸브의 비례 제어값을 추출한 다음 저역 통과필터를 통해 필터링하여 비례 제어값을 제어밸브 닫힘 시간 학습값으로 저장한다.
상기 제어부(109)는 메탄올/에탄올 함유량에의 증가에 따라 고압펌프에 장착되는 제어밸브의 닫힘 시간도 비례 증가하는 특성을 이용하여 메탄올/에탄올의 함유량을 근사적으로 판정하여 학습값으로 저장한다.
그리고, 상기 제어밸브의 닫힘 시간에 대한 학습값과 메탄올/에탄올 함유량의 학습값을 기 설정된 테이블에 적용하여 시동 및 가감속 연료량의 보정량을 추출하여 인젝터(111)를 통해 대응되는 연소실에 분사한다.
인젝터(111)는 상기 제어부(109)의 제어에 따라 노즐의 개폐가 제어되어 산출된 연료량을 각각의 연소실에 분사한다.
고압펌프(113)는 캠 축에 의해 작동되어 연료탱크에서 공급되는 연료를 설정된 일정 압력, 바람직하게는 120bar의 압력으로 가압하여 연료레일에 공급한다.
전술한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명의 동작은 다음과 같다.
엔진 시동이 온 되면 제어부(109)는 엔진 회전수, 흡기압, 공기량 등을 포함하는 운전정보를 검출하여(S102), 엔진 회전수 및 부하가 고압펌프(113)에 장착되는 제어밸브의 제어조건을 만족하는지 판단한다(S103).
상기 제어밸브의 제어조건은 엔진 회전수와 부하의 변동이 설정된 일정수준 이하로 일정시간 이상을 유지하는 스테디(Steady) 엔진조건이다.
상기 S103에서 제어밸브의 제어조건을 만족하면 제어부(109)는 현재의 엔진 회전수, 흡기압, 공기량, 연료레일 압력 등의 운전조건에 따라 목표 연료압력을 결정하고 이에 따라 고압펌프(113)에 장착되는 제어밸브의 제어량을 결정한다(S104).
이후, 제어부(109)는 상기 고압펌프(113)에 장착되는 제어밸브의 닫힘 시간 을 조정하여 연료레일의 압력이 목표 압력으로 유지되도록 하며, 연료압력 검출부(107)에서 검출되는 정보에 따라 피드백 제어를 실행한다(S105).
상기와 같이 연료레일을 목표 연료압력으로 유지하기 위해 고압펌프(113)에 장착되는 제어밸브의 닫힘 시간이 조정되는 비례 제어값을 추출한 다음(S106) 저역 통과필터를 통해 필터링하여 비례 제어값을 제어밸브 닫힘 시간 학습값으로 저장한다(S107).
그리고, 제어부(109)는 엔진 회전수 및 부하 변동, 흡기압, 연료레일 압력, 공기량 등의 정보를 종합 분석하여 메탄올/에탄올 학습조건을 만족하는지 판단한다(S108).
상기 메탄올/에탄올 학습조건은 엔진 회전수 및 부하의 변동이 일정값 이하로 설정된 일정시간 이상을 유지하고, 흡기압이 설정된 기준압(95KPa) 이상이며, 엔진 회전수가 설정된 기준 회전수(2000RPM) 이상이고, 주유 후 일정시간이 경과되어 연료레일에 충분히 혼합된 연료가 도달된 상태이며, 각종 센서의 고장이 없는 상태 모두를 만족하는 조건이다.
상기 S108의 판단에서 메탄올/에탄올 학습조건을 만족하면 상기 제어부(109)는 메탄올/에탄올 함유량에의 증가에 따라 고압펌프에 장착되는 제어밸브의 닫힘 시간도 비례 증가하는 특성을 이용하여 메탄올/에탄올의 함유량을 근사적으로 판정하여 학습값으로 저장한다(S109).
그리고, 상기 S107에서 학습한 제어밸브의 닫힘 시간에 대한 학습값과 메탄올/에탄올의 함유량 학습값을 하기의 표 2와 같이 설정되는 테이블에 적용하여 시동 및 가감속 연료량의 보정량을 결정하고(S110) 인젝터(111)를 통해 연소실에 분 사한다(S111).
함유량 학습값(→)
담힘 시간 학습값(↓)		 0 5 10 15 20 25 30
0 0 0 0 0 0 0 0
5 0 7 7 7 7 7 7
10 0 7 14 14 14 14 14
15 0 7 14 20 20 20 20
20 0 7 14 20 25 25 25
25 0 7 14 20 25 30 30
30 0 7 14 20 25 30 35
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 직접 분사방식 엔진의 에탄올 비율 학습장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 직접 분사방식 엔진에서 에탄올 비율 학습 절차를 도시한 흐름도이다.
도 3은 직접 분사방식이 적용되는 엔진의 연료 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101 : 엔진회전수 검출부 103 : 흡기압 검출부
105 : 공기량 검출부 107 : 연료압력 검출부
109 : 제어부 111 : 인젝터

Claims (9)

  1. 고압펌프가 장착되는 직접 분사방식의 엔진에 있어서,
    엔진 회전수를 검출하는 엔진회전수 검출부;
    연소실로 흡입되는 공기압을 검출하는 흡기압 검출부;
    연소실로 흡입되는 공기량을 검출하는 공기량 검출부;
    상기 고압펌프의 연료 압송으로 연료레일에 형성되는 압력을 검출하는 연료압력 검출부;
    상기 고압펌프에 장착되는 제어밸브의 제어조건을 만족하면 목표 연료압력을 결정하여 제어밸브의 닫힘 시간을 조정 및 학습하고, 메탄올/에탄올 함유량을 학습하는 제어부;
    를 포함하며,
    상기 제어부는 제어밸브의 비례 제어값 및 닫힘 시간에 따른 에탄올 연료 함유량 학습값에 따라 연료 보정을 실시하는 직접 분사방식 엔진의 에탄올 비율 학습장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 제어밸브의 닫힘 시간을 연료레일의 압력에 따라 피드백 제어하여 목표 압력을 유지하는 직접 분사방식 엔진의 에탄올 비율 학습장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 메탄올/에탄올 함유량에 따라 제어밸브의 닫힘 시간이 비례 하는 특성을 이용하여 함유량을 근사적으로 판정 학습하는 직접 분사방식 엔진의 에탄올 비율 학습장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 제어밸브의 닫힘 시간에 대한 학습값과 메탄올/에탄올 함유량의 학습값을 기 설정된 테이블에 적용하여 보정 연료량을 결정하는 직접 분사방식 엔진의 에탄올 비율 학습장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 제어밸브의 닫힘 시간의 학습은 비례 제어값을 적용하는 직접 분사방식 엔진의 에탄올 비율 학습장치.
  6. 엔진의 운전조건이 고압펌프에 장착되는 제어밸브의 제어조건인지 판단하는 과정;
    제어밸브의 제어조건이면 운전조건에 따른 제어량을 결정하여 닫힘 시간을 조정하며 비례 제어값을 닫힘 시간 학습값으로 결정하는 과정;
    메탄올/에탄올 학습조건을 만족하면 제어밸브의 닫힘 시간으로부터 메탄올/에탄올의 함유량을 근사적으로 판정하여 함유량 학습값으로 결정하는 과정;
    닫힘 시간 학습값과 함유량 학습값에 따라 보정 연료량을 결정하는 과정;
    을 포함하는 직접 분사방식 엔진의 에탄올 비율 학습방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어밸브의 제어조건은 엔진 회전수 및 부하 변동이 일정값 이하로 설정된 일정시간 이상 유지되는 조건으로 설정되는 직접 분사방식 엔진의 에탄올 비율 학습방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 비례 제어값을 저역 통과 필터링하여 닫힘 시간 학습값으로 결정하는 직접 분사방식 엔진의 에탄올 비율 학습방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 메탄올/에탄올 학습조건은 엔진 회전수 및 부하의 변동이 일정값 이하로 설정된 일정시간 이상 유지하고, 흡기압이 기준압 이상이며, 엔진 회전수가 기준 회전수 이상이고, 주유후 일정시간이 경과하였고, 센서 고장이 없는 상태 모두를 만족하는 조건으로 설정되는 직접 분사방식 엔진의 에탄올 비율 학습방법.
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