KR101509958B1 - 인젝터 특성 보정 장치 - Google Patents

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이형주
유학모
이지행
장두진
조강희
이시광
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 인젝터 특성 보정 장치에 관한 것으로서, 특히 연료 분사를 위한 인젝터의 구동시 구동 반도체에서 편차 보정 기능을 수행하여 편차 보상 대응 속도를 향상시킬 수 있도록 하는 기술이다. 이러한 본 발명은, 인젝터의 동작을 제어하기 위한 제어 펄스를 생성하는 마이크로 컨트롤 유닛, 및 인젝터의 구동 특성을 검출하여 연산 처리하고, 인젝터의 분사 타이밍 편차에 대응하여 제어 펄스의 분사 타이밍을 보상하는 구동 반도체를 포함한다.

Description

인젝터 특성 보정 장치{Device for correction an injector characteristic}
본 발명은 인젝터 특성 보정 장치에 관한 것으로서, 특히 연료 분사를 위한 인젝터의 구동시 구동 반도체에서 편차 보정 기능을 수행하여 편차 보상 대응 속도를 향상시킬 수 있도록 하는 기술이다.
근래의 자동차 엔진은 연료를 공급할 때, 엔진의 각종 센서로부터 데이터를 입력받는다. 그리고, 데이터를 바탕으로 제어유닛(ECU)이 연료의 공급량을 결정하고, 결정된 양의 연료 공급은 연료를 분사하는 인젝터(injector)에서 수행하게 된다.
차량의 엔진 계통에는 연료를 공급 분사하기 위한 연료 인젝터가 장착되는데, 특히 디젤 엔진 차량에는 연소실 내부로 직접 연료를 분사하도록 인젝터가 장착된다.
연료분사장치의 한 예로서 커먼 레일 시스템(common rail system)은 고압펌프에서 연료를 레일로 공급하게 된다. 그리고, 제어유닛(ECU)에서 레일의 압력을 압력센서로부터 받아 레일(rail)의 압력을 제어하게 되며, 연료분사신호를 보내 연료를 분사하게끔 되어 있다.
이 커먼 레일 시스템에서는 엔진 블록의 중앙에 진동계(Accelerometer)를 부착하고, 여기서 발생하는 신호를 매시간 마다 학습하여 파일럿(pilot) 연료량을 인젝터(injector) 상태에 맞게 조정하도록 되어 있다.
이러한 소량 분사는 동일 인젝터에서 수차례 반복적으로 분사하더라도 일정 편차 내에서 관리가 되어야 본래의 기능을 다 할 수 있기 때문에 파일럿 분사나 포스트 분사의 연료량 관리는 매우 중요한 요소이다.
또한, 2017년부터 유럽에서 강화된 새로운 배기 가스 규제인 유로(Euro) 6+의 시행을 앞두고 있다. 이를 위해, 선진 자동차 업체는 해당 법규 대응이 가능한 기술 개발에 집중하고 있다.
유로(Euro) 6+ 배기 가스 규제의 핵심은 미세먼지 배출 수에 대한 강화된 규격이 적용된다는 것이다. 미세먼지 배출 수를 줄이기 위한 핵심 기술은 다중 분사(Multi injection)이다.
이 다중 분사는 한번에 많은 양의 연료를 엔진에 주입하는 것과는 달리 연료 주입 시간을 여러 번 나누어 적은 양의 연료를 엔진에 주입하는 방식이다. 이는 일시에 많은 양의 연료를 주입하는 것에 대비하여 미세 먼지 배출 개수를 줄일 수 있는 장점이 있다.
이러한 다중 분사 방식의 핵심 기술은 짧은 시간에 기존대비 적은 양의 연료를 정확하게 엔진에 주입하는 것으로 연료를 주입하는 인젝터의 정밀 제어가 반드시 필요하다.
도 1은 일반적인 인젝터의 연료 분사량과 분사시간과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 인젝터의 경우 연료 분사 시간이 줄어들수록 연료 분사량과 분사 시간과의 연관성이 비선형 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
이렇게 연료 분사량과 분사 시간과의 연관성이 비선형적으로 나타나는 경우 정확한 연료량을 예측하거나 제어하기가 어렵다. 이에 따라, 이러한 비선형 특성을 보상할 수 있는 기술 개발이 반드시 필요하다.
본 발명은 연료 분사를 위한 인젝터의 구동시 구동 반도체에서 편차 보정 기능을 수행하여 편차 보상 속도를 향상시키고 마이크로 컨트롤 유닛(MCU; Micro Control Unit)의 연산 부하를 절감시킬 수 있도록 하는 특징을 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 인젝터 특성 보정 장치는, 인젝터의 동작을 제어하기 위한 제어 펄스를 생성하는 마이크로 컨트롤 유닛; 및 인젝터의 구동 특성을 검출하여 연산 처리하고, 인젝터의 분사 타이밍 편차에 대응하여 제어 펄스의 분사 타이밍을 보상하는 구동 반도체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
위의 구동 반도체는 인젝터의 구동 특성을 검출하는 인젝터 특성 검출부; 인젝터 특성 검출부의 출력을 데이터 값으로 변환하는 데이터 처리부; 데이터 처리부로부터 인가된 데이터에 대응하여 인젝터의 분사 타이밍에 대한 편차 보정 데이터를 생성하는 마이크로 코어부; 제어 펄스에 상기 편차 보정 데이터를 반영하여 보정 클록을 생성하는제어부; 및 보정 클록에 대응하여 인젝터의 구동을 제어하는 출력 구동부를 포함한다.
그리고, 인젝터 특성 검출부는 인젝터의 구동 전압을 센싱하는 전압센서; 인젝터의 구동 전류를 센싱하는 전류센서; 및 전압센서 및 전류센서의 출력 중 어느 하나를 선택하는 선택부를 포함한다.
또한, 데이터 처리부는 인젝터 특성 검출부로부터 인가되는 신호를 디지털 데이터로 변환하는 데이터 변환부; 디지털 변환부로부터 인가되는 디지털 데이터를 필터링하는 디지털 필터부; 및 디지털 필터부의 출력 데이터를 저장하는 메모리를 포함한다.
또한, 마이크로 코어부는 편차 보정 데이터가 기 설정된 값을 벗어나는 경우 구동 반도체를 초기화시킨다.
또한, 구동 반도체는 마이크로 컨트롤 유닛과 인터페이스를 수행하는 인터페이스부를 더 포함한다.
그리고, 인터페이스부는 직렬/병렬 인터페이스(SPI; Serial Parallel Interface) 통신을 수행한다.
그리고, 마이크로 코어부는 인젝터의 분사값이 과소 타이밍인 경우 인젝터의 구동 타이밍을 늘리도록 편차를 보정하고, 인젝터의 분사값이 과대 타이밍인 경우 인젝터의 구동 타이밍을 줄이도록 편차를 보정한다.
또한, 마이크로 컨트롤 유닛은 구동 반도체로부터 신호 보정 정보를 수신하여 신호처리하는 구동 제어부; 및 구동 제어부의 제어에 따라 제어 펄스를 생성하는 제어펄스 생성부를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 인젝터 특성 보정 장치는, 인젝터의 구동 특성을 검출하는 인젝터 특성 검출부; 인젝터 특성 검출부의 출력을 데이터 값으로 변환하는 데이터 처리부; 데이터 처리부로부터 인가된 데이터에 대응하여 인젝터의 분사 타이밍에 대한 편차 보정 데이터를 생성하는 마이크로 코어부; 제어 펄스에 편차 보정 데이터를 반영하여 보정 클록을 생성하는제어부; 및 보정 클록에 대응하여 인젝터의 구동을 제어하는 출력 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 구동 반도체가 직접 외부 인젝터의 특성 변화를 파악하여 상황에 맞는 대응 알고리즘 구현이 가능하고 구현 알고리즘을 자유롭게 변경하는 것이 가능하다.
둘째, 연료 분사를 위한 인젝터의 구동시 구동 반도체에서 편차 보정 기능을 수행하여 인젝터의 특성 파악 이후에 편차 보상에 대한 대응 속도를 향상시킬 수 있도록 한다.
셋째, 구동 반도체에서 인젝터 특성을 평가하기 위한 연산을 수행하므로 마이크로 컨트롤 유닛(MCU; Micro Control Unit)의 연산 부하를 절감시킬 수 있도록 한다.
넷째, 메인 마이크로 컨트롤 유닛에 신호를 전달하는 경우의 수가 줄어들어 불필요한 전류 소모를 제거함으로써 구동 반도체의 전력 소모를 감소시킬 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
아울러 본 발명의 실시예는 예시를 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 일반적인 인젝터의 연료 분사량과 분사시간과의 관계를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인젝터 특성 보정 장치의 구성도.
도 3은 도 2의 구동 반도체에 관한 상세 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 인젝터의 연료 분사량과 분사 시간과의 연관성을 나타낸 그래프.
도 5는 도 2의 마이크로 컨트롤 유닛에 관한 상세 구성도.
도 6은 본 발명의 실시예에서 인젝터별 편차를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 실시예에서 목표 대비 과소 타이밍 보상을 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 실시예에서 목표 대비 과대 타이밍 보상을 나타낸 그래프.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인젝터 특성 보정 장치의 구성도이다.
본 발명의 실시예는 마이크로 컨트롤 유닛(MCU; Micro Control Unit)(100), 구동 반도체(200) 및 인젝터(300)를 포함한다.
여기서, 마이크로 컨트롤 유닛(100)은 구동 반도체(200)로부터 인터페이스 신호를 입력받고, 인젝터(300)의 동작을 제어하기 위한 제어 펄스를 생성한다.
그리고, 구동 반도체(200)는 마이크로 컨트롤 유닛(100)으로부터 인가되는 제어 펄스에 따라 인젝터(300)의 분사 타이밍을 보상하여 구동 제어신호를 출력한다. 그리고, 구동 반도체(200)는 인젝터(300)의 구동 특성을 나타내는 신호를 검출하여 연산 처리하고 인젝터(300)의 분사 타이밍 편차 보상시 이를 반영한다.
즉, 구동 반도체(200)는 인젝터(300)의 구동시 매번 인젝터(300)의 특성을 검출한 후 다음 분사 동작시 검출된 정보를 바탕으로 하여 직접 인젝터(300)의 연료 분사 시간을 조절한다.
인젝터(300)는 구동 반도체(200)로부터 인가되는 구동 제어신호에 따라 분사 타이밍이 보상된 상태에서 연료를 분사한다. 또한, 인젝터(300)는 구동 특성을 나타내는 신호를 구동 반도체(200)로 출력한다. 여기서, 인젝터(300)의 구동 특성을 나타내는 신호는 인젝터(300)의 분사시 소모되는 전압 또는 전류가 있을 수 있다.
도 3은 도 2의 구동 반도체(200)에 관한 상세 구성도이다.
구동 반도체(200)는 인젝터 특성 검출부(210), 데이터 처리부(220), 마이크로 코어부(230), 제어부(240), 출력 구동부(250) 및 인터페이스부(260)를 포함한다.
여기서, 인젝터 특성 검출부(210)는 인젝터(300)의 구동 전압 또는 구동 전류를 센싱하여 데이터 처리부(220)에 출력한다. 이러한 인젝터 특성 검출부(210)는 전압센서(211), 전류센서(212) 및 선택부(213)를 포함한다.
전압센서(211)는 인젝터(300)의 양단 노드에 연결되어 인젝터(300)의 구동시 소모되는 전압을 센싱한다. 그리고, 전류센서(212)는 인젝터 구동부(310)와 연결되어 인젝터(300)의 구동시 소모되는 전류를 센싱한다.
선택부(213)는 전압센서(211), 전류센서(212)의 출력 중 어느 하나의 출력을 선택하여 데이터 처리부(220)에 출력한다. 여기서, 선택부(213)의 선택 동작은 마이크로 코어부(230)에 의해 제어될 수 있다.
그리고, 데이터 처리부(220)는 인젝터 특성 검출부로부터 인가되는 전압 또는 전류 값을 데이터 값으로 변환하여 마이크로 코어부(230), 인터페이스부(260)에 출력한다. 이러한 데이터 처리부(220)는 데이터 변환부(221), 디지털 필터부(222) 및 메모리(223)를 포함한다.
데이터 변환부(221)는 인젝터 특성 검출부(210)로부터 인가되는 전압 또는 전류 값을 디지털 데이터로 변환한다. 그리고, 디지털 필터부(222)는 데이터 변환부(221)로부터 인가되는 디지털 데이터를 필터링하여 노이즈를 제거한다. 또한, 메모리(223)는 디지털 필터부(222)로부터 인가되는 데이터를 저장한다.
또한, 마이크로 코어부(230)는 메모리(223)에 저장된 데이터를 리드하여 인젝터(300)의 분사 타이밍에 대한 편차 보정 데이터를 생성한다. 즉, 마이크로 코어부(230)는 메모리(223)에 저장된 데이터를 이용하여 인젝터(300)의 구동 특성을 파악한 후 보정이 필요한 경우 드라이버 제어신호를 변경하여 편차를 보정한다.
또한, 마이크로 코어부(230)는 편차의 보정량이 기 설정된 값을 벗어나는 경우(예를 들면, 상회하는 경우) 외부 로드에 이상이 생긴 상황으로 판단하여 구동 반도체(200)를 초기화시킬 수 있다.
그리고, 제어부(240)는 마이크로 컨트롤 유닛(100)으로부터 인젝터(300)의 분사 타이밍을 제어하기 위한 제어 펄스를 입력받는다. 그리고, 제어부(240)는 마이크로 컨트롤 유닛(100)으로부터 인가된 제어 펄스에 마이크로 코어부(230)로부터 인가된 보정 데이터를 반영하여 보정 클록을 생성한다.
출력 구동부(250)는 제어부(240)는 제어부(240)로부터 인가되는 보정 클록에 대응하여 인젝터 구동부(310)의 구동을 제어하여 인젝터(300)를 구동한다.
인터페이스부(260)는 메모리(223)에 저장된 데이터를 리드하여 마이크로 컨트롤 유닛(100)과 인터페이스를 수행한다. 즉, 인터페이스부(260)는 메모리(223)에 저장된 보정 데이터를 마이크로 컨트롤 유닛(100)에 전송한다. 여기서, 인터페이스부(260)는 직렬/병렬 인터페이스(SPI; Serial Parallel Interface) 통신을 통해 마이크로 컨트롤 유닛(100)과 데이터를 송수신할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 인젝터의 연료 분사량과 분사 시간과의 연관성을 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 발명은 도 1을 참조하면, 구동 반도체(200)에서 연료 분사 시간에 대한 편차를 조정하므로 목표 분사량과 실제 분사량과의 차이가 거의 없다.
특히, 연료 주입 시간을 여러 번 나누어 적은 양의 연료를 엔진에 주입하는 다중 분사(Multi injection) 동작에 있어서, 초기 분사 시간 동안 분사량을 적게 제어한다.
즉, 본 발명의 실시예는 마이크로 컨트롤 유닛(300)을 거치지 않고 구동 반도체(200)에서 직접 분사 타이밍의 편차를 보정하므로 보정 값의 반영이 매우 빨라지게 된다. 이에 따라, 인젝터(300) 구동 시간의 편차값에 대응하여 다중 분사 동작의 중간 또는 초기에 분사량의 조절이 가능하다.
종래기술의 도 1에서와 같이, 인젝터(300)의 동작시 연료 분사 시간이 줄어들수록 연료 분사량과 분사 시간과의 연관성이 비선형 특성을 나타낼 수 있다. 하지만, 본 발명의 실시예에서는 초기 분사 시간 동안 분사량을 줄여 분사 특성이 선형적으로 나타날 수 있도록 한다. 이렇게 연료 분사량과 분사 시간과의 연관성이 선형적으로 나타나는 경우 정확한 연료량을 예측하거나 제어할 수 있다.
도 5는 도 2의 마이크로 컨트롤 유닛(100)에 관한 상세 구성도이다.
마이크로 컨트롤 유닛(100)은 제어펄스 생성부(110), 구동 제어부(120)를 포함한다.
여기서, 제어펄스 생성부(110)는 구동 제어부(120)의 제어에 따라 인젝터(300)의 구동을 제어하기 위한 제어 펄스를 생성하여 구동 반도체(200)에 송신한다.
그리고, 구동 제어부(120)는 구동 반도체(200)의 인터페이스부(260)로부터 인가되는 보정 데이터를 입력받아 구동 반도체(200)의 신호 보정 여부 및 신호 보정 정보를 파악할 수 있다. 즉, 구동 제어부(120)는 구동 반도체(200)와 직렬/병렬 인터페이스 통신을 통해 데이터를 송수신할 수 있다.
그리고, 구동 제어부(120)는 구동 반도체(200)로부터 인가되는 신호 보정 정보를 신호 처리하여 제어펄스 생성부(110)의 동작을 제어한다. 만약, 구동 반도체(200)의 신호 보정량이 기 설정된 값을 상회하는 경우 구동 제어부(120)는 구동 반도체(200)에 오류가 발생한 것으로 판단한다. 이에 따라, 구동 제어부(120)는 제어펄스 생성부(110)를 초기화시켜 제어 펄스가 생성되지 않도록 한다.
도 6은 본 발명의 실시예에서 인젝터별 편차를 나타낸 그래프이다.
도 6에서 (A) 는 다중 분사 방식에서 마이크로 컨트롤 유닛(100)으로부터 구동 반도체(200)로 제공되는 인젝션 제어 펄스의 파형을 나타낸다. 구동 반도체(200)는 이 제어 펄스가 토글링하여 인가되는 경우 인젝터(300)를 온 시켜 구동시킨다.
그리고, 구동 반도체(200)는 제어 펄스 (A)의 인에이블 타이밍에 동기하여 인젝터(300)의 분사 타이밍을 제어한다. 구동 반도체(200)는 (B)와 같이 인젝터(300)의 목표 분사값을 설정한다.
도 6의 (C)는 인젝터(300)의 분사값의 편차가 목표 분사값 보다 짧은 경우를 나타내고, (D)는 인젝터(300)의 분사값의 편차가 목표 분사값 보다 긴 경우를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에서 목표 대비 과소 타이밍 보상을 나타낸 그래프이다.
만약, 도 7에서와 같이 목표 분사값 대비 실제 인젝터(300)의 분사값 편차가 짧은 경우 마이크로 코어부(230)는 보정 데이터를 제어펄스 (A)에 반영한다. 이에 따라, 제어부(240)는 인젝션 구동 펄스의 활성화 타이밍(로우 레벨)을 더 길게 지연시켜 인젝터(300)의 구동 시간이 제어 펄스 (A) 보다 더 길어지도록 편차를 보정한다.(E)
이러한 경우 목표 분사값 대비 실제 인젝터의 분사값에 대한 과소 타이밍을 보상하여 (F)와 같은 파형을 얻을 수 있도록 한다. 여기서, 보정 이후에 분사값 파형 (F)는 목표 분사값 (B)와 거의 유사해 지는 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에서 목표 대비 과대 타이밍 보상을 나타낸 그래프이다.
만약, 도 8에서와 같이 목표 분사값 대비 실제 인젝터(300)의 분사값 편차가 긴 경우 마이크로 코어부(230)는 보정 데이터(G)를 제어펄스 (A)에 반영한다. 이에 따라, 제어부(240)는 인젝션 구동 펄스의 활성화 타이밍(로우 레벨)을 더 짧게 제어하여 인젝터(300)의 구동 시간이 제어 펄스 (A) 보다 더 짧아지도록 편차를 보정한다.(G)
이러한 경우 목표 분사값 대비 실제 인젝터의 분사값에 대한 과대 타이밍을 보상하여 (H)와 같은 파형을 얻을 수 있도록 한다. 여기서, 보정 이후에 분사값 파형 (H)는 목표 분사값 (B)와 거의 유사해 지는 것을 알 수 있다.

Claims (13)

  1. 삭제
  2. 인젝터의 동작을 제어하기 위한 제어 펄스를 생성하는 마이크로 컨트롤 유닛; 및
    상기 인젝터의 구동 특성을 검출하여 연산 처리하고, 상기 인젝터의 분사 타이밍 편차에 대응하여 상기 제어 펄스의 분사 타이밍을 보상하는 구동 반도체를 포함하고,
    상기 구동 반도체는
    상기 인젝터의 구동 특성을 검출하는 인젝터 특성 검출부;
    상기 인젝터 특성 검출부의 출력을 데이터 값으로 변환하는 데이터 처리부;
    상기 데이터 처리부로부터 인가된 데이터에 대응하여 상기 인젝터의 분사 타이밍에 대한 편차 보정 데이터를 생성하는 마이크로 코어부;
    상기 제어 펄스에 상기 편차 보정 데이터를 반영하여 보정 클록을 생성하는제어부; 및
    상기 보정 클록에 대응하여 상기 인젝터의 구동을 제어하는 출력 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 인젝터 특성 보정 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 인젝터 특성 검출부는
    상기 인젝터의 구동 전압을 센싱하는 전압센서;
    상기 인젝터의 구동 전류를 센싱하는 전류센서; 및
    상기 전압센서 및 상기 전류센서의 출력 중 어느 하나를 선택하는 선택부를 포함하는 것을 특징으로 하는 인젝터 특성 보정 장치.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 데이터 처리부는
    상기 인젝터 특성 검출부로부터 인가되는 신호를 디지털 데이터로 변환하는 데이터 변환부;
    상기 디지털 변환부로부터 인가되는 디지털 데이터를 필터링하는 디지털 필터부; 및
    상기 디지털 필터부의 출력 데이터를 저장하는 메모리를 포함하는 것을 특징으로 하는 인젝터 특성 보정 장치.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 마이크로 코어부는 상기 편차 보정 데이터가 기 설정된 값을 벗어나는 경우 상기 구동 반도체를 초기화시키는 것을 특징으로 하는 인젝터 특성 보정 장치.
  6. 제 2항에 있어서, 상기 구동 반도체는
    상기 마이크로 컨트롤 유닛과 인터페이스를 수행하는 인터페이스부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인젝터 특성 보정 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 인터페이스부는 직렬/병렬 인터페이스(SPI; Serial Parallel Interface) 통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 인젝터 특성 보정 장치.
  8. 제 2항에 있어서, 상기 마이크로 코어부는 상기 인젝터의 분사값이 과소 타이밍인 경우 상기 인젝터의 구동 타이밍을 늘리도록 편차를 보정하고, 상기 인젝터의 분사값이 과대 타이밍인 경우 상기 인젝터의 구동 타이밍을 줄이도록 편차를 보정하는 것을 특징으로 하는 인젝터 특성 보정 장치.
  9. 제 2항에 있어서, 상기 마이크로 컨트롤 유닛은
    상기 구동 반도체로부터 신호 보정 정보를 수신하여 신호처리하는 구동 제어부; 및
    상기 구동 제어부의 제어에 따라 상기 제어 펄스를 생성하는 제어펄스 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 인젝터 특성 보정 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
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