KR20010038021A

KR20010038021A - 직접 분사식 내연기관의 연료시스템 진단방법 및 진단 제어 시스템

Info

Publication number: KR20010038021A
Application number: KR1019990045826A
Authority: KR
Inventors: 이승욱
Original assignee: 김덕중; 사단법인 고등기술연구원 연구조합
Priority date: 1999-10-21
Filing date: 1999-10-21
Publication date: 2001-05-15

Abstract

본 발명은 고압연료펌프의 이상 및 고압연료관의 노화 또는 누유에 대해 구체적으로 검증할 수 있는 연료시스템 진단방법 및 진단 제어 시스템에 관한 것으로서, 진단방법은 직접 분사식 내연기관 연료시스템의 이상을 검출하는 진단방법에서 연료압력센서로 실제연료압력을 검출하는 압력검출단계, 목표연료압력에 대한 실제연료압력의 압력편차를 감소시키기 위해 피드백 연료 압력제어를 실행하는 압력제어단계, 실제연료압력을 모니터링하여 연료시스템의 비정상을 검출하는 시스템 진단단계, 정상이지만 압력편차가 지속되면 고압연료관의 누유를 진단하는 누설연료 검출단계, 상기 시스템 진단단계에서 소정의 연소모드를 강제로 희박 연소모드와 균질 연소모드로 변환시키면서 진단하는 연소모드 변환단계, 그 연소모드 변환단계와 함께 시스템의 비정상 부위를 검출하는 비정상 검출단계 및 비정상이 검출되면 소정의 균질 연소모드에서 피드백 공연비 제어를 실행하는 균질 연소모드 실행단계를 포함하여 이루어진다. 이에 따라, 종래의 연료시스템 진단방법에서 진단하지 못하는 고압연료펌프의 이상 및 고압연료관의 노화 또는 누유에 대해 구체적으로 검증할 수 있는 효과를 나타낸다.

Description

직접 분사식 내연기관의 연료시스템 진단방법 및 진단 제어 시스템{FUEL SYSTEM DIAGNOSIS METHOD OF DIRECT INJECTION TYPE AN INTERNAL-COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 직접 분사식 내연기관의 연료시스템 진단방법 및 진단 제어 시스템에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 종래의 연료시스템 진단방법을 개량하여 고압연료펌프의 이상 및 고압연료관의 노화 또는 누유에 대해 구체적으로 검증할 수 있는 연료시스템 진단방법 및 진단 제어 시스템에 관한 것이다.

직접 분사식 내연기관은 인젝터로 연소실 내에 직접 연료를 분사하는 방식으로, 흡기 매니폴드에 연료를 분사하여 연료와 공기를 혼합한 후 연소실에 분사시키는 방식에 비해 연소 안전성이 뛰어나고 초희박 상태에서의 연소가 가능한 방식이다. 이러한 내연기관은 통상 가솔린을 연료로 사용하는 엔진이다.

직접 분사식 가솔린 엔진은 최근에 고압 인젝터 기술 등의 발전과 연비 향상의 필요성이 증가하면서 개발되기 시작하였으며, 이러한 엔진은 부분부하 운전시 40:1 정도의 초희박운전이 가능한 연소 시스템을 적용하여 연비의 획기적인 향상을 가져온다.

직접 분사식 가솔린 엔진의 연소모드는 성층연소모드, 희박연소모드 또는 균질연소모드 사이에서 전환된다.

성층연소모드는 점화 플러그 주위에 연료를 농후하게 만드는 연료혼합기(공기와 연료의 혼합)의 성층화를 위해서 압축행정중에 연료를 분사시킨다.

희박연소모드는 성층연소모드와 후술하는 균질연소모드 사이의 천이구간이 크기 때문에 모드 변화의 용이성과 운전성의 향상을 위하여 보강하는 연소모드로서, 연료혼합기를 희박공연비로 조성하고 강한 공기유동으로 연소속도를 보강하기 위하여 흡기행정 중반에서 압축행정 초반중에 연료를 분사시킨다.

균질연소모드는 연소혼합기의 균일성을 위하여 흡기행정 초기에 분사를 종료시킨다.

이와 같은 연소모드의 전환은 여러 엔진 작동 상태에 대한 정보를 근거로 하여 연소모드를 성층연소모드, 희박연소모드 또는 균질연소모드로 전환한다.

상술한 연소모드를 채용한 직접 분사식 가솔린 엔진은 연소실 내에 직접연료분사가 가능하도록 좀 더 효율적인 연소를 위하여 연료 압력을 증가시키는 고압연료펌프와, 연료압력을 목표연료압력(엔진작동 상태에 따라 결정되는 압력)으로 피드백 제어하는 데 사용되는 연료압력센서로 구성된다.

이러한 구성을 포함하는 직접 분사식 가솔린 엔진은 대한민국 특허공개번호 제99-23929호에서 제안하는 진단방법 및 시스템에 의해서 연료 시스템에 대한 정확한 진단이 가능하다.

즉, 진단방법 및 시스템은 실제 연료 압력을 검출하는 구성요소, 목표연료압력에 대한 연료압력센서에 의해 검출된 실제연료압력의 압력 편차를 감소시키기 위하여 피드백 연료압력제어를 실행하는 압력제어요소, 실제연료압력을 모니터링 함으로써 연료 시스템의 비정상을 검출하는 비정상 검출요소, 비정상이 검출되면 화학량론적 균질 급기 연소모드와 같은 농후연소모드에서 피드백 공연비 제어를 실행하는 농후 연소모드 실행요소, 및 농후연소모드의 엔진 작동 중에 피드백 공연 제어의 실행을 모니터링 함으로써 비정상이 연료압력센서의 프로세스에 기인하는지의 여부를 판정하는 진단부를 포함하며, 진단방법 및 시스템은 연료 압력 제어시스템과 공연비 제어시스템 모두에서의 거동을 모니터링 함으로서 연료시스템의 이상을 정확하게 검출함을 제공하고 있다.

전술한 종래의 진단방법 및 시스템에서는 연료압력센서 또는 연료펌프용 구동 솔레노이드의 단선이나 회로 단락과 같은 고장을 통상적으로 검출하는 것과 연료압력센서 또는 연료펌프 구동 솔레노이드의 고장을 구체적으로 찾아 고장의 증상 및 고장 부위를 검출하도록 구성되었으나, 구체적인 비정상 부위를 찾아주지 못하고 있어 고압연료시스템의 노화 또는 누유에 의하여 연료압력이 일정한 편차를 가지고 있는 경우에도 무조건 제어요소의 고장으로 판단하는 단점과 고압연료펌프에 대한 고장을 판단하지 못하는 단점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 종래의 연료시스템 진단방법을 개량하여 고압연료펌프의 이상 및 고압연료관의 노화 또는 누유에 대해 구체적으로 검증할 수 있는 연료시스템 진단방법 및 진단 제어 시스템를 제공하고자 한다.

도 1은 본 발명에 관련된 엔진시스템을 도시한 개략도,

도 2는 도 1의 엔진시스템에서 제어유니트에 의해 실행되는 피드백 연료압력 제어 루틴에 대한 흐름도,

도 3과 도 3a는 도 1의 제어유니트에서 실행되는 주요 진단 루틴에 대한 흐름도,

도 4는 도 1의 엔진 시스템에서 연료압력센서의 특성을 도시한 선도,

도 5는 고압 레귤레이터의 기본 특성을 도시한 선도,

도 6은 도 1의 엔진 시스템에서 고압펌프의 기본 특성을 도시한 선도,

도 7은 본 발명의 고안을 통한 엔진 시스템의 실시예를 도시한 개략도,

도 8은 도 1의 제어 유니트에 의해 형성된 진단 제어 시스템을 도시한 블록 선도.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

1:엔진 2:연소실

3:연료분사기 4:흡기밸브

5:흡기관 6:점화플러그

7:배기밸브 8:배기관

9:저압연료펌프 10:연료탱크

11:연료필터 12:고압연료펌프

13:고압 레귤레이터 14:고압 연료관

15:제어유니트 16:크랭크 각도센서

17:공기유량계 18:연료압력센서

19:산소센서

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 다음과 같은 진단방법 및 진단 제어 시스템을 제공한다.

진단방법은 직접 분사식 내연기관 연료시스템의 이상을 검출하는 진단방법에서 연료압력센서로 실제연료압력을 검출하는 압력검출단계, 목표연료압력에 대한 실제연료압력의 압력편차를 감소시키기 위해 피드백 연료 압력제어를 실행하는 압력제어단계, 실제연료압력을 모니터링하여 연료시스템의 비정상을 검출하는 시스템 진단단계, 정상이지만 압력편차가 지속되면 고압연료관의 누유를 진단하는 누설연료 검출단계, 상기 시스템 진단단계에서 소정의 연소모드를 강제로 희박 연소모드와 균질 연소모드로 변환시키면서 진단하는 연소모드 변환단계, 그 연소모드 변환단계와 함께 시스템의 비정상 부위를 검출하는 비정상 검출단계 및 비정상이 검출되면 소정의 균질 연소모드에서 피드백 공연비 제어를 실행하는 균질 연소모드 실행단계를 포함하여 이루어진다.

진단방법에서, 목표연료압력은 변수 또는 상수로 선택하는 선택변수 입력값에 의하여 결정되어지되 목표연료압력이 변수로 선택될 경우에는 엔진회전수와 엔진부하를 나타내는 흡기관의 공기량과 같은 엔진 작동 변수에 따라 결정되고, 목표연료압력이 상수로 될 경우에는 연료압력의 제어목표로 하나의 상수항으로 결정된다.

그리고 시스템 진단단계는 목표연료압력 대비 연료압력센서로부터 수집한 현재의 연료압력 사이의 차이가 일정수준 이상으로 정해진 시간 이상을 유지하고 상기 현재의 연료압력이 목표연료압력 이상 또는 이하인지를 판단하여 제어장치의 이상 또는 고압연료관의 이상인지를 판단한다.

또한 누설연료 검출단계는 연료압력 차이가 일정수준 이하이지만 목표연료압력 대비 지속적으로 일정오차를 유지하면 고압연료관의 노화 또는 누설연료의 발생을 검출한다.

진단방법에서, 비정상 검출단계는 목표 연료압력에 대한 실제연료압력의 편차를 모니터링함으로써 실행되고, 상기 시스템 진단단계는 차량의 운전성과 연소안전성을 고려하여 현재의 연소모드에서 균질연소모드로 전환하고 여기에서 순차적으로 희박 연소모드와 성층연소모드로 전환하면서 목표공연비 대비 실제 공연비의 편차에 대한 피드백 공연비제어에서 발생되는 신호를 모니터링함으로써 연료시스템이 광범위한 공연비 운전조건에 대하여 다양하게 진단을 할 수 있는 진단과정을 실행한다.

여기서, 시스템 진단단계는 공연비 제어의 피드백 보정량이 정해진 상한값 또는 하한값 중 하나에 고정되면 연료압력센서의 이상을 나타내고, 피드백 보정량이 상한값 또는 하한값에 고정되지 않으면 고압 레귤레이터의 진단으로 진행한다.

이어서, 상기 고압 레귤레이터의 진단은 1차적으로 발생한 압력편차가 양수이거나 음수이면 레귤레이터를 닫거나 열어 압력편차가 없거나 음수 또는 양수로 변경되면 고압폄프의 이상으로 판단한다.

그리고, 고압 레귤레이터의 조절에 의한 압력편차의 변화가 없고 상기 시스템 진단단계에서 압력편차가 양수 또는 음수인지의 여부에 따라 정해진 공연비 값에 대한 피드백 보정량의 편차가 양수 또는 음수로 나타나면 고압 레귤레이터의 이상으로 판정한다.

직접 분사식 내연기관의 연료시스템의 이상을 검출하는 진단 제어 시스템은 실제연료압력을 검출하는 연료압력센서, 목표연료압력에 대한 상기 연료압력센서에 의해 검출된 실제연료압력의 압력편차를 감소시키기 위해 피드백 연료 압력제어를 실행하는 압력제어부, 상기 실제연료압력을 모니터링하여 연료시스템의 비정상을 검출하는 비정상 검출부, 정상이지만 연료압력이 목표치 대비 일정한 수준으로 낮은 압력이 일정시간 이상 지속되면 고압연료관의 노화 또는 누설연료를 진단하는 누설연료 진단부, 비정상 검출부에서 비정상이 검출되면 균질연소모드, 희박연소모드 순으로 전환하면서 피드백 공연비 제어를 실행하는 연소모드 전환부 및 피드백 공연비 제어를 모니터링하면서 비정상이 연료압력센서에 기인하는지 여부를 판정하는 진단부를 포함하여 이루어진다.

진단 제어 시스템에서, 연료압력센서 이외의 진단은 연료압력편차가 목표연료압력 대비 낮거나 높으면 1차적으로 고압 솔레노이드를 닫거나 열어 압력편차에 변화가 발생하면 고압펌프의 이상으로 판정하고, 변화가 없으면 희박연소모드, 성층연소모드 순으로 전환하면서 피드백 공연비 제어를 실행하고 정해진 공연비에 대한 실제 공연비의 공연비 편차와 피드백 공연비 제어의 피드백 보정량을 모니터링한다.

전술한 진단 제어 시스템에서, 연료시스템의 진단결과를 제어유니트에서 보관하여 자동차의 정비시 사용하며, 진단결과에 대해 운전자가 인지할 수 있도록 표시 또는 경고하는 출력부를 더 포함하여 이루어진다.

이하 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명에 관련된 엔진시스템을 개략적으로 도시하고 있다.

엔진시스템은 엔진의 실린더로 연료와 공기를 적절하게 혼합하도록 구성되며, 도면 부호 1인 엔진은 직접 분사식 불꽃 점화 기관으로서 연소실(2) 내부로 직접 연료를 분사하는 다수의 연료분사기(3), 이들 각각의 연료분사기(3)에 대응되는 흡기밸브(4)를 갖춘 흡기관(5), 점화플러그(6) 및 배기밸브(7)를 갖춘 배기관(8)로 이루어진다.

외기는 흡기관(5)으로 유입되어 흡기밸브(4)를 통해 연소실(2)로 유입된다. 연료분사기(3)는 연료를 연소실(2)로 강력하게 분사하여 연소실(2)로 유입된 외기와 충분히 혼합하여 공연혼합물을 발생시키고, 점화플러그(6)는 전기불꽃에 의해 공연혼합물을 점화시킨다.

연소후 발생된 배출가스는 연소실(2)로부터 배기관(8)의 배기밸브(7)를 통하여 배출되고, 촉매변환기(도시생략)와 머플러(도시 생략)를 통과하면서 오염물질이 제거되어 대기로 방출된다.

저압연료펌프(9)는 엔진(1)과 연결된 연료탱크(10)의 내부에 설치되어 연료탱크(10)로부터 연료를 토출시킨다. 토출된 연료는 연료필터(11)를 통과하면서 저압(3~4 bar)으로 유지된 채 고압연료펌프(12)로 유입된다.

고압연료펌프(12)는 엔진(1)의 캠축에 직접 연결되어 구동되며 저압연료펌프(10)로부터 공급된 연료를 고압(70 bar)으로 증가시킨다.

고압 레귤레이터(13)는 PWM(Pulse Width Modultion)으로 구동되어 고압연료펌프(12)로부터 배출된 연료의 압력을 일정수준으로 제어시킴에 따라 연료분사기(3)로 공급되는 연료의 압력을 제어하며, 그 결과 연료압력을 제어시키는 제어시스템으로서 작용한다.

고압연료관(14)은 연료를 일정한 압력으로 각각의 연료분사기(3)에 공급시킨다.

제어유니트(15)는 자동차와 엔진(1)의 작동상태에 따라서 결정·제어된 펄스신호를 각각의 연료분사기(3)에 보냄으로써, 연료분사기(3)는 연료분사시기에 맞춰 목표연료압력으로 제어된 연료를 연소실(2)로 분사시킨다. 이러한 예의 제어유니트(15)는 주 구성요소로 전자제어장치를 포함한다.

제어유니트(15)의 작동에 필요한 입력정보는 입력부에서 수집되어지되, 입력부는 엔진 및 자동차의 여러가지 작동상태를 검출하거나 운전자의 명령을 수집하는 입력장치로써 역할을 한다.

도 1에서 입력부는 엔진(1)의 크랭크 샤프트 각도 검출용 크랭크 각도센서(16), 흡기관(5)측에 설치되어 흡기량을 검출하는 공기 유량계(17)(또는 공기유량센서), 연료압력센서(18), 그리고 배기관(8)의 하류측에 설치되어 배출가스의 함유량을 검출함으로서 실제 공연비를 결정하는 산소센서(19)를 포함한다. 크랭크 각도센서(16)는 연료분사시기와 엔진의 회전수 및 연료펌프의 회전수를 계산하는데 사용된다.

연료압력센서(18)는 고압연료펌프(12)로부터 연료분사기(3)로 전달되는 연료의 압력을 검출한다. 이들 센서에 의해 발생된 신호는 제어유니트(15)로 전달된다. 전달된 입력정보에 따라 제어유니트(15)는 각각의 연료분사기(3)로 보내는 연료 분사 펄스 신호의 펄스 폭을 제어함으로써 연료 분사량을 제어하고, 또한 연료분사 기(3)도 제어한다.

도 2는 도 1의 엔진시스템에서 제어유니트(15)에 의해 실행되는 피드백 연료압력 제어 루틴에 대한 흐름도이다.

단계 S0에서, 목표연료압력을 변수로 할 것인지 상수로 할 것인지 선택하는 선택변수 입력값에 의하여 결정된다.

단계 S1~0에서, 단계 S0에서 결정한 선택변수 입력값인 하나의 상수항을 목표연료압력의 제어목표값으로 제어유니트에서 인식한다.

단계 S1~1에서는, 단계 S0에서 결정한 선택변수 입력값이 변수로 되면, 엔진회전수와 엔진 부하를 나타내는 흡기관의 공기량과 같은 엔진 작동 변수에 따라 목표연료압력을 결정한다. 이 목표연료압력은 엔진회전수와 흡기관의 공기량을 변수로 하는 2차원 보간 테이블로 결정된다.

단계 S2에서, 연료압력센서에 의해 검출된 실제연료압력을 판독한다.

단계 S3에서, 실제연료압력을 피드백 받아 목표연료압력에 대한 실제연료압력 사이의 압력편차를 결정하고, 이 압력편차로부터 피드백 압력 제어량을 산출한다.

단계 S4에서, 제어유니트는 결정된 피드백 압력 제어량에 해당하는 듀티비를 발생시킨다.

단계 S5에서, 듀티비에 해당하는 연료압력 제어신호를 고압연료관에 설치된 고압 레귤레이터 내의 듀티 솔레노이드로 보낸다.

이와 같은 피드백 압력 제어시스템은 적어도 제어유니트, 연료압력센서 및 고압 레귤레이터로 구성된다.

도 3은 시스템의 이상 상태를 검출하는 주요 진단 루틴에 대한 흐름도이다.

단계 S10에서, 제어유니트는 목표연료압력(TFP)에 대하여 실제연료압력(RFP)이 더 크고, 압력편차(ΔP)가 오차범위(EFP)(소정의 압력편차)와 비교시 같거나 큰지 또는 적은지 여부를 판정한다.

이때 압력편차(ΔP)가 정해진 오차범위(EFP)보다 더 크면 이 후 단계로 이행한다. 오차범위(EFP)의 결정은 목표연료압력(TFP)이 높으면 오차범위(EFP)는 증가하고 목표연료압력(TFP)이 낮으면 감소하므로, 이 오차범위(EFP)는 목표연료압력(TFP)에 일정한 오차한계비율(2~5%)을 곱하여 목표연료압력 추종여부를 검출한다.

단계 S11에서는, 압력편차(ΔP)가 정해진 오차범위(EFP)를 벗어나면 이 후 단계인 S12로 진행하고, 벗어나지 않으면 단계 S20으로 진행한다.

단계 S12는, 압력편차(ΔP)의 발생시간이 정해진 시간한계(TEP)를 벗어났는지 판단한다. 이런 압력편차(ΔP)의 발생시간이 정해진 시간한계(TEP) 이상으로 지속되면 연료시스템의 이상 발생으로 판정하고 단계 S13으로 진행한다.

한편, 단계 S20에서 압력편차의 발생시간이 다르게 정해진 시간한계(DTEP)를 벗어나면 고압연료관 누유를 검출한다. 그렇치 않으면 종료한다.

단계 S13에서, 제어유니트는 공연비가 산소센서에 의해 검출된 이론공연비에 따라서 피드백 공연비 제어가 될 수 있도록 현재의 연소상태가 성층연소모드이거나 희박연소모드이면 강제적으로 균질연소모드가 되도록 공연비를 점진적으로 변화시킨다.

이것은 현재 자동차 및 운전자의 운전조건이 어떻든지 상관없이 전 단계에서 연료시스템의 진단모드로 진입했으므로 비정상 상태를 찾아내기 위해서 안정된 연소가 가능하도록 강제적으로 운전모드를 전환하도록 하는 것이다.

단계 S14에서, 제어유니트는 현재의 연소모드에서 피드백 공연비 제어의 피드백 공연비 보정량을 결정한다. 피드백 공연비 보정량은 P제어(proportion control), I제어(integral control)의 혼합된 제어법칙에 따라 결정된다.

단계 S15에서, 제어유니트는 피드백 공연비 제어의 피드백 보정량이 기준 공연비에 해당하는 기준값의 상하로 한계치를 벗어나는지의 여부를 판정하는 변수로서 결정한다. 기준공연비는 엔진의 연소모드에 따라 달라지므로 엔진 회전수별 부하에 따라 기준공연비를 정해주는 테이블을 둔다.

만일 피드백 보정량이 상한치 또는 하한치로 정해진 시간을 유지하면 제어유니트는 단계 S16으로 진행되고 연료압력센서의 이상으로 판정한다. 이렇게 연료압력센서에 의해 발생된 센서 신호가 비정상이면 비정상 센서신호로부터 산출된 연료분사량은 정확하지 않으므로 제어 시스템은 연료분사량을 적절하게 제어할 수 없다. 그래서 제어시스템은 오차를 보정하는 방향으로 피드백 보정량을 증가시키거나 감소시킴에 따라 피드백 보정량은 상한치 또는 하한치를 유지하게 되는 것이다. 이 결과가 희박연소모드에서도 동일하게 발생되면 연료압력센서의 이상을 결정하고 균질연소모드의 운전으로 진입한다.

만일 피드백 보정량이 상한치와 하한치를 일정하게 유지하지 못하고 계속 왕복하면서 진동하면 제어유니트는 연료압력센서에 이상이 아니라고 판단하고, 또한 피드백 공연제어는 정상임을 고려하여 후술하는 고압 레귤레이터의 진단루틴으로 진입한다.

연료압력 제어시스템의 비정상은 공연비 제어시스템의 제어실행에 영향을 미친다. 이러한 관계를 검사함으로써, 이 제어시스템의 공연비 제어가 허용범위 안에 있다면 연료압력센서는 적절한 기능을 유지한다.

또한, 피드백 보정량이 상한치와 하한치를 계속 왕복하면서 진동한다면 압력센서는 정상적으로 연료 압력을 측정하고 있는 것이며 이 압력에 따라 고압 레귤레이터가 연료의 압력을 제어하지 못하기 때문에 진동이 발생한다.

고압 레귤레이터의 진단 루틴으로 진입했을 때에는 전체 엔진시스템에서, 비정상 상태가 연료시스템에서 검출되면 연소모드를 성층연소모드, 희박연소모드에서부터 최종적으로 균질 연소모드로 상태를 전환하여 최대한 엔진의 안정성을 유지하도록 한다.

한편, 고압 레귤레이터의 진단 알고리즘은 목표연료압력과 실제연료압력 사이의 차에 의한 압력편차의 대수부호와 피드백 보정량의 대수부호의 비교에 의한 조합으로서 진단구조를 이루고 있다. 그리고 제어시스템은 피드백 연료 압력 제어를 실행하지만 검출된 연료압력에 의하여 기본 연료 분사량을 보정하지 않는다.

도 3a에 도시한 바와 같이 단계 S30에서, 우선 압력편차(TFP-RFP)의 대수부호를 판단하여 대수부호가 0이고 압력편차의 연속시간이 시간한계(TEP)와 같거나 크면 고압 레귤레이터는 정상으로 작동되는 것으로 판단한다.

만일 압력편차(TFP-RFP)가 양수이거나 음수인 상태로 정해진 시간한계(TEP)를 계속 유지하면 진단모드 상태에서 단계 S31에서와 같이 압력편차가 양수이면 고압 레귤레이터 내부의 솔레노이드가 닫히도록 하고, 압력편차가 음수이면 솔레노이드가 열리도록 작동시켜 압력의 변화를 관찰한다.

단계 S32에서는 압력이 변화하여 목표연료압력에 접근하면 고압펌프의 이상이며 고압 솔레노이드는 이상이 없는 것으로 판정한다.

듀티비의 강제 구동으로 판정이 불가능하면 단계 S33과 단계 S34에서, 실제연료압력의 감소 또는 증가에 응답하여 피드백 공연비 보정량은 연료 분사량의 변동을 억제하기 위해서 증가하거나 감소하고 피드백 공연비 보정량의 편차는 양수 또는 음수가 된다.

그러므로 제어유니트는 압력편차가 음수이고 공연비 보정치가 양수일 때 연료압력센서의 검출값을 상한값에 고정시키기 위해서 비정상상태에 있음을 판정한다. 압력편차가 양수이고 공연비 보정치가 음수일 때 제어유니트는 연료압력센서의 검출값을 하한값에 고정시키는 비정상상태가 발생했음을 판정한다.

고압 레귤레이터에 대해서 개방밸브측에 고정되면, 실제연료압력은 목표연료압력 이하로 감소되고, 편차는 양수가 된다. 이러한 실제연료압력의 감소에 응답하여 기본연료 분사량은 감소되고 피드백 공연비 보정량은 증가되고, 공연비 보정편차는 양수가 된다.

고압 레귤레이터가 폐쇄밸브측에 고정되면 실제연료압력은 목표연료압력 이상으로 증가되고, 압력편차는 음수가 된다. 이러한 실제연료압력의 증가에 응답하여 기본연료 분사량은 증가하고 피드백 공연비 보정량은 감소하여 공연비 보정량 편차는 음수가 된다.

그러므로 단계 S35에서 제어시스템은 압력편차와 공연비 보정편차 모두 양수가 되면 고압 레귤레이터를 개방측에 고정시키는 비정상상태에 있음을 판정한다. 압력편차와 공연비 보정편차가 음수이면 제어시스템은 고압 레귤레이터가 폐쇄측에 고정되는 비정상상태에 있음으로 판정한다.

한편, 단계 S17에서는 균질연소모드에서 연료시스템을 진단한 결과를 바탕으로 상이한 연소조건과 광범위한 공연비 영역 그리고 다양한 연료분사조건에서도 같은 결과를 나타내는지 검증하는 것을 목적으로 연소모드를 희박연소모드 또는 성층연소모드로 전환하는 부분이다. 초기에는 단계 S13과 같이 언제나 균질연소모드에서 진단이 이루어지므로 균질연소모드 조건 진단이 이루어진 후에는 희박연소모드에서 진단이 이루어지고 다음 루틴에서는 성층연소모드에서 진단이 이루어진다.

현재의 운전 조건에서 희박연소모드 또는 성층연소모드로의 진입이 완료됐을 때에는 단계 S14에서부터 연료시스템 진단이 진행되며 현재의 운전조건이 연소모드 전환에 적합치 않은 조건일 경우에는 단계 S19에서 연료시스템 진단이 완료되었는지 판단하여 진단 완료가 안되었을 경우에는 현재의 연소모드(균질연소모드 또는 희박연소모드)에서 단계 S10부터 진단루틴을 계속 수행하면서 연료압력의 정상 유무와 비정상 부위를 모니터링하면서 운전조건이 희박연소모드 또는 성층연소모드 진입이 가능한 조건으로 바뀌었을 때 단계 S14로 진입하여 연료시스템 진단을 계속 수행한다.

연료압력센서는 도 4에 도시한 바와 같은 특성을 갖는다. 고압 레귤레이터는 도 5에 도시한 바와 같이 듀티비에 대한 연료압력의 변경으로 그 특성이 결정된다. 고압연료펌프는 도 6에 도시한 바와 같이 엔진 회전수에 대해서 토출압의 효율을 그 특성으로 한다.

도 7은 본 발명에 관련된 엔진 시스템의 실시예를 도시한 개략도이다.

엔진 시스템은 연료탱크(30)와 전기모터에 의해 구동되는 저압연료펌프(31), 엔진(32)의 캠축에 의해 구동되는 고압연료펌프(33), 제어유니트(34)로부터 받은 연료압력 제어신호에 응답하여 연료압력을 제어하는 고압 레귤레이터(35) 및 각각의 실린더(36)에 대응되게 설치된 연료분사기(37)와 점화플러그(38)를 포함한다.

크랭크 각도센서(39)는 크랭크의 각 위치를 나타내는 신호를 발생시켜 각각의 유니트에 크랭크 각도의 신호를 보내는 모듈과 캠축 회전에 대한 기준 신호를 발생시키는 캠 각도센서(40) 모듈로 실린더별 위치를 감지하는 모듈을 갖는다. 또한 연료분사기(37)를 구동하는 분사기 구동유니트(41), 운전자에 의해 작동되는 엑셀레이터 페달(42), 엑셀레이터 페달(42)의 위치를 검출하는 위치센서(43), 흡기량을 제어하는 전자제어스로틀(44)을 갖는다. 제어유니트(34)는 도 1에 도시한 바와 같은 방식으로 도 2의 고압연료 제어루틴과 도 3의 진단루틴을 실행한다.

도 8은 도 2와 도 3의 제어루틴을 종합하여 도 7과 같은 엔진시스템에 적용한 흐름도이다.

연료압력 측정부(S50)는 연료분사기로 공급되는 실제연료압력을 측정하는 센서부이다. 이것은 도 2의 단계 S2에 해당하는 부분이며 압력 측정은 연료압력센서에 의해 이루어진다. 피드백 연료압력 제어부(S51)는 목표연료압력 대비 검출된 실제연료압력의 압력편차를 감소시키기 위해 피드백 연료압력 제어신호를 발생시킨다. 이것은 도 2의 단계 S3에 해당한다.

비정상 판단부(S52)는 실제연료압력이 목표연료압력에 이르는 상태를 모니터링 함으로써 엔진의 연료시스템의 비정상을 검출한다. 이는 도 3의 단계 S10에서 단계 S12에 해당한다.

비정상이 아니라 하더라도 현재의 압력 제어상태가 목표치 대비 일정한 오차를 가지고 계속 추종하면 고압연료관의 누유 여부를 검출하는 고압연료관 누유 검출부(S53)를 거치도록 했으며 이는 도 3의 단계 S12에 해당한다.

연소모드 전환부(S54)는 비정상 운전상태가 검출되면 현재의 연소모드에서 강제로 균질연소모드로 전환된 후 진단 로직에 따라 순차적으로 희박연소모드로 전환하고 이상이 없으면 최적의 연소모드로 되돌아가게 하는 부분이다. 이는 도 3의 단계 S13에 해당한다.

연료시스템 진단부(S55)는 현재의 연소모드에서 공연비 피드백 보정량을 산출함으로서 비정상부가 연료압력센서인지 아니면 다른 부분인지 판단하는 부분이다. 이는 도 3의 단계 S14에 해당한다.

엔진작동상태부(S56)는 엔진의 현재 엔진회전수와 가중되는 부하의 정도를 판단하여 엔진 각 부위의 상태를 예측 또는 검출한다.

연소제어부(S57)는 엔진작동상태부(S56)의 데이터를 근거로 최적의 연소상태를 판단하여 공연비의 피드백 제어 및 엔진의 구동력 제어를 포함한 연소모드를 제어하는 부분이며 엔진의 이상이 검출되었을 경우에는 진단모드로 진입하여 엔진의 작동상태에 관계없이 안정된 연소를 유지하도록 한다.

엔진구동부(S58)는 연소제어부(S57)의 결과에 따라 엔진을 구동시킨다.

경고 및 진단결과 보관부(S59)는 연료시스템 진단의 진단결과는 보관 또는 출력하는 부분이다. 출력부는 진단결과에 대해서 운전자가 인지할 수 있도록 표시하고 경고하는 형태의 장치를 말한다. 또한 자동차에 정비에 필요하도록 현재의 진단결과를 코드의 형태로 제어장치에 보관하고 여타의 정해진 장비에서 읽어볼 수 있도록 하는 기능을 포함한다.

진단항목으로는 연료압력의 과동한 편차, 연료압력센서의 오류, 고압 레귤레이터의 오류, 고압연료펌프의 오류, 고압연료관의 누유 또는 증발가스 발생 등을 포함하며 여기에는 전기적인 단락이나 합선 등에 대한 진단도 포함된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예는 종래의 문제점을 실질적으로 해소하고 있다.

즉, 종래의 연료시스템 진단방법에서 진단하지 못하는 고압연료펌프의 이상 및 고압연료관의 노화 또는 누유에 대해 구체적으로 검증할 수 있는 효과를 나타낸다.

앞서 밝힌 연료시스템 진단방법 및 진단제어시스템은 연소모드 전환이 균질연소모드, 희박연소모드 또는 성층연소모드와 같은 구조를 가지고 있는 경우 뿐만 아니라 균질연소모드와 성층연소모드의 구조를 가지고 있는 경우에도 적용 가능하다. 고압 레귤레이터는 고압연료관의 리턴부에 장착되어 있는 경우의 발명이지만 이외에 고압연료펌프에 장착되어 있는 구조의 시스템에도 적용이 가능하다.

Claims

직접 분사식 내연기관 연료시스템의 이상을 검출하는 진단방법에 있어서,

연료압력센서로 실제연료압력을 검출하는 압력검출단계;

목표연료압력에 대한 상기 실제연료압력의 압력편차를 감소시키기 위해 피드백 연료 압력제어를 실행하는 압력제어단계;

상기 실제연료압력을 모니터링하여 연료시스템의 비정상을 검출하는 시스템 진단단계;

정상이지만 압력편차가 지속되면 고압연료관의 누유를 진단하는 누설연료 검출단계;

상기 시스템 진단단계에서 소정의 연소모드를 강제로 희박 연소모드와 균질 연소모드 또는 성층연소모드로 변환시키면서 진단하는 연소모드 변환단계;

상기 연소모드 변환단계와 함께 시스템의 비정상 부위를 검출하는 비정상 검출단계; 및

비정상이 검출되면 소정의 균질 연소모드에서 피드백 공연비 제어를 실행하는 균질 연소모드 실행단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 분사식 내연기관의 연료시스템 진단방법.
제1항에 있어서, 상기 목표연료압력은 변수 또는 상수로 선택하는 선택변수 입력값에 의하여 결정되어지되 목표연료압력이 변수로 선택될 경우에는 엔진회전수와 엔진부하를 나타내는 흡기관의 공기량과 같은 엔진 작동 변수에 따라 결정되고, 목표연료압력이 상수로 될 경우에는 연료압력의 제어목표로 하나의 상수항으로 결정되는 것을 특징으로 하는 직접 분사식 내연기관의 연료시스템 진단방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 시스템 진단단계는 목표연료압력 대비 연료압력센서로부터 수집한 현재의 연료압력 사이의 차이가 일정수준 이상으로 정해진 시간 이상을 유지하고 상기 현재의 연료압력이 목표연료압력 이상 또는 이하인지를 판단하여 제어장치의 이상 또는 고압연료관의 이상인지를 판단하며,

상기 누설연료 검출단계는 연료압력 차이가 일정수준 이하이지만 목표연료압력 대비 지속적으로 유지하면 고압연료관의 노화 또는 증발가스의 발생을 검출하고,

상기 비정상 검출단계는 목표 연료압력에 대한 실제연료압력의 편차를 모니터링함으로써 실행되고, 상기 시스템 진단단계는 현재의 연소모드에서 균질연소모드로 전환하고 여기에서 순차적으로 희박 연소모드로 전환하면서 목표공연비 대비 실제 공연비의 편차에 대한 피드백 공연비제어에서 발생되는 신호를 모니터링함으로써 실행되는 것을 특징으로 하는 직접 분사식 내연기관의 연료시스템 진단방법.
제3항에 있어서, 상기 시스템 진단단계는 공연비 제어의 피드백 보정량이 정해진 상한값 또는 하한값 중 하나에 고정되면 연료압력센서의 이상을 나타내고, 피드백 보정량이 상한값 또는 하한값에 고정되지 않으면 고압 레귤레이터의 진단으로 진행하는 것을 특징으로 하는 직접 분사식 내연기관의 연료시스템 진단방법.
제4항에 있어서, 상기 고압 레귤레이터의 진단은 1차적으로 발생한 압력편차가 양수이거나 음수이면 레귤레이터를 닫거나 열어 압력편차가 없거나 음수 또는 양수로 변경되면 고압폄프의 이상으로 판단하고,

상기 고압 레귤레이터의 조절에 의한 압력편차의 변화가 없고 상기 시스템 진단단계에서 압력편차가 양수 또는 음수인지의 여부에 따라 정해진 공연비 값에 대한 피드백 보정량의 편차가 양수 또는 음수로 나타나면 고압 레귤레이터의 이상으로 판정하는 것을 특징으로 하는 직접 분사식 내연기관의 연료시스템 진단방법.
직접 분사식 내연기관의 연료시스템의 이상을 검출하는 진단 제어 시스템에 있어서,

실제연료압력을 검출하는 연료압력센서;

목표연료압력에 대한 상기 연료압력센서에 의해 검출된 실제연료압력의 압력편차를 감소시키기 위해 피드백 연료 압력제어를 실행하는 압력제어부;

상기 실제연료압력을 모니터링하여 연료시스템의 비정상을 검출하는 비정상 검출부;

정상이지만 연료압력이 목표치 대비 일정한 수준으로 낮은 압력이 일정시간 이상 지속되면 고압연료관의 노화 또는 누설연료를 진단하는 연료누설 진단부;

상기 비정상 검출부에서 비정상이 검출되면 균질연소모드, 희박연소모드 및 성층연소모드 순으로 전환하면서 피드백 공연비 제어를 실행하는 연소모드 전환부;

피드백 공연비 제어를 모니터링하면서 비정상이 연료압력센서에 기인하는지 여부를 판정하는 진단부; 및

연료시스템의 진단결과를 제어유니트에서 보관하여 자동차의 정비시 사용하며 진단결과에 대해 운전자가 인지할 수 있도록 표시 또는 경고하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 진단제어시스템.