KR100231278B1 - 자동차 엔진의 공연비제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자동차 엔진의 공연비제어방법에 관한 것으로, 종래에는 가속이나 감속이 과도하게 일어나는 과도운전시에는 공연비의 범위가 삼원촉매컨버터의 정화율이 좋은 범위(A)를 벗어나 범위(A) 좌우측의 정화율이 보다 저하되는 범위(B)에 있게 되어 배출가스가 증가하게 된다. 그 이유는 분사된 연료가 흡기포트나 흡입밸브에 부착되어 분사량이 100% 연소실에 흡입되지 않으므로 공연비가 목표값에서 틀리게 되어 리치/린 스파크현상이 일어는 문제가 있다.
본 발명은 예시도면 도 3과 같이, 가속과 감속이 과도한 운전시 흡기포트의 벽면에 달라붙어 충분한 연료가 연소실로 공급되지 못하거나, 급감속에 의해 상기 흡기포트 벽면에서 액상이 된 연료가 흡입행정시 분사된 연료와 흡입공기에 더해져 연소실로 들어가므로 생기는 린/리치 스파이크현상을 제거할 수 있는 효과가 있다.

Description

자동차 엔진의 공연비제어방법
본 발명은 자동차 엔진의 공연비제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가속과 감속 등이 과도한 운전시에 삼원촉매컨버터의 정화효율이 좋은 공연비 범위내에서 컴퓨터 유닛의 분사량제어가 이루어질 수 있게 한 자동차 엔진의 공연비제어방법에 관한 것이다.
전자제어 연료분사장치가 구비되어 있는 자동차에 있어서, 상기 연료분사장치는 크게 3가지 계통으로 구성되어 있는 바, 첫번째는 엔진 연소실에 공기를 공급하는 흡기계통(air intake system), 두번째는 연료를 공급하는 연료계통(fuel system), 세번째는 엔진의 운전상태에 따라 가장 알맞은 연료 공급량을 결정하고 지시하는 전자제어계통(electronic control system)이다.
상기한 부분중 전자제어계통은 엔진의 여러가지 운전조건에 따라 최적의 연료량을 공급하도록 연료분사 인젝터에 대하여 밸브 열림시간을 명령하는 연료분사장치의 중추에 해당하는 것으로, 상기한 전자제어계통의 기본 구성을 예시도면 도 1에 도시하였는 바, 흡입 공기량을 검출하는 에어밸브(2), 스로틀 밸브의 열림정도를 검출하는 스로틀 포지션 센서(3), 엔진의 냉각수온도를 검출하는 수온센서(4), 흡입공기온도를 검출하는 흡입온도 센서(5) 및, 분사타이밍과 엔진 회전수 검출의 점화코일(6), 시동신호 검출의 점화스위치(7)와, 산소센서(8) 등의 각 센서들로부터 입력된 정보를 분석하여 연료분사 인젝터에 최적의 열림시간을 결정하고 명령하는 컴퓨터 유닛(ECU)(1)으로 구성되어 있다.
상기한 컴퓨터 유닛(1)에 의해 콘트롤되는 실제의 연료분사량은 기본 분사량에 각종 보조증량을 더한 것으로, 다수의 보조증량이 조립되어 있는데 이들은 모두 엔진의 운전조건 변화에 따라 결정되는 것이다.
상기한 센서들중 산소센서(8)는 배기내의 산소농도를 검출하여 컴퓨터 유닛(1)에서 공연비 피드백(feed back)을 제어케하여 삼원촉매컨버터(미도시)의 정화효율을 극대화하는 수단이다.
이러한 공연비 피드백제어는 엔진시동이 이루어지면 14.7:1의 이론공연비에 맞추도록 하여 배기가스를 저감시키고 연비를 향상시키기 위해 이루어지는 것으로, 산소센서(8)의 전압값을 일정한 기준값과 비교하여 혼합기가 이론공연비보다 희박한가 농후한가를 판별하여 희박할 때는 일정한 비율로 증량 보정을 하고, 농후할 때는 감량 보정을 한다.
그리고, 엔진이 차가워진 상태에서 시동할 경우, 엔진이 완전히 폭발한 후 수십초간은 연료 증량을 하는데 저온 시동 직후에는 가솔린의 기체화가 좋지 않기 때문에 혼합기가 희박하면 엔진이 쉽게 꺼질 수 있기 때문이다.
예시도면 도 2는 공연비와 배출가스의 관계를 나타낸 그래프로, 연소온도가 최대로 되는 15∼16:1의 공연비에서 질소산화물(NOx)의 발생량은 증가되고, 혼합기가 희박하거나 농후하면 연소 온도가 낮아져 질소산화물의 발생량은 감소한다.
일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)는 농후한 혼합기에서 증가되고, 너무 희박한 혼합기에서도 증가된다.
그런데, 공연비의 변동이 커지면 삼원촉매컨버터의 정화율이 가장 좋은 범위(A)를 벗어나 배출가스중 질소산화물이 증가하게 하게 되나, 공연비를 정밀하게 제어하면 공연비의 변동이 적어져 삼원촉매컨버터의 정화율이 높은 범위(A)내에서 운전이 가능하다.
그러나, 가속이나 감속이 과도하게 일어나는 과도운전시에는 공연비의 범위가 삼원촉매컨버터의 정화율이 좋은 범위(A)를 벗어나 범위(A) 좌우측의 정화율이 보다 저하되는 범위(B)에 있게 되어 배출가스가 증가하게 된다. 그 이유는 분사된 연료가 흡기포트(14)나 흡입밸브(15)에 부착되어 분사량이 100% 연소실에 흡입되지 않으므로 공연비가 목표값에서 틀리게 되는 일이 일어난다.
즉, 가속페달을 급격히 완전하게 밟아주면 즉각적으로 스로틀밸브(10)의 개도량이 커지는데 반하여 컴퓨터 유닛(1)은 스로틀 포지션 센서(2)로 부터 위치신호를 입력받아 인젝터(9)를 통전제어하여 분사량을 많게 해주게 된다. 그러나 실질적으로 제어된 분사시기는 4행정후인 한 사이클뒤에 일어난다. 이에 더하여 인젝터(9)에서 상당량의 연료가 분사될때 분사된 연료의 전부가 연소실로 공급되는 것이 아니라 과도하게 공급되는 흡입공기에 의해 분사연료의 일부는 흡기포트의 벽면에 달라붙게 되어 연소실로 공급되는 혼합기가 희박해진다. 이러한 이유로 흡입공기량은 많아지지만 연료분사 시기는 늦어져서 혼합기가 희박해지게 되어 정화율이 좋은 범위(A)를 벗어나 질소산화물이 증가하게 되는 린 스파이크(lean spike)가 일어난다.
이와는 달리 가속페달에서 발을 급히 떼주어 급가속의 과도운전시에는 스로틀밸브(10)의 개도량은 즉시 감소하게 되나, 컴퓨터 유닛(1)의 제어로 인해 인젝터(9)의 분사량감소는 상기와 마찬가지로 한 사이클이 늦게 되고, 흡기포트의 벽면에 달라붙은 연료가 기화되거나 액상으로 되어 다음 사이클의 흡입행정시 연소실내로 흡입공기에 의해 밀려 들어가 이번에는 흡입공기량은 줄지만 연료분사량은 상대적으로 많아 과농한 혼합기가 되어 일산화탄소와 탄화수소등의 배출가스가 증가하게 되는 리치 스파이크(rich spike) 현상이 일어나게 된다.
따라서, 가속과 감속이 급격히 일어나는 과도운전시 다양한 종류의 증량보정이 프로그램된 컴퓨터 유닛(1)에서 공연비에 따른 분사량 제어를 하더라도 상기와 같이 과도운전시 분사시기가 한 사이클이 늦어지고, 흡기포트내에 달라붙은 연료의 유동성에 따라서 생기는 리치/린 스파이크 현상으로 결과적으로 공연비제어가 적절히 일어나지 못게 되어 연비가 나빠지고, 배출가스가 증가하는 문제가 생긴다.
그 이유는 컴퓨터 유닛(1)내에 증량보정의 제어로직상에 전 사이클의 분사시기에 흡기포트 벽면에 달라붙게 되어 연소실로 공급되지 못하는 연료량에 대한 항(term)과, 후 사이클에서 후 분사된 연료와 섞인 흡입공기와 함께 연소실로 들어가게 되는 상기 흡기포트 벽면에 붙은 액상의 연료량에 대한 항(term)이 포함되지 않았기 때문이다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 가속과 감속이 과도한 운전시 흡기포트의 벽면에 달라붙어 충분한 연료가 연소실로 공급되지 못하거나, 급감속에 의해 상기 흡기포트 벽면에서 액상이 된 연료가 흡입행정시 분사된 연료와 흡입공기에 더해져 연소실로 들어가므로 생기는 린/리치 스파이크현상을 제거할 수 있게 각 연료량에 대한 항(term)을 포함한 제어로직을 컴퓨터 유닛에 프로그램하여 상기한 컴퓨터 유닛이 인젝터의 분사량을 정밀하게 제어토록하는 자동차 엔진의 공연비제어방법을 제공하고자 함에 발명의 목적이 있다.
상기한 목적을 이루기 위해 본 발명은 인젝터의 연료분사량과 분사시기를 제어하도록 된 컴퓨터 유닛으로 부터 흡기포트 벽면에 달라붙게 되는 연료량을 계산하는 단계와, 상기의 흡기포트 벽면에 달라붙는 연료중 연소실내로 유입되는 연료량을 예측하는 단계와, 연소실로 직접 유입되는 연료량을 결정하는 단계와, 이상적인 연소를 위해 분사해야 하는 연료량을 결정하여 인젝터로 분사시켜주는 단계 및 상기한 단계들을 피드백하도록 공연비 피드백하는 단계로 이루어져 있는 것이다.
따라서, 본 발명은 상기한 제어방법으로 가속과 감속이 과도한 운전시 흡기포트의 벽면에 달라붙어 충분한 연료가 연소실로 공급되지 못하거나, 급감속에 의해 상기 흡기포트 벽면에서 액상이 된 연료가 흡입행정시 분사된 연료와 흡입공기에 더해져 연소실로 들어가므로 생기는 린/리치 스파이크현상을 제거할 수 있는 것이다.
도 1은 전자제어 연료분사장치의 구성을 보인 도면,
도 2는 공연비와 배출가스의 관계를 나타낸 그래프,
도 3는 본 발명에 따른 공연비제어방법을 구현하기 위한 흐름도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 컴퓨터 유닛 2 : 에어밸브
3 : 스로틀 포지션 센서 4 : 수온센서
5 : 흡입온도센서 6 : 점화코일
7 : 점화스위치 8 : 산소센서
9 : 인젝터 10 : 스로틀밸브
11 : ISC밸브 12 : 흡기 다기관
14 : 흡기포트 15 : 흡입밸브
본 발명의 구성 및 작용 효과를 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 인젝터(9)의 연료분사량과 분사시기를 제어하도록 된 컴퓨터 유닛(1)으로 부터 흡기포트(14) 벽면에 달라붙게 되는 연료량(Mfp)을 계산하는 1단계와, 상기의 흡기포트(14) 벽면에 달라붙는 연료중 연소실내로 유입되는 연료량(Mfp.out(k))을 예측하는 2단계와, 연소실로 직접 유입되는 연료량(Mfi.net(k))을 결정하는 3단계와, 이상적인 연소를 위해 분사해야 하는 연료량(Mfc)을 결정하여 실제 분사 연료량(Mfi)으로 인젝터(9)가 분사되게 하는 4단계, 및 공연비 피드백제어의 5단계로 이루어져 있는 자동차 엔진의 공연비제어방법이다.
예시도면 도 3는 본 발명에 따른 공연비제어방법을 구현하기 위한 흐름도이다.
여기서, 본 발명은 가속과 감속이 과도해진 과도운전시 흡기포트의 벽면에 달라붙어 충분한 연료가 연소실로 공급되지 못하거나, 급감속에 의해 상기 흡기포트 벽면에서 액상이 된 연료가 흡입행정시 분사된 연료와 흡입공기에 더해져 연소실로 들어가므로 생기는 린/리치 스파이크현상을 제거할 수 있도록 컴퓨터 유닛(1)내에 과도운전시 증량보정을 위한 제어방법이다.
본 발명의 방법을 실현하기 위한 과정은 다음과 같다.
본 발명은 제 1단계는 인젝터(9)의 연료분사량과 분사시기를 제어하도록 된 컴퓨터 유닛(1)으로 부터 흡기포트(14) 벽면에 달라붙게 되는 연료량(Mfp)을 계산하는 과정으로, 연료를 분사했을때 흡기포트(14) 벽면에 달라붙는 연료량(Mfp)은 아래의 식1로 표현된 바,
식1) M'fp= M'fp.in- M'fp.out(M'는 미분값을 표현한 것임)
M'fp.in는 인젝터에서 분사시 벽면에 부착되는 연료량의 미분값이고, M'fp.out는 벽면에 부착된 연료량중 연소실로 유입되는 연료량의 미분값이다.
상기한 식1과 아래의 식2로 부터, 제 2 단계에서는 흡기포트 벽면에 부착되는 연료량중 연소실로 유입되는 연료량(Mfp.out(k))을 예측할 수 있는 바,
식2) Mfp.out(k) = Mfp.out(k-1) + 1/T{(1-A)(Mfi- Mfi.cal) - Mfp.out(k-1)}
여기서, k는 사이클 상수로 k-1은 전 사이클을 나타내며, A는 연료부착비이고, T는 연료공급지연 상수이고, Mfi.cal는 계산(calibration)되어야 하는 연료량이다.
3단계는 아래의 식3으로 부터 연소실로 직접 유입되는 연료량(Mfi.net(k))을 결정하는 단계이다.
식3) Mfi.net(k) = Mfc(k) - Mfp.out(k)
그리고, 4단계는 상기 식3을 이용하여 이상적인 연소를 위해 복사해야 하는 연료량(Mfp.out(k))을 결정하여 실제 분사 연료량(Mfi)으로 인젝터(9)가 분사되게 하는 단계로 실제 분사 연료량(Mfi)은 식4로 부터 결정되는 것이다.
식4) Mfi= 1/A(Mfi.net(k)) + Mfi.cal
이어서, 다시 전 사이클의 각종 연료량을 계산하고 예측 결정하여 후단계의 실제 분사 연료량을 구하는 것을 반복하는 공연비 피드백제어 단계이다.
따라서, 본 발명은 상기한 단계를 거치면서 각 연료량의 변수를 결정하고 난후 실제 분사 연료량(Mfi)으로 연료를 분사케 함으로 가속과 감속이 과도한 운전시 흡기포트의 벽면에 달라붙어 충분한 연료가 연소실로 공급되지 못하거나, 급감속에 의해 상기 흡기포트 벽면에서 액상이 된 연료가 흡입행정시 분사된 연료와 흡입공기에 더해져 연소실로 들어가므로 생기는 린/리치 스파이크현상을 제거할 수 있게 된다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 가속과 감속이 과도한 운전시 흡기포트의 벽면에 달라붙어 충분한 연료가 연소실로 공급되지 못하거나, 급감속에 의해 상기 흡기포트 벽면에서 액상이 된 연료가 흡입행정시 분사된 연료와 흡입공기에 더해져 연소실로 들어가므로 생기는 린/리치 스파이크현상을 제거할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 인젝터(9)의 연료분사량과 분사시기를 제어하도록 된 컴퓨터 유닛(1)으로 부터 흡기포트(14) 벽면에 달라붙게 되는 연료량(Mfp)을 계산하고, 이상적인 연료를 위해 분사해야하는 연료량(Mfc)을 결정하여 실제 분사 연료량(Mfi)으로 인젝터(9)가 분사되게 하는 공연비를 제어하는 자동차에 있어서, 상기의 흡기포트 벽벽에 달라붙은 연료중 연소실내로 유입되는 연료량(Mfp.out(K))을 예측하기 위해 컴퓨터 유닛(1)이 연료공급지연과 계산되어야 할 연료량(Mfi.cal)을 고려하여 연산하여 산출하고, 상기 예측된 연료량(Mfp.out(k))으로부터 연소실에 직접 유입되는 연료량(Mfi.net(k))을 컴퓨터 유닛(1)이 이상적인 연소를 위해 분사해야하는 연료량(Mfc)에서 예측된 연료량(Mfp.out(k))을 감산하며, 상기 연소실내로 유입되는 연료량(Mfp.out(K))와 연소실에 직접 유입되는 연료량(Mfi.net(k))을 여러회수 반복 연산하여 실제 인젝터(9)가 분사되도록 하는 자동차 엔진의 공연비 제어방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US4995366A (en) * 1988-09-19 1991-02-26 Hitachi, Ltd. Method for controlling air-fuel ratio for use in internal combustion engine and apparatus for controlling the same

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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