KR100360797B1 - 자동차용 산소센서의 열화에 따른 연료량 보상 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 자동차용 산소센서의 열화에 따른 연료량 보상 제어방법은, 차량에서 설정된 연료량 피드백 조건이 성립되는 경우, 상기 전자제어수단이 설정된 입력시간 동안 상기 산소센서의 검출신호를 입력받는 단계와; 상기 전자제어수단이 상기 산소센서의 검출신호에 대한 입력 평균값을 산정하고 상기 산정된 입력 평균값과 설정된 중심값간의 차이가 설정치를 초과하는지 여부를 판단하는 단계와; 상기 산정된 입력 평균값과 설정된 중심값간의 차이가 설정치를 초과하지 않는 경우, 상기 전자제어수단은 산소센서의 검출신호가 중심값 이하인지 여부에 따라 설정된 비례 보정치와 적분 보정치를 적용하여 연료량 보상을 수행하는 단계와; 상기 산정된 입력 평균값과 설정된 중심값간의 차이가 설정치를 초과하는 경우, 상기 전자제어수단은 상기 산정된 입력 평균값이 설정된 고장판정 범위내에 속하지 않을 때에 산소센서의 검출신호가 중심값 이하인지 여부에 따라 설정된 비례 보정치와 적분 보정치를 적용하여 연료량 보상을 수행하는 단계를 포함하여 이루어져, ECU는 산소센서의 열화 특성을 이용하여 산소센서의 고장판정 및 열화 정도에 따른 최적의 공연비 제어를 수행할 수 있게 된다.

Description

자동차용 산소센서의 열화에 따른 연료량 보상 제어방법{FUEL COMPENSATION CONTROL METHOD FOR CONTROLLING FUEL INJECTION TO COMPANSATE RECESSIVENESS OF OXYGEN SENSOR FOR A VEHICLE}

본 발명은 자동차용 산소센서의 열화에 따른 연료량 보상 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량의 배출가스 저감을 위한 이론 공연비 제어시 산소센서이 열화 여부를 판정하여 연료량 보상 제어를 수행하기 위한 자동차용 산소센서의 열화에 따른 연료량 보상 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 차량은 연료를 연소시켜 동력을 발생시키는 과정에서 배출가스를 발생시킨다. 이러한 배출가스는 이론 공연비에서는 최소화될 수 있으나, 차량은 운행조건은 지속적으로 변화되기 때문에 운행조건에 따른 최적의 공연비 제어를 수행하기 위한 제어수단이 요구된다.

그래서 ECU(Electronic Control Unit)와 같은 전자제어수단이 최적의 공연비 제어를 위해 사용된다.

도1에는 이러한 ECU를 포함하는 공연비 피드백 제어 시스템이 도시되어 있다.

도1에 따르면, 차량의 공연비 피드백 제어는 흡입 공기량을 검출하기 위한 흡입 공기량 센서(11)와, 엔진 회전수를 검출하기 위한 크랭크 포지션 센서(12)와, 흡입 공기량과 엔진 회전수 및 배기기스중의 산소분압 데이터에 따라 실린더실로 분사되는 연료량을 제어하는 ECU(13)와, 엔진(14)과, 엔진(14)의 배기가스내 산소분압을 검출하기 위한 산소센서(16)를 포함한다.

상기 피드백 제어는 무해 배기가스 배출을 위해 촉매 변환가 최상의 성능을 발휘할 수 있는 공연비가 14.7:1이 되도록 제어하는 기능이다. 이것은 전자 제어차량의 중요한 기본 제어 기능의 하나이다.

상기 산소센서(16)는 배기 매니폴드에 설치되어 배기가스 중의 산소분압을 감지해 실린더에 공급되는 공연비를 ECU(13)가 판단할 수 있도록 한다. 이때 ECU(13)는 배기가스 중의 산소분압이 낮으면 농후한 공연비로 판단하고, 산소분압이 높으면 희박한 공연비라 판단하여 인젝터(14)의 분사 연료량을 가감하는 명령을 계속적으로 보낸다.

이와 같은 공연비의 피드백 제어는 초당 80회 정도까지 이루어진다. 그리고 피드백 작용이 이루어지고 있을 때를 폐회로 상태라 하고, 피드백 작용이 있어서는 안 되는 상태를 개회로 상태가 된다.

상기 개회로 상태를 유지하는 조건은 시동시, 냉각수 온도가 낮을 경우, 산소센서(13)에서 희박 또는 농후 신호가 일정시간 이상 나올 경우, 출력 향상 조건시, 연료 차단 조건시 등이다.

이처럼 차량의 배출가스 저감을 위해 수행되는 이론 공연비 제어의 경우에 산소센서(13)의 출력신호(0~1V)를 이용하게 되는데, 상기 산소센서(13)의 출력 파형은 사인파를 그린다.

도2에는 산소센서(13)의 출력 파형에 따른 피드백 연료량이 도시되어 있다.

도2에 따르면, ECU(20)에서는 입력신호로 산소센서(13)의 출력값을 이용하여 ECU(20)에서 연료량을 계산후, 상기 계산 결과에 따른 연료량으로 인젝터(l6)를 구동하여 이론 공연비 제어를 수행하게 된다.

상기 신호 파형도에서 ①은 산소센서(13)의 정상적인 신호 출력이고, ②는산소센서(13)의 열화에 따라 신호 파형이 치우친 상태를 나타내고 있다.

또한, 피드백 연료량 선도에서 ③은 정상적으로 제어되는 경우를 나타내고, ④는 산소센서(13)의 열화에 따라 신호 파형이 치우친 경우에 보상 연료량의 보상 최대치를 초과한 경우를 지시하며, ⑤는 산소센서(13)의 신호 파형이 ②와 같을 때 바람직한 연료량 보상 곡선이다.

도3에는 이러한 산소센서(13)의 출력 파형에 따른 연료량 보상방법의 순서도가 도시되어 있다.

도3에 따르면, ECU(20)는 연료량의 피드백 수행 조건이 성립되는지 여부를 판단한다. 이때 연료량 피드백 조건은 시동 완료 및 시동 완료후 일정시간이 경과될 조건과, 산소센서(13)의 출력이 중심값을 1회 경과한 후일 조건의 논리곱으로 설정한다(ST21).

그리고 ECU(20)는 설정된 입력시간 동안 산소센서(13)의 출력신호를 입력받는다(ST12).

상기 입력되는 산소센서(13)의 출력 파형은 도2에 도시된 바와 같으며 ,정상적인 산소센서(13)의 출력 파형은 ①과 같다. 산소센서(13)의 출력 파형이 ①과 같으면 연료량 보상치(fr)는 비례 보정에 의해 값 P와 적분 보정에 의한 값 I를 더한 값으로 제어된다.

이와는 달리, 산소센서(13)가 오래될수록 배기가스(HC, CO, Nox)와 배기가스의 열에 의해 열화된다. 그래서 산소센서가 열화될수록 출력 전압은 0~1V의 범위내에서 대칭적이지 않고, 도2의 ②와 같이 한쪽으로 치우친다.

이러한 점을 고려하여 ECU(20)는 산소센서의 입력 평균값과 신호 파형의 중심값(0.5V)간의 차이가 설정치를 초과하는지 여부를 판단한다(ST13).

상기에서 산소센서의 입력 평균값과 신호 파형의 중심값(0.5V)간의 차이가 설정치를 초과하지 않는 경우, ECU(20)는 산소센서의 출력값이 중심값을 경과되는지 여부에 따라 적절한 연료량 보상을 수행한다(ST13~ST16).

이때 연료량 보상치(fr)는 산소센서의 출력값이 중심값을 초과하는 경우에는 비례 보상치(P)에서 적분 보상치(I)를 감산하여 산정하고, 산소센서의 출력값이 중심값 이하인 경우에는 적분 보상치(I)에서 비례 보상치(P)를 감산하여 산정한다.

또한, 산소센서의 입력 평균값과 신호 파형의 중심값(0.5V)간의 차이가 설정치를 초과하는 경우, ECU(20)는 산소센서의 출력값이 중심값 이하인지 여부를 판단하여 이에 따른 연료량 보상을 수행한다(ST17~ST21).

상기 연료량 보상에 있어서, 연료량 보상치(fr)는 산소센서의 출력값이 중심값을 초과하는 경우에는 비례 보상치(P)만으로 연료량 보상을 수행하여 일정의 대기시간 동안 해당 연료량을 유지한 후 다시 연료량 보상치(fr)를 비례 보상치(P)에서 적분 보상치(I)를 감산한 결과에 따라 설정하며, 산소센서의 출력값이 중심값 이하인 경우에는 적분 보상치(I)에서 비례 보상치(P)를 감산하여 산정한다.

그러나 이상 설명한 종래기술은, 산소센서의 신호 파형이 도2의 ②와 같은 경우에 연료량 피드백 제어를 수행하게 되면 도2의 ④와 같은 연료량 제어가 이루어져 연료량의 보상 최대치를 초과하게 되어 ECU는 더 이상 이론 공연비로 제어하지 못하게 되는 문제점이 있다.

그래서 상기 문제점을 보상하기 위하여 일정시간 동안은 산소센서의 출력값을 읽어 들여, 상기 읽혀진 출력값들에서 산소센서의 최대, 최소, 평균치들을 산정하고, 상기 평균치와 정상적일 때의 중심값간의 차이가 발생되는 경우에는 연료량 보상시 설정된 지연시간(tv)을 적용하게 된다.

그런데 이처럼 지연시간을 적용하는 경우에는, 산소센서의 열화 정도에 따라 지연시간(tv)의 설정을 변화시켜야 하고, 산소센서의 출력이 한쪽으로 완전히 치우쳐 중심값과 0V간을 진동하게 되면 연료량 제어를 수행할 수 없게 되는 문제점이 있다. 또한, 이러한 경우에 ECU는 희박 연소로 판단하여 부족 연료를 보상하기 위하여 연료량을 계속 증가시키게 되는 문제점이 있다.

따라서, 종래에는 정확한 연료량 제어가 어렵고 배출가스를 효과적으로 저감시킬 수 없었던 것이다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 차량의 배출가스 저감을 위한 이론 공연비 제어시 산소센서이 열화 여부를 판정하여 연료량 보상 제어를 수행하기 위한 자동차용 산소센서의 열화에 따른 연료량 보상 제어방법을 제공하는 데 있다.

도1은 공연비 피드백 제어 시스템의 구성도.

도2는 산소센서의 출력 파형에 따른 피드백 연료량 선도.

도3은 산소센서의 출력 파형에 따른 연료량 보상방법의 순서도.

도4는 본 발명의 실시예에 의한 자동차용 산소센서의 열화에 따른 연료량 보상 제어방법의 순서도.

도5는 본 발명이 적용된 경우의 산소센서 출력 파형에 따른 피드백 연료량 선도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

11 : 흡기온도 센서 12 : 크랭크 포지션 센서

13 : 산소센서 14 : 엔진

15 : 촉매 변환장치 16 : 인젝터

20 : ECU

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자동차용 산소센서의 열화에 따른 연료량 보상 제어방법은, 산소센서의 검출신호를 인가받아 공연비 제어를 수행하는 전자제어수단이 장착된 차량에서 설정된 연료량 피드백 조건이 성립되는 경우, 상기 전자제어수단이 설정된 입력시간 동안 상기 산소센서의 검출신호를 입력받는 단계와; 상기 전자제어수단이 상기 산소센서의 검출신호에 대한 입력 평균값을 산정하고 상기 산정된 입력 평균값과 설정된 중심값간의 차이가 설정치를 초과하는지 여부를 판단하는 단계와; 상기 산정된 입력 평균값과 설정된 중심값간의 차이가 설정치를 초과하지 않는 경우, 상기 전자제어수단은 산소센서의 검출신호가 중심값 이하인지 여부에 따라 설정된 비례 보정치와 적분 보정치를 적용하여 연료량 보상을 수행하는 단계와; 상기 산정된 입력 평균값과 설정된 중심값간의 차이가 설정치를 초과하는 경우, 상기 전자제어수단은 상기 산정된 입력 평균값이 설정된 고장판정 범위내에 속하지 않을 때에 산소센서의 검출신호가 중심값 이하인지 여부에 따라 설정된 비례 보정치와 적분 보정치를 적용하여 연료량 보상을 수행하는 단계를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.

도4는 본 발명의 실시예에 의한 자동차용 산소센서의 열화에 따른 연료량 보상 제어방법의 순서도이고, 도5는 본 발명이 적용된 경우의 산소센서 출력 파형에 따른 피드백 연료량 선도이다.

본 발명의 전자제어수단은 바람직하게는 ECU(20, 도1 참조)로 구현한다.

도4에 따르면, 본 발명에서 ECU(20)는 설정된 연료량 피드백 조건을 성립 여부를 판단한다. 바람직하게는 상기 연료량 피드백 조건은 시동 완료 및 시동 완료 후 일정시간이 경과될 조건과, 산소센서(13, 도1 참조)의 출력이 설정된 중심값을 1회 경과한 후일 조건의 논리곱으로 설정한다(ST31).

상기 중심값은 도5에 도시되 바와 같이, 산소센서의 출력 파형이 정상 상태에서 0~1V의 범위를 진동하는 경우에는 진동의 중심값 0.5V에 해당하는 값을 지시하는 것이다.

그리고 ECU(20)는 설정된 입력시간 동안 산소센서(13)의 출력신호를 입력받는다(ST32).

상기 입력되는 산소센서(13)의 출력 파형은 도45에 도시된 바와 같으며 ,정상적인 산소센서(13)의 출력 파형은 ⓐ에 해당한다. 산소센서(13)의 출력 파형이 ⓐ와 같으면, 연료량 보상치(fr)는 비례 보정치(P)와 적분 보정치(I)를 더한 값으로 제어된다.

이와는 달리, 산소센서(13)가 열화된 경우에는 산소센서의 검출신호 전압은 0~1V의 범위내에서 대칭적이지 않고, ⓑ와 같이 한쪽으로 치우친 파형으로 나타난다. 이러한 경우에는 열화된 산소센서의 출력 평균값은 정상일 때의 출력 평균값과는 차이가 있게 된다.

이때 산소센서(13)의 출력 평균값은 ECU(20)가 배기가스의 희박/농후 조건을 판정하는 기준이 된다. 그러므로 산소센서(13)가 열화된 경우에는 한쪽으로 치우친 출력 평균값을 기준으로 배기가스의 희박/농후 조건이 판정된다.

이처럼 산소센서(13)의 열화 여부에 따라 검출신호 전압의 평균값이 정상 상태의 전압 평균값에 비해 치우치는 점을 이용하여, 본 발명은 도5의 ⓓ와 같이 연료량 피드백 보정을 수행한다. 도5에서 ⓒ는 산소센서(13)의 검출신호가 정상일 경우의 피드백 연료량 선도이다.

또한, 열화된 산소센서의 출력 평균값의 치우침 정도가 일정 수준을 넘어서는 경우에는 해당 산소센서에 대해서는 정상적인 기능을 기대할 수 없는 것으로 판단하여 산소센서의 고장판정을 수행하게 된다.

그래서 ECU(20)는 산소센서(13)의 입력 평균값과 설정된 신호 파형 중심값(예를 들어, 0.5V)간의 차이가 설정치를 초과하는지 여부를 판단한다. 상기 신호 파형의 중심값은 산소센서(13)가 정상일 때의 검출신호의 입력 평균값으로 설정한다(ST33).

상기에서 산소센서(13)의 입력 평균값과 상기 중심값간의 차이가 설정치를 초과하지 않는 경우, ECU(20)는 산소센서(13)의 출력값이 중심값을 경과되는지 여부를 판단한다(ST34).

상기 단계 ST34에서 산소센서의 출력값이 중심값을 초과하는 것으로 판단되면, ECU(20)는 비례 보상치(P)에서 적분 보상치(I)를 감산하여 연료량 보상치(fr)를 산출하여 이에 따른 연료량 제어를 수행한다(ST35).

그리고 상기 단계 ST34에서 산소센서의 출력값이 중심값 이하임이 확인되면, ECU(20)는 적분 보상치(I)에서 비례 보상치(P)를 감산하여 연료량 보상치(fr)를 산출하여 이에 따른 연료량 제어를 수행한다(ST36).

한편, 상기 단계 ST33에서 산소센서의 입력 평균값과 상기 중심값간의 차이가 설정치를 초과하는 경우, ECU(20)는 상기 산소센서의 입력 평균값이 설정된 고장판정 범위내에 속하는지 여부를 판단한다. 상기 고장 판정 범위는 산소센서가 정상일 경우의 입력 평균값을 기준으로 그 상위값과 하위값을 설정하여 범위를 지정한다(ST37).

상기 단계 ST37에서 상기 산소센서의 입력 평균값이 설정된 고장 판정 범위내에 속하지 않는 경우, ECU(20)는 산소센서의 출력값이 중심값을 경과되는지 여부를 판단한다(ST38).

상기 단계 ST38에서 산소센서의 출력값이 중심값을 초과하는 것으로 판단되면, ECU(20)는 비례 보상치(P)에서 적분 보상치(I)를 감산하여 연료량 보상치(fr)를 산출하여 이에 따른 연료량 제어를 수행한다(ST39).

그리고 상기 단계 ST38에서 산소센서의 출력값이 중심값 이하임이 확인되면, ECU(20)는 적분 보상치(I)에서 비례 보상치(P)를 감산하여 연료량 보상치(fr)를 산출하여 이에 따른 연료량 제어를 수행한다(ST40).

더불어 상기 단계 ST37에서 상기 산소센서의 입력 평균값이 설정된 고장 판정 범위내에 속하는 경우, ECU(20)는 산소센서에 오류가 있는 것으로 판정하여 MIL(Malfunction Indicator Light)을 점등시킨다(ST41, ST42).

이상 설명한 본 발명의 자동차용 산소센서의 열화에 따른 연료량 보상 제어방법에 따르면, ECU는 산소센서의 열화 특성을 이용하여 연료량 피드백 제어를 수행하게 되므로 산소센서의 열화 정도가 심하지 않을 때 최적의 공연비 제어를 수행할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 산소센서의 열화 특성은 해당 단품의 설계 제작시 실험적으로 계측되어질 수 있으므로, 복잡한 판단 로직과 다량의 데이터 설정 및 다수의 시험을 요하는 종래기술에 비해, 연료량 피드백 제어를 위한 데이터 및 시험횟수를 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

더불어, 산소센서의 열화 특성에 따른 간단한 판단 로직을 이용하여 산소센서의 출력 전압으로 해당 센서의 고장 판정이 가능하게 되는 효과가 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위를 한정하는 것이 아니다.

Claims (6)

1. (a) 산소센서의 검출신호를 인가받아 공연비 제어를 수행하는 전자제어수단이 장착된 차량에서 설정된 연료량 피드백 조건이 성립되는 경우, 상기 전자제어수단이 설정된 입력시간 동안 상기 산소센서의 검출신호를 입력받는 단계와;

   (b) 상기 전자제어수단이 상기 산소센서의 검출신호에 대한 입력 평균값을 산정하고 상기 산정된 입력 평균값과 설정된 중심값간의 차이가 설정치를 초과하는지 여부를 판단하는 단계와;

   (c) 상기 산정된 입력 평균값과 설정된 중심값간의 차이가 설정치를 초과하지 않는 경우, 상기 전자제어수단은 산소센서의 검출신호가 중심값 이하인지 여부에 따라 설정된 비례 보정치와 적분 보정치를 적용하여 연료량 보상을 수행하는 단계와;

   (d) 상기 산정된 입력 평균값과 설정된 중심값간의 차이가 설정치를 초과하는 경우, 상기 전자제어수단은 상기 산정된 입력 평균값이 설정된 고장 판정 범위내에 속하지 않을 때에 산소센서의 검출신호가 중심값 이하인지 여부에 따라 설정된 비례 보정치와 적분 보정치를 적용하여 연료량 보상을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 산소센서의 열화에 따른 연료량 보상 제어방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 단계 (a)에서 상기 연료량 피드백 조건은,

   엔진이 시동되어 일정시간이 경과될 조건과, 상기 산소센서의 검출신호가 설정된 중심값을 1회 경과한 후일 조건의 논리곱으로 연산되는 것을 특징으로 하는 자동차용 산소센서의 열화에 따른 연료량 보상 제어방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 중심값은,

   상기 산소센서의 출력 파형이 정상 상태에서 진동하는 범위의 중심값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 자동차용 산소센서의 열화에 따른 연료량 보상 제어방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 단계 (c)는,

   상기 전자제어수단은 산소센서의 출력값이 상기 중심값을 경과하는지 여부를 판단하는 단계와;

   상기 산소센서의 출력값이 상기 중심값을 초과하는 것으로 판단되면, 상기 전자제어수단은 비례 보상치에서 적분 보상치를 감산하여 연료량 보상치를 산출하고 상기 산출된 연료량 보상치에 따른 연료량 제어를 수행하는 단계와;

   상기 산소센서의 출력값이 상기 중심값 이하임이 확인되면, 상기 전자제어수단은 적분 보상치(I)에서 비례 보상치(P)를 감산하여 연료량 보상치를 산출하고 상기 산출된 연료량 보상치에 따른 연료량 제어를 수행하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 산소센서의 열화에 따른 연료량 보상 제어방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 단계 (d)는,

   상기 산소센서의 입력 평균값과 상기 중심값간의 차이가 설정치를 초과하는 경우, 상기 전자제어수단은 상기 산소센서의 입력 평균값이 설정된 고장 판정 범위내에 속하는지 여부를 판단하는 단계와;

   상기 산소센서의 입력 평균값이 설정된 고장 판정 범위내에 속하지 않는 경우, 상기 전자제어수단은 산소센서의 출력값이 중심값을 경과되는지 여부를 판단하는 단계와;

   상기 산소센서의 출력값이 중심값을 초과하는 것으로 판단되면, 상기 전자제어수단은 비례 보상치에서 적분 보상치를 감산하여 연료량 보상치를 산출하고 상기 산출된 연료량 보상치에 따른 연료량 제어를 수행하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 산소센서의 열화에 따른 연료량 보상 제어방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 단계 (d)는,

   상기 산소센서의 출력값이 중심값 이하임이 확인되면, 상기 전자제어수단은 적분 보상치에서 비례 보상치를 감산하여 연료량 보상치를 산출하고, 상기 산출된 연료량 보상치에 따른 연료량 제어를 수행하는 단계와;

   상기 산소센서의 입력 평균값이 설정된 고장 판정 범위내에 속하는 경우, 상기 전자제어수단은 산소센서에 오류가 있는 것으로 판정하여 MIL등을 점등시키는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 산소센서의 열화에 따른 연료량 보상 제어방법.