KR100405680B1

KR100405680B1 - 가솔린 직접분사 엔진의 공기량 계산 방법

Info

Publication number: KR100405680B1
Application number: KR10-2000-0086909A
Authority: KR
Inventors: 김원태
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2000-12-30
Filing date: 2000-12-30
Publication date: 2003-11-14
Also published as: KR20020058779A

Abstract

본 발명은 가솔린 직접분사 엔진의 공기량 계산 방법에 관한 것으로, EGR을 채택하는 가솔린 직접분사 엔진의 정확한 공기량 및 분사량 계산을 위하여, 실시간 공기량을 변환 전압으로 출력하여 이를 평균하여 단위 시간 당 연산한 후, 이를 이용하여 천이 모드 마다의 각각의 분사량을 계산한다. 본 발명에 따른 가솔린 직접 분사 엔진의 공기량 계산 방법은 실시간 공기량을 변환 전압으로 출력하는 단계, 상기 변환 전압을 산술 평균하는 단계, 산술 평균된 전압을 선형화하고 소정 맵에 의하여 필터링하고, 기본 공기량 변환계수와 연산하여 단위 시간당 흡입 공기량을 도출하는 단계를 포함한다.

Description

가솔린 직접분사 엔진의 공기량 계산 방법 {METHOD FOR CALCULATING AIR MASS IN GASOLINE DIRECT INJECTION ENGINE}

본 발명은 가솔린 직접 분사 (gasoline direct injection; 이하 'GDI'라 함)엔진의 공기량 계산 방법에 관한 것이다.

현재 개발되어 양산되고 있는 전자 제어 시스템(electronic managementsystem; 이하 'EMS'라 함)은 보통 MPI(multi point injection)용으로 연료 분사계 구동 제어가 상대적으로 간단하고, 여러 제어 사양의 제어 수준도 단순하다.

최근에는 연료실내에 연료를 직접 분사하는 GDI 엔진이 여러 자동차 메이커로부터 주목받아 개발되고 있다. GDI 엔진은 부분 부하시에는 압축행정 말기에 연료를 분사하여 점화 플러그 주위의 공연비를 농후하게 하는 성층 연소로 초희박 공연비(25~40:1)에서도 쉽게 점화가 가능하도록 되어 있으며, 고부하시에는 흡입 행정 초기에 연료를 분사하여 이론 공연비(14.7:1) 연료에 의한 흡입 공기 냉각으로 충진 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, GDI 엔진은 실린더 안으로 연료를 직접 분사하므로, 흡기 포트 벽에 연료가 흡착되는 월 웨딩(wall wetting) 현상도 줄일 수 있다.

그러나, GDI 엔진은 MPI 엔진에 비해 연료 분사계가 복잡(예를 들어, 고압 연료 펌프 제어, 인젝터 드라이버 제어가 추가되고, 연료 분사 압력 피드백 제어가 필요함)하고, 추가되는 제어 사양이 복잡(예를 들어, 연료 분사 시기 스윙, 공연비 센서 기능 복잡, 전자 트로틀 밸브 채용)하다. 따라서, 각 차량 메이커는 각 EMS 메이커와 연합하여 개발이 요구되고 있다.

MPI EMS는 EGR 적용을 선택적 필요에 따라 채택하나, GDI EMS는 EGR 적용을 반드시 채택해야 한다. 보통 MPI 엔진에서의 공기량 계산은 써지(serge) 탱크의 압력과 온도를 측정하여 공기량으로 환산하여 수행한다. 그러나 배기 가스 재순환 밸브인 EGR 밸브를 채택한 엔진은 이와 같은 기존 사양을 사용하는 측정 방법으로 공기량을 제대로 측정할 수 없다. EGR 유입에 따른 써지 탱크 압력 상승이 신기유입이 초래한 것이 아니라, 측정 방법을 기존 사양으로 했기 때문에 계산상으로는 신기 유입에 따른 압력 상승으로 하여 잘못 계산하기 때문이다. 그 결과, 흡입 공기량 뿐만 아니라, 분사량을 정확하게 계산할 수 없는 문제가 야기된다.

본 발명은 EGR을 채택하는 GDI의 정확한 공기량 및 분사량 계산 방법을 제공하고자 한다.

도 1은 MAF에 따른 출력 전압을 보여 주는 MAF 센서의 특성도이고,

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 MAF 센서 변환값으로부터 공기량을 계산하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이고,

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 MAF 출력 전압 값을 TDC마다 산술 평균한 곡선을 나타낸 도면이고,

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 MAF 센서 변환값으로부터 대기압 변환값을 계산하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이고,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 기본 분사량 제어 시스템을 나타낸 도면이다.

이러한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 실시간 공기량을 변환 전압으로 출력하여 이를 평균하여 단위 시간 당 연산한 후, 이를 이용하여 천이 모드 마다의 각각의 분사량을 계산한다.

상세하게 본 발명에 따른 가솔린 직접 분사 엔진의 공기량 계산 방법은 실시간 공기량을 변환 전압으로 출력하는 단계, 상기 변환 전압을 산술 평균하는 단계, 산술 평균된 전압을 선형화하고 소정 맵에 의하여 필터링하고, 기본 공기량 변환 계수와 연산하여 단위 시간당 흡입 공기량을 도출하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 변환 전압값과 상기 흡입 공기량 및 기체 상태 방정식을 이용하여 상기 변환 전압값에 따른 대기압 변환값을 도출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 흡입 공기량을 이용하여 이론 공연비 운전 모드, 희박 운전 모드, 초희박 운전 모드 중 하나의 운전 모드에서의 기본 연료량을 도출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

언급한 바와 같이, 종래의 MPI EMS 대비 GDI EMS는 EGR 추가로 인한 공기량 계산 방식 변경이 반드시 필요하다. 본 발명에서는 실시간 공기량을 변환 전압으로 출력한 후, 이를 평균하여 단위시간(단위 싸이클당)당 공기량으로 연산한다. 그리하여 이를 이용하여 천이 모드 마다 각각의 분사량을 계산해야 한다.

도 1은 실시간 공기량을 변환 전압으로 출력하는 공기량(이하, MAF라 함) 센서의 특정 곡선도를 나타낸 것이다.

도면에서 하단은 공기량을 나타내고, 좌측단은 공기량에 따른 변환 출력 전압을 나타낸다. 이와 같이, MAF 센서를 통하여 실시간 공기량을 변환 전압으로 출력한다.

본 발명의 실시예에 따른 공기량 계산 방법의 개요는 1분마다 샘플링된 MAFADC(MAF 센서 A/D 변환값)을 매 TDC마다 산술 평균(도 3 참조)하여 흡입 공기량을 계산하고, PV=nRT 식을 이용하여 공기 질량을 MAP량으로 변환하여 대기압량을 계산한다. 이 때, INI 상태에서는 10ms마다 MAFADC(MAF 센서 A/D 변환값)을 읽어 MAFFIL(FILTERED 공기량)을 계산한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 MAF 센서에 의하여 출력된 변환 전압에 의하여 공기량을 계산하는 방법을 나타낸 흐름도이다.

우선, 1분마다 샘플링된 MAFADC(MAF 센서 A/D 변환값)을 합하여 MAFSUM(MAF 입력 누적값)을 매 TDC마다 만든다. 이 때, MAFLIMC(MAFSUM의 최대값 제한치)를 두는 것이 필요하다.

MAFSUM(MAF 입력 누적값)가 MAFLIMC(MAFSUM의 최대값 제한치)보다 크거나 같다는 제한 하에서 SPLCNT_n(n번째 샘플링)= SPLCNT_n-1(n-1번째 샘플링)일 경우 MAFSUM(MAF 입력 누적값)는 MAFLIMC(MAFSUM의 최대값 제한치)이 된다.

계산된 MAFSUM(MAF 입력 누적값)은 곱셈기(10)로 보내지고, 곱셈기(10)는 이 MAFSUM(MAF 입력 누적값)에 1/SPLCNT(1 STOKE 시간동안의 MAF 샘플링 횟수)를 곱하여 각각의 TDC에서의 MAFAVG(N회 공기량 입력의 평균값)을 출력한다. MAFAVG(N회 공기량 입력의 평균값)는 다음 수학식 1에 의하여 계산된다.

다음, 계산된 MAFAVG(N회 공기량 입력의 평균값)를 선형화(Linearization)한다. 이 경우, 각 TDC에서의 MAFLIN(MAF 입력의 선형화 변화값) 즉, MAFLIN[i]을 도출할 수 있다. 그리고, TDC에서의 MAFLIL(필터링되는 공기량)을 다음 수학식 2에 의하여 계산한다.

아이들 상태(IDLF=1 조건시)일 때, Gain은 MAFFILIDLC(아이들시 MAF filter Gain 값)이고, 아이들 상태가 아닐(IDLF=0 조건시) 때, Gain은 MAFFILPLDC(Part Load시 MAF filter Gain 값)이다. 따라서, 각 TDC에서의 MAFFIL(필터링되는 공기량) 즉, MAFFIL[i]을 도출할 수 있다.

이후, 이러한 MAFFIL는 곱셈기(20)로 보내지고, 곱셈기(20)는 이 MAFFIL에 TDCTIM(1 STOKE 소요시간)을 곱하여 다음 곱셈기(30)로 보내지고, 이 곱셈기(30)는 이 값에 기본 공기량 변환계수인 1/65536을 곱하여 MAFTDC(1 STOKE 동안의 공기 질량)을 출력한다.

이와 같이 하여, 흡입 공기량을 계산할 수 있다.

한 편, 도 4에 보인 바와 같이, MAFADC(MAF 센서 A/D 변환값)은 기체상태 방정식을 이용하여 MAPADC(MAFADC 입력의 대기압 변환값)를 계산할 수 있다.

기체상태 방정식 PV_C= nRT에서, P는 다음 수학식 3으로 표현될 수 있다.

여기서, n은 몰수, Qa는 흡입 공기 분자량[g], W_air는 공기 분자량(=28.61[g/mole])이고, P는 흡입 부압 [atm](P[atm]=760[mmHg]=101.3[KPa]이고, V_C는 하나의 실린더 용적[Liter](=엔진 배기량/기통수)이고, R은 기체상수(=0.082[Liter atm/mole K']이고, T는 흡기 온도(상온 25℃ 기준시 =298[K'])이다.

MAPFIL[KPa]은 다음 수학식 4로 표현될 수 있다.

이와 같이 하여, 공기량으로 대기압 변환값을 계산할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 기본 분사량 제어 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 5에서, 본 발명의 실시예에 따른 분사량 제어 시스템은 기본 분사량 계산 맵(122, 124, 126), 운전 모드 결정 스위치(130), 곱셈기(140, 150, 170), 시동 판별 스위치(160)를 포함한다.

기본 분사량 계산 맵(122, 124, 126)은 입력되는 엔진 회전속도와 상대 개도량에 대응되는 기본 분사량을 기록한 맵으로서, 이 맵에 기록된 값은 엔진의 종류 및 조건 등에 따라 결정되며 실험에 의해 최적의 값이 구해진다. 기본 분사량 계산 맵 122, 124, 126은 각각 이론 공연비용 기본 분사량, 희박 연소용 기본 분사량, 초희박 연소용 기본 분사량을 나타내며, 이들 맵 값은 메모리에 저장된다. 운전 모드 결정 스위치(130)는 도1에 도시한 바와 같은 방법에 의해 결정된 운전모드를 운전모드 판별부로부터 입력받아 각 기본 분사량 계산 맵(122, 124, 126)으로부터 계산되는 해당 운전모드에 대응하는 기본 분사량을 스위칭하는 역할을 한다. 시동 판별 스위치(160)는 엔진의 상태가 시동 상태인지 통상상태(시동상태가 아닌 상태)인지를 판단하는 제어부로부터 제어신호를 입력받아 공기량(MAFTDC)과 각 운전모드별 실린더 흡입 공기량(MAFCOR)을 스위칭하는 역할을 한다.

우선, 기본 분사량 및 흡기량을 수학식 5에 의하여 계산한다. 예로써, 이론 공연비 14.7:1 기준 연료량 변환 계수를 산출한다.

INJC=2.298

여기서, MAFCOR은 실린더 흡입 공기량이고, INJC는 기본 분사량 변환 계수이고, MAFCRKC는 시동시 흡입 공기량이다. 그리고, Qfuel은 연료량[g]이고, Qcyl은 실린더내 흡입 공기량[g]이고, Ginj는 인젝터 Gain(GDI용=9,25[g/s]=9.25[mg/ms]이고, Ti은 연료 분사 시간(ms)을 나타낸다.

본 발명의 실시예의 엔진 상태에 따른 기본 연료량(INJBAS)은 다음 수학식 6에 의해 결정된다.

; 이론 공연비 모드시

; 희박연소 모드시

; 초희박연소 모드시

여기서, MAFTDC는 공기량 값을 나타내며, EHINJCORM, ESINJCORM, LSINJCORM은 각각 기본 분사량 계산 맵(122, 124, 126)로부터 출력되는 이론 공연비용 기본 분사량, 희박연소용 기본 분사량, 초희박 연소용 기본 분사량을 나타낸다.

다음은 본 발명의 실시예에 따른 기본 분사량 계산 방법을 설명한다.

먼저, 시동시 시동 판별 스위치(160)는 제어부로부터의 제어신호에 따라 시동시 흡입 공기량(MAFCRKC)을 스위칭하여 곱셈기(170)로 출력하며, 곱셈기(170)는 이 흡입 공기량을 기본 분사량 변환계수(INJC)에 곱하여 최종 기본 분사량(INJBAS) 값을 출력한다.

다음, 통상시 시동 판별 스위치(160)는 제어부로부터의 제어신호에 따라 통상시 실린더 흡입 공기량(MAFCOR)을 스위칭하여 곱셈기(170)로 출력하며, 곱셈기(170)는 이 실린더 흡입 공기량을 기본 분사량 변환계수에 곱하여 최종 기본 분사량(INJBAS) 값을 출력한다.

이때, 운전모드 결정 스위치(130)는 본 발명의 실시예에 따라 결정된 운전모드를 운전모드 판별부로부터 입력받아 각 기본 분사량 계산 맵(122, 124, 126)으로부터 계산되는 해당 운전모드에 대응하는 기본 분사량을 스위칭하여 곱셈기(140)로 출력한다. 곱셈기(140)는 각 기본 분사량 계산 맵으로부터 출력되는 기본 분사량에 1/128을 곱한 값을 곱셈기(150)로 출력한다. 곱셈기(150)는 공기량(MAFTDC)을 곱셈기(140)의 출력 값에 곱한 값을 곱셈기(170)로 출력한다.

한편, 곱셈기(170)는 이 흡입 공기량을 기본 분사량 변환계수에 곱하여 최종 기본 분사량(INJBAS) 값을 출력한다.

이와 같이 하여, 본 발명에서는 EGR을 채택하는 GDI 엔진에서도 정확한 흡입 공기량을 계산할 수 있고, 그에 따른 기본 분사량도 정확한 계산할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에만 한정되는 것은 아니며 그 외의 다양한 변경이나 변형이 가능하다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 EGR을 채택하는 GDI 엔진에서도 정확한 공기량 및 분사량을 계산할 수 있다.

Claims

가솔린 직접 분사 엔진의 공기량 계산 방법에 있어서,

실시간 공기량을 변환 전압으로 출력하는 단계,

상기 변환 전압을 산술 평균하는 단계,

산술 평균된 전압을 선형화하고 소정 맵에 의하여 필터링하고, 기본 공기량 변환 계수와 연산하여 단위 시간당 흡입 공기량을 도출하는 단계

를 포함하는 가솔린 직접 분사 엔진의 공기량 계산 방법.
제1항에서,

상기 변환 전압값과 상기 흡입 공기량 및 기체상태 방정식을 이용하여 상기 변환 전압값에 따른 대기압 변환값을 도출하는 단계를 더 포함하는 가솔린 직접 분사 엔진의 공기량 계산 방법.
제1항에서,

상기 흡입 공기량을 이용하여 이론 공연비 운전모드, 희박 운전모드, 초희박 운전모드 중 하나의 운전모드에서의 기본 연료량을 도출하는 단계를 더 포함하는 가솔린 직접 분사 엔진의 공기량 계산 방법.