KR100405682B1

KR100405682B1 - 가솔린 직접분사 엔진의 전자 제어 시스템 및 그의 연료압보상 제어방법

Info

Publication number: KR100405682B1
Application number: KR10-2000-0087018A
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: KR20020058886A

Abstract

본 발명의 특징에 따른 가솔린 직접분사 엔진의 연료압 보상 제어방법은, 연료압 센서를 이용하여 연료압(FPS)을 검출하는 단계; 상기 연료압을 변환하여 연료압 출력값(FPSADC)을 출력하는 단계; 상기 연료압 출력값(FPSADC)을 이용하여 수학식으로 필터링(filtering)하여 연료압 보상값(FPSFIL)을 구하는 단계; 상기 연료압 보상값(FPSFIL)을 이용하여 연료압에 따른 연료량의 보정값(INJFPS)을 출력하는 단계; 상기 연료량 보정값(INJFPS)을 이용하여 연료량 보정 분사 계수(Kfp)를 출력하는 단계를 포함한다.

Description

가솔린 직접분사 엔진의 전자 제어 시스템 및 그의 연료압 보상 제어방법 {AN ELECTRIC MANAGEMENT SYSTEM OF GASOLINE DIRECT INJECTION ENGINE AND A METHOD COMPENSATING FUEL PRESSURE OF THE SAME}

본 발명은 가솔린 직접 분사 엔진(gasoline direct injection; 이하 'GDI'라 함)에 관한 것으로서, 특히 GDI 엔진의 전자 제어 시스템 및 이를 이용한 연료압 보상 제어방법에 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 압축 행정 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 흡기포트 벽에 연료가 흡착되는 월 웨팅(wall wetting) 현상도 줄일 수 있다.

그러나, GDI 엔진은 MPI 엔진에 비해 연료 분사계가 복잡(예를 들어, 고압연료 펌프 제어, 인젝터 드라이버 제어가 추가되고 연료분사압력 피드백 제어가 필요함)하고 추가되는 제어 사양이 복잡하다. 구체적으로 MPI 엔진은 워밍업 후 한가지 모드(이론 공연비 영역)만 가지나, GDI 엔진은 이론 공연비, 희박 운전영역, 초희박 운전영역의 3가지 영역이 존재한다. 이상적으로 GDI엔진은 초희박 운전영역만이 존재하겠지만, 실제 차속이 일정 이하이고 수온이 일정 이하일 때는 운전의 안정성을 위해 이론 공연비 운전을 유지해야 하고, 이론 공연비 영역과 초희박 운전영역의 중간에 희박 운전영역을 만들어 양 영역을 자주 왕복하는 것에 대한 충격을 최소해야 한다. 따라서 이러한 3가지 모드의 고유값을 결정할 기준을 만들어야 하며, 결정된 모드 값에 따른 연료 분사량, 연료분사시기, 점화시기, 공기 개도량등을 결정하는 것이 바람직하다.

특히, MPI 엔진에서 연료압은 3bar 정도이고 포트(port) 내의 분사이므로 분사 압력이 조금 변하는 경우에도 실제 분사되는 연료량의 변화는 심하게 발생하지 않는다. 하지만, GDI 엔진에서의 연료압은 100bar 수준이므로 연료 분사 압력이 조금만 변하더라도 분사되는 연료량에는 큰 변화가 발생한다. 또한, 안정성을 가지는 3가지 운전모드를 결정하기 위해서는 40-120bar 정도의 연료압 가변이 이루어져야 하므로 시간의 변화에 따라 연료압을 보상하는 것이 요구된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이와 같은 기술적인 문제점을 해결하기 위한 것으로서, GDI 엔진에서 연료압을 보상하는 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 운전모드 결정 방법을 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가솔린 직접 분사 엔진용 전자 제어 시스템을 나타내는 도면이고,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료압 밸브의 개도량 제어 시스템을 나타내는 도면이고,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료압 보상 제어방법을 도시한 흐름도이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 가솔린 직접분사 엔진 의 제어 시스템은 엔진 회전속도와 필요로 하는 엔진 부하의 상대값을 입력받아 이론 공연비 모드, 희박 운전모드, 초희박 운전모드 중 하나의 운전모드를 판별하는 운전모드 판별부; 및 상기 운전모드 판별부로부터 출력된 운전모드에 따라 각종 전자 제어값을 출력하는 전자 제어부; 일정한 시간을 단위로 주기적으로 연료 분사압을 측정하여 상기 전자 제어부로 출력하는 연료압 센서를 포함한다.

또한, 본 발명의 특징에 따른 가솔린 직접분사 엔지의 연료압 보상 제어방법은,

연료압 센서를 이용하여 연료압(FPS)을 검출하는 단계; 상기 연료압을 변환하여 연료압 출력값(FPSADC)을 출력하는 단계; 상기 연료압 출력값(FPSADC)을 이용하여 수학식으로 필터링(filtering)하여 연료압 보상값(FPSFIL)을 구하는 단계; 상기 연료압 보상값(FPSFIL)을 이용하여 연료압에 따른 연료량의 보정값(INJFPS)을 출력하는 단계; 상기 연료량 보정값(INJFPS)을 이용하여 연료량 보정 분사 계수(Kfp)를 출력하는 단계를 포함한다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 가솔린 직접분사 엔진의 전자 제어 장치 및 그의 연료압 보상 제어방법에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 가솔린 직접분사 엔진에서 운전모드 결정 방법을 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 GDI 엔진은 운전 조건에 따라 연비 효과, 배기 수준을 고려하여 이론 공연비 운전모드, 희박 운전모드, 초희박 운전모드로 운전한다.

여기서, 이론 공연비 운전모드(early homogeneous mode; 이하 'EHM'이라 함)는 흡기시에 분사 균질한 혼합기를 유도하는 모드이고, 희박 운전모드(early stratified mode; 이하 'ESM' 이라 함)는 흡기시에 분사하나 다소의 성층화를 유도하는 모드이며, 초희박 운전모드(late stratified mode; 이하 'LSM'이라 함)는 압축시에 분사하여 고도의 성층화를 유도하는 모드를 말한다.

본 발명의 실시예에 따르면 이하에서 설명하는 바와 같이 엔진 회전 속도와 필요로 하는 엔지 부하의 상대값을 기초로 운전모드를 결정한다.

도 1에서 가로축은 엔진 회전속도(RPM)를 나타내며, 세로축은 필요로 하는 엔진 부하의 상대값(APSREL)을 나타낸다. 또한, 도1에서 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ은 각각 이론 공연비 운전모드, 희박 운전모드, 초희박 운전모드를 나타내며, RPMZON과 APSZON은 각각 운전모드 결정을 위한 엔진 회전속도 상수 값과 필요로 하는 엔진 부하의 상값을 나타낸다.

도1에 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 엔진 속도가 RPMZON2와 RPMZON3 사이이고, 필요로 하는 엔진 부하의 상대값이 APSZON2와 APSZON3 사이에 초희박 운전모드 영역이 존재한다. 구체적으로 본 발명의 실시예에 따르면, RPMZON2와 RPMZON3은 각각 900 RPM과 2700 RPM을 나타내며, APSZON2와 APSZON3은 각각 18%와 37%을 나타낸다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 엔진 속도가 RPMZON1 이하이거나 RPMZON3 이상에서 이론 공연비 운전모드 영역이 존재하며 또한 필요로 하는 엔진 부하의 상대값이 APSZON1 이하이거나 APSZON4 이상에서 이론 공연비 운전모드 영역이 존재한다. 구체적으로 본 발명의 실시예에 따르면, RPMZON1과 RPMZON4는 각각 800 RPM과 2800 RPM을 나타내며, APSZON1과 APSZON4는 각각 15%와 40%을 나타낸다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 이론 공연비 운전모드 영역과 초희박 운전모드 사이에 희박 운전모드 영역이 존재한다.

다음은 상술한 바와 같은 운전모드를 가지는 가솔린 직접분사 엔진에서 사용되는 전자 제어 시스템에 대하여 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 GDI 엔진의 전자 제어 시스템을 나타내는 도면이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전자 제어 시스템은 엔지 회전속도(RPM)와 필요로 하는 엔진 부하의 상대값(APSREL)으로부터 도 1에 도시한 바와 같은 이론 공연비 모드, 희박 운전모드, 초희박 운전모드를 판별하는 운전모드 판별부(10)와 운전모드 판별부로부터 출력된 운전모드에 따라 각종 전자 제어값을 출력하는 전자 제어부(20)와 일정한 시간을 단위로 주기적으로 연료 분사압을 측정하여 상기 전자 제어부(20)로 출력하는 연료압 센서(30)를 포함한다.

다음은 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료압 밸브의 개도량 산출 방법을 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료압 밸브의 개도량 제어 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료압 밸브 개도량 제어 시스템은 연료압 밸브 개도량 맵(332:FPVEHMM, 334:FPVESMM, 336:FPVLSMM), 이론 공연비 모드 스위치(342), 희박연소 운전모드 스위치(344), 초희박 연소 운전모드 스위치(346), 통상 상태 판별 스위치(350)를 포함한다.

연료 압력 밸브 개도량 맵(332, 334, 336)은 입력되는 엔진 회전속도와 필요로 하는 엔진 부하의 상대값에 대응되는 주행상태의 연료압 밸브 개도량을 기록한 맵으로서, 이 맵에 기록된 값은 엔진의 종류 및 조건 등에 따라 결정되며 실험에 의해 최적의 값이 구해진다. 연료 압력 밸브 개도량 맵 332, 334, 336은 각각 이론 공연비용 연료압 밸브 개도량, 희박연소용 연료압 밸브 개도량, 초희박 연소용 연료 압력 밸브 개도량을 나타내며, 이들 맵 값은 메모리에 저장된다.

이론 공연비 운전모드 스위치(342), 희박연소 운전모드 스위치(344), 초희박 연소 운전모드 스위치(346)는 각각 본 발명의 실시예에 따라 결정된 운전모드를 운전모드 판별부(10, 도 1참조)로부터 입력받아 연료 압력 밸브 개도량 맵(332, 334, 336)으로부터 계산되는 해당 운전모드에 대응하는 연료압 밸브 개도량을 스위칭 하는 역할을 한다.

통상 상태 판별 스위치(350)는 차량이 현재 시동중인지 통상 상태인지를 판단하는 제어부로부터 제어신호를 입력받아, 통상 상태인 경우 각 모드에 대응하는 연료압 밸브 개도량(FPVPWM)을 출력한다. 예를 들어, 부분 부하시에는 100 또는 120bar 정도, 아이들시에는 80bar 정도 및 퍼지 컨드롤시에는 60 또는 80bar 정도의 연료압의 출력값을 가진다.

다음은, 본 발명의 실시예에 따른 GDI 엔진의 전자 제어 시스템에서 연료압을 보상하는 연료압 보상 제어방법에 대하여 도면을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.

도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 GDI 엔진의 전자 제어 시스템에서의 연료압 보상 제어방법에서는, 우선 연료압 센서(30)를 이용하여 현재 상태의 연료압(FPS)을 검출한다(S10).

이어, 아날로그 출력값의 검출된 연료압(FPS)을 A/D 변환기를 이용하여 디지털 출력값(FPSADC)으로 변환한다(S20).

이어, 디지털 출력값(FPSADC)의 최대값과 최소값을 결정하기 위해서 이미 설정되어 있는 연료압 최대값(FPSMAXC) 및 연료압 최소값(FPSMINC)과 비교한다(S30). 이때, 디지털 출력값으로 변환된 연료압 출력값(FPSADC)이 연료압 최대값(FPSMAXC)보다 크면 연료압 출력값(FPSADC)을 연료압 최대값(FPSMAXC)으로 최종 출력하고, 연료압 출력값(FPSADC)이 연료압 최소값(FPSMINC)보다 작으면 연료압 출력값(FPSADC)을 연료압 최소값(FPSMINC)으로 최종 출력하고, 연료압 출력값(FPSADC)이 연료압 최대값(FPSMAXC)과 연료압 출력값(FPSADC) 사이에 있으면 연료압 출력값(FPSADC)을 그대로 최종 출력한다.

이어, 연료압 출력값(FPSADC)을 이용하여 원하는 최종의 연료압 보상값(FPSFIL)을 구하기 위하여 수학식을 이용하여 연료압 출력값(FPSADC)을 필터링(filtering)한다(S40). 이때 수학식은 다음과 같다.

[수학식]

FPSFIL_n=FPSADC+(GAIFPSC/256)×(FPSFIL_n-1-FPSADC)

여기서, GAIFPSC는 연료압 보상값(FPSFIL)을 얻기 위한 필터링 상수이며, FPSFIL_n-1은 이전의 단계에서 필터링을 통하여 얻어진 연료압 보상값이다.

이어, 연료압 보상값(FPSFIL)을 이용하여 연료압에 따른 연료량 보정값(INJFPS)을 출력한다(S50).

이어, 곱셈기를 이용하여 연료량 보정값(INJFPS)에 기본 연료량 변환 계수를 곱하여 최종 연료량 보정 분사 계수(Kfp)를 출력한다(S60). 여기서, 얻어진 최종연료량 보정 분사 계수(Kfp)는 기본 연료 분사량에 곱해지게 된다.

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

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 연료압 센서를 이용하여 일정한 시간을 단위로 주기적으로 연료 분사압을 측정할 수 있으며, 이를 통하여 분사되는 연료량을 조절 및 보상할 수 있다.

Claims

엔진 회전속도와 필요로 하는 엔진 부하의 상대값을 입력받아 이론 공연비 모드, 희박 운전모드, 초희박 운전모드 중 하나의 운전모드를 판별하는 운전모드 판별부;

상기 운전모드 판별부로부터 출력된 운전모드에 따라 각종 전자 제어값을 출력하는 전자 제어부; 및

일정한 시간을 단위로 주기적으로 연료 분사압을 측정하여 상기 전자 제어부로 출력하는 연료압 센서를 포함하는 가솔린 직접 분사용 엔진 제어 시스템.
제1항에 있어서,

상기 운전모드 판별부는

상기 입력된 엔진 회전속도가 제1 회전속도 값과 제2 회전속도 값 사이이고, 상기 입력된 필요로 하는 엔진 부하의 상대값이 제1 상대 개도량 값과 제2 상대 개도량 값 사이인 경우 초희박 운전모드 영역으로 판별하고,

상기 입력된 엔진 회전속도가 제3 회전 속도값 이하이거나 제4 회전속도 값 이상에서 이론 공연비 운전모드 영역으로 판별하며,

상기 입력된 필요로 하는 엔진 부하의 상대값이 제3 개도량 이하이거나 제4 개도량 이상에서 이론 공연비 운전모드 영역으로 판별하며,

상기 이론 공연비 운전모드 영역과 초희박 운전모드 사이를 희박 운전모드영역으로 판별하는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사용 엔진 제어 시스템.
연료압 센서를 이용하여 연료압(FPS)을 검출하는 단계;

상기 연료압을 변환하여 연료압 출력값(FPSADC)을 출력하는 단계;

상기 연료압 출력값(FPSADC)을 이용하여 수학식으로 필터링(filtering)하여 연료압 보상값(FPSFIL)을 구하는 단계;

상기 연료압 보상값(FPSFIL)을 이용하여 연료압에 따른 연료량의 보정값(INJFPS)을 출력하는 단계;

상기 연료량 보정값(INJFPS)을 이용하여 연료량 보정 분사 계수(Kfp)를 출력하는 단계를 포함하는 가솔린 직접분사 엔진의 연료압 보상 제어방법.
제3항에 있어서,

상기 연료량 보정 분사 계수(Kfp)를 연료 분사량과 곱하는 단계를 더 포함하는 가솔린 직접분사 엔진의 연료압 보상 제어방법.
제3항에 있어서,

상기 연료압 출력값(FPSADC)의 최대값과 최소값을 결정하는 단계를 더 포함하는 가솔린 직접분사 엔진의 연료압 보상 제어방법.
제3항에 있어서,

상기 수학식은 FPSFIL_n=FPSADC+(GAIFPSC/256)×(FPSFIL_n-1-FPSADC)인 가솔린 직접분사 엔진의 연료압 보상 제어방법.