KR100440145B1 - 디젤 엔진의 물분사 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 캠 샤프트 포지션 센서와 TDC 센서로부터의 신호를 입력받아 피스톤 및 흡,배기 밸브의 위치를 확인하여 엔진의 연소상태 및 연소특성에 따라 최적의 분사시점에서 물입자를 분사하도록 하여 엔진의 연소효율을 저해하지 않으면서, 동시에 배기가스 중의 매연 및 질소산화물을 저감할 수 있도록 하는 디젤 엔진의 물분사 시스템 및 그 제어방법을 제공한다.

Description

디젤 엔진의 물분사 시스템 및 그 제어방법{WATER INJECTING SYSTEM OF DIESEL ENGINE AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 디젤 엔진의 물분사 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 캠 샤프트 포지션 센서와 TDC 센서로부터의 신호를 입력받아 피스톤 및 흡,배기 밸브의 위치를 확인하여 엔진의 연소상태 및 연소특성에 따라 최적의 분사시점에서 물입자를 분사하도록 하여 엔진의 연소효율을 저해하지 않으면서, 동시에 배기가스 중의 매연 및 질소산화물을 저감할 수 있도록 하는 디젤 엔진의 물분사 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 디젤 엔진 등의 내연기관의 연소가스 온도는 거의 3,000℃에 달하고, 연소가스인 이산화탄소, 수증기 등은 온도가 1,400℃를 넘으면 열해리를 일으키게 되는데, 이러한 열해리는 고온에 의해 탄산가스, 수증기 등이 일산화탄소, 수소 및 물분자로 분해되는 것으로, 온도가 높을수록 더욱 증가되며, 열해리가 일어나면, 연소시 발생하는 많은 열에너지가 화학적 에너지로 변화되어 결과적으로 내연기관에 큰 열손실을 일으키게 된다.
또한, 고온의 연소가스는 실린더 및 피스톤 등에 작용하여 국부과열, 열충격, 조기점화 등 많은 문제점을 일으키게 된다.
이와 같은 문제점을 보완하기 위하여 종래에는 내연기관의 폭발 행정시에 적당량의 물을 연소실내에 분사해줌으로서, 분사된 물이 기화되면서 다량의 에너지를 흡수하여 연소가스의 온도를 낮추게되고, 이에 따라 열해리를 방지하고 고온의 연소로 인해 야기되는 많은 문제점들을 완화해 주게 되는 것이다. 동시에, 분사된 물이 증발하여 고압의 증기압을 발생시켜 연소실 내의 압력을 낮추어 주게 됨으로 엔진의 출력을 증대시키는 효과도 있다.
이러한 종래 디젤 엔진의 물분사 시스템은, 도 4에서 도시한 바와 같이, 연료 및 물을 인젝터(101)로부터 동시에 분사할 수 있도록 인젝터(101) 내에 연료관(103)과 물관(105)을 동시에 구성하며, 상기 연료관(103)은 인젝션 펌프(107)에 의해 연료탱크(109)로부터의 연료가 공급되며, 상기 인젝터(101)로부터 분기된 물관(105)은 물공급 펌프(111)에 의해 물탱크(113)의 물을 가압된 상태로 공급하게 되며, ECU(115)에 의해 적절한 양과 타이밍을 가지고 인젝터(101)로공급하도록 제어밸브(117)를 구비하여 이루어진다.
상기한 바와 같은 물분사 시스템의 물 분사패턴은, 도 5에서 도시한 바와 같이, 1회의 분사에 있어서, 전체 연료 분사량의 일정비 이하의 연료가 먼저 분사되고, 이어서 전체 연료 분사량에 대하여 물의 전량이 분사되며, 최후에 나머지의 연료가 전량 분사되도록 함으로서 배기가스 중의 NOx의 저감 및 매연농도 저감을 실현하도록 하고 있다.
그러나 상기한 바와 같은 종래의 물분사 시스템에 의하면, 물입자의 분사시기와 관련하여 엔진의 연소상태 및 연소특성 등에 따라 연소실 내에서 연소 적기에 물입자를 공급함으로서 매연이나 NOx 등의 유해물질 저감에 효과를 주기보다는 매 분사시 연료와 물입자의 분사순서에 초점을 둔 것으로, 오히려 과도한 물입자 공급이나 불필요한 시점에 물입자를 공급하여 연소실내의 온도를 떨어뜨려 예상치 못한 출력손실을 야기시키는 등의 문제점을 내포하고 있다.
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 캠 샤프트 포지션 센서와 TDC 센서로부터의 신호를 입력받아 피스톤 및 흡,배기 밸브의 위치를 확인하여 엔진의 연소상태 및 연소특성에 따라 최적의 분사시점에서 물입자를 분사하도록 하여 엔진의 연소효율을 저해하지 않으면서, 동시에 배기가스 중의 매연 및 질소산화물을 저감할 수 있도록 하는 디젤 엔진의 물분사 시스템 및 그 제어방법을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 디젤 엔진의 물분사 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 물분사 시스템의 제어방법에 따른 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 물분사 시스템에 의한 물 분사시기를 나타내기 위한 밸브 거동 선도이다.
도 4는 종래 기술에 따른 디젤 엔진의 물분사 시스템의 구성도이다.
도 5는 종래 기술의 물분사 시스템에 의한 물분사 패턴도이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 디젤 엔진의 물분사 시스템은, 연소실내로 연료 및 물을 함께 분사할 수 있도록 각각의 인젝터 내에 연료관과 물관을 동시에 구성하며, 상기 연료관은 인젝션 펌프에 의해 연료탱크로부터의 연료가 공급되며, 상기 각 인젝터로부터 분기된 물관은 물공급 펌프에 의해 물탱크의 물이 가압된 상태로 공급되어 제어부의 제어에 따라 적절한 양과 타이밍을 가지고 연소실로 분사할 수 있도록 구성되는 디젤 엔진의 물분사 시스템에서,
실린더내 피스톤의 상사점을 검출하여 그 신호를 출력하는 TDC 센서와; 캠 샤프트의 각을 검출하여 흡,배기 밸브의 거동신호를 출력하는 캠 샤프트 포지션 센서와; 엔진의 회전수를 검출하여 그 신호를 출력하는 엔진 회전수 센서와; 엑셀레이터 페달의 개도량을 검출하여 그 신호를 출력하는 엑셀레이터 페달 포지션 센서와; 상기 물공급 펌프와 각 인젝터의 물관을 연결하는 관로 상에 상기 인젝터에 대응하여 각각 설치되어 상기 센서들로부터 검출되는 신호에 따라 상기 제어부로부터 출력되는 분사시기 및 분사시간 등의 제어신호에 따라 제어되는 다수개의 제어밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기한 바와 같은 디젤 엔진의 물분사 시스템의 제어방법은 엔진 회전수 신호, 엑셀레이터 페달의 개도량 신호, TDC 신호 및 캠 샤프트 포지션 신호를 검출하는 신호 검출단계와; 상기 엔진 회전수 신호와 엑셀레이터 페달의 개도량 신호로부터 연료 분사량을 연산하고, 상기 연료 분사량에 따라 자체 맵(MAP)화된 물입자 분사량을 연산하는 분사량 연산단계와; 엔진의 1사이클 연소과정에서 상기 TDC 신호 및 캠 샤프트 포지션 신호가 상호 매칭되는가를 판단하는 단계와; 상기단계로부터 상기 TDC 신호 및 캠 샤프트 포지션 신호가 상호 매칭되는 시점에서의 해당 실린더를 초기 물분사 실린더로 설정하여 실린더 폭발순서에 따라 물분사 실린더의 순서를 결정하는 초기분사실린더 결정단계와; 상기 엔진 회전수 신호 및 엑셀레이터 페달의 개도량 신호로부터 엔진 회전수 및 엑셀레이터 페달의 개도량이 설정치 이상인가를 판단하는 단계와; 상기 판단단계로부터 엔진 회전수 및 엑셀레이터 페달의 개도량 신호에 따라 인젝터로부터의 물분사 시기를 흡기행정 초기 또는 압축행정 초기로 이원화하여 설정하는 분사시기 설정단계와; 상기 단계로부터 설정된 분사시기에 따라 해당 제어밸브를 온(ON)시켜 상기 분사량 연산단계로부터 연산된 시간만큼 시간 제어하는 제어밸브 제어단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 디젤 엔진의 물분사 시스템의 구성도로서, 본 발명에 따른 디젤 엔진의 물분사 시스템의 구성은 연소실내로 연료 및 물을 함께 분사할 수 있도록 각각의 인젝터(1) 내에 연료관과 물관을 동시에 구성하고, 상기 연료관은 인젝션펌프(미도시)에 의해 연료탱크(미도시)로부터의 연료가 공급되며, 상기 각 인젝터(1)로부터 분기된 물관은 물공급 펌프(3)에 의해 물탱크(5)의 물이 가압된 상태로 공급되어 제어부(7)의 제어에 따라 적절한 양과 타이밍을 가지고 연소실로 분사할 수 있도록 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 디젤 엔진의 물분사 시스템은 실린더내 피스톤의 상사점을 검출하여 그 신호를 출력하는 TDC 센서(11)와, 캠 샤프트의 각을 검출하여 흡,배기 밸브의 거동신호를 출력하는 캠 샤프트 포지션 센서(13), 그리고 엔진의 회전수를 검출하여 그 신호를 출력하는 엔진 회전수 센서(15) 및 엑셀레이터 페달의 개도량을 검출하여 그 신호를 출력하는 엑셀레이터 페달 포지션 센서(17)를 포함하며, 상기 물공급 펌프(3)와 각 인젝터(1)의 물관을 연결하는 관로(9) 상에는 상기 각 인젝터(1)에 대응하여 각각 설치되어 상기 센서들로부터 검출되는 신호에 따라 상기 제어부(7)로부터 출력되는 분사시기 및 분사시간 등의 제어신호에 따라 제어되는 4개의 솔레노이드 밸브로 이루어지는 제어밸브(19, #1, #2, #3, #4)를 더 포함하여 구성된다.
상기 제어부(7)는 상기 디젤 엔진의 물분사 시스템의 제어를 수행하며, 일예로는 상기 본 발명의 실시예의 제어가 프로그램으로 작성되고, 상기 제어부는 상기 프로그램에 의해 작동되는 마이크로프로세서(microprocessor)로 할 수 있으며, 통상 엔진을 제어하기 위해서는 하나 이상의 전자제어유닛(ECU; Electronic Control Unit)을 사용하고 있으므로, 상기 제어부(7)는 상기 ECU로 하는 것이 바람직하다.
따라서 상기한 바와 같은 구성을 갖는 디젤 엔진의 물분사 시스템을 제어하기 위한 제어방법의 일실시예로서, 도 2에서 도시한 바와 같이, 먼저, 상기 ECU(7)는 TDC 센서(11)와, 캠 샤프트 포지션 센서(13), 엔진 회전수 센서(15) 및 엑셀레이터 페달 포지션 센서(17)들로부터 검출된 TDC 신호, 캠 샤프트 포지션 신호, 엔진 회전수 신호 및 엑셀레이터 페달의 개도량 신호를 수신하게 된다(S10)
따라서, 상기 ECU(7)는 상기 엔진 회전수 신호와 엑셀레이터 페달의 개도량신호로부터 연료 분사량을 연산하고, 상기 연료 분사량에 따라 자체 맵(MAP)화된 물입자 분사량을 연산하게 된다(S20).
상기 단계(S20)로부터 물 분사량이 연산되면, 계속해서 상기 ECU(7)는 엔진의 1사이클 연소과정에서 상기 TDC 신호 및 캠 샤프트 포지션 신호가 상호 매칭되는가를 판단하게 되는데(S30), 상기 캠 샤프트 포지션 센서(13)의 신호 1회에 TDC 신호는 2회 출력됨으로 엔진(10)의 1사이클 연소과정에서 두 신호의 상호 매칭되는 횟수는 1회로 이루어지며, 이를 인식하는 시점을 검출하게 되는 것이다.
이 때, 상기 단계(S30)로부터 상기 TDC 신호 및 캠 샤프트 포지션 신호가 상호 매칭되는 시점에서의 해당 실린더를 초기 물분사할 실린더로 설정하여 실린더 폭발순서(#1, #3, #2, #4)에 따라 물분사 실린더의 순서를 설정하게 된다(S40).
계속해서, 상기 ECU(7)는 상기 엔진 회전수 센서(15) 및 엑셀레이터 페달 포지션 센서(17)로부터 검출된 엔진 회전수 신호 및 엑셀레이터 페달의 개도량 신호로부터 엔진 회전수 및 엑셀레이터 페달의 개도량이 설정치인 설정 회전수 및 설정 개도량 이상인가를 판단하게 된다(S50).
상기 단계(50)로부터 엔진 회전수 및 엑셀레이터 페달의 개도량 신호가 설정치 이상인 것으로 판단되면, 도 3에 의한 본 발명의 물분사 시스템에 의한 물 분사시기를 나타내기 위한 밸브 거동 선도에서 도시된 바와 같이, 상기 ECU(7)는 물분사 시기를 흡기행정 초기(P1)로 설정하고(S61), 상기 엔진 회전수 및 엑셀레이터 페달의 개도량 신호가 설정치 미만인 것으로 판단되면, 물분사 시기를 압축행정 초기(P2)로 설정하는(S62) 물분사 시기를 설정하는 단계(S60)를 이루게 된다.
이어서, 상기 단계(S60)로부터 설정된 분사시기(S61,S62)에 따라 ECU(7)는 해당 제어밸브(#1, #3, #2, #4)를 온(ON)시켜 상기 물 분사량을 연산하는 단계(S20)로부터 연산된 시간만큼 시간 제어하게 되는 것이다(S70).
따라서 상기한 바와 같이, 엔진 회전수 및 엑셀레이터 페달의 개도량 신호가 설정치 이상인 것으로 판단되면, 엔진이 고속 고부하 운전영역에 있는 것으로 판단하여 상기와 같이, 흡기행정 초기(P1)에 물입자를 분사함으로서 물입자가 최대한 연료와 잘 혼합되도록 하며, 상기 엔진 회전수 및 엑셀레이터 페달의 개도량 신호가 설정치 미만인 것으로 판단되면, 엔진이 저속 저부하 운전영역에 있는 것으로 판단하여 압축행정 초기(P2)에 물입자를 분사함으로서 연소실내의 온도가 필요이상으로 낮아지는 것을 방지할 수 있게 되는 것이다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 디젤 엔진의 물분사 시스템 및 그 제어방법에 의하면, 캠 샤프트 포지션 센서와 TDC 센서로부터의 신호를 입력받아 피스톤 및 흡,배기 밸브의 위치를 확인하여 엔진의 연소상태 및 연소특성에 따라 최적의 분사시점에서 최적량의 물입자를 분사하도록 하여 엔진의 연소효율을 저해하지 않으면서, 동시에 배기가스 중의 매연 및 질소산화물을 저감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 정밀한 분사량 및 분사시기의 제어를 통하여 예상치 못한 출력손실을 방지할 수 있는 효과도 있다.

Claims (4)

  1. 연소실내로 연료 및 물을 함께 분사할 수 있도록 각각의 인젝터 내에 연료관과 물관을 동시에 구성하며, 상기 연료관은 인젝션펌프에 의해 연료탱크로부터의 연료가 공급되며, 상기 각 인젝터로부터 분기된 물관은 물공급 펌프에 의해 물탱크의 물이 가압된 상태로 공급되어 제어부의 제어에 따라 적절한 양과 타이밍을 가지고 연소실로 분사할 수 있도록 구성되는 디젤 엔진의 물분사 시스템에 있어서,
    실린더내 피스톤의 상사점을 검출하여 그 신호를 출력하는 TDC 센서와;
    캠 샤프트의 각을 검출하여 흡,배기 밸브의 거동신호를 출력하는 캠 샤프트 포지션 센서와;
    엔진의 회전수를 검출하여 그 신호를 출력하는 엔진 회전수 센서와;
    엑셀레이터 페달의 개도량을 검출하여 그 신호를 출력하는 엑셀레이터 페달 포지션 센서와;
    상기 물공급 펌프와 각 인젝터의 물관을 연결하는 관로 상에 상기 인젝터에 대응하여 각각 설치되어 상기 센서들로부터 검출되는 신호에 따라 상기 제어부로부터 출력되는 분사시기 및 분사시간 등의 제어신호에 따라 제어되는 다수개의 제어밸브와;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 물분사 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제어밸브는
    솔레노이드 밸브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 물분사 시스템.
  3. 디젤 엔진의 물분사 시스템의 제어방법에 있어서,
    엔진 회전수 신호, 엑셀레이터 페달의 개도량 신호, TDC 신호 및 캠 샤프트 포지션 신호를 검출하는 신호 검출단계와;
    상기 엔진 회전수 신호와 엑셀레이터 페달의 개도량 신호로부터 연료 분사량을 연산하고, 상기 연료 분사량에 따라 자체 맵(MAP)화된 물입자 분사량을 연산하는 분사량 연산단계와;
    엔진의 1사이클 연소과정에서 상기 TDC 신호 및 캠 샤프트 포지션 신호가 상호 매칭되는가를 판단하는 단계와;
    상기 단계로부터 상기 TDC 신호 및 캠 샤프트 포지션 신호가 상호 매칭되는 시점에서의 해당 실린더를 초기 물분사 실린더로 설정하여 실린더 폭발순서에 따라 물분사 실린더의 순서를 결정하는 초기분사실린더 결정단계와;
    상기 엔진 회전수 신호 및 엑셀레이터 페달의 개도량 신호로부터 엔진 회전수 및 엑셀레이터 페달의 개도량이 설정치 이상인가를 판단하는 단계와;
    상기 판단단계로부터 엔진 회전수 및 엑셀레이터 페달의 개도량 신호에 따라 인젝터로부터의 물분사 시기를 흡기행정 초기 또는 압축행정 초기로 이원화하여 설정하는 분사시기 설정단계와;
    상기 단계로부터 설정된 분사시기에 따라 해당 제어밸브를 온(ON)시켜 상기분사량 연산단계로부터 연산된 시간만큼 시간 제어하는 제어밸브 제어단계와;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 물분사 시스템의 제어방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 분사시기 설정단계는
    상기 판단단계로부터 엔진 회전수 및 엑셀레이터 페달의 개도량 신호가 설정치 이상인 것으로 판단되면, 물분사 시기를 흡기행정 초기로 설정하고, 엔진 회전수 및 엑셀레이터 페달의 개도량 신호가 설정치 미만인 것으로 판단되면, 물분사 시기를 압축행정 초기로 설정하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 물분사 시스템의 제어방법.
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