KR100444054B1 - 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 연료 분사 제어장치 및 방법 - Google Patents

가솔린 직접 분사 엔진의 가변 연료 분사 제어장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가솔린 직접 분사 방식의 엔진 냉시동 성능을 향상시킬 수 있는 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 연료 분사 제어장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 연료 분사 제어장치에 있어서, 저압의 연료를 펌핑하는 1차 연료 펌프와; 상기 1차 연료 펌프의 출력단에 입력단이 연결되며, 상기 1차 연료 펌프로부터 공급되는 연료를 가압하는 2차 연료 펌프와; 인젝터로 가압된 연료를 공급하며, 상기 2차 연료 펌프에서 공급되는 가압된 연료의 압력 변동을 억제하는 연료 레일과; 상기 연료 레일 내의 연료 압력에 따라 개폐되어 상기 연료 레일 내의 연료 압력을 유지시키는 연료 레일 릴리이프 밸브와; 상기 연료 레일 내의 연료 압력을 계측하는 연료 압력 센서와; 상기 2차 연료 펌프의 출력단과 상기 연료 레일의 사이에 설치되며, 상기 2차 연료 펌프로부터 상기 연료 레일로 공급되는 연료의 흐름을 단속하는 연료 체크 밸브와; 상기 가솔린 직접 분사 엔진의 수온을 검출하는 수온 센서와; 상기 각각의 센서로부터 입력되는 신호를 분석하여 상기 가솔린 직접 분사 엔진의 냉시동시 연료 압력 조절 제어신호를 발생하는 엔진 제어부와; 상기 엔진 제어부로부터 공급되는 연료 압력 조절 제어신호의 입력에 따라 개도량이 감소되어 상기 2차 연료 펌프의 송출 압력을 설정압력으로 유지시키는 연료 펌프 릴리이프 밸브를 포함하여 구성한다.

Description

가솔린 직접 분사 엔진의 가변 연료 분사 제어장치 및 방법{FUEL INJECTION CONTROLLING DEVICE OF GASOLINE DIRECT INJECTION TYPE ENGINE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 가솔린 직접 분사 엔진에 관한 것으로서, 특히 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 연료 분사 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 가솔린 직접 분사(GDI : Gasoline Direct Injection) 엔진의 고압 연료 분사 제어장치는 1차 연료 펌프(110), 2차 연료 펌프(120), 연료 압력 센서(150), 연료 레일(Fuel Rail)(130), 압력 조절 밸브, 엔진 제어부(180)(ECU) 등으로 구성한다.
도 1을 참조하여 종래 기술에 따른 가솔린 직접 분사 엔진의 고압 연료 분사 제어장치의 구성을 설명한다.
먼저, 1차 연료 펌프(110)는 연료 탱크(112) 내에 장착되는 저압 펌프를 말한다.
2차 연료 펌프(120)는 캠축(230)(Cam Shaft)의 구동력을 이용하며, 캠축 (230)의 구동력으로 연료를 계속 보내주어 고압의 연료(130bar)를 만들어 주는 고압 펌프이다.
연료 압력 센서(150)는 도 1에 도시된 바와 같이 연료 레일(130)에 장착되며, 연료 압력을 계측하여 엔진 제어부(180)에 보내주어 압력 조절 밸브의 제어 데이터(Control Data)로 이용한다.
연료 레일(130)은 인젝터(220)(Injector)로 고압의 연료를 공급해 주고 2차 연료 펌프(120)에서 공급되는 고압 연료의 압력 변동을 줄여주는 역할을 한다.
압력 조절 밸브는 연료의 압력이 필요 이상일 경우 압력을 내려주기 위한 전자식 바이패스 밸브(By-Pass Valve)이다.
상기와 같은 구성을 갖는 종래 기술의 고압 연료 분사 제어동작을 설명한다.
먼저, 연료 탱크(112) 내에 장착되는 1차 연료 펌프(110)의 저압(3bar) 연료를 받아 2차 연료 펌프(120)에서 계속적으로 연료 레일(130)에 연료를 보내주면서 연료의 압력을 가솔린 직접 분사 엔진이 요구하는 고압(130bar이하)으로 만들어 인젝터(220)를 통해 연소실에 직접 분사를 해준다.
이때 연료 레일(130) 내의 압력을 일정하게 유지시켜 주기 위해 연료 압력 센서(150)와 압력 조절 밸브를 설치하며, 연료 압력 센서(150)에서 읽은 압력 값을 엔진 제어부(180)로 보내 압력 조절 밸브의 개도 양을 결정하는 데이터로 이용한다.
초기 시동성능 개선을 위한 보조 인젝터 설치 방식의 경우는 엔진이 열을 받을 때까지는 1차 연료 펌프(110)의 저압(3bar)인 연료를 흡기 매니폴드(Intake Manifold) 상단에 장착한 일반 차량 인젝터에 보내주어 흡기 매니폴드에서 공기와 혼합시켜 준다.
그러나, 위와 같은 방법을 사용할 때 종래에는 가솔린 직접 분사의 경우 초기 시동시 연료 분사 특성상 고압분사 냉시동 성능으로 인한 탄화수소(HC)와 스모크(Smoke)가 과다하게 배출되는 문제점이 있었다.
이를 해소하기 위한 방안으로 흡기 매니폴드 상단에 일반 차량(MPI)용 인젝터를 장착하여 초기 시동시 일반 차량(MPI)의 장점을 살리려 하였으나, 그 역시 인젝터 및 연료 라인(Injector & Fuel Line)의 추가 구성에 따른 비용 증가와 흡기 매니폴드 분사로 인해 연료의 손실을 발생하여 연비를 떨어뜨리는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 가솔린 직접 분사 방식의 엔진 냉시동 성능을 향상시킬 수 있는 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 연료 분사 제어장치 및 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 연료 분사 제어장치의 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 연료 분사 제어신호의 흐름을 도시한 블록도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 연료 분사 제어방법을 도시한 흐름도.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 연료 분사 제어장치에 있어서, 저압의 연료를 펌핑하는 1차 연료 펌프와; 상기 1차 연료 펌프의 출력단에 입력단이 연결되며, 상기 1차 연료 펌프로부터 공급되는 연료를 가압하는 2차 연료 펌프와; 인젝터로 가압된 연료를 공급하며, 상기 2차 연료 펌프에서 공급되는 가압된 연료의 압력 변동을 억제하는 연료 레일과; 상기 연료 레일 내의 연료 압력에 따라 개폐되어 상기 연료 레일 내의 연료 압력을 유지시키는 연료 레일 릴리이프 밸브와; 상기 연료 레일 내의 연료 압력을 계측하는 연료 압력 센서와; 상기 2차 연료 펌프의 출력단과 상기 연료 레일의 사이에 설치되며, 상기 2차 연료 펌프로부터 상기 연료 레일로 공급되는 연료의 흐름을 단속하는 연료 체크 밸브와; 상기 가솔린 직접 분사 엔진의 수온을 검출하는 수온 센서와; 상기 각각의 센서로부터 입력되는 신호를 분석하여 상기 가솔린 직접 분사 엔진의 냉시동시 연료 압력 조절 제어신호를 발생하는 엔진 제어부와; 상기 엔진 제어부로부터 공급되는 연료 압력 조절 제어신호의 입력에 따라 개도량이 감소되어 상기 2차 연료 펌프의 송출 압력을 설정압력으로 유지시키는 연료 펌프 릴리이프 밸브를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 연료 분사 제어방법에 있어서, 가솔린 직접 분사 엔진의 냉시동 상태를 검출하는 단계와; 1차 연료 펌프의 압력을 공급받아 가압하는 2차 연료 펌프의 작동구간을 검출하는 단계와; 상기 가솔린 직접 분사 엔진이 냉시동 상태이고 상기 2차 연료 펌프의 작동구간이 흡입구간이면, 연료 펌프 릴리이프 밸브의 개도량을 조절하여 제1 설정압력의 연료를 연료 레일로 공급하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해 예시한 것으로 본 발명이 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1 내지 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 연료 분사 제어장치의 구성을 설명한다.
본 발명의 실시예는 1차 연료 펌프(110)(Fuel Pump), 2차 연료 펌프(120), 연료 레일(130), 연료 레일 릴리이프 밸브(140)(Fuel Rail Relief Valve), 연료 압력 센서(150), 연료 체크 밸브(160)(Fuel Check Valve), 수온 센서(170), 엔진 제어부(180)(ECU), 연료 펌프 릴리이프 밸브(190)(Fuel Pump Relief Valve)를 포함하여 구성한다.
참조 번호 (112)는 연료 탱크(Fuel Tank)이며, (210)는 진동 댐퍼(Pulsation Damper)이다.
그리고, (220)는 인젝터(Injector)이며, (S230)는 캠축을 나타낸다.
1차 연료 펌프(110)는 연료 탱크(112)내에 장착되어 연료 탱크(112)내의 저압 연료를 펌핑하여 2차 연료 펌프(120)로 공급하는 기능을 한다.
2차 연료 펌프(120)는 1차 연료 펌프(110)의 출력단에 입력단이 연결되며, 1차 연료 펌프(110)로부터 공급되는 연료를 가압하여 연료 레일(130)로 공급한다.
연료 레일(130)은 인젝터(220)로 가압된 연료를 공급하며, 2차 연료 펌프(120)에서 공급되는 가압된 연료의 압력 변동을 억제한다.
연료 레일 릴리이프 밸브(140)는 연료 레일(130) 내의 연료 압력에 따라 개폐되어 연료 레일(130) 내의 연료 압력을 유지시키며, 연료 레일(130) 내의 연료 압력이 필요 이상(130bar 이상)일 경우 오픈(Open)되어 연료 레일(130) 내의 압력을 내려주기 위한 기계식 바이패스 밸브(By-Pass Valve)로 구성한다.
연료 레일 릴리이프 밸브(140)는 연료 레일(130) 내의 압력의 출렁거림을 방지하기 보다 일정한 값으로 유지시켜 주기 위해 연료 레일 바이패스 라인(Fuel Rail By-pass Line)에 설치한다.
연료 압력 센서(150)는 연료 레일(130) 내의 연료 압력을 계측하며, 연료 압력 센서(150)의 신호는 엔진 제어부(180)에 공급되어 연료 펌프 릴리이프 밸브(190)의 제어 데이터로 이용된다.
연료 체크 밸브(160)는 2차 연료 펌프(120)의 출력단과 연료 레일(130)의 사이에 설치되며, 2차 연료 펌프(120)로부터 연료 레일(130)로 공급되는 연료의 흐름을 단속한다.
즉, 연료 체크 밸브(160)는 2차 연료 펌프(120)가 캠축(230)의 구동력을 받아 회전하는 캠의 가압 행정 말기에 연료 압력에 의해 열림으로써 연료 레일(130)로 연료를 공급한다.
수온 센서(170)는 가솔린 직접 분사 엔진의 수온을 검출한다.
엔진 제어부(180)는 각각의 센서로부터 입력되는 신호를 분석하여 가솔린 직접 분사 엔진의 냉시동시 연료 압력 조절 제어신호를 발생한다.
엔진 제어부(180)는 연료 펌프 릴리이프 밸브(190)를 2차 연료 펌프(120)의 흡입행정에 열어주고 그 열어주는 시간을 조절하여 2차 연료 펌프(120)의 송출 압력을 설정압력으로 유지시킨다.
연료 펌프 릴리이프 밸브(190)는 엔진 제어부(180)로부터 공급되는 연료 압력 조절 제어신호의 입력에 따라 개도량이 감소되어 2차 연료 펌프(120)의 송출 압력을 제1 설정압력(5bar)으로 유지시킨다.
본 발명의 실시예는 캠축(230)의 회전에 따라 캠의 위치를 검출하기 위한 캠축 위치 검출 센서(200)(Cam Shaft Position Sensor)를 더 포함하여 구성한다.
이와 같은 구성에서 엔진 제어부(180)는 캠축 위치 검출 센서(200), 연료 펌프 릴리이프 밸브(190) 및 연료 압력 센서(150)의 신호를 받으며, 캠축 위치 검출 센서(200)의 신호를 통해 캠축(230)의 회전각을 계산하고, 연료 펌프 릴리이프 밸브(190)의 오픈 시간을 결정하여 연료 펌프 릴리이프 밸브(190)를 2차 연료 펌프(120)의 흡입행정에 열어주고 그 열어주는 시간을 조절하여 엔진의 초기 냉시동시 직분식 인젝터(220)를 통해 연료가 저압(5bar)으로 분사되도록 제어함으로써 탄화수소(HC)와 스모크(Smoke)를 감소시킨다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 연료 분사 제어동작을 설명한다.
먼저, 엔진 제어부(180)는 도 3의 (S310)에서 수온 센서(170)를 통해 입력되는 신호를 분석하여 가솔린 직접 분사 엔진의 냉시동 상태를 검출한다.
(S310)에서 가솔린 직접 분사 엔진이 냉시동 상태이면, 엔진 제어부(180)는 1차 연료 펌프(110)의 압력을 공급받아 가압하는 2차 연료 펌프(120)의 작동구간을 검출한다(S312, S314).
만약, 전술한 (S310~S314)에서 가솔린 직접 분사 엔진이 냉시동 상태이고 2차 연료 펌프(120)의 작동구간이 흡입구간이면, 엔진 제어부(180)는 연료 펌프 릴리이프 밸브(190)의 개도량을 조절하여 제1 설정압력(5bar)의 연료를 연료 레일(130) 및 인젝터(220)로 공급하여 분사하는 단계를 수행한다(S316~S320).
즉, 엔진 제어부(180)는 연료 레일(130) 내의 연료 압력값과 캠축 위치 검출 센서(200)에서 받은 캠축(230)의 위치 값 그리고 수온 센서(170)의 온도 값을 이용하여 엔진의 냉시동시 온도가 규정치 만큼 오를 때까지 1차 연료 펌프(110)(3bar)를 통해 공급되는 연료를 연료 펌프 릴리이프 밸브(190)의 개도량을 줄여 연료 레일(130)에 연료를 5bar로 맞춰 인젝터(220)를 통해 연소실에 분사하는 제어동작을 수행함으로써 엔진의 초기 시동성능을 개선한다.
한편, 가솔린 직접 분사 엔진이 냉시동 상태가 아니면, 엔진 제어부(180)는 연료 펌프 릴리이프 밸브(190)의 개도량을 조절하여 제2 설정압력(130bar)의 연료를 연료 레일(130) 및 인젝터(220)로 공급하여 분사하는 단계를 수행한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 연료 분사 제어장치 및 방법은 2차 연료 펌프에 들어오는 유량으로 압력을 조절해 줌으로써 종래 기술에 비해 초기시동시 가압으로 인한 손실을 줄일 수 있고 초기 저압분사(5bar)가 가능해 짐으로써 탄화수소(HC)와 스모크(Smoke)의 배출량을 줄일 수 있다.
또한, 초기 시동성능 개선을 위해 보조 인젝터 설치 및 흡기 매니폴드 가공이 필요 없어짐에 따라 부품 및 공정을 축소할 수 있다.
또한, 보조 인젝터 및 연료 레일의 추가 구성이 필요 없어 그 만큼 비용절감 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 연료 분사 제어장치에 있어서,
    저압의 연료를 펌핑하는 1차 연료 펌프와;
    상기 1차 연료 펌프의 출력단에 입력단이 연결되며, 상기 1차 연료 펌프로부터 공급되는 연료를 가압하는 2차 연료 펌프와;
    인젝터로 가압된 연료를 공급하며, 상기 2차 연료 펌프에서 공급되는 가압된 연료의 압력 변동을 억제하는 연료 레일과;
    상기 연료 레일 내의 연료 압력에 따라 개폐되어 상기 연료 레일 내의 연료 압력을 유지시키는 연료 레일 릴리이프 밸브와;
    상기 연료 레일 내의 연료 압력을 계측하는 연료 압력 센서와;
    상기 2차 연료 펌프의 출력단과 상기 연료 레일의 사이에 설치되어 상기 2차 연료 펌프로부터 상기 연료 레일로 공급되는 연료의 흐름을 단속하며, 상기 2차 연료 펌프가 캠축의 구동력을 받아 회전하는 캠의 가압 행정 말기에 연료 압력에 의해 열림으로써 상기 연료 레일로 연료를 공급하는 연료 체크 밸브와;
    상기 가솔린 직접 분사 엔진의 수온을 검출하는 수온 센서와;
    상기 각각의 센서로부터 입력되는 신호를 분석하여 상기 가솔린 직접 분사 엔진의 냉시동시 연료 압력 조절 제어신호를 발생하는 엔진 제어부와;
    상기 엔진 제어부로부터 공급되는 연료 압력 조절 제어신호의 입력에 따라 개도량이 감소되어 상기 2차 연료 펌프의 송출 압력을 설정압력으로 유지시키는 연료 펌프 릴리이프 밸브를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 연료 분사 제어장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 엔진 제어부는
    상기 연료 펌프 릴리이프 밸브를 2차 연료 펌프의 흡입행정에 열어주고 그 열어주는 시간을 조절하여 상기 2차 연료 펌프의 송출 압력을 설정압력으로 유지시키는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 연료 분사 제어장치.
  4. 제2항의 구성을 갖는 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 연료 분사 제어방법에 있어서,
    가솔린 직접 분사 엔진의 냉시동 상태를 검출하는 단계와;
    1차 연료 펌프의 압력을 공급받아 가압하는 2차 연료 펌프의 작동구간을 검출하는 단계와;
    상기 가솔린 직접 분사 엔진이 냉시동 상태이고 상기 2차 연료 펌프의 작동구간이 흡입구간이면, 연료 펌프 릴리이프 밸브의 개도량을 조절하여 제1 설정압력의 연료를 연료 레일로 공급하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 연료 분사 제어방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 가솔린 직접 분사 엔진이 냉시동 상태가 아니면, 상기 연료 펌프 릴리이프 밸브의 개도량을 조절하여 제2 설정압력의 연료를 상기 연료 레일로 공급하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 연료 분사 제어방법.
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