KR100507066B1 - 가솔린 직접 분사 엔진의 연비 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가솔린 직접 분사 엔진의 연비 개선 및 흡장형 촉매의 부담을 감소시켜 가솔린 직접 분사 엔진의 연비와 성능을 향상시킬 수 있는 가솔린 직접 분사 엔진의 연비 제어방법에 관한 것으로, 가솔린 직접 분사 엔진의 운전 영역을 검출하는 단계와; 검출된 가솔린 직접 분사 엔진의 운전 영역에 따른 신호값과 설정값의 크기를 비교하는 단계와; 신호값과 설정값의 크기를 비교한 결과에 따라 해당되는 연비 제어동작을 수행하는 단계를 포함하여 이루어지며, 검출된 가솔린 직접 분사 엔진의 운전 영역이 저부하 운전 영역이면, 질소 산화물(NOx)의 흡장율을 설정비율과 비교하고, 비교된 질소 산화물(NOx)의 흡장율이 설정비율을 초과하면 이론 공연비 운전 제어동작을 수행한다.

Description

가솔린 직접 분사 엔진의 연비 제어방법{GASOLINE DIRECT INJECTION ENGINE CONTROLLING METHOD}
본 발명은 가솔린 직접 분사 엔진에 관한 것으로서, 특히 가솔린 직접 분사 엔진의 연비 제어방법에 관한 것이다.
통상적으로, 일반적인 가솔린 엔진은 부분 부하 운전 영역에서 스로틀 (Throttle)을 사용하여 부하를 조절한다.
이에 반해 초 희박 가솔린 직접 분사 엔진의 경우는 스로틀을 전개한 상태에서 공기를 실린더 내로 흡입하여 초 희박의 공연비로 연소를 시킨다.
이 경우에 포트 분사식 가솔린 엔진에 비하여 와이드 오픈 스로틀(WOT ; Wide Open Throttle)에 의하여 펌핑 로스(Pumping Loss)가 저감되고, 연소실 중심 부에서의 성층 연소에 의한 연소실 벽면으로의 냉각 손실이 저감된다.
또한, 분사된 연료의 효율적인 연소로 배기 손실 및 미연 손실이 저감되므로 연비의 대폭적인 이득이 가능하다.
일반적으로, 2000rpm, 2.0barEMEP 조건에서 포트 분사식 엠피아이(MPI ; Multi Point Injection)에 대비하여 연비가 약20% 정도 개선된다.
여기서, EMEP는 제동 평균 유효압력이다.
또한, 가솔린 직접 분사 엔진은 이산화탄소(CO2) 규제에 대응하는 가장 우수한 기술로 인식되고 있다.
이러한 이유로, 차량 제조 업체에서는 개발에 막대한 인력과 자본을 투자하고 있는 추세이다.
그러나, 초 희박 운전에 의한 엔진은 연비의 대폭적인 저감이 가능하나 실차에서 배기 규제를 만족하기 위하여서는 연비의 이득이 대폭적으로 줄어들어서 양산 업체들의 생산 대수가 당초의 계획보다 줄어들고 있어 이의 단점을 보완할 새로운 기술을 포함하는 가솔린 직접 분사 엔진이 요구되고 있다.
예를 들면, 희박 상태에서 배출되는 질소 산화물(NOx)을 정화하는 흡장형 촉매의 경우 정화 온도 범위가 좁고 정화율이 낮아서 실차에서 초희박 운전을 제한하여 연비이득은 감소하게 된다.
또한, 가솔린 내에 포함되어 있는 황 성분에 의하여 흡장형 촉매의 피독이 유발되므로 희박 운전 중에 주기적으로 이론 공연비의 탈황 운전을 해야 되므로 연비 손실이 발생하는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 가솔린 직접 분사 엔진의 연비 개선 및 흡장형 촉매의 부담을 감소시켜 가솔린 직접 분사 엔진의 연비와 성능을 향상시킬 수 있는 가솔린 직접 분사 엔진의 연비 제어방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 가솔린 직접 분사 엔진의 연비 제어방법에 있어서, 상기 가솔린 직접 분사 엔진의 운전 영역을 검출하는 단계와; 상기 검출된 가솔린 직접 분사 엔진의 운전 영역에 따른 신호값과 설정값의 크기를 비교하는 단계와; 상기 신호값과 설정값의 크기를 비교한 결과에 따라 해당되는 연비 제어동작을 수행하는 단계를 포함하여 이루어지며, 상기 검출된 가솔린 직접 분사 엔진의 운전 영역이 저부하 운전 영역이면, 질소 산화물(NOx)의 흡장율을 설정비율과 비교하고, 상기 비교된 질소 산화물(NOx)의 흡장율이 설정비율을 초과하면 이론 공연비 운전 제어동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.
삭제
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 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 가솔린 직접 분사 엔진(GDI ; Gasoline Direct Injection)의 연비 제어장치의 구성을 설명한다.
본 발명의 실시예는 가솔린 직접 분사 엔진의 연비 제어장치에 있어서, 운전 영역 검출부(110), 메모리부(120), 엔진 제어부(130)(ECU), 연비 제어 구동부(140)를 포함하여 구성한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 적용되는 가솔린 직접 분사 엔진은 초 희박 가솔린 직접 분사 엔진으로 실린더 내에 연료를 직접 분사하여 부분 부하에서 초 희박 운전을 실현하여 연비의 저감을 가능하게 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 가솔린 직접 분사 엔진의 압축비(14 ; 1)는 일반적인 가솔린 직접 분사 엔진의 압축비(11 ; 1)에 대비하여 고압축비이다.
운전 영역 검출부(110)는 가솔린 직접 분사 엔진의 운전 영역을 검출한다.
운전 영역 검출부(110)는 가솔린 직접 분사 엔진의 회전수를 검출하는 엔진 회전수 검출센서와, 가솔린 직접 분사 엔진의 노킹 상태를 검출하는 노킹 센서를 포함하여 구성한다.
메모리부(120)는 램(RAM)과 롬(ROM)으로 구성하며, 본 발명의 실시예에 관련된 데이터 및 제어 프로그램을 저장한다.
특히, 본 발명의 실시예에 있어서는 가솔린 직접 분사 엔진의 운전 영역에 따른 설정값들을 저장한다.
엔진 제어부(130)는 엔진의 구동에 관련된 전반적인 제어동작을 수행하며, 특히 본 발명의 실시예에서는 운전 영역 검출부(110)로부터 입력되는 신호를 분석하여 가솔린 직접 분사 엔진의 운전 영역에 따라 검출되는 신호값과, 그 신호값에 대응되는 설정값을 메모리부(120)로부터 독출하고, 신호값과 설정값의 크기를 비교한 결과에 따라 해당되는 구동 제어신호를 발생한다.
연비 제어 구동부(140)는 엔진 제어부(130)로부터 공급되는 구동 제어신호의 입력에 따라 해당되는 연비 제어동작을 수행한다.
예를 들어, 연비 제어 구동부(140)는 연료 분사 구동부(142), 터보 차저 구동부(144)(Turbo Charger), 흡기 가변 밸브 타이밍 구동부(146)(VVT ; Variable Valve Timing)를 포함한다.
연료 분사 구동부(142)는 엔진 제어부(130)로부터 공급되는 연료 분사 구동 제어신호의 입력에 따라 구동되어 가솔린 직접 분사 엔진의 실린더 내에 연료를 직접 분사한다.
터보 차저 구동부(144)는 엔진 제어부(130)로부터 공급되는 터보 차저 구동 제어신호의 입력에 따라 구동되어 배기가스를 통해 흡입 공기를 압축하여 엔진의 흡기계로 과급한다.
터보 차저 구동부(144)의 구성으로 저 배기량으로 고 출력을 실현하여 엔진의 소형화 및 연비 저감을 실현할 수 있다.
흡기 가변 밸브 타이밍 구동부(146)는 엔진 제어부(130)로부터 공급되는 흡기 밸브 가변 구동 제어신호의 입력에 따라 구동되어 흡기 밸브 열린 시기(IVO)를 조정하여 가솔린 직접 분사 엔진의 운전 영역에 따라 실 압축비를 변경한다.
즉, 본 발명의 실시예는 초 저연비를 위하여 가솔린 직접 분사 엔진에 터보 차저를 활용하여 흡기를 과급하고, 흡기 가변 밸브 타이밍을 활용하여 흡기 밸브 클로징(Closing) 시점을 조정하여 실 압축비를 변경한다.
이러한 개념은 가솔린 직접 분사 엔진의 연비 개선을 극대화하므로 가솔린 직접 분사 엔진의 양산 촉진 및 시장 점유율(Market Share) 증대에 크게 기여할 것으로 기대된다.
도 1과 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 가솔린 직접 분사 엔진의 연비 제어방법을 설명한다.
먼저, 엔진 제어부(130)는 도 2의 (S210)에서 가솔린 직접 분사 엔진의 운전 영역을 검출한다.
만약, (S210)에서 가솔린 직접 분사 엔진의 운전 영역이 검출되면, 엔진 제어부(130)는 검출된 가솔린 직접 분사 엔진의 운전 영역에 따른 신호값과 설정값의 크기를 비교하고, 신호값과 설정값의 크기를 비교한 결과에 따라 해당되는 연비 제어동작을 수행한다(S220~S248).
예를 들어, 전술한 (S210)에서 검출된 가솔린 직접 분사 엔진의 운전 영역이 저부하 운전 영역이면(S220), 엔진 제어부(130)는 (S222)으로 진행하여 질소 산화물(NOx)의 흡장율을 설정비율(90%)과 비교한다.
전술한 (S222)에서 비교된 질소 산화물(NOx)의 흡장율이 설정비율을 초과하면, 엔진 제어부(130)는 (S224)으로 진행하여 이론 공연비 운전 제어동작을 수행한다.
저부하 운전 영역은 초 희박 운전에 의하여 연비 저감을 하나 부하가 낮기 때문에 DeNOx촉매의 정화 부담이 적은 영역이다.
한편, 전술한 (S210)에서 검출된 가솔린 직접 분사 엔진의 운전 영역이 중부하 운전 영역이면(S230), 엔진 제어부(130)는 (S232)으로 진행하여 엔진 회전수 검출센서를 통해 가솔린 직접 분사 엔진의 회전수를 검출한다.
이어서, 엔진 제어부(130)는 (S234)으로 진행하여 검출된 엔진 회전수와 설정 회전수를 비교한다.
만약, 전술한 (S234)에서 비교된 검출 엔진 회전수가 설정 회전수를 초과하면, 엔진 제어부(130)는 (S236)으로 진행하여 연료를 배기계에 후분사하여 터보 차저 래그(Lag)를 방지하는 제어동작을 수행한다.
즉, 엔진의 회전수(RPM)를 측정하여 차량 가속시 엔진 배기계에 있는 터보 차저 래그(Lag) 방지를 위하여 연료를 배기계에 후분사 한다.
중부하 운전 영역에서는 상대적으로 펌핑(Pumping) 손실 이득이 적은 초 희박 운전을 하지 않는다.
그리고, 고 압축비(압축비 14) 운전으로 연소를 촉진함으로써 연소 속도를 빨리하는 정적연소에 가깝게 하여 연비를 대폭적으로 개선할 수 있다.
또한, 질소 산화물(NOx) 배출량이 많은 영역에서 초 희박 운전을 하지 않으므로 DeNOx촉매의 흡장 부담을 줄여 준다.
또한, 터보 차저 부착 엔진에 의한 소형화로 일반 엔진보다 연비가 더 좋은 더 큰 부하 영역에서 엔진 운전 빈도를 높일 수 있다.
한편, 전술한 (S210)에서 검출된 가솔린 직접 분사 엔진의 운전 영역이 고부하 운전 영역이면(S240), 엔진 제어부(130)는 (S242)으로 진행하여 노킹 센서를 통해 가솔린 직접 분사 엔진의 노킹 상태 신호를 검출한다.
이어서, 엔진 제어부(130)는 (S244)으로 진행하여 검출된 엔진 노킹 상태 신호와 설정 노킹 신호(설정값)를 비교한다.
만약, 전술한 (S244)에서 비교된 검출 노킹 신호가 설정 노킹 신호를 초과하면, 엔진 제어부(130)는 (S246)으로 진행하여 흡기 밸브 열린 시기 지연(IVO Retard) 동작을 수행한다.
즉, 고부하 운전 영역에서는 노크 신호(Knock Signal)를 활용하여 노크 발생시 흡기 밸브 열린 시기 지연(IVO Retard)으로 실 압축비를 저감시킨다.
이와는 반대로, (S244)에서 비교된 검출 노킹 신호가 설정 노킹 신호를 초과하지 않으면, 엔진 제어부(130)는 (S248)으로 진행하여 이론 공연비 운전 제어동작을 수행한다.
상기한 바와 같이 고부하 운전 영역에서는 고 압축비에 의한 노킹(Knocking)을 억제하기 위하여 흡기 밸브 열린 시기 지연(IVO Retard)으로 실 압축비를 일반 엔진 보다 1.0 정도 낮은 9.5 정도로 낮추고 엠피아이(MPI) 엔진과 달리 실린더 내측에 직접 분사하기 때문에 흡기 밸브 열린 시기 지연(IVO Retard)에서도 흡기계로의 혼합기 역류를 최소화시키면서 혼합기 형성이 가능하다.
노킹(Knocking)을 억제하여 점화시기의 진각으로 저중속에서의 토크는 일반 터보 차저 엔진과 동등 수준이나 중속 영역에서의 고팽창으로 배기가스 온도를 낮출 수가 있어 전영역에서 전부하 성능도 올라간다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 가솔린 직접 분사 엔진의 연비 제어방법은 배기 과정에서 실린더 내에 연료를 직접 분사하여 터보 래그(Turbo Lag)를 제거함으로써 운전 성능(Drivability)을 향상시킬 수 있다.
또한, 엔진의 소형화(Downsizing)로 인해 연비가 좋은 고부하 영역에서 운전과 저 마찰(Friction)로 연비저감을 실현할 수 있다.
또한, 동일한 출력을 내는데 저 배기량을 활용하므로 차량의 경량화가 가능하다.
또한, 초 희박 엔진의 연비개선 대비 원가부담을 경감시키기 위하여 연비의 대폭적인 개선과 흡장형 촉매의 부담을 줄이는 것이 가능하여 가솔린 직접 분사 엔진의 상품성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 종래 기술에 비해 하드웨어(H/W)의 추가가 있고, 운전영역에 따른 운전의 연소방식 개념이 다르다.
종래 기술의 가솔린 직접 분사 엔진과 본 발명의 가솔린 직접 분사 엔진의 비교를 표 1에 기재한다.
항목 종래의 GDI 엔진 본 발명
H/W N/A(non T/C)압축비(11;1) 고배기량 터보 차저(T/C) 사용압축비 증대(14;1)Intake VVT배기량 저감
운전영역에 따른연소방식 저중속저부하 초희박 ←
저속중부하 이론공연비(Smoke limit) 초희박 영역 확대(T/C 로 공기량 증대)
중속중부하 초희박(연비이득적음) 고압축비 이론공연비 운전(NOx 배출이 적음)
저회전고부하 Rich 운전(A/F 13) IVO retard로 실 압축비 감소(9.5)와 T/C로 토크증대
중속이상고부하 Rich 운전으로 촉매보호(A/F13) 고팽창운전으로 배기온저하출력증대
DeNOx촉매에서 NOx 탈착 초희박운전시 주기적으로이론공연비운전 초희박운전시 주기적인이론공연비운전 빈도저감
연비이득 초희박운전할 때 만NOx 탈착시 연비손실 초희박,고압축비,고출력운전시NOx탈착시 연비손실 최소화
엔진무게 - 고출력으로 저 배기량 체용
상기한 바와 같이 본 발명은 기존의 GDI 엔진의 단점(촉매의 NOx탈착시 연비손실)을 극복하고 연비이득을 증대(고압축비, T/C, Intake VVT)하여 GDI 엔진의 상품성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가솔린 직접 분사 엔진의 연비 제어장치의 구성을 도시한 블록도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가솔린 직접 분사 엔진의 연비 제어방법을 도시한 흐름도.

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
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  5. 가솔린 직접 분사 엔진의 연비 제어방법에 있어서,
    상기 가솔린 직접 분사 엔진의 운전 영역을 검출하는 단계와;
    상기 검출된 가솔린 직접 분사 엔진의 운전 영역에 따른 신호값과 설정값의 크기를 비교하는 단계와;
    상기 신호값과 설정값의 크기를 비교한 결과에 따라 해당되는 연비 제어동작을 수행하는 단계를 포함하여 이루어지며,
    상기 검출된 가솔린 직접 분사 엔진의 운전 영역이 저부하 운전 영역이면, 질소 산화물(NOx)의 흡장율을 설정비율과 비교하고, 상기 비교된 질소 산화물(NOx)의 흡장율이 설정비율을 초과하면 이론 공연비 운전 제어동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진의 연비 제어방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 검출된 가솔린 직접 분사 엔진의 운전 영역이 중부하 운전 영역이면, 상기 가솔린 직접 분사 엔진의 회전수를 검출하는 단계와;
    상기 검출된 엔진 회전수와 설정 회전수를 비교하는 단계와;
    상기 비교된 검출 엔진 회전수가 설정 회전수를 초과하면 연료를 배기계에 후분사하여 터보 차저 래그(Lag)를 방지하는 제어동작을 수행하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진의 연비 제어방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 검출된 가솔린 직접 분사 엔진의 운전 영역이 고부하 운전 영역이면, 상기 가솔린 직접 분사 엔진의 노킹 상태 신호를 검출하는 단계와;
    상기 검출된 엔진 노킹 상태 신호와 설정 노킹 신호(설정값)를 비교하는 단계와;
    상기 비교된 검출 노킹 신호가 설정 노킹 신호를 초과하면 흡기 밸브 열린 시기 지연(IVO Retard) 동작을 수행하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진의 연비 제어방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 비교된 검출 노킹 신호가 설정 노킹 신호를 초과하지 않으면 이론 공연비 운전 제어동작을 수행하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진의 연비 제어방법.
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