KR100761149B1 - 자동차 엔진용 연료 공급 시스템 - Google Patents

자동차 엔진용 연료 공급 시스템 Download PDF

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Abstract

실린더로 유입되는 연료량의 탐지를 위해 제공된 제어 장치(16)를 갖는, 특히 자동차 엔진을 위한 연료 공급 시스템이 설명된다. 유입되는 연료를 분사하기 위한 분사 밸브(13)가 제공된다. 실린더 내에서 연소가 발생되는지가 제어 장치(16)를 통해 검토된다. 연소가 발생되지 않는 실린더로 유입되는 연료량이 제어 장치(16)에 의해 탐지된다.
압력 센서, 고압력 펌프, 압력 제어 밸브, 연료 펌프, 신호선

Description

자동차 엔진용 연료 공급 시스템{FUEL SUPPLYING SYSTEM FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE, PARTICULARY OF A VEHICLE}
도1은 본 발명에 따른 연료 공급 시스템의 실시예의 개략도.
도2는 본 발명에 도1의 따른 연료 공급 시스템의 작동 방법의 개략적인 블록선도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 연료 공급 시스템
2: 압력 저장기
3: 압력 센서
4: 압력 제어 밸브
5: 압력 라인
6: 압력 펌프
10: 연료 펌프
11: 연료 탱크
13: 분사 밸브
15: 신호선
16: 제어 장치
본 발명은 실린더로 유입되는 연료량이 탐지되고, 유입되는 연료가 연료 분사 밸브를 통해 분사되는, 특히 자동차 엔진을 위한 연료 공급 시스템의 작동 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 실린더로 유입되는 연료량을 탐지하기 위한 제어 장치 및 유입되는 연료를 분사하기 위한 분사 밸브를 갖는, 특히 자동차 엔진을 위한 연료 공급 시스템에 관한 것이다.
예를 들어 자동차의 엔진에서, 연료 소비량 감소 및 발생된 배기 가스 감소와 동시에 바람직한 높은 출력에 대한 요구가 점점 증가되어 왔다. 이런 목적으로 엔진의 연소실로의 연료 유입이 전기적으로 특히, 컴퓨터가 지원되는 제어 장치에 의해 제어 또는 조정되는 연료 공급 시스템을 갖는 현대식 엔진이 제공된다. 여기서 연료가 엔진의 공기 흡입관으로 또는 엔진의 연소실로 직접 분사되는 것도 가능하다.
전술된 연료 분사 방식 중 후자에서, 즉 연료 직접 분사식에서는 연료가 압력에 의해 연소실 내로 분사되는 것이 요구된다. 이런 목적을 위해, 연료가 펌프를 통해 펌핑되고 고압력이 형성되는 압력 저장기가 구비된다. 그로부터 연료가 분사 밸브를 통해 엔진의 연소실 내로 직접 분사된다. 연료 소모가 적은 층상 모드(layer mode)에서 분사는 압축 단계시에 실행되나, 균질 모드(homogenous mode)에서 분사는 흡입 단계 중 각각의 실린더에서 시작된다.
전술된 두 작동 방식에서 분사 밸브를 통해 엔진의 연소실 내로 직접 분사된 연료량, 경우에 따라서 분사 시작 및 분사 종료는 엔진에서의 다수의 작동 변수에 따라 제어 장치에 의해 탐지된다. 그 다음, 분사 밸브는 탐지된 값에 상응되게 제어된다.
엔진의 시동을 위해 특별한 시동 절차가 제공된다. 통상의 작동 온도에 비교해서 외부 온도가 낮을 때, 시동을 위한 최초 분사에서 분사되는 연료량은 증가되야 한다. 이는, 시동시에 점화가능한 공기연료혼합을 달성하기 위해 비등점이 낮은 연료 성분을 충분히 제공하기 위해서 필요하다. 마찬가지로, 시동시에 실린더 내벽에 연료막을 형성하기 위해 증가된 연료량이 요구된다. 전술된, 증가된 분사 연료량은 후속 분사에서 엔진의 평상 작동을 위한 평상 분사 연료량으로 다시 감소된다.
연료 분사의 다른 작동 방식에서 즉, 흡입관 분사식에서 연료는 분사 밸브로부터 엔진의 흡입관으로 분사된다. 상응된 방법으로, 시동시에는 무엇보다도 흡입관의 내부 벽에 연료막을 형성하기 위해 증가된 연료량이 요구된다.
엔진의 시동시에 실린더로 유입된 연료가 실질적으로 연소되지 않을 수 있다. 이런 경우에 불완전 연소된 연료는 무엇보다도 배기관으로 도달된다. 이는 상승된 유해물 방출, 특히 불완전 연소된 탄화수소의 상승을 유발시킨다.
본 발명의 목적은 유해물 방출의 증가를 인식하는, 엔진을 위한 연료 공급 시스템 및 연료 공급 시스템 작동 방법을 달성하는 것이다.
이런 목적은 전술된 유형의 연료 공급 시스템 또는 방법에서, 연소가 실린더 내에서 발생되는지가 검토되고, 연소가 발생되지 않는 실린더로 유입된 연료량이 탐지되는 본 발명에 따라 해결된다.
탐지된 연료량은 연소되지 않은 연료량을 나타낸다. 이는 배기관 내로 유입되고 그곳에서 유해물 방출을 증가시킬 수 있다. 이로써 탐지된 연료량은 실질적으로 가능한 유해물 방출을 나타내는 값이다. 이로써 탐지된 연료량을 근거로 유해물 방출 증가가 인식될 수 있다. 이는 예를 들어, 오류 진단 등의 범위에서 제어 장치에 의해 사용될 수 있다.
본 발명의 유익한 개선은 탐지된 연료량이 합산되는 것이다. 이를 통해 엔진의 나머지 실린더로 분사되나 실린더 내에서 연소되지 않은 분사 연료가 본 발명을 통해 고려된다. 이로써, 합산된 연료량을 근거로 방출 가능한 유해물이 더욱 정확하게 인식되는 것이 가능하다.
본 발명의 다른 유익한 개선은 합산된 연료량이 가중치 계산되는 것이다. 이로써 연소되지 않은 연료가 모두 유해물로 방출되는 것이 아니고 그 중 일부분 만이 방출되는 것이 본 발명을 통해 고려된다. 가중치 계산된 연료량을 근거로 방출 가능한 유해물이 더욱 정확하게 인식되는 것이 가능하다.
본 발명의 유익한 구성에서 가중치 계산된 연료량이 한계값과 비교되고 한계값을 초과할 때 오류 시동 과정이 연결된다. 불완전 연소된 연료에서 한계값을 통해 최대 허용 가능한 양이 결정된다. 본 발명을 통해 배기관에 도달된, 경우에 따라서 합산된, 경우에 따라서는 가중치 계산된 불완전 연소된 연료량이 한계값과 비교된다. 이를 통해 제어 장치가 상승된 유해물 방출을 확실히 인식하는 것이 가능하다.
본 발명의 유익한 개선에서, 연소가 발생됐는가의 검토는 이하에서 후술되는 하나 이상의 엔진 작동 변수에 따라 달성된다.
- 해당 실린더 또는 모든 실린더의 온도 상승,
- 해당 실린더 압력 상승,
- 엔진 회전수 상승,
- 산소 부분 압력 측정 센서에서 탐지된 해당 실린더 또는 모든 실린더의 배기 가스의 람다값,
- 해당 실린더 또는 모든 실린더의 배기 가스 내의 불완전 연소된 연료량,
- 시동 전압의 변화량.
실린더 내에서 연소가 발생됐는지가 엔진의 작동 변수를 통해 간단히 탐지되는 것이 가능하다. 예를 들어, 실린더가 점화 플러그에 의해 점화된 후에 실린더 온도가 상승되면 즉, 이는 실린더 내에서 연료 공기 혼합체가 실질적으로 점화 플러그의 점화를 통해 연소되었다는 것을 의미한다.
시동 과정(start process)이 성공적인지가 검토되면, 그리고 시동 과정이 성공적이고, 연료가 한계값과 비교되면 특히 유익하다. 예를 들어 일정한 회전수 임계값에 도달되거나 또는 초과되면 이는 시동 절차가 성공적으로 종료된 것을 의미한다. 이런 경우에 불완전 연소로 배기관에 도달된 연료량의 관점에서 중단된 시동 절차에 오류가 발생됐는지에 대한 질문이 검토된다.
마찬가지로, 시동 과정이 중단됐는지가 검토되고, 중단됐으면 연료량이 한계값과 비교되면, 특히 유리하다. 시동 과정이 성공적으로 차단되지 않은 경우, 마찬가지로 불완전 연소로 배기관에 도달된 연료량의 관점에서 중단된 시동 절차에 오류가 발생됐는지에 대한 질문이 검토될 수 있다.
특히 자동차를 위한 엔진의 제어 장치를 위해 제공되는 제어 요소 형태로서 본 발명에 따른 방법의 달성은 특히 의미있다. 여기서 제어 요소, 본 발명에 따른 방법의 달성을 위해 적합하고 실행가능한 계산 장치에, 특히 마이크로 프로세서에 프로그램이 저장된다. 이 경우에 본 발명은 제어 요소에 저장된 프로그램을 통해 달성되어, 프로그램을 구비한 제어 요소는 방법 달성을 위해 적합한 프로그램과 동일하게 발명을 달성시킨다. 제어 요소로는 특히, 롬(Read Only Memory)과 같은 전기적 저장 매개체가 사용된다.
본 발명의 다른 특징, 이용 가능성, 장점들은 도면을 참조로 후술되는 본 발명의 실시예에서 달성된다. 청구항의 내용 및 인용 관계와 관계없이, 또는 명세서 및 도면의 표현과 관계없이, 여기서 설명된 또는 도시된 모든 특징들은 자체적으로 또는 본 발명의 대상과 임의적인 결합을 구성할 수 있다.
도1에는 자동차 엔진에서 사용되는 연료 공급 시스템(1)이 도시된다. 특히, 연료(gasoline) 직접 분사식 시스템을 갖는 엔진에 사용되는 공동식(common rail system) 연료 공급 시스템에 관한 것이다.
이하 설명에서 흡입 분사식에도 상응되어 사용될 수 있는 것을 알수 있다. 이를 위한 실시예가 이하에서 설명된다.
흡입 분사식의 경우에는 고압력 펌프(6), 압력 센서(3), 압력 제어 밸브(4)등이 없다.
연료 공급 시스템(1)은 압력 센서(3) 및 압력 제어 밸브(4)를 구비한 압력 저장기(2)를 갖는다. 압력 저장기(2)는 압력 라인(5)을 통해 고압력 펌프(6)와 연 결된다. 고압력 펌프(6)는 압력 라인(8)을 통해 압력 제어 밸브(4)에 연결된다. 압력 제어 밸브(4) 및 고압력 펌프(6)가 압력 라인(9) 및 필터를 통해 연료 탱크로부터 연료를 흡입하기에 적합한 연료 펌프(10)와 또한 연결된다.
연료 공급 시스템(1)은 압력 라인(14)을 통해 압력 저장기(2)와 연결된 네 개의 분사 밸브(13)를 갖는다. 분사 밸브(13)는 연료를 엔진 실린더의 상응되는 연소실로 분사한다.
연료를 분사 밸브(13)로부터 흡입관으로 분사하는 것도 또한 가능하다.
배기관은 엔진의 실린더로부터 배기 가스의 정화를 위해 구비된 컨버터로 안내된다. 배기관 또는 컨버터 영역 내에는 배기 가스 내의 공연비를 측정하는 람다(λ) 센서가 제공된다.
압력 센서(3)는 신호선(15)을 통해 다른 다수의 입력선으로써의 신호선들이 연결된 제어 장치(16)와 연결된다. 연료 펌프(10)가 신호선(17)을 통해 그리고 압력 밸브(4)가 신호선(18)을 통해 제어 장치(16)와 연결된다. 또한 분사 밸브(13)가 신호선(19)을 통해 제어 장치(16)와 연결된다.
연료는 연료 탱크(11)로부터 연료 펌프(10)에 의해 고압력 펌프(6)로 펌핑된다. 압력 제어 밸브(4)의 상응되는 작동을 통해 그리고/또는 연료 펌프(10)의 제어를 통해 원하는 값으로 조정될 수 있고 압력 센서(3)에 의해 측정되는 압력이 고압력 펌프(6)에 의해 압력 저장기(2) 내에서 발생된다. 연료는 분사 밸브(13)를 통해 연소실 내로 또는 흡입관 분사식에서는 엔진의 흡기관 내로 분사된다.
연소를 위해 각각 분사되는 연료량은 엔진의 여러 작동 변수에 따라 특히 제 어 장치(16)에 의해 탐지된다. 제어 장치(16)는 탐지된 연료량에 상응되는 밸브 개방 상태로 각각의 분사 밸브(13)를 제어한다.
엔진의 시동을 위한, 특별한 시동 절차가 제어 장치(16)에 의해 달성된다. 엔진의 시동에 있어서, 특히 외부 온도가 낮을 때 분사되는 연료량은 상승되어야 한다. 이와 같은 것은 요구되고, 이로써 시동시에 점화될 수 있는 공연비를 위한 비등점이 낮은 연료 구성 성분이 충분히 제공된다. 마찬가지로, 시동시에 실린더 내벽에 연료막을 형성하기 위해 상승된 연료량이 요구된다. 또한 낮은 외부 온도에서, 예를 들어 엔진의 오일 내로 스며든 연료 등의 연료 손실이 보상되어야 한다.
흡입관 분사식에서도 또한 흡입관 내부벽에 연료막이 형성되어야 한다.
엔진의 시동 중에 실린더에 배치된 점화 플러그를 통한 점화에도 불구하고, 연소실로 유입되는 연료가 실질적으로 연소되지 않을 수도 있다. 이때 이런 유형의 연료가 무엇보다도 배기 가스관에 수집될 수 있다.
만일 이런 경우가 발생된다면, 엔진의 시동 과정이 다음 단계에서 오류적으로 나타난다. 시동 과정에서 오류가 발생됐는가에 대한 질문은, 단지 허용되지 않은 연료량이 배기 가스관에 도달했는지에 달려있다. 여기서 시동 과정에 의해 엔진이 성공적으로 시동되었는지는 문제되지 않는다.
특히 이런 유형의 오류 시동 과정의 인식을 위해 도2에서 도시된 절차의 제어 장치(16)에 의해 달성된다. 예를 들어, 프로그램의 모듈등으로써의 절차의 개별적인 블록은 제어 장치(16)에서 달성된다.
전술된 실시예에서, 엔진이 낮은 외부 온도에서 시동되야 하고 평상 작동 상태에 있으면 안된다는 것이다. 본 실시예는 다른 조건 하에서 상응되게 적응될 수 있다.
단계(21)에서 엔진의 각각의 실린더에 각각 분사되는 연료량(M)이 제어 장치(16)를 통해 탐지된다. 해당 분사 밸브(13)는 제어 장치(16)에 의해 상응되는 개방 상태로 제어되고, 제어 장치(16)에 의해 해당 점화 플러그가 점화된다. 이런 과정은 엔진의 개별적인 실린더를 위한 소정의 순차로 진행된다.
단계(22)에서 개별적인 실린더로 분사된 연료량(M)이 제어 장치(16)에 의해 합산된다. 즉, 실린더로 분사된 연료량의 총계(ΣM)가 형성된다.
단계(23)에서 각각의 실린더로 분사된 연료량이 실질적으로 해당 실린더에서 연소됐는지가 검토된다.
이런 검토는 후술되는 하나 이상의 엔진 작동 변수에 따라 달성된다.
- 해당 실린더 또는 모든 실린더의 온도 상승,
- 해당 실린더 압력 상승,
- 엔진 회전수 상승,
- 산소 부분 압력 측정 센서에서 측정된 해당 실린더 또는 모든 실린더의 배기 가스의 람다값,
- 해당 실린더 또는 모든 실린더의 배기 가스 내의 불완전 연료량,
- 시동 전압의 변화량.
해당 실린더에 부여된 시점을 근거로 각각의 작동 변수의 관계를 통해 예를 들어, 엔진의 모든 실린더의 온도 상승으로부터 해당 실린더의 온도 상승, 그리고 이로써 해당 실린더에서의 연소가 달성됨을 알 수 있다. 이에 상응되는 것은 엔진 회전수 상승으로부터 해당 실린더를 통한 회전수 상승에 대한 값 및 이를 통한 해당 실린더의 연소가 달성됨을 알 수 있다.
단계(23)의 검토에서, 해당 실린더에서 연소가 발생되지 않는 것이 제어 장치(16)에 의해 감지되면, 단계(24)에서는 해당 실린더로 미리 분사된 연료량(M)이 불완전 연소된 연료량(M불완전연소)으로 측정되고 합산된다. 즉, 모든 실린더로 분사되나 불완전 연소된 연료량의 합계(ΣM불완전연소)가 형성된다.
불완전 연소된 전체 연료량(ΣM불완전연소) 중 일 부분만이 배기관 및 그곳의 람다 센서에 도달한다. 불완전 연소된 나머지 연료는 엔진 오일로 스며들거나 또는 흡입관 분사식에서 엔진의 흡입관 내벽에 또는 실린더 내벽의 연료막 형성에 사용되거나 또는 세척된다. 배기관으로 도달된 총 불완전 연소된 연료(ΣM불완전연소)의 값(ΣM배기관)은 단계(24)에서 엔진 온도에 따른 가중치 요소(a)를 통해 측정된다. 이는
ΣM배기관 = a * ΣM불완전연소
0 ≤ a ≤ 1 그리고 a = f(t엔진)로 나타난다.
해당 실린더에서 실질적인 연소가 발생되는지가 단계(23)에서 인식되면, 단계(24)는 이행되지 않고 우회된다. 다음으로, 시동 과정이 성공적으로 끝났는가가 제어 장치(16)에 의해 검토되는 단계(25)가 이어진다. 이는 중단 기준에 의해 달 성될 수 있다.
이런 중단 기준은 예를 들어, 임계값(b)을 초과한 엔진 회전수(nmot) 및/또는 임계값(c)을 초과한 통합된 공기량 유동(imlatm) 및/또는 엔진에서 실제로 발생된 연소의 일정 수 및/또는 일정한 흡입 또는 배기 압력의 초과등에 관계된다. 이때 임계값(b, c)은 엔진 온도(t엔진)에 의존될 수 있다.
예를 들어, 전술된 회전수 임계값(b)이 초과되면, 이는 엔진이 시동되고 이로써 시동 과정이 달성된 것을 의미한다. 그러나, 이는 이미 전술된 바와 같이 시동 과정에서 오류가 없다는 것은 아니다.
시동 과정이 아직 성공적으로 달성되지 않은 것이 단계(25)에서 탐지되면, 예를 들어 엔진이 충분한 회전수에 도달되지 않으면, 이로써 단계(26)에서는 제어 장치(16)에 의해 시동 과정이 아직 의존적이거나 또는 시동 과정이 중단됐는지가 검토된다.
제1 경우에서 즉, 시동 과정이 아직 작동 중이면, 도2의 절차는 단계(21)에서 계속된다. 제2 경우에서 즉, 시동 과정이 중단됐으면, 절차의 단계(27)에서 계속된다. 시동 과정이 성공적으로 달성됐는지가 단계(25)에서 탐지되면 단계(27)도 마찬가지로 달성된다.
합산된, 흡입관 내에 불완전 연소되어 흡입된 연료량(ΣM배기관)이 단계(27)에서 평가된다. 불완전 연소된 전체 연료량(ΣM배기관)이 엔진 온도에 따른 한계값(d)보다 큰지가 검토된다.
ΣM배기관 > d, d = f(t엔진).
상기 검토가 긍정적이면, 즉 전체 불완전 연소되고 흡입관으로 흡입된 연료량(ΣM배기관)이 한계값(d)보다 크면, 이로써 계속되는 단계(28)에서 오류 시동 또는 오류 시동 과정이 결정된다. 그러나 실시된 검토가 부정적이면, 이로써 도2의 절차는 달성된다.
여기서 단계(25)에 따른 시동 과정이 성공적으로 달성되면 단계(28)의 오류 시동 과정은 제어 장치(16)에 의해 탐지될 수 있는 것을 명확히 다시 알 수 있다. 오류에 대한 질문은 불완전 연소되고 배기 가스관 내로 흡입된 총 연료량(ΣM배기관)에 따라 도2에 의한 단계(27)에서 결정된다.
단계(28)에 따라 오류 시동 과정이 제어 장치(16)에 의해 탐지되고 제어 장치(16)는 이제부터 엔진의 상승된 유해물 방출을 억제한다. 제어 장치(16)는 마찬가지로 유해물 방출이 오류적으로 상승되는 것을 인식하고, 경우에 따라서는 예를 들어, 오류 진단, 오류 보상등과 같은 다른 방법을 사용한다.
본 발명에 따르면, 실린더로 유입되는 연료량 및 불완전 연소된 연료가 제어 장치에 의해 탐지되고 실린더 내에서 완전 연소가 달성되어, 낮은 연료 소비량과 적은 배기 가스 발생 및 높은 출력이 제공된다.

Claims (9)

  1. 실린더로 유입되는 연료량(M)이 탐지되고, 유입되는 연료량(M)이 분사 밸브(13)를 통해 분사되는, 특히 자동차 엔진을 위한 연료 공급 시스템(1) 작동 방법에 있어서,
    실린더에서 연소가 발생되는지가 검토되는 단계(23)와,
    연소가 발생되지 않은 실린더로 유입된 연료량(M불완전연소)이 탐지되는 단계(24)와,
    탐지된 연료량(M불완전연소)이 합산(ΣM불완전연소)되는 단계와,
    합산된 연료량(ΣM불완전연소)에 가중치 요소를 곱하여, 합산된 연료량(ΣM불완전연소)이 가중치 계산(ΣM배기관)되는 단계와,
    가중치 계산된 연료량(ΣM배기관)이 한계값(d)과 비교되는 단계(27)와, 상기 한계값(d)의 초과시에 오류 시동 과정이 추론되는 단계(28)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진을 위한 연료 공급 시스템 작동 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 연소가 발생되었는지에 대한 검토가,
    - 해당 실린더 또는 모든 실린더의 온도 상승,
    - 해당 실린더 압력 상승,
    - 엔진 회전수 상승,
    - 산소 부분 압력 측정 센서에서 측정된 해당 실린더 또는 모든 실린더의 배기 가스의 람다값,
    - 해당 실린더 또는 모든 실린더의 배기 가스 내의 불완전 연료량,
    - 시동 전압의 변화량 중 하나 이상의 엔진 작동 변수에 따라 달성되는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템 작동 방법.
  6. 제1항에 있어서, 시동 과정이 성공적인지가 검토되는 단계(25)와, 성공적이다면 연료량(ΣM배기관)이 한계값(d)과 비교되는 단계(27)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템 작동 방법.
  7. 제1항에 있어서, 시동 과정이 중단됐는지가 검토되는 단계(26)와, 중단됐으면 연료량(ΣM배기관)이 한계값(d)과 비교되는 단계(27)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템 작동 방법.
  8. 제1항에 따른 방법을 실행하기에 적합하고 계산 장치, 특히 마이크로 프로세서에서 실행가능한 프로그램이 저장되는, 특히 자동차 엔진의 제어 장치를 위한 제어 요소(롬(Read Only Memory)).
  9. 실린더로 유입되는 연료량의 측정을 위한 제어 장치(16)와, 유입되는 연료량의 분사를 위한 분사 밸브(13)를 갖는, 특히 자동차 엔진을 위한 연료 공급 시스템(1)에 있어서,
    제어 장치(16)에 의해 실린더 내에서 연소가 발생되는지가 검토되고, 연소가 발생되지 않은 실린더로 유입된 연료량이 제어 장치(16)에 의해 탐지되고, 탐지된 연료량(M불완전연소)이 합산(ΣM불완전연소)되고, 합산된 연료량(ΣM불완전연소)에 가중치 요소를 곱하여, 합산된 연료량(ΣM불완전연소)이 가중치 계산(ΣM배기관)되고, 가중치 계산된 연료량(ΣM배기관)이 한계값(d)과 비교되어 상기 한계값(d)의 초과시에 오류 시동 과정이 추론되는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진을 위한 연료 공급 시스템.
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