KR100865296B1

KR100865296B1 - 기체분사 방식을 이용한 차량의 가스연료 공급 시스템

Info

Publication number: KR100865296B1
Application number: KR1020080003465A
Authority: KR
Inventors: 정안철; 김기태
Original assignee: (주)비에프시스템
Priority date: 2008-01-11
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2008-10-27

Abstract

본 발명은 기체분사 방식을 이용한 차량의 가스연료 공급 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액화석유가스만을 사용하게 제작된 가스 전용 차량에서 믹서를 제거하여 가스연료가 다수개의 엔진 실린더에 개별적으로 각각 공급될 수 있도록 가스인젝터를 설치하고, 공연비 및 배기가스를 제어하는 전자 제어 장치를 추가하여 가스연료 공급 시스템을 구성함으로써 엔진의 출력 및 연비, 배기가스 등을 향상시킨 차량의 가스연료 공급 시스템에 관한 것이다.

본 발명에 따른 기체분사 방식을 이용한 차량의 가스연료 공급 시스템은, 차량의 외부로부터 공기를 흡입하는 에어클리너와, 상기 에어클리너에서 흡입된 공기를 직접 또는 ISC 밸브를 경유하여 공급받아 엔진으로 공급하는 스로틀밸브가 구비된 스로틀 바디와, 상기 엔진 내의 연소를 위해 연료를 점화시키는 점화코일과, 상기 ISC 밸브, 상기 스로틀 밸브 및 상기 점화코일을 제어하는 가스제어 ECU와, 가스연료를 저장하는 가스연료 탱크와, 상기 가스연료 탱크의 상기 가스연료를 기체상태로 변환시키는 고압 레귤레이터와, 상기 고압 레귤레이터에서 변환된 기체상태의 상기 가스연료를 상기 엔진에 부착된 가스분사 노즐로 분사하는 가스인젝터와, 상기 가스인젝터의 구동을 제어하는 가스인젝션 제어 ECU 및 상기 엔진에서 배출되는 연소 배기가스를 측정하는 산소센서를 포함하여 구성되는 가스연료 공급 시스템에 있어서, 상기 가스인젝션 제어 ECU는, 상기 가스연료의 분사시점을 결정하는 분사제어부와; 상기 가스연료의 분사유량을 결정하는 유량제어부와; 상기 엔진에서 소모되는 다수의 부하에 따른 상기 가스연료의 부하보정량을 설정하는 부하보정제어부와; 상기 엔진의 연소시 상기 배기가스의 상태에 따라 상기 부하보정량을 조절하는 피드백 제어부와; 상기 차량의 가속 또는 감속시 상기 엔진의 응답속도를 향상시키기 위해 추가로 상기 가스연료를 제어하는 가속/감속 제어부와; 외부와 데이터를 송수신할 수 있는 통신부; 및 상기 가스인젝터를 구동하기 위해 분사제어 신호를 제공하는 가스인젝션 제어부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

LPG, CNG, 액체분사, 기체분사, 가스인젝션, 분사제어, 유량제어, 부하보정

Description

기체분사 방식을 이용한 차량의 가스연료 공급 시스템{The supply system of gas fuel using a gas injection method in cars}

근래에 차량의 연료는 자원 고갈, 대기 환경 오염, 국제 유가 상승 등의 여러 요인으로 인하여 휘발유 등의 화석연료에서 배기가스가 많이 배출되지 않는 가스연료 또는 대체연료로 점점 바뀌고 있는 추세에 있으며 각국의 배기가스 검출기준 또한 강화되고 있는 추세이다.

현재 가스를 연료로 사용하는 차량은 가스연료를 공급하는 방식에 따라서 믹서 방식과 직접분사 방식으로 나뉘게 된다. 여기에서 가스연료 전용 차량에 사용되는 가스연료로는 액화석유가스(liquefied petroleum gas; 이하 'LPG'라 한다) 또는 압축천연가스(Compressed Natural Gas; 이하 'CNG'라 한다)가 있다.

또한, 가스연료 전용 차량에서 직접 분사 방식은, 가스탱크에 충전된 액체 상태의 LPG를 액체 상태에서 분사하여 기화시키고 이 기화된 LPG 가스에 점화를 함으로서 얻어지는 폭발력을 이용하는 액체분사 방식(LPG liquefied injection; 이하 'LPLI'라 한다 )과, 레듀서(reducer) 등의 장치를 통해 감압 기화된 기체 상태의 LPG를 가스 ECU에 의해 제어되는 가스인젝터를 이용하여 엔진의 각 실린더에 직접 분사하고 기존 엔진의 점화장치를 이용하여 점화를 함으로써 얻어지는 폭발력을 사용하는 방식인 기체 분사 방식(LPG GAS injection; 이하 'LPGI'라 한다 )으로 크게 나누어진다. 가스연료만을 사용하는 가스 전용 차량은 믹서 방식과 액체분사 방식이 사용되며, 가스연료와 휘발유를 겸용으로 사용하도록 구조변경된 차량에서는 기체분사 방식이 선호되고 있다.

일반적으로 LPG와 CNG 같은 연료(이하, LPG와 CNG를 통칭하여 '가스연료'라 한다)를 사용하는 차량에서, 가스연료의 가격이 휘발유의 가격보다 훨씬 저렴하고, 그 옥탄가(octane value)가 높기 때문에 노킹(knocking)이 거의 발생하지 않으며, 윤활유의 손실이 적고 워밍업도 빠른 장점이 있다. 이와 같이 휘발유에 비해 상대적으로 많은 장점을 갖는 가스연료는 영업용 택시나 승합차의 연료로 널리 사용되고 있는 추세에 있으며, 최근에는 레저용 차량 및 버스 등에도 폭넓게 사용되고 있다.

그런데, 현재 가장 많이 사용되고 있는 종래 기술에 따른 믹서 방식을 사용하는 가스연료전용차량은 그 구조 및 구성부품이 간단하고 가스연료의 제어가 용이 하고, 휘발유 전용으로 개발 제작된 엔진을 가스연료 전용 엔진으로 용이하게 구조를 변경하여 사용할 수 있는 큰 장점이 있어 자동차 제조사에서 많이 선호되어 제작되어 왔다. 또한 과거의 배기가스 규제기준(EURO 2이하)에서도 무난히 사용이 가능하였으나, 현재 적용되는 강화된 배기가스 규제기준(EURO 3, EURO 4)에서는 배기가스 및 연비 문제, 출력 및 역화 문제 등의 여러 가지 문제들을 해결할 수 없다는 점과 동일한 가솔린 엔진 대비하여 엔진 출력이 저하되는 큰 단점이 있다.

그러하여 이러한 믹서 방식의 단점을 극복하기 위하여 자동차 제조사에서는 직접 분사 방식인 액체분사 방식을 도입하여 출력 및 배기가스의 문제는 예전에 비하여 많은 개선이 되었지만 가스 연료를 분사하는 방법의 특성상 미세 연료를 제어할 수 없는 단점으로 향후 강화될 국제 배기가스 규제에 유동적으로 대처할 수 없다는 점과 적용된 기간이 짧은 관계로 사용부품의 내구성 등이 아직 보장되지 않은 점, 그리고 점점 사용이 확대되고 있는 천연가스 연료의 적용이 불가능하다는 점등 많은 문제점을 가지고 있다

즉, 가스연료전용차량에서 가스연료의 직접 분사방식은 그 구조와 제어 방식이 믹서 방식에 비하여 복잡한 구조로 이루어져 상기의 문제점들을 해결할 수는 있으나, 액체 분사방식은 미세 연료 제어가 정확하게 이루어지지 못하는 문제점과 사용되는 부품의 가격이 비싸며 부품의 내구 수명이 짧다는 단점이 있다. 또한, 가스연료 중 CNG 가스연료는 사용이 불가능하여 LPG 가스연료의 전용 시스템으로만 사용이 가능하다는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 기존의 믹서 방식 LPG 전용 차량의 엔진 흡기부에 설치된 믹서를 제거하고, 가스연료가 엔진 내의 다수의 실린더에 개별적으로 각각 공급될 수 있도록 각각의 실린더에 가스연료 분사 노즐을 설치하며, 정밀한 유량을 제어할 수 있는 가스인젝터를 설치하고, 고압 기체 상태의 가스연료를 안정적으로 공급하는 기화기 및 이를 제어하는 가스인젝션 제어 ECU를 설치하여 기존의 믹서 방식을 사용하는 LPG 전용 차량을 가스 분사 방식의 연료 공급 시스템으로 용이하게 개조할 수 있으며, 이를 통해서 엔진의 제반 성능을 향상시키는 기체분사 방식을 이용한 차량의 가스연료 공급 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 LPG 탱크와 고압 레귤레이터부 그리고 관련 배관 등 기구적인 구성물의 교체만으로도 CNG연료를 사용할 수도 있는 차량의 가스연료공급시스템을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명에 따른 기체분사 방식을 이용한 차량의 가스연료 직접 분사 시스템은 기존의 LPG 전용 차량의 엔진 흡기부에 설치되어 차량에 흡입된 공기 및 가스연료를 혼합하여 엔진으로 공급하기 위해 벤츄리 또는 오리피스 구조를 갖는 믹서를 제거하기 때문에 공기 흡기 계통상의 구조를 효율적으로 변경함으로써 엔진 출력을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 기존의 연료 공급 역할을 하던 기존의 기화기를 고압의 기체상태의 가스연료를 안정적으로 공급할 수 있는 레듀서로 교체하고 기존 흡기부에 설치된 믹서구조물 대신에 가스연료 분사 노즐, 가스인젝터 등을 설치하여 최적 분사시점과 연료량을 제어하기 할 수 있는 가스연료 직접 분사 시스템을 구성함으로써 연비향상과, 유해배출물 저감 및 차량 엔진의 제반 성능을 향상시키는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 믹서 방식의 LPG 전용 차량의 연료 공급 시스템의 구성을 나타낸 도면이며, 도 2는 종래 기술에 따른 LPG 전용 차량의 가스 액체 분사방식의 연료 공급 시스템 구성을 나타낸 도면이다.

우선, 도 1을 참조하면 믹서 방식의 LPG 전용 차량의 연료 공급 시스템의 구성은 액체 상태의 LPG가 저장된 가스연료 탱크(110)와, 가스연료 탱크(110)에서 공급되는 LPG를 기체 상태로 바꾸고 대기압 상태로 유지시켜주는 기화기(vaporizer; 120)와, 차량 외부로부터 공기를 흡입하는 에어클리너(air cleaner; 130)와, 기화기(120) 및 에어클리너(130)를 통해 흡입된 공기와 기체 상태의 LPG를 혼합하는 믹서(또는 혼합기 : Mixer 144)를 포함하는 스로틀 바디(throttle body; 140)와, 스로틀 바디(140)의 동작을 제어하며 점화코일(170)을 통해 엔진(150)에 점화신호(S3)를 제공하는 가스연료 제어 ECU(electronic control unit; 160) 및 차량의 배기가스 중 산소량을 검출하여 가스연료 제어 ECU(160)에 산소센서 신호(S4)를 보내는 산소센서(Oxygen sensor; 180)를 포함하여 구성된다.

여기에서 엔진 흡기부를 이루는 스로틀 바디(140)는 흡입 공기와 기화기(120)를 통해 공급된 LPG를 혼합하기 위해 벤츄리(ventury) 또는 오리피스(orifice) 구조로 이루어진 믹서(mixer; 144), 엔진(150)의 공회전 속도 조절 장치인 ISC 밸브(idle speed control valve; 142) 및 엔진(150)에 유입되는 혼합가스의 양을 조절해주는 스로틀 밸브(throttle valve; 146)로 구성된다.

가스연료 제어 ECU(160)는 가속 페달의 조작신호를 출력해주는 TPS(throttle position sensor) 신호(S2)와 연소가스의 상태를 전달해주는 산소센서신호(S4)를 입력받아 ISC 밸브(142)를 이용하여 공연비 제어를 하게 된다

위와 같은 연료 공급 방식은 시스템의 특성상 믹서(144)의 벤츄리 또는 오리피스 구조에 의한 엔진(150)의 흡입력으로 가스연료가 빨려들어가게 하는 방식을 취한다.

그런데, 상기와 같이 믹서를 사용하는 가스연료의 공급 방식에 따르면 믹서(144)의 벤츄리 구조 등에 의해 흡입되는 경로가 작아져 엔진(150)에서 필요로 하는 흡입 공기가 충분히 공급되지 않게 되어 출력이 저하되는 문제점이 발생한다. 즉, 벤츄리 구경의 저항으로 인하여 엔진(150)에 흡입되는 공기량의 손실이 발생한다. 이러한 종래 기술에 따른 믹서 방식의 가스연료 공급 방식은 동일 배기량의 가솔린 엔진의 최고성능 대비 약 20%의 성능저하가 나타나는 것으로 알려지고 있다.

또한, 상기와 같은 믹서 방식의 가스연료 공급방식에 의하면 벤츄리 구조를 갖는 믹서(144)의 구경이 고정되어 있어 단순하게 엔진(150)의 부하에 따라서 흡입되는 공기량이 결정되어 엔진(150)에 공급된다. 따라서 가스연료와 공기의 혼합이 엔진(150)의 부압에 의해 제어되기 때문에 그 반응속도인 응답성이 떨어지게 되며, 또한 주행중 또는 고부하 시의 연료 제어는 기계적 제어밖에 행할 수 없게 됨으로써 유해가스 발생의 주된 원인이 되며 강화된 배기가스의 규제를 만족시킬 수 없게 된다.

그리고 이와 같은 경우에 발생할 수 있는 현상으로는 가스연료의 공급량이 많은 경우에는 가속시 엔진(150)이 요구하는 공기량을 충족시키지 못하여 공연비가 농후한 상태가 되어 엔진(150)에서 완전연소가 일어나지 않아 가속성능이 떨어지거나 유해 배출물을 많이 발생시키게 되며, 반대로 가스연료가 적게 공급되는 경우에는 공기가 과잉공급되어 정상 상태의 흐름과 다른 역화 문제가 발생하고 이로 인해 엔진(150)의 상태가 불안정하게 된다.

한편, 도 2를 참조하면, 액체분사 방식을 사용하는 가스연료차량은 가스연료 탱크(210)에 구비된 연료펌프(212)를 이용하여 엔진(250)으로 공급되는 가스연료의 압력을 일정하게 유지하며, 엔진(250)을 구성하는 다수개의 실린더 각각의 분사노즐을 이용하여 연료를 분사시킨다.

즉, 에어클리너(230)를 통해 차량의 외부로부터 공기가 흡입되어 엔진부(240)로 공급되며, 흡입 공기의 경로와 다른 경로를 통해 가스연료 탱크(212)에 보관된 LPG의 가스연료가 엔진부(240)의 가스인젝터(220)로 공급된다. 가스연료는 도 1에서와 달리 기화기를 거치지 않기 때문에 엔진(250)에 액체상태로 공급된다.

액체분사 방식의 가스연료 공급 시스템을 구성하는 스로틀 밸브(244), ISC 밸브(242), 점화코일(270), 산소센서(280) 등의 기본 구조 및 기능은 도 1에 도시된 믹서 방식의 가스연료 공급 시스템과 동일하다.

단, 가스인젝터(220)가 추가로 구성되어 가스제어 ECU(260)에서 제공하는 분사제어 신호(S5)에 의해 제어된다.

그런데, 이와 같은 액체분사 방식의 연료 공급 시스템은 그 시스템의 특성상 액체가스 공급 계통상에 기포 등의 발생이 용이하다. 일단 기포가 발생하면 분사노 즐에서의 유량변동이 심하게 이루어지고, 액체상태의 가스연료가 기화되어 발생하는 기체 부피의 팽창율을 일정하게 유지할 수 없다는 단점을 가진다. 즉, 분사시 기화되며 발생되는 부피팽창 효과로 연료의 미세 조정이 불가능하고 액체상태가스의 공급 관로 상에서 발생되는 기포의 원인으로 가스연료 탱크(210) 내의 연료펌프(212) 및 가스 공급계통 상의 고장이 발생할 가능성이 높아진다.

그리고, 엔진(250)에 액체분사를 위한 노즐이 일정 부위에 장착이 되어야 하기 때문에 기존의 LPG차량을 액체분사 방식을 사용하는 가스연료 공급 시스템으로 교체 변경을 하고자 하는 경우에는 적용가능한 범위가 일부 차종에 한정되어 있고 또한 LPG전용의 가스 엔진으로 개조 또는 교체가 이루어져야 하는 단점이 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 기체분사 방식을 이용한 차량의 가스연료 공급 시스템을 나타낸 도면이며, 도 4는 도 3에 도시된 가스인젝션 제어 ECU의 내부 구성 및 입출력 신호를 나타낸 도면이다.

우선, 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 기체분사 방식을 이용한 차량의 가스연료 공급 시스템은 종래 믹서를 이용하는 차량에서 발생하는 흡입 공기의 공급을 방해하는 벤츄리 구조를 갖는 믹서(144; 도1 참조)를 제거하고, 엔진(370)을 구성하는 각각의 실린더에 가스분사 노즐(324)를 설치하고, 정밀한 유량을 제어할 수 있는 가스인젝터(322)를 설치하며, 기존의 기화기(120; 도1 참조)를 교체하여 일정한 압력 크기를 갖는 기체 상태의 고압 가스를 공급하는 고압 레귤레이터(320) 및 각종 신호를 통해 이들을 제어할 수 있는 가스인젝션 제어 ECU(390)이 포함되어 구성되는 것을 특징으로 한다.

가스연료 탱크(310)에 저장된 액체상태의 LPG 또는 CNG의 가스연료가 고압 레귤레이터(320)를 통해 기체상태의 가스연료로 변환되며, 변환된 기체상태의 가스연료는 가스인젝션 제어 ECU(390)에서 제공하는 분사제어 신호(S5)에 의해 동작하는 가스인젝터(322)를 거쳐 엔진(370)에 부착된 가스분사 노즐(324)로 공급된다.

여기서 LPG 연료용 차량을 CNG 연료용 차량으로 변경하기 위해서는 연료탱그, 고압 레귤에이터 및 배관 등을 CNG 연료용으로 단순 교체하여 구현할 수 있다.

또한, 흡입되는 공기는 기존 차량의 방식과 같이 외부로부터 에어클리너(330)를 거쳐서 엔진 흡기부인 스로틀 바디(340)로 흡입되며 차량 정차시와 같은 공회전 상태에서는 가스제어 ECU(350)에서 제공하는 ISC 밸브 신호(S1)로 제어되는 ISC 밸브(344)를 통해 엔진에 공급된다.

엔진(370)으로 공급되기 위한 기체상태의 가스연료는 실린더 전단에서 가스인젝터의 분사로 인하여 흡입공기와 혼합되게 되고, 이 혼합된 가스는 엔진의 각각의 개별 실린더의 흡입행정 중에 연소실 내부로 흡입되며, 가스제어 ECU(350)의 점화신호(S3)를 받은 점화코일(360)에 의해서 연소하여 동력을 발생시키게 된다.

이후, 연소시 발생하는 배기 가스에서 검출되는 산소량에 따라 전압의 세기가 달라지는 산소센서(380)를 통해 검출 산소량을 측정함으로써 엔진(370)에서 이루어진 연소가 완전연소 또는 불완전연소인지 확인하게 된다.

산소센서(380)에서 얻어진 정보는 산소센서 신호(S4)로서 가스인젝션 제어 ECU(390)로 제공된다.

위와 같은 본 실시예에 따른 구성을 통해 종래 믹서 방식으로 제어되던 차량 을 직접분사 방식의 연료 제어 차량으로 변경할 수 있으며, 종래 차량에서 발생하던 역화 현상을 방지하고, 공기의 효율성을 향상시켜 엔진 출력을 향상시키고 기체상태의 가스연료를 직접 엔진에 분사하여 공급하기 때문에 응답성을 더욱 향상시킬 수 있어서 가스연료 제어를 통한 각종 환경 규제와 배기가스 규제를 만족시킬 수 있다.

도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 가스연료 공급 시스템의 중추 장치부인 가스인젝션 제어 ECU(390)의 내부 구성 및 이에 입출력되는 각종 신호를 살펴보기로한다.

가스인젝션 제어 ECU(390)의 내부에는 외부의 여러 신호를 통해 분사시점을 결정하는 분사제어부(391)와, 분사시 가스연료의 분사량을 결정하는 유량제어부(393)와, 엔진에서 소모되는 각종 부하에 따른 가스연료의 보정량을 정하는 부하보정제어부(394)와, 초기 연소시 배기가스의 산소량을 통해 연소가 제대로 이루어졌는지 확인하는 피드백 제어부(395)와, 피드백 제어와 별개로 차량의 가속이나 감속시 엔진의 응답속도를 향상시키기 위한 가속/감속 제어부(396)와, 분사제어부(391)의 분사정보를 외부에서 설정하기 위하여 전용 통신 장치와의 통신을 전담 하는 통신부(392) 및 최종 결정된 가스연료의 분사시간과 분사유량을 가스인젝터(322)로 공급하는 분사제어 신호(S5)를 발생시키는 가스인젝션 제어부(399)를 포함하여 구성된다.

차량의 엔진(370)에서 출력성능과 안정성은 가스연료의 분사시점과 점화시점에 의해 결정된다. 엔진(370)을 구성하는 실린더는 흡입, 압축, 폭발 및 배기의 순 서로 반복적인 행정이 이루어지는데, 최적의 분사시점은 실린더의 흡입 행정에서 흡기 밸브가 열려져 연료의 분사가 이루어지는 경우이며, 최적의 점화시점은 실린더 내의 피스톤이 최고 상사점에서 하향으로 전환되는 시점에서 폭발이 이루어져야 최적의 점화시점이 된다. 이러한 점화를 제어하는 방식으로는 일반적으로 두 가지 방식이 이용된다. 첫 번째 방식은 엔진의 각 개별 실린더의 점화 시점을 ECU에서 제어함으로써 개별적으로 점화 구동시키는 DLI ( Distributor-less ignition) 방식과 두번째는 엔진의 캠축에 연결된 배전기( Distributor )를 이용한 기계적인 점화 방식이 사용된다.

첫번째 방식인 DLI 방식은 엔진의 운전상태에 따라 최적 점화시점을 가솔린 ECU에서 제어를 하기 때문에 엔진의 점화계통은 원 차량의 시스템을 이용하는 것이다. 두번째 방식인 기계적인 점화 방식은 각 행정의 위치에 따라 기계적인 점화를 하게 구성되어 있는데, 본 발명에서 고안한 가스인젝션 제어 ECU(390)는 최적의 분사시점 및 점화시점을 산출하여 독립적으로 점화신호를 제어하게 된다. 이때는 기존의 점화 방식을 그대로 사용하거나, 또한 더 나은 성능을 유지하기 위하여 기존의 배전기를 사용하지 않고 독립 점화 코일을 부착 후 이용하게 하여 엔진의 점화를 구현할 수 있게 된다.

최적의 분사시점의 산출은 실린더 내에서 피스톤의 기계적 위치를 표시하는 크랭크 앵글 센서에 의한 크랭크 앵글 센서 신호(S6) 및 실린더 내 캠의 구동에 따른 위치를 나타내는 캠포지션(cam position) 센서 신호(S7) 및 점화신호(S3)를 분석하여 각 실린더별 피스톤의 위치를 파악하여 분사제어부(391)로 제공되어 최적의 가스연료 분사 시점을 결정하게 된다.

즉, 크랭크 앵글 센서 신호(S6)와 캠포지션 센서 신호(S7)의 판독으로 이론적인 분사위치와 점화시점신호(S3)를 판독하고, 엔진(370)의 분당회전수( Revolutions Per Minute; RPM )를 산출하여 분사정보데이터를 구성하고, 이 데이터를 이용하여 최적 분사 시점과 기본 분사 시간을 산출한다.

한편, 크랭크 앵글 센서 신호와 캠포지션 센서신호를 공급받지 못하는 경우의 차량에 적용하는 경우에는 각각의 점화 코일을 제어하는 신호만을 입력받아 이 신호를 기준신호로 특정시간 지연을 주어 분사하는 방식으로 제어를 한다. 즉 분사시점은 점화 신호가 나온 직후 일정 시간 뒤의 시점을 분사시점으로 결정한다. 그리고 이 점화신호의 주기를 환산하게 되면 분당회전수(Revolutions Per Minute; RPM)를 산출할 수 있는데 상기와 같은 방법으로 산출된 분당회전수를 이용하여 분사정보데이터를 구성하고, 이 데이터를 이용하여 기본가스 분사시간을 산출한다.

또한, 이 분사 정보 데이터는 고압 레귤레이터(320)의 온도를 감지하여 이에 대한 정보를 포함하며, 감지된 온도에 의하여 가스 연료를 기체상태 또는 액체상태의 가스 연료로 구분하여 공급 및 제어를 한다.

즉, 믹서 방식으로 제어되는 가스 전용 차량은 연료 공급라인이 기체 라인과 액체 라인 두 가지로 설치되어 있어 엔진의 온도가 상온 이하에서는 기체 라인을 이용한 가스 연료를 공급하고 상온 이상에서는 액체상태의 가스연료를 공급하여 기화기에서 원활한 기화가 이루어질 수 있도록 구성되어 있다. 이러한 구성 상태를 이용하여 본 발명의 분사 정보데이터는 기체 상태인 경우와 액체상태의 경우로 나 뉘어 별도의 가스 분사 시간 제공할 수 있도록 구성한다.

참고적으로 부연설명하면, 일반적으로 LPG 전용 차량의 탱크에서 엔진룸의 기화기 전단에 설치된 전자밸브 사이의 연료 공급 라인은 2개 라인으로 구성되어 있다. 하나는 액체상태의 LPG가스를 공급하는 라인이고 그리고 다른 라인은 기체 상태의 LPG 가스를 공급하는 라인이다. 이 기체 라인은 액체상태의 LPG 가스만을 공급 받게 되면 겨울철 외기 온도가 떨어진 상태에서 시동을 거는 경우 기화기가 얼어 버리는 현상이 발생될 수 있는데 이는 기화시 뺏기는 열때문에 기화기가 얼게 되는 경우이다. 이러한 현상을 방지하기 위해서 기체 라인을 별도로 설치하여 외기 온도가 낮으면 LPG 탱크의 상단에서 기체 LPG를 뽑아 기상 공급 라인을 통해 엔진의 전자밸브까지 공급받게 하고 이를 자동차 ECU에서 온도센서를 이용하여 자동으로 전자 밸브를 제어함으로써 기상 공급 라인 또는 액체 공급 라인을 선택하여 기화기에 공급하게 구성되어 있다.

기체 공급 라인에서 가스를 공급받게 되면 가스의 밀도가 상당히 낮아지는 경향이 있는데, 이는 가스 탱크 내부에서 액체 연료가 차지하는 부분을 제외한 윗부분의 여유 공간에서 자연 기화된 가스이기 때문에 압력 또한 낮은 압력으로 형성 되어 있기 때문이다.

그러므로 가스 ECU에서는 연료가 균일하게 공급되기 위해서 가스의 압력과 온도 그리고 고압 레귤레이터의 온도를 이용하여 기화 능력과 실제 공급되고 있는 가스의 량을 추정하여야 한다. 기상 연료 공급라인을 통하여 공급을 받더라도 엔진의 온도가 일정 온도 이상으로 올라가게 되면 자동차 ECU의 제어에 의해 자동으로 액상 연료 공급 라인으로 변경되게 된다.

따라서, 고압 레귤레이터(320)에 의해 기체상태로 변한 가스연료의 압력 및 온도를 실시간으로 가스압력 센서 신호(S8) 및 가스온도 센서 신호(S9)로 받아 가스연료의 온도와 압력의 변화에 따른 가스 밀도 변화율을 산출하고 앞서 산출된 최적의 분사시점에 따른 기본가스 분사시간에 가스 연료 보정값으로 적용할 수 있게 하여 유량제어부(393)에서 가스 분사유량을 결정하게 한다.

이후, 엔진(370)에 영향을 미치는 각종 부하, 예를 들어 에어컨, 기어 변속, 라이트, 냉각팬, 파워 스티어링 등의 구동에 의해서 엔진(370)은 출력에 제한을 받게 되므로 이에 상응하여 추가로 가스연료를 공급해 주어야 한다. 이에 따라 에어컨, 기어변속장치, 라이트 등과 같이 부하로 작용할 수 있는 장치들에 스위치를 장착하고 그 사용 유무에 따른 입력 정보를 부하보정제어부(394)에서 부하스위치 신호(S11)로 받아 각 개별 부하에 따른 엔진 부하 보정량을 추가하게 한다.

여기서, 부하보정은 기본 가스분사 시간에 부하에 따른 보정량이 추가된 상태를 의미한다.

위와 같이 결정된 부하 보정량을 기반으로 엔진(370)에 가스연료를 공급하게 되는데, 각종 배기가스 및 가스연료의 최적 제어를 위해 피드백(feedback) 제어가 이루어진다. 피드백 제어부(395)에서 이루어지는 피드백 제어는 차량에 설치된 산소센서(380)에서 출력되는 배기가스의 상태를 점검하여 완전연소 또는 불완전연소를 확인하는 방식으로 이루어지는데, 배기가스에서 가스연료가 농후한 상태이면 부하 보정량의 분사시간을 줄임으로써 공급되는 가스연료의 양을 줄여주고, 반대로 배기된 가스연료가 희박한 상태이면 부하 보정량의 분사시간을 늘려서 최적의 배기가스와 최적의 연비 상태를 유지하게 된다. 가스연료의 농후 여부 대신 산소량의 검출을 통해 부하 보정량을 조절할 수도 있다.

또한, 피드백 제어와는 별개로 차량의 가속이나 감속시에는 엔진의 빠른 응답속도가 요구되는데, 이러한 경우 피드백제어부를 구동하지 않고 가속/감속 제어부(396)만을 통한 피드백 보정이 사용되지 않고 오픈루프 제어 방식(open-loop control method)으로 가속/감속 제어가 이루어진다. TPS신호(S2)를 입력받은 가속/감속 제어부(396)는 제어하고자 하는 분사유량의 목표값을 결정하는데 있어서 오픈루프 제어 방식을 이용하여 분사하고자 하는 유량의 목표값 자체를 출력측 제어값으로 사용하는데, 보다 신뢰성 있는 제어가 요구되는 경우에는 제어하고자 하는 목표값을 출력측의 제어값으로 사용하되, 실제 출력 변화량이 목표값에 도달하기까지 출력 변화량과 목표 제어량의 연산을 통해 출력을 제어하는 클로즈루프 제어 방식(close-loop control method)을 사용할 수도 있다.

이러한 오픈루프 제어 방식을 통해 엔진(370)에 가스연료를 추가 공급하여 줌으로써 가속시 출력을 유지할 수 있고 감속시에는 가스연료의 공급을 차단하여 줌으로써 과잉공급되는 가스연료로 인한 시동의 꺼짐 문제와 배기가스 배출 문제를 차단할 수 있다. 만일, 차량이 정지상태이거나 정속 운전상태인 경우에는 피드백 제어를 통한 공연비 보정 상태를 유지해야 배기가스의 문제가 해결된다.

가스인젝션 제어부(399)는 고속 정밀 제어를 할 수 있도록 엔진(370)의 각각의 실린더에 대응하는 인젝터 제어 회로를 가지고 있다. 분사제어부(391), 유량제 어부(393), 부하보정제어부(394), 피드백 제어부(395) 및 가속/감속 제어부(396)에 의해 산출된 정보를 바탕으로 최적의 분사시간, 분사유량으로 엔진을 제어하기 위하여 분사제어 신호(S5)로 가스인젝터(322)를 조절한다.

분사제어부(391)와 연결된 통신부(392)는 가스인젝션 제어 ECU(390)에서 산출된 정보를 상위 컴퓨터 또는 외부의 장치로 전송하거나 외부에서 설정한 가스 분사정보를 송수신할 수 있는 기능을 가진다. 이러한 통신부(392)를 통해 제공받은 정보를 이용하여 외부에서 자동차에 최적의 분사 시점과 최적 분사 가스량을 설정할 수 있다.

또한, 통신부(392)는 각종 센서 그리고 부하스위치 등의 상태를 실시간으로 차량의 정비 담당자가 모니터링할 수 있는 기능을 제공한다.

이처럼, 본 발명에 따른 기체분사 방식을 이용한 차량의 가스연료 공급 시스템은 기존의 LPG 전용 차량을 기체분사 방식으로 가스연료를 공급하되 엔진에 직접 분사하는 방식을 취하며, 이러한 방식을 통해 믹서를 갖춘 기존 LPG 전용 차량의 기구적인 출력의 한계를 극복하여 연비와 출력 성능을 향상시키고, 유해 배기가스를 줄일 수 있다. 또한, 기존의 LPG 전용 차량을 본 발명에 따른 가스연료 공급 시스템을 갖도록 용이하게 개조할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 믹서 방식의 LPG 전용 차량의 연료 공급 시스템의 구성을 나타낸 도면.

도 2는 종래 기술에 따른 액체 분사방식의 LPG 전용 차량의 연료 공급 시스템의 구성을 나타낸 도면.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 기체분사 방식을 이용한 차량의 가스연료 공급 시스템을 나타낸 도면.

도 4는 도 3에 도시된 가스인젝션 제어 ECU의 내부 구성 및 입출력 신호를 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

310 : 가스연료 탱크 320 : 고압 레귤레이터

322 : 가스인젝터 324 : 가스분사 노즐

330 : 에어클리너 340 : 스로틀 바디

342 : 스로틀밸브 344 : ISC 밸브

350 : 가스제어 ECU 360 : 점화코일

370 : 엔진 380 : 산소센서

390 : 가스인젝션 제어 ECU

Claims

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차량의 외부로부터 공기를 흡입하는 에어클리너와, 상기 에어클리너에서 흡입된 공기를 직접 또는 ISC 밸브를 경유하여 공급받아 엔진으로 공급하는 스로틀밸브가 구비된 스로틀 바디와, 상기 엔진 내의 연소를 위해 연료를 점화시키는 점화코일과, 상기 ISC 밸브, 상기 스로틀 밸브 및 상기 점화코일을 제어하는 가스제어 ECU와, 가스연료를 저장하는 가스연료 탱크와, 상기 가스연료 탱크의 상기 가스연료를 기체상태로 변환시키는 고압 레귤레이터와, 상기 고압 레귤레이터에서 변환된 기체상태의 상기 가스연료를 상기 엔진에 부착된 가스분사 노즐로 분사하는 가스인젝터와, 상기 가스인젝터의 구동을 제어하는 가스인젝션 제어 ECU 및 상기 엔진에서 배출되는 연소 배기가스를 측정하는 산소센서를 포함하여 구성되는 가스연료 공급 시스템에 있어서,

상기 가스인젝션 제어 ECU는,

상기 가스연료의 분사시점을 결정하는 분사제어부와;

상기 가스연료의 분사유량을 결정하는 유량제어부와;

상기 엔진에서 소모되는 다수의 부하에 따른 상기 가스연료의 부하보정량을 설정하는 부하보정제어부와;

상기 엔진의 연소시 상기 배기가스의 상태에 따라 상기 부하보정량을 조절하는 피드백 제어부와;

상기 차량의 가속 또는 감속시 상기 엔진의 응답속도를 향상시키기 위해 추가로 상기 가스연료를 제어하는 가속/감속 제어부와;

외부와 데이터를 송수신할 수 있는 통신부; 및

상기 가스인젝터를 구동하기 위해 분사제어 신호를 제공하는 가스인젝션 제어부;

를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 기체분사 방식을 이용한 차량의 가스연료 공급 시스템.
제 3항에 있어서,

상기 분사제어부는 상기 점화코일에서 제공하는 점화신호와, 상기 엔진을 구성하는 실린더 내부에 구비된 크랭크 앵글 센서 및 상기 실린더 내부에 구비된 캠포지션 센서에서 제공하는 신호에 의해 상기 가스연료의 분사시점을 결정하는 것을 특징으로 하는 기체분사 방식을 이용한 차량의 가스연료 공급 시스템.
제 3항에 있어서,

상기 분사제어부는 상기 점화코일에서 제공되는 점화신호만을 입력받고, 점화신호 직후 일정시간을 지연하여 분사시점을 결정하는 하는 것을 특징으로 하는 기체분사 방식을 이용한 차량의 가스연료 공급 시스템.
제 3항에 있어서,

상기 유량제어부는 상기 고압 레귤레이터를 통해 기체상태로 변한 상기 가스연료의 압력 및 온도를 측정하여 상기 가스연료의 분사유량을 결정하는 것을 특징으로 하는 기체분사 방식을 이용한 차량의 가스연료 공급 시스템.
제 3항에 있어서,

상기 피드백 제어부에서 이루어지는 상기 배기가스의 완전연소 또는 불완전연소의 확인은 상기 산소센서에서 제공하는 산소센서 신호를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 기체분사 방식을 이용한 차량의 가스연료 공급 시스템.
제 3항에 있어서,

상기 가속/감속 제어부가 제공받는 신호는 TPS(Throttle Position Sensor) 신호이며, 상기 가속/감속제어부의 구동시 상기 피드백제어부는 구동하지 않는 것을 특징으로 하는 기체분사 방식을 이용한 차량의 가스연료 공급 시스템.
제 3항에 있어서,

상기 통신부는 맵(Manifold Absolute Pressure) 센서로부터 상기 엔진의 분당회전수(Revolutions Per Minute; RPM)의 정보를 받아 상기 분사제어부로 전달하는 것을 특징으로 하는 기체분사 방식을 이용한 차량의 가스연료 공급 시스템.