KR101171904B1

KR101171904B1 - 커먼 레일 연료 시스템 보호장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR101171904B1
Application number: KR1020060128111A
Authority: KR
Inventors: 황석준
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-12-14
Filing date: 2006-12-14
Publication date: 2012-08-07
Also published as: KR20080055147A

Abstract

본 발명은 커먼 레일 연료 시스템에서, 연료탱크와 연료필터를 연결하는 연료 라인에 초음파 센서를 장착하고, 초음파 센서를 통해 연료 필터 이전지점에 연료가 정상적으로 공급되고 있는지의 여부를 판단하여 연료 부족이 발생하는 경우 경고등을 점등시킴과 동시에 필요한 후속조치를 취하여 인젝터 및 고압펌프의 고착 또는 소착이 발생되지 않도록 하는 것이다.

본 발명은 엔진의 시동 온이 판정되면 연료라인에 장착되는 2개의 초음파 센서를 작동시키는 과정, 상기 연료라인내의 유체를 통과한 초음파 신호를 각각 검출하여 두 신호의 차이값을 검출 비교하는 과정, 상기 비교되는 두 신호의 차이값이 설정된 기준값 이상이면 연료라인의 유체 상이 기체이거나 기체가 혼합되어 있는 것으로 판단하여 안전모드로 엔진을 제어하는 과정, 엔진을 안전모드로 제어하는 상태에서 일정시간 이내에 급유가 검출되지 않으면 엔진을 강제로 정지시키는 과정을 포함한다.

커먼 레일 연료 시스템, 초음파 센서, 연료 상(Phase), 안전모드

Description

커먼 레일 연료 시스템 보호장치 및 그 방법{PROTECT DEVICE FOR COMMON RAIL FUEL SYSTEM OF VEHICLE AND METHOD THEREOF}

도 1은 종래의 차량에 적용되는 연료 부족 경보장치에 대한 개략적인 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 커먼 레일 연료 시스템 보호장치의 구성도이다.

도 3은 본 발명에 적용되는 초음파 센서의 작동 원리를 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명에 따라 커먼 레일 연료 시스템 보호를 실행하는 흐름도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101 : 연료탱크 102 : 플로터

103 : 계기판 104 : 경고등

105 : 고압펌프 106 : 인젝터

107 : 리턴라인 108 : 초음파 센서

109 : 제어부 110 : 연료필터

111 : 커먼 레일 113 : 프라이머리 펌프

본 발명은 커먼 레일 연료 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 커먼 레일 내부의 연료 상(Phase)을 초음파 센서로 감지하여 고압펌프 및 인젝터가 윤활부족으로 고착되거나 소착되는 것을 방지하도록 하는 커먼 레일 연료 시스템 보호장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 차량에 적용되고 있는 연료부족 경보장치는 첨부된 도 1에 도시된 바와 같이, 연료탱크(1)내에 연료의 양을 검출하는 플로터(2)가 장착되고, 플로터(2)는 연료의 양을 감지하여 그에 대한 정보를 계기판(3)에 구비되는 연료 게이지를 통해 지시하며, 연료의 양이 급유가 필요한 상태이면 경고등(4)을 점등시켜 연료의 급유를 유도한다.

이는 연료량에 따라 급유를 유도하는 간접 방식으로, 통상적으로 경고등(40)이 점등되더라도 어느 정도의 거리를 주행할 수 있는 연료가 남아 있는 상태이며, 이를 운전자가 인식하고 있기 때문에 운전자는 급유를 유도하는 경고등이 점등되어도 남아있는 연료량을 과신하여 추가 급유를 하고 습관적으로 무리한 주행을 한다.

따라서, 연료가 모두 소모되어 주행중 차량이 정지하게 된다

또한, 연료탱크(1)내에서 연료의 양을 검출하는 플로터(2)는 도로의 경사도, 연료탱크(1)의 설치 상태 등에 따라 정확하게 연료 레벨을 감지하지 못할 수도 있으므로 연료가 모두 소모될 때까지 보충하지 않고 계속 주행하는 경우 결국 엔진이 정지하게 된다.

연료가 경고등이 점등되는 정도로 소모되면 연료펌프는 액상(liquid phase)인 연료와 함께 기상(gas phase)인 증발가스 및 공기 등을 함께 흡입하여 토출시키 므로, 토출부에서는 압력이 상승하게 되고, 이에 따라 딸려왔던 기체가 급격히 붕괴되는 캐비테이션(Cavitation) 현상을 초래하게 된다.

커먼 레일 연료 시스템이 장착되는 디젤 엔진에서는 고압 펌프 및 인젝터의 윤활이 연료(경유)로 이루어지기 때문에 토출되는 연료에 캐비테이션 현상이 발생하는 경우 윤활 부족으로 인한 마모가 생기게 되고, 이에 따라 고압 펌프 및 인젝터 모두를 교환해야 하는 상황이 발생한다.

이를 방지하기 위해 연료 라인의 연료 유무를 탐지하는 기술이 국내등록특허 0412797호에 제시되어 있는데, 이는 연료의 리턴 라인에 오리피스를 설치하고, 이 오리피스의 양단간 압력차를 엔진제어수단에서 읽어서 연료가 정상적으로 공급되는지를 판단하는 구조로 되어 있다.

그러나, 승용 디젤엔진과 같이 연료 리턴 라인의 직경이 매우 작은 곳에(약 6mm정도) 오리피스를 설치하는 것은 매우 어려운 단점이 있다.

그리고, 이러한 방식은 리턴 라인이 인젝터와 연료 필터을 연결하고 있기 때문에 고압펌프 내부의 연료가 소진되더라도 그 이후의 지점인 커먼 레일 및 각 인젝터로 분배되는 연료 라인에 연료가 남아 있으면 리턴 라인의 오리피스 전후에는 압력이 걸리는 구조로 되어 있다.

따라서, 엔진제어수단에서는 연료가 아직 남아 있는 것으로 판단하여 엔진을 계속 운전시키는데, 이 경우 고압펌프는 액체인 연료와 함께 연료 탱크 내의 기체를 함께 끌어당기기 때문에 고압 펌프가 손상을 입게 되고 이는 연료 라인을 통해 고압 펌프와 연결된 인젝터에 직접적으로 영향을 끼친다.

그러므로, 연료에 의해 윤활 및 냉각 기능이 제공되는 인젝터의 노즐부와 노즐 스프링이 정상적인 윤활 및 냉각 기능이 제공되지 못하고, 노즐부의 기구적인 움직임이 원활하지 못하게 되어 인젝터를 열화시켜 고착 또는 소착시키는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 연료탱크와 연료필터를 연결하는 연료 라인에 프라이머리 펌프와 초음파 센서를 장착하고, 초음파 센서를 통해 연료 필터 이전지점에 연료가 정상적으로 공급되고 있는지의 여부를 판단하여 연료 부족이 발생하는 경우 경고등을 점등시킴과 동시에 필요한 후속조취를 취하여 인젝터 및 고압펌프의 고착 또는 소착이 발생되지 않도록 하는 것이다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 연료를 저장하는 연료탱크와 연료에 포함된 불순물을 제거하는 연료필터, 커먼 레일에 연료를 고압으로 압송하는 고압펌프, 각 연소실에 결정된 연료량을 분사하는 인젝터를 포함하는 커먼 레일 연료 시스템에 있어서,

상기 연료탱크와 연료필터를 연결하는 연료라인에 창착되어, 연료라인에 정상적인 연료가 공급되는지를 검출하는 초음파 센서; 상기 초음파 센서의 정보를 분석하여 연료필터 이전의 연료라인에서 연료 상(Phase)을 검출하고, 연료라인의 유체가 기체이거나 액체와 기체가 혼합되어 있는 것으로 판단되면 급유를 요구하는 메시지를 출력하는 제어부를 포함한다.

또한, 본 발명은 엔진의 시동 온이 판정되면 연료라인에 장착되는 2개의 초음파 센서를 작동시키는 과정; 상기 연료라인내의 유체를 통과한 초음파 신호를 각각 검출하여 두 신호의 차이값을 검출 비교하는 과정; 상기 비교되는 두 신호의 차이값이 설정된 기준값 이상이면 연료라인의 유체 상이 기체이거나 기체가 혼합되어 있는 것으로 판단하여 안전모드로 엔진을 제어하는 과정; 엔진을 안전모드로 제어하는 상태에서 일정시간 이내에 급유가 검출되지 않으면 엔진을 강제로 정지시키는 과정을 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.

그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

도시된 바와 같이, 커먼 레일 연료 시스템이 장착되는 디젤 엔진의 연료 공급 장치는 연료가 저장되는 연료탱크(101)에 연료량을 검출하는 플로터(102)가 장착되고, 연료에 포함된 불순물 및 습기를 제거하는 연료필터(110)와 연료탱크(101)를 연결하는 연료라인에 프라이머리 펌프(113)가 장착된다.

연료필터(110)는 연료라인을 통해 고압펌프(105)와 연결되고, 고압펌프(105)는 커먼레일(111)과 연결되어 커먼레일(111)에 연료를 고압으로 압송하여 인젝터(106)의 작동을 통해 대응되는 연소실에 결정된 연료량의 분사가 제공되도록 한다.

상기 인젝터(106)의 리턴 라인(107)은 연료필터(110)와 연결되어, 인젝터(106)에서 분사되지 않은 잔여 연료를 연료필터(110)로 회수하여 준다.

또한, 상기 연료필터(110)와 프라이머리 펌프(113)의 사이에 초음파 센서(108)가 장착되어 연료필터(110)의 전단에서 연료의 정상적인 공급이 이루어지고 있는지를 검출하여, 그에 대한 정보를 제어부(109)에 제공한다.

제어부(109)는 초음파 센서(108)에서 검출되는 신호를 분석하여 연료 라인에서의 연료 부족 여부를 판단하며, 연료 부족으로 판단되는 경우 계기판(103)에 구비된 경고등(104)을 점등시키고, 엔진 RPM을 아이들 RPM으로 강제 조정하며 설정된 일정시간 이상 연료 부족이 지속적으로 검출되면 엔진 시동을 강제로 오프 제어하여 인젝터 및 고압펌프가 고착되거나 소착되어지는 것을 방지한다.

전술한 구성을 포함하는 본 발명에 따른 커먼 레일 연료 시스템은 다음과 같이 동작된다.

연료탱크(101)에 저장된 연료는 연료 필터(110)를 거쳐 고압펌프(105)에 공급되며, 고압펌프(105)는 공급되는 연료를 고압으로 가압된 뒤 연료 공급 라인을 통해 커먼 레일(111)로 압송한다.

따라서, 커먼레일(111)에 연결되는 연료 라인(12)를 통해 각 인젝터(106)으 로 공급되며, 인젝터(106)는 제어부(109)의 제어에 따라 작동되어 결정된 연료량을 대응되는 각각의 연소실에 분사하여 준다.

이때, 인젝터(106)에서 리턴되는 연료는 리턴 라인(107)을 거쳐 다시 연료 필터(10)으로 회수된다.

이러한 연료 계통의 흐름에서 제어부(109)는 연료필터(110)의 이전 지점에 설치되는 초음파 센서(108)의 정보를 분석하여 연료필터(110) 이전의 연료라인에 정상적인 연료가 공급되고 있는지의 여부를 판단하여, 정상적인 연료 공급이 이루어지고 있는 상태이면 현재의 엔진 제어조건을 그대로 유지한다.

그러나, 연료필터(110) 이전의 연료라인에 정상적인 연료가 공급되지 않는 상태, 즉 연료가 없으면 바로 계기판(103)에 구비되는 경고등(104)을 점등시켜 급유를 유도하고, 단계별로 필요한 후속 조취를 실행한다.

예를 들어, 엔진 RPM을 강제적으로 조정하고, 그 상태의 지속이 설정된 제1기준시간인 10분 이상 유지되면 엔진 RPM을 아이들 RPM으로 강제 조정하며, 아이들 RPM의 상태로 급유를 요구하는 경고등이 제2기준시간인 3분 이상 지속적으로 유지되면 엔진 시동을 강제적으로 오프하여 고압 펌프(105)와 인젝터(106)가 윤활 부족으로 인한 고착 혹은 소착이 발생되지 않도록 한다.

상기 초음파 센서(108)를 이용한 연료의 정상 공급여부은 다음과 같은 원리를 이용하여, 이에 대하여 도 3을 참조하여 설명한다.

초음파가 유체를 통과할 때 유체가 흐르는 상태에서는 정지 상태에 비해 초음파의 진행 속도는 변하게 된다.

따라서, 도시된 바와 같이, 제1초음파 송신기(T1) 및 제1초음파 수신기(R1) 와 제2초음파 송신기(T2) 및 제2초음파 수신기(R2)를 유체 중에 대응해서 설치한 다음 한쪽은 유체의 흐름과 동일 방향(순방향)으로 초음파를 발사시키고, 나머지 한쪽은 유체의 흐름과 반대 방향(역방향)으로 초음파를 발사시킨다.

일 예를 들어 제1초음파 송신기(T1)를 유체의 흐름과 순방향으로 초음파를 발사시켜 제1초음파 수신기(R1)가 수신하도록 하고, 제2초음파 송신기(T2)는 유체의 흐르과 역방향으로 초음파를 발사시켜 제2초음파 수신기(R2)가 수신하도록 한다.

정지 유체에서의 음속을 C, 유체의 유속을 V라고 했을 때, 순방향 초음파의 진행 속도는 C + Vcosθ가 되고, 역방향 초음파의 진행 속도는 C - Vcosθ가 된다.

제1초음파 송신기(T1)와 제1초음파 수신기(R1) 그리고, 제2초음파 송신기(T2)와 제2초음파 수신기(R2)의 거리(L)가 동일한 상태에서 제1초음파 송수신기(T1,R1)의 사이에서 순방향으로 진행하는 초음파의 도달 시간을 t1이라 하고, 제2초음파 송수신기(T2,R2)의 사이에서 역방향으로 진행하는 초음파의 도달 시간을 t2라고 했을 때, 도달 시간(t1, t2)은 하기의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

t1 = L / C+Vcosθ, t2 = L / C-Vcosθ

여기서, 디젤 엔진에서 유체는 경유, 즉 액체이므로 일반적인 액중 음속 C는 대략적으로 1500m/s가 되며, 유속 V는 수 m/s를 넘지 않으므로, C² ? V²이 된다.

따라서, 시간차(△t)는 다음과 같은 수학식 2와 같이 산출된다.

△t = t2 - t1

= (L / C-Vcosθ) - (L / C+Vcosθ)

= (2LVcosθ) / (C² -V²cos²θ)

=(2LVcosθ) / C² 여기서, C2 ? V2이다.

상기한 수학식 2에서 알 수 있는 바와 같이 초음파 센서간 시간 차이는 거리(L)가 동일한 경우 유체 중의 음속 C에 의해 지배됨을 알 수 있다.

만약 연료가 소진되어 연료탱크(101)과 연료필터(110)를 연결하는 연료라인에 공기가 흐른다면 음속 C는 약 340m/s 정도가 된다.

액체에서의 음속은 1500m/s이다.

이를 위 식에 대입하면 엔진의 운전조건에 관계 없이 연료라인에서 유체가 연료인 경우와 공기인 경우에 따라 시간차(Dt)는 약 19.5배가 차이가 나므로 제어부(109)는 쉽게 연료가 없음을 판단할 수 있게 된다.

따라서, 제어부(109)는 연료라인에서 연료가 없는 상태를 판별하게 되면 계기판(103)에 구비되어 있는 경고등(104)을 점등시켜 급유를 요구함과 동시에 엔진을 안전모드로 전환하여 대략 10분간 엔진 회전수는 1100RPM 내지 1300RPM, 분사 연료량은 15mg/st 정도로 강제로 제한하여, 운전자가 연료를 보충하도록 유도한다.

이 때 강제 운전 시간 10분의 산정은 통상의 경우 연료 필터 용량이 약 1L 전후이므로 연료필터(110) 내부에 있는 연료의 80~90%가 소모되는 시간으로 계산할 수 있다.

ECU는 10분 동안의 강제 운전 모드가 경과하면 경고가 해제되었는지를 판단하고 경고가 계속되면 엔진 보호를 위하여 아이들링 운전모드로 강제 전환시키고, 고압펌프(105)내의 연료마저 바닥나게 되는 것을 방지하기 위해 약 3분 후에도 경고가 지속되는 경우 엔진을 강제로 정지시킴으로써 고압 펌프 및 인젝터의 마모와 소착을 방지하도록 한다.

상기한 동작에 대하여 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

제어부(109)는 도시되지 않은 크랭크 샤프트 위치센서 혹은 캠 샤프트 위치센서 등의 신호로부터 엔진 회전수를 판독하여(S101) 엔진 회전수가 설정된 기준 회전수인 500RPM 이상을 유지하는 시동 온 상태인지를 판단한다(S102).

상기 S102의 판단에서 엔진의 시동 온 상태로 판단되면 제어부(109)는 연료라인에 장착되는 제1,제2초음파 센서(108)에 전원을 인가하여 제1,2초음파 센서(108)를 작동시킨다(S103).

이후, 유체의 흐름에 대하여 순방향 및 역방향으로 송수신되는 제1,2초음파 센서(108) 양단간의 시간차(△t1)을 판독하고(S104) 설정된 일정시간, 예를 들어 5초 경과 후 양단간의 시간차(△t2)를 판독한다(S105).

그리고, 판독된 시간차(△t2)가 시간차(△t1)보다 18배 이상 큰 값을 갖는지를 판단한다(S106).

상기 S106의 판단에서 시간차(△t2)가 시간차(△t1)보다 18배 이상 큰 상태 가 아니면 판독된 시간차(△t1)(△t2)를 초기화한 다음 상기 S102의 과정으로 리턴하고, 큰 상태로 검출되면 연료라인에는 유체가 액체에서 공기로 바뀌었거나 공기가 혼합되어 있다고 판단하여 안전모드로 진행한다(S108).

상기 S108의 안전모드에서는 엔진 회전수를 강제로 조정하여, 예를 들어 1100RPM 내지 1300RPM 정도로 유지하고 계기판(103)에 구비되어 있는 경고등(104)을 점등시켜 급유를 유도하고, 경보음을 발생하여 준다.

상기와 같이 엔진 회전수를 강제로 조정하는 조건으로의 운전이 설정된 제1기준시간, 예를 들어 10분 경과한 후에도 경고등(103)이 계속 점등되는 상태, 즉 급유가 일어나지 않았는지를 판단한다(S109)(S110).

상기 S110의 판단에서 급유가 일어나지 않은 상태이면 강제로 아이들링 모드로 전환하고(S111), 아이들링 모드로 전환된 이후 설정된 제2기준시간, 예를 들어 3분이 경과한 후에도 경고등(103)이 계속들어 점등되는 상태, 즉 급유가 일어나지 않았으면(S112), 연료 고압펌프 및 인젝터 보호를 위해 연료를 분사하지 않고 엔진을 강제로 정지시킨다(S113).

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하므로 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 역시 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 연료 필터 이전지점에 연료가 정상적으로 공급되고 있는지의 여부를 판단하여 연료 부족이 발생하는 경우 경고등을 점등시킴과 동시에 필요한 후속 조취를 취하여 인젝터 및 고압펌프의 고착 또는 소착이 발생되지 않도록 함으로써, 커먼 레일 연료 시스템에 안정성 및 신뢰성을 제공하는 효과가 기대된다.

Claims

연료를 저장하는 연료탱크와 연료에 포함된 불순물을 제거하는 연료필터, 커먼 레일에 연료를 고압으로 압송하는 고압펌프, 각 연소실에 결정된 연료량을 분사하는 인젝터를 포함하는 커먼 레일 연료 시스템에 있어서,

상기 연료탱크와 연료필터를 연결하는 연료라인에 창착되어, 연료라인에 정상적인 연료가 공급되는지를 검출하는 초음파 센서;

상기 초음파 센서의 정보를 분석하여 연료필터 이전의 연료라인에서 연료 상(Phase)을 검출하고, 연료라인의 유체가 기체이거나 액체와 기체가 혼합되어 있는 것으로 판단되면 급유를 요구하는 메시지를 출력하는 제어부를 포함하는 커먼 레일 연료 시스템 보호장치.
제1항에 있어서,

상기 초음파 센서는 연료라인에서 대응되는 위치의 동일 거리에 초음파 송신기와 수신기를 적어도 2개 이상으로 설치하는 커먼 레일 연료 시스템 보호장치.
제2항에 있어서,

상기 초음파 센서는 어느 하나의 초음파 송수신기는 유체의 흐름에 대하여 순방향으로 송수신을 수행하고, 다른 하나는 초음파 송수신기는 유체의 흐름에 대하여 역방향으로 송수신을 수행하는 커먼 레일 연료 시스템 보호장치.
제1항에 있어서,

상기 제어부는 초음파 센서의 신호 분석에서 연료라인에 기체가 존재하는 상태이면 안전모드로 진입하여 엔진 회전수를 강제로 다운 조정하고, 일정시간 이내에 급유가 판정되지 않으면 엔진의 강제로 정지 제어하는 커먼 레일 연료 시스템 보호장치.
엔진의 시동 온이 판정되면 연료라인에 장착되는 2개의 초음파 센서를 작동시키는 과정;

상기 연료라인내의 유체를 통과한 초음파 신호를 각각 검출하여 두 신호의 차이값을 검출 비교하는 과정;

상기 비교되는 두 신호의 차이값이 설정된 기준값 이상이면 연료라인의 유체 상이 기체이거나 기체가 혼합되어 있는 것으로 판단하여 안전모드로 엔진을 제어하는 과정;

엔진을 안전모드로 제어하는 상태에서 일정시간 이내에 급유가 검출되지 않으면 엔진을 강제로 정지시키는 과정을 포함하는 커먼 레일 연료 시스템 보호방법.
제5항에 있어서,

상기 유체를 통화하는 초음파 신호중 어느 하나는 유체의 흐름에 대하여 순방향이고, 다른 하나는 역방향인 커먼 레일 연료 시스템 보호방법.
제5항에 있어서,

상기 엔진의 안전모드 제어는 엔진 회전수를 1100RPM 내지 1400RPM으로 강제 유지시키고, 일정시간 이내에 급유가 검출되지 않으면 아이들 RPM으로 조정하는 커먼 레일 연료 시스템 보호방법.