KR101181390B1

KR101181390B1 - 점화진각제어장치를 구비한 씨엔지 바이 퓨얼 시스템의 동작 방법

Info

Publication number: KR101181390B1
Application number: KR1020100023580A
Authority: KR
Inventors: 박진현; 성 훈 김; 김철희; 박희문
Original assignee: 성 훈 김; 경남과학기술대학교 산학협력단
Priority date: 2010-03-17
Filing date: 2010-03-17
Publication date: 2012-09-19
Also published as: KR20110104607A

Abstract

본 발명은 CNG 바이 퓨얼 시스템(BI FUEL SYSTEM)의 동작 방법에 관한 것으로, 가솔린과 CNG 연료의 화염전파속도를 보상하기 위해 ECU에서 나오는 점화 제어신호를 점화진각제어장치를 통해 5～10°점화 시점을 진각시켜 점화 시점의 출력을 변화시킴으로써, 토크 및 연비를 상승시키고 유해 배기가스(CO, HC)를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 CNG 바이 퓨얼 시스템(BI FUEL SYSTEM)의 동작 방법은, (a) ECU로부터 점화 제어신호를 입력받아 주기를 측정하는 단계와; (b) 상기 점화 제어신호의 한 주기가 끝난 다음 펄스의 하강 구간이 감지되면 한 주기의 값을 토대로 다음 주기의 상승 구간 시점을 계산하는 단계; 및 (c) 상기 점화 제어신호의 다음 주기의 상승 구간보다 점화 시점이 빠른 변환 신호를 스파크 플러그로 발생하는 단계;를 포함하고 있다.

Description

점화진각제어장치를 구비한 씨엔지 바이 퓨얼 시스템의 동작 방법{CNG BI FUEL SYSTEM HAVING SPARK ADVANCED CONTROL APPARATUS AND DRIVING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 압축 천연가스(Compressed Natural Gas; 이하, "CNG"라 한다) 바이 퓨얼 시스템(BI FUEL SYSTEM)의 동작 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가솔린 연료와 CNG연료의 화염전파속도 보정을 위해, ECU(Electronic Control Unit)에서 나오는 신호를 점화진각제어장치를 통해 5～10°점화 시점을 진각 시킴으로써, 토크 및 연비를 상승시키고 유해 배기가스를 감소시킬 수 있는 CNG 바이 퓨얼 시스템(BI FUEL SYSTEM)의 동작 방법에 관한 것이다.

천연가스 자동차(NGV; Natural Gas Vehicle)는 70년대의 에너지 위기(oil shock)에 석유계 연료의 대체에너지로서 관심있게 연구되어 왔으나 최근 들어 환경에 대한 관심이 높아지면서 대기오염 방지에 비중을 둔 청정연료로서의 연구가 활발하다.

천연가스자동차(NGV)는 1992년부터 1997년까지 G-7 사업으로 천연가스자동차를 개발하여 이후 CNG버스 시범운행을 통해 CNG버스의 우수성이 확인된 후, 정부는 국내 대기오염 저감을 위해 2000년 6월부터 월드컵 개최도시를 중심으로 천연가스버스를 보급하기 시작하였다.

연료의 저장방식에 따라 압축천연가스(CNG) 자동차, 액화천연가스(LNG) 자동차, 흡착천연가스(ANG) 자동차로 구분되고, 연료공급 방식에 따라 CNG전용(dedicated), CNG-가솔린겸용(bi-fuel), CNG-디젤혼소(dual fuel) 방식이 있다.

CNG를 가솔린엔진에 적용하면 배출가스 저감 효과가 현저하여 CO, HC는 30～50%, CO2도 20～30% 이상 감소하는 것으로 보고되고 있다. 또한 옥탄가가 130으로 높기 때문에 엔진 압축비를 높일 수 있어 엔진효율이 좋고 연료소비율을 향상시킬 수 있다. 엔진 연소실과 연료공급 계통에 퇴적물이 적어 윤활유나 엔진오일, 필터의 교환 주기가 연장되며 엔진수명도 길다. 그러나 가솔린엔진에 비해 출력이 감소하며, 1회 충전 거리가 짧고 개조에 필요한 장치 비용이 상당히 높다. 출력저하의 원인으로는 CNG 연료가 가솔린에 비해 단위 체적당 발열량이 낮고, 체적효율이 떨어지며, 화염속도가 느림에 따라 모든 혼합기가 연소 되는 타이밍 손실 등에 기인한다.

그러면, 첨부도면을 참조하여 종래의 CNG 바이 퓨얼 시스템(BI FUEL SYSTEM)에 대해 설명하기로 한다.

종래의 CNG 바이 퓨얼 시스템(BI FUEL SYSTEM)은 도 1에 도시된 바와 같이, CNG 퓨얼 탱크(Furl Tank: 10), 슈트 오프 밸브(Shut-off Valve: 20), 레귤레이터(Regulator: 30), 에어 공급라인(40), CNG MPI 인젝터(Injector: 50), 가솔린 인젝터(60), 실린더(70), 스파크 플러그(Spark Plug: 80), 캠 포지션 센서(Cam Position Sensor: 90), 냉각 수온 센서(Water Temperature Sensor: 100), 크랭크 포지션 센서(Crank Position Sensor: 110), 산소 농도 검출 센서(120), 가솔린 ECU(130), CNG ECU(140) 등을 포함하여 구성된다.

상기 가솔린 ECU(130)는 상기 에어 공급라인(40)에 부착된 흡기 온도 센서(ATS), 흡기 양 검출 센서(AFS), 액셀러레이터(accelerator) 위치 센서(TPS)와, 상기 실린더(70)에 부착된 상기 캠 포지션 센서(90), 냉각 수온 센서(100), 크랭크 포지션 센서(110), 산소 농도 검출 센서(120)의 신호를 입력하여 상기 스파크 플러그(80)의 점화 동작을 제어하는 신호를 발생하고, 상기 CNG MPI 인젝터(50)와 상기 가솔린 인젝터(60)의 동작을 제어하는 신호를 상기 CNG ECU(140)로 출력한다.

상기 CNG ECU(140)는 상기 레귤레이터(30) 후단의 연료 공급라인에 부착된 연료 온도 센서(FTS), 연료 압력 센서(FPS), 냉각 수온 센서(WTS)의 신호와, 상기 CNG 퓨얼 탱크(10)에 부착된 CNG 퓨얼 레벨 센서의 신호와, CNG & 가솔린 변환 스위치 신호와, 상기 산소 농도 검출 센서(120), 상기 액셀러레이터(accelerator) 위치 센서(TPS)의 신호와, 상기 CNG ECU(140)로부터 출력되는 상기 CNG MPI 인젝터(50)와 상기 가솔린 인젝터(60)의 동작 제어신호를 입력하여, 상기 CNG MPI 인젝터(50)와 상기 가솔린 인젝터(60)의 동작을 각각 제어하고, 상기 슈트 오프 밸브(Shut-off Valve: 20)의 연료 공급 및 차단 동작을 제어하고, CNG 퓨얼 인디케이트(Fuel Indicate) 신호를 출력한다.

상기 구성과 같이, 현재 생산되고 있는 차량에는 가솔린 엔진에 공급되는 혼합기에서 배기가스의 정화, 연료소비량의 저감, 출력 향상 등을 동시에 만족시키기 위한 정밀도가 높은 제어의 요구에 부응하여 흡입공기량을 전기적으로 검출하고, 이것에 따르는 연료를 엔진의 운전조건에 적응시켜 분사하는 전자제어식 연료분사장치가 제공되어 진다.

상기 전자제어식 연료분사장치를 제어하기 위한 ECU(Eletric Controlunit)는 엔진의 상태를 감지하는 각종 센서를 통해 감지된 상태에 상응하여 변환되어 진 전기적 신호를 기초로 하여 연료 분사시기와 분사량을 제어하였다.

상기 엔진에 장착되는 상기 스파크 플러그(80)의 점화시기는 크랭크축의 각 검출수단에서 인가되는 엔진의 회전수와 흡입 공기량 검출수단에서 인가되는 흡입 공기량을 통해 부하의 변동을 검출하여 상기 가솔린 ECU(130)에서 연산한 후 엔진의 기본 진각을 검출하여 상기 파워 트랜지스터(도 2의 150)를 스위칭시킨다.

도 2는 종래의 점화장치 제어시스템의 구성도이고, 도 3은 점화 제어신호의 동작 파형도이다.

종래의 점화장치 제어시스템에서 입력되는 신호는 기존의 CNG ECU(140)에서 파워 트랜지스터(150)의 제어신호로 일정 유지시간(Dwell time)을 가진 후 상기 파워 트랜지스터(150)의 오프(off) 시 상호유도작용에 의해, 고압의 점화가 발생한다.

도 3에서, a구간은 점화 시기 구간으로, 2차 전압의 방전시간으로 약 1.5msec가 정상이며, 플러그의 간극, 압축비, 플러그 팁의 오염상태에 따라 달라진다. b구간은 전류가 통하는 초기 짧은 순간에 역 기전력이 발생하여 생기는 파형이다(약 -2.0KV 정도 발생). c구간은 피크 전압(써지 전압)으로, 정상일 때 7～13KV로 연소실, 압축비에 따라 가변적이며, 다만 각 기통 별로 차이가 적은 것이 균일한 화염 전파력을 생성한다는 데서 중요하다(기통간 차이). d구간은 통진시간(Dwell time)으로, 점화계통의 1차 코일에 전류가 6±0.5A가 될 때까지 통전되는 시간으로 배터리 전압에 따라 다르다. e구간은 2차 전압의 방전전압으로, 약 1.2～2.0KV가 정상이며, 플러그의 간극, 압축비, 플러그 팁의 오염 상태에 따라 달라진다.

종래의 CNG(LPG)/휘발유 겸용 시스템에서는 연료 절환 스위치를 이용하여 사용하고자 하는 연료를 선택하여 운행하고 있다. 그러나, CNG(LPG) 연료를 선택하였을 때 일부 차량에서는 동절기 때 CNG(LPG) 연료만을 사용함에 따른 시동 곤란과 이로 인한 연료 분배성 악화로 부분적인 연료 희박 현상이 발생하였다. 또한, 이와 더불어 휘발유 연료시스템에만 적용하는 듀얼(Dual) DIS 방식을 사용함에 따른 점화 에너지의 누전으로 인해 역화 현상이 발생하여 흡기 시스템 부품들의 파손 현상이 야기되었다. 또한 운전자가 CNG(LPG) 연료만을 선택하여 사용함에 따라 휘발유 인젝터(Injector) 및 연료 펌프 등이 장기간 미사용하는 채로 방치됨에 따라 인젝터 내부가 고착되는 결함이 있고, 이를 피하기 위해 휘발유로 시동건 후에 CNG(LPG) 연료로 수동 절환 하는 방식이 일부 사용 중에 있다.

그러나 이러한 방식도 연료 절환 시의 시동 꺼짐 현상으로 인해 대형 교통 사고의 우려가 있고, 원활치 못한 연료 절환으로 인해 유해 가스가 과다 배출되는 문제가 있으며, 주행 중 연료를 절환 하는 경우 원활치 못한 연료 전환으로 인해 심한 엔진 쇼크 또는 시동 꺼짐 현상의 문제점이 있다.

또한, 휘발유 연료 공급상태에서는 엔진출력 상의 문제가 없으나, CNG 연료로 공급시에는 휘발유용 점화 진각치보다 빠른 크랭크 각 위치에서 점화가 이루어져야 하는데, 휘발유용 점화 진각을 그대로 사용하기 때문에 점화 진각 지연으로 인해 엔진 출력이 저하되고, 이로 인해 유해 배기가스가 과다 배출되는 문제점이 있었다.

이하, 본 발명과 관련된 선행기술들은 다음과 같다.

국내 공개특허공보 제2001-0084953호는 엔진 점화 코일의 1차 전류 여자(드웰)시간 변환을 통한 점화 시기 제어 방법 및 그 장치(이하, '선행기술 1'이라 한다)에 관한 것으로, 엔진 제어 전자 모듈에서 발생하는 점화 시기 제어용 펄스를 이용하여 점화코일을 구동하는 전자식 점화 장치를 갖는 LPG(CNG)/휘발유 겸용 차량에 있어서, 운전자가 LPG 연료를 선택하였을 시에는 기존의 휘발유용 점화 시기 제어용 펄스의 Dwell 시간을 변환하여 휘발유보다 앞서서 점화가 수행되도록 함으로써 LPG 모드에서의 엔진 출력과 연비를 향상시킴은 물론 Dwell 시간을 단축시킴으로써 점화 코일의 내구성을 향상시키고, 휘발유 모드를 선택하였을 시에는 기존의 펄스에 의해 점화 시기가 제어되도록 함으로써 두 연료 모두에서 최적의 엔진 점화 제어가 되도록 하는 방법 및 그 장치에 대해 개시되어 있다(도 4 참조).

상기 선행기술 1에 따르면, 운전자가 아무리 LPG 모드를 선택하였다 하더라도 LPG 연료로 엔진구동이 적합한 온도 조건이 아니면 휘발유용 점화 시기 제어를 따르며, 온도가 적합한 조건이 되어야 LPG 용 점화 시기 제어를 수행할 수 있도록 하여 엔진 부조 등의 문제를 방지하고, 전기 릴레이들을 내장하여 점화 절환 제어 모듈 내 마이크로 프로세서가 작동을 못 하거나 오동작을 하는 경우라도 휘발유용 점화 시기 제어를 따르도록 함으로써 점화 부재에 따른 엔진 시동 꺼짐 등을 방지할 수 있는 효과가 있다고 기재되어 있다.

상기 선행기술 1은 dwell 시간이 단축되므로 점화코일의 자기에너지가 작아져 실화의 위험이 발생할 가능성이 높다. Dwell 시간은 점화 1차 코일의 적절한 자기유지를 위한 시간이므로, 코일의 임피던스에 의해 결정되어짐으로, 신차 출고시 절적한 Dwell 시간을 가져야 한다. 따라서 상기 선행기술 1은 제어하기는 쉬우나, 점화에너지 부족현상 발생가능이 있다.

참고로, Dwell 시간은 배터리 전압이 높아지면 전류가 많이 흘려 시간이 줄어들고 배터리 전압이 낮아지면 증가하도록 프로그램되어 있다.

국내 등록특허공보 제0318128호는 듀얼 디아이에스 점화 방식의 엘피지(씨엔지)/휘발유 겸용 엔진(이하, '선행기술 2'라 한다)에 관한 것으로, LPG(CNG)/휘발유 연료 절환 전자 제어 모듈(1)과, 휘발유용 전자 제어 모듈(2)과, LPG(CNG) 어댑터(21)로 구성된 LPG(CNG)/휘발유 겸용 엔진 제어 장치에 있어서, 상기 LPG(CNG)/휘발유 연료 절환 전자 제어 모듈(1)은, 연료선택 스위치, 산소 농도 센서(4), 냉각 수온 센서(5), RPM 센서(6) 및 스로틀 포지션 센서(7)로부터 신호를 받아 디지탈 신호로 변환시키는 A/D 신호 변환부와, 상기 A/D 신호 변환부로부터 변환된 디지탈 신호를 비교 판독하여 연료를 선택하는 중앙처리장치(CPU)와,상기 중앙처리장치(CPU)의 해상도를 결정하는 클럭 발진부와, 상기 중앙처리장치(CPU)가 연료선택을 비교처리하도록 데이터를 저장한 메모리와, 상기 중앙처리장치(CPU)로부터 선택된 연료 신호를 받아, LPG(CNG) 연료 구동용 엑츄에이터(13,14,15,16,17,18,19)들만 전원을 인가시키거나, 또는 휘발유 연료 인젝터(8) 및 휘발유 연료 펌프(9)와 함께 전원을 인가시키는 절환 릴레이부(3)와, 상기 중앙처리장치(CPU)로부터 선택된 연료가 휘발유 연료인 경우에는 상기 산소 농도 센서(4), 냉각 수온 센서(5), RPM 센서(6) 및 스로틀 포지션 센서(7)의 신호를 상기 휘발유용 전자 제어 모듈(2)로 바이패스 시키는 바이패스부와, 설정된 Duty % 값에 따라 LPG(CNG) 연료의 기초 연료량만를 공급하거나, 점차 증가시키도록 LPG(CNG) 연료를 점차 증가시켜 공급하거나, 또는 LPG(CNG) 연료만을 공급시키기 위한 상기 LPG(CNG) 어댑터(21)의 LPG(CNG) 피이드백 솔레노이드 밸브(17)를 제어하는 제어 프로그램 메모리로 구성되며, 상기 휘발유용 전자 제어 모듈(2)은 LPG(CNG) 연료가 기화기에서 기화되어 공연비 제어가 가능할 때부터 냉각수 온도가 20 ℃ 전까지는 점차 감소하도록 휘발유 연료를 공급하기 위한 제어프로그램이 내장된 제어 프로그램 메모리를 갖는 것을 특징으로 하고 있다(도 5 참조).

상기 선행기술 2에 따르면, 휘발유 연료 전용의 Dual DIS 방식을 사용하여도 시동시 역화의 문제점을 해결할 수 있고, 연료 공급 공백 현상으로 인한 엔진 멈춤현상의 방지와 연료 과잉 공급에 따른 엔진 쇼크를 방지함 수 있음은 물론, 휘발유 인젝터의 장기간 미사용에 따른 고장을 방지할 수 있으며, 공회전 연료 회로를 적용하여 공회전시의 미세한 제어 연료를 엔진으로 직접 유입시킴으로써 연료 응답성 및 공회전 안정성 향상과 더불어 휘발유 연료용과 공용으로 사용하고 있는 엔진 부품의 내구성 저하를 방지할 수 있으며, LPG(CNG) 연료를 사용 후 휘발유 연료로 절환하여 사용시의 엔진 고장 진단 램프의 오작동을 간단한 리셋 (Reset) 버튼으로 해제시킴으로써 운전자의 고장에 대한 우려를 해소할 수 있으며, LPG(CNG) 연료 전용의 점화 진각치의 사용이 가능함으로써 엔진 출력을 최적화할 수 있으며, 차량 배출 가스를 저감할 수 있는 효과가 있다고 기재되어 있다.

하지만, 상기 선행기술 1 및 2를 포함한 종래의 CNG 바이 퓨얼 시스템은 ECU에서 각종 센서와 스위치의 입력신호와 엔진의 상태에 따라 점화 시기를 진각시키도록 구성되어 있다. 즉, 상기 선행기술 1의 경우에는 LPG 모드를 선택하였다 하더라도 LPG 연료로 엔진구동이 적합한 온도 조건이 아니면 휘발유용 점화 시기 제어를 따르도록 되어 있고, 상기 선행기술 2는 LPG(CNG) 연료가 기화기에서 기화되어 공연비 제어가 가능할 때부터 냉각수 온도가 20 ℃ 전까지는 점차 감소하도록 제어하도록 되어 있다.

또한, 종래의 기술에서 전자제어식 연료분사장치를 제어하기 위한 ECU(Eletric Controlunit)는 엔진의 상태를 감지하는 각종 센서를 통해 감지된 상태에 상응하여 변환되어 진 전기적 신호를 기초로 하여 연료 분사시기와 분사량을 제어하였다.

전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 가솔린과 CNG 연료의 화염전파 시간 차이를 알고리즘을 이용하여 보정시킴으로써, 토크 및 연비를 상승시키고 유해 배기가스(CO, HC)를 감소시킬 수 있는 CNG 바이 퓨얼 시스템(BI FUEL SYSTEM)의 동작 방법을 제시하는 데 있다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 ECU에서 나오는 점화 제어신호를 점화진각제어장치를 통해 5～10°점화 시점을 진각시켜 점화 시점의 출력을 변화시킴으로써, 가솔린과 CNG 연료의 화염전파속도를 보정할 수 있는 CNG 바이 퓨얼 시스템(BI FUEL SYSTEM)의 동작 방법을 제시하는 데 있다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 기존의 CNG 바이 퓨얼(Bi Fuel) 방식에 비해 5% 이상 토크 및 연비를 상승시킬 수 있는 CNG 바이 퓨얼 시스템(BI FUEL SYSTEM)의 동작 방법을 제시하는 데 있다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 기존의 CNG 바이 퓨얼(Bi Fuel) 방식에 비해 유해 배기가스(CO, HC)를 5% 이상 감소시킬 수 있는 CNG 바이 퓨얼 시스템(BI FUEL SYSTEM)의 동작 방법을 제시하는 데 있다.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 청구항 1에 기재된 발명은, 「CNG 바이 퓨얼 시스템(BI FUEL SYSTEM)의 동작 방법에 있어서, 가솔린 ECU로부터 점화 제어신호인 차량 ECU 출력신호(a)를 입력받아 차량 ECU 출력신호(a)의 주기를 측정하는 단계(S10)와; 상기 차량 ECU 출력신호(a)의 한 주기가 끝난 다음, 상기 차량 ECU 출력신호(a)의 상승(Rising) 구간이 감지되면(S20의 "Y"), 상기 차량 ECU 출력신호(a)의 오프(OFF) 기간을 계산하여 차량 ECU 출력신호(a)의 하강 구간 시점을 산출하는 단계(S30)와; 상기 차량 ECU 출력신호(a)에 맞춰 출력신호(b)를 출력하기 원할 경우(S40의 "Y") 변환된 출력신호(b)를 출력(S50)한 후 처음 단계(S10)로 돌아가고(S60), 상기 차량 ECU 출력신호(a)에 맞춰 출력신호(b)를 출력하지 않을 경우(S40의 "N") 처음 단계(S10)로 돌아가는(S60) 단계와; 상기 차량 ECU 출력신호(a)의 한 주기가 끝난 다음, 상기 차량 ECU 출력신호(a)의 하강 구간이 감지되면(S20의 "N"), 상기 차량 ECU 출력신호(a)의 한 주기의 값을 토대로 차량 ECU 출력신호(a)의 온(ON) 기간을 계산하여 다음 주기의 상승 구간 시점을 산출하는 단계(S70)와; 상기 차량 ECU 출력신호(a)의 온(ON) 기간으로부터 출력 타이밍과 진각 값을 계산하고, 상기 차량 ECU 출력신호(a)의 다음 주기의 상승 구간보다 점화 시점이 빠르도록 상기 차량 ECU 출력신호(a)의 점화 시점보다 5～10°진각 시킨 출력 신호(b의 ⑤)를 변환 신호로서 계산하여 스파크 플러그로 발생하는 단계(S80)와; 다음 펄스가 올 때까지 출력 신호(b)를 릴레이(Relay) 시킬지를 판단하여(S90) 릴레이 플러그(Relay Flag)를 발생시킬 경우(S90의 "Y") 진각 변환된 출력신호(b)를 출력한 후(S100) 처음 단계(S10)로 돌아가고, 릴레이 플러그를 발생시키지 않을 경우(S90의 "N")에는 상기 차량 ECU 출력신호(a)를 출력한 후 처음 단계(S10)로 돌아가는 단계;를 포함하고, 상기 점화 제어신호의 처음 한 주기 동안에는 상기 변환 신호도 동일한 펄스를 출력하는 것을 특징으로 하는 CNG 바이 퓨얼 시스템의 동작 방법.」을 제공한다.

삭제

본 발명에 따르면, 점화진각장치를 통해 엔진성능과 연비를 5～10% 이상 상승시킬 수 있고, 유해 배기가스를 5% 이상 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 기술 및 성능적인 측면에서 외국 제품과 비교하여 우위를 확보할 수 있어, 대부분 수입에 의존하고 있는 바이 퓨얼 시스템(BI FUEL SYSTEM)과 NGV의 ECU을 국산화하는 데 크게 일조할 수 있다.

또한, 석유에너지 고갈에 따른 효율적인 에너지 사용 및 저탄소 녹색성장과 정책에 의해, 향후 지속적인 성장이 가능한 시장으로 지속적인 수출이 가능하다.

또한, 점화진각제어장치를 기존의 CNG 바이 퓨얼 ECU에 적용하여, 고유가 시대에 에너지 효율성을 높여 자동차 CO₂ 저감 효과로 인한 자동차산업의 국가 경쟁력이 증대할 것으로 기대된다.

또한, 국산제품으로의 수입 대체 효과뿐만 아니라 ECU 분야의 전문인력을 양성할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

도 1은 종래의 CNG 바이 퓨얼 시스템(BI FUEL SYSTEM)의 구성도
도 2는 종래의 점화장치 제어시스템의 구성도
도 3은 점화 제어신호의 동작 파형도
도 4는 선행기술 1의 구성도
도 5는 선행기술 2의 구성도
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 CNG 바이 퓨얼 시스템(BI FUEL SYSTEM)의 구성도
도 7은 본 발명에 의한 점화진각제어장치의 제어시스템의 구성도
도 8은 점화진각제어장치에 따른 출력 파형의 변화를 나타낸 도면
도 9는 연료 종류에 따른 MBT 선도를 나타낸 도면
도 10은 차량 ECU 출력신호와 점화진각 출력 파형의 개념도
도 11은 점화진각 출력 파형을 생성하는 프로그램의 순서도
도 12는 ECU 출력 파형과 진각 출력 파형의 실제 사진
도 13 및 도 14는 진각 각도에 따른 오실로스코프 측정 사진
도 15는 진각 알고리즘을 적용한 1채널의 회로 구성도
도 16은 스파크 컨트롤러의 PCB 사진

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명되는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙여 설명하기로 한다.

이하, 본 발명에서 실시하고자 하는 구체적인 기술내용에 대해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

CNG 바이 퓨얼 시스템( BI FUEL SYSTEM )

도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 CNG 바이 퓨얼 시스템(BI FUEL SYSTEM)의 구성도이다.

본 발명의 CNG 바이 퓨얼 시스템(BI FUEL SYSTEM)은 도 6에 도시된 바와 같이, 기존의 CNG 바이 퓨얼 시스템(도 1)에 점화진각제어장치(200)를 장착한 것이다. 이때, 상기 점화진각제어장치(200)는 가솔린 연료와 CNG 연료의 화염전파속도 지연을 보상하기 위해, 가솔린 ECU(130)에서 출력되는 점화 제어신호를 5～10°점화 시점을 진각시켜 도 8과 같은 점화 시점의 출력을 변화시켰다.

도 6의 도면에서, 본 발명의 CNG 바이 퓨얼 시스템(BI FUEL SYSTEM)은 기존과 마찬가지로, CNG 퓨얼 탱크(Furl Tank: 10), 슈트 오프 밸브(Shut-off Valve: 20), 레귤레이터(Regulator: 30), 에어 공급라인(40), CNG MPI 인젝터(Injector: 50), 가솔린 인젝터(60), 실린더(70), 스파크 플러그(Spark Plug: 80), 캠 포지션 센서(Cam Position Sensor: 90), 냉각 수온 센서(Water Temperature Sensor: 100), 크랭크 포지션 센서(Crank Position Sensor: 110), 산소 농도 검출 센서(120), 가솔린 ECU(130), CNG ECU(140)를 포함하고 있으며, 상기 가솔린 ECU(130)와 상기 스파크 플러그(80) 사이에 상기 점화진각제어장치(200)를 장착한 것이 특징이다.

여기서, 상기 CNG 퓨얼 탱크(Furl Tank: 10)는 CNG연료를 고압으로 저장하는 연료탱크이며, CNG 퓨얼 레벨 센서(Fuel Level Sensor)가 부착되어 있다.

상기 슈트 오프 밸브(Shut-off Valve: 20)는 상기 CNG 퓨얼 탱크(10)에 저장된 CNG연료를 공급 및 차단하는 밸브이고, 상기 레귤레이터(Regulator: 30)는 상기 슈트 오프 밸브(20)를 통해 소정의 압력(약 200～250bar)으로 공급되는 CNG연료를 엔진에 필요한 압력(보통 0.8～2.0bar)으로 강하시켜 상기 CNG MPI 인젝터(50)로 공급한다. 상기 레귤레이터(30) 후단의 연료 공급라인에는 연료 온도 센서(FTS), 연료 압력 센서(FPS), 냉각 수온 센서(WTS) 등이 설치되어 있다.

상기 CNG MPI 인젝터(50)는 상기 레귤레이터(30)를 통해 압력이 강하된 CNG연료를 엔진의 실린더(70) 내부로 분사하는 기능을 하며, 상기 가솔린 인젝터(60)는 상기 실린더(70) 내부로 가솔린을 분사하는 기능을 한다.

상기 실린더(70) 내부로 에어(Air)를 공급하는 에어공급라인(40)에는 흡기 온도 센서(ATS), 흡기 양 검출 센서(AFS), 액셀러레이터(accelerator) 위치 센서(TPS) 등이 설치되어 있고, 상기 실린더(70)에는 상기 캠 포지션 센서(90), 상기 냉각 수온 센서(100), 상기 크랭크 포지션 센서(110), 상기 산소 농도 검출 센서(120) 등이 설치되어 있다.

한편, 본 발명의 점화진각제어장치(200)는 CNG 연료의 선택시 가솔린 연료와 CNG 연료의 화염전파속도 지연을 보상하기 위해, 상기 가솔린 ECU(130)에서 출력되는 점화 제어신호를 입력하여 점화 시점을 5～10°진각시킨 후 상기 스파크 플러그(80)로 입력한다. 이하, 첨부도면을 참조하여 상기 점화진각제어장치(200)에 대해 더 상세히 설명하기로 한다.

점화진각제어장치 (200)

도 7은 본 발명에 의한 점화진각제어장치의 제어시스템의 구성도이고, 도 8은 점화진각제어장치에 따른 출력 파형의 변화를 나타낸 도면이다.

상기 스파크 플러그(80)의 점화시기는 크랭크축의 각 검출수단에서 인가되는 엔진의 회전수와 흡입 공기량 검출수단에서 인가되는 흡입 공기량을 통해 부하의 변동을 검출하여 상기 가솔린 ECU(130)에서 연산한 후 엔진의 기본 진각을 검출하여 상기 파워 트랜지스터(150)를 스위칭시킨다. 이때, 상기 점화진각제어장치(200)는 크랭크 각 검출수단에서 인가되는 회전속도로부터 크랭크축이 1 회전하는데 소요되는 시간(t=T/180)을 산출하고, 크랭크축의 회전시간이 산출되면 TDC신호를 기준으로 하여 점화주기(T)를 연산한 후 BTDC 5～10°이전의 임의의 포인트에서 상기 파워 트랜지스터(150)를 통해 상기 점화코일(160)의 1차 측 전류를 단속하여 상기 스파크 플러그(80) 측에 고전압을 유기시켜 각 실린더(70)에 유입된 혼합기의 폭발을 유도한다.

이때, 상기 스파크 플러그(80)로 입력되는 점화 제어신호는 기존의 CNG ECU(140)에서 파워 트랜지스터(150)의 제어신호로 일정 유지시간(Dwell time)을 가진 후 상기 파워 트랜지스터(150)의 오프(off) 시 상호유도작용에 의해, 고압의 점화가 발생한다.

본 발명에서는 기존의 점화시기를 진각시켜 CNG연료의 화염전파지연시간을 보상하기 위함으로, 전체적인 시간을 진각 시키기 위해 현재의 회전속도와 이전속도를 비교하여 기존의 점화 시점보다 앞서서 점화되도록 제어한다.

도 9는 연료 종류에 따른 MBT 선도를 나타낸 도면이다.

도 9의 그림은 점화 진각을 하지 않은 상태에서 가솔린과 CNG를 동일한 점화시점에서 점화했을 경우, 가솔린과 CNG 연료의 화염전파 속도가 기존 가솔린에 비해 20% 늦음으로, MBT(Maximum brake-torque timing)지점이 가솔린에 비해서 뒤에 발생하여, 토크 저하로 인한 엔진의 동력 및 연비저하가 발생한다. 여기서, MBT는 최대 토크 발생시점으로 TDC 후 12～15도 정도의 지점을 나타내고, TDC(Top Dead Center)는 실린더 내의 피스톤의 최고점을 나타낸다.

본 발명에서는 MBT 지점을 기존의 가솔린과 동일한 지점에 제어하기 위해 최적 점화시기를 연구 실험을 통해 다음과 같이 도출하였다.

도 10은 차량 ECU 출력신호와 점화진각 출력 파형의 개념도이다.

도 10을 참조하여 설명하면, 상기 점화진각제어장치(200)에서는 차량 ECU 출력신호(a)의 주기를 측정하고 이 주기를 이용해서 다음에 이루어질 출력을 예상하여 그보다 먼저 점화를 시켜 줌으로써 진각이 이루어지게 된다. 도 10에서 실제 진각이 이루어지는 부분은 ⑤번 구간이 된다. 앞서 ①,②,③,④의 구간에서 신호가 검출되어 지면 이를 계산하여 출력이 이루어지게 된다. ⑥번 이후로는 계속 이전 주기를 측정하게 되므로 지속적인 진각이 이루어질 수 있다.

만약, 진각이 이루어지기 전에 상기 차량 ECU 출력신호(a)가 먼저 검출이 될 경우에는 그 출력신호에 맞춰 출력되고 주기 계측이 이루어졌으므로 바로 다음에는 진각된 출력이 나가게 된다.

도 10의 출력 파형에서 각각의 에지(edge)마다 인트럽트가 걸리고 프로그램은 도 11의 순서도와 같이 동작한다.

상기 점화진각제어장치(200)에서는 먼저, 상기 가솔린 ECU(130)로부터 입력되는 상기 차량 ECU 출력신호(a)의 주기를 측정(계산)한다(단계 S10).

상기 차량 ECU 출력신호(a)의 한 주기가 끝난 다음, 상기 차량 ECU 출력신호(a)의 상승(Rising) 구간이 감지되면(단계 S20의 "Y") 상기 차량 ECU 출력신호(a)의 오프(OFF) 기간을 계산한다(단계 S30). 그 후, 상기 차량 ECU 출력신호(a)에 맞춰 출력신호(b)를 출력하기 원할 경우(단계 S40의 "Y") 변환된 출력신호(b)를 출력한 후(단계 S50) 처음 단계(S10)로 돌아가고(단계 S60), 상기 단계 S40에서 출력신호(b)를 출력하지 않을 경우(단계 S40의 "N") 상기 단계 S60로 넘어와서 처음 단계(S10)로 돌아간다.

한편, 상기 단계 S20에서 상기 차량 ECU 출력신호(a)의 한 주기가 끝난 다음 상기 차량 ECU 출력신호(a)의 하강 구간이 감지되면(단계 S20의 "N"), 상기 차량 ECU 출력신호(a)의 한 주기의 값을 토대로 상기 차량 ECU 출력신호(a)의 온(ON) 기간을 계산한다(단계 S70). 이로부터, 출력 타이밍과 진각 값을 계산하여 상기 차량 ECU 출력신호(a)의 점화 시점보다 5～10°진각 시킨 출력 신호(b의 ⑤)를 계산한다(단계 S80).

그 다음, 다음 펄스가 올 때까지 출력 신호(b)를 릴레이(Relay) 시킬지를 판단하여(단계 S90), 릴레이 플러그(Relay Flag)를 발생시킬 경우(단계 S90의 "Y") 진각 변환된 출력신호(b)를 출력한 후(단계 S100) 처음 단계(S10)로 돌아가고, 릴레이 플러그(Relay Flag)를 발생시키지 않을 경우(단계 S90의 "N")에는 상기 차량 ECU 출력신호(a)를 출력한 후 처음 단계(S10)로 돌아가서 상기의 과정을 반복하게 된다.

도 12는 ECU 출력 파형과 진각 출력 파형을 오실로스코프로 측정한 실제 사진이다. 여기서, ②번 막대가 ECU 출력 파형이고, ①번 막대가 상기 점화진각제어장치(200)를 통해 진각된 파형을 나타낸다. 실험 결과에서도 볼 수 있듯이, 진각이 잘 되고 있는 것을 확인할 수 있다.

도 13 및 도 14는 진각 각도에 따른 오실로스코프 측정 사진이다. 여기서, 노랑색의 파형이 ECU 출력 파형이고, 보라색의 파형이 진각 출력 파형이다.

도 15는 진각 알고리즘을 적용한 1채널의 회로 구성도로서, 차량 ECU 출력신호 감지회로(310)와, 타이밍 계산을 위한 MCU(320)와, 출력 전환 기능을 가진 스파크 출력회로(330)를 포함하고 있다.

여기서, 상기 MCU(320)는 상기 차량 ECU 출력신호 감지회로(310)로부터 신호를 입력하여 타이밍을 계산하는 기능을 수행하며, 입력신호 각도 변환, 적절한 타이밍으로 계산, 스파크 플러그의 출력 제어 등의 기능을 한다.

상기 스파크 출력회로(330)는 상기 MCU(320)로부터 신호를 입력받아 상기 스파크 플러그(80)로 진각 변환된 출력 신호를 출력한다. 상기 스파크 출력회로(330)에서 저항(R2)은 파워 트랜지스터(TR) 없이 출력신호만을 위한 경우 사용되고, 상기 파워 트랜지스터(TR)가 있을 경우에는 사용되지 않는다.

상기 파워 트랜지스터(TR)는 상기 스파크 플러그(80)의 동작 드라이버로서, IGBT이며, 내부에 클램프 회로를 내장하고 있는 오토모티브(Automotive)에 최적화되어 있는 부품이며, 스파크 플러그(80)를 제어하기에 용이하다.

상기 스파크 출력회로(330)에서 릴레이(RL)의 경우는 원래의 입력신호를 그대로 내보내기 위한 방법으로 릴레이를 구동하지 않으면 원래 차량의 ECU 출력신호가 상기 스파크 플러그(80)에 그대로 전달된다. 풀정저항(R1)과 다이오드(D)는 가짜 스파크 플러그로서, 상기 릴레이(RL)가 온(ON) 되었을 경우 신호검출 및 ECU의 자기진단 기능으로 인한 에러를 피하기 위한 회로이다.

도 16은 스파크 컨트롤러의 PCB 사진이다.

참고로, 본 발명에서 실험한 RPM 대 진각량은 다음과 같다.

1) RPM ≥ 6000일 때 진각량은 19.0-RPM×0.02이고,

2) RPM ≥ 5000일 때 진각량은 15.0-RPM×0.0133이고,

3) RPM ≥ 3500일 때 진각량은 18.0-RPM×0.02이고,

4) RPM < 3500일 때 진각량은 0이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 CNG 바이 퓨얼 시스템(BI FUEL SYSTEM)의 동작 방법은 ECU에서 나오는 점화 제어신호를 점화진각제어장치를 통해 5～10°점화 시점을 진각시켜 점화 시점의 출력을 변화시킴으로써, 본 발명의 기술적 과제를 해결할 수가 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시 예들은 기술적 과제를 해결하기 위해 개시된 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(당업자)라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

10 : CNG 퓨얼 탱크(Fuel Tank)
20 : 슈트 오프 밸브(Shut-off Valve)
30 : 레귤레이터(Regulater)
40 : 에어 공급라인
50 : CNG MPI 인젝터(Injector)
60 : 가솔린 인젝터(Gasoline Injector) 70 : 실린더
80 : 스파크 플러그(Spark Plug)
90 : 캠 포지션 센서(Cam Position Sensor)
100 : 냉각 수온 센서(Water Temperature Sensor)
110 : 크랭크 포지션 센서(Crank Position Sensor)
120 : 산소 농도 검출 센서 130 : 가솔린 ECU
140 : CNG ECU 150 : 트랜지스터
160 : 변압기 170 : 배터리
200 : 점화진각제어장치
310 : 차량 ECU 출력신호 감지회로 320 : MCU
330 : 스파크 출력회로

Claims

CNG 바이 퓨얼 시스템(BI FUEL SYSTEM)의 동작 방법에 있어서,
가솔린 ECU로부터 점화 제어신호인 차량 ECU 출력신호(a)를 입력받아 차량 ECU 출력신호(a)의 주기를 측정하는 단계(S10)와;
상기 차량 ECU 출력신호(a)의 한 주기가 끝난 다음, 상기 차량 ECU 출력신호(a)의 상승(Rising) 구간이 감지되면(S20의 "Y"), 상기 차량 ECU 출력신호(a)의 오프(OFF) 기간을 계산하여 차량 ECU 출력신호(a)의 하강 구간 시점을 산출하는 단계(S30)와;
상기 차량 ECU 출력신호(a)에 맞춰 출력신호(b)를 출력하기 원할 경우(S40의 "Y") 변환된 출력신호(b)를 출력(S50)한 후 처음 단계(S10)로 돌아가고(S60), 상기 차량 ECU 출력신호(a)에 맞춰 출력신호(b)를 출력하지 않을 경우(S40의 "N") 처음 단계(S10)로 돌아가는(S60) 단계와;
상기 차량 ECU 출력신호(a)의 한 주기가 끝난 다음, 상기 차량 ECU 출력신호(a)의 하강 구간이 감지되면(S20의 "N"), 상기 차량 ECU 출력신호(a)의 한 주기의 값을 토대로 차량 ECU 출력신호(a)의 온(ON) 기간을 계산하여 다음 주기의 상승 구간 시점을 산출하는 단계(S70)와;
상기 차량 ECU 출력신호(a)의 온(ON) 기간으로부터 출력 타이밍과 진각 값을 계산하고, 상기 차량 ECU 출력신호(a)의 다음 주기의 상승 구간보다 점화 시점이 빠르도록 상기 차량 ECU 출력신호(a)의 점화 시점보다 5～10°진각 시킨 출력 신호(b의 ⑤)를 변환 신호로서 계산하여 스파크 플러그로 발생하는 단계(S80)와;
다음 펄스가 올 때까지 출력 신호(b)를 릴레이(Relay) 시킬지를 판단하여(S90) 릴레이 플러그(Relay Flag)를 발생시킬 경우(S90의 "Y") 진각 변환된 출력신호(b)를 출력한 후(S100) 처음 단계(S10)로 돌아가고, 릴레이 플러그를 발생시키지 않을 경우(S90의 "N")에는 상기 차량 ECU 출력신호(a)를 출력한 후 처음 단계(S10)로 돌아가는 단계;를 포함하고,
상기 점화 제어신호의 처음 한 주기 동안에는 상기 변환 신호도 동일한 펄스를 출력하는 것을 특징으로 하는 CNG 바이 퓨얼 시스템의 동작 방법.
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