KR101214219B1 - 연료 직접 분사 시스템에서의 연료압 제어 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 직접 분사 시스템에서의 연료압 제어 방법 및 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 일 면에 따른 연료 직접 분사 시스템에서의 연료압 제어 장치 는, 엔진의 회전수를 계측하는 앵글각 센서와, 실린더 내부로 분사되는 연료 압력을 계측하는 연료 압력 센서와, 상기 실린더 내부로 유입되는 공기량을 계측하는 공기량 측정 센서와, 상기 각각의 센서로부터 입력되는 신호를 분석하여 상기 실린더 내부로 분사되는 연료 압력을 제어하는 엔진 제어부를 포함한다.
본 발명의 다른 면에 따른 연료 직접 분사 시스템에서의 연료압 제어 방법은, 연료 직접 분사 시스템에서 엔진 제어부가 수행하는 연료압 제어 방법에 있어서, 앵글각 센서로부터 엔진 회전수에 관한 신호를 수신하는 단계와, 공기량 측정 센서로부터 실린더 내부로 유입되는 공기량에 관한 신호를 수신하는 단계와, 상기 각각의 센서로부터 입력되는 신호에 따라 메모리에 기 저장된 맵핑 값을 조회하고, 상기 신호에 대응되는 연료 압력을 선택하여 제어하는 단계를 포함한다.

Description

연료 직접 분사 시스템에서의 연료압 제어 방법 및 장치{FUEL INJECTION PRESSURE CONTROL METHOD OF FUEL DIRECT INJECTION SYSTEM}

본 발명은 연료 직접 분사 시스템에서의 연료압 제어 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 직접 분사식 내연 기관에서 엔진 회전수, 실린더 내 유입 공기량, 엔진 온도 등과 같은 측정 값을 이용하여 연료의 분사 거리를 조절할 수 있는 연료 직접 분사 시스템에서 연료압 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.

기존의 MPI 엔진의 경우 연료가 각각의 흡입구로 분사되었으며 가장 널리 사용되었다. 그러나 연소실로 유입되기 전 공기와 혼합된 연료 때문에 연료 공급 반응과 연소에는 한계가 있었다.

직접 엔진 분사 장치(Gasoline Direct Injection)은 상기 종래의 MPI 엔진이 가진 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로서, 저부하에서 이상적인 연비와 고부하에서 고출력 및 유해 배기가스의 절감을 위해 연소실 내부에 연료를 직접 분사하는 것을 특징으로 한다.

직접 엔진 분사 장치는 연료를 연소실 내부에 직접 분사하기 위해 필요한 연료 압력을 발생시키는 고압 연료 펌프와, 연료의 스월 인젝터를 장착하였다. 또한, 연소실 내부에서의 가장 이상적인 연료 혼합을 위해 연소실 내부에서 역 텀블 방식(연소실 내부에서 혼합기의 상하 회전)을 사용하며, 이와 같은 역 텀블을 발생시키기 위하여 바울 피스톤을 장착하였다.

이하, 이와 같은 직접 엔진 분사 장치가 구비된 종래 기술에 따른 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조를 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1은 종래 기술에 따른 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조를 도시한 단면도이다.

도 1을 참조하면 종래 기술에 따른 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조는 각 부속장치들이 설치된 수 있도록 몸체를 이루는 실린더 블럭에 상하의 왕복운동을 할 수 있도록 설치되는 피스톤(10)과, 연소실(14)내에 설치되어 연료를 직접 분사하는 인젝터(5)와, 공기의 흡입과 배기 가스의 배출을 위한 관로를 구비한 흡/배기 장치(2)(4)와, 혼합기의 점화를 담당하는 점화장치(8)로 결합되어 연소실(14)이 형성되어 있다.

상기한 배기 장치(4)와 점화 장치(8)는 종래와 같은 구조로 형성되어 있으며, 상기 연소실(14)에서, 상기 흡기장치(2)에 의해 홉입되는 공기가 시계 방향의 텀블 유동을 하도록 수평으로 형성되어 있다.

또한, 상기 인젝터(Injector)(5)는 기존 대칭형 인젝터(Symmetrical Injector)에 비하여 업셋(off-set)을 가지는 인젝터(Injector)(5)로써 분사된 연료의 각을 변경하여 피스톤(10)에 부딪치도록 형성된다.

상기와 같은 구조를 가지는 직접 엔진 분사 장치에 의하면, 저부하에서 이상적인 연비와 고부하에서 고출력을 제공하고, 유해 배기가스를 절감하는 효과를 제공할 수 있지만 연료를 직접 실린더 내부에 분사함으로써, 실린더 내벽에 연소 잔류물(Particle Material)이 발생하고, 이로 인해, 연료가 크랭크케이스로 침입하여 윤활유를 희석하여 윤활작용을 방해하는 문제(Oil dilution)가 발생하였다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 직접 엔진 분사 장치에 대한 별도의 하드웨어 변경 없이 실린더 내부에 분사되는 연료의 분사 거리를 조절할 수 있는 새로운 연료 직접 분사 시스템에서의 연료압 제어 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 연료 직접 분사식 내연 기관에서 엔진 회전수, 실린더 내 유입 공기량, 엔진 온도 등과 같은 측정 값을 이용하여 연료의 분사 거리를 조절할 수 있는 연료 직접 분사 시스템에서 연료압 제어 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료 직접 분사 시스템에서의 연료압 제어 방법 및 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 일 면에 따른 연료 직접 분사 시스템에서의 연료압 제어 장치 는, 엔진의 회전수를 계측하는 앵글각 센서와, 실린더 내부로 분사되는 연료 압력을 계측하는 연료 압력 센서와, 상기 실린더 내부로 유입되는 공기량을 계측하는 공기량 측정 센서와, 상기 각각의 센서로부터 입력되는 신호를 분석하여 상기 실린더 내부로 분사되는 연료 압력을 제어하는 엔진 제어부를 포함한다.

본 발명의 다른 면에 따른 연료 직접 분사 시스템에서의 연료압 제어 방법은, 연료 직접 분사 시스템에서 엔진 제어부가 수행하는 연료압 제어 방법에 있어서, 앵글각 센서로부터 엔진 회전수에 관한 신호를 수신하는 단계와, 공기량 측정 센서로부터 실린더 내부로 유입되는 공기량에 관한 신호를 수신하는 단계와, 상기 각각의 센서로부터 입력되는 신호에 따라 메모리에 기 저장된 맵핑 값을 조회하고, 상기 신호에 대응되는 연료 압력을 선택하여 제어하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 직접 엔진 분사 장치에 대한 별도의 하드웨어 변경 없이 실린더 내부에 분사되는 연료의 분사 거리를 조절할 수 있고, 이로 인해 연료를 직접 실린더 내부에 분사함으로써, 실린더 내벽에 연소 잔류물(Particle Material)이 발생하는 것을 방지하고, 연료가 크랭크케이스로 침입하여 윤활유를 희석하여 윤활작용을 방해하는 문제(Oil dilution)를 해결할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 직접 분사 시스템에서의 연료압 제어 장치를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 직접 분사 시스템에서의 연료압 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따라 엔진 제어부가 맵핑 값 데이터를 생성하는 방법을 도시한 순서도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 직접 분사 시스템에서의 연료압 제어 장치를 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 직접 분사 시스템에서의 연료압 제어 장치를 도시한 블록도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료압 제어 장치는 앵글각 센서(210)와, 연료 압력 센서(220)와, 공기량 측정 센서(230)와, 엔진 제어부(240)와, 연료 펌프(250)와, 연료 레일(260)와, 스월 컨트롤 밸브(270)와, 텀블 컨트롤 밸브(280)로 구성된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료압 제어 장치는 하기의 수학식 1에 따라 연료 압력을 제어하여 최종적으로 실린더 내에 분사되는 연료의 분사 거리를 조절함으로써, 실린더 내벽에 연소 잔류물(Particle Material)이 발생하는 것을 방지하고, 연료가 크랭크케이스로 침입하여 윤활유를 희석하여 윤활작용을 방해하는 문제(Oil dilution)를 해결할 수 있다.

[수학식 1]

여기서, S는 실린더 내에 분사되는 연료의 분사 거리를 의미하고,

는 실린더 내부의 압력과 연료 압력의 차를 의미하고,

는 실린더 내부의 공기 밀도를 의미하고, t는 연료의 분사 시간을 의미하고,

는 인젝터 홀의 직경을 의미하고,

는 실린더 내부의 가스 온도를 의미한다.

상기 수학식 1에서 알 수 있듯이, 실린더 내에 분사되는 연료의 분사 거리는 실린더 내부의 압력과 연료 압력의 차, 연료의 분사 시간, 인젝터 홀의 직경에 비례하고, 실린더 내부의 공기 밀도, 실린더 내부의 가스 온도에 반비례한다.

본 발명은 연료의 분사 거리에 영향을 미칠 수 있는 복수의 요인들 중에서 연료의 압력을 제어함으로써, 최적 분사 거리를 찾는 것을 특징으로 하는데, 엔진의 상황(예를 들어, 연소실 내부 압력, 연소실 내부 온도, 연소실 내부 공기 밀도, 연료 분사량, 연료 분사 시간, 연료의 압력 등)에 따라 달라지는 연료의 분사 거리에 관한 데이터를 맵핑 값으로 하여 메모리에 저장하고, 목표 연료 분사 거리를 얻기 위하여 특정 엔진 상황에 적합한 연료의 압렵을 메모리에 저장된 데이터로부터 조회하고 해당 연료 압력을 선택하여 제어하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 맵핑 값 데이터 생성 방법에 대한 구체적인 내용은 이하 도 4를 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 2 및 도 4를 참조하면, 엔진 제어부(240)는 앵글각 센서(210)로부터 엔진 회전수에 관한 신호와(S310), 공기량 측정 센서(230)로부터 실린더 내부로 유입되는 공기량에 관한 신호와(S320), 연료 압력 센서(220)로부터 실린더 내부로 분사되는 상기 연료 압력에 관한 신호를 실시간으로 수신한다(S330).

이후, 엔진 제어부(240)는 상기 각 센서로부터 실시간으로 입력되는 신호에 따른 연료 분사 거리를 학습 제어한 맵핑 값 데이터를 메모리에 저장한다(S340).

예를 들어, 엔진 제어부(240)는 상기 각 센서로부터 입력되는 신호에 해당하는 엔진 회전수, 실린더 내부로 유입되는 공기량, 실린더 내부로 분사되는 압력을 종속 변인으로 하고, 이에 대한 독립 변인을 연료 분사거리로 한 맵핑 값 데이터를 실시간으로 작성하여 메모리에 저장한다.

그리고 분사엔진 제어부(240)는 연료 분사량과 연료 분사 시간에 따른 특성 치를 반영하여 실린더 내부로 분사되는 연료 압력을 수정하고 이를 메모리에 저장한다(S350).

즉, 엔진 제어부(240)는 앵글각 센서(210)로부터 수신한 엔진 회전수에 관한 신호와, 공기량 측정 센서(230)로부터 수신한 실린더 내부로 유입되는 공기량에 관한 신호를 분석하여 실린더 내부로 분사되는 연료 압력을 제어한다.

구체적으로, 엔진 제어부(240)는 상기 각 센서로부터 수신한 신호를 분석하고, 이에 따라 메모리에 기 저장된 맵핑 값을 조회하고, 상기 신호에 대응되는 연료 압력을 선택하는 제어를 수행한다.

여기서, 맵핑 값은 상기에서 설명한 바와 같이 엔진 제어부(240)가 각각의 센서로부터 입력되는 신호에 따른 연료의 분사 거리를 소정의 시간마다 통계적으로 학습하여 현 상태의 값을 기억하고, 이를 맵핑 값으로 하여 메모리에 저장한 것이다.

또한, 엔진 제어부(240)는 실시간으로 입력되는 연료 분사량, 연료 분사 시간, 스월 또는 텀블량의 특성에 따라 개별적으로 연료 압력을 보완 수정하고, 이를 메모리에 갱신하여, 갱신된 맵핑 값을 조회함으로써, 실시간으로 변화되는 엔진 상태에 대응하여 최적의 연료 압력을 선택하는 제어를 수행할 수 있다.

여기서, 일정한 공연비(A/F)의 혼합기를 만들기 위해 필요한 연료 분사량은 공기량 측정 센서(230)에 의해 흡입 공기의 질량을 계측함으로써 구할 수 있다. 또한, 인젝터를 통한 연료 분사량은 인젝터 솔레노이드 코일의 통전시간에 비례한다.

1회 흡입 행정으로 실린더 내에 충전되는 공기의 질량은 흡기관 중에 부착된 공기량 측정 센서(230)의 출력 신호와 엔진의 회전수로부터 직접 계측하거나, 흡기관의 압력과 엔진 회전수로부터 간접적으로 구할 수 있다.

따라서 엔진의 동력 성능, 응답성, 배기가스의 정화, 연료의 경제성 등을 고려하여 목표 공연비가 결정되면, 목표 공연비로부터 연소 1회에 필요한 연료의 질량이 결정된다. 엔진의 최적 연료 분사조건을 만족시키기 위한 각종 보정 요소들이 필요하므로 최종 연료 분사 시간은 흡입되는 공기의 질량에 대한 정보를 기준으로 판단된다.

특히, 시동 후 기본 분사량 산출은 흡입 공기량과 엔진 회전수에 따른 기본 분사량에 엔진의 상태에 따른 각종 연료 보정량 그리고 인젝터 무효 분사시간에 의해 결정된다. 여기서 기본분사 시간의 결정은 공기량을 계측하는 방법과 공기량 측정 센서(230)의 종류에 따라 다르다.

간접계측 방식의 경우, 엔진의 흡입행정에 의하여 1 사이클당 실린더에 충전되는 공기 질량 ma는 하기의 수학식 2와 같이 표시된다.

[수학식 2]

여기서,

는 공기의 밀도이며, 공기 온도가 낮으면 크고, 온도가 높으면 작아진다.

는 실린더 체적이고,

는 엔진의 체적 효율이다.

흡입 공기 질량이 결정되면, 필요한 연료 분사량은 공연비의 관계로부터 구할 수 있다. 실제 분사 시간은 흡기관 압력과 엔진 회전수를 검출하여 결정된다.

직접계측 방식의 경우 1회 연소에 필요한 흡입 공기량과 엔진 회전수로부터 기본 분사시간을 구하는 것은 간접계측 방식과 같지만, 사용하는 공기 유량계에 따라 기본 분사시간을 구하는 것이 약간 다르다. 즉, 체적 유량을 측정하는 베인(Vane)식과 칼만 와류식 공기량 측정 센서(230)는 질량 유량을 구하기 위하여 흡기의 온도와 대기압의 변화에 따른 보정을 필요로하며, 표준상태의 값을 기준으로 사용한다. 그러나 열선식 및 열막식 공기량 측정 센서(230)는 직접 질량유량을 측정하므로 온도와 압력에 따른 보정이 필요없다.

이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 직접 분사 시스템에서의 연료압 제어 방법을 설명한다. 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 직접 분사 시스템에서의 연료압 제어 방법을 도시한 순서도이다.

먼저, 엔진 제어부는 앵글각 센서로부터 엔진 회전수에 관한 신호와(S210), 공기량 측정 센서로부터 실린더 내부로 유입되는 공기량에 관한 신호를 실시간으로 수신한다(S220).

다음으로 엔진 제어부는 상기 각각의 센서로부터 입력되는 신호를 분석하여 상기 실린더 내부로 분사되는 연료 압력을 제어한다(S230).

구체적으로 엔진 제어부는 엔진 제어부는 상기 각 센서로부터 수신한 신호를 분석하고, 이에 따라 메모리에 기 저장된 맵핑 값을 조회하고, 상기 신호에 대응되는 연료 압력을 선택하는 제어를 수행한다.

여기서, 맵핑 값은 상기에서 설명한 바와 같이 엔진 제어부가 각각의 센서로부터 입력되는 신호에 따른 연료의 분사 거리를 소정의 시간마다 통계적으로 학습하여 현 상태의 값을 기억하고, 이를 맵핑 값으로 하여 메모리에 저장한 것이다.

또한, 엔진 제어부는 실시간으로 입력되는 연료 분사량, 연료 분사 시간, 스월 또는 텀블량의 특성에 따라 개별적으로 연료 압력을 보완 수정하고, 이를 메모리에 갱신하여, 갱신된 맵핑 값을 조회함으로써, 실시간으로 변화되는 엔진 상태에 대응하여 최적의 연료 압력을 선택하는 제어를 수행할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (8)

1. 엔진의 회전수를 계측하는 앵글각 센서와, 실린더 내부로 분사되는 연료 압력을 계측하는 연료 압력 센서와, 상기 실린더 내부로 유입되는 공기량을 계측하는 공기량 측정 센서와, 상기 각각의 센서로부터 입력되는 신호를 분석하여 상기 실린더 내부로 분사되는 연료 압력을 제어하는 엔진 제어부를 포함하되,
   상기 엔진 제어부는,
   상기 각각의 센서로부터 입력되는 신호에 따른 연료의 분사 거리를 소정의 시간마다 통계적으로 학습하여 현 상태의 값을 기억하고, 이를 맵핑 값으로 하여 메모리에 저장하는 것
   인 연료 직접 분사 시스템에서의 연료압 제어 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 엔진 제어부는,
   상기 맵핑 값을 연료 분사량, 연료 분사 시간, 스월 또는 텀블량의 특성에 따라 개별적으로 보완 수정하여 상기 연료 압력을 제어하는 것
   인 연료 직접 분사 시스템에서의 연료압 제어 장치.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 엔진 제어부는,
   연료 펌프의 송출 압력을 설정압력으로 유지시키는 연료 펌프 릴리이프 밸브의 개도량을 조절하여 상기 연료 압력을 제어하는 것
   인 연료 직접 분사 시스템에서의 연료압 제어 장치.
5. 연료 직접 분사 시스템에서 엔진 제어부가 수행하는 연료압 제어 방법에 있어서,
   앵글각 센서로부터 엔진 회전수에 관한 신호를 수신하는 단계와, 공기량 측정 센서로부터 실린더 내부로 유입되는 공기량에 관한 신호를 수신하는 단계와, 연료 압력 센서로부터 실린더 내부로 분사되는 연료 압력에 관한 신호를 수신하는 단계와, 상기 각각의 센서로부터 입력되는 신호에 따라 메모리에 기 저장된 맵핑 값을 조회하고, 상기 신호에 대응되는 연료 압력을 선택하여 제어하는 단계를 포함하되,
   상기 맵핑 값은,
   상기 각각의 센서로부터 입력되는 신호에 따른 연료의 분사 거리를 소정의 시간마다 통계적으로 학습하여 현 상태의 값을 기억한 것
   인 연료 직접 분사 시스템에서의 연료압 제어 방법.
6. 삭제
7. 제5항에 있어서,
   상기 맵핑 값을 연료 분사량, 연료 분사 시간, 스월 또는 텀블량의 특성에 따라 개별적으로 보완 수정하여 메모리에 저장하는 단계
   를 더 포함하는 연료 직접 분사 시스템에서의 연료압 제어 방법.
8. 제5항에 있어서, 상기 연료 압력을 선택하여 제어하는 단계는,
   연료 펌프의 송출 압력을 설정압력으로 유지시키는 연료 펌프 릴리이프 밸브의 개도량을 조절하는 단계를 포함하는 것
   인 연료 직접 분사 시스템에서의 연료압 제어 방법.
   

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