KR101214222B1 - 가솔린／ＬＰＩ Ｂｉ－ｆｕｅｌ 차량에서 가솔린에서 ＬＰＧ로의 연료전환 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가솔린/LPI Bi-fuel 차량에서 가솔린에서 LPG로의 연료전환 제어 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 가솔린에서 LPG로의 연료전환 제어 방법은 가솔린/LPI Bi-fuel 차량의 연료 전환시 가솔린으로 주행 중 발생하는 엔진의 복사열이 전환을 대기하고 있는 LPG 레일의 연료로 전달되는 영향을, 엔진 발열량 모델링을 수행하여 발열량의 정도에 따라 LPG 레일 내의 잔류 연료의 기화 정도를 판단하고, 연료 전환시 펌프의 가압/단수를 증대하며 가압 후 연료를 분사하기까지의 대기시간을 늘림으로써 LPG 연료가 충분히 액화된 상태에서 연료를 LPG로 전환하여 연료전환시 발생할 수 있는 실화를 방지하여 유해 배기가스 배출을 줄이며, 전환 중 실화로 인한 엔진의 운전정지 상태를 방지하여 운전자의 안전을 유지하는 것을 특징으로 한다.

Description

가솔린／ＬＰＩ Ｂｉ－ｆｕｅｌ 차량에서 가솔린에서 ＬＰＧ로의 연료전환 제어 방법{Method Switching from Gasoline to LPG in Gasoline/LPI Bi-fuel Vehicle}
본 발명은 가솔린에서 LPG로의 연료전환 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 가솔린/LPI Bi-fuel 차량에서 연료를 가솔린에서 LPG로 전환하는 방법에 관한 것이다.
LPI(LPG Injection)란 붐베 내에 연료펌프를 장착하여 연료펌프의 구동으로 붐베에 수용되어 있는 액상의 연료를 연료 라인으로 압송하여 연료 라인에 장착된 인젝터를 통해 각각의 실린더에 액상의 연료가 분사되도록 하는 LPG MPI(LIQUIFIED PETROLEUM GAS MULTI POINT INJECTION)시스템이다.
LPI 엔진을 제어하는 ECU의 경우 가솔린 엔진의 제어에 사용되는 ECU를 그대로 사용하는데, LPI 엔진은 가솔린 엔진과 비교하여 LPI 인젝터와 LPI에 관련되는 각종 센서(연료압력, 연료온도), 각종 구동장치(연료펌프, 밸브)를 더 포함하므로, 가솔린 엔진과 비교해 볼 때 LPI 엔진에 추가되는 부품에 대하여 인터페이스를 제공하기 위한 LPI ECU로서 IFB(Interface Box)가 추가 설치되어야 한다.
기존에 LPI 차량의 시동 조건은 가솔린 ECU(Engine Control Unit)로부터 신호를 받아 인젝터를 구동하는 IFB(Interface Box)의 신호에 따라 바뀐다. 이는 냉간시동이나 부분 냉간(PCD, Partial Cool Down) 시동시 클러스터의 LPI 램프가 소등되어야 인젝터에서 연료가 분사되는 방식이다. LPI 램프가 오프(off)되기 이전에 시동을 걸면 램프가 오프될 때까지 연료분사를 하지 않기 때문에 스타터모터의 시동 시간이 길어지게 된다.
LPI 램프 온/오프(On/Off) 구동은 키 온(Key on)시 봄베의 압력과 온도를 보고 IFB에서 모델링한 대기시간이 경과한 이후에 램프 오프(Lamp Off) 신호를 주게 된다.
한편, 하이브리드 차량의 경우, 키 온(key on)을 하고 시동을 걸면, 각 제어기가 메인모터로 시동이 가능한지 HCU(Hybrid Control Unit)에게 레디 비트(Ready bit)를 전달하고, HCU는 이 신호를 받아 메인모터 시동이 가능한지, 아니면 스타터모터로 시동을 걸어야 하는지 결정한다.
하이브리드 차량은 가솔린연료를 사용하기 때문에 이그니션 키 온(IG Key on)을 하게 되면 바로 연료 펌프가 구동되고, HCU가 모터시동 가능 판정을 하는 시간 동안 연료 라인 압력이 형성되어 부드럽게 시동이 걸리게 된다. 또한, 퀵 스타트(Quick Start)를 시도하게 되어도 연료 라인의 압력이 부족하여 시동이 불안정하거나 엔진 스톨(ENGINE STALL)이 발생하는 경우는 없다.
LPI를 적용한 하이브리드 차량은 LPI 램프가 오프되기 전에 운전자가 시동을 걸게 되면 연료 라인의 압력이 형성되지 않은 상태에서 각 제어기의 이상 유무를 판단하기 때문에 메인 모터로 시동을 걸어도 인젝터에서 연료가 분사되지 않아 엔진 스톨이 발생하는 문제를 초래한다.
기존 LPI 차량은 램프를 오프하고 키 온 스타트(Key on Start)하게 되면 크랭킹(Cranking)이 되면서 엔진 속도(RPM)가 상승하여 ECU에서 시동이 끝났다는 신호를 보낸다. 그럼 연료펌프가 다시 구동되어 연료 라인 압력을 형성시키고 시동이 걸리게 되지만 하이브리드 차량은 시동 시간이 짧기 때문에 연료 라인 압력이 형성되는 시간까지 RPM이 불안정하게 된다.
한편, 종래의 LPI 차량은 엔진의 일정 정지 시간과 온도의 변화로부터 PCD(Partial cool down) 상태를 검출하고 엔진 시동시 펌프 가압을 증대시켜 시동성을 향상시키는 방법을 사용하였으나, Bi-fuel 차량은 LPI 연료시스템의 동작을 중지시키더라도 가솔린으로 주행함으로써 주행 조건에 따라 온도 변화가 다르게 출력되어 온도와 시간 조건으로 LPG 레일의 기화성을 판단하기 어렵다는 문제점이 있다.
즉, 종래의 가솔린과 LPG연료로 각각 주행할 수 있는 가솔린/LPI Bi-fuel 차량이 연료를 가솔린에서 LPG연료로 전환키 위해서는 LPG연료를 펌프로 가압하여 레일 내의 LPG연료가 완전히 액화된 후 분사 전환되어야 하고, 이러한 연료 전환시 Bi-fuel 차량에서 가솔린연료에서 LPG연료로 전환 중 LPG 레일에 전도되는 엔진의 열전도 효과를 생각하지 않기 때문에 LPG연료가 액상으로 원활하게 분사되지 못하여 연료량 부족으로 인한 실화가 발생되고, 이는 유해 배기가스를 배출하며, 심한 경우 엔진이 정지되어 운전자에게 위해를 가할 수도 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창출한 것으로서, 가솔린/LPI Bi-fuel 차량의 연료 전환시 가솔린으로 주행 중 발생하는 엔진의 복사열이 전환을 대기하고 있는 LPG 레일의 연료로 전달되는 영향을 엔진 발열량 모델링을 수행하여 발열량의 정도에 따라 LPG 레일 내의 잔류 연료의 기화 정도로 판단하고, 연료 전환시 펌프의 가압/단수를 증대하며 가압 후 연료를 분사하기까지의 대기시간을 늘림으로써 LPG 연료가 충분히 액화된 상태에서 연료를 LPG로 전환하여 연료전환시 발생할 수 있는 간헐적인 실화를 방지하여 유해 배기가스 배출을 줄이며, 전환 중 연속적인 실화로 인한 엔진의 운전정지 상태를 방지하여 운전자를 위험으로부터 보호해주는 가솔린에서 LPG로의 연료전환 제어 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일면에 따른 가솔린/LPI Bi-fuel 차량에서 가솔린에서 LPG로의 연료전환 제어 방법은 상기 가솔린/LPI Bi-fuel 차량이 가솔린 연료 운행 중 LPG로의 연료 전환 신호가 수신되면, 차량의 속도에 따라 LPG 레일이 받는 발열량을 계산하는 단계; 가솔린 연료로의 운행 동안 계산된 상기 발열량을 토대로 LPG 레일의 잔류 연료 상태를 판단하는 단계; LPG 연료의 성분비와 LPG 레일의 온도로부터 LPG 펌프의 가압단수와 전환 대기 시간을 결정하는 단계; 및 LPG 펌프를 결정된 가압단수에 따라 구동시키고 대기 시간 이후 LPG 연료를 분사하며 연료를 전환하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 주행 중 가솔린, LPI로 전환 가능한 Bi-fuel 차량에서 가솔린 연료로 주행하며 발생하는 엔진의 발열량을 계산하고, 계산된 발열량을 참조하여 연료전환을 대기하고 있는 LPG 연료의 기액상 정도를 판단하여 LPG연료가 완전히 액상으로 변환된 후 안정적으로 연료를 전환함으로써 전환 중 실화를 방지하여 유해배기가스 배출을 막고 엔진의 운전정지 상태를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가솔린/LPI Bi-fuel 차량에서 가솔린에서 LPG로의 연료전환 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도.
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 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다. 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. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 가솔린/LPI Bi-fuel 차량에서 가솔린에서 LPG로의 연료전환 제어 방법을 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가솔린/LPI Bi-fuel 차량에서 가솔린에서 LPG로의 연료전환 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 가솔린/LPI Bi-fuel 차량이 가솔린 연료로 운행중일 경우, LPG 연료전환 신호가 수신되는지 여부를 판단하고, 판단결과 LPG 연료전환 신호가 수신되면(S100), 가솔린에서 LPG로의 안전한 연료전환을 위해 연료전환 시점 결정 동작을 개시한다(S101).
예컨대, 가솔린/LPI Bi-fuel 차량이 가솔린 연료를 사용하여 운행 중에, 운전자가 연료를 LPG로 전환하고자 조작할 경우, 운전자의 조작에 따라 LPG 연료전환 신호가 출력되고, 출력된 LPG 연료전환 신호가 수신되면 가솔린에서 LPG로의 연료전환 시점을 결정하기 위해 하기와 같은 동작을 시작한다.
먼저, 누적 엔진 흡입공기량, 냉각수 온도, 엔진 회전수, 차량 속도 등을 계측한다(S102). 예컨대, 가솔린/LPI Bi-fuel 차량에 장착된 크랭크 각 센서, 캠 센서에 의해 감지된 정보와 IG 신호를 토대로 엔진 상태를 추정하고, 냉각수 온도 센서에 의해 감지된 냉각수 온도와 흡기온도 센서에 의해 감지된 정보를 토대로 엔진 온도를 추정하며, 흡입공기 계측 센서에 의해 감지된 정보를 토대로 누적 엔진 흡입 공기량과 분사 혼합기 양을 계산하고, 차속 센서에 의해 감지된 정보를 토대로 차량 속도를 추정한다.
여기서 엔진 상태는 엔진의 시동 온, 오프 상태를 나타내며, 시동 온, 오프 상태는 IG 신호가 온된 상태에서 엔진의 RPM(기설정된 수치)을 근거로 판단된다.
또한, 분사 혼합기 양은 흡입 공기량과 흡입 공기량으로부터 계산된 연료 분사량을 나타내며, 흡입 공기량과 더불어 실린더의 충진율 단위로 표현된다.
전술한 바에 의해 계측된 정보를 토대로 LPG 레일이 받는 발열량을 계산한다(S103). 예컨대, 가솔린 연료로의 운행 동안 차량의 속도 등에 따라 LPG 레일이 받는 발열량을 계산한다.
즉, LGP 레일 측 발열량은 엔진 발영량에서 차속 냉각효과 및 외기 냉각효과를 감산연산한 것으로서, 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011083996731-pat00001
Figure 112011083996731-pat00002
Figure 112011083996731-pat00003
여기서, FE는 엔진발열 특성데이터이고, FV는 차속 냉각율 특성데이터이며, Cp는 공기비열이고, As는 레일 부 표면적 팩터이며, 각 특성데이터는 엔진 또는 차량에 의한 시험을 통해 매핑되는 시험 데이터이다.
계산된 발열량에 따라 LPG 레일 내의 잔류 연료의 기화 정도(가솔린으로 주행 중 발생하는 엔진의 복사열이 전환을 대기하고 있는 LPG 레일의 연료에 전달되는 영향)를 판단한다(S104).
여기서 LPG의 기화 정도는, 즉 레일 측 연료의 상은 계측이 불가능하기 때문에 본 발명에서는 발열량으로부터 간접 모니터링을 한다.
예컨대, 엔진의 발열량이 많을수록 가솔린에서 LPG로 전환시 엔진의 실화 또는 시동 꺼짐이 발생하므로, 이를 역으로 LPG 연료가 기화된 상태로 시험적 판단에 의해 결정하게 된다.
따라서, 가솔린으로 주행시 얼마의 발열량이 누적된 상태여야 전환이 어려운지를 시험적으로 결정한다.
판단된 연료의 기화 정도를 토대로 LPG 펌프의 가압단수, 전환대기 시간을 결정한다(S105).
예컨대, 판단된 연료의 기화 정도에 따라, LPG 펌프의 가압단수 시간을 기설정된 시간보다 증가 또는 감소시켜 재설정하고, 가압 후 연료를 분사하기까지의 대기시간을 기설정 시간보다 늘려서 또는 줄여서 재설정할 수 있다.
여기서 가압단수는 LPG 펌프의 구동단수를 의미하며 높은 단수로 구동할수록 새로운 연료가 빠르게 공급되어 안정적인 연료 전환이 가능하며, 이를 알고리즘으로 표현하면 하기와 같다.
IF(가솔린 주행 중 계산 발열량 > 기설정된 발열량)
Then LPG = 기상
LPG 펌프 = 5단
연료전환 대기시간 = 10초
Else
LPG = 액상
LPG 펌프 = 1단
연료전환 대기시간 = 5초
End
재설정된 LPG 펌프의 가압단수 시간에 따라 LPG 펌프를 구동시키고(S106), 재설정된 전환 대기 시간을 토대로 가솔린에서 LPG로의 연료 전환 시작 여부를 판단한다(S107).
판단결과, 연료 전환을 시작 시점인 경우, 연료 분사를 가솔린에서 LPG로 전환한다(S108).
전술한 바와 같이, LPG 연료가 충분히 액화된 상태에서 연료를 전환함으로써 연료전환시 발생할 수 있는 실화를 방지하여 유해 배기가스 배출을 줄이고, 전환 중 실화로 인한 엔진의 운전정지 상태를 방지하여 운전자의 안전을 보장할 수 있도록 한다.
즉, 가솔린/LPI Bi-fuel 차량의 연료 전환시 가솔린으로 주행 중 발생하는 엔진의 복사열이 전환을 대기하고 있는 LPG 레일의 연료로 전달되는 영향을, 엔진 발열량 모델링을 수행하여 발열량의 정도에 따라 LPG 레일 내의 잔류 연료의 기화 정도로 판단하고, 연료 전환시 펌프의 가압단수를 증대하고 가압 후 연료를 분사하기까지의 대기시간을 늘림으로써 LPG 연료가 충분히 액화된 상태에서 연료를 전환하여 연료전환시 발생할 수 있는 간헐적인 실화를 방지하여 유해 배기가스 배출을 줄이며, 운전자의 안전을 유지하기 위해 전환 중 연속적인 실화로 인한 엔진의 운전정지 상태를 방지할 수 있다.
이상 바람직한 실시예와 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 관해 구체적으로 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (4)

  1. 가솔린/LPI Bi-fuel 차량에서 가솔린에서 LPG로의 연료전환 제어 방법에 있어서,
    상기 가솔린/LPI Bi-fuel 차량이 가솔린 연료 운행 중 LPG로의 연료 전환 신호가 수신되면, 차량의 속도에 따라 LPG 레일이 받는 발열량을 계산하는 단계;
    가솔린 연료로의 운행 동안 계산된 상기 발열량을 토대로 LPG 레일의 잔류 연료 상태를 판단하는 단계;
    LPG 연료의 성분비와 LPG 레일의 온도로부터 LPG 펌프의 가압단수와 전환 대기 시간을 결정하는 단계; 및
    LPG 펌프를 결정된 가압단수에 따라 구동시키고 대기 시간 이후 LPG 연료를 분사하며 연료를 전환하는 단계
    를 포함하는 가솔린에서 LPG로의 연료전환 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 계산하는 단계는,
    상기 차량에 장착된 크랭크 각 센서, 캠 센서에 의해 감지된 정보와 IG 신호를 토대로 엔진 상태를 추정하는 단계;
    냉각수 온도 센서에 의해 감지된 냉각수 온도와, 상기 차량에 장착된 흡기온도 센서에 의해 감지된 정보를 토대로 엔진 온도를 추정하는 단계;
    상기 차량에 장착된 흡입공기 계측 센서에 의해 감지된 정보를 토대로 누적 엔진 흡입 공기량과 분사 혼합기 양을 계산하는 단계; 및
    상기 차량에 장착된 차속 센서에 의해 감지된 정보를 토대로 주행 속도를 추정하는 단계 중 적어도 하나의 단계에 의해 획득된 정보를 토대로 상기 LPG 레일이 받는 발열량을 계산하는 단계인 것
    인 가솔린에서 LPG로의 연료전환 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 판단하는 단계는 상기 가솔린으로 주행 중 발생하는 엔진의 복사열이 전환을 대기하고 있는 상기 LPG 레일의 연료에 전달되는 영향인 상기 LPG 레일 내 잔류 연료의 기화 정도를 계산된 발열량에 따라 판단하는 단계인 것
    인 가솔린에서 LPG로의 연료전환 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 결정하는 단계는,
    판단된 연료의 기화 정도를 토대로,
    LPG 펌프의 가압단수 시간을 기설정된 시간보다 증가 또는 감소시켜 재설정하는 단계; 및
    가압 후 연료를 분사하기까지의 대기시간을 기설정 시간보다 늘려서 또는 줄여서 재설정하는 단계를 포함하는 것
    인 가솔린에서 LPG로의 연료전환 제어 방법.
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