KR101349492B1 - 엔진의 연료분사 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 GDI엔진에서 가속 및 감속시와 같은 과도상태에서, 예측되는 공기량 및 RPM 변화율에 대해 연료분사의 시작 및 종료 시점을 적절히 보정할 수 있도록 하여, 유동에 의한 혼합기 생성효과가 극대화될 수 있는 연료의 분사종료시점 내에서 연료량 보정이 이루어지게 함으로써, 엔진의 연소효율을 극대화하여 배기가스의 유해성분을 저감하고 연비를 개선할 수 있도록 한다.

GDI, 분사종료시점, 연료분사

Description

엔진의 연료분사 방법{Fuel Injection Method for Engine}

본 발명은 엔진의 연료분사 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가솔린 직접 분사 엔진, 즉 GDI(Gasoline Direct Injection)엔진의 연료분사를 보정하는 기술에 관한 것이다.

GDI엔진의 경우 실린더 내에 연료를 직접 분사하는 방식이므로 종래의 MPI엔진에 대비하여 상대적으로 빠른 시간 내에 혼합기 생성이 요구된다. 따라서 고압의 연료분사를 통한 미립화와, 실린더 내 유동을 이용한 연료의 혼합을 이용하게 된다

정상상태의 조건에서는 피스톤의 상대 위치에 대해서, 동일 연료압력 및 RPM에 대한 최적의 연료분사 시점이 일정하게 정해질 수 있다.

그러나 차량 주행 중에는 공기량이 변하면서 RPM이 변하는 상태, 또는 공기량 변화가 있으면서 RPM은 고정인 상태, 또는 RPM은 변하면서 공기량은 거의 고정인 상태 등 엔진은 대체로 다양한 과도상태 조건으로 운전되게 된다

따라서, 실린더 내 유동을 이용한 연료의 혼합을 상기와 같은 과도상태에서도 극대화 하기 위해서는, 예측되는 공기량 및 RPM 변화율에 대해 연료분사의 시작 및 종료 시점을 보정할 필요가 있다.

도 1은 종래 MPI엔진에서의 연료분사 로직을 설명한 것으로서, 현재의 공기량과 RPM 및 공연비로부터 기본연료량이 결정되고, 이 기본연료량 분사를 위한 기초연료분사시간이 계산된다.

상기 기초연료분사시간은 연료의 압력이나 온도 등에 따른 보정 및 인젝터 데드타임 보정이 가해져서 기본연료분사시간을 결정하도록 한다.

이후 상기 기본연료분사시간과 현재 RPM의 함수로서 분사종료시점이 정해지고, 상기 분사종료시점으로부터 상기 기본연료분사시간을 역산하고 현재의 RPM을 고려하여 분사개시시점이 결정된다.

상기와 같은 분사개시시점과 분사종료시점에 근거하여 기본연료분사가 이루어지며, 가감속시의 과도상태 보정은 컨트롤러의 연산주기에 의해 계속해서 RPM과 공기량 변화가 갱신되면서 추가되어야 할 연료분사시간이 계산되고, 상기 계산된 추가연료분사시간이 음수이면 감속상태로서, 현재 상기 기본연료분사가 진행중이더라도 새로운 연료분사시간을 적용하여 연료분사를 단축하고, 양수일 경우에는 상기 기본연료분사 종료 후 즉각 추가분사시간만큼 분사를 개시하도록 되어 있다.

상기한 바와 같은 종래의 연료분사 로직은 MPI엔진에 기반한 것으로서, GDI엔진에 대비하여 비교적 연료 분사 시간이 충분하므로, 가속시 공기량과 RPM의 변화에 따라 추가적인 연료분사를 실시하여 최종적인 분사종료시점이 다소 지각되어도 큰 문제가 되지 않으나, GDI엔진의 경우에는 연소실내에 연료를 직접 분사함에 따라 상대적으로 연료분사가 가능한 시간이 MPI엔진에 비해 훨씬 짧으며, 최적의 분사종료시점을 넘어서 연료분사가 이어질 경우 연료의 증발이 발생하거나 혼합기 형성에 이상이 발생할 수 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 필요성에 의하여 안출된 것으로서, GDI엔진에서 가속 및 감속시와 같은 과도상태에서, 예측되는 공기량 및 RPM 변화율에 대해 연료분사의 시작 및 종료 시점을 적절히 보정할 수 있도록 하여, 유동에 의한 혼합기 생성효과가 극대화될 수 있는 연료의 분사종료시점 내에서 연료량 보정이 이루어지게 함으로써, 엔진의 연소효율을 극대화하여 배기가스의 유해성분을 저감하고 연비를 개선할 수 있도록 한 엔진의 연료분사 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출된 본 발명 엔진의 연료분사 방법은

현재공기량과 이전공기량의 차이를 현재공기량에 더하여 공기량 변화가 감안된 제1예측공기량을 구하는 제1예측공기량산출단계와;

가속페달의 조작상태에 따른 목표공기량과 현재공기량과의 차이를 현재공기량에 더하여 운전자의 조작의도가 감안된 제2예측공기량을 구하는 제2예측공기량산 출단계와;

현재RPM과 이전RPM의 차이를 현재RPM에 더하여 RPM 변화가 감안된 예측RPM을 구하는 예측RPM산출단계와;

차량의 가감속 상태에 따라 상기 제1예측공기량과 제2예측공기량 중의 어느 하나와 상기 예측RPM 및 이들에 따른 공연비에 의해 기본연료량을 구하는 기본연료량산출단계;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 엔진의 연료분사 방법은

상기 기본연료량에 따른 기초연료분사시간을 보정하여 결정된 기본연료분사시간과 상기 예측RPM의 함수관계로 연료의 분사종료시점을 구하는 분사종료시점산출단계와;

상기 예측RPM을 고려하고 상기 분사종료시점으로부터 상기 기본연료분사시간을 역산하여 연료의 분사개시시점을 결정하는 분사개시시점산출단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 기본연료량산출단계에서는

차량이 가속중인 것으로 판단되면, 상기 제1예측공기량과 제2예측공기량 중 최소값을 사용하여 상기 기본연료량을 산출하고;

차량이 감속중인 것으로 판단되면, 상기 제1예측공기량과 제2예측공기량 중 최대값을 사용하여 상기 기본연료량을 산출하도록 구성할 수 있다.

상기 차량이 가속중인지 감속중인지의 판단은 상기 목표공기량과 이전공기량을 비교하여, 상기 목표공기량이 큰 경우에는 가속중으로 판단하고, 상기 목표공기량이 작은 경우에는 감속중으로 판단하도록 할 수 있다.

본 발명은 GDI엔진에서 가속 및 감속시와 같은 과도상태에서, 예측되는 공기량 및 RPM 변화율에 대해 연료분사의 시작 및 종료 시점을 적절히 보정할 수 있도록 하여, 유동에 의한 혼합기 생성효과가 극대화될 수 있는 연료의 분사종료시점 내에서 연료량 보정이 이루어지게 함으로써, 엔진의 연소효율을 극대화하여 배기가스의 유해성분을 저감하고 연비를 개선할 수 있도록 한다.

도 2을 참조하면, 본 발명 실시예의 엔진의 연료분사 방법은 기본적으로는 종래 MPI엔진의 연료분사 로직을 토대로 하고 있으나, 공기량과 RPM의 변화를 미리 고려하여 기본연료량을 산출하기 위해, 현재공기량(MAF_n)과 이전공기량(MAF_n-1)의 차이를 현재공기량(MAF_n)에 더하여 공기량 변화가 감안된 제1예측공기량을 구하는 제1예측공기량산출단계(S10)와; 가속페달의 조작상태에 따른 목표공기량(MAF_SP_n)과 현재공기량(MAF_n)과의 차이를 현재공기량(MAF_n)에 더하여 운전자의 조작의도가 감안된 제2예측공기량을 구하는 제2 예측공기량산출단계(S11)와; 현재RPM(RPM_n)과 이전RPM(RPM_n-1)의 차이를 현재RPM(RPM_n)에 더하여 RPM 변화가 감안된 예측RPM을 구하는 예측RPM산출단계(S12)와; 차량의 가감속 상태에 따라 상기 제1예측공기량과 제2예측공기량 중의 어느 하나와 상기 예측RPM 및 이들에 따른 공연비에 의해 기본연료량을 구하는 기본연료량산출단계(S13)를 포함하여 구성된다.

또한, 본 발명의 엔진의 연료분사 방법은 연료의 분사종료시점 및 분사개시시점이 RPM변화를 미리 고려하여 산출될 수 있도록 하기 위해, 상기 기본연료량에 따른 기초연료분사시간을 보정하여 결정된 기본연료분사시간과 상기 예측RPM의 함수관계로 연료의 분사종료시점을 구하는 분사종료시점산출단계(S14)와; 상기 예측RPM을 고려하고 상기 분사종료시점으로부터 상기 기본연료분사시간을 역산하여 연료의 분사개시시점을 결정하는 분사개시시점산출단계(S15)를 더 포함하여 구성되어 있다.

여기서, 이전공기량(MAF_n-1)과 현재공기량(MAF_n)은 컨트롤러의 연산주기에 따라 연료분사에 필요한 각종 요소를 계산하는 각 주기별로 구분된 개념으로서, 현재공기량(MAF_n)은 현재의 연산주기에 측정되어 고려되는 공기량을 말하고, 이전공기량(MAF_n-1)은 컨트롤러의 이전 연산주기에 측정되어 사용되었던 공기량을 의미한다.

상기 기본연료량산출단계(S13)에서는 차량이 가속중인 것으로 판단되면, 상기 제1예측공기량과 제2예측공기량 중 최소값을 사용하여 상기 기본연료량을 산출 하고, 차량이 감속중인 것으로 판단되면, 상기 제1예측공기량과 제2예측공기량 중 최대값을 사용하여 상기 기본 연료량을 산출하도록 한다.

이때, 상기 차량이 가속중인지 감속중인지의 판단은 상기 목표공기량(MAF_SP_n)과 이전공기량(MAF_n-1)을 비교하여, 상기 목표공기량(MAF_SP_n)이 큰 경우에는 가속중으로 판단하고, 상기 목표공기량(MAF_SP_n)이 작은 경우에는 감속중으로 판단하도록 구성하였다.

먼저, 본 발명에 의해 컨트롤러에서 상기 기본연료량을 산출하는 과정을 따라가 보면, 상기 현재공기량(MAF_n)과 이전공기량(MAF_n-1)을 이용하여 제1예측공기량을 구함과 아울러, 운전자의 가속페달 조작상태를 고려한 목표공기량(MAF_SP_n)과 상기 현재공기량(MAF_n)을 이용하여 제2예측공기량을 구하고, 현재RPM(RPM_n)과 이전RPM(RPM_n-1)을 이용하여 예측RPM을 구한다.

이어, 상기 목표공기량(MAF_SP_n)과 이전공기량(MAF_n-1)을 비교하여, 상기 목표공기량(MAF_SP_n)이 커서 가속중으로 판단되는 경우에는, 상기 제1예측공기량과 제2예측공기량중 최소값을 상기 예측RPM과 함께 공연비맵에 적용하여 공연비에 따른 기본연료량을 연산하게 된다.

한편, 감속중으로 판단되는 경우에는 상기 제1예측공기량과 제2예측공기량중 최대값을 상기 예측RPM과 함께 공연비맵에 적용하여 해당 공연비에 따른 기본연료량을 연산하게 된다.

여기서, 상기와 같이 가속중에는 상기 제1예측공기량과 제2예측공기량중 최 소값을 사용하고 감속중에는 최대값을 사용하도록 한 이유는, 가속중에는 현재공기량(MAF_n)에 비교하여 보다 크게 계산될 제1예측공기량과 제2예측공기량 중 상대적으로 작아서 현재공기량(MAF_n)에 보다 가까운 값을 사용함으로써, 연료의 분사개시시점 및 분사종료시점이 과다하게 진각되는 것을 방지하도록 하고, 감속중에는 현재공기량(MAF_n)보다 작게 계산될 제1예측공기량과 제2예측공기량 중 상대적으로 커서 현재공기량(MAF_n)에 보다 가까운 값을 사용함으로써, 역시 연료의 분사개시시점 및 분사종료시점이 과다하게 지각되는 것을 방지하도록 하기 위한 것이다.

이어, 본 발명에 의해 상기 분사종료시점과 분사개시시점을 산출하는 방법을 살펴보면, 먼저, 상기에서 구해진 기본연료량으로 기초연료분사시간을 구하고, 여기에 종래와 같이 연료압력과 연료온도, 인젝터 데드타임 등의 보정을 수행하여 기본연료분사시간을 구한다.

이어, 상기 기본연료분사시간과 상기 예측RPM의 함수관계로 연료의 분사종료시점을 산출한다. 즉, 종래에는 현재의 RPM을 사용한 것을 본 발명에서는 상기에서 구한 예측RPM을 사용하는 것이다.

또한, 상기 예측RPM을 고려하고, 상기 분사종료시점으로부터 상기 기본연료분사시간을 역산하여 연료의 분사개시시점을 산출하는 바, 역시 종래와 달리 상기 예측RPM을 고려한다는 점이다.

상기와 같이 연료의 분사개시시점 및 분사종료시점을 정함에 있어서, 상기 예측RPM을 직접 고려하고, 그 기초가 되는 기본연료분사시간의 계산시에 공기량의 변화를 미리 감안하도록 함으로써, GDI엔진에서 가속이나 감속시와 같은 과도상태에 대해 최적의 분사종료시점 추종이 가능하도록 하게 된다.

즉, 종래와 같이 현재의 공기량과 RPM만을 고려하여 분사종료시점을 구한 후 다시 추가적인 연료분사로 과도적인 주행에 대한 보정을 수행하던 것에 비하여, 미리 기본연료분사시간의 계산과 그에 따른 분사종료시점 및 분사개시시점에 과도상태의 변화율이 감안될 수 있도록 함으로서, 기본연료분사 이후에 추가적인 연료분사가 일어나게 될 가능성을 줄임으로써, GDI엔진의 혼합기 생성효과가 극대화되는 분사종료시점 내에 연료량이 보정이 완료될 수 있도록 한 것이다.

상기와 같이 GDI엔진에서 최적의 분사종료시점이 추종될 수 있게 되면, 엔진의 연소효율이 상승되어 연비가 개선됨은 물론, 완전연소에 의해 배기가스중의 유해물질이 현저히 저감되는 효과를 아울러 얻을 수 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 엔진의 연료분사 방법을 설명한 도면,

도 2는 본 발명에 따른 엔진의 연료분사 방법을 설명한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

S10; 제1예측공기량산출단계

S11; 제2예측공기량산출단계

S12; 예측RPM산출단계

S13; 기본연료량산출단계

S14; 분사종료시점산출단계

S15; 분사개시시점산출단계

Claims (4)

1. 현재공기량과 이전공기량의 차이를 현재공기량에 더하여 공기량 변화가 감안된 제1예측공기량을 구하는 제1예측공기량산출단계와;

   가속페달의 조작상태에 따른 목표공기량과 현재공기량과의 차이를 현재공기량에 더하여 운전자의 조작의도가 감안된 제2예측공기량을 구하는 제2예측공기량산출단계와;

   현재RPM과 이전RPM의 차이를 현재RPM에 더하여 RPM 변화가 감안된 예측RPM을 구하는 예측RPM산출단계와;

   차량의 가감속 상태에 따라 상기 제1예측공기량과 제2예측공기량 중의 어느 하나와 상기 예측RPM 및 이들에 따른 공연비에 의해 기본연료량을 구하는 기본연료량산출단계;

   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 엔진의 연료분사 방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 기본연료량에 따른 기초연료분사시간을 보정하여 결정된 기본연료분사시간과 상기 예측RPM의 함수관계로 연료의 분사종료시점을 구하는 분사종료시점산출단계와;

   상기 예측RPM을 고려하고 상기 분사종료시점으로부터 상기 기본연료분사시간을 역산하여 연료의 분사개시시점을 결정하는 분사개시시점산출단계;

   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 엔진의 연료분사 방법.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 기본연료량산출단계에서는

   차량이 가속중인 것으로 판단되면, 상기 제1예측공기량과 제2예측공기량 중 최소값을 사용하여 상기 기본연료량을 산출하고;

   차량이 감속중인 것으로 판단되면, 상기 제1예측공기량과 제2예측공기량 중 최대값을 사용하여 상기 기본 연료량을 산출하는 것

   을 특징으로 하는 엔진의 연료분사 방법.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 차량이 가속중인지 감속중인지의 판단은 상기 목표공기량과 이전공기량을 비교하여, 상기 목표공기량이 큰 경우에는 가속중으로 판단하고, 상기 목표공기량이 작은 경우에는 감속중으로 판단하는 것

   을 특징으로 하는 엔진의 연료분사 방법.

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