KR101534936B1 - 직접 분사 방식 엔진의 연료 분사량 산출방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직접 분사 방식 엔진의 연료 분사량 산출방법에 관한 것으로, 연료 레일 내의 연료 압력에 의해 변화되는 연료 밀도에 대한 보정 펙터를 산출하는 단계, 및 산출된 연료압에 의한 밀도 보정 펙터를 적용하여 연료 분사시간을 산출하는 단계를 포함하여, 고압에 의한 연료의 밀도 변화를 적용하여 연료 분사시간을 산출함으로써 보다 정확하고 실질적인 분사량을 산출할 수 있게 된다.

Description

직접 분사 방식 엔진의 연료 분사량 산출방법{ Method for calculating qantity of fuel injection in a Gasoline Direct Injection engine }
본 발명은 직접 분사 방식 엔진의 연료 분사량 산출방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 직접 분사 방식 엔진에서 액체 상태의 연료에 영향을 미치는 다야한 인자들을 감안하여 연료 분사량을 산출하는 직접 분사 방식 엔진의 연료 분사량 산출방법에 관한 것이다.
일반적으로, 직접 분사방식(Gasoline Direct Injection, GDI) 엔진은 연소실 내에 연료를 직접 분사하는 엔진으로, 다수의 인젝터들로 연료를 분배하는 연료 레일(fuel rail) 내에서 가솔린 연료는 액체상태로 존재한다.
GDI 엔진에서 연료 분사량은 분사시간을 산출함으로써 간접적으로 산출할 수 있는데, 연료의 분사시간은 분사되는 연료의 상태에 영향을 미치는 다양한 인자들에 의해 보정된 값으로 산출된다.
가령, 종래 분사시간(ti)을 산출하는 식의 일예는 아래와 같다.
분사시간(ti) = [(목표 연료량)×(인젝터 비선형 보정 factor)×(연료 온도와 밀도의 관계에 의한 보정 factor)×(인젝터와 실린더간의 압력차에 의한 보정 factor)×(나머지 비선형성 최종 보정 factor)×(단위 보정값)] + 인젝터 딜레이
여기서, 목표 연료량은 공기량에 대한 연료량의 비율(%)로 여기에 다양한 보정 factor들이 곱해지며 마지막으로 인젝터 딜레이 시간이 더해진다.
한편, GDI 엔진에서는 액상의 연료를 고압으로 분사시키기 위해 고압펌프와 고압 인젝터가 사용된다. 가솔린은 비압축성 액체이기 하지만 고압펌프에 의한 고압의 영향하(예, 120bar 이상)에서는 밀도가 달라질 수 밖에 없다. 그에 따라 연료 레일 내에서의 연료 압력에 따라 연료의 분사량이 달라질 수 있게 된다.
그러나, 고압에 의한 연료의 밀도 내지는 부피 변화를 고려하지 않고 분사시간을 산출함으로써 이론상의 공연비와 실질적인 공연비에 오차가 발생하게 되고분사되는 연료의 질량에도 오차가 발생하는 문제점이 있었다. 이는 완전한 연소를 저해하는 요인이 될 뿐만 아니라 불완전 연소에 의해 연비를 저해하게 된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 직접 분사 방식 엔진의 연료 분사량 산출방법이 가지는 문제점들을 개선하기 위해 창출된 것으로, 고압에 의한 연료의 밀도 변화를 적용하여 연료 분사시간을 산출함으로써 보다 정확하고 실질적인 분사량을 산출할 수 있는 직접 분사 방식 엔진의 연료 분사량 산출방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 직접 분사 방식 엔진의 연료 분사량 산출방법은, 연료 레일 내에서 액체 상태인 연료가 인젝터를 통해 분사되는 분사시간을 산출하는 방법으로서, 연료 레일 내의 연료 압력에 의해 변화되는 연료 밀도에 대한 보정 펙터를 산출하는 단계, 및 산출된 연료압에 의한 밀도 보정 펙터를 적용하여 연료 분사시간을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 직접 분사 방식 엔진의 연료 분사량 산출방법에 있어서, 연료압에 의한 밀도 보정 펙터는 [현재 연료의 밀도(ρ1)/정상 상태의 연료 밀도(ρ0)]의 역수인 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따른 직접 분사 방식 엔진의 연료 분사량 산출방법에 있어서, 연료에 의한 밀도 보정 펙터는 영률(Young's Modulus)을 적용하여 아래의 식으로 산출될 수 있다.
연료압에 의한 밀도 보정 펙터 = 1 - (현재 압력-대기압)/E
본 발명의 실시예에 따른 직접 분사 방식 엔진의 연료 분사량 산출방법에 있어서, 연료압에 의한 밀도 보정 펙터를 적용한 연료 분사 시간(ti)은 아래의 식으로 산출될 수 있다.
연료 분사시간(ti) = [(목표 연료량)×(인젝터 비선형 보정 factor)×(연료 온도와 밀도의 관계에 의한 보정 factor)×(인젝터와 실린더간의 압력차에 의한 보정 factor)×(나머지 비선형성 최종 보정 factor)×(단위 보정값)×(1 - (현재 압력-대기압)/E)] + 인젝터 딜레이
본 발명의 실시예에 따른 직접 분사 방식 엔진의 연료 분사량 산출방법에 있어서, 연료 레일 내의 연료 압력을 산출하고 산출된 연료압이 설정치 이상일 경우 연료압에 의한 밀도 보정 펙터를 산출할 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 직접 분사 방식 엔진의 연료 분사량 산출방법에 의하면, 고압에 의한 연료의 밀도 변화를 적용하여 연료 분사시간을 산출함으로써 보다 정확하고 실질적인 분사량을 산출할 수 있고, 그로 인해 연비를 개선시킬 수 있으며, 연료압에 의한 밀도 변화를 연료량에 미리 반영됨으로써 연료압에 관계 없이 항상 일정한 공연비를 구성할 수 있게 되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 분사 방식 엔진의 연료 분사량 산출방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 분사 방식 엔진의 연료 분사량 산출방법에 대해 설명하면,
먼저, 연료 레일 내의 연료 압력(P1)에 의해 변화되는 연료 밀도에 대한 보정 펙터, 즉 연료압에 의한 밀도 보정 펙터를 산출한다(S20).
연료압에 의한 밀도 보정 펙터는 [현재 정상 상태의 연료 밀도(ρ0)/연료의 밀도(ρ1)]이다. 압력의 증가에 의해 분사시간이 감소해야 하므로 연료압에 의한 밀도 보정 펙터는 [현재 연료의 밀도(ρ1)/정상 상태의 연료 밀도(ρ0)]의 역수로 산입하게 된다. 이는 분사시간으로 조절되는 것은 연료의 부피이지만 분사량은 연료의 질량에 맞추어야 하므로 연료에 가해지는 압력이 높을수록 분사시간이 감소되어야 하기 때문이다.
한편, 압력이 변화할 때 유체의 밀도는 ρ1 = ρ0 / (1 - (P1 - P0) / E) 라고 알려져 있다. 여기서, E 는 영률(Young's Modulus)로서 아래와 같고,
Figure 112013100034994-pat00001
ρ1 는 현재 연료의 밀도,
ρ0 는 정상상태의 연료 밀도,
P1 은 현재 압력,
P0 는 대기압을 나타낸다.
가솔린의 경우 E 값은 채택된 연료 유로의 구조에 대하여 실험을 통해 산출하는 것이 바람직하나, 다양한 액체의 영률을 모아 놓은 테이블을 참조하여 사용하는 것도 가능하다. 테이블의 경우 가솔린의 영률은 1.3(N/m2)이다.
따라서, 연료압에 의한 밀도 보정 펙터 = 1 - (현재 압력-대기압)/E 가 된다.
상기 S20단계에서 연료압에 의한 밀도 보정 펙터를 산출한 이후, 산출된 연료압에 의한 밀도 보정 펙터를 적용하여 연료 분사시간을 산출한다(S30).
기존의 분사시간 산출식(ti)에 연료압에 의한 밀도 보정 펙터를 적용한 분사시간(ti) 산출식은 아래와 같다.
분사시간(ti) = [(목표 연료량)×(인젝터 비선형 보정 factor)×(연료 온도와 밀도의 관계에 의한 보정 factor)×(인젝터와 실린더간의 압력차에 의한 보정 factor)×(나머지 비선형성 최종 보정 factor)×(단위 보정값)×(1 - (현재 압력-대기압)/E)] + 인젝터 딜레이
위의 식에 의해 연료압에 의한 밀도 변화를 적용하게 되면, 실질적으로 분사시간이 감소하게 되고, 그로 인해 보다 정확하게 연료 분사시간(ti)을 산출할 수 있게 되어 연비를 개선시킬 수 있게 된다. 또한, 연료압에 의한 밀도 변화가 미리 반영됨으로써 연료압에 관계 없이 항상 일정한 공연비를 구성할 수 있게 된다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 연료 레일 내의 연료 압력(P1)을 산출한 후(S10), 산출된 연료압(P1)과 설정 압력(Pc)을 비교하여 연료압(P1)이 설정 압력(Pc) 이상일 경우에 한해서 연료압에 의한 밀도 보정 펙터를 산출하는 것도 가능하다.
GDI 엔진에서 연료 레일 내의 연료 압력(P1)은 통상적으로 120bar 이상으로 설계되는데, 연료 압력(P1)을 낮추어도 되는 경우에는 상대적으로 가솔린 연료가 연료압에 대한 영향을 무시할 수 있게 되므로 연료압에 의한 보정을 하지 않아도 된다.
따라서, 연료 레일 내의 연료 압력(P1)이 기 설정된 압력(Pc)과 비교하여 연료압에 의한 밀도 보정 펙터의 산출 여부를 결정할 수 있게 된다(S11).
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명은 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

Claims (5)

  1. 연료 레일 내에서 액체 상태인 연료가 인젝터를 통해 분사되는 분사시간을 산출하는 직접 분사 방식 엔진의 연료 분사량 산출방법에 있어서,
    연료 레일 내의 연료 압력에 의해 변화되는 연료 밀도에 대한 보정 펙터를 영률(Young's Modulus)을 적용하여 아래의 식으로 산출하는 단계; 및
    산출된 연료압에 의한 밀도 보정 펙터를 적용하여 연료 분사시간을 산출하는 단계;를 포함하는 직접 분사 방식 엔진의 연료 분사량 산출방법.
    연료압에 의한 밀도 보정 펙터(ρ0/ρ1) = 1 - (현재 압력-대기압)/E
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    연료압에 의한 밀도 보정 펙터를 적용한 연료 분사 시간(ti)은 아래의 식으로 산출되는 것을 특징으로 하는 직접 분사 방식 엔진의 연료 분사량 산출방법.
    연료 분사시간(ti) = [(목표 연료량)×(인젝터 비선형 보정 factor)×(연료 온도와 밀도의 관계에 의한 보정 factor)×(인젝터와 실린더간의 압력차에 의한 보정 factor)×(나머지 비선형성 최종 보정 factor)×(단위 보정값)×(1 - (현재 압력-대기압)/E)] + 인젝터 딜레이
  5. 제1항에 있어서,
    연료 레일 내의 연료 압력을 산출하고, 산출된 연료압이 설정치 이상일 경우 연료압에 의한 밀도 보정 펙터를 산출하는 것을 특징으로 하는 직접 분사 방식 엔진의 연료 분사량 산출방법.
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