KR101957516B1 - 영역별 인젝터 구동시간 제어방법 - Google Patents

영역별 인젝터 구동시간 제어방법 Download PDF

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Abstract

보다 정밀한 연료량 제어(인젝터 열림, 닫힘 등과 같은 구동시간 제어)를 위하여, 목표 연료량을 오프닝 듀레이션으로 변환하고 오프닝 듀레이션과 인젝터 분사 명령 시간(구동 신호)간의 관계를 설정하며, 과도영역에 해당하는 트랜지언트 영역을 고려(제외)하고 발리스틱영역과 넌-발리스틱영역에 해당하는 프로파일을 이용하여 피드백을 진행함으로써 인젝터를 보다 정밀하게 제어하는 방법을 제공한다.

Description

영역별 인젝터 구동시간 제어방법 {Injector drive time control method by area}
본 발명은 영역별 인젝터 구동시간 제어방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 인젝터 분사 명령 시간을 영역별로 구분하고 이와 같이 구분된 영역을 이용, 제어 대상이 되지 않는 비 제어영역을 설정하며, 비 제어영역을 제외한 발리스틱(Ballistic) 영역과 넌-발리스틱(Non-ballistic) 영역에 대한 피드백을 선택적으로 적용함으로써, 인젝터 구동시간을 정밀하게 제어하는 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
차량 엔진의 연료 분사 방식은 보통 포트 분사 방식과 직접 분사 방식으로 나눌 수 있다. 여기서 포트 분사 방식은 가솔린 엔진에 주로 사용되며, 흡기 포트에 연료를 분사하여 공기와 혼합된 혼합기를 실린더 내부로 공급하는 방식이고,
직접 분사 방식은 디젤 엔진에 주로 사용되며, 실린더 내부에 연료를 직접 분사하는 방식이다.
그런데, 최근에는 연비 및 출력 향상, 환경 오염 방지 등의 목적으로 가솔린 엔진에 대하여 직접 분사 방식을 채용하는 기술이 주목 받고 있다. 이러한 엔진을 GDI 엔진(GDI, Gasoline Direct Injection Engine)이라고 하며, 흡기 밸브의 개방시 공기가 흡기 포트로부터 연소실로 흡입되어 피스톤에 의해 압축되며, 이러한 연소실로 유입된 고압의 공기에 대하여 연료가 직접 분사되는 방식이다.
GDI 엔진에서는 연료를 고압으로 분사할 수 있도록 기통 별로 각각 인젝터가 설치된다. 각각의 인젝터의 솔레노이드는 제어기로부터 분사 명령 시간(구동 신호)을 인가 받으면 분사 출구를 개방하여 연소실 내에 연료를 분사하고, 분사가 종료되면 분사 출구를 폐쇄한다.
하지만, 각각의 인젝터의 분사 출구가 동시에 개방된다 하더라도 인젝터 자체의 마모, 열화, 니들 또는 아마추어의 내부 마찰, 리턴 스프링의 탄성계수 등의 차이로 각각의 인젝터마다 분사 출구가 닫히는 시점이 달라질 수 있으며, 이로 인해, 각각의 인젝터가 분사하는 연료량이 달라지게 된다.
종래기술은 목표 연료량과 인젝터를 작동시키는 분사 명령 시간 간의 관계를 설정한 맵을 통하여 목표 연료량을 바로 분사 명령 시간으로 변환하여 인젝터를 제어하는 방식을 사용한다.
그러나 이러한 방식은 전술한 바와 같이 인젝터에 동일한 분사 명령 시간을 인가하여도 인젝터 열림량은 각각의 인젝터마다 달라지고, 인젝터 분사시간(구동시간)과 인젝터 열림량이 단순히 비례하는 것은 아니므로 각종 보정 맵을 사용하여도 정확한 연료량을 제어하는 것이 곤란한 문제가 존재하였다.
대한민국 공개특허공보 2017-0066011 A
이에 본 발명에 따른 일 측면은, 전술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 보다 정밀한 연료량 제어를 위하여 목표 연료량을 오프닝 듀레이션으로 변환하고 오프닝 듀레이션과 인젝터 분사 명령 시간(구동 신호) 간의 관계를 설정하며, 인젝터 분사 명령 시간을 영역별로 구분하고 이와 같이 구분된 영역을 이용, 제어 대상이 되지 않는 비 제어영역을 설정하며, 비 제어영역을 제외한 발리스틱(Ballistic) 영역과 넌-발리스틱(Non-ballistic, Linear) 영역에 대한 피드백을 선택적으로 적용함으로써, 인젝터 구동시간을 정밀하게 제어하는 방법을 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
위에 제기된 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은, 분사 명령 시간(Ti)에 따른 각 인젝터에 대한 오프닝 듀레이션(Opening Duration)을 학습하는 오프닝 듀레이션 학습단계;
상기 분사 명령 시간에 따라 학습된 각 인젝터에 대한 오프닝 듀레이션 프로파일을 기초로 분사 명령 시간의 영역을 발리스틱(Ballistic), 트랜지언트(Transient) 및 넌-발리스틱(Non-Ballistic) 영역으로 구분하는 영역구분단계;
상기 영역구분단계를 통해서 제외영역으로 구분된 분사 명령 시간(Ti)영역을 제어대상에서 제외하는 영역 제외단계; 및
상기 발리스틱 영역 및 상기 넌-발리스틱 영역 상의 특정 오프닝 듀레이션 값에 대한 분사 명령 시간(Ti) 피드백(Feedback) 진행 시 피드백 여부를 결정하는 피드백 결정단계;
를 포함하는 영역별 인젝터 구동시간 제어방법을 제공하는 것이 가능하다.
상기 오프닝 듀레이션 학습단계는 복수의 인젝터 각각에 대하여 분사 명령 시간을 인가하고, 그 출력 전압에 대한 시간 프로파일을 확보하는 제1 단계;
상기 시간 프로파일을 평가하여 상기 인젝터의 폐쇄 시점을 결정하는 제2 단계;
상기 폐쇄 시점을 기반으로 상기 인젝터의 오프닝 듀레이션(Opening Duration)을 학습하는 제3 단계;
상기 복수의 인젝터 중에서 기준 인젝터를 선정하는 제4 단계; 및
상기 기준 인젝터의 학습된 오프닝 듀레이션을 기반으로 상기 기준 인젝터를 제외한 나머지 인젝터에 입력될 분사 명령 시간(Ti)을 결정하는 제5 단계;
를 포함할 수 있다.
상기 제1 단계는 상기 분사 명령 시간에 의하여 상기 인젝터에 전류 흐름이 생성되었다가 상기 전류 흐름이 차단됨으로써 생성되는 자기 유도 전압이 상기 출력 전압인 것일 수 있다.
상기 제2 단계는 상기 자기 유도 전압의 상기 시간 프로파일에서 변곡점을 찾고, 상기 변곡점을 기초로 상기 폐쇄 시점을 결정할 수 있다.
상기 변곡점은 상기 자기 유도 전압이 디케잉(Decaying)되는 과정 중에서 형성되는 것이 가능하다.
상기 제3 단계는 상기 분사 명령 시간에 대응하는 전류 피크값을 기반으로 개방시점을 결정하는 단계, 상기 개방 시점과 상기 폐쇄 시점까지의 시간 간격을 오프닝 듀레이션으로 결정하는 단계 및 상기 결정된 오프닝 듀레이션을 저장하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제4 단계는 상기 기준 인젝터는 상기 복수의 인젝터의 학습된 오프닝 듀레이션 각각을 비교하여 선정될 수 있다.
상기 기준 인젝터는 상기 복수의 인젝터의 학습된 오프닝 듀레이션에 대응하는 연료량을 최대치, 중간치 및 최소치로 구분시, 상기 중간치를 가지는 인젝터 중에서 선택되는 것이 가능하다.
상기 제5 단계는 상기 나머지 인젝터 각각의 학습된 오프닝 듀레이션을 상기 기준 인젝터의 학습된 오프닝 듀레이션과 일치시키고, 상기 나머지 인젝터 각각의 분사 명령 시간과 상기 기준 인젝터의 분사 명령 시간을 비교하여, 상기 일치하는 오프닝 듀레이션에 대하여 상기 기준 인젝터의 분사 명령 시간과 대응하는 상기 나머지 인젝터 각각의 분사 명령 시간을 확정함으로써, 상기 나머지 인젝터 각각에 입력될 분사 명령 시간을 결정하는 것이 바람직하다.
상기 나머지 인젝터 각각에 대하여 상기 제5 단계에서 결정된 분사 명령 시간을 인가하여 인젝터의 연료량을 제어하는 제6 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제6 단계는 상기 기준 인젝터의 학습된 오프닝 듀레이션과 연료량과의 관계를 적용하여 상기 연료량이 결정되는 것이 가능하다.
상기 영역구분단계는 상기 분사 명령 시간 대비 오프닝 듀레이션이 비선형적으로 증가하는 발리스틱 영역, 상기 분사 명령 시간이 증가하나, 상기 오프닝 듀레이션이 감소 또는 유지되는 트랜지언트 영역 및 상기 분사 명령 시간 대비 오프닝 듀레이션이 비례하여 증가하는 넌-발리스틱 영역으로 구분하되, 상기 넌-발리스틱 영역의 최소 분사 명령 시간에 대응되는 오프닝 듀레이션과 일치하는 발리스틱 영역의 분사 명령 시간을 제1 영역으로 구분하고, 상기 발리스틱 영역의 최대 분사 명령 시간에 대응되는 오프닝 듀레이션과 일치하는 넌-발리스틱 영역의 분사 명령 시간을 제2 영역으로 구분하고, 상기 제1 영역과 제2 영역을 비교하여, 상대적으로 짧은 분사 명령 시간 구간을 가지는 영역을 구분하는 것이 가능하다.
상기 영역 제외단계는 제1 영역과 제2 영역 중 상기 영역구분단계를 통해 구분된 상대적으로 짧은 분사 명령 시간 영역을 가지는 영역을 제어단계에서 제외하는 것이 바람직하다.
상기 피드백 결정단계는 상기 제1 영역과 제2 영역을 비교하여 상대적으로 짧은 분사 명령 시간 구간을 가지는 영역을 제외한 나머지 발리스틱 영역에 있어서, 나머지 발리스틱 영역의 최대 오프닝 듀레이션에 대한 분사 명령 시간(Ti) 피드백 진행 시 분사 명령 시간(Ti)을 증가하도록 하는 피드백은 수용하지 않으며, 상기 제1 영역과 제2 영역을 비교하여 상대적으로 짧은 분사 명령 시간 구간을 가지는 영역을 제외한 나머지 넌-발리스틱 영역에 있어서, 나머지 넌-발리스틱 영역의 최소 오프닝 듀레이션에 대한 분사 명령 시간(Ti) 피드백 진행 시 분사 명령 시간(Ti)을 감소하도록 하는 피드백은 수용하지 않는 것이 가능하다.
발리스틱 영역의 피드백 게인(Gain) 값을 넌-발리스틱 영역의 피드백 게인 값에 비하여 작도록 발리스틱 영역 피드백 게인을 조절하는 게인 조절단계;
를 더 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 인젝터 분사 명령 시간을 영역별로 구분하고 이와 같이 구분된 영역을 이용, 제어 대상이 되지 않는 비 제어영역을 설정하며, 비 제어영역을 제외한 발리스틱(Ballistic) 영역과 넌-발리스틱(Non-ballistic, Linear) 영역에 대한 피드백을 선택적으로 적용함으로써, 인젝터 구동시간을 정밀하게 제어 즉, 보다 정밀한 연료량 제어(인젝터 열림, 닫힘 등과 같은 구동시간 제어)가 가능한 효과가 존재한다.
도 1은 인젝터가 분사하는 연료량과 인젝터가 전기적으로 작동하는 작동 시간과의 관계를 나타낸다.
도 2는 인젝터의 기본적인 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 3(a)은 인젝터에 대한 통상적인 전류 작동 프로파일을 개략적으로 나타낸다.
도 3(b)는 인젝터의 분사 출구가 개방되는 시점과 폐쇄되는 시점을 나타낸다.
도 4는 발리스틱 구간에서 기통 별로 설치되는 각각의 인젝터의 분사 출구의 열림량의 편차를 도식화한 것이다.
도 5는 기통 별로 설치되는 각각의 인젝터에 대하여 오프닝 듀레이션의 학습을 수행하고, 학습 결과를 이용한 미세 정밀 제어로 도 4에서 나타난 편차가 보상된 모습을 나타낸다.
도 6(a)는 오프닝 듀레이션 학습에 의하여 얻어진 오프닝 듀레이션과 분사 명령 시간(Ti)과의 관계를 나타내며, 도 6(b)는 연료량과 오프닝 듀레이션과의 관계를 나타낸다.
도 7(a) 및 도 7(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 영역을 구분한 오프닝 듀레이션과 분사 명령 시간(Ti)과의 관계를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 영역별 인젝터 구동시간 제어방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
더하여, 명세서에 기재된 "부", "유닛", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일한 구성 요소에 대해서는 동일도면 참조부호를 부여하기로 하며 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 인젝터가 연소실로 분사하는 연료량(m)과 인젝터가 전기적으로 작동하는 작동 시간(Ti)과의 관계를 나타낸다. 도 1에서 X축은 마이크로세컨드(μs) 단위로 표시되고, Y축은 밀리그램(mg) 단위로 표시된다. 또한, 도 1에서 표시된 프로파일들은 복수개로서, 이는 복수의 인젝터의 연료량(m)과 작동 시간(Ti)과의 관계 프로파일들을 나타내고 있다.
여기서 인젝터가 연소실로 분사하는 연료량(m)은 인젝터가 전기적으로 작동하는 작동 시간(Ti)의 함수로서 도시될 수 있다.
도 1을 참조하면, 이러한 직접 분사 방식을 채용한 제어 시스템에 있어서 인젝터가 분사하는 연료량(m)은 인젝터가 전기적으로 작동하는 작동 시간(Ti)에 따라서 각각 다른 양상을 보이는 구간으로 나눌 수 있으며, 도 1에서의 비선형 구간에서는 복수의 인젝터들의 관계 프로파일들은 일치하지 않지만, 선형 구간에서는 대체로 일치한다.
한편, 인젝터가 전기적으로 작동하는 작동 시간(Ti)은 제어기에 의하여 인젝터에 인가되는 분사 명령 시간(Ti) 또는 인젝터를 구동시키기 위해서 인젝터로 전기적 신호가 인가되는 구동 시간(Ti)과 대응할 수 있다. 여기서 분사 명령 시간(Ti)은 예컨대 PWM 제어 신호의 형태로 인젝터에 입력되는 것일 수 있다. 따라서 이하, 본 명세서에서는 인젝터가 전기적으로 작동하는 작동 시간(Ti)을 인젝터에 인가되는 분사 명령 시간(Ti)으로서 기술한다.
도 2는 인젝터의 기본적인 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 2(a)는 인젝터가 폐쇄 상태에 있는 모습을 나타내고, 도 2(b)는 개방 상태에 있는 모습을 나타낸다.
인젝터(100)는 실시예에 따라서 분사 출구(110)를 개폐하는 밸브(120), 끝단이 밸브(120)와 연결되는 니들(130), 니들(130)과 결합되어 니들(130)을 직선 운동시키는 아마추어(140), 아마추어(140)를 둘러싸며 배치되고 전자기장의 경로를 형성하는 자성부재(150), 솔레노이드 자기장을 형성하는 솔레노이드 코일(160), 이동된 니들(130)과 아마추어(140)를 복귀시키는 리턴 스프링(170)을 포함하여 구성될 수 있으며, 솔레노이드 코일(160)은 와이어 하네스(180)에 의하여 제어부(미도시)와 전기적으로 연결되어 제어 신호를 전송받을 수 있다.
인젝터(100)의 작동의 일 실시예는 솔레노이드 코일(160)에 제어 신호가 인가되면 자성부재(150)에 전자기장이 형성되고 자성부재(150)와 자기력 집중에 의하여 흡인력이 생겨 아마추어(140)가 이동하며, 아마추어(140)가 니들(130)을 이동시킴으로써 분사 출구(110)를 개방 또는 폐쇄하는 방식으로 이루어질 수 있다. 도 2(b)는 아마추어, 니들 및 밸브가 상방향으로 이동하여 분사 출구(110)를 개방한 모습을 나타낸다.
도 3(a)은 인젝터에 대한 통상적인 전류 작동 프로파일을 개략적으로 나타낸다. 도 3(b)는 인젝터의 분사 출구가 개방되는 시점과 폐쇄되는 시점을 나타낸다. 도 3(a)에서 X축은 시간(t)을 나타내고 Y축은 전류(I) 또는 전압(V)의 세기를 나타낸다. 여기서 굵은 선은 전류(I)에 대한 시간 프로파일을 나타내고, 얇은 선은 전압(V)에 대한 시간 프로파일을 나타낸다.
도 3(b)는 인젝터의 밸브가 리프트(Lift)되어 미케니컬(Mechanical)하게 딜레이(Delay)되면서 분사 출구(110)가 개방되는 시점(P)과 밸브(120)가 안착되어 분사 출구(110)가 폐쇄되는 시점(Q)을 나타낸다. 도 3(b)는 밸브(120)가 개방 시점(P)에서 급속히 가속되어 개방되고, 개방 상태를 유지하다가, 폐쇄 시점(Q)에서 폐쇄되는 것을 나타낸다.
개방 시점(P)은 전류(I)에 대한 시간 프로파일의 전류 최대치(I_peak)에 조금 못미치는 위치와 대응하고, 폐쇄 시점(Q)은 전압(V)에 대한 시간 프로파일의 변곡점(I_point)의 위치와 대응한다.
인젝터(100)의 개방 시점(P) 또는 폐쇄 시점(Q)을 제어하는 제어부는 인젝터(100)로 제어 신호를 전송하여 인젝터(100)의 분사 출구(110)를 개방 또는 폐쇄한다.
상기 제어부에서 전송된 제어 신호에 의하여 인젝터(100)의 솔레노이드 코일(160)에 흐르는 전류(I)가 전류 최대치(I_peak)에 도달될 때까지 부스트 전압(V_boost)이 인가되면 전류(I)의 급격한 상승의 결과로서 인젝터(100)의 분사 출구(110)가 가속되는 방식으로 개방된다.
인젝터(100)의 전기적 작동의 시작 시점은 부스트 전압(V_boost)이 인가되어 전류 최대치(I_peak)에 도달되는 과정에서 결정되며, 이 전기적 작동의 시작 시점이 인젝터(100)의 분사 출구(110)의 개방 시점(P)이 될 수 있다.
분사 출구(110)의 개방 시점(P)은 인젝터(100)에 전기적 신호가 입력되어 니들(130)이 급격히 가속화되어 리프트되는 시점이므로 기통 별로 설치된 각각의 인젝터(100)가 모두 동일 또는 유사하다.
한편, 스위칭 오프에 의하여 인젝터(100)의 솔레노이드 코일(160)에 흐르는 전류를 차단하면, 무전류 상태의 솔레노이드 코일(160)에는 자기-유도 전압(V)이 형성되고 이 자기-유도 전압(V)은 솔레노이드 코일(160)을 통과하는 전류 흐름을 야기하며, 이 전류 흐름은 자기장을 감소시키면서 다시 자기-유도 전압(V)을 생성한다. 자기-유도 전압(V)은 도 3(a)에서 네가티브(Negative) 전압(V)으로 표현되며 시간이 지나면서 0 볼트(V)로 수렴한다. 자기력의 감소 이후 인젝터(100)의 분사 출구(110)는 리턴 스프링(170)의 탄성력, 연료 압력 등에 의하여 유발되는 회복력에 의하여 폐쇄된다.
스위칭 오프에 의하여 자기-유도 전압(V)이 0 볼트(V)로 수렴하는 과정에서 전압(V)에 대한 시간 프로파일에는 변곡점(I_point)이 형성될 수 있으며, 이 변곡점(I_point)이 형성되는 시점이 인젝터(100)의 분사 출구(110)의 폐쇄 시점(Q)이 될 수 있다.
오프닝 듀레이션(Opening Duration)은 인젝터(100)가 개방되어 있는 동안의 시간에 해당되며, 연료가 분사되는 동안의 시간 구간을 의미할 수 있으며, 인젝터(100)의 개방 시점(P)과 폐쇄 시점(Q) 간의 시간 구간으로 정의될 수 있다.
내연기관의 기통 별로 설치되는 인젝터(100) 모두의 개방 시점(P)은 동일 또는 유사하고, 폐쇄 시점(Q)만 달라지므로 분사 명령 시간(Ti)에 대응하는 폐쇄 시점(Q)의 학습은 오프닝 듀레이션의 학습이 될 수 있다.
도 4는 분사 명령 시간 - 오프닝 듀레이션 그래프의 비선형 구간에서 기통 별로 설치되는 각각의 인젝터의 분사 출구의 열림량의 편차를 도식화한 것이다.
도 4의 X축은 마이크로세컨드(μs) 단위로 표시되는 시간(t)축을 나타내고, Y축은 마이크로미터(μm) 단위로 표시되는 인젝터의 니들(130)의 리프트(Lift) 양을 나타낸다.
도 5는 기통 별로 설치되는 각각의 인젝터에 대하여 오프닝 듀레이션의 학습을 수행하고, 학습 결과를 이용한 미세 정밀 제어로 도 4에서 나타난 편차가 보상된 모습을 나타낸다.
후술할 도 6(a)의 발리스틱 구간(A)에서는 분사 출구(110)의 개방 시점(P)은 동일하여도 폐쇄 시점(Q)은 제각각이어서 인젝터(100)에 동일한 분사 명령 시간(Ti)을 인가하였는데도 불구하고 어떤 인젝터(100)는 풀 리프트(Full-Lift)에 도달하지만, 어떤 인젝터(100)는 풀 리프트에 도달하지 못하는 상태가 된다.
즉 동일한 분사 명령 시간(Ti)이 인가되더라도 각각의 기통에 설치된 인젝터(100)의 오프닝 듀레이션(Opening Duration)이 모두 다르다.
이러한 오프닝 듀레이션의 차이는 연소실로 분사되는 연료량의 차이를 가져오므로 인젝션의 정확한 제어가 어렵다.
기통 별로 설치된 각각의 인젝터(100)의 종류는 동일한 분사 명령 시간(Ti)을 인가시 각각의 인젝터(100)가 분사하는 연료량(m)의 크기에 따라서 미니멈(Minimum) 인젝터, 노미널(Norminal) 인젝터, 맥시멈(Maximum) 인젝터로 나눌 수 있으며, 여기서 노미널 인젝터를 기준 인젝터로 선정하여 기준 인젝터에 대한 분사 명령 시간(Ti)과 오프닝 듀레이션의 관계를 확정하여 맵핑하고, 기준 인젝터의 오프닝 듀레이션과 동일한 오프닝 듀레이션이 출력되도록 다른 인젝터(100)의 분사 명령 시간(Ti)을 각각 확정함으로써 모든 인젝터(100)의 오프닝 듀레이션이 동일하게 출력되도록 할 수 있다.
다시 도 1 및 도 3을 참조하여 설명하면, 모든 인젝터(100)의 오프닝 듀레이션이 동일하게 출력되도록 하기 위하여 모든 인젝터(100)에 대하여 오프닝 듀레이션을 학습할 필요가 있다.
오프닝 듀레이션의 학습은 모든 인젝터(100)에 대하여 기 설정된 다양한 분사 명령 시간(Ti)을 인가하고 스위칭 오프시 자기-유도에 의하여 생성되는 출력 전압(V)을 수신한 뒤에, 출력 전압(V)의 시간 프로파일을 분석하여 변곡점(I_point)을 파악하고, 이 변곡점(I_point)에 기초하여 분사 출구(110)의 폐쇄 시점(Q) 또는 오프닝 듀레이션을 결정하는 방법으로 이루어질 수 있다.
이렇게 각각의 인젝터(100)에 대하여 오프닝 듀레이션을 학습하여 모든 인젝터(100)에 대하여 분사 명령 시간(Ti)과 오프닝 듀레이션 간에 관계를 확정하여 맵핑(후술할 도 6(a)를 참조)하고, 기준 인젝터(100)의 오프닝 듀레이션과 동일 또는 유사한 오프닝 듀레이션이 출력되도록 기준 인젝터(100) 이외의 인젝터(100)의 분사 명령 시간(Ti)을 확정함으로써 모든 인젝터(100)의 오프닝 듀레이션을 일치시킬 수 있는 것이다.
도 6(a)는 오프닝 듀레이션 학습에 의하여 얻어진 오프닝 듀레이션과 분사 명령 시간과의 관계를 나타낸다. 도 6(a)의 프로파일은 기 설정된 복수의 학습 포인트에 대응하는 분사 명령 시간(Ti)을 인젝터(100)에 인가하고 그 출력 전압(V)의 시간 프로파일 상에서 변곡점(I_point)을 찾아서 인젝터(100)의 폐쇄 시점(Q) 즉 오프닝 듀레이션을 결정하고 이를 맵핑한 것을 나타낸다.
도 6(a)는 오프닝 듀레이션과 분사 명령 시간(Ti)과의 관계가 발리스틱 구간(A, Ballistic), 트랜지언트 구간(B, Transient) 및 넌-발리스틱 구간(C, Non-Ballistic 즉, Linear)으로 구별되어, 연료량(m)과 분사 명령 시간(Ti)과의 관계와 매우 유사함을 나타내는데, 이렇게 유사한 이유는 후술할 도 6(b)에 의하여 설명된다.
도 6(b)은 연료량과 오프닝 듀레이션과의 관계를 나타낸다.
한편, 전술한 바와 같이 오프닝 듀레이션(Opening Duration)은 연료 분사 시간이므로 연소실로 분사되는 연료량(m)에 직접적으로 영향을 미친다. 따라서 인젝터(100)가 분사하는 연료량(m)은 오프닝 듀레이션과의 관계에서 약간의 오프셋(Off-set)은 있을 수 있겠지만, 선형적인 관계일 수 밖에 없다. 따라서, 연료량(m)과 오프닝 듀레이션과의 관계를 맵핑(도 6(b)를 참조)하고 전술한 오프닝 듀레이션과 분사 명령 시간(Ti)과의 관계를 맵핑(도 6(a)를 참조)함으로써, 제어기는 운전자가 요구하는 요구 연료량에 대응하는 분사 명령 시간(Ti)을 선택해서 출력할 수 있다.
하지만, 전술한 바에 따라서 오프닝 듀레이션과 분사 명령 시간(Ti)과의 관계를 정확하게 맵핑을 하더라도, 특정 분사 명령 시간(Ti)영역에서 트랜지언트 영역을 포함한 맵핑이 형성되는 결과가 발생한다.
따라서, 특정 분사 명령 시간(Ti)영역에 형성하는 트랜지언트 영역 맵핑을 그대로 두고 소정 오프닝 듀레이션 값에 대응되는 분사 명령 시간(Ti)에 대한 피드백을 진행할 경우, 오프닝 듀레이션 값이 증가함에도 오히려, 요구되는 분사 명령 시간(Ti)이 감소하는 결과가 발생한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는, 분사 명령 시간(Ti)에 따른 각 인젝터에 대한 오프닝 듀레이션(Opening Duration)을 학습하는 오프닝 듀레이션 학습단계(S10), 상기 분사 명령 시간에 따라 학습된 각 인젝터에 대한 오프닝 듀레이션 프로파일을 기초로 분사 명령 시간의 영역을 발리스틱(Ballistic), 트랜지언트(Transient) 및 넌-발리스틱(Non-Ballistic) 영역으로 구분하는 영역구분단계(S20), 상기 영역구분단계를 통해서 제외영역으로 구분된 분사 명령 시간(Ti)영역을 제어대상에서 제외하는 영역 제외단계(S30) 및 상기 발리스틱 영역 및 상기 넌-발리스틱 영역 상의 특정 오프닝 듀레이션 값에 대한 분사 명령 시간(Ti) 피드백(Feedback) 진행 시 피드백 여부를 결정하는 피드백 결정단계(S40)를 포함하는 영역별 인젝터 구동시간 제어방법을 제공할 수 있다.(도 8 참고.)
도 7 및 도 8을 참고하여 보다 구체적으로 설명하면, 도 7(a) 및 도 7(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 영역을 구분한 오프닝 듀레이션과 분사 명령 시간(Ti)과의 관계를 나타낸다.
이 경우, 상기 영역구분단계를 통해, 도 7(a) 및 도 7(b)의 그래프 상에서 각 영역을 상기 분사 명령 시간 대비 오프닝 듀레이션이 비선형적으로 증가하는 발리스틱 영역, 상기 분사 명령 시간이 증가하나, 상기 오프닝 듀레이션이 감소 또는 유지되는 트랜지언트 영역 및 상기 분사 명령 시간 대비 오프닝 듀레이션이 비례하여 증가하는 넌-발리스틱 영역으로 구분하되, 상기 넌-발리스틱 영역의 최소 분사 명령 시간에 대응되는 오프닝 듀레이션과 일치하는 발리스틱 영역의 분사 명령 시간을 제1 영역으로 구분하고, 상기 발리스틱 영역의 최대 분사 명령 시간에 대응되는 오프닝 듀레이션과 일치하는 넌-발리스틱 영역의 분사 명령 시간을 제2 영역으로 구분하고, 상기 제1 영역과 제2 영역을 비교하여, 상대적으로 짧은 분사 명령 시간 구간을 가지는 영역을 구분하는 것이 바람직하다.
도 7(a)는 제1 영역이 제2 영역에 비하여 상대적으로 짧은 분사 명령 시간 구간을 가지는 것을 도시하며, 도 7(b)는 제2 영역이 제1 영역에 비하여 상대적으로 짧은 분사 명령 시간 구간을 가지는 것을 도시한다.
이렇게 구분된 영역을 대상으로, 제1 영역과 제2 영역 중 상기 영역구분단계를 통해 구분된 상대적으로 짧은 분사 명령 시간 영역을 가지는 영역을 제어단계에서 제외하는 영역 제외단계를 수행하는 것이 바람직하다.
이러한 트랜지언트 영역을 포함한 소정의 영역을 제외하는 것은, 특정한 오프닝 듀레이션에 대한 분사 명령 시간(Ti)의 매칭을 진행하여 피드백을 받아야 하는 제어과정에 있어서, 트랜지언트 영역을 포함할 경우 특정한 오프닝 듀레이션에 대한 2개 이상의 분사 명령 시간(Ti)이 결정될 수 있어 올바른 인젝터의 상태파악과 피드백이 이루어질 수 없는 문제점이 존재하기 때문이다.
따라서, 전술한 바와 같이 상기 제1 영역과 제2 영역을 비교하여, 상대적으로 짧은 분사 명령 시간 구간을 가지는 영역을 구분하여 이를 제외시킴으로써, 특정한 오프닝 듀레이션에 대한 분사 명령 시간(Ti)의 1:1 매칭이 이루어질 수 있는 효과가 존재한다.
이 경우, 파일럿 오프닝 듀레이션-분사 명령 시간의 맵핑과정에서는 위와 같은 제외되는 영역을 인식할 수 있으나, 피드백이 진행되는 과정에서는 상기와 같은 제외 영역을 고려한 별도의 피드백 프로토콜이 존재하지 않으므로, 트랜지언트 영역을 포함하여 제어대상에서 제외된 영역(도7(a) 및 도7(b)의 ②영역)을 포함하여 피드백을 진행하는 것을 방지할 필요가 존재한다.
즉, 상기 제1 영역과 제2 영역을 비교하여 상대적으로 짧은 분사 명령 시간 구간을 가지는 영역을 제외한 나머지 발리스틱 영역(①영역)에 있어서, 나머지 발리스틱 영역(①영역)의 최대 오프닝 듀레이션(도7(a)에서는 약 0.09, 도7(b)에서는 약 0.05)에 대한 분사 명령 시간(Ti) 피드백 진행 시 분사 명령 시간(Ti)을 증가하도록 하는 피드백은 수용하지 않으며(PID제어에서의 +I term 적산 금지), 상기 제1 영역과 제2 영역을 비교하여 상대적으로 짧은 분사 명령 시간 구간을 가지는 영역을 제외한 나머지 넌-발리스틱 영역(③영역)에 있어서, 나머지 넌-발리스틱 영역(③영역)의 최소 오프닝 듀레이션(도7(a)에서는 약 0.09, 도7(b)에서는 약 0.05)에 대한 분사 명령 시간(Ti) 피드백 진행 시 분사 명령 시간(Ti)을 감소하도록 하는 피드백은 수용하지 않는(PID제어에서의 -I term 적산 금지) 피드백 결정단계가 요구된다.
이러한 피드백을 선택적으로 결정하는 피드백 결정단계를 수행함에 따라, 분사 명령 시간이 증가하는 피드백 수행 시 오프닝 듀레이션이 오히려 감소하는 결과나, 그 역의 결과를 방지하는 것이 가능하다.
또한, 상기 발리스틱 영역의 피드백 게인(Gain) 값을 넌-발리스틱 영역의 피드백 게인 값에 비하여 작도록 발리스틱 영역 피드백 게인을 조절하는 게인 조절단계(S50)를 더 포함하는 것이 가능하다.
이는 제어의 효율을 상승시키기 위한 방법으로써, 상기 발리스틱 영역의 PID제어의 I term 적산 수행시 I term gain값이 넌-발리스틱 영역의 I term gain 값에 비하여 상대적으로 크므로, 이와 같은 발리스틱 영역의 I term gain값을 넌-발리스틱 영역의 피드백 게인 값에 비하여 작도록 하는 보정을 하여, 전체적인 PID제어과정이 보다 원활할 수 있도록 하는 제어효과 개선방안에 해당한다.
전술한 피드백 게인(Gain) 값을 조절하는 게인 조절단계는, 트랜지언트 영역을 포함하여 제어대상에서 제외된 영역(도7(a) 및 도7(b)의 ②영역)을 포함한 전체 발리스틱 영역 및 넌-발리스틱 영역에 대하여 적용됨이 바람직하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 인젝터
110: 분사 출구
120: 밸브
130: 니들
140: 아마추어
150: 자성부재
160: 솔레노이드 코일
170: 리턴 스프링
180: 와이어 하네스

Claims (15)

  1. 분사 명령 시간(Ti)에 따른 각 인젝터에 대한 오프닝 듀레이션(Opening Duration)을 학습하는 오프닝 듀레이션 학습단계;
    상기 분사 명령 시간에 따라 학습된 각 인젝터에 대한 오프닝 듀레이션 프로파일을 기초로 분사 명령 시간의 영역을 발리스틱(Ballistic) 영역, 트랜지언트(Transient) 영역 및 넌-발리스틱(Non-Ballistic) 영역으로 구분하는 영역구분단계;
    상기 영역구분단계를 통해서 제외영역으로 구분된 분사 명령 시간(Ti)영역을 제어대상에서 제외하는 영역 제외단계; 및
    상기 발리스틱 영역 및 상기 넌-발리스틱 영역 상의 특정 오프닝 듀레이션 값에 대한 분사 명령 시간(Ti) 피드백(Feedback) 진행 시 피드백 여부를 결정하는 피드백 결정단계;
    를 포함하되,
    상기 영역구분단계는,
    상기 분사 명령 시간 대비 오프닝 듀레이션이 비선형적으로 증가하는 발리스틱 영역, 상기 분사 명령 시간이 증가하나, 상기 오프닝 듀레이션이 감소 또는 유지되는 트랜지언트 영역 및 상기 분사 명령 시간 대비 오프닝 듀레이션이 비례하여 증가하는 넌-발리스틱 영역으로 구분하고,
    상기 넌-발리스틱 영역의 최소 분사 명령 시간에 대응되는 오프닝 듀레이션과 일치하는 발리스틱 영역의 분사 명령 시간을 제1 영역으로 구분하고, 상기 발리스틱 영역의 최대 분사 명령 시간에 대응되는 오프닝 듀레이션과 일치하는 넌-발리스틱 영역의 분사 명령 시간을 제2 영역으로 구분하는 것을 특징으로 하는 영역별 인젝터 구동시간 제어방법
  2. 제1항에 있어서,
    상기 오프닝 듀레이션 학습단계는,
    복수의 인젝터 각각에 대하여 분사 명령 시간을 인가하고, 그 출력 전압에 대한 시간 프로파일을 확보하는 제1 단계;
    상기 시간 프로파일을 평가하여 상기 인젝터의 폐쇄 시점을 결정하는 제2 단계;
    상기 폐쇄 시점을 기반으로 상기 인젝터의 오프닝 듀레이션(Opening Duration)을 학습하는 제3 단계;
    상기 복수의 인젝터 중에서 기준 인젝터를 선정하는 제4 단계; 및
    상기 기준 인젝터의 학습된 오프닝 듀레이션을 기반으로 상기 기준 인젝터를 제외한 나머지 인젝터에 입력될 분사 명령 시간(Ti)을 결정하는 제5 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 영역별 인젝터 구동시간 제어방법
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 단계는,
    상기 분사 명령 시간에 의하여 상기 인젝터에 전류 흐름이 생성되었다가 상기 전류 흐름이 차단됨으로써 생성되는 자기 유도 전압이 상기 출력 전압인 것을 특징으로 하는 영역별 인젝터 구동시간 제어방법
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 단계는,
    상기 자기 유도 전압의 상기 시간 프로파일에서 변곡점을 찾고, 상기 변곡점을 기초로 상기 폐쇄 시점을 결정하는 것을 특징으로 하는 영역별 인젝터 구동시간 제어방법
  5. 제4항에 있어서,
    상기 변곡점은 상기 자기 유도 전압이 디케잉(Decaying)되는 과정 중에서 형성되는 것을 특징으로 하는 영역별 인젝터 구동시간 제어방법
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제3 단계는,
    상기 분사 명령 시간에 대응하는 전류 피크값을 기반으로 개방시점을 결정하는 단계,
    상기 개방 시점과 상기 폐쇄 시점까지의 시간 간격을 오프닝 듀레이션으로 결정하는 단계 및
    상기 결정된 오프닝 듀레이션을 저장하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 영역별 인젝터 구동시간 제어방법
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제4 단계는,
    상기 기준 인젝터는 상기 복수의 인젝터의 학습된 오프닝 듀레이션 각각을 비교하여 선정되는 것을 특징으로 하는 영역별 인젝터 구동시간 제어방법
  8. 제2항에 있어서,
    상기 기준 인젝터는 상기 복수의 인젝터의 학습된 오프닝 듀레이션에 대응하는 연료량을 최대치, 중간치 및 최소치로 구분시, 상기 중간치를 가지는 인젝터 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 영역별 인젝터 구동시간 제어방법
  9. 제2항에 있어서,
    상기 제5 단계는,
    상기 나머지 인젝터 각각의 학습된 오프닝 듀레이션을 상기 기준 인젝터의 학습된 오프닝 듀레이션과 일치시키고, 상기 나머지 인젝터 각각의 분사 명령 시간과 상기 기준 인젝터의 분사 명령 시간을 비교하여, 상기 일치하는 오프닝 듀레이션에 대하여 상기 기준 인젝터의 분사 명령 시간과 대응하는 상기 나머지 인젝터 각각의 분사 명령 시간을 확정함으로써, 상기 나머지 인젝터 각각에 입력될 분사 명령 시간을 결정하는 것을 특징으로 하는 영역별 인젝터 구동시간 제어방법
  10. 제2항에 있어서,
    상기 나머지 인젝터 각각에 대하여 상기 제5 단계에서 결정된 분사 명령 시간을 인가하여 인젝터의 연료량을 제어하는 제6 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영역별 인젝터 구동시간 제어방법
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제6 단계는,
    상기 기준 인젝터의 학습된 오프닝 듀레이션과 연료량과의 관계를 적용하여 상기 연료량이 결정되는 것을 특징으로 하는 영역별 인젝터 구동시간 제어방법
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역과 제2 영역을 비교하여, 상대적으로 짧은 분사 명령 시간 구간을 가지는 영역을 구분하는 것을 특징으로 하는 영역별 인젝터 구동시간 제어방법
  13. 제12항에 있어서,
    상기 영역 제외단계는,
    제1 영역과 제2 영역 중 상기 영역구분단계를 통해 구분된 상대적으로 짧은 분사 명령 시간 영역을 가지는 영역을 제어단계에서 제외하는 것을 특징으로 하는 영역별 인젝터 구동시간 제어방법
  14. 제12항에 있어서,
    상기 피드백 결정단계는,
    상기 제1 영역과 제2 영역을 비교하여 상대적으로 짧은 분사 명령 시간 구간을 가지는 영역을 제외한 나머지 발리스틱 영역에 있어서, 나머지 발리스틱 영역의 최대 오프닝 듀레이션에 대한 분사 명령 시간(Ti) 피드백 진행 시 분사 명령 시간(Ti)을 증가하도록 하는 피드백은 수용하지 않으며,
    상기 제1 영역과 제2 영역을 비교하여 상대적으로 짧은 분사 명령 시간 구간을 가지는 영역을 제외한 나머지 넌-발리스틱 영역에 있어서, 나머지 넌-발리스틱 영역의 최소 오프닝 듀레이션에 대한 분사 명령 시간(Ti) 피드백 진행 시 분사 명령 시간(Ti)을 감소하도록 하는 피드백은 수용하지 않는 것을 특징으로 하는 영역별 인젝터 구동시간 제어방법
  15. 제12항에 있어서,
    발리스틱 영역의 피드백 게인(Gain) 값을 넌-발리스틱 영역의 피드백 게인 값에 비하여 작도록 발리스틱 영역 피드백 게인을 조절하는 게인 조절단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영역별 인젝터 구동시간 제어방법
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