KR102175263B1 - 액티브 퍼지 시스템을 구비한 차량에서의 공기량 특성 변화에 따른 기통 별 연료 분사량 보상 방법 - Google Patents

액티브 퍼지 시스템을 구비한 차량에서의 공기량 특성 변화에 따른 기통 별 연료 분사량 보상 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 기통별 연료 보상 방법은, 퍼지 펌프에 의해 퍼지 가스를 흡기계에 공급하는 액티브 퍼지 시스템을 구비한 차량에서의 공기량 특성 변화에 따른 기통 별 연료 보상 방법으로서, 스로틀 밸브를 통해 외부에서 각 기통으로 유입되는 신기량을, 공기량 특성 변화를 반영하여 보상하고, 퍼지 펌프의 동작 시 흡기계로 공급되는 퍼지 가스 유량 및 퍼지 가스에 포함되는 연료 성분의 양을 계산하여, 각 기통 별 실제 유입되는 공기량 및 연료 성분의 양을 확정하고, 이를 기초로 기통 별 연료 분사량을 보상하는 것을 특징으로 한다.

Description

액티브 퍼지 시스템을 구비한 차량에서의 공기량 특성 변화에 따른 기통 별 연료 분사량 보상 방법{METHOD FOR CORRECTING INJECTION AMOUNT OF FUEL OF EACH CYLINDER FOR VEHICLE COMPRISING ACTIVE PURGE SYSTEM ACCORDING TO INTAKE AIR CHARACTERISTIC}
본 발명은 차량의 공기량 특성 변화에 따른 기통 별 연료 분사량 보상 방법에 관한 발명으로서, 보다 상세하게는 액티브 퍼지 시스템을 구비한 차량에서의 흡입 공기량 특성 변화가 발생하는 경우에 이를 반영하여 기통별 연료량 편차를 저감시키기 위한 방법에 관한 것이다.
자동차 엔진에 연료를 공급할 때에, 공급 연료량은 제어부(ECU)에 의해 결정되고, 결정된 요구 연료량만큼 인젝터에 의해 연료를 엔진 내부로 분사함으로써 엔진 내부로 연료가 공급된다.
인젝터는 통상적으로 솔레노이드 벨브로 구성되며 각 기통별로 구비되어 제어부으로부터 연료 분사 신호를 받아 소정 분사 시간 동안 연료를 분사함으로써, 요구 연료량 만큼 엔진 내부로 연료를 공급한다.
한편, 기통별 공급 연료량에 편차가 발생하면, 엔진 진동 및 소음의 발생 원인이 되고, 엔진 출력 및 배기가스 특성에도 악영향을 미치게 된다. 따라서, 각 기통별로 최적의 공연비가 유지되도록 적절한 양의 연료를 분사하는 것이 매우 중요하다.
특허문헌 1에서도 되어 있는 바와 같이, 인젝터는 그 종류나 회사별로 고유의 인젝터 구동 특성 차이가 존재한다. 구체적으로는, 연료압 대비 요구 연료량에 따른 인젝터 닫힘 요구 시간은, 인젝터의 종류나 회사별로 특정한 선형 관계에 있다. 또한 인젝터 닫힘 요구 시간과 이에 대응하는 분사 명령 시간도, 인젝터의 종류나 회사별로 특정한 대응 관계에 있다.
그런데, 인젝터 구동 특성의 편차가 없는 경우에도, 각 기통별로 흡입되는 공기량에 변화가 발생되는 경우, 기통별로 공급되는 연료량에 편차가 발생되게 된다.
특히, 도 1에서 나타나 있는 바와 같이, 최근 엄격해진 환경 규제에 부응하기 위하여, 연비 및 배출 가스 특성을 개선하기 할 수 있도록, 배기가스 재순환 (Exhaust Gas Recirculation, EGR) 장치, 가변 밸브 듀레이션 기구, 과급기 등의 기술들이 엔진에 복합 적용됨에 따라 각 기통별 연료 분배성이 더욱 악화되고 있다.
예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 스로틀 밸브(1)의 개도량이 작은 경우에는, 스로틀 밸브(1) 후면에 와류가 발생해 서지 탱크(2)로부터 스로틀 밸브(1) 방향으로 흡기(G1)를 역류시키게 된다. 역류된 흡기는 스로틀 밸브(1) 일면에 부딪힌 후 흡기파이프(3)의 내측면을 타고 새로 유입된 흡기와 혼합된 상태로 서지 탱크(2)에 재 유입된다. EGR 가스(G2) 또한, 스로틀 밸브(1) 후면에 발생된 와류에 의해 서지 탱크(2)에서 스로틀 밸브(1)로 역류한 뒤 흡기파이프(3)의 내측면을 타고 새로 유입된 흡기(G1)와 혼합된 상태로 서지 탱크(2)에 재 유입된다. 따라서, EGR 가스(G2)가 흡기(G1)와 쉽게 혼합된다.
그러나, 도 3에 도시된 바와 같이, 스로틀 밸브(1)의 개도량이 큰 경우에는, 스로틀 밸브(1) 후면에 와류 발생이 미미하다. 따라서, 서지 탱크(2)로부터 스로틀 밸브(1)로 흡기가 역류되기 어렵다. 스로틀 밸브(1)를 통해 서지 탱크(2)로 유입된 흡기(G1)는 연소실에 발생된 압력 변화에 따라 특정 연소실로 이동된다. 따라서, EGR 가스(G2)는 서지탱크(2) 내부에서 흡기(G1)와 혼합될 여지가 작고, 특정 연소실로 편중된다.
나아가, 종래의 터보차저(Turbo Charger)가 장착된 엔진의 경우에는, 엔진 흡기밸브 전단의 부압 생성이 어려워 기존의 흡기부압을 이용한 퍼지(Purge) 시스템의 적용이 어렵다는 문제를 해결하기 위해 퍼지 펌프를 작동시켜 강제로 증발 가스의 퍼지를 수행하는 액티브 퍼지 시스템(Active Purge System, APS)에 대한 개발이 출원인에 의해 진행 중에 있다.
이러한 액티브 퍼지 시스템이 작동되는 경우, 연료 성분이 포함된 퍼지 가스가 흡기계로 유입되면서 기통별 연료 분배성을 더욱 악화시키는 문제점이 있다.
특허문헌 1: 공개특허공보 제2015-0114078호(2015.10.12)
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 액티프 퍼지 시스템이 적용된 차량에 있어서, 흡기 공기량의 특성 변화에 따른 기통별 공연비 편차 문제를 해소할 수 있는 기통별 연료량 보상 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 기통별 연료 보상 방법은, 퍼지 펌프에 의해 퍼지 가스를 흡기계에 공급하는 액티브 퍼지 시스템을 구비한 차량에서의 공기량 특성 변화에 따른 기통 별 연료 보상 방법으로서, 스로틀 밸브를 통해 외부에서 각 기통으로 유입되는 신기량을 산출하는 단계; 기통 별 흡입 공기량 특성 변화를 반영하여 산출된 공기량을 보상하는 단계; 퍼지 펌프의 동작 시 흡기계로 공급되는 퍼지 가스 유량 및 퍼지 가스에 포함되는 연료 성분의 양을 계산하는 단계; 보상된 상기 신기량을 퍼지 가스의 유량으로 보정하여 최종 공기량을 산출하는 단계; 최종 공기량 및 퍼지 가스에 포함되는 연료 성분의 양을 기초로, 기통별 목표 공연비를 만족하도록 기통 별 연료 분사량을 보상하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
보다 바람직하게는, 상기 차량은 스로틀 밸브를 통해 유입되는 신기의 과급을 행하는 과급 수단을 구비하고, 산출된 신기량을 보상하는 단계에서는, 과급 수단에 의해 과급되는 흡기의 과급압 및 차량의 엔진의 회전수에 따라 신기량을 보상한다.
보다 바람직하게는, 상기 차량은 배기가스의 일부를 상기 차량의 흡기계로 재순환시키는 배기가스 재순환(Exhaust Gas Re-circulation, EGR) 장치를 구비하고, 산출된 신기량을 보상하는 단계에서는, 배기가스 재순환 장치에 의해 재순환되는 배기가스량에 의거하여 신기량을 보상한다.
보다 바람직하게는, 상기 차량은 연속 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비하고,흡기 밸브의 열림 시점에 엔진의 실린더 내부에 잔류하는 잔류 공기량과, 흡기 밸브와 배기 밸브의 밸브 오버랩 시에 연속 가변 밸브 듀레이션 기구의 동작에 의해 변경되는 밸브 듀레이션에 근거하여 산출되는 기통 내부로의 역류 가스량을 이용하여 신기량을 보상하는 것을 특징으로 한다.
보다 바람직하게는, 퍼지 가스에 포함되는 연료 성분의 양을 산출하는 단계에서는, 실외 온도 및 차량이 위치하는 지점의 고도에 따라, 앞서 산출된 연료 성분의 양을 보상하는 단계를 포함한다.
보다 바람직하게는, 기통 별 연료 분사량을 보상하는 단계에서는, 차량의 운전 모드 별로 목표 공연비를 조정하는 단계를 더 포함한다.
보다 바람직하게는, 엔진 러프니스 또는 흡배기 밸브의 맥동이 보상되도록 각 기통별 흡배기 밸브의 열림 및 닫힘 시기를 진각 또는 지각시키는 단계를 더 포함한다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 기통 별 연료 보상 방법은, 퍼지 펌프에 의해 퍼지 가스를 흡기계에 공급하는 액티브 퍼지 시스템을 구비한 차량에서의 공기량 특성 변화에 따른 기통 별 연료 보상 방법으로서, 스로틀 밸브를 통해 외부에서 각 기통으로 유입되는 신기량에 근거하여, 각 기통별 인젝터 분사 시간을 계산하는 단계; 흡입 공기량 특성 변화를 반영하여 인젝터 분사 시간을 보상하는 단계; 펌프 동작 시, 흡기계로 유입되는 퍼지 유량 및 상기 퍼지 가스에 포함되는 연료 성분의 양에 따라 인젝터 분사 시간을 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
보다 바람직하게는, 흡입 공기량 특성 변화를 반영하여 인젝터 분사 시간을 보상하는 단계에서는, 인젝터의 분사압 및 연소실 내부압에 따라 인젝터 분사 시간을 보정하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 흡입 공기량 특성 변화를 반영하여 상기 인젝터 분사 시간을 보상하는 단계에서는, 흡배기 밸브의 밸브 오버랩에 의해 기통 내로 유입되는 내부 EGR량, 배기가스 재순환 장치에 의해 흡기계로 유입되는 외부 EGR량 및 과급 수단의 작동 시의 과급압의 변화에 따른 흡입 공기 변화량 중 적어도 어느 하나의 인자에 의해 인젝터 분사 시간을 보정하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 현재 차량의 운전 모드에 따라 상기 각 기통 별로 연료 분사 시간 보정량이 모델링된 맵에 근거하여 연료 분사 시간을 보정하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 엔진 러프니스 또는 흡배기 밸브의 맥동이 보상되도록 각 기통별 흡배기 밸브의 열림 및 닫힘 시기를 진각 또는 지각시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따른 기통별 연료 분사량 보상 방법에 의하면, 배기가스 특성 향상 및 연비 향상을 위한 기술들이 엔진에 복합 적용되는 경우에도, 각 기술들이 공연비에 미치는 영향을 정확히 반영하여 기통별 연료량 편차 문제를 해소할 수 있다. 이를 통해, 기통별 연료 분배성 악화로 인한 배기가스 특성 악화 및 엔진 출력 저하 등을 사전에 방지할 수 있다.
도 1은 엔진에 적용되는 복합 기술을 도시하는 도면이다.
도 2 및 도 3은 종래 스로틀 밸브 및 서지 탱크의 예시 단면도이다.
도 4는 연료 공급 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 5는 액티브 퍼지 시스템이 적용된 엔진 시스템을 도시한 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기통별 연료 보상 방법을 도시하는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 기통별 연료 보상 방법을 도시하는 순서도이다.
도 8은 가변 밸브 듀레이션 기구에 의해 변화되는 밸브 듀레이션 및 그 때의 밸브 프로파일의 변화를 나타내는 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 밸브 오버랩 시에, 가변 밸브 듀레이션 기구를 이용하여 각각 흡기 밸브와 배기 밸브의 듀레이션을 변경한 경우, 밸브 프로파일의 변화를 나타내는 도면이다.
도 10은 퍼지 가스 유량과 퍼지 펌프의 전후단 압력차의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 퍼지 농도와 퍼지 펌프 후단 압력의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 기통별 연료 보상 방법에 대해서 상세히 설명한다.
먼저, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기통별 연료 보상 방법이 적용될 수 있는 엔진의 연료 공급 시스템을 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기통별 연료 보상 방법이 적용될 수 있는 엔진의 액티브 퍼지 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 연료 공급 시스템은, 저압 영역과 고압 영역을 갖는다. 저압 영역은 연료탱크(T) 및 연료탱크(T)를 펌프(P)와 연결하는 오일라인(O)이다. 고압 영역은 연료를 가압하는 펌프(P) 및 펌프(P)에 의해 가압된 연료가 수용되고 각 인젝터(600)와 연결된 분배관(D)이다. 고압 영역은 펌프(P) 작동에 발생되는 열에 의해 온도가 매우 높다. 따라서, 오일 라인(O)에 충분한 압력이 가해져야 오일라인(O)에 존재하는 연료가 액체 상태로 존재 가능하다. 따라서, 엔진 제어부에서는, 연료를 압축하는 펌프(P) 내부에 존재하는 연료의 온도에 따라 펌프(P)의 연료 압축력을 변경해 오일 라인(O)에 존재하는 연료를 액체 상태로 유지한다. 그리고, 각 인젝터(600) 작동시 분배관(D)에 존재하던 가압 상태의 연료가 인젝터(600)를 통해 각 연소실(R)에 분사된다.
도 4 및 도 5을 참조하면, 본 발명에 따른 기통 별 연료 분사량 보상 방법이 적용될 수 있는 차량의 연료 보상 시스템은, 증발가스를 흡착하도록 연료탱크(14)와 연결된 캐니스터(17)와, 캐니스터(17)와 흡기파이프(23)를 연결하는 퍼지라인(18)과, 퍼지라인(18)에 장착된 압력 및 온도 센서(19) 및 퍼지 펌프(20)와, 흡기파이프(23)와 액티브 퍼지 펌프(20) 사이에 위치하도록 퍼지라인에 장착된 압력 및 온도 센서(21) 및 PSSV(22)을 구비한다. 그리고 연료 탱크(14)에는 연료 탱크 압력 센서(15)가 구비되어 연료 탱크 내부에서의 압력을 측정한다.
또한, 차량은, 흡기파이프(23)와 연결된 연소실(R) 별로 연료를 분사하는 복수개의 인젝터(600)와, 연소실(3)과 연결된 배기파이프(11)와, 배기파이프(11)로부터 흡기파이프(23)로 배기가스를 순환시키는 EGR 장치(12, 13)와, 흡기파이프(23) 상에 배치된 에어 필터(2) 및 스로틀 밸브(1)를 포함한다. 또한 스로틀 밸브(1)의 하류측에는 스로틀 밸브(1)로부터 유입되는 신기 유량을 측정하기 위한 공기량 센서(4) 가 구비된다. 또한, 흡기 매니폴드 상에는 흡기 매니폴드 압력 센서(6)가 구비되어 흡기 매니폴드 내부압을 측정함으로써 흡기 매니폴드 내부에서의 유량을 추정한다. 또한 배기 파이프(11) 상에는 배기가스의 배기온 및 배기압을 측정하기 위한 센서(24)가 구비된다.
또한, 차량은 터빈(8), 컴프레서(7) 및 EWGA(9)로 구성되는 과급 수단을 구비한다. 과급 수단은 배기 파이프(11)로부터 배출되는 배기 가스를 이용하여 터빈(8)을 회전시키고, 터빈(8)과 동축으로 연결된 컴프레서(7)에 의해 신기를 과급한 후, 흡기계로 유입되도록 하여, 엔진 토크 및 연비를 향상시킨다. 전기식 웨이스트 게이트 액추에이터(EWGA)(9)는 운전 조건에 따라 터빈(8)의 바로 앞에서 개방되는 밸브인 웨이스트 게이트 밸브를 제어하여 과급압을 컨트롤하는 역할을 수행한다. EWGA는 ECU의 구동 칩으로부터 신호를 받아 제어된다.
이하에서는, 도 5를 참고로 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 기통별 연료량 보상 방법에 대해서 설명한다.
도 5에서 도시된 바와 같이, 먼저 먼저 스로틀 밸브(1)로부터 유입되는 신기량을 측정(S100)한다. 바람직하게는, 신기량은 스로틀 밸브(1) 후단에 설치된 공기량 센서(MASS AIF FLOW SENSOR, MAF 센서)(4)를 통해 측정될 수 있다.
다음으로, ECU는 과급기 작동 시 기통별 공기량을 보상한다(S101). 과급기 작동 시에는, 스로틀 밸브로부터 흡입되는 신기량이 압력이 변화하여 그 공기량 특성이 변화하게 되는바, 이를 고려하여 보상하는 것이다. 보다 구체적으로는 EWGA(9)에 의해 제어되는 과급압 및 엔진 회전수에 의해 정의되는 맵에 의해, 흡입 공기량을 보상한다.
스로틀 밸브(1)를 통해 흡입된 공기는 과급기의 컴프레스(7)에 의해 압축된 후 EGR 장치(12, 13)에 의해 환류되는 배기가스와 합류된다. 이 시점에서 또한 흡입 공기량의 특성이 변화하게 된다. 구체적으로는 배기 파이프(11)를 통해 배출되는 배기가스의 일부가 EGR 쿨러(12)에 의해 냉각된 후 EGR 밸브(13)를 통과하여 흡기 파이프(1)를 통해 유입되는 신기와 합류한다. 이를 반영하기 위하여 저압 EGR 장치(LP-EGR 장치)의 작동시 흡기계로 유입되는 EGR량(외부 EGR량)을 고려하여 공기량을 보상한다(S102). 기통별 EGR량은, EGR 통로의 흡기 통로에 대한 설치 레이아웃과 흡기 통로의 배치와 형상의 레이아웃과, EGR 밸브 등의 밸브의 제어 파라미터와 배기압 및 배기온 센서(24)에서 입력되는 배기가스의 압력 및 온도와 엔진의 회전 속도에 따른 맵을 통하여 결정될 수 있다. 이렇게 결정된 기통별 EGR량을 단계 S101에서 보상된 기통별 신기량과 합산함으로써, 각 기통별 공기량이 보상된다.
한편, CVVD를 채용하는 차량에서는 도 8에서 도시된 바와 같이, 밸브의 열림 시점과 닫힘 시점을 각각 독립적으로 제어할 수 있어, 밸브 리프트량을 유지하면서, 밸브 듀레이션을 능동적으로 변경할 수 있다. 그런데, CVVD의 작동 시 흡기 밸브와 배기 밸브의 오버랩 구간에서 배기 압력과 흡기 압력의 압력차에 의해 배기 밸브를 통과한 배기 가스가 다시 연소실로 역류하는 현상이 발생한다. 이때 배기 밸브를 통해 연소실로 역류하는 가스량(내부 EGR량)을 정확히 반영하지 않으면, 기통 별 공연비 편차가 발생하게 된다. 따라서, 단계 S103에서는 CVVD 작동 시에 내부 EGR량을 고려하여 연소실 내의 공기량을 보상한다. 구체적으로는 단계 S102에서 산출된 공기량과, 기통 내부에 잔류하는 공기량에 내부 EGR량을 합한 것을 보상된 공기량으로 한다.
여기서, 잔류 공기량은 엔진의 실린더 내부의 체적 및 내부 압력과 배기 가스 온도등을 기준으로 정해진 맵에 의해 산출될 수 있다. 실린더 내부의 체적은 흡기 밸브의 열림 시점일 때의 실린더 내의 연소실의 용적을 의미한다. 그리고 실린더의 내부 압력은 흡기계의 MAP 센서(6)로 측정되는 서지 탱크의 압력과 배기 가스의 압력을 이용하여 계산될 수 있다.
그리고 내부 EGR량은 흡기 밸브와 배기 밸브의 밸브 오버랩 시에 CVVD의 동작에 의해 변경되는 밸브 듀레이션에 근거하여 산출된다. 바람직하게는 내부 EGR량은 밸브 오버랩 구간에서 배기 압력, 흡기 압력, 배기 온도 및 밸브 오버랩 기간을 기준으로 결정되는 기본 역류 가스량을, CVVD 기구의 동작에 의해 변경되는 밸브 듀레이션에 근거하여 보정하여 얻어질 수 있다. 이 기본 역류 가스량의 보정 시에는, CVVD 기구에 의해 제어되는 흡기 또는 배기 밸브의 열림 시점 및 닫힘 시점에 근거하여 결정되는, 도 9a 및 도 9b에 도시된 밸브 프로파일의 변화를 이용하여 기본 역류 가스량을 일정 비율로 보정할 수 있다. 예컨대, 밸브 듀레이션이 증가하게 되면 동일 밸브 오버랩 구간에서 유효 열림 면적이 작아지고, 반대로 밸브 듀레이션이 감소하게 되면 동일 밸브 오버랩 구간에서 유효 열림 면적이 커지게 된다. 따라서, 이를 반영하기 위한 보정 팩터는 CVVD에 의해 제어되지 않는 경우의 흡기 밸브(20)의 밸브 프로파일과 배기 밸브의 프로파일이 겹쳐지는 면적(A1)과 연속 가변 밸브 듀레이션 기구(100)에 의해 제어되는 경우의 흡기 밸브(20)의 밸브 프로파일과 배기 밸브(30)의 프로파일(EO->EC)이 겹쳐지는 면적(A2)의 비(A2/A1)으로 산출될 수 있다.
한편, 액티브 퍼지 시스템이 적용된 차량에서는 퍼지 펌프의 작동에 따라 캐니스터에 흡착된 증발 가스 중 일부가 흡기계로 유입되게 된다. 따라서, 액티브 퍼지 시스템이 작동되는 경우, 흡기계로 유입되는 공기량 및 연소실 내에서의 연료량이 변화하게 된다. 따라서, 액티브 퍼지 시스템의 작동에 따른 공기량 특성의 변화를 정확하게 반영하지 않으면, 기통별로 정확한 연료량을 공급하기 어렵게 된다. 따라서, 이하에서는 액티브 퍼지 시스템의 작동 시에 기통별 연료 분사량을 보상하기 위한 구체적인 방법에 대해서 상세히 설명한다.
먼저, ECU는 캐니스터에 흡착된 증발가스의 총량에 따라, 차량의 속도 및 엔진 부하를 감안하여 목표 퍼지량을 설정한다(S104). 그리고, ECU는 목표 퍼지량이 충족될 수 있는 퍼지 펌프(20)의 회전수 및 PSCV(22)의 개도량을 결정하여, 액티브 퍼지 시스템을 구동한다(S105).
다음으로, ECU는 액티브 퍼지 시스템 작동 시에, 엔진의 흡기계로 유입되는 퍼지 가스량을 산출(S106)한다.
이를 위해 ECU는, 퍼지 펌프(16)의 작동을 개시한 후 일정 시간이 경과하였거나, 퍼지 펌프(16)의 목표 회전수와 현재의 퍼지 펌프(16)의 회전수의 차이가 소정 범위 내에 도달하였을 때에는 퍼지 가스 유량 및 퍼지 농도를 정확히 계산할 수 있는 환경이 이루어졌다고 판단하여, 퍼지 가스량 산출을 개시한다.
구체적으로는 ECU는 퍼지 가스량 계산을 위해, 압력 센서(19, 21)에서 각각 측정된 퍼지 펌프(20)의 전후단의 압력의 차이값을 이용한다.
본원 도 10에서는 퍼지 펌프(16)의 구동 RPM이 15000RPM인 경우와, 30000RPM인 각각의 경우에 있어서, 퍼지 펌프(20)의 전후단 압력차(ΔP)와 퍼지 유량(Q)의 관계를 도시하고 있다. 퍼지 펌프(20)의 회전수 마다 그에 대응하는 퍼지 펌프(20)의 전후단 압력차(ΔP)와 퍼지 퍼지 유량(Q)의 관계를 맵으로 작성하여 두면, ECU는 압력 센서(19, 21)로 측정한 퍼지 펌프(20)의 전후단의 압력값과, 이 맵을 이용하여 퍼지 가스량을 계산해 낼 수 있다.
한편, 퍼지 가스 중에는 소정량의 연료 성분이 포함되어 있으므로, 각 기통별로 정확한 공연비 제어를 실시하기 위해서는, 퍼지 가스에 포함된 연료 성분의 양을 계산할 필요가 있다. 따라서, 단계 S107에서는 퍼지 가스 중의 연료 성분의 량(퍼지 연료량)을 산출한다.
이를 위하 ECU는 먼저, 퍼지 펌프(20)의 회전수와, 퍼지 펌프(20)의 후단에서의 압력값의 관계를 이용하여 퍼지 농도를 결정한다.
하기의 식 (1)의 에너지 방정식에서 잘 나타나 있는 바와 같이, 퍼지 펌프에서의 양단의 압력차(ΔPAPP)는 공기의 밀도(ρ)와 비례 관계에 있다.
Figure 112019074110108-pat00001
...식(1)
그리고, 연료 성분(탄화수소)이 포함된 퍼지 가스는 순수 공기보다 밀도가 높아진다. 따라서, 특히 퍼지 밸브(22)가 닫힌 상태에서 퍼지 펌프(20)를 동작시키면, 순수 공기인 경우에 있어서 퍼지 펌프(20)의 후단의 압력보다, 탄화수소가 포함된 퍼지 가스인 경우에 있어서 퍼지 펌프(20)의 후단의 압력이 더 높게 된다. 따라서, 퍼지 펌프(20)의 후단의 압력값과 퍼지 농도는 일정한 관계를 가지게 된다.
도 11은 특정 rpm으로 구동하는 퍼지 펌프에 있어서, 퍼지 농도와 퍼지 펌프 후단 압력의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 11에서 나타나 있는 바와 같이, 퍼지 펌프(20)의 특정 회전수에 있어서, 퍼지 펌프(20) 후단의 압력과 퍼지 농도는 선형 관계를 가지고 있다. 따라서, 이러한 선형 관계를 이용하면, 소정의 회전수로 구동하는 퍼지 펌프(20)의 후단의 압력(Pmeas)을 알고 있을 때에 퍼지 농도(Cest)를 예측하는 것이 가능하다. 퍼지 펌프(20)의 회전수 마다 그에 대응하는 퍼지 펌프(20)의 후단의 압력(Pmeas)과 퍼지 농도(Cest)의 관계를 맵으로 작성하여 두면, 엔진제어유닛(6)은 압력 센서(17)로 측정한 퍼지 펌프(16)의 후단의 압력값과, 이 맵을 이용하여 퍼지 농도를 계산해 낼 수 있다.
퍼지 가스 유량이 및 퍼지 농도가 산출되면, 이를 이용하여 현재 퍼지 가스 내에 포함된 연료 성분의 질량을 계산해 낼 수 있다. 앞서 계산한 퍼지 농도는 체적비이기 때문에, 퍼지 농도를 알면 이하의 식 2를 통해 퍼지 가스의 밀도를 알 수 있다.
Figure 112019074110108-pat00002
...식(2)
(여기서, ρbas: 퍼지 가스 내 HC 밀도, ρHC: HC의 기준밀도, c: 퍼지 농도(HC 농도))
한편, 차량의 고도 및 차량 외기의 온도에 따라 퍼지 가스 내의 HC 밀도 값이 달라지게 되므로, 이부분을 보정할 필요가 있다.
또한, 보다 정확하게 퍼지 가스 내에 포함된 연료 성분의 질량을 산출해내기 위해서는 상기 퍼지 가스 내 HC 밀도(ρbas) 값에 대해, 차량의 고도 및 차량 외기의 온도에 따라 이하와 같은 식(3)을 이용하여 보정하여, 최종 HC 밀도값(ρact)를 산출한다.
Figure 112019074110108-pat00003
...식(3)
(여기서, P: 차량의 고도에 따른 대기압, temp: 외기온도)
최종 HC 밀도값(ρact)이 산출되면, 이 값을 퍼지 가스 유량(Qset)과 곱하여 이하의 식(4)와 같이 퍼지 가스 내의 연료 성분의 질량(M)을 산출해 낼 수 있다(S108).
Figure 112019074110108-pat00004
...식(4)
상기한 바와 같이, 단계 S106에서 퍼지 가스량이 산출되면, 이를 단계 S103에서 산출된 각 기통별 공기량과 합산함으로써 최종 공기량이 산출되게 된다. 그리고, 산출된 최종 공기량 및 단계 S107 및 단계 S108에서 산출된 퍼지 연료량 근거하여, 기통별 목표 공연비를 만족하기 위한 최종 필요 연료량이 산출된다(S109)
한편, 다양한 운전 모드 설정 기능을 제공하고 있는 차량에서는, 운전자에 의해 설정되는 운전 모드 별로 기통별 최적의 공연비가 변경될 수 있다. 예컨대, 운전자는 컴포트 모드, 스포cm 모드, 에코 모드 중 어느 하나의 모드를 선택할 수 있다. 에코 모드인 경우, 희박 연소가 발생될 수 있도록 컴포트 모드, 스포츠 모드에 비해 상대적으로 공연비가 린하게 제어되며. 스포츠 모드일 경우 농후한 연소가 발생하도록 공연비가 제어되게 된다.
따랏, ECU는 이러한 각 운전 모드별 특성을 고려하여 변경되는 공연비 특성에 따라 목표 연료 분사량을 수정한다(S110).
상기한 단계를 통해, ECU는 각 기통별로 인젝터를 통해 분사되는 연료량을 확정하고, 확정된 연료량에 기초하여 인젝터를 제어함으로써, 기통별 연료량을 제어한다.
한편, 연료 분사 시간 변화에 따라 엔진에 적정 범위를 넘어선 진동이 발생될 수 있다. 그리고, 흡배기 밸브에 발생하는 맥동에 의해서 연소실(R)에 도달한 증발가스의 양이 추정된 증발가스의 양과 다를 수 있다. 이에 따라, 보다 바람직하게는, 엔진 러프니스 또는 흡배기 밸브의 맥동이 보상되도록 각 기통별 흡배기 밸브의 열림 및 닫힘 시기를 진각 또는 지각시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 7은, 본 발명에 다른 바람직한 실시예에 따른 기통별 연료량 보상 방법을 도시한 순서도이다.
먼저 ECU는 스로틀 밸브(1)를 통해 유입되는 신기량을 측정하여 신기량에 근거하여 목표 공연비를 만족할 수 있는 연료량을 산출하고, 산출된 연료량을 분사하는 데 필요한 인젝터 분사 시간을 산출한다(S201).
한편, 앞서 살펴본 바와 같이, 과급기의 작동 시에는 흡입 공기압의 변경되어 공기량 특성이 변화하는바, ECU는, 과급압 및 엔진의 회전수에 근거하여 흡입 공기량을 보상하고, 보상된 공기량의 변화량에 대응하여, 목표 공연비가 만족되도록, 단계 S201에서 산출된 인젝터 분사 시간을 보상한다(S202).
또한, 앞서 살펴본 바와 같이, EGR 장치의 작동 시에는 기통별로 유입되는 외부 EGR량에 따라, 흡입 공기량의 특성이 변화하게 된다. 따라서, 각 기통별로 유입되는 외부 EGR량을 산출하여 공기량을 보상하고, 보상된 공기량 변화량에 대응하여 단계 S202에서 산출된 인젝터 분사 시간을 추가 보상한다(S203).
또한, 앞서 살펴본 바와 같이, CVVD 작동 시에는 흡기 밸브와 배기 밸브의 오버랩 시에 배기 밸브로부터 환류되는 배기가스량(내부 EGR량)에 의해, 실린더 내부의 공기량이 변화하게 된다. 따라서, ECU는 내부 EGR량을 산출하여 실린더 내부로 최종 유입되는 공기량을 보상하고 보상된 공기량 변화량에 대응하여, 단계 S203에서 산출된 인젝터 분사 시간을 추가 보상한다(S204).
한편, 연소실(R) 내부의 압력은 인젝터(600)에서 분사되는 연료에 대해 반력을 형성한다. 따라서 바람직하게는, MAP 센서(6)로부터의 신호를 근거로 연소실(R)의 내부압을 산출하고, 산출된 연소실 내부압(R)과 인젝터(600)의 분사압을 계산하여 이를 근거로 실제로 인젝터에서 시간당 분사되는 연료량을 산출하여 인젝터 분사 시간을 보상한다(S205).
또한, 앞서 살펴본 바와 같이, 액티브 퍼지 시스템의 구동 시에는 흡기계로 유입되는 퍼지 가스량 및 퍼지 가스에 포함된 연료 성분으로 인하여 연소실 내부의 공기량 및 연료량에 변화가 발생한다. 따라서, 이를 인젝터 분사 시간에 적절히 반영하기 위하여, ECU는 목표 퍼지량을 산출(S206)하고, 산출된 목표 퍼지량이 만족되도록 액티브 퍼지 시스템을 구동(S207)하여, 이 때 흡기계로 유입되는 퍼지 가스량 및 퍼지 가스에 포함된 퍼지 연료량을 산출한다(S209). 그리고, 외기 온도, 고도 등을 고려하여 산출된 퍼지 연료량을 보상(S210)한 후, 퍼지 가스량 및 보상된 퍼지 연료량과 기통 별 목표 공연비를 바탕으로, 단계 S205에서 계산된 인젝터 분사 시간을 추가 보상한다(S211).
또한, 앞서 살펴본 바와 같이, 다양한 운전 모드를 운전자에 의해 선택하는 경우, 선택된 운전 모드에 근거하여 인젝터 분사 시간을 보상한다(S212). 예컨대, 에코 모드인 경우, 희박 연소가 발생될 수 있도록 컴포트 모드, 스포츠 모드에 비해 상대적으로 인젝터(600)에 의한 연료 분사 시간이 감소된다. 스포츠 모드일 경우 농후한 연소가 발생되나, 엔진이 고출력을 발생할 수 있도록, 에코 모드, 컴포트 모드에 비해 인젝터(600)에 의한 연료 분사 시간이 증가된다. 컴포트 모드의 경우, 주행 속도, 엔진 부하에 따라, 인젝터(600)에 의한 연료 분사 시간 가감이 선택된다.
이러한 추가 보상이 완료되면, ECU는 보상이 완료된 인젝터 분사 시간 동안 인젝터가 구동하도록 인젝터를 제어한다(S213).
또한, 도 6에 도시된 실시예와 마찬가지로, 엔진 러프니스 또는 흡배기 밸브의 맥동이 보상되도록 각 기통별 흡배기 밸브의 열림 및 닫힘 시기를 진각 또는 지각시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
위와 같인 구성되는 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 기통별 연료 보상방법에 의하면, 기통별로 인젝터(600)에 의한 기본 연료 분사 시간을 산출한 다음, 각 연소실(R)에 실제로 유입된 공기량 및 연료 성분의 양을 추정해 기통별 연료 분사량을 보정하게 되므로, 기통별 연료량 편차 발생을 억제할 수 있어, 배기 가스 특성 악화 및 출력의 악화와 같은 문제점을 미연에 방지할 수 있다.
1: 스로틀 밸브 2: 에어 필터
3: 서지탱크 4: 공기량 센서
7: 컴프레서 8: 터빈
9: EWGA 12: EGR 쿨러
13: EGR 밸브 14: 연료 탱크
20: 퍼지 펌프 22: PSCV

Claims (12)

  1. 퍼지 펌프에 의해 퍼지 가스를 흡기계에 공급하는 액티브 퍼지 시스템을 구비한 차량에서의 공기량 특성 변화에 따른 기통 별 연료 보상 방법에 있어서,
    스로틀 밸브를 통해 외부에서 각 기통으로 유입되는 신기량을 산출하는 단계;
    기통 별 흡입 공기량 특성 변화를 반영하여 상기 산출된 공기량을 보상하는 단계;
    상기 퍼지 펌프의 동작 시 흡기계로 공급되는 퍼지 가스 유량 및 퍼지 가스에 포함되는 연료 성분의 양을 계산하는 단계;
    보상된 상기 신기량을 상기 퍼지 가스의 유량으로 보정하여 최종 공기량을 산출하는 단계;
    상기 최종 공기량 및 상기 퍼지 가스에 포함되는 연료 성분의 양을 기초로, 기통별 목표 공연비를 만족하도록 기통 별 연료 분사량을 보상하는 단계;를 포함하고,
    상기 퍼지 가스에 포함되는 연료 성분의 양은, 상기 퍼지 펌프의 회전수와 상기 퍼지 펌프 양단에서의 압력을 이용하여 산출된 퍼지 농도와, 상기 퍼지 가스 유량을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는, 기통 별 연료 분사량 보상 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 차량은 상기 스로틀 밸브를 통해 유입되는 신기의 과급을 행하는 과급 수단을 구비하고,
    상기 산출된 신기량을 보상하는 단계에서는,
    상기 과급 수단에 의해 과급되는 흡기의 과급압 및 차량의 엔진의 회전수에 따라 상기 신기량을 보상하는 것을 특징으로 하는, 기통 별 연료 분사량 보상 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 차량은 배기가스의 일부를 상기 차량의 흡기계로 재순환시키는 배기가스 재순환(Exhaust Gas Re-circulation, EGR) 장치를 구비하고,
    상기 산출된 신기량을 보상하는 단계에서는, 상기 배기가스 재순환 장치에 의해 재순환되는 배기가스량에 의거하여 상기 신기량을 보상하는 것을 특징으로 하는, 기통 별 연료 분사량 보상 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 차량은 연속 가변 밸브 듀레이션 기구를 구비하고,
    흡기 밸브의 열림 시점에 엔진의 실린더 내부에 잔류하는 잔류 공기량과, 흡기 밸브와 배기 밸브의 밸브 오버랩 시에 상기 연속 가변 밸브 듀레이션 기구의 동작에 의해 변경되는 밸브 듀레이션에 근거하여 산출되는 상기 기통 내부로의 역류 가스량을 이용하여 상기 신기량을 보상하는 것을 특징으로 하는, 기통 별 연료 분사량 보상 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 퍼지 가스에 포함되는 연료 성분의 양을 산출하는 단계에서는,
    실외 온도 및 차량이 위치하는 지점의 고도에 따라, 상기 산출된 연료 성분의 양을 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기통 별 연료 분사량 보상 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 기통 별 연료 분사량을 보상하는 단계에서는,
    차량의 운전 모드 별로 목표 공연비를 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 기통 별 연료 분사량 보상 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    엔진 러프니스 또는 흡배기 밸브의 맥동이 보상되도록 각 기통별 흡배기 밸브의 열림 및 닫힘 시기를 진각 또는 지각시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 기통 별 연료 분사량 보상 방법.
  8. 퍼지 펌프에 의해 퍼지 가스를 흡기계에 공급하는 액티브 퍼지 시스템을 구비한 차량에서의 공기량 특성 변화에 따른 기통 별 연료 보상 방법에 있어서,
    스로틀 밸브를 통해 외부에서 각 기통으로 유입되는 신기량에 근거하여, 각 기통별 인젝터 분사 시간을 계산하는 단계;
    흡입 공기량 특성 변화를 반영하여 상기 인젝터 분사 시간을 보상하는 단계;
    상기 펌프 동작 시, 상기 흡기계로 유입되는 퍼지 유량 및 상기 퍼지 가스에 포함되는 연료 성분의 양에 따라 상기 인젝터 분사 시간을 보상하는 단계를 포함하고,
    상기 퍼지 가스에 포함되는 연료 성분의 양은, 상기 퍼지 펌프의 회전수와 상기 퍼지 펌프 양단에서의 압력을 이용하여 산출된 퍼지 농도와, 상기 퍼지 가스 유량을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 기통 별 연료 분사량 보상 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 흡입 공기량 특성 변화를 반영하여 상기 인젝터 분사 시간을 보상하는 단계에서는,
    상기 인젝터의 분사압 및 연소실 내부압에 따라 상기 인젝터 분사 시간을 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기통 별 연료 분사량 보상 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 흡입 공기량 특성 변화를 반영하여 상기 인젝터 분사 시간을 보상하는 단계에서는,
    흡배기 밸브의 밸브 오버랩에 의해 기통 내로 유입되는 내부 EGR량, 배기가스 재순환 장치에 의해 흡기계로 유입되는 외부 EGR량 및 과급 수단의 작동 시의 과급압의 변화에 따른 흡입 공기 변화량 중 적어도 어느 하나의 인자에 의해 상기 인젝터 분사 시간을 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기통 별 연료 분사량 보상 방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    현재 차량의 운전 모드에 따라 상기 각 기통 별로 연료 분사 시간 보정량이 모델링된 맵에 근거하여 상기 연료 분사 시간을 보정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기통 별 연료 분사량 보상 방법.
  12. 청구항 8에 있어서,
    엔진 러프니스 또는 흡배기 밸브의 맥동이 보상되도록 각 기통별 흡배기 밸브의 열림 및 닫힘 시기를 진각 또는 지각시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 기통 별 연료 분사량 보상 방법.




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