KR102219308B1 - 가솔린-lpg 이중 연료 공급 시스템의 연료 분사 장치 - Google Patents

가솔린-lpg 이중 연료 공급 시스템의 연료 분사 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가솔린과 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas, LPG)를 선택적으로 엔진 연료로 사용하는 이중 연료 공급 시스템에 있어서, 별도의 제어장치를 이용하여 가솔린 연료와 LPG 연료의 분사를 제어하되, 가솔린 인젝터의 노즐 막힘 현상을 방지하고 LPG 연료공급 환경에서 저속 가속구간에서의 엔진 출력을 향상시키며, LPG 연소 온도를 낮추어 장비 내구성을 향상시킴은 물론 친환경 규격을 만족시킬 수 있도록 LPG 분사구간에서 가솔린과 LPG를 혼소하여 엔진에 공급하는 기술에 관한 것이다.

Description

가솔린-LPG 이중 연료 공급 시스템의 연료 분사 장치{Fuel injector of Gasoline-LPG bi-fuel engine system}
본 발명은 가솔린과 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas, LPG)를 선택적으로 엔진 연료로 사용하는 이중 연료 공급 시스템에 있어서, 별도의 제어장치를 이용하여 가솔린 연료와 LPG 연료의 분사를 제어하되, 가솔린 인젝터의 노즐 막힘 현상을 방지하고 LPG 연료공급 환경에서 저속 가속구간에서의 엔진 출력을 향상시키며, LPG 연소 온도를 낮추어 장비 내구성을 향상시킴은 물론 친환경 규격을 만족시킬 수 있도록 LPG 분사구간에서 가솔린과 LPG를 혼소하여 엔진에 공급하는 기술에 관한 것이다.
최근 친환경 자동차에 관심이 높아지면서 전기차, 수소연료차, 하이브리드 자동차 및 바이퓨얼 자동차 등이 등장하고 있다.
특히, 이중 연료 즉, 바이퓨얼(Bi-fuel) 자동차는 하이브리드 자동차와 달리 하나의 자동차에서 두가지 연료를 함께 사용하는 방식으로, 운전자가 주행 상황에 따른 연료 선택을 통해서 연료 효율을 높이고자 하는 신개념의 친환경 자동차이다.
일반적으로, 바이퓨얼 차량의 연료는 가솔린과 가스의 상호 장단점을 보완하기 위해 가솔린과 가스를 겸용으로 사용하고 있다.
이러한 상기 바이퓨얼 차량은 가스와 가솔린 중 어느 하나를 선택적으로 이용하기 위한 바이퓨얼(BI-FUEL) 시스템이 적용되며, 일반적으로 가솔린 차량에 가스 연료를 보조적으로 공급하도록 구성된다.
한편, 가솔린 인젝터는 흡기 매니폴드에 위치하여 연료를 분사하는 MPI 구조가 전통적이나, 최근에는 가솔린 인젝터가 연소실에 연료를 직접 분사하는 형태의 GDI 구조가 개발되어 가솔린 차량에 적용되고 있다.
또한, 가스 인젝터는 MPI구조와 같이 흡기 매니폴드에 위치하여 연료를 분사하도록 배치된다.
그러나, GDI 구조의 가솔린 인젝터가 구비된 GDI 엔진에서 LPG 사용모드시, 추가 부착된 LPG 인젝터 동작에 의해 가솔린 인젝터가 일정 이상 구동되지 않게 되면(삭제), 연소실에서 카본이나 그을림 등이 발생하여 가솔린 인젝터 노즐이 막히는 현상이 발생되는 문제가 있다.
또한, LPG 연료가 엔진에 공급되는 LPG 모드에서는 저속 가속구간에서 반응속도가 늦어 엔진 출력이 확보되지 않는 문제가 있다.
또한, LPG 연료가 엔진에 공급되는 경우, LPG 연소 특성상 가솔린에 비해 연소 온도가 높기 때문에, Nox 등의 유해가스가 배출될 확률이 높아짐은 물론, 고온 연소로 인해 주변 부품이 열화되어 장비 수명이 감소하는 문제가 야기될 수 있다.
즉, 가솔린 연료와 가스 연료를 사용하는 바이 퓨얼 시스템에서 보다 효율적인 엔진 운영을 위해서는 LPG 연료 공급으로 인해 발생되는 상기한 문제들을 해결할 방법이 요구되는 실정이다.
1. 한국등록특허 제10-1593625호 (발명의 명칭 : 바이퓨얼 차량의 엔진 제어 장치 및 방법) 2. 한국등록특허 제10-2073628호 (발명의 명칭 : 천연가스와 가솔린 바이퓨얼 차량의 가솔린 연료공급 제어 장치 및 방법)
이에, 본 발명은 가솔린과 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas, LPG)를 선택적으로 엔진 연료로 사용하는 이중 연료 공급 시스템에 있어서, LPG 연료가 분사되는 LPG 모드 구간에서 기 설정된 조건을 만족하는 때에는 가솔린 연료와 혼소하여 연료 공급함으로써, 가솔린 인젝터를 보호하고 저회전 구간에서의 출력특성을 향상시키며 연소온도를 일정 이하로 유지하여 장비 내구성을 향상시킴은 물론 친환경 규격을 만족시킬 수 있도록 해 주는 가솔린-LPG 이중 연료 공급시스템의 연료 분사 장치를 제공함에 그 기술적 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면,LPG와 가솔린을 선택적으로 차량 엔진의 연료로 이용할 수 있도록 해 주는 가솔린-LPG 이중연료 공급시스템의 연료 분사 장치에 있어서, 가솔린 분사제어신호에 따라 상기 차량 엔진에 GDI 방식으로 가솔린을 분사시키는 가솔린 인젝터와, LPG 분사제어신호에 따라 흡기매니폴드에 LPG를 분사하여 상기 차량 엔진에 LPG를 공급하는 LPG 인젝터, 가솔린 차량의 연료공급 모드정보를 출력함과 더불어 상기 가솔린 인젝터의 구동을 위한 가솔린 분사제어신호를 출력하는 가솔린 ECU, 상기 가솔린 ECU와 가솔린 인젝터 사이에 위치하면서, 가솔린 ECU로부터 인가되는 연료공급모드가 가솔린모드인 경우에는 가솔린 ECU와 가솔린 인젝터간 신호 송수신이 이루어지도록 경로 설정하여 가솔린 ECU로부터 출력되는 가솔린 분사제어신호에 따라 가솔린 인젝터만 동작되도록 제어하고, LPG 모드인 경우에는 가솔린 ECU로부터 인가되는 가솔린 분사제어신호에 대응되는 LPG 분사량과 LPG 분사구간정보를 LPG 제어부로 전송하는 이중연료 제어부 및, 상기 이중연료 제어부로부터 인가되는 LPG 분사량과 LPG 분사구간 정보를 근거로 LPG 분사신호를 생성하여 상기 LPG 인젝터로 출력하는 LPG 제어부를 포함하여 구성되고, 상기 LPG 제어부는 LPG 모드에서 가솔린 인젝터를 보호하기 위한 제1 조건과, 저회전 구간에서 엔진 토크를 보상하기 위한 제2 조건 및, 고회전 구간에서 실린더를 쿨링하기 위한 제3 조건 중 적어도 하나를 만족하는 경우, 일정 분사주기동안 LPG와 가솔린을 일정 비율로 혼소한 혼소 연료를 차량 엔진에 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 가솔린-LPG 이중 연료 공급 시스템의 연료 분사 장치가 제공된다.
또한, 상기 제1 조건은 엔진 회전수와 엔진 작동 시간을 근거로 일정 시간마다 정기적으로 혼소 공급을 수행하도록 설정되고, 제2 조건은 엔진 회전수 1,000 ~ 1,800 RPM 구간에서 엔진 압력 600~700mbar, 엔진 부하율 40~60% 인 경우 혼소 공급을 수행하도록 설정되며, 제3 조건은 엔진 부하율 95%를 초과하는 때에 혼소 공급을 수행하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 가솔린-LPG 이중 연료 공급 시스템의 연료 분사 장치가 제공된다.
또한, 상기 제2 조건 및 제3 조건은 LPG 제어부에서 판단하여 가솔린과 LPG 비율을 결정하고, LPG 감소비율정보를 상기 이중연료 제어부로 전송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가솔린-LPG 이중 연료 공급 시스템의 연료 분사 장치가 제공된다.
또한, 상기 LPG 제어부는 혼소 연료 공급시 가솔린 인젝터가 연결된 가솔린 고압 펌프의 압력을 기 설정된 가솔린 분사 압력으로 설정하는 것을 특징으로 하는 가솔린-LPG 이중 연료 공급 시스템의 연료 분사 장치가 제공된다.
또한, 상기 LPG 제어부는 혼소 연료 공급시 기준 분사량을 근거로 가솔린 분사량이 20% 이상으로 설정되도록 기준 분사구간에서 가솔린 분사구간을 결정하고, 그 나머지 분사구간을 LPG 분사구간으로 설정하는 것을 특징으로 하는 가솔린-LPG 이중 연료 공급 시스템의 연료 분사 장치가 제공된다.
또한, 상기 이중연료 제어부는 가솔린 ECU로부터 인가되는 가솔린 분사제어신호에 대해 가솔린 인젝터와 동일한 응답신호를 출력하는 가상 인젝터와, 가솔린 인젝터를 가솔린 ECU와 연결하거나 또는 가상 인젝터를 가솔린 ECU와 연결하고, 가솔린 인젝터를 가솔린 ECU와 연결한 상태에서 가솔린 인젝터 동작구간에 해당하는 분사구간정보를 생성하는 연료공급 설정수단을 포함하여 구성되고, 상기 연료공급 설정수단은 가솔린 ECU를 가솔린 인젝터와 가상 인젝터 중 하나와 선택적으로 연결하는 스위치와, 상기 스위치로부터 가솔린 ECU로 전송되는 응답신호를 전류신호로 변환하여 출력하는 전류센서 및, "-"단자에 전류센서가 연결되고, "+"단자에 기준 전류값이 인가되어 기준 전류값 이상인 응답신호 구간에 해당하는 기준 분사구간정보를 출력하는 비교기를 포함하여 구성되되, 상기 비교기로 인가되는 기준 전류값은 차량 상태에 따라 가변 설정되는 것을 특징으로 하는 가솔린-LPG 이중 연료 공급 시스템의 연료 분사 장치가 제공된다.
또한, 상기 이중연료 제어부는 LPG 모드에서 LPG 분사 구간을 제외한 나머지 모든 구간에서는 가솔린 ECU와 가솔린 인젝터간 신호 송수신이 이루어지도록 경로 설정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가솔린-LPG 이중 연료 공급 시스템의 연료 분사 장치가 제공된다.
본 발명에 의하면, 가솔린 차량에 엔진 구조의 변경없이 가솔린 엔진을 가솔린-LPG 바이퓨얼 엔진으로 개조하는 것이 가능함은 물론, 가솔린 ECU와 상관없이 별도의 제어장치를 이용하여 선택적으로 공급되는 가솔린 연료와 LPG 연료의 분사시기 및 분사량을 제어하되, LPG 연료가 분사되는 LPG 모드 구간에서 기 설정된 조건을 만족하는 때에는 가솔린 연료와 혼소하여 연료 공급함으로써, 가솔린 인젝터를 보호하고 저회전 구간에서의 출력특성을 향상시키며 연소온도를 일정 이하로 유지하여 차량 출력 특성을 보장하면서 보다 경제적으로 차량을 운행을 할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 의하면 가솔린 ECU에서 제공되는 연료분사신호에서 차량 상태를 근거로 기준 분사구간 설정 기준을 다르게 적용함으로써, 이중 연료를 분사하기 위한 기준 분사구간정보를 보다 정확하게 획득할 수 있다.
도1은 본 발명에 따른 가솔린-LPG 이중 연료 공급시스템의 연료 분사 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면.
도2는 도1에 도시된 가솔린 인젝터(400)와 LPG 인젝터(500)의 분사 위치를 설명하기 위한 도면.
도3은 도1에 도시된 이중연료 제어부(800)의 내부구성을 기능적으로 분리하여 나타낸 블록구성도.
도4는 도3에 도시된 제어부(840)의 구성을 연료공급모드별로 분리하여 나타낸 블록구성도.
도5는 도4에 도시된 제어부(840)에서 연료공급모드별 1주기 분사구간에서의 연료 구성을 예시한 도면.
도6은 도4에 도시된 이중연료 운영모듈(841)에서 생성되는 신호를 예시한 도면.
도7은 도1에 도시된 가솔린-LPG 이중연료 공급시스템의 연료 분사 장치의 동작을 설명하기 위한 도면.
본 발명에 기재된 실시예 및 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예 및 도면에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
먼저, 본 발명은 가솔린 차량에 애프터 마켓용 차량용 LPG 공급장치가 장착되어 가솔린 차량에 LPG와 가솔린을 선택적으로 가솔린 엔진의 연료로 이용할 수 있도록 해 주는 가솔린-LPG 이중 연료 공급시스템에 적용될 수 있고, 가솔린 엔진에 이중 연료를 공급하는 바이퓨얼 차량에 적용될 수 있다.
도1은 본 발명에 따른 가솔린-LPG 이중연료 공급시스템의 연료 분사 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도1을 참조하면, 본 발명에 따른 가솔린-LPG 이중연료 공급시스템의 연료 분사 장치는 엔진(100)과, 가솔린 공급부(200), LPG 공급부(300), 가솔린 인젝터(400), LPG 인젝터(500), 가솔린 ECU(600), LPG 제어부(700) 및, 이중 연료 제어부(800)를 포함하고, 상기 엔진(100)의 상태를 측정하는 배기 온도센서와 냉각수 온도센서, 엔진 압력센서, 엔진 회전수 감지센서 등 적어도 하나 이상의 센서를 포함하는 센서부(900)를 구비하여 구성된다.
여기서, 엔진(100)과, 가솔린 공급부(200), 가솔린 인젝터(400) 및 가솔린 ECU(600)는 가솔린 차량에 고정되게 장착되는 구성들이고, LPG 공급부(300)와 LPG 인젝터(500), LPG 제어부(700) 및 이중연료 제어부(800)는 가솔린 차량에 애프터 마켓용으로 설치되는 차량용 LPG 공급장치의 구성들이 될 수 있다.
상기 가솔린 ECU(100)는 가솔린 차량에 대한 전반적인 제어처리를 수행하는 것으로, 특히 각종 차량내 장치들 및 센서들과 연결되어 차량의 상태를 판단함과 더불어, 이를 근거로 연결된 장치들의 동작을 제어한다.
특히, 본 발명에 적용되는 이중 연료 공급시스템에 있어서, 가솔린 차량에 순정으로 장착되는 가솔린 ECU(600)는 연료공급 관련 차량 상태 정보를 이중연료 제어부(800)로 제공한다.
도1에서 엔진(100)은 가솔린 공급부(200)와 LPG 공급부(300)로부터 공급되는 연료를 연소시켜 차량에 구동력을 제공한다.
이때, 가솔린 공급부(200)는 가솔린 인젝터(400)를 통해 엔진(100)으로 가솔린 연료를 공급하고, LPG 공급부(300)는 LPG 인젝터(500)를 통해 엔진(100)으로 LPG 연료를 공급한다.
상기한 가솔린 공급부(200)는 가솔린이 수용된 가솔린 탱크와, 가솔린 탱크 내의 가솔린을 가솔린 인젝터(400)측으로 유동시키는 가솔린 고압 펌프(201)를 포함하여 구성된다. 그리고, 가솔린 고압 펌프(201)에는 압력을 감지하는 레일 압력 센서(202)가 구비된다.
LPG 공급부(300)는 LPG가 수용된 LPG 탱크와 LPG 솔레노이드 밸브, LPG 압력계, 베이퍼라이저 및 LPG 필터를 포함하여 구성된다.
또한, 가솔린 인젝터(400)는 상기 가솔린 공급부(200)의 가솔린 고압 펌프(201)와 연결되어 엔진(100)으로 가솔린을 분사시키고, 상기 LPG 인젝터(500)는 상기 LPG 공급부(300)와 연결되어 엔진(100)으로 LPG를 분사시킨다.
이때, 도2에 도시된 바와 같이 가솔린 인젝터(400)는 엔진(100)에 가솔린을 직접분사하는 GDI 구조로 이루어지고, LPG 인젝터(500)는 흡기 매니폴드(101)로 LPG 가스를 분사하는 구조로 이루어진다.
가솔린 ECU(600)는 엔진(100)측으로 전송할 가솔린 연료 관련 신호를 이중연료 제어부(800)로 제공한다. 가솔린 ECU(600)는 가솔린 차량의 연료공급 모드정보를 이중연료 제어부(800)로 출력함과 더불어 상기 가솔린 인젝터(400)에서 가솔린을 분사하기 위한 가솔린 분사제어신호를 생성하여 이중연료 제어부(800)로 출력한다. 여기서, 연료공급 모드의 설정은 운전자에 의해 임의로 설정되거나, 또는 운전자의 운전 상태 또는 차량의 엔진 상태를 근거로 자동으로 설정될 수 있다.
LPG 제어부(700)는 LPG를 분사하기 위한 LPG 분사제어신호를 생성하여 LPG 인젝터(500)로 전송한다. LPG 인젝터(500)는 LPG 분사제어신호에 따라 엔진(100)으로 LPG를 분사한다.
이때, LPG 제어부(700)는 LPG 모드에서 상기 센서부(900)를 통해 수집된 센싱정보를 근거로 혼소 연료 모드를 결정하고, 혼소 연료 공급시 가솔린 공급부(200)의 레일 압력 센서(202)로부터 압력정보를 수집하고, 이를 근거로 가솔린 고압 펌프(201)를 제어하여 가솔린이 정상적으로 가솔린 인젝터(400)로 공급되도록 압력 환경을 설정한다.
즉, LPG 제어부(700)는 혼소 연료 모드에서, 기준 분사량을 100% 라 할 때 가솔린 분사량은 20% 이상을 유지하도록 설정되고, 분사량에 대응되도록 기준 분사구간을 분할한다. 이는 LPG 모드에서 가솔린 분사량을 일정 이상 유지함으로써, 엔진 출력을 안정적으로 확보하기 위함이다.
또한, LPG 제어부(700)는 가솔린 연료의 레일 압력과 흡입 공기압력 상태를 확인함과 더불어, 엔진회전수, 엔진부하, 냉각수온, LPG 연료온도 및 압력, 배기가스 온도를 포함하여 차량의 연료 공급 관련하여 수집된 정보를 근거로 차량의 연료 공급 환경 상태를 분석하고, 이에 기반하여 가솔린 분사량과 LPG 분사량을 결정하고, 가솔린 분사량에 대응되도록 기준 분사구간에서 가솔린 분사구간을 설정한다.
한편, 본 발명에서 LPG 모드에서 혼소연료를 공급하기 위한 혼소 조건은 휘발유 인젝터를 보호하기 위한 제1 조건과, 저회전 구간에서 엔진 토크를 보상하기 위한 제2 조건 및, 고회전 구간에서 실린더를 쿨링하기 위한 제3 조건을 포함한다.
제1 조건은 GDI 엔진에서 가솔린 인젝터(400)가 일정 시간 이상 동작하지 않음으로 인해 가솔린 인젝터(400) 노즐이 막힘 현상이 빨리 발생하여 노즐 막힘이 발생하는 것을 방지하기 위한 것으로, 엔진 회전수와 엔진 작동 시간을 근거로 LPG 구간내에서 일정 시간마다 정기적으로 공급하도록 한다. 이는 인젝터 노즐이 막히게 되면 가솔린 모드에서 정확한 분사 제어가 이루어지지 않는 바, 이로 인해 기준 분사구간이 제대로 인식되지 않아(분사구간이 보다 짧게 획득됨) LPG 모드에서 엔진 출력이 저하되는 등의 문제를 방지하기 위함이다. 예컨대, LPG 모드에서 10회 분사 주기 마다 즉, 11번째 분사 주기에서 제1 조건에 따른 혼소 공급이 이루어질 수 있다.
제2 조건은 LPG 연료가 가솔린 연료 대비 열량이 떨어지기 때문에 LPG 연료 사용시 저속 가속구간에서 엔진 출력이 늦게 이루어짐으로 인한 운전자의 불만을 방지하기 위한 것으로, 엔진 회전수 1,000 ~ 1,800 RPM 구간, 엔진 압력 600~700mbar, 엔진 부하율 40~60% 인 경우 가솔린과 LPG의 혼소 공급이 이루어지도록 한다. 이때, 가솔린과 LPG의 혼소율은 LPG 80%, 가솔린 20%를 기준으로 엔진 부하율에 따라 가솔린 비율을 가감하되, 가솔린 비율은 30%를 초과하지 않도록 한다. 이는 LPG 모드 운영에 따른 연비절감을 확보하기 위함이다.
제3 조건은 LPG 연소 온도가 가솔린 연소 온도보다 높기 때문에 Nox 등의 유해가스가 보다 많이 배기되어 유로6 등의 배기가스 기준을 충족하지 못하거나 높은 연소 온도로 인해 관련 부품이 열화되는 등의 문제를 방지하기 위한 것으로, 엔진 회전수 2,000 RPM 이상의 구간에서 엔진 부하율이 95%를 초과하는 때에 혼소 공급을 수행하도록 설정된다. 이때, 엔진 부하율이 증가하게 되면, 배기가스 온도도 이에 비례하여 높아지게 되는 바, 엔진 부하율이 100%인 때에 해당 차량의 배기가스 온도도 최대가 된다. 또한, 가솔린과 LPG의 혼소율은 LPG 90%, 가솔린 10%를 기준으로 설정하고, 엔진 회전수 및 연료 분사량에 따라 가솔린 비율을 조절하되, 엔진 회전수가 높고 연료량이 많을수록 가솔린은 10% 에 가깝게 설정되며, 가솔린 비율은 최대 10%를 초과하지 않도록 한다.
하기 표1은 엔진 회전수와 연료 분사량 조건에 따른 LPG 와 가솔린(PETROL) 연소 온도(℃) 비교예시이다.
Figure 112021005495639-pat00001
한편, 도1에서 이중연료 제어부(800)는 상기 가솔린 ECU(600)와 가솔린 인젝터(400) 사이에 위치하면서, 가솔린 ECU(600)로부터 제공되는 연료 공급 모드정보를 근거로 가솔린 모드와 LPG 모드에 따른 연료 공급 동작을 수행한다.
즉, 이중연료 제어부(800)는 가솔린 모드시에는 1주기 분사구간동안 가솔린 ECU(600)와 가솔린 인젝터(400)간 신호 송수신이 지속적으로 이루어지도록 경로 설정하고, LPG 모드시에는 1주기 분사구간동안 가솔린 ECU(600)와 가솔린 인젝터(400)간 신호 송수신이 단락되도록 경로 설정하여 가솔린 인젝터(400)와 가솔린 ECU(600)간 연결을 끊고 이에 대신하여 기 설정된 더미신호를 가솔린 ECU(600)로 전송한다. 그리고, 이중연료 제어부(800)는 LPG 구간 및 LPG 분사량정보를 LPG 제어부(700)로 전송하여 LPG 인젝터(500)를 통해 기 설정된 분사량의 LPG를 분사하도록 제어한다.
그리고, 이중연료 제어부(800)는 가솔린 ECU(100)와 LPG 제어부(700)로부터 제공되는 연료 공급 관련 정보와 상기 센서부(900)를 통해 수집된 센싱정보에 기초하여 최적의 분사 시나리오에 따라 이중 연료가 분사되도록 분사신호를 생성한다.
특히, 본 발명에서 이중연료 제어부(800)는 LPG 모드에서 기 설정된 혼소조건에 따라 LPG와 가솔린을 혼소하여 엔진(100)에 공급하도록 연료 공급 환경을 설정한다.
도3은 도1에 도시된 이중연료 제어부(800)의 내부구성을 기능적으로 분리하여 나타낸 블록구성도이다.
도3을 참조하면, 이중연료 제어부(800)는 연료공급 설정수단(810)과, 가상 인젝터(820), 데이터 메모리(830) 및, 제어부(840)를 포함한다.
연료공급 설정수단(810)은 제어부(840)의 제어에 따라 가솔린 인젝터(400)를 가솔린 ECU(600)와 연결하거나 또는 가상 인젝터(820)를 가솔린 ECU(600)와 연결하고, 가솔린 인젝터(400)를 가솔린 ECU(600)와 연결한 상태에서 가솔린 인젝터터(400) 동작구간에 해당하는 기준 분사구간정보를 제어부(840)로 제공한다. 일반적으로 가솔린 인젝터(400)는 가솔린 ECU(600)로부터 인가되는 가솔린 분사제어신호에 따라 동작함과 더불어, 그 동작신호를 가솔린 분사제어신호에 대응한 응답신호로서 가솔린 ECU(600)로 전송한다.
이러한 연료공급 설정수단(810)은 스위치(811)와 전류센서(812) 및, 비교기(813)를 포함한다.
스위치(811)는 가솔린 ECU(600)를 가솔린 인젝터(400)와 가상 인젝터(500) 중 하나와 선택적으로 연결한다.
전류센서(812)는 상기 스위치(811)와 가솔린 ECU(600) 사이에 배치되어 스위치(811)를 통해 가솔린 ECU(600)로 전송되는 가솔린 인젝터(400) 동작에 대응되는 응답신호를 전류신호로 변환하여 출력한다.
비교기(813)는 "-"단자에 전류센서(812)가 연결되고, "+"단자에 제어기(840)의 전류 기준단자(DAC)가 연결되어, 가솔린 인젝터(400) 동작에 대응되는 기준 분사구간정보를 획득한다. 이때, 엔진 종류에 따라 전류 기준 단자(DAC)를 통해 설정되는 기준 전류값이 다르게 설정된다. 그리고, 제어기(840)는 센서부(900)로부터 수집한 차량상태정보를 근거로 전류 기준 단자(DAC)를 통해 설정되는 기준 전류값이 변경 설정할 수 있다. 기본적으로 인젝터의 분사구간을 획득하기 위해서는 전류가 "0"이상 흐르는지만 판단하면 된다. 그러나, 인젝터 및 인젝터 구동회로의 종류 또는 노이즈 등의 차량 환경적인 원인으로 인해 분사구간이 아닌 경우에도 "0" 이상의 전류가 흘러 정상적인 기준 분사구간의 획득이 어려울 수 있다. 이에, 본 발명에서는 인젝터가 작동하는 시점에서 보다 정확한 기준 분사구간을 획득하기 위해 비교기(813)의 기준 전류값을 차량 상태에 따라 가변할 수 있도록 구성할 수 있다.
가상 인젝터(820)는 가솔린 ECU(600)로부터 인가되는 가솔린 분사제어신호에 대해 가솔린 인젝터(820)와 동일한 응답신호 즉, 더미신호를 출력하는 전자회로로 구성된다.
데이터 메모리(830)는 차량 상태별 상기 제어부(840)에서 분사제어신호를 생성하기 위한 정보를 포함하여 이중 연료 공급장치의 제어를 위한 각종 정보가 저장된다.
제어부(840)는 CAN(Controller Area Network)통신을 통해 가솔린 ECU(600)와 가솔린 공급관련 정보를 송수신함과 더불어, LPG 제어부(700)와 LPG 공급관련 정보를 송수신한다.
제어부(840)는 가솔린 ECU(600)로부터 제공되는 모드정보를 근거로 가솔린 모드 또는 LPG모드 중 하나의 모드로 동작되며, 도4에 도시된 바와 같이 가솔린 운영모듈(841)과, LPG 운영모듈(842)을 포함한다.
가솔린 운영모듈(841)은 가솔린 ECU(600)로부터 가솔린 모드정보가 인가되는 경우 동작되며, 가솔린 모드에서 가솔린 ECU(600)로부터 인가되는 가솔린 분사제어신호를 가솔린 인젝터(500)로 그대로 전송함과 더불어, 가솔린 인젝터(500)로부터 인가되는 응답신호를 가솔린 ECU(600)로 그대로 전송하도록 스위치(도3의 811)를 제어한다.
즉, 가솔린 운영모듈(841)은 가솔린 ECU(600)와 가솔린 인젝터(500)가 직접 연결되는 순정상태의 통신 경로를 설정하여 가솔린 ECU(600)에 의해 가솔린 인젝터(500)가 직접 제어되는 형태가 되도록 함으로써, 도5의 가솔린 모드와 같이 1주기 분사구간마다 가솔린만 분사한다.
LPG 운영모듈(842)은 가솔린 ECU(600)로부터 LPG 모드정보가 인가되는 경우 동작되는 것으로, 기본적으로 도5의 LPG 모드와 같이 1주기 분사구간마다 LPG만 분사한다.
이러한 LPG 운영모듈(842)은 LPG 공급블록(842A) 및, 혼소연료 공급블록(842B)을 포함한다.
LPG 공급블록(842a)은 LPG 모드 동작상태에서 가솔린 ECU(600)로부터 인가되는 가솔린 분사제어신호에 대응되는 LPG 기준 분사구간 및 LPG 기준분사량정보를 획득한다.
즉, LPG 공급블록(842A)은 가솔린 ECU(600)로부터 직접 수신한 가솔린 분사제어신호로부터 펄스 면적(도6의 S1)에 해당하는 기준 분사량을 획득할 수 있다. 여기서, 기준 분사구간정보와 기준 분사량정보는 가솔린 ECU(600)의 요구에 대응되는 가솔린모드에서의 분사구간(한 분사주기)과 연료 분사량을 의미하며, LPG 공급블록(842A)은 이를 근거로 LPG 기준분사량을 산출한다
또한, LPG 공급블록(842A)은 LPG 분사구간동안 스위치(811)를 통해 더미 인젝터(820)와 가솔린 ECU(600)가 연결되도록 설정되어 더미 인젝터(820)의 출력신호 즉 더미 신호가 가솔린 ECU(600)로 인가되도록 한다. 이러한 더미신호는 가솔린 ECU(600)가 자신이 가솔린 인젝터(400) 제어를 위해 발생한 가솔린 분사제어신호에 대해 가솔린 인젝터(400)가 정상적으로 동작한 것으로 인식시키는 기능을 수행한다. 즉, LPG 연료 공급시 가솔린 인젝터(400)로 가솔린 ECU(600)의 분사제어신호가 전송되지 않더라도 가솔린 ECU(600)는 더미신호의 수신을 통해 자신이 발생한 가솔린 분사제어신호에 대응되게 가솔린 분사가 이루어진 것으로 인식한다.
또한, LPG 공급블럭(842A)은 LPG 분사구간 및 LPG 분사량정보를 LPG 제어부(700)로 전송한다. LPG 제어부(700)는 상기 LPG 공급블록(842A)으로부터 수신된 LPG 분사량 및 분사구간을 근거로 LPG 분사제어신호를 생성하고, 이를 LPG 인젝터(500)로 제공하여 LPG 분사구간에 기 설정된 양의 LPG 가 엔진(100)에 분사되도록 한다.
혼소 제어블럭(842B)은 LPG 모드에서 가솔린 연료와 LPG 연료를 혼소하여 공급하도록 제어하는 것으로, 기 설정된 혼소조건을 만족하는 때에 혼소공급을 수행한다. 즉, 혼소 제어블럭(842D)은 스위치(811)를 통해 더미 인젝터(820)가 가솔린 ECU(600)와 연결되도록 설정된 상태에서, 가솔린 인젝터(400)로 가솔린 혼소량에 대응되는 가솔린 분사신호를 전송한다. 이때, LPG 제어부(700)는 LPG 혼소량에 대응되는 LPG 분사신호를 생성하여 LPG 인젝터(500)로 전송하도록 한다.
혼소 제어블럭(842B)은 도5의 혼소 모드와 같이 1주기 분사구간마다 LPG와 가솔린을 동시에 분사하도록 제어한다.
도3과 도6을 참조하면, 혼소 모드의 가솔린 구간에서 가솔린 ECU(600)는 전압 펄스형태의 가솔린 분사제어신호(S1)를 가솔린 인젝터(400)로 전송한다. 이때, 이중연료 제어부(800)의 스위치(811)는 가솔린 인젝터(400)와 가솔린 ECU(600)가 연결되도록 설정되는 바, 가솔린 인젝터(400)의 동작에 따른 출력신호가 가솔린 ECU(600)로 인가된다.
이와 같은 환경에서 전류 센서(812)는 가솔린 인젝터(400)에서 가솔린 ECU(600)로 출력되는 동작신호에 대응되는 전류파형(S2)을 비교기(813)로 출력한다. 그리고, 비교기(813)는 전류파형(S2)에서 기 설정된 기준 전류값 이상인 구간에 해당하는 기준 분사구간정보(S3)를 제어부(814)로 출력하며, 제어부(814)는 LPG 제어부(700)로부터 수신된 가솔린 분사정보를 근거로 가솔린 분사구간과 LPG 분사구간으로 이루어지는 혼소연료 분사신호(S4)를 생성하고, 이를 이용하여 스위치(811)를 제어한다.
이어, 도7을 참조하여 본 발명에 따른 가솔린-LPG 이중연료 공급시스템의 연료 분사 장치의 동작을 설명한다. 이하에서는 이중연료 제어부(800)의 동작을 기준으로 설명한다.
기본적으로 가솔린 ECU(600)는 가솔린 인젝터(400)로 가솔린 연료를 엔진(100)으로 분사하기 위한 가솔린 분사제어신호를 전송한다. 그리고, 본 발명에서는 가솔린 ECU(600)와 가솔린 인젝터(400) 사이에 이중연료 제어부(800)가 결합되어 동작 모드에 따라 가솔린 인젝터(400)로 가솔린 ECU(600)로부터 수신된 가솔린 분사 제어신호를 그대로 가솔린 인젝터(400)로 바이패스하여 1주기 분사구간동안 가솔린 인젝터(400)만 동작시키거나, 또는 1주기 분사구간동안 가솔린 인젝터(400)와 LPG 인젝터(500)를 모두 동작시킨다.
먼저, 이중연료 제어부(800)는 가솔린 ECU(600)로부터 수신된 연료공급 모드 정보를 근거로 동작모드를 설정한다(ST100). 이중연료 제어부(800)는 가솔린 모드와 LPG 모드의 두가지 모드로 동작된다.
가솔린 모드에서,
이중연료 제어부(800)는 가솔린 ECU(600)로부터 가솔린 분사제어신호가 수신되면, 이를 그대로 가솔린 인젝터(400)로 전송하고, 가솔린 인젝터(400)로부터 수신되는 응답신호는 가솔린 ECU(600)로 전송하도록 가솔린 ECU(600)와 가솔린 인젝터(400)간 송수신 경로를 설정한다(ST200).
즉, 가솔린 모드에서 이중연료 제어부(800)는 가솔린 ECU(600)와 가솔린 인젝터(400)가 가솔린 차량에서 가솔린 연료공급을 위한 순정 상태로 동작되도록 연결한다.
LPG 모드에서,
이중연료 제어부(800)는 가솔린 ECU(600)로부터 가솔린 분사제어신호가 수신되면, 이를 근거로 1주기 기준 분사량 및 1주기 기준 분사구간정보를 획득한다(ST310). 이중연료 제어부(800)는 가솔린 ECU(600)로부터 인가되는 가솔린 분사제어신호를 근거로 1주기 분사구간동안의 기준 분사량을 산출하고, 비교기(813)를 통해 수신되는 신호를 근거로 1주기 분사구간에서의 인젝터 작동 구간인 기준 분사구간정보를 획득한다.
이어 이중연료 제어부(800)는 가솔린 기반 1주기 분사구간동안의 기준 분사량 및 기준 분사구간정보를 근거로 LPG 분사구간 및 LPG 분사량을 결정하고, 이를 LPG 제어부(700)로 전송한다(ST320).
또한, 이중연료 제어부(800)는 가상 인젝터(820)를 통해 더미신호가 가솔린 ECU(600)로 전송되도록 스위칭 설정한다(ST330).
이어, LPG 제어부(700)는 상기 ST320 단계에서 생성된 LPG 분사제어신호를 LPG 인젝터(500)로 전송하여 LPG를 엔진(100)에 분사한다.
또한, LPG 제어부(700)는 LPG 모드에서 현재 상태가 기 설정된 제1 내지 제3 혼소조건을 만족하는지를 판단한다(ST340).
LPG 제어부(700)는 혼소조건에 따른 가솔린과 LPG 간의 혼소량을 산출한다(ST350). 이때, 각 조건 및 차량의 현재 상태에 따라 혼소량이 다르게 설정될 수 있다. 예컨대, LPG 분사량은 기준 분사량의 80%를 초과하지 않도록 설정될 수 있다. 즉, LPG 제어부(700)는 기준 분사량을 근거로 가솔린 분사량이 20% 이상으로 설정되도록 LPG 기준 분사구간에서 가솔린 분사구간을 결정하고, 그 나머지 분사구간을 LPG 분사구간으로 설정하며, 가솔린 분사량과 분사구간을 포함하는 가솔린 분사정보를 이중연료 제어부(800)로 전송한다.
또한, LPG 제어부(700)는 가솔린 인젝터(400)가 연결된 가솔린 고압 펌프(201)의 압력상태를 확인하고, 가솔린 고압 펌프(201)의 압력을 기 설정된 가솔린 분사 압력으로 설정한다.
그리고, 이중연료 제어부(800)는 LPG 제어부(700)로부터 가솔린 분사정보를 제공받아 상기 ST350 단계에서 기 설정된 혼소 구간에 기 설정된 혼소량에 따라 가솔린과 LPG이 엔진(100)에 공급되도록 가솔린 인젝터(400)와 LPG 인젝터(500)를 동시에 동작시킨다(ST360).
여기서, 이중연료 제어부(800)는 LPG 제어부(700)로부터 수신한 가솔린 분사정보를 제공받아 해당 가솔린 분사구간에서 가솔린 ECU(600)로부터 인가되는 가솔린 분사제어신호를 가솔린 인젝터(400)로 바이패스시킴으로서, 가솔린 인젝터(400)를 작동시켜 가솔린을 엔진(100)에 분사한다. 이후, 가솔린 분사구간 이후의 LPG 분사구간이 되면, 가상 인젝터(820)를 통해 더미신호가 가솔린 ECU(600)로 전송되도록 스위칭 설정한다.
이러한 혼소연료의 공급 동작은 LPG 모드에서만 이루어진다.
한편, 최근 배기가스 규정에 따른 유로6를 만족시키기 위해 차량에는 배출가스에서 유해가스를 저감하는 후처리장치가 구비되고, 이러한 후처리장치는 일반적으로 400℃ 이상의 고온 조건에서 유해가스 저감 효율성이 높아진다.
이에, 유로6와 같은 배출가스 규정을 만족시키기 위해 특정 구간에서 후처리장치에 이용되는 촉매 온도를 높이거나 유지하기 위해 짧은 시간 동안 후분사처리를 추가로 수행하는 차량이 출시되고 있다.
본 발명은 이러한 차량을 고려하여 이중연료 제어부(800)는 LPG 모드에서 LPG 분사구간 이외의 구간에 대해서는 가솔린 ECU(600)로부터 발생되는 분사제어신호에 의해 가솔린 인젝터(400)가 동작되도록 설정함으로써, 후분사처리가 누락되지 않고 수행될 수 있도록 실시할 수 있다. 즉, 도6의 S4와 같이 LPG 모드의 LPG 분사구간에서만 스위치(811)가 가상 인젝터(820)와 연결되고, 나머지 모든 구간은 스위치(811)가 가솔린 인젝터(400)와 연결되도록 한다.
100 : 엔진, 200 : 가솔린 공급부,
300 : LPG 공급부, 400 : 가솔린 인젝터,
500 : LPG 인젝터, 600 : 가솔린 ECU,
700 : LPG 제어부, 800 : 이중연료 제어부,
900 : 센서부.

Claims (7)

  1. LPG와 가솔린을 선택적으로 차량 엔진의 연료로 이용할 수 있도록 해 주는 가솔린-LPG 이중연료 공급시스템의 연료 분사 장치에 있어서,
    가솔린 분사제어신호에 따라 상기 차량 엔진에 GDI 방식으로 가솔린을 분사시키는 가솔린 인젝터와,
    LPG 분사제어신호에 따라 흡기매니폴드에 LPG를 분사하여 상기 차량 엔진에 LPG를 공급하는 LPG 인젝터,
    가솔린 차량의 연료공급 모드정보를 출력함과 더불어 상기 가솔린 인젝터의 구동을 위한 가솔린 분사제어신호를 출력하는 가솔린 ECU,
    상기 가솔린 ECU와 가솔린 인젝터 사이에 위치하면서, 가솔린 ECU로부터 인가되는 연료공급모드가 가솔린모드인 경우에는 가솔린 ECU와 가솔린 인젝터간 신호 송수신이 이루어지도록 경로 설정하여 가솔린 ECU로부터 출력되는 가솔린 분사제어신호에 따라 가솔린 인젝터만 동작되도록 제어하고, LPG 모드인 경우에는 가솔린 ECU로부터 인가되는 가솔린 분사제어신호에 대응되는 LPG 분사량과 LPG 분사구간정보를 LPG 제어부로 전송하는 이중연료 제어부 및,
    상기 이중연료 제어부로부터 인가되는 LPG 분사량과 LPG 분사구간 정보를 근거로 LPG 분사신호를 생성하여 상기 LPG 인젝터로 출력하는 LPG 제어부를 포함하여 구성되고,
    상기 LPG 제어부는 LPG 모드에서 가솔린 인젝터를 보호하기 위한 제1 조건과, 저회전 구간에서 엔진 토크를 보상하기 위한 제2 조건 및, 고회전 구간에서 실린더를 쿨링하기 위한 제3 조건 중 적어도 하나를 만족하는 경우, 일정 분사주기동안 LPG와 가솔린을 일정 비율로 혼소한 혼소 연료를 차량 엔진에 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 가솔린-LPG 이중 연료 공급 시스템의 연료 분사 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 조건은 엔진 회전수와 엔진 작동 시간을 근거로 일정 시간마다 정기적으로 혼소 공급을 수행하도록 설정되고,
    제2 조건은 엔진 회전수 1,000 ~ 1,800 RPM 구간에서 엔진 압력 600~700mbar, 엔진 부하율 40~60% 인 경우 혼소 공급을 수행하도록 설정되며,
    제3 조건은 엔진 부하율 95%를 초과하는 때에 혼소 공급을 수행하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 가솔린-LPG 이중 연료 공급 시스템의 연료 분사 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 조건 및 제3 조건은 LPG 제어부에서 판단하여 가솔린과 LPG 비율을 결정하고, LPG 감소비율정보를 상기 이중연료 제어부로 전송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가솔린-LPG 이중 연료 공급 시스템의 연료 분사 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 LPG 제어부는 혼소 연료 공급시 가솔린 인젝터가 연결된 가솔린 고압 펌프의 압력을 기 설정된 가솔린 분사 압력으로 설정하는 것을 특징으로 하는 가솔린-LPG 이중 연료 공급 시스템의 연료 분사 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 LPG 제어부는 혼소 연료 공급시 기준 분사량을 근거로 가솔린 분사량이 20% 이상으로 설정되도록 기준 분사구간에서 가솔린 분사구간을 결정하고, 그 나머지 분사구간을 LPG 분사구간으로 설정하는 것을 특징으로 하는 가솔린-LPG 이중 연료 공급 시스템의 연료 분사 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이중연료 제어부는 가솔린 ECU로부터 인가되는 가솔린 분사제어신호에 대해 가솔린 인젝터와 동일한 응답신호를 출력하는 가상 인젝터와,
    가솔린 인젝터를 가솔린 ECU와 연결하거나 또는 가상 인젝터를 가솔린 ECU와 연결하고, 가솔린 인젝터를 가솔린 ECU와 연결한 상태에서 가솔린 인젝터 동작구간에 해당하는 분사구간정보를 생성하는 연료공급 설정수단을 포함하여 구성되고,
    상기 연료공급 설정수단은 가솔린 ECU를 가솔린 인젝터와 가상 인젝터 중 하나와 선택적으로 연결하는 스위치와, 상기 스위치로부터 가솔린 ECU로 전송되는 응답신호를 전류신호로 변환하여 출력하는 전류센서 및, "-"단자에 전류센서가 연결되고, "+"단자에 기준 전류값이 인가되어 기준 전류값 이상인 응답신호 구간에 해당하는 기준 분사구간정보를 출력하는 비교기를 포함하여 구성되되, 상기 비교기로 인가되는 기준 전류값은 차량 상태에 따라 가변 설정되는 것을 특징으로 하는 가솔린-LPG 이중 연료 공급 시스템의 연료 분사 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 이중연료 제어부는 LPG 모드에서 LPG 분사 구간을 제외한 나머지 모든 구간에서는 가솔린 ECU와 가솔린 인젝터간 신호 송수신이 이루어지도록 경로 설정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가솔린-LPG 이중 연료 공급 시스템의 연료 분사 장치.
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