KR19980057740A

KR19980057740A - 압축 천연 가스 엔진의 공연비 제어 방법

Info

Publication number: KR19980057740A
Application number: KR1019960077042A
Authority: KR
Inventors: 김태훈
Original assignee: 김영귀; 기아자동차 주식회사
Priority date: 1996-12-30
Filing date: 1996-12-30
Publication date: 1998-09-25

Abstract

본 발명은 압축 천연 가스 엔진의 공연비 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압축 천연 가스(Compressed Natural Gas, CNG)를 연료로 사용하는 엔진의 공연비를 제어하여 열 효율을 개선하고 열부하를 감소시켜 엔진의 성능을 개선할 수 있는 제어 방법에 관한 것으로, 압축 천연 가스 엔진의 공연비 제어에 있어서, 연료가 분사된 후 연소되어 배기 가스 산소 센서에 도달하는 지연 시간을 계산하는 과정(S 21)과; 배기 가스 산소 센서를 이용하여 공연비를 산출하는 과정(S 22)과; 상기한 지연시간 계산 과정에서 얻어진 지연 시간을 토대로 연료 분사에서 배기에 이르는 한 스텝의 최대값인 최대 스텝 비율을 계산하는 단계(S 23)와; 상기한 최대 스텝 비율을 계산하는 단계에서 얻어진 값을 토대로 공연비 제어 신호를 산출하여 엔진을 제어하는 단계(S 24)로 이루어져, 압축 천연 가스 엔진의 공연비 제어를 통하여 희박 연소를 통하여 열효율을 향상시키고, 열부하를 감소시켜 주는 효과를 제공한다.

Description

압축 천연 가스 엔진의 공연비 제어 방법

본 발명은 압축 천연 가스 엔진의 공연비 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압축 천연 가스(Compressed Natural Gas, CNG)를 연료로 사용하는 엔진의 공연비를 제어하여 열 효율을 개선하고 열부하를 감소시켜 엔진의 성능을 개선할 수 있는 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차에 사용되는 연료에는 가솔린, 경우, 액화 석유 가스(LPG)등을 이용하고 있는데, 오늘날에는 오염 물질의 배출량이 적은 압축 천연 가스를 이용하는 엔진을 개발하여 사용하고 있는 실정이다.

이러한 연료와 혼합되는 공기의 양을, 다시 말하면, 엔진의 공기와 연료의 혼합비 즉, 공기 연료비(공연비)를 제어하여 최소의 연료 소모로 최대의 엔진 출력을 발생하고 있다.

이러한 공연비 제어는 최적의 화학적 조건에서 공기와 연료의 혼합물이 폭발하면 탄소와 수소가 산소와 반응하여 배기 가스로 이산화탄소와 물만이 배출될 것이다.

이 때, 필요한 공기 질량 대 연료 질량비의 이론적 비율을 이론 공연비라고 한다. 그리고, 최적의 화학량을 초과한 공연비는 완전 연소에 필요한 것보다 공기가 더 있다는 것을 의미하며, 이를 결핍 혼합(lean mixture)이라고 하며, 이 상태에서 흡기된 산소가 탄소와 수소와 결합하지 않았으므로 배기 가스에는 산소가 남아 있게 된다.

반대로, 공연비가 최적의 공연비 즉, 이론 공연비보다 작으면 산소의 양은 연료 속의 탄소 및 수소와 결합하기에 그 양이 불충분하여 배기 가스에는 연소되지 않은 탄화수소가 잔류하게 되며, 이를 과다 혼합(rich mixture)이라고 한다.

그리고, 이러한 실제 공연비와 이론 공연비간의 비율을 보통 λ라고 표현하며, λ는 아래의 [수학식 1]과 같이 표현된다.

[수학식 1]

따라서, λ가 1보다 작으면 혼합기에서 차지하는 공기의 양이 적다는 것을 의미하며, λ가 1보다 크면 혼합기에서 차지하는 공기의 양이 많다는 것을 의미한다.

한편, 엔진에서 연료가 연소될 때의 공연비를 측정하기 위해서는 배기 가스의 산소량을 측정하면 되는데, 이 때 사용되는 센서는 배기 가스의 산소(Exhaust Gas Oxygen, EGO) 센서라고 하며, 보통 λ센서라고도 한다.

이러한 EGO 센서는 배기 가스중에서 산소의 농도를 측정하는 센서로써, 이 센서가 갖추어야할 조건은 다음과 같다. 첫째, 최적 화학량 위치에서 전압의 급격한 변화가 있을 것, 둘째, 배기 가스 내의 산소량 변화에 따른 신속한 출력 전압 변화가 있을 것, 셋째, 과다/결핍 혼합 사이에서의 출력 전압이 큰 차이가 있을 것, 넷째, 배기 가스의 온도 변화에 대하여 안정적인 출력 전압을 유지할 것 등이다.

그리고, 엔진의 공연비 제어는 상기한 바와 같은 EGO 센서의 출력을 토대로 하여 공기와 연료의 혼합비를 조절하여 자동차의 운행 상태에 따른 최적의 공연비를 제어하고 있다.

이러한 공연비의 제어를 위한 종래의 방법은 압축 천연 가스를 자동차의 연료로 도입한 시기가 얼마 되지 않았기 때문에 일반적인 가솔린 엔진의 공연비 제어에 많이 이용되고 있는 EGO 센서와 그에 따른 알고리즘을 이용하여 이론 공연비만 제어해 왔기 때문에 보다 완전한 공연비 제어를 수행할 수 없었던 것이다.

따라서, 종래의 압축 천연 가스 엔진의 공연비 제어는 가솔린 엔진 제어에 이용되는 EGO 센서만을 이용하여 단순하게 이론 공연비만을 토대로 제어를 하고 있었기 때문에 압축 천연 가스를 이용하는 엔진의 공연비 제어에 맞지 않아 효율적인 제어가 이루어지지 않는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 압축 천연 가스 엔진의 공연비 제어를 통하여 희박 연소를 통하여 열효율을 향상시키고, 열부하를 감소시켜 주는 압축 천연 가스 엔진의 공연비 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 본 발명에 따른 압축 천연 가스 엔진의 공연비 제어 방법을 나타낸 순서도,

도2는 본 발명에 따른 압축 천연 가스 엔진의 공연비 제어 방법에서 공연비 제어 신호값을 산출하는 과정을 나타낸 순서도이다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 연료가 분사된 후 연소되어 배기 가스 산소 센서에 도달하는 지연 시간을 계산하는 과정과; 배기 가스 산소 센서를 이용하여 공연비를 산출하는 과정과; 상기한 지연시간 계산과정에서 얻어진 지연시간을 토대로 연료 분사에서 배기에 이르는 한 스텝의 최대값인 최대 스텝 비율을 계산하는 단계와; 상기한 최대 스텝 비율을 계산하는 단계에서 얻어진 값을 토대로 공연비 제어 신호를 산출하여 엔진을 제어하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압축 천연 가스 엔진의 공연비 제어 방법을 제공한다.

여기서, 상기한 공연비 제어 신호를 산출하는 과정은 다음과 같은 세부적인 단계로 이루어져 있다.

엔진이 아이들 운전 중인지를 판단하여 아이들 운전중이면 공연비값을 아이들 운전 때의 공연비값으로 설정하고, 아니면 전부하 운전 중인지를 판단하는 단계와; 판단 결과 전 부하가 걸렸을 때의 운전 중이면 공연비값을 전부하 운전할 때의 공연비값으로 설정하고, 아니면 부분 부하 운전 중일 때는 공연비값을 부분 부하 운전 중일 때의 공연비값으로 설정하는 단계와; 부하량을 측정하여 상기한 부분 부하 공연비값을 보정하는 단계와; 여러 스텝을 걸쳐 측정한 공연비값을 필터링하여 기준치를 산출하는 단계와; 현재의 공연비값에서 상기한 단계에서 필터링하여 산출한 기준치를 제한 값을 공연비 에러값으로 산출하는 단계와; 공연비 에러값이 에러 허용치 내에 속하는지를 판단하여 에러 허용치 내에 있으면 상기한 처음 단계로 복귀하고, 아니면 공연비 제어 신호값을 에러 허용치에 대한 비례제어맵과 적분 및 미분 제어맵을 이용하여 수정하는 단계와; 상기한 단계에서 수정된 공연비 제어 신호값을 미리 설정된 최대 제어 신호값과 비교하여 수정된 공연비 제어 신호값이 크면 설정된 최대 제어 신호값을 다음 스텝의 공연비 제어 신호값으로 대체하고, 수정된 공연비 제어 신호값이 작으면 미리 설정된 최소 제어 신호값을 다음 스텝의 공연비 제어 신호값으로 대체하고, 서로 같으면 현재의 공연비 제어 신호값을 다음 스텝의 공연비 제어 신호값으로 대체하고 처음 단계로 복귀하는 단계로 이루어진다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 압축 천연 가스 엔진의 공연비 제어 방법은 압축 천연 가스 엔진의 공연비 제어를 통하여 희박 연소를 통하여 열효율을 향상시키고, 열부하를 감소시켜 주는 이점이 있는 것이다.

(실시예)

이하 상기한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참고하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도면, 도1은 본 발명에 따른 압축 천연 가스 엔진의 공연비 제어 방법을 나타낸 순서도이고, 도2는 본 발명에 따른 압축 천연 가스 엔진의 공연비 제어방법 중에서 공연비 제어 신호값을 산출해 주는 과정을 나타낸 순서도이다.

본 발명에 따른 압축 천연 가스 엔진의 공연비 제어 방법은, 도1에 도시한 바와같이, 연료가 분사된 후 연소되어 배기 가스 산소 센서에 도달하는 지연 시간을 계산하는 과정(S 21, [수학식 2] 참조)과; 배기 가스 산소 센서(EGO 센서)를 이용하여 공연비 값을 산출하는 과정(S 22)과; 상기한 지연시간 계산 과정(S 1)에서 얻어진 지연 시간(ΔT)을 토대로 연료 분사에서 배기에 이르는 과정으로 이루어진 한 스텝의 최대값인 최대 스텝 비율([표 1] 참조)을 계산하는 단계(S 23)와; 상기한 최대 스텝 비율을 계산하는 단계(S 3)에서 얻어진 값을 토대로 공연비 제어 신호(λ 신호)를 산출하여 엔진을 제어하는 단계(S 24)로 이루어진다.

[수학식 2]

여기서, Ne: 엔진 회전수, ρi : 흡기 밀도(㎏/㎥), Inap : 흡기 포트에서의 질량 유량(㎏/s), Ai, Ae : 흡기, 배기 매니폴드의 단면적, Li, Le : 흡기, 배기 매니폴드의 길이이다.

[표 1]

그리고, 상기한 본 발명에 따른 압축 천연 가스 엔진의 공연비 제어 방법에서 공연비 제어 신호를 산출하는 과정(S 22)은, 도2에 도시한 바와 같이, 다음과 같은 세부적인 단계로 이루어져 있다.

엔진이 아이들 운전 중인지를 판단하여(S 1), 아이들 운전 중이면 공연비값을 아이들 운전 때의 공연비값으로 설정하고(S 101), 아니면 전부하 운전 중인지를 판단하는 단계(S 2)와; 판단 결과 전 부하가 걸렸을 때의 운전 중이면 공연비값을 전부하 운전할 때의 공연비값으로 설정하고(S 201), 아니면 부분 부하 운전 중일 때는 공연비값을 부분 부하 운전 중일 때의 공연비값으로 설정하는 단계(S 3)와; 부하량을 측정하여 상기한 부분 부하 공연비값을 보정하는 단계(S 4)와; 여러 스텝을 걸쳐 측정한 공연비값을 필터링하여 기준치를 산출하는 단계(S 5)와; 현재의 공연비값에서 상기한 단계에서 필터링하여 산출한 기준치를 제한 값을 공연비 에러값으로 산출하는 단계(S 6)와; 공연비 에러값이 에러 허용치 내에 속하는지를 판단하여 에러 허용치 내에 있으면 상기한 처음 단계로 복귀하고(S 7), 아니면 공연비 제어 신호값을 에러 허용치에 대한 비례제어맵과 적분 및 미분 제어맵을 이용하여 수정하는 단계와(S 8, [수학식 3] 참조); 상기한 단계에서 수정된 공연비 제어 신호값을 미리 설정된 최대 제어 신호값과 비교하여(S 9), 수정된 공연비 제어 신호값이 크면 설정된 최대 제어 신호값을 다음 스텝의 공연비 제어 신호값으로 대체하고(S 901), 수정된 공연비 제어 신호값이 작으면(S 10), 미리 설정된 최소 제어 신호값을 다음 스텝의 공연비 제어 신호값으로 대체하고(S 1001), 서로 같으면 현재의 공연비 제어 신호값을 다음 스텝의 공연비 제어 신호값으로 대체하고 처음 단계로 복귀하는 단계(S 11)로 이루어진다.

[수학식 3]

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 압축 천연 가스 엔진의 공연비 제어 방법은 압축 천연 가스 엔진의 공연비 제어를 통하여 희박 연소를 통하여 열효율을 향상시키고, 열부하를 감소시켜 주는 효과를 제공한다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims

압축 천연 가스 엔진의 공연비 제어에 있어서, 연료가 분사된 후 연소되어 배기 가스 산소 센서에 도달하는 지연 시간을 계산하는 과정과; 배기 가스 산소 센서를 이용하여 공연비를 산출하는 과정과; 상기한 지연시간 계산과정에서 얻어진 지연 시간을 토대로 연료 분사에서 배기에 이르는 한 스텝의 최대값인 최대 스텝 비율을 계산하는 단계와; 상기한 최대 스텝 비율을 계산하는 단계에서 얻어진 값을 토대로 공연비 제어 신호를 산출하여 엔진을 제어하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압축 천연 가스 엔진의 공연비 제어 방법.
청구항 1에 있어서, 상기한 공연비 제어 신호를 산출하는 과정은 엔진이 아이들 운전 중인지를 판단하여 아이들 운전 중이면 공연비값을 아이들 운전 때의 공연비값으로 설정하고, 아니면 전부하 운전 중인지를 판단하는 단계와; 판단 결과 전 부하가 걸렸을 때의 운전 중이면 공연비값을 전부하 운전할 때의 공연비값으로 설정하고, 아니면 부분 부하 운전 중일 때는 공연비값을 부분 부하 운전 중일 때의 공연비값으로 설정하는 단계와; 부하량을 측정하여 상기한 부분 부하 공연비값을 보정하는 단계와; 여러 스텝을 걸쳐 측정한 공연비값을 필터링하여 기준치를 산출하는 단계와; 현재의 공연비값에서 상기한 단계에서 필터링하여 산출한 기준치를 제한 값을 공연비 에러값으로 산출하는 단계와; 공연비 에러값이 에러 허용치 내에 속하는지를 판단하여 에러 허용치 내에 있으면 상기한 처음 단계로 복귀하고, 아니면 공연비 제어 신호값을 에러 허용치에 대한 비례제어맵과 적분 및 미분 제어맵을 이용하여 수정하는 단계와; 상기한 단계에서 수정된 공연비 제어 신호값을 미리 설정된 최대 제어 신호값과 비교하여 수정된 공연비 제어 신호값이 크면 설정된 최대 제어 신호값을 다음 스텝의 공연비 제어 신호값으로 대체하고, 수정된 공연비 제어 신호값이 작으면 미리 설정된 최소 제어 신호값을 다음 스텝의 공연비 제어 신호값으로 대체하고, 서로 같으면 현재의 공연비 제어 신호값을 다음 스텝의 공연비 제어 신호값으로 대체하고 처음 단계로 복귀하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압축 천연 가스 엔진의 공연비 제어 방법.
엔진이 아이들 운전 중인지를 판단하여 아이들 운전 중이면 공연비값을 아이들 운전 때의 공연비값으로 설정하고, 아니면 전부하 운전 중인지를 판단하는 단계와; 판단 결과 전 부하가 걸렸을 때의 운전 중이면 공연비값을 전부하 운전할 때의 공연비값으로 설정하고, 아니면 부분 부하 운전 중일 때는 공연비값을 부분 부하 운전 중일 때의 공연비값으로 설정하는 단계와; 부하량을 측정하여 상기한 부분 부하 공연비값을 보정하는 단계와; 여러 스텝을 걸쳐 측정한 공연비값을 필터링하여 기준치를 산출하는 단계와; 현재의 공연비값에서 상기한 단계에서 필터링하여 산출한 기준치를 제한 값을 공연비 에러값으로 산출하는 단계와; 공연비 에러값이 에러 허용치 내에 속하는지를 판단하여 에러 허용치 내에 있으면 상기한 처음 단계로 복귀하고, 아니면 공연비 제어 신호값을 에러 허용치에 대한 비례제어맵과 적분 및 미분 제어맵을 이용하여 수정하는 단계와, 상기한 단계에서 수정된 공연비 제어 신호값을 미리 설정된 최대 제어 신호값과 비교하여 수정된 공연비 제어 신호값이 크면 설정된 최대 제어 신호값을 다음 스텝의 공연비 제어 신호값으로 대체하고, 수정된 공연비 제어 신호값이 작으면 미리 설정된 최소 제어 신호값을 다음 스텝의 공연비 제어 신호값으로 대체하고, 서로 같으면 현재의 공연비 제어 신호값을 다음 스텝의 공연비 제어 신호값으로 대체하고 처음 단계로 복귀하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 엔진의 공연비 제어 신호를 생성 방법.