KR20010023298A - 불꽃 점화 기관에서 가스 연료를 사용하기 위한 전자제어기를 갖는 전환 시스템 - Google Patents

불꽃 점화 기관에서 가스 연료를 사용하기 위한 전자제어기를 갖는 전환 시스템 Download PDF

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Abstract

불꽃 점화 엔진에서 가스 연료로 작동하도록 전환하는 전환 시스템이 개시된다. 이 전환 시스템은 우수한 성능/응답성을 제공하고 배기가스 방출량을 감소시키는 몇 개의 신규한 원리로 작동하는 전자식 제어기를 포함한다. 본 발명에 따른 이 제어기는 가스 연료 모드가 작동되고(enable) 이 가스 연료에 맞춰진 독립적인 불꽃 점화 신호를 생성한다. 또한 이 제어기는 가스 연료를 엔진으로 공급하기 위해 고성능의 전자 솔레노이드 분사 밸브를 제어하는 독립적인 펄스 폭이 변조된 가스 연료 분사 신호를 생성한다. 다양한 분사 속도가 엔진의 동적 범위를 보상하기 위해 사용된다. 신규한 이중 어레이 블록 학습 구성(dual array block learn scheme)이 밀폐 루프 감시 시스템 및 배기 가스 재순환 장치를 구비한 엔진의 효율적인 연료 제어를 위해 사용된다. 또한 가솔린 출력 증대 모드가 최대 엔진 토크가 요구될 때 여분의 동력을 제공하기 위해 구비된다. 이들의 장점은 가스 연료의 모든 장점을 제공하면서 액체연료의 동력 성능을 유지하고, 배기가스 배출량을 최소화하는 효율적인 연료공급 시스템(fuelling system)을 제공하는 것이다.

Description

불꽃 점화 기관에서 가스 연료를 사용하기 위한 전자 제어기를 갖는 전환 시스템{Conversion system with electronic controller for utilization of gaseous fuels in spark ignition engines}
엔진 연료원으로서 천연가스를 사용하는 것은 많은 장점을 가지는 것으로 인식되어왔다. 천연가스는 엔진의 청결도를 증가시키고 전체적인 미관(tailpipe) 방출량을 저하시키는 청정연소 연료이다. 또한 이는 예를 들어, 중금속을 포함하는 가솔린에 요구되는 첨가제를 첨가하지 않고 연료로서 사용된다. 지금까지 가스 연료로 작동하도록 오토 사이클 엔진을 작동하는 데 사용된 상업적으로 실행가능한 기술은 1920년대에 이탈리아에서 설계된 장치 및 방법에 전체 또는 부분적으로 근거한 기계적으로 제어되는 시스템이다. 이와 같은 기계적 시스템은 현대의 차량용 엔진의 요구조건에 충족하지 못한다. 특히 운전자가 기대하는 반응성, 힘 또는 연료효율을 제공하지 못하며 또한 많은 규제 당국에 의해 이제 입법된 배기 방출 조건을 제공하지 못한다.
이러한 결점을 극복하기 위하여 액체연료엔진을 가스 연료로 전환하기 위한 전자식으로 제어되는 시스템이 발명되었다. 이들 중 가장 주목할 만한 발명은 하기에 설명한다.
1992년 3월 3일자 킹에게 허여된 미국특허 제 5,092,305호는 그 명칭이 "엔진을 위한 대체 연료 시스템을 제공하는 방법 및 장치"이다. 상기 특허는 주요 시스템에 기존 장치의 제조자의 제어 모듈을 사용하도록 주요 연료 시스템과 관련하여 작동하는 대체 연료 시스템을 개시하고 있다. 이는 적절한 량의 대체 연료가 엔진에 공급되도록 대체 연료에 대한 연료공급 밸브를 작동하기 위해 기존 장치의 제조자의 제어 신호를 변경하는 것이다. 스파크 제어는 기존 장치의 제어모듈에 의해 공급된다. 이 접근 방법에는 몇 가지 결점이 있다. 주요 결점 중의 하나는 천연가스와 같은 가스 연료가 가솔린과 같은 액체연료와는 다르게 작용한다는 것이다. 이 때문에 상이한 토크 요구값이 요구되는 기간인 냉시동, 워밍업, 동력 부가(power enrichment) 및 천이 기간(transient period) 동안에 상이한 연료공급이 요구된다. 또한 가스 연료는 액체연료와는 다른 점화 타이밍 제어를 필요로 한다. 상기 시스템은 점화 제어를 위해 기존 장치 제조자의 타이밍 제어신호에 의존하기 때문에 최적 성능 및 최소 방출이 실현되지 않는다. 엔진 점화 타이밍은 천연가스로 가동될 때 천연가스가 가솔린 보다 늦게 연소된다는 사실을 보상하도록 크게 촉진되어야 하며 그러므로 피스톤 상에 하향 최대평균압력을 작용시키기 위해 앞서 점화되어야할 필요가 있다.
1994년 10월 11일자 사이칼리스 등에게 허여된 미국특허 제 5,353,765호는 발명의 명칭이 "가스 연료 내연기관용 연료처리 시스템"이다. 상기 특허는 가스 연료를 전환된 엔진의 흡기 다기관 안으로 분사하기 위한 PWM 분사 신호를 제어하기 위해 가스 유량 연료센서, 질량 유량 공기 센서 및 배기 O2센서를 사용하는 폐쇄 루프 연료제어를 개시하고 있다. 이 질량 가스 유량 센서는 가스 연료원과 엔진사이에 유동 가능하게 연결된다. 질량 공기 유동 센서는 유사하게 내연기관용 흡기부와 직렬로 제공되며 두 유량센서의 출력은 본 발명에 따른 제어회로에 근거한 마이크로프로세서로의 입력신호로서 제공된다. 이 제어회로는 엔진에 제공된 연소성 차지(charge)의 공연비를 계산하고 엔진작동 조건의 함수인 요구하는 엔진 성능을 얻기 위해 공연비를 변화시켜 가스 연료원과 내연기관 사이의 직렬인 밸브장치에 대해 적합한 출력신호를 생성한다. 상기 시스템이 폭넓고 신속하게 변화하는 엔진 출력 요구에 대한 연료 요구값에 적합한 동적 반응을 제공하는지의 여부가 불명료하다. 또한 가스 유량 센서의 제어, 감시(monitoring) 및 안전한 작동을 위한 요구조건은 소프트웨어 알고리즘 및 하드웨어 요구조건 모두 복잡하다. 이 시스템은 또한 가스 연료모드에서의 최적 점화 타이밍 문제를 처리하지 못한다.
1994년 11월 29일자 킹(King)에게 허여된 미국특허 제 5,367,999호는 발명의 명칭이 "가스 연료엔진의 개선된 연료 시스템 성능을 위한 방법 및 시스템"이다. 상기 특허는 엔진으로의 가스 연료 압력을 다양하게 유지하여 가스 연료 공급되는 엔진의 성능을 향상시키는 개선된 가스 연료 공급 시스템 및 방법이다. 전자식으로 제어되는 연료 압력 조절기는 개선된 연료 계량 정확도와 개선된 엔진성능 및 방출량을 제공하는 연료 시스템 동적 범위를 개선하기 위해 전자식 연료압력 조절기를 제어하도록 엔진 속도 또는 다기관 절대압력 신호 및 연료 성분 센서, 연료 온도 센서와 연료 압력 센서로부터의 신호를 수신한다. 이러한 것이 연료 계량에 대한 새로운 개념이지만, 연료 계량은 고속 전자식 분사기의 정확한 제어에 의해 더 정밀하고 경제적으로 제어된다고 생각한다. 또한 상기 특허는 종래 기술과 같이 점화 제어를 다루지 않고 있다.
1997년 2월 4일자 공개된 노이만(Neumann)에 허여된 미국특허 제5,598,825호는 발명의 명칭이 "엔진 제어 유닛"이다. 상기 특허는 천연가스로 작동하는 2 사이클 터보 급기(turbo-charged) 디젤엔진을 전환하는데 사용되는 전자식 제어 유닛이다. 이 전자식 제어 유닛은 가스 분사기 작동 시간을 제어하기 위해 엔진속도, 스로틀 위치, 다기관 절대 압력, 가스압력, 가스온도, 배터리 전압, 공기 온도, 엔진 상태(phase), 부스트(boost) 압력 제어밸브 피드백 위치를 검출한다. 이 제어유닛은 검출된 엔진 속도 및 스로틀 위치에 근거한 엔진에 대한 백분율 전 부하값을 계산하고 계산된 백분율 전 부하 값을 이용하여 엔진을 위한 가스 공급 시스템에서 각각의 가스 분사기에 대한 분사기 작동 시간을 계산한다. 전형적으로 상기 제어유닛은 요구되는 다기관 절대압력값을 계산하기 위해 백분율 전 부하값과 엔진속도를 이용하고, 그 다음 이 계산된 다기관 절대압력 값은 백분율 허용 부하값을 계산하기 위해 백분율 전 부하값과 함께 이용될 수 있다. 이 엔진 제어 유닛은 이 ECU 제어기에 저장된 참조 테이블(lookup table)을 참고로 주어진 흡기 온도에 대한 점화 진각을 계산하기 위해 현재의 엔진속도와 함께 백분율 허용 부하값을 이용한다. 실험적으로 작성된 3차원 표의 데이터(empirically mapped data in 3-dimensional table)는 최적 점화 진각에 대한 제한된 범위 제어를 제공한다. 점화 진각이 최적의 엔진성능을 위해 장점이 있지만, 점화 코일 드웰 시간 제어를 포함하는 완전한 점화 제어가 최적 엔진 성능 및 최소 미관(tailpipe) 방출량을 위해 요구된다.
상술한 특허에 비추어, 액체 연료 공급되는 엔진을 가스 연료로 작동하도록 전환하는 시스템이 현저한 장점이 있음이 명백하지만, 요즘의 차량으로의 응용에서 기대되는 엔진 성능을 제공하는 경제적인 전환 시스템은 종래 기술로 실현되지 않는다.
본 발명은 불꽃점화(오토 사이클) 엔진에 천연가스 또는 유사한 가스 연료의 사용에 관한 것이며, 특히 차량 적용을 위해 설계된 엔진에 이러한 가스 연료를 사용하는 것에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 제어기를 설비한 밀폐 루프식 가솔린 엔진의 개략도.
도 2a는 본 발명에 따르는 코일 드웰 기간과 점화 타이밍 순차를 계산하기 위해 사용되는 작동 순차 및 센서 입력의 블록도.
도 2b는 본 발명에 따른 전자식 제어기에 의해 생성되는 점화 신호와 엔진 위치 센서에 의해 생성되는 신호 궤적을 도시하는 도표.
도 3은 본 발명에 따른 전자식 제어기에서의 분사기 개방 타이밍 제어 신호와 가스 연료 분사기 개방 지속시간을 계산하는데 관계되는 단계 및 센서 입력을 예시하는 블록도.
도 4는 도 3에 예시된 계산 순차에 사용되는 가속용 농화(enrichment) 계수의 계산을 예시하는 블록도.
도 5는 언제 가솔린 구동 출력증대 모드를 가동하는지를 판정하고 가솔린 구동 출력 증대 모드로 그리고 이 가솔린 구동 출력 증대 모드로부터 전환을 제어하기 위한 본 발명에 따른 전자식 제어기에 사용되는 논리를 예시하는 흐름도.
도 6은 본 발명에 따른 전환 시스템에서 점화 타이밍 신호를 제어하는 회로 구성(layout)을 도시하는 개략도.
도 7은 본 발명에 따른 이중 어레이 학습을 제어하는데 사용되는 논리를 도시하는 흐름도.
본 발명의 목적은 오염 제어 센서로부터 피드백되지 않는 개방 루프 시스템 또는 기존 장치의 엔진 제어 유닛에 피드백을 제공하는 엔진 배기 유동에 산소 센서를 갖는 밀폐 루프 시스템 중의 하나를 이용하는 엔진에 맞추어 적용될 수 있는 불꽃 점화 엔진에서 가스 연료의 이용을 위한 전자식 제어기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 선택된 엔진 조건을 감지하기 위해 다수의 센서로부터의 하나 이상의 출력에 반응하여 가솔린 연료를 위한 기존 장치의 엔진 점화 타이밍 신호와 독립적인 엔진 점화 제어 신호를 생성하는 불꽃 점화 엔진에서의 가스 연료 사용을 위한 전자식 제어기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 펄스 폭 변조된 연료 분사신호가 가스 연료를 엔진의 흡기 유동 안에 분사하는 가스 연료 분사기를 제어하기 위해 생성되도록, 선택된 엔진 조건을 감지하기 위해 센서로부터의 하나 이상의 출력에 반응하여 기존 장치의 연료 분사신호와는 독립적인 펄스 폭 변조된 연료 분사신호를 발생하는 불꽃 점화 엔진에 가스 연료를 사용하기 위한 전자식 제어기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 펄스 폭 변조된 연료 분사 신호가 엔진의 동적 범위에 따라서 연료분사마다 하나 이상의 실린더로 가스 연료를 제공할 수 있는 불꽃 점화 엔진에 가스 연료를 사용하기 위한 전자식 제어기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 가스 연료만을 사용하여 실현될 수 있는 엔진 출력 성능 요구조건이 초과될 때 가솔린 동력 부스트 모드를 가능하게 하는 전자식 제어기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 엔진의 기존 장치 제어기에 의해 배기가스 재순환이 가동되면 제 1 블록 학습 어레이(block learn array)가 사용되며 배기가스 재순환이 사용되지 않으면 제 2 블록 학습 어레이가 사용되는 이중 어레이 블록 학습 성능이 부여되는 불꽃 점화 엔진에 가스 연료를 사용하기 위한 전자식 제어기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 불꽃 점화 엔진이 가스 연료로 효과적으로 작동하도록 전자식 제어기와, 정밀한 가스 연료 온도 모델링이 가능하도록 이를 통해 엔진에 의해 가열된 유체가 순환하는 높은 열전달 가스 연료 압력 조절기를 구비하는 시스템을 제공하는 것이다.
그러므로 본 발명은 가스 연료로 작동하는 불꽃 점화 엔진의 작동을 제어하기 위한 전자식 제어기를 제공하며, 가스 연료가 불꽃 점화 엔진의 흡입 공기 유동에 공급되도록 선택된 엔진 조건을 감지하기 위해 다수의 센서로부터 신호를 받아들이고 이 센서들로부터의 신호들 중의 적어도 하나에 응답하여 연료 분사 신호를 생성하는 가스 연료로 작동하는 불꽃 점화 엔진의 작동을 제어하는 전자식 제어기에 있어서,
상기 제어기는 가스 연료에 더 적합한 엔진 점화 신호를 생성하도록 상기 센서들로부터의 신호 중 적어도 하나에 응답하여 본래 장치의 엔진 점화 타이밍 신호와 독립적인 엔진 점화 신호를 생성하고,
상기 제어기는 상기 가스 연료를 불꽃 점화 엔진의 흡입 공기 유동으로 분사하기 위해서 적어도 하나의 가스 연료 분사기를 제어하기 위한 펄스 폭이 변조된 연료 분사 신호가 생성되도록 상기 센서들로부터의 신호들 중 적어도 하나에 응답하여 가솔린 연료에 대한 기존 장치(original)의 엔진 점화 타이밍 신호와 독립적인 펼스 폭이 변조된 연료 분사 신호를 생성한다.
본 발명에 따른 전자식 제어기는 불꽃 점화 엔진을 압축된 천연 가스(CNG)와 같은 가스 연료로 작동하도록 전환하는 경제적이고 연료 효율적인 방법 및 장치를 가능하게 한다. 이 제어기는 엔진의 개개의 실린더에 대해 가스 연료를 가장 유리한 위치로 적절하게 분포시키기 위해 결정되는 엔진의 흡입 관(intake tract)의 면적으로 가스 연료를 분사하기 위해 2 방향 고속의 일반적으로 닫혀있는 분사 솔레노이드 밸브(HSV)를 제어하는 펄스 폭이 변조된(PWM) 연료 신호를 생성한다. 하나 이상의 분사기가 엔진의 연료 요구치에 따라 엔진에 사용될 수 있다. 상기 전자식 제어기에 의해 생성된 상기 PWM 연료 분사 제어 신호는 적어도 다기관(manifold) 절대 압력(MAP)과, 엔진 냉매 온도(ECT) 또는 흡입 공기 온도(IAT)와, 엔진의 회전 속도(RPM)와, 배터리 전압(BV)을 포함하는 다양한 엔진 조건 센서 입력에 의존한다. 부가적인 센서 입력은 엔진 성능을 더 향상시키고 배기 방출량을 더 감소시킨다. 부가적인 센서 입력은 연료 가스 온도(FGT), 스로틀 위치(TP) 및 배기 가스 재순환(EGR)을 선택적으로 포함한다. 부가하여, 현대의 밀폐식 엔진이 본 발명에 따른 시스템을 사용하여 전환될 때, 상기 제어기는 배기 가스 재순환이 작동될 때 연료 가스와 흡입 공기의 이론적 비율의 혼합기가 공급되는 것을 보장하기 위해 불꽃 점화 엔진에 의해 생성되는 배기 가스의 산소 함유량을 측정하는 하나 이상의 산소 센서로부터 신호를 또한 받아들인다. 여기서, 상기 제어기는 배기 가스 재순환 밸브가 개방될 때 제 1 블록 학습 어레이가 사용되고 배기 가스 재순환 밸브가 닫힐 때 제 2 블록 학습 어레이가 사용되는 이중 어레이 블록 학습 구성을 사용한다. 이는 상기 제어기가 변화하는 엔진 조건에 신속하게 적응하고 변화하는 주변 인자(environment factor), 엔진 마모 등을 자동적으로 보상하는 것을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 전자식 제어기는 또한 엔진이 가스 연료 모드로 작동할 때 점화 및 점화 타이밍을 완전하게 제어하게 한다. 상기 제어기는 양호하게는 점화 타이밍을 제어하는 타이밍 신호를 계산하기 위해 IAT와 ECT와 관련하여 MAP와 RPM을 사용한다. 배터리 전압(BV), MAP와 RPM이 코일 드웰 기간을 계산하기 위해 사용된다. 점화 타이밍과 코일 드웰 기간이 요구되는 강도의 점화 스파크가 가스 연료의 점화를 위한 최적 시간에 일어나는 것을 보장하기 위해 완전한 연료 점화 순차를 생성하도록 조합된다. 이 시스템은 스파크 타이밍과 점화 코일 전류 기간(드웰 각)의 직접적인 제어를 가능하게 하는 솔리드 상태 스위치를 포함한다. 코일 드웰을 제어하여 천연가스와 같은 가스 연료를 점화하는데 요구되는 높은 이온화 전압을 보상하기 위해 증가되는 스파크 에너지가 가능해진다. 부가하여, 상기 솔리드 상태 스위치는 상기 기존 장치의 제어기가 "만족된 상태(happy)"를 유지하도록 그 기존 장치의 점화 모듈의 존재/작동을 모사한다(simulate). 기존 장치의 점화 바이패스 신호에 의해 제어되는 제 2 솔리드 상태 스위치는 rm 기존 장치의 제어기가 점화 바이패스 제어에 들어갈 때 모사된 부하를 기존 장치의 점화 신호에 적용한다. 이는 엔진이 가스 연료 모드일 때 기존 장치의 점화 바이패스 진단을 적절하게 할 수 있음을 보장한다.
마지막으로, 본 발명에 따른 제어기는 최대 엔진 토크가 명령될 때 가솔린으로 구동되는 출력 증대 모드를 선택적으로 가능하게 한다. 조작자가 본 발명에 따른 전환 시스템을 설비한 엔진으로 구동되는 차량의 가속 페달을 완전히 밟으면, 이 제어기는 연료 효율을 보장하고 배기 가스 방출량을 최소화하기 위해 일정시간 후 가솔린 구동으로 자동적으로 전환된다. 스로틀이 완전히 개방된 위치에서 해제될 때, 상기 제어기는 부드러운 전환을 보장하기 위해 일정 시간이 경과한 후 가스 연료 모드로 자동적으로 다시 전환한다. 이는 최대 엔진 토크가 명령되지 않을 때 항상 가스 연료만으로 작동하면서 최대 토크가 요구될 때에는 액체 연료를 사용할 수 있는 출력 증대 모드를 제공할 수 있게 한다.
본 발명은 이제 하기의 도면을 참조하여 예시만을 위해 더 완전히 설명된다.
본 발명은 가스 연료로 작동하도록 불꽃 점화 엔진의 작동을 제어하는 전자식 제어기를 구비하는 전환 시스템을 제공한다. 이 전자식 제어기는 선택된 엔진 조건을 감지하는 다수의 센서로부터의 출력을 수용하며, 기존 장치의 엔진 점화 시기 신호와 무관하게 점화 제어 신호를 발생시킨다. 또한, 이 전자식 제어기는 센서 출력에 응답하는 기존 장치의 연료 분사 신호와 무관하게 펄스 폭 변조된 연료 분사 신호를 발생시킨다. 이는 전자식 제어기가 최대 엔진 성능 및 연료 효율을 성취하면서 엔진 배기량을 최소화하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 전자 제어 장치(이하 ECU(24))를 구비하는 전환 시스템을 갖춘 최신 불꽃 점화 엔진의 개략도이다. 불꽃 점화 엔진(10)은 종래 공지된 방식으로 가솔린 탱크(14)로부터 액체 연료를 공급하는 액체 연료 분사기(12)를 갖춘다. 불꽃 점화 엔진(10)은 각각의 엔진 실린더 내의 점화 플러그(도시되지 않음)에 의한 점화 스파크의 발생을 제어하는 스파크 점화 모듈(18)과 흡기 다기관(16)을 또한 갖춘다. 이 불꽃 점화 엔진(10)은 배기 시스템(20)을 또한 갖춘다. 최신식, 밀폐 루프(closed-loop) 엔진의 경우, 배기 시스템은 신호 라인(22) 상에 배기 가스의 산소 함량을 나타내는 신호를 출력하는 산소 센서를 구비한다. 도 1에 나타낸 불꽃 점화 엔진(10)은 밀폐 루프 제어 시스템을 구비하지만, 본 발명에 따른 ECU(24)는 배기 산소 센서가 없는 엔진에 작동되도록 동일하게 적용된다는 것을 이해해야만 한다.
상기 ECU(24)는 다수의 센서로부터의 입력 및, 일반적으로 닫혀있는 2방향 가스 연료 분사 솔레노이드 밸브(이하 HSV(26))로의 출력과 스파크 점화 모듈(18)로의 출력을 허용한다. 작동을 가능하게 하기 위해, ECU(24)는 적어도 다기관 절대압력 센서(MAP)와, 엔진 냉매 온도(ECT) 센서 또는 흡기 온도(ITA) 센서와, 엔진의 회전 속도(RPM) 및, 양호하게는 ECU(24)에 의해 직접 감지되는 배터리 전압(BV)을 감지하는 센서로부터의 출력 신호를 수용해야 한다. 따라서, ECU(24)는 도 1에 나타낸 밀폐 루프 최신 기화(carburetted) 엔진 또는 전자 분사 가솔린 엔진(10) 뿐만 아니라, 개방 루프 최신 기화 엔진 또는 연료 분사 엔진을 제어하는데 사용될 수 있다. 최적의 성능을 위해, ECU(24)는 스로틀 위치 센서(TP)와, 배기 가스 O2센서로부터의 입력 신호를 수용하며, 불꽃 점화 엔진이 배기 가스 재순환(EGR)을 갖추면 EGR로부터의 입력 신호를 또한 수용하는 것이 양호하다.
도 1에 나타낸 바와 같이, ECU(24)는 가솔린 엔진(10)의 선택된 조건을 측정하는 센서로부터 다수의 입력을 수용한다. RPM은 ECU(24)에 의해 입력 라인(28)상에서 측정된다. MAP 또는 선택적으로 IAT는 입력 라인(30) 상에서 다기관(16) 내의 센서로부터 각각 수용된다. MAP 및 IAT는 각각의 입력 라인으로 수용되며, MAP는 공지된 종래 방식으로 진공 호스(도시되지 않음)에 의해 다기관(16)에 연결되고, ECU(24)에 구비된 MAP 센서에 의해 직접 측정될 수 있다. ECU(24)를 갖춘 차량이 차량의 스로틀(34)의 상대적 위치를 측정하기 위한 스로틀 위치 센서(32)를 포함하면, ECU(24)는 입력 라인(36) 상에 스로틀 위치 신호(TP)를 수용한다. 전환 시스템의 양호한 실시예에 따르면, 압축 천연 가스(38; CNG)가 2단(two-stage) 압력 조절기(40)에 의해 HSV(26)에 공급된다. 이 2단 압력 조절기(40)는 양호하게는 1995년 8월 30일 출원된 국제 출원 PCT/CA95/00500호에 개시된 형태이다. 이 2단 압력 조절기(40)는 등압으로 HSV(26)에 연료를 공급하는 소형, 고 유량, 저 드룹(droop), 저 압력 강하 및 저 크리프(creep) 조절기이다. 이 2단 압력 조절기(40)는 조절기 기부 및 그 상부에 장착된 부품을 가열하기 위해 조절기 본체 내에 온도 제어 유체 통로를 구비한다. 이 통로는 최대 유량 및 실린더 압력에서 100℃로 연료 가스 온도를 상승시키며 압력 조정 공정 중에 연료 가스가 팽창됨에 따른 열 손실을 보상하는데 충분한 열전달을 제공하도록 설계된다. 가열 유체는 유체 전송 라인(42)을 통해 압력 조절기(40)로 공급된다. 이 유체 전송 라인(42)은 전형적으로 엔진 냉매를 가솔린 엔진(10)으로부터 2단 압력 조절기(40)를 통해 안내하며, 다시 불꽃 점화 엔진(10)으로 복귀시킨다. 공냉식 불꽃 점화 엔진에서는, 유체 전송 라인(42)은 통상적으로 엔진 냉매보다는 엔진 윤활유를 안내한다. ECU(24)는 가솔린 엔진(10) 상의 기존 장치의 냉매 센서 또는 전환 시스템에 공급되는 애프터서비스용(aftermarket) 온도 센서로부터 ECT 신호를 유도한다. CNG(38)는 2단 압력 조절기(40)에 의해 가스 연료 라인(46)을 통해 HSV(26)로 공급된다. ECU(24)는 도 3 및 도 4를 참조하여 하기에 설명하는 바와 같이, 다기관(16) 내로의 가스 연료의 분사를 제어하도록 연료 분사 신호 라인(48)을 통해 HSV(26)으로 PWM 분사기 신호를 출력한다. ECU(24)는 도 2a 및 도 2b를 참조하여 하기에 설명하는 바와 같이, 점화 제어 신호 라인(50)을 통해 스파크 점화 모듈(18)로 점화 제어 신호를 또한 출력한다. ECU(24)에 의해 수용된 다른 신호에 부가하여, ECU(24)는 배터리 전압(BV)을 판정하기 위해 신호 라인(54)을 사용하여 차량 배터리(52)에 의한 전압 출력을 측정한다.
도 2a는 엔진 스파크 타이밍이 배출량을 최소화하면서 엔진 성능을 최대화하기 위해 CNG(38)에 대해 최적화되는 것을 보장하도록 ECU(24)에 의해 수행되는 엔진 스파크 타이밍 신호의 계산을 나타내는 블록도이다. 제 1 단계에서, 주 타이밍 간격은 MAP 및 RPM을 사용하여 참조 테이블로부터 얻어진다. 주 타이밍 간격은 다른 알고리듬이 동일한 목적을 위해 사용될 수 있지만, 양호하게는 회전 정도를 나타내는 단일 바이트 이진수이다. 주 타이밍 간격(56)이 유도된 후, 이는 양호하게는 MAP 및 RPM을 사용하여 참조 테이블로부터 얻어지는 공기 온도 가산기(58; air temperature adder)를 사용하여 조정된다. 이 공기 온도 가산기는 또한 주 타이밍 간격에 부가되는 것과 유사한 단일 바이트 이진수이다. 엔진 온도 가산기(60)는 또한 양호하게는 주 타이밍 간격을 조정하기 위해 사용된다. 이 엔진 온도 가산기는 MAP와 ECT를 사용하여 참조 표에 의해 유도된다. 주 타이밍 간격(56), 공기 온도 가산기(58) 및 엔진 온도 가산기(60)를 위한 표는 양호하게는 본 발명에 따른 전환 시스템에 설치된 형태의 불꽃 점화 엔진으로부터의 경험적인 테스트 데이터를 사용하여 채워진 데이터이다. 이 주 타이밍 간격(56)이 공기 온도 가산기(58)와 엔진 온도 가산기(60)를 사용하여 조정된 후에, 상기 값은 엔진에서의 실린더 수에 근거한 상수를 곱하고 종래 기술에 공지된 실린더의 간격에 의해 이를 나눠 스파크 점화 엔진(10)에 적합하게 조정된다. 이렇게 얻어진 값은 인접한 점화 실린더의 스파크 점화 상사점(TDC) 사이에서의 클록 사이클 수를 나타내는 상수 "D"를 곱하므로써 클록 사이클로 전환된다. 이 계산결과는 도 2b에 도시된 TDC로부터 다음 스파크로의 이벤트(A)를 나타낸다. 드웰 주기(C)는 도 2b에 도시된 프리-드웰 주기(B)를 결정하기 위해 TDC로부터 다음 스파크로의 이벤트(A)로부터 감산된 코일 드웰 주기를 결정하기 위하여 3차원 참조 테이블에서 MAP, RPM 및 BV를 사용하여 계산된다. 이들 두 값(B, C)은 스파크 점화 모듈(18)을 제어한다. 가스 연료공급되는 엔진에 대하여, 점화 타이밍이 변경되거나 또는 배출량과 효율면에서 불리해진다. 상술한 바와 같은 스파크 타이밍과 점화 코일 전류 또는 드웰 각의 직접 제어는 배출량을 최소화하고 효율을 최대화한다. 드웰 각의 제어는 천연 가스와 같은 가스 연료를 점화하기 위해 요구된 높은 이온화 전압을 보상하기 위해 증가하는 스파크 에너지를 허용한다. 하기에 설명하는 바와 같이, 불꽃 점화 엔진이 가스 연료 모드로 작동되는 동안 솔리드 상태 스위치는 그 점화 진단 결과가 허위 결함을 보고하는 것을 방지하기 위하여 기존 장치의 제어기로의 점화 모듈을 모사한다.
도 2b는 도 2a를 참조하여 상술한 바와 같이 ECU(24)에 의해 발생된 점화 스파크 제어 신호(66)와 엔진 위치 신호(64)의 개략적인 궤적을 도시한 도면이다. 상술한 바와 같이, 클럭 신호로 표현되고, 문자 "D"로 지시된 타이밍 간격은 마지막 점화 실린더의 TDC와 점화 스파크 이벤트를 요구하는 다음 실린더의 TDC 사이에서의 주기를 지시한다. 도면부호 "A"로 지시된 주기는 다음 스파크 이벤트로의 TDC를 나타난다. 이 주기는 "B"에 의해 지시된 지연 주기와 "C"로 지시된 드웰 각의 두 성분을 포함한다. 따라서, 최적 스파크 점화 순차는 각 스파크 이벤트를 현재의 엔진과 주위 조건에 맞추기 위한 입력으로서 MAP, RPM, IAT, ECT 및 BV를 사용하여 계산된다.
도 3은 HSV(26 ; 도 1 참조)를 위한 분사기 개방 지속 시간과 분사기 개방 타이밍에 대한 양호한 계산 시퀀스를 나타내는 개략도이다. 오토 사이클 엔진의 공기 흡입은 연속적인 유동이 아니라 각 엔진 실린더의 흡입 행정에 대응하는 일련의 펄스이다. 중심점 또는 쓰로틀 바디 가스 연료공급 방법은 요구되는 공기와 가스 연료의 균일한 혼합시 두 가지 접근방법을 통상적으로 취한다. 첫 번째 것은 "연속 이송"으로 알려져 있으며 이 명칭이 암시하는 바와 같이 가스가 공기 유동 내로 무단 연속적으로 유동(stepless, continuous flow)함을 의미한다. 이러한 접근은 기계적 시스템에 의해 사용된다. 연료량을 결정하기 위해 "온-오프" 펄스-폭 변조를 사용하는 분사기(injector)와 디지털 연료 분사의 출현으로 인해, 정확한 양의 가스 연료가 각각의 실린더의 공기 충전부로 확실히 공급되도록 연료분사와 공기 펄스를 동기화시키는 것이 분명히 중요하다. 가장 쉬운 방법은 각각의 공기 펄스마다 한 번의 연료 "샷(shot)" 또는 분사기 펄스를 분사하는 것이다. 이것이 단일 속도 분사(single speed injection)이라고 알려져 있다. 이는 균일한 혼합을 보장하지만 분사기의 기계적 관성으로 인해 달성될 수 있는 동적 범위(dynamic range)에 있어서 한계가 존재한다. 이는 분사기를 개폐하는데 요구되는 시간(이는 매번 대략 0.001 초 임)에 의해 야기된다. 소량의 가스를 안정적이고 신뢰성있게 공전 속도에 공급하고 가스 연료가 정확한 공기 펄스로 공급되도록 보장하면서 최대 RPM 과 파워에서 최대 연료를 공급될 수 있게 하려면, 통상 여러 개의 질 좋은 연료 분사기가 필요하며, 이 연료분사기 갯수는 엔진의 동적 범위와 이것이 고속에서 양호하게 "브리딩(breathing)" 하는지에 따라 결정된다.
본 발명은 전술한 문제들을 해결하기 위하여 "가변 분사 비율(variable injection ratio)" 방법을 이용하였다. 가변 분사 비율은 매 두 번 이상의 유입 공기 펄스마다 유입 공기 유동에 한 번의 연료 분사를 공급한다. 분사기를 온 오프시키는데 소모되는 시간이 절반으로 되므로, 이는 보다 빨리 작동하는 분사기를 갖는 것과 같게 되며 밸브가 연료를 공급할 수 있는 엔진의 동적 범위가 증대된다. 엔진의 동적 범위 또는 "턴 다운 비율(turn down ratio)"은 최대 출력을 요하는 차량의 연료 량과 공회전시에 매 스트로크당 소모하는 최소 량 사이의 차이에 의해 결정된다. 튜닝된 공기 유도, 과급(super charging), 실린더당 다수의 밸브 또는 가변 밸브 타이밍은 모두 가솔린 엔진의 동적 범위를 증대시킨다. 엔진을 그 전체 동적 범위에 걸쳐서 적절히 연료공급하는데 요구되는 HSV(26)의 갯수를 최소화하기 위해, 본 발명은 앞서 설명한 가변 분사 비율을 이용한다.
물론, 가스 연료를 모든 공기 흡입 펄스보다 적게 분사하는 것은 연료가 엔진 실린더에 균일하게 분배되는 것을 보장하기 위해 신중하게 이루어져야 한다. 본 발명에 따른 가변 비율 분사는 분사 펄스가 둘 이상의 순차적인 공기 흡입 펄스와 중첩되어 각각의 가스 연료 분사의 비례 양이 각각의 순차적으로 점화하는 실린더에 할당되게 하는 타이밍조절된 가스 연료 분사를 보장한다.
이러한 개선의 진정한 효과는 종래의 시스템이 둘 이상 필요로 했던 분사기를 하나 사용할 수 있다는 것이고, 종전에 셋 이상이 요구되던 분사기를 두 개 사용할 수 있다는 것이다. 값비싼 연료 분사기를 명백히 비용절감하는 장점뿐 아니라, 분사기의 개수를 줄이는 것은 ECU 복잡성, 배선 장비 복잡성, 열 방출 요건 등을 단순화시키는 연쇄 효과를 갖는다.
액상 연료 계량과 달리 가스 연료 계량은 가스 온도에 상당히 종속적이다. 이를 설명한다면, 주어진 양의 천연 가스가, 차량 연료 계량이 필요한 범위의 두 극단인 - 40℃ 내지 + 100℃ 의 온도 범위에서 체적이 60 퍼센트 변화된다. 통상적으로, CNG 온도를 측정하고, 그 밀도를 계산하여 "작동 시간"을 보상하기 위해 분사기를 조절하기 위해, CNG 온도 센서가 사용되었다. 이것은 입증된 방법이지만, 결점도 여러 개 있는바, 그 주요 결점은 여분의 센서로 인한 비용의 추가와, ECU 복잡성과, 배선 장비의 복잡성과, 여분 센서 포트의 가공 필요성과, 센서 진단의 필요성 등이다.
본 발명은 기존 장치 시스템에 이미 제공된 센서, 즉 엔진 냉매 온도 센서를 사용하므로써 이들 결점을 해결하고 있다. 상술한 바와 같이 높은 열전달 CNG 2단계 압력 조절기를 사용하므로써, 엔진 냉매가 이를 고속으로 순환하여 통과하는 상황하에 CNG 는 조절기를 빠져나갈 때 엔진 냉매 온도에 상당히 가깝게 유지된다. 가열된 CNG가 조절기를 빠져나간 후, 밀착 커플링된 가스 분사 블록 내로 이송된다. 요망되는 정확도에 따라, 연결 호스와 분사 블록을 열적으로 절연시키는 장비가 만들어진다. 가스 연료의 온도가 알려져 있으면, 모든 엔진 및 천연 가스 온도에 대해 정확한 계량이 이루어질 수 있다. 가스 연료가 계량된 후, 가스는 임의 온도로 엔진에 이송될 수 있다. 차가운 가스 연료는 공기를 덜 배출하고 보다 많은 출력을 가능케 한다.
다시 도 3 으로 돌아가서, 분사기 개방 지속 기간은 단계 68 에서 도시된 2차원 체적 효율 테이블(도시하지 않음)로부터 초기값을 유도하기 위해 MAP 과 RPM을 사용하여 시작하는 일련의 연산에 의해 계산된다. 불꽃 점화 엔진(10)이 밀폐 루프 시스템과 EGR을 구비하고 있다면 이 값은 단계 70에서 도출된 O2센서 피드백 제어를 이용하여 수정된다. O2센서 피드백은 도 7 과 관련하여 후술되듯이 블록 학습 어레이로부터 유도된다. 그렇지 않으면 단계 70 은 생략된다.
단계 72 에서는 단계 68 과 단계 70 으로부터의 결과가 곱해지는 공기 밀도 수정 인자를 유도하기 위해 IAT 와 ECT 를 사용하여 공기 밀도 수정 테이블이 참고된다.
따라서, 단계 74에서 상기 결과값은 MAP 값과 곱해진다. 단계 76 에서, ECU(24)의 비휘발성 메모리에 저장되어 있는 동적 범위 변수(DRV: dynamic range variable)를 판독하여 1 내지 256 사이의 수치값인 가변 분사 비율을 결정한다. 상기 DRV는, 실제 경우에, 정상적으로는 1 또는 2의 값이고 가스 연료가 공급되는 흡입 펄스의 숫자를 결정하게 된다. 상술한 바와 같이, 상기 DRV는 광범위한 동적 범위로 엔진을 조정하는데 사용되며, 본 발명에 따른 시스템을 장착한 불꽃 점화 엔진(10)의 특성에 좌우된다. 단계 78 에서, 대개는 상술한 바와 같이 온도 모델링으로부터 추출되는 ECT를 사용하는 연료 가스 온도(GTS)와 연료 온도 보정표로부터 하나의 값을 산출한다. 연료 온도 보정표로부터 산출된 변수는 단계 76 로부터의 결과값과 곱해진다. 단계 80 에서, MAP, RPM 및 도 4를 참조하여 이하에서 보다 상세하게 후술하겠지만, 선택적으로 TP를 사용하여 가속용 연료 증가량을 계산한다. 상기 가속용 연료 증가량은 단계 78 의 결과값에 더해진다. 단계 80 의 합계는 분사 장치의 모델 번호를 사용하여 관련된 분사 장치의 특성을 판독하는 연료량 계산부 및 밀리그램 단위로 표현되는 연료량을 산출하는 계산 단계 68 내지 단계 80 의 결과를 사용하여 분사 장치의 개방 시간을 계산하도록 하는 GTS로 전달된다. 서로 다른 분사 장치가 서로 다른 작동 특성을 가지고 있기 때문에, 유리하게는 분사 장치의 모델에 고유한 공식을 사용하여 분사 장치의 개방 지속 시간을 결정한다. 가스 연료의 온도(GTS) 또한 연료 압력이 분사 장치의 개방 및 폐쇄에 기여하는 시간의 길이를 결정하게 된다. 따라서 이들 두 가지 인자는 단계 82 에서 밀리 세컨드 단위로 분사 장치의 개방 지속 시간을 계산하는데 사용된다. 분사 장치의 지속 시간은 이후에 배터리 전압(BV: battery voltage)을 사용하여 단계 84 에서의 일차원 배터리 전압표로부터 유도된 보정 계수에 의해서 변경된다. 마찬가지로 BV도 HSV(26)를 개방하고 폐쇄하는데 필요한 시간의 길이를 결정하는데 유용하다. 따라서 BV는 단계 84 에서 측정되며, 단계 82 에서 계산되는 분사 장치의 지속 시간에 더해지는 밀리 세컨드 단위의 보정 계수를 결정하는데 사용된다. 단계 82 및 단계 84 의 합계는 단계 86 에서의 최종 분사 장치의 개방 지속 시간을 산출하며, 상기 개방 지속 시간은 단계 88 에서 분사 장치의 타이밍 계산부로 전달된다. 분사 장치의 개방 타이밍 계산부는 분사 장치의 개방 지속 시간과 연계하여 MAP와 RPM을 사용하여 분사 장치의 개방 타이밍을 결정한다. 분사 장치의 개방 타이밍 명령은 단계 90 에서 HSV(26)의 개방과 폐쇄를 제어하는 분사기 구동기로 출력된다(도 1 참조).
이제 도 4를 참조하여, 가속용 연료 증가량 계산부(80)에 대해서 보다 상세하게 설명하기로 한다. 단계 92 에서, MAP는 최후에 판독한 MAP 값과 비교하여 다기관의 절대 압력의 변화 비율을 나타내는 ΔMAP를 계산한다. ΔMAP는 단계 92 에서 계산된 ΔMAP변수를 사용하는 일차원 ΔMAP표로부터 유도되는 ΔMAP 조정 계수를 사용하여 보정된다. 단계 94 에서 유도된 상기 ΔMAP 보정 계수는 ΔMAP와 곱해지며, 그 결과값은 단계 96 에서, 비휘발성 RAM 메모리에 저장되어 있는 이상적인 다기관 체적에 의해서 곱해진다. 상기 이상적인 다기관 체적은 불꽃 점화 엔진(10)의 성능 비교 실험으로부터 유도되는 실험값이다. 상기 이상적인 다기관 체적은 엔진의 "브리딩 특성(breathing characteristics)"에 따르며, 통상적으로 불꽃 점화 엔진(10)의 흡입 다기관을 실제로 측정한 체적 보다 약간 작다. 단계 96 의 결과값은 단계 98 에서 RPM을 사용하는 일차원표로부터 유도된 엔진 속도 보정 계수와 곱해진다. 상기 결과값은 ΔMAP 필터 계수(102)를 사용하여 단계 100 에서 디지털 필터를 통해서 전달된다. 상기 ΔMAP 필터 계수는 두 가지의 값으로부터 선택되는데, 첫 번째 계수는 ΔMAP가 증가할 때 사용되며, 두 번째 계수는 ΔMAP가 감소할 때 사용된다. 가솔린 엔진(10)이 스로틀 위치 센서를 구비하지 않는 경우에는, 단계 100 의 결과는 도 3을 참조한 상술한 계산에서 단계 80 에 사용된 가속용 연료 증가 계수로서 바로 출력된다. 가솔린 엔진(10)이 스로틀 위치 센서를 장착한 경우에는, 스로틀 위치(TP: throttle position)를 단계 104 에서 최후에 판독한 스로틀 위치와 비교하여 스로틀 위치의 변경 비율을 나타내는 ΔTP를 계산하게 된다. ΔTP는 ΔTP변수를 사용하여 단계 104 에서 ΔTP 보정표로부터 유도된 ΔTP 보정 계수와 곱해진다. 단계 102 및 단계 104 에서의 결과값은 TP를 사용하여 단계 106 에서 가속용 연료 증가량으로부터 유도된 가속용 연료 증가량 계수에 합해진다. 상기 작동의 결과값은 RPM을 사용하는 엔진 속도 보정표로부터 유도되는 단계 108 에서의 엔진 속도 보정 계수와 곱해진다. 단계 108 에서의 결과값은 단계 110 에서 디지털 필터를 통해서 전달된다. 이 필터는 ΔTP 필터 계수(112)에 의해 변경된다. 두 개의 필터 계수 중의 하나는 유리하게는 ΔTP가 증가하거나 감소하는 것에 따라서 사용된다. 디지털 필터(110)의 출력은 디지털 필터(100)의 출력에 더해지며, 이 합계는 도 3을 참조하여 설명한 단계 80 에서의 계산에서 사용되는 가속용 연료 증가 계수를 제공한다.
불꽃 점화 엔진을 가스 연료 엔진으로 전환하는 것은 일반적으로 모든 엔진 속도에서 피할 수 없는 출력의 손실을 초래하게 된다. 가스 연료의 특성 때문에, 공기는 상당량의 연료로 대체되며, (따라서) 연소에 필요한 산소량을 감소시키게 된다. 이 대체는 약 10 퍼센트 정도이며, 대략 10 퍼센트 정도의 출력 손실에 대응한다. 또한, 가솔린을 연료로 사용하는 엔진에서의 최대 출력은 여분의 액체상 가솔린이 엔진으로 공급되는 경우에 가능해진다. 상기 여분의 연료는, 다른 방식으로는 연소에 필요하지 않지만, 자체의 액상-기상간 위상 변환에 따라서 흡입되는 공기를 냉각시키게 되므로 급기 밀도가 증가하게 된다. 밀도가 더 높은 공기가 연소에 필요한 산소를 더 많이 포함하게 되므로 더욱 큰 출력이 가능해진다. 이 농도 증가 기법은 엔진 토크를 증가시키게 된다. 가스 연료가 흡입 다기관에서 위상 변환을 수행하지 않기 때문에, 흡입 공기의 냉각 효과가 없으며, 따라서 이론적으로 필요한 것보다 더 많은 양의 연료를 첨가하여도 출력에서의 이점은 없게 된다. 따라서, 가스 연료 자동차의 운전자는 통상적으로 10 내지 20 퍼센트의 출력 감소를 감내해야만 하며, 따라서 가스 연료를 사용하는 자동차로 전환할 때 종종 출력 손실을 만회하기 위해서 더 큰 엔진 또는 수치적으로 더 큰 구동축 감소율을 주문해야 한다. 더 큰 엔진이 더 큰 출력을 제공하기는 하지만, 이는 정상적인 운전에서 효율이 떨어지며, 일반적으로 배출 가스의 배출이라는 형태로 공해에 더 많이 기여하게 된다. 수치적으로 더 높은 구동축 비율은 주어진 도로 속도에 대해서 엔진의 속도를 증가시키게 되며, 따라서 여분의 연료를 필요로 하게 되며, 추가적인 공해를 초래하게 된다.
상술한 단점을 극복하기 위해서, 본 발명은 완전한 엔진 토크가 필요하게 되는 경우에 자동적으로 연료를 가솔린으로 전환하게 할 수 있는 능력을 제공한다. 자동차의 조작자가 가속 페달을 완전하게 밟는 경우에는, 연료가 너무 많거나 너무 적은 주기가 없다는 것을 보장하도록 시간 계산된 컴퓨터가 제어하는 전환이 발생하게 된다. 조작자가 가속 페달에서의 가압 압력을 감소시키는 것과 동시에, 상기 시스템은 자동적으로 연속적인 전환을 보장하도록 하는 타이머를 사용하여 다시 가스 연료로 재전환된다. 이 특성은 운전자가 잘 느낄 수 없는 것이며, 운전자는 부가적인 토크를 통해서, 그리고, 선택적으로, 계기판 상의 지시등에 의해서만 이를 인지할 수 있다. 이는 가솔린이 소모되지 않는 정상(normal) 구동시에 성립된다. 그러나, 엔진 토크 수준이 안전한 것으로 판단될 때, 패싱(passing) 또는 머징(merging)시에, 항상 전체 토크를 순간적으로 사용할 수 있다. 이 특성은 가솔린 시스템을 고유량(high flow rate) 상태에서 정기적으로 "시험운전(exercising)"하여 기존의 가솔린 분사기에 "세정(flush)"효과를 제공한다는 부가적인 장점을 가지고 있다. 가솔린 출력 증대 특성은 두 단계로 제어되며, 이는 차량의 계기판 상에 장착된 토글 스위치(114; 도 1 참조)를 사용하여 운전자가 선택적으로 상기 특성을 "중단(defeat)"시키는 것과, 베이스 캘리브레이션(base calibration)이다. 상기 토글 스위치(114)는 출력 증대 가능 위치와 출력 증대 불가 위치 사이에서 스위칭될 수 있으며, 이는 라인(116)상의 ECU(24)에 의해 감지되어 운전자가 상기 특성을 선택적으로 중단시킬 수 있도록 해준다. 이는 차량의 가솔린 연료공급 시스템에 손상이 있는 경우나, 가솔린 탱크가 비어있는 경우, 또는, 운전자가 이 특성이 제공되지 않는 상태로 운전하기를 원할 때 유용하다. 운전자가 토글 스위치(114)를 출력 증대 가능 위치에 위치시키는 경우에, ECU(24)는 도 5를 참조로 후술될 일련의 타이머와 참조 테이블을 사용하여 운전자의 입력이 없는 상태에서 액상 연료와 가스 연료 사이의 전환을 자동으로 제어한다.
도 5는 가솔린 출력 증대 모드를 시작 및 종료시키는데 사용되는 논리 순차를 도시하는 논리도이다. 단계 120에서, ECU(24)는 MAP나 TP를 모니터링하여 차량의 스로틀이 그 한계에 있는지 아닌지를 판정한다. 다기관 절대압에서 직접적인 등가량(equivalent)을 사용할 수 있기 때문에, 가솔린 출력 증대 모드를 가동하는데에는 스로틀 위치 센서(32)가 필요없다. MAP가 ECU(24)의 불휘발성 메모리에 저장된 사전설정된 임계값을 초과하는 경우나, 스로틀 위치 센서(32)가 스로틀(34)이 그 이동 범위의 한계점에 있다는 것을 나타내고 있는 경우에, 도 6을 참조로 후술될 바와 같이 릴레이를 스위칭함으로써 단계 122에서 ECU(24)에 의해 가솔린 모드가 가동 상태가 된다. 가솔린 출력 증대 모드의 시동시에, ECU(24)는 단계 124에서 불휘발성 메모리 내에 저장된 전환 지연 기간을 호출하고, 단계 126에서 전환 지연 기간이 경과되었는지 아닌지를 결정한다. 지연 기간은 가스 연료로부터 가솔린으로의 원활한 천이를 보장하며, 스로틀 본체로의 최초 가솔린 분사와 가솔린이 실제로 흡기 밸브에 도달하는 시간 사이의 지연을 보상한다. 단계 126에서 지연이 경과된 것으로 판정된 이후에, HSV(26)로의 신호는 불능 상태가 되고, 단계 128에서 CNG 연료 공급이 차단된다. 그후, 프로그램은 TP나 MAP를 모니터링하여 엔진(10)이 가스 연료 작동으로 복귀되는 단계 130에서 스로틀이 소정의 천이 위치로 경감되었는지 아닌지를 판정한다. 스로틀이 소정의 천이 위치 이하인 경우, 가솔린 모드는 단계 132에서 종료되고, 가솔린으로부터 가스 연료로의 전환이 단계 134에서 ECU(24)의 불휘발성 메모리로부터 호출된다. 단계 134에서 검색되는 소정의 전환 지연은 가솔린 모드로부터 가스 연료 모드로의 천이가 과도한 배기 증가를 유발하지 않도록 설정되어 있다. 단계 136에서, 소정의 지연 기간이 경과된 것으로 판정되었을 때, HSV(26)로의 제어 신호는 ECU(24)에 의해 다시 가동상태가 되며, 단계 138에서 CNG 분사가 재개된다. 언제나, ECU(24)는 TP나 MAP를 모니터링하여 단계 20에서 스로틀이 소정의 한계에 있는지 아닌지를 판정한다. 스로틀이 소정 한계에 있지 않고, 단계 140에서 CNG 모드가 가능상태라고 판정되는 경우에는 ECU(24)는 단계 120에서 그 주기적인 모니터 루틴으로 복귀된다.
도 6은 가스 연료 모드와 가솔린 모드 사이의 점화 타이밍 캘리브레이션을 스위칭하기 위해 ECU(24)에 의해 사용되는 솔리드 상태 스위치의 개략도이다. 두 개의 솔리드 상태 스위치(142, 144)가 요구된다. 솔리드 상태 스위치(142)는 항상 엔진으로 연료가 전달되는 것에 대응하는 연료 모드 신호에 의해 제어된다. 연료 모드 신호가 가스 연료가 사용되고 있다는 것을 지시할 때, 상기 솔리드 상태 스위치는 가솔린 엔진(10)의 점화 모듈(18)로 가스 연료 타이밍 신호를 적용하도록 스위칭된다. 연료 모드 신호가 가솔린이 사용되고 있다는 것을 지시할 때, 솔리드 상태 스위치(142)는 점화 모듈(18)로 가솔린 타이밍 신호를 공급하도록 스위칭된다. 시동이나 비정상적 상황 등의 특정 상황하에, OEM 전자 제어 유니트가 정상적인 전자 스파크 타이밍을 바이패스하고, 분배기 타이밍 신호를 점화 모듈로 직접적으로 보내도록 프로그램되어 있을 때, 스파크 점화 엔진(10)의 기존 장치의 제어 유니트는 본 기술 분야에서 공지된 방식으로 점화 모듈(18)을 바이패스 타이밍으로 스위칭하는 점화 바이패스 타이밍 신호를 발생시킨다. 이 학습 상황하에서, 기존 장치의 엔진 제어기 유니트가 엔진을 제어하고 가상의 오류 경고를 발생시키지 않게 된다. 이 경우에, 가솔린 바이패스 타이밍 신호는 솔리드 상태 스위치(144)를 스위칭하여, 저항(146)에 의해 발생된 부하를 가솔린 타이밍 신호 라인으로 적용하게 한다. 정상적인 상황하에서, 가솔린 바이패스 타이밍 신호는 하이(high)로 옮겨지고, 모사된 부하는 가솔린 타이밍 신호 라인에 적용되지 않는다.
컴퓨터 제어식 화학량론적 연료 분사 시스템은 엔진으로의 연료 전달을 지속적으로 모니터링하고, 보정하고, 학습하는 "블록 학습(block learn)"이라 지칭되는 기술을 사용한다. 배기 다기관에 장착된 O2센서로부터의 신호에 기초하여, 공연비를 정확한 화학량론적 상태로 유지하기 위해 블록 학습이 사용되고, 이는 삼원 촉매 컨버터가 일산화탄소, 탄화수소 및 질소 산화물의 방출을 동시에 감소시킬 수 있도록 해준다. 촉매가 효율적으로 기능할수 있도록 하기 위해서는 매우 정확한 연료 제어가 필요하다. 블록 학습은 연료 조성, 엔진 마모, 연료 시스템 마모, 캘리브레이션 변화 또는 대기 상태 등을 자동적으로 보정한다. 엔진 작동 범위는 엔진 속도 및 MAP에 의해 한정된 셀 또는 블록의 어레이로 분할된다. 상기 시스템은 모든 엔진 기능이 참조 테이블에 정밀하게 계획되어 있는 기존 설비 차량에서는 양호하게 작동한다. 본 발명에 따른 ECU(24)는 본 기술 분야에서 공지되어 있는 동일한 방식으로 기능하는 블록 학습 맵을 구비할 수 있다. 그러나, 기존 설비 엔진 제어기는 소정의 몇몇 변화된 상태하에서 배기 가스 재순환(EGR)을 ON 또는 OFF로 전환시킬 수 있다. 이는 연료 요구량을 EGR이 없는 동일한 흡입 다기관 상태에 대하여 5-20% 감소시키기 때문에, 상기 ECU(24)에 현저한 문제점을 발생시키게 된다. 이 스텝 변화가 보정되지 않는다면, 엔진은 블록 학습 시스템이 이를 보정할 때까지 농후한 상태로 운전되게 된다. 몇 초 정도면 엔진 동력, 배기 및 효율이 현저한 손상을 입을 수 있다. 기존 장치의 엔진 제어기가 EGR을 ON 또는 OFF로 전환하는 시기를 예측하는 것은 불가능하는 않으나 어렵기 때문에, 기존 설비 방법에서와 같이 모든 상황하에서 정확한 EGR 유량을 판독하여 이를 보정하려는 것은 실용적이지 못한 시도이다. EGR은 동일한 블록 학습 셀 내에서 작동하는 동안에도 ON 이나 OFF로 전환될 수 있기 때문에, 열악한 주행성(서징(surging) 또는 스텀블링(stumbling)), 연료 절약, 배기 및 가용 엔진 동력의 변화는 많은 전환 시스템에서 기존 설비 EGR 시스템을 사용할 수 없게 만들었고, 이는 EGR의 효율적인 배기 및 효율 이득을 얻을 수 없도록 하고, 가솔린 모드에서 작동할 때 기존 장치의 엔진 제어기를 혼란하게 하는 것이다.
본 발명은 이러한 문제를 이중 블록 학습 어레이(dual block learn array)로 극복한다. 제 1 및 제 2 블록 학습 어레이는 각각 휘발성 RAM에 제공된다. 상기 제 1 어레이는 엔진 작동 맵(map)을 분할하는 64개의 셀(cell) 또는 블록으로 구성된다. 이 제 1 어레이는 상기 ECU(24)로의 입력이 EGR이 켜져 있음을 지시할 때 사용된다. 이 제 1 어레이는 민감한 배출량에 중점을 둔 동작 범위에서의 엔진 작동을 미세하게 조정할 수 있는 고 분해능의 블록 학습 어레이이다. EGR이 작동하지 않을 때, 상기 ECU(24)는 제 2 의 32개 셀 블록 학습 어레이로 전환된다. 이 제 2 셀 블록 학습 어레이는 RAM의 여유공간을 보존하기 위해 낮은 분해능을 가지지만 요구된다면 더 높은 분해능을 가질 수도 있다. 당업계에 공지된 방식으로, EGR 밸브가 개방 및 폐쇄됨에 따라, 상기 ECU(24)는 블록 학습 어레이를 자동적으로 전환하고 이에 의해 엷거나 농후한 연료 공급이 회피된다. 변화된 조건하에 차량을 구동한 후, 두 어레이의 블록은 "배우고(be taught)", 수정 값(correction value)이 저장되고 EGR 및 비EGR 작동 모두를 위해 연속적으로 갱신된다.
도 7은 어떠한 주어진 시간에 어떤 블록 학습 어레이(1 또는 2)가 사용되는지를 규정하는 논리(logic)를 예시하는 흐름도이다. 단계 142에서, 상기 ECU(24)는 EGR이 켜지는지를 판정한다. EGR이 켜지지 않으면, ECU(24)는 가솔린 모드가 켜지는지를 단계 144에서 판정한다. 가솔린 모드가 작동되면, ECU(24)는 기존 장치의 제어기가 그 자체의 블록 학습 어레이를 가솔린 모드에서 사용하므로 단계 142로 복귀한다. 단계 144에서 가솔린 모드가 켜지지 않는 것으로 판정되면, ECU(24)는 단계 146에서 블록 학습 어레이(2)를 사용한다. 단계 142에서 ECU(24)가 EGR이 켜지는 것으로 판정하면, ECU는 단계 148에서 가솔린 모드가 가동되는지를 판정하는 것을 확인한다. EGR이 켜지고 가솔린 모드가 가동되지 않으며, ECU(24)는 단계 150에서 블록 학습 어레이(1)를 사용한다. 특히 EGR 전용의 블록 학습 어레이와 비 EGR 전용인 블록 학습 어레이를 사용하여, ECU(24)는 연료 효율을 최대화하고 배기 방출량을 최소화한다.
블록 학습 어레이 피드백이 도 3을 참조하여 상술한 계산의 단계 70에서의 분사기 개방 지속시간 계산에 도입된다.
본 발명이 EGR을 갖는 요즈음의 밀폐 루프식 전자적으로 연료가 분사되는 불꽃 점화 엔진을 참조하여 상술되었지만, 이는 밀폐 루프 카뷰레터식(carburetted) 엔진 또는 개방 루프 카뷰레터식 또는 연료 분사식 엔진에 대해 효율적인 연료 제어를 제공하도록 동일하게 적용됨을 이해해야 한다.
상술한 실시예는 예시만을 위한 것이고 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 발명은 가솔린과 같은 액체 연료로 작동하도록 설계되고 설비된 불꽃 점화 엔진에 가스 연료를 사용하기 위해 전자식 제어기를 갖는 전환 시스템을 제공한다. 이 전환 시스템은 불꽃 점화 엔진 제조 중 또는 후에 설치될 수 있고 풍부하고 더 깨끗한 가스 연료를 주 연료원으로 사용할 수 있게 한다. 가스 연료가 사용되는 기간 동안, 이 제어기는 가스 연료의 효율적인 연소를 보장하도록 특별히 적용되는 독립적인 점화 신호를 생성한다. 가스 연료를 위한 점화 신호의 생성은 다양한 엔진 조건을 감시하는 다수의 센서 입력으로부터 제어된다.
오염물질 배출량을 최소화하고 구동 명령(driven command)에 대한 엔진 응답을 최대화하기 위해, 상기 제어기는 학습 어레이를 또한 구비한다. 제 1 학습 어레이는 기존 장치의 제어기가 EGR을 가동할 때 점화 타이밍과 연료 공급을 제어하기 위해 사용되고 제 2 학습 어레이가 EGR이 꺼질 때 사용된다.
이 제어기는 높은 엔진 토크에 대한 요구가 있을 때 엔진의 제어를 기존 장치의 제어기에 양도할 수 있다. 이는 예를 들어, 신속한 가속이 요구될 때 가솔린 연료가 가속을 위해 사용되도록 한다. 일반적인 지속되는 운전상태가 다시 시작될 때, 이 제어기는 엔진의 제어를 자동적으로 다시 시작하고 가스 연료 사용으로 다시 전환한다.
그러므로 본 발명은 엔진 성능이나 오염 제어 성능을 희생하지 않고 주 연료원인 가스 연료로 작동하는 가스 연료 불꽃 점화 엔진으로 전환하기 위한 효율적인 시스템을 제공한다.

Claims (28)

  1. 가스 연료가 불꽃 점화 엔진의 흡입 공기 유동에 공급되도록 선택된 엔진 조건을 감지하기 위해 다수의 센서로부터 신호를 받아들이고 이 센서들로부터의 신호들 중의 적어도 하나에 응답하여 연료 분사 신호를 생성하는 가스 연료로 작동하는 불꽃 점화 엔진의 작동을 제어하는 전자식 제어기에 있어서,
    상기 제어기는 가스 연료에 더 적합한 엔진 점화 신호를 생성하도록 상기 센서들로부터의 신호 중 적어도 하나에 응답하여 가스 연료에 대한 본래 장치의 엔진 점화 타이밍 신호와 독립적인 엔진 점화 신호를 생성하고,
    상기 제어기는 상기 가스 연료를 불꽃 점화 엔진의 흡입 공기 유동으로 분사하기 위해서 적어도 하나의 가스 연료 분사기를 제어하기 위한 펄스 폭이 변조된 연료 분사 신호가 생성되도록 상기 센서들로부터의 신호들 중 적어도 하나에 응답하여 기존 장치(original)의 엔진 점화 타이밍 신호와 독립적인 펼스 폭이 변조된 연료 분사 신호를 생성하는 전자식 제어기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 적어도
    다기관(manifold) 절대 압력과,
    엔진 냉매 온도와,
    엔진 회전 속도와,
    배터리 전압을 지시하는 신호를 결정 또는 받아들이는 전자식 제어기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기는 적어도
    흡입 공기 온도와,
    O2배기 가스 농도와,
    배기 가스 재순환 작동/비작동 조건을 지시하는 신호를 더 결정 또는 받아들이는 전자식 제어기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어기는 적어도 스로틀 위치를 지시하는 신호를 더 결정 또는 받아들이는 전자식 제어기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기는 적어도 가스 연료 분사기에 공급되는 가스 연료의 온도를 지시하는 신호를 더 결정 또는 받아들이는 전자식 제어기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 펄스 폭이 변조된 연료 분사 신호는 엔진의 동적 범위에 따라 연료 분사마다 하나의 실린더 이상에 가스 연료를 공급할 수 있게 하는 전자식 제어기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    가스 연료가 분사할 때마다 공급되는 실린더의 수는 적어도
    다기관(manifold) 절대 압력과,
    엔진 냉매 온도와,
    엔진 회전 속도와,
    배터리 전압과,
    흡입 공기 온도와,
    스로틀 위치 중의 하나에 의해 결정되는 전자식 제어기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자식 제어기는 최대 엔진 토크가 명령될 때 가스 연료로부터 가솔린 연료 작동으로 자동적으로 전환될 수 있는 전자식 제어기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 최대 엔진 토크에 대한 명령은 다기관 절대 압력을 감시하여 결정되는 전자식 제어기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전자식 제어기는 다기관 절대 압력이 불꽃 점화 엔진용 스로틀이 완전(full) 스로틀 위치를 지시하는 예정된 한계를 초과할 때 가솔린 작동으로 전환되는 전자식 제어기.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 최대 엔진 토크에 대한 명령은 불꽃 점화 엔진용 스로틀의 스로틀 위치를 감시하여 결정되는 전자식 제어기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전자식 제어기는 스로틀이 충분한 스로틀 위치에 있을 때 가솔린 동작을 전환시키는 전자식 제어기.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 전자식 제어기는 이 전자식 제어기가 가솔린 동작을 전환시킬 때 모든 엔진 동작의 제어를 기존 장치의 엔진 제어기로 넘겨주는 전자식 제어기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 전자식 제어기는 엔진 동작의 제어를 기존 장치의 엔진 제어기로 넘겨준 후 소정 시간에 펄스 폭이 변조된 가스 연료 분사 신호를 끄고 기존 장치의 엔진 제어기는 가솔린 연료 분사를 개시하는 전자식 제어기.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 전자식 제어기는 스로틀 위치가 적어도 완전 스로틀 위치보다 작은 소정의 위치로 복귀할 때 엔진의 제어동작을 다시 시작하는 전자식 제어기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    가스 연료가 엔진으로 분사되기 전에 최종 가솔린 분사로부터의 가솔린이 연소된 것을 보장하기 위해, 불꽃 점화 엔진의 흡입 공기 유동에 가스 연료의 분사를 다시 시작하도록 펄스 폭이 변조된 연료 분사 신호를 켜기 전에 엔진 동작을 제어한 후, 상기 전자식 제어기는 소정의 시간을 기다리는 전자식 제어기.
  17. 제 1 항에 있어서,
    기존 장치의 연료 분사 신호와 독립적인 펄스 폭이 변조된 가스 연료 분사 신호를 발생하는 수단은 적어도
    a) 다기관 절대 압력 및 엔진 회전 속도를 이용하는 테이블 참조(table lookup)에 기초한 용적 효율 계산과,
    b) 배기 산소 센서로부터의 출력 신호와 배기 가스 재순환 입력 신호를 이용하는 이중 어레이 블록 학습으로부터의 피드백 제어와,
    c) 흡입 공기 온도 및 엔진 냉각 온도를 이용하는 테이블 참조으로부터 얻어진 공기 밀도 보정 계수와,
    d) 불꽃 점화 엔진에 대해 변화될 수 있는 소정의 동력 범위에 기초한 가변 분사 비율과,
    e) 불꽃 점화 엔진에 대한 가스 연소 비율 및 가스 연료 온도 또는 엔진 냉각 온도를 이용하는 테이블 참조에 기초한 연료 온도 보정값과,
    f) 스로틀 위치 또는 다기관 절대 압력의 변화율의 입력을 바탕으로 계산함으로써 가스 연료 분사 동력 구동부를 제어하기 위해 신호를 출력하는 알고리즘인 전자식 제어기.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 알고리즘은 분사기 개방 지속 신호 및 분사기 개방 타이밍 신호가 분사기 구동 회로에 발생되는 것을 제어하고 분사기 구동 회로는 가스 연료 분사기를 구동하여, 가스 연료 분사기가 분사기 타이밍 신호에 따라 개방되고 분사기 개방 존속 신호에 의해서 제어된 시간 주기 동안 불꽃 점화 엔진의 흡기 공기 유동으로 가스 연료를 분사하도록 개방상태를 유지하는 전자식 제어기.
  19. 제 1 항에 있어서,
    엔진의 불꽃 점화 신호는 흡입 공기 온도, 엔진 냉각 온도, 다기관 절대 압력 및 엔진의 회전 속도를 이용함으로써 계산된 다음 점화 이벤트의 TDC와, 배터리 전압, 엔진 회전속도 및 다기관 접대 압력을 이용함으로써 계산되는 코일 드웰 주기(dwell period)를 포함하는 전자식 제어기.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 코일 드웰 주기는 이 코일 드웰 주기가 바로 앞의 점화 사이의 기간(interspark period) 후에 언제 시작되어야 하는지를 결정하기 위해 사용되는 지연 주기를 계산하기 위해 점화 사이의 주기로부터 감산되는 전자식 제어기.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자식 제어기에 의해 제어되는 솔리드(solid) 상태 스위치가
    상기 전자식 제어기로부터 기존 장치의 엔진 제어기로 엔진 점화 시스템의 제어를 전달하며 또한 그 역으로 제어를 전달하기 위해서 사용되는 전자식 제어기.
  22. 제 21 항에 있어서,
    제 2 솔리드 상태 스위치는 상기 엔진이 가스 연료로 작동하고 기존 장치의 제어기가 점화 바이패스 타이밍 모드(ignition bypass timing mode)로 전환할 때, 기존 장치의 점화 시스템용 모사된 부하(simulation load)를 가능하게 하며, 이 모사된 부하는 상기 기존 장치의 엔진 제어기가 그 바이패스 타이밍 명령에 응답하는 연료 점화 시스템이도록 하는 전자식 제어기.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자식 제어기는 제 1 및 제 2 블록 학습 어레이를 포함하며, 이 어레이들은 가스 연료 모드에서 엔진 작동동안 채워지고 갱신되는 복수의 블록 학습 셀을 각각 포함하며, 상기 전자식 제어기는, 가솔린에 의해 구동되는 내연엔진의 기존 장치의 제어기에 의해 배기 가스가 재순환되는 것을 나타내는 신호를 수신할 때 2개의 블록 학습 어레이들 중 하나를 사용하며, 배기 가스가 순환하지 않는다는 신호가 나타낼 때 제 2 블록 학습 어레이를 사용하는 전자식 제어기.
  24. 가스 연료로 작동하는 불꽃 점화 엔진을 전환시키기 위한 전환 시스템에 있어서,
    불꽃 점화 엔진에 의한 점화 스파크의 발생을 제어하기 위한 점화 타이밍 신호를 제공하며, 엔진에 가스 연료를 공급하기 위한 펄스 폭 변조 연료 분사 신호를 발생시키기 위한 전자식 제어기와,
    점화 스파크에 의해 연소하는 불꽃 점화 엔진으로 가스 연료를 분사하기 위한 적어도 하나의 고속 연료 분사 밸브와,
    가스 연료를 조절 압력으로 고속 연료 분사 밸브에 공급하기 위한 로우 드룹(low-droop) 가스 연료 조절기를 포함하는 전환 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 고속 연료 분사 밸브는 2방향의 일반적으로 닫혀있는 연료 분사 솔레노이드 밸브인 전환 시스템.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 가스 연료 압력 조절기는, 불꽃 점화 엔진으로부터 가열 유체의 순환을 수용하기 위하여 압력 조절기의 본체 내의 온도 제어용 유체 통로 갖는 2단 고속 유동, 저압 강하 및 낮은 크리프(low-creep) 압력 조절기이며, 상기 압력 조절기에 의해, 가스 연료가 압력 조절 동안 팽창할 때 열 손실을 보상하기 위해서 가열 유체로부터 가스 연료에 열이 전달되는 전환 시스템.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 가열 유체는 엔진 냉매인 전환 시스템.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 가열 유체는 엔진 윤활유인 전환 시스템.
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