KR200178226Y1 - 가스연료 차량에 대한 공급연료량의 전체영역 피드백제어장치 - Google Patents

가스연료 차량에 대한 공급연료량의 전체영역 피드백제어장치 Download PDF

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Abstract

본 고안은 엘피지(LPG; Liquefied Petroleum Gas) 및 씨엔지(CNG; Compressed Natural Gas)와 같은 가스연료를 사용하는 가스연료 차량에 관한 것으로서, 특히 스테핑 모터(stepping) 또는 듀티 피드백 솔레노이드를 이용하여 엔진에 공급되는 가스연료량을 100% 피드백(feedback) 제어하여 공기와 가스연료의 이론공연비를 맞추어 유해 배기가스의 배출을 저감시키고, 가스연료 공급 제어의 효율성을 향상시킨 가스연료 차량에 대한 공급연료량의 전체영역 피드백 제어장치에 관한 것이다.
이를 위한 본 고안은, 엘피지(Liquefied Petroleum Gas) 및 씨엔지(CNG; Compressed Natural Gas)와 같은 가스연료를 사용하기 위해 기화기와 연료탱크 및 믹서 등을 포함하는 가스연료 차량의 연료공급 제어장치에 있어서, 상기 기화기를 경유한 가스연료량의 전체를 제어하여 그 제어된 가스연료량이 상기 믹서에서 혼합되는 흡입 공기량과의 혼합비율이 이론공연비로 되게 하는 구동수단과, 산소센서와 액셀 개도센서와 같은 센서의 입력신호를 토대로 상기 구동수단을 소정 단계로 구동제어함으로써 흡입되는 공기량과 가스연료의 혼합비율이 이론공연비가 되게 하는 제어수단을 포함하여 된 것을 특징으로 한다.

Description

가스연료 차량에 대한 공급연료량의 전체영역 피드백 제어장치{Apparatus for feedback controlling full range of supplying fuel quantity in gas fuel automobile}
본 고안은 엘피지(LPG; Liquefied Petroleum Gas) 및 씨엔지(CNG; Compressed Natural Gas)와 같은 가스연료를 사용하는 가스연료 차량에 관한 것으로서, 특히 스텝핑 모터(stepping) 또는 듀티 피드백 솔레노이드를 이용하여 엔진에 공급되는 가스연료량을 100% 피드백(feedback) 제어하여 공기와 가스연료의 이론공연비를 맞추어 유해 배기가스의 배출을 저감시키고, 가스연료 공급 제어의 효율성을 향상시킨 가스연료 차량에 대한 공급연료량의 전체영역 피드백 제어장치에 관한 것이다.
일반적으로 자동차 가스연료인 엘피지와 씨엔지(이하, 엘피지와 씨엔지를 통칭하여 '가스연료'라 한다)는 가솔린보다 그 가격이 훨씬 저렴하고, 가스상태이기 때문에 각 실린더로의 연료분배가 균일한 장점을 갖고 있다. 또한, 가스연료를 자동차 연료로서 사용할 때 그 옥탄가가 높기 때문에 노킹이 거의 발생하지 않으며, 윤활유의 손실이 적고 워밍업도 빠른 장점을 가지고 있다. 이와 같이 가솔린에 비해 상대적으로 많은 장점을 갖는 가스연료는 영업용 택시나 소형 승합차의 연료로 널리 사용되고 있으며, 최근에는 레저용 차량 및 버스 등에도 폭넓게 사용되고 있다. 또한, 유해배기가스를 많이 배출하는 디젤엔진 차량이 대기 환경공해의 주범으로 인식되면서 우리나라를 비롯한 선진각국에서는 디젤엔진이 가스연료 엔진으로 많이 대체되고 있다.
상기와 같은 가스연료를 사용하는 차량은, 가스연료를 사용하기 위해 일반적으로 도 1에 도시한 바와 같이 가스연료를 통상 고압으로 저장하는 가스연료 탱크(1)와, 탱크(1)에서 공급되는 가스연료를 기화시키는 기화기(2)와, 기화기(2) 후단에 설치되어 소정의 전기신호에 따라 기화기(2)에서 기화된 가스연료를 공급 및 차단시키는 솔레노이드 밸브(3)와, 산소센서(4)/액셀 개도센서(TPS;5 ) 등으로부터 받은 정보를 기초로 하여 여러가지 작동조건의 이상적인 조건을 구하여 해당 듀티 피드백 솔레노이드 밸브(10)를 작동시켜 공연비를 조절하는 전자제어장치(ECU; Electronic Control Unit)(20) 등을 구비한다. 여기서, 전자제어장치(20)의 제어에 의해 작동하는 듀티 피드백 솔레노이드 밸브(10)는 엔진(30)과 공기정화기(6) 사이에 설치되어 기화기(2)를 경유한 가스연료와 공기를 혼합시키는 믹서(mixer; 7)에 설치되는데, 이 듀티 피드백 솔레노이드 밸브(10)는 믹서(7)에서 공기와 혼합되는 가스연료량의 약 30% 정도를 제어한다. 즉, 도 1에 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이 기화기(2)에서 공급되는 가스연료량의 약 70% 정도는 믹서(7)에 직접 공급되며, 나머지 약 30% 정도는 듀티 피드백 솔레노이드 밸브(10)에 의해 제어되어 믹서(7)에 공급된다. 믹서(7)에 직접 공급되는 가스연료량은 믹서(7)의 주조정 스크류(MAS; Main Adjust Screw)(8)에 의해 조정되며, 이 조정은 작업자 등 사람의 수작업에 의해 세팅된다.
도 1에서 미설명된 도면부호에 해당하는 부재들은 당업자에게 자명한 것들로서, 11은 액상/기상 솔레노이드 밸브이고, 12는 머플러, 13은 삼원촉매, 14는 긴급차단 밸브, 15는 점화코일, 16은 배전기, 17은 점화 플러그, 18은 맵(MAP; Manifold Absolute Pressure) 센서, 19는 이.지.알(EGR) 밸브, 21은 EGR 솔레노이드, 22는 아이.에스.씨(ISC; Idle Speed Control) 밸브이다.
상기한 종래의 가스연료 차량에 있어서, 공기와 가스연료의 혼합비율, 즉 이론공연비(공기:가스연료=15.4:1)는 통상 2단계에 의해 맞추어지는데, 그 첫째는 주조정 스크류(8)를 조정하여 주조정 스크류(8)가 설치된 배관을 통해서 공급되는 가스연료와 듀티 솔레노이드 밸브(10)를 경유하는 가스연료의 비율이 7:3이 되도록 세팅하는 것이며, 그 두번째는 차량운전 조건에 따라 전자제어장치(20)가 각종 센서 입력신호를 토대로 듀티 피드백 솔레노이드 밸브(10)를 구동제어하여 그 개도를 조정함으로써 이론공연비가 수행되게 하는 것이다. 여기서, 주조정 스크류(8)의 조정은 통상 차량 제작 완료시점 등에서 한번 세팅되면 빈번하게 조정되지 않지만, 듀티 피드백 솔레노이드 밸브(10)는 차량 운행중에 전자제어장치(20)의 피드백 제어신호에 따라 동작하여 이론공연비를 추종한다.
그런데, 종래의 가스연료 차량에 있어서, 주조정 스크류(8)의 조정 세팅이 정밀하지 못해 가스연료가 과대하게 공급되거나 과소하게 공급되는 경우가 많이 발생하고, 이로 인해 이론공연비의 제어가 어렵게 되어 유해 배기가스가 다량으로 배출되는 등 여러가지 문제가 발생하는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 가스연료 차량에 있어서, 공급되는 가스연료량의 30%를 제어하여 이론공연비를 추종케 하는 듀티 피드백 솔레노이드 밸브(10)는, 가스연료 통로를 여러단계(예를 들면, 100단계)로 개폐할 수 있도록 된 니들(needle)과 스프링 및 전자석 코일 등을 포함하여 구성되는데, 듀티 피드백 솔레노이드 밸브(10)의 제어 동작시 제어 목표치에서 그 내부의 스프링의 인장 및 수축에 의한 미세 진동, 예를 들면 도 2에 도시한 바와 같이 연료량 제어 목표치에서 언더슈팅(undershooting)과 오버슈팅(overshooting)이 발생하여 연료 제어 오차가 발생함으로써 배기가스 규제치를 만족시키기 위한 차량 매칭(matching)시 시간이 많이 소요되는 등 여러 문제가 있었고, 경우에 따라서는 배기가스 규제치를 만족시키지 못하는 경우도 발생하는 문제점이 있었다.
본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 소정의 구동펄스에 움직이고 그 움직임이 정밀하며 정지시 흔들림이 없는 스텝핑(stepping) 모터를 이용하여 엔진에 공급되는 가스연료량을 전체 영역, 즉 100% 피드백(feedback) 제어하여 공기와 가스연료의 이론공연비를 맞추어 유해 배기가스의 배출을 저감시킴은 물론 배기가스 규제치를 만족시키며, 가스연료 공급 제어의 효율성을 향상시킨 가스연료 차량에 대한 공급연료량의 전체영역 피드백 제어장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 고안의 또 다른 목적은 종래의 듀티 피드백 솔레노이드 밸브를 사용하고 이 듀티 피드백 솔레노이드 밸브를 통해 공급되는 가스연료량을 100% 피드백 제어함으로써 종래의 주조정 스크류의 세팅을 배제하고 가스 연료제어의 효율성을 개선시킨 가스연료 차량에 대한 공급연료량의 전체영역 피드백 제어장치를 제공하는데 있다.
도 1은 종래기술에 의한 가스연료 차량의 연료공급 시스템 구성도,
도 2는 종래기술에 의한 공급연료량의 제어상태 그래프,
도 3은 본 고안에 따른 가스연료 차량에 대한 공급연료량의 전체영역 피드백 제어장치의 구성도,
도 4는 본 고안의 스테핑 모터 또는 듀티 피드백 솔레노이드가 장착된 믹서장치의 일실시예도,
도 5는 도 2와 대비되는 본 고안 가스연료 차량에 대한 공급연료량의 전체영역 피드백 제어장치에서 스테핑 모터 구동과 공급 가스연료량의 상관관계 그래프,
도 6은 산소센서 출력전압과 스테핑 모터의 스텝 구동수를 나타낸 그래프,
도 7은 산소센서의 출력전압에 의한 가스연료 피드백 스텝수 제어의 일실시예의 흐름도,
도 8은 본 고안에 따른 스텝 제어 영역의 일실시예의 흐름도.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 연료탱크 8 : 주조정 스크류(MAS)
10 : 듀티 피드백 솔레노이드 밸브 110 : 스테핑 모터
120 : 전자제어장치 130 : 기화기
150 : 믹서
상기 목적을 달성하기 위하여 본 고안에 따른 가스연료 차량에 대한 공급연료량의 전체영역 피드백 제어장치는,
엘피지(Liquefied Petroleum Gas) 및 씨엔지(CNG; Compressed Natural Gas)와 같은 가스연료를 사용하기 위해 기화기와 연료탱크 및 믹서 등을 포함하는 가스연료 차량의 연료공급 제어장치에 있어서,
상기 기화기를 경유한 가스연료량의 전체를 제어하여 그 제어된 가스연료량이 상기 믹서에서 혼합되는 흡입 공기량과의 혼합비율이 이론공연비로 되게 하는 구동수단과, 산소센서와 액셀 개도센서와 같은 센서의 입력신호를 토대로 상기 구동수단을 소정 단계로 구동제어함으로써 흡입되는 공기량과 가스연료의 혼합비율이 이론공연비가 되게 하는 제어수단을 포함하여 된 점에 그 특징이 있다.
본 고안의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 구동수단은 구동펄스에 의해 동작하는 스테핑 모터(stepping motor) 또는 듀티비(duty ratio)에 의해 그 개도가 결정되는 듀티 솔레노이드 밸브이다.
본 고안의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 제어수단은 상기 구동수단을 200단계 이상으로 구동제어한다.
본 고안의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 제어수단은 상기 구동수단, 스텝핑 모터는 200Hz, 듀티 솔레노이드 밸브는 10-20Hz의 구동펄스로 제어하며, 그 제어 분해능은 0.5%이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 고안에 따른 가스연료 차량에 대한 공급연료량의 전체영역 피드백 제어장치의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 3은 본 고안에 따른 가스연료 차량에 대한 공급연료량의 전체영역 피드백 제어장치의 구성도이고, 도 4는 본 고안의 스테핑 모터 또는 듀티 피드백 솔레노이드가 장착된 믹서장치의 일실시예도, 도 5는 도 2와 대비되는 본 고안 가스연료 차량에 대한 공급연료량의 전체영역 피드백 제어장치에서 스테핑 모터 구동과 공급 가스연료량의 상관관계 그래프, 도 6은 산소센서 출력전압과 스테핑 모터의 스텝 구동수를 나타낸 그래프이다. 도 7은 산소센서의 출력전압에 의한 가스연료 피드백 스텝수 제어의 일실시예의 흐름도이고, 도 8은 본 고안에 따른 스텝 제어 영역의 일실시예의 흐름도이다.
본 고안에 따른 가스연료 차량에 대한 공급연료량의 전체영역 피드백 제어장치는, 도 3에 도시한 바와 같이 기화기(130)를 경유한 가스연료량의 전체 100%를 200단계 이상으로 제어하여 그 제어된 가스연료량이 믹서(150)에서 혼합되는 흡입 공기량과의 혼합비율이 이론공연비로 되게 하는 스테핑 모터(110)와, 산소센서(4; 도 1)와 액셀 개도센서(5; 도 1)와 같은 센서의 입력신호를 토대로 스테핑 모터(110)를 소정 단계, 예를 들면 200단계 이상으로 구동제어함으로써 믹서(150)에서의 공기량과 가스연료량의 혼합비율이 이론공연비가 되게 하는 전자제어장치(120)을 포함하여 구성된다. 스테핑 모터(110)는 200Hz의 구동펄스에 의해 제어되고, 그 제어분해능은 0.5%로 하는 것이 바람직하지만, 더욱 바람직한 것은 스테핑 모터(110)의 특성에 맞추어 그 제어 구동펄스와 제어분해능을 적합시키는 것이 좋다. 종래기술의 구성 도 1에서 가스연료는 듀티 피드백 솔레노이드(10)와 관련된 배관과 주조정 스크류(8)와 관련된 배관에 의해 양분되어 믹서(7)에 공급되지만, 본 고안의 구성 도 3에서 가스연료는 기화기(130)를 경유한 가스연료 전체 100%가 200단계 이상으로 스테핑 모터(110)에 의해 제어되어 믹서(150)에 공급된다. 도 1에서 이론공연비를 추종하기 위해 제어되는 가스연료는 듀티 피드백 솔레노이드(10)를 경유하는 일부분(기화기를 경유한 가스연료의 약 30%)의 연료이지만, 도 3에서 이론공연비를 추종하기 위해 제어되는 가스연료는 기화기(130)를 경유한 100%의 가스연료이다. 따라서, 믹서(150)에 공급되는 가스연료량을 전체 100%를 200단계 이상으로 제어하는 본 고안은 종래와 같이 연료배분, 즉 듀티 피드백 솔레노이드 밸브(10)에 의해 제어되는 연료량과 주조정 스크류(8)에 의해 경유하는 연료량의 비율이 3:7이 되게 하는 주조정 스크류(8)가 배제되어도 상관없다. 그러나, 연료공급 배관의 특성, 즉 배관의 직경이 너무 크거나 작거나 한 경우를 고려하여 기화기(130)와 스테핑 모터(110) 사이에 주조정 스크류(140)를 설치하여도 상관없다. 도 3에서 미설명된 도면부호 160은 도 1의 부재번호 5와 동일한 TPS 센서이다.
기화기(130)를 경유한 가스연료를 전체 100%를 200단계 이상으로 제어하여 그 제어된 가스연료가 믹서(150)에 공급되게 하는 스테핑 모터(110)는, 전자제어장치(120)의 제어에 의해 구동되어 기화기(130)에서 유입되는 가스연료를 전체 100%를 200단계 이상으로 제어할 수 있는 다른 어떤 것, 예를 들면 종래기술의 듀티 피드백 솔레노이드 밸브(10; 도 1)로 대체되어 사용될 수 있다. 이때, 스테핑 모터(110)를 대체하는 듀티 피드백 솔레노이드 밸브는 스테핑 모터(110)와 같이 가스연료를 200단계 이상, 10Hz-20Hz의 듀티 제어펄스 및 제어분해능 0.5%인 것으로 하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 고안 가스연료 차량에 대한 공급연료량의 전체영역 피드백 제어장치의 작용을 도 3내지 8를 참조하면서 설명한다.
본 고안은 산소센서/TPS 센서 등 센서 출력신호를 토대로 하여 구동 제어신호를 출력하는 전자제어장치(120)에 의해 동작하는 스테핑 모터(110)에 의해 기화기(130)에서 공급되는 100% 연료를 240단계로 제어한다. 따라서, 스테핑 모터(110)에 의해 공급 가스가 제어되면, 도 5에 도시한 바와 같이 연료제어 목표치에서 스테핑 모터(110)내의 스핀들이 전자제어장치(120)의 구동펄스 및 스테핑 모터(110)의 스핀들 정지 기능에 의해 정확히 목표치에서 정지되어 정확한 연료제어가 이루어지게 된다. 이렇게 되면, 엔진 아이들(idle) 회전수가 안정되며 배기가스를 배기가스 규제치에 만족시키는 것이 종래에 비해 훨씬 용이하다.
도 6은 산소센서 전압에 의한 가스연료 피드백 스텝수 제어의 타이밍 챠트인데, 이를 참조하면 산소센서 출력전압을 기준으로 하여 본 고안의 전자제어장치(120)와 스테핑 모터(110)는 가스연료의 농후(rich) 비례제어/농후 적분제어 및 희박(lean) 비례제어/희박 적분제어가 원활하게 이루어져 이론공연비가 바람직하게 추종됨으로써 배기가스가 저감되게 된다.
도 7은 상기 도 6의 산소센서 전압에 의한 연료 피드백 스텝수 제어 타이밍 챠트를 구현하기 위해 전자제어장치(120)의 마이크로컴퓨터에 저장되는 프로그램의 일실시예의 흐름도인데, 이 흐름도에 따르면 도 7의 제어 타이밍이 바람직하게 구현될 수 있게 된다.
도 8은 본 고안 전자제어장치(120)에 의해 구현되는 스텝 제어 영역의 일실시예도로서, 이 흐름도에 의해 스테핑 모터(110)가 구동 제어됨으로써 수동변속기 차량 및 자동 변속기 차량을 불문하고 엔진은 바람직하게 구동될 수 있게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 고안에 따른 가스연료 차량에 대한 공급연료량의 전체영역 피드백 제어장치는, 소정의 구동펄스에 움직이고 그 움직임이 정밀하며 정지시 흔들림이 없는 스텝핑 모터(stepping)를 이용하여 엔진에 공급되는 가스연료량을 전체 영역, 즉 100% 피드백(feedback) 제어하여 공기와 가스연료의 이론공연비를 맞추어 유해 배기가스의 배출을 저감시킴은 물론 배기가스 규제치를 만족시키며, 가스연료 공급 제어의 효율성을 향상시키는 이점을 제공한다.
또한, 본 고안은, 종래의 듀티 피드백 솔레노이드 밸브를 사용하고 이 듀티 피드백 솔레노이드 밸브를 통해 공급되는 가스연료량을 100% 피드백 제어함으로써 종래의 주조정 스크류의 세팅을 배제하고 가스 연료제어의 효율성을 개선시킬 수 있는 이점을 제공한다.

Claims (4)

  1. 엘피지(Liquefied Petroleum Gas) 및 씨엔지(CNG; Compressed Natural Gas)와 같은 가스연료를 사용하기 위해 기화기와 연료탱크 및 믹서 등을 포함하는 가스연료 차량의 연료공급 제어장치에 있어서,
    상기 기화기를 경유한 가스연료량의 전체를 제어하여 그 제어된 가스연료량이 상기 믹서에서 혼합되는 흡입 공기량과의 혼합비율이 이론공연비로 되게 하는 구동수단과, 산소센서와 액셀 개도센서와 같은 센서의 입력신호를 토대로 상기 구동수단을 소정 단계로 구동제어함으로써 흡입되는 공기량과 가스연료의 혼합비율이 이론공연비가 되게 하는 제어수단을 포함하여 된 것을 특징으로 하는 가스연료 차량에 대한 공급연료량의 전체영역 피드백 제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 구동수단은 구동펄스에 의해 동작하는 스테핑 모터(stepping motor)인 것을 특징으로 하는 가스연료 차량에 대한 공급연료량의 전체영역 피드백 제어장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 구동수단은 구동펄스의 듀티비(duty ratio)에 의해 그 개도가 결정되는 듀티 솔레노이드 밸브인 것을 특징으로 하는 가스연료 차량에 대한 공급연료량의 전체영역 피드백 제어장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 제어수단은 상기 구동수단을 200단계 이상으로 구동제어하도록 된 것을 특징으로 하는 가스연료 차량에 대한 공급연료량의 전체영역 피드백 제어장치.
KR2019990023084U 1999-10-26 1999-10-26 가스연료 차량에 대한 공급연료량의 전체영역 피드백제어장치 KR200178226Y1 (ko)

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