KR20070006898A

KR20070006898A - 엔진 연료 및 공기 제어를 위한 증발 가스 캐니스터 퍼지예측

Info

Publication number: KR20070006898A
Application number: KR1020067023363A
Authority: KR
Inventors: 샘 알. 레디
Original assignee: 제너럴 모터즈 코오포레이션
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2007-01-11
Also published as: US20050240336A1; US7305975B2; CN1946446A; KR100844549B1; DE112005000875T5; WO2005108761A3; CN1946446B; DE112005000875B4; WO2005108761A2

Abstract

저장 캐니스터를 통한 공기의 유입에 의해 흡착된 연료 증기(혹은 탄화수소 증기)를 갖는 증기 저장 캐니스터의 퍼지를 위한 시스템 및 방법에서 상기 저장 캐니스터는 엔진에 제공되는 연료의 양 조절을 위한 시스템을 갖춘 엔진에 연결된다. 상기 엔진 제어 장치는 퍼지(purging)하는 동안 엔진 공기 및 연료의 보다 개선된 제어를 위해 증발 증기 저장 캐니스터에서 엔진으로 운반되는 연료 증기 및 공기의 추정된 양을 이용한다.

캐니스터, 엔진, 퍼지, 퍼지 증기, 퍼지 공기, 탄화수소, 제어장치, 연료, 흡착제, 연료 탱크

Description

엔진 연료 및 공기 제어를 위한 증발 가스 캐니스터 퍼지 예측{EVAP CANISTER PURGE PREDICTION FOR ENGINE FUEL AND AIR CONTROL}

본 발명은 일반적으로 증기 저장 캐니스터(vapor storage canister)와 관련된 시스템 및 방법에 관한 것이다. 상세하게, 본 발명은 증기 저장 캐니스터 퍼지(purge)로부터 엔진으로 인출되는 탄화수소 증기와 공기를 추정하는 것과 엔진 공기와 연료 조절을 위해 상기 추정을 사용하는 것에 관한 것이다.

자동차 산업은 적극적으로 가솔린 증발로 인한 배기의 감소를 포함한 배기감소의 개선을 요구해왔다. 가솔린은 고급 휘발성 부탄(C₄)에서 저급 휘발성의 C₈ 내지 C₁₀ 범위까지의 탄화수소의 탄화수소 혼합물을 포함한다. 연료 탱크 충전시 보다 높은 주변 온도 또는 증기의 이동과 같은 상태에 기인하여 연료 탱크의 증기압이 증가하는 경우, 연료 증기는 연료 탱크의 틈을 통해서 흐른다. 대기로의 연료 증기 손실을 막기 위해서, 연료탱크는 활성탄 알갱이와 같은 흡착성 물질을 함유하는 "증발 가스 캐니스터(evap canister)"라고 불리는 캐니스터내로 배출된다.

연료증기가 캐니스터의 입구로 들어감에 따라, 연료 증기는 탄소 알갱이로 확산하고 일시적으로 흡착된다. 캐니스터의 크기와 흡착성 물질의 양은 예상되는 연료 증기 생성을 수용하도록 선택된다. 일 예시적인 증발 제어 시스템이 본 명세서에 참조 문헌으로 포함된 Reddy의 미국 특허 번호 6,279,548에 설명되어 있다. 엔진의 시동 후, 제어 시스템은 연료를 탈착시키기 위해서 흡착제를 거쳐 공기를 끌기 위한 엔진 흡입 진공을 사용한다. 엔진 제어 시스템은 연료 효율성의 최적화 및 조절된 배출의 최소화를 위해서 ECM(engine control module), PCM(power train control module), 또는 다른 이와 같은 제어장치를 사용할 수 있다. 탈착된 연료 증기는 연료 증기를 소모하기 위해 이차적인 공기/연료 혼합물로서 엔진의 공기 유입 시스템으로 향한다. 연료 효율성의 최적화를 위해서는 상기 이차적인 공기/연료의 출처를 고려하는 것이 바람직하다. 그러나, 현재 캐니스터 퍼지의 연료와 공기는 계량되지 않고, 따라서 ECM에 연료 및 공기를 엔진에 적합하게 하는데 사용하기 위한 데이타가 없다. 배기 산소 감지 피드백 제어가 캐니스터 퍼지 중 연료 제어의 조절을 위해 사용된다. 피드백 제어는 사후적인 것이기 때문에 배기 가스 제어에 아주 효과적이지는 않다. 그러나, 엄격한 배기 배출 통제는 언제나 엔진 내의 공기/연료 비율의 주의 깊은 조절을 요구한다. 반면, 더욱 엄격한 증기 배출 통제는 증가된 퍼지 공기의 비율을 요구하며, 이는 엔진으로 들어가는 측정되지 않는 공기도 의미한다.

게다가, 캐니스터 내 흡착된 연료 증기의 양은 탈착 과정 동안에 변화한다. 캐니스터로부터 인출되는 연료증기의 속도는 최종적으로 모든 연료가 캐니스터로부터 탈착될 때까지 연료가 제거되면 될수록 감소할 것이다. 연료 효율성의 적절화 및 배기의 최소화에 있어서 엔진 또는 파워트레인 제어장치("controller")가 저장 용기로부터 꺼내지는 연료 증기의 양을 고려하게 하고 흡착된 연료가 고갈됨에 따라 저장 캐니스터로부터의 연료 증기의 감소에 대해 조절 가능하게 하는 것이 바람직하다.

제어장치에 저장 용기로부터 인출되는 연료 증기 및 퍼지 공기의 정보를 제공하는 한가지 방법은 퍼지 탄화수소 센서를 사용하여 저장 캐니스터로부터 인출되는 탄화수소와 공기의 양을 직접 측정함으로써 엔진 제어기가 연료탱크에서 엔진으로 분사되는 연료 및 그에 상응하는 엔진의 공기 흡입을 감소시킬 수 있도록 하는 것이다. 이러한 접근은 배기 배출 제어에 매우 효과적인 피드 포워드 제어(feed forward control)의 결과를 가져올 것이나, 엔진에 고가의 퍼지 센서 추가를 필요로 한다.

따라서 엔진에 고가의 장비 추가가 없는 개선된 피드 포워드 제어를 위해서 캐니스터를 통해 엔진으로 도입되는 공기 중 탄화수소의 양을 예측하는 방법이 유용할 것이다.

본 발명은 증발 증기 저장 캐니스터를 퍼지하는 동안 엔진의 공기 및 연료의 비율을 조절하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 상기 장치는 엔진으로 들어가는 계량된 연료 및 공기의 양을 감소시키기 위해서 증발 증기 저장 캐니스터로부터의 퍼지 증기 내의 탄화수소 및 공기의 양을 추정하기 위한 계산을 사용하도록 프로그램된 제어장치를 포함한다.

캐니스터는 휘발성 연료를 저장하는 연료 탱크로부터 연료증기를 흡수할 수 있는 흡착성 물질을 함유한다. 캐니스터는 연료 탱크와 연결된 증기 입구, 엔진의 공기 유입 장치에 연결된 퍼지 출구, 및 캐니스터에 저장되어 있으며 낮에 발생하고 급유에 의해 발생하는 연료 증기(fuel vapor)를 포함한다. 퍼지 중, 공기 유입 장치는 캐니스터를 지나서 공기를 잡아끈다. 탈착된 연료 증기(본 명세서에서는 탄화수소 증기 라고도 나타낸다)는 캐니스터를 지나서 끌려들어감에 따라 공기로 들어간다. 꺼내진 탄화수소 증기/공기의 혼합물 내의 탄화수소 증기는 퍼지 공정을 통해 감소할 것이다. 퍼지 증기 내의 탈착된 탄화수소 증기의 초기 농도는, 만약 알려지지 않았다면, 마지막 퍼지 이래로 연료수준의 변화, 급유 이래로의 시간 간격(즉, 연료 수준을 증가시킨 이래로), 주위 온도, 연료의 주기적인 RVP, 및 흡착 수용력(capacity)과 증발 증기 저장 캐니스터 내의 흡착제의 양과 같은 적절한 요소들로부터 추정될 수 있다.

제어장치는 퍼지내의 탄화수소 증기의 초기 농도의 추정 혹은 결정 및 증발 증기 저장 캐니스터로부터 온 퍼지 내 탄화수소 양의 시간에 따른 감소를 예측하는 방정식을 사용하여 증발 증기 저장 캐니스터로부터 온 퍼지 증기 내 탄화수소 및 공기의 양을 계산한다. 상기 방정식은 바람직하게는 Langmuir absorption isotherm equation에 기초한다.

본 발명은 엔진에 제공되는 연료의 양을 조절하는 시스템(예로는 전기적 ECM(Engine Control Module))을 갖춘 엔진과 연결되며 흡착된 연료(또는 탄화수소) 증기를 가진 증기 저장 캐니스터의 퍼지 방법을 추가적으로 제공한다. 상기의 방법에서, 퍼지 내 연료 증기 및 공기의 양은 퍼지 내 탄화수소의 초기 농도의 추정 혹은 결정, 및 증발 증기 저장 캐니스터로부터 온 퍼지 내 탄화수소 양의 시간에 따른 감소를 예측하는 방정식을 이용하여 판단된다. 상기 방정식은 바람직하게는 Langmuir absorption isotherm equation에 기초한다. 퍼지 공기 내 탄화수소 증기의 초기 농도는 엔진 온도, 급유 이래의 시간, 연료의 주기적인 RVP, 및 흡착 수용력(capacity)과 증발 증기 저장 캐니스터 내의 흡착제의 양과 같은 알려진 요인을 기준으로 측정되거나 추정될 수 있다. ECM 또는 PCM은 연료 효율성의 개선 및/또는 배기 가스 배출의 감소를 위해서 퍼지하는 동안에 캐니스터로부터의 연료 증기 흐름의 계산을 이용한다. 연료 탱크로부터 꺼내지는 연료 및/또는 흡입 공기의 양은 알려진 퍼지 스트림 내 연료 증기 및 공기의 양에 의해 감소 될 수 있다.

다른 구현으로, 엔진이 시동되고 캐니스터의 퍼지가 시작되면 엔진이 마지막으로 구동되었던 이후 경과한 시간을 기초로 하여 캐니스터에 얼마나 많은 증기가 저장되었는지 및 캐니스터가 얼마나 뜨거운지(예로서, 급유도중 증기 흡착으로부터 방출된 열에 의해 가열되었는지)를 통해 퍼지 증기 내의 초기 탄화수소 농도가 결정되거나 추정된다. 다음으로, 퍼지 증기 내 탄화수소 증기의 감소는 방정식을 사용하여 결정된다. 상기 방정식은 Langmuir absorption isotherm equation을 모델로 할 수 있다.

본 발명의 적용 가능한 추가적인 분야는 하기에 제공된 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 본 발명의 앞선 순위의 구현을 나타내는 동안의 상세한 설명 및 특정한 예들은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명을 설명하는데 있어서, "엔진 제어장치(engine control module)","ECM", "파워트레인 제어장치(powertrain control module)","PCM" 및 "제어장치(controller)"는 엔진에 제공되는 연료 및 공기의 양을 조절할 수 있는 제어 모듈(control module)을 나타내기 위해 호환적으로 사용된다.

바람직한 구현에 대한 하기의 설명은 단지 예시를 위한 것으로, 본 발명, 본 발명의 적용, 또는 용도를 제한하는 것은 아니다.

도 1을 참조하면, 흡입 매니폴드(Intake Manifold) (80) 및 배기 매니폴드 (exhaust manifold) (10)을 가진 엔진 (12)가 도해되어 있다. 차량은 내연기관(internal combustion engine)을 포함하는 통상의(비하이브리드(non-hybrid)) 차량, 또는 내연기관(internal combustion engine)과 전기 모터(나타내지 않음)를 포함하는 하이브리드(hybrid) 차량일 수 있다. 상기 엔진 (12)는 바람직하게는 제어장치 (14)(controller)에 의해 제어되는 내연기관이다. 상기 엔진 (12)는 전형적으로 가솔린, 에탄올, 및 다른 휘발성 탄화수소계열의 연료를 연료로 사용한다. 제어장치 (14)는 분리된 제어장치이거나 또는 ECM(engine control module), PCM(powertrain control module), 혹은 다른 차량 제어장치의 부분을 형성할 수 있다.

상기 엔진 (12)가 작동되면, 상기 제어장치 (14)는 하나 혹은 그 이상의 엔진 센서, 전송 제어 장치, 및/또는 배출 제어 장치로부터 신호를 받는다. 엔진 (12)에서 제어장치 (14)까지의 라인 (16)은 센서 신호의 흐름을 도식적으로 나타낸다. 엔진이 작동하는 동안, 가솔린 (21)은 연료 펌프 (20)에 의해 필터 (28) 및 연료 라인 (33) 및 (22)를 통해서 연료탱크 (18)로부터 연료 레일(fuel rail)(나타나지 않음)로 전해진다. 연료 분사기는 가솔린을 엔진 (12)의 실린더로 또는 실린더들의 그룹을 제공하는 포트로 주입한다. 도 1은 연료 분사기 (26)의 일 예를 나타낸다. 연료 분사기의 타이밍과 작동 및 주입되는 연료의 양은 연료 제어장치 (24)에 의해서 조절된다. 연료 제어장치 (24)는 제어장치 (14)에 의해서 통제된다(제어 라인은 나타나지 않음). 흡입 매니폴드 (80) 내의 공기 제어장치 (82)는 엔진 (12)로 들어가는 공기의 양을 조절하고 또한 이는 제어장치 (14) 에 의해서 제어 라인 (75)에 의해 조절된다.

연료 탱크 (18)은 흔히 블로우 성형된(Blow-molded), 고밀도의 폴리에틸렌으로 만들어지며 하나 혹은 그 이상의 가솔린 불투과성 내부층(들)이 있다. 상기 연료탱크는 연료 공급 모듈(fuel sender module) (32)를 함유한다. 연료 펌프 (20)은 가솔린 (21)을 필터 (28) 및 연료 라인 (33)을 통해서 압력조절기 (34)로 퍼올리며, 여기서 사용되지 않은 연료는 탱크로 되돌려진다. 바이패스(by-pass)라인 (31)은 사용되지 않은 가솔린을 연료 펌프 입구(inlet)로 돌려보낸다.

연료 탱크 (18)은 연료탱크 (18)에서 연료 증기 흡수 캐니스터 (62)까지 이르는 배기관 (30)을 포함한다. 연료 증기 압력은 가솔린의 온도가 상승함에 따라 증가한다. 증기는 압력에 따라 배기관 (30)을 통해서 연료 증기 흡수 캐니스터 (62)으로 흐른다. 상기 증기는 캐니스터 (62)로 들어가고 중심 벽 (64)의 양면에 있는 활성탄 물질과 같은 적절한 흡착 물질(나타내지 않음)에 의해서 포획된다. 상기 연료 증기 흡수 캐니스터 (62)는 어떠한 적절한 물질로 형성된다. 예를 들어, 나일론과 같은 성형된 열가소성 폴리머가 전형적으로 사용된다. 연료 증기가 캐니스터 내에 흡착된 후에, 공기는 배기관 (66)을 통해서 나간다.

배기관 (66)은 캐니스터 (62)로부터 흡착된 연료 증기를 퍼지하는 동안 공기를 제공한다. 퍼지 공기의 스트림 및 연료 증기는 퍼지 라인 (70)을 통해 캐니스터를 나간다. 퍼지 라인 (70)은 엔진 (12)로부터 캐니스터 (62)를 선택적으로 차단시키는 밸브 (72)를 함유한다. 퍼지 밸브 (72)는 엔진 (12)가 가동될 때 신호 (74)를 통해서 제어장치 (14)에 의해 작동된다. 퍼지 밸브 (72)는 엔진 (12)가 작동되지 않는 때에 닫히지만, 엔진 (12)가 흡착된 증기의 퍼지를 위해 작동하는 때 엔진 (12)가 데워진(warm up) 후에는 열린다. 퍼지 흐름은 ECM (14)에 의해서 퍼지 밸브 (72)의 펄스 폭 변조(PWM, pulse-width modulation)에 의해 제어된다. 예를 들어, 퍼지 흐름은 공회전하는 동안 그리고/또는 퍼지 증기가 고농도의 탄화수소를 가지는 경우 감소된다. 상기 공기는 캐니스터 (62)로부터 탈착된 탈착 탄화수소 연료를 적재하게 된다. 상기 연료-적재된 공기(fuel-laden air)는 퍼지 라인 (70)을 통해서 흡입 매니폴드 (80)로 유입된다. 제어장치 (14)는 퍼지 라인 (70)으로부터 온 퍼지공기 내의 연료 증기의 양을 추정하고 엔진으로의 연료 주입량 및 엔진으로 보내지는 공기량을 연료 제어장치 (24) 및 제어장치에 의해 명령되는 퍼지 부피(controller-commanded purge volume)의 함수로서 탄화수소 농도의 변화를 예측하는 모델을 사용한 공기 제어장치 (82)를 통해서 조절한다.

제어장치는 세 개의 주요 단계를 가질 수 있는 알고리즘을 사용한다. 첫 번째 단계에서, 상기 제어장치는 얼마나 많은 증기가 저장되어 있고 캐니스터가 얼마나 뜨거운지를 추정하기 위해 캐니스터의 상태(status)를 결정한다. 상기 캐니스터는 급유 증기 흡착 열 방출로부터 가열될 수 있다. 그 대신에, 퍼지 증기 내 초기 탄화수소 온도의 실제적 측정이 이루어질 수 있다. 도 2A 및 도 2B에 설명된 일 구현에서, 102-109 단계들은 퍼지 증기 내의 초기 탄화수소 농도를 추정하기 위해 사용되었고; 111 내지 113단계들은 퍼지 증기 내에 실제 초기 탄화수소 농도의 결정을 위해서 사용되었다. 두 번째 주요한 단계에서, 상기 제어장치는 엔진이 캐니스터를 통해 공기를 유입시킴에 따른 퍼지 증기 내의 탄화수소 농도의 감소를 계산한다. 도 2A 및 도 2B에서, 114 내지 117 단계들은 상기 계산을 나타낸다. 세 번째 주요 단계에서, 퍼지 증기 부피 및 퍼지 증기 내의 탄화수소 증기의 농도를 이용하여, 퍼지 탄화수소 증기 및 공기의 상기 양이 제어장치에 의해서 엔진 공기 및 연료 계산에 사용되어 개선된 연료 효율성과 배기 배출 제어(exhaust emission control)를 위해 연료 탱크로부터 취하게 될 연료의 양 및 공기 흡입량을 결정한다. 이것이 도 2B의 알고리즘 100의 단계 118이다.(도 2A 및 도 2B의 알고리즘 100의 각각의 단계들은 더욱 자세하게 아래에 설명되어 있다.)

제어장치에 의해 명령되는 퍼지 부피(controller-commanded purge volume)의 함수로서 탄화수소 농도의 변화를 예측하기 위한 모델은 퍼지 캐니스터 및/또는 차량 상태(condition)로부터 추정된 초기 탄화수소의 농도를 이용할 수 있고 또는 측정된 초기 탄화수소의 농도를 이용할 수 있다. 퍼지 증기 내의 초기 탄화수소 농도는 마지막 퍼지 이래로 연료 수준의 변화, 급유한 이래로(즉, 연료 레벨을 증가시킨 이래로)의 시간 간격, 주변 온도, 연료의 주기적인 RVP, 및 흡착 수용력과 증발 증기 저장 캐니스터 내의 흡착제 양과 같은 요인들을 기준으로 추정될 수 있다.

퍼지 증기 내 초기 탄화수소 농도는 안정된 상태의 엔진 작동에서 캐니스터 퍼지의 존재 및 부존재 하에서의 연료 분사 속도를 모니터함으로써 측정될 수 있다.

그리고 나서 상기 제어장치는 상기 초기 탄화수소 농도(예측된 혹은 측정된) 및 명령되는 퍼지 증기 부피의 함수로서 퍼지 증기 내 탄화 수소 농도를 추정하기 위한 모델을 사용한다. 일 실시예로서, 특정 차량, 퍼지 증기, 흡착제, 및 퍼지 상태에 대해서 명령되는 퍼지 증기 부피의 함수로서 실험적으로 측정된 퍼지 증기 내 탄화수소 값에 대해 곡선을 맞춤으로서 하나의 적절한 모델이 만들어질 수 있다. 다른 실시예로서, 하나의 모델은 계속되는 퍼지로 초기 탄화수소 농도로부터 퍼지 증기 내의 탄화수소 농도의 지수적인 감소를 예측하는 형태일 수 있다. 이러한 구현에서, 퍼지 증기 내 탄화수소 농도 C_HC는 하나의 방정식으로부터 추정될 수 있다:

C_HC=C_HC0EXP(-(αC_HC0+β)V), 상기 식에서

V는 명령되는 퍼지 부피의 입방 피트(cubic feet)이며;

C_HC0는 상기 퍼지 내 탄화수소 증기의 초기 농도이며;

C_HC는 명령되는 퍼지 부피의 입방 피트(V)에 따른 퍼지 내의 탄화수소 증기의 농도이며; 그리고

α 및 β는 상수이며, 특정한 엔진 및 차량의 구조에 따르는 값이다. 상수들은 예측된 커브를 실험적으로 결정된 데이타에 원하는 범위로 맞추기 위해 주어진 값이다. 상업적으로 유용한 방정식을 위해 완벽한 적합성(fit)이 요구되지는 않는다.

바람직한 실시예로서, 명령되는 퍼지 부피의 함수로서 퍼지 탄화수소 농도를 계산하기 위해 물질수지(material balance) 및 등온식(isotherm equation)의 조합이 사용된다. 명령되는 퍼지 부피는 퍼지 밸브 펄스 폭 변조, 또는 퍼지 밸브가 열린 시간의 길이로부터 계산된다. 상기 캐니스터 퍼지 공기 및 탄화수소 흐름을 예측하기 위한 등온-기초 모델은 증발 가스 캐니스터로부터 퍼지된 탄화수소의 양이, 퍼지가 시작될 때 증발가스 캐니스터 내에 흡착된 탄화수소의 초기 양에서 퍼지 종료 후 증발가스 캐니스터 내에 흡착된 탄화수소의 최종량을 뺀 값과 동일하다는 관계를 이용한다. 엔진으로 보내지는 퍼지 증기의 총량은 △V로 정의된다. 증발 가스 캐니스터 내에 함유된 탄소의 부피는 (1-ε)V_C이며, 여기서 ε는 흡착제(예로는 활성 탄소)의 다공율(porosity)이고 V_C는 증발 가스 캐니스터의 부피이다. 등온 모델에서 이러한 관계들을 이용하면,

(1-ε)V_C(Q)-(1-ε)V_C(Q₁)=(△VP)÷(RT)

및

Q₁=Q_mB_bP÷(1+Q_mB_bP)이며,

상기 식에서 (1-ε)V_C는 증발 가스 캐니스터 내 탄소 부피이며,

Q는 탄소의 단위 부피당 탄화수소의 초기 흡착량이며,

△V는 퍼지 증기의 부피이며,

Q1은 퍼지 증기의 부피(△V)에 따른 탄소의 단위 부피당 탄화수소의 최종 흡착 량이며,

R은 기체 법칙 상수이며,

P는 퍼지 증기 내 탄화수소 증기의 부분 압력이며,

T는 절대 공기 온도이며,

그리고

Q_m 및 B_b는 등온 상수로서 여기에서

Q_m=A+B/T 그리고 B_b=EXP(C+D/T)이며, A,B,C, 및 D는 증발 가스 캐니스터(evap canister) 내 흡착제(예를들어, 탄소)에 특유한 상수이다. 예를들어. 흡착제가 15BWC 탄소 그리고 탄화수소가 부탄인 경우 A,B,C, 및 D는 각각 0.00368, 0.365200, -8.6194, 및 3102이다.

상기 방정식은 P에 대해서 풀기 위해 이차 방정식으로 재배열될 수 있다:

KB_bP²+(K-QB_b+Q_mB_b)P-Q=0이며,

상기 식에서

K=(△V)÷((1-ε)V_CRT)이다.

상기 이차 방정식이 P에 대해서 풀렸다:

상기 식에서 a=KB_b, b=K-QB_b+QmBb. 그리고 c=-Q 이다.

흡착제(예로는 탄소 베드(bed))의 불완전 이용 및 부분적 충전(fill)의 설명을 위해 보정계수(correction factor)가 요구된다. 대부분의 경우, 연료 탱크를 채우는 동안에도 증발 가스 캐니스터 내 흡착제의 일부만이 탄화수소로 포화된다. 흡착제 베드의 일부분은 부분적으로 포화되는 반면 다른 부분은 큰 손실을 막기 위해 깨끗하게 남아있을 수 있다. 전형적으로, 완전한 급유 후 2.1L 캐니스터 흡착제 베드의 단지 50% 만이 증기로 포화될 것이다. 흡착제 이용에 대한 상기 보정은 특정한 차량 및 장비에 대해 실험적으로 결정될 수 있다. 일 예로,탄소 이용에 대한 보정계수 k_c 및 부분적인 충전에 대한 k_f가 방정식에 포함되었다:

K=△V/(k_ck_f(1-ε)V_CRT)

상기 모델을 사용하는 제어장치 알고리즘은 또한 통상적으로 일반적인 차량의 작동 중 퍼지 탄화수소 농도가 약 5% 미만이라는 것을 고려할 수 있다. 추가적으로, 하절기 온도(50℉ 이상의 온도)에서 증발 가스 캐니스터의 하나 혹은 둘의 주간 탄화수소 증기 부하(loading)에 뒤따르는 캐니스터의 퍼지에 대해, 초기 탄화수소의 농도는 약 10%로 추정될 수 있고 퍼지가 계속됨에 따라 천천히 감소한다. 하절기 온도(50℉ 이하의 온도)에서 증기 캐니스터의 주간 탄화수소 증기 부하(loaing)은 무시할 수 있다. 결국, 급유 직후 퍼지 증기 내 초기 탄화수소는 약 35%로 추정될 수 있으며, 퍼지가 계속됨에 따라 지수적으로 감소한다. 차량의 급유는 하절기 및 동절기의 모든 주변온도에서 거의 포화된, 따뜻한 캐니스터를 초래한다

상기 알고리즘은 또한 증발 가스 캐니스터의 부탄 부하 및 뜨거운 연료의 취급에 대한 예외적인 두 상태를 고려할 수 있다. 먼저, 급유가 일어나지 않더라도(연료 수준의 변화가 감지되지 않음) 차량 산소 센서는 약 90℉ 이하의 주변 온도에서 높은 퍼지 탄화수소 농도를 탐지하며, 따라서 계속되는 퍼지와 함께 퍼지 증기 내 탄화수소 농도 감소의 추정에서 알고리즘은 부탄 부하의(butane-loaded) 캐니스터로 가정할 수 있다. 두 번째로, 만약 급유가 일어나지 않았더라도(연료 레벨의 변화가 감지되지 않음) 차량 산소 센서는 약 90℉ 혹은 그 이상의 주변 온도에서 높은 퍼지 탄화수소 농도를 탐지하며, 따라서 알고리즘은 퍼지 증기 내에 공기가 없거나 거의 없는 고온 연료 취급의 상황(높은 연료 중기 압력)을 가정할 수 있다.

도면으로 돌아와서, 도2A 및 도2B는 모두 본 방법의 바람직한 구현을 설명하는 흐름도(flow chart)이며, 이에 의해 상기 차량 제어장치 14는 증발 증기 저장 컨테이너 62로부터 온 퍼지 내의 연료 증기의 양을 예측 모델의 바람직한 구현을 이용하여 추정한다. 알고리즘 100은 차량의 엔진 시동과 함께 101단계부터 시작한다. 102단계에서, 제어장치(예를 들어, ECM 또는 PCM)는 엔진 소킹시간(soak time)t(이것은,엔진이 마지막으로 작동되었던 때로부터 얼마나 되었는지), 엔진이 마지막으로 작동되었던 시간의 끝에서의(즉, 소킹의 시작 또는 마지막 운행의 끝) 연료 레벨 F1와 주변 온도 TF1, 및 현재 엔진 시작시의 연료 레벨 F2와 주변 온도 TF2를 읽는다. 103단계에서 상기 제어장치는 엔진의 시작이 냉각 시동(cold start)(예를들어, 약 다섯 시간 이상인 경우)인지 여부에 대해 결정한다. 엔진의 시작이 냉각 시동이 아니었다면, 알고리즘은 105단계로 향하여 상기 정지를 급유로 취급한다. 만약 엔진의 시작이 냉각 시동이었다면, 알고리즘은 104단계로 향하고 주간 퍼지 상태에 대해 시험한다.

단계 104에서, 상기 알고리즘은 연료 레벨 F1을 연료 레벨 F2와 비교한다. 만약 연료 레벨이 변화되지 않았다면, 상기 알고리즘은 주간 퍼지 상태로 가정한다. 주간 퍼지의 경우에는, 만약 TF1 및 TF2가 약 50℉ 이하라면 퍼지 증기 내의 초기 탄화수소 농도(C_HC0)는 0으로 설정된다. 그렇지 않다면, 알고리즘은 대략 부피로 10%의 탄화수소 증기 및 부피로 90%의 공기로 초기 퍼지 증기를 가정하고, 초기 탄화수소 농도(C_HC0)는 퍼지 내에 부피로 10%의 탄화수소 증기로 설정된다. 만약 F2가 F1보다 크면, 상기 알고리즘은 초기 퍼지 증기가 대략 부피로 10%의 탄화수소 증기 및 부피로 90%의 공기를 가지는 급유 증기 퍼지로 가정하고, 초기 탄화수소 농도(C_HC0)는 퍼지 내에 부피로 10%로 설정된다. 그 후 상기 알고리즘은 109 단계로 향하여 폐회로 콘트롤(closed-loop control)이 된다.

만약 상기 알고리즘이 103 단계에서 퍼지가 급유 후인 것으로 결정하였다면, 알고리즘은 105 단계에서 F2가 F1보다 큰지 여부(연료 레벨이 증가됨) 및 정지 시간(stopping time)t가 약 10분보다 작은지를 묻는다. 만약 이러한 두 상태 모두 만족되면, 알고리즘은 106 단계로 이동하여, 퍼지 증기 내의 35% 탄화수소 증기를 가정하고, C_HC0를 35로 설정하며, 108 단계로 향한다. 다른 한편으로, 만약 급유 후에 캐니스터가 냉각된 t시간의 소킹(soak) 기간이 뒤따르면, C_HC0는 35이하가 될 것이고,C_HC0는 107 단계에서 시간에 따라 지수적으로 감소하는 것으로 추정된다. C_HC0는 하기의 방정식을 이용하여 추정된다:

C_HC0=10+25EXP(-0.9t)

그 후 상기 알고리즘은 108단계로 향한다. 단계 108에서, 상기 알고리즘은 F1 및 F2를 이용하여 부분 충전 인자 k_f를 계산하고, 이후 109단계로 이동하여 폐회로 연료 콘트롤 (closed-loop fuel control)을 시작한다.

폐회로 연료 콘트롤에서, 상기 ECM 또는 PCM은 연료 조절을 위해 산소 센서 피드백을 이용한다. 엔진이 폐회로 작동하면 캐니스터 퍼지가 작동되거나, 또는 퍼지가 시작된다. 이제 109 단계로 향하면, 상기 알고리즘은 폐회로 연료 콘트롤 부분으로 들어간다. 단계 110에서, 상기 알고리즘은 퍼지 내 초기 연료 증기 농도(C_HC0)를 관입하여 측정하는 것이 가능한지 여부를 결정한다. 만약 상기 엔진이 일정한 상태에서 작동하고 있다면(예를 들어, 만약 상기 엔진이 공회전 상태 또는 일정한 속도로 달리고 있는 경우) 관입하여 측정하는 것이 가능하다. 만약 C_HC0이 관입적으로 측정될 수 있다면, 상기 알고리즘은 단계111로 향하며; 만약 그렇지 않다면, 상기 알고리즘은 114단계로 계속된다.

단계 111에서, 상기 제어장치는 캐니스터 퍼지를 멎게 하고,그 후 탱크 연료 소비율 또는 분사기의 펄스 폭(INJPW1)에 대한 값을 저장한다. 단계 112에서 상기 캐니스터 퍼지는 작동되고, 상기 제어장치 알고리즘은 캐니스터 퍼지의 작동과 함께 탱크 연료 소비율 또는 분사기의 펄스 폭(INJPW2)의 두 번째 값을 저장한다. 마지막으로, 113 단계에서 상기 초기의 퍼지 탄화수소 농도 C_HC0는 112 및 113 단계에서 결정된 탱크 연료 소비율 또는 분사기의 펄스 폭 값을 이용하여 결정된다. 그 다음 상기 알고리즘은 114단계로 계속된다.

단계 114에서,상기 알고리즘은 공기 온도 T에서의 등온 상수 Q_m 및 B_b를 계산하며, 여기서 T는 켈빈(Kelvin)으로의 공기 온도이다. 상기 알고리즘은 또한 퍼지 증기 내 탄화수소 증기의 부분 압력 P를 대기압력(1기압으로 해석될 수 있는)에 퍼지 증기 내 탄화수소 증기의 초기 농도 비율을 곱해서 계산한다. 마지막으로,Q_m ,B_b, 및 P는 방정식 Q=Q_mB_bP÷(1+Q_mB_bP)를 이용하여 Q의 계산에 사용된다.그리고 나서 상기 알고리즘은 115 단계로 계속된다. 단계 115에서,상기 알고리즘은 명령되는 퍼지 부피를 퍼지 밸브 PWM(펄스 폭 변조)로부터 계산한다.

단계 116에서, 상기 알고리즘은 상기 방정식 K=(△V)÷((1-ε)V_CRT)를 이용하여 상기 퍼지 증기 조성물을 계산한다. 압력 P에 대한 이차 방정식이 풀어졌으며

상기 식에서 a=KB_b, b=K-QB_b+Q_mB_b, 및 c=-Q, 그리고 Q는 단계 114에서 결정된 값을 갖는다. P가 계산되면, 퍼지 증기 내의 탄화수소의 농도 비율(C_HC)이 대기 압력 P_atm에 대한 이의 부분 압력의 비를 통해서 결정된다:

C_HC=P/P_atm

마지막으로, 상기 알고리즘은 엔진 연료 및 공기의 계산을 위해 118 단계의 퍼지 탄화수소의 흐름 △VC_HC 및 퍼지 공기 흐름△V(1-C_HC)을 계산한다.

도 3은 15BWC 탄소를 함유한 1850cc증기 캐니스터(evap canster)를 가진 2004 Buik Rendezvous에 대해 측정되고 계산된 퍼지 탄화수소 부피의 퍼센트를 보여주는 그래프이다. 상기 탄화수소 증기는 NGK 탄화수소 센서를 이용하여 측정되었다.상기 차량은 100% PWM(펄스 폭 변조)에서 28L/min의 퍼지 흐름을 가진 Delphi 퍼지 밸브를 사용하였다.상기 데이타는 10-마일(mile)의 시내운전 뒤 급유 후에 획득하였다. 상기 급유는 55℉의 주변 온도에서 14갤론(gallon)의 연료였다. 상기 차량은 명령되는 퍼지의 입방 피트(cubic feet)의 함수로서 퍼지 탄화수소 농도가 측정되며,급유 후 고속도로에서 운행되었다. 등온-기초 모델의 예측을 나타내는 곡선이 실험적으로 결정된 데이타에 근접하게 맞음을 보여준다.

본 발명의 상기 설명은 단지 예시하기 위함이며, 따라서 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 변형물들은 본 발명의 범위에 포함된다. 이런 차이는 본 발명의 정신 및 범위에서 벗어나는 것으로 간주되어서는 안된다.

본 발명은 상세한 설명 및 수반되는 도면에 의해 보다 충분히 이해될 것이 며, 여기서;

도 1은 차량에 대한 엔진 및 증발 제어 시스템의 기능 블록 다이어그램(functional block diagram)이며;

도 2A 및 2B는 모두 차량의 제어장치가 증발 증기 저장 컨테이너로부터 오는 퍼지 내 연료 증기 양을 추정하는 단계를 설명하는 흐름도이며; 그리고

도 3은 측정 및 계산된 퍼지 탄화수소의 부피 퍼센트를 나타내는 그래프이다.

Claims

흡착된 탄화수소 증기를 함유하는 캐니스터 내 탄화수소 증기의 농도에 대한 초기 값, C_HC0을 제공하는 단계;

흡착된 탄화수소 증기를 함유하는 상기 캐니스터 내로 공기를 유입시키고 상기 캐니스터로부터 탈착된 탄화수소 증기를 함유하는 소정 부피(a volume of)의 퍼지 증기를 인출하는 단계;

상기 퍼지 증기 내 탈착된 탄화수소 증기의 농도를 계산하는 단계; 및

상기 퍼지 증기 내 퍼지 증기 부피 및 탄화수소 농도를 이용하여 퍼지 탄화수소 증기 및 퍼지 공기의 양을 계산하고 상기 퍼지 탄화수소 증기 및 퍼지 공기의 양을 기준으로 상기 연료 탱크로부터 유입되는 연료의 양 및 흡입 공기의 양을 조정하는 단계;

를 포함하는, 흡착된 탄화수소 증기를 함유하는 캐니스터로부터 탄화수소 증기를 퍼지하는 동안 엔진으로 유입되는 공기 및 연료의 양을 제어하는 방법.
제 1항에 있어서, C_HC0는 정상(steady) 상태의 엔진 작동시 캐니스터 퍼지의 존재 및 부존재 하에서 연료 분사율을 모니터함으로써 측정되는 것을 특징으로 하는, 흡착된 탄화수소 증기를 함유하는 캐니스터로부터 탄화수소 증기를 퍼지하는 동안 엔진으로 유입되는 공기 및 연료의 양을 제어하는 방법.
제 1항에 있어서, C_HC0는 퍼지 캐니스터 및/또는 차량의 상태로부터 추정되는 것을 특징으로 하는, 흡착된 탄화수소 증기를 함유하는 캐니스터로부터 탄화수소 증기를 퍼지하는 동안 엔진으로 유입되는 공기 및 연료의 양을 제어하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 퍼지 증기 내 탈착 탄화수소 증기의 농도는 특정한 차량, 퍼지 캐니스터, 흡착제, 및 퍼지 상태에 대해 명령되는 퍼지 증기 부피의 함수로서 상기 퍼지 증기 내 탄화수소 농도에 대해 실험적으로 측정된 값에 적합한 곡선을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는, 흡착된 탄화수소 증기를 함유하는 캐니스터로부터 탄화수소 증기를 퍼지하는 동안 엔진으로 유입되는 공기 및 연료의 양을 제어하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 퍼지 증기 내 탈착된 탄화수소 증기의 농도는 연속 퍼지로 상기 초기 탄화수소 농도로부터 상기 퍼지 증기 내 탄화수소 농도에 대한 지수적인 감소를 예측하는 모델을 사용하여 계산되는 것을 특징으로 하는, 흡착된 탄화수소 증기를 함유하는 캐니스터로부터 탄화수소 증기를 퍼지하는 동안 엔진으로 유입되는 공기 및 연료의 양을 제어하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 퍼지 증기 내 상기 탄화수소 농도, C_HC는

방정식 C_HC=C_HC0EXP(-(αC_HC0+β)V)로부터 계산되는 것을 특징으로 하는, 흡착된 탄화수소 증기를 함유하는 캐니스터로부터 탄화수소 증기를 퍼지하는 동안 엔진으로 유입되는 공기 및 연료의 양을 제어하는 방법:

상기 식에서,

V는 명령되는 퍼지 부피의 입방 피트이며;

C_HC0는 상기 퍼지 내 상기 초기 탄화수소 증기의 농도이며;

C_HC는 명령되는 퍼지 부피의 입방 피트(V)에 따른 상기 퍼지 내 상기 탄화수소 증기의 농도이며; 그리고

α 및 β는 특정한 엔진 및 차량의 구조에 의존하는 값의 상수이다.
제 1항에 있어서, 상기 퍼지 증기 내 상기 탄화수소 농도, C_HC는 물질수지(material balance) 및 등온식(isotherm equation)을 조합하는 모델을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는, 흡착된 탄화수소 증기를 함유하는 캐니스터로부터 탄화수소 증기를 퍼지하는 동안 엔진으로 유입되는 공기 및 연료의 양을 제어하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 퍼지 증기 내 탄화수소의 농도 분율 C_HC는 방정식 C_HC=P/P_atm를 이용하여 대기압 P_atm에 대한 탄화수소의 부분 압력 P의 비율로부터 결정되는 것을 특징으로 하는, 흡착된 탄화수소 증기를 함유하는 캐니스터로부터 탄화수소 증기를 퍼지하는 동안 엔진으로 유입되는 공기 및 연료의 양을 제어하는 방법:

상기 식에서

여기서 a=KB_b, b=K-QB_b+Q_mB_b이며, 그리고 c=-Q이며, 그리고

K=(△V)/(k_ck_f(1-ε)V_CRT)이며, 여기서 △V는 상기 퍼지 증기의 부피이며, k_c는 탄소의 이용을 위한 보정계수이며, k_f는 부분적 충전에 대한 보정 계수이며, (1-ε)V_C는 상기 증발 가스 캐니스터(evap canister) 내 탄소의 부피이며, ε는 상기 증발 가스 캐니스터 내 흡착제의 다공률이며, V_C는 상기 증발 가스 캐니스터의 부피 이며, R은 기체법칙 상수이며, 그리고 T는 절대 공기 온도이며,

Q는 탄소의 단위 부피당 탄화수소의 상기 초기 흡착량이며,

Q1은 퍼지 증기 부피 △V에 따른 탄소의 단위 부피당 탄화수소의 최종 흡착량으로 여기서 Q₁=Q_mB_bP÷(1+Q_mB_bP)이며, 그리고

Q_m 및 B_b은 등온계수로 여기서

Q_m=A+B/T 및 B_b=EXP(C+D/T)이며, A,B,C,및 D는 증발 가스 캐니스터 내 흡착제의 특성 상수이다.
공기 흡기시스템이 구비된 내연기관(엔진)(internal combustion engine),

상기 엔진에 연료를 공급하기 위해 상기 엔진에 연결된 연료 탱크,

상기 엔진으로의 연료 운반 및 상기 엔진으로의 공기 흡입을 제어하는 프로그램된 마이크로프로세서를 포함하는 전자 엔진제어장치(Engine Control Module), 및

상기 연료탱크에 연결된 증기 입구 및 공기 흡기 시스템에 연결된 퍼지 출구를 포함하며, 연료탱크로부터의 증기를 흡착시키기 위한 캐니스터

를 갖는 차량에 대해

상기 연료탱크로부터 상기 증기 입구를 통해 상기 캐니스터로 유입되는 연료 증기를 흡착시키는 단계;

상기 전자 엔진제어장치로부터의 신호를 통해 퍼지 밸브를 개방함으로써 상기 퍼지 출구를 통해 상기 캐니스터에서 연료 증기를 탈착시키고, 상기 캐니스터를 통해 공기 흡기시스템 내로 공기를 유입시키는 단계;

상기 퍼지 증기 내에 탈착된 탄화수소 증기의 농도를 계산하는 단계;

상기 탈착된 탄화수소 증기의 농도 및 퍼지 증기 부피를 이용하여 퍼지 탄화수소 증기 및 퍼지 공기의 양을 계산하는 단계; 및

상기 전자 엔진제어장치를 사용하여 상기 계산된 양의 퍼지 탄화수소 증기 및 퍼지 공기에 응하여 연료 탱크에서 엔진으로의 연료 운반 및/또는 흡입 공기의 양을 조절하는 단계

를 포함하는 차량 작동 방법.
퍼지 증기 내 탄화수소의 초기 농도를 제공하는 단계;

명령되는 퍼지 부피 및 퍼지 증기 조성을 결정하는 단계; 및

퍼지 공기 보정 및 퍼지 탄화수소 보정을 계산하고 상기 보정을 엔진 공기 및 연료 흡입 계산에 적용하는 단계

를 포함하는, 흡착된 탄화수소 증기를 함유하는 캐니스터로부터 인출되는 퍼지 증기 내 탄화수소 증기의 농도를 결정하기 위한 알고리즘을 갖는 제어장치.
제 10항에 있어서, 상기 퍼지 증기 조성은 특정한 차량, 퍼지 캐니스터, 흡착제, 및 퍼지 상태에 대해 명령되는 퍼지 증기 부피의 함수로서 상기 퍼지 증기 내 탄화수소 농도에 대해 실험적으로 측정된 값에 적합한 곡선을 이용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 제어장치.
제 10항에 있어서, 상기 퍼지 증기 조성은 연속 퍼지로 상기 초기 탄화수소 농도로부터 상기 퍼지 증기 내 탄화수소 농도에 대해 지수적인 감소를 예측하는 모델을 사용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 제어장치.
제 10항에 있어서, 상기 퍼지 증기 조성은 물질수지 및 등온식을 조합하는 모델을 사용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 제어장치.
공기 흡기시스템을 구비한 내연엔진,

상기 엔진에 연료를 공급하기 위해 상기 엔진에 연결된 연료 탱크,

상기 엔진으로의 연료 및 공기의 운반을 제어하는 프로그램된 마이크로프로세서를 포함하는 전자 엔진제어장치, 및

상기 연료탱크에 연결된 증기 입구, 상기 공기 흡기시스템에 연결된 퍼지 출 구, 및 공기 입구를 포함하며, 상기 연료탱크로부터 증기를 흡착하기 위한 캐니스터를 구비하며,

상기 마이크로프로세서는 상기 퍼지 공기 내 초기 연료 증기 농도로부터 상기 퍼지 공기 내 연료 증기 농도의 감소를 예측하는 방정식으로부터 상기 캐니스터에서 인출되는 퍼지공기 내 탄화수소 증기의 농도를 추정하기 위해 프로그램된 것이고

나아가 상기 전자 엔진제어장치는 상기 퍼지 공기 내 추정된 탄화수소 증기의 농도에 응하여 상기 엔진으로의 연료 및 공기 운반을 조절하는 차량.
제 14항에 있어서, 상기 방정식은 연속 퍼지로 상기 초기 탄화수소 농도로부터 상기 퍼지 증기 내 탄화수소 농도에 대해 지수적인 감소를 예측하는 것을 특징으로 하는 차량.
제 14항에 있어서, 상기 방정식은 물질수지 및 등온식을 조합하는 것을 특징으로 하는 차량.