KR20090028790A - 차량 내의 연소에 공급될 수 있는 연료의 알코올 농도 결정방법 - Google Patents

차량 내의 연소에 공급될 수 있는 연료의 알코올 농도 결정방법 Download PDF

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Abstract

E85 연료 또는 E0 연료로 충전한 이후에 탱크 연료의 알코올 농도를 결정하는 방법에서, E0 연료 및 E85 연료로 충전하기 위한 가능 람다값의 두 개의 커리더가 충전 이전과 이후의 탱크 연료의 용적에 따라 설정되며, 이러한 람다값이 평가에 고려된다.
알코올, 람다값, E0, E85

Description

차량 내의 연소에 공급될 수 있는 연료의 알코올 농도 결정 방법 {METHOD FOR DETERMINING THE ALCOHOL CONCENTRATION OF FUEL THAT CAN BE FED TO COMBUSTION IN A MOTOR VEHICLE}
본원발명은 충전(filling) 이후에 차량 내의 연소에 공급될 수 있는 연료의 알코올 농도를 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.
앞으로는, 알코올에 의해 운행되는 차량의 비율이 더욱더 증가할 것이다. 여기서, 알코올, 예를 들어 에탄올은 연료 내에 0 내지 100%의 상이한 농도로 존재할 수 있다. 이러한 연료는 "플렉스퓨얼(FlexFuel)" 또는 "유연성 연료(Flexible Fuel)"(FF)이라고도 언급된다.
알코올에 의한 차량의 기본적인 작동은 이미 오래전에 증명되었으며, 특히 남아메리카 및 북아메리카에서 운전을 위해 많은 차량에 알코올이 제공된다. 연료 탱크 내의 알코올의 농도는, 충전되는 연료에 종속하여, 한 탱크를 충전하고 다른 탱크를 충전할 때 달라질 수 있다. 이러한 방식으로 연료 내에 임의의 알코올 농도가 초래될 수 있다. 연소 기관의 완전 무결한 작동을 위하여, 연소 엔진의 작동 제어 장치가 가능한 한 빨리 새로운 연료 조성을 식별할 필요가 있으며 그 제어 방식에 이러한 사항을 고려해 넣을 필요가 있다.
미국 특허 US 6 257 174 B1 에서, 새로운 연료 혼합물의 알코올 농도를, 85% 알코올 농도의 플렉스-퓨얼(flex-fuel) 또는 순수 가솔린(pure gasoline)만이 충전될 수 있다는 사실 및 충전 전후의 충전량(fill level quantities)의 용적의 비에 의해서, 추정하는 방식이 기재되어 있다. 이는 순수 가솔린이 충전될 때 알코올 농도가 떨어질 것이고, E85 연료가 충전될 때 알코올 농도가 동일하게 유지되거나 증가할 것임을 의미한다. 기존의 공지된 방법은 연소에 공급되는 연료의 알코올 농도가 변화되면 람다 센서(lambda sensor)에 의해 측정된 람다값(공연비)이 변화된다는 점을 이용한다. 기존에 공지된 방법에서는, 탱크에 위치한 연료에 기초하여, 람다값에 대한 상부 한계치와 하부 한계치가 미리 결정되어, 각각의 한계치가 초과되거나 또는 도달되지 않는다면 충전된 연료의 유형이 표시될 수 있다. 이후 엔진 타이밍(engine timing)은 연료의 새로운 알코올 농도를 고려하여 작동된다.
그러나 이러한 방법에서는, 이전의 알코올 농도를 갖는 "구(old)" 연료가 일반적으로 연료 공급 라인 및 연료 필터 내에 위치하므로, 새로운 연료 혼합물이 충전 직후의 분사점(injection point)에서 즉각적으로 가용적이지 않다는 문제점이 있다. 이는 또한 "신(new)" 연료와 "구(old)" 연료의 혼합을 초래하는데, 상이한 용적비로 인하여 이러한 혼합물은 초기에 탱크 내의 연료의 혼합물과 다를 수 있게 된다. 이러한 이유로, 신 연료가 구 연료를 완전히 대체하기 전까지는 "전환 혼합비(change-over mixture ratios)"가 존재한다.
앞서 언급한 바와 같이, 충전 이후에 가능한 한 빨리 연료 혼합물을 결정하는 것이 매우 중요한데, 이는 예를 들어 입법자에 의해 규정된 연료 시스템의 진 단(diagnosis)과 같은 어떤 시스템 진단은 수용할 수 있는 람다값에 종속되기 때문이다.
충전 이후에 탱크 연료의 알코올 농도를 결정할 때, 알코올 비율에 따라 변화될 수 있는 측정 람다값뿐만 아니라 연료 시스템 내의 부품의 노화(ageing)에 따라 변화될 수 있는 측정 람다값도 반드시 고려하여야 한다. 예를 들어, 분사 밸브의 유량(flow rate)은 사용 수명 내내 변화될 수 있다. 연소 기관의 작동 제어 장치가 적응법(adaptation method)에 의하여 해당 노화 효과를 고려하는 방식이 이미 종래 기술에 공지되어 있는데, 예를 들어 람다값에서의 편차가 표준값으로부터 ±25% 인 경우에는 용인된다.
그러나 상이한 알코올 농도를 갖는 연료로 연소 기관을 작동시키는 동안에는, 작동 제어 장치가 람다값에서의 변화가 부품의 노화에 의해 야기되었는지 혹은 알코올 농도에서의 변화에 의해 야기되었는지에 관해 더 이상 결정할 수 없다는 문제점이 있다.
본원발명은 상기한 단점들을 방지하거나 최소한 이러한 단점들을 감소시키기 위한 것이다. 본원발명의 목적은 소정 알코올 농도의 제1 연료 유형이나 다른 알코올 농도의 제2 연료 유형으로 충전된 이후에 차량의 연소에 공급될 수 있는 연료의 알코올 농도를 결정하기 위한 방법으로서, 충전과정 동안에 생성된 새로운 연료 혼합물이 충전 이후에 가능한 한 빠르고도 가능한 한 정확하게 고려될 수 있는 방법을 특정하기 위한 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본원발명의 목적이 청구범위 제1항에서 한정된다.
본원발명에 따른 방법에서, 제1 연료 유형으로 충전하기 위한 가능 람다값의 제1 커리더(corridor) 및 제2 연료 유형으로 충전하기 위한 가능 람다값의 제2 커리더는 충전 이전과 이후에 탱크 연료의 용적에 따라 충전 이후의 시간에 대해 설정되며 측정된 람다값은 평가(evaluation)에 고려된다.
각각의 커리더의 한계치는, 각 커리더의 초기의 큰 폭이 점점 작아지도록, 시간 및 연료 소비에 따라 유리하게 조정된다. 측정된 람다값에 대한 변화가 차량에 충전되는 연료 유형을 식별할 수 있자마자, 두 개의 커리더 중 하나가 배제될 수 있어서 다른 커리더에 대한 참작(allowance)만이 필요하게 된다.
연소 엔진의 정상 작동 동안에는 커리더 밖의 람다값은 나타나지 않는다. 그러나 측정된 람다값이 하나 이상의 커리더 내에 놓여 있지 않는다면 연료 시스템에서 에러가 인식된다.
본원발명은 "타당한(plausibilized)" 람다값이 충전 이후에 매우 빠르게 존재하게 된다는 중요한 장점을 가진다. 예를 들어 연료 시스템의 진단과 같은 시스템 진단 - 측정된 람다값이 여기에 입력 파라미터로서 사용된다 - 은 측정된 람다값이 커리더 중 하나 이상에 놓여 있을 때에 언제나 작동할 수 있다. 따라서 충전 이후에 즉각적으로 작동될 수 있게 된다.
본원발명의 다른 실시예에서는, 람다값에 대한 특정 변화가 연료 시스템의 변화하는 부품에 따라 설정되도록, 그리고 탱크 연료의 알코올 농도의 결정과정 동안에 고려되도록 하는 설비가 제공된다.
람다값에 대한 노화 특유의 변화(ageing-specific change)의 결정은 커리더의 한계치가 보다 정확하게 설정되도록 하며 탱크 연료의 알코올 농도가 충전 이후에 더 높은 정확도로 결정될 수 있게 한다.
두 개의 연료 유형은, 바람직하게는, E0 연료(0%의 알코올 농도) 및 E85 연료(85%의 알코올 농도)이다. 그러나 본원발명의 방법은 상이한 알코올 농도의 연료 유형에도 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
본원발명의 추가적인 유리한 실시예들은 종속항들에서 한정된다.
도 1은 알코올 농도 및/또는 람다를 시간에 대해 표시한 다이어그램이다.
알코올 농도 및/또는 람다가 시간에 대해 표시되어 있는, 유일한 도면에 도시된 다이어그램에 기초하여, 본원발명에 따른 방법의 예시적인 실시예가 보다 자세하게 설명된다.
앞서 설명한 바와 같이, 본원발명에 따른 방법은, 설명된 예시적 실시예에서 하나의 연료 유형이 E0 연료이며 다른 연료 유형은 E85 연료인, 두 개의 가능한 연료 유형과 상이한 알코올 농도로 충전한 이후에 차량의 연소에 공급될 수 있는 연료의 알코올 농도를 결정하는데 사용된다.
도시된 다이어그램에서, 연소에 공급될 수 있는 연료의 알코올 농도가 시간에 걸쳐, 특히 충전 프로세서 이전과 이후에 걸쳐 도시되어 있다. "연소에 공급될 수 있는 연료"은 탱크 및 연료 공급 라인, 연료 필터 등에 존재하는 연료 및 분사 밸브에서 가용한 연료를 말한다. 이러한 연료는 명세서와 청구범위에서 간략하게 "탱크 연료"로 언급된다.
알코올 농도 대신에, 람다 센서(도시되지 않음)에 의해 측정된 람다값이 시간에 걸쳐 표시될 수 있으며, 이러한 경우에도 유사한 다이어그램이 생성된다.
충전 프로세스는 시각(t1)에서 개시된다. 충전 프로세스 이전의 탱크 연료의 알코올 농도는 선행하는 충전 프로세스 및 후속하는 "학습 프로세스(learning process)" - 아래에서 설명된다 - 로부터 대략적으로 알려진다. 이는 시각(t1) 이전에 점선(AT)으로서 표시되어 있다.
시각(t1)에서 차량은 E85 연료 또는 E0 연료로 충전된다. 사용된 연료 유형은 초기에 작동 제어 장치(도시되지 않음)에 알려지지는 않는다. 그러나 통상적으로 사용되는 탱크의 연료 수위 센서(도시되지 않음)를 사용하여, 충전 이전과 이후에 탱크 연료의 용적이 결정될 수 있다. 이후 작동 제어 장치가 충전된 연료 유형을 식별하게 되면, "구" 및 "신" 연료가 완전히 혼합된다고 한다면, 이러한 데이터로부터 탱크 연료의 새로운 알코올 농도를 결정할 수 있게 된다.
그러나 일반적으로 이는, 시각(t1)에서의 충전 프로세스 바로 직후에는 더 이상 적용되지 않는다. 충전 이전에 존재하였던 알코올 농도의 구 연료는 연료 필터 및 연료 공급 라인 내에 통상적으로 존재한다. 이는 점선(AL( E85 ))으로 표시되어 있다.
다이어그램에서, 시각(t2)은 연소 엔진이 충전 이후에 작동개시되는 시각이며, 시각(t3)은 작동 제어 장치 내에 제공되는 람다 제어기가 작동하는 시각이다.
차량은 E85로 충전되는 것으로 가정한다. 분사 밸브에 공급되는 연료의 알코올 농도는 정상 작동 동안 점선(AL( E85 ))을 대략적으로 따르게 될 것이다. 연료 공급 라인 및 연료 필터가 초기에는 여전히 구 연료로 채워져 있으므로, 이는 연료의 알코올 농도가 초기에는 변하지 않는다는 것을 의미한다.
대조적으로, 작동 개시시로부터 연료 공급 라인 및 연료 필터 내에서도 신 연료 및 구 연료의 완전한 혼합이 이루어진다면, 상부 점선(AT( E85 ))의 알코올 농도가 실현될 것이다. 실제로는, 충전 이후의 연료의 알코올 농도가 이러한 두 개의 점선 사이에만 놓일 수 있다.
이러한 지식을 기초로 하여, 본원발명에서는 연료 유형(E85)으로의 충전을 위한 가능 람다값의 제1 커리더(2) 및 다른 연료 유형(E0)으로의 충전을 위한 가능 람다값의 제2 커리더(4)가 충전 전과 후의 탱크 연료의 용적에 따라 설정된다. 커리더(2)는 상부 한계치(6) 및 하부 한계치(8)에 의해 제한되며, 따라서 이는 다른 시스템 에러가 존재하지 않는다면 E85의 충전 동안에 알코올 농도 및 람다 값이 놓여 있어야만 하는 범위를 설정하게 된다. 마찬가지로, 커리더(4)의 상부 및 하부 한계치(10 및/또는 12)는 E0로의 충전 과정 동안에 알코올 농도 및/또는 람다값이 놓여 있어야만 하는 범위를 한정한다. 점선(AT( E0 ))은, 구 연료 및 신 연료가 완전히 혼합된다면, E0로의 충전 이후에 탱크 연료의 계산된 알코올 농도를 나타낸다.
다이어그램에서 볼 수 있듯이, 커리더(2)는 시각(t1)에서 충전 이후에 비교적 큰 폭을 갖는다. 한계치(6, 8)는 - 점선(AT( E85 )) 및 점선(AL( E85 ))의 패턴에 따라서 - 시간 및 연료 소비의 함수로서 점점 가깝게 설정된다. 이는 적응법(adaptation method)의 형태로서 유리하게 발생하는데, 이러한 적응법은 "신" 연료만이 분사 노즐로 공급되는 시간에 대해서 좁은 커리더까지 시간 및 연료 소비에 따라 커리더(2)의 한계치(6, 8)를 좁힌다.
다이어그램의 점선(AL( E85 ))에 의해 표시되어 있듯이, 차량이 E85 연료로 충전된다면 시각(t3) 이후에 알코올 농도, 그리고 이에 따라, 측정된 람다값 역시 점점 높은 값으로 변화한다. 람다값에서의 이러한 변화에 기초하여, 작동 제어 장치는 차량이 E85 연료로 채워졌다는 것을 (그리고 E0 연료로 채워지지 않았다는 것을) 식별한다. 이후 작동 제어 장치는 커리더(2)를 선택하는 반면 커리더(4)는 배제된다.
커리더(2, 4)는 충전 이전의 알코올 농도에 기초하여, 백분율로서 유리하게 설정된다. 이는 예를 들어 테스트 시리즈(test series)를 이용하여 설정되지만, 계산에 의해 이루어질 수도 있다.
커리더(2, 4)는 충전 이후에 측정된 람다값의 "적정화(plausibilization)"에 사용된다. 측정된 람다값이 커리더(2, 4) 외부에 놓이면, 예를 들어 분사 밸브, 연료 펌프 등에서의 기능장애와 같은 시스템 에러가 존재하여야 한다. 그러나 측정된 람다값이 커리더(2, 4) 중 하나 이상의 내부에 놓인다면, 이들은 수용가능한 람다값이다. 따라서 측정된 람다값을 입력 변수로서 사용하는 시스템 진단도 충전 프로세스 직후에 작동될 수 있다. 이는 특히 예를 들어 연료 펌프, 분사 밸브 등과 같은 연료 시스템의 부품이 그 기능에 관해 모니터링되는 연료 시스템의 진단에 관련된다. 따라서 연료 시스템 진단이 꺼질(switch off) 필요가 없게 된다.
상기한 방법에서는, 알코올 농도에서의 변화의 결과로서가 아니라, 연료 시스템의 부품에서의 변화(공차)의 결과로서 측정된 람다값에 대한 변화의 양이 고려된다. 이를 위하여, 연료 시스템의 부품의 상태가 충전 프로세스 동안에 통상적으로 변화하지 않는다는 사실이 이용된다. 한편으로는 알코올 함량에서의 변화에 의해 규정되고 다른 한편으로는 연료 시스템 부품의 상태에서의 변화에 의해 규정되는, 람다값에서의 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다:
Δ LAM = Δ BT + Δ A
여기서 Δ LAM 은 임의의 알코올 농도에 대한 측정 람다값과 무-알코올(alcohol-free) 연료에 대한 이론적 람다값 사이의 차이를 의미하며, Δ BT 및 Δ A 는 상기 차이 Δ LAM 의 노화-특유 및/또는 알코올-특유의 비율이다.
두 개의 미지수 Δ BT 및 Δ A 를 갖는 이러한 방정식은, 아래와 같이, 충전 이 전에 작동 포인트 및 충전 이후의 작동 포인트에 대한 값으로 유발될 수 있다:
Δ Lam,before = Δ BT + Δ A,before
Δ Lam,after = Δ BT + Δ A,after
두 번째 방정식으로부터 첫 번째 방정식을 빼면 다음과 같다:
Δ Lam,before - Δ Lam,after = Δ A,before - Δ A,after
이어서
Δ A,after = Δ A,before /(Δ Lam,before - Δ Lam,after )
그리고
Δ BT = Δ Lam,after - Δ A,after
이다.
연료 시스템 부품의 노화에 기인하는, 측정 람다값에 대한 변화가 이러한 방식으로 결정될 수 있다. 결정된 값 Δ BT 는 탱크 연료 내의 알코올 농도가 보다 정확하게 결정될 수 있게 한다. 값 Δ BT 는 커리더(2, 4)의 한계치(6, 8 및 10, 12)의 결정과정 동안에 유리하게 고려된다.

Claims (9)

  1. 미리 결정된 알코올 농도의 제1 연료 유형 또는 다른 알코올 농도의 제2 연료 유형으로 충전한 이후에 차량 내의 연소에 공급될 수 있는 연료의 알코올 농도를 결정하는 방법으로서,
    충전 이후에 탱크 연료의 알코올 농도를, 충전된 연료 유형의 알코올 농도, 충전 이전 또는 이후의 탱크 연료의 알코올 농도 및 충전 이전 및 이후의 탱크 연료의 용적에 따라 결정할 수 있도록 하기 위하여, 각각의 충전된 연료 유형이 람다 센서에 의해 측정된 람다값에 대한 변화로 부터 표시되는, 연료의 알코올 농도 결정 방법에 있어서,
    상부 및 하부 한계치(6, 8)에 의해 제한되는, 제1 연료 유형으로의 충전에 대해 가능한 람다값의 제1 커리더(2) 및 상부 및 하부 한계치(10, 12)에 의해 제한되는, 제2 연료 유형으로의 충전에 대해 가능한 람다값의 제2 커리더(4)가, 충전 이전 및 이후의 탱크 연료의 용적에 따라 충전 이후의 시간에 대해 설정되며, 측정된 람다값을 평가에 이용하는 것을 특징으로 하는,
    연료의 알코올 농도 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 커리더(2, 4)의 상부 및 하부 한계치(6, 8; 10, 12)는, 각각의 커리 더(2, 4)의 초기의 넓은 폭이 점점 작아지도록, 시간 및 연료 소비에 따라 조정되는 것을 특징으로 하는,
    연료의 알코올 농도 결정 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    측정된 람다값에 대한 변화로 차량에 충전된 연료 유형을 판정할 수 있게 되면, 두 개의 커리더(2, 4) 중 하나만이 람다값의 평가과정 동안에 이용되는,
    연료의 알코올 농도 결정 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    측정된 람다값이 하나 이상의 커리더(2, 4) 내에 놓여 있지 않다면 연료 시스템의 에러가 판정되는 것을 특징으로 하는,
    연료의 알코올 농도 결정 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    측정된 람다값이 하나 이상의 커리더(2, 4) 내에 놓인다면, 측정된 람다값을 입력값으로서 사용하는 시스템 진단이 작동되는 것을 특징으로 하는,
    연료의 알코올 농도 결정 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료 시스템 내의 부품의 노화의 결과로서, 람다값에 대한 일정한 변화가 설정되어 탱크 연료 내의 알코올 농도의 결정과정에 이용되는 것을 특징으로 하는,
    연료의 알코올 농도 결정 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    연료 시스템 내의 노화 부품은, 충전 이전의 작동 포인트 및 충전 이후의 작동 포인트에 대해, 람다값에 대한 특유의 변화가 아래의 방정식
    Δ LAM = Δ BT + Δ A
    을 이용하여 계산가능하게 하며,
    상기 방정식에서, Δ LAM 는 0%의 알코올 농도의 연료에 대한 람다값 및 측정된 람다값 사이의 차이이며, Δ BT 및 Δ A 는 상기 차이의 노화 및 알코올-특유의 비율인 것을 특징으로 하는,
    연료의 알코올 농도 결정 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    결정된, 람다값에 대한 노화-특유의 변화가 커리더(2, 4)의 한계치(6, 8, 10, 12)를 결정할 때 이용되는 것을 특징으로 하는,
    연료의 알코올 농도 결정 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 연료 유형이 85%의 알코올 농도의 연료(E85 연료)이며, 제2 연료 유형이 0%의 알코올 농도의 연료(E0 연료)인 것을 특징으로 하는,
    연료의 알코올 농도 결정 방법.
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