KR20090100203A - 액화 연료 엔진에 있어서의 연료 압력 제어법 - Google Patents

Abstract

(과제) 연료 펌프 구동 모터의 쓸모없는 고회전에 의한 모터 부하의 증가에 의해 발생하는 연비의 악화, 모터나 모터 드라이버에 있어서의 온도 상승을 방지하여 내구성을 향상시키는 액화 연료 엔진에 있어서의 연료 압력 제어법을 제공한다.

(해결 수단) 연료 탱크(2)로부터 연장된 선단측에 인젝터(8)를 갖는 연료 공급 관로(9B)와, 연료 공급 관로(9B)에 배치된 연료 펌프(3)와, 인젝터(8) 및 연료 펌프(3)를 구동 제어하는 전자 제어 유닛(10)을 갖는 연료 공급 장치를 구비하고, 연료 탱크(2)에 저류된 액화 가스 연료를 연료 펌프(3)로 가압하여 연료 공급 관로(9B)를 통해 인젝터(8)에 보내 엔진(1)에 공급하는 연료 분사 압력 제어 방법으로서, 연료 공급 장치에 부설된 각종 센서에 의한 실측값인 복수의 데이터로부터 얻어지는 연료 공급 장치가 갖는 물리적 관계를 나타내는 수식 모델을 작성하고, 이 작성한 수식 모델를 이용하여 실제로 측정할 수 없는 운전 상태에 대한 시스템 파라미터를 추정하며, 그 수식 모델을 베이스로 시뮬레이션을 행하여 최적의 제어 파라미터를 결정하고, 이 결정한 제어 파라미터를 이용하여 연료 공급 장치에 구비한 전자 제어 유닛(10)에 있어서 구해지는 엔진(1)이 요구하는 연료 분사량에 따라 필요로 하는 연료 분사 압력을 결정하는 가변 목표 연료 분사 압력 제어법을 도입한다.

액화 연료 엔진에 있어서의 연료 분사 압력 제어법, 가변 목표 연료 분사 압력 제어법

Description

액화 연료 엔진에 있어서의 연료 압력 제어법{FUEL PRESSURE REGULATING METHOD OF LIQUID FUEL ENGINE}

본 발명은 LPG나 DME와 같이 가솔린에 비해 기화되기 쉬운 액체 연료를 액체인 채로 연료 탱크로부터 인젝터에 압송(壓送)하고, 엔진에 분사·공급하는 액화 연료 엔진에 있어서의 가변 목표 연료 분사 압력 제어법에 관한 것이다.

LPG나 DME와 같이 가솔린보다 기화되기 쉬운 액체 연료를 인젝터에서 계량 분사하고, 액체인 채로 엔진에 공급하는 연료 분사 제어 방식의 엔진 시스템은 주지되어 있으며 자동차 등에 탑재되어 있지만, 최근 환경으로의 대응이나 저연비, 저배기 가스, 에너지 절약 등의 요청이 강하다. 특히, 연료 분사 제어는 엔진의 제어 성능 및 배기에 큰 영향을 줌으로써 에너지 절약화, 고속화, 고정밀도화 등이 강하게 요망되고 있다.

그런데, 종래의 연료 분사 제어 방식의 엔진 시스템에서는 모든 운전 조건에 대응 가능하게 하기 위해 연료 분사 압력을 연료 분사량의 많고 적음에 상관없이 항상 일정한 높은 압력으로 제어하고 있다. 그 때문에, 인젝터로부터의 분사량이 매우 많은 엔진 고부하 상태에서는 연료 펌프 구동 모터의 회전수가 높아져 모터의 부하가 증가되고, 모터에 대전류가 흐르는 결과 연비가 나빠져 버린다. 또한, 연료 펌프 구동 모터에 장시간에 걸쳐 대전류가 흐르므로 모터나 모터 드라이버의 온도가 상승하여 내구성이 나빠진다는 문제가 있다.

그래서, 도 2에 나타내는 바와 같이, 연료 탱크(2)에 저류된 액화 가스 연료를 DC 모터 등에 의해 구동되는 전동식 연료 펌프(3)로 항상 일정량의 연료를 연료 공급 관로(9)에 압송하고, 릴리프 밸브(40)로 압력을 일정하게 조정한 후에 연료 공급 관로(9)를 경유하여 인젝터(8)로부터 엔진 요구 유량의 연료를 공급하며, 잉여 연료는 프레셔 레귤레이터(41)를 경유하여 연료 리턴 관로(9C)에 의해 연료 탱크(2)로 되돌아오는 리턴식의 연료 공급 시스템이 알려져 있다.

이러한 종래의 연료 공급 시스템에서는 모든 엔진의 운전 조건에 대응 가능하게 하기 위해 전동식 연료 펌프(3)의 토출 유량을 인젝터(8)로부터 분사되는 최대 연료 분사량 이상으로 설정하고 있다. 그러나, 예를 들면 아이들링 중이나 연료 차단시 등 인젝터(8)의 연료 분사량이 매우 적은 상황하에 있어서는 송출 연료가 프레셔 레귤레이터(41)로부터 연료 탱크(2)로 되돌아오기 때문에 전동식 연료 펌프(3)에 주어진 에너지(전력량)가 쓸모없이 소비되게 된다. 또한, 엔진(1)의 근방을 통과하여 고온이 된 잉여 연료가 대량으로 연료 탱크(2)에 되돌아오면 탱크 내의 연료 온도를 상승시켜버려서 연료 증기가 발생하여 펌프 토출량을 불안정하게 하고, 배기에 악영향을 준다는 문제를 발생시킨다.

그래서, 일본 특허 공개 평7-54725호 공보, 일본 특허 공개 2001-234829호 공보, 일본 특허 공개 2003-232234호 공보 등에 기재되어 있는 바와 같이, 전동식 연료 펌프의 토출량을 통상 운전용과 하이존용의 2단계로 스위칭하여 2단계 스위칭식으로 함으로써 전력 소비량과 연료 탱크로 되돌아오는 잉여 연료를 감소시키는 방법이 생각되어진다. 그러나, 이러한 연료 펌프 제어에서는 엔진의 운전 상태에 적합한 연료 요구 유량에 적확하게 대응할 수 없기 때문에, 잉여 연료를 충분히 감소시킬 수 없음과 아울러 낭비되는 소비 전력의 저감도 충분하다고는 할 수 없다. 또한, 상기 리턴식이나 2단계 스위칭식의 경우에는 제어 장치 및 제어 방법이 복잡해져 제조가 용이하지 않아 가격이 비싸질 뿐만 아니라 보수나 수리 면에서도 불리하다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 평7-54725호 공보

특허문헌 2 : 일본 특허 2001-234829호 공보

특허문헌 3 : 일본 특허 2003-232234호 공보

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하려고 하는 것이고, 연료 탱크로부터 연장되어 연료 공급 관로 선단측의 엔진에 부설된 인젝터와, 상기 연료 공급 관로에 배치된 연료 펌프와, 상기 연료 펌프 구동 모터 및 상기 인젝터를 구동 제어하는 전자 제어 유닛을 구비하며, 모든 운전 상황에 대응하는 연료 분사량에 따라 필요한 연료 분사 압력을 제어함으로써 종래의 높은 압력에 의한 제어에 있어서의 문제점인 연료 펌프 구동 모터의 쓸모없는 고회전에 의한 모터에 있어서의 부하 증가에 의해 발생하는 연비의 악화, 모터나 모터 드라이버에 있어서의 온도 상승을 방지하여 내구성을 향상시키는 액화 연료 엔진에 있어서의 연료 압력 제어법을 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은 연료 탱크로부터 연장되어 선단측에 인젝터를 갖는 연료 공급 관로와, 상기 연료 공급 관로에 배치된 연료 펌프와, 상기 인젝터 및 연료 펌프를 구동 제어하는 전자 제어 유닛을 갖는 연료 공급 장치를 구비하고, 상기 연료 탱크에 저류된 액화 가스 연료를 상기 연료 펌프로 가압하여 상기 연료 공급 관로를 통해 상기 인젝터에 보내 엔진에 공급하는 연료 분사 압력 제어 방법으로서, 상기 연료 공급 장치에 부설된 각종 센서에 의한 실측값인 복수의 데이터로부터 얻어지는 상기 연료 공급 장치가 갖는 물리적 관계를 나타내는 수식 모델을 작성하고, 이 작성한 수식 모델을 이용하여 실제로 측정할 수 없는 운전 상태에 대한 시스템 파라미터를 추정하며, 그 수식 모델을 기초로 시뮬레이션을 행하여 최적의 제어 파라미터를 결정하고, 이 결정한 제어 파라미터를 이용하여 상기 연료 공급 장치에 구비한 상기 전자 제어 유닛에 있어서 구해지는 엔진이 요구하는 연료 분사량에 따라 필요로 하는 연료 분사 압력을 결정하는 가변 목표 연료 분사 압력 제어법을 도입하는 것으로 했다.

LPG 액체 분사 시스템에 있어서는 모든 운전 조건에 있어서 연료 분사 압력이 그 목표 압력이 되도록 연료 분사 압력을 제어하는 것을 가능하게 함으로써, 분사량이 매우 적은 경우에는 연료가 기화되기 쉬우므로 연료 분사 압력을 높게 설정하고, 연료 분사량이 많은 경우에는 연료가 기화되기 어려우므로 연료 분사 압력을 높게 설정할 필요가 없다는 이론대로의 제어를 가능하게 함으로써, 연료 펌프를 구동하는 펌프 구동 전동 모터의 소비 전력을 억제하여 펌프 구동 모터 및 모터 드라이버의 내구성을 향상시킨다.

또한, 연료 분사 압력에 따라 연료 분사 시간을 보정함으로써 연료 분사 압력이 변화되고, 인젝터 등의 작동 특성의 영향으로 배기가 나빠질 우려를 해소한다.

또한, 본 발명에서 있어서의 목표 연료 분사 압력을 구하기 위한 수식 모델은 엔진 회전수와 기본 연료 분사 시간에 의해 결정되는 다음 관계식(1)이 포함되어 있다.

(단, P _d 는 목표 연료 분사 압력, N은 엔진 회전수, T _p 는 기본 연료 분사 시간)

또한, 본 발명에 있어서 목표 연료 분사 압력에 따라 자동적으로 연료 분사 시간의 보정을 행할 때에 다음 관계식(2) 및 (3)을 이용한다.

(단, T _h 는 연료 분사량 보정 시간, T _i 는 최종 연료 분사 시간)

(발명의 효과)

본 발명에 의하면 리턴식이나 복수의 연료 계통을 구비하는 복잡한 구성을 필요로 할 일이 없고, 제조 가격이나 유지비도 염가이다. 특히, 모든 운전 상황에 있어서 연료 분사량에 따라 필요한 연료 분사 압력을 제어함으로써 연료 펌프 구동 모터의 쓸모없는 고회전에 의한 모터 부하의 증가에 의해 발생하는 연비의 악화, 모터나 모터 드라이버에 있어서의 온도 상승을 방지하여 내구성을 향상시킴과 아울러 양호한 배기를 얻을 수 있다.

다음으로, 본 발명을 실시하기 위한 가장 좋은 형태에 대해 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명인 연료 분사 압력 제어법을 실시하기 위한 액화 연료 엔진의 배치도를 나타내는 것이고, 연료 탱크(2)로부터 연장된 연료 송출 관로(9A)의 출구 근처에는 전동 모터(3a)에 의해 구동되는 연료 펌프(3)가 배치되며, 연료 펌프(3) 로부터 연료 압력 센서(11)를 통해 연장되어 설치된 연료 공급 관로(9B)의 선단측이 엔진(1)의 흡기 관로(4)에 배치한 인젝터(8)에 접속되어 있고, 인젝터(8)의 하류측에 연료 리턴 관로를 갖고 있지 않는 리턴리스식의 연료 공급 시스템을 구성하고 있다.

또한, 연료 펌프(3)를 구동하는 전동 모터(3a), 인젝터(8), 점화전(點火栓)(7)은 각각 전자 제어 유닛(ECU)(10)에 전기적으로 접속되어 있고, 엔진(1)의 운전 상태에 따라 각각 구동 제어된다. 또한, 연료 펌프(3)의 하류측인 연료 공급 관로(9B)에 있어서의 인젝터(8)의 바로 앞에는 연료 압력을 검출하는 연료 압력 센서(11)가, 엔진(1)에는 엔진 회전수를 검출하는 크랭크 각 센서(13) 각각이 배치되어 있고, 각각으로부터 출력되는 검출 신호가 전자 제어 유닛(10)에 보내지며, 전자 제어 유닛(10)에서는 엔진이 요구하는 연료 분사량에 따라 필요로 하는 연료 분사 압력을 결정하여 상기 전동 모터(3a), 인젝터(8), 점화전(7) 등을 제어한다.

또한, 도 1에 있어서의 부호 12는 흡기 관로(4)에 배치된 흡기 압력 센서를, 부호 14는 흡기 관로(4)에 배치된 개폐 밸브를, 부호 16은 배기 관로(15)에 배치된 산소 가스 센서를 나타내고 있다.

그리고, 본 실시 형태에 의해 연료 분사 압력 제어를 행하려면, 우선 본 실시 형태인 엔진(1)을 시동하고, 상기 흡기 관로(4)에 배치된 흡기 압력 센서(12)로부터의 흡기 관로(4) 내의 흡입 공기 압력, 크랭크 각 센서(13)로부터의 엔진 회전수, 기본 연료 분사 시간 등의 운전 상태에 대해 복수의 데이터로부터 얻어지는 연료 공급 장치가 갖는 물리적 관계를 나타내는 수식 모델을 작성한다.

다음의 관계식(1)은 상기 물리적 관계를 나타내는 수식 모델을 나타내는 것이다.

(단, P _d 는 목표 연료 분사 압력, N은 엔진 회전수, T _p 는 기본 연료 분사 시간)

다음으로, 상기 수식 모델을 나타내는 식(1)을 이용하여 전자 제어 유닛(10)에 있어서 실제로 측정할 수 없는 운전 상태에 대한 시스템 파라미터를 추정하고, 그 수식 모델을 기초로 시뮬레이션을 행하여 최적의 제어 파라미터를 결정하며, 이 결정한 제어 파라미터를 이용하여 상기 연료 공급 장치에 구비한 상기 전자 제어 유닛(10)에 있어서 엔진 회전수와 기본 연료 분사 시간으로 구해지는 엔진(1)이 요구하는 연료 분사량에 따라 필요로 하는 연료 분사 압력을 결정하고, 모든 운전 조건에 있어서 연료 분사 압력이 그 목표 압력이 되도록 연료 펌프(3)의 펌프 토출 압력을 실시간으로 제어한다.

구체적으로는, 본 실시 형태에서는 전자 제어 유닛(10)은 실제 연료 분사 압력이 된다고 생각되는 인젝터(8) 직전에 배치한 연료 압력 센서(11)의 검출 신호를 피드백하고, 상기 목표 연료 분사 압력에 따라 자동적으로 연료 분사 시간의 보정을 행할 때에 다음 관계식(2) 및 (3)을 이용하여 전자 제어 유닛(10)의 마이크로 컴퓨터에 의해 연료 분사량 보정 시간과 최종 연료 분사 시간의 계산을 행하며, 실제 분사 압력이 그 목표 분사 압력과 일치하도록 연료 분사 시간의 보정을 행함으 로써 연료 분사 압력의 변화에 의해 발생하는 배기 상태가 악화되는 것을 막을 수 있다

(단, T _h 는 연료 분사량 보정 시간, T _i 는 최종 연료 분사 시간)

이상과 같이, 본 실시 형태에 의하면 목표 연료 분사 압력이 연료 온도나 연료 분사 유량 등에 의해 변화되는 연료 공급 시스템에 있어서는 종래의 리턴식 기계적 제어의 적용이 어려웠던 결과, 상기 연료 공급 장치에 부설된 각종 센서에 의한 실측값인 복수의 데이터로부터 얻어지는 상기 연료 공급 장치가 갖는 물리적 관계를 나타내는 수식 모델을 작성하고, 이 작성한 수식 모델을 이용하여 실제로 측정할 수 없는 운전 상태에 대한 시스템 파라미터를 추정하며, 그 수식 모델을 기초로 시뮬레이션을 행하여 최적의 제어 파라미터를 결정하고, 이 결정한 제어 파라미터를 이용하여 상기 연료 공급 장치에 구비한 상기 전자 제어 유닛에 있어서 구해지는 엔진이 요구하는 연료 분사량에 따라 필요로 하는 연료 분사 압력을 결정하는 가변 목표 연료 분사 압력 제어법을 도입함으로써 종래 방식과 같이 항상 연료 압력을 고압으로 해 둘 필요가 없어지고, 연료 펌프의 열화를 막을 수 있으며, 배기도 양호해진다.

도 1은 본 발명의 실시 형태를 실시하기 위한 액화 연료 엔진을 나타내는 배치도이다.

도 2는 종래예를 나타내는 배치도이다.

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)

1 : 엔진 2 : 연료 탱크

3 : 연료 펌프 3a : 전동 모터

4 : 흡기 관로 7 : 점화전

8 : 인젝터 9A : 연료 송출관

9B : 연료 공급 관로 10 : 전자 제어 유닛(ECU)

11 : 연료 압력 센서 12 : 흡기 압력 센서

13 : 크랭크 각 센서 14 : 개폐 밸브

15 : 배기 관로 16 : 산소 가스 센서

Claims (4)

1. 액화 연료 엔진에 있어서 연료 탱크로부터 연장되어 선단측에 인젝터를 갖는 연료 공급 관로와, 상기 연료 공급 관로에 배치된 연료 펌프와, 상기 인젝터 및 연료 펌프를 구동 제어하는 전자 제어 유닛을 갖는 연료 공급 장치를 구비하고; 상기 연료 탱크에 저류된 액화 가스 연료를 연료 펌프로 가압하여 상기 연료 공급 관로를 통해 상기 인젝터에 보내 엔진에 공급하는 연료 분사 압력 제어법으로서:

   상기 연료 공급 장치에 부설된 각종 센서에 의한 실측값인 엔진 회전수와 기본 연료 분사 시간의 데이터로부터 얻어지는 상기 연료 공급 장치가 갖는 물리적 관계를 나타내는 수식 모델을 작성하고, 이 작성한 수식 모델을 이용하여 실제로 측정할 수 없는 운전 상태에 대한 시스템 파라미터를 추정하며, 그 수식 모델을 기초로 시뮬레이션을 행하여 최적의 제어 파라미터를 결정하고, 이 결정한 제어 파라미터를 이용하여 상기 연료 공급 장치에 구비한 상기 전자 제어 유닛에 있어서 구해지는 엔진이 요구하는 연료 분사량에 따라 필요로 하는 연료 분사 압력을 결정하는 것을 특징으로 하는 가변 목표 연료 분사 압력 제어법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 수식 모델에는 다음 관계식(1)이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 액화 연료 엔진에 있어서의 가변 목표 연료 분사 압력 제어법.

   

   (단, P _d 는 목표 연료 분사 압력, N은 엔진 회전수, T _p 는 기본 연료 분사 시간)
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 연료 공급 장치의 연료 압력 센서로부터의 연료 압력 신호를 피드백하고, 상기 엔진 회전수와 기본 연료 분사 시간에 따라 계산된 목표 연료 분사 압력과 실측한 연료 분사 압력의 편차를 상기 전자 제어 유닛에 있어서 계산하며, 실제 연료 분사 압력이 그 목표 연료 분사 압력과 일치하도록 연료 분사 압력 제어를 행함과 동시에 목표 연료 분사 압력에 따라 자동적으로 연료 분사 시간의 보정을 행하는 것을 특징으로 하는 액화 연료 엔진에 있어서의 연료 분사 압력 제어법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 목표 연료 분사 압력에 따라 자동적으로 연료 분사 시간의 보정을 행할 때, 다음 관계식(2) 및 (3)을 이용하는 것을 특징으로 하는 액화 연료 엔진에 있어서의 연료 분사 압력 제어법.

   

   (단, T _h 는 연료 분사량 보정 시간, T _i 는 최종 연료 분사 시간)

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