KR20100097473A - Ｌｐｇ에 대한 이론 공연비 및 스파크 제어 방법 - Google Patents

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지엠 글로벌 테크놀러지 오퍼레이션스, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 LPG에 대한 이론 공연비 및 스파크 제어 방법에 관한 것으로서, LPG 연료의 성분인 부탄과 프로판의 함량을 분석하는 단계, LPG 온도와 LPG 압력 사이의 관계를 나타낸 LPG 증기압선도를 이용하여 프로판의 성분비를 확인하는 단계 및, 프로판 성분비에 따라 이론 공연비 및 최적 스파크를 제어하는 단계를 포함하며,스파크를 제어하는 단계에서는 프로판 테이블을 이용하여 스파크 및 최적의 이론 공연비를 결정하도록 하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라 LPG 연료의 연비 및 출력을 향상시킬 수 있으며 LPG 연소시 발생하는 오염을 방지할 수 있다.
LPG, 증기압, 프로판, 부탄, 공연비

Description

ＬＰＧ에 대한 이론 공연비 및 스파크 제어 방법{Control Method of Stoichiometric Ratio and Spark about LPG}
본 발명은 자동자의 엔진에 공급되는 LPG의 이론 공연비와 스파크를 제어하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외부 상황에 따른 LPG의 부탄과 프로판의 비율의 변화 시에 최종 스파크와 이론 공연비의 제어 방법에 관한 것이다.
전 세계적으로 LPG 연료에 대한 관심 및 용도가 높아지고 있으며, 특히 저공해 차량으로서의 LPG차량 개발이 대두되고 있다.
LPG 연료는 프로판(Propane)과 부탄(Butane) 연료로 구성되어 있으며, 자동차의 연료, 난방 등 많은 분야에서 이용되고 있다. 한국의 경우 연료의 조성비 규정에 따르면 하절기에는 부탄 100% 연료가 사용되도록 권장되고, 동절기에는 프로판 30% 부탄 70%의 연료가 사용되도록 권장된다. 부탄에 프로판을 섞는 경우, 증기압 선도 자체의 기울기가 커지고, 냉각점이 더 낮아지게 되어 겨울철에 LPG 연료를 용이하게 사용할 수 있게 된다.
유럽의 경우 지역마다 차이가 있으나, 프로판의 함량이 60~100%정도로 규정되어 있다.
이러한 LPG 연료에 있어서 공연비가 문제되는데, 공연비란 엔진이 흡입한 공기와 연료의 중량비를 의미한다. 공연비가 희박하면 출력이 저하되고, 공연비가 너무 농후하면 토크가 저하되며 점화 플러그를 오염시키거나 연소실 내에 카본이 퇴적되어 여러가지 피해를 유발시킨다. 여기서 연료와 공기가 과부족 없이 반응하는 공연비를 이론 공연비라 한다. 일반적으로 가솔린의 경우 14.6~14.7 정도이고, LPG의 경우 15.6 이 이론 공연비이다. 실제 공연비가 이론 공연비보다 낮은 경우 농후한 것으로, 이론 공연비보다 높은 경우 희박한 것으로 칭한다.
종래의 엔진제어 기술에서는 국내 연료를 기준(하절기 연료인 부탄 100%)으로 연료 제어(이론 공연비, 스파크)를 하여 차량의 연료에 요구되는 조건을 만족하였다.
하지만, 유럽 연료와 같은 높은 프로판 함량의 연료를 사용시 이론 공연비 차이에 따른 연비, 배출가스의 차이가 발생할 수 있었다.
이에 대하여 국내 뿐만 아니라 외국에서 차량의 연료로 사용되는 LPG의 이론 공연비 및 이에 따른 스파크와 같은 세밀한 엔진 제어를 통한 연비 및 출력 향상이 요구되었다.
본 발명은 LPG의 원료인 부탄과 프로판의 조성비에 따른 LPG의 상태를 모델링하고 이에 따라 스파크 강도 및 최적의 이론 공연비를 제어하는 LOGIC(논리)를 개발하여 엔진의 작동을 최적화 하기 위한 방법에 관한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명에 따른 LPG에 대한 이론 공연비 및 스파크 제어 방법은, LPG 연료의 성분인 부탄과 프로판의 함량을 분석하는 단계; LPG 온도와 LPG 압력 사이의 관계를 나타낸 LPG 증기압선도를 이용하여 프로판의 성분비를 확인하는 단계; 및, 상기 프로판 성분비에 따라 이론 공연비 및 최적 스파크를 제어하는 단계;를 포함하며, 프로판 테이블을 이용하여 스파크 및 최적의 이론 공연비를 결정하도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 스파크를 제어하는 단계에서는 다음과 같은 수식을 이용하여 스파크 강도를 결정한다.
" 100% 프로판 스파크 테이블 - {(100% 프로판 스파크 테이블 - 0% 프로판 스파크 테이블) × 프로판 스케일러} = 최종 스파크 "
상기 100% 프로판 테이블과 상기 0% 프로판 테이블은 엔진 RPM과 공기량을 기준으로 프로판 스파크의 값을 설정한 테이블인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 주변환경에 따른 LPG의 부탄과 프로판의 조성비에 따라 스파크 및 이론 공연비를 조절할 수 있는 논리를 개발하여 엔진의 작동을 최적화 할 수 있고, 이에 따라 LPG 연료의 연비 및 출력을 향상시킬 수 있으며 LPG 연소시 발생하는 오염을 방지할 수 있다. 또한 전세계 모든 LPG 연료 조성에 따른 엔진 연료 제어가 가능하다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 LPG에 대한 이론 공연비 및 스파크 제어 방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 LPG에 대한 스파크 및 이론 공연비 제어의 순서도를 나타낸 것이고, 도 2는 LPG 연료의 증기압 선도를 나타낸 것이다. 도 3은 LPG 연료의 프로판 비율에 따른 이론 공연비를 나타낸 표이고, 도 4는 LPG 연료의 프로판 비율에 따른 적용 Factor를 나타낸 표이다. 또한 도 5는 LPG 연료에서 프로판 비율이 100% 인 경우 프로판 테이블을 나타낸 것이고, 도 6은 LPG 연료에서 프로판 비율이 0% 인 경우 프로판 테이블을 나타낸 것이다.
도 1 내지 도 6을 참고로, 본 발명에 따른 LPG에 대한 스파크 강도 및 이론 공연비 제어방법을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 1에서 도시된 바와 같이, LPG에 대한 이론 공연비 및 스파크 제어 방법은 LPG 연료의 성분인 부탄과 프로판의 함량을 분석하는 단계(S11), LPG 온도와 LPG 압력 사이의 관계를 나타낸 LPG 증기압선도를 이용하여 프로판의 성분비를 확인하는 단계(S14) 및, 프로판 성분비에 따라 스파크 및 이론 공연비를 제어하는 단계(S15)를 포함한다.
여기서, LPG Blending 분석 단계는 LPG 연료에 함유된 부탄과 프로판의 비율을 분석하는 단계로서, 주변 환경에 따라 달라지는 LPG 연료의 성분비를 구체적으로 분석하는 단계로서 의미를 갖는다(S11).
상기 단계를 거친 후, 특정 분석 조건을 만족하는지 여부를 판단하는데 분석 조건을 만족하지 못하면 LPG Blending 분석 단계로 피드백되고, 분석 조건을 만족한다면 다음 단계로 넘어가게 된다(S12).
LPG Blending 분석 단계에서 분석 조건을 만족한다면, 다음 단계로 연료 온도 & 연료 압력에서의 LPG 연료의 증기압 선도 내에서 분석을 시작한다(S13).
즉, X 축은 연료 온도(Fuel Temperature, ℃)이고 Y 축은 연료 압력(Fuel Pressure, bar)인 좌표에서 도시된 LPG 연료의 증기압 선도를 중심으로, 현재 LPG 연료의 온도와 압력을 측정하여 도 2에서 적용점을 찾아서 현재의 LPG 연료의 부탄과 프로판의 비율에 대해서 분석할 수 있다.
상기와 같이, 도 2에 도시된 증기압 선도에서, 연료 탱크에 장착되어 있는 연료 온도 센서와 연료 압력 센서를 이용하여 LPG 연료의 증기압 선도에 나타난 프로판의 성분비를 판단하고(S14), 분석에 따른 프로판 성분비에 따른 프로판 테이 블(도 5와 도 6)의 값을 미리 결정된 LOGIC(로직)에 대입하여 최종의 스파크 및 이론 공연비를 결정할 수 있다(S15).
상기 최종의 스파크 강도를 제어하는 단계는 " 100% 프로판 스파크 테이블 - {(100% 프로판 스파크 테이블 - 0% 프로판 스파크 테이블) × 프로판 스케일러} = 최종 스파크 "의 수식을 이용하여 스파크 강도를 결정한다. 즉, 도 4의 프로판 비율에 따른 팩터와, 도 5와 도 6의 프로판 스파크 테이블 값을 대입하여 스파크 강도를 결정하게 되며, 도 4를 이용하여 도 3을 적용하게 되면 프로판 함량에 따른 이론 공연비 제어가 가능하게 된다.
구체적인 예를 들어 보면, 연료 탱크의 온도가 25℃이고, 연료 탱크의 압력이 3.2 bar 라면, 프로판이 10%이하로 섞여(blending) 있다는 것을 도 2의 증기압 선도에서 알 수 있고, 이때의 이론 공연비는 도3에서 나타난 바와 같이 15.48임을 알 수 있다. 이후 이론 공연비 제어가 가능하게 되며, 최종 스파크는 100% 프로판 테이블과 0% 프로판 테이블의 사이의 값을 적용한다. 도 4에서 살펴보면, 팩터는 0.9 임을 알 수 있다.
여기서, 최종 스파크 강도를 결정하기 위하여 스파크 강도를 결정하는 수식에 프로판 테이블 값을 대입한다. 수식은 " 100% 프로판 스파크 테이블 - {(100% 프로판 스파크 테이블 - 0% 프로판 스파크 테이블) × 프로판 스케일러} = 최종 스파크 "이다.
본 실시 예에서는, 분당회전수가 800rpm이고 공기량(APC)이 100인 경우인데, 도 5에 나타난 100% 프로판 테이블 값은 "20"이고, 도 6에 나타난 0% 프로판 테이 블 값은 "15"이다. 상기 값을 수식에 대입하면, 15.5 가 나오는데, 이 값이 최종 스파크가 된다.
본 발명에 따른 이론 공연비 제어에 의하면 엔진의 상태, 특히 스파크 및 이론 공연비를 제어할 수 있어 최적의 동력을 발생시킬 수 있도록 엔진 상태를 유지할 수 있다.
본 발명과 같은 프로판 함유량의 스파크 및 이론 공연비 제어는 프로판의 경우 부탄과 대비하여 연소 전파 속도가 빠르며 연소 압력의 증대를 일으킬 수 있는데 이에 따른 스파크 조정이 필요하며 연소 압력 증대에 대한 스파크 제어로 엔진의 내구성을 증대시킬 수 있다. 또한, 연비가 향상되며 엔진 성능도 연료에 따라 보상이 가능하다. 그리고 국내의 경우 부탄 100% 프로판 0% ~ 부탄 70% 프로판 30% 까지가 법규로 제한되어 있는바 일반충전소에서는 프로판이 저렴하기 때문에 프로판을 더 첨가하는 경우가 많고, 이를 본 논리 수식에 적용하여 부탄 70% 프로판 30% 이상의 연료가 들어왔을 경우 연료 경고등을 띄움으로써 충전소에 대한 감시도 가능하게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 LPG에 대한 스파크 및 이론 공연비 제어의 순서도,
도 2는 LPG 연료의 증기압 선도,
도 3은 LPG 연료의 프로판 비율에 따른 이론 공연비를 나타낸 표,
도 4는 LPG 연료의 프로판 비율에 따른 적용 Factor를 나타낸 표,
도 5는 LPG 연료에서 프로판 비율이 100% 인 경우 프로판 테이블, 및
도 6은 LPG 연료에서 프로판 비율이 0% 인 경우 프로판 테이블을 나타낸 것이다.

Claims (3)

  1. LPG 연료의 성분인 부탄과 프로판의 함량을 분석하는 단계;
    LPG 온도와 LPG 압력 사이의 관계를 나타낸 LPG 증기압선도를 이용하여 프로판의 성분비를 확인하는 단계; 및,
    상기 프로판 성분비에 따라 이론 공연비 및 최적 스파크를 제어하는 단계;를 포함하며,
    프로판 테이블을 이용하여 스파크 및 최적의 이론 공연비를 결정하도록 하는 것을 특징으로 하는 LPG에 대한 이론 공연비 및 스파크 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스파크를 제어하는 단계에서는 다음과 같은 수식을 이용하여 스파크 강도를 결정하는 것을 특징으로 하는 LPG에 대한 이론 공연비 및 스파크 제어 방법.
    " 100% 프로판 스파크 테이블 - {(100% 프로판 스파크 테이블 - 0% 프로판 스파크 테이블) × 프로판 스케일러} = 최종 스파크 "
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 100% 프로판 테이블과 상기 0% 프로판 테이블은 엔진 RPM과 공기량을 기준으로 프로판 스파크의 값을 설정한 테이블인 것을 특징으로 하는 LPG에 대한 이론 공연비 및 스파크 제어 방법.
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