KR20150129885A - Gdi 엔진의 가스연료 분사 제어방법 - Google Patents

Gdi 엔진의 가스연료 분사 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 GDI 엔진의 가스연료 분사 제어방법을 개시한 것으로, 이러한 본 발명은 GDI엔진 방식의 연료공급 시스템에 MPI 방식으로 구성된 가스 이중연료 시스템을 적용하여 흡기포트에 구성되는 가스분사장치를 통해 흡기매니폴드 방향(흡기밸브 전단)에서 연료 공급이 이루어지도록 직전 실린더의 배기행정에서 가스연료의 분사 및 점화를 결정하는 센서로부터 감지된 정보를 통해 가스 연료의 분사 시기 및 순서를 제어하도록 구성한 것이며, 이에따라 GDI엔진에서 이중연료 시스템의 연료 공급 전환과 가스 연료의 공급시점, 그리고 연료 특성에 의한 출력 변동 등의 문제를 개선하여 연료의 이중 사용 성능을 향상시킨 것이다.

Description

GDI 엔진의 가스연료 분사 제어방법 {GDI ENGINE FUEL INJECTION AMOUNT CONTROL DEVICE}
본 발명은 차세대 엔진 기술이 적용된 가솔린 직접분사 방식의 GDI(Gasoline Direct Injection) 엔진에 관한 것으로, 보다 상세하게는 GDI 엔진 방식의 연료공급 시스템에 MPI(Multi Port Injection) 방식으로 구성되는 가스 이중연료 시스템을 적용하여, 가스연료의 분사 및 점화를 결정하는 센서로부터 감지된 정보를 통해 가스 연료의 분사 시기 및 순서를 제어할 수 있도록 하는 GDI 엔진의 가스연료 분사 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차 연료분사방식의 적용은 1970년대 이후 출력 및 대기 환경 문제를 개선하기 위하여 도입되었다.
초기 연료공급 장치로는 기화기(Carburetor)가 사용되었지만 배기가스 규제 강화에 의한 배출가스 허용기준을 만족하지 못하고 1980년대 이후 전자제어 분사장치를 이용한 연료제어 방식으로 발전하게 되었다.
연료공급 방식에 따라 SPI(Single Port Injection)와 MPI(Multi Port Injection) 또는 PFI(Port Fuel Injection)로 나눌 수 있다.
SPI는 한 위치에서만 연료의 분사가 이루어져서 혼합기가 각 기통으로 분배되는 방식으로, 스로틀바디에 연료를 분사하는 TBI(Throttle Body Injection)가 이 방식에 해당된다.
MPI와 PFI는 각 기통별로 별도의 분사장치를 장착하여 연료를 분사하는 방식으로, 상기 MPI 방식의 엔진에서는 압력이 낮은 흡기포트내에 분무상태로 분사되기에 응답성과 연료량 제어에 한계가 존재하였다.
한편, GDI 연료분사장치는 연료를 연소실로 분사해 초희박 연소를 실현함으로써 MPI방식 보다 연비와 출력을 동시에 향상시킨 청정엔진이다.
즉, GDI 엔진은 환경적인 측면에서 배기가스 규제강화에 의한 배출가스 허용기준이 높아지고 제한된 자원을 효율적으로 사용하기 위해, 최소의 연료로 최대의 출력을 얻기 위한 것이다.
상기 GDI 엔진의 연비 향상 기술은 저부하 영역에서 발생하는 흡기행정 중의 펌핑 손실을 대폭 저감시킬 수 있고 초희박 상태에서 연소되기 때문에 연소온도가 낮아져 냉각손실이 크게 줄어들기 때문이며, 또한 충진 효율이 향상되고 압축비를 높일 수 있는 것이 연비 향상에 반영되기 때문이다.
이때, GDI 엔진은 MPI 엔진에 비하여 강화된 배출가스 허용 기준을 만족하여야 하는데, MPI 엔진은 배기 및 촉매의 온도가 설정 온도 이상으로 상승하게 되면 추가적으로 연료량을 증가시켜 연소실의 온도를 낮추게 되며 이에 따라 배기가스의 온도 하강을 유도한다.
이러한 연료 증량을 통한 방법은 고속 연비의 악화에 영향을 미치며, 배출가스 증가에 직접적인 영향을 준다. GDI 엔진 시스템에서는 연료의 증량없이 분사시기 및 점화시기 제어를 통하여 배기가스 온도 하강을 유도한다.
한편, GDI 엔진 시스템에는 운전 상태마다 최적 혼합기 형성 및 연소가 가능하도록 아래와 같이 여러 가지 운전모드가 사용된다.
[층상급기 모드]
저속, 저 회전 영역으로 연료는 압축행정 중 점화시기 직전에 연소실에 분사된다. 연소실에서 발생하는 와류에 의해 분사된 연료는 구름상태로 점화플러그 방향으로 몰려가며, 점화되기까지의 시간간격이 짧기 때문에 연료가 연소실에 존재하는 모든 공기와 균일하게 혼합될 수 없다.
[균질 혼합기 모드]
고속 또는 고회전력 상태에서 또는 고출력을 목표로 할 때 연료 분사는 흡기행정 중에 이루어진다. 연료/공기 혼합기가 점화될 때까지 시간적 여유가 충분하다.
[균질 희박 모드]
층상급기 모드와 균질 혼합기 모드 사이의 과도기 영역. 균질혼합기 모드에 비해 연료소비율을 낮출 수 있다.
[균질-층상급기 모드]
흡기행정 중에 조기 분사하여 균질이면서 희박한 혼합기를 형성하고, 잔량은 압축행정 중에 별도로 분사하게 되는 것으로, 상기 혼합기는 가연성이 좋으며 연소실 내에서의 완전연소가 가능하다.
[균질-노크방지 모드]
전(全)부하시에 연료를 2회로 나누어 분사함으로서 노크방지를 위해 점화시기를 지각시키지 않아도 되며, 자기 착화를 방지하게 되는 것이다.
[층상급기-촉매기 가열 모드]
2회로 나누어 분사하는 형태로 촉매기의 급속한 가열을 가능하게 할 수 있으며, 혼합기가 점화된 다음 폭발행정 진행 중에 연료를 다시 분사하여 배기장치를 급속하게 가열시키는 것이다.
한편, 가스 이중연료 시스템이라 함은 가솔린 연료와 LPG(액화석유가스), NG(천연가스), 셰일가스, DME 등의 기체 상태의 연료를 선택적으로 사용하는 연료 공급 방식을 의미하는 것으로, 전자제어 내연기관 엔진에 있어, 종래 가솔린 MPI(흡기포트 연료공급방식) 엔진의 이중연료 시스템과 동일한 연료공급 구성을 갖고 있으며, 압축천연가스(CNG)의 경우 고압 연료 탱크, 연료 감압기, 가스연료분사장치, 가스 연료제어 장치, 가스 상태 입력 센서 등의 동일한 연료 구성으로 되어 있다.
상용되는 MPI 엔진을 이용한 이중연료 시스템의 가스 연료 제어 방법은 이미 계산되어 결정된 가솔린 분사신호를 가스 전자제어 장치의 내부 프로그램에서 사용 가스의 온도, 압력 등의 보정 계산을 적용하여 이미 마련된 가스 분사 장치로 분사신호를 출력하는 방식을 사용하고 있다.
그러나, GDI엔진이 적용된 시스템에서 운전 상태에 따른 연료 분사 모드 중 층상급기, 노크 방지, 촉매기 가열 모드와 같이 압축행정 중 점화 직전 분사 및 2회 나누어 분사하는 모드에서는 전자제어장치(Original ECU)의 가솔린 분사신호를 이용하여 이중 연료 시스템을 구성하기 어렵고, 기계적인 가스 분사장치는 흡기포트에 구성되어야 하며, 흡입된 공기와 혼합하여 혼합기로 연소실내에 공급하기 위해서는 시간이 필요로 하는 단점을 가지고 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로, GDI엔진 방식의 연료공급 시스템에 MPI 방식으로 구성된 가스 이중연료 시스템을 적용하여 흡기포트에 구성되는 가스분사장치를 통해 흡기매니폴드 방향(흡기밸브 전단)에서 연료 공급이 이루어지도록 직전 실린더의 배기행정에서 가스연료의 분사 및 점화를 결정하는 센서로부터 감지된 정보를 통해 가스 연료의 분사 시기 및 순서를 제어하도록 구성함으로써, GDI엔진에서 이중연료 시스템의 연료 공급 전환과 가스 연료의 공급시점, 그리고 연료 특성에 의한 출력 변동 등의 문제를 개선하여 연료의 이중 사용 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 GDI 엔진의 가스연료 분사 제어방법을 제공함에 그 목적이 있는 것이다.
상기 목적 달성을 위한 본 발명 GDI 엔진의 가스연료 분사 제어방법은, 이중연료 공급장치는 GDI엔진의 기준이 되는 1번 실린더에 대한 상사점(TDC) 위치를 검출하기 위한 캠센서의 제 1 검출신호와, 크랭크축의 위치 및 엔진회전수를 검출하는 크랭크센서의 제 2 검출신호 및, GDI 전자제어유닛(ECU)에서 출력하는 기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일의 점화신호를 입력받아 저장하고 이를 분석하는 제 1 단계; 이중연료 공급장치는 상기 제 1 단계로부터 분석된 정보를 토대로 점화순서가 1번 실린더, 3번 실린더, 4번 실린더, 2번 실린더로 이루어지는 1 사이클 4행정 내연기관으로 흡기포트에 구성된 가스분사장치의 연료분사 위치를 각각 설정하는 제 2 단계; 이중연료 공급장치는 상기 제 2 단계로부터 설정된 1 사이클 4행정 내연기관인 1 내지 4의 실린더에 대한 연료분사 위치에 따라 GDI엔진에 가스연료 공급이 이루어지도록 연료 전환을 결정하는 제 3 단계; 및, 이중연료 공급장치는 상기 제 3 단계로부터 연료 전환이 결정될 때, 상기 GDI엔진의 1 사이클 4행정 내연기관인 1 내지 4이 실린더에 대한 가스연료의 공급위치를 설정하여 가스연료를 공급하는 제 4 단계; 를 포함하여 진행하는 것이다.
또한, 상기 제 1 단계에서, 이중연료 공급장치는 상기 캠 센서의 검출신호가 입력시 이를 크랭크센서의 검출신호와 상기 GDI 전자제어유닛에서 출력하는 기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일의 점화신호를 수 사이클(Cycle) 동안 동기화하여 원 신호 형태로 포집(Capture)하여 저장하는 단계; 이중연료 공급장치는 상기 크랭크센서의 검출신호가 입력시 이를 캠 센서의 검출신호와 GDI 전자제어유닛에서 출력하는 기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일의 점화신호를 수 사이클(Cycle) 동안 동기화하여 원 신호 형태로 포집(Capture)하여 저장하는 단계; 및, 이중연료 공급장치는 상기 GDI 전자제어유닛에서 출력하는 기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일의 점화신호가 입력시 이를 크랭크센서의 검출신호와 캠 센서의 검출신호를 수 사이클(Cycle) 동안 동기화하여 원 신호 형태로 포집(Capture)하여 저장하는 단계; 를 더 포함하여 진행하는 것이다.
또한, 상기 이중연료 공급장치에 저장되는 캠 센서 및 크랭크센서의 검출신호 및 GDI 전자제어유닛에서 출력하는 점화코일의 점화신호에 대한 분석은, 기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일의 점화신호와 다음 기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일의 점화신호와의 주기를 1 사이클(Cycle)로 설정하는 단계; 상기 단계로부터 설정되는 1 사이클을 2회 반복하는 단계; 기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일의 1 사이클 범위내에서 동기화되어 저장되는 캠 센서의 검출신호와 크랭크 센서의 검출신호를 비교하는 단계; 상기 단계의 검출신호 비교로부터 기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일의 점화신호 입력 후 첫 번째에 발생되는 캠 센서의 검출신호에 대한 하강지점(Falling Edge)으로부터 기준이 되는 1번 실린더의 상사점(TDC) 위치를 검출하는 단계; 상기 단계로부터 검출된 기준이 되는 1번 실린더의 상사점(TDC) 위치에 따라, 기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일의 점화신호 1 사이클 범위내에서 동기화된 캠 센서의 검출신호 및 크랭크센서의 검출신호를 분석하여, 상기 캠 센서 및 크랭크센서의 타킷 휠(Target Wheel) 형태를 추출하는 단계; 를 더 포함하여 진행하는 것이다.
또한, 상기 캠 센서의 타킷 휠 형태는 1 사이클 동안 1/2 상승 파형과 1/2 하강 파형으로 반달형 타킷(Targer Wheel)이고, 상기 크랭크 센서의 타킷 휠 형태는 하강지점의 개수가 58개이고 2개의 투스(Tooth)가 없는 부분이 있는 것으로 60-2의 타킷 휠인 것이다.
또한, 상기 제 2 단계는, 1 사이클 4행정 내연기관의 기준이 되는 1번 실린더에가 흡입-압축-폭발(동력)-배기 순으로 4행정 1 사이클 동작을 하고, 1 사이클 4행정 내연기관의 점화순서가 1번 실린더, 3번 실린더, 4번 실린더, 2번 실린더의 순서로 이루어지며, 1 사이클 4행정 내연기관의 1 사이클 크랭크축의 회전각이 720°(2회전)일 때, 상기 캠 센서의 검출신호에서 하강지점(Falling Edge)의 1번 실린더에 대한 상사점(TDC)의 위치를 기준으로, 크랭크센서의 검출신호에 대한 특정지점에서 1번 실린더의 점화위치를 설정하는 단계; 상기 캠 센서의 검출신호에서 하강지점(Falling Edge)의 1번 실린더에 대한 상사점(TDC)의 위치를 기준으로, 크랭크센서의 검출신호에 대한 특정지점에서 3번 실린더의 점화위치를 설정하는 단계; 상기 캠 센서의 검출신호에서 상승지점(Rising Edge)의 4번 실린더에 대한 상사점(TDC)의 위치를 기준으로, 크랭크센서의 검출신호에 대한 특정지점에서 4번 실린더의 점화위치를 설정하는 단계; 및, 상기 캠 센서의 검출신호에서 상승지점(Rising Edge)의 4번 실린더에 대한 상사점(TDC)의 위치('360')를 기준으로, 크랭크센서의 검출신호에 대한 특정지점에서 2번 실린더의 점화위치를 설정하는 단계; 를 포함하여 진행하는 것이다.
또한, 상기 제 3 단계는, 크랭크축 회전각 540∼720°인 압축행정에서 GDI엔진의 1번 실린더에 가솔린 연료공급이 완료된 상태에서, 폭발(점화)행정이 시작되는 0∼180°에서 GDI 연료 분사장치로 공급되는 신호를 차단/우회하고 크랭크축 회전각 180∼360°인 배기행정 위치에서 GDI엔진의 1번 실린더에 대한 가솔린 연료의 공급을 가스연료의 공급으로 전환시키는 단계; 크랭크축 회전각 360∼540°인 압축행정에서 GDI엔진의 2번 실린더에 가솔린 연료공급이 완료된 상태에서, 폭발(점화)행정이 시작되는 540∼720°에서 GDI 연료 분사장치로 공급되는 신호를 차단/우회하고 크랭크축 회전각 0∼180°인 배기행정 위치에서 GDI엔진의 2번 실린더에 대한 가솔린 연료의 공급을 가스연료의 공급으로 전환시키는 단계; 크랭크축 회전각 0∼180°인 압축행정에서 GDI엔진의 3번 실린더에 가솔린 연료공급이 완료된 상태에서, 폭발(점화)행정이 시작되는 180∼360°에서 GDI 연료 분사장치로 공급되는 신호를 차단/우회하고 크랭크축 회전각 360∼540°인 배기행정 위치에서 GDI엔진의 3번 실린더에 대한 가솔린 연료의 공급을 가스연료의 공급으로 전환시키는 단계; 및, 크랭크축 회전각 180∼360°인 압축행정에서 GDI엔진의 4번 실린더에 가솔린 연료공급이 완료된 상태에서, 폭발(점화)행정이 시작되는 360∼540°에서 GDI 연료 분사장치로 공급되는 신호를 차단/우회하고 크랭크축 회전각 540∼720°인 배기행정 위치에서 GDI엔진의 4번 실린더에 대한 가솔린 연료의 공급을 가스연료의 공급으로 전환시키는 단계; 를 포함하여 진행하는 것이다.
또한, 상기 제 4 단계는, 1번 실린더의 배기위치에서 상기 1번 실린더에 대한 가스연료 공급위치를 설정하는 단계; 3번 실린더의 배기위치에서 상기 3번 실린더에 대한 가스연료 공급위치를 설정하는 단계; 4번 실린더의 배기위치에서 상기 4번 실린더에 대한 가스연료 공급위치를 설정하는 단계; 및, 2번 실린더의 배기위치에서 상기 2번 실린더에 대한 가스연료 공급위치를 설정하는 단계; 를 포함하여 진행하는 것이다.
또한, 상기 1번 실린더의 배기위치는 점화위치 +180°이고, 상기 1번 실린더의 점화위치는 크랭크센서의 검출신호에서 711°이므로, 상기 1번 실린더의 배기 위치는 711°+ 180°=891°로 연산하고, 크랭크축의 1 사이클 회전각은 720°로서 891°- 720°=171°로 연산되므로, 상기 1번 실린더에 대한 가스연료 공급위치는 크랭크 센서의 검출신호에 대한 171°지점인 것이다.
또한, 상기 3번 실린더의 배기위치는 점화위치 +180°이고, 상기 3번 실린더의 점화위치는 크랭크센서의 검출신호에서 171°이므로, 상기 3번 실린더의 배기 위치는 171°+ 180°=351°로 연산되므로, 상기 3번 실린더에 대한 가스연료 공급위치는 크랭크 센서의 검출신호에 대한 351°지점인 것이다.
또한, 상기 4번 실린더의 배기위치는 점화위치 +180°이고, 상기 4번 실린더의 점화위치는 크랭크센서의 검출신호에서 351°이므로, 상기 4번 실린더의 배기 위치는 351°+ 180°=531°로 연산되므로, 상기 4번 실린더에 대한 가스연료 공급위치는 크랭크 센서의 검출신호에 대한 531°지점인 것이다.
또한, 상기 2번 실린더의 배기위치는 점화위치 +180°이고, 상기 2번 실린더의 점화위치는 크랭크센서의 검출신호에서 531°이므로, 상기 2번 실린더의 배기 위치는 531°+ 180°= 711°로 연산되므로, 상기 2번 실린더에 대한 가스연료 공급위치는 크랭크 센서의 검출신호에 대한 711°지점인 것이다.
이와 같이 본 발명은 GDI엔진 방식의 연료공급 시스템에 MPI 방식으로 구성된 가스 이중연료 시스템을 적용하여 흡기포트에 구성되는 가스분사장치를 통해 흡기매니폴드 방향(흡기밸브 전단)에서 연료 공급이 이루어지도록 직전 실린더의 배기행정에서 가스연료의 분사 및 점화를 결정하는 센서로부터 감지된 정보를 통해 가스 연료의 분사 시기 및 순서를 제어하도록 구성한 것으로, 이를 통해 GDI엔진에서 이중연료 시스템의 연료 공급 전환과 가스 연료의 공급시점, 그리고 연료 특성에 의한 출력 변동 등의 문제를 개선하여 연료의 이중 사용 성능을 향상시키는 효과를 기대할 수 있는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예로 GDI 엔진의 가스연료 분사 제어방법을 구현하기 위한 가스연료 분사 제어장치의 개략적인 블럭 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예로 캠 센서의 검출신호 및 크랭크 센서의 검출신호에 대한 1회전 주기 동기화 신호 파형도.
도 3은 본 발명의 실시예로 1 사이클 캠 센서의 검출신호와 크랭크센서의 검출신호 및 이중연료 공급장치의 연료 분사 위치를 설정하는 상태를 보인 파형도.
도 4는 본 발명의 실시예로 캠 센서의 검출신호 타킷 휠과 검출신호의 파형도.
도 5는 본 발명의 실시예로 크랭크센서의 검출신호 타킷 휠을 보인 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예로 GDI 엔진의 가스연료 분사 제어방법을 구현하기 위한 가스연료 분사 제어장치의 개략적인 블럭 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예로 캠 센서의 검출신호 및 크랭크 센서의 검출신호에 대한 1회전 주기 동기화 신호 파형도이며, 도 3은 본 발명의 실시예로 1 사이클 캠 센서의 검출신호와 크랭크센서의 검출신호 및 이중연료 공급장치의 연료 분사 위치를 설정하는 상태를 보인 파형도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예로 캠 센서의 검출신호 타킷 휠과 검출신호의 파형도이고, 도 5는 본 발명의 실시예로 크랭크센서의 검출신호 타킷 휠을 보인 도면인 것이다.
첨부된 도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 GDI엔진의 가스연료 분사 제어방법은, 첨부된 도 1에서와 같이 GDI GDI 전자제어유닛(3)의 입력신호선 중에서, GDI엔진의 기준이 되는 1번 실린더의 상사점(TDC) 위치를 검출하기 위한 캠 센서(1)의 신호라인과, 크랭크축의 위치 및 엔진 회전수를 검출하는 크랭크센서(2)의 신호라인, 그리고 GDI 전자제어유닛(3)에서 출력되는 1번 점화코일(4)의 점화신호라인에 과 각각 이중연료 공급장치(5)를 병렬로 연결 구성함으로써 달성되며, 이는 제 1 내지 제 4 단계를 포함하는 것이다.
상기 이중연료 공급장치(5)에 의해 이루어지는 상기 제 1 단계는, GDI엔진의 기준이 되는 1번 실린더에 대한 상사점(TDC) 위치를 검출하기 위한 캠센서(1)의 제 1 검출신호와, 크랭크축의 위치 및 엔진회전수를 검출하는 크랭크센서(2)의 제 2 검출신호 및, GDI 전자제어유닛(ECU)(3)에서 출력하는 기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일(4)의 점화신호를 입력받아 저장하고 이를 분석하는 것이다.
이때, 상기 이중연료 공급장치(5)는 첨부된 도 2에서와 같이, 상기 캠 센서(1)의 검출신호가 입력시 이를 크랭크센서(2)의 검출신호와 상기 GDI 전자제어유닛(3)에서 출력하는 기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일(4)의 점화신호를 수 사이클(Cycle) 동안 동기화하여 원 신호 형태로 포집(Capture)하여 저장하는 것이다.
또한, 상기 이중연료 공급장치(5)는 첨부된 도 2에서와 같이, 상기 크랭크센서(2)의 검출신호가 입력시 이를 캠 센서(1)의 검출신호와 GDI 전자제어유닛(3)에서 출력하는 기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일(4)의 점화신호를 수 사이클(Cycle) 동안 동기화하여 원 신호 형태로 포집(Capture)하여 저장하는 것이다.
또한, 상기 이중연료 공급장치(5)는 상기 GDI 전자제어유닛(3)에서 출력하는 기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일(4)의 점화신호가 입력시 이를 크랭크센서(2)의 검출신호와 캠 센서(1)의 검출신호를 수 사이클(Cycle) 동안 동기화하여 원 신호 형태로 포집(Capture)하여 저장하게 되는 것이다.
한편, 상기 이중연료 공급장치(5)는 저장된 캠 센서(1) 및 크랭크센서(2)의 검출신호 및 GDI 전자제어유닛(3)에서 출력하는 점화코일(4)의 점화신호를 분석하게 되는데, 그 분석은, 우선 기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일(4)의 점화신호와 다음 기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일(4)의 점화신호와의 주기를 1 사이클(Cycle)로 설정한 후, 설정되는 1 사이클을 2회 반복하게 된다.
다음으로, 기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일(4)의 1 사이클 범위내에서 첨부된 도 2에서와 같이 동기화되어 저장되는 캠 센서(1)의 검출신호(도 2의 A)와 크랭크 센서(2)의 검출신호(도 2의 B)를 비교함으로써, 기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일(4)의 점화신호 입력 후 첫 번째에 발생되는 캠 센서(1)의 검출신호에 대한 하강지점(Falling Edge)(도 2의 B)으로부터 기준이 되는 1번 실린더의 상사점(TDC) 위치(도 2의 C)를 검출할 수 있는 것이다.
다음으로, 상기 검출된 기준이 되는 1번 실린더의 상사점(TDC) 위치에 따라, 기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일(4)의 점화신호 1 사이클 범위내에서 동기화된 캠 센서(1)의 검출신호(도 2의 B)) 및 크랭크센서(2)이 검출신호(도 2의 A)를 분석함으로써, 상기 캠 센서(1) 및 크랭크센서(2)의 타킷 휠(Target Wheel) 형태를 추출하게 되는 것이다.
이때, 상기 캠 센서(1)의 타킷 휠 형태는 첨부된 도 4에서와 같이, 사이클 동안 1/2 상승 파형과 1/2 하강 파형으로 반달형 타킷(Targer Wheel)인 것이고, 상기 크랭크 센서(2)의 타킷 휠 형태는 첨부된 도 5에서와 같이 하강지점의 개수가 58개이고 2개의 투스(Tooth)가 없는 부분이 있는 것으로 60-2의 타킷 휠인 것이다.
다음의 제 2 단계로서, 상기 이중연료 공급장치(5)는 상기 제 1 단계로부터 분석된 정보를 토대로 점화순서가 1번 실린더, 3번 실린더, 4번 실린더, 2번 실린더로 이루어지는 1 사이클 4행정 내연기관으로 흡기포트에 구성된 가스분사장치의 연료분사 위치를 각각 설정하게 된다.
즉, GDI엔진은 1 사이클 4행정 내연기관의 기준이 되는 1번 실린더가 흡입-압축-폭발(동력)-배기 순으로 4행정 1 사이클 동작을 하고, 1 사이클 4행정 내연기관의 점화순서가 1번 실린더, 3번 실린더, 4번 실린더, 2번 실린더의 순서로 이루어지며, 1 사이클 4행정 내연기관의 1 사이클 크랭크축의 회전각이 720°(2회전)인 바,
상기 이중연료 공급장치(5)는 캠 센서(1)의 검출신호(도 2의 B)에서 하강지점(Falling Edge)의 1번 실린더에 대한 상사점(TDC)의 위치(도 2의 C)는 '0' 이므로, 이를 기준으로 크랭크센서(2)의 검출신호(도 2의 A)에 대한 특정지점(예; 711°지점)에서 1번 실린더의 점화위치(도 3의 D)를 설정하여 둔다.
다음으로, 상기 이중연료 공급장치(5)는 상기 캠 센서(1)의 검출신호(도 2의 B)에서 하강지점(Falling Edge)의 3번 실린더에 대한 상사점(TDC)의 위치(도 2의 C)는 '0' 이므로, 이를 기준으로 크랭크센서(2)의 검출신호(도 2의 A)에 대한 특정지점(예; 171°지점)에서 3번 실린더의 점화위치(도 3의 E)를 설정하여 둔다.
다음으로, 상기 이중연료 공급장치(5)는 상기 캠 센서(1)의 검출신호(도 2의 B)에서 상승지점(Rising Edge)의 4번 실린더에 대한 상사점(TDC)의 위치(도 2의 C)는 '360' 이므로, 이를 기준으로 크랭크센서(2)의 검출신호(도 2의 A)에 대한 특정지점(예; 351°지점)에서 4번 실린더의 점화위치(도 3의 F)를 설정하여 둔다.
다음으로, 상기 이중연료 공급장치(5)는 상기 캠 센서(1)의 검출신호(도 2의 B)에서 상승지점(Rising Edge)의 4번 실린더에 대한 상사점(TDC)의 위치(도 2의 C)는 '360' 이므로, 이를 기준으로, 크랭크센서(2)의 검출신호(도 2의 A)에 대한 특정지점(예; 531°지점)에서 2번 실린더의 점화위치(도 3의 12)를 설정하여 두는 것이다.
다음의 제 3 단계로서, 상기 이중연료 공급장치(5)는 상기 제 2 단계로부터 설정된 1 사이클 4행정 내연기관인 1 내지 4의 실린더에 대한 연료분사 위치에 따라 GDI엔진에 가스연료 공급이 이루어지도록 연료 전환을 결정하게 되는 것이다.

크랭크축
회전각

1회전

2회전

0°∼180°

180°∼360°

360°∼540°

540°∼720°
실린더 No
1 폭발 배기 흡입 압축
2 배기 흡입 압축 폭발
3 압축 폭발 배기 흡입
4 흡입 압축 폭발 배기
즉, 상기 이중연료 공급장치(5)는 [표1]에서와 같이, 크랭크축 회전각 540∼720°인 압축행정에서 GDI엔진의 1번 실린더에 가솔린 연료공급이 완료된 상태에서, 폭발(점화)행정이 시작되는 0∼180°에서 GDI 연료 분사장치로 공급되는 신호를 차단/우회하고 크랭크축 회전각 180∼360°인 배기행정 위치에서 GDI엔진의 1번 실린더에 대한 가솔린 연료의 공급을 가스연료의 공급으로 전환시키게 된다.
다음으로, 상기 이중연료 공급장치(5)는 크랭크축 회전각 360∼540°인 압축행정에서 GDI엔진의 2번 실린더에 가솔린 연료공급이 완료된 상태에서, 폭발(점화)행정이 시작되는 540∼720°에서 GDI 연료 분사장치로 공급되는 신호를 차단/우회하고 크랭크축 회전각 0∼180°인 배기행정 위치에서 GDI엔진의 2번 실린더에 대한 가솔린 연료의 공급을 가스연료의 공급으로 전환시키게 된다.
다음으로, 상기 이중연료 공급장치(5)는 크랭크축 회전각 0∼180°인 압축행정에서 GDI엔진의 3번 실린더에 가솔린 연료공급이 완료된 상태에서, 폭발(점화)행정이 시작되는 180∼360°에서 GDI 연료 분사장치로 공급되는 신호를 차단/우회하고 크랭크축 회전각 360∼540°인 배기행정 위치에서 GDI엔진의 3번 실린더에 대한 가솔린 연료의 공급을 가스연료의 공급으로 전환시키게 된다.
다음으로, 상기 이중연료 공급장치(5)는 크랭크축 회전각 180∼360°인 압축행정에서 GDI엔진의 4번 실린더에 가솔린 연료공급이 완료된 상태에서, 폭발(점화)행정이 시작되는 360∼540°에서 GDI 연료 분사장치로 공급되는 신호를 차단/우회하고 크랭크축 회전각 540∼720°인 배기행정 위치에서 GDI엔진의 4번 실린더에 대한 가솔린 연료의 공급을 가스연료의 공급으로 전환시키게 되는 것이다.
다음의 제 4 단계로서, 상기 이중연료 공급장치(5)는 상기 제 3 단계로부터 연료 전환이 결정될 때, 상기 GDI엔진의 1 사이클 4행정 내연기관인 1 내지 4이 실린더에 대한 가스연료의 공급위치를 설정하여 가스연료를 공급하게 되는 것이다.
즉, 상기 이중연료 공급장치(5)는 1번 실린더의 배기위치에서 상기 1번 실린더에 대한 가스연료 공급위치를 설정하게 된다.
이를 구체적으로 살펴보면, 1번 실린더의 배기위치는 점화위치 +180°이고, 상기 1번 실린더의 점화위치(도 3의 D)는 크랭크센서(2)의 검출신호(도 2의 A)에서 711°이므로, 상기 1번 실린더의 배기 위치는 711°+ 180°=891°로 연산하고, 크랭크축의 1 사이클 회전각은 720°로서 891°- 720°=171°로 연산되므로, 상기 1번 실린더에 대한 가스연료 공급위치는 크랭크 센서(2)의 검출신호(도 2의 A)에 대한 171°지점으로 설정하게 되는 것이다.
다음으로, 상기 이중연료 공급장치(5)는 3번 실린더의 배기위치에서 상기 3번 실린더에 대한 가스연료 공급위치를 설정하게 된다.
이를 구체적으로 살펴보면, 3번 실린더의 배기위치는 점화위치 +180°이고, 상기 3번 실린더의 점화위치(도 3의 E)는 크랭크센서(2)의 검출신호(도 2의 A)에서 171°이므로, 상기 3번 실린더의 배기 위치는 171°+ 180°=351°로 연산되면서, 상기 3번 실린더에 대한 가스연료 공급위치는 크랭크 센서(2)의 검출신호(도 2의 A)에 대한 351°지점으로 설정하게 되는 것이다.
다음으로, 상기 이중연료 공급장치(5)는 4번 실린더의 배기위치에서 상기 4번 실린더에 대한 가스연료 공급위치를 설정하게 된다.
이를 구체적으로 살펴보면, 4번 실린더의 배기위치는 점화위치 +180°이고, 상기 4번 실린더의 점화위치(도 3의 F)는 크랭크센서(2)의 검출신호(도 2의 A)에서 351°이므로, 상기 4번 실린더의 배기 위치는 351°+ 180°=531°로 연산되면서, 상기 4번 실린더에 대한 가스연료 공급위치는 크랭크 센서(2)의 검출신호(도 2의 A)에 대한 531°지점으로 설정하게 되는 것이다.
마지막으로, 상기 이중연료 공급장치(5)는 2번 실린더의 배기위치에서 상기 2번 실린더에 대한 가스연료 공급위치를 설정하게 된다.
즉, 2번 실린더의 배기위치는 점화위치 +180°이고, 상기 2번 실린더의 점화위치(도 3의 G)는 크랭크센서(2)의 검출신호(도 2의 A)에서 531°이므로, 상기 2번 실린더의 배기 위치는 531°+ 180°= 711°로 연산되면서, 상기 2번 실린더에 대한 가스연료 공급위치는 크랭크 센서(2)의 검출신호(도 2의 A)에 대한 711°지점으로 설정하게 되는 것이다.
따라서, 상기와 같이 1번 실린더와 3번 실린더, 그리고 4번 실린더와 2번 실린더에 대한 가스연료 공급위치가 설정되면, 상기 이중연료 공급장치(5)는 압축행정에서 가솔린 연료를 공급하는 GDI엔진에서 흡기밸브전단에 위치한 가스 분사 장치를 이용하여 GDI 엔진의 행정 중 배기행정에서 각 실린더에 설정된 가스연료 공급위치에 따라 순차적으로 가스연료를 분사하게 되고, 이렇게 분사된 가스연료는 흡입행정에서 공기와 균질한 혼합이 이루어질 수 있게 되는 것이다.
이상에서 본 발명 GDI엔진의 가스연료 분사 제어방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
따라서, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.
1 ; 캠 센서 2 ; 크랭크 센서
3 ; GDI 전자제어유닛 4 ; 점화코일
5 ; 이중연료 공급장치

Claims (11)

  1. 이중연료 공급장치는 GDI엔진의 기준이 되는 1번 실린더에 대한 상사점(TDC) 위치를 검출하기 위한 캠센서의 제 1 검출신호와, 크랭크축의 위치 및 엔진회전수를 검출하는 크랭크센서의 제 2 검출신호 및, GDI 전자제어유닛(ECU)에서 출력하는 기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일의 점화신호를 입력받아 저장하고 이를 분석하는 제 1 단계;
    이중연료 공급장치는 상기 제 1 단계로부터 분석된 정보를 토대로 점화순서가 1번 실린더, 3번 실린더, 4번 실린더, 2번 실린더로 이루어지는 1 사이클 4행정 내연기관으로 흡기포트에 구성된 가스분사장치의 연료분사 위치를 각각 설정하는 제 2 단계;
    이중연료 공급장치는 상기 제 2 단계로부터 설정된 1 사이클 4행정 내연기관인 1 내지 4의 실린더에 대한 연료분사 위치에 따라 GDI엔진에 가스연료 공급이 이루어지도록 연료 전환을 결정하는 제 3 단계; 및,
    이중연료 공급장치는 상기 제 3 단계로부터 연료 전환이 결정될 때, 상기 GDI엔진의 1 사이클 4행정 내연기관인 1 내지 4이 실린더에 대한 가스연료의 공급위치를 설정하여 가스연료를 공급하는 제 4 단계; 를 포함하여 진행하는 것을 특징으로 하는 GDI 엔진의 가스연료 분사 제어방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 단계에는,
    상기 캠 센서의 검출신호가 입력시 이를 크랭크센서의 검출신호와 상기 GDI 전자제어유닛에서 출력하는 기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일의 점화신호를 수 사이클(Cycle) 동안 동기화하여 원 신호 형태로 포집(Capture)하여 저장하는 단계;
    상기 크랭크센서의 검출신호가 입력시 이를 캠 센서의 검출신호와 GDI 전자제어유닛에서 출력하는 기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일의 점화신호를 수 사이클(Cycle) 동안 동기화하여 원 신호 형태로 포집(Capture)하여 저장하는 단계; 및,
    상기 GDI 전자제어유닛에서 출력하는 기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일의 점화신호가 입력시 이를 크랭크센서의 검출신호와 캠 센서의 검출신호를 수 사이클(Cycle) 동안 동기화하여 원 신호 형태로 포집(Capture)하여 저장하는 단계; 를 더 포함하여 진행하는 것을 특징으로 하는 GDI 엔진의 가스연료 분사 제어방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 단계에는,
    이중연료 공급장치에 저장되는 캠 센서 및 크랭크센서의 검출신호 및 GDI 전자제어유닛에서 출력하는 점화코일의 점화신호를 분석하는 단계를 더 포함하고,
    상기 분석단계는,
    기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일의 점화신호와 다음 기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일의 점화신호와의 주기를 1 사이클(Cycle)로 설정하는 단계;
    상기 단계로부터 설정되는 1 사이클을 2회 반복하는 단계;
    기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일의 1 사이클 범위내에서 동기화되어 저장되는 캠 센서의 검출신호와 크랭크 센서의 검출신호를 비교하는 단계;
    상기 단계의 검출신호 비교로부터 기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일의 점화신호 입력 후 첫 번째에 발생되는 캠 센서의 검출신호에 대한 하강지점(Falling Edge)으로부터 기준이 되는 1번 실린더의 상사점(TDC) 위치를 검출하는 단계;
    상기 단계로부터 검출된 기준이 되는 1번 실린더의 상사점(TDC) 위치에 따라, 기준이 되는 1번 실린더에 대한 점화코일의 점화신호 1 사이클 범위내에서 동기화된 캠 센서의 검출신호 및 크랭크센서의 검출신호를 분석하여, 상기 캠 센서 및 크랭크센서의 타킷 휠(Target Wheel) 형태를 추출하는 단계; 를 더 포함하여 진행하는 것을 특징으로 하는 GDI 엔진의 가스연료 분사 제어방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 캠 센서의 타킷 휠 형태는 1 사이클 동안 1/2 상승 파형과 1/2 하강 파형으로 반달형 타킷(Targer Wheel)이고,
    상기 크랭크 센서의 타킷 휠 형태는 하강지점의 개수가 58개이고 2개의 투스(Tooth)가 없는 부분이 있는 것으로 60-2의 타킷 휠인 것을 특징으로 하는 GDI 엔진의 가스연료 분사 제어방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 단계는,
    1 사이클 4행정 내연기관의 기준이 되는 1번 실린더에가 흡입-압축-폭발(동력)-배기 순으로 4행정 1 사이클 동작을 하고, 1 사이클 4행정 내연기관의 점화순서가 1번 실린더, 3번 실린더, 4번 실린더, 2번 실린더의 순서로 이루어지며, 1 사이클 4행정 내연기관의 1 사이클 크랭크축의 회전각이 720°(2회전)일 때,
    상기 캠 센서의 검출신호에서 하강지점(Falling Edge)의 1번 실린더에 대한 상사점(TDC)의 위치를 기준으로, 크랭크센서의 검출신호에 대한 특정지점에서 1번 실린더의 점화위치를 설정하는 단계;
    상기 캠 센서의 검출신호에서 하강지점(Falling Edge)의 1번 실린더에 대한 상사점(TDC)의 위치를 기준으로, 크랭크센서의 검출신호에 대한 특정지점에서 3번 실린더의 점화위치를 설정하는 단계;
    상기 캠 센서의 검출신호에서 상승지점(Rising Edge)의 4번 실린더에 대한 상사점(TDC)의 위치를 기준으로, 크랭크센서의 검출신호에 대한 특정지점에서 4번 실린더의 점화위치를 설정하는 단계; 및,
    상기 캠 센서의 검출신호에서 상승지점(Rising Edge)의 4번 실린더에 대한 상사점(TDC)의 위치를 기준으로, 크랭크센서의 검출신호에 대한 특정지점에서 2번 실린더의 점화위치를 설정하는 단계; 를 포함하여 진행하는 것을 특징으로 하는 GDI 엔진의 가스연료 분사 제어방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 3 단계는,
    크랭크축 회전각 540∼720°인 압축행정에서 GDI엔진의 1번 실린더에 가솔린 연료공급이 완료된 상태에서, 폭발(점화)행정이 시작되는 0∼180°에서 GDI 연료 분사장치로 공급되는 신호를 차단/우회하고 크랭크축 회전각 180∼360°인 배기행정 위치에서 GDI엔진의 1번 실린더에 대한 가솔린 연료의 공급을 가스연료의 공급으로 전환시키는 단계;
    크랭크축 회전각 360∼540°인 압축행정에서 GDI엔진의 2번 실린더에 가솔린 연료공급이 완료된 상태에서, 폭발(점화)행정이 시작되는 540∼720°에서 GDI 연료 분사장치로 공급되는 신호를 차단/우회하고 크랭크축 회전각 0∼180°인 배기행정 위치에서 GDI엔진의 2번 실린더에 대한 가솔린 연료의 공급을 가스연료의 공급으로 전환시키는 단계;
    크랭크축 회전각 0∼180°인 압축행정에서 GDI엔진의 3번 실린더에 가솔린 연료공급이 완료된 상태에서, 폭발(점화)행정이 시작되는 180∼360°에서 GDI 연료 분사장치로 공급되는 신호를 차단/우회하고 크랭크축 회전각 360∼540°인 배기행정 위치에서 GDI엔진의 3번 실린더에 대한 가솔린 연료의 공급을 가스연료의 공급으로 전환시키는 단계; 및,
    크랭크축 회전각 180∼360°인 압축행정에서 GDI엔진의 4번 실린더에 가솔린 연료공급이 완료된 상태에서, 폭발(점화)행정이 시작되는 360∼540°에서 GDI 연료 분사장치로 공급되는 신호를 차단/우회하고 크랭크축 회전각 540∼720°인 배기행정 위치에서 GDI엔진의 4번 실린더에 대한 가솔린 연료의 공급을 가스연료의 공급으로 전환시키는 단계; 를 포함하여 진행하는 것을 특징으로 하는 GDI 엔진의 가스연료 분사 제어방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 4 단계는,
    1번 실린더의 배기위치에서 상기 1번 실린더에 대한 가스연료 공급위치를 설정하는 단계;
    3번 실린더의 배기위치에서 상기 3번 실린더에 대한 가스연료 공급위치를 설정하는 단계;
    4번 실린더의 배기위치에서 상기 4번 실린더에 대한 가스연료 공급위치를 설정하는 단계; 및,
    2번 실린더의 배기위치에서 상기 2번 실린더에 대한 가스연료 공급위치를 설정하는 단계; 를 포함하여 진행하는 것을 특징으로 하는 GDI 엔진의 가스연료 분사 제어방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 1번 실린더의 배기위치는 점화위치 +180°이고, 상기 1번 실린더의 점화위치는 크랭크센서의 검출신호에서 711°이므로, 상기 1번 실린더의 배기 위치는 711°+ 180°=891°로 연산하고, 크랭크축의 1 사이클 회전각은 720°로서 891°- 720°=171°로 연산되므로, 상기 1번 실린더에 대한 가스연료 공급위치는 크랭크 센서의 검출신호에 대한 171°지점인 것을 특징으로 하는 GDI 엔진의 가스연료 분사 제어방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 3번 실린더의 배기위치는 점화위치 +180°이고, 상기 3번 실린더의 점화위치는 크랭크센서의 검출신호에서 171°이므로, 상기 3번 실린더의 배기 위치는 171°+ 180°=351°로 연산되므로, 상기 3번 실린더에 대한 가스연료 공급위치는 크랭크 센서의 검출신호에 대한 351°지점인 것을 특징으로 하는 GDI 엔진의 가스연료 분사 제어방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 4번 실린더의 배기위치는 점화위치 +180°이고, 상기 4번 실린더의 점화위치는 크랭크센서의 검출신호에서 351°이므로, 상기 4번 실린더의 배기 위치는 351°+ 180°=531°로 연산되므로, 상기 4번 실린더에 대한 가스연료 공급위치는 크랭크 센서의 검출신호에 대한 531°지점인 것을 특징으로 하는 GDI 엔진의 가스연료 분사 제어방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 2번 실린더의 배기위치는 점화위치 +180°이고, 상기 2번 실린더의 점화위치는 크랭크센서의 검출신호에서 531°이므로, 상기 2번 실린더의 배기 위치는 531°+ 180°= 711°로 연산되므로, 상기 2번 실린더에 대한 가스연료 공급위치는 크랭크 센서의 검출신호에 대한 711°지점인 것을 특징으로 하는 GDI 엔진의 가스연료 분사 제어방법.
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