KR20210104317A - 인젝터 열림 시간 편차 개선을 위한 연료 분사 제어 장치 및 방법 - Google Patents

인젝터 열림 시간 편차 개선을 위한 연료 분사 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 연료를 인젝터를 통해 연소실로 분사하는 연료 분사 제어 방법 및 장치에 관한 발명이다. 본 발명에서는, 소정의 사전 구동 시간 동안 상기 인젝터를 사전 구동(Pre-Energizing)시킨 후, 산출된 목표 분사 연료량만큼 연료를 분사하도록 인젝터를 제어하는 주분사(main injection)를 실시한다. 사전 구동 시에는, 사전 구동에 의해 연료의 유량이 발생되지 않도록 하는 전류량을 사전 구동 시간 동안 인젝터에 인가하여, 인젝터의 인젝터 코일을 사전에 자화시킴으로써, 인젝터의 열림시간을 앞당길 수 있어, 인젝터간 열림시간의 편차를 감소시킬 수 있다.

Description

인젝터 열림 시간 편차 개선을 위한 연료 분사 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING FUEL INJECTION FOR IMPROVING THE DEVIATION OF OPENING DURATION OF INJECTOR}
본 발명은 연료 분사 제어 장치 및 방법에 관한 발명으로서, 보다 상세하게는, 연료의 소유량 구간에서의 인젝터 열림 시간 편차를 개선할 수 있는 연료 분사 제어 장치 및 방법에 관한 발명이다.
자동차 엔진에 연료를 공급할 때에, 공급 연료량은 제어 유닛(ECU)에 의해 결정되고, 결정된 요구 연료량만큼 인젝터에 의해 엔진 내부로 분사함으로써 엔진 내부로 연료가 공급된다.
도 8에서는 상기한 종래의　인젝터를 도시한 것으로서,　인젝터(120)의 하우징(120a) 내부에는 니들밸브(120b)가 형성되고, 이 니들밸브(120b)를 작동하기 위한 아마츄어(120c)와　코일(120d) 및 스프링(120e) 등이 형성되어 있다. 니들밸브(120b)는 아마츄어(120c)의 작동에 의해 반복적으로 전후진되어, 하우징(120a)의 끝단에 형성된 노즐(120f)을 차단하거나 개방시키게 된다. 즉,　코일(120d)에 전류가 가해지면 아마츄어(120c)가 작동되어 상기한 니들밸브(120b)를 당기게 되고, 전류가 차단되면 스프링(120e)의 탄력에 의해 니들밸브(120b)가 원위치되도록 형성되어 있다.
상기한 인젝터는 각 기통별로 구비되어 제어 유닛으로부터 연료 분사 신호를 받아 소정 분사 시간 동안 연료를 분사함으로써, 요구 연료량 만큼 엔진 내부로 연료를 공급한다.
도 4에서는 종래의 GDI 엔진에 장착되는 인젝터의 구동 파형을 나타내는 도면이다. 연료 분사 제어의 제1 단계인 부스트 단계(Boost Phase)에서는 부스트 전압을 이용하여 코일(120d)에 상대적으로 높은 전류가 인가된다. 그리고 후속하는 제2 단계인 인입 단계(Pickup Phase) 에서는 코일(120d)이 부스트 전압에 비해 상대적으로 낮은 배터리 전압으로 스위칭되어 최대 전기자 행정에 도달할 때까지 전기자의 운동을 제공한다. 후속하는 제3 단계(유지 단계, Holding Phase)에서는, 코일(120d)은 제1 및 제2 단계에 비해 상대적으로 더 적은 추가 전류로 작동된다.
그런데, 특허문헌 1에서도 되어 있는 바와 같이, 인젝터는 그 종류나 회사별로 고유의 인젝터 구동 특성 차이가 존재한다. 구체적으로는, 연료압 대비 요구 연료량에 따른 인젝터 닫힘 요구 시간이나, 인젝터 닫힘 요구 시간과 이에 대응하는 분사 명령 시간등은 인젝터의 종류나 회사별로 특정한 대응 관계에 있다. 일반적으로 이러한 특성 정보는 차량의 제조 시에 제어 유닛 내부의 메모리에 저장되어, 요구 연료량 만큼 각 기통 내부에 연료를 공급하기 위해 사용된다.
그런데, 동일 인젝터의 경우에도 제조 공차나, 제어 유닛에서 인젝터를 작동하는 출력단의 공차 및 그에 따른 작동 전류 프로파일의 차이로 인해 인젝터 구동 특성이 달라질 수 있다. 특히, 기통 별로 인젝터 열림 시간 및 닫힘 시간과 관련된 인젝터 구동 특성의 편차를 보상하지 않는 경우에는, 각 기통별로 인젝터간의 열림 시간 및 닫힘 시간의 편차가 발생하여 동일 분사 시간에 근거한 분사 명령에도 불구하고, 각 기통별로 상이한 연료량이 공급되게 된다. 즉, 기통간 동일 유량 제어가 어렵게 된다.
특히, 최근에는 고압을 사용하는 GDI 엔진에서의 인젝터의 열림 감지 계산이 문제가 되고 있다. 특허문헌 2에서 개시된 바와 같이, 입자상 물질의 저감이나 또는 연소 효율 증가를 위해 분사 모드가 다단화 하면서, 다단 분사의 각 분사마다 분사 시간이 급격히 줄어들고 있다. 특히, 도 7에서 도시된 바와 같이, 인젝터 작동 시간(Ti)이 조금만 변화하여도 연료량(m)이 급격하게 증가하는 미소 연료량 분사 구간(A)(소위 발리스틱(ballistic) 구간)까지 사용하는 분사도 수행되고 있다.
인젝터의 열림 시간을 계산하는 이유는, 전술한 바와 같이, 인젝터마다 분사 신호를 전기적으로 인가한 후부터 실제 유량이 나오는 지점까지 편차가 존재하기 때문이다. 열림 시간 편차의 경우, 일반적으로 닫힘 시간 편차보다는 편차량이 상대적으로 작지만, 전술한 소유량 구간과 같이 분사 시간이 매우 짧은 구간에서는 유량에 큰 영향을 미치기 때문에 중요한 인자이다. 따라서, 종래에는 열림 시간을 계산하고, 이에 근거하여 열림 시간의 편차를 제어하는 것이 중요하였다.
특허문헌 1: 공개특허공보 제2015-0114078호(2015.10.12) 특허문헌 2: 등록특허공보 제10-1684509호(2016.12.8)
도 6은, 인젝터로부터 실제 연료가 분사되는 기간인 인젝터 열림 기간과 인젝터에 인가되는 전류 및 인젝터로부터 발생되는 전압의 관계를 보여주는 그래프이다. 도 6을 참조하면, 가로축은 시간이고, 세로축은 전류 및 전압의 크기와, 인젝터로부터 분사되는 연료량을 나타낸다.
도 6에서 구간(a)는 인젝터의 니들의 데드스트로크(dead stroke)를 의미하는 것으로, 인젝터에 인가되는 전류에 의해 니들이 움직이지만 실제 연료분사노즐이 개방되지 않는 구간을 의미한다.
인젝터가 연료를 분사하기 위해서는 니들이 리프트되어야 하는데, 니들을 리프트시키기 위해서 솔레노이드나 피에조 측으로 전류가 인가되어 코일을 자화시켜야 한다. 상기한 전류를 인가하기 위해서 초기신호(initial signal)가 발생되고, 초기신호에서 일정한 지연시간을 가지고 전류가 상기 인젝터의 솔레노이드나 피에조 측으로 전류가 인가되며, 전류의 크기가 점차 증가하여, 도 6에 도시된 바와 같이, 전류피크(current peak)에 도달한다.
그리고, 도 6에서 도시한 바와 같이, 전류가 증가하여 전류피크(current peak)점에 도달하고, 다시 하강하는 루트를 가지며, 전류피크로부터 소정 시간이 경과한 시점(인젝터 열림 시간)에서, 니들이 리프트되고, 인젝터 열림 시간으로부터 인젝터 열림 기간 동안 니들이 리프트된 상태(실제 연료가 분사되는 상태)가 된다.
그런데, 인젝터의 열림 시점에서, 전압이나 전류의 특별한 변화가 없기 때문에 종래에는 통상의 방법으로는 인젝터의 열림 시간을 정확히 감지할 수 없었다. 따라서, 종래에는 인젝터 열림 시간을 찾기 위해 인젝터 닫힘 시점을 이용하였다. 구체적으로는, 연료 분사 시간을 아주 작은 시간으로부터 점차 증가시켜 닫힘 시점이 최초로 발생할 때를 열림 시점으로 판단하고, 이 값을 인젝터마다 또는 마스터 인젝터와 비교하여 실제 열림 시간을 계산하였다.
그리고, 인젝터 닫힘 시간의 경우 인젝터에서 발생하는 역전압 신호를 이용하여 측정된다. 도 6에 도시된 도시된 바와 같이, 인젝터에서 발생하는 전압의 경우, 인젝터에 전류가 인가되는 초기에 급격히 증가 및 감소 한 후, 다시 증가하는 경향을 보인다. 그리고 그 후 인젝터에 대한 전류 인가가 OFF된 시점에서 다시 급격하게 전압이 감소하였다가, 소정 시간 딜레이(구간(b), 0.1ms 정도)를 보인 후, 다시 전압이 급격하게 증가한다. 도 6에서 도시된 바와 같이, 전압이 다시 증가하는 구간에서 전압 곡선에 변곡점이 존재하는 데(구간 (c)), 이 변곡점이 존재하는 시점이 인젝터의 니들이 닫히게 되어 연료 분사가 종료하는 시점(인젝터 닫힘 시간)이 된다. 따라서, 전압 곡선을 2차 미분하여, 상기 변곡점이 존재하는 시점을 감지하게 되면 인젝터 닫힘 시간을 감지할 수 있다.
그런데, 인젝터의 특성에 따라서는 실제로 인젝터가 열렸음에도 불구하고, 상기한 변곡점이 명확히 인식되지 않는 경우가 있다. 상기한 변곡점은 인젝터의 코일의 자화가 빠지면서 인젝터의 니들이 아래로 내려가 인젝터가 닫히게 될 때의 니들의 속도의 변화에 따라 발생한다. 이 현상은 인젝터의 로우 사이드(low side) 및 (high side)에서의 신호에 나타나게 된다. 즉, 인젝터의 니들이 같은 높이에서 닫히게 되어도 인젝터 닫힘 속도가 빠른 인젝터의 경우 변곡점이 더 잘 보이게 된다. 상기한 바와 같이, 인젝터 열림 시간 인젝터의 닫힘 특성에 민감하기 때문에, 닫힘 특성이 좋지 않거나, 열림 특성이 고르지 않는 인젝터에서는 변곡점에 대한 분별력이 떨어진다.
따라서, 종래 기술에 의해서는 인젝터의 열림 시간을 정확하게 감지해 내는 것이 곤란하였기 때문에, 감지된 열림 시간에 기초하여 열림 시간 편차를 개선함으로써, 기통간 동일 유량 제어를 실시하는 것이 곤란하였다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 기통 별 열림 시점을 구체적으로 감지하지 않고서도, 기통별 열림 시간 편차를 개선함으로써 인젝터의 성능을 안정적으로 향상시킬 수 있는 연료 분사 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는, 종래 기술과 달리, 열림 시점 편차 개선을 위해 인젝터의 열림 시점을 직접 계산 또는 추정하지 않고, 연료의 분사 직전에 인젝터의 마그네틱 코일에 미리 자화를 시켜 놓음으로써, 실제 분사가 실시될 때에 가능한 한 신속히 열릴 수 있도록 하여 열림 시점 편차를 개선한다. 본 발명에 의하면, 인젝터의 열림 시점에 가장 큰 영향을 미치는 인자인 코일의 자화 시간을 줄일 수 있어, 인젝터의 열림 시점을 앞당길 수 있으며, 그에 따라 인젝터간 열림 편차를 감소시킬 수 있다.
보다 구체적으로는, 상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 연료 분사 제어 방법은, 연료를 인젝터를 통해 연소실로 분사하는 연료 분사 제어 방법으로서, 소정의 사전 구동 시간 동안 인젝터를 구동시키는 사전 구동(Pre-Energizing) 단계;와, 인젝터의 사전 구동 단계 후에, 산출된 목표 분사 연료량만큼 연료를 분사하도록 인젝터를 제어하는 주분사(main injection) 단계;를 구비하고, 사전 구동 단계에서는, 사전 구동에 의해 상기 연료의 유량이 발생되지 않도록 하는 전류량을 사전 구동 시간 동안 인젝터에 인가하여, 인젝터의 인젝터 코일을 사전에 자화시키는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 사전 구동 단계에서는, 연료 압력 및 엔진 온도에 따라 사전 구동 시간 및 전류량을 계산한다.
바람직하게는, 사전 구동 단계에서는, 주분사가 단일 분사인지 다단 분사인지 여부를 판정하고, 주분사가 단일 분사로 판정되는 경우에, 최종 분사 시간을, 기존의 주분사의 분사시간과 사전 구동 시간을 합한 시간으로 전환한다.
바람직하게는, 주분사가 다단 분사로 판정되는 경우에는, 다단 분사의 분사간 휴지 시간이 소정값을 초과하는 지 여부를 판단하고, 다단 분사의 분사간 휴지 시간이 모두 소정값 이하인 경우에는, 다단 분사 중 제1 분사 시의 분사 시간을, 기존의 다단 분사 시의 제1 분사의 분사시간과 사전 구동 시간을 합한 시간으로 전환한다.
또한, 바람직하게는, 다단 분사의 분사간 휴지 시간 중 적어도 어느 하나가 상기 소정값을 초과하는 경우에는, 다단 분사의 제1 분사 및 소정값을 초과하는 휴지 시간 이후의 분사마다, 해당 분사의 분사 시간을, 기존의 해당 분사 시의 분사 시간과 사전 구동 시간을 합한 시간으로 전환한다.
바람직하게는, 연료계의 고압 펌프의 고장으로 인해, 강제 저압 모드로 연료를 분사하는 림폼 모드의 실행 중인지 여부를 판단하여, 림폼 모드의 실행 중인 것으로 판단되는 경우, 사전 구동 단계의 실시를 중단한다.
바람직하게는, 사전 구동 단계에서는, 인젝터의 사전 구동 시에, 부스트 전압을 사용하여 인젝터에 가해지는 전류량을 증가시킨 다음, 배터리 전압을 사용하여 주분사 시점까지 인젝터에 가해지는 전류량을 유지하도록 한다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 연료 분사 제어 장치는, 실린더로 연료를 분사하는 인젝터; 목표 분사 연료량만큼 인젝터로부터 연료가 분사되도록 인젝터를 제어하는 제어부;를 구비하는 연료 분사 제어 장치로서, 제어부는, 목표 분사 연료량을 분사하는 주분사 전에, 연료의 유량이 발생하지 않도록 하는 소정의 사전 구동 시간 동안 소정 크기의 전류량을 인젝터에 인가하여 인젝터의 인젝터 코일을 자화시키는 사전 구동 제어를 실시하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 제어부는, 사전 구동 시간 및 상기 전류량을 계산하는 사전 구동 시간 및 전류량 계산부,주분사 시의 분사 횟수, 인젝터의 분사 시간 및 분사 각도와, 사전 구동 시간 및 전류량 계산부에서 계산된 결과를 바탕으로 인젝터의 분사 시간을 계산하는 분사 모드 계산부, 분사 모드 계산부의 계산 결과에 근거하여, 사전 구동 및 주분사 시의 전류 파형을 각각 형성하여 인젝터를 제어하는 인젝터 구동 반도체를 포함한다.
바람직하게는, 사전 구동 시간 및 전류량 계산부에서는, 연료 레일 압력 센서에 의해 측정된 연료 압력 및 냉각수 센서에 의해 측정된 엔진 온도에 근거하여 사전 구동 시간 및 전류량을 계산한다.
본 발명에 의하면, 인젝터 열림 시간을 구체적으로 감지하지 않고서도 인젝터 단품 간의 열림 시간의 편차를 개선할 수 있다. 따라서, 복수의 기통 각각에 설치된 모든 인젝터에 대해서 인젝터 닫힘 시간을 잘못 계산하였거나, 또는 인젝터 닫힘 시간과 인젝터 열림 시간의 관계를 특정할 수 없어 인젝터 열림 시간을 안정적으로 계산해 낼 수 없는 경우에도, 인젝터 열림 시간 편차를 개선하는 것이 가능하다.
이를 통해, 인젝터의 초기 유량 발달 거동이 개선되고, 인젝터의 열림 시점을 앞당길 수 있기 때문에, 소유량 제어를 유효하게 실시할 수 있다. 그리고, 분사 시간이 증가되는 경우에도 인젝터 열림 시점이 일정하게 되고, 인젝터 단품간 열림 시점 차이가 줄어들 수 있어, 발리스틱 구간에 있어서 소유량 제어를 효과적으로 실시할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 분사 제어 방법이 수행되는 연료 분사 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 분사 제어 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 분사 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4에서는 종래의 GDI 엔진에 장착되는 인젝터의 구동 파형을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 분사 제어 방법을 실시하였을 때의 인젝터의 구동 파형을 나타내는 도면이다.
도 6은, 인젝터로부터 실제 연료가 분사되는 기간인 인젝터 열림 기간과 인젝터에 인가되는 전류 및 인젝터로부터 발생되는 전압의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 7은, 인젝터 작동 시간(Ti)에 따른 연료량(m)의 변화를 각 구간별로 나타낸 그래프이다.
도 8은, 인젝터의 구성을 도시하는 단면도이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료 분사 제어 방법 및 장치에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 분사 제어 방법이 수행되는 연료 분사 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 인젝터의 제어시스템은 연료탱크(150), 연료펌프(140), 레일(130), 압력센서(132), 인젝터(120), 엔진(110), 및 제어부(100)를 포함한다.
연료탱크(150)에는 내연기관에 사용되는 연료가 충진되고, 연료펌프(140)는 상기 연료탱크(150)에 담긴 연료를 상기 레일로 펌핑한다. 상기 레일(130)에는 내부의 압력을 감지하는 상기 압력센서(132)가 배치되고, 별도의 레귤레이터밸브(미도시)와 리턴라인(미도시)이 형성된다.
커먼레일(130)로 펌핑된 연료는 인젝터(120)로 분배되고, 인젝터(120)는 상기 엔진(110)의 연소실에 연료를 분사하도록 각 실린더에 대응하여 배치된다.
제어부(100)는 운행조건, 예를 들어, 엔진의 회전수와 가속페달신호에 따라서 요구 분사 연료량을 설정하고, 설정된 요구 분사 연료량에 대응하여 인젝터의 분사 명령 시간을 제어할 수 있다. 그리고, 제어부(100)는 후술하는 바와 같이, 목표 분사 연료량을 분사하는 주분사 전에, 연료의 유량이 발생하지 않도록 하는 소정의 사전 구동 시간 동안 인젝터에 소정 크기의 전류를 인가하여 인젝터의 인젝터 코일을 자화시키는 사전 구동 제어를 실시하도록 구성된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 분사 제어 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 2의 도시 내용에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 분사 제어 장치는 실린더로 연료를 분사하는 인젝터(120), 목표 분사 연료량만큼 상기 인젝터로부터 연료가 분사되도록 인젝터(120)를 제어하는 제어부(100);를 구비한다. 제어부(100)는 인젝터(120)의 구동을 위해 인젝터(120)의 하이 사이드(1) 및 로우 사이드(2)와 각각 연결된다.
인젝터(120)의 하이 사이드(1) 및 로우 사이드(2)와 각각 연결된 인젝터 구동 반도체(11)는 인젝터 구동 드라이버(12)로부터의 구동 명령 신호를 전달받아, 사전 구동 시 및 주분사 시의 전류 파형을 생성하고 그에 따른 펄스를 인젝터(120)의 하이 사이드(1)와 로우 사이드(2)에 인가함으로써 인젝터(120)를 구동시킨다.
한편, 인젝터(120)에 의한 분사가 종료되면 로우 사이드만 활성화 되어 인젝터(120)로부터의 역기전류가 로우 사이드로 흐르게 된다. 따라서, 제어부(100)의 인젝터 로우 사이드 전압 파형 변곡점 감지부(21)에서는 상기한 인젝터(120)의 로우 사이드(2)로부터의 역기전류의 전압 신호를 전달받아, 전압 파형을 생성하고, 도 6에 도시된 전압 파형의 변곡점을 감지한다.
인젝터 닫힘 시간 계산부(22)는 인젝터 로우 사이드 전압 파형 변곡점 감지부(21)에서 감지된 변곡점의 위치에 근거하여 인젝터(120)의 닫힘 시간을 산출한다.
사전 구동 요청부(50),는 인젝터(120)의 열림 시간 편차를 저감시킬 필요가 있는 경우에, 목표 분사 연료량을 분사하는 주분사 전에, 인젝터(120)의 코일(120d)을 미리 자화시킬 수 있도록 인젝터(120)에, 소정 구동 시간 동안 소정 크기의 구동 전류를 인가하도록 하는 사전 구동 요청 신호를 발신한다. 바람직하게는, 인젝터의 사전 구동이 필요한 조건으로는 고압 펌프(140)가 정상적으로 동작하여, 림폼 모드에 의한 강제 저압 분사 모드가 아니고, 주분사가 발리스틱 구간에 해당하는 소유량의 연료를 분사하는 경우 등을 들 수 있다.
사전 구동 시간 및 전류량 계산부(51)에서는, 사전 구동 요청부(50)로부터 사전 구동 요청 신호를 수신 받아, 사전 구동에 필요한 사전 구동 시간 및 인젝터에 인가되는 전류량을 계산한다.
목표 분사 연료량은 인젝터의 사전 구동 후의 주분사를 통해 엔진(110)의 연소실로 분사되게 되고, 인젝터의 사전 구동은 연료 공급을 목적으로 한 것이 아니라, 인젝터(120)의 코일(120e)을 주분사 전에 미리 자화시켜 주분사 시에 코일(120e)의 자화에 소요되는 시간을 감소시킴으로써, 인젝터(120)가 신속히 열리게 하기 위함이다. 따라서, 도 5에서도 도시된 바와 같이, 전분사 시에 인젝터(120)로 공급되는 제어 전류의 공급 시간은, 실제 분사 연료의 유량이 발생하지 않는 범위 내로 제한된다. 이 때, 바람직하게는, 최대 사전 구동 시간은 복수개의 인젝터 중 유량계로부터 계측되는 인젝터의 열림이 가장 빠른 인젝터를 대표 샘플로 하여 대표값이 정해질 수 있다.
사전 구동 시에 인젝터에 가해지는 전류량도, 사전 구동 시간과 마찬가지로, 실제 분사 연료의 유량이 발생하지 않는 범위 내에서 코일(120e)을 충분히 자화시킬 수 있는 범위 내로 한정된다.
바람직하게는 사전 구동 시간 및 전류량 계산부(51)에서는 연료레일 압력센서(3)와 냉각수 센서(4)를 통해 수신받은 연료 압력 및 엔진의 온도를 통해 사전 구동 시간 및 전류량을 결정한다. 예컨대, 연료 압력이 높을 수록 사전 구동 시간을 증대시켜야 하며, 전류량도 커지게 된다.
바람직하게는, 사전 구동 시간과 전류량은 엔진 온도와 연료 압력과 관련된 2차원 테이블의 형태로 제어부(100)에 미리 저장되어, 연료 레일 압력센서(3)와 냉각수 센서(4)로부터 측정된 연료 압력 및 엔진 온도와 상기 저장된 테이블을 이용하여 계산될 수 있다.
분사모드 계산부(15)는 분사시간 계산부(13) 및 분사각도 계산부(14)로 구성되어, 분사 횟수(단일 분사 또는 다단 분사), 분사 시간(인젝터에 인가되는 전류의 공급 시간) 및 분사 각도(인젝터에 전류가 인가되는 시점)을 계산하고, 계산된 결과를 인젝터 구동 드라이버(12)로 송신한다. 분사모드 계산부(15)에서는, 목표 공연비를 만족할 수 있는 목표 분사 연료량을 결정하고, 그에 따라 주분사 시의 분사 횟수, 분사 시간 및 분사 시점을 결정한다. 또한, 분사모드 계산부(15)에서는, 전분사 시간 및 휴지시간 계산부(51)에서 계산된 사전 구동 시간에 관한 정보를 전달받아, 사전 구동을 포함한 최종 분사 제어 시의 인젝터의 분사 시간을 결정한다.
인젝터 구동 드라이버(12)는 분사모드 계산부(15)로부터 계산된 분사 횟수, 분사 시간 및 분사 각도의 정보를 이용하여 구동 신호를 생성하고 이를 인젝터 구동 반도체(11)에 송신한다.
그리고, 인젝터 구동 반도체(11)는 구동 신호를 바탕으로 사전 구동 시 및 주분사 시의 전류 파형을 형성한다. 도 5에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료 분사 제어 시의 인젝터 구동 반도체(11)에 의해 생성되는 전류 파형을 도시하고 있다.
전술한 바와 같이, 주분사 시에 전류 파형은 부스트 단계, 인입 단계 및 유지 단계로 이루어진다. 일반적으로 인젝터가 완전히 열리는 시점은 주분사의 부스트 단계 후반부에서 인입 단계 초반부에 위치하고 있다. 도 5의 예에서는, 진동 센서를 인젝터에 부착하여 테스트를 수행함으로써 인젝터의 열림 시점을 추정하고 있다. 진동 센서로부터 측정되는 최초의 강한 진동은 인젝터의 니들이 스토퍼에 강하게 부딪혔을 때 발생하는 진동으로서, 해당 진동의 발생 시점을, 인젝터가 완전히 열리는 시점으로 간접적으로 추정할 수 있다. 도 5의 예에서는 주분사 개시 시점으로부터 대략 176㎲ 시점에서 인젝터가 열린 것으로 추정된다.
도 5의 예에서는, 종래의 인젝터의 전류 파형과는 달리, 주분사 이전에 사전 구동 단계(Pre-energizing Phase)가 존재한다. 사전 구동 단계에서의 전류 파형은 기존의 인젝터의 주분사 시의 전류 파형과 유사하다. 즉, 사전 구동 단계에서도, 부스트 전압을 이용하는 단계와, 배터리 전압을 이용하는 단계를 포함한다. 도 5의 예에서, 부스트 전압을 이용하여 2.8A까지 전류량을 상승시킨 후, 주분사 개시 시점까지 배터리 전압을 이용하여 1.5A로 전류값을 유지시킨다. 도 5에서 도시된 바와 같이, 사전 구동 단계에서는, 주분사 단계와 달리 강한 진동이 검출되지 않는다. 즉, 사전 구동 단계는, 연료의 공급이 아닌 인젝터의 코일의 자화를 목적으로 하는 단계인바, 사전 구동 단계에서는 인젝터는 열리지 않고, 따라서 연료의 유량이 발생하지 않는다.
상기한 제어부(100)는 차량에 구비된 컴퓨터의 형태로 실현하도록 해도 된다. 그 경우, 이 제어 기능을 실현하기 위한 프로그램을 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록하고, 이 기록 매체에 기록된 프로그램을 컴퓨터 시스템에 읽어 들여, 실행함으로써 실현해도 된다. 또한, 여기에서 말하는 「컴퓨터 시스템」이란, 차량에 내장된 컴퓨터 시스템이며, OS나 주변 기기 등의 하드웨어를 포함하는 것으로 한다. 또한, 「컴퓨터 판독 가능한 기록 매체」란, 플렉서블 디스크, 광학 자기 디스크, ROM, CD-ROM 등의 휴대용 매체, 컴퓨터 시스템에 내장되는 하드 디스크 등의 기억 장치를 말한다. 또한 「컴퓨터 판독 가능한 기록 매체」란, 인터넷 등의 네트워크나 전화 회선 등의 통신 회선을 통하여 프로그램을 송신하는 경우의 통신선과 같이, 단시간, 동적으로 프로그램을 유지하는 것, 그 경우의 서버나 클라이언트가 되는 컴퓨터 시스템 내부의 휘발성 메모리와 같이, 일정 시간 프로그램을 유지하고 있는 것도 포함해도 된다. 또한 상기 프로그램은, 상술한 기능의 일부를 실현하기 위한 것이어도 되고, 또한 상술한 기능을 컴퓨터 시스템에 이미 기록되어 있는 프로그램과의 조합으로 실현할 수 있는 것이어도 된다.
또한, 상술한 실시 형태에 있어서의 제어부(100)의 일부 모델 또는 전부를, LSI(Large Scale Integration) 등의 집적 회로로 하여 실현해도 된다. 제어부(180)의 각 모델은 개별적으로 프로세서화해도 되고, 일부, 또는 전부를 집적하여 프로세서화해도 된다. 또한, 집적 회로화의 수법은 LSI에 한정되지 않고 전용 회로, 또는 범용 프로세서로 실현해도 된다. 또한, 반도체 기술의 진보에 의하여 LSI를 대체하는 집적 회로화의 기술이 출현한 경우, 당해 기술에 의한 집적 회로를 이용해도 된다.
도 3은, 도 2에서 도시된 연료 분사 제어 장치에 의해 수행되는, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 분사 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3에 따르면, 제어부(100)의 사전 구동 요청부(50)는 현재의 연료 분사 구간이, 림폼 모드에 의한 강제 저압 연료 분사 구간에 해당하는지 여부를 판단한다(S100). 주분사 전에 전분사를 실시하기 위해서는 기본적으로는 고압 연료 펌프(140)가 정상적으로 작동하여야 한다. 따라서, 먼저 고압 연료 펌프(140)의 고장에 따른 강제 저압 연료 분사 구간에 해당하는 지 여부를 판단하고, 고압 연료 펌프(140)가 정상 작동되는 경우에 후술하는 사전 구동 로직을 수행한다.
고압 연료 펌프(140)가 정상 작동 중이고, 인젝터 별 열림 시간 편차를 저감하기 위하여 인젝터의 사전 구동을 실시할 필요가 있어 사전 구동 요청부(50)가 사전 구동 요청 신호를 발송하면, 분사모드 계산부(15)에서는 기존의 주분사 시의 분사 모드가 단일 분사 모드인지 다단 분사 모드인지 여부를 판정한다(S110).
주분사가 단일 분사 모드인 것으로 판정되는 경우, 제어부(100)의 사전 구동 시간 및 전류량 계산부(51)에서는 사전 구동 시에 인젝터(120)에 전류를 인가할 시간인 사전 구동 시간을 계산한다(S120). 사전 구동 시간은 전술한 바와 같이, 실제 연료의 유량이 발생하지 않는 범위 내의 시간으로서, 현재 측정된 연료 압력 및 엔진 온도와 제어부(100)에 저장된 테이블을 통해 결정될 수 있다.
또한, 제어부(100)의 사전 구동 시간 및 전류량 계산부(51)에서는 사전 구동 시에 인젝터에 인가되는 전류량을 계산한다(S130). 상술한 바와 같이, 전류량도, 실제 연료의 유량이 발생하지 않는 범위 내의 값으로서, 현재 측정된 연료 압력 및 엔진 온도와 제어부(100)에 저장된 테이블을 통해 결정될 수 있다.
사전 구동 시간 및 전류량 계산부(51)에 의해 사전 구동 시간 및 전류량이 계산되면, 분사모드 계산부(15)에서는 사전 구동을 포함한 최종 분사 시간을, 기존의 주분사의 분사시간과, 단계 S120에서 계산된 사전 구동 시간을 합한 시간으로 전환한다(S140).
분사모드 계산부(15)에서 계산된 전류값 및 분사 시간 정보는 인젝터 구동 드라이버(12)로 전달되고, 인젝터 구동 드라이버(12)는 해당 정보를 이용하여, 인젝터 구동 반도체(11)에 구동 신호를 송신한다. 인젝터 구동 반도체(11)는 인젝터 구동 드라이버(12)로부터 수신된 구동 신호를 바탕으로, 전체 분사 시간 중 일부 구간에 대해서는 인젝터의 사전 구동을 위한 전류 파형을 형성하고, 나머지 구간에 대해서는 주분사를 위한 전류 파형을 형성한다(S150). 이 때 주분사 시의 전류 파형은, 기존의 목표 분사 연료량을 만족하기 위한 주분사 시의 전류 파형으로 설정되게 된다.
그 결과, 사전 구동 시간 동안 인젝터가 사전 구동하게 되고, 인젝터의 사전 구동에 이어 목표 분사 연료량을 주입하기 위한 주분사가 실시되게 된다(160).
한편, 단계 S110에서 기존의 주분사가 다단 분사 모드인 것으로 판정되는 경우(단계 S130:No), 분사모드 계산부(15)에서는, 다단 분사 시의 모든 분사 사이의 휴지시간이 소정값을 초과하였는지 여부를 판단한다(S170).분사간 휴지시간이 짧은 경우 직전의 분사에 의해 생성된 코일(S120e)의 자화가 모두 소실되기 전이므로, 인젝터의 사전 구동을 실시할 필요가 없게 된다. 반대로, 코일(120e)에 자화가 잔존하는 시간(소정값)보다 휴시시간이 길 경우에는 해당 분사 전에 인젝터의 사전 구동을 실시할 필요가 있다. 따라서, 다단 분사를 구성하는 복수의 분사간의 휴지시간을 소정값과 대비하여 전분사가 필요한 분사를 판정하는 것이다. 바람직하게는, 상기 판정을 위해, 열림 시간이 가장 빠른 인젝터 샘플에서 특정 분사 시간(예컨대, 0.5ms, 1ms, 2ms, 5ms 등) 이후 자화가 완전히 제거되기 까지의 시간이, 소정값으로서 별도의 캘리브레이션 테이블로 제어부(100)에 저장되어 있다.
만약, 단계 S170에서, 다단 분사의 모든 분사에 있어서 분사간 휴지시간이 소정값 이하인 것으로 판정되는 경우, 다단 분사 중에는 인젝터의 사전 구동을 실시할 필요가 없게 된다. 따라서, 이 경우, 다단 분사의 제1 분사 전에만 사전 구동을 실시하여 제1 분사 전 코일(120e)을 자화시키면 된다.
이를 위해, 분사모드 계산부(15)에서는 앞서의 단계 S120 및 단계 S130과 마찬가지로, 사전 구동 시간 및 전류량을 계산한다(S180, S190).
그리고, 분사모드 계산부(15)에서는, 분사 시간을 변환한다(S200). 즉, 기준의 다단 분사 모드의 제1 분사의 분사 시간을, 기존의 제1 분사의 분사 시간에 단계 S180에서 계산된 사전 구동 시간을 합한 값으로 설정한다. 그리고, 제1 분사를 제외한 다단 분사의 나머지 분사에 대해서는 기존의 분사 시간을 그대로 적용한다. 그리고, 주분사 시의 다단 분사의 분사 각도는 기존의 분사 각도가 그대로 적용된다.
그리고, 분사모드 계산부(15)에 의해 각 분사의 분사 시간, 분사 각도가 결정되면, 인젝터 구동 드라이버(12)는 분사모드 계산부(15)로부터 계산된 분사 횟수, 분사 시간 및 분사 각도의 정보를 이용하여 구동 신호를 생성하고 이를 인젝터 구동 반도체(11)에 송신한다. 인젝터 구동 반도체(11)는 인젝터 구동 드라이버(12)로부터 수신된 구동 신호를 바탕으로, 다단 분사 중 제1 분사에 대하여, 제1 분사의 분사 시간 중 일부 구간에 대해서는 인젝터의 사전 구동을 위한 전류 파형을 형성하고, 나머지 구간에 대해서는 주분사를 위한 전류 파형을 형성한다(S150). 이 때 주분사 시 다단 분사 각각의 전류 파형은, 기존의 목표 분사 연료량을 만족하기 위한 주분사 시의 전류 파형으로 설정되게 된다.
이를 통해, 기존의 n단 분사의 제1 분사 전에 인젝터의 사전 구동을 실시하도록 인젝터(120)를 구동시킨다(S220).
단계 S170에서, 기존의 다단 분사 시의 분사 중 적어도 어느 하나의 분사에 있어서 휴지시간이 소정값을 초과하는 것으로 판단되는 경우(단계 S170:No), 분사모드 계산부(15)에서는, 직전의 분사와의 휴지시간이 소정값을 초과하는 분사의 펄스 번호를 모두 저장한다(S230). 해당 펄스 번호의 분사의 경우에는, 직전의 분사로 인한 코일(120e)의 자화가 소실된 상태이므로, 그 직전에 전분사를 실시함으로써, 다시 코일을 자화시킬 필요가 있기 때문이다. 예컨대, 기존의 주분사가 5단 분사이고, 그중 1단과 2단 사이의 휴지시간 및 4단과 5단 사이의 휴지시간이 소정값을 초과하는 경우, 2단 분사와 5단 분사 시의 펄스 번호를 제어부(100)에 저장한다.
다음으로, 분사모드 계산부(15)에서는, 앞서의 단계 S120, S130, S180, S190과 마찬가지로, 사전 구동 시간 및 전류량을 계산한다(S240, S250).
그리고, 분사모드 계산부(15)에서는, 분사 시간을 변환한다(S260). 구체적으로는, 다단 분사 중 제1 분사(1단 분사) 및 단계 S230에서 저장된 펄스 번호에 대응되는 분사의 분사 시간에 대해서는, 기존의 분사 시간에 단계 S240에서 계산된 사전 구동 시간을 합한 값을 새로운 분사 시간으로 설정한다. 예컨대, 상술한 예의 경우, 1단, 2단 및 5단 분사의 분사 시간을, 기존의 1단, 2단 분사 및 5단 분사의 분사 시간 각각에 대해 단계 S240에서 계산된 사전 구동 시간을 합한 값을, 각각 새로운 1단, 2단 및 5단 분사의 분사 시간으로 설정한다. 그리고, 나머지 분사들에 대해서는 기존의 분사 시간을 그대로 적용한다. 예컨대, 상술한 예에서, 1단, 2 단 및 5단 분사를 제외한 3단 및 4단 분사는 기존의 각각의 3단 및 4단 분사 시의 분사 시간이 그대로 적용된다. 그리고 주분사 시의 다단 분사의 분사 각도는 기존의 분사 각도가 그대로 적용된다.
그리고, 분사모드 계산부(15)에 의해 각 분사의 분사 시간, 분사 각도가 결정되면, 인젝터 구동 드라이버(12)는 분사모드 계산부(15)로부터 계산된 분사 횟수, 분사 시간 및 분사 각도의 정보를 이용하여 구동 신호를 생성하고 이를 인젝터 구동 반도체(11)에 송신한다. 인젝터 구동 반도체(11)는 인젝터 구동 드라이버(12)로부터 수신된 구동 신호를 바탕으로, 사전 구동 시와 주분사 시의 전류 파형을 생성한다(S270). 이 때, 인젝터 구동 반도체(11)는 제1 분사의 분사 시간 중 일부 구간에 대해서는 인젝터의 사전 구동을 위한 전류 파형을 형성하고, 나머지 구간에 대해서는 주분사를 위한 전류 파형을 형성한다. 그리고, 제1 분사를 제외한 나머지 다단 분사에 대해서는, 다단 분사의 각각의 펄스 번호가 단계 S230에서 저장된 펄스 번호에 해당하는 지 여부를 판단하여, 저장된 펄스 번호에 해당하는 분사에 대해서는, 마찬가지로, 일부 구간에 대해서 인젝터의 사전 구동을 위한 전류 파형을 형성하고, 나머지 구간에 대해서는 주분사를 위한 전류 파형을 형성한다.
도 4와 도 5를 도시한 결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료 분사 제어 방법에 따르면, 인젝터 열림시간을 현저히 감소시킬 수 있다. 도 4에서 도시된 종래의 연료 분사 제어 방법에 의하면, 진동 센서로부터의 측정 결과에 의해 추정되는 인젝터 열림시간이 대략 306㎲이다. 이에 반해, 도 5에서 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료 분사 제어 방법에 의하면, 진동 센서로부터의 측정 결과에 의해 추정되는 인젝터 열림시간이 대략 176㎲으로서 종래 대비 거의 2배 이상 인젝터 열림 시간을 단축시킬 수 있다.
때문에, 빠른 시간 내에, 도 7에 도시된 발리스틱 구간(A)과 트렌지언트 구간(B)(미소 유량 구간)을 통과하여 리니어 구간(C)에 신속하게 도달할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 분사시간이 짧은 경우에도 안정적으로 유량을 발생시킬 수 있으며, 특히, 발리스틱 구간에서도 유량을 안정적으로 형성할 수 있다. 또한 분사시간의 길이와 관계없이 인젝터 열림시간이 일정하게 유지시킬 수 있고, 인젝터간 열림시간의 편차도 상당부분 개선시킬 수 있다.
100: 제어부 110: 엔진
120: 인젝터 130: 레일
132: 압력센서 140: 연료펌프
150: 연료탱크

Claims (10)

  1. 연료를 인젝터를 통해 연소실로 분사하는 연료 분사 제어 방법에 있어서,
    소정의 사전 구동 시간 동안 상기 인젝터를 구동시키는 사전 구동(Pre-Energizing) 단계;와,
    상기 인젝터의 상기 사전 구동 단계 후에, 산출된 목표 분사 연료량만큼 연료를 분사하도록 인젝터를 제어하는 주분사(main injection) 단계;를 구비하고,
    상기 사전 구동 단계에서는, 상기 사전 구동에 의해 상기 연료의 유량이 발생되지 않도록 하는 전류량을 상기 사전 구동 시간 동안 상기 인젝터에 인가하여, 상기 인젝터의 인젝터 코일을 사전에 자화시키는 것을 특징으로 하는 연료 분사 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 사전 구동 단계는,
    연료 압력 및 엔진 온도에 따라 상기 사전 구동 시간 및 상기 전류량을 계산하는 단계를 더 포함하는, 연료 분사 제어 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 사전 구동 단계는,
    상기 주분사가 단일 분사인지 다단 분사인지 여부를 판정하는 단계;
    상기 주분사가 단일 분사로 판정되는 경우에,
    최종 분사 시간을, 기존의 주분사의 분사시간과 상기 사전 구동 시간을 합한 시간으로 전환하는 단계를 포함하는, 연료 분사 제어 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 주분사가 다단 분사로 판정되는 경우에,
    다단 분사의 분사간 휴지 시간이 소정값을 초과하는 지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하고,
    다단 분사의 분사간 휴지 시간이 모두 상기 소정값 이하인 경우에는, 상기 다단 분사 중 제1 분사 시의 분사 시간을, 기존의 다단 분사 시의 제1 분사의 분사시간과 상기 사전 구동 시간을 합한 시간으로 전환하는 단계를 포함하는, 연료 분사 제어 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    다단 분사의 분사간 휴지 시간 중 적어도 어느 하나가 상기 소정값을 초과하는 경우에는, 상기 다단 분사의 제1 분사 및 상기 소정값을 초과하는 휴지 시간 이후의 분사마다, 해당 분사의 분사 시간을, 기존의 해당 분사 시의 분사 시간과 상기 사전 구동 시간을 합한 시간으로 전환하는 단계를 포함하는, 연료 분사 제어 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    연료계의 고압 펌프의 고장으로 인해, 강제 저압 모드로 연료를 분사하는 림폼 모드의 실행 중인지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 림폼 모드의 실행 중인 것으로 판단되는 경우, 상기 사전 구동 단계의 실시를 중단하는, 연료 분사 제어 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 사전 구동 단계에서는,
    상기 인젝터의 사전 구동 시에, 부스트 전압을 사용하여 상기 인젝터에 가해지는 전류량을 증가시킨 다음, 배터리 전압을 사용하여 상기 주분사 시점까지 상기 인젝터에 가해지는 전류량을 유지하는, 연료 분사 제어 방법.
  8. 실린더로 연료를 분사하는 인젝터;
    목표 분사 연료량만큼 상기 인젝터로부터 연료가 분사되도록 상기 인젝터를 제어하는 제어부;를 구비하는 연료 분사 제어 장치에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 목표 분사 연료량을 분사하는 주분사 전에, 연료의 유량이 발생하지 않도록 하는 소정의 사전 구동 시간 동안 소정 크기의 전류량을 상기 인젝터에 인가하여 상기 인젝터의 인젝터 코일을 자화시키는 사전 구동 제어를 실시하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 연료 분사 제어 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 사전 구동 시간 및 상기 전류량을 계산하는 사전 구동 시간 및 전류량 계산부,
    상기 주분사 시의 분사 횟수, 인젝터의 분사 시간 및 분사 각도와, 상기 사전 구동 시간 및 전류량 계산부에서 계산된 결과를 바탕으로 상기 인젝터의 분사 시간을 계산하는 분사 모드 계산부,
    상기 분사 모드 계산부의 계산 결과에 근거하여, 상기 사전 구동 및 상기 주분사 시의 전류 파형을 각각 형성하여 상기 인젝터를 제어하는 인젝터 구동 반도체를 포함하는, 연료 분사 제어 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 사전 구동 시간 및 전류량 계산부에서는, 연료 레일 압력 센서에 의해 측정된 연료 압력 및 냉각수 센서에 의해 측정된 엔진 온도에 근거하여 상기 사전 구동 시간 및 상기 전류량을 계산하는, 연료 분사 제어 장치.
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