WO2018194385A1 - 연비향상과 배출가스 저감을 동시에 구현하는 lpg 차량의 연료 펌프 및 엔진 제어 방법 - Google Patents

연비향상과 배출가스 저감을 동시에 구현하는 lpg 차량의 연료 펌프 및 엔진 제어 방법 Download PDF

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fuel
engine
temperature
ecm
fuel pump
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PCT/KR2018/004532
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오성진
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르노삼성자동차 주식회사
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K15/00—Arrangement in connection with fuel supply of combustion engines or other fuel consuming energy converters, e.g. fuel cells; Mounting or construction of fuel tanks
    • B60K15/03—Fuel tanks
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60K15/03—Fuel tanks
    • B60K15/077—Fuel tanks with means modifying or controlling distribution or motion of fuel, e.g. to prevent noise, surge, splash or fuel starvation

Definitions

  • the present invention relates to an LPG vehicle, and more particularly to a technique for controlling the driving of the engine of the LPG vehicle.
  • Patent Document 1 It is disclosed in the Republic of Korea Patent Publication No. 2006-0028550 to improve the startability of the LPG vehicle driving the vehicle by injecting the liquid LPG fuel to the engine through the injector via the ⁇ fuel rail> (Patent Document 1)
  • Patent document 1 is characterized by the technique of improving the startability by controlling the rotation speed of the engine pump when restarting after stopping the engine in a state where the engine is in a high temperature state or under load conditions of the idle engine.
  • an attempt was made to make more sophisticated improvements in mass production by applying the technology to an actual vehicle. It wasn't just a matter of improving start-up, but rather an elaborate design of mechanisms that help improve fuel economy as well as reducing emissions that are urgent needed in industrial sites.
  • Patent document 1 was the injection system technology of the general LPG vehicle in this state.
  • engine idling is not only negative for fuel economy, but also adversely affects the atmosphere. Therefore, it is necessary to change the engine of the idle state to a stationary state, but there was a problem that the problem of vaporization of the fuel present in the fuel rail occurs.
  • the present invention was completed after careful performance evaluation while continuing to experiment with safety for a long time in the field.
  • An object of the present invention is to change the engine in the idle state to a stopped state and to stop the engine rail for a time until the driver presses the accelerator pedal again to start driving in a stationary situation such as a signal waiting for improved fuel economy and atmospheric environment. It is to propose a technique to control the fuel pump to supply more of the cool liquid gas of the fuel tank to the fuel rail at the optimum time so that the fuel of the fuel is not vaporized.
  • the injector does not fuel the engine, it improves fuel economy.However, by supplying cool fuel to the fuel rail, fuel evaporation in the fuel rail, which is a side effect of stopping the engine, However, how to accurately determine the point of need and control the fuel pump is a very important issue.
  • the present invention provides a method of controlling a fuel pump and an engine of an LPG vehicle that simultaneously improve fuel economy and reduce emissions.
  • the ECM transmits a fuel pump control signal to the fuel pump control module to increase the pump duty ratio of the cold fuel contained in the fuel tank supplied to the fuel rail. Increasing the flow rate;
  • step (d) if the temperature of the fuel rail increases again to approach the preset threshold temperature, repeating step (b) and then repeating step (c);
  • step (e) the ECM restarting the engine when the accelerator pedal is pressed or the brake pedal is released; when the step (e) is executed, the process of steps (b) to (d) is terminated. do.
  • the critical temperature is propane (C 3 H 8 ) and butane (C 4 H). 10 ) is modeled and determined by the following formula 1 and formula 2 by the composition ratio of the fuel mixed from 0 to 100%,
  • the Pr is measured by a pressure sensor installed in the fuel rail, and the measured temperature is measured by a temperature sensor installed in the fuel tank.
  • the present invention through the problem solving means of the present invention as described above can be made to improve the fuel economy and reduce the exhaust gas by making the engine RPM in the idle state to zero in the stationary state of the signal waiting.
  • the flow rate of the fuel tank supplied to the fuel rail through the control communication between the fuel pump control module and the ECM, it is possible to prevent the vaporization of fuel present in the fuel rail and to minimize noise of the fuel pump installed in the fuel tank. You can do it.
  • FIG. 1 is a view showing a schematic configuration of a control device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a schematic configuration and function of the ECM 100 as a control device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a view schematically showing the overall process of the control method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a graph illustrating a relationship between RPM, fuel rail temperature, and pump duty in controlling an engine and a fuel tank pump of an LPG vehicle according to the present invention.
  • 5 is a view showing the meaning of the pressure / temperature phase change curve for the fuel of 50% propane, butane 50% composition ratio.
  • FIG. 6 is a view for explaining a method of inferring the composition ratio of propane and butane of the fuel stored in the fuel tank.
  • FIG. 1 schematically shows a control system for controlling an engine 200 and a fuel pump control module 500 of an LPG vehicle according to one preferred embodiment of the present invention.
  • the control system of the present invention is operated by a software module for fuel pump control installed in the engine control module (ECM) 100.
  • ECM engine control module
  • the fuel pump the fuel pump is not shown in the drawing to emphasize the function of the fuel pump control module
  • the fuel pump control module (Fuel) Pump Control Module: FPCM, 500)
  • fuel rail 400 pressure regulator 450
  • injector 401 shut off valve 550
  • fuel rail temperature sensor 410 fuel rail pressure sensor 420
  • fuel Tank temperature sensor 310 fuel Tank temperature sensor 310 and the like.
  • the fuel rail temperature sensor 410 detects the temperature of the fuel rail in real time. Preferably, as shown, it is preferably installed in the vicinity of the engine 200. The closer to the engine 200, the higher the probability that the LPG fuel is vaporized by the heat of the engine has the advantage of effectively operating the system.
  • the temperature data of the fuel rail measured by the fuel rail temperature sensor 410 is transmitted to the ECM 100.
  • the fuel tank temperature sensor 310 measures the temperature of the fuel tank 300 in real time.
  • the temperature data of the fuel tank 300 is transmitted to the ECM 100.
  • the fuel rail pressure sensor 420 is installed in the fuel rail 400 to transmit pressure data of the fuel rail 400 to the ECM 100. Although a pressure sensor is not provided in the fuel tank 300, the pressure value of the fuel tank 300 can be estimated by the pressure regulator 450. This is because the pressure regulator 450 is set to 5 bar of the fuel tank 300 pressure.
  • the pressure regulator 450 serves to maintain a constant fuel injection amount with respect to the pressure change in the fuel tank 300, and adjusts the pressure of the fuel applied to the injector 401 about 5 bar higher than the pressure of the fuel tank at all times.
  • the fuel pump control module 500 includes not only a pump assembly but also a control module, a valve, a pump relay, and the like, and controls the supply and output of fuel stored in the fuel tank 300.
  • the ECM 100 transmits an LPG fuel pump control signal to the fuel pump control module 500.
  • the ECM 100 receives vehicle status information. For example, it is possible to determine that the vehicle is in an idle state such as waiting for a signal by receiving a signal of the brake pedal. Then, the engine is controlled by the vehicle in the idle state, and the engine is driven again when the signal waiting state is released. While the engine stops and the engine re-stars again, the ECM 100 adjusts the fuel temperature to keep the fuel in the fuel rails in a liquid state, and also controls the FPCM 500 to control the fuel. Manage the flow of cold fuel to the rails.
  • FIG. 2 shows the main constituent modules of the ECM 100 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • measured data relating to the fuel tank temperature, fuel rail temperature and fuel rail pressure enters the ECM 100.
  • the ECM 100 transmits a fuel pump PWM signal and a relay signal to the fuel pump control module.
  • the ECM 100 is an A / D converter 110, a drive stage analyzer 120, an LPG fuel composition ratio determination module 130, an LPG phase change determination module 140, an LPG fuel pump control logic 150, etc. as a main module. It includes. The functions performed by the LPG fuel composition ratio determination module 130 and the LPG phase change determination module 140 will be described again with reference to FIGS. 5 and 6.
  • the invention is carried out by a software module installed in the ECM 100, which is a software module including the LPG fuel pump control logic 150, for example comprising the following software elements, ie control elements:
  • a control element that, when the brake pedal is depressed while driving and the vehicle enters a stationary state and the engine is idle, the ECM stops the engine and zeroes the engine RPM;
  • the ECM sends a fuel pump control signal to the fuel pump control module to increase the pump duty ratio, thereby increasing the flow rate of the cold fuel in the fuel tank supplied to the fuel rail. Letting the control element;
  • a control element that repeatedly executes the control elements when the temperature of the fuel rail again increases and approaches a preset threshold temperature
  • a control element that causes the ECM to restart the engine when the accelerator pedal is pressed or the brake pedal is released is released.
  • the ECM must determine whether to run the stop-start system of the present invention on an LPG vehicle.
  • the brake pedal is pressed while driving to stop the vehicle and the engine enters the idle state (S100). Meaning that the brake pedal is pressed while driving in step S100 includes stopping by an auto hold function.
  • the ECM determines whether the system of the present invention is applied by using data such as vehicle status information, for example, a stopped time and whether the air conditioner is operating.
  • the step S120 is largely made of two steps.
  • the ECM sends the fuel pump control signal to the fuel pump control module to increase the pump duty ratio to supply more fuel to the fuel rail by supplying the cool fuel contained in the fuel tank. S121).
  • the temperature of the fuel rail is lowered again, and the ECM controls the fuel pump control module.
  • the pump driving signal is transmitted to reduce the flow rate supplied from the fuel tank to the fuel rail (S122).
  • the flow rate to the fuel rail will be increased, thereby effectively preventing the fuel vaporization problem.
  • the present invention subdivided the step S120 into steps S121 and S122.
  • the first chart shows the change in engine RPM.
  • the engine RPM goes to zero between t 1 and t 7 . That is, the system of the present invention is executed while the engine RPM is 0, and the fuel pump control module is controlled by the ECM.
  • the second chart shows the change in temperature of the fuel rail over time
  • the third chart shows the PWM duty ratio of the pump.
  • the temperature of the LPG fuel in the fuel rails gradually rises.
  • the temperature of the fuel approaches the preset threshold temperature.
  • the critical temperature is determined by the phase change curve of the fuel and is set (judged) by the ECM. This is a very important value and will be described again below.
  • the ECM sends a fuel pump control signal to the fuel pump control module to increase the PWM duty ratio for a certain amount of time.
  • the fuel from the fuel rails returns to the fuel tank, while the cold fuel contained in the fuel tank is supplied to the fuel rails.
  • the ECM sends a fuel pump drive signal to the fuel pump control module as in step S122 to reduce the flow rate of fuel from the fuel tank.
  • step S121 If the temperature of the fuel rail rises again to the critical temperature at t 4 , t 5 , and t 6 , the ECM executes step S121 so that the temperature of the fuel rail becomes liquid through a signal to the fuel pump control module.
  • the ECM continues to obtain information about the state of the vehicle while the step S120 is executed.
  • the ECM determines whether the driver presses the accelerator pedal or releases the brake pedal (S130). If so, the ECM restarts the engine (S140). Therefore, the engine RPM rises again, and the duty ratio of the fuel pump also rises. As the output of the fuel pump increases, the flow rate of the cold fuel in the fuel tank supplied to the fuel rail increases, so that the temperature of the fuel rail remains stable in the liquid state.
  • Fuel rail pressure sensors, fuel rail temperature sensors and fuel tank temperature sensors are used.
  • the measured value will be applied to a predetermined pressure / temperature phase change curve.
  • FIG. 5 shows the pressure / temperature curve of LPG fuel with a mixed composition ratio of 50% propane (C 3 H 8 ) and 50% butane (C 4 H 10 ). If the composition ratio is known, this curve is confirmed. If the temperature measured by the fuel rail temperature sensor is 50 ° C and the pressure measured by the fuel rail pressure sensor is measured at 120 kPa, the pressure / temperature phase change curve indicates that the fuel in the fuel rail is in the gaseous state. Therefore, in this case, the ECM must lower the temperature of the fuel rail by supplying more fuel flow to the fuel rail in the engine tank.
  • the fuel pump control signal For effective fuel pump control, it is better to send the fuel pump control signal at a temperature ⁇ T less than the temperature T 0 of the phase change curve rather than the fuel pump control signal at the critical temperature. That is, the operating temperature at which the ECM sends the fuel pump control signal is to be determined in the T 0 - ⁇ T temperature range.
  • ⁇ T is approximately 5 ° C.
  • FIG. 5 The modeling of FIG. 5 is possible because the pressure / temperature phase change curve of the fuel is known. How can the ECM know the composition of the fuel in the fuel tank? The ECM will determine the composition of the fuel in the fuel tank to determine the phase change curve and how to model the critical temperature.
  • the critical temperature is modeled and determined by Equation 1 and Equation 2 below by the composition ratio of fuel mixed with propane (C 3 H 8 ) and butane (C 4 H 10 ) at 0-100%.
  • the Pr is measured by the fuel rail pressure sensor. Then, the pressure Pt of the fuel tank can be measured as shown in Equation 1 by 500 kPa set by the pressure regulator.
  • the temperature in the fuel tank can be measured by the fuel tank temperature sensor.
  • the temperature in the fuel tank was measured at 25 ° C.
  • the pressure Pt in the fuel tank was measured at 255 kPa by Equation 1.
  • the phase change curves for 100% propane fuel and the phase change curves for 100% butane fuel are already determined.
  • composition ratio of butane can be calculated by Equation 2 as follows.
  • composition ratio of butane in the fuel tank is 50%, and thus the composition ratio of propane is 50%, and if so, the critical temperature can be modeled using the phase change curve as shown in FIG.
  • the fuel pump control logic 150 of FIG. 2 is logic to control the fuel pump, as described in the process of FIG. 4.
  • the state of the fuel and the composition ratio are used.
  • the ECM controls the PWM signal to minimize the output of the fuel pump. So the fuel management system prevents unnecessary battery power consumption.
  • the fuel pump control module controls the output of the motor according to the PWM control signal of the ECM. Table 1 below shows the relationship between the FPCM output voltage and the ECM output PWM (FPCM input PWM) signal for the motor.
  • the fuel pump and engine control method of the LPG vehicle which implements fuel efficiency improvement and emission reduction at the same time may be implemented in the form of program instructions that can be executed by various computer means.
  • the computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination.
  • Program instructions recorded on the media may be those specially designed and constructed for the purposes of the present invention, or they may be of the kind well-known and available to those having skill in the computer software arts.
  • Examples of computer readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape, optical recording media such as CD-ROMs, DVDs, magnetic-optical media such as floppy disks, and ROM, RAM, Hardware devices specifically configured to store and execute program instructions, such as flash memory, may be included.
  • Examples of program instructions include machine code, such as produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter.
  • the hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.

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Abstract

본 발명은 연비향상과 배출가스 저감을 동시에 구현하는 LPG 차량의 연료 펌프 및 엔진 제어 방법에 관합니다. 주행 중 브레이크 페달이 눌려져 차량이 정지 상태로 진입하고 엔진이 아이들 상태가 되면 ECM(100)이 엔진(200)을 스탑시켜서 엔진 RPM을 0으로 만듭니다. 그런 다음에 연료 레일의 상변화 상태를 모니터링해서 연료 펌프의 출력을 제어하는 것입니다. 연료 레일의 온도가 미리 설정된 임계 온도에 접근하면 ECM(100)은 연료 펌프 제어 모듈(500)에 연료 펌프 제어 신호를 전송하여 펌프 듀티비를 증가시킴으로써 연료 레일(400)에 공급하는 연료 탱크(300)에 들어 있는 차가운 연료의 유량을 증가시킵니다. 이번에는 연료 레일(400)의 온도가 감소함에 따라 ECM(100)이 연료 펌프 제어 모듈(500)에 연료 펌프 구동 신호를 전송하여 연료 탱크(300)로부터 공급되는 차가운 연료의 유량을 감소시킵니다. 사용자가 액셀 페달이 밟거나 브레이크 페달이 해제되면 ECM은 엔진을 재가동시킴으로써 본 발명의 시스템과 프로세스를 종료합니다.

Description

연비향상과 배출가스 저감을 동시에 구현하는 LPG 차량의 연료 펌프 및 엔진 제어 방법
본 발명은 LPG 차량에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 LPG 차량의 엔진의 구동을 제어하는 기술에 관한다.
액상의 LPG 연료를 <연료 레일>을 거쳐 인젝터를 통해 엔진에 분사함으로써 차량을 구동시키는 LPG 차량의 시동성 향상에 관해서는 대한민국 공개특허 제2006-0028550호에 개시되었다(특허문헌 1)
특허문헌 1은 엔진이 고온상태인 상황에서 시동을 정지한 후 재시동을 할 때나 엔진이 구동 중인 아이들의 부하상황에서 엔진 펌프의 회전속도를 제어하여 시동성을 향상시키는 기술을 특징으로 하고 있다. 위 특허문헌 1의 발명자로서 그 기술을 실제 차량에 적용시켜 양산함에 있어 더욱 정교한 개선을 시도하였다. 그것은 단순히 시동성 향상이라는 관점에서 머무는 것이 아니라, 산업 현장에서 절실히 요구되고 있는 배출가스의 저감뿐만 아니라 연비의 향상을 도모하는 메커니즘을 정교하게 설계하는 개선이었다.
신호대기나 정체상황에서 엔진은 아이들 상태(엔진 공회전 상태)가 된다. 특허문헌 1은 이 상태에서의 일반적인 LPG 차량의 인젝션 시스템 기술이었다. 그러나 엔진 공회전 상태는 연비향상에도 부정적일 뿐만 아니라, 대기환경에도 나쁜 영향을 끼친다. 그러므로 아이들 상태의 엔진을 정지상태로 바꿀 필요가 있지만, 그때는 연료 레일에 존재하는 연료의 기화문제가 발생한다는 문제점이 있었다.
위와 같은 문제를 해결하기 위하여 연구하고 오랫동안 현장에서 안전성을 실험을 지속하면서 주의 깊게 성능 평가를 한 끝에 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 연비향상과 대기 환경을 위해서 신호대기 등의 정차상황에서 다시 운전자가 액셀러레이터 페달을 밟아 주행을 시작하기까지의 시간 동안, 아이들 상태의 엔진을 정지 상태로 변화시킴과 동시에, 엔진 레일의 연료가 기화되지 않도록 최적의 시점에서 연료 탱크의 차가운 액체 가스를 연료 레일에 더 많이 공급해주도록 연료 펌프를 제어하는 기술을 제안하는 것이다.
인젝터가 엔진에 연료를 공급하지 않으므로 연비를 향상시키게 되지만, <필요시> 연료 레일에 차가운 연료를 공급함으로써 엔진 정지에 따른 부작용인 <연료 레일에서의 연료 기화>(연료탱크에 있는 연료의 기화가 아니라)를 효과적으로 예방할 수 있는 것인데, 결국 <필요시점>을 어떻게 정확히 판단해서 연료 펌프를 제어할 것인지가 매우 중요한 관건이 되겠다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
본 발명은 연비향상과 배출가스 저감을 동시에 구현하는 LPG 차량의 연료 펌프 및 엔진을 제어하는 방법으로서:
(a) 주행 중 브레이크 페달이 눌려져 차량이 정지 상태로 진입하고 엔진이 아이들 상태가 되면 ECM(Engine Control Module)이 엔진을 스탑시켜서 엔진 RPM을 0으로 만드는 단계;
(b) 연료 레일의 온도가 미리 설정된 임계 온도에 접근하면 상기 ECM은 연료 펌프 제어 모듈에 연료 펌프 제어 신호를 전송하여 펌프 듀티비를 증가시킴으로써 상기 연료 레일에 공급하는 연료 탱크에 들어 있는 차가운 연료의 유량을 증가시키는 단계;
(c) 상기 연료 레일의 온도가 감소함에 따라 상기 ECM이 상기 연료 펌프 제어 모듈에 연료 펌프 구동 신호를 전송하여 연료 탱크로부터 공급되는 차가운 연료의 유량을 감소시키는 단계;
(d) 상기 연료 레일의 온도가 다시 증가하여 상기 미리 설정된 임계 온도에 접근하면, 상기 (b) 단계를 반복하고, 또한 이어서 (c) 단계를 반복하도록 하는 단계; 및
(e) 액셀 페달이 눌려지거나 브레이크 페달이 해제되면 상기 ECM이 엔진을 재가동시키는 단계를 포함하되, 상기 (e) 단계가 실행되면 상기 (b) 내지 (d) 단계의 프로세스를 종료하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 연비향상과 배출가스 저감을 동시에 구현하는 LPG 차량의 연료 펌프 및 엔진을 제어하는 방법에 있어서, 상기 임계 온도는 프로판(C3H8)과 부탄(C4H10)이 0~100%로 혼합된 연료의 조성비에 의해 아래의 식 1 및 식 2에 의해 모델링되어 정해지며,
Figure PCTKR2018004532-appb-I000001
(식 1)
Figure PCTKR2018004532-appb-I000002
(식 2)
(Pt: 연료 탱크 압력, Pr: 연료 레일 압력, Pp: 프로판 100%일 때 상변화곡선에서의 측정 온도에 대응하는 압력, Pb: 부탄 100%일 때 상변화곡선에서의 측정 온도에 대응하는 압력)
상기 Pr는 연료 레일에 설치된 압력 센서에 의해 측정되며, 상기 측정 온도는 연료 탱크에 설치된 온도 센서에 의해 측정되는 것이다.
위와 같은 본 발명의 과제해결수단을 통해서 본 발명은 신호 대기의 정차 상황에서 아이들 상태의 엔진 RPM을 0으로 만들어 연비향상과 배출가스 저감을 도모할 수 있다. 또한, 연료 펌프 제어 모듈과 ECM과의 제어 통신을 통해 연료 레일에 공급되는 연료 탱크의 유량을 효과적으로 제어함으로써 연료 레일에 존재하는 연료의 기화를 방지함과 동시에 연료 탱크의 설치된 연료 펌프의 노이즈를 최소화할 수 있게 된다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 제어 장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 제어장치로서 ECM(100)의 개략적인 구성과 기능을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 제어방법의 전체 프로세스를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따라 LPG 차량의 엔진과 연료 탱크 펌프를 제어함에 있어, RPM, 연료 레일 온도 및 펌프 듀티의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 프로판 50%, 부탄 50% 조성비의 연료에 대한 압력/온도 상변화 곡선의 의미를 나타내는 도면이다.
도 6은 연료 탱크에 저장되어 있는 연료의 프로판과 부탄의 조성비를 추론하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예가 안내하는 본 발명의 구성과 그 구성으로부터 비롯되는 효과에 대해 살펴본다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 LPG 차량의 엔진(200) 및 연료 펌프 제어 모듈(500)을 제어하는 제어 시스템을 개략적으로 나타낸다.
본 발명의 제어 시스템은 ECM(Engine Control Module)(100)에 설치된 연료 펌프 제어용 소프트웨어 모듈에 의해 작동한다. 이 시스템 내에는 ECM(100)과 엔진(200) 외에, 연료 탱크(300), 연료 펌프(연료 펌프 제어 모듈의 기능을 강조하기 위해서 연료 펌프는 도면에 도시하지 않았다), 연료 펌프 제어 모듈(Fuel Pump Control Module: FPCM, 500), 연료 레일(400), 압력 레귤레이터(450), 인젝터(401), shut off 밸브(550), 연료 레일 온도 센서(410), 연료 레일 압력 센서(420), 연료 탱크 온도 센서(310) 등이 포함된다.
연료 레일 온도 센서(410)는 연료 레일의 온도를 실시간으로 감지한다. 바람직하게는 도시되어 있는 것처럼, 엔진(200)에 인접한 곳에 설치하는 것이 좋다. 엔진(200)에 가까울수록 엔진의 열에 의해 LPG 연료가 기화될 확률이 높아지기 때문에 효과적으로 시스템을 운용할 수 있는 장점이 있다. 연료 레일 온도 센서(410)에서 측정한 연료 레일의 온도 데이터는 ECM(100)으로 전송된다.
연료 탱크 온도 센서(310)는 연료 탱크(300)의 온도를 실시간으로 측정한다. 그리고 연료 탱크(300)의 온도 데이터는 ECM(100)으로 전송된다.
연료 레일 압력 센서(420)는 연료 레일(400) 내에 설치돼서 연료 레일(400)의 압력 데이터를 ECM(100)으로 전달한다. 연료 탱크(300) 안에는 압력 센서가 설치되어 있지 않지만, 압력 레귤레이터(450)의 의해 연료 탱크(300)의 압력 값을 예상할 수 있다. 압력 레귤레이터(450)는 연료 탱크(300) 압력의 5bar로 설정되어 있기 때문이다.
압력 레귤레이터(450)는 연료 탱크(300) 내의 압력 변화에 대하여 연료 분사량을 일정하게 유지하는 역할을 하며, 인젝터(401)에 걸리는 연료의 압력을 연료 탱크의 압력보다 항상 5bar 정도를 높게 조정한다.
연료 펌프 제어 모듈(500)는 펌프 어셈블리뿐만 아니라, 컨트롤 모듈, 밸브, 펌프 릴레이 등의 구성을 포함하며, 연료 탱크(300)에 저장되어 있는 연료의 공급과 출력을 제어한다.
ECM(100)은 상기 연료 펌프 제어 모듈(500)로 LPG 연료 펌프 제어 신호를 전송한다. 도시되어 있지 않지만, 본 발명의 시스템에서 ECM(100)은 차량 상태 정보를 수신한다. 예컨대 브레이크 페달의 신호를 수신해서 차량이 신호 대기 등의 아이들 상태에 있음을 판단할 수 있다. 그러면 아이들 상태의 차량을 엔진 정지 상태의 차량으로 엔진을 제어하고, 신호 대기 등의 상태가 해제되면 다시 엔진을 구동한다. 엔진이 정지(stop)하고 다시 엔진이 재시동(re-staring)하는 동안에, ECM(100)은 연료 레일에 있는 연료가 액체 상태를 유지하도록 연료 온도를 조절하며, 또한 FPCM(500)을 제어하여 연료 레일로 공급되는 차가운 연료의 유량을 관리한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ECM(100의 주요 구성 모듈들을 나타내고 있다. 전술한 것처럼, 연료 탱크 온도, 연료 레일 온도, 연료 레일 압력에 관한 측정된 데이터가 ECM(100)으로 들어온다. 그리고 ECM(100)은 연료 펌프 제어 모듈로 연료 펌프 PWM 신호와 릴레이 신호를 전달한다.
ECM(100)은 주요 모듈로서 A/D 컨버터(110), Drive stage 분석기(120), LPG 연료 조성비 판단 모듈(130), LPG 상변화 판단 모듈(140), LPG 연료 펌프 제어 로직(150) 등을 포함한다. LPG 연료 조성비 판단 모듈(130) 및 LPG 상변화 판단 모듈(140)에 의해 행해지는 기능은 도 5 및 도 6에서 다시 설명하기로 한다. 본 발명은 ECM(100)에 설치되는 소프트웨어 모듈에 의해 행해지는데, 이는 LPG 연료 펌프 제어 로직(150)을 포함한 소프트웨어 모듈로서 예컨대 다음과 같은 소프트웨어 요소, 즉 제어 요소를 포함한다:
- 주행 중 브레이크 페달이 눌려져 차량이 정지 상태로 진입하고 엔진이 아이들 상태가 되면 ECM이 엔진을 스탑시켜서 엔진 RPM을 0으로 만드는 제어 요소;
- 연료 레일의 온도가 미리 설정된 임계 온도에 접근하면 ECM이 연료 펌프 제어 모듈에 연료 펌프 제어 신호를 전송하여 펌프 듀티비를 증가시킴으로써 상기 연료 레일에 공급하는 연료 탱크에 들어 있는 차가운 연료의 유량을 증가시키는 제어 요소;
- 연료 레일의 온도가 감소함에 따라 ECM이 연료 펌프 제어 모듈에 연료 펌프 구동 신호를 전송하여 연료 레일에 공급하는 연료의 유량을 감소시키는 제어 요소;
- 연료 레일의 다시 온도가 증가하여 미리 설정된 임계 온도에 접근하면, 상기 제어 요소들을 반복하여 실행하는 제어 요소;
- 액셀 페달이 눌려지거나 브레이크 페달이 해제되면 ECM이 엔진을 재가동시키는 제어 요소를 포함.
이제 위와 같은 ECM의 제어 요소들을 통해서 본 발명에 따른 연료 펌프 제어 방법의 전체적인 프로세스를 개략적으로 살펴 본다.
먼저, ECM은 LPG 차량에 본 발명의 스탑-스타트 시스템을 실행할지 여부를 판단해야 한다.
바람직하게는, 주행 중 브레이크 페달이 눌려져서 차량이 정지하고 엔진은 아이들 상태에 진입하는 것이다(S100). S100 단계에서 주행 중 브레이크 페달이 눌려진다는 의미는 오토 홀드(Auto Hold) 기능 등에 의해 멈춰지는 것을 포함한다. 이때 ECM은 차량의 상태정보, 예컨대 정차한 시간, 에어컨 작동 여부 등의 데이터를 이용하여 본 발명의 시스템 적용 여부를 판단하게 된다.
그 결과, ECM이 연비 향상과 배출가스 저감을 위한 시스템 운용이 필요하다고 판정하는 경우, 엔진을 스탑시켜 엔진 RPM을 0으로 만든다(S110).
그런 다음에 연료 레일 안에 있는 연료의 기화를 방지하기 위한 엔진 펌프 제어 프로세스를 실행한다(S120).
상기 S120 단계는 크게 두 가지 단계로 이루어진다.
엔진을 정지시키면 연료 레일의 온도가 상승하게 된다. 연료 레일의 온도가 <미리 설정된 임계 온도>에 접근하면 ECM은 연료 펌프 제어 모듈에 연료 펌프 제어 신호를 전송하여 펌프 듀티비를 증가시킴으로써 연료 탱크에 들어 있는 차가운 연료를 연료 레일에 더 많이 공급한다(S121).
그러면 다시 연료 레일의 온도가 낮아지게 되고, ECM은 연료 펌프 제어 모듈을 제어하게 되는데, 바람직하게는 펌프 구동 신호를 전송하여 이번에는 연료 탱크로부터 연료 레일에 공급되는 유량을 감소시킨다(S122).
상기 S120 단계를 두 단계로 나누지 않고 연료 탱크로부터 연료 레일에 연료를 공급하는 출력 자체를 높이는 방법을 생각해 볼 수 있지는 않을까 그러면 연료 레일로 공급되는 유량이 커지기 때문에 연료 기화 문제를 효과적으로 방지할 수 있을 것이다. 그러나 연료 펌프로부터 노이즈가 발생하는 부작용이 발생한다. 그로 말미암아 LPG 연료 펌프 시스템 자체에 문제가 있는 것으로 오인될 것이다. 연료 펌프의 출력을 낮추면 노이즈 문제를 해결할 수 있지만, 연료 기화 문제가 발생한다. 그러므로 본 발명은 S121 단계와 S122 단계로 상기 S120 단계를 세분화했다.
도 4는 상기 S121 단계와 S122 단계의 메커니즘을 더욱 명확하게 나타낸 준다.
첫 번째 챠트는 엔진 RPM의 변화를 나타낸다. t1~t7 사이에 엔진 RPM은 0이 된다. 즉 엔진 RPM이 0인 상태에서 본 발명의 시스템이 실행되며, 연료 펌프 제어 모듈이 ECM에 의해 제어되는 것이다.
두 번째 챠트는 시간에 따른 연료 레일의 온도 변화를 나타내며, 세 번째 챠트는 펌프의 PWM 듀티비를 나타낸다.
t1에서 차량의 엔진 RPM이 0이 되면, 연료 레일 안의 LPG 연료의 온도가 서서히 올라간다. t2에서 연료의 온도가 미리 설정된 임계 온도에 근접하게 된다. 임계 온도는 연료의 상변화 곡선에 의해 결정되며, ECM에 의해 설정(판단)된다. 이는 매우 중요한 값이므로 아래에서 다시 설명한다.
t2 시점에서 ECM은 연료 펌프 제어 모듈에 연료 펌프 제어 신호를 전송하여 PWM 듀티비를 일정 시간 증가시킨다. 펌프 출력이 증가하면 연료 레일의 연료는 연료 탱크로 리턴하고, 동시에 연료 탱크 안에 들어 있는 차가운 연료가 연료 레일로 공급되게 된다.
그러면 t3에서 다시 연료 레일의 온도가 내려간다. ECM은 상기 S122 단계처럼 연료 펌프 제어 모듈로 연료 펌프 구동 신호를 보내서 연료 탱크로부터 연료의 유량을 줄인다.
t4, t5, t6에서 연료 레일의 온도가 다시 임계 온도까지 상승한다면 ECM은 다시 연료 펌프 제어 모듈로 보내는 신호를 통해서 연료 레일의 온도가 액체 상태가 되도록 S121 단계를 실행하는 것이다.
ECM은 상기 S120 단계가 실행되는 동안에 차량의 상태에 관한 정보를 계속 입수한다. ECM은 운전자가 액셀러레이터 페달을 밟거나 또는 브레이크 페달을 해제하는지 여부를 판단한다(S130). 만약 그렇다면 ECM은 엔진을 다시 스타트한다(S140). 그러므로 엔진 RPM은 다시 상승하고, 연료 펌프의 듀티비도 상승한다. 연료 펌프의 출력상승에 의해 연료 레일로 공급되는 연료 탱크 안에 있는 차가운 연료의 유량이 증대하기 때문에 연료 레일의 온도는 안정적으로 액체 상태를 유지한다.
이제, 앞에서 설명한 임계 온도를 정하고, 이 임계 온도에 따라 연료 레일의 상태를 모델링하는 방법에 대해서 설명한다. 연료 레일 압력 센서와 연료 레일 온도 센서 및 연료 탱크 온도 센서가 사용된다. 측정된 값은 미리 정해진 압력/온도 상변화 곡선에 적용될 것이다.
도 5는 프로판(C3H8) 50%, 부탄(C4H10) 50%의 혼합 조성비를 갖는 LPG 연료의 압력/온도 곡선을 나타낸다. 조성비를 알 수만 있다면 이 곡선은 확정된다. 연료 레일 온도 센서가 측정한 온도가 50℃이며, 연료 레일 압력 센서가 측정한 압력이 120kPa로 측정되었다면 압력/온도 상변화 곡선을 통해 연료 레일의 연료가 기체 상태에 있음을 나타낸다. 그러므로 이 경우 ECM은 엔진 탱크에 있는 차가운 연료의 유량을 더 많이 연료 레일에 공급함으로써 연료 레일의 온도를 낮춰줘야 한다.
효과적인 연료 펌프 제어를 위해서, 상변화 곡선의 온도를 임계 온도에서 연료 펌프 제어 신호를 보내기보다는 상변화 곡선의 온도(T0)보다 △T가 작은 온도에서 연료 펌프 제어 신호를 보내는 것이 좋다. 즉, ECM이 연료 펌프 제어 신호를 보내는 동작 온도는 T0-△T 온도 영역에서 결정되도록 하는 것이다. 바람직하게는 △T는 대략 5℃인 것이 좋다.
도 5의 모델링이 가능한 까닭은 연료의 압력/온도 상변화 곡선을 알고 있기 때문이다. ECM은 어떻게 연료 탱크 안에 들어 있는 연료의 조성비를 알 수 있을까? 연료 탱크 안에 들어 있는 연료의 조성비를 ECM이 파악해서 상변화 곡선을 결정하고 임계 온도를 모델링하는 방법에 대해 설명한다.
상기 임계 온도는 프로판(C3H8)과 부탄(C4H10)이 0~100%로 혼합된 연료의 조성비에 의해 아래의 식 1 및 식 2에 의해 모델링되어 정해진다.
Figure PCTKR2018004532-appb-I000003
(식 1)
Figure PCTKR2018004532-appb-I000004
(식 2)
(Pt: 연료 탱크 압력, Pr: 연료 레일 압력, Pp: 프로판 100%일 때 상변화곡선에서의 측정 온도에 대응하는 압력, Pb: 부탄 100%일 때 상변화곡선에서의 측정 온도에 대응하는 압력)
상기 Pr은 연료 레일 압력 센서에 의해 측정된다. 그러면 압력 레귤레이터에 의해 설정된 500kPa에 의해 식 1과 같이 연료 탱크의 압력 Pt를 측정할 수 있다.
다음으로 연료 탱크 온도 센서에 의해 연료 탱크 안의 온도를 측정할 수 있다.
도 6을 보자. 연료 탱크 안의 온도는 25℃로 측정되었다. 연료 탱크 안의 압력(Pt)은 식 1에 의해 255kPa로 측정되었다. 100% 프로판 연료의 상변화 곡선과 100% 부탄 연료의 상변화 곡선은 이미 결정되어 있다.
그러면 식 2에 의해서 부탄의 조성비를 아래와 같이 계산할 수 있다.
Figure PCTKR2018004532-appb-I000005
즉, 연료 탱크 안의 부탄의 조성비는 50%이며, 따라서 프로판의 조성비도 50%가 되고, 그렇다면 도 5와 같은 상변화 곡선을 이용해서 임계 온도를 모델링할 수 있게 된다.
한편, 사용자가 브레이크 패드를 밟아서 본 발명의 스탑 모드가 활성화될 때, 도 2의 연료 펌프 제어 로직(150)은, 도 4의 프로세스에서 설명한 바와 같이, 연료 펌프를 제어하는 로직이다. 연료의 상태와 조성비가 이용된다. ECM은 PWM 신호를 제어하여 연료 펌프의 출력을 최소화한다. 그래서 연료 관리 시스템이 불필요한 배터리 전력 소모를 방지한다. 연료 펌프 제어 모듈은 ECM의 PWM 제어 신호에 따라 모터의 출력을 제어한다. 아래의 표 1은 모터에 대한 FPCM 출력 전압과 ECM 출력 PWM(FPCM input PWM) 시그널의 관계를 나타낸다.
PWM(%) MIN. NOR. MAX.
0~4 12.00 12.30 12.60
5~15 0 0 0
16 5.50 5.80 6.10
20 5.90 6.20 6.50
25 6.30 6.60 6.90
30 6.80 7.10 7.40
35 7.20 7.50 7.80
40 7.70 8.00 8.30
45 8.10 8.40 8.70
50 8.50 8.80 9.10
- - - -
94 12.00 12.30 12.60
참고로, 본 발명의 일 실시예에 연비향상과 배출가스 저감을 동시에 구현하는 LPG 차량의 연료 펌프 및 엔진 제어 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독가능매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독가능매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독가능매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체, 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함될 수 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급언어코드를 포함한다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (4)

  1. (a) 주행 중 브레이크 페달이 눌려져 차량이 정지 상태로 진입하고 엔진이 아이들 상태가 되면 ECM(Engine Control Module)이 엔진을 스탑시켜서 엔진 RPM을 0으로 만드는 단계;
    (b) 연료 레일의 온도가 미리 설정된 임계 온도에 접근하면 상기 ECM은 연료 펌프 제어 모듈에 연료 펌프 제어 신호를 전송하여 펌프 듀티비를 증가시킴으로써 상기 연료 레일에 공급하는 연료 탱크에 들어 있는 차가운 연료의 유량을 증가시키는 단계;
    (c) 상기 연료 레일의 온도가 감소함에 따라 상기 ECM이 상기 연료 펌프 제어 모듈에 연료 펌프 구동 신호를 전송하여 연료 탱크로부터 공급되는 차가운 연료의 유량을 감소시키는 단계;
    (d) 상기 연료 레일의 온도가 다시 증가하여 상기 미리 설정된 임계 온도에 접근하면, 상기 (b) 단계를 반복하고, 또한 이어서 (c) 단계를 반복하도록 하는 단계; 및
    (e) 액셀 페달이 눌려지거나 브레이크 페달이 해제되면 상기 ECM이 엔진을 재가동시키는 단계를 포함하되, 상기 (e) 단계가 실행되면 상기 (b) 내지 (d) 단계의 프로세스를 종료하는, 연비향상과 배출가스 저감을 동시에 구현하는 LPG 차량의 연료 펌프 및 엔진 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 임계 온도는 프로판(C3H8)과 부탄(C4H10)이 0~100%로 혼합된 연료의 조성비에 의해 아래의 식 1 및 식 2에 의해 모델링되어 정해지며,
    Figure PCTKR2018004532-appb-I000006
    (식 1)
    Figure PCTKR2018004532-appb-I000007
    (식 2)
    (Pt: 연료 탱크 압력, Pr: 연료 레일 압력, Pp: 프로판 100%일 때 상변화곡선에서의 측정 온도에 대응하는 압력, Pb: 부탄 100%일 때 상변화곡선에서의 측정 온도에 대응하는 압력)
    상기 Pr는 연료 레일에 설치된 압력 센서에 의해 측정되며, 상기 측정 온도는 연료 탱크에 설치된 온도 센서에 의해 측정되는 것인, 연비향상과 배출가스 저감을 동시에 구현하는 LPG 차량의 연료 펌프 및 엔진 제어 방법.
  3. 컴퓨터 판독 가능한 소프트웨어가 ECM(Engine Control Module)에 설치된 LPG 차량의 연료 펌프 및 엔진 제어 장치로서, 상기 제어 장치는
    (a) 주행 중 브레이크 페달이 눌려져 차량이 정지 상태로 진입하고 엔진이 아이들 상태가 되면 ECM(Engine Control Unit)이 엔진을 스탑시켜서 엔진 RPM을 0으로 만드는 제어 요소;
    (b) 연료 레일의 온도가 미리 설정된 임계 온도에 접근하면 상기 ECM은 연료 펌프 제어 모듈에 연료 펌프 제어 신호를 전송하여 펌프 듀티비를 증가시킴으로써 상기 연료 레일에 공급하는 연료 탱크에 들어 있는 차가운 연료의 유량을 증가시키는 제어 요소;
    (c) 상기 연료 레일의 온도가 감소함에 따라 상기 ECM이 상기 연료 펌프 제어 모듈에 연료 펌프 구동 신호를 전송하여 연료 레일에 공급되는 연료 유량을 감소시키는 제어 요소;
    (d) 상기 연료 레일의 온도가 다시 증가하여 상기 미리 설정된 임계 온도에 접근하면, 상기 (b) 단계를 반복하고, 또한 이어서 (c) 단계를 반복하도록 하는 제어 요소; 및
    (e) 액셀 페달이 눌려지거나 브레이크 페달이 해제되면 상기 ECM이 엔진을 재가동시키는 제어 요소를 포함하되, 상기 (e) 단계가 실행되면 상기 (b) 내지 (d) 단계의 프로세스를 종료하는, 연비향상과 배출가스 저감을 동시에 구현하는 LPG 차량의 연료 펌프 및 엔진 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 임계 온도는 프로판(C3H8)과 부탄(C4H10)이 0~100%로 혼합된 연료의 조성비에 의해 아래의 식 1 및 식 2에 의해 모델링되어 정해지며,
    Figure PCTKR2018004532-appb-I000008
    (식 1)
    Figure PCTKR2018004532-appb-I000009
    (식 2)
    (Pt: 연료 탱크 압력, Pr: 연료 레일 압력, Pp: 프로판 100%일 때 상변화곡선에서의 측정 온도에 대응하는 압력, Pb: 부탄 100%일 때 상변화곡선에서의 측정 온도에 대응하는 압력)
    상기 Pr은 연료 레일에 설치된 압력 센서에 의해 측정되며, 상기 측정 온도는 연료 탱크에 설치된 온도 센서에 의해 측정되는 것인, 연비향상과 배출가스 저감을 동시에 구현하는 LPG 차량의 연료 펌프 및 엔진 제어 장치.
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