A Study on the Fuel Injection System Simulating a Vehicle Driven with FTP-75 Mode for Cold Transition Period

FTP-75 냉간 주행 모드로 운전하는 차량의 연료분사 모사시스템에 관한 연구

오대산^*·이충훈^†

A Study on the Fuel Injection System Simulating a Vehicle Driven with FTP-75 Mode for Cold Transition Period

Dae San Oh and Choong Hoon Lee

Key words: Fuel Injection System( 연료분사시스템 ), Transient Driving Mode( 과도운전모드 ), FTP-75( 연방시험절차 - 75), FPGA DAQ Board (FPGA ^{데이터수집보드} )

Abstract

A fuel injection system which is operated with a real vehicle driving simulation was developed as an alternative to a vehi- cle test for the fuel injectors. The sensor signals that are supplied to the ECU were measured and recorded as a data file for a vehicle driven in FTP-75 mode in a chassis dynamometer. The imperative sensor signals of the throttle position, vehicle speed, engine speed, crank position, cam position, intake air flow, and cooling water and intake air temperature were recon- structed using FPGA DAQ boards and a PXI computer. The scanning results showed good agreement with the input signals that were reconstructed. The ECU HILS system operated successfully to drive six fuel injectors, which injected fuel in the same pattern as if they were mounted in the vehicle driven in FTP-75 mode. Also, the fuel injection system developed in this research shows the possibility of application in evaluating the characteristics of fuel injection rate for injectors according to properties of injected fuel with the real driving mode of vehicles.

1. 서 론

ECU(engine control unit) ^{는 엔진으로 흡입되는 혼합}

기의 공연비 및 점화 시기 제어를 위해 1980 년대부터

도입되기 시작하였다 . 혼합기의 공연비 및 점화 시기의 정밀한 제어는 연비 개선과 배출가스 저감에 결정적인

역할을 한다

. ^{특히 엔진으로 흡입되는 혼합기의 공연}

비 제어는 3 원 촉매변환기 (TWC: three way converter) 의

NO

, HC, CO 의 변환 효율을 높이는데 있어서 매우 중

요하다 . 흡입공기량 측정센서로부터 신호를 입력 받아

ECU ^{내부에 맵핑된 데이터를 이용하여 분사할 연료량을}

계산하는 과정을 거치게 된다 . 흡입공기량 측정 방식에 따라서 여러 종류의 공연비 제어 시스템이 개발되어 있 다

. 엔진에 공급되는 혼합기의 공연비 전자 제어뿐만 아니라 최근 출시되는 차량에는 자동변속기 (TCU) ^및

차량 안전 (ABS, TCS, ESP) 과 관련된 장치 등에도 전

자 제어가 광범위하게 적용되고 있다

.

HILS(hardware in the loop simulation) ^{기술이 발전하}

기 전에는 ECU 와 관련된 각 차량 부품의 성능 평가는 차량을 직접 새시다이나모미터에서 운전하는 방식으로

이루어져 왔다

. ^{본 연구에서 개발된 실제 주행 차량}

의 연료분사 모사 시스템도 HILS 기술을 적용한 경우이

(2011

2

21

~ 2011

4

6

, 2011

6

5

)

*서울과학기술대학교자동차공학과

†책임저자

,

,

E-mail : [email protected]

TEL : (02)970-6393 FAX : (02)979-7032

다 . ^{차량 주행시의 인젝터로부터 분사되는 연료는 과도}

(transient) 상태의 연료 분사로 현재 많이 사용되고 있는

정상 상태에서의 연료 분사에 의한 인젝터 평가 방식과 는 다르다

. ^즉 , ^{기존의 인젝터의 성능은 주로 정상 상}

태에서 수천번 반복 분사를 하여 평균 분사율을 측정하 는 방식으로 평가되었다 . 실제 주행 차량의 연료분사 모

사를 위해서는 전술한 ECU ^와 HILS ^{기술의 적용이 필}

수적이다 . 이와 관련된 기존의 연구는 Lee

가 8 비트 마이크로프세서 및 일반 DAQ 보드를 사용하여 연구한 바가 있으나 사용한 하드웨어의 구동의 정확한 타이밍 제어의 한계로 인젝터 분사율의 불균일성이 큰 문제점 을 보였다 . 이러한 타이밍 제어의 정확성을 높이기 위해

FPGA(field programmable gate array) DAQ 보드를 사용 하여 하드웨어를 구성하였다 .

과도 상태에서 인젝터를 구동하기 위해서 실제 차량을 새시다이나모미터에서 FTP-75 모드로 운전하였다 . 이 때

생성되는 차량의 각종 센서 신호를 DAQ ^{시스템으로 기}

록하였다 . 파일로 기록된 차량 센서 신호를 바탕으로

FPGA DAQ 보드와 PXI 시스템을 사용하여 차량 주행시

발생되는 센서 신호와 완전히 일치하는 전기 신호를 생

성하여 ECU 입력함으로써 실제 차량을 주행하지 않고도

인젝터를 실제 차량이 주행하는 것과 동일하게 구동하여 과도 상태에서의 연료 분사량을 측정하였다 . 또한 분사 에 사용한 액체의 물성에 따른 과도 분사 특성을 파악하 기 위해 가솔린 연료와 부동액을 사용하였다 .

2. ECU 입출력용 신호 개요

일반적으로 ECU 입출력 신호 구성은 Fig. 1 에 나타낸 것과 같이 아나로그입력 신호 , ^{빈도형 입력 신호} , ^인젝

터 구동을 위한 PWM 형 출력신호 , 스위치형 입출력 신

호 , 아나로그형 출력신호 , 시리얼 통신포트 , 파워공급 단자 등으로 구성된다 .

Fig. 1 A schematic diagram of the I/O device for a typi- cal ECU

Fig. 2 A schematic diagrams of the reconstruction electric sensor signals using the collected sensor data file from the vehi-

cle driven with FTP-75 mode

ECU ^{에 입력하기 위해} FPGA DAQ ^{보드로 생성한 신}

호는 아나로그형 입력 신호와 빈도형 입력 신호이다 . 아 날로그 형 입력 신호는 공기량 센서 신호 , 쓰로틀 밸브 위치 신호 , ^{냉각수 온도 신호} , ^{흡입공기 온도 신호 등이}

있다 . 크랭크 센서 (CPS), 캠포지션 신호 (TDC), 차속 신 호 (Vss) 등은 빈도형 (Frequency type) ECU 입력 신호의 대표적인 예이다 . ^{이들 신호를 분석하여} ECU ^{는 차속} ,

엔진 속도 등을 계산하며 최종적으로 연료 분사 기간 ,

연료 분사 타이밍을 계산하게 된다 .

Fig. 2 는 ECU 입력용 신호 생성 과정을 개략적으로

나타낸 것이다 . ^{우선 차량을 새시다이나모미터에 설치}

하고 FTP-75 주행 모드로 운전하면서 차량에서 나오는

센서 신호를 측정하여 데이터 파일로 저장한다 . 이와 같 이 획득한 차량 센서 신호 데이터를 기반으로 차량 주

행시와 동일한 센서 신호 들을 FPGA DAQ 보드와 PXI

컴퓨터를 사용하여 생성한다 . 이들 생성된 신호를 ECU

에 입력하면 차량을 실제 주행하는 것과 같이 ECU ^가

작동하게 되어 , 인젝터를 ECU 출력 단자에 연결하면 인 젝터가 차량 주행 상태와 똑 같이 연료를 분사하게 된 다 . 사용한 프로그램은 LabView

을 사용하였고 Table 1

에 FPGA DAQ 보드 시방을 요약하였다 .

3. ECU입력 차량 센서 신호 생성

차량 연료 분사 모사 시스템이 실제 차량의 주행 상 태와 동일하게 연료 분사 제어가 이루어지려면 Fig. 2 ^에

나타낸 것과 같이 FPGA DAQ 보드와 PXI 컴퓨터로 생

성된 센서 신호가 동기화된 타이밍 (synchronized timing)

으로 ECU ^{에 입력되도록 프로그램하여야 한다} .

ECU 로 입력되는 크랭크 각도 센서의 예를 Fig. 3 에

나타내었다 . 크랭크 각도 센서는 플라휠 하우징에 장착 되어 있으며 엔진이 회전하면 플라이휠 외주면에 장착

된 링기어 (ring gear) 가 회전하게 되고 이 때 크랭크 각

도 센서와 링기어 사이의 자속 변화가 유도되면서 링기 어의 이빨수 만큼의 사각파가 생성된다 . 일반적으로 피

스톤 상사점을 링기어에 마킹한다 (missing tooth). 엔진

플라이휠이 1 ^{회전을 하게 되면} Fig. 4 ^{에 나타낸 것과 같}

이 미싱투스에 해당하는 1 주기 신호와 58 주기 신호가 생성된다 . 캠포지션 센서 신호 (TDC) 는 Fig. 4(a) 에 나

Table 1 Specifications of FPGA DAQ systems used in this experiment

PXI model NI PXI-1042

FPGA DAQ board

model NI PXI-7833R

Terminal Block TBX-68

Software National Instruments LabVIEW

8.0/FPGA

Fig. 3 An inductive type crank position sensor and a ring gear with a reference mark

Fig. 4 (a) CPS and TDC sensor signals schematics and (b)

CPS and TDC sensor signal identification by using

ECU scanner

타낸 것과 같이 엔진 2 ^회전당 1 ^{주기의 사각파가 생성되}

도록 프로그램하였다 . Fig. 4(b) 는 FPGA DAQ 보드에서

생성된 CPS 신호를 ECU 에 공급한 상태에서 ECU 의 시

리얼 포트와 ECU ^{스캐너를 연결하여} ECU ^가 CPS ^센서

의 입력 신호를 읽어낸 결과를 화면 캡쳐하여 나태낸

것으로 FPGA DAQ 보드로 입력된 신호를 그대로 읽어

낸 다는 것을 알 수 있다 .

차속 센서는 차량 변속기 하우징에 장착되어 있으며 차량휠이 1 회전할 때마다 4 주기의 펄스가 생성된다 . 새 시다이나모 실험을 통해 측정한 차속 데이터로부터

FPGA DAQ ^{보드가 생성하여야 할 펄스수} (V

-Frequen- cy

) 는 식 (1) 을 이용하여 계산할 수 있다 .

(1)

여기서

는 새시다이나모에서 측정한 차속이고 , 차량 타이어의 지름은 687.5 mm 이다 . Fig. 5 는 ECU 에 식 (1)

의 계산값에 해당하는 구형파개수 (square wave number)

를 FPGA DAQ 보드로 생성하여 다른 센서 신호와 동

기된 조건에서 ECU 에 입력하였을 때 ECU 스캐너로 화 면 캡쳐한 결과이다 .

쓰로틀 밸브 포지션 센서의 전압과 각도 관계는 선형 적인 특성을 가진다 . 쓰로틀 밸브의 위치가 아이들인 경

우 센서 전압은 0.525V 이고 쓰로틀 밸브가 완전히 열렸

을 때 (WOT: wide open throttle) ^{의 센서 전압은} 4.395V

이다 . 쓰로틀 밸브 위치와 전압 관계는 식 (2) 로 나타낼

수 있으며 FPGA DAQ 보드의 아날로그 출력 단자를

이용하여 전기 신호가 생성되도록 프로그램하였다 . (2)

흡입공기량 센서 신호는 실제 차량의 흡입공기량과

전압으로부터 관계식을 추정 (curve fitting) ^{하여 식} (3)

을 얻었으며 쓰로틀 밸브 포지션 센서 신호와 유사하게

FPGA DAQ 보드의 아날로그 출력 단자로 전압 신호를

생성하였다 .

(3)

냉각수 온도와 흡입 공기량 온도는 FPGA DAQ 보드

의 아날로그 출력 단자 채널수 부족으로 인해 포텐시오

미터를 사용하여 일정온도 20.3

C 에 대응하는 일정 전

압으로 유지하였다 . 이로 인해 차량 연료 분사 모사시스

템의 작동 구간을 FTP-75 ^모드 3 ^{단계 구간 중 냉간 구}

간 (cold transition period) 으로 제한하여 운전하였다 . 특 히 , 흡입 공기 온도의 경우 공기 온도 변화가 크지 않으 므로 일정온도로 설정하여도 큰 문제가 되지 않을 것으 로 사료된다 .

전술한 방법으로 생성된 각종 센서 신호를 컴퓨터 프 로그램으로 동기화 시켜 ECU ^{에 입력하고} ECU ^시리얼

포트에 ECU 스캐너를 연결하면 입력되는 센서 데이터

를 모니터링 할 수 있었다 . 그 결과 각종 센서 신호들이 실제 차량 운전시의 발생되는 센서 신호 패턴과 일치함 을 확인하였다 .

4. 차량 연료분사 모사시스템 실험 결과

제작된 차량 연료 분사 모사 시스템이 실제 차량 주 행 조건에서의 연료 분사 실험을 대체할 수 있는지를 평가하였다 . 가솔린 차량에서 사용하는 동일한 연료 탱 크 , 연료 펌프 , 연료 필터 등의 연료 공급시스템 , 6 개의 가솔린 인젝터 , ^개당 3 ^{개의 인젝터를 연결할 수 있는 연}

료레일 2 개 사용하여 차량 연료분사 모사시스템을 구성

하였다 . PXI 컴퓨터에 FPGA DAQ 보드를 조립하고 프

로그램으로 재구성된 센서 신호는 터미널 블럭 (terminal

block) ^{을 통하여} ECU ^{입력 단자에 연결되어 동기화된}

각종 차량 센서 신호를 ECU 가 분석하여 ECU 출력 단

자로 액츄에이팅 신호를 내보낸다 . 이 때 ECU 인젝터 구동 단자를 6 ^{개의 인젝터에 각각 연결하면 인젝터로부}

터 실제 차량 주행 조건과 동일하게 연료가 분사된다 .

분사된 연료는 Fig. 6 에 나타낸 것과 같이 메스실린더를

수집된다 . Fig. 6a ^{는 가솔린을 사용하여 구동한 동영상}

화면 중 하나를 캡쳐한 것이고 , Fig. 6b 는 부동액을 사

용하였을 때의 캡쳐한 이미지의 예이다 . Fig. 7 에 나타

낸 것과 같이 FTP-75 ^{주행 모드 중 냉간 운전 구간으로}

Vss

_

× 1000000 4 × π × 687.5 × 3600 ---

=

VTPS

= 0.043 ×

+ 0.525

VAFS

= log ₍

·

₎ – 2.023

Fig. 5 Result of the scanning of the vehicle speed signal

from the ECU scanner

운전하면서 메스실린더에 수집되는 연료 분사량은 캠코 더로 촬영한 후 일정 시간 간격으로 이미지를 분석하여 누적 분사량을 계산하였다 .

차량 연료 분사 모사 시스템이 실제 주행 차량의 과 도 연료 분사량을 정확히 모사할 수 있는지를 평가하기

위해 연료 분사 모사 시스템이 FTP-75 냉간 주행 모드

로 운전하는 동안에 메스실린더에 수집된 총 누적 분사 량과 새시다이나모미터로 운전하였을 때 측정된 흡입공 기량을 바탕으로 계산된 예측 연료 분사량을 비교하였

다 . ^{차량 연료 분사 모사 시스템을} FTP-75 ^{냉간 모드로}

505 초 동안 6 개의 메스실린더에 수집된 총 누적 연료

분사량은 539.5 ml 였다 . 한편 , 새시다이나모에서 실제

차량운전시 측정된 FTP-75 ^{냉간 모드} 505 ^{초 운전 구간에}

서 측정된 누적 흡입 공기량은 5668 g 이었다 . 차량에서

공연비가 14.7, 연료의 비중을 0.68 로 하여 흡입공기량

5688 g ^{에 대응에 분사된 연료량은} 569 ml ^{로 계산되었다} .

이는 실제 차량 연료 분사량과 연료 분사모사 시스템을 분사된 연료량의 차이는 29.5 ml 로 5% 오차이다 . 이는 차 량 연료분사 모사 시스템이 차량 주행 조건에서의 과도 연료 분사를 비교적 잘 모사한다고 볼 수 있다 .

차량 연료분사 모사시스템을 사용하여 FTP-75 모드의 냉간 운전 구간에서 인젝터를 구동하는 동안 캠코더로

1 번 , 2 번 , 3 번 인젝터 3 개로부터 분사되는 연료가 각각의

메스실린더에 수집되는 영상을 촬영하였다 . ^{촬영된 동}

영상으로부터 5 초 간격으로 이미지를 캡쳐하여 5 초 간 격 누적 연료 분사량을 계산할 수 있었다 . 이와 같이 측

정된 누적연료 분사량을 Fig. 8 에 나타내었다 . Fig. 8 에

서 심볼로 나타낸 것은 실험값이고 #1, #2, #3 ^{은 각각}

인젝터 번호를 나타낸다 . 가솔린과 부동액을 사용하였 으며 각각의 동점성 계수 (kinematic viscosity) 는 21 에서

0.84 ^와 17.8 cSt ^이다

. ^{가솔린과 부동액의 각각의 누적}

연료 분사량은 점도의 영향으로 인해 큰 차이를 보이고 있다 . 점도가 작은 가솔린 액체의 누적 연료 분사량이

Fig. 6 Photograph of the fuel injection system in case of using (a) gasoline (b) antifreeze

Fig. 7 Vehicle speed variation according to the elapsed time after the driving of the vehicle in FTP-75 mode had commenced

Fig. 8 Cumulated injected liquid quantity according to the

elapsed time after the driving of the vehicle in FTP-

75 mode had commenced

큰 값을 나타내고 있음을 알 수 있다. 이러한 결과로부 터 차량 연료분사 모사시스템은 차량 주행 조건에서 연 료의 점도 차이에 따른 연료 분사율 변화를 측정하는 수단이 될 수 있다는 사실을 알 수 있다.

Fig. 8을 보면FTP-75 냉간 주행 모드의 시간 변화에 따른 3개의 실린더간 누적 연료분사율 편차가 주행 시 간대 별로 경향이 다르게 나타나고 있을 알 수 있다.

Fig. 7에 나타낸 냉간 주행 구간 중 0-200초, 300-505초 구간에서의 인젝터 간 누적 연료 분사율 편차가 비교적 크게 나타났으며 200-300 초 구간에서는 편차가 상대적 으로 작음을 알 수 있다. 이는 Fig. 7을 보면 알 수 있듯 이 차량의 냉간 주행 모드 중 0-200초, 300-505초 구간 에서의 차량 주행 속도 변동이 큰 반면에 200-300초 구 간에서의 차량 속도 변화가 완만함에 기인한다고 볼 수 있다.

차량 주행 운전 시간대 별로 변동율의 차이가 나타나 기는 했지만 차량 연료 분사 모사 시스템이 과도 상태 에서 인젝터의 연료 분사율 특성을 평가하는 수단으로 서 사용될 수 있음을 Fig. 8의 결과는 보여 주고 있다.

5. 결 론

차량이 FTP-75 냉간 주행 모드로 운전하는 조건에서 인젝터의 과도 연료 분사율을 측정할 수 있는 차량 연 료분사 모사시스템을 개발하고 실험 및 평가를 하였으 며 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) FPGA DAQ 보드와 컴퓨터를 이용하여 FTP-75 냉 간 주행 모드에서 발생되는 차량의 동기화된 센서 신호 를 재생하여 ECU에 입력함으로써 실제 주행 차량의 인 젝터 연료 분사율을 일정 시간 간격으로 측정하였으며 차량 연료 분사 모사시스템이 인젝터의 과도 연료 분사 율을 측정할 수 있음을 보여 주었다.

2) 가솔린과 부동액의 각각의 누적 연료 분사량은 점도 의 영향으로 인해 큰 차이를 보여 주었으며 이러한 결과 로부터 차량 연료 분사 모사 시스템은 차량 주행 조건에 서 연료의 점도 차이에 따른 과도 연료 분사율 변화를 측 정하는 수단으로 사용할 수 있음을 보여 주었다.

3) 차량 연료 분사 모사 시스템을 사용하여 연료 분사 율을 측정함으로써 엔진에 조립된 여러 개의 인젝터 각 각의 차량 조건에서의 과도 연료 분사율을 측정할 수

있으며 이들 인젝터 간의 변동율을 정량적으로 측정할 수 있는 수단을 확보하였다.

참고문헌

(1) Robert Bosch GmbH,

Automotive Handbook

(2) J. B. Heywood,

Internal Combustion Engine Funda- mentals

(3) Robert Bosch GmbH,

Gasoline Engine Management

(4) Robert Bosch GmbH,

ESP Electronic Stability Pro- gram

(5) Robert Bosch GmbH,

Conventional and Electronic Braking Systems

(6) A. Caraceni, F. D. Cristofaro, F. Ferrara, S. Scala and O. Philipp,“Benefits of using a real-time engine model during engine ECU development”, SAE technical paper No. 2003-01-1049, 2003.

(7) J. Gehring and H. Schütte,“A Hardware-in-the-loop test bench for the validation of complex ECU Net- works”, SAE technical Paper No. 2002-01-0801, 2002.

(8) G. Hunt, A. Truscott and A. Noble, “An in-cycle hard- ware in the loop (HIL) simulator for future engine con- trol strategy development”, SAE technical paper No.

2004-01-0418, 2004.

(9) G. L. Tsai, Y. Y. Wu, B. C. Chen and H. F. Chuang,

“Rapid prototyping ECU of a SI engine with fuel injec- tion and ignition control”, SAE technical paper No.

2004-01-0419, 2004.

(10) Robert Bosch GmbH,

Diesel Engine Management

(11) http://www.engineeringtoolbox.com/kinematic-viscosity- d_397.html

(12) C. H. Lee, “Evaluating System for Fuel Injector with the Condition of a Driving Vehicle Mode Using an ECU HILS”, Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers, Vol. 19, No. 6, pp. 812~818, 2010.