KR100372699B1 - 차량용 엔진 냉각 장치의 서모스탯 이상 진단 방법 - Google Patents

차량용 엔진 냉각 장치의 서모스탯 이상 진단 방법 Download PDF

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Abstract

냉각수온에 따라 냉각수의 순환을 제어하기 위한 서모스탯(thermostat)의 고장을 진단하는 방법이 개시되어 있다. 개시된 방법은, 엔진의 시동이 켜지면 시동시의 냉각수온(Tw0)을 측정하는 제 1단계; 냉각수온(Tw)이 소정치(ΔT) 이상 상승되면, 그때까지의 누적 흡기량을 검출하는 제 2단계; 제 2단계에서 검출된 누적 흡기량과 미리 저장되어 있는 시동시의 냉각수온에 따른 기준 누적 흡기량을 비교하여, 그 차이가 소정치 이내인 경우 서모스탯에 이상이 있는 것으로 판단하는 제 3단계; 및 제 3단계에서 서모스탯에 이상이 있는 것으로 판단되면, 운전자에게 이를 알리는 제 5단계;를 포함한다. 이에 따르면, 엔진의 시동시 냉각수온에 따른 기준 누적 흡기량과 실제 누적흡기량을 비교하여 서모스탯의 이상 여부를 진단하기 때문에, 매우 정확한 서모스탯의 이상 진단이 가능하다.

Description

차량용 엔진 냉각 장치의 서모스탯 이상 진단 방법{Method for diagnosing thermostat of engine cooling system for a motor vehicle}
본 발명은 구동시 많은 열이 발생되는 차량용 엔진을 냉각시키기 위한 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉각수온에 따라 냉각수의 순환을 제어하기 위한 서모스탯(thermostat)의 고장을 진단하는 방법에 관한 것이다.
차량용 엔진의 실린더에 형성된 연소실에서 발생되는 연소가스의 온도는 대략 2,000℃ 이상이며, 이 열의 상당량이 실린더와 실린더 헤드, 피스톤 밸브, 및밸브 등으로 전달된다. 이와 같이 연소 가스의 열을 전달받는 엔진 구성 부품의 온도가 과도하게 상승되면, 부품의 열변형이 일어나거나 실린더 벽의 윤활 불량에 따른 중대한 열적 장해가 발생된다. 또한, 연소 상태도 나빠지고, 노크 또는 조기 점화와같은 이상 연소로 인하여 엔진의 출력이 저하되며, 피스톤의 용손과 같은 손상이 발생된다.
따라서, 차량에는 엔진의 구동시 연소 가스에 의해 발생된 열을 냉각시키기 위한 냉각 장치가 필수적으로 설치되어 있다. 이러한 냉각 장치는 공기를 이용한 공냉식과 물을 이용한 수냉식으로 크게 구분되는 바, 4행정 내연 기관을 채택한 차량은 거의 대부분 수냉식 엔진 냉각 장치를 사용하고 있다.
도 1은 일반적인 수냉식 엔진 냉각 장치의 일예를 보인 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 수냉식 엔진 냉각 장치는 연소실이 형성된 엔진의 실린더 및 실린더 헤드(이하, 엔진(1)으로 통칭함)를 둘러싸고 있는 워터 재킷(2), 냉각수를 압송하기 위한 워터 펌프(3), 냉각수를 외기와 열교환시키기 위한 라디에이터(4), 냉각수의 온도에 따라 작동되며 라디에이터(4)의 열교환 작용을 촉진시키기 위한 냉각팬(5), 및 워터 재킷(2)과 라디에이터(4) 사이에 설치된 서모스탯(thermostat)(6)을 포함하고 있다.
워터 재킷(2)에는 냉각수가 순환되는 통로가 형성되어 있으며, 이 냉각수 통로는 라디에이터(4)와 연결되어 있고, 그 중간 일측에 워터 펌프(3)가 설치되어 있다.
이에 따라 워터 펌프(3)가 작동되면, 냉각수가 워터 재킷(2)의 냉각수 통로를 따라 순환되면서 엔진(1)으로 전달된 연소 가스의 열을 흡수하여 엔진(1)을 냉각시킨다. 엔진(1)의 열을 흡수함에 따라 그 온도가 상승된 냉각수는 라디에이터(4)로 순환되고, 라디에이터(4)에서 외기와 열교환되어 냉각된다. 이때, 냉각팬(5)의 구동에 의해 라디에이터(4)에서의 냉각수의 열교환이 촉진된다. 라디에이터(4)에서 냉각된 냉각수는 다시 워터 펌프(3)에 의해 워터 재킷(2)으로 압송되어 엔진(1)을 냉각시키게 된다.
그러나, 엔진(1)이 지나치게 냉각되면 연소에서 발생된 열량 중에서 냉각에 의해 손실되는 열량이 커, 엔진(1)의 열효율이 낮아지고 연료 소비량이 증가하는 등의 문제가 발생된다.
이를 방지하기 위해, 워터 재킷(2)과 라디에이터(4) 사이에 설치된 서모스탯(6)이 냉각수의 온도에 따라 냉각수의 순환을 제어함으로써 냉각수의 온도를 일정하게 유지한다. 서모스탯(6)은 통상적으로 워터 재킷(2)의 냉각수 통로의 출구측에 설치되어 있으며, 워터 재킷(2)으로부터 유출되는 냉각수의 온도가 소정 온도(통상적으로 80~90℃) 이하로 떨어지면 폐쇄되어, 냉각수 통로를 폐쇄함으로써 냉각수가 워터 재킷2의 냉각수 통로를 순환하는 것을 방지한다. 이 경우 워터 펌프(3)는 정지되거나, 그렇지 않으면, 워터 펌프(3)에 의해 압송되는 냉각수는 워터 펌프(3)로부터 라디에이터(4)의 입구측으로 바이패스된다.
그런데, 이러한 차량용 엔진 냉각 장치에 있어서, 서모스탯이 고장나 정상적으로 작동되지 못할 경우 냉각수의 순환이 원활하게 이루어지지 않을 수 있다. 특히, 서모스탯이 일부 개방된 상태로 유지되면, 시동시 냉각수가 순환됨으로써 정상적인 경우보다 냉각수온이 낮게 유지되어 배출 가스가 증가되는 현상이 발생된다.
또한, 미국을 비롯한 대부분의 국가에서 배출 가스를 일정 수준 이하로 규제하는 법안이 마련되어 있으며, 이러한 법규 중에는 배출 가스의 증가를 방지하기 위해 서모스탯의 이상을 진단하도록 된 내용도 포함되어 있다.
이상과 같은 이유로, 대부분의 차량은 전자제어유닛 내에 서모스탯의 이상 여부를 확인하는 기능을 포함하고 있으며, 이는 차량의 시동시 서모스탯의 개방에 따른 냉각수의 온도 변화를 검출하여 판단한다.
즉, 엔진의 시동시에는 냉각수의 온도가 낮기 때문에 서모스탯은 폐쇄되어 있다. 그리고, 냉각수의 온도가 점점 상승되어 소정 온도에 도달하면 서모스탯은 개방되고, 이에 따라 냉각수가 순환하게 되면 서모스탯을 통과하는 냉각수의 온도가 일시적으로 하강된다. 만약 이 냉각수온의 하강치가 소정치 이상, 대략 2.25℃ 이상일 때 서모스탯이 정상인 것으로 판단하며, 그 이하일 경우 서모스탯에 이상이 있는 것으로 판단하여 경고등과 같은 장치를 사용하여 운전자에게 이를 알리게 된다.
그러나, 상기와 같이 종래에는 서모스탯이 개방되는 시점에서의 냉각수온 변화만으로 서모스탯의 이상 여부를 판단하였기 때문에, 차량의 운전 조건에 따라 서모스탯의 이상 여부를 잘못 판단하게 되는 경우가 종종 발생되었다.
즉, 예를 들어 서모스탯이 개방되기 직전에 운전자가 차량을 급가속시킬 경우 엔진의 회전수 상승에 의해 많은 열이 발생된다. 이러한 경우에는 서모스탯이정상적으로 개방되더라도 냉각수의 온도가 하강되지 않고 오히려 급상승하는 현상이 발생되므로, 서모스탯이 정상임에도 불구하고 이상이 있는 것으로 잘못 판단하게 된다.
또한, 서모스탯이 고장나 폐쇄 조건에서 완전히 개방되지 않고, 대략 전 개도의 10~30% 정도로 부분 개방된 상태에 있을 경우, 엔진의 냉각수는 그 수온이 서모스탯의 개방을 위한 온도에 이르지 않더라도 계속 순환된다. 이에 따라 엔진이 시동후 정상 온도에 도달되는 시간이 늦어져 그 시간 동안의 엔진 열효율과 연료 소비량이 증가된다. 그럼에도 불구하고, 계속적인 차량의 운행에 따라 엔진의 냉각수가 서모스탯의 개방 온도에 도달하여 서모스탯이 완전히 개방될 때, 만약 냉각팬이 구동되면 냉각팬의 구동에 의해 냉각수의 온도가 하강되기 때문에, 서모스탯에 이상이 있음에도 정상인 것으로 판단하게 되는 문제점이 발생된다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 서모스탯 고장 진단 방법의 문제점을 해소하고자 하는 노력에서 안출된 것으로, 어떤 경우에도 정확하게 서모스탯의 고장 여부를 진단할 수 있는 차량용 엔진 냉각 장치의 서모스탯 이상 진단 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 차량용 엔진 냉각 장치의 구성을 개략적으로 보인 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 엔진 냉각 장치의 서모스탯 고장 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 ; 엔진 2 ; 워터 재킷
3 ; 워터 펌프 4 ; 라디에이터
6 ; 서모스탯
상기와 같은 목적은, 엔진의 시동이 켜지면 시동시의 냉각수온(Tw0)을 측정하는 제 1단계; 냉각수온(Tw)이 소정치(ΔT) 이상 상승되면, 그때까지의 누적 흡기량을 검출하는 제 2단계; 제 2단계에서 검출된 누적 흡기량과 미리 저장되어 있는 시동시의 냉각수온에 따른 기준 누적 흡기량을 비교하여, 그 차이가 소정치 이내인 경우 서모스탯에 이상이 있는 것으로 판단하는 제 3단계; 및 제 3단계에서 서모스탯에 이상이 있는 것으로 판단되면, 운전자에게 이를 알리는 제 5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 차량용 엔진 냉각 장치의 서모스탯 이상 진단 방법에 의해 달성된다.
바람직하게는, 제 1단계에서 시동시의 흡기온(Ta0)도 측정하며, 제 2단계 다음에 제1 단계에서 측정된 시동시의 냉각수온(Tw0)이 소정조건(-5℃ < Tw0< 50℃ 및 -5℃ < Ta0< 50℃)을 만족하는지 판단하는 단계가 더 포함되고, 상기 단계의 조건이 만족될 경우에만 제 3단계를 실시한다.
또한 바람직하게는, 제 2단계 다음에 냉각수온(Tw)이 소정치(ΔT) 이상 상승될 때까지의 누적 주행 거리가 소정치 이상인지 판단하는 단계가 더 포함되고, 상기 단계에서 누적 주행 거리가 소정치 이상인 것으로 판단된 경우에만 제 3단계를 실시할 수도 있다.
또한, 제 2단계 다음에 에어컨이 가동중인지를 판단하고, 만약 에어컨이 가동중이면, 제 3단계에서 누적 흡기량과 비교될 시동시의 냉각수온에 따른 기준 누적 흡기량의 값을 소정치 증가시키는 단계를 더 포함할 수도 있다.
이에 따르면, 엔진의 시동시 냉각수온에 따른 기준 누적 흡기량과 실제 누적흡기량을 비교하여 서모스탯의 이상 여부를 진단하기 때문에, 매우 정확한 서모스탯의 이상 진단이 가능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 서모스탯 이상 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도가 도 2에 도시되어 있다.
도시된 흐름도를 참조하여 본 발명을 설명하면, 우선 엔진의 시동이 켜지면(S1) 냉각수온 센서 및 흡기온 센서를 통해 냉각수의 온도(Tw0)와 실린더로 흡입되는 공기의 온도(Ta0)를 검출한다(S2).
그리고 나서, 주기적으로 냉각수온(Tw)을 검출하여, 검출된 냉각수온(Tw)과 시동시의 냉각수온(Tw0)의 차이, 즉 ΔT가 소정치 이상인지 판단한다(S3). 여기서 소정치는 대략 28 ~ 32℃다.
ΔT가 소정치 이상일 경우, S2 단계에서 검출된 시동시의 냉각수온(Tw0)과 흡기온(Ta0)이 소정의 조건을 만족하는지 판단한다. 여기서 소정의 조건은 다음과 같다. 즉,
-5℃ < Tw0< 50℃ 및 -5℃ < Ta0< 50℃,
여기서, 이 S4단계는 엔진이 냉시동(cold start) 상태인지를 판단하기 위한 것이다. 즉, 엔진이 온시동(warm start) 상태일 경우 시동시의 냉각수온(Tw0)이 이미 서모스탯의 개방 온도 이상으로, 서모스탯이 이미 개방된 상태에서 엔진의 시동이 이루어질 수 있다. 따라서, 이로 인한 오진단을 배제하기 위해 엔진의 냉시동 상태를 판단하여 엔진이 냉시동 상태인 경우에만 본 발명에 따른 서모스탯 이상 진단을 실시한다.
엔진이 냉시동 상태인 것으로 판단되면, 엔진이 시동되고 나서 ΔT가 소정치 이상으로 상승될 때까지의 차량의 누적 주행 거리가 소정치, 대략 1.8 ~ 2.2Km, 이상인지 판단한다(S5). 차량의 누적 주행 거리는 변속기의 출력축 또는 차륜에 설치된 속도 검출 장치로부터 계산되며, 이 S5 단계는 차량이 실제로 주행하는 경우에만 서모스탯의 이상을 진단하기 위하여 실시된다.
다음으로, 차량의 누적 주행 거리가 소정치 이상일 경우 ΔT가 소정치 이상으로 상승될 때까지 엔진의 실린더로 흡입된 공기량의 누적치(IMLATM)를 시동시의 냉각수온(Tw0)에 따른 기준 누적 흡기량(KFIMLAM)과 비교한다(S8). 여기서, 누적 흡기량(IMLATM)은 흡입 공기량 센서로부터 계산된다.
또한, 기준 누적 흡기량(KFIMLAM)은 서모스탯의 이상을 진단하기 위해 전자제어유닛의 기억 장치에 미리 저장된 값으로, 그 일 예가 표 1에 도시되어 있다. 표 1에 나타난 값들은 차종과 엔진의 종류 등에 따라 다를 수 있으며, 실험을 통해 결정된다.
Tw0(℃) -5 0 15 25 50
KFIMLATM(m3) 1500 1350 1220 1140 1050
만약, 시동시의 냉각수온(Tw0)에 따른 기준 누적 흡기량(KFIMLAM)과 흡입 공기량 센서로부터 계산된 누적 흡기량(AILATM)의 차이가 소정치(대략 95 ~ 105) 이상인 경우에는, 냉각수온이 소정치까지 상승되는 동안 정상적인 양의 공기가 엔진의 실린더로 흡입된 것을 의미하므로 전자제어유닛은 서모스탯이 정상인 것으로 판단한다.
반면, 누적 흡기량(IMLATM)과 시동시의 냉각수온(Tw0)에 따른 기준 누적 흡기량(KFIMLAM)의 차이가 소정치(대략 95 ~ 105)보다 적은 경우, 이는 서모스탯이 일부 개방된 상태로 유지되어 엔진의 시동시부터 냉각수가 순환됨으로써 냉각수온(Tw0)이 소정치까지 상승되는데 더 많은 시간이 걸린다는 것을 의미한다. 따라서, 누적 흡기량(IMLATM)은 정상적인 경우보다 더 큰 값을 가져, 기준 누적 흡기량(KFIMLAM)에 접근하게 되며, 그 차이가 소정치(대략 95 ~ 105) 이내인 경우, 전자제어유닛은 서모스탯에 이상이 있는 것으로 진단한다.
그런데, 만약 여름철과 같이 더운 날씨에는 운전자가 엔진의 시동시부터 에어컨을 작동시키는 경우가 있다. 이 경우 에어컨의 작동에 따라 냉각팬도 함께 작동되므로, 평소에 비하여 냉각수온이 상승되는 속도가 늦어지게 된다. 따라서, 이를 감안하여 S8단계 전에 에어컨이 작동되는지 여부를 판단하고(S6), 만약 에어컨이 작동 중이면 시동시의 냉각수온(Tw0)에 따른 기준 누적 흡기량(KFIMLAM)의 값을 소정치(대략 50) 정도 증가시키는 S7 단계를 실시한다. 이에 따라 에어컨의 영향에 따른 오진단을 방지할 수 있다.
만약 S8 단계에서, 시동시의 냉각수온(Tw0)에 따른 기준 누적흡기량(KFIMLAM)과 누적 흡기량(IMLATM)의 차이가 소정치 이내로써, 서모스탯에 이상이 있는 것으로 판단되면, S9 단계에서 이를 차량의 인스트루먼트 패널에 설치된 경고등 또는 경보기를 통해 빛 또는 소리로 운전자에게 알린다.
참고로, 만약 서모스탯이 폐쇄된 상태로 고정된 경우에는 냉각수온(Tw)이 계속 상승되기 때문에, 이는 냉각수온 센서와 연결된 수온계(temperature gauge)를 통해 나타나게 되어, 운전자에게 서모스탯의 이상을 알릴 수 있다.
상기된 바와 같은 본 발명은, 엔진의 시동시 냉각수온에 따른 기준 누적 흡기량과 실제 누적흡기량을 비교하여 서모스탯의 이상 여부를 진단하기 때문에, 종래에 비해 매우 정확한 서모스탯의 이상 진단이 가능하다. 따라서, 정확한 서모스탯의 이상 검출 및 그에 따른 서모스탯의 적시 교체가 가능하여, 시동시 배출 가스를 저감할 수 있는 장점이 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술된 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지 내에서 얼마든지 다양하게 변경실시할 수 있을 것이다.

Claims (4)

  1. 엔진의 시동이 켜지면 시동시의 냉각수온(Tw0)을 측정하는 제 1단계;
    냉각수온(Tw)이 소정치(ΔT) 이상 상승되면, 그때까지의 누적 흡기량을 검출하는 제 2단계;
    상기 제 2단계에서 검출된 누적 흡기량과 미리 저장되어 있는 시동시의 냉각수온에 따른 기준 누적 흡기량을 비교하여, 그 차이가 소정치 이내인 경우 서모스탯에 이상이 있는 것으로 판단하는 제 3단계; 및
    상기 제 3단계에서 서모스탯에 이상이 있는 것으로 판단되면, 운전자에게 이를 알리는 제 5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 엔진 냉각 장치의 서모스탯 이상 진단 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1단계에서 시동시의 흡기온(Ta0)도 측정하며, 상기 제 2단계 다음에 상기 제1 단계에서 측정된 시동시의 냉각수온(Tw0)이 소정조건(-5℃ < Tw0< 50℃ 및 -5℃ < Ta0< 50℃)을 만족하는지 판단하는 단계가 더 포함되고, 상기 단계의 조건이 만족될 경우에만 상기 제 3단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 차량용 엔진 냉각 장치의 서모스탯 이상 진단 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 2단계 다음에 상기 냉각수온(Tw)이 소정치(ΔT) 이상 상승될 때까지의 누적 주행 거리가 소정치 이상인지 판단하는 단계가 더 포함되고, 상기 단계에서 상기 누적 주행 거리가 소정치 이상인 것으로 판단된 경우에만 상기 제 3단계가 실시되는 것을 특징으로 하는 차량용 엔진 냉각 장치의 서모스탯 이상 진단 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2단계 다음에 에어컨이 가동중인지를 판단하고, 만약 에어컨이 가동중이면, 상기 제 3단계에서 누적 흡기량과 비교될 시동시의 냉각수온에 따른 기준 누적 흡기량의 값을 소정치 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 엔진 냉각 장치의 서모스탯 이상 진단 방법.
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KR19980062585U (ko) * 1997-04-04 1998-11-16 김영귀 차량 냉각장치의 오류감지장치
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