KR101371439B1

KR101371439B1 - 워터펌프를 구비한 디젤엔진 및 이의 제어 방법

Info

Publication number: KR101371439B1
Application number: KR1020080024963A
Authority: KR
Inventors: 유승범
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사; 현대자동차 유럽기술연구소
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2008-03-18
Publication date: 2014-03-10
Also published as: KR20090099781A

Abstract

본 실시예에 따른 워터펌프를 구비한 디젤엔진은, 전기에 의해서 작동되어 상기 엔진의 냉각수를 순환시키는 워터펌프 및 상기 워터펌프의 용량을 제어하여 상기 냉각수의 흐름 양을 제어하는 제어 유닛을 포함하고, 상기 제어 유닛은 냉각수온, 외부온도, 배기온도, 엔진 알피엠(RPM) 및 차속을 감지하여 상기 워터펌프의 펌핑 용량을 제어할 수 있다.

아울러, 본 실시예에 따른 워터펌프를 구비한 디젤엔진의 제어 방법은, 엔진의 냉각수온을 감지하는 제1 단계, 엔진의 알피엠을 감지하는 제2 단계, 차량의 속도를 감지하는 제3 단계, 배기가스의 온도를 감지하는 제4 단계 및 상기 냉각수온, 상기 알피엠, 상기 속도 및 상기 배기가스의 온도에 따라서 전기 에너지에 의해서 구동되는 워터펌프의 듀티 값을 제어하여 냉각수의 흐름 양을 제어하는 제5 단계를 포함할 수 있다.

워터펌프, 디젤, 정화장치, 라디에이터, 냉각수, 배기가스, 온도

Description

워터펌프를 구비한 디젤엔진 및 이의 제어 방법{DIESEL ENGINE EQUIPPED WITH A WATER PUMP AND A METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}

본 발명은 워터펌프를 구비한 디젤엔진에 관한 것으로서, 전기 에너지로 구동되는 워터펌프에 의해서 냉각수의 흐름 양이 컨트롤되는 디젤엔진 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 엔진에는 쿨링 시스템이 필요하다. 만약 쿨링 시스템이 없으면 부품들은 고열에 의해서 정상적으로 작동하지 않는다.

상기 쿨링 시스템은 워터 자켓, 써모스탯, 워터펌프, 라디에이터, 캡, 팬, 팬 벨트 및 냉각수 호스 등을 포함한다.

일반적으로 워터펌프는 자체적인 구동력을 가지고 있지 않다. 따라서 상기 워터펌프는 엔진의 크랭크 샤프트의 운동 에너지를 전달받아 작동된다.

엔진이 시동되면 엔진의 냉각수온이나 운전조건에 상관없이 상기 워터펌프는 작동되고, 냉각수는 상기 엔진 내부 또는 라디에이터를 순환한다.

엔진이 웜웝(warm up)되기 전에 냉각수가 강제로 순환되므로 배기가스의 온도도 천천히 올라가게 된다. 한편 배기가스의 정화효율을 향상시키기 위해서는 배 기가스의 온도가 적정한 고온(예를 들면, 250℃)이 되어야 한다.

특히, 디젤엔진에서 SCR 또는 LNT 시스템을 적용했을 때 NOx의 정화효율을 향상시키는 방법은 배기가스의 온도를 신속하게 정상 온도로 높이는 것이다.

이와 같이 배기가스의 온도를 높여야 하는 시기에 낮은 온도의 냉각수가 강제로 순환되는 경우 배기가스는 더 천천히 정상 온도에 도달하게 된다.

냉각수온이 적정한 온도에 이르는 시간은 디젤엔진일 경우 가솔린엔진과 대비해서 30-50% 느리므로 디젤엔진의 배기가스 정화효율이 더욱 낮아지는 문제점이 있다.

본 발명은, 엔진을 웜웝시킬 때 배기가스의 온도를 적정수준으로 높이기 위해서 냉각수의 순환을 컨트롤하는 워터펌프를 구비한 디젤엔진 및 이의 제어 방법을 제공한다.

또한 냉각수온의 온도가 적정온도 미만일 경우 냉각수의 흐름 양을 저감시키고 냉각수온의 온도가 적정온도 이상일 경우 냉각수의 흐름 양을 늘리는 워터펌프를 구비한 디젤엔진 및 이의 제어 방법을 제공한다.

또한 상기 배기온도가 250℃ 미만일 때 상기 워터펌프는 상기 차속과 상기 냉각수온의 크기에 따라서 상기 워터펌프의 듀티 값을 제어하고, 상기 배기온도가 250℃ 이상일 때 상기 워터펌프는 상기 차속과 상기 알피엠의 크기에 의해서 설정된 상기 냉각수온의 목표치에 따라서 상기 워터펌프를 듀티 값을 제어할 수 있다.

또한 상기 엔진에서 배출되는 배기가스를 정화하기 위한 후처리 장치에 구비된 촉매(catalyst)의 온도를 체크하는 온도 센서를 포함하고, 상기 냉각수온이 설 정된 목표치 미만이면 상기 워터펌프의 듀티 값을 감소시켜 상기 냉각수의 흐름 양을 저감시키고, 상기 냉각수온이 설정된 목표치 이상이면 상기 워터펌프의 듀티 값을 증가시킴으로써 상기 냉각수의 흐름 양을 증가시킬 수 있다.

또한 상기 제5 단계에서, 상기 배기가스의 온도가 250℃ 미만일 경우 상기 워터펌프는 상기 냉각수온과 상기 속도에 의해서 설정된 듀티 값으로 컨트롤되고, 상기 제5 단계에서, 상기 배기가스의 온도가 250℃ 이상일 경우 상기 워터펌프는 상기 속도와 상기 알피엠에 의해서 설정된 상기 냉각수온의 목표치에 의해서 컨트롤될 수 있다.

또한 상기 냉각수온이 설정된 냉각수온의 목표치 미만일 경우 상기 워터펌프의 듀티 값을 증가시켜 냉각수의 흐름 양을 증가시키고, 상기 냉각수온이 설정된 냉각수온의 목표치 이상일 경우 상기 워터펌프의 듀티 값을 감소시켜 냉각수의 흐름 양을 저감시킬 수 있다. 또한 상기 워터펌프의 최소 및 최대 듀티 값을 체크하는 것이 바람직하다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 워터펌프를 구비한 디젤엔진에 의하면, 워터펌프가 전기에너지로 구동됨으로써 엔진로드가 감소하고, 효율이 향상된다.

또한, 엔진의 운동상태와 주행 상태에 따라서 워터펌프가 가변적으로 구동됨으로써 엔진의 워업시간이 줄어들고 배기가스가 신속하게 정상범위에 도달한다.

아울러, 배기가스의 온도가 신속하게 정상범위에 도달하므로 배기가스의 정화효율이 향상된다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여, 본 발명의 실시예에 따른 워터펌프를 구비한 디젤엔진에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 워터펌프를 구비한 디젤엔진의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 차량은 전자 제어 유닛(100, ECU: engine control unit), 워터펌프(102), 엔진(104) 및 라디에이터(106)를 구비한다.

또한, 배기라인 중간에는 정화장치(112)가 구비되고, 상기 정화장치(112)에는 온도 센서(110)가 구비되며, 상기 엔진(104)과 상기 라디에이터(106) 사이 냉각수 라인에는 써모스텟(108)이 장착된다.

상기 전자 제어 유닛(100)은 상기 엔진(104)과 상기 정화장치(112)에 구비된 센서 등을 통해서 외기온도(Temperature of Atmosphere), 엔진의 냉각수온(Temperature of Cooling Water), 엔진의 알피엠(Rotation Per Minute), 차량의 속도(Velocity) 및 배기가스 온도(Temperature of Exhaust Gas) 등에 대한 데이터 신호를 인가 받는다.

상기 정화장치(112)는 SCR/LNT system을 갖고 있으며, 상기 system에는 산소를 검출하는 산소센서(미도시)와 NOx검출하는 NOx센서(미도시)가 설치되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서 상기 산소센서와 상기 NOx센서에 대해서는 언급하지 않는다.

상기 냉각수온(TCW: temperature of cooling water)의 온도가 낮으면 상기 써모스탯(108)에 의해서 상기 엔진(104)에서만 냉각수가 순환하고, 상기 냉각수온(TCW)의 온도가 높으면 상기 엔진(104)과 상기 라디에이터(106) 사이에 냉각수가 순환한다.

본 실시예에서, 상기 워터펌프(102)는 상기 전자 제어 유닛(100)의 제어 신호에 따라서 전기적인 에너지로 작동된다. 또한 상기 냉각수온(TCW)이나 배기가스 온도(TEG: temperature of exhaust gas) 등에 따라서 상기 워터펌프(102)의 작동 용량이 적절하게 컨트롤된다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 워터펌프를 구비한 디젤엔진의 배기가스 제어 순서도이다.

도 2를 참조하면, 외기온도(TA: Temperature of Atmosphere), 냉각수 온(TCW), 속도(V: velocity), 배기가스 온도(TEG) 등의 데이터 신호가 입력되고, 상기 배기가스의 온도(TEG)가 250℃ 미만인지를 판단한다.

정화장치의 정화효율이 50%를 넘는 온도를 LOT(light off temperature)라고 하는데, 본 실시예에서 LOT는 약 250℃ 이다.

상기 배기가스 온도(TEG)가 250℃ 미만이면 상기 냉각수온(TCW)과 차량의 속도(V)에 의해서 상기 워터펌프(102)의 듀티 값이 조절된다.

또한 상기 배기가스(TEG)의 온도가 250℃ 이상이면 상기 엔진(104)의 알피엠(RPM)과 냉각수온(TCW)에 의해서 설정된 상기 냉각수온(TCW)의 목표치에 따라 상기 워터펌프(102)의 듀티 값이 콘트롤된다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 워터펌프를 구비한 디젤엔진의 실험 데이터 표이다.

도 3a를 참조하면, 가로는 냉각수온(TCW)을 나타내고, 세로는 차량의 속도(V)를 나타낸다. 전술한 바와 같이, 배기가스의 온도가 250℃ 미만일 때 상기 워터펌프(102)에 의해서 순환되는 냉각수의 흐름 양은 냉각수온(TCW)과 속도(V)에 의해서 컨트롤된다.

예를 들어, 냉각수온(TCW)이 -20℃이고 속도(V)가 20km/h 일 때, 듀티 값은 0%므로 상기 워터펌프(102)는 최소 또는 작동되지 않는다. 또한 냉각수온(TCW)이 40℃이고 속도(V)가 60km/h 일 때, 상기 워터펌프(102)의 듀티 갑은 30%로 설정된다.

상기와 같이 냉각수온(TCW) 및 상기 배기가스 온도(TEG)에 따라서 상기 워터 펌프(102)의 작동 용량이 저감되어 상기 냉각수온(TCW)과 상기 배기가스 온도(TEG)가 정상 온도로 신속하게 도달하게 된다. 따라서 엔진의 연비와 힘뿐만 아니라 상기 정화장치(112)의 정화효율도 향상된다.

도 3b를 참조하면, 전술한 바와 같이, 상기 배기가스(TEG)의 온도가 250℃ 이상일 때 상기 워터펌프(102)는 속도(V)와 알피엠(RPM)에 의해서 설정된 냉각수온(TCW)의 목표치에 따라 컨트롤된다.

예를 들어, 속도(V)가 20km/h이고 알피엠(RPM)이 2000일 때 냉각수온(TCW)의 목표치(object value)는 100℃가 된다. 상기 목표치(object value)와 실제 냉각수온(TCW)을 비교하여 상기 워터펌프(102)의 용량을 조절한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 워터펌프를 구비한 디젤엔진의 냉각수온 제어 순서도이다.

전술한 바와 같이, 현재 차량의 속도(V)와 알피엠(RPM)에 의해서 냉각수온(TCW)의 목표치(object value)가 설정되고, 실제 냉각수온(TCW)의 크기와 상기 목표치(object value)가 서로 비교된다.

만약 실제 냉각수온(TCW)이 상기 목표치(object value)보다 작으면 상기 워터펌프(102)의 듀티를 감소시켜 냉각수가 천천히 순환하도록 하고, 실제 냉각수온(TCW)이 상기 목표치(object value)보다 크면 상기 워터펌프(102)의 듀티를 증가시켜 냉각수가 빨리 순환하도록 한다.

상기 냉각수온(TCW)의 목표치(object value)를 피드백 콘트롤(feed back control)함으로써 상기 냉각수온(TCW)은 상기 목표치(object value) 부근에서 항상 일정하게 유지된다.

상기 워터펌프(102)의 최소 및 최대 운전량을 컨트롤하기 위해서, 도시한 바와 같이 상기 워터펌프(102)의 최소 및 최대 듀티 값을 계속적으로 체크하는 것이 바람직하다.

본 실시예에서, 상기 정화장치(112)에 SCR 또는 LNT system을 적용할 때 NOx의 정화 효율은 상기 정화장치(112)에 구비된 촉매(catalyst)의 온도가 얼마나 신속하게 정상 온도로 상승하느냐에 달렸다.

실제로 냉간 상태에서 엔진이 시동되면 정화장치의 촉매 온도가 낮아 정화효율이 낮아짐으로써 배기관에서 검은 연기(먼지와 NOx)가 발생되는 것을 볼 수 있다.

특히 디젤 엔진의 냉각수는 적정 온도에 도달하는 시간이 가솔린 엔진보다30 내지 50% 늦기 때문에 냉각수의 온도를 신속하게 올리는 것이 더욱 중요하다.

또한, 본 실시예에서, 상기 워터펌프(102)의 작동 용량이 자동차의 운행 상태에 따라서 적절하게 컨트롤됨으로써 상기 라디에이터(106)의 크기와 용량도 최소화될 수 있다.

본 실시예에서는 냉각수와 배기가스의 온도가 낮은 상태에서 상기 워터펌프(102)의 운전을 적절하게 컨트롤함으로써 냉각수온과 배기가스의 온도를 신속하게 올리고 상기 정화장치(112)의 정화효율과 상기 엔진(104)의 연비를 동시에 상승시킨다.

이상을 통해 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정 되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 전자 제어 유닛(ECU)

102: 워터펌프

104: 엔진

106: 라디에이터

108: 써모스탯

110: 온도 센서

112: 정화장치

Claims

엔진에 있어서,

전기에 의해서 작동되어 상기 엔진의 냉각수를 순환시키는 워터펌프; 및

상기 워터펌프의 용량을 제어하여 상기 냉각수의 흐름 양을 제어하는 제어 유닛;

을 포함하고,

상기 제어 유닛은 냉각수온, 외부온도, 배기온도, 엔진 알피엠(RPM) 및 차속을 감지하여 상기 워터펌프의 펌핑 용량을 콘트롤하는 워터펌프를 구비한 디젤엔진으로서,

상기 배기온도가 설정온도 미만일 때 상기 워터펌프는 상기 차속과 상기 냉각수온의 크기에 따라서 상기 워터펌프의 듀티 값을 제어하고,

상기 배기온도가 설정온도 이상일 때 상기 워터펌프는 상기 차속과 상기 알피엠의 크기에 의해서 설정된 상기 냉각수온의 목표치에 따라서 상기 워터펌프를 듀티 값을 제어하는 워터펌프를 구비한 디젤엔진.
제1 항에 있어서,

상기 설정온도는 250℃인 것을 특징으로 하는 워터펌프를 구비한 디젤엔진.
엔진의 냉각수온을 감지하는 제1 단계;

엔진의 알피엠을 감지하는 제2 단계;

차량의 속도를 감지하는 제3 단계;

배기가스의 온도를 감지하는 제4 단계; 및

상기 냉각수온, 상기 알피엠, 상기 속도 및 상기 배기가스의 온도에 따라서 전기 에너지에 의해서 구동되는 워터펌프의 듀티 값을 제어하여 냉각수의 흐름 양을 제어하는 제5 단계;

를 포함하는 워터펌프를 구비한 디젤엔진의 제어 방법으로서,

상기 제5 단계에서, 상기 배기가스의 온도가 설정온도 미만일 경우 상기 워터펌프는 상기 냉각수온과 상기 속도에 의해서 설정된 듀티 값으로 컨트롤되고,

상기 제5 단계에서, 상기 배기가스의 온도가 상기 설정온도 이상일 경우 상기 워터펌프는 상기 속도와 상기 알피엠에 의해서 설정된 상기 냉각수온의 목표치에 의해서 컨트롤되는 것을 특징으로 하는 워터펌프를 구비한 디젤엔진의 제어 방법.
제3 항에 있어서,

상기 설정온도는 250℃인 것을 특징으로 하는 워터펌프를 구비한 디젤엔진의 제어 방법.
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