KR101684124B1 - 엔진 열 관리 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엔진 열 관리 제어 방법에 관한 것으로서, 전자식 팬 클러치 및 전자식 워터펌프의 작동을 전자식 서모스탯의 작동에 연동하여 제어함으로써 효율적인 엔진 열 관리 및 부하 손실 최소화를 도모할 수 있는 엔진 열 관리 제어 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 엔진 냉각수온과 엔진 운전 정보를 취득하는 단계; 상기 취득된 현재의 냉각수온 정보와 엔진 운전 정보로부터 요구 팬 회전수를 산출하는 단계; 전자식 팬 클러치를 구비한 냉각팬의 회전수를 요구 팬 회전수가 되도록 제어하기 위한 제어값을 산출하는 단계; 전자식 서모스탯의 현재 작동상태를 확인하는 단계; 및 상기 확인된 전자식 서모스탯의 현재 작동상태에 따라 전자식 워터펌프의 구동 여부 및 상기 제어값을 이용한 냉각팬 회전수 제어 여부를 결정하고, 결정 결과에 따라 전자식 워터펌프와 냉각팬의 전자식 팬 클러치를 제어하는 단계를 포함하는 엔진 열 관리 제어 방법이 개시된다.

Description

엔진 열 관리 제어 방법{Control method for engine thermal management}
본 발명은 엔진 열 관리 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자식 팬 클러치 및 전자식 워터펌프의 작동을 전자식 서모스탯의 작동상태에 따라 제어함으로써 효율적인 엔진 열 관리와 부하 손실의 최소화를 도모할 수 있는 엔진 열 관리 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 연비 향상을 위해서는 엔진 동력을 소모하는 부품들의 구동손실을 최소화할 필요가 있다.
따라서, 최근에는 엔진으로부터 풀리 및 벨트를 통해 동력을 전달받아 구동하면서 엔진 동력을 소모하는 기존의 기계식 부품들에 구동 상태를 가변 제어할 수 있는 전자제어방식이 적용되고 있다.
엔진 동력을 소모하는 부품들 중 대표적인 것으로는 엔진 열 관리 시스템, 특히 엔진 냉각장치의 부품 중에서도 라디에이터에 설치되는 냉각팬(cooling fan)과 냉각수를 펌핑하여 순환시키기 위한 워터펌프(water pump)를 들 수 있다.
차량에서 엔진 열 관리용 냉각장치에는 대부분 냉각수를 이용하는 수냉식이 적용되고 있으며, 수냉식 냉각장치는 실린더 블록과 실린더 헤드에 형성되어 있는 워터 재킷(water jacket)에 냉각수를 순환시켜 엔진 냉각이 이루어지도록 한다.
이와 같은 수냉식 냉각장치는 엔진으로부터 전달받은 냉각수의 열을 외부로 방출하기 위한 라디에이터 및 냉각팬(라디에이터 팬), 엔진과 라디에이터 사이에 냉각수가 순환될 수 있도록 구성되는 냉각수 라인, 라디에이터를 통과하지 않도록 냉각수를 바이패스(bypass)시키기 위한 바이패스라인, 냉각수가 라디에이터를 선택적으로 통과하도록 라디에이터쪽 냉각수 라인과 바이패스 라인을 개폐하는 서모스탯, 및 냉각수를 펌핑하여 냉각수 라인을 통해 순환시키는 워터펌프를 주된 구성으로 한다.
이러한 구성에서 라디에이터에는 냉각수 라인을 따라 순환하는 냉각수가 통과하도록 되어 있고, 냉각팬이 장착되어 냉각팬의 회전시 유입되는 공기를 통해 냉각수의 열을 외부로 방출하게 된다.
서모스탯은 냉각수온 등에 따라 라디에이터로 흐르는 유량을 조절해주는 일종의 3-웨이(way) 밸브로서, 냉각수온이 일정 온도 이상이 되면 라디에이터로 냉각수를 보내어 냉각수온을 적정 온도로 유지시키게 된다.
상기한 엔진 냉각장치는 엔진 보호를 위해 반드시 필요한 장치이지만 부품을 작동시키는데 엔진 동력을 소모하게 된다.
또한, 상기한 냉각장치를 적용하였을 때 초기 엔진 시동구간의 냉각수온(엔진 온도)이 너무 낮으면(윤활유인 오일의 온도가 낮은 상태임) 엔진의 마찰손실이 증가하여 연비 악화의 원인이 될 수 있다.
이에 엔진 냉각장치는 엔진 구동 중 냉각수온, 즉 엔진 온도를 적정 온도로 유지시키는 것과 더불어, 초기 엔진 시동구간에서는 엔진의 열을 최대한 보존하고 열 손실을 줄여 주어 엔진의 빠른 웜업(warmup)이 이루어지도록 하고 조기 엔진 웜업을 통해 마찰손실이 저감될 수 있도록 제어된다.
또한, 상기한 냉각장치의 부품 중에서 냉각팬과 워터펌프는 엔진 동력을 풀리 및 벨트를 통해 전달받아 구동되므로 엔진 동력을 소모하는 부품이며, 따라서 엔진 온도를 적정 온도로 유지하면서도 소모되는 엔진 동력을 최소화기 위해 냉각수온과 엔진 운전 조건에 따라 냉각팬과 워터펌프의 회전수를 가변 제어하는 것이 필요하다.
풀리와 벨트를 통해 엔진 동력을 전달받는 종래의 기계식 워터펌프는 엔진 냉각이 불필요한 저온, 저부하 영역에서도 엔진이 회전됨에 따라 상시 작동되며, 그로 인해 동력손실이 발생하는 것은 물론, 냉시동 후 아이들(idle)시 엔진 웜업에 필요한 시간을 단축할 수 없으므로 마찰손실로 인한 연비 저하를 초래하는 문제점을 가진다.
이러한 문제점을 개선하기 위해 냉각팬에 엔진 동력을 단속하면서 회전수를 가변시키기 위한 전자식 팬 클러치(전자 제어가 가능한 유체식 팬 클러치)가 사용되고 있다.
또한, 워터펌프의 경우에도 엔진 동력을 단속하기 위한 단속기구로 전자식 클러치를 적용하여 냉각수온 및 엔진 운전 조건에 따라 회전수를 가변시킬 수 있는 전자식 워터펌프(클러치 워터펌프라고도 함)가 사용되고 있다.
전자식 팬 클러치가 적용된 냉각팬 시스템에서는 전자제어유닛(Electronic Control Unit, 이하 'ECU'라 칭함)이 수온센서에 의해 검출되는 냉각수온과 회전수 센서를 통해 검출되는 냉각팬 회전수를 입력받고, 맵으로부터 상기 냉각수온에 따른 목표 회전수가 결정되고 나면, 회전수 센서에 의해 검출된 냉각팬 회전수와 목표 회전수를 이용하여 팬 클러치를 PI 제어하기 위한 밸브제어신호를 출력함으로써 냉각팬 회전수를 목표 회전수로 제어하게 된다.
상기한 전자식 팬 클러치를 적용함으로써 냉각팬에 의해 소모되는 엔진 동력 및 동력 소모 시간을 최소화할 수 있는바, 차량의 연비 개선을 도모할 수 있게 된다.
상기한 전자식 팬 클러치 또는 그 제어 방법과 관련한 선행기술문헌으로는 한국 등록특허 제10-1459944호(2014.11.3), 한국 공개특허 제10-2014-0075385호(2014.6.19), 한국 등록특허 제10-1305399호(2013.9.2), 한국 등록특허 제10-1241212호(2013.3.4)를 들 수 있다.
또한, 전자식 워터펌프 또는 그 제어 방법과 관련한 선행기술문헌으로는 한국 등록특허 제10-1459970호(2014.11.3), 한국 등록특허 제10-1049430호(2011.7.8)를 들 수 있다.
전자식 워터펌프가 적용된 시스템에서 ECU는 수온센서에 의해 검출되는 냉각수온과 엔진 부하(엔진 토크) 조건에 따라 워터펌프의 회전수를 제어하는데, 전원 인가시 솔레노이드 코일에서 발생하는 자력이 스프링의 힘에 비해 크기 때문에 클러치의 접합(클러치 온(on))이 이루어져 풀리와 펌프축이 동력 전달 가능하게 연결된다(유량 100%, 풀리 회전수 = 펌프축 회전수).
반면, 전원 미인가시에는 스프링의 힘에 의해 클러치 디스크가 원위치로 복귀하고(클러치 오프(off)), 풀리와 디스크 사이에 갭(gap)이 발생하면서 영구자석과 냉각링 사이에 유도 자장이 발생한다.
이때, 워터펌프의 풀리와 디스크 사이에 슬립(slip)이 발생하며, 워터펌프의 회전수는 영구자석 자기장의 세기에 의해 결정된다.
이와 같은 전자식 워터펌프를 적용할 경우, 워터펌프의 구동시간 및 엔진 동력 소모를 줄일 수 있으므로 차량 연비를 개선할 수 있고, 초기 냉시동시 엔진의 신속한 웜업을 통해 마찰손실 저감 및 연비 개선을 도모할 수 있게 된다.
또한, 엔진 열 관리 시스템으로서 종래의 엔진 냉각장치에서는 라디에이터로 연결된 냉각수 라인의 유로를 엔진 냉각수온에 따라 개폐하는 일반 왁스 타입의 기계식 서모스탯이 적용되어 왔다.
그러나, 엔진 냉각수온에만 의존하여 냉각수 유로를 개폐하는 기계식 서모스탯을 사용할 경우, 엔진 부하에 따라 냉각수온(엔진 온도)을 최적으로 조절하는데 한계가 있으며, 저부하 영역에서는 높은 냉각수온으로, 고부하 영역에서는 낮은 냉각수온으로 제어하는 것이 불가하다.
이에 기계식 서모스탯의 단점을 보완하기 위해 제어 가능한 별도의 열원을 사용하여 냉각수온뿐만 아니라 엔진 부하, 차속, 대기온 등에 따라 라디에이터로 가는 냉각수 유로를 개폐하는 전자식 서모스탯이 개발되어 적용되고 있다.
이러한 전자식 서모스탯과 관련한 선행기술문헌으로는 한국 등록특허 제10-1416393호(2014.07.01), 한국 등록특허 제10-1338468호(2013.12.2), 한국 공개특허 제10-2013-0114505호(2013.10.17), 한국 등록특허 제10-1316879호(2013.10.2)를 들 수 있다.
상기 전자식 서모스탯의 경우, 왁스 엘리먼트의 초기 팽창 온도를 높게 설정하고 왁스 엘리먼트에 발열체를 장착하여, 발열체를 통해 열을 가하는 방식으로 작동되도록 구성되는바, 냉각수온과 별도로 발열체에 전원을 인가하거나 차단함으로써 작동 온도를 제어하는 것이 가능하다.
이때, 일례로 냉각수온, 엔진 부하, 차속에 따라 전자식 서모스탯의 작동 온(on)/오프(off) 영역이 설정된 맵이 이용될 수 있다.
즉, ECU에서 맵을 이용하여 냉각수온, 엔진 부하, 차속에 따라 전원을 인가하거나 차단하여 발열체의 작동을 제어하는 것으로, 저온, 저부하 영역에서 냉각수 온이 충분히 상승할 때까지 서모스탯을 오프(off)(라디에이터로 가는 유로 차단(close)) 상태로 유지할 수 있다.
이에 따라 저온, 저부하 영역에서 서모스탯이 온(on) 작동되는 온도, 즉 라디에이터로 가는 유로를 개방(open)하는 온도를 상향 설정하여 냉각수온을 높은 온도로 유지하는 것이 가능해지므로 엔진의 웜업 시간 단축이 가능해지고, 또한 마찰손실을 저감하여 연비를 개선하는 것이 가능해진다.
또한, 전자식 서모스탯의 경우, 발열체를 통해 인위적으로 열을 가해주는 방식이 적용됨으로써 기존의 기계식 서모스탯에 비해 개방(open)/차단(close)이 이루어지는 작동속도가 빨라 냉각수온의 정밀 제어가 가능하고, 냉각수온이 오버슈트(overshoot)되는 것을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
한편, 엔진 열 관리 시스템, 특히 상기한 엔진 냉각장치를 제어함에 있어서, 냉각수온과 엔진 운전 조건에 따라 전자식 팬 클러치와 전자식 워터펌프의 작동을 연동하여 가변 제어하는 로직이 제시된 바 있다.
도 1은 전자식 팬 클러치와 전자식 워터펌프의 연동 제어 로직을 나타내는 순서도이다.
도 1의 연동 제어 과정에 대해 설명하면, 먼저 ECU가 수온센서에 의해 검출되는 냉각수온, 그리고 엔진 회전수(RPM) 및 엔진 토크(엔진 부하)를 포함하는 엔진 운전 정보를 취득한다(S1).
이어 ECU는 온도 설정 맵을 이용하여 엔진 회전수 및 엔진 토크 정보로부터 목표 냉각수온을 결정하고(S2), 수온센서에 의해 취득된 냉각수온 정보를 이용하여 냉각수온을 목표 냉각수온으로 제어하기 위한 요구 팬 회전수를 산출해낸다(S3).
이어 ECU는 엔진 회전수와 풀리비로 구해지는 냉각팬 회전수(엔진 회전수×풀리비) 값 또는 냉각팬 회전수 센서에 의해 검출된 회전수 값을 피드백 값으로 이용하여 냉각팬 회전수를 요구 팬 회전수가 되도록 PI 제어하기 위한 PWM 값을 산출하게 된다(S4).
여기서, PWM 값은 팬 클러치 구동 제어 및 냉각팬 회전수 제어를 위해 사용되는 것으로, ECU가 후술하는 S7 단계에서 상기 산출된 PWM 값에 따라 팬 클러치의 밸브 개도량을 조절하기 위한 밸브제어신호를 출력하여 팬 클러치의 구동을 제어하고(팬 클러치 PWM 제어), 이를 통해 냉각팬 회전수를 요구 팬 회전수가 되도록 PI 제어하게 된다.
이어 상기와 같이 PWM 값이 산출된 후, 수온센서에 의해 검출된 현재의 냉각수온이 미리 정해진 최소 팬 작동 냉각수온보다 낮거나, 전자식 워터펌프의 현재 작동상태가 슬립(slip) 구동 상태인지를 판단한다(S5).
여기서, 수온센서에 의해 검출된 현재의 냉각수온이 미리 정해진 최소 팬 작동 냉각수온보다 낮거나, 전자식 워터펌프의 현재 작동상태가 슬립 구동 상태이면, 냉각팬을 아이들 회전수로 회전시키기 위한 팬 클러치 아이들 제어가 수행된다(S6).
이때, ECU는 냉각팬을 아이들 회전수로 회전시키기 위한 밸브제어신호를 출력하여 팬 클러치를 아이들 제어하게 된다(PWM:100%).
반면, 현재의 냉각수온이 최소 팬 작동 냉각수온 이상이고 전자식 워터펌프의 현재 작동상태가 슬립 상태가 아니면, ECU는 상기 S4 단계에서 산출된 PI 제어를 위한 PWM 값(PWM:0 ~ 100%)에 따라 팬 클러치의 구동(밸브 작동)을 제어하여 냉각팬 회전수를 요구 팬 회전수가 되도록 한다(S7).
여기서, 전자식 워터펌프의 슬립 상태는 워터펌프 내 단속기구인 클러치의 솔레노이드 코일에 작동 전원이 인가되지 않고 차단된 상태인 클러치 오프 상태로서, 풀리와 디스크 사이가 슬립(slip)되는 상태이며, 워터펌프의 미구동 상태 및 구동을 위한 제어가 이루어지지 않는 상태이다.
이와 같이 전자식 워터펌프의 작동 여부에 따라 냉각팬 회전수 제어 여부가 결정된다.
이상으로 ECU에 의해 도 1에 나타낸 바와 같은 전자식 팬 클러치와 전자식 워터펌프의 연동 제어가 수행됨으로써 전자식 워터펌프의 적용 효과(연비 개선 효과)가 증대될 수 있고, 냉각수온과 함께 엔진 회전수(RPM) 및 부하(토크) 등의 엔진 운전 조건에 따른 팬 클러치 제어가 가능해지면서 저부하 영역에서의 냉각수온 상향 제어를 통해 마찰손실 저감이 가능해진다.
또한, 저온, 저부하 영역에서 워터펌프를 슬립시키므로 엔진 회전수를 감소시킬 수 있고, 동력손실을 줄여 연비 개선의 효과를 얻을 수 있으며, 엔진 아이들시 웜업 시간을 단축할 수 있어 마찰손실을 줄일 수 있게 된다.
그러나, 상기와 같이 전자식 팬 클러치와 전자식 워터펌프의 작동을 연동 제어하는 로직이 적용되고 있을 뿐, 초기 엔진 웜업을 담당하면서 엔진 냉각수의 평균 온도를 제어하는 전자식 서모스탯에 대해서는 팬 클러치 및 워터펌프와의 연동 제어가 부재한 상태이며, 이에 효율적인 엔진 열 관리 측면에 있어서 한계가 있는 것이 사실이다.
일례로 라디에이터로 냉각수를 보내거나 차단하는 전자식 서모스탯이 완전히 개방된 상태에서 워터펌프가 작동되어야만 냉각팬 작동 부하를 최소화할 수 있으나, 종래에는 팬 클러치 및 워터펌프의 작동을 서모스탯의 작동과 연동하여 제어하지 않고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 전자식 팬 클러치 및 전자식 워터펌프의 작동을 전자식 서모스탯의 작동에 연동하여 제어함으로써 효율적인 엔진 열 관리 및 부하 손실 최소화를 도모할 수 있는 엔진 열 관리 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 엔진 냉각수온과 엔진 운전 정보를 취득하는 단계; 상기 취득된 현재의 냉각수온 정보와 엔진 운전 정보로부터 요구 팬 회전수를 산출하는 단계; 전자식 팬 클러치를 구비한 냉각팬의 회전수를 요구 팬 회전수가 되도록 제어하기 위한 제어값을 산출하는 단계; 전자식 서모스탯의 현재 작동상태를 확인하는 단계; 및 상기 확인된 전자식 서모스탯의 현재 작동상태에 따라 전자식 워터펌프의 구동 여부 및 상기 제어값을 이용한 냉각팬 회전수 제어 여부를 결정하고, 결정 결과에 따라 전자식 워터펌프와 냉각팬의 전자식 팬 클러치를 제어하는 단계를 포함하는 엔진 열 관리 제어 방법을 제공한다.
여기서, 상기 전자식 서모스탯의 현재 작동상태를 확인하여 전자식 서모스탯이 차단된(closed) 상태이면, 전자식 워터펌프를 슬립(slip) 상태가 되도록 제어함이 바람직하다.
또한, 상기 전자식 워터펌프의 슬립 상태에서 냉각팬을 아이들 회전수로 회전시키기 위한 팬 클러치 제어를 수행함이 바람직하다.
또한, 상기 전자식 서모스탯의 현재 작동상태를 확인하여 전자식 서모스탯이 개방된 상태라면, 냉각수온과 엔진 운전 정보에 따라 전자식 워터펌프의 구동을 제어함이 바람직하다.
또한, 상기 전자식 워터펌프의 구동이 제어되는 상태에서 현재의 엔진 냉각수온이 정해진 최소 팬 작동 냉각수온보다 낮거나, 전자식 워터펌프의 현재 작동상태가 슬립(slip) 상태이면, 냉각팬을 아이들 회전수로 회전시키기 위한 팬 클러치 제어를 수행함이 바람직하다.
또한, 상기 전자식 워터펌프의 구동이 제어되는 상태에서 현재의 냉각수온이 상기 최소 팬 작동 냉각수온 이상이고 전자식 워터펌프의 현재 작동상태가 슬립 상태가 아니면, 냉각팬의 회전수를 요구 팬 회전수가 되도록 제어하기 위한 제어값에 따라 전자식 팬 클러치의 구동을 제어함이 바람직하다.
이로써, 본 발명에 따른 엔진 열 관리 제어 방법에서는 전자식 팬 클러치 및 전자식 워터펌프의 작동을 전자식 서모스탯의 작동에 연동하여 제어함으로써 효율적인 엔진 열 관리 및 부하 손실 최소화를 도모할 수 있게 된다.
도 1은 전자식 팬 클러치와 전자식 워터펌프의 연동 제어 로직을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 엔진 열 관리 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 엔진 열 관리 제어 과정을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 전자식 팬 클러치 및 전자식 워터펌프(클러치 워터펌프라고도 함)의 작동을 전자식 서모스탯의 작동에 연동하여 제어함으로써 효율적인 엔진 열 관리 및 부하 손실 최소화를 도모할 수 있는 엔진 열 관리 제어 방법을 제공하고자 하는 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 엔진 열 관리 시스템의 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 엔진 열 관리 제어 과정을 나타내는 순서도로서, 전자식 팬 클러치와 전자식 워터펌프, 전자식 서모스탯의 연동 제어 방법을 보여주고 있다.
본 발명에서는 전자식 서모스탯(50)의 작동이 전자식 워터펌프(40)의 작동상태에 연동되도록 하고, 전자식 서모스탯(50)의 작동상태가 반영될 수 있도록 제어 로직이 구성된다.
즉, 종래의 전자식 팬 클러치 및 전자식 워터펌프 연동 제어 로직을 변경하여, 전자식 워터펌프(40)의 구동 여부가 전자식 서모스탯(50)의 작동상태에 따라 결정되도록 하고, 더불어 냉각팬(30)의 회전수 제어 여부가 전자식 워터펌프(40)의 작동상태에 따라 결정되도록 하는 로직을 추가하는 것이다.
먼저, ECU(20) 내 전자식 서모스탯(5)의 제어 로직에서는 냉각수온(엔진 냉각수 온도)과 엔진 토크(엔진 부하)에 따라 전자식 서모스탯의 온(on)/오프(off) 작동 영역이 설정된 3차원 맵이 이용될 수 있고, 상기 작동 맵으로부터 수온센서(11)에 의해 검출되는 냉각수온과 엔진 토크에 따라 전자식 서모스탯의 온/오프 작동 여부가 결정될 수 있도록 한다.
여기서, 냉각수온 및 엔진 토크와 함께 차속 조건을 추가하여, 냉각수온 및 엔진 토크, 그리고 차속센서(12)에 의해 결정되는 차속에 따라 전자식 서모스탯(50)의 작동 영역이 설정된 3차원 맵이 이용될 수도 있으며, 적용시 차속 조건은 경우에 따라서 삭제될 수도 있다.
상기 전자식 서모스탯의 온(on) 작동상태는 발열체에 전원이 인가되어 라디에이터로 연결된 냉각수 라인의 유로가 개방된(open) 상태를 의미하며, 전자식 서모스탯의 오프(off) 상태는 발열체에 전원이 미인가된 상태 및 라디에이터로 연결된 냉각수 라인의 유로가 차단된 상태를 의미한다.
바람직하게는, 상기 작동 맵에서 전자식 워터펌프(40)가 작동하는 조건(클러치 온(on) 조건), 즉 전자식 워터펌프 내 클러치의 솔레노이드 코일에 전원이 인가되어 풀리와 펌프축이 동력 전달 가능하게 연결되는 냉각수온 및 엔진 토크 조건에 비해 미리 정해진 설정값 만큼 낮은 냉각수온 및 엔진 토크 조건에서 전자식 서모스탯(50)의 온(on) 작동이 시작되도록 서모스탯 작동 영역이 설정될 수 있다.
또한, 상기 작동 맵에서 전자식 워터펌프(40)의 슬립(slip) 영역에 해당하는 냉각수온 및 엔진 토크 조건에서는 전자식 서모스탯(50)이 오프 상태가 될 수 있도록 서모스탯 작동 영역이 설정될 수 있다.
즉, 전자식 워터펌프(40)가 작동되는 조건에서는 전자식 서모스탯(50)이 온(on) 작동되도록 하는 것이며, 전자식 워터펌프(40)가 작동하지 않는 슬립 영역에 해당하는 냉각수온 및 엔진 토크 조건에서는 전자식 서모스탯(50) 또한 오프(off) 상태가 될 수 있도록 작동 맵이 설정되는 것이다(워터펌프 작동신호 미 발생시 서모스탯 온(on) 작동신호 미발생됨).
물론, 상기한 작동 맵 대신 ECU(20)가 전자식 워터펌프(40)의 작동신호가 발생될 때 전자식 서모스탯(50)의 온(on) 작동신호를 연동하여 발생시키도록 로직이 설정될 수도 있다.
또한, 후술하는 바와 같이, 전자식 서모스탯(50)이 오프(off) 된 상태일 때, 즉 라디에이터로 연결된 냉각수 라인의 유로가 차단된(close) 상태일 때, ECU(20)가 전자식 워터펌프(40)를 슬립 상태로 제어하도록 설정된다.
여기서, 전자식 워터펌프의 슬립 상태는 워터펌프 내 단속기구인 클러치의 솔레노이드 코일에 작동 전원이 인가되지 않고 차단된 상태인 클러치 오프 상태로서, 풀리와 디스크 사이가 슬립(slip)되는 상태이며, 워터펌프의 미구동 상태 및 구동을 위한 제어가 이루어지지 않는 상태이다.
또한, 디젤 엔진에서 리타더(retarder)(미도시)의 작동상태에 연동하여 전자식 서모스탯(50)의 작동이 제어되도록 하는 것이 가능하다.
대형 디젤 엔진의 경우 큰 제동 성능을 얻기 위해 트랜스미션 리타더를 이용하고 있으며, 이 경우 리타더에서 발생하는 열을 엔진 냉각수를 이용하여 냉각해주고 있다.
이에 ECU(20)에서 리타더 브레이크의 작동 여부를 감지하여 리타더 작동시에는 라디에이터로 연결된 유로를 완전 개방(full open)하도록 서모스탯(50)을 작동시키며, 이와 더불어 전자식 워터펌프(40)를 슬립율 0% 상태로 완전 작동시킨다.
또한, 리타더의 작동이 오프될 때 냉각수온 및 엔진 운전 조건이 워터펌프(40) 및 서모스탯(50)의 오프 조건에 해당하면, 리타더가 오프되고 난 뒤 그 오프 시점부터 설정시간 동안 서모스탯 및 워터펌프의 작동상태를 유지하였다가 설정시간이 경과한 경우 서모스탯 및 워터펌프의 작동을 오프시킨다.
또한, 엔진 냉각수온이 상승하여 설정된 한계온도에 도달하면, ECU(20)가 냉각팬(30)의 전자식 팬 클러치와 전자식 워터펌프(40), 전자식 서모스탯(50)을 완전 작동시키며, 냉각팬(30)의 전자식 팬 클러치와 전자식 워터펌프(40) 중 적어도 하나의 이상 작동시 전자식 서모스탯(50)을 완전 작동(full open)시킨다.
이상으로 서모스탯에 대한 기본적인 제어 방법에 대해 설명하였는바, 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 연동 제어 방법에 대해 설명하기로 한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서는 전자식 서모스탯(50)의 개방(open) 구간에서만 전자식 워터펌프(40)를 작동시켜 전체 열 관리 시스템의 냉각 효과 및 연비 개선 효과를 증대시킨다.
도 3을 참조하면, 먼저 ECU(20)가 수온센서(11)에 의해 검출되는 냉각수온(엔진 냉각수 온도), 그리고 엔진 회전수 센서(13)에 의해 검출되는 엔진 회전수(RPM), 및 엔진 토크(엔진 부하)를 포함하는 엔진 운전 정보를 취득한다(S11).
이어 ECU(20)는 상기 취득된 현재의 냉각수온 정보와 엔진 운전 정보로부터 요구 팬 회전수를 산출한다.
이때, 엔진 회전수 및 엔진 토크 정보로부터 목표 냉각수온을 결정하고(S12), 수온센서(11)에 의해 취득된 현재의 냉각수온 정보를 이용하여 냉각수온을 목표 냉각수온으로 제어하기 위한 요구 팬 회전수를 산출해낼 수 있다(S13).
이어 ECU(20)는 냉각팬(30)의 회전수를 상기 산출된 요구 팬 회전수가 되도록 제어하기 위한 제어값을 산출한다.
이때, ECU(20)는 엔진 회전수와 풀리비로 구해지는 냉각팬 회전수(엔진 회전수×풀리비) 값 또는 냉각팬 회전수 센서(14)에 의해 검출된 회전수 값을 피드백 값으로 이용하여 냉각팬(30)의 회전수를 요구 팬 회전수가 되도록 PI 제어하기 위한 PWM 값을 산출하게 된다(S14).
여기서, PWM 값은 ECU(20)가 팬 클러치 구동 제어 및 냉각팬(30)의 회전수 제어를 위해 사용하는 제어값으로, ECU(20)가 후술하는 S20 단계에서 상기 산출된 PWM 값에 따라 팬 클러치의 밸브 개도량을 조절하기 위한 밸브제어신호를 출력하여 팬 클러치의 구동(밸브 작동)을 제어하고(팬 클러치 PWM 제어), 이를 통해 냉각팬 회전수를 요구 팬 회전수가 되도록 PI 제어하게 된다.
상기한 S11 ~ S14 단계의 경우 종래의 제어 로직과 비교하여 차이가 없다.
이어 PWM 값이 산출된 후, ECU(20)는 전자식 서모스탯(50)의 현재 작동상태 정보로부터 서모스탯이 개방된(open) 상태인지를 확인하며, 여기서 서모스탯이 차단된(close) 상태, 즉 라디에이터로 연결된 냉각수 라인의 유로를 차단한 상태이면, 전자식 워터펌프(40)를 미리 정해진 슬립율에 따라 슬립 상태가 되도록 제어하게 된다(S17).
또한, 전자식 워터펌프(40)가 슬립 상태로 제어될 때 팬 클러치 아이들(idle) 제어가 수행되고(S19), 이에 냉각팬이 아이들 회전수로 회전된다.
이때, ECU(20)는 냉각팬(30)을 아이들 회전수로 회전시키기 위한 밸브제어신호를 출력하여 팬 클러치를 아이들 제어하게 된다(PWM:100%).
반면, S15 단계에서 전자식 서모스탯(50)이 개방된 상태, 즉 라디에이터로 연결된 냉각수 라인의 유로를 개방한 상태이면, 슬립율 0% ~ 100%의 범위에서 냉각수온과 엔진 운전 정보에 따라 전자식 워터펌프(40)의 구동을 제어하는 통상의 제어 로직이 수행된다(S16).
이어 전자식 워터펌프(40)의 구동이 제어되는 상태에서 수온센서(11)에 의해 검출된 현재의 냉각수온이 미리 정해진 최소 팬 작동 냉각수온보다 낮거나, 전자식 워터펌프(40)의 현재 작동상태가 슬립(slip) 구동 상태인지를 판단한다(S18).
이때, 현재의 냉각수온이 미리 정해진 최소 팬 작동 냉각수온보다 낮거나, 전자식 워터펌프(40)의 현재 작동상태가 슬립 구동 상태이면, 냉각팬(30)을 아이들 회전수로 회전시키기 위한 팬 클러치 아이들 제어가 수행된다(S19).
이때, ECU(20)는 냉각팬(30)을 아이들 회전수로 회전시키기 위한 밸브제어신호를 출력하여 팬 클러치를 아이들 제어하게 된다(PWM:100%).
반면, 현재의 냉각수온이 최소 팬 작동 냉각수온 이상이고 전자식 워터펌프(40)의 현재 작동상태가 슬립 상태가 아니면, ECU(20)는 상기 S14 단계에서 산출된 PI 제어를 위한 PWM 값(PWM:0 ~ 100%)에 따라 팬 클러치의 구동(밸브 작동)을 제어하여 냉각팬(30)의 회전수를 요구 팬 회전수가 되도록 한다(S20).
이와 같이 전자식 워터펌프(40)의 작동 여부에 따라 냉각팬(30)의 회전수 제어 여부가 결정된다.
이상으로 ECU에 의해 도 3에 나타낸 바와 같은 전자식 팬 클러치와 전자식 워터펌프, 전자식 서모스탯의 연동 제어가 수행됨으로써 전자식 워터펌프의 적용 효과(연비 개선 효과)가 증대될 수 있고, 냉각수온과 함께 엔진 회전수(RPM) 및 부하(토크) 등의 엔진 운전 조건에 따른 팬 클러치 제어가 가능해지면서 저부하 영역에서의 냉각수온 상향 제어를 통해 마찰손실 저감이 가능해진다.
또한, 전자식 서모스탯의 개방(open) 구간에서만 전자식 워터펌프를 작동시켜 전체 열 관리 시스템의 냉각 효과 및 연비 개선 효과를 증대시킬 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
11 : 수온센서 12 : 차속센서
13 : 엔진 회전수 센서 14 : 냉각팬 회전수 센서
20 : ECU 30 : 냉각팬
40 : 전자식 워터펌프 50 : 전자식 서모스탯

Claims (13)

  1. 엔진 냉각수온과 엔진 운전 정보를 취득하는 단계;
    상기 취득된 현재의 냉각수온 정보와 엔진 운전 정보로부터 요구 팬 회전수를 산출하는 단계;
    전자식 팬 클러치를 구비한 냉각팬의 회전수를 요구 팬 회전수가 되도록 제어하기 위한 제어값을 산출하는 단계;
    전자식 서모스탯의 현재 작동상태를 확인하는 단계; 및
    상기 확인된 전자식 서모스탯의 현재 작동상태에 따라 전자식 워터펌프의 구동 여부 및 상기 제어값을 이용한 냉각팬 회전수 제어 여부를 결정하고, 결정 결과에 따라 전자식 워터펌프와 냉각팬의 전자식 팬 클러치를 제어하는 단계를 포함하며,
    상기 전자식 서모스탯은 엔진 냉각수온과 엔진 토크에 따라 개방/차단의 작동 영역이 설정된 맵을 이용하여 현재의 엔진 냉각수온과 엔진 토크에 따라 제어되고,
    상기 맵은 전자식 워터펌프가 작동하는 엔진 냉각수온 및 엔진 토크 조건에 비해 정해진 설정값 만큼 낮은 엔진 냉각수온 및 엔진 토크 조건에서 전자식 서모스탯의 개방 작동이 이루어지도록 작동 영역이 설정된 것을 특징으로 하는 엔진 열 관리 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전자식 서모스탯의 현재 작동상태를 확인하여 전자식 서모스탯이 차단된(closed) 상태이면, 전자식 워터펌프를 슬립(slip) 상태가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진 열 관리 제어 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전자식 워터펌프의 슬립 상태에서 냉각팬을 아이들 회전수로 회전시키기 위한 팬 클러치 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 엔진 열 관리 제어 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전자식 서모스탯의 현재 작동상태를 확인하여 전자식 서모스탯이 개방된 상태라면, 냉각수온과 엔진 운전 정보에 따라 전자식 워터펌프의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진 열 관리 제어 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전자식 워터펌프의 구동이 제어되는 상태에서 현재의 엔진 냉각수온이 정해진 최소 팬 작동 냉각수온보다 낮거나, 전자식 워터펌프의 현재 작동상태가 슬립(slip) 상태이면, 냉각팬을 아이들 회전수로 회전시키기 위한 팬 클러치 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 엔진 열 관리 제어 방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 전자식 워터펌프의 구동이 제어되는 상태에서 현재의 엔진 냉각수온이 정해진 최소 팬 작동 냉각수온 이상이고 전자식 워터펌프의 현재 작동상태가 슬립 상태가 아니면, 냉각팬의 회전수를 요구 팬 회전수가 되도록 제어하기 위한 제어값에 따라 전자식 팬 클러치의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진 열 관리 제어 방법.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 전자식 서모스탯은 엔진 냉각수온과 엔진 토크, 차속에 따라 개방/차단의 작동 영역이 설정된 맵을 이용하여 현재의 엔진 냉각수온과 엔진 토크, 차속에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 엔진 열 관리 제어 방법.
  9. 삭제
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 전자식 워터펌프의 구동과 전자식 서모스탯의 작동이 연동되도록 하여 전자식 워터펌프의 작동시에 전자식 서모스탯을 개방 상태로 제어하고, 전자식 워터펌프의 슬립 상태에서 전자식 서모스탯을 차단 상태로 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진 열 관리 제어 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    전자식 서모스탯 및 전자식 워터펌프의 작동이 리타더(retarder)의 작동에 연동되도록 하여, 리타더의 작동시에 전자식 서모스탯을 개방 상태로 제어하고 전자식 워터펌프를 슬립율 0% 상태로 완전(full) 작동시키는 것을 특징으로 하는 엔진 열 관리 제어 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 전자식 서모스탯 및 전자식 워터펌프의 작동이 리타더(retarder)의 작동에 연동되도록 하여, 리타더의 작동이 오프되는 시점에서, 엔진 냉각수온 및 엔진 운전 조건이 전자식 서모스탯의 차단 작동 및 전자식 워터펌프의 작동 오프 조건에 해당하면, 리타더가 오프되고 난 뒤 오프 시점부터 설정시간 동안 전자식 서모스탯의 개방 및 전자식 워터펌프의 작동상태를 유지하였다가, 설정시간 경과 경우 전자식 서모스탯의 차단 및 워터펌프의 작동 오프 상태로 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진 열 관리 제어 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각팬의 전자식 팬 클러치와 전자식 워터펌프 중 적어도 하나의 이상 작동시에 전자식 서모스탯을 완전 개방(full open)로 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진 열 관리 제어 방법.
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