KR101836642B1 - 차량 냉각 시스템 및 제어방법 - Google Patents

Abstract

냉각유로의 일측에 마련되어 냉각수에 발생하는 기포를 상기 냉각유로 외부로 배출시키는 밸브; 및 상기 냉각유로내의 온도상승에 따른 압력변화율을 이용하여 상기 냉각수에 기포가 발생하였는지 여부를 판단하고, 기포가 발생하였다고 판단되는 경우 상기 밸브를 개방시키는 제어부;를 포함하는 차량 냉각 시스템이 소개된다.

Description

차량 냉각 시스템 및 제어방법{COOLING SYSTEM AND CONTROL METHOD OF VEHICLE}

본 발명은 냉각수에 기포가 발생하는지 여부를 감지하여 기포가 발생된 경우 밸브를 개방시켜 기포를 배출시킬 수 있는 차량 냉각 시스템 및 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 차량은 운행 시 엔진 연소실 내의 온도가 대략 150℃ 이상의 고온에 달하므로, 이를 적절히 냉각시켜주지 않을 경우 엔진 몸체를 구성하는 부품의 파손, 윤활유의 점도 감소와 변질, 혼합가스의 팽창에 의한 흡입효율의 저하, 이상연소 등이 발생되며, 엔진 작동이 악화되어 운전 불능상태를 초래하는 엔진의 과열 현상이 발생된다.

이에 엔전에는 연소실, 실린더, 밸브 장치 등의 온도를 엔진의 작동에 가장 적합한 온도로 유지하기 위해 냉각 시스템을 설치한다. 이러한 냉각시스템은 외부의 공기를 엔진부위로 유입하여 고온의 엔진을 냉각하는 공랭식과 냉각수를 엔진의 연소실 부위로 순환시켜 고온의 엔진을 냉각시키는 수랭식이 있지만, 통상 공랭식은 상대적은 낮은 냉각 성능으로 인해 오토바이와 같은 2륜 차량 등에 이용되는 반면 수랭식은 대부분의 자동차에 사용되고 있다.

이러한 냉각시스템 중 수랭식 냉각장치는 물의 순환방식에 따라 자연순환식과 강제순환식으로 구분되는데, 이중 강제순환식은 자동차 엔진의 대표적인 방식으로 워터 펌프를 이용해 냉각수를 강제 순환시켜 냉각하는 방식이며, 이 방식의 주요 구성품으로는 라디에이터, 워터 펌프, 워터 재킷, 써모스탯 등이 있다.

위와 같은 기본적인 냉각 시스템 구조는 일반 차량뿐만이 아니라 하이브리드 자동차, 연료 자동차와 같은 친환경 차량에도 적용이 된다. 공개특허공보 2013-0124789 A "연료전지 차량의 냉각계 수위 감지 장치 및 방”"에서도 연료전지 차량에 적용되는 냉각 시스템에 있어서 압력센서의 신호를 이용하여 연료전지 차량의 냉각수 부족을 정확하고도 신속하게 감지할 수 있는 장치 및 방법을 제공하고 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 2013-0124789 A

본 발명은 냉각유로내의 온도 상승에 따른 압력변화율을 이용하여 냉각유로내의 기포 발생 여부를 판단하고, 기포 발생 시 밸브개방을 통해 발생된 기포를 배출할 수 있는 차량 냉각 시스템 및 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량 냉각 시스템은 냉각유로의 일측에 마련되어 냉각수에 발생하는 기포를 상기 냉각유로 외부로 배출시키는 밸브; 및 상기 냉각유로내의 온도상승에 따른 압력변화율을 이용하여 상기 냉각수에 기포가 발생하였는지 여부를 판단하고, 기포가 발생하였다고 판단되는 경우 상기 밸브를 개방시키는 제어부;를 포함한다.

상기 제어부는 상기 압력변화율이 기설정된 기준값 이하인 경우 상기 냉각수에 기포가 발생하였다고 판단하는 것을 특징으로 한다.

상기 밸브를 개방시킨 이후 온도상승에 따른 압력변화율이 상기 기준값을 초과하는 경우 상기 제어부에서 상기 밸브를 차단시키는 것을 특징으로 한다.

상기 제어부는 기포가 발생하였다고 판단되는 경우 기설정된 개방시간동안 밸브를 개방시키며, 상기 개방시간은 상기 압력변화율이 작을수록 길어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 차량 냉각 시스템 제어방법은 제어부에서 냉각유로내의 온도상승에 따른 압력변화율을 도출하는 단계; 상기 제어부에서 상기 압력변화율을 이용하여 냉각수에 기포가 발생하였는지 여부를 판단하는 단계; 및 기포가 발생하였다고 판단된 경우 상기 제어부에서 냉각유로의 일측에 마련되어 있는 밸브를 개방시켜 기포를 배출시키는 단계;를 포함한다.

상기 압력변화율을 도출하는 단계 이전에, 상기 제어부에서 히터를 구동시켜 냉각유로의 온도를 상승시키는 단계;를 포함한다.

상기 기포가 발생하였는지 여부를 판단하는 단계는, 상기 제어부에서 상기 압력변화율이 기설정된 기준값 이하인 경우 상기 냉각수에 기포가 발생하였다고 판단하는 것을 특징으로 한다.

상기 기포를 배출시키는 단계 이후에, 상기 제어부에서 밸브를 개방시킨 이후 온도상승에 따른 압력변화율을 도출하는 단계; 및 상기 밸브 개방 이후 압력변화율이 기설정된 기준값을 초과하는 경우 상기 제어부에서 상기 밸브를 차단시키는 단계;를 포함한다.

상기 기포를 배출시키는 단계 이후에, 밸브를 개방시킨 이후의 경과시간이 기설정된 개방시간을 초과하는 경우 제어부에서 상기 밸브를 차단시키는 단계;를 포함한다.

상기 개방시간은 상기 압력변화율이 작을수록 길어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 별도의 센서를 추가하지 않고도 냉각수에 기포가 발생하였는지 여부를 정확하게 판단할 수 있으며 기포 발생에 따라 밸브를 개방하는 것뿐만 아니라 일정수준 기포가 제거되었다고 판단된 경우에는 밸브를 차단해 장기간동안의 기포 배출로 인하여 차량의 냉각성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 냉각수에 기포가 발생한 경우와 발생하지 않은 경우의 냉각유로의 온도 상승에 따른 압력변화율 비교 그래프
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량 냉각 시스템의 구성도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 밸브 구성도
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 밸브 개방시와 차단시의 시스템 구성도
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량 냉각 시스템 제어방법의 순서도

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.

본 발명에 따른 차량 냉각 시스템의 구성도는 도2에서 도시하고 있는 바와 같이 냉각유로(20)의 일측에 마련되어 냉각수에 발생하는 기포를 상기 냉각유로(20) 외부로 배출시키는 밸브(10); 및 상기 냉각유로(20)내의 온도상승에 따른 압력변화율을 이용하여 상기 냉각수에 기포가 발생하였는지 여부를 판단하고, 기포가 발생하였다고 판단되는 경우 상기 밸브(10)를 개방시키는 제어부(30);를 포함한다.

본 발명은 냉각수에 기포가 발생하였는지 여부를 판단한기 위한 기준으로 냉각유로(20)내의 온도상승에 따른 압력변화율을 제시하고 있는데, 그 이유는 도1의 기포가 발생한 경우와 발생하지 않은 경우의 압력변화율 비교그래프를 통해 확인할 수 있다.

도1의 (a)는 냉각수에 기포가 발생하지 않은 경우 냉각유로(20) 온도 상승에 따른 압력변화율 그래프를 나타낸 것이며 (b)는 냉각수에 기포가 발생한 경우 냉각유로(20) 온도 상승에 따른 압력변화율 그래프를 도시한 것이다. 또한 실선으로 표시된 그래프가 압력변화율을 의미하며 점선으로 표시된 그래프가 온도상승률을 의미한다.

도1 (a) 그래프를 살펴보면 냉각유로(20)의 온도상승에 따라 냉각유로(20)의 압력변화율도 거의 비례하는 수준으로 상승하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 압력상승은 다양한 요인에 의하여 발생할 수 있겠지만 가장 큰 요인은 액체가 온도상승에 따라 그 부피가 팽창하는 특성에 의한 것일 것이다. 그러나 냉각수에 기포가 존재하는 경우에는 상황이 다르다. 냉각수 내에 기포가 존재한다는 의미는 냉각수가 온도상승에 따라 부피가 팽창한다고 하더라도 기포에 의하여 발생되는 냉각수내 빈공간에 팽창된 부피가 채워지게 되므로 전체적으로 기포가 존재하지 않는 경우보다는 냉각수의 부피 팽창량이 적다. 그러므로 냉각수내에 기포가 존재하는 경우에는 냉각유로(20) 온도 상승에 따른 압력변화율이 기포가 존재하는 경우보다 작아지게 되는데, 이를 도1 (b)에서 도시하고 있는 것이다. 도1의 (b) 그래프를 보면 확인할 수 있듯이 냉각유로(20)의 온도는 지속적으로 상승하고 있는 반면에 냉각유로(20)의 압력은 일정구간동안 상승하지 않고 유지되는 것을 알 수 있다.

따라서 본 발명에서는 이러한 차이점에 착안하여 냉각수에 기포가 발생하였는지 여부를 판단하고 냉각수에 기포가 발생한 경우에는 냉각유로(20)의 일측에 마련된 밸브(10)를 개방하여 기포를 배출하고, 기포가 배출된 경우에는 다시 밸브(10)를 차단시켜 냉각수가 냉각유로(20)를 원활하게 순환할 수 있도록 하고 있는 것이다.

본 발명에 따른 시스템을 구성하고 있는 밸브(10)는 전자식 밸브 또는 기계식 밸브등 다양한 종류의 밸브(10)를 이용할 수 있는데, 도3은 그 일례로서 전자식 밸브(10)의 형태를 도시하고 있다. 구체적으로 본 발명에 따른 전자식 밸브(10)는 냉각유로(20)로부터 기포를 배출하기 위한 배출구를 차단할 수 있는 가압캡 안착면(16), 상기 가압캡 안착면(16)에 부착되어 밸브의 개방 또는 차단시키는 전자식 밸브 구동부(12)와 냉각유로 내의 압력에 따라 압축 또는 팽창이 가능한 양압 스프링(14)을 포함하여 구성될 수 있다.

이러한 밸브(10)가 적용된 차량 냉각 시스템의 밸브 개방시와 차단시의 시스템 구성을 비교한 도면이 도4이다. 도4의 (a)는 밸브(10) 개방시에 해당하는데 이 경우에는 전자식 밸브 구동부(12)가 가압캡 안착면(16)을 이동시켜 기포 배출구를 통해 기포가 배출될 수 있도록 한다. 반면 평상시 또는 냉각수에 기포가 존재하지 않는 경우에는 도4의 (b)와 같이 기포 배출구로 유체가 빠져나가지 못하도록 전자식 밸브 구동부(12)가 가압캡 안착면(16)을 냉각유로쪽으로 밀착시키도록 한다.

구체적으로 제어부(30)는 냉각유로(20)내의 온도상승에 따른 압력변화율이 기설정된 기준값 이하인 경우 냉각수에 기포가 발생하였다고 판단을 하게 된다. 여기서의 압력변화율과 기준값은 모두 냉각유로(20)내의 온도상승에 따른 압력변화량을 온도변화량으로 제산한 값을 의미한다. 즉, 압력변화율은 일정 시간(설계자가 냉각유로(20)의 온도 상승을 유지한 시간)동안의 압력변화량을 온도변화량으로 제산한 값이 되며, 기준값은 기포가 발생한 경우의 압력변화율로 냉각수의 종류 및 설계자의 요구에 따라 다양하게 설정될 수 있는 값이다.

예를 들어 설계자가 냉각수에 기포가 발생하였는지 여부를 판단하기 위해 냉각유로(20)의 온도를 10℃ 상승시켰고, 상기 온도 상승 구간 동안 냉각유로(20)내의 압력변화량이 0.05bar라면 압력변화율은 0.005bar/℃가 될 것이며, 냉각수의 특성 및 설계자의 요구에 따라 설정된 기준값이 0.007bar/℃ 라면 압력변화율이 기준값보다 작은 경우에 해당하므로 제어부(30)에서 아직 냉각수에 기포가 발생하였다고 판단하는 것이다. 따라서 이 경우에는 본 발명에서 제시하고 있는 바와 같이 제어부(30)에서 밸브(10)를 개방시켜 냉각수에 발생된 기포를 배출하도록 하고 있는 것이다.

기포를 배출하기 위해 밸브(10)를 개방시킨 이후에, 지속적으로 밸브(10) 개방을 유지하게 되면 냉각수가 냉각유로(20)를 원활하게 순환하지 못하게 되므로 차량의 냉각성능이 하락된다. 그러므로 냉각수에 생성된 기포를 배출시킨 이후에는 차량의 냉각성능 유지를 위하여 밸브(10)를 다시 차단할 필요가 있는데, 여기서 밸브(10)의 차단을 위한 판단기준도 앞서 언급한 바와 같이 압력변화율을 이용한다.

즉 밸브(10)를 개방시킨 이후 온도상승에 따른 압력변화율이 상기 기준값을 초과하는 경우 상기 제어부(30)에서 상기 밸브(10)를 차단시키도록 하고 있는 것이다. 이를 앞선 경우와 동일하게 예를 들어 살펴보면 밸브(10) 개방 이후 냉각유로(20)의 온도를 10℃ 상승시켰고 상기 온도 상승 구간 동안 냉각 유로내의 압력변화량이 0.1bar가 된다면 압력변화율은 0.01bar/℃가 될 것인바, 기준값인 0.007bar/℃보다 큰 경우에 해당하므로 냉각수에 기포가 존재하지 않는다고 판단할 수 있어 이 경우에는 제어부(30)에서 다시 밸브(10)를 차단하도록 하고 있는 것이다.

따라서 이와 같이 밸브(10)를 제어한다면 적절하게 냉각수에 발생하는 기포를 냉각유로(20) 밖으로 배출할 수 있을 것이다. 그러나 이 경우 기포 발생을 판단하기 위해서는 지속적으로 냉각유로(20)의 온도를 상승시켜야 하는데, 온도 상승을 위해서는 에너지를 소비하여야 하므로 차량의 에너지 효율 측면에서는 바람직하지 못하다. 따라서 이러한 점을 일부 개선하기 위해 본 발명은 기포가 발생하였다고 판단된 경우 기설정된 개방시간동안 밸브(10)를 개방시키는 방법을 제시하고 있는 것이다.

이 경우에는 앞선 경우와 달리 밸브(10)를 다시 차단시키기 위한 기준인 온도상승에 따른 압력변화율을 도출하기 위해 냉각유로(20)의 온도를 상승시킬 필요가 없어지므로 냉각유로(20) 온도상승에 따른 에너지 소비를 일부 감소시킬 수 있는 것이다. 여기서의 개방시간은 냉각수의 종류 및 설계자의 필요에 따라 다양한 값을 가질 수 있을 것이나 제어부(30)에서 밸브(10)를 개방하기 이전에 밸브(10) 개방을 위하여 도출한 압력변화율이 작을수록 길어지는 것이 바람직할 것이다. 왜냐하면 압력변화율이 작을수록 냉각수에 발생된 기포의 양이 많은 것으로 판단할 수 있으므로 개방시간을 길게 하여야 기포가 냉각유로(20) 외부로 충분히 배출될 수 있기 때문이다.

이와 더불어 본 발명에 따른 차량 냉각 시스템 제어방법은 도5에서 도시하고 있는 바와 같이 상기 제어부(30)에서 히터를 구동시켜 냉각유로의 온도를 상승시키는 단계(S10); 제어부(30)에서 냉각유로내의 온도상승에 따른 압력변화율을 도출하는 단계(S20); 상기 제어부(30)에서 상기 압력변화율을 이용하여 냉각수에 기포가 발생하였는지 여부를 판단하는 단계(S30); 기포가 발생하였다고 판단된 경우 상기 제어부(30)에서 냉각유로(20)의 일측에 마련되어 있는 밸브(10)를 개방시켜 기포를 배출시키는 단계(S40) 및 상기 밸브(10) 개방 이후 압력변화율이 기설정된 기준값을 초과하는 경우 또는 밸브(10)를 개방시킨 이후의 경과시간이 기설정된 개방시간을 초과하는 경우 상기 제어부(30)에서 상기 밸브를 차단시키는 단계(S50);를 포함할 수 있다.

다만 밸브 차단 단계(S50)에서 밸브(10) 개방 이후 압력변화율을 기설정된 기준값과 비교하여 제어부(30)에서 밸브(10)를 차단시키는 경우에는 기포 배출 단계(S40)를 통해 밸브(10)를 개방시킨 이후에 압력변화율을 다시 한 번 도출할 필요가 있으므로 이 경우에는 앞서 언급한 바와 같이 다시 한 번 냉각유로(20)의 온도를 상승시켜 냉각유로(20)의 온도상승에 따른 압력변화율을 도출하게 된다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

10: 밸브 20: 냉각유로
30: 제어부 S10: 냉각유로 온도 상승 단계
S20: 압력변화율 도출 단계 S30: 기포 발생 여부 판단 단계
S40: 기포 배출 단계 S50: 밸브 차단 단계

Claims (10)

1. 냉각유로의 일측에 마련되어 냉각수에 발생하는 기포를 상기 냉각유로 외부로 배출시키는 밸브; 및
   상기 냉각유로내의 온도상승에 따른 압력변화율을 도출하고, 이를 이용하여 상기 냉각수에 기포가 발생하였는지 여부를 판단하고, 기포가 발생하였다고 판단되는 경우 상기 밸브를 개방시키는 제어부;를 포함하고,
   제어부는 압력변화율을 도출하기 이전에, 히터를 구동시켜 냉각유로의 온도를 상승시키는 것을 특징으로 하는 차량 냉각 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어부는 상기 압력변화율이 기설정된 기준값 이하인 경우 상기 냉각수에 기포가 발생하였다고 판단하는 것을 특징으로 하는 차량 냉각 시스템.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 밸브를 개방시킨 이후 온도상승에 따른 압력변화율이 상기 기준값을 초과하는 경우 상기 제어부에서 상기 밸브를 차단시키는 것을 특징으로 하는 차량 냉각 시스템.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어부는 기포가 발생하였다고 판단되는 경우 기설정된 개방시간동안 밸브를 개방시키며, 상기 개방시간은 상기 압력변화율이 작을수록 길어지는 것을 특징으로 하는 차량 냉각 시스템.
5. 제어부에서 냉각유로내의 온도상승에 따른 압력변화율을 도출하는 단계;
   상기 제어부에서 상기 압력변화율을 이용하여 냉각수에 기포가 발생하였는지 여부를 판단하는 단계; 및
   기포가 발생하였다고 판단된 경우 상기 제어부에서 냉각유로의 일측에 마련되어 있는 밸브를 개방시켜 기포를 배출시키는 단계;를 포함하고,
   상기 압력변화율을 도출하는 단계 이전에, 상기 제어부에서 히터를 구동시켜 냉각유로의 온도를 상승시키는 단계;를 더 포함하는 차량 냉각 시스템 제어방법.
6. 삭제
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 기포가 발생하였는지 여부를 판단하는 단계는,
   상기 제어부에서 상기 압력변화율이 기설정된 기준값 이하인 경우 상기 냉각수에 기포가 발생하였다고 판단하는 것을 특징으로 하는 차량 냉각 시스템 제어방법.
8. 청구항 5에 있어서,
   상기 기포를 배출시키는 단계 이후에,
   상기 제어부에서 밸브를 개방시킨 이후 온도상승에 따른 압력변화율을 도출하는 단계; 및
   상기 밸브 개방 이후 압력변화율이 기설정된 기준값을 초과하는 경우 상기 제어부에서 상기 밸브를 차단시키는 단계;를 포함하는 차량 냉각 시스템 제어방법.
9. 청구항 5에 있어서,
   상기 기포를 배출시키는 단계 이후에,
   밸브를 개방시킨 이후의 경과시간이 기설정된 개방시간을 초과하는 경우 제어부에서 상기 밸브를 차단시키는 단계;를 포함하는 차량 냉각 시스템 제어방법.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 개방시간은 상기 압력변화율이 작을수록 길어지는 것을 특징으로 하는 차량 냉각 시스템 제어방법.

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