KR101886561B1 - 냉각팬 rpm 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 냉각팬의 RPM을 제어하는 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는, 고속주행환경에서 PWM 듀티율을 규제하여 냉각팬의 RPM을 팬벨트 허용장력 범위 이내로 유지되도록 제한하고, 엔진의 고부하 조건에서 냉각팬을 선행 구동하는 로직을 포함하여 엔진의 과열을 방지할 수 있는 냉각팬 RPM 제어 방법에 관한 것이다.

Description

냉각팬 RPM 제어 방법{COOLING FAN RPM CONTROLING METHOD}
본 발명은, 냉각팬의 RPM을 제어하는 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는, 고속주행환경에서 PWM 듀티율을 규제하여 냉각팬의 RPM을 팬벨트 허용장력 범위 이내로 유지되도록 제한하고, 엔진의 고부하 조건에서 냉각팬을 선행 구동하는 로직을 포함하여 엔진의 과열을 방지할 수 있는 냉각팬 RPM 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 라디에이터 및 냉각팬과 함께 엔진 냉각계를 구성하는 팬 클러치 는 엔진 정지 시 함께 정지되고 엔진 가동 시 냉각수 온도에 따라 선택적으로 가동됨으로써 냉각수온에 맞춰 냉각팬의 RPM(Revolution per Minute)이 제어된다.
냉각팬의 후방으로는 기어박스가 결합된 팬클러치가 결합된다. 반응시간이 빠르며 제어가 용이한 마그네틱 클러치(electromagnetic clutch)가 주로 사용되며, 상기 마그네틱 클러치는 내장된 전자 코일에 의해 발생되는 전자기력으로 회전력을 전달하도록 구성되어 팬의 회전속도를 조절한다.
일반적으로는 엔진 ECU가 제어 신호를 PWM(Pulse-Width Modulation) 펄스 폭 변조 제어 모듈로 전송, 펄스 폭 변조 제어 모듈은 수신된 제어 신호에 기반하여 PWM 신호를 생성함으로써, 냉각 팬의 DC 모터를 구동하는 방식으로 냉각팬이 작동하게 된다. 즉, 엔진 ECU는 주기(Duty)를 결정하고 결정된 주기 정보를 일정 주파수를 가진 듀티 신호로 펄스 폭 변조 제어 모듈에 전달할 수 있으며, 펄스 폭 변조 제어 모듈은 수신된 듀티 신호를 펄스 폭 변조 신호로 변환하고, 이 후, 모터 구동 트랜지스터가 변환된 펄스 폭 변조 신호를 적분하여 DC 모터에 인가되는 전압을 제어함으로써 냉각 팬을 구동시키는 것이다.
대형버스의 경우 엔진 냉각팬을 벨트로 구동하는 것이 일반적이며, 배기가스 관련 규제 법규의 강화로 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 사용율이 증가하고, 그에 따라 엔진의 발열량이 증가하여 냉각계 용량의 확보를 위해 냉각팬의 사이즈가 커지게 되고, 팬벨트 측면에서 과부하 사용 조건이 증대되고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 냉각팬의 RPM은 엔진 RPM에 비례하여 상승하게 되므로, 엔진 RPM이 일정영역 이상에서는 팬 RPM이 팬벨트의 장력 허용치 이상으로 작동될 확률이 높음을 알 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 특히 하절기 고속주행시 엔진의 사용 RPM이 높게 유지되고, 냉각수온의 변동폭이 90~100℃정도로 커지게 된다. 온도별 PWM 듀티율에 따라 팬의 RPM이 변동하게 되고, 냉각수온이 98℃이상으로 높을 경우에는 팬 RPM 이 벨트 장력 허용치 이상(과장력)으로 구동되고, 반복 피로하중 발생할 가능성이 높아지게 된다. 즉, 팬 벨트에 작용하는 과장력에 의해 팬 벨트의 조기파손 또는 이탈의 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-0405565 호 (2003.11.03)
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 고속주행환경에서 PWM 듀티율을 규제하여 냉각팬의 RPM을 팬벨트 허용장력 범위 이내로 유지되도록 제한하고, 엔진의 고부하 조건에서 냉각팬을 선행 구동하는 로직을 포함하여 엔진의 과열을 방지할 수 있는 냉각팬 RPM 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각팬 RPM 제어방법은 엔진 냉각팬 팬벨트의 파손방지 위한 팬 RPM 제어방법에 있어서, (a)차량의 주행에 따른 팬 RPM 조절 인자를 측정하는 단계; (b)상기 조절 인자가 기 설정된 제 1조건 만족여부를 판단하는 단계; (c)초과한 경우, PWM 듀티를 일정 범위 이상으로 규제하는 단계;
(d)상기 PWM 듀티의 규제를 통해, 팬 RPM을 일정 범위 이하로 제한하는 단계;를
포함할 수 있다.
또한, 상기 팬 RPM 조절 인자는 차량의 속도, 엔진의 RPM 및 냉각수온을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 1조건은 상기 팬벨트의 허용 장력을 초과하지 않는 범위에서의 각 RPM조절 인자의 임계값인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 (b)단계는 차량의 속도가 90km/h 이상, 엔진 RPM이 2500이상 및 냉각수온이 98℃ 이상인지를 판단함으로써 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 PWM 듀티는 팬 RPM이 상기 팬벨트의 허용장력을 초과하지 않는 범위 이내로 유지되기 위한 범위로 규제되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 PWM 듀티는 20% 이상이 되도록 규제하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 (c)단계에서 상기 PWM듀티는 엔진 냉각수온 데이터로부터 산출된 온도별 목표 팬속도를 통해 정해지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 (c)단계에서 상기 PWM듀티는 엔진 냉각수온 데이터 및 엔진 흡기온 데이터로부터 각각 산출된 온도별 목표 팬속도의 최대값을 통해 정해지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 (a)단계 이후, 엔진 과열 방지 위해 냉각팬을 선행 구동하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수있다.
또한, 상기 팬 RPM 조절 인자는 엔진의 RPM, 냉각수온 및 스로틀 밸브 개도율, 연료 분사량 또는 엔진 토크 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 스로틀 밸브 개도율, 연료 분사량 또는 엔진 토크 중 선택된 어느 하나의 RPM 조절 인자에 따른 목표 팬 RPM은 상기 다른 RPM 조절 인자에 따른 목표 팬 RPM 보다 더 큰 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 (d)단계에서 팬 RPM은 상기 팬벨트의 허용장력을 초과하지 않는 범위내에서 정해지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 팬 RPM은 2200 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 냉각팬을 선행 구동하는 로직은 상기 RPM 조절 인자들이 기 설정된 제 2조건을 만족하는 경우 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 2조건은 상기 제 1조건보다 엔진의 저부하 상태에 해당하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 냉각팬을 선행 구동하는 로직은 스로틀밸브의 개도율이 70%이상, 냉각수온이 95℃ 이상 및 엔진 RPM이 2500이상인 경우 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 고속주행환경에서 PWM 듀티율을 규제하여 냉각팬의 RPM을 팬벨트 허용장력 범위 이내로 유지되도록 제한하여 팬벨트의 내구력을 증대하는 효과가 있다.
또한, 엔진의 고부하 조건에서 냉각팬을 선행 구동하는 로직을 포함하여 엔진의 과열을 방지하는 효과가 있다.
또한, 팬벨트의 내구력을 증대함으로써, 벨트를 저사양으로 변경가능하고 그에 다른 원가절감의 효과가 있다.
도 1은 엔진 RPM별 팬 RPM 및 팬벨트 장력을 도시한 그래프.
도 2는 종래 기술에 따른 고속주행시 냉각수온 및 벨트 장력거동을 도시한 그래프.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 냉각팬 RPM 제어방법 적용시의 냉각수온 및 벨트 장력거동을 도시한 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 냉각팬 RPM 제어방법을 개념적으로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 냉각팬 RPM 제어방법에 있어서, 팬클러치의 제어로직을 개략적으로 보여주는 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 냉각팬 RPM 제어방법을 순서적으로 도시한 도면.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 냉각팬 RPM 제어방법 적용시의 냉각수온 및 벨트 장력거동을 도시한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 본 발명은 냉각수온등에 따른 PWM 듀티율을 일정 범위이상으로 제한하여, 팬 RPM이 팬벨트의 허용장력을 초과하여 구동되지 않도록 하고, 고속환경에서 엔진냉각팬의 RPM이 제한됨에 따라 엔진의 과열을 방지하기 위해 냉각팬을 선행하여 구동시키는 로직을 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 냉각팬 RPM 제어방법에 있어서, 팬클러치의 제어로직을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 팬 RPM을 조절하기 위한 PWM 듀티율은 엔진 RPM과 엔진 냉각수온, 엔진 RPM과 엔진 흡기온 데이터로부터 온도별 목표 팬속도를 산출하고, 이때 온도별 목표 팬속도는 엔진냉각수온에 대해 산출된 값 또는 엔진냉각수온과 엔진 흡기온의 각각에 대해 산출된 후 최대값으로 결정될 수 있다. 또한, 후술할 냉각팬의 선행 구동방법에 있어서는 냉각수온, 엔진RPM 및 악셀 개도율 즉, 스로틀 밸브의 개도율에 따른 목표 팬속도를 산출하여, 앞서 산출한 온도별 목표 팬속도와 비교하여 최대값으로 결정될 수 있다.
이러한 목표 팬속도와 INPUT RPM 을 통해 냉각팬을 구동하기 위한 PWM 듀티율이 정해지고, 이때 INPUT RPM 은 엔진에서 팬 클러치로 전달되는 회전수로 엔진 RPM에 풀리비(Pully Ratio)를 곱하여 산출될 수 있다.
또한, 피드백된 실제 팬속도와 목표 팬속도의 오차에 대해 팬클러치를 예컨대, PID제어 방법 등에 의해 제어함으로써, 냉각팬의 속도가 상기 목표속도를 추종하도록 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 냉각팬 RPM 제어방법을 개략적으로 도시한 것이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 냉각팬 RPM 제어방법을 순서적으로 도시한 것이다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 냉각팬 RPM 제어방법은 엔진 냉각팬 팬벨트의 파손방지 위한 팬 RPM 제어방법에 있어서, (a)차량의 주행에 따른 팬 RPM 조절 인자를 측정하는 단계(S100); (b)상기 조절 인자가 기 설정된 제 1조건 만족여부를 판단하는 단계(S300); (c)초과한 경우, PWM 듀티를 일정 범위 이상으로 규제하는 단계(S400); (d)상기 PWM 듀티의 규제를 통해, 팬 RPM을 일정 범위 이하로 제한하는 단계(S500);를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 팬 RPM 조절 인자는 차량의 속도, 엔진의 RPM 및 냉각수온을 포함할 수 있고, 본 발명의 일실시예에서는 상기 (b)단계(S300)는 차량의 속도가 90km/h 이상, 엔진 RPM이 2500이상 및 냉각수온이 98℃ 이상인지를 판단함으로써 이루어질 수 있으나, 이는 실시예 중 하나일 뿐 이것으로 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 제 1조건은 상기 팬벨트의 허용 장력을 초과하지 않는 범위에서의 각 RPM조절 인자의 임계값으로 선택될 수 있음은 자명하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 PWM 듀티는 20% 이상이 되도록 규제될 수 있으나, 이는 실시예 중 하나일 뿐 이것으로 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명에서는 상기 PWM 듀티는 팬 RPM이 상기 팬벨트의 허용장력을 초과하지 않는 범위 이내로 유지되기 위한 범위로 규제될 수 있는 것이다.
이렇게 고속주행환경에서 냉각팬의 RPM이 제한되면 엔진의 과열될 가능성이 있으므로, 본 발명에서는 이를 해결하기 위해 상기 (a)단계(S100) 이후, 엔진 과열 방지 위해 냉각팬을 선행 구동하는 단계(S200)를 더 포함할 수 있다. 이때는 상술한 바와 같이, 팬 RPM조절 인자는 엔진의 RPM과 냉각수온 및 스로틀 밸브 개도율, 연료 분사량 또는 엔진 토크 중에서 선택된 어느 하나 일 수 있다.
상기 냉각팬을 선행 구동하는 로직은 상기 RPM 조절 인자들이 기 설정된 제 2조건을 만족하는 경우 수행될 수 있는데, 제 2조건은 상기 제 1조건보다 엔진의 저부하 상태에 해당하는 값이 바람직하다. 즉, 상기 스로틀 밸브 개도율, 연료 분사량 또는 엔진 토크 중 선택된 어느 하나의 RPM 조절 인자에 따른 목표 팬 RPM은 상기 다른 RPM 조절 인자에 따른 목표 팬 RPM 보다 더 크게 설정되는 것이 바람직한데, 이는 도 3의 (b)그래프와 같이 동일한 냉각수온에서 목표 팬속도를 더 높게 가져가게 되어 팬RPM이 제한되기 전 냉각수온의 과다 상승 방지를 위해 냉각팬을 선행 작동 시키기 위함이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 냉각팬을 선행 구동하는 로직은 스로틀밸브의 개도율이 70%이상, 냉각수온이 95℃ 이상 및 엔진 RPM이 2500이상인 경우 수행될 수 있으나, 이는 실시예 중 하나일 뿐 이것으로 한정되는 것은 아니며, 엔진에 따라 그 고부하 조건은 달라질 수 있음은 당연하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 팬 RPM은 2200 이하로 제한되는 것이 바람직하나, 이는 사용되는 팬벨트의 허용장력에 따라 달라 질 수 있으므로 상기 (d)단계(S500)에서 팬 RPM은 상기 팬벨트의 허용장력을 초과하지 않는 범위내에서 정해지는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 고속주행환경에서 PWM 듀티율을 규제하여 냉각팬의 RPM을 팬벨트 허용장력 범위 이내로 유지되도록 제한하여 팬벨트의 내구력을 증대하여 원가절감이 가능하며, 엔진의 고부하 조건에서 냉각팬을 선행 구동하는 로직을 포함하여 엔진의 과열을 방지하는 효과가 있다.
앞서 살펴본 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 (이하 '당업자'라 한다)가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시 예 일 뿐, 전술한 실시 예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경 가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.

Claims (16)

  1. 엔진 냉각팬 팬벨트의 파손방지 위한 팬 RPM 제어방법에 있어서,
    (a)차량의 주행에 따른 팬 RPM 조절 인자를 측정하는 단계;
    (b)상기 조절 인자가 기 설정된 제 1조건 만족여부를 판단하는 단계;
    (c)상기 조절 인자가 상기 제1 조건을 초과한 경우, PWM 듀티를 일정 범위 이상으로 규제하는 단계;
    (d)상기 PWM 듀티의 규제를 통해, 팬 RPM을 일정 범위 이하로 제한하는 단계;를 포함하고,
    상기 (a)단계 이후, 엔진 과열 방지 위해 냉각팬을 선행 구동하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각팬 RPM 제어방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 팬 RPM 조절 인자는 차량의 속도, 엔진의 RPM 및 냉각수온을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각팬 RPM 제어방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1조건은 상기 팬벨트의 허용 장력을 초과하지 않는 범위에서의 각 RPM조절 인자의 임계값인 것을 특징으로 하는 냉각팬 RPM 제어방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 (b)단계는 차량의 속도가 90km/h 이상, 엔진 RPM이 2500이상 및 냉각수온이 98℃ 이상인지를 판단함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉각팬 RPM 제어방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 PWM 듀티는 팬 RPM이 상기 팬벨트의 허용장력을 초과하지 않는 범위 이내로 유지되기 위한 범위로 규제되는 것을 특징으로 하는 냉각팬 RPM 제어방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 PWM 듀티는 20% 이상이 되도록 규제하는 것을 특징으로 하는 냉각팬 RPM 제어방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 (c)단계에서 상기 PWM듀티는 엔진 냉각수온 데이터로부터 산출된 온도별 목표 팬속도를 통해 정해지는 것을 특징으로 하는 냉각팬 RPM 제어방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 (c)단계에서 상기 PWM듀티는 엔진 냉각수온 데이터 및 엔진 흡기온 데이터로부터 각각 산출된 온도별 목표 팬속도의 최대값을 통해 정해지는 것을 특징으로 하는 냉각팬 RPM 제어방법.
  9. 삭제
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 팬 RPM 조절 인자는 엔진의 RPM, 냉각수온 및 스로틀 밸브 개도율, 연료 분사량 또는 엔진 토크 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 냉각팬 RPM 제어방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 스로틀 밸브 개도율, 연료 분사량 또는 엔진 토크 중 선택된 어느 하나의 RPM 조절 인자에 따른 목표 팬 RPM은 상기 다른 RPM 조절 인자에 따른 목표 팬 RPM 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 냉각팬 RPM 제어방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 (d)단계에서 팬 RPM은 상기 팬벨트의 허용장력을 초과하지 않는 범위내에서 정해지는 것을 특징으로 하는 냉각팬 RPM 제어방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 팬 RPM은 2200 이하인 것을 특징으로 하는 냉각팬 RPM 제어방법.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 냉각팬을 선행 구동하는 로직은 상기 RPM 조절 인자들이 기 설정된 제 2조건을 만족하는 경우 수행되는 것을 특징으로 하는 냉각팬 RPM 제어방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제 2조건은 상기 제 1조건보다 엔진의 저부하 상태에 해당하는 것을 특징으로 하는 냉각팬 RPM 제어방법.
  16. 제 11항에 있어서,
    상기 냉각팬을 선행 구동하는 로직은 스로틀밸브의 개도율이 70%이상, 냉각수온이 95℃ 이상 및 엔진 RPM이 2500이상인 경우 수행되는 것을 특징으로 하는 냉각팬 RPM 제어방법.
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