KR102053429B1

KR102053429B1 - 배기가스 재순환 장치 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR102053429B1
Application number: KR1020130142170A
Authority: KR
Inventors: 김형민
Original assignee: 현대자동차(주)
Priority date: 2013-11-21
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2019-12-06
Also published as: KR20150058875A

Abstract

엔진의 흡기라인과 연결된 수퍼차저; 일단은 EGR밸브가 형성된 EGR통로와 연결되고, 타단은 수퍼차저와 결합되어 개폐 가능하도록 형성되어 개방 시 수퍼차저로 공급되는 공기를 가압하는 바이패스 밸브; 및 일단은 수퍼차저와 결합되고, 타단은 엔진에 결합되어 결합 및 해제에 의해 수퍼차저를 구동 또는 정지하도록 형성된 클러치;를 포함하는 배기가스 재순환 장치가 소개된다.

Description

배기가스 재순환 장치 및 그 제어방법 {EXHAUSTED GAS RECIRCULATION APPARATUS AND CONTROL METHOD}

본 발명은 내연기관의 배기가스를 재순환시키는 배기가스 재순환 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

디젤자동차의 주된 대기오염 물질은 질소산화물(NOx)과 입자상물질(Particulate matter)이다. 따라서, 이들은 디젤자동차 배기가스 규제의 주요한 대상물질이 되고 있다. 질소산화물(NOx) 저감을 위한 배기 가스 재순환 장치 (EGR; Exhaust Recirculation)는 연소 후 배출되는 배기가스의 일부를 흡입 혼합기에 포함시켜 연소 실로 유입시킴으로써, 혼합기의 자체 공연비는 변화시키지 않으면서 혼합기의 밀도를 저하시켜 연소 온도를 저하시키는 특성을 갖게 된다.

즉, 상기 EGR 장치는 엔진의 운전 상태에 따라 NOx와 같은 에미션(Emission)을 저감시킬 필요가 있을 때, 배기가스의 일부를 EGR 밸브를 통하여 흡기 인테이크에 제공하여 혼합기와 함께 연소 실로 유입시키면, 상기 연소실로 유입된 배기 가스는 불활성 가스로서 흡입 가스의 체적은 변화하지 않으므로 상대적으로 혼합기의 밀도가 저하되어 화염의 전파 속도를 저하시킴으로써 연소속도가 저하되고, 이에 따라 연소 온도의 상승을 방지하여 NOx와 같은 에미션(Emission)의 발생을 줄여 주게 된다.

이러한 EGR은 터보 챠져의 터빈을 지난 배기가스를 컴프레셔 전단의 흡기통로로 재순환시키는 저압 EGR(LP-EGR; low pressure EGR)과 배기 매니폴드와 터빈 사이에서 배기가스를 추출하여 컴프레셔 및 인터쿨러를 지난 흡기통로로 재순환시키는 고압 EGR(HP-EGR; high pressure EGR)로 나뉠 수 있다.

EGR의 응답성 측면에서 보면 LP-EGR 시스템은 고속 고부하에서의 응답성이 빠르고 HPEGR시스템은 저속 저부하에서의 응답성이 빠르다. 따라서, 고속 고부하에서는 LP-EGR을 주로 이용하며 LP-EGR system은 터빈을 지나서 배기가스를 추출하므로 터보 챠져에 영향을 주지 않으며, 배기가스 에너지를 모두 사용할 수 있기 때문에 터보 챠져의 응답성 향상, 즉 운전성에 도움을 줄 수 있다.

대한민국 특허 공개번호 10-2013-0057839 A의 "EGR밸브 및 이를 이용한 EGR 제어 시스템 및 방법"에서는 EGR 통로와 배기관이 교차되는 모서리 부분에 설치되는 회전축; 상기 회전축의 일측에 장착되어 상기 EGR 통로를 개폐하는 EGR 플랩; 상기 회전축의 타측에 장착되어 상기 배기관을 개폐하는 배기 플랩; 및 상기 회전축에 연결되어 회전 구동력을 제공하는 모터;를 포함하여 구성된다.

그러나, 연비향상을 위해서는 엔진의 작동 영역을 저속고부하 영역으로 변경하는 다운사이징 및 다운스피딩 전략이 가장 우수하나 고부하 운전으로 인한 NOx 배출량이 증가하고 배기량 저하 및 기어비 변경으로 인한 차량 동력성능이 저하되기 때문에 동력성능이 저하되지 않도록 하기 위해서는 별도의 부품을 추가하여 구성이 복잡해지고 높은 비용이 추가되는 등의 문제가 발생하였다.

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

10-2013-0057839

A

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 동력성능이 저하되는 것을 방지하면서도 높은 비용이 추가되지 않도록 하는 배기가스 재순환 장치 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배기가스 재순환 장치는 엔진의 흡기라인과 연결된 수퍼차저; 일단은 EGR밸브가 형성된 EGR통로와 연결되고, 타단은 수퍼차저와 결합되어 개폐 가능하도록 형성되어 개방 시 수퍼차저로 공급되는 공기를 가압하는 바이패스 밸브; 및 일단은 수퍼차저와 결합되고, 타단은 엔진에 결합되어 결합 및 해제에 의해 수퍼차저를 구동 또는 정지하도록 형성된 클러치;를 포함한다.

상기 클러치는 마그네틱 클러치일 수 있다.

상기 클러치에는 풀리가 형성되어 엔진에 형성된 풀리와 벨트로 연결되어 구동될 수 있다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 ekFMS 배기가스 재순환 장치의 제어방법은 청구항 1의 구성을 갖는 배기가스 재순환 장치에 있어서, 제어부가 차량의 운행정보를 입력받는 입력단계; 상기 입력단계에서 제어부에 입력된 데이터값이 EGR밸브를 폐쇄하는 조건보다 큰지를 비교하는 비교단계; 상기 비교단계에서 제어부에 입력된 데이터값이 더 크면 소정의 조건을 만족하는지를 판단하는 조건만족 판단단계; 및 상기 조건만족 판단단계에서 소정의 조건을 만족하는 것으로 판단되면 클러치를 접합하고, 바이패스 밸브를 개방하여 수퍼차저가 구동되도록 하는 수퍼차저 구동단계;를 포함한다.

상기 입력단계에서는 제어부에 차량의 악셀페달의 개도량의 데이터값이 입력될 수 있다.

상기 비교단계에서는 상기 입력단계에서 입력된 악셀페달의 개도량의 초당 변화율을 산출하고 산출된 초당변화율과 EGR밸브 폐쇄 조건과 비교할 수 있다.

상기 비교단계에서 제어부에 입력된 데이터값이 EGR밸브를 폐쇄하는 조건보다 작으면 클러치 및 바이패스 밸브를 OFF할 수 있다.

상기 조건만족 판단단계에서는 차속이 일정 이상인지를 판단할 수 있다.

상기 조건만족 판단단계에서는 엔진의 회전속도가 일정 이하인지를 판단할 수 있다.

상기 조건만족 판단단계에서는 기어의 단수가 후진단 이외의 단수 상태인지를 판단할 수 있다.

상기 조건만족 판단단계에서는 변속 시점 후 일정 시간 이상이 지났는지를 판단할 수 있다.

상기 조건만족 판단단계에서는 냉각수의 온도가 일정 이상인지를 판단할 수 있다.

상기 조건만족 판단단계에서는 악셀페달의 개도량이 일정 이상인지를 판단할 수 있다.

상기 조건만족 판단단계에서는 차속이 일정 이상인지를 판단하고, 엔진의 회전수가 일정 이하인지를 판단하며 기어의 단수가 후진단 이외의 단수 상태인지를 판단하고, 변속 시점 후 일정 시간이 지났는지를 확인하며 냉각수온이 일정 이하인지를 판단하고 악셀 페달의 개도량이 일정 이상인지를 판단하여 상기한 조건 중 적어도 하나 이상의 조건을 포함하여 만족하는 경우에는 수퍼차저 구동단계를 수행할 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 배기가스 재순환 장치 및 그 제어방법에 따르면 EGR을 사용하지 않는 저속고부하 영역에서도 LP-EGR이 없이도 수퍼차저만으로도 저속토크 영역에서의 동력성능이 향상되어 연비가 개선되는 효과가 있다.

따라서, 수퍼차저를 이용하면서도 LP-EGR을 사용하지 않기 때문에 원가가 절감되며, 수퍼차저를 사용함으로써 저속저부하 영역에서도 동력성능이 향상되어 결과적으로는 연비가 절감되는 효과가 있다.

또한, 수퍼차저 적용 영역을 EGR밸브의 개방 영역과 다르게 운영함으로써 HP-EGR만으로도 충분히 NOx를 절감할 수 있어 유로 6 배기규제를 만족하는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 재순환 장치를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 재순환 장치의 제어방법을 도시한 순서도.
도 3은 수퍼차저의 작동영역을 표시한 그래프.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 배기가스 재순환 장치 및 그 제어방법에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 재순환 장치를 도시한 도면으로써, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 배기가스 재순환 장치는 엔진(100)의 흡기라인(IL)과 연결된 수퍼차저(300); 일단은 EGR밸브(500)가 형성된 EGR통로(510)와 연결되고, 타단은 수퍼차저(300)와 결합되어 개폐 가능하도록 형성된 바이패스 밸브(700); 및 일단은 수퍼차저(300)와 결합되고, 타단은 엔진(100)에 결합되어 결합 및 해제에 의해 수퍼차저(300)를 구동 또는 정지하도록 형성된 클러치(900);를 포함한다.

에어클리너(AC)를 통해 흡입된 신기(Fresh Air)는 흡기라인(IL)을 통해 엔진(100)으로 유입되고, 엔진(100)을 통해 연소된 공기는 배기가스의 유형으로 배기라인(OL)을 통해 터보차저(TC)를 통과하여 DOC(Diesel Oxidation Catalyst) 등의 여과장치(미도시)를 거쳐 머플러(미도시)를 지나 외부로 유출되게 된다.

이 때, 수퍼차저(300)는 EGR을 사용하지 않는 영역에서 수퍼차저(300)를 사용할 수 있도록 흡기라인(IL)에 연결되되 바이패스 밸브(700)를 통해 연결되어 바이패스 밸브(700)의 개폐에 따라 구동 또는 정지되게 되며, 클러치(900) 역시 수퍼차저(300)를 엔진(100)의 구동력으로부터 접합 또는 단절시키는 역할을 한다.

상기 바이패스 밸브(700)는 필요에 의해 개방 시 수퍼차저(300)로 공급되는 공기를 가압하도록 형성되어 가압된 공기가 수퍼차저(300)로 유입되게 되며, 상기 클러치(900)는 마그네틱 클러치로써, 상기 클러치(900)에는 풀리(910)가 형성되어 엔진(100)에 형성된 풀리(110)와 벨트(130)로 연결되어 구동되게 된다.

즉, EGR을 사용하지 않는 저속고부하 영역에서는 마그네틱 클러치(900)가 접합되어 엔진(100)의 구동력이 수퍼차저(300)에 전달되며, 바이패스 밸브(700)가 개방되어 흡기라인(IL)을 통해 흡입된 공기를 수퍼차저(300)로 가압하여 유입시키도록 하여 LP-EGR이 없이도 수퍼차저(300)만으로도 저속토크 영역에서의 동력성능이 향상되어 연비가 개선되는 효과가 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 재순환 장치의 제어방법을 도시한 순서도로써, 상기한 구성을 갖는 배기가스 재순환 장치에 있어서, 제어부가 차량의 운행정보를 입력받는 입력단계(S100); 상기 입력단계(S100)에서 제어부에 입력된 데이터값이 EGR밸브(500)를 폐쇄하는 조건보다 큰지를 비교하는 비교단계(S300); 상기 비교단계(S300)에서 제어부에 입력된 데이터값이 더 크면 소정의 조건을 만족하는지를 판단하는 조건만족 판단단계(S500); 및 상기 조건만족 판단단계(S500)에서 소정의 조건을 만족하는 것으로 판단되면 클러치(900)를 접합하고, 바이패스 밸브(700)를 개방하여 수퍼차저(300)가 구동되도록 하는 수퍼차저 구동단계(S700);를 포함한다.

상기 입력단계(S100)에서는 제어부에는 엔진의 속도(RPM), 차량의 악셀페달의 개도량 등의 차량의 속도와 관련된 데이터값이 입력되며 상기 비교단계(S300)에서는 입력된 값들이 EGR밸브(500)를 폐쇄하는 조건과 상기한 데이터값들을 비교하여 상기한 데이터값 더 큰지를 비교하게 된다.

특히, 보다 상세하게는 상기 비교단계(S300)에서는 상기 입력단계(S100)에서 입력된 악셀페달의 개도량의 초당 변화율을 산출하고, 산출된 초당변화율과 기저장된 소정의 값과 비교하여 EGR밸브(500)를 폐쇄하는 조건인지를 비교할 수도 있다.

만약, 상기 비교단계(S300)에서 제어부에 입력된 데이터값이 EGR밸브(500)를 폐쇄하는 조건보다 작으면 EGR밸브(500)가 개방된 상태임을 뜻하므로 클러치(900) 및 바이패스 밸브(700)를 폐쇄하여 수퍼차저(300)가 동작하지 않도록 제어한다.

상기 비교단계(S300)에서는 상기 입력단계(S100)에서 제어부에 입력된 데이터값들이 EGR밸브(500)를 폐쇄하는 조건보다 크면 EGR통로(510)가 폐쇄된 상태이므로 수퍼차저(300)가 동작 가능한 상태이며, 따라서, 차량의 상태가 수퍼차저(300)를 동작하기 위한 상태를 여러가지 조건을 만족하는지를 판단하는 조건만족 판단단계(S500)를 수행하게 된다.

상기 조건만족 판단단계(S500)에서는 차속이 일정 이상인지를 판단하고, 엔진의 회전수가 일정 이하인지를 판단하며 기어의 단수가 후진단 이외의 단수 상태인지를 판단하고, 변속 시점 후 일정 시간이 지났는지를 확인하며 냉각수온이 일정 이하인지를 판단하고 악셀 페달의 개도량이 일정 이상인지를 판단하여 상기한 조건 중 적어도 하나 이상의 조건을 포함하여 만족하는 경우에는 클러치(900)를 접합하고, 바이패스 밸브(700)를 개방하여 수퍼차저(300)를 구동시키는 수퍼차저 구동단계(S700)를 수행하게 된다.

따라서, 하나의 조건씩 상세하게 살펴보면, 첫번째로 상기 조건만족 판단단계(S500)에서는 제어부에 기입력된 차속 이상으로 주행되고 있는지를 판단하여 기입력된 차속 이상으로 주행되고 있으면 조건에 부합하는 것으로 판단한다.

두번째로 상기 조건만족 판단단계(S500)에서는 엔진의 회전속도가 제어부에 기입력된 엔진의 회전속도 이하인지를 판단하여 기입력된 엔진의 회전속도 이하로 주행되고 있으면 조건에 부합하는 것으로 판단한다.

세번째로 상기 조건만족 판단단계(S500)에서는 변속기의 기어의 단수가 후진단 이외의 단수 상태인지를 판단하여 후진단 이외의 단수 상태이면 조건에 부합하는 것으로 판단한다.

네번째로 상기 조건만족 판단단계(S500)에서는 변속 시점 후 제어부에 기입력된 소정의 시간 이상이 지났는지를 판단하여 기입력된 소정의 시간 이상이 지났으면 조건에 부합하는 것으로 판단한다.

다섯번째로 상기 조건만족 판단단계(S500)에서는 냉각수의 온도가 제어부에 기입력된 일정 이상의 온도인지를 판단하여 기입력된 온도 이상을 유지하는 상태이면 조건에 부합하는 것으로 판단한다.

마지막으로 여섯번째로 상기 조건만족 판단단계(S500)에서는 악셀페달의 개도량이 제어부에 기입력된 소정의 개도량 이상인지를 판단하여 악셀페달의 개도량이 기입력된 소정의 개도량 이상이면 조건에 부합하는 것으로 판단한다.

상기와 같은 조건 및 조건의 갯수는 차량의 설계나 환경에 따라 달라질 수 있으며, 상기한 여섯가지 조건을 하나라도 만족하지 않으면 클러치(900)를 차단하고 바이패스 밸브(700)를 폐쇄하여 수퍼차저(300)가 동작되지 않도록 한다.

도 3은 수퍼차저(300)의 작동영역을 표시한 그래프로써, 엔진의 회전속도가 2500RPM 이하이고, 일정 토크 이하일 때는 저속저부하 영역으로 간주하여 터보차저(TC)만 구동하게 되고, 엔진의 회전속도가 2500RPM 이하이고, 일정 토크 이상일 때는 저속고부하 영역으로 간주하여 수퍼차저(300)와 터보차저(TC)가 동시에 구동되는 것을 볼 수 있다.

저속저부하와 저속고부하를 나누는 경계를 설정하는 조건이 상기한 여섯가지의 조건이며, 그 경계선 이하이면 EGR밸브(500)는 개방되고, 그 경계선 이상이면 EGR밸브(500)는 차단되게 된다. 물론, 고속영역에서는 터보차저(TC)만 구동되게 된다.

여기서 사용되는 수퍼차저는 소음이 우수한 루츠 타입보다는 터보차저의 컴프레서와 유사한 휠(Centrifugal) 타입을 사용함으로써, 회전수 제어가 가능한 회전 풀리 또는 전동식 그리고 구동토크 및 기동토크가 크지 않는 모터구동이 수퍼차저를 사용할 수 있다.

따라서, 통상적으로 디젤엔진에서 수퍼차저를 적용하면 LP-EGR 적용이 필수적이나 상기와 같은 배기가스 재순환 장치 및 그 제어방법에 따르면 수퍼차저를 이용하면서도 LP-EGR을 사용하지 않기 때문에 원가가 절감되며, 수퍼차저를 사용함으로써 저속저부하 영역에서도 동력성능이 향상되어 결과적으로는 연비가 절감되는 효과가 있다. 또한, 수퍼차저 적용 영역을 EGR밸브의 개방 영역과 다르게 운영함으로써 HP-EGR만으로도 충분히 NOx를 절감할 수 있어 유로 6 배기규제를 만족하는 장점이 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 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.

100 : 엔진 110 : 풀리
130 : 벨트 300 : 수퍼차저
500 : EGR밸브 510 : EGR통로
700 : 바이패스 밸브 900 : 클러치
910 : 풀리
S100 : 입력단계 S300 : 비교단계
S500 : 조건만족 판단단계 S700 : 수퍼차저 구동단계

Claims

엔진의 흡기라인과 연결된 수퍼차저;
일단은 EGR밸브가 형성된 EGR통로와 연결되고, 타단은 수퍼차저와 결합되어 개폐 가능하도록 형성되어 개방 시 수퍼차저로 공급되는 공기를 가압하는 바이패스 밸브; 및
일단은 수퍼차저와 결합되고, 타단은 엔진에 결합되어 결합 및 해제에 의해 수퍼차저를 구동 또는 정지하도록 형성된 클러치;를 포함하고,
차량의 운행정보를 입력받고, 상기 입력된 데이터값이 EGR밸브를 폐쇄하는 조건보다 큰지를 비교하며, 상기 입력된 데이터값이 더 크면 소정의 조건을 만족하는지를 판단하고, 상기 소정의 조건을 만족하는 것으로 판단되면 클러치를 접합하고 바이패스 밸브를 개방하여 수퍼차저가 구동되도록 제어하는 제어부;를 더 포함하며,
상기 제어부에서는, 변속 시점 후 일정 시간이 지난 경우 클러치를 접합하고 바이패스 밸브를 개방하여 수퍼차저가 구동되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 클러치는 마그네틱 클러치인 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 클러치에는 풀리가 형성되어 엔진에 형성된 풀리와 벨트로 연결되어 구동되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치.
청구항 1의 구성을 갖는 배기가스 재순환 장치를 제어하는 방법에 있어서,
제어부가 차량의 운행정보를 입력받는 입력단계;
상기 입력단계에서 제어부에 입력된 데이터값이 EGR밸브를 폐쇄하는 조건보다 큰지를 비교하는 비교단계;
상기 비교단계에서 제어부에 입력된 데이터값이 더 크면 소정의 조건을 만족하는지를 판단하는 조건만족 판단단계; 및
상기 조건만족 판단단계에서 소정의 조건을 만족하는 것으로 판단되면 클러치를 접합하고, 바이패스 밸브를 개방하여 수퍼차저가 구동되도록 하는 수퍼차저 구동단계;를 포함하고,
상기 조건만족 판단단계에서의 소정의 조건은 변속 시점 후 일정 시간이 지났는지 여부인 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치의 제어방법.
청구항 4에 있어서,
상기 입력단계에서는 제어부에 차량의 악셀페달의 개도량의 데이터값이 입력 되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치의 제어방법.
청구항 5에 있어서,
상기 비교단계에서는 상기 입력단계에서 입력된 악셀페달의 개도량의 초당 변화율을 산출하고 산출된 초당변화율과 EGR밸브 폐쇄 조건과 비교하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치의 제어방법.
청구항 4에 있어서,
상기 비교단계에서 제어부에 입력된 데이터값이 EGR밸브를 폐쇄하는 조건보다 작으면 클러치 및 바이패스 밸브를 OFF하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치의 제어방법.
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청구항 4에 있어서,
상기 조건만족 판단단계에서의 소정의 조건은,
변속 시점 후 일정 시간이 지났는지 여부, 또는 차속이 일정 이상인지 여부, 또는 엔진의 회전수가 일정 이하인지 여부, 또는 기어의 단수가 후진단 이외의 단수 상태인지 여부, 또는 냉각수온이 일정 이하인지 여부, 또는 악셀 페달의 개도량이 일정 이상인지 여부 중 적어도 하나 이상의 조건인 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치의 제어방법.
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