KR102371599B1 - 워터 인젝션 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 습도/온도의 변화에 따라 물의 분사량을 가변함으로써 엔진의 연소 성능 개선을 통해 배기가스 및 연비를 저감할 수 있는 워터 인젝션 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 워터 인젝션시스템은, 엔진의 흡기계 측으로 물을 분사하는 하나 이상의 워터 인젝터; 상기 워터 인젝터에 물을 공급하는 물 공급부; 상기 물 공급부가 접속되어 상기 하나 이상의 워터 인젝터로 공급되는 물의 공급량을 개별적으로 조절하는 조절밸브; 및 상기 엔진의 흡기계 측에서의 습도 변화 및 온도 변화에 따라 상기 조절밸브의 개도를 조절하여 물의 분사량을 제어하는 제어부;를 가질 수 있다.

Description

워터 인젝션 시스템 및 그 제어방법{WATER INJECTION SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 워터 인젝션 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 습도/온도의 변화에 따라 물의 분사량을 가변함으로써 엔진의 연소 성능 개선을 통해 배기가스 및 연비를 저감할 수 있는 워터 인젝션 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
차량 엔진의 연소 시에 엔진의 온도를 낮춤으로써 에미션을 저감하며, 공기와 연료의 혼합비를 줄여 연비를 향상시키기 위한 다양한 기술이 연구개발되고 있다.
이러한 연소열 및 질소산화물 등을 저감하고, 연비를 향상시키기 위한 대표적인 기술로는 EGR 시스템(Exhaust Gas Recirculation system) 또는 워터 인젝션시스템(water injection system) 등이 연구개발되고 있다.
이 중에서 워터 인젝션시스템(water injection system)은 물을 흡기 또는 연료-공기 혼합물(fuel-air mixture)에 분사하거나 엔진의 연소실 측에 직접적으로 분사하여 엔진의 온도를 낮춤으로써 노킹(knocking)을 줄이고, 에미션(emission)을 저감하며, 이를 통해 엔진의 출력 및 토크를 상승시킬 수 있다.
한편, 하절기 등과 같은 습도, 온도 등이 증가하는 분위기 하에서는 흡기 매니폴드로 유입되는 흡기에는 수분이 상대적으로 많이 포함되어 있으므로 엔진 내로 유입되는 수분의 양이 과도하게 증가할 수 있고, 이러한 수분의 양이 과도하게 증가함으로 인해 엔진 스톨(stall)이 유발되어 연비 내지 성능이 저하될 수 있는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 안출한 것으로, 습도/온도의 변화에 따라 물 분사량을 가변할 수 있고, 이를 통해 흡기에 포함된 수분의 양이 적절히 조절됨으로써 엔진의 연소 성능 개선을 통해 배기가스 및 연비를 저감할 수 있는 워터 인젝션시스템 및 그 제어방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 워터 인젝션시스템은,
엔진의 흡기계 측으로 물을 분사하는 하나 이상의 워터 인젝터;
상기 워터 인젝터에 물을 공급하는 물 공급부;
상기 물 공급부가 접속되어 상기 하나 이상의 워터 인젝터로 공급되는 물의 공급량을 개별적으로 조절하는 조절밸브; 및
상기 엔진의 흡기계 측에서의 습도 변화 및 온도 변화에 따라 상기 조절밸브의 개도를 조절하여 물의 분사량을 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.
상기 조절밸브는 상기 워터 인젝터의 상류 측에 배치될 수 있다.
상기 제어부에는 상기 흡기계의 습도를 측정하는 습도센서 및 흡기계의 온도를 측정하는 온도센서가 접속될 수 있다.
상기 습도센서는 상기 흡기계의 흡기도관에 설치될 수 있다.
상기 온도센서는 상기 흡기계의 흡기매니폴드에 설치될 수 있다.
상기 제어부는 습도 및 온도에 따라 표준 조건의 물 분사량이 맵핑된 물 분사량 맵과, 상기 습도센서, 상기 온도센서 및 상기 물 분사량 맵에 의해 표준조건의 물 분사량을 연산하는 연산부를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 워터 인젝션시스템의 제어방법은,
엔진의 흡기계의 습도 및 온도를 측정하며,
측정된 습도 및 온도를 물 분사량 맵에 대입하여 표준조건의 물 분사량을 연산하고,
연산된 물 분사량에 따라 조절밸브의 개도를 조절함으로써 워터 인젝터에 의한 물 분사량을 제어할 수 있다.
본 발명에 의하면, 습도/온도의 변화에 따라 물 분사량을 가변할 수 있고, 이를 통해 흡기에 포함된 수분의 양이 적절히 조절됨으로써 엔진의 연소 성능 개선을 통해 배기가스 및 연비를 저감할 수 있다.
특히, 본 발명은 하절기 등과 같이 습도/온도 등이 증가할 경우에 엔진의 흡기계 측에서 수분이 과도하게 증가함을 차단할 수 있고, 이를 통해 수분의 증가로 인한 엔진 스톨의 발생을 확실하게 방지할 수 있으므로 엔진의 출력 내지 연비 등을 개선할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 인젝션시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 워터 인젝션시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 워터 인젝션시스템의 제어계통을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 워터 인젝션시스템의 제어방법을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 발명을 설명하는 데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다. 또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하겠다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 인젝션시스템(10)은 엔진(1)의 흡기계 측으로 물을 분사하는 하나 이상의 워터 인젝터(20)와, 워터 인젝터(20)로 물을 공급하는 물 공급부(30)와, 물 공급부(30)가 접속된 조절밸브(50)와, 엔진(1)의 흡기계 측에서의 습도 변화 및 온도 변화에 따라 조절밸브(50)의 개도를 조절하여 물의 분사량을 제어하는 제어부(60)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 워터 인젝션시스템(10)은 차량의 엔진(1)의 흡기계 측으로 물을 분사하도록 연결되고, 엔진(1)은 복수의 실린더(5)를 가진 다기통 내연기관일 수 있다.
엔진(1)의 흡기계는 흡기도관(2)의 입구 측에 인접하게 설치된 에어필터(3a)와, 에어필터(3a)의 하류 측에 설치된 터보차저의 압축기(3b)와, 압축기(3b)의 하류 측에 설치된 인터쿨러(3c)와, 각 실린더(5)의 흡기포트와 소통하는 흡기 매니폴드(3d) 등을 가질 수 있다.
엔진(1)의 배기계는 배기도관(6)의 출구 측에 인접하게 설치된 배기밸브(7a)와, 배기밸브(7a)의 상류 측에 설치된 후처리장치(8)와, 후처리장치(8)의 상류 측에 설치된 터보차저의 팽창기(7b)와, 각 실린더(5)의 배기포트와 소통하는 배기 매니폴드(7c) 등을 가질 수 있다.
터보차저의 팽창기(7b) 및 압축기(3b)는 하나의 샤프트에 의해 서로 연결되고, 배기가스가 팽창기(7b)를 회전시킴에 따라 압축기(3b)가 구동할 수 있다.
후처리장치(8)는 DOC, DOC 및 DPF 통합형 구조, SCR 등이 다양하게 조합되어 구성될 수 있다.
배기도관(6)과 흡기도관(2) 사이에는 EGR도관(91)이 연결되고, EGR도관(91)에는 EGR쿨러(92)가 설치되며, EGR쿨러(92)의 하류 측에는 EGR밸브(93)가 설치될 수 있으며, EGR쿨러(92)와 EGR밸브(93) 사이에는 응축수 탱크(95)가 연결될 수 있다. 응축수 탱크(95)에는 EGR가스의 일부가 흡기로 인해 응축됨에 따라 발생된 응축수가 저장될 수 있다. 그리고, EGR쿨러(92) 및 EGR밸브(93) 사이에는 EGR가스 내에 함유된 수분을 분리하는 수분리기(94)가 설치될 수도 있고, 이에 응축수의 포집을 더욱 강화할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, EGR도관(91)의 입구가 배기도관(6)의 팽창기(7b)의 하류 측에 연결될 수 있고, EGR도관(91)의 출구가 흡기도관(2)의 압축기(3b)의 상류 측으로 연결됨으로써 저압 EGR시스템으로 구성될 수 있다.
워터 인젝터(20)는 흡기계 측에 설치되어 엔진(1)의 흡기계로 유입되는 흡기 또는 엔진(1)의 실린더(5) 내로 물을 분사하도록 구성될 수 있다.
일 예에 따르면, 도 1과 같이 하나의 워터 인젝터(20)가 흡기계의 흡기도관(2)에 설치될 수 있고, 특히 워터 인젝터(20)는 인터쿨러(3c)와 흡기매니폴드(3d) 사이에 배치될 수 있다. 이에 워터 인젝터(20)는 흡기계의 흡기매니폴드(3d) 측으로 물을 분사할 수 있다.
다른 예에 따르면, 도 2와 같이 복수의 워터 인젝터(20)가 흡기계의 흡기 매니폴드(3d)에 개별적으로 설치될 수 있고, 이에 복수의 워터 인젝터(20)는 엔진(1)의 각 실린더(5)에 개별적으로 물을 분사할 수 있다.
각 워터 인젝터(20)의 상류 측에는 조절밸브(50)가 개별적으로 설치될 수 있고, 조절밸브(50)는 워터 인젝터(20)로 공급되는 물 공급량을 조절하도록 구성될 수 있다.
조절밸브(50)의 개도가 조절됨에 따라 각 워터 인젝터(20)의 물 분사량이 조절될 수 있다. 구체적으로, 조절밸브(50)의 개도가 조절됨에 따라 물 공급부(30)에 의해 공급되는 물의 공급량이 조절될 수 있고, 이에 물 공급부(30)에서 공급되는 물은 워터 인젝터(20) 측으로 압송될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 조절밸브(50)는 솔레노이드 밸브 등과 같은 전자제어밸브로 이루어질 수 있다.
일 예에 따르면, 도 1과 같이 하나의 조절밸브(50)가 하나의 워터 인젝터(20)의 상류 측에 배치될 수 있다.
다른 예에 따르면, 도 2와 같이 복수의 조절밸브(50)가 복수의 워터 인젝터(20)의 상류 측에 개별적으로 배치될 수 있다.
물 공급부(30)는 물 공급도관(31)과, 물 공급도관(31)의 상류단에 설치된 워터 탱크(32)와, 워터 탱크(32)의 물을 워터 인젝터(20)를 향해 펌핑하는 워터 펌프(33)를 포함할 수 있다.
물 공급도관(31)의 하류단은 각 조절밸브(50)의 일측에 접속되고, 물 공급도관(31)의 도중에는 워터 펌프(33), 압력레귤레이터(34), 압력계(35) 등이 설치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 워터 인젝션시스템(10)은 워터 인젝터(20)에 가압공기를 공급하는 공기 공급부(40)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 공기 공급부(40)는 공기 공급도관(41)과, 공기 공급도관(41)의 상류단에 설치된 에어 탱크(42)와, 에어 탱크(42)의 공기를 가압하는 압축기(43)를 포함할 수 있다.
공기 공급도관(41)의 하류단은 각 조절밸브(50)의 타측에 접속되고, 공기 공급도관(41)의 도중에는 압축기(43), 압력레귤레이터(44) 등이 설치될 수 있다.
공기 공급부(40)는 조절밸브(50) 또는 워터 인젝터(20) 측에 연결될 수 있다.
일 예에 따르면, 물 공급부(30)에서 공급되는 물의 압력이 상대적으로 저압일 경우에는 물 공급부(30)와 공기 공급부(40)가 동시에 작동함으로써 공기 공급부(40)에서 공급되는 가압공기에 의해 물이 워터 인젝터(20) 측으로 압송될 수 있고, 이를 통해 워터 인젝터(20)로부터 분사되는 물의 분사압력이 조절될 수 있다.
다른 예에 따르면, 물 공급부(30)에서 공급되는 물의 압력이 상대적으로 고압인 경우에는 물 공급부(30)의 워터 펌프(33)에 대한 제어를 통해 물이 워터 인젝터(20) 측으로 원활하게 압송될 수 있다.
한편, 공기 공급부(40)는 워터 인젝터(20)가 작동하지 않을 경우에는 워터 인젝터(20) 측으로 고압 공기를 분사함으로써 워터 인젝터(20)의 노즐공이 이물질 등으로 인한 막힘을 방지할 수도 있다.
엔진(1)의 흡기계 측에는 흡기계의 습도를 측정하는 습도센서(71) 및 흡기계의 온도를 측정하는 온도센서(72)가 설치될 수 있다.
습도센서(71)는 흡기계의 흡기도관(2)의 일측에 설치될 수 있고, 습도센서(71)는 인터쿨러(3c)의 하류단과 흡기 매니폴드(3d) 사이에 설치될 수 있다.
온도센서(72)는 흡기계의 흡기 매니폴드(3d)의 일측에 설치될 수 있다.
제어부(60)에는 습도센서(71), 온도센서(72), 조절밸브(50)가 전기적으로 접속될 수 있다. 이에, 제어부(60)는 습도센서(71)에 의해 측정된 습도 변화 및 온도센서(72)에 의해 측정된 온도 변화에 따라 조절밸브(50)의 개도를 조절하도록 제어할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제어부(60)는 습도 및 온도에 따라 표준 조건의 물 분사량이 맵핑된 물 분사량 맵(61)과, 습도센서(71) 및 온도센서(72)에 의해 측정된 습도 및 온도를 물 분사량 맵(61)에 대입하여 엔진(1)의 흡기계에서 요구되는 표준조건의 물 분사량을 연산하는 연산부(62)를 포함할 수 있다.
물 분사량 맵(61)에는 습도 및 온도에 따라 표준조건의 물 분사량이 맵핑되어 있다. 여기서, 표준조건의 물 분사량은 엔진 스톨이 발생하지 않도록 엔진(1)의 흡기계에서 수분의 양이 과도해지지 않는 조건을 의미한다.
엔진(1)의 흡기계에서 수분의 양이 과도해지지 않는 표준조건의 물 분사량이 맵핑되어 있다.
연산부(62)는 습도센서(71) 및 온도센서(72)에 의해 측정된 습도 및 온도를 물 분사량 맵(61)에 대입하여 엔진(1)의 흡기계에서 수분의 양이 과도해지지 않는 표준조건의 물 분사량을 연산하고, 제어부(60)의 프로세서는 연산부(62)에 의해 연산된 물 분사량을 조절밸브(50) 측으로 전송함으로써 조절밸브(50)의 개도가 조절될 수 있으며, 이를 통해 워터 인젝터(20)에 의한 물 분사량이 흡기계에서 수분의 양이 과도해지지 않는 표준조건으로 제어될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 습도/온도의 변화에 따라 물 분사량을 가변할 수 있고, 이를 통해 흡기에 포함된 수분의 양이 적절히 조절됨으로써 엔진의 연소 성능 개선을 통해 배기가스 및 연비를 저감할 수 있다.
특히, 본 발명은 하절기 등과 같이 습도/온도 등이 증가할 경우에 엔진의 흡기계 측에서 수분이 과도하게 증가함을 차단할 수 있고, 이를 통해 수분의 증가로 인한 엔진 스톨의 발생을 확실하게 방지할 수 있으므로 엔진의 출력 내지 연비 등을 개선할 수 있는 장점이 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 워터 인젝션시스템의 제어방법을 도시한 순서도이다.
습도센서(71)에 의해 엔진(1)의 흡기계의 습도를 측정하고, 온도센서(72)에 의해 엔진(1)의 흡기계의 온도를 측정한다(S1).
제어부(60)의 연산부(62)는 습도센서(71) 및 온도센서(72)에 의해 측정된 습도 및 온도를 물 분사량 맵(61)에 대입한다(S2). 물 분사량 맵(61)에는 습도 및 온도에 따라 엔진(1)의 흡기계에서 수분의 양이 과도해지지 않는 표준조건의 물 분사량이 맵핑되어 있다. 여기서, 표준조건의 물분사량은 엔진 스톨이 발생하지 않도록 수분의 양이 과도해지지 않는 조건을 의미한다.
제어부(60)의 연산부(62)는 측정된 습도 및 온도를 물 분사량 맵(61)에 대입하여, 엔진(1)의 흡기계에서 측정된 습도 및 온도에 대응하는 표준조건의 물 분사량을 연산한다(S3).
제어부(60)의 프로세서는 연산부(62)에 의해 연산된 물 분사량에 따라 조절밸브(50)의 개도를 조절한다(S4). 이를 통해 워터 인젝터(20)에 의한 물 분사량이 제어될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 인젝션시스템
20: 워터 인젝터
30: 물 공급부
40: 공기 공급부
50: 조절밸브
60: 제어부
71: 습도센서
72: 온도센서

Claims (7)

  1. 엔진의 흡기계 측으로 물을 분사하는 하나 이상의 워터 인젝터;
    상기 워터 인젝터에 물을 공급하는 물 공급부;
    상기 워터 인젝터에 가압공기를 공급하는 공기공급부;
    상기 물 공급부가 접속되어 상기 하나 이상의 워터 인젝터로 공급되는 물의 공급량을 개별적으로 조절하는 조절밸브; 및
    상기 엔진의 흡기계 측에서의 습도 변화 및 온도 변화에 따라 상기 조절밸브의 개도를 조절하여 물의 분사량을 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 공기 공급부가 공기 공급도관과, 상기 공기 공급도관의 상류단에 설치된 에어 탱크와, 상기 에어 탱크의 공기를 가압하는 압축기를 포함하는 워터 인젝션시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 조절밸브는 상기 워터 인젝터의 상류 측에 배치되는 워터 인젝션시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부에는 상기 흡기계의 습도를 측정하는 습도센서 및 흡기계의 온도를 측정하는 온도센서가 접속되는 워터 인젝션시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 습도센서는 상기 흡기계의 흡기도관에 설치되는 워터 인젝션시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 온도센서는 상기 흡기계의 흡기매니폴드에 설치되는 워터 인젝션시스템.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는 습도 및 온도에 따라 표준 조건의 물 분사량이 맵핑된 물 분사량 맵과, 상기 습도센서, 상기 온도센서 및 상기 물 분사량 맵에 의해 표준조건의 물 분사량을 연산하는 연산부를 포함하는 워터 인젝션시스템.
  7. 엔진의 흡기계 측으로 물을 분사하는 하나 이상의 워터 인젝터와, 상기 워터 인젝터에 가압공기를 공급하는 공기 공급부와, 상기 하나 이상의 워터 인젝터로 공급되는 물의 공급량을 개별적으로 조절하는 조절밸브와, 상기 엔진의 흡기계 측에서의 습도 변화 및 온도 변화에 따라 상기 조절밸브의 개도를 조절하여 물의 분사량을 제어하는 제어부를 포함하는 워터 인젝션시스템의 제어방법으로,
    엔진의 흡기계의 습도 및 온도를 측정하며,
    측정된 습도 및 온도를 물 분사량 맵에 대입하여 엔진의 흡기계에서 요구되는 표준조건의 물 분사량을 연산하고,
    연산된 물 분사량에 따라 조절밸브의 개도를 조절함으로써 워터 인젝터에 의한 물 분사량을 제어하며,
    상기 공기 공급부가 공기 공급도관과, 상기 공기 공급도관의 상류단에 설치된 에어 탱크와, 상기 에어 탱크의 공기를 가압하는 압축기를 포함하는 워터 인젝션시스템의 제어방법.
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