KR102496796B1 - 엔진의 냉각장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유동 정지 상태에서도 재순환 배기가스가 원활하게 냉각되는 엔진의 냉각장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 엔진의 냉각장치는, 냉각수가 엔진을 냉각시키면서 순환하도록 상기 엔진으로 냉각수가 유입되는 유입라인에 구비되어 냉각수를 펌핑하는 워터 펌프와, 상기 엔진으로부터 유출된 냉각수가 요구되는 곳에 열교환을 수행한 후에 상기 유입라인으로 유입되도록 제공되는 복수개의 순환라인과, 상기 엔진으로부터 냉각수가 유출되는 유출라인과 연통되고, 상기 복수개의 순환라인 중 냉각수가 순환하는 경로를 선택하는 통합유량제어밸브와, 상기 통합유량제어밸브의 작동을 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.
상기 복수개의 순환라인 중 하나는 냉각수가 상기 유출라인과는 별도로 상기 엔진으로부터 유출되어 재순환 배기가스를 냉각시키는 배기가스재순환 쿨러를 경유한 후에 상기 유입라인에 유입되도록 제공될 수 있다.

Description

엔진의 냉각장치 및 그 제어방법{COOLING SYSTEM FOR ENGINE AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 엔진의 냉각장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 선택적으로 냉각수의 유동 정지를 구현하는 냉각수 순환 시스템 및 선택적으로 배기가스의 재순환을 구현하는 배기가스 순환 시스템이 함께 사용되는 엔진에 적용되는 엔진의 냉각장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 엔진의 연소실에서 발생한 열은 실린더헤드, 실린더 블록, 흡배기 밸브, 및 피스톤 등에 흡수되고, 엔진을 냉각시키도록 냉각수가 통과하는 워터 재킷은 주로 냉각수를 엔진의 상하 방향으로 순환시키도록 실린더 블록 및 실린더 헤드에 형성된다.
상기 엔진의 구성 부품들에 열이 흡수되어 그 온도가 과도하게 상승되면, 열변형이 일어나거나 실린더 내벽의 유막이 파괴되어 윤활 불량현상이 일어날 수 있다. 따라서, 엔진의 장애가 발생될 수 있으며, 상기 엔진의 장애는 연소불량, 노킹(knocking) 혹은 프리이그니션(preignition)과 같은 이상연소를 발생시킨다. 이러한 이상연소는 피스톤에 손상을 줄 수 있으며, 엔진의 열효율 및 출력을 저하시키는 문제점이 있다. 반대로, 엔진의 과도한 냉각은 출력 및 연비의 악화 그리고 실린더의 저온 마모 등의 문제점을 발생시킨다. 따라서, 냉각수에 의한 엔진의 냉각은 적절하게 제어될 필요가 있는 것이다.
이처럼 냉각수에 의해 엔진의 냉각을 수행하기 위한 엔진의 냉각장치에서 항시 개방된 냉각수 라인을 통한 냉각수의 순환을 제외하고 밸브에 의해 개폐되는 냉각수 라인이 모두 폐쇄되는 경우를 유동 정지(zero flow)라 할 때에 열교환을 위해 냉각수가 필요한 구성품에 냉각수의 순환이 정지되는 시간이 길어지면, 열교환 성능이 저하될 수 있다. 또한, 상기 구성품에 냉각수의 순환이 정지된 후에 고온의 냉각수가 갑자기 유입되면, 열충격(thermal shock)에 의해 내구성이 저하될 수 있다. 특히, 재순환되는 배기가스를 냉각하기 위한 구성품에 냉각수의 순환이 정지되면, 지나지게 고온인 재순환 배기가스가 연소실로 유입되어 엔진의 성능이 저하될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 유동 정지 상태에서도 재순환 배기가스가 원활하게 냉각되는 엔진의 냉각장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 냉각장치는, 냉각수가 엔진을 냉각시키면서 순환하도록 상기 엔진으로 냉각수가 유입되는 유입라인에 구비되어 냉각수를 펌핑하는 워터 펌프와, 상기 엔진으로부터 유출된 냉각수가 요구되는 곳에 열교환을 수행한 후에 상기 유입라인으로 유입되도록 제공되는 복수개의 순환라인과, 상기 엔진으로부터 냉각수가 유출되는 유출라인과 연통되고, 상기 복수개의 순환라인 중 냉각수가 순환하는 경로를 선택하는 통합유량제어밸브와, 상기 통합유량제어밸브의 작동을 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.
상기 복수개의 순환라인 중 하나는 냉각수가 상기 유출라인과는 별도로 상기 엔진으로부터 유출되어 재순환 배기가스를 냉각시키는 배기가스재순환 쿨러를 경유한 후에 상기 유입라인에 유입되도록 제공될 수 있다.
상기 복수개의 순환라인은, 상기 통합유량제어밸브와 연통되며, 냉각수와의 열교환에 의해 미션오일을 적정한 온도로 유지시키는 미션오일 워머가 배치되는 제1 순환라인과, 상기 통합유량제어밸브와 연통되며, 냉각수를 열원으로 하는 히터가 배치되는 제2 순환라인과, 상기 통합유량제어밸브를 경유한 냉각수를 상기 엔진으로 순환시키도록 상기 통합유량제어밸브와 상기 유입라인을 연통하며, 냉각수의 열을 공기 중으로 방출하는 라디에이터가 배치되는 제3 순환라인과, 상기 유출라인과는 별도로 냉각수가 상기 엔진으로부터 유출되는 통로로서 상기 유입라인에 연통되며, 상기 배기가스재순환 쿨러가 배치되는 상기 복수개의 순환라인 중 하나인 제4 순환라인을 포함할 수 있다.
상기 미션오일 워머를 경유한 제1 순환라인 및 상기 히터를 경유한 제2 순환라인은 상기 제4 순환라인에 연결될 수 있다.
상기 통합유량제어밸브에는, 상기 통합유량제어밸브에 연통된 상기 제1 순환라인을 선택적으로 개폐하는 제1 밸브와, 상기 통합유량제어밸브에 연통된 상기 제2 순환라인을 선택적으로 개폐하는 제2 밸브와, 상기 통합유량제어밸브에 연통된 상기 제3 순환라인을 선택적으로 개폐하는 제3 밸브가 내장될 수 있다.
상기 제1 밸브, 상기 제2 밸브, 및 상기 제3 밸브는 각각 독립적으로 개폐되도록 상기 제어기에 의해 제어될 수 있다.
상기 제4 순환라인은 항시 개방될 수 있다.
상기 제어기는 냉각수의 온도를 감지하는 온도센서로부터 전달받은 온도의 정보에 따라 상기 제1 밸브, 상기 제2 밸브, 및 상기 제3 밸브를 제어하여 적어도 4가지 이상의 서로 다른 냉각수의 순환을 구현할 수 있다.
상기 온도센서는, 상기 제4 순환라인 상에서 상기 배기가스재순환 쿨러를 경유한 후에 상기 제1 순환라인 및 상기 제2 순환라인과 통합되는 부분을 지나 상기 유입라인에 연결되는 부분에 구비되는 인 센서 및 상기 제4 순환라인 상에서 상기 배기가스재순환 쿨러를 경유하기 전에 상기 엔진으로부터 냉각수가 유출되는 부분에 구비되는 아웃 센서를 포함할 수 있다.
상기 제어기는 상기 아웃 센서로부터 전달받은 냉각수의 온도가 제1 설정온도 이상인지를 판단하여 이상이 아닌 경우에 상기 제1, 2, 3 밸브를 제어하여 선택적으로 개폐되는 냉각수 라인이 모두 차단된 유동 정지를 구현할 수 있다.
상기 제어기는 상기 아웃 센서로부터 전달받은 냉각수의 온도가 제1 설정온도 이상인지를 판단하여 이상인 경우에 상기 제1, 2, 3 밸브 중 적어도 하나를 개방시킬 수 있다.
상기 제어기는 상기 아웃 센서로부터 전달받은 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도 이상일 때에 상기 인 센서로부터 전달받은 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도 이상인지를 판단하여 이상인 경우에 다시 상기 제1, 2, 3 밸브를 모두 폐쇄할 수 있다.
상기 인 센서로부터 전달받은 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도 이상일 때에 배기가스 재순환이 시작될 수 있다.
상기 제어기는 상기 인 센서로부터 전달받은 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도 이상일 때에 상기 아웃 센서로부터 전달받은 냉각수의 온도가 제2 설정온도 이상인지를 판단하여 이상인 경우에 다시 상기 제1, 2, 3 밸브 중 적어도 하나를 개방시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 엔진의 냉각장치의 제어방법은, 엔진을 냉각시키면서 순환하는 냉각수가 요구되는 곳에 열교환을 수행하도록 제공되는 복수개의 순환라인과, 냉각수가 순환하는 경로를 변경하는 통합유량제어밸브와, 상기 통합유량제어밸브의 작동을 제어하는 제어기를 포함하는 엔진의 냉각장치의 제어방법일 수 있다.
상기 엔진의 냉각장치의 제어방법은, 상기 통합유량제어밸브에 의해 선택적으로 개폐되는 순환라인이 모두 폐쇄된 유동 정지 상태에서 상기 엔진의 시동 후에 유동 정지가 유지되는 단계와, 상기 엔진으로부터 유출되는 냉각수의 온도가 제1 설정온도 이상인지 판단되는 단계와, 상기 엔진으로부터 유출되는 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도 이상이면, 상기 유동 정지가 해제되는 단계와, 상기 엔진으로 유입되는 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도 이상인지 판단되는 단계와, 상기 엔진으로 유입되는 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도 이상이면, 상기 엔진 시동 후의 유동 재정지가 수행되는 단계와, 상기 엔진으로부터 유출되는 냉각수의 온도가 제2 설정온도 이상인지 판단되는 단계와, 상기 엔진으로부터 유출되는 냉각수의 온도가 제2 설정온도 이상이면, 상기 유동 재정지 후의 유동 정지 재해제가 수행되는 단계를 포함할 수 있다.
상기 복수개의 순환라인 중 하나는 항시 개방되어 냉각수를 배기가스재순환 쿨러와 열교환하도록 순환시킬 수 있다.
상기 엔진으로부터 유출되는 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도 미만이면, 상기 제어기는 상기 엔진으로부터 유출되는 냉각수의 온도와 상기 제1 설정온도를 반복적으로 비교할 수 있다.
상기 엔진으로 유입되는 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도 미만이면, 상기 제어기는 상기 엔진으로 유입되는 냉각수의 온도와 상기 제1 설정온도를 반복적으로 비교할 수 있다.
상기 유동 재정지 시에도 상기 항시 순환라인을 통하여 냉각수가 상기 배기가스재순환 쿨러를 경유함으로써, 재순환 배기가스가 원활하게 냉각될 수 있다.
상기 엔진으로부터 유출되는 냉각수의 온도가 제2 설정온도 미만이면, 상기 제어기는 상기 엔진으로부터 유출되는 냉각수의 온도와 상기 제2 설정온도를 반복적으로 비교할 수 있다.
상기 유동 정지 재해제는 상기 엔진이 시동 후에 저온인 냉간 상태 및 저온 상태 등을 벗어난 고온 상태 및 열간 상태 등에서 상기 엔진의 상태에 따라 냉각수가 순환하는 경로를 변경하는 제어일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 항시 개방되는 냉각수 순환라인에 배기가스재순환 쿨러가 구비됨으로써, 유동 정지 상태에서도 재순환 배기가스가 원활하게 냉각될 수 있다.
또한, 배기가스 재순환이 수행되는 동안에 유동 정지가 가능함에 따라 엔진의 냉간 상태로부터 냉각수의 온도를 신속하게 상승시킬 수 있다.
나아가, 배기가스재순환 쿨러에 냉각수의 순환이 정지되지 않음으로써, 지나지게 고온인 재순환 배기가스에 의한 엔진의 성능 저하가 방지되고, 배기가스재순환 쿨러의 내구성이 보장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 냉각장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 냉각장치의 제어방법의 흐름도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 냉각장치의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 냉각장치(1)는 엔진(10), 실린더 헤드(11), 실린더 블록(13), 워터 펌프(20), 미션오일 워머(22), 리저버 탱크(24), 배기가스재순환 쿨러(26), 히터(28), 라디에이터(29), 통합유량제어밸브(30), 제1 밸브(32), 제2 밸브(34), 제3 밸브(36), 유입라인(41), 유출라인(42), 제1 순환라인(45), 제2 순환라인(46), 제3 순환라인(47), 제4 순환라인(48), 및 리저버 라인(49)을 포함한다.
상기 실린더 헤드(11)는 엔진(10)의 머리부분으로서 기밀과 수밀이 유지됨으로써 열에너지를 얻을 수 있는 부분이다. 상기 실린더 헤드(11)의 내측에는 피스톤(도시하지 않음)과 상기 실린더 헤드(11)로 둘러싸인 연소실(도시하지 않음)이 형성되고, 상기 연소실에는 열에너지를 상기 피스톤의 운동에너지로 전환하도록 점화 플러그, 흡기 밸브, 및 배기 밸브 등이 설치된다.
상기 실린더 블록(13)은 엔진(10)의 중심이 되는 부분으로서, 상기 실린더 헤드(11)의 하측에 결합된다. 여기서, 상기 실린더 헤드(11)와 상기 실린더 블록(13)의 사이에는 기밀과 수밀을 보장하도록 개스킷과 같은 부품이 개재될 수 있다. 또한, 상기 실린더 블록(13)에는 적어도 하나 이상의 실린더(도시하지 않음)가 형성되고, 상기 피스톤이 상기 실린더의 내부에서 상하왕복운동 가능하도록 배치된다. 한편, 상기 실린더 블록(13) 및 상기 실린더 헤드(11)의 주조 시에 금형에 코어(core)를 배치시킴으로써 형성된 빈 공간으로서, 상기 연소실을 포함하는 실린더의 주위에 배치되는 냉각수의 통로인 워터 재킷(도시하지 않음)이 제공될 수 있다. 즉, 상기 워터 재킷이 상기 실린더 블록(13) 및 상기 실린더 헤드(11)에 형성되고, 냉각수가 상기 워터 재킷을 통해 엔진으로 유입 및 유출되면서 엔진의 냉각을 수행한다.
이러한 실린더 헤드(11)와 실린더 블록(13)의 결합에 의해 구성되는 엔진(10)은 당해 기술분야에서 동상의 지식을 가진 자(이하, 당업자)에게 자명하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 워터 펌프(20)는 상기 엔진의 냉각장치(1)에서 냉각수가 순환되도록 냉각수를 펌핑하는 장치이다. 또한, 상기 워터 펌프(20)는 전자식 또는 기계식이 차량에 따라 선택적으로 적용된다. 나아가, 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 냉각장치(1)에서 상기 워터 펌프(20)는 전자식 또는 기계식 중 어느 것으로만 한정되지 않는다.
상기 미션오일 워머(22)는 변속기(도시하지 않음)의 미션오일을 적정한 온도로 유지시키기 위해 가열시키는 장치이다. 또한, 상기 미션오일 워머(22)에서 미션오일과 상대적으로 고온인 냉각수의 열교환이 구현됨으로써, 미션오일이 가열된다. 이처럼 상기 미션오일 워머(22)는 수냉식이거나 고온의 배기가스와 같은 기체와 미션오일의 열교환을 함께 구현하는 공수냉식일 수 있다. 이러한 미션오일 워머(22)는 통상적으로 ATF(automatic transmission fluid) warmer라 지칭된다.
상기 리저버 탱크(24)는 온도변화에 따른 액체의 체적을 보상하기 위한 장치로서, 상기 엔진의 냉각장치(1)에서 냉각수가 원활하게 순환되도록 냉각수를 수용하거나 보충하는 장치이다.
상기 배기가스재순환 쿨러(26)는 연소실에 되돌아가는 재순환 배기가스를 냉각시키는 장치이다. 또한, 상기 배기가스재순환 쿨러(26)는 재순환 배기가스의 냉각을 위해 냉각수를 사용한다. 다시 말해, 상기 배기가스재순환 쿨러(26)의 냉각 방식 역시 수냉식 또는 공수냉식일 수 있다. 이러한 배기가스재순환 쿨러(26)는 통상적으로 EGR(exhaust gas recirculation) cooler라 지칭된다.
상기 히터(28)는 엔진(10)을 경유한 고온의 냉각수를 열원으로 하는 차량의 실내 난방용 장치이다.
상기 라디에이터(29)는 엔진(10)을 경유한 고온의 냉각수의 열을 공기 중으로 방출하는 장치이다.
이러한 워터 펌프(20), ATF warmer(22), 리저버 탱크(24), EGR cooler(26), 히터(28), 및 라디에이터(29)의 기본적인 구성 및 기능은 당업자에게 자명하므로 이에 대한 더 이상의 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 통합유량제어밸브(30)는 냉각수가 상기 미션오일 워머(22), 상기 리저버 탱크(24), 상기 배기가스재순환 쿨러(26), 상기 히터(28), 및 상기 라디에이터(29) 중 일부 또는 전체를 선택적으로 경유하도록 냉각수의 순환경로를 변경하는 기능을 수행한다.
상기 제1 밸브(32), 제2 밸브(34), 및 제3 밸브(36)는 상기 통합유량제어밸브(30)에 내장되어 냉각수의 각 통로(45, 46, 47)를 개폐한다.
상기 유입라인(41)은 냉각수가 엔진(10)으로 유입되는 통로로서, 상기 실린더 블록(13)에 연결된다. 여기서, 상기 유입라인(41)은 상기 실린더 블록(13)에 형성된 상기 워터 재킷과 연통되고, 상기 엔진(10)으로 유입된 냉각수는 상기 실린더 블록(13)에 형성된 워터 재킷 및 상기 실린더 헤드(11)에 형성된 워터 재킷을 순차적으로 경유하여 엔진(10)으로부터 유출될 수 있다. 또한, 상기 유입라인(41) 상에는 상기 워터 펌프(20)가 구비된다. 여기서, 상기 유입라인(41)은 항시 개방된다.
상기 유출라인(42)은 냉각수가 엔진(10)으로부터 유출되는 통로로서, 상기 실린더 헤드(11)에 연결된다. 즉, 상기 유출라인(42)은 상기 실린더 헤드(11)에 배치된 워터 재킷과 연통된다. 또한, 상기 유출라인(42)은 상기 실린더 헤드(11)와 상기 통합유량제어밸브(30)를 연통한다. 여기서, 상기 유출라인(42)은 항시 개방된다.
상기 제1 순환라인(45)은 상기 통합유량제어밸브(30)를 경유한 냉각수를 순환시키기 위한 통로로서, 상기 통합유량제어밸브(30)와 연통된다. 또한, 상기 제1 순환라인(45) 상에는 상기 미션오일 워머(22)가 구비된다. 즉, 상기 통합유량제어밸브(30)로부터 유출되어 상기 제1 순환라인(45)을 통과하는 냉각수는 상기 미션오일 워머(22)를 경유한다. 여기서, 상기 제1 밸브(32)는 상기 통합유량제어밸브(30)에 연통된 상기 제1 순환라인(45)을 선택적으로 개폐하도록 상기 통합유량제어밸브(30)에 장착된다.
상기 제2 순환라인(46)은 상기 통합유량제어밸브(30)를 경유한 냉각수를 순환시키기 위한 통로로서, 상기 통합유량제어밸브(30)와 연통된다. 또한, 상기 제2 순환라인(46) 상에는 상기 히터(28)가 구비된다. 즉, 상기 통합유량제어밸브(30)로부터 유출되어 상기 제2 순환라인(46)을 통과하는 냉각수는 상기 히터(28)를 경유한다. 여기서, 상기 제2 밸브(34)는 상기 통합유량제어밸브(30)에 연통된 상기 제2 순환라인(46)을 선택적으로 개폐하도록 상기 통합유량제어밸브(30)에 장착된다.
상기 제3 순환라인(47)은 상기 통합유량제어밸브(30)를 경유한 냉각수를 엔진(10)으로 순환시키는 통로로서, 상기 통합유량제어밸브(30)와 상기 유입라인(41)을 연통한다. 또한, 상기 제3 순환라인(47) 상에는 상기 라디에이터(29)가 구비된다. 즉, 상기 통합유량제어밸브(30)로부터 유출되어 상기 제3 순환라인(47)을 통과하는 냉각수는 상기 라디에이터(29)를 경유하여 상기 유입라인(41)에 유입된다. 여기서, 상기 제3 밸브(36)는 상기 통합유량제어밸브(30)에 연통된 상기 제3 순환라인(47)을 선택적으로 개폐하도록 상기 통합유량제어밸브(30)에 장착된다.
상기 제4 순환라인(48)은 상기 유출라인(42)과는 별도로 냉각수가 엔진(10)으로부터 유출되는 통로로서, 상기 실린더 블록(13)에 연결된다. 여기서, 상기 제4 순환라인(48)은 상기 실린더 블록(13)에 형성된 상기 워터 재킷과 연통되고, 상기 엔진(10)으로 유입된 냉각수는 상기 실린더 블록(13)에 형성된 워터 재킷을 경유하여 상기 제4 순환라인(48)을 통해 엔진(10)으로부터 유출될 수 있다. 한편, 상기 제4 순환라인(48)은 엔진(10)으로부터 유출된 냉각수를 다시 엔진(10)으로 순환시키는 통로로서, 상기 실린더 블록(13)과 상기 유입라인(41)을 연통한다. 또한, 상기 제4 순환라인(48) 상에는 상기 배기가스재순환 쿨러(26)가 구비된다. 즉, 상기 실린더 블록(13)으로부터 유출되어 상기 제4 순환라인(48)을 통과하는 냉각수는 상기 배기가스재순환 쿨러(26)를 경유하여 상기 유입라인(41)에 유입된다. 여기서, 상기 미션오일 워머(22)를 경유한 제1 순환라인(45) 및 상기 히터(28)를 경유한 제2 순환라인(46)은 상기 제4 순환라인(48)에 연결되고, 상기 제4 순환라인(48)은 항시 개방된다.
상기 리저버 라인(49)은 상기 통합유량제어밸브(30)를 경유한 냉각수를 엔진(10)으로 순환시키는 통로로서, 상기 제3 순환라인(47)으로부터 분기되어 상기 유입라인(41)에 연통된다. 또한, 상기 상기 리저버 라인(49) 상에는 상기 리저버 탱크(24)가 구비된다. 즉, 상기 통합유량제어밸브(30)로부터 유출되어 상기 제3 순환라인(47)으로 유입된 냉각수 중 일부는 상기 리저버 라인(49)을 통과하면서 상기 리저버 탱크(24)를 경유하여 상기 유입라인(41)에 유입된다. 나아가, 상기 리저버 라인(49)은 상기 통합유량제어밸브(30)와 상기 라디에이터(29)의 사이에서 상기 제3 순환라인(47)으로부터 분기되고, 상기 제3 순환라인(47)으로 유입된 냉각수는 상기 라디에이터(29)에 유입되기 전에 그 일부가 상기 리저버 라인(49)을 통과한다. 여기서, 상기 제3 순환라인(47)으로부터 분기된 리저버 라인(49)은 항시 개방될 수 있으며, 상기 리저버 탱크(24)의 기능에 따라 상기 리저버 라인(49)을 통과하는 냉각수의 유량이 변경될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 엔진의 냉각장치(1)는 제어기(60) 및 온도센서(51, 52)를 더 포함한다.
상기 제어기(60)는 상기 엔진의 냉각장치(1)의 작동을 제어한다. 또한, 상기 제어기(60)는 냉각수의 온도를 감지하는 온도센서(51, 52)로부터 전달받은 온도의 정보에 따라 상기 통합유량제어밸브(30)를 제어함으로써 상기 엔진의 냉각장치(1)의 작동을 구현한다. 나아가, 상기 통합유량제어밸브(30)의 제1 밸브(32), 제2 밸브(34), 및 제3 밸브(36)가 각각 독립적으로 개폐되도록 제어됨으로써, 엔진(10)의 상태에 따라 상기 제1, 2, 3 밸브(32, 34, 36)의 모두 개방, 한 개 폐쇄, 두 개 폐쇄, 모두 폐쇄로 구분되는 적어도 4가지 이상의 서로 다른 냉각수의 순환이 구현된다. 여기서, 상기 엔진(10)의 상태는 냉각수의 온도가 상승되는 순서에 따라 냉간 상태, 저온 상태, 고온 상태, 및 열간 상태 등으로 구분될 수 있다. 한편, 상기 제어기(60)는 차량의 전자기기들의 제어를 총괄하는 통상의 전자제어유닛(ECU: electronic control unit)일 수 있으며, 상기 통합유량제어밸브(30)는 전자기기일 수 있다. 이러한 엔진의 냉간 상태, 열간 상태 등의 개념 및 ECU는 당업자에게 자명하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 온도센서(51, 52)는 상기 제4 순환라인(48) 상에서 상기 배기가스재순환 쿨러(26)를 경유한 후에 상기 제1 순환라인(45) 및 상기 제2 순환라인(46)과 통합되는 부분을 지나 상기 유입라인(41)에 연결되는 부분 및 상기 제4 순환라인(48) 상에서 상기 배기가스재순환 쿨러(26)를 경유하기 전에 상기 실린더 블록(13)으로부터 냉각수가 유출되는 부분에 각각 구비된다. 또한, 상기 제어기(60)는 냉각수의 온도 정보를 전달받도록 상기 온도센서(51, 52)에 연결되고, 상기 제1, 2, 3 밸브(32, 34, 36)를 제어하도록 상기 통합유량제어밸브(30)와 연결된다. 여기서, 상기 배기가스재순환 쿨러(26)를 경유 후 엔진(10)으로 유입되는 냉각수가 흐르는 상기 제4 순환라인(48) 상에 구비되는 온도센서(51)를 인 센서(51)라 칭하고, 상기 배기가스재순환 쿨러(26)를 경유 전 엔진(10)으로부터 유출되는 냉각수가 흐르는 상기 제4 순환라인(48) 상에 구비되는 온도센서(52)를 아웃 센서(51)라 칭하기로 한다.
상기 인 센서(51) 및 상기 아웃 센서(51)로부터 전달받은 냉각수의 온도 정보에 따른 상기 제어기(60)의 제어에 의해 상기 제1 밸브(32), 상기 제2 밸브(34), 및 상기 제3 밸브(36)가 모두 폐쇄되는 경우에는 상기 제1 밸브(32)가 상기 제1 순환라인(45)을 통과하는 냉각수의 흐름을 차단하고, 상기 제2 밸브(34)가 상기 제2 순환라인(46)을 통과하는 냉각수의 흐름을 차단하며, 상기 제3 밸브(36)가 상기 제3 순환라인(47)을 통과하는 냉각수의 흐름을 차단함으로써, 상기 워터 펌프(20)의 펌핑에 의해 상기 유입라인(41)을 통하여 상기 실린더 블록(13)에 유입된 냉각수는 상기 항시 개방되는 제4 순환라인(48)을 통과하면서 상기 제4 순환라인(48) 상에 구비된 상기 배기가스재순환 쿨러(26)를 경유하여 상기 유입라인(41)에 다시 유입되도록 순환한다.
상기 제1, 2, 3 밸브(32, 34, 36)가 모두 폐쇄된 상태와 같이 선택적으로 개폐되는 냉각수 라인이 모두 차단된 상태를 유동 정지(zero flow)라 정의하기로 한다. 이러한 유동 정지 시에도 상기 항시 개방되는 제4 순환라인(48)을 통과하면서 상기 배기가스재순환 쿨러(26)를 경유하는 냉각수에 의해 재순환 배기가스가 원활하게 냉각된다. 또한, 상기 유동 정지를 구현하는 제어는 엔진(10)의 냉간 상태에서 상기 실린더 블록(13)의 냉각을 최소화하여 엔진(10)의 웜업이 신속해지도록 수행될 수 있다.
상기 엔진(10)의 냉간 상태를 판단하는 상한의 기준이 되는 냉각수의 온도를 제1 설정온도(T1)라 칭하기로 하며, 엔진(10)으로부터 유출되는 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도(T1) 미만인 경우에 상기 엔진(10)이 냉간 상태인 것으로 판단된다. 다시 말해, 상기 제어기(60)는 상기 아웃 센서(52)로부터 전달받은 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도(T1) 이상인지를 판단하여 이상이 아닌 경우에 상기 제1 밸브(32), 상기 제2 밸브(34), 및 상기 제3 밸브(36)를 모두 폐쇄시키고, 이상인 경우에 상기 제1 밸브(32), 상기 제2 밸브(34), 및 상기 제3 밸브(36) 중 적어도 하나 이상을 개방시킨다. 한편, 상기 제어기(60)는 상기 인 센서(51)로부터 전달받은 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도(T1) 이상인지를 판단하여 이상인 경우에 상기 엔진(10)의 냉간 상태를 안정적으로 벗어난 것으로 판단한다. 여기서, 상기 제1 설정온도(T1)는 60℃로 설정되는 것이 바람직할 수 있다.
상기 유동 정지를 제외한 상기 제1, 2, 3 밸브(32, 34, 36)의 모두 개방, 한 개 폐쇄, 두 개 폐쇄로 구현되는 적어도 3가지 이상의 서로 다른 냉각수의 순환은 당업자에 의해 설계될 수 있으며, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
상기 엔진(10)의 저온 상태를 판단하는 상한의 기준이 되는 냉각수의 온도를 제2 설정온도(T2)라 칭하기로 하며, 엔진(10)으로 유입되는 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도(T1) 이상이고, 엔진(10)으로부터 유출되는 냉각수의 온도가 상기 제2 설정온도(T2) 미만인 경우에 상기 엔진(10)이 저온 상태인 것으로 판단된다. 다시 말해, 상기 제어기(60)는 상기 인 센서(51)로부터 전달받은 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도(T1) 이상이면, 상기 아웃 센서(52)로부터 전달받은 냉각수의 온도가 상기 제2 설정온도(T2) 이상인지를 판단하여 이상인 경우에 고온 상태, 및 열간 상태 등 상기 엔진(10)의 상태에 따른 냉각수의 순환을 수행한다. 여기서, 상기 제2 설정온도(T2)는 100℃로 설정되는 것이 바람직할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 냉각장치의 제어방법의 흐름도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 냉각장치의 제어방법은 엔진(10)의 시동과 함께 시작된다(S100). 한편, 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 냉각장치의 제어방법은 시동이 꺼지면서 종료된다.
상기 엔진(10)의 시동은 상기 제1 밸브(32), 상기 제2 밸브(34), 및 상기 제3 밸브(36)가 폐쇄된 상태에서 수행되며, 상기 제어기(60)는 냉각수가 일정수준으로 가열되기 전까지 상기 유동 정지를 유지시킨다(S110).
상기 제어기(60)는 상기 유동 정지를 유지시킨 상태에서 상기 아웃 센서(52)로부터 냉각수의 온도 정보를 전달받아 냉각수가 일정수준으로 가열되었는지 판단한다(S120). 이 때, 상기 제어기(60)는 상기 아웃 센서(52)로부터 전달받은 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도(T1) 이상인지 판단한다(S120).
상기 아웃 센서(52)로부터 전달받은 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도(T1) 이상이 아닌 것으로 판단되면, 상기 제어기(60)는 상기 아웃 센서(52)로부터 전달받은 냉각수의 온도와 상기 제1 설정온도(T1)를 반복적으로 비교한다(S120).
상기 아웃 센서(52)로부터 전달받은 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도(T1) 이상인 것으로 판단되면, 상기 제어기(60)는 상기 제1 밸브(32), 상기 제2 밸브(34), 및 상기 제3 밸브(36) 중 적어도 하나를 개방하여 상기 유동 정지를 해제한다(S130).
상기 유동 정지가 해제되면(S130), 상기 제어기(60)는 상기 인 센서(51)로부터 전달받은 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도(T1) 이상인지 판단한다(S140). 여기서, 상기 엔진(10)의 온도는 시동 후에 상승 중인 상태이다.
상기 인 센서(51)로부터 전달받은 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도(T1) 이상이 아닌 것으로 판단되면, 상기 제어기(60)는 상기 인 센서(51)로부터 전달받은 냉각수의 온도와 상기 제1 설정온도(T1)를 반복적으로 비교한다(S140).
상기 인 센서(51)로부터 전달받은 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도(T1) 이상인 것으로 판단되면, 상기 제어기(60)는 배기가스의 재순환(EGR: exhaust gas recirculation)을 시작하면서 상기 제1 밸브(32), 상기 제2 밸브(34), 및 상기 제3 밸브(36)를 모두 폐쇄시킨다(S150). 여기서, 배기가스의 재순환과 함께 수행되는 유동 정지를 상기 유동 정지 상태에서의 엔진(10) 시동 후에 다시 수행되는 유동 재정지라 칭하기로 한다. 이러한 유동 재정지 시에도 상기 항시 개방되는 제4 순환라인(48)을 통하여 냉각수가 상기 배기가스재순환 쿨러(26)를 경유함으로써, 재순환 배기가스가 원활하게 냉각되면서 배기가스의 재순환의 성능이 보장될 수 있다.
상기 제어기(60)는 상기 유동 재정지를 유지시킨 상태에서 상기 아웃 센서(52)로부터 냉각수의 온도 정보를 전달받아 냉각수가 일정수준으로 가열되었는지 판단한다(S160). 이 때, 상기 제어기(60)는 상기 아웃 센서(52)로부터 전달받은 냉각수의 온도가 상기 제2 설정온도(T2) 이상인지 판단한다(S160). 여기서, 상기 엔진(10)의 온도는 냉간 상태를 벗어나 상승 중인 상태이다.
상기 아웃 센서(52)로부터 전달받은 냉각수의 온도가 상기 제2 설정온도(T2) 이상이 아닌 것으로 판단되면, 상기 제어기(60)는 상기 아웃 센서(52)로부터 전달받은 냉각수의 온도와 상기 제2 설정온도(T2)를 반복적으로 비교한다(S160).
상기 아웃 센서(52)로부터 전달받은 냉각수의 온도가 상기 제2 설정온도(T2) 이상인 것으로 판단되면, 상기 제어기(60)는 상기 엔진(10)의 저온 상태를 안정적으로 벗어난 것으로 판단하고, 상기 제1 밸브(32), 상기 제2 밸브(34), 및 상기 제3 밸브(36) 중 적어도 하나를 개방하여 상기 유동 정지를 해제한다(S170). 여기서, 상기 엔진(10)의 저온 상태를 벗어나면서 수행되는 유동 정지의 해제를 상기 유동 재정지 상태에서 다시 수행되는 유동 정지 재해제라 칭하기로 한다. 이러한 유동 정지 재해제는 고온 상태, 및 열간 상태 등 상기 엔진(10)의 상태에 따른 냉각수의 순환을 수행하기 위한 상기 제어기(60)의 상기 제1 밸브(32), 상기 제2 밸브(34), 및 상기 제3 밸브(36) 제어이다.
다시 말해, 상기 인 센서(51)로부터 전달받은 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도(T1) 이상인 것으로 판단되면, 상기 제어기(60)는 상기 엔진(10)의 냉간 상태를 안정적으로 벗어난 것으로 판단하며, 상기 유동 재정지 상태에서 냉각수의 온도가 저하되는 것이 최대한 방지되면서 상기 엔진(10)의 저온 상태를 벗어나는 상기 엔진(10)의 온도 상승이 신속하게 수행된다. 따라서, 상기 엔진(10)의 시동 후, 배기가스 재순환을 시작하는 시점까지의 시간이 다소 지연되더라도 냉각수의 온도가 상기 제2 설정온도(T2) 이상이 되어 상기 엔진(10)이 저온 상태를 벗어나는 시점까지의 시간이 단축됨으로써, 연비가 개선될 수 있다. 한편, 본 발명의 실시예를 적용한 엔진(10)에 대한 여러 차례에 걸친 실험결과에 따르면, 종래와 비교하여 배기가스 재순환의 시작이 대략 20초 정도 지연되더라도 배기가스 재순환 시점으로부터 상기 엔진(10)이 저온 상태를 벗어나는 시점까지의 시간이 750초 이상 신속해지는 것이 확인되었다. 따라서, 730초 이상의 시간을 단축하여 냉각수의 온도가 상기 제2 설정온도(T2) 이상이 되는 것이 확인되었다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 항시 개방되는 냉각수 순환라인(48)에 배기가스재순환 쿨러(26)가 구비됨으로써, 유동 정지 상태에서도 재순환 배기가스가 원활하게 냉각될 수 있다. 또한, 배기가스 재순환이 수행되는 동안에 유동 정지가 가능함에 따라 엔진(10)의 냉간 상태로부터 냉각수의 온도를 신속하게 상승시킬 수 있다. 나아가, 배기가스재순환 쿨러(26)에 냉각수의 순환이 정지되지 않음으로써, 지나지게 고온인 재순환 배기가스에 의한 엔진(10)의 성능 저하가 방지되고, 배기가스재순환 쿨러(26)의 내구성이 보장될 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims (17)

  1. 냉각수가 엔진을 냉각시키면서 순환하도록 상기 엔진으로 냉각수가 유입되는 유입라인에 구비되어 냉각수를 펌핑하는 워터 펌프;
    상기 엔진으로부터 유출된 냉각수가 요구되는 곳에 열교환을 수행한 후에 상기 유입라인으로 유입되도록 제공되는 복수개의 순환라인;
    상기 엔진으로부터 냉각수가 유출되는 유출라인과 연통되고, 상기 복수개의 순환라인 중 냉각수가 순환하는 경로를 선택하는 통합유량제어밸브; 및
    상기 통합유량제어밸브의 작동을 제어하는 제어기;
    를 포함하되,
    상기 복수개의 순환라인 중 하나는 냉각수가 상기 유출라인과는 별도로 상기 엔진으로부터 유출되어 재순환 배기가스를 냉각시키는 배기가스재순환 쿨러를 경유한 후에 상기 유입라인에 유입되도록 제공되는 것을 특징으로 하는 엔진의 냉각장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 순환라인은,
    상기 통합유량제어밸브와 연통되며, 냉각수와의 열교환에 의해 미션오일을 적정한 온도로 유지시키는 미션오일 워머가 배치되는 제1 순환라인;
    상기 통합유량제어밸브와 연통되며, 냉각수를 열원으로 하는 히터가 배치되는 제2 순환라인;
    상기 통합유량제어밸브를 경유한 냉각수를 상기 엔진으로 순환시키도록 상기 통합유량제어밸브와 상기 유입라인을 연통하며, 냉각수의 열을 공기 중으로 방출하는 라디에이터가 배치되는 제3 순환라인; 및
    상기 유출라인과는 별도로 냉각수가 상기 엔진으로부터 유출되는 통로로서 상기 유입라인에 연통되며, 상기 배기가스재순환 쿨러가 배치되는 상기 복수개의 순환라인 중 하나인 제4 순환라인;
    을 포함하고,
    상기 미션오일 워머를 경유한 제1 순환라인 및 상기 히터를 경유한 제2 순환라인은 상기 제4 순환라인에 연결되는 것을 특징으로 하는 엔진의 냉각장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 통합유량제어밸브에는,
    상기 통합유량제어밸브에 연통된 상기 제1 순환라인을 선택적으로 개폐하는 제1 밸브;
    상기 통합유량제어밸브에 연통된 상기 제2 순환라인을 선택적으로 개폐하는 제2 밸브; 및
    상기 통합유량제어밸브에 연통된 상기 제3 순환라인을 선택적으로 개폐하는 제3 밸브;
    가 내장되고,
    상기 제1 밸브, 상기 제2 밸브, 및 상기 제3 밸브는 각각 독립적으로 개폐되도록 상기 제어기에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 엔진의 냉각장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제4 순환라인은 항시 개방되는 것을 특징으로 하는 엔진의 냉각장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어기는 냉각수의 온도를 감지하는 온도센서로부터 전달받은 온도의 정보에 따라 상기 제1 밸브, 상기 제2 밸브, 및 상기 제3 밸브를 제어하여 적어도 4가지 이상의 서로 다른 냉각수의 순환을 구현하는 것을 특징으로 하는 엔진의 냉각장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 온도센서는,
    상기 제4 순환라인 상에서 상기 배기가스재순환 쿨러를 경유한 후에 상기 제1 순환라인 및 상기 제2 순환라인과 통합되는 부분을 지나 상기 유입라인에 연결되는 부분에 구비되는 인 센서; 및
    상기 제4 순환라인 상에서 상기 배기가스재순환 쿨러를 경유하기 전에 상기 엔진으로부터 냉각수가 유출되는 부분에 구비되는 아웃 센서;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진의 냉각장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 아웃 센서로부터 전달받은 냉각수의 온도가 제1 설정온도 이상인지를 판단하여 이상이 아닌 경우에 상기 제1, 2, 3 밸브를 제어하여 선택적으로 개폐되는 냉각수 라인이 모두 차단된 유동 정지를 구현하는 것을 특징으로 하는 엔진의 냉각장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 아웃 센서로부터 전달받은 냉각수의 온도가 제1 설정온도 이상인지를 판단하여 이상인 경우에 상기 제1, 2, 3 밸브 중 적어도 하나를 개방시키는 것을 특징으로 하는 엔진의 냉각장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 아웃 센서로부터 전달받은 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도 이상일 때에 상기 인 센서로부터 전달받은 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도 이상인지를 판단하여 이상인 경우에 다시 상기 제1, 2, 3 밸브를 모두 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 엔진의 냉각장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 인 센서로부터 전달받은 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도 이상일 때에 배기가스 재순환이 시작되는 것을 특징으로 하는 엔진의 냉각장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 인 센서로부터 전달받은 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도 이상일 때에 상기 아웃 센서로부터 전달받은 냉각수의 온도가 제2 설정온도 이상인지를 판단하여 이상인 경우에 다시 상기 제1, 2, 3 밸브 중 적어도 하나를 개방시키는 것을 특징으로 하는 엔진의 냉각장치.
  12. 엔진을 냉각시키면서 순환하는 냉각수가 요구되는 곳에 열교환을 수행하도록 제공되는 복수개의 순환라인과, 냉각수가 순환하는 경로를 변경하는 통합유량제어밸브와, 상기 통합유량제어밸브의 작동을 제어하는 제어기를 포함하는 엔진의 냉각장치의 제어방법에 있어서,
    상기 통합유량제어밸브에 의해 선택적으로 개폐되는 순환라인이 모두 폐쇄된 유동 정지 상태에서 상기 엔진의 시동 후에 유동 정지가 유지되는 단계;
    상기 엔진으로부터 유출되는 냉각수의 온도가 제1 설정온도 이상인지 판단되는 단계;
    상기 엔진으로부터 유출되는 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도 이상이면, 상기 유동 정지가 해제되는 단계;
    상기 엔진으로 유입되는 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도 이상인지 판단되는 단계;
    상기 엔진으로 유입되는 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도 이상이면, 상기 엔진 시동 후의 유동 재정지가 수행되는 단계;
    상기 엔진으로부터 유출되는 냉각수의 온도가 제2 설정온도 이상인지 판단되는 단계; 및
    상기 엔진으로부터 유출되는 냉각수의 온도가 제2 설정온도 이상이면, 상기 유동 재정지 후의 유동 정지 재해제가 수행되는 단계;
    를 포함하며,
    상기 복수개의 순환라인 중 하나는 항시 개방되어 냉각수를 배기가스재순환 쿨러와 열교환하도록 순환시키는 것을 특징으로 하는 엔진의 냉각장치의 제어방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 엔진으로부터 유출되는 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도 미만이면, 상기 제어기는 상기 엔진으로부터 유출되는 냉각수의 온도와 상기 제1 설정온도를 반복적으로 비교하는 것을 특징으로 하는 엔진의 냉각장치의 제어방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 엔진으로 유입되는 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도 미만이면, 상기 제어기는 상기 엔진으로 유입되는 냉각수의 온도와 상기 제1 설정온도를 반복적으로 비교하는 것을 특징으로 하는 엔진의 냉각장치의 제어방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 유동 재정지 시에도 항시 개방되는 순환라인을 통하여 냉각수가 상기 배기가스재순환 쿨러를 경유함으로써, 재순환 배기가스가 원활하게 냉각되는 것을 특징으로 하는 엔진의 냉각장치의 제어방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 엔진으로부터 유출되는 냉각수의 온도가 제2 설정온도 미만이면, 상기 제어기는 상기 엔진으로부터 유출되는 냉각수의 온도와 상기 제2 설정온도를 반복적으로 비교하는 것을 특징으로 하는 엔진의 냉각장치의 제어방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 유동 정지 재해제는 상기 엔진이 시동 후에 저온인 냉간 상태 및 저온 상태 등을 벗어난 고온 상태 및 열간 상태 등에서 상기 엔진의 상태에 따라 냉각수가 순환하는 경로를 변경하는 제어인 것을 특징으로 하는 엔진의 냉각장치의 제어방법.
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