KR102518247B1 - 유량제어밸브의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유량제어밸브의 응답성과 제어 정밀도를 향상시키는 기술에 관한 것으로, 본 발명에서는 유량제어밸브의 목표개도량을 추종하도록 구동모터의 작동을 피드백 제어하는 과정에서, 유량제어밸브의 작동방향이 개방하는 방향인지 폐쇄하는 방향인지에 따라 상기 구동모터의 초기 듀티값에 서로 다른 값을 보상하여 보상된 최종 듀티값으로 구동모터를 피드백 제어하는 유량제어밸브의 제어방법이 소개된다.

Description

유량제어밸브의 제어방법{CONTROL METHOD FOR FLOW CONTROL VALVE}

본 발명은 유량제어밸브의 응답성과 제어 정밀도를 향상시키는 유량제어밸브의 제어방법에 관한 것이다.

엔진의 열을 이용하여 냉간시 엔진을 빨리 웜업시켜서 연비를 향상시키는 기술이 활발히 개발 및 적용되고 있다.

내연기관에서 연소를 통해 얻어지는 실제 출력은 이론 열효율의 약 30% 수준인데, 이는 엔진에서 발생하는 손실 때문이다. 엔진에서 발생하는 주요한 손실은 냉각손실, 배기손실, 미연손실, 기계적 마찰 손실, 펌핑 손실 등이 있다.

엔진의 열관리 제어는 냉간 시동 시 엔진에서 발생하는 열을 최대한 엔진을 웜업하는데 이용함으로써, 연비, 출력 향상 및 배출가스 저감 효과를 얻는 기술을 말한다. 엔진 열관리 기술로는 전자식 써모스탯, 가변분리냉각, 통합유량제어밸브, 가변워터펌프, 유동개선 등이 있다.

이 중 통합유량제어밸브는 엔진 조건에 따라 엔진 냉각수의 유동을 제어하는 기술로, 전자식 써모스탯, 가변분리냉각 등의 기능을 모두 포함한 통합유량제어 기술이다.

그리고 가변워터펌프는 냉각수의 유동을 제어하는 기계식 워터펌프를 대체하는 기술로, 엔진의 상태에 따라 필요시 워터펌프 작동을 중지시킴으로써 냉간시 엔진을 빨리 웜업시켜서 연비 향상을 얻을 수 있다.

즉, 웜업 제어시, 가변워터펌프와 통합유량제어밸브의 제어를 통해 냉각수의 유동이 이루어지는 입출구를 모두 막아서 냉각수의 유동을 정지시키고, 오일워머나 히터코어 등으로 필요한 유량만을 내보내면서 엔진을 빠르게 웜업시키게 된다.

한편, 통합유량제어밸브의 경우, 모터의 듀티제어를 통해 밸브의 개도량을 목표값에 도달하도록 조절하여 밸브를 개방 또는 폐쇄 작동시킬 수 있다.

다만, 이 같은 통합유량제어밸브의 제어 방식은, 유량의 흐름에 의해 생성되는 힘이 밸브에 미치는 영향을 고려하지 않고 있기 때문에, 밸브 개방시의 반응속도와 폐쇄시의 반응속도에 차이가 있고, 특히 밸브가 목표 위치에 도달하는 시간이 지연되어 제어 정밀도가 떨어지는 문제가 있다.

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

JP 2004-137981 A

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 유량제어밸브의 응답성과 제어 정밀도를 향상시키는 유량제어밸브의 제어방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 유량제어밸브의 목표개도량을 추종하도록 구동모터의 작동을 피드백 제어하는 과정에서, 유량제어밸브의 작동방향이 개방하는 방향인지 폐쇄하는 방향인지에 따라 상기 구동모터의 초기 듀티값에 서로 다른 값을 보상하여 보상된 최종 듀티값으로 구동모터를 피드백 제어하는 보상제어단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 보상제어단계는, 엔진RPM에 따라 유량제어밸브에 가해지는 유량의 힘을 보상듀티값으로 환산하는 환산단계; 상기 보상듀티값을 유량제어밸브의 작동방향에 따라 구동모터의 초기 듀티값에 가산 또는 감산하여 보상 제어하는 가감산제어단계;를 포함할 수 있다.

상기 환산단계에서는, 엔진RPM에 따라 보상듀티값이 비례하여 결정될 수 있다.

상기 가감산제어단계에서는, 상기 유량제어밸브가 개방 작동되는 방향으로 작동하는 경우, 상기 구동모터의 초기 듀티값에 보상듀티값을 감산하여 제어하고; 상기 유량제어밸브가 폐쇄 작동되는 방향으로 작동하는 경우, 상기 구동모터의 초기 듀티값에 보상듀티값을 가산하여 제어할 수 있다.

상기 환산단계 이전에, 엔진RPM이 기준값 이하인지 여부를 판단하는 진입판단단계;를 더 포함할 수 있다.

상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 냉각수 흐름에 따른 힘이 유량제어밸브에 미치는 영향을 고려하여 구동모터의 듀티값을 보상 제어함으로써, 유량제어밸브의 개도량이 목표개도량을 보다 빠르게 추종하게 되고, 이에 유량제어밸브의 작동 응답성이 향상되는 효과는 물론, 이 같은 응답성 향상을 통해 연비를 향상시킬 수 있고, 또한 유량제어밸브를 작동하는 구동모터의 제어 정밀도 향상을 통해 구동모터의 소손 가능성을 감소시켜, 차량의 상품성을 향상시키는 효과도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 유량제어밸브의 배치 구성을 예시하여 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 유량제어밸브의 제어과정을 설명하기 위한 흐름도.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 유량제어밸브의 제어방법은, 유량제어밸브의 작동을 위한 구동모터(5)의 듀티값을 보상 제어하는 단계를 포함하여 구성된다.

도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명을 구체적으로 살펴보면, 가변워터펌프(WP)를 통해 엔진(1)에서 토출되는 냉각수가 유량제어밸브(3)에 유입될 수 있고, 상기 유량제어밸브(3)는 구동모터(5)의 작동을 통해 개도량이 조절된다.

그리고, 차량의 주행상태를 반영하는 여러 출력값들이 제어부(7)에 입력되면, 상기 제어부(7)에 의해 구동모터(5)의 작동을 제어할 수 있게 된다.

즉, 차량의 주행상태를 반영하는 출력값에 따라 유량제어밸브(3)의 목표개도량이 설정되고, 이 목표개도량을 추종하도록 제어부(7)에서는 구동모터(5)의 작동을 피드백 제어하게 됨으로써, 상기 유량제어밸브(3)에 연결된 적어도 하나 이상의 유로를 선택적으로 개방 또는 폐쇄 조절하게 된다.

이에, 본 발명은 이 같은 피드백 제어 과정에서, 유량제어밸브(3)의 작동방향이 개방하는 방향인지, 또는 폐쇄하는 방향인지에 따라 상기 구동모터(5)의 초기 듀티값에 서로 다른 값을 보상하고, 보상된 최종 듀티값으로 구동모터(5)를 피드백 제어하는 보상제어단계를 포함하여 구성하게 된다.

즉, 밸브가 개방 작동되는 상태인지, 폐쇄 작동되는 상태인지 판단하고, 판단 결과에 따라 구동모터(5)의 최종 듀티값을 변경하여 피드백 제어함으로써, 밸브의 개방 작동 및 폐쇄 작동에 따른 응답속도를 현재 밸브 제어에 적합하도록 신속하게 조절할 수 있고, 이에 밸브 제어 성능 및 응답성을 향상시키게 된다.

아울러, 상기 보상제어단계는, 환산단계와, 가감산제어단계를 포함하여 구성할 수 있다.

상기 환산단계에서는, 엔진RPM에 따라 유량제어밸브(3)에 가해지는 냉각수 유량의 힘을 보상듀티값으로 환산하게 된다.

예컨대, '압력 = 힘/단면적' 으로 정의 가능한데, 유량제어밸브(3)를 통과하는 냉각수 유량을 확보하면, 이를 압력값으로 변환이 가능하고, 유량제어밸브(3)의 제원을 통해 밸브의 단면적을 확보할 수 있다.

이에, 위의 수식에 따라 변환된 압력값과 유량제어밸브(3)의 단면적을 통해 냉각수 유량에 따른 힘을 계산할 수 있다.

이때에, 유량제어밸브(3)를 통과하는 냉각수 유량은 엔진RPM의 증감에 따라 함께 증감되는바, 결국 엔진RPM에 따라 유량제어밸브(3)에 가해지는 냉각수 유량의 힘을 계산할 수 있게 된다.

그리고, 이처럼 확보한 힘은 듀티값으로 환산하여 보상듀티값을 확보할 수 있는데, 아래의 표는 이 같은 방식을 통해 확보한 냉각수 유량의 힘과, 보상듀티값의 관계를 나타낸 모델링 데이터의 예시이다.

엔진RPM	냉각수 유량의 힘	보상듀티값
1500~2500 RPM	10Nm	5%
2500~3500 RPM	13Nm	8%
3500~4500 RPM	18Nm	12%
4500 RPM 이상	22Nm	15%

위와 같이, 보상듀티값은 상기 엔진RPM에 따라 비례하도록 결정할 수 있다.

즉, 엔진RPM이 커짐에 따라 냉각수 유량의 힘이 커지게 됨으로써, 보상듀티값도 함께 커지도록 설정되는 것이다.

아울러, 가감산제어단계에서는, 상기 보상듀티값을 유량제어밸브(3)의 작동방향에 따라 구동모터(5)의 초기 듀티값에 가산 또는 감산하여 보상 제어할 수 있다.

구체적으로, 상기 유량제어밸브(3)가 개방 작동되는 방향으로 작동하는 것으로 판단한 경우, 상기 구동모터(5)의 초기 듀티값에 보상듀티값을 감산하여 제어할 수 있다.

그리고, 상기 유량제어밸브(3)가 폐쇄 작동되는 방향으로 작동하는 것으로 판단한 경우, 상기 구동모터(5)의 초기 듀티값에 보상듀티값을 가산하여 제어할 수 있다.

이때에, 상기 초기 듀티값에는 유량제어밸브(3)가 갖는 마찰값이 더 반영되어 최종 듀티값이 산출될 수 있다.

즉, 유량제어밸브(3)가 폐쇄 작동되는 방향으로 작동시, 유량제어밸브(3)를 누르는 냉각수 유량의 힘을 이겨내고 구동모터(5)를 제어해야 함으로써, 보상듀티값을 가산하고, 이를 통해 최종듀티값을 초기 듀티값에서 증가하는 방향으로 보상 제어하게 된다.

반대로, 유량제어밸브(3)가 개방 작동되는 방향으로 작동시, 냉각수 유량에 의해 유량제어밸브(3)를 밀어내는 힘을 고려하여 구동모터(5)를 제어해야 함으로써, 보상듀티값을 감산하고, 이를 통해 최종듀티값을 초기 듀티값에서 감소시키는 방향으로 보상 제어하게 된다.

이처럼, 냉각수 유량의 흐름에 의해 발생되는 힘이 유량제어밸브(3)의 개폐 작동에 미치는 영향을 고려하여 구동모터(5)의 듀티값을 적절하게 보상 제어함으로써, 유량제어밸브(3)의 개도량이 목표개도량을 보다 빠르게 추종하게 되고, 이에 유량제어밸브(3)의 작동 응답성이 향상되는 것은 물론, 이 같은 응답성 향상을 통해 연비를 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 유량제어밸브(3)를 작동하는 구동모터(5)의 제어 정밀도 향상을 통해 구동모터(5)의 소손 가능성을 감소시켜, 차량의 상품성을 향상시키게 된다.

한편, 본 발명은 상기 환산단계 이전에, 엔진RPM이 기준값 이하인지 여부를 판단하는 진입판단단계를 더 포함할 수 있다.

예컨대, 엔진RPM이 1500RPM 이하인 경우에는, 냉각수 흐름에 따른 힘이 유량제어밸브(3)의 작동에 미치는 영향이 작으므로, 듀티값의 보상 제어 없이, 초기 듀티값을 그대로 유지하여 구동모터(5)를 제어할 수 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 유량제어밸브(3) 제어과정에 대해 설명한다.

도 2를 참조하면, 차량의 주행 중, 유량제어밸브(3)의 작동이 필요한 경우, 차량의 주행상태를 반영하는 출력값에 따라 유량제어밸브(3)의 목표개도량을 설정하고, 이 목표개도량을 추종하기 위한 초기 듀티값을 설정한다(S10).

이어서, 현재 엔진RPM이 제어 진입 조건에 해당하는 기준값을 만족하는지 판단하고(S20), 판단 결과 엔진RPM이 기준값 초과시 듀티값 보상 제어를 위한 제어로직에 진입한다.

반면, 엔진RPM이 기준값 이하시, 상기 초기 듀티값으로 구동모터(5)를 피드백 제어하면서 유량제어밸브(3)의 개폐 작동을 제어한다(S70).

한편, 상기 S20단계의 판단 결과, 엔진RPM이 기준값 초과시, 현재 엔진RPM에 대한 냉각수 유량의 흐름에 따른 힘을 계산하고, 이 힘을 보상듀티값으로 환산한다(S30).

그리고, 현재 작동하고자 하는 유량제어밸브(3)의 작동방향을 판단한다(S40).

판단 결과 유량제어밸브(3)의 작동방향이 폐쇄하는 방향인 경우, 초기 듀티값에 보상듀티값을 더하여 최종 듀티값을 계산하고, 계산된 최종 듀티값으로 구동모터(5)를 피드백 제어하면서 유량제어밸브(3)를 폐쇄 작동한다(S50).

반면, 유량제어밸브(3)의 작동방향이 개방하는 방향인 경우, 초기 듀티값에 보상듀티값을 빼서 최종 듀티값을 계산하고, 계산된 최종 듀티값으로 구동모터(5)를 피드백 제어하면서 유량제어밸브(3)를 개방 작동한다(S60).

상술한 바와 같이, 본 발명은 냉각수 흐름에 따른 힘이 유량제어밸브(3)에 미치는 영향을 고려하여 구동모터(5)의 듀티값을 보상 제어함으로써, 유량제어밸브(3)의 개도량이 목표개도량을 보다 빠르게 추종하게 되고, 이에 유량제어밸브(3)의 작동 응답성이 향상되는 것은 물론, 이 같은 응답성 향상을 통해 연비를 향상시킬 수 있게 되고, 또한 유량제어밸브(3)를 작동하는 구동모터(5)의 제어 정밀도 향상을 통해 구동모터(5)의 소손 가능성을 감소시켜, 차량의 상품성을 향상시키게 된다.

한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

1 : 엔진 3 : 유량제어밸브
5 : 구동모터 7 : 제어부

Claims (5)

1. 유량제어밸브의 목표개도량을 추종하도록 구동모터의 작동을 피드백 제어하는 과정에서, 유량제어밸브의 작동방향이 개방하는 방향인지 폐쇄하는 방향인지에 따라 상기 구동모터의 초기 듀티값에 서로 다른 값을 보상하여 보상된 최종 듀티값으로 구동모터를 피드백 제어하는 보상제어단계;를 포함하고,
   상기 보상제어단계는,
   엔진RPM에 따라 유량제어밸브에 가해지는 유량의 힘을 보상듀티값으로 환산하는 환산단계;
   상기 보상듀티값을 유량제어밸브의 작동방향에 따라 구동모터의 초기 듀티값에 가산 또는 감산하여 보상 제어하는 가감산제어단계;를 포함하는 유량제어밸브의 제어방법.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 환산단계에서는, 엔진RPM에 따라 보상듀티값이 비례하여 결정되는 것을 특징으로 하는 유량제어밸브의 제어방법.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 가감산제어단계에서는,
   상기 유량제어밸브가 개방 작동되는 방향으로 작동하는 경우, 상기 구동모터의 초기 듀티값에 보상듀티값을 감산하여 제어하고;
   상기 유량제어밸브가 폐쇄 작동되는 방향으로 작동하는 경우, 상기 구동모터의 초기 듀티값에 보상듀티값을 가산하여 제어하는 것을 특징으로 하는 유량제어밸브의 제어방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 환산단계 이전에, 엔진RPM이 기준값 이하인지 여부를 판단하는 진입판단단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유량제어밸브의 제어방법.

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