KR20090062388A - 에어히터 장착 차량의 ＮＯｘ 저감 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에어히터 장착 차량의 NOｘ 저감 제어 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 EGR 맵을 최적화하여 유해 배기 가스를 최소화하는 에어히터 장착 차량의 NOｘ 저감 제어 방법에 관한 것이다.
에어히터가 적용된 디젤엔진에 있어서, 차량 주행계 거리에 따른 에어히터의 작동 단계; 및 상기 에어히터 작동 단계에서 EGR 작동 조건인 경우, EGR 밸브 리프트 작동을 제어하는 단계;를 포함하는 에어히터 장착 차량의 NOｘ 저감 제어방법을 제공한다.
에어히터, NOｘ, CO, EGR, 배기가스, 디젤엔진, EURO-iV

Description

에어히터 장착 차량의 ＮＯｘ 저감 제어 방법{Management method of reducing NOｘ of vehicle equipped with air heater}
본 발명은 에어히터 장착 차량의 NOｘ 저감 제어 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 EGR 맵을 최적화하여 유해 배기 가스를 최소화하는 에어히터 장착 차량의 NOｘ 저감 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차는 사용되는 연료의 종류에 따라 가솔린 차량, 디젤 차량, LPG 차량으로 구분될 수 있는데, 이중 디젤 차량은 고연비를 가지며 고출력 및 고부하 운전이 가능하고, 유류비가 저렴하여 그 수요가 계속 증가하고 있는 실정이다.
그러나, 이러한 디젤 차량의 배기가스에는 일산화탄소, 질소산화물 및 입자상 물질과 같은 오염물질이 가솔린 차량에 비해 많이 포함되어 있으므로, 이러한 오염물질을 처리하여 배기가스를 정화하는 매연 여과장치들이 다양하게 개발되고 있다.
시동 초기에 촉매 활성화 온도에 빨리 도달할 수 있도록 엔진 흡기온도를 높 이는 여러가지 방법을 사용하는 추세이며, 최근 엔진에 에어히터(Air Heater)를 적용하는 방법이 주목받고 있다. 에어히터는 인매니폴더(In-Manifold) 전단에 장착되어 시동 초기 일정 시간 동안 전류를 인가하여 열선을 통해 열을 발생시키고, 발생된 열의 열전달을 통해 엔진 흡기 온도를 상승시켜 미연소를 방지하며, 배기가스 온도를 상승시키는 장치이다. 에어히터의 작동을 통해 일산화탄소의 배출량을 70%이상 저감시킬 수 있기 때문에 촉매의 귀금속량을 줄여 원가를 낮출 수 있으나, 에어히터 작동시 엔진 부하를 상승시켜 연비 악화 및 배출 가스 중의 질소산화물(nitrogen oxides, NOｘ), 미세먼지(particulate matter, PM), 이산화탄소(CO2)를 증가시키므로 작동 시간을 최소화하여 사용해야하는 문제가 있다.
또한, 커먼레일 디젤엔진에서는 질소 산화물(NOｘ) 발생을 억제하기 위해 배기가스 재순환장치(Exhaust Gas Recirculation, EGR)를 이용한다. 연소 후 배출되는 배기가스 속의 질소 산화물(NOｘ)을 감소시키기 위해, 실린더의 스로틀바디(Throttle Body) 부분에 위치한 흡입다기관 포트로 재순환시켜 가능한한 출력감소를 최소로 하면서 최고연소온도를 낮추어 NOｘ의 배출량을 감소시킨다.
혼합기에 공기 중의 질소(N2)에 비해 열용량이 큰 이산화탄소(CO2)가스를 함유한 배출가스를 적절히 혼입하면, 동일한 발열량의 연소를 하더라도 배출가스를 혼입하지 않는 경우에 비하여, 연소온도가 내려가 질소산화물(NOｘ)의 발생을 억제할 수 있기 때문에, 배출가스 재순환(EGR)은 질소산화물(NOｘ) 저감장치로 많이 이용되고 있다.
한편, 배출가스를 연소실 내로 재순환할 경우, 혼합기의 착화성이나 엔진출력은 떨어지기 때문에, 질소산화물(NOｘ)의 배출량이 많은 중속 운전영역을 선택하여 배기가스 재순환을 실시하여야 한다. 엔진회전속도(RPM)와 분사 연료량에 따라 목표 흡입 공기량을 설정한다. 목표 흡입 공기량보다 공기량이 많을 경우 EGR valve를 열어 EGR를 더 많이 흡기쪽으로 돌어오게 하는 방법이다.
도 1은 종래의 전자 제어장치(Electronic Control Unit, ECU)에 저장되어 있는 목표 공기량을 나타낸 것으로, X 축은 엔진회전속도(RPM), Y축은 공기량을 나타낸 등연료량 그래프이다. 부하가 증가하면 연료량이 증가하면서 목표 공기량이 증가하고 따라서 흡기 쪽으로 가는 EGR량이 감소하여 NOｘ가 증가하게 된다.
종래 방법은 전 운전 영역의 목표 공기량을 낮추어 EGR를 증가시키는 방법을 사용하였다. 이러한 방법은 흡입공기에 EGR량을 증가시키면 신기량(순수공기)이 부족하게 되어 엔진 부조와 같은 문제가 발생하게 된다. 현재 디젤엔진의 배기 규제는 EURO-iV 규제가 적용되고 있다. 현재 1.6L 배기량 차량의 질소 산화물(NOｘ) 규제치는 0.25g/km이며, 규제치 이내로 질소 산화물(NOｘ) 량을 낮추는 것은 결코 쉽지 않은 일이며, 에어히터로 인한 부하 증가 및 NOｘ 증가로 배기규제 초과는 불가피하게 되었다. 따라서 EGR량을 증가시키게 되며 부가적으로 운전성 악화가 불가피하다.
도 2는 신기량 부족(EGR 과다)로 인한 운전성 악화를 나타내는 그래프이다. 엑셀 페달을 일정하게 밟고 있는 경우에도, 엔진회전속도(RPM)와 연료량이 일정하지 않는 것으로 측정되었다.
따라서 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서,
에어히터로 인한 NOｘ 증가를 최대한 보상해주기 위해, EGR량 증가를 최소화 시키는 것이다. 즉, 에어히터가 작동되는 구간만 EGR량을 증가시켜주고, 작동되지 않는 구간에서는 EGR량을 원래대로 낮추어주는 설정을 제공하여 운전성의 악화를 가져오지 않으면서 NOｘ의 량이 저감되도록 한 것이다.
*본 발명은, 인매니폴드 앞단에 장착되어 CO를 저감하는 에어히터가 작동 될때 EGR의 유입을 증가시켜 NOｘ를 저감하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
에어히터가 적용된 디젤엔진에 있어서, 차량 주행계 거리에 따른 에어히터의 작동 단계; 및 상기 에어히터 작동 단계에서 EGR 작동 조건인 경우, EGR 밸브 리프트 작동을 제어하는 단계;를 포함하는 에어히터 장착 차량의 NOｘ 저감 제어방법을 제공한다.
또한, 상기 EGR 작동 조건은, 엔진 회전수(RPM)을 검출하는 단계; 분사 연료량을 검출하는 단계; 흡입 공기량을 검출하는 단계; 및 상기 검출된 흡입 공기량과 미리 설정된 맵(MAP)상의 조건을 비교하여 EGR 작동 영역인가를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 에어히터 작동 단계에서 EGR 작동 조건인 경우는, 상기 검출된 흡입 공기량과 설정된 목표 흡입 공기량을 비교하는 단계; 및 상기 비교된 흡입 공기량과 설정된 에어히터 작동시 미리 설정된 맵상의 조건을 비교하여 목표 흡입 공기량의 차이에 따라 EGR 밸브 제어를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, EGR를 증가시켰을 때, 신기량이 부족하여 엔진 부조가 발생하는 것을 막을 수 있으며, 디젤 엔진의 강화된 배기 규제치에 적합한 디젤 엔진 차량을 생산할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부도면과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해 예시한 것으로 본 발명의 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
에어히터가 적용된 디젤엔진에 있어서, 차량 주행계 거리에 따른 에어히터의 작동 단계; 및 상기 에어히터 작동 단계에서 EGR 작동 조건인 경우, EGR 밸브 리프트 작동을 제어하는 단계;를 포함하는 에어히터 장착 차량의 NOｘ 저감 제어방법하 는 단계를 포함한다.
먼저 상기 EGR 작동 조건은, 엔진 회전수(RPM)을 검출하는 단계; 분사 연료량을 검출하는 단계; 엔진이 구동된 상태인가 검출하는 단계; 흡입 공기량을 검출하는 단계; 및 상기 검출된 흡입 공기량과 미리 설정된 맵(Map)상의 조건을 비교하여 EGR 작동 영역인가를 판단하는 단계로 이루어진다.
본 발명의 실시예에 따른 EGR 시스템의 하드웨어 구성은 도 3과 같다. 엔진 제어부(350)로 입력되는 신호는 도 3에 도시된 바와 같이 흡입 공기량(310), 엔진 회전수(320), 분사 연료량(330)이다. 도 3를 참조하여 EGR 제어과정을 설명한다.
먼저, 상기 엔젠 제어부(350)는 입력되는 상기 엔진 회전수(320)와 상기 분사 연료량(330)을 통해 EGR이 작동되어야 하는 영역인지를 주어진 맵상의 조건과 비교, 판단한다.
예를 들어, EGR 작동영역인 경우 EGR량을 제어하기 위하여 EGR량이 증가함에 따라 감소하는 특성을 갖고 있는 흡입 공기량이 상기 엔진 제어부(350)에 맵핑(Mapping)된 목표 흡입 공기량과 일치하도록 EGR 밸브의 리프트를 조정한다. 즉, EGR 작동영역인 경우 EGR 밸브를 개방하여 EGR 가스가 유입되도록 조정한다.
도 3과 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 에어히터가 장착된 엔진의 EGR 제어 과정을 설명한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 EGR 시스템의 하드웨어 구성은 종래 기술과 동일하며, 다만 EGR 밸브 리프트에 에어히터에 대한 로직이 추가된다. 이와 같은 구성에 따라 에어히터 작동(340) 여부에 의하여 상기 엔진 제어부(350)은 EGR 밸브 리프트제어(360)를 실시한다. 에어히터가 작동될 때 상기 엔진 제어부(350)에서 에어히터 작동시 맵핑(Mapping)된 새로운 목표 흡입공기량과 일치하도록 EGR 밸브 리프트제어(360)을 실시한다.
에어히터 작동될 때의 로직은 도 4와 같다. 에어히터가 작동되는 구간에서는 측정된 흡입 공기량(410)과 설정된 목표 흡입 공기량(430)을 비교하고, 비교된 흡입 공기량과 설정된 목표 흡입 공기량의 차이에 따라 EGR 밸브를 에어히터 목표 공기량을 설정하여 그에 맞는 맵(MAP) 상의 조건을 비교하여 조정한다.
에어히터 작동시 흡입 공기량을 측정하여 흡입 공기량이 목표 흡입 공기량보다 많으면, EGR 밸브 리프트를 증가시켜 목표 흡입 공기량과 동일하도록 제어한다. 이와는 반대로 흡입 공기량이 목표 흡입 공기량보다 작으면, EGR 밸브 리프트를 고정시킨다.
측정된 흡입 공기량과 설정된 목표 흡입 공기량을 비교하고, 비교된 흡입 공기량과 설정된 목표 흡입 공기량의 차이에 따라, EGR 밸브 리프트 제어를 수행한다.
하기 표 1에서와 같이 에어히터 목표 공기량은 상기 설정된 목표 공기량과 마찬가지로 엔진 회전수, 분사 연료량으로 된 맵(Map)형태로 만들어 주 운전 영역에서만 EGR량을 증가시켜(공기량을 줄이도록), EGR량의 증가를 최소화하게 한다. 하기 표1에서와 같은 맵을 상기 엔진 제어부(350)에 입력한다. 에어히터가 가동 중인 주 운전 영역에서, 엔진 회전수와 연료량을 맵(Map)에 대입하여 상기 엔진 제어부(350)에서 판단한다. 상기 판단된 결과에 따라 상기 엔진 제어부(350)에서 상기 EGR밸브리프트제어(360)를 수행하여 EGR의 량을 조절한다.
연료량 (mg/cycle) 엔진회전수(RPM)
700 1000 1500 2000 2500 3000 3500
5 10 10 10 10 10 0 0
10 20 20 20 20 20 0 0
15 20 20 20 20 20 0 0
20 20 20 20 20 20 0 0
25 20 20 20 20 20 0 0
30 0 0 0 0 0 0 0
35 0 0 0 0 0 0 0
이와 같은 에어히터의 작동여부에 따르는 EGR 밸브 리프트 제어를 통하여 에어히터 부하로부터 야기되는 NOｘ 발생 증가를 낮출 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.
도 1은 종래 ECU에 저장되어 있는 목표 공기량을 도시한 도면 (X축= RPM, Y축=공기량, 등연료량)
도 2는 종래 기술에서 EGR 과다로 인한 운전성 악화를 나타낸 그래프
도 3은 본 발명의 디젤 엔진의 EGR 밸브 작동 로직을 간략하게 도시한 도면
도 4는 본 발명의 에어히터의 작동 유무에 따른 목표 공기량을 간략하게 개념적으로 도시한 도면

Claims (3)

  1. 에어히터가 적용된 디젤엔진에 있어서,
    차량 주행계 거리에 따른 에어히터의 작동 단계; 및
    상기 에어히터 작동 단계에서 EGR 작동 조건인 경우, EGR 밸브 리프트 작동을 제어하는 단계;를 포함하는 에어히터 장착 차량의 NOｘ 저감 제어방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 EGR 작동 조건은,
    엔진 회전수(RPM)을 검출하는 단계;
    분사 연료량을 검출하는 단계;
    흡입 공기량을 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 흡입 공기량과 미리 설정된 맵(MAP)상의 조건을 비교하여 EGR 작동 영역인가를 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어히터 장착 차량의 NOｘ 저감 제어방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 에어히터 작동 단계에서 EGR 작동 조건인 경우는,
    상기 검출된 흡입 공기량과 설정된 목표 흡입 공기량을 비교하는 단계; 및
    상기 비교된 흡입 공기량과 설정된 에어히터 작동시 미리 설정된 맵상의 조 건을 비교하여 목표 흡입 공기량의 차이에 따라 EGR 밸브 제어를 수행하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에어히터 장착 차량의 NOｘ 저감 제어방법.
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