KR20090126841A - Flow rate control apparatus using thermal flow velocity measurement and method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 EGR 시스템을 장착한 수송수단의 엔진 및 차량에 적용할 수 있는 THERMAL 유속측정을 이용한 EGR 유량 제어장치 및 그의 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to an EGR flow rate control apparatus using a THERMAL flow rate measurement applicable to an engine and a vehicle of a vehicle equipped with an EGR system, and a control method thereof.
최근 강화되고 있는 환경규제에 따라 자동차로부터 배출되는 오염물질 저감은 세계 각국의 자동차 업계의 최대의 주요 연구개발 목표이다. 자동차 배출가스 중 HC, CO 및 매연 등은 연소의 개선 및 후처리 등으로 그 저감 대책이 비교적 용이하나, 질소산화물의 저감기술은 연소와 연비에 미치는 악영향으로 인하여 개발에 어려움을 겪고 있다.In accordance with the recent tightening environmental regulations, the reduction of pollutants emitted from automobiles is the largest major R & D goal of the automobile industry around the world. HC, CO, and soot among automobile exhaust gases are relatively easy to reduce by the improvement of combustion and post-treatment. However, the reduction of nitrogen oxide technology has been difficult to develop due to the adverse effect on combustion and fuel efficiency.
이러한 질소산화물의 저감기술의 하나로서 사용되고 있는 배출가스재순환장치인 EGR(Exhaust Gas Recirculation)은 질소 산화물의 저감을 위해 저렴하면서도 효과적인 방법 중의 하나로서 이미 실용화되어 사용되고 있다. 이는 배기가스의 CO2나 H2O 등이 흡기의 일부와 치환되어 혼입됨으로서 혼합기의 열용량이 증대되어 실린더 내 연소가스 온도상승을 억제하고, 공기 과잉율을 낮추어 Thermal NOx 생성 을 억제함으로서 전체 NOx 발생량을 줄인다. 또한 흡기의 일부가 산소농도가 낮은 배기가스로 치환되므로 연소실내 산소가 감소하기 때문에 NOx의 생성이 억제된다.Exhaust gas recirculation (EGR), which is an exhaust gas recirculation apparatus used as one of such nitrogen oxide reduction techniques, has already been put to practical use as one of the inexpensive and effective methods for reducing nitrogen oxides. This is because CO2 or H2O of the exhaust gas is replaced with a part of the intake air, thereby increasing the heat capacity of the mixer to suppress the rise of the combustion gas temperature in the cylinder, and reducing the overall excess of NOx by lowering the excess air rate to suppress the thermal NOx generation. In addition, since part of the intake air is replaced by exhaust gas having a low oxygen concentration, the generation of NOx is suppressed because the oxygen in the combustion chamber is reduced.
그러나, 배출가스 규제가 더욱 엄격해지면서 기존의 방법으로는 요구하는 EGR율의 정밀하고 신속한 제어가 어려워 NOx 저감에 한계가 있으며 이를 보완하기 위하여 ECU와 각종 센서 및 액츄에이터를 유기적으로 연결하여 자동차의 배출가스 배출과 엔진의 연소 안정성에 중대한 영향을 미치는 EGR율을 제어하는 기술이 개발되어 적용되기 시작하였다.However, as the exhaust gas regulations become more stringent, it is difficult to precisely and quickly control the required EGR rate by conventional methods, which limits the reduction of NOx.In order to compensate for this, the vehicle is discharged by organically connecting ECUs and various sensors and actuators. Techniques for controlling EGR rates, which have a significant impact on gas emissions and engine combustion stability, have been developed and applied.
이러한 다양한 운전조건에 대하여 EGR 시스템이 상용화되기 위해서는 EGR 시스템을 구성하는 핵심부품(EGR 밸브, EGR 열교환기)등의 변화 및 작동성능에 따른 영향 및 내부구조에 따른 유동특성 파악 등이 필요한 상황이나, 실제 가솔린엔진 및 디젤엔진에 장착된 EGR 시스템의 고온 특성으로 인한 문제와 PM(입자상 물질,Particulate Matter)이 다량으로 포함된 EGR 가스가 흡기 유동 시스템을 지나가게 되면서 각종 부품에 오염을 일으켜 기계적인 측정 장비를 이용할 경우 정확한 EGR율의 제어가 어려운 문제점이 있다.In order for the EGR system to be commercialized under such various operating conditions, it is necessary to change the core parts (EGR valve, EGR heat exchanger), etc., which are part of the EGR system, and to understand the effects of operating performance and flow characteristics according to the internal structure. Problems due to the high temperature characteristics of EGR systems installed on gasoline and diesel engines, as well as EGR gas containing a large amount of particulate matter (PM), pass through the intake flow system, causing contamination of various parts and making mechanical measurements. When using the equipment, there is a problem that it is difficult to control the exact EGR rate.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 EGR 시스템을 실제 엔진에 적용할 때, 주요인자별 EGR 시스템의 정밀한 제어를 위한 EGR 가스의 유량측정을 통해 EGR 시스템의 최적화가 가능하도록 한 THERMAL 유속측정을 이용한 EGR 유량 제어장치 및 그의 제어방법을 제공하는데 있다.The present invention has been made to solve the above problems, the object of the present invention is to apply the EGR system to the actual engine, the EGR system through the flow rate measurement of the EGR gas for precise control of the EGR system for each major factor An object of the present invention is to provide an EGR flow control device using a THERMAL flow rate measurement and a control method thereof.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.Other objects and advantages of the invention will be described below and will be appreciated by the embodiments of the invention. Furthermore, the objects and advantages of the present invention can be realized by means and combinations indicated in the claims.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, EGR 밸브가 설치되는 재순환관에 일단이 각각 내입되어 설치되되, 상기 재순환관 내부를 일방향으로 유동하며, 엔진의 운전조건에 따라 변동되는 EGR 가스의 온도를 측정하는 제 1온도측정센서와; 상기 재순환관 내부에서 발열하는 히터와; 상기 히터를 지난 후의 EGR 가스 온도를 측정하는 제 2온도측정센서;로 구성되어, EGR 가스 유량의 흐름 내에서 전기적으로 가열되는 히터를 통해 상기 EGR 가스의 유속이 있을 시 열전달량이 증감하는 원리를 이용하여, 엔진에 장착되었을 때 소모되는 전력에 대응하는 EGR 가스의 유량을 측정함으로써, EGR 밸브의 제어가 가능해져 EGR 시스템의 최적화가 가능해지도록 하는 것을 특징으로 한다.The present invention is a means for solving the above problems, one end is installed in each of the recirculation pipe is installed EGR valve is installed, the inside of the recirculation pipe flows in one direction, the EGR gas is changed according to the operating conditions of the engine A first temperature sensor for measuring the temperature of the sensor; A heater that generates heat in the recirculation tube; The second temperature measuring sensor for measuring the temperature of the EGR gas after passing through the heater, consisting of, the heat transfer amount increases and decreases when the flow rate of the EGR gas through the heater electrically heated in the flow of the EGR gas flow rate Thus, by measuring the flow rate of the EGR gas corresponding to the power consumed when mounted to the engine, it is possible to control the EGR valve, it is possible to optimize the EGR system.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 EGR 시스템을 실제 엔진에 적용할 때, 주요인자별 EGR 시스템의 정밀한 제어를 위한 EGR 가스의 유량측정을 통해 EGR 시스템의 최적화가 가능한 효과가 있다.As described above, when the EGR system is applied to an actual engine, the EGR system can be optimized by measuring the flow rate of the EGR gas for precise control of the EGR system for each major factor.
본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 더불어, "제 1(first)"과 같은 용어는 설명을 위해 본원 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다.Before describing the various embodiments of the present invention in detail, it will be appreciated that the application is not limited to the details of construction and arrangement of components described in the following detailed description or illustrated in the drawings. The invention can be implemented and carried out in other embodiments and can be carried out in various ways. In addition, device or element orientation (e.g., "front", "back", "up", "down", "top", "bottom" The expressions and predicates used herein with respect to terms such as "," "left", "right", "lateral", etc. are used merely to simplify the description of the present invention, and related apparatus. Or it will be appreciated that the element does not simply indicate or mean that it should have a particular direction. In addition, terms such as “first” are used in this disclosure and the appended claims for purposes of illustration and are not intended to indicate or mean the relative importance or spirit.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래의 특징을 갖는다.The present invention has the following features to achieve the above object.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사 전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, the terms or words used in this specification and claims should not be construed as being limited to the ordinary or dictionary meanings, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
이하 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 THERMAL 유속측정을 이용한 EGR 유량 제어장치 및 그의 제어방법을 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, an EGR flow control apparatus using a THERMAL flow rate measurement and a control method thereof will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 3.
도 1은 EGR 시스템을 적용한 엔진의 개략도로서, 일반적으로 가솔린 엔진의 EGR 통로는 흡기관(40)의 트로틀밸브 이후에서 배기관(50)으로 연결되어 있다. 흡기측의 압력은 부압으로 배기관(50) 압력보다 낮기 때문에 배기가스 재순환이 용이하며, 통로 중간에 설치되어 있는 EGR 밸브(80) 개폐면적과 흡배기관(40, 50) 압력차에 따라 EGR량을 조절한다.1 is a schematic diagram of an engine to which the EGR system is applied, and generally, the EGR passage of the gasoline engine is connected to the
그러나, 디젤엔진에서는 흡기관(40)에 트로틀밸브가 설치되어 있지 않기 때문에 흡배기관(40, 50) 압력차이가 크지 않아 유량조절에 어려움이 크다. 따라서, 이와 같은 엔진에서는 정확한 EGR 가스 유량을 측정하지 않을 경우 EGR 유량의 형성과 공급에 중요한 변수로서 작용하는 EGR 밸브(80)의 제어가 어렵게 된다.However, in the diesel engine, since the throttle valve is not provided in the
유량 측정은 측정원리에 따라 체적유량과 압력강하를 이용한 차압식, 여러 원리에 기초한 삽입 체적식, 초음파 검출식, 전자식 등이 있다.According to the measurement principle, there are differential pressure method using volumetric flow rate and pressure drop, insertion volume method based on various principles, ultrasonic detection method, and electronic method.
EGR 유량 측정의 경우 원활한 EGR 공급 및 EGR율의 한계를 높이기 위하여 유로에 방해시설을 설치하지 않는 것이 좋고, EGR 가스 내에 PM이 다량으로 포함되어 있기 때문에 순환되는 과정에서 표면에 오염을 유발할 수 있으므로 터빈 또는 오리피스 유형의 유량 측정 방법은 적합하지 않다.In the case of EGR flow measurement, it is better not to install an obstruction facility in the flow path in order to increase the limit of EGR supply and EGR rate smoothly, and since the PM contains a large amount of EGR gas, it may cause contamination on the surface during circulation. Or orifice type flow measurement methods are not suitable.
본 발명에서는 열선풍속계의 유체의 흐름 내에 전기적으로 가열된 선이 있을 때 유속에 따라 열전달량이 증감하는 원리를 이용하여 EGR 가스의 유량을 측정하는 것으로서 측정장치의 구성은 상기 도 2와 같다.In the present invention, when there is an electrically heated wire in the flow of the fluid of the hot air flow meter, the flow rate of the EGR gas is measured by using the principle of increasing or decreasing the heat transfer amount according to the flow rate.
이때, EGR 가스 유량측정 부위는 EGR 공급 유로 중 가급적 가스 온도가 낮은 EGR 쿨러(EGR Cooler, 90) 이후에 장착되는 것이 바람직하다.At this time, the EGR gas flow rate measurement site is preferably mounted after the
도 2는 본 발명에 따른 EGR 가스 유량측정 장치의 개략도로서, 동 도면에서 보는 바와 같이 도 1 'A'부분의 확대도이기도 하다. 3개의 탐침이 파이프 벽을 관통하여 박혀 있으며, 각각은 EGR 가스가 새어나가지 않도록 도 2의 각 'B' 부분에 실링(Sealing) 처리가 되어 있다.Figure 2 is a schematic diagram of the EGR gas flow rate measuring apparatus according to the present invention, it is also an enlarged view of the portion 'A' of Figure 1 as shown in the figure. Three probes are embedded through the pipe wall, each of which is sealed at each 'B' portion of FIG. 2 to prevent the EGR gas from leaking out.
이렇게 구성된 유량 측정장치의 경우, 일반적인 열선풍속계에서 문제가 되는 파손성을 방지할 수 있고, PM(입자상 물질, Particulate Matter)에 의한 오염 및 반복성에 대한 문제를 해결할 수 있다.In the case of the flow rate measuring device configured as described above, it is possible to prevent breakage that is a problem in a general hot air flowmeter, and to solve the problem of contamination and repeatability by PM (Particulate Matter).
상기 다수개의 탐침은 각각 제 1온도측정센서(10), 히터(20), 제 2온도측정 센서(30)이며, 유량이 유동되는 방향을 향해 제 1온도측정센서(10), 히터(20), 제 2온도측정센서(30) 순으로 설치되는 것으로, 제 1온도측정센서(10)는 엔진(60)의 운전조건에 따라 다른 EGR 가스의 온도를 측정하기 위한 것이다. 이때, 외부로의 열전달에 의한 손실을 최소화하기 위하여 상기 제 1, 2온도측정센서(10, 30) 상호간의 거리는 가까운 것이 좋다.The plurality of probes are the first
상기 히터(20)에서 발열이 발생하게 되면, 상기 제 2온도측정센서(30)에서 측정되는 온도와 실제 히터(20)에서의 발명에 의한 온도 사이의 온도차가 발생하게 되고, 이때 온도차는 유동되는 EGR 가스의 유량에 따라 달라진다.When heat is generated in the
유속에 따라 열전달량이 증감하고 그에 따라 온도가 변화하는데, 속도가 증가하여 열전달량이 증가하게 되면, 일정한 온도차를 유지하는데 필요한 에너지는 더 많아지게 된다. 열적 평형을 고려하면 상기 히터(20)로부터의 열전달은 주로 대류에 의한 것이고, 전도 및 복사에 의한 열전달은 무시할 수 있다고 가정하여, 유동장 안에 놓인 원통으로부터의 열전달을 고려하면 상기 히터(20)의 전력 P와 유속 U 사이에 하기의 제 1수학식과 같은 관계가 성립한다.The heat transfer amount increases and decreases according to the flow rate, and thus the temperature changes. As the speed increases and the heat transfer amount increases, more energy is required to maintain a constant temperature difference. Considering the thermal equilibrium, it is assumed that heat transfer from the
[제 1수학식][First Math Formula]
여기서, P는 일정온도에서 히터(20)에 의해 소모되는 전력, P0는 유동장 안에 유량이 없을 때의 소모되는 전력, U는 EGR 가스의 유속, C 와 n은 실험조건에 의해 결정되는 상수이다. 이때 조건이 되는 온도는 제 2온도측정센서(30)에서 측정 되는 온도이고, 위의 식은 여러 환경(유체의 온도, 히터(20)의 온도 등)에 민감하게 반응하며, 일반적인 센서가 갖추어야 할 선형성을 갖추지 못하고 있기 때문에 EGR 가스의 온도, 유량 및 히터(20)의 파워 등 각각의 변수에 대한 C, n 값이 실험에 의해 미리 결정되어야 한다.Here, P is the power consumed by the
이렇게 C, n의 값이 결정되면 제 1온도측정센서(10)에서 측정된 EGR 가스 온도와 히터(20) 및 제 2온도측정센서(30)에서의 유체의 온도로부터 EGR 가스 유량을 구할 수 있게 되고, 이 값이 ECU(Engine Control Unit)(미도시)로 보내져 EGR 가스 유량을 제어하는 기준이 된다.When the values of C and n are determined, the EGR gas flow rate can be obtained from the EGR gas temperature measured by the first
더욱 자세히 설명하면,In more detail,
상기 제 1, 2온도측정센서(10, 30) 및 히터(20)가 장착된 상태에서 히터(20)에 의한 방열이 일어나고 있다면, 유량이 없는 경우의 P0, 즉 유량이 없을 때의 소모전력은 구할 수 있고, If heat radiation is generated by the
유량이 존재할 때 제 2온도측정센서(30)에서 측정되는 온도가 일정한 값을 유지하기 위해서는 P(히터(20)의 소모전력)는 유량의 증가와 함께 증가하게 된다.When the flow rate is present, P (power consumption of the heater 20) increases with an increase in flow rate in order to maintain a constant value measured by the second
실험에 의해 소모전력과 유량을 알고 있다면 상기의 제 1수학식으로부터 C, n을 구할 수 있다. 그러면 예를 들어 도 3과 같은 전력과 유속에 관한 그래프를 구할 수 있게 되고, 엔진(60)에 장착되었을 때 소모되는 전력에 대응하는 유량을 얻을 수 있게 된다.If the power consumption and the flow rate are known by experiment, C and n can be obtained from the above first equation. Then, for example, it is possible to obtain a graph of power and flow velocity as shown in FIG. 3, and to obtain a flow rate corresponding to the power consumed when the
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함은 물론이다.As mentioned above, although this invention was demonstrated by the limited embodiment and drawing, this invention is not limited by this, The person of ordinary skill in the art to which this invention belongs, Various modifications and changes may be made without departing from the scope of the appended claims.
도 1은 EGR 시스템을 적용한 엔진의 개략도.1 is a schematic diagram of an engine to which an EGR system is applied.
도 2는 본 발명에 따른 EGR 유량 제어장치의 개략도.2 is a schematic diagram of an EGR flow control apparatus according to the present invention;
도 3은 본 발명에 따른 EGR 유량 제어장치 및 그의 제어방법을 적용한 일실시예에 따른 전력과 유속에 관한 그래프.Figure 3 is a graph of the power and flow rate according to an embodiment applying the EGR flow control device and the control method according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 표시><Indication of symbols for main parts of drawing>
10: 제 1온도측정센서 20: 히터10: first temperature measuring sensor 20: heater
30: 제 2온도측정센서 40: 흡기관30: second temperature measuring sensor 40: intake pipe
50: 배기관 60: 엔진50: exhaust pipe 60: engine
70: 재순환관 80: EGR 밸브70: recirculation pipe 80: EGR valve
90: EGR 쿨러90: EGR cooler
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