KR20120122395A - 배기압력을 이용한 차량의 배기유량 산출시스템 및 그 방법 - Google Patents

배기압력을 이용한 차량의 배기유량 산출시스템 및 그 방법 Download PDF

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KR20120122395A
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백승준
임기성
이호용
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에이치케이엠엔에스(주)
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Abstract

본 발명은 배기관, 배기관의 입구에 장착된 제1 압력센서, 배기관의 출구에 장착된 제2 압력센서, 제1 압력센서와 제2 압력센서 사이의 배기관 내부에 장착되어 배기관의 압력차를 발생시키는 저항체, 및 제1 압력센서와 제2 압력센서가 측정한 압력차를 가지고 배기유량을 산출하여 제2 압력센서 후단에 장착된 첨가제 분사부를 제어하는 컨트롤박스를 포함하여, 배기유량의 증감을 감지함으로써, 첨가제 분사부를 제어하여 배기가스에 첨가제, 환원제, 수소(H2) 등을 분사시키기 위한 배기압력을 이용한 배기유량 산출시스템을 제공하는데 목적이 있다.

Description

배기압력을 이용한 차량의 배기유량 산출시스템 및 그 방법{SYSTEM FOR CALCULATING EXHAUST GAS FLOW-RATE OF VEHICLE USING EXHAUST PRESSURE AND METHOD THE SAME}
본 발명은 배기압력을 이용한 차량의 배기유량 산출방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배기유량과 배기압력의 상관관계를 이용하여 유량을 계산하는 배기압력을 이용한 차량의 배기유량 산출방법에 관한 것이다.
종래 차량의 배기가스유량을 검출하는 방법은 유량센서를 이용하는 것이 일반적인 방법이다.
하지만, 차량에 센서를 부착해야 하는 불편함과 높은 센서 가격으로 인하여 높은 측정정확도를 요구하지 않는 분야에서는 유 량을 간접적으로 측정하는 방법이 대안으로 사용되고 있다.
대표적인 예로 RPM(Revolution Per Minute)센서로 엔진회전수를 측정하여 유량을 산출하는 방법이 있는데, 이 방법은 흡기온도, 압력 및 엔진회전수 등을 이용하여 배기유량을 산출하는 방법으로 실제와 유사한 배기유량을 계산할 수 있으나 센서를 엔진에 결합해야 한다는 단점이 있다.
또 다른 예로 차량배기관에 장착된 압력센서를 이용하여 배기유량을 계산하는 방법이 있는데, 이 방법은 배기압력을 엔진회전수로 치환하는 방법으로 상술한 RPM센서를 이용한 유량산출방법에서 RPM센서를 배기압력센서로 대체한 기술로 볼 수 있다.
이 방법은 배기압력을 이용하여 유량을 간접 계산하는 방법의 한 종류지만 배기 압력을 RPM으로 환산하기 때문에 엔진배기량, 차량종류, 터보차저의 유무 등에 따라 상관관계를 변경하여야 하는 불편한 문제점이 있다.
이외에도, 차량 배기관에 저항체를 임의로 삽입하여 유량을 측정하는 경우도 있으나 배기관 내에 유량 측정용 구조물을 삽입해야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 차량의 배기가스가 배출되는 배기관에 기부착된 SCR(Selective Catalytic Reduction), LNT(Lean NOx Trap),DPF(Diesel Particulate Filter) 등과 같은 시스템의 물리적 저항체 전후에 설치된 압력센서에 의한 배기가스의 압력손실을 통해 차량의 배기유량을 산출하고, 배기유량의 변동에 따른 연료 혹은 첨가제의 분사량을 결정하기 위한 배기유량 산출방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 배기압력을 이용한 차량의 배기유량 산출시스템은 배기관, 배기관의 입구에 장착된 제1 압력센서, 배기관의 출구에 장착되거나 또는 대기압에 노출되어 대기의 압력을 측정하는 제2 압력센서, 제1 압력센서와 제2 압력센서 사이의 배기관 내부에 장착되어 배기관의 압력차를 발생시키는 저항체, 및 제1 압력센서와 제2 압력센서가 측정한 압력차를 가지고 배기유량을 산출하여 제1 압력센서의 전단 또는 제2 압력센서 후단에 장착된 첨가제 분사부를 제어하는 컨트롤박스를 포함하는 것을 특징으로 하고,
배기압력을 이용한 차량의 배기유량 산출방법은 배기유량에 따라 첨가제의 분사량을 제어하는 컨트롤박스의 수신부가 배기관의 입구에 장착된 제1 압력센서로부터 유입되는 배기가스의 압력을 수신하는 단계, 수신부가 배기관의 출구에 장착된 제2 압력센서로부터 압력차를 발생시키는 저항체를 통과한 배기가스의 압력을 수신하는 단계, 컨트롤박스의 압력차 산출부가 제1 압력센서와 제2 압력센서가 측정한 배기가스의 압력차를 산출하는 단계, 컨트롤박스의 제어부가 복수의 변수 중 압력차를 하나의 변수로 갖는 배기유량함수에 압력차 산출부가 산출한 압력차를 입력하여 배기유량을 산출하는 단계, 제어부가 배기유량의 증가 또는 감소 여부를 판단하여 증가 또는 감소가 발생하지 않은 경우 배기유량을 산출하는 시스템을 종료하고, 증가 또는 감소 발생한 경우 제2 압력센서의 후단에 장착된 첨가제 분사부를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 배기압력을 이용한 차량의 배기유량 산출시스템 및 그 방법은 배기유량 산출에 필요한 별도의 장치를 장착할 필요 없이 기장착된 장치들로 배기유량을 산출할 수 있어 RPM(Revolution Per Minute)센서, 흡기유량센서 또는 압력센서와 같은 각종센서를 설치하는데 소비되는 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 배기압력을 이용한 차량의 배기유량 산출 시스템의 개략도,
도 2a는 본 발명에 따른 배기압력을 이용한 차량의 배기유량 산출 시스템에서 저항체가 형성되지 않은 배기관을 도시한 도면,
도 2b는 본 발명에 따른 배기압력을 이용한 차량의 배기유량 산출 시스템에서 저항체가 형성된 배기관을 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 배기압력을 이용한 차량의 배기유량 산출 시스템에서 배기유량과 배기압력 그래프 도면, 및
도 4는 본 발명에 따른 배기압력을 이용한 차량의 배기유량 산출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 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.
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 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 배기압력을 이용한 차량의 배기유량 산출방법을 설명하기 위한 개략적인 시스템이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 배기압력을 이용한 차량의 배기유량 산출방법에 따른 시스템은 배기관(10), 저항체(20), 제1 압력센서(30) 및 제2 압력센서(40)를 포함한다.
상기 배기관(10)은 특정구조에 한정되는 것은 아니지만, 일반적으로 원통형 구조로서 차량이나 선박 등에서 배출되는 배기가스가 이동하는 이동로이다.
상기 저항체(20)는 DPF(Diesel Particulate Filter), DOC(Diesel Oxidation Catalyst). LNT(Lean NOx Trap), SCR(Selective Catalytic Reduction) 등과 같은 세라믹 저항체로서 상기 배기관(10)의 입구와 출구의 중앙부분에 위치하여 상기 배기관(10)의 입구부분과 출구부분 사이의 압력차를 발생시킨다.
도 2를 참조하여 더욱 구체적으로 설명하며, 도 2a에 도시된 바와 같이 배기관(10) 내부에 저항체가 형성되지 않은 경우, 상기 배기관(10)내에 압력차가 발생하지 않지만, 도 2b에 도시된 바와 같이 배기관(10) 내부에 저항체가 형성된 경우 상기 배기관(10)내에 압력차가 발생하고 배기가스의 유량이 증가하면 상기 압력차는 더욱 두드러지는데, 위와 같은 이유가 저항체를 배기관(10) 내에 형성시키는 이유이다.
상기 제1 압력센서(30)는 상기 배기관(10)의 입구에 장착되어 유입되는 배기가스의 압력을 측정하고, 상기 제2 압력센서(40)는 상기 배기관(10)의 출구에 장착되어 상기 저항체를 통과하여 배출되는 배기가스의 압력을 측정한다.
이때, 상기 제2 압력센서(40)는 일반적인 환경에서는 작동하지 않다가 대기압의 변동이 심한 환경에서 작동하여 해당 대기의 압력을 측정한다.
상기 컨트롤박스(50)는 수신부(51), 압력차 산출부(52) 및 제어부(53)를 포함하는데, 상기 수신부(51)는 상기 제1 압력센서(30)와 상기 제2 압력센서(40)가 측정한 배기가스의 압력을 수신하고, 상기 압력차 산출부(52)는 상기 제1 압력센서(30)와 상기 제2 압력센서(40) 측정한 압력의 차를 계산한다.
즉, 상기 제1 압력센서(30)가 측정한 압력을 P1이라하고, 상기 제2 압력센서(40)가 측정한 압력을 P2라고 할 때, 상기 압력차 산출부(52)는 △P 즉｜P2-P1｜값을 산출한다.
이때, 본 발명에 따른 배기유량(Q)은 △P1 /2에 비례하여 Q∝ △P1 / 2식이 성립한다.
또한, 상기 압력차 산출부(52)는 상기 제1 압력센서(30)가 측정한 압력과 대기의 압력과의 압력차를 산출하거나, 대기압의 변동이 심한 경우 작동하는 제2 압력센서(40)가 산출한 압력과의 압력차를 산출한다.
상기 제어부(53)는 위 조건을 이용하여, 배기유량을 함수 Q=f(Pexh)로 산출한다. 여기서 Pexh:Exhaust Gas Pressure는 배기가스 압력이다.
상기 배기관(10)으로 유입되는 배기가스가 증가하는 경우 상기 저항체(20)를 통과하기전 상기 제1 압력센서(30)가 측정한 배기가스의 압력(P1)은 증가하지만, 상기 저항체(20)를 통과한 후 상기 제2 압력센서(40)에 의해 측정된 배기가스의 압력(P2)은 상기 압력(P1)보다 상대적 많이 증가하지는 않고 벤츄리 효과(venturi effect)에 의해 오히려 낮아진다.
따라서, 상기 압력차 산출부(52)가 산출한 ｜P2-P1｜값이 증가하게 되고, 상기 제어부(53)는 배기유량의 증가를 감지함으로써, 상기 제1 압력센서(30)의 전단 또는 후단에 장착된 첨가제 분사부(60)를 제어하여 배기가스에 첨가제 또는 환원제, 수소(H2) 또는 연료 등을 분사시키도록 한다.
상기 벤츄리 효과(venturi effect)는 공기가 좁은 관을 통과하면 속도가 빨라지고 그곳에 압력이 낮아지는 현상이다.
한편, 상기 배기관(10)의 배기유량은 배기가스의 온도에도 상관관계를 가지는데, 이는 공기 밀도에 관계되는 것으로서 배압 관계식에 배기가스 온도를 이용하여 보정하게 된다.
도 3에 도시된 바와 같이 배기가스 유량과 배기압력 그래프에서 배기관(10) 내의 유량이 증가함에 따라 압력손실(즉 배기압력, 또는 압력차)이 증가하는 경향을 보이는 것 외에 배기온도 증가에 따라 압력손실이 증가하는 경향이 있다.
상기 컨트롤박스(50)는 상기 배기관(10) 내부에 장착된 온도 측정부(70)가 측정한 배기의 온도(Texh:Exhaust Gas Temperature)를 상기 배기유량 함수 Q=f(Pexh)에 변수로 반영한 함수 Q=f(Pexh, Texh)을 이용하여 보정된 배기유량을 정확하게 산출해낸다.
이후, 상기 제어부(53)는 상기 배기유량의 증감 여부에 따라 첨가제 분사부(60)를 제어하여 첨가제의 분사량이 결정되도록 한다.
이하에서는 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 배기유량 산출 방법에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 배기유량 산출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 상기 컨트롤박스(50)의 수신부(51)는 상기 배기관(10)의 입구에 장착된 상기 제1 압력센서(30)가 측정한 유입되는 배기가스의 압력을 수신하는 단계를 수행한다(S10).
또한, 상기 수신부(51)는 상기 배기관(10)의 출구에 장착된 제2 압력센서(40)가 상기 배기관(10)에 설치된 상기 저항체(20)를 통과한 배기가스의 압력을 측정하는 단계를 수행하는데(S20), 상기 제2 압력센서(40)는 일반적인 환경에서는 작동하지 않다가 대기압의 변동이 심한 환경에서 작동하여 해당 대기의 압력을 측정한다.
이때, 상기 저항체(20)는 공기가 좁은 관을 통과하면 속도가 빨라지고 그곳에 압력이 낮아지도록 하는 벤츄리 효과(venturi effect)를 유도한다.
상기 수신부(51)가 `S10`단계와 `S20` 단계에서 상기 제1 압력센서(30)와 상기 제2 압력센서(40)가 측정한 배기가스의 압력을 수신하면, 상기 압력차 산출부(52)는 상기 배기관(10)의 입구와 출구와의 압력차를 산출하는 단계를 수행한다(S30).
상기 압력차 산출부(52)는 상기 제2 압력센서(40)가 작동하지 않은 경우 대기의 압력과 상기 제1 압력센서(30)가 측정한 압력의 차를 산출하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 수신부(51)는 상기 배기관(10) 내부에 설치된 온도 측정부(70)가 측정한 배기가스의 온도를 수신하는 단계를 수행한다(S40).
상기 S40 단계가 수행되는 이유는 배기의 압력만으로 산출된 배기유량을 온도를 가지고 보정함으로써 배기유량의 정확도를 향상시키기 위해서이다.
이후, 상기 제어부(53)는 배기가스의 압력과 배기온도를 변수로 하는 배기유량함수에 상기 압력차 산출부(52)가 산출한 압력차와 상기 온도 측정부(70)에서 측정한 온도를 입력하여 배기관의 배기유량의 증감을 산출하는 단계를 수행한다(S50).
상기 제어부(53)는 상기 `S50`단계에서 산출된 배기유량의 증감 여부를 판단하고(S50), 상기 배기유량의 증감이 발생하지 않은 경우 시스템을 종료하고, 차량의 급출발 급정거 등으로 상기 배기유량의 변화가 발생한 경우 첨가제 분사부(60)를 제어하는 단계를 수행한다(S70).
즉, `S70` 단계에서, 차량의 급출발로 배기관(10)을 통해 배출되는 배기유량이 증가한 경우 상기 제어부(53)는 상기 제2 압력센서(40) 후단에 장착된 첨가제 분사부(60)를 제어하여 배기가스에 분사되는 첨가제의 양을 증가시키고, 차량의 급정거로 배기관(10)을 통해 배출되는 배기유량이 감소한 경우 상기 첨가제 분사부(60)에서 상기 배기사스에 분사되는 첨가제의 양을 감소시킨다.
이상과 같은, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10 : 배기관 20 : 저항체
30 : 제1 압력센서 40 :제2 압력센서
50 : 컨트롤박스 51 : 수신부
52 : 압력차 산출부 53 : 제어부
60 : 첨가제 분사부 70 : 온도 측정부

Claims (10)

  1. 배기관(10)
    상기 배기관의 입구에 장착된 제1 압력센서(30);
    상기 배기관의 출구에 장착된 제2 압력센서(40);
    상기 제1 압력센서(30)와 상기 제2 압력센서(40) 사이의 배기관(10) 내부에 장착되어 상기 배기관(10)의 압력차를 발생시키는 저항체(20); 및
    상기 제1 압력센서(30)와 상기 제2 압력센서(40)가 측정한 압력차를 가지고 배기유량을 산출하여, 상기 제1 압력센서(30)의 전단 또는 후단에 장착된 첨가제 분사부(60)를 제어하는 컨트롤박스(50);를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기압력을 이용한 차량의 배기유량 산출시스템
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 배기관(10) 내부의 온도를 측정하기 위한 온도 측정부(70);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기압력을 이용한 차량의 배기유량 산출시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 컨트롤박스(50)는
    상기 제1 압력센서(30)와 상기 제2 압력센서(40)가 측정한 압력을 수신하는 수신부(51);
    상기 제1 압력센서(30)와 상기 제2 압력센서(40)가 측정한 압력차를 산출하는 압력차 산출부(52); 및
    복수의 변수 중 상기 압력차를 하나의 변수로 갖는 배기유량함수에 상기 압력차 산출부(52)가 산출한 압력차를 입력하여 배기유량을 산출하는 제어부(53);를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기압력을 이용한 차량의 배기유량 산출시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제어부(53)는 복수의 변수 중 상기 온도 값을 하나의 변수로 갖는 상기 배기유량함수에 상기 온도 측정부(70)가 측정한 온도 값을 입력하여 압력차만을 변수로해서 산출된 배기유량을 보정하여 산출하는 것을 특징으로 하는 배기압력을 이용한 차량의 배기유량 산출시스템.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 제어부(53)는 산출된 배기유량의 증가 또는 감소에 따라 상기 첨가제 분사부(60)가 상기 배기관(10)내의 배기가스에 분사하는 첨가제의 양을 조절하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배기압력을 이용한 차량의 배기유량 산출시스템.
  6. (a) 배기유량에 따라 첨가제의 분사량을 제어하는 컨트롤 박스(50)의 수신부(51)가 배기관(10)의 입구에 장착된 제1 압력센서(30)로부터 유입되는 배기가스의 압력을 수신하는 단계;
    (b) 상기 수신부(51)가 상기 배기관(10)의 출구에 장착된 제2 압력센서(40)로부터 압력차를 발생시키는 저항체(20)를 통과한 배기가스의 압력을 수신하는 단계;
    (c) 상기 컨트롤 박스(50)의 압력차 산출부(52)가 상기`(a)`단계와 `(b)` 단계에서 상기 제1 압력센서(30)와 상기 제2 압력센서(40)가 측정한 배기가스의 압력차를 산출하는 단계;
    (e) 상기 컨트롤 박스(50)의 제어부(53)가 복수의 변수 중 상기 압력차를 하나의 변수로 갖는 배기유량함수에 상기 압력차 산출부(52)가 산출한 압력차를 입력하여 배기유량을 산출하는 단계; 및
    (f) 상기 제어부(53)가 배기유량의 증가 또는 감소 여부를 판단하여 증가 또는 감소가 발생하지 않은 경우 배기유량을 산출하는 시스템을 종료하고, 증가 또는 감소가 발생한 경우 상기 제1 압력센서(30)의 전단 또는 후단에 장착된 첨가제 분사부(60)를 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기압력을 이용한 차량의 배기유량 산출방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 (c) 단계 이후,
    (d) 상기 수신부(51)가 상기 배기관(10) 내부에 설치된 온도 측정부(70)가 측정한 배기가스의 온도 값을 수신하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기압력을 이용한 차량의 배기유량 산출방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 (e)단계는
    상기 제어부(53)가 복수의 변수 중, 상기 온도 값을 하나의 변수로 갖는 상기 배기유량함수에 상기 온도 측정부(70)가 측정한 온도 값을 입력하여 압력차만을 변수로해서 산출된 배기유량을 보정하여 산출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기압력을 이용한 차량의 배기유량 산출방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 (f)단계는
    (f-1) 상기 배기유량이 증가한 경우, 상기 제어부(53)가 첨가제의 분사량이 증가되도록 상기 첨가제 분사부(60)를 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기압력을 이용한 차량의 배기유량 산출방법.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 (f)단계는
    (f-2) 상기 배기유량이 감소한 경우, 상기 제어부(53)가 첨가제의 분사량이 감소되도록 상기 첨가제 분사부(60)를 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기압력을 이용한 차량의 배기유량 산출방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20170112235A (ko) * 2016-03-31 2017-10-12 현대자동차주식회사 Dpf 차압센서 보정방법 및 장치
KR20220075848A (ko) 2020-11-30 2022-06-08 (주)포티머스 배기가스 압력 테스트 장치용 압력 조절장치

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