KR20160095341A - 배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 장치, 배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 방법 - Google Patents

배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 장치, 배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배기가스 재순환 장치의 배기가스 재순환 밸브에 카본이 과퇴적되었는지 여부를 진단하는 장치 및 방법과, 그 진단 결과에 따라 배기가스 재순환 밸브를 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 장치는 운전조건을 획득하기 위한 적어도 하나의 센서, 상기 운전조건을 바탕으로 EGR 유량을 산출하는 EGR 유량 산출 모듈, 상기 EGR 유량을 바탕으로 EGR 밸브의 개도량 지령을 출력하는 EGR 밸브 제어 모듈, 상기 EGR 밸브의 개도량을 획득하는 EGR 밸브 개도량 센서, 상기 EGR 밸브의 개도량을 바탕으로 정상 유효유동면적을 산출하고, 상기 EGR 유량 및 상기 운전조건을 바탕으로 추정 유효유동면적을 산출하여, 상기 정상 유효유동면적과 상기 추정 유효유동면적의 차이가 기준값을 초과하는 경우 상기 EGR 밸브에 카본이 과퇴적된 것으로 진단하는 EGR 밸브 진단 모듈을 포함한다.

Description

배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 장치, 배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 방법{DIAGNOSIS AND CONTROL APPARATUS FOR EXHAUST GAS RECIRCULATION VALVE, DIAGNOSIS AND CONTROL METHOD FOR EXHAUST GAS RECIRCULATION VALVE}
본 발명은 배기가스 재순환 장치의 배기가스 재순환 밸브에 카본이 과퇴적되었는지 여부를 진단하는 장치 및 방법과, 그 진단 결과에 따라 배기가스 재순환 밸브를 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
열차, 선박을 비롯한 산업용 차량과 건설 기계 등에서는 디젤 엔진을 사용하는 것이 보편적이다. 디젤 엔진의 사용량 증가에 따라 디젤 엔진으로부터 배출되는 배기가스에 포함된 그을음(soot), 가용성 유기분(Soluble Organic Fraction; SOF) 등의 입자상 물질(Particulate Matter; PM)과 질소 산화물(nitrogen oxides; NOx)의 배출량이 증가하고 있다. 이는 대기 오염의 주원인으로 지적되고 있어 이들 물질에 대한 배출 규제가 강화되고 있는 추세이다. 디젤 엔진으로부터 배출되는 유해물질을 저감시키기 위해 매연여과장치(Diesel Particulate Filter; DPF), 선택적 환원촉매(Selective Catalytic Reduction; SCR) 등 후처리 기술에 대한 연구가 진행되고 있으나, 시스템 운영 비용 및 연비 향상 측면에서 상용 디젤 엔진을 위해 효율적인 것은 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR)을 활용한 질소산화물(NOx) 저감 기술이다. 배기가스 재순환 기술은 엔진 연소 단계에서 질소산화물의 생성 자체를 억제시키는 점에서 효율적이다.
따라서 디젤 엔진의 출력을 저하하거나 연비를 악화시키지 않으면서, 배기가스 내에 함유된 입자상 물질과 질소 산화물의 발생을 줄이는 저온 연소를 넓은 운전영역에서 구현하기 위해 배기가스를 안정적으로 재순환시킬 수 있는 디젤 엔진의 배기가스 재순환 시스템의 개발이 요구된다.
배기가스 재순환 시스템은 배기가스의 일부를 엔진의 연소실로 재순환시켜 엔진의 연소온도를 낮추어 줌으로써 질소 산화물의 발생을 억제시킨다. 배기가스 재순환 시스템은 엔진의 배기라인으로부터 분기되어 엔진의 흡기라인으로 합류되는 배기가스 재순환 라인을 포함하며, 배기가스 재순환 라인에는 운전 조건에 따라 재순환되는 배기가스의 양이 조절되도록 배기가스 재순환 밸브가 구비된다. 배기가스 재순환 밸브는 배기가스 재순환 라인의 개도율을 조절하여 흡기라인으로 재순환되는 배기가스의 양을 조절한다.
그런데, 배기가스 재순환 시스템의 작동 과정에서 시간이 지남에 따라 배기가스 재순환 밸브에 카본 퇴적물이 쌓이게 되는데, 배기가스 재순환 밸브에 카본 퇴적물이 쌓이면 배기가스 재순환 밸브가 동일한 개도량으로 배기가스 재순환 라인을 개도시키더라도 카본 퇴적물에 의해 유로가 차단되어 재순환되는 배기가스의 양이 줄어들게 된다. 배기가스 재순환 시스템은 질소 산화물 및 입자상 물질 생성에 직접적인 영향을 미치기 때문에, 배기가스 규제를 만족시키기 위해서는 정밀한 배기가스 재순환 밸브의 제어가 필수적이고, 배기가스 재순환 밸브의 이상 발생 시에는 신속하게 사용자에게 이상 정보가 전달될 필요가 있다.
종래의 배기가스 재순환 시스템에서는 단순히 전기신호 범위 체크(signal range check)만으로 배기가스 재순환 밸브의 이상 여부를 판단했는데, 이는 카본 퇴적량을 진단하는 것이 아니라 단선, 단락 등의 기초적인 고장만을 진단하는 수준이다. 따라서, 종래에는 배기가스 재순환 밸브의 카본 과퇴적 여부를 진단하기 위해서는 엔진을 정지시킨 후 배기가스 재순환 밸브를 분해해야만 했기 때문에 차량의 운휴에 따른 경제적 손실이 발생하였으며, 카본 과퇴적 여부를 실시간으로 진단할 수 없었기 때문에 카본이 지나치게 퇴적된 경우 배기가스 재순환 밸브의 재사용이 불가능하게 되고 배기가스 재순환 시스템이 손상되기 까지도 하는 문제점이 있다.
KR 10-2011-0112091 A
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 배기가스 재순환 밸브를 분해할 필요 없이 엔진의 가동 중에 실시간으로 배기가스 재순환 밸브의 카본 과퇴적 여부를 진단할 수 있는 장치 및 방법과, 진단 결과 카본이 기준치를 초과하여 퇴적된 경우 퇴적된 카본을 제거할 수 있도록 배기가스 재순환 밸브를 제어할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 운전조건을 획득하기 위한 적어도 하나의 센서; 상기 운전조건을 바탕으로 EGR 유량을 산출하는 EGR 유량 산출 모듈; 상기 EGR 유량을 바탕으로 EGR 밸브의 개도량 지령을 출력하는 EGR 밸브 제어 모듈; 상기 EGR 밸브의 개도량을 획득하는 EGR 밸브 개도량 센서; 및 상기 EGR 밸브의 개도량을 바탕으로 정상 유효유동면적을 산출하고, 상기 EGR 유량 및 상기 운전조건을 바탕으로 추정 유효유동면적을 산출하여, 상기 정상 유효유동면적과 상기 추정 유효유동면적의 차이가 기준값을 초과하는 경우 상기 EGR 밸브에 카본이 과퇴적된 것으로 진단하는 EGR 밸브 진단 모듈을 포함하는 배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 장치를 제공할 수 있다.
상기 운전조건은, 흡기라인을 통해 엔진으로 유입되는 신기 유량; 상기 엔진의 회전수; 상기 엔진으로 유입되는 흡기의 온도; 상기 엔진으로 유입되는 상기 흡기의 압력; 상기 엔진으로부터 배출되는 배기의 온도; 및 상기 엔진으로부터 배출되는 상기 배기의 압력을 포함할 수 있다.
또한, 상기 적어도 하나의 센서는, 상기 신기 유량을 획득하는 신기 유량센서; 상기 엔진의 회전수를 획득하는 엔진 속도센서; 상기 흡기의 온도를 획득하는 흡기 온도센서; 상기 흡기의 압력을 획득하는 흡기 압력센서; 상기 배기의 온도를 획득하는 배기 온도센서; 및 상기 배기의 압력을 획득하는 배기 압력센서를 포함할 수 있다.
또한, 상기 추정 유효유동면적은 다음의 수학식에 의해 산출될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, EFA: 추정 유효유동면적[m2], : EGR 유량[g/s], Pt: 흡기 압력[kPa], P0: 배기 압력[kPa], γ: 비열비, R: 기체상수[JK-1mol-1], T: 배기 온도 [K].
또한, 상기 EGR 밸브에 카본이 과퇴적된 것으로 진단되는 경우, 상기 EGR 밸브 제어 모듈은 상기 EGR 밸브에 퇴적된 카본을 제거하는 제어를 수행할 수 있다.
또한, 상기 EGR 밸브에 퇴적된 카본을 제거하는 제어는, 상기 EGR 밸브의 각도를 반복적으로 변화시키는 것을 포함할 수 있다.
또한 본 발명은, 운전조건을 획득하는 단계; 상기 운전조건을 바탕으로 EGR 유량을 산출하는 단계; 상기 EGR 유량을 바탕으로 EGR 밸브를 제어하는 단계; 상기 EGR 밸브의 개도량을 획득하는 단계; 상기 EGR 밸브의 개도량을 바탕으로 정상 유효유동면적을 산출하는 단계; 상기 운전조건 및 상기 EGR 유량을 바탕으로 추정 유효유동면적을 산출하는 단계; 상기 추정 유효유동면적과 상기 정상 유효유동면적의 차이가 기준값을 초과하는지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 추정 유효유동면적과 상기 정상 유효유동면적의 차이가 기준값을 초과하면 상기 EGR 밸브에 카본이 과퇴적된 것으로 판단하는 단계를 포함하는 배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 방법을 제공할 수 있다.
상기 운전조건은, 흡기라인을 통해 엔진으로 유입되는 신기 유량; 상기 엔진의 회전수; 상기 엔진으로 유입되는 흡기의 온도; 상기 엔진으로 유입되는 상기 흡기의 압력; 상기 엔진으로부터 배출되는 배기의 온도; 및 상기 엔진으로부터 배출되는 상기 배기의 압력을 포함할 수 있다.
상기 추정 유효유동면적은 다음의 수학식에 의해 산출될 수 있다.
Figure pat00003
여기서, EFA: 추정 유효유동면적[m2],
Figure pat00004
: EGR 유량[g/s], Pt: 흡기 압력[kPa], P0: 배기 압력[kPa], γ: 비열비, R: 기체상수[JK-1mol-1], T: 배기 온도 [K].
또한, 상기 배기가스 재순환 장치의 카본 퇴적 진단 방법은, 상기 EGR 밸브에 카본이 과퇴적된 것으로 판단되면 상기 EGR 밸브에 퇴적된 카본을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 EGR 밸브에 퇴적된 카본을 제거하는 단계는, 상기 EGR 밸브의 각도를 반복적으로 변화시키는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 배기가스 재순환 밸브를 분해할 필요 없이 엔진의 가동 중에 실시간으로 배기가스 재순환 밸브의 카본 퇴적에 따른 이상 여부를 진단할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, EGR 밸브의 카본 퇴적 여부가 엔진의 운전 중에 실시간으로 감지될 수 있으므로, 배기가스 재순환 장치의 신뢰도가 향상되고, EGR 밸브에 카본이 지나치게 퇴적됨으로써 EGR 밸브가 영구적으로 손상되는 것이 방지될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 장치의 전체적인 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 장치의 EGR 밸브 진단 모듈의 제어 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 방법의 순서도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 장치의 전체적인 구성을 도시하는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 장치의 EGR 밸브 진단 모듈의 제어 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 장치와 배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 방법은 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation) 시스템(이하에서는 배기가스 재순환을 간단하게 EGR로 칭한다)이 구비되는 엔진 시스템(10)에 적용될 수 있다. 도 1을 참조하면, 엔진 시스템(10)은 연소실을 포함하는 엔진(12), 신기가 유입되고 엔진(12)의 흡기포트와 연결되는 흡기라인(14), 배기가스가 배출되고 엔진(12)의 배기포트와 연결되는 배기라인(16), 배기라인(16)으로부터 분기되어 흡기라인(14)에 합류되는 EGR 라인(18), EGR 라인(18) 상에 위치하여 EGR 라인(18)의 개도율을 조절하는 EGR 밸브(20)를 포함할 수 있다. EGR 밸브(20)는 스텝 모터와 같은 회전수단에 의해 회전되어 EGR 라인(18)의 개도율을 조절하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 장치는 제어부(50) 및 운전조건을 획득하기 위한 적어도 하나의 센서를 포함한다. 이 센서는 신기 유량센서(22), 엔진 속도센서(24), EGR 밸브 개도량 센서(26), 흡기 온도센서(28), 흡기 압력센서(30), 배기 온도센서(32), 배기 압력센서(34)를 포함할 수 있다.
엔진(12)은 연료를 흡기라인(14)은 통해 유입되는 흡기와 혼합시켜 연소시킴으로써 기계적 동력을 발생시킨다. 엔진(12)으로 유입되는 흡기는 엔진 시스템(10)의 외부로부터 유입되는 공기인 신기와 엔진(12)으로부터 배출되는 배기 중 엔진(12)으로 재순환되는 배기의 혼합 가스일 수 있다. 엔진 속도센서(24)는 엔진(12)의 회전수를 획득하여 그 값을 제어부(50)로 출력할 수 있다. 연소 후 발생되는 배기가스는 배기라인(16)은 통해 배출되며, 배기라인(16)을 통해 배출되는 배기가스 중의 일부는 EGR 라인(18)을 통해 다시 엔진(12)의 연소실로 유입된다. 배기라인(16)을 통해 배출되는 배기가스 중 EGR 라인(18)을 통해 엔진(12)의 연소실로 재순환하는 배기가스의 양은 EGR 라인(18)의 EGR 밸브(20)의 개도량에 의해 결정된다. EGR 밸브(20)의 개도량이 커지면 엔진(12)으로 재순환되는 배기가스의 양이 증가하고, 반대로 EGR 밸브(20)의 개도량이 작아지면 엔진(12)으로 재순환되는 배기가스의 양이 감소한다. EGR 밸브 개도량 센서(26)는 EGR 밸브(20)의 개도량을 획득하여 제어부(50)로 출력할 수 있다. EGR 밸브 개도량 센서(26)는, 예컨대 EGR 밸브(20)의 회전 각도를 감지하는 포지션 센서일 수 있다. 이외에도, EGR 밸브 개도량 센서(26)는 EGR 밸브(20)의 종류에 따라 다양한 방식으로 측정 또는 계산하여 EGR 밸브(20)의 개도량을 획득하는 센서일 수 있다.
신기 유량센서(22)는 흡기라인(14)을 통해 엔진(12)의 연소실로 유입되는 신기 유량을 획득한다. 신기 유량센서(22)는 흡기라인(14)에 있어서 EGR 라인(18)이 접속되는 지점의 전단에 배치될 수 있다. 신기 유량센서(22)는 MAF(Mass Air Flow) 센서일 수 있다. 신기 유량센서(22)에 의해 획득되는 신기 유량 값은 제어부(50)로 출력될 수 있다.
흡기 온도센서(28) 및 흡기 압력센서(30)는 흡기라인(14)에 구비되고, 배기 온도센서(32) 및 배기 압력센서(34)는 배기라인(16)에 구비될 수 있다. 흡기 온도센서(28) 및 흡기 압력센서(30)는 흡기라인(14)에 있어서 EGR 라인(18)이 접속되는 지점의 후단, 예컨대 흡기 매니폴드에 배치될 수 있다. 배기 온도센서(32) 및 배기 압력센서(34)는 배기라인(16)에 있어서 EGR 라인(18)이 분기되는 지점의 전단, 예컨대 배기 매니폴드에 배치될 수 있다. 흡기 온도센서(28) 및 흡기 압력센서(30)는 각각 엔진(12)으로 유입되는 흡기의 온도 및 압력을 획득하고, 배기 온도센서(32) 및 배기 압력센서(34)는 각각 엔진(12)으로부터 배출되는 배기의 온도 및 압력을 획득한다. 흡기 온도센서(28), 흡기 압력센서(30), 배기 온도센서(32) 및 배기 압력센서(34)에 의해 획득되는 값들은 각각 제어부(50)로 출력될 수 있다.
한편, 본 설명에서 센서(22, 24, 26, 28, 30, 32, 34)는 특정 위치에 배치되어 엔진 시스템(10)의 운전조건들을 획득하기 위한 하드웨어인 것으로 설명되었으나, 센서(22, 24, 26, 28, 30, 32, 34)는 이에 한정되지 않으며, 엔진 시스템(10)의 운전조건 또는 운전조건의 다양한 조합을 획득하기 위해 사용되는 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 포함한다.
제어부(50)는 EGR 유량 산출 모듈(52), EGR 밸브 제어 모듈(54) 및 EGR 밸브 진단 모듈(56)을 포함할 수 있다. 제어부(50)는 차량의 전자제어유닛(ECU) 또는 엔진제어유닛 그 자체이거나 그것의 일부일 수도 있고, 또는 그것과는 다른 별개의 것일 수 있다. 제어부(50)는 본 명세서에 개시된 제어 방법 중 적어도 일부를 실행시키기 위한 어떤 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및/또는 펌웨어를 포함할 수 있다. 제어부(50)는 센서들(22, 24, 26, 28, 30, 32, 34)로부터 출력되는 신호를 입력받아 처리하고 EGR 밸브(20)의 제어 신호를 출력하기 위해, EGR 밸브(20)의 액추에이터 및 센서들(22, 24, 26, 28, 30, 32, 34)과 소통하는 하나 이상의 컨트롤러(미도시)를 더 포함할 수 있다.
EGR 유량 산출 모듈(52)은 각종 센서들(22, 24, 26, 28, 30, 32, 34)로부터 획득되는 운전조건을 입력받아, 해당 운전조건에 적합한 EGR 유량을 산출하여 출력한다. EGR 유량은 엔진(12)으로부터 배출되는 배기 중 EGR 라인(18)을 통해 엔진(12)으로 재순환하는 배기의 유량을 의미한다. EGR 유량 산출 모듈(52)에 입력되는 운전조건들은 신기 유량, 흡기 온도 및 압력, 배기 온도 및 압력, 엔진 속도, 연료분사량(부하) 등이 포함될 수 있다. 신기 유량, 흡기 온도 및 압력, 배기 온도 및 압력, 엔진 속도는 각각 신기 유량 센서(22), 흡기 온도센서(28), 흡기 압력센서(30), 배기 온도센서(32), 배기 압력센서(34), 엔진 속도센서(24)로부터 전달받을 수 있고, 연료분사량(부하)은 차량의 ECU로부터 전달받을 수 있다.
EGR 유량 산출 모듈(52)은 다양한 방식으로 현재의 운전조건에 적합한 EGR 유량을 산출할 수 있다. 예컨대, EGR 유량 산출 모듈(52)에는 운전조건을 변수로 하는 룩업 테이블(look-up table), 맵(map) 또는 수학적 모델 등이 저장될 수 있고, EGR 유량 산출 모듈(52)에 운전조건이 입력되면, EGR 유량 산출 모듈(52)은 이 운전조건을 바탕으로 배기규제를 만족시키기 위해 필요한 EGR 유량을 산출할 수 있다.
EGR 밸브 제어 모듈(54)은 EGR 유량 산출 모듈(52)에서 산출되는 EGR 유량을 전달받아 이를 바탕으로 EGR 밸브(20)의 개도량 지령을 출력할 수 있다. 이때, EGR 밸브 제어 모듈(54)은 EGR 밸브 개도량 지령을 출력하기 위해 신기 유량 센서(22)로부터 출력되는 신기 유량을 고려할 수 있다. EGR 밸브 제어 모듈(54)로부터 출력되는 EGR 밸브 개도량 지령에 의해 EGR 밸브(20)가 제어됨으로써 EGR 라인(18)을 통해 재순환하는 배기의 유량이 조절된다. EGR 밸브(20)의 개도량은 EGR 밸브 개도량 센서(26)의 의해 획득되어 EGR 밸브 진단 모듈(56)로 전달될 수 있다.
도 2를 참조하면, EGR 밸브 진단 모듈(56)은 EGR 밸브 개도량 센서(26)로부터 전달되는 EGR 밸브 개도량 피드백 값인 EGR 밸브(20)의 개도량을 바탕으로 정상 유효유동면적을 산출하고, EGR 유량 산출 모듈(52)로부터 전달되는 EGR 유량 및 흡기 온도센서(28), 흡기 압력센서(30), 배기 온도센서(32), 배기 압력센서(34)로부터 전달되는 흡기 온도 및 압력, 배기 온도 및 압력을 바탕으로 추정 유효유동면적을 산출한 후, 정상 유효유동면적과 추정 유효유동면적의 차이를 비교하여 차이가 기준값을 초과하는 경우 EGR 밸브(20)에 카본이 과퇴적된 것으로 진단한다. 유효유동면적(Effective Flow Area; EFA)이란 EGR 밸브(20)의 개도량에 따라 배기가스가 EGR 라인(18)을 유동할 수 있는 면적을 의미하는데, EGR 밸브(20)의 개도에 의한 EGR 라인(18)의 개도 면적에 손실계수를 곱한 값으로 얻어질 수 있다.
EGR 밸브 진단 모듈(56)에 의해 산출되는 정상 유효유동면적은 EGR 밸브(20)에 카본이 퇴적되지 않았음을 전제로 하여 EGR 밸브 개도량을 바탕으로 기하학적으로 산출되는 EGR 라인(18)의 유효유동면적이다. 정상 유효유동면적은 EGR 밸브(20)에 카본 퇴적물이 존재하지 않는다는 것을 전제로 하기 때문에 실제로 EGR 밸브(20)에 카본이 퇴적되었는지 여부에 관계 없이 단순히 EGR 밸브 개도량만을 바탕으로 산출되는 값이며, 이는 추정 유효유동면적의 비교 대상이다. 본 실시예에서, 정상 유효유동면적의 산출은 정상 유효유동면적 산출 블록(도 2의 58)에서 처리될 수 있다.
EGR 밸브 진단 모듈(56)에 의해 산출되는 추정 유효유동면적은 EGR 유량, 흡기 온도 및 압력, 배기 온도 및 압력을 바탕으로 계산에 의해 얻어지는 EGR 라인(18)의 유효유동면적으로서, EGR 밸브(20)에 퇴적된 카본의 양을 고려하여 얻어지는 값이다. 추정 유효유동면적은 운전조건들을 바탕으로 다양한 방법에 의해 산출될 수 있는데, 예컨대 본 실시예에서는 베르누이 방정식에 의해 산출될 수 있다.
EGR 라인(18)에서 EGR 밸브(20)를 오리피스 구조로 볼 수 있는데, EGR 밸브(20)를 통과하는 배기에 대해 유량모델을 설정할 수 있다. 이때, EGR 밸브(20)에 대해서는 이상기체 상태방정식과 등엔트로피 관계식을 통한 이상적인 경우의 EGR 밸브(20) 통과 유량모델이 구성될 수 있으며, EGR 밸브(20)를 통과하는 실제 유동은 이상 유동에서 가정한 1차원, 정상, 단열가역과정이 아니기 때문에 이를 보상하기 위하여 유효유량면적이 포함된 모델로 구성될 수 있다. EGR 라인(18)에서 EGR 밸브(20)를 통과하는 배기에 대한 유동 모델은 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00005
Figure pat00006
: EGR 유량 [g/s] Pt: EGR 밸브 후단 압력 [kPa]
Cd: 손실계수 [-] γ: 비열비 [-]
AT: 유로면적 [m2] R: 기체상수(8.1433) [JK-1mol-1]
P0: EGR 밸브 전단 압력 [kPa] T: 배기 온도 [K]
위 식으로부터 EGR 밸브(20)의 개도에 따른 EGR 라인(18)의 유효유동면적(EFA)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00007

이 식에서 손실계수 Cd, 비열비 γ, 기체상수 R은 상수이다. EGR 밸브 전단 압력 P0는 배기 압력센서(34)에 의해 획득되는 배기 압력으로부터 얻을 수 있고, EGR 밸브 후단 압력 Pt는 흡기 압력센서(30)에 의해 획득되는 흡기 압력으로부터 얻을 수 있으며, 배기가스 온도 T는 배기 온도센서(32)에 의해 획득되는 배기 온도로부터 얻을 수 있고, EGR 유량
Figure pat00008
은 EGR 유량 산출 모듈(52)에 의해 산출되는 EGR 유량으로부터 얻을 수 있다. 이 값들을 위 식에 대입하면 추정 유효유동면적을 산출할 수 있다. 본 실시예에서, 추정 유효유동면적의 산출은 추정 유효유동면적 산출 블록(도 2의 60)에서 처리될 수 있다. 추정 유효유동면적은 EGR 밸브(20)에 퇴적된 카본을 고려하여 산출되는 값이기 때문에, EGR 밸브 진단 모듈(56)은 이 값을 정상 유효유동면적과 비교하여 두 값의 차이가 기준값을 초과하면 EGR 밸브(20)에 카본이 과퇴적된 것으로 판단한다.
이하, 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 장치를 이용하여 배기가스 재순환 밸브를 진단 및 제어하는 방법을 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 방법의 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 방법은, 운전조건을 획득하는 단계(S10), 운전조건을 바탕으로 EGR 유량을 산출하는 단계(S20), EGR 유량을 바탕으로 EGR 밸브(20)를 제어하는 단계(S30), EGR 밸브의 개도량을 획득하는 단계(S40), EGR 밸브의 개도량을 바탕으로 정상 유효유동면적을 산출하는 단계(S50), 운전조건 및 EGR 유량을 바탕으로 추정 유효유동면적을 산출하는 단계(S60), 추정 유효유동면적과 정상 유효유동면적의 차이가 기준값을 초과하는지 여부를 판단하는 단계(S70), 추정 유효유동면적과 정상 유효유동면적의 차이가 기준값을 초과하면 EGR 밸브(20)에 카본이 과퇴적된 것으로 판단하는 단계(S80)를 포함할 수 있다.
운전조건을 획득하는 단계(S10)에서는, 센서들(22, 24, 26, 28, 30, 32, 34)에 의해 다양한 운전조건이 획득된다. 상술한 바와 같이, 운전조건에는 신기 유량, 흡기 온도 및 압력, 배기 온도 및 압력, 엔진 속도, 연료분사량(부하) 등이 포함될 수 있다.
운전조건을 바탕으로 EGR 유량을 산출하는 단계(S20)에서는, EGR 유량 산출 모듈(52)이 운전조건을 입력받아 해당 운전조건에 적합한 EGR 유량을 산출하여 출력한다.
EGR 유량을 바탕으로 EGR 밸브(20)를 제어하는 단계(S30)에서는, EGR 밸브 제어 모듈(54)이 EGR 유량 산출 모듈(52)로부터 전달받은 EGR 유량 및 신기 유량 센서(22)로부터 전달받은 신기 유량값을 바탕으로 EGR 밸브(20)에 EGR 밸브 개도량 지령을 출력한다. EGR 밸브(20)는 EGR 밸브 개도량 지령에 의해 구동되어 EGR 라인(18)을 개도시킨다.
EGR 밸브 개도량을 획득하는 단계(S40)에서는, EGR 밸브 개도량 센서(26)가 EGR 밸브(20)의 개도량을 획득하여 EGR 밸브 진단 모듈(56)로 전달한다.
EGR 밸브 개도량을 바탕으로 정상 유효유동면적을 산출하는 단계(S50)에서는, EGR 밸브 진단 모듈(56)이 EGR 밸브 개도량을 바탕으로 정상 유효유동면적을 산출한다. 운전조건 및 EGR 유량을 바탕으로 추정 유효유동면적을 산출하는 단계(S60)에서는, EGR 밸브 진단 모듈(56)이 운전조건 및 EGR 유량을 바탕으로 추정 유효유동면적을 산출한다. 이때, 정상 유효유동면적을 산출하는 과정(S30, S40, S50 단계)과 추정 유효유동면적을 산출하는 과정(S60 단계)은 실질적으로 동시에 이루어질 수도 있고, 순차적으로, 예컨대 정상 유효유동면적의 산출이 먼저 이루어진 후 추정 유효유동면적의 산출이 이루어지거나, 반대로 추정 유효유동면적의 산출이 이루어진 후 정상 유효유동면적의 산출이 이루어질 수도 있다.
정상 유효유동면적과 추정 유효유동면적이 산출되면, EGR 밸브 진단 모듈(56)은 추정 유효유동면적과 정상 유효유동면적의 차이가 기준값을 초과하는지 여부를 판단하여(S70), 추정 유효유동면적과 정상 유효유동면적의 차이가 기준값을 초과하면 EGR 밸브(20)에 카본이 과퇴적된 것으로 판단하고(S80), 추정 유효유동면적과 정상 유효유동면적의 차이가 기준값을 초과하지 않으면 운전조건을 획득하는 단계(S10)로 돌아가 상기의 과정을 반복하여 수행한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 방법은 EGR 밸브(20)에 카본이 과퇴적된 것으로 판단되는 경우, EGR 밸브(20)에 퇴적된 카본을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. EGR 밸브(20)에 퇴적된 카본을 제거하는 단계는, 예컨대 EGR 밸브(20)의 각도를 반복적으로 급격하게 변화시킴으로써 회전관성 및 배기가스의 유량 변화에 따른 마찰력에 의해 EGR 밸브(20)에 퇴적된 카본을 EGR 밸브(20)로부터 분리시키는 동작일 수 있다. EGR 밸브(20)에 퇴적된 카본을 제거하는 단계는 EGR 밸브 제어 모듈(54)에 의해 수행될 수 있다.
상기와 같이, 본 발명은 배기가스 재순환 밸브를 분해할 필요 없이 엔진의 가동 중에 실시간으로 EGR 밸브(20)의 카본 과퇴적 여부를 진단할 수 있는 장점이 있다. EGR 밸브(20)를 모니터링하여 카본이 퇴적된 것이 감지되면 실시간으로 EGR 밸브(20)에 퇴적된 카본을 제거하는 클리닝 동작이 이루어질 수 있기 때문에 EGR 장치의 신뢰도가 향상되고, EGR 밸브(20)에 카본이 지나치게 퇴적됨으로써 EGR 밸브(20)가 영구적으로 손상되는 것이 방지될 수 있다.
또한, 본 발명은 기존의 EGR 시스템에 있어서 센서와 같은 추가적인 하드웨어를 별도로 필요로 하지 않으므로, 소프트웨어 변경만으로 기존의 EGR 시스템에 간단히 적용할 수 있는 장점이 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 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.
10: 엔진 시스템 12: 엔진
14: 흡기라인 16: 배기라인
18: EGR 라인 20: EGR 밸브
22: 신기 유량 센서 24: 엔진 속도센서
26: EGR 밸브 개도량 센서 28: 흡기 온도센서
30: 흡기 압력센서 32: 배기 온도센서
34: 배기 압력센서 50: 제어부
52: EGR 유량 산출 모듈 54: EGR 밸브 제어 모듈
56: EGR 밸브 진단 모듈

Claims (11)

  1. 운전조건을 획득하기 위한 적어도 하나의 센서;
    상기 운전조건을 바탕으로 EGR 유량을 산출하는 EGR 유량 산출 모듈;
    상기 EGR 유량을 바탕으로 EGR 밸브의 개도량 지령을 출력하는 EGR 밸브 제어 모듈;
    상기 EGR 밸브의 개도량을 획득하는 EGR 밸브 개도량 센서; 및
    상기 EGR 밸브의 개도량을 바탕으로 정상 유효유동면적을 산출하고, 상기 EGR 유량 및 상기 운전조건을 바탕으로 추정 유효유동면적을 산출하여, 상기 정상 유효유동면적과 상기 추정 유효유동면적의 차이가 기준값을 초과하는 경우 상기 EGR 밸브에 카본이 과퇴적된 것으로 진단하는 EGR 밸브 진단 모듈을 포함하는
    배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 운전조건은,
    흡기라인을 통해 엔진으로 유입되는 신기 유량;
    상기 엔진의 회전수;
    상기 엔진으로 유입되는 흡기의 온도;
    상기 엔진으로 유입되는 상기 흡기의 압력;
    상기 엔진으로부터 배출되는 배기의 온도; 및
    상기 엔진으로부터 배출되는 상기 배기의 압력을 포함하는
    배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서는,
    상기 신기 유량을 획득하는 신기 유량센서;
    상기 엔진의 회전수를 획득하는 엔진 속도센서;
    상기 흡기의 온도를 획득하는 흡기 온도센서;
    상기 흡기의 압력을 획득하는 흡기 압력센서;
    상기 배기의 온도를 획득하는 배기 온도센서; 및
    상기 배기의 압력을 획득하는 배기 압력센서를 포함하는
    배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 추정 유효유동면적은 다음의 수학식에 의해 산출되는
    배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 장치.
    Figure pat00009

    여기서, EFA: 추정 유효유동면적[m2],
    Figure pat00010
    : EGR 유량[g/s], Pt: 흡기 압력[kPa], P0: 배기 압력[kPa], γ: 비열비, R: 기체상수[JK-1mol-1], T: 배기 온도 [K].
  5. 제1항에 있어서,
    상기 EGR 밸브 진단 모듈이 상기 EGR 밸브에 카본이 과퇴적된 것으로 진단하는 경우, 상기 EGR 밸브 제어 모듈은 상기 EGR 밸브에 퇴적된 카본을 제거하는 제어를 수행하는
    배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 EGR 밸브에 퇴적된 카본을 제거하는 제어는, 상기 EGR 밸브의 각도를 반복적으로 변화시키는 것을 포함하는
    배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 장치.
  7. 운전조건을 획득하는 단계;
    상기 운전조건을 바탕으로 EGR 유량을 산출하는 단계;
    상기 EGR 유량을 바탕으로 EGR 밸브를 제어하는 단계;
    상기 EGR 밸브의 개도량을 획득하는 단계;
    상기 EGR 밸브의 개도량을 바탕으로 정상 유효유동면적을 산출하는 단계;
    상기 운전조건 및 상기 EGR 유량을 바탕으로 추정 유효유동면적을 산출하는 단계;
    상기 추정 유효유동면적과 상기 정상 유효유동면적의 차이가 기준값을 초과하는지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 추정 유효유동면적과 상기 정상 유효유동면적의 차이가 기준값을 초과하면 상기 EGR 밸브에 카본이 과퇴적된 것으로 판단하는 단계를 포함하는
    배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 운전조건은,
    흡기라인을 통해 엔진으로 유입되는 신기 유량;
    상기 엔진의 회전수;
    상기 엔진으로 유입되는 흡기의 온도;
    상기 엔진으로 유입되는 상기 흡기의 압력;
    상기 엔진으로부터 배출되는 배기의 온도; 및
    상기 엔진으로부터 배출되는 상기 배기의 압력을 포함하는
    배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 추정 유효유동면적은 다음의 수학식에 의해 산출되는
    배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 방법.


    Figure pat00011

    여기서, EFA: 추정 유효유동면적[m2],
    Figure pat00012
    : EGR 유량[g/s], Pt: 흡기 압력[kPa], P0: 배기 압력[kPa], γ: 비열비, R: 기체상수[JK-1mol-1], T: 배기 온도 [K].
  10. 제7항에 있어서,
    상기 EGR 밸브에 카본이 과퇴적된 것으로 판단되면, 상기 EGR 밸브에 퇴적된 카본을 제거하는 단계를 포함하는
    배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 EGR 밸브에 퇴적된 카본을 제거하는 단계는,
    상기 EGR 밸브의 각도를 반복적으로 변화시키는 것을 포함하는
    배기가스 재순환 밸브의 진단 및 제어 방법.
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