KR20180113250A - 엔진 시스템 및 제어 방법 - Google Patents

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KR20180113250A KR1020170044539A KR20170044539A KR20180113250A KR 20180113250 A KR20180113250 A KR 20180113250A KR 1020170044539 A KR1020170044539 A KR 1020170044539A KR 20170044539 A KR20170044539 A KR 20170044539A KR 20180113250 A KR20180113250 A KR 20180113250A
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템은 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 복수의 연소실을 포함하는 엔진; 상기 연소실에서 배출되는 배기 가스가 흐르는 배기 라인에 구비되고 상기 연소실에서 배출되는 배기 가스에 의해 회전하는 터빈과 상기 연소실로 공급되는 흡기 가스가 흐르는 흡기 라인에 구비되고 상기 터빈과 연동하여 회전하고 외기를 압축하는 컴프레서 포함하는 터보차저; 상기 터빈의 하류에 설치되어 배기 가스를 정화시키는 배기 가스 정화 장치; 상기 터빈 상류의 배기 라인에서 분기되어 상기 연소실로 유입되는 흡기를 분배하는 흡기 매니폴드로 합류하는 EGR 라인, 및 상기 EGR 라인에 설치되는 EGR 밸브를 포함하는 EGR 장치; 상기 터빈 상류의 배기 라인에서 분기하여 배기 가스 정화 장치 상류의 배기 라인으로 합류하는 배기 바이패스 라인, 및 상기 배기 바이패스 라인에 설치되는 웨이스트 게이트 밸브; 상기 연소실에서 배출되어 상기 터빈으로 공급되는 배기 가스량을 조절하는 웨이스트 게이트 밸브; 상기 흡기 매니폴드로 공급되는 공기량을 조절하는 스로틀 밸브; 및 팁아웃(tip-out)시 상기 컴프레서와 상기 스로틀 밸브의 사이의 흡기 라인의 압력에 따라 상기 EGR 밸브와 상기 웨이스트 게이트 밸브의 개폐을 조절하는 제어기;를 포함할 수 있다.

Description

엔진 시스템 및 제어 방법 {ENGINE SYSTEM AND CONTROL METHOD USING THE SAME}
본 발명은 엔진 시스템 및 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 팁 아웃(tip out)시에 흡기 라인에 과급압이 형성되는 것을 방지할 수 있는 엔진 시스템 및 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 차량이 가속 중에 팁아웃(tip-out)하는 경우, 연소실로 공급되는 공기를 차단하기 위해 스로틀 밸브가 차단된다. 이때, 터보차저의 터빈의 관성에 의해 터보차저의 컴프레서 하류와 스로틀 밸브의 사이의 흡기 라인에는 과급압(turbocharged air)이 형성된다.
이와 같이, 컴프레서 하류와 스로틀 밸브 상류 사이의 흡기 라인에 형성된 과급압에 의해 소음이 발생하고 컴프레서 휠의 내구성이 악화되는 문제가 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위해 종래에는, 흡기 라인에 구비된 바이패스 라인을 구비하고, 바이패스 라인에 재순환 밸브(recirculation valve)를 설치한다. 그리고 팁아웃시에 재순환 밸브를 개방하여 컴프레서와 스로틀 밸브 사이에 형성된 과급압을 외부로 배출시키도록 하였다.
그러나 종래 기술에 의하면, 별도의 바이패스 라인과 재순환 밸브를 설치해야 하기 때문에 엔진 룸 내부에 설치되는 각종 부품의 레이아웃이 복잡해지고, 차량의 제조 원가가 증가하는 문제가 발생한다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 팁아웃이 터보차저의 컴프레서와 스로틀 밸브 사이의 흡기 라인에 과급압이 형성되는 것을 방지할 수 있는 엔진 시스템 및 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템은 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 복수의 연소실을 포함하는 엔진; 상기 연소실에서 배출되는 배기 가스가 흐르는 배기 라인에 구비되고 상기 연소실에서 배출되는 배기 가스에 의해 회전하는 터빈과 상기 연소실로 공급되는 흡기 가스가 흐르는 흡기 라인에 구비되고 상기 터빈과 연동하여 회전하고 외기를 압축하는 컴프레서 포함하는 터보차저; 상기 터빈의 하류에 설치되어 배기 가스를 정화시키는 배기 가스 정화 장치; 상기 터빈 상류의 배기 라인에서 분기되어 상기 연소실로 유입되는 흡기를 분배하는 흡기 매니폴드로 합류하는 EGR 라인, 및 상기 EGR 라인에 설치되는 EGR 밸브를 포함하는 EGR 장치; 상기 터빈 상류의 배기 라인에서 분기하여 배기 가스 정화 장치 상류의 배기 라인으로 합류하는 배기 바이패스 라인, 및 상기 배기 바이패스 라인에 설치되는 웨이스트 게이트 밸브; 상기 연소실에서 배출되어 상기 터빈으로 공급되는 배기 가스량을 조절하는 웨이스트 게이트 밸브; 상기 흡기 매니폴드로 공급되는 공기량을 조절하는 스로틀 밸브; 및 팁아웃(tip-out)시 상기 컴프레서와 상기 스로틀 밸브의 사이의 흡기 라인의 압력에 따라 상기 EGR 밸브와 상기 웨이스트 게이트 밸브의 개폐을 조절하는 제어기;를 포함할 수 있다.
상기 제어기는 팁아웃시 상기 컴프레서와 상기 스로틀 밸브 사이의 흡기 라인의 압력이 제1 설정 압력보다 크면 상기 EGR 밸브를 개방할 수 있다.
상기 제어기는 팁아웃시 상기 컴프레서와 상기 스로틀 밸브 사이의 흡기 라인의 압력이 제2 설정 압력보다 크면 상기 EGR 밸브와 상기 웨이스트 게이트 밸브를 개방할 수 있다.
상기 제2 설정 압력은 상기 제1 설정 압력보다 클 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 엔진 시스템의 제어 방법은 압력 센서에 의해, 팁아웃시 터보차저의 컴프레서와 스로틀 밸브 사이의 흡기 라인의 압력을 측정하는 단계; 제어기에 의해, 상기 흡기 라인의 압력이 설정 압력보다 큰지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 제어기에 의해, 상기 흡기 라인의 압력에 따라 컴프레서의 터빈 상류의 배기 라인에서 분기되어 엔진의 연소실로 유입되는 흡기를 분배하는 흡기 매니폴드로 합류하는 EGR 라인에 설치되는 EGR 밸브, 및 상기 연소실에서 배출되어 상기 터빈으로 공급되는 배기 가스량을 조절하는 웨이스트 게이트 밸브의 개폐를 조절하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 컴프레서와 상기 스로틀 밸브 사이의 흡기 라인의 압력이 제1 설정 압력보다 크면, 상기 제어기에 의해 상기 EGR 밸브가 개방되도록 제어할 수 있다.
상기 컴프레서와 상기 스로틀 밸브 사이의 흡기 라인의 압력이 제1 설정 압력보다 크면, 상기 제어기에 의해 상기 EGR 밸브와 상기 웨이스트 게이트 밸브가 개방되도록 제어할 수 있다.
상기 제2 설정 압력은 상기 제1 설정 압력보다 클 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의한 엔진 시스템 및 제어 방법에 의하면, 팁아웃시에 터보차저의 컴프레서와 스로틀 밸브 사이의 흡기 라인에 과급압이 형성되는 것을 방지함으로써, 흡기 라인에서 발생하는 소음을 감소시킬 수 있고, 컴프레서 휠의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 별도의 바이패스 라인과 재순환 밸브를 구비할 필요가 없기 때문에, 엔진 룸 내부의 레이아웃이 단순해지고, 차량의 제조 원가를 절감할 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템의 구성을 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템에서 팁아웃시에 배기 가스의 흐름을 도시한 도면이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 엔진 시스템에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템의 구성을 도시한 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 엔진 시스템은 엔진(20), 터보차저(70), EGR 장치(50), 및 제어기(90)를 포함할 수 있다.
상기 엔진(20)은 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 복수의 연소실(21)을 포함한다. 상기 엔진(20)에는 상기 연소실(21)로 공급되는 흡기 가스가 흐르는 흡기 라인(10)과, 상기 연소실(21)에서 배출되는 배기 가스가 흐르는 배기 라인(30)이 구비된다.
상기 흡기 라인(10)에는 외부에서 유입되는 신기를 필터링하는 에어 클리너(11)가 구비된다.
상기 연소실(21)의 상류에는 복수의 연소실(21)로 공급되는 흡기를 배분하는 흡기 매니폴드(23)가 구비되고, 상기 흡기 매니폴드(23)에는 상기 흡기 매니폴드(23)로 유입되는 흡기량을 조절하는 스로틀 밸브(25)가 구비된다.
상기 터보차저(70)는 상기 흡기 라인(10)을 통해 유입되는 흡기 가스(외기+재순환 가스)를 압축하여 상기 연소실(21)로 공급한다. 상기 터보차저(70)는 상기 배기 라인(30)에 구비되고 상기 연소실(21)에서 배출되는 배기 가스에 의해 회전하는 터빈(72), 및 상기 터빈(72)과 연동하여 회전하고 흡기 가스를 압축하는 컴프레서(74)를 포함한다.
상기 터빈(72) 하류의 배기 라인(30)에는 상기 연소실(21)에서 배출되는 배기 가스에 포함된 각종 유해 물질을 정화시키는 배기 가스 정화 장치(60)가 구비된다. 상기 배기 가스 정화 장치(60)는 질소 산화물을 정화하기 위한 LNT(lean NOx trap), 디젤 산화 촉매(diesel oxidation catalyst) 및 디젤 매연 필터(diesel particulate filter)를 포함할 수 있다.
상기 터빈(72) 상류의 배기 라인(30)에서 분기하여 배기 가스 정화 장치(60) 상류의 배기 라인(30)으로 합류하는 배기 바이패스 라인(32)이 구비되고, 상기 배기 바이패스 라인(32)에는 웨이스트 게이트 밸브(34)가 배치된다. 상기 웨이스트 게이트 밸브(34)를 통해 상기 연소실에서 배출되어 상기 터빈으로 공급되는 배기 가스량이 조절된다. 상기 웨이스트 게이트 밸브(34)의 개폐는 후술할 제어기(90)의 제어 신호에 의해 제어된다.
상기 EGR 장치(50)는 상기 연소실(21)에서 배출되는 배기 가스의 일부를 상기 연소실(21)로 재순환시키는 장치이다. 상기 EGR 장치(50)(HP-EGR: high pressure exhaust gas recirculation apparatus)는 EGR 라인(52), EGR 쿨러(56), 및 EGR 밸브(54)를 포함한다. 본 발명의 실시 예에서는 고압 EGR 장치를 예로 들어 설명한다.
상기 EGR 라인(52)은 상기 터빈(72) 상류의 배기 라인(30)에서 분기되어 상기 흡기 매니폴드(23)로 합류한다. 상기 EGR 쿨러(56)는 상기 EGR 라인(52)에 배치되고, 상기 EGR 라인(52)을 흐르는 배기 가스를 냉각시킨다. 상기 EGR 밸브(54)는 상기 EGR 라인(52)에 배치되고, 상기 EGR 라인(52)을 통해 흡기 라인(10)으로 유입되는 배기 가스량을 조절한다. 여기서, 상기 EGR 라인(52)을 통해 상기 흡기 라인(10)으로 공급되는 배기 가스를 재순환 가스(recirculation gas)라고 한다.
상기 흡기 라인(10)에는 흡기 가스를 냉각시키는 인터쿨러(16)가 설치될 수 있다. 상기 터보차저(70)에 의해 압축된 흡기 가스는 온도가 높아져 팽창하기 때문에, 상기 연소실(21)로 공급되는 흡기 가스의 산소 밀도가 낮아지고, 이로 인해, 상기 엔진(20)에서 요구하는 토크를 출력하기 어렵다. 따라서, 상기 인터쿨러(16)를 통해 흡기 가스를 냉각시켜 흡기 가스의 밀도를 증가시켜 엔진(20)의 연소 효율을 향상시킨다.
차량이 가속 중에 운전자가 가속 페달에서 발을 떼는 팁아웃(tip-out)을 하는 경우, 상기 제어기(90)는 상기 컴프레서(74)와 상기 스로틀 밸브(25)의 사이의 흡기 라인(10)의 압력에 따라 상기 EGR 밸브(54)와 상기 웨이스트 게이트 밸브(34)의 개폐을 조절한다.
상기 제어기(90)는 설정된 프로그램에 의하여 작동하는 하나 이상의 프로세서로 구비될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 제어 방법의 각 단계를 수행하도록 되어 있다.
이하에서는, 도 2를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 시스템의 제어 방법을 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 엔진 시스템의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제어기(90)는 팁아웃시에 터보차저(70)의 컴프레서(74)와 스로틀 밸브(25) 사이의 흡기 라인(10)의 압력을 설정 압력과 비교한다(S10). 차량이 가속 중에 운전자가 팁아웃(tip-out)하는 경우, 엔진(20)의 출력을 줄이기 위해 상기 연소실(21)로 공급되는 것을 차단하도록 상기 스로틀 밸브(25)를 차단된다.
컴프레서(74)와 스로틀 밸브(25) 사이의 흡기 라인(10)의 압력이 제1 설정 압력보다 크면, 상기 제어기(90)는 상기 EGR 밸브(54)가 개방되도록 제어하여(S20), 터빈(72) 상류의 배기 라인(30)을 흐르는 배기 가스가 흡기 매니폴드(23)로 바이패스 되도록 한다 (도 3 참조).
이와 같이, 터빈(72) 상류의 배기 가스를 흡기 매니폴드(23)로 바이패스시킴으로써, 터보차저(70)의 컴프레서(72)에 의해 과급 공기가 흡기 라인(10)으로 공급되는 것을 방지할 수 있다.
상기 S10 단계에서, 컴프레서(74)와 스로틀 밸브(25) 사이의 흡기 라인(10)의 압력이 제2 설정 압력(제2 설정 압력은 제1 설정 압력보다 큼)보다 크면, 상기 제어기(90)는 EGR 밸브(54)와 웨이스트 게이트 밸브(34)가 개방되도록 제어하여(S30), 터빈(72) 상류의 배기 라인(30)을 흐르는 배기 가스가 흡기 매니폴드(23)와 배기 가스 정화 장치(60)와 터빈(72) 사이의 배기 라인(30)으로 바이패스 되도록 한다(도 4 참조).
이와 같이, 팁아웃시에 흡기 라인(10)의 압력이 매우 높은 경우, EGR 밸브(54)와 웨이스트 게이트 밸브(34)를 개방하여 터빈(72)으로 공급되는 배기 가스를 최소화함으로써, 컴프레서(74)에 의해 압축된 과급 공기가 컴프레서(74)와 스로틀 밸브(25) 사이의 흡기 라인(10)으로 공급되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 흡기 라인(10)에서 소음이 발생하는 것이 최소화되고, 컴프레서 휠의 내구성을 향상시킬 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 흡기 라인 11: 에어 클리너
12: 흡기 바이패스 라인 16: 인터쿨러
20: 엔진 21: 연소실
23: 흡기 매니폴드 25: 스로틀 밸브
30: 배기 라인 32: 배기 바이패스 라인
34: 웨이스트 게이트 밸브 50: EGR 장치
52: EGR 라인 54: EGR 밸브
56: EGR 쿨러 60: 배기 가스 정화 장치
70: 터보차저 72: 터빈
74: 컴프레서 90: 제어기

Claims (8)

  1. 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 복수의 연소실을 포함하는 엔진;
    상기 연소실에서 배출되는 배기 가스가 흐르는 배기 라인에 구비되고 상기 연소실에서 배출되는 배기 가스에 의해 회전하는 터빈과 상기 연소실로 공급되는 흡기 가스가 흐르는 흡기 라인에 구비되고 상기 터빈과 연동하여 회전하고 외기를 압축하는 컴프레서 포함하는 터보차저;
    상기 터빈의 하류에 설치되어 배기 가스를 정화시키는 배기 가스 정화 장치;
    상기 터빈 상류의 배기 라인에서 분기되어 상기 연소실로 유입되는 흡기를 분배하는 흡기 매니폴드로 합류하는 EGR 라인, 및 상기 EGR 라인에 설치되는 EGR 밸브를 포함하는 EGR 장치;
    상기 터빈 상류의 배기 라인에서 분기하여 배기 가스 정화 장치 상류의 배기 라인으로 합류하는 배기 바이패스 라인, 및 상기 배기 바이패스 라인에 설치되는 웨이스트 게이트 밸브;
    상기 연소실에서 배출되어 상기 터빈으로 공급되는 배기 가스량을 조절하는 웨이스트 게이트 밸브;
    상기 흡기 매니폴드로 공급되는 공기량을 조절하는 스로틀 밸브; 및
    팁아웃(tip-out)시 상기 컴프레서와 상기 스로틀 밸브의 사이의 흡기 라인의 압력에 따라 상기 EGR 밸브와 상기 웨이스트 게이트 밸브의 개폐을 조절하는 제어기;
    를 포함하는 엔진 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는
    팁아웃시 상기 컴프레서와 상기 스로틀 밸브 사이의 흡기 라인의 압력이 제1 설정 압력보다 크면 상기 EGR 밸브를 개방하는 엔진 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어기는
    팁아웃시 상기 컴프레서와 상기 스로틀 밸브 사이의 흡기 라인의 압력이 제2 설정 압력보다 크면 상기 EGR 밸브와 상기 웨이스트 게이트 밸브를 개방하는 엔진 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 설정 압력은 상기 제1 설정 압력보다 큰 엔진 시스템.
  5. 압력 센서에 의해, 팁아웃시 터보차저의 컴프레서와 스로틀 밸브 사이의 흡기 라인의 압력을 측정하는 단계;
    제어기에 의해, 상기 흡기 라인의 압력이 설정 압력보다 큰지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 제어기에 의해, 상기 흡기 라인의 압력에 따라 컴프레서의 터빈 상류의 배기 라인에서 분기되어 엔진의 연소실로 유입되는 흡기를 분배하는 흡기 매니폴드로 합류하는 EGR 라인에 설치되는 EGR 밸브, 및 상기 연소실에서 배출되어 상기 터빈으로 공급되는 배기 가스량을 조절하는 웨이스트 게이트 밸브의 개폐를 조절하는 단계;
    를 포함하는 엔진 시스템의 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 컴프레서와 상기 스로틀 밸브 사이의 흡기 라인의 압력이 제1 설정 압력보다 크면, 상기 제어기에 의해 상기 EGR 밸브가 개방되도록 제어하는 엔진 시스템의 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 컴프레서와 상기 스로틀 밸브 사이의 흡기 라인의 압력이 제1 설정 압력보다 크면, 상기 제어기에 의해 상기 EGR 밸브와 상기 웨이스트 게이트 밸브가 개방되도록 제어하는 엔진 시스템의 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 설정 압력은 상기 제1 설정 압력보다 큰 엔진 시스템의 제어 방법.
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