KR20200071930A - 응축수 방지를 위한 습도 센서가 적용된 eGR 제어 방법 - Google Patents

응축수 방지를 위한 습도 센서가 적용된 eGR 제어 방법 Download PDF

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박준식
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Abstract

본 발명은, 응축수 방지를 위한 습도 센서가 적용된 eGR 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 외기의 온도 또는 습도를 측정하여 EGR의 작동 냉각수 온도를 가변 제어하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 차량의 배기가스에 의한 부식을 예방하기 위해 응축수 방지를 위한 습도 센서가 적용된 EGR(exhaust gas recirculation) 제어 방법에 있어서, EGR 로 유입되는 차량의 외부에서 들어오는 흡기의 습도를 측정하는 제1단계; 수증기의 연소방정식을 통해 흡기에 포함된 수증기의 몰분율을 산출하여 EGR 내부의 수증기압을 계산하는 제2단계; 및 EGR 내부의 수증기압이 EGR 내부의 포화 수증기 압력보다 낮은 경우 경우 EGR 가스가 흐르도록 EGR 밸브를 개방하는 제3단계;를 포함하는 응축수 방지를 위한 습도 센서가 적용된 eGR 제어 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, EGR의 작동 영역이 온도에 한정되지 않아 확대될 수 있어 변화하는 날씨에 대응 가능하고 차량의 이원화/엔진의 이원화 개발로 인한 개발비와 관리비를 절감 및 연료 품질에 제한적이지 않은 이점이 있다.

Description

응축수 방지를 위한 습도 센서가 적용된 eGR 제어 방법{exhaust gas recirculation CONTROL METHOD WITH HUMIDITY SENSOR TO PREVENT condensation}
본 발명은 응축수 방지를 위한 습도 센서가 적용된 eGR 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 외기의 온도 또는 습도를 측정하여 EGR의 작동 냉각수 온도를 가변 제어하는 방법에 관한 것이다.
최근 강화되고 있는 각국의 CO₂ 규제 대응 및 소비자들의 고효율 차량 요구를 충족시키기 위해서는 새로운 연비 개선 기술이 요구된다. 엔진 초기 시동 시에는 낮은 온도로 인해 열 손실, 마찰손실이 크고, 이로 인해 연비가 나빠지기 때문에 시동 초기 빠른 엔진 웜업을 통해 연비 개선을 달성할 수 있는바, 열관리 기술의 개발을 확대하고 있다.
한편, 차량에 적용되는 열관리 시스템 중에서, 촉매 후단에 설치된 LP-EGR 쿨러 겸용 배기열 회수장치의 경우, 빠른 웜업을 통해 시동 초기에 엔진 냉각수 및 오일을 승온시키는 것을 목적으로 할 수 있다.
다만, 시동 초기 엔진 냉간 상태에서는, 연소 안정성 및 응축수 발생 문제로 인해 LP-EGR을 사용하지 않고, 냉각수온이 소정 온도 이상으로 상승한 경우에 LP-EGR을 사용하고 있다.
이와 관련, 종래의 한국공개특허 제2005-0070259호(자동차용 EGR 장치의 제어 방법)는 흡기 온도에 따라 EGR(Exhaust Gas Recirculation : 배기가스 재순환 장치) 듀티를 제어하여 하절기 또는 열대지역의 운행에서 EGR 밸브의 온도가 상승하는 것을 방지할 수 있도록 한 자동차용 EGR 장치의 제어 방법을 개시하고 있다.
그러나 종래기술은 흡기 온도가 설정된 기준 온도(고정 온도) 이상인지만 판단하여 EGR을 작동시키기 때문에, EGR의 작동 영역이 축소되고, 외기 및 연료 품질에 따라 응축수가 발생할 수 있는 문제점이 있다.
한국공개특허 제2005-0070259호
본 발명은 EGR을 작동시키기 위한 온도 측정을 고정된 온도가 아닌 모든 날씨 조건에 대응하여 응축수 발생을 방지하는 습도 센서가 적용된 eGR 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 차량의 배기가스에 의한 부식을 예방하기 위해 응축수 방지를 위한 습도 센서가 적용된 EGR(exhaust gas recirculation) 제어 방법에 있어서, EGR 로 유입되는 차량의 외부에서 들어오는 흡기의 습도를 측정하는 제1단계; 수증기의 연소방정식을 통해 흡기에 포함된 수증기의 몰분율을 산출하여 EGR 내부의 수증기압을 계산하는 제2단계; 및 EGR 내부의 수증기압이 EGR 내부의 포화 수증기 압력보다 낮은 경우 EGR 가스가 흐르도록 egr 밸브를 개방하는 제3단계;를 포함하는 응축수 방지를 위한 습도 센서가 적용된 eGR 제어 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 제1단계는, 흡기의 온도, 습도, 대기압을 측정하는 과정; 및 온도, 습도, 대기압을 통해 흡기의 습도 함유량을 계산하는 과정;을 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 제2단계는, 연소방정식을 통해 흡기에 포함된 각 기체의 조성비를 산출하는 과정; 조성비를 기준으로 전체 몰수를 산출하고 질량보존방정식을 이용하여 흡기에 포함된 각 기체의 몰분율을 산출하는 과정; 및 EGR 내부의 압력에 몰분율을 곱하여 EGR 내부의 수증기압을 산출하는 과정;을 포함할 수 있다.
바람직하게, 제 3 단계는, EGR 내부의 온도를 측정하는 과정; 및 EGR 내부에 존재하는 기체와 동일한 기체가 EGR 내부의 온도에 존재할 때의 포화수증기 압력을 산출하여 EGR 내부의 포화 수증기 압력을 산출하는 과정;을 더 포함할 수 있다.
바람직하게, EGR 내부의 온도는 엔진의 냉각수 온도를 측정하며, EGR과 엔진의 연결 위치에 따라 엔진 입구 냉각수 온도 센서 또는 엔진 출구 냉각수 온도 센서 중 어느 하나로 측정될 수 있다.
바람직하게, 제 3 단계는, EGR 내부의 수증기압이 EGR 내부의 포화 수증기 압력 이상인 경우 eGR 가스가 흐르지 않도록 EGR 밸브를 폐쇄하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 제 3 단계는, EGR 밸브를 개방시키기 전에 냉각수 유량제어밸브를 작동시켜 EGR 쿨러에 냉각수를 공급하는 과정;을 더 포함할 수 있다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따르면, EGR의 작동 영역이 온도에 한정되지 않아 확대될 수 있어 변화하는 날씨에 대응이 가능한 이점이 있다.
또한 본 발명은 차량의 이원화/엔진의 이원화 개발로 인한 개발비와 관리비를 절감할 수 있고, 연료 품질에 의한 상품성이 제한되지 않는 이점이 있다.
도 1은 종래의 EGR 장치 제어 방법의 일반적인 모습을 나타낸다.
도 2는 종래의 EGR 내부의 배기가스의 포화수증기압이 감소하여 수증기압보다 작아지는 경우 응축수가 발생하는 모습을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 습도 센서가 적용된 eGR 제어 방법의 순서도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 습도 센서가 적용된 eGR 제어 방법의 순서도의 세부 과정을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 종래의 EGR 장치 제어 방법의 일반적인 모습을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 종래기술은 EGR 쿨러 내의 응축수를 방지하기 위해 EGR로 들어가는 냉각수의 온도가 일정 이상일 경우에만 EGR 작동을 시작하여 EGR 쿨러 내의 응축수 발생을 방지하고 있다.
이 경우, 고정된 냉각수의 온도 값을 설정해서 일정 온도 이상 warm-up 이후 EGR을 사용한다. 다만, 고정된 냉각수의 경우 일정 온도 이상일 경우에만 EGR을 작동시켜 외기 상태 및 연료 품질에 따라 응축수가 발생하는 문제점이 있다.
또한, 문제점으로 ① EGR 작동 영역 축소가 일어나는데, 다양한 환경 조건에 대응하기 위해서 고정된 냉각수온 제어는 결국은 MODE 혹은 인증 연비 구간 혹은 실용 연비 구간에서 EGR을 사용하는 시점을 늦추게 되고, 이로 인해서 연비 개선 효과가 반감이 된다. 예를 들어, FTP 인증 모드에서 작동 냉각수온 기준 온도를 52℃
Figure pat00001
60℃ 올릴 경우 감마엔진 기준으로 약 0.2%의 연비가 악화될 수 있다. ② 모든 날씨 조건에 대응하여 응축수 발생의 원천 방지 불가하다. 통상 인증 연비 측정 조건인 환경 분위기 온도 20~30℃인 조건에서는 (습도 40~50% 기준) EGR의 작동 가능 냉각수 온도는 대략 55~60℃가 되는데 전세계 지역 중 불쾌지수(이슬점 온도)가 높은 지역을 고려할 경우 최대 66℃에서도 응축수가 발생을 하게 된다. ③ 연료 품질에 따른 Cooled EGR 시스템 사용이 제한된다. 위와 같이 완벽한 응축수 방지가 원천적으로 힘들게 되고, 이와 더불어 연료 품질이 나쁜 지역은 황함량이 높게 되어 위와 같이 결과적으로 품질 문제가 발생할 수 있다. 결국 연료 품질이 안 좋은 지역 혹은 연료를 사용할 가능성이 있는 국가에서는 EGR 시스템을 적용하지 못하게 된다. 즉, 차량의 이원화/엔진의 이원화 개발로 인하여 개발비와 관리비가 증가하고, 상품성이 악화되는 문제점을 내포하고 있다. 이러한 지역의 경우 냉각수 작동 온도를 대폭 높이고(60℃
Figure pat00002
70℃), 열교환기 재질인 내부식성이 높은 고급 SUS를 적용하여 양산하고 있어, 원가가 대폭 상승(3000원↑)하였고 및 차량 연비는 약 0.3% 악화된 이력이 있다.
도 2는 종래의 EGR 내부의 배기가스의 포화수증기압이 감소하여 수증기압보다 작아지는 경우 응축수가 발생하는 모습을 나타낸다. 도 2를 참조하면, 도 2(a)는 EGR가스의 포화수증기압 곡선을, 도 2(b)는 EGR 사용으로 응축수가 발생되지 않는 모습을 나타낸다.
도 2(a)의 경우 60℃에서 40℃로 냉각 시 EGR 쿨러 내의 응축수가 발생하는 모습을 나타내고, 도 2(b)는 EGR 작동 개시되는 냉각수 온도를 포화수증기압과 수증기압이 같아지는 온도보다 높게 설정하면 응축수가 발생되지 않는 모습을 보여준다. 본 발명은 이러한 원리를 이용하여 아래의 도 3 및 도 4와 같이 흡기 상태에 따라 EGR 시작 제어의 냉각수온을 조절할 수 있다.
도 3은 본 발명의 습도 센서가 적용된 eGR 제어 방법의 순서도를 나타낸다.도 3을 참조하면, 본 제어 방법은 3단계로 나눠질 수 있다.
제1단계(S10)는, EGR 로 유입되는 차량의 외부에서 들어오는 흡기의 온도, 습도, 대기압을 측정한다. 제1단계(S10)는, 온도, 습도, 대기압을 통해 흡기의 습도 함유량을 계산한다.
제2단계(S20)는, 수증기의 연소방정식을 통해 흡기에 포함된 수증기의 몰분율을 산출하여 EGR 내부의 수증기압을 계산한다. 제2단계(S20)는, 연소방정식을 통해 흡기에 포함된 각 기체의 조성비를 산출하는 과정; 조성비를 기준으로 전체 몰수를 산출하고 질량보존방정식을 이용하여 흡기에 포함된 각 기체의 몰분율을 산출하는 과정(S201); 및 EGR 내부의 압력에 몰분율을 곱하여 EGR 내부의 수증기압을 산출하는 과정(S202);을 포함할 수 있다.
제3단계(S30)는, EGR 내부의 수증기압이 EGR 내부의 포화 수증기 압력보다 낮은 경우 EGR 가스가 흐르도록 egr 밸브를 개방한다. 제3단계(S30)는 EGR 내부의 수증기압이 EGR 내부의 포화 수증기 압력 이상인 경우 eGR 가스가 흐르지 않도록 EGR 밸브를 폐쇄하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 또한, 제 3 단계(S30)는, EGR 밸브를 개방시키기 전에 냉각수 유량제어밸브를 작동시켜 EGR 쿨러에 냉각수를 공급하는 과정;을 더 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 습도 센서가 적용된 eGR 제어 방법의 순서도를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 도 3에 나타난 제1단계(S10) 내지 제3단계(S30)를 세부적으로 보여준다.
제1단계(S10)는, 흡기의 온도, 습도, 대기압을 측정하여 흡기의 습도 함유량을 계산한다. 일반적인 센서에 의해 측정될 수 있으며 습도 함유량 즉, 흡기에 포함된 수분이 얼마나 되는지 알 수 있다.
제2단계(S20)는, 연소방정식을 통해 흡기에 포함된 수증기의 몰분율을 산출하여 EGR 내부의 수증기압을 계산하는 과정이다. 연소방정식은 다음과 같다. 연소방정식을 통해 흡기에 포함된 각 기체의 조성비를 산출하는 과정이다.
Figure pat00003
여기서 수증기의 몰분율을 계산하기 위해서 각 기체의 몰분율을 구한다. 이를 위해 각각의 원소의 개수를 비교한다.
① C balance
Figure pat00004
② O balance
Figure pat00005
위 수식의 ①, ②와 연소방정식을 이용해 H, N 원소에 대해 비교하면 잔류가스(EGR 가스)에 따른 배기가스의 조성비는 변하지 않는다. 따라서 각 기체의 몰분율은 다음의 Mass Conservation Equation을 통해 산출될 수 있다. 조성비를 기준으로 전체 몰수를 산출하고 질량보존방정식을 이용하여 흡기에 포함된 각 기체의 몰분율을 산출하는 과정이다.
Figure pat00006
① C balance
Figure pat00007
-----------------------------------------식 1)
② O balance
Figure pat00008
-----------------------------식 2)
③ H balance
Figure pat00009
------------식 3)
④ N balance
Figure pat00010
위 식1) 내지 3)을 통해,
Figure pat00011
Figure pat00012
Figure pat00013
Figure pat00014
EGR 내부의 압력에 몰분율을 곱하여 EGR 내부의 수증기압을 산출하는 과정을 더 포함할 수 있다. EGR 내부의 배기가스 압력을 이용하여 EGR 쿨러 내의 EGR 가스의 압력에 위의 몰분율을 곱하여 EGR 가스 내의 수증기압을 산출할 수 있다. 이때 배기가스 압력 모델 값을 이용한 경우에는 실제 값을 측정하여 보정한 값을 사용할 수 있다.
제3단계는 EGR 내부의 수증기압이 EGR 내부의 포화 수증기 압력 이상인 경우 EGR 밸브를 유지하는 단계이다. 이 경우 제 3 단계는, EGR 내부의 온도를 측정하는 과정; 및 EGR 내부에 존재하는 기체와 동일한 기체가 EGR 내부의 온도에 존재할 때의 포화수증기 압력을 산출하여 EGR 내부의 포화 수증기 압력을 산출하는 과정;을 더 포함할 수 있다.
EGR 배기가스의 압력은 취출부 압력과 동일하거나 차이가 미미한 수준으로 EGR 쿨러 전후단 압력 저하는 거의 발생하지 않는다. EGR 쿨러 내의 냉각수온과 동일한 수증기가 있다고 가정하여 이 때의 포화 수증기압을 도출할 수 있다. 이 때 포화 수증기 압력은 온도에 따른 수증기 압력의 모델값을 사용할 수 있는데, 직접 혹은 일반적으로 알려진 Correlation 식을 사용할 수 있다.
Figure pat00015
예를 들어, 위와 같이 포화 수증기압 검출식을 사용하는 경우, EGR쿨러의 위치에 따라 EGR 쿨러로 들어가는 냉각수가 엔진 입구측 냉각수 라인과 연결된 경우 엔진 입구 냉각수 온도 센서를 사용하고, 엔진 출구측 냉각수 라인과 연결된 경우 엔진 출구 냉각수 온도 센서를 사용하여 기준 포화 수증기 압력을 출력할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.

Claims (7)

  1. 차량의 배기가스에 의한 부식을 예방하기 위해 응축수 방지를 위한 습도 센서가 적용된 EGR(exhaust gas recirculation) 제어 방법에 있어서,
    상기 차량의 외부에서 들어와 상기 EGR 로 유입되는 흡기의 온도, 습도, 대기압을 측정하는 제1단계;
    수증기의 연소방정식을 통해 상기 흡기에 포함된 수증기의 몰분율을 산출하여 상기 EGR 내부의 수증기압을 계산하는 제2단계; 및
    상기 EGR 내부의 수증기압이 상기 EGR 내부의 포화 수증기 압력보다 낮은 경우 EGR 가스가 흐르도록 EGR 밸브를 개방하는 제3단계;를 포함하는 응축수 방지를 위한 습도 센서가 적용된 eGR 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1단계는,
    상기 온도, 습도, 대기압을 통해 상기 흡기의 습도 함유량을 계산하는 과정;을 더 포함하는 응축수 방지를 위한 습도 센서가 적용된 eGR 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2단계는,
    상기 연소방정식을 통해 상기 흡기에 포함된 각 기체의 조성비를 산출하는 과정;
    상기 조성비를 기준으로 전체 몰수를 산출하고 질량보존방정식을 이용하여 상기 흡기에 포함된 각 기체의 몰분율을 산출하는 과정; 및
    상기 EGR 내부의 압력에 상기 몰분율을 곱하여 상기 EGR 내부의 수증기압을 산출하는 과정;을 포함하는 응축수 방지를 위한 습도 센서가 적용된 eGR 제어 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 단계는,
    상기 EGR 내부의 온도를 측정하는 과정; 및
    상기 EGR 내부에 존재하는 기체와 동일한 기체가 상기 EGR 내부의 온도에 존재할 때의 포화수증기 압력을 산출하여 상기 EGR 내부의 포화 수증기 압력을 산출하는 과정;을 더 포함하는 응축수 방지를 위한 습도 센서가 적용된 eGR 제어 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 EGR 내부의 온도는 엔진의 냉각수 온도를 측정하며,
    상기 EGR과 엔진의 연결 위치에 따라 엔진 입구 냉각수 온도 센서 또는 엔진 출구 냉각수 온도 센서 중 어느 하나로 측정될 수 있는 것을 특징으로 하는 응축수 방지를 위한 습도 센서가 적용된 EGR 제어 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 단계는,
    상기 EGR 내부의 수증기압이 상기 EGR 내부의 포화 수증기 압력 이상인 경우 상기 eGR 가스가 흐르지 않도록 상기 EGR 밸브를 폐쇄하는 단계;를 더 포함하는 응축수 방지를 위한 습도 센서가 적용된 eGR 제어 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 단계는,
    상기 EGR 밸브를 개방시키기 전에 냉각수 유량제어밸브를 작동시켜 EGR 쿨러에 냉각수를 공급하는 과정;을 더 포함하는 응축수 방지를 위한 습도 센서가 적용된 EGR 제어 방법.
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