KR20210033539A - 배기 재순환 장치의 동작 제어 방법 및 배기 재순환 장치 - Google Patents

배기 재순환 장치의 동작 제어 방법 및 배기 재순환 장치 Download PDF

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Abstract

목표의 EGR 유량을 확실하게 확보하면서 응축수의 발생을 억압, 방지 가능하게 한다. 전자 제어 유닛(50)에 있어서는, 수냉 인터쿨러(14)의 출구 부근의 목표 온도로서의 인터쿨러 하류측 온도가 연산 산출되어, 그 연산 결과가 저압 배기 재순환 통로(6)의 배기 재순환량의 제어에 제공되는 한편, 수냉 인터쿨러(14)의 출구 근방의 이슬점이 산출되어, 산출된 이슬점과 인터쿨러 하류측 온도의 비교가 행해져, 그 중 높은 쪽을 수냉 인터쿨러(14)의 출구 부근의 목표 온도로 하여, 수냉 인터쿨러(14)의 수량 조정이 실행됨으로써, 수냉 인터쿨러(14)의 출구 부근에서의 응축수의 발생을 억압, 방지하면서, 목표의 EGR양량이 확보되는 것으로 되어 있다.

Description

배기 재순환 장치의 동작 제어 방법 및 배기 재순환 장치
본 발명은, 배기 재순환(EGR) 장치의 동작 제어 방법 및 배기 재순환 장치에 관한 것으로, 특히, 고압과 저압의 2개의 배기 재순환 통로를 가지는 구성의 배기 재순환 장치에서의 동작 효율의 향상 등을 도모한 것에 관한 것이다.
종래로부터, 내연기관의 이미션 특성의 향상을 위해, 여러 가지의 배기 재순환 장치가 제안, 실용화되어 있는 것은 널리 공지되어 있는 바와 같다.
구체적으로는, 예를 들면, 내연기관의 배기 매니폴드와 흡기 매니폴드를 연결하는 고압 배기 재순환 통로와, 배기관에 배치된 터빈의 하류측과 흡기관에 배치된 압축기의 상류측을 연결하는 저압 배기 재순환 통로의 2개의 배기 재순환 통로를 설치한 구성의 것 등이 공지되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 등 참조).
이러한 2개의 배기 재순환 통로를 가지는 배기 재순환 장치는, 내연기관의 운전 상태에 따라 고압 배기 재순환 통로와 저압 배기 재순환 통로를 구분하여 사용함으로써, 적절한 배기의 재순환 제어를 가능하게 하는 것이다.
그런데, 상술한 바와 같은 고압과 저압의 2개의 배기 재순환 통로를 가지는 배기 재순환 장치에 있어서는, 연료의 연소에 의해 흡기관측의 새로운 공기에 비해 보다 많은 수분을 포함한 배기가 저압 배기 재순환 통로에서 환류되기 때문에, 흡기관에 설치된 인터쿨러 하류측에 응축수가 발생하기 쉽다. 이러한 응축수는 내연기관 내로 흡입되면 이른바 워터 해머 현상을 일으켜 내연기관을 손상시킬 우려가 있다.
이러한 문제를 해결하는 방책으로서, 종래는, 인터쿨러 하류에서 응축수를 발생시키지 않는 저압 배기 재순환 통로에서의 최대 허용 환류량을 소정의 연산식 등에 의해 산출하여, 환류량의 제한을 행함으로써 응축수의 발생을 방지하는 방법 등이 공지되어 있다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 2007-126995호
그러나, 저압 배기 재순환 통로에서의 환류량을 제한하는 것은, 배기 재순환 장치 전체로서의 목표 EGR양을 달성할 수 없게 될 가능성을 초래하고, 결과적으로 NOx가 증가하기 때문에, 배기 재순환 장치를 설치하는 본래의 의의가 없어진다는 문제가 있다.
본 발명은, 상기 실상을 감안하여 이루어진 것으로, 목표의 EGR 유량을 확실하게 확보하면서, 응축수의 발생을 억압, 방지하는 것을 가능하게 하는 배기 재순환 장치의 동작 제어 방법 및 배기 재순환 장치를 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 배기 재순환 장치의 동작 제어 방법은, 고압 배기 재순환 통로와 저압 배기 재순환 통로의 2개의 배기 재순환 통로가 설치되는 동시에, 흡기관에는 수냉 인터쿨러가 설치되고, 상기 수냉 인터쿨러의 출구 부근의 목표 온도로서의 인터쿨러 하류측 온도가 연산에 의해 산출되어, 상기 저압 배기 재순환 통로의 배기 재순환량의 제어에 제공되도록 구성되는 배기 재순환 장치에서의 배기 재순환 동작 제어 방법으로서,
상기 수냉 인터쿨러의 출구 부근의 이슬점을 산출하고, 상기 인터쿨러 하류측 온도와 비교하여, 그 중 높은 쪽을 상기 수냉 인터쿨러의 출구 부근의 목표 흡기 온도로 하여, 상기 수냉 인터쿨러의 수량(水量) 조정을 행하도록 구성되는 것이다.
또한, 상기 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 배기 재순환 장치는, 고압 배기 재순환 통로와 저압 배기 재순환 통로의 2개의 배기 재순환 통로가 설치되는 동시에, 흡기관에는 수냉 인터쿨러가 설치되는 한편, 상기 고압 배기 재순환 통로 및 상기 저압 배기 재순환 통로에서의 각각의 배기 재순환량을 제어 가능하게 구성된 전자 제어 유닛이 설치되고, 당해 전자 제어 유닛은 상기 수냉 인터쿨러의 출구 부근의 목표 온도로서의 인터쿨러 하류측 온도를 연산 산출하고, 당해 연산 결과를 상기 저압 배기 재순환 통로의 배기 재순환량의 제어에 제공하도록 구성되는 배기 재순환 장치로서,
상기 전자 제어 유닛은 상기 수냉 인터쿨러의 출구 근방의 이슬점을 산출하고, 상기 인터쿨러 하류측 온도와 비교하여, 그 중 높은 쪽을 상기 수냉 인터쿨러의 출구 부근의 목표 흡기 온도로 하여, 상기 수냉 인터쿨러의 수량 조정이 가능하도록 구성되는 것이다.
본 발명에 따르면, 가변 압축기의 하류측의 수냉 인터쿨러의 수량을 조절하여 응축수의 발생을 억압, 방지함으로써, 종래의 제어 처리에 의해 응축수의 발생을 고려하지 않고 저압 배기 재순환 통로의 배기 재순환량을 제어하는 것이 가능 해져, 목표의 EGR양을 확실하게 확보할 수 있어, 종래에 비해, 동작 효율이 보다 양호한 배기 재순환 장치를 제공할 수 있다는 효과를 나타내는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에서의 배기 재순환 장치의 구성예를 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에서의 배기 재순환 장치에서 실행되는 배기 재순환 동작 제어 처리의 수순을 나타내는 서브 루틴 플로우 차트이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여, 도 1 및 도 2를 참조하면서 설명한다.
또한, 이하에 설명하는 부재, 배치 등은 본 발명을 한정하는 것은 아니고, 본 발명의 취지의 범위 내에서 다양하게 개조 및 변경할 수 있는 것이다.
먼저, 본 발명의 실시 형태에서의 배기 재순환 장치의 구성예에 대하여 도 1을 참조하면서 설명한다.
본 발명의 실시 형태에서의 배기 재순환 장치는, 고압 배기 재순환 통로(5)와 저압 배기 재순환 통로(6)의 2개의 배기 재순환 통로가 설치된 구성을 가지며, 이러한 구성 자체는 종래부터 공지되어 있는 것이다.
본 발명의 실시 형태에서의 배기 재순환 장치에서 내연기관으로서의 엔진(1)은 예를 들어, 디젤 엔진이다.
이러한 엔진(1)의 흡기 매니폴드(4a)에는 연료의 연소를 위해 필요한 공기를 도입하는 흡기관(2)이, 또한, 배기 매니폴드(4b)에는 배기를 위한 배기관(3)이, 각각 접속되어 있다.
그리고, 흡기관(2)의 흡기 매니폴드(4a) 근방의 적절한 부위와 배기관(3)의 배기 매니폴드(4b) 근방의 적절한 부위 사이에는 이러한 것들을 연결하는 고압 배기 재순환 통로(5)가 설치되어 있다.
이 고압 배기 재순환 통로(5)에는 흡기관(2)측으로부터 고압 배기 재순환 통로(5)의 연통 상태, 즉 배기의 환류량을 조정하기 위한 고압 EGR 밸브(7)와, 통과하는 배기의 냉각을 행하기 위한 고압 EGR 쿨러(8)가 순서대로 설치되어 있다.
또한, 고압 EGR 쿨러(8)의 양쪽 단부 근방의 고압 배기 재순환 통로(5)에는 고압 EGR 쿨러(8)의 양쪽 단부 근방을 연결하는 바이패스 통로(9)가 설치되어 있다. 이러한 바이패스 통로(9)의 상류측, 즉, 배기 매니폴드(4b)측의 단부에는 바이패스 밸브(10)가 설치되어, 바이패스량의 조정이 가능하게 된다.
또한, 흡기관(2)에 설치된 압축기(13)와, 배기관(3)에 설치된 가변 터빈(12)을 주된 구성 요소로 하여 이루어진 공지·주지의 구성을 가지는 가변 터보(11)가 설치되어 있다.
즉, 압축기(13)는 고압 배기 재순환 통로(5)보다 상류측의 흡기관(2)의 적절한 위치에, 또한, 가변 터빈(12)은 고압 배기 재순환 통로(5)보다 하류측의 배기관(3)의 적절한 위치에 각각 설치된 것으로 되어 있다.
가변 터보(11)는, 가변 터빈(12)에 의해 얻어진 회전력에 의해 압축기(13)가 회전되어, 압축된 공기를 흡입 공기로서 흡기 매니폴드(4a)로 송출 가능하게 되어 있다.
또한, 흡기관(2)에는 앞서 서술한 고압 배기 재순환 통로(5)와 가변 터보(11)의 사이의 적절한 위치에서, 흡입 공기의 냉각을 행하는 수냉 인터쿨러(14)가 설치되어 있다.
수냉 인터쿨러(14)는 유량 조정용 펌프(도 1에서는 「P」로 표기)(15)에 의해 수량 조절이 가능하게 되는 것으로, 이러한 수냉 인터쿨러(14) 자체는 종래와 동일한 것이다.
또한, 수냉 인터쿨러(14)와 고압 배기 재순환 통로(5)의 사이에는 흡입 공기의 양을 조정하기 위한 흡기 스로틀 밸브(16)가 설치되어 있다.
또한, 압축기(13)의 상류측의 흡기관(2)과 가변 터빈(12)의 하류측의 배기관(3)의 적절한 부위에는 이러한 것들을 연결하는 저압 배기 재순환 통로(6)가 설치되어 있다.
이러한 저압 배기 재순환 통로(6)에는 배기관(3)측으로부터 저압 저압 EGR 쿨러(19), 저압 EGR 밸브(20)가 순서대로 설치되어 있다.
또한, 이러한 저압 배기 재순환 통로(6)와 가변 터빈(12)의 사이의 배기관(3)에는 가변 터빈(12)측으로부터 하류 방향을 향해 배기 정화를 위한 질소 산화물 흡장 환원 촉매(NOx Storage Catalyst)(17), 디젤 미립자 포집 필터(Disel Particulate Filter)(18)가 순서대로 설치되어 있다.
한편, 흡기관(2)에서 저압 배기 재순환 통로(6)와 연결 부분보다 상류측에는 상류측으로부터 하류측을 향해 에어 필터(21), 흡입 공기량을 계측하는 공기 질량 센서(22), 저압용 스로틀 밸브(23)가 순서대로 설치되어 있다. 또한, 공기 질량 센서(22)에는 온도 센서가 내장되어 있어 흡기 온도가 계측 가능하게 되어 있다.
또한, 본 발명의 실시 형태에서의 배기 재순환 장치에는 다음에 서술하는 각종 센서가 설치되어 있다.
우선, 흡기관(2)의 에어 필터(21)와 공기 질량 센서(22)의 사이에는 습도 센서(31)가 설치되어 있다.
또한, 흡기관(2)에서, 흡기 스로틀 밸브(16)와 고압 배기 재순환 통로(5)의 접속 부분의 사이에는 흡기압 센서(32)와 인터쿨러 하류측 온도 센서(33)가 설치되어 있다. 흡기압 센서(32)에 의해 엔진(1)의 흡기압이, 인터쿨러 하류측 온도 센서(33)에 의해 수냉 인터쿨러(14)의 하류측 온도가 각각 검출 가능하게 되어 있다.
또한 추가로, 배기관(3)에는 가변 터빈(12)과 질소 산화물 흡장 환원 촉매(이하, 「NSC」라고 칭함)(17)의 사이에, 상류측으로부터 제 1 배기 온도 센서(34), 제 1 람다 센서(36)가 순서대로 설치되어 있다.
또한, NSC(17)와 디젤 미립자 포집 필터(이하, 「DPF」라고 칭함)(18)의 사이에는 제 2 배기 온도 센서(35)가 설치되는 한편, 배기관(3)의 저압 배기 재순환 통로(6)와의 접속 부분과 DPF(18)의 사이에는 제 2 람다 센서(37)가 설치되어 있다.
또한, DPF(18)가 설치된 곳에는 배기용 차압 센서(38)가 설치되어 있어, DPF(18) 전후의 압력차가 검출 가능하게 되어 있다.
또한, 저압 배기 재순환 통로(6)의 저압 EGR 밸브(20)의 위치에는 저압용 차압 센서(39)가 설치되어 있어, 저압 EGR 밸브(20)의 전후의 압력차가 검출 가능하게 되어 있다.
상술한 고압 EGR 밸브(7), 바이패스 밸브(10), 유량 조정용 펌프(15), 흡기 스로틀 밸브(16), 저압 EGR 밸브(20), 저압용 스로틀 밸브(23) 등은 그 동작이 전자 제어 유닛(50)에 의해 제어되도록 되어 있다. 또한, 앞에 서술한 가변 터빈(12) 등의 동작도 전자 제어 유닛(50)에 의해 제어되도록 되어 있다.
이러한 전자 제어 유닛(50)은, 예를 들어, 공지·주지의 구성으로 이루어진 마이크로 컴퓨터를 중심으로, RAM이나 ROM 등의 기억 소자(도시하지 않음)를 구비하는 동시에, 입출력 인터페이스 회로(도시하지 않음)를 주된 구성 요소로서 구성되는 것이다.
이러한 전자 제어 유닛(50)에는, 공기 질량 센서(22), 습도 센서(31), 흡기압 센서(32), 인터쿨러 하류측 온도 센서(33), 제 1 배기 온도 센서(34), 제 1 람다 센서(36), 제 2 배기 온도 센서(35), 제 2 람다 센서(37), 배기용 차압 센서(38), 저압용 차압 센서(39)의 각각의 검출 신호와 함께, 도시되지 않은 센서 등에 의해 검출된 차량의 동작 제어에 필요한 각종 신호, 예를 들면, 대기압, 엔진 회전수, 액셀 개방도, 엔진 냉각수 온도 등이 입력되도록 되어 있다.
상술한 바와 같이 전자 제어 유닛(50)에 입력된 각종 검출 신호는 연료 분사 밸브(도시하지 않음)의 연료 분사 제어 처리, 또는 후술하는 본 발명의 실시 형태에서의 배기 재순환 동작 제어 등에 제공되도록 되어 있다.
다음으로, 전자 제어 유닛(50)에 의해 실행되는 본 발명의 실시 형태에서의 배기 재순환 동작 제어 처리에 대하여 도 2를 참조하여 설명한다.
우선, 본 발명의 실시 형태에서의 전자 제어 유닛(50)은 종래와 마찬가지로 연료 분사 밸브(도시하지 않음)의 연료 분사 제어나 엔진(1)의 회전 제어 등의 엔진(1)의 동작 제어 등이 실행 가능하게 구성된 것임을 전제로 한다.
전자 제어 유닛(50)에 의한 제어가 개시되면, 초기에, 후술하는 이슬점 산출에 필요한 각종 연산 요소의 입력이 행해진다(도 2의 단계 S100 참조).
본 발명의 실시 형태에서의 구체적인 각종 연산 요소는, 상대 습도, 인터쿨러 하류측 과급압, 인터쿨러 하류측 온도, 대기압, 외기온, 공기 과잉율, 흡입 공기량, 저압 연통로 공기량이다.
상술한 이슬점 산출에 사용되는 연산 요소는 최소로 필요한의 것이다. 따라서, 이러한 연산 요소에 보다 적절하게 새로운 연산 요소를 추가함으로써, 산출되는 이슬점의 정밀도를 높이도록 해도 좋다.
상대 습도는 습도 센서(31)에 의해 검출된 것이다.
인터쿨러 하류측 과급압은 수냉 인터쿨러(14)의 하류측에서의 과급압이다. 본 발명의 실시 형태에서는 과급압 제어에서 종래부터 사용되고 있는 과급 모델에 기초한 연산에 의해 산출된 값이 사용되는 것으로 되어 있다.
인터쿨러 하류측 온도는 인터쿨러 하류측 온도 센서(33)에 의해 검출된다.
대기압은 도시되지 않은 대기압 센서에 의해, 또한, 외기 온도는 동일하게 도시되지 않은 외기 온도 센서에 의해 각각 검출된다.
공기 과잉율은 제 2 람다 센서(37)에 의해 검출된다.
흡입 공기량은 공기 질량 센서(22)에 의해 검출된다.
저압 연통로 공기량은 저압 배기 재순환 통로(6)를 통과하는 배기량으로서 연산에 의해 산출되는 계산값이다. 이러한 저압 연통로 공기량의 계산값을 구하는 연산에는 공기 질량 센서(22)에 의해 검출된 흡입 공기량과, 저압용 차압 센서(39)에 의해 검출된 저압 EGR 밸브(20)의 전후에서의 차압이 파라미터의 하나로서 사용되도록 되어 있다.
다음으로, 수냉 인터쿨러(14)의 하류, 즉, 출구 부근에서의 이슬점이 상술한 각종 연산 요소를 사용하여 미리 설정된 연산식에 의해 산출된다(도 2 단계 S200 참조).
수냉 인터쿨러(14)의 출구 부근의 이슬점을 구하는 연산식은, 배기 재순환 장치나 차량의 구체적인 사양 등에 따라 최적인 식이 다르기 때문에, 이를 고려하여 시험 결과나 시뮬레이션 결과 등에 기초하여 정하는 것이 적합하다.
이어서, 상술과 같이 하여 산출된 이슬점이 수냉 인터쿨러(14)의 하류측의 목표 온도(이하, 설명의 편의상 「인터쿨러 하류측 목표 온도」라 칭함)를 초과하고 있는지 여부가 판정된다(도 2의 단계 S300 참조).
여기서, 인터쿨러 하류측 목표 온도는 고압과 저압의 2개의 배기 재순환 통로를 가지는 구성의 배기 재순환 장치에서 저압측의 배기 재순환 통로의 배기 재순환량을 제어하기 위해 연산 처리에 의해 산출되는 것이다.
이러한 연산 처리는 본 발명 특유의 것이 아니라 종래부터 행해지고 있는 것이다.
본 발명의 실시 형태에서의 배기 재순환 장치는 상술한 바와 같은 연산 처리 등의 기본적인 배기 재순환 제어가 종래와 마찬가지로 실행되는 것임을 전제로 하고 있다.
그리고, 단계 S300에서, 이슬점이 인터쿨러 하류측 목표 온도를 초과하고 있다고 판정된 경우(YES의 경우)에는 수냉 인터쿨러(14)의 출구 부근의 목표 흡기 온도로서 이슬점이 선택되게 된다(도 2의 단계 S400 참조).
한편, 단계 S300에서, 이슬점이 인터쿨러 하류측 목표 온도를 초과하고 있지 않다고 판정된 경우(NO의 경우)에는 수냉 인터쿨러(14)의 출구 부근에서의 목표 흡기 온도로서 인터쿨러 하류측 목표 온도가 선택되게 된다(도 2의 단계 S500 참조). 또한, 여기서, "목표 흡기 온도"는, 흡기 매니폴드(4a)에 과급되는 공기의 목표 온도를 의미한다.
이어서, 단계 S600에서는, 수냉 인터쿨러(14) 출구 부근의 목표 흡기 온도가 상술한 바와 같이 하여 선택된 어느 하나의 온도가 되도록, 전자 제어 유닛(15)에 의한 유량 조정용 펌프(15)의 구동 제어가 행해져 수냉 인터쿨러(14)의 수량 조정이 행해진다.
그 결과, 수냉 인터쿨러(14) 출구 근방에서의 응축수의 발생을 고려하지 않고 종래의 제어 처리에 의해 저압 배기 재순환 통로(6)의 배기 재순환량을 제어하는 것이 가능해져, 목표의 EGR양이 확실히 확보되게 된다.
[산업상의 이용 가능성]
목표의 EGR 유량을 확실하게 확보하면서 응축수 발생의 억압, 방지가 요구되는 배기 재순환 장치에 적용할 수 있다.
1 ... 엔진
5 ... 고압 배기 재순환 통로
6 ... 저압 배기 재순환 통로
14 ... 수냉 인터쿨러
50 ... 전자 제어 유닛

Claims (4)

  1. 고압 배기 재순환 통로와 저압 배기 재순환 통로의 2개의 배기 재순환 통로가 설치되는 동시에, 흡기관에는 수냉 인터쿨러가 배치되고, 상기 수냉 인터쿨러의 출구 부근의 목표 온도로서의 인터쿨러 하류측 온도가 연산에 의해 산출되어 상기 저압 배기 재순환 통로의 배기 재순환량의 제어에 제공되도록 구성되는 배기 재순환 장치에서의 배기 재순환 동작 제어 방법으로서,
    상기 수냉 인터쿨러의 출구 부근의 이슬점을 산출하고, 상기 인터쿨러 하류측 온도와 비교하여, 그 중 높은 쪽을 상기 수냉 인터쿨러의 출구 부근의 목표 흡기 온도로 하여, 상기 수냉 인터쿨러의 수량 조정을 행하는 것을 특징으로 하는 배기 재순환 동작 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 이슬점의 산출에는, 적어도 상대 습도, 상기 수냉 인터쿨러의 하류측에서의 과급압, 상기 수냉 인터쿨러의 하류측의 온도, 대기압, 외기온, 상기 저압 배기 재순환 통로 입구 부근의 공기 과잉율, 흡입 공기량, 및, 저압 연통로의 공기량이 사용되는 것을 특징으로 하는 배기 재순환 동작 제어 방법.
  3. 고압 배기 재순환 통로와 저압 배기 재순환 통로의 2개의 배기 재순환 통로가 설치되는 동시에, 흡기관에는 수냉 인터쿨러가 배치되는 한편, 상기 고압 배기 재순환 통로 및 상기 저압 배기 재순환 통로에서의 각각의 배기 재순환량을 제어 가능하게 구성된 전자 제어 유닛이 설치되고, 당해 전자 제어 유닛은 상기 수냉 인터쿨러의 출구 부근의 목표 온도로서의 인터쿨러 하류측 온도를 연산 산출하고, 당해 연산 결과를 상기 저압 배기 재순환 통로의 배기 재순환량의 제어에 제공하도록 구성되는 배기 재순환 장치에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛은,
    상기 수냉 인터쿨러의 출구 근방의 이슬점을 산출하고, 상기 인터쿨러 하류측 온도와 비교하여, 그 중 높은 쪽을 상기 수냉 인터쿨러의 출구 부근의 목표 흡기 온도로 하여, 상기 수냉 인터쿨러의 수량 조정을 가능하게 구성되는 것을 특징으로 하는 배기 재순환 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은 적어도 상대 습도, 상기 수냉 인터쿨러의 하류측에서의 과급압, 상기 수냉 인터쿨러의 하류측의 온도, 대기압, 외기온, 상기 저압 배기 재순환 통로 입구 부근의 공기 과잉율, 흡입 공기량, 및, 저압 연통로의 공기량을 사용하여 상기 이슬점을 산출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배기 재순환 장치.
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