KR20220017035A - Lp-egr쿨러의 냉각수 보일링 방지방법 및 시스템 - Google Patents

Lp-egr쿨러의 냉각수 보일링 방지방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 DPF 재생 완료후, LP-EGR밸브와 HP-EGR밸브를 제어하여 EGR 사용 유량을 유지하면서도 LP-EGR쿨러의 냉각수 보일링을 방지하기 위한 기술에 관한 것으로, 본 발명에서는, 제어기가, 매연저감장치의 재생 종료시, LP-EGR밸브를 닫는 단계; 제어기가, 상기 LP-EGR밸브를 닫으면서 HP-EGR밸브를 제어하여 목표 EGR율을 추종하도록 제어하는 단계;를 포함하여 구성되는 LP-EGR쿨러의 냉각수 보일링 방지방법 및 시스템이 소개된다.

Description

LP-EGR쿨러의 냉각수 보일링 방지방법 및 시스템{Method and system for preventing cooling water boiling in LP-EGR cooler}
본 발명은 DPF 재생 완료후, LP-EGR밸브와 HP-EGR밸브를 제어하여 EGR 사용 유량을 유지하면서도 LP-EGR쿨러의 냉각수 보일링을 방지하기 위한 방법 및 시스템을 제공하는 데 있다.
최근 배기규제 강화로 인해 EGR이 사용되는 운전영역을 확장하는 것은 물론, EGR유량이 증가하는 추세에 있다.
한편, DPF 재생 후 노멀 운전조건에 진입시, EGR이 사용되는 경우 다량의 EGR가스가 EGR쿨러에 유입되고, 배기규제의 강화 수준에 따라 EGR 사용유량이 더욱 증가할 수 있다.
하지만, DPF 재생 직후에 고온의 잔여 EGR가스가 LP-EGR쿨러에 유입됨으로써, LP-EGR쿨러에 흐르는 냉각수의 보일링이 발생하여 쿨러 파손, 냉각수 외부 누수, 연소실내 냉각수 유입, 터보컴프레서휠 파손 등과 같이 엔진에 중대한 문제를 초래하는 원인이 될 수 있다.
이에, 엔진 냉각수온도가 높은 경우 EGR을 사용하지 않는 방안이 제시된바 있지만, 이는 배기규제 강화에 따라 EGR 사용을 확대하는 정책에 부합되지 못하는 문제가 있다.
또한, 다른 방안으로 EGR쿨러에 냉각수 유량을 증대하는 경우, 엔진 전체 냉각수를 분배해야 하기 때문에 한계가 있고, 또 쿨러 용량을 증대하는 경우, 쿨러의 내부 형상을 최적화하는 데에 비용적 및 효과적으로 한계가 있는 문제가 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2018-0068062 A
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, DPF 재생 완료후, LP-EGR밸브와 HP-EGR밸브를 제어하여 EGR 사용 유량을 유지하면서도 LP-EGR쿨러의 냉각수 보일링을 방지하기 위한 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 제어기가, 매연저감장치의 재생 종료시, LP-EGR밸브를 닫는 단계; 제어기가, 상기 LP-EGR밸브를 닫으면서 HP-EGR밸브를 제어하여 목표 EGR율을 추종하도록 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 LP-EGR밸브 닫힘시간을 설정하여, 설정된 닫힘시간 동안 LP-EGR밸브의 닫힘상태를 유지시킬 수 있다.
상기 LP-EGR밸브가 닫혀 있는 시간동안 오픈루프(Open loop)제어 또는 클로우즈(Close loop)제어를 통해 HP-EGR밸브의 개도량을 제어하여 목표 EGR율을 추종할 수 있다.
엔진회전수와 연료량의 관계로 총공기량(신기유량+EGR유량)이 결정되고; 상기 총공기량과 목표 EGR율의 관계로 목표 EGR율을 만족시키는 목표 EGR유량을 산출하며; 상기 목표 EGR유량에 따라 HP-EGR밸브 개도량을 제어하여 목표 EGR율을 추종할 수 있다.
엔진회전수와 연료량의 관계로 총공기량(신기유량+EGR유량)이 결정되고; 상기 총공기량과 목표 EGR율의 관계로 목표 EGR율을 만족시키는 목표 EGR유량과 목표 신기유량을 각각 산출하며; 공기유량센서를 통해 실제 신기유량을 측정하여 실제 EGR유량을 산출하고; 목표 EGR유량과 실제 EGR유량의 유량에러를 산출하며; 상기 유량에러를 제거하기 위해 HP-EGR밸브 개도량을 피드백 제어하여 목표 EGR율을 추종할 수 있다.
본 발명은, 매연저감장치의 재생 종료시, LP-EGR밸브를 닫으면서 HP-EGR밸브를 제어하여 목표 EGR율을 추종하도록 제어하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, DPF의 재생 직후, LP-EGR은 오프시키고, HP-EGR만 단독으로 작동시켜 EGR시스템을 작동함으로써, DPF 재생에 따른 고온의 잔여 배기가스가 LP-EGR쿨러 내에 유입되는 것을 방지하게 된다. 따라서, LP-EGR쿨러 내의 냉각수 보일링을 방지하면서, EGR 사용 유량을 유지하여 배기규제를 만족시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 적용 가능한 엔진 및 배기시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명에서 DPF 재생 완료시 LP-EGR 미사용에 따른 LP-EGR쿨러 입출구의 EGR가스온도 및 냉각수온도를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명에서 DPF 비정상 재생시, LP-EGR 미사용에 따른 LP-EGR쿨러의 냉각수온도를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 LP-EGR쿨러의 냉각수 보일링 방지방법의 플로우차트.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 적용 가능한 엔진 및 배기시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명은 HP-EGR과 LP-EGR을 동시에 사용 가능한 HP+LP EGR 시스템이 포함된 것으로, 배기규제 강화에 따른 EGR 사용량 증대와 EGR 사용영역의 확장이 가능하도록 구성된다.
HP-EGR시스템과, LP-EGR시스템은 각각 HP-EGR쿨러(32)와 LP-EGR쿨러(22)를 통해 EGR 가스를 냉각하고, HP-EGR밸브(30)와 LP-EGR밸브(20)를 통해 EGR가스의 유량을 제어한다.
이 중, LP-EGR쿨러(22)는 매연저감장치 후단에 배치되고, EGR가스가 LP-EGR쿨러(22)를 거쳐 LP-EGR밸브(20)로 진입되기 때문에 LP-EGR쿨러(22)가 상시 고온의 배기가스에 노출되는 구조가 된다.(DPF 재생시 약 640℃ / 재생시 Tip Out시 약 800~900℃)
반면, HP-EGR시스템은 EGR가스가 HP-EGR밸브(30)를 거쳐 HP-EGR쿨러(32)를 지나는 구조(선택적으로 고온가스에 노출됨)로 이루어져 있어, HP-EGR쿨러(32)의 파울링을 방지할 수 있게 된다.
한편, 도면을 참조하면, 본 발명은 매연저감장치의 재생 종료시, LP-EGR밸브(20)를 닫으면서 HP-EGR밸브(30)를 제어하여 목표 EGR율을 추종하도록 제어하는 제어기(40);를 포함하여 구성이 된다.
여기서, 매연저감장치는 DPF(10)일 수 있다.
즉, DPF(10)의 재생 직후, LP-EGR은 오프시키고, HP-EGR만 단독으로 작동시켜 EGR시스템을 작동하게 된다.
따라서, DPF(10) 재생에 따른 고온의 잔여 배기가스가 LP-EGR쿨러(22) 내에 유입되는 것을 방지함으로써, LP-EGR쿨러(22) 내의 냉각수 보일링을 방지하는 한편, EGR 사용 유량을 유지하여 배기규제를 만족시킬 수 있게 된다.
참고로, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 컨트롤러는 차량의 다양한 구성 요소의 동작을 제어하도록 구성된 알고리즘 또는 상기 알고리즘을 재생하는 소프트웨어 명령어에 관한 데이터를 저장하도록 구성된 비휘발성 메모리(도시되지 않음) 및 해당 메모리에 저장된 데이터를 사용하여 이하에 설명되는 동작을 수행하도록 구성된 프로세서(도시되지 않음)를 통해 구현될 수 있다. 여기서, 메모리 및 프로세서는 개별 칩으로 구현될 수 있다. 대안적으로는, 메모리 및 프로세서는 서로 통합된 단일 칩으로 구현될 수 있다. 프로세서는 하나 이상의 프로세서의 형태를 취할 수 있다.
한편, 도 2는 본 발명에서 DPF(10) 재생 완료시 LP-EGR 미사용에 따른 LP-EGR쿨러(22) 입출구의 EGR가스온도 및 냉각수온도를 설명하기 위한 도면이다.
도면을 참조하면, 제어기(40)가, 매연저감장치의 재생 종료시, LP-EGR밸브(20)를 닫는 단계; 제어기(40)가, 상기 LP-EGR밸브(20)를 닫으면서 HP-EGR밸브(30)를 제어하여 목표 EGR율을 추종하도록 제어하는 단계;를 포함하여 구성이 된다.
이때에, 상기 LP-EGR밸브(20)를 닫는 단계에서는, 상기 LP-EGR밸브(20) 닫힘시간을 설정하여, 설정된 닫힘시간 동안 LP-EGR밸브(20)의 닫힘상태를 유지시킬 수 있다.
여기서, 상기 닫힘시간은 차량 운전조건을 반영하는 출력값에 따라 결정되거나, 실험값에 의해 결정될 수 있다.
그리고, 상기 LP-EGR밸브(20)가 닫혀 있는 시간동안 오픈루프(Open loop)제어 또는 클로우즈(Close loop)제어를 통해 HP-EGR밸브(30)의 개도량을 제어하여 목표 EGR율을 추종하도록 제어할 수 있다. HP-EGR밸브(30)를 제어하는 구체적인 방법에 대해서는 아래에서 다시 설명하기로 한다.
즉, DPF(10) 재생 탈출시 LP-EGR쿨러(22)에 고온의 EGR가스가 다량 유입되는 것을 방지하기 위해 일정시간 동안 LP-EGR을 미사용한다.
이에, LP-EGR의 미사용 시간 동안 HP-EGR만을 제어하여 목표 EGR율을 맞춰 사용하게 된다.
이처럼, 일정시간 동안 LP-EGR을 미사용함에 따라 LP-EGR쿨러(22) 입구의 EGR가스온도는 440~470℃ 수준으로 하락하며, LP-EGR 사용상태로 돌아가도 LP-EGR쿨러(22) 출구의 EGR가스온도가 급격하게 상승하지 않게 된다.
특히, LP-EGR쿨러(22) 출구 냉각수온의 변화량이 1℃ 전후에 불과하여, LP-EGR쿨러(22)의 냉각수가 보일링되는 것을 방지할 수 있게 된다.
도 3은 DPF(10) 비정상 재생시, LP-EGR 미사용에 따른 LP-EGR쿨러(22)의 냉각수온도를 설명하기 위한 것으로, 이 같은 비정상 재생의 경우에도 LP-EGR을 미사용함에 따라 LP-EGR쿨러(22) 출구의 냉각수온이 급격하게 상승하지 않아 냉각수 보일링을 방지할 수 있게 된다.
한편, 본 발명에서 HP-EGR밸브(30)를 제어하는 제어기(40)는, ECU일 수 있는 것으로, 오픈루프 제어 또는 클로우즈루프 제어를 통해 제어 가능하며, 이들 모두 PID제어를 통해 HP-EGR밸브(30) 개도량을 결정할 수 있다.
즉, ECU 내의 H-Bridge센서를 이용하여 HP-EGR밸브(30)를 작동하는 액추에이터에 제어명령을 인가하고, 밸브개도량센서(마그넷, 홀센서 등)를 이용하여 실제 HP-EGR밸브(30)의 개도량을 인식하여 목표 개도량과 비교하여 HP-EGR밸브(30)의 개도량을 제어할 수 있다.
이에, 본 발명에서 오픈루프 제어를 통해 HP-EGR밸브(30)를 제어하는 방법에 대해 살펴보면, 엔진회전수와 연료량의 관계로 총공기량(신기유량+EGR유량)이 결정되고; 상기 총공기량과 목표 EGR율의 관계로 목표 EGR율을 만족시키는 목표 EGR유량을 산출하며; 상기 목표 EGR유량에 따라 HP-EGR밸브(30) 개도량을 제어하여 목표 EGR율을 추종할 수 있다.
예를 들어, 엔진회전수 1500RPM과 연료량 20g의 엔진운전점에서 총공기량이 100kg/h이고, 목표　EGR율이 20%라고 가정할 때에, 목표 EGR유량은 20kg/h이 된다.
이에, 목표 EGR유량을 맞추기 위한 HP-EGR밸브(30) 제어량을 산출하여 HP-EGR밸브(30)의 개도량을 조절함으로써, 목표 EGR율인 20%에 맞추어 EGR을 사용할 수 있게 된다. 위의 제어방식의 경우 HP-EGR밸브(30) 개도량의 오버슈팅이나 흔들림이 거의 없어 밸브 제어성이 용이하게 된다.
다음으로, 본 발명에서 클로우즈루프 제어를 통해 HP-EGR밸브(30)를 제어하는 방법에 대해 살펴보면, 엔진회전수와 연료량의 관계로 총공기량(신기유량+EGR유량)이 결정되고; 상기 총공기량과 목표 EGR율의 관계로 목표 EGR율을 만족시키는 목표 EGR유량과 목표 신기유량을 각각 산출하며; 공기유량센서를 통해 실제 신기유량을 측정하여 실제 EGR유량을 산출하고; 목표 EGR유량과 실제 EGR유량의 유량에러를 산출하며; 상기 유량에러를 제거하기 위해 HP-EGR밸브(30) 개도량을 피드백 제어하여 목표 EGR율을 추종할 수 있다.
예를 들어, 엔진회전수 1500RPM과 연료량 20g의 엔진운전점에서 총공기량이 100kg/h이고, 목표　EGR율이 20%라고 가정할 때에, 목표 EGR유량은 20kg/h이 되고, 목표 신기유량은 80kg/h가 된다.
이때에, 공기유량센서(Air Flow sensor)를 통해 측정한 현재 신기유량이 85kg/h라고 가정하면, 총공기량이 100kg/h이므로 EGR유량은 15kg/h이 된다.
이에, 목표 EGR유량과 실제 EGR유량을 비교하면, 목표 EGR유량은 20kg/h이고,　실제　EGR유량은 15kg/h이므로 5kg/h의　EGR유량이 더 요구된다.
따라서, 실제 EGR유량을 목표 EGR유량에 맞추기 위해 HP-EGR밸브(30) 개도량을 조정(클로우즈루프 제어)하여, HP-EGR밸브(30)의 개도량 상향시키고, 이에 목표 EGR유량을 추종할 수 있게 된다.
즉, 카본퇴적 등의 이유로 실제 EGR유량이 목표 EGR유량보다 낮은 경우, HP-EGR밸브(30) 개도량을 증가시키며, 반대로 배압 증가 등의 이유로 실제 EGR유량이 목표 EGR유량보다 높은 경우, HP-EGR밸브(30) 개도량을 감소시키게 됨으로써, 현 상황에 맞춰 EGR율을 용이하게 제어하면서 EGR을 사용할 수 있게 된다.
한편, 도 4는 본 발명에 따른 LP-EGR쿨러(22)의 냉각수 보일링 방지방법의 플로우차트이다.
도면을 참조하여 LP-EGR쿨러(22)의 냉각수 보일링을 방지하는 방법을 설명하면, 차량의 운행 중, DPF(10)의 재생에 진입했는지 판단한다(S10).
S10단계의 판단 결과, DPF(10) 재생에 진입시 DPF(10) 재생 중, 재생이 완료되었는지 판단한다(S20). DPF(10)의 재생 여부는 엔진 운전상태를 나타내는 변수값으로 판단할 수 있다.
S20단계의 판단 결과, DPF(10) 재생이 완료되지 않은 경우, DPF(10)의 재생을 지속한다(S30).
반면, DPF(10) 재생 완료시, EGR밸브 제어모드에 진입하여 LP-EGR밸브(20)를 닫고(S40), HP-EGR밸브(30)의 개도량을 제어하여 목표 EGR율을 맞추게 되고, 이에 EGR을 사용하게 된다(S50).
이어서, LP-EGR밸브(20)를 닫은 시간이 설정된 닫힘시간을 초과했는지 판단하고(S60), 닫힘시간을 초과하기 전까지 HP-EGR밸브(30)를 제어하여 EGR가스를 공급하게 된다.
반면, LP-EGR밸브(20)의 닫힘시간을 초과시, EGR밸브 제어모드를 종료함에 따라 LP-EGR밸브(20)와 HP-EGR밸브(30)를 DPF(10) 재생 이전의 정상운전조건으로 복귀시키게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 DPF(10)의 재생 직후, LP-EGR은 오프시키고, HP-EGR만 단독으로 작동시켜 EGR시스템을 작동함으로써, DPF(10) 재생에 따른 고온의 잔여 배기가스가 LP-EGR쿨러(22) 내에 유입되는 것을 방지하게 된다. 따라서, LP-EGR쿨러(22) 내의 냉각수 보일링을 방지하면서, EGR 사용 유량을 유지하여 배기규제를 만족시킬 수 있게 된다.
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
10 : DPF
20 : LP-EGR밸브
22 : LP-EGR쿨러
30 : HP-EGR밸브
32 : HP-EGR쿨러
40 : 제어기

Claims (6)

  1. 제어기가, 매연저감장치의 재생 종료시, LP-EGR밸브를 닫는 단계;
    제어기가, 상기 LP-EGR밸브를 닫으면서 HP-EGR밸브를 제어하여 목표 EGR율을 추종하도록 제어하는 단계;를 포함하는 LP-EGR쿨러의 냉각수 보일링 방지방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 LP-EGR밸브 닫힘시간을 설정하여, 설정된 닫힘시간 동안 LP-EGR밸브의 닫힘상태를 유지시키는 것을 특징으로 하는 LP-EGR쿨러의 냉각수 보일링 방지방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 LP-EGR밸브가 닫혀 있는 시간동안 오픈루프(Open loop)제어 또는 클로우즈(Close loop)제어를 통해 HP-EGR밸브의 개도량을 제어하여 목표 EGR율을 추종하는 것을 특징으로 하는 LP-EGR쿨러의 냉각수 보일링 방지방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    엔진회전수와 연료량의 관계로 총공기량(신기유량+EGR유량)이 결정되고;
    상기 총공기량과 목표 EGR율의 관계로 목표 EGR율을 만족시키는 목표 EGR유량을 산출하며;
    상기 목표 EGR유량에 따라 HP-EGR밸브 개도량을 제어하여 목표 EGR율을 추종하는 것을 특징으로 하는 LP-EGR쿨러의 냉각수 보일링 방지방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    엔진회전수와 연료량의 관계로 총공기량(신기유량+EGR유량)이 결정되고;
    상기 총공기량과 목표 EGR율의 관계로 목표 EGR율을 만족시키는 목표 EGR유량과 목표 신기유량을 각각 산출하며;
    공기유량센서를 통해 실제 신기유량을 측정하여 실제 EGR유량을 산출하고;
    목표 EGR유량과 실제 EGR유량의 유량에러를 산출하며;
    상기 유량에러를 제거하기 위해 HP-EGR밸브 개도량을 피드백 제어하여 목표 EGR율을 추종하는 것을 특징으로 하는 LP-EGR쿨러의 냉각수 보일링 방지방법.
  6. 매연저감장치의 재생 종료시, LP-EGR밸브를 닫으면서 HP-EGR밸브를 제어하여 목표 EGR율을 추종하도록 제어하는 제어기;를 포함하는 LP-EGR쿨러의 냉각수 보일링 방지시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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