KR20220085078A - 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 시스템 및 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 방법 - Google Patents

하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 시스템 및 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 방법 Download PDF

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오영규
박금진
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은, 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 시스템 및 퍼지 방법에 관한 발명으로서, 연료 탱크에서 발생된 증발가스를 가압하고 가압된 상기 증발가스를 흡기파이프에 공급하는 능동형 증발가스 퍼지 유닛을 이용하여, 최적 운전점 변경에 따른 엔진토크, 시스템 효율 또는 배터리 충전 상태(SOC) 조건에 따라, 증발가스의 처리량을 제어 방법을 변경함으로써, 효율적으로 증발 가스 퍼지가 이루어지도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 시스템 및 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 방법{active purge system of hybrid vehicle and purging methods thereof}
본 발명은 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 시스템 및 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 엔진의 부분 부하 맥스 상향 시의 시스템 효율 최적점 변경에 따라 증발가스 처리를 제어하는 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 시스템 및 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 방법에 관한 것이다.
최근에는, 에너지 절약과 환경오염 방지등을 고려하여 자동차의 연료 소비 절감이 중요한 과제로 대두되고 있다. 이러한 연료 소비의 감소를 위한 방안으로는 크게 차량의 경량화, 배기가스 절감 및 연비의 향상 등의 방법이 있다. 특히, 차량의 연비 향상의 경우 엔진이 최저 연비 상태에서 운전되도록 제어할 수 있도록 제어한다면 연비효율 향상을 도모할 수 있다.
이와 관련해서 기존의 하이브리드 차량(Hibrid Electric Vehicle, HEV)의 경우 설정된 엔진 RPM에서 최적운전점(Optimal Operating Line, OOL)으로 운전하도록 엔진의 토크를 제어하고, HCU(Hibrid Control Unit)은 엔진의 최적운전점 조건에서 모터의 적절한 토크 분배를 통하여 엔진의 연비 효율 향상을 도모하고 있다.
한편, 하이브리드 차량에 장착되는 엔진은, HSG, 모터 등과 함께 엔진룸에 위치되어야 하는 바, 다운 사이징 되고 있다. 따라서, 최근에는 엔진의 배기량이 감소되더라도, 큰 출력을 발생시키기 위해서, 과급기가 장착되고 있다.
한편, 엔진으로 공급되는 연료가 저장된 연료탱크 내부에는 증발가스가 발생된다. 연료탱크 내부의 온도, 압력 변화에 따라 연료가 증발하고 증발가스가 발생된다. 증발가스가 지속적으로 발생될 경우, 연료탱크 내부압이 필요 이상으로 높아질 여지가 있다. 증발가스가 연료탱크로부터 누출될 경우, 대기를 오염시키게 된다.
따라서, 증발가스를 제거하기 위한 퍼지 시스템이 자동차에 장착되고 있다. 퍼지 시스템은 증발가스를 포집하는 캐니스터와, 캐니스터와 흡기파이프를 연결하는 퍼지 컨트롤 밸브를 포함하는 것이 일반적이다. 엔진에 과급기가 장착되지 않을 경우, 퍼지 컨트롤 밸브 작동에 의해 캐니스터와 흡기파이프가 연통되면, 흡기파이프에 작용하는 흡기압에 의해 캐니스터에 포집된 증발가스가 흡기파이프에 유입된다.
그러나, 과급기가 장착될 경우, 과급기 작동에 의해 흡기파이프의 내부압은 대기압과 같거나 높을 수 있다. 이러한 경우, 일반적인 퍼지 시스템으로는 캐니스터에서 흡기파이프로 증발가스가 이동되지 않고, 흡기파이프에서 캐니스터로 흡기가 이동될 여지가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 기존의 흡기부압을 이용한 퍼지 대신에, 별도의 퍼지 펌프를 작동시켜 강제로 증발 가스의 퍼지를 수행하는 능동형 증발가스 퍼지 시스템(Active Purge System, APS)에 대한 개발이 출원인에 의해 진행 중에 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1714206호(2017.03.08.) 대한민국 등록특허공보 제10-1262605호(2013.05.02.)
도 1은 엔진 제어를 위한 BSFC 맵을 도시하고 있으며, 구체적으로는 (a)는 자연 흡기 엔진을 채용한 하이브리드 차량의 엔진 제어를, (b)는 T-GDi 엔진을 채용한 하이브리드 차량의 엔진 제어를 위한 BSFC 맵이다. 도 1에서 가로축은 엔진(600) rpm이고, 세로축은 엔진(600) 토크[N*m]이고, 등고선은 BSFC[g/(kW*h)]이다.
도 1의 (a)에서 도시된 기존의 자연 흡기 엔진을 채용한 하이브리드 차량의 경우, 부분 부하 맥스 라인(Part Load Max line)이 이론 공연비 1.0을 기준으로 하는 운전점에서 제어되고 있었다. 이에 대해, 도 1의 (b)에 도시된 터보 차저가 적용된 T-GDi 엔진을 채용한 하이브리드 차량의 경우, 이론 공연비 0.8~0.9를 기준으로 제어되어, 자연 흡기 엔진과 대비하여 부분 부하 맥스 라인을 상향시킬 수 있다.
그 결과, 자연 흡기 대비 하이브리드 시스템의 효율을 5~15% 정도로 상승시킬 수 있다. 그리고, 시스템의 효율 향상에 따라 EV 주행 모드가 확장되면, 엔진 구동 시에 배출되는 CO2의 배출이 저감되는 한편, 연비의 개선이 가능하게 된다.
한편, 전술한 능동형 증발가스 퍼지 시스템에 있어서 증발 가스의 퍼지는 엔진이 구동되는 동안 행해지게 되는바, 상기한 바와 같이, EV 주행 모드가 확장되게 되면 증발 가스를 퍼지할 수 있는 운전 영역이 감축되어 버리게 된다. 따라서, 종래의 자연 흡기 엔진을 채용한 하이브리드 시스템과는 상이한 제어 방법에 의해 증발 가스를 처리할 필요성이 있다.
본 발명은 상기한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, T-GDi 엔진이 채용된 하이브리드 차량에 있어서 부분 부하 맥스 라인의 상향에 따라 시스템 효율이 최적화 되는 운전점이 변경되는 경우에도 증발 가스의 퍼지가 효과적으로 이루어질 수 있도록 하는 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 시스템 및 능동형 증발가스 퍼지 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다,
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 시스템은, 연료 탱크에서 발생된 증발가스를 가압하고 가압된 증발가스를 흡기파이프에 공급하는 능동형 증발가스 퍼지 유닛; 및 능동형 증발가스 퍼지 유닛을 제어하는 컨트롤 유닛을 포함하며, 컨트롤 유닛은, 최적 운전점 변경에 따른 최적 운전점 변경에 따른 엔진토크, 시스템 효율 또는 배터리 충전 상태(SOC)의 변화에 따라, 증발가스의 처리량을 제어하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 능동형 증발가스 퍼지 유닛은, 증발가스를 흡착하는 캐니스터와 흡기파이프를 연결하는 퍼지라인; 퍼지라인에 장착된 퍼지펌프; 퍼지펌프와 흡기파이프 사이에 위치되도록 퍼지라인에 장착된 퍼지밸브를 구비할 수 있다.
바람직하게는, 상기 컨트롤 유닛은, 퍼지라인에서 흡기파이프로 유동하는 증발가스가 목표퍼지유량이 되도록 퍼지펌프의 회전수와, 퍼지밸브의 개도량을 복수의 단계별로 조절할 수 있다.
바람직하게는, 상기 컨트롤 유닛은, 최적 운전점 변경에 따라. 운전자 요구 기준 토크 대비 엔진 토크를 상향 제어할 때에, 퍼지펌프의 회전수 및/또는 퍼지밸브의 개도량에 관한 단계의 수를 축소하도록 제어한다.
바람직하게는, 상기 컨트롤 유닛은, 최적 운전점 변경에 따라. 운전자 요구 기준 토크 대비 엔진 토크를 상향 제어할 때에, 퍼지펌프의 회전수 및/또는 상기 퍼지밸브의 개도량을 On/Off 제어한다.
또한, 상기한 과제를 해결하기 위한, 전술한 능동형 증발가스 퍼지 시스템을 구비한 하이브리드 차량에서의 능동형 증발가스 퍼지 방법은, 하이브리드 차량의 최적 운전점을 업데이트 하는 단계; 업데이트된 최적 운전점을 만족하도록, 기준 토크 대비 엔진 토크를 상향 제어하는 단계; 최적 운전점의 변경에 따른 엔진 토크의 상향 제어에 따라, 증발가스의 처리량을 제어하는 하는 단계를 포함한다.
바람직하게는 상기 하이브리드 차량의 최적 운전점을 업데이트 하는 단계는,차속이 일정한지 여부를 판단하는 단계; 차속이 일정한 것으로 판단되는 경우, 기준 토크를 중심으로 엔진 토크값을 스윙제어 하는 단계; 스윙제어 시의 엔진 토크를 복수의 구간으로 분할하고 각 구간에서의 시스템 효율 측정하는 단계; 복수의 구간 중 시스템 효율이 최대가 되는 토크에 대응되는 운전점을 최적 운전점으로 업데이트하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 기준 토크 대비 엔진 토크를 상향 제어하는 단계에서는,기준 토크의 실측 토크값과 모델값의 차이값을 오차 보정 토크값으로 산출하는 단계; 모델값과 시스템 효율이 최대가 되는 토크의 차이값을 최적 운전점 포텐셜값을 산출하는 단계; 오차 보정 토크값과 상기 운전점 포텐셜 값을 합산한 값을 기초로, 기준 토크 대비 상향 제어 하는 단계;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 하이브리드 차량의 최적 운전점을 업데이트 하는 단계는, 배터리의 SOC(State Of Charge)를 측정하는 단계; 배터리의 SOC를 기준값과 대비하여, SOC가 기준값 이하인 경우, 미리 정해진 맵에 따라 차량의 구동 및 배터리 충전을 위한 엔진 토크 보상값을 산출하는 단계; 및 산출된 엔진 토크 보상값을 기준 토크와 합산하여, 기준 토크를 보상하는 단계를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 하이브리드 차량의 최적 운전점을 업데이트 하는 단계는, 주행 중인 지역의 대기압 및 외기온에 근거하여 산출된 전압 사용 예측량에 따른 엔진 토크 보상값을 산출하고, 산출된 엔진 토크 보상값을 배터리 충전을 위한 엔진 토크 보상값과 합산하여 최종 엔진 토크 보상값을 산출하고, 최종 엔진 토크 보상값을 기준 토크와 합산하여 기준 토크를 보상하는 단계를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 증발가스의 처리량을 제어하는 하는 단계에서는, 퍼지펌프의 회전수와, 퍼지밸브의 개도량에 관한 단계의 수를 축소하도록 제어할 수 있다.
바람직하게는, 상기 증발가스의 처리량을 제어하는 하는 단계에서는, 퍼지펌프의 회전수와, 퍼지밸브의 개도량을 On/Off 제어할 수 있다.
위와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예의 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 시스템 및 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 방법에 따르면, 과급기 작동 중에도 캐니스터로부터 흡기파이프로 증발가스를 이동시킬 수 있다.
특히, T-GDi 엔진이 채용된 하이브리드 차량에 있어서 부분 부하 맥스 라인의 상향에 따라 시스템 효율이 최적화 되는 운전점이 변경되어 EV 주행 모드가 확장되는 경우에도 증발 가스의 퍼지가 효과적으로 이루어 지도록 할 수 있다.
도 1은 BSFC 맵이다.
도 2는 엔진 최적 운전점에 따른 엔진 토크 제어 알고리즘에 관한 도면이다.
도 3은 변속기 입력 속도 및 토크에 따른 기준 운전점에 대한 시스템 효율 최적점의 위치를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예의 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 시스템의 예시도이다.
도 5는 퍼지펌프와 퍼지밸브 작동시 퍼지라인의 상태를 나타내는 그래프이다.
도 6은 퍼지펌프 작동에 따른 증발가스 유량을 도출하기 위한 그래프의 예시도이다.
도 7 내지 도 9는 퍼지펌프 작동에 따른 증발가스 유량을 나타낸 그래프이다.
도 10은 퍼지펌프 회전수, 증발가스 유량, 퍼지밸브 개도량을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예의 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 방법을 나타내는 절차도이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 일실시예의 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 시스템 및 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 방법을 설명한다.
본 발명의 일실시예의 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 시스템이 장착되는 차량에는, 흡기파이프(I)와 연결된 엔진(600)과, 엔진(600)과 동시에 구동력을 발생하거나 또는 홀로 구동력을 발생하는 모터(700)와, 모터(700)에 전력을 공급하는 배터리(800)가 구비된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 시스템은, 연료탱크(F)에서 발생된 증발가스를 가압하고 가압된 증발가스를 흡기파이프(I)에 공급하는 능동형 증발가스 퍼지 유닛(APU) 및, 능동형 증발가스 퍼지 유닛(APU)을 제어하는 컨트롤 유닛(900)을 포함한다.
능동형 증발가스 퍼지 유닛(APU)은, 연료탱크(F)에서 발생한 증발가스를 흡착하는 캐니스터(C)와 흡기파이프(I)를 연결하는 퍼지라인(100)과, 퍼지라인(100)에 장착된 퍼지펌프(200)와, 퍼지펌프(200)와 흡기파이프(I) 사이에 위치되도록 퍼지라인(100)에 장착된 퍼지밸브(300)와, 퍼지펌프(200)와 퍼지밸브(300) 사이에 위치되도록 퍼지라인(100)에 장착된 제1 압력센서(400)와, 캐니스터(C)와 퍼지펌프(200) 사이에 위치되도록 퍼지라인(100)에 장착된 제2 압력센서(500)를 포함한다.
컨트롤유닛(900)은 배터리(800), 제1 압력센서(400) 및 제2 압력센서(500)로부터 신호를 수신하고, 퍼지펌프(200)와 퍼지밸브(300)에 작동신호를 송신한다.
또한, 컨트롤유닛(900)은, 도 1에 도시된 BSFC 맵에 따라 엔진(600)의 작동을 제어한다. 예컨대, 변속단이 5단일 경우, 컨트롤유닛(900)은, BSFC맵에 그려진 5단 선에 최근접하도록 엔진(600)의 작동을 제어한다. 컨트롤유닛(900)은, rpm 증가 및 토크 증대를 위해서 5단에서 4단으로 변속하도록 변속기를 제어할 수도 있다.
또한, 컨트롤유닛(900)은, BSFC 맵에 따라 엔진을 제어할 때에, 미리 설정된 엔진 RPM에서의 최적 운전점(Optimal Operating Line, OOL)에서 운전하도록 엔진 토크를 제어한다. 이 때, 본 발명에 따르면 컨트롤유닛(900)은, 터보 차저가 구비된 하이브리드 차량에 있어서 부분 부하 맥스 라인의 상향에 따라 시스템 효율이 변경되는 경우, 변경된 시스템 효율에 근거하여 최적 운전점을 변경하고, 그에 따라 퍼지펌프(200)의 회전수를 단계별 제어 방법을 변경한다.
여기서 시스템 효율은 사용된 연료량에 대한 하이브리드 차량의 구동 에너지의 비율로 정의된다. 하이브리드 차량의 구동 에너지는, HEV 주행 시에 엔진 구동 에너지 및 모터 충전 에너지와, EV 주행 시의 모터 방전 에너지이다. 구체적으로는 사용된 연료 에너지가 구동 에너지로 전환되는 에너지 경로에서의 각 구성 부품의 효율로 나타낼 수 있으며, 그 인자는, 엔진 효율, 충방전 경로 효율 및 변속기 효율로 구성된다.
여기서 충방전 경로 효율은 전기 흐름에 대한 에너지 효율을 의미한다. 하이브리드 차량이 HEV 주행 중에는, 엔진 동력은 모터 충전과 변속기 입력으로 분기되며, 이 때 모터 충전을 위해 공급된 에너지는 고전압 배터리를 충전하고, 충전된 에너지가 EV 주행 동안 다시 변속기로 입력 및 공급되어 사용되는데, 이러한 경로를 거친 효율을 충방전 경로 효율이라 하며, 하기와 같이, 식 (1)의 함수로서 정의되고, 각 인자에 관해 미리 정해진 맵에 의해 구해진다.
Figure pat00001
...(1)
여기서, Eeng_chg는 엔진 동력의 전환 효율, ηmot_gen는 모터 충전 효율, ηmot_drv는 모터 구동 효율, ηbat는 배터리 충전 효율을 나타낸다.
한편, 시스템 효율은 하기와 같은 식 (2) 또는 식 (3)에 의해 계산될 수 있다.
먼저, 식 (2)에서는 HEV 주행 시의 구동 에너지(EDYNO_HEV)및 EV 주행 시의 구동 에너지E(DYNO_EV)를 합산하여 최종 구동 에너지(EDYNO)를 계산한 후, 이를 연료 에너지(EFuel)로 나누어 시스템 효율(ηsys)을 계산한다.
Figure pat00002
...(2)
다음으로 식 (3)에서는, 하이브리드 차량을 구성하는 각 부품별의 효율을 적산함으로써 시스템 효율(ηsys)을 계산한다.
Figure pat00003
...(3)
여기서, ηeng는 엔진 효율, ηtrans는 전술한 충방전 경로 효율, ηTM는 변속기 효율이다.
보다 바람직하게는, 컨트롤유닛(900)에서는, 식(2)와 식(3)에서 계산된 시스템 효율을 크로스 체크한 후, 고전압 배터리 전류를 적산하여 보정함으로써 시스템 효율을 계산한다.
한편, 도 2에서는, 컨트롤유닛(900)에서 행해지는 엔진 최적 운전점에 따른 엔진 토크 제어 알고리즘을 도시하고 있다.
운전자에 조작에 의해 요구토크, 엔진 회전수(RPM) 및 변속단수(Gear)가 입력되면, 컨트롤유닛(900)은 미리 정해진 BSFC 맵에 따라 운전점을 결정한다.
한편, 하이브리드 차량의 배터리에 충전된 충전량(SOC)가 낮거나, 또는 배터리의 전압이 많이 요구되는 상황에서는 상기한 운전점에 기초한 엔진 토크 이상으로 엔진을 구동하여 배터리의 충전량을 증가시킬 필요가 있다.
따라서, 컨트롤유닛(900)은, 차량에 구비된 센서 또는 네트워크 등을 통해 입수된 정보등에 의해 얻어진 SOC, 대기온 및 대기압의 측정 결과 및 상기 측정 결과를 인자로 하는 미리 정해진 맵에 따라 엔진 보상 토크를 결정한다.
전술한 바와 같이, SOC를 미리 정해진 기준값과 대비하여 기준값 이하인 경우 배터리의 충전량을 보충하기 위한 보상 토크가 결정될 수 있다.
또한, 고도가 높아져 대기압이 낮아지면 엔진의 토크가 줄어들기 때문에 모터의 동력 지원이 많이 필요하게 되어 배터리의 높은 전압이 요구되게 된다. 따라서, 대기압을 미리 정해진 기준값과 대비하여 기준값을 하회하는 경우, 미리 정해진 맵에 따라 요구되는 전압이 만족될 수 있도록 하는 보상 토크가 결정될 수 있다.
또한, 외기온이 높은 경우 엔진의 토크가 줄어들고, 배터리의 성능이 저하되며, 에어컨 등의 작동에 의해 전원 소비가 많이 발생되게 되므로, 배터리의 전압이 높게 요구된다. 따라서, 외기온을 미리 정해진 기준값과 대비하여, 기준값을 초과하는 경우, 미리 정해진 맵에 따라, 요구되는 전압이 만족될 수 있도록 하는 보상 토크가 결정될 수 있다.
이와 같이, 컨트롤유닛(900)은, SOC, 대기압, 외기온에 관한 정보를 기초로 엔진 보상 토크를 산출한 후, 엔진 운전점에 따라 결정된 토크를 보상한다.
한편, 전술한 바와 같이, 도 1의 (b)에 도시된 터보 차저가 적용된 T-GDi 엔진을 채용한 하이브리드 차량의 경우, 이론 공연비 0.8~0.9를 기준으로 제어되어, 자연 흡기 엔진과 대비하여 부분 부하 맥스(PL max) 라인을 상향시킬 수 있다. 그 결과 고속단으로 용이하게 변경될 수 있으며, 전체적으로 차량 효율이 상승하여 시스템 효율이 상승되게 된다.
도 3에서는 변속기 입력 속도 및 토크에 따른 기준 운전점에 대한 시스템 효율 최적점의 위치를 나타내는 도면이다.
도 3에서 도시된 바와 같이, 현재의 엔진 운전점 대비 시스템 효율이 최적이 되는 운전점에 미치는 요소는 2가지가 있다.
먼저 도 3에서 도시된 바와 같이, 정속 엔진 토크 제어의 정확도의 차이가 미치는 영향이 존재한다. 즉, 엔진 토크 제어 정확성의 한계로 인해, 지령 토크(모델 토크, ●로 표시)와 실측 토크(▲로 표시)에 차이가 발생한다(도 3의 ②의 i에 해당).
또한, 후술하는 엔진 토크 스윙 평가에 의해 시스템 효율이 최적이 되는, 기준 토크(모델 토크) 대비 마진(최적 운전점 포텐셜, ②의 ii에 해당)의 영향이 있다.
예컨대, 도 3에서 도시된 예 중, 변속기 입력 속도가 1750RPM이고, 토크가 60Nm인 경우에, 엔진 토크 제어의 정확도와 엔진 최적 운전점 포텐셜을 브레이크 다운(Break-down)하여 계산하면, 기준 엔진 운전점 대비하여 엔진 토크를 12Nm 상향시킨 경우에 시스템 효율이 최적이 된다. 그리고, 변속기 입력 회전수가 2000RPM 이고 토크가 90Nm인 경우 엔진 토크를 기준 운전점 대비 15Nm 상향시킨 경우에 최적 시스템 효율이 최적이 된다.
따라서, 컨트롤유닛(900)에서는, 운전자 요구 토크, SOC, 외기온, 대기압등을 고려하여 결정된 엔진 운전점으로부터 시스템 효율이 최적이 되는 운전점을 계산한 후, 그 결과에 따라 엔진 운전점 매핑 상향을 실시하여, 시스템 효율을 극대화할 수 있다. 이 경우, 최적 운전점을 달성하기 위한 엔진토크, 최적 시스템 효율 및 배터리 충전 상태(SOC)의 조건이 변화하고, 그에 따라 EV 주행 모드가 확장되게 된다.
그런데, 이 경우, EV 주행 모드가 확장되게 되면 증발 가스를 퍼지할 수 있는 운전 영역이 감축되게 되는바, 이 점을 고려하여, 후술하는 바와 같이, 컨트롤유닛(900)은 퍼지펌프(200)의 회전수를 단계별 제어 방법을 변경한다.
한편, 본 발명의 일실시예의 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 시스템은 증발가스를 처리한다. 캐니스터(C)는, 대기와 라인을 통해 연결된다. 라인에는 벤트밸브(V)가 제공된다. 벤트밸브(V)는 공기만을 선별적으로 캐니스터(C) 외부로 배출하거나 외부에서 캐니스터(C)로 유입시킨다. 컨트롤유닛(900)은, 연소가스의 산소량을 감지하는 람다센서(S1)로부터 신호를 수신한다. 컨트롤유닛(900)은, 람다센서(S1)에서 감지된 산소량을 근거로 연소실에서 연소된 혼합가스의 공연비를 도출한다. 컨트롤유닛(900)은, 연소실로 연료를 공급하는 연료 공급 시스템과 신호를 송수신한다.
흡기파이프(I)는, 에어클리너(A)와 터보차져(T) 사이에 위치된다. 터보차져(T)와 인테이크 매니폴더(IM) 사이에 인터쿨러(IC)가 제공된다.
퍼지라인(100)에는, 퍼지펌프(200), 퍼지밸브(300), 제1 압력센서(400), 제2 압력센서(500), 유량계센서(미도시)가 제공된다. 제1 압력센서(400)와 제2 압력센서(500)는 퍼지펌프(200) 전단과 후단의 압력을 감지해 컨트롤유닛(900)으로 지속적으로 송신한다. 유량계센서는 퍼지밸브(300)와 흡기파이프(I) 사이에 위치된다. 유량계센서는 퍼지라인(100)으로부터 흡기파이프(I)로 유동하는 증발가스의 양을 지속적으로 감지하고 컨트롤유닛(900)으로 송신한다.
컨트롤유닛(900)은, 연료 공급 시스템, 람다센서(S1), 제1 압력센서(400), 제2 압력센서(500), 유량계센서로부터 수신한 신호를 종합해 퍼지라인(100)에서 흡기파이프(I)로 유동하는 증발가스가 목표퍼지유량이 되도록 퍼지펌프(200)의 회전수와, 퍼지밸브(300)의 개도량을 조절한다. 연료 공급 시스템은, 컨트롤유닛(900)에 차량 속도, 현재 연료 분사량 등을 송신한다.
목표퍼지유량은, 엔진 조건(rpm, 냉각수 온도 등), 차량속도, 연료 공급 시스템의 작동 상태를 감안해, 최종적으로 연소실에 공급된 연료와 흡기의 혼합비가 이론 공연비가 될 수 있도록 미리 유도된 값이다.
일 예에 따르면, 컨트롤유닛(900)은, 증발가스의 유량이 목표퍼지유량이 되도록, 미리 정해진 1개 이상의 가동회전수로 퍼지펌프(200)를 가동시키고, 퍼지펌프(200)의 가동회전수에 따라 퍼지밸브(300)를 미리 정해진 1개 이상의 개도량이 되도록 작동시킨다. 퍼지펌프(200) 가동회전수는, 15000, 30000, 45000, 60000의 4단계로 단계별로 제어될 수 있으며, 퍼지밸브(300)의 개도량은, 100%, 70%, 50%, 30%으로 단계별로 제어될 수 있다.
컨트롤유닛(900)이, 여러 센서들에 의해 감지된 정보를 근거로 퍼지펌프(200)와 퍼지밸브(300)의 작동을 제어해 퍼지라인(100)에서 흡기파이프(I)로 유동하는 증발가스의 양을 조절하므로, 캐니스터(C)에서 흡기파이프(I)로 공급되는 증발가스의 농도 또는 밀도가 조절될 수 있다.
도 5 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 시스템은 증발가스를 처리한다.
도 5에는 퍼지펌프(200)의 회전수(RPM)를 단위 시간 동안 60000, 45000, 30000으로 유지한 뒤 순차적으로 변경하고, 퍼지밸브(300)의 닫힘과 열림을 등 간격으로 복수회 반복한 경우, 퍼지라인(100) 중 퍼지펌프(200)와 퍼지밸브(300) 사이의 압력(C1) 및 증발가스 농도(C2)가 그래프로 도시되었다.
퍼지펌프(200)가 60000, 45000, 30000 RPM을 유지되는 동안, 압력(C1)은 퍼지밸브(300)가 열릴 때는 상대적으로 낮은 상태를 유지(A1구간)하다가, 퍼지밸브(300)가 닫힐 때는 상대적으로 높은 상태를 유지(A2구간)한다. 증발가스 농도(C2)는, 퍼지밸브(300)가 열린 상태를 유지하면 큰 폭으로 감소하고, 퍼지밸브(300)가 닫히면 그 상태를 유지한다.
퍼지밸브(300)의 열고 닫히는 인터벌 시간이 작아짐에 따라, 압력(C1)과 증발가스 농도(C2)가 모두 선형적으로 감소될 것으로 추정된다.
퍼지펌프(200)의 회전이 작은 수의 RPM으로 유지될수록, 퍼지밸브(300) 열고 닫힘이 반복됨에 따른 압력(C1) 변화 정도는 작다(S1 참조). 퍼지펌프(200)의 회전수가 서로 다른 RPM으로 유지되더라도, 퍼지밸브(300) 열고 닫힘에 의한 증발가스 농도(C2) 변화 정도는 일정하다(S2 참조).
결과적으로, 퍼지펌프(200)가 동일 회전수를 유지하는 동안 퍼지밸브(300) 열고 닫힘에 따라, 압력(C1)과 증발가스 농도(C2) 변화 경향은 선형적으로 계산될 수 있다.
따라서, 퍼지펌프(200) 회전수 조절과 퍼지밸브(300)의 개폐 조작에 따라, 적정 농도의 증발가스를 적정압으로 흡기파이프(I)에 공급할 수 있다. 퍼지라인(100)에서 흡기파이프(I)로 공급되는 증발가스의 압력을 흡기파이프(I) 내부압 보다 높게 제어할 수 있으므로, 과급기가 작동하더라도 흡기파이프(I)로 증발가스를 주입할 수 있게 된다.
도 6에는 퍼지펌프(200) 특성 그래프가 도시되었다. x축은 유량, y축은 퍼지펌프(200) 전후단 압력차이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 퍼지펌프(200)의 회전수, 퍼지펌프(200)의 전후단 압력차, 퍼지밸브(200)이 개도량을 알 경우, 퍼지라인(100)으로부터 흡기파이프(I)로 유입되는 증발가스 유량은 미리 준비된 그래프로부터 도출될 수 있다.
도 7 내지 도 9에는 퍼지펌프(200) 작동에 따른 증발가스 유량을 나타낸 그래프가 도시되었다. 도 7의 X축은 퍼지펌프(200) 전후단 압력차이고, Y축은 증발가스 유량이다. 퍼지펌프(200) 회전수가 15000에서 60000으로 증가하고, 퍼지펌프(200) 전후단 압력차가 증가할수록, 증발가스 유량은 증가된다. 이러한 증가는 선형적일 수 있다.
도 8의 X축은 퍼지펌프(200) 전후단 압력차이고, Y축은 증발가스 유량이다. 퍼지펌프(200) 회전수는 일정하게 유지되고, 퍼지밸브(300)의 개도량은 단계적으로 30%에서 100%로 변경된다. 퍼지밸브(300)의 개도량이 단계적으로 30%에서 100%로 증대될 수록 퍼지펌프(200) 전후단 압력차 대비 증발가스의 유량은 증가된다. 이러한 증가는 선형적일 수 있다.
도 9의 X축은 퍼지펌프(200) 회전수이고, Y축은 유량비이다. 퍼지밸브(300)의 개도량이 100%인 경우와 대비하여, 퍼지펌프(200) 회전수가 적정치 이상이 되면, 퍼지밸브(300)의 개도량 별로 일정한 유량비를 유지한다. 따라서, 퍼지펌프(200) 회전수 조절과 퍼지밸브(300) 개도량 조절을 통해 증발가스 유량을 조절할 수 있음을 알 수 있다.
도 10을 참조하면, 차량 주행 중, 퍼지펌프(200) 회전수를 단계별로 적절하게 제어할 때(PS)와, 퍼지라인(100)에 흐르는 증발가스 가스의 양을 퍼지밸브(300)에 의해 조절 할 때(SV) 증발가스의 유량(Q)은 비선형적으로 변동하게 된다. 각 경우, 증발가스 유량(Q)은 서로 일치하지 않는다. 이는 일종의 히스테리시스라 할 수 있다.
위 기재한 바와 같이, 퍼지펌프(200)의 회전수 및 퍼지밸브(300)의 개폐타이밍 및 개도량 조절을 통해서, 캐니스터(C)에서 흡기파이프(I)로 공급되는 증발가스의 유량, 농도를 조절할 수 있고, 밀도도 추정될 수 있게 된다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이, 능동형 증발가스 퍼지 시스템에 있어서 증발 가스의 퍼지는 엔진이 구동되는 동안 행해지게 되는바, 전술한 시스템 효율 최적화에 의해, EV 주행 모드가 확장되게 되면 증발 가스를 퍼지할 수 있는 운전 영역이 감축되어 버리게 된다.
따라서, 컨트롤유닛(800)에서는, 전술한 바와 같이 부분 부하 맥스 라인의 상향에 따라 시스템 효율 최적 운전점이 상향되어 효율이 극대화 되는 경우, 퍼지펌프(200)의 회전수 또는 퍼지밸브(300)의 개도량에 관한 단계별 제어 방법을 변경한다.
예컨대, 전술한 예에서 통상시 컨트롤유닛(800)은, 퍼지펌프(200)의 가동회전수를, 15000, 30000, 45000, 60000의 4단계로 단계별로 제어하고 있다. 이러한 경우에 있어서, 시스템 효율 최적 운전점이 상향되어 효율이 극대화 되는 경우, 컨트롤유닛(800)은 퍼지펌프(200)의 가동회전수의 단계를 4단에서, 일부 단계를 생략하거나, 단계의 생략과 더불어 단계별 구간을 확장(예컨대, 15000, 40000, 60000 RPM의 3단계)시킬 수 있다. 이 경우, 엔진이 구동하여 퍼지펌프(200)의 작동 가능 구간에 진입하게 되면, 신속하게 많은 양의 증발가스를 처리할 수 있게 된다. 퍼지밸브(300)의 개도량의 경우에도 퍼지펌프(200)와 마찬가지로, 개도량의 단계를 일부 생략하거나, 생략과 더불어 단계별 구간을 확장시킴으로써, 동일한 효과를 얻을 수 있으며, 퍼지펌프(200)와 퍼지밸브(300)의 단계별 제어를 조합하여 그러한 효과를 보다 극대화할 수도 있다.
나아가, 컨트롤유닛(800)은, 통상시의 퍼지펌프(200)의 가동회전수 또는 퍼지밸브(300)의 개도량의 단계별 제어를 On/OFF 제어로 더 단순화시킬 수 있다. 이 경우, 전술한 제한된 퍼지펌프(200) 구동 구간 내에서 증발가스 처리량을 증가시키는 효과를 보다 극대화할 수 있다.
이하에서는, 도 11을 참조하여, 본 발명의 일실시예의 하이브리드 차량의 컨트롤유닛(900)에서 행해지는 능동형 증발가스 퍼지 방법에 대해서 상세히 설명한다.
먼저, 컨트롤유닛(900)은, 소정의 주행 조건 내에서 차속이 일정한지 여부를 판단(S10)한다. 후술하는 스윙 제어에 따른 최적 운전점을 판정하기 위하여 안정적인 상태에서 주행중인지 여부를 먼저 판단하는 것이다. 여기서 상기 주행 조건으로서는, 바람직하게는 등판로가 아닌 평지 구간을 주행 중인지 여부를 판단할 수 있다. 또한, 단계 S10에서는 센서 등에 의해 검지된 차속이 미리 정해진 소정 범위 내에서 유지되고 있는지 여부 또는 정속 주행 모드(크루즈 컨트롤 모드)로 주행 중인지 여부를 통해 판단할 수 있다.
단계 S20에서 차속이 일정한 것으로 판단되는 경우, 컨트롤유닛(900)은, 기존의 최적 운전점 맵에 포함된 기준 운전점을 중심으로 엔진토크값을 크게하거나 작아지게 하여, 복수의 구간이 설정되도록 하는 스윙 제어를 실시한다(S20).
여기서, 바람직하게는 상기 기준 운전점은, 전술한 바와 같이, 운전자의 요구 토크, 변속기 입력 엔진 회전수 및 기어 단수와 운전맵에 의해 결정되는 엔진 운전점을, SOC, 대기온 및 대기압의 정보를 이용하여 보상한 엔진 토크값이다.
그리고, 단계 S20의 엔진 토크 스윙 제어 시에, 복수의 구간에 대해서 전술한 식 (2) 또는 식 (3)을 이용하여 시스템 효율을 산출한다(S30).
그리고, 각 구간에서 산출된 시스템 효율을 기준 운전점에서의 시스템 효율과 대비하고, 그 중 최대 시스템 효율이 발생하는 구간의 엔진 토크를 최적 운전점 포텐셜로 산출한다. 그리고, 전술한 바와 같이, 엔진 토크 제어 정확도에 따른 요구 토크(모델 토크) 대비 실측 토크의 오차값과 위 최적 운전점 포텐셜을 합산한 값을, 최적 운전점에 해당하는 엔진 토크로서 업데이트 한다(S40). 그리고, 최대 시스템 효율을 달성하기 위해, 업데이트된 최적 운전점에 근거하여 엔진 토크를 상향 제어한다(S50).
그리고, 기존의 기준 운전점 대비 최적 운전점에 대응한 엔진 토크가 상향되는 것으로 판단되어, 엔진 토크를 상향 제어(S50)하는 경우, 컨트롤유닛(900)은, 전체 시스템 효율 향상에 의해 EV 주행 비율이 증가하는 것으로 고려하여, 증발 가스 처리량 제어를 변경한다(S60).
예컨대, 전술한 바와 같이, 컨트롤유닛(800)은 퍼지펌프(200)의 가동회전수의 단계를 4단에서, 일부 단계를 생략하거나, 단계의 생략과 더불어 단계별 구간을 확장(예컨대, 15000, 40000, 60000 RPM의 3단계)시킨다. 또는, 퍼지밸브(300)의 개도량의 단계를 일부 생략하거나, 생략과 더불어 단계별 구간을 확장시킨다. 또는 퍼지펌프(200)의 가동 회전수의 단계별 제어와, 퍼지밸브(300)의 개도량의 단계별 제어를 조합하여 한정된 퍼지펌프(200) 가동 구간 내에서 증발가스의 처리량을 최대화할 수 있따.
나아가, 전술한 바와 같이, 컨트롤유닛(800)은, 증발가스 처리 효율을 극대화하기 위하여, 통상시의 퍼지펌프(200)의 가동회전수 또는 퍼지밸브(300)의 개도량의 단계별 제어를 On/OFF 제어로 더 단순화시킬 수 있다. 즉, 퍼지펌프(200)를, 목표 퍼지량과 무관하게, 정지 상태 또는 최대 가동 속도로 구동하는 상태 사이에서 제어되도록 하거나, 또는 퍼지밸브(300)를 닫힘 상태 또는 최대 개구 상태 사이에서 제어되도록 할 수 있다.
이를 통해, 부분 부하 맥스 라인의 상향에 따라 최적 운전점이 상승하여 시스템 효율이 전반적으로 상승한 결과 EV 주행 구간이 증가되어 퍼지펌프(200) 가동 가능 구간이 감축된 경우에도 효과적으로 증발가스를 처리할 수 있게 된다.
100: 퍼지라인 200: 퍼지펌프
300: 퍼지밸브 400: 제1 압력센서
500: 제2 압력센서 600: 엔진
700: 모터 800: 배터리
900: 컨트롤유닛 APU: 능동형 증발가스 퍼지 유닛
F: 연료탱크 C: 캐니스터
I: 흡기파이프

Claims (12)

  1. 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 시스템으로서,
    연료 탱크에서 발생된 증발가스를 가압하고 가압된 상기 증발가스를 흡기파이프에 공급하는 능동형 증발가스 퍼지 유닛; 및,
    상기 능동형 증발가스 퍼지 유닛을 제어하는 컨트롤 유닛을 포함하며,
    상기 컨트롤 유닛은, 최적 운전점 변경에 따른 엔진토크, 시스템 효율 또는 배터리 충전 상태(SOC) 조건에 따라, 상기 증발가스의 처리량을 제어하는 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 능동형 증발가스 퍼지 유닛은,
    상기 증발가스를 흡착하는 캐니스터와 상기 흡기파이프를 연결하는 퍼지라인;
    상기 퍼지라인에 장착된 퍼지펌프;
    상기 퍼지펌프와 상기 흡기파이프 사이에 위치되도록 상기 퍼지라인에 장착된 퍼지밸브를 구비하는 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 컨트롤 유닛은,
    상기 퍼지라인에서 상기 흡기파이프로 유동하는 증발가스가 목표퍼지유량이 되도록 상기 퍼지펌프의 회전수와, 상기 퍼지밸브의 개도량을 복수의 단계별로 조절하는 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 컨트롤 유닛은,
    최적 운전점 변경에 따라. 운전자 요구 기준 토크 대비 엔진 토크를 상향 제어할 때에,
    상기 퍼지펌프의 회전수 및/또는 상기 퍼지밸브의 개도량에 관한 단계의 수를 축소하도록 제어하는, 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 컨트롤 유닛은,
    최적 운전점 변경에 따라. 운전자 요구 기준 토크 대비 엔진 토크를 상향 제어할 때에,
    상기 퍼지펌프의 회전수 및/또는 상기 퍼지밸브의 개도량을 On/Off 제어하는, 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 시스템.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 능동형 증발가스 퍼지 시스템을 구비한 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 방법에 있어서,
    상기 하이브리드 차량의 최적 운전점을 업데이트 하는 단계;
    업데이트된 상기 최적 운전점을 만족하도록, 기준 토크 대비 엔진 토크를 상향 제어하는 단계;
    상기 최적 운전점의 변경에 따른 엔진 토크의 상향 제어에 따라, 상기 증발가스의 처리량을 제어하는 하는 단계를 포함하는 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 하이브리드 차량의 최적 운전점을 업데이트 하는 단계는,
    차속이 일정한지 여부를 판단하는 단계;
    차속이 일정한 것으로 판단되는 경우, 기준 토크를 중심으로 엔진 토크값을 스윙제어 하는 단계;
    상기 스윙제어 시의 엔진 토크를 복수의 구간으로 분할하고 각 구간에서의 시스템 효율 측정하는 단계;
    상기의 복수의 구간 중 시스템 효율이 최대가 되는 토크에 대응되는 운전점을 최적 운전점으로 업데이트하는 단계를 포함하는, 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 기준 토크 대비 엔진 토크를 상향 제어하는 단계에서는,
    기준 토크의 실측 토크값과 모델값의 차이값을 오차 보정 토크값으로 산출하는 단계;
    상기 모델값과 상기 시스템 효율이 최대가 되는 토크의 차이값을 최적 운전점 포텐셜값을 산출하는 단계;
    상기 오차 보정 토크값과 상기 운전점 포텐셜 값을 합산한 값을 기초로, 상기 기준 토크 대비 상향 제어 하는 단계;를 포함하는, 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 하이브리드 차량의 최적 운전점을 업데이트 하는 단계는,
    배터리의 SOC(State Of Charge)를 측정하는 단계;
    상기 배터리의 SOC를 기준값과 대비하여, SOC가 기준값 이하인 경우, 미리 정해진 맵에 따라 차량의 구동 및 배터리 충전을 위한 엔진 토크 보상값을 산출하는 단계;
    산출된 상기 엔진 토크 보상값을 상기 기준 토크와 합산하여, 기준 토크를 보상하는 단계를 더 포함하는, 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 하이브리드 차량의 최적 운전점을 업데이트 하는 단계는,
    주행 중인 지역의 대기압 및 외기온에 근거하여 산출된 전압 사용 예측량에 따른 엔진 토크 보상값을 산출하고, 산출된 상기 엔진 토크 보상값을 상기 배터리 충전을 위한 엔진 토크 보상값과 합산하여 최종 엔진 토크 보상값을 산출하고, 상기 최종 엔진 토크 보상값을 상기 기준 토크와 합산하여 기준 토크를 보상하는 단계를 더 포함하는, 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 방법.
  11. 청구항 6에 있어서,
    상기 증발가스의 처리량을 제어하는 하는 단계에서는,
    상기 퍼지펌프의 회전수와, 상기 퍼지밸브의 개도량에 관한 단계의 수를 축소하도록 제어하는, 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 방법.
  12. 청구항 6에 있어서,
    상기 증발가스의 처리량을 제어하는 하는 단계에서는,
    상기 퍼지펌프의 회전수와, 상기 퍼지밸브의 개도량을 On/Off 제어하는, 하이브리드 차량의 능동형 증발가스 퍼지 방법.
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