KR20230031030A - 밀폐형 퍼지시스템, 및 그것의 증발가스 흡착 질량 및 농도 예측 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀폐형 퍼지시스템은, 연료탱크의 증발가스가 로딩되는 경우, 상기 증발가스가 흡착되고 나서 탈착되는 활성탄을 구비하는 캐니스터, 상기 캐니스터와, 상기 캐니스터의 대기측 후단부 사이에 구비되는 연료 탱크 차단 밸브, 및 상기 캐니스터와 차량의 엔진 사이에 구비되는 퍼지 제어 솔리드 밸브를 포함한다.

Description

밀폐형 퍼지시스템, 및 그것의 증발가스 흡착 질량 및 농도 예측 방법{CLOSED PURGE SYSTEM AND ESTIMATION METHOD OF EVAPORATION GAS ADSORPTION MASS AND CONCENTRATION THEREOF}
본 발명은 밀폐형 퍼지시스템의 증발가스 흡착 질량 및 농도 예측 방법에 관한 것이다.
최근 각광받고 있는 플러그인 하이브리드 전기 자동차(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 및 하이브리드 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV)는 주행시 연료가 아닌 전기에너지를 이용하는 시간이 많다.
이러한 하이브리드 자동차의 경우, 장시간 주행을 하는 경우 가솔린 차량 대비 연료탱크 속에 연료를 보관해야 하는 기간이 길어진다. 이때 유해한 증발가스가 발생하는데, 이를 저장 및 처리하기 위해 밀폐형 퍼지시스템(Purge System)이 적용된다.
도 1은 종래의 밀폐형 퍼지시스템의 개략적인 블록도이다.
도 1을 참고하면, 종래의 밀폐형 퍼지시스템(1)은, 연료 탱크 차단 밸브(FTIV, Fuel Tank Isolation Valve)가 연료탱크(10)와 캐니스터(20, Canister) 사이에 위치하며, 연료 탱크 차단 밸브(FTIV)가 열릴 때 증발가스가 캐니스터(20)로 로딩된다.
이러한 종래의 밀폐형 퍼지시스템(1)은, 증발량에 영향을 미치는 인자들을 기반으로 연료 탱크 차단 밸브(FTIV)의 열림 시간을 제어함으로써 증발가스의 로딩량 계산 및 퍼지(purge) 농도의 제어가 가능한 장점이 있다.
그러나, 종래의 밀폐형 퍼지시스템(1)은 차량에서 퍼지 제어를 수행하는 도중에 연료탱크(10)의 압력이 상승하여 연료 탱크 차단 밸브(FTIV)를 열어야 하는 상황이 발생하는 경우, 순간적으로 고농도의 증발가스가 엔진으로 유입되어 공연비가 농후해지면서 퍼지 제어에 악영향을 치게 되며 심한 경우 엔진 작동이 멈추는 문제가 있다.
대한민국 공개특허 제2020-0067487호
이에 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 안출된 것으로, 연료 탱크 차단 밸브의 위치를 차량 캐니스터(Canister)의 후단(대기측)에 위치시키고, 퍼지 제어 전에 연료 탱크 차단 밸브를 열어서 증발가스를 캐니스터에 로딩시킨 후에 퍼지 제어를 수행함으로써, 로딩된 증발가스가 캐니스터의 활성탄에 흡착된 후 탈착되어 퍼지도록 하여 종래 대비 고농도의 증발가스가 엔진으로 유입되지 않게 하고, 퍼지 제어의 악영향을 방지하는 밀폐형 퍼지시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 1차원 시뮬레이션 툴을 이용하여 증발가스의 로딩량, 로딩과정에서 캐니스터에 흡착되는 증발가스의 양, 퍼지시 흡착된 증발가스가 탈착되어 퍼지 제어 솔리드 밸브로 유입되는 가스의 농도, 및 질량값을 계산함으로써 다양한 운전조건에서의 퍼지 제어를 위한 증발가스 농도 모델을 구축하는 밀폐형 퍼지시스템의 증발가스 흡착 질량 및 농도 예측 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀폐형 퍼지시스템은, 연료탱크의 증발가스가 로딩되는 경우, 상기 증발가스가 흡착되고 나서 탈착되는 활성탄을 구비하는 캐니스터; 상기 캐니스터와, 상기 캐니스터의 대기측 후단부 사이에 구비되는 연료 탱크 차단 밸브; 및 상기 캐니스터와 차량의 엔진 사이에 구비되는 퍼지 제어 솔리드 밸브;를 포함한다.
상기 캐니스터와 상기 퍼지 제어 솔리드 밸브 사이에 구비되는 액티브 퍼지 펌프를 더 포함할 수 있다.
상기 연료 탱크 차단 밸브는, 퍼지 제어 수행시, 상기 퍼지 제어 솔리드 밸브의 개방 전에 상기 캐니스터에 상기 증발가스를 로딩시키기 위해 개방될 수 있다.
상기 캐니스터에 로딩된 상기 증발가스가 상기 활성탄에 흡착된 후 탈착되는 경우, 상기 퍼지 제어 솔리드 밸브는 개방되고, 상기 연료 탱크 차단 밸브는 폐쇄될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀폐형 퍼지시스템의 증발가스 흡착 질량 및 농도 예측 방법은, 활성탄을 구비하는 캐니스터, 상기 캐니스터와, 상기 캐니스터의 대기측 후단부 사이에 구비되는 연료 탱크 차단 밸브, 및 상기 캐니스터와 차량의 엔진 사이에 구비되는 퍼지 제어 솔리드 밸브를 포함하는 밀폐형 퍼지시스템의 증발가스 흡착 질량 및 농도 예측 방법에 있어서, 상기 밀폐형 퍼지시스템을 고려하여 1차원 모델을 생성하는 1차원 모델 생성 단계; 상기 활성탄과 상기 캐니스터로 로딩되는 증발가스의 화학 반응을 고려하여 화학 반응 모델을 생성하여 상기 1차원 모델에 포함시키는 화학 반응 모델 생성 단계; 상기 1차원 모델을 이용하여 상기 활성탄에 흡착되는 상기 증발가스의 흡착 질량을 계산하는 흡착 질량 계산 단계; 및 상기 1차원 모델을 이용하여 상기 퍼지 제어 솔리드 밸브로 퍼징되는 상기 증발가스의 농도를 계산하는 농도 계산 단계;를 포함한다.
상기 화학 반응 모델에서 상기 증발가스의 흡착 질량 계산시, 상기 연료 탱크 차단 밸브가 개방되고, 상기 퍼지 제어 솔리드 밸브가 폐쇄되는 상태로 일정 시간 동안 유지하는 해석 조건을 설정하는 해석 조건 설정 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 해석 조건 설정 단계는, 상기 화학 반응 모델에서 상기 증발가스의 농도 계산시, 상기 연료 탱크 차단 밸브가 폐쇄되고, 상기 퍼지 제어 솔리드 밸브가 상기 일정 시간 이후에 폐쇄 상태에서 개방 상태로 변경되는 해석 조건을 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 흡착 질량 계산 단계는, 상기 화학 반응 모델에서 상기 활성탄의 흡착 특성을 추출하고, 추출한 상기 흡착 특성을 가변하여 상기 증발가스의 흡착 질량을 계산할 수 있다.
상기 농도 계산 단계는, 상기 화학 반응 모델에서 상기 활성탄의 탈착 특성을 추출하고, 추출한 상기 탈착 특성을 가변하여 상기 증발가스의 농도를 계산할 수 있다.
상기 증발가스의 흡착질량과 농도를 미리 마련된 기준값과 비교하고, 상기 기준값에 일치하는지를 판단하는 기준값 비교 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 기준값 비교 단계에서 상기 증발가스의 흡착질량과 농도가 상기 기준값에 일치하지 않는 경우, 상기 기준값에 근접하도록 상기 활성탄의 흡착 특성과 탈착 특성을 수정하는 특성 수정 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 기준값 비교 단계에서 상기 증발가스의 흡착질량과 농도가 상기 기준값에 일치하는 경우, 상기 증발가스의 흡착질량과 농도 예측을 완료하는 해석 종료 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 1차원 모델은, 상기 증발가스가 보관되는 연료탱크, 상기 캐니스터, 상기 캐니스터와 상기 구비되는 액티브 퍼지 펌프, 및 상기 퍼지 제어 솔리드 밸브의 구성요소를 기초로 생성될 수 있다.
상기 화학 반응 모델은, 상기 활성탄을 순수 탄소 입자로 설정하고, 상기 증발가스를 탄화수소로 설정하며 상기 순수 탄소 입자와 상기 탄화수소 사이의 화학 반응을 반응율 수식으로 정량화하여 생성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀폐형 퍼지시스템, 및 그것의 증발가스 흡착 질량 및 농도 예측 방법에 의하면, 연료 탱크 차단 밸브의 위치를 차량 캐니스터(Canister)의 후단(대기측)에 위치시키고, 퍼지 제어 전에 연료 탱크 차단 밸브를 열어서 증발가스를 캐니스터에 로딩시킨 후에 퍼지 제어를 수행함으로써, 로딩된 증발가스가 캐니스터의 활성탄에 흡착된 후 탈착되어 퍼지도록 하여 종래 대비 고농도의 증발가스가 엔진으로 유입되지 않게 하고, 퍼지 제어의 악영향을 방지하는 효과가 있다.
또한, 1차원 시뮬레이션 툴을 이용하여 증발가스의 로딩량, 로딩과정에서 캐니스터에 흡착되는 증발가스의 양, 퍼지시 흡착된 증발가스가 탈착되어 퍼지 제어 솔리드 밸브로 유입되는 가스의 농도, 및 질량값을 계산함으로써 다양한 운전조건에서의 퍼지 제어를 위한 증발가스 농도 모델을 구축하는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 폐쇄형 퍼지시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀폐형 퍼지시스템의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀폐형 퍼지시스템의 증발가스 흡착 질량 및 농도 예측 방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캐니스터의 카본 베드를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀폐형 퍼지시스템의 흡착 질량 예측 결과를 보여주는 일 예이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀폐형 퍼지시스템의 증발가스 농도 예측 결과를 보여주는 일 예이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀폐형 퍼지시스템의 증발가스 농도 예측 결과를 보여주는 다른 예이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀폐형 퍼지시스템의 블록도이다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀폐형 퍼지시스템(100)은, 연료탱크(110), 캐니스터(120), 연료 탱크 차단 밸브(130), 액티브 퍼지 펌프(140), 및 퍼지 제어 솔레노이드 밸브(150)를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀폐형 퍼지시스템(100)은 연료 탱크 차단 밸브(110)의 위치를 캐니스터(120)의 후단(대기측)에 위치시키고, 퍼지 제어 전에 연료 탱크 차단 밸브(130)를 열어서 증발가스를 캐니스터(120)에 로딩시킨 후에 퍼지 제어를 수행함으로써, 로딩된 증발가스가 캐니스터(120)의 활성탄에 흡착된 후 탈착되어 퍼지도록 하여 종래 대비 고농도의 증발가스가 엔진(200)으로 유입되지 않게 하고, 퍼지 제어의 악영향을 방지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀폐형 퍼지시스템(100)은 1차원 시뮬레이션 툴을 이용하여 증발가스의 로딩량, 로딩과정에서 캐니스터(120)에 흡착되는 증발가스의 양, 퍼지시 흡착된 증발가스가 탈착되어 연료 탱크 차단 밸브(130)로 유입되는 가스의 농도, 및 질량값을 계산함으로써 다양한 운전조건에서의 퍼지 제어를 위한 증발가스 농도 모델을 구축하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀폐형 퍼지시스템(100)의 구성에 대해 설명한다.
연료탱크(110)는 다양한 하이브리드 차량의 주행을 위한 연료가 보관되는 장치이다. 연료탱크(110)는 차량의 옵션에 따라 휘발유, 및 천연가스 등의 다양한 연료를 수용할 수 있다.
연료탱크(110)는 1차원 모델 생성에 필요한 구성요소를 포함할 수 있다. 여기서, 1차원 모델은 밀폐형 퍼지시스템(100)의 증발가스의 흡착 질량과 농도 예측을 위한 것일 수 있다. 연료탱크(110)의 구성요소는 전체 체적 및 질량값을 포함할 수 있다.
또한, 연료탱크(110)의 구성요소는 액체 연료의 충진량 및 충진에 따른 탱크 벽면과의 접촉 면적을 포함할 수 있다. 이는 액체 및 기체(증발) 연료의 대류열전달 계산에 이용될 수 있다.
또한, 연료탱크(110)의 구성요소는 액체연료와 기체연료의 경계면적을 포함할 수 있다. 또한, 연료탱크(110)의 구성요소는 액체연료 및 기체연료의 초기 압력, 온도, 화학조성(가솔린 연료값)을 포함할 수 있다.
또한, 연료탱크(110)의 구성요소는 리드 증기압(Reid Vapor Pressure)을 포함할 수 있다. 리드 증기압은 액체의 증기와 용해된 가스 및 수분에 의해 가해지는 절대 증기압을 나타낸다.
또한, 연료탱크(110)의 구성요소는 탱크 외벽과 대기와의 대류 열전달 계수를 포함할 수 있다.
캐니스터(120)는 하이브리드 차량의 엔진이 정지하고 있을 때 연료탱크(110)의 증발 가스를 흡수 및 저장하는 장치이다. 캐니스터(120)는 별도의 배관을 통해 연료탱크(110)에 연통할 수 있다. 캐니스터(120)는 흡착력이 강한 활성탄을 내부에 구비할 수 있다. 활성탄은 캐니스터(120) 내부에 형성되는 무정형의 탄소집합체인 카본 베드(Carbon bed)일 수 있다. 활성탄은 활성화 과정에서 미세세공이 잘 형성되어 큰 내부 표면적을 가진다.
캐니스터(120)는 1차원 모델 생성에 필요한 구성요소를 포함할 수 있다. 캐니스터(120)의 구성요소는 전방 영역(Front Area)과 길이(Length)를 가지는 카본 베드(Carbon bed)의 크기를 포함할 수 있다. 이는 도 4에서 확인 가능하다. 캐니스터(120)의 활성탄은 비표면적(Specific Area)이 6×(1-void fraction)/Dparticle일 수 있다. 카본 베드의 솔리드 프랙션(Solid fraction)은 0.687일 수 있다.
또한, 캐니스터(120)의 구성요소는 카본 베드를 통과하는 유동율에 따른 압력 강하량을 포함할 수 있다. 카본 베드와 같은 다공성 재의 경우 프릭션 팩터(Friction Factor(f))와 레이놀즈 수(Re)의 곱을 통해 압력 강하량이 나타날 수 있다. 이는 수학식 1과 같이 나타날 수 있다.
<수학식 1>
Figure pat00001
수학식 1에서, ε은 기공률(Void Fraction)을 나타낸다.
또한, 카본 베드를 통과하는 유동에 대한 대류와 전도 열전달의 비율은 누셀 수(Nu)로 정의되며, 수학식 2와 같이 나타날 수 있다.
<수학식 2>
Figure pat00002
연료 탱크 차단 밸브(130)는, 연료 탱크(110)의 증발가스가 캐니스터(120)로 유입되는 것을 차단하는 장치이다. 연료 탱크 차단 밸브(130)는 캐니스터(120)의 후단(대기측)에 위치할 수 있다. 연료 탱크 차단 밸브(130)는 퍼지 수행 전에 개방되어 연료탱크(110)의 증발가스가 캐니스터(120)에 로딩되도록 할 수 있다. 이때 캐니스터(120)에 로딩된 증발가스가 활성탄에 흡착된 후 탈착되어 퍼지기 때문에, 퍼지 제어에 있어서 고농도의 증발가스 유입이 발생되지 않는 효과가 있다.
액티브 퍼지 펌프(140)는, 캐니스터(120)와 엔진(200) 사이에 구비될 수 있다. 액티브 퍼지 펌프(140)는 퍼지 제어시, 캐니서트(120)의 증발가스를 엔진(200)에 유입시키기 위한 펌핑 동작을 수행할 수 있다.
액티브 퍼지 펌프(140)는 1차원 모델 생성에 필요한 구성요소를 포함할 수 있다. 하이브리드 차량과 같은 친환경 차량의 엔진의 온(ON) 또는 오프OFF)가 빈번하여 종래 내연기관차량 대비 퍼지량을 학습하는 시간이 충분치 않은 단점이 있는데, 펌프를 이용하여 연료탱크 및 캐니스터에 포집되어 있는 증발가스를 강제 퍼지시킴과 동시에 퍼지 제어 솔리드 밸브(150)의 듀티량과 연동시키며, 퍼지량 학습을 통해 1차원 모델이 생성될 수 있다.
1차원 모델에는 시험에서 취득한 시간에 따른 체적 유량 또는 질량 유량값이 입력될 수 있다. 이때 1차원 모델은 해석 수행시, 시간에 따른 해당 유량값이 형성되어 연료탱크(110)와 캐니스터(120)에 흡착된 증발가스가 퍼지 제어 솔레노이드 밸브(150)를 거쳐 엔진(200)으로 유입되도록 할 수 있다.
퍼지 제어 솔레노이드 밸브(150)는, 액티브 퍼지 펌프(140)의 작동과 연동하여 발생된 증발가스를 엔진(200) 측으로 전달하는 역할을 하는 밸브이다.
퍼지 제어 솔레노이드 밸브(150)는, 1차원 모델 생성에 필요한 구성요소를 포함할 수 있다. 1차원 모델은 엔진(200)으로 유입되는 퍼지량을 학습할 수 있다. 이를 위해 퍼지 제어 솔레노이드 밸브(150)의 듀티값이 시간에 따라 서서히 증대 또는 감소할 수 있다.
1차원 모델은 시험에서 취득한 시간에 따른 듀티값이 입력되면, 해당 듀티값을 퍼지 제어 솔레노이드 밸브(150)의 개도면적 또는 오리피스 직경으로 변환하여 반영할 수 있다.
상술한 퍼지량 학습에 있어서, 실제 차량에서 퍼지를 수행하기 전에 만약 현재의 퍼지가스의 농도값을 알고 있다면, 그 농도를 초기 파일럿(Pilot)값으로 선정한 후 퍼지 제어를 수행하게 되면 학습이 되지 않아 퍼지 밸브를 서서히 열어야 하는 경우가 발생한다. 이에 대비하여 퍼지 제어 솔레노이드 밸브(150)를 상대적으로 빠르게 열면, 퍼지량 학습 시간이 줄어들 수 있다.
이와 같이, 1차원 모델 생성을 위한 초기 학습이 잘 이루어진 경우, 공연비 피드백 제어가 수행될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 해석 기술에서는 파일럿값으로 선정해야 할 증발가스의 초기 최대 농도값을 찾는데 주 목적이 있으며, 해당 최대 농도값을 선정하기 위해 캐니스터(120)의 흡착 및 탈착 특성이 파악되어야 한다.
다시 말해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀폐형 퍼지시스템(100)은, 종래와 달리 연료 탱크 차단 밸브(130)가 캐니스터(120)의 후단(대기측)에 위치함으로써, 연료 탱크 차단 밸브(130)의 개방시 연료탱크(110)에 저장된 연료가 자연증발에 의해 캐니스터(120) 내부로 유입되게 하고, 유입된 증발가스가 캐니스터(120) 내의 활성탄에 흡착되도록 하는 것을 특징으로 한다. 이때 액티브 퍼지 펌프(140)는 미작동 상태이고, 퍼지 제어 솔레노이드 밸브(150)는 닫힌 상태일 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀폐형 퍼지시스템(100)은, 연료 탱크 차단 밸브(130)의 닫힘시, 대기측으로의 유동이 발생되지 않아 연료탱크(110) 내의 증발가스가 캐니스터(120)로 유입되지 않도록 한다.
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀폐형 퍼지시스템(100)은, 연료 탱크 차단 밸브(130)와 퍼지 제어 솔레노이드 밸브(150) 이전까지의 배관에 증발가스가 확산되는 경우, 배관의 압력이 종래 연료 탱크 차단밸브가 닫혀 있는 경우와 대비하여 높게 올라가지 않으므로, 이후 퍼지 제어 솔레노이드 밸브(150)가 열리더라도 고농도의 증발가스가 엔진(200) 쪽으로 유입되지 않게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀폐형 퍼지시스템(100)은, 상술한 특징에 따라 엔진(200) 측으로 증발가스가 퍼지되는 경우, 액티브 퍼지 펌프(140)를 통해 강제 펌핑을 수행한다. 이때 듀티값에 따라 퍼지 제어 솔레노이드 밸브(150)의 열림 정도가 가변되는데, 이러한 듀티값은 엔진 측으로 유입되는 증발가스의 양에 대한 전자 제어 유닛(ECU, Electronic Control Unit)의 공연비 제어에 의해 결정될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀폐형 퍼지시스템(100)은, 1차원 시뮬레이션 툴을 활용한 해석방법을 이용하여 캐니스터(120)의 흡착 질량 및 탈착 질량을 계산하고, 퍼지 제어에 의한 증발가스의 농도를 계산하는 것을 특징으로 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀폐형 퍼지시스템의 증발가스 흡착 질량 및 농도 예측 방법의 순서도이다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀폐형 퍼지시스템의 증발가스 흡착 질량 및 농도 예측 방법은, 1차원 모델 생성 단계(S310), 화학 반응 모델 생성 단계(S320), 해석 조건 설정 단계(S330), 흡착 질량 계산 단계(S340), 농도 계산 단계(S350), 기준값 비교 단계(S360), 특성 수정 단계(S370), 및 해석 종료 단계(S380)를 포함할 수 있다.
1차원 모델 생성 단계(S310)에서, 전자 제어 유닛은 밀폐형 퍼지시스템(100)을 고려하여 1차원 모델을 생성할 수 있다. 여기서, 1차원 모델은 연료탱크(110), 캐니스터(120), 연료 탱크 차단 밸브(130), 액티브 퍼지 펌프(140), 및 퍼지 제어 솔리드 밸브(150)의 구성요소를 기초로 생성될 수 있다. 연료탱크(110), 캐니스터(120), 연료 탱크 차단 밸브(130), 액티브 퍼지 펌프(140), 및 퍼지 제어 솔리드 밸브(150)의 구성요소는 상술한 바 있으므로, 상세 설명을 생략한다.
화학 반응 모델 생성 단계(S320)에서, 전자 제어 유닛은 밀폐형 퍼지시스템(100)의 화학 반응 모델을 생성할 수 있다.
이하, 화학 반응 모델을 생성하는 과정에 대해 설명한다.
일 실시예에 있어서, 캐니스터(120)에 로딩된 증발가스의 흡착 및 탈착에 관련한 화학반응 과정은 캐니스터(120) 내 가스를 포집하는 활성탄을 순수 탄소 입자(원소기호: C)로 가정하고, 가솔린 연료의 증발가스 성분 중에서 대기오염에 악영향을 미치는 탄화수소(화학명: HC)를 특정하며, 이러한 두 물질간의 반응 메커니즘을 반응율 수식으로 정량화할 수 있다. 이러한 증발가스의 흡착 및 탈착에 관련한 화학 반응 과정은 화학 반응 모델에 적용될 수 있다.
이하, 화학 반응 모델에 적용되는 반응율(Reation Rate)에 대해 설명한다.
먼저, 두 물질 간의 반응 속도는 이미 알려진 아레니우스 식에 따라 해당 물질의 농도와 반응 차수에 의해 결정된다. 또한, 두 물질 간 반응에 있어서, 반응에 필요한 최소한의 에너지인 활성화 에너지와 이때 발생하는 반응열(Q)에 의해 정반응 또는 역반응을 포함한 화학반응이 일어날 수 있다.
캐니스터(120)의 활성탄은 증발가스의 로딩(Loading)시에 흡착되는 정반응 모델링이 요구되고, 증발가스의 퍼지 시에 탈착되는 역반응 모델링이 필요하다.
전체 반응율(Net Reaction Rate)은 아래 수학식 3과 같이 정의될 수 있다.
<수학식 3>
Figure pat00003
수학식 3에서, 커버리지(θ, Coverage)는 활성탄의 흡착 비율을 나타내고, C는 증발가스의 농도를 나타낸다. 여기서, 커버리(θ)는 활성탄에 흡착될 수 있는 증발가스의 최대 포화량과 실제 흡착된 증발가스의 비율을 나타낸다. 이는 대략 0 내지 1의 값으로 나타날 수 있다
또한, 반응과정을 정상상태(Steady state) 및 등온과정으로 가정하여 압력에 대해 정리하면 아래 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
<수학식 4>
Figure pat00004
수학식 4에서, ra는 정방향의 반응율을 나타내며, rd는 역방향의 반응율을 나타낸다. k는 정방향 및 역방향 전체에 대한 오버롤 흡착 특성(Overall Rate Multiplier)을 나타낸다. des_multi 값은 역반응시 탈착 특성(Desorption Multiplier)을 나타낸다. 반응율(Reaction Rate) 및 탈착 특성은 활성탄의 특성값으로서, 이론식을 통해 결정되는 값이 아니며 시험에 의해 계산될 수 있다.
카본 베드(Carbon bed)는 그 제조 특성 및 목적에 의해 내부에 수많은 기공이 존재하는 다공질재이다. 이에 따라 증발가스는 카본 베드의 기공부에만 존재하여 활성탄과 반응한다. 이때 전체 반응율 r값은 상술한 수학식 4에서 보이드 프랙션(Void fraction)값을 곱하여 계산될 수 있다. 이는 아래 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
<수학식 5>
Figure pat00005
해석 조건 설정 단계(S330)에서, 전자 제어 유닛은 해석 조건을 설정할 수 있다. 여기서, 해석 조건은 증발가스의 흡착 질량 및 농도 예측을 위한 조건일 수 있다. 캐니스터(120)의 활성탄에 흡착된 증발가스의 질량값을 예측하기 위해서는 활성탄의 탄소 알갱이와 증발가스 간 반응율 계산이 선행되어야 한다. 그러나, 반응율 계산식에서 제시한 흡착 특성(rate multiplier) k값은 활성탄의 제조산포에 의해 일정한 값을 가지지 못한다. 이에 따라, 별도 시험을 통해 관련있는 반응율 계산식의 흡착 특성 k값을 찾는 과정이 요구된다.
흡착 특성 k값을 찾기 위해서는 시스템 상 로딩 과정만 고려될 수 있다. 이때, 연료 탱크 차단 밸브(130)는 상시 개방되고, 퍼지 제어 솔리드 밸브(150)는 폐쇄된 상태로 일정 시간 동안 유지될 수 있다. 일정 시간은 대략 500초 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
흡착 질량 계산 단계(S340)에서, 전자 제어 유닛은 해석 조건이 설정된 화학 반응 모델을 이용하여 활성탄에 흡착되는 캐니스터(120)의 증발가스 흡착 질량을 계산할 수 있다. 전자 제어 유닛은 화학 반응 모델에서 활성탄의 흡착 특성을 추출하고, 추출한 흡착 특성을 가변하여 증발가스의 흡착 질량을 계산할 수 있다. 전자 제어 유닛은 캐니스터(120) 내의 반응율 k 값에 대해 디폴트값으로 제시된 0.027을 기준으로 대략 10배 또는 100배 증대된 값과 감소된 값을 적용하여 활성탄에 흡착된 증발가스의 질량을 계산할 수 있다.
증발가스 농도 계산 단계(S350)에서, 전자 제어 유닛은 퍼지 제어에 따라 퍼지 제어 솔리드 밸브로 퍼징되는 증발가스의 농도를 계산할 수 있다. 전자 제어 유닛은 화학 반응 모델에서 활성탄의 탈착 특성을 추출하고, 추출한 상기 탈착 특성을 가변하여 증발가스의 농도를 계산할 수 있다. 먼저 전자 제어 유닛은 액티브 퍼지 펌프(140)를 구동하여 유량을 생성시킬 수 있다. 전자 제어 유닛은 액티브 퍼지 펌프(140)에 의해 생성된 유량이 퍼지 제어 솔리드 밸브(150)를 통과하여 엔진(200) 측으로 유입될 때 증발가스의 농도값을 계산할 수 있다. 이때 생성된 유량은 캐니스터(120)의 활성탄에서 탈착된 증발가스로서, 상술한 바 있는 탈착 특성에 의해 농도값이 달라지므로 흡착 특성과 동일하게 별도 시험을 통해 찾는 과정이 요구된다.
탈착 특성값 des multi을 찾기 위해서는 시스템 상에서 퍼징(Purging)과정만 고려될 수 있다. 이때 연료 탱크 차단 밸브(130)는 폐쇄된 상태이고, 퍼지 제어 솔리드 밸브(150)는 개방된 상태일 수 있다.
탈착 과정은 캐니스터(120) 내 활성탄에 증발가스가 일정량 흡착된 상태에서 가능하다. 전자 제어 유닛은 흡착 특성 선정을 위한 해석조건에서 대략 500초 동안 폐쇄된 이후에 퍼지 제어 솔리드 밸브(150)를 곧바로 개방하여 퍼지 제어 솔리드 밸브(150)를 통과하는 증발가스의 농도를 계산할 수 있다. 이때 des multi 값은 디폴트값으로 제시된 20을 기준으로 2 내지 35까지 대략 8가지 케이스(Case)에 대한 농도값일 수 있다. 8가지의 케이스는 2, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 36 를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
기준값 비교 단계(S360)에서, 전자 제어 유닛은 증발가스의 흡착 질량과 농도를 기설정된 기준값과 비교하여 일치 여부를 판단할 수 있다. 여기서, 기준값은 실제 시험 과정을 통해 마련된 흡착 질량값과 농도값을 포함할 수 있다.
전자 제어 유닛은 흡착 특성 k값 변화에 따른 캐니스터(120) 내의 증발가스 흡착 질량과 실제 시험에서의 흡착 질량값을 비교하여 실제 시험값에 가장 근사한 질량값을 가지는 k값을 선정하며, 이때 선정된 k 값을 해당 시험장치에 적용된 캐니스터 내부 카본 베드의 고유한 값으로 설정할 수 있다.
또한, 전자 제어 유닛은, 탈착 특성 des_multi값 변화에 따른 퍼지 제어 솔레노이드 밸브(150)의 후단에서의 증발가스 농도와 실제 시험에서의 증발가스 농도를 비교하여 실제 시험값에 가장 근사한 농도 값을 가지는 des_multi 값을 선정할 수 있다. 이때 선정된 ‘des_multi’값은 흡착 특성 k값과 달리 시험 장치에 적용된 캐니스터(120)의 내부 카본 베드(Carbon bed)의 고유값으로 간주할 수 없다. 이는 활성탄에서 탈착된 증발가스외에 연료탱크로부터 유입된 증발가스가 퍼지 제어 솔리드 밸브(150)로 흘러들어간 증발가스에도 일부 존재하기 때문이다.
퍼지 농도 비의 경우 시간에 따른 농도값의 변화가 존재하므로, 어느 시점의 농도값을 실제 시험값의 기준값과 비교해야 하는지의 문제가 있다. 이는 상술한 바 있는 퍼지 제어 솔리드 밸브(150)의 모델과 같이 최대 농도치를 기준으로 삼는 것이 타당하다.
흡착 질량은 시간에 따른 변화가 존재하지만 해석조건에서 선정한 500초의 완료시점에서 누적된 가스의 흡착질량 값을 기준값과 비교하면 되나, 증발가스의 농도는 그렇지 않다.
특성 수정 단계(S370)에서, 전자 제어 유닛은, 증발가스의 흡착질량과 농도가 기준값에 일치하지 않는 경우, 기준값에 근접하도록 활성탄의 흡착 특성과 탈착 특성을 수정할 수 있다. 전자 제어 유닛은 수정된 활성탄의 흡착 특성과 탈착 특성을 화학 반응 모델에 적용할 수 있다.
해석 종료 단계(S380)에서, 전자 제어 유닛은, 증발가스의 흡착질량과 농도가 기준값에 일치하는 경우, 증발가스의 흡착질량과 농도 예측을 완료할 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀폐형 퍼지시스템의 흡착 질량 예측 결과를 보여주는 일 예이다.
도 5를 참고하면, 흡착 특성값 변화에 따라 흡착 질량은 다르게 나타나는데, 흡착 특성값 0에서 -1.29g으로 나타나고, 활성탄에 가스의 흡착이 거의 일어나지 않는 것을 확인할 수 있다. 반면에, 흡착 특성값이 0.00027에서 0.27까지 증가함에 따라 흡착 질량도 증가하는 경향을 확인할 수 있다.
그러나, 흡착 특성값 0을 제외하면 다른 흡착 특성값 사이에 흡착 질량의 변화가 거의 없다. 이는 연료탱크(110) 내 연료가 대략 500초 정도의 다소 짧은 시간 동안의 자연 증발되어 나타난 증발가스의 흡착 질량이며, 그 양이 크지 않기 때문에 흡착 특성값 변화에 따른 변별력이 떨어질 수 있다. 연료의 증발량이 많은 고온 환경조건 및 증기압이 높은 연료 적용시에는 그 변별성이 확인될 수 있다.
이와 더불어, 실제 시험장치에서 흡착 질량을 실시간으로 측정하는 것이 불가하여, 시험 전후 캐니스터(120)의 전체 중량을 측정하여 그 차이를 증발 가스의 흡착질량으로 간주하였으며, 그 양은 대략 18.15g으로서 예측 결과와 거의 동등한 수준인 것으로 확인된다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀폐형 퍼지시스템의 증발가스 농도 예측 결과를 보여주는 일 예이다.
도 6을 참고하면, 탈착 특성값 변화에 따른 증발가스의 농도는 최대 농도가 발생하는 초기 70초 이내에서 변화가 확인되며, 대략 70초 이후에는 모든 탈착 특성값에서 큰 차이가 없다. 대략 탈착 특성(des_multi) 20 내지 25 값에서 시험(Test) 농도와 유사한 증발가스 농도값을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀폐형 퍼지시스템의 증발가스 농도 예측 결과를 보여주는 다른 예이다.
도 7을 참고하면, 도 6과 마찬가지로 흡착 특성값 변화에 따른 흡착 질량의 변화는 크지 않음을 확인할 수 있다. 이는 상술한 바와 같이 증발가스가 활성탄에 흡착되는 기간이 짧기 때문이며, 또한, 기체상태의 농도값과 달리 고체상태의 질량값에 대해서는 흡착 특성값에 따른 민감도가 떨어지기 때문이다.
도 7에서, 탈착 특성값을 도 6에서 찾은 20 내지 25값으로 적용하고, 흡착 특성값을 0.00027에서 2.7까지 변화시켜가며 활성탄의 흡착 질량이 아닌 퍼지 제어 솔리드 밸브(150)의 후단부에 생성되는 기체상태의 농도값을 비교한 것을 확인할 수 있다.
증발가스 농도 예측을 위한 해석 조건은 대략 500초 동안 연료 탱크 차단 밸브(130)가 상시 개방되고, 퍼지 제어 솔리드 밸브(150)가 폐쇄되고 나서 대략 500초 이후 개방되는 조건을 포함한다.
흡착 특성값 선정을 위해, 활성탄 흡착량 변화 해석을 대신하여 탈착 특성값을 고정한 후 흡착 특성값에 따른 퍼지 제어 솔리드 밸브(150)의 농도를 계산한 결과 대략 0.027의 값에서 시험값의 최대 농도와 동등한 수준인 것으로 확인된다.
흡착 질량을 기준으로 하는 도 6과 달리, 도 7의 흡착 특성값 0.027 이하에서 시험 최대농도와 다소 차이가 발생하고, 흡착 특성값 0.027 이상에서 그 변화가 크게 둔화됨을 확인할 수 있다. 즉, 흡착 특성값은 최소 0.027 임을 확인할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
100: 폐쇄형 퍼지시스템
110: 연료탱크
120: 캐니스터
130: 연료 탱크 차단 밸브
140: 액티브 퍼지 펌프
150: 퍼지 제어 솔리드 밸브
200: 엔진

Claims (14)

  1. 연료탱크의 증발가스가 로딩되는 경우, 상기 증발가스가 흡착되고 나서 탈착되는 활성탄을 구비하는 캐니스터;
    상기 캐니스터와, 상기 캐니스터의 대기측 후단부 사이에 구비되는 연료 탱크 차단 밸브; 및
    상기 캐니스터와 차량의 엔진 사이에 구비되는 퍼지 제어 솔리드 밸브;
    를 포함하는 밀폐형 퍼지시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐니스터와 상기 퍼지 제어 솔리드 밸브 사이에 구비되는 액티브 퍼지 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐형 퍼지시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 탱크 차단 밸브는,
    퍼지 제어 수행시, 상기 퍼지 제어 솔리드 밸브의 개방 전에 상기 캐니스터에 상기 증발가스를 로딩시키기 위해 개방되는 것을 특징으로 하는 밀폐형 퍼지시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 캐니스터에 로딩된 상기 증발가스가 상기 활성탄에 흡착된 후 탈착되는 경우,
    상기 퍼지 제어 솔리드 밸브는 개방되고,
    상기 연료 탱크 차단 밸브는 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 밀폐형 퍼지시스템.
  5. 활성탄을 구비하는 캐니스터, 상기 캐니스터와, 상기 캐니스터의 대기측 후단부 사이에 구비되는 연료 탱크 차단 밸브, 및 상기 캐니스터와 차량의 엔진 사이에 구비되는 퍼지 제어 솔리드 밸브를 포함하는 밀폐형 퍼지시스템의 증발가스 흡착 질량 및 농도 예측 방법에 있어서,
    상기 밀폐형 퍼지시스템을 고려하여 1차원 모델을 생성하는 1차원 모델 생성 단계;
    상기 활성탄과 상기 캐니스터로 로딩되는 증발가스의 화학 반응을 고려하여 화학 반응 모델을 생성하여 상기 1차원 모델에 포함시키는 화학 반응 모델 생성 단계;
    상기 1차원 모델을 이용하여 상기 활성탄에 흡착되는 상기 증발가스의 흡착 질량을 계산하는 흡착 질량 계산 단계; 및
    상기 1차원 모델을 이용하여 상기 퍼지 제어 솔리드 밸브로 퍼징되는 상기 증발가스의 농도를 계산하는 농도 계산 단계;
    를 포함하는 밀폐형 퍼지시스템의 증발가스 흡착 질량 및 농도 예측 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 화학 반응 모델에서 상기 증발가스의 흡착 질량 계산시, 상기 연료 탱크 차단 밸브가 개방되고, 상기 퍼지 제어 솔리드 밸브가 폐쇄되는 상태로 일정 시간 동안 유지하는 해석 조건을 설정하는 해석 조건 설정 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐형 퍼지시스템의 증발가스 흡착 질량 및 농도 예측 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 해석 조건 설정 단계는,
    상기 화학 반응 모델에서 상기 증발가스의 농도 계산시, 상기 연료 탱크 차단 밸브가 폐쇄되고, 상기 퍼지 제어 솔리드 밸브가 상기 일정 시간 이후에 폐쇄 상태에서 개방 상태로 변경되는 해석 조건을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐형 퍼지시스템의 증발가스 흡착 질량 및 농도 예측 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 흡착 질량 계산 단계는,
    상기 화학 반응 모델에서 상기 활성탄의 흡착 특성을 추출하고, 추출한 상기 흡착 특성을 가변하여 상기 증발가스의 흡착 질량을 계산하는 것을 특징으로 하는 밀폐형 퍼지시스템의 증발가스 흡착 질량 및 농도 예측 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 농도 계산 단계는,
    상기 화학 반응 모델에서 상기 활성탄의 탈착 특성을 추출하고, 추출한 상기 탈착 특성을 가변하여 상기 증발가스의 농도를 계산하는 것을 특징으로 하는 밀폐형 퍼지시스템의 증발가스 흡착 질량 및 농도 예측 방법.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 증발가스의 흡착질량과 농도를 미리 마련된 기준값과 비교하고, 상기 기준값에 일치하는지를 판단하는 기준값 비교 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐형 퍼지시스템의 증발가스 흡착 질량 및 농도 예측 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 기준값 비교 단계에서 상기 증발가스의 흡착질량과 농도가 상기 기준값에 일치하지 않는 경우, 상기 기준값에 근접하도록 상기 활성탄의 흡착 특성과 탈착 특성을 수정하는 특성 수정 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐형 퍼지시스템의 증발가스 흡착 질량 및 농도 예측 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 기준값 비교 단계에서 상기 증발가스의 흡착질량과 농도가 상기 기준값에 일치하는 경우, 상기 증발가스의 흡착질량과 농도 예측을 완료하는 해석 종료 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐형 퍼지시스템의 증발가스 흡착 질량 및 농도 예측 방법.
  13. 제 5 항에 있어서,
    상기 1차원 모델은,
    상기 증발가스가 보관되는 연료탱크, 상기 캐니스터, 상기 캐니스터와 상기 구비되는 액티브 퍼지 펌프, 및 상기 퍼지 제어 솔리드 밸브의 구성요소를 기초로 생성되는 것을 특징으로 하는 밀폐형 퍼지시스템의 증발가스 흡착 질량 및 농도 예측 방법.
  14. 제 5 항에 있어서,
    상기 화학 반응 모델은,
    상기 활성탄을 순수 탄소 입자로 설정하고, 상기 증발가스를 탄화수소로 설정하며 상기 순수 탄소 입자와 상기 탄화수소 사이의 화학 반응을 반응율 수식으로 정량화하여 생성되는 것을 특징으로 하는 밀폐형 퍼지시스템의 증발가스 흡착 질량 및 농도 예측 방법.
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