WO2016182286A1 - Egr 밸브의 개도량을 조절하는 제어부를 포함하는 엔진 및 엔진의 egr 밸브 제어 방법 - Google Patents

Egr 밸브의 개도량을 조절하는 제어부를 포함하는 엔진 및 엔진의 egr 밸브 제어 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an opening amount control of an EGR valve provided in an engine using compressed natural gas as fuel.
  • an exhaust gas recirculation (EGR) system reduces a generation of nitrogen oxides (NOx) by lowering the combustion temperature of the engine by recycling a part of the exhaust gas discharged from the engine to the combustion chamber of the engine.
  • the EGR system includes an exhaust gas recirculation line branching from the engine exhaust line and extending to the intake line of the engine, the exhaust gas recirculation line having an EGR valve for controlling the amount of exhaust gas flowing from the exhaust line to the intake line. do.
  • the EGR valve controls the amount of exhaust gas recycled to the intake line by adjusting the opening rate of the exhaust gas recirculation line.
  • Diesel and Compressed Natural Gas (CNG) engines use EGR systems for different purposes. Diesel engines mainly use EGR systems to reduce NOx production by lowering combustion temperatures in cylinders. In diesel engines, exhaust regulation can be satisfied only by controlling the amount of exhaust gas recycled in all operating areas. CNG engines, on the other hand, have much lower NOx emissions than diesel engines, and therefore use EGR primarily for the purpose of reducing the exhaust gas temperature rather than for the purpose of preventing NOx production. If the exhaust gas temperature is too high in the CNG engine, the durability of the components associated with the exhaust line must be increased, which increases the cost of the product. Therefore, in a CNG engine made of exhaust line parts having relatively low durability, it is necessary to control the exhaust gas to maintain the temperature below the reference value through the EGR.
  • a closed loop control method is commonly used by adding an additional UEGO (Universal Exhaust Gas Oxygen) sensor to the intake line to control the EGR valve.
  • UEGO Universal Exhaust Gas Oxygen
  • the cost of adding an expensive UEGO sensor increases.
  • the UEGO sensor is to be considered to be vulnerable to moisture contained in the exhaust gas supplied through the exhaust gas recirculation line, there is a problem in that the configuration becomes complicated to ensure durability of the EGR valve control.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and an object thereof is to provide an EGR valve control apparatus and a control method capable of maintaining a temperature of exhaust gas below a reference temperature in a CNG engine by a simple configuration.
  • the combustion chamber An intake line for supplying air to the combustion chamber; An exhaust line for discharging exhaust gas discharged from the combustion chamber; A recirculation line for sending a part of the exhaust gas discharged through the exhaust line to the intake line; An exhaust gas temperature measuring device for measuring a temperature of exhaust gas discharged from the combustion chamber; An EGR valve controlling an amount of exhaust gas passing through the recirculation line; And a controller configured to calculate the amount of exhaust gas passing through the recirculation line according to engine operating conditions so as to adjust the EGR valve to be the first EGR valve opening amount.
  • the controller may further include a second EGR valve opening in which the EGR valve is increased by a predetermined increase amount from the opening amount of the first EGR valve when the temperature of the exhaust gas measured by the exhaust gas temperature measuring device exceeds a preset reference temperature. Adjust to the amount.
  • the engine may be to use compressed natural gas as fuel.
  • the driving condition may include an engine load and an engine rotation speed.
  • the opening amount of the increased EGR valve is reduced from the second EGR valve opening amount to the first EGR valve opening amount. Can be.
  • the increase amount may be set differently according to the opening amount value of the EGR valve calculated according to the engine operating condition.
  • the reference temperature may be a value in the range of 700 °C to 850 °C.
  • the control unit may adjust the opening amount of the EGR valve so that the EGR rate is less than or equal to a preset reference EGR rate in the state of being adjusted to the opening amount of the second EGR valve.
  • the reference EGR rate may be in the range of 20% to 30%.
  • the EGR valve control method of the engine calculating the amount of exhaust gas sent from the exhaust line to the intake line according to the engine operating conditions; Adjusting the opening amount of the EGR valve according to the calculated amount of exhaust gas; Measuring a temperature of exhaust gas discharged from the combustion chamber; And increasing the opening amount of the EGR valve by a predetermined increase amount when the temperature of the exhaust gas discharged from the combustion chamber exceeds a preset reference temperature.
  • the driving condition may include an engine load and an engine rotation speed.
  • the increase amount may be set differently according to the opening amount value of the EGR valve calculated according to the engine operating condition.
  • the reference temperature may be a value in the range of 700 °C to 850 °C.
  • the engine EGR valve control method may further include calculating an EGR rate; Determining whether the EGR rate exceeds a reference EGR rate; And reducing the opening amount of the EGR valve when the EGR rate exceeds the reference EGR rate.
  • the reference EGR rate may be a value in the range of 20% to 30%.
  • the manufacturing cost can be lowered and the structure of the engine system is simplified. It works.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an engine system to which an EGR valve control apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a block diagram of an EGR valve control apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flow chart of an EGR valve control method according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is an embodiment of an engine system to which an EGR valve control device is applied according to an exemplary embodiment
  • FIG. 2 is a configuration diagram of an EGR valve control device according to an exemplary embodiment.
  • an engine system 100 to which an EGR valve control apparatus is applied includes an engine 200, an engine speed sensor 220, an intake line 310, an exhaust line 320, The recirculation line 400, the EGR valve 450, the exhaust gas temperature measuring device 600, and the controller 700 may be included.
  • the engine system 100 may further include a supercharger 350, an inter cooler 355, an EGR flow sensor 420, an EGR cooler 480, and a fresh air flow sensor 660.
  • the engine 200 is an engine that uses compressed natural gas (CNG) as a fuel and generates power by burning the fuel.
  • CNG compressed natural gas
  • the engine speed sensor 220 may measure the rotation speed of the engine 200 and output the measured value to the controller 700.
  • the controller 700 may be an electronic control unit (ECU).
  • the intake line 310 is connected to the combustion chamber of the engine 200, and the combustion air may be supplied to the combustion chamber of the engine 200 through the intake line 310.
  • the intake line 310 may be connected to the engine 200 through an intake manifold.
  • the fresh air flow sensor 660 measures the flow rate of the fresh air flowing through the intake line 310.
  • the supercharger 350 compresses the fresh air introduced through the intake line 310.
  • the intercooler 355 is disposed between the supercharger 350 and the intake line 310 to cool the fresh air compressed by the supercharger 350.
  • the exhaust line 320 is connected to the combustion chamber of the engine 200, and the exhaust gas is discharged from the engine 200 through the exhaust line 320.
  • the exhaust line 320 may be connected to the engine 200 through an exhaust manifold.
  • the recirculation line 400 branches from the exhaust line 320 and joins the intake line 310. A part of the exhaust gas discharged from the engine 200 is recycled back to the intake line 310 through the recirculation line 400. The exhaust gas recycled through the recirculation line 400 is mixed with fresh air introduced from the outside through the intake line 310 and supplied to the combustion chamber of the engine 200.
  • EGR valve 450 is installed in the recirculation line 400 to adjust the flow rate of the exhaust gas is recycled.
  • the EGR cooler 480 is installed in the recirculation line 400 to lower the temperature of the exhaust gas passing through the recirculation line 400.
  • the EGR flow sensor 420 measures the flow rate of the exhaust gas recycled through the recirculation line 400.
  • the exhaust gas temperature measuring device 600 is installed in the exhaust line 320 to measure the temperature of the exhaust gas discharged through the exhaust line 320.
  • the exhaust gas temperature measuring device 600 may be a temperature sensor.
  • the engine system may include an operation condition output unit 800 and a controller 700.
  • the driving condition output unit 800 measures or calculates and outputs a driving condition informing the current driving state of the engine 200.
  • the driving conditions output by the driving condition output unit 800 may be input to the controller 700.
  • the driving condition which is essentially measured by the driving condition output unit 800 is the temperature of the exhaust gas.
  • the driving condition output unit 800 may measure or calculate an engine load, an engine rotation speed, and output the measured, calculated, and output other operating conditions indicating the current operating state of the engine.
  • the driving condition output unit 800 may directly measure and output a driving condition, or may calculate and output a value measured by another means.
  • the driving condition output unit 800 may include an exhaust gas temperature measuring device 600 and an engine speed sensor 220.
  • the driving condition output unit 800 may include an ECU of a vehicle that calculates and outputs information input from various sensors of the vehicle.
  • the controller 700 may calculate the opening amount of the EGR valve by receiving the driving conditions output from the driving condition output unit 800.
  • the controller 700 may output a control signal corresponding to the calculated opening amount of the EGR valve 450, and the opening amount of the EGR valve 450 may be adjusted by the control signal.
  • the controller 700 may calculate the opening amount of the EGR valve based on the input of operating conditions such as an engine load and an engine rotational speed. In this case, various methods may be used to determine the opening amount of the EGR valve. First, the opening amount of the EGR valve 450 for various operating conditions may be provided in the form of a lookup table through a test in advance.
  • the controller 700 may obtain the opening amount value of the EGR valve 450 by substituting the input operation condition information into the lookup table.
  • a mathematical model of the engine system can be used. Once the mathematical model of the engine system whose operating conditions are variables is determined, the opening conditions of the EGR valve can be obtained by substituting the operating conditions.
  • the controller 700 may increase or maintain the opening amount of the EGR valve according to whether the exhaust gas temperature exceeds the reference temperature after comparing the exhaust gas temperature with the reference temperature. If the exhaust gas temperature does not exceed the reference temperature, the controller 700 maintains the opening amount of the EGR valve 450 as it is. On the other hand, when the exhaust gas temperature exceeds the reference temperature, the controller 700 increases the opening amount of the EGR valve 450.
  • the controller 700 may increase the opening amount of the EGR valve 450 by a preset increase amount.
  • the controller 700 may store an increase amount value.
  • the increase amount may be a fixed constant value or may be a value that changes depending on the exhaust gas temperature.
  • the increase amount may be determined based on the opening amount of the EGR valve 450.
  • the increase amount may be proportional or inversely proportional to the opening amount of the EGR valve.
  • the increase amount of the EGR valve can be determined by various methods. As one method, after setting the exhaust gas temperature for each section to set the increase amount for each section, an increase amount value corresponding to the section may be selected according to which section the current exhaust gas temperature belongs to. As another method, a lookup table or a mathematical model may be used similarly to the method of determining the opening amount of the EGR valve.
  • the opening amount of the EGR valve 450 calculated according to the engine operating conditions is calculated. By increasing the amount by an increased amount of exhaust gas can be recycled to the combustion chamber, thereby reducing the exhaust gas temperature quickly.
  • the EGR valve control method may include estimating an amount of exhaust gas sent from the exhaust line 320 to the intake line 310 according to an engine operating condition (S10). Adjusting the opening amount of the EGR valve 450 according to the amount of exhaust gas (S20), the step of measuring the temperature of the exhaust gas discharged from the combustion chamber (S30), the temperature of the exhaust gas discharged from the combustion chamber is preset reference It is determined whether the temperature is exceeded (S40), and when the temperature of the exhaust gas discharged from the combustion chamber exceeds the preset reference temperature, increasing the opening amount of the EGR valve 450 by a preset increase amount (S50). can do.
  • the driving condition output unit 800 may measure or calculate various driving conditions informing the current driving state of the engine 200.
  • the driving condition may be an engine load and an engine rotation speed, but the type of the driving condition is not limited thereto, and may include various types of information such as a boost pressure and a fresh air flow rate.
  • the driving condition information may be output to the controller 700.
  • the control unit 700 may calculate the opening amount of the EGR valve 450 based on the driving condition transmitted from the driving condition output unit 800.
  • the controller 700 may adjust the opening amount of the EGR valve 450 by outputting a control signal to the EGR valve 450 (S20). After the opening amount of the EGR valve 450 is adjusted, the temperature of the exhaust gas discharged from the combustion chamber can be measured by the exhaust gas temperature measuring device. The measured exhaust gas temperature is transmitted to the controller 700, and the controller 700 may determine whether the measured exhaust gas temperature exceeds a preset reference temperature (S40).
  • step S10 the process returns to step S10 of calculating the amount of exhaust gas sent from the exhaust line 320 to the intake line 310 according to the engine operating conditions, and repeats the above process. It can be carried out.
  • the opening amount of the EGR valve 450 may be increased by a predetermined increase amount. After increasing the opening amount of the EGR valve 450, returning to the step (S10) of calculating the amount of exhaust gas sent from the exhaust line 320 to the intake line 310 in accordance with the engine operating conditions to repeat the above process It can be carried out.
  • the control unit 700 calculates the amount of exhaust gas passing through the recirculation line 400 according to the operating conditions of the engine 200 to adjust the EGR valve 450 to the opening amount of the first EGR valve.
  • the controller 700 increases the EGR valve 450 by a predetermined increase amount in the opening amount of the first EGR valve. It can be adjusted so that the opened amount of the 2nd EGR valve may be made.
  • the opening amount of the increased EGR valve 450 is calculated according to the engine operating conditions. Can be reduced by the amount of opening.
  • the reference temperature may vary depending on the material of the components constituting the exhaust line 320, the reference temperature for the components of the exhaust line 320 of the general quality may be a value between 700 °C to 850 °C.
  • the exhaust line 320 parts are subjected to high temperature transformation from 800 ° C., and the exhaust line 320 parts have a temperature about 50 ° C. lower than the exhaust gas temperature.
  • the exhaust gas reference temperature may be up to 850 ° C.
  • the exhaust gas reference temperature is preferably about 750 ° C, which is about 100 ° C lower than this, and in consideration of safety margin, the exhaust gas reference temperature is preferably about 720 ° C.
  • the EGR valve control method after the step (S50) of increasing the opening amount of the EGR valve 450 by a predetermined increase amount (S50), calculating the EGR rate (S60), the EGR rate is the reference EGR
  • the method may further include determining whether the rate is exceeded (S70), and when the EGR rate exceeds the reference EGR rate, reducing the opening amount of the EGR valve 450 (S80).
  • Higher EGR rates are beneficial for lowering the temperature of the exhaust gases, but may have a detrimental effect on the combustion efficiency of the engine.
  • This additional step (S60, S70, S80) after the step S50 of increasing the opening amount of the EGR valve 450 by a predetermined increase amount prevents incomplete combustion from occurring in the engine due to an excessively large EGR rate. Can be.
  • the EGR rate can be calculated by the amount of opening.
  • the EGR rate can be calculated by the following equation.
  • EGR rate amount of recycled exhaust gas / amount of air entering the combustion chamber
  • the amount of recycle exhaust gas may be measured by the EGR flow sensor 420
  • the amount of fresh air may be measured by the fresh air flow sensor 660.
  • the amount of recycled exhaust gas and the amount of fresh air are directly measured by using a flow sensor, in addition to the amount of recycled exhaust gas indirectly by calculation using the temperature and pressure of the exhaust gas and fresh air. And the amount of novelty.
  • the EGR rate is calculated, it is compared with the preset reference EGR rate to determine whether the EGR rate exceeds the reference EGR rate (S70). If the EGR rate exceeds the standard EGR rate, since incomplete combustion is likely to occur in the engine, the opening amount of the EGR valve 450 is reduced (S80). After reducing the opening amount of the EGR valve 450, the EGR rate is calculated again (S60) and compared with the reference EGR rate (S70), and when the EGR rate is larger than the reference EGR rate, the opening of the EGR valve 450 is again performed. Reduce the quantity (S80). In this manner, the above process can be repeated until the EGR rate becomes less than or equal to the reference EGR rate. At this time, the reference EGR rate may be a value in the range of 20% to 30%, for example 25%. However, the reference EGR rate may vary from 25%, depending on the characteristics of the engine.
  • the calculated EGR rate is less than the reference EGR rate, it can be carried out by returning to the step (S10) to calculate the amount of exhaust gas sent from the exhaust line to the intake line according to the engine operating conditions and repeat the above process.
  • the EGR valve control method includes an open loop control system, and is configured to correct the opening amount of the EGR valve 450 only when the exhaust gas temperature exceeds the reference temperature. Since the exhaust gas temperature can be measured by the exhaust gas temperature sensor, it is not necessary to have an additional separate sensor, thereby lowering the manufacturing cost and simplifying the structure of the engine system.
  • the open-loop control system as in the exemplary embodiment also has the effect of preventing the temperature of the exhaust gas from rising above the reference value without significantly impairing the performance of the theoretical air-fuel ratio CNG engine.
  • An engine including a control unit for adjusting an opening amount of an EGR valve according to an exemplary embodiment of the present invention and an EGR valve control method of the engine generally use an exhaust gas temperature sensor that is basically installed in a vehicle without installing an additional sensor. By adjusting the opening amount of the EGR valve it can be used to appropriately control the temperature of the exhaust gas.

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Abstract

본 발명은 압축천연가스를 연료로 사용하는 엔진에 구비되는 EGR 밸브의 개도량 제어에 관한 것이다. 본 발명에 따른 엔진의 EGR 밸브 제어 방법은, 엔진 운전조건에 따라 배기라인에서 흡기라인으로 보내는 배기가스의 양을 산정하는 단계, 상기 산정된 배기가스의 양에 따라 EGR 밸브의 개도량을 조절하는 단계, 상기 연소실로부터 배출되는 배기가스의 온도를 측정하는 단계, 및 상기 연소실로부터 배출되는 배기가스의 온도가 미리 설정된 기준 온도를 초과하는 경우 상기 EGR 밸브의 개도량을 미리 설정된 증가량만큼 증가시키는 단계를 포함한다.

Description

EGR 밸브의 개도량을 조절하는 제어부를 포함하는 엔진 및 엔진의 EGR 밸브 제어 방법
본 발명은 압축천연가스를 연료로 사용하는 엔진에 구비되는 EGR 밸브의 개도량 제어에 관한 것이다.
엔진 시스템에 있어서 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 시스템은 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 일부를 엔진의 연소실로 재순환시켜 엔진의 연소온도를 낮추어 줌으로써 질소산화물(NOx)의 발생을 감소시킨다. EGR 시스템은 엔진의 배기라인으로부터 분기되어 엔진의 흡기라인으로 연장되는 배기가스 재순환라인을 포함하며, 배기가스 재순환라인에는 배기라인으로부터 흡기라인으로 유입되는 배기가스의 양을 조절하기 위한 EGR 밸브가 구비된다. EGR 밸브는 배기가스 재순환라인의 개도율을 조절하여 흡기라인으로 재순환되는 배기가스의 양을 조절한다.
그런데 디젤 엔진과 압축천연가스(Compressed Natural Gas; CNG) 엔진은 서로 다른 목적으로 EGR 시스템을 사용한다. 디젤엔진에서는 주로 실린더 내의 연소온도를 낮추어 NOx 생성을 줄이기 위한 목적으로 EGR 시스템을 사용하고 있다. 디젤엔진에서는 모든 운전영역에서 재순환되는 배기가스의 양을 정확하게 제어해야만 배기규제를 만족할 수 있다. 반면, CNG 엔진은 디젤 엔진에 비해 NOx 배출량이 훨씬 적기 때문에, NOx 생성 방지 목적보다는 주로 배기가스 온도 저감 목적으로 EGR을 이용한다. CNG 엔진에서 배기가스 온도가 너무 높으면 배기라인과 관련된 부품들의 내구성이 높아져야 하는데, 이에 따라 제품의 원가가 상승하게 된다. 따라서, 비교적 낮은 내구성을 가지는 배기라인 부품으로 이루어지는 CNG 엔진에서는 EGR을 통해 배기가스의 온도가 기준치 이하로 유지될 수 있도록 제어해줄 필요가 있다. 이를 위해, CNG 엔진에서는 EGR 밸브 제어를 위하여 흡기라인에 UEGO(Universal Exhaust Gas Oxygen) 센서를 추가로 구비하여 폐루프 제어를 하는 방법이 통상적으로 사용되나, 고가인 UEGO 센서의 추가로 인한 비용이 증가하는 문제가 있다. 또한, 배기가스 재순환 라인을 통해 공급되는 배기가스에 포함된 수분에 UEGO 센서가 취약함을 고려해야 하기 때문에, EGR 밸브 제어의 내구성을 확보하기 위해 구성이 복잡해지는 문제도 있다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 간단한 구성에 의해 CNG 엔진에서 배기가스의 온도가 기준 온도 이하로 유지될 수 있는 EGR 밸브 제어 장치 및 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 엔진은, 연소실; 상기 연소실에 공기를 공급하는 흡기라인; 상기 연소실로부터 배출되는 배기가스를 배출하는 배기라인; 상기 배기라인을 통해 배출되는 배기가스의 일부를 상기 흡기라인으로 보내기 위한 재순환라인; 상기 연소실로부터 배출되는 배기가스의 온도를 측정하는 배기가스 온도 측정장치; 상기 재순환라인을 통과하는 배기가스의 양을 조절하는 EGR 밸브; 및 엔진 운전조건에 따라 상기 재순환라인을 통과하는 배기가스의 양을 산정하여 상기 EGR 밸브를 제1 EGR 밸브 개도량이 되도록 조절하는 제어부를 포함한다. 그리고 상기 제어부는 상기 배기가스 온도 측정장치에 의해 측정된 배기가스의 온도가 미리 설정된 기준 온도를 초과하는 경우 상기 EGR 밸브가 상기 제1 EGR 밸브 개도량에서 미리 설정된 증가량 만큼 증가된 제2 EGR 밸브 개도량이 되도록 조절한다.
이때, 상기 엔진은 압축천연가스를 연료로 사용하는 것일 수 있다.
또한, 상기 운전조건은 엔진 부하 및 엔진 회전속도를 포함할 수 있다.
또한, 상기 배기가스 온도 측정장치에 의해 측정된 배기가스의 온도가 상기 기준 온도 이하로 내려가는 경우 증가된 상기 EGR 밸브의 개도량을 상기 제2 EGR 밸브 개도량에서 상기 제1 EGR 밸브 개도량으로 줄일 수 있다.
또한, 상기 엔진 운전조건에 따라 산정된 상기 EGR 밸브의 개도량 값에 따라서 상기 증가량을 다르게 설정할 수 있다.
또한, 상기 기준 온도는 700℃ 내지 850℃의 범위의 값일 수 있다.
상기 제어부는 상기 제2 EGR 밸브 개도량으로 조절된 상태에서 EGR 률이 기 설정된 기준 EGR 률 이하가 되도록 상기 EGR 밸브 개도량을 조절할 수 있다.
그리고 상기 기준 EGR 률은 20% 내지 30%의 범위의 값일 수 있다.
또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 엔진의 EGR 밸브 제어 방법은, 엔진 운전조건에 따라 배기라인에서 흡기라인으로 보내는 배기가스의 양을 산정하는 단계; 상기 산정된 배기가스의 양에 따라 EGR 밸브의 개도량을 조절하는 단계; 상기 연소실로부터 배출되는 배기가스의 온도를 측정하는 단계; 및 상기 연소실로부터 배출되는 배기가스의 온도가 미리 설정된 기준 온도를 초과하는 경우 상기 EGR 밸브의 개도량을 미리 설정된 증가량만큼 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 운전조건은 엔진 부하 및 엔진 회전속도를 포함할 수 있다.
이때, 상기 EGR 밸브의 개도량을 미리 설정된 증가량만큼 증가시키는 단계는, 상기 엔진 운전조건에 따라 산정된 상기 EGR 밸브의 개도량 값에 따라서 상기 증가량을 다르게 설정할 수 있다.
또한, 상기 기준 온도는 700℃ 내지 850℃의 범위의 값일 수 있다.
또한, 상기 엔진의 EGR 밸브 제어 방법은, EGR 률을 산출하는 단계; 상기 EGR 률이 기준 EGR 률을 초과하는지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 EGR 률이 상기 기준 EGR 률을 초과하는 경우 상기 EGR 밸브의 개도량을 감소시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 기준 EGR 률은 20% 내지 30%의 범위의 값일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 추가적인 센서를 장착할 필요 없이 EGR 밸브의 개도량을 조절하여 배기가스의 온도를 적절하게 제어할 수 있기 때문에, 제조 비용을 낮출 수 있고 엔진 시스템의 구조가 간단해지는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 EGR 밸브 제어 장치가 적용되는 엔진 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 EGR 밸브 제어 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 EGR 밸브 제어 방법의 순서도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 EGR 밸브 제어 장치가 적용되는 엔진 시스템의 일 실시예이고, 도 2는 예시적인 실시예에 따른 EGR 밸브 제어 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 EGR 밸브 제어 장치가 적용되는 엔진 시스템(100)은 엔진(200), 엔진회전속도 센서(220), 흡기라인(310), 배기라인(320), 재순환라인(400), EGR 밸브(450), 배기가스 온도 측정장치(600) 및 제어부(700)를 포함할 수 있다. 또한, 엔진 시스템(100)은 과급기(350), 인터 쿨러(355), EGR 유량센서(420), EGR 쿨러(480) 및 신기 유량센서(660)를 더 포함할 수 있다.
엔진(200)은 압축천연가스(Compressed Natural Gas; CNG)를 연료로 사용하는 엔진이며, 연료를 연소시켜 동력을 발생시킨다. 엔진회전속도 센서(220)는 엔진(200)의 회전속도를 측정하여 측정값을 제어부(700)로 출력할 수 있다. 제어부(700)는 전자제어유닛(Electronic Control Unit; ECU)일 수 있다.
흡기라인(310)은 엔진(200)의 연소실과 연결되고, 연소용 공기는 흡기라인(310)을 통해 엔진(200)의 연소실로 공급될 수 있다. 엔진(200)이 복수의 실린더를 포함하는 경우, 흡기라인(310)은 흡기 매니폴드를 통해 엔진(200)과 연결될 수 있다. 신기 유량센서(660)는 흡기라인(310)을 통해 유입되는 신기의 유량을 측정한다.
과급기(350)는 흡기라인(310)을 통해 유입되는 신기를 압축시킨다. 인터쿨러(355)는 과급기(350)와 흡기라인(310) 사이에 배치되어 과급기(350)에 의해 압축된 신기를 냉각시킨다.
배기라인(320)은 엔진(200)의 연소실과 연결되고, 배기가스는 배기라인(320)을 통해 엔진(200)으로부터 배출된다. 엔진(200)이 복수의 실린더를 포함하는 경우, 배기라인(320)은 배기 매니폴드를 통해 엔진(200)과 연결될 수 있다.
재순환라인(400)은 배기라인(320)으로부터 분기되어 흡기라인(310)에 합류된다. 엔진(200)으로부터 배출되는 배기가스의 일부는 재순환라인(400)을 통해 다시 흡기라인(310)으로 재순환된다. 재순환라인(400)을 통해 재순환된 배기가스는 흡기라인(310)을 통해 외부로부터 유입된 신기와 혼합되어 엔진(200)의 연소실로 공급된다.
EGR 밸브(450)는 재순환라인(400)에 설치되어 재순환되는 배기가스의 유량을 조절한다. EGR 쿨러(480)는 재순환라인(400)에 설치되어 재순환라인(400)을 통과하는 배기가스의 온도를 낮춘다. EGR 유량센서(420)는 재순환라인(400)을 통해 재순환되는 배기가스의 유량을 측정한다.
배기가스 온도 측정장치(600)는 배기라인(320)에 설치되어 배기라인(320)을 통해 배출되는 배기가스의 온도를 측정한다. 배기가스 온도 측정장치(600)는 온도센서일 수 있다.
도 2를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 엔진 시스템은 운전조건출력부(800) 및 제어부(700)를 포함할 수 있다.
운전조건출력부(800)는 엔진(200)의 현재 운전 상태를 알려주는 운전조건을 측정 또는 계산하여 출력한다. 운전조건출력부(800)에 의해 출력되는 운전조건들은 제어부(700)에 입력될 수 있다. 운전조건출력부(800)에 의해 필수적으로 측정되는 운전조건은 배기가스의 온도이다. 또한 운전조건출력부(800)는 엔진 부하, 엔진 회전속도를 측정하거나 계산하여 출력할 수 있으며, 엔진의 현재 운전 상태를 알려주는 다른 운전조건들을 측정하거나 계산하여 출력할 수 있다. 운전조건출력부(800)는 운전조건을 직접 측정하여 출력할 수도 있고, 다른 수단에 의해 측정된 값을 계산하여 출력할 수도 있다. 운전조건출력부(800)는 배기가스 온도 측정장치(600), 엔진회전속도 센서(220)를 포함할 수 있다. 또한, 운전조건출력부(800)는 차량의 각종 센서들로부터 입력되는 정보를 계산하여 출력하는 차량의 ECU를 포함할 수 있다.
제어부(700)는 운전조건출력부(800)로부터 출력되는 운전조건들을 입력받아 EGR 밸브의 개도량을 산정할 수 있다. 제어부(700)는 산정된 EGR 밸브의 개도량에 대응되는 제어 신호를 EGR 밸브(450)출력할 수 있으며, 이 제어 신호에 의해 EGR 밸브(450)의 개도량이 조절될 수 있다. 제어부(700)는 엔진 부하, 엔진 회전속도와 같은 운전조건이 입력되면 이를 바탕으로 EGR 밸브의 개도량을 산정할 수 있는데, 이때 EGR 밸브의 개도량을 결정하는 것은 다양한 방법이 이용될 수 있다. 먼저, 사전에 테스트를 통해 다양한 운전조건에 대한 EGR 밸브(450)의 개도량이 룩업 테이블 형태로 구비될 수 있다. EGR 밸브(450)의 개도량에 대한 룩업 테이블이 마련되면, 제어부(700)는 입력되는 운전조건 정보를 룩업 테이블에 대입하여 EGR 밸브(450)의 개도량 값을 얻을 수 있다. EGR 밸브의 개도량을 산정하기 위한 다른 방법으로서, 엔진 시스템의 수학적 모델이 이용될 수 있다. 일단 운전조건을 변수로 하는 엔진 시스템의 수학적 모델이 결정되면, 여기에 운전조건을 대입하여 EGR 밸브의 개도량을 얻을 수 있다.
또한, 제어부(700)는 배기가스 온도를 기준 온도와 비교한 후, 배기가스 온도가 기준 온도를 초과하는지 여부에 따라 EGR 밸브의 개도량을 증가시키거나 그대로 유지시킬 수 있다. 배기가스 온도가 기준 온도를 초과하지 않으면 제어부(700)는 EGR 밸브(450)의 개도량을 그대로 유지시킨다. 반면, 배기가스 온도가 기준 온도를 초과하면 제어부(700)는 EGR 밸브(450)의 개도량을 증가시킨다.
이때, 제어부(700)는 미리 설정된 증가량만큼 EGR 밸브(450)의 개도량을 증가시킬 수 있다. 제어부(700)에는 증가량 값이 저장될 수 있다. 증가량은 고정된 상수값일 수도 있고, 배기가스 온도에 따라 변경되는 값일 수도 있다. 또한, 증가량은 EGR 밸브(450)의 개도량을 바탕으로 결정될 수 있다. 예컨대, 증가량은 EGR 밸브의 개도량에 비례 또는 반비례관계일 수 있다.
증가량이 온도에 따라 변경되는 값일 경우에는 EGR 밸브의 증가량은 다양한 방법에 의해 결정될 수 있다. 한 가지 방법으로서, 배기가스 온도를 구간별로 설정하여 각 구간별로 증가량을 설정해놓은 후, 현재 입력되는 배기가스 온도가 어떤 구간에 속하는지에 따라 해당 구간에 해당하는 증가량 값이 선택될 수 있다. 또 다른 방법으로서, EGR 밸브의 개도량을 결정하는 방법과 유사하게 룩업 테이블을 이용하거나 수학적 모델이 이용될 수도 있다.
EGR 밸브의 개도량이 더 클수록 재순환되는 배기가스의 양이 증가하여 엔진 연소실의 온도가 감소하게 되므로, 배기가스 온도가 기준 온도를 초과하는 경우 엔진 운전조건에 따라 산정된 EGR 밸브(450)의 개도량을 증가량만큼 증가시킴으로써 더 많은 양의 배기가스가 연소실로 재순환될 수 있고, 이에 따라 배기가스 온도를 신속하게 낮출 수 있다.
이하, 전술한 예시적인 실시예에 따른 엔진의 구성요소를 참조하여 EGR 밸브를 제어하는 방법의 일 실시예를 설명한다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 EGR 밸브 제어 방법의 순서도이다. 도 3을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 EGR 밸브 제어 방법은, 엔진 운전조건에 따라 배기라인(320)에서 흡기라인(310)으로 보내는 배기가스의 양을 산정하는 단계(S10), 산정된 배기가스의 양에 따라 EGR 밸브(450)의 개도량을 조절하는 단계(S20), 연소실로부터 배출되는 배기가스의 온도를 측정하는 단계(S30), 연소실로부터 배출되는 배기가스의 온도가 미리 설정된 기준 온도를 초과하는지 여부를 판단하여(S40), 연소실로부터 배출되는 배기가스의 온도가 미리 설정된 기준 온도를 초과하는 경우 EGR 밸브(450)의 개도량을 미리 설정된 증가량만큼 증가시키는 단계(S50)를 포함할 수 있다.
재순환되는 배기가스의 양을 산정하는 단계(S10)에서는, 운전조건출력부(800)가 엔진(200)의 현재 운전 상태를 알려주는 다양한 운전조건을 측정 또는 계산할 수 있다. 운전조건은 엔진 부하와 엔진 회전속도일 수 있으나, 운전조건의 종류는 이에 한정되지 않으며, 과급 압력, 신기 유량 등 다양한 정보들이 될 수 있다. 운전조건 정보는 제어부(700)로 출력될 수 있다. 제어부(700)는 운전조건출력부(800)로부터 전달되는 운전조건을 바탕으로 EGR 밸브(450)의 개도량을 산정할 수 있다.
EGR 밸브(450)의 개도량이 산정되면, 제어부(700)는 EGR 밸브(450)에 제어 신호를 출력하여 EGR 밸브(450)의 개도량을 조절할 수 있다(S20). EGR 밸브(450)의 개도량이 조절된 후, 연소실로부터 배출되는 배기가스의 온도가 배기가스 온도 측정장치에 의해 측정될 수 있다. 측정된 배기가스 온도는 제어부(700)로 전달되며, 제어부(700)는 측정된 배기가스 온도가 미리 설정된 기준 온도를 초과하는지 여부를 판단할 수 있다(S40).
배기가스 온도가 기준 온도를 초과하지 않는 경우에는, 엔진 운전조건에 따라 배기라인(320)에서 흡기라인(310)으로 보내는 배기가스의 양을 산정하는 단계(S10)로 돌아가서 상기의 과정을 반복하여 실시할 수 있다.
반면, 배기가스 온도가 기준 온도를 초과하는 경우에는 EGR 밸브(450)의 개도량을 미리 설정된 증가량만큼 증가시킬 수 있다. EGR 밸브(450)의 개도량을 증가시킨 후, 엔진 운전조건에 따라 배기라인(320)에서 흡기라인(310)으로 보내는 배기가스의 양을 산정하는 단계(S10)로 돌아가서 상기의 과정을 반복하여 실시할 수 있다.
구체적으로 예를 들면, 제어부(700)는 엔진(200)의 운전조건에 따라 재순환라인(400)을 통과하는 배기가스의 양을 산정하여 EGR 밸브(450)를 제1 EGR 밸브 개도량이 되도록 조절하고, 이후 제어부(700)는 배기가스 온도 측정장치(600)에 의해 측정된 배기가스의 온도가 미리 설정된 기준 온도를 초과하는 경우 EGR 밸브(450)가 제1 EGR 밸브 개도량에서 미리 설정된 증가량 만큼 증가된 제2 EGR 밸브 개도량이 되도록 조절할 수 있다.
이때, 상기의 과정을 반복하는 과정에서, 엔진 운전조건에는 변화가 없더라도 배기가스 온도가 기준 온도 이하로 내려가면 증가된 EGR 밸브(450)의 개도량을 엔진 운전조건에 따라 산정된 EGR 밸브(450)의 개도량으로 줄일 수 있다.
이때, 기준 온도는 배기라인(320)을 구성하는 부품들의 재질에 따라 달라질 수 있는데, 일반적인 품질의 배기라인(320) 부품들에 대한 기준 온도는 700℃ 내지 850℃ 사이의 값일 수 있다. 일반적인 배기라인(320) 부품은 800℃부터 고온변태가 진행되며, 배기라인(320) 부품은 배기가스 온도보다 50℃ 정도 낮은 온도를 갖게 되므로, 배기가스 기준 온도는 최고 850℃일 수 있다. 그러나, 배기라인(320)의 내구성을 고려하면 배기가스 기준 온도는 이보다 100℃ 정도 낮은 750℃인 것이 바람직하고, 여기에 안전 마진을 고려하면 배기가스 기준 온도는 720℃ 정도인 것이 바람직하다.
한편, 예시적인 실시예에 따른 EGR 밸브 제어 방법은, EGR 밸브(450)의 개도량을 미리 설정된 증가량만큼 증가시키는 단계(S50) 이후, EGR 률을 산출하는 단계(S60), EGR 률이 기준 EGR 률을 초과하는지 여부를 판단하는 단계(S70), EGR 률이 기준 EGR 률을 초과하는 경우 EGR 밸브(450)의 개도량을 감소시키는 단계(S80)를 더 포함할 수 있다. EGR 률(rate)이 높을수록 배기가스의 온도를 낮추는 데는 유리하나 엔진의 연소 효율에는 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. EGR 밸브(450)의 개도량을 미리 설정된 증가량만큼 증가시키는 단계(S50) 이후의 이 부가적인 단계(S60, S70, S80)에 의해 지나치게 큰 EGR 률에 의해 엔진에서 불완전 연소가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
제어부(700)의 제어 신호에 의해 EGR 밸브(450)가 제어되면(S60) 재순환되는 배기가스의 양 및 흡기라인(310)을 통해 유입되는 신기의 양이 결정되고, 이에 따라 해당 EGR 밸브(450)의 개도량에 의한 EGR 률이 산출될 수 있다. EGR 률은 다음과 같은 식에 의해 산출될 수 있다.
EGR 률 = 재순환 배기가스의 양/연소실로 유입되는 공기의 양
= 재순환 배기가스의 양/(재순환 배기가스의 양 + 신기의 양)
여기서, 재순환 배기가스의 양은 EGR 유량센서(420)에 의해 측정될 수 있고, 신기의 양은 신기 유량센서(660)에 의해 측정될 수 있다. 한편, EGR 률을 산출하기 위하여 재순환 배기가스의 양 및 신기의 양을 유량 센서를 이용하여 직접 측정하는 방법 외에, 배기가스 및 신기의 온도 및 압력을 이용하여 계산에 의해 간접적으로 재순환 배기가스의 양 및 신기의 양을 도출할 수도 있다.
EGR 률이 산출되면 이를 기 설정된 기준 EGR 률과 비교하여 EGR 률이 기준 EGR 률을 초과하는지 여부를 판단한다(S70). 만약, EGR 률이 기준 EGR 률을 초과하는 경우에는 엔진에서 불완전 연소가 발생할 가능성이 높기 때문에, EGR 밸브(450)의 개도량을 감소시킨다(S80). EGR 밸브(450)의 개도량을 감소시킨 후 EGR 률을 다시 산출하여(S60) 이를 기준 EGR 률과 비교한 후(S70), EGR 률이 기준 EGR 률보다 큰 경우 다시 EGR 밸브(450)의 개도량을 감소시킨다(S80). 이와 같이 EGR 률이 기준 EGR 률 이하가 될 때까지 상기의 과정을 반복할 수 있다. 이때, 기준 EGR 률은 20% 내지 30%의 범위의 값, 예컨대 25%일 수 있다. 그러나, 기준 EGR 률은 엔진의 특성에 따라 25%와는 다른 다양한 값을 가질 수 있다.
한편, 산출된 EGR 률이 기준 EGR 률 이하일 경우에는, 엔진 운전조건에 따라 배기라인에서 흡기라인으로 보내는 배기가스의 양을 산정하는 단계(S10)로 돌아가서 상기의 과정을 반복하여 실시할 수 있다.
상기와 같이 예시적인 실시예에 따른 EGR 밸브 제어 방법은 개루프 제어 시스템으로 이루어지고, 배기가스 온도가 기준 온도를 초과할 때만 EGR 밸브(450)의 개도량을 보정해주도록 구성된다. 배기가스 온도는 배기가스 온도 센서에 의해 측정될 수 있으므로, 추가적인 별도의 센서를 구비할 필요가 없으므로 제조 비용을 낮출 수 있고 엔진 시스템의 구조가 간단해진다.
CNG 엔진, 특히 이론 공연비 CNG 엔진은 EGR 제어에 있어서 EGR률을 정확하게 제어하는 것보다는 EGR을 통해 배기가스의 온도가 기준치 이상으로 상승하는 것을 막는 것이 더 중요하다. 따라서, 예시적인 실시예와 같은 개루프 제어 시스템에 의해서도 이론 공연비 CNG 엔진의 성능을 크게 해치지 않으면서도 배기가스의 온도가 기준치 이상으로 상승하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 EGR 밸브의 개도량을 조절하는 제어부를 포함하는 엔진 및 엔진의 EGR 밸브 제어 방법은 추가적인 센서를 장착할 필요 없이 일반적으로 차량에 기본적으로 장착되어 있는 배기가스 온도 센서를 이용하여 EGR 밸브의 개도량을 조절하여 배기가스의 온도를 적절하게 제어하는데 사용할 수 있다.

Claims (14)

  1. 연소실;
    상기 연소실에 공기를 공급하는 흡기라인;
    상기 연소실로부터 배출되는 배기가스를 배출하는 배기라인;
    상기 배기라인을 통해 배출되는 배기가스의 일부를 상기 흡기라인으로 보내기 위한 재순환라인;
    상기 연소실로부터 배출되는 배기가스의 온도를 측정하는 배기가스 온도 측정장치;
    상기 재순환라인을 통과하는 배기가스의 양을 조절하는 EGR 밸브; 및
    엔진 운전조건에 따라 상기 재순환라인을 통과하는 배기가스의 양을 산정하여 상기 EGR 밸브를 제1 EGR 밸브 개도량이 되도록 조절하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 배기가스 온도 측정장치에 의해 측정된 배기가스의 온도가 미리 설정된 기준 온도를 초과하는 경우 상기 EGR 밸브가 상기 제1 EGR 밸브 개도량에서 미리 설정된 증가량 만큼 증가된 제2 EGR 밸브 개도량이 되도록 조절하는 것을 특징으로 하는 EGR 밸브의 개도량을 조절하는 제어부를 포함하는 엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엔진은 압축천연가스를 연료로 사용하는 것을 특징으로 하는 EGR 밸브의 개도량을 조절하는 제어부를 포함하는 엔진.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 운전조건은 엔진 부하 및 엔진 회전속도를 포함하는 것을 특징으로 하는 EGR 밸브의 개도량을 조절하는 제어부를 포함하는 엔진.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배기가스 온도 측정장치에 의해 측정된 배기가스의 온도가 상기 기준 온도 이하로 내려가는 경우 증가된 상기 EGR 밸브의 개도량을 상기 제2 EGR 밸브 개도량에서 상기 제1 EGR 밸브 개도량으로 줄이는 것을 특징으로 하는 EGR 밸브의 개도량을 조절하는 제어부를 포함하는 엔진.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 엔진 운전조건에 따라 산정된 상기 EGR 밸브의 개도량 값에 따라서 상기 증가량을 다르게 설정하는 것을 특징으로 하는 EGR 밸브의 개도량을 조절하는 제어부를 포함하는 엔진.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기준 온도는 700℃ 내지 850℃의 범위의 값인 것을 특징으로 하는 EGR 밸브의 개도량을 조절하는 제어부를 포함하는 엔진.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제2 EGR 밸브 개도량으로 조절된 상태에서 EGR 률이 기 설정된 기준 EGR 률 이하가 되도록 상기 EGR 밸브 개도량을 조절하는 것을 특징으로 하는 EGR 밸브의 개도량을 조절하는 제어부를 포함하는 엔진.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기준 EGR 률은 20% 내지 30%의 범위의 값인 것을 특징으로 하는 EGR 밸브의 개도량을 조절하는 제어부를 포함하는 엔진.
  9. 엔진 운전조건에 따라 배기라인에서 흡기라인으로 보내는 배기가스의 양을 산정하는 단계;
    상기 산정된 배기가스의 양에 따라 EGR 밸브의 개도량을 조절하는 단계;
    상기 연소실로부터 배출되는 배기가스의 온도를 측정하는 단계; 및
    상기 연소실로부터 배출되는 배기가스의 온도가 미리 설정된 기준 온도를 초과하는 경우 상기 EGR 밸브의 개도량을 미리 설정된 증가량만큼 증가시키는 단계
    를 포함하는 엔진의 EGR 밸브 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 운전조건은 엔진 부하 및 엔진 회전속도를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진의 EGR 밸브 제어 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 EGR 밸브의 개도량을 미리 설정된 증가량만큼 증가시키는 단계는 상기 엔진 운전조건에 따라 산정된 상기 EGR 밸브의 개도량 값에 따라서 상기 증가량을 다르게 설정하는 것을 특징으로 하는 엔진의 EGR 밸브 제어 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 기준 온도는 700℃ 내지 850℃의 범위의 값인 것을 특징으로 하는 엔진의 EGR 밸브 제어 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 엔진의 EGR 밸브 제어 방법은,
    EGR 률을 산출하는 단계;
    상기 EGR 률이 기준 EGR 률을 초과하는지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 EGR 률이 상기 기준 EGR 률을 초과하는 경우 상기 EGR 밸브의 개도량을 감소시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진의 EGR 밸브 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 기준 EGR 률은 20% 내지 30%의 범위의 값인 것을 특징으로 하는 엔진의 EGR 밸브 제어 방법.
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