ENGINE INCLUDING CONTROL UNIT FOR REGULATING OPENING DEGREE OF EGR VALVE, AND METHOD FOR CONTROLLING EGR VALVE OF ENGINE

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.